TWI268030B - Semiconductor laser with dual-platform structure - Google Patents

Description

1268030 八、 本案絲彳b學式時，請揭示最能顯示發3轉徵的化學 式·· 九、 發明說明： 5【發明所屬之技術領域】 本發明之一種雙平台架構式半導體雷射裝置，乃係涉 及具有雙平台半導體架構的氧化侷限型垂直腔面射型雷射 技術領域。 @ 【先別技術】 10 光學資訊通訊糸統，提供高速移動大量資料之主要方 法，此光學資訊通訊系統之一項主要組件為光學收發器。 於資料發射端，光學收發器用於將呈電信號形式之資料 (例如呈0與1形式之數位資料），轉譯為光信號而適合 透過傳輸媒體（如光纖纜線等）進行傳輸。於資料接收 I5端，光學收發器係藉接收得之光信號轉譯回電信號形式之 S料。鈾述光學收發恭设計上之一項主要組件為發射光資 料之光發射器，典型光發射器之實施例為發光二極體 (LED)以及半導體雷射二極體（LASER)，其中該半導體 雷射二極體（LASER)因具有較高之傳輸速度，而為目前 2〇光學資訊通訊系統主要發展與應用之課題。 目箣使用於光學ΐ sll通糸統之光發射器技術，係以 面射型半導體雷射^一極體（LASER)為主，如垂直共振腔 面射型雷射（Vertica卜cavity surface emitting laser，VCSEL)，顧名思義其雷射光是由元件表面垂直 1268030 發射出來。主要特徵是利用上、下兩個布拉格反射鏡 (Distributed Bragg Refiector，DBR)來形成雷射共 振腔，因此與邊射型雷射不同之處，在省略了邊射型雷^ 所需要用劈裂或乾式蝕刻法製作雷射鏡面之複雜製程。此 5外，垂直共振腔面射型雷射（VCSEL)具有以下的優點： (1) 低發散之圓形雷射光束，易與光纖輕合q (2) 具有快速調變功能，利於高速光纖網路傳輪。 (3) 元件製程技術適於大量生產。 (4) 磊晶片在未切割及封裝前，即可將整個晶片用晶 10圓極測試（Wafer-lever testing)，進行每個晶粒特性 檢測，成本較低。 (5) 可做成1D( —維）或2D(二維）雷射陣列，利於 接或並列式光纖傳輸。 ' 垂直共振腔面射型雷射（VCSEL)，就結構上可大概分 b為四種：乾式蝕刻型（Etched Air-Post)、離子佈植型 (Ion Implanted)、埋入再長成型（Rege〇wth BuHed

