薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的制作方法-k8凯发

1.本实用新型涉及一种激光元件，尤指一种薄膜式垂直共振腔面射型激光元件。


背景技术：

2.垂直共振腔面射型激光(vertical cavity surface emitting laser,vcsel)是一种由原建表面出光的激光元件，相较于边射型激光(edge emitting laser,eel)，具有阈值电流小，对称发散角且容易做成阵列等优点，目前广泛用于光感测，光通信及气体侦测等领域。
3.请参阅图3所示，传统的vcsel
通过磊晶程序设置在一基板上
51，相对基板而言，由下而上依序为n型分散式布拉格反射镜(distributed bragg reflector；dbr)层
52、主动发光层
53、电流局限层
54、p型dbr层
55等。
当电流通过主动发光层
53产生光子，光波在p型dbr层
55及n型dbr层
52之间进行建设性反射从而形成激光，且下方的n型dbr层
52反射率略高于p型dbr层
53，使得激光光束通过电流局限层
54的发光孔
540
由p型dbr层
55上方射出。
磊晶结构上包覆钝化层
56，金属电极
57通过钝化层开口与p型dbr层
55及n型dbr层
52形成电性连接。
4.由于vcsel
在结构上采用电流局限层
54形成的发光孔
540
出光以及进行电流局限，当电流通过发光孔
540
时，电流密度增加而产生较多的热能，且基板
51的热阻也会使得热能容易累积于磊晶结构中，使得主动发光层
53温度上升，进一步致使光功率及相关可靠度性能下降，甚至导致元件失效。
因此解决散热问题是提升激光元件效能及可靠度最重要的关键。


