CN114361942A - 一种垂直共振腔面射激光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垂直共振腔面射激光元件，包括依序堆栈的：基底、穿隧接面层、第一镜层、主动层、氧化层及第二镜层，所述第一镜层是p型分布式布拉格反射镜层，所述第二镜层是n型分布式布拉格反射镜层，利用穿隧接面层使得垂直共振腔面射激光元件可以将氧化层上方的P‑DBR转置成N‑DBR，使得主动层温度降低，而且光场趋近在主动层的量子井结构的中间位置耦合发光，使得发光总能量能够随着电流的提高而有效地增加。
Description
技术领域
本发明涉及激光元件技术领域，具体为一种垂直共振腔面射激光元件。
背景技术
半导体发光元件可分为发光二极管(Light-emitting diode，LED)元件及激光二极管(laser diode，LD)元件。LED元件属于发散光源但其发光能量较弱且光束角度偏大，因此功能性较不足仅能提供普通照明或应用于2D感测系统。至于LD元件所产生的则是激光光，其光束角度与形状相对较LED集中，而且具备较低功耗、高效率与高速等优势，因此适合应用于3D感测及光通讯领域。而从结构层面来看，LD元件结构也比LED元件更为复杂，同时材料特性要求高且设计也较困难，更须具备高难度磊晶技术才能够顺利量产。因此，LD元件与LED元件虽然都是发光元件，但是在用途、功效、结构及技术领域实属不相同。
垂直共振腔面射激光(VCSEL)元件顾名思义其激光是由晶粒表面垂直发射出来，是LD元件的其中之一。请参阅图1，VCSEL元件例如以砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)为基材构成一基底1，另设有一第一电极C与基底1接触，在基底1上方设置有一第一镜层2，在第一镜层2上方设置有一主动层(Active Layer)3，在主动层3上方设置有一氧化层4，在氧化层4上方设置有一第二镜层5，在第二镜层5上方设置有一第二电极6。第一电极C及第二电极6分别为n型欧姆电极及p型欧姆电极。以水气氧化法(Wet Oxidation)所制作的VCSEL元件为例，基底1是一n型砷化镓(N-GaAs)基底，第一镜层2是一n型分布式布拉格反射镜层(简称N-DBR)，例如以硅(Si)掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)。主动层3则是例如以砷化铟镓(InGaAs)的井层及AlGaAs的能障层彼此重复堆栈所构成。氧化层4的中央设有氧化孔。第二镜层5是一p型分布式布拉格反射镜层(简称P-DBR)，例如以碳(C)掺杂的AlGaAs。VCSEL元件便是利用分别位于主动层3的上方及下方之第二镜层5及第一镜层2作为反射镜面，进而通过氧化孔产生共振腔(Resonant Cavity)而发出激光光。
理想状态，是希望电子/电洞是在主动层的量子井结构的中间位置耦合而发光，以尽量达到主动层的上半部及下半部皆可以被有效的运用。然而，实际上，传统VCSEL元件基于载子在n型半导体的移动速率大于载子在p型半导体的移动速率的因素，因此电子/电洞是在主动层的上半部耦合而发光，使得光场L’大部分偏在主动层的上半部(如图1)，主动层的下半部并无法被有效的运用，主动层的量子井结构只有一部分被运用到，形成了理想值误差。而当为了提高VCSEL元件发光总能量(total power)时，通常是以提高电流(例如大于或等于4mA)的方式从第二电极6输入，然而这反而使得前述理想值误差更为拉大，导致VCSEL元件的发光总能量并无法如预期般随着提高电流而达到预期值。另外，由于P-DBR的电阻比N-DBR的电阻大得多，载子在P-DBR的扩散受到限制而使得载子密度较大，所以当导入高电流时，载子密度较大也造成VCSEL元件运作时主动层3的温度会较高，例如高达485℃(于高电流为10mA)，然而较高的主动层温度却会使得VCSEL元件的发光总能量无法随着电流的提高而有效地增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直共振腔面射激光元件，以解决上述背景技术中提出的技术问题。
