TW200814348A - Laser diode with extra optical confinement layers - Google Patents

Description

200814348 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一種用 本發明是有關於一種固態發光元件，特別是指 於光通信的雷射二極體。 【先前技術】 用於光通信的傳輸光源可分為DFB雷射二極體（ Distdbuted-feedback LD)與 Fp 雷射二極體二種其中， DFB雷射二極體是利用光柵技術於光腔中選定特定波長共 振’為單-縱向模態的發光’主要應用在高迷與長距離^ 傳輸應用，但是其製程較為複雜、價格較為高昂；*沖雷 射二極體為多縱模發光’因為有較大的輸出光譜線寬=

UneWidth)’㈣除了主要發光波長之外，還伴隨著強度較 弱的其他波長，也因此在傳輸中會具有較大的色散現象產 生，而適用於短距離與低速的傳輪應用，㈣其製作成本 較低、價格相對較低廉，因此廣泛的被應用在區域網路傳 輸中。 ’ 參閱圖卜傳統的雷射二極體1;|脊狀波導的結構形式 ，包含-層基材11、-層形成在該層基材U上的光褐限結 構2，及兩片用以提供電能的電極12。 忒基材11經過施體（doner)摻雜而可導電。 該光偈限結構2具有—層與該層基材11連接而使其他 層體易於蟲晶成長的緩衝層21 (buffer 一…、一層自該層 緩衝層2i向上蟲日日日形成的^批覆層22 (η·—㈣二 )、一層形成在該層n型批覆層22上的下侷限層23、一層 200814348 开> 成在该下侷限層23上的主動層單元24、一層形成在談主 動層單元24上的上侷限層25、一層形成在該上侷限層25 上且包括一中央區261與一將該中央區261環圍其中之外 圍區262的蝕刻停止層26 ( etching-stop iaye:r)，及一層自 該中央區261向上形成的p型批覆層27 (卜cladding iayer) ο

該同時配合參閱圖2、圖3，蝕刻停止層26主要在製 程中用跟絕蝕刻過程的繼續以成形出預冑態樣的層體， 進而使該雷射二極H 1 I脊狀波導的結構形式；上、下侷 限層25、23配合該η、ρ型批覆層22、27’並呈脊狀導的 結構形式而成折射率漸變分限異質結構（graded index separate confinement hetero-structure ； GRINSCH) M U 為侷限載子（carrier)與光場（〇ptical field)

"…六球丞柯及該P型批覆層27相 連接並形成歐姆接觸，而可用以對^ 電能，而供注入該層主動層單元24 主動層單元24形成-具有大能隙且折射率小的波導區，作 而可用以對該層主動層單元24提供

6 200814348 /卉犧牲載子注入主動層單元24的:·效益，因此需要較大的 臣品界電流值提供較多的載子密度才能導致居量反轉（ Population inversi〇n)形成雷射，特別是載子注入主動層單 元24時較易隨溫度上升發生溢流（〇verfi〇w )現象而會降 低載子於主動層單元24的復合效率。 除此之外，由於雷射二極體i的光侷限結構，是採用 折射率漸變分限異質結構來形成光場的侷限，因此並無法 有效縮小雷射光場分佈的面積，這也使得傳統的雷射二極 體1並無法到達l〇Gb/s的操作速率。 而為了配合現今光纖網路頻寬的需求，須將區域的低 速光纖網路與長距離的光纖高速傳輸網路做一連接一利用

電子式色散補償（Electronic Dispersi〇n Compensation ; EDC )技術作為訊號色散補償，是最受矚目的技術之一，但在 此技術的實施下，必須需要能直接做高速調變的雷射光源 ’因此’假若能將傳統較低廉的雷射二極體1的操作速率 進一步的提升到lOGb/s，則將非常適用於這樣的傳輸應用 之中，而有助於技術的發展。 【發明内容】 本發明之目的，即在提供一操作速率能達1〇Gb/see以 上且適用光通信之電子式色散補償技術的雷射二極體。 於疋’本發明具有特殊光侷限結構的雷射二極體，包 含一層基材、一層特殊光侷限結構，及兩片電極。 該特殊光侷限結構形成在該基材上，並具有一層與該 基材連接的第一型批覆層、一層形成在該第一型批覆層上 7 200814348 白勺下偈限单元、、一 @ JI4 L> v T侷限單元上且具有多重量 一 μ &子的絲層單元、—層形成在該主動層單 限單元，及一層形成在該上飼限單元上的第二 支批"層’該下揭限單元包括-層由具有高折射率係數的 材料構成且與該第一枣拙F思4 默的 4錄覆層連接的下光侷 限單元包括一 Μ呈古一 士 士广t n θ，、有中央區與-環圍該中央區的蝕刻停 由曰’及-層由具有高折射率係數的材料構成且形成在該 中央區上的上光揭限層，該第二型批覆層對應連接在上光 揭限層上使該雷射二極體呈脊狀波導的結構，且該上、下 光侷限層褐限水平方向光場，並補償垂直方向的光場偏移 0 片電極分別與該第一、二型批覆層形成歐姆接觸 ，用以對該主動層提供電能。 本發明的功效在於採用载子抑制層降低载子的溢流現 象’並利用由高折射係數材料構成之上、下光侷限層減少 光場的分佈面積’藉此提高元件的高頻特性響應，進而提 幵元件細作速率至l〇Gb/sec以上〇 【貫施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 參閱圖4,本發明一種具有特殊光侷限結構的雷射二極 8 200814348 體3 一較佳實施例，屬脊狀波導的結構形式，包含一層基材 31、一層形成在該層基材31上的特殊光褐限結構4，及兩片 該層基材31經過施體摻雜而可導電，在本例中是以填 化銦（InP)為材料構成的基板（substrate)。

