TW202121781A

TW202121781A - 雷射元件

Info

Publication number: TW202121781A
Application number: TW108141545A
Authority: TW
Inventors: 温鉌語; 黃國閔; 呂志強
Original assignee: 晶智達光電股份有限公司
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-06-01
Also published as: TWI731473B; CN112821190A

Abstract

本揭露提供一種雷射元件，其包括磊晶結構、彼此相鄰的至少一第一發光孔和一第二發光孔、以及複數個凹部結構，所述凹部結構係形成於該磊晶結構內並且位於相鄰的發光孔之間。自該雷射元件之上視圖觀之，該複數個凹部結構中僅有一個位於該第一發光孔和該第二發光孔之間，且該第一發光孔和該第二發光孔的中心連線通過該凹部結構。

Description

雷射元件

本揭露是關於一種雷射元件，特別是關於一種垂直共振腔面射型雷射元件（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）。

有鑑於消費性電子產品中臉部辨識功能的普及、以及雷射元件於3D感測應用之趨勢的漸長，半導體雷射作為光源的使用勢必將有爆炸性的成長。

在3D感測應用領域中，以垂直共振腔面射型雷射元件（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）作為光源會面臨到光轉換效率的限制、必須減小元件尺寸、以及需進一步提升元件調變頻寬等挑戰。

鑑於前述，本揭露提出一種垂直共振腔面射型雷射元件（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）之設計，利用同平面金屬電極走向，產生大電流驅動而降低其串聯電阻（Rs）以降低熱干擾，進而提高VCSEL之光轉換效率。同時，本揭露利用VCSEL中濕氧化溝渠共用之設計，可縮小發光孔間距，進以縮小雷射元件的尺寸。此外，利用VCSEL中歐姆接觸的形態設計，可產生金屬屏蔽以減少高階模態數（High-ordered Mode），簡化其光頻頻譜，提升調變頻寬。

下文係參照圖式、並且以例示實施例說明本揭露之概念，在圖式或說明中，相似或相同的部分係使用相同的元件符號；再者，圖式係為利於理解而繪製，除具體指明的情況以外，圖式中各層之厚度和形狀皆非元件之實際尺寸或成比例關係。需特別注意的是，圖式中未繪示、或說明書中未描述之元件係可為熟習本揭露所屬領域技藝之人士所知之形式。

第1圖係根據本揭露之一例示實施例的雷射元件100之上視示意圖。第2A圖和第2B圖分別說明自第1圖中的線A-A’（通過凹部結構）和線B-B’（未通過凹部結構）所示之雷射元件100的剖面結構。為求圖面清晰，在第1圖中並未標示出覆於接觸層130上的保護層和電極結構（即第2A圖和第2B圖所示剖面結構中的保護層150和電極結構160）。

如第1圖和第2A~2B圖所示，雷射元件100包含基板110、磊晶結構120、位於磊晶結構120上的接觸層130以及發光孔。磊晶結構120包括第一半導體結構122、活性結構124和第二半導體結構126。雷射元件100還包括電流侷限層125，位於接觸層130和基板110之間。詳言之，電流侷限層125可位於活性結構124和第二半導體結構126之間或活性結構124和第一半導體結構122之間。電流侷限層125具有一開口125A用以讓電流流過而產生光，開口125A即定義為發光孔。開口125A的中心O即對應於雷射元件100整體的中心位置（亦為O）

雷射元件100還包括有複數個凹部結構140形成於磊晶結構120內，亦即，凹部結構140係形成於第一半導體結構122、活性結構124和第二半導體結構126內。詳言之，凹部結構140貫穿第一半導體結構122、活性結構124及一部分的第二半導體結構126以暴露出第二半導體結構126。或者，凹部結構140貫穿第一半導體結構122、活性結構124及第二半導體結構126以暴露出基板110。在本實施例中，凹部結構140係用以進行後續之氧化製程以形成電流侷限層125。在本實施例中，於上視圖視之，雷射元件100具有六個凹部結構140且開口125A係概呈圓形。各凹部結構140係具有一弧形邊界，弧形邊界是由兩相對長邊140L₁ 、140L₂ 和兩相對短邊140S₁ 、140S₂ 所構成。弧形邊界的兩相對長邊140L₁ 、140L₂ 係各為圓心角30°之圓弧。透過氧化製程或/及凹部結構140形狀的控制，可定義開口125A的尺寸及形狀，亦即定義雷射元件100發光孔的尺寸及形狀（將於後續進一步說明）。

