TW200803094A - Vertical-cavity surface-emitting laser with stable polarization, and fabrication method thereof - Google Patents

Description

AOC-06-09-TW 200803094 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種穩定極化的垂直腔面射型雷射，尤指 一種在第二鏡面結構上，加入一個雜質誘發混亂層所形成之 非對稱發光窗口，來達到破壞雷射共振腔之兩軸向的對稱性， 進而控制極化（Polarization-lock)。 【先前技術】 按，第一圖所示係習用一種典型之垂直腔面射型雷射 (VCSEL)之截面剖示圖，該VCSEL(IO)主要包括有：一 η-摻雜 之砷化鎵（GaAs)基材（11)，一 η-摻雜之第一鏡面結構（12)係 形成在GaAs基材（11)上；一下彼覆層（13)係沈積在該第一鏡 面結構（12)上；一主動層（14)係形成在下彼覆層（13)上；一上 彼覆層（15)係形成在主動層（14)上；一第二鏡面結構（16)係 形成在上彼覆層（15)上，該第二鏡面結構（16)上形成一 p型 電極（17)，而基材（11)底面則形成一 η型電極（18)。 仍請參閱第一圖所示，該下披覆層（13)與上彼覆層（15) 使該第一及第二鏡面結構（12)、（16)分開，因此形成光腔。當 光腔在特定波長共振時，會控制鏡面分離，使其在預定波長 下共振，至少部分之第二鏡面結構（16)包含提供電流侷限區 (19)，侷限區（19)通常藉由將質子佈植在第二鏡面結構（16) 中而形成，或藉由氧化物層而形成，或是電流侷限區（19)界定 出導電環狀中心開口（D)，因此中心開口（D)形成通過電流通 過電流侷限區（19)至主動層（14)之導電路徑。操作時，外加偏 壓使電流（20)由ρ型電極（17)流向η型電極（18)，電流侷限區 -5 -

200803094 AOC-06-09-TW (19)限制該電流，形成電流（20)之部分電子在主動層（14)中 轉化成光子。此等光子束在第一鏡面結構（12)及第二鏡面結 構（16)間來回（共振），部分光子以光（21)通過p型電極（17)之 穿孔（d)而離開垂直腔面射型雷射（1〇)表面。然查，一般垂直 腔面射型雷射在製程上都是使用圓形或方形的形狀，因此形 成兩晶軸的對稱，以致造成極化特性的不穩定，為其缺失。 次按，垂直腔面射型雷射由於具有低臨界電流（L〇w Threshold Current)、光束成圓對稱、發散角小、適合作二維 陣列、製作容易等優點，近年來已經成為受矚目的光源。現 / ' 有的面射型雷射已經成功的應用在光通訊的收發模組 (transceiver)，但是在光通訊上的應用主要是用多模態 (multiple mode)面射型雷射，在300-500公尺的短距離傳輸； 而單4頁模腔面射型雷射（Single Transverse Mode VCSEL)，除 了可以應用在短程的光通訊系統中之外，更可用在光儲存， 雷射印刷和光電滑鼠等内部的傳感器上。但是在這些應用 上，為盤體（disc)或者鼓體（drum)提供電射功率的光學元件 有一定程度的極化敏感性（p〇larizati〇n sensitivity)。當該光 線的極化（或稱偏振）飄移（drift)時，該飄移將被轉變成有害 的輸出功率波動。基於上述原因，這種應用中的光源必須具 有穩定的固定極化，同時，對於生產出的每一個雷射，該極化 的方向必須相同。 然而，相對於入射的電流和操作溫度，該類型的極化是 不穩定的。兩種退化的直角極化狀態和基本的模式一起經 ¥在臨近區域附近和臨界點之上被觀察到。隨著入射電流 的增加，將傾向於射出一種和基本的極化相垂直，帶有極化 -6-

