TWI303505B - - Google Patents

Description

AOC-06-09-TW 1303505 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塑雷射 (VCSEL)之截面剖示圖，該VCSEL(IO)主要包括有：一 n-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)係形成在下披覆層（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，該下彼覆層（13)與上披覆層（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 麼使電流（20)由Ρ型電極（17)流向η型電極（18)，電流侷限區 -5-

1303505 AOC-06-09-TW (19)限制該電流，形成電流（20)之部分電子在主動層（i 4)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（2丨）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（Low 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; 而單橫模腔面射型雷射（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（polarization 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 常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

1303505 AOC-06-09-TW 的一種更兩級模式的橫模。由於缺乏對極化狀態的選擇，隨 著電流的增加，將出現不穩定的極化接通，其導致過多的雜 訊並增加位元的錯誤，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。 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 異性，通過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y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11月30日授予Gaw et al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 叉的鏡子來形成一種突起，該突起被蝕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11月28日授予Y〇shikawa的 美國專利No.599553 1中透露的垂直腔面射型雷射，通過對 頂部鏡子的交叉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。 上述到的所有元件都透過底層進行餘刻，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-

1303505 AOC-06-09-TW 統一性和可靠性的問題。 【發明内容】 +本發明纟要目的，其係提供—種穩定極化的垂直腔面射 ’雷射.，其利用雜質誘發混亂層（Impurity_induced • is曰ordermg Layer)所形成的非對稱發光窗口來改變雷射兩 _ :軸方向光知失的差異性，進而控制極化特性，因 為此方 〉疋平面製程，因此具有製程容易，均句性高，良率高，和散熱 性佳等優點。 φ 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) .在该基材上表面形成一第一鏡面結構； c) .在该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（Active Layer); e).在該主動層上形成一上披覆層； 0·在該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-

AOC-06-09-TW 1303505 沿者小孔的長邊方向高度穩定的被極化，消失比大於 15db。本發明中所涉及的結構係提供了一種離散（Discrete) 和OEIC’s應用中合適的光源的靈活製造方法。 【實施方式】 首先，請參閱第二、三圖所示，其係本發明較佳實施例的 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) .提供一基材（11)，其可為η-摻雜之砷化鎵（GaAs)或磷 ® 化銦（InP)，但不限定於此，其底面形成一第一型電極（18)，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/AlAs，InGaAsP/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)上形成一下彼覆層（13); • d).在該下披覆層（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) ·在該主動層（14)上形成一上披覆層（15); f) .在該上彼覆層（15)上形成一第二鏡面結構（16)，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Ο。 g) .在該第二鏡面結構（16)上表面形成一第二型電極 -9-

AOC-06-09-TW AOC-06-09-TW1303505 (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（31)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， 即反射率隨辞（Ζ η)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)、 1¾ (Sr)、鋇（Ba)、石夕（Si)及鍺（Ge)。又該化合物包括氧化辞 (ZnO)及珅化辞（Zn3As2)。 又，前揭形成之非對稱發光窗口（31)不限定以雜質誘發 -10-

1303505 AOC-06-09-TW 混礼層來形成，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（D)為圓形，或是為方形（圖 未示），而改變雜質誘發混亂層（3G)所形成的非料光窗口 (31)為第六圖⑷所示之長方形，或是第六圖⑻所示之擴圓形 如對妝第一、二圖所示，可以清楚得知，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（3 1)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 混亂區所形成之發光窗口（3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（a)、（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（I”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oxide_confined 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 疋以氧化區（oxidation Region)所形成之電流絕緣區。此_型 態之面射型雷射（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-TW1303505 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 1303505 【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)下彼覆層 (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 (2 0)電流 -13-

AOC-06-09-TW AOC-06-09-TW1303505 (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)

1303505 AOC-06-09-TW 十、申請專利範圍： 1·一種穩定極化的垂直腔面射型雷射之製法发+ 驟包含有： …、乂 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； c) ·在該第一鏡面結構上形成一下披覆層； d) ·在該下彼覆層上形成一主動層（Active e) .在該主動層上形成一上彼覆層； 0·在该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開孔；以及 ,h)·在该第二鏡面結構上，加入一個雜質誘發混亂層所 成之非對稱發光自口，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 如申叫專利範圍第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4雷射之製法，其中，該原子包括鋅（Zn)、鎮（Mg)、皱 (Be)、锶（sr)、鋇（Ba)、矽（si)及鍺（Ge)。 -15 - AOC-06-09-TW 1303505 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，該化合物包括氧化鋅（Zn0)及砷化 辞(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 画口包含採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（i〇n implantation)及水氣氧化法其中任一所製成。 7 ·如申請專利範圍第6項所述之穩定極化的垂直腔 面射i Μ射之製法，其中，該離子佈植之離子包含H+、及 Ο。 8·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。 9 ·如申請專利範圍第i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 - 1303505 AOC-06-09-TW 1 ο·如申請專利範圍第丄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雜f誘發混亂層所形成之非 對稱毛光自口，藉此破壞雷射共振腔中兩晶軸之對稱性俾 以控制極化。 ’ 11.如申請專利範圍第10項所述之穩定極化的垂 直腔面射5L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 1 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，該基材係選自坤化錄（〇則及 磷化銦（InP)其中任一所構成。 1 3 ·如申請專利範圍第i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 分散式布拉格反射鏡(DBR)所構成。 -17- 1 4 · 一種穩定極化的垂直腔面射型雷射，包含·· 2 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； 一下彼覆層，係形成於該第一鏡面結構； 一主動層（Active Layer)，係形成於該下披覆層上； 一上彼覆層，係形成於該主動層上； 一第一鏡面結構，係形成於該上披覆層上，且於此一結 構中形成電流侷限區； 1303505 AOC-06-09-TW 一第二型電極，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 其中，該第二鏡面結構上，更具備一個非對稱發光窗口。 5.如申請專利範圍第14項所述之穩定極化的垂 直腔面射型雷射盆中# 田町，〃 T，忒非對稱發光窗口包括由雜質誘發 混亂層所構成。 古脱A 申明專利乾圍第1 4項所述之穩定極化的垂 直腔面射型雷射 古、曲㈣併 ’/、中’μ非對稱發光窗口包括由外部植入 南浪度雜質所構成。

-18-