为实现上述目的，根据本发公开的一个方面，提供了一种垂直共振腔面射激光元件，所述垂直共振腔面射激光元件包括：基底；穿隧接面层，所述穿隧接面层设置于所述基底的上方；第一镜层，所述第一镜层设置于所述穿隧接面层的上方；主动层，所述主动层设置于所述第一镜层的上方；氧化层，所述氧化层设置于所述主动层的上方；一第二镜层，所述第二镜层设置于所述氧化层的上方。
在一种可能的实现方式中，所述第一镜层为p型分布式布拉格反射镜层，所述第二镜层为n型分布式布拉格反射镜层。
在一种可能的实现方式中，所述穿隧接面层包含一重掺杂n型层及一重掺杂p型层，所述重掺杂p型层毗邻所述第一镜层，且所述重掺杂n型层毗邻所述基底。
在一种可能的实现方式中，所述穿隧接面层的面积与所述第一镜层和/或所述基底相同。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：在本发明实施例提供的一种垂直共振腔面射激光元件，基于电子的有效质量比电洞的有效质量小得多，以及N-DBR的电阻不受位于氧化层中央之氧化孔的影响，因此本发明实施例将氧化层上方的P-DBR转置成N-DBR后，即可降低主动层温度，而且光场趋近在主动层的量子井结构的中间位置耦合发光，使得发光总能量能够随着电流的提高而有效地增加。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为传统VCSEL元件的结构剖视图。
图2为本发明VCSEL元件的结构剖视图。
图3为本发明实施例1与比较例1的发光总能量与操作电流的关系图。
附图标记说明：1、基底；2、第一镜层；3、主动层；4、氧化层；5、第二镜层；6、第二电极；C、第一电极；L’、光场、；100、、发光元件；10、第一电极；11、基底；12、第一镜层；13、主动层；14、氧化层；141、氧化区；142、氧化孔；15、第二镜层；16、第二电极；161、出光孔；L、光场；TJ、穿隧接面层；TJ1、重掺杂n型层；TJ2、重掺杂p型层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
首先请参阅图2，本发明的一种垂直共振腔面射激光(VCSEL)元件100至少包含：一第一电极10；一基底11，基底11与第一电极10接触，基底11可以设置于第一电极10的上方或下方；一穿隧接面(tunnel junction)层TJ，穿隧接面层TJ设置于基底11的上方，穿隧接面层TJ可以与基底11的上表面接触；一第一镜层12，第一镜层12设置于穿隧接面层TJ的上方，第一镜层12可以是一p型分布式布拉格反射镜层(P-DBR)，第一镜层12可以与穿隧接面层TJ的上表面接触；一主动层(Active Region)13，主动层13设置于第一镜层12的上方，主动层13可以与第一镜层12的上表面接触；一氧化层(Oxide Layer)14，氧化层14设置于主动层13的上方；一第二镜层15，第二镜层15设置于氧化层14的上方，第二镜层15可以是一n型分布式布拉格反射镜层(N-DBR)；一第二电极16，第二电极16设置于第二镜层15的上方，第二电极16可以与第二镜层15接触。换言之，VCSEL元件100由下而上依序包括有：基底11、穿隧接面层TJ、第一镜层12、主动层13、氧化层14及第二镜层15。
第一电极10及第二电极16可以分别是金、银、铜、铁、钴、镍、钛或其类似物、合金，其中合金例如可以是锌金或锗金，第一电极10及第二电极16可以是相同的材料或不同的材料制成。基本上，第一电极10及第二电极16同时为n型(欧姆)电极或p型(欧姆)电极，例如为n型或p型砷化镓(GaAs)；例如第一电极10是n型电极，而第二电极16也是n型电极。第二电极16为环圈形状，其中央区域为一出光孔161，VCSEL元件100可以透过出光孔161发射一激光光。
基底11，其可为常用的单晶半导体材料，例如可以是砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、砷化铝镓(AlGaAs)或磷化镓(GaP)基板。较佳地，基底11为GaAs基板。基底11也包含相同材料之一缓冲层(图未绘出)，缓冲层为n型半导体层且可以为基底11的一部分，缓冲层确保基底11的结晶表面平滑以供后续第一镜层12在缓冲层上表面的磊晶成长制程。换言之，第一镜层12在基底11的上表面上成长。
