面發光量子級聯雷射器的製作方法
2023-05-15 05:51:11 2
本發明的實施方式涉及面發光量子級聯雷射器。
背景技術：
從近紅外線在太赫茲波中的雷射器振蕩在空穴與電子的再結合發光中變得困難。
在使用對多重量子阱構造級聯連接的構造時，能夠通過電子的子帶間躍遷，進行從紅外線在太赫茲波(30ghz－30thz)中的雷射器振蕩。
在這種情況下，在使用形成於元件端面的鏡的法布裡珀羅型雷射器中，端面出射面的厚度變小且光密度變高。因此，高輸出化存在界限。
技術實現要素：
實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器，具備：活性層，層疊有多個量子阱層，並且能夠通過子帶間躍遷發射雷射；第一半導體層，設置於上述活性層之上，並且具有以構成二維的格子的方式設置有多個坑的第一面；以及第一電極，設置於上述第一半導體層之上，各個坑關於與上述格子的邊平行的線為非對稱，上述雷射沿相對上述活性層大致垂直方向射出。
附圖說明
圖1是本發明的第一實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部模式立體圖。
圖2是第一實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部放大模式頂視圖。
圖3是表示帶狀部的配置的局部模式頂視圖。
圖4是表示電極配置的模式俯視圖。
圖5是與電極帶狀部的1周期內的坑數相對的電流注入的均勻度、以及相對光提取效率的曲線圖。
圖6是第一實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的製造方法的流程圖。
圖7是第二實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部放大模式頂視圖。
圖8是沿著圖7的a－a線切斷的模式立體圖。
圖9是第三實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部模式立體圖。
圖10(a)是坑形成後的模式剖視圖，圖10(b)是電極形成後的模式剖視圖。
圖11(a)是第三實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的模式底視圖，圖11(b)是從基板側觀察到的面發光量子級聯雷射器的模式立體圖。
圖12(a)、(b)是說明面發光量子級聯雷射器的組裝工序的模式剖視圖。
圖13是第四實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部模式立體圖。
圖14是沿著圖13的c－c線的模式剖視圖。
圖15(a)是第四實施方式的第1變形例涉及的面發光量子級聯雷射器的部分模式俯視圖，圖15(b)是第四實施方式的第2變形例涉及的面發光量子級聯雷射器的局部模式頂視圖。
具體實施方式
實施方式的面發光量子級聯雷射器具有活性層、第一半導體層以及第一電極。上述活性層層疊有多個量子阱層，並通過子帶間躍遷來發射雷射。上述第一半導體層設置於上述活性層之上，並且具有以構成二維的格子的方式設置有多個坑的第一面。上述第一電極具設置於上述第一半導體層之上，並且具有周期性的開口部。各個坑關於與上述格子的邊平行的線為非對稱。上述雷射從在上述開口部露出的坑起沿相對上述活性層大致垂直方向射出。
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
圖1是本發明的第一實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部模式立體圖。
面發光量子級聯雷射器5具有層疊體20以及第一電極50。層疊體20具有活性層24以及第一半導體層21。另外，在下面，量子級聯雷射器以qcl(quantumcascadelaser)表示。
第一半導體層21例如具有第1包層27以及第1導向層25。另外，層疊體20還可以具有第2導向層23以及第2包層22。第1包層27的折射率和第2包層22的折射率比第1導向層25、活性層24以及第2導向層23的折射率的任意一個都低。因此，雷射60沿著層疊方向(z)被封入(對應日語：閉じ込められる)到活性層24內。
