專利名稱：半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，更明確地它是關(guān)于一種能夠工作在穩(wěn)態(tài)的單橫模(single transverse mode)的面射型雷射。
而半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)包括在雷射多晶層的一部份區(qū)域，具有一中心孔徑的組成混合吸收區(qū)；在發(fā)光主動(dòng)層，有一主動(dòng)區(qū)，它的中心是對(duì)正于組成混合吸收區(qū)的中心孔徑；在正型與負(fù)型晶層分別有一正電極與負(fù)電極。
所述具有孔徑的組成混合吸收區(qū)(disordered absorber)是由高濃度摻質(zhì)的環(huán)狀體(torus)形成，它的摻質(zhì)濃度大于5×108/立方公分。
所述組合混合吸收區(qū)(disorders absorber)的孔徑(aperture)具有一直徑或一最長(zhǎng)對(duì)角線在1至8微米之間，或一面積在1到60平方微米之間。
所述摻質(zhì)可以由下列元素形成鋅(Zn)，鎂(Mg)，鈹(Be)，鍶(Sr)，鋇(Ba)，鎘(Cd)，矽(Si)，鍺(Ge)，錫(Sb)，硒(Se)，硫(S)，碲(Te)。
所述主動(dòng)區(qū)具有一直徑或一最長(zhǎng)對(duì)角線在5到50微米之間，或一面積在20到2000平方微米之間。
所述下分散式布拉格反射鏡(DBR)和下披覆層(cladding layer)或填空層(spacer)是正型(p-type)材料或?yàn)樨?fù)型(n-type)材料，而上分散式布拉格反射鏡(DBR)和上披覆層(cladding layer)或填空層(spacer)是負(fù)型(n-type)材料或正型(p-type)材料。
所述疊在基底上的多晶層結(jié)構(gòu)是由半導(dǎo)體或介電質(zhì)材料形成。
圖2系為本發(fā)明雷射的光輸出功率對(duì)應(yīng)電流的特性曲線圖。
圖3系為本發(fā)明雷射在不同電流水平下的發(fā)射頻譜圖。
圖4系為本發(fā)明另一具體的面射型雷射的橫切面圖。
元件符號(hào)說明10、面射型雷射 11、基底12、下分散式布拉格反射鏡13、下披覆層或填空層
14、發(fā)光主動(dòng)層15、上披覆層或填空層16、上分散式布拉格反射鏡 17、交替晶層18、孔徑 19、組成混合吸收區(qū)20、電流限制結(jié)構(gòu) 21、主動(dòng)區(qū)22、正電極23、負(fù)電極在此發(fā)明中，名詞「穩(wěn)定單模動(dòng)作」意指雷射元件能夠在臨界電流之上的整個(gè)驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)維持單模的動(dòng)作。
在此發(fā)明中，名詞「組成混合吸收區(qū)」意指該區(qū)的多晶層組成有一部份或全部混合(disordering)，而且對(duì)于元件主動(dòng)區(qū)發(fā)出的光具有大于IO/公分的損失系數(shù)。
請(qǐng)參閱

圖1所示，系為本發(fā)明具體的面射型雷射的橫切面圖，在分散式布拉格反射鏡有一組成混合吸收區(qū)，而主動(dòng)區(qū)是用離子布植形成，圖中顯示此面射型雷射10的橫切面，它具有一基底11和一多晶層堆疊在此基底11上；此多晶層具有一下分散式布拉格反射鏡12、一下披覆層或填空層13、單一晶層或量子井結(jié)構(gòu)的發(fā)光主動(dòng)層14、一上披覆層或填空層15及一上分散式布拉格反射鏡16，而上下分散式布拉格反射鏡16、12主要是由許多對(duì)不同成分的交替晶層17所組成，例如砷化鎵/砷化鋁，氟砷化銦鎵/氟化銦，每個(gè)交替晶層17是四分之一雷射波長(zhǎng)厚度，而且交替晶層17的對(duì)數(shù)必須設(shè)計(jì)足夠多，可以產(chǎn)生一個(gè)大于99％的反射率，這些交替晶層17通常在介面會(huì)有成分漸變區(qū)。
