TWI806781B - Vcsel結構 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種VCSEL結構，包括一襯底、一電極接觸層、一下DBR、一有源區、一上DBR，其中，該上DBR內的光學路徑上的堆疊結構由中Al含量的低折射率材質Al2O3由AlxGa1-xAs經氧化工藝形成Al2O3/AlyGa1-yAs組成，諧振腔光學路徑外側的導通路徑由一歐姆金屬取代Al2O3形成低電阻路徑及光局限，該堆疊結構與該歐姆金屬組成的組合層的上下兩側由AlxGa1-xAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，該有源區的上方設有一電流孔徑，該電流孔徑由AlzGa1-zAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，其中，x>z>y。
Description
本發明涉及VCSEL技術領域，尤其涉及一種VCSEL結構。
VCSEL的結構主要由上下DBR與有源區的MQW所形成的諧振腔所構成。在GaAs材料系統中，由於AlAs與GaAs的折射係數(refractive index)差異不大(GaAs~3.66、AlAs~3.01)，根據菲涅耳方程式，一組2p+1層DBR薄膜在垂直方向的反射率約為
，其中n H 、n L 、n S 分別為DBR結構層的高、低折射係數及襯底的折射係數。明顯地，nH/nL比值越高(差值越大)則可有較高的反射率。就一特定的反射率(R)而言，只要較少的對數即可達到。而GaAs與AlAs的n H /n L 比值約只有3.66/3.01
1.2，因此通常需要約30對的堆疊才能到達99%的反射率。
鑒於上述狀況，有必要提出一種可以降低堆疊數量的VCSEL結構。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種VCSEL結構，包括一襯底、一電極接觸層、一下DBR、一有源區、一上DBR，其中，該上DBR內的光學路徑上的堆疊結構由中Al含量的低折射率材質Al2O3由AlxGa1-xAs經氧化工藝形成Al2O3/AlyGa1-yAs組成，諧振腔光學路徑外側的導通路徑由一歐姆金屬取代Al2O3形成低電阻路徑及光局限，該堆疊結構與該歐姆金屬組成的組合層的上下兩側由AlxGa1-xAs組成並形成DBR結構中高折射率的部
分，該有源區的上方設有一電流孔徑，該電流孔徑由AlzGa1-zAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，其中，x>z>y。
進一步的，該電流孔徑的兩側由AlzGa1-zAs氧化後所形成的Al2O3組成。
進一步的，所述AlzGa1-zAs為一層或多層，多層的所述AlzGa1-zAs之間以AlyGa1-yAs作為一間隔層。
進一步的，該電流孔徑的直徑小於任意一層的該堆疊結構的直徑。
進一步的，該有源區從上至下依次包括一上限制層、一MQW和一下限制層。
進一步的，該上DBR上設有一上電極，該上電極設置在該堆疊結構外。
進一步的，該電極接觸層上設置有下電極。
本發明的有益效果在於：由於AlAs的能帶比較寬，因此越多對的DBR會造成較高的阻抗，限制頻寬及功率轉換效率。有別于現今主流的氧化型VCSEL，本發明採用Al2O3作為DBR的n L 材料(~1.76)，因此其n H /n L 比值可高達3.66/1.76
2.08，因此可大幅減少DBR對數；同時，借由特殊的晶片結構設計將該歐姆金屬引入DBR的導通路徑中取代現有高Al%的AlGaAs，由於該歐姆金屬散熱更好、電阻更低，從而使得整體厚度也可以隨之減小，有利於小型化，即從厚度及材料兩方面降低了器件的電阻及熱阻，最終到達提高頻寬及效率的目的。
100:襯底
200:電極接觸層
210:下電極
300:下DBR
400:有源區
410:上限制層
420:MQW
430:下限制層
500:上DBR
510:堆疊結構
520:導通路徑
530:電流孔徑
540:上電極
550:電流限制層
圖1是本發明實施例一種VCSEL結構的外延結構示意圖。
圖2是本發明實施例一種VCSEL結構的結構示意圖。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明一種光學路徑可控高導熱、低電阻的VCSEL製作方法及VCSEL進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請參照圖1-圖2，一種VCSEL結構，包括一襯底100、一電極接觸層200、一下DBR300、一有源區400、一上DBR500，其中，該上DBR500內的光學路徑上的堆疊結構510由中Al含量的低折射率材質Al2O3由AlxGa1-xAs經氧化工藝形成Al2O3/AlyGa1-yAs組成，諧振腔光學路徑外側的導通路徑520由一歐姆金屬取代Al2O3形成低電阻路徑及光局限，該堆疊結構510與該歐姆金屬組成的組合層的上下兩側由AlxGa1-xAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，該有源區400的上方設有一電流孔徑530，該電流孔徑530由AlzGa1-zAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，其中，x>z>y。
由於AlAs的能帶比較寬，因此越多對的DBR會造成較高的阻抗，限制頻寬及功率轉換效率。有別于現今主流的氧化型VCSEL，本發明採用Al2O3作為DBR的n L 材料(~1.76)，因此其n H /n L 比值可高達3.66/1.76