活性層24設為由子帶間躍遷發光區域和緩和區域交互層疊而成的構成，該子帶間躍遷發光區域由包括阱層以及阻擋層的量子阱層構成。量子阱例如包括摻雜si並由in0.669ga0.331as構成的阱層以及摻雜si並由in0.362al0.638as構成的阻擋層。量子阱層進一步優選為至少2個阱層和多個阻擋層交互層疊而成的多重量子阱(mqw：multi－quantumwell)構造。另外，緩和區域也能夠包括量子阱層。
第一半導體層21設置於活性層24之上。在其第一面20a具有開口端的多個坑101設置為二維格子狀，作為周期構造pc(光子晶體)而發揮作用。例如，坑101設置為從層疊體20的第一面20a朝向深度方向切出圓柱狀的區域後的形狀。雷射60通過周期構造pc被選擇模式，進而通過衍射效果，沿著與第一面20a大致垂直的光軸62，從第一面20a(成為光出射面)被發射。另外，被切出的區域還可以是圓錐、圓錐臺。
另外，層疊體20還能夠具有第一接觸層28以及緩衝層26。例如，第一接觸層28與第一電極50電連接。緩衝層26與在基板10的背面設置的第二電極52電連接。
圖2是第一實施方式涉及的qcl的局部放大模式頂視圖。
另外，圖3是表示第一電極的帶狀部的配置的局部模式頂視圖。
構成周期構造pc(photoniccrystal：光子晶體)的正方格子在xy面內將2個正交的邊d、e的交點設為格子點g，將其格子間隔設為m。各個坑101關於正方格子的2個邊d、e之中的1邊分別被設為非線對稱。另外，格子不止正方格子，還可以是2邊正交的格子。另外，格子還可以是三角格子。
若在第一電極50與在基板10的背面設置的第二電極52之間沿著層疊方向z流動電流，則在第一包層27與第二包層22之間封入光，並且通過周期構造pc選擇受激發射的波長並產生光的衍射。周期構造pc作為使特定波長通過的帶構造而發揮作用，所以，能夠將第一半導體層21稱為光子晶體。
在這種情況下，若坑101關於正方格子的2邊d、e為非線對稱，則產生光學各向異性。通過適當地選擇坑101的形狀、配置、深度等，能夠沿著與第一面20a正交的光軸62發射雷射60。如果坑101關於正方格子的2邊d、e為線對稱，則雷射向與正交於第一面20a的光軸62交叉的方向射出。
第一電極50設置於第一半導體層21之上，並具有框部50a、50b、以及兩端部連結於框部50a、50b的多個帶狀部50c。多個帶狀部50c具有寬度l1，並且分別地相對框部50a傾斜地(交叉角α)交叉，相對框部50b傾斜地(交叉角β)交叉。多個帶狀部50c具有間距l2。多個帶狀部50c的各自的寬度l1優選為同一寬度。另外，多個帶狀部50c間的間距l2優選為同一寬度。在本圖中，設為α＝β＝45°，但是在本發明中並不限定於此。雷射60從第一電極50的開口部50d射出。第一電極50的周期性的開口部50d關於與格子的邊d、e平行的線為非對稱。
在第一實施方式的qcl中，區域p1、p2、p3設為分別切出圓柱後得到的形狀，並且配置成3個圓柱的中心o成直角三角形。qcl設有向與具有活性層24、第1包層27以及第2包層22的層疊部20的層疊方向(z)正交的方向衍射光的坑101，並且該qcl具備相對在活性層24產生的光而衍射光的功能。
若向該qcl流動電流，則通過第1包層27和第2包層22構成導波構造，在活性層24封入光，通過周期性設置的坑101，產生受激發射的波長選擇並且產生幹渉。此時，由於設有周期性的坑101，以便沿與振蕩的方向交叉的方向提取光，所以，通過經由坑101將在活性層24發出的光提取到外部，由此，能夠向沿著光軸62的方向射出雷射60。光軸62相對活性層24成為大致垂直方向。另外，在本說明書中，所謂大致垂直方向設置為相對活性層24的表面為81度以上且99度以下。
坑101設為圓柱形，將配置為中心o成直角三角形的3個設為一組，該坑101的形狀配置為正方格子。通過該配置，在面內被導波後的光沿與面垂直的方向被放射。
qcl中，是偏振光方向與活性層24的表面平行的tm(transversemagnetic)偏振光，如pn結面發光雷射器那樣為了以在表面和背面夾著活性層的方式通過諧振器鏡而偏振光與光的行進方向一致，因此不產生受激發射。即，vcsel(verticalcavitysurfaceemittinglaser：面發光型雷射器)的實現是不可能的。
