TWI838888B - 包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體 - Google Patents
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Abstract
一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，一種半導體雷射二極體包含兩(或兩以上)主動層、光柵層與穿隧接面層；光柵層與穿隧接面層係設置於兩主動層之間，穿隧接面層係電性連接兩主動層，兩主動層係共用並光耦合於光柵層，藉此增進半導體雷射二極體的外部量子效率、斜效率。
Description
一種半導體雷射二極體，尤其是一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中光柵層係設置於兩主動層之間，兩主動層係共用並光耦合於光柵層，藉此增進半導體雷射二極體的外部量子效率、斜效率。
半導體雷射(semiconductor laser)或稱雷射二極體(laser diode)具有體積小、消耗功率低、反應快、耐衝擊、壽命長、效率高及價格低等優點，因此被廣泛的應用於光電系統產品中，例如：光波通信、資訊系統、家用電器、精密測量及光纖通信等。其中，分散式回饋雷射(Distributed Feedback Laser：簡稱DFB雷射)因具有製程簡易、單模輸出與適合長距傳輸等特性，由分散式回饋雷射產生的雷射光訊號在經過長距離傳輸後仍可維持良好的訊號雜訊比，故已成為現今光波通信及光纖通信系統中廣泛使用的光源。
但在距離感測的應用上比如LiDAR(Light Detection And Ranging)或3D感測等，具單一主動層與光柵層的半導體雷的光輸出功率明顯不足，因此LIDAR等距離感測的應用上極需要一種高光輸出功率的半導體雷射二極體。
本文的實施例是一種高光輸出功率的半導體雷射二極體，其外部量子效率與斜效率優於現有的半導體雷射二極體。在本文的實施例的半導體雷射磊晶結構，跟習知技術相比，除了主動層(區)的設置數目變多，而且於一些實施例是使用水平共振腔(horizontal resonant cavity)(不是使用垂直共振腔)產生雷射光，但雷射光是垂直於磊晶平面而射出。
此外，通常主動層(區)的數目變多，光柵層的數目可能對應性的增加或光柵結構可能要對應性的改變，但如此會拉長增加製作時間與加大製造難度。
在本文實施例，是將光柵層設置於兩主動層之間，使兩主動層能共用光柵層，如此不需要增加光柵層的數量，甚至光柵層可能不需改變結構設計。因此，不但能減少光柵層的設置數目，也能簡化半導體雷射磊晶結構的製作程序。
此外，當使兩主動層的雷射光場分布能光耦合於光柵層時，半導體雷射元件的斜效率與外部量子效率能明顯提升。綜上可知，以本文的實施例的磊晶結構所製作出的半導體雷射元件，其光輸出功率不但明顯提升，且磊晶結構也比較容易製作，換言之製作成本不會明顯變多。
在一實施例，一種半導體雷射二極體包含兩主動層、一光柵層與一穿隧接面層；該光柵層與該穿隧接面層設置於該兩主動層之間，而該穿隧接面層係用以電氣串聯兩主動層，該兩主動層係共用並光耦合於該光柵層。
在一實施例，提供一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，包含：一基板；一第一磊晶堆疊結構，係形成於該基板之上，包含一第一主動層，該第一主動層包含一或複數第一量子井層，該第一主動層會產生一第一光場分布；一光柵層，係形成於該第一磊晶堆疊結構之上；一
第二磊晶堆疊結構，係形成於該光柵層之上，包含一第二主動層，該第二主動層包含一或複數第二量子井層，該第二主動層會產生一第二光場分布；一穿隧接面層，係設置於該第一主動層與該第二主動層之間，以電性連接該第一主動層與該第二主動層；其中，該光柵層位於該第一主動層與該第二主動層之間，且處於該第一光場分布與該第二光場分布之範圍中，使該第一光場分布與該第二光場分布均光耦合於該光柵層。
在光學雷達系統等測距應用中，已經通過多種方式研究瞭解如何透過光柵圖案設計進行更多的光提取，本發明是首次揭露一種使用多個接面(主動區)光學耦合到一個光柵層且透過穿隧接面層電性連接多個接面的半導體雷射二極體，從而提升半導體雷射二極體的外部量子效率、斜效率。
100、200、300、400、500:半導體雷射
10:基板
11:第一磊晶堆疊結構
111:第一披覆層
113:第一光侷限層
115:第二光侷限層
13:第一層間層
15:光柵層
17:第二層間層
131:蝕刻終止層
