TW200830656A - Multiwavelength quantum dot laser device - Google Patents

Description

200830656 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係㈣於—種半導體雷射元件，特別是—種在施加 電流大於起振電流條件下，可同時發出各種不同波長之多波長量 子點雷射元件。 【先前技術】 最近有許多研究發現利用量子點結構作為發光區之雷射元 • 件，具有量子效率高及低起振電__，使得量子點半導體雷 射在產業應用上，如光纖通訊或光學記憶體技術方面深具發展= 力。 傳統上量子點的製作方式主要採用分子束磊晶技術 (Molecular Beam E_y ; MBE)或有機金屬化學氣相沉積技術 (Metalorganic Chemical Vap〇r Dep〇siti〇n ; m〇cvd)以自組成方式 (Self-assembly Method)，使量子點在特定的基材表面上自聚生成。 • 目前此種自域量子闕顧，可見於半導體放大器、超高亮度 一極體、可調波長半導體雷射及多波長半導體雷射等。 /、中^知夕波長半導體雷射之應用，如曰本公開專利 JP2000340883揭示利用由各量子點層中三種以上不同量子點尺寸 所提供之_縣，並勤超漏簡㉟糾啊stmetufe卿㈣ 肖構以控制具有波常轉性的#射增益，其巾各量子點可採用 SK(Stranski-Kranstanov)或 ALE(Atomic Layer Epitaxy)方式所長 成。 200830656 不同量子點尺寸難以產生錢長料縣。〜 = 同層賴^糊方柄_;== 1亚於其上長成各種尺寸之#子點結構； 上的不同區域成長不同尺寸的量子點 ^在1^基板 極注入電流以獲致多波長雷射的同時發射。亚错各自獨立的電 點4:自Γ:上述各量子點層之間的成長條件相同，且各量子 量子點結構’其量子點尺寸差異有限。此 性不佳等顧慮’因此亟需―種可提供高穩 卞作⑽及知疋 操作電流之乡波長半導體t射。"_振電流及低 【發明内容】 馨於上述之問題，本發明提 具有不同發級長的量子歡坡長好㈣射，運用 主動區中之厚度、材料組成及量子點尺寸，2各里子”』 量子點主询崎竭於礎長的 導=據本翻所柄之纽長量子轉射，紅含有—第一半 第:;導::二導:層以及—主動區。其中，區係設置於 w ι、弟一半導體層之間，形成類似 構，其包含有複數個量子點主動區，且各量子點 個量子點層及相應數目之複數個覆蓋層。藉== 區争的量子點歧之錄條件，此麵動 200830656 尺寸，以調變各量子點主祕發出不同波長的 、藉由本㈣之Μ長量子點雷射元件，可藉由可發出不同雷 射波長之里子財動區堆疊結構，_滿足不同波長區段之雷射 ，光條件，且各透過調變量子點主動區中量子點層或覆蓋層的堆 $順序、，厚度及材料組成明舰_不同發光波長之量子點主 動品卫可叫，低起振電流及操作電流，在避免先前技術中多

波長區^ #及喊振電流、高操作電鮮顧慮之前提下，達成 多波長量子點雷射元件之應用。 /關本發明之詳細特徵與實作，統合圖示在實施方式中詳 、兒月"F 〃内谷足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技 術内容並_實施，本綱書露之内容及圖式， 熟習相關技藝者可编地理解本發_社目的及優點。 【實施方式】 ^

