TWM622575U

TWM622575U - 電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構

Info

Publication number: TWM622575U
Application number: TW110211350U
Authority: TW
Inventors: 洪崇瑜; 林昱成
Original assignee: 先發電光股份有限公司
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-01-21
Also published as: CN216214798U

Abstract

本新型包括一主動發光層設置於為P型半導體的一第一布拉格反射鏡層和為N型半導體的一第二布拉格反射鏡層之間；該主動發光層包括一多重量子井空間層設置於一P型空間層和一N型空間層之間；為P型半導體的一電流引導層設置於該第一布拉格反射鏡層背離該主動發光層之一側；一金屬接觸層設置於該電流引導層背離該主動發光層之一側；一基板層設置於該第二布拉格反射鏡層背離該主動發光層之一側；該電流引導層的摻雜濃度於該電流引導層接觸該金屬接觸層之一側的一中心點濃度最高；本新型使一電流向該中心點集中，以增加產生的光通量。

Description

電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構

一種垂直共振腔面射型雷射結構，尤指一種電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構。

垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL)為一種半導體雷射。這種半導體雷射具有多層的半導體雷射結構，且多層的半導體結構中包括一P-I-N接面。詳細來說，該P-I-N接面對應一主動區設置於一P型分散式布拉格反射器(distributed Bragg reflector；DBR)和一N型DBR之間。該主動區為未受摻雜的多重量子井與共振腔結構，也可被稱為固有的(intrinsic；I型)材料結構。

該P型DBR的電洞和該N型DBR的電子會在該主動區中互相結合，並且產生光子。對任何雷射而言，產生光子時的位置越是對齊出光口而集中，光子在共振腔結構中所移動的方向越有可能跟輸出雷射光的路徑一致，而減少光子在共振腔結構中損失的可能性。這意味著，當產生光子時的位置越是集中時，輸出雷射光的光通量會受到提升。

當流經VCSEL中多重量子井與共振腔結構中央的電流量密度變大時，更多的電子和電洞能集中受到偏壓驅使而流動至該主動區中結合，而使產生光子的位置在對齊出光口的共振腔結構中央受到集中。進一步，當單位空間內的光子數量變多時，即當光子受到集中時，單位空間內的光子有更多的機率撞擊電子以給予電子能量，使電子以產生另一光子的方式釋放能量，以啟動VCSEL之受激發射(Stimulated emission)的機制。

請參閱圖3和圖4所示，圖3為習知通過一氧化侷限層300以集中電流流向的結構，而圖4為習知通過一離子佈植區400以集中電流流向的結構。以該氧化侷限層300侷限電流流向的結構為目前之主流工藝。其中，該氧化侷限層300中的一導電開口310可由濕氧化製程形成，而其餘的該氧化侷限層300部分為絕緣材料。以該離子佈植區400侷限電流流向的結構，雖說侷限電流流向的效果沒使用該氧化侷限層300的好，但是具有發光角度小的發光優點，故在維持雷射光的光通量上效果佳。

然而，以上僅為根據目前認知所知道的可侷限電流流向結構。該氧化侷限層300設置於該P型分散式布拉格反射器500和該主動區600之間，而該離子佈植區400設置於該P型分散式布拉格反射器500之中。當電流從該P型分散式布拉格反射器500流至該主動區600時，就現在的認知，無法使電流在流至該P型分散式布拉格反射器500之前就先受到集中，故現在侷限電流流向的結構整體上還不夠理想。若是電流能在流至該P型分散式布拉格反射器500前就先受到集中，則不管使用該氧化侷限層300或是使用該離子佈植區400集中電流的功效理論上都能受到提升。

本新型提供一電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，包括：一主動發光層，其中包括：一P型空間層；一N型空間層；和一多重量子井空間層，設置於該P型空間層和該N型空間層之間；一第一布拉格反射鏡層；一第二布拉格反射鏡層；其中該主動發光層設置於該第一布拉格反射鏡層和該第二布拉格反射鏡層之間；一電流引導層，設置於該第一布拉格反射鏡層背離該主動發光層之一側；一金屬接觸層，設置於該電流引導層背離該主動發光層之一側；一基板層，設置於該第二布拉格反射鏡層背離該主動發光層之一側；其中，該電流引導層受摻雜為P型半導體；其中，該第一布拉格反射鏡層為P型布拉格反射鏡層，且該第二布拉格反射鏡層為N型布拉格反射鏡層；其中，該電流引導層的摻雜濃度於該電流引導層接觸該金屬接觸層之一側的一中心點濃度最高。

