TWI419427B - 能帶邊緣型光子晶體雷射二極體 - Google Patents

能帶邊緣型光子晶體雷射二極體 Download PDF

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TWI419427B
TWI419427B TW098128338A TW98128338A TWI419427B TW I419427 B TWI419427 B TW I419427B TW 098128338 A TW098128338 A TW 098128338A TW 98128338 A TW98128338 A TW 98128338A TW I419427 B TWI419427 B TW I419427B
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low refractive
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Hao Chung Kuo
Shing Chung Wang
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Description

能帶邊緣型光子晶體雷射二極體
本發明是有關於一種面射型雷射二極體(surface emitting laser diode)，特別是指一種能帶邊緣型光子晶體雷射二極體(photonic crystal band-edge laser diode)。
傳統垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser，簡稱VESEL)因上下形成有對數甚多的高低折射率層對的分散式布拉格反射鏡，因此，其元件的內部量子效率(internal quantum efficiency)則面臨到晶格不匹配度(lattice mismatch)所衍生的技術瓶頸。為改善上述製程上的瓶頸，因而演變了出能帶邊緣型光子晶體雷射二極體之面射型雷射。
參閱圖1，Masahiro Imada、Alongkam Chutinan、Susumu Noda與Masamitsu Mochizuki等人於PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 65,195306的Multidirectionally distributed feedback photonic crystal lasers一文中揭示出一種能帶邊緣型光子晶體雷射二極體1，包含：一第一晶圓11及一第二晶圓12。該等晶圓11、12是在氫氣氛圍內以620℃加熱30分鐘的條件相互熔合(fusing)。
該第一晶圓11具有一熔合於該第二晶圓12上的n-InP覆蓋層111、一形成於該n-InP覆蓋層111的p-InP覆蓋層112，及一夾置於該等覆蓋層111、112之間之由InGaAsP所構成且中心波長為1.3μm的多重量子井(multiple-quantum-well，簡稱MQW)。
該第二晶圓12具有一n-InP基材121及一形成於該n-InP基材121中並具有一0.462μm之晶格常數(lattice constant)的二維光子晶體(2-D photonic crystal)122。該二維光子晶體122是一呈三角形排列的圓洞陣列，且該圓洞陣列是一直徑約480μm的圓形圖案。
該能帶邊緣型光子晶體雷射二極體1主要是藉由該二維光子晶體122來侷限呈水平方向行進之自發性放射(spontaneous emission)的光子，並透過水平共振的作用以將自發性放射的光子擴大為受激性放射(stimulated emission)，進而使得受激性放射的光子自該p-InP覆蓋層112的一上表面發射，並自該上表面離開該能帶邊緣型光子晶體離射二極體1。
隨然呈面射型放射的能帶邊緣型光子晶體雷射可取代垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)；然而，目前能帶邊緣型光子晶體雷射仍面臨著臨界能量密度(threshold energy density)無法下降的瓶頸；因此，降低能帶邊緣型光子晶體雷射的臨界能量密度，乃是此技術領域者所需改進的課題。
因此，本發明之目的，即在提供一種能帶邊緣型光子晶體雷射二極體。
於是，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，包含：一低折射率(low refractive index)nL 之膜層結構、一形成於該低折射率之膜層結構上的發光膜層結構，及一形成於該發光膜層結構中的二維光子晶體。該發光膜層結構具有一高折射率nH 、一中心波長(center wavelength)λ0 及一膜層厚度；其中，nH -nL ＞0.15，且該發光膜層結構之膜層厚度是至少小於10λ0 /nH 。
