TW202339379A - 具有電流均勻層的面射型雷射磊晶結構 - Google Patents

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Abstract

一種具有電流均勻層的面射型雷射磊晶結構，包含基板、第一磊晶區、主動區以及N型電流均勻層。第一磊晶區是位於基板之上，主動區是位於第一磊晶區之上，N型電流均勻層是設置於該第一磊晶區之中並且不與該主動區直接接觸，該N型電流均勻層更包含一N型摻雜元素，該N型摻雜元素是選自於Si及Se所組成群組的至少一者。由於下磊晶區中的電流分布面積顯著擴大，所以下磊晶區的電阻得以下降，因此面射型雷射的功率轉換效率能得到明顯提升。此外，電流均勻層不會與主動區太過靠近而吸收主動區放出的光，除了能避免出光功率變低，同時確保主動區放出的光可以被具有高反射率的下DBR層反射。

Description

具有電流均勻層的面射型雷射磊晶結構
相關申請案
本發明係主張台灣專利申請案第111110938號（申請日:2022年03月23日）及台灣專利申請案第111122449號（申請日:2022年06月16日）之國內優先權，該申請案之完整內容納入本發明專利說明書以供參照。
一種面射型雷射磊晶結構，尤其是具有電流均勻層的面射型雷射磊晶結構，適合製作高密度的面射型雷射陣列。
面射型雷射磊晶結構可以製作成面射型雷射 (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL) 或面射型雷射陣列(VCSEL array)。面射型雷射陣列的下磊晶區（下磊晶區是在主動區與基板之間的多層結構）的面積是晶粒狀的面射型雷射的數倍或數千倍以上，如果電流的分布區域沒有變大，則下磊晶區的電阻將會很大，VCSEL的功率轉換效率也會變低。
美國專利公開號 US 2018/0175587 A1是一種面射型雷射陣列，但是其電流均勻層(Current spreading layer)210是位於多重量子井(MQW)層216之上，並未教示電流均勻層是位於多重量子井層216下方。
美國專利公告號 US 6549556B1雖揭露主動區115下方的電流均勻層 (Current spreading layer) 116，但是該案並非面射型雷射陣列，其下磊晶區的面積因為很小，電流本來就夠均勻分佈其中。此案也未教示電流均勻層是設置在下腔鏡之中。要注意的是，此案的下腔鏡的材料是介電材料，電流難以流入其中。
提供一種具有電流均勻層的面射型雷射磊晶結構，其包含基板、第一磊晶區、主動區與電流均勻層。基板之上依序磊晶成長第一磊晶區與主動區，其中電流均勻層是插設在第一磊晶區之中並且「不與該主動區直接接觸」。
由於下磊晶區中的電流分布面積顯著擴大，所以下磊晶區的電阻得以下降，因此面射型雷射的功率轉換效率(Power Conversion Effciency, PCE)能得到明顯提升。此外，「不與該主動區直接接觸」的另一好處是，電流均勻層不會與主動區太過靠近而吸收主動區放出的光，除了能避免出光功率變低，同時確保主動區放出的光可以被具有高反射率的下DBR層反射。所謂的「不與該主動區直接接觸」是可以在主動區跟電流均勻層之間設置至少一半導體層，比如間隔層、穿隧接面層或其他適當半導體層。
當VCSEL陣列的密集度越高，下磊晶區的電流分布面積也會很大，如此具有電流均勻層的VCSEL陣列的電阻會明顯低於沒有設置電流均勻層的VCSEL陣列，因此高密度VCSEL陣列的功率轉換效率能夠明顯提升，也較不影響VCSEL的出光功率或特性。
在一實施例，當該基板為GaAs時，該N型電流均勻層係選自由以下材料所構成之群組的至少其中之一： GaAs、GaAsP、InGaP、InGaPN、InGaPSb、InGaPBi、 InGaAsP、InAlGaP、InAlGaPN、InAlGaPBi、InAlGaPSb、AlGaAs、AlGaAsP、AlGaAsSb。
在一實施例，上述材料中的AlGaAs、AlGaAsP、AlGaAsSb的鋁成分小於或等於30%。若是N型的電流均勻層中的鋁成分小於30％，則載子位障會較低，所以電阻也較小。
