CN115882339A - 包含多主动层与光栅层的半导体激光二极体 - Google Patents

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Abstract

一种包含多主动层与光栅层的半导体激光二极体，包含两(或两以上)主动层、光栅层与穿隧接面层；光栅层与穿隧接面层设置于两主动层之间，穿隧接面层电性连接两主动层，两主动层共用并光耦合于光栅层，由此增进半导体激光二极体的外部量子效率、斜效率。

Description

包含多主动层与光栅层的半导体激光二极体
技术领域
一种半导体激光二极体，尤其是一种包含多主动层与光栅层的半导体激光二极体，其中光栅层设置于两主动层之间，两主动层共用并光耦合于光栅层，由此增进半导体激光二极体的外部量子效率、斜效率。
背景技术
半导体激光(semiconductor laser)或称激光二极体(laser diode)具有体积小、消耗功率低、反应快、耐冲击、寿命长、效率高及价格低等优点，因此被广泛的应用于光电系统产品中，例如：光波通信、资讯系统、家用电器、精密测量及光纤通信等。其中，分散式回馈激光(Distributed Feedback Laser：简称DFB激光)因具有制程简易、单模输出与适合长距传输等特性，由分散式回馈激光产生的激光光信号在经过长距离传输后仍可维持良好的信号杂讯比，故已成为现今光波通信及光纤通信系统中广泛使用的光源。
但在距离感测的应用比如LiDAR(Light Detection And Ranging)或3D感测等，具单一主动层与光栅层的半导体雷的光输出功率明显不足，因此LIDAR等距离感测的应用上极需要一种高光输出功率的半导体雷射二极体。
发明内容
本发明的实施例是一种高光输出功率的半导体激光二极体，其外部量子效率与斜效率优于现有的半导体激光二极体。在本发明的实施例的半导体激光磊晶结构，跟现有技术相比，除了主动层(区)的设置数目变多，而且于一些实施例是使用水平共振腔(horizontal resonant cavity)而非垂直共振腔来产生激光，但激光是垂直于半导体晶圆表面出光。
通常主动层(区)的数目变多，光栅层的数目可能对应性的增加或光栅结构可能要对应性的改变，但如此会拉长增加制作时间与加大制造难度。
在本发明实施例，是将光栅层设置于两主动层之间，使两主动层能共用光栅层，如此不需要增加光栅层的数量，甚至光栅层可能不需改变结构设计。因此，不但能减少光栅层的设置数目，也能简化半导体激光磊晶结构的制作程序。
此外，当使两主动层的光场分布能光耦合于光栅层时，半导体激光元件的斜效率与外部量子效率能明显提升。综上可知，以本发明的实施例的磊晶结构所制作出的半导体激光元件，其光输出功率不但明显提升，且磊晶结构也比較容易制作，換言之制作成本不会明显变多。
在一实施例，一种半导体激光二极体包含两主动层、一光栅层与一穿隧接面层；该光栅层与该穿隧接面层设置于该两主动层之间，而该穿隧接面层电性串联连接两主动层，该两主动层共用/使用并光耦合于该光栅层。
在一实施例，提供一种包含多主动层与光栅层的半导体激光二极体，包含：一基板；一第一磊晶堆叠结构，其形成于该基板之上，包含一第一主动层，该第一主动层包含一或多个第一量子井层，该第一主动层会产生一第一光场分布；一光栅层，其形成于该第一磊晶堆叠结构之上；一第二磊晶堆叠结构，其形成于该光栅层之上，包含一第二主动层，该第二主动层包含一或多个第二量子井层，该第二主动层会产生一第二光场分布；一穿隧接面层，其设置于该第一主动层与该第二主动层之间，以电性连接该第一主动层与该第二主动层；其中，该光栅层位于该第一主动层与该第二主动层之间，且处于该第一光场分布与该第二光场分布的范围中，该第一光场分布与该第二光场分布是光耦合于该光栅层。在光学雷达系统等测距应用中，已经通过多种方式研究了解如何透过光栅图案设计进行更多的光提取，本发明是首次披露一种使用多个接面(主动区)光学耦合到一个光栅层且透过穿隧接面层电性连接多个接面的半导体雷射二极体，从而提升半导体雷射二极体的外部量子效率、斜效率。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的半导体激光二极体的示意图。
图2为依据本发明一实施例的光栅层为一维周期性结构的示意图。
