TW520578B - Optical pumped surface-emitting semiconductor-laser device and its production method - Google Patents

Description

520578 五、發明説明（1 ) 本發明涉及一種光學式泵送之表面發射式半導體雷 射裝，其具有至少一個產生光束之量子井結構及至少一 個泵光源（用來對此量子井結構進行光學式泵送），其中 此種泵光源具有一種邊緣發射之半導體結構。 本發明亦涉及此種半導體雷射裝置之製造方法。 此種型式之半導體雷射裝置在US5991318中已爲人 所知。此處描述一種光學式泵送之垂直共振-半導體雷 射，其具有單石式表面發射之半導體層結構。在此種習 知之裝置中，光學上之泵光（其波長小於所產生之雷射 光）由邊緣發射之半導體雷射二極體所提供。邊緣發射 之半導體雷射二極體須配置在外部，使泵光傾斜地由前 方入射至表面發射式半導體層結構之放大區。 在此種習知之裝置中一種特殊之問題是：此種泵雷射 須正確地定位至表面發射之半導體層結構且另外需要 一種聚光用之光學元件，以便正確地在表面發射式半導 體層結構之所期望之區域中形成泵光。此種方式需要 巨大之技術上之耗費。 此外，除了光學元件上之損耗之外亦會發生一種耦合 損耗，其使系統之整個效率下降。 其它問題是：由於此種泵之存在，則重頭開始只有很 少之量子井被泵光所激發。 本發明之目的是提供一種本文開頭所述形式之半導 體雷射裝置，其泵源可較簡易地調整且具有表面發射式 之層結構以及較大之輸出功率。此外，本發明提供一種 520578 五、發明説明（3 ) 被雷射所活性化爲止。藉由側面之光泵，則另外可使量 子井中均勻地塡入電荷載體。 此種量子井結構較佳是由邊緣發射式半導體結構所 圍繞，其中藉由至少一條電流注入路徑而在半導體雷射 結構之表面上形成至少一種增益（g a i η)導向之發光活性 區，其用作泵光源。另一方式是邊緣發射之半導體結構 之至少一種指標（i n d e X )導向之發光活性區作爲泵光 源。這種活性區是藉由邊緣發射之半導體結構表面上 至少一條電流注入路徑以及半導體結構中沿著電流注 入路徑而形成之例如已蝕刻之溝渠來定義。 電流注入路徑之面向發光之量子井結構之此種末端 至量子井結構之距離是1 〇 U m至5 0 u m ,特別優良的情況 是3 Oum。這樣可使干擾性之漏電流及介於邊緣發射之 半導體結構及表面發射式之層序列（即，泵光之入射面） 之間之界面上之其它干擾性之影響下降。 上述之實施形式可有利地整體地藉由傳統之半導體 製程技術來製成。 若此種裝置在操作時一種足夠大之電流流經泵光源 之活性層中之注入路徑，則會形成一種垂直式自然發射 (super radiation)，其準入表面發射之雷射區中且在該 處被吸收。這樣所產生之電子_電洞對（Pair)聚集在里 子井中而在表面發射之雷射結構之放大區中造成反相 (Inversion) 〇 表面發射之雷射結構之激發可由量子井結構之泵或 與其鄰接之局限層來進行◦在局限層進行栗送時，泵效 520578 五、發明説明（4 ) 率以下述方式提高：其能帶間隙朝向量子井結構而減 小。這例如可藉由材料成份之改變來達成。在局限層 中因此可產生內部電場，其使光學所產生之電荷載體被 驅動至活性之量子井區域中。 在特別優良之實施形式中，在量子井結構周圍以星形 方式配置多個泵光源，使量子井結構在其整個橫向之橫 切面上在短時間中都可很均勻地透明地被泵 送”（p u m p e d) ”且成爲雷射活性化。 邊緣發射之半導體結構及量子井結構之間之界面較 佳是至少一部份可反射的。因此可在至表面發射式雷 射區之邊緣上產生一種至邊緣發射式半導體結構中之 回（re turn)反射，這樣會在泵源中形成雷射光而使泵效 率提高。 產生雷射光作爲泵光而使泵效率提高，這亦可以下述 方式達成：二個配置在量子井結構之相面對之側面上之 泵光源一起形成雷射結構。邊緣發射之光源之遠離量 子井結構之平行之終端面構成反射面且用作共振器鏡 面。這例如可藉由分裂及/或蝕刻（例如，乾式蝕刻）來產 生且設有鈍化層及/或高反射式地形成鏡面。 相面對之泵光源在操作時經由透明泵送之量子井結 構而耦合成一種唯一之以一致性（c 〇 h e r e n t)振動之雷 射。在最佳化之最終反射中，除了泵雷射及表面發射式 雷射之間之界面上之損耗之外，儲存在泵雷射中之全部 之光學上之功率都可用作泵功率。 邊緣發射式半導體結構較佳是具有一種光學大空穴 -6- 520578 五、發明説明（5 ) (LOC， La rg( ^ Optic a 1 Ca v i t y)結構，其中在第一和第二波 導 層 之 間 埋 入 --- 種 活 性 層，這些波導層又埋在第一和第 一 外 罩 層 之 間 〇 在 本 發 明 之 有 利 之 其 它形式中，設置邊緣發射之半導 體 結 構 作 爲 Τ^Ο 形 (Ring)雷射。環形雷射是一種雷射結 構 :在 ：撓 ί作 :▲時 形 成 * 丁nn 形 :模式（mode)。所屬之雷射共振 器 之 構 造 是 X四 形 時 是 有 利的（以下將再說明），但這不一 定 須 是 城 形 的 0 此 種 形 雷 射 之 共 振 器可藉由全反射之界面來形成， 因 此 不 需 筒 反 射 之 鏡 面 。”