TWI455426B - 半導體鐳射器及其製造方法 - Google Patents

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TWI455426B TW100105018A TW100105018A TWI455426B TW I455426 B TWI455426 B TW I455426B TW 100105018 A TW100105018 A TW 100105018A TW 100105018 A TW100105018 A TW 100105018A TW I455426 B TWI455426 B TW I455426B
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Chia Hui Shen
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半導體鐳射器及其製造方法
本發明涉及一種二極體，尤其涉及一種半導體鐳射器以及一種半導體鐳射器的製作方法。
先前的半導體鐳射器一般為在基板上成長磊晶層，磊晶層包括一個P型半導體層、一個N型半導體層、以及設置在該P型半導體層與該N型半導體層之間的活性層。通常，該P型半導體層與該N型半導體層為六方晶系半導體材料，如氮化鎵(GaN)。將該磊晶層切割成複數個晶粒，從而形成複數個半導體鐳射器。每個半導體鐳射器包括兩個相互平行的側面，以作為半導體鐳射器的共振腔面。然而，由於半導體鐳射器的半導體層為六方晶系半導體材料，在切割過程中，很難使該兩個側面垂直於PN結面且相互平行，從而影響半導體鐳射器的性能。
有鑒於此，有必要提供一種諧振腔具有平整端面的半導體鐳射器。
一種半導體鐳射器，其包括N型半導體層、P型半導體層以及設置在該N型半導體層與該P型半導體層之間的活性層。該N型半導體層具有一個遠離該活性層的第一表面。該P型半導體層具有一個 遠離該活性層的第二表面。該半導體鐳射器包括位於該第一表面與該第二表面之間的兩個相對的側面。該N型半導體層與該P型半導體層均為六方晶系半導體層。該半導體鐳射器的兩個側面上形成有兩個四方晶系半導體層。每一四方晶系半導體層具有遠離與之對應的側面的一個外表面，該兩個四方晶系半導體層的兩個外表面相互平行，以構成該半導體鐳射器的諧振腔的兩端面。
一種半導體鐳射器的製作方法，其包括：提供一個半導體結構，其包括N型六方晶系半導體層、活性層、以及P型六方晶系半導體層，該N型六方晶系半導體層具有一個遠離該活性層的第一表面，P型六方晶系半導體層具有一個遠離該活性層的第二表面，該半導體結構包括位於該第一表面與該第二表面之間的兩個相對的側面；在該半導體結構的兩個側面上分別成長四方晶系半導體層，每一個四方晶系半導體層具有遠離與之對應的側面的一個外表面，該兩個四方晶系半導體層的兩個外表面相互平行，以構成該半導體鐳射器的諧振腔的兩端面。
相比六方晶系半導體，四方晶系半導體具有側向成長特性，因此，通過控制成長條件，可以使兩個四方晶系半導體層的兩個外表面成長為平整面，從而作為半導體鐳射器諧振腔的兩端面。
進一步地，由於四方晶系半導體層通過電漿蝕刻拋光、劈裂等方法製作的劈裂面為鏡面，其表面粗糙度一般小於20奈米。四方晶系半導體層劈裂面比六方晶系半導體層的劈裂面平整，適合作為半導體鐳射器的諧振腔的端面。因此，本發明利用兩個四方晶系半導體層的兩個外表面作為半導體鐳射器諧振腔的兩端面，其相 比六方晶系半導體層具有較好的平整度，可以有效地提高該半導體鐳射器的性能。並且，四方晶系半導體層製作鏡面的製作工藝簡單。
100‧‧‧半導體鐳射器
10‧‧‧N型電極
20‧‧‧N型半導體層
21‧‧‧下表面
40‧‧‧P型半導體層
41‧‧‧上表面
30‧‧‧活性層
50‧‧‧P型電極
101‧‧‧第一側面
102‧‧‧第二側面
103‧‧‧第三側面
104‧‧‧第四側面
60‧‧‧第一四方晶系半導體層
61‧‧‧第一表面
70‧‧‧第二四方晶系半導體層
71‧‧‧第二表面
圖1是本發明實施例提供的半導體鐳射器的立體示意圖。
圖2是圖1中的半導體鐳射器沿II-II的剖面示意圖。
圖3是圖1中的半導體鐳射器沿III-III的剖面示意圖。
圖4是本發明實施例提供的半導體鐳射器的製作方法的流程圖。
下面將結合附圖對本發明實施例作進一步的詳細說明。
請參閱圖1，本發明實施例提供的半導體鐳射器100。該半導體鐳射器100包括N型電極10、N型半導體層20、P型半導體層40、設置在該N型半導體層20與該P型半導體層40之間的活性層30、P型電極50、第一四方晶系半導體層60、以及第二四方晶系半導體層70。
該N型半導體層20與該P型半導體層40可以為單層或多層結構，其選用III族氮化物半導體材料。在本實施例中，該N型半導體層20與該P型半導體層40均為六方晶系半導體層，且選用的材料包括氮化鎵(GaN)。當然，該N型半導體層20與該P型半導體層40也可以為其他六方晶系半導體層，而不限於該實施例。
該N型半導體層20具有一個遠離該活性層30的下表面21，該P型半導體層40具有一個遠離該活性層30的上表面41。在本實施例中， 該下表面21與該上表面41均為平面。該N型電極10設置在該N型半導體層20的下表面21上。該P型電極50設置在該P型半導體層40的上表面41上。該N型電極10與該P型電極50為透明電極。
請一併參見圖2與圖3，該N型半導體層20、活性層30、以及該P型半導體層40具有位於該下表面21與該上表面41之間的第一側面101、與該第一側面101相對的第二側面102、第三側面103以及與該第三側面103相對的第四側面104。在本實施例中，該第一側面101與該第二側面102平行。該第三側面103與該第四側面104均為粗糙面。
