垂直腔表面发射激光器(下面，称为VCSEL)是用于在垂直于半导体衬底的面内向的方向发射激光束的激光器。
分布式布拉格(Bragg)反射器(下面，称为DBR)通常用作表面发射激光器的反射层。
DBR一般是通过将高折射率层和低折射率层以λ/4的光学膜厚度交替地层叠而形成的。
表面发射激光器具有这样的极好的特性，以致于作为纵模特性，获得稳定的单模，其阈值低于边缘发射激光器的阈值，并易于形成二维阵列。
因此，可以预期，表面发射激光器将作为光通信和光传输的光源或电子照相术的光源应用。
为了增强VCSEL的适用性，需要产生较高的输出而同时维持单横模振荡的VCSEL。
相应地，已经考虑了各种结构，作为其中一个有前途的结构，Song et al.，Applied Physics Letters Vol.80，p.3901(2002)(下面，称为文献1)提出了一种光子晶体VCSEL，其中，在VCSEL中形成了光子晶体纤维结构的二维光子晶体结构。
图5显示了文献1中所描述的表面发射激光器的结构。
在图5中所显示的表面发射激光器600中，在衬底605上层叠下部多层反射镜610、下部间隔层620、活性层630、上部间隔层640，以及上部多层反射镜650。
当向在上部多层反射镜650上形成的上部电极690以及在衬底605下面形成的下部电极695施加电压时，活性层630发光，发出的光被由上部反射镜和下部反射镜形成的共振器放大，从而，获得激光振荡。结果，在垂直于衬底的方向发射激光束。
在上部多层反射镜650的一部分中，形成了电流限制结构660，包括导电区域661和高阻区域662。
电流限制结构是通过对具有高Al成分比例的AlGaAs层或AlAs层的氧化而形成的。
通过AlGaAs或AlAs的氧化形成的AlxOy与AlGaAs或AlAs相比具有较高的电阻和较低的折射率。
从上部多层反射镜650的上表面到活性层侧，形成包括多个孔675的二维光子晶体结构。在二维光子晶体结构的中心设置了缺陷。
在形成二维光子晶体结构的区域中，有效折射率减小。
这里，上文所描述的有效折射率的减小量小于在氧化AlGaAs或AlAs的区域获得的有效折射率的减小量。
在由折射率差异所引起的光学限制中，折射率差异越小，可以维持单横模的波导部分的面积越大。
相应地，电流限制是通过氧化的孔进行的，在水平方向的光学限制是通过二维光子晶体结构进行的，从而，与两种限制都通过氧化的孔来进行的情况相比，可以增大发射面积，同时维持单横模振荡。在前述的文献1的表面发射激光器中，使二维光子晶体结构的缺陷尺寸小于电流限制尺寸，结果，可以实现维持了单横模并具有较大的发射面积的表面发射激光器。
然而，在其中从上部多层反射镜的表面形成二维光子晶体的孔的结构中，与文献1的情况相同，需要制造深孔，以便实现足够的横模控制。
这是因为，具有大的光强度的共振区域位于上部多层反射镜的活性层侧，所以没有二维光子晶体结构，就不能充分表现横向模控。
然而，当制成深孔时，折射率在上部多层反射镜内的垂直方向的长距离内发生变化，这会导致反射镜的共振波长的偏移量的增大。
结果，对于共振激光束，上部反射镜的反射率减小，这会增大反射损失。
因此，在横向模控结构中，可以保证较大的发射面积，但是，共振器性能下降，由此不能充分提高输出。

鉴于上文所提及的问题，本发明的目的是提供能够在单横模下减小对上部反射镜的反射率的影响的高输出表面发射激光器。
因此，为了解决上文所提及的问题，本发明提供了具有下述结构的表面发射激光器。
根据本发明的表面发射激光器包括在衬底上层叠的多个半导体层，半导体层包括下部半导体多层反射镜、活性层、以及上部半导体多层反射镜，其中，所述下部半导体多层反射镜和所述上部半导体多层反射镜中的一个包括具有二维光子晶体结构的第一半导体层，所述二维光子晶体结构由高折射率部分和低折射率部分构成，所述高折射率部分和低折射率部分被布置在平行于所述衬底的方向，以及其中，层叠在所述第一半导体层上的第二半导体层包括到达所述低折射率部分的微孔，所述微孔在平行于所述衬底的所述方向的截面小于在所述第一半导体层中形成的所述低折射率部分的截面。