AOC-06-09-TW 200803094 〔：更鬲級模式的橫模。由於缺乏對極化狀態的選擇，隨 著電抓的i曰加，將出現不穩定的極化接通，其導致過多的雜 afl並增加位元的錯誤，因此，在寬廣的電流範圍内穩定的極 化對低雜訊的應用非常必要。 一對於單模態垂直腔面射型雷射極化特性的控制，目前已 經進行了若干的嘗試。在美國專利No.5995531中，使用垂直 腔面射型雷射組成材料的原子，分子或者電子結構中的各向 ' ，t &各向異性的結構配置，產生各向異性的特性，提供 垂直腔面射型雷射特性處理的偏置排列，或者在垂直腔面射 型雷射内部形成各向異性的結構，從而對射出的光束的極化 進行控制。在於1999年u月3〇日授予Gawetal的美國專 利No.5995531中也透露了使用橢圓形的，頂部區域互相交 又的鏡子來形成一種突起，該突起被姓刻入一離子植入區域 以形成一種拉長的形狀，極化的光線從該元件中射出。眾所 周知，在先前的設計類型中，通過在尾部射出的雷射上使用 矩形的空氣加速結構，不對稱的氧化物小孔和一個橢圓孔對 極化進行控制。在於2000年n月28日授予心也匕鄕的 美國專利Ν〇·5995531中透露的垂直腔面射型雷射，通過對 頂部鏡子的交又區域尺寸進行限制對極化方向進行控制，使 得鏡子提供的光波引導中只有一種單基本橫模。研製一種 不圓的或者橢圓型的元件對極化進行控制。 上述提到的所有元件都透過底層進行蝕刻，導致這些元 件表面被破壞，並非平面製程。這在很大程度上增加了加工 的複雜程度並影響元件的散熱性能。如果在一塊非單片電 路的元件上的安裝的部件上加上一個外部的應力，將導致不 -7-

200803094 AOC-06-09-TW 統一性和可靠性的問題。 【發明内容】 U +本發明主要目的，其係提供_種穩定極化的垂直腔面射 ”利用雜貝·誘發混亂層（lmpUrity_indUCed

Diddering Layer)所形成的非對稱發光窗口來改變雷射兩 個:軸方向光#失的差異性，進而控制極化特性，因為此方 ’夬疋平面製程，因此具有製程容易，均勻性高，良率冑，和散熱 性佳等優點。 為達上述目的，本發明所採取之技術手段包含： a) ·提供一基材，其底面形成一第一型電極； b) ·在該基材上表面形成一第一鏡面結構； 〇·在該第一鏡面結構上形成一下披覆層； 句·在"亥下彼覆層上形成一主動層（Active Layer); e) ·在該主動層上形成一上披覆層； f) .在泫上披覆層上形成一第二鏡面結構，並在此一結構 中形成電流侷限區； g) ·在該第二鏡面結構上表面形成一第二型電極，且該 第二電極包含形成供雷射光射出之穿孔；以及 h) .在該第二鏡面結構上，加入一個雜質誘發混亂層所 形成之非對稱發光窗口，來達到破壞雷射共振腔之兩軸向的 對稱性，進而控制極化者。 依據前揭特徵，本發明進一步引入Zn擴散製程來定義 一種在垂直腔面射型雷射結構中的矩形光學小孔和一種由 離子佈植流程定義的，各向同性的主動層（Is〇tr〇pic Active Layer)。大小比率小於6um:4um的該製造的單模元件可以 -8-

