CN110011182B - 光子晶体内置基板及其制造方法、以及面发光量子级联激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光子晶体内置基板及其制造方法、以及面发光量子级联激光器。光子晶体内置基板具有化合物半导体基板、电介质层、以及第1半导体层。所述电介质层设置于所述化合物半导体基板的表面，配置到二维衍射光栅的各个晶格结点。各电介质层具有相对于所述二维衍射光栅的边中的至少1个边非对称的形状，且具有比所述化合物半导体基板的折射率低的折射率。所述半导体层叠体覆盖所述电介质层和所述化合物半导体基板的所述表面且具有平坦的第1面，构成所述第1面的层包含可与构成所述化合物半导体基板的材料进行晶格匹配的材料。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及光子晶体内置基板及其制造方法、以及面发光量子级联激光器。
背景技术
具有光子晶体层的激光器能够朝向活性层的上方放射激光。
通过在半导体基板上依次形成活性层、光子晶体层、上部包层、接触层、上部电极等，能够制造面发光量子级联激光器。在该情况下，光子晶体层包含构成二维衍射光栅的晶格结点的区域以及包围该区域且具有不同的折射率的区域。
使用微细加工工艺在半导体层设置空穴并形成晶格结点、残留空穴并且使上部包层及接触层等进行晶体生长的面发光激光器的制造工艺复杂且难以提高成品率。
发明内容
本发明提供一种光子晶体内置基板，其具备：
化合物半导体基板；
电介质层，其设置于所述化合物半导体基板的表面，配置到二维衍射光栅的各个晶格结点，各电介质层具有相对于所述二维衍射光栅的边中的至少1个非对称的形状，且具有比所述化合物半导体基板的折射率低的折射率；
第1半导体层，覆盖所述电介质层和所述化合物半导体基板的所述表面且具有平坦的第1面，构成所述第1面的层包含能够与构成所述化合物半导体基板的材料进行晶格匹配的材料。
本发明提供一种光子晶体内置基板的制造方法，具备：
在化合物半导体基板的表面形成具有比所述化合物半导体基板的折射率低的折射率的电介质膜的工序；
对所述电介质膜进行图案化、形成构成二维衍射光栅的晶格结点的电介质层的工序，该工序进行图案化以使得各电介质层具有相对于所述二维衍射光栅的边中的至少1个非对称的形状；
在所述化合物半导体基板的所述表面和所述电介质层使第1半导体层晶体生长的工序，该第1半导体层在表面具有能够与所述化合物半导体基板的材料进行晶格匹配的层。
本发明提供一种面发光量子级联激光器，具备：
光子晶体内置基板，该光子晶体内置基板具有：化合物半导体基板；电介质层，设置于所述化合物半导体基板的表面，且配置到二维衍射光栅的各个晶格结点；第1半导体层，覆盖所述电介质层和所述化合物半导体基板的所述表面，且包含平坦的第1面，在该光子晶体内置基板中，构成所述第1面的层包含能够与构成所述化合物半导体基板的材料进行晶格匹配的材料，各电介质层具有相对于所述二维衍射光栅的边的至少一个边非对称的形状，且具有比所述化合物半导体基板的折射率低的折射率；
活性层，设置于所述第1半导体层的所述第1面上，能够通过子带间光学跃迁而发出激光，
所述激光包含沿着与所述活性层的表面垂直的方向发出的TM波。
附图说明
图1(a)是第1实施方式涉及的面发光量子级联激光器的示意立体图，图1(b)是第1实施方式所用的光子晶体内置基板的示意立体图。
图2(a)～(d)是说明光子晶体内置基板的制造方法的示意图。
图3(a)是说明第1半导体层的晶体生长方向的示意剖面图，图3(b)是说明电介质层与第1半导体层之间的边界区域的示意剖面图。
图4(a)、(b)是说明面发光量子级联激光器的制造方法的示意图。
