TWI832622B - 半導體雷射元件 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體雷射元件，包括半導體磊晶結構、光吸收結構、透明導電層及電極層。半導體磊晶結構包括發光層及發光控制層，發光控制層位於發光層上方且形成發光開口區域；光吸收結構位於半導體磊晶結構上且形成外露半導體磊晶結構之鏤空部，其中光吸收結構之能隙小於發光能隙；透明導電層包括窗口部及延伸部，窗口部位於鏤空部內並覆蓋半導體磊晶結構，且延伸部覆蓋光吸收結構；電極層位於透明導電層上且形成外露透明導電層之開口部，且窗口部位於開口部內。其中窗口部之位置基於光射出方向對應發光開口區域之位置。

Description

半導體雷射元件
本發明係關於一種半導體雷射元件，尤指一種可提升發光效率及易於控制發光模態之半導體雷射元件。
雷射二極體（Laser Diode）具有小體積即可發出如雷射般強光之特性，因而廣泛地被應用在各個領域，如光傳輸、醫療、3D感測及3C產品上。依據磊晶方向與雷射光共振及射出之方向不同，使得雷射二極體主要可區分為垂直共振腔面射型雷射（vertical-cavity surface-emitting laser，簡稱VCSEL）及邊射型雷射（edge emitting laser，簡稱EEL）。由於VCSEL元件相較於EEL元件具有光純度較高且能耗較小等特性，近年來已逐漸成為雷射二極體之主流。
以具有脊型結構之VCSEL元件為例，一般會將金屬電極形成於脊型之外側，且在金屬電極上會開設孔洞以供光射出。由於電極會遮蔽光線，使得前述孔洞之位置無法過度向內縮，但又需要同時顧及電極之歐姆接觸面積不能太小以及電極位置之對準等因素，導致電極位置與發光區位置之間會出現較大之位置偏移，造成電流容易聚集在發光區之外緣；因此，習知VCSEL元件往往會產生電流分布不均且無法有效控制發光模態等問題。
因此，如何設計出能改善前述問題之半導體雷射元件，實為一個值得研究之課題。
本發明之目的在於提供一種可提升發光效率及易於控制發光模態之半導體雷射元件。
為達上述目的，本發明之半導體雷射元件包括半導體磊晶結構、光吸收結構、透明導電層及電極層。半導體磊晶結構包括發光層及發光控制層，發光控制層位於發光層上方且形成發光開口區域；光吸收結構位於半導體磊晶結構上且形成外露半導體磊晶結構之鏤空部，其中光吸收結構之能隙小於發光能隙；透明導電層包括窗口部及延伸部，窗口部位於鏤空部內並覆蓋半導體磊晶結構，且延伸部覆蓋光吸收結構；電極層位於透明導電層上且形成外露透明導電層之開口部，且窗口部位於開口部內。其中窗口部之位置基於光射出方向對應發光開口區域之位置。
在本發明之一實施例中，光吸收結構包括可導電之第一光吸收層。
在本發明之一實施例中，光吸收結構更包括第二光吸收層，第一光吸收層堆疊於第二光吸收層上，且第二光吸收層與第一光吸收層具有相反極性。
在本發明之一實施例中，光吸收結構更包括第二光吸收層，第一光吸收層堆疊於第二光吸收層上，且第二光吸收層具有絕緣特性。
在本發明之一實施例中，光吸收結構更包括第二光吸收層及第三光吸收層，第一光吸收層堆疊於第二光吸收層上，且第二光吸收層堆疊於第三光吸收層上；其中第二光吸收層與第一光吸收層具有相反極性，且第三光吸收層與第一光吸收層具有相同極性。
在本發明之一實施例中，開口部之徑向長度大於窗口部之徑向長度。
在本發明之一實施例中，發光開口區域之徑向長度大於窗口部之徑向長度，使得半導體雷射元件提供單模態發光。
在本發明之一實施例中，發光開口區域之徑向長度不大於窗口部之徑向長度，使得半導體雷射元件提供多模態發光。
在本發明之一實施例中，透明導電層之厚度為n*λ/4。
在本發明之一實施例中，窗口部與半導體磊晶結構形成歐姆接觸。
在本發明之一實施例中，光吸收結構係以砷化鎵材料、砷化鋁鎵材料或磷砷化鋁鎵銦材料製成。
