TWI427879B - Vertical Resonant Cavity with Infrared Profile - Google Patents

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Description

具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射
本發明係有關於一種具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，尤指涉及一種藉由蝕刻氧化程序選擇性移除在850nm波段VCESL之單一氧化層，特別係指經由使用單一蝕刻氧化程序以沿著側壁處形成一在主動層上方至少達100nm以上之氧化輪廓者。
本申請案主張2005年4月8日提出申請的台灣申請案第094111145號之優先權，其全文在此以參照形式被併入本文。
高速、高效率與低臨限電流(<1mA)操作在850nm或1000nm波長附近之垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSELs)，由於可適用於光連結技術，因此在最近已吸引許多人注意。此高速VCSEL在操作時之功率消耗係有二個必需之重要參數作為評估，分別為電流調變效率(D-係數)以及臨限電流(Ith)。在一大D-係數與一小Ith之下，係可讓較少偏壓電流達成較高之調變速度；換言之，即在高速VCSEL操作下能有較少電能消耗。
為進一步改進高速VCSEL之性能，以砷化鎵(GaAs)為基礎之VCSELs，與有壓縮應力之多重量子井(MQWs)(InGaAs/GaAs(P))，在850nm與1000nm波長範圍之周圍已根據速度與功耗展示其優秀之性能。且為進一步提升VCSEL之調變速度至40Gbit/sec附近，多重氧化層通常被採用於進一步減少氧化侷限型VCSEL之高寄生電容。然而，在發光區這些層上之應力可能降低VCSEL之可靠度。另外，在VCSEL之分佈式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)結構頂面之絕緣層應該會增加VCSELs之電阻、導通電壓及電能消耗量，並且在高溫操作時限制其高速性能。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種經由使用單一蝕刻氧化程序以沿著側壁處形成一在主動層上方至少達100nm以上之氧化輪廓，可具有優越之動態性能，包括功率消耗及最大之運轉速度，且亦可遠遠超過文獻報告中之高資料傳輸速率與功率消耗之比值，能在34與12.5 Gbps下可分別有2.9與9.2 Gbps/mW之世界記錄。
為達以上之目的，本發明係一種具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，係包括一基板、一外延層結構、一隔絕層、一N型接面、一P型接面、一N型金屬電極及一P型金屬電極所組成。
上述外延層結構係堆疊於該基板上，係由一n型分佈式布拉格反射鏡(n-Distributed Bragg Reflector,n-DBR)、一發光區(Active Region)及一p型分佈式布拉格反射鏡(p-DBR)所組成，且該發光區係夾置於該n型分佈式布拉格反射鏡及該p型分佈式布拉格反射鏡之間之多重量子井結構，該發光區上方並包含有一氧化輪廓結構(Oxide-Relief Structure)，該氧化輪廓結構係定義有一環形電流侷限區域，且該氧化輪廓結構係經由單一蝕刻氧化程序形成垂直側壁蝕刻之氧化層輪廓，與該發光區之間具有至少100nm以上距離；該隔絕層具有一光源射出口，係在該光源射出口兩端延伸包圍該p型分佈式布拉格反射鏡、該發光區及部分之n型分佈式布拉格反射鏡，並使該氧化輪廓結構介於此隔絕層兩端延伸包圍所定義之區間，俾供該光源射出口之中心係對正該環形電流侷限區域；該N型接面係埋設於該隔絕層中並位於該隔絕層與該n型分佈式布拉格反射鏡介面上；該P型接面係埋設於該隔絕層中並位於該隔絕層與該p型分佈式布拉格反射鏡介面上；該N型金屬電極係形成於該隔絕層上並於該隔絕層內具有一貫穿孔洞而與該N型接面電性連接；以及該P型金屬電極係形成於該隔絕層上並於該隔絕層內具有一貫穿孔洞而與該P型接面電性連接。
