專利名稱：表面發(fā)射激光器、其制造方法和圖像形成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面發(fā)射激光器、表面發(fā)射激光器的制造方法和圖像形成裝置。
背景技術(shù)：
垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)是能夠沿與基板表面垂直的方向發(fā)光的表面發(fā) 射激光器，并具有可容易地形成二維陣列的特征?？赏ㄟ^對從二維陣列發(fā)射的多個光束的并行處理實現(xiàn)高密度化和高速化，并且， 可以期望諸如光學(xué)通信的各種工業(yè)應(yīng)用。例如，當(dāng)表面發(fā)射激光器陣列被用作電子照相打 印機的曝光光源時，可在通過使用多個光束形成圖像的步驟中實現(xiàn)高密度化和高速動作。在這種電子照相應(yīng)用中，必須在感光鼓上穩(wěn)定地形成非常小的激光斑。因此，單一 橫向模式或單一縱向模式中的穩(wěn)定的動作是需要的VCSEL的激光特性中的一種。在諸如上面提到的VCSEL的表面發(fā)射激光器中，已開發(fā)了通過使用選擇性氧化技 術(shù)形成電流限制結(jié)構(gòu)的方法，使得電流可被選擇性注入實現(xiàn)高性能所需要的區(qū)域中。在該方法，具有高的鋁(Al)成分比的AlGaAs層(例如，Ala98Gaatl2As)被設(shè)置在多 層反射鏡中，并且，該AlGaAs層在高溫水蒸氣氣氛中被選擇性氧化，以形成電流限制結(jié)構(gòu)。 由于被氧化區(qū)域從導(dǎo)電區(qū)域變?yōu)榻^緣區(qū)域，因此，電流可被選擇性注入活性層區(qū)域的希望 的位置中。為了在這種選擇性氧化類型VCSEL中實現(xiàn)高的輸出，必須增加用作電流限制結(jié)構(gòu) 的導(dǎo)電區(qū)域的孔口(aperture)的直徑。但是，攜帶電流的載流子的分布集中于孔口的邊緣 部分上，該邊緣部分為導(dǎo)電區(qū)域和絕緣區(qū)域之間的邊界。因此，當(dāng)增加孔口的直徑時，在邊 緣部分中具有大的光強度分布的高次橫向模式趨于振蕩。為了解決該問題，H.J. Unold et al.在“Large-Area Single-Mode Selectively Oxidized VCSELs :Approaches and Experimental，，，Proceedings of SPIE Photon, West, Vol. 3946, (2000)，pp. 207 218 (以下，稱為“非專利文獻1 ” )中公開了使用兩個電流限 制結(jié)構(gòu)的方法。非專利文獻1的圖10(b)在這里被再現(xiàn)為圖12。在非專利文獻1的使用兩個電流限制結(jié)構(gòu)的方法中，電流限制結(jié)構(gòu)1230被布置在 遠離活性層的側(cè)，該電流限制結(jié)構(gòu)1230具有比接近活性層1210設(shè)置的另一電流限制結(jié)構(gòu) 1220的孔口直徑小的孔口直徑。通過該結(jié)構(gòu)，載流子集中于較接近活性層1210地設(shè)置的電 流限制結(jié)構(gòu)1220中的孔口的中心部分上。設(shè)置為較接近活性層1210的電流限制結(jié)構(gòu)1220 主導(dǎo)共振光的模式。因此，當(dāng)載流子被注入孔口的中心部分中時，可增加載流子和基本模式 光之間的耦合效率。類似地，當(dāng)使用兩個電流限制結(jié)構(gòu)時，與使用一個電流限制結(jié)構(gòu)的情況 相比，可以抑制高次模式中的振蕩，并且，可以獲得高輸出的表面發(fā)射激光器。為了實現(xiàn)單一橫向模式，必須在載流子和基本模式光之間執(zhí)行有效的耦合。出 于這種目的，在非專利文獻1公開的設(shè)置兩個電流限制結(jié)構(gòu)的技術(shù)中，設(shè)置在遠離活性層 1210的側(cè)的電流限制結(jié)構(gòu)1230的孔口直徑必須比設(shè)置在接近活性層1210的側(cè)的電流限制 結(jié)構(gòu)1220的孔口直徑小。
例如，當(dāng)被設(shè)置在接近活性層1210的側(cè)的電流限制結(jié)構(gòu)1220的孔口直徑的范圍 為6 μ m 7 μ m時，被設(shè)置在遠離活性層1210的側(cè)的電流限制結(jié)構(gòu)1230的孔口直徑為電 流限制結(jié)構(gòu)1220的孔口直徑的約一半，S卩，為約3 μ m 4 μ m的范圍。在非專利文獻1描述的正常臺面結(jié)構(gòu)中，在具有小直徑的氧化電流限制結(jié)構(gòu)的制 備中，必須沿橫向在長距離上從臺面的側(cè)壁執(zhí)行氧化。相反，具有大直徑的氧化電流限制結(jié) 構(gòu)的制備需要沿橫向從臺面的側(cè)壁的氧化，但是僅是在短距離上的氧化。但是，根據(jù)經(jīng)驗的事實，隨著氧化距離的增加，變得難以控制氧化過程并且氧化距 離不與設(shè)計值匹配的可能性增加，從而導(dǎo)致產(chǎn)量的降低。另外，當(dāng)氧化距離增加時，得到的 氧化層趨于在退火處理中或在電流注入中從相鄰的半導(dǎo)體層分離，從而導(dǎo)致得到的器件的 可靠性的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供包括多個制備誤差小并且可保證器件的可靠性的電流限制結(jié)構(gòu)的表 面發(fā)射激光器及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的實施例的表面發(fā)射激光器包括基板、下部多層反射鏡、活性層和上 部多層反射鏡，下部多層反射鏡、活性層和上部多層反射鏡被依次設(shè)置在基板上。表面發(fā)射 激光器還包括包含第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域、并被設(shè)置在構(gòu)成上部多層反射鏡的層 之間或者上部多層反射鏡和活性層之間的第一電流限制層；包含第二導(dǎo)電區(qū)域和第二絕緣 區(qū)域、并被設(shè)置在比第一電流限制層更接近活性層的位置上的第二電流限制層；用于形成 第一絕緣區(qū)域的第一溝槽結(jié)構(gòu)，該第一溝槽結(jié)構(gòu)從上部多層反射鏡的頂部向基板延伸；和 用于形成第二絕緣區(qū)域的第二溝槽結(jié)構(gòu)，該第二溝槽結(jié)構(gòu)從上部多層反射鏡的頂部向基板 延伸以包圍第一溝槽結(jié)構(gòu)、并具有位置比第一溝槽結(jié)構(gòu)的底部深的底部。在表面發(fā)射激光 器中，第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域之間的邊界沿基板的面內(nèi)方向被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域 內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供制備誤差小并且可保證器件的可靠性的包括多個電流限制 結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射激光器及其制造方法。通過參照附圖閱讀示例性實施例的以下說明，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。


圖IA和圖IB是分別表示根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器的示意圖。圖2是表示根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器的示意圖。圖3A 3F是分別表示根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器的制造方法的示意圖。圖4G 4L是分別表示根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器的制造方法的示意圖。圖5M 5P是分別表示根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器的制造方法的示意圖。圖6是用作用于解釋第一實施例的特征的參考的視圖。圖7A和圖7B是分別表示根據(jù)第二實施例的表面發(fā)射激光器的示意圖。圖8A和圖8B是分別表示根據(jù)第三實施例的表面發(fā)射激光器的示意圖。圖9A 9F是分別表示根據(jù)第三實施例的表面發(fā)射激光器的制造方法的示意圖。圖IOA IOB是分別表示根據(jù)第四實施例的圖像形成裝置的示意圖。
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圖11是用于解釋第一實施例的特征的曲線圖。圖12包含示出現(xiàn)有技術(shù)的曲線圖和視圖。
