CN113644547A - 光子晶体面射型激光结构 - Google Patents

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洪国彬
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Abstract

一种光子晶体面射型激光结构包含基板、N型披覆层、主动层、折射率匹配层以及光子晶体结构。N型披覆层设置在基板上。主动层设置在N型披覆层上。折射率匹配层设置在N型披覆层上，并环绕主动层。折射率匹配层电性绝缘，且折射率匹配层的等效折射率与主动层的等效折射率实质上相同。光子晶体结构设置在主动层以及折射率匹配层上。藉由上述结构配置，可减小激光的发散角以及阈值电流。

Description

光子晶体面射型激光结构
技术领域
本揭示是关于一种光子晶体面射型激光结构。
背景技术
激光在医疗、光学通讯及工业加工等领域有广泛的应用。以现有的激光结构而言，存在发散角(divergence angle)过大及阈值电流过大的问题，有待解决。
发明内容
有鉴于此，本揭示之一目的在于提出一种发散角小且阈值电流小的光子晶体面射型激光结构。
为达成上述目的，依据本揭示的一些实施方式，一种光子晶体面射型激光结构包含第一基板、N型披覆层、主动层、折射率匹配层以及光子晶体结构。N型披覆层设置在第一基板上。主动层设置在N型披覆层上。折射率匹配层设置在N型披覆层上，并环绕主动层。折射率匹配层电性绝缘，且折射率匹配层的等效折射率与主动层的等效折射率实质上相同。光子晶体结构设置在主动层以及折射率匹配层上。
在本揭示的一或多个实施方式中，折射率匹配层对于主动层发出的光而言是可透光的。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层的横向长度小于光子晶体结构的横向长度。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层的横截面面积小于光子晶体结构的横截面面积。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层位于光子晶体结构在N型披覆层上的垂直投影区域以内。
在本揭示的一或多个实施方式中，折射率匹配层至少部分位于光子晶体结构在N型披覆层上的垂直投影区域以内。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层的横向长度为6至10微米。
在本揭示的一或多个实施方式中，折射率匹配层接触主动层的侧面。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层还具有顶面以及底面，顶面面向光子晶体结构，底面面向N型披覆层，主动层的侧面连接在顶面与底面之间。折射率匹配层与主动层的顶面以及底面分离。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层实质上为圆柱体。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体面射型激光结构进一步包含电子局限层，电子局限层覆盖在主动层以及折射率匹配层上。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体面射型激光结构进一步包含P型披覆层以及第二基板。P型披覆层设置在光子晶体结构上，而第二基板设置在P型披覆层上。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体面射型激光结构进一步包含金属电极。金属电极设置在第二基板远离P型披覆层的一侧，并接触第二基板远离P型披覆层的表面。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体面射型激光结构进一步包含透明导电层，透明导电层设置在光子晶体结构上。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体面射型激光结构进一步包含金属电极。金属电极设置在透明导电层远离光子晶体结构的一侧，并接触透明导电层远离光子晶体结构的表面。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体面射型激光结构进一步包含金属电极。金属电极设置在第一基板远离N型披覆层的一侧，并接触第一基板远离N型披覆层的表面。
在本揭示的一或多个实施方式中，光子晶体结构包含复数个周期性孔洞。
在本揭示的一或多个实施方式中，周期性孔洞沿着垂直于第一基板、N型披覆层以及主动层排列的方向的平面排列。
在本揭示的一或多个实施方式中，周期性孔洞的截面形状为圆形、四边形或六边形。
在本揭示的一或多个实施方式中，主动层包含量子阱。
综上所述，本揭示的光子晶体面射型激光结构包含环绕主动层设置的折射率匹配层，折射率匹配层电性绝缘，且折射率匹配层的等效折射率与主动层的等效折射率实质上相同。藉由上述结构配置，可减小激光的发散角以及阈值电流。
附图说明
为使本揭示的上述及其他目的、特征、优点与实施方式能更明显易懂，附图说明如下：
图1为绘示依据本揭示一实施方式的光子晶体面射型激光结构的俯视图。
图2为绘示图1所示的光子晶体面射型激光结构在区域M内的放大透视图。
图3为绘示图1所示的光子晶体面射型激光结构沿线段1-1’的剖面图。
图4至图8为绘示图3所示的光子晶体面射型激光结构在各制造阶段的剖面图。
图9为绘示依据本揭示另一实施方式的光子晶体面射型激光结构的剖面图。
