TWI262640B - Optically pumped semiconductor device - Google Patents

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TWI262640B
TWI262640B TW094113700A TW94113700A TWI262640B TW I262640 B TWI262640 B TW I262640B TW 094113700 A TW094113700 A TW 094113700A TW 94113700 A TW94113700 A TW 94113700A TW I262640 B TWI262640 B TW I262640B
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Norbert Linder
Wolfgang Schmid
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Description

1262640 九、發明說明： _ 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種依據申請專利範圍第1項前言之光學泵 ” 送式半導體裝置。 . 【先前技術】 此種半導體裝置例如由文件w〇0 1 /93 3 96中已爲人所 | 知，其中描述一種光學泵送式垂直發射器，其與泵輻射源（例 φ 如，邊緣發射式半導體雷射）一起以單石方式積體化而製成。 爲了達成高的泵送效率，則泵送波長須小於垂直發射器 . 的發射波長。不同的波長例如藉由泵輻射源-或垂直發射器 . 之材料成份和不同的結構來達成。 上述之半導體裝置例如可以下述方式製成：首先，在基 板上以整面方式生長該垂直發射器用的層且然後在橫向位 ^ 於外部的區域中使該層之一部份又被剝蝕。在已剝蝕的區 | 域中在第二磊晶步驟中生長該泵輻射源(例如，邊緣發射式 % 半導體雷射）用的層。 以二種相隔開之磊晶步驟來進行製造時當然需要較高的 費用。此外，須注意：在泵輻射源和垂直發射器之間形成 一種良好之光學接面，以使該位置處的吸收損耗保持較小。 又，由 Gerhold et al·， IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol. 34. N〇.3，1998，Page 506 to 511 中已知一 種光學泵送式半導體裝置，其唯一之連續的活性層具有量 子井結構。在位於外部之橫向區域中，該量子井結構須與 活性層相混合，使該區域中在與中央區相比較時可產生一 1262640 ， 種較短的波長，其作爲該中央區用的泵輻射。 由於只形成唯一的活性層，則當然各泵送波長只能在一 較小的區域中改變。此外，存在著下述的危險性：由於量 - 子井結構在位於外部之橫向區域中之混合作用而使半導體 ^ 本體的光學特性受到影響，這樣會使泵送效率下降。 【發明內容】 | 本發明的目的是提供一種上述形式的光學泵送式半導體 φ 裝置，其能以技術上較少的費用來製成。本裝置特別是能 以未中斷的磊晶方法來製成。 上述目的以具有申請專利範圍第1項特徵之光學泵送式 半導體裝置來達成。本發明有利的其它形式描述在申請專 利範圍各附屬項中。 ' 本發明中設有半導體裝置，其包括：一光學泵送式垂直 ' 發射器，其具有一活性之垂直發射層；以及一泵輻射源， I 藉此產生一種在橫向中傳送的泵輻射場，其在泵送區中對 ^ 該垂直發射層進行光學式泵送，其中泵輻射場之波長小於 垂直發射器所產生的輻射場的波長。泵輻射源具有一種活 性泵送層，其在垂直方向中配置於垂直發射層之後且在垂 直方向中觀看時至少一部份是與垂直發射層相重疊，其中 ' 須配置該活性泵送層，使操作中所產生的泵輻射場具有一 種較垂直發射層所產生的寄生式橫向傳送的輻射場還高的 功率，或寄生式橫向傳送的輻射場之產生會受到垂直發射 層的抑制。 泵輻射源較佳是以邊緣發射器構成，特別是以邊緣發射
