具混合光栅结构的面发射激光元件与制法的制作方法
本发明系相关于一种具混合光栅结构的面发射激光元件与制法，尤指一种藉由在光栅层中设置由第一阶光栅结构区与第二阶光栅结构区所构成的混合光栅结构的一种面发射激光元件与制法。
背景技术：
半导体激光(semiconductorlaser)或称激光二极体(laserdiode)具有体积小、消耗功率低、反应快、耐冲击、寿命长、效率高及价格低等优点，因此被广泛的应用于光电系统产品中，例如:光波通信、资讯系统、家用电器、精密测量及光纤通信等。其中，分布反馈激光(distributedfeedbacklaser：简称dfb激光)因具有制程简易、单模输出与适合长距传输等特性，由分布反馈激光产生的激光讯号在经过长距离传输后仍可维持良好的讯号杂讯比，故已成为现今光波通信及光纤通信系统中广泛使用的光源。
请参阅图1，为一典型的面发射分布反馈激光(surfaceemittingdistributedfeedbacklaser：简称se-dfb激光)剖面示意图，其由下而上依序包含了：半导体基板91、下披覆层(claddinglayer)、下光局限(separatedconfinementhetero-structure；简称sch)层、主动层92(activeregionlayer)、上光局限层、间隔层、光栅层93、上披覆层94、及接触层等结构。而依据其光栅层中所包含多数微光栅结构之周期的设计差异，se-dfb激光一般可被区分为采用第一阶光栅结构设计、或是采用第二阶光栅结构设计。所谓的第一阶或第二阶的光栅结构设计，乃是依据以下公式来决定：
其中，∧是相邻两微光栅结构的周期(gratingperiod)长度，λ是se-dfb激光所发出之激光的波长(wavelength)，neff是半导体波导的等效折射率(effectiverefractiveindex)，而m则是所谓的「阶(order)」值。由此可知，当m＝1时，微光栅结构之周期值∧大体上对应于激光波长λ的二分之一(也就是λ/2)，且光栅层所包含的该些微光栅结构可称为第一阶光栅结构(firstordergrating)。而当m＝2时，微光栅结构之周期值∧大体上对应于激光波长λ(也就是λ)，且光栅层所包含的该些微光栅结构是称为第二阶光栅结构(secondordergrating)。此时，会有第一阶与第二阶绕射，分别对应耦合常数(couplingconstant)k1(与面出光效率相关)与k2(与形成面内共振腔in-planecavity效率相关)。
假设微光栅结构是齿状(teethlike)的形状(如图1)，不同阶的光栅结构设计所得到的面内共振腔耦合常数(km)，km正比于sin[π*m*ratio]/(π*m)。其中，m是「阶(order)」值；ratio(比值)是指光栅的工作周期(dutycycle)，亦即，如图1所示之ratio＝a/∧；其中a是两相邻微光栅结构的间隙值。请参阅图2，为比较m＝1与m＝2时ratio值与面内共振腔耦合常数(km)值的关系曲线图。由图2可知，比较m＝1(第一阶光栅结构)与m＝2(第二阶光栅结构)的曲线，可知一般由第二阶光栅结构形成面内共振腔的效率较第一阶光栅结构来得低。
依据第二阶光栅结构设计所形成的se-dfb激光具有许多优点，例如出射角度小、以及可以进行在晶圆状态下的测试与预烧机(onwafertestandburn-in)。并且，不像一般边射型(edgeemitting)dfb激光需要镜面劈裂与镀膜，依据第二阶光栅结构设计所形成的se-dfb激光的原理是制作微光栅结构周期值为λ/neff，如此在面内(in-plane)上利用微光栅结构第二阶绕射(diffraction)，将波导(waveguide)内往前与往后的模(mode)偶合在一起形成共振腔(cavity)而发射激光(lasing)，并将激光从se-dfb激光的顶面耦合射出。