具體實施例方式第一實施例圖IA是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的表面發(fā)射激光器100的示意性截面圖，圖IB 是表面發(fā)射激光器100的示意性頂視圖。具體而言，圖IA是沿圖IB中的線IA-IA切取的 截面圖。下部多層反射鏡120、下部間隔件層130、活性層140、上部間隔件層150和上部多 層反射鏡160依次被層疊于基板110上，以沿與基板表面垂直的方向形成激光器腔。載流 子(依賴于摻雜類型的電子或空穴)從設(shè)置在上部多層反射鏡160上的上部電極170和設(shè) 置在基板110下面的下部電極180被注入到活性層140中?；钚詫?40發(fā)光，由此導(dǎo)致表 面發(fā)射激光器100的振蕩。第一電流限制層210被設(shè)置在上部多層反射鏡160中。第一電流限制層210包含 第一導(dǎo)電區(qū)域212和第一絕緣區(qū)域214和215，并且具有將電流注入到活性層140的中心部 分中的功能。第二電流限制層220被設(shè)置在比第一電流限制層210接近活性層140的位置處。 例如，第二電流限制層220被設(shè)置在第一電流限制層210和活性層140之間。第二電流限 制層220包含第二導(dǎo)電區(qū)域222和第二絕緣區(qū)域224，并且具有主導(dǎo)共振光的模式的功能。在本實施例中，第一電流限制層210和第二電流限制層220被設(shè)置在活性層140 之上。作為替代方案，第二電流限制層220可被設(shè)置在活性層140下面。在本實施例中，第 一電流限制層210被設(shè)置在上部多層反射鏡160中，但是，第一電流限制層210不必然需要 被設(shè)置在上部多層反射鏡160中。另外，應(yīng)當(dāng)注意，在本說明書中使用的“第一”和“第二” 層的命名法僅是出于方便的目的。只要存在至少兩個限制層(兩個層位于活性層的同一 側(cè)，或者，活性層的每一側(cè)有一層)，層的命名次序是無關(guān)緊要的。第一溝槽結(jié)構(gòu)230從上部多層反射鏡160的頂面至少延伸到第一電流限制層210 的頂面，但是，不到達第二電流限制層220的頂面。換句話說，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的底部位 于第二電流限制層220的緊接上方，但是不到達第二電流限制層220的頂面。在第一約束 層210中，面向第一溝槽結(jié)構(gòu)230的半導(dǎo)體層從第一溝槽結(jié)構(gòu)230的內(nèi)側(cè)壁向著其中心被 氧化，以形成第一絕緣區(qū)域214。類似地，在第一約束層210中，包含于第一溝槽結(jié)構(gòu)230和 第二溝槽結(jié)構(gòu)240之間的半導(dǎo)體層從第一溝槽結(jié)構(gòu)230的外側(cè)壁向著第二溝槽結(jié)構(gòu)240的 內(nèi)側(cè)壁被氧化，以形成第一絕緣區(qū)域215。應(yīng)當(dāng)注意，隨著第一溝槽結(jié)構(gòu)230從上部多層反 射鏡160的頂面延伸，它可停在第一電流限制層210的中心，或者，它可貫穿第一電流限制 層210，但是它不到達第二電流限制層220的頂面。第二溝槽結(jié)構(gòu)240被設(shè)置，以從上部多層反射鏡160的頂面延伸并包圍第一溝槽 結(jié)構(gòu)230。換句話說，第二溝槽結(jié)構(gòu)240與第一溝槽結(jié)構(gòu)230同心。應(yīng)當(dāng)注意，隨著第二結(jié) 構(gòu)240從上部多層反射鏡160的頂面延伸，第二溝槽結(jié)構(gòu)240貫穿第一電流限制層210并且 至少到達第二電流限制層220的頂面。更具體而言，第二溝槽結(jié)構(gòu)240的底部位于比第一 溝槽結(jié)構(gòu)230的底部深的位置處。在第二電流限制層220中，面向第二溝槽結(jié)構(gòu)240的半導(dǎo)體層從第二溝槽結(jié)構(gòu)240的內(nèi)側(cè)壁向著其中心被氧化，以形成第二絕緣區(qū)域224。注意， 第二溝槽結(jié)構(gòu)240會停在第二電流限制層220的中心，或者會貫穿第二電流限制層220。如上所述，由于本實施例的表面發(fā)射激光器100包含第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝 槽結(jié)構(gòu)240，因此，上部多層反射鏡160存在于第二溝槽結(jié)構(gòu)240和第一溝槽結(jié)構(gòu)230之間。當(dāng)如圖IB所示的那樣從上面觀察該表面發(fā)射激光器100時，第一導(dǎo)電區(qū)域212的 尺寸比第二導(dǎo)電區(qū)域222的尺寸小，并且，第一導(dǎo)電區(qū)域212和第一絕緣區(qū)域214之間的邊 界存在于第二導(dǎo)電區(qū)域222內(nèi)。即，在第一實施例中，當(dāng)從上面觀察時，第一導(dǎo)電區(qū)域212 和第一絕緣區(qū)域214之間的邊界與第二導(dǎo)電區(qū)域222重疊。注意，這種狀態(tài)可被描述為“在沿基板110的面內(nèi)方向觀察時第一導(dǎo)電區(qū)域212和 第一絕緣區(qū)域214之間的邊界被布置在第二導(dǎo)電區(qū)域222內(nèi)”。在本實施例的第一電流限制層210內(nèi)，通過沿橫向從第一溝槽結(jié)構(gòu)230的側(cè)壁向 著其中心氧化預(yù)定的體積的第一電流限制層210，形成設(shè)置在第一導(dǎo)電區(qū)域212和第一溝 槽結(jié)構(gòu)230之間的第一絕緣區(qū)域214。通過沿橫向從第二溝槽結(jié)構(gòu)240的側(cè)壁向著第一溝 槽結(jié)構(gòu)230的側(cè)壁氧化第一電流限制層210的體積，形成被設(shè)置在第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第 二溝槽結(jié)構(gòu)240之間的第一絕緣區(qū)域215。相反，在非專利文獻1中，與構(gòu)成具有小孔口直徑的電流限制結(jié)構(gòu)的第一絕緣區(qū) 域214和215對應(yīng)的電流限制結(jié)構(gòu)1230或1220均從與第二溝槽結(jié)構(gòu)240對應(yīng)的臺面的側(cè)
壁被氧化。S卩，根據(jù)本發(fā)明的該實施例，第一溝槽結(jié)構(gòu)230被設(shè)置在第二溝槽結(jié)構(gòu)240的內(nèi)側(cè) 并與其分開，并且，通過使用該第一溝槽結(jié)構(gòu)230形成具有小孔口直徑的電流限制結(jié)構(gòu)。因 此，可以用比非專利文獻1中的氧化距離短得多的氧化距離形成用作孔口的第一導(dǎo)電區(qū)域 212。當(dāng)氧化距離短時，氧化時間也短。因此，不趨于蓄積由于氧化導(dǎo)致的反應(yīng)副產(chǎn)物。 例如，在AlGaAs層的氧化中，隨著氧化的進展，在例如氧化前沿(氧化區(qū)域(絕緣區(qū)域)和 未氧化區(qū)域(導(dǎo)電區(qū)域)之間的邊界)產(chǎn)生砷(As)殘留物。該砷(As)殘留物在退火處理 中或在電流注入中導(dǎo)致諸如升華的反應(yīng)，并且，這種反應(yīng)會導(dǎo)致對于得到的器件的損傷。例 如，它會導(dǎo)致氧化層的剝離。另一方面，在根據(jù)本實施例的結(jié)構(gòu)中，由于與在非專利文獻1中描述的技術(shù)相比 可以減小第一電流限制層210中的氧化距離，因此，可以抑制退火處理或電流注入中的器 件的劣化。注意，術(shù)語“氧化距離”指的是氧化前沿和對其露出從氧化前沿延伸的氧化區(qū)域的 溝槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁之間的最小距離。一般地，晶片中的氧化距離的變化和處理中的氧化距離的變化與氧化距離的長度 成比例。因此，在本實施例的可減小氧化距離的技術(shù)中，可以減小從設(shè)計值的變化，以提高 器件的制備中的產(chǎn)量?？紤]載流子分布和基本模式光的強度的分布之間的耦合，例如，第一導(dǎo)電區(qū)域212 的直徑優(yōu)選為第二導(dǎo)電區(qū)域222的直徑的約一半。為了控制各電流限制層中的氧化距離的 變化比例以使其均勻，第一電流限制層210的氧化距離優(yōu)選為第二電流限制層220的氧化
距離的約一半。