1262640 式雷射構成。更佳的情況是泵輻射源以泵雷射之形式而和 垂直發射器一起以單石形式積體化於共同的半導體本體 中。例如，泵雷射的雷射共振器可由半導體本體之側面所 形成，使垂直發射器之泵送區-且進而使活性之垂直發射層 都配置在雷射共振器之內部中。 本發明由以下的構想開始，即，活性之垂直發射層和活 性的泵送層在磊晶過程中依序生長，去除已生長的層時磊 晶過程不需中斷。由於泵送波長就有效的泵送過程而言小 於垂直發射器之波長，則此處須注意：一種橫向傳送的輻 射場亦不會產生在垂直發射層中。此種寄生式輻射場所具 有的波長是與垂直發射的輻射者相同且因此只會不足夠地 對垂直發射器進行泵送。由於此一原因，此種輻射場的產 生是吾人所不期望者。本發明中須配置該泵送層，使操作 中所產生的泵輻射場（其由垂直發射層所產生）至少具有一 種較寄生式橫向傳送的輻射場還高的功率，其中此種寄生 式輻射場之產生較佳是須廣泛地受到抑制或甚至完全被抑 制。 本發明的半導體裝置能以技術上較少的費用來製成。特 別是在生長該垂直發射器之後不需使磊晶過程中斷，以便 進一步使層序列的一部份被剝除且重新在第二磊晶步驟中 生長該泵輻射源。此外’本發明的半導體裝置之特徵是高 的泵送效率，這是由於活性泵送層和活性垂直發射層相隔 開所造成，其中泵送波長和發射波長可依據各別活性層之 形式而在廣泛的極限中自由地調整。 1262640 在本發明的一較佳的形式中，泵輻射源在電性上藉由電1 荷載體注入（即，第一導電型之電荷載體注入和第二導電型 之電荷載體注入）而受到激發以產生泵輻射。通常’電荷載 體依據型式而有不同的淨捕捉速率。淨捕捉速率因此即胃 電荷載體在泵送層中重組的機率。淨捕捉速率另外亦與各 別的電荷載體之移動率有關。 第一導電型的電荷載體所具有的淨捕捉速率較佳是較第 導電型之電荷載體者還高且由一側注入至半導體裝置 中，其中泵送層至該側的距離較垂直發射層至該 還小。藉由上述的配置，則泵送層和垂直發射層 同的地位，因此藉由電荷載體注入而首先在泵送 一輻射的產生。 在本發明的另一形式中，在垂直發射層和泵送 成一種位障，其對電荷載體具有選擇性。因此， 和垂直發射層之間同樣可保持相同的地位，使已 荷載體加倍而在泵送層中重組且因此可廣泛地使 向傳送的輻射場不會藉由垂直發射層而產生。 在本發明的另一較佳的形式中，半導體裝置的 第一導電型來摻雜且一部份以第二導電型來摻雜 側的距離 可保持相 層中激發 層之間形 在泵送層 注入的電 寄生式橫 一部份以 一至第二導電型來摻雜的接面中形成一種空間電 此，泵送層配置在空間電荷區之內部且垂直發射 使由第 荷區。因 層配置在 空間電荷區外部。結果，由於電荷載體注入而首先由栗送 層來激發一輻射的產生，且垂直發射層中一種寄生式輻射 場之激發可廣泛地被防止
1262640 就藉由泵送層所優先產生的輻射而言，本發明目前爲止 所述的特徵特別涉及其藉由電荷載體注入時的電性激發方 面的配置。 在本發明的另一形式中，半導體裝置具有一種波導，其 中配置著垂直發射層和泵送層，此時須選取該泵送層的配 置，使操作時所產生的泵輻射場所具有的功率較寄生式橫 向傳送之輻射場之功率還高。特別有利的是寄生式輻射場 之產生可藉由垂直發射層而完全受到抑制。波導內部中多 個活性層之上述配置可另有不同的選擇方式或可與本發明 之已提及的特徵相組合。 波導可設有一種泵送模式，其就泵送層而言具有一種塡 充因素Γρ且就垂直發射層而言具有一種塡充因素Γν，其 中較佳是須配置該泵送層，使泵送層之塡充因素Γρ大於垂 直發射層之塡充因素Γν。因此，在本發明的第一形式中， 泵送層較垂直發射層配置成更靠近泵送模式之強度最大 値，使泵送層之塡充因素Γ ρ (即，泵送模式與泵送層之重疊） 大於泵送模式與垂直發射層之相對應的重疊。因此，泵送 層可較強地耦合至泵輻射場且因此可藉由泵送層而較佳地 產生輻射。 另一方面，泵送層較垂直發射層具有較高的塡充因素亦 可藉由下述方式來達成：選取一種具有零穿越點（即，節點） 之模式作爲泵送模式，且垂直發射層較泵送層配置成更靠 近零穿越點。以此種方式可使垂直發射層達成一種特別小 的塡充因素且因此可有利地使泵輻射場高程度地耦合至泵 1262640 送層。 在本發明的另一較佳形式中，在泵送區內部之垂直發射 層中泵輻射之吸收性較垂直發射層之橫向相鄰的區域還 • 高。這樣一方面可使光學泵送過程有利地達成高的效率。 