151:高折射率介質層
1511:第二披覆層
1513:第一電阻降低層
1515:第三披覆層
1517:光場調整層
1519:覆蓋層
153:低折射率介質層
19:第二磊晶堆疊結構
191:第四披覆層
192:第三光侷限層
193:第四光侷限層
194:第五披覆層
195:第二電阻降低層
196:歐姆接觸層
20:DBR層
11A:第一主動層
19A:第二主動層
TD:穿隧接面層
圖1為依據本文一實施例的半導體雷射二極體的示意圖。
圖2為依據本文一實施例的光柵層為一維週期性結構的示意圖。
圖3為依據本文一實施例的光柵層為光子晶體層的示意圖。
圖4為依據本文一實施例的蝕刻終止層設置於第一層間層與光柵層之間的示意圖。
圖5為本文一實施例的第一磊晶堆疊結構的示意圖。
圖6為本文一實施例的光柵層的示意圖。
圖7為本文一實施例的第二磊晶堆疊結構的示意圖。
圖8是依照本文一實施例的光柵層中的低折射率介質層為介電材料的示意圖。
圖9a為依照本文一實施例的脊狀結構之半導體雷射二極體示意圖。
圖9b為依照圖9a的本文一實施例的第一主動層與第二主動層的光場分佈圖。
圖10a為依照本文一實施例的DBR層在正面出光型半導體雷射二極體的設置位置的示意圖。
圖10b為依照本文一實施例的DBR層在背面出光型半導體雷射二極體的設置位置的示意圖。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式作更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。圖式中各膜層之間的厚度比例也非實際比例，應根據實際需要而調整各膜層的厚度。
以下描述具體的元件及其排列的例子以簡化本發明。當然這些僅是例子且不該以此限定本發明的範圍。例如，在描述中提及一層於另一層之上時，其可能包括該層與該另一層層直接接觸的實施例，也可能包括兩者之間有其他元件或磊晶層形成而沒有直接接觸的實施例。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號及/或符號，這些重複僅為了簡單清楚地敘述一些實施例，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間有特定關聯。
此外，其中可能用到與空間相關的用詞，像是“在...下方”、“下方”、“較低的”、“上方”、“較高的”及類似的用詞，這些關係詞係為了便於描述圖式中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。這些空間關係詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。
本發明說明書提供不同的實施例來說明不同實施方式的技術特徵。舉例而言，全文說明書中所指的“一些實施例”意味著在實施例中描述
到的特定特徵、結構、或特色至少包含在一實施例中。因此，全文說明書不同地方所出現的片語“在一些實施例中”所指不一定為相同的實施例。
此外，特定的特徵、結構、或特色可在一或多個的實施例中透過任何合適的方法結合。進一步地，對於在此所使用的用語“包括”、“具有”、“有”、“其中”或前述之變換，這些語意類似於用語“包括”來包含相應的特徵。
此外，”層”可以是單一層或者包含是多層；而一磊晶層的”一部分”可能是該磊晶層的一層或互為相鄰的複數層。
參閱圖1，圖1為依據本文一實施例的半導體雷射二極體的示意圖。如圖1所示，半導體雷射100包含基板10、第一磊晶堆疊結構11、第一層間層(interlayer)13、光柵層15、第二層間層17及第二磊晶堆疊結構19。第一磊晶堆疊結構11與第二磊晶堆疊結構19分別包含第一主動層11A與第二主動層19A。第一主動層11A產生第一光場分布，而第二主動層19A產生第二光場分布。
光柵層15係介於第一主動層11A與第二主動層19A之間，第一主動層11A與第二主動層19A係共用並「光耦合」於光柵層15，藉此，提供半導體雷射二極體的面內光回饋(in-plane optical feedback)，而提高半導體雷射二極體的斜率效率(slope efficiency)。半導體雷射二極體的100中更包含穿隧接面層TD，穿隧接面層TD係介於第一主動層11A與第二主動層19A之間，以與第一主動層11A與第二主動層19A構成串聯的電氣連接關係。穿隧接面層TD包含高摻雜濃度的P型層與高摻雜濃度的N型層。