第一電流限制層210的電流密度比第二電流限制層220的電流密度高。因此，第 一電流限制層210的氧化距離優(yōu)選比第二電流限制層220的氧化距離短。在第一實施例的表面發(fā)射激光器100中，第二導(dǎo)電區(qū)域222基本上用作發(fā)光區(qū)域。 因此，如果第一溝槽結(jié)構(gòu)230沿基板110的面內(nèi)方向被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域222內(nèi)，那么激 光的共振模式遭受散射損失，從而導(dǎo)致振蕩閾值的增加。出于這種原因，第一溝槽結(jié)構(gòu)230 優(yōu)選沿基板110的面內(nèi)方向被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域222的外側(cè)。換句話說，當(dāng)沿基板110 的面內(nèi)方向觀察時，第一溝槽結(jié)構(gòu)230被布置在第二導(dǎo)電區(qū)域222的外側(cè)。下面，將描述根據(jù)本實施例的表面發(fā)射激光器的具體結(jié)構(gòu)和包含基板和層疊于基 板上的疊層的表面發(fā)射激光器的制造方法?；?10為例如η型摻雜GaAs基板?？赏ㄟ^使用已知的制造方法分階段形成包 含設(shè)置在基板110之上(層疊于其上面)的下部多層反射鏡120、活性層140和上部多層反 射鏡160的疊層。通過交替層疊例如分別具有λ /4的光學(xué)厚度的Ala9GaaiAs層和分別具 有λ /4的光學(xué)厚度的Ala5Gaa5As層，在基板110上形成η型下部多層反射鏡120。例如， 高折射率層和低折射率層的對數(shù)為70。這里，λ代表激光器腔的共振波長，并且，關(guān)于真空 波長為例如680nm。通過晶體生長在下部多層反射鏡120之上形成由例如AlGaInP構(gòu)成的活性層140， 更具體而言，形成包含由GalnP/AlGalnP構(gòu)成并在λ = 680nm處具有發(fā)射峰的多量子阱結(jié) 構(gòu)的活性層140。關(guān)于活性層的發(fā)射峰，可以執(zhí)行解調(diào)(detuning)，使得考慮實際驅(qū)動條件 中的溫度變化等發(fā)射峰關(guān)于振蕩波長向短波長側(cè)或長波長側(cè)偏移。分別在活性層140的下 側(cè)和上側(cè)形成用于調(diào)整激光器腔的相位的下部間隔件層130和上部間隔件層150。下部間 隔件層130、活性層140和上部間隔件層150的光學(xué)厚度的和為λ/2的整數(shù)倍，例如，為λ。通過晶體生長在活性層140之上形成ρ型上部多層反射鏡160。上部多層反射鏡 160包含例如40對的具有λ /4的厚度的Ala9GaaiAs層和具有λ /4的厚度的Ala5Gaa5As 層，這些Ala9GaaiAs層和Ala5Gaa5As層被交替層疊。上部多層反射鏡160的一部分被Al 成分比比形成上部多層反射鏡160的對的AlGaAs層高的AlGaAs層替代，并且，該層的被替 代的部分被用作可氧化層。通過氧化可氧化層的一部分形成包含氧化絕緣區(qū)域和未氧化導(dǎo) 電區(qū)域的電流限制層。例如，當(dāng)上部多層反射鏡160中的兩個部分被用作這種可氧化層時， 第二可氧化層260和第一可氧化層250被布置在上部多層反射鏡160的位置，這些位置分 別與從活性層140計數(shù)的第一對和第六對對應(yīng)。但是，本發(fā)明不限于該配置。例如，第一可 氧化層250可被設(shè)置在上部多層反射鏡160的內(nèi)部，并且，第二可氧化層260可被設(shè)置在下 部多層反射鏡120的內(nèi)部。AlGaAs層可被用作可氧化層中的每一個。例如，AlxGai_xAs (0. 95彡χ彡1)容易地 通過例如被加熱到300°C或更高的溫度并暴露于水蒸氣而被氧化，并且變?yōu)榘X(Al)氧 化物的絕緣體。因此，第一可氧化層250可由例如具有15nm的厚度的Ala98Gaatl2As構(gòu)成， 并且，第二可氧化層260可由例如具有30nm的厚度的AlAs構(gòu)成。第一可氧化層250和第二可氧化層260的周邊層可以是形成上部多層反射鏡160 的高折射率層(例如，Ala5Gaa5As)或低折射率層(例如，Ala9GaaiAs)。作為替代方案，周 邊層可以是遞變層(例如，其中，成分比連續(xù)地從Ala9GaaiAs變?yōu)锳la5Gaa5As)。上部多層反射鏡160的頂層是用于接觸上部電極170的半導(dǎo)體接觸層。半導(dǎo)體接觸層為例如具有20nm的厚度的GaAs層。可通過金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)進行上述的疊層的晶體生長。在以上的實施例中，描述了設(shè)置第一絕緣區(qū)域215的例子。但是，在第一電流限制 層210中，可以在第一溝槽結(jié)構(gòu)230外側(cè)(在第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240之間) 存在導(dǎo)電區(qū)域。其原因在于，例如，在第一溝槽結(jié)構(gòu)230具有環(huán)形形狀并且上部多層反射鏡 160和上部電極170之間的接觸限于第一溝槽結(jié)構(gòu)230的內(nèi)部的情況下，即使存在這種導(dǎo)電 區(qū)域，載流子也不在該區(qū)域中流動。另一方面，當(dāng)?shù)谝粶喜劢Y(jié)構(gòu)230不閉合并且當(dāng)從器件的上部觀察時具有斷續(xù)結(jié)構(gòu) 時，第一電流限制層210中的導(dǎo)電區(qū)域可僅限于第一導(dǎo)電區(qū)域212。特別地，當(dāng)?shù)谝粶喜劢Y(jié) 構(gòu)230的內(nèi)部部分和外部部分在上部多層反射鏡160的位置比第一電流限制層210高的一 部分中處于導(dǎo)通狀態(tài)時，可以設(shè)置第一絕緣區(qū)域215。并且，當(dāng)還在第一溝槽結(jié)構(gòu)230外側(cè)存在上部多層反射鏡160和上部電極170之 間的接觸時，希望設(shè)置第一絕緣區(qū)域215。其原因在于，在第一電流限制層210中，穿過第一 導(dǎo)電區(qū)域212以外的導(dǎo)電區(qū)域的載流子的分布未必對于單一橫向模式中的動作有貢獻。在具有以上的層結(jié)構(gòu)的晶片上進行在圖3A 5P中示意性表示的半導(dǎo)體工藝。下 述的工藝是同時執(zhí)行第一溝槽結(jié)構(gòu)230的對準和第二溝槽結(jié)構(gòu)240的對準的自對準工藝。 另外，下述的工藝是在不同的定時執(zhí)行第一可氧化層250的氧化和第二可氧化層260的氧 化的工藝。具體而言，在氧化第二可氧化層260的步驟之前進行氧化第一可氧化層250的 步驟。首先，如圖3A所示，在上部多層反射鏡160上設(shè)置用作保護膜的第一電介質(zhì)層 300。第一電介質(zhì)層300是具有例如1 μ m的厚度的氧化硅(例如，SiO2)層。例如，作為沉 積方法，可以使用等離子體CVD方法。光致抗蝕劑310被施加到第一電介質(zhì)層300上，并且被構(gòu)圖和顯影，使得在第一溝 槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240的位置處形成開口圖案。第一溝槽結(jié)構(gòu)230具有例如內(nèi)徑(直徑)為14 μ m和外徑(直徑)為20 μ m的同 心環(huán)形狀。第二溝槽結(jié)構(gòu)240具有例如27 μ m的內(nèi)徑(直徑)。第二溝槽結(jié)構(gòu)240的外徑 為例如33 μ m或更大。在圖中沒有示出第二溝槽結(jié)構(gòu)240的外徑。然后，如圖3B所示，通過使用構(gòu)圖的光致抗蝕劑310作為掩模蝕刻用作保護膜的 第一電介質(zhì)層300。蝕刻可以是使用例如緩沖的氟化氫(BHF)的濕蝕刻或使用例如CHF3氣 體等離子體的干蝕刻。然后，如圖3C所示，通過使用光致抗蝕劑310和第一電介質(zhì)層300作為掩模干蝕 刻半導(dǎo)體層，以形成第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240。在該步驟中，進行用于形成第 一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240的蝕刻，使得不到達第二可氧化層260的頂面。通過 使用例如SiCl4氣體和Ar氣體的等離子體進行干蝕刻。然后，如圖3D所示，去除殘留于第一電介質(zhì)層300上的光致抗蝕劑310。通過例如 使用氧等離子體的灰化，去除光致抗蝕劑310。然后，如圖3E所示，從在第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240中露出的側(cè)壁氧 化第一可氧化層250，由此形成第一絕緣區(qū)域214和215。