接觸層130包括環形部130’、自環形部130’向內（向發光孔的中心）延伸突出的複數個延伸部130P及環形部開口130A。環形部開口130A之中心與開口125A相對應。複數個延伸部130P彼此不相連。延伸部130P的個數係相應於凹部結構140的個數。舉例來說，在本實施例中，延伸部130P與凹部結構140的個數為六個。在其他實施例中，延伸部130P與凹部結構140的個數可為2個、4個、8個、12個或14個。如第1圖所示，複數個延伸部130P中係與凹部結構140彼此對位，亦即一個延伸部130P對應於一個凹部結構140。

在本實施例中，接觸層130的各個延伸部130P自其環形部130向內突出之長度d為1~3微米。環形部130之向內突出的所有延伸部130P的總面積與環形部130之內圈圓之面積（即第2C圖中虛線圓的圓面積）之比例係介於6％～36％。延伸部130P的設計可避免尖端放電效應，提供了金屬屏蔽作用，有利於減少雷射元件100之高階模態數（high-ordered mode）。

雷射元件100進一步包括保護層150、電極結構160和背電極170。保護層150覆蓋接觸層130且覆蓋凹部結構140之底面和側面。電極結構160則位於保護層150上並填入凹槽部結構140內，供雷射元件100整體對外電性連接用。電極結構160可部分填入而未填滿凹部結構140或是完全填滿凹部結構140。背電極170覆蓋基板110且供雷射元件100整體對外電性連接用。電極結構160和背電極170包含金屬。

如第1圖和第2B圖所示，保護層150具有複數個保護層開口150A。延伸部130P（或凹部結構140）係與保護層開口150A錯位，亦即，每一延伸部130P1（或每一凹部結構140）未對應於每一保護層開口150A。

雷射元件100進一步選擇性地包括阻絕結構I形成於磊晶結構120中，用以阻絕橫向電流的傳遞以降低雷射元件整體串聯電阻，並進一步降低雷射元件的RC常數，有效提高調變的頻寬（即操作頻寬）。阻絕結構I可透過氧化製程或是離子佈植（ion implant）製程而形成。如第2A和2B圖所示，阻絕結構I形成於第二半導體結構126中。於其他實施例中，阻絕結構I可進一步形成於第一半導體結構122或/和活性結構124中。

