高功率垂直共振腔表面放射激光二极管（VCSEL）制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
高功率垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)
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

技术介绍
垂直共振腔表面放射激光二极管(VerticalCavitySurfaceEmittingLaserDiode,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(majoritycarrier)分别是电洞与电子。由于电洞的有效质量(effectivemass)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(Currentspreading)。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(beamprofile)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。
技术实现思路
在一实施例提供一种高功率VCSEL，主要包括一N型第一外延区、一主动区与一第二外延区；该N型第一外延区位于一基板之上；该主动区位于该N型第一外延区之上，该主动区包含一或多个主动层；该第二外延区位于该主动区之上，该第二外延区包含一PN转换结构(PNjunction)；该PN转换结构包含至少一P型外延层、一穿隧接面层与至少一N型外延层，其中该穿隧接面层位于该至少一P型外延层与该至少一N型外延层之间；其中，该至少一P型外延层靠近于该主动区，且该至少一P型外延层是介于该至少一N型外延层与该主动区之间。在另一实施例提供一种高功率VCSEL，包括一第一外延区、一主动区与一N型第二外延区。该第一外延区位于一基板之上，该第一外延区包含一PN转换结构(PNjunction)，该PN转换结构包含至少一P型外延层、一穿隧接面层与至少一N型外延层，其中该穿隧接面层位于该至少一P型外延层与该至少一N型外延层之间；该主动区位于该第一外延区之上，该主动区包含一或多个主动层；该N型第二外延区位于该主动区之上；该至少一P型外延层靠近于该主动区，而该至少一N型外延层则靠近于该基板。附图说明图1为现有技术的VCSEL的示意图。图2为依据被描述的一实施例的PN转换结构设置于VCSEL的上DBR层的示意图。图3为依据被描述的一实施例的PN转换结构设置于VCSEL的第一上间隔层的示意图，第一上间隔层是位于主动层跟氧化层之间。图4为依据被描述的一实施例的PN转换结构设置于VCSEL的第二上间隔层的示意图，PN转换结构是位于上DBR层跟氧化层之间。图5为依据被描述的一实施例的PN转换结构设置于VCSEL的下DBR层的示意图。图6为依据被描述的一实施例的PN转换结构设置于VCSEL的第一下间隔层的一示意图，第一下间隔层是位于主动层跟氧化层之间。图7为依据被描述的一实施例的外延转换结构设置于VCSEL的第二下间隔层的示意图，第二下间隔层是位于下DBR层跟氧化层之间。图8为依据被描述的一实施例之包含两主动层的主动区的VCSEL示意图。图9为表示以实施例2-3(图7)形成VCSEL以及现有技术的VCSEL在室温下的功率-电流-电压(L-I-V)特性图。图10为表示以实施例2-3(图7)形成VCSEL以及现有技术的VCSEL在高温下的出光功率-电流-电压(L-I-V)特性图。附图标记说明20’:下DBR层30’:下间隔层32’:主动层34’:上间隔层40’:上DBR层100:高功率VCSEL10:GaAs基板12:缓冲层20:下DBR层30:第一下间隔层361、362:氧化层39:第二下间隔层A:主动区32、321:主动层34:第一上间隔层38:第二上间隔层40:上DBR层50:欧姆接触层201、401、301、341、381、391:P型外延层203、303、323、343、383、393、403穿隧接面层205、305、345、385、395、405N型外延层E1:第一外延区E2:第二外延区。具体实施方式以下配合附图及附图标记对本专利技术的实施方式作更详细的说明，从而使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。为便于理解本专利技术，附图中仅绘制出激光二极管的部分结构，并非限制激光二极管仅由下述结构所构成。附图中各层之间的厚度比例也非实际比例，应根据实际需要而调整各层的厚度。以下描述具体的元件及其排列的例子以简化本专利技术。当然这些仅是例子且不该以此限定本专利技术的范围。例如，在描述中提及一层于另一层之上时，其可能包括该层与该另一层层直接接触的实施例，也可能包括两者之间有其他元件或外延层形成而没有直接接触的实施例。此外，在不同实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高功率垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)，其特征在于，包括：/n一N型第一外延区，位于一基板之上；/n一主动区，位于该N型第一外延区之上，该主动区包含一或多个主动层；以及/n一第二外延区，位于该主动区之上，该第二外延区包含一PN转换结构，该PN转换结构包含至少一P型外延层、一穿隧接面层与至少一N型外延层，其中该穿隧接面层位于该至少一P型外延层与该至少一N型外延层之间；/n其中，该至少一P型外延层靠近于该主动区，且该至少一P型外延层介于该主动区与该至少一N型外延层之间。/n

【技术特征摘要】
20190924 TW 1081343571.一种高功率垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)，其特征在于，包括：
一N型第一外延区，位于一基板之上；
一主动区，位于该N型第一外延区之上，该主动区包含一或多个主动层；以及
一第二外延区，位于该主动区之上，该第二外延区包含一PN转换结构，该PN转换结构包含至少一P型外延层、一穿隧接面层与至少一N型外延层，其中该穿隧接面层位于该至少一P型外延层与该至少一N型外延层之间；
其中，该至少一P型外延层靠近于该主动区，且该至少一P型外延层介于该主动区与该至少一N型外延层之间。


2.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该高功率垂直共振腔表面放射激光二极管具有一斜效率在0.6W/A以上。


3.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该高功率垂直共振腔表面放射激光二极管是正面出光型垂直共振腔表面放射激光二极管或背面出光型垂直共振腔表面放射激光二极管。


4.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第二外延区包含一上DBR层或一间隔层，该上DBR层或该间隔层为该至少一P型外延层。


5.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第二外延区包含一上DBR层或一间隔层，该上DBR层或该间隔层包含该PN转换结构。


6.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第二外延区更包含一间隔层与一氧化层，该间隔层位于该主动区与该氧化层之间。


7.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第二外延区更包含一氧化层，该PN转换结构是在该氧化层之上或之下。


8.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，更包含一欧姆接触层，位于该第二外延区之上，该欧姆接触层包含选自于GaAs、InGaAs、GaAsSb、InAlGaAs及InGaAsSb的至少一N型材料。


9.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，更包含一N型欧姆接触层，位于该第二外延区之上，该N型欧姆接触层更包含一掺杂元素，该掺杂元素是选自于Si、Te及Se的至少一材料。


10.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该主动区更包含一穿隧接面层或另一PN转换结构，该穿隧接面层或该另一PN转换结构设置于所述主动层的两主动层之间。


11.如权利要求1或10所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该主动区更包含一氧化层，该氧化层设置于所述主动层的两主动层之间。


12.如权利要求1所述的高功率垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该主动区更包含多个氧化层与多个穿隧接面层，其中该主动区内每两相邻的主动层之间皆设置至...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄朝兴，金宇中，戴文长，
申请(专利权)人：全新光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71