电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构的制作方法

1.一种垂直共振腔面射型镭射结构，尤指一种电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构。


背景技术：

2.垂直共振腔面射型镭射(vertical cavity surface emitting laser；vcsel)为一种半导体镭射。这种半导体镭射具有多层的半导体镭射结构，且多层的半导体结构中包括一p-i-n接面。详细来说，该p-i-n接面对应一主动区设置于一p型分散式布拉格反射器(distributed bragg reflector；dbr)和一n型dbr之间。该主动区为未受掺杂的多重量子井与共振腔结构，也可被称为固有的(intrinsic；i型)材料结构。
3.该p型dbr的电洞和该n型dbr的电子会在该主动区中互相结合，并且产生光子。对任何镭射而言，产生光子时的位置越是对齐出光口而集中，光子在共振腔结构中所移动的方向越有可能跟输出镭射光的路径一致，而减少光子在共振腔结构中损失的可能性。这意味着，当产生光子时的位置越是集中时，输出镭射光的光通量会受到提升。
4.当流经vcsel中多重量子井与共振腔结构中央的电流量密度变大时，更多的电子和电洞能集中受到偏压驱使而流动至该主动区中结合，而使产生光子的位置在对齐出光口的共振腔结构中央受到集中。进一步，当单位空间内的光子数量变多时，即当光子受到集中时，单位空间内的光子有更多的机率撞击电子以给予电子能量，使电子以产生另一光子的方式释放能量，以启动vcsel受激发射(stimulated emission)的机制。
5.请参阅图3和图4所示，图3为习知通过一氧化局限层300以集中电流流向的结构，而图4为习知通过一离子布植区400以集中电流流向的结构。以该氧化局限层300局限电流流向的结构为目前的主流工艺。其中，该氧化局限层300中的一导电开口310可由湿氧化制程形成，而其余的该氧化局限层300部分为绝缘材料。以该离子布植区400局限电流流向的结构，虽说局限电流流向的效果没使用该氧化局限层300的好，但是具有发光角度小的发光优点，故在维持镭射光的光通量上效果佳。
6.然而，以上仅为根据目前认知所知道的可局限电流流向结构。该氧化局限层300设置于该p型分散式布拉格反射器500和该主动区600之间，而该离子布植区400设置于该p型分散式布拉格反射器500之中。当电流从该p型分散式布拉格反射器500流至该主动区600时，就现在的认知，无法使电流在流至该p型分散式布拉格反射器500之前就先受到集中，故现在局限电流流向的结构整体上还不够理想。若是电流能在流至该p型分散式布拉格反射器500前就先受到集中，则不管使用该氧化局限层300或是使用该离子布植区400集中电流的功效理论上都能受到提升。


