TWI326949B - Nitride semiconductor vertical cavity surface emitting laser - Google Patents
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Description
九、發明說明: C發明所屬技術領域;j 發明領域 直腔式表面發光雷射(VCSEL)係為一種雷射參置. 係由一光學作用半導體區域所形成,該區域係失在〜 其 對高 反射鏡片堆疊之間,該堆疊能夠由數層金屬材料、 材料 '或者是遙晶成長(epitaxially grown)半導體材料戶, 成…. 介電質 近年來,對於將直腔式表面發光雷射裝置 之操作波長 延伸到200奈米到600奈米的較短之波長範圍(亦即,可見光 頻譜之紫色到紅色區域)進行過許多努力。許多氮化物半導 體材料(例如,氮化鎵為主的材料,諸如氮化鎵、氮化鋁鎵 以及氮化鋁銦鎵)具有對應此波長範圍之帶隙能。為此緣故 ,對於製造產生此波長範圍之光線的氮化物半導體發光裝 置曾經進行過相當多的努力。
【先前技術:J 發明背景 有關設計高性能氮化物半導體直腔式表面發光雷射其 中一個挑戰係在於高阻抗P型腔室内接點典型係由氮化物 半導體材料所形成。這些接點使得電位降增加,並使得該 直腔式表面發光雷射内所產生的熱量增加。另一個挑戰係 在於,由於不均勻之泵送效應,使得垂直流注入型直腔式 表面發光雷射設計申能夠併入有限數量的量子井。如此使 得能夠達到的光學增益性能有所限制。 1326949 【發明内容3 發明概要 依照本發明係使用一橫向流注入方法,以降低位於氮 化物半導體直腔式表面發光雷射中的量子井之數量以及P 5 型接觸區域的厚度方面之束制。與垂直注入式之氮化物半 ^ 導體直腔式表面發光雷射設計相較,如此設計提供一較低 的電位下降、較低的熱產生量、以及一較高的光學增益性 • 能。 圖式簡單說明 10 第1圖係為依照本發明之一直腔式表面發光雷射的一 實施例之一概略橫剖面圖; 第2圖係為依照本發明之一實施例的一種製造第1圖中 所示之直腔式表面發光雷射的方法之一流程圖; 第3〜10圖係為依照本發明之一實施例,第1圖中所示 15 之直腔式表面發光雷射在第2圖中所示的製造方法之不同 φ 階段的概略橫剖面圖; 第11圖顯示電子流通過第1圖之直腔式表面發光雷射 實施例; 第12圖係為依照本發明之一直腔式表面發光雷射實施 20 例的概略橫剖面圖。 I:實施方式3 較佳實施例之詳細說明
依照本發明係使用一橫向流注入方法,以降低位於氮 化物半導體直腔式表面發光雷射中的量子井之數量以及P 6 型接觸區域的厚度方面之束制。與垂直注入式之氮化物半 導體直腔式表面發光雷射設計相較 ,如此設計提供一較低 的电位下降、較低的熱產生量、以及一較高的光學增益性 能。 本發明之其他特徵與優點將由以下說明並包括圖式以 及申請專利範圍而變得顯而易見。 實施方式 在以下的說明中,相同之參考數字係用以代表相同的 元件。此外,該等圖式旨在以一概略方式顯示出示範性實 施例之主要特徵。該等圖式並非預計用以顯示實際實施例 的各個特徵或是顯示元件的相關尺寸,且並未按比例繪出。 文中所使用之術語「氮化物半導體材料」係有關一種 含氮瓜〜V族半導體材料。示範性氮化物半導體材料包括 氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(inGaN)、氮化銦(inN)、氮化鋁鎵 (AlGaN)、IU匕在呂(AIN)、IU匕在呂ϋ在家(AlInGaN)、氮坤化# (GaAsN)、氮砷化銦鎵(inGaAsN)、氮砷化鋁鎵(AlGaAsN) 、氮磷化鎵(GaPN)、氮磷化銦鎵(InGaPN)、以及氮磷化鋁 鎵(AlGaPN)。