在本實施例中，第一半導體結構122和第二半導體結構126分別包含複數個不同折射率的膜層交互週期性的堆疊（例如，高鋁含量的AlGaAs層及低鋁含量的AlGaAs層之交互週期性堆疊），以形成分散式布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector，DBR），使得自活性結構124發射的光可以在兩個反射鏡中反射以形成同調光。第一半導體結構122的反射率高於第二半導體結構126的反射率，藉此使同調光朝向電極結構160的方向射出。第一半導體結構122、第二半導體結構126及活性結構124之材料包含三五族化合物半導體，例如GaAs、InGaAs、AlGaAs、AlGaInAs、GaP、InGaP、AlInP、AlGaInP、GaN、InGaN、AlGaN、AlGaInN、AlAsSb、InGaAsP、InGaAsN或AlGaAsP等化合物。在本揭露內容之實施例中，若無特別說明，上述化學表示式包含「符合化學劑量之化合物」及「非符合化學劑量之化合物」，其中，「符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量相同；反之，「非符合化學劑量之化合物」例如為三族元素的總元素劑量與五族元素的總元素劑量不同。舉例而言，化學表示式為AlGaInAs即代表包含三族元素鋁（Al）及/或鎵（Ga）及/或銦（In），以及包含五族元素砷（As），其中三族元素（鋁及/或鎵及/或銦）的總元素劑量可以與五族元素（砷）的總元素劑量相同或相異。另外，若上述由化學表示式表示的各化合物為符合化學劑量之化合物時，AlGaAs代表Al_x1 Ga_（ _1-x1 _） As，其中，0>x1>1；AlInP代表Al_x2 In_（ _1-x2 _） P，其中，0>x2>1；AlGaInP代表（Al_y1 Ga_（ _1-y1 ）_1-x3 In_x3 P，其中，0>x3>1，0>y1>1；AlGaInAs代表（Al_y2 Ga_（ _1-y2 _））_1-x4 In_x4 As，其中，0≦x4≦1，0≦y2≦1；AlGaN代表Al_x5 Ga_（ _1-x5 _） N，其中，0>x5>1；AlAsSb代表 AlAs_x6 Sb_（ _1-x6 _），其中，0≦x6≦1；InGaP代表In_x7 Ga_（ _1-x7 _） P，其中，0>x7>1；InGaAsP代表In_x8 Ga_1-x8 As_1-y3 P_y3 ，其中，0≦x8≦1，0≦y3≦1；InGaAsN代表In_x8 Ga_1-x8 As_1-y4 N_y4 ，其中，0>x9>1，0>y4>1；AlGaAsP代表Al_x10 Ga_1-x10 As_1-y5 P_y5 ，其中，0>x10>1，0>y5>1InGaAs代表In_x11 Ga_（ _1-x11 _） As，其中，0>x11>1；InGaN代表In_x12 Ga_（ _1-x12 _） N，其中，0>x12>1；AlGaInN代表（Al_y6 Ga_（ _1-y6 ）_1-x13 In_x13 P，其中，0>x13>1，0>y6>1。

視其材料不同，活性結構124可發出峰值波長（peak wavelength）介於700 nm及 1700 nm的紅外光、峰值波長介於610 nm及700 nm之間的紅光、峰值波長介於530 nm及570 nm之間的黃光、峰值波長介於490 nm及550 nm之間的綠光、峰值波長介於400 nm及490 nm之間的藍光或深藍光、或是峰值波長介於250 nm及400 nm之間的紫外光。在本實施例中，活性結構204的峰值波長為介於750 nm及1200 nm之間的紅外光。

如上所述，當第一半導體結構122和第二半導體結構122包含複數個的膜層且皆包含鋁時，可使得第一半導體結構202中之其中一層或多層之鋁含量大於97%（定義為電流侷限層125）且大於活性結構124、第一半導體結構122之其他膜層及第二半導體結構126的鋁含量，藉此，在進行氧化製程後，具有鋁含量大於97%之該層或該些層之部分會被氧化以形成電流侷限層（例如：氧化鋁），未被氧化之部分則為開口。詳言之，當凹部結構140形成於第一半導體結構122、活性結構124及第二半導體結構126中時，第一半導體結構122、活性結構124及第二半導體結構126的側壁會被曝露出，因此當雷射元件100設置於一含氧的環境時，氧氣會透過凹部結構140和第一半導體結構122、活性結構124或第二半導體結構126發生化學反應進而形成電流侷限層125。因此，透過凹部結構140的配置位置及數量和氧化製程的控制（例如氧氣濃度或/及氧化時間），可調整電流侷限層125的深度H1及形狀（氧化鋁的深度）進而定義開口125A的形狀。在本實施例中，由上視圖視之，電流侷限層125為一概呈環形，且開口125A為概呈圓形。

類似地，可設計第一半導體結構122、第二半導體結構126和活性結構124的材料，進行濕式氧化製程以形成阻絕結構I於其中。如第2A和2B圖所示，阻絕結構I具有一深度H2小於電流侷限層125之一深度H1。深度H1為6-12um且深度H2為2 um -5um。或者，佈植氫離子（H⁺ ）、氦離子（He⁺ ）或氬離子（Ar⁺ ）來進行離子佈植製程以形成阻絕結構I。在一實施例中，當電流侷限層125藉由離子佈植製程所形成時，雷射元件100可不具有凹部結構140。