图3为依据本发明一实施例的光栅层为光子晶体层的示意图。
图4为依据本发明一实施例在第一层间层与光栅层之间设置蚀刻终止层的示意图。
图5为本发明一实施例的第一磊晶堆叠结构的示意图。
图6为本发明一实施例的光栅层的示意图。
图7为本发明一实施例的第二磊晶堆叠结构的示意图。
图8是依照本发明一实施例的光栅层中的低折射率介质层为介电材料的示意图。
图9a为依照本发明一实施例的脊状结构的半导体激光二极体示意图。
图9b为依照图9a的本发明一实施例的第一主动层与第二主动层的光场分布图。
图10a为依照本发明一实施例的DBR层在正面出光型半导体激光二极体的设置位置的示意图。
图10b为依照本发明一实施例的DBR层在背面出光型半导体激光二极体的设置位置的示意图。
主要组件符号说明
100、200、300、400、500 半导体激光
10 基板
11 第一磊晶堆叠结构
111 第一披覆层
113 第一光局限层
115 第二光局限层
13 第一层间层
15 光栅层
17 第二层间层
131 蚀刻终止层
151 高折射率介质层
1511 第二披覆层
1513 第一电阻降低层
1515 第三披覆层
1517 光场调整层
1519 覆盖层
153 低折射率介质层
19 第二磊晶堆叠结构
191 第四披覆层
192 第三光局限层
193 第四光局限层
194 第五披覆层
195 第二电阻降低层
196 欧姆接触层
20 DBR层
11A 第一主动层
19A 第二主动层
TD 穿隧接面层。
具体实施方式
以下配合附图及元件符号对本发明的实施方式作更详细的说明，从而使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。附图中各膜层之间的厚度比例也非实际比例，应根据实际需要而调整各膜层的厚度。
以下描述具体的元件及其排列的例子以简化本发明。当然这些仅是例子且不该以此限定本发明的范围。例如，在描述中提及一层于另一层之上时，其可能包括该层与该另一层层直接接触的实施例，也可能包括两者之间有其他元件或磊晶层形成而没有直接接触的实施例。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号及/或符号，这些重复仅为了简单清楚地叙述一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定关联。
此外，其中可能用到与空间相关的用词，像是“在...下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些关系词为了便于描述图式中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。这些空间关系词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及图式中所描述的方位。
本发明说明书提供不同的实施例来说明不同实施方式的技术特征。举例而言，全文说明书中所指的“一些实施例”意味着在实施例中描述到的特定特征、结构、或特色至少包含在一实施例中。因此，全文说明书不同地方所出现的片语“在一些实施例中”所指不一定为相同的实施例。
此外，特定的特征、结构、或特色可在一或多个的实施例中通过任何合适的方法结合。进一步地，对于在此所使用的用语“包括”、“具有”、“有”、“其中”或前述的变换，这些语意类似于用语“包括”来包含相应的特征。
此外，“层”可以是单一层或者包含是多层；而一磊晶层的“一部分”可能是该磊晶层的一层或互为相邻的多个层。
参阅图1，图1为依据本发明一实施例的半导体激光二极体的示意图。如图1所示，半导体激光二极体100包含基板10、第一磊晶堆叠结构11、第一层间层(interlayer)13、光栅层15、第二层间层17及第二磊晶堆叠结构19。第一磊晶堆叠结构11与第二磊晶堆叠结构19分别包含第一主动层11A与第二主动层19A。第一主动层11A产生第一光场分布，而第二主动层19A产生第二光场分布。
