面發(fā)射激光器元件和原子振蕩器的制造方法
【專利摘要】面發(fā)射激光器元件包括：下DBR，形成在基板上；有源層，形成在下DBR之上；上DBR，形成在有源層上。上DBR包括電介質(zhì)多層，該電介質(zhì)多層通過交替層疊形成具有不同折射率的電介質(zhì)而形成，遮光部形成在上DBR之上，并且遮光部在中心區(qū)域具有用于發(fā)射光的開口部。
【專利說明】面發(fā)射激光器元件和原子振蕩器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及面發(fā)射激光器元件和原子振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是在垂直于基板表面的方向上發(fā)光的半導(dǎo)體激光器，并且與邊緣發(fā)射式半導(dǎo)體激光器相比，具有低成本、低功耗、小尺寸、高性能和易于二維集成的特點(diǎn)。
[0003]垂直腔面發(fā)射激光器具有包括共振器區(qū)域的共振器結(jié)構(gòu)，該共振器區(qū)域包括有源層以及分別提供在共振器區(qū)域之上和之下的上反射鏡和下反射鏡(見專利文件N0.1，稍后描述)。從而，共振器區(qū)域形成為具有預(yù)定的光學(xué)厚度，使波長λ的光共振發(fā)生在共振器區(qū)域中，以便獲得振蕩波長λ的光。上反射鏡和下反射鏡通過交替層疊且形成具有不同折射率的材料而形成，不同折射率的材料即低折射率材料(s)和高折射率材料(S)。為了在波長λ獲得高反射率,上反射鏡和下反射鏡以這樣的方式形成,低折射率材料(s)和高折射率材料(S)的光學(xué)厚度為λ/4。也已經(jīng)提出了在芯片中形成具有不同波長的元件(見專利文件 N0.2、N0.3、N0.4 和 N0.7，稍后描述)。
[0004]原子鐘(原子振蕩器)是可非常精確測量時間的時鐘。已經(jīng)研究了原子鐘的小型化等的技術(shù)。原子鐘是振蕩器，其基于諸如堿金屬的原子中包括的電子的躍遷能量。特別是，在沒有干擾的狀態(tài)下，能獲得堿金屬的原子的電子中非常精確的躍遷能量值。結(jié)果，能獲得比晶體振蕩器高幾個數(shù)量級的頻率穩(wěn)定性。
[0005]在幾種類型的原子鐘中，與現(xiàn)有技術(shù)的晶體振蕩器相比，相干布居俘獲(CPT)系統(tǒng)的原子鐘的頻率穩(wěn)定性比晶體振蕩器高約三個數(shù)量級，并且能期待極其緊湊的尺寸和極低的功耗(見非專利文件N0.1和N0.2以及專利文件N0.5，稍后描述)。
[0006]CPT系統(tǒng)的原子鐘如圖1所示具有激光器元件或類似物的光源910、其中密封堿金屬的堿金屬單元940以及接收由堿金屬單元940透射的激光的光檢測器950。激光被調(diào)制，并且堿金屬原子中的兩種電子躍遷在出現(xiàn)于具體波長的載波兩側(cè)的邊帶波長處同時進(jìn)行，因此激發(fā)激光。躍遷中的躍遷能量沒有變化，并且當(dāng)邊帶波長與對應(yīng)于躍遷的波長一致時，發(fā)生堿金屬中降低光吸收率的透明化現(xiàn)象。在該原子鐘中，載波的波長調(diào)整為使堿金屬的光吸收率因此減小，并且光檢測器950中檢測到的信號反饋回到調(diào)制器960。從諸如激光器元件的光源910發(fā)射激光的調(diào)制頻率因此被調(diào)制器960調(diào)整。應(yīng)注意，激光從光源910發(fā)射，并且通過準(zhǔn)直透鏡920和λ /4板930入射在堿金屬單元940上。
[0007]在圖1中,MF表不磁場；L表不通過堿金屬的激光的光程長度山表不激光的直徑；并且X表示距離。
[0008]作為這樣極小尺寸原子鐘的光源，小尺寸、極低功耗和高波長質(zhì)量的垂直腔面發(fā)射激光器是適當(dāng)?shù)?。作為載波的波長精度，需要相對于指定波長的±lnm (見專利文件N0.3)。
[0009]原子鐘的頻率穩(wěn)定性受到通過堿金屬單元940的激光的直徑D和光程長度L中較短者的限制。直徑D或光程長度L越短，穩(wěn)定性越差。從而，優(yōu)選激光的直徑D盡可能大。
[0010]然而，垂直腔面發(fā)射激光器的激光發(fā)散角窄于邊緣發(fā)射類型的激光器。從而，在要增加頻率穩(wěn)定性的情況下，必須加長光源910和準(zhǔn)直透鏡920之間的距離X，以便增加通過堿金屬單元940的激光直徑D。因此，在垂直腔面發(fā)射激光器用作光源910的情況下，可能難以同時滿足原子鐘小型化和高頻率穩(wěn)定性。
[0011]此外，制造大量在相同的波長振蕩的垂直腔面發(fā)射激光器因制造期間半導(dǎo)體層的生長速率變化和膜厚度分布變化等的影響可能很困難。因此，垂直腔面發(fā)射激光器可能具有有關(guān)如此制造的垂直腔面發(fā)射激光器中再現(xiàn)性和均勻性的問題。具體而言，由通常金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備或分子束外延(MBE)設(shè)備形成的膜具有1%至2%程度上的膜厚度均勻性。結(jié)果，在形成厚度與波長850nm相同的膜的情況下,可能發(fā)生8.5nm至17nm的面內(nèi)分布。因此，為了要求相對于波長± Inm的程度的用途，可能降低產(chǎn)率，并且可能增加成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)一個方面，面發(fā)射激光器兀件具有形成在基板上的上分布布拉格反射器(DBR)、形成在下DBR之上的有源層以及形成在有源層之上的上DBR。上DBR包括電介質(zhì)多層，其由交替層疊形成的不同折射率的電介質(zhì)制成。遮光部形成在上DBR之上，并且發(fā)射光的開口部形成在遮光部的中心。
[0013]根據(jù)另一個方面，面發(fā)射激光器元件具有形成在基板上的下DBR、形成在下DBR之上的有源層以及形成在有源層之上的上DBR。上DBR包括電介質(zhì)多層，其由交替層疊形成的不同折射率的電介質(zhì)制成。遮光部形成在有源層之上并且在電介質(zhì)多層之下，并且發(fā)射光的開口部形成在遮光部的中心。
[0014]本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)在結(jié)合附圖閱讀時從下面的詳細(xì)描述將變得更加明顯易懂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1不出了原子振蕩器；
[0016]圖2是根據(jù)第一實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的構(gòu)造圖；
[0017]圖3是開口部的面積和FFP之間的關(guān)系圖(I)；
[0018]圖4是開口部的面積和FFP之間的關(guān)系圖(2)；
[0019]圖5是開口部的直徑和FFP之間的關(guān)系圖；
[0020]圖6是根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的平面圖；
[0021]圖7示出了根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件；
[0022]圖8A、8B和SC示出了用于根據(jù)第二實(shí)施例(I)的面發(fā)射激光器元件的制造方法；
[0023]圖9A、9B和9C示出了用于根據(jù)第二實(shí)施例(2)的面發(fā)射激光器元件的制造方法；
[0024]圖1OA和IOB示出了用于根據(jù)第二實(shí)施例(3)的面發(fā)射激光器元件的制造方法；
[0025]圖11示出了根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的結(jié)構(gòu)；
[0026]圖12示出了根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的結(jié)構(gòu)；
[0027]圖13是根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的上電極開口部的面積和FFP之間的關(guān)系圖；
[0028]圖14是根據(jù)第四實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的平面圖；
[0029]圖15是根據(jù)第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件的平面圖；
[0030]圖16示出了根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器；
[0031]圖17示出了根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)；
[0032]圖18示出了用于示例CPT系統(tǒng)的原子能級；
[0033]圖19示出了在調(diào)制垂直腔面發(fā)射激光器時的輸出波長；以及
[0034]圖20是調(diào)制頻率和透射光量之間的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]將描述本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)注意相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的構(gòu)件等，并且省略重復(fù)的描述。
[0036][第一實(shí)施例]
