专利名称：垂直共振腔面射型激光及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光元件，尤其涉及一种垂直共振腔面射型激光及其制作方法。
背景技术：
垂直共振腔面射型激光(VCSEL)的主要特征在于可以大致上以垂直其芯片上表面的方式发出光线。VCSEL通常可通过化学气相沉积(MOCVD)或分子束磊晶(MBE)等沉积方法来形成具有多层结构的磊晶叠层，并通过常见的半导体工艺来加以制作。磊晶叠层包含一为主要发光区的主动区(active region)，以及二分别位于该主动区的上下两侧的布拉格反射镜(DBR)堆栈层。该二布拉格反射镜堆栈层之间构成一激光共振腔，可供主动区产生特定波长的光线在其内来回反射以产生增益(gain)放大作用。为了获得较佳的光电特性，通常会在上侧的布拉格反射镜堆栈层内形成一电流局限通孔 (current confinement aperture),用以限制电流的流动路径,藉以降低临界电流并提升光电转换效率。传统制作电流局限通孔的方法包括离子布植法以及选择性氧化法等方法，且这两种方法各有其有优缺点。如图I所示，一种已知的VCSEL，选择同时采用此两种方法，该VCSEL的磊晶叠层10中不但具有一离子布植局限区11，还具有一位在离子布植局限区11下方的氧化局限区12。离子布植局限区11与氧化局限区12两者分别具有一局限通孔110、120，且两个局限通孔110、120须在垂直方向对准，以便获得较佳的电流局限特性及具有较佳的光谱特性。然而，上述设计虽然可以降低高阶模态，但是也会衍生出高阻抗及模态不稳定的现象，不利高速元件的操作。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种垂直共振腔面射型激光及其制作方法，可提供稳定的少模态激光束和低阻抗的垂直共振腔面射型激光。为达上述目的，本发明的垂直共振腔面射型激光，包含一基板以及一磊晶叠层。磊晶叠层形成于该基板上，且包含有一环状锌扩散区、一位于该锌扩散区下方的环状离子布植区、一位于离子布植区下方的环状氧化区，以及一位于该环状氧化区下方的主动区，其中，该锌扩散区具有一锌扩散通孔，该离子布植区具有一离子布植通孔，且该氧化区具有一氧化通孔，且该锌扩散通孔、该离子布植通孔与该氧化通孔相互连通。并且，上述本发明的垂直共振腔面射型激光的制作方法包含下列步骤首先提供一基板；于该基板上形成一磊晶叠层；在该磊晶叠层上形成一第一屏蔽，该第一屏蔽具有一环状孔隙；通过该环状孔隙对该磊晶叠层进行离子布植，以形成一环状离子布植区；通过该环状孔隙对该磊晶叠层进行锌扩散，以形成一环状锌扩散区；在该第一屏蔽上形成一第二屏蔽，藉以遮蔽该第一屏蔽的环状孔隙；以及通过该第一屏蔽及该第二屏蔽对该磊晶叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台。
此外，本发明的另一种垂直共振腔面射型激光的制作方法，包含下列步骤提供一基板；于该基板上形成一磊晶叠层，且该磊晶叠层包含有一高铝含量层；在该磊晶叠层上形成一第一屏蔽，该第一屏蔽具有一环状孔隙；通过该环状孔隙对该磊晶叠层进行锌扩散，以形成一环状锌扩散区；在该第一屏蔽上形成一第二屏蔽，藉以遮蔽该第一屏蔽的环状孔隙；通过该第一屏蔽及该第二屏蔽对该磊晶叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台；以及对该高铝含量层进行氧化以形成一环状氧化区。本发明的功效在于，借着与该离子布植通孔及该氧化通孔相互连通的锌扩散通孔，对本发明的垂直共振腔面射型激光作模态控制，可使其所发激光的模态稳定，并减少高阶模态的存在。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图I为现有的垂直共振腔面射型激光；图2A为本发明垂直共振腔面射型激光的侧视示意图；图2B为本发明垂直共振腔面射型激光的侧视示意图；以及图3至图14为本发明垂直共振腔面射型激光的制作方法的各步骤示意图。其中，附图标记基板21嘉晶置层22第一布拉格反射镜221第一分隔层222主动层223第二分隔层224第二布拉格反射镜225第一屏蔽23圆形部231圆环部232环状孔隙233环状离子布植区24离子布植通孔241第二屏蔽25岛状平台26侧面261氧化区27氧化通孔271第一电极28第二电极29氧化锌薄膜30覆盖层31锌扩散区32锌扩散通孔32具体实施例方式有关本发明的技术内容、详细说明，以及功效，现配合
