TW202205448A - 具有複數電流侷限層的垂直共振腔表面放射雷射二極體 - Google Patents

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Abstract

一種具有複數電流侷限層的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侷限於所需區域，因此在兩主動層之間提供具有載子與光侷限功能的電流侷限層，以使在電流侷限層之上及/或之下的主動層的載子或光的侷限效果能獲得增進，有助於提高VCSEL的光電特性，與現有的VCSEL相比，具有複數電流侷限層的VCSEL能明顯提升VCSEL的光功率、斜效率與功率轉換效率。

Description

具有複數電流侷限層的垂直共振腔表面放射雷射二極體
一種具有複數電流侷限層的垂直共振腔表面放射雷射二極體（VCSEL），尤其是一種在主動區內具有電流侷限層的垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中主動區包含多主動層。
雷射光源如垂直共振腔表面放射雷射二極體 (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，能更加省電或縮小晶片面積以降低成本，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主要特徵在於可以大致上以垂直其晶片表面的方式發出光線。VCSEL通常可透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之磊晶結構。
VCSEL包含主動區(active region)及分別位於該主動區之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雷射共振腔，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。根據雷射光發出的方向，垂直共振腔表面放射雷射二極體可區分為正面出光型或背面出光型 ，當上DBR層的總反射率小於下DBR層的總反射率時的VCSEL，稱之為正面出光型VCSEL，而當上DBR層的總反射率大於下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侷限層，電流侷限層具有電流侷限通孔(optical aperture, OA)，電流經過電流侷限通孔後較能被侷限於主動區的一處，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侷限層雖能提高VCSEL的功率轉換效率，但應用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之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侷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。
理論上，當主動區之上設置具有電流侷限通孔的電流侷限層，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於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的出光功率的提升並不如預期，功率轉換效率(PCE)不但沒有提升反而是明顯下降；此外，電流侷限層的電阻值較高，因此電流侷限層的設置數目變多則VCSEL的電阻值也會變大，電阻值變大也容易造成VCSEL的功率轉換效率變低。
在主動區具有多主動層的情形（多接面VCSEL），為了讓電流能通過各主動層，每兩相鄰的主動層之間一般需要設置穿隧接面層，以使電流能通過其他主動層而在多接面VCSEL中實現載子再利用（carrier recycling）。主動區之上設置電流侷限層時，電流侷限層的通孔能有助於電流的侷限，但電流通過電流侷限通孔後還是會開始逐漸發散，當電流通過高導電率的穿隧接面層時電流的發散會加劇，雖然穿隧接面層的設置能使電流流入其他主動層，但電流卻因而更為發散，導致其他主動層的載子侷限性不佳，雖然具多主動層的VCSEL的出光功率能因主動層的數目變多而得到一些提升，但由於一些主動層的載子侷限性不佳，造成VCSEL的功率轉換效率明顯下降。
因此必須克服上述的問題；本說明書的一種技術手段是在主動區中設置電流侷限層，且電流侷限層設置於兩主動層之間；假設電流由上往下依序通過電流侷限層(主動區之上)、第二主動層、穿隧接面層、電流侷限層(主動區之內)與第一主動層。
值得注意的是，透過在主動區之內設置電流侷限層後，不但能同時提升第一主動層的電流侷限能力（current confinement）及/或光侷限能力（optical confinement），甚至還可能提高第二主動層的電流侷限能力及/或光侷限能力。
在先前技術方面，電流通過電流侷限通孔(主動區之外)之後，電流就開始逐漸發散，其中電流經穿隧接面層時電流發散會加劇。
不同於先前技術，在主動區之內設置電流侷限層後，電流在通過電流侷限層(主動區之內)的通孔之前，電流會從發散逐漸變為收斂，因此流經第二主動層與穿隧接面層的電流會變得較不發散，第二主動層的載子侷限性（carrier confinement）變得較佳；在電流通過電流侷限層(主動區之內)的通孔後，電流會被收斂而集中於第一主動層之對應通孔的區域，因此第一主動層之對應通孔的區域的載子密度相對提高，因而提高第一主動層的載子侷限性，而能增進具有多主動層的VCSEL的出光功率及功率轉換效率。