含氮m〜V族半導體材料家族之分支組的範 例係由AlxInyGa丨-X-YN的合金成分加以界定,其中 ,且 x+y$ 1 ° 術語「橫向」係有關一方向,該方向大體上與自一直 腔式表面發光雷射發出光線之方向垂直。術語「垂直」係 有關一方向’該方向大體上與自一直腔式表面發光雷射發 出光線之方向平行。 1326949 第1圖顯示依照本發明之一實施例的一種直腔式表面 發光雷射(VCSEL)IO,其包括一基板12、一第一光學反射 器14、一基底區域16、一作用區域18、一接觸區域2〇,以 及一第二光學反射器22。該直腔式表面發光雷射1〇亦包括 5 一位於作用區域18上方之第一電極24、以及一位於接觸區 域20上方的第二電極26。第一與第二光學反射器14、22形 成一垂直光學腔室28,其覆蓋至少—部份的作用區域18。 在操作方面,光線29係優先產生於垂直光學腔室28内之作 用區域18的部分中,且沿著-垂直光束轴線31透過第二光 10 學反射器22發出。 如以下詳細說明所述,直腔式表面發光雷射1〇使用一 橫向流注入方法’以降低氮化物半導體直腔式表面發光雷 射中之量子井的數量以及p型接觸區域之厚度的束制。藉此 方式,與垂直注入式的氮化物半導體直腔式表面發光雷射 15設計相比,依照本發明之直腔式表面發光雷射麟實施例 能夠具有較低的電位下降 '較低的熱產生量、以及一較高 的光學增益性能。 參考第2〜10圖,且首先參考第2、3與4圖,在依照本 發明之某些實施例中,該直腔式表面發光雷射齡如以下 2〇 方式加以製造。 第一光學反射器14係形成於基板16上(第2圖之區塊 30)。如第3與4圖中所示,在依照本發明之某些實施例中, 該第一光學反射器14係藉著將一疊不同折射率之材料的交 疊層沈積於基板12上(苐3圖),並且使該叠交疊層產生圖案( 8 1326949 l0(AlGaInN)。 在依照本發明之某些實施例中,該第—光學反射器14 包括一電子絕緣介電質頂層,其有助於將電流之流動限制 在作用區域18。該光學反射器14之介電質頂層能夠配合交 5 替反射層對的其中一對層,或者能夠配合除了交替反射層 對以外另外併入該光學反射器14中的一層。在依照本發明 之某些實施例中,該第一光學反射器14包括一頂層,其有 助於氮化物半導體材料從基底區域16之磊晶橫向成長。在 這些實施例其中的某些實施例中,該第一光學反射器14之 10 頂層係由二氧化矽所形成。 參考第2到5圖,在第一光學反射器14形成以後(第2圖 之區塊30),便形成基底區域16(第2圖;區塊36)。該基底區 域16包括一垂直成長部分38以及一橫向成長部分40。基底 區域16係由一氮化物半導體材料所形成,該材料初始具選 15 擇性地在基板12之暴露表面上生長,而並非生長於第一光 學反射器14的頂部表面上。由於暴露基板表面以及氮化物 半導體材料之間的晶格配合不良,故基底區域16之垂直部 分38典型具有高密度的垂直延伸缺點。當垂直部分38之厚 度開始超過第一光學反射器14的厚度時,基底區域16之橫 20 向部分40便會開始生長。橫向部分40之生長參數係加以選 擇,以便達成與垂直生長速率相較之一高橫向生長速率。 基底區域16之橫向部分40係由垂直部分38之一側各向異性 地生長。結果,基底區域16之橫向部分40係由一高品質的 磊晶成長氮化物半導體材料所形成’其大體上係不會產生 126035-990414.doc -10· 1326949 等量子井層係由氮化銦鎵所形成,且阻擋層係由銦合金含 量較低的氮化鎵或氮化銦鎵所形成。量子井44、46、48之 位置大體上與位於光學腔室28中一具有直腔式表面發光雷 射10之操作光發射波長的固定(standing)光波中之個別電場 5峰值處相符,該光學腔室係形成於第一與第二反射器14、 22之間。此特徵增加了該作用區域18之光學增益性能。 作用區域18之一個或更多構成層包括具有一第一電子 傳導類型的第一摻雜物《在依照本發明之某些實施例中, 10 15 20