[0037]根據(jù)圖2，將描述根據(jù)第一實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。通過在由半導(dǎo)體等制成的基板101上層疊下DBR102、有源層103、接觸層105和上DBR106，形成根據(jù)第一實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。在上DBR106上，形成遮光部107。
[0038]通過交替層疊具有不同折射率的半導(dǎo)體層而形成下DBR102。
[0039]有源層103在下DBR102上形成為具有預(yù)定的厚度，并且內(nèi)部形成電流限制層。電流限制層具有在其周圍從外側(cè)選擇性氧化的選擇性氧化區(qū)域123a和沒有選擇性氧化的電流限制區(qū)域123b，并且電流以集中的方式流過電流限制區(qū)域123b。
[0040]接觸層105形成在有源層103上，并且由半導(dǎo)體材料形成。應(yīng)注意，下DBR102、有源層103和接觸層105通過外延生長形成，并且共振器區(qū)域RA由有源層103和接觸層105形成。
[0041]上DBR106形成在接觸層105上。上DBR106由氧化物、氮化物、氟化物和/或類似物的電介質(zhì)膜制成，并且通過交替層疊高折射率膜和低折射率膜而形成。應(yīng)注意，根據(jù)第一實(shí)施例，下DBR102和上DBR106具有反射鏡的功能，因此，下DBR102可稱為“下反射鏡”且上DBR106可稱為“上反射鏡”。
[0042]在根據(jù)第一實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，要發(fā)射激光的波長由下DBR102和上DBR106之間的共振器區(qū)域RA的厚度大致決定。
[0043]此外，上電極131形成在接觸層105上且在上DBR106周圍。所提供的結(jié)構(gòu)是其中電流提供到在基板101或類似物的后側(cè)上形成的下電極(未示出)和上電極131之間的有源層103。應(yīng)注意，下電極的位置不限于上述的基板101的后側(cè)，而是下電極可提供在基板的上側(cè)，只要它能提供電流到有源層103。
[0044]此外，在根據(jù)第一實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，遮光部107設(shè)置在上DBR106上。遮光部107具有在上DBR106中心的開口部108。遮光部107由金屬材料形成，并且例如由Cr (下層)和Au (上層)的層疊膜或類似物形成。因此，在根據(jù)第一實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，波長λ的光從開口部108發(fā)射。應(yīng)注意，采用Cr作為下層的原因是提高遮光部107和上DBR106中包括的電介質(zhì)膜之間的粘合特性。也可采用Ti或類似物取代Cr。通過如此在上DBR106之上形成具有開口部108的遮光部107，能增加從開口部108發(fā)射光的發(fā)散角。
[0045]現(xiàn)在，這一點(diǎn)根據(jù)圖3進(jìn)行描述。圖3示出了開口部108的面積和遠(yuǎn)場圖案(FFP，其根據(jù)第一實(shí)施例可稱為“發(fā)散角”)之間的關(guān)系，并且示出了電流限制區(qū)域123b的面積變化的情況。應(yīng)注意，為了方便的目的，圖3基于這樣的條件，垂直腔面發(fā)射激光器的振蕩波長為780nm (對應(yīng)于稍后描述的原子振蕩器中Rb的D2線)，上DBR由具有不同折射率的半導(dǎo)體材料的層疊膜形成，并且FFP值為Ι/e2。電流限制區(qū)域123b和開口部108 二者形成為具有矩形的形狀。激光的輸出為0.3mW，并且通過在基本模式中的操作獲得。
[0046]如圖3所示，當(dāng)開口部108的面積大時，F(xiàn)FP的值低，并且當(dāng)開口部108的面積減小時，F(xiàn)FP的值增加。因此，通過減小開口部108的面積，能夠增加FFP的值，并且因此增加發(fā)散角。在圖3的情況下，當(dāng)開口部108的面積小于或等于20 μ m2時，F(xiàn)FP的值變得大于或等于20°。當(dāng)開口部108的面積小于或等于10 μ m2時，F(xiàn)FP的值變得大于或等于30°。
[0047]在通常的面發(fā)射激光器元件中，開口部的面積為IOOym2的程度，而根據(jù)圖3，F(xiàn)FP為12°的程度。獲得光束直徑Φ Imm的位置距光束出射位置的距離為4.8mm的程度。與其相比，在FFP為20°的情況下，獲得光束直徑Φ Imm的位置距光束出射位置的距離可減小到
2.8mm的程度。
[0048]此外，F(xiàn)FP的值還取決于電流限制區(qū)域123b的面積。通過減小電流限制區(qū)域123b的面積，能夠增加FFP的值。然而，F(xiàn)FP的值對于開口部108的面積具有更高的依賴性。應(yīng)注意，當(dāng)增加選擇性氧化區(qū)域123a中氧化物膜的厚度時，提高了光的限制。因此，增加了FFP的值。然而，當(dāng)增加氧化物膜的厚度時，面發(fā)射激光器元件可變得容易因氧化物膜中發(fā)生的可能的變形而損壞。圖3等示出了這樣的情況，AlAs為要選擇且氧化以在選擇性氧化區(qū)域123a中形成氧化物膜的層，其厚度為32nm。
[0049]此外，圖4示出了在開口部108的形狀為圓形的情況下以及在開口部108的形狀為矩形的情況下開口部108的面積和FFP之間的關(guān)系。如圖4所示，F(xiàn)FP幾乎不取決于開口部108的形狀，而是FFP取決于開口部108的面積。
[0050]此外，圖5示出了在開口部108為圓形的情況下開口部108的直徑和FFP之間的關(guān)系，并且示出了電流限制區(qū)域123b的面積變化的情況。隨著開口部108的直徑減小，F(xiàn)FP的值增加，并且因此所發(fā)生的趨勢類似于開口部108的面積減小的情況。
[0051]因此，通過提供具有開口部108的遮光部107能增加從垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射激光的發(fā)散角。應(yīng)注意，根據(jù)第一實(shí)施例的垂直腔面發(fā)射激光器以這樣的方式形成，電流限制區(qū)域123b的中心和開口部108的中心在光發(fā)射方向上一致。
[0052]此外，根據(jù)第一實(shí)施例，形成遮光部107用于阻擋光。因此，甚至在其上形成DBR106的面積的尺寸減小時，也不妨礙遮光部107的功能，與上電極形成在上DBR106上的情況不同。
[0053]此外，根據(jù)第一實(shí)施例，遮光部107可通過采用吸光的材料形成。通過采用吸光的材料形成遮光部107，能避免光從遮光部107反射，并且因此能防止激光中的振蕩條件因如此反射的光而變化。
[0054]應(yīng)注意，專利文件N0.6 (稍后描述)討論了這樣的示例，其中，下DBR、有源層和上DBR由半導(dǎo)體形成，具有狹窄開口部的上電極形成在上DBR上，并且選擇性地采取垂直腔面發(fā)射激光器的基本橫模輸出。根據(jù)該示例，如專利文件N0.6的圖22所示，發(fā)散角取決于上電極開口部直徑，并且具有最小點(diǎn)。通過上電極開口部減小到與電流注入?yún)^(qū)域相同程度，增加了發(fā)散角。另一方面，在上電極開口部寬的情況下，發(fā)散角也增加。這是由于高階模式振蕩。根據(jù)第一實(shí)施例，上DBR為電介質(zhì)，電介質(zhì)位于遮光部之下，并且遮光部與接觸層不直接接觸。因此，第一實(shí)施例的構(gòu)造與其中接觸層之上形成的上電極用作遮光部的專利文件N0.6的構(gòu)造不同。
[0055]根據(jù)第一實(shí)施例，甚至在上DBR由電介質(zhì)形成的情況下，也能采用遮光部增加發(fā)散角。
[0056][第二實(shí)施例]
[0057](面發(fā)射激光器元件的結(jié)構(gòu))
[0058]接下來，將描述根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件10具有多個垂直腔面發(fā)射激光器，如圖6和7所示。具體而言，根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件10包括第一垂直腔面發(fā)射激光器11、第二垂直腔面發(fā)射激光器12、第三垂直腔面發(fā)射激光器13和第四垂直腔面發(fā)射激光器14。應(yīng)注意，為了說明第二實(shí)施例的目的簡化了圖7，并且為了方便的目的，接觸層和選擇性氧化區(qū)域等從圖7省略。
[0059]第一垂直腔面發(fā)射激光器11、第二垂直腔面發(fā)射激光器12、第三垂直腔面發(fā)射激光器13和第四垂直腔面發(fā)射激光器14分別與設(shè)置為對應(yīng)于垂直腔面發(fā)射激光器11、12、13,14的電極焊盤連接。具體而言，第一垂直腔面發(fā)射激光器11與電極焊盤21連接，第二垂直腔面發(fā)射激光器12與電極焊盤22連接，第三垂直腔面發(fā)射激光器13與電極焊盤23連接，并且第四垂直腔面發(fā)射激光器14與電極焊盤24連接。此外，第一垂直腔面發(fā)射激光器11、第二垂直腔面發(fā)射激光器12、第三垂直腔面發(fā)射激光器13和第四垂直腔面發(fā)射激光器14分別發(fā)射具有彼此不同波長的光。就是說，第一垂直腔面發(fā)射激光器11發(fā)射光的波長λ 1、第二垂直腔面發(fā)射激光器12發(fā)射光的波長λ 2、第三垂直腔面發(fā)射激光器13發(fā)射光的波長λ 3以及第四垂直腔面發(fā)射激光器14發(fā)射光的波長λ 4相互不同。
