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CN112117639A - 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） - Google Patents

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） Download PDF

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CN112117639A CN202010567798.3A CN202010567798A CN112117639A CN 112117639 A CN112117639 A CN 112117639A CN 202010567798 A CN202010567798 A CN 202010567798A CN 112117639 A CN112117639 A CN 112117639A
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Abstract

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。

Description

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)
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。
在主动区具有多主动层(多接面VCSEL)的情形，为了让电流能通过各主动层，每两相邻的主动层之间一般需要设置穿隧接面层，以使电流能通过其他主动层而在多接面VCSEL中实现载子再利用(carrier recycling)。主动区之上设置电流局限层时，电流局限层的通孔能有助于电流的局限，但电流通过电流局限通孔后还是会开始逐渐发散，当电流通过高导电率的穿隧接面层时电流的发散会加剧，虽然穿隧接面层的设置能使电流流入其他主动层，但电流却因而更为发散，导致其他主动层的的载子局限性不佳，虽然具多主动层的VCSEL的出光功率能因主动层的数目变多而得到一些提升，但由于一些主动层的载子局限性不佳，造成VCSEL的功率转换效率明显下降。
因此必须克服上述的问题；本说明书的一种技术手段是在主动区中设置电流局限层，且电流局限层设置于两主动层之间；假设电流由上往下依序通过电流局限层(主动区之上)、第二主动层、穿隧接面层、电流局限层(主动区之内)与第一主动层。
值得注意的是，通过在主动区之内设置电流局限层后，不但能同时提升第一主动层的电流局限能力(current confinement)及/或光局限能力(optical confinement)，甚至还可能提高第二主动层的电流局限能力及/或光局限能力。
在现有技术方面，电流通过电流局限通孔(主动区之外)之后，电流就开始逐渐发散，其中电流经穿隧接面层时电流发散会加剧。
不同于现有技术，在主动区之内设置电流局限层后，电流在通过电流局限层(主动区之内)的通孔之前，电流会从发散逐渐变为收敛，因此流经第二主动层与穿隧接面层的电流会变得较不发散，第二主动层的载子局限性(carrier confinement)变得较佳；在电流通过电流局限层(主动区之内)的通孔后，电流会被收敛而集中于第一主动层之对应通孔的区域，因此第一主动层之对应通孔的区域的载子密度相对提高，因而提高第一主动层的载子局限性，而能增进具有多主动层的VCSEL的出光功率及功率转换效率。
通过在两主动层之间设置电流局限层后，因电流局限层的局限作用可作用于在电流局限层之上的第二主动层及/或在电流局限层之下的第一主动层，如此不但能据以提升第一主动层的载子局限性，还可能进一步增进第二主动层的载子局限性，因此具有多主动层的VCSEL的出光功率或斜效率能随主动层的设置数目增加而大幅增进，而具有多主动层的VCSEL的功率转换效率也能随主动层的设置数目增加而显着增进。
原则上，VCSEL不限于是是正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL，也就是具有多主动层的正面出光型或背面出光型的VCSEL，在两主动层之间设置电流局限层后，正面出光型或背面出光型的多接面VCSEL的斜效率、出光功率或功率转换效率能获得显着提升。
根据本说明书的一示范性实施例，提供一VCSEL，该VCSEL包含一基板与位于该基板之上的一多层结构，其中该多层结构包含一主动区及多个电流局限层。该主动区包含多个主动层，两主动层之间具有一穿隧接面层；所述电流局限层至少包含一第一电流局限层与一第二电流局限层，该第一电流局限层至少具有一第一通孔，该第二电流局限层至少具有一第二通孔，该第一通孔与该第二通孔是各电流局限层的未绝缘部分，该第一通孔与该第二通孔中的一个位于该主动区之外，该第一通孔与该第二通孔中的另一个位于该主动区之内，该穿隧接面层是介于该第一电流局限层与该第二电流局限层之间。
在一些实施例，该第一通孔与该第二通孔的通孔面积为不相等或近乎相等。
在一些实施例，第一通孔与第二通孔的通孔面积若都不小于30微米平方，第一通孔与第二通孔的通孔面积除了可以不相等，甚至可以近乎相等；第一通孔与第二通孔的通孔面积也可以在40或50微米平方以上；此外，该第一通孔与该第二通孔两者间更具有一通孔面积比值X，其中0.3≦X≦1，其中当该比值X不等于1时，该第一通孔与该第二通孔两者间的较小通孔面积为该比值的分子，以上两者中的较大通孔面积为该比值的分母。
