TW202025583A - 包含具有高摻雜發光區之高電流擴散層的高效率氧化垂直腔表面發射雷射器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種垂直腔表面發射雷射器及其製造方法，特別是提供一種用能發射峰值波長為860nm的雷射光的高效能垂直腔表面發射雷射器及其製造方法。本發明的垂直腔表面發射雷射器包含在上電極和下分佈式布拉格反射器之間的至少一部分中具有高摻雜區的一電流擴散層。

Description

包含具有高摻雜發光區之高電流擴散層的高效率氧化垂直腔表面發射雷射器及其製造方法
本發明係提供一種垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)及其製作方法，具體來說，係涉及一種用於發射峰值波長為860nm的激光的高效氧化垂直腔表面發射雷射器及其製造方法。
儘管一般垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）的效率與現有邊緣發射雷射的效率相比較低，但是VCSEL的雷射光係在垂直方向上發射，並且VCSEL可以用在現有的發光二極體區域中，因此VCSEL具有很高的市場價值。
如第1圖所示，VCSEL 10具有柱形結構，其堆疊一下電極1、一基板2、一下分佈式布拉格反射器3、活性層4、用於發射共振雷射光的電流窗5、一形成在電流窗5周緣的氧化層6、形成在電流窗5之頂面上的上分佈式布拉格反射器7、以及一上電極8。在發光柱周圍形成一溝槽9，而雷射光朝向頂部發射。
一般而言，溝槽9是圓形溝槽，並且使用乾蝕刻技術形成。電流窗5的周邊藉由通過溝槽9注入的氧化劑而氧化，以形成氧化層6，並調節電流窗5的直徑，藉由調節氧化時間可保持電流窗5不被氧化。此外，通過磊晶製程將上DBR和下DBR設置在活性層的頂部和底部。在VCSEL發射800nm至1,000nm光的情況下，一般使用配置Alx Ga1-x As/Aly Ga1-y As（其中0.8 >x >1，0 >y >0.2 ）堆疊結構的DBR。
因此，製造過程中，電流窗（亦即，氧化物孔徑）和上下DBR對於共振雷射光器的特性是必不可少的。問題在於，由於這些部件中使用的材料是相同類型的材料，上p-DBR的最上部分與電流窗會在氧化過程中一起被氧化，因此產生缺陷的可能性很高。氧化過程是通過注入H2 O蒸汽將用作電流窗 的Al0.98 Ga0.02 As層的Al轉換成Alx Oy 層的過程 ，使得Al可以與高溫蒸汽反應，並且因為由Alx Ga1-x As/Aly Ga1-y As構成的上下DBR含有Al，因此當DBR一定程度上被氧化時DBR會被破壞。
第2圖的(a)部分係顯示氧化過程進行時受到損壞的DBR的SEM影像，當受到損壞的DBR被施加p金屬，之後會發生電極剝離、電流不均勻注入（導致效率降低）等現象。第2圖的（b）部分係繪示電流窗的形狀，其中黑色帶狀是溝槽（凹陷）區域，中心區域是用於發光的柱區域，其中較亮區域是氧化區域。中心的暗圓形區域是用於直接發光的發光區，其表示為VCSEL的孔徑。
當向傳統VCSEL施加高電流時，由於諧振特性，元件會產生大量熱能，因此，由於施加高電流經常會損壞元件，因此傳統VCSEL僅輸入低電流。這意味著不能期望得到從電極注入電流的電流擴散效應。因此，傳統VCSEL存在的問題在於，從沿著上DBR的邊緣定位的上電極發射的電流不能均勻地通過中心部分處的電流窗，使得效率降低。
韓國專利公開案No.10-2018-0015630（WO 2016/198282）係公開了一種峰值波長為850nm的氧化VCSEL和在上DBR中不同地形成多個氧化層以改善VCSEL的方法。其製造過程主要會引起上DBR的反射率的不均勻性，並且還在諸如氧化再處理等產生多個電流窗的過程中產生複雜問題。
同時，儘管提供了一種在整個上DBR上形成透明ITO層並且通過ITO層將從環形電極發射的電流均勻地提供到中心部分的方法，以作為經由在中心部分之電流窗均勻地傳遞從上電極發出的電流的方法。然而，在這種情況下，需要使用昂貴的透明電極，並且難以避免在形成ITO的過程中產量的突然降低。