對此，第一實施方式涉及的qcl中，受激發射光的行進方向是與活性層24的表面平行的方向，所以，受激發射光能夠諧振並且放大。進而，在周期性地並且在周期構造中帶有各向異性的構造的情況，能夠將受激發射光沿與活性層24的表面大致垂直方向提取。也就是說，到此為止在比僅以qcl就能實現的中紅外區域更長的波長區域，變得能夠實現面發光型的雷射器。
面發光型雷射器不需要如端面發光雷射器那樣的基於解理的諧振器的形成，能夠防止由解理造成的合格率的降低。進而，端面發光雷射器通過解理開始而形成諧振器，因此，需要在解理後進行檢查，與晶片那樣的、能夠以自動探針等進行檢查的led等相比，花費檢查的成本。對此，第一實施方式涉及的qcl能夠在晶片狀態下進行由自動探針進行的評價，在檢查成本、合格率方面，能夠期待降低成本的較大的效果，到此為止昂貴的qcl的價格低廉、量產化變得容易。
另外，在通常半導體雷射器中，需要將電極形成於發光層的上下，在面發光型的情況下，由於在光的出射方向存在電極，因此變得阻礙光的提取。在第一實施方式中，在不存在坑101的區域以波長以下的寬度配置電極，能夠兼顧電流注入和雷射的提取。如圖3所示，第一電極50具有與配置了3個圓柱的正方格子例如成大致45度的角度的帶狀部50c。通過這樣配置電極，由此，設置將以正方格子配置的3個圓柱在45度方向上不形成1列的區域，能夠形成帶有最大的寬度的電極。因此，能夠確保寬廣的接觸面積，金屬與半導體的界面的接觸電阻減少，qcl的動作電壓減少。另外，在本說明書中，相對正方格子成大致45度是設為相對正方格子的1個邊而角度為40度以上且50度以下。
圖4是表示元件的電極配置的模式俯視圖。
傾斜地設置帶狀部50c的區域並不限定於圖1～圖3。與圖3不同，還可以在4組的重複之中將1組設定成形成電極的區域。該形成電極的區域還能夠將3個圓柱設為1組並在2組中將1組設為形成電極的區域。
圖5是與電極帶狀部的1周期內的坑數相對的電流注入的均勻度以及相對光提取效率的曲線圖。
橫軸表示電極帶狀部的1周期內的坑數，縱軸表示電流注入的均勻度以及相對光提取效率。電流注入的均勻度在電極50的帶狀部50c具有一維周期構造的情況下，將在沿著與帶狀部50c正交的方向的1周期內包括2個坑的情況設為100進行規格化。另外，相對光提取效率在電極50的帶狀部50c具有一維周期構造的情況下，將在沿著與帶狀部50c正交的方向的1周期內包括50個坑的情況設為100進行規格化。
對著沿著與帶狀部50c正交的方向的1周期內的坑101的個數增加，電流注入的均勻度降低，但相對光提取效率增加。即，通過將1周期內的坑101的個數設為5以上且20以下，能夠兼顧電流注入的均勻度和雷射的提取效率。因此，利用第一電極50的開口面積與電流注入的效率的關係、以及第一電極50的周期構造對光提取時的衍射效果產生影響的關係來求出最優解。
圖6是第一實施方式涉及的面發光qcl的製造方法的流程圖。
將由n型inp構成的基板10配置於晶體生長裝置之中，在該基板10上通過使用了mbe(molecularbeamepitaxy)法等的晶體生長，將由摻雜si的n型ingaas構成的緩衝層26、由摻雜si的n型inp構成的第2包層22、由未摻雜的ingaas構成的第2導向層23、由包括由in0.669ga0.331as構成的阱層以及由in0.362al0.638as構成的阻擋層在內的多重量子阱構成的活性層24、由未摻雜的ingaas構成的第1導向層25、由摻雜si的n型inp構成的第1包層27、由摻雜si的n型ingaas構成的第1接觸層28按照該順序進行晶體生長(s100)。
另外，活性層24設計為通過厚度不同的量子阱層的組合，量子能級在動作時重疊。例如，能夠將20層量子阱的組合設為1組，並將其重疊40組的層疊構造。
隨後，將進行了晶體生長的基板10從晶體生長裝置提取，在第1接觸層28上形成sio2等絕緣膜40(s102)。在絕緣膜40的表面形成第1電極形成用的抗蝕圖形。第一電極50形成於沒有設置光致抗蝕圖形的區域。在絕緣膜40為sio2的情況下，通過氟化銨液等被蝕刻去除。在該狀態下向電子束蒸鍍裝置導入晶片，對電極金屬ti/al蒸鍍。從蒸鍍裝置提取晶片，用去除液去除光致抗蝕時，通過間隔件剝離來形成第一電極50(s104)。
