CN110535033B - 电激发光子晶体面射型雷射元件 - Google Patents
电激发光子晶体面射型雷射元件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110535033B CN110535033B CN201810505434.5A CN201810505434A CN110535033B CN 110535033 B CN110535033 B CN 110535033B CN 201810505434 A CN201810505434 A CN 201810505434A CN 110535033 B CN110535033 B CN 110535033B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photonic crystal
- layer
- indium
- emitting laser
- electro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 title claims abstract description 111
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 40
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 51
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 20
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims description 13
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 13
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 claims description 7
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 5
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N stibanylidynetin;hydrate Chemical compound O.[Sn].[Sb] SKRWFPLZQAAQSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- FJMNNXLGOUYVHO-UHFFFAOYSA-N aluminum zinc Chemical compound [Al].[Zn] FJMNNXLGOUYVHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 155
- FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N alumanylidynearsane;gallanylidynearsane Chemical compound [As]#[Al].[As]#[Ga] FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- JAONJTDQXUSBGG-UHFFFAOYSA-N dialuminum;dizinc;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3].[Zn+2].[Zn+2] JAONJTDQXUSBGG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
一种电激发光子晶体面射型雷射元件，包含：一电流局限结构，位在光子晶体结构及主动层上，并具有一孔径；一透明导电层，位在电流局限结构上，并覆盖光子晶体结构；一正电极金属，位在透明导电层上，并具有一金属孔；本发明直接从磊晶结构最上方往内部蚀刻来制作光子晶体，无需晶圆熔合或磊晶再成长的复杂技术，不仅可以使雷射光穿透，还同时具有导电性，进而得以电激发量子结构，再借由光子晶体结构，使光能从磊晶结构的正面出光，且具有远场发散角小等优异特性。
Description
技术领域
本发明是有关一种电激发光子晶体面射型雷射元件，其正电极金属、透明导电层、电流局限结构的相互配合，进而电激发量子结构，再借由光子晶体结构，使光能从磊晶结构的正面出光。
背景技术
光子晶体(Photonic crystal，PC)为一种人造晶体，或称作超颖材料(Metamaterials)，这种晶体的折射率在空间上具有周期性分布，其特性与固态晶体相似。将周期性位势及边界条件引入薛丁格方程式，借由解特征问题可以得到固态晶体的色散关系(Dispersion relation)，或称作能带结构(Band Structure)。同样道理，将周期性折射率分布及边界条件引入马克士威(Maxwell)方程式，解特征问题可以得到光子晶体的能带结构。电磁波在光子晶体中的传播行为类似于固态晶体中的电子，特定频率的电磁波无法在光子晶体中存在时，即类似于固态晶体中的能隙(Band gap)，称为光子晶体的禁制带(Forbidden band)。光子晶体可以控制光的传播行为，其应用范围十分广泛，例如光子晶体雷射、光子晶体光纤等相关应用。