在本發明之一實施例中，半導體磊晶結構更包括第一半導體結構及第二半導體結構，其中發光層位於第一半導體結構及第二半導體結構之間，且發光控制層形成於鄰近發光層之第二半導體結構內。
據此，本發明之半導體雷射元件藉由光吸收結構配合透明導電層之設置，可形成發光開口區位置上方面積較大且導電良好之歐姆接觸，使得發光腔體內部之電流可均勻分布，同時藉由改變發光開口區域與透明導電層之窗口部之徑向長度，可有效控制半導體雷射元件之發光模態。
由於各種態樣與實施例僅為例示性且非限制性，故在閱讀本說明書後，具有通常知識者在不偏離本發明之範疇下，亦可能有其他態樣與實施例。根據下述之詳細說明與申請專利範圍，將可使該等實施例之特徵及優點更加彰顯。
於本文中，係使用「一」或「一個」來描述本文所述的元件和組件。此舉只是為了方便說明，並且對本發明之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。
於本文中，用語「第一」或「第二」等類似序數詞主要是用以區分或指涉相同或類似的元件或結構，且不必然隱含此等元件或結構在空間或時間上的順序。應了解的是，在某些情形或組態下，序數詞可以交換使用而不影響本創作之實施。
於本文中，用語「包括」、「具有」或其他任何類似用語意欲涵蓋非排他性之包括物。舉例而言，含有複數要件的元件或結構不僅限於本文所列出之此等要件而已，而是可以包括未明確列出但卻是該元件或結構通常固有之其他要件。
於本文中，用語「徑向長度」係指任一結構與光射出方向垂直之方向之結構延伸長度。當該結構為一開孔時，其徑向長度即為該開孔之孔徑（若該開孔為圓孔，則該徑向長度為該開孔之直徑）。
請參考圖1為本發明之半導體雷射元件之第一實施例之示意圖。如圖1所示，本發明之半導體雷射元件1包括半導體磊晶結構10、光吸收結構20、透明導電層30及電極層40。半導體磊晶結構10為半導體雷射元件1之基礎結構件，用以作為雷射之共振腔。半導體磊晶結構10主要包括發光層13及發光控制層14。發光層13可由單一或複數量子井（(multiple) quantum well）結構所構成。發光控制層13位於發光層14上方且形成發光開口區域15，藉由發光層13所發出之光線可通過發光開口區域15而射出。
進一步來說，在本發明之以下各實施例中，半導體磊晶結構10包括第一半導體結構11、第二半導體結構12、發光層13及發光控制層14。第一半導體結構11及第二半導體結構12分別為複數半導體材料層所構成之布拉格鏡面（Distributed Bragg Reflector，簡稱DBR）結構，且第一半導體結構11及第二半導體結構12具有不同極性；舉例來說，在本發明之一實施例中，第一半導體結構11均採用N型半導體材料層，而第二半導體結構12均採用P型半導體材料層，但本發明不以此為限。
發光層13位於第一半導體結構11及第二半導體結構12之間，且發光控制層14形成於鄰近發光層13之第二半導體結構12內。發光控制層13為針對第二半導體結構12中之P型半導體材料層利用濕氣或離子佈值方式形成之氧化層。發光開口區域15具有徑向長度L1，且徑向長度L1可隨著不同設計需求而改變。此外，於第一半導體結構11一側之表面可設置底部電極（圖未示）。
光吸收結構20位於半導體磊晶結構10上。光吸收結構20可形成鏤空部24，且鏤空部24之位置基於光射出方向對應發光開口區域15之位置，使得來自發光層13之光線僅能直接穿過鏤空部24射出。鏤空部24自光吸收結構20一側之表面貫穿至另一相對側之表面，因此藉由鏤空部24使得半導體磊晶結構10部分外露。光吸收結構20主要具有光線吸收特性，因此在材料選擇上，光吸收結構20之能隙會小於半導體雷射元件1之發光能隙。在本發明之一實施例中，光吸收結構20係以砷化鎵（GaAs）材料、砷化鋁鎵（Al xGa 1-xAs）材料或磷砷化鋁鎵銦材料（Al xIn yGa 1-x-yAs zP 1-z）製成，但本發明不以此為限。