請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明之結構剖面示意圖及本發明之結構俯視示意圖。如圖所示：本發明係一種具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射100，係具有經由使用單一蝕刻氧化程序以沿著側壁處形成一在主動層上方至少達100nm以上之氧化輪廓者，其至少包括一基板10、一外延層結構20、一隔絕層(Bisbenzocyclobutene,BCB)30、一N型接面(N Contact)40、一P型接面(P Contact)50、一N型金屬電極(Metal Pad)60及一P型金屬電極70所組成。
上述基板10係為半絕緣半導體，且該半絕緣半導體係為所有之化合物或四族半導體，並進一步可為砷化鎵(Gallium Arsenide,GaAs)、磷化銦(Indium Phosphide,InP)、氮化鋁(Aluminum Nitride,AIN)、氮化銦(Indium Nitride,InN)或矽(Si)。
該外延層結構20係堆疊於該基板10上，係由一n型分佈式布拉格反射鏡(n-Distributed Bragg Reflector,n-DBR)21、一發光區(Active Region)22及一p型分佈式布拉格反射鏡(p-DBR)23所組成，且該發光區22係夾置於該n型分佈式布拉格反射鏡21及該p型分佈式布拉格反射鏡23之間之多重量子井結構(MQWs)，該發光區22上方並包含有一氧化輪廓結構(Oxide-Relief Structure)24，該氧化輪廓結構24係位於該發光區22上方而無接觸該發光區22，其定義有一環形電流侷限區域241，範圍為6μm，且該氧化輪廓結構24係經由單一蝕刻氧化程序形成垂直側壁蝕刻之氧化層輪廓，與該發光區22之間具有至少100nm以上距離，其中，該多重量子井結構係可由各不同成分之化合物半導體及其合金材料構成之異質接面所形成，並進一步可為砷化鋁銦鎵/砷化鋁鎵(InAlGaAs/AlGaAs)。
該隔絕層30具有一光源射出口301，係自該光源射出口301兩端延伸並包圍該p型分佈式布拉格反射鏡23、該發光區22及部分之n型分佈式布拉格反射鏡21，使該氧化輪廓結構24介於此隔絕層30兩端延伸包圍所定義之區間內，俾供該光源射出口301之中心係對正該環形電流侷限區域241。
該p型分佈式布拉格反射鏡、該發光區及部分之n型分佈式布拉格反射鏡之側邊係由該隔絕層所包圍。
該N型接面40係埋設於該隔絕層30中並位於該隔絕層30與該n型分佈式布拉格反射鏡21介面上。
該P型接面50係埋設於該隔絕層30中並位於該隔絕層30與該p型分佈式布拉格反射鏡23介面上。
該N型金屬電極60係形成於該隔絕層30上並於該隔絕層30內具有一貫穿孔洞61而與該N型接面40電性連接。
該P型金屬電極70係形成於該隔絕層30上並於該隔絕層30內具有一貫穿孔洞71而與該P型接面50電性連接。
當運用時，本發明製備之裝置100係具有一22μm直徑之主動區台座，如第2圖所示，其可與一共面波導(Co-Planar Waveguide,CPW)墊片整合用在直接晶圓(On-Wafer)高速測量上。
於一較佳實施例中，上述p型分佈式布拉格反射鏡23、該發光區22及部分之n型分佈式布拉格反射鏡21之側邊係由該隔絕層30所包圍，且該隔絕層30兩端延伸包圍所定義之區間範圍係為22μm。
於另一較佳實施例中，上述外延層結構20係生長在一個半絕緣GaAs基板10上，下方n型分佈式布拉格反射鏡層21為30對交替之Al0.9 Ga0.1 As/Al0.12 Ga0.88 As，且中間之發光區22包含三個In0.15 Al0.1 Ga0.75 As/Al0.3 Ga0.7 As所組成之多重量子井結構，該發光區22(MQWs)之上更有一Al0.98 Ga0.02 As層作為氧化層，以及上方p型分佈式布拉格反射鏡層23為20對交替之Al0.9 Ga0.1 As/Al0.12 Ga0.88 As。