附图标记：
100,200:光子晶体面射型激光结构 101:第一电极
102:第二电极 110:第一基板
120:N型披覆层 130:主动层
140:折射率匹配层 150:光子晶体结构
150A:半导体层 151:基部
152:周期性孔洞 160:P型披覆层
170:第二基板 180:电子局限层
290:透明导电层 LB:激光光束
M:区域 W1,W2:横向长度
X:第二方向 Y:第一方向
具体实施方式
为使本揭示的叙述更加详尽与完备，可参照附图及以下所述各种实施方式。附图中的各元件未按比例绘制，且仅为说明本揭示而提供。以下描述许多实务上之细节，以提供对本揭示的全面理解，然而，相关领域具普通技术者应当理解可在没有一或多个实务上之细节的情况下实施本揭示，因此，该些细节不应用以限定本揭示。
请参照图1至图3。图1为绘示依据本揭示一实施方式的光子晶体面射型激光结构100的俯视图，图2为绘示图1所示的光子晶体面射型激光结构100在区域M内的放大透视图，图3为绘示依据图1所示的光子晶体面射型激光结构100沿线段1-1’的剖面图。光子晶体面射型激光结构100包含沿着第一方向Y堆迭设置的第一基板110、N型披覆层120、主动层130、折射率匹配层140、光子晶体结构150、P型披覆层160以及第二基板170。第一基板110例如是半导体基板，可包含砷化镓(GaAs)或其他合适的半导体材料。N型披覆层120设置在第一基板110上。主动层130与折射率匹配层140皆设置在N型披覆层120上。于一些实施方式中，主动层130包含量子阱，配置以在光子晶体面射型激光结构100通电时发光。
于一些实施方式中，N型披覆层120包含砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、磷砷化铟镓(InGaAsP)、砷化铝(AlAs)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷化铝镓(AlGaAs)、砷氮化铟镓(InGaNAs)、锑砷化镓(GaAsSb)、锑化镓(GaSb)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、磷化镓(GaP)、磷化铝(AlP)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)、其他合适的半导体材料或上述材料的任意组合。
如图1至图3所示，光子晶体结构150设置在主动层130以及折射率匹配层140上。主动层130发出的光在光子晶体结构150共振产生激光光束LB，激光光束LB沿着第一方向Y从光子晶体面射型激光结构100的顶部出射。
如图1至图3所示，于一些实施方式中，光子晶体结构150包含基部151以及复数个周期性孔洞152。基部151可包含砷化镓(GaAs)或其他合适的半导体材料，周期性孔洞152形成于基部151远离主动层130与折射率匹配层140的一侧，且周期性孔洞152在实质上垂直于第一方向Y的第二方向X上排列。于一些实施方式中，周期性孔洞152沿着垂直于第一方向Y的平面排列。于一些实施方式中，周期性孔洞152的截面形状可为圆形、四边形或六边形。
如图1至图3所示，P型披覆层160设置在光子晶体结构150上，而第二基板170设置在P型披覆层160上。第二基板170可包含P型半导体材料，例如P-GaAs。
于一些实施方式中，P型披覆层160包含砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、磷砷化铟镓(InGaAsP)、砷化铝(AlAs)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷化铝镓(AlGaAs)、砷氮化铟镓(InGaNAs)、锑砷化镓(GaAsSb)、锑化镓(GaSb)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、磷化镓(GaP)、磷化铝(AlP)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)、其他合适的半导体材料或上述材料的任意组合。
如图1至图3所示，折射率匹配层140环绕主动层130设置。主动层130例如是圆柱体，在俯视视角下，主动层130呈圆形。折射率匹配层140与主动层130的底面(亦即，主动层130面向N型披覆层120的表面)以及顶面(亦即，主动层130面向光子晶体结构150的表面)分离，并接触主动层130的侧面(亦即，主动层130的连接在顶面与底面之间的表面)。折射率匹配层140电性绝缘，使得在光子晶体面射型激光结构100通电时，电流仅通过主动层130。折射率匹配层140不主动发光也不吸收光。此外，折射率匹配层140的等效折射率与主动层130的等效折射率实质上相同。藉由上述结构配置，可减小激光的发散角以及阈值电流。
于一些实施方式中，折射率匹配层140包含介电材料或不导电或高阻抗的半导体材料(例如：无掺杂的半导体材料，或是，掺杂的半导体材料，如GaN使用Fe掺杂)。于一些实施方式中，折射率匹配层140对于主动层130发出的光而言是可透光的。
如图1至图3所示，于一些实施方式中，主动层130的横截面(亦即，主动层130垂直于第一方向Y的截面)的面积小于光子晶体结构150的横截面(亦即，光子晶体结构150垂直于第一方向Y的截面)的面积。在光子晶体面射型激光结构100通电时，电流注入范围较小的主动层130，但发光区域可以扩展至范围较大的光子晶体结构150。于一些实施方式中，折射率匹配层140的横截面面积与主动层130的横截面面积的比值落在1.5至100的范围以内。