根据另一具体实施例，该主动区是包含三或三以上的主动层，所述电流局限层更包含第三电流局限层，该第三电流局限层亦具有一第三通孔，该第三通孔也是第三电流局限层的未绝缘部分。该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔中的一个位于该主动区之外，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔中的另外两个皆位于该主动区之内或分别位于该主动区之内与之外，该穿隧接面层是介于该第一通孔与该二通孔之间或介于该第二通孔与该第三通孔之间。
在一些实施例，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者的通孔面积为不相等或近乎相等。
在一些实施例中，第一通孔、第二通孔与第三通孔三者中的二者或每个的通孔面积皆在30微米平方以上时，则以上三者中的二者或每个的通孔面积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个的通孔面积也可以在40或50微米平方以上。
此外，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者具有一通孔面积比值X，其中0.3≦X≦1，其中当该通孔面积比值X不等于1时，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者间的较小通孔面积为该比值的分子。
通过以上介绍的一些示范性的实施例，具有多主动层的VCSEL的功率转换效率、斜效率或出光功率得到显着的增进。因VCSEL的出光功率提高，因此感测装置使用根据本文实施例的VCSEL后，感测装置的感测距离得以大幅提升；另外，由于VCSEL的出光功率提高，具有多主动层的VCSEL的芯片尺寸或芯片面积也得以缩小而有助于降低成本；此外，VCSEL的功率转换效率的提升，使具有多主动层的VCSEL的耗电量变低，如此感测装置使用根据本文实施例的VCSEL时，感测装置的电能损耗能因而降低或延长感测装置电力的使用时间。其中，使用有VCSEL的装置因其感测距离的明显增加而能使LiDAR、AR、VR、dTOF等应用的发展加速与更加多元。
附图说明
图1a为显示被描述的一实施例的两电流局限层的其中之一设置于主动区内的示意图，其中在主动区外的电流局限层的通孔小于在主动区内的电流局限层的通孔。
图1b为显示被描述的一实施例的两电流局限层的其中之一设置于主动区内的示意图，其中在主动区外的电流局限层的通孔大于在主动区内的电流局限层的通孔。
图1c为显示被描述的一实施例的两电流局限层的其中之一设置于主动区内的示意图，其中两电流局限层的通孔大小是大致相等或彼此接近。
图1d是显示图1a的主动区的一种可能结构的详细示意图。
图2是显示被描述的一实施例的主动层的设置数目多于电流局限层的设置数目的示意图。
图3a显示被描述的一实施例的VCSEL包含三电流局限层与二主动层的示意图，其中三电流局限层的通孔不相等。
图3b显示被描述的一实施例的VCSEL包含三电流局限层与二主动层的示意图，其中三电流局限层的通孔大小是大致相等或彼此接近。
图3c是显示图3a的主动区的一种可能结构的详细示意图。
图4a显示被描述的一实施例的VCSEL包含三电流局限层与三主动层的示意图，其中三电流局限层的通孔不相等。
图4b显示被描述的一实施例的VCSEL包含三电流局限层与三主动层的示意图，其中在主动区内的第二通孔与第三通孔的通孔面积为大致相等或彼此接近，在主动区外的第一通孔小于在主动区内的第二通孔或第三通孔。
图4c显示被描述的一实施例的VCSEL包含三电流局限层与三主动层的示意图，其中三电流局限层的通孔大小是大致相等或彼此接近。
图5a显示被描述的一实施例的VCSEL包含四电流局限层与三主动层的示意图，其中第一通孔至第四通孔的通孔大小关系是由小到大。
图5b显示被描述的一实施例的VCSEL包含四电流局限层与三主动层的示意图，其中第一通孔至第四通孔的通孔大小关系是由大到小。
图6a显示被描述的一实施例的VCSEL包含五电流局限层与五主动层的示意图，其中五电流局限层的通孔不相等。
图6b显示被描述的一实施例的VCSEL包含五电流局限层与五主动层的示意图，其中在主动区内的四电流局限层的通孔为大致相等或彼此接近，在主动区外的电流局限层的通孔小于在主动区内的电流局限层的通孔。
图6c显示被描述的一实施例的VCSEL包含五电流局限层与五主动层的示意图，其中第四通孔与第五通孔大于第二通孔与第三通孔，第二通孔与第三通孔大于第一通孔。
图7分别显示VCSEL的两电流局限层的通孔面积在不同比值下的光电特性曲线以及现有技术的仅在主动区的上方设置电流局限层的光电特性曲线，其中VCSEL为正面出光型的VCSEL。
图8分别显示三主动层在不同设置数目的电流局限层的光电特性曲线比较图。
图9分别显示VCSEL的两电流局限层的通孔面积在不同比值下的光电特性曲线以及现有技术的仅在主动区的上方设置电流局限层的光电特性曲线，其中VCSEL为背面出光型的VCSEL。
附图标记说明
1:主动区
2:基板
11:(第一)主动层
13:(第二)主动层
15:(第三)主动层
17:(第四)主动层
19:(第五)主动层
21:间隔层
31、33、35:穿隧接面层
51:(第一)电流局限层
53:(第二)电流局限层
55:(第三)电流局限层