。 另一方面泵輻射場在泵送區外部的橫向傳送因此不會受到 垂直發射層的影響。 本發明中在與上述波導相結合時栗輻射場在泵送區內部 中較高的吸收率可有利地以下述方式來達成：波導在泵送 區內部中之波導特性須相對於橫向相鄰的區域來修改。此 種修改須更佳地完成，使泵送層之上述塡充因素Γ P或垂直 發射層之塡充因素Γν在泵送層內部中之比Γρ/Γν較橫向 相鄰的區域中之比還小。波導特性之相對應的修改例如能 • 以下述方式來達成：波導之一些部份或與波導相鄰的層的 ' 一些部份在泵送區內部中有一部份被剝蝕或波導之一些部 _ 份或與波導相鄰的層的一些部份在泵送區內部中被氧化或 | 進行化學反應以使折射率改變。 在本發明的另一較佳的形式中，上述使泵送區內部中之 吸收率提高是以，，泵送區內部中泵送層之至少一部份被去 除”來達成。此處須指出：相對於上述之先前技術而言，在 胃晶生長各別的半導體層之後可去除該泵送層且特別是隨 $不需其它之磊晶過程。 本發明另一有利的形式是：在泵送區外部設有多個元 件’其可使垂直傳送之寄性式輻射場之產生受到抑制。因 此’可使泵送區外部不期望的各種模式不會開始振動，否 -10- 1262640 則這些振動會垂直擴散。上述這些模式通常不會由半導體 本體發出而是在半導體本體中被吸收或在半導體本體上所 施加的接觸金屬層中被吸收。這些模式對泵送區中垂直發 射之輻射場之產生因此不會有促進作用且會使半導體裝置 的效率惡化。 爲了抑制上述垂直傳送之寄生模式，本發明中的設計方 式是：形成多個在電性操作時所需的接觸金屬層’其具有 較小的反射率，特別是須選取小的反射率’使垂直模式不 B 會振動。這些垂直模式可廣泛地以下述方式來防止：在泵 送區外部設有一種吸收層，藉此可適當地使各垂直模式受 到高的損耗，這些垂直模式因此不會發生振動。最後’亦 可在泵送區內部中使垂直發射器所用的布拉格-鏡面被氧 - 化，使該鏡面在泵送區外部之反射率較泵送區內部者小很 , 多。以類似於接觸金屬層所具有之小的反射率之方式，垂 直寄生模式之振動因此可避免。
本發明的其它特徵，優點和適用性將依據第1至8圖和 六個實施例說明於下。 【實施方式】 各圖式中相同-或作用相同的元件以相同的參考符號來 表示。 本發明的光學泵送式半導體裝置之在第1圖中所示的實 施例具有一種半導體本體1，其包含一活性泵送層2以及一 在垂直方向中配置在活性泵送層2之後的活性垂直發射層 3，其中泵送層2和垂直發射層3互相平行而配置著。 -11 - 1262640 此外，泵送層2和垂直發射層3形成在波導1 〇內部，第 一外罩層8和相面對的第二外罩層9鄰接於波導1 〇。 布拉格-鏡面4和基板5在垂直方向中配置於波導之後， 基板5在遠離半導體層之此側上設有一接觸金屬層6。與此 相對應地在半導體本體之相面對的此側上在第一外罩層8 上施加一接觸層17和第二接觸金屬層7,其在泵送區11內 部中具有空白區。由垂直發射層所產生之在垂直方向中發 射的輻射1 2在泵送區中發出。 另外，在泵送層2和垂直發射層3之間配置一種具有電 荷載體選擇性的位障層1 3。 本實施例中例如可以 AlInGaAl-材料系統 ((AlxIn.-x)yGa.-yAs ^ 其中 OS 1, OS 1)爲主或以
AlInGaP-材料系統（（AhInn)yGai.yP，其中 O^xSl， 1)爲主來製成，在第二種情況中泵送波長是630奈米（nm) 且垂直發射器之發射波長是650奈米。可設有一種電流阻 障層以作爲位障層1 3，例如，在一種（A1。. 5 G a。. 5)。. 51 η。. 5 P -波 導中可設有一種Α1〇.5Ιη〇.5Ρ-層。 就以AlInGaAs爲主之對應於第1圖之結構而言，以下的 表中例如列出層材料和層厚度以及摻雜度。布拉格-鏡面4 在此種結構 30中包含一種分別由 Ah.oGao.oAs-層和 Al〇.2Ga(uAs-層所形成之層對（pair)且在遠離基板之此側上 包含一種隔絕之 Ah.oGa^oAs-層。在已氧化的布拉格-鏡面 (其中該Ah.oGao.oAs-層氧化成八12〇3_層）中大約六個層對即 已足夠。 -12-