枯料組成及量子點 4.4· 'k 田射无0 為使對本么月的目的、構造、特徵及其功能有進一步的瞭解， 兹配合實施顺細_如下。以上之關於本發日肋容之說明及以 下之實财式之__畔範與轉本發日狀顧，並且提供 本發明之專利申請範爵更進一步之解釋。 / 〶1圖」，係為本發明多波長量子點雷射之剖面圖 如弟1圖」所示，多波長量子點雷射元件1〇〇包含有一第一 1 極no、-基板120、一第一披覆層13〇、_主動請、一第: 被覆層150、一接觸層16〇、一絕緣層17〇及一第二電極⑽。 200830656 用以提供支撐功能絲板_般係由半導騎料所 砂Μ (可物場配置情況摻雜特定濃度 的η型或ρ型導電性離子）。 第-披覆層130、主動區140及第二披覆層15〇 120上形成堆疊，其中，第一披覆層130與第二披覆層15〇 ^有 相兴的導電型態，即其中之型導電型態，則另—便具^型 導％型恶’主要係用以提供在主動區14〇產生接面（ΡΝ jimction)所需的電子及電洞來源，通常第一披覆層⑽與第二披 覆層150係由能隙較高的材料所形成，以產生電荷載子的障蔽， 避免電子或電洞自主動區14〇中逸出而減低量子效率，一般選用 的材料包好AlGaAs及InGaP料導體材料，其巾可依照電場 配置情形選擇摻雜不同濃度的]1型或p型導電性離子，以降低接 觸包阻，並且，第一披覆層130及第二披覆層15G可採用分子束 磊晶法（MolecularBeamEpitaxy ; MBE)或有機金屬化學氣相沉 矛貝法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition; MOCVD )而長成。 此外第_披覆層15〇形成有一脊狀(碰geSMpe)波導結構，具 有光線偏限效果使主動區14〇所產生的光線限制於主動區14〇内 之水平方向，以維持橫向（水平）光模之穩定。然而，本發明之 多波長量子點雷射並不僅限於上述脊狀(Ridge Stripe)波導結構之 雷射應用’尚可應用於其他習知波導結構，例如：增益波導型 (Gain-guided)，弱折射率波導型雷射jjjdex-guided Laser) 及強折射率波導型（StronglylndexGuided)等，因此等習知波導 200830656 結構為普遍制之波導技術，故不在此多作賢述。 脊_咖Stnpe)波導之上的接觸層16〇，用以減少第二電 =1^—披覆層15G之間的接觸電阻，而達成較佳的歐姆接 細(Ohimc contact)。常見的接觸層1 ㈣等半導體材料。^曰160材枓如GfAs或 絕緣層170係形成於除脊狀波導頂部以外之第二披覆声⑼ 上，用以定義出電極接觸區域，以使注入主動區14〇的電流料， 提南早__電荷密度，此外亦可同時提供部份有效之折射率 波導效應，以增加雷射振簠產生機會，常用以作為絕緣層⑺的 材料包括Si〇2或SisN4等介電質材料。 觸声:1極電極180分別形成於基板m底面及接 觸層160上，且分別係為用以注入電子之陰極及用以注入電洞之 陽^使電子及電洞在主動區14G中形成電子制對而放出光 ，㈣陰赌.細)、維輕舰娜金(驗職U) 複合材料等金屬材料；陽托ϋ ML . 萄㈣，~極材枓如金(Au)、鈦(Ti)或鈦/翻/金 (Ti/Pt/Au)袓合材料等金屬材料。 〃 以下將配合「第2圖」所示之本發明多波長量子點雷射之主 動區剖面圖，詳細說明主動區14G之結構組成。 如「曰第2圖」所示，主動區14〇包含有以垂直方式層層堆疊 之Μ個1子點主動區Pi〜Pm，且自各量子點主動區g所發出 的雷射波長彼此相異。此外，如「第3圖」所示之量子點主動區 P广Pm剖面时量子點主動區㈣係由複數個週期性結構單元 200830656 pa剖關’各量子點主_ Pi〜Pm係由複數個週雛結構單元 透過遙晶方式’如分子束蟲晶法（Molecular Beam Epitaxy ; mbE ) 或有機金屬化學氣相沉積法（Metal〇rganic Chemicai v㈣ D—n ; M〇CVD)卿疊軸，此職性結構私依序 ^ 3間隔層310、一开》成於間隔層310上之量子點層32〇及一 形成於量^點層320上之覆蓋層33G。其中，量子點層-包含 有許夕里子點結構，藉由量子點的準零維度 (QUiSa-Zer〇-dimensi〇nal)奈米結構’導致電子及電洞容易在此量 T點結射形成再結合而產生光子，呈現明顯的發光現象。再者， 量子點結構之形成係利用不同材料組成的量子點層32〇與其下方 之間隔層310產生異質材料間晶格常數的不匹配，造成應力 (strain)的堆積，再藉著應力的釋放而形成準零維度的自聚性量 子點，即所謂Strans碰福anoy成長模式（s_Kg_hm〇de)。 適合作為量子點層32〇的材料包含有心、、 hGai_xASN、KGai_xAsSb、岭 *職、㈣、恥& j InxGazAWzN等半導體材料’其中〇<χ<1，〇<ζ<ι。此外，量 子點層320亦可由InAs及GaAs材料或是由_及⑽材料^ 過原子層屋晶法(At_cLayerEpitaxy ;夠形成量子點結構；而 適用以形成覆蓋層330的材料包含有岭一、inyGa】yN及 KGazAll，N等半導體材料，其中〇<y<i，〇〈扣。此外，旦 子點層32〇材料中的銦⑽含量比例係大於量子點覆蓋層现，= x>y。藉由改變量子點層32G的厚度、組成材料及量子點尺寸， 200830656 區Pr^Pm所發出之雷射波長。此外，間隔層31〇的形成可用以產 生光褐限的效應，減低光線從量子點層320中逸散而出，通常間 隔層310係由二元化合物半導體材料所形成，例如GaAs或⑽曰。 "此外，多波長量子點雷射元件1〇〇的前、後端面形成有可供 光線進灯反射之鏡面，此反射鏡面可彻結晶的自然劈裂或乾 姓刻方式而形成。 當施加-順向偏壓於多波長量子點雷射元件1〇〇兩端之上帝 柽180與下電極11〇時’將驅使上披覆層⑽及下披覆層⑽中 的^洞及電子注人絲區丨辦，而f酿電子在主動區⑽進 2^電_的再結合反應而以光子形式釋放。若持續增加偏塵 :致㈣幅值超越臨界電流而產生居量反轉_οη f_)現象％，便開始進行光子的誘導釋放，同時於多波長量 的兩鏡面間進行振纽放出雷射。其中當注入 ί光二〈胃射％件⑽之偏壓所造成的光模增益(gth)足以克 波長好轉航件巾行賴造成_部損失 的=)=_過鏡岐射後而離開多波長量子點雷射元件觸 須^足^^).’將可達成共振條件岐生魏，亦即光增益ω 1 豆φ 、 ZL 娜2) 鏡面=:長因量:點::長度’Rl及⑽^ 度使其於不同之「整多波長量子點雷射元件服的長 ”、4主動區P1〜ρπι中滿足上述雷射產生條件 200830656 時，將可_產生不同波長之雷射，以獲致可同時發射多波長之 雷射兀件，亚可應麟光纖通訊或辆機讀取頭。 5青茶閱「弟4圖j至「第VL , 」 弟6圖」，係為主動區中各量子點主動 區之堆疊態樣.。 曰如「第4圖」所示係為遞減型波長之量子點主動區堆疊態樣， 各量子點主· Pl〜P3所能發出之雷射波長係依據遠離下披覆層 130的方向逐漸減少，其中各詈； Y谷里子點主祕ίνρ3所發出之雷射波 長關係為Pl>i>2>P3。此外，各量子點主動區Ρι〜ρ3皆包含有複數 個週離結鮮元，如：量子歡_ &偏2組週雛 結構早成；量子點主_ &勤3組週雛結構單元 3〇〇所形成；量子齡動區P3係由5組週期性結構單㈣_ 成。然而’上述不同雷射波長之形成係由於各量子點主動區㈣ 職/或_ 3㈣林_參數條件，此參數 |本牛匕3厚度、組歧量子點尺寸。藉由參數條件的不同， 2變各量子點主動區P1〜P3所發射之雷射波長。在-實施例中’ 二=主動區Pl〜P3之量子點層32〇具有相同的參數條件.，而 :里/ 〜P3之覆蓋層330卻由不同的參數條件所形