57:(第四)电流局限层
59:(第五)电流局限层
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：电流。
具体实施方式
以下配合图示及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，从而使熟习该项技艺者在研读本说明书后能据以实施。
以下描述具体的元件及其排列的例子以简化本发明。当然这些仅是例子且不该以此限定本发明的范围。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磊晶层形成而没有直接接触的实施例。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号及/或符号，这些重复仅为了简单清楚地叙述一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定关联。
此外，其中可能用到与空间相关的用词，像是“在...下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些关系词为了便于描述图式中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。这些空间关系词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及图式中所描述的方位。
本说明书提供不同的实施例来说明不同实施方式的技术特征。举例而言，全文说明书中所指的“一些实施例”意味着在实施例中描述到的特定特征、结构、或特色至少包含在一实施例中。因此，全文说明书不同地方所出现的片语“在一些实施例中”所指不一定为相同的实施例。
此外，特定的特征、结构、或特色可在一或多个的实施例中通过任何合适的方法结合。进一步地，对于在此所使用的用语“包括”、“具有”、“有”、“其中”或前述的变换，这些语意类似于用语“包括”来包含相应的特征。
此外，”层”可以是单一层或者包含是多层；而一磊晶层的”一部分”可能是该磊晶层的一层或互为相邻的多层。
现有技术中，激光二极管可依据实际需求而选择性的设置缓冲层，且在一些实例中，缓冲层与基板在材料可以是相同的。且缓冲层设置与否，跟以下实施例所欲讲述的技术特点与所欲提供的效果并无实质相关，因此为了简要示例说明，以下实施例仅以具有缓冲层的激光二极管来做为说明用的示例，而不另赘述没有设置缓冲层的激光二极管，也就是以下实施例如置换无缓冲层的激光二极管也能一体适用。
提供一种垂直共振腔表面放射激光二极管(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser,VCSEL)，VCSEL的典型制作方式是在基板上磊晶成长多层结构，VCSEL的组件成品则可以保留基板或移除基板；多层结构包含主动区，主动区包含一或多个主动层；如主动区包含多个主动层时，则每两相邻的主动层之间配置穿隧接面层。
本说明书的各实施例则是在多层结构中提供二层或多层的电流局限层，各电流局限层皆具有至少一通孔(optical aperture,OA)，通孔是各电流局限层的未绝缘部分，而电流局限层的绝缘部分(如图1a的电流局限层51的剖面线区域)应被理解成是电流局限层的电阻值较高(明显高于通孔)的部份。
电流局限层的设置数目除了二层，还可以三层、四层或五层或更多层数以上，在不同的实施例，各电流局限层的设置位置或设置组合也会不同，因此为区别各电流局限层的设置位置，在二电流局限层的情形中，个别的电流局限层会分别称为第一电流局限层与第二电流局限层；在三以上的电流局限层的情形中，个别的电流局限层会分别称为第一电流局限层、第二电流局限层与第三电流局限层，依此类推。同样的，为方便区别多主动层的中各主动层在VCSEL的设置位置，多主动层的中各主动层会分别称为第一主动层、第二主动层、第三主动层…至第N个主动层，依此类推。
为简化图示，大多数图示只绘制出主动层、穿隧接面层与电流局限层等，而上DBR层、下DBR层、间隔层、欧姆接触层等等磊晶层则不会绘制出来，即使这些磊晶层是VCSEL的必要结构或优选结构；其中间隔层一般会形成于主动层、电流局限层、穿隧接面层或其他磊晶层之上及/或之下，间隔层可根据实际需求而选择性地设置，各间隔层的材料、成分、厚度、掺杂及掺杂浓度也可按实际需求而做适当调整。
以下通过一些代表性实施例来说明两或多电流局限层如何具体设置于VCSEL中。
[实施例1]
在图1a、图1b与图1c的主要结构方面，具有第一通孔510的第一电流局限层51是设置于主动区1之上，穿隧接面层31与具有第二通孔530的第二电流局限层53则是设置于主动区1中的第一主动层11与第二主动层13之间，穿隧接面层是介于第一电流局限层51与第二电流局限层53之间。
根据图1a的结构，由于第二主动层13之下依序是穿隧接面层31、第二电流局限层53与第一主动层11，在此种配置下若电流是从第一通孔510流入并经第二通孔530而流入第一主动层11，则第一电流局限层51上方的磊晶层主要是由P型磊晶层构成，若第一电流局限层51上方的磊晶层还包含有N型磊晶层(图未示)，N型磊晶层与第一电流局限层51之间则可以通过穿隧接面层串联或构成间接接触。
在通孔面积方面，第一通孔510的通孔面积跟第二通孔530的通孔面积为不相等，如图1a、图1b所示；或者参图1c，当第一通孔510跟第二通孔530的通孔面积足够大时，第一通孔510的通孔面积与第二通孔530的通孔面积也可以大致相等或彼此接近。