由於鏡面上之損害而造成較 小 之 發 光 效 益 ”此種危險性即可降低◦此外，環形雷射 之 特 徵 是 大 的 模 式 體 積 及高的模式穩定性。 泵 送 用 之 量 子 井 結 構 較佳是配置在環形共振器中，使 整 個 共 振 器 內 部 之 輻 射 場可用來對量子井結構進行泵 送 〇 特 別 有 利 之 方 式 是 :邊緣發射之半導體結構之活性 層 及 此 量 子 井 結 構 配 置 在基板上同一高度中，使量子井 結 構 之 可 泵 送 之 體 積 和 邊緣發射之半導體結構之輻射 場 之 間 可 形 成 一 種 較 大 之重量而使泵效率較高。 在 本 發 明 有 利 之 其 它 形式中，環形雷射之共振器由環 形 閉 合 之 波 導 所 形 成 0 泵輻射場之導引是藉由波導之 邊 界 上 之 全 反 射 來 達 成 ，因此不需設置一種高反射之鏡 面 〇 此 外 ，藉ΐ i環形閉合之波導之成型可使泵輻射場很 良 好 地 依 據 量 子 井 結 構 之可泵送之體積來調整。 邊 緣 發 射 之 半 導 體 結 構在本發明較佳之構造中由一 -7- 520578 五、發明説明（6 ) 種 介 質 所 圍 繞 ，此 種 介質 之折射率小於半導體結構之折 射 率 〇 因 此 會 在 半 導體 至周圍之光學薄介質之接面上 形 成 —‘ 種 全 反 射 面 ，其用 作雷射共振器之邊界。爲了形 成 I四 形 圍 繞 之 波 導 ，則可 ‘在邊緣發射之半導體結構內部 配 置 —— 種 以 光 學 薄 介質 塡入之凹口。 特 別 是 空 氣 或 其 它氣 體形式之介質由於折射率較小 而 適 合 用 作 繞 圍 用 之介 質。另一方式是：邊緣發射之半 導 體 結 構 亦 可 由 其 它材 料（例如，半導體材料，半導體氧 化 物 或 折 射 率 較 小 之介 電質）所圍繞。 半 導 體 結 構 由 圓 形或 環形半導體層之圓柱形堆疊所 形 成 〇 迫 樣 所 形 成 之圓 柱形半導體本體同時也是一種 J四 形 雷 射 共 振 器 ，其 ;外罩 :面上以可全反射之方式延伸著 該 輻 射 場 〇 另 一 方 式 是 此 半 導體 結構亦可以多角形或多角環形 之 半 導 體 層 之 堆 疊 以稜 鏡形式構成。藉由此種造型，則 可 達 成 —. 種 很 均 勻 之$§ 射分佈，因此可在量子井結構中 達 成 很 均 勻 之 泵 密 度。 上 述 形 式 之 半 導 體層 之堆疊可較簡易地藉由蝕刻而 由 先 刖 以 嘉 晶 製 成 之半 導體層序列所形成。有利之方 式 是 以 此 種 半 導 體 本體 之造型同時形成邊緣發射之半 導 體 結 構 之 雷 射 共 振器 ，此時不需額外之鏡面。 在 半 導 體 雷 射 裝 置之 一種特別有利之形式中，量子井 結 構 具 有 多 於 1丨 〇個之量子井。此種數目之量子井是可 -8- 520578 五、發明説明（7 ) 能的，這是因爲藉由側面耦合而入之栗光可使全部之量 子井被泵送（pumped)。表面發射之量子井結構中因此 可達成一種大的放大作用。 邊緣發射之半導體結構較佳是以下述方式形成：其產 生一'種栗波，其最大値是在基板上之墓子井之局度處， 特別有利的是在量子井結構之中央之高度處。 爲了達成特別高之輸出功率，則在有利之其它形式中 須形成一種邊緣發射之半導體結構而成爲所謂多層雷 射或微堆疊雷射，其具有多個雷射活化之層序列（例如， 雙異質（hetero)結構），這些層序列經由隧道接面而串聯 。量子井結構因此具有多個量子井群（group)，其分別位 於泵源之雷射活化之層序列之高度中。 依據上述實施形式之半導體雷射裝置之較佳之製造 方法，首先在基板上施加一種適合表面發射式半導體雷 射之第一半導體層序列（其在基板上具有至少一個量子 井結構）。然後使所設置之雷射區外部之半導體層序列 被去除。在第一半導體層序列去除之後所空出之位於 基板上之區域上沈積一種邊緣發射之第二半導體層序 歹[J，其適合用來產生泵光且傳送至量子井結構中。然後 在邊緣發射之半導體層序列中形成至少一條電流注入 路徑。 首先在基板上施加一種緩衝層，其上沈積第一局限層， 其上隨後又施加一種適合表面發射式半導體雷射之量 子井結構，接著施加第二局限層。在各局限層，量子井 五、發明説明（8 ) 結構，表面發射式雷射區外部之緩衝層之一部份已去除 之後，在緩衝層之已裸露之區域上依序施加第一外罩層， 第一波導層，活性層，第二波導層及第二外罩層。各別 之層厚度須使活性層中所產生之泵光到達量子井結構 中。 在本發明之其它實施形式中，發光之量子井結構及泵 光源重疊地配置在基板上。量子井結構以光學方式耦 合至邊緣發射之半導體結構，使此半導體雷射裝置操作 時泵光由泵光源傳送至量子井結構。 邊緣發射之半導體結構較佳是具有第一波導層及一 種由基板觀之是配置於基板之後之第二波導層，此二層 之間配置一種活性層。量子井結構以磊晶方式生長在 第二波導層上，只覆蓋此邊緣發射式半導體結構之一部 份區域且以光學方式耦合至其上。 爲了使磊光可更良好地耦合至量子井結構中，則第二 波導層和相鄰之外罩層之間之界面在表面發射式雷射 區之附近中須彎向或折向該量子井結構。 爲了使泵光更良好地耦合至表面發射式半導體結構 中，須使第二波導層之折射率大於第一波導層之折射率 及/或使活性層不對稱地設置在此種由二個波導層所形 成之波導中。 在邊緣發射之半導體結構中，可類似於上述之第一實 施形式而形成一個或多個增益導向-及/或指標導向之 發光活性區作爲泵光源。 -10- 520578 五、發明説明（9 ) 依據上述第二基本實施形式之此種半導體雷射裝置 之較佳之製造方法中，首先在基板上施加一種邊緣發射 之半導體層序列，其上隨後施加一種表面發射式半導體 雷射層序列（其具有至少一個量子井結構）。然後在至 少一種電流注入路徑形成於邊緣發射式半導體序層列 中之前，使雷射區外部之表面發射式半導體雷射層序列 被去除。 較佳是首先在基板上施加一種緩衝層。然後在其上 依序施加第一波導層，活性層及第二波導層◦然後在這 樣所形成之邊緣發射式層序列上施加第一局限層，表面 局限層。然後在所設置之表面發射式雷射區之外部中 去除這些局限層表面發射之半導體雷射層序列及第二 波導層之一部份。 在本發明中製成此種半導體雷射裝置（其具有環形雷 射作爲泵光源）所用之方法中，如上所述，首先在基板 上施加一種表面發射式半導體層序列（其具有至少一個 量子井結構），使已設置之雷射區外部之層序列被去除， 然後在這樣所裸露之區域上施加此種泵光源之邊緣發 射式半導體結構。 之後，去除此邊緣發射式半導體結構之外部區以形成 雷射共振器。較佳是使半導體結構內部中之中央之一 部份區域被剝蝕以形成一種環形共振器。此種” 一部份 區域之去除，，例如可藉由乾式蝕刻來達成。有利的是： -11- 五、發明説明（10) 已蝕刻之各面不需進行昂費之再處理。 另一方式是，本方法之各步驟亦可使用不同之順序來 進行。例如，可在基板上首先施加一種邊緣發射式半導 體結構，其在（仍未形成之）量子井結構之預定之雷射區 中被剝触。在裸露之區域上在下一步驟中施加表面發 射式半導體層序列（其具有至少一個量子井結構）。然 後使邊緣發射式半導體結構之外部區被去除以形成雷 射共振器。在本方法之其它形式中亦可在施加表面發 射式半導體層序列之前形成雷射共振器。 上述二種實施形式之較佳之其它形式中，在量子井結 構之一側上形成高反射之布拉格（Bragg)反射器，序歹ij， 其是表面發射式雷射結構之共振器鏡面。在量子井結 構之相面對之側面上配置另一布拉格反射器-層序列或 一種外部鏡面作爲部份透明之第二共振器鏡面。 基板較佳是由一種材料（其對此半導體雷射裝置中所 產生之雷射光是透明的）所構成，且高反射之布拉格反 射器配置在量子井結構之遠離基板之此側上。這樣可 在半導體結構及熱吸收區之間形成較短之連接，因此使 熱可由半導體結構中輕易地導出。 爲了防止干擾性之橫向模式（平行於基板之模 式，Whispering mode),須在表面發射式半導體雷射層序 列之邊緣區中及/或蝕刻結構中配置各吸收層。 本發明之半導體雷射裝置特別適用在外部之共振器 中，其中存在頻率選擇性元件及/或頻率加倍器。 -12- 520578 五、發明説明（11 ) 本發明之半導體雷射裝可藉由泵電流調變後之栗雷 射之調變或表面發射之半導體雷射層序列之短路電路 來調變。 本發明之裝置及方法之有利之其它形式描述在第1 至1 4圖中。圖式簡單說明： 第1圖第一實施例之切面圖。 第2a至2e圖第1圖之實施例製造時所用之方法之 圖解。 第3 a第二實施例之切面圖。 第3 b圖第3 a圖之實施例之波導之構造之圖解。 第4a至4c圖第3圖之實施例製造時所用之方法之 圖解。 第5圖邊緣發射式半導體結構上之電流注入路徑 之第一配置之俯視圖。 第6圖邊緣發射式半導體結構上之電流注入路徑 之第二配置之俯視圖。 第7圖邊緣發射式半導體結構上之電流注入路徑 之第三配置之俯視圖。 第8a，8b圖具有各吸收層之半導體雷射裝置。 第9a，9b圖具有環形雷射（用作泵光源）之第一實施 例之切面圖及俯視圖。 第10圖具有環形雷射（用作泵光源）之第二實施例 之俯視圖。 第Ua，b圖具有環形雷射(用作泵光源）之第三，第四 -13- 五 '發明説明（12) 實施例之俯視圖。 第12a,12b圖製成第9圖之實施例所用之方法之圖 解。 第13圖本發明具有外部共振器之半導體雷射裝置 之圖解。 第14圖本發明之可調變之半導體雷射裝置。 相同之元件以相同之參考符號表示。 第1圖之實施例如是一種光泵式表面發射之半導體 雷射晶片，其雷射光是103 Onm波長者。基板1上施加 一種緩衝層6。基板1由GaAs構成且緩衝層6由未摻 雜之GaAs構成。 在緩衝層6上之中央在基板上施加一種表面發射之 半導體雷射結構1 〇其具有量子井結構1 1且是一種表 面發射之雷射區1 5。半導體雷射結構1 0由一種直接 位於緩衝層6上之第一局限層1 2，一種配置在此層1 2 上之量子井結構1 1及一種施加在量子井結1 1上之第 二局限層1 3所組成。 各局限層12，13例如由未摻雜之GaAs所構成，量子 井結構1 1具有多個（23)量子井，其由未摻雜之InGaAs 所構成，其厚度可調整成103 Onm時發射且其間配置一 種由GaAs構成之位障層。 在表面發射之半導體雷射結構上沈積一種布拉格鏡 面3,其例如具有28至30個週期之GaAlAs(10%Al)/ GaAlAs(90%Al)，其是一種高反射之共振器鏡面。 -14- 五、發明説明（13) 在雷射區1 5之周圍中，在緩衝層6上沈積一種邊緣 發射之半導體雷射結構2 1 ,其例如是一種習知之光學大 空穴（Large Optical Cavity(LOC))單量子井（single Quantum Well(SQW))雷射結構以便在大約lum時發射， 其例如由以下各層組成：第一外罩層28(n-GaAl〇.65AS)， 第一波導層23(n-GaAl〇.1As)，活性層25(未摻雜之 InGaAs-SQW)，第二波導層 SVP-GaAl^As)及第二外罩 層 29(P-GaAl〇.65As) 〇 在第二外罩層29上可施加P + -摻雜之GaAs層作爲 蓋層3 0。 