TWM611530U - 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件 - Google Patents

覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件 Download PDF

Info

Publication number
TWM611530U
TWM611530U TW109205104U TW109205104U TWM611530U TW M611530 U TWM611530 U TW M611530U TW 109205104 U TW109205104 U TW 109205104U TW 109205104 U TW109205104 U TW 109205104U TW M611530 U TWM611530 U TW M611530U
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
photonic crystal
gallium
indium
electrode metal
Prior art date
Application number
TW109205104U
Other languages
English (en)
Inventor
陳俞諶
周柏存
林建宏
翁志源
Original Assignee
富昱晶雷射科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富昱晶雷射科技股份有限公司 filed Critical 富昱晶雷射科技股份有限公司
Priority to TW109205104U priority Critical patent/TWM611530U/zh
Priority to CN202011496231.8A priority patent/CN113572018A/zh
Priority to US17/145,691 priority patent/US11509115B2/en
Priority to US17/241,584 priority patent/US20210344165A1/en
Publication of TWM611530U publication Critical patent/TWM611530U/zh
Priority to US18/335,149 priority patent/US20230361531A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H01S5/04257—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration having positive and negative electrodes on the same side of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02461—Structure or details of the laser chip to manipulate the heat flow, e.g. passive layers in the chip with a low heat conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02476—Heat spreaders, i.e. improving heat flow between laser chip and heat dissipating elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04252—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material
    • H01S5/04253—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material having specific optical properties, e.g. transparent electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2206—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on III-V materials
    • H01S5/2209—GaInP based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
    • H01S5/0234—Up-side down mountings, e.g. Flip-chip, epi-side down mountings or junction down mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04252—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/185—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2027—Reflecting region or layer, parallel to the active layer, e.g. to modify propagation of the mode in the laser or to influence transverse modes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

一種覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其磊晶結構設有一高台，高台設有複數空氣孔洞，形成一光子晶體結構，又磊晶結構設有一凹台，凹台之面向與光子晶體結構之面向呈同一面向；一第一電極金屬，係位在絕緣層上，並覆蓋光子晶體結構上；一第二電極金屬，係位在凹台上，並凸出於凹槽外，使第一電極金屬之面向與第二電極金屬之面向呈同一面向，再以第一電極金屬可接合至第一接合金屬與第二電極金屬可接合至第二接合金屬，使光子晶體結構呈覆晶。