承上，光子晶体雷射主要分为两种，缺陷型雷射(Defect lasers)与能带边缘型雷射(Band-edge lasers)。缺陷型雷射的操作频率在光子晶体的禁制带中，在光子晶体结构中移除一个或数个晶格点作为缺陷，使电磁波局限在缺陷中进而形成雷射共振腔，这种雷射的优点为有极高的品质因子(Quality factor)、较低的阈值条件等。而能带边缘型雷射利用能带边缘能态的群速度趋近于零来实现慢光(Slow light)效应，使光子在光子晶体中的生命周期(Life time)变长，得以增强光子与增益介质之间的交互作用。由于这种雷射将操作频率设计在能带边缘的平坦能态上，而不是禁制带中的能态，故共振区域不再局限在极小的体积内，得以拓展到整个光子晶体区域，实现大面积同调共振。另一方面，由于光子晶体特殊的绕射现象，光不只在光子晶体平面上耦合，亦会绕射出光子晶体平面，所以可以达到面射出光(Surface emission)的效果。这种雷射的优点有面射出光、大面积出光、较小的发散角、高功率输出与容易制作二维雷射阵列等优异特性。
次者，光子晶体雷射依激发来源可以分为光激发与电激发雷射，光激发雷射将高功率雷射源导入组件产生大量电子-电洞对(Electron-hole pair)来达到雷射现象；电激发雷射则利用外加电源供给电子与电洞，实际应用上以电激发式为主，然而光子晶体的孔洞结构使得电流注入变得困难，需要考虑载子的传输路径与分布问题，所以比光激发雷射难实现。由文献回顾可得知电激发雷射的制程方式可大致分为两种：晶圆熔合(Waferfusion)与磊晶再成长(Regrowth)。前者首次由京都大学Noda等人于1999年利用晶圆熔合技术，在高温高压下将两片晶圆接合，成功展示InGaP/InP多重量子井雷射在室温下的操作，该雷射在电流脉冲波操作下的最大输出功率超过20mW，远场发散角小于1.8度；后者是由Noda等人于2014年发表，利用磊晶再成长的技术成功制作出瓦级(Watt-class)的InGaAs/AlGaAs多重量子井雷射，在室温下的电流连续波操作，最大输出功率可以高达1.5W，发散角小于3度。
但查，由于目前有关制作电激发光子晶体雷射的相关研究以晶圆熔合与磊晶再成长为主，然而这两种制造方法需要较复杂的技术。是以，本发明人有鉴于上揭问题点，构思一种电激发光子晶体面射型雷射元件，而希望以更简单的方式完成，为本发明所欲解决的课题。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种电激发光子晶体面射型雷射元件，其直接从磊晶结构最上方往内部蚀刻来制作光子晶体，并以氧化铟锡作为电极结构，成功避免先前技术晶圆熔合与磊晶再成长的制程方法，不仅可以使雷射光穿透，还同时具有导电性，所以非常适合于面射型雷射。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电激发光子晶体面射型雷射元件，包括：一基板，其具备一第一表面及相反侧的第二表面；一下披覆层，位在该基板的第一表面上；一主动层，位在该下披覆层上，并具有一量子结构；一上披覆层，位在该主动层上；一接触层，位在该上披覆层上，并以该上披覆层及该接触层呈高台型且设有数个空气孔洞，形成一光子晶体结构，且该光子晶体结构的上表面设定一第一预定区域；一电流局限结构，位在该光子晶体结构及该主动层上，并具有一孔径，且该孔径对应该光子晶体结构的第一预定区域，使电流流向局限在该光子晶体结构的第一预定区域；一透明导电层，位在该电流局限结构上，并覆盖该光子晶体结构的第一预定区域上，且该透明导电层的上表面设定一第二预定区域，该第二预定区域的位置与该光子晶体结构的第一预定区域的位置呈现上下对应关系；一正电极金属，位在该透明导电层上，并具有一金属孔，且该金属孔对应该透明导电层的第二预定区域，使该金属孔不遮蔽该光子晶体结构的第一预定区域；以及一背电极金属，位在该基板的第二表面上；借此，该正电极金属、该透明导电层、该电流局限结构及该背电极金属相互配合，进而电激发该量子结构，再借由该光子晶体结构可面射出雷射于该光子晶体结构的第一预定区域、该电流局限结构的孔径、该透明导电层的第二预定区域至该正电极金属的金属孔外。
在一较佳实施例中，该上披覆层的厚度范围为10～500nm。
在一较佳实施例中，该空气孔洞排列成二维数组。
在一较佳实施例中，该电流局限结构的材料包括选自氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺其中任一所构成。
在一较佳实施例中，该透明导电层的材料包括选自氧化铟锡、氧化锑锡、氟掺杂氧化锡、氧化铝锌、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化锌其中任一所构成。
在一较佳实施例中，该量子结构包括至少一量子点层。
在一较佳实施例中，该量子点层的材料包括选自砷化铟、氮化镓、砷化铟镓、氮化铟镓、磷化铟镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、砷磷化镓铟其中任一所构成。
在一较佳实施例中，该量子结构包括至少一量子井层。
在一较佳实施例中，该量子井层的材料包括选自砷化铟、氮化镓、砷化铟镓、氮化铟镓、磷化铟镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、砷磷化镓铟其中任一所构成。
