CN113572018A - 覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其磊晶结构设有一高台，高台设有多个空气孔洞，形成一光子晶体结构，又磊晶结构设有一凹台，凹台的面向与光子晶体结构的面向呈同一面向；一第一电极金属，位于绝缘层上，并覆盖光子晶体结构上；一第二电极金属，位于凹台上，并凸出于凹槽外，使第一电极金属的面向与第二电极金属的面向呈同一面向，再以第一电极金属接合至第一接合金属与第二电极金属接合至第二接合金属，使光子晶体结构呈覆晶。

Description

覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件
技术领域
本发明有关一种覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其第一电极金属与第二电极金属呈同一面向，第一电极金属可接合第一接合金属与第二电极金属可接合第二接合金属，使该光子晶体结构呈覆晶。
背景技术
美国专利US10340659B1，公开一种电激发光子晶体面射型激光元件，其包含：一基板，其具备一第一表面及相反侧的第二表面；一第一披覆层，位于该基板的第一表面上；一主动层，位于该第一披覆层上，并具有一量子结构；一第二披覆层，位于该主动层上；一接触层，位于该第二披覆层上，并以该第二披覆层及该接触层呈高台型且设有多个空气孔洞，形成一光子晶体结构，且该光子晶体结构的上表面设定一第一预定区域；一电流局限结构，位于该光子晶体结构及该主动层上，并具有一孔径，且该孔径为对应该光子晶体结构的第一预定区域，使电流流向局限在该光子晶体结构的第一预定区域；一透明导电层，位于该电流局限结构上，并覆盖该光子晶体结构的第一预定区域上，且该透明导电层的上表面设定一第二预定区域，该第二预定区域的位置与该光子晶体结构的第一预定区域的位置呈现上下对应关系；一第一电极金属，位于该透明导电层上，并具有一金属孔，且该金属孔为对应该透明导电层的第二预定区域，使该金属孔不遮蔽该光子晶体结构的第一预定区域；以及一第二电极金属，位于该基板的第二表面上；以此，该第一电极金属、该透明导电层、该电流局限结构及该第二电极金属相互配合，进而电激发该量子结构，再通过该光子晶体结构可面射出激光于该光子晶体结构的第一预定区域、该电流局限结构的孔径、该透明导电层的第二预定区域至该第一电极金属的金属孔外。
但是，该第一电极金属与该第二电极金属需进行打线接合(wire bonding)，而打线接合为传统常用的封装技术，会伴随着很强的寄生电感效应，亦造成在信号传输过程中，产生严重的信号失真，且该透明导电层的材料为氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)所构成，会有吸收、折射及散射等光学效应，从而降低激光出光效率。此外，传统激光结构散热性较差，在高电流操作下性能较容易衰退。
发明内容
本发明的主要目的，提供一种覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其第一电极金属与第二电极金属呈同一面向，以第一电极金属可接合第一接合金属与第二电极金属可接合第二接合金属，能省略打线接合，使信号直接馈入传输，避免信号失真，进而实现增进其性能表现的功效。
本发明的又一目的，提供一种覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其第一电极金属与第二电极金属呈同一面向，以第一电极金属可接合第一接合金属与第二电极金属可接合第二接合金属，亦能省略透明导电层，避免吸收、折射及散射等光学效应，进而实现提升激光出光效率的功效。
本发明的再又一目的，提供一种覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其第一电极金属与第二电极金属呈同一面向，以第一电极金属可接合第一接合金属与第二电极金属可接合第二接合金属，取代传统激光结构，进而实现提升散热效率的功效。