比較習知以In0.1 Ga0.9 As/Al0.37 Ga0.63 As作為應變之850nm VCSELs技術，本發明係可藉由Al之結合，擴大能隙，可在達到一個較高之銦莫耳分率(0.15 vs.0.1)與一較厚之井道寬度(50 vs.40)同時，並使該井層結構在晶格常數(應力)上沒有重要之影響力。因此，本發明之應變VCSEL比較上述習知技術以InGaAs為基礎應變850nm VCSELs，明顯具有一較高之銦莫耳分率與更寬之井道寬度，可分別地導致在靜態或動態性能以及晶圓之一致性上有更加顯著之改進。
於前述實施例中，本發明之氧化輪廓結構24即以該多重量子井結構上方作為AlGaAs中之氧化層實現，此AlGaAs層於氧化過程轉變成氧化物Alx O1-x 層後，將經由一緩衝氧化層蝕刻液(Buffered Oxide Etchant,BOE)進行單一蝕刻氧化程序以去除該Alx O1-x 層(即氧化層)，進而形成垂直側壁蝕刻之錐形氧化層輪廓。由於此種蝕刻液在發光區22(Al(In)GaAs)與Alx O1-x 層之間之蝕刻速率中擁有一非常好之選擇性，可在蝕刻時間內有一大於100nm以上大容差，因此即可使該單一氧化層之位置被最佳化而達到避免發光區之損傷。
為證明本發明藉由蝕刻氧化程序選擇性移除在850nm波段VCESL之單一氧化層，能使本裝置100可以極高電流調變效率(9.8 GHz/mA1/2 )與最高調變速度(34 Gbps)表現具有高資料傳輸與功率消耗之比值記錄(即，在34與12.5 Gbps下可分別有2.9與9.2 Gbps/mW)。本發明將與一具完全氧化層之控制組進行比較。由於空氣僅有大約Alx O1-x 層一半介電常數，因此可預期本裝置能比控制組可表現一較小寄生電容；並且，鑑於此，對於氧化物與發光區不同晶格常數與熱膨脹係數之問題造成限制裝置之可靠度問題也已去除，因此本裝置係可達到可靠度之改善。如下所述。
請參閱『第3圖』所示，係本發明與控制組之輸出光功率對偏壓電流(L-I)及偏壓電流對電壓(I-V)曲線示意圖。如圖所示：由本發明具氧化輪廓VCSEL裝置與控制組之L-I表現特性曲線80、80a可知，本裝置與控制組幾乎表現相同之臨限電流及微分量子效率。雖然本裝置之最大功率為4 mW，比起控制組之最大功率5.6 mW似乎降低些許，惟本發明只集中於低功耗(即低電流)與高速操作，因此這對本發明而言並不是一問題。另外，由本裝置與控制組之I-V表現特性曲線81、81a可見，包括導通電壓與微分電阻，本裝置與控制組幾乎相同。因此，經由上述測量結果顯示，本發明oxide-relief過程係不會嚴重降低VCSEL之靜態性能。
請參閱『第4A圖及第4B圖』所示，係分別為本發明在不同偏壓電流下測量之光電(E-O)頻率響應曲線示意圖、及本發明與控制組之fR 對(I-Ith )1/2 擬合線示意圖。如第4A圖所示：從本發明具氧化輪廓VCSEL裝置於室溫中在2mA、3mA、4mA、7mA及9mA等不同偏壓電流下所得之E-O頻率響應曲線82、83、84、85及86可知，本發明利用去除氧化層所得具氧化輪廓之裝置係可有效降低寄生電容，其可在很低之操作電流下即可達到21GHz之3dB頻寬，比控制組之19GHz高，足證本發明即便是在很低光電流下仍可具有很高速之頻率響應。另外，如第4B圖所示，圖中顯示擷取本發明具氧化輪廓VCSEL裝置與控制組之電流調變效率(即D-係數)，並比較根據在第4A圖顯示之E-O反應，測量本裝置與控制組之共振頻率(fR )與(I-Ith )1/2 之關係，其中I係偏壓電流，Ith 係臨限電流。由本發明具氧化輪廓VCSEL裝置與控制組之fR VS.(I-Ith )1/2 曲線87、87a可知，本裝置擷取之D-係數係高達9.8GHz/mA1/2 ，明顯大於控制組之8.2GHz/mA1/2 ，因此以本發明經Oxide-Relief處理過後之裝置其電流隨共振頻率上升之速度係可較快。
請參閱『第5A圖～第5C圖』所示，係分別為本發明在室溫下以12.5 Gbit/sec偏壓電流測量-log(BER)對Vpp 之結果示意圖、本發明在室溫下以34 Gbit/sec偏壓電流測量-log(BER)對Vpp 之結果示意圖、以及本發明在85℃下以28Gbit/sec偏壓電流測量-log(BER)對Vpp 之結果示意圖。如圖所示：首先，本裝置係在室溫操作之下，以12.5 Gbit/sec之偏壓電流測量-log(BER)對Vpp ，且圖中更顯示出在最低之偏壓電流(即功率消耗)與Vpp 之下對應之眼圖。如第5A圖所示，利用去除氧化層所得具氧化輪廓之VCSEL裝置，在1.7mA偏壓電流與非常低之峰對峰驅動電壓(Vpp )之下，可以達到無錯誤(Error-Free)之12.5 Gbit/sec眼圖。以此對應文獻中之資料傳輸速率與功率消耗之比值即為最高紀錄之9.2 Gbps/mW。