在一较佳实施例中，该基板与该下披覆层之间包括设有一缓冲层。
在一较佳实施例中，该缓冲层与该下披覆层之间包括设有一第一渐变层。
在一较佳实施例中，该下披覆层与该主动层之间包括设有一第一分开局限层异质；该主动层与该上披覆层之间包括设有一第二分开局限层异质。
在一较佳实施例中，该上披覆层与该接触层之间包括设有一第二渐变层。
借助上揭技术手段，其以氧化铟锡作为该透明导电层，并搭配该电流局限结构控制电流分布与减缓该光子晶体结构的边界损耗，成功展示室温操作的电激发光。
本发明的有益效果是，其直接从磊晶结构最上方往内部蚀刻来制作光子晶体，并以氧化铟锡作为电极结构，成功避免先前技术晶圆熔合与磊晶再成长的制程方法，不仅可以使雷射光穿透，还同时具有导电性，所以非常适合于面射型雷射。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1A是本发明磊晶结构的示意图。
图1B是本发明制作硬式罩幕的示意图。
图1C是本发明定义光子晶体图形的示意图。
图1D是本发明转移光子晶体图形的示意图。
图1E是本发明去除硬式罩幕的示意图。
图1F是本发明蚀刻出高台的示意图。
图1G是本发明制作电流局限结构的示意图。
图1H是本发明制作透明导电层的示意图。
图1I是本发明沟槽作为隔离边界的示意图。
图1J是本发明基板磨薄的示意图。
图1K是本发明正电极金属沉积的示意图。
图1L是本发明背电极金属沉积的示意图。
图2A是本发明光子晶体结构俯视的电子显微镜图。
图2B是本发明光子晶体结构侧视的电子显微镜图。
图3是本发明另一较佳实施例的示意图。
图4A是本发明量子结构的示意图。
图4B是本发明量子结构另一较佳实施例的示意图。
图5是本发明的俯视图。
图6是本发明侧视的电子显微镜图。
图中标号说明：
10A、10B电激发光子晶体面射型雷射元件
11基板
111第一表面
112第二表面
12下披覆层
13主动层
131量子结构
131A量子点层
131B量子井层
1311量子点
1312覆盖层
1313间隔层
14上披覆层
141空气孔洞
15光子晶体结构
151光子晶体结构的上表面
16电流局限结构
161孔径
17透明导电层
171透明导电层的上表面
18正电极金属
181金属孔
19负电极金属
A1第一预定区域
A2第二预定区域
B缓冲层
C接触层
F光子晶体图形
G1第一渐变层
G2第二渐变层
L1外侧长度
L2内侧长度
M硬式罩幕
R正光阻
S1第一分开局限层异质结构
S2第二分开局限层异质结构
T沟槽
W磊晶结构
a周期
具体实施方式
首先，请参阅图1A～图1L所示，本发明的一种电激发光子晶体面射型雷射(Electrically Pumped Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers)组件10A较佳实施例，包含：一基板(substrate)11，其具备一第一表面111及相反侧的第二表面112，本实施例中，该基板11的材料包括选自氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)其中任一所构成，但不限定于此。
一下披覆层(Cladding layer)12，位在该基板11的第一表面111上，本实施例中，该下披覆层12的材料包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)其中任一所构成，但不限定于此。
一主动层13，位在该下披覆层12上，并具有一量子结构(Quantum Structure)131。
一上披覆层(Cladding layer)14，位在该主动层(active region)13上，本实施例中，该上披覆层14的厚度范围为10～500nm，配合该上披覆层14的材料包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)其中任一所构成，但不限定于此。
一接触层(Contact layer)(C)，位在该上披覆层14上，本实施例中，该接触层(C)的材料包括选自氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷砷化铟镓(InGaAsP)其中任一所构成，但不限定于此。
图1A所示，其该基板11、该下披覆层12、该主动层13、该上披覆层14及该接触层(C)形成一磊晶结构(W)，并不限定磊晶成长的层数。
图1B所示，其制作一硬式罩幕(Hard mask)(M)，在该磊晶结构(W)上沉积氮化硅(Silicon Nitride，SiNx)，但不限定于此。
图1C所示，其定义一光子晶体图形(F)，在该磊晶结构(W)上旋涂一正光阻(R)，之后将该光子晶体图形(F)定义于该正光阻(R)上，其光子晶体区域为290μm的正方形，但不限定于此。
图1D所示，其转移该光子晶体图形(F)，先将该光子晶体图形(F)转移进该硬式罩幕(M)中，并移除该正光阻(R)后，再将该光子晶体图形(F)转移进该磊晶结构(W)中，由于该量子结构131将波导模态的大部分光场局限于该主动层13的区域，故蚀刻深度需要更深才能获得更强的耦合强度，当蚀刻深度大于500nm时，则光子晶体才会有较好的耦合效率，但不限定于此。
图1E所示，其去除该硬式罩幕(M)，但不限定于此。