因此，鑑於上述問題，本發明之一目的在於提供一種高效率的氧化VCSEL，其能夠穩定地從VCSEL的上部電極導入電流以及擴散至發光區。
本發明的另一個目的是提供一種製造高效率的氧化VCSEL的方法，該方法可從VCSEL的上電極導入穩定電流以及擴散到發光區。
用語
在本發明中，用語“高摻雜區”是指通過在電流擴散層生長之後在電流擴散層中增加摻雜濃度的區域。
在本發明中，用語“摻雜濃度增加的區域”包含摻雜後通過擴散增加摻雜濃度的區域，以及通過摻雜增加摻雜濃度的區域。
在本發明中，用語“中心部分”是指氧化VCSEL的電流窗的上部區域。
在本發明中，用語“周邊”是指除中心部分之外的周邊區域。
為了解決上述問題，本發明提供一種氧化垂直腔表面發射雷射器（VCSEL），其包含在上電極和下分佈式布拉格反射器之間的至少一部分中具有高摻雜區的一電流擴散層。
在本發明中，電流擴散層係具有相對高帶隙的導電層，其執行擴散電流的功能，使得從上電極發射的電流可以通過下分佈式布拉格反射器擴散且提供給活性層。
在本發明中，電流擴散層是在例如MOCVD的方法中的磊晶生長層，其具有預設的厚度並且可以具有高導電率，在一較佳實施例中，電流擴散層的導電率可為活性層、上下DBR和/或基板之導電率的兩倍以上、進一步優選為三倍以上，進一步更優選為四倍以上，進一步最優選為五倍以上，以避免VCSEL的操作電壓增加。
在本發明中，電流擴散層可以是一在摻雜有例如Al、C或Mg等材料的同時生長以具有導電性的層，並且可以使用例如AlGaAs或GaP的材料。電流擴散層的摻雜濃度在相同的生長高度處可以是均勻的，並且可以根據高度而變化。優選地，在靠近上電極的部分(例如在頂表面上)的摻雜濃度更高。
在本發明的一個實施例中，考慮到提供給VCSEL的電流和發射的雷射光的強度和波長，電流擴散層可以形成適當的厚度，並且厚度可優選為2㎛以上，進一步優選為 3㎛以上，並且進一步更優選為4㎛以上。
在本發明中，生長的電流擴散層的摻雜濃度係介於6.0×1018 atoms/cm3 至8.5×1018 atoms/cm3 之間。
在本發明 中 ， 藉由在生長後的電流擴散層進行摻雜，高摻雜區 的摻雜濃度 可以高達0.5×1018 atoms/cm3 以上，例如 1.0×1018 atoms/cm3 以上、1.5×1018 atoms/cm3 、 2.0×1018 atoms/cm3 以上、或是2.5×1018 atoms/cm3 以上。
在本發明中，在電流擴散層生長之後完成的摻雜可以是表面摻雜，其中從表面完成摻雜劑的注入，優選的是將金屬原子作為摻雜劑從表面注入的表面摻雜。
在本發明中，金屬原子可以是鹼金屬、鹼土金屬或過渡金屬，例如，金屬原子可以選自鹼金屬如Li、Na、K、Rb或Cs中的一種或多種，或是鹼土金屬，例如Be、Mg、Ca、Sr或Ba，或是過渡金屬，例如Sc、Ti，V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、 Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt或Au。在一實施例中，金屬原子可以是Zn。
在本發明中，高摻雜區可以形成在電流擴散層的一部分中，優選地，高摻雜區係形成在中心部分。高摻雜區優選地形成在中心部分並且直到與中心部分接觸的周邊的一部分，藉以與環形上電極正下方部分有部分重疊。
在本發明中，優選地，高摻雜區係形成在表面上，且高摻雜區之預設深度係小於電流擴散層的厚度，以有助於電流在水平方向上而不是在垂直方向上的擴散。
在本發明中，高摻雜區的濃度可以隨著深度而變化，並且優選地，高摻雜區的濃度分佈係隨著深度增加而增加，且在達到最大值之後逐漸降低。
在本發明的一個優選實施例中，高摻雜區的濃度分佈包含在 1㎛以下的深度有最大濃度 ，更優選地， 在0.5㎛以下的深度有最大濃度 ，以有助於水平方向上的擴散。
