CN1245789C - 具有隔离层的GaN系列表面发射激光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了GaN系列表面发射激光二极管及其制造方法。GaN系列表面发射激光二极管包含：有源层；有源层的相对侧面上的p型和n型材料层；形成在n型材料层上的第一分布布喇枚反射器(DBR)；通过n型材料层与有源层连接的n型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压；形成在p型材料层上的隔离层，在与第一DBR层对准的部分中具有激光输出窗口，隔离层足够厚，以便使空穴能有效地迁移到有源层的中心部分；形成在激光输出窗口上的第二DBR层；和通过p型材料层与有源层连接的p型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压。成型激光输出窗口使得可以补偿由隔离层的形成而导致的激光束的衍射。

Description

具有隔离层的GaN系列表面发射激光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及由GaN系列III-V族氮化物化合物形成的表面发射激光二极管及其制造方法，更具体地说，涉及具有用于使空穴在p型电极和有源层之间有效扩散的隔离层的GaN系列表面发射激光二极管及其制造方法。
背景技术
如图1所示，通常的GaN系列表面发射激光二极管包含InGaN多量子阱(MQW)结构的有源层11、间隙腔10和分布布喇格反射器(DBRs)20和30，间隙腔10具有在有源层11下面的n-AlGaN载流子阻挡层12和有源层11上的p-AlGaN载流子阻挡层13，阻挡层12和13中的每一个都限制了载流子到MQW结构中，分布布喇格反射器(DBRs)20和30分别形成在间隙腔10的上面和下面，反射率为大约99％。
根据用于DBRs的材料来划分DBRs：由通过外延生长具有相同的晶格常数的半导体材料形成的DBR和由介电材料形成的DBR。前者的优点在于可以经过半导体层注入电流，并且得到的材料层质量高。在这种情况下，合适的半导体材料的禁带能量应比所希望的振荡波长大以便不会引起吸收。用于两个DBRs的半导体材料的折射率之间的差别最好比较大。对于GaN表面发射激光二极管来说，如图1所示，用于DBRs层20和30的合适的半导体材料包含GaN(用于由参考标号22和32所表示的层)、AlN(用于由参考标号21和31所表示的层)和AlGaN。这里，含Al为30％或更多的AlN和AlGaN，具有太大的禁带能量。为此，当经过由此材料形成的DBRs注入电流时，驱动电压变高，引起了与热有关的问题。尤其是，AlGaN系列材料的折射率具有很小的差别，这样，由于窄的高反射率区，应淀积多层例如几十层对的DBRs以满足激光振荡的高反射率需要，设计表面发射半导体激光二极管是困难的。另外由于间隙腔10厚度的轻微偏差或有源层11的成份的轻微变化，导致不能够满足激光振荡的需要。
由于这些原因，已经广泛使用介电材料来代替半导体化合物。在这种情况下，不能通过DBRs直接注入电流，因此在DBRs周围需要分离的电极(未示出)。电子迁移率高，并且可以提高n型电极和有源层之间的n型化合物半导体层中的掺杂浓度。同时，空穴的迁移率比电子的迁移率小，增加p型电极和有源层之间的p型化合物半导体层中的掺杂浓度是不可能的。这样，在注入电流方面存在问题。另外，由于电极形成在激光输出窗口的周围，空穴不容易有效地向激光输出窗口的中心扩散，这样难以提供有效的激光振荡特性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种GaN系列表面发射激光二极管，其中通过使空穴向激光输出窗口的中心有效地扩散，确保了稳定的光学模式。
本发明的第二个目的是提供一种GaN系列表面发射激光二极管的制造方法。
为了实现本发明的第一个目的，提供有一种表面发射激光二极管，包括：有源层；有源层的相对侧面上的p型和n型材料层；形成在n型材料层上的第一分布布喇格反射器(DBR)；通过n型材料层与有源层连接的n型电极，使得为了发射激光给有源层施加电压；形成在p型材料层的隔离层，在与第一DBR层对准部分中具有激光输出窗口，隔离层足够厚，以便使空穴能有效地迁移到有源层地中心部分；形成在激光输出窗口上的第二DBR层；和通过p型材料层与有源层连接的p型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压。最好激光输出窗口形成为具有预定曲率的凸透镜状形状，以补偿由隔离层而引起的激光束特性的降低。最好隔离层具有突出部分，激光输出窗口形成在突出部分的顶上。最好形成p型电极以环绕隔离层的突出部分。最好隔离层包括：形成在p型材料层上的第一隔离层；形成在第一隔离层上的第二隔离层，在第二隔离层上形成了激光输出窗口并且在其周围形成了p型电极。最好第二隔离层具有突出的形状，在其上形成激光输出窗口。最好第一和第二隔离层之一是p型掺杂衬底或未掺杂衬底。