根据本发明，可以实现能够在单横模下减小对上部反射镜的反射率的影响的高输出表面发射激光器。
通过下列参考附图对示范性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

图1是显示根据本发明的实施例1的表面发射激光器的示意性说明视图。
图2是显示根据本发明的实施例2的表面发射激光器的示意性说明视图。
图3是显示根据本发明的实施例3的表面发射激光器的示意性说明视图。
图4是显示根据本发明的实施例1的表面发射激光器的光子晶体结构中的抗蚀剂图案的形成的视图。
图5是显示根据现有技术的表面发射激光器的示意性说明视图。

接下来，描述本发明的实施例。
下面参考附图描述根据本发明的表面发射激光器的实施例，其中，在衬底上层叠了多个半导体层，包括下部半导体多层反射镜、活性层、以及上部半导体多层反射镜。
注意，在下面描述的图1到图4中，相同或相应的部分通过相同的标号来表示。
实施例1
下面描述根据本发明的实施例1的表面发射激光器。
图1是显示根据此实施例的表面发射激光器的示意性说明视图。
在图1中，表面发射激光器100包括衬底105、共振器107、下部半导体多层反射镜110、下部间隔层120、活性层130、上部间隔层140、上部半导体多层反射镜150、电流限制层160、二维光子晶体结构170，以及低折射率部分175。
表面发射激光器100包括微孔180、上部电极190，以及下部电极195。
在此实施例中，表面发射激光器100具有其中在衬底105上形成共振器107的结构。
在共振器107中，按顺序形成了下部半导体多层反射镜110、下部间隔层120、活性层130、上部间隔层140，以及上部半导体多层反射镜150。
上部半导体多层反射镜150包括由导电区域161和高阻区域162形成的电流限制层160。
此外，形成上部半导体多层反射镜150的第一半导体层配备有与周围的半导体层相比具有较低的折射率的低折射率部分175，从而，形成了在平行于衬底的方向具有二维折射率分布的二维光子晶体结构。
换句话说，通过形成低折射率部分175，形成了由高折射率部分和低折射率部分(它们被布置在平行于衬底的方向)构成的二维光子晶体结构170。
第二半导体层层叠在第一半导体层上，微孔180从低折射率部分175的上表面穿透到第二半导体层的上表面，即，到上部半导体多层反射镜150的表面。
使微孔在平行于衬底的方向的截面小于第一半导体层的低折射率部分在平行于衬底的方向的截面。此外，在上部半导体多层反射镜150的表面上设置环形的上部电极190，在衬底105上设置下部电极195。
在表面发射激光器100中，当在上部电极190和下部电极195之间施加电压时，活性层130发光，从活性层130泄漏的光被共振器107共振并放大。相应地，激光束从上部半导体多层反射镜150的上表面进行面发射。作为此实施例的二维光子晶体结构170，光子晶体纤维结构是理想的。在光子晶体纤维结构中，光传播轴充当芯，多个低折射率部分(它们与上部半导体多层反射镜相比，具有较低的折射率)形成芯周围的包层部分。
电流限制结构可以以与在制造常规垂直腔表面发射激光器(VCSEL)时使用的方法同样的方式制造。
换句话说，作为典型的方法，可以使用质子离子注入或选择性氧化。
根据如前所述的实施例的表面发射激光器，可以通过二维光子晶体结构来控制横模。
此外，如上文所描述的，使微孔在平行于衬底的方向的截面小于第一半导体层的低折射率部分在平行于衬底的方向的截面。结果，与其中直接从上部多层反射镜的表面制成二维光子晶体结构的孔的常规结构相比，可以抑制共振性能的降低。