雖然理論上沒有限制，但是當從位於電流擴散層頂部的環形上電極的底部流出的電流，經過形成在電流擴散層中心部分表面上的高摻雜區，迅速向電流擴散層的中心部分擴散並順利地提供給位於電流擴散層中心部分底部的VCSEL的電流窗時，氧化VCSEL的發光效率可得到改善。
在本發明中，氧化垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）可以發射峰值波長為860±10nm的雷射光（下文中，稱為“860nm峰值波長”），並且可以理解的，雷射光是指波長之FWHM小於5nm的光。
在本發明的一個實施例中，氧化垂直腔表面發射雷射器光器（VCSEL）可以通過堆疊一下電極、一基板、一下分佈式布拉格反射器、一活性層、一用於發射共振雷射光的電流窗、一形成圍繞電流窗周邊的氧化層、一形成在電流窗的頂表面、在氧化層上的一上分佈式布拉格反射器、一在上表面的一部分中具有高摻雜區的電流擴散層、以及一上電極，來形成發光柱。發光柱可以是圓形或多邊形。
在本發明中，基板可以能以MOCVD生長的基板，優選是n-GaAs基板。
在本發明中，VCSEL的活性層是一將發射光轉換成雷射光的層，並且在本發明的實施例中，活性層可以包含砷化鎵(GaAs)量子井和砷化鋁鎵(AlGaAs)量子阻障層。
在本發明中，上分佈式布拉格反射器(DBR)和下分佈式布拉格反射器用於向上和向下反射從活性層發射的光，以使光產生諧振。
在本發明中，上DBR和下DBR可以是重複堆疊由高折射層和低折射層構成的一對反射層的DBR，用以反射從活性層發射的光和被反向反射器反射的光。
在本發明的一個實施例中，下DBR可以包含30對n-DBR，優選的是40對n-DBR，以在實際應用中完全反射來自活性層的光以及上DBR反射的光，並且上DBR所具有的n-DBR對(n-DBR pairs)係比下DBR少5到10對，並且優選地，上DBR可以由20到25對p-DBR構成，以增強發光的可能性。
在本發明的一個實施例中，上分佈式布拉格反射器和下分佈式布拉格反射器可為具有高折射率 的Alx Ga1-x As層（0.8 >x >1）和 低折射率 的Aly Ga1-y As層（0 >y >0.2）交替和重複堆疊 之結構的分佈式布拉格反射器（DBR）。
在本發明中，氧化層由氧化材料構成，並且可為包含氧化區域和非氧化區域共存以進行共振的層。氧化層可以是Alz Ga1-z As（0.95 >z≤1），其容易被高溫蒸汽氧化。當氧化層係從外側氧化到中心部分時，氧化層可以由環形氧化層和內中心圓形狀的電流窗所構成。
在本發明中，構成氧化層中的電流窗的中心圓的直徑必須足夠小以能夠發射雷射光，並且優選地，直徑可以小於 10㎛ 。
在本發明中，氧化層可以位於活性層的頂部，優選的是位於p-DBR的內部且不會對活性層起作用；進一步優選的是位在構成p-DBR的層之間；進一步優選的是，氧化層可以位於上p-DBR下方，例如，位於上DBR中的第一對p-DBR和第二對p-DBR之間，並且氧化層之厚度可介於30 nm至10 nm之間。
在本發明的一個實施例中，因為在表面上形成的電流擴散層和在電流擴散層之頂表面的中心部分處形成的摻雜單元，所以氧化VCSEL可以在低電流（例如，30 mA或更低）下實現高效率；優選地，氧化VCSEL可在5 mA至20 mA的範圍內操作，最優選的是在10 mA電流操作。當電流超過40mA時，由於發熱的影響，可能不會產生峰值波長為860 nm的雷射光。
在本發明中，上電極可以形成為環形而不會屏蔽到發射的光，並且優選地，上電極可以是由Au、Pt和Ti構成的多層電極。在一個實施例中，電極的厚度可以為約2微米(μm)。
在本發明中，氧化VCSEL還可包含一防反射層，以防止發射光被反射。防反射層可以位於電流擴散層和上電極之間，同時覆蓋電流擴散層。另外，防反射層可以定位在氧化VCSEL的頂部，同時覆蓋上電極和防反射層的頂部。
在本發明的一個實施例中，防反射層可以由Si3 N4 或SiO2 構成， 並且可以生長成約100 nm至500 nm，優選的是150 nm至400 nm，最優選的是200 nm至300 nm的厚度。