透過在兩主動層之間設置電流侷限層後，因電流侷限層的侷限效果可作用於在電流侷限層之上的第二主動層及/或在電流侷限層之下的第一主動層，如此不但能據以提升第一主動層的載子侷限性，還可能進一步增進第二主動層的載子侷限性，因此具有多主動層的VCSEL的出光功率或斜效率能隨主動層的設置數目增加而大幅增進，而具有多主動層的VCSEL的功率轉換效率也能隨主動層的設置數目增加而顯著增進。
原則上，VCSEL不限於是正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL，也就是具有多主動層的正面出光型或背面出光型的VCSEL，在兩主動層之間設置電流侷限層後，正面出光型或背面出光型的多接面VCSEL的斜效率、出光功率或功率轉換效率能獲得顯著提升。
根據本說明書的一示範性實施例，提供一VCSEL，該VCSEL包含一基板與位於該基板之上的一多層結構，其中該多層結構包含一主動區及複數電流侷限層。該主動區包含複數主動層，兩主動層之間具有一穿隧接面層；該等電流侷限層至少包含一第一電流侷限層與一第二電流侷限層，該第一電流侷限層至少具有一第一通孔，該第二電流侷限層至少具有一第二通孔，該第一通孔與該第二通孔是各電流侷限層之未絕緣部分，該第一通孔與該第二通孔的其中一個係位於該主動區之外，該第一通孔與該第二通孔的其中另一個係位於該主動區之內，該穿隧接面層是介於該第一電流侷限層與該第二電流侷限層之間。
在一些實施例，該第一通孔與該第二通孔的通孔面積為不相等或近乎相等。
在一些實施例，第一通孔與第二通孔的通孔面積若都不小於30微米平方，第一通孔與第二通孔的通孔面積除了可以不相等，甚至可以近乎相等；第一通孔與第二通孔的通孔面積也可以在40或50微米平方以上；再者，該第一通孔與該第二通孔兩者間更具有一通孔面積比值X，其中0.3 ≦ X ≦ 1，其中當該比值X不等於1時，該第一通孔與該第二通孔兩者間的較小通孔面積為該比值的分子，以上兩者中的較大通孔面積為該比值的分母。
根據另一具體實施例，該主動區是包含三或三以上的主動層，該等電流侷限層更包含第三電流侷限層，該第三電流侷限層亦具有一第三通孔，該第三通孔也是第三電流侷限層之未絕緣部分。該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔中的一個位於該主動區之外，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔中的另外兩個皆位於該主動區之內或分別位於該主動區之內與之外，該穿隧接面層是介於該第一通孔與該二通孔之間或介於該第二通孔與該第三通孔之間。
在一些實施例，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的其中兩者的通孔面積為不相等或近乎相等。
在一些實施例中，第一通孔、第二通孔與第三通孔三者中的二者或每個的通孔面積皆在30微米平方以上時，則以上三者中的二者或每個的通孔面積除了除了可以不相等，甚至可以近乎相等；以上三者中的二者或每個的通孔面積也可以在40或50微米平方以上。
再者，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的其中兩者具有一通孔面積比值X，其中0.3 ≦ X ≦ 1，其中當該通孔面積比值X不等於1時，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的其中兩者間的較小通孔面積為該比值的分子。
透過以上介紹的一些示範性的實施例，具有多主動層的VCSEL的功率轉換效率、斜效率或出光功率得到顯著的增進。因VCSEL的出光功率提高，因此感測裝置使用根據本文實施例的VCSEL後，感測裝置的感測距離得以大幅提升；另外，由於VCSEL的出光功率提高，具有多主動層的VCSEL的晶片尺寸或晶片面積也得以縮小而有助於降低成本；此外，VCSEL的功率轉換效率的提升，使具有多主動層的VCSEL的耗電量變低，如此感測裝置使用根據本文實施例的VCSEL時，感測裝置的電能損耗能因而降低或延長感測裝置電力的使用時間。其中，使用有VCSEL的裝置因其感測距離的明顯增加，而能使LiDAR、AR、VR、dTOF等應用的發展加速與更加多元。
以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
以下描述具體的元件及其排列的例子以簡化本發明。當然這些僅是例子且不該以此限定本發明的範圍。例如，在描述中提及一層於另一層之上時，其可能包括該層與該另一層層直接接觸的實施例，也可能包括兩者之間有其他元件或磊晶層形成而沒有直接接觸的實施例。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號及/或符號，這些重複僅為了簡單清楚地敘述一些實施例，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間有特定關聯。
此外，其中可能用到與空間相關的用詞，像是“在...下方”、“下方”、“較低的”、“上方”、“較高的”及類似的用詞，這些關係詞係為了便於描述圖式中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。這些空間關係詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。