第一镜层12及第二镜层15分别包含其中各相邻层具有不同折射系数的交替堆栈的半导体材料所构成的多层结构；第一镜层12与第二镜层15分别为包含有不同铝莫耳百分比的AlGaAs的多层结构，以改变折射系数。第一镜层12(P-DBR)系为p型半导体层，例如为掺杂碳(C)及/或锌(Zn)的AlGaAs层。第二镜层15(N-DBR)系为n型半导体层，例如为掺杂硅(Si)及/或碲(Te)的AlGaAs层。第一镜层12及第二镜层15的反射率分别大于99.9％，第一镜层12及第二镜层15所结合后的整体反射率也大于99.9％。
穿隧接面层TJ可以为包含一重掺杂n型层TJ1及一重掺杂p型层TJ2的多层结构。穿隧接面层TJ的重掺杂p型层TJ2毗邻第一镜层12，且穿隧接面层TJ的重掺杂n型层TJ1毗邻基底11。穿隧接面层TJ的材料可以为GaAs、AlGaAs、InGaP、AlInP、AlGaInP或InGaAsP。例如，重掺杂n型层TJ1为掺杂硅(Si)及/或碲(Te)的AlGaAs层或III族磷化物半导体层(例如InGaP层，磷化铟镓层)；重掺杂p型层TJ2为掺杂碳(C)的AlGaAs层或III族磷化物半导体层(例如InGaP层)。
主动层13可以包含一至复数个具有频谱间隙波长的量子井层，其中各量子井层在操作的波长下发射激光光。例如，主动层13可包含AlGaAs层、GaAs层、磷砷化镓(GaAsP)层或砷化铟镓(InGaAs)层。主动层13也可以是包含量子洞或具有适当发光性质的其他装置结构，如量子点或类似的装置结构。量子井层、量子洞或量子点等均在主动层13中依已知方式分离，以获得所需的激光光产生。
氧化层14可由一或多个磊晶层的氧化而形成光学及电学限制的氧化物层。举例而言，氧化层14可为由于磊晶层(例如AlGaAs层)的侧向氧化而形成的氧化铝(Al2O3)的一氧化区141及包含金属(未氧化的铝)位于中央区域的一氧化孔(oxide aperture)142。因此，氧化区141是绝缘区，氧化区141环状围绕导电的氧化孔142，氧化孔142穿过氧化区141而形成面积大小受限制的一导电路径，电与光(激光光)是由氧化孔142通过，氧化孔142为限流孔(current-limitingaperture)，氧化孔142愈小则电阻值愈大。氧化孔142可以被形成在出光孔161下方，氧化孔142略小于出光孔161。
特别说明的是，由于穿隧接面层TJ设置于基底11及第一镜层12之间，穿隧接面层TJ允许从n型半导体层切换(switch)为p型半导体层，例如穿隧接面层TJ从n型基底11切换为第一镜层12的P-DBR。因此，穿隧接面层TJ的尺寸大小(例如面积与形状)与基底11及/或第一镜层12相同。
下表一列出传统VCSEL元件比较例1的结构对照表。
表一(比较例1)
下表二列出本发明VCSEL元件100实施例1的结构对照表。
表二(实施例1)
下表三列出本发明VCSEL元件实施例1与比较例1在高电流(大于或等于8mA)操作条件下的发光总能量。也请一并参阅图3。
表三
下表四列出本发明VCSEL元件实施例1的主动层13与比较例1的主动层在操作电流10mA操作条件下的温度。
表四
| 操作电流10mA | |
| 比较例1的主动层(E) | 485℃ |
| 实施例1的主动层15(F) | 390℃ |
| (F)-(E) | -95℃ |
请一并参阅图3且由上述表一至表四可以得知，本发明VCSEL元件100实施例1与传统VCSEL元件比较例1相比较，实施例1产生了以下优势：(1)实施例1的第二电极16为n型，而比较例1的第二电极为p型，由于n型的电阻比p型的电阻小得多，因此实施例1的n型第二电极16相对于比较例1的p型第二电极而言，更有利于欧姆接触。