CN112821190A - 激光元件 - Google Patents

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温鉌语
黄国闵
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Abstract

本发明提供一种激光元件，其包括外延结构、彼此相邻的至少一第一发光孔和一第二发光孔、以及多个凹部结构，所述凹部结构形成于该外延结构内并且位于相邻的发光孔之间。自该激光元件的上视图观之，该多个凹部结构中仅有一个位于该第一发光孔和该第二发光孔之间，且该第一发光孔和该第二发光孔的中心连线通过该凹部结构。

Description

激光元件
技术领域
本发明涉及一种激光元件，特别是涉及一种垂直共振腔面射型激光元件(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)。
背景技术
有鉴于消费性电子产品中脸部识别功能的普及、以及激光元件于3D感测应用的趋势的渐长，半导体激光作为光源的使用势必将有爆炸性的成长。
在3D感测应用领域中，以垂直共振腔面射型激光元件(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)作为光源会面临到光转换效率的限制、必须减小元件尺寸、以及需进一步提升元件调变频宽等挑战。
发明内容
鉴于前述，本发明提出一种垂直共振腔面射型激光元件(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)的设计，利用同平面金属电极走向，产生大电流驱动而降低其串联电阻(Rs)以降低热干扰，进而提高VCSEL的光转换效率。同时，本发明利用VCSEL中湿氧化沟槽共用的设计，可缩小发光孔间距，进以缩小激光元件的尺寸。此外，利用VCSEL中欧姆接触的形态设计，可产生金属屏蔽以减少高阶模态数(High-ordered Mode)，简化其光频频谱，提升调变频宽。
本发明提供一种激光元件，其包括外延结构、彼此相邻的至少一第一发光孔和一第二发光孔、以及多个凹部结构，所述凹部结构形成于该外延结构内并且位于相邻的发光孔之间。自该激光元件的上视图观之，该多个凹部结构中仅有一个位于该第一发光孔和该第二发光孔之间，且该第一发光孔和该第二发光孔的中心连线通过该凹部结构。
附图说明
为能更进一步了解本发明的特征与技术内容，请参阅下述有关本发明实施例的详细说明及如附的附图。所揭详细特征说明及如附附图谨提供参考与说明之用，并非用以对本发明加以限制；其中：
图1为本发明的一实施例的激光元件的上视图；
图2A和图2B为剖面示意图，分别示意说明自图1中的线A-A’和线B-B’所示的激光元件的剖面结构；
图2C为图1中所示的接触层的上视图；
图3为本发明的一实施例的激光元件的上视示意图；
图4A和图4B为图3中的线A-A’和线B-B’所示的激光元件的剖面结构示意图。以及
符号说明
100 激光元件
110 基板
120 外延结构
122 第一半导体结构
124 活性结构
125、1251、1252、1253 电流局限层
125A、125A1、125A2、125A3 开口/发光孔
126 第二半导体结构
130 接触层
130’ 环形部
130A 环形部开口
130P 延伸部
140、140A、140B、140C、140D、140E 凹部结构
140L1、140L2 长边
140S1、140S2 短边
150 保护层
150A 保护层开口
160 电极结构
200 激光元件
I 阻绝结构
O、O1、O2、O3 开口的中心/发光孔的中心
H1、H2 深度
D12、D23 距离
具体实施方式
下文参照附图、并且以例示实施例说明本发明的概念，在附图或说明中，相似或相同的部分是使用相同的元件符号；再者，附图为利于理解而绘制，除具体指明的情况以外，附图中各层的厚度和形状都非元件的实际尺寸或成比例关系。需特别注意的是，附图中未绘示、或说明书中未描述的元件可为熟悉本发明所属领域技艺的人士所知的形式。
图1是根据本发明的一例示实施例的激光元件100的上视示意图。图2A和图2B分别说明自图1中的线A-A’(通过凹部结构)和线B-B’(未通过凹部结构)所示的激光元件100的剖面结构。为求图面清晰，在图1中并未标示出覆于接触层130上的保护层和电极结构(即图2A和图2B所示剖面结构中的保护层150和电极结构160)。