本說明書提供不同的實施例來說明不同實施方式的技術特徵。舉例而言，全文說明書中所指的“一些實施例”意味著在實施例中描述到的特定特徵、結構、或特色至少包含在一實施例中。因此，全文說明書不同地方所出現的片語“在一些實施例中”所指不一定為相同的實施例。
此外，特定的特徵、結構、或特色可在一或多個的實施例中透過任何合適的方法結合。進一步地，對於在此所使用的用語“包括”、“具有”、“有”、“其中”或前述之變換，這些語意類似於用語“包括”來包含相應的特徵。
此外，”層”可以是單一層或者包含是多層；而一磊晶層的”一部分”可能是該磊晶層的一層或互為相鄰的複數層。
現有技術中，雷射二極體可依據實際需求而選擇性的設置緩衝層，且在一些實例中，緩衝層與基板在材質可以是相同的。且緩衝層設置與否，跟以下實施例所欲講述的技術特點與所欲提供的效果並無實質相關，因此為了簡要示例說明，以下實施例僅以具有緩衝層的雷射二極體來做為說明用的示例，而不另贅述沒有設置緩衝層的雷射二極體，也就是以下實施例如置換無緩衝層的雷射二極體也能一體適用。
提供一種垂直共振腔表面放射雷射二極體(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，VCSEL的典型製作方式是在基板上磊晶成長多層結構，VCSEL的元件成品則可以保留基板或移除基板；多層結構包含主動區，主動區包含一或複數主動層；如主動區包含複數主動層時，則每兩相鄰的主動層之間配置穿隧接面層。
本說明書的各實施例則是在多層結構中提供二層或多層的電流侷限層，各電流侷限層皆具有至少一通孔（optical aperture, OA），通孔是各電流侷限層之未絕緣部分，而電流侷限層的絕緣部分（如圖1a的電流侷限層51的剖面線區域）應被理解成是電流侷限層之電阻值較高（明顯高於通孔）的部份。
電流侷限層的設置數目除了二層，還可以三層、四層或五層或更多層數以上，在不同的實施例，各電流侷限層的設置位置或設置組合也會不同，因此為區別各電流侷限層的設置位置，在二電流侷限層的情形中，個別的電流侷限層會分別稱為第一電流侷限層與第二電流侷限層；在三以上的電流侷限層的情形中，個別的電流侷限層會分別稱為第一電流侷限層、第二電流侷限層與第三電流侷限層，依此類推。同樣的，為方便區別多主動層的中各主動層在VCSEL的設置位置，多主動層的中各主動層會分別稱為第一主動層、第二主動層、第三主動層…至第N個主動層，依此類推。
為簡化圖示，大多數圖示只繪製出主動層、穿隧接面層與電流侷限層等，而如上DBR層、下DBR層、間隔層、歐姆接觸層等等磊晶層則不會繪製出來，即使這些磊晶層是VCSEL的必要結構或優選結構；其中間隔層一般會形成於主動層、電流侷限層、穿隧接面層或其他磊晶層之上及/或之下，間隔層可根據實際需求而選擇性地設置，各間隔層的材料、成分、厚度、摻雜及摻雜濃度也可按實際需求而做適當調整。
以下透過一些代表性實施例來說明兩或多電流侷限層如何具體設置於VCSEL中。
[實施例1]
在圖1a、圖1b與圖1c的主要結構方面，具有第一通孔510的第一電流侷限層51是設置於主動區1之上，穿隧接面層31與具有第二通孔530的第二電流侷限層53則是設置於主動區1中的第一主動層11與第二主動層13之間，穿隧接面層是介於第一電流侷限層51與第二電流侷限層53之間。
根據圖1a的結構，由於第二主動層13之下依序是穿隧接面層31、第二電流侷限層53與第一主動層11，在此種配置下若電流是從第一通孔510流入並經第二通孔530而流入第一主動層11，則第一電流侷限層51上方的磊晶層主要是由P型磊晶層構成，若第一電流侷限層51上方的磊晶層還包含有N型磊晶層（圖未示）， N型磊晶層與第一電流侷限層51之間則可以透過穿隧接面層串聯或構成間接接觸。
在通孔面積方面，第一通孔510的通孔面積跟第二通孔530的通孔面積為不相等，如圖1a、圖1b所示；或者參圖1c，當第一通孔510跟第二通孔530的通孔面積足夠大時，第一通孔510的通孔面積與第二通孔530的通孔面積也可以大致相等或彼此接近。
圖1d是圖1a的詳細結構，在圖1d中，主動層11、13、電流侷限層53(51)與穿隧接面層31之上與之下設置有間隔層21。電流I主要依序通過用於載子侷限及/或光侷限的第一通孔510、用於發光的第二主動層13、供載子再利用或串聯兩主動層的穿隧接面層31、用於載子侷限及/或光侷限的第二通孔530與用於發光的第一主動層11。
電流I從第一通孔510進入第二主動層13後，電流I流經第二主動層13與穿隧接面層31的電流會變得較不發散，第二主動層13的載子侷限效果（carrier confinement）變得較佳；在電流I通過第二電流侷限層53的第二通孔530後，電流I較容易被侷限於第一主動層11之對應第二通孔530的區域，因此能明顯提高第一主動層11與第二主動層13的載子及/或光侷限功效，藉此增進VCSEL的出光功率、斜效率或功率轉換效率。
透過在兩主動層之間設置第二電流侷限層後，第二電流侷限層的侷限效果可作用在第二電流侷限層之上與之下的第二主動層及第一主動層，如此不但能據以提升第一主動層的載子侷限性及/或光侷限性，還可能進一步增進第二主動層的載子侷限性及/或光侷限性，因此VCSEL的出光功率能隨主動層的設置數目增加而顯著增加，而VCSEL的功率轉換效率或斜效率也能隨主動層的設置數目增加而顯著增進。