图1d是图1a的详细结构，在图1d中，主动层11、13、电流局限层53(51)与穿隧接面层31之上与之下设置有间隔层21。电流I主要依序通过用于载子局限及/或光局限的第一通孔510、用于发光的第二主动层13、供载子再利用或串联两主动层的穿隧接面层31、用于载子局限及/或光局限的第二通孔530与用于发光的第一主动层11。
电流I从第一通孔510进入第二主动层13后，电流I流经第二主动层13与穿隧接面层31的电流会变得较不发散，第二主动层13的载子局限效果(carrier confinement)变得较佳；在电流I通过第二电流局限层53的第二通孔530后，电流I较容易被局限于第一主动层11的对应第二通孔530的区域，因此能明显提高第一主动层11与第二主动层13的载子及/或光局限功效，借此增进VCSEL的出光功率、斜效率或功率转换效率。
通过在两主动层之间设置第二电流局限层后，第二电流局限层的局限效果可作用在第二电流局限层之上与之下的第二主动层及第一主动层，如此不但能据以提升第一主动层的载子局限性及/或光局限性，还可能进一步增进第二主动层的载子局限性及/或光局限性，因此VCSEL的出光功率能随主动层的设置数目增加而显着增加，而VCSEL的功率转换效率或斜效率也能随主动层的设置数目增加而显着增进。
在一些实施例中，电流局限层的设置数目可以少于主动层的设置数目，如图2所示，电流局限层的设置数目可以是两层，主动区内的主动层的设置数目可以是但不限于三层，主动层的设置数目也可以是四层或更多层数以上。如果需要VCSEL的出光功率、斜效率或功率转换效率进一步提升，电流局限层的设置数目可以相同于主动层的设置数目；电流局限层的设置数目也可以多于主动层的设置数目，比如电流局限层的设置数目比主动层再多一层或二层以上，但所有电流局限层的总电阻值不能太大，否则恐会影响VCSEL的光电特性或功率转换效率。
决定电流局限层的电阻值大小的另一因素是电流局限层的通孔面积，原则上两通孔或各通孔的面积可以不相等，不过若两通孔或各通孔的面积足够大，因电阻值较小，则两通孔或各通孔的通孔面积还是可以大致相等或彼此接近。
在图1a、图1b中，第一通孔与第二通孔的通孔面积是不相等，两者的通孔面积比值可以在0.1～10之间(不包含比值为1)，两电流局限层的电阻值的总和还不会太大，较不致于明显影响VCSEL的光电特性或功率转换效率；较佳的，第一通孔与第二通孔的通孔面积比值可以介于0.2～5、0.3～3.3、0.5～2、0.54～1.85或0.6～1.6之间，如此除了保有较佳的载子局限性及/或光局限性之外，两电流局限层的总电阻值相对较小，有助于提升VCSEL的光电特性或功率转换效率；第一通孔与第二通孔两者间通孔面积的具体比值是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。
而在第一通孔与该第二通孔两者的通孔面积是足够大的情形中，因第一电流局限层与第二电流局限层的电阻值相对较小，故两者加总起来的电阻值不容易过大，因此第一通孔与该第二通孔的通孔面积还可以是相等。比如第一通孔与该第二通孔的通孔面积若都不小于30μm2，则第一通孔的通孔面积可大致相等于、近乎相等于甚至刚好相等于第二通孔的通孔面积；在一些实施例中，各电流局限层中的较小通孔面积还更可以在40μm2或50μm2以上。
承上段，各电流局限层的电阻值总和若能适当降低，容易维持或提高VCSEL的功率转换效率，且第一主动层与第二主动层还能具有较佳的载子局限性与光局限性，藉以增进VCSEL的光电特性或功率转换效率，其中VCSEL包含正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL。
在第一通孔与第二通孔两者的通孔面积是足够大的情形中，较佳的，第一通孔的通孔面积与该第二通孔的通孔面积两者间具有一通孔面积比值X，其中0.3≦X≦1，因此一种情形是第一通孔的通孔面积与该第二通孔的通孔面积是大致相等或彼此接近，即通孔面积比值接近于或可能刚好为1(X≈1或X＝1)的情形；当第一通孔与第二通孔的通孔面积是不同时，即通孔面积比值是大于等于0.3且小于1(0.3≦X<1)的情形，以第一通孔与第二通孔两者中的较小通孔面积为比值的分子，而较大通孔面积则为比值的分母。
[实施例2]
如图3a所示，VCSEL包含三电流局限层51、53、55与二主动层11、13，其中三电流局限层51、53、55的通孔面积彼此不相等，第一通孔、第二通孔与第三通孔的通孔面积大小关分别是小、中、大，图3a所示的结构仅为一示例，第一通孔、第二通孔与第三通孔的通孔面积大小关系还可以是大、中、小或小、中、中或其他各种适当组合。较佳的，第一通孔与第二通孔间、第二通孔与第三通孔间或第三通孔与第一通孔间的通孔面积比值介于0.2～5、0.3～3.3、0.5～2、0.54～1.85或0.6～1.6之间，其中，具体的通孔面积比值是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。
只要不明显影响主动层的载子局限效果、光局限效果或VCSEL的功率转换效率，在主动区1外的电流局限层的通孔面积可以尽可能的大，如图3a的第三通孔550，如此在设置有多电流局限层的VCSEL，各电流局限层的电阻值总和较不容易过大，VCSEL的光电特性也较不容易受影响。
[实施例3]