Heterostruture )、及氧化侷限型（〇以和 Confined)，目前商用產品大部份採用離子佈植型（ι〇η Implanted)，因其製程簡單且易於量產。但使用離子佈 2〇植技術時，其佈植區不能太靠近面射型雷射之活動層，否 則高能粒子可能會破壞活動層材料，造成雷射元件^ 化；因此，離子佈植型之垂直共振腔面射型雷射較不適人 麵作。所以目前在商用上已逐漸朝向氧化侷限型垂； 共振腔面射型雷射發展，其雷射元件舰㈣子佈植型 1268030 佳，主要是其發光主動區較窄， 流、高量子效率與低臨界電壓 ’件到較低之臨界電 於活動層鄰近引入-高銘含量之坤3氧4匕偈限技術，係 刻使其暴露於高溫水蒸氣中，則古1入^層’經選擇性餘 轉變為絕緣性之氧化銘介電芦，！之砂化铭鎵層會 之效果。但其缺點是技術“較Ϊ到=偈限與光子偈限 刻之後，會對元件造成非平坦;; 的製作需橫跨非平坦表面，容易產 # 、:至屬包極 成元件的良率不佳 易產生辦洛之情形，進而造 1〇 15 為回應前述氧化侷限型垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)所存在之缺點，進一步面射孓田射 过方/衣作VCSEL，如吴國公開US2〇 二 灣發明公開第__43號）、美國發5a2/(g 6,658，_號（台灣發明專利第⑸547號），以及^ 月專利第192770轉專獅案，主要係制濠溝式氧 化通術製作聰L，因此對祕刻設備要求較高，必 需知用電餘合電漿切侧系統（iGp)，當然;在設備 與衣這成本上也較為昂貴。另美國發明專利第& 6沾，料8 及6, 570, 905號，以及台灣發明專利第13〇588號與台灣 發明專利公告第580785號等專利前案，則揭示以平台氧 化侷限技術進行VCSEL製作。應注意的是，這些先前專利 技術所揭示關於氧化侷限型垂直共振腔面射型雷射（VCSEL) 之技術内谷，均係採用單平台式於半導體基礎架構上，建 立垂直共振腔面射型雷射（VCSEL)之發光主動區。其中 7 20 !268〇3〇 另值得特別注意的是由John (et·)等人所提出之美 國發明專利弟6,645,848號，與由8711-¥61111111(61:.)等 人於美國提出之US6, 658, 040號（台灣發明專利第151547 號），以及Karl Joachim Ebeling所提出之美國發明專 5利弟6, 5 7 0, 9 0 5號專專利，揭不在相同前述利用單平台式 於半‘體基礎架構上，建立垂直共振腔面射型雷射（VCsel) 之主動發光區外，並進一步在發光主動區製作後利用介質 材料填充配合一金屬層製作，以建立一與發光主動區電性 連結的打線區。但所提出使用介質材料填充為基礎以建立 10之打線區，因介質材料的特性使得其機械應力強度較弱， 並無法提供較佳之機械應力，致使在打線製程中常發生破 膜問題，而影響打線結合效果或甚至無法完成打線的問