[0060]為了如此發(fā)射彼此不同波長λ I至λ 4的光，分別為第一垂直腔面發(fā)射激光器11至第四垂直腔面發(fā)射激光器14提供不同膜厚度的波長調(diào)整層110，其形成在有源層103和上DBR106之間。就是說，如圖7所示，在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，下DBR102形成在基板101上，并且有源層103、波長調(diào)整層110和上DBR106形成在下DBR102上。在該構(gòu)造中，各垂直腔面發(fā)射激光器11至14發(fā)射光的波長分別由下DBR102和上DBR106之間的共振器區(qū)域RA的厚度決定。從而，在圖7中，因為共振器區(qū)域RA由有源層103和波長調(diào)整層110形成，所以能通過為各垂直腔面發(fā)射激光器11至14提供不同厚度的波長調(diào)整層110而改變用于垂直腔面發(fā)射激光器11至14每一個的共振器區(qū)域RA的厚度。因此，能導(dǎo)致各垂直腔面發(fā)射激光器11至14發(fā)射光波長的不同。
[0061]具體而言，在由半導(dǎo)體等制成的基板101上，通過交替層疊形成具有不同折射率的半導(dǎo)體材料形成下DBR102。在下DBR102上，形成具有預(yù)定厚度的有源層103。在有源層103上，形成用于各垂直腔面發(fā)射激光器11至14的具有不同厚度的波長調(diào)整層110。通過在有源層103上依所述順序?qū)盈B第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和第四調(diào)整層114，形成波長調(diào)整層110。第一調(diào)整層111和第三調(diào)整層113由相同的材料形成。第二調(diào)整層112和第四調(diào)整層114由相同的材料形成。具體而言，第一調(diào)整層111至第四調(diào)整層114的不同的兩種材料的一個是GalnP，并且另一種材料是GaAsP或GaAs。換言之，第一調(diào)整層111和第三調(diào)整層113可由GaInP制成，并且第二調(diào)整層112和第四調(diào)整層114可由GaAsP或GaAs制成。作為選擇，第一調(diào)整層111和第三調(diào)整層113可由GaAsP或GaAs制成，并且第二調(diào)整層112和第四調(diào)整層114可由GaInP制成。應(yīng)注意，作為形成在基板101上的半導(dǎo)體層的下DBR102、有源層103和波長調(diào)整層110通過外延生長形成。
[0062]在波長調(diào)整層110上，為各垂直腔面發(fā)射激光器11至14形成上DBR106。上DBR106是由氧化物、氮化物、氟化物和/或類似物制成的電介質(zhì)膜，并且通過交替層疊形成高折射率膜和低折射率膜而形成。
[0063]在上DBR106上，與第一實(shí)施例一樣，分別形成在中心具有開口部108的遮光部107。遮光部107由金屬材料形成，并且例如由Cr (下層)和Au (上層)或類似物的層疊膜形成。根據(jù)第二實(shí)施例，來自面發(fā)射激光器元件的光從開口部108發(fā)射。應(yīng)注意，采用Cr作為下層的原因是為了增加遮光部107和包括在上DBR106中的電介質(zhì)膜之間粘合性。這還能采用Ti等代替Cr。在根據(jù)第二實(shí)施例的垂直腔面發(fā)射激光器中，在上DBRS106上僅形成遮光部107，而不形成上電極131。因此，通過在上DBR106上形成具有開口部108的遮光部107，能夠增加從開口部108發(fā)射光的發(fā)散角。
[0064]因此，根據(jù)第二實(shí)施例，對于第一垂直腔面發(fā)射激光器11，第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和第四調(diào)整層114形成在波長調(diào)整層110中。因此，共振器區(qū)域RA由第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113、第四調(diào)整層114和有源層103形成。因此，第一垂直腔面發(fā)射激光器11發(fā)射與第一垂直腔面發(fā)射激光器11中共振器區(qū)域RA的厚度對應(yīng)的波長λ I的光。
[0065]對于第二垂直腔面發(fā)射激光器12，形成波長調(diào)整層110的第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112和第三調(diào)整層113。因此，共振器區(qū)域RA由第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和有源層103形成。因此，第二垂直腔面發(fā)射激光器12發(fā)射與第二垂直腔面發(fā)射激光器12的共振器區(qū)域RA的厚度對應(yīng)的波長λ 2的光。
[0066]對于第三垂直腔面發(fā)射激光器13，形成波長調(diào)整層110的第一調(diào)整層111和第二調(diào)整層112。因此，共振器區(qū)域RA由第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112和有源層103形成。因此，第三垂直腔面發(fā)射激光器13發(fā)射與第三垂直腔面發(fā)射激光器13中共振器區(qū)域RA的厚度對應(yīng)的波長λ 3的光。
[0067]對于第四垂直腔面發(fā)射激光器14，形成波長調(diào)整層110的第一調(diào)整層111。因此，共振器區(qū)域RA由第一調(diào)整層111和有源層103形成。因此，第四垂直腔面發(fā)射激光器14發(fā)射與第四垂直腔面發(fā)射激光器14中共振器區(qū)域RA的厚度對應(yīng)的波長λ 4的光。
[0068]因此，在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，能形成多個垂直腔面發(fā)射激光器11至14，其在單一基板101上發(fā)射具有不同波長的光。從而，甚至在面發(fā)射激光器元件的制造期間在半導(dǎo)體層等中發(fā)生膜厚度變化的情況下，也能在第一垂直腔面發(fā)射激光器11至第四垂直腔面發(fā)射激光器14當(dāng)中通過選擇發(fā)射光的波長接近于所希望波長的一個而易于獲得具有所希望波長的半導(dǎo)體激光器。因此，能夠以低成本制造發(fā)射預(yù)定波長的光的具有垂直腔面發(fā)射激光器的面發(fā)射激光器元件。應(yīng)注意，根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中的各垂直腔面發(fā)射激光器11至14分別具有寬的發(fā)散角。因此，第二實(shí)施例具有與第一實(shí)施例相同或類似的有益效果。
[0069](在面發(fā)射激光器元件中形成波長調(diào)整層的方法)[0070]接下來，將描述在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中形成波長調(diào)整層的方法。
[0071]首先，如圖8A所示，在基板101上，通過MOCVD或MBE采用外延生長形成由半導(dǎo)體材料制成的下DBR102、有源層103和波長調(diào)整層110。應(yīng)注意，通過層疊第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和第四調(diào)整層114而形成波長調(diào)整層110。第一調(diào)整層111和第三調(diào)整層113由GaInP形成，并且第二調(diào)整層112和第四調(diào)整層114由GaAsP形成。此夕卜，根據(jù)第二實(shí)施例，共振器區(qū)域RA以這樣的方式形成，對于振蕩波長λ，共振器區(qū)域RA的光學(xué)厚度為3λ。換言之，在第一垂直腔面發(fā)射激光器11中，共振器區(qū)域RA的光學(xué)厚度為3 λ I。在第二垂直腔面發(fā)射激光器12中，共振器區(qū)域RA的光學(xué)厚度為3 λ 2。在第三垂直腔面發(fā)射激光器13中，共振器區(qū)域RA的光學(xué)厚度為3 λ 3。在第四垂直腔面發(fā)射激光器14中，共振器區(qū)域RA的光學(xué)厚度為3 λ 4。
[0072]接下來，如圖SB所示，抗蝕劑圖案151形成在將形成第一垂直腔面發(fā)射激光器11的區(qū)域。具體而言，光致抗蝕劑涂在波長調(diào)整層110的第四調(diào)整層114上，并且采用曝光設(shè)備進(jìn)行曝光和顯影。因此，形成抗蝕劑圖案151。
[0073]接下來，如圖SC所示，第四調(diào)整層114通過濕蝕刻在沒有形成抗蝕劑圖案151的區(qū)域被去除。具體而言，第四調(diào)整層114由GaAsP形成，并且因此，采用硫酸、過氧化氫和水的混合液體進(jìn)行濕蝕刻。因此，僅在沒有形成抗蝕劑圖案151的區(qū)域去除第四調(diào)整層114，并且暴露第三調(diào)整層113的表面。應(yīng)注意，該混合液體可用于蝕刻GaAsP，但是難以有效地蝕刻用以形成第三調(diào)整層113的GalnP。該混合液體可稱為“第一蝕刻液”。其后，采用有機(jī)溶劑等去除抗蝕劑圖案151。