图5(a)是比较例涉及的面发光量子级联激光器的示意立体图，图5(b)是二维衍射光栅的比较例的示意俯视图。
图6是说明第1实施方式涉及的面发光量子级联激光器的二维衍射光栅的结构的示意俯视图。
图7(a)是光子晶体的带图，图7(b)是说明激光振荡模式的曲线图。
图8是表示真空内波长相对于晶格间隔的依赖性的曲线图。
图9(a)是说明第1实施方式中的晶格结点的形状的示意立体图，图9(b)是表示Γ点附近的近视场的电场矢量分布的图。
10是表示与第1实施方式中的B模式相对应的电磁场分布的图。
图11(a)是二维衍射光栅的第1变形例的示意俯视图，图11(b)是表示1芯片(chip)的二维衍射光栅的排列例的示意俯视图。
图12(a)是二维衍射光栅的第2变形例的示意俯视图，图12(b)是二维衍射光栅的第3变形例的示意俯视图，图12(c)是二维衍射光栅的第4变形例的示意俯视图。
图13(a)、(b)是包含三角晶格的二维衍射光栅的示意俯视图。
具体实施方式
实施方式的光子晶体内置基板具有化合物半导体基板、电介质层、以及第1半导体层。所述电介质层设置于所述化合物半导体基板的表面，配置于二维衍射光栅各自的晶格结点。各电介质层具有相对于所述二维衍射光栅的边中的至少1个边非对称的形状，且具有比所述化合物半导体基板的折射率低的折射率。所述第1半导体层是覆盖所述电介质层和所述化合物半导体基板的所述表面且具有平坦的第1面的第1半导体层，构成所述第1面的层包含可与构成所述化合物半导体基板的材料进行晶格匹配的材料。
以下，参照附图、同时对本发明的实施方式进行说明。
图1(a)是第1实施方式的面发光量子级联激光器的示意立体图，图1(b)是第1实施方式所用的光子晶体内置基板的示意立体图。
如图1(b)所示，光子晶体内置基板10具有化合物半导体基板20、电介质层31、以及第1半导体层40。
电介质层31设置于化合物半导体基板20的表面，分别配置于二维衍射光栅34的晶格结点。各电介质层31具有相对于二维衍射光栅34的至少1个边非对称的形状。并且，具有比化合物半导体基板20的折射率低的折射率。
第1半导体层40覆盖电介质层31和化合物半导体基板20的表面，且具有平坦的第1面40a。构成第1面40a的层包含可与构成化合物半导体基板20的材料进行晶格匹配的材料。
面发光量子级联激光器5至少包括光子晶体内置基板10和活性层54。另外，如图1(a)所示，也可以是，面发光量子级联激光器5还具有半导体层叠体50、上部电极60、以及下部电极62。
半导体层叠体50能够从光子晶体内置基板10的侧起具有下部包层52、活性层54、以及上部包层56等。半导体层叠体50是使用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀，MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(分子束外延，Molecular Beam Epitaxy)法等在光子晶体内置基板10的第1面40a之上生长的。在该情况下，若使构成平坦的第1面40a的层和构成化合物半导体基板20的材料进行晶格匹配，则能够获得良好的结晶性。之后，通过以与构成第1面40a的层进行晶格匹配的方式使半导体层叠体50生长，从而获得结晶性良好的面发光量子级联激光器5。
此外，在本申请说明书中，构成第1面40a的层的材料与化合物半导体基板20的材料进行晶格匹配是指，构成第1面40a的层的晶格常数相对于化合物半导体基板20的晶格常数的偏离处于±1％以内。
活性层54设置于第1半导体层40的第1面40a上，可通过子带间光学跃迁而发出激光70。各电介质层31具有相对于二维衍射光栅34的至少1个边非对称的形状，且具有比化合物半导体基板20的折射率低的折射率。激光70使偏振沿着预定方向一致且作为单一模式的TM(横磁，Transverse Magnetic)波向与活性层54的表面垂直的方向发出。另外，激光70的波长设为例如红外线～太赫兹波。
