TW381362B - Long wavelength VCSEL - Google Patents

Description

A7 B7 五、發明説明（ 先前應用的'來气- 本應用於1"7年2月25日已經在美國提出專利申請，專 利應用序號爲08/806,269。 發明領域 本發明涉及的是垂直腔表面發光雷射，更明確地説，是 有關於發射長波長光束的垂直腔表面發光雷射。 發明背景 垂直腔表面發光雷射（VCSEL)包含一個以半導體技術形 成在一個基板上的第一分布的布拉格反射器（出也化如以 Bragg reflector)〈DBR);也就是鏡面疊層、一個形成於第 一鏡面疊層上的作用區域、以及形成於作用區域上面的第 一鏡面疊層。VCSEL·是由強制通過作用區域的電流所驅 動，通¥疋由基板背面的第―接觸層與第二鏡面疊層上的 第一接觸層之間導電形成。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 每 比 本技藝中在VCSEL内利用鏡面疊層的技術已非常成熟。 一般而言，鏡面疊層是由多重的成對鍍層形成的，也就是 成· ί鏡面這些成對鍍層都是由同一系列的物質形成，通 常包含兩種具有不同折射係數的物質，且很容易與VCSEL 八匕邓伤的晶格配合。例如，一個以砷化鎵爲基礎的 VCSEL通常用一個砰化紹/神化嫁或砰化嫁銘/坤化銘的材 料系列，其每一對中的每一層有不同的折射率，而 射T是依照每-層中的含鋁量而改變。傳統的裝置中， :®層中的鏡面成對數可以是2。至4 Q而得到很高百 6、反射率，它視錄層之間的折射率差異而定。愈多，的成對 本紙張尺度適 -4 - 210Χ 297公釐） 、發明説明（2 ) 數會有愈高百分比妁折射光。 、傳波:::材料系列可以適當地加以應 .發展出炎if 所需要的新產物已 業上有Μ 皮長光束的VCSELS在光學遠'工 中包本^袖的用處。這些長波長的產生可以利用作用區域 vCSE^ Γ化鎵鋼7蹲化銦或砰銘化鎵銦/嶙化銅的 S利用這樣的作用區域時，一個瑪化|g] / $ & '錮材料系列必需用师⑥1 鋼/料化鎵 ^ /用A釦面®層且晶格配合至磷化銦基板。 統中實際上的應用是不可能得到正常的_ A每些材料系列的折射率差異太小了。 有 ^嘗試想解決這種問題，包含-種晶圓結合技術I: 把職鏡面羞晶長成在一個分開的基板上 = 種技術的成功率有限而且晶圓擴散二= 面疵點岔度會導至潛在的可靠度問題。 大=處能夠補償前述中先前技藝固有的缺陷是可以有很 波!本發明的目地是提供-種新的且八過的長 經 部 中 央 標 準 員 合 作 社 印 製 以及本筆明的另-個目地是提供-種可靠的長波長 VCSEL。 非J扠及長 仍=本發明的—個目地是提供—種可以 VCSEL中的有效作用區域與鏡面叠層。 長 仍就是本發明的g ^ Λ v的複雜性。個目地是降低製造-气長波長 -5- A7 B7 五、發明説明（3 本發明的另-個目地是提供—種可以發射長波長光束的 作用區域以及一種可以彼此晶格配合的鏡面疊層。 發明概述 簡要地説，根據較佳實例，爲了得到本發明的目地，這 裡提供的是一個發射長波長光束的VCSEL·。這種VCSEL包 含一個第一鏡面疊層、一個至少包含一個量子井的磷化鉈 鎵（GaTIP)作用區域、作用區域配置在第一鏡面疊層上、 以及第二鏡面疊層配置在作用區域上。 在較佳實例中，作用區域與第一、第二鏡面疊層形成的 結構可發射的光束波長範圍大約是1.3至1.55微米。量子 井形成的結構具有的直接能量鍵隙範圍大約是〇 95至〇. 8 電子伏特（eV)且包含Gaju。 它也提供—種製造發射長波長之VCSEL的方法。這個方 法包含提供一個具有表面的基板、在這個表面上磊晶長成 一個第一鏡面疊層、在第一鏡面疊層上磊晶長成一個至少 具有個量子井的鱗化錄嫁作用區域、以及在作用區域上 磊晶長成一個第二鏡面疊層。 圖示簡要説明 由下述中較佳實例的詳細説明與附屬的圖示，對於那些 熟悉本技藝者’本發明前述的、進一步的_以及更明確的目 地與優點會更加明確，其中： 圖1是根據本發明中一個VCSEL的截視圖；以及 圖2是根據本發明圖！* VCSEL的作用區域内、直接能 量键隙對晶格配合與相對應波長的圖表説明。 