在一實施例，當該基板為InP時，該N型電流均勻層係選自由以下材料所構成之群組的至少其中之一：InGaAs、InGaAsSb、GaAsSb、InP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs、InAlAsSb、InAlGaAsSb、AlAsSb。
因為電流均勻層與GaAs或AlGaAs半導體層之間的導電帶不連續（△Ec）比較小，所以載子位障小，即電阻較小。又，相較於P型的半導體層，N型電流均勻層的光吸收率較低，較不影響VCSEL的出光功率。
垂直共振腔面射型雷射(陣列)是正面出光型或背面出光型的垂直共振腔面射型雷射(陣列)。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式作更詳細的說明， 俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。為便於理解本發明，圖式中僅繪製出雷射二極體的部分結構，並非限制雷射二極體僅由下述結構所構成。圖式中各層之間的厚度比例也非實際比例，應根據實際需要而調整各層的厚度。
以下描述具體的元件及其排列的例子以簡化本發明。當然這些僅 是例子且不該以此限定本發明的範圍。例如，在描述中提及一層於另一層之上時，其可能包括該層與該另一層層直接接觸的實施例，也可能包括兩者之間有其他元件或磊晶層形成而沒有直接接觸的實施例。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號及/或符號，這些重複僅為了簡單清楚地敘述一些實施例，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間有特定關聯。
此外，其中可能用到與空間相關的用詞，像是“在...下方”、“下方”、 “較低的”、“上方”、“較高的”及類似的用詞，這些關係詞係為了便於描述圖式中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。這些空間關係詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。
本發明說明書提供不同的實施例來說明不同實施方式的技術特 徵。舉例而言，全文說明書中所指的“一些實施例”意味著在實施例中描述到的特定特徵、結構、或特色至少包含在一實施例中。因此，全文說明書不同地方所出現的片語“在一些實施例中”所指不一定為相同的實施例。
此外，特定的特徵、結構、或特色可在一或多個的實施例中透過 任何合適的方法結合。進一步地，對於在此所使用的用語“包括”、“具有”、“有”、“其中”或前述之變換，這些語意類似於用語“包括”來包含相應的特徵。
此外，”層”可以是單一層或者包含是多層；而一磊晶層的”一部分” 可能是該磊晶層的一層或互為相鄰的複數層。
現有技術中，雷射二極體可依據實際需求而選擇性的設置緩衝層， 且在一些實例中，緩衝層可與基板在材質是相同的。且緩衝層設置與否，跟以下實施例所欲講述的技術特點與所欲提供的效果並無實質相關，因此為了簡要示例說明，以下實施例僅以具有緩衝層的雷射二極體來做為說明用的示例，而不另贅述沒有設置緩衝層的雷射二極體，也就是以下實施例如置換無緩衝層的雷射二極體也能一體適用。
實施例1、2
如圖1a的實施例所示，面射型雷射磊晶結構100包含基板10、歐姆接觸層11、第一磊晶區E1、主動區A、第二磊晶區E2、電流均勻層18以及上歐姆接觸層19；第一磊晶區E1係包含緩衝層12、下DBR層14 、間隔層16與電流均勻層18；主動區A包含一或多主動層，一主動層可包含一量子井(Quantum Well)層或多重量子井層(Multiple Quantum Wells, MQWs)。上歐姆接觸層19是位於第二磊晶區E2之上。本文的磊晶層或磊晶結構可透過金屬有機化學氣相沉積法 (MOCVD)形成。
在圖1a或圖1b的實施例，N型電流均勻層18是插入於下DBR層14 之中。下DBR層14是由數對到數十對交替層構成，一交替層由高折射率與低折射率層構成。如圖1a所示，將電流均勻層18是設置於下DBR層14中且靠近於主動區A的部分，電流均勻層18能對下DBR層14的大多數層提供電流橫向(水平方向)擴散的效果，因此下DBR層的電阻能變小。本文所稱的橫向為平行(大致平行)於磊晶平面方向。
