[发明专利]半导体雷射二极管

说明书

一种半导体雷射二极管，为解决现有技术中所运用材料虽能降低应力但选择材料较有限且载子局限能力不佳，因此在雷射组件中提供含磷的半导体层，一方面能更有效的降低雷射组件的主动区或雷射组件的应力总和，另一方面提高主动区对载子的局限能力，其中含磷的半导体层在适当条件下能有效降低应力总和或显著增进载子局限性，在一些情形下并兼具以上两种效果；含磷的半导体层适用于具有一或多主动层的主动区、为量子井结构或量子点结构的主动层，尤其在具有多主动层的主动区内设置含磷的半导体层后，高温特性获得显著的改善或增进。

技术领域

一种半导体雷射二极管，尤其是一种雷射波长至少超过700nm或800nm的半导体雷射二极管。

背景技术

半导体雷射二极管例如垂直共振腔表面放射雷射二极管(Vertical CavitySurface Emitting Laser Diode,VCSEL)或边射型雷射二极管(Edge Emitting LaserDiode,EEL)可以用来做为3D感测、LiDAR或光通讯的光源之一。

VCSEL通常包括一对高反射率的膜层，现有技术为分布式布拉格反射器层(Distributed Bragg Reflector Layer,DBR Layer)。在一对DBR层之间会具有共振腔，共振腔通常包括间隔层(Spacer Layer)及主动层(Active Layer)，主动层通常包含量子井结构或量子点结构，其中量子井结构主要是由障壁层(Barrier Layer)及井层(Well Layer)构成。DBR层通常是由两种或两种以上不同折射率的材料经重复堆栈并准确控制厚度以达到高反射率的效果。EEL则是在组件的相对的两外侧镀上一对不同反射率的膜层来形成共振腔，主动层通常包含量子井结构或量子点结构，EEL的量子井结构跟VCSEL一样也是主要由障壁层及井层构成，主动层之上与之下通常形成上光电局限层与下光电局限层。

半导体雷射二极管的主动层若是量子井结构时，井层通常是由较低能隙的半导体材料形成，且障壁层是由能隙比井层更大的材料组成，因此藉由障壁层及井层之间的能带差距会形成量子井。当雷射二极管受到顺向偏压时，电子及电洞则会注入并局限于量子井结构中，而被注入的电子及电洞等载子会在量子井内产生复合而发射特定波长的光，且光在共振腔内产生建设性干涉，进而发出雷射光。根据雷射光发出的方向，雷射二极管可区分为面射型雷射二极管(VCSEL)及边射型雷射二极管(EEL)，而面射型雷射二极管也可根据雷射光发出的方向进一步区分为正面出光型雷射二极管(Top Emitting VCSEL)及背面出光型雷射二极管(Bottom Emitting VCSEL)。

VCSEL具备下列优点：(1)窄线宽、圆锥形激光束易与光纤耦合；(2)在低电流准位可具有快速调变功能，适用于高速传输的应用领域；(3)可单模输出；(4)低驱动电流(threshold current)，功耗小；(5)高输出功率；(6)正面或背面发光的特性可设计1D或2D矩阵；(7)芯片在封装前即可进行测试，可大幅降低成本。

发明内容

在基板上进行磊晶成长而形成雷射二极管结构，若所成长的磊晶层材料与基板的晶格有不匹配时就会在磊晶层产生应力(Stress)，磊晶层累积过大的应力总和将可能导致雷射二极管结构中的磊晶层产生缺陷(Defect)或差排(Dislocation)，进而影响雷射组件的可靠度(Reliability)或功率转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)。雷射二极管的主动层若为量子井结构，井层常使用的材料例如有InGaAs或InAlGaAs，选用上述材料的主要目的在于提升雷射二极管的发光效率(optical gain)、提升操作带宽(frequencyresponse)或用于达到发出特定的雷射波长，然而InGaAs或InAlGaAs磊晶层材料与GaAs基板的晶格不匹配偏大，因而导致主动层产生较大的压缩应力并于雷射二极管的磊晶层产生压缩应力累积。

井层的材料与基板的材料晶格不匹配时会在主动层产生应力累积，且导致雷射二极管结构中磊晶层的应力总和快速累积，导致可靠度不佳。另一方面，高温操作时主动层载子局限不佳也是必须克服的问题。