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厚度 材料 摻雜度 元件 200奈米 GaAs P C，lxlCfcm·3 接觸層17 1500奈米 Alo.0Gao.4As P C，lxl018cm3 外罩層8 120奈米 Alo.2Gao.8As 波導10 10奈米 Ino.13Gao.87 As 活性泵送層2 120奈米 Alo.2Gao.8As _ 一 波導10 120奈米 Alo.0Gao.4As n Te, lxlO17 cm'3 位障層13 225奈米 Alo.2Gao.8As n Te，1x10 丨7 cm3 波導10 10奈米 Ino.10Gao.84As n Te, lxl0I7cm'3 活性垂直發射層3 375奈米 Alo.2Gao.8As n Te，lxlO17 cm·3 波導10 375奈米 Alo.0Gao.4As n Te, lxl017cm·3 外罩層9 75奈米 Ali.〇Ga〇.〇As n Te, lxlO17 cm'3 布拉格-鏡面4 75奈米 (30x) Alo.2Gao.8As n Te, lxlO17 cm'3 75奈米 (30x) Ali.〇Ga〇.〇As n Te，1x10 丨7 cm·3 GaAs n Te, lxlO17 cm'3 基板5 本發明當然不限於上述之材料系統而是可依據波長和其它 之需求以其它之半導體材料系統例如，（AlxInnhGai.yAszPu， 其中 OSx^l，OSySl，OSzSl 或（Ahlm-OyGahN，其中 OSx $ 1，OS yS 1來製成。 栗幅射源在本貫施例中較佳是以邊緣發射式泵雷射構 成，其雷射活性介質是泵送層2。雷射共振器由與泵送層2 橫向相鄰的側面1 6所形成，使垂直發射層3且特別是垂直 -13- 1262640 發射器之泵送區11配置在泵雷射共振器之內部。 在操作時電荷載體經由接觸金屬層6，7而注入半導體本 體中以產生泵輻射。由發送側或由接觸層7使電洞注入而 成爲第一電荷載體型式，經由相面對的接觸層6使電子注 入而成爲第二電荷載體型式。 由於上述二種電荷載體型式之不同的移動性，本實施例 中電洞所具有的淨捕捉速率較電子者還高。因此，泵送層2 較垂直發射層配置成更靠近接觸層7，使藉由接觸層7所導 入的電洞較佳是在泵送層2中可用來作輻射用的重組且在 該處產生泵輻射場。 此外，電荷載體選擇式位障層1 3用來防止電洞擴散至其 下方的垂直發射層3中，使已注入的電荷載體在泵送層2 中的重組機率進一步提高。 又，在第1圖所示的實施例中，基板5，布拉格-鏡面4， 外罩層9，隨後之波導1 0之區域，垂直發射層3，隨後之波 導10之區域以及位障層13是以第一導電型來參雜。隨後之 波導區域，泵送層2和波導之跟隨泵送層2之區域都未摻 雜，且上側的第一外罩層8是以第二導電型來摻雜。例如， 第一導電型對應於η -摻雜且第二導電型對應於ρ _摻雜。 由於上述的摻雜方式，則會在泵送層2之區域中形成空 間電荷區，其中垂直發射層3配置在此空間電荷區外部。 如上所述，本發明中須形成該泵送層2，使所產生的泵輻 射所具有的波長小於栗送區1 1內部中由垂直發射層3所產 生-且在垂直方向中發出的輻射12之波長。若泵送層2和垂 -14· 1262640 直發射層3此時處於同等地位’則由於在同時受到 發時波長不同而首先會由垂直發射層3激發一種橫 ^ 的輻射場。這由於上述原因而不是吾人所期望者且 . 能避免。 在第1圖所示的實施例中設有三種措施，即，泵 電荷載體以較高的淨捕捉速率注入時所經過的側面 較小的間距，位障層1 3配置在泵送層2和垂直發射 > 間且形成空間電荷區，使泵送層2位於空間電荷區 ^ 垂直發射層3位於空間電荷區外部。藉由上述三種 則就同時受到電性激發而言泵送層2和垂直發射層 * 持在同樣地位，使得一種橫向傳送之泵輻射場首先 層2產生。 - 依據電性激發之強度，”寄生式橫向傳送之輻射場 -或至少一部份大量地由垂直發射層3所產生”之現 到抑制’使泵輻射場之功率大於寄生式輻射場之功 > 處須指出：本發明的範圍中上述措施之一已足以防 式輻射場的產生。在另一側上特別是在受到較大 時’則其它的措施可能仍然需要，以防止垂直發射 • 一種橫向傳送的輻射場。 - 第2圖所示的實施例就泵送層2，垂直發射層3， 之間的位障層1 1，波導1 0，相鄰接的外罩層8，9， 拉格-鏡面4而言都具有一種對應於第1圖的構造。 但與第1圖所示的實施例不同之處是：輻射的發 由基板5來達成，其中施加在基板上的接觸層6在 電性激 向傳送 應儘可 送層與 之間有 層3之 內部且 措施， 3可保 由泵送 完全由 象會受 率。此 止寄生 的激發 層產生 此二層 以及布 出是經 泵送區 -15- 1262640 內部中具有凹口以發出垂直方向中所發出的輻射12。反 之，配置在布拉格-鏡面4上的與接觸層6相面對之接觸層 7是連續的且未具備凹口。 第2圖所示的實施例中，就所產生的垂直發射的輻射1 2 而言基板5須可充份地透過輻射。由於導電性的基板偶而 具有一種有限的透明度，則適當的方式是在泵送區內部中 將該基板的一部份或全部予以剝蝕（未顯示）。 如第1圖的實施例所示，第2圖所示的實施例具有上述 三種措施以使垂直發射層中寄生式輻射場受到抑制，其中 情況需要時一種或二種上述的措施即已足夠，或另需要其 它的措施以使寄生式輻射場受到抑制。特別是在本實施例 中泵送層2和垂直發射層3之位置可互換。 第3圖顯示本發明的第三實施例。就像上述各實施例一 樣，半導體本體1具有一基板5,基板5上依序施加布拉格 -鏡面4，波導1 0和外罩層8。波導內部中形成活性之泵送 層2和垂直發射層3,其在垂直方向中配置於泵送層2之後 且與泵送層2相平行。基板5設有接觸層6且外罩層8設有 接觸層7，其與接觸層6相對。 藉由波導10來確定泵送模式14。泵送模式與各活性層之 一所形成的”重疊"（overlapping)稱爲塡充因素。塡充因素越 大，則各別的活性層耦合至泵輻射場之程度亦越大。本發 明的設計方式是：泵送層在栗送區1 1外邰具有一種儘可能 大的塡充因素Γρ。本實施例中該泵送層因此配置在泵模式 1 4之強度最大値處且須與垂直發射層3相隔開，使泵送層 -16 - 1262640 之塡充因素Γρ大於垂直發射層之塡充因素Γν。 泵送層2由於較大的塡充因素Γρ而可較垂直發射層3 更強地耦合至一種在波導中橫向傳送的輻射場上，使一方 面在波導中可首先產生泵輻射，且另一方面垂直發射層3 在泵送區1 1外部幾乎不會對泵輻射場之橫向傳送造成限 制0
此處須指出：本發明中亦存在其它各種可能方式以使泵 輻射在垂直發射層中在泵送區外部之吸收率下降。例如， 垂直發射層可在泵送區外部受到大程度的激發，使垂直發 射層褪色且因此使其透過率增大。由於受到大程度的激 發，當然會使”形成各種垂直傳送的寄生模式”的危險性提 高。因此，上述的各種可能方式被視爲是有利的。 反之，泵送區11內部之設置方式是使垂直發射層3大大 地耦合至泵輻射場，此乃因該區域中垂直發射器是由泵輻 射場以光學方式進行泵送。因此，須修改該波導在泵送區 1 1內部中之波導特性，使垂直發射層的塡充因素Γ ν提高 或塡充因素之比値Γ ρ/ Γ ν相對於泵送區1 1外部橫向相鄰 的區域而變小。 這在本實施例中以下述方式來達成，即，泵送區11內部 中以梯形方式將外罩層8和波導1 1之一部份剝除’這樣可 使波導之寬度變小。凹口之成傾斜而延伸之平坦側面可使 波導特性連續地轉移至泵送區中’這樣可使不期望的反射 和雜散損失不會發生。 因此，泵送模式15之強度最大値會在垂直發射層3之方 -17- 1262640 向中偏移，使其塡充因素Γ v變大或使泵送層2之塡充因素 Γ ρ變小。強度最大値之偏移係依據泵送模式1 5而顯示在 泵送區內部中◦此外，第3圖顯示半導體本體內部中垂直 發射的幅射場1 2之強度分佈。同圖亦顯示垂直發射的_射 場1 2之橫向範圍，其大約是輻射場半徑之1 / e，輻射場會 依據繞射條件而在發射方向中擴大。
