CN114552372A - 具gsg共平面电极的直接调变激光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具GSG共平面电极的直接调变激光二极管，具有半绝缘半导体基板、N型半导体层、发光层、P型半导体层、介电材料绝缘层、一P型电极以及两N型电极。其特征在于，该两N型电极设置于该N型半导体层沿着该介电材料绝缘层侧壁连接至该介电材料绝缘层上方形成共平面，该P型电极与该两N型电极是为GSG(接地‑信号‑接地)共平面电极。使用混合式共平面波导结构具有较高的直接调变速度，并且可与倒装技术整合，减少封装打线所造成的信号传输损耗并降低元件本身所造成之热效应，大幅提升高频与元件操作于高温时的光电特性。

Description

具GSG共平面电极的直接调变激光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种激光二极管元件，特别是涉及一种具GSG共平面电极的直接调变激光二极管及其制造方法。
背景技术
为了达到较高的微分增益提高输出功率以及达到较高速的响应频率，一般都以改变材料特性、量子阱结构以及短波导等方式达成，但使用短波导会增加制作工艺与封装的难度。
一般为了使结构简单与降低成本，会使用微带线(microstrip line)波导结构，但微带线结构会导致较高的微波损耗。
发明内容
本发明利用GSG(接地-信号-接地)共平面电极制作的高速混合式共平面传输线结构配合半绝缘基板可有效减少接面电容、接线电容与串联电阻等所造成的寄生效应，降低信号传输时所造成的微波损耗并减少RC电路与微波反射所造成的影响，通过此改善高速直接调变激光二极管的微波特性以达到较高的直接调变速度。且GSG共平面波导(CoplanarWaveguide,CPW)结构电场较集中，电信号较易通过波导，优于GS电极结构。此混合式共平面波导(Hybrid CPW)结构同时具备GS电极设计，封装选择性高。
本发明的目的是提供一种具GSG共平面电极的直接调变激光二极管及其制造方法。使用混合式共平面波导结构具有较高的直接调变速度，并且可与倒装(flip chip)技术整合，减少封装打线所造成的信号传输损耗并降低元件本身所造成之热效应，大幅提升高频与元件操作于高温时的光电特性。
本发明为达成上述目的提供一种具GSG共平面电极的直接调变激光二极管，具有一半绝缘半导体基板、一N型半导体层、一发光层、一P型半导体层、一介电材料绝缘层、一P型电极以及两N型电极。其中：该两N型电极设置于该N型半导体层沿着该介电材料绝缘层侧壁连接至该介电材料绝缘层上方形成共平面，该P型电极与该两N型电极是为GSG(接地-信号-接地)共平面电极。
与现有的直接调变激光二极管比较，本发明具有以下优点：
1.通过混合式共平面波导结构，可以改善高速直接调变激光二极管的微波特性以达到较高的直接调变速度。
2.GSG共平面波导结构电场较集中，电信号较易通过波导，优于微带线波导结构之GS电极结构。
3.GSG共平面电极与倒装技术整合，可减少封装打线所造成之信号传输损耗达到较高的直接调变速度。
4.GSG共平面电极与倒装技术整合，电极直接与封装电路键结，发光区热能不需透过金属线与半导体基板导热散热，可直接传导至绝缘封装电路基板，因是金属直接对接故路径与热阻极小，可大幅改善激光元件热效应与高温特性。
附图说明
图1为本发明的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图；
图4为图2的A-A剖视面的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的倒装封装示意图；
图5为图3的B-B剖视面的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的倒装封装示意图；
图6为混合式共平面波导结构的直接调变激光二极管的信号对地传输示意图；
图7为微带线波导结构之直接调变激光二极管的信号对地传输示意图；
图8为金属线封装示意图；
图9为倒装封装示意图；
图10为本发明的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的制造方法的流程图。
符号说明
10、20、30：直接调变激光二极管
100、200：半绝缘半导体基板
102、202、302：N型半导体层
104：介电材料绝缘层
106、206、306：P型电极
107、108、109、207、208、314：N型电极
110、210、310：发光层
112、212、312：P型半导体层
121、321：热传导路径
180：绝缘封装电路基板
190：共晶金属
220、320：信号对地传输路径
300：半导体基板
330：金属线
S10–S30：步骤
具体实施方式
图1为本发明的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的上视结构示意图，如图1所示，一直接调变激光二极管10具有N型半导体层102、介电材料绝缘层104、P型电极106、N型电极107、N型电极108和N型电极109。
图2为图1的A-A剖视图，图3为图1的B-B剖视图，直接调变激光二极管10还具有半绝缘半导体基板100、发光层110以及P型半导体层112。具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的结构是如图2所示，在完成波导结构制作工艺后，分区定义绝缘层图形并完成制作，最后再将P、N型金属电极制作于元件上，N型金属电极107、108、109设置于N型半导体层102沿着介电材料绝缘层104侧壁连接至介电材料绝缘层104上方形成共平面。由图3可以看出P型电极106与N型电极108和N型电极109是为GSG(接地-信号-接地)共平面电极。
本发明的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管适用于倒装封装技术整合，具GSG共平面电极的直接调变激光二极管10可直接与封装所需电路基版接合，如常见的SOI(Silicon On Insulator)基板或AlN(氮化铝)基板等众多绝缘基板种类。
图4为图2的A-A剖视面的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的倒装封装示意图。图5为图3的B-B剖视面的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的倒装封装示意图。将具GSG共平面电极的直接调变激光二极管10反转并对准后，直接与封装基板键结(flip chip bonding)。如图4与图5所示，GSG共平面电极的P型电极106以及N型电极107、108、109与绝缘封装电路基板180中的共晶金属190做键结，可以完成倒装封装制作工艺。
图6为一混合式共平面波导结构的直接调变激光二极管的信号对地传输示意图，如图6所示，一直接调变激光二极管20具有半绝缘半导体基板200、N型半导体层202、发光层210、P型半导体层212、P型电极206、N型电极207和N型电极208。其中，混合式共平面波导结构的激光二极管的信号对地传输路径220。图7为微带线波导结构的直接调变激光二极管的信号对地传输示意图，如图7所示，一直接调变激光二极管30具有N型电极314、半导体基板300、N型半导体层302、发光层310、P型半导体层312、P型电极306。其中，微带线波导结构的激光二极管的信号对地传输路径320。
图8为金属线封装示意图，一般常见的低成本制作工艺采用金属线封装形式，但信号通过金属线330传输时因距离长以及电容电感效应会造成额外的传输损耗。图9为倒装封装示意图，本发明的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管适合使用倒装封装制作工艺，GSG共平面电极直接与封装电路键结，信号直接由金属电路传输，大幅降低信号传输损耗。
如图8所示，因直接调变激光二极管30操作时发光区会产生极高的热效应，常见的非共平面结构，如微带线结构，通过金属线330或通过半导体基板300导热散热，热传导路径321较长且热阻大，效果不佳造成严重热效应影响激光元件特性。如图9所示，直接调变激光二极管10的GSG共平面电极直接与封装电路键结，发光区热能无需通过金属线与半导体基板导热散热，可直接由热传导路径121传导至绝缘封装电路基板180(通常为散热特性佳的材料)，因是金属直接对接故路径与热阻极小，可大幅改善激光元件热效应与高温特性。
直接调变激光二极管采用混合式共平面波导结构，信号(signal)对地(ground)传输(S到G或P到N)不再通过半导体基板(微米(micrometer)级厚度)，而是直接经由正面N型半导体层传输(纳米(nanometer)级厚度)，有效减少RC电路所造成之信号传输损耗。比较图6所示的混合式共平面波导结构的直接调变激光二极管的信号对地传输路径220，以及图7所示的微带线波导结构的直接调变激光二极管的信号对地传输路径320，可以看出，通过混合式共平面波导结构，可以改善高速直接调变激光二极管的微波特性以达到较高的直接调变速度。且GSG共平面波导结构电场较集中，电信号较易通过波导，优于微带线波导结构的GS电极结构。
图10为本发明之具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的制造方法的流程图。首先，提供一半绝缘半导体基板，如步骤S10所示。其次，在该半绝缘半导体基板上形成一N型半导体层、一发光层、一P型半导体层、一介电材料绝缘层，如步骤S20所示。最后，在该半绝缘半导体基板上形成一P型电极与两N型电极，其中该两N型电极是由该N型半导体层沿着该介电材料绝缘层侧壁连接至该介电材料绝缘层上方形成共平面，该P型电极与该两N型电极是为GSG(接地-信号-接地)共平面电极，如步骤S30所示。