Description

覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件
本創作係有關一種覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其第一電極金屬與第二電極金屬呈同一面向，第一電極金屬可接合第一接合金屬與第二電極金屬可接合第二接合金屬，使該光子晶體結構呈覆晶。
按，美國專利US10340659B1，揭露一種電激發光子晶體面射型雷射元件，其包含：一基板，其具備一第一表面及相反側之第二表面；一第一披覆層，係位在該基板之第一表面上；一主動層，係位在該第一披覆層上，並具有一量子結構；一第二披覆層，係位在該主動層上；一接觸層，係位在該第二披覆層上，並以該第二披覆層及該接觸層呈高台型且設有複數空氣孔洞，形成一光子晶體結構，且該光子晶體結構之上表面係設定一第一預定區域；一電流侷限結構，係位在該光子晶體結構及該主動層上，並具有一孔徑，且該孔徑係對應該光子晶體結構之第一預定區域，使電流流向侷限在該光子晶體結構之第一預定區域；一透明導電層，係位在該電流侷限結構上，並覆蓋該光子晶體結構之第一預定區域上，且該透明導電層之上表面係設定一第二預定區域，該第二預定區域之位置與該光子晶體結構之第一預定區域之位置呈現上下對應關係；一第一電極金屬，係位在該透明導電層上，並具有一金屬孔，且該金屬孔係對應該透明導電層之第二預定區域，使該金屬孔不遮蔽該光子晶體結構之第一預定區域；以及一第二電極金屬，係位在該基板之第二表面上；藉此，該第一電極金屬、該透明導電層、該電流侷限結構及該第二電極金屬相互配合，進而電激發該量子結構，再藉由該光子晶體結構可面射出雷射於該光子晶體結構之第一預定區域、該電流侷限結構之孔徑、該透明導電層之第二預定區域至該第一電極金屬之金屬孔外。
惟查，該第一電極金屬與該第二電極金屬需進行打線接合(wire bonding)，而打線接合為傳統常用的封裝技術，但會伴隨著很強的寄生電感效應，亦造成在信號傳輸過程中，產生嚴重的信號失真，且該透明導電層之材料為氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)所構成，會有吸收、折射及散射等光學效應，而降低雷射出光效率。此外，傳統雷射結構散熱性較差，在高電流操作下性能較容易衰退。
本創作之主要目的，提供一種覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其第一電極金屬與第二電極金屬呈同一面向，以第一電極金屬可接合第一接合金屬與第二電極金屬可接合第二接合金屬，能省略打線接合，使信號直接饋入傳輸，避免信號失真，進而增進其性能表現之功效增進。
本創作之又一目的，提供一種覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其第一電極金屬與第二電極金屬呈同一面向，以第一電極金屬可接合第一接合金屬與第二電極金屬可接合第二接合金屬，亦能省略透明導電層，避免吸收、折射及散射等光學效應，進而提升雷射出光效率之功效增進。
本創作之再又一目的，提供一種覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其第一電極金屬與第二電極金屬呈同一面向，以第一電極金屬可接合第一接合金屬與第二電極金屬可接合第二接合金屬，取代傳統雷射結構，進而提升散熱效率之功效增進。
為達上述目的，本創作所採用之技術手段，其包含:一第一基板，其具備一第一表面及相反側之第二表面；一第一披覆層，係位在該第一基板之第一表面上；一第一分開侷限異質層，係位在該第一披覆層上；一主動層，係位在該第一分開侷限異質層上，並具有一量子結構；一第二分開侷限異質層，係位在該主動層上；一第二披覆層，係位在該第二分開侷限異質層上；一接觸層，係位在該第二披覆層上，使該第一基板、該第一披覆層、該第一分開侷限異質層、該主動層、該第二分開侷限異質層、該第二披覆層、該接觸層形成一磊晶結構，該磊晶結構設有一高台，該高台設有複數空氣孔洞，形成一光子晶體結構，又該磊晶結構設有一凹台，該凹台之面向與該光子晶體結構之面向呈同一面向；一絕緣層，係位在該光子晶體結構與該凹台上，並具有一孔徑及一凹槽，且該孔徑對應該光子晶體結構與該凹槽對應該凹台；一第一電極金屬，係位在該絕緣層上，並覆蓋該光子晶體結構上；一第二電極金屬，係位在該凹台上，並凸出於該凹槽外，使該第一電極金屬之面向與該第二電極金屬之面向呈同一面向；以及一第二基板，其具備一第三表面及相反側之第四表面，並在該第二基板之第三表面上設有一第一接合金屬與一第二接合金屬，且先將該第一基板覆於該第二基板之上方後，再以該第一電極金屬可接合至該第一接合金屬與該第二電極金屬可接合至該第二接合金屬，使該光子晶體結構呈覆晶；藉此，該第一電極金屬、該第二電極金屬、該第一接合金屬及該第二接合金屬相互配合，進而電激發該量子結構，令該量子結構之雷射至該第一電極金屬進行反射後，而可面射出雷射於該光子晶體結構至該第一基板之第二表面外。