图1F所示，其利用黄光制程定义出310μm的正方形高台，并蚀刻深度约为450nm，令该上披覆层14及该接触层(C)呈高台(Mesa)型且设有数个空气孔洞(air hole)141，形成一光子晶体结构15，且该光子晶体结构15的上表面151设定一第一预定区域(A1)，而蚀刻出高台的目的为帮助光局限在光子晶体中与减少漏电流，本实施例中，该光子晶体结构15的周期(a)为385nm、388nm、390nm、393nm、395nm其中任一所构成，但不限定于此。此外，图2A及图2B所示，其各该空气孔洞141的形状为圆柱形、各该空气孔洞141的深度为520nm～540nm及其直径为130～140nm、各该空气孔洞141排列成二维数组，但不限定于此。
图1G所示，其制作一电流局限结构16，因具有无限周期的光子晶体理論上不会有边界(Boundary)效应，然而实际应用上的光子晶体是有限周期的，所以在晶体的边界会有能量损耗，但若光子晶体的面积比组件具有增益的面积大，则能减缓边界效应所造成的损耗，且光子晶体面积为增益面积的二到三倍是可以成功产生雷射现象，故利用黄光制程在该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)的正中间定义出圆形的孔径(Aperture)图案，其直径为150μm，再沉积氮化硅120nm，并利用举离(Lift off)将多余的氮化硅去除，令该电流局限结构16，位在该光子晶体结构15及该主动层13上，并具有一孔径161，且该孔径161对应该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)，使电流流向局限在该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)，让雷射模态存在于类似无限大的光子晶体中，本实施例中，该电流局限结构16的材料包括选自氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiOx)、聚酰亚胺(polyimide)其中任一所构成，但不限定于此。
图1H所示，其制作一透明导电层17，由于能带边缘型雷射具有面射出光性质，若在出光区域覆盖大面积金属会影响雷射出光，故利用氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)作为该透明导电层17，同时具有传输载子与透光的特性。利用电子枪蒸镀(E-gun evaporator)方式成长225nm的氧化铟锡薄膜，令该透明导电层17，位在该电流局限结构16上，并覆盖该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)上，且该透明导电层17的上表面171设定一第二预定区域(A2)，该第二预定区域(A2)的位置与该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)的位置呈现上下对应关系，本实施例中，该透明导电层17的材料包括选自氧化铟锡(ITO)、氧化锑锡(ATO)、氟掺杂氧化锡(FTO)、氧化铝锌(AZO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)其中任一所构成，但不限定于此。
图1I所示，其在镀完该透明导电层17的后，利用黄光制程定义一沟槽(Trench)(T)作为隔离(Isolation)边界，并利用氧化铟锡蚀刻液将该沟槽(T)内的氧化铟锡去除，但不限定于此。
图1J所示，其一正电极金属18沉积，使用黄光制程定义完电极图形后，并沉积钛(Ti)、金(Au)两种金属，再用举离将多余金属去除，令该正电极金属18，位在该透明导电层17上，并具有一金属孔181，且该金属孔181对应该透明导电层17的第二预定区域(A2)，使该金属孔181不遮蔽该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)，但不限定于此。
图1K所示，其将该基板11厚度磨薄，使该基板11的第二表面112形成类镜面(Mirror-like)的表面，但不限定于此。
图1L所示，其一背电极金属19沉积，并沉积镍(Ni)、锗(Ge)、金(Au)三种金属，令该背电极金属19，位在该基板11的第二表面112上。最后，快速热退火(Rapid thermalannealing，RTA)，即完成该电激发光子晶体面射型雷射元件10A，但不限定于此。
另一较佳实施例中，图3所示，一种电激发光子晶体面射型雷射元件10B，包含：该基板11与该下披覆层12之间包括设有一缓冲层(Buffer layer)(B)，本实施例中，该缓冲层(B)的材料包括选自氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)其中任一所构成；该缓冲区(B)的厚度为200nm，但不限定于此。
该缓冲层(B)与该下披覆层12之间包括设有一第一渐变层(Graded-index，GRIN)(G1)，本实施例中，该下披覆层12的砷化铝镓的组成式为Al0.4Ga0.6As，铝的比例由0.4渐变到0.1，其目的是缓和在砷化镓与砷化铝镓界面的陡峭能障；该下披覆层12的厚度为1.3μm；该第一渐变层(G1)的材料包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)其中任一所构成；该第一渐变层(G1)的厚度为150nm，但不限定于此。
