专利名称：一种垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源及制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，具体地说涉 及一种具有表面等离子调制效应的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光 源。
本发明还涉及上述激光光源的制备方法
背景技术：
目前的光学数据存储系统，如CD或者DVD都是远场存储系统，由于 受到了衍射极限的限制，所以存储密度有限。利用光源近场处的倏逝波可 以很好的突破衍射极限的限制，大大提高存储密度，因此高密度光学数据 存储成为近场光学应用一个很大的领域。如果能制造出突破衍射分辨率极 限的微小光源，对微区成像、微区探测和纳米光刻等应用领域都将是极大 的推动。在这样的背景下，近场光学得到了飞速发展。近期，近场数据存 储将成为最有前景的高密度数据存储方法之一。其中制备高质量近场光源 是一个重要的研究方向。
基于边发射激光器制备的微小孔径激光器(very-small-aperture laser, VSAL)，使探针型近场存储取得了突破性进展，通光效率比普通光纤探针 有很大的提高，必将极大的提高近场光学显微镜的分辨能力，作为纳米尺
度的光源还可用于纳米光刻、纳米加工、纳米光操作及纳米光谱等众多领 域。
但是，普通VASL的激光器只有在近场的百纳米的距离内才能获得优 于l/2波长的超衍射分辨的光斑尺寸，而百纳米距离的测量和控制在光存储
器应用中难于实现，制备出的具有近场高分辨或高存储密度的装置过于复 杂。
基于垂直腔面发射激光器相对于边发射激光器本身的优越性，如有更 小的尺寸，更利于实现集成化，阈值电流密度低，具有对称光输出模式等 特点。并且相对于基于边发射激光器制备的微小孔激光器来说，基于垂直 腔面发射激光器制备微小孔激光器会相对容易。另外，在此基础上利用表 面等离子体调制效应，可以在接近远场的区域内获得小于半波长的光斑，
使得应用微小孔径激光器的近场光存储变得更接近于现实。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于普通垂直腔面发射激光器(VCSEL) 制备具有表面等离子调制效应的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源。 本发明的又一目的在于提供一种制备上述激光光源的方法。 为实现上述目的，本发明提供的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光 源，其结构为
半导体垂直腔面发射激光器出光腔面上有一增透膜，增透膜的上表面
具有等周期性结构；
一金属膜复盖在增透膜上；
出光腔面的出光孔上有一亚波长尺寸的小孔，小孔周围的金属膜上具 有等周期性结构的光栅。
所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其中，增透膜为Si02、
SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02的多层结构。
所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其中，增透膜的上表 面具有周期为30-300nm，槽深为10-200nm的环形等周期性结构。
所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其中，金属膜为Au、 Ag、 Ni、 Cr、 Al、 Ti/Au、 Ti/Al或Ti/Ag，其中Ti的厚度为5-100nm， Au 层的厚度为100-1000nm。
所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其中，小孔周围的金 属膜上具有周期为20-800nm之间、槽深为20-200nm的环形等周期性结构 的光栅。
本发明提供的制备上述垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源的方 法，其步骤为