隨後，再次層疊絕緣膜(未圖示)(s106)。之後塗敷光致抗蝕，形成配置了3個圓的正方格子的圖形，使用該光致抗蝕圖形以溼式蝕刻對絕緣膜圖案形成。在絕緣膜形成由3個圓構成的開口部(s108)。
在去除光致抗蝕之後，將絕緣膜作為掩模並通過乾式蝕刻形成到達第1包層27的中間部為止的坑101(s110)。進而，以溼式蝕刻將層疊體20的表面去除10nm左右，去除由乾式蝕刻造成的損傷層(s112)。
再次層疊絕緣膜，覆蓋層疊體20露出的部分(s114)。塗敷光致抗蝕，製作僅在形成接合焊墊(未圖示)的部分進行了開口的圖形，並僅去除該部分的絕緣膜，在該狀態下向電子束蒸鍍裝置導入晶片，對電極金屬ti/pt/au進行蒸鍍。從蒸鍍裝置提取晶片，去除光致抗蝕時，電極金屬殘留在電極形成區域，能夠形成接合焊墊(s116)。根據上述記載，晶片步驟結束。
隨後，能夠對各自的元件使用探針等通電電流，進行檢查。能夠在接近產品的狀態下進行檢查。隨後，在通過研磨(s120)將基板10的背面薄層化100μm左右之後，向電子束蒸鍍裝置導入晶片，對第二電極金屬ti/pt/au進行蒸鍍(s122)。另外，還可以在背面側的第二電極(52)的形成步驟(s122)之後，通過使基板10的背面側與金屬接觸從而進行檢查(s124)。
隨後，從與基板側相反的表面進行用於切割的劃線。以變成各元件的大小的方式進行劃線，由斷開裝置來分割元件。在劃線之時粘接於具有伸縮性的粘接片材，在斷開之後拉伸片材並擴展元件與元件之間，提高元件的拾取(對應日語：ピックアップ)性。最終，在該狀態下用探針進行全數檢查。在之前進行的幾個檢查也可以在該工序中進行。從粘接片材提取元件，安裝到cuw等散熱器。安裝是通過使用檢查步驟中的數據選別而進行，從而能夠進行合格率優良的生產。安裝時的接合還可以是ausn。更優選熱傳導優良的ag。能夠減少工序數，並減少檢查所需要的時間。
對安裝到散熱器的元件進行測量，以4.355μm的波長得到100mw的輸出，模式為單一模式。另一方面，在端面發光型中，若為了得到高輸出而進行高電流注入則模式不是單一，從qcl照射的雷射帶有多個峰值，因此，難以得到高輸出。
圖7是第二實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部放大模式頂視圖。
另外，圖8是沿著圖7的a－a線切斷的模式立體圖。第二實施方式的面發光量子級聯雷射器設成與第一實施方式的層疊體20相同的組成。
坑101成為從層疊體20的第一面20a這側朝向下方切出三角錘、三角錐臺而成的形狀。在圖7中，坑101的開口端以直角三角形表示。夾著直角的2個邊分別與框部50a、50b的2個邊平行，斜邊與第1電極50的帶狀部50c平行。
隨後，對於本實施方式的半導體發光元件的製造方法進行說明。
到圖6表示的絕緣膜形成步驟(s106)為止的步驟設成與第一實施方式共同。在絕緣膜形成步驟(s106)之後，形成直角三角形的抗蝕圖形，對sio2等絕緣膜40溼式蝕刻，在絕緣膜40形成開口部(未圖示)。
去除光致抗蝕後，將絕緣膜40作為掩模到第1包層27的中間為止進行溼式蝕刻，形成切出三角錐後的區域即坑101。圖6表示的步驟114以後與第一實施方式大致相同。
圖9是第三實施方式涉及的面發光量子級聯雷射器的局部模式立體圖。
坑101成為切出三角柱後的形狀，並配置成正方格子狀。通過該配置而沿第一面20a被導波的光沿著與第一面20a垂直的光軸62的方向被放射。
圖10(a)是坑形成後的沿著圖9的b－b線的模式剖視圖，圖10(b)是電極形成後的沿著b－b線的模式剖視圖。
通過圖6表示的表面溼式蝕刻過程(s112)，如圖10(a)所示，形成坑101。使用cvd(chemicalvapordeposition)裝置，以sio2那樣的絕緣膜42對坑101內進行填充。之後，進行乾式蝕刻，以使絕緣膜42的厚度變得與坑的深度相同。
進而，如圖10(b)所示，以覆蓋由絕緣膜42的表面和第一面20a的表面20a構成的大致平坦的面的方式對包括au的金屬蒸鍍，成為第一電極70。另外，在外周部，若設置ti/au，則與僅au的情況相比，粘著性變得更優良。另外，例如，若在氮氣氛中進行燒結，則由於au與ingaas進行合金化，所以粘著性進一步增加。
