[發明專利]具有多個電流局限層的垂直共振腔表面放射激光二極管（VCSEL）

有效

• 申請號: 202010567798.3
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN112117639B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 黃朝興;金宇中;戴文長
• 申請（專利權）人: 全新光電科技股份有限公司
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 北京市立康律師事務所 11805
• 代理人: 梁揮;孟超

本發明涉及一種具有多個電流局限層的垂直共振腔表面放射激光二極管(VCSEL)，即具有多個電流局限層的VCSEL，兩主動層之間一般需設置穿隧接面層而讓電流從一主動層流入另一主動層，但穿隧接面層會導致電流在一主動層的發散情形變得嚴重，導致另一主動層中的電流難以局限于所需區域，因此在兩主動層之間提供具有載子與光局限功能的電流局限層，以使在電流局限層之上及/或之下的主動層的載子或光的局限效果能獲得增進，有助于提高VCSEL的光電特性，與現有的VCSEL相比，具有多個電流局限層的VCSEL能明顯提升VCSEL的光功率、斜效率與功率轉換效率。

技術領域

一種具有多個電流局限層的垂直共振腔表面放射激光二極管，尤其是一種在主動區內具有電流局限層的垂直共振腔表面放射激光二極管，其中主動區包含多主動層。

背景技術

激光光源如垂直共振腔表面放射激光二極管(VCSEL)現在普遍作為3D感測或光通訊的光源，而如果VCSEL的出光功率與功率轉換效率 (Power Conversion Efficicency,PCE)能進一步提高，在原有的3D 感測或光通訊的光源應用上，能更加省電或縮小芯片面積以降低成本，此外VCSEL的應用上還能擴展至光達(light detection and ranging,LiDAR)、虛擬實境(Virtual Reality,VR)、擴增實境(Augmented Reality,AR)、dTOF(Direct Time-of-Flight)傳感器或其他應用領域。

VCSEL主要特征在于可以大致上以垂直其芯片表面的方式發出光線。VCSEL通常可通過有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)或分子束磊晶 (MBE)等磊晶成長方法在基板上形成具有多層結構的磊晶結構。

VCSEL包含主動區(active region)及分別位于該主動區的上下兩側的布拉格反射鏡(DBR)。該二布拉格反射鏡之間具有一激光共振腔，可供主動區產生特定波長的光線在共振腔內來回反射以產生增益 (gain)放大作用，進而產生雷射光。根據激光發出的方向，垂直共振腔表面放射激光二極管可區分為正面出光型或背面出光型，當上DBR 層的總反射率小于下DBR層的總反射率時的VCSEL，稱之為正面出光型 VCSEL，而當上DBR層的總反射率大于下DBR層的總反射率時的VCSEL，則稱之為背面出光型VCSEL。

VCSEL的出光功率跟主動區的載子密度(電流密度)有關，因此提高主動區的載子密度的方式之一為：在主動區之上形成電流局限層，電流局限層具有電流局限通孔(optical aperture,OA)，電流經過電流局限通孔后較能被局限于主動區的一處，以提高主動區的載子密度，進而提高VCSEL的功率轉換效率。

然而單一主動層配合單一電流局限層雖能提高VCSEL的功率轉換效率，但使用VCSEL的裝置的偵測距離仍有限且功率損耗仍大，與未來的LiDAR、AR、VR、dTOF或手持式或攜帶式電子裝置所需的光源的功率轉換效率與出光功率有一段差距。

因此必須提供一種包含多主動層的VCSEL，其中VCSEL中的各主動層的載子局限效果皆能更進一步得到提升，從而明顯增進VCSEL的出光功率、斜效率與功率轉換效率。

發明內容

理論上，當主動區之上設置具有電流局限通孔的電流局限層，當主動區包含一主動層時VCSEL的出光功率假設約在1倍，在相同條件下，當主動區中設置二層、三層或N層以上的主動層，VCSEL的出光功率應能得到約接近于2倍、3倍或N倍的提升，VCSEL的功率轉換效率 (PCE)也應隨之提升。

但實際上卻發現主動層的數目變多，VCSEL的出光功率的提升并不如預期，功率轉換效率(PCE)不但沒有上升反而明顯下降；此外，電流局限層的電阻值較高，因此電流局限層的設置數目變多則VCSEL的電阻值會變大，電阻值變大也容易造成VCSEL的功率轉換效率變低。