如下.如图2A所示，本发明的一种垂直共振腔面射型激光，主要包含一基板21，以及形成于该基板21上的一嘉晶置层22。该嘉晶置层22可以AlGaAs/GaAs系统的化合物半导体为基础，但不以此限，实际实施时也可为AlN/GaN/InGaN等材料系统，并可依所需的激光的波长来决定。其波长不限，可为红外光、可见光或紫外光等。详细说明其结构，该磊晶叠层22由下而上依序包含形成在该基板21上的一第一布拉格反射镜221、一第一分隔层222、一主动层223、一第二分隔层224,以及一第二布拉格反射镜225。该第一布拉格反射镜221及第二布拉格反射镜225分别具有多层的堆栈膜层，藉以反射光线。该主动层223也可具有多层的堆栈膜层。并且，第二布拉格反射镜225的堆栈膜层中具有一高招含量层(图未示)。此外，在该磊晶叠层22中还包含有一环状锌扩散区32、一位于该锌扩散区32下方的环状离子布植区24，以及一位于离子布植区24下方的环状氧化区27。特别注意的是，该锌扩散区32具有一锌扩散通孔321，该离子布植区24具有一离子布植通孔241，且该氧化区27具有一氧化通孔271，且该锌扩散通孔321、该离子布植通孔241与该氧化通孔271相互连通。借着与该离子布植通孔241及该氧化通孔271相互连通的锌扩散通孔321，对本发明的垂直共振腔面射型激光作模态控制，可使其所发激光的模态稳定，并减少高阶模态的存在。此外，该锌扩散区32还可使该激光光场分布呈现高斯分布或是圈状分布，并且，有助于降低垂直共振腔面射型激光本身的阻抗。较佳地，该锌扩散通孔321的轴心、该离子布植通孔241的轴心与该氧化通孔271的轴心相互对齐时，可使上述模态控制以及阻抗降低的 效果达到最佳。此外，如图2B所示的另一种实施例，其结构大致与图2A相同，不同之处在于将上述第二电极改为设置在基板21的下表面上，形成图2B中所示的第二电极33。本发明的垂直共振腔面射型激光的制作方法，首先，如图3所示，提供一基板21，并于该基板21上形成一磊晶叠层22，接着，在该磊晶叠层22上以半导体工艺形成一第一屏蔽23。该第一屏蔽23为氮化硅薄膜经由微影及蚀刻工艺所制成，实际实施时，其材质不以此限。如图4所示，该第一屏蔽23包含在该磊晶叠层22上形成的一圆形部231，以及一环绕该圆形部231且与该圆形部231同心的圆环部232，且该圆形部231及该圆环部232之间界定出一环状孔隙233。然后，如图5所示，通过该第一屏蔽23的环状孔隙233对该磊晶叠层22进行离子布植，以于该第二布拉格反射镜225内形成一环状离子布植区24。此环状的离子布植区24具有一离子布植通孔241，此离子布植通孔241的中心对齐该第一屏蔽23的中心。接着，通过该环状孔隙233对该磊晶叠层22进一步进行锌扩散，如图6所示，首先，形成一覆盖该第一屏蔽23以及该离子布植区24上表面的氧化锌薄膜30，然后，如图7所示，在该氧化锌薄膜30上进一步形成一覆盖层31。接着，如图8所示，对该氧化锌薄膜30进行热处理，使氧化锌薄膜30的锌成分向下扩散进入该离子布植区24，以形成一环状锌扩散区32。并且，如图9所示，将该锌扩散区32上方的氧化锌薄膜30以及覆盖层31移除。接着，如图10所示，利用半导体工艺在该第一屏蔽23上形成一第二屏蔽25，藉以遮蔽该第一屏蔽23的环状孔隙233。该第二屏蔽25为氮化硅薄膜经由微影及蚀刻工艺所制成，实际实施时，其材质不以此限。