通過將基板加熱到例如450°C并 使基板暴露于水蒸氣，進行 化。氧化的第一可氧化層250變?yōu)榘嗑Щ蚍蔷тX(Al)氧化物作為主要成分的絕緣體。進行氧化，使得在第一可氧化層250的中心部分處留下未氧化區(qū)域即第一導(dǎo)電區(qū) 域 212。為了氧化除存在于第一可氧化層250的中心部分處的第一導(dǎo)電區(qū)域212以外的整 個第一可氧化層250，如圖2所示，第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240之間的距離270 優(yōu)選為氧化距離272的兩倍或更小。由于從兩個溝槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁氧化被設(shè)置在第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240 之間的第一可氧化層250，因此通過滿足以上的條件增加氧化整個第一可氧化層250的可 能性。第一導(dǎo)電區(qū)域212具有圓形形狀，所述圓形形狀具有例如4μ m的直徑。在這種情 況下，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的內(nèi)周與第一導(dǎo)電區(qū)域212和第一絕緣區(qū)域214之間的邊界即氧 化前沿之間的距離為5 μ m,因此，氧化距離為5 μ m。另一方面，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的外周和 第二溝槽結(jié)構(gòu)240的內(nèi)周之間的距離為3. 5μ m。然后，如圖3F所示，沉積比在先前步驟中沉積的初始保護膜(即，第一電介質(zhì) 層)300薄的附加的保護膜320。薄保護膜320是具有例如IOOnm的厚度并由例如氧化硅構(gòu) 成的第二電介質(zhì)層。注意，可以省略沉積附加的保護膜320的步驟。即，在第二可氧化層260的氧化中， 在第一溝槽結(jié)構(gòu)230中露出第一可氧化層250的側(cè)壁。但是，從已被氧化的部分，氧化幾乎 不再前進，因此，附加的保護膜320不是必需的。特別地，當(dāng)?shù)诙裳趸瘜?60的氧化中的 基板溫度可比第一可氧化層250的氧化中的基板溫度低時，不需要設(shè)置附加的保護膜320。 并且，即使在氧化幾乎不進展的情況下，也在暴露于高溫水蒸氣的AlGaAs的側(cè)壁面上形成 耐緩沖氟化氫的膜，并由此可以在一些情況下有意地露出表面。然后，如圖4G所示，施加光致抗蝕劑330，并然后進行構(gòu)圖曝光和顯影，以形成覆 蓋第一溝槽結(jié)構(gòu)230并且不覆蓋第二溝槽結(jié)構(gòu)240的抗蝕劑。由于第一溝槽結(jié)構(gòu)230不與 第二溝槽結(jié)構(gòu)240連接并且在這些溝槽結(jié)構(gòu)之間存在上部多層反射鏡160，因此，抗蝕劑的 構(gòu)圖的邊界可位于上部多層反射鏡160的該位置上。當(dāng)不設(shè)置這種上部多層反射鏡160時， 第二溝槽結(jié)構(gòu)240的內(nèi)周由該步驟中的抗蝕劑的構(gòu)圖確定。因此，不能執(zhí)行自對準工藝。如圖4H所示，通過使用該光致抗蝕劑330作為掩模蝕刻薄保護膜320以在第二溝 槽結(jié)構(gòu)240的底部露出半導(dǎo)體表面。通過例如浸入緩沖氟化氫內(nèi)約1分鐘進行蝕刻。然后，如圖41所示，通過使用光致抗蝕劑330、保護膜320和第一電介質(zhì)層300作 為掩模進行第二溝槽結(jié)構(gòu)240的蝕刻。進行蝕刻，直到至少露出第二可氧化層260的頂面。 通過例如使用SiCl4氣體和Ar氣體的等離子體的干蝕刻進行蝕刻。例如，在下部多層反射 鏡120中，為了提高散熱性能，在一些情況下使用AlAs作為低折射率層。在這種情況下，由 于AlAs容易被氧化，因此第二溝槽結(jié)構(gòu)240的蝕刻會停在不露出下部多層反射鏡120的 AlAs的位置處。然后，如圖4J所示，去除殘留于第二電介質(zhì)層(保護膜320)上的光致抗蝕劑330。 通過例如使用氧等離子體的灰化去除光致抗蝕劑330。然后，如圖4K所示，從在第二溝槽結(jié)構(gòu)240中露出的側(cè)壁氧化第二可氧化層260， 由此形成第二絕緣區(qū)域224。通過將基板加熱到例如400°C并使基板暴露于水蒸氣，進行氧化。第一可氧化層250已被氧化。因此，即使當(dāng)?shù)谝豢裳趸瘜?50在本步驟中被加熱 并被暴露于水蒸氣時，第一可氧化層250的氧化也不明顯進展。但是，為了進一步抑制第一可氧化層250的氧化，第二可氧化層260的氧化中的基 板加熱溫度優(yōu)選比第一可氧化層250的氧化中的基板加熱溫度低。出于這種目的，第二可 氧化層260的Al成分比優(yōu)選比第一可氧化層250的Al成分比高。作為替代方案，第二可 氧化層260的厚度優(yōu)選比第一可氧化層250的厚度大。并且，為了在第一和第二可氧化層 (分別為250和260)中實現(xiàn)希望的氧化水平，可以執(zhí)行Al成分比的調(diào)整和厚度的調(diào)整兩 者ο如上所述，一旦第一可氧化層250被氧化，第一可氧化層250的氧化就不明顯進 展。因此，第二可氧化層260的Al成分比可比第一可氧化層250的Al成分比低。并且，第 二可氧化層260的厚度可比第一可氧化層250的厚度小。未氧化區(qū)域即第二導(dǎo)電區(qū)域222被留在第二可氧化層260的中心部分處。第二導(dǎo) 電區(qū)域222具有例如具有6 μ m的直徑的圓形形狀、具有6 μ m的邊的正方形形狀、或兩者之 間的中間形狀。在這種情況下，第二溝槽結(jié)構(gòu)240的內(nèi)周與第二導(dǎo)電區(qū)域222和第二絕緣 區(qū)域224之間的邊界(氧化前沿)之間的距離為10.5μπι。即，氧化距離為10.5μπι。注意，隨著Al成分比的增加或氧化溫度的降低，通過氧化AlGaAs層形成的導(dǎo)電區(qū) 域的形狀具有明顯的各向異性。例如，在具有(100)結(jié)晶取向的GaAs基板上形成的AlGaAs 層中，緩慢地沿
、
、
和
方向出現(xiàn)氧化，并且，迅速地沿_]、
,
,
方向出現(xiàn)氧化。注意，符號“(100)”指的是矢量lx+Oy+Oz或其等同 物與晶體的表面垂直的晶體取向，而符號[110]指的是與矢量lx+ly+Oz或其等同物平行的 方向。然后，如圖4L所示，通過使用例如緩沖的氟化氫去除殘留的第一電介質(zhì)層300和 保護膜320。然后，如圖5M所示，在整個表面上沉積絕緣膜190。絕緣膜190是具有例如λ /2 的光學(xué)厚度并由例如氧化硅構(gòu)成的第三電介質(zhì)層。通過例如等離子體CVD沉積絕緣膜190。然后，如圖5Ν所示，施加光致抗蝕劑(未示出)，并然后進行用于去除絕緣膜190 的一部分的構(gòu)圖曝光和顯影，使得后面形成的上部電極170與半導(dǎo)體接觸層接觸。然后，通 過使用該光致抗蝕劑作為掩模去除絕緣膜190的該部分。然后去除光致抗蝕劑。上部電極 170在第一溝槽結(jié)構(gòu)230的內(nèi)側(cè)與半導(dǎo)體接觸層接觸。絕緣膜190被設(shè)置在第一溝槽結(jié)構(gòu) 230的內(nèi)側(cè)。注意，可以在該步驟之前用例如非導(dǎo)電樹脂填充第一溝槽結(jié)構(gòu)230。然后，如圖50所示，施加用于剝離的光致抗蝕劑340。進行通過剝離方法形成上部 電極170的構(gòu)圖，以形成用于剝離的抗蝕劑圖案。隨后，如圖5Ρ所示，通過例如電子束氣相沉積來沉積并通過剝離方法形成上部電 極170。上部電極170由例如Ti/Au構(gòu)成。上部電極170具有例如在其中心具有開口的環(huán)形形狀。使得所述開口的尺寸比第 一導(dǎo)電區(qū)域212的尺寸大，從而發(fā)射的激光束不明顯被上部電極170的環(huán)形形狀干涉。所述 開口的尺寸可比第二導(dǎo)電區(qū)域222的尺寸大或小。當(dāng)所述開口的尺寸比第二導(dǎo)電區(qū)域222 的尺寸小時，上部電極170與發(fā)光區(qū)域的周邊側(cè)的一部分重疊。與基本模式的光強度的分布相比，高次模式的光強度的分布與上部電極170重疊得更寬。因此，當(dāng)上部電極170對于 各種模式帶來諸如散射效應(yīng)的光學(xué)損失時，上部電極170具有更加明顯地抑制高次模式的 效果。最后，通過例如電阻加熱氣相沉積在基板110的相反面上形成下部電極180。下部 電極180為例如AuGe/Au。上述的過程是同時進行第一溝槽結(jié)構(gòu)230的對準和第二溝槽結(jié)構(gòu)240的對準的自 對準過程。另外，以上的過程是在不同的定時進行第一可氧化層250的氧化和第二可氧化 層260的氧化的過程。但是，在本發(fā)明中，不必然需要執(zhí)行自對準過程。