LOC區22在高度上是與表面發射之雷射結構10之 量子井區相同，活性層2 5較佳是在基板1上與重子井 結構1 1同一高度處。 在特殊之實施形式中，邊緣發射之半導體結構2 1具 有多個活性層25,其藉由隧道接面而串聯。量子井結構 11具有多個類似之量子井群（group),其分別位於邊緣 發射之半導體結構2 1之活性層2 5之高度中。 整個半導體層例如藉由金屬有機氣相磊晶法 (M0VPE)而製成。 在邊緣發射之半導體雷射結構2 1之外部邊緣之附近 中存在一種垂直於邊緣發射式半導體雷射結構2 1之各 層而延伸之終端鏡3 1，其由覆蓋層3 0開始而至少到達 第一外罩層2 8中，此處到達該緩衝層6中。這例如是 在生長該邊緣發射之半導體雷射結構2 1之後藉由蝕刻 -15- 520578 五 '發明説明（14 ) (例如，反應性離子飩刻）而由相對應之溝渠及各溝渠中 隨後以高反射之材料塡入而製成。在量子井結構11之 相面對之側面上配置二個相平行之鏡面3 1 (第5，6 圖）。 另一方式是以習知之方式藉由晶圓沿著晶體平面而 分裂以製成各終端鏡。這些終端鏡不一定須配置在晶 片中，如第1圖所示，而是可藉由已分裂之晶片側面來 形成（第7圖）。 在覆蓋層30及布拉格鏡面3之裸露之表面上存在一 種電性隔離之遮罩層7，例如，一種氮化矽層，氧化鋁層 或氧化矽層，藉此可界定此邊緣發射之半導體雷射結構 21之電流注入路徑26(第5,6圖）。在遮罩層7上且在 其電流注入路徑2 6之凹入區中在覆蓋層3 0上施加一 種P-接觸層32(例如，習知之接觸金屬層）。 例如，可選取6個星形對稱配置在表面發射之雷射區 15周圍之條片陣列場作爲光泵，其具有15個條片（4 um 條片，10um間距）及大約150um之活性寬度。 電流注入路徑2 6之面向發光之量子井結構1 1之各 終端至此結構1 1之距離較佳是l〇um至50um，特別是 3 Oum。干擾性之漏電流及此種介於邊緣發射之半導體 結構2 1和表面發射之層序列1 0之間之界面（即，泵光2 用之入射面）上之其它干擾性影響即可降低。 全部之電流注入路徑26可設有共同之P-接觸層32, 這樣可在操作時使邊緣發射之結構之各發光區並聯。 -16- 520578 五、發明説明（16) 須配置這些終端鏡3 1 ,使其形成雷射共振器以用於 邊緣發射式結構2 1之二個面相對之發光區中。此二個 發光區依據表面發射式雷射結構1 〇之透明泵而耦合成 唯一之相參式（coherent)共振之雷射。在終端鏡3 1之 最佳反射中，除了邊緣發射之結構2 1和表面發射之結 構1 〇之間之界面上之損耗以外所有泵雷射所產生之光 功率都可用作泵功率。 在第2a-2e圖中所示之第1圖之實施例之製法中，首 先在基板1上依序藉由MOVPE施加該緩衝層6,第一 局限層12,量子井結構11，第二局限層13及布拉格鏡 面層3 (第2a圖）。 然後在層序列之作爲表面發射式雷射區1 5用之此種 區域上施加一種蝕刻遮罩17(例如，Si-氮化物遮罩）。 然後藉由蝕刻（例如，以C1化學劑來進行之乾式蝕刻）使 所設置之表面發射式雷射區1 5外部之布拉格鏡面層3， 局限層1 2，1 3，量子井結構1 1和一部份緩衝層1 6被去 除（第2b圖）。 在緩衝層6之裸露之區域上例如藉由M 0 v p E依序 施加第一外罩層28,第一波導層23,活性層25,第二波 導層24,第二外罩層29及覆蓋層30(第2c圖）。 然後在最後所施加之邊緣發射式結構2 1中例如藉由 反應性離子蝕刻及適當之習知之遮罩技術來對終端鏡 3 1用之溝渠進行蝕刻（第2d圖），各溝渠然後以反射增 強甩之材料塗佈或塡入。此外，餓刻遮罩1 7被去除。 -18 - 520578 五、發明説明（17) 然後在P -接觸層3 2和η -接觸層9最後被製成之則， 在覆蓋層3 0及布拉格鏡面3上施加電性隔離用之遮罩 層（第2e圖）。 另一方式是，在隔離用之遮罩層7施加之前藉由鈾刻 以形成第1圖中所示之溝渠以產生該指標導向之泵雷 射。 爲了防止輻射上之損耗，則基板1在MOVPE之後例 如薄化至小於1 0 0 u m或完全去除。 第3圖之實施例中，基板1上首先在整面上形成一種 緩衝層6及一種邊緣發射之半導體雷射結構21，其中在 第一（2 3)和第二波導層24之間配置一種活性層25。 在基板1之中央上方所設置之雷射區15中，在第二 波導層24上生長一種表面發射之量子井結構11，然後 生長一種局限層1 3及一種布拉格鏡面層序列3。 在雷射區15之周圍區域中在第二波導層24上或在 此層24上之高摻雜之覆蓋層上施加一種電性隔離用之 遮罩層7,其具有邊緣發射式結構21之電流注入路徑 26用之凹□(第7圖）。在此層7上及第二波導層上之 此層7中凹口中或覆蓋層上存在第一接觸層32且在基 板1之與此層3 2相面對之側面上配置第二接觸層9，其 具有雷射光（以箭頭5表示）用之射出視窗8。 爲了在邊緣發射之結構2 1中產生指標（i n d e X )導向 之泵區，則可在第二波導層24中沿著電流注入路徑26 形成以蝕刻製成之溝渠（圖中未顯示）。這樣可使泵區 -19- 520578 五、發明説明（18) 之邊緣上有較佳之波傳送。 