【發明内容J 15 本發明主要目的之一，在提供一種雙平台 體雷射裝置，在雷射半導體材料架構上，直接 塑作騎衫動區平料第-獨立平台，以及作 台的弟一獨f平台’配合氧化層、介電層、保護層及全屬 匕偈限型雙平台式垂直共振腔面射型的半導 月另主要目的之—，在提供 半導體雷射裝置，該雙平△式 木構式 台架構，錢蝴成胁‘ 縣二獨立平 別獨立的發光主動區平台與打線平台，進而可獨立= 20 1268030 該發光主動區平台與打線平台之架構。 本發明又-主要目的之-，在提供一種雙平台架 =導體雷射裝置，該第二獨鮮线直接成型在半導^ 線機_力強度。 -侍車一的打 /發明再一主要目的之一，在提供一種雙平台架 、>導體雷射裝置，藉由介電材料填充於雙平台外部間形 介電層，易配合蝕刻獲得較佳的表面平坦化，以利於^ 層衣作，並可降低連線金屬電容。 、， 10 15 為達上述目的，本發明的雙平台架構式半導體雷射壯 置，包括 田、衣 一雷射晶片層； 結合於别述雷射晶片之底電極層（暨陰極層）· 飿刻成型於前述雷射晶片層之第一獨立平台； 餘刻成型於前述雷射晶片層之第二獨立平台； 在前述第一獨立平台與第二獨立平台形成絕緣區的氧 化層； 一介電層，填充於前述第一獨立平台與第二獨立 外部間形成平坦表面； 口 位於前述介電層表面且含有接觸區孔對應第一獨立 平台之保護層； 、，一鍍覆於前述保護層表面的金屬層，連結前述第一獨 W 並以第一獨立平台形成第一獨立平台的接線掏 塾’作為p電極層。 20 1268030 【實施方式】 雷射==:::=台架構式半導體 佳實施例將本 10 15 弟-及二圖為根據本發明—較佳實施例之雙平 =半導體雷射裝置之側面剖示圖與俯視圖。參照第__及二 圖，本發明之雙平台架構式半導體雷射裝置，在一= 施例中，主要包含有一雷射晶片層（VCSEL) 1()〇、：：底^ 極層101 (暨陰極層）、一第一獨立平台1G2、 : 立平台1G3、-氧化層刚、一介電们〇5、一開設^ ，區孔111之保護層1G6及一金屬層1G7。由底向上依續 為底電極層1ίΗ、雷射晶片層（VCSEL) 1GG、同層配置的 ，光主動區平纟1〇2、打線區平台1()3、在發光主動區平 台102、打線區平台1〇3形成絕緣區的氧化層1〇4、介電 層105、以及保護層106、金屬層1〇7。 ^ 本發明之較佳實施例中，前述雷射晶片層，係一氧化 侷限型垂直共振腔面射型雷射之雷射晶片層（VCSEL) 1〇^，主要係為一 3〜5層磊晶的雷射半導體材料，在一具 2〇體實例中，如第一圖所示，該雷射半導體材料的雷射晶片 層100 ’係具有一基板120，以及依續磊晶成長於基板 120端面之第一層布拉格反射鏡121、主動層（Active area) 122與第二層布拉格反射鏡123所組成，並直接由 雨述第二層布拉格反射鏡123，呈間距的雙平台式蝕刻成 1268030 型第一獨立平台102與第二獨立平台103，如此，可獲得 雙半導體式平台作為導體雷射的發光主動區與打線區架 構0 baAs 材 前述基板120，在本發明實施例中係採用f 質。該第一層布拉格反射鏡121則採用N-DBRs材質磊晶 組成。第二層布拉格反射鏡123係採用P-DBRs材質磊晶 組成。又 前述該直接由雷射半導體材料的雷射晶片層100蝕刻 10 15 f型的第一獨立平台102，係為一未經離子佈植製程的半 導體架構’關用氧化層104產生發光主動區，界定為發 光主動區平台；該第二獨立平台1〇3，係為一經離子佈植 衣叙的半導體架構，如第一圖所示，以配合氧化層104產 士為提供發光絲區打㈣接線櫬墊的面積平台基礎，界 =為打線平台’相較於f知使用介質㈣填充為打線平台 建立基礎之結構。 杰刑發明具體架構上’該直接㈣雷射晶片層100 二獨立平台iG3，執行幾項重要功能，其中-功 ;=:面戶:述，提供發光主動區打線用接 要功能，在—具體實施例架構上，可藉 布植衣耘，進仃作為打線平台的第二 之電容值調整。由筐-鉬士不y , 殉立十口 lUd 另-項功4 獨平° G3的具體架構所提供的 在可獲得較高的機械應力強度。 在、他具體貫施例架構中，

