TWI227584B - Surface-emitting laser and its fabricating method - Google Patents

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Description

1227584
五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種面射型雷射及其製造方法，特別是 關於一種接觸電極於共振腔内之面射型雷射及直制 法。 /、衣口 【先前技術】 光纖技術是遠程通訊的核心技術，但是近年來在短距 離通訊系統中也得到了應用，比如系統間互連和短距離組 網技術，這些都得益於垂直共振腔面射型雷射（vertlc^_ cavlty surface emitting User，VCSEL)的出現。與邊 射型雷射相比其尺寸更小且更加省電，VCSEL最大的優勢 在於價格低廉，並且可以在晶圓上進行測試，因此譽造商 能夠在=裝之前發現不良品，可以節省製程上的成^° 目刖VCSEL主要適用於短距離連接的場合，包括相距 小於300公尺的機箱之間的連接，或稱為超短距離連接 Π:推廣其應用領域，vcsel需朝向較長波長及高操 作速度方向發展。傳統的礼“乙製作方式係於基板上 t ::::晶成長技術(如分子束磊晶法或有機金屬氣相 d)依序成長底部布拉格反射鏡、共振 ¥層、發光層和電流偈限層）和頂端布拉格 :乍上下電極以形成完整的VCSEL結構。使電流經由兄上^ 格反射鏡和底部布拉格反射鏡將載子帶'到 ^ 生叉激發光（stimulated emission)，使复户 :布：：反射鏡和底部布拉格反射鏡之間共振而放、出:射 先。而由於自由載子吸收效應（free carrier 出田射 1227584
absorption)對於長波長的光子反應特別明顯，而影響到 發光強度。因此，目前長波長VCSEL多採用絕緣型布&格 反射鏡（Distributed Bragg Reflector，DBR)之接觸電極 於共振腔内（intra-cavity contacted)之設計結構，將正 負電極設計在布拉格反射鏡與波導層之間，以避免自由载 子吸收光子，如美國第5245 6 22號專利所述。為了將自由 載子吸收最小化因此在設計應用於長波長（13〇 〇ηπι或 1 5 5 0nm)的接觸電極於共振腔内之VCSEL結構時，通常會使 用不摻雜（undoped)布拉格反射鏡，而分別在上下兩侧之 波導層内於光場最弱的位置，設計η型重濃度载子摻雜薄 層和Ρ型重濃度載子摻雜薄層，以避免光子受到自由载子 的吸收’而減低激發光的強度。然而，此重濃度摻雜薄岸 的厚度僅僅只有2 0nm至4 0nm，所以欲使用這種設計需要精 確的钱刻控制以及後續的檢驗步驟’方可使電極正確的制 作在重濃度摻雜薄層中，而提高了製程的難度。、 " 【發明内容】
為解決習知技術的問題，本發明係提供~種面射型雷 射及其製造方法。係藉由摻雜元素的擴散來形成電極和重 濃度載子摻雜層（doped contact layer)的連接，如此即 無需精確的蝕刻製程和檢驗，除了在後續製作金屬電極時 可提供金屬和半導體間良好的歐姆特性之外，更可簡單化 接觸電極於共振腔内之面射型雷射的製造程序，並大幅提 升製程良率。 本發明的面射型雷射之製造方法，係應用以製作接觸
第7頁 1227584 五、發明說明（3) 電極於共振腔内之面射型雷射’面射型 格反射鏡、和内含重濃度載 、’、匕3有布拉 子摻雜層係位於布拉格反射e 共振腔，重濃度載 ===止載重濃度載子摻雜 摻雜之導電元素的擴散深度，型； 層’僅露出導電電極的預定區域，再以；：表=保缦 散的方式於導電電極的預定區域形成㈢載：：,：和擴 (:h】lc c〇nyact)，使其導通於重濃度載子換V#再通： V電電極製作於導電電極的預定區域。^ s再將 利用導電元素擴散的方式， 需深度的製程成本相當低廉？並：=散進入所 其包含有-基板，於基板面射型雷射， 反射鏡’在上重濃度載子摻雜層鄰布格 載子摻雜層之上電極。其中，上古通於上重濃度 度係小於摻雜之導電元素的擴散；度，：土：：=之深 雜層和下重濃度載子摻雜層之载 重：度载子掺 摻雜p型和η型的載子。 I f相反，即兩者分別 為使對本發明的目的、碰^ 1227584 五、發明說明（4) 射石？ ί:第1二，其/接觸電極於共振腔内之面射型雷 :::，不結構係由下而上依序於基板1〇〇上 : = 成底部布拉格反射鏡110、共振腔130、頂端 120鏡15〇。共振腔包含η型重濃度載子摻雜層 声哉'V g 1 3 1、發光層1 32、電流侷限層1 33和Ρ型重濃 射鏡1 50 #久± &田_。布拉才〇反射鏡1 1 0和頂端布拉格反 、兄50係各由堆豐兩種不同折射率之 底：Γ格反射鏡n°之半導體材料需：二。 曰曰1配。基板可採用坤化鎵或是鱗化銦等基板。 極於：：=圖，其為p型平台餘刻示意圖，係由接觸電 型平：(:内，面射型雷射結構上方，姓刻出第-段的P 捭ί 2二託，其钱刻的停止點位置至P型重濃度載子 口月多考弟3圖，盆兔n剂不/ _ 刻方式形成第二段的η型平蝕刻“甘圖，係繼續以蝕 型平台。 孓千口（111633)，其大於第一段的1) 滑芩考第4圖 降低雷射的起始電流、/以'二侷限層之氧化示意圖。為 133形成可以侷限電泣的侣激阴式乳化的方式於電流偈限為
請參考第5圖二：=;134—。 於接觸電極於成载子歐姆通道之示意圖。 160，僅露出ρ型全：：^射型雷射結構表面覆細 方式於金屬電區域，再以鋅原則 1 4 1，枯甘、曾 預& &域形成Ρ型高載子濃度歐姆通 使其V通於Ρ型重濃度載子摻雜層14〇。
1227584 五、發明說明（5) 請參考第6圖，其為形成金屬電極之 1於P型重濃度載子摻雜層14〇和n型 分 上方鑛上金屬電極17〇，盆中^ ;辰=子接雜層120 载子濃度歐姆通道141導通於 =^170係經由Ρ型高 i中，。刑舌、曲由 、Pi重/辰度载子摻雜層140。 鋅、碳鈹^子推雜層之換雜元素可以使用 級a娱寻。而對應型曹、貪 成鬲載子濃度歐姆通道之元素可 ^ 爹隸層用以形 重濃度載子摻雜層，其摻雜元 、辛、鈹或鎂。而η型 平台的敍刻準度要求比較ΊΊ ° '般來說，η型 層不一定要藉由言截，η玺重濃度載子摻雜 極，如欲在η型重濃度载辰子度=姆通道來導通於η型金屬電 歐姆通道，則需選擇和η型重^ :形成η型高載子濃度 之元素。 更/辰度載子摻雜層電特性相符 由於本發明係藉由高载子 極和重濃度載子摻雜層，辰度歐姆通道來導通金屬電 高載子濃度歐姆通道係葬ώ -不需要精準的蝕刻控制。而 苓考附件1，其為鋅原子表素的熱擴散製程來完成，請 圖。係將鋅原子如型載摻雜濃度分析 表面向内擴散，其結果表八τ /辰又為2 X 1 0 1 8 c m - 3之試片 散的鋅原子可以造成深度^經熱擴散製程之後，向内擴 域，表示元素的表面擴；非常0商2」致米的高載子濃度區 電極於共振腔内之面射型Φ 2適合應用來形成上述之接觸 道。 $則'、结構的高載子濃度歐姆通 ^麵路如上所述，然其並非用
第10頁 雖然本發明之較佳實施 1227584 五、發明說明（6) 以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之 專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者 為準。
第11頁 1227584 圖式簡單說明 第1圖為接觸電極於共振腔内之面射型雷射磊晶結構 示意圖； 第2圖為p型平台蝕刻示意圖； 第3圖為η型平台蝕刻示意圖； 第4圖為電流侷限層之氧化示意圖； 第5圖為形成載子歐姆通道之示意圖；及 第6圖為形成金屬電極之示意圖。 【圖式符號說明】 100 基板 110 底部布拉格反射鏡 120 η型重濃度載子摻雜層 130 共振腔 131 波導層 132 發光層 13 3 電流侷限層 134 侷限孔徑 140 ρ型重濃度載子摻雜層 141 ρ型高載子濃度歐姆通道 150 頂端布拉格反射鏡 160 保護層 170 金屬電極

Claims (1)