設置此晶片之分裂之側面作爲邊緣發射之結構2 1之 終端鏡3 1。 在操作時在邊緣發射之雷射結構中產生泵雷射光，一 部份雷射光由此入射至其下方之量子井結構1 1中。 爲了提供此種入射作用，則活性層2 5不對稱地存在 於此種由二個波導層23，24所形成之波導中。另一方 式是，爲了相同目的第二波導層24之折射率須較第一 波導層23者還大及/或第二波導層可在量子井結構11 之方向中向雷射區15拉高（第3b圖）。 第1圖之實施例之各層用之材料可用作不同層之材 料。 表面發射之雷射結構1 0之雷射共振器在本實施例中 由布拉格鏡面3及一種配置在基板1之相面對之側面 上另一外部之鏡面（第3 a圖中未顯示）或一種配置於基 板1和量子井結構1 1之間之另一布拉格鏡面所形成。 在第4a至4c圖中所示之第3a圖之實施例之製造方 法中，首先在基板1上施加一種緩衝層6。其上接著依 序生長第一波導層23,活性層25及第二波導層24。然 後在第二波導層24上生長量子井結構11，局限層13及 布拉格鏡面層3(第4a圖）。這些層例如藉由MOVPE 而製成。 然後在已生長之層序列之作爲雷射區1 5用之部份區 域上施加一*種触遮罩1 7且使布拉格鏡面層3，局限層 -20- 520578 五、發明説明（19) 1 3 ,量子井結構1 1及雷射區1 5外部之一部份第二波導 層24藉由蝕刻而去除（第4b圖）。 爲了定義此電流注入路徑2 6，則在第一接觸層3 2沈 積之前，須在第二波導層2 4上施加電性隔離用之遮罩 層7。 然後在基板1上面向半導層序列之主面上施加一種 具有射出視窗8之第二接觸層9(第4c圖）。 爲了使輻射損耗減小，則在MOVPE後較佳是使基板 1薄化至小於l〇〇um或完全去除此基板1。 本發明之所謂晶圓雷射較佳是利用布拉格鏡面向下 焊接至熱吸收區。一種電極存在此熱吸收區上，第二電 極藉由黏合至晶圓雷射表面而產生。 爲了防止該干擾性橫向模式，須在表面發射之半導體 雷射層序列1 5之邊緣區中及/或蝕刻結構中配置各吸 收層（第8 a，8b圖）。此種應用之適當之吸收材料已爲人 所知，此處因此不再詳述。 第9a圖是一種具有環形雷射（用作泵光源）之光泵表 面發射式半導體裝之實施例之切面圖。各別半導體層 之序列對應於第1圖所示之實施例。 與第1圖之半導體裝置之不同是作爲環形雷射用之 邊緣發射之半導體結構21，其包含：第一外罩層28(n-GaAl〇.65 As)，第一波導層 As),活性層 25(111〇&八3-8(5冒），第二波導層24(?-〇3八1().1八3)及第二 外罩層 29(p-GaAl〇.65As)。 -21- 520578 五、發明説明（2G) 弟9b圖是半導體本體之俯視圖。弟9a圖之切面圖 對應於沿著線A-A之垂直切面圖。 邊緣發射之半導體結構2 1在俯視圖中具有一種八角 形之形式，其包含數目4的旋轉對稱及正方形之中央凹 入區3 8。可杲送之在俯視圖中是圓形之量子井結構1 1 完全配置在這樣所形成之八角環內部中。此種八角環 形成一種形式是可全反射之閉合之波導之環形共振 器。 在操作時，週期性循環之環形模式在此種波導中振盪， 所示者是模式3 7 a，b，c ,其以光學方式對此量子井結構 1 1進行泵送。由於外部面上之全反射，則本實施例中之 耦合損耗特別小，使整個共振器內部之輻射場都可有利 地用來泵送此量子井結構。 由於八角環之上述之造形，則環形模式37a，37b，37c 是同等地位的且以相同形式傳送。在徑向（即，沿著此 線B-B)中因此會產生很均勻之輻射場，在可泵送之量子 井結構1 1中因此可產生很均勻之泵密度。 表面發射之半導體雷射結構1 0之雷射操作所需之第 二鏡面在本實施例中未整合在半導體本體中，而是設置 成外部之鏡面（第13圖）。在另一方式是第二鏡面亦可 以類似於鏡面3之方式形成在半導體本體中（未圖 示）。在此情況下，第二鏡面例如配置在緩衝層6和量 子井結構1 1之間之已設置之雷射區1 5之內部中。 第10圖以俯視圖顯示本發明半導體雷射裝置之另一 •22- 520578 五、發明説明（21) 實施例。其與前述實施例不同之處是：此處以圓形環形 成全反射用之波導。可栗送之量子井結構11完全配置 在環形區內部。 許多環形模式在圓環形之共振器內部振盪。所示之 模式3 9只顯示一種可能之例子。量子井結構1 1由許 多其它效率較高之模式所泵送。 如第10圖所示，爲了簡化可省略中央之凹入區38,共 振器之橫切面因此是整個圓形面。製造費用因此可下 降。各模式當然會振盪至某種程度，其經由共振器中央 而延伸。這些模式在共振器邊界不會發生全反射，因此 具有較高之耦合損耗，這樣會使泵效率降低。 第1 1 a圖是本發明另一實施例，其量子井結構1 1由 二個互相獨立之環形雷射所泵送，其構造原理就像第一 實施例之環形雷射一樣。 所屬之波導44,45在二個區域46a，b中相交，可泵送 之量子井結構1 1配置在區域46a中。藉由此二個環形 雷射之配置，使量子井結構1 1中之泵密度進一步提 高。主要之泵模式是模式37a，b，c，d，e，f。就像第一實 施例中之優點一樣，此處亦獲得一種很均勻之泵密度。 第lib圖是第3a圖之另一種形式，其特徵是：相交之 環形波導44,45之造型已簡化。中央凹口 40,41之橫 切面已減小爲三角形。此時不需中央凹口 42及第1 1 a 圖中所示之側邊之凹口 43。