在一方面，本發明提供一種氧化垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）的製造方法，其包含以下步驟：在上電極和下分佈式布拉格反射器之間磊晶生長一電流擴散層；在電流擴散層生長之後，將摻雜劑注入到電流擴散層的至少一部分中，以形成高摻雜區。
在本發明中，在電流擴散層的頂表面的至少一部分中堆疊摻雜劑供應層，並加熱該摻雜劑供應層，以在電流擴散層的至少一部分形成高摻雜區，接著去除摻雜劑供應層。
在本發明的一個實施例中，表面摻雜可以通過從堆疊在電流擴散層的頂表面上的摻雜劑供應層提供摻雜劑以及摻雜劑的擴散(例如加熱擴散)，來實現。在形成上電極之前，可去除摻雜劑供應層。
在本發明的一個實施例中，摻雜劑供應層可以是ZnO或AZO層，並且可以在一防止電流擴散層的非結晶產生缺陷的溫度範圍內調節加熱溫度。
在本發明的一個實施例中，加熱溫度可以是小於500℃， 當將Zn是從AZO摻雜到GaP，優選的加熱溫度是400℃至450℃；或者，當Zn是從ZnO摻雜到AlGaAs時，優選的加熱溫度可以是小於700℃，優選的加熱溫度為500℃至600℃。
在本發明的一個實施例中，藉由在電流擴散層的摻雜濃度生長之後完成摻雜以進一步增加摻雜濃度，高摻雜區的摻雜濃度可為9.0×1018 atoms/cm3 至1.2×1019 atoms/cm3 。
在本發明中，除了形成電流擴散層以及在電流擴散層上形成高摻雜層的步驟之外，可以使用一般VCSEL製造方法製造氧化VCSEL。
在本發明的一個實施例中，製造氧化VCSEL的方法包含以下步驟：提供一基板；在基板頂部形成一下DBR；在下DBR的頂部形成一活性層；在活性層的頂部形成第一上DBR； 在第一上DBR的頂部形成一氧化層；在氧化層的頂部形成一第二上DBR；形成圓形溝槽；在氧化層的中心部分以外的周原區域進行氧化；在第二上DBR的頂部形成一電流擴散層； 在電流擴散層的一部分中形成一高摻雜區；在基板的底部形成一下電極；在電流擴散層的頂部形成一環形電極。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施,，但非為限制本發明。
第一實施例
第3圖顯示一VCSEL層的結構，此VCSEL層發射峰值波長為860 nm的雷射光並且具有一p-AlGaAs電流擴散層，其頂面的中心部分摻雜有Zn，由MOCVD系統所製造。
如第3圖所示，根據本發明的峰值波長為860 nm的氧化VCSEL 100係為一朝向基板120的頂部發射雷射光的氧化VCSEL 100。VCSEL 100係在n型GaAs基板120上生長，以MOCVD方法並使用三甲基鎵（trimethylgallium, TMGa）和三甲基銨（trimethylammonium, TMAl）作為三族元素來源，砷化氫（AsH3 ）和磷化氫（PH3 ）作為五族元素來源，並且乙矽烷（Si2 H6 ）氣體和環戊二烯基鎂 （cyclopentadienylmagnesium, Cp2 Mg）作為n摻雜和p摻雜來源。氫氣H2 作為所有元素來源的載送氣體。
下電極110設置在基板120的底表面上，並且下n-DBR 130係設置在基板120之頂面上。在下n-DBR 130中，高折射率的AlGaAs層和低折射率的AlGaAs層係成對地重複堆疊。的Al0.85 GA0.15 As層和Al0.15 Ga0.85 As層被重複地堆疊40次。
活性層140設置在下DBR 130上。活性層140由上下限制層和發射中心波長為860 nm的量子井結構所構成。Alx Ga1-x As（n-Al0.1 GaAs:Si和p-Al0.1 GaAs:Mg）係作為n限制層和p限制層，量子井結構係由重複堆疊5nm GaAs量子井以及12nm Al0.05 GaAs量子阻障層所形成。由限制層和量子井形成的腔長度約為430 nm。