[0074]接下來，如圖9A所示，抗蝕劑圖案152形成在將形成第一垂直腔面發(fā)射激光器11和第二垂直腔面發(fā)射激光器12的區(qū)域。具體而言，光致抗蝕劑涂在波長調(diào)整層110的第四調(diào)整層114和第三調(diào)整層113上，并且采用曝光設(shè)備進(jìn)行曝光和顯影。因此，形成抗蝕劑圖案 152。
[0075]接下來，如圖9B所示，第三調(diào)整層113通過濕蝕刻在沒有形成抗蝕劑圖案152的區(qū)域被去除。具體而言，第三調(diào)整層113由GaInP形成，并且因此，采用鹽酸和水的混合液體進(jìn)行濕蝕刻。因此僅去除沒有形成抗蝕劑圖案152區(qū)域的第三調(diào)整層113，并且暴露第二調(diào)整層112的表面。應(yīng)注意，該混合液體可用于蝕刻GalnP，但是難以有效蝕刻用以形成第二調(diào)整層112的GaAsP。該混合液體可稱為“第二蝕刻液”。其后，采用有機(jī)溶劑等去除抗蝕劑圖案152。
[0076]接下來，如圖9C所示，抗蝕劑圖案153形成在將形成第一垂直腔面發(fā)射激光器11、第二垂直腔面發(fā)射激光器12和第三垂直腔面發(fā)射激光器13的區(qū)域。具體而言，光致抗蝕劑涂在波長調(diào)整層110的第四調(diào)整層114、第三調(diào)整層113和第二調(diào)整層112上，并且采用曝光設(shè)備進(jìn)行曝光和顯影。因此，形成抗蝕劑圖案153。
[0077]接下來，如圖1OA所示，第二調(diào)整層112通過濕蝕刻在沒有形成抗蝕劑圖案153的區(qū)域被去除。具體而言，采用第一蝕刻液去除沒有形成抗蝕劑圖案153區(qū)域的第二調(diào)整層112。因此，僅去除沒有形成抗蝕劑圖案153區(qū)域的第二調(diào)整層112，并且暴露第一調(diào)整層111的表面。其后，采用有機(jī)溶劑等去除抗蝕劑圖案153。
[0078]接下來，如圖1OB所示，形成上DBR106。具體而言，在波長調(diào)整層110上的各區(qū)域，通過濺射等對于各預(yù)定膜厚度交替地層疊由氧化物、氮化物、氟化物和/或類似物制成的高折射率材料制成的電介質(zhì)膜和由氧化物、氮化物、氟化物和/或類似物制成的低折射率材料制成的電介質(zhì)膜。
[0079]因此，在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中能形成波長調(diào)整層110和上DBR106。
[0080]根據(jù)第二實(shí)施例，與專利文件N0.3和N0.7不同，Al不包括在波長調(diào)整層110的第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和第四調(diào)整層114中。結(jié)果，在蝕刻后不容易發(fā)生氧化等，并且甚至在蝕刻后也能保持干凈的表面狀態(tài)。就是說，Al可能非常容易被腐蝕，并且因此，如果第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和第四調(diào)整層114的任何一個由包括Al的材料形成，則該表面在經(jīng)受濕蝕刻等后可能具有劣化的狀態(tài)。于是，即使上DBR106形成其上，它們也會剝離，共振器區(qū)域RA的厚度會變得不均勻和/或類似的情況。然而，根據(jù)第二實(shí)施例，因為波長調(diào)整層110由不包括Al的材料形成，所以不發(fā)生Al等腐蝕，并且不發(fā)生這樣的問題。
[0081]此外，根據(jù)第二實(shí)施例，波長調(diào)整層110形成的結(jié)構(gòu)為其中交替形成GaAsP和GalnP。于是,在執(zhí)行濕蝕刻時，米用兩種類型的蝕刻液，其每一個可用于蝕刻GaAsP和GaInP中的相應(yīng)一個，但是難以有效對另一個蝕刻，并且通過交替采用它們進(jìn)行蝕刻。通過采用這樣變化類型的蝕刻液執(zhí)行蝕刻，蝕刻后的表面是平坦的，該表面沒有經(jīng)受過蝕刻，并且因此能形成具有預(yù)定厚度的波長調(diào)整層110。因此，能夠獲得具有穩(wěn)定特性的面發(fā)射激光器元件。
[0082]應(yīng)注意，在如專利文件N0.3和N0.7所討論的情況下，處理外延晶片(處理波長調(diào)整層)，然后，上DBR制作為再生長，可能產(chǎn)生缺陷，例如，生長層上蝕刻不均勻造成的平坦問題、結(jié)晶性問題或類似的問題。相反，根據(jù)第二實(shí)施例，甚至在處理波長調(diào)整層的情況下，這樣的缺陷也不發(fā)生，因為上DBR由電介質(zhì)形成。
[0083](面發(fā)射激光器元件)
[0084]接下來，基于圖11，將更加詳細(xì)地描述根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。圖11是從沿著圖6中的點(diǎn)劃線6A-6B切割獲得的截面圖。圖11的面發(fā)射激光器元件具有這樣的構(gòu)造，其中成為電流限制層的AlAs層被選擇性地氧化，并且形成電流限制結(jié)構(gòu)。面發(fā)射激光器元件制造為具有894.6nm的振蕩波長。具體而言，四個垂直腔面發(fā)射激光器形成在尺寸為300 μ m乘300 μ m正方形半導(dǎo)體芯片(基板)上。因此，在面發(fā)射激光器元件中，在狹窄的區(qū)域內(nèi)能形成多個垂直腔面發(fā)射激光器。結(jié)果，甚至在發(fā)光的垂直腔面發(fā)射激光器在多個垂直腔面發(fā)射激光器當(dāng)中轉(zhuǎn)換時，發(fā)光位置也幾乎不變化。從而，光軸調(diào)整等是不必要的，或者可非常容易地實(shí)現(xiàn)。因此，基板的尺寸優(yōu)選小于或等于500 μ m乘500 μ m。
[0085]根據(jù)第二實(shí)施例，作為基板101，采用η-GaAs基板。此外，下DBR102形成為35.5對，每一對包括以每層的光學(xué)膜厚度為λ/4的方式層疊的I1-AlaiGaa9As高折射率層和n-Al0 9Ga0 低折射率層。
[0086]在下DBR102上，由GaInAs量子阱層/GaInPAs勢壘層制成的有源層103可隔著由Ala2Gaa8As制成的下間隔層121形成。在有源層103上，由Ala2Gaa8As制成的第一上間隔層122、由AlAs制成的電流限制層123、由Ala2Gaa8As制成的第二上間隔層124以及由p-GaAs制成的接觸層125依次層疊形成。應(yīng)注意，接觸層125與第一實(shí)施例中的接觸層105相同或類似。
[0087]在接觸層125上，通過交替層疊形成GaAsP和GaInP而形成由第一調(diào)整層111、第二調(diào)整層112、第三調(diào)整層113和第四調(diào)整層114制成的波長調(diào)整層110。如上所述，波長調(diào)整層110的部分在對應(yīng)于各垂直腔面發(fā)射激光器的預(yù)定區(qū)域被去除。應(yīng)注意，下DBR102、下間隔層121、有源層103、第一上間隔層122、電流限制層123、第二上間隔層124、接觸層125和波長調(diào)整層110通過MOCVD或MBE的外延生長形成。
[0088]在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，各垂直腔面發(fā)射激光器具有臺結(jié)構(gòu)，并且臺結(jié)構(gòu)通過蝕刻要形成垂直腔面發(fā)射激光器之間的半導(dǎo)體層而形成。在形成臺結(jié)構(gòu)后，用蒸汽執(zhí)行熱處理，并且因此尚未氧化的電流限制層123在臺結(jié)構(gòu)周圍從外側(cè)氧化。因此，形成周邊的選擇性氧化區(qū)域123a(氧化區(qū)域)和中心沒有氧化的電流限制區(qū)域123b。就是說，電流限制層123包括氧化的選擇性氧化區(qū)域123b和沒有氧化的電流限制區(qū)域123b，并且因此，分別具有電流限制結(jié)構(gòu)。根據(jù)第二實(shí)施例，臺結(jié)構(gòu)的形狀例如為從頂部看的圓形形狀。然而，取而代之的是，臺結(jié)構(gòu)也可形成為使得從頂部看臺結(jié)構(gòu)的形狀可為橢圓形狀、矩形形狀或類似的形狀。
[0089]在由蝕刻限定以對應(yīng)于各垂直腔面發(fā)射激光器的波長調(diào)整層110上，上DBR106B成為8.5對，每一對包括TiO2高折射率層和SiO2低折射率層，每個層的光學(xué)膜厚度為λ/4。應(yīng)注意，上DBR106不限于如上所述的那些，只要上DBR106是通過交替層疊高折射率材料和低折射率材料形成的那些，這些材料是電介質(zhì)材料。作為具體示例，可列舉氧化物、氮化物和氟化物等。作為高折射率材料的具體示例，除TiO2之外可列舉Ta205、Hf02等。作為低折射率材料的具體示例，除SiO2之外可列舉MgF2等。
[0090]應(yīng)注意，在第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，波長調(diào)整層110和上DBR106形成的面積小于垂直腔面發(fā)射激光器的每一個中形成接觸層125的面積。就是說，波長調(diào)整層110和上DBR106以暴露接觸層125表面的一部分的方式形成。此外，根據(jù)第二實(shí)施例，共振器區(qū)域RA由下DBR102和上DBR106之間形成的有源層103和波長調(diào)整層110等形成。此夕卜，層疊幾對不同折射率半導(dǎo)體層的DBR可形成在有源層103和接觸層125之間，從而可獲得波長調(diào)整層的效果。
