本发明涉及一种光电元件的结构，尤指一种利用alinas磊晶层设计具稳定小垂直发射角的边射型激光元件。
背景技术
半导体激光(semiconductorlaser)或称激光二极管(laserdiode)具有体积小、消耗功率低、反应快、耐冲击、寿命长、效率高及价格低等优点，因此被广泛的应用于光电系统产品中，例如:光波通信、信息系统、家用电器、精密测量及光纤通信。
请参阅图1及图2，分别为一现有的典型边射型(edgeemitting)激光二极管元件的立体图与侧视图。该边射型激光元件包含一半导体基板901，以及利用磊晶技术依序形成于该半导体基板901上的一下披覆层(claddinglayer)902、一下光局限(separatedconfinementhetero-structure；简称sch)层9031、一主动层(activeregionlayer)903、一上光局限层9032、一上披覆层904及一接触层(contactlayer)905。其中，该接触层905及该上披覆层904被适当地形成一脊状平台(ridgemesa)910。
一般边射型激光二极管元件的操作原理如下：电子与电洞等载子会注入到主动层903，被载子屏障(barrier)所局限在量子井(quantumwell)复合发光产生材料增益。局限原理为屏障层比量子井层有较高的材料能隙，因此在量子井会形成较低的量子能阶，一旦捕捉载子后即使其不易逃脱。而激光光场则被上、下披覆层904、902局限在上、下sch层9032、9031与主动层903中。局限原理为上、下披覆层904、902有比上、下sch层9032、9031与主动层903较低的光折射率系数n值(lowrefractiveindex)，光场会依据全反射的原理在n值比较高的材料中形成模态并进行传播。光场与主动层903的量子井耦合的程度决定了模态增益(modalgain)，模态增益越高则越容易克服光学损耗(opticalloss)而达到激光化(lasing)，也越容易降低产生激光的门坎电流值(或称为抽运阈值电流；thresholdcurrent)。为了有较高的模态增益，光场需十分集中于主动层903，然而由于边射型激光二极管元件发光的共振腔是一个矩形狭长腔体，且近场与远场存在傅立叶(fourier)转换关系，近场集中则远场就会发散，这也就是一般边射型激光二极管元件自出光端911所发出的激光999垂直发散角较高并导致其激光999的横截面会呈一垂直方向较长的椭圆形光型的原因。
以图1与图2所示的现有边射型激光二极管元件为例，若以如下表一的层数、材料、厚度、掺杂参数值来进行制作2.5gfp磊晶设计结构的现有边射型激光二极管元件，并以如图3所示的边射型激光二极管元件的计算机模型来仿真近场与远场光型的话(其中，脊状平台910的宽度设在1.7μm)，则可获得如图4a、图4b与图4c的光场模拟结果。其中，图3所示的边射型激光二极管元件的结构其实就是如图1与图2所示之的边射型激光二极管元件的结构上下颠倒的示意图(亦即，于图3中，其半导体基板901在最上面)。由图4a至图4c的光场模拟结果可知，现有的边射型激光二极管元件于垂直方向的发散角高达32.9度角，而水平方向的发散角则仅有20.28度角，导致其远场光型呈现一垂直方向较长的狭长椭圆形。
表一：现有边射型激光二极管元件具体结构的实施例
一般来说，传统的边射型激光二极管元件，其垂直发散角(fwhm)常达到30度角以上，而水平发散角一般小于20度角，而对称性越差的场型在光纤偶光效率上就会显得越差，不利于后端应用。因此，如何缩小边射型激光二极管元件所发射的激光的垂直发射角，使其远场光型可较为接近圆形，为本发明所要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的一目的在于提供一种边射型激光元件，其利用alinas磊晶层来设计具稳定小垂直发射角的边射型激光元件。
为达上述目的，本发明提供一种具小垂直发射角的边射型激光元件，其包括有：
一磷化铟(inp)基板(substrate)；
一下披覆(bottomcladding)层，位于该基板上方；
一主动(activeregion)层，位于该下披覆层上方；
一上披覆(topcladding)层，位于该主动层上方；以及
一接触层(contactlayer)，位于该上披覆层上方；
其中：于该下披覆层中进一步夹设有一被动波导(passivewaveguide)层，并使该被动波导层与该主动层之间具有一延伸下披覆(extendedbottomcladding)层，该延伸下披覆层是属于该下披覆层的一部分；并且，该被动波导层的一光折射系数(lightrefractionindex)大于该下披覆层的光折射系数。