第1实施方式涉及的面发光量子级联激光器(Surface Emitting QuantumCascadeLaser)5无需在构成二维衍射光栅的空穴等的上方使上部包层、接触层晶体生长。因此，制造工艺变得容易。另外，能够提高二维衍射光栅的尺寸精度，因此，获得高品质的射束变得容易。
图2(a)～(d)是说明光子晶体内置基板的制造方法的示意图。即、图2(a)是化合物半导体基板的示意立体图，图2(b)是在化合物半导体基板之上形成电介质膜后的示意立体图，图2(c)是对电介质膜进行图案化后的示意立体图，图2(d)是使第1半导体层晶体生长后的示意立体图。
图2(a)所示的化合物半导体基板20能够设为InP、GaAs等。在晶圆状态下，其厚度设为100～900μm等。
如图2(b)所示，电介质膜30设置于化合物半导体基板20的表面20a，能够设为氮化膜或氧化膜等。作为氮化膜，能够设为Si3N4等，作为氧化膜，能够设为SiO2等。电介质膜30能够使用例如CVD(化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)法、溅射法、ECR(电子回旋共振，Electron Cyclotron Resonanse)溅射法等来形成。其厚度设为300nm～1μm等。例如Si3N4的折射率是约2.0，SiO2的折射率是约1.43等。在化合物半导体基板20包含InP的情况下，电介质膜30的折射率比InP的折射率(例如约3.4)低。
在电介质膜30之上涂敷光致抗蚀剂(未图示)。使用二维衍射光栅的掩模图案来对光致抗蚀剂进行曝光，将电介质膜30的不需要的部分去除。如此一来，如图2(c)所示，构成二维衍射光栅34的电介质层31被形成。随后详细地说明二维衍射光栅34的构成例。电介质膜30的不需要部分能够利用湿蚀刻或干蚀刻容易地去除。
如图2(d)所示，在电介质层31和化合物半导体基板20上使包含可与化合物半导体基板20的材料进行晶格匹配的材料的第1半导体层40再生长，第1面40a设为平坦且可再生长的面。若化合物半导体基板20设为n形InP，则第1半导体层40设为可与n形InP或InP进行晶格匹配的n形InGaAs等材料。从例如暴露着的化合物半导体基板20的表面20a使n形InP再生长到电介质层31的高度，设为选择生长层40b。
图3(a)是说明第1半导体层的晶体生长方向的示意剖面图，图3(b)是说明电介质层与第1半导体层之间的边界区域的示意剖面图。
图3(a)、(b)是沿着图2(d)中A-A线的示意剖面图。在图3(a)中，晶体生长从化合物半导体基板20的表面开始，进一步选择生长层40b从化合物半导体基板20的位于电介质层31之间的区域朝向上方被层叠。此外，以箭头表示晶体生长方向。若选择生长层40b的厚度达到电介质层31的高度，则沿着电介质层31的表面进行横向生长。在电介质层31的上表面的中央部附近，从两侧横向生长后的区域相连而形成畴界部40d。随着晶体生长进一步进行而结晶性变得良好，形成表面被平坦化的附晶层40c。
若对晶体生长后的表面进行研磨、CMP(化学机械抛光，Chemical and MechanicalPolishing)工艺，则成为进一步平坦的表面。因此，能够使包含活性层54的半导体层叠体50保持良好的结晶性、同时再生长。包含选择生长层40b和附晶层40c的第1半导体层40的厚度能够设为2μm等。
另外，若电介质层31是氮化硅层、氧化硅层，则在晶体生长工艺中热分解出来的Si向第1半导体层31扩散。其结果，第1半导体层40具有随着朝向电介质层31而硅浓度变高的区域40e。在距电介质层31的表面100nm的距离内掺杂例如1015～1018cm-2的Si。