進一步比較在0.5 Vpp 下提升偏壓電流至6mA，本發明經Oxide-Relief處理過後之裝置之最大無錯誤操作速率係可高達34 Gbps，如第5B圖所示，對應於資料傳輸速率與功率消耗之比值係高達2.9 Gbps/mW。
另外，有鑑於VCSEL高速性能是否能在85℃之下操作也係一個重要問題，因此如第5C圖所示，當本裝置於85℃下操作，在6mA偏壓電流之下，亦可以28 Gbit/sec達到無錯誤操作速率。由此可見，本裝置在高溫操作之下，如此高速性能係明顯優越於多重氧化層850nm VCSELs之技術，由於本裝置表現一較佳之I-V特性，更證明在高溫操作之下可有較少之設備熱化問題。因此本發明不僅省能，即使係在高溫操作下，其效果依然相當好。
總之，上述測量結果顯示本發明之氧化層蝕刻去除結構能在無需過分犧牲裝置之靜態性能即可提高VCSEL之動態性能。
本發明在850nm波長示範新穎之高速VCSEL，係經由去除氧化層所得具氧化輪廓之VCSEL裝置。能藉由選擇性移除在850nm波段VCESL之單一氧化層，使本發明之電流調變效率可達8.2 vs.9.8GHz/mA1/2 ，最大調變速度可達32 vs.34Gbps，以及功率消耗等全都優越於對照有單一氧化層結構者。本發明高資料傳輸與功率消散之比值，在34與12.5 Gbps下可分別有2.9與9.2Gbps/mW之記錄，可符合所有850nm波段VCSELs技術所揭露之值。此外，靜態性能包括電流對功率(L-I)以及電流對電壓(I-V)特性，本發明經由去除氧化層所得具氧化輪廓之VCSEL裝置比較對照沒有去除氧化層之結構之這些特性係不會嚴重劣化。
綜上所述，本發明係一種具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，可有效改善習用之種種缺點，係經由使用單一蝕刻氧化程序以沿著側壁處形成一在主動層上方至少達100nm以上之氧化輪廓，可具有優越之動態性能，包括功率消耗及最大之運轉速度，且亦可達到文獻報告中之高資料傳輸速率與功率消耗之比值，能在34與12.5 Gbps下可分別有2.9與9.2 Gbps/mW之記錄，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100．．．本裝置
10．．．基板
20．．．外延層結構
21．．．n型分佈式布拉格反射鏡
22．．．發光區
23．．．p型分佈式布拉格反射鏡
24．．．氧化輪廓結構
241．．．環形電流侷限區域
30．．．隔絕層
301．．．光源射出口
40．．．N型接面
50．．．P型接面
60．．．N型金屬電極
61．．．貫穿孔洞
70．．．P型金屬電極
71．．．貫穿孔洞
第1圖，係本發明之結構剖面示意圖。
第2圖，係本發明之結構俯視示意圖。
第3圖，係本發明與控制組之輸出光功率對偏壓電流(L-I)及偏壓電流對電壓(I-V)曲線示意圖。
第4A圖，係本發明在不同偏壓電流下測量之光電(E-O)頻率響應曲線示意圖。
第4B圖，係本發明與控制組之fR 對(I-Ith )1/2 擬合線示意圖。
第5A圖，係本發明在室溫下以12.5 Gbit/sec偏壓電流測量-log(BER)對Vpp 之結果示意圖。
第5B圖，係本發明在室溫下以34 Gbit/sec偏壓電流測量-log(BER)對Vpp 之結果示意圖。
第5C圖，係本發明在85℃下以28Gbit/sec偏壓電流測量-log(BER)對Vpp 之結果示意圖。
100．．．本裝置
10．．．基板
20．．．外延層結構
21．．．n型分佈式布拉格反射鏡
22．．．發光區
23．．．p型分佈式布拉格反射鏡
24．．．氧化輪廓結構
241．．．環形電流侷限區域
30．．．隔絕層
301．．．光源射出口
40．．．N型接面
50．．．P型接面
60．．．N型金屬電極
61．．．貫穿孔洞
70．．．P型金屬電極