在一些實施例中，電流侷限層的設置數目可以少於主動層的設置數目，如圖2所示，電流侷限層的設置數目可以是兩層，主動區內的主動層的設置數目可以是但不限於三層，主動層的設置數目也可以是四層或更多層數以上。如果需要VCSEL的出光功率、斜效率或功率轉換效率進一步提升，電流侷限層的設置數目可以相同於主動層的設置數目；電流侷限層的設置數目也可以多於主動層的設置數目，比如電流侷限層的設置數目比主動層再多一層或二層以上，但所有電流侷限層的總電阻值不能太大，否則恐會影響VCSEL的光電特性或功率轉換效率。
決定電流侷限層的電阻值大小的另一因素是電流侷限層的通孔面積，原則上兩通孔或各通孔的面積可以不相等，不過若兩通孔或各通孔的面積足夠大，因電阻值較小，則兩通孔或各通孔的通孔面積還是可以大致相等或彼此接近。
在圖1a、圖1b中，第一通孔與第二通孔的通孔面積是不相等，兩者的通孔面積比值可以在0.1~10之間（不包含比值為1），兩電流侷限層的電阻值的總和還不會太大，較不致於明顯影響VCSEL的光電特性或功率轉換效率；較佳的，第一通孔與第二通孔的通孔面積比值可以介於0.2~5、0.3~3.3、0.5~2、0.54~1.85或0.6~1.6之間，如此除了保有較佳的載子侷限性及/或光侷限性之外，兩電流侷限層的總電阻值相對較小，有助於提升VCSEL的光電特性或功率轉換效率；第一通孔與第二通孔兩者間通孔面積的具體比值是0.5、0. 6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0。
而在第一通孔與該第二通孔兩者的通孔面積是足夠大的情形中，因第一電流侷限層與第二電流侷限層的電阻值相對較小，故兩者加總起來的電阻值不容易過大，因此第一通孔與該第二通孔的通孔面積還可以是相等。比如第一通孔與該第二通孔的通孔面積若都不小於30μm2 ，則第一通孔的通孔面積可大致相等於、近乎相等於甚至剛好相等於第二通孔的通孔面積；在一些實施例中，各電流侷限層中的較小通孔面積還更可以在40μm2 或50μm2 以上。
承上段，各電流侷限層的電阻值總和若能適當降低，容易維持或提高VCSEL的功率轉換效率，且第一主動層與第二主動層還能具有較佳的載子侷限性與光侷限性，藉以增進VCSEL的光電特性或功率轉換效率，其中VCSEL包含正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL。
在第一通孔與第二通孔兩者的通孔面積是足夠大的情形中，較佳的，第一通孔的通孔面積與該第二通孔的通孔面積兩者間具有一通孔面積比值X，其中0.3 ≦ X ≦ 1，因此一種情形是第一通孔的通孔面積與該第二通孔的通孔面積是大致相等或彼此接近，即通孔面積比值接近於或可能剛好為1（X≈1或X=1）的情形；當第一通孔與第二通孔的通孔面積是不同時，即通孔面積比值是大於等於0.3且小於1（0.3 ≦ X ＜ 1）的情形，以第一通孔與第二通孔兩者中的較小通孔面積為比值的分子，而較大通孔面積則為比值的分母。
[實施例2]
如圖3a所示，VCSEL包含三電流侷限層51、53、55與二主動層11、13，其中三電流侷限層51、53、55的通孔面積彼此不相等，第一通孔、第二通孔與第三通孔的通孔面積大小關係分別是小、中、大，圖3a所示的結構僅為一示例，第一通孔、第二通孔與第三通孔的通孔面積大小關係還可以是大、中、小或小、中、中或其他各種適當組合。較佳的，第一通孔與第二通孔間、第二通孔與第三通孔間或第三通孔與第一通孔間的通孔面積比值介於0.2~5、0.3~3.3、0.5~2、0.54~1.85或0.6~1.6之間，其中，具體的通孔面積比值是0.5、0. 6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0。
只要不明顯影響主動層的載子侷限效果、光侷限效果或VCSEL的功率轉換效率，在主動區1外的電流侷限層的通孔面積可以盡可能的大，如圖3a的第三通孔550，如此在設置有多電流侷限層的VCSEL，各電流侷限層的電阻值總和較不容易過大，VCSEL的光電特性也較不容易受影響。
[實施例3]
在VCSEL包含三電流侷限層或甚至更多電流侷限層的情形下，若一些通孔或各通孔的面積足夠大，也就是各電流侷限層的電阻值總和不會過大，則一些通孔或各通孔的面積除了可以彼此不相等之外，一些通孔或各通孔的其中二者或各者還可以是大致相等或彼此接近。
以圖3b為例，若第一通孔、第二通孔與第三通孔三者中的最小通孔面積是大於30μm2 （40μm2 /50μm2 ），則三者甚至可以彼此相等；原則上，只要各電流侷限層的電阻值總和不會太明顯的影響VCSEL的功率轉換效率，也可容許多電流侷限層中的一（些）電流侷限層的通孔面積低於30μm2 、40μm2 或50μm2 。
進一步而言，第一通孔、第二通孔與第三通孔三者的其中兩者更具有一通孔面積比值X，其中0.3 ≦ X ≦ 1，因此三者的通孔面積可以相當，即通孔面積比值接近於或可能剛好等於1（X≈1或X=1）的情形；其中當三者的其中兩者不同或三者皆不同時，即通孔面積比值是大於等於0.3且小於1為（0.3 ≦ X ＜ 1）的情形，則以三者的其中兩者的較小通孔面積為比值的分子。
圖3c是圖3a的詳細結構，在圖3c中，主動層11、13、穿隧接面層31以及電流侷限層51、53、55之上與之下設置有間隔層21，但圖3c只是一種示例，還能包含其他變型或衍生的實施結構，圖3b與圖3a的主要結構也相同，圖3b亦能照前述方式設置間隔層。
[實施例4]
如圖4a所示，圖4a是在圖3a的基礎之下且更包含第三主動層15與穿隧接面層33，其中第三主動層15位於第一主動層11之下，第三主動層15與第一主動層11之間並設置穿隧接面層33與第三電流侷限層55，其中，穿隧接面層31位於第一電流侷限層51跟第二電流侷限層53之間，穿隧接面層33位於第二電流侷限層53跟第三電流侷限層55之間。