此外，在本發明中，光吸收結構20可依據設計需求不同而選擇形成單一層或複數層結構，且光吸收結構20可選擇具有可導電性或不可導電性。例如在本實施例中，光吸收結構20包括可導電之第一光吸收層21。第一光吸收層21在使用前述砷化鎵材料、砷化鋁鎵材料或磷砷化鋁鎵銦材料而經摻雜（doping）或其他處理之前提下具有可導電性，但本發明不以此為限。
透明導電層30形成於半導體磊晶結構10及光吸收結構20上，以作為電徑向導通路徑。透明導電層30主要包括窗口部31及延伸部32。窗口部31位於光吸收結構20之鏤空部24內，且窗口部31形成一個朝鏤空部24凹陷之凹陷結構。透明導電層30藉由窗口部31覆蓋並接觸半導體磊晶結構10，使得窗口部31與半導體磊晶結構10形成歐姆接觸。透明導電層30之窗口部31之位置基於光射出方向對應發光開口區域15之位置，使得來自發光層13之光線可直接穿過窗口部31射出。延伸部32連接窗口部31，且延伸部32覆蓋並接觸光吸收結構20，其中延伸部32與光吸收結構20可選擇性地形成歐姆接觸。透明導電層30主要具有透光特性及導電性，因此在本發明之一實施例中，透明導電層30係以氧化銦錫（ITO）材料或其他導電透光材料製成，但本發明不以此為限。窗口部31接觸半導體磊晶結構10之部分具有徑向長度L2，且徑向長度L2可隨著不同設計需求而改變。
在本發明之一實施例中，透明導電層30之厚度為n*λ/4，其中n為正整數，λ為光線之波長。
電極層40位於透明導電層30上。電極層40可形成開口部41，且開口部41之位置基於光射出方向對應發光開口區域15之位置，使得來自發光層13之光線可直接穿過開口部41而射出。開口部41自電極層40一側之表面貫穿至另一相對側之表面，因此藉由開口部41使得透明導電層30部分外露。在結構設計上，基於光射出方向，透明導電層30之窗口部31位於電極層40之開口部41內，也就是說，開口部41之徑向長度大於窗口部31之徑向長度L2；據此，至少整個窗口部31會藉由開口部41外露，以避免光射出路徑被遮蔽。電極層40係以金屬材料製成，但本發明不以此為限。
在本發明中，藉由改變發光開口區域15之徑向長度L1及窗口部31之徑向長度L2，可以控制本發明之半導體雷射元件所提供之發光模態。舉例來說，當發光開口區域15之徑向長度L1大於窗口部31之徑向長度L2時，本發明之半導體雷射元件1可提供單模態發光；而當發光開口區域15之徑向長度L1不大於窗口部31之徑向長度L2，本發明之半導體雷射元件1可提供多模態發光。
以下針對前述第一實施例來說明本發明之半導體雷射元件1之作動原理及功效。在本實施例中，當對電極層40供電後，電流會自電極層40流至透明導電層30，使得透明導電層30配合電極層40形成一個大範圍之電極結構。在透明導電層30之窗口部31與半導體磊晶結構10形成歐姆接觸且透明導電層30之延伸部32與光吸收結構20形成歐姆接觸之狀態下，電流可由窗口部31直接流經半導體磊晶結構10並通過發光開口區域15以抵達發光區13，或者電流可由延伸部32依序流經光吸收結構20、半導體磊晶結構10及發光開口區域15後抵達發光區13，使得電流可均勻分布於發光開口區域15。發光區13在接收電流後可發出光線，且該光線會受到發光開口區域15之限制而沿垂直發光區13表面之方向射出。由於在結構配置上，發光開口區域15會基於光射出方向對準透明導電層30之窗口部31及電極層40之開口部41，使得光線可集中穿過發光開口區域15、第一半導體結構11、窗口部31、光吸收結構20之鏤空部24及開口部41而射出至元件外部，其餘方向之光線會被光吸收結構20阻擋而吸收。