如图1至图3所示，于一些实施方式中，主动层130的横向长度W1小于光子晶体结构150的横向长度W2，其中横向长度是指在第二方向X上的长度。于一些实施方式中，主动层130的横向长度W1为6至10微米。在主动层130为圆柱体的实施方式中，横向长度W1相当于主动层130的直径。
如图1至图3所示，于一些实施方式中，主动层130位于光子晶体结构150在N型披覆层120上的垂直投影区域以内，其中垂直投影区域是指沿着第一方向Y的反方向投影的区域。于一些实施方式中，环绕主动层130设置的折射率匹配层140至少部分位于光子晶体结构150在N型披覆层120上的垂直投影区域以内。
如图1至图3所示，于一些实施方式中，光子晶体面射型激光结构100进一步包含电子局限层180，电子局限层180覆盖在主动层130以及折射率匹配层140上，并位于光子晶体结构150与主动层130以及折射率匹配层140之间。
如图1至图3所示，于一些实施方式中，光子晶体面射型激光结构100进一步包含第一电极101以及第二电极102。第一电极101设置在第一基板110远离N型披覆层120的一侧，并接触第一基板110远离N型披覆层120的表面。第二电极102设置在第二基板170远离P型披覆层160的一侧，并接触第二基板170远离P型披覆层160的表面。于一些实施方式中，第一电极101与第二电极102为金属电极。于一些实施方式中，第二电极102包含环状结构，其中心具有一开口，供激光光束LB通过。
于一些实施方式中，第一电极101与第二电极102包含铟(In)、锡(Sn)、铝(Al)、金(Au)、铂(Pt)、锌(Zn)、锗(Ge)、银(Ag)、铅(Pb)、钯(Pd)、铜(Cu)、铍化金(AuBe)、铍化锗(BeGe)、镍(Ni)、锡化铅(PbSn)、铬(Cr)、锌化金(AuZn)、钛(Ti)、钨(W)、钨化钛(TiW)、其他合适的导电材料或上述材料的任意组合。
以下介绍光子晶体面射型激光结构100的制造方法。
请参照图4至图8，其为绘示图3所示之光子晶体面射型激光结构100在各制造阶段的剖面图。光子晶体面射型激光结构100的制造方法包含步骤S1至步骤S11。
如图4所示，首先，在步骤S1中，形成堆迭设置的第一基板110、N型披覆层120以及主动层130。第一基板110、N型披覆层120以及主动层130沿着第一方向Y排列，且主动层130覆盖N型披覆层120的上表面。于一些实施方式中，步骤S1包含以磊晶成长的方式形成堆迭设置的第一基板110、N型披覆层120以及主动层130。
如图5所示，接着，在步骤S3中，形成环绕主动层130设置的折射率匹配层140。于一些实施方式中，步骤S3包含蚀刻步骤S2形成的主动层130的外缘，再以磊晶成长的方式在主动层130四周形成折射率匹配层140。于一些实施方式中，步骤S3包含对主动层130执行量子阱混合(quantum well intermixing)以形成折射率匹配层140。
如图6所示，接着，在步骤S5中，在主动层130与折射率匹配层140上形成堆迭设置的电子局限层180以及半导体层150A(例如：P-GaAs)。电子局限层180以及半导体层150A沿着第一方向Y排列，且半导体层150A覆盖电子局限层180的上表面。于一些实施方式中，步骤S5包含以磊晶成长的方式在主动层130与折射率匹配层140上形成堆迭设置的电子局限层180以及半导体层150A。
如图7所示，接着，在步骤S7中，在半导体层150A中形成光子晶体结构150。于一些实施方式中，步骤S7包含去除部分的半导体层150A形成光子晶体结构150的周期性孔洞152。剩余的半导体层150A作为光子晶体结构150的基部151。于一些实施方式中，步骤S7包含透过蚀刻或光刻的方式来去除部分的半导体层150A形成光子晶体结构150的周期性孔洞152。
如图8所示，接着，在步骤S9中，在光子晶体结构150上形成堆迭设置的P型披覆层160以及第二基板170(例如：P-GaAs)。P型披覆层160以及第二基板170沿着第一方向Y排列，且第二基板170覆盖P型披覆层160的上表面。于一些实施方式中，步骤S9包含以磊晶成长的方式在光子晶体结构150上形成堆迭设置的P型披覆层160以及第二基板170。
请回头参照图3，最后，在步骤S11中，形成第一电极101与第二电极102，第一电极101设置在第一基板110远离N型披覆层120的一侧，并接触第一基板110远离N型披覆层120的表面。第二电极102设置在第二基板170远离P型披覆层160的一侧，并接触第二基板170远离P型披覆层160的表面。于一些实施方式中，步骤S11包含透过沉积的方式在第一基板110远离N型披覆层120的表面上形成第一电极101，并在第二基板170远离P型披覆层160的表面上形成第二电极102。
请参照图9，其为绘示依据本揭示另一实施方式的光子晶体面射型激光结构200的剖面图。本实施方式与图3所示的实施方式的差异处，在于光子晶体面射型激光结构200包含透明导电层290取代P型披覆层160以及第二基板170。透明导电层290覆盖在光子晶体结构150远离主动层130的一侧，第二电极102设置在透明导电层290上，并接触透明导电层290远离光子晶体结构150的表面。
于一些实施方式中，光子晶体面射型激光结构200的制造方法包含：在形成光子晶体结构150后，在光子晶体结构150远离该主动层130的一侧镀上一层透明导电层290。