包含有氧化層180的上p-DBR 150係設置在活性層140上。氧化層180插置在構成p-DBR 150的成對層之間，並且可以避免與活性層140直接接觸，以避免在氧化過程中損壞活性層。氧化層180堆疊在25對上DBR中的一對或兩對上，並且另一對上DBR係堆疊在氧化層180上。因此，上DBR 150由位在氧化層180的底部上的第一上DBR 151和位在氧化層180的頂部上的第二上DBR 152所構成。
上p-DBR 150包含高折射率的AlGaAs層和低折射率的AlGaAs層，其以與下DBR相同的方式成對地重複堆疊，並且由25對Al0.85 Ga0.15 As層和Al0.15 Ga0.85 層所構成。
氧化層180包含由在中心部分具有約50 nm厚度 的Al0.98 Ga0.02 As 所構成的圓形電流窗（氧化孔徑）181 ，以及通過使用蒸汽對氧化層氧化所形成的周邊的氧化環182。幾乎達到98％的DBR反射率可以顯示出阻帶形狀的優異特性。
在MOCVD方法中，GaP電流擴散層160係在上p-DBR 140上生長至2㎛的厚度 。高摻雜區161形成在頂表面的中心部分和AlGaAs電流擴散層160的周邊的一部分中。
為了形成高摻雜區161， 執行第4圖所示之步驟:（a）將用於提供摻雜劑並具有5,500nm厚度的圖案控制ZnO膜210堆疊在p-AlGaAs電流擴散層160的頂表面的中心部分上；（b）通過分別在500°C、600°C以及700°C溫度下熱處理30分鐘，在電流擴散層160的頂表面的中心部分形成高摻雜區161； （c） 經過熱處理後，使用HCl：DI的溶液移除ZnO膜210；（d）在去除ZnO膜210之後，形成環形的上電極170。上電極的內側係形成與高摻雜區161 部分地重疊 。
如第5圖所示，截面SEM的影像可證實摻雜單元形成在從頂面以下約 1㎛的深度。
第一比較實施例
除了沒有Zn摻雜之外，第一比較實施例的實施方式為與上述實施例相同。
測試1
對分別在500℃、600℃、以及700℃溫度下進行Zn摻雜熱處理所製造的實施例產物以及沒有經過Zn摻雜的比較例（P ++ AlGaAs）的產物進行檢測。
如第6圖所示，在500℃ 以及600℃下 摻雜的產物的電阻值分別為0.033 ohm-cm以及0.012 ohm-cm，與之相比，沒有經過Zn摻雜的第一比較實施例的電阻值為0.043 ohm-cm，此為相對高的電阻值。在700℃ 下摻雜的產物的電阻值為0.98 ohm-cm。這些結果是對應於通過熱處理來提高電洞濃度，其與電阻值有一折衷關係(trade-off)，500°C以及600°C熱處理可使電洞濃度從第一比較實施例之6.4х1018 /cm3 調整到本發明之實施例之6.8х1018 /cm3 以及9.3х1018 /cm3 的，而700℃熱處理會使電洞濃度驟降到5.5х1018 /cm3 。
第7圖的摻雜曲線顯示出沒有摻雜的p++ AlGaAs電流擴散層僅在表面具有7.0х1018 /cm3 的 濃度 ，而在其部分則有6.1х1018 /cm3 的幾乎均勻濃度 。P++ AlGaAs電流擴散層的最大摻雜濃度形成在 0.07㎛ 的深度 。反之，經過500℃與600℃熱處理的Zn擴散的AlGaAs電流擴散層分別呈現出1.02х1019 /cm3 以及9.0х1018 /cm3 的高摻雜濃度。經過700℃熱處理的產物則呈現出了6.7×1018 /cm3 的低摻雜濃度，經分析，此結果是再結晶或非結晶造成的缺陷。
第7圖中的附圖（AFM圖像）係顯示分別500℃以及600℃ 下熱處理所得產物的表面與非摻雜產物的表面是一樣平滑的，且具有4.8至6.8的表面RMS值，而700°C下熱處理所得的產物具有22.3的RMS值，其呈現不平整的表面形貌，這意味著許多表面缺陷。
第8圖係繪示根據本發明所製造的VCSEL晶片的輸出功率隨電流（I ）的變化的曲線圖 。與非摻雜VCSEL晶片相比，根據本發明所製造的VCSEL晶片分別在500℃和600℃下摻雜Zn時，可呈現出有意義的高輸出功率。在500℃以及600℃下摻雜的產物可分別產生95MW和110mW的輸出功率，其相對於沒有摻雜的產物之75mW輸出功率，增加了47％和27％。