Claims (6)

1.一种具GSG共平面电极的直接调变激光二极管，具有半绝缘半导体基板、N型半导体层、发光层、P型半导体层、介电材料绝缘层、一P型电极以及两N型电极；
其特征在于：该两N型电极设置于该N型半导体层沿着该介电材料绝缘层侧壁连接至该介电材料绝缘层上方形成共平面，该P型电极与该两N型电极是为接地-信号-接地共平面电极。
2.如权利要求1所述的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管，其中，该具GSG共平面电极的直接调变激光二极管可直接与SOI(Silicon On Insulator)基板或氮化铝电路基板接合进行倒装封装。
3.如权利要求1所述的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管，其中，该具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的信号(signal)对地(ground)传输是直接经由该N型半导体层进行传输。
4.一种具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的制造方法，包括以下步骤：
提供半绝缘半导体基板；在该半绝缘半导体基板上形成N型半导体层、发光层、P型半导体层以及介电材料绝缘层；以及
在该半绝缘半导体基板上形成一P型电极与两N型电极；
其特征在于：其中该两N型电极是由该N型半导体层沿着该介电材料绝缘层侧壁连接至该介电材料绝缘层上方形成共平面，该P型电极与该两N型电极是为接地-信号-接地共平面电极。
5.如权利要求4所述的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的制造方法，其中，该具GSG共平面电极的直接调变激光二极管可直接与SOI(Silicon On Insulator)基板或氮化铝电路基板接合进行倒装封装。
6.如权利要求4所述的具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的制造方法，其中，该具GSG共平面电极的直接调变激光二极管的信号(signal)对地(ground)传输是直接经由该N型半导体层进行传输。
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