TWI234322B - Vertical cavity surface emitting laser having a gain guide aperture interior to an oxide confinement layer - Google Patents

Description

(1) l234322 ，、蕾明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 美國政府權 美國政府以NIST ATP授與之政府合約編號70NANB5H1114 而就本發明獲得某些權利。 ϋΑ領域 本發明有關垂直腔面射型雷射領域，尤其，有關一種適 用於垂直腔面射型雷射之電流限制結構。 I前技術 垂直腔面射型-雷射（VCSELs)代表相當新穎之半導體雷射 。雖然VCSELs有許多變化，但其一共同特徵為其發射之光 與晶圓表面垂直。有利的是，VCSELs可由廣泛之材料系統 所形成，以獲得特定特徵。 VCSELs包含半導體主動區，其可由廣範圍之材料系統、 分布之布拉格反射器（DBR)鏡面、電流限制結構、基材及 觸點所製造。因為其結構複雜，且因為其材料需求，因此 VCSELs經常使用金屬-有機化學蒸氣沉積（M〇CVD)或分子 束定向附晶生長（MBE)而成長。 圖1說明典型VCSEL 10。如圖示，η-掺雜之珅化鎵（GaAs) 基材1 2具有η -型電觸點1 4。η -摻雜之下方鏡面堆疊16 (DBR) 係在GaAs基材12上，且n-型分級係數之下方分隔器丨8沉積 在下端鏡面堆疊1 6上。主動區20(通常具有許多量子洞）係 在下知分為1 8上形成。p -型分級指數之上端分隔器2 2 沉積在主動區20上，及p -型上端鏡面堆疊24(另一DBR)沉 積在該上端分隔器22上。上端鏡面堆疊24上為p-型導電層 1234322 (2) 發明說明續頁 9、p-型覆蓋層8及p-型電觸點26。 仍參見圖1，下方分隔器1 8及上端分隔器22使下方鏡面 堆疊1 6與上端鏡面堆疊24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，使之在預定波長（或 在其多重波長）下共振。至少部分上端鏡面堆疊24包含可 提供電流限制之絕緣區4 0。絕緣區4 0通常藉由將質子植入 上端鏡面堆疊24中而形成，或藉由形成氧化物層而形成。 絕緣區4 0界定出導電環狀中心開口 4 2，其形成通過絕緣區 4 0之導電路徑。 操作時，外加偏壓使電流2 1由p -型電觸點2 6流向η -型電 觸點1 4。絕緣區4 0及導電中心開口 4 2限制該電流2 1 ’使其 流經導電中心開口 4 2到達主動區2 0。電流2 1中之有些電子 在主動區20中轉化成光子。此等光子束在下方鏡面堆疊16 及上端鏡面堆疊2 4間來回（共振）。雖然下方鏡面堆疊1 6 及上端鏡面堆疊2 4為極佳反射器時，但部分光子以光2 3 洩漏出，沿著光路徑前進。仍參見圖1，光2 3通過ρ -型導 電層9，經過ρ-型覆蓋層8，經過ρ -型電觸點26中之穿孔30 ，離開垂直腔面射型雷射1 〇表面。 需了解圖1說明典型之VCSEL，且可能有許多改變。例如 可改變摻雜（亦即，提供Ρ-型基材1 2)、可使用不同材料系 統、可調整操作細節獲得最大性能，及可添加額外結構如 隧道式接合。 雖然一般均已成功，但VCSELs仍有問題。例如，有些應 用中對VCSEL重要地是以基本模式發射光。亦即具有單一 1234322 _ (3) 發明說明續頁 單膜分隔模式（僅來自VCSEL—區域）及具有單一分隔量之 光。