上述的「光耦合」是第一主動層11A與第二主動層19A分別產生一(雷射)光場分布，且第一主動層11A與第二主動層19A的雷射光場的一部分都會分佈在該光柵層，提供半導體雷射二極體的面內光回饋(in-plane optical feedback)。比如，第一光場分布的一部分會分佈到光柵層靠近第一
主動層的部分如光柵層的下側，而第二光場分布的一部分會分佈到光柵層靠近第二主動層的部分如光柵層的上側。兩主動層可發出相同或不同的波長(wavelengths)，及/或與相同或不同的偏振(polarizations)的雷射光，可以滿足不同設計需求。
光柵層15的光柵結構設計依照實際需求可以是第一階光柵(first order grating)或第二階光柵(second order grating)。使用第二階光柵(即L=l/Neff)，光發射可以透過光柵衍射垂直於表面，其為面射型雷射提供另一種解決方案。與邊射型雷射相比，面射型雷射具有晶圓上測試的優勢，無須切割晶圓及在晶圓的割裂面上塗層，因此更具成本效益及製造效率，進一步使用二維光柵或所謂光子晶體可以產生小遠場角(small far field angle)、光束品質好的雷射，甚至可以用於無透鏡系統。
在一實施例中，光柵層15係包含多個高折射率介質層151與多個複數低折射率介質層153。較佳的(參圖1)，穿隧接面層TD是高折射率介質層151的一部分，比如是高折射率介質層151的中間部分，而穿隧接面層TD之上及/或之下可設置半導體層。較佳的，穿隧接面層TD是設置在(雷射)光場分布的光場強度最小處或附近。所以，若(雷射)光場分布的光場強度最小處的位置發生改變，則穿隧接面層TD的設置位置也可隨之改變，比如設置在光柵層的高折射率介質層151之中或該光柵層的之上或之下。
低折射率介質層153可以是空位(void)、半導體材料、介電材料或光子晶體等等。當低折射率介質層是空位(void)、半導體材料、介電材料時，光柵層15係為一維週期性結構，亦即如圖2所示，高折射率介質層151與低折射率介質層153沿著一第一水平方向X(不限圖示的X方向，在另一實施例可沿Y方向)呈一維狀週期性地排列，該第一水平方向係垂直於該光柵層的厚度方向Z(Z方向)。
如圖3所示，光柵層15可以是光子晶體層，該光子晶體層具有包括沿著一第一水平方向(X方向)及一第二水平方向(Y方向)分佈排列的多數個微光子晶體結構，該第二水平方向(X方向)與該第一水平方向(Y方向)垂直。
原則上，基板10的材質可以是InP或GaAs；基板10之上形成各磊晶層的材料依照不同實際需求可以是InxGayAl1-x-yAs，其中，0
x
1，0
y
1。或者基板10之上形成各磊晶層的材料可以是InxGa1-xAsyP1-y，其中，0
x
1，0
y
1。較佳的，穿隧接面層可以是InGaAsSb。
圖4為依據本文一實施例在第一層間層與光柵層之間更設置蝕刻終止層131的示意圖。如圖4的磊晶結構200所示，在第一層間層13之上形成蝕刻終止層131，蝕刻終止層131之上再製作光柵層15，如此光柵層15能容易的被製作出來。或者，在第一層間層13的靠近光柵層15的部分係形成蝕刻終止層131。
參閱圖5，圖5為本文一實施例的第一磊晶堆疊結構的示意圖。如圖5所示，基板10之上的第一磊晶堆疊結構11由下至上依序形成第一披覆層111、第一光侷限層(Separate Confinement Heterostructure)113、第一主動層(包含一量子井層或多重量子井層)11A、第二光侷限層115。基板10可以是InP基板，第一披覆層111的材料可以是InP，第一光侷限層113的材料可以是InAlAs，第一主動層11A的材料可以是InAlGaAs，第二光侷限層115的材料可以是InAlAs。在第一磊晶堆疊結構11之上的第一層間層13的材料可以是InP，若第一層間層13之上或一部分設置蝕刻終止層131(圖4或圖6)，則蝕刻終止層的材料可以是InGaAsP。
參閱圖6，圖6為本文一實施例的光柵層的示意圖。如圖6所示，光柵層15的高折射率介質層151由下至上依序形成第二披覆層1511與第一電
阻降低層1513(resistance reduction layer)、穿隧接面層TD、第三披覆層1515、光場調整層1517(optical extending layer)與覆蓋層(cover layer)1519，其中光場調整層1517用以擴展或壓縮光場分布(形狀)。覆蓋層之上形成第二磊晶堆疊結構(此圖未示)。