技术实现要素：

7.本实用新型提供一电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构，包括：
8.一主动发光层，其中包括：
9.一p型空间层；
10.一n型空间层；和
11.一多重量子井空间层，设置于该p型空间层和该n型空间层之间；
12.一第一布拉格反射镜层；
13.一第二布拉格反射镜层；
14.其中该主动发光层设置于该第一布拉格反射镜层和该第二布拉格反射镜层之间；
15.一电流引导层，设置于该第一布拉格反射镜层背离该主动发光层的一侧；
16.一金属接触层，设置于该电流引导层背离该主动发光层的一侧；
17.一基板层，设置于该第二布拉格反射镜层背离该主动发光层的一侧；
18.其中，该电流引导层受掺杂为p型半导体；
19.其中，该第一布拉格反射镜层为p型布拉格反射镜层，且该第二布拉格反射镜层为n型布拉格反射镜层；
20.其中，该电流引导层的掺杂浓度于该电流引导层接触该金属接触层的一侧的一中心点浓度最高。
21.本实用新型该电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构，跟习知的结构相比，加入了该电流引导层设置在该第一布拉格反射镜层和该金属接触层之间。该电流引导层能在电流流入该第一布拉格反射镜层之前先受到导引而集中，如此增加电流集中的效果，而更能提升输出一镭射光的光通量，并且降低光子耗损的阻抗，和降低输出该镭射光的发射角。基于以上原因，本实用新型所产生的该镭射光，能在能量转换效率上得到提升。
附图说明
22.图1为本实用新型一电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构一第一实施例的侧视示意图。
23.图2为本实用新型该电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构一第二实施例的侧视示意图。
24.图3为一习知电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构的侧视示意图。
25.图4为另一习知电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构的侧视示意图。
具体实施方式
26.以下配合图式及本实用新型的较佳实施例，进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段。
27.请参阅图1所示，本实用新型提供一电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构。该电流局限式垂直共振腔面射型镭射结构包括一主动发光层10、一第一布拉格反射镜层20、一第二布拉格反射镜层30、一电流引导层40、一金属接触层50和一基板层60。
28.该主动发光层10包括一p型空间层11、一n型空间层12和一多重量子井空间层13。该多重量子井空间层13设置于该p型空间层11和该n型空间层12之间。另外，该主动发光层10设置于该第一布拉格反射镜层20和该第二布拉格反射镜层30之间。该电流引导层40设置于该第一布拉格反射镜层20背离该主动发光层10的一侧。该金属接触层50设置于该电流引导层40背离该主动发光层10的一侧。该基板层60设置于该第二布拉格反射镜层30背离该主
动发光层10的一侧。所谓的p型和n型，在本实用新型中为意旨p型半导体和n型半导体的简称。
29.进一步，该第一布拉格反射镜层20为p型布拉格反射镜层，而该第二布拉格反射镜层30为n型布拉格反射镜层。该电流引导层40受掺杂为p型半导体，且该电流引导层40的掺杂浓度在水平方向上为非均匀掺杂。其中，该电流引导层40的掺杂浓度于该电流引导层40接触该金属接触层50的一侧的一中心点45浓度最高。因为为非均匀掺杂，该电流引导层40的掺杂浓度将从该中心点45向较低密度的区域扩散，即掺杂浓度自该中心点45向水平方向扩散和自该中心点45向该主动发光层10的方向扩散，各形成一掺杂浓度的渐层。因该中心点45的掺杂浓度最高，故该中心点45的电洞密度最高。这有助于电子向该中心点45流动，并对应加强电流流向朝该中心点45流动。
30.在一第一实施例中，本实用新型进一步包括一氧化局限层71。该氧化局限层71设置于该p型空间层11和该第一布拉格反射镜层20之间。该氧化局限层71包括一导电开口75，且该导电开口75对齐该电流引导层40的该中心点45设置。该氧化局限层71中的一导电开口75可由湿氧化制程形成，而其余的该氧化局限层71部分为绝缘材料。电流受到该电流引导层40的集中后，更能受到该氧化局限层71的集中，集中由该导电开口75通过以流至该主动发光层10中。
31.请一并参阅图2所示，在一第二实施例中，本实用新型包括一离子布植区70。该离子布植区70布植于该第一布拉格反射镜层20中，且该离子布植区70水平环绕该第一布拉格反射镜层20。如此一来，该离子布植区70也水平环绕该中心点45向该第一布拉格反射镜层20垂直延伸的一中心轴46。其中，该中心点45可视为本实用新型产生一镭射光的出光口，而该中心轴46为该镭射光射出的轴向。该中心轴46也为电流受到局限和集中的轴向，和该镭射光的光通量最密集的轴向。
32.进一步，在该第一实施例和该第二实施例中，该金属接触层50、该电流引导层40、该第一布拉格反射镜层20、该主动发光层10和该第二布拉格反射镜层30形成一圆柱型结构80。在该第一实施例中，该圆柱型结构80的形成也包括了设置于该第一布拉格反射镜层20和该主动发光层10之间的该氧化局限层71。在该第二实施例中，该圆柱型结构80的形成也包括了设置于该第一布拉格反射镜层20中的该离子布植区70。