然而習知技藝之絕緣區在產生單一模式光並非最佳。 為了了解原因，需要更詳例了解絕緣區4 0。 如所示，絕緣區4 0及中心開口 4 2作用為進入主動區之電 流導引。亦如所示，絕緣區一般藉由植入質子或藉由形成 氧化物層而產生。質子植入由Y.H. Lee等人述於電子通訊， 卷26，第11期，710-711頁（1990)及由T.E. Sale述於”垂直腔面射 型雷射”研究出版社117-127頁（1995)，兩者均併於本文供參 考。氧化物層由D.L. Huffaker等人述於應用物理通訊，卷65, 第1期，97-99頁（1994)及K.D. Choquette等人述於電子通訊，卷30, 第24期，2043-2044頁（1994)，其均併於本文供參考。 離子植入之VCSELs典型上係由以環狀環形式之單一能 量質子植入所形成以界定電流穿孔（多重植入能量用以電 隔離該整個VCSEL)。質子植入產生結構缺陷，其產生具有 導電核心之相對高電阻環狀結構。雖然此高電阻環狀結構 有效地阻礙電流通過其導電核心及進入主動區，但離子植 入無法產生明顯之光導引。該結果為離子植入可有效阻礙 電流進入主動區’但在限制雷射光权式上無效。因此，習 知技術之離子植入VCSEL傾向於以多雷射模式操作。 相反地，使用氧化物電流限制區之VCSELs之效益為氧 化物層之光學折射係數，其約為該氧化前之一半。此形成 易提供橫向模式光學限制之光學導引。然而，由於該串聯 電阻之分布性質，氧化物VCSELs在腔邊緣具有最高之P-N 接合電流密度及最高之光學增益。此電流分布有助於形成 1234322 (4) 發明說明續頁 較高等級之分隔模式，尤其在大的偏壓電流時。雖然樺向 模式光學限制可抑制不期望之較高等級光學模式，在獲得 單一基礎模式操作之習知技藝中，氧化物光學電流限制區 需具有小穿孔，而可數度降低自VCSEL射出之光。 氧化物VCSELs(使用氧化物電流限制者）典型上包含具 有高紹含量之AlGaAs層（97-98%)。此高的紹含量結構比用以 形成P-型DBR鏡面之材料層（此例中可能為85% A1及15% Ga) 遠遠更快速氧化。為了加速該氧化物電流限制，使用反應 性離子蝕刻對高A1含量層邊緣形成壕溝。接著氧化在高A1 含量層中一般形成約1 〇微米深之氧化物結構，同時在該相 鄰層中形成1微米深之氧化物結構。該高A1含量層以複合 之氧化鋁氧化，其不僅為電絕緣，亦可佔據該層氧化前大 約相同之空間。 由於氧化物VCSELs及離子植入之VCSELs具有不同特徵 ，因此VCSEL設計者自競爭特徵、具較高等級光學模式（ 氧化物VCSELs)之高輸出、或低輸出但較低光學模式（離子 植入VCSELs)中加以選擇。因此，形成具有離子植入VCSELs 及氧化物VCSELs兩者之效益之新穎技術可能有利。 發明内容 以下之發明内容係用於協助了解本發明獨特之部分創 新特點，但並非代表完全敘述。本發明各目的之充分了解 可藉由研讀全部說明書、申請專利範圍及摘要而獲得。 據此，本發明理論係有關帶有離子植入及氧化物VCSELs 兩者效益之新穎VCSEL。依據本發明之理論，組合氧化物 1234322 _ ，5、 I發明說明續頁 結構及内部增益導引離子植入結構而形成VCSEL。氧化物 層及内部離子植入增益導引之組合使其可達成所需之具 有低電流閥值極高效率之低等級光學模式。為了支持較小 之光學模式，自主動區在兩個以上鏡面期間形成氧化物層 。有利地，氧化物層之光學厚度小於1 /4波長。