在圖4a中，第一通孔510、第二通孔530與第三通孔550的通孔面積大小關係分別為小、中、大，圖4a所示的結構僅為一示例，第一通孔、第二通孔與第三通孔的通孔面積大小關係還可以是大、中、小或小、大、中或其他各種適當大小關係；或者如圖4b所示，第一通孔510的通孔面積較小，第二通孔530與第三通孔550的通孔面積是幾乎相等且大於第一通孔510的通孔面積。或者如圖4c所示，第一通孔510、第二通孔530與第三通孔550的通孔面積是大致相等或相等。
圖4a~圖4c中的主動層、電流侷限層或穿隧接面層的之上及/或之下還可依實際需求而進一步設置間隔層或適當磊晶層。
[實施例5]
如圖5a所示，VCSEL包含具有三主動層11、13、15的主動區1、四電流侷限層51~57與二穿隧接面層31、33。第一電流侷限層51與第四電流侷限層57是設置於主動區1之下及之下，其中，穿隧接面層31位於第一電流侷限層51跟第二電流侷限層53之間，穿隧接面層33位於第二電流侷限層53跟第三電流侷限層55之間。
根據圖5a的穿隧接面層33第三電流侷限層55的設置關係可知，電流是從第一通孔510流入；其中第一電流侷限層51上方的磊晶層主要是由P型磊晶層構成，若第一電流侷限層51上方的磊晶層還包含有N型磊晶層， N型磊晶層與第一電流侷限層51之間則可以透過穿隧接面層構成串聯或間接連接。
如圖5b所示，VCSEL包含具有三主動層11、13、15的主動區1、四電流侷限層51~57與二穿隧接面層31、33。第一電流侷限層51與第四電流侷限層57是設置於主動區1之上及之下；根據圖5b的穿隧接面層33與第三電流侷限層55或穿隧接面層31與第二電流侷限層53的設置關係可知，電流是從第四通孔570流入；其中第四電流侷限層57下方的磊晶層主要是由P型磊晶層構成，若第四電流侷限層57下方的磊晶層還包含有N型磊晶層， N型磊晶層與第四電流侷限層57之間則可以透過穿隧接面層構成串聯或間接連接。
在一變形實施例中，在主動區1之外的電流侷限層的通孔面積可以非常大，如圖5a的第四電流侷限層57（主動區之下）或圖5b的第一電流侷限層51（主動區之上），如此在設置有多電流侷限層的VCSEL，各電流侷限層的總電阻值較不容易過大，VCSEL的光電特性也較不容易受影響。
圖5a或圖5b中的主動層、電流侷限層或穿隧接面層的之上及/或之下還可依實際需求而進一步設置間隔層或適當磊晶層。
[實施例6]
圖6a、圖6b與圖6c分別顯示包含五電流侷限層與五主動層的VCSEL，在圖6a中第一通孔510、第二通孔530至第五通孔590的通孔面積彼此不相等，其中，第一通孔510是最小而第五通孔590最大，其中第二通孔530大於第一通孔510，第三通孔550大於第二通孔530，第四通孔570大於第三通孔550，圖6a所示的結構僅為一示例，第一通孔至第五通孔還可是其他各種適當組合。
圖6b中，主動區1之上的第一通孔510是最小，在主動區內的第二通孔530、第三通孔550至第五通孔590在通孔面積上為大致相等或彼此接近，圖6b所示的結構僅為一示例，第一通孔至第五通孔還可是其他各種適當組合。
圖6c中，第一通孔510的通孔相對最小，第四通孔570與第五通孔590的通孔相對較大，第二通孔530與第三通孔550的通孔則是大於第一通孔510但小於第四通孔570或第五通孔590。
圖6a、圖6b、圖6c中的主動層、電流侷限層或穿隧接面層的之上及/或之下還可依實際需求而進一步設置間隔層或適當磊晶層。
在以上的實施例中，電流侷限層的各通孔如第一通孔510、第二通孔530至第五通孔590等等，基本上是電流侷限層之未被絕緣處理的部分，其中絕緣處理可以是氧化處理、離子佈植處理或蝕刻製程等適當絕緣處理方式；原則上，電流侷限層的絕緣部分是從多層結構的側邊進行絕緣處理；各通孔的通孔面積大小能透過氧化製程或離子佈植製程而決定。
一般而言，通孔的大小跟氧化製程的參數有關，比如氧化時間或氧化速率等，氧化速率又與各電流侷限層的材料、材料成分或各電流侷限層的厚度有關，因此各電流侷限層若需形成不同大小的通孔，可以讓各電流侷限層使用不同的材料，或者各電流侷限層使用相同的材料但材料成分不同，或者使各電流侷限層的厚度不相同。
此外，平台型(mesa type )或非平台型(planar type )製程也可以是決定通孔大小的一個因素。在平台型製程方面，由於絕緣處理是從平台的外側面開始進行，若平台的型態是概呈上窄下寬的型式或概呈上寬下窄如梯形（圖未示），即使在各電流侷限層的材料、材料成分及厚度都一樣的情形下，也就是即使在相同的氧化速率下，會造成各電流侷限層的絕緣部分差不多大但通孔大小卻彼此不同。
若平台的型態是如圖1a所示，在平台上半部或下半部的直徑是大致相同的情形下，如要使各電流侷限層的通孔面積盡可能一致，可以讓各電流侷限層的材料、材料成分及厚度一樣，如此在相同的氧化速率下，各電流侷限層的通孔面積比較可能一致。
在非平台製程方面，則是藉乾蝕刻或濕蝕刻處理在多層結構中形成多個孔洞，以使孔洞分佈在電流侷限層的不同位置，絕緣處理是以孔洞中心並向四周氧化擴散，如有需要更可進一步作離子佈植處理；最後未受到絕緣處理的部分則為通孔，因此各通孔的通孔面積主要是透過控制孔洞的設置數量、孔洞的分佈方式或離子佈植處理而決定或調整，以使通孔間的面積明顯不同或是使通孔面積比較可能一致。