由于第二阶光栅结构设计所形成的se-dfb激光运作时第一阶与第二阶是同时发生在光模态(opticalmode)上，除了上述效率较低的第二阶绕射作为共振腔反馈(cavityfeedback)，还有额外第一阶绕射光输出耦合损失(lightoutputcouplingloss)，使得此类元件往往需要较大的面积与较大的临界电流值(thresholdcurrent；简称ith)来操作，此为其缺点。
缘此，本发明提供一种面发射分布反馈激光的新颖设计，其整合第一阶与第二阶之光栅结构设计在同一光栅层。利用低损耗的第一阶光栅结构设计来充当高效率的反射反馈(feedback)区放置在激光端面，只有在接近中间激光面出光区才使用第二阶光栅结构设计。如此，才能够在追求高斜率效率(slopeefficiency)(意味这较大的第二阶光栅结构区域)与低临界电流值ith(意味这较小的第二阶光栅结构区域)之间取得想要的平衡。在第二阶光栅结构区域的中央还可以引入λ/4-shift的相位差光栅结构，使激光场能够模态稳定与提升出光耦光效率。
技术实现要素：
本发明之主要目的系在提供一种具混合光栅结构的面发射激光元件及其制法，藉由在光栅层中设置由第一阶光栅结构区与第二阶光栅结构区所构成的混合光栅结构，可在追求高斜率效率(slopeefficiency)与低临界电流值ith之间取得想要的平衡。并且，在第二阶光栅结构区的中央还可以引入λ/4-shift的相位差光栅结构，使激光场能够模态稳定与提升出光耦光效率。
本发明之另一目的系在提供一种面发射激光元件，将前述主要目的的同样概念从一维的光栅结构转换到二维的光子晶体面发射激光器(photoniccrystalsurfaceemittinglaser；简称pcsel)。在激光元件的四周布署第一阶的光子晶体(photoniccrystal)，只有在中间出光处布署第二阶的光子晶体，并适当的引入相位差结构来操作模态。也有可能同时布署数个出光处(亦即，只在出光处布署第二阶光子晶体)达到类似多光源二维阵列相位锁(2darrayphaselock)的效果。
为达上述目的，本发明系提供一种具混合光栅结构的面发射激光元件，可产生具有一激光波长的激光；该面发射激光元件包括：
一半导体堆叠结构，可在接受一电流时产生具有该激光波长的该激光，并使该激光自该半导体堆叠结构的一出光面射出，且该出光面是位于该半导体堆叠结构的一顶面；
一光栅层，位于该半导体堆叠结构上，该光栅层具有包括沿着至少一第一水平方向分布排列的多个微光栅结构；
其中，该光栅层至少在该第一水平方向上被区分为包括：至少一第一光栅区及至少一第二光栅区，于各该第一光栅区及该第二光栅区内分别包含多个该微光栅结构；其中，该第一光栅区内的多个该微光栅结构的光栅周期是符合以下数学式：
其中，该出光面是由该第二光栅区所定义。
于一实施例中，m＝1且o＝2；因此，该第一光栅区又被称为第一阶光栅结构区、且该第二光栅区又被称为第二阶光栅结构区，藉以在该光栅层形成一混合光栅结构；其中，该激光是由该第二光栅区所定义的该出光面垂直射出。
于一实施例中，于该光栅层中更包含一相位差光栅结构；该相位差光栅结构是位于该第二光栅区内于该第一水平方向上的中间处附近，且该相位差光栅结构的宽度可提供一相位差距离，使得在该第一水平方向上位于该相位差光栅结构两侧的多个微光栅结构两者间具有一相位差；该相位差光栅结构的所提供的该相位差距离是四分之一该激光波长。
于一实施例中，该第二光栅区的数量为一个且是位于该光栅层在该第一水平方向上的一中间区域，使得该第一光栅区实质上是被位于中间的该第二光栅区在该第一水平方向上分隔成左、右两部分；其中，该第二光栅区于该第一水平方向上的宽度是介于六分之一至二分之一的该光栅层的总宽度；该第一光栅区被分隔的该左、右两部分的宽度大致上相等。