为了实现本发明的第二个目的，提供了一种表面发射激光二极管的制造方法，此方法包括步骤：(a)在衬底上依次形成用于发射激光的p型材料层、有源层和用于发射激光的n型材料层；(b)在n型材料层上形成第一分布布喇格反射器(DBR)，在其周围形成了n型电极；(c)在衬底的底表面上形成激光输出窗口，激光输出窗口具有适于补偿由衬底的存在而导致的激光束特性降低的形状；(d)在衬底的底表面上形成p型电极以环绕激光输出窗口；和(e)在激光输出窗口上形成第二DBR层。
最好，步骤(b)包括：在n型材料层上形成导电层；在导电层上形成掩模图形以露出其中将形成第一DBR层的导电层的部分；利用掩模图形作为蚀刻掩模，除去通过掩模图形露出的导电层的部分；在除去了导电层的n型材料层的部分上形成第一DBR层；和除去掩模图形。
最好，在步骤(c)中，激光输出窗口形成为具有预定曲率的凸透镜状形状，适用于补偿激光束的衍射。最好，在加工掩模图形中，通过回流将掩模图形加工为凸透镜状形状，具有预定曲率的凸透镜状形状适于补偿激光束的衍射。
最好衬底由包含第一衬底和第一衬底上的第二衬底的多层构成。在这种情况下，连续蚀刻衬底的底表面，直到露出第二衬底，其中在衬底的底表面上已形成了处理了的掩模图形。
最好衬底是p型掺杂的衬底或未掺杂衬底。最好第一和第二衬底之一是p型掺杂衬底或未掺杂衬底。最好将第一衬底形成为其上生长了氮化镓基材料的衬底，第二衬底形成为p型隔离层。
本发明还提供了一种表面发射激光二极管的制造方法，此方法包括步骤：(a)在衬底上依次形成用于发射激光的n型材料层、有源层、用于发射激光的p型材料层和p型隔离层；(b)在p型隔离层的预定区域形成激光输出窗口；(c)在p型隔离层上形成p型电极以环绕激光输出窗口；(d)在激光输出窗口上形成第一分布布喇格反射器(DBR)层；(e)除去衬底；和(f)在n型材料层的底表面的预定部分上形成第二DBR层，在第二DBR层周围形成n型电极。最好衬底由n型衬底或蓝宝石衬底形成。最好激光输出窗口形成为具有预定曲率的凸透镜状形状，适用于补偿激光束的衍射。
根据本发明的表面发射激光二极管包括p型电极和有源层之间的隔离层，以有效地使空穴移向有源层。另外在隔离层的部分上形成DBR层，形状适于补偿由隔离层而引起的衍射和使有源层中的激光模式的半径最小。这样，根据本发明的表面发射激光二极管，可以为有源层的中心有效地提供空穴以及电子，这样减小了激光发射的电流阈。能量转换效率变高，由表面发射激光二极管发射的激光束具有稳定的横向模式特性。
概括起来，本发明要求保护的技术方案包括：
提供一种表面发射激光二极管，包括：有源层；有源层的相对侧上的p型和n型材料层；形成在n型材料层上的第一分布布喇格反射器(DBR)；通过n型材料层与有源层连接的n型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压；形成在p型材料层上的隔离层，在与第一DBR层对准的部分中具有激光输出窗口，隔离层足够厚，以便使空穴能有效地迁移到有源层的中心部分；形成在激光输出窗口上的第二DBR层；和通过隔离层和p型材料层与有源层连接的p型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，隔离层具有突出部分，激光输出窗口形成在突出部分的顶部上。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，该p型电极被形成为环绕隔离层的突出部分。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，隔离层包括：形成在p型材料层上的第一隔离层；形成在第一隔离层上的第二隔离层，其中在第二隔离层上形成了激光输出窗口并且在第二隔离层周围形成了p型电极。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，第二隔离层具有在其上形成了激光输出窗口的突出的形状。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，激光输出窗口形成为具有预定曲率的凸透镜状形状，以补偿由隔离层引起的激光束特性的降低。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，隔离层是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，第一和第二隔离层之一是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，n型材料层包括：形成在有源层一侧上的n型阻挡层；和形成在n型阻挡层上的n型化合物半导体层。