在不影響主動層的載子侷限性與光侷限性的前提下，主動區中的電流侷限層的絕緣部分可以盡可能小，比如小於在主動區外的電流侷限層的絕緣部分；主動區中的電流侷限層的絕緣部分變少時，則其產生的應力也因而較小或主動區中因應力而產生的缺陷較少，當主動區的應力較小或主動區中因應力而產生的缺陷較少，較不容易影響VCSEL的可靠度。較佳的，電流侷限層的通孔概呈圓型、電流侷限層的通孔可以是在電流侷限層的中心區域或各電流侷限層的通孔係相互對應。
透過氧化處理而形成的絕緣區域因為折射係數的變化，也可以增加VCSEL的光侷限(optical confinement )性而提升VCSEL的光電特性。
在一些實施例，電流侷限層的材料具有易氧化的特性，較佳的，電流侷限層的材料是包含較高含量的鋁或其他易氧化材料，比如AlGaAs、AlGaAsP、AlAs、AlAsP、AlAsSb、AlAsBi或其他易氧化材料。
圖7分別顯示兩電流侷限層的通孔面積在不同比值下的光電特性曲線以及先前技術之僅在主動區的上方設置電流侷限層的光電特性曲線。圖7中顯示有5條概呈直線的線條與5條有明顯轉折的曲線；5條概呈直線的線條是顯示VCSEL的出光功率（Optical output power）與電流(current)的關係，5條有明顯轉折的曲線則是顯示功率轉換效率（Power conversion efficiency, PCE）與電流(current)的關係。
參圖7，5條概呈直線的線條中的4個線條與5條曲線中的4個線條是以圖1a、圖1b、圖1c的結構搭配具體的通孔面積比值且是在室溫下所量測到的結果，圖1a並以兩種不同通孔面積比值進行量測，其中第一通孔與第二通孔的通孔面積比值分別大約是1:1.2與1:2.6；在結構方面，圖1a、1b、1c以及先前技術的基板皆為GaAs基板，且VCSEL的雷射光波長約為940nm，先前技術與圖1a的差異是在於先前技術僅在主動區之上設置電流侷限層；圖1a、圖1b、圖1c以及先前技術的最小通孔的直徑皆約為8μm，具體言之，圖1a、圖1c的第一通孔的通孔直徑約在8μm，圖1b的第二通孔的通孔直徑約在8μm，先前技術的通孔直徑也約在8μm。此外，先前技術與圖1a、圖1b、圖1c在各主動層、各電流侷限層與各穿隧接面層之上與之下皆設置有間隔層。
參圖7，觀察電流為10mA下VCSEL的出光功率與功率轉換效率，先前技術的出光功率與功率轉換效率最差，分別僅大約在13.5mW與38.9%；以圖1a結構搭配通孔面積比值約為1:1.2或以圖1b結構搭配通孔面積比值約為1.3:1，則出光功率與功率轉換效率的提升幅度最大，其中出光功率與功率轉換效率分別大約達到19mW與53%；以圖1c的結構搭配通孔直徑約為8μm的兩通孔，VCSEL的出光功率與功率轉換效率可分別達到17mW與44.4%；以圖1a結構搭配通孔面積比值為1:2.6，VCSEL的出光功率與功率轉換效率可大約達到16.3mW與40.8%。
需要特別說明的是，主動層的設置數目多寡、電流侷限層的設置數目多寡、通孔的面積大小、VCSEL的出光方向或通孔型式（平台蝕刻或非平台蝕刻）等因素，也可能會分別或同時影響電流侷限層的通孔面積比值。
原則上，主動層或電流侷限層的設置數目若變多，電流侷限層的通孔面積比值也可以適度擴大。
圖8分別顯示三主動層在不同設置數目的電流侷限層的光電特性曲線比較圖，如圖8所示，圖8中顯示有3條概呈直線的線條與3條有明顯轉折的曲線；3條概呈直線的線條是顯示出光功率與電流的關係，3條有明顯轉折的曲線則是關於功率轉換效率與電流的關係。
3條概呈直線的線條與3條有明顯轉折的曲線分別對應三種VCSEL，這三種VCSEL的基板皆為GaAs基板，且VCSEL的雷射光波長約為940nm；第一種VCSEL是僅在主動區之上設置一電流侷限層，其通孔直徑約為8μm，其中主動區包含三主動層與二穿隧接面層；第二種VCSEL即為圖2所示的VCSEL，其中第一通孔510的直徑約為8μm；第三種VCSEL為圖4a所示的VCSEL，其中第一通孔510的直徑約為8μm；以上所述三種VCSEL結構，在各主動層、各電流侷限與各穿隧接面層之上與之下皆設置有間隔層。
參圖8，觀察電流為10mA下的VCSEL的出光功率與功率轉換效率，可以發現在主動區包含三主動層的情形下，若僅在主動區之上設置電流侷限層，其出光功率與功率轉換效率只能達到大約18.1mW與37.1%；而在三主動層的其中兩相鄰主動層設置電流侷限層後，其出光功率與功率轉換效率能明顯提昇至約24.7mW與47.1%；而在三主動層的每兩相鄰的主動層之間均設置電流侷限層後，則其出光功率與功率轉換效率能大幅提升至約27.8mW與54.8%。
圖7與圖8的各光電特性曲線圖是正面出光型的VCSEL的量測結果。圖9的各光電特性曲線圖則是背面出光型的VCSEL的量測結果，其中VCSEL的出光方向如為正面出光，則上DBR層的總反射率小於下DBR層的總反射率；若VCSEL的出光方向如為背面出光，則上DBR層的總反射率大於下DBR層的總反射率。
圖9分別顯示兩電流侷限層的通孔面積在不同比值下的光電特性曲線以及先前技術之僅在主動區的上方設置電流侷限層的光電特性曲線。圖9中顯示有5條概呈直線的線條與5條有明顯轉折的曲線；5條概呈直線的線條是顯示VCSEL的出光功率（Optical output power）與電流(current)的關係，5條有明顯轉折的曲線則是顯示功率轉換效率（Power conversion efficiency, PCE）與電流(current)的關係。