如圖1a所示，歐姆接觸層11是設置於基板10之下，即基板10是位 於歐姆接觸層11跟緩衝層12之間。或者如圖1b所示，歐姆接觸層11可設置於緩衝層12與N型下DBR層14之間。根據實際需求，歐姆接觸層11還可設置於緩衝層之中或N型下DBR層14之中（圖未顯示）。
圖1a與圖1b中的第一磊晶區E1中的各磊晶層為N型材料。第二磊 晶區E2中的各磊晶層可以為P型磊晶層。或者，透過在第二磊晶區E2中設置穿隧接面層，使第二磊晶區E2包含P型磊晶層與N型磊晶層。
實施例3
如圖2的VCSEL102所示，下DBR層14包含N型區141、穿隧接面層143、P型區145與電流均勻層18，其中電流均勻層18是插入於N型區141之中。穿隧接面層143是介於N型區141與P型區145之間。N型區141包含多個N型的交替層，P型區145包含多個P型的交替層。由於P型區145的交替層的介面電阻較低，如此下DBR層14的電阻還能進一步降低。
實施例4
如圖3的VCSEL103所示，穿隧接面層143是設置於間隔層16與下 DBR層14之間。在圖3的實施例，穿隧接面層143與基板10之間的各磊晶層為N型，穿隧接面層143與主動區A之間的間隔層為P型。其中，電流均勻層18是設置於下DBR層之中且靠近主動區(在此設電流是從主動層往基板的方向移動)，因此電流在下DBR層的大多數層能橫向擴散，即電流在下DBR層中的的分佈區域廣大。
另一方面，電流經過基板時也不容易橫向擴散，因此將電流均勻層直接或間接設置在基板之上，也能使基板中的電流分布面積明顯擴大，下文介紹具體實施方式。下列任一實施例能與上述任一實施例能任意搭配使用。
實施例5
如圖4的VCSEL104所示，當基板是導電性基板10a時，歐姆接觸層 11可設置於導電性基板10a之下，但不以此為限 。歐姆接觸層11也能根據需求設置於導電性基板10a之上。在本實施例，電流均勻層18是直接設置於基板10b之上。其中，電流均勻層18的一部分的摻雜濃度須高於基板10a的摻雜濃度。
實施例6
如圖5的VCSEL105所示，基板是半絕緣性基板(semi-insulating substrate)10b，歐姆接觸層11是設置於半絕緣性基板10b之上。較佳的，電流均勻層18是設置於歐姆接觸層之中且靠近半絕緣性基板10b的部分。以圖5而言，電流均勻層18是設置於緩衝層12及歐姆接觸層11之間，或者電流均勻層18設置於歐姆接觸層的下側部，其中歐姆接觸層11的上側部分係摻雜矽（Si）、硒（Se）或其他適當摻雜元素。
在一實施例，當電流均勻層是設置在歐姆接觸層的上側部分時，歐姆接觸層的下側部分可摻雜Si、Se或其他適當摻雜元素。或者，當電流均勻層是設置於歐姆接觸層的中間部分時，則歐姆接觸層中的上側部分及/或下側部分可摻雜Si、Se或其他適當摻雜元素。
實施例7
如圖6的VCSEL106所示，下磊晶區E1設置兩電流均勻層18、181，電流均勻層18是設置在下DBR層14中，另一電流均勻層181則設置在基板10與下DBR層14之間。
上述任一實施例中，較佳的，電流均勻層的材料是GaAs、GaAsSb、 InGaAs、InGaAsSb、InGaP、AlGaAs、GaAsP、AlGaInP或上述的組合，且電流均勻層是摻雜Selenium（Se）或Silicon（Si）。電流均勻層的材料因為與GaAs或AlGaAs半導體層之間的導電帶不連續（△Ec）比較小，所以載子位障小，即電阻較小。又，相較於P型的半導體層，N型電流均勻層的光吸收率較低，較不影響VCSEL的出光功率。第二磊晶區E2中也可設置有上DBR層14a。
在一實施例，該N型摻雜元素的摻雜濃度是等於或大於4x10 18/cm 3。在一實施例，Se的活化的摻雜濃度是等於或大於6 x10 18/cm 3。若是N型摻雜元素的摻雜濃度明顯少於4x10 18/cm 3或是電流均勻層的Se的活化的摻雜濃度明顯少於6x10 18/cm 3，則電流均勻層的電流均勻擴散的效果可能不理想。