本發明之新穎特徵對熟知本技藝者而言，可藉由閱讀下 列實施方式變得顯而易見或可藉操作本發明而學習。然而 ，需了解本發明之實施内容及所述之實例（同時顯示本發 明之某些具體例）僅用於說明用，因為本發明精神及範圍 中之各種改變及改良對熟習本技藝者由本發明之詳細敘 述及後續之申請專利範圍將變的顯而易見。 附圖（其中相同之參考數目在整個個別圖式中代表相同 或功能類似之元件，且為說明書之一部份）進一步說明本 發明，且與發明之詳細敘述一起說明本發明之理論。

需注意附圖中，相同之數目係指類似元件。此外，為方 便說明起見，該敘述係使用方向性標誌，如上及下，上端 及下端、及向下及向上。該標示（其係由附圖中說明之元 件之相對位置衍生）係用於協助了解本發明，而非限制本 發明。 實施方式 本發明理論係提供使用由氧化物結構及内部增益離子 植入結構所構成之電流限制結構之VCSELs。此VCSELs實例 為圖2所說明之VCSEL 100。圖2需了解為包含一般以圖1所 示之VCSEL之結構之’’切開”概視圖式。因此，圖2中所用類 -10- 1234322 發明說明續胃 (6) 似元件之相同編號將如圖1中所用般。 雖然為了更明白描述所說明之具體例而假定具有鏡面 及主動區之VCSEL係以AlGaAs材料系統為主，但本發明可廣 泛應用於使用任何相對應之系統之VCSELs，如對670奈$ 為AlGaAs鏡面及AlGalnP/GaAs主動區及對1550奈米為 AlGalnAs/InP鏡面及 AlGalnAs主動區。 如圖2中所示，VCSEL 100包含具有η-型電觸點14之η-換雜 石申化鎵（GaAs)基材12。GaAs基材1 2上為η -摻雜之下方鏡面堆 疊16 (DBR)，且η-型下方分隔器18係沉積在下方鏡面堆叠 16上。 - 下方分隔器18上形成具有Ρ-Ν接合結構及數個量子洞之 主動區20。主動區20之組成較好為AlGaAs，而形成主動區 2 0之不同層中具有變化之特定鋁含量。例如，一層可含有 2 0至3 0 %之鋁，但相鄰層之鋁含量可為〇至5 %之間。可具 有許多交互堆疊層，依主動區2 0中量子洞如何排列而定。 主動區2 0上為p -型分級指數之上端分隔器2 2。上端分隔器 22上沉積一 p-型上端鏡面堆疊240(另一 DBR)。上端鏡面 堆疊24上為p-型導電層9、p-型GaAs覆蓋層8及p-型電觸點 26。如VCSEL 10(圖1)般，下方分隔器18及上端分隔器22使 下方鏡面堆疊1 6與上端鏡面堆疊2 4分開，因而形成在特定 波長下共振之光學腔。隨後描述更詳細。 仍參見圖2，上端鏡面堆疊2 4及部分上端分隔器2 2包含 氧化物絕緣區1 4 0。該氧化物區係藉由自含有高鋁含量 (97-98%)之AlGaAs層形成上端鏡面堆疊24，接著使高鋁含量 1234322 _ m 發明說明續頁 層沿著環狀環氧化。氧化後獲得氧化物絕緣區140。接著 以離子160植入分隔區180。該植入離子在由氧化物層140 所形成之環狀環内形成高電阻區。該植入之分隔區180需 緊鄰該氧化物絕緣區140。例如，該分隔區180可略高於或 略低於該區140同時放置。此可使特定應用之電及光學特 性最適化。

操作時，外加偏壓使電流121自p-塑電觸點26流向η-型電 觸點14。氧化物絕緣區140及該離子植入之分隔區180引導 電流121通過該導電中心開口因而電流121流入主動區20。 電流121中有些-電子在主動區2〇中轉化成光子。此等光子 在下方鏡面堆疊1 6及上端鏡面堆疊2 4間來回彈跳（共振） 。雖然下方鏡面堆疊1 6及上端鏡面堆疊2 4為極良好之反 射器，但有些光子以沿著光路徑行進之光2 3洩漏。仍參見 圖2’光23通過ρ-型導電層9、通過p-型GaAs覆蓋層8、通過 p-型電觸點26中之穿孔30，及離開盡直腔面射型雷射1〇〇表

面〇 VCSEL 100之數種特性需顯著。首先，下方分格物18及上 端分隔器22在光23之光路徑中至少一個波長下，使下方鏡 面堆疊16與上端鏡面堆疊24分離。再者，氧化物層14〇宜 具有小於1 / 4波長之光路捏。該等特徵同時降低有效係數 差異，其可提供小的模式限制，且易阻礙較高等級光模式 。又，如圖2所示，自主動區在兩個以上鏡面期間有氧化 物層14 0。此外，δ亥離子植入之分隔區1 § 〇宜集中對準氧化 物絕緣區140。該離子植入分隔區180及氧化物絕緣區14〇接 -12- 1234322 _ m I發明說明續頁 著結合作用以限制電流2 1在小的穿孔區中。再者，氧化物 絕緣區140作用以限制雷射光沿著界定之光路徑前進。因 此，於小穿孔區中具有大比例強度之光模式可優勢地獲得 光增益且基礎模式通常可滿足此標準。因此，可達到單一 模式（基礎）操作。

氧化物絕緣區140宜在可達成最佳光結果之適當位置.及 厚度導入，同時植入離子6 0之能量及劑量可控制至調整該 側生片電阻。適當之VCSEL設計可達到具有低閥值及高效 率之低等級光模式結構。

本文中所列具體例及實例為本發明及其實際應用之最 佳說明，且因此熟習本技藝者可執行且了解本發明。然而 ，熟習本技藝者需了解前述及實例僅作為說明及實例之 目的。本發明之其他改變及改良對於熟習本技藝者將顯而 易見，且該改變及改良均涵蓋於附屬申請專利範圍中。先 前之敘述並不排除或限制本發明之範圍。由上述之教示可 進行許多改良及改變，但均不離本發明之精神及範圍·。期 望本發明之用途可包含具有不同特徵之組件。期望本發明 之範圍係以附屬之申請專利範圍定義，獲得與所有目的均 等之均等物。 圖式簡單說明 圖式中： 圖1說明典型之垂直腔面射型雷射；及 圖2說明依據本發明理論之垂直腔面射型雷射。 圖式代表符號說明 -13- 1234322 (9) 8 覆 蓋 層 9 導 電 層 10, 100 垂 直 腔 面 射 型雷射 12 基 材 14, 26 電 觸 點 16 下 方 鏡 面 堆 疊 18 分 隔 器 20 主 動 21，121 電 流 22 上 端 分 隔 器 23 光 24, 240 上 端 鏡 面 堆 疊 30 穿 孔 40, 140 絕 緣 區 160 離 子 42 開 V 260 元 件 發明說明續頁