如图1和图2A～图2B所示，激光元件100包含基板110、外延结构120、位于外延结构120上的接触层130以及发光孔。外延结构120包括第一半导体结构122、活性结构124和第二半导体结构126。激光元件100还包括电流局限层125，位于接触层130和基板110之间。详言之，电流局限层125可位于活性结构124和第二半导体结构126之间或活性结构124和第一半导体结构122之间。电流局限层125具有一开口125A用以让电流流过而产生光，开口125A即定义为发光孔。开口125A的中心O即对应于激光元件100整体的中心位置(也为O)
激光元件100还包括有多个凹部结构140形成于外延结构120内，亦即，凹部结构140形成于第一半导体结构122、活性结构124和第二半导体结构126内。详言之，凹部结构140贯穿第一半导体结构122、活性结构124及一部分的第二半导体结构126以暴露出第二半导体结构126。或者，凹部结构140贯穿第一半导体结构122、活性结构124及第二半导体结构126以暴露出基板110。在本实施例中，凹部结构140用以进行后续的氧化制作工艺以形成电流局限层125。在本实施例中，在上视图视之，激光元件100具有六个凹部结构140且开口125A概呈圆形。各凹部结构140具有一弧形边界，弧形边界是由两相对长边140L1、140L2和两相对短边140S1、140S2所构成。弧形边界的两相对长边140L1、140L2各为圆心角30°的圆弧。通过氧化制作工艺或/及凹部结构140形状的控制，可定义开口125A的尺寸及形状，亦即定义激光元件100发光孔的尺寸及形状(将于后续进一步说明)。
接触层130包括环形部130’、自环形部130’向内(向发光孔的中心)延伸突出的多个延伸部130P及环形部开口130A。环形部开口130A的中心与开口125A相对应。多个延伸部130P彼此不相连。延伸部130P的个数是相应于凹部结构140的个数。举例来说，在本实施例中，延伸部130P与凹部结构140的个数为六个。在其他实施例中，延伸部130P与凹部结构140的个数可为2个、4个、8个、12个或14个。如图1所示，多个延伸部130P中与凹部结构140彼此对位，亦即一个延伸部130P对应于一个凹部结构140。
在本实施例中，接触层130的各个延伸部130P自其环形部130’向内突出的长度d为1～3微米。环形部130’的向内突出的所有延伸部130P的总面积与环形部130’的内圈圆的面积(即图2C中虚线圆的圆面积)的比例介于6％～36％。延伸部130P的设计可避免尖端放电效应，提供了金属屏蔽作用，有利于减少激光元件100的高阶模态数(high-ordered mode)。
激光元件100进一步包括保护层150、电极结构160和背电极170。保护层150覆盖接触层130且覆盖凹部结构140的底面和侧面。电极结构160则位于保护层150上并填入凹槽部结构140内，供激光元件100整体对外电连接用。电极结构160可部分填入而未填满凹部结构140或是完全填满凹部结构140。背电极170覆盖基板110且供激光元件100整体对外电连接用。电极结构160和背电极170包含金属。
如图1和图2B所示，保护层150具有多个保护层开口150A。延伸部130P(或凹部结构140)与保护层开口150A错位，亦即，每一延伸部130P1(或每一凹部结构140)未对应于每一保护层开口150A。
激光元件100进一步选择性地包括阻绝结构I形成于外延结构120中，用以阻绝横向电流的传递以降低激光元件整体串联电阻，并进一步降低激光元件的RC常数，有效提高调变的频宽(即操作频宽)。阻绝结构I可通过氧化制作工艺或是离子注入(ion implant)制作工艺而形成。如图2A和图2B所示，阻绝结构I形成于第二半导体结构126中。在其他实施例中，阻绝结构I可进一步形成于第一半导体结构122或/和活性结构124中。
在本实施例中，第一半导体结构122和第二半导体结构126分别包含多个不同折射率的膜层交互周期性的堆叠(例如，高铝含量的AlGaAs层及低铝含量的AlGaAs层的交互周期性堆叠)，以形成分散式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)，使得自活性结构124发射的光可以在两个反射镜中反射以形成同调光。第一半导体结构122的反射率高于第二半导体结构126的反射率，由此使同调光朝向电极结构160的方向射出。第一半导体结构122、第二半导体结构126及活性结构124的材料包含三五族化合物半导体，例如GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlGaInAs、GaP、InGaP、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、AlAsSb、InGaAsP、InGaAsN或AlGaAsP等化合物。在本发明内容的实施例中，若无特别说明，上述化学表示式包含「符合化学剂量的化合物」及「非符合化学剂量的化合物」，其中，「符合化学剂量的化合物」例如为三族元素的总元素剂量与五族元素的总元素剂量相同；反之，「非符合化学剂量的化合物」例如为三族元素的总元素剂量与五族元素的总元素剂量不同。举例而言，化学表示式为AlGaInAs即代表包含三族元素铝(Al)及/或镓(Ga)及/或铟(In)，以及包含五族元素砷(As)，其中三族元素(铝及/或镓及/或铟)的总元素剂量可以与五族元素(砷)的总元素剂量相同或相异。另外，若上述由化学表示式表示的各化合物为符合化学剂量的化合物时，AlGaAs代表Alx1Ga(1-x1)As，其中，0<x1<1；AlInP代表Alx2In(1-x2)P，其中，0<x2<1；AlGaInP代表(Aly1Ga(1-y1))1-x3Inx3P，其中，0<x3<1，0<y1<1；AlGaInAs代表(Aly2Ga(1-y2))1-x4Inx4As，其中，0≤x4≤1，0≤y2≤1；AlGaN代表Alx5Ga(1-x5)N，其中，0<x5<1；AlAsSb代表AlAsx6Sb(1-x6)，其中，0≤x6≤1；InGaP代表Inx7Ga(1-x7)P，其中，0<x7<1；InGaAsP代表Inx8Ga1-x8As1-y3Py3，其中，0≤x8≤1，0≤y3≤1；InGaAsN代表Inx8Ga1-x8As1-y4Ny4，其中，0<x9<1，0<y4<1；AlGaAsP代表Alx10Ga1-x10As1-y5Py5，其中，0<x10<1，0<y5<1；InGaAs代表Inx11Ga(1-x11)As，其中，0<x11<1；InGaN代表Inx12Ga(1-x12)N，其中，0<x12<1；AlGaInN代表(Aly6Ga(1-y6))1-x13Inx13P，其中，0<x13<1，0<y6<1。
视其材料不同，活性结构124可发出峰值波长(peak wavelength)介于700nm及1700nm的红外光、峰值波长介于610nm及700nm之间的红光、峰值波长介于530nm及570nm之间的黄光、峰值波长介于490nm及550nm之间的绿光、峰值波长介于400nm及490nm之间的蓝光或深蓝光、或是峰值波长介于250nm及400nm之间的紫外光。在本实施例中，活性结构204的峰值波长为介于750nm及1200nm之间的红外光。
如上所述，当第一半导体结构122和第二半导体结构122包含多个的膜层且都包含铝时，可使得第一半导体结构202中的其中一层或多层的铝含量大于97％(定义为电流局限层125)且大于活性结构124、第一半导体结构122的其他膜层及第二半导体结构126的铝含量，由此，在进行氧化制作工艺后，具有铝含量大于97％的该层或该些层的部分会被氧化以形成电流局限层(例如：氧化铝)，未被氧化的部分则为开口。详言之，当凹部结构140形成于第一半导体结构122、活性结构124及第二半导体结构126中时，第一半导体结构122、活性结构124及第二半导体结构126的侧壁会被曝露出，因此当激光元件100设置于一含氧的环境时，氧气会通过凹部结构140和第一半导体结构122、活性结构124或第二半导体结构126发生化学反应进而形成电流局限层125。因此，通过凹部结构140的配置位置及数量和氧化制作工艺的控制(例如氧气浓度或/及氧化时间)，可调整电流局限层125的深度H1及形状(氧化铝的深度)进而定义开口125A的形状。在本实施例中，由上视图视之，电流局限层125为一概呈环形，且开口125A为概呈圆形。
类似地，可设计第一半导体结构122、第二半导体结构126和活性结构124的材料，进行湿式氧化制作工艺以形成阻绝结构I于其中。如图2A和图2B所示，阻绝结构I具有一深度H2小于电流局限层125的一深度H1。深度H1为6～12um且深度H2为2um～5um。或者，注入氢离子(H+)、氦离子(He+)或氩离子(Ar+)来进行离子注入制作工艺以形成阻绝结构I。在一实施例中，当电流局限层125通过离子注入制作工艺所形成时，激光元件100可不具有凹部结构140。
接触层130为一欧姆接触层且与外延结构120形成电连接，其材料可包括金属、金属合金、金属氧化物或半导体。金属包括铝(Al)、银(Ag)、铬(Cr)、铂(Pt)、镍(Ni)、锗(Ge)、铍(Be)、金(Au)、钛(Ti)、钨(W)或锌(Zn)。金属合金包括上述金属的合金。金属氧化物(透明导电氧化物，Transparent Conductive Oxide,TCO)包括氧化铟锡(ITO)、氧化铟(InO)、氧化锡(SnO)、氧化镉锡(CTO)、氧化锑锡(ATO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟钨(IWO)、氧化锌(ZnO)或氧化铟锌(IZO)。半导体包含AlGaAs、GaAs或InGaP。
图3为根据本发明的一实施例的激光元件200的上视示意图。图4A和图4B分别为图3中的线A-A’线B-B’所示的激光元件200的剖面结构。图3、图4A至图4B与图1、图2A至图2B是以相同符号描述相同元件，并且这些元件的材料及特性如前所述，故不再赘述。为求图面清晰，在图3的上视示意图中并未标示出覆于接触层130上的保护层和电极结构(即图4A和图4B所示剖面结构中的保护层150和电极结构160)。
如图3所示，激光元件200包含多个发光孔，发光孔即为激光元件200中电流局限层125的开口125A。发光孔以一阵列方式排列。在一上视图中，激光元件200中的多个开口125A(发光孔)采最密堆积方式排列。本实施例中，多个开口采六方最密堆积方式排列，亦即每一个开口周围都形成有六个相邻的开口。再者，六个凹部结构140围绕一个开口且每一凹部结构140位于两个邻近的开口之间。在一实施例中，每一个开口周围都形成有大于两个(例如：三个、四个或五个)相邻的开口。换言之，大于两个(例如：三个、四个或五个)凹部结构140围绕一个开口且每一凹部结构140位于两个邻近的开口之间。
如前述说明，凹部结构140用以进行氧化制作工艺。当进行氧化制作工艺时，氧气以各个方向进行化学反应，因此，在激光元件200中，通过凹部结构140，可同时往两侧(两相对长边140L2，如图1所示)形成电流局限层以定义开口，换言之，每一个开口125A都分别与邻近的开口125A共用其间的凹部结构140。详言之，如图4A所示，以两个相邻的开口125A1及125A2为例，通过凹部结构140A以形成电流局限层1252；通过凹部结构140B以形成电流局限层1251；通过凹部结构140C以形成电流局限层1253。电流局限层1252、1251定义开口125A1；电流局限层1252、1253定义开口125A2。由上可知，仅通过三个凹部结构(非围绕同一开口)则可定义出两个开口(发光孔)，亦即，两个相邻的开口共用其间的凹部结构140或是两个相邻的开口之间仅有一个凹部结构140。由一剖视图观之，激光元件200具有N个凹部结构及N-1个开口(发光孔)，N为正整数。在一实施例中，N为大于2的正整数。在其他实施例中，N并无特别限制，其可为例如大于3、4、5、6、7，…，端视于激光元件200的规格(即所需的发光孔数量)而加以选择。
如前所述，每一开口125的形状是通过六个围绕于旁的凹部结构140进行氧化制作工艺所共同定义，上述仅以剖视图而作简单说明，并非表示一个凹部结构140即可定义一个开口。因此，参考图3，六个凹部结构140可共同定义一开口125A且进而同时定义相邻的六个开口，详言之，该六个凹部结构140中的每一个可同时对其两侧(两相对长边140L2，如图1所示)形成电流局限层进而定义两侧的开口。换言之，围绕于一开口125A的六个凹部结构140都可与相邻的开口共用其间的凹部结构140，使得相邻开口之间的间距得以进一步缩小。在其他实施例中，可依据实际应用，围绕于一开口125A的六个凹部结构140中，仅有二、三、四、或五个与相邻的开口共用其间的凹部结构140。
如图3所示，因激光元件200中的多个开口125A(发光孔)采六方最密堆积方式排列，使得在激光元件的相邻三个发光孔125A1、125A2、125A3中，第一发光孔125A1的中心O1与第二发光孔125A2的中心O2之间的距离D12等于第二发光孔125A2的中心O2与第三发光孔125A3的中心O3的距离D23。在本实施例中，第一发光孔125A1和第二发光孔125A2的中心连线O1-O2通过凹部结构140B，第二发光孔125A2和第三发光孔125A3的中心连线O2-O3通过凹部结构140D，且第三发光孔125A3和第一发光孔125A1的中心连线O3-O1通过凹部结构140E。
在本实施例中，接触层130形成为具有多个彼此分离的环形部130’，且每一个环形部130’的环形部开口130A的中心与各个对应的开口125A相对应。由剖视图视之，相邻的环形部130’之间是由一凹部结构140予以分隔。
此外，选择性地，激光元件200可包含多个彼此分离且不连续的阻绝结构I，用以阻绝横向电流的传递。阻绝结构I形成于相邻的开口125A(或凹部结构140)之间，换言之，多个开口125A(或凹部结构140)围绕一阻绝结构I。在本实施例中，在彼此相邻的三个开口125A(或凹部结构140)围绕一阻绝结构I。再者，任两个阻绝结构I之间具有一个凹部结构140。
本发明的激光元件是一垂直共振腔面射型激光元件(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)，特别是一种具有紧密排列的发光孔的VCSEL。在本发明中，通过在激光元件中共用实施湿式氧化制作工艺所需的凹部结构，使得相邻开口(发光孔)之间的间距得以进一步缩小，从而提高激光元件的识别效率并且降低封装成本。
根据本发明，激光元件的每一个发光孔周围都形成有均匀分布(即在周围呈相隔60度的配置)的六个凹部结构，通过六个凹部结构实施湿式氧化制作工艺，可于激光元件外延结构中形成概呈圆形的开口(即激光元件的发光孔)。根据本发明，每一个凹部结构都为其相邻的两个发光孔所共用，从而使得本发明的激光元件中的多个发光孔得以最密堆积方式排列，增加激光元件中发光孔结构的布局空间。
在本发明中，在相邻的发光孔结构之间的电流注入路径上形成有阻绝结构，可阻断两个发光孔结构之间的横向电流以降低其串联电阻(Series Resistance，Rs)，从而降低激光元件的RC常数，有效提高调变的频宽(即操作频宽)。再者，本发明的电极结构大致上都形成于同一平面上，由此可缩短电流路径，减少串联电阻，且有助于降低激光元件的热干扰，提高激光元件的光转换效率。在一实施例中，当激光元件于大电流(0.5A以上)操作下时，上述的功效会特别显著。
在本发明中，激光元件的接触层为环形部结构，且具有向内延伸的延伸部，从而可避免电流的尖端放电效应，产生金属屏蔽作用，从而减少高阶模态数以使光频谱简单化。如此，本发明的激光元件因具有相对简单光谱的光模态，在应用时能使光检测器产生较佳的光响应，提升识别效率。
综上所述，本发明提供一种具有极佳光电特性的激光元件，其具有高光转换效率、小尺寸、有效提高的操作频宽和识别率，深具有3D感测应用潜力。
需注意的是，本发明所提的前述实施例仅用于例示说明本发明，而非用于限制本发明的范围。熟悉本发明所属领域技术的人对本发明所进行的诸般修饰和变化都不脱离本发明的精神与范畴。不同实施例中相同或相似的构件、或不同实施例中以相同元件符号表示的构件具有相同的物理或化学特性。此外，在适当的情况下，本发明的上述实施例可互相组合或替换，而非仅限于上文所描述的特定实施例。在一实施例中所描述的特定构件与其他构件的连接关系也可应用于其他实施例中，其都落于本发明如附权利要求的范畴。

Claims (10)

1.一种激光元件，其特征在于，包括：
外延结构；
多个发光孔，彼此相邻且至少包含第一发光孔和第二发光孔；以及
多个凹部结构，各形成于该外延结构内且位于该多个发光孔之间；
其中，自该激光元件的上视图观之，该多个凹部结构中仅有一个位于该第一发光孔和该第二发光孔之间，且该第一发光孔和该第二发光孔的中心连线通过该凹部结构。
2.如权利要求1所述的激光元件，其中，自该激光元件的剖视图观之，该激光元件具有N个凹部结构及N-1个发光孔，N为大于2的正整数。
3.如权利要求1所述的激光元件，还包含接触层，该接触层包括环形部及自该环形部向内延伸的多个延伸部。
4.一种激光元件，其特征在于，包括：
基板；
外延结构，位于该基板上；
电流局限层，具有开口；
接触层，位于该外延结构上且具有一环形部以及自该环形部向内延伸的多个延伸部
电极结构，位于接触层上；以及
保护层，位于该接触层及该电极结构之间。
5.如权利要求4所述的激光元件，还包括多个凹部结构，该接触层位于所述多个凹部结构的其中两个之间。
6.如权利要求3、4或5所述的激光元件，其中，自该激光元件的上视图观之，所述多个延伸部的各该延伸部与所述多个凹部结构的各该凹部结构对位。
7.如权利要求4所述的激光元件，还包括多个保护层开口，位于该接触层上方，其中，由该激光元件的上视图观之，所述多个延伸部的各该延伸部与所述多个保护层开口的各该保护层开口错位。
8.如权利要求3或4所述的激光元件，其中，由该激光元件的上视图观之，各该延伸部自该环形部向内延伸的长度为1～3微米。
9.如权利要求3或4所述的激光元件，其中，由该激光元件的上视图观之，自各该环形部向内延伸的所述多个延伸部的总面积与各该环形部内圈圆面积的比例介于6％～36％。
10.如权利要求1或4所述的激光元件，还包括阻绝结构，形成于该外延结构中。
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