圖7為實施例1與對照組的L-I-V曲線。實施例1與對照組都是放光波長為940nm的VCSEL的陣列、均包含85個發光區(emitter)，且任兩相鄰的發光區的間隔約為40µm(中心到中心)、下DBR層是由GaAs高折射率層與AlGaAs低折射率層組成。圖7的電流與功率轉換效率是每一個發光區的電流與功率轉換效率，是取85個發光區的平均值。
實施例1與對照組的差異在於，對照組並未在下磊晶區設置電流均勻層，而實施例1則是在下DBR層之中設置有電流均勻層(參圖1)。實施例1的電流均勻層是摻雜Si，其中Si的摻雜濃度為5x10 18/cm 3。
從圖7可知，實施例1與對照組都有相同的輸出功率，但是實施例1的工作電壓較低，可知下DBR層的電阻是較低。所以可以知道，實施例1的功率轉換效率明顯優於對照組的的功率轉換效率。
在電流均勻層直接或間接設置於基板之上的實施例，如圖4或圖5的示範性實施例，其中電流均勻層也可以是量子井結構。較佳的，量子井結構是應力補償型的量子井結構。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對 本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
100、101、102、103、104、105、106:面射型雷射磊晶結構 10:基板 11:歐姆接觸層 12:緩衝層 14:下DBR層 16:間隔層 18:N型電流均勻層 19:上歐姆接觸層 141:N型區 143:穿隧接面層 145:P型區 10a:導電性基板 10b:半絕緣性基板 14a:上DBR層 A:主動區 E1:第一磊晶區 E2:第二磊晶區
圖1a為本文一實施例之N型電流均勻層與主動區相距一適當距離的的示意圖，其中歐姆接觸層在基板之下。 圖1b為本文一實施例之N型電流均勻層與主動區相距一適當距離的的示意圖，其中歐姆接觸層在基板之上。 圖2為本文一實施例之電流均勻層與穿隧接面層均設置於下DBR層中的示意圖。 圖3為本文一實施例之穿隧接面層設置於下DBR層之上的示意圖。 圖4為本文一實施例之電流均勻層直接設置於導電性基板之上的示意圖。 圖5為本文一實施例之電流均勻層設置於歐姆接觸層之靠近基板的部分的示意圖。 圖6為本文一實施例之第一磊晶區中更包含兩電流均勻層的示意圖。 圖7為實施例1與對照組的L-I-V曲線。
100:面射型雷射磊晶結構
10:基板
11:歐姆接觸層
12:緩衝層
14:下DBR層
16:間隔層
18:電流均勻層
19:上歐姆接觸層
A:主動區
E1:第一磊晶區
E2:第二磊晶區

Claims (19)

  1. 一種面射型雷射磊晶結構，包括： 一基板； 一第一磊晶區，位於該基板之上； 一主動區，於該第一磊晶區之上；以及 一N型電流均勻層，係設置於該第一磊晶區之中並且不與該主動區直接接觸，該N型電流均勻層更包含一N型摻雜元素，該N型摻雜元素是選自於Si及Se所組成群組的至少一者。
  2. 如請求項1所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該第一磊晶區更包含一下DBR層，該下DBR層不與該主動區直接接觸，該下DBR層的至少一部分為一N型區，該N型電流均勻層是插入於該N型區之中。
  3. 如請求項2所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該下DBR層更包含一穿隧接面層與一P型區，該穿隧接面層是在該N型區與該P型區之間，其中，該電流均勻層是插入於該N型區之中，該N型區是設置在該下DBR層之中且靠近於該主動區。
  4. 如請求項2所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該第一磊晶區更包含一穿隧接面層，該穿隧接面層是設置在該主動區與該電流均勻層之間或設置於該主動區與該下DBR層之間。
  5. 如請求項1所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該第一磊晶區更包含一間隔層，該間隔層是設置在該主動區與該N型電流均勻層之間。