亦可不經離子佈植製程，如第 獨^口 A 弟一圖所不，而直接由雷射半 20 1268030 料的雷射晶片層1〇〇_成 猶鮮台1G3，以符合低成本架構要求。>體木構的弟二 前述該氧化層104，係利用可氧 程在前述第-獨立平台1G2 * f料透過氧化製 區，如此，透過該氧化層10“7氧=平：^形成絕緣 二2產生帶有絕緣區的氧化物侷限孔 弟，立平台 f嫌作為發光主動區平㈣第1立“ 1Q 即形 動區1022結構，以對應光| 之發光主 阶a)122進行光垂直發射1生£的主動層（Active 該氧化層104亦在第二獨立平台 區的氧化物侷限孔口 1031，定義 》成—帶有絕緣 為前述打線襯墊的面積。 人一蜀立平台103作 雨述該第二獨立平台1的如杜— 15 但務須讀實瞭解在其他具體實二、面圓形’ 狀與面積，如方形、梯形、菱 亦了知用其它形 因此對本發明該第二獨立平^擴圓形等，並不 前述氧化層m在本成限制。 層，且較佳為可氧化物材料 =用—可隔離 意該氧化層m可為任一種含緣區。但注 20離層，即為一由任何可形成絕緣區以及在平的可隔 形成=，艮孔口 _之材料形成之可 第一 層1G5 ’係填充於前述第—獨立平台102盘 弟一獨立平台1〇3外部間的雷射晶片層^ 02與 面上，如此，可配合_製程輕易獲得_與第 1268030 102、第-獨立平台1Q3的頂 電層105的填充，可降低發 匕二日：，由Ί介 金屬電容值。 Μ紅及打線平㈣% 5 10 15 該鍍膜於介電層105表面， 平台1〇3頂面之保護層1()6， ^〇2蜜 105之表面絕緣層保護；該 隹形成介電巧 區孔⑴，對應前述第—獨二：2面 1〇22=冓位置，作為金屬層1()7之電極接觸二主動區 雨述該接觸區孔lu，在 較佳為-圓環形孔開設，務需確實構中， 何形狀開設，如方框形、梯框、=了為其他連續幾 並不因此對本發明該接觸區孔lu 形等’ =區孔111 ’係貫穿前述保護層二：制獨二 千口 102曝露面積以與金屬層1〇7結合使用。 獨立 ，發明上述實施例中，該保護層⑽係可 覆(^2)等介電材料，呈膜層組態披 △ 103^广及弟—獨立平台平台1G2與第二獨立平 口 1〇3表面，形成一非導體保護層。 則4金屬層107 ’係在介電層1()5表面形成發光主 + 口的第一獨立平台1〇2電性連結 恭 只 3 σσ :)，金屬層107位於第一獨立平台1〇2一包 貝面、、、口 a，金屬層i〇7延伸於第二獨立平台ι〇3一 20 1268030 端，^配合作為打線平台的第二獨立平台103為面積基 1’卜光-主動區-平-台-打食用卞電-極-層一的—接—線襯， (PAD) 1025。 前述該發光孔1〇71，其外徑係小於前述接觸區孔lu 5的孔崎’即係在前述接願孔ill的孔軸，對應發光 主動區平台102之氧化物侷限孔口 1〇21組立，如^二及 二圖所示，以對應光產生區的主動層（ActWe奸的 122進行光垂直發射。 “上述所提之金屬層1〇7,係為一電傳導材料成型的金 10屬膜層，以I馬接作為發光主動區平台的第一獨立平△ 102，與形成於第二獨立平台⑽表面的p電極層接線概 墊（PAD) 1025，該金屬層107在具體實施例中，係採用 具導電性材料，如金、銀、銅以及其他具導電性的混合 材料所成形。 15 本發明所提供的氧化侷限型雙平台式垂直腔面射型雷 ^及’、衣私，務須確貫瞭解此處所宣佈的實施例係用來解 釋而非用來過度限制本發明的申請專利範圍，未在此處所 迷的其它實施例與申請，均視為在本發明的範圍内。在此 亦矛力y員確κ暸解，雖然已經討論了本案氧化侷限型雙平台 20 ^垂直腔面射型雷射及其製程的特定實施方式，但執行大 部份類似功能的這些實施結構暨仍為本發明的申請專利範 圍所要保護的範嘴内。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明一實施例雷射裝置的側面剖示圖。 14 1268030 第 卜圖係本發明一實施例雷射裝置的俯視圖 第三圖係本發明另一實射裝^ 【主要元件符號說明】 示圖 10 —雷射晶片層 102 —第一獨立平台 104 —氧化層 10 6 —保護層 111 一接觸區孔 121 —第一層布拉格反射鏡 123 —第二層布拉格反射鏡 1022—發光主動區 1071 —發光孔 101 —底電極層 103 —第二獨立平台 105 —介電層 107 —金屬層 120-基板 122 —主動層 1021 —氧化物揭限孔口 1025—接線襯墊 ❿ 15

15 20

Claims (1)

