TWI268002B - Semiconductor laser device through the application of phonon-assisted light amplification technique, and its manufacturing method - Google Patents

Description

1268002 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ’特別是指一種透過聲子辅助 本發明係有關一種半導體雷射元件 發光之半導體雷射元件及其製作方法。 【先前技術】

世界上的電激發光之半導體雷射，均未使用間接能隙材料做為光 ^大的媒介，在於該材料如轉，並未·出足喊生光放大之 結構。特別在石夕方面，由於石夕麵電路發展迅速，為關拓石夕在光電 上的應用’亟需完成石夕雷射光之開發。 曰刖 ^夕研九都專注在石夕材料本身或石夕基材上的發光現象甚戋^ 放大現象Μ列如多孔石夕、外質摻雜、二氧化石夕離子佈值、播斜二彻 夕矽鍺或石夕錫合金、奈米晶粒石夕、量子侷限結構、塗佈發光有機層 f長氮化鎵等4。然而’以上及其他技術均無法與超大型積體電路 、>)技，&易整合，造成商業化的困難。此外，使用缺陷迴路達 "乳半接面等結構麵行高效率石夕發光，由於相容於ULSI技術，有矛 ^子二件與光源整合於單—梦晶片上，但是，前述結構即使能達至， 之外部放光效率，卻仍未觀測到電流激發雷射現象。 ^一方面，矽材料的光激發增益現象則已被實現，矽奈米晶粒中 察到光增益現象，同時直流操作的光激發雜曼雷射也由英代爾 In^l)開發中。可是，石夕材料仍難以實現高效率的電流激發雷射現 获弁对Ξ於^是一種間接能隙（indireCt bandgaP)材料，使得電激 广1 落直接能隙材料之放光速率為每秒1〇9次，非放光速率為 母移jo -人，而矽材料之非放光速率相似，放光速率為1〇4次，則僅及 光，率十分之_，此為電激發級率低落之主因。因此，如何揭 夕之，的間接能隙材料的放*速率，使非放*速率下降，以導致高 m光’並進―步做到⑨雷射元件’為目前有待努力的課題。 L發明内容】 鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一 光放大技術之半導體雷射元件及其製作方法，乃透過聲 l268〇〇2 ίί之ϊί料射光之紐’域高其發級率，藉崎決先前技術 本發8仅# —目齡於提供—鶴膽補助級大技術之半導 牛及其製作方法，可相容於現有積體電路(IC)製程，有助於 進仃商業化。 ㈣，明之再—目的在於提供—種顧聲子獅級大技術之半導 鄕财法，其結構簡單、體積小，且製程簡易可降i 生成本，乂面市場競爭力。 之ΜΪίΓΓ揭露之顧聲子獅級域術之轉體雷射元件 =乍方法，其係包含下列步驟：魏，提供潔淨之半導財基板，再 板’去除半導财基板表面的原本自生氧化層，然 奸層與雜化躲轉财紐上，二氧化矽 ϋ，ϋ有《ΤΓ孔洞’ ί此’二氧化料米粒子層是形成於薄氧化 。作二1*可先形成二氧切奈米粒子層於半導體雜板上，再於 部分以導二X:, ’使奈綠子層形私佩洞，且孔洞會露出 而其所露出的半導體祕板表面與大氣接觸 步製作電極層Ϊ半i體2板再t成導電層於奈米粒子層上，並可進一 矽美板之雷f面’以_電流流通方式進行半導體 米ί子層中之“遷利用金氧半接面可促使載子累積，並藉由奈 穿隨Hjp 2輕，""絲米轉的金氧半接面，在絲範圍内具 机專現象進仃導通，更可提高光放大效率。 