第4圖顯示本發明的第四實施例，該半導體裝置大部份 都與第3圖所示之實施例相同，其不同之處是：第4圖之 波導1 0在泵送區1 1中未被剝蝕，且布拉格-鏡面4在泵送 區1 1內部中被氧化。在已氧化的布拉格-鏡面中可有利地使 鏡面周期之數目（層對（pair)的數目）相對於未氧化的布拉格 -鏡面而減少。因此，就已氧化的布拉格-鏡面而言，大約5 至1 0個鏡面周期即已足夠，但在未氧化的布拉格-鏡面中典 型上需設置25至50個鏡面周期。鏡面周期之數目較少可使 製造費用和布拉格-鏡面之熱阻都減少。 特別是一種以GaAs/AlGaAs-材料系統爲主之布拉格-鏡 面適合用作已氧化的布拉格-鏡面，其較佳是各層都具有高 的鋁成份。這些層例如在濕熱中在一種水蒸氣-大氣下在 4 00°C之高溫中被氧化。藉由這些含鋁之層之氧化作用，則 其折射率可大大地改變且因此可依據所期望者來修改波導 的特性。 本實施例中須確定該波導1 〇之尺寸，使泵送模式具有一 種零穿越點（即，節點）。該泵送層因此就像先前的實施例一 樣配置在泵送模式14之強度最大値處。反之，垂直發射層 -18- 1262640 配置在泵送模式14之零穿越區中。於是，泵送層2可達成 最大之塡充因素Γ p，同時可使垂直發射層3有最小的塡充 因素Γ v。 又，泵送區1 1內部中須修改該波導1 〇之波導特性，使 塡充因素之比値Γ ρ/ Γ v減小。即，各活性層之耦合性由泵 送層2偏移至垂直發射層3。這在本實施例中是由一種與波 導1 0相鄰接的布拉格-鏡面4之一部份受到氧化來達成。 布拉格-鏡面之氧化會使波導1 0和布拉格-鏡面4之間的 折射率跳躍値改變，使泵送區丨丨外部中如圖所示該泵送模 式14會更深地侵入至布拉格-鏡面中。反之，泵送區11內 部中該布拉格-鏡面4被氧化，使折射率跳躍値較較橫向相 鄰的區域中者大很多，且使泵送模式15之零穿越點在泵送 層2之方向中偏移而由垂直發射層3偏離。因此，垂直發 射層之塡充因素Γ v會增大且使栗輻射場之耦合性或吸收 性在垂直發射層中增大。 第5圖顯示本發明之半導體裝置之另一實施例。本實施 例組合第3，4圖中所示實施例的特徵。本實施例中半導體 本體大都與第3圖所示的半導體本體相同且特別是在泵送 區11內部中在外罩層8或波導10中具有一種凹口。反之， 第4圖所示的實施例中設有一種具備零穿越點的模式以作 爲泵送模式14，其中泵送層2亦配置在泵送模式14之強度 最大値處且垂直發射層3配置在泵送模式14之零穿越區 中。藉由外罩層8之凹口或泵送區內部中之波導1 〇，則就 像第3圖所示之實施例一樣須修改該波導之波導特性，使 -19- 1262640 泵送層之強度最大値在垂直發射層3之方向中偏移。 第6圖顯示本發明之半導體裝置之第六實施例。半導體 本體對應於第3圖所示之半導體本體，其不同之處是：第6 圖中的凹口在泵送區內部中以較深的方式形成且由外罩層 開始經由波導1 〇而延伸直至越過泵送層爲止，即，泵送層 在泵送區內部中亦被剝除。這樣是有利的，此乃因各接觸 區6和7配置在泵送區1 1內部中時不需進行電性上的激 發。於是’在該區域中該泵送層2對該泵輻射場之產生不 會有助益’但缺點是會吸收該泵輻射場。較佳是使層序列 在泵送區內部中被剝蝕至所期望的深度爲止且隨後以一種 鈍化層（例如，介電質，其可爲氮化矽）來覆蓋。 由於泵送區1 1內部中的凹口，則就像第3，5圖所示的 實施例一樣可修改該波導1 〇之波導特性。如第5圖所示的 實施例所示，設有一種具備零穿越點的較高階的橫向模式 以作爲泵送模式14，其中在泵送區之外部中該泵送層係配 置在泵送模式之強度最大値處，且垂直發射層3配置在泵 送模式之零穿越區中。 第7圖顯示泵送區外部該泵送模式沿著線a - A之垂直之 強度外觀之圖解。此種強度外觀對一種相對應的半導體裝 置而言可藉由模擬計算而測得。具有6 3 〇奈米之泵送波長 且所具有的垂直發射器之發射波長是65(}奈米之上述 A1 In GaP-層系統是以模擬計算爲基準而製成。 第7圖所示者是沿著垂直方向z之泵輻射場之強度以及 半導體層序列之相關的折射率。 -20- 1262640 相對應地，第8圖顯示泵送區Π內部中沿著線B - B之泵 輻射場之強度之相對應的外觀。SiN層作爲鈍化層1 8。
