TWM617986U

TWM617986U - 垂直共振腔面射雷射元件

Info

Publication number: TWM617986U
Application number: TW110209082U
Authority: TW
Inventors: 林志遠; 歐政宜; 紀政孝
Original assignee: 兆勁科技股份有限公司
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-10-01

Abstract

本新型提供一種垂直共振腔面射雷射（VCSEL）元件，其依序堆疊有：一基底、一穿隧接面層、一第一鏡層、一主動層、一氧化層及一第二鏡層，該第一鏡層是一p型DBR層，該第二鏡層是一n型DBR層，利用該穿隧接面層使得VCSEL元件可以將氧化層上方的P-DBR轉置成N-DBR，使得主動層溫度降低，而且光場趨近在該主動層的量子井結構的中間位置耦合發光，使得發光總能量能夠隨著電流的提高而有效地增加。

Description

垂直共振腔面射雷射元件

本新型係有關於一種垂直共振腔面射雷射（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）元件，特別是指適合高電流操作的垂直共振腔面射雷射元件。

半導體發光元件可分為發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）元件及雷射二極體（Laser Diode, LD）元件。LED元件屬於發散光源但其發光能量較弱且光束角度偏大，因此功能性較不足僅能提供普通照明或應用於2D感測系統。至於LD元件所產生的則是雷射光，其光束角度與形狀相對較LED集中，而且具備較低功耗、高效率與高速等優勢，因此適合應用於3D感測及光通訊領域。而從結構層面來看，LD元件結構也比LED元件更為複雜，同時材料特性要求高且設計也較困難，更須具備高難度磊晶技術才能夠順利量產。因此，LD元件與LED元件雖然都是發光元件，但是在用途、功效、結構及技術領域實屬不相同。

垂直共振腔面射雷射（VCSEL）元件顧名思義其雷射係由晶粒表面垂直發射出來，是LD元件的其中之一。請參閱第1圖，VCSEL元件例如以砷化鎵（Gallium Arsenide, GaAs）為基材構成一基底1，另設有一第一電極C與該基底1接觸，於該基底1上方設置有一第一鏡層2，於該第一鏡層2上方設置有一主動層（Active Layer）3，於該主動層3上方設置有一氧化層4，於該氧化層4上方設置有一第二鏡層5，於該第二鏡層5上方設置有一第二電極6。該第一電極C及該第二電極6分別為n型歐姆電極及p型歐姆電極。以水氣氧化法（Wet Oxidation）所製作的VCSEL元件為例，該基底1是一n型砷化鎵（N-GaAs）基底，該第一鏡層2是一n型分佈式布拉格反射鏡層（簡稱N-DBR），例如以矽（Si）摻雜的砷化鋁鎵（AlGaAs）。該主動層3則是例如以砷化銦鎵（InGaAs）的井層及AlGaAs的能障層彼此重複堆疊所構成。該氧化層4的中央設有氧化孔。該第二鏡層5是一p型分佈式布拉格反射鏡層（簡稱P-DBR），例如以碳（C）摻雜的AlGaAs。VCSEL元件便是利用分別位於該主動層3的上方及下方之該第二鏡層5及該第一鏡層2作為反射鏡面，進而通過氧化孔產生共振腔（Resonant Cavity）而發出雷射光。

理想上，是期待電子/電洞是在主動層的量子井結構的中間位置耦合而發光，以儘量達到主動層的上半部及下半部皆可以被有效的運用。然而，實際上傳統VCSEL元件基於載子在n型半導體的移動速率大於載子在p型半導體的移動速率的因素，因此電子／電洞是在主動層的上半部耦合而發光，使得光場L’大部分偏在主動層的上半部（如第1圖），主動層的下半部並無法被有效的運用，主動層的量子井結構只有一部分被運用到，形成了理想值誤差。而當為了提高VCSEL元件發光總能量（total power）時，通常是以提高電流（例如大於或等於4mA）的方式從第二電極6輸入，然而這反而使得前述理想值誤差更為拉大，導致VCSEL元件的發光總能量並無法如預期般隨著提高電流而達到預期值。另外，由於P-DBR的電阻比N-DBR的電阻大得多，載子在P-DBR的擴散受到限制而使得載子密度較大，所以當導入高電流時，載子密度較大也造成VCSEL元件運作時該主動層3的溫度會較高，例如高達485℃（於高電流為10mA），然而較高的主動層溫度卻會使得VCSEL元件的發光總能量無法隨著電流的提高而有效地增加。