在VCSEL包含三电流局限层或甚至更多电流局限层的情形下，若一些通孔或各通孔的面积足够大，也就是各电流局限层的电阻值总和不会过大，则一些通孔或各通孔的面积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还可以是大致相等或彼此接近。
以图3b为例，若第一通孔、第二通孔与第三通孔三者中的最小通孔面积是大于30μm2(40μm2/50μm2)，则三者甚至可以彼此相等；原则上，只要各电流局限层的电阻值总和不会太明显的影响VCSEL的功率转换效率，也可容许多电流局限层中的一(些)电流局限层的通孔面积低于30μm2、40μm2或50μm2。
进一步而言，第一通孔、第二通孔与第三通孔三者的其中两者更具有一通孔面积比值X，其中0.3≦X≦1，因此三者的通孔面积可以相当，即通孔面积比值接近于或可能刚好等于1(X≈1或X＝1)的情形；其中当三者的其中两者不同或三者皆不同时，即通孔面积比值是大于等于0.3且小于1为(0.3≦X<1)的情形，则以三者的其中两者的较小通孔面积为比值的分子。
图3c是图3a的详细结构，在图3c中，主动层11、13、穿隧接面层31以及电流局限层51、53、55之上与之下设置有间隔层21，但图3c只是一种示例，还能包含其他变型或衍生的实施结构，图3b与图3a的主要结构也相同，图3b亦能照前述方式设置间隔层。
[实施例4]
如图4a所示，图4a是在图3a的基础之下且更包含第三主动层15与穿隧接面层33，其中第三主动层15位于第一主动层11之下，第三主动层15与第一主动层11之间并设置穿隧接面层33与第三电流局限层55，其中，穿隧接面层31位于第一电流局限层51跟第二电流局限层53之间，穿隧接面层33位于第二电流局限层53跟第三电流局限层55之间。
在图4a中，第一通孔510、第二通孔530与第三通孔550的通孔面积大小关分别为小、中、大，图4a所示的结构仅为一示例，第一通孔、第二通孔与第三通孔的通孔面积大小关系还可以是大、中、小或小、大、中或其他各种适当大小关系；或者如图4b所示，第一通孔510的通孔面积较小，第二通孔530与第三通孔550的通孔面积是几乎相等且大于第一通孔510的通孔面积。或者如图4c所示，第一通孔510、第二通孔530与第三通孔550的通孔面积是大致相等或相等。
图4a至图4c中的主动层、电流局限层或穿隧接面层的之上及/或之下还可依实际需求而进一步设置间隔层或适当磊晶层。
[实施例5]
如图5a所示，VCSEL包含具有三主动层11、13、15的主动区1、四电流局限层51～57与二穿隧接面层31、33。第一电流局限层51与第四电流局限层57是设置于主动区1之下及之下，其中，穿隧接面层31位于第一电流局限层51跟第二电流局限层53之间，穿隧接面层33位于第二电流局限层53跟第三电流局限层55之间。
根据图5a的穿隧接面层33第三电流局限层55的设置关系可知，电流是从第一通孔510流入；其中第一电流局限层51上方的磊晶层主要是由P型磊晶层构成，若第一电流局限层51上方的磊晶层还包含有N型磊晶层，N型磊晶层与第一电流局限层51之间则可以通过穿隧接面层构成串联或间接连接。
如图5b所示，VCSEL包含具有三主动层11、13、15的主动区1、四电流局限层51～57与二穿隧接面层31、33。第一电流局限层51与第四电流局限层57是设置于主动区1之上及之下；根据图5b的穿隧接面层33与第三电流局限层55或穿隧接面层31与第二电流局限层53的设置关系可知，电流是从第四通孔570流入；其中第四电流局限层57下方的磊晶层主要是由P型磊晶层构成，若第四电流局限层57下方的磊晶层还包含有N型磊晶层，N型磊晶层与第四电流局限层57之间则可以通过穿隧接面层构成串联或间接连接。
在一变形实施例中，在主动区1之外的电流局限层的通孔面积可以非常大，如图5a的第四电流局限层57(主动区之下)或图5b的第一电流局限层51(主动区之上)，如此在设置有多电流局限层的VCSEL，各电流局限层的总电阻值较不容易过大，VCSEL的光电特性也较不容易受影响。
图5a或图5b中的主动层、电流局限层或穿隧接面层的之上及/或之下还可依实际需求而进一步设置间隔层或适当磊晶层。
[实施例6]
图6a、图6b与图6c分别显示包含五电流局限层与五主动层的VCSEL，在图6a中第一通孔510、第二通孔530至第五通孔590的通孔面积彼此不相等，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大于第一通孔510，第三通孔550大于第二通孔530，第四通孔570大于第三通孔550，图6a所示的结构仅为一示例，第一通孔至第五通孔还可是其他各种适当组合。
图6b中，主动区1之上的第一通孔510是最小，在主动区内的第二通孔530、第三通孔550至第五通孔590在通孔面积上为大致相等或彼此接近，图6b所示的结构仅为一示例，第一通孔至第五通孔还可是其他各种适当组合。
图6c中，第一通孔510的通孔相对最小，第四通孔570与第五通孔590的通孔相对较大，第二通孔530与第三通孔550的通孔则是大于第一通孔510但小于第四通孔570或第五通孔590。
图6a、图6b、图6c中的主动层、电流局限层或穿隧接面层的之上及/或之下还可依实际需求而进一步设置间隔层或适当磊晶层。
在以上的实施例中，电流局限层的各通孔如第一通孔510、第二通孔530至第五通孔590等等，基本上是电流局限层的未被绝缘处理的部分，其中绝缘处理可以是氧化处理、离子布植处理或蚀刻制程等适当绝缘处理方式；原则上，电流局限层的绝缘部分是从多层结构的侧边进行绝缘处理；各通孔的通孔面积大小能通过氧化制程或离子布植制程而决定。