第二披覆層1511的材料可以是InP；第一電阻降低層1513的材料可以是InGaAsP；穿隧接面層TD的材料可以是InGaAs或InGaAsP，其中穿隧接面層TD的P型層可以摻碳(C)，而穿隧接面層TD的N型層可以摻雜碲(Te)；第三披覆層1515的材料可以是InP；光場調整層1517的材料可以是InGaAsP；覆蓋層1519的材料可以是InP。原則上直接或相鄰於光柵層的磊晶層或半導體層也能具有擴展或壓縮光場分布(形狀)的作用，例如覆蓋層1519可以具有光場調整的功能或光場調整層1517之上可以透過形成一整層的光場調整層來取代覆蓋層1519。
參閱圖7，圖7為本文一實施例的第二磊晶堆疊結構的示意圖。如圖7所示，第二磊晶堆疊結構19由下至上依序形成第四披覆層191、第三光侷限層192、第二主動層(包含一量子井層或多重量子井層)19A、第四光侷限層193與第五披覆層194、第二電阻降低層(resistance reduction layer)195與歐姆接觸層196。第四披覆層191的材料可以是InP；第三光侷限層192的材料可以是InAlAs；第二主動層19A的材料可以是InAlGaAs；第四光侷限層193的材料可以是InAlAs；第五披覆層194的材料可以是InP；第二電阻降低層195的材料可以是InGaAsP；歐姆接觸層196的材料可以是InGaAs。
圖8是依照本文一實施例的光柵層的低折射率介質層為介電材料的示意圖。在圖8的光柵層15中的低折射率介質層153是介電材料或半導體材料，雖圖8與圖1雖大致相同，但因光柵層中包含介電材料，因此製作方式並不相同，故結構上略有差異。如圖8的磊晶結構所示，第一層間層13之上
磊晶成長蝕刻終止層131，且蝕刻終止層131之上更形成有覆蓋層1519。此外，在圖8的磊晶結構中，光柵層15之上是直接形成第二磊晶堆疊結構19，所以光柵層15與第二磊晶堆疊結構19之間也可以不需設置第二層間層，但並不限於此，仍可依照實際需求而改變。
在一實施例中，第一披覆層111、第一光侷限層113具有與基板10相同的導電類型，比如N型。第二光侷限層115、第一層間層13與第一蝕刻終止層131、第二披覆層1511與第一電阻降低層1513具有與基板10相反的導電類型，比如P型。第三披覆層1515、光場調整層1517、覆蓋層1519與第四披覆層191、第三光侷限層192具有與基板10相同的導電類型，比如N型。第四光侷限層193與第五披覆層194、第二電阻降低層195(resistance reduce layer)與歐姆接觸層196具有與基板10相反的導電類型，比如P型。
第一主動層11A與第二主動層19A分別為由InAlGaAs組成之多重量子井(MQWs)結構，量子井的周期數可以是7，但不限於此。
在圖9a一實施例中，圖9a顯示一種脊狀結構之半導體雷射二極體，且光柵層為第二階光柵，圖9a的第一主動層與第二主動層的光場分布如圖9b所示，第一主動層與第二主動層均光耦合於光柵層(厚度約720nm)，當第一主動層與第二主動層均光耦合於光柵層，半導體雷射二極體的斜率效率會有明顯提升。藉由在光柵層之上或之下分別設置主動層且使兩主動層光耦合，藉此提高半導體雷射二極體的斜率效率(slope efficiency)及/或外部量子效率。
在一實施例，半導體雷射二極體是面射型雷射二極體(VCSEL)、水平腔表面發射雷射(HCSELs)、邊射型雷射二極體(EEL)或DFB雷射。
請參圖10a，圖10a是顯示一種正面出光型的半導體雷射二極體400，當正面出光型的半導體雷射二極體400更設置DBR層20，且DBR層20
設置在第二階光柵的光柵層15與第一主動層11A之下方，如此可增進正面出光型的半導體雷射二極體的出光功率。圖10b則是顯示背面出光型的半導體雷射二極體500中，DBR層20則須設置在第二階光柵的光柵層15與第二主動層19A之上方，如此可增進背面出光型的半導體雷射二極體的出光功率。正面出光型的半導體雷射二極體是指在光從磊晶結構的磊晶表面射出，背面出光型的半導體雷射二極體是指光是從基板或光是經由磊晶結構面向基板的一面射出。
當該光柵層是一維狀周期性排列，且該半導體雷射二極體為脊狀結構之半導體雷射二極體，該半導體雷射二極體之前、後側面(在前、後側面之間水平共振)分別設置一DBR層，如此可增進半導體雷射二極體側面的出光功率與降低臨界電流。
第一磊晶堆疊結構與第二磊晶堆疊結構中磊晶層的製作是透過有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶成長方法製作而成。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
100:半導體雷射
10:基板
11:第一磊晶堆疊結構
11A:第一主動層
13:第一層間層
15:光柵層
151: 高折射率介質層
153: 低折射率介質層
TD:穿隧接面層