具體而言，在形成第一溝槽結(jié)構(gòu) 230之后，可以通過另一構(gòu)圖形成第二溝槽結(jié)構(gòu)240。作為替代方案，在形成第二溝槽結(jié)構(gòu) 240之后，可以形成第一溝槽結(jié)構(gòu)230。在這種情況下，兩個溝槽結(jié)構(gòu)的精確相對對準是必 要的。作為替代方案，可同時地而不是單獨地執(zhí)行第一可氧化層250的氧化和第二可氧 化層260的氧化。在這種情況下，在晶片生長的過程中，必須精確地控制第一可氧化層250 和第二可氧化層260的成分和厚度。并且，半導(dǎo)體的干蝕刻中的蝕刻各向異性的可重復(fù)性 也是必要的。出于僅減小第一電流限制層210的氧化距離的目的，如圖6所示，還可設(shè)想在不設(shè) 置第一溝槽結(jié)構(gòu)230的情況下形成臺階型第二溝槽結(jié)構(gòu)240的方法。但是，該結(jié)構(gòu)具有以 下的三種問題。(1)上部電極的接觸性能的降低一般地，上部電極由金屬構(gòu)成，并且通過電子束氣相沉積、電阻加熱氣相沉積等在 半導(dǎo)體臺面和絕緣膜上形成。在臺階型溝槽結(jié)構(gòu)中，其上可沉積上部電極的上部多層反射 鏡160的頂面的面積被減小。上部電極不容易沉積于臺面的側(cè)壁或臺階狀表面上。在這種 情況下，上部電極趨于剝離。另外，由于在電極和半導(dǎo)體層之間的接觸部分中建立歐姆結(jié)， 因此，在半導(dǎo)體側(cè)設(shè)置具有高導(dǎo)電率的諸如GaAs層的層作為接觸層。由于這種具有高導(dǎo)電 率的層常常具有大的光學(xué)吸收，因此，接觸層優(yōu)選在垂直腔表面發(fā)射激光器中被布置為盡 可能遠離活性層140。更優(yōu)選地，接觸層被布置在上部多層反射鏡160的頂面上。作為結(jié)果， 在臺階型溝槽結(jié)構(gòu)中，不能在上部電極170和半導(dǎo)體層之間建立充分的接觸，并且，可以形 成肖特基(Schottky)結(jié)。(2)散熱性能的降低在臺階型溝槽結(jié)構(gòu)中，如圖6所示，與本發(fā)明的圖IA的實施例相比，不能保證大體 積的上部多層反射鏡160。作為結(jié)果，趨于蓄積從活性層140和上部多層反射鏡160產(chǎn)生 的熱。因此，由于活性層140的溫度增加，因此輸出減少，并且，器件的可靠性會受到負面影 響。(3)制造方法的困難難以通過蝕刻形成臺階型溝槽結(jié)構(gòu)。特別是難以精確地、相對地對準具有不同的 高度的部分之間的邊界。因此，導(dǎo)電區(qū)域的中心如圖6所示的那樣偏移，并且，非常難以獲
得單一橫向模式。相反，由于可以令人滿意地通過普通的蝕刻形成溝槽結(jié)構(gòu)中的每一個，因此可以
12容易地制造第一實施例的圖1A所示的結(jié)構(gòu)。并且，由于在第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié) 構(gòu)240之間存在多層反射鏡，因此，可以如上面描述的那樣執(zhí)行自對準過程。因此，不趨于 出現(xiàn)第一導(dǎo)電區(qū)域212的中心和第二導(dǎo)電區(qū)域222的中心之間的偏移。特別地，與紅外波長帶表面發(fā)射激光器相比，紅波長帶表面發(fā)射激光器包含以下 的三種特征。(1)在紅波長帶中，被用作接觸層的GaAs具有大的光學(xué)吸收。(2)在基于AlGalnP的活性層中，容易出現(xiàn)載流子溢出，并且，發(fā)熱是明顯的。(3)由于短波長，因此，為了獲得單一橫向模式，必須減小器件的規(guī)模(scale)，因 此，電流限制層的對準是困難的。因此，可以在這種紅波長帶表面發(fā)射激光器中適當(dāng)?shù)厥褂帽景l(fā)明的至少一個實施 例。雖然在以上的描述中指出了臺階型溝槽結(jié)構(gòu)的問題，但是，只要這些問題在實際 的使用中不導(dǎo)致不利的影響，就還是可以使用臺階型溝槽結(jié)構(gòu)。下面將描述提出的用于形成電流限制層的設(shè)計方針。第一電流限制層210和第二電流限制層220控制流向活性層140的載流子的分 布。第一和第二電流限制層中的每一個的基板的面內(nèi)方向的導(dǎo)電區(qū)域的形狀和面積被視為 主要的參數(shù)。圖11表示這種參數(shù)的計算例子。圖11是表面發(fā)射激光器的基本模式的光強度分 布和活性層附近的電流密度分布的示圖。圖11的橫軸表示沿基板的面內(nèi)方向距光軸的中 心的距離。假定表面發(fā)射激光器包含通過氧化形成并且被直接設(shè)置在上部間隔件層上的第 二電流限制層220。假定第二導(dǎo)電區(qū)域222具有直徑為6i!m的圓形形狀?；谝陨系那?提，如圖11所示，基本模式的光強度分布在具有與第二導(dǎo)電區(qū)域222基本上相同的尺寸的 發(fā)光區(qū)域中顯示接近高斯分布(實線)的輪廓。圖11表示表面發(fā)射激光器不包含第一電流限制層210(點線(dotted line))的 情況和表面發(fā)射激光器包含第一電流限制層210 (點劃線(dot-dashed line))的情況下的 電流密度分布。這些情況中的每一種情況下的電流的總量被假定為3mA。關(guān)于設(shè)置第一電 流限制層210的情況，假定其第一導(dǎo)電區(qū)域212被設(shè)置在第二電流限制層220之上0. 4 y m, 第一電流限制層210具有直徑為3 u m的圓形形狀，并且，圓形形狀的中心與第二導(dǎo)電區(qū)域 222的中心一致。當(dāng)表面發(fā)射激光器不包含第一電流限制層210時，電流僅由第二電流限制層220 限制，因此，電流密度分布在第二導(dǎo)電區(qū)域222的周邊部分中是大的。因此，高次模式的增 益增加，并且，難以獲得單一橫向模式。相反，當(dāng)表面發(fā)射激光器包含具有面積比第二導(dǎo)電區(qū)域222的面積小的第一導(dǎo)電 區(qū)域212的第一電流限制層210時，由于電流被第一電流限制層210限制，因此電流密度分 布在第二導(dǎo)電區(qū)域222的中心是大的。因此，具有帶第一導(dǎo)電區(qū)域212的第一電流限制層210和帶第二導(dǎo)電區(qū)域222的 第二電流限制層220的表面發(fā)射激光器的電流密度分布變得接近基本模式的光強度分布 以有效激發(fā)基本模式。因此，可以獲得單一橫向模式的效果。
由于活性層140中的載流子分布與基本模式的重疊變得比相反情況的大，因此， 第一導(dǎo)電區(qū)域212可具有比第二導(dǎo)電區(qū)域222更接近正圓(perfect circle)的形狀。其 原因在于，從圖11可以看出，活性層140中的載流子分布明顯受具有較小的面積的第一導(dǎo) 電區(qū)域212影響。一般地，隨著AlGaAs層的Al成分比的增加，氧化速率對于晶體取向的依賴性增 加。因此，當(dāng)器件的溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的側(cè)壁具有例如圓形形狀或圓弧形狀時，第一可氧化 層250的Al成分比優(yōu)選等于或小于第二可氧化層260的Al成分比。隨著載流子接近活性層140，穿過第一電流限制層210的載流子沿橫向擴散。因 此，為了獲得單一橫向模式中的動作的效果，當(dāng)?shù)谝浑娏飨拗茖?10被設(shè)置為遠離活性層 140時，必須減小第一導(dǎo)電區(qū)域212的尺寸。但是，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電區(qū)域212的尺寸減小時，器件 的電阻因此增加。當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電區(qū)域212和第二導(dǎo)電區(qū)域222之間的距離太小時，難以形成第一溝槽 結(jié)構(gòu)230。其原因如下。如果第一溝槽結(jié)構(gòu)230到達第二導(dǎo)電區(qū)域222，那么第二導(dǎo)電區(qū)域 222在第一電流限制層210的形成過程中從第一溝槽結(jié)構(gòu)230的側(cè)壁也被氧化，這是不希望 的。另一方面，隨著第一導(dǎo)電區(qū)域212和第二導(dǎo)電區(qū)域222之間的距離的增加，穿過第 一導(dǎo)電區(qū)域212的載流子容易沿基板的面內(nèi)方向擴散，直到載流子到達第二導(dǎo)電區(qū)域222。 因此，第二導(dǎo)電區(qū)域222中的載流子分布輪廓不依賴于第一導(dǎo)電區(qū)域212的尺寸。注意，通過調(diào)整第一導(dǎo)電區(qū)域212和第二導(dǎo)電區(qū)域222之間的多層反射鏡區(qū)域的 摻雜濃度或材料厚度，可以調(diào)整多層反射鏡區(qū)域的導(dǎo)電率，由此控制載流子的上述的擴散。