參閱圖9，5條概呈直線的線條中的4個線條與5條曲線中的4個線條是以圖1a、圖1b、圖1c的結構搭配具體的通孔面積比值且是在室溫下所量測到的結果，圖1a並以兩種不同通孔面積比值進行量測，其中第一通孔與第二通孔的通孔面積比值分別大約是1:1.2與1:2.6；在結構方面，圖1a、1b、1c以及先前技術的基板皆為GaAs基板，VCSEL的雷射光波長約為940nm，先前技術與圖1a的差異是在於先前技術僅在主動區之上設置電流侷限層；圖1a、圖1b、圖1c以及先前技術的最小通孔的直徑皆約為8μm，具體言之，圖1a、圖1c的第一通孔的通孔直徑約在8μm，圖1b的第二通孔的通孔直徑約在8μm，先前技術的通孔直徑也約在8μm。此外，先前技術與圖1a、圖1b、圖1c在各主動層、各電流侷限層與各穿隧接面層之上與之下皆設置有間隔層。
參閱圖9，觀察電流為10mA下VCSEL的的出光功率與功率轉換效率，先前技術的出光功率與功率轉換效率最低，分別僅大約在14.1mW與40.8%；以圖1a結構搭配通孔面積比值為1:1.2或以圖1b結構搭配通孔面積比值為1.3:1，VCSEL的出光功率與功率轉換效率的提升幅度最明顯，其中出光功率與功率轉換效率分別大約達到19.2mW與55%與分別大約達到19.1mW與52%；以圖1c的結構搭配通孔直徑約為8μm的兩通孔，VCSEL的出光功率與功率轉換效率可分別達到約18.7mW與50.7%；以圖1a結構搭配通孔面積比值為1:2.6，VCSEL的出光功率與功率轉換效率可大約達到16.8mW與46.6%。
VCSEL的出光方向不論是正面出光或背面出光，VCSEL的出光功率、斜效率與功率轉換效率得到不同幅度的改善與提升，而在適當的通孔面積比值下，VCSEL的出光功率、斜效率與功率轉換效率能得到顯著的提升。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
1:主動區 2:基板 11:（第一）主動層 13:（第二）主動層 15:（第三）主動層 17:（第四）主動層 19:（第五）主動層 21:間隔層 31、33、35:穿隧接面層 51:（第一）電流侷限層 53:（第二）電流侷限層 55:（第三）電流侷限層 57:（第四）電流侷限層 59:（第五）電流侷限層 510:第一通孔 530:第二通孔 550:第三通孔 570:第四通孔 590:第四通孔 I:電流
圖1a為顯示被描述之一實施例的兩電流侷限層的其中之一係設置於主動區內的示意圖，其中在主動區外的電流侷限層的通孔小於在主動區內的電流侷限層的通孔。 圖1b為顯示被描述之一實施例的兩電流侷限層的其中之一係設置於主動區內的示意圖，其中在主動區外的電流侷限層的通孔大於在主動區內的電流侷限層的通孔。 圖1c為顯示被描述之一實施例的兩電流侷限層的其中之一係設置於主動區內的示意圖，其中兩電流侷限層的通孔大小是大致相等或彼此接近。 圖1d是顯示圖1a的主動區的一種可能結構的詳細示意圖。 圖2是顯示被描述之一實施例之主動層的設置數目多於電流侷限層的設置數目的示意圖。 圖3a顯示被描述之一實施例之VCSEL包含三電流侷限層與二主動層的示意圖，其中三電流侷限層的通孔不相等。 圖3b顯示被描述之一實施例之VCSEL包含三電流侷限層與二主動層的示意圖，其中三電流侷限層的通孔大小是大致相等或彼此接近。 圖3c是顯示圖3a的主動區的一種可能結構的詳細示意圖。 圖4a顯示被描述之一實施例之VCSEL包含三電流侷限層與三主動層的示意圖，其中三電流侷限層的通孔不相等。 圖4b顯示被描述之一實施例之VCSEL包含三電流侷限層與三主動層的示意圖，其中在主動區內的第二通孔與第三通孔的通孔面積為大致相等或彼此接近，在主動區外的第一通孔小於在主動區內的第二通孔或第三通孔。 圖4c顯示被描述之一實施例之VCSEL包含三電流侷限層與三主動層的示意圖，其中三電流侷限層的通孔大小是大致相等或彼此接近。 圖5a顯示被描述之一實施例之VCSEL包含四電流侷限層與三主動層的示意圖，其中第一通孔至第四通孔的通孔大小關係是由小到大。 圖5b顯示被描述之一實施例之VCSEL包含四電流侷限層與三主動層的示意圖，其中第一通孔至第四通孔的通孔大小關係是由大到小。 圖6a顯示被描述之一實施例之VCSEL包含五電流侷限層與五主動層的示意圖，其中五電流侷限層的通孔不相等。 圖6b顯示被描述之一實施例之VCSEL包含五電流侷限層與五主動層的示意圖，其中在主動區內的四電流侷限層的通孔為大致相等或彼此接近，在主動區外的電流侷限層的通孔小於在主動區內的電流侷限層的通孔。 圖6c顯示被描述之一實施例之VCSEL包含五電流侷限層與五主動層的示意圖，其中第四通孔與第五通孔大於第二通孔與第三通孔，第二通孔與第三通孔大於第一通孔。 圖7分別顯示VCSEL之兩電流侷限層的通孔面積在不同比值下的光電特性曲線以及先前技術之僅在主動區的上方設置電流侷限層的光電特性曲線，其中VCSEL為正面出光型的VCSEL。 圖8分別顯示三主動層在不同設置數目的電流侷限層的光電特性曲線比較圖。 圖9分別顯示VCSEL之兩電流侷限層的通孔面積在不同比值下的光電特性曲線以及先前技術之僅在主動區的上方設置電流侷限層的光電特性曲線，其中VCSEL為背面出光型的VCSEL。
2:基板
11:第一主動層
13:第二主動層
31:穿隧接面層
51:第一電流侷限層
53:第二電流侷限層
510:第一通孔
530:第二通孔

Claims (16)