本發明之功效在於，利用該低折射率之膜層結構與特定膜層厚度之發光膜層結構，來將光子侷限(confine)在該發光膜層結構中，藉以增加光子與該二維光子晶體的交互作用率，進而降低能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的臨界能量密度。
 <發明詳細說明>
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之四個較佳實施例、一個具體例與一個比較例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2與圖3，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第一較佳實施例，包含：一低折射率nL 之膜層結構2、一形成於該低折射率之膜層結構2上的發光膜層結構3，及一形成於該發光膜層結構3中的二維光子晶體4。該發光膜層結構3具有一高折射率nH 、一中心波長λ0 及一膜層厚度；其中，nH -nL ＞0.15，且該發光膜層結構3之膜層厚度是至少小於10λ0 /nH 。
此處值得一提的是，本發明主要是經由該低折射率之膜層結構2來增加被其反射的光子量。另，經由降低該發光膜層結構3之膜層厚度的手段來提昇被反射之水平方向行進的光子與該二維光子晶體4之間的交互作用率(confined percentage)。
較佳地，該發光膜層結構3之膜層厚度是至小於5λ0 /nH ；0.15＜nH -nL ＜1；λ0 是介於380nm~1600nm；該發光膜層結構3是由一Ⅲ-Ⅴ族化合物所構成；Ⅲ族元素是選自B、Al、Ga、In，或此等之一組合；Ⅴ族元素是選自N、P、As、Sb，或此等之一組合。更佳地，該發光膜層結構3是形成在一形成有一2μm之GaN層91的藍寶石(sapphire)基板92上，且該發光膜層結構3是由以氮化鎵系為主(GaN-based)的Ⅲ-Ⅴ族化合物所構成；λ0 是介於380nm~460nm。
較佳地，該發光膜層結構3具有一形成於該低折射率之膜層結構2上的第一導電型半導體層31、一夾置於該低折射率之膜層結構2與該第一導電型半導體層31之間的第二導電型半導體層32，及一夾置於該等導電型半導體層31、32之間的多重量子井(MQW)33。在本發明該第一較佳實施例中，該第一導電型半導體層31、該第二導電型半導體層32與該多重量子井(MQW)33分別是一n-GaN、一p-GaN與一(In0.2 Ga0.8 N/GaN)10 ；該多重量子井(MQW)33之In0.2 Ga0.8 N的厚度與GaN的厚度分別是2.5nm與7.5nm，且λ0 是415nm。
較佳地，該低折射率之膜層結構2具有一反射鏡。該反射鏡是一帶有一第一低折射率nL1 之分散式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，簡稱DBR)21或一金屬反射鏡22。更佳地，該反射鏡是一由兩不同折射率之Ⅲ-Ⅴ族化合物所構成的分散式布拉格反射鏡(DBR)21。此處值得說明的是，該分散式布拉格反射鏡(DBR)21主要是用來增加特定波段之光子的反射率，且是由m對的一第一折射率層與一第二折射率層所構成。在本發明該第一較佳實施例中，該分散式布拉格反射鏡(DBR)21是一(AlN/GaN)m ，且m是至少大於25。該(AlN/GaN)m 之每一對(AlN/GaN)的厚度為dL1 ，且每一對(AlN/GaN)之AlN與GaN的厚度dAlN 與dGaN 分別是1/4倍的光學膜厚(optical thickness，λ0 /n)，即，分別是4λ0 /nAlN 與4λ0 /nGaN 。此處須說明的是，藉該(AlN/GaN)m 來大幅地反射400nm~430nm特定波段之水平方向行進的光子。
本發明該第一較佳實施例之低折射率之膜層結構2所使用的分散式布拉格反射鏡(DBR)21的折射率nL1 與該發光膜層結構3之折射率，是簡單地彙整於以下表1.。在本發明該第一較佳實施例中，nL =nL1 。
較佳地，該二維光子晶體4是一如圖3所示之呈蜂窩狀(honeycomb)排列的圓洞陣列(circular cavity array)；該二維光子晶體4具有一介於190nm~300nm的晶格常數a；該圓洞陣列之圓洞具有一半徑r；該二維光子晶體4的r/a是介於0.11~0.45。在本發明該第一較佳實施例中，該二維光子晶體4的晶格常數a是234nm，該圓洞陣列之圓洞的半徑r為50nm。
較佳地，該二維光子晶體4之圓洞陣列的深度是自該等導電型半導體層31、32其中一者向該等導電型半導體層31、32其中另一者的方向延伸，並至少部分跨及該多重量子井33。在本發明該第一較佳實施例中，該二維光子晶體4之圓洞陣列的深度是400nm。
較佳地，該二維光子晶體4具有一圓形圖案面積，該圓形圖案面積的直徑ψ是介於50μm~100μm。
在本發明該第一較佳實施例中，有關於被該分散式布拉格反射鏡(DBR)21所反射的光子與該二維光子晶體4間的交互作用率，是經由光學模擬軟體取得並簡單地彙整於下列表2.中。