又，在本實施例中，假設透明導電層30之延伸部32與光吸收結構20並未形成歐姆接觸之狀態下（即第一光吸收層21不導電），電流僅能由窗口部31直接流經半導體磊晶結構10並通過發光開口區域15以抵達發光區13。此時電流可被集中自窗口部31流出，並均勻分布於發光開口區域15之徑向長度L1及窗口部31之徑向長度L2之間。據此，更能提升本發明之半導體雷射元件1之發光效率。
請參考圖2為本發明之半導體雷射元件之第二實施例之示意圖。本實施例係為前述第一實施例之變化型式，主要採用不同型態之光吸收結構。如圖2所示，在本實施例中，本發明之半導體雷射元件1a之光吸收結構20a包括第一光吸收層21及第二光吸收層22。第一光吸收層21堆疊於第二光吸收層22上，且第二光吸收層22與第一光吸收層21具有相反極性；舉例來說，當第一光吸收層21為N型半導體材料層時，第二光吸收層22則為P型半導體材料層。第一光吸收層21及第二光吸收層22同樣可使用前述砷化鎵材料、砷化鋁鎵材料或磷砷化鋁鎵銦材料經摻雜或其他處理而形成。由於第二光吸收層22與第一光吸收層21具有相反極性，兩者之間形成P-N界面，使得光吸收結構20a整體表面水平方向與透明導電層30形成歐姆接觸，但是縱向之界面形成之能障無法導通電流，致使電流無法縱向自透明導電層30穿過光吸收結構20a，僅能由窗口部31直接流經半導體磊晶結構10並通過發光開口區域15以抵達發光區13。據此，本實施例同樣能提升本發明之半導體雷射元件1a之發光效率。
在本實施例中，除了前述方式之外，第二光吸收層也可直接採用絕緣材料製成或使其具有絕緣特性（例如摻雜Fe元素等）。由於第二光吸收層22電性絕緣，使得光吸收結構20a整體表面水平方向與透明導電層30形成歐姆接觸，但是第二光吸收層22電性絕緣，致使電流同樣僅能由窗口部31直接流經半導體磊晶結構10並通過發光開口區域15以抵達發光區13。
請參考圖3為本發明之半導體雷射元件之第三實施例之示意圖。本實施例係為前述第一實施例之變化型式，主要採用不同型態之光吸收結構。如圖3所示，在本實施例中，本發明之半導體雷射元件1b之光吸收結構20b包括第一光吸收層21、第二光吸收層22及第三光吸收層23。第一光吸收層21堆疊於第二光吸收層22上，且第二光吸收層22與第一光吸收層21具有相反極性；第二光吸收層22堆疊於第三光吸收層23上，且第三光吸收層23與第一光吸收層21具有相同極性。舉例來說，當第一光吸收層21為N型半導體材料層時，第二光吸收層22則為P型半導體材料層，而第三光吸收層23為N型半導體材料層。第一光吸收層21、第二光吸收層22及第三光吸收層23同樣可使用前述砷化鎵材料、砷化鋁鎵材料或磷砷化鋁鎵銦材料經摻雜或其他處理而形成。由於第二光吸收層22與第一光吸收層21具有相反極性，且第三光吸收層23與第二光吸收層22具有相反極性，更能確保電流無法自透明導電層30穿過光吸收結構20b，僅能由窗口部31直接流經半導體磊晶結構10並通過發光開口區域15以抵達發光區13。據此，本實施例同樣能提升本發明之半導體雷射元件1b之發光效率。
以上實施方式本質上僅為輔助說明，且並不欲用以限制申請標的之實施例或該等實施例的應用或用途。此外，儘管已於前述實施方式中提出至少一例示性實施例，但應瞭解本發明仍可存在大量的變化。同樣應瞭解的是，本文所述之實施例並不欲用以透過任何方式限制所請求之申請標的之範圍、用途或組態。相反的，前述實施方式將可提供本領域具有通常知識者一種簡便的指引以實施所述之一或多種實施例。再者，可對元件之功能與排列進行各種變化而不脫離申請專利範圍所界定的範疇，且申請專利範圍包含已知的均等物及在本專利申請案提出申請時的所有可預見均等物。