光栅层15介于第一主动层11A与第二主动层19A之间，第一主动层11A与第二主动层19A共用并“光耦合”于光栅层15，由此借此，提供半导体激光二极体的面内光回馈(in-plane optical feedback)，而提高半导体激光二极体的斜率效率(slope efficiency)。半导体激光二极体中更包含穿隧接面层TD，穿隧接面层TD介于第一主动层11A与第二主动层19A之间以与第一主动层11A与第二主动层19A构成串联的电气连接关系。穿隧接面层TD包含高掺杂浓度的P型层与高掺杂浓度的N型层。
上述的“光耦合”是第一主动层11A与第二主动层19A分别产生一(激光)光场分布，且第一主动层11A与第二主动层19A的激光光场的一部分都会分布在该光栅层15，以提供半导体激光二极体的面内光回馈(in-plane optical feedback)。比如，第一光场分布的一部分分布到光栅层靠近第一主动层的部分，例如光栅层下侧，第二光场分布的一部分分布到光栅层靠近第二主动层的部分，例如光栅层上侧。两主动层可发出相同或不同的波长(wavelengths)，及/或与相同或不同的偏振(polarizations)的激光光，可以满足不同设计需求。
光栅层15的光栅结构设计依照实际需求可以是第一阶光栅(first ordergrating)或第二阶光栅(second order grating)。使用二阶光栅(即L＝l/Neff)，光发射可以通过光栅衍射垂直于表面，其为面射型激光提供另一种解决方案。与边射型激光相比，面射型激光具有晶圆上测试的优势，，无须切割晶圆及于晶圆的割裂面上涂层，因此更具成本效益及制造效率，进一步使用二维光栅或所谓光子晶体可以产生小远场角(small farfield angle)、光束品质好的雷射，甚至可以用于无透镜系统。
在一实施例中，光栅层15包含多个高折射率介质层151与多个多个低折射率介质层153。较佳的(参图1)，穿隧接面层TD是高折射率介质层151的一部分，比如是高折射率介质层151的中间部分，而穿隧接面层TD之上及/或之下可设置半导体层。较佳的，穿隧接面层TD是设置在(激光)光场分布的光场强度最小处或附近。所以，若(激光)光场分布的光场强度最小处的位置发生改变，则穿隧接面层TD的设置位置也可随之改变，比如夹在光栅层15的高折射率介质层151之中或该光栅层15的之上或之下。
低折射率介质层153可以是空位(void)、半导体材料、介电材料或光子晶体等等。当低折射率介质层153是空位(void)、半导体材料、介电材料时，光栅层15为一维周期性结构，亦即如图2所示，高折射率介质层151与低折射率介质层153沿着一第一水平方向X(不限图示的X方向，在另一实施例可沿Y方向)呈一维状周期性地排列，该第一水平方向垂直于该光栅层的厚度方向Z(Z方向)。
如图3所示，光栅层15可以是光子晶体层，該光子晶体层具有包括沿着一第一水平方向(X方向)及一第二水平方向(Y方向)分布排列的多数个微光子晶体结构，该第二水平方向(X方向)与该第一水平方向(Y方向)垂直。
原则上，基板10的材料可以是InP或GaAs；基板10之上形成各磊晶层的材料依照不同实际需求可以是InxGayAl1-x-yAs,其中，0≤x≤1，0≤y≤1。或者基板10之上形成各磊晶层的材料可以是InxGa1-xAsyP1-y，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。较佳的，穿隧接面层可以是InGaAsSb。
图4为依据本文一实施例在第一层间层与光栅层之间更设置蚀刻终止层131的示意图。如图4的磊晶结构200所示，在第一层间层13之上形成蚀刻终止层131，蚀刻终止层131之上再制作光栅层15，如此光栅层15能容易的被制作出来。或者，在第一层间层13的靠近光栅层15的部分形成蚀刻终止层131。
参阅图5，图5为本发明一实施例的第一磊晶堆叠结构的示意图。如图5所示，基板10之上的第一磊晶堆叠结构11由下至上依序形成第一披覆层111、第一光局限层(SeparateConfinement Heterostructure)113、第一主动层(包含一量子井层或多重量子井层)11A、第二光局限层115。基板10可以是InP基板，第一披覆层111的材料可以是InP，第一光局限层113的材料可以是InAlAs，第一主动层11A的材料可以是InAlGaAs，第二光局限层115的材料可以是InAlAs。在第一磊晶堆叠结构11之上的第一层间层13的材料可以是InP，若第一层间层13之上或一部分设置蚀刻终止层131(图4或图6)，则蚀刻终止层131的材料可以是InGaAsP。
参阅图6，图6为本发明一实施例的光栅层的示意图。如图6所示，光栅层15的高折射率介质层151由下至上依序形成第二披覆层1511与第一电阻降低层1513(resistancereduction layer)、穿隧接面层TD、第三披覆层1515、光场调整层1517(optical extendinglayer)与覆盖层(cover layer)1519，其中光场调整层1517用以扩展或压缩光场分布(形状)。覆盖层之上形成第二磊晶堆叠结构(此图未示)。
第二披覆层1511的材料可以是InP；第一电阻降低层1513的材料可以是InGaAsP；穿隧接面层TD的材料可以是InGaAs或InGaAsP，其中穿隧接面层TD的P型层可以掺碳(C)，而穿隧接面层TD的N型层可以掺杂碲(Te)；第三披覆层1515的材料可以是InP；光场调整层1517的材料可以是InGaAsP；覆盖层1519的材料可以是InP。原则上直接或相邻于光栅层的磊晶层或半导体层也能具有扩展或压缩光场分布(形状)的作用，例如覆盖层1519可以具有光场调整的功能或光场调整层1517之上可以通过形成一整层的光场调整层来取代覆盖层1519。
参阅图7，图7为本发明一实施例的第二磊晶堆叠结构的示意图。如图7所示，第二磊晶堆叠结构19由下至上依序包含第四披覆层191、第三光局限层192、第二主动层(包含一量子井层或多重量子井层)19A、第四光局限层193与第五披覆层194、第二电阻降低层(resistance reduction layer)195与欧姆接触层196。第四披覆层191的材料可以是InP；第三光局限层192的材料可以是InAlAs；第二主动层19A的材料可以是InAlGaAs；第四光局限层193的材料可以是InAlAs；第五披覆层194的材料可以是InP；第二电阻降低层195的材料可以是InGaAsP；欧姆接触层196的材料可以是InGaAs。
图8是依照本发明一实施例的光栅层15的低折射率介质层153为介电材料的示意图。在图8的光栅层15中的低折射率介质层153是介电材料或半导体材料，虽图8与图1虽大致相同，但因光栅层中包含介电材料，因此制作方式并不相同，故结构上略有差异。如图8的磊晶结构所示，第一层间层13之上磊晶成长蚀刻终止层131，且蚀刻终止层131之上更形成有覆盖层1519。此外，在图8的磊晶结构中，光栅层15之上是直接形成第二磊晶堆叠结构19，所以光栅层15与第二磊晶堆叠结构19之间也可以不需设置第二层间层，但并不限于此，仍可依照实际需求而改变。
在一实施例中，第一披覆层111、第一光局限层113具有与基板10相同的导电类型，比如N型。第二光局限层115、第一层间层13与第一蚀刻终止层131、第二披覆层1511与第一电阻降低层1513具有与基板10相反的导电类型，比如P型。第三披覆层1515、光场调整层1517、覆盖层1519与第四披覆层191、第三光局限层192具有与基板10相同的导电类型，比如N型。第四光局限层193与第五披覆层194、第二电阻降低层195(resistance reduce layer)与欧姆接触层196具有与基板10相反的导电类型，比如P型。
第一主动层11A与第二主动层19A分别为由InAlGaAs组成的多重量子井(MQWs)结构，量子井的周期数可以是7，但不限于此。
在图9a一实施例中，图9a显示一种脊状结构的半导体激光二极体，且光栅层为第二阶光栅，图9a的第一主动层与第二主动层的光场分布如图9b所示，第一主动层与第二主动层均光耦合于光栅层(厚度约720nm)，当第一主动层与第二主动层均光耦合于穿隧接面层，半导体激光二极体的斜率效率会有明显提升。通过在光栅层之上或之下分别设置主动层且使两主动层光耦合，由此提高半导体激光二极体的斜率效率(slope efficiency)及/或外部量子效率。
在一实施例，半导体激光二极体是面射型激光二极体(VCSEL)、水平腔表面发射激光二极体(HCSEL)、边射型激光二极体(EEL)或DFB激光二极体。
请参图10a，图10a是显示一种正面出光型的半导体激光二极体400，当正面出光型的半导体激光二极体400更设置DBR层20，且DBR层20设置在第二阶光栅的光栅层15与第一主动层11A的下方，如此可增进正面出光型的半导体激光二极体的出光功率。图10b则是显示背面出光型的半导体激光二极体500，DBR层20则须设置在第二阶光栅的光栅层15与第二主动层19A的上方，如此可增进背面出光型的半导体激光二极体的出光功率。正面出光型的半导体激光二极体是指在光从磊晶结构的磊晶表面射出，背面出光型的半导体激光二极体是指光是从基板或光是经由磊晶结构面向基板的一面射出。
当该光栅层是一维状周期性排列，且该半导体激光二极体为脊状结构的半导体激光二极体，该半导体激光二极体的前、后侧面(在前、后侧面之间水平共振)分别设置一DBR层，如此可增进半导体激光二极体侧面的出光功率与降低临界电流。
第一磊晶堆叠结构与第二磊晶堆叠结构中磊晶层的制作是通过有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶成长方法制作而成。
以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，是以，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (11)

1.一种包含多主动层与光栅层的半导体激光二极体，包含：
一基板；
一第一磊晶堆叠结构，其形成于该基板之上，包含一第一主动层，该第一主动层包含一或多个第一量子井层，该第一主动层会产生一第一光场分布；
一光栅层，其形成于该第一磊晶堆叠结构之上；
一第二磊晶堆叠结构，其形成于该光栅层之上，包含一第二主动层，该第二主动层包含一或多个第二量子井层，该第二主动层会产生一第二光场分布；以及
一穿隧接面层，其设置于该第一主动层与该第二主动层之间，以电性串联连接该第一主动层与该第二主动层，
其中，该光栅层位于该第一主动层与该第二主动层之间，且处于该第一光场分布与该第二光场分布的范围中，该第一光场分布与该第二光场分布是光耦合于该光栅层。
2.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该穿隧接面层设置于该光栅层之上或之下。
3.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该光栅层包含多个高折射率介质层与多个低折射率介质层，且所述高折射率介质层插設有该穿隧接面层。
4.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该光栅层包含多个高折射率介质层与多个低折射率介质层，且所述低折射率介质层是空位(void)、介电材料或半导体材料。
5.如权利要求3所述的半导体激光二极体，其中，该光栅层为一维周期性结构或二维周期性结构。
6.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该光栅层为光子晶体层，该光子晶体层包括沿第一水平方向及第二水平方向分布排列的多个微光子晶体结构，且该第二水平方向垂直于该第一水平方向。
7.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该光栅层是第一阶(first order)光栅或第二阶(second order)光栅。
8.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该半导体激光二极体是面射型激光二极体、水平腔表面激光二极体或边射型激光二极体。
9.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，该半导体激光二极体还包含一DBR层，当该半导体激光二极体是正面出光型的半导体激光二极体，该DBR层是形成于该光栅层与该第一主动层之下。
10.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，更包含一DBR层，当该半导体激光二极体是背面出光型的半导体激光二极体，该DBR层是形成于该光栅层与该第二主动层之上。
11.如权利要求1所述的半导体激光二极体，其中，当该光栅层是一维状周期性排列，且该半导体激光二极体为脊状结构的半导体激光二极体，该半导体激光二极体的相对两侧面分别设置一DBR层。
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