为达上述目的，本发明所采用的技术手段，其包含：一第一基板，其具备一第一表面及相反侧的第二表面；一第一披覆层，位于该第一基板的第一表面上；一第一分开局限异质层，位于该第一披覆层上；一主动层，位于该第一分开局限异质层上，并具有一量子结构；一第二分开局限异质层，位于该主动层上；一第二披覆层，位于该第二分开局限异质层上；一接触层，位于该第二披覆层上，使该第一基板、该第一披覆层、该第一分开局限异质层、该主动层、该第二分开局限异质层、该第二披覆层、该接触层形成一磊晶结构，该磊晶结构设有一高台，该高台设有多个空气孔洞，形成一光子晶体结构，又该磊晶结构设有一凹台，该凹台的面向与该光子晶体结构的面向呈同一面向；一绝缘层，位于该光子晶体结构与该凹台上，并具有一孔径及一凹槽，且该孔径对应该光子晶体结构与该凹槽对应该凹台；一第一电极金属，位于该绝缘层上，并覆盖该光子晶体结构上；一第二电极金属，位于该凹台上，并凸出于该凹槽外，使该第一电极金属的面向与该第二电极金属的面向呈同一面向；以及一第二基板，其具备一第三表面及相反侧的第四表面，并在该第二基板的第三表面上设有一第一接合金属与一第二接合金属，且先将该第一基板覆于该第二基板的上方后，再以该第一电极金属可接合至该第一接合金属与该第二电极金属可接合至该第二接合金属，使该光子晶体结构呈覆晶；以此，该第一电极金属、该第二电极金属、该第一接合金属及该第二接合金属相互配合，进而电激发该量子结构，令该量子结构的激光至该第一电极金属进行反射后，从而可面射出激光于该光子晶体结构至该第一基板的第二表面外。
在本发明一实施例中，该第二披覆层的厚度范围为10～3000nm。
在本发明一实施例中，该空气孔洞可排列成二维阵列。
在本发明一实施例中，该量子结构可包括至少一量子井层、一量子点层或一量子线层。
在本发明一实施例中，该量子井层、该量子点层及该量子线层的材料可包括选自砷化镓、磷化镓、氮化镓、砷化铟、磷化铟、氮化铟、砷化铟镓、磷化铟镓、氮化铟镓、砷化铝镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、氮化铝镓铟、砷磷化镓铟、锑化铟、锑化镓、锑化铝、砷锑化镓、砷锑化铟、砷锑化铝、锑化铟镓、锑化铝镓、砷锑化铟镓、砷锑化铝镓其中任一所构成。
在本发明一实施例中，该第一基板的材料可包括选自氮化镓、砷化镓、磷化铟、锑化镓其中任一所构成。
通过上揭技术手段，其该第一电极金属与该第二电极金属呈同一面向，以该第一电极金属可接合该第一接合金属与该第二电极金属可接合该第二接合金属，则不需采用透明导电层，免除吸收、折射及散射的光学缺点，亦可以大幅提升散热效果，同时排除因打线接合步骤产生的寄生电感，为本发明的突破。
附图说明
图1A为本发明磊晶结构的示意图。
图1B为本发明制作硬式罩幕的示意图。
图1C为本发明定义光子晶体图形的示意图。
图1D为本发明转移光子晶体图形的示意图。
图1E为本发明去除硬式罩幕的示意图。
图1F为本发明蚀刻出高台的示意图。
图1G为本发明蚀刻出凹台的示意图。
图1H为本发明制作绝缘层的示意图。
图1I为本发明第一电极金属沉积的示意图。
图1J为本发明第二电极金属沉积的示意图。
图1K为本发明光子晶体结构进行覆晶的示意图。
图1L为本发明第一电极金属可接合至第一接合金属与第二电极金属可接合至第二接合金属的示意图。
图1M为本发明光子晶体结构进行覆晶完成的示意图。
图2A为本发明第一基板、高台、凹台及第一电极金属的电子显微镜图。
图2B为本发明第一基板、凹台及第二电极金属的电子显微镜图。
图2C为本发明第一基板、高台、凹台、第一电极金属及第二电极金属的电子显微镜图。
图3为本发明的使用状态图。
附图标记说明：10-覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件；11A-第一基板；111-第一表面；112-第二表面；11B-第二基板；113-第三表面；1131-第一接合金属；1132-第二接合金属；114-第四表面；12-第一披覆层；13-第一分开局限异质层；14-主动层；141-量子结构；15-第二分开局限异质层；16-第二披覆层；17-接触层；18-第一电极金属；19-第二电极金属；I-绝缘层；I1-孔径；I2-凹槽；F-光子晶体图形；H1-高台；H2-凹台；L-激光；M-硬式罩幕；R-正光阻；S-光子晶体结构；W-磊晶结构；a-周期；h-空气孔洞。
具体实施方式
首先，请参阅图1A～图1M所示，本发明的一种覆晶式的电激发光子晶体面射型激光(Electrically Pumped Photonic-Crystal Surface-EmittingLasers)元件10较佳实施例，包含：一第一基板(substrate)11A，其具备一第一表面111及相反侧的第二表面112，在本实施例中，该第一基板11A的材料可包括选自氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化镓(GaSb)其中任一所构成，但不限定于此。