根据本发明的上述表面发射激光二极管，其特征在于，p型材料层包括：形成在有源层另一侧上的p型阻挡层；和形成在p型阻挡层上的p型化合物半导体层。
本发明还提供一种表面发射激光二极管的制造方法，此方法包括步骤：(a)在衬底上依次形成用于发射激光的p型材料层、有源层和用于发射激光的n型材料层；(b)在n型材料层上形成第一分布布喇格反射器(DBR)，在其周围形成了n型电极；(c)在衬底的底表面上形成激光输出窗口，此激光输出窗口具有适于补偿由衬底的存在而导致的激光束特性降低的形状；(d)在衬底的底表面上形成p型电极以环绕激光输出窗口；和(e)在激光输出窗口上形成第二DBR层。
根据本发明的上述方法，其特征在于，步骤(b)包括：在n型材料层上形成导电层；在导电层上形成掩模图形以露出其中将形成第一DBR层的导电层的一部分；利用掩模图形作为蚀刻掩模，除去通过掩模图形露出的导电层的部分；在除去了导电层的n型材料层的部分上形成第一DBR层；和除去掩模图形。
根据本发明的上述方法，其特征在于，步骤(b)包括：在n型材料层上形成第一DBR层；在第一DBR层上形成掩模图形以露出其中将形成n型电极的第一DBR层的一部分；用掩模图形作为蚀刻掩模，除去通过掩模图形露出的第一DBR层的部分；在除去了第一DBR层的n型材料层的一部分上形成导电层；和除去掩模图形。
根据本发明的上述方法，其特征在于，步骤(c)包括：形成掩模图形以覆盖衬底的底表面的一部分，在该部分中将形成激光输出窗口；将掩模图形加工为适于补偿由衬底的存在而引起的激光束衍射的形状；和将其上形成了加工的掩模图形的衬底的底表面蚀刻预定的厚度，以将加工的掩模图形的形状传递给衬底的底表面。
根据本发明的上述方法，其特征在于，在步骤(c)中，激光输出窗口形成为适用于补偿激光束衍射的、具有预定曲率的凸透镜状形状。
根据本发明的上述方法，其特征在于，在加工掩模图形中，通过回流将掩模图形加工为凸透镜状形状，此凸透镜状形状具有适于补偿激光束衍射的预定的曲率。
根据本发明的上述方法，其特征在于，衬底由包含第一衬底和第一衬底上的第二衬底的多层构成。
根据本发明的上述方法，其特征在于，连续蚀刻其上形成了加工的掩模图形的衬底的底表面，直到露出第二衬底。
根据本发明的上述方法，其特征在于，衬底是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
根据本发明的上述方法，其特征在于，第一和第二衬底之一是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
根据本发明的上述方法，其特征在于，将第一衬底形成为其上生长了氮化镓基材料的衬底，将第二衬底形成为p型隔离层。
本发明还提供一种表面发射激光二极管的制造方法，此方法包括步骤：(a)在衬底上依次形成用于发射激光的n型材料层、有源层、用于发射激光的p型材料层和p型隔离层；(b)在p型隔离层的预定区域形成激光输出窗口；(c)在p型隔离层上形成p型电极以环绕激光输出窗口；(d)在激光输出窗口上形成第一分布布喇格反射器(DBR)层；(e)除去衬底；和(f)在n型材料层的底表面的预定部分上形成第二DBR层，在第二DBR层周围形成n型电极。
根据本发明的上述方法，其特征在于，衬底由n型衬底或蓝宝石衬底形成，并且在其上生长氮化镓基材料。
根据本发明的上述方法，其特征在于，步骤(b)包括：形成掩模图形以覆盖其中将形成激光输出窗口的p型隔离层的一部分；将掩模图形加工为适于补偿由p型衬底的存在而引起的激光束衍射的形状；和将其上形成了加工的掩模图形的p型隔离层的整个表面蚀刻预定的厚度，以将加工的掩模图形的形状传递给p型隔离层。
根据本发明的上述方法，其特征在于，激光输出窗口形成为具有预定曲率的、适用于补偿激光束衍射的凸透镜状形状。
根据本发明的上述方法，其特征在于，在加工掩模图形中，通过回流将掩模图形加工为透镜状形状，此透镜状形状具有适于补偿激光束衍射的预定的曲率。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的最佳实施例，本发明的上述目的和优点将变得更显而易见。