在雷射多晶層的一部份區(qū)域中，有一個(gè)環(huán)狀(torus))中央有孔徑18的高階模組成混合吸收區(qū)19，此組成混合吸收區(qū)19可以摻入正型摻質(zhì)，例如鋅(Zn)、鎂(Mg)、鈹(Be)、鍶(Sr)、鋇(Ba)或一個(gè)負(fù)型摻質(zhì)，例如矽(Si)，鍺(Ge)，硒(Se)，硫(S)，或碲(Te)，形成一個(gè)有中央孔徑18的組成混合吸收區(qū)19的目的，是要抑制除了基本模以外的高階模，為達(dá)到此目標(biāo)，其孔徑18的直徑或其最長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度選擇在1到8微米間，而組成混合吸收區(qū)19的厚度將決定通過的光的損失和高階模的抑制程度。由于部份(＜10％)的基本模態(tài)的光也會(huì)耦合到組成混合吸收區(qū)19造成損失，組成混合吸收區(qū)19的厚度必須取最佳值，所以組成混合吸收區(qū)19必須有足夠的厚度來(lái)抑制高階模，但卻不會(huì)造成基本模明顯的光損失，這厚度較好地是位于組成混合吸收區(qū)19所在的上分散式布拉格反射鏡16厚度的3％到95％之間，而更好地是在10％到50％之間，欲最好地則是在15％到40％之間。為減少基本模的損失，這組成混合吸收區(qū)19最好是在上分散式布拉格反射鏡16遠(yuǎn)離發(fā)光主動(dòng)層14的另一邊。在發(fā)光主動(dòng)層1 4附近，有一個(gè)電流限制結(jié)構(gòu)20，以限制注入電流的范圍，而形成一個(gè)主動(dòng)區(qū)21，同時(shí)將主動(dòng)區(qū)21的中心對(duì)準(zhǔn)組成混合吸收區(qū)19的孔徑18，而主動(dòng)區(qū)21的直徑較好地是在1到50微米之間，更好地則是在5到15微米之間。
為了形成元件的p-n接面，必須在發(fā)光主動(dòng)層14上下的晶層各自有一p型和n型或n型和p型的半導(dǎo)體晶層，而一個(gè)正電極22和一個(gè)負(fù)電極23也分別在此雷射結(jié)構(gòu)的一個(gè)p型和n型的晶層來(lái)形成，在此正或負(fù)的電極22、23上必須有一個(gè)開口，它的中心為對(duì)正主動(dòng)區(qū)21和組成混合吸收區(qū)19的孔徑18，好讓光能發(fā)射出外界。
在此發(fā)明，面射型雷射10可以由半導(dǎo)體和介電質(zhì)的材料構(gòu)成，例如砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)、砷化鋁鎵銦(AlxGayIn1-x-yAs)、氟砷化銦鎵(InxGa1-xAsyP1-y)、氟化鋁鎵銦(AlxGayIn1-x-yP)/砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)、砷氮化銦鎵(InxGa1-xNyAs1-y)、氮化鎵鋁銦(GaxAlyIn1-x-yN)、銻砷化鎵(GaAsxSb1-x)、硒硫化鋅鎘(ZnxCd1-xSySe1-y)、氧化矽(SiO2)/氮化矽(Si3N4)、氧化矽(SiO2)/氧化鈦(TiO2)或矽(Si)/氧化矽，而面射型雷射10的波長(zhǎng)則是由所用的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)決定的。
此發(fā)明將由下列的例子來(lái)說明第一實(shí)施例一個(gè)單模850奈米波長(zhǎng)面射型雷射10的晶圓(wafer)是具有典型的面射型雷射結(jié)構(gòu)；通常有三個(gè)砷化鎵(GaAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)的多重量子井(MQW)被一個(gè)p型和一個(gè)n型披覆層(cladding layer)，以及一個(gè)20對(duì)p型和一個(gè)30對(duì)n型砷化鋁鎵(Al0.12Ga0.88As)/砷化鋁鎵(Al0.9Ga0.1As)晶層上下包夾住。
請(qǐng)參閱圖1所示，系為本發(fā)明具體的面射型雷射的橫切面圖，在上分散式布拉格反射鏡16有一0.5微米厚的組成混合吸收區(qū)19，它的厚度大約等于P型上分散式布拉格反射鏡16厚度的15％，在主動(dòng)區(qū)21周圍的電流限制結(jié)構(gòu)20是屬于離子布植絕緣層。在元件結(jié)構(gòu)的上、下表面各自有一鉻(Cr)/金(Au)的p型和鍺(Ge)/金(Au)的n型電極。