该下披覆层12与该主动层13之间包括设有一第一分开局限层异质(SeparateConfinement Heterostructure，SCH)(S1)；该主动层13与该上披覆层14之间包括设有一第二分开局限层异质(Separate Confinement Heterostructure，SCH)(S2)，本实施例中，该第一分开局限层异质结构(S1)与该第二分开局限层异质(S2)的材料包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)其中任一所构成，其功用可以分别达成载子与光场的局限；该第一分开局限层异质结构(S1)的厚度为130nm；该第二分开局限层异质结构(S2)的厚度为105nm，但不限定于此。
该上披覆层14与该接触层(C)之间包括设有一第二渐变层(Graded-index，GRIN)(G2)，而该上披覆层14、该第二渐变层(G2)及该接触层(C)呈高台型且设有数个空气孔洞141，形成该光子晶体结构15，本实施例中，该上披覆层14的砷化铝镓的组成式为Al0.4Ga0.6As，铝的比例由0.4渐变到0.1，其目的是缓和在砷化镓与砷化铝镓界面的陡峭能障；该上披覆14的厚度为200nm；该接触层(C)的厚度为100nm；该第二渐变层(G2)的材料包括选自砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓(GaAs)、氮化铝镓(AlGaN)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)其中任一所构成；该第二渐变层(G2)的厚度为150nm，但不限定于此。
承上，该基板11、该缓冲层(B)、该第一渐变层(G1)、该下披覆层12、该第一分开局限层异质结构(S1)、该主动层13、该第二分开局限层异质结构(S2)、该上披覆层14、该第二渐变层(G2)及该接触层(C)形成该磊晶结构(W)，并不限定磊晶成长的层数。此外，该主动层13上方的结构为P型半导体，掺杂物(dopant)为铍原子(Be)，其中最上方的该接触层(C)为重掺杂(Heavily doped)，目的是要和氧化铟锡形成良好的奥姆接触，而主动层下方的结构为N型半导体，掺杂物为硅原子(Si)，两种掺杂物的浓度为1018cm-3，重掺杂的区域为1019cm-3。上述所揭露该基板11、该缓冲层(B)、该第一渐变层(G1)、该下披覆层12、该第一分开局限层(S1)、该第二分开局限层(S2)、该上披覆层14、该第二渐变层(G2)及该接触层(C)的材料范围，亦使波长范围能包含蓝光至红外光。
图4A所示，其该量子结构131包括至少一量子点层131A，本实施例中，该量子点层131A的材料包括选自砷化铟(InAs)、氮化镓(GaN)、砷化铟镓(InGaAs)、氮化铟镓(InGaN)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷磷化镓铟(GaInAsP)其中任一所构成，但不限定于此。此外，该量子结构131具有7层该量子点层131A，该量子点层131A更包括一量子点1311、一覆盖层1312及一间隔层1313，该量子点1311上覆盖该覆盖层1312，该覆盖层1312上设有该间隔层1313，且该量子点1311的材料为砷化铟及其厚度为2.2ML(Mono layer)，配合该覆盖层1312的材料为砷化铟镓、其组成式为In0.15Ga0.85As及其厚度为5nm与该间隔层1313的材料为砷化镓及其厚度为45nm，但不限定于此。
图4B所示，其该量子结构131包括至少一量子井层131B，本实施例中，该量子井层131B的材料包括选自砷化铟(InAs)、氮化镓(GaN)、砷化铟镓(InGaAs)、氮化铟镓(InGaN)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铝镓铟(AlGaInAs)、磷化铝镓铟(A1GaInP)、砷磷化镓铟(GaInAsP)其中任一所构成，但不限定于此。
承上，其利用该量子结构131作为增益介质，成功制作出室温操作的电激发光子晶体能带边缘型雷射，配合该光子晶体结构15的周期(a)为385nm、388nm、390nm、393nm或395nm，使雷射发光波长在1.3μm附近，该雷射波长会随着该光子晶体结构15的周期变大而变长，并不局限于该光子晶体结构15的周期(a)为385nm、388nm、390nm、393nm或395nm，故雷射发光波长不限于1.3μm，而在制程上无需晶圆熔合或磊晶再成长的复杂技术，选择直接从该磊晶结构(W)最上方往内部蚀刻来制作该光子晶体结构15，并在该光子晶体结构15上方覆盖氧化铟锡作为该透明导电层17，使光能从该磊晶结构(W)的正面出光，且光子晶体能带边缘型雷射具有面射出光、远场发散角小等优异特性，故光纤的耦合效率优于边射型雷射(Edge-emitting 1aser)，操作于此波段的雷射在光纤通讯领域有很高的应用潜力，但不限定于此。
