TW202406259A - 半導體雷射二極體 - Google Patents

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Abstract

一種半導體雷射二極體，包括基板、下磊晶區、主動區與上磊晶區。下磊晶區位於基板之上，下磊晶區包含下DBR層；主動區位於下磊晶區之上；上磊晶區位於主動區之上，上磊晶區包含上DBR層；其中該下DBR層包含P型下DBR區，該上DBR層包含n型上DBR區。

Description

半導體雷射二極體
一種半導體雷射二極體，尤其是一種適合操作於大電流密度下的一維或二維半導體雷射二極體陣列。
垂直共振腔表面放射雷射二極體（Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode, VCSEL）可以用來做為3D感測、光通訊或紅外線照明的光源。
參圖1a，圖1a是現有技術中的一種VCSEL的磊晶結構示意圖。如圖1a所示，VCSEL100’包含N型的基板10’、下DBR層20’、主動區A’與N型的上DBR層40’。下DBR層20’或上DBR層40’的設置層數通常多達數十層。當基板10’與下DBR層20’的導電類型都是N型時，上DBR層的導電類型則是P型。P型磊晶層的多數載子(majority carrier)是電洞。電洞的有效質量(effective mass)比電子大、遷移率(mobility)比電子低，所以P型磊晶層的材料的電阻比N型磊晶層大。
圖1b是現有技術中的一種具有穿隧接面層的VCSEL的磊晶結構示意圖。圖1b的基板10’也是N型，當在主動區A’跟上DBR層40’之間設置穿隧接面層TJ’，則上DBR層40’的全部會是成n型層。
對於單一晶粒形式的VCSEL(非VCSEL陣列)來說，使上DBR層與下DBR層的各層都是N型，確實能提高單一晶粒的VCSEL的出光功率，但是對VCSEL陣列而言，出光功率卻難以甚至無法提升。
眾所周知的是N型材料的材料電阻小於P型材料的材料電阻。但其實相鄰的兩n型材料(如高折射率材料、低折射率材料) 之間的介面電阻可能很大。以Al xGa 1-xAs的N型DBR層為例，由於N型DBR層的反射率需要接近100%，所以高、低折射層的折射率的差距應必須夠大，比如使高折射率層（GaAs）的鋁含量是0%，低折射率層（Al 0.8Ga 0.2As）的鋁含量可能在80%。但n型Al xGa 1-xAs的鋁成分超過40%後，Al xGa 1-xAs的能帶結構會從直接能隙轉為間接能隙，導致電子通過N型下DBR層時會受到阻礙。但是，P型Al xGa 1-xAs並不會從直接能隙轉為間接能隙，且能帶結構較為平緩，電子通過P型AlGaAs層時較可以順利通過，電流也較容易分散。
在一實施例中，一種半導體雷射二極體，包括：一基板；一下磊晶區，位於該基板之上，包含一下DBR層；一主動區，位於該下磊晶區之上；一上磊晶區，位於該主動區之上，包含一上DBR層；其中，該下DBR層包含一P型下DBR區，該上DBR層包含一N型上DBR區。
在一實施例中，當上DBR層的多數層為N型，以及下DBR層的多數層或各層為P型，如此上磊晶區的N型多數層對光的吸收較少，而下磊晶區的P型多數層的介面電阻小。
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。
下文如稱DBR層，則DBR層是指上DBR層或下DBR層或兩者。DBR 層是一種將低折射率層以 及高折射率層交替堆疊的周期性結構，以形成具有高反射率的結構。DBR層可包含數對至數十對的交替結構。
本文的各實施例是顯示面射型雷射二極體磊晶結構，各實施 例的主要結構包含基板10、下磊晶區E1、主動區A與上磊晶區E2，如圖2a所示。其中，下磊晶區E1與上磊晶區E2分別包含下DBR層20與上DBR層40。主動區A包含一個或多個主動層，主動層可包含量子井層或多重量子井層。當主動區包含多個主動層，相鄰的兩個主動層是透過穿隧接面層作串聯，其中穿隧接面層保持在逆向偏壓。
下DBR層20的一部分(即一些交替結構)或全部(所有交替結構)的導電類型為P型。上DBR層40的一部分(即一些交替結構)或全部(即所有交替結構) 的導電類型可以是N型。基板10可以是N型基板、P型基板或半絕緣（Semi-insulating）基板。