[0091]其后，整體形成由SiN制成具有光學(xué)膜厚度λ/4的保護(hù)膜126，在接觸層125上將形成上電極131的區(qū)域上去除保護(hù)膜126，并且形成作為P-側(cè)電極的上電極131。上電極131形成為對應(yīng)于各垂直腔面發(fā)射激光器，并且各上電極131與各電極焊盤21至24連接，如圖6所示。此外，在基板101的后側(cè)，形成作為η-側(cè)電極下電極132。臺結(jié)構(gòu)之間的槽填充有聚酰亞胺127。應(yīng)注意，下電極的結(jié)構(gòu)不限于在基板的后側(cè)上形成的上述電極。例如，下電極可由腔內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)等形成，即下電極可與接觸層(未示出)連接，接觸層(未示出)可形成在下DBR102和有源層103之間。
[0092]此外，在上DBR106上，分別形成在中心具有開口部108的遮光部107。遮光部107由金屬材料形成，例如，由Cr (下層WPAu (上層)等層疊膜形成。根據(jù)第二實(shí)施例，來自面發(fā)射激光器元件的光從開口部108發(fā)射。應(yīng)注意，采用Cr作為下層的原因是分別提高遮光部107和上DBR106中包括的電介質(zhì)膜之間的粘合性。也可采用Ti等代替Cr。作為形成遮光部107的具體方法，剝離方法可用于形成它們。具體而言，光致抗蝕劑涂在上DBR106上，并且采用曝光設(shè)備執(zhí)行曝光和顯影。因此，形成在將形成遮光部的區(qū)域具有開口的抗蝕劑圖案。然后，在通過真空蒸發(fā)法等形成Cr膜和Au膜后，有機(jī)溶劑等用于浸潰其中所形成的膜。因此，Cr膜和Au膜在它們形成在抗蝕劑圖案上的區(qū)域與抗蝕劑圖案一起去除。
[0093]應(yīng)注意，盡管已經(jīng)描述了其中作為P-側(cè)電極的上電極131和遮光部107分開形成的情況，但是上電極131和遮光部107可同時形成。在此情況下，上電極131和遮光部107可分別形成為整體。在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，在上DBR106上，僅形成遮光部107，并且上電極131沒有形成在上DBR106上。通過如此在上DBR106上形成具有開口部108的遮光部107，能分別增加從開口部108發(fā)射光的發(fā)散角。
[0094]根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件在圖11中的箭頭表示的方向上發(fā)射對于各垂直腔面發(fā)射激光器不同的波長λ I和λ 2等的激光。此外，作為保護(hù)膜126的SiN通過覆蓋包括Al的層具有作為上反射鏡的功能以及改善可靠性的功能，包括Al的層在形成臺結(jié)構(gòu)時暴露在側(cè)壁上。
[0095]在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，通過層疊形成具有不同折射率的電介質(zhì)膜而形成上DBR106。因此，與其中層疊形成具有不同折射率的半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)相比，能增加折射率之差。因此，能減小上DBR106中要層疊的層數(shù)。此外，能減小上DBR106的光學(xué)厚度。
[0096]此外，在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，在各垂直腔面發(fā)射激光器中，上電極131形成在接觸層125上，形成在波長調(diào)整層110之下。因此，情況下，能夠等同地流動電流到各垂直腔面發(fā)射激光器而不受波長調(diào)整層110厚度的影響。就是說，如果上電極形成在波長調(diào)整層上且與波長調(diào)整層直接接觸，則與上電極接觸的材料可根據(jù)垂直腔面發(fā)射激光器的每一個而不同。結(jié)果，接觸點(diǎn)的電阻將不同，或者可流動到各垂直腔面發(fā)射激光器等的電流量將根據(jù)波長調(diào)整層的厚度變化。在此情況下，各垂直腔面發(fā)射激光器的電特性和發(fā)光特性將顯著不同。此外，如果接觸層形成在波長調(diào)整層上且上電極形成于其上，則電阻將因波長調(diào)整層中包括的各層之間的界面上的能帶不連續(xù)性而增加。此外，因為各垂直腔面發(fā)射激光器的界面數(shù)不同，所以各垂直腔面發(fā)射激光器的電阻值將不同。與其相反，在根據(jù)第二實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，上電極131與形成在波長調(diào)整層110之下的接觸層125連接。因此，各垂直腔面發(fā)射激光器中上電極131形成在相同的位置，而不取決于波長調(diào)整層110的厚度。從而，能使各垂直腔面發(fā)射激光器的電特性近似均勻，并且因此，該特性根據(jù)要發(fā)射光的波長而顯著不同。
[0097]上述之外的內(nèi)容與第一實(shí)施例的相同或類似。
[0098][第三實(shí)施例]
[0099]接下來，將描述第三實(shí)施例。根據(jù)第三實(shí)施例，與第二實(shí)施例不同，遮光部提供在由電介質(zhì)材料制成的DBRs之下?，F(xiàn)在，將根據(jù)圖12描述根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。
[0100]圖12是通過沿著對應(yīng)于圖6中的點(diǎn)劃線6Α-6Β的線切割獲得的截面圖。在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，通過選擇性氧化要成為電流限制層123的AlAs層形成電流限制結(jié)構(gòu)。根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件具有894.6nm的振蕩波長。
[0101]具體而言，四個垂直腔面發(fā)射激光器11a、12a等形成在尺寸為300 μ m乘300 μ m的正方形的半導(dǎo)體芯片(基板)上。因此，在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，能在狹窄的區(qū)域內(nèi)形成多個垂直腔面發(fā)射激光器。結(jié)果，甚至在要發(fā)光的垂直腔面發(fā)射激光器在多個垂直腔面發(fā)射激光器當(dāng)中轉(zhuǎn)換時，發(fā)光位置幾乎不變化。從而，光軸調(diào)節(jié)等是不必要的，或者可易于實(shí)現(xiàn)。因此，基板的尺寸優(yōu)選小于或等于500 μ m乘500 μ m。
[0102]根據(jù)第三實(shí)施例，作為基板101，采用η-GaAs基板。此外，下DBR102形成為35.5對，每一對包括層置的H-AlaiGaa9As聞?wù)凵渎蕦雍虸1-Ala9GaaiAs低折射率層，每層的光學(xué)膜厚度為λ/4。
[0103]在下DBR102上，由GaInAs量子阱層/GaInPAs勢壘層制成的有源層103隔著由Ala2Gaa8As制成的下間隔層121形成。在有源層103上，由Ala2Gaa8As制成的第一上間隔層122、由AlAs制成的電流限制層123、由Ala2Gaa8As制成的第二上間隔層124以及由p-GaAs制成的接觸層125依次層疊形成。
[0104]在接觸層125上，通過交替層疊形成GaAsP和GaInP而形成由第一調(diào)整層161、第二調(diào)整層162、第三調(diào)整層163和第四調(diào)整層164制成的波長調(diào)整層160。如關(guān)于第二實(shí)施例的波長調(diào)整層110所描述的，波長調(diào)整層160的對在對應(yīng)于各垂直腔面發(fā)射激光器11a、12a等的預(yù)定區(qū)域去除。應(yīng)注意，下DBR102、下間隔層121、有源層103、第一上間隔層122、電流限制層123、第二上間隔層124、接觸層125和波長調(diào)整層160通過MOCVD或MBE的外延生長而形成。
[0105]在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，各垂直腔面發(fā)射激光器lla、12a等具有臺結(jié)構(gòu)，并且臺結(jié)構(gòu)通過蝕刻要形成的垂直腔面發(fā)射激光器之間的半導(dǎo)體層而形成。在形成臺結(jié)構(gòu)后，用蒸汽執(zhí)行熱處理，并且因此尚未氧化的電流限制層123在臺結(jié)構(gòu)周圍從外側(cè)氧化。因此，形成周邊的選擇性氧化區(qū)域123a (氧化區(qū)域)和中心沒有氧化的電流限制區(qū)域123b。就是說，在電流限制層123中，電流限制結(jié)構(gòu)分別由氧化的選擇性氧化區(qū)域123b和沒有氧化的電流限制區(qū)域123b形成。根據(jù)第三實(shí)施例，臺結(jié)構(gòu)的形狀例如可為從頂部看的圓形形狀。然而，臺結(jié)構(gòu)也可形成為使得臺結(jié)構(gòu)從上面看的形狀可為橢圓形狀、正方形形狀或矩形形狀等。
[0106]此外，由SiN制成的保護(hù)膜126形成在整個半導(dǎo)體層上。然而，在接觸層125上，保護(hù)膜126在將形成波長調(diào)整層160和上電極181的區(qū)域去除。