件，3半露之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射元 電極層，i中氧化石夕奈米粒子層、薄氧化層、導電層以及 上，二氧化石夕層與薄氧化層形成於半導體石夕基板 微米之門，/二 具有多個細，孔_雜介於G. 5奈米〜1 層可由I氧化粒子層是位於薄氧化層之上，或者，薄氧化 子層上，雷柄層之孔洞所露出，至於導電層是形成於奈米粒 壓，讓導電声^遴^半導體石夕基板背面，可供對於奈米粒子層跨加電 胃原子輕至铸_基絲面職出之氧⑽，在此區域 9 1268002 :可kiU米糊之載子紐，來提高半導體雷射元件之電激發光效 乎0 合圖目的、構造特徵及其魏有進—步的了解，兹配 【實施方式】 條2崎提供之顧聲'^辅助紋大技術之半導體雷射元件及其 'r欲=獅職魏隙，室溫Τ直鱗作的聲子獅光放大技 夕材料的聲子輔助激發放光，與激發拉曼散射(出顧_ r刪 同__聲子。但是激發拉曼散射是 子，放雜慨量的光子鱗子，而聲子辅助激 伽對，放出光子鱗子。同時，紐減散射所 帶的巾央，但是聲子辅助激發放光所放純聲子是 月t*、緣’起因為電子與電洞的動量差 好 提供載子紐，使注人料A t 赞㈣彳m位子 ΙϋϊΓΓ光結合，以至於發生光放大現象。而此奈米結構 ^載子舰之構想，可衍生出多縣綠構之料，並可應用 上即非屬直接能隙之半導體，包括單元素與兩種以 化鐘梦、鍺、錯切（siGe)、碳切⑽、碌 波ί 了Λ tbfU1AS)’更可_種波長，包括通訊用 及#又、可見光、紫外光等等。 半太ί發明所提供之應用聲子輔助光放大技術之 牛導體騎轉之製作方法，其主要難包含下列步驟： 綱淨之半物基板，雜，如娜· 驟mi 導體石夕基板表面原本自生之氧化層，如步 〇^成—祕石夕奈米粒子層於半導財基板上， 二==進==使ί米粒子層形成數個孔洞，孔洞露出部分 2體雜板’使所露出之半導體錄板表面形成薄氧化層，最 於奈米粒子層上’即可製得半導體雷射元件。 乂下舉'、體實施例詳喊明本發明之實施步驟。請參照第2α~2ε 1268002 ^所示’為本制之魏織製料報錄元件之各倾構造剖視 Ζ〇η二ί ίΛΙ圖所心本實施例乃伽2对Ν型浮魏域法(_ 並分別#用細長半導體德板1Q ’其載子生命_ 5GG/ZS到lms， 再i用氧化物餘it去離子水將半導體石夕基板10的表面清洗乾淨， ΙΟ^ΓΪΓ 浮驗，再缝於清絲的轉财基板 百分比為25 W —Γ切奈米粒子直縣8〜12奈米，佔原始溶液重量 將合導i 細Μ喊帽倾轉，如糊奐成水， θ導致—減^奈餘子無·佈在轉 乳化石夕奈綠子層20於半導财基板1Q表面。 “ ^ 半導ΪΪαΪ^圖所示’蒸鑛厚度200奈米的導電金屬，如紹，在 導電端:_之厚度介於⑽奈米至==反10的-個 者2D®所示’由於暴露過程會對製作出的元件效能有重 ^曰’本實施例乃將上述元件在域環境 =層2:内形成許多孔洞21，使氧氣與水氣能接二= 段時間後即形成厚度約為◦. 5奈米至5 4= 最後’如第2E圖所示，將銀膠作為導電層 米粒子層20上，塗佈範圍約為！平方毫米，元件化石夕奈 見方，並在導電層40上黏結金線以及連接到電流源。寸為4毫米 件，用f子辅助光放大技術之半導體雷射元 由半導體石夕基板1〇、二氧化石夕奈米粒 =2Ε圖所示，是 鋪減；二氧化榻粒刪之厚及導電層 0· 5〜圆奈米之間，設置於導電層4_導體德板.間 1268002 具個孔洞21 ’孔洞21可以呈現圓形、條狀、均句大小 的半導 括直I、非直^兩種激發方式，且半導體石夕基板10背