在第一電流限制層210和第二電流限制層220之間的多層反射鏡中，為了抑制載 流子沿水平方向的擴散，盡可能地減小多層反射鏡的異質(zhì)勢壘(hetero-barrier)。在這種 情況下，多層反射鏡可由遞變的多層膜構(gòu)成?？煽紤]上述的條件優(yōu)化第一導(dǎo)電區(qū)域212的尺寸和位置。例如，第一導(dǎo)電區(qū)域212 的直徑為第二導(dǎo)電區(qū)域222的直徑的一半。第一導(dǎo)電區(qū)域212和第二導(dǎo)電區(qū)域222之間的 距離為例如大于等于0. 2 μ m且小于等于1 μ m。另外，第一導(dǎo)電區(qū)域212中的電流密度比第二導(dǎo)電區(qū)域222中的電流密度高。因 此，從可靠性的觀點看，第一可氧化層250的厚度優(yōu)選比第二可氧化層260的厚度小。其原 因在于，隨著可氧化層的厚度的增加，當(dāng)該層被氧化時，通過體積的收縮向可氧化層的氧化 前沿施加更大的應(yīng)力。并且，也可考慮光學(xué)特性的觀點確定第一電流限制層210和第二電流限制層220 的厚度和位置。當(dāng)在高溫水蒸氣中氧化用作可氧化層的AlGaAs層時，該層的折射率明顯降低。例 如，AlAs對于λ = 680nm的光的折射率為約3。在AlAs被氧化之后，其折射率減小到約 1. 4 1. 8。因此，隨著可氧化層的厚度的增加，在層被氧化之后對于激光器腔的光學(xué)影響增 加。并且，當(dāng)氧化層被設(shè)置在表面發(fā)射激光器腔的共振光的強度分布的波腹處時，與氧化層 被設(shè)置在其強度分布的節(jié)點處的情況相比，對于激光器腔的影響大。
設(shè)置在活性層140附近的第二電流限制層220顯著影響根據(jù)本發(fā)明的實施例的表 面發(fā)射激光器100的共振光模式的輪廓(profile)。為了減小由第一電流限制層210導(dǎo)致 的光學(xué)影響，減小第一可氧化層250的厚度，并且/或者，在共振光的強度分布的節(jié)點處設(shè) 置第一可氧化層250。另一方面，通過采用與以上的配置相反的配置，由第一電流限制層210導(dǎo)致的光 學(xué)影響可被帶到共振模式。例如，表面發(fā)射激光器100可被設(shè)計為使得通過氧化第一可氧 化層250來減小包含氧化部分的區(qū)域的上部多層反射鏡160的反射率。具體而言，在上部 多層反射鏡160的高折射率部分中形成第一可氧化層250。當(dāng)該第一可氧化層250被氧化 時，多層反射鏡的反射率減小。高次模式的光強度分布與第一絕緣區(qū)域214重疊的部分比 基本模式的光強度分布與第一絕緣區(qū)域214重疊的部分大。因此，在這種情況下，第一電流 限制層210對于高次模式提供更大的反射損失。即，第一電流限制層210不僅在載流子分 布的整形效果上而且關(guān)于光學(xué)方面抑制高次模式，由此實現(xiàn)單一橫向模式中的動作。第二實施例圖7A是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的表面發(fā)射激光器的示意性截面圖，圖7B是根 據(jù)本發(fā)明的第二實施例的表面發(fā)射激光器的示意性頂視圖。具體而言，圖7A是沿圖7B中 的線VIIA-VIIA切取的截面圖。與第一實施例相同的部件由與圖1A 6所示的附圖標記 相同的附圖標記表示；由此可以省略其重復(fù)的描述。第二實施例的特征在于，第一溝槽結(jié)構(gòu)230被分成多個部分。因此，載流子還可從 位于第一電流限制層210之上和當(dāng)從器件的上部多層反射鏡160的中心部分觀察時第一溝 槽結(jié)構(gòu)230外側(cè)的區(qū)域流入第一導(dǎo)電區(qū)域212中。因此，如圖7B所示，甚至可以在第一溝 槽結(jié)構(gòu)230的外側(cè)形成接觸區(qū)域175。這里，術(shù)語“接觸區(qū)域175”指的是上部電極170與 上部多層反射鏡160上的接觸層接觸的區(qū)域。在本實施例中，由于以分割的形式形成第一 溝槽結(jié)構(gòu)230，因此與第一實施例的結(jié)構(gòu)相比可以增加接觸區(qū)域175的面積。因此，上部電 極170和半導(dǎo)體可以以較低的電阻相互接觸。另外，由于可以在部分蝕刻絕緣膜的構(gòu)圖步 驟和形成上部電極170的剝離圖案的步驟中保證大的裕度(margin)，因此制造過程變得比 第一實施例容易。并且，由于與第一實施例相比殘留大體積的上部多層反射鏡，因此本實施例的表 面發(fā)射激光器在散熱性能方面也是優(yōu)異的。當(dāng)如本實施例那樣還在第一溝槽結(jié)構(gòu)230的外側(cè)存在上部電極170和半導(dǎo)體之間 的接觸時，優(yōu)選地，不在第一可氧化層250中形成第一導(dǎo)電區(qū)域212以外的未氧化區(qū)域。即， 在本實施例中，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的多個部分被布置以滿足該條件。這里，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的側(cè)壁和第一導(dǎo)電區(qū)域212之間的最小距離(第一可氧 化層250的氧化中的氧化距離)被定義為第一氧化距離。為了滿足以上的條件，第一可氧 化層250的第一導(dǎo)電區(qū)域212以外的各點與第一溝槽結(jié)構(gòu)230或第二溝槽結(jié)構(gòu)240的側(cè)壁 之間的距離優(yōu)選比第一氧化距離小。當(dāng)?shù)谝豢裳趸瘜?50的氧化速度為各向異性時，可以沿當(dāng)從器件的中心觀察時氧 化速度變得最小的方向布置第一溝槽結(jié)構(gòu)230的各部分。因此，第一導(dǎo)電區(qū)域212的形狀 可接近正圓。并且，在這種情況下，與不沿以上的方向布置第一溝槽結(jié)構(gòu)230的各部分的情 況相比，可以更可靠地執(zhí)行第一導(dǎo)電區(qū)域212以外的第一可氧化層250的完全氧化。
例如，當(dāng)?shù)谝豢裳趸瘜?50是在GaAs (100)基板上形成的AlGaAs層時，可沿當(dāng)從 器件的中心觀察時緩慢地出現(xiàn)氧化的Wll]、Wl-1]、W-11]和
方向布置第一溝槽 結(jié)構(gòu)230的各部分。關(guān)于第一溝槽結(jié)構(gòu)230的形狀和尺寸，例如，如圖7B所示，在第一實施例中描述的 環(huán)形形狀可被分成多個扇形。當(dāng)增加扇形環(huán)的中心角(圖7B中的Θ)時，可以容易地執(zhí)行 第一導(dǎo)電區(qū)域212以外的第一可氧化層250的完全氧化。但是，由于第一溝槽結(jié)構(gòu)230的 各部分之間的距離減小，因此，第一導(dǎo)電區(qū)域212和位于第一溝槽結(jié)構(gòu)230外側(cè)的上部電極 170之間的電阻增加。相反，當(dāng)扇形環(huán)的中心角減小時，出現(xiàn)與以上現(xiàn)象相反的現(xiàn)象。角度θ可改變，并 且為例如30°、45°或60°。當(dāng)角度θ小時，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的內(nèi)徑被確定為大，使得 第一氧化距離能夠盡可能地大。另一方面，當(dāng)角度θ大時，表面發(fā)射激光器被配置為使得當(dāng)從器件的中心觀察 時，可以在第一溝槽結(jié)構(gòu)230內(nèi)保證接觸區(qū)域。例如，當(dāng)?shù)诙喜劢Y(jié)構(gòu)240的內(nèi)徑(直徑) 為27 μ m時，第一溝槽結(jié)構(gòu)230的內(nèi)徑(直徑)可以為約8 16 μ m的范圍，并且，角度θ 可以為例如約60° 30°的范圍。第三實施例圖8Α是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的表面發(fā)射激光器的示意性截面圖。圖8Β是根 據(jù)本發(fā)明的第三實施例的表面發(fā)射激光器的示意性頂視圖。具體而言，圖8Α是沿圖8Β中 的線VIIIA-VIIIA切取的截面圖。如圖8Α和圖8Β所示，可以在第一實施例或第二實施例的表面發(fā)射激光器的發(fā)射 孔口上設(shè)置第三溝槽結(jié)構(gòu)280。在圖8Β中，為了簡化，第一導(dǎo)電區(qū)域212被省略。第三溝槽結(jié)構(gòu)280具有在發(fā)光區(qū)域中(具體地，在第二導(dǎo)電區(qū)域222中)提供從 活性層側(cè)觀察的上部多層反射鏡160的反射率的面內(nèi)分布的功能。出于這種目的，第三溝 槽結(jié)構(gòu)280沿基板的面內(nèi)方向被布置在第二導(dǎo)電區(qū)域222的內(nèi)側(cè)。