量子井44、46、48之阻擋層係摻以一n型摻雜物(例如矽)。 在這些實施例其中的某些實施例中,量子井44、46、48之 量子井層亦摻雜有η型摻雜物。在依照本發明之某些實施例 中’作用區域18包括-頂層,其係以該第一摻雜物加以濃 密摻雜(例如,其摻雜範圍為1*1017到l*l〇2Gcm-3),以便有 助於與第一電極24形成一歐姆接觸β 多考第2到9圖’在作用區域18形成之後(第2圖;區塊 42)便形成接觸區域20(第2圖;區塊52)。接觸區域如係藉
著蟲晶橫向生長從氮化物半導體材料沿著該作龍域18之 暴露側壁以及基底區域16的橫向生長部分4()所形成。接觸 區域20之生長參數係、加以選定,以便與垂直生長速率相比 達到一高橫向生長速率。_區擊包括-具有第二電子 傳導類型的第二摻雜物,該第二電子傳導類型與作用區域 18中㈣—摻_的電子傳導類型相反。在依照本發明之 某些貫施例中,兮當_ 弟二摻雜物係為一P型摻雜物(例如錳或 鋅)。弟4雜物之摻雜濃度係相當高(例如,其摻雜範圍為 126035-990414.doc •12· 1326949 1*1017到l*l〇2()Cm·3)’以便有助於與第二電極26形成,歐姆 接觸。 藉由接觸區域20與作用區域18所形成的p-n接合之橫 向幾何外型使得該接觸區域20能夠具有相當大的厚度’如 5 此降低了通過該接觸區域20的電阻^該橫向接合幾何外型 亦容許將大量的量子井併入作用區域18,而不會導致產生 與垂直流注入型之直腔式表面發光雷射有關的不均勻泵送 之問題。藉此方式,該橫向接合幾何外型能夠增加直腔式 表面發光雷射10之光學增益性能。 10 參考第2到10圖,在接觸區域20形成之後(第2圖;區塊 52) ’便形成第二光學反射器22(第2圖;區塊54)。在依照本 發明之顯示實施例中,蝕刻遮罩層50係在第二光學反射器 22形成之前加以去除(例如,藉著選擇性蝕刻)。該第二光學 反射器22能夠直接形成於接觸區域20與作用區域18之暴露 15 表面上’或者是形成在沈積於該接觸區域20與作用區域18 上的一個或更多中間層上。第二光學反射器22能夠以與該 第一光學反射器14相同或相似的方法加以形成。如以上所 述,該第一與第二光學反射器14、22係加以構造與佈置, 以便形成垂直光學腔室28,其覆蓋至少一部份的作用區域 20 18。 參考第2到11圖,在依照本發明之某些實施例中,於第 二光學反射器形成之後(第2圖;區塊54),第一與第二電極 24與26係分別形成於該作用區域18之濃密掺雜的頂層上以 及濃密摻雜的接觸區域20上。該第一與第二電極24、26可 13 13.26949 由任何類型的電子傳導材料所形成,其形成與作用區域l8 以及接觸區域20之下方材料層的歐姆接觸。在依照本發明 之某些實施例中,該第一與第二電極24、26係藉著由鈀-鎳 -金(Pd-Ni-Au)與鈦-鉑-金(Ti-Pt-Au)所選出的金屬蒸發與金 5 屬合金之退火所形成。 參考第11圖,在操作中一順向電位(VF)係施加橫跨第 二與第一電極26、24,以便從接觸區域2〇橫向地將電流注 入作用區域18,如同箭號電流流動路線56所示者。載體限 制係由於第一與第二光學反射器14、22之相對高的電子阻 10抗性而產生。這些高阻抗性區域使得電流優先橫向流動通 過該接觸區域20與作用區域18。在依照本發明之某些實施 例中,高帶隙能量氮化物半導體材料使得量子井44、46、 48在作用區域18中隔絕分開。