由於此種簡化，則製造成本 可下降而不會明顯地影響雷射功能。 -23- 520578 五、發明説明（22) 亦可如第1 lb圖所示，使第二量子井結構47形成在 此二個環形雷射之第二相交區4 6 b中。 第12圖顯示二個步驟以製造本發明之半導體雷射 裝。 本方法以上述方式作爲開始且顯示在第2a，2b，2c圖 中，須在基板1上施加該緩衝層6,第一局限層12,量子 井結構1 1，第二局限層1 3及布拉格鏡面3，這例如以 MOVPE方法來達成。然後在此種層序列之表面發射式 電射區1 5所用之區域上施加一種蝕刻遮罩1 7，且此種 由布拉格鏡面層3,局限層12,1 3,量子井結構1 1及表面 發射式雷射區1 5外部之緩衝層6之一部份所形成之堆 疊須去除。然後在縵衝層6之裸露之區域上例如藉由 MOVPE依序施加第一外罩層28,第一波導層23,活性層 25,第二波導層24,第二外罩層29及覆蓋層30(未顯示， 請比較第2a，b，c圖）。 然後依據第1 2a圖使此半導體結構之外部區及中央 區被剝蝕以形成一種可全反射之閉合之波導。這例如 可使用適當之習知之遮罩技術藉由反應性離子飩刻來 達成。 這樣所形成之邊緣發射之半導體結構之側面不需另 外加上光學膜且形成一種幾乎無損耗之環形雷射共振 器。 然後去除該鈾刻遮罩1 7,在布拉格鏡面3上施加電 性隔離用之遮罩層7且表面以p-接觸層32覆蓋。基 -24- 520578 五、發明説明（23) 板設有η-接觸面9(第12b圖）。 本發明之半導體雷射裝置特別適合用在具有外部鏡 面3 3及部份透明之凹入偏光鏡3 4之此種外部共振器 中，其中設有頻率選擇元件35及/或頻率加位器36(第 1 3 圖）。 本發明之半導體雷射裝可藉由泵源之調變（藉由泵電 流之調變）或藉由表面發射之半導體雷射層序列之短路 電路（第1 4圖）來調變。 上述之結構不只可用在In GaAl As-系統中，且亦可用 在 InGaN-，InGaAsP-,或 InGaAlp-系統中。 在InGaN系統中在470nm時發射用之晶圓雷射中， 量子井例如由45 Onm發射用之In GaN所構成，局限層 由InGaN(其折射率較低）所構成，布拉格鏡面由 InGaAlN系統所構成。泵雷射結構具有：活性區，其量子 井由InGaN(在400nm時發射）所構成；另有波導層及由 GaA1N所構成之外罩層，其中所期望之折射率可藉由鋁 (A1)含量之改變來調整。 符號說明 1.. .基板 2.. .泵光 3.. .第一共振鏡面 4.. .第二共振鏡面 5.. .雷射光 6.. .緩衝層 -25- 520578 五、發明説明（24) 7 ... 電性隔離用之遮罩層 8 ... 射出視窗 9 ... η-接觸層 10· ..表面發射 之雷射 結構 11· ..量子井結 構 1 2 . ..第一局限 層 13 · ..第二局限 層 14 ..表面發射 之半導 體雷 射層序列 15 ..雷射區 16 ..主面 17 . 蝕刻遮罩 18 . ...吸收層 20 , ...泵光源 2 1 ...邊緣發射 之半導 體結 構 22 ...發光區 23 ...第一波導 層 24 ...第二波導 層 25 ...活性層 26 …電流注入 路徑 27 ...半導體層 序歹fJ 28 ...第一外罩 層 29 ...第二外罩 層 30 ...接觸層 3 1 ...終端鏡 -26- 520578 五、發明説明（25) 3 2…p -接觸層 3 3 ...鏡面 3 4…偏向鏡 3 5...頻率選擇元件 3 6 ...頻率加倍器 3 7...環形模式 3 8…凹入區 39.. . 40,4 1，42…中央凹口 43.. .側邊之凹口 44,45…波導 46…波導之相交區 47.. .第二量子井結構 -27-

Claims (1)

1. 520578

   六、申請專利範圍 第901 1 2786號「光學式泵送之表面發射式半導體雷射裝置及 其製造方法」專利案 （90年1 1月修正） 六申請專利範圍 1. 一種光學式泵送之表面發射式半導體雷射裝置，其具有至少一 個發光之量子井結構（11)及至少一個泵光源（20)(用來對量子 井結構（11)進行光學式泵送），泵光源（20)具有一個邊緣發射式 半導體結構（21),其特徵爲： 發光之量子井結構（11)及邊緣發射式半導體結構（21)分別 具有一種半導體層序列，其以磊晶方式依序生長在一個共同之 基板（1)上。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置，其中發光之量子井 結構（11)及泵光源（20)須相鄰地配置，使泵光源（20)之發光區 (22)及量子井結構（11)位於基板（1)上方之相同高度處且在此 種半導體雷射裝置操作時泵光（2)由側面入射至量子井結構 (11)中。 3. 如申請專利範圍第2項之半導體雷射裝置，其中量子井結構（11) 由邊緣發射式半導體結構（21)所圍繞，其中藉由半導體雷射結 構（21)之表面上至少一條電流注入路徑（26)而形成至少一個增 益導向之發光活性區（其作爲泵光源（20)用）。 4. 如申請專利範圍第2項之半導體雷射裝置，其中量子井結構（11) 由邊緣發射式半導體結構（21)所圍繞，其中藉由半導體結構之 表面上至少一條電流注入路徑（26)以及半導體結構（21)中沿著 此電流注入路徑而形成之溝渠來界定至少一個指標（index)導 向之發光活性區（其作爲泵光源（20)用）。 