于一实施例中，该光栅层在沿着一第二水平方向上也具有多个该微光栅结构，该第二水平方向与该第一水平方向垂直；该光栅层在该第二水平方向上也被区分为至少一该第一光栅区及至少一该第二光栅区，于各该第一光栅区及该第二光栅区内分别各包含多个该微光栅结构；藉此，当由垂直于该半导体堆叠结构的该顶面方向观之，该多个该微光栅结构在该光栅层上是呈现点状阵列排列，且由该第一水平方向上的该第二光栅区及该第二水平方向上的该第二光栅区两者协同定义出一矩形的至少一该出光面。
于一实施例中，于该光栅层中更包含两相位差光栅结构；其中之一该相位差光栅结构是位于该第二光栅区内于该第一水平方向上的中间处附近、另一该相位差光栅结构则是位于该第二光栅区内于该第二水平方向上的中间处附近；且该相位差光栅结构的宽度可提供一相位差距离，使得分别在该第一水平方向与该第二水平方向上位于该相位差光栅结构两侧的多个微光栅结构两者间具有一相位差；该相位差光栅结构的所提供的该相位差距离是四分之一该激光波长。
于一实施例中，该第二光栅区是位于该光栅层在该第一水平方向与该第二水平方向上的一中间区域；当由垂直于该半导体堆叠结构的该顶面方向观之时，该第二光栅区是位在该半导体堆叠结构的该顶面的一中央区域，且该第一光栅区实质上是环绕位该第二光栅区的外周围区域；其中，该第二光栅区于该第一水平方向及该第二水平方向上的宽度分别都是介于六分之一至二分之一的该光栅层于该第一水平方向及该第二水平方向上的总宽度。
于一实施例中，于该半导体堆叠结构的该顶面是包含多个呈阵列排列且独立存在的该出光面，该光栅层于每一个该出光面处无论是于该第一水平方向或该第二水平方向上都是设置该第二光栅区，且该光栅层除了多个该出光面之外的其他区域无论是于该第一水平方向或该第二水平方向上都是设置该第一光栅区；藉此可在该半导体堆叠结构的该顶面定义出各自独立且呈阵列排列的多个小出光面。
为达上述目的，本发明系提供一种具混合光栅结构的面发射激光元件的制法，包括下列步骤：
步骤(a)：藉由半导体磊晶制程，于一半导体基板上形成一半导体堆叠结构；该半导体堆叠结构可在接受一电流时产生具有一激光波长的一激光，并使该激光自该半导体堆叠结构的一出光面射出，且该出光面是位于该半导体堆叠结构的一顶面；
步骤(b)：藉由电子束列印及纳米压印制程，在该半导体堆叠结构上形成一光栅层，位于该半导体堆叠结构上；该光栅层具有包括沿着至少一第一水平方向排列的多个微光栅结构；
步骤(c)：藉由半导体磊晶制程及黄光制程，于该光栅层上形成一上披覆层及一接触层，位于该光栅层的上方；
其中，该光栅层至少在该第一水平方向上被区分为包括：至少一第一光栅区及至少一第二光栅区，于各该第一光栅区及该第二光栅区内分别包含多个该微光栅结构；其中，该第一光栅区内的多个该微光栅结构的光栅周期是符合以下数学式：
其中，该出光面是由该第二光栅区所定义。
为达上述目的，本发明系提供一种面发射激光元件，可产生具有一激光波长的激光，该面发射激光元件包括：
一半导体堆叠结构，可在接受一电流时产生具有该激光波长的该激光，并使该激光自该半导体堆叠结构的一出光面射出，且该出光面是位于该半导体堆叠结构的一顶面；
一光子晶体层，位于该半导体堆叠结构上，该光子晶体层具有包括沿着一第一水平方向及一第二水平方向分布排列的多个微光子晶体结构，该第二水平方向与该第一水平方向垂直；其中，该光子晶体层在该第一水平方向及该第二水平方向上分别被区分为包括：至少一第一光子晶体区及至少一第二光子晶体区，于各该第一光子晶体区及该第二光子晶体区内分别包含多个该微光子晶体结构；其中，该第一光子晶体区内的多个该微光子晶体结构的光子晶体周期是符合以下数学式：
其中，该出光面是由该第二光子晶体区所定义。