ΓΓ«ΧΓ?Γ 20 * I

積^義絲粒子層20進行金屬遷移，形成金屬奈米線，造成奈米 =巧ίϋ接面’在奈米範圍内具穿隧電流等現象使電流導通，進 元Γ發光效率。另外，本實施例之半導體雷射元 f 4 半導_基板上，再製作二氧化料米粒子 層於薄祕層上，亦可__效果。以下騎—步說明本實施例如 ===;=r率，成光放大之現象，同時， 當半導體雷射元件加上電壓後，導電層銀原子將會被電場吸引而 在奈米粒^間移動，形成銀奈米線，並到達靜置大氣巾半導體魏板 所產生的薄氧化層上，其接點將形成金氧半穿隨電流接面。^ 如第4圖所示，為本實施例之半導體雷射元件在銀原子遷移前後 的電壓電流圖；銀奈米線形成前僅有微小電驗過，而在元件偏壓至 7· 5V後始有大電流通過，即銀奈米線已形成通路，此 定，電壓《如同-般錄半穿隧二極體。 旧維持穩 此時，並非銀膠所覆蓋的區域都會有電流流通，僅有銀奈米線形 成的區域才會流通，其他區_維持絕緣雜。在銀奈米線碰觸到^ 導體矽基板之薄氧化層的部分，其底下的矽將有較大的電位，形成半 導體石夕基板内導電帶與價電帶在此區域有較多的能帶偏折。多數載子 因此在此區域大量累積，形同三度空間的多數載子侷限。同時，此區 域將有穿隧電流帶來少數載子，而其他絕緣區域下則無，形同少數載 子的侷限。此兩種侷限，造成電子與電洞波函數在空間上的重疊，使 聲子更容易與電子電洞對進行放光效應，滿足間接能隙材料放光機制 12 1268002 的動量守恆要求，因此，此侷限區域内可由電流激發提供光放大。 如第5圖所示，為本實施例之半導體雷射元件的放光對電流圖； 在56mA(對應電流密度7· 13A/cm2)有一個明顯的效率轉折。另如第65 圖所示’為本實施例之半導體雷射元件於不同電流下的發光頻譜，在 臨界(threshold)電流下的頻譜為自發放光機制（Sp〇ntane〇us emission)，呈現一平滑鐘型曲線，與一般對應矽能隙光激發光與電激 發光頻譜相同。當電流超過臨界(threshold)電流，頻譜出現許多尖 峰’顯示在許多頻段内，有受激放光(Stimulated emissi〇n)所造成的 光放大現象。以上所有的操作與量測均在室溫内，而且是直流操作。 此半導體雷射元件的生命期長，在幾週内重複操作均有相同的結果， 同時每次操作時間均維持在5—1〇小時。 此光放大現象的頻譜尖峰，主要均出現在接近自發放光頻譜中 央，可對應二五族半導體的光放大現象，也是易於出現在自發放光頻 譜中央，因為頻譜中央比兩端有較大的光增益。第7圖為接近頻譜中 央較細緻的放光頻譜，可以更清楚看到電流超過臨界(thresh〇ld)電流 後，頻譜出現許多尖峰。 第8圖顯示相同電流80mA下，兩次量測的頻譜尖峰均不同，原因 是在本實施例之半導體雷射元件結構中並沒有特別的共振腔設計。此 ，象則類似隨機雷射，光在矽材料中傳播一段距離後回到發光區域獲 侍光放大。光路徑經過的反射面，可能為銀膠導電層、奈米粒子層中 顆粒，的空間或銀奈米線料。當光反射後再_載子侷限放光的區 域，得到光增益而被放大。因此，可以說光放大是經由聲子輔助激發 放光機制（phonon-assisted stimulated emission)而來。 一因此’根據本發明所揭露之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷 射儿1及其製作方法，已成功侧奈米結構金氧半接面二極體之電流 導通結構’切材料上發出對應雜隙紅外線波段之雷射光。 ，此奈米結構金氧半接面二極體結構中，其載子生命期隨注入電流 文變推斷其中放光速率是石夕基材中的十倍，而内部放光效率可達 以上。其發光效率提高的原理是使用奈米粒子提供空間上的載子侷 13 l268〇〇2 限，更容易形成激子，使得聲子輔助放光機制得以增強。因此，本發 明可得到電激發光雷射現象。 另外，本發明使用二氧化石夕奈米粒子塗佈形成絕緣層，對石夕材料 不會造成任何破壞。此奈米粒子在傳統半導體製程下並不會變質，將 可相容於現有1C製程，有助於電子晶片與發光元件的單石整合 (Monolithic integration)，可以更加擴大矽晶片及矽材料的應用範 圍。並且，本發明之結構和製程都相當簡單，製作成本低廉、體積小^ 可以直接和1C工業結合，所以具有相當大的實用價值。 雖然本發明以前狀實施觸露如±，然其並獅赚定本發