由第8圖中一方面由於波導的寬度已減小而可明顯辨認 該泵送模式之緊密性且另一方面可辨認該泵送模式在垂直 發射層之方向中的偏移。此處須指出：泵送模式之最大値 不是有意地偏移至垂直發射層3中，此乃因這樣會在泵送 區內部中造成泵送模式有太高的吸收率。結果，泵輻射場 在泵送區的邊緣上會大大地減弱且因此會形成不均勻的泵 送外形（profile)。 本發明較佳是以半導體晶圓雷射（例如，VCSEL或 VECSEL)來構成。特別是設有垂直發射器以形成一種具有外 部共振器（VECSEL)之垂直發射式雷射，其中共振器由布拉 格-鏡面和外部的鏡面所形成。 在本發明的另一較佳的實施形式中，在該外部共振器內 部中設置一種頻率轉換（例如，頻率雙成雙倍）用的元件。例 如’非線性的光學元件（特別是非線性的晶體）適用於此目 的。 本發明依據以上實施例所作的描述當然不是對本發明的 一種限制。反之，本發明包含各實施例中和其它說明中所 述各特徵的各種組合，當此種組合未明顯地描述在各申請 專利範圍中時亦同。 【圖式簡單說明】 第1圖本發明之半導體裝置之第一實施例之切面圖。 第2圖本發明之半導體裝置之第二實施例之切面圖。 -21 - 1262640 第3圖本發明之半導體裝置之第三實施例之切面圖。 第4圖本發明之半導體裝置之第四實施例之切面圖。 第5圖本發明之半導體裝置之第五實施例之切面圖。 第6圖本發明之半導體裝置之第六實施例之切面圖。 第7圖泵送區外部之泵輻射場之外觀之圖解。 第8圖泵送區內部之泵輻射場之外觀之圖解。 【主要元件之符號說明】
1 半導體本體 2 泵送層 3 垂直發射層 4 布拉格-鏡面 5 基板 6, 7 接觸金屬層 8，9 外罩層 10 波導 11 泵送區 12 輻射 13 位障層 14, 15 泵送模式 16 側面 17 接觸層 -22-

Claims (1)

  1. 1262640 第94113700號「光學泵送式半導體裝置」專利案 (2006年5月修正） 十、申請專利範圍： - 1. 一種半導體裝置，包括··一光學泵送式垂直發射器，其 . 具有一活性之垂直發射層（3); —泵輻射源，藉此產生一 種在橫向中傳送的泵輻射場，其在泵送區中以光學方式 對該垂直發射層（3)進行泵送’泵輻射場之波長小於垂直 發射器所產生的輻射場（12)之波長’其特徵爲： 泵輻射源具有一活性之泵送層（2)，其在垂直方向中配置 在垂直發射層（3)之後且在垂直方向中觀看時至少一部份 是與垂直發射層（3)相重疊，其中須配置該活性之泵送層 ，使操作中所產生的泵輻射場（14，15)所具有的功率較垂 > 直發射層（3)所產生的寄生式橫向傳送的輻射場之功率還 * 大，或藉由垂直發射層（3)來抑制寄生式橫向傳送的輻射 場之產生。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中泵輻射源在電 性上藉由電荷載體注入來激發以產生該泵輻射。 3. 如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中該半導體裝置 中注入第一導電型之電荷載體和第二導電型之電荷載體。 4. 如申請專利範圍第3項之半導體裝置，其中第一導電型之 電荷載體所具有的淨捕捉速率較第二導電型之電荷載體 者還高且由一側中注入半導體裝置中，其中泵送層（2)至 該側的距離小於垂直發射層（3)至該側的距離。 5 ·如申g靑專利軔圍弟3項之半導體裝置，其中在垂直發射層 1262640 (3)和泵送層（2)之間形成一種位障，其對電荷載體型式具 有一種選擇性。 6 ·如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中在垂直發射層 (3)和泵送層（2)之間形成一種位障，其對電荷載體型式具 有一種選擇性。 7 ·如申請專利範圍第3至6項中任一項之半導體裝置，其中 半導體裝置一部份以第一導電型來摻雜且一部份以第二 導電型來摻雜以及具有一種空間電荷區，其中該泵送層（2) 配置在空間電荷區內部中，垂直發射層（3)配置在空間電 荷區外部。 8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體裝置，其中 泵送層（2)和垂直發射層（3)配置在波導（10)內部中。 9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中波導（10)在泵 送區（1)外部存在著一種泵送模式（14，15)，其包括該泵送 層之塡充因素Γρ和垂直發射層之塡充因素Γν，其中泵 送層之塡充因素Γρ大於垂直發射層之塡充因素Γν。 10.