17:第二層間層
19:第二磊晶堆疊結構
19A:第二主動層
Claims (11)
- 一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，包含： 一基板； 一第一磊晶堆疊結構，係形成於該基板之上，包含一第一主動層，該第一主動層包含一或複數第一量子井層，該第一主動層會產生一第一光場分布； 一光柵層，係形成於該第一磊晶堆疊結構之上； 一第二磊晶堆疊結構，係形成於該光柵層之上，包含一第二主動層，該第二主動層包含一或複數第二量子井層，該第二主動層會產生一第二光場分布；以及 一穿隧接面層，係設置於該第一主動層與該第二主動層之間，以電性連接該第一主動層與該第二主動層； 其中，該光柵層位於該第一主動層與該第二主動層之間，且該光柵層處於該第一光場分布與該第二光場分布之範圍中，該第一光場分布與該第二光場分布是光耦合於該光柵層。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該穿隧接面層係設置於該光柵層之上或之下。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該光柵層係包含複數高折射率介質層與複數低折射率介質層，且該等高折射率介質層係插設有該穿隧接面層。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該光柵層係包含複數高折射率介質層與複數低折射率介質層，該等低折射率介質層是空位(void)、介電材料或半導體材料。
- 如請求項3所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該光柵層為一維週期性結構或二維周期性結構。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該光柵層係為一光子晶體層，該光子晶體層具有包括沿著一第一水平方向及一第二水平方向分佈排列的多數個微光子晶體結構，該第二水平方向與該第一水平方向垂直。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該光柵層是第一階光柵或第二階光柵。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，該半導體雷射二極體是面射型雷射二極體、水平腔表面發射雷射二極體或邊射型雷射二極體。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，更包含一DBR層，當該半導體雷射二極體是正面出光型的半導體雷射二極體，該DBR層是形成於該光柵層與該第一主動層之下。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，更包含一DBR層，當該半導體雷射二極體是背面出光型的半導體雷射二極體，該DBR層是形成於該光柵層與該第二主動層之上。
- 如請求項1所述之一種包含多主動層與光柵層的半導體雷射二極體，其中，當該光柵層是一維狀周期性排列，且該半導體雷射二極體為脊狀結構之半導體雷射二極體 ，該半導體雷射二極體之相對兩側面分別設置一DBR層。
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202414936A TW202414936A (zh) | 2024-04-01 |
| TWI838888B true TWI838888B (zh) | 2024-04-11 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220221715A1 (en) | 2019-05-16 | 2022-07-14 | National Research Council Canada | Synthesized aperiodic gratings and method of manufacture |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220221715A1 (en) | 2019-05-16 | 2022-07-14 | National Research Council Canada | Synthesized aperiodic gratings and method of manufacture |
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