图1是传统的GaN系列表面发射激光二极管的截面图；
图2是根据本发明的GaN系列表面发射激光二极管的第一实施例的截面图；
图3是根据本发明的GaN基表面发射激光二极管的第二实施例的截面图；
图4和5是说明计算激光输出窗口的曲率半径的曲线图，所述激光输出窗口适于补偿由根据本发明的GaN系列表面发射激光二极管的隔离层而引起的衍射，其中图4显示了隔离层厚度、激光输出窗口的曲率半径、激光输出窗口处激光模式的半径(W)和有源层处激光模式的半径(W0)之间的几何关系，图5是激光输出窗口表面处的激光模式的半径(W)与隔离层厚度之间关系的曲线图；
图6-13是说明根据本发明第一实施例的GaN系列表面发射激光二极管制造方法的每个步骤的截面图；
图14和15是说明根据本发明第二实施例的GaN系列表面发射激光二极管制造方法的步骤的截面图；
图16-18是说明根据本发明第三实施例的GaN系列表面发射激光二极管制造方法的步骤的截面图；
图19和20是说明根据本发明第四实施例的GaN系列表面发射激光二极管制造方法的步骤的截面图；
图21-23是说明根据本发明第五实施例的GaN系列表面发射激光二极管制造方法的步骤的截面图；
具体实施方式
附图示出了本发明的最佳实施例，参考附图可以更全面地描述GaN系列表面发射激光二极管及其制造方法，为了有效地扩散空穴，GaN系列表面发射激光二极管在P型电极和有源层之间具有隔离层。在附图中，为清楚起见，各层和区域的厚度被夸张。为便于解释，有源层的表面称为“第一表面”和“第二表面”，第一表面接触用于发射激光的第一材料层，第二表面接触用于发射激光的第二材料层。
现在将描述根据本发明的GaN系列表面发射激光二极管的最佳实施例。
<实施例1>
参考图2，根据本发明第一实施例的表面发射激光二极管包含其中随着电压的施加而发射激光的有源层40以及形成在有源层40周围彼此面对的p型和n型材料层m1和m2。n型材料层m2包含形成在有源层40下面的n型阻挡层41和形成在n型阻挡层41下面的n型化合物半导体层43。n型阻挡层41最好由禁带比n型化合物材料层43的禁带小而比有源层40的禁带大的材料层形成。例如，n型阻挡层41可以是n型掺杂导电化合物半导体层，最好是包含预定比例的Al的n-AlxGa1-xN层。n型化合物材料层43可以是n型掺杂导电化合物半导体材料层，最好是n-AlxGa1-xN层。n型阻挡层41和n型化合物半导体材料层43也可以由未掺杂的材料层形成。
有源层40是发射激光的材料层，这样它优选由能发射激光的材料层形成。有源层40由具有多量子阱(MQW)结构的GaN系列III-V族氮化物化合物半导体层形成更好。
用于发射激光的p型材料层m1包含多个化合物半导体层，例如形成在有源层40上的p型阻挡层42和形成在p型阻挡层42上的p型化合物半导体层44。p型阻挡层42可以由与n型阻挡层41相同的材料形成，但给n型阻挡层42的材料提供了产生相反的电特性的导电掺杂剂。同样，p型化合物半导体层44可以由与n型化合物半导体层43一样的材料形成，但给n型化合物半导体层43的材料提供了产生相反的电特性的导电掺杂剂。p型阻挡层42和p型化合物半导体层44也可以由未掺杂的材料层形成。
n型电极47形成在n型材料层m2的n型化合物半导体层43的一部分的下面，第一分布布喇格反射器(DBR)层49形成在n型化合物半导体层43的剩余部分的下面。n型电极47可以具有各种形状，考虑在所有方向上载流子的均匀发射，在第一分布布喇格反射器(DBR)层49的周围，n型电极47优选具有对称的形状。尽管图2中没有清楚地示出，但n型电极47呈环状更好。作为具有大约99％高反射率的材料层，第一DBR层49由具有预定介电常数、包含SiO2、AlO3、TiO2和ZnO2的多个介电材料层形成。
隔离层48优选为p型隔离层，形成在p型材料层m1的p型化合物半导体层44上。隔离层48是用于有效地将载流子即空穴提供到有源层40的中心的材料层，并且由未掺杂或掺杂了p型导电杂质的材料层形成。为了随着发射激光的电压的施加有过量的空穴到达激光即有源层40的中心，形成的隔离层48要足够的厚。
隔离层48具有与第一DBR层49对准的突出部分48a。激光输出窗口48b形成在突出部分48a的表面上。p型电极50形成在突出部分48a的周围。p型电极50形成在突出部分48a的周围，当施加正向电压时，p型电极50导致空穴向有源层40迁移。p型电极50最好具有与n型电极47一样的形状。
隔离层48可以有效地将过量的空穴扩散到有源层40的中心，但会降低有源层40的激光振荡特性。为此，最好激光输出窗口48b具有适于补偿激光特性降低的形状。例如，激光输出窗口48b可以具有透镜形状，例如，具有曲率的凸透镜，使得由隔离层48引起的激光衍射被抵消或使得激光模式的半径在有源层40的中心处最小。