于一实施例中，于该光子晶体层中更包含两相位差光子晶体结构；其中之一该相位差光子晶体结构是位于该第二光子晶体区内于该第一水平方向上的中间处附近、另一该相位差光子晶体结构则是位于该第二光子晶体区内于该第二水平方向上的中间处附近；且该相位差光子晶体结构的宽度可提供一相位差距离，使得分别在该第一水平方向与该第二水平方向上位于该相位差光子晶体结构两侧的多个微光子晶体结构两者间具有一相位差；该相位差光子晶体结构的所提供的该相位差距离是四分之一该激光波长。
于一实施例中，于该半导体堆叠结构的该顶面是包含多个呈阵列排列且独立存在的该出光面，该光子晶体层于每一个该出光面处无论是于该第一水平方向或该第二水平方向上都是设置该第二光子晶体区，且该光子晶体层除了多个该出光面之外的其他区域无论是于该第一水平方向或该第二水平方向上都是设置该第一光子晶体区；藉此可在该半导体堆叠结构的该顶面定义出各自独立且呈阵列排列的多个小出光面。
附图说明
图1为一典型的面发射分布反馈激光(surfaceemittingdistributedfeedbacklaser：简称se-dfb激光)剖面示意图。
图2为比较m＝1与m＝2时ratio值(比值)与面内共振腔耦合常数(km)值的关系曲线图。
图3a、图3b及图3c分别为本发明之具混合光栅结构的面发射分布反馈激光元件(surfaceemittingdistributedfeedbacklaser，简称se-dfblaser)的第一实施例的立体示意图、剖面示意图与光栅层俯视示意图。
图4为典型的边射型dfb激光元件的光栅层示意图。
图5a至图5d所示分别为以l2长度变化从0μm、50μm、100μm到150μm共四种结构变化来模拟本发明第一实施例的激光元件所得到的激光引导模式沿脊的强度分布曲线图；其中，l2为第二光栅区的长度。
图6a至图6d所示分别为以l2长度变化从0μm、50μm、100μm到150μm共四种结构变化来模拟本发明第一实施例的激光元件所得到的归一化增益(g*l)和失谐关系(δl)关系曲线图。
图7为以l2长度变化从0μm、50μm、100μm到150μm共四种结构变化来模拟本发明第一实施例的激光元件所得到的临界增益(thresholdgain)与不同l2长度之间的关系曲线图。
图8及图9分别为本发明之面发射激光元件的第二实施例的立体示意图与光栅层俯视示意图。
图10为本发明之具混合光栅(或光子晶体)结构的面发射激光元件的第三实施例的光栅(或光子晶体)层俯视示意图。
图11为本发明之具混合光栅(或光子晶体)结构的面发射激光元件的第四实施例的光栅层俯视示意图。
图12a与图12b分别为传统纯第一阶光栅结构的分布反馈激光元件与本发明具第一阶与第二阶混合光栅结构的面发射激光元件的微光栅结构示意图。
图13a至图13c分别为本发明之具混合光栅结构的面发射激光元件的制法的数个步骤的示意图。
图14为本发明之具混合光栅结构的面发射激光元件的第五实施例的立体示意图。
附图标记列表：
10～基板11～下披覆层
12～下光局限层13～主动层
14～上光局限层
16～光栅层162～第一光栅区
163～第二光栅区164～相位差光栅结构
17～上披覆层18～接触层
191、192～金属层21～出光面
具体实施方式
为了能更清楚地描述本发明所提出之具混合光栅结构的面发射激光元件及
制法，以下将配合图式详细说明之。
请参阅图3a、图3b及图3c，分别为本发明之具混合光栅结构的面发射分布反馈激光元件(surfaceemittingdistributedfeedbacklaser，简称se-dfblaser)的第一实施例的立体示意图、剖面示意图与光栅层俯视示意图。如图3a、图3b及图3c所示，于本第一实施例中，本发明的面发射分布反馈(se-dfb)激光元件于结构上大致可被区分为包括：一半导体堆叠结构、一光栅层(grating)16、以及两金属层191、192。其中，该半导体堆叠结构可在接受一预定电流时产生激光波长为λ的激光，并使该激光自该半导体堆叠结构的一出光面21垂直向上射出，且该出光面21是位于该半导体堆叠结构的一顶面，所以是符合一般面发射激光二极体元件的结构。该光栅层16是位于该半导体堆叠结构上，且该光栅层16具有包括沿着至少一第一水平方向分布排列的多个微光栅结构。
