專利名稱：基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本項發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體腔鏡面制備方法，尤其是一種可用于半導(dǎo)體激光二極管、波導(dǎo)及其集成光路的可集成化的腔鏡面制備方法。特別是可用于解決GaN基激光二極管腔鏡面制備及其集成化難點的一種先進的制備方法。本發(fā)明涉及一種由至少有一個基于聚焦離子束技術(shù)的一維光子晶體的腔鏡面組成的半導(dǎo)體激光器，及其制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光二極管(LD)是一種小型便捷的固體激光光源，在光通信、光存儲(VCD、DVD)等信息技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛采用。也是光電集成回路中重要的有源器件。
波長為0.4微米的GaN基藍紫光激光二極管(LD)是發(fā)展信息科技領(lǐng)域下一代DVD超高密度大容量光存取技術(shù)的關(guān)鍵性器件——光源，可使DVD存儲容量比用現(xiàn)有紅光LD光源的光盤增至4-5倍；同時，在高清晰度激光印刷，全息照相，大屏幕電視和全彩色圖象顯示，醫(yī)療診斷，海底通訊等方面也有廣闊的應(yīng)用前景。GaN基激光器已成為目前世界各主要國家的研究和發(fā)展的熱點和目標產(chǎn)品。
迄今多數(shù)和最好的GaN基激光器(LD)都是在晶格嚴重失配的藍寶石上用MOCVD生長的外延片制成的。除了解決外延生長外，諧振腔鏡面是制備LD至關(guān)重要的關(guān)鍵和難點。但是由于GaN基材料系以下方面的原因(1)與藍寶石襯底有高達14％的嚴重晶格失配，外延膜生長面與襯底晶面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，難以制作理想的GaN自然解理的腔鏡面；(2)具有較低的折射率，即使是完美晶體的GaN自然解理腔鏡面，其反射率也不能滿足激光器要求；(3)發(fā)光波長短，對腔鏡面平整度的要求更為苛刻。
因此GaN基激光器諧振腔鏡面的制備難度大，難于用傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器通用的簡單的晶體自然解理方法實現(xiàn)。國際上目前常用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)、CAIBE(化學(xué)輔助離子束刻蝕)等干法刻蝕技術(shù)或?qū)⒁r底剝離后解理等方法獲得GaN基諧振腔鏡面，以此為基礎(chǔ)再在腔鏡面上進行多層膜的蒸鍍，以提高反射率。上述方法的共同特點是工藝技術(shù)繁復(fù)，制備工序多而周期長，更難以實現(xiàn)短腔長激光器及其集成光路中的激光腔鏡面。
發(fā)明內(nèi)容
針對GaN基激光器諧振腔鏡面的制備難點，本項發(fā)明提出一種基于光子晶體的新型的適于研制GaN腔鏡面的結(jié)構(gòu)和方法。即，提出一種由深度刻蝕半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)形成半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體結(jié)構(gòu)和方法，采用先進的直寫式聚焦離子束(FIB)亞微米微加工技術(shù)和簡化的工藝步驟，制作出半導(dǎo)體激光器的諧振腔鏡面。
本發(fā)明采用聚焦離子束(FIB)技術(shù)制作布拉格組合為3λ/4(空氣)和5λ/4(GaN)的一維光子晶體實現(xiàn)GaN基激光器諧振腔鏡面，是目前已報道的FIB制備的周期最短的深刻蝕的GaN布拉格光柵即一維光子晶體，尚屬首次，因此綜合材料系對象、制備工藝技術(shù)以及一維光子晶體布拉格反射器組合諸方面均具有新穎性和創(chuàng)造性。
本發(fā)明的目的是提出一種具有新型諧振腔鏡面的制備工序簡單的GaN基激光二極管，以及制備這種半導(dǎo)體腔鏡面的方法。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管芯片的外延多層結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的“分別限制”結(jié)構(gòu)，由金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長而成。其發(fā)光的有源層由多量子阱組成，有源層依次夾在上下波導(dǎo)層、限制層和P型N型電流注入層的中間。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管，具有邊發(fā)射結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管分別具有正負兩個電注入接點區(qū)域。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管，其發(fā)光區(qū)為條形結(jié)構(gòu)。所述條形結(jié)構(gòu)可以是以下兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的任意一種，第一種為增益波導(dǎo)如氧化條形結(jié)構(gòu)；第二種為折射率波導(dǎo)脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。條形的寬度為1至20微米或更寬。通過常規(guī)的半導(dǎo)體微加工工藝制作出分立管芯的芯片。本發(fā)明也同樣使用其它類型、其它材料系的邊發(fā)射結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管在邊發(fā)射條形結(jié)構(gòu)的兩端面制作出前后兩個諧振腔鏡面。本發(fā)明制備半導(dǎo)體激光二極管的腔鏡面至少有一個由聚焦離子束刻蝕一維光子晶體加工而成。所述的一維光子晶體為半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體。