激光输出窗口48b由第二DBR层52覆盖。与第一DBR层49一样，第二DBR层52由包含具有预定的介电常数的多个介电层的高反射率材料层形成。
激光输出窗口48b的最佳形状如图4和5所示。图4显示了激光输出窗口48b的曲率半径(R)、激光输出窗口48b表面上的激光模式的半径(W)、有源层40中的激光模式的半径(W0)和隔离层48的厚度(Z)之间的关系。在图5中，曲线G1和G2显示了激光输出窗口48b表面上的激光模式的半径(W)和激光输出窗口48b的曲率半径(R)相对于隔离层48的厚度(Z)的变化。如图5所示，随着隔离层48的厚度减小，激光输出窗口48b表面上的激光模式的半径(W)变得更小，当隔离层厚度(Z)在200-250μm范围内时，激光输出窗口48b的曲率半径(R)最小。在有源层40中的激光模式的半径(W0)变得最小处，可以参考图4和5计算隔离层厚度(Z)和激光输出窗口48b的曲率半径(R)。
<实施例2>
根据本发明的GaN系列表面发射激光器的第二实施例示于图3。参考图3，在p型材料层m1上形成了p型隔离层54，与第一实施例的突出部分48a形状一样的分开的突出部分48a’形成在p型隔离层54上，并与第一DBR层49对准。p型电极50形成在p型隔离层54上环绕突出部分48a’。
现在将描述表面发射激光二极管的制造方法的最佳实施例，其中表面发射激光二极管具有上述结构。
<实施例1>
图6至13是说明根据本发明第一实施例的GaN系列表面发射激光二极管的制造方法的每个步骤的截面图。首先，参考图6，在p型衬底100上顺序形成p型化合物半导体层102和用于约束载流子的p型阻挡层106，生成用于发射激光的p型材料层M1。在p型阻挡层106上形成有源层108。在有源层108上顺序形成n型阻挡层110和n型化合物半导体层112，产生用于发射激光的n型材料层M2。p型材料层M1和n型材料层M2与参考图2所描述的p型和n型材料层m1和m2一样。有源层108也是与图2的有源层40的材料层一样。这样，这里不再描述这些层。
然后，在n型材料层M2上形成导电层115，并且形成掩模图形118以露出导电层115的将形成第一DBR层的区域。掩模图形118可以由如光致抗蚀剂图形的软掩模图形或如氮化硅或镍图形的硬掩模图形形成。
参考图7，利用掩模图形118作为蚀刻掩模，蚀刻导电层115的露出的区域，从而在n型材料层M2上形成导电图形116(下文称为“n型电极”)。n型电极116可以具有各种形状。考虑到载流子(电子)的迁移，形成的n型电极116最好在露出的区域的中心处对称。例如，n型电极116可以形成为环形。在除了n型电极116的区域之外的n型材料层M2的露出的区域中形成第一DBR层120。这里，第一DBR层120也形成在了掩模图形118上。第一DBR层120与图2的第一DBR层29一样，因此这里不再对其进行描述。然后，将掩模图形118连同形成在其上的第一DBR层29一起除去。与用于除去第一DBR层120的化学品不同，在除去工序中，用于除去掩模图形118的化学品不影响形成在n型材料层M2上的第一DBR层120。结果，在n型材料层M2上形成了n型电极116和第一DBR层120。
参考图8，将得到的具有第一DBR层120和n型电极116的结构倒置，在p型衬底100的底表面上形成与第一DBR层120对准底掩模图形122。掩模图形122由与用于图6的掩模图形118的材料层一样的材料层形成。将掩模图形122回流成透镜形状，如图9所示。为此，作为掩模图形122，软掩模图形优于硬掩模图形。在下面的工序中与p型衬底100一起蚀刻掩模图形122，使得掩模图形122的形状转移到p型衬底100。这样，优选掩模图形122具有不比p型衬底100小(即与p型衬底100类似或相等)的蚀刻选择率。
然后，在预定的温度将掩模图形122回流成具有预定的曲率的透镜形掩模图形122a，如图9所示。利用透镜形掩模图形122a作为蚀刻掩模蚀刻p型衬底100的露出的区域，生成具有与p型衬底100中的透镜状形状的掩模图形122a的曲率一样的曲率的透镜表面。结果，在p型衬底100的底表面上形成了激光输出窗口100b，通过此窗口100b将由有源层108产生的激光束发射到外面，如图10所示。这里，激光输出窗口100b的表面具有与透镜形掩模图形122a的曲率一样的曲率。尽管可以在激光输出窗口100b的周围形成电极，但最好利用透镜形掩模图形122a进行蚀刻直到将p型衬底100的露出的区域除去了预定的厚度，以形成突出部分100a，然后在突出部分100a的周围形成电极。