該第一四方晶系半導體層60設置在該第一側面101上，該第二四方晶系半導體層70設置在該第二側面102上。在本實施例中，該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70的折射係數與該N型半導體層20以及該P型半導體層40的折射係數相同。該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70可以為氮化矽(SiN x )層或者二氧化鈦(TiO 2)層。該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70可以通過電感耦合電漿化學氣相沉積法(Inductively Coupled Plasma-Chemical vapor deposition,ICP-CVD)分別形成在該第一側面101與該第二側面102的兩個側面上。
該第一四方晶系半導體層60具有遠離該第一側面101的第一表面61，該第二四方晶系半導體層70具有遠離該第二側面102的第二表面71。
由於四方晶系半導體具有側向成長特性。因此，通過改變該四方晶系半導體成長條件，可使該第一表面61與該第二表面71成長為光滑平面，垂直於PN結面且相互平行。在本實施例中，該第一表面61與該第二表面71作為該半導體鐳射器100的諧振腔的兩端面。
當然，由於四方晶系半導體通過電漿蝕刻拋光、劈裂等方法製作的劈裂面為鏡面，其表面粗糙度一般小於20奈米。該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70形成在該第一側面101與該第二側面102的兩個側面上後，也可以通過電漿蝕刻拋光、劈裂等方法使該第一表面61與該第二表面62形成鏡面，以作為半導體鐳射器100的諧振腔的兩端面。
該半導體鐳射器100的基本工作原理如下：該半導體鐳射器100的PN結加有正向電壓，即該P型電極50接外部電源正極，該N型電極10接外部電源負極。如此一來，會削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生複合，從而發射光子，即自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子一空穴對附近，就能激勵二者複合，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子複合而發出新光子現象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分佈，即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產生的光子在諧振腔的兩端面，即該第一四方晶系半導體層60的第一表面61，以及該第二四方晶系半導體層70的第二表面 71，往復反射而產生感應輻射，造成選頻諧振正回饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大於吸收損耗時，就可從該半導體鐳射器100的第一表面61以及第二表面71發出具有較好譜線的相干光，即鐳射。
由於四方晶系半導體層通過電漿蝕刻拋光、劈裂等方法製作的劈裂面為鏡面，其表面粗糙度一般小於20奈米。四方晶系半導體層劈裂面比六方晶系半導體層的劈裂面平整，適合作為半導體鐳射器100的諧振腔的端面。因此，本實施例中，利用該第一四方晶系半導體層60的第一表面61以及該第二四方晶系半導體層70的第二表面71作為半導體鐳射器100諧振腔的兩端面，其相比六方晶系半導體層具有較好的平整度，可以有效地提高該半導體鐳射器100的性能。並且，四方晶系半導體層製作鏡面的製作工藝簡單。
請參見圖4，本發明實施例一種半導體鐳射器的製作方法，其包括如下步驟：
步驟一：提供一個半導體結構，其包括N型六方晶系半導體層、活性層、以及P型六方晶系半導體層，該N型六方晶系半導體層具有一個遠離該活性層的第一表面，P型六方晶系半導體層具有一個遠離該活性層的第二表面，該半導體結構包括位於該第一表面與該第二表面之間的兩個相對的側面。請一併參見圖1、圖2與圖3，該半導體結構包N型半導體層20、P型半導體層40、設置在該N型半導體層20與該P型半導體層40之間的活性層30、第一四方晶系半導體層60、以及第二四方晶系半導體層70。進一步地，該半 導體結構還包括N型電極10與P型電極50。
該N型半導體層20具有一個遠離該活性層30的下表面21，該P型半導體層40具有一個遠離該活性層30的上表面41。在本實施例中，該下表面21與該上表面41均為平面。該N型電極10設置在該N型半導體層20的下表面21上。該P型電極50設置在該P型半導體層40的上表面41上。該N型電極10與該P型電極50為透明電極。
該N型半導體層20、活性層30、以及該P型半導體層40具有位於該下表面21與該上表面41之間的第一側面101、與該第一側面101相對的第二側面102、第三側面103以及與該第三側面103相對的第四側面104。
一般地，上述半導體結構是磊晶結構經蝕刻、劈裂等方式形成。然而，由於蝕刻技術所形成的表面不平整並且該表面也一般不垂直PN結面。劈裂技術所形成的表面垂直度比蝕刻技術好，但平整度比蝕刻技術差。因此，該第一側面101、第二側面102、第三側面103以及與第四側面104為粗糙表面。
步驟二：在該半導體結構的兩個側面上分別成長四方晶系半導體層，每一個四方晶系半導體層具有遠離與之對應的側面的一個外表面，該兩個四方晶系半導體層的兩個外表面相互平行，以構成該半導體鐳射器的諧振腔的兩端面。從而形成一個半導體鐳射器。