實施例1（N型基板及P型下DBR層）
在圖2a的磊晶結構100中，基板10是N型基板（N type substrate），N型基板之上形成N型緩衝層12、第一高濃度N型層T1n、第一高濃度P型層T1p、P型的第一下間隔層14與P型的下DBR層20。透過如此配置，下DBR層20的全部都是P型。此外，上DBR層40的全部為N型。
圖2a的下DBR層20之上可設置如P型第二下間隔層16或其他適當P型磊晶層。
實施例2（N型基板及下DBR層一部分為P型）
在圖2b的磊晶結構101中，基板10是N型基板（N type substrate）。在N型第一間隔層14之上先形成一部分的下DBR層即圖2b的N型下DBR區210；接著，N型下DBR區210之上形成第一穿隧接面層T1與另一部分的下DBR層即P型下DBR區220。透過如此配置，下DBR層20的靠近N型基板的部分是N型下DBR區210。其中，N型的第一下間隔層14選擇性形成於N型的緩衝層12之上。
實施例3（N型基板及上DBR層的部分為N型）
如圖2c所示的磊晶結構102，磊晶結構102包含第一穿隧接面層T1與第二穿隧接面層T2。第二穿隧接面層T2的設置方式與原則與第一穿隧接面層T1一樣，在此不再贅述。圖2c的N型第一上間隔層32選擇性形成於主動區A之上。
實施例4(P型基板)
在圖3a的磊晶結構103中，由於基板10跟下DBR層20的導電類型都是P型，因此兩者之間不用設置穿隧接面層。關於P型的下DBR層20之上的磊晶堆疊結構的實施方式，請參本文相關段落說明。
如圖3b所示的磊晶結構105，下DBR層20與上DBR層40能分別設置第一穿隧接面層T1與第二穿隧接面層T2。要注意的是，由於基板10是P型基板，因此圖3b中的下DBR層20與上DBR層40的最靠近基板10的部分的導電類型會是P型，即P型下DBR區220與P型上DBR區420。
在一些實施例，基板也可以是半絕緣基板，半絕緣基板之上可直接形成N型磊晶層或P型磊晶層，而N型磊晶層或P型磊晶層之上可形成的磊晶堆疊結構，請參本文相關段落說明。半絕緣基板之上可設置具有相當厚度的緩衝層。
在一些實施例中，基板的材料為GaAs或鍺（Germanium）。
在一些實施例， DBR層的高折射率的材料可以為含低鋁成份的材料如GaAs或AlGaAs； DBR層的低折射率層可以為含高鋁成份的材料為AlGaAs。上述材料可以是P型或N型材料。
在一些實施例，N型上DBR區410或N型下DBR區210中的一些交替結構的「高折射率層」可以是「N型GaAs」或「N型AlGaAs」，而『低折射率層』可以是『N型InAlGaP』或『N型AlGaAs』。
在一些實施例，高折射率層與低折射率層之間更設置能隙漸變層，能隙漸變層是AlGaAs。
參圖4a，正面出光型VCSEL可包含N型緩衝層，N型緩衝層可以作為N型下歐姆接觸層50使用，且基板10可以是N型基板、P型基板或半絕緣（Semi -insulating）基板，其中N型下歐姆接觸層50可以設置於基板10之上，以在N型下歐姆接觸層50上形成歐姆接觸電極(圖未示)。此外，上DBR層40之上需設置N型上歐姆接觸層60，以在N型上歐姆接觸層60上形成歐姆接觸電極(圖未示)。此外，當基板10是N型基板，N型基板之下能直接形成N型歐姆接觸電極(即背面電極），如圖4b所示。
類似的，背面出光型VCSEL的N型緩衝層也可以作為N型歐姆接觸層使用，且基板10也可以是N型基板、P型基板或半絕緣（Semi -insulating）基板，其中N型下歐姆接觸層50可以設置於基板10之上，以在N型下歐姆接觸層50上形成歐姆接觸電極(圖未示)。此外，上DBR層40之上需設置N型上歐姆接觸層60，以在N型上歐姆接觸層60上形成歐姆接觸電極(圖未示)。此外，當基板10是N型基板，N型基板之下能直接形成N型歐姆接觸電極(即背面電極），如圖4b所示。N型下歐姆接觸層50的橫向電阻較小，有助於降低VCSEL的下磊晶區的電阻。
要注意的是，如果需要降低或避免基板10對光的吸收(例如當基板是N型或P型或基板的能隙會吸收放光波長時)，基板的一部分或全部能被進一步移除，或者把基板的厚度減薄(有助於提升背面出光型VCSEL的出光功率) 。當背面電極70設置於基板之下時，需要避免背面電極70因遮蔽出光而影響出光功率，因此背面電極70的一種實施結構可參照圖4c所示，但不以此為限。