第9圖係繪示出比較實施例的沒有摻雜Zn的習知VCSEL的遠場圖案化光束影像、以及根據本發明在600℃下摻雜Zn的實施例的產物的遠場圖案化光束影像。此結果係為使用光束分析儀系統測量的結果，同時在10mA至30mA的電流注入範圍內將光束檢測器和光桿之間的距離保持為5mm。當注入相等電流時，比較實施例的習知VCSEL晶片的光束高斯曲線在x和y軸上顯示出不同的形狀和強度。第9圖之附圖顯示出發射不平衡2D光束和寬的3D光束的形狀。相反地，當注入相等電流時，本發明之實施例的晶片的光束高斯曲線在x和y軸上顯示出了有意義的平衡2D光束的形狀，並且顯示出了尖的3D光束的形狀。
第二實施例
如第14圖所示，除了使用GaP層作為電流擴散層160並且在上電極170的內部區域另外形成一SiN防反射層190之外，本發明的峰值波長為860nm的氧化VCSEL100的層結構與第3圖之第一實施例相同。
形成如第5圖之(a)部分所示的高摻雜區161。(a)用於提供摻雜劑並具有500nm厚度的氧化鋁鋅（AZO）薄膜210係堆疊在GaP電流擴散層160的頂表面的中心部分上。（b）在400℃、450℃、以及500℃下在氮氣氣氛的爐中進行熱處理2小時，以在電流擴散層160的頂表面的中心處形成高摻雜區161。（c）熱處理後，使用HCl：DI溶液除去AZO薄膜210。（d）在除去AZO薄膜210之後，形成環形的上電極170。上電極的內側係形成與高摻雜區161部分重疊。SiN防反射層190係形成在上電極170的內部區域中。
第二比較實施例
除了沒有Zn摻雜之外，第二比較實施例的實施方式與上述實施例相同。
測試2
對第二實施例之分別在400℃、450℃以及500℃下進行Zn摻雜與熱處理的產物以及第二比較實施例（P++ GaP）沒有進行Zn摻雜製程的產物進行檢查。第10圖顯示在熱處理過程之後Zn擴散GaP區域的摻雜濃度分佈。此分布是根據在400℃、450℃以及500℃進行Zn擴散之熱處理條件作為重要變量的蝕刻電流電壓（ECV）取樣數據。ECV測量係從其表面蝕刻至深達約4㎛的取樣區來確認摻雜濃度。在沒有進行Zn擴散製程的一般取樣數據，可確認最大摻雜濃度為約8.2×1018 /cm3 。當有進行Zn擴散，在400°C以及450°C之熱處理條件下，可確認到顯著增加的摻雜濃度，其分別約為9.1x1018 /cm3 以及1.2×1019 /cm3 。然而，在約500℃的熱處理條件，卻有摻雜濃度大幅降低的現象。可確定此現象是由於高溫下GaP的非結晶和由此引起的缺陷發生所造成的。
第11圖係繪示根據本發明所製造的VCSEL晶片的輸出功率隨電流（I）變化的曲線圖。第11圖顯示出了習知的沒有摻雜VCSEL（第二比較實施例）以及本發明之使用Zn擴散高度摻雜的VCSEL的光學效率。在第二比較實施例，習知VCSEL具有約78mW的光學效率。相反，第二實施例顯示出當使用Zn擴散摻雜單元時，效率會大大提高。當採用400℃以及450℃下Zn擴散，最大光學效率可分別達到96mW（增加24％）和110mW的（增加42％）的高效率。然而，當採用約500℃的Zn擴散，光效率會急劇下降，約為60mW（減少22％）。此種光學效率的結果可對應於第10圖所示之ECV的結果和趨勢。
第12圖顯示光束分析儀所測量的第二比較實施例的一般VCSEL（習知VCSEL）以及在450℃進行Zn擴散的VCSEL發出光束的二維和三維圖像。在約30mA電流的條件下於約5mm的距離處測量x軸和y軸上的光強度。根據二維圖像，可證實採用Zn擴散的VCSEL的光束形狀小於習知VCSEL的光束形狀；根據三維影像，也可確認本發明之採用Zn擴散的VCSEL的光束形狀明顯更為集中。因此，可確認的是，藉由在表面Zn擴散形成高摻雜區可讓VCSEL發出的光束更加集中。
根據上述內容，本發明係提供了一種新的電流擴散層，其可以在氧化過程中保護上DBR，加強電流，並有助於電流從周邊電極擴散到在中心部分的電流窗。