  6. 如請求項1所述之面射型雷射磊晶結構，其中，當該基板為GaAs時，該N型電流均勻層係選自由以下材料所構成之群組的至少其中之一： GaAs、GaAsP、InGaP、InGaPN、InGaPSb、InGaPBi、 InGaAsP、InAlGaP、InAlGaPN、InAlGaPBi、InAlGaPSb、AlGaAs、AlGaAsP、AlGaAsSb。
  7. 如請求項6所述之面射型雷射磊晶結構，其中，AlGaAs、AlGaAsP或AlGaAsSb的鋁成分小於或等於30%。
  8. 如請求項1所述之面射型雷射磊晶結構，其中，當該基板為InP時，該N型電流均勻層係選自由以下材料所構成之群組的至少其中之一：InGaAs、InGaAsSb、GaAsSb、InP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs、InAlAsSb、InAlGaAsSb、AlAsSb。
  9. 如請求項1所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該N型摻雜元素的摻雜濃度等於或大於4x10 18/cm 3。
  10. 如請求項1所述之面射型雷射磊晶結構，其中，Se的摻雜濃度等於或大於6 x10 18/cm 3。
  11. 一種面射型雷射磊晶結構，包括： 一基板； 一第一磊晶區，位於該基板之上，包含一下DBR層；以及 一N型電流均勻層，係位於該下DBR層與該基板之間，該N型電流均勻層更包含一N型摻雜元素，該N型摻雜元素是選自於Si及Se所組成群組的至少一者。
  12. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該基板為導電性基板，該N型電流均勻層是設置於該基板與該下DBR層之間，該N型電流均勻層是直接或間接設置於該基板之上。
  13. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該第一磊晶區更包含一歐姆接觸層，該歐姆接觸層係設置於該下DBR層與該基板之間，且該N型電流均勻層設置於該歐姆接觸層與該基板之間。
  14. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該第一磊晶區更包含一歐姆接觸層，而該基板為一半絕緣性基板，該歐姆接觸層設置於該下DBR層與該基板之間，且該N型電流均勻層為該歐姆接觸層的一部分。
  15. 如請求項14所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該歐姆接觸層包含一部分與另一部分，該部分相鄰於該另一部份，該部分之中設置有該N型電流均勻層，該另一部份更摻雜矽（Si）、硒（Se）或其組合。
  16. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中，當該基板為GaAs時，該N型電流均勻層係選自由以下材料所構成之群組的至少其中之一： GaAs、GaAsP、InGaP、InGaPN、InGaPSb、InGaPBi、 InGaAsP、InAlGaP、InAlGaPN、InAlGaPBi、InAlGaPSb、AlGaAs、AlGaAsP、AlGaAsSb其中，AlGaAs、AlGaAsP、AlGaAsSb的鋁成分小於或等於30%。
  17. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中，當該基板為InP時，該N型電流均勻層係選自由以下材料所構成之群組的至少其中之一：InGaAs、InGaAsSb、GaAsSb、InP、InGaAsP、InAlAs、InAlGaAs、InAlAsSb、InAlGaAsSb、AlAsSb。
  18. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中，該N型摻雜元素的摻雜濃度等於或大於4x10 18/cm 3。
  19. 如請求項11所述之面射型雷射磊晶結構，其中， Se的摻雜濃度等於或大於6 x10 18/cm 3。
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