本新型該電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，跟習知的結構相比，加入了該電流引導層設置在該第一布拉格反射鏡層和該金屬接觸層之間。該電流引導層能在電流流入該第一布拉格反射鏡層之前先受到導引而集中，如此增加電流集中的效果，而更能提升輸出一雷射光的光通量，並且降低光子耗損的阻抗，和降低輸出該雷射光的發射角。基於以上原因，本新型所產生的該雷射光，能在能量轉換效率上得到提升。

請參閱圖1所示，本新型提供一電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構。該電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構包括一主動發光層10、一第一布拉格反射鏡層20、一第二布拉格反射鏡層30、一電流引導層40、一金屬接觸層50和一基板層60。

該主動發光層10包括一P型空間層11、一N型空間層12和一多重量子井空間層13。該多重量子井空間層13設置於該P型空間層11和該N型空間層12之間。另外，該主動發光層10設置於該第一布拉格反射鏡層20和該第二布拉格反射鏡層30之間。該電流引導層40設置於該第一布拉格反射鏡層20背離該主動發光層10之一側。該金屬接觸層50設置於該電流引導層40背離該主動發光層10之一側。該基板層60設置於該第二布拉格反射鏡層30背離該主動發光層10之一側。所謂的P型和N型，在本新型中為意旨P型半導體和N型半導體的簡稱。

進一步，該第一布拉格反射鏡層20為P型布拉格反射鏡層，而該第二布拉格反射鏡層30為N型布拉格反射鏡層。該電流引導層40受摻雜為P型半導體，且該電流引導層40的摻雜濃度在水平方向上為非均勻摻雜。其中，該電流引導層40的摻雜濃度於該電流引導層40接觸該金屬接觸層50之一側的一中心點45濃度最高。因為為非均勻摻雜，該電流引導層40的摻雜濃度將從該中心點45向較低密度的區域擴散，即摻雜濃度自該中心點45向水平方向擴散和自該中心點45向該主動發光層10的方向擴散，各形成一摻雜濃度的漸層。因該中心點45的摻雜濃度最高，故該中心點45的電洞密度最高。這有助於電子向該中心點45流動，並對應加強電流流向朝該中心點45流動。

在一第一實施例中，本新型進一步包括一氧化侷限層71。該氧化侷限層71設置於該P型空間層11和該第一布拉格反射鏡層20之間。該氧化侷限層71包括一導電開口75，且該導電開口75對齊該電流引導層40的該中心點45設置。該氧化侷限層71中的一導電開口75可由濕氧化製程形成，而其餘的該氧化侷限層71部分為絕緣材料。電流受到該電流引導層40的集中後，更能受到該氧化侷限層71的集中，集中由該導電開口75通過以流至該主動發光層10中。

請一併參閱圖2所示，在一第二實施例中，本新型包括一離子佈植區70。該離子佈植區70佈植於該第一布拉格反射鏡層20中，且該離子佈植區70水平環繞該第一布拉格反射鏡層20。如此一來，該離子佈植區70也水平環繞該中心點45向該第一布拉格反射鏡層20垂直延伸的一中心軸46。其中，該中心點45可視為本新型產生一雷射光的出光口，而該中心軸46為該雷射光射出的軸向。該中心軸46也為電流受到局限和集中的軸向，和該雷射光之光通量最密集的軸向。

進一步，在該第一實施例和該第二實施例中，該金屬接觸層50、該電流引導層40、該第一布拉格反射鏡層20、該主動發光層10和該第二布拉格反射鏡層30形成一圓柱型結構80。在該第一實施例中，該圓柱型結構80的形成也包括了設置於該第一布拉格反射鏡層20和該主動發光層10之間的該氧化侷限層71。在該第二實施例中，該圓柱型結構80的形成也包括了設置於該第一布拉格反射鏡層20中的該離子佈植區70。

該圓柱型結構80自該第二布拉格反射鏡層30向該金屬接觸層50延伸，且該圓柱型結構80的中心係對齊該電流引導層40的該中心點45設置。換句話說，該圓柱型結構80沿著前述之該中心軸46圍繞形成。這有助於本新型產生的該雷射光保有高斯光束(Gaussian beam)的特性。因為該圓柱型結構80的圓對稱特性，該摻雜濃度的漸層為呈現半圓形的漸層。該半圓形的中心為該中心點45，且該中心點45的摻雜濃度最高。

本新型加入了該電流引導層40設置在該第一布拉格反射鏡層20和該金屬接觸層50之間。該電流引導層40能在電流流入該第一布拉格反射鏡層20之前先受到導引而集中，如此增加電流集中的效果，使電洞和電子結合產生光子的位置更加集中。如此，產生的光子更有可能在相當於共振腔的該主動發光層10中存活到射出的時候，因為產生光子的移動路徑更有可能和射出該雷射光的路徑相同，而這樣更能提升輸出該雷射光的光通量。換句話說，本新型有助於降低光子耗損的阻抗，和降低輸出該雷射光的發射角。基於以上原因，本新型所產生的該雷射光，能在能量轉換效率上得到提升。詳細來說，本新型所預期的轉換效率可提升5%以上。