6 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 mm 本 頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 圑評細 現在經由一些圖示加以説明且相同元件賦予相同指示代 號，首先.注意圖！的圖示，它説明—個發射長波長光束的 —垂直腔表面發.光雷射（VCSEL)，—般以1〇表示。VCS^ 10形成於-個基板12上’其中在這特別較”例中，基 板是碎化鎵。進行可發射長波長光束之vcsel 1〇元件的 羞晶成長，利用的材料最好是坤化錄，波長範圍大約是 1 ·3至U 5微米。有一 ％必雲了紐ΛΑ Τ·丄 令占义而了解的，砷化鎵只是被利用 :的—個例子，其它的半導體材料也可以應用成爲基 板1 2 〇 2有個上表面1J ·’它的上面配置-個鏡面疊層 1 4。鏡面疊層1 4包含一此„刑妓站r & < 二11土摻_的砷化鎵/砷化鎵鋁材 1':形成的成對鏡面。—個作用區域2〇配置在鏡面叠 _用區域2 0包含-個夹置於-個相鄭於第一鏡 面：f型摻雜第—鎪層區域24與一個㈣摻 = 間的作用結構23。-個第二鏡面疊層冗 酉己直在罘二鍍層區域9 S μ n a a ^ 次5上且包含以P型摻雜的砷化鎵/碎 化鎵鋁材料系列形成的成對鏡面。 經濟部中央標準局t貝工消費合作社印^ 上鏡面疊層14是經^晶沉積成長成對的鍵層於基板12 呼：了鏡面疊層14與基板12之間的晶格配合，它必需 :^種：當的半導體材料，本特別實例中，基板”是 ::’因此，應用的材料是神化鎵/砂化鎵銘材.料系 ^材^鍍層之間的折射率差異，沉積在基板12上的這 -，'列大約有20至40個成對鏡面。每一對鏡’面中每

(210X297公釐） 五、發明説明（5 A7 B7 經濟部中央標隼局負工消費合作社印犁 ^叙層的折射率差異是經由改變銘含量而得到。在本特 別實例中，較佳的成對鏡面是一個鐘層Η與—個 ^艘層16。更多的成對數會增加反射光線的比例。 鍍層區域2 4包含-個或多個可能分層級的鍍層。在本 别’、例中’鍍層區域2 4是由砷化鎵鋁材料系列形成 的。例如，鍍層區域24包含—個石申化嫁銘形成的第—鍛 層30，且具有的銘莫爾（m〇le)比例範圍是4〇%至5〇%， 以及㈤第一鍍層3卜且具有的鋁莫爾比例範圍是2 〇 % 至40%，這是爲了形成更好的載子限制結構23。 作用結構23在本較佳實例中包含三個量子井鍍層^、 與3 7，而彼此之間以能障鍍層3 8與3 9隔開。例如， 每一層量子井鍍層35、36、與3 7以及能障鍍層3 8與3 9的 厚度約爲100埃(入）’因而作用區域2〇的總厚度大約是發 射光的一個波長或波長的倍數。量子井鍍層35、％、與 3 7是由GaJU形成的。能障鍍層3 8與3 9是由非摻雜 砷化鎵形成。熟悉本種技.藝者將會了解更多或更少的量 井鍍層與能障鍍層都可加以利用，但它視所需的應用 疋。作用區域2 0與第—、第二鏡面疊層14、％各別形成 的構造所發射的波長範圍約爲丨3微米至〗5微米之間。 特別地説，利用磷化鉈鎵的作用區域可以發射紅外光 射，它適合於長距離傳輸的光學遠距通訊應用。爲了得 這種波長範圍，量子井的結構具有的直接能量鍵隙範圍 約是X = 0時的0.8電子伏特至χ = i 〇時的〇 95電子伏特 間，且在组成成份x的範圍大約是4 〇 %至6 〇 %、能隙工 的 子 而 更 雷 到 大 之 電 請 閲 讀 背 面 意

I 訂 本紙張尺度適财s跡辟（公楚） A7 _______B7 五、發明説明（6 ) 子伏特（1.24微米）之下晶格配合於碎化鎵。 -個GaxTVxI>形成的直接能量鍵隙對晶格常數與相對應 波長的圖表説明於圖2之中。更特別地説，它説明的關係 是二凡素合成物磷㈣與磷化鎵、以及三元素合成物麟化 錄鎵相關於它們的能隙、晶格f數與對應波長之間的關 係。本發明利用磷化鉈鎵三元素合成物做爲作用區域 20 ,它只可以沿著從磷化鎵到磷化鉈的線。改變能隙與 晶格常數。沿著線62上只有_個點64具有能隙】電子伏特 (1.24微米），而它的晶格常數剛好與砷化鎵的晶格常數一 樣。製造過程中，好的蟲晶成長需要完美的晶格常數配 合。