例如，當(dāng)?shù)诙?dǎo)電區(qū)域222具有直徑為6 μ m的圓形形狀時，形成第三溝槽結(jié)構(gòu) 280，使得在圓中形成具有3 μ m的直徑的高反射率部分和周邊低反射率部分。例如，關(guān)于包含分別具有λ /4的光學(xué)厚度的層的多層反射鏡，這里，λ代表波長， 每當(dāng)多層反射鏡被蝕刻時，反射率就關(guān)于其深度(光路)以λ/2的周期改變。例如，在以低折射率層在發(fā)光側(cè)終止的上部多層反射鏡160中，通過將上部多層 反射鏡160的圓形部分蝕刻λ/4的光路，形成第三溝槽結(jié)構(gòu)280，所述圓形部分直徑為 3 μ m并且以發(fā)光區(qū)域的中心為中心。相反，在以高折射率層在發(fā)光側(cè)終止的上部多層反射 鏡160中，通過將上部多層反射鏡160蝕刻λ/4的光路使得保留直徑為3μπι并且以發(fā)光 區(qū)域的中心為其中心的圓形部分，形成第三溝槽結(jié)構(gòu)280。通過如上面描述的那樣提供反射率的面內(nèi)分布，高次模式的反射損失變得比基本 模式的反射損失大。因此，即使當(dāng)供給比第一實施例大的電流時，也可獲得單一橫向模式中 的動作的效果。下面，作為本實施例的制造方法，將描述可以自動對準第一溝槽結(jié)構(gòu)230、第二溝 槽結(jié)構(gòu)240和第三溝槽結(jié)構(gòu)280的中心軸的自對準過程。注意，為了執(zhí)行該過程，第三溝槽 結(jié)構(gòu)280不得與第一溝槽結(jié)構(gòu)230或第二溝槽結(jié)構(gòu)240連接。
圖9A 9F是分別示出根據(jù)本實施例的表面發(fā)射激光器的制造方法的示意圖。如在第一實施例中那樣，在基板晶片上生長下部多層反射鏡120、活性層140和上 部多層反射鏡160。如在第一實施例中公開的結(jié)構(gòu)中那樣，上部多層反射鏡160包含第二可 氧化層260和第一可氧化層250。另外，本實施例的上部多層反射鏡160被設(shè)計為使得當(dāng)從 發(fā)光側(cè)將上部多層反射鏡160蝕刻約λ /4的光路時反射率變得最大。在生長的晶片的上部多層反射鏡160上進行圖9Α 9F所示的半導(dǎo)體過程。以下 描述的過程是同時執(zhí)行第一溝槽結(jié)構(gòu)230的對準、第二溝槽結(jié)構(gòu)240的對準和第三溝槽結(jié) 構(gòu)280的對準的自對準過程。首先，如圖9Α所示，在上部多層反射鏡160上沉積用作保護膜的電介質(zhì)層300。電 介質(zhì)層300是具有例如1 μ m的厚度的SiO2層。例如，作為沉積方法，可以使用等離子體CVD方法。光致抗蝕劑350被施加到電介質(zhì)層300上，并且被構(gòu)圖和顯影，使得在第一溝槽結(jié) 構(gòu)230、第二溝槽結(jié)構(gòu)240和第三溝槽結(jié)構(gòu)280的位置處形成開口圖案。第一溝槽結(jié)構(gòu)230具有同心環(huán)形形狀，該同心環(huán)形形狀具有例如14 μ m的內(nèi)徑和 20 μ m的外徑。第二溝槽結(jié)構(gòu)240具有例如27 μ m的內(nèi)徑。第二溝槽結(jié)構(gòu)240的外徑為例 如33 μ m或更大。圖中沒有示出第二溝槽結(jié)構(gòu)240的外徑。第三溝槽結(jié)構(gòu)280具有例如 3μπ 的內(nèi)徑。然后，如圖9Β所示，通過例如使用上述的構(gòu)圖的抗蝕劑為掩模以采用緩沖氟化氫 的濕蝕刻來蝕刻電介質(zhì)層300。然后，去除殘留于電介質(zhì)層300上的光致抗蝕劑350。通過例如浸入丙酮中去除光 致抗蝕劑350。然后，如圖9C所示，通過使用電介質(zhì)層300作為掩模，蝕刻半導(dǎo)體層。蝕刻為例如 濕蝕刻。當(dāng)半導(dǎo)體層由例如GaAs構(gòu)成時，可以使用檸檬酸作為蝕刻劑。當(dāng)半導(dǎo)體層由例如 AlGaAs構(gòu)成時，可以使用磷酸和過氧化氫水的混合溶液作為蝕刻劑。該步驟中的蝕刻深度 關(guān)于光路為λ/4。上部多層反射鏡160被設(shè)計為使得不通過該蝕刻露出具有高Al成分比 的 AlGaAs 層(例如，Alci 9tlGaa 10As)。然后，沉積比在前面的步驟中沉積的保護膜薄的保護膜(未示出)。該薄保護膜為 例如具有IOOnm的厚度的SiO2膜。然后，如圖9D所示，施加光致抗蝕劑360，并進行構(gòu)圖曝光和顯影，以形成完全覆 蓋第三溝槽結(jié)構(gòu)280并且不覆蓋第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240的抗蝕劑。通過使用光致抗蝕劑360作為掩模蝕刻上述的薄保護膜，使得對于第一溝槽結(jié)構(gòu) 230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240的底部露出半導(dǎo)體表面。通過例如浸入緩沖氟化氫中約1分鐘，進 行蝕刻。然后，如圖9E所示，通過使用光致抗蝕劑360和電介質(zhì)層300干蝕刻半導(dǎo)體層，以 形成第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240。在該步驟中，執(zhí)行蝕刻，使得第一溝槽結(jié)構(gòu)230 和第二溝槽結(jié)構(gòu)240均至少到達第一可氧化層250的頂面并且不到達第二可氧化層260的 頂面。通過使用例如SiCl4氣體和Ar氣體的等離子體進行干蝕刻。然后，如圖9F所示，通過灰化去除殘留的抗蝕劑。如第一實施例那樣，從在第一溝 槽結(jié)構(gòu)230和第二溝槽結(jié)構(gòu)240中露出的側(cè)壁氧化第一可氧化層250，以形成第一絕緣區(qū)域214。通過例如將基板加熱到450°C并使基板暴露于水蒸氣，進行氧化。如在第一實施例中公開的自對準過程(圖3F和隨后的各圖所示的步驟)那樣，執(zhí) 行隨后的步驟。在這種情況下，以相同的方式處理第一溝槽結(jié)構(gòu)230和第三溝槽結(jié)構(gòu)280。 具體而言，在隨后的蝕刻第二溝槽結(jié)構(gòu)240的步驟中，通過抗蝕劑掩蓋第一溝槽結(jié)構(gòu)230和 第三溝槽結(jié)構(gòu)280。第二導(dǎo)電區(qū)域222的直徑比第三溝槽結(jié)構(gòu)280的直徑長，并且例如為 6 y m。因此，可以形成圖8A和圖8B所示的表面發(fā)射激光器。在該過程中，可以對準第二導(dǎo)電區(qū)域222、第一導(dǎo)電區(qū)域212和上部多層反射鏡 160的反射率分布的相對位置。因此，可以以高的產(chǎn)量制造具有單一橫向模式的表面發(fā)射激 光器。第四實施例現(xiàn)在將描述包括布置在第一到第三實施例中的任一個中描述的多個表面發(fā)射激 光器的表面發(fā)射激光器陣列的圖像形成裝置。圖10A和圖10B是分別表示根據(jù)第四實施例的電子照相記錄系統(tǒng)圖像形成裝置的 結(jié)構(gòu)的示圖。圖10A是圖像形成裝置的平面圖，圖10B是其側(cè)視圖。表面發(fā)射激光器陣列514用作用于記錄的光源，并被配置為根據(jù)圖像信號通過激 光器驅(qū)動器(未示出)的動作被打開和關(guān)閉。通過準直透鏡520從表面發(fā)射激光器陣列514向可旋轉(zhuǎn)多面鏡510發(fā)射在光學(xué)上 以這種方式被調(diào)制的激光束。可旋轉(zhuǎn)多面鏡510通過電動機512沿由圖10A中的箭頭表示 的方向旋轉(zhuǎn)，并且，隨著可旋轉(zhuǎn)多面鏡510的旋轉(zhuǎn)，在可旋轉(zhuǎn)多面鏡510的反射表面上反射 從表面發(fā)射激光器陣列514輸出的激光束作為連續(xù)改變發(fā)射角度的偏轉(zhuǎn)光束。反射光束通 過f_ 9透鏡522經(jīng)受對于畸變像差等的補償，通過反射鏡516被施加到感光鼓500 (感光 部件)，并且沿主掃描方向在感光鼓500上被掃描。此時，通過激光束在可旋轉(zhuǎn)多面鏡510 的一個表面上的反射，沿主掃描方向在感光鼓500上形成與表面發(fā)射激光器陣列514對應(yīng) 的多個線的圖像。在本實施例中使用4X8表面發(fā)射激光器陣列514，并由此形成32線的圖 像。感光鼓500事先通過充電器502被充電，并且通過激光束的掃描依次被曝光，以形成靜 電潛像。感光鼓500沿由圖10B中的圓箭頭表示的方向旋轉(zhuǎn)。通過顯影器件504使靜電潛 像顯影，并且，通過轉(zhuǎn)印充電器506，顯影的可見圖像被轉(zhuǎn)印到轉(zhuǎn)印紙(未示出)上。轉(zhuǎn)印了 可見圖像的轉(zhuǎn)印紙被傳輸?shù)蕉ㄓ捌骷?08，并在定影之后被排出到裝置外面。在本實施例中使用4X8表面發(fā)射激光器陣列。但是，本發(fā)明不限于此。并且，也 可使用mXn(m和n 自然數(shù)(除0以外))表面發(fā)射激光器陣列。雖然已參照示例性實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性 實施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有這樣的修改與等同的結(jié)構(gòu) 和功能。