一般而言，通孔的大小跟氧化制程的参数有关，比如氧化时间或氧化速率等，氧化速率又与各电流局限层的材料、材料成分或各电流局限层的厚度有关，因此各电流局限层若需形成不同大小的通孔，可以让各电流局限层使用不同的材料，或者各电流局限层使用相同的材料但材料成分比例不同，或者使各电流局限层的厚度不相同。
此外，平台型(mesa type)或非平台型(planar type)制程也可以是决定通孔大小的一个因素。在平台型制程方面，由于绝缘处理是从平台的外侧面开始进行，若平台的型态是概呈上窄下宽的型式或概呈上宽下窄如梯形(图未示)，即使在各电流局限层的材料、材料成分及厚度都一样的情形下，也就是即使在相同的氧化速率下，会造成各电流局限层的绝缘部分差不多大但通孔大小却彼此不同。
若平台的型态是如图1a所示，在平台上半部或下半部的直径是大致相同的情形下，如要使各电流局限层的通孔面积尽可能一致，可以让各电流局限层的材料、材料成分及厚度一样，如此在相同的氧化速率下，各电流局限层的通孔面积比较可能一致。
在非平台制程方面，则是藉干蚀刻或湿蚀刻处理在多层结构中形成多个孔洞，以使孔洞分布在电流局限层的不同位置，绝缘处理是以孔洞中心并向四周氧化扩散，如有需要更可进一步作离子布植处理；最后未受到绝缘处理的部分则为通孔，因此各通孔的通孔面积主要是通过控制孔洞的设置数量、孔洞的分布方式或离子布植处理而决定或调整，以使通孔间的面积明显不同或是使通孔面积比较可能一致。
在不影响主动层的载子局限性与光局限性的前提下，主动区中的电流局限层的绝缘部分可以尽可能小，比如小于在主动区外的电流局限层的绝缘部分；主动区中的电流局限层的绝缘部分变少时，则其产生的应力也因而较小或主动区中因应力而产生的缺陷也较少，当主动区的应力较小或主动区中因应力而产生的缺陷较少，较不容易影响VCSEL的可靠度。较佳的，电流局限层的通孔概呈圆型、电流局限层的通孔可以是在电流局限层的中间区域或各电流局限层的通孔为相互对应。
通过氧化处理而形成的绝缘区域因为折射系数的变化，也可以增加VCSEL的光局限(optical confinement)性而提升VCSEL的光电特性。
在一些实施例，电流局限层的材料具有易氧化的特性，较佳的，电流局限层的材料是包含较高含量的铝或其他易氧化材料，比如AlGaAs、AlGaAsP、AlAs、AlAsP、AlAsSb、AlAsBi或其他易氧化材料。
图7分别显示两电流局限层的通孔面积在不同比值下的光电特性曲线以及现有技术的仅在主动区的上方设置电流局限层的光电特性曲线。图7中显示有5条概呈直线的线条与5条有明显转折的曲线；5条概呈直线的线条是显示VCSEL的出光功率(Optical outputpower)与电流(current)的关系，5条有明显转折的曲线则是显示功率转换效率(Powerconversion efficiency,PCE)与电流(current)的关系。
参图7，5条概呈直线的线条中的4个线条与5条曲线中的4个线条是以图1a、图1b、图1c的结构搭配具体的通孔面积比值且是在室温下所量测到的结果，图1a并以两种不同通孔面积比值进行量测，其中第一通孔与第二通孔的通孔面积比值分别大约是1:1.2与1:2.6；在结构方面，图1a、1b、1c以及现有技术的基板皆为GaAs基板，且VCSEL的雷射光波长约为940nm，现有技术与图1a的差异是在于现有技术仅在主动区之上设置电流局限层；图1a、图1b、图1c以及现有技术的最小通孔的直径皆约为8μm，具体言之，图1a、图1c的第一通孔的通孔直径约在8μm，图1b的第二通孔的通孔直径约在8μm，现有技术的通孔直径也约在8μm。此外，现有技术与图1a、图1b、图1c在各主动层、各电流局限层与各穿隧接面层之上与之下皆设置有间隔层。
参图7，观察电流为10mA下VCSEL的出光功率与功率转换效率，现有技术的出光功率与功率转换效率最差，分别仅大约在13.5mW与38.9％；以图1a结构搭配通孔面积比值约为1:1.2或以图1b结构搭配通孔面积比值约为1.3:1，则出光功率与功率转换效率的提升幅度最大，其中出光功率与功率转换效率分别大约达到19mW与53％；以图1c的结构搭配通孔直径约为8μm的两通孔，VCSEL的出光功率与功率转换效率可分别达到17mW与44.4％；以图1a结构搭配通孔面积比值为1:2.6，VCSEL的出光功率与功率转换效率可大约达到16.3mW与40.8％。
需要特别说明的是，主动层的设置数目多寡、电流局限层的设置数目多寡、通孔的面积大小、VCSEL的出光方向或通孔型式(平台蚀刻或非平台蚀刻)等因素，也可能会分别或同时影响电流局限层的通孔面积比值。
原则上，主动层或电流局限层的设置数目若变多，电流局限层的通孔面积比值也可以适度扩大。
图8分别显示三主动层在不同设置数目的电流局限层的光电特性曲线比较图，如图8所示，图8中显示有3条概呈直线的线条与3条有明显转折的曲线；3条概呈直线的线条是显示出光功率与电流的关系，3条有明显转折的曲线则是关于功率转换效率与电流的关系。
3条概呈直线的线条与3条有明显转折的曲线分别对应三种VCSEL，这三种VCSEL的基板皆为GaAs基板，且VCSEL的雷射光波长约为940nm；第一种VCSEL是仅在主动区之上设置一电流局限层，其通孔直径约为8μm，其中主动区包含三主动层与二穿隧接面层；第二种VCSEL即为图2所示的VCSEL，其中第一通孔510的直径约为8μm；第三种VCSEL为图4a所示的VCSEL，其中第一通孔510的直径约为8μm；以上所述三种VCSEL结构，在各主动层、各电流局限与各穿隧接面层之上与之下皆设置有间隔层。
