[发明专利]具有多个电流局限层的垂直共振腔表面放射激光二极管（VCSEL）

说明书

本发明涉及一种具有多个电流局限层的垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)，即具有多个电流局限层的VCSEL，两主动层之间一般需设置穿隧接面层而让电流从一主动层流入另一主动层，但穿隧接面层会导致电流在一主动层的发散情形变得严重，导致另一主动层中的电流难以局限于所需区域，因此在两主动层之间提供具有载子与光局限功能的电流局限层，以使在电流局限层之上及/或之下的主动层的载子或光的局限效果能获得增进，有助于提高VCSEL的光电特性，与现有的VCSEL相比，具有多个电流局限层的VCSEL能明显提升VCSEL的光功率、斜效率与功率转换效率。

技术领域

一种具有多个电流局限层的垂直共振腔表面放射激光二极管，尤其是一种在主动区内具有电流局限层的垂直共振腔表面放射激光二极管，其中主动区包含多主动层。

背景技术

激光光源如垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)现在普遍作为3D感测或光通讯的光源，而如果VCSEL的出光功率与功率转换效率 (Power Conversion Efficicency,PCE)能进一步提高，在原有的3D 感测或光通讯的光源应用上，能更加省电或缩小芯片面积以降低成本，此外VCSEL的应用上还能扩展至光达(light detection and ranging,LiDAR)、虚拟实境(Virtual Reality,VR)、扩增实境(Augmented Reality,AR)、dTOF(Direct Time-of-Flight)传感器或其他应用领域。

VCSEL主要特征在于可以大致上以垂直其芯片表面的方式发出光线。VCSEL通常可通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)或分子束磊晶 (MBE)等磊晶成长方法在基板上形成具有多层结构的磊晶结构。

VCSEL包含主动区(active region)及分别位于该主动区的上下两侧的布拉格反射镜(DBR)。该二布拉格反射镜之间具有一激光共振腔，可供主动区产生特定波长的光线在共振腔内来回反射以产生增益 (gain)放大作用，进而产生雷射光。根据激光发出的方向，垂直共振腔表面放射激光二极管可区分为正面出光型或背面出光型，当上DBR 层的总反射率小于下DBR层的总反射率时的VCSEL，称之为正面出光型 VCSEL，而当上DBR层的总反射率大于下DBR层的总反射率时的VCSEL，则称之为背面出光型VCSEL。

VCSEL的出光功率跟主动区的载子密度(电流密度)有关，因此提高主动区的载子密度的方式之一为：在主动区之上形成电流局限层，电流局限层具有电流局限通孔(optical aperture,OA)，电流经过电流局限通孔后较能被局限于主动区的一处，以提高主动区的载子密度，进而提高VCSEL的功率转换效率。

然而单一主动层配合单一电流局限层虽能提高VCSEL的功率转换效率，但使用VCSEL的装置的侦测距离仍有限且功率损耗仍大，与未来的LiDAR、AR、VR、dTOF或手持式或携带式电子装置所需的光源的功率转换效率与出光功率有一段差距。

因此必须提供一种包含多主动层的VCSEL，其中VCSEL中的各主动层的载子局限效果皆能更进一步得到提升，从而明显增进VCSEL的出光功率、斜效率与功率转换效率。

发明内容

理论上，当主动区之上设置具有电流局限通孔的电流局限层，当主动区包含一主动层时VCSEL的出光功率假设约在1倍，在相同条件下，当主动区中设置二层、三层或N层以上的主动层，VCSEL的出光功率应能得到约接近于2倍、3倍或N倍的提升，VCSEL的功率转换效率 (PCE)也应随之提升。

但实际上却发现主动层的数目变多，VCSEL的出光功率的提升并不如预期，功率转换效率(PCE)不但没有上升反而明显下降；此外，电流局限层的电阻值较高，因此电流局限层的设置数目变多则VCSEL的电阻值会变大，电阻值变大也容易造成VCSEL的功率转换效率变低。