明。在不脫離本發明之精神和範_，所為之更動與潤飾，均屬丄發 明之專利賴範圍。藝本發明所界定之賴範麟參考所社 專利範圍。 【圖式簡單說明】 2圖係本發明之應崎子獅光放大技狀半導體雷射元件之製作 方法之流程圖； 篦2Α〜m及八口.丄 方法之流程圖； 係分別ί本㈣之實施例在製作半導體雷射元件之各步驟 子遷移前彳 1的電壓二流圖 > * ' 第之ί?例之半導體雷射元件的放光對電流圖； 第6 施例之轉體雷·件於抑驗下的發光頻譜; 第7圖係本_放光頻譜；及 的發光頻譜。 错體雷射元件於μ電流不同時間量測 【一1^ -ΙΓΓ" 7/L /r/c trfcL rtt-fc ^ 【主要元件符號說明】 10 半導體矽基板 11 薄氧化層 20 奈朱粒子層 21 孔洞 30 電極層 1268002 40 導電層

Claims (1)

1268002 十、申請專利範圍： 驟包 L:種應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射元件之製作方法，其步 提供一潔淨之半導體矽基板； =該轉_^板，叫除辭導財餘 形成-二減石夕奈米粒子層與—薄氧化層於該半 該奈米粒子層係具有複數個孔洞；及 土板上’且 形成一導電層於該奈米粒子層上。 2.如申^專利細約項所述之顧聲子輔助光放 Γ：：：" * 形成該二氧化石夕奈米粒子層於該半導體石夕基板上；及 於大氣魏下進行《，使縣餘子層形成’ ==部分__板，使_之__板表面= 驟，係包含：八中以形成β亥一氧化石夕奈米粒子層與該薄氧化層之步 於該半導體矽基板成長一薄氧化層；及 开>成該二氧化矽奈米粒子層於該薄氧化層上。 4•如申請專娜圍第述之_聲子伽級大技術之 件之製作方法，其巾該提供該半導财基板之步 驟π 使該半導體魏板斜。 Μ步驟’ 5·如申請專利範圍第4項所述之應用聲子_光放域術之半導體 件之製作方法，其中該清洗步驟係利用_、甲醇或去離子水進行π 6.如申請專利範圍第1項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體^射: 件之製作方法，其中該二氧化轉米粒子層係藉由塗佈_二氧化 = 粒子懸浮溶液於該半導體矽基板上所製得。 不米 如申請專利範圍第6項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射元 7. 1268002 ===該礙樹謂細以切奈米粒子 丨係為異 8.如申請專利範圍第6項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射开 ===法，其中該二氧化石夕奈米粒子懸浮溶液所使用之溶劑/ 9. 如申，專利細第8項所述之顧聲子獅光放大技術之半導體雷射元 件之製作方法，其巾形成該二氧财奈米粒子層之步驟之後 : 去除該溶劑之步驟。 έ 10·如申請專利範圍第9項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射 兀件之製作方法，其中該去除該溶劑之步驟係藉由烘烤該二氧化半 粒子懸浮溶液來達成。 不〆、 11. 如申請專利範圍第1項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 元件之製作方法，其中該奈米粒子層之厚度係〇· 5〜1〇〇〇奈米（咖)。、 12. 如申請專利範圍第1項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射 元件之製作方法，更包含一形成一電極層於該半導體矽基板背面之步驟。 13. 如申請專利範圍第12項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射 元件之製作方法，其中該電極層係鋁金屬。 _ “ ' 14·如申請專利範圍第12項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射 元件之製作方法，其中該電極層之厚度係介於100奈米至5〇〇奈米之間^ 15·如申請專利範圍第1項所述之應用聲子輔助光放大技術之半雷 元件之製作方法，其中該薄氧化層之厚度係介於〇· 5奈米至5奈米^門。 