520578 六、申請專利範圍 5. 如申請專利範圍第3或第4項之半導體雷射裝置，其中該電流 注入路徑（26)之面向發光之量子井結構（11)之各終端至此量子 井結構（11)之距離是10um至50um。 6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體雷射裝置，其中 二個泵光源（20)配置在量子井結構（11)之互相面對之側面上， 其在操作時發送泵光（2)至量子井結構（11)中。 7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體雷射裝置，其中 多個泵光源（20)以星形方式圍繞量子井結構（11)而配置，這些 泵光源（20)在操作時發射泵光（2)至量子井結構（11)中。 8. 如申請專利範圍第6項之半導體雷射裝置，其中二個分別配置 在量子井結構（11)之相面對之側面上之泵光源（20)—起形成雷 射結構以便藉由雷射光進行光學泵送。 9. 如申請專利範圍第7項之半導體雷射裝置，其中二個分別配置 在量子井結構（11)之相面對之側面上之泵光源（20)—起形成雷 射結構以便藉由雷射光進行光學泵送。 10. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中泵光源（20)具有至少一個環形雷射。 11. 如申請專利範圍第10項之半導體雷射裝置，其中此量子井結 構（11)配置在環形雷射之共振器內部。 12. 如申請專利範圍第11項之半導體雷射裝置，其中環形雷射之 共振器由環形圍繞之波導所形成。 13. 如申請專利範圍第12項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)由一種介質所圍繞，其折射率較邊緣發射式半 導體結構（21)之折射率還小。 -2 - 520578 六、申請專利範圍 14. 如申請專利範圍第13項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)由空氣，其它氣體形式之介質或介電質所圍 繞。 15. 如申請專利範圍第10項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)以圓柱形本體構成，其具有圓形或圓環形之橫 切面。 16. 如申請專利範圍第13項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)以圓柱形本體構成，其具有圓形或圓環形之橫 切面。 17. 如申請專利範圍第10項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)以稜鏡形本體構成，其橫切面是多角形或多角 環形之形式。 18. 如申請專利範圍第13項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)以棱鏡形本體構成，其橫切面是多角形或多角 環形之形式。 19. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中邊緣發射式半導體結構（21)具有至少一個埋置於第一（23)和 第二波導層（24)之間之活性層（25)，這些層又埋置於第一（28)和 第二外罩層（29)之間。 20. 如申請專利範圍第10項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)具有至少一個埋置於第一（23)和第二波導層 (24)之間之活性層（25),這些層又埋置於第一（28)和第二外罩層 (29)之間。 21. 如申請專利範圍第19項之半導體雷射裝置，其中此種介於邊 520578 六、申請專利範圍 緣發射式半導體結構（21)和量子井結構（11)之間之界面至少一 部份是可反射的。 22·如申請專利範圍第1至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中邊緣發射式半導體結構（21)具有多個活性層（25)，其藉由隧 道接面而相串聯，量子井結構具有量子井群（group),其分別位 於邊緣發射之半導體結構（21)之活性層（25)之高度中。 23·如申請專利範圍第10項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)具有多個活性層（25)，其藉由隧道接面而相串 聯，量子井結構具有量子井群（group)，其分別位於邊緣發射之 半導體結構（21)之活性層（25)之高度中。 24. 如申請專利範圍第19項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)具有多個活性層（25),其藉由隧道接面而相串 聯，量子井結構具有量子井群（group),其分別位於邊緣發射之 半導體結構（21)之活性層（25)之高度中。 25. 如申請專利範圍第20項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)具有多個活性層（25)，其藉由隧道接面而相串 聯，量子井結構具有量子井群（group)，其分別位於邊緣發射之 半導體結構（21)之活性層（25)之高度中。 26. 