接觸層130係為一歐姆接觸層且與磊晶結構120形成電連接，其材料可包括金屬、金屬合金、金屬氧化物或半導體。金屬包括鋁（Al）、銀（Ag）、鉻（Cr）、鉑（Pt）、鎳（Ni）、鍺（Ge）、鈹（Be）、金（Au）、鈦（Ti）、鎢（W）或鋅（Zn）。金屬合金包括上述金屬之合金。金屬氧化物（透明導電氧化物，Transparent Conductive Oxide, TCO）包括氧化銦錫（ITO）、氧化銦（InO）、氧化錫（SnO）、氧化鎘錫（CTO）、氧化銻錫（ATO）、氧化鋁鋅（AZO）、氧化鋅錫（ZTO）、氧化鎵鋅（GZO）、氧化銦鎢（IWO）、氧化鋅（ZnO）或氧化銦鋅（IZO）。半導體包含AlGaAs、GaAs或InGaP 。

第3圖為根據本揭露之一實施例的雷射元件200的上視示意圖。第4A圖和第4B圖分別為第3圖中的線A-A’線B-B’所示之雷射元件200的剖面結構。第3圖、第4A圖至第4B圖與第1圖、第2A圖至第2B圖係以相同符號描述相同元件，並且這些元件的材料及特性如前所述，故不再贅述。為求圖面清晰，在第3圖之上視示意圖中並未標示出覆於接觸層130上的保護層和電極結構（即第4A圖和第4B圖所示剖面結構中的保護層150和電極結構160）。

如第3圖所示，雷射元件200包含複數個發光孔，發光孔即為雷射元件200中電流侷限層125之開口125A。發光孔係以一陣列方式排列。於一上視圖中，雷射元件200中的複數個開口125A（發光孔）係採最密堆積方式排列。本實施例中，複數個開口係採六方最密堆積方式排列，亦即每一個開口周圍皆形成有六個相鄰的開口。再者，六個凹部結構140圍繞一個開口且每一凹部結構140位於兩個鄰近的開口之間。在一實施例中，每一個開口周圍皆形成有大於兩個（例如：三個、四個或五個）相鄰的開口。換言之，大於兩個（例如：三個、四個或五個）凹部結構140圍繞一個開口且每一凹部結構140位於兩個鄰近的開口之間。

如前述說明，凹部結構140係用以進行氧化製程。當進行氧化製程時，氧氣係以各個方向進行化學反應，因此，於雷射元件200中，透過凹部結構140，可同時往兩側（兩相對長邊140L2，如第1圖所示）形成電流侷限層以定義開口，換言之，每一個開口125A皆分別與鄰近的開口125A共用其間的凹部結構140。詳言之，如第4A圖所示，以兩個相鄰之開口125A1及125A2為例，透過凹部結構140A以形成電流侷限層1252；透過凹部結構140B以形成電流侷限層1251；透過凹部結構140C以形成電流侷限層1253。電流侷限層1252、1251定義開口125A1；電流侷限層1252、1253定義開口125A2。由上可知，僅透過三個凹部結構（非圍繞同一開口）則可定義出兩個開口（發光孔），亦即，兩個相鄰的開口共用其間的凹部結構140或是兩個相鄰的開口之間僅有一個凹部結構140。由一剖面圖觀之，，雷射元件200具有N個凹部結構及N-1個開口（發光孔），N為正整數。於一實施例中，N為大於2之正整數。於其他實施例中，N並無特別限制，其可為例如大於3、4、5、6、7，…，係端視於雷射元件200之規格（即所需之發光孔數量）而加以選擇。

如前所述，每一開口125之形狀係透過六個圍繞於旁的凹部結構140進行氧化製程所共同定義，上述僅以剖面圖而作簡單說明，並非表示一個凹部結構140即可定義一個開口。因此，參考第3圖，六個凹部結構140可共同定義一開口125A且進而同時定義相鄰之六個開口，詳言之，該六個凹部結構140中的每一個可同時對其兩側（兩相對長邊140L2，如第1圖所示）形成電流侷限層進而定義兩側的開口。換言之，圍繞於一開口125A的六個凹部結構140皆可與相鄰的開口共用其間的凹部結構140，使得相鄰開口之間的間距得以進一步縮小。在其他實施例中，可依據實際應用，圍繞於一開口125A的六個凹部結構140中，僅有二、三、四、或五個與相鄰的開口共用其間的凹部結構140。