經上述表2.的模擬結果可知，當該發光膜層結構3之膜層厚度小於10λ0 /nH 時，被該分散式布拉格反射鏡(DBR)21所反射之水平方向行進的光子與該二維光子晶體4間的交互作用率皆可大於50%。因此，可輔助光子在該二維光子晶體4中的水平共振。
參閱圖4，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第二較佳實施例，大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，更包含一覆蓋該發光膜層結構3並裸露出該二維光子晶體4的電流侷限層(passivation layer)5、分別電性連接該第一導電型半導體層31與該第二導電型半導體層32的一第一電極61與一第二電極62，及一覆蓋該二維光子晶體4並與該第二電極62電性連接的電流擴散層(current spreading layer)7；該低折射率之膜層結構2更具有一帶有一第二低折射率nL2 並夾置於該分散式布拉格反射鏡(DBR)21與該發光膜層結構3之間的低折射率層23。
較佳地，nL2 ＜nL1 ，該低折射率層23具有一小於200nm的膜層厚度dL2 ，且該低折射率層23是由該Ⅲ-Ⅴ族化合物所構成。在本發明該第二較佳實施例中，該低折射率層23是由一膜層厚度dL2 為200nm的AlN(即，nL2 等於2.1)所構成；nL =[(nL1 ×dL1 ×m)+(nL2 ×dL2 )]/[(dL1 ×m)+dL2 )]=2.27；該電流侷限層5是SiO2 或SiNx；該電流擴散層7是透明導電層，如，氧化銦錫(ITO)。本發明該第二較佳實施例可藉該低折射率層(AlN)23來侷限該特定波段(即，400nm~430nm)外之水平方向行進的光子。
參閱圖5，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第三較佳實施例，大致上是相同於該第二較佳實施例，其不同處是在於，該發光膜層結構3、該分散式布拉格反射鏡(DBR)21與該低折射率層23是使用一金屬鍵合層(bonding layer)93經由晶圓鍵合(wafer bonding)技術被鍵合至一基板94上。於完成晶圓鍵合技術後的第一導電型半導體層31與第二導電型半導體層32分別是一p-GaN、一n-GaN；該低折射率層23之膜層厚度dL2 是不限於低於200nm；且該二維光子晶體4之圓洞陣列的深度是298nm~1460nm。
較佳地，該分散式布拉格反射鏡(DBR)21是由選自下列所構成之群組的兩介電材料(dielectrics)所構成：氧化矽(SiO2 )、氮化矽(SiNx )、氧化鉭(Ta2 O5 )及氧化鈦(TiO2 )；該低折射率層23是由氧化銦錫(ITO)、氧化矽或氮化矽所構成。在本發明該第三較佳實施例中，該分散式布拉格反射鏡(DBR)21與該低折率層23分別是一(SiO2 /TiO2 )m 與一nL2 為1.9且膜層厚度dL2 為200nm的ITO層，且m是至少大於6。該(SiO2 /TiO2 )m 之每一對(SiO2 /TiO2 )的厚度為dL1 ，且每一對(SiO2 /TiO2 )之SiO2 與TiO2 的厚度dSiO2 與dTiO2 分別是1/4倍的光學膜厚，即，分別是4λ0 /nSiO2 與4λ0 /nTiO2 。
本發明該第三較佳實施例之低折射率之膜層結構2所使用的分散式布拉格反射鏡(DBR)21的折射率nL1 與該發光膜層結構3之折射率，是簡單地彙整於以下表3.。在本發明該第三較佳實施例中，nL =[(nL1 ×dL1 ×m)+nL2 ×dL2 )/[(dL1 ×m)+dL2 )]=[(1.88×110.5×6)+(1.9×210)]/[(110.5×6)+210]=1.88。
在本發明該第三較佳實施例中，有關於被該分散式布拉格反射鏡(DBR)21所反射的光子與該二維光子晶體4間的交互作用率，是經由光學模擬軟體取得並簡單地彙整於下列表4.中。
參閱圖6，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第四較佳實施例，大致上是相同於該第三較佳實施例，其不同處是在於，該低折射率之膜層結構2的反射鏡是一由Ag或Al所構成的金屬反射鏡22。
<具體例>
本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一具體例大致上是相同於如圖2與圖3所描繪之第一較佳實施例，其不同處是在於，該低折射率之膜層結構2的分散式布拉格反射鏡(DBR)21是一(AlN/GaN)35 ；該發光膜層結構3的膜層厚度是5λ0 /nH (參表2.)；且該二維光子晶體4之圓形圖案面積的直徑ψ是50μm。
<比較例>
再參圖2與圖3，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一比較例大致上是相同該具體例，其不同處是在於，該比較例不包含該分散式布拉格反射鏡(DBR)21。
<分析數據>