如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置，其中發光之量子 井結構（11)及泵光源（20)上下配置在基板（1)上且量子井結構 (11)以光學方式耦合至邊緣發射式半導體結構（21),使得在操 作時量子井結構（11)中之泵光（2)傳送至半導體雷射裝置。 27. 如申請專利範圍第26項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)具有第一波導層（23)及一種由基板（1)觀之是 -4- 520578 六、申請專利範圍 連接於基板（1)之後之第二波導層（24)，此二個層（23,24)之間配 置一種活性層（25),量子井結構（11)以磊晶方式生長在第二波 導層（24)上，只覆蓋此邊緣發射式半導體結構（21)之一個部份 區域且以光學方式耦合至此結構（21),使邊緣發射式半導體結 構（21)中所產生之泵光（2)之至少一部份傳送至量子井結構（11) 中〇 28. 如申請專利範圍第27項之半導體雷射裝置，其中在邊緣發射 式半導體結構（21)中藉由第二波導層（24)之表面上至少一條已 結構化之電流注入路徑（26)而形成至少一個增益導向之發光 活性區，其用作泵光源（20)。 29. 如申請專利範圍第28項之半導體雷射裝置，其中邊緣發射式 半導體結構（21)中藉由第二波導層（24)之表面上至少一條已結 構化之電流注入路徑（26)以及第二波導層（24)中已蝕刻之溝渠 而形成至少一個增益導向之發光活性層，其用作泵光源（20)。 30. 如申請專利範圍第26至29項中任一項之半導體雷射裝置，其 中第二波導層（24)之折射率較第一波導層（23)之折射率還大。 31. 如申請專利範圍第27至29項中任一項之半導體雷射裝置，其 中此活性層（2 5)以不對稱方式置放在此種由二個波導層（23,24) 所形成之波導中。 32. 如申請專利範圍第30項之半導體雷射裝置，其中此活性層（25) 以不對稱方式置放在此種由二個波導層（23，24)所形成之波導 中〇 33. 如申請專利範圍第2至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中 520578 六、申請專利範圍 基板（1)由一種對此半導體雷射裝置中所產生之雷射光（5)可透 過之材料所構成， 在量子井結構（11)之遠離此基板（1)之此側上施加一種共振 器鏡面層（3)，特別是反射係數儘可能高之布拉格反射器。 34. 如申請專利範圍第10項之半導體雷射裝置，其中 基板（1)由一種對此半導體雷射裝置中所產生之雷射光（5) 可透過之材料所構成， 在量子井結構（11)之遠離此基板（1)之此側上施加一種共振 器鏡面層（3)，特別是反射係數儘可能高之布拉格反射器。 35. —種光學式泵送之表面發射式半導體雷射裝置之製造方法， 其特徵爲以下各步驟： a) 於基板（1)上施加一種表面發射式半導體雷射層序列 (14)，其具有至少一個量子井結構（11); b) 使所設置之雷射區（15)外部之表面發射式半導體雷射層 序列（14)被去除； c) 在基板（1)上在此種由第一半導體層序列（14)去除時所裸 露之區域上施加一種邊緣發射式半導體層序列（27)，其適合用 來發送此泵光（2)至量子井結構（11)中， d) 在邊緣發射式半導體層序列（27)中形成至少一種電流注 入路徑（26)。 36. 如申請專利範圍第35項之製造方法，其中步驟a至c具有以 下之各別步驟： aa)在基板（1)上施加一種緩衝層（6); 520578 六、申請專利範圍 ab) 在緩衝層（6)上施加一種第一局限層（12); ac) 在第一局限層（12)上施加一種適用於表面發射式半導體 雷射之量子井結構（11); ad) 在量子井結構（11)上施加第二局限層（13); ba)使局限層（12,13)，量子井結構（11)及已設置之表面發射 式雷射區（1 5)外部之緩衝層（6)之一部份被去除； ca)在緩衝層（6)之裸露之區域上依序施加第一外罩層（28)， 第一波導層（23),活性層（25)，第二波導層（24)及第二外罩層（29)， 其中須設計各別之層厚度，使活性層中所產生之泵光（2)到達 量子井結構（11)中。 37. —種光學式泵送之表面發射式半導體雷射裝置之製造方法， 其特徵爲以下各步驟： a) 在基板（1)上施加一種邊緣發射式半導體層序列（27); b) 在邊緣發射式半導體雷射層序列（27)上施加一種表面發 射式半導體雷射層序列（14)，其具有至少一種量子井結構（11); c) 使所設置之雷射區（15)外部之表面發射式半導體雷射層 序列（14)被去除； d) 在邊緣發射式半導體層序列（27)中形成至少一條電流注 入路徑（26)。 38. 如申請專利範圍第37項之方法，其中步驟a)至c)中具有以下 之各別步驟： aa) 在基板（1)上施加一種緩衝層（6); ab) 在緩衝層（6)上依序施加第一波導層（23)，活性層（25)及 第二波導層（24); -7- 520578 六、申請專利範圍 ba)在第二波導層（24)上施加第一局限層U2); bb)在第一局限層（12)上施加一種適用於表面發射式半導體 雷射之量子井結構（1 1); be)在量子并結構（11)上施加第二局限層（13); ca)使局限層（12,13),量子并結構（11)及已設置之表面發射 式雷射區（15)外部之第二波導層（24)之一部份被去除。