乂相反地，在另一貫施例中，各量子點主動區W =具有柳痛條件，而各量子點蝴 厚 330部具有相同的參數條件。當然，各量子點主動區Pl〜P 點層320與覆蓋層330亦可同時具有不同的參數條件。3里 如「第5圖」所示係為遞增型波長之量子點主動區堆疊態费， 12 200830656 各量子點主祕Pl〜P3所能發出之雷射波長聽據遠離下披覆芦 m的方向逐漸增加，其中各量子點主動區㈣戶斤發出之雷崎 長關係為Pl>I>2>P3。此外，各量子點主動區㈣皆包含有複數 個週期性結構單元300，例如：量子點主動區Ρι係由4組週期性 結構早凡，所形成；量子點主動區&係由3組週期性結構單元 300所形成’量子點絲區？3係由3組職性結構單元所妒 成。再者，上述不同雷射波長之形成係由於各量子點主動區 中的量子點層孤及/或覆蓋層33Q具有不同的參數條件，狀數 條件包含厚度、材料組成及量子點尺寸。藉由參數條件的不同， 以簡各量子點主動區Pl〜?3所發射之雷射波長。在一實施例中， 主動區Pl〜P3之量子點層32〇具有相同的參數條件，而 里二』主動區PA之覆蓋層％。卻由不同的參數條件所形 成。相反地，在另-實施例中，各量子點主動區P崎之量子點 層320具有不同的參數條件，而各量子點主動區 覆 33〇卻具有相同的參數條件。雜，各量子點主動叫 點層320與覆蓋層330亦可同時具有不同的參數條件。 里中麵交錯麵長之量子點絲轉疊態樣， p、里曰動區Pl〜P3所發出之雷射波長關係為Pi>p2> 士3二各I子點絲區Pl〜P3係以交錯方式垂直排列，而各量子點 130上單元，例如··在下披覆層 區卜其中嫩㈣Μ〜Ρ3賴彻咖係為2 13 200830656 P2>Py上述不同雷射波長之形成係由於各量子點主動區p崎 - 中的罝子點層32〇及/或覆蓋層33〇具有不同的參數條件，此表數 •條姑含厚度、材料組成及量子點尺寸。㈣參數條件的不同， 以调k各I子點主動區p广p3所發射之雷射波長。在—實施例中， 各，子點主動區Pl〜P3之量子點層32〇具有相同的參數條件，而 各量子點主動區Pl〜P3之覆蓋層33〇卻由不同的參數條件所带 成。相反地’在另—實施例中，各量子點主動區p崎之量子點 鲁層3,20具有不同的參數條件，而各量子點主動區p崎之覆蓋層 330卻具有相同的參數條件。當然，各量子點主動區&〜h之量: 點層320與覆蓋層33G亦可同時具有不同的參數條件。 以下驛利用具有如「第 田 .圖」所示之遞減型量子點主動區雄 豐態樣的多波«子點雷射元件，截取不關共振腔長度 發光頻譜測試，苴中夂景早靈上士金^ Ώ ^ /…里子”技 Pi〜Ρ3中所包含的週期性結 才舟早疋，係為GaAs材料所形成之間隔層；心材料 子點層；如為._卿成之覆蓋層。而且各量子點主動區〜i 觸输卿，形射發出波長 φ _ Pl ’可發讀長h的量子點主動區p2及可發 出波長的量子點主動區IV其中；1】>又2>又3。 又 終閱「第7圖」，係為上述遞減型量子點主紐料 多波長量子點雷射树之發光強度對應波係圖。如 =旦=振腔長度α4麵、⑽一^及心二」 、里，.、、田射轉，波導寬度為細，在操作電流為3〇_啦2 14 200830656 條件下時’共振腔長度為2.0 _的多波長量子點雷射元件可同時 於長波長的量子點主動區Pl及中波長的量子點主動區匕，分別發 出波長為1215 nm及1263 nm之雷射光。