图4(a)、(b)是说明面发光量子级联激光器的制造方法的示意图。即、图4(a)是在光子晶体内置基板之上使包含活性层的半导体层叠体进行了晶体生长后的示意立体图、图4(b)是形成有上部电极和下部电极的面发光量子级联激光器的示意立体图。
使用MOCVD法、MBE法等使半导体层叠体50在第1半导体层40的第1面40a再生长。半导体层叠体50从光子晶体内置基板10的侧起至少具有下部包层52、活性层54，上部包层56。活性层54设为包含发光量子阱层和注入量子阱层这一对的单位层叠体层叠30～200层等而成的构造。
另外，半导体层叠体50能够还具有设置于下部包层52与活性层54之间的下部光引导层(未图示)、设置于活性层54与上部包层56之间的上部光引导层(未图示)、以及设置于上部包层56与上部电极60之间的接触层(未图示)等。下部电极62设置于化合物半导体基板20的背面20b。
在载流子是电子的情况下，下部包层52包含n形InP、n形InAlAs、n形InGaAs等，其厚度能够设为2～4μm等。另外，上部包层56包含n形InP、n形InAlAs、n形InGaAs等，其厚度能够设为2～4μm等。下部包层52和上部包层56较厚，因此，优选可与构成第1面40a的层进行晶格匹配。
构成活性层54的量子阱层能够包含例如包含InGaAs的阱层和包含InAlAs的势垒层。成对地包含发光量子阱层和注入量子阱层的单位层叠体层叠而成的活性层54的厚度能够设为0.6～4μm等。
另外，包含活性层54的半导体层叠体50也可以在光子晶体内置基板20的背面20b再生长。在该情况下，图2(d)所示的附晶层40c的厚度厚达几百μm等而提高机械强度。之后，利用研磨等将化合物半导体基板20的背面侧薄层化成几μm以下等。另外，能够使用CMP工艺等来使薄层的表面平坦化。在化合物半导体基板20的背面20b再生长后的半导体层叠体50能够具有更高的结晶性。原来的化合物半导体基板20的厚度薄达几μm以下，因此，活性层54与光子晶体之间的距离较短。因此，由光子晶体进行的光谐振变得容易。
图5(a)是比较例涉及的面发光量子级联激光器的示意立体图，图5(b)是二维衍射光栅的比较例的示意俯视图。
如图5(a)所示，在比较例涉及的面发光量子级联激光器中，在基板120之上，至少下部包层152、活性层154、光子晶体层141被依次晶体生长。在光子晶体层141以不到达活性层154的方式设置空穴142。空穴142构成二维衍射光栅。在空穴142之上，例如光引导层155、上部包层156、接触层157等被再生长。
比较例的光子晶体的正方晶格的晶格结点G由平面形状是圆的低折射率媒质(或包含空穴)142构成。
在比较例的情况下，需要对由半导体构成的光子晶体层141进行亚微级的微细蚀刻加工。之后，必须以不填埋空穴142的方式使光引导层155、上部包层156、以及接触层157等再生长。因此，使制造工艺复杂化，成为高成品率并不容易。
另一方面，在将空穴142设置于芯片上表面的构造中，需要在设置有衍射光栅的周期构造形状的面形成上部电极160。在该情况下，使制造工艺复杂化，成为高成品率并不容易。
与此相对，在第1实施方式涉及的面发光量子级联激光器5中，预先将光子晶体层形成于化合物半导体基板20上。即、构成二维衍射光栅34的不是空穴，而是图案化后的氮化硅等的电介质层31。在利用微细加工形成的电介质层31之上进行选择晶体生长的工艺比比较例中的制造工艺容易，能够成为高成品率。
接着，对构成光子晶体的二维衍射光栅进行说明。
图6是说明第1实施方式的面发光量子级联激光器的二维衍射光栅的构成的示意俯视图。