[0107]其后，形成作為P-側(cè)電極的上電極181。上電極181形成為對應(yīng)于各垂直腔面發(fā)射激光器，并且分別與電極焊盤連接。作為形成上電極181的材料，可采用其中層疊Ti/Pt/Au或Cr/AuZn/Au等的金屬膜。具體而言，能夠通過剝離方法形成上電極181,其中，在形成抗蝕劑圖案后，形成上述層疊的金屬膜，并且其后，采用有機(jī)溶劑等浸潰其中形成的膜，因此該金屬膜在它形成在抗蝕劑圖案上的區(qū)域被去除。應(yīng)注意，上電極181具有遮光功能，并且因此，也用作遮光部。
[0108]在通過蝕刻限定的對應(yīng)于各垂直腔面發(fā)射激光器lla、12a等的波長調(diào)整層160上，作為上DBR170形成為層疊8.5對，每一對包括TiO2高折射率層和SiO2低折射率層，每層的光學(xué)膜厚度為λ/4。應(yīng)注意，上DBR170不限于上面所述的那些，只要上DBR170通過交替層疊高折射率材料和低折射率材料形成，這些材料是電介質(zhì)材料。作為具體示例，可列舉氧化物、氮化物和氟化物等。作為高折射率材料的具體示例，除TiO2之外可列舉Ta2O5和HfO2等。作為低折射率材料的具體示例，除SiO2之外可列舉MgF2等。此時，上DBR170也可形成在也作為遮光部的上電極181的部分處，如圖12所示。
[0109]在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，在垂直腔面發(fā)射激光器的每一個中，波長調(diào)整層160形成的區(qū)域窄于形成接觸層125的區(qū)域。就是說，波長調(diào)整層160形成為暴露接觸層125表面的一部分。上電極181形成在接觸層125上，位于不形成波長調(diào)整層160的區(qū)域。此外，根據(jù)第三實(shí)施例，共振器區(qū)域RA由下DBR102和上DBR170之間形成的有源層103和波長調(diào)整層160等形成。此外，層疊不同折射率的幾對半導(dǎo)體層的DBR可形成在有源層103和接觸層125之間，并且在此情況下也可獲得波長調(diào)整層160的效果。
[0110]此外，在基板101的后側(cè)上，形成作為η-側(cè)電極的下電極132。臺結(jié)構(gòu)之間的槽填充有聚酰亞胺127。應(yīng)注意，根據(jù)第三實(shí)施例，下電極的結(jié)構(gòu)不限于上述的形成在基板101的后側(cè)上的下電極132。例如，下電極132也可為腔內(nèi)接觸結(jié)構(gòu)等，即下電極132可與接觸層(未示出)連接，接觸層可形成在下DBR102和有源層103之間。
[0111]根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件在圖12中的箭頭所示的方向上發(fā)射對各垂直腔面發(fā)射激光器lla、12a等不同的波長λ I和λ 2等的激光。此外，作為保護(hù)膜126的SiN通過覆蓋包括Al的層而具有改善可靠性的功能，在形成臺結(jié)構(gòu)時包括Al的層暴露在側(cè)壁上。
[0112]在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，由也作為遮光部的上電極181，能增加因此發(fā)射光的發(fā)散角。圖13示出了發(fā)散角(所發(fā)射光的強(qiáng)度大于或等于Ι/e2的角度)對上電極開口部面積的依賴關(guān)系。自此可見，當(dāng)上電極開口部的面積小于30 μ m2時，發(fā)散角大于20度。應(yīng)注意，上電極開口部是指上電極181的內(nèi)部形成的開口部。
[0113]通過層疊形成不同折射率的電介質(zhì)膜而形成上DBR170。因此，與其中層疊形成具有不同折射率的半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)相比，能增加折射率之差。因此，能減少上DBR170中要層疊的層數(shù)。此外，能減小上DBR170的厚度。
[0114]此外，在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，上電極181和波長調(diào)整層160分別形成在接觸層125上。從而，能相等地流動電流到各垂直腔面發(fā)射激光器而不受波長調(diào)整層160的厚度的影響。就是說，如果上電極形成在波長調(diào)整層上且與波長調(diào)整層直接接觸，則與上電極接觸的材料將根據(jù)垂直腔面發(fā)射激光器的每一個而不同。結(jié)果，接觸點(diǎn)的電阻可不同，或者可流動到各垂直腔面發(fā)射激光器等的電流量將根據(jù)波長調(diào)整層的厚度變化。在此情況下，各垂直腔面發(fā)射激光器的電特性和發(fā)光特性將顯著不同。此外，如果接觸層形成在波長調(diào)整層上且上電極形成其上，則電阻將因波長調(diào)整層中包括的各層之間的界面上的能帶不連續(xù)性而增加。此外，因為各垂直腔面發(fā)射激光器的界面數(shù)不同，所以各垂直腔面發(fā)射激光器的電阻值將不同。然而，在根據(jù)第三實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，因為上電極181分別與波長調(diào)整層160之下形成的接觸層125連接，所以這些可能的問題可避免。應(yīng)注意，根據(jù)第三實(shí)施例，上DBR包括電介質(zhì)，并且遮光部分別設(shè)置在半導(dǎo)體和電介質(zhì)之間。因此，根據(jù)第三實(shí)施例的構(gòu)造與其中全部上DBR由半導(dǎo)體形成的專利文件N0.6的構(gòu)造不同。
[0115][第四實(shí)施例]
[0116]接下來，將描述第四實(shí)施例。根據(jù)圖14，將描述根據(jù)第四實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。根據(jù)第四實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件200具有在基板101上的八個垂直腔面發(fā)射激光器，并且八個垂直腔面發(fā)射激光器分別發(fā)射不同波長的光。
[0117]具體而言，根據(jù)第四實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件200具有基板201上的第一垂直腔面發(fā)射激光器211、第二垂直腔面發(fā)射激光器212、第三垂直腔面發(fā)射激光器213、第四垂直腔面發(fā)射激光器214、第五垂直腔面發(fā)射激光器215、第六垂直腔面發(fā)射激光器216、第七垂直腔面發(fā)射激光器217和第八垂直腔面發(fā)射激光器218。第一垂直腔面發(fā)射激光器211至第八垂直腔面發(fā)射激光器218與各電極焊盤連接。具體而言，第一垂直腔面發(fā)射激光器211與電極焊盤221連接，第二垂直腔面發(fā)射激光器212與電極焊盤222連接，第三垂直腔面發(fā)射激光器213與電極焊盤223連接，第四垂直腔面發(fā)射激光器214與電極焊盤224連接，第五垂直腔面發(fā)射激光器215與電極焊盤225連接，第六垂直腔面發(fā)射激光器216與電極焊盤226連接，第七垂直腔面發(fā)射激光器217與電極焊盤227連接，并且第八垂直腔面發(fā)射激光器218與電極焊盤228連接。
[0118]此外，第一垂直腔面發(fā)射激光器211至第八垂直腔面發(fā)射激光器218具有彼此不同的波長。就是說，第一垂直腔面發(fā)射激光器211發(fā)射的波長λ 1、第二垂直腔面發(fā)射激光器212發(fā)射的波長λ 2、第三垂直腔面發(fā)射激光器213發(fā)射的波長λ 3、第四垂直腔面發(fā)射激光器214發(fā)射的波長λ 4、第五垂直腔面發(fā)射激光器215發(fā)射的波長λ 5、第六垂直腔面發(fā)射激光器216發(fā)射的波長λ 6、第七垂直腔面發(fā)射激光器217發(fā)射的波長λ 7以及第八垂直腔面發(fā)射激光器218發(fā)射的波長λ 8彼此不同。為了使各垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射不同波長的光，波長調(diào)整層提供為與第二實(shí)施例一樣，并且波長調(diào)整層以這樣的方式形成，對于各垂直腔面發(fā)射激光器變化波長調(diào)整層的厚度。為此目的，增加波長調(diào)整層中包括的層數(shù)。應(yīng)注意，電極焊盤221至228具有近似正方形的形狀，并且其尺寸分別為約50 μ m乘50 μ m。基板201是具有正方形形狀的半導(dǎo)體芯片，并且其尺寸為300 μ m乘300 μ m。
[0119]在根據(jù)第四實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，因為能從更多的波長選擇，所以能進(jìn)一步改善產(chǎn)率。此外，在根據(jù)第四實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，不僅可采用波長最靠近所需波長的垂直腔面發(fā)射激光器，而且可采用波長次靠近所需波長的垂直腔面發(fā)射激光器。通過將其用作備用的一個，能有效加長面發(fā)射激光器元件的壽命。
[0120]上述之外的內(nèi)容與第二實(shí)施例的那些相同或類似。
[0121][第五實(shí)施例]
[0122]接下來，將描述第五實(shí)施例。根據(jù)圖15，將描述根據(jù)第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件。根據(jù)第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件300具有在基板301上的八個垂直腔面發(fā)射激光器，并且其每對垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射相同波長的光。