參閱圖7，由本發明該具體例之掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，簡稱SEM)的影像圖顯示可知，本發明該具體例之二維光子晶體的晶格常數a與圓洞陣列之圓洞半徑r分別為234nm與50nm。
本發明該具體例是使用一脈衝寬度(pulsewidth)約為0.5ns及發光波長為355nm的Nd：YVO4 脈衝式雷射(pulsed laser)，在一1kHz之反覆速率(repetition rate)的條件下來對該具體例執行光激發光(optical pumping)；其中，該脈衝式雷射是以50μm之光點大小(spot size)的激發雷射光束垂直地入射在該二維光子晶體的表面，並覆蓋整體圓洞陣列的圖案區域。本發明該具體例之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體經由該脈衝式雷射光激發光後的特性分析，是經由一Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmH(WITec)所產之型號為Alpha SNOM的顯微鏡系統(microscopy system，圖未示)來量測。
參閱圖8，由光輸出強度對光激發能量密度(pumping energy density)關係圖顯示可知，本發明該具體例之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的臨界能量(threshold energy，Eth )與臨界能量密度分別僅165nJ與2.7mJ/cm2 。本發明該具體例藉由該分散式布拉格反射鏡(DBR)21與5λ0 /nH 之膜層厚度的發光膜層結構3來提昇被反射之水平方向行進的光子量；因此，不僅大幅地提昇了光子與該二維光子晶體間的交互作用率，也因此降低了該具體例之雷射二極體的臨界能量密度。反觀該比較例，在相同的光激發光條件下，該比較例的放射現象無法由自發性放射被放大為受激發性放射(圖未示)；因此，無法產生雷射現象。
參閱圖9，由光輸出強度對波長關係圖顯示可知，本發明該具體例之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的光子在經過該二維光子晶體的水平共振後所得之主峰(dominant peak)為401.8nm，且在激發能量為1.5 Eth 的條件下所取得的半高寬(full width at half maximum，FWHM)為0.16nm。此外，本發明該具體例經該顯微鏡系統(圖未示)所測得之五個測量距離之雷射光的平均發散角(average divergence angle)是小於6°。
綜上所述，本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體所使用的低折射率之膜層結構可大幅地降低雷射二極體的臨界能量密度，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2．．．低折射率之膜層結構
21．．．分散式布拉格反射鏡
22．．．金屬反射鏡
23．．．低折射率層
3．．．發光膜層結構
31．．．第一導電型半導體層
32．．．第二導電型半導體層
33．．．多重量子井
4．．．二維光子晶體
91．．．GaN層
92．．．藍寶石基板
93．．．金屬鍵合層
94．．．基板
圖1是一立體示意圖，說明由Masahiro Imada、Alongkam Chutinan、Susumu Noda與Masamitsu Mochizuki等人所揭示之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體；
圖2是一正視示意圖，說明本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第一較佳實施例；
圖3是一俯視示意圖，說明該第一較佳實施例之一二維光子晶體的晶格結構；
圖4是一正視示意圖，說明本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第二較佳實施例；
圖5是一正視示意圖，說明本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第三較佳實施例；
圖6是一正視示意圖，說明本發明之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體的一第四較佳實施例；
圖7是一SEM表面影像圖，說明本發明能帶邊緣型光子晶體雷射二極體之一具體例的二維光子晶體的表面形貌；
圖8是一光輸出強度對激發能量密度關係圖，說明本發明該具體例之臨界能量密度；及
圖9是一光輸出強度對波長關係圖，說明本發明該具體例之雷射光的主峰位置與半高寬。
2．．．低折射率之膜層結構
21．．．分散式布拉格反射鏡
3．．．發光膜層結構
31．．．第一導電型半導體層
32．．．第二導電型半導體層