基于上述的构成，上述较佳实施例的态样，其差异仅在于磊晶成长的材料不同，并皆可达到由该正电极金属18、该透明导电层17、该电流局限结构16及该背电极金属19相互配合，进而电激发该量子结构131，再借由该光子晶体结构15可面射出雷射于该光子晶体结构15的第一预定区域(A1)、该电流局限结构16的孔径161、该透明导电层17的第二预定区域(A2)至该正电极金属18的金属孔181外，并配合图5所示，其该金属孔181的外侧长度(L1)为650μm与内侧长度(L2)为300μm，且该金属孔181内呈现该透明导电层17的第二预定区域(A2)，及图6所示，其在该光子晶体结构15上依序制作该电流局限结构16及该透明导电层17，与图2A、图2B所示，其该光子晶体结构15上尚未制作该电流局限结构16及该透明导电层17的比较后，即可得知该电流局限结构16及该透明导电层17制作于该电激发光子晶体面射型雷射元件10A、10B的何处。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (13)
1.一种电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，包括：
一基板，其具备一第一表面及相反侧的第二表面；
一下披覆层，位在该基板的第一表面上；
一主动层，位在该下披覆层上，并具有一量子结构；
一上披覆层，位在该主动层上；
一接触层，位在该上披覆层上，并以该上披覆层及该接触层呈高台型且设有数个空气孔洞为光子晶体，形成一光子晶体结构，且该光子晶体结构的上表面设定一第一预定区域；
一电流局限结构，位在该光子晶体结构及该主动层上，并具有一孔径，且该孔径对应该光子晶体结构的第一预定区域，形成该光子晶体面积比该孔径对应该光子晶体结构的第一预定区域面积大，使电流流向局限在该光子晶体结构的第一预定区域；
一透明导电层，位在该电流局限结构上，并覆盖该光子晶体结构的第一预定区域上，且该透明导电层的上表面设定一第二预定区域，该第二预定区域的位置与该光子晶体结构的第一预定区域的位置呈现上下对应关系；
一正电极金属，位在该透明导电层上，并具有一金属孔，且该金属孔对应该透明导电层的第二预定区域，使该金属孔不遮蔽该光子晶体结构的第一预定区域；以及
一背电极金属，位在该基板的第二表面上；借此，该正电极金属、该透明导电层、该电流局限结构及该背电极金属相互配合，进而电激发该量子结构，再借由该光子晶体结构可面射出雷射于该光子晶体结构的第一预定区域、该电流局限结构的孔径、该透明导电层的第二预定区域至该正电极金属的金属孔外。
2.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述上披覆层的厚度范围为10～500nm。
3.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述空气孔洞可排列成二维数组。
4.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述电流局限结构的材料可包括选自氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺其中任一所构成。
5.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述透明导电层的材料可包括选自氧化铟锡、氧化锑锡、氟掺杂氧化锡、氧化铝锌、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化锌其中任一所构成。
6.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述量子结构可包括至少一量子点层。
7.根据权利要求6所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述量子点层的材料可包括选自砷化铟、氮化镓、砷化铟镓、氮化铟镓、磷化铟镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、砷磷化镓铟其中任一所构成。
8.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述量子结构包括至少一量子井层。
9.根据权利要求8所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述量子井层的材料包括选自砷化铟、氮化镓、砷化铟镓、氮化铟镓、磷化铟镓、砷化铝镓铟、磷化铝镓铟、砷磷化镓铟其中任一所构成。
10.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述基板与该下披覆层之间包括设有一缓冲层。
11.根据权利要求10所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述缓冲层与该下披覆层之间包括设有一第一渐变层。
12.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述下披覆层与该主动层之间包括设有一第一分开局限层异质；该主动层与该上披覆层之间包括设有一第二分开局限层异质。
