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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