33．．．多重量子井
4．．．二維光子晶體
91．．．GaN層
92．．．藍寶石基板

Claims (15)

  1. 一種能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，包含：一低折射率nL 之膜層結構，該低折射率之膜層結構具有一反射鏡，該反射鏡是一帶有一第一低折射率nL1 之分散式布拉格反射鏡或一金屬反射鏡；一形成於該低折射率之膜層結構上的發光膜層結構，具有一高折射率nH 、一中心波長λ0 及一膜層厚度；及一形成於該發光膜層結構中的二維光子晶體；其中，nH -nL >0.15，且該發光膜層結構之膜層厚度是至少小於10λ0 /nH 。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該發光膜層結構之膜層厚度至小於5λ0 /nH ；0.15<nH -nL <1；λ0 是介於380nm~1600nm；該發光膜層結構是由一Ⅲ-V族化合物所構成；Ⅲ族元素是選自B、Al、Ga、In，或此等之一組合；V族元素是選自N、P、As、Sb，或此等之一組合。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該反射鏡是一分散式布拉格反射鏡。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該分散式布拉格反射鏡是由兩不同折射率之Ⅲ-V族化合物所構成。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該低折射率之膜層結構更具有一帶有 一第二低折射率nL2 之低折射率層，該低折射率層是夾置於該分散式布拉格反射鏡與該發光膜層結構之間，且nL2 <nL1 ；該低折射率層是由該Ⅲ-V族化合物所構成。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該低折射率層具有一小於200nm的膜層厚度。
  7. 依據申請專利範圍第3項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該分散式布拉格反射鏡是由選自下列所構成之群組的兩介電材料所構成：氧化矽、氮化矽、氧化鉭及氧化鈦。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中；該低折射率之膜層結構更具有一帶有一第二低折射率nL2 之低折射率層，該低折射率層是夾置於該分散式布拉格反射鏡與該發光膜層結構之間，且nL2 <nL1 ；該低折射率層是由氧化銦錫、氧化矽或氮化矽所構成。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該反射鏡是一由Ag或Al所構成的金屬反射鏡；該低折射率之膜層結構更具有一夾置於該金屬反射鏡與該發光膜層結構之間的低折射率層，且是由氧化銦錫、氧化矽或氮化矽所構成。
  10. 依據申請專利範圍第2項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該發光膜層結構是由以氮化鎵系為主的Ⅲ-V族化合物所構成；λ0 是介於380nm~460nm； 該發光膜層結構具有一形成於該低折射率之膜層結構上的第一導電型半導體層、一夾置於該低折射率之膜層結構與該第一導電型半導體層之間的第二導電型半導體層，及一夾置於該等導電型半導體層之間的多重量子井。
  11. 依據申請專利範圍第10項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該二維光子晶體是一呈蜂窩狀排列的圓洞陣列；該二維光子晶體具有一介於190nm~300nm的晶格常數a；該圓洞陣列之圓洞具有一半徑r；該二維光子晶體的r/a是介於0.11~0.45。
  12. 依據申請專利範圍第11項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該二維光子晶體具有一圓形圖案面積，該圓形圖案面積的直徑是介於50μm~100μm。
  13. 依據申請專利範圍第11項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，其中，該二維光子晶體之圓洞陣列的深度是自該等導電型半導體層其中一者向該等導電型半導體層其中另一者的方向延伸，並至少部分跨及該多重量子井。
  14. 依據申請專利範圍第10項所述之能帶邊緣型光子晶體雷射二極體，更包含一覆蓋該發光膜層結構並裸露出該二維光子晶體的電流侷限層，及分別電性連接該第一導電型半導體層與該第二導電型半導體層的一第一電極與一第二電極。
  15. 依據申請專利範圍第14項所述之能帶邊緣型光子晶體雷 射二極體，更包含一覆蓋該二維光子晶體並與該第二電極電性連接的電流擴散層。
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