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Claims (1)

1234322 拾、申請專利範圍 1 . 一種用以發射具有波長之光[23]之垂直腔面射型雷射 [100]，包括： 基材[12]; 相鄰該基材[12]之主動區[20]; 沉積在該主動區[20]及該基材[12]間之第一鏡面[16]; 及 沉積在相鄰該主動區[20]之第二鏡面[24]，使得該主動 區[20]位在該第·二鏡面[24]及該第一鏡面[16]之間；及 離子[160]植入之分隔區[180]延伸入該主動區[20]; 其中該第二鏡面[24]包含氧化物絕緣區[140];及 其中該第一鏡面[16]及該第二鏡面[24]藉至少一個波 長之光路徑長度所分離。 2.如申請專利範圍第1項之垂直腔面射型雷射[100]，其中 該氧化物絕緣區[140]與該離子[160]植入之分隔區[180]限 制電流流經該離子[160]植入之分隔區[180]之中心。 3 .如申請專利範圍第1項之垂直腔面射型雷射[100]，其中 該離子[160]植入之分隔區[180]集中對準該氧化物絕緣 區[140]。 4.如申請專利範圍第1項之垂直腔面射型雷射[100]，其中 該氧化物絕緣區[140]具有小於1/4波長之光路徑長度。 5 . —種用以發射具有波長之光之垂直腔面射型雷射[100] ，包括： 基材[12]; 1234322 申請專利範圍續頁 相鄰該基材[12]之主動區； 沉積在該主動區[20]及該基材[12]間之第一鏡面[16]; 及 相鄰該主動區之第二鏡面[24]，使得該主動區[2〇]位在 違第一鏡面[24]及該第一鏡面[16]之間，該第二鏡面[24] 包含由大於97%鋁所構成之高鋁含量層；及 难子[160]植入之分隔區[180]延伸入該主動區[2〇]; 其甲該高鋁含量層氧化成氧化物絕緣區[14〇];及 其中δ亥第一叙面[16]及該第二鏡面[24]藉至少一個波 長之光路徑長-度所分離。 6 ·如申請專利範圍第5項之垂直腔面射型雷射[ι〇〇]，又包 括沉積在該第一鏡面[16]及該主動區[2〇]間之第一分隔 器Π8]，及沉積在該主動區[2〇]及該第二鏡面[24]間之第 一刀為[22]，其中該氧化物絕緣區[ι4〇]延伸入該第二 分隔器[22]。 7 ·如申請專利範圍第5項之垂直腔面射型雷射[1〇〇]，其中 該氧化物絕緣區[140]與該離子[16〇]植入之分隔區[18〇]限 制電流流經該離子[160]植入之分隔區[180]之中心。 8 .如申請專利範圍第5項之垂直腔面射型雷射[1〇〇]，其中 該氧化物絕緣區[140]具有小於1/4波長之光路徑長度。 9. 一種形成垂直腔面射型雷射[100]之方法，包括： 在基材[12]上形成第一電觸點； 在基材Π2]上形成第一鏡面[16]; 在第一鏡面[16]上形成下方分隔器[18]; 在第一鏡面[16]上形成主動區[2〇]; 1234322 _ 申請專利範圍續頁 在主動區[20]上形成上端分隔器R2]; 在上端分隔器[22]上形成第二鏡面[24]，其中該第二鏡 面[24]包含高銘含量層； 在第二鏡面[24]上形成導電層[9]; 在導電層[9]上形成覆蓋層[8]; 在覆蓋層[8]上形成第二電觸點[26]; 使該高鋁含量層氧化形成氧化物層[140];及 使氧化層[140]下之至少部分主動區[20]予以離子[160] 植入； 其中該第-一鏡面[16]及第二鏡面[24]為沿著光路徑離 開之至少一波長。 10.如申請專利範圍第9項之形成垂直腔面射型雷射[100]之 方法，其中使高鋁含量層氧化產生環狀氧化物層[140] ，其中離子[160]植入在主動區[20]中產生非放射中心且 其中該氧化物層[140]為小於1/4波長之厚度。