圖11(a)是第三實施方式涉及的qcl元件的模式底視圖，圖11(b)是從基板側觀察到的qcl元件的模式立體圖。
在圖10表示的步驟之後，通過研磨將基板10薄層化100μm左右，塗敷光致抗蝕，用雙面掩模對準器與qcl的表面對齊並進行圖案形成曝光。在向電子束蒸鍍裝置導入晶片之後，對電極金屬ti/pt/au蒸鍍，以不妨礙光的提取的方式在外周部形成第二電極52。
隨後，從與基板相反這側的表面進行用於切割的劃線。以變成各元件的規定的尺寸的方式進行劃線，用斷開裝置對元件進行分割。在劃線之時粘接於具有伸縮性的粘接片材，在斷開之後拉伸片材並擴展元件與元件之間，提高元件的拾取性。最終，在該狀態下用探針進行全數檢查。
圖12(a)、(b)是說明qcl元件的組裝工序的模式剖視圖。
從粘接片材提取qcl元件，使與基板10相反側的表面的第一電極70與cuw等散熱器72之上的導電部74面對面(圖12(a))，並進行接合(圖12(b))。第三實施方式是，通過第一電極70反射光，並從基板10這側提取光的構造。接合還可以是ausn，但更優選熱傳導優良的au納米粒子膏。
圖13是將第四實施方式涉及的量子級聯雷射器局部切斷後的模式立體圖。
另外，圖14是沿著圖13的c－c線的模式剖視圖。
坑101是切出3個規定區域p1、p2、p3後的圓柱狀，如有圖13所示，將圓的中心構成直角三角形的3個區域設為一組，並配置為正方格子。通過該配置在面內被導波的光沿與活性層24的表面垂直的方向被放射。
隨後，對第四實施方式的qcl的製造方法進行說明。首先，將由n型inp構成的基板(未圖示)配置於晶體生長裝置之中，在基板上使用mbe法，將由摻雜si的n型ingaas構成的緩衝層26、第2包層22、第2光導向層23、活性層24、第1光導向層25、第1包層27、由摻雜si的n型ingaas構成的第1接觸層28按該順序進行晶體生長。
隨後，從晶體生長裝置提取晶片，在第1接觸層28上形成由ti/pt/au層構成的電極60。進而，準備由inp構成的另一基板80並在表面形成ti/pt/au層61。通過對該2枚晶片的ti/pt/au以在真空中使晶體取向一致並重合的方式進行加熱，由此進行晶片接合。該接合稱為はau－au接合，通過接合金屬層62接合有晶片。
隨後，通過研磨使被接合的晶片的表面側變薄到10μm程度為止，之後用鹽酸去除。ingaas沒有用鹽酸進行蝕刻，因此，在緩衝層26蝕刻中止。將該晶片導入到電子束蒸鍍機，對ti/au蒸鍍。從電子束蒸鍍機提取，通過光致抗蝕進行圖案形成。圖形為圓形且將帶有圓的中心為直角三角形的配置以3個為一組，並將其形狀配置成正方格子。
隨後，將圖案形成後的晶片導入乾式蝕刻裝置，對ti/au蝕刻，形成坑101。另外，能夠在通過設置於第一電極54的坑而露出的層疊體20以乾式蝕刻等進一步設置坑。從乾式蝕刻裝置提取，隨後通過研磨使基板80薄膜化到100μm左右之後，向電子束蒸鍍裝置導入晶片，對電極金屬ti/pt/au蒸鍍，形成第二電極56。
圖15(a)是第四實施方式的第1變形例涉及的qcl的局部模式頂視圖，圖15(b)是第四實施方式的第2變形例涉及的qcl的局部模式頂視圖。
坑101在俯視時，還可以是三角形(圖15(a))、菱形(圖15(b))、平行四邊形等。
在圖1中，第一電極50與第一半導體層21的界面還可以是等離子體波導。例如，若雷射為太赫茲波，則能夠將第一電極50與第一半導體層21的界面設為表面等離子體波導。因此，第一電極50的電容率的實部為負，能夠將折射率設為虛數。在這種情況下，雷射沒有侵入到第一電極50，所以，即使不設置包層，也能夠封入雷射。
根據第一～第四實施方式以及其附帶的變形例，提供一種面發光量子級聯雷射器，從紅外線在太赫茲波的波長帶中，高輸出化容易。這些面發光級聯雷射器能夠廣泛地利用於雷射器加工、環境測量、呼氣分析等。
對本發明的幾個實施方式進行了說明，但這些實施方式是作為例子而提出的，並沒有意圖限定發明的範圍。這些實施方式可以以其他各種方式進行實施，在不超出發明主旨的範圍內，可進行各種省略、調換以及變更。這些實施方式及其變形包括在發明的範圍和主旨內，同樣，也包括在專利請求所記載的發明和與其等同的範圍內。