即，与通过使用如前所述的结构允许二维光子晶体结构的孔从表面穿透的情况相比，所需的孔的体积较小。如此，可以减小反射镜的波长偏移。
此外，所形成的孔的表面粗糙度可导致界面上的共振光的散射损失，但是，其表面积也可以减小。相应地，可以抑制多层反射镜的反射率的降低，从而，可以抑制面发射激光共振器中的光的寿命的缩短。结果，可以实现高输出操作。
此外，根据上面的实施例的表面发射激光器，上部多层反射镜是半导体，因此，上部多层反射镜具有导电性。相应地，可以实现其中在上部多层反射镜的表面上设置电极的结构。
接下来，描述根据此实施例的制造表面发射激光器100的方法。在此实施例中，作为图1中所显示的表面发射激光器的衬底105，例如，可以使用诸如n-GaAs衬底之类的n型半导体衬底。
随后，在n型半导体衬底105上，按下面描述的方式层叠下部多层反射镜110、下部间隔层120、活性层130、上部间隔层140，以及上部多层反射镜150。
首先，在衬底105上层叠多对低折射率层和高折射率层，以形成下部多层反射镜110。
例如，使用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)层叠低折射率层和高折射率层。
可以在具有激光振荡波长的光没有被吸收的范围内适当地选择低折射率层和高折射率层的层状结构。
在此情况下，从对具有670nm波长的光透明并确保低折射率层和高折射率层之间的较大的折射率差异的角度来看，可以使用下列层状结构，以便利用少量的对即可获得高反射率。
也就是说，使用厚度为49nm的n-Al0.93Ga0.07As层作为低折射率层，使用厚度为54nm的n-Al0.5Ga0.5As层作为高折射率层，从而，层叠70对的上述低折射率层和高折射率层。
然后，在多层反射镜110上，例如通过使用MOCVD来层叠下部间隔层120、活性层130，以及上部间隔层140。
作为下部间隔层120，使用n型半导体，例如，n-Al0.93Ga0.07As。
作为活性层130，例如，从在670nm波长时具有光学增益的角度来看，使用具有量子阱结构的GaInP/AlGaInP。
作为上部间隔层140，使用p型半导体，例如，p-Al0.93Ga0.07As。
层叠下部间隔(层)120、活性层130，上部间隔层140，以便它们的总的光学厚度基本上等于例如激光振荡波长。
接下来，在用于形成电流限制结构的上部间隔层140上，层叠40对低折射率层和高折射率层，以形成多层反射镜150。
现在，形成用于在多层反射镜结构的一部分中形成电流限制结构的电流限制层160。
作为用于形成电流限制结构的电流限制层160，允许具有高Al成分比例的AlGaAs，例如，p-Al0.98Ga0.02As，生长20nm(从底部开始第二对中形成的低折射率层由Al0.98Ga0.02As构成)。
此外，在多层反射镜结构内的电流限制层160的上侧，层叠用于形成二维光子晶体结构170的第一半导体层。第一半导体层的厚度例如是振荡波长的3.25倍的光学厚度。
然后，在第一半导体层上，层叠用于形成多个微孔180的第二半导体层。
可以从上文所描述的材料中适当地选择低折射率层和高折射率层。
例如，使用厚度为49nm的p-Al0.93Ga0.07As层作为低折射率层，使用厚度为54nm的p-Al0.5Ga0.5As层作为高折射率层，从而层叠40对低折射率层和高折射率层。
在该情况下，使由AlGaAs层构成的第一半导体层的Al成分比例高于第二半导体层的Al成分比例，并高于在第一半导体层下形成的半导体层的Al成分比例。
接下来，为了形成多个微孔180，在第二半导体层的表面上涂敷抗蚀剂，以在被涂敷的膜上形成二维光子晶体图案。