于一较佳实施例中，本发明提供的边射型激光元件更包括有：一下光局限(sch)层，位于该下披覆层与该主动层之间；以及一上光局限层，位于该主动层与该上披覆层之间。
于一较佳实施例中，该磷化铟基板、该下披覆层、该被动波导层及该下光局限层都具有n型掺杂(n-typeddoping)。该上披覆层及该接触层都具有p型掺杂(p-typeddoping)。该下披覆层与该上披覆层的材料为inp。该主动层的材料为in1-x-yalxgayas，其中，x及y为介于0与1之间的实数。该接触层的材料为ingaas。该下光局限层及该上光局限层的材料为in0.52al0.48as。
于一较佳实施例中，该被动波导层是单层结构，其材料为in0.52al0.48as，且厚度介于0.2μm～0.6μm；并且，位于该被动波导层与该主动层之间的该延伸下披覆层的厚度是介于0.8μm～1.6μm。
于一更佳实施例中，该被动波导层的厚度是介于0.4μm～0.6μm；并且，该延伸下披覆层的厚度是介于1.2μm～1.4μm。
于一实施例中，该被动波导层是多层结构，其包括有：
一下波导层，位于该下披覆层之上，其材料为ingaasp，且厚度为40nm；
一间隔层，位于该下波导层之上，其材料为inp，且厚度介于50nm；以及
一上波导层，位于该间隔层之上，其材料为ingaasp，且厚度为40nm；
并且，位于该被动波导层与该主动层之间的该延伸下披覆层的厚度是1.4μm。
为更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附详细说明与附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明进行限制。
附图说明
图1为现有的典型边射型(edgeemitting)激光二极管元件的立体图；
图2为现有的典型边射型(edgeemitting)激光二极管元件的侧视图；
图3为现有的典型边射型激光二极管元件的计算机模型示意图；
图4a、图4b与图4c分别为依据图3所示的计算机模型来仿真近场与远场光型的光场模拟结果；
图5为本发明提供的边射型激光元件第一实施例的结构示意图；
图6为本发明提供的边射型激光元件第二实施例的结构示意图；
图7a、图7b与图7c为本发明提供的边射型激光二极管元件第二实施例的光场模拟结果；
图8a与图8b分别是依据表四与表五的资料所绘制出的曲线图。
附图标记说明：901～基板；902～下披覆层；9031～下光局限层；903～主动层；9032～上光局限层；904～上披覆层；905～接触层；910～脊状平台；911～出光端；999～激光；301、401～基板；302、402～下披覆层；3021～下层；3022、4022～延伸下披覆层；39、49～被动波导层；391～下波导层；392～间隔层393～上波导层；3031、4031～下光局限层；303、403～主动层；3032、4032～上光局限层；304、404～上披覆层；305、405～接触层。
具体实施方式
本发明的主要技术特征是在边射型激光元件的下披覆层中进一步夹设有一被动波导(passivewaveguide)层，并使该被动波导层与该主动层之间具有一延伸下披覆(extendedbottomcladding)层，该延伸下披覆层是属于该下披覆层的一部分；并且，该被动波导层的一光折射系数(lightrefractionindex；简称n值)大于该下披覆层的光折射系数。通过此一具高光折射系数的该被动波导层结构来形成没有主动层结构的被动式导光结构，藉以诱导光场往基板方向延伸，并通过该延伸下披覆层来隔开该被动波导层与主动层之间的距离，扩张共振腔内激光光场的近场分布，因此可得到具较小垂直发射角也就是较接近圆形的远场光型。
如图5所示为本发明提供的边射型激光元件第一实施例的结构示意图。于本发明的第一实施例中，该边射型激光元件由下至上依序至少包括有：一磷化铟(inp)基板(substrate)301、一下披覆(bottomcladding)层302、一被动波导(passivewaveguide)层39夹设于该下披覆层302中、一下光局限(sch)层3031、一主动(activeregion)层303、一上光局限层3032、一上披覆(topcladding)层304以及一接触层(contactlayer)305。由于该被动波导层39是被夹设于该下披覆层302中，所以会把下披覆层302分隔成上、下两层3021、3022；其中位于该被动波导层39与该主动层303之间的那部分可被称为一延伸下披覆(extendedbottomcladding)层3022。该延伸下披覆层3022是属于该下披覆层302的一部分，并且，该被动波导层39的一光折射系数(lightrefractionindex)大于该下披覆层302的光折射系数。