  1. 一種垂直共振腔表面放射雷射二極體，包含： 一多層結構，位於一基板之上，該多層結構包含： 一主動區，包含複數主動層，兩主動層之間具有一穿隧接面層；以及 複數電流侷限層，至少包含一第一電流侷限層與一第二電流侷限層，該第一電流侷限層至少具有一第一通孔，該第二電流侷限層至少具有一第二通孔，該第一通孔與該第二通孔是各電流侷限層之未絕緣部分，該第一通孔與該第二通孔的其中之一係位於該主動區之外，該第一通孔與該第二通孔的其中之另一係位於該主動區之內，該穿隧接面層是介於該第一通孔與該二通孔之間，該第一通孔的通孔面積係大致相等於該第二通孔的通孔面積，該第一通孔與該第二通孔的兩者的通孔面積不小於30微米平方。
  2. 如請求項1所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該兩 電流侷限層的絕緣處理是透過氧化處理、離子佈植處理或蝕刻處理而形成。
  3. 如請求項1所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該第 一電流侷限層及/或該第二電流侷限層係選自由AlGaAs、AlGaAsP、AlAs、AlAsP、AlAsSb及AlAsBi所組成的群組。
  4. 如請求項1所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該第 一電流侷限層與該第二電流侷限層的其中之一係位於該主動區之上或之下，該第一電流侷限層與該第二電流侷限層的其中另一係位於該主動區之內。
  5. 如請求項1所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該第 一通孔與該第二通孔兩者的通孔面積不小於40微米平方。
  6. 如請求項1所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該第 一通孔與該第二通孔兩者的通孔面積不小於50微米平方。
  7. 如請求項1所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該 VCSEL為正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL。
  8. 一種垂直共振腔表面放射雷射二極體（VCSEL），包括： 一多層結構，位於該基板之上，包含： 一主動區，包含三或三以上的主動層，每兩相鄰的主動層之間具有一穿隧接面層；以及 複數電流侷限層，至少包含一第一電流侷限層、一第二電流侷限層與一第三電流侷限層，該第一電流侷限層至少具有一第一通孔，第二電流侷限層至少具有一第二通孔，該第三電流侷限層至少具有一第三通孔，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔是各電流侷限層之未絕緣部分，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔的其中之一位於該主動區之外，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔的其中另二皆位於該主動區之內或分別位於該主動區之內與之外，該穿隧接面層是介於該第一通孔與該二通孔之間或介於該第二通孔與該第三通孔之間，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的其中兩者的通孔面積為大約相等，該第一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的通孔面積不小於30微米平方。
  9. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該等 電流侷限層的設置數目為三、四或五以上。
  10. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該等 電流侷限層的設置數目相同於或多於與該等主動層的設置數目。
  11. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該等 電流侷限層的其中之一係設置於該主動區之上或之下，其餘的電流侷限層則位於該主動區之內。
  12. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，當該 第一電流侷限層、該第二電流侷限層與該第三電流侷限層三者的其中二者位於該主動區之外，且 該主動區係介於該第一電流侷限層、該第二電流侷限層與該第三電流侷限層三者的其中二者之間。
  13. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該等 電流侷限層之一係選自由AlGaAs、AlGaAsP、AlAs、AlAsP、AlAsSb及AlAsBi所組成的群組。
  14. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該第 一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的通孔面積不小於40微米平方。
  15. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該第 一通孔、該第二通孔與該第三通孔三者的通孔面積不小於50微米平方。
  16. 如請求項8所述之垂直共振腔表面放射雷射二極體，其中，該 VCSEL為正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL。
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