如第3圖所示，因雷射元件200中的複數個開口125A（發光孔）採六方最密堆積方式排列，使得在雷射元件的相鄰三個發光孔125A₁ 、125A₂ 、125A₃ 中，第一發光孔125A₁ 的中心O₁ 與第二發光孔125A₂ 的中心O₂ 之間的距離D12等於第二發光孔125A₂ 之中心O₂ 與第三發光孔125A₃ 之中心O₃ 的距離D23。在本實施例中，第一發光孔125A₁ 和第二發光孔125A₂ 的中心連線O₁ -O₂ 通過凹部結構140B，第二發光孔125A₂ 和第三發光孔125A₃ 的中心連線O₂ -O₃ 通過凹部結構140D，且第三發光孔125A₃ 和第一發光孔125A₁ 的中心連線O₃ -O₁ 通過凹部結構140E。

在本實施例中，接觸層130係形成為具有複數個彼此分離之環形部130’，且每一個環形部130’的環形部開口130A之中心與各個對應的開口125A相對應。由剖面圖視之，相鄰的環形部130’之間係由一凹部結構140予以分隔。

此外，選擇性地，雷射元件200可包含複數個彼此分離且不連續的阻絕結構I，用以阻絕橫向電流的傳遞。阻絕結構I係形成於相鄰的開口125A（或凹部結構140）之間，換言之，複數個開口125A（或凹部結構140）圍繞一阻絕結構I。在本實施例中，在彼此相鄰的三個開口125A（或凹部結構140）圍繞一阻絕結構I。再者，任兩個阻絕結構I之間具有一個凹部結構140。

本揭露之雷射元件係一垂直共振腔面射型雷射元件（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL），特別是一種具有緊密排列之發光孔的VCSEL。在本揭露中，藉由在雷射元件中共用實施濕式氧化製程所需之凹部結構，使得相鄰開口（發光孔）之間的間距得以進一步縮小，從而提高雷射元件的辨識效率並且降低封裝成本。

根據本揭露，雷射元件的每一個發光孔周圍皆形成有均勻分佈（即在周圍呈相隔60度之配置）的六個凹部結構，藉由通過六個凹部結構實施濕式氧化製程，可於雷射元件磊晶結構中形成概呈圓形的開口（即雷射元件之發光孔）。根據本揭露，每一個凹部結構皆為其相鄰的兩個發光孔所共用，從而使得本揭露之雷射元件中的複數個發光孔得以最密堆積方式排列，增加雷射元件中發光孔結構的佈局空間。

在本揭露中，在相鄰的發光孔結構之間的電流注入路徑上形成有阻絕結構，可阻斷兩個發光孔結構之間的橫向電流以降低其串聯電阻（Series Resistance，Rs），從而降低雷射元件的RC常數，有效提高調變的頻寬（即操作頻寬）。再者，本揭露之電極結構大致上都形成於同一平面上，藉此可縮短電流路徑，減少串聯電阻，且有助於降低雷射元件的熱干擾，提高雷射元件的光轉換效率。在一實施例中，當雷射元件於大電流（0.5A以上）操作下時，上述之功效會特別顯著。

在本揭露中，雷射元件的接觸層係為環形部結構，且具有向內延伸的延伸部，從而可避免電流的尖端放電效應，產生金屬屏蔽作用，從而減少高階模態數以使光頻譜簡單化。如此，本揭露之雷射元件因具有相對簡單光譜之光模態，在應用時能使光偵測器產生較佳的光響應，提升辨識效率。

綜上所述，本揭露提供一種具有極佳光電特性的雷射元件，其具有高光轉換效率、小尺寸、有效提高的操作頻寬和辨識率，深具有3D感測應用潛力。

需注意的是，本揭露所提之前述實施例係僅用於例示說明本揭露，而非用於限制本揭露之範圍。熟習本揭露所屬領域技藝之人對本揭露所進行之諸般修飾和變化皆不脫離本揭露之精神與範疇。不同實施例中相同或相似的構件、或不同實施例中以相同元件符號表示的構件係具有相同的物理或化學特性。此外，在適當的情況下，本揭露之上述實施例係可互相組合或替換，而非僅限於上文所描述的特定實施例。在一實施例中所描述的特定構件與其他構件的連接關係亦可應用於其他實施例中，其皆落於本揭露如附申請專利範圍之範疇。

