CN220233724U - 薄膜式垂直共振腔面射型激光元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的磊晶结构依序包含N型金属接触层、下布拉格反射镜层、电流局限层、主动发光层、上布拉格反射镜层及P型金属接触层，P型金属接触层、上布拉格反射镜层、主动发光层、电流局限层、下布拉格反射镜层在N型金属接触层的一侧形成圆柱体，而主动发光层在上布拉格反射镜层及下布拉格反射镜层之间产生的激光向N型金属接触层射出。本实用新型的共振腔面射型激光元件不具基板而达成薄膜化，提高封装弹性，且提高散热效率，保证共振腔面射型激光元件的发光效能及稳定性。

Description

薄膜式垂直共振腔面射型激光元件

技术领域

本实用新型涉及一种激光元件，尤指一种薄膜式垂直共振腔面射型激光元件。

背景技术

垂直共振腔面射型激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)是一种由原建表面出光的激光元件，相较于边射型激光(Edge Emitting Laser,EEL)，具有阈值电流小，对称发散角且容易做成阵列等优点，目前广泛用于光感测，光通信及气体侦测等领域。

请参阅图3所示，传统的VCSEL通过磊晶程序设置在一基板上51，相对基板而言，由下而上依序为N型分散式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector；DBR)层52、主动发光层53、电流局限层54、P型DBR层55等。当电流通过主动发光层53产生光子，光波在P型DBR层55及N型DBR层52之间进行建设性反射从而形成激光，且下方的N型DBR层52反射率略高于P型DBR层53，使得激光光束通过电流局限层54的发光孔540由P型DBR层55上方射出。磊晶结构上包覆钝化层56，金属电极57通过钝化层开口与P型DBR层55及N型DBR层52形成电性连接。

由于VCSEL在结构上采用电流局限层54形成的发光孔540出光以及进行电流局限，当电流通过发光孔540时，电流密度增加而产生较多的热能，且基板51的热阻也会使得热能容易累积于磊晶结构中，使得主动发光层53温度上升，进一步致使光功率及相关可靠度性能下降，甚至导致元件失效。因此解决散热问题是提升激光元件效能及可靠度最重要的关键。

实用新型内容

有鉴于现有的VCSEL元件需要解决载电流局限层附近产生的散热问题，本实用新型提出一种高散热薄膜热薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，包含：

一磊晶结构，包含：

一上布拉格反射镜层；

一下布拉格反射镜层；

一主动发光层，设置于该上布拉格反射镜层及下布拉格反射镜层之间；

一电流局限层，设置于该下布拉格反射镜层靠近该主动发光层的一表面，具有一发光孔；

一N型金属接触层，与该下布拉格反射镜层远离该主动发光层的一表面形成欧姆接触；以及

一P型金属接触层，与该上布拉格反射镜层远离该主动发光层的一表面形成欧姆接触；其中，

该P型金属接触层、该上布拉格反射镜层、该主动发光层、该电流局限层、该下布拉格反射镜层在该N型金属接触层的一侧形成一圆柱体。

在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：

一第一金属电极，设置于该N型金属接触层朝向该圆柱体的一侧，且与该N型金属接触层电性连接，

一第二金属电极，设置于该圆柱体的外侧且与该P型金属接触层电性连接。

在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：

一感光性高分子材料，设置于该第一金属电极及第二金属电极的间隔中。

在一实施例中，该上布拉格反射镜层的反射率大于该下布拉格反射镜层。

在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：

一第一钝化层，包覆该圆柱体及该N型金属接触层未受该圆柱体覆盖的部分表面，且具有一第一开口及一第二开口，该第一开口局部地露出该N型金属接触层的该部分表面，该第二开口局部地露出该P型金属接触层的表面；其中，

该第一金属电极是通过该第一开口与该N型金属接触层电性连接，该第二金属电极是通过该第二开口与该P型金属接触层电性连接。

在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：

一第二钝化层，设置于该N型金属接触层远离该下布拉格反射镜层的一表面。

在一实施例中，该上布拉格反射镜层的一镜层对数大于该下布拉格反射镜层的一镜层对数。

在一实施例中，该主动发光层进一步包含：

一P型空间层；

一N型空间层；及

一多重量子井空间层，设置于该P型空间层和该N型空间层之间。

本实用新型的高散热薄膜式垂直共振腔面射型激光元件在完成制程后会移除基板，故由下布拉格反射镜层及上布拉格反射镜层之间的主动发光层所致使产生的激光可由N型金属接触层相对该电流局限层的一下表面射出。相较传统激光元件的磊晶层及基板的总厚度为108～160μm，本实用新型的共振腔面射型激光元件由于不具基板，体积减少且薄膜化，薄膜化后主要磊晶层厚度为8～10μm，具有可挠性且增加封装弹性。进一步而言，热能不会受到N型金属接触层下方的基板阻挡，而能容易的直接由N型金属接触层下方发散，保证薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的散热效能。

附图说明

图1为本实用新型薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的侧视剖面图。

图2A至图2F为本实用新型薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的制造流程剖面图。

图3为习知垂直共振腔面射型激光元件的侧视剖面图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件包含一磊晶结构10，磊晶结构10由下而上依序包一N型金属接触层11、一下布拉格反射镜层12、一电流局限层13、一主动发光层14、一上布拉格反射镜层15及一P型金属接触层16。主动发光层14位于上布拉格反射镜层15及下布拉格反射镜层12之间，而电流局限层13位于下布拉格反射镜层12靠近主动发光层14的一表面，具有一发光孔130以使得电流能由主动发光层14流动至下布拉格反射镜层12，以及使得主动发光层14产生的光能在由上布拉格反射镜层15及下布拉格反射镜层12共振后通过下布拉格反射镜层12射出。

N型金属接触层11与下布拉格反射镜层12远离主动发光层14的一表面形成欧姆接触，而P型金属接触层16与上布拉格反射镜层15远离主动发光层14的一表面形成欧姆接触。

其中，P型金属接触层16、上布拉格反射镜层15、主动发光层14、电流局限层13、下布拉格反射镜层12在N型金属接触层11的一侧形成一圆柱体10’。圆柱体10’即为一基本发光单元。N型金属接触层11上能在制程中同时设置包含多基板发光单元的阵列，作为一激光装置的发光模组。

在本实用新型中，上布拉格反射镜层15的反射率大于下布拉格反射镜层12的反射率，使得在激光由下布拉格反射镜层12的下方射出。在上布拉格反射镜层15与下布拉格反射镜层12的能系设计相同，例如均为Al_xGa_1-xAs/GaAs镜层的情况下，上布拉格反射镜层15的一镜层对数大于下布拉格反射镜层12的一镜层对数。举例而言，上布拉格反射镜层15的镜层对数为35～40对，反射率为大于99.8％以上，下布拉格反射镜层12的镜层对数为15～21对，反射率为小于99.6％。

较佳的，薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含一第一金属电极21及一第二金属电极22，第一金属电极21设置于N型金属接触层11朝向圆柱体10’的一侧，且与N型金属接触层11电性连接，第二金属电极22设置于圆柱体10’的外侧且与P型金属接触层16电性连接。此外，还进一步包含一感光性高分子材料23，设置于第一金属电极21及第二金属电极22之间，以使第一金属电极21及第二金属电极22之间电性隔离。第一金属电极21、第二金属电极22及感光性高分子材料23的实际形状依半导体元件的线路走线设计而决定，本实用新型不以此为限。

较佳的，薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含一第一钝化层31。第一钝化层31包覆圆柱体10’及N型金属接触层11未受圆柱体10’覆盖的部分表面。第一钝化层31具有一第一开口311及一第二开口312，第一开口311局部地露出P型金属接触层16的部分表面，且第二开口局312部地露出N型金属接触层11的表面。第一金属电极21是通过第一开口311与N型金属接触层11电性连接，而第二金属电极22是通过第一开口311与P型金属接触层16电性连接。换言之，第一钝化层31是位于圆柱体10’及N型金属接触层11的外侧与第一金属电极21、第二金属电极22之间。

较佳的，薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含一第二钝化层3232，第二钝化层32设置于下布拉格反射镜层12的一表面，以保护下布拉格反射镜层12的表面。

以下将由图2A～2F进一步说明本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的制造流程，以使得薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的结构更加清楚明确。

请参阅图2A所示，首先在一基板41上通过多道磊晶制程依序设置一N型缓冲层42、一磊晶牺牲层43、N型金属接触层11、下布拉格反射镜层12、主动发光层14、上布拉格反射镜层15及P型金属接触层16。较佳的，基板41为一砷化镓(GaAs)基板。磊晶牺牲层43的磊晶结构例如为砷化铝(AlAs)，其厚度为15～30nm。

其中，主动发光层14为一复合层，由下而上包含一N型空间层141、一多重量子井空间层142及一P型空间层143。换言之，多重量子井空间层142，设置于P型空间层143和N型空间层141之间。

须说明的是，在本实用新型中，所述「上」方是指基板41进行磊晶制程的表面所朝向的方向，而「下」方则为上方的相反方向。

请参阅图2B所示，对基板41上的多层磊晶结构进行第一次平台蚀刻(MESAetching)程序，由P型金属接触层16表面蚀刻至下布拉格反射镜层12而尚未穿透下布拉格反射镜层12而形成圆柱体10’。进一步的，进行一氧化程序，由圆柱体10’的侧面对下布拉格反射镜层12与主动发光层14的交接处进行定深氧化程序，使得下布拉格反射镜层12靠近主动发光层14的表面由外向内形成电流局限层13，且在下布拉格反射镜层12靠近主动发光层14的表面中间未氧化部分为发光孔130。

请参阅图2C所示，对下布拉格反射镜层12进行第二次平台蚀刻，由在第一次平台蚀刻程序中保留的部分的下布拉格反射镜层12表面继续蚀刻至N型金属接触层11表面，形成靠近N型金属接触层11表面较宽的第二段圆柱体。并且，设置一第一钝化层31，第一钝化层31包覆N型金属接触层11朝向圆柱体10’而未受圆柱体10’覆盖的部分表面及圆柱体10’。

请参阅图2D所示，对第一钝化层31进行一蚀刻程序，以形成一第一开口311及一第二开口312，第一开口311局部地露出P型金属接触层16的部分表面，第二开口312局部地露出N型金属接触层11的部分表面。

请参阅图2E所示，设置图案化且相互间隔的一第一金属电极21及一第二金属电极22。第一金属电极21设通过第一金属层210与N型金属接触层11电性连接，第二金属电极22与P型金属接触层16电性连接。第一金属电极21例如是包覆于圆柱体10’一部分的外侧并覆盖第二开口312及其中的第一金属层210，以通过第一金属层210与N型金属接触层电性连接，而第二金属电极22则是包覆于圆柱体10’另外一部分的外侧并覆盖第一开口311，以与P型金属接触层电性连接。并且，在第一金属电极21及第二金属电极22的间隔中设置感光性高分子材料23，以完成第一金属电极21及第二金属电极22之间的电性隔离。

请参阅图2F所示，连同基板41将磊晶牺牲层43由N型金属接触层11远离圆柱体10’的表面移除。较佳的，此步骤是以化学药液如氢氟酸(HF)对磊晶牺牲层43进行蚀刻，使得基板41由N型金属接触层11远离圆柱体10’的表面剥离。如此一来，磊晶结构10与基板41完成分离，从而完成激光元件的薄膜化。N行缓冲层42则保护基板41的表面，使得基板41能重复使用。

最后，在N型金属接触层11移除基板41后露出的表面设置一第二钝化层32，以保护N型金属接触层11的表面，完成本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件。

综上，本实用新型为一不具基板的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，N型金属接触层11下方除了作为保护层的第二钝化层32之外没有其他材料阻隔，故在主动发光层14及下布拉格反射镜层12的介面的电流局限层13所产生的热能能够有效地由N型金属接触层11下方发散。进一步而言，第一金属电极21及第二金属电极22包覆磊晶结构10的圆柱体10’，作为元件整体的支撑材，且圆柱体10’中前述产生的热能亦能由第一金属电极21及第二金属电极22通过传到而散热，保证了共振腔面射型激光元件的散热效率。

以上所述仅是本实用新型的实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，包含：

一磊晶结构，包含：

一上布拉格反射镜层；

一下布拉格反射镜层；

一主动发光层，设置于该上布拉格反射镜层及下布拉格反射镜层之间；

一电流局限层，设置于该下布拉格反射镜层靠近该主动发光层的一表面，具有一发光孔；

一N型金属接触层，与该下布拉格反射镜层远离该主动发光层的一表面形成欧姆接触；以及

一P型金属接触层，与该上布拉格反射镜层远离该主动发光层的一表面形成欧姆接触；其中，

该P型金属接触层、该上布拉格反射镜层、该主动发光层、该电流局限层、该下布拉格反射镜层在该N型金属接触层的一侧形成一圆柱体。

2.如权利要求1所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，进一步包含：

一第一金属电极，设置于该N型金属接触层朝向该圆柱体的一侧，且与该N型金属接触层电性连接，

一第二金属电极，设置于该圆柱体的外侧且与该P型金属接触层电性连接。

3.如权利要求2所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，进一步包含：

一感光性高分子材料，设置于该第一金属电极及第二金属电极的间隔中。

4.如权利要求1所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，该上布拉格反射镜层的反射率大于该下布拉格反射镜层。

5.如权利要求2所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，进一步包含：

一第一钝化层，包覆该圆柱体及该N型金属接触层未受该圆柱体覆盖的部分表面，且具有一第一开口及一第二开口，该第一开口局部地露出该N型金属接触层的该部分表面，该第二开口局部地露出该P型金属接触层的表面；其中，

该第一金属电极是通过该第一开口与该N型金属接触层电性连接，该第二金属电极是通过该第二开口与该P型金属接触层电性连接。

6.如权利要求1所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，进一步包含：

一第二钝化层，设置于该N型金属接触层远离该下布拉格反射镜层的一表面。

7.如权利要求1至6中任一项所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，

该上布拉格反射镜层的一镜层对数大于该下布拉格反射镜层的一镜层对数。

8.如权利要求1至6中任一项所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，该主动发光层进一步包含：

一P型空间层；

一N型空间层；及

一多重量子井空间层，设置于该P型空间层和该N型空间层之间。