有鑑於上述問題，本新型之目的旨在提供一種適合高電流操作的垂直共振腔面射雷射（VCSEL）元件。本新型是基於電子的有效質量比電洞的有效質量小得多，以及N-DBR的電阻不受位於氧化層中央之氧化孔的影響，因此本新型將氧化層上方的P-DBR轉置成N-DBR後，即可降低主動層溫度，而且光場趨近在主動層的量子井結構的中間位置耦合發光，使得發光總能量能夠隨著電流的提高而有效地增加。

本新型之一種垂直共振腔面射雷射（VCSEL）元件，至少包含：一基底；一穿隧接面層，該穿隧接面層設置於該基底的上方；一第一鏡層，該第一鏡層設置於該穿隧接面層的上方；一主動層，該主動層設置於該第一鏡層的上方；一氧化層，該氧化層設置於該主動層的上方；及一第二鏡層，該第二鏡層設置於該氧化層的上方。

在另一實施例中，該第一鏡層是一p型分佈式布拉格反射鏡層，該第二鏡層是一n型分佈式布拉格反射鏡層。

在另一實施例中，該穿隧接面層包含一重摻雜n型層及一重摻雜p型層，該重摻雜p型層係毗鄰該第一鏡層，且該重摻雜n型層係毗鄰該基底。

在另一實施例中，該穿隧接面層的面積係與該第一鏡層及／或該基底相同。

為使本領域具有通常知識者能清楚了解本新型之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

首先，請參閱第2圖，本新型的一種垂直共振腔面射雷射（VCSEL）元件100係至少包含：一第一電極10；一基底11，該基底11與該第一電極10接觸，該基底11可以設置於該第一電極10的上方或下方；一穿隧接面（tunnel junction）層TJ，該穿隧接面層TJ設置於該基底11的上方，該穿隧接面層TJ可以與該基底11的上表面接觸；一第一鏡層12，該第一鏡層12設置於該穿隧接面層TJ的上方，該第一鏡層12可以是一p型分佈式布拉格反射鏡層（P-DBR），該第一鏡層12可以與該穿隧接面層TJ的上表面接觸；一主動層（Active Region）13，該主動層13設置於該第一鏡層12的上方，該主動層13可以與該第一鏡層12的上表面接觸；一氧化層（Oxide Layer）14，該氧化層14設置於該主動層13的上方；一第二鏡層15，該第二鏡層15設置於該氧化層14的上方，該第二鏡層15可以是一n型分佈式布拉格反射鏡層（N-DBR）；一第二電極16，該第二電極16設置於該第二鏡層15的上方，該第二電極16可以與該第二鏡層15接觸。換言之，該VCSEL元件100由下而上依序包括有：該基底11、該穿隧接面層TJ、該第一鏡層12、該主動層13、該氧化層14及該第二鏡層15。

該第一電極10及該第二電極16可以分別是金、銀、銅、鐵、鈷、鎳、鈦或其類似物、合金，其中合金例如可以是鋅金或鍺金，該第一電極10及該第二電極16可以是相同的材料或不同的材料製成。基本上，該第一電極10及該第二電極16同時為n型（歐姆）電極或p型（歐姆）電極，例如為n型或p型砷化鎵（GaAs）；例如該第一電極10是n型電極，而該第二電極16也是n型電極。該第二電極16為環圈形狀，其中央區域為一出光孔161，該VCSEL元件100可以透過該出光孔161發射一雷射光。