100:雷射元件 110:基板 120:磊晶結構 122:第一半導體結構 124:活性結構 125、1251、1252、1253:電流侷限層 125A、125A₁ 、125A₂ 、125A₃ :開口/發光孔 126:第二半導體結構 130:接觸層 130’:環形部 130A:環形部開口 130P:延伸部 140、140A、140B、140C、140D、140E:凹部結構 140L₁ 、140L₂ :長邊 140S₁ 、140S₂ :短邊 150:保護層 150A:保護層開口 160:電極結構 200:雷射元件 I:阻絕結構 O、O₁ 、O₂ 、O₃ :開口的中心/發光孔的中心 H₁ 、H₂ :深度 D12、D23:距離

為能更進一步瞭解本揭露之特徵與技術內容，請參閱下述有關本揭露實施例之詳細說明及如附圖式。惟所揭詳細特徵說明及如附圖式係謹提供參考與說明之用，並非用以對本發明加以限制；其中：

第1圖係根據本揭露之一實施例的雷射元件之上視圖；

第2A圖和第2B圖為剖面示意圖，分別示意說明自第1圖中的線A-A’和線B-B’所示之雷射元件的剖面結構；

第3圖係根據本揭露之一實施例的雷射元件之上視示意圖；

第4A圖和第4B圖說明自第3圖中的線A-A’和線B-B’所示之雷射元件的剖面結構示意圖；以及

100:雷射元件

125A:電流侷限層

130:金屬接觸層

130’:環形部

130A:環形部開口

130P:延伸部

140:凹部結構

140L₁ 、140L₂ :長邊

140S₁ 、140S₂ :短邊

150A:保護層開口

I:阻絕結構

Claims

一種雷射元件，包括：磊晶結構；複數個發光孔，彼此相鄰且至少包含一第一發光孔和一第二發光孔；以及複數個凹部結構，係各形成於該磊晶結構內且位於該複數個發光孔之間；其中，自該雷射元件之上視圖觀之，該複數個凹部結構中僅有一個位於該第一發光孔和該第二發光孔之間，且該第一發光孔和該第二發光孔的中心連線通過該凹部結構。
如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，其中，自該雷射元件之一剖面圖觀之，該雷射元件具有N個凹部結構及N-1個發光孔，N為大於2之正整數。
如申請專利範圍第1項所述之雷射元件，更包含一接觸層，該接觸層包括一環形部及自該環形部向內延伸的複數個延伸部。
一種雷射元件，包括：一基板；一磊晶結構，位於該基板上；一電流侷限層，具有一開口；以及一接觸層，位於該磊晶結構上且具有一環形部以及自該環形部向內延伸的複數個延伸部。
如申請專利範圍第4項所述之雷射元件，更包括複數個凹部結構，所述複數個凹部結構係形成於該磊晶結構內且圍繞該開口。
如申請專利範圍第3項或第5項所述之雷射元件，其中，自該雷射元件之上視圖觀之，所述複數個延伸部之各該延伸部係與所述複數個凹部結構之各該凹部結構對位。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之雷射元件，更包括一保護層，係位於該接觸層上方且形成為具有複數個保護層開口，其中，由該雷射元件之上視圖觀之，所述複數個延伸部之各該延伸部係與所述複數個保護層開口之各該保護層開口錯位。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之雷射元件，其中，由該雷射元件之上視圖觀之，各該延伸部自該環形部向內延伸之一長度係1~3微米。
如申請專利範圍第3項或第4項所述之雷射元件，其中，由該雷射元件之上視圖觀之，自各該環形部向內延伸之所述複數個延伸部的總面積與各該環形部內圈圓面積之比例係介於6％～36％。
如申請專利範圍第1項或第4項所述之雷射元件，更包括一阻絕結構，形成於該磊晶結構中。