圖5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5的電流是每一個發光區的電流。
實施例1是圖2a的磊晶結構，其中，第一高濃度n型層T1n是GaAs且摻雜Tellurium，第一高濃度p型層T1n是GaAs且摻雜Carbon，P型的下DBR層都是P型的GaAs與P型的AlGaAs交替堆疊，上DBR層是由N型的GaAs與N型的AlGaAs交替堆疊。
對照組則是圖1a所示的習知技術的磊晶結構，下DBR層是N型並由N型的GaAs與N型的AlGaAs交替堆疊，上DBR層是由P型的GaAs與P型的AlGaAs交替堆疊。
從圖5可知，實施例1與對照組都被施加相同的電流，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功率轉換效率。
在半導體雷射的上DBR層為n型與下DBR層為p型的實施例，此半導體雷射可以是共陽極(common anode)架構的半導體雷射或半導體雷射陣列。半導體雷射可以是正面出光型的或背面出光型的的垂直共振腔面射型雷射。
依本文的各實施例製作的面射型雷射二極體磊晶片，適合製作出操作於大電流密度下或高功率密度下的一維（1D）或二維排列（2D）的垂直共振腔面射型雷射陣列，或者適合製作出高陣列密度的垂直共振腔面射型雷射陣列。
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’:VCSEL 10’:基板 20’:下DBR層 A’:主動區 40’:上DBR層 TJ’:穿隧接面層 100、101、102、103 、105、106:半導體雷射二極體 10:基板 12:緩衝層 T1:第一穿隧接面層 T1n:第一高濃度n型層 T1p:第一高濃度p型層 14:第一下間隔層 20:下DBR層 210:N型下DBR區 220:P型下DBR區 16:第二下間隔層 A:主動區 32:第一上間隔層 40:上DBR層 50:N型下歐姆接觸層 60:N型上歐姆接觸層 70:背面電極 410:N型上DBR區 420:P型上DBR區 T2:第二穿隧接面層 E1:下磊晶區 E2:上磊晶區
圖1a是現有技術中的一種VCSEL的磊晶結構示意圖。 圖1b是現有技術中的一種具有穿隧接面層的VCSEL的磊晶結構示意圖。 圖2a為依據本文一實施例的第一穿隧接面層設置於N型基板與下DBR層之間的的示意圖，其中下DBR層的導電類型為P型。 圖2b為依據本文一實施例的第一穿隧接面層插設於下DBR層之中的示意圖，其中下DBR層包含P型下DBR區與N型下DBR區。 圖2c為依據本文一實施例的第二穿隧接面層插設於上DBR層之中的示意圖，其中基板是N型基板，上DBR層包含P型上DBR區與N型上DBR區。 圖3a為為依據本文一實施例的P型下DBR層與P型基板的示意圖。 圖3b為依據本文一實施例的下DBR層中插入第一穿隧接面層與上DBR層中插入第二穿隧接面層的示意圖，其中基板是P型基板。 圖4a為依據本文一實施例的N型下歐姆接觸層設置於基板之上的示意圖。 圖4b為依據本文一實施例的N型下歐姆接觸層設置於基板之下的示意圖。 圖4c為依據本文一實施例的背面電極的示意圖。 圖5為實施例1與對照組的L-I-V曲線。
100:半導體雷射二極體
10:基板
12:緩衝層
T1:第一穿隧接面層
T1n:第一高濃度n型層
T1p:第一高濃度p型層
14:第一下間隔層
16:第二下間隔層
20:下DBR層
A:主動區
40:下DBR層
E1:下磊晶區
E2:上磊晶區

Claims (19)

  1. 一種半導體雷射二極體，包括： 一基板； 一下磊晶區，位於該基板之上，包含一下DBR層； 一主動區，位於該下磊晶區之上；以及 一上磊晶區，位於該主動區之上，包含一上DBR層； 其中，該下DBR層包含一P型下DBR區，該上DBR層包含一N型上DBR區。
  2. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體為一半導體雷射二極體陣列。
  3. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該基板為一N型基板、一P型基板或一半絕緣基板。
  4. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，更包含一第一穿隧接面層，該第一穿隧接面層是設置於該基板與該下DBR層之間或該下DBR層之中。