特别是，如图11所示，在突出部分100a的整个表面上形成掩模图形124。在由掩模图形124覆盖的突出部分100a的周围和掩模图形124上形成了导电层126。在除去掩模图形124的过程中，形成在掩模图形124上的导电层126被除去。由于上述原因，在除去掩模图形124的过程中，不影响形成在p型衬底100上突出部分100a周围的导电层126。结果，只有形成在p型衬底100上的导电图形126留在了突出部分100a的侧壁周围。留下的导电层126作为p型电极。与n型电极116一样，p型电极126可以具有各种形状，只要能够施加电压即可。与n型电极116一样，形成的p型电极126优选具有对称形状。形成的p型电极126如n型电极116一样呈环形更好。
如图12所示，在得到的其中形成了p型电极126的结构上淀积掩模层(未示出)，然后布图为掩模图形128，掩模图形128覆盖p型电极126，露出在其周围形成了p型电极126的突出部分100a。在突出部分100a的顶部和掩模图形128上形成了第二DBR层130。第二DBR层130与图2的第二DBR层52一样，这样，这里省略了对其的描述。在处于掩模图形128的过程中除去形成在掩模图形128上的第二DBR层130。如图13所示，得到了表面发射激光二极管，其中置于p型电极126和有源层108之间的p型衬底100作为带有突出部分100a的隔离层，突出部分100a具有透镜形顶表面，在此透镜形顶表面上形成了第二DBR层130，在突出部分100a的周围形成了p型电极。
如上所述，由于作为隔离层在p型电极126和有源层108之间形成的p型衬底100比激光二极管的其它材料层相对来说厚，空穴从p型电极126扩散到有源层108的中心容易，因此可以给有源层108的中心提供过量的用于激光发射的空穴。然而，由于激光束的衍射，从有源层108发射的激光的特性会降低。为此，在突出部分100a上形成了适当形状的激光输出窗口100b，使得可以补偿由于作为p型隔离层的p型衬底100的存在而导致的激光束特性的降低。鉴于此，在突出部分100a的顶上形成了凸透镜状形状的激光输出窗口100b，凸透镜状形状的激光输出窗口100b具有适合于补偿激光束质量的降低的预定的曲率。换句话说，最好设计的激光输出窗口100b具有适于引导激光束向有源层108的中心衍射的曲率。
<实施例2>
使用多个衬底而不是一个衬底：第一衬底对应于下面描述的衬底101，第二衬底对应于形成在衬底101上的p型隔离层140。
参考图14，在衬底101上形成厚的p型隔离层140。这里，可以由p型衬底形成衬底101，但最好是氮化镓(GaN)或其它的GaN系列材料作为衬底101。例如，最好使用蓝宝石衬底或碳化硅(SiC)衬底。在p型隔离层140上形成了p型化合物材料层102和用于限制载流子的p型阻挡层106，作为用于发射激光的p型材料层M1。这里，用于发射激光的p型材料层M1中可以包含p型隔离层140。在p型阻挡层106上形成了有源层108，在有源层108上依次形成了n型阻挡层110和n型化合物半导体材料层112，生成n型材料层M2。接着，以与实施例1一样的方式在n型化合物半导体层112上形成了导电层115，并利用掩模图形118将其布图为n型电极116，如图15所示。然后，在n型化合物半导体层112的露出部分上形成第一DBR层120。
除去掩模图形118并倒置所得到的结构之后，以与实施例1一样的方式在衬底101的底表面上形成了突出部分101a。在蚀刻衬底101以形成突出部分101a中，连续蚀刻直到部分露出p型隔离层140的底部，生成作为衬底图形的突出部分101a，其上具有激光输出窗口101b。然后，以与实施例1一样的方式形成p型电极126和第二DBR层130。
<实施例3>
在本实施例中，在形成n型电极116之前形成第一DBR层120。
参考图16，以与实施例1或2一样的方式进行直到形成n型化合物半导体材料层122的步骤。然后，在n型化合物半导体层112上形成了第一DBR层120。形成掩模图形150以覆盖第一DBR层120的预定区域。掩模图形150由上述软掩模图形或硬掩模图形形成。利用掩模图形150作为蚀刻掩模，除去在掩模图形150周围露出的第一DBR层120的部分。
参考图17，在掩模图形150周围露出的n型化合物半导体层112上形成导电层116，作为n型电极。导电层150连同形成在其上的掩模图形150被除去。结果，如图18所示，在n化合物半导体层112上形成了第一DBR层120周围的第一DBR层120和n型电极116。接着以与实施例1一样的方式进行下面的步骤。
<实施例4>