[0123]具體而言，根據(jù)第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件300具有在基板301上的第一垂直腔面發(fā)射激光器311、第二垂直腔面發(fā)射激光器312、第三垂直腔面發(fā)射激光器313、第四垂直腔面發(fā)射激光器314、第五垂直腔面發(fā)射激光器315、第六垂直腔面發(fā)射激光器316、第七垂直腔面發(fā)射激光器317和第八垂直腔面發(fā)射激光器318。第一垂直腔面發(fā)射激光器311至第八垂直腔面發(fā)射激光器318與各電極焊盤連接。具體而言，第一垂直腔面發(fā)射激光器311與電極焊盤321連接，第二垂直腔面發(fā)射激光器312與電極焊盤322連接，第三垂直腔面發(fā)射激光器313與電極焊盤323連接，第四垂直腔面發(fā)射激光器314與電極焊盤324連接，第五垂直腔面發(fā)射激光器315與電極焊盤325連接，第六垂直腔面發(fā)射激光器316與電極焊盤326連接，第七垂直腔面發(fā)射激光器317與電極焊盤327連接，并且第八垂直腔面發(fā)射激光器318與電極焊盤328連接。
[0124]此外，第一垂直腔面發(fā)射激光器311至第八垂直腔面發(fā)射激光器318以這樣的方式形成，其每一對具有相同的波長。具體而言，第一垂直腔面發(fā)射激光器311發(fā)射的光和第二垂直腔面發(fā)射激光器312發(fā)射的光具有相同的波長λ I。第三垂直腔面發(fā)射激光器313發(fā)射的光和第四垂直腔面發(fā)射激光器314發(fā)射的光具有相同的波長λ 2。第五垂直腔面發(fā)射激光器315發(fā)射的光和第六垂直腔面發(fā)射激光器316發(fā)射的光具有相同的波長λ 3。第七垂直腔面發(fā)射激光器317發(fā)射的光和第八垂直腔面發(fā)射激光器318發(fā)射的光具有相同的波長λ 4。波長λ I至波長λ 4彼此不同。為了使各垂直腔面發(fā)射激光器如此對于其每一對發(fā)射不同波長的光，波長調(diào)整層提供為與第二實(shí)施例一樣，并且對于每一對垂直腔面發(fā)射激光器變化波長調(diào)整層的厚度。應(yīng)注意，電極焊盤321至328具有近似正方形的形狀，并且其尺寸分別為約50 μ m乘50 μ m?；?01是具有正方形形狀的半導(dǎo)體芯片，并且其尺寸為 300 μ m 乘 300 μ m。
[0125]在根據(jù)第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，每對垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射相同波長的光。從而，甚至在發(fā)射相同波長光的垂直腔面發(fā)射激光器對中的一個由于質(zhì)量不好或問題/缺陷變?yōu)椴荒馨l(fā)射光時，也可使用其中的另外一個。因此，能延長面發(fā)射激光器元件的壽命，還可改善產(chǎn)率。此外，在根據(jù)第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件中，不僅可采用波長最靠近所需波長的垂直腔面發(fā)射激光器，而且可采用波長次靠近所需波長的垂直腔面發(fā)射激光器。通過將其作為備用的一個，能有效延長面發(fā)射激光器元件的壽命。
[0126]上述之外的內(nèi)容與第二實(shí)施例的相同或類似。
[0127][第六實(shí)施例]
[0128]接下來，將描述第六實(shí)施例。根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器采用根據(jù)第一至第五實(shí)施例任何一個的面發(fā)射激光器元件。根據(jù)圖16，將描述根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器。根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器是CPT系統(tǒng)的微型原子振蕩器，并且具有光源410、準(zhǔn)直透鏡420、λ /4板430、堿金屬單元440、光檢測器450和調(diào)制器460。
[0129]作為光源410，采用根據(jù)第一至第五實(shí)施例任何一個的面發(fā)射激光器元件。在堿金屬單元440中，密封Cs (銫)原子氣體作為堿金屬，采用Dl線的躍遷。作為光檢測器450，采用光敏二極管。
[0130]在根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器中，光源410發(fā)射的光照射其中密封銫原子氣體的堿金屬單元440，并且激發(fā)銫原子中的電子。已經(jīng)通過堿金屬單元440的光由光檢測器450檢測。光檢測器450如此檢測的信號反饋回到調(diào)制器460，其調(diào)整光源410中的面發(fā)射激光器元件。
[0131]應(yīng)注意，根據(jù)第一至第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件發(fā)射具有寬發(fā)散角的光，例如，大于或等于20°，或大于或等于30°。從而，能減小光源410和準(zhǔn)直透鏡420之間的距離Xa。因此，能進(jìn)一步小型化原子振蕩器。
[0132]在圖16中，MF表不磁場；L表不通過堿金屬激光的光程長度山表不激光的直徑；并且Xa表示距離。
[0133]根據(jù)圖17，將更加具體地描述根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器。根據(jù)第六實(shí)施例的原子振蕩器垂直地形成在電路基板471上。在電路基板471上，設(shè)置氧化鋁基板472。在氧化鋁基板472上，根據(jù)第一至第五實(shí)施例任何一個的面發(fā)射激光器元件安裝為用作光源410。氧化鋁基板472設(shè)置有面發(fā)射激光加熱器473，用于控制光源410的溫度等。在光源410之上，設(shè)置中性密度(Neutral Density，ND)過濾器474。ND過濾器474采用由玻璃等制成的熱絕緣間隔體475安裝在預(yù)定位置。在ND過濾器474之上，設(shè)置準(zhǔn)直透鏡420，并且在準(zhǔn)直透鏡420之上，設(shè)置λ /4板430。λ /4板430采用由硅等制成的間隔體476安裝在預(yù)定位置。堿金屬單元440設(shè)置在λ/4板430之上。堿金屬單元440具有兩個玻璃基板441，并且在玻璃基板441彼此面對的狀態(tài)下，玻璃基板441的邊緣部分由硅基板442連接。堿金屬密封在由玻璃基板441和硅基板442包封的區(qū)域中。應(yīng)注意，堿金屬單元440的通過激光的側(cè)面由玻璃基板441形成。在堿金屬單元440的兩側(cè)，設(shè)置單元加熱器477，并且因此，能設(shè)定堿金屬單元440到預(yù)定溫度。光檢測器450安裝在堿金屬單元440之上，并且采用由硅制成的間隔體478安裝在預(yù)定位置。
[0134]接下來，圖18示出了與CPT相關(guān)的原子能級的結(jié)構(gòu)。利用發(fā)生在電子從兩個接地水平同時激發(fā)到激發(fā)水平時光吸收率的減小。利用載波波長接近894.6nm的垂直腔面發(fā)射激光器。載波的波長可通過變化垂直腔面發(fā)射激光器的溫度或輸出而被調(diào)節(jié)。如圖19所示，通過執(zhí)行調(diào)制，邊帶(side band)產(chǎn)生在載波的兩側(cè)。在4.6GHz執(zhí)行調(diào)制，從而邊帶之間的頻率差與Cs原子的自然頻率的9.2GHz 一致。如圖20所示，當(dāng)邊帶頻率差與Cs原子的自然頻率一致時，最大量的激光通過激發(fā)的Cs氣體。從而，調(diào)制器460用于以反饋的方式調(diào)整光源410的面發(fā)射激光器元件的調(diào)制頻率，從而光檢測器450的輸出保持在最大值。因為原子的自然頻率是極其穩(wěn)定的，所以調(diào)制頻率具有穩(wěn)定值，并且該信息取作輸出。應(yīng)注意，在波長為894.6nm的情況下，需要波長范圍為± Inm (更優(yōu)選，±0.3nm)。
[0135]根據(jù)第六實(shí)施例，原子振蕩器采用根據(jù)第一至第五實(shí)施例任何一個的面發(fā)射激光器元件。結(jié)果，能小型化原子振蕩器。此外，通過采用根據(jù)第二至第五實(shí)施例的任何一個的面發(fā)射激光器元件，能以低成本生產(chǎn)原子振蕩器。此外，通過采用根據(jù)第四實(shí)施例或第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件，能提供具有較長壽命的原子振蕩器。
[0136]此外，根據(jù)第六實(shí)施例，Cs用作堿金屬，并且采用其Dl線的躍遷。因此，采用波長為894.6nm的垂直腔面發(fā)射激光器。然而，852.3nm可用在采用Cs的D2線的情況下。此夕卜，也可采用Rb (銣)作為堿金屬。在此情況下，在采用Dl線的情況下可利用795.0nm。在采用D2線的情況下也可利用780.2nm。有源層的材料成分等可根據(jù)波長設(shè)計。此外，作為在采用Rb的情況下的調(diào)制頻率，對于87Rb在3.4GHz執(zhí)行調(diào)制，對于85Rb在1.5GHz執(zhí)行調(diào)制。應(yīng)注意，對于這些波長，也需要波長范圍±lnm。