一第一披覆层(cladding layer)12，位于该第一基板11A的第一表面111上，在本实施例中，该第一披覆层12的材料可包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、锑化铝镓(AlGaSb)、砷锑化镓(GaAsSb)、砷锑化铝镓(AlGaAsSb)其中任一所构成，但不限定于此。
一第一分开局限异质层(Separate Confinement Heterostructure,SCH)13，位于该第一披覆层12上，在本实施例中，该第一分开局限异质层13的材料可包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、锑化铝镓(AlGaSb)、砷锑化镓(GaAsSb)、砷锑化铝镓(AlGaAsSb)其中任一所构成；该第一分开局限异质层13的厚度为130nm，但不限定于此。
一主动层(active layer)14，位于该第一分开局限异质层13上，并具有一量子结构141(Quantum Structure)，在本实施例中，该量子结构141可包括至少一量子井层、一量子点层或一量子线层；该量子井层、该量子点层及该量子线层的材料可包括选自砷化镓、磷化镓、氮化镓、砷化铟、磷化铟、氮化铟、砷化铟镓、磷化铟镓、氮化铟镓、砷化铝镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、氮化铝镓铟、砷磷化镓铟、锑化铟、锑化镓、锑化铝、砷锑化镓、砷锑化铟、砷锑化铝、锑化铟镓、锑化铝镓、砷锑化铟镓、砷锑化铝镓其中任一所构成，但不限定于此。
一第二分开局限异质层(Separate Confinement Heterostructure,SCH)15，位于该主动层14上，在本实施例中，该第二分开局限异质层15的材料可包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、锑化铝镓(AlGaSb)、砷锑化镓(GaAsSb)、砷锑化铝镓(AlGaAsSb)其中任一所构成；该第二分开局限异质层15的厚度为105nm，但不限定于此。因此，该第一分开局限异质层13与该第二分开局限异质层15的功用可以分别达成载子与光场的局限。
一第二披覆层(cladding layer)16，位于该第二分开局限异质层15上，在本实施例中，该第二披覆层16的厚度范围为10～3000nm，且该第二披覆层16的材料可包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、锑化铝镓(AlGaSb)、砷锑化镓(GaAsSb)、砷锑化铝镓(AlGaAsSb)其中任一所构成，但不限定于此。
一接触层(Contact layer)17，位于该第二披覆层16上，在本实施例中，该接触层17的材料可包括选自氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷砷化铟镓(InGaAsP)、锑化镓(GaSb)其中任一所构成，但不限定于此。
如图1A所示，其该第一基板11A、该第一披覆层12、该第一分开局限异质层13、该主动层14、该第二分开局限异质层15、该第二披覆层16及该接触层17形成一磊晶结构(W)，并不限定磊晶成长的层数。
如图1B所示，其制作一硬式罩幕(Hard mask)(M)，在该磊晶结构(W)上沉积氮化硅(SiliconNitride，SiNx)，但不限定于此。
图1C所示，其定义一光子晶体图形(F)，在该磊晶结构(W)上旋涂一正光阻(R)，之后将该光子晶体图形(F)定义于该正光阻(R)上，其光子晶体区域为290μm的正方形，但不限定于此。
如图1D所示，其转移该光子晶体图形(F)，先将该光子晶体图形(F)转移进该硬式罩幕(M)中，并移除该正光阻(R)后，再将该光子晶体图形(F)转移进该磊晶结构(W)中，由于该量子结构141将波导模态的大部分光场局限于该主动层14的区域，故蚀刻深度需要更深才能获得更强的耦合强度，当蚀刻深度大于500nm时，则光子晶体才会有较好的耦合效率，但不限定于此。