71．．．貫穿孔洞

Claims (10)

  1. 一種具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，係經由使用單一蝕刻氧化程序以沿著側壁處形成一間隙至少達100nm以上之氧化輪廓，其包括：一基板；一外延層結構，其堆疊於該基板上，係由一n型分佈式布拉格反射鏡(n-Distributed Bragg Reflector,n-DBR)、一發光區(Active Region)及一p型分佈式布拉格反射鏡(p-DBR)所組成，且該發光區係夾置於該n型分佈式布拉格反射鏡及該p型分佈式布拉格反射鏡之間之多重量子井結構，該發光區上方並包含有一氧化輪廓結構(Oxide-Relief Structure)，該氧化輪廓結構係定義有一環形電流侷限區域，且該氧化輪廓結構係經由單一蝕刻氧化程序形成垂直側壁蝕刻之氧化層輪廓，與該發光區之間具有至少100nm以上距離；一隔絕層(Bisbenzocyclobutene,BCB)，具有一光源射出口，係在該光源射出口兩端延伸包圍該p型分佈式布拉格反射鏡、該發光區及部分之n型分佈式布拉格反射鏡，並使該氧化輪廓結構介於此隔絕層兩端延伸包圍所定義之區間，俾供該光源射出口之中心係對正該環形電流侷限區域；一N型接面(N Contact)，係埋設於該隔絕層中並位於該隔絕層與該n型分佈式布拉格反射鏡介面上；一P型接面(P Contact)，係埋設於該隔絕層中並位於該隔絕層與該p型分佈式布拉格反射鏡介面上；一N型金屬電極(Metal Pad)，係形成於該隔絕層上並於該隔絕層內具有一貫穿孔洞而與該N型接面電性連接；以及一P型金屬電極，係形成於該隔絕層上並於該隔絕層內具有一貫穿孔洞而與該P型接面電性連接。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該環形電流侷限區域範圍係為6μm。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該隔絕層兩端延伸包圍所定義之區間範圍係為22μm。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該氧化輪廓結構係位於該發光區上方且無接觸該發光區。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該基板係為半絕緣半導體。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該半絕緣半導體係為所有之化合物或四族半導體，並進一步可為砷化鎵(Gallium Arsenide,GaAs)、磷化銦(Indium Phosphide,InP)、氮化鋁(Aluminum Nitride,AIN)、氮化銦(Indium Nitride,InN)或矽(Si)。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該多重量子井結構係可由各不同成分之化合物半導體及其合金材料構成之異質接面所形成，並進一步可為砷化鋁銦鎵/砷化鋁鎵(InAlGaAs/AlGaAs)。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該發光區係包含三InAlGaAs/AlGaAs所組成之多重量子井結構，其上下方係由磊晶成長之p型分佈式布拉格反射鏡層與n型分佈式布拉格反射鏡層所包圍。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該p型分佈式布拉格反射鏡、該發光區及部分之n型分佈式布拉格反射鏡之側邊係由該隔絕層所包圍。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之具氧化輪廓之垂直共振腔面射型雷射，其中，該氧化輪廓結構係以該多重量子井結構上方作為AlGaAs中之氧化層，經由一緩衝氧化層蝕刻液(Buffered Oxide Etchant,BOE)，進行單一蝕刻氧化程序去除該氧化層而形成垂直側壁蝕刻之錐形氧化層輪廓。
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