具體地，請一併參見圖1、圖2與圖3，該第一四方晶系半導體層60設置在該第一側面101上，該第二四方晶系半導體層70設置在 該第二側面102上。在本實施例中，該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70的折射係數與該N型半導體層20以及該P型半導體層40的折射係數相同。該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70可以為氮化矽(SiN x )層或者二氧化鈦(TiO 2)層。該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70可以通過電感耦合電漿化學氣相沉積法(Inductively Coupled Plasma-Chemical vapor deposition,ICP-CVD)分別成長在該第一側面101與該第二側面102的兩個側面上。該第一四方晶系半導體層60具有遠離該第一側面101的第一表面61，該第二四方晶系半導體層70具有遠離該第二側面102的第二表面71。
由於四方晶系半導體具有側向成長特性。因此，通過改變該四方晶系半導體成長條件，可使該第一表面61與該第二表面71成長為光滑平面，垂直於PN結面且相互平行。在本實施例中，該第一表面61與該第二表面71作為該半導體鐳射器100的諧振腔的兩端面。
可以理解的是，由於四方晶系半導體通過電漿蝕刻拋光、劈裂等方法製作的劈裂面為鏡面，其表面粗糙度一般小於20奈米。該第一四方晶系半導體層60與該第二四方晶系半導體層70形成在該第一側面101與該第二側面102的兩個側面上後，也可以通過電漿蝕刻拋光、劈裂等方法使該第一側面101與該第二側面102形成鏡面，以作為半導體鐳射器100的諧振腔的兩端面。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍內加以理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
100‧‧‧半導體鐳射器
10‧‧‧N型電極
20‧‧‧N型半導體層
21‧‧‧下表面
40‧‧‧P型半導體層
41‧‧‧上表面
30‧‧‧活性層
50‧‧‧P型電極
101‧‧‧第一側面
102‧‧‧第二側面
60‧‧‧第一四方晶系半導體層
61‧‧‧第一表面
70‧‧‧第二四方晶系半導體層
71‧‧‧第二表面

Claims (12)

  1. 一種半導體鐳射器，包括N型半導體層、P型半導體層以及設置在該N型半導體層與該P型半導體層之間的活性層；該N型半導體層具有一個遠離該活性層的第一表面；該P型半導體層具有一個遠離該活性層的第二表面；該半導體鐳射器包括位於該第一表面與該第二表面之間的兩個相對的側面；該N型半導體層與該P型半導體層均為六方晶系半導體層；該半導體鐳射器進一步包括形成在該兩個側面上的兩個四方晶系半導體層，每一四方晶系半導體層具有遠離與之對應的側面的一個外表面，該兩個四方晶系半導體層的兩個外表面相互平行，以構成該半導體鐳射器的諧振腔的兩端面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體鐳射器，其中，該N型半導體層與該P型半導體層中至少一者的材料包括氮化鎵。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體鐳射器，其中，該四方晶系半導體層為氮化矽層或者二氧化鈦層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體鐳射器，其中，該四方晶系半導體層的折射係數與該N型半導體層及該P型半導體層的折射係數相同。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體鐳射器，其中，該四方晶系半導體層通過電感耦合電漿化學氣相沉積法形成在該兩個側面上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體鐳射器，其中，每一個外表 面的表面粗糙度小於20奈米。
  7. 一種半導體鐳射器的製作方法，其包括：提供一個半導體結構，其包括N型六方晶系半導體層、活性層、以及P型六方晶系半導體層，該N型六方晶系半導體層具有一個遠離該活性層的第一表面，P型六方晶系半導體層具有一個遠離該活性層的第二表面，該半導體結構包括位於該第一表面與該第二表面之間的兩個相對的側面；在該半導體結構的兩個側面上分別成長四方晶系半導體層，每一個四方晶系半導體層具有遠離與之對應的側面的一個外表面，該兩個四方晶系半導體層的兩個外表面相互平行，以構成該半導體鐳射器的諧振腔的兩端面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體鐳射器的製作方法，其中，該P型六方晶系半導體層與該N型六方晶系半導體層中至少一者為氮化鎵層。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之半導體鐳射器的製作方法，其中，該四方晶系半導體層為氮化矽層或者二氧化鈦層。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之半導體鐳射器的製作方法，其中，該四方晶系半導體層的折射係數與該N型半導體層與該P型半導體層的折射係數相同。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之半導體鐳射器的製作方法，其中，該四方晶系半導體層通過電感耦合電漿化學氣相沉積法形成在該半導體結構的兩個側面上。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之半導體鐳射器的製作方法，其中，該兩個四方晶系半導體層的兩個外表面經過電漿蝕刻拋光或劈裂 處理。
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