200803094 AOC-06-09-TW 沿者小孔的長邊方向高度穩定的被極化，消失比大於 i 5db。本發明中所涉及的結構係提供了 —種離散⑼似你) 和OEIC’s應用中合適的光源的靈活製造方法。 【實施方式】 首先，請«第二三圖料，其係本發明触實施例的 面射型雷射的截面剖示圖，其相同於第一圖習用面射型雷射 (10)之結構者’以相同圖號表示，由第二、三圖中顯示本發明 面射型雷射（100)其製程及主要結構包含下列步驟： a) .提供-基材⑴），其可為n_摻雜之珅化鎵(GaAs)或碟 化銦（InP)，但不限定於此，其底面形成一第一㉟電極〇8)，例 如為η型電極； b) .在該基材（11)上形成一第一鏡面結構（12)，其可由分 散式布拉格反射鏡（DBR)依需求堆疊所構成，主要是由 GaAs/AlAUnGaAsP/InP等許多對不同成分的交替晶層所 組成，每個交替晶層是四分之一雷射波長厚度，而且交替晶 層的對數必須設計足夠多，以產生足夠之反射率· c) .在該第一鏡面結構（12)上形成一下披覆層（13); d) .在邊下彼覆層（13)上形成一主動層（14)，其可為單一 晶層或多重量子井結構的發光活性層； e) .在该主動層（14)上形成一上披覆層（15); f) ·在忒上披覆層（15)上形成一第二鏡面結構（丨6)，其可 由DBR所組成，並在此一結構中形成電流侷限區（19);該電 流侷限區（19)包含以離子佈植及水氣氧化法其中任一所製 成，其中該離子佈植之離子包含H+、He+及〇。 g) .在3亥弟一鏡面結構（16)上表面形成一第二型電極 -9-

AOC-06-09-TW AOC-06-09-TW200803094 (17)，例如為p型電極，且該第二電極（17)包含形成供雷射光 射出之穿孔（d)。 至此，一典型之面射型雷射大致完成，惟此係一般習知 技術（Prior Art)，非本發明之主要專利標的，故其細部製程及 材料，容不贅述。 而，本發明之主要特徵，係在該第二鏡面結構（16)上，加 入一個雜質誘發混亂層（Impurity-induced Disordering Layer)(30)所形成的非對稱發光窗口（3 1)，來改變雷射兩個 晶軸方向光損失的差異性，進而控制極化特性。第二圖所示 係該非對稱發光窗口（3 1)之短邊（A)，而第三圖所示，係該非 對稱發光窗口（31)之長邊（B);至於該非對稱窗口（31)之實施 樣態，揭示於第六圖〜第八圖中，容後再述。 請參閱第四、五圖所示，其分別顯示本發明實驗之結果， 即反射率隨鋅（Zn)擴散深度所造成影響之曲線圖，及臨界增 益隨鋅擴散所造成影響之曲線圖。如第四圖所示，當鋅隨時 間增長深入雷射結構，會破壞鏡面結構，造成反射率下降，導 致雷射共振腔的臨界增益（Threshold)增加；如第五圖所示， 當Zn diffsuion的深度到0.5um時，其臨界增益是未經過Zn diffsuion的四倍，因此能有效的增加共振腔的臨界增益，所 以可以輕易的藉由製程參數的設計來控制極化。 前述雜質誘發混亂層（30)中之雜質包括原子及化合物 其中任一所構成。其中該原子包括鋅（Zn)、鎂（Mg)、鈹(Be)、 锶（Sr)、鋇（Ba)、矽（Si)及鍺（Ge)。又該化合物包括氧化鋅 (ZnO)及砷化鋅（Zn3As2)。 又，前揭形成之非對稱發光窗口（31)不限定以雜質誘發 -10-