A) 在普通垂直腔面发射激光器的出光腔面上制备一层增透膜，作为 绝缘层保护出光腔面，同时作为产生表面等离子体效应的介质；
B) 增透膜的上表面制备周期为30-300nm，槽深为10-200nm的环形 等周期性结构；
C) 刻蚀掉出光腔面电极上的增透膜；
D) 在出光腔面制备一层金属膜，作为反射膜阻挡住普通垂直腔面发 射激光器正常的输出光；
E) 在出光孔上刻蚀出一个亚波长尺寸的小孔；
F)小孔周围的金属膜上制备周期为20-800nm，槽深为20-200nm的 环形等周期性结构的光栅。
所述的制备方法，其中，增透膜为Si02、 SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02的
多层结构。
所述的制备方法，所述的金属膜为Au、 Ag、 Ni、 Cr、 Al、 Ti/Au、 Ti/Al 或Ti/Ag，其中Ti的厚度为5-100nm， Au层的厚度为100-1000nm;
所述的制备方法，其中，刻蚀采用聚焦离子束刻蚀技术。 所述的制备方法，其中，制备金属膜时用绝缘材料对激光器的侧面进 行保护。
本发明具有以下优点
1)具有更小的尺寸，利于实现集成化，阈值电流密度低，并且具有 对称光输出模式。
2)制备工艺简单，工艺可重复性好，刻蚀小孔时定位容易，在接近 远场的区域内有达到和超过衍射分辨的光斑尺寸。
图1为普通垂直腔面发射激光器出光腔面(P面)示意图。
图2~图7是在普通垂直腔面发射激光器基础上制备具有表面等离子 调制效应的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源的工艺步骤图。
具体实施例方式
本发明的具有表面等离子调制效应的垂直腔面发射纳米尺度半导体
激光光源，是在普通垂直腔面发射激光器的基础上制备得到的。在普通垂 直腔面发射激光器的基础上制备得到的。具体制备工艺包括在普通垂直腔 面发射激光器出光腔面上镀一层增透膜，在出光孔范围内的增透膜介质上 制作环形等周期性结构，去掉P面电极上的绝缘层后镀一层金属膜，然后 用聚焦离子束刻蚀的方法在出光孔上制备亚波长尺寸的小孔，将光限制在 低损失微小谐振腔中，使光通过微小开口出射，在小孔周围制作环形等周 期性结构，生成高效率的近场光。
详细地说，本发明的制备工艺包括以下步骤
(1 )在普通垂直腔面发射激光器的出光腔面(P面)上制备一层增透膜；
(2) 利用聚焦离子束刻蚀技术在出光孔上刻蚀出具有周期性结构的 光栅等。
(3) 利用聚焦离子束刻蚀技术刻蚀掉P面电极上的绝缘层；
(4) 在出光腔面制备一层金属膜；
(5) 利用聚焦离子束刻蚀技术在出光孔上刻蚀出一个亚波长尺寸的小孔。
(6) 利用聚焦离子束刻蚀技术在出光小孔周围的金属膜上刻蚀出具 有周期性结构的光栅等。
所述步骤(1)是这样进行的，在普通VCSEL的出光腔面上(P面)用 电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECR plasma CVD)淀积一层材 料为Si02和SiNx混合物的增透膜，厚度约为100-400nm。这种方法真空度 高；可在较低温度下淀积；淀积的薄膜几乎没有针孔、致密度高；可用电
子回旋共振的H2/He等离子体对腔面进行去碳去氧的清洁处理，且淀积的
薄膜可重复性好。这层增透膜作为绝缘层在下一步镀金时避免了金属和出 光腔面直接接触，可以保护腔面。同时还可以增强表面等离子体效应，提 高微小孔器件的出光功率。
所述步骤(2)是这样进行的，采用的是美国FEI公司生产的双束 DuaDBeamTMDB235—FIB工作站，Ga+离子束的最小聚焦点7nm。整个系 统在10"Pa以上的高真空条件下进行工作。在出光孔范围内制作环形等周 期性结构，周期在10-400nm，刻蚀掉的绝缘层厚度为跳200nm，剩余绝 缘层厚度为200-400nm，刻蚀时间为30-120秒左右。
所述步骤(3)是这样进行的，采用的是和步骤(2)中相同的FIB系 统，刻蚀掉的绝缘层厚度为200-400nm，刻蚀时间为30-120秒左右。使P 面和N面电极形成电流注入通道。