1、1a、1b:半導體雷射元件 10:半導體磊晶結構 11:第一半導體結構 12:第二半導體結構 13:發光層 14:發光控制層 15:發光開口區域 20、20a、20b:光吸收結構 21:第一光吸收層 22:第二光吸收層 23:第三光吸收層 24:鏤空部 30:透明導電層 31:窗口部 32:延伸部 40:電極層 41:開口部 L1、L2:徑向長度
圖1為本發明之半導體雷射元件之第一實施例之示意圖。 圖2為本發明之半導體雷射元件之第二實施例之示意圖。 圖3為本發明之半導體雷射元件之第三實施例之示意圖。
1:半導體雷射元件
10:半導體磊晶結構
11:第一半導體結構
12:第二半導體結構
13:發光層
14:發光控制層
15:發光開口區域
20:光吸收結構
24:鏤空部
30:透明導電層
31:窗口部
32:延伸部
40:電極層
41:開口部
L1、L2:徑向長度

Claims (10)

  1. 一種半導體雷射元件，包括：一半導體磊晶結構，包括一發光層及一發光控制層，該發光控制層位於該發光層上方且形成一發光開口區域；一光吸收結構，位於該半導體磊晶結構上且形成外露該半導體磊晶結構之一鏤空部，其中該光吸收結構之能隙小於發光波長能隙，該光吸收結構包括可導電之一第一光吸收層及一第二光吸收層，該第一光吸收層堆疊於該第二光吸收層上，且該第二光吸收層與該第一光吸收層具有相反極性；一透明導電層，包括一窗口部及一延伸部，該窗口部位於該鏤空部內並覆蓋該半導體磊晶結構，且該延伸部覆蓋該光吸收結構；以及一電極層，位於該透明導電層上且形成外露該透明導電層之一開口部，且該窗口部位於該開口部內；其中該窗口部之位置基於光射出方向對應該發光開口區域之位置。
  2. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該光吸收結構更包括一第二光吸收層，該第一光吸收層堆疊於該第二光吸收層上，且該第二光吸收層具有絕緣特性。
  3. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該光吸收結構更包括一第二光吸收層及一第三光吸收層，該第一光吸收層堆疊於該第二光吸收層上，且該第二光吸收層堆疊於該第三光吸收層上；其中該第二光吸收層與該第一光吸收層具有相反極性，且該第三光吸收層與該第一光吸收層具有相同極性。
  4. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該開口部之徑向長度大於該窗口部之徑向長度。
  5. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該發光開口區域之徑向長度大於該窗口部之徑向長度，使得該半導體雷射元件提供單模態發光。
  6. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該發光開口區域之徑向長度不大於該窗口部之徑向長度，使得該半導體雷射元件提供多模態發光。
  7. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該透明導電層之厚度為n*λ/4。
  8. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該窗口部與該半導體磊晶結構形成歐姆接觸。
  9. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該光吸收結構係以砷化鎵材料、砷化鋁鎵材料或磷砷化鋁鎵銦材料製成。
  10. 如請求項1所述之半導體雷射元件，其中該半導體磊晶結構更包括：一第一半導體結構；以及一第二半導體結構，其中該發光層位於該第一半導體結構及該第二半導體結構之間，且該發光控制層形成於鄰近該發光層之該第二半導體結構內。
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