所述聚焦離子束制備的激光二極管諧振腔有三種，第一種為前后腔鏡面均由聚焦離子束刻蝕加工一維光子晶體的制備方法；第二種制備方法為后腔鏡面由聚焦離子束刻蝕加工成一維光子晶體反射鏡，前腔鏡保持傳統(tǒng)的激光二極管腔鏡面即采用自然解理或干法刻蝕腔鏡面的制備方法。
第三種制備方法為后腔鏡面由聚焦離子束刻蝕加工成一維光子晶體反射鏡，而前端面諧振腔鏡由聚焦離子束刻蝕加工成拋光的腔鏡面。
本發(fā)明以先進的聚焦離子束刻蝕技術(shù)工藝一次性代替了傳統(tǒng)的自然腔鏡面的解理和多層介質(zhì)薄膜的蒸鍍等多次步驟，得到具有高反射率鏡面的諧振腔結(jié)構(gòu)。既得到了較高反射率的鏡面又簡化了工藝步驟。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細地說明圖1現(xiàn)有氮化物基激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明氮化物基激光二極管腔鏡面示意圖，其中圖2a為前后腔鏡面均為一維光子晶體腔鏡面示意圖；圖2b為后腔鏡面是一維光子晶體反射鏡，前腔鏡保持傳統(tǒng)的激光二極管腔鏡面，即采用自然解理或干法刻蝕腔鏡面腔鏡面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2c為后腔鏡面是一維光子晶體反射鏡，前端面諧振腔鏡由聚焦離子束刻蝕加工成拋光的腔鏡面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3氮化鎵基腔鏡面反射率隨波長的變化實驗測量結(jié)果比較。
圖中各附圖標記對應(yīng)的名稱分別為1—藍寶石襯底，2—GaN緩沖層，3—n型GaN，4—n型AlGaN/GaN超晶格限制層，5—n型GaN波導(dǎo)層，6-InGaN/GaN多量子阱有源層，7—p型AlGaN電子阻擋層，8—p型GaN波導(dǎo)層，9—p型AlGaN/GaN超晶格限制層，10—p型GaN歐姆接觸層，11—p型歐姆接觸電極，12—n型歐姆接觸電極，13—解理鏡面，14—一維光子晶體腔鏡面，14a—一維光子晶體前端腔鏡面，14b—一維光子晶體后端腔鏡面，15—自然解理或干法刻蝕制備出的腔鏡面，16—聚焦離子束拋光的前端腔鏡面。
最佳實施例詳細描述下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細的描述出本發(fā)明的最佳實施例。
本發(fā)明提出了一種具有新型諧振腔鏡面的制備工序簡單的GaN基激光二極管，以及制備這種半導(dǎo)體腔鏡面的結(jié)構(gòu)和方法。
如圖1所示為現(xiàn)有氮化物基激光二極管結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管芯片的外延多層結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的“分別限制”結(jié)構(gòu)，由金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)生長而成。其發(fā)光的有源層由多量子阱組成，有源層依次夾在上下波導(dǎo)層、限制層和P型N型電流注入層的中間。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管，具有邊發(fā)射結(jié)構(gòu)，并且分別具有正負兩個電注入接點區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管，其發(fā)光區(qū)為條形結(jié)構(gòu)。所述條形結(jié)構(gòu)可以是以下兩種常用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的任意一種，第一種為增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；第二種為折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或脊條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。增益波導(dǎo)指通過在器件上形成絕緣介質(zhì)或高阻區(qū)，比如沉積一層氧化膜，通過絕緣區(qū)之間一定寬度的條形窗口將電流注入到激光二極管。而折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)則制成一種脊型光波導(dǎo)，使電流從脊形窄條頂部注入到激光二極管。條形的寬度為1至20微米或更寬。通過常規(guī)的半導(dǎo)體微加工工藝制作出分立管芯的芯片。本發(fā)明同樣也可以使用其它類型和材料系的邊發(fā)射結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管在邊發(fā)射條形結(jié)構(gòu)的兩端面制作出前后兩個諧振腔鏡面。兩個腔鏡面至少有一個由聚焦離子束刻蝕一維光子晶體加工而成，所述的一維光子晶體為半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體。光子晶體是折射率或介電常數(shù)在波長尺度范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化從而可產(chǎn)生光子帶隙的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，僅在一維空間內(nèi)發(fā)生變化的即為一維光子晶體。人們所熟知的多層介質(zhì)膜布拉格反射鏡面是最簡單的一維光子晶體的實例。