所述步骤(4)是这样进行的，用磁控溅射法镀一层Ti/Au，其中Ti 为很薄的一层，厚度5nm左右，它的作用是提高粘附性，使Au层在腔面 上的黏附性较好，不易剥落。金层的厚度为100-400 nm，它作为一层反射 膜可以阻挡住垂直腔面发射激光器正常的输出光，使出光腔面的反射率在 激射波长附近大于90。/。。制备金属膜时，把激光器的N面用绝缘胶粘到玻 璃片上，同时用绝缘胶对激光器的侧面进行保护，防止溅射过程中金属蔓 延到器件侧面使上下电极导通发生短路。溅射完成后，检测激光器的功率 -电压-电流特性，确保激光器的电压特性正常，金属层完全覆盖住正常的 输出光，提高微小孔器件的成品率。
所述步骤(5)是这样进行的，釆用的是和步骤(2)中相同的FIB系
统，刻蚀过程对金属膜的刻蚀速率有一定要求，可以通过调节刻蚀时的离 子束流密度、驻留时间，束斑重合距离，离子束流扫描时间等工艺条件来 做到精确控制，从而刻蚀后得到较好的表面平整度。刻蚀金属层的厚度为
100-400nm左右，为了最大程度减轻刻蚀过程对腔面的损伤，采用了最小 的离子束流密度(lpA)，它是决定刻蚀速率的主要因素。采用了最大的 重合距离(50%)，它是决定表面粗糙度的主要因素一。采用的离子束驻 留时间为O.lns。刻蚀小孔的尺寸为亚波长量级，本发明涉及的垂直腔面发 射激光器波长为850nm左右，微小孔直径为200 400nm。小孔形状为单个 圆形孔、方形孔或异形孔，小孔的深度和金属膜的厚度相同。单个小孔的 刻蚀时间一般为20 40s，以恰好打掉金属层为限。
所述步骤(6)是这样进行的，采用的是和步骤(2)中相同的FIB系 统，刻蚀过程对金属膜的刻蚀速率有一定要求，可以通过调节刻蚀时的离 子束流密度、驻留时间，束斑重合距离，离子束流扫描时间等工艺条件来 做到精确控制，从而使刻蚀后得到较好的表面平整度。在普通面发射激光 器出光孔范围内所述步骤(5)形成的小孔周围制作环形等周期性结构， 周期在10-400nm，刻蚀掉的金属膜厚度为100-200画，剩余金属膜厚度为 200-400nm，剩余金属膜厚度以不直接透光为限。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作 一详细的描述
请参阅图1 图7，为本发明的具有表面等离子调制效应的垂直腔面发
射纳米尺度半导体激光光源，以及制备工艺
(1)在普通VCSEL的出光腔面(P面)11上用电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECR plasma CVD)淀积一层300nm厚的增透膜14。 增透膜是Si02和SiNx的混合物，厚度为300nm左右。
(2) 在出光孔范围内制作环形等周期性结构17，周期在10-400nm， 刻蚀掉的增透膜厚度为100-200nm，剩余增透膜厚度为200-400nm，刻蚀 时间为30-120秒左右。聚焦离子束(FIB)刻蚀系统采用的是美国FEI公司 生产的双束Dua旧eamTM DB235—FIB工作站，Ga+离子束的最小聚焦点 7nm。
(3) 利用聚焦离子束系统刻蚀掉P面电极13上的增透膜14。采用的 离子束流密度为10pA，刻蚀时间为1分钟左右。
(4) 在增透膜14上面溅射一层金属膜15。金属膜的材料为Ti/An，其 中Ti为很薄的一层，厚度5nm左右，它的作用是提高粘附性，使Au层在 腔面上的黏附性较好，不易剥落。金膜的厚度为100nm，作为一层反射膜 阻挡住激光器正常的输出光，使出光腔面的反射率在激射波长大于90。/。。 制备金属膜时，把激光器的N面电极10用绝缘胶粘到玻璃片上，同时用绝 缘胶对激光器的侧面进行保护，防止溅射过程中金属蔓延到器件侧面使上 下电极导通发生短路。溅射完成后，检测激光器的功率-电压-电流特性， 确保激光器的电压特性正常，金属层完全覆盖住正常的输出光，以提高微 小孔垂直腔面发射激光器的成品率。
(5) 利用聚焦离子束刻蚀技术在出光孔12上刻蚀出亚波长尺寸的微 小孔16，以产生纳米光源。刻蚀金属层的厚度在400nm左右，为了最大 程度的减轻刻蚀过程对腔面的损伤，采用最小的离子束流密度(lpA)， 它是决定刻蚀速率的主要因素。对于决定表面粗糙度的主要因素-重合距离，采用了最大的重合距离(50%)。离子束驻留时间为0.1μs。刻蚀小孔 的尺寸为亚波长量级，本发明涉及的垂直腔面发射激光器波长为850nm左右，微小孔16直径为200 400nm。小孔的深度和金属膜的厚度相同。单个小孔的刻蚀时间一般为20 40s，以恰好打掉金属层为据。