另外，本新型另包括一保護層90、一第一金屬電極110和一第二金屬電極120。該保護層90包覆該圓柱型結構80設置，並且該保護層90於連接該金屬接觸層50的部分，設有一保護層開口95。該第一金屬電極110包覆該保護層90設置，且透過該保護層開口95電連接該金屬接觸層50。該第二金屬電極120設置於該基板層60背離該主動發光層10之一側。其中，該保護層開口95為一環形開口，且該環形開口的中心係對齊該電流引導層40的該中心點45設置。也就是說，該保護層開口95沿著該中心軸46環繞設置，且該保護層開口95的中間為圓形的該保護層90。

該保護層90保護該圓柱型結構80中的各元件免於因接觸空氣而產生氧化或濕氣的侵蝕。並且，該保護層90能使該雷射光透出，故可避免對該雷射光的光強度造成影響。在功效上，本新型於該第一實施例另能改善電流擁擠效應所產生LI曲線(Light-Current curve)中發光功率對應使用電流量的非線性轉折(kink)現象。本新型於該第二實施例另能抑制電流在該保護層開口95邊緣產生該雷射光的高階模態的狀況。高階模態的產生在多數時候被視為該雷射光中的雜訊，而LI曲線中非線性的轉折容易造成線性計算中的麻煩。本新型在不同實施例中分別減少了LI曲線中非線性轉折的現象和抑制了該雷射光中高階模態的產生，如此皆支持本新型所帶來正向的功效。

另外，在本實施例中，該基板層60的材料為砷化鎵(GaAs)，且該基板層60的厚度落在50微米至1000微米之間。該主動發光層10的總厚度落在50奈米至3000奈米之間。該主動發光層10的材料包括：一砷化鋁(AlAs)層、一砷化鎵鋁(AlGaAs)層、一GaAs層、一砷化鎵銦(InGaAs)層、一砷化鎵銦鋁(AlInGaAs)層、一磷化銦鎵(GaInP)層、一磷化銦鎵鋁(AlGaInP)層、一磷化銦鋁(AlInP)層、一磷砷化鎵(GaAsP)層、一磷砷化鎵鋁(AlGaAsP)層、或一磷砷化銦鎵鋁(AlGaInAsP)層的其中任一者。上述各材料的能帶結構和特性不一，但都能達到本發明所期待之功效。

進一步，該第一布拉格反射鏡層20和該第二布拉格反射鏡層30的組成材料各可為AlAs或是AlGaAs或是GaAs。在本實施例中，該第一布拉格反射鏡層20和該第二布拉格反射鏡層30的多層設計，係以70奈米之AlAs連接60奈米之GaAs以形成一對布拉格反射鏡，且將複數對上述之布拉格反射鏡重複疊加以提高該第一布拉格反射鏡層20的反射率。該第一布拉格反射鏡層20包括數十對的布拉格反射鏡，且該第一布拉格反射鏡層20的厚度落在1微米至5微米之間。該第一布拉格反射鏡層20受到摻雜成為P型之摻雜濃度落在5*10 ¹⁶至10 ¹⁹個原子每立方公分(atoms/cm ³)之間。該第二布拉格反射鏡層30的規格和該第一布拉格反射鏡層20的規格相同，不過該第二布拉格反射鏡層30為摻雜成為N型的半導體。

另外，該金屬接觸層50的材料可為GaAs或是AlGaAs，且該金屬接觸層50的厚度落在5奈米至500奈米之間。該金屬接觸層50為一P型的金屬接觸層，使該金屬接觸層50和該第一布拉格反射鏡層20之間同樣都為P型之半導體。該金屬接觸層50受到摻雜成為P型半導體之摻雜濃度落在10 ¹⁸至10 ²¹atoms/cm ³之間。

該電流導引層40的材料可為AlAs或是GaAs或是AlGaAs，且該電流導引層40的厚度落在50奈米至1000奈米之間。該電流導引層40受到摻雜成為P型半導體之摻雜濃度落在5*10 ¹⁷至10 ²⁰atoms/cm ³之間。其中，該電流導引層40中摻雜濃度最高處與最低處相差為兩倍以上。詳細來說，該電流導引層40中摻雜濃度最高處之摻雜濃度落在10 ¹⁸至10 ²⁰atoms/cm ³之間，而該電流導引層40中摻雜濃度最低處之摻雜濃度落在5*10 ¹⁷至5*10 ¹⁹atoms/cm ³之間。