1227584 六、申請專利範圍 1 · 一種面射 共振腔内 重濃度載 載子摻雜 於·餘刻 其蝕刻停 摻雜之一 定區 形成 導通 定區 同。 如申 其中 如申 其中 和鎂 如申 其中 域， 一高 於該 域， 請專 該導 請專 該重 所組 請專 該導 如申請專 其中該重 一種面射 —共 型雷射之穿』进^方、、表 之面射型雷射，係應用以製作接觸電極於 子摻雜層i接；包：f設於一共振腔内的- 該布拉格反射其特徵在 導電元辛的雜層的距離係小於預定 進深度，再於-導電電極的-預 載子濃度“通mr;子：；預定區域 該導電元素…係製作於該預 〆重/辰度載子按雜層相 ίΐπ1 二所述之面射型雷射之製造方法， : 所/之面射型雷射之製造方法， 成雜元素係選自辞、碳、鈹 :J :第3項所述之面射型雷射之製造方法， 素係選自鋅、鈹和鎂所級成的族群其中之 項所述之面射型雷射之製造方法， 子接雜層之㈣元素係為石夕。 孓田射，係建立於一基板其包人 振腔’係句冬一發朵恳 3 1227584
層，該發光層用以受激發光， 該下重濃度載子摻雜層係分別 和底部的光場最弱之處，該上 重濃度載子摻雜層所包含之載 層和一下重〉辰度載子掺雜 該上重濃度載子摻雜層和 没於接近該共振腔之頂端 重濃度載子摻雜層和該下 子電性相反； 挤μ:頂端布拉格反射鏡和一底部布拉格反射鏡，係由 同的兩種半導體材料之層疊所形成，分別形成 於该共振腔的兩側，择朵於兮相#女κ & 训便九於該頂為布拉格反射鏡和該底 邛布拉格反射鏡之間共振進而受激發光； :上電極，係設於該上重濃度載子摻雜層鄰接於該 布拉格反射鏡之側，藉由一上高載子濃度歐姆通道·-導通於该上重濃度載子摻雜層，該上高載子濃度歐姆通 . ^係由該上重濃度載子摻雜層之上方表面導通至該上重 濃度載子摻雜層，該上高載子濃度歐姆通道之摻雜元素 電性係與該上重濃度載子摻雜層相同，該上高载子濃度 區人姆通道之深度係小於該該上高載子濃度歐 雜之導電元素的擴散深度；1 …乡 下電極’係設於該下重濃度載子接雜層鄰接於+亥 底部布拉格反射鏡之侧，導通於該下重濃度載子摻雜 層。 · 7 ·如申請專利範圍第6項所述之面射型雷射，其中該上高 載子濃度歐姆通道之掺雜元素係為鋅。 8 ·如申請專利範圍第6項所述之面射型雷射，其中該上重 ’ 濃度載子摻雜層之摻雜元素係選自鋅、碳、鈹和鎂所組
1227584 六、申請專利範圍 成的族群其中之一。 9 ·如申凊專利範圍第8項所述之面射型雷射，其中該導電 元素係選自鋅、鈹和鎂所組成的族群其中之一。 一 1 0 ·如申請專利範圍第6項所述之面射型雷射，並 濃度載子摻雜層之摻雜元素係為矽。 八"Ϊ n ·=申，專利範圍第6項所述之面射型雷射，其中更包含 下回載子濃度歐姆通道，係使該下電 / 载子濃度歐姆通道導通於該下重濃 J =下商 ΐ2·:種面射型雷射之製造方法，係dy作接 觸電極於共振腔内之面射型雷射，其步驟^^作接 此振亥基t表面依序堆疊一底部布拉格反射鏡、-:、振肚和一頂端布拉格反射鏡，該共 $載子摻雜層與一上重濃度載子摻雜‘匕：，：j 辰度載子摻雜層和該下重濃度載二&上重 相反； /辰反戰于栘雜層之載子電性 邊布拉格反射鏡至該上重濃 方，其蝕刻停止點5兮μ舌、曲古1 又戟卞L 4層上 小於預定摻雜之= 子摻雜層的距離係 作心 ^電凡素的擴散深度； ~ ^ 一上電極的一預定區域進行該導電元辛之供 放，於該預定區域形成— ^包兀素之擴 於該上重濃度载子換 ^ ^歐姆通道導通 上重濃度載子摻雜層相同；電兀素之電性係與該 上高載子:^形成在該預定區域，使該上電極透過芎 载子浪度歐姆通道導通於該上重濃度载子摻；
第15頁 1227584 六、申請專利範圍 層；及 形成一下電極，將該下電極設於該下重濃度載子 摻雜層鄰接於該底部布拉格反射鏡之側，並導通於該 下重〉辰度載子換雜層。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之面射型雷射之製造方. 去’其中該於一上電極的一預定區域進行一導電元素 之熱擴散的步驟，該導電元素係為辞。 1 4·如申請專利範圍第1 2項所述之面射型雷射之製造方 法’其中該上重濃度興子摻雜層之摻雜元素係選自
鋅、碳、鈹和鎂所組成的族群其中之一。 1 5 ·如申請專利範圍第丨4項所述之面射型雷射之製造方 法’其中該導電元素係選自辞、鈹和鎂所組成的族群 其中之一。 1 6 ·如申請專利範圍第1 2項所述之面射型雷射之製造方 法’其中該下重濃度載子摻雜層之摻雜元素係為矽。 1 7 _如申請專利範圍第1 2項所述之面射型雷射之製造方 去’其中更包含一形成下高載子濃度歐姆通道的步 驟’使该下電極透過該下高載子濃度歐姆通道導通於 忒下重濃度載子摻雜層。
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