請(qǐng)參閱圖2所示，系為本發(fā)明雷射的光輸出功率對(duì)應(yīng)電流的特性曲線圖，其雷射臨界電流是3毫安(mA)，最大輸出功率大于3毫瓦(mw)，這樣的特性，與過去面射型雷射采用很深的鋅擴(kuò)散(＞3微米，＞100％的上分散式布拉格反射鏡厚度)所呈現(xiàn)8毫安的臨界電流和0.25毫瓦輸出功率的特性來(lái)比較，有非常大的改進(jìn)。
請(qǐng)參閱圖3所示，系為本發(fā)明雷射在不同電流水平下的發(fā)射頻譜圖，其元件能維持在穩(wěn)定單模動(dòng)作，一直到最大驅(qū)動(dòng)電流或最大的輸出功率，而高階模的抑制比超過了40dB，在一批制造出的12,000個(gè)雷射元件中，有95％以上的元件呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的單模模動(dòng)作；根據(jù)這些結(jié)果，可以確認(rèn)此發(fā)明提供了一個(gè)具有穩(wěn)定單模動(dòng)作與足夠輸出功率(＞1毫瓦)的面射型雷射，同時(shí)提供了一個(gè)可以生產(chǎn)高品質(zhì)與高良率元件的制造方法。
第二實(shí)施例請(qǐng)參閱圖4所示，系為一高臺(tái)結(jié)構(gòu)的單模850奈米波長(zhǎng)面射型雷射。它具有第一實(shí)施例里所有同樣的晶層結(jié)構(gòu)(epilayer structure)。在上分散式布拉格反射鏡有一0.8微米厚的組成混合吸收區(qū)，厚度相當(dāng)?shù)扔?5％的p型上分散式布拉格反射鏡16的厚度。在主動(dòng)區(qū)(active reion)周圍的電流限制結(jié)構(gòu)20是氧化層(oxide layer)。在元件結(jié)構(gòu)的上、下表面各自有一鉻(Cr)/金(Au)的p型和鍺(Ge)/金(Au)的n型電極。以上制造出的面射型雷射10在功能和良率上與第一實(shí)施例的元件在實(shí)質(zhì)上完全相同。
一個(gè)單模1.3微米波長(zhǎng)面射型雷射，其結(jié)構(gòu)也如圖1所示，具有一典型的面射型晶層(epilayer)結(jié)構(gòu)；一個(gè)氟砷化銦鎵(InGaAsP)/氟化銦(InP)多重量子井(MQW)被上、下披覆層(cladding layer)15、13，以及一個(gè)50對(duì)p型和一個(gè)55對(duì)n型氟砷化銦鎵(InGaAsP)/氟化銦(InP)晶層上下包夾住。此元件具有一1.5微米厚的組成混合吸收區(qū)19，大約是上層p型分散式布拉格反射鏡16的15％的厚度，可以有效抑制高階模，形成穩(wěn)定單模動(dòng)作。在主動(dòng)區(qū)21周圍的電流限制結(jié)構(gòu)20是離子布置型絕緣層。在元件結(jié)構(gòu)的上、下表面各自有一鈦(Ti)/鉑(Pt)/金(Au)的p型和一鎳(Ni)/金鍺(AuGe)/鎳(Ni)/金(Au)的n型電極。
綜上所述，本實(shí)用新型的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)于使用時(shí)，為確實(shí)能達(dá)到其功效及目的。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，尤指能夠工作在穩(wěn)態(tài)的單橫模(singletransverse mode)的面射型雷射；其特征在于該結(jié)構(gòu)包括一基底；一疊在基底上的多晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一下分散式布拉格反射鏡(DBR)、一下披覆層或填空層、一發(fā)光主動(dòng)層、一上披覆層或填空層、一上分散式布拉格反射鏡(DSR)、一在所述的多晶層結(jié)構(gòu)中形成帶有孔徑的組成混合吸收區(qū)(disordered absorber)，該組成混合吸收區(qū)具有所述上或下分散式布拉格反射鏡(DBR)3％到95％的厚度；一主動(dòng)區(qū)在所述發(fā)光主動(dòng)層形成，它的中心對(duì)準(zhǔn)所述組成混合吸收區(qū)的孔徑；一正型電極和一負(fù)型電極分別地在一p型和一n型晶層形成。