(2)由表三，在操作电流8mA下的发光总能量而言，实施例1是比较例1的1.0382倍，而在操作电流10mA下的发光总能量而言，实施例1是比较例1的1.0769倍，这是因为实施例1的第二电极16及第二镜层15是n型，而比较例1的第二电极及第二镜层是p型，因此实施例1的第二电极16及第二镜层15的电阻会比比较例1的第二电极及第二镜层的电阻还低，所以实施例1的第二电极16及第二镜层15有利于电流扩散，当高电流被导入时电流会先快速地扩散，因此实施例1的主动层13的量子井结构可以有比较多的部分被运用到，载子复合区域也比较大，所以实施例1的发光总能量会大于比较例1的发光总能量，例如在操作电流为8mA的情况下，实施例1的发光总能量5.484mW大于比较例1的发光总能量5.282mW。(3)当导入高电流时，如前述实施例1的电流快速扩散，因此实施例1的主动层13的温度只有390℃，远低于比较例1的主动层的温度485℃达95℃(表四)，而较低的主动层13温度使得实施例1的发光总能量可以随着电流的提高而有效地增加；例如，在表三中，当操作电流从8mA提升到10mA时，比较例1的发光总能量只提升至1.04倍，然而实施例1却可以提升至1.08倍。(4)基于载子在n型半导体的移动速率大于载子在p型半导体的移动速率，因此电子/电洞在比较例1是在主动层的上
半部耦合而发光，使得光场大部分偏在主动层的上半部，主动层的下半部并无法被有效的运用；相较于比较例1而言，实施例1的载子由上而下在第二电极16(n型)、第二镜层(N-DBR层)15及氧化层14的移动速率大于比较例1的载子由上而下在第二电极(p型)、第二镜层(P-DBR层)及氧化层的移动速率，这使得实施例1中的光场L与主动层13的量子井耦合更趋向在主动层13的中间位置，使得主动层13的上半部及下半部皆可以被有效的运用并补偿了垂直方向的光场偏移，进而提高模态增益，并使得VCSEL元件100满足高温条件下操作及能够具有高操作速率。
本发明是利用穿隧接面层使得VCSEL元件可以将氧化层上方的P-DBR转置成N-DBR，这使得串联电阻值下降并改善了电流密度，而当电流注入VCSEL元件后会使得主动层温度降低，而且光场趋近在主动层的量子井结构的中间位置耦合发光，因而发光总能量能够随着电流的提高而有效地增加。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种垂直共振腔面射激光元件，其特征在于，包括：
基底(11)；
穿隧接面层(TJ)，所述穿隧接面层(TJ)设置于所述基底(11)的上方；
第一镜层(12)，所述第一镜层(12)设置于所述穿隧接面层(TJ)的上方；
主动层(13)，所述主动层(13)设置于所述第一镜层(12)的上方；
氧化层(14)，所述氧化层(14)设置于所述主动层(13)的上方；一第二镜层(15)，所述第二镜层(15)设置于所述氧化层(14)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种垂直共振腔面射激光元件，其特征在于，所述第一镜层(12)为p型分布式布拉格反射镜层，所述第二镜层(15)为n型分布式布拉格反射镜层。
3.根据权利要求2所述的一种垂直共振腔面射激光元件，其特征在于，所述穿隧接面层(TJ)包含一重掺杂n型层(TJ1)及一重掺杂p型层(TJ2)，所述重掺杂p型层(TJ2)毗邻所述第一镜层(12)，且所述重掺杂n型层(TJ1)毗邻所述基底(11)。
4.根据权利要求3所述的一种垂直共振腔面射激光元件，其特征在于，所述穿隧接面层(TJ)的面积与所述第一镜层(12)和/或所述基底(11)相同。
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|---|---|
| CN (1) | CN114361942A (zh) |
Cited By (1)
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| GB2621391A (en) * | 2022-08-11 | 2024-02-14 | Iqe Plc | Layered structure |
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- 2021-12-30 CN CN202111662019.9A patent/CN114361942A/zh active Pending
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