該特殊光揭限結構4以金屬有機氣相化學沉積技術（ m〇CVD)自該層基材31向上蟲晶形成，具有—層與該層基 材31連接而使後續層體易於蠢晶成長的緩衝層41、一層自 »亥層緩衝層41向上磊晶形成的第一型批覆層42、一層形成 在該層第-型批覆層42上的下侷限單元43、_層形^在該 下揭限早兀43上的主動層單元44、—層形成在該主動層單 兀:4上的上侷限單元45，及一層形成在該上侷限單元45上 的，二型批覆層46，其中，該第一、二型批覆層42、46分 別是以經過換雜的麟化錮（Inp)構成的η、p型批覆層（ n/p-cladding layer )。 孩層主動層單元44以砷化鋁鎵銦（A1GaInAs)構成， 具有由數個壓縮型應力量子井441與伸張型應力障壁M2組 成的多重量子井而可產生光子，該產生的光場再經由該上、 下侷限單元45、43產生最佳的侷限效果。 、该下侷限單元43包括一層與該第一型批覆層42上界面 連接的的下光偈限層431，及_層形成在該下光侷限層 上並m動層單兀44下界面連接的載子抑制層纽。 该上偈限單元45包括一層與該主動層單元44上界面連 接的載子抑制層451、—層形成在該載子抑㈣451上且具 200814348 有一中央區4521與一將該中央區4521環圍其中之外圍區 4522的蝕刻停止層452，及一層自該中央區4521向上形成 的上光侷限層453。

該上、下光偈限| 453、431分別是以具有高折射係數 的填化銦鎵石申（InGaAsP)構《，厚度介於〇〇5〜〇•一，且 能隙介於G.9eV〜1.3eV，而可㈣水平方向的光場，並可因 〜餘削了止層452在製程中阻絕触刻過程的繼續，而使上光 侷限層453與第二型批覆層46成形出預定態樣，進而使該 雷射二極體3呈脊狀波導的結構形式，而以上、下光倡限層 453、431補償垂直方向光場的偏移。 該二層载子抑制層432、451分別以純”（w^成’厚度介於㈣以防止载子溢流，降低 田射-極體3在高溫操作時的臨限電流值，並提昇電子—電 洞的復合率以增加雷射二極體3的共振頻率。 ^片電極32分別與該基材31及該特殊絲限結構4。-型批覆層46相連接並形成歐姆接觸，用以對該主 動層早元44提供電能，以注入載子。 由雷射共振頻率與關係式可知 fr

vgT d 2π

Ith 其中’ ^ g是光傳播速率 Γ是整體雷射三極體3料限因子 dg/dn是微分增益值 Nw是量子井441數目 10 200814348 441厚度 dw是單一量子井 的寬度）

Wact是主動層單元44厚度（在此為脊狀波導結構 L是光腔的長度 光侷限層453因為具有高折射率值，因此可提升對應於 中央區4521與外圍區4522結構的折射率差值而形成較大的 水平光場的侷限’同時，下光侷限層431可針對垂直光場的 {私作補^冑免上光侷限層453的高折射率值導致垂直方 向，光場向上偏移，而可有效提升對雷射光場的侷限性（ ^；)’減小光場分佈面積，進—步提升雷射的共振頻率值 10Gb/s的操作速率。 參閱圖4、81 5，與傳統的雷射二極體1不同的是，本 發明具有特殊光侷限結構4的雷射二極體3並不採用「僅 以n、P型批覆層22、27配合上、下侷限層23、25形成折 射率漸變分限異質結構」對光產生侷限；而是省略此上、 下侷限層23 25的結構，以增加對載子的揭限性進而降低 臨界電流，並改採用具有高折射率之磷化姻鎵石申材料組成 上、下侷限單元45、43的上、下光揭限層453、431，用以 ^效減少雷射光場的分佈面積，且同時以位於該層主動層 早兀44上、下兩界面之能障較高的載子抑制層432、451 降低高溫操作時的臨限電流值和提升電子-電洞的復合率 以增加微分增益值’而有助於解決熱效應與載子堆積導致 臨界電流劣化的問題’且此同時，本發明所採用的上、下 先褐限層州、431兩旁亦成折射率漸變分限異質結構而可 11 200814348 更加提昇7G件高頻特性的響應，進而將操作速率提升至 10Gb/sec 以上。 上述，本叙明為具有特殊光褐限結構4的雷射二極 體3主要是以具有高折射率的磷化銦鎵砷材料建構上、下 光侷限層453、431，以提升水平方向的光場侷限，並對垂 直光場的位移做補償，並同時採用砷化鋁鎵銦材料建構主 動層單元44，並配合於其上、下界面以能隙較大之鋁化銦