16. 如申請專利範圍第1項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷 元件之製作方法，其中該導電層係利用蒸鍍法所形成者。 “ 17. 如申請專利範圍第1項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷 元件之製作方法，其中該導電層係選自金屬、摻雜半導體或摻雜介電層、。 18. 如申請專利範圍第17項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體曰。 元件之製作方法，其中該金屬導電層係為銀膠。 _“寺 19·如申請專利範圍第1項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷 元件之製作方法，其中該半導體矽基板之材質係可選自矽、鍺、錯化石夕 17 1268002 (SiGe)、碳化矽（SiC)、磷化鎵（GaP)或砷化鋁（AlAs)。 20·如申請專利範圍第1項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 元件之製作方法，其中該些孔洞之孔徑係〇· 5奈米（nm)〜丨微米（“讯）。 21. —種應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射元件，包含： 一半導體矽基板； 一二氧化矽奈米粒子層與該薄氧化層，形成於該半導體矽基板上， 且該二氧化矽奈米粒子層具有複數個孔洞； ’ 一導電層，形成於該奈米粒子層上；及 一電極層，形成於該半導體矽基板背面。

22.如申請專利範圍第21項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 元件其中u亥薄氧化層係藉由該二氧化石夕奈米粒子層之該些孔洞而露出。 23·如申明專利範圍第21項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 凡件’其中該二氧化矽奈米粒子層係形成於該薄氧化層上。 24.如申請專利範圍第21項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 凡件，其中該奈米粒子層之厚度係〇· 5〜1〇〇〇奈米（nm)。 25·如申请專利範圍第2i項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷 元件，其中該電極層係鋁金屬。 田、 26·如申請專利範圍第21項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷射 疋件’其中該電極層之厚度係介於100奈米至5〇〇奈米之間。 27·如申請專利範圍第21項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 凡件，其中該薄氧化層之厚度係介於〇· 5奈米至5奈米之間。 、 28·如申請專利範圍帛21項所述之應用聲子輔助光放大技術之半導體雷 70件’其中該導電層係利用蒸鍍法所形成者。 29.如申請專利範圍第21項所述之顧聲子輔助級大技術之半導體雷射 儿件’其巾該導電層係選自金屬、摻雜轉體錄雜介電層。 ' 3〇.如申請專利範圍帛29項所述之應用聲子輔助光放大技術^半導體 凡件，其中該金屬導電層係為銀膠。 如申π專利範圍第21項所述之顧聲子輔助光放大技術之半導體雷射 凡件，其中該半導體石夕基板之材質係可選自石夕、鍺、鍺化石夕（siGe)、碳 1268002 化矽（SiC)、磷化鎵（GaP)或砷化鋁（AlAs)。 32.如申請專利範圍第21項所述之應用聲子辅助光放大技術之半導體雷射 元件，其中該些孔洞之孔徑係〇· 5奈米（nm)〜1微米（//m)。