于本实施例中，该半导体堆叠结构包括了：一半导体基板10、一下披覆层11(claddinglayer)位于该半导体基板10上、一下光局限层12(separatedconfinementhetero-structure；简称sch)位于该下披覆层11上、一主动层13(activeregionlayer)位于该下光局限层12上、一上光局限层14位于该主动层13上、及一间隔层(spacer；图中未示)位于该上光局限层14上。其中，该光栅层16是位于该间隔层上；并且，半导体堆叠结构更包括有：一上披覆层17位于该光栅层16上、以及一接触层18(contact)位于该上披覆层17上。上金属层192是位于该接触层18上方，下金属层191是位于基板10下方。
一般分布反馈激光二极体元件的操作原理，电子与电洞等载子会注入到主动层，被载子屏障(barrier)所局限在量子井(quantumwell)复合发光产生材料增益。局限原理为屏障层比量子井层有较高的材料能隙，因此在量子井会形成较低的量子能阶，一旦捕捉载子后即使其不易逃脱。而激光场则被上、下披覆层局限在上、下sch层与主动层所构成的一矩形狭长共振腔中。局限原理为上、下披覆层有比上、下sch层与主动层较低的光折射率系数n值(lowrefractiveindex)，光场会藉由全反射的原理在n值比较高的材料中形成模态并进行传播。光场与主动层的量子井耦合的程度决定了模态增益(modalgain)，模态增益越高则越容易克服光学损耗(opticalloss)而达到激光化(lasing)，也越容易降低产生激光的门槛电流值(或称为抽运阈值电流；thresholdcurrent)。
于本发明的一实施例中，该半导体基板10可以是一磷化铟(inp)基板，并在该inp基板10上以磊晶制程由下而上依序形成该下披覆层11、该下光局限层12、该主动层13、该上光局限层14、以及该上披覆层17。其中，该inp基板10、该下披覆层11、该下光局限层12都具有n型掺杂(n-typeddoping)。该上披覆层17及该接触层18都具有p型掺杂(p-typeddoping)。该下披覆层11与该上披覆层17的材料为inp。该主动层13的材料可以是in1-x-yalxgayas，其中，x及y为介于0与1之间的实数。该接触层18的材料可以是ingaas。该下光局限层12及该上光局限层14的材料可以是in1-zalzas，其中，z为介于0与1之间的实数。由于此所述之本发明的半导体堆叠结构中各层的材质组成、结构厚度、掺杂浓度等参数，可以自一般习知分布反馈激光的已知参数中选用，且非本发明的技术特征，所以不赘述其细节，且本发明之半导体堆叠结构中各层的材质组成、结构厚度、掺杂浓度等参数也不局限于此段落所述的实施例。
于本实施例中，本发明的光栅层16是位于该半导体堆叠结构的该上披覆层17中，该光栅层16具有包括沿着至少第一水平方向排列的多个微光栅结构。该光栅层16至少在该第一水平方向上被区分为包括：至少一第一光栅区162及至少一第二光栅区163，于各该第一光栅区162及该第二光栅区163内分别包含多个该微光栅结构。其中，该第一光栅区162内的多个该微光栅结构的光栅周期是符合以下数学式：