如果總磊晶厚度還在臨界厚度之内，晶格常數稍微的 不配合仍可以允許好的羞晶成長。如果太厚，張力會鬆 弛’因而形成長晶的移位。對於本發明，蹲化録鎵會稍微 受到擠壓的張力而得到能隙〇.95電子伏特（1 3微米），且 仍可晶格配合於神化鎵。 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 鍍層區域25包含一個或多個鍍層，且如果需要的話， 可以分層級。本特別實例中，鍍層區域25是由神化鎵紹 材料系列形成的。例如，鍍層區域2 5包含一個砷化鎵鋁 形成的第一鍍層40 ’且具有的鋁莫爾比例範園是2〇%至 40%，以及-個第二錄層41，且具有的銘莫爾比例範園 是40%至60%，這是爲了形成更好的载子限制。 鏡面疊層26是經由磊晶沉積成長成對的鍍層於鍍層區 域25上。爲了鏡面疊層26與作用結構23之間的晶格配 合，Η必需沉積一種適當的半導體材料，本特別實，例中， -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0'乂297公釐） 五、發明説明（7 A7 B7 =區域25是㈠切爲基礎，目此 化碎化鎵銘材料系列。依照鏡層之間的折射神 沉積在鍍層區域25卜沾、上u 千差吳 .對鏡面。每-材料系列大约有2G至4〇個成 …二I Π::，，率差異是經由改 _,AS鐵層4 2::v較佳的成對鏡面是-增加反射光線的比例。S艇層43 /更多的成對數會 局了凡成VCSEL 1〇，.—個接觸層4 5配置在 上^及:個接觸層46配置在基板12上，例如背部^ 上。就如熱悉本技蔽去批 口 了讓霞L1。發以所了…接觸層45的結構是 因某種目地的説明而對於本較佳實例的各種改變㈣ 正’對那些$悉本技藝者而言是可能發生@。例如一 對於·L所形成”型與n型摻刪 對U，與逆向電性結構設計—樣可以製造而成。而且，這種修正與改變不會脱離本發明的精神，並藉著下文中申請專利範圍的料，它們都是要包含在本發;的領= 之中_ 、 面 爲 經濟部中央標準局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 夂、申請專利範圍 1· 一個可發射長波長光束的垂直腔表面發光雷射，該垂直 腔表面發光雷射包含： —第一鏡面疊層； 一具有一個量子井的磷化鉈鎵作用區域，該作用區 域配置在第一鏡面叠層上；.以及 m —配置在該作用區域上的第二鏡面疊層。 2·如申請專利範圍第i項的垂直腔表面發光雷射，其中該 作用區域與該第一、第二鏡面疊層形成的結構所發射= 的光束波長範圍大約是1>3微米至丨55微米之間。 3·如申請專利範圍第丨項的垂直腔表面發光雷射，其中該 量子井結構形成的直接能量键隙範圍大約是〇·8電子伏 特至0.95電子伏特之間。 4.如申請專利範園第！項的垂直腔表面發光雷射，其中的 該量子井包含GaxTli χΡ。 ' 5·如申請專利範圍第4項的垂直腔表面發光雷射，其中的 X値可晶格匹配於坤化鎵。 6. 「個製造可發射長波長光束之録腔表面發光雷射的方 法’這種方法包含下列步驟： 提供一具有一個表面的基板； 在這個表面上羞晶長成一個第一鏡面疊層； 在第一鏡面疊層上磊晶長成一個具有量子井的磷化 錄鎵作用區域；以及 在作用區域上磊晶長成一個第二鏡面疊層·。， 7, 如申請專利範圍第6項—個製造可發射長波長光束之垂 請 先 閱 讀 背 乏 注 I 裝 訂 線 -11 - 本紙張尺度適用 t®iiii7cNS ) A4W ( 210X297，^ ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 BS C8 D8_—_____ ^、申請專利範圍 直腔表面發光雷射的方法，其中該磊晶長成一個砷化鎵 作用區域的步驟包含羞晶長成量子井，而此量子井包含 GaxTU。 8.如申e青專利範圍第6項一個製造可發射長波長光束之垂 直腔表面發光雷射的方’法，其中該羞晶長成一個臂化錄 鎵作用區域的步驟包含磊晶長成量子井，而此量子井包 含 GaxTU 〇 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）