  5. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該下磊晶區更包含一第一穿隧接面層，該第一穿隧接面層係設置於該基板與該下DBR層之間，該第一穿隧接面層包含一高濃度P型層與一高濃度N型層，該高濃度N型層是在該基板與該高濃度P型層之間。
  6. 如請求項1述之半導體雷射二極體，其中，該下DBR層更包含一第一穿隧接面層與一N型下DBR區，該第一穿隧接面層是設置於該N型下DBR區與該P型下DBR區之間，該N型下DBR區較該P型下DBR區更靠近該基板。
  7. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該主動區包含一主動層或複數主動層。
  8. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該基板的材質為GaAs或鍺（Germanium）。
  9. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該上DBR層或該下DBR層包含一高折射率層與一低折射率層，該高折射率層的材料為GaAs或AlGaAs，該低折射率層的材料為AlGaAs。
  10. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該上DBR層或該下DBR層包含一高折射率層、一能隙漸變層與一低折射率層，該能隙漸變層設置於該高折射率層該低折射率層之間。
  11. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該下DBR層更包含一N型下DBR區，該N型下DBR區包含複數N型交替結構，至少一N型交替結構包含一高折射率層、一能隙漸變層與一低折射率層。
  12. 如請求項11所述之半導體雷射二極體，其中，該低折射率層的材料是AlGaAs，該高折射率層的材料是GaAs或AlGaAs，該能隙漸變層的材料是AlGaAs。
  13. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該N型上DBR區更包含複數N型交替結構，至少一N型交替結構包含一高折射率層、一能隙漸變層與一低折射率層。
  14. 如請求項13所述之半導體雷射二極體，其中，該低折射率層的材料是AlGaAs，該高折射率層的材料是GaAs或AlGaAs，該能隙漸變層的材料是AlGaAs。
  15. 如請求項4所述之半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體是一正面出光型的垂直共振腔面射型雷射二極體且該基板為一N型基板、一P型基板或一半絕緣基板，其中該半導體雷射二極體更包含一N型歐姆接觸層，該N型歐姆接觸層是形成於該基板之上。
  16. 如請求項4所述之半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體是一正面出光型的垂直共振腔面射型雷射二極體且該基板為一N型基板，其中該半導體雷射二極體更包含一N型歐姆接觸電極，該N型歐姆接觸層是形成於該N型基板之下。
  17. 如請求項4所述之半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體是一背面出光型的垂直共振腔面射型雷射二極體且該基板為一N型基板、一P型基板或一半絕緣基板，其中該半導體雷射二極體更包含一N型歐姆接觸層，該N型歐姆接觸層是形成於該基板之上。
  18. 如請求項4所述之半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體是一背面出光型的垂直共振腔面射型雷射二極體且該基板為一N型基板，其中該半導體雷射二極體更包含一N型歐姆接觸電極，該N型歐姆接觸層是形成於該N型基板之下。
  19. 如請求項1所述之半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體是一正面出光型的或一背面出光型的的垂直共振腔面射型雷射。
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