200803094 AOC-06-09-TW 混亂層來形成，其亦可包括採用外部植人高濃度的雜質所製 成。 請參閱第六圖⑷、（b)所示，其係揭示本發明固定離子佈 植之電流侷限區（19)的中心開口⑼為圓形，或是為方形（圖 未不），而改變雜質誘發混亂層（3〇)所形成的非對發光窗口 (31)為第六圖⑷所示之長‘方形，或是第六圖⑻所示之擴圓形 如對照第二、三圖所示，可以清楚得知，(A)表示該非對稱窗 口（31)之短邊，而（B)表示其長邊。 同理，該離子佈植的形狀和雜質誘發混亂層所形成的非 對稱發光窗口（31)的形狀可均為第七圖⑷所示之長方形，或 第七圖（b)所示之橢圓形。藉此，破壞雷射共振腔中兩晶軸的 對稱性，進而控制極化。 第八圖（a)、（b)所示，則是本發明另一實施例，其是在兩 晶軸的任一方向，在雷射共振腔上加入兩個平行的雜質誘發 此亂區所形成之發光窗口丨），藉此破壞雷射共振腔中兩晶 軸的對稱性，進而控制極化。而以上第六圖0)、（b)〜第八圖 (a)、（b)所示都是利用離子佈植所形成之電流侷限區及 其中心開口（D)，因此是屬平面製程，具有大量生產和均勻性 佳的優點。 而，以上的方法也可擴大到vcSEL，如第 九圖所示，其相同於前揭實施例構造者以相同符號表示，其 差異處僅在於該電流侷限區（19，）不是以離子佈植所形成，而 是以氧化區（oxidation Region)所形成之電流絕緣區。此一型 悲之面射型雷射（1〇1)亦可適用於前揭利用雜質誘發混亂層 所形成之非對稱發光窗口（31)，以控制極化者。 -11-

AOC-06-09-TW AOC-06-09-TW200803094 是以，本發明中揭示一種製造單橫膜腔面射型雷射中對 極化狀態進行控制的簡單方法，其使用一種帶有雜質擴散幾 何結構植入的單橫膜VCSEL來控制極化方向，本發明利用 加入一個雜質誘發混亂層（Impurity_induced Disordering Layer)所形成的非對稱發光窗口，此非對稱性窗口會對雷射 共振腔的兩個晶軸方向產生不同程度的光損失（optical loss)，再加上在（001)基板上所磊晶的面射型雷射結構在兩 個晶軸上些微的材料增益（material gain)，如此可以加大兩個 晶軸上的光損失的差異性，因此可產生穩定極化操作的單模 態垂直腔面射型雷射。 综上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、 「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞 局惠賜專利，以勵發明，無任德感。 惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例， 大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效 變化，仍應包括本案申請專利範圍内。 -12-

AOC-06-09-TW AOC-06-09-TW200803094 【圖式簡單說明】 第一圖係習用一種垂直腔面射型雷射(VCSEL)之剖示圖。 第二圖係本發明VCSEL之剖示圖，用以顯示非對稱發 光窗口之短邊（A)。 第三圖係本發明VCSEL之剖示圖，用以顯示非對稱發 光窗口之長邊（B)。 第四圖係顯示反射率隨鋅擴散深度所造成影響之曲線圖。 第五圖係顯示臨界增益隨鋅擴散所造成影響之曲線圖。 第六圖（a)、（b)係顯示非對稱發光窗口之一種形狀示意圖。 第七圖（a)、（b)係顯示非對稱發光窗口之另一種形狀 示意圖。 第八圖（a)、（b)係顯示非對稱發光窗口之又一種形狀 示意圖。 第九圖係本發明另一可行實施例之VCSEL剖示圖。 【主要元件符號說明】 (11) 基材 (12) 第一鏡面結構 (13) 下披覆層 (14) 主動層 (15) 上彼覆層 (16) 第二鏡面結構 (17) 第二電極 (18) 第一電極 (19) 、（19’）電流侷限區 (20) 電流 -13-

AOC-06-09-TW AOC-06-09-TW200803094 (21)光 (30) 雜質誘發混亂區 (31) 非對稱發光窗口 (D)中心開口 (A) 短邊 (B) 長邊 (d)穿孔 (100)、（101)面射型雷射 -14-

Claims (1)