如图1E所示，其去除该硬式罩幕(M)，且在该第二披覆层16及该接触层17设有多个空气孔洞(air hole)(h)，形成一光子晶体结构(S)，在本实施例中，该光子晶体结构(S)的周期(a)为385nm、388nm、390nm、393nm、395nm其中任一所构成，但不限定于此。此外，每一空气孔洞(h)形状为圆柱形、每一空气孔洞(h)的深度为520nm～540nm及其直径为130nm～140nm、每一空气孔洞(h)可排列成二维阵列，但不限定于此。
如图1F所示，其利用黄光制程定义出310μm的正方形高台，并蚀刻深度约为450nm，令该磊晶结构(W)蚀刻出一高台(mesa)(H1)，而蚀刻出该高台(H1)的目的为帮助光局限在光子晶体中与减少漏电流，在本实施例中，该第二披覆层16及该接触层17呈该高台(H1)，但不限定于此。
如图1G所示，其在该磊晶结构(W)蚀刻出一凹台(H2)，该凹台(H2)的面向与该光子晶体结构(S)的面向呈同一面向，在本实施例中，该凹台(H2)蚀刻至该第一基板11A，但不限定于此。
如图1H所示，其制作一绝缘层(I)，因具有无限周期的光子晶体理论上不会有边界(Boundary)效应，然而实际应用上的光子晶体是有限周期的，所以在晶体的边界会有能量损耗，但若光子晶体的面积比元件具有增益的面积大，则能减缓边界效应所造成的损耗，且光子晶体面积为增益面积的二到三倍是可以成功产生激光现象，故利用黄光制程在该光子晶体结构(S)的正中间定义出圆形的孔径(Aperture)图案与在该凹台(H2)的预定处定义凹槽图案，再沉积氮化硅120nm，并利用举离(Liftoff)将多余的氮化硅去除，令该绝缘层(I)位于该光子晶体结构(S)与该凹台(H2)上，并具有一孔径(I1)及一凹槽(I2)，且该孔径(I1)对应该光子晶体结构(S)与该凹槽(I2)对应该凹台(H2)，因此，电流流向局限在该光子晶体结构(S)，让激光模态存在于类似无限大的光子晶体中，在本实施例中，该绝缘层(I)的材料为可包括选自氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、聚酰亚胺(polyimide)其中任一所构成，但不限定于此。
如图1I所示，其一第一电极金属18沉积，并沉积钛(Ti)、金(Au)两种金属，令该第一电极金属18位于该绝缘层(I)上，并覆盖该光子晶体结构(S)上，但不限定于此。
如图1J所示，其一第二电极金属19沉积，并沉积镍(Ni)、锗(Ge)、金(Au)三种金属，令该第二电极金属19位于该凹台(H1)上，并凸出于该凹槽(I2)，使该第一电极金属18的面向与该第二电极金属19的面向呈同一面向，但不限定于此。
如图1K、图1L及图1M所示，其一第二基板11B，其具备一第三表面113及相反侧的第四表面114，并在该第二基板11B的第三表面113上设有一第一接合金属1131与一第二接合金属1132，且先将该第一基板11A覆于该第二基板11B的上方后，再以该第一电极金属18可接合至该第一接合金属1131与该第二电极金属19可接合至该第二接合金属1132，让该光子晶体结构(S)呈覆晶(Flip-Chip)。最后，快速热退火(Rapid thermal annealing，RTA)，即完成该覆晶式的电激发光子晶体面射型激光元件10。
此外，该主动层14上方的结构为P型半导体，掺杂物(dopant)为铍(Be)原子，而该主动层14下方的结构为N型半导体，掺杂物为硅(Si)原子或碲(Te)原子，两种掺杂物的浓度为1018cm-3，重掺杂的区域为1019cm-3。上述所公开该第一基板11A、该第一披覆层12、该第一分开局限异质层13、该第二分开局限异质层15、该第二披覆层16、该接触层17及该第二基板11B的材料范围，亦使波长范围能包含蓝光至红外光。
进一步，提出电子显微镜图，如图2A所示，其呈现该第一基板11A、该高台(H1)、该凹台(H2)及该第一电极金属18，亦利用湿式蚀刻或干式蚀刻形成该高台(H1)，以湿式蚀刻，则该凹台(H2)是圆弧的，或以干式蚀刻，则该凹台(H2)是垂直的。如图2B所示，其呈现该第一基板11A、该凹台(H2)及该第二电极金属19，从而该第二电极金属19可垫高厚度。如图2C所示，其呈现该第一基板11A、该高台(H1)、该凹台(H2)、该第一电极金属18及该第二电极金属19。