依據前揭特徵，該第二披覆層之厚度範圍為10~3000nm。
依據前揭特徵，該空氣孔洞可排列成二維陣列。
依據前揭特徵，該量子結構可包括至少一量子井層、或一量子點層或一量子線層。
依據前揭特徵，該量子井層、該量子點層及該量子線層之材料可包括選自砷化鎵、磷化鎵、氮化鎵、砷化銦、磷化銦、氮化銦、砷化銦鎵、磷化銦鎵、氮化銦鎵、砷化鋁鎵、砷化鋁鎵銦、磷化鋁鎵銦、氮化鋁鎵銦、砷磷化鎵銦、銻化銦、銻化鎵、銻化鋁、砷銻化鎵、砷銻化銦、砷銻化鋁、銻化銦鎵、銻化鋁鎵、砷銻化銦鎵、砷銻化鋁鎵其中任一所構成。
依據前揭特徵，該第一基板之材料可包括選自氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、銻化鎵其中任一所構成。
藉助上揭技術手段，其該第一電極金屬與該第二電極金屬呈同一面向，以該第一電極金屬可接合該第一接合金屬與該第二電極金屬可接合該第二接合金屬，則不需採用透明導電層，免除吸收、折射及散射之光學缺點，亦可以大幅提升散熱效果，同時排除因打線接合步驟產生的寄生電感，為本創作之突破。
首先，請參閱圖1A~圖1M所示，本創作之一種覆晶式之電激發光子晶體面射型雷射(Electrically Pumped Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers)元件10較佳實施例，包含:一第一基板(substrate)11A，其具備一第一表面111及相反側之第二表面112，在本實施例中，該第一基板11A之材料可包括選自氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化鎵(GaSb)其中任一所構成，但不限定於此。
一第一披覆層(cladding layer)12，係位在該第一基板11A之第一表面111上，在本實施例中，該第一披覆層12之材料可包括選自砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁鎵(AlGaN)、砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、銻化鋁鎵(AlGaSb)、砷銻化鎵(GaAsSb)、砷銻化鋁鎵(AlGaAsSb)其中任一所構成，但不限定於此。
一第一分開侷限異質層(Separate Confinement Heterostructure,SCH)13，係位在該第一披覆層12上，在本實施例中，該第一分開侷限異質層13之材料可包括選自砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁鎵(AlGaN)、砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、 銻化鋁鎵(AlGaSb)、砷銻化鎵(GaAsSb)、砷銻化鋁鎵(AlGaAsSb)其中任一所構成；該第一分開侷限異質層13之厚度為130nm，但不限定於此。
一主動層(active layer)14，係位在該第一分開侷限異質層13上，並具有一量子結構141(Quantum Structure)，在本實施例中，該量子結構141可包括至少一量子井層、或一量子點層或一量子線層；該量子井層、該量子點層及該量子線層之材料可包括選自砷化鎵、磷化鎵、氮化鎵、砷化銦、磷化銦、氮化銦、砷化銦鎵、磷化銦鎵、氮化銦鎵、砷化鋁鎵、砷化鋁鎵銦、磷化鋁鎵銦、氮化鋁鎵銦、砷磷化鎵銦、銻化銦、銻化鎵、銻化鋁、砷銻化鎵、砷銻化銦、砷銻化鋁、銻化銦鎵、銻化鋁鎵、砷銻化銦鎵、砷銻化鋁鎵其中任一所構成，但不限定於此。
一第二分開侷限異質層(Separate Confinement Heterostructure,SCH)15，係位在該主動層14上，在本實施例中，該第二分開侷限異質層15之材料可包括選自砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁鎵(AlGaN)、砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、銻化鋁鎵(AlGaSb)、砷銻化鎵(GaAsSb)、砷銻化鋁鎵(AlGaAsSb)其中任一所構成；該第二分開侷限異質層15之厚度為105nm，但不限定於此。因此，該第一分開侷限異質層13與該第二分開侷限異質層15之功用可以分別達成載子與光場的侷限。
一第二披覆層(cladding layer)16，係位在該第二分開侷限異質層15上，在本實施例中，該第二披覆層16之厚度範圍為10~3000nm，且該第二披覆層16之材料可包括選自砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁鎵(AlGaN)、砷化鋁鎵銦(AlGaInAs)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、銻化鋁鎵(AlGaSb)、砷銻化鎵(GaAsSb)、砷銻化鋁鎵(AlGaAsSb)其中任一所構成，但不限定於此。