該基底11，其可為常用之單晶半導體材料，例如可以是砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、砷化鋁鎵（AlGaAs）或磷化鎵（GaP）基板。較佳地，該基底11為GaAs基板。該基底11也包含相同材料之一緩衝層（圖未繪出），該緩衝層為n型半導體層且可以為該基底11的一部分，該緩衝層確保該基底11之結晶表面平滑以供後續該第一鏡層12於該緩衝層之上表面的磊晶成長製程。換言之，該第一鏡層12於該基底11之上表面上成長。

該第一鏡層12及該第二鏡層15分別包含其中各相鄰層具有不同折射係數之交替堆疊之半導體材料所構成的多層結構；該第一鏡層12與該第二鏡層15分別為包含有不同鋁莫耳百分比之AlGaAs的多層結構，以改變折射係數。該第一鏡層12（P-DBR）係為p型半導體層，例如為摻雜碳（C）及/或鋅（Zn）的AlGaAs層。該第二鏡層15（N-DBR）係為n型半導體層，例如為摻雜矽（Si）及/或碲（Te）的AlGaAs層。該第一鏡層12及該第二鏡層15的反射率分別大於99.9%，該第一鏡層12及該第二鏡層15所結合後的整體反射率也大於99.9%。

該穿隧接面層TJ可以為包含一重摻雜n型層TJ1及一重摻雜p型層TJ2的多層結構。該穿隧接面層TJ之該重摻雜p型層TJ2係毗鄰該第一鏡層12，且該穿隧接面層TJ之該重摻雜n型層TJ1係毗鄰該基底11。該穿隧接面層TJ的材料可以為GaAs、AlGaAs、InGaP、AlInP、AlGaInP或InGaAsP。例如，該重摻雜n型層TJ1係為摻雜矽（Si）及/或碲（Te）的AlGaAs層或III族磷化物半導體層（例如InGaP層，磷化銦鎵層）；該重摻雜p型層TJ2係為摻雜碳（C）的AlGaAs層或III族磷化物半導體層（例如InGaP層）。

該主動層13可以包含一至複數個具有頻譜間隙波長之量子井層，其中各量子井層在操作之波長下發射雷射光。例如，該主動層13可包含AlGaAs層、GaAs層、磷砷化鎵（GaAsP）層或砷化銦鎵（InGaAs）層。該主動層13也可以是包含量子洞或具有適當發光性質之其他裝置結構，如量子點或類似之裝置結構。該量子井層、量子洞或量子點等均在該主動層13中依已知方式分離，以獲得所需之雷射光產生。

該氧化層14可由一或多個磊晶層之氧化而形成光學及電學限制之氧化物層。舉例而言，該氧化層14可為由於磊晶層（例如AlGaAs層）之側向氧化而形成的氧化鋁（Al ₂O ₃）的一氧化區141及包含金屬（未氧化的鋁）位於中央區域的一氧化孔（oxide aperture）142。因此，該氧化區141是絕緣區，該氧化區141環狀圍繞導電的該氧化孔142，該氧化孔142穿過該氧化區141而形成面積大小受限制的一導電路徑，電與光（雷射光）是由該氧化孔142通過，該氧化孔142為限流孔（current-limiting aperture），該氧化孔142愈小則電阻值愈大。該氧化孔142可以被形成在該出光孔161下方，該氧化孔142略小於該出光孔161。

特別說明的是，由於該穿隧接面層TJ設置於該基底11及該第一鏡層12之間，該穿隧接面層TJ係允許從n型半導體層切換（switch）為p型半導體層，例如該穿隧接面層TJ係從n型該基底11切換為該第一鏡層12之P-DBR。因此，該穿隧接面層TJ的尺寸大小（例如面積與形狀）係與該基底11及/或該第一鏡層12相同。

下表一列出傳統VCSEL元件比較例1的結構對照表。

表一（比較例1）。

層	註釋	材料	摻雜劑	摻雜劑含量（atoms/cm ³）	類型
1	第一電極	GaAs	Si	大於1.0x10 ¹⁸	n
2	基底	GaAs	Si	1.0x10 ¹⁷~4.0x10 ¹⁷	n
3	第一鏡層（N-DBR層）	AlGaAs/AlGaAs	Si	3.0x10 ¹⁸~5.0x10 ¹⁸	n
4	主動層	InGaAs/AlGaAs	--	--	--
5	氧化層	AlGaAs	C	3.0x10 ¹⁸	p
6	第二鏡層（P-DBR層）	AlGaAs/AlGaAs	C	3.0x10 ¹⁸~5.0x10 ¹⁸	p
7	第二電極	GaAs	C	大於1.0x10 ¹⁸	p

下表二列出本新型VCSEL元件100實施例1的結構對照表。

表二（實施例1）

層	註釋	材料	摻雜劑	摻雜劑含量（atoms/cm ³）	類型
1	第一電極10	GaAs	Si	大於1.0x10 ¹⁸	n
2	基底11	GaAs	Si	1.0x10 ¹⁷~4.0x10 ¹⁷	n
穿隧接面層TJ	重摻雜n型層TJ1	AlGaAs	Si	大於1.0x10 ²⁰	n
重摻雜p型層TJ2	AlGaAs	C	大於1.0x10 ²⁰	p
3	第一鏡層（P-DBR層）12	AlGaAs/AlGaAs	Si	3.0x10 ¹⁸~5.0x10 ¹⁸	P
4	主動層13	InGaAs/AlGaAs	--	--	--
5	氧化層14	AlGaAs	Si	3.0x10 ¹⁸	n
6	第二鏡層（N-DBR層）15	AlGaAs/AlGaAs	Si	3.0x10 ¹⁸~5.0x10 ¹⁸	n
7	第二電極16	GaAs	Si	大於1.0x10 ¹⁸	n

下表三列出本新型VCSEL元件實施例1與比較例1在高電流（大於或等於8mA）操作條件下的發光總能量。也請一併參閱第3圖。

表三

	操作電流8mA下的發光總能量mW（毫瓦）（C）	操作電流10mA的發光總能量mW（D）	（C）/（D）
比較例1（A）	5.282	5.517	1.04
實施例1（B）	5.484	5.941	1.08
（B）/（A）	1.0382	1.0769	--