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述具有孔徑的組成混合吸收區(qū)(disordered absorber)是由高濃度摻質(zhì)的環(huán)狀體(torus)形成，它的摻質(zhì)濃度大于5×108/立方公分。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述組合混合吸收區(qū)(disorders absorber)的孔徑(aperture)具有一直徑或一最長(zhǎng)對(duì)角線在1至8微米之間，或一面積在1到60平方微米之間。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述摻質(zhì)可以由下列元素形成鋅(Zn)，鎂(Mg)，鈹(Be)，鍶(Sr)，鋇(Ba)，鎘(Cd)，矽(Si)，鍺(Ge)，錫(Sb)，硒(Se)，硫(S)，碲(Te)。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述主動(dòng)區(qū)具有一直徑或一最長(zhǎng)對(duì)角線在5到50微米之間，或一面積在20到2000平方微米之間。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下分散式布拉格反射鏡(DBR)和下披覆層(cladding layer)或填空層(spacer)是正型(p-type) 材料，而上分散式布拉格反射鏡(DBR)和上披覆層(cladding layer)或填空層(spacer)是負(fù)型(n-type)材料。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下分散式布拉格反射鏡(DBR)和下披覆層(cladding layer)或填空層(spacer)為負(fù)型(n-type) 材料，而上分散式布拉格反射鏡(DBR)和上披覆層(cladding layer)或填空層(spacer)亦可為正型(p-type)材料。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述疊在基底上的多晶層結(jié)構(gòu)是由半導(dǎo)體或介電質(zhì)材料形成。
專利摘要本實(shí)用新型為一種半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)，尤指面射型雷射(vertical－cavity surface－emitting laser)的結(jié)構(gòu)，此種面射型雷射為具有一基底、一疊在基底上的多晶層(multilayer)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一下分散式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector(DBR))、一下披覆層或填空層、一發(fā)光主動(dòng)層、一上披覆層或填空層及一上分散式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector(DBR))；此種半導(dǎo)體雷射元件結(jié)構(gòu)包括在雷射多晶層的一部分區(qū)域有一具中心孔徑的組成混合吸收區(qū)(disorderedabsorber)；在發(fā)光主動(dòng)層有一主動(dòng)區(qū)(active region)，而它的中心是對(duì)正于組成混合吸收區(qū)的中心孔徑；在正型與負(fù)型晶層處分別有一正電極與一負(fù)電極，以此結(jié)構(gòu)來(lái)提供一種能夠工作在穩(wěn)態(tài)的單橫模(single transverse mode)的面射型雷射，并可擁有足夠的輸出功率且能適合大量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01S5/30GK2571034SQ0224271
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者楊英杰 申請(qǐng)人:楊英杰