該高帶隙材料致使大部分的 電流優先流過該等量子井層之較低帶隙氮化物半導體材料 15 ,僅有少量的電流流動通過較高帶隙氮化物半導體材料。 直腔式表面發光雷射1〇能夠額外包括一個或更多的溝槽, 其用以限制電流,並提供與第n圖之繪圖平面正交的橫方 向之光波導引。第一與第二光學反射器14、22以光學方式 將光線限制於垂直光學腔室28中。額外的光學限制亦可能 20由於熱致透鏡效應以及注入載體分佈所引發的折射率變化 所產生。載體與光學橫向限制使得該作用區域丨8覆蓋住垂 直光學腔室28之部分中的載體與光子的密度増加,且從而 增加了產生於該作用區域18中,且從該直腔式表面發光雷 射10沿著垂直光束軸線31發出之光線29的效能。 14 1326949 如以上詳細說明所述’該直腔式表面發光雷射ίο使用 一橫向電流注入方式,以降低在氮化物半導體直腔式表面 發光雷射中之量子井的數量以及P型接觸區域之厚度方面 的限制。以此方式,與垂直注入類型的氮化物半導體直腔 5 式表面發光雷射設計相比,依照本發明之實施例能夠具有 一較低的電位下降、較低的熱產生量,以及一較高的光學 增益性能。 其他的實施例係屬於申請專利範圍之範_。 例如,第12圖顯示依照本發明之一實施例,該實施例 10 包括一第一電極60,其形成與基底區域16而並非作用區域 18之一歐姆接觸。在此實施例中’該第一電極6〇係以非直 接的方式透過基底區域16電子連接到作用區域18 ^在依照 本發明之某些實施例中’該基底區域16之一頂部部分在基 底區域中能夠加以蝕刻到一濃密摻雜層(例如一濃密摻雜 15的n++層),且該第一電極60能夠形成於該暴露的濃密摻雜層 上。在依照本發明之其他實施例中’第12圖中所示之第一 電極60能夠延伸到作用區域18之側壁。在這些實施例的某 些實施例中,該第一電極60能夠覆蓋住作用區域18之整個 側壁以及一部分的頂部表面。 20 依照本發明之其他實施例能夠包括一位於基板12之底 部表面上的第一電極,而並非如第丨圖中所示一般位於該作 用區域的頂部表面上。在這些實施例中,該第一電極係以 非直接的方式透過基板12與基底區域16電子連接到作用區 域18。 15 13.26949 【圖式簡單說明3 第1圖係為依照本發明之一直腔式表面發光雷射的一 實施例之一概略橫剖面圖; 第2圖係為依照本發明之一實施例的一種製造第1圖中 5 所示之直腔式表面發光雷射的方法之一流程圖; 第3〜10圖係為依照本發明之一實施例,第1圖中所示 之直腔式表面發光雷射在第2圖中所示的製造方法之不同 階段的概略橫剖面圖; 第11圖顯示電子流通過第1圖之直腔式表面發光雷射 10 實施例; 第12圖係為依照本發明之一直腔式表面發光雷射實施 例的概略橫剖面圖。 【主要元件符號說明】 10...直腔式表面發光雷射 29…光線 12…紐 31...垂直光束軸線 14...第一光學反射器 38...垂直成長部分 16· · ·基底區域! 40...橫向成長部分 18...作用區域 44...量子井作用區域 20...接觸區域 46...量子井作用區域 22…第二光學反射器 48...量子井作用區域 24...第一電極 50...姓刻遮罩層 26...第二電極 56...電流流動路線 28...垂直光學腔室 60…第一電極 16
Claims (1)