例如，如图4所示，在基本微孔图案410中形成抗蚀剂图案，其中，对于在对应于设置了发射部分420的位置的地方中的一个圆，抗蚀剂不去除。在基本微孔图案410中，周期性地重复单位形状，其中，在边长为2.5μm的等边三角形的三个顶点，以直径为250纳米的圆的形状，去除抗蚀剂。
接下来，使用ICP蚀刻法，该方法引入氯气，在第二半导体层中形成多个微孔180(其直径例如是50nm)。
这里，使微孔的底部位于第一半导体层的上表面上，第一半导体层形成了用于形成二维光子晶体结构170的上部半导体多层反射镜150。
接下来，通过氧化区域(其被通过微孔提供的氧化物种氧化)，在第一半导体层中形成低折射率部分175，该部分与周围的半导体层相比折射率较低。
例如，在除去抗蚀剂之后，通过微孔引入水蒸汽，然后，在450℃下对第一半导体层进行热处理。结果，在第一半导体层中，按下面描述的方式形成具有低折射率部分175(例如，具有对应于200nm的截面的低折射率部分)的二维光子晶体结构，该低折射率部分175在平行于衬底方向的截面大于微孔180的截面。
换句话说，与第一半导体层接触的部分被氧化，从而，形成了与周围的半导体层相比折射率较低的Al氧化物。如此形成的Al氧化物形成了对应于二维光子晶体的低折射率部分175的区域。
可以通过改变氧化过程的条件，即，处理时间、水蒸汽的流动速率，以及热处理的温度，调节低折射率部分的尺寸。
在此情况下，可以将低折射率部分的尺寸设置为直径例如为1μm的圆形区域。
例如用SiO2或树脂填充微孔，然后，形成直径为30μm的圆形台面(mesa)。
使圆形台面的中心和二维光子晶体图案的中心(在图4中，光子晶体的缺陷的中心)彼此重合。
允许台面的底部到达下部多层反射镜。
从由p-Al0.98Ga0.02As制成的电流限制层(高阻层)160的端面(暴露于台面侧壁)引入水蒸汽，在450℃下对电流限制层160进行热处理，从而，形成AlxOy高阻区域162。
在此情况下，控制氧化时间，以便在台面的中心处留下截面为100μm2的导电区域161，从而形成电流限制结构。
接下来，在台面的附近形成聚酰亚胺保护膜，在台面的上表面上再设置与其连接的p型上部电极190。
上部电极例如由Ti/Au制成。通过剥离法去除距离台面中心的10μm的直径内的区域内提供的电极，以便进行光提取。
最后，在衬底105的后侧形成n型下部电极195，从而，可以制造其中横模被控制的以670nm的波长振荡的表面发射激光器100。
上文描述了通过氧化区域形成二维光子晶体的低折射率部分的方法，氧化区域是通过对第一半导体层的一部分区域的氧化形成的，该氧化过程是利用通过微孔提供的氧化物种进行的。然而，形成二维光子晶体的低折射率部分的方法不限于此。
例如，使用蚀刻液(例如，缓冲的氟化氢)(利用所述蚀刻液，可以根据Al成分比例有选择地进行湿蚀刻)，以便可以通过在第一半导体层的一部分区域进行蚀刻，形成由空隙(void)构成的低折射率部分。
在这种情况下，空隙可以用与第一半导体层相比具有较低的折射率的材料填充。
此外，在此实施例中，电流限制结构是在上部多层反射镜中形成的，但是也可以在下部多层反射镜中形成。
此外，在此实施例中，电流限制结构是通过选择性氧化形成的，但是，也可以通过质子注入形成。在这样的情况下，并不总是需要形成台面结构，因此，面发射激光设备可以容易地集成到小的区域中，以用作阵列。
此外，在此实施例中，微孔是用其折射率比第一半导体层的折射率低的材料填充的。相应地，与微孔是由空气构成的情况相比，其机械强度得到增强，从侧壁界面对半导体多层反射镜的影响，如氧化，可以降低。
(实施例2)
下面描述根据本发明的实施例2的表面发射激光器。
图2是显示根据此实施例的表面发射激光器的示意性说明视图。
在图2中，表面发射激光器200包括衬底205、共振器207、下部多层反射镜210、下部间隔层220，以及活性层230。