如图11所示，该第二屏蔽25为圆形，其可配合遮蔽该第一屏蔽23的环状孔隙233，以保护第二布拉格反射镜225的部分区域，即第二屏蔽25所覆盖的区域。在实际制作上，需注意要使该第二屏蔽25的边缘完全地落在该第一屏蔽23的圆环部232上，以至少能完整涵盖该圆形部231以及该环状孔隙233，且不可超出该圆环部232之外。圆环部232的宽度W是考虑所使用的半导体工艺设备所能达到的最小叠对误差。如图12所示，当半导体工艺设备的叠对误差导致第二屏蔽25的中心与该第一屏蔽23的中心无法对齐时，该第二屏蔽25的边缘仍可完全地落在该第一屏蔽23的圆环部232上，也就是说，通过控制该圆环部232的宽度W，来吸收半导体工艺设备的叠对误差。因此，若实际所使用的半导体工艺设备的最小叠对误差较大时，可考虑加宽该圆环部232的宽度W，以使该第二屏蔽25的边缘落在该第一屏蔽23的圆环部232上。然后，如图13所示，通过该第一屏蔽23及第二屏蔽25对该磊晶叠层22进行蚀刻，并向下蚀刻至 该第一布拉格反射镜221，以形成一岛状平台26。由于该第二屏蔽25的边缘完全地落在该第一屏蔽23的圆环部232上，所以蚀刻出来的岛状平台26的边缘真正是由圆环部232的边缘所控制，也就是说，岛状平台26的边缘对齐于该第一屏蔽23的边缘，并且，岛状平台26的中心实际上已对齐于该第一屏蔽23的中心，也更对齐该离子布植通孔241的中心。接着，如图14所示，对该第二布拉格反射镜225的高铝含量层进行氧化，以形成一位在该离子布植区24与该主动区223之间的环状氧化区27，且此氧化区27具有一氧化通孔271。由于氧化是由岛状平台26的侧面261均匀地向内进行，因此所形成的氧化通孔271的中心会对齐于岛状平台26的中心，也对齐该离子布植通孔241的中心。藉此，可降低氧化区27的元件光场局限(indexguiding)效应,并集中电流提高电流局限(gain guiding)效应，以改善光谱特性。最后，去除该第一屏蔽23以及该第二屏蔽25。并且，如图2A所示，利用金属薄膜沉积工艺，在该第二布拉格反射镜225上形成一第一电极28,并在该第一布拉格反射镜221上形成一第二电极29。或者，也可如图2B所示，在基板21的下表面制作第二电极33。如此，即完成本发明垂直共振腔面射型激光的制作。需说明的是，以上本发明的垂直共振腔面射型激光的制作方法，形成了离子布植区24、锌扩散区32以及氧化区27三者，然而，实际实施时，也可仅进行离子布植区24、锌扩散区32 二者，或是锌扩散区32以及氧化区27 二者。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种垂直共振腔面射型激光，其特征在于，包含 一基板；以及 一磊晶叠层，形成于该基板上，该磊晶叠层包含有一环状锌扩散区、一位于该锌扩散区下方的环状离子布植区、一位于离子布植区下方的环状氧化区，以及一位于该环状氧化区下方的主动区； 其中，该锌扩散区具有一锌扩散通孔，该离子布植区具有一离子布植通孔，且该氧化区具有一氧化通孔，且该锌扩散通孔、该离子布植通孔与该氧化通孔为相互连通。
2.根据权利要求I所述的垂直共振腔面射型激光，其特征在于，且该锌扩散通孔的轴心、该离子布植通孔的轴心与该氧化通孔的轴心为相互对齐。
3.根据权利要求I所述的垂直共振腔面射型激光，其特征在于，该磊晶叠层包含一位在该主动区一侧的第一布拉格反射镜，一位在该主动区另一侧的第二布拉格反射镜。
4.一种垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，包含下列步骤 (A)提供一基板； (B)于该基板上形成一磊晶叠层； (C)在该磊晶叠层上形成一第一屏蔽，该第一屏蔽具有一环状孔隙； (D)通过该环状孔隙对该磊晶叠层进行离子布植，以形成一环状离子布植区； (E)通过该环状孔隙对该磊晶叠层进行锌扩散，以形成一环状锌扩散区； (F)在该第一屏蔽上形成一第二屏蔽，藉以遮蔽该第一屏蔽的环状孔隙；以及 (G)通过该第一屏蔽及该第二屏蔽对该磊晶叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台。