二维衍射光栅34设为正方晶格，以a表示晶格间隔。在晶格结点G分别配置有例如平面形状是直角三角形的电介质层31。在本图中，以直角三角形的重心处于晶格结点G附近的方式表示。此外，三角形的形状并不限定于直角三角形。
图7(a)是光子晶体的带图，图7(b)是说明激光振荡模式的一个例子的曲线图。
在图7(a)中，纵轴表示光的频率乘以a/c而得到的相对标准化频率，横轴表示波数矢量。此外，此外，a是晶格常数，c是光速。波数矢量的Γ点存在光的群速度为零的谐振模式A、B、C、D。
在图7(b)中，纵轴表示相对电场强度，横轴表示标准化频率。电场强度与沿着垂直方向的光透射量大致成正比。因此，能够认为相对电场强度(对数刻度)与相对增益相对应。根据具有图6的衍射光栅的面发光量子级联激光器的模拟，波长是4747nm的谐振模式B的相对电场强度最高，光限制效果较高。因此，优选以B模式使其振荡。另外，A模式的相对电场强度比C、D模式的相对电场强度高，因此，也可以使用A模式。
图8是表示真空内波长相对于晶格间隔的依赖性的曲线图。
纵轴是真空内波长λ0，横轴是晶格间隔a。根据发明人等的模拟，弄清楚如下情况：在电介质层31包含氮化硅层、其周围由InP包围的情况下，振荡波长λ0和晶格间隔a近似地以一次函数表示。其关系能够表示成式(1)。
a(μm)＝-0.0222+0.3121λ0 (1)
在例如晶格间隔a是1.467μm、标准化频率是0.30746时，真空内波长λ0成为4.7713。另外，在真空内波长λ0是70μm以上且300μm以下的太赫兹波的波情况下，也能够适用式(1)。此外，在电介质层31埋入折射率是n1的媒质内的情况下，媒质内波长λm以式(2)表示。
λm＝λ0/n1 (2)
在例如媒质是InP的情况下，折射率n1是约3.4，因此，媒质内波长λm相比于真空内被缩短。
在比较例中，如图5(b)所示，晶格结点G的平面形状是圆。因此，构成晶格结点G的低折射率层的形状相对于正方晶格的两个边EE、FF具有对称性，相对于光成为各相同性。因此，近视场电磁场分布有时在低折射率层内旋转、或成为放射状。在该情况下，对于向芯片上方取出的光的远视场电磁场分布，在例如A模式中在上部电极160的周围旋转，在B模式中以上部电极160为中心成为放射状。因此，在芯片表面上，偏振方向不与恒定的方向一致，难以进行高输出化。
与此相对，在第1实施方式中，如图6所示，呈直角的两边与正方晶格的两个边E、F分别平行，且各电介质层31具有相对于二维衍射光栅34的边E、F非对称的形状。这样的二维衍射光栅34具有光学各向异性。
图9(a)是说明第1实施方式中的晶格结点的形状的示意立体图，图9(b)是表示Γ点附近的近视场的电场矢量分布的图。
图9(b)是使用3D-FDTD(3维时间区域有限差分)法进行了分析的电场矢量分布(XY面内)。在XY平面中只要在电介质层31的区域内存在由非对称性导致的电场的偏差(若在区域内进行积分，则不为零)，光就沿着Z轴方向透射。如图9(a)所示，以EV表示电介质层31呈等腰直角三角形时向Z轴方向上方发出的放射光的电场矢量。此外，在图9(b)以虚线表示电介质层31的示意俯视图。
图10是表示与第1实施方式的B模式相对应的电磁场的图。
图10是使用2D-FDTD(2维时间区域有限差分)法进行了分析的B模式的电场矢量分布(XY面内)。来自量子级联激光器的激光70是TM波。因此，如图10所示，磁场矢量HV的方向由于光学各向异性而与预定的方向一致。因此，面发光量子级联激光器5能够将包含直线偏振后的磁场矢量HV的TM波向芯片上方发出。其结果，即使增大芯片尺寸，也能够维持稳定的偏振方向，能够获得高输出激光。
图11(a)是二维衍射光栅的第1变形例的示意俯视图，图11(b)是表示1芯片的二维衍射光栅的排列例的示意俯视图。