表面发射激光器200包括上部间隔层240、上部多层反射镜250，以及电流限制层260。
表面发射激光器200包括二维光子晶体结构270以及低折射率部分275。
表面发射激光器200包括微孔280、上部电极290，以及下部电极295。
在实施例2中，表面发射激光器200具有其中在衬底205上形成共振器207的结构。
在共振器207中，按顺序形成下部多层反射镜210、下部间隔层220、活性层230、上部间隔层240，以及上部半导体多层反射镜250。
在上部半导体多层反射镜250中，形成由导电区域261和高阻区域262构成的电流限制层260。
此外，在形成上部半导体多层反射镜250的第一半导体层中形成低折射率部分275，从而，形成了由高折射率部分和低折射率部分构成的二维光子晶体结构270，高折射率部分和低折射率部分被布置在平行于衬底的方向。
第二半导体层层叠在第一半导体层上，微孔280从低折射率部分275的上表面穿透到不是第二半导体层的上表面的中间层，即，穿透到不是上部半导体多层反射镜250的表面的中间层。
从而，微孔在平行于衬底的方向的截面小于在第一半导体层的区域形成的低折射率部分在平行于衬底的方向的截面。
此外，在上部半导体多层反射镜250的表面上提供了环形的上部电极290，在衬底205上提供下部电极295。
换句话说，实施例2具有基本上与实施例1相同的结构，只是，在上部半导体多层反射镜中，与二维光子晶体的低折射率部分接触的微孔不会穿透到上部半导体多层反射镜的表面。
在实施例2中，因为微孔的体积小于实施例1的微孔的体积，因此，有以下优点：可以进一步抑制上部半导体多层反射镜的光损耗。
此外，因为在形成微孔时所需的蚀刻深度比较小，因此有更加简化工艺的优点。
接下来，描述根据本发明的实施例2的制造表面发射激光器200的方法。如图2所示，在此面发射激光设备中，在诸如n-GaAs衬底之类的n型半导体衬底205上按顺序层叠下部多层反射镜210、下部间隔层220、活性层230、上部间隔层240，以及上部半导体多层反射镜250。
上部半导体多层反射镜250由第一上部多层反射镜251和第二上部多层反射镜252构成。
直到制造上部间隔层240的制造方法在与实施例1相同的过程中进行。
接下来，在上部间隔层上，层叠由10对低折射率层和高折射率层构成的第一上部多层反射镜251。
现在，使从第一上部多层反射镜251的底部开始的第二对中的低折射率层充当用于进行电流限制的电流限制层260，并为此使用例如p-Al0.98Ga0.02As。此外，使从底部开始的第七对的低折射率层充当用于形成二维光子晶体结构270的第一半导体层，并为此使用p-Al0.96Ga0.04As。
此外，第一半导体层的厚度例如是振荡波长的3.25倍的光学厚度。
接下来，在用于形成二维光子晶体结构270的第一半导体层上层叠第二半导体层，在层叠的膜表面上形成保护层之后涂敷抗蚀剂，从而，形成类似于实施例1的图案。
接下来，使用引入氯气的ICP蚀刻法，给第二半导体层提供多个微孔280。
与上文所描述的实施例1的情况相同，微孔的底部被布置成位于第一半导体层的上表面上，第一半导体层形成用于形成二维光子晶体结构270的上部半导体多层反射镜250。
接下来，在除去抗蚀剂之后，通过微孔引入水蒸汽，然后，例如在450℃下对微孔进行热处理。
相应地，与上文所描述的实施例1的情况相同，在第一半导体层中形成具有低折射率部分275的二维光子晶体结构，该低折射率部分275在平行于衬底方向的截面大于微孔280的截面。
可以通过改变氧化过程的条件，即，处理时间、水蒸汽的流动速率、以及热处理的温度，调节低折射率部分的尺寸。低折射率部分的尺寸是，例如，直径为1μm的圆的尺寸。