参图8，观察电流为10mA下VCSEL的出光功率与功率转换效率，可以发现在主动区包含三主动层的情形下，若仅在主动区之上设置电流局限层，其出光功率与功率转换效率只能达到大约18.1mW与37.1％；而在三主动层的其中两相邻主动层设置电流局限层后，其出光功率与功率转换效率能明显提升至约24.7mW与47.1％；而在三主动层的每两相邻的主动层之间均设置电流局限层后，则其出光功率与功率转换效率能大幅提升至约27.8mW与54.8％。
图7与图8的各光电特性曲线图是正面出光型的VCSEL的量测结果。图9的各光电特性曲线图则是背面出光型的VCSEL的量测结果，其中VCSEL的出光方向如为正面出光，则上DBR层的总反射率小于下DBR层的总反射率；若VCSEL的出光方向如为背面出光，则上DBR层的总反射率大于下DBR层的总反射率。
图9分别显示两电流局限层的通孔面积在不同比值下的光电特性曲线以及现有技术的仅在主动区的上方设置电流局限层的光电特性曲线。图9中显示有5条概呈直线的线条与5条有明显转折的曲线；5条概呈直线的线条是显示VCSEL的出光功率(Optical outputpower)与电流(current)的关系，5条有明显转折的曲线则是显示功率转换效率(Powerconversion efficiency,PCE)与电流(current)的关系。
参阅图9，5条概呈直线的线条中的4个线条与5条曲线中的4个线条是以图1a、图1b、图1c的结构搭配具体的通孔面积比值且是在室温下所量测到的结果，图1a并以两种不同通孔面积比值进行量测，其中第一通孔与第二通孔的通孔面积比值分别大约是1:1.2与1:2.6；在结构方面，图1a、1b、1c以及现有技术的基板皆为GaAs基板，且VCSEL的雷射光波长约为940nm，现有技术与图1a的差异是在于现有技术仅在主动区之上设置电流局限层；图1a、图1b、图1c以及现有技术的最小通孔的直径皆约为8μm，具体言之，图1a、图1c的第一通孔的通孔直径约在8μm，图1b的第二通孔的通孔直径约在8μm，现有技术的通孔直径也约在8μm。此外，现有技术与图1a、图1b、图1c在各主动层、各电流局限层与各穿隧接面层之上与之下皆设置有间隔层。
参阅图9，观察电流为10mA下VCSEL的出光功率与功率转换效率，现有技术的出光功率与功率转换效率最低，分别仅大约在14.1mW与40.8％；以图1a结构搭配通孔面积比值为1:1.2或以图1b结构搭配通孔面积比值为1.3:1，VCSEL的出光功率与功率转换效率的提升幅度最明显，其中出光功率与功率转换效率分别大约达到19.2mW与55％与分别大约达到19.1mW与52％；以图1c的结构搭配通孔直径约为8μm的两通孔，VCSEL的出光功率与功率转换效率可分别达到约18.7mW与50.7％；以图1a结构搭配通孔面积比值为1:2.6，VCSEL的出光功率与功率转换效率可大约达到16.8mW与46.6％。
VCSEL的出光方向不论是正面出光或背面出光，VCSEL的出光功率、斜效率与功率转换效率得到不同幅度的改善与提升，而在适当的通孔面积比值下，VCSEL的出光功率、斜效率与功率转换效率能得到显着的提升。
以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，是以，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (28)

1.一种垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，包含：
一多层结构，位于一基板之上，该多层结构包含：
一主动区，包含多个主动层，两主动层之间具有一穿隧接面层；以及
多个电流局限层，至少包含一第一电流局限层与一第二电流局限层，该第一电流局限层至少具有一第一通孔，该第二电流局限层至少具有一第二通孔，该第一通孔与该第二通孔是各电流局限层的未绝缘部分，该第一通孔与该第二通孔的其中一个位于该主动区之外，该第一通孔与该第二通孔中的其中另一个位于该主动区之内，该穿隧接面层是介于该第一通孔与该二通孔之间。
2.如权利要求1所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该两电流局限层的绝缘处理是通过氧化处理、离子布植处理或蚀刻处理而形成。
3.如权利要求1所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一电流局限层及/或该第二电流局限层选自由AlGaAs、AlGaAsP、AlAs、AlAsP、AlAsSb及AlAsBi所组成的群组。
4.如权利要求1所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一电流局限层与该第二电流局限层中的其中一个位于该主动区之上或之下，该第一电流局限层与该第二电流局限层中的其中另一个位于该主动区之内。
5.如权利要求1所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔的通孔面积不相等于该第二通孔的通孔面积。
6.如权利要求5所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔两者间的通孔面积比值约在0.2～5之间。