于图5所示的本发明提供的边射型激光元件的第一实施例中，该被动波导层39是多层结构，其由下而上依序包括有：一下波导层391、一间隔层392以及一上波导层393。请参阅表二所示，为如图5所示的本发明提供的边射型激光元件中，其各层结构的层数、材料、厚度、掺杂参数值的其中之一具体实施例(以2.5gfp为例)。
表二：本发明提供的边射型激光二极管元件具体结构的第一实施例
由表二搭配图5内容可知，于本实施例中，该下波导层391是位于该披覆层下层3021上，其材料为ingaasp，且厚度为40nm。该间隔层392是位于该下波导层391之上，其材料为inp，且厚度为50nm。该上波导层393是位于该间隔层392之上，其材料为ingaasp，且厚度为40nm。并且，位于该被动波导层39与该主动层303之间的该延伸下披覆层3022的厚度是1.4μm。至于边射型激光二极管元件之上述各磊晶层的其他细节参数值，例如各层材料中分别又具有多少次层结构、各成分比例、各层厚度、掺杂类型、掺杂浓度、使用何种掺杂剂等具体数值，因可直接从表五得知，故不再赘述。
如图5及表二所示的本发明提供的边射型激光二极管元件的第一实施例的具体结构，虽可让所发出的激光的垂直发射角缩小到28度角以下，但是，由于此第一实施例的作法主要是在磊晶层靠近inp基板301的下披覆层302内安插两层超晶格有机半导体材料(superlatticepq；例如ingaasp～1.165um)的高n值波导层，亦即该下波导层391与该上波导层393，而这样的作法却会导致以下两个缺点：
1.pq牵涉两个五族的成长，磊晶上较难控制，因此容易造成折射率系数的变异进而影响到发散角的改变；
2.pqlayer需多层设计，每层厚度落在10nm-100nm之间，制造过程较为麻烦且不易控制。
有鉴于此，本发明进一步提供了边射型激光二极管元件的第二实施例来解决第一实施例所具有的上述缺点，详述于后。
请参阅图6，为本发明提供的边射型激光元件第二实施例的结构示意图。于此第二实施例中，同样地，该边射型激光元件是在一磷化铟(inp)基板(substrate)401以磊晶方式由下至上依序形成至少下列各磊晶层：一下披覆(bottomcladding)层402、一被动波导(passivewaveguide)层49夹设于该下披覆层402中、一下光局限(sch)层4031、一主动(activeregion)层403、一上光局限层4032、一上披覆(topcladding)层404以及一接触层(contactlayer)405。于本实施例中，基板401实质上也提供了下披覆层402的一部分功能，且由于该被动波导层49是被夹设于该下披覆层302中最靠近基板401之处，所以位于该被动波导层49与该主动层403之间的那部分可被称为一延伸下披覆(extendedbottomcladding)层4022。该延伸下披覆层4022是属于该下披覆层402的一部分，并且，该被动波导层49的一光折射系数(lightrefractionindex)大于该下披覆层402的光折射系数。
于图6所示的本发明提供的边射型激光元件的第二实施例中，该被动波导层49是单层结构，其是以晶格结构匹配(latticematch)的单层高n值alxgayin1-x-yas块状(bulk)结构形成被动式波导(passivewaveguide)来取代第一实施例中的pqlayer多层设计，例如alinas、algainas或ingaas，其优点为下：
1.该被动波导层49只使用单一五族(as)，所以磊晶控制佳；
2.该被动波导层49是单一块状膜层设计，膜厚落在50nm-1000nm范围，所以制造过程较为简单且好控制。
利用此法一样可稳定均匀的制作出小垂直角的边射型激光二极管元件，更可克服本发明第一实施例中的pqlayer多层设计所导致的各项缺点。
请参阅表三所示，为如图6所示本发明提供的边射型激光元件的第二实施例中，其各层结构的层数、材料、厚度、掺杂参数值的其中之一具体实施例(以2.5gfp为例)。
表三：本发明提供的边射型激光二极管元件具体结构的第二实施例