33.该圆柱型结构80自该第二布拉格反射镜层30向该金属接触层50延伸，且该圆柱型结构80的中心是对齐该电流引导层40的该中心点45设置。换句话说，该圆柱型结构80沿着前述的该中心轴46围绕形成。这有助于本实用新型产生的该镭射光保有高斯光束(gaussian beam)的特性。因为该圆柱型结构80的圆对称特性，该掺杂浓度的渐层为呈现半圆形的渐层。该半圆形的中心为该中心点45，且该中心点45的掺杂浓度最高。
34.本实用新型加入了该电流引导层40设置在该第一布拉格反射镜层20和该金属接触层50之间。该电流引导层40能在电流流入该第一布拉格反射镜层20之前先受到导引而集中，如此增加电流集中的效果，使电洞和电子结合产生光子的位置更加集中。如此，产生的光子更有可能在相当于共振腔的该主动发光层10中存活到射出的时候，因为产生光子的移动路径更有可能和射出该镭射光的路径相同，而这样更能提升输出该镭射光的光通量。换句话说，本实用新型有助于降低光子耗损的阻抗，和降低输出该镭射光的发射角。基于以上原因，本实用新型所产生的该镭射光，能在能量转换效率上得到提升。详细来说，本实用新
型所预期的转换效率可提升5％以上。
35.另外，本实用新型另包括一保护层90、一第一金属电极110和一第二金属电极120。该保护层90包覆该圆柱型结构80设置，并且该保护层90于连接该金属接触层50的部分，设有一保护层开口95。该第一金属电极110包覆该保护层90设置，且通过该保护层开口95电连接该金属接触层50。该第二金属电极120设置于该基板层60背离该主动发光层10的一侧。其中，该保护层开口95为一环形开口，且该环形开口的中心是对齐该电流引导层40的该中心点45设置。也就是说，该保护层开口95沿着该中心轴46环绕设置，且该保护层开口95的中间为圆形的该保护层90。
36.该保护层90保护该圆柱型结构80中的各元件免于因接触空气而产生氧化或湿气的侵蚀。并且，该保护层90能使该镭射光透出，故可避免对该镭射光的光强度造成影响。在功效上，本实用新型于该第一实施例另能改善电流拥挤效应所产生li曲线(light-current curve)中发光功率对应使用电流量的非线性转折(kink)现象。本实用新型于该第二实施例另能抑制电流在该保护层开口95边缘产生该镭射光的高阶模态的状况。高阶模态的产生在多数时候被视为该镭射光中的杂讯，而li曲线中非线性的转折容易造成线性计算中的麻烦。本实用新型在不同实施例中分别减少了li曲线中非线性转折的现象和抑制了该镭射光中高阶模态的产生，如此皆支持本实用新型所带来正向的功效。
37.另外，在本实施例中，该基板层60的材料为砷化镓(gaas)，且该基板层60的厚度落在50微米至1000微米之间。该主动发光层10的总厚度落在50纳米至3000纳米之间。该主动发光层10的材料包括：一砷化铝(alas)层、一砷化镓铝(algaas)层、一gaas层、一砷化镓铟(ingaas)层、一砷化镓铟铝(alingaas)层、一磷化铟镓(gainp)层、一磷化铟镓铝(algainp)层、一磷化铟铝(alinp)层、一磷砷化镓(gaasp)层、一磷砷化镓铝(algaasp)层、或一磷砷化铟镓铝(algainasp)层的其中任一者。上述各材料的能带结构和特性不一，但都能达到本发明所期待的功效。
38.进一步，该第一布拉格反射镜层20和该第二布拉格反射镜层30的组成材料各可为alas或是algaas或是gaas。在本实施例中，该第一布拉格反射镜层20和该第二布拉格反射镜层30的多层设计，是以70纳米的alas连接60纳米的gaas以形成一对布拉格反射镜，且将多个对上述的布拉格反射镜重复叠加以提高该第一布拉格反射镜层20的反射率。该第一布拉格反射镜层20包括数十对的布拉格反射镜，且该第一布拉格反射镜层20的厚度落在1微米至5微米之间。该第一布拉格反射镜层20受到掺杂成为p型的掺杂浓度落在5*10
16
至10
19
个原子每立方厘米(atoms/cm3)之间。该第二布拉格反射镜层30的规格和该第一布拉格反射镜层20的规格相同，不过该第二布拉格反射镜层30为掺杂成为n型的半导体。
39.另外，该金属接触层50的材料可为gaas或是algaas，且该金属接触层50的厚度落在5纳米至500纳米之间。该金属接触层50为一p型的金属接触层，使该金属接触层50和该第一布拉格反射镜层20之间同样都为p型的半导体。该金属接触层50受到掺杂成为p型半导体的掺杂浓度落在10
18
至10
21
atoms/cm3之间。
40.该电流导引层40的材料可为alas或是gaas或是algaas，且该电流导引层40的厚度落在50纳米至1000纳米之间。该电流导引层40受到掺杂成为p型半导体的掺杂浓度落在5*10
17
至10
20
atoms/cm3之间。其中，该电流导引层40中掺杂浓度最高处与最低处相差为两倍以上。详细来说，该电流导引层40中掺杂浓度最高处的掺杂浓度落在10
18
至10
20
atoms/cm3之
间，而该电流导引层40中掺杂浓度最低处的掺杂浓度落在5*10
17
至5*10
19
atoms/cm3之间。
41.以上所述仅是本实用新型的优选实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。