儘管本發明已經在附圖和說明內容中詳細圖示和描述，但是上述說明和描述是說明性或示例性的而非限制性的。本領域技術人員應清楚根據本發明而做出的改變。這些改變可與代替的本領域且在本說明書中已描述的已知特徵或其他習知特徵相配合。任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。在申請專利範圍中，用語“包含/包含”不排除其他元件或步驟，並且使用不定冠詞的用語不排除多個元件或步驟。在附屬申請專利範圍中引用不同的具體措施不表示不能有利地使用這些措施的組合。在申請專利範圍中，任意參考符號不應被解釋為限制其範圍。
100:氧化垂直腔表面發射雷射器 1、110:下電極 10: VCSEL 120、2:基板 130、3:下DBR 140、4:活性層 150、151、152:上DBR 160:電流擴散層 161:高摻雜區 170:上電極 180:氧化層 182:氧化環 190:防反射層 210:ZnO薄膜 5:電流窗 6:氧化層 7:上分佈式布拉格反射器 8:上電極 9:溝槽
第1圖係顯示一習知氧化VCSEL的截面圖。
第2圖之（a）部分係顯示氧化進行時受到損壞的DBR的SEM圖像。第2圖之（b）部分是顯示一電流窗的形狀，其中黑帶狀區域是溝槽（凹陷）區域，並且中心區域是用於發光的柱區域，其中較亮區域是一氧化區域。
第3圖係顯示根據本發明的一個實施例的氧化VCSEL的層結構的隔離截面圖。
第4圖係顯示根據本發明的實施例在氧化VCSEL中形成電流擴散層的摻雜單元的步驟流程圖，其中形成步驟包含（a）摻雜劑供應層沉積步驟、（b）熱摻雜步驟、（c）摻雜劑供應層去除步驟、以及（d）上電極形成步驟。
第5圖係顯示拍攝具有本發明的氧化VCSEL的具有摻雜單元之電流擴散層的截面積的SEM圖像。
第6圖係顯示根據本發明的第一實施例之摻雜Zn之電流擴散層以及沒有摻雜之電流擴散層之電洞濃度與電阻的曲線圖 ，其中摻雜Zn之電流擴散層係分別經過500℃、600℃與700℃的熱處理。
第7圖係顯示根據本發明的第一實施例之摻雜Zn的電流擴散層與沒有摻雜之電流擴散層在不同深度的摻雜濃度的曲線圖，其中摻雜Zn的電流擴散層係分別經過500℃、600℃與700℃ 的熱處理，而插入的附圖是AFM的結果。
第8圖係顯示根據本發明的第一實施例之具有摻雜Zn並分別經過500℃、600℃與700℃熱處理的電流擴散層的VCSEL晶片以及具有沒有摻雜之電流擴散層的VCSEL晶片的電流（I）對輸出功率的曲線圖 。
第9圖係顯示本發明的第一實施例之具有Zn摻雜且經過600℃ 熱處理的電流擴散層的VCSEL 晶片以及具有沒有摻雜之電流擴散層的VCSEL晶片的發射光束的形狀的曲線圖 。
第10圖係為根據本發明的第二實施例之摻雜Zn的電流擴散層與沒有摻雜之電流擴散層在不同深度的摻雜濃度的曲線圖，其中摻雜Zn的電流擴散層係分別經過400℃、450℃與500℃ 熱處理，而插入的附圖是AFM的結果。
第11圖係顯示本發明的第二實施例之具有摻雜Zn並分別經過500℃、600℃與700℃熱處理的電流擴散層的VCSEL晶片以及具有沒有摻雜之電流擴散層的VCSEL晶片的電流（I）對輸出功率的曲線圖 。
第12圖係顯示本發明的第二實施例之具有Zn摻雜且經過450℃ 熱處理的電流擴散層的VCSEL 晶片以及具有無摻雜電流擴散層的VCSEL晶片的發射光束的形狀的曲線圖 。
第13圖係顯示本發明的第二實施例的VCSEL的截面結構的示意圖。
第14圖係顯示製造本發明第二實施例的VCSEL的過程的流程示意圖。
100:氧化垂直腔表面發射雷射器
110:下電極
120:基板
130:下DBR
140:活性層
150、151、152:上DBR
160:電流擴散層
161:高摻雜區
170:上電極
180:氧化層
182:氧化環

Claims (19)