5.根据权利要求4所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，形成该磊晶叠层包含形成一第一布拉格反射镜、一第二布拉格反射镜，以及一位在该第一布拉格反射镜与第二布拉格反射镜之间的主动区。
6.根据权利要求4所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，该磊晶叠层包含有一高铝含量层，且还包含在该岛状平台形成后，对该高铝含量层进行氧化以形成一环状氧化区。
7.根据权利要求6所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，该高铝含量层属于该第二布拉格反射镜。
8.根据权利要求4所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，形成该第一屏蔽包含在该磊晶叠层上形成一圆形部以及一环绕该圆形部且与该圆形部同心的圆环部，且该圆形部及该圆环部之间界定出该环状孔隙。
9.根据权利要求8所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，使该第二屏蔽至少完整涵盖该圆形部以及该环状孔隙，且不超出该圆环部之外。
10.一种垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，包含下列步骤 (A)提供一基板； (B)于该基板上形成一磊晶叠层，且该磊晶叠层包含有一高铝含量层； (C)在该磊晶叠层上形成一第一屏蔽，该第一屏蔽具有一环状孔隙； (D)通过该环状孔隙对该磊晶叠层进行锌扩散，以形成一环状锌扩散区； (E)在该第一屏蔽上形成一第二屏蔽，藉以遮蔽该第一屏蔽的环状孔隙； (F)通过该第一屏蔽及该第二屏蔽对该磊晶叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台；以及(G)对该高铝含量层进行氧化以形成一环状氧化区。
11.根据权利要求10所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，形成该嘉晶叠层包含形成一第一布拉格反射镜、一第二布拉格反射镜，以及一位在该第一布拉格反射镜与第二布拉格反射镜之间的主动区。
12.根据权利要求11所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，该高铝含量层属于该第二布拉格反射镜。
13.根据权利要求10所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，形成该第一屏蔽包含在该磊晶叠层上形成一圆形部以及一环绕该圆形部且与该圆形部同心的圆环部，且该圆形部及该圆环部之间界定出该环状孔隙。
14.根据权利要求10所述的垂直共振腔面射型激光的制作方法，其特征在于，使该第二屏蔽至少完整涵盖该圆形部以及该环状孔隙，且不超出该圆环部之外。
全文摘要
本发明提供一种垂直共振腔面射型激光及其制作方法，垂直共振腔面射型激光，包含一基板以及一磊晶叠层。磊晶叠层形成于该基板上，且包含有一环状锌扩散区、一位于该锌扩散区下方的环状离子布植区、一位于离子布植区下方的环状氧化区，以及一位于该环状氧化区下方的主动区，其中，该锌扩散区具有一锌扩散通孔，该离子布植区具有一离子布植通孔，且该氧化区具有一氧化通孔，且该锌扩散通孔、该离子布植通孔与该氧化通孔相互连通。此外，本发明还提供一种上述垂直共振腔面射型激光的制作方法。
文档编号H01S5/187GK102738703SQ20111008471
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月1日 优先权日2011年4月1日
发明者吴承儒, 潘金山, 陈志诚, 陈柏翰 申请人:光环科技股份有限公司