下表四列出本新型VCSEL元件實施例1的該主動層13與比較例1的主動層在操作電流10mA操作條件下的溫度。

表四

	操作電流10mA
比較例1的主動層（E）	485℃
實施例1的主動層15（F）	390℃
（F）-（E）	-95℃

請一併參閱第3圖且由上述表一至表四可以得知，本新型VCSEL元件100實施例1與傳統VCSEL元件比較例1相比較，實施例1產生了以下優勢：（1）實施例1的該第二電極16為n型，而比較例1的第二電極為p型，由於n型的電阻比p型的電阻小得多，因此實施例1的n型該第二電極16相對於比較例1的p型第二電極而言，更有利於歐姆接觸。（2）由表三，在操作電流8mA下的發光總能量而言，實施例1是比較例1的1.0382倍，而在操作電流10mA下的發光總能量而言，實施例1是比較例1的1.0769倍，這是因為實施例1的該第二電極16及該第二鏡層15是n型，而比較例1的第二電極及第二鏡層是p型，因此實施例1的該第二電極16及該第二鏡層15的電阻會比比較例1的第二電極及第二鏡層的電阻還低，所以實施例1的該第二電極16及該第二鏡層15有利於電流擴散，當高電流被導入時電流會先快速地擴散，因此實施例1的該主動層13的量子井結構可以有比較多的部分被運用到，載子複合區域也比較大，所以實施例1的發光總能量會大於比較例1的發光總能量，例如於操作電流8mA下實施例1的發光總能量5.484mW大於比較例1的發光總能量5.282mW。（3）當導入高電流時，如前述實施例1的電流快速擴散，因此實施例1的該主動層13的溫度只有390℃，遠低於比較例1的主動層的溫度485℃達95℃（表四），而較低的該主動層13溫度使得實施例1的發光總能量可以隨著電流的提高而有效地增加；例如，在表三中，當操作電流從8mA提升到10mA時，比較例1的發光總能量只提升至1.04倍，然而實施例1卻可以提升至1.08倍。（4）基於載子在n型半導體的移動速率大於載子在p型半導體的移動速率，因此電子/電洞在比較例1是在主動層的上半部耦合而發光，使得光場大部分偏在主動層的上半部，主動層的下半部並無法被有效的運用；相較於比較例1而言，實施例1的載子由上而下在該第二電極16（n型）、該第二鏡層（N-DBR層）15及該氧化層14的移動速率大於比較例1的載子由上而下在第二電極（p型）、該第二鏡層（P-DBR層）及該氧化層的移動速率，這使得實施例1中之光場L與該主動層13的量子井耦合更趨向在該主動層13的中間位置，使得該主動層13的上半部及下半部皆可以被有效的運用並補償了垂直方向的光場偏移，進而提高模態增益，並使得VCSEL元件100滿足高溫條件下操作及能夠具有高操作速率。

本新型是利用穿隧接面層使得VCSEL元件可以將氧化層上方的P-DBR轉置成N-DBR，這使得串聯電阻值下降並改善了電流密度，而當電流注入VCSEL元件後會使得主動層溫度降低，而且光場趨近在主動層的量子井結構的中間位置耦合發光，因而發光總能量能夠隨著電流的提高而有效地增加。

惟以上所述者，僅為本新型之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍及新型說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。另外，本新型的任一實施例或申請專利範圍不須達成本新型所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本新型之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

[先前技術] 1:基底 2:第一鏡層 3:主動層 4:氧化層 5:第二鏡層 6:第二電極 C:第一電極 L’:光場 [本新型] 100:發光元件 10:第一電極 11:基底 12:第一鏡層 13:主動層 14:氧化層 141:氧化區 142:氧化孔 15:第二鏡層 16:第二電極 161:出光孔 L:光場 TJ:穿隧接面層 TJ1:重摻雜n型層 TJ2:重摻雜p型層

第1圖，為傳統VCSEL元件的結構剖視圖。第2圖，為本新型VCSEL元件的結構剖視圖。第3圖，為本新型實施例1與比較例1的發光總能量與操作電流的關係圖。

100:發光元件

10:第一電極

11:基底

12:第一鏡層

13:主動層

14:氧化層

141:氧化區

142:氧化孔

15:第二鏡層

16:第二電極

161:出光孔

L:光場

TJ:穿隧接面層

TJ1:重摻雜n型層

TJ2:重摻雜p型層

Claims

一種垂直共振腔面射雷射元件，係至少包含：一基底；一穿隧接面層，該穿隧接面層設置於該基底的上方；一第一鏡層，該第一鏡層設置於該穿隧接面層的上方；一主動層，該主動層設置於該第一鏡層的上方；一氧化層，該氧化層設置於該主動層的上方；及一第二鏡層，該第二鏡層設置於該氧化層的上方。
如請求項1所述之垂直共振腔面射雷射元件，其中該第一鏡層是一p型分佈式布拉格反射鏡層，該第二鏡層是一n型分佈式布拉格反射鏡層。
如請求項2所述之垂直共振腔面射雷射元件，其中該穿隧接面層包含一重摻雜n型層及一重摻雜p型層，該重摻雜p型層係毗鄰該第一鏡層，且該重摻雜n型層係毗鄰該基底。
如請求項3所述之垂直共振腔面射雷射元件，其中該穿隧接面層的面積係與該第一鏡層及／或該基底相同。