接下来，为了制造其中形成微孔直到到达第二半导体层的上表面的途中的中间层的结构，在第二半导体层上形成第三半导体层，该第三半导体层是通过晶体的再生长形成的。具体来说，在用例如SiO2或树脂填充微孔之后，除去第一上部多层反射镜251的表面的保护层，从第一上部多层反射镜251的表面进行半导体晶体的再生长。
相应地，在第二半导体层上，形成由通过晶体再生长形成的第三半导体层构成的第二上部多层反射镜252。
在再生长过程中，例如，使用MOCVD方法。
在MOCVD中，一般控制生长参数，以使横向生长模式大于厚度方向生长模式。
具体来说，在AlGaAs的MOCVD中，将V/III提高(到500)，将生长压力减小(到100mmHg)，并将生长温度提高(到750℃)。结果，可以容易地确保等于或大于50nm的扩散长度。
在微孔平坦化之后，期望将生长条件复位到正常生长模式。
第二多层反射镜252例如是由30对膜构成的多层膜。
随着在半导体的表面上形成的低折射率介质的孔的面积变小，可以更加容易地进行再生长。
因此，尽管由于低折射率孔的尺寸，难以从二维光子晶体结构进行再生长，但是，从表面(在那里，制造了小于二维光子晶体结构的低折射率孔的微孔)可以容易地进行再生长。然后，与实施例1的情况相同，形成圆形的台面和电流限制层，然后，形成上部电极290和下部电极295，从而，可以制造表面发射激光器200。
以这种方式，根据此实施例的结构，由于在二维光子晶体结构的孔上形成了与二维光子晶体结构的孔相比孔直径较小的微孔的层的存在，所以可以在其上进行半导体的晶体再生长。
换句话说，用于控制横模的二维光子晶体的孔的孔直径一般等于或大于数百个纳米，因此，难以直接在其上进行半导体的高质量的晶体再生长。然而，根据此实施例的结构，可以进行较高质量的再生长。
相应地，可以层叠高质量的上部半导体多层反射镜，如此，可以解决电流注入的问题和工艺的问题，同时又可控制表面发射激光器的横模。
(实施例3)
描述根据本发明的实施例3的表面发射激光器。
图3是显示了根据此实施例的表面发射激光器的示意性说明视图。
在图3中，表面发射激光器300包括衬底305、共振器307、下部多层反射镜310、下部间隔层320，以及活性层330。
表面发射激光器300包括上部间隔层340、上部多层反射镜350，以及电流限制层360。
表面发射激光器300包括二维光子晶体结构370以及低折射率部分375。
表面发射激光器300包括微孔380、上部电极390，以及下部电极395。
在实施例2中，在上部半导体多层反射镜中形成二维光子晶体结构和微孔，但是，也可以在下部多层反射镜中形成，如此实施例所描述的。
在根据此实施例的表面发射激光器300中，在衬底305上层叠下部多层反射镜310、下部间隔层320、活性层330、上部间隔层340，以及上部多层反射镜350。
此外，还在下部多层反射镜310中形成二维光子晶体结构370和微孔380。这样的实施例也适用于本发明。
在此结构中，在衬底305上层叠35对下部多层反射镜311，然后，形成微孔和光子晶体结构。
然后，通过使用半导体的晶体再生长，从下部多层反射镜311的表面层叠下部多层反射镜312、下部间隔层320、活性层330、上部间隔层340，以及上部多层反射镜350。
在此实施例中，在形成光子晶体结构之后，形成下部间隔层和活性层。
因此，在活性层侧上形成的半导体多层反射镜312不会受诸如过蚀刻之类的制造偏差的影响，这稳定了其特性。
虽然是参考示范性实施例描述本发明的，但是应该理解，本发明不限于所公开的示范性实施例。下列权利要求的范围应该有最宽泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
具体来说，可以对半导体层，光子晶体结构，以及电极的材料或形状，光子晶体结构的折射率分布的图案等等进行适当的更改。
例如，在上面的实施例中，对使用AlGaAs层作为半导体层的情况进行了描述，但是，也可以使用AlAs层。