在刻蚀的过程中对金属膜的刻蚀速率有一定的要求，可以通过调节刻 蚀时的离子束流密度、驻留时间，束斑重合距离，离子束流扫描时间等工艺条件来做到精确控制，刻蚀后得到较好的表面平整度。
(6)在普通面发射激光器出光孔范围内，在前面所述形成的小孔周 围制作环形等周期性结构18，周期在10-400nm，刻蚀掉的金属膜厚度为 100-200nm，剩余金属膜厚度为200-400nm，剩余金属膜厚度已不直接透光为限。
权利要求
1、一种垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其结构为半导体垂直腔面发射激光器出光腔面上有一增透膜，增透膜的上表面具有等周期性结构；一金属膜复盖在增透膜上；出光腔面的出光孔上有一亚波长尺寸的小孔，小孔周围的金属膜上具有等周期性结构的光栅。
2、 如权利要求1所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其 中，增透膜为Si02、 SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02的多层结构。
3、 如权利要求1所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其 中，增透膜的上表面具有周期为30-300nm，槽深为10-200nm的环形等周 期性结构。
4、 如权利要求1所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其 中，金属膜为Au、 Ag、 Ni、 Cr、 Al、 Ti/Au、 Ti/Al或Ti/Ag，其中Ti的 厚度为5-100nm， Au层的厚度为100-1000nm。
5、 如权利要求1所述的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源，其 中，小孔周围的金属膜上具有周期为20-800nm之间、槽深为20-200nm的 环形等周期性结构的光栅。
6、 一种制备权利要求1所述垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源 的方法，其步骤为A)在普通垂直腔面发射激光器的出光腔面上制备一层增透膜，作为 绝缘层保护出光腔面，同时作为产生表面等离子体效应的介质；B) 增透膜的上表面制备周期为30-300nm，槽深为10-200nm的环形 等周期性结构；C) 刻蚀掉出光腔面电极上的增透膜；D) 在出光腔面制备一层金属膜，作为反射膜阻挡住普通垂直腔面发 射激光器正常的输出光；E) 在出光孔上刻蚀出一个亚波长尺寸的小孔；F) 小孔周围的金属膜上制备周期为20-800nm，槽深为20-200nm的 环形等周期性结构的光栅。
7、 如权利要求6所述的制备方法，其中，增透膜为Si02、 SiNx、 A1203、 Ti02、 Zr02的多层结构。
8、 如权利要求6所述的制备方法，所述的金属膜为Au、 Ag、 Ni、 Cr、 Al、 Ti/Au、 Ti/Al或Ti/Ag，其中Ti的厚度为5-100nm， Au层的厚度 为100-lOOOnm
9、 如权利要求6所述的制备方法，其中，刻蚀采用聚焦离子束刻蚀 技术。
10、如权利要求6所述的制备方法，其中，制备金属膜时用绝缘材料 对激光器的侧面进行保护。
全文摘要
一种制造具有表面等离子调制效应的垂直腔面发射纳米尺度半导体激光光源的方法，是在普通垂直腔面发射激光器的基础上制备得到的。具体工艺包括在普通垂直腔面发射激光器出光腔面上生长一层增透膜，用聚焦离子束刻蚀的方法在出光孔范围内腔面的增透膜上制备亚波长周期性结构；去掉P面电极上的绝缘层后镀一层金属膜，然后用聚焦离子束刻蚀的方法在出光腔面的金属膜上制备亚波长尺寸的孔及亚波长周期性结构，将光限制在低损失微小谐振腔中，使光通过微小开口出射，生成高效率高方向性的近场光。
文档编号H01S5/183GK101202419SQ20061016511
公开日2008年6月18日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者宋国峰, 郭宝山, 陈良惠, 高建霞 申请人:中国科学院半导体研究所