7.如权利要求5所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔两者间的通孔面积比值约在0.3～3.3之间。
8.如权利要求5所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔两者间的通孔面积比值约在0.5～2之间。
9.如权利要求1所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔的通孔面积大致相等于该第二通孔的通孔面积。
10.如权利要求9所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔两者的通孔面积不小于30微米平方。
11.如权利要求9所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔两者的通孔面积不小于40微米平方。
12.如权利要求9所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔与该第二通孔两者的通孔面积不小于50微米平方。
13.如权利要求1所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该VCSEL为正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL。
14.一种垂直共振腔表面放射激光二极管(VCSEL)，其特征在于，包括：
一多层结构，位于该基板之上，包含：
一主动区，包含三或三以上的主动层，每两相邻的主动层之间具有一穿隧接面层；以及
多个电流局限层，至少包含一第一电流局限层、一第二电流局限层与一第三电流局限层，该第一电流局限层至少具有一第一通孔，第二电流局限层至少具有一第二通孔，该第三电流局限层至少具有一第三通孔，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔是各电流局限层的未绝缘部分，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔的其中一个位于该主动区之外，而该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔的其中另外两个皆位于该主动区之内或分别位于该主动区之内与之外，该穿隧接面层是介于该第一通孔与该二通孔之间或介于该第二通孔与该第三通孔之间。
15.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，所述电流局限层的设置数目为三、四或五以上。
16.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，所述电流局限层的设置数目相同于或多于与所述主动层的设置数目。
17.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，所述电流局限层中的一个设置于该主动区之上或之下，其余的电流局限层则位于该主动区之内。
18.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，当该第一电流局限层、该第二电流局限层与该第三电流局限层三者的其中二者位于该主动区之外，该主动区介于该第一电流局限层、该第二电流局限层与该第三电流局限层三者的其中二者之间。
19.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，所述电流局限层中的一个选自由AlGaAs、AlGaAsP、AlAs、AlAsP、AlAsSb及AlAsBi所组成的群组。
20.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者间的通孔面积为不相等。
21.如权利要求20所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者间的通孔面积比值约在0.2～5之间。
22.如权利要求20所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者间的通孔面积比值约在0.3～3.3之间。
23.如权利要求20所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者间的通孔面积比值约在0.5～2之间。
24.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的其中两者的通孔面积为大约相等。
25.如权利要求24所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的通孔面积不小于30微米平方。
26.如权利要求24所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔三者的通孔面积不小于40微米平方。
27.如权利要求24所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该第一通孔、该第二通孔与该第三通孔的三者通孔面积不小于50微米平方。
28.如权利要求14所述的垂直共振腔表面放射激光二极管，其特征在于，该VCSEL为正面出光型VCSEL或背面出光型VCSEL。
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