由图六搭配上表三内容可知，于本发明提供的边射型激光二极管元件第二实施例中，该磷化铟基板401、该下披覆层402(含延伸下披覆层4022)、该被动波导层49及该下光局限层4031都具有n型掺杂(n-typeddoping)。该上披覆层404及该接触层405都具有p型掺杂(p-typeddoping)。该基板401、下披覆层402(含延伸下披覆层4022)与该上披覆层404的材料都为inp。该主动层403的材料为in1-x-yalxgayas，其中，x及y为介于0与1之间的实数。该接触层405的材料为ingaas，于接触层405底层靠近上披覆层404的部分设有较薄的ingaasp层是为了从inp过渡到ingaas的过渡层，目的是使材料能阶比较连续，可以降低电阻。并且，该下光局限层4031及该上光局限层4032的材料为in0.52al0.48as。至于边射型激光二极管元件的上述各磊晶层的其他细节参数值，例如各层材料中分别又具有多少次层结构、各成分比例、各层厚度、掺杂类型、掺杂浓度、使用何种掺杂剂等具体数值，因可直接从表六得知，故不再赘述。
以图6所示的本发明提供的边射型激光二极管元件第二实施例为例，若以如上表三的层数、材料、厚度、掺杂参数值来进行制作2.5gfp磊晶设计结构的边射型激光二极管元件，并以如类似图3所示的边射型激光二极管元件的计算机模型来仿真近场与远场光型的话(其中，脊状平台的宽度设在1.7μm)，则可获得如图7a、图7b与图7c的光场模拟结果。由图7a至图7c的光场模拟结果可知，如图6及表三所示的本发明提供的边射型激光二极管元件第二实施例，其于垂直方向的发散角可有效缩小至24.73度角，而水平方向的发散角则为18.28度角；因此，相较于图4a至图4c所示的现有的光场模拟结果，本发明提供的边射型激光二极管元件第二实施例确实可以获得相对更接近圆形的远场激光光型。此外，本发明也经由实际磊晶与元件制作得到实际的测量数据，得到依据上述图6与表三内容所制作出的本发明提供的边射型激光二极管元件实际样品，经测量其垂直方向的发散角为22.49度角、水平方向的发散角则为19.16度角，不仅确实较传统的边射型激光二极管元件具有相对更接近圆形的激光光型，且大体上也符合如图7a至图7c所示的光场模拟结果。
本发明的重点特征在于使用单一五族(as)且单一层的inalgaasbulk材料来设计该被动波导层49，达到稳定且简易成长小垂直角激光，此被动波导层49位于主动层403下方且位于inp基板401上方。本发明于结构上的重点包含两点：
1.延伸下披覆层4022的材料为inp可提供小n值；
2.被动波导层49的材料为alxgayin1-x-yas，可提供大n值。
所以，于本发明中，延伸下披覆层4022与被动波导层49各自的厚度需经过适当设计，才能同时有小垂直发散角与好的激光特性。一般来说，延伸下披覆层4022(材料为inp)须有一定的厚度才能达到扩张近场分布的功效，但过厚的设计则会耗费过多磊晶时间，合适厚度落于500nm-2000nm区间。被动波导层49(材料为alxgayin1-x-yas)须有一定厚度才能有效诱导光场，但厚度增加会牺牲模态增益(modalgain)，两者间存在权衡(trade-off)，需经过细算得到最佳优化平衡。而被动波导层49超过一定厚度则会出现多模态(multi-mode)而无法使用，合适厚度落于100nm-1000nm范围。本发明通过计算机仿真计算不同延伸下披覆层4022与被动波导层49厚度展开成数组表的结果如下表四与表五，以显示出在不同延伸下披覆层4022厚度搭配不同被动波导层49厚度时，其所能获得的垂直发散角与模态增益分别为何。
表四：本发明提供的边射型激光元件在不同被动波导层49(材料为in0.52al0.48as)与延伸下披覆层4022(材料为inp)厚度时的远场垂直发散角表现
表五：本发明提供的边射型激光元件在不同被动波导层49与延伸下披覆层4022厚度时的模态增益表现
其中，multi是多模态(multi-mode)之意。
另请参阅图8a与图8b，分别是依据表四与表五的资料所绘制出的曲线图。
由上述表四与表五内容可知，若希望本发明提供的边射型激光元件的远场垂直发散角能低于30度角、且同时模态增益能高于60以上时，则被动波导层49(材料为in0.52al0.48as)厚度可介于0.2μm～0.6μm、同时该延伸下披覆层4022(材料为inp)厚度是介于0.8μm～1.6μm为较佳。而若欲得到更好的激光光场与增益表现，则于本发明的最佳实施例中，该被动波导层的厚度可介于0.4μm～0.6μm；并且，该延伸下披覆层的厚度是介于1.2μm～1.4μm，此时，远场垂直发散角能低于25度角左右、且同时模态增益能高于接近70以上，不仅确实解决了传统边射型激光元件所具有的远场垂直发散角常大于30度以上的问题、还同时保持了良好的模态增益值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，当不能限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的保护范围内。