本發明藉由不同發光波長之量子點主動區堆疊結構，配合量 子點層或覆蓋層之厚度、材料組成及量子點尺寸的變化，在同一 量子點雷射元件巾㈣出具有不同f射振驗件之相異波長區 域’當所施加的電流足以在特定共振腔長度下，於不同的量子點 主動區滿足產生雷射振麵需之光增益門捏，此時將可自不同的 =子點主動區中發出不同波長的f射光。此外，本發明之多波長 量子點雷射元件透騎子點層蓋層域條件變，明顯^ 同發ί波長之量子點絲區，並可同時降低起振電流及 休電流’以符合多波長量子點雷射元件穩定操作之需求。 〜軸本發日肋前述之較佳實關揭露如上，然其麟用以限 :伞每明’任何㈣相像技#者，在不麟本發明之精神和範圍 明之=更输_，㈣她㈣·細，因此杯 準月之專利保護侧須視本朗書嶋之t料利翻所界定麵 【圖式簡單說明】 21圖係為本發明多波長量子點雷射元件之圖 圖 弟2圖係為本發明多子° -點雷射元件之主動區之週期性 子㈣讀之主動區剖面 昂〕圖係為本發明多波長量子 結構單元之示意圖； 15 200830656 子點為本伽多波長量子點㈣元件之遞減型波長之量 子^主動區堆疊態樣示意圖； 弟5圖係為本發明多波長量子點雷射元件之遞增型波長之量 子點主動區堆疊態樣示意圖； 、林發日移波長量子點雷射元件之交錯魏長之量 子姑主動區堆疊態樣示意圖；以及