技术实现要素：

5.有鉴于现有的vcsel
元件需要解决载电流局限层附近产生的散热问题，本实用新型提出一种高散热薄膜热薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，包含：
6.一磊晶结构，包含：
7.一上布拉格反射镜层；
8.一下布拉格反射镜层；
9.一主动发光层，设置于该上布拉格反射镜层及下布拉格反射镜层之间；
10.一电流局限层，设置于该下布拉格反射镜层靠近该主动发光层的一表面，具有一发光孔；
11.一n型金属接触层，与该下布拉格反射镜层远离该主动发光层的一表面形成欧姆接触；以及
12.一p型金属接触层，与该上布拉格反射镜层远离该主动发光层的一表面形成欧姆接触；其中，
13.该p型金属接触层、该上布拉格反射镜层、该主动发光层、该电流局限层、该下布拉格反射镜层在该n型金属接触层的一侧形成一圆柱体。
14.在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：
15.一第一金属电极，设置于该n型金属接触层朝向该圆柱体的一侧，且与该n型金属接触层电性连接，
16.一第二金属电极，设置于该圆柱体的外侧且与该p型金属接触层电性连接。
17.在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：
18.一感光性高分子材料，设置于该第一金属电极及第二金属电极的间隔中。
19.在一实施例中，该上布拉格反射镜层的反射率大于该下布拉格反射镜层。
20.在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：
21.一第一钝化层，包覆该圆柱体及该n型金属接触层未受该圆柱体覆盖的部分表面，且具有一第一开口及一第二开口，该第一开口局部地露出该n型金属接触层的该部分表面，该第二开口局部地露出该p型金属接触层的表面；其中，
22.该第一金属电极是通过该第一开口与该n型金属接触层电性连接，该第二金属电极是通过该第二开口与该p型金属接触层电性连接。
23.在一实施例中，所述的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含：
24.一第二钝化层，设置于该n型金属接触层远离该下布拉格反射镜层的一表面。
25.在一实施例中，该上布拉格反射镜层的一镜层对数大于该下布拉格反射镜层的一镜层对数。
26.在一实施例中，该主动发光层进一步包含：
27.一p型空间层；
28.一n型空间层；及
29.一多重量子井空间层，设置于该p型空间层和该n型空间层之间。
30.本实用新型的高散热薄膜式垂直共振腔面射型激光元件在完成制程后会移除基板，故由下布拉格反射镜层及上布拉格反射镜层之间的主动发光层所致使产生的激光可由n型金属接触层相对该电流局限层的一下表面射出。
相较传统激光元件的磊晶层及基板的总厚度为
108～
160
μm，本实用新型的共振腔面射型激光元件由于不具基板，体积减少且薄膜化，薄膜化后主要磊晶层厚度为8～
10μm，具有可挠性且增加封装弹性。
进一步而言，热能不会受到n型金属接触层下方的基板阻挡，而能容易的直接由n型金属接触层下方发散，保证薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的散热效能。
附图说明
31.图1为本实用新型薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的侧视剖面图。
32.图
2a至图
2f为本实用新型薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的制造流程剖面图。
33.图3为习知垂直共振腔面射型激光元件的侧视剖面图。
具体实施方式
34.请参阅图1所示，本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件包含一磊晶结构
10，磊晶结构
10由下而上依序包一n型金属接触层
11、一下布拉格反射镜层
12、一电流局限层
13、一主动发光层
14、一上布拉格反射镜层
15及一p型金属接触层
16。
主动发光层
14位于上布拉格反射镜层
15及下布拉格反射镜层
12之间，而电流局限层
13位于下布拉格反射镜
层
12靠近主动发光层
14的一表面，具有一发光孔
130
以使得电流能由主动发光层
14流动至下布拉格反射镜层
12，以及使得主动发光层
14产生的光能在由上布拉格反射镜层
15及下布拉格反射镜层
12共振后通过下布拉格反射镜层
12射出。
35.n型金属接触层
11与下布拉格反射镜层
12远离主动发光层
14的一表面形成欧姆接触，而p型金属接触层
16与上布拉格反射镜层
15远离主动发光层
14的一表面形成欧姆接触。
36.其中，p型金属接触层
16、上布拉格反射镜层
15、主动发光层
14、电流局限层
13、下布拉格反射镜层
12在n型金属接触层
11的一侧形成一圆柱体
10’。
圆柱体
10’即为一基本发光单元。n型金属接触层
11上能在制程中同时设置包含多基板发光单元的阵列，作为一激光装置的发光模组。
37.在本实用新型中，上布拉格反射镜层
15的反射率大于下布拉格反射镜层
12的反射率，使得在激光由下布拉格反射镜层
12的下方射出。
在上布拉格反射镜层
15与下布拉格反射镜层
12的能系设计相同，例如均为alxga1-xas/gaas镜层的情况下，上布拉格反射镜层
15的一镜层对数大于下布拉格反射镜层
12的一镜层对数。
举例而言，上布拉格反射镜层
15的镜层对数为
35～
40
对，反射率为大于
99.8％以上，下布拉格反射镜层
12的镜层对数为
15～
21对，反射率为小于
99.6％。
38.较佳的，薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含一第一金属电极
21及一第二金属电极
22，第一金属电极
21设置于n型金属接触层
11朝向圆柱体
10’的一侧，且与n型金属接触层
11电性连接，第二金属电极
22设置于圆柱体