在形成p型电极126之前形成第二DBR层130。参考图19，以与实施例1至3一样的方式进行直到在p型衬底100的底表面上形成了具有激光输出窗口100b的突出部分100a的步骤。然后，在具有激光输出窗口100b的p型衬底100上形成了第二DBR层130。形成掩模图形160以覆盖形成在激光输出窗口100b上的第二DBR层130。掩模图形160由软掩模图形或硬掩模图形形成。除去形成在p型衬底100的部分上环绕突出部分100a的第二DBR层130，露出部分p型衬底100。
接着，如图20所示，在p型衬底100的露出的部分上、在突出部分100a的周围形成导电层126，作为p型电极。此时，导电层126也形成在掩模图形160上，但与掩模图形160一起被除去。结果，得到了一种表面发射激光二极管，该二极管能够使存在于第二DBR层130和有源层108之间的空穴顺畅地向有源层108迁移，并且能够补偿从有源层108发射的激光束的衍射。
<实施例5>
参考图21，在衬底200上依次形成n型材料层M2、有源层108和p型材料层M1。衬底200是高电阻衬底，例如n型衬底或蓝宝石衬底。衬底200也可以是未掺杂衬底。然后，在p型材料层M1上形成了p型隔离层210。
参考图22，以与实施例1或2一样的方式，将p型隔离层210布图为突出部分210a。在突出部分210a上形成激光输出窗口210b。在激光输出窗口210b上形成了第二DBR层130，在p型隔离层210上形成了p型电极126，使其环绕突出部分210a。
倒置所得到的其上已经形成了p型电极126的结构，从该结构上除去衬底200。如图23所示，在n型化合物半导体层112上形成第一DBR层120，形成n型电极116，使其环绕形成在n型化合物半导体层112上的第一DBR层120。
本发明可以以许多不同的方式来实施，这里所描述的实施例仅仅是说明性的，而不是要限制本发明的范围。例如，本领域技术人员应当理解隔离层可以施加给其激光输出窗口不像凸透镜状形状的表面发射激光二极管。还可以将表面发射激光二极管构造为使得隔离层形成在有源层和p型电极之间的任何位置上，所形成的具有预定曲率并且在其周围形成了p型电极的激光输出窗口可以没有突出部分。可以改变上述实施例的第一和第二材料层的结构或所用的材料。在其它的表面发射激光二极管中，DBR层可以由空气间隙形成。
如上所述，本发明提供了一种表面发射激光二极管，包含：在p型电极和有源层之间形成的隔离层以使空穴有效地像有源层中心迁移、在隔离层的部分上设计为特殊形状的激光输出窗口使得可以补偿由隔离层的形成而导致激光束衍射或使有源层中的激光模式的半径最小以及激光输出窗口表面上的DBR层。根据本发明的表面发射激光二极管，可以有效地给有源层的中心提供空穴以及电子，这样，可以用减小的电流实现激光束的发射。能量转换效率变高，由此表面发射激光二极管发射的激光束具有稳定的横向模式特性。
参考本发明的最佳实施例已经具体显示和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不离开如附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其中的形式和细节进行各种改变。

Claims (26)

1.一种表面发射激光二极管，包括：
有源层；
有源层的相对侧上的p型和n型材料层；
形成在n型材料层上的第一分布布喇格反射器(DBR)；
通过n型材料层与有源层连接的n型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压；
形成在p型材料层上的隔离层，在与第一DBR层对准的部分中具有激光输出窗口，隔离层足够厚，以便使空穴能有效地迁移到有源层的中心部分；
形成在激光输出窗口上的第二DBR层；和
通过隔离层和p型材料层与有源层连接的p型电极，以便为了发射激光给有源层施加电压。
2.权利要求1的表面发射激光二极管，其特征在于，隔离层具有突出部分，激光输出窗口形成在突出部分的顶部上。
3.权利要求2的表面发射激光二极管，其特征在于，该p型电极被形成为环绕隔离层的突出部分。
4.权利要求1的表面发射激光二极管，其特征在于，隔离层包括：
形成在p型材料层上的第一隔离层；
形成在第一隔离层上的第二隔离层，其中在第二隔离层上形成了激光输出窗口并且在第二隔离层周围形成了p型电极。
5.权利要求4的表面发射激光二极管，其特征在于，第二隔离层具有在其上形成了激光输出窗口的突出的形状。
6.权利要求1或4的表面发射激光二极管，其特征在于，激光输出窗口形成为具有预定曲率的凸透镜状形状，以补偿由隔离层引起的激光束特性的降低。