碎材料建構的載子抑制層432、451，藉料化輯銦材料 具有較大的導電帶井深比（c〇nducti〇n _ ）及 能隙較大之绅化㈣銦材料的配合，而可有效抑制注入到 主動層單元44的電子產生溢流現象，避免電子_電洞的累 積而進-步導致的熱效應和臨界電流劣化問題，降低元件 操作時的臨限電流值並提升電子和電洞的復合率，以獲得 ，高的共振頻率（relaxation —加―），進而提 幵几件的操作速率達l〇Gb/sec，而適用於改進舊型多模光 纖網，以銜接新型高速光纖網路之電子式色散補償技術中 ’確貫達到本發明的創作目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍’即大凡依本發明申請：利 乾圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾， 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一剖視示意圖，說明一 圖2是一能帶圖，說明圖1 習知的雷射二極體； 之雷射二極體的能帶狀況 12 200814348 圖3是一折射率分布圖，說明圖1之雷射二極體的頻 帶； 圖4是一剖視示意圖，說明本發明之具有特殊光侷限 結構的雷射二極體的一較佳實施例； 圖5是一能帶圖，說明圖4之本發明雷射二極體的能 帶狀況； 圖6是一折射率分布圖，說明圖4之本發明雷射二極 體的頻帶。 13 200814348

【主要元件符號說明】 1 雷射二極體 4 特殊光侷限結構 11 基材 41 緩衝層 12 電極 42 第一型批覆層 2 光侷限結構 43 下侷限單元 21 緩衝層 431 下光侷限層 22 η型批覆層 432 載子抑制層 23 下侷限層 44 主動層單元 24 主動層單元 441 量子井 241 多重量子井 442 障壁 25 上侷限層 45 上侷限單元 26 餘刻停止層 451 載子抑制層 261 中央區 452 餘刻停止層 262 外圍區 4521 中央區 27 P型批覆層 4522 外圍區 3 雷射二極體 453 上光侷限層 31 基材 46 第二型批覆層 32 電極 14

Claims (1)

1. 200814348 十、申請專利範圍： [•-種具有特殊絲限結構的雷射二極體，包含 一層基材； ^ έ :a特殊編結構’形成在該基材上並 舆该基材連接的第一型批覆層、一層 a 覆層上的下侷限單元、—層 ：v 、弟-型批 層形成在該下侷限單元上且具 有夕重s子井而可產生光子的主

   該主動層單元上的上揭限單元，及二、一層形成在 嘗 及層形成在該上侷限 弟二型批覆層，該下侷限單元包括一層由具有 高折射率係數的材料構成且與該第—型批覆層連接的下 光侷限層，該上侷限單元包括一層具有一中央區與一環 圍該中央區的㈣停止層，及—層由具有高折射率係數 的材料構成且形成在該中央區上的上光侷限層，該第二 型批覆層對應連接在上光揭限層上使該雷射二極體呈脊 狀波導的結構，且該卜ΠΓ jdi /jg： IT» try 再且4上下先侷限層侷限水平方向光場 ，並補償垂直方向的光場偏移； 及二片電極，分別與該第一、二型批覆層形成歐姆 接觸用以對該主動層提供電能。 2·依據申研專利範圍第丨項所述之具有特殊光侷限結構的 雷射二極體，其中，該上、侷限單元分別還具有一層與 該主動層單元上、下界面相連接且能隙大於該層主動層 單元能隙而可以抑制載子溢流的載子抑制層。 3 ·依據申請專利範圍第2項所述之具有特殊光侷限結構的 雷射二極體，其中，該基材是以磷化銦構成，該上、下 15 200814348 ' 光侷限層是以磷化銦鎵砷材'料構成，能隙介於 0.9eV〜1.3eV，而該二層載子抑制層是以鋁化銦坤材料構 成。 4. 依據申請專利範圍第3項所述之具有特殊光侷限結構的 雷射二極體，其中，該層上、光侷限層的厚度介於 0.05〜0.5 // m，且該二層載子抑制層的厚度分別介於 0 · 0 01 〜0 · 15 // m 〇 5. 依據申請專利範圍第4項所述之具有特殊光偈限結構的 雷射二極體，其中，該層主動層單元的多重量子井包括 • 數個壓縮型應力量子井與伸張型應力障，且發光波長為 1 ·2〜1 ·6 // m 〇 16