10:主動發光層 11:P型空間層 12:N型空間層 13:多重量子井空間層 20:第一布拉格反射鏡層 30:第二布拉格反射鏡層 40:電流引導層 45:中心點 46:中心軸 50:金屬接觸層 60:基板層 70:離子佈植區 71:氧化侷限層 75:導電開口 80:圓柱型結構 90:保護層 95:保護層開口 110:第一金屬電極 120:第二金屬電極 300:氧化侷限層 310:導電開口 400:離子佈植區 500:P型分散式布拉格反射器 600:主動區

圖1為本新型一電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構一第一實施例的側視示意圖。

圖2為本新型該電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構一第二實施例的側視示意圖。

圖3為一習知電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構的側視示意圖。

圖4為另一習知電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構的側視示意圖。

10:主動發光層

11:P型空間層

12:N型空間層

13:多重量子井空間層

20:第一布拉格反射鏡層

30:第二布拉格反射鏡層

40:電流引導層

45:中心點

46:中心軸

50:金屬接觸層

60:基板層

71:氧化侷限層

75:導電開口

80:圓柱型結構

90:保護層

95:保護層開口

110:第一金屬電極

120:第二金屬電極

Claims

一種電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，包括：一主動發光層，其中包括：一P型空間層；一N型空間層；和一多重量子井空間層，設置於該P型空間層和該N型空間層之間；一第一布拉格反射鏡層；一第二布拉格反射鏡層；其中該主動發光層設置於該第一布拉格反射鏡層和該第二布拉格反射鏡層之間；一電流引導層，設置於該第一布拉格反射鏡層背離該主動發光層之一側；一金屬接觸層，設置於該電流引導層背離該主動發光層之一側；一基板層，設置於該第二布拉格反射鏡層背離該主動發光層之一側；其中，該電流引導層受摻雜為P型半導體；其中，該第一布拉格反射鏡層為P型布拉格反射鏡層，且該第二布拉格反射鏡層為N型布拉格反射鏡層；其中，該電流引導層的摻雜濃度於該電流引導層接觸該金屬接觸層之一側的一中心點濃度最高。
如請求項1所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，進一步包括一氧化侷限層，設置於該P型空間層和該第一布拉格反射鏡層之間；其中，該氧化侷限層包括一導電開口，且該導電開口對齊該電流引導層的該中心點設置。
如請求項2所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，其中：該金屬接觸層、該電流引導層、該第一布拉格反射鏡層、該氧化侷限層、該主動發光層和該第二布拉格反射鏡層形成一圓柱型結構；該圓柱型結構自該第二布拉格反射鏡層向該金屬接觸層延伸，且該圓柱型結構的中心係對齊該電流引導層的該中心點設置。
如請求項3所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，進一步包括一保護層，包覆該圓柱型結構設置；其中，該保護層於連接該金屬接觸層的部分，設有一保護層開口；一第一金屬電極，包覆該保護層設置，且透過該保護層開口電連接該金屬接觸層；和一第二金屬電極，設置於該基板層背離該主動發光層之一側。
如請求項4所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，其中：該保護層開口為一環形開口，且該環形開口的中心係對齊該電流引導層的該中心點設置。
如請求項1所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，進一步包括一離子佈植區，佈植於該第一布拉格反射鏡層中；其中，該離子佈植區水平環繞該第一布拉格反射鏡層，即該離子佈植區也水平環繞該中心點向該第一布拉格反射鏡層垂直延伸的一中心軸。
如請求項6所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，其中：該金屬接觸層、該電流引導層、該第一布拉格反射鏡層、該主動發光層和該第二布拉格反射鏡層形成一圓柱型結構；該圓柱型結構自該第二布拉格反射鏡層向該金屬接觸層延伸，且該圓柱型結構的中心係對齊該電流引導層的該中心點設置。
如請求項7所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，進一步包括一保護層，包覆該圓柱型結構設置；其中，該保護層於連接該金屬接觸層的部分，設有一保護層開口；一第一金屬電極，包覆該保護層設置，且透過該保護層開口電連接該金屬接觸層；和一第二金屬電極，設置於該基板層背離該主動發光層之一側。
如請求項8所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，其中：該保護層開口為一環形開口，且該環形開口的中心係對齊該電流引導層的該中心點設置。
如請求項1至9中任一項所述之電流侷限式垂直共振腔面射型雷射結構，其中：該電流引導層的摻雜濃度自該中心點向水平方向擴散和自該中心點向該主動發光層的方向擴散，各形成一摻雜濃度的漸層。