[发明专利]高功率垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)

说明书

一种高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，包含第一外延区、主动区与第二外延区；第一外延区与第二外延区的其中之一为N型外延区，而第一外延区与第二外延区的另一则包含PN转换结构；PN转换结构包含P型外延层、穿隧接面层与N型外延层；其中穿隧接面层位于P型外延层与N型外延层之间，且PN转换结构的P型外延层最接近于主动区。

技术领域

一种VCSEL，尤其是一种具有PN转换结构的高功率VCSEL，适合应用于距离感测、3D感测、光达与红外线照明等技术领域。

背景技术

垂直共振腔表面放射激光二极管(Vertical Cavity Surface Emitting LaserDiode,VCSEL)是激光元件的一种，其可以用来做为3D感测、光通讯或红外线照明的光源。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(上DBR层的总反射率小于下DBR层的总反射率)与背面出光型(上DBR层的总反射率大于下DBR层的总反射率)。

VCSEL的制作是在基板之上外延成长多层结构而成，多层结构中包含下外延区、主动区与上外延区。

参图1，下外延区包含下DBR层20’与下间隔层30’，上外延区包含上间隔层34’与上DBR层40’；主动层32’介于下外延区与上外延区之间。下外延区与上外延区中分别具有多层的N型外延层与多层的P型外延层，或分别具有多层的P型外延层与多层的N型外延层。下DBR层20’或上DBR层40’的设置层数通常多达数十层。

P型外延层与N型外延层的多数载子(majority carrier)分别是电洞与电子。由于电洞的有效质量(effective mass)比电子大、迁移率(mobility)比电子低，P型外延层材料的电阻不但比N型外延层大，且导热也比N型外延层差。此外，由于P型外延层材料的电阻较大，电流在通过P型外延层时不容易均匀散布(Current spreading)。

当P型外延层与N型外延层的掺杂浓度相同时，P型外延层对光的吸收会比N型的外延层多。P型外延层吸收光线后除了会降低主动区的出光效率，也会因吸收光的能量而导致P型外延层温度容易升高。

当下(上)DBR层中的数十层都是P型外延层时，则下(上)DBR层20’中的整体电阻偏大，电阻偏大表示功率损耗也大，如此VCSEL的出光功率与光电特性容易受限或甚至衰减。

此外，由于电流通过数十层P型外延层时电流不容易均匀分布，如此VCSEL所发射出的激光的发散角会较大，或VCSEL的激光的光形(beam profile)较不接近所需的特定光形。

P型外延层的层数较多，P型外延层会吸收较多的光能；因此VCSEL工作时，P型下(上)DBR层的温度容易偏高，而P型外延层的导热又不佳，难以将主动区的热能排散。因此VCSEL工作时，主动区的温度因较难下降而偏高，造成VCSEL的出光功率与光电特性受到限制。

在下(上)外延区设置DBR层以外的外延层，或者在主动区增加主动层的设置数目及其他外延层，能够改善或增进VCSEL中的光电特性；不过现有技术中，在P型下(上)外延区中所增设的外延层须为P型掺杂或未掺杂的外延层，因此P型下(上)外延区的电阻或光吸收率很可能还会提高。此外，在主动区之上或之下的P型外延层的堆叠层数越多，主动区的温度恐更难降低；因此在下(上)外延区设置DBR层以外的外延层，VCSEL的出光功率与光电特性反而有进一步降低的风险。

发明内容