10’的外侧且与p型金属接触层
16电性连接。
此外，还进一步包含一感光性高分子材料
23，设置于第一金属电极
21及第二金属电极
22之间，以使第一金属电极
21及第二金属电极
22之间电性隔离。
第一金属电极
21、第二金属电极
22及感光性高分子材料
23的实际形状依半导体元件的线路走线设计而决定，本实用新型不以此为限。
39.较佳的，薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含一第一钝化层
31。
第一钝化层
31包覆圆柱体
10’及n型金属接触层
11未受圆柱体
10’覆盖的部分表面。
第一钝化层
31具有一第一开口
311及一第二开口
312，第一开口
311局部地露出p型金属接触层
16的部分表面，且第二开口局
312部地露出n型金属接触层
11的表面。
第一金属电极
21是通过第一开口
311与n型金属接触层
11电性连接，而第二金属电极
22是通过第一开口
311与p型金属接触层
16电性连接。
换言之，第一钝化层
31是位于圆柱体
10’及n型金属接触层
11的外侧与第一金属电极
21、第二金属电极
22之间。
40.较佳的，薄膜式垂直共振腔面射型激光元件进一步包含一第二钝化层
3232，第二钝化层
32设置于下布拉格反射镜层
12的一表面，以保护下布拉格反射镜层
12的表面。
41.以下将由图
2a～
2f进一步说明本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的制造流程，以使得薄膜式垂直共振腔面射型激光元件的结构更加清楚明确。
42.请参阅图
2a所示，首先在一基板
41上通过多道磊晶制程依序设置一n型缓冲层
42、一磊晶牺牲层
43、n型金属接触层
11、下布拉格反射镜层
12、主动发光层
14、上布拉格反射镜层
15及p型金属接触层
16。
较佳的，基板
41为一砷化镓(gaas)基板。
磊晶牺牲层
43的磊晶结构例如为砷化铝(alas)，其厚度为
15～
30nm。
43.其中，主动发光层
14为一复合层，由下而上包含一n型空间层
141、一多重量子井空间层
142及一p型空间层
143。
换言之，多重量子井空间层
142，设置于p型空间层
143和n型空
间层
141之间。
44.须说明的是，在本实用新型中，所述
「
上
」
方是指基板
41进行磊晶制程的表面所朝向的方向，而
「
下
」
方则为上方的相反方向。
45.请参阅图
2b所示，对基板
41上的多层磊晶结构进行第一次平台蚀刻(mesa etching)程序，由p型金属接触层
16表面蚀刻至下布拉格反射镜层
12而尚未穿透下布拉格反射镜层
12而形成圆柱体
10’。
进一步的，进行一氧化程序，由圆柱体
10’的侧面对下布拉格反射镜层
12与主动发光层
14的交接处进行定深氧化程序，使得下布拉格反射镜层
12靠近主动发光层
14的表面由外向内形成电流局限层
13，且在下布拉格反射镜层
12靠近主动发光层
14的表面中间未氧化部分为发光孔
130。
46.请参阅图
2c所示，对下布拉格反射镜层
12进行第二次平台蚀刻，由在第一次平台蚀刻程序中保留的部分的下布拉格反射镜层
12表面继续蚀刻至n型金属接触层
11表面，形成靠近n型金属接触层
11表面较宽的第二段圆柱体。
并且，设置一第一钝化层
31，第一钝化层
31包覆n型金属接触层
11朝向圆柱体
10’而未受圆柱体
10’覆盖的部分表面及圆柱体
10’。
47.请参阅图
2d所示，对第一钝化层
31进行一蚀刻程序，以形成一第一开口
311及一第二开口
312，第一开口
311局部地露出p型金属接触层
16的部分表面，第二开口
312局部地露出n型金属接触层
11的部分表面。
48.请参阅图
2e所示，设置图案化且相互间隔的一第一金属电极
21及一第二金属电极
22。
第一金属电极
21设通过第一金属层
210与n型金属接触层
11电性连接，第二金属电极
22与p型金属接触层
16电性连接。
第一金属电极
21例如是包覆于圆柱体
10’一部分的外侧并覆盖第二开口
312及其中的第一金属层
210，以通过第一金属层
210与n型金属接触层电性连接，而第二金属电极
22则是包覆于圆柱体
10’另外一部分的外侧并覆盖第一开口
311，以与p型金属接触层电性连接。
并且，在第一金属电极
21及第二金属电极
22的间隔中设置感光性高分子材料
23，以完成第一金属电极
21及第二金属电极
22之间的电性隔离。
49.请参阅图
2f所示，连同基板
41将磊晶牺牲层
43由n型金属接触层
11远离圆柱体
10’的表面移除。
较佳的，此步骤是以化学药液如氢氟酸(hf)对磊晶牺牲层
43进行蚀刻，使得基板
41由n型金属接触层
11远离圆柱体
10’的表面剥离。
如此一来，磊晶结构
10与基板
41完成分离，从而完成激光元件的薄膜化。n行缓冲层
42则保护基板
41的表面，使得基板
41能重复使用。
50.最后，在n型金属接触层
11移除基板
41后露出的表面设置一第二钝化层
32，以保护n型金属接触层
11的表面，完成本实用新型的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件。
51.综上，本实用新型为一不具基板的薄膜式垂直共振腔面射型激光元件，n型金属接触层
11下方除了作为保护层的第二钝化层
32之外没有其他材料阻隔，故在主动发光层
14及下布拉格反射镜层
12的介面的电流局限层
13所产生的热能能够有效地由n型金属接触层
11下方发散。
进一步而言，第一金属电极
21及第二金属电极
22包覆磊晶结构
10的圆柱体
10’，作为元件整体的支撑材，且圆柱体
10’中前述产生的热能亦能由第一金属电极
21及第二金属电极
22通过传到而散热，保证了共振腔面射型激光元件的散热效率。
52.以上所述仅是本实用新型的实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出
些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。