导系為本發明具有遞減型量子點主動區堆疊態樣之多波 件之發綠度職波長關係圖。 【主要元件符號說明】

100 多波長量子點雷射元件 110 弟一電極 120 基板 130 下披覆層 140 主動區 150 上披覆層 160 接觸層 170 絕緣層 180 ^ 一^極 300 週期性結構單元 310 間)1¾層 320 量子點層 330 覆蓋層 16 200830656

Pl〜Pm 量子點主動區

Claims (1)

1. 200830656 十、申請專利範圍·· 1·種夕波長量子點雷射元件，其包含有： 一第一半導體層； - 一第二半導體層；以及 主動區，係设置於該第—半導體層與該 =其包対概《枝球s’⑽好s 2· 綱㈣細目觸私峨層^ =各該好點層上，當施加電流大於—祕電流時，該等量 ”、、主動區啊產生複數個獨波長之f射光線。 專利範圍第〗項所述之多波長量子點雷射元件，其中該 寻1子點主動區之間具有至少—種不同的參數條件。 •如申請專概_2項騎之多波長量子㈣， =條件包含該等量子點層之厚度、材料組成及量子社小其 甲之—及其組合。 4·如申請專利範圍第3項所述之多波長量子點雷射元件，立中該 條件更包含鱗覆蓋層之厚度及材料.組成其巾之一及其 組合。 5. 如I請專利範圍第！項所述之多波長量子點f射元件，其中各 該里子“層包含有複數個量子點。 6. 如I請專利範圍第丨項所述之多波長量子點雷射元件，其中各 該1子點層係以Stranski-Kranstanov成長模式形成。· 7. 如申請專利範圍第5項所述之多波長量子點雷射元件，其中該 18 200830656

   等量子點係由論及GaAs材料以原子層羞晶方式(尬露 layer epitaxy)形成。 8.如申請專利範圍第5項所述之多波長量子點雷射元件，其中該 等量子點係由InN及GaN材料以原子層县晶方式⑽⑽啊 epitaxy)形成。 9·如申請專利範圍第1項所述之多波長量 專里子點層係由半導體材料所形成。 K)·如申請專利麵第9項所述之多波長量子點雷射元件，盆中: 半導體材料係選自於由 InxGa,xAsSb ^ InxGa,xAsNSb ^ InxN，Ιηχ〇Ει.χΝ ^ χ 工 所構成之材料群組，其中〇<χ<1 , 〇<ζ<ι。 11. ^申料利翻第i項所述之多波長量子點雷射元件，卵 等覆i層係由半導體材料所形成。 12·如申請專梅11項所述之多波《子點雷射元件， 該半導體材料係選自於由 Λ1 , 目兄由 、Iny(}ai_yN y U所構成之材料群組，其中G<y<l，〇<z<1 13. 專利乾圍第】項所述之多波長量子點雷射元件，例 主動區梅有與該等量子點層數目相應之_ 二為與雜錢_量子點較 以 成一週期性結構單元。 /、τ ί4·3^Γ圍第]3項所述之多波長量子點雷射元件 間搞層係由半導體材料所形成。 19 200830656 15. 如申請專利範圍第14項所述之多波長量子點雷射元件，其中 該半導體材料係選自於GaAs或GaN材料。 16. 如申請專利範圍第1項所述之多波長半導體雷射元件，更包含 有與該第一半導體層鄰接之一第一電極，及與該第二半導體層 鄰接之一第二電極。

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