1268030 十、申請專利範圍： 括： 雷射晶片層， 5 結合於前述雷射晶片之底電極層（暨陰極層）； 蝕刻成型於前述雷射晶片層之第一獨立平台； 蝕刻成型於前述雷射晶片層之第二獨立平台； 在前述第一獨立平台與第二獨立平台形成氧化侷限絕 緣區之氧化層； 10 介電層，填充於前述第一獨立平台與第二獨立平台外 部間與雷射晶片層表面’形成一平坦表面， 位於前述介電層表面且含有接觸區孔對應第一獨立平 台之保護層； 鑛覆於前述保護層表面的金屬層，連結前述第一獨立 15平台與第二獨立平台，並在第二獨立平台形成第一獨立平 台的P電極層接線襯墊。 2、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其中該雷射晶片層，含有一基板，以及依續 磊晶成長於基板端面之第一層布拉格反射鏡、主動層 20 (Active area)與第二層布拉格反射鏡組成。 3、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其中該第一獨立平台與第二獨立平台，係間 距關係蝕刻併列成型於前述雷射晶片層之第二層布拉格反 射鏡。 16 1268030 4、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其t 的二面獨立平 台’含有一由氧化層之氧化侷限絕緣區，產生發光主動區 疋義而界定為發光主動區平台的一獨立平台，以及一由氧 化層之氧化侷限絕緣區，產生打線基礎面積定義而界定為 打線平台的另一獨立平台。 5、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 ，，射裝置，其中該氧化層，係採用可氧化材料、可被部 份氧化材料之其一，配合氧化製程形成。 10 15 6、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其中該界定為打線平台的一獨立平台，係為 經碓子佈植製程的第二層布拉格反射鏡蝕刻成型。 7、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 2雷射裝置，其巾該界定為打線平台的-獨立平台，係為 雷射晶片層的第二層布拉格反射鏡軸彳成型的半 體兩彻_1項所述的雙平㈣構式半導 ^衣置、中該—獨立平台由形成絕緣 產生氧化物揭限孔口之發光主動區結構二 則由形成絕緣區的氧化層，產生為前述=立:。 接線襯墊的基礎平台。 尤主動區打線用 體雷請Λ利範圍第1項所述的雙平㈣構式半導 中该界定為打線平台的—獨立平&，甘人 有一頂面面積形狀為圓形幾何、方形幾何、梯形^何^ 20 l268〇3〇 形幾何、環形幾何、擴圓形幾何之其一。 ―從 1項所述的雙平^^ 體雷射裝置’其中該介電層的介電材料，包括：聚合物材 料（Polymer Material )，如 s〇G、BCB、Polyimide 之 5其一。 11、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置’其中該保護層，係以氮化石夕（SiN)或氧化 夕（Si〇2) ’王膜層鏡覆在前述介電層表面。 12、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 10體雷射裝置，其中該保護層開設的接觸區孔，係為一圓環 幾何形狀製作。 13、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其中該保護層開設的接觸區孔，係為一連續 幾何形狀開設，如方框形、梯框形、菱框形、橢圓環形之 15 其一。 14、 如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其中該金屬層鑛覆於第一獨立平台部份，開 设有一發光孔，同時金屬層貫穿接觸區孔與第一獨立平台 頂面結合。 2〇 15、如申請專利範圍第1項所述的雙平台架構式半導 體雷射裝置，其中該金屬層開設的發光孔，係在前述接觸 區孔的連續幾何形狀孔徑内，對應發光主動區平台之氧化 物侷限孔口組立，以對應光產生區的主動層（Active area)進行光垂直發射。 18 1268030 如申凊專利範圍第i項所述的雙平台架構式半導 的混合物材料之其一製作。 17、 種氧化侷限型的雙平台架構式半導體雷射裝 置其結構包括： 雷射晶片層；

…蝕刻成型於前述雷射晶片層並具有氧化侷限絕緣區之 弟一獨立平台； 1。之第前述雷射晶片層並具有氧化侷限絕緣區之 介電層，填充於前述第一獨立平台與第二獨立平台 部間與雷射晶片層表面，形成平坦表面； 位於蝻述介電層表面且含有接觸區孔以部份曝露第一 獨立平台之保護層；