于本实施例中，于该光栅层16中更包含一相位差光栅结构164。该相位差光栅结构164是位于该第二光栅区163内于该第一水平方向上的中间处附近，且该相位差光栅结构164的宽度可提供一相位差距离，使得在该第一水平方向上位于该相位差光栅结构164两侧的多个微光栅结构两者间具有一相位差；该相位差光栅结构164的所提供的该相位差距离是四分之一该激光波长(亦即λ/4-shift)。藉由在第二阶光栅结构区域的中央设置λ/4-shift的相位差光栅结构，使本发明激光元件的的激光场能够模态稳定与提升出光耦光效率。并且，该第二光栅区163的数量为一个且是位于该光栅层16在该第一水平方向上的一中间区域，使得该第一光栅区162实质上是被位于中间的该第二光栅区163在该第一水平方向上分隔成左、右两部分。其中，该第二光栅区163于该第一水平方向上的宽度是介于六分之一至二分之一的该光栅层16的总宽度；该第一光栅区162被分隔的该左、右两部分的宽度大致上相等。藉此，本发明的面发射激光元件整合了第一阶与第二阶之光栅结构在同一光栅层16中。利用低损耗的第一阶光栅结构设计来充当高效率的反射反馈(feedback)区放置在激光端面，只有在接近中间激光面出光区才使用第二阶光栅结构设计。如此，才能够在追求高斜率效率(slopeefficiency)(意味这较大的第二阶光栅结构区域)与低临界电流值ith(意味这较小的第二阶光栅结构区域)之间取得想要的平衡。
以如图4所示的典型的边射型dfb激光元件为例，采用转移矩阵(transfermatrix)的方法(参考书籍:半导体雷射技术，卢廷昌王兴宗著，五南出版社)，其相关数学运算式包括：
激光元件的总长度l＝l1+l2＝250μm。其中，l为激光元件于第一水平方向上的总长度，l2是位于中间第二阶光栅结构区的长度，l1是位于l2左右两旁侧的两第一阶光栅结构区的长度总和。以l2长度变化从0μm、50μm、100μm到150μm共四种结构变化来分别进行模拟。第一阶光栅结构区的耦合常数(couplingconstant)k1为12cm-1，第二阶光栅结构区的耦合常数(couplingconstant)k2为5cm-1。激光元件前后端面为抗反射(anti-reflection；简称ar)设计其反射率为0.1％。模拟所得到的激光引导模式沿脊的强度分布曲线图如图5a至图5d所示(r2->(rightpropagation)+s2<-(leftpropagation))；其中，于曲线图中，x轴为l(纵向归一化位置longitudinalnormalizedposition)，y轴为|e|2(任意单位arb.unit)；l2为第二阶光栅结构区的长度。模拟所得到的归一化增益(g*l)和失谐关系(δl)关系曲线图则如图6a至图6d所示。模拟所得到的临界增益(thresholdgain)与不同l2长度之间的关系曲线图如图7所示。由前述图5a至图5d、图6a至图6d与图7内容可知，通常l2区域(第二阶光栅结构区)越大则出光效率越高，且由图7可知当l2区域(第二阶光栅结构区)越大时ith(临界电流)也越高。因此，藉由上述设计，可以在低临界值与高输出功率之间进行取舍，进而经由调整l2区域(第二阶光栅结构区)的适当长度比例来达到想要的值，例如但不局限于：当该l2区域(第二阶光栅结构区)于该第一水平方向上的宽度l2是介于1/6至1/2的该光栅层的总宽度l时可以获得在高斜率效率(slopeefficiency)与低临界电流值ith两者间的最佳平衡，而这点是习知技术(纯第二阶光栅结构之dfb激光元件)较难达成的事。
同样的概念从一维的光栅结构可以转换到二维的光子晶体面发射激光器(photoniccrystalsurfaceemittinglaser；简称pcsel)。在激光元件的四周布署第一阶的光子晶体(photoniccrystal)，只有在中间出光处布署第二阶的光子晶体，并适当的引入相位差结构来操作模态。也有可能同时布署数个出光处(亦即，只在出光处布署第二阶光子晶体)达到类似多光源二维阵列相位锁(2darrayphaselock)的效果。
由于以下所述本发明的其他实施例中，大部分元件的结构或功能都和前述实施例相同或类似，所以，相同或类似的元件将直接给予相同的名称与编号，且不再赘述其细节。
请参阅图8及图9，分别为本发明之面发射激光元件的第二实施例的立体示意图与光栅层俯视示意图。于第二实施例中，面发射激光元件可以是面发射dfb激光元件或是光子晶体面发射激光元件(pcsel)，其结构上大致包括一半导体堆叠结构以及位于该半导体堆叠结构上的一光栅层16(或光子晶体层)。该半导体堆叠结构可在接受一预定电流时产生激光波长为λ的激光，并使该激光自该半导体堆叠结构顶面的一出光面21垂直向上射出。该半导体堆叠结构由下向上依序包括了：一半导体基板10、一下披覆层11、一下光局限层(sch)12、一主动层13、一上光局限层14、该光栅层16(或光子晶体层)、一上披覆层17、一接触层(本图未示)、以及金属层(本图未示)等。
于本实施例中，该光栅层16(或光子晶体层)不仅具有沿着至少一第一水平方向分布排列的多个微光栅(或光子晶体)结构，并且，该光栅层16(或光子晶体层)在沿着一第二水平方向上也具有多个该微光栅(或光子晶体)结构。该第二水平方向与该第一水平方向垂直，且该第二水平方向与该第一水平方向都和激光的出射方向垂直。该光栅层16(或光子晶体层)在该第一水平方向上被区分为包括：至少一第一光栅(或光子晶体)区162及至少一第二光栅(或光子晶体)区163，于各该第一光栅(或光子晶体)区162及该第二光栅(或光子晶体)区163内分别包含多个该微光栅(或微光子晶体)结构。并且，该光栅层16(或光子晶体层)在该第二水平方向上也同样被区分为包括：至少一第一光栅(或光子晶体)区162及至少一第二光栅(或光子晶体)区163，于各该第一光栅(或光子晶体)区162及该第二光栅(或光子晶体)区163内同样分别包含多个该微光栅(或微光子晶体)结构。其中，无论是在第一水平方向或是在第二水平方向，该第一光栅(或光子晶体)区162内的多个该微光栅(或微光子晶体)结构的光栅(或光子晶体)周期都是符合以下数学式：
此外，于本实施例中，该第二光栅(或光子晶体)区163是位于该光栅(或光子晶体)层16在该第一水平方向与该第二水平方向上的一中间区域。换句话说，当由垂直于该半导体堆叠结构的该顶面方向观之时，该第二光栅(或光子晶体)区163是位在该半导体堆叠结构的该顶面的一中央区域，且该第一光栅(或光子晶体)区162实质上是环绕位该第二光栅(或光子晶体)区163的外周围区域。其中，该第二光栅(或光子晶体)区163于该第一水平方向及该第二水平方向上的宽度分别都是介于六分之一至二分之一的该光栅(或光子晶体)层16于该第一水平方向及该第二水平方向上的总宽度。
请参阅图10，为本发明之具混合光栅(或光子晶体)结构的面发射激光元件的第三实施例的光栅(或光子晶体)层俯视示意图。本第三实施例的激光元件结构大部分都和图8与图9所示之第二实施例相同，其唯一的不同点在于，于图10所示的第三实施例中，于该光栅(或光子晶体)层中包含两相位差光栅(或光子晶体)结构164。其中之一相位差光栅(或光子晶体)结构164是位于该第二光栅(或光子晶体)区163内于该第一水平方向上的中间处附近、另一该相位差光栅(或光子晶体)结构164则是位于该第二光栅(或光子晶体)区163内于该第二水平方向上的中间处附近。该相位差光栅(或光子晶体)结构164的宽度可提供一相位差距离，使得分别在该第一水平方向与该第二水平方向上位于该相位差光栅(或光子晶体)结构164两侧的多个微光栅(或微光子晶体)结构两者间具有一相位差。于本实施例中，该相位差光栅(或光子晶体)结构164的所提供的该相位差距离是四分之一该激光波长。
请参阅图11，为本发明之具混合光栅(或光子晶体)结构的面发射激光元件的第四实施例的光栅层俯视示意图。本第四实施例的激光元件结构大部分都和图8与图9所示之第二实施例相同，其唯一的不同点在于，于图11所示的第四实施例中，于该半导体堆叠结构的该顶面是包含多个呈阵列排列且独立存在的该出光面21，该光栅(或光子晶体)层于每一个该出光面21处无论是于该第一水平方向或该第二水平方向上都是设置该第二光栅(或光子晶体)区163，且该光栅(或光子晶体)层除了多个该出光面21之外的其他区域无论是于该第一水平方向或该第二水平方向上都是设置该第一光栅(或光子晶体)区162；藉此可在该半导体堆叠结构的该顶面定义出各自独立且呈阵列排列的多个小出光面21，达到类似多数激光小光源阵列的发光效果。
请参阅图12a与图12b，分别为传统纯第一阶光栅结构的分布反馈激光元件与本发明具第一阶与第二阶混合光栅结构的面发射激光元件的微光栅结构示意图。如图12b所示，本发明具第一阶与第二阶混合光栅结构的面发射激光元件的设计特征就是能将第一阶光栅结构与第二阶光栅结构的区域162、163无缝的整合在一起，并在中间出光的区域(出光面21)引入相位差光栅结构164。整合的手法可以从第一阶光栅结构出发，在特定的区域去除掉奇数或偶数的光栅以形成周期为两倍的第二阶光栅结构的区域。以此相同概念更可以发展在二维的光子晶体面发射激光器(photoniccrystalsurfaceemittinglaser；简称pcsel)上，外缘是第一阶的光子晶体(photoniccrystal)能自由安排内部区域第二阶光子晶体的出光位置。
请参阅图13a至图13c，分别为本发明之具混合光栅结构的面发射激光元件的制法的数个步骤的示意图。本发明具混合光栅结构的面发射激光元件的制法的一较佳实施例可包括下列步骤：
步骤(a)：如图13a所示，藉由有机金属化学气相沈积法(mocvd)或其他习知的半导体磊晶制程，于一半导体基板上依序形成一半导体堆叠结构、一光栅层16、以及一保护层。该半导体堆叠结构可在接受一电流时产生具有一激光波长的一激光，并使该激光自该半导体堆叠结构的一出光面射出，且该出光面是位于该半导体堆叠结构的一顶面。该半导体堆叠结构由下而上依序包括了：该半导体基板10、一下披覆层11、一下光局限层12、一主动层13、一上光局限层14、以及一间隔层。
步骤(b)：如图13b所示，藉由电子束列印(e-beamwriter)及纳米压印(nanoimprint)制程，将该半导体堆叠结上的该光栅层16进行加工以形成具有包括沿着至少一第一水平方向排列的多个微光栅结构。其中，该光栅层至少在该第一水平方向上被区分为包括：位于两旁侧的至少一第一光栅区162及位于中间区域的至少一第二光栅区163，于各该第一光栅区162及该第二光栅区163内分别包含多个该微光栅结构。并且，于第二光栅区163的中央处附近设置一相位差光栅结构164。其中，该第一光栅区162内的多个该微光栅结构的光栅周期是符合以下数学式：
步骤(c)：如图13c所示，藉由习知的半导体磊晶制程及黄光制程，于该光栅层16上形成一上披覆层17及一接触层18，位于该光栅层16的上方。
请参阅图14，为本发明之面发射激光元件的第五实施例的立体示意图。本第五实施例的激光元件结构大部分都和图3a所示之第一实施例相同，其唯一的不同点在于，于图14所示的第五实施例中，光栅(或光子晶体)层16是位于下批覆层11内，以构成p面朝下(p-sidedown)的面发射激光元件。
唯以上所述之实施例不应用于限制本发明之可应用范围，本发明之保护范围应以本发明之申请专利范围内容所界定技术精神及其均等变化所含括之范围为主者。即大凡依本发明申请专利范围所做之均等变化及修饰，仍将不失本发明之要义所在，亦不脱离本发明之精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。
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