如图11(a)所示，二维衍射光栅34设为正方晶格。电介质层31的形状不限定于三棱柱，并且也可以设为直角等腰三棱锥等。上部电极61呈框状设置于例如芯片的上表面。(表1)是芯片平面形状的数值例。
【表1】
在(表1)中，波长设为4.1μm～4.55μm。芯片的边长L1设为400μm等。另外，二维衍射光栅34所设置的区域的边长L2设为260μm等。晶格间隔设为a，电介质层31的呈直角的两边的长度设为B，单元的反复次数设为W。
如此一来，能够抑制上部电极61的遮光。因此，获得较高的光输出。此外，图11(b)是中·远红外线波长带的例子，也可以是太赫兹波长带。在该情况下，晶格间隔能够设为例如50μm以下。
图12(a)是二维衍射光栅的第2变形例的示意俯视图，图12(b)是二维衍射光栅的第3变形例的示意俯视图，图12(c)是二维衍射光栅的第4变形例的示意俯视图。
在图12(a)～(c)例示正方晶格，但也可以是正交晶格。电介质层31的形状均相对于正方晶格的边F非对称。如图12(a)、(b)所示，电介质层31只要相对于二维衍射光栅34的边F非对称，形状就没有限定。例如电介质31的形状能够设为N棱柱(其中，N是奇数)等。
另外，如图12(c)所示，也可以是电介质层31包含两个电介质层31a、31b，且相对于二维衍射光栅34的边E、F中的至少任一边非对称。
图13(a)、(b)是包含三角晶格的二维衍射光栅的示意边面图。
在图13(a)中，电介质层31是三棱柱，在图13(b)中，电介质层31包含两个圆柱(31a、31b)。电介质层31的平面形状相对于三角晶格的边P、H、I中的至少任一个边非对称。
根据本实施方式，可提供一种包含容易进行偏振方向控制的二维衍射光栅的光子晶体内置基板及其制造方法。另外，可提供一种能够进行TM波的偏振方向控制且富有量产性的面发光量子级联激光器。本实施方式的面发光量子级联激光器即使增大芯片尺寸，TM波的偏振方向也稳定，因此，能够发出高输出激光。因此，能够广泛应用于气体分析、环境测定、激光加工等。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提出的，并非旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够通过其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等价的范围中。
Claims (3)
1.一种光子晶体内置基板的制造方法，所述光子晶体内置基板被结晶生长了包含产生子带间光学跃迁的活性层在内的半导体层叠体，所述制造方法包括如下工序：
在化合物半导体基板的表面的上方形成具有比所述化合物半导体基板的折射率低的折射率的电介质膜的工序；
对所述电介质膜进行图案化并形成构成二维衍射光栅的晶格结点的电介质层的工序，该工序进行图案化以使得各电介质层具有相对于所述二维衍射光栅的边中的至少1个非对称的形状；
在所述化合物半导体基板的所述表面和所述电介质层使第1半导体层晶体生长的工序，该第1半导体层在表面具有能够与所述化合物半导体基板的材料进行晶格匹配的区域；以及
使用化学机械抛光工艺对所述第1半导体层的所述区域进行平坦化的工序，
平坦化后的所述区域的面被作为所述半导体层叠体的再生长开始面。
2.如权利要求1所述的光子晶体内置基板的制造方法，其中，
所述第1半导体层具有随着朝向电介质层而硅浓度变高的区域。
3.如权利要求1所述的光子晶体内置基板的制造方法，其中，
所述化合物半导体基板包括InP，所述第1半导体层包括n形InP或n形InGaAs。
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