于一些实施方式中，透明导电层290包含氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、氧化铝镓铟锡(AlGaInSnO)、氧化铝锌(AZO)、氧化锡(SnO2)、氧化铟(In2O3)、氧化锌锡(SnZnO)、石墨烯(Graphene)、其他合适的透明导电材料或上述材料的任意组合。上述材料在可见光波段以及红外光波段具有良好的穿透率，以利激光光束LB发出。
综上所述，本揭示的光子晶体面射型激光结构包含环绕主动层设置的折射率匹配层，折射率匹配层电性绝缘，且折射率匹配层的等效折射率与主动层的等效折射率实质上相同。藉由上述结构配置，可减小激光的发散角以及阈值电流。
尽管本揭示已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本揭示，任何熟习此技艺者，于不脱离本揭示的精神及范围内，当可作各种之更动与润饰，因此本揭示的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种光子晶体面射型激光结构，其特征在于，包含：
第一基板；
N型披覆层，设置在所述第一基板上；
主动层，设置在所述N型披覆层上；
折射率匹配层，设置在所述N型披覆层上，并环绕所述主动层，其中所述折射率匹配层电性绝缘，且所述折射率匹配层的等效折射率与所述主动层的等效折射率实质上相同；以及
光子晶体结构，设置在所述主动层以及所述折射率匹配层上。
2.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述折射率匹配层对于所述主动层发出的光而言是可透光的。
3.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层的横向长度小于所述光子晶体结构的横向长度。
4.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层的横截面面积小于所述光子晶体结构的横截面面积。
5.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层位于所述光子晶体结构在所述N型披覆层上的垂直投影区域以内。
6.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述折射率匹配层至少部分位于所述光子晶体结构在所述N型披覆层上的垂直投影区域以内。
7.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层的横向长度为6至10微米。
8.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述折射率匹配层接触所述主动层的侧面。
9.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层还具有顶面以及底面，所述顶面面向所述光子晶体结构，所述底面面向所述N型披覆层，所述侧面连接在所述顶面与所述底面之间，所述折射率匹配层与所述主动层的所述顶面以及所述底面分离。
10.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层实质上为圆柱体。
11.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，进一步包含电子局限层，所述电子局限层覆盖在所述主动层以及所述折射率匹配层上。
12.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，进一步包含P型披覆层以及第二基板，所述P型披覆层设置在所述光子晶体结构上，所述第二基板设置在所述P型披覆层上。
13.如权利要求12所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，进一步包含金属电极，所述金属电极设置在所述第二基板远离所述P型披覆层的一侧，并接触所述第二基板远离所述P型披覆层的表面。
14.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，进一步包含透明导电层，所述透明导电层设置在所述光子晶体结构上。
15.如权利要求14所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，进一步包含金属电极，所述金属电极设置在所述透明导电层远离所述光子晶体结构的一侧，并接触所述透明导电层远离所述光子晶体结构的表面。
16.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，进一步包含金属电极，所述金属电极设置在所述第一基板远离所述N型披覆层的一侧，并接触所述第一基板远离所述N型披覆层的表面。
17.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述光子晶体结构包含复数个周期性孔洞。
18.如权利要求17所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述第一基板、所述N型披覆层以及所述主动层沿着第一方向排列，所述周期性孔洞沿着垂直于所述第一方向的平面排列。
19.如权利要求17所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述周期性孔洞的截面形状为圆形、四边形或六边形。
20.如权利要求1所述的光子晶体面射型激光结构，其特征在于，所述主动层包含量子阱。
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