13.根据权利要求1所述的电激发光子晶体面射型雷射元件，其特征在于，所述上披覆层与该接触层之间包括设有一第二渐变层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810505434.5A CN110535033B (zh) | 2018-05-24 | 2018-05-24 | 电激发光子晶体面射型雷射元件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810505434.5A CN110535033B (zh) | 2018-05-24 | 2018-05-24 | 电激发光子晶体面射型雷射元件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110535033A CN110535033A (zh) | 2019-12-03 |
| CN110535033B true CN110535033B (zh) | 2021-05-25 |
Family
ID=68656745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810505434.5A Active CN110535033B (zh) | 2018-05-24 | 2018-05-24 | 电激发光子晶体面射型雷射元件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110535033B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWM611530U (zh) * | 2020-04-29 | 2021-05-11 | 富昱晶雷射科技股份有限公司 | 覆晶型之電激發光子晶體面射型雷射元件 |
| US12068575B2 (en) | 2020-04-29 | 2024-08-20 | Phosertek Corporation | Laser device and method of manufacturing the same |
| CN111864536A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-10-30 | 香港中文大学（深圳） | 一种硅基量子点光子晶体激光器及加工方法 |
| TWM627153U (zh) * | 2020-11-08 | 2022-05-21 | 富昱晶雷射科技股份有限公司 | 光子晶體面射型雷射器 |
| CN112652720B (zh) * | 2020-12-22 | 2023-09-05 | 青岛大学 | 一种基于二维光子晶体结构的钙钛矿太阳能电池 |
| CN113644548B (zh) * | 2021-08-18 | 2023-11-07 | 业成科技（成都）有限公司 | 光子晶体面射型激光结构 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101071840A (zh) * | 2006-05-08 | 2007-11-14 | Lg电子株式会社 | 发光器件及其制造方法 |
| CN101783377A (zh) * | 2009-01-20 | 2010-07-21 | 晶元光电股份有限公司 | 发光二极管晶粒等级封装 |
| CN103107482A (zh) * | 2013-01-29 | 2013-05-15 | 中国科学院半导体研究所 | 单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法 |
| CN105823426A (zh) * | 2015-01-08 | 2016-08-03 | 智林企业股份有限公司 | 以移动装置结合光束投射器的量测距离或面积的方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4641736B2 (ja) * | 2003-10-28 | 2011-03-02 | ソニー株式会社 | 面発光半導体レーザーとその製造方法及び光学装置 |
| US20050152417A1 (en) * | 2004-01-08 | 2005-07-14 | Chung-Hsiang Lin | Light emitting device with an omnidirectional photonic crystal |
| JP5020866B2 (ja) * | 2007-05-07 | 2012-09-05 | キヤノン株式会社 | 垂直共振器型面発光レーザ |
| JP5118544B2 (ja) * | 2007-05-15 | 2013-01-16 | キヤノン株式会社 | 面発光レーザ素子 |
-
2018
- 2018-05-24 CN CN201810505434.5A patent/CN110535033B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101071840A (zh) * | 2006-05-08 | 2007-11-14 | Lg电子株式会社 | 发光器件及其制造方法 |
| CN101783377A (zh) * | 2009-01-20 | 2010-07-21 | 晶元光电股份有限公司 | 发光二极管晶粒等级封装 |
| CN103107482A (zh) * | 2013-01-29 | 2013-05-15 | 中国科学院半导体研究所 | 单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法 |