承上，其利用该量子结构141作为增益介质，成功制作出室温操作的电激发光子晶体能带边缘型激光，配合该光子晶体结构(S)的周期(a)为385nm、388nm、390nm、393nm或395nm，使激光发光波长在1.3μm附近，该激光波长会随着该光子晶体结构(S)的周期变大而变长，并不局限于该光子晶体结构(S)的周期(a)为385nm、388nm、390nm、393nm或395nm，故激光发光波长不限于1.3μm，而在制程上无需晶圆熔合或磊晶再成长的复杂技术，选择直接从该磊晶结构(W)最上方往内部蚀刻来制作该光子晶体结构(S)，且光子晶体能带边缘型激光具有面射出光、远场发散角小等优异特性，故光纤的耦合效率优于边射型激光(Edge-emitting laser)，操作于此波段的激光在光纤通讯领域有很高的应用潜力，但不限定于此。
基于如此的构成，如图3所示，该第一电极金属18、该第二电极金属19、该第一接合金属1131及该第二接合金属1132相互配合，亦能降低阻抗，进而电激发该量子结构141，令该量子结构141的激光(L)至该第一电极金属18进行反射后，从而可面射出激光(L)于该光子晶体结构(S)、该第二分开局限异质层15、该主动层14、该第一分开局限异质层13、该第一披覆层12至该第一基板11A的第二表面112外，使光能从该磊晶结构(W)的反面出光，所以非常适合于面射型激光。
上述所公开的图式、说明，仅为本发明的较佳实施例，大凡熟悉此项技艺人士，依本案精神范畴所作的修饰或等效变化，仍应包括在本案权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其特征在于，包含：
一第一基板，其具备一第一表面及相反侧的第二表面；
一第一披覆层，位于该第一基板的第一表面上；
一第一分开局限异质层，位于该第一披覆层上；
一主动层，位于该第一分开局限异质层上，并具有一量子结构；
一第二分开局限异质层，位于该主动层上；
一第二披覆层，位于该第二分开局限异质层上；
一接触层，位于该第二披覆层上，使该第一基板、该第一披覆层、该第一分开局限异质层、该主动层、该第二分开局限异质层、该第二披覆层、该接触层形成一磊晶结构，该磊晶结构设有一高台，该高台设有多个空气孔洞，形成一光子晶体结构，又该磊晶结构设有一凹台，该凹台的面向与该光子晶体结构的面向呈同一面向；
一绝缘层，位于该光子晶体结构与该凹台上，并具有一孔径及一凹槽，且该孔径对应该光子晶体结构与该凹槽对应该凹台；
一第一电极金属，位于该绝缘层上，并覆盖该光子晶体结构上；
一第二电极金属，位于该凹台上，并凸出于该凹槽外，使该第一电极金属的面向与该第二电极金属的面向呈同一面向；以及
一第二基板，其具备一第三表面及相反侧的第四表面，并在该第二基板的第三表面上设有一第一接合金属与一第二接合金属，先将该第一基板覆于该第二基板的上方后，再以该第一电极金属接合至该第一接合金属与该第二电极金属接合至该第二接合金属，使该光子晶体结构呈覆晶；该第一电极金属、该第二电极金属、该第一接合金属及该第二接合金属相互配合，进而电激发该量子结构，令该量子结构的激光至该第一电极金属进行反射后，面射出激光于该光子晶体结构至该第一基板的第二表面外。
2.如权利要求1所述的覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其特征在于，该第二披覆层的厚度范围为10～3000nm。
3.如权利要求1所述的覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其特征在于，该空气孔洞排列成二维阵列。
4.如权利要求1所述的覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其特征在于，该量子结构包括至少一量子井层、一量子点层或一量子线层。
5.如权利要求4所述的覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其特征在于，该量子井层、该量子点层及该量子线层的材料包括砷化镓、磷化镓、氮化镓、砷化铟、磷化铟、氮化铟、砷化铟镓、磷化铟镓、氮化铟镓、砷化铝镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、氮化铝镓铟、砷磷化镓铟、锑化铟、锑化镓、锑化铝、砷锑化镓、砷锑化铟、砷锑化铝、锑化铟镓、锑化铝镓、砷锑化铟镓、砷锑化铝镓其中之一。
6.如权利要求1所述的覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件，其特征在于，该第一基板的材料包括氮化镓、砷化镓、磷化铟、锑化镓其中之一。
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