如圖2所示為本發(fā)明氮化物基激光二極管腔鏡面示意圖，所述聚焦離子束制備的激光二極管諧振腔有三種，第一種為前后腔鏡面均由聚焦離子束刻蝕加工一維光子晶體結(jié)構(gòu)，如圖2a所示，制備方法的步驟包括1)首先研制出傳統(tǒng)的條形或脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光二極管，包括a)生長出激光二極管外延基片；
b)在基片上進行p電極歐姆接觸多層膜淀積；c)按照版圖進行光刻；d)干法刻蝕P區(qū)臺面；刻蝕深度達到n型區(qū)；e)SiO2薄膜淀積；f)n電極的光刻，開電極接觸窗口g)電極多層膜淀積，可根據(jù)需要進行n電極多層膜淀積或剝離法n電極多層膜淀積；h)合金化，得到半導(dǎo)體激光二極管。
2)計算和設(shè)計具有一維光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/空氣分布布拉格(DBR)反射鏡的具體尺寸和容差要求；其中空氣(即刻蝕溝槽)和半導(dǎo)體的寬度由公式mλ/4n確定，m為奇數(shù)(1，3，5)，λ為發(fā)光波長，n為空氣或半導(dǎo)體激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率。容差要求則根據(jù)所要求的反射率要求用通用的傳統(tǒng)的求的。
3)聚焦離子束(FIB)進行半導(dǎo)體/空氣分布布拉格(DBR)反射鏡的刻蝕。選擇聚焦離子束的加速電壓，一般固定為30kV，選擇聚焦離子束的束流，一般為1pA-300pA，利用聚焦離子束系統(tǒng)的圖形控制軟件和操作系統(tǒng)將聚焦的離子束直接在激光器端面項部掃描出待刻蝕的溝槽結(jié)構(gòu)，具體的刻蝕參數(shù)視待刻蝕的材料和根據(jù)步驟2)中計算所要求刻蝕的精度而定，刻蝕深度由激光二極管外延結(jié)構(gòu)決定，以深達n區(qū)限制層以下為宜，而布拉格結(jié)構(gòu)的周期取3-5個即可。
如圖2b所示為第二種結(jié)構(gòu)示意圖，即后腔鏡面由聚焦離子束刻蝕加工成一維光子晶體反射鏡，前腔鏡保持傳統(tǒng)的激光二極管腔鏡面即采用自然解理或干法刻蝕制備出腔鏡面。其中一維光子晶體反射鏡同第一種方法中的步驟。
如圖2c所示為第三種制備方法的腔鏡面結(jié)構(gòu)示意圖，即后腔鏡面由聚焦離子束刻蝕加工成一維光子晶體反射鏡，而前端面諧振腔鏡由聚焦離子束刻蝕加工成拋光的腔鏡面。其中一維光子晶體反射鏡同第一種方法中的步驟。
本發(fā)明的原理及積極效果分析傳統(tǒng)的半導(dǎo)體(如GaAs或InP基材料系)邊發(fā)射激光器的諧振腔鏡面一般由自然解理面組成。但是其反射率取決于半導(dǎo)體材料的折射率，這樣，GaAs或InP基的自然解理鏡面反射率極限值為30％，而GaN基僅為18％。為此，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體邊發(fā)射激光器制備工藝中一般采用先制備出自然解理的諧振腔鏡面，再通過蒸鍍多層介質(zhì)薄膜來提高鏡面的反射率，這樣的制備方法步驟多，工藝繁復(fù)，而且只能制備分立的激光器，無法實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的光集成。
光子晶體是折射率在波長尺度范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化從而可產(chǎn)生光子帶隙的具有微結(jié)構(gòu)的材料。理論和實驗證實，光子晶體可操縱光波成為制造新型光學(xué)元件的引人注目的結(jié)構(gòu)。比如可用于獲得微型高反射鏡、微型波導(dǎo)、微腔激光器及濾波器等。
圖3氮化鎵基腔鏡面反射率隨波長的變化實驗測量結(jié)果比較圖，根據(jù)光子晶體原理，在半導(dǎo)體激光二極管的端面用微加工技術(shù)形成半導(dǎo)體/空氣交替結(jié)構(gòu)的一維周期性光子晶體，理論上，采用有限個周期數(shù)(3-5個)就可獲得反射率高達90％的諧振腔鏡面。我們的實驗證明，三個周期深刻蝕的GaN/空氣交替結(jié)構(gòu)的一維光子晶體，其反射率可達60％，是解理鏡面的3倍。
本發(fā)明的主要優(yōu)點本發(fā)明以先進的聚焦離子束刻蝕技術(shù)工藝一次性代替了傳統(tǒng)的自然腔鏡面的解理和多層介質(zhì)薄膜的蒸鍍多次步驟，得到高反射率的諧振腔鏡面。既得到了較高反射率的鏡面又簡化了工藝步驟。具體而言(1)制備方法簡單易行。一次完成了多個步驟所需達到的效果，簡化了工藝步驟；(2)尤其是解決了藍寶石襯底上生長的GaN基激光器的諧振腔鏡面制作的難點；(3)可用于制作GaN基激光器的集成光路；(4)本發(fā)明的構(gòu)思和方法不僅適用于GaN基激光二極管，而且也可用于其它各種波段和材料系的半導(dǎo)體激光二極管特別是短腔長激光二極管及其集成光路的制作、研究和生產(chǎn)。