權(quán)利要求
一種表面發(fā)射激光器，包括基板；下部多層反射鏡；活性層；上部多層反射鏡；下部多層反射鏡、所述活性層和上部多層反射鏡被依次設(shè)置在基板上，第一電流限制層，所述第一電流限制層包含第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域，并被設(shè)置在構(gòu)成上部多層反射鏡的層之間或者被設(shè)置在上部多層反射鏡和所述活性層之間；第二電流限制層，所述第二電流限制層包含第二導(dǎo)電區(qū)域和第二絕緣區(qū)域，并被設(shè)置在比第一電流限制層接近所述活性層的位置；用于形成第一絕緣區(qū)域的第一溝槽結(jié)構(gòu)，該第一溝槽結(jié)構(gòu)從上部多層反射鏡的頂部向基板延伸；和用于形成第二絕緣區(qū)域的第二溝槽結(jié)構(gòu)，該第二溝槽結(jié)構(gòu)從上部多層反射鏡的頂部向基板延伸以包圍第一溝槽結(jié)構(gòu)、并具有位置比第一溝槽結(jié)構(gòu)的底部深的底部，其中，第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域之間的邊界沿基板的面內(nèi)方向被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，其中，第一溝槽結(jié)構(gòu)沿基板的面內(nèi)方向被設(shè)置 在第二導(dǎo)電區(qū)域的外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，其中，第一絕緣區(qū)域和第二絕緣區(qū)域包含鋁氧 化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，其中，第一電流限制層僅包含第一導(dǎo)電區(qū)域作 為導(dǎo)電區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，其中，第一溝槽結(jié)構(gòu)具有環(huán)形形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，其中，第一溝槽結(jié)構(gòu)被分成多個部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的表面發(fā)射激光器，其中，第一導(dǎo)電區(qū)域中的鋁成分比低于第二導(dǎo) 電區(qū)域中的鋁成分比。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，其中，第一電流限制層具有比第二電流限制層 的厚度小的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的表面發(fā)射激光器，還包括通過從上部多層反射鏡的頂部蝕刻形成的、被設(shè)置在上部多層反射鏡中的第三溝槽結(jié)構(gòu)，其中，第三溝槽結(jié)構(gòu)沿基板的面內(nèi)方向被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)側(cè)，并且， 通過第三溝槽結(jié)構(gòu)在上部多層反射鏡中形成反射率分布。
10.一種圖像形成裝置，包括表面發(fā)射激光器陣列，在所述表面發(fā)射激光器陣列中布置有多個根據(jù)權(quán)利要求1的表 面發(fā)射激光器；感光部件，所述感光部件被配置為通過從表面發(fā)射激光器陣列發(fā)射的光的照射形成靜 電潛像；充電器；和顯影器件。
11.一種表面發(fā)射激光器的制造方法，所述表面發(fā)射激光器包含基板和設(shè)置在基板上 的疊層，所述疊層包含下部多層反射鏡、活性層和上部多層反射鏡，該方法包括如下步驟在所述疊層中形成第二可氧化層；在所述疊層中并在第二可氧化層之上形成第一可氧化層；形成第一溝槽結(jié)構(gòu)，以從上部多層反射鏡的頂面延伸，而至少到達第一可氧化層的頂 面并且不到達第二可氧化層的頂面；通過從第一可氧化層的側(cè)壁氧化第一可氧化層，形成包含第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū) 域的第一電流限制層，第一可氧化層的所述側(cè)壁在第一溝槽結(jié)構(gòu)中被露出；形成第二溝槽結(jié)構(gòu)，以從上部多層反射鏡的頂面延伸到第二可氧化層的頂面；以及 通過從第二可氧化層的側(cè)壁氧化第二可氧化層，形成包含第二導(dǎo)電區(qū)域和第二絕緣區(qū) 域的第二電流限制層，第二可氧化層的所述側(cè)壁在第二溝槽結(jié)構(gòu)中被露出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，在形成第一電流限制層的步驟之后執(zhí)行形成第二 電流限制層的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，形成第二溝槽結(jié)構(gòu)的步驟包含形成溝槽結(jié)構(gòu)而不 到達第二可氧化層的頂面的步驟、和執(zhí)行蝕刻以從該溝槽結(jié)構(gòu)的底部延伸到第二可氧化層 的頂面的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括步驟通過蝕刻而沿基板的面內(nèi)方向在第一溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)形成第三溝槽結(jié)構(gòu)，第三溝槽結(jié)構(gòu) 被配置為控制上部多層反射鏡的反射率。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，第二可氧化層的氧化中的溫度比第一可氧化層的 氧化中的溫度低。
16.一種表面發(fā)射激光器，包括 基板；下部多層反射鏡； 活性層；上部多層反射鏡，下部多層反射鏡和上部多層反射鏡分別從下到上被層疊于基板上，使得所述活性層包 含于其間；第一電流限制層，所述第一電流限制層具有第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域，并且通過 使用第一溝槽結(jié)構(gòu)被形成在所述活性層上面或下面；第二電流限制層，所述第二電流限制層具有第二導(dǎo)電區(qū)域和第二絕緣區(qū)域，并且通過 使用第二溝槽結(jié)構(gòu)被形成在第一電流限制層上面或下面，其中，第一溝槽結(jié)構(gòu)和第二溝槽結(jié)構(gòu)從上部多層反射鏡的頂面向基板延伸，使得第二 溝槽結(jié)構(gòu)包圍第一溝槽結(jié)構(gòu)，并且，當(dāng)沿基板的面內(nèi)方向觀察表面發(fā)射激光器時，第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域之間的邊 界被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面發(fā)射激光器、其制造方法以及圖像形成裝置。表面發(fā)射激光器包括層疊于基板上的下部多層反射鏡、活性層和上部多層反射鏡。通過使用第一溝槽結(jié)構(gòu)在活性層上面或下面形成具有第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域的第一電流限制層。通過使用第二溝槽結(jié)構(gòu)在第一電流限制層上面或下面形成具有第二導(dǎo)電區(qū)域和第二絕緣區(qū)域的第二電流限制層。第一和第二溝槽結(jié)構(gòu)從上部多層反射鏡的頂面向基板延伸，使得第二溝槽結(jié)構(gòu)包圍第一溝槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)沿基板的面內(nèi)方向觀察表面發(fā)射激光器時，第一導(dǎo)電區(qū)域和第一絕緣區(qū)域之間的邊界被設(shè)置在第二導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)側(cè)。
文檔編號H01S5/24GK101986487SQ20101024371
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者井久田光弘 申請人:佳能株式會社