一接觸層(Contact layer)17，係位在該第二披覆層16上，在本實施例中，該接觸層17之材料可包括選自氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化銦鎵(InGaAsP)、銻化鎵(GaSb)其中任一所構成，但不限定於此。
圖1A所示，其該第一基板11A、該第一披覆層12、該第一分開侷限異質層13、該主動層14、該第二分開侷限異質層15、該第二披覆層16及該接觸層17形成一磊晶結構(W)，並不限定磊晶成長之層數。
圖1B所示，其製作一硬式罩幕(Hard mask)(M)，在該磊晶結構(W)上沉積氮化矽(Silicon Nitride,SiNx)，但不限定於此。
圖1C所示，其定義一光子晶體圖形(F)，在該磊晶結構(W)上旋塗一正光阻(R)，之後將該光子晶體圖形(F)定義於該正光阻(R)上，其光子晶體區域為290μm的正方形，但不限定於此。
圖1D所示，其轉移該光子晶體圖形(F)，先將該光子晶體圖形(F)轉移進該硬式罩幕(M)中，並移除該正光阻(R)後，再將該光子晶體圖形(F)轉移進該磊晶結構(W)中，由於該量子結構141將波導模態的大部分光場侷限於該主動層14的區域，故蝕刻深度需要更深才能獲得更強的耦合強度，當蝕刻深度大於500nm時，則光子晶體才會有較好的耦合效率，但不限定於此。
圖1E所示，其去除該硬式罩幕(M)，且在該第二披覆層16及該接觸層17設有複數空氣孔洞(air hole)(h)，形成一光子晶體結構(S)，在本實施例中，該光子晶體結構(S)之週期(a)為385nm、388nm、390nm、393nm、395nm其中任一所構成，但不限定於此。此外，各該空氣孔洞(h)形狀為圓柱形、各該空氣孔洞(h)之深度為520nm~540nm及其直徑為130nm ~140nm、各該空氣孔洞(h)可排列成二維陣列，但不限定於此。
圖1F所示，其利用黃光製程定義出310μm的正方形高台，並蝕刻深度約為450nm，令該磊晶結構(W)蝕刻出一高台(mesa) (H 1)，而蝕刻出該高台(H 1)的目的為幫助光侷限在光子晶體中與減少漏電流，在本實施例中，該第二披覆層16及該接觸層17呈該高台(H 1)，但不限定於此。
圖1G所示，其在該磊晶結構(W)蝕刻出一凹台(H 2)，該凹台(H 2)之面向與該光子晶體結構(S)之面向呈同一面向，在本實施例中，該凹台(H 2)蝕刻至該第一基板11A，但不限定於此。
圖1H所示，其製作一絕緣層(I)，乃因具有無限週期的光子晶體理論上不會有邊界(Boundary)效應，然而實際應用上的光子晶體是有限週期的，所以在晶體的邊界會有能量損耗，但若光子晶體的面積比元件具有增益的面積大，則能減緩邊界效應所造成的損耗，且光子晶體面積為增益面積的二到三倍是可以成功產生雷射現象，故利用黃光製程在該光子晶體結構(S)的正中間定義出圓形的孔徑(Aperture)圖案與在該凹台(H 2)之預定處定義凹槽圖案，再沉積氮化矽120nm，並利用舉離(Lift off)將多餘的氮化矽去除，令該絕緣層(I)位在該光子晶體結構(S)與該凹台(H 2)上，並具有一孔徑(I 1)及一凹槽(I 2)，且該孔徑(I 1)對應該光子晶體結構(S)與該凹槽(I 2)對應該凹台(H 2)，因此，電流流向侷限在該光子晶體結構(S)，讓雷射模態存在於類似無限大的光子晶體中，在本實施例中，該絕緣層(I)之材料係可包括選自氮化矽(SiNx)、氧化矽(SiOx)、聚醯亞胺(polyimide)其中任一所構成，但不限定於此。
圖1I所示，其一第一電極金屬18沉積，並沉積鈦(Ti)、金(Au)兩種金屬，令該第一電極金屬18位在該絕緣層(I)上，並覆蓋該光子晶體結構(S)上，但不限定於此。
圖1J所示，其一第二電極金屬19沉積，並沉積鎳(Ni)、鍺(Ge)、金(Au)三種金屬，令該第二電極金屬19位在該凹台(H 1)上，並凸出於該凹槽(I 2)，使該第一電極金屬18之面向與該第二電極金屬19之面向呈同一面向，但不限定於此。
圖1K、圖1L及圖1M所示，其一第二基板11B，其具備一第三表面113及相反側之第四表面114，並在該第二基板11B之第三表面113上設有一第一接合金屬1131與一第二接合金屬1132，且先將該第一基板11A覆於該第二基板11B之上方後，再以該第一電極金屬18可接合至該第一接合金屬1131與該第二電極金屬19可接合至該第二接合金屬1132，讓該光子晶體結構(S)呈覆晶(Flip-Chip)。最後，快速熱退火(Rapid thermal annealing,RTA)，即完成該覆晶式之電激發光子晶體面射型雷射元件10。
此外，該主動層14上方的結構為P型半導體，摻雜物(dopant)為鈹(Be)原子，而該主動層14下方的結構為N型半導體，摻雜物為矽(Si)原子或碲(Te)原子，兩種摻雜物的濃度為10 18cm -3，重摻雜的區域為10 19cm -3。上述所揭露該第一基板11A、該第一披覆層12、該第一分開侷限異質層13、該第二分開侷限異質層15、該第二披覆層16、該接觸層17及該第二基板11B之材料範圍，亦使波長範圍能包含藍光至紅外光。
進一步，提出電子顯微鏡圖，如圖2A所示，其呈現該第一基板11A、該高台(H 1)、該凹台(H 2)及該第一電極金屬18，亦利用溼式蝕刻或乾式蝕刻形成該高台(H 1)，而以溼式蝕刻，則該凹台(H 2)是圓弧的，或以乾式蝕刻，則該凹台(H 2)是垂直的。如圖2B所示，其呈現該第一基板11A、該凹台(H 2)及該第二電極金屬19，而該第二電極金屬19可墊高厚度。如圖2C所示，其呈現該第一基板11A、該高台(H 1)、該凹台(H 2)、該第一電極金屬18及該第二電極金屬19。
承上，其利用該量子結構141作為增益介質，成功製作出室溫操作的電激發光子晶體能帶邊緣型雷射，配合該光子晶體結構(S)之週期(a)為385nm、388nm、390nm、393nm或395nm，使雷射發光波長在1.3μm附近，該雷射波長會隨著該光子晶體結構(S)之週期變大而變長，並不侷限於該光子晶體結構(S)之週期(a)為385nm、388nm、390nm、393nm或395nm，故雷射發光波長不限於1.3μm，而在製程上無需晶圓熔合或磊晶再成長的複雜技術，選擇直接從該磊晶結構(W)最上方往內部蝕刻來製作該光子晶體結構(S)，且光子晶體能帶邊緣型雷射具有面射出光、遠場發散角小等優異特性，故光纖的耦合效率優於邊射型雷射(Edge-emitting laser)，操作於此波段的雷射在光纖通訊領域有很高的應用潛力，但不限定於此。
基於如此之構成，如圖3所示，該第一電極金屬18、該第二電極金屬19、該第一接合金屬1131及該第二接合金屬1132相互配合，亦能降低阻抗，進而電激發該量子結構141，令該量子結構141之雷射(L)至該第一電極金屬18進行反射後，而可面射出雷射(L)於該光子晶體結構(S)、該第二分開侷限異質層15、該主動層14、該第一分開侷限異質層13、該第一披覆層12至該第一基板11A之第二表面112外，使光能從該磊晶結構(W)的反面出光，所以非常適合於面射型雷射。
綜上所述，本創作所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等新型專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵創新，無任德感。
惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本創作之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。
10:覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件 11A:第一基板 111:第一表面 112:第二表面 11B:第二基板 113:第三表面 1131:第一接合金屬 1132:第二接合金屬 114:第四表面 12:第一披覆層 13:第一分開侷限異質層 14:主動層 141:量子結構 15:第二分開侷限異質層 16:第二披覆層 17:接觸層 18:第一電極金屬 19:第二電極金屬 I:絕緣層 I 1:孔徑 I 2:凹槽 F:光子晶體圖形 H 1:高台 H 2:凹台 L:雷射 M:硬式罩幕 R:正光阻 S:光子晶體結構 W:磊晶結構 a:週期 h:空氣孔洞
圖1A係本創作磊晶結構之示意圖。 圖1B係本創作製作硬式罩幕之示意圖。 圖1C係本創作定義光子晶體圖形之示意圖。 圖1D係本創作轉移光子晶體圖形之示意圖。 圖1E係本創作去除硬式罩幕之示意圖。 圖1F係本創作蝕刻出高台之示意圖。 圖1G係本創作蝕刻出凹台之示意圖。 圖1H係本創作製作絕緣層之示意圖。 圖1I係本創作第一電極金屬沉積之示意圖。 圖1J係本創作第二電極金屬沉積之示意圖。 圖1K係本創作光子晶體結構進行覆晶之示意圖。 圖1L係本創作第一電極金屬可接合至第一接合金屬與第二電極金屬可接合至第二接合金屬之示意圖。 圖1M係本創作光子晶體結構進行覆晶完成之示意圖。 圖2A係本創作第一基板、高台、凹台及第一電極金屬之電子顯微鏡圖。 圖2B係本創作第一基板、凹台及第二電極金屬之電子顯微鏡圖。 圖2C係本創作第一基板、高台、凹台、第一電極金屬及第二電極金屬之電子顯微鏡圖。 圖3係本創作之使用狀態圖。
10:覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件
11A:第一基板
111:第一表面
112:第二表面
11B:第二基板
113:第三表面
1131:第一接合金屬
1132:第二接合金屬
114:第四表面
12:第一披覆層
13:第一分開侷限異質層
14:主動層
141:量子結構
15:第二分開侷限異質層
16:第二披覆層
17:接觸層
18:第一電極金屬
19:第二電極金屬
I:絕緣層
I1:孔徑
I2:凹槽
H1:高台
H2:凹台
S:光子晶體結構
W:磊晶結構
a:週期
h:空氣孔洞

Claims (6)

  1. 一種覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其包含： 一第一基板，其具備一第一表面及相反側之第二表面； 一第一披覆層，係位在該第一基板之第一表面上； 一第一分開侷限異質層，係位在該第一披覆層上； 一主動層，係位在該第一分開侷限異質層上，並具有一量子結構； 一第二分開侷限異質層，係位在該主動層上； 一第二披覆層，係位在該第二分開侷限異質層上； 一接觸層，係位在該第二披覆層上，使該第一基板、該第一披覆層、該第一分開侷限異質層、該主動層、該第二分開侷限異質層、該第二披覆層、該接觸層形成一磊晶結構，該磊晶結構設有一高台，該高台設有複數空氣孔洞，形成一光子晶體結構，又該磊晶結構設有一凹台，該凹台之面向與該光子晶體結構之面向呈同一面向； 一絕緣層，係位在該光子晶體結構與該凹台上，並具有一孔徑及一凹槽，且該孔徑對應該光子晶體結構與該凹槽對應該凹台； 一第一電極金屬，係位在該絕緣層上，並覆蓋該光子晶體結構上； 一第二電極金屬，係位在該凹台上，並凸出於該凹槽外，使該第一電極金屬之面向與該第二電極金屬之面向呈同一面向；以及 一第二基板，其具備一第三表面及相反側之第四表面，並在該第二基板之第三表面上設有一第一接合金屬與一第二接合金屬，且先將該第一基板覆於該第二基板之上方後，再以該第一電極金屬可接合至該第一接合金屬與該第二電極金屬可接合至該第二接合金屬，使該光子晶體結構呈覆晶；藉此，該第一電極金屬、該第二電極金屬、該第一接合金屬及該第二接合金屬相互配合，進而電激發該量子結構，令該量子結構之雷射至該第一電極金屬進行反射後，而可面射出雷射於該光子晶體結構至該第一基板之第二表面外。
  2. 如請求項1所述之覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其中，該第二披覆層之厚度範圍為10~3000nm。
  3. 如請求項1所述之覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其中，該空氣孔洞可排列成二維陣列。
  4. 如請求項1所述之覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其中，該量子結構可包括至少一量子井層、或一量子點層、或一量子線層。
  5. 如請求項4所述之覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其中，該量子井層、該量子點層及該量子線層之材料可包括選自砷化鎵、磷化鎵、氮化鎵、砷化銦、磷化銦、氮化銦、砷化銦鎵、磷化銦鎵、氮化銦鎵、砷化鋁鎵、砷化鋁鎵銦、磷化鋁鎵銦、氮化鋁鎵銦、砷磷化鎵銦、銻化銦、銻化鎵、銻化鋁、砷銻化鎵、砷銻化銦、砷銻化鋁、銻化銦鎵、銻化鋁鎵、砷銻化銦鎵、砷銻化鋁鎵其中任一所構成。
  6. 如請求項1所述之覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件，其中，該第一基板之材料可包括選自氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、銻化鎵其中任一所構成。
TW109205104U 2020-04-29 2020-04-29 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件 TWM611530U (zh)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109205104U TWM611530U (zh) 2020-04-29 2020-04-29 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件
CN202011496231.8A CN113572018A (zh) 2020-04-29 2020-12-17 覆晶型的电激发光子晶体面射型激光元件
US17/145,691 US11509115B2 (en) 2020-04-29 2021-01-11 Electrically pumped photonic-crystal surface-emitting laser
US17/241,584 US20210344165A1 (en) 2020-04-29 2021-04-27 Laser device and method of manufacturing the same
US18/335,149 US20230361531A1 (en) 2020-04-29 2023-06-15 Laser device and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW109205104U TWM611530U (zh) 2020-04-29 2020-04-29 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TWM611530U true TWM611530U (zh) 2021-05-11

Family

ID=77037663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109205104U TWM611530U (zh) 2020-04-29 2020-04-29 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11509115B2 (zh)
CN (1) CN113572018A (zh)
TW (1) TWM611530U (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023113507A (ja) * 2022-02-03 2023-08-16 国立大学法人京都大学 フォトニック結晶面発光レーザ素子

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1086250C (zh) * 1997-11-27 2002-06-12 陈兴 多颜色发光二极管
CN100483754C (zh) * 2004-11-11 2009-04-29 晶元光电股份有限公司 覆晶式的发光二极管及其制作方法
JP2007234824A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Canon Inc 垂直共振器型面発光レーザ
EP2131457A1 (en) * 2007-03-23 2009-12-09 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Photonic crystal laser and method for manufacturing photonic crystal laser
JP6197799B2 (ja) * 2015-01-09 2017-09-20 信越半導体株式会社 発光素子及び発光素子の製造方法
CN110535033B (zh) * 2018-05-24 2021-05-25 智林企业股份有限公司 电激发光子晶体面射型雷射元件

Also Published As

Publication number Publication date
US11509115B2 (en) 2022-11-22
CN113572018A (zh) 2021-10-29
US20210344169A1 (en) 2021-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5177130B2 (ja) フォトニック結晶レーザおよびフォトニック結晶レーザの製造方法
US7813402B2 (en) Surface emitting laser and method of manufacturing the same
US10340659B1 (en) Electronically pumped surface-emitting photonic crystal laser
CN104051957A (zh) 一种1550nm长波长垂直腔面发射激光器的制备方法及其应用
WO2021124968A1 (ja) 垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法
CN110535033B (zh) 电激发光子晶体面射型雷射元件
EP3633807B1 (en) Light-emitting element and light-emitting element manufacturing method
US20080137692A1 (en) Long wavelength vertical cavity surface emitting laser device and method of fabricating the same
US11973315B2 (en) VCSEL with integrated electrodes
WO2020151290A1 (zh) 片上集成半导体激光器结构及其制备方法
KR100950263B1 (ko) 마이크로렌즈를 포함한 단일모드 수직 공진식표면발광레이저 및 그 제조방법
WO2022095455A1 (en) Laser device and method of manufacturing the same
TWM611530U (zh) 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件
TWM569067U (zh) Electrically excited photonic crystal surface-emitting laser element
TWM603189U (zh) 倒晶式之電激發光子晶體面射型雷射元件
JP4207878B2 (ja) 面発光レーザ、面発光レーザの製造方法、デバイス及び電子機器
JP4940960B2 (ja) 面発光レーザ
CN112103767B (zh) 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
WO2021124967A1 (ja) 垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子アレイ、垂直共振器型面発光レーザモジュール及び垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法
CN112117637B (zh) 倒晶式的电激发光子晶体面射型激光元件
US11139636B2 (en) Electrically pumped photonic-crystal surface-emitting lasers with optical detector
WO2022130806A1 (ja) フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法
KR20040098798A (ko) 양자점 구조를 활성층으로 이용하는 고휘도 발광소자 및그 제조 방법
US20210344165A1 (en) Laser device and method of manufacturing the same
CN115133401A (zh) 倒装vcsel芯片结构及其制作方法