15、，於則述保護層表面的金屬層，麵接前述第一獨立 平台與第二獨立平台形成Ρ電極層，並在第二獨立平台位 置形成Ρ電極層的接線襯墊； 結合於前述雷射晶片之底電極層（暨陰極層）。 18、如中睛專利範圍第π項所述的氧化侷限型的雙 20平台ί構式半導體雷射裝置，其中雜刻成型於雷射晶片 層的弟-獨立平台，由氧化侷限絕緣區形成的氧化層 生發光主動區界定為發光主動區平台；該第二獨立平台由 氧化侷限絕緣區形成的氧化層，產生打線基礎平台面積定 義的打線平台。 、 19 1268030 σ 木構式半導體雷射裝置， 一^ 侷__ + ^ ^ 獨立平台由氧化 描开^ 頂面面積形狀為_幾何、方形幾何、 5 少成何、曼形幾何、環形幾何、橢圓形幾何之其一。

=、如申請專利範圍第17項所述的氧化侷限型的雙 Τ台架構式半導體雷射裝置，其中該定義於保護層之接^ 區孔丄係為一連續幾何形狀，為圓環形、方框形、梯框 形、菱框形、橢圓環形之其一。 21、如申請專利範圍第17項所述的氧化侷限型的雙平 10台架構式半導體雷射裝置，其中該金屬層鍍覆於第一獨立 平台部份，開設有一發光孔，在前述接觸區孔的連續幾何 形狀孔徑内，對應發光主動區平台之氧化物侷限孔口組 立’以對應光產生區的主動層（Active area)進行光垂 直發射。

22、一種氧化侷限型的雙平台架構式半導體雷射裝 置’其結構包括： 雷射晶片層； 蝕刻成型於前述雷射晶片層之發光主動區平台； 钕刻成型於前述雷射晶片層作為P電極層接線襯墊基 20礎的打線平台； 在前述發光主動區平台與打線平台形成氧化偶限絕緣 區之氧化層； 填充於前述發光主動區平台與打線平台外部間雷射晶 片層表面的填充介電材料，形成平坦表面； 20 1268030

在前述填充介電材料表面形成絕緣的保護層； 在鈾述保濩層〜^面1胃一 層接線襯墊的電傳導材料； 結合於前述雷射晶片之底電極層（暨陰極層）。 23、如申请專利範圍第22項所述的氧化侷限型的雙平 台架構式半導體雷射裝置，其中該發光主動區平台與打線

平台係採設定間距蝕刻成型於前述雷射晶片層一 個獨立平台。 / 24、如申請專利範圍第22項所述的氧化侷限型的雙平 10 $架構式半導體雷射裝置，其中該ρ電極層接線襯墊係以 刖述具半導體架構蝕刻的打線平台為成型基礎，可具較高

25、如申請專利範圍第22項所述的氧化侷限型的雙平 台架構式半導體雷射裝置，其中該保護層，含有一接^區 1S.孔對應發光主動區平台，形成發光主動區平台與電 料的電性I馬接傳導。 、 26、如申請專利範圍第25項所述的氧化侷限型的雔 平台架構式半導體雷射裝置，其中該保護層的接觸區孔又， 係為一連續幾何形狀，如圓環形、方框形、梯框形、其 20形、橢圓環形之其一。 久 27、如申請專利範圍第22項所述的氧化侷限型 平台架構式半導體雷射裝置，其中該填充介電材料係採/ 聚合物材料（p〇lymer Material )，如 s〇G、BCB、 Polyimide之其一，可降低連線金屬電容。 21 1268030 ^ 22 十口木構式伞導體雷_ p 石夕（SiN)或氡化石夕（si〇2)，呈膜層鑛覆 fC斗形,的平坦表面。 △力 、明專利範圍第22項所述的氧化侷限型的雙平 ;=半Γ雷射農置，其中該電傳導材料在第-獨立 形狀孔徑内，對在前述接觸區孔的連續幾何 立，以主動區平台之氧化物侷限孔口組 10 直發射。 動層Uctlve area)進行光垂 30、如申請專利範圍第 台架構式半導體雷射裝置，其的氧化侷限型的雙平 材料、具電傳導性的混合物材、錢傳導㈣係為電傳導 15 _ 22 20