7.权利要求1的表面发射激光二极管，其特征在于，隔离层是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
8.权利要求4的表面发射激光二极管，其特征在于，第一和第二隔离层之一是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
9.权利要求1的表面发射激光二极管，其特征在于，n型材料层包括：
形成在有源层一侧上的n型阻挡层；和
形成在n型阻挡层上的n型化合物半导体层。
10.权利要求1或4的表面发射激光二极管，其特征在于，p型材料层包括：
形成在有源层另一侧上的p型阻挡层；和
形成在p型阻挡层上的p型化合物半导体层。
11.一种表面发射激光二极管的制造方法，此方法包括步骤：
(a)在衬底上依次形成用于发射激光的p型材料层、有源层和用于发射激光的n型材料层；
(b)在n型材料层上形成第一分布布喇格反射器(DBR)，在其周围形成了n型电极；
(c)在衬底的底表面上形成激光输出窗口，此激光输出窗口具有适于补偿由衬底的存在而导致的激光束特性降低的形状；
(d)在衬底的底表面上形成p型电极以环绕激光输出窗口；和
(e)在激光输出窗口上形成第二DBR层。
12.权利要求11的方法，其特征在于，步骤(b)包括：
在n型材料层上形成导电层；
在导电层上形成掩模图形以露出其中将形成第一DBR层的导电层的一部分；
利用掩模图形作为蚀刻掩模，除去通过掩模图形露出的导电层的部分；
在除去了导电层的n型材料层的部分上形成第一DBR层；和
除去掩模图形。
13.权利要求11的方法，其特征在于，步骤(b)包括：
在n型材料层上形成第一DBR层；
在第一DBR层上形成掩模图形以露出其中将形成n型电极的第一DBR层的一部分；
用掩模图形作为蚀刻掩模，除去通过掩模图形露出的第一DBR层的部分；
在除去了第一DBR层的n型材料层的一部分上形成导电层；和
除去掩模图形。
14.权利要求11的方法，其特征在于，步骤(c)包括：
形成掩模图形以覆盖衬底的底表面的一部分，在该部分中将形成激光输出窗口；
将掩模图形加工为适于补偿由衬底的存在而引起的激光束衍射的形状；和
将其上形成了加工的掩模图形的衬底的底表面蚀刻预定的厚度，以将加工的掩模图形的形状传递给衬底的底表面。
15.权利要求11的方法，其特征在于，在步骤(c)中，激光输出窗口形成为适用于补偿激光束衍射的、具有预定曲率的凸透镜状形状。
16.权利要求14的方法，其特征在于，在加工掩模图形中，通过回流将掩模图形加工为凸透镜状形状，此凸透镜状形状具有适于补偿激光束衍射的预定的曲率。
17.权利要求14方法，其特征在于，衬底由包含第一衬底和第一衬底上的第二衬底的多层构成。
18.权利要求17的方法，其特征在于，连续蚀刻其上形成了加工的掩模图形的衬底的底表面，直到露出第二衬底。
19.权利要求11或14方法，其特征在于，衬底是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
20.权利要求17的方法，其特征在于，第一和第二衬底之一是p型掺杂的衬底或未掺杂的衬底。
21.权利要求17的方法，其特征在于，将第一衬底形成为其上生长了氮化镓基材料的衬底，将第二衬底形成为p型隔离层。
22.一种表面发射激光二极管的制造方法，此方法包括步骤：
(a)在衬底上依次形成用于发射激光的n型材料层、有源层、用于发射激光的p型材料层和p型隔离层；
(b)在p型隔离层的预定区域形成激光输出窗口；
(c)在p型隔离层上形成p型电极以环绕激光输出窗口；
(d)在激光输出窗口上形成第一分布布喇格反射器(DBR)层；
(e)除去衬底；和
(f)在n型材料层的底表面的预定部分上形成第二DBR层，在第二DBR层周围形成n型电极。
23.权利要求22的方法，其特征在于，衬底由n型衬底或蓝宝石衬底形成，并且在其上生长氮化镓基材料。
24.权利要求22的方法，其特征在于，步骤(b)包括：
形成掩模图形以覆盖其中将形成激光输出窗口的p型隔离层的一部分；
将掩模图形加工为适于补偿由p型衬底的存在而引起的激光束衍射的形状；和
将其上形成了加工的掩模图形的p型隔离层的整个表面蚀刻预定的厚度，以将加工的掩模图形的形状传递给p型隔离层。
25.权利要求24的方法，其特征在于，激光输出窗口形成为具有预定曲率的、适用于补偿激光束衍射的凸透镜状形状。
26.权利要求24的方法，其特征在于，在加工掩模图形中，通过回流将掩模图形加工为透镜状形状，此透镜状形状具有适于补偿激光束衍射的预定的曲率。
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