1. AOC-06-09-TW 200803094 十、申請專利範圍： 1 種穩定極化的垂直腔面射型雷射之製法，其步 驟包含有： a) ·提供一基材，其底面形成一第一型電極； b) .在該基材上表面形成—第_鏡面結構； C)·在該第一鏡面結構上形成一下披覆層； 句·在該下披覆層上形成一主動層（八㈨以 e) .在該主動層上形成一上彼覆層； f) .在該上披覆層上形成—第二鏡面結構，並在此一結構 中形成電流侷限區； ★ g)·在該第二鏡面結構上表面形成一第二型電極，且該 第二電極包含形成供雷射光射出之開孔；以及 h).在該第二鏡面結構上，加入一個雜質誘發混亂層所 形成之非對稱發光窗口，來達到破壞雷射共振腔之兩軸向的 對稱性，進而控制極化者。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直腔 面射型雷射之製法，其中，該雜質包括原子及化合物其中任 一所構成。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之穩定極化的垂直腔 面射型雷射之製法，其中，該原子包括辞（Zn)、鎂（Mg)、鈹 (Be)、勰（Sr)、鋇（Ba)、矽（Si)及鍺（Ge)。 -15 - 200803094 AOC-06-09-TW 4 ·如申請專利範圍第2項所述之穩定極化的垂直腔 面射型雷射之製法，其中，該化合物包括氧化辞（ZnO)及砷化 鋅（Zn3As2) 〇 5·如申請專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直腔 面射型雷射之製法，其中，在步驟h)·中所形成之非對稱發光 窗口包含铋用外部植入高濃度的雜質所製成。 6·如申請專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直腔 面射型雷射之製法’其中，該電流侷限區包含以離子佈植（ion implantation)及水氣氧化法其中任一所製成。 7如申巧專利範圍第6項所述之穩定極化的垂直腔 面射型雷射之製法，其中，該離子佈植之離子包含H+、及 8如申明專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直腔

   =51田射之製法，其中，該電流侷限區之形狀為圓形及方 形其中之一所構成，而非對稱發光窗口之形狀為長方形及橢 圓形其中任一所構成。 ^申明專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直腔 f型田射之製法，其中，該電流侷限區及非對稱發光窗口 之形狀均為長方形及均為橢圓形其中任一所構成。 -16 - AOC-06-09-TW 200803094 10·如中請專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直 腔面射型雷射之製法，其中，更包括在兩晶軸的任一方向，在 雷射共振腔上加人兩個平行的㈣料混 對稱發光窗口 此姑撩千^ 稭此破壞霜射共振腔中兩晶軸之對稱性俾 以控制極化。 ’ 汝申明專利範圍第1 〇項所述之穩定極化的垂 直腔面射i雷射之製法，其中，該兩個平行非對稱發光窗口 之形狀為長方形及橢圓形其中任一所構成。 1 2 ·如申請專利範圍第i項所述之穩定極化的垂直 月工面射3L田射之製法，其中，該基材係選自石申化錄（GaAs)及 磷化銦（InP)其中任一所構成。 13·如申請專利範圍第1項所述之穩定極化的垂直 腔面射型雷射之製法，其中，該第一及第二鏡面結構包括由 分散式布拉袼反射鏡(DBR)所構成。 1 4 · 一種穩定極化的垂直腔面射型雷射，包含： 一基材，其底面形成一第一型電極； 一第一鏡面結構，係形成於該基材上表面； 一下披覆層，係形成於該第一鏡面結構； 一主動層（Active Layer)，係形成於該下彼覆層上； 上披覆層，係形成於該主動層上； 一第二鏡面結構，係形成於該上披覆層上，且於此一結 構中形成電流侷限區； -17- 200803094 AOC-06-09-TW 第一型電極，係形成於該第二鏡面結構上，其設有供 雷射光射出之穿孔；以及 .、中，w亥第一鏡面結構上，更具備一個非對稱發光窗口。 1 5 ·如申請專利範圍第i 4項所述之穩定極化的垂 直腔面射型雷射，其中，該非對稱發光窗口包括由雜質誘發 混亂層所構成。 16如申請專利範圍第14項所述之穩定極化的垂 直腔面射型雷j|+ # + 一 田射，其中，该非對稱發光窗口包括由外部植入 南濃度雜質所構成。 \ / -18 -