[0137]根據(jù)上述實(shí)施例，能提供具有寬發(fā)散角的垂直腔面發(fā)射激光器。此外，能提供具有垂直腔面發(fā)射激光器的面發(fā)射激光器元件，垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射具有預(yù)定波長和寬發(fā)散角的光。此外，能提供原子振蕩器使其能滿足小型化和高頻率穩(wěn)定性二者。此外，能提供低成本和高精度的原子振蕩器。
[0138]盡管已經(jīng)參考實(shí)施例描述了面發(fā)射激光器元件和原子振蕩器，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而是在如下面權(quán)利要求中描述和限定的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)存在變化和修改。
[0139]例如，根據(jù)實(shí)施例，面發(fā)射激光器元件用在原子振蕩器中。然而，根據(jù)第二至第五實(shí)施例的面發(fā)射激光器元件也可用在諸如氣體傳感器的需要預(yù)定波長光的其它裝置/設(shè)備中。在此情況下，在這些裝置/設(shè)備中，根據(jù)垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射的特定應(yīng)用，通過利用預(yù)定波長的激光也能獲得相同或類似的有益效果。
[0140]專利文獻(xiàn)
[0141]專利文獻(xiàn)N0.1:日本專利申請公報第2008-53353號[0142]專利文獻(xiàn)N0.2:日本專利申請公報第2000-58958號
[0143]專利文獻(xiàn)N0.3:日本專利申請公報第11-330631號
[0144]專利文獻(xiàn)N0.4:日本專利申請公報第2008-283129號
[0145]專利文獻(xiàn)N0.5:日本專利申請公報第2009-188598號
[0146]專利文獻(xiàn)N0.6:日本專利申請公報第2002-208755號
[0147]專利文獻(xiàn)N0.7:日本專利第2751814號
[0148]非專利文獻(xiàn)
[0149]非專利文獻(xiàn)N0.1:Applied Physics Letters, Vol.85, pp.1460-1462 (2004)
[0150]非專利文獻(xiàn)N0.2:Comprehensive Microsystems, vol.3, pp.571-612
[0151]非專利文獻(xiàn)N0.3:Proc.0f SPIE Nol.6132613208-1 (2006)
[0152]本專利申請基于2011年7月7日提交的日本優(yōu)先權(quán)申請N0.2011_151279、2012年4月24日提交的日本優(yōu)先權(quán)申請N0.2012-099107以及2012年6月27日提交的日本優(yōu)先權(quán)申請N0.2012-144692，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
【權(quán)利要求】
1.一種面發(fā)射激光器元件，包括: 下DBR，形成在基板上； 有源層，形成在該下DBR之上； 上DBR，形成在該有源層之上，其中 該上DBR包括電介質(zhì)多層，該電介質(zhì)多層由交替層疊形成的具有不同折射率的電介質(zhì)制成， 遮光部形成在該上DBR之上，并且 該遮光部具有在中心區(qū)域的用于發(fā)射光的開口部。
2.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件，其中 從該開口部發(fā)射的光的光強(qiáng)成為Ι/e2的發(fā)散角大于或等于20度。
3.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該開口部的面積小于或等于30 μ m2。
4.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該開口部的面積小于或等于20 μ m2。
5.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該遮光部由金屬材料或吸收光的材料制成。
6.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件，還包括: 接觸層，形成在該有源層與該上DBR的該電介質(zhì)多層之間，其中 一個電極與該接觸層連接。
7.如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件，還包括: 波長調(diào)整層，位于該有源層和該上DBR的該電介質(zhì)多層之間，其中該面發(fā)射激光器元件包括多個垂直腔面發(fā)射激光器，通過改變該波長調(diào)整層的厚度而使該多個垂直腔面發(fā)射激光器分別發(fā)射不同波長的光。
8.如權(quán)利要求7所述的面發(fā)射激光器元件，還包括: 接觸層，形成在該有源層和該波長調(diào)整層之間，其中 一個電極與該接觸層連接。
9.如權(quán)利要求7所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該波長調(diào)整層由通過交替層疊GaInP和GaAsP獲得的膜或者通過交替層疊GaInP和GaAs獲得的膜形成，并且通過將該層疊膜的一部分逐層地去除而改變該波長調(diào)整層的膜厚度。
10.一種原子振蕩器，包括: 如權(quán)利要求1所述的面發(fā)射激光器元件； 堿金屬單元，其中密封堿金屬；以及 光檢測器，檢測由該面發(fā)射激光器元件的垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射到該堿金屬單元的光中由該堿金屬單元透射的光，其中 通過由該垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射的包括邊帶的光中兩種不同波長的光入射在該堿金屬單元上，采用從兩種不同的共振光引起的量子干涉效應(yīng)獲得的光吸收特性控制調(diào)制頻率。
11.一種面發(fā)射激光器元件，包括:下DBR，形成在基板上； 有源層，形成在該下DBR之上； 上DBR，形成在該有源層之上，其中 該上DBR包括電介質(zhì)多層，該電介質(zhì)多層由交替層疊形成不同折射率的電介質(zhì)制成， 遮光部形成在該有源層之上且在該電介質(zhì)多層之下，并且 該遮光部具有在中心區(qū)域用于發(fā)射光的開口部。
12.如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件，其中 從該開口部發(fā)射的光的光強(qiáng)成為Ι/e2的發(fā)散角大于或等于20度。
13.如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該開口部的面積小于或等于30 μ m2。
14.如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該開口部的面積小于或等于20 μ m2。
15.如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該遮光部由金屬材料或吸收光的材料制成。
16.如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件，還包括: 接觸層，形成在該有源層和該上DBR的該電介質(zhì)多層之間，其中 一個電極與該接觸層連接。
17.如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件，還包括: 波長調(diào)整層，位于該有源層和該上DBR的該電介質(zhì)多層之間，其中該面發(fā)射激光器元件包括多個垂直腔面發(fā)射激光器，通過改變該波長調(diào)整層的厚度而使該多個垂直腔面發(fā)射激光器分別發(fā)射不同波長的光。
18.如權(quán)利要求17所述的面發(fā)射激光器元件，還包括: 接觸層，形成在該有源層和該波長調(diào)整層之間，其中 一個電極與該接觸層連接。
19.如權(quán)利要求17所述的面發(fā)射激光器元件，其中 該波長調(diào)整層由通過交替層疊GaInP和GaAsP獲得的膜或者通過交替層疊GaInP和GaAs獲得的膜形成，并且通過將該層疊膜的一部分逐層地去除而改變該波長調(diào)整層的膜厚度。
20.—種原子振蕩器,包括: 如權(quán)利要求11所述的面發(fā)射激光器元件； 堿金屬單元，其中密封堿金屬；以及 光檢測器，檢測由該面發(fā)射激光器元件的垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射到該堿金屬單元的光中由該堿金屬單元透射的光，其中 通過由該垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)射的包括邊帶的光中兩種不同波長的光入射在該堿金屬單元上，采用從兩種不同的共振光引起的量子干涉效應(yīng)獲得的光吸收特性控制調(diào)制頻率。
【文檔編號】H01S5/183GK103650264SQ201280033276
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月7日
【發(fā)明者】佐藤俊一 申請人:株式會社理光