2.08，因此可大幅減少DBR對數；同時，借由特殊的晶片結構設計將該歐姆金屬引入DBR的導通路徑520中取代現有高Al%的AlGaAs，由於該歐姆金屬散熱更好、電阻更低，從而使得整體厚度也可以隨之減小，有利於小型化，即從厚度及材料兩方
面降低了器件的電阻及熱阻，最終到達提高頻寬及效率的目的。並且由於材料差異導致的電阻差異使得光學路徑和電流路徑分離，兩者之間的相互影響降低，降低甚至避免了壓電效應的影響。
請參見表1，在垂直方向，依照DBR反射率計算公式R=1-
計算，若將AlAs換成Al2O3，則DBR只要9對就可以得到AlAs材料29對才能達到的反射率。
在另一方面，由於採用了該歐姆金屬，可以根據需要去控制該電流孔徑530以及該堆疊結構510的大小，使得諧振腔可控，即可以通過去除現有技術中該上DBR500的堆疊結構510的Al2O3，通過控制去除該堆疊結構510外的外延材料的多少，可以控制對接結構的形狀和大小，簡單的，一般可以採用化學刻蝕的方式去除。歐姆金屬可以通過原子層沉積、濺鍍、蒸鍍、電鍍等方式中的一種或任意組合來形成。
特別的，Al2O3/AlyGa1-yAs堆疊結構510可以由現有的AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs堆疊結構510通過完全氧化形成。
進一步的，該電流孔徑530的兩側由AlzGa1-zAs氧化後所形成的Al2O3組成。該電流孔徑530的兩側由AlzGa1-zAs氧化後所形成的Al2O3組成電流限制層550。
進一步的，AlzGa1-zAs為一層或多層，多層的AlzGa1-zAs之間以AlyGa1-yAs作為一間隔層，作為器件串聯電阻及光型的調整手段。
進一步的，該電流孔徑530的直徑小於任意一層的堆疊結構510的直徑。方便鐳射的通過，以及方便電流進入該電流孔徑530的兩側。
進一步的，該有源區400從上至下依次包括一上限制層410、一MQW420和一下限制層430。MQW即Multiple Quantum Well多量子阱。
進一步的，該上DBR500上設有一上電極540，該上電極540設置在該堆疊結構510外。
進一步的，該電極接觸層200上設置有下電極210。
一般的，作為頂發射結構的VCSEL，該上DBR500為p型DBR，該上電極540為p型電極，該下DBR300為n型DBR，下電極210為n型電極；作為底發射結構的VCSEL則相反。
並且，可以理解的，此機構中，AlxGa1-xAs是高折射率、高Al%(含Al量)材料，AlyGa1-yAs是低折射率、低Al%材料，AlzGa1-zAs是中折射率、中Al%材料，Al2O3是最低折射率，且本申請的Al2O3即氧化鋁泛指VCSEL結構中AlGaAs經氧化而得以Al2O3為主而含有少量的的Ga2O3、GaAs或AlAs的混合物。
其中摻雜有少量GaAs成分。
需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、後......)，則該方向性指示僅用於解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
綜上所述，本發明提供的一種VCSEL結構，採用Al2O3作為DBR的n L 材料(~1.76)，因此其n H /n L 比值可高達3.66/1.76
2.08，因此可大幅減少DBR對數；同時，借由特殊的晶片結構設計將該歐姆金屬引入DBR的導通路徑中取代現有高Al%的AlGaAs，由於歐姆金屬散熱更好、電阻更低，從而使得整
體厚度也可以隨之減小，有利於小型化，即從厚度及材料兩方面降低了器件的電阻及熱阻，最終到達提高頻寬及效率的目的。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
100:襯底
200:電極接觸層
300:下DBR
400:有源區
410:上限制層
420:MQW
430:下限制層
500:上DBR
510:堆疊結構
520:導通路徑
530:電流孔徑
550:電流限制層
Claims (7)
- 一種VCSEL結構，其特徵在於，包括：一襯底、一電極接觸層、一下DBR、一有源區、一上DBR，其中，該上DBR內的光學路徑上的堆疊結構由中Al含量的低折射率材質Al2O3由AlxGa1-xAs經氧化工藝形成Al2O3/AlyGa1-yAs組成，諧振腔光學路徑外側的導通路徑由一歐姆金屬取代Al2O3形成低電阻路徑及光局限，該堆疊結構與該歐姆金屬組成的組合層的上下兩側由AlxGa1-xAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，該有源區的上方設有一電流孔徑，該電流孔徑由AlzGa1-zAs組成並形成DBR結構中高折射率的部分，其中，x>z>y。
- 如請求項1所述之VCSEL結構，其中，該電流孔徑的兩側由AlzGa1-zAs氧化後所形成的Al2O3組成。
- 如請求項1所述之VCSEL結構，其中，所述AlzGa1-zAs為一層或多層，多層的所述AlzGa1-zAs之間以AlyGa1-yAs作為一間隔層。
- 如請求項1所述之VCSEL結構，其中，該電流孔徑的直徑小於任意一層的該堆疊結構的直徑。
- 如請求項1所述之VCSEL結構，其中，該有源區從上至下依次包括一上限制層、一MQW和一下限制層。
- 如請求項1所述之VCSEL結構，其中，該上DBR上設有一上電極，該上電極設置在該堆疊結構外。
- 如請求項1所述之VCSEL結構，其中，該電極接觸層上設置有下電極。
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