如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中泵送模式（14) 存在著一種強度最大値，泵送層（2)配置成較垂直發射層 (3)更靠近該強度最大値處。 1 1 .如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中泵送模式（1 4) 具有一種零穿越點，垂直發射層（3)配置成較泵送層（2)更 靠近該零穿越點。 1 2 .如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中泵送區（1 1) 內部之垂直發射層（3)中該泵輻射之吸收率已較垂直發射 1262640 層（3)之與泵送區（1 1 )橫向相鄰接的區域之吸收率提高。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之半導體裝置’其中泵輻射場對 該泵送層（2)具有一種塡充因素Γρ且對垂直發射層（3)具 - 有一種塡充因素Γ ν，其中泵送區（11)內部中該比値Γ ρ/ ， Γ V已較垂直發射層（3)之與泵送區（11)橫向相鄰接的區 域者減小。 14.如申請專利範圍第12或13項之半導體裝置，其中泵送層 (2)和垂直發射層（3)配置在波導（1〇)內部中，波導（1〇)之波 導特性在泵送區（1 1)內部中已相對於與泵送區（1 1)橫向相 鄰接的區域中者而作改變。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之半導體裝置，其中泵送區（1 1) 內部中該波導（10)-或與其相鄰的各層之至少一部份已去 " 除。 • 16.如申請專利範圍第15項之半導體裝置，其中泵送區（1 1) 內部中該波導（10)-或與其相鄰的各層之至少一部份已氧 化。 1 7 ·如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體裝置，其中 泵送區（11)內部中該泵送層（2)至少一部份已去除。 ^ 丨8 .如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中泵送區（1 1) ’ 外部設有一種使垂直傳送之寄生式輻射場受到抑制的元 件。 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項之半導體裝置，其中對各接觸金 屬層（6,7 )選取一種材料，其反射率須小，使寄生式輻射 場之垂直傳送模式之振動受到抑制。 1262640 2 0.如申請專利範圍第18或19項之半導體裝置，其中泵送區 (1 1)外部設有一種吸收層，使垂直傳送之寄生式輻射場受 到抑制。 21. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中一種鏡面層（4) 在垂直方向中配置在泵送層（2)和垂直發射層（3)之後。 22. 如申請專利範圍第21項之半導體裝置，其中鏡面層（4) 在泵送區（1 1)內部中被氧化。 23. 如申請專利範圍第21或22項之半導體裝置，其中鏡面層 (4)配置在垂直發射層（3)和基板（5)之間，由垂直發射層所 產生的輻射（1 2)在與基板相面對的此側上發出。 24. 如申請專利範圍第21或22項之半導體裝置，其中垂直發 射層（3)配置在鏡面層（4)和基板（5)之間，由垂直發射層所 產生的輻射（12)經由基板（5)而發出。 25. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中垂直發射器之 後配置一種外部共振器。 2 6.如申請專利範圍第21項之半導體裝置，其中該外部共振 器由鏡面層（4)和外部鏡面所形成。 27. 如申請專利範圍第25或26項之半導體裝置，其中該外部 共振器內部中配置一種頻率轉換用的元件，特別是頻率 變成二倍用的元件。 28. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之半導體裝置，其中 該半導體裝置以單石方式積體化而形成。
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