1326949 第095128653號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(99年4月)ν· 十、申請專利範圍: 1· 一種直腔式表面發光雷射,其包含: 一第一光學反射器; 一基底區域,該基底區域具有一垂直成長部分,其 橫向地鄰接該第一光學反射器、以及一包含一氮化物半 導體材料之橫向生長部分,其垂直地位於至少一部份的 該第一光學反射器上方; 一作用區域,其具有至少一個氮化物半導體量子井 垂直地位於至少一部份的該基底區域之橫向生長部分 上方;該作用區域包含一第一電子傳導類型之第一摻雜 物; 一接觸區域,其橫向地鄰接該作用區域俾使電流橫 向注入該作用區域,該接觸區域包含一氮化物半導體材 料以及一與該第一電子傳導類型相反的第二電子傳導 類型之第二摻雜物;及 • 一第二光學反射器,其垂直地位於該作用區域上方 ,並與該第一光學反射器形成一垂直光學腔室,該腔室 垂直地覆蓋住該作用區域之至少一個量子井的至少— 部份。 2. 如申請專利範圍第丨項之直腔式表面發光雷射,其中該 基底區域係由AlxInyGa〗_x.YN所形成,其中〇客x,y$卜且 〇Sx+y ^ 1 ° 3. 如申請專利範圍第2項之直腔式表面發光雷射,其中該 基底區域係由氮化鎵(GaN)所形成。 126035-990414.doc 1326949 4. 如申請專利範圍第1項之直腔式表面發光雷射,其中該 接觸區域係由AlxIriyGa^YN所形成,其中OSx,y$卜且 0 ^ χ+y $ 1 ° 5. 如申請專利範圍第4項之直腔式表面發光雷射,其中該 接觸區域係由氮化鎵(GaN)所形成。 6. 如申請專利範圍第1項之直腔式表面發光雷射,其中該 第一摻雜物係為一η型摻雜物,且第二摻雜物係為一p型 摻雜物。 7. 如申請專利範圍第1項之直腔式表面發光雷射,其中該 作用區域包含一位於一對阻擋層之間的量子井層,各個 量子井與阻擋層係由AlJnyGa^.YN所選出的個別氮化 物半導體材料所形成,其中〇Sx,ySl,且OSx+ySl。 8. 如申請專利範圍第7項之直腔式表面發光雷射,其中該 等阻擋層係由氮化鎵(GaN)所形成,且量子井層係由氮 化銦鎵(InGaN)所形成。 9. 如申請專利範圍第7項之直腔式表面發光雷射,其中該 等阻擋層係以第一摻雜物加以摻雜。 10. 如申請專利範圍第9項之直腔式表面發光雷射,其中該 等量子井層係以第一摻雜物加以摻雜。 11. 如申請專利範圍第1項之直腔式表面發光雷射,其進一 步包含一與該接觸區域形成一歐姆接觸的第一電極。 12. 如申請專利範圍第11項之直腔式表面發光雷射,其進一 步包含一與該作用區域形成一歐姆接觸的第二電極。 13. 如申請專利範圍第11項之直腔式表面發光雷射,其進一 126035-990414.doc -2- 1326949 步包3第—電極,該第二電極透過基底區域 到作用區域。 14·如申請專利第!項之直腔式表面發光雷射, 少一個量子井大體上與垂直光學腔室中具有— 學波長之-固定光波中的峰值處相符。 b.—種直腔式表面發光雷射,其包含: 一第一分佈式布拉格反射器;
- II化鎵基底區域’其具有—垂直生長部分,該垂 直成長部分橫向地鄰接第一光學反射器以及一樺^生 長部分,該橫向成長部分垂直地位於至少 : 光學反射器的上方;
電子連接 其中至 特定光 -作用區域’其垂直地位於該基底區域之橫向生長 部分的至少一部份上,並包含一n型摻雜物;其中該作 =區域包含-量子井層,其位於—對阻擋層之間,:個 量子井與阻擋層係由AlxInyGai x YN所選出的個別氮化 物半導體材料所形成,其中,且+ y幺1 . 一氮化鎵(GaN)接觸區域,其橫向地鄰接該作用區 域俾使電流橫向注入該區域,且包含—p型摻雜物;及 一第二分佈式布拉格反射器,其垂直地位於該作用 區域上方,並與該第一光學反射器界定出一垂直光學腔 室,其覆蓋住該作用區域之至少一個量子井的至少一部 份。 。 126035-990414.doc
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