  1. 一種氧化垂直腔表面發射雷射器（VCSEL），包含在一上電極和一下分佈式布拉格反射器(DBR)之間之至少一部分中具有一高摻雜區的一電流擴散層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該電流擴散層係為一磊晶生長的透明導電層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該電流擴散層由AlGaAs或GaP構成。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該磊晶生長的電流擴散層的摻雜濃度係介於6.0×1018 atoms/cm3 至8.5×1018 atoms/cm3 之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中藉由在該電流擴散層生長之後完成的摻雜， 該高摻雜區的摻雜濃度係增加了1.0×1019 atoms/cm3 以上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該摻雜是表面摻雜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該高摻雜區係摻雜有選自包含Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt和Au所組成的群組中的任何一個或多個。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該高摻雜區係形成在該電流擴散層的中心部分。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該高摻雜區形成在該電流擴散層的中心部分以及與該中心部分接觸的周邊的一部分。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該高摻雜區形成在一表面以及該表面下小於該電流擴散層之厚度的一預設深度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該高摻雜區的濃度分佈係隨著深度增加而達到一最大值接著之後逐漸減小。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該濃度分佈的一最大濃度係位於頂表面下深度0.5㎛或更低的位置。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，更包含一下電極、一基板、一下DBR、一活性層、在中心部分具有一電流窗的一氧化層、以及一上DBR。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該氧化層係位於該上DBR的多層之間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之氧化垂直腔表面發射雷射器，其中該高摻雜區摻雜有Zn。
  16. 一種製作氧化垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)的方法，包含: 在一上電極和一下分佈式布拉格反射器之間磊晶生長一電流擴散層；以及 在該電流擴散層生長之後將摻雜劑注入到該電流擴散層的至少一部分中，以形成一高摻雜區。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中形成該高摻雜區之步驟包含: 在該電流擴散層的一頂表面的至少一部分中堆疊一摻雜劑供應層； 加熱該摻雜劑供應層以在該電流擴散層的該至少一部分中形成該高摻雜區；以及 去除堆疊的該摻雜劑供應層。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中在一GaP電流擴散層上堆疊一ZnO摻雜劑供應層並以400°C至450°C的溫度加熱，以形成摻雜有Zn的該高摻雜區。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中在一AlGaAs電流擴散層上堆疊一AZO摻雜劑供應層並以500°C至600°C的溫度加熱，以形成摻雜有Zn的該高摻雜區。
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