因此本發(fā)明為研制發(fā)展半導(dǎo)體激光二極管開辟了新的思路，提出了一種改善激光器腔鏡面，實現(xiàn)半導(dǎo)體激光二極管的光集成的工藝步驟簡單的先進的新方法，可應(yīng)用于各種半導(dǎo)體激光二極管的制造，促進帶有半導(dǎo)體激光器光源的集成光路特別是未來GaN基激光器集成光路技術(shù)的發(fā)展。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光二極管邊發(fā)射條形結(jié)構(gòu)的兩端面有前后兩個諧振腔鏡面，其特征在于兩個腔鏡面中至少有一個為聚焦離子束刻蝕一維光子晶體結(jié)構(gòu)；所述的一維光子晶體結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體；另外一個腔鏡面采用自然解理腔鏡面或干法刻蝕制備的腔鏡面，或者是由聚焦離子束刻蝕加工成拋光的腔鏡面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述一維光子晶體為僅在一維空間內(nèi)，折射率或介電常數(shù)在波長尺度范圍內(nèi)發(fā)生周期性變化從而可產(chǎn)生光子帶隙的介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光二極管，具有邊發(fā)射結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光二極管分別具有正負兩個電注入接點區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光二極管，其發(fā)光區(qū)為條形結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述條形結(jié)構(gòu)為增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或者條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的一種，或者折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或脊條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光二極管的外延多層結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的“分別限制”結(jié)構(gòu)，其發(fā)光的有源層由多量子阱組成，有源層依次夾在上下波導(dǎo)層、限制層和P型N型電流注入層的中間。
8.一種基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)的制備方法，具體包括以下步驟首先在半導(dǎo)體激光二極管邊發(fā)射條形結(jié)構(gòu)的兩端面制備有前后兩個諧振腔鏡面；將其中至少一個諧振腔鏡面采用聚焦離子束刻蝕技術(shù)，制備成一維光子晶體結(jié)構(gòu)；所述的一維光子晶體結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體；另外一個腔鏡面采用自然解理腔鏡或干法刻蝕制備得到，或者采用聚焦離子束刻蝕加工成拋光得到腔鏡面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于一維光子晶體的腔結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，一維光子晶體結(jié)構(gòu)的具體制備方法包括以下步驟首先制備出傳統(tǒng)的條形或脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光二極管；計算和設(shè)計具出有一維光子晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/空氣分布布拉格反射鏡的具體尺寸和容差要求；采用聚焦離子束技術(shù)進行半導(dǎo)體/空氣分布布拉格反射鏡的刻蝕。
全文摘要
本項發(fā)明提出一種基于光子晶體的新型的適于研制GaN腔鏡面的結(jié)構(gòu)和方法。本發(fā)明采用深度刻蝕半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)形成半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體結(jié)構(gòu)，采用先進的直寫式聚焦離子束(FIB)亞微米微加工技術(shù)和簡化的工藝步驟，制作出半導(dǎo)體激光器的諧振腔鏡面。本發(fā)明制備半導(dǎo)體激光二極管的腔鏡面至少有一個由聚焦離子束刻蝕一維光子晶體加工而成。所述的一維光子晶體為半導(dǎo)體與空氣交替變化的一維周期性光子晶體。另外一個腔鏡面采用自然解理腔鏡面或干法刻蝕制備的腔鏡面，或者是由聚焦離子束刻蝕加工成拋光的腔鏡面。
文檔編號H01S5/22GK1829014SQ200510011368
公開日2006年9月6日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者章蓓, 徐軍, 張振生 申請人:北京大學(xué)