| CN105823426A (zh) * | 2015-01-08 | 2016-08-03 | 智林企业股份有限公司 | 以移动装置结合光束投射器的量测距离或面积的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110535033A (zh) | 2019-12-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110535033B (zh) | 电激发光子晶体面射型雷射元件 | |
| US10340659B1 (en) | Electronically pumped surface-emitting photonic crystal laser | |
| JP6452651B2 (ja) | 半導体光デバイスの製造方法および半導体光デバイス | |
| CN103107482A (zh) | 单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法 | |
| CN102570307A (zh) | 一种单模大功率太赫兹量子级联激光器及其制作工艺 | |
| US10840673B1 (en) | Electrically pumped surface-emitting photonic crystal laser | |
| US11909176B2 (en) | Nanocrystal surface-emitting lasers | |
| CN115868090A (zh) | 光子晶体面发射激光元件 | |
| CN112072466A (zh) | 一种半导体激光器及其制备方法 | |
| US20210344169A1 (en) | Electrically pumped photonic-crystal surface-emitting laser | |
| TWM569067U (zh) | Electrically excited photonic crystal surface-emitting laser element | |
| CN109716601A (zh) | 经蚀刻的平坦化的竖直腔表面发射激光器 | |
| CN112260061B (zh) | 具有检光结构的电激发光子晶体面射型激光元件 | |
| US20240364074A1 (en) | Laser device and method of manufacturing the same | |
| CN108054634B (zh) | 一种窄线宽半导体激光器 | |
| EP4060835A1 (en) | Light-emitting device and method for manufacturing light-emitting device | |
| WO2022095455A1 (en) | Laser device and method of manufacturing the same | |
| CN111384666B (zh) | 制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器 | |
| CN112117637B (zh) | 倒晶式的电激发光子晶体面射型激光元件 | |
| CN113471814A (zh) | 氮化物半导体垂直腔面发射激光器、其制作方法与应用 | |
| KR20120085027A (ko) | 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| CN112152087B (zh) | 一种亚单层量子点垂直腔激光器及其制造方法 | |
| US20230361531A1 (en) | Laser device and method of manufacturing the same | |
| US20070127533A1 (en) | Long-wavelength vertical cavity surface emitting lasers having oxide aperture and method for manufacturing the same | |
| WO2024114692A1 (en) | A cladding-less gan-based thin-film edge-emitting laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220516 Address after: 1st floor, No. 222, Shijie Road, Longshan Li, East District, Hsinchu, Taiwan, China, China Patentee after: Fuyujing Laser Technology Co.,Ltd. Address before: Taiwan, China Taipei Zhongshan District, Nanjing Road, paragraph 28, No. 10, building three Patentee before: Conary Enterprise Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |