CN109672085B - 具有多个金属层的阵列垂直腔表面发射激光器 - Google Patents

具有多个金属层的阵列垂直腔表面发射激光器 Download PDF

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Abstract

一种光学装置可以包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列，其具有设计波长，每一个VCSEL具有发射区域。光学装置可以包括基本上覆盖阵列的第一金属层、基本上覆盖第一金属层的第二金属层、和在第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层，该电绝缘层包括用于将第一金属层的一些部分与第二金属层的一些部分电连接的过孔。光学装置可以包括设置在每一个VCSEL的发射区域上方的电介质。至少约90％的电介质区域中电介质的厚度变化可以小于设计波长的约2％。发射区域周围的井部的深度可以等于发射区域宽度的至少约10％。

Description

具有多个金属层的阵列垂直腔表面发射激光器
技术领域
本发明通常涉及垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列，且更具体地涉及包括用于对不同组发射器进行寻址(addressing)的多个金属层的VCSEL阵列。
背景技术
确定实际世界图像的深度可用在各种应用中，例如增强现实、姿态识别(例如用于游戏系统)、面部识别(例如用于消费性装置)、场景分析(例如用于自动驱动系统)、和/或诸如此类。立体视觉是用于确定实际世界图像深度的一种技术。立体视觉依赖于从一对摄像头(例如左摄像头和右摄像头)观察的准确地关联的点。然而，立体视觉技术在可匹配的大图像区域中存在不同特征时并不有效。
最近，已经开发除了用于基于半导体激光器进行深度确定的传感器。使用这种传感器的一种技术是飞行时间技术(time-of-flight technique)。飞行时间技术依赖于传递光脉冲和接收光脉冲之间延迟的准确传感，以测量距离。通常，基于传递光脉冲的时间和接收光脉冲的时间之间的时间差检测该延迟(即传递和接收光脉冲之间的时间延迟)，且可基于延迟确定到物体的距离(例如因为光速是已知的)。可基于确定与视野中各种位置的距离而产生图像。
使用这种传感器的另一技术是结构光技术。结构光技术利用在视野中显示的斑点图案(pattern of spots)。这里，斑点尺寸和斑点间隔(例如斑点之间的距离)取决于与视野中物体的距离。例如，斑点尺寸和斑点间隔对于较远离光源的物体来说相对较大，且对于较靠近光源的物体来说相对较小。按照结构光技术，基于视野中的这些斑点尺寸和间隔确定图像(例如3D图像)。斑点通常是通过与衍射光学器件关联的激光器发射，且是非均匀的图案(例如随机图案)，以便允许非均匀的图案位于图像中。
在使用结构光技术的理想情况下，将针对图像中的每个点确定深度信息。然而，由于斑点重叠，用斑点填充整个图像使得确定斑点尺寸和/或位置变得困难和/或不可能。斑点的低密度图案相对更容易定位在图像中，且还允许用于确定斑点尺寸的变化。换句话说，在使用低密度图案时自动关联函数更准。然而，低密度图案不为图像中的每个点提供深度信息，其造成不完全的和/或不准确的图像。
用于提供足够深度信息的一种技术在防止斑点重叠的同时能显示多个不同图案(在不同的时间)。这里，多个图案可共同覆盖图像。然而，因为每一个图案在不同时间显示，所以可防止斑点重叠。在一些情况下，发射器阵列(例如VCSEL阵列)可以用于生产这种图案(或重复图案的一些部分)。
发明内容
根据一些可行的实施方式，光学装置可以包括：垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列，其具有设计波长，每一个VCSEL具有发射区域；第一金属层，基本上覆盖该阵列，第一金属层包括用于每一个发射区域的开口；第二金属层，基本上覆盖第一金属层；第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层，该电绝缘层包括用于将第一金属层的一些部分与第二金属层的一些部分电连接的过孔；和电介质，设置在每一个VCSEL的发射区域上方，每一个发射区域上方的电介质具有厚度和区域，其中在至少约90％的电介质区域中电介质厚度的变化小于设计波长的约2％，且其中在每一个VCSEL的发射区域周围至少通过第一金属层形成的井部的深度等于发射区域宽度的至少约10％。
根据一些可行的实施方式，发射器阵列可以包括：发射器阵列，该发射器阵列包括一组发射器且具有设计波长，其中每一组发射器具有相应发射区域；第一金属层，其中第一金属层基本上覆盖发射器阵列，且其中第一金属层包括用于每一个发射区域的开口；第二金属层，其中第二金属层基本上覆盖第一金属层；电绝缘层，其中该电绝缘层在第一金属层和第二金属层之间，且其中该电绝缘层包括用于将第一金属层的一部分与第二金属层的一部分电连接的过孔；和在每一个发射区域上方的电介质，其中每一个发射区域上方的电介质在至少约90％的电介质区域中的厚度变化小于设计波长的约2％，且其中在发射区域周围至少通过第一金属层形成的井部的深度至少等于发射区域宽度的约10％。
根据一些可行的实施方式，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可以包括：第一金属层，其包括用于VCSEL发射区域的开口；第二金属层，基本上覆盖第一金属层；在第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层，该电绝缘层：包括用于将第一金属层的一部分与第二金属层的一部分电连接的过孔，或电介质,设置在发射区域上方，发射区域上方的电介质具有厚度和区域，其中至少约90％的电介质区域中的厚度变化小于与VCSEL关联的设计波长的约2％，且其中在一个的发射区域周围至少通过第一金属层形成的井部的深度等于发射区域宽度的至少约10％。
根据一些可行的实施方式，一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列可以包括：第一VCSEL，在基底的非外延侧发光，其中第一VCSEL的接触部在基底的外延侧上且电连接到第一金属层，其中第一金属层在基底的外延侧上且基本上形成在VCSEL阵列上方；和第二VCSEL，在基底的非外延侧发光，其中第二VCSEL的接触部在基底的外延侧上且电连接到第二金属层，其中第二金属层在基底的外延侧上且基本上形成在第一金属层上方。
根据一些可行的实施方式，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列可以包括：第一VCSEL，在基底的外延侧发光，其中第一VCSEL的接触部在基底的外延侧上且电连接到第一金属层，其中第一金属层在基底的外延侧上且基本上形成在VCSEL阵列上方，且其中第一金属层包括用于VCSEL阵列中的VCSEL的发射开口；和第二VCSEL，在基底的外延侧发光，其中第二VCSEL的接触部在基底的外延侧上且电连接到第二金属层，其中第二金属层在基底的外延侧上且基本上形成在第一金属层上方，且其中第二金属层包括用于VCSEL阵列中的VCSEL的发射开口。
根据一些可行的实施方式，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列可以包括：第一VCSEL，在基底的发射侧发光，其中第一VCSEL的接触部在基底的外延侧上且电连接到第一金属层，其中第一金属层在基底的外延侧上且基本上形成在VCSEL阵列上方；和第二VCSEL，在基底的发射侧发光，其中第二VCSEL的接触部在基底的外延侧上且电连接到第二金属层，其中第二金属层在基底的外延侧上且基本上形成在第一金属层上方。在一些实施方式中，基底的发射侧是基底的外延侧，且第一金属层和第二金属层包括用于第一VCSEL和第二VCSEL的发射开口。在一些实施方式中，基底的发射侧是基底的非外延侧。
附图说明
图1A和1B是显示了包括用于将阳极连接到相应发射器组的单个金属层的VCSEL阵列的示意图；
图2A-2I是与发射器阵列关联的示意图，所述发射器阵列包括用于将随机布置的发射器组连接到相应阳极的多个金属层；
图3A-3C是针对与图2A-2I关联的发射器阵列的发射器显示了金属层的示例性结构的俯视图的示意图；和
图4A-4G是与示例性发射器阵列关联的示意图，该示例性发射器阵列包括底部发射的发射器，其包括多个金属层。
具体实施方式
示例性实施方式的以下详细描述参照了附随的附图。相同附图标记在不同附图中可以表示相同或相似的元件。下文所述的实施方式仅仅是例子且目的不是将实施方式限制为确切公开的形式。替代地，实施方式被选择为用于描述，使得本领域技术人员能实现所述实施方式。在以下详细描述中，尽管层可以被描述为与单个VCSEL关联或被单个VCSEL使用，但是在一些实施方式中，VCSEL层可以被VCSEL阵列中的VCSEL所共享。
具有多组发射器的一些VCSEL阵列包括单个层(例如单个金属层)，用于与每一个发射器组的阳极连接(anode connections)。这种VCSEL阵列中的特征是与VCSEL阵列的不同组发射器的电绝缘阳极连接不重叠。对于在给定发射器对之间具有相对大间距(例如大于70微米(μm))的VCSEL阵列来说，在发射器之间可以存在足够空间，使得不同阳极可布设在发射器中(例如使得不同组发射器可经由单个金属层连接到每一个阳极)。具有这种间隔的一种这样的VCSEL阵列是典型的用于数据通信的VCSEL阵列，其可以具有与在连接件中间隔开的光纤相称的大间距(例如250μm)。
然而，在一些VCSEL阵列(例如使用结构光技术或飞行时间技术进行3D传感的VCSEL阵列，用于红外线(IR)照明的VCSEL阵列，和/或诸如此类)中，发射器的数量会很大(例如数百)，且有动机将发射器尽可能放置得尽可能彼此接近(例如以便降低VCSEL管芯(die)的成本或尺寸，其尺度可以是每一侧约1到2毫米(mm))。例如，希望的是，在这种情况下，给定发射器对之间的间距小于约50μm。由于该相对较小的间距，这种VCSEL阵列的发射器之间的布设会很困难和/或不可能。进一步地，如果使用相对小的电迹线宽度(例如以便允许VCSEL之间的布设)，这些电迹线会增加电阻和/或会增加额外的加热(例如因为这些VCSEL阵列通常要求数安培的电流)。
在VCSEL阵列包括单组发射器时，单个阳极通常为VCSEL阵列的所有发射器供电(电并联)，且单组发射器包括VCSEL阵列中的每个发射器。在具有多组发射器的VCSEL的情况下，每一个发射器组可被一组阳极中的相应阳极供电。
图1A是显示了VCSEL阵列的示意图，其中多组发射器(例如三组发射器显示在图1A中)每一个被不同相应阳极供电。如所示的，在图1A所示的VCSEL阵列中，每一组发射器包括邻近发射器的群集，且给定群集中的每一个发射器与不同阳极关联。在该例子中，每一组发射器可使用相同单个金属层连接到相应阳极。例如，金属层的第一部分可以将第一组发射器中的每一个发射器(例如通过黑色发射区域表示的发射器)连接到，金属层的第二部分可以将第二组发射器中的每一个发射器(例如以斜阴影线发射区域表示的发射器)连接到阳极2，且金属层的第三部分可以将第三组发射器中的每一个发射器(例如以灰色发射区域表示的发射器)连接到阳极3。这里，金属层的不同部分彼此绝缘，以便允许三个发射器群集中的每一个被分别控制(例如使得每一组发射器可独立地寻址)。应注意，尽管每一组发射器可分别经由图1A中的同一单个金属层寻址，但是每一组中的发射器的集群不足以提供适于在结构光应用中使用的图案(例如由于斑点重叠，由于有限的随机性，和/或诸如此类)。
在一些情况下，为了改善结构光应用中的效用，发射器组可以相对更随机地分布，例如图1B所示。在图1B的VCSEL阵列中，给定组中的发射器被串在一起，且与相应阳极关联。在图1B的VCSEL阵列中，给定发射器在给定组中的至少一个其他发射器附近或在相应阳极附近，使得其可直接连接到相应阳极。由于这种布置方式，可以使用同一单个金属层将每一组发射器连接到相关阳极。在这种情况下，单个金属层通过一系列邻近发射器形成电路径。例如，金属层的第一部分可以通过第一组发射器中的邻近发射器的串(strings ofadjacent emitters)形成路径，使得第一组发射器中的每一个发射器连接到阳极1，金属层的第二部分可以通过第二组发射器中的邻近发射器的串形成路径，使得第二组发射器中的每一个发射器连接到阳极2，且金属层的第三部分可以通过第三组发射器中的邻近发射器的串形成路径，使得第三组发射器中的每一个发射器连接到阳极3。这里，再次地，金属层的不同部分彼此绝缘，以便允许三个发射器群集中的每一个被分别控制(例如使得每一组发射器可独立地寻址)。然而，尽管这种构造可以用于一些应用，但是该方法通常是不期望的。例如，具有高的长宽比(例如10到1或更高，尤其是在VCSEL阵列为顶部发射装置，其中阳极层不能覆盖任何VCSEL的发射区域的情况下)的电路径具有相对高的电阻，这减小了VCSEL阵列的光电效率。由此，使用单个金属层以沿发射器的串形成电路径在实践中是可以适用的。进一步地，在结构光应用中，希望的是利用这样的发射器组，其与包括一串或多串发射器(如图1B所示)的发射器组相比以相对更随机的图案进行分组。例如，为了提供增加的随机化，希望的是在给定组发射器中具有与该给定组发射器中的任何其他发射器不相邻的一个或多个发射器。
本文所述的一些实施方式提供发射器阵列(例如VCSEL阵列)，其包括多个金属层，该多个金属层能让随机组(可分别寻址)的发射器设置在同一管芯区域上(例如用于在3D传感应用中使用)。在一些实施方式中，多个金属层增加管芯区域的使用效率(例如通过允许多组发射器设置在同一管芯区域上，而不增加发射器之间的最小距离)，由此降低管芯成本、光学器件成本和/或组件成本(例如与使用分离的管芯区域相比)。另外，与使用如上所述的单个金属层的VCSEL阵列相比，具有多个金属层的发射器阵列可以具有增加的可制造性和较低的电阻(由此改善光电效率)。
应注意，本文所述的实施方式是在多个阳极(其每一个连接到随机布置的发射器的相应组)的情况下描述的。然而，本文所述的实施方式还可针对多个阴极(其中每一个阴极连接到随机布置的发射器的相应组)的情况实施。在多个阳极的情况下描述实施方式，因为典型的是将激光器的发光p-i-n结(p-i-n junction)的p型侧绝缘，这在p型材料离外延表面最近时很方便(在这种情况下，n型材料在邻近发射器之间共用)。进一步地，基底通常是n型的。在操作中，发光p-i-n激光结(p-i-n laser junction)的p型侧与n型侧相比在更高电压下被偏置。因此，p型材料连接到阳极且n型材料连接到阴极。然而，可以生长出外延材料，使得激光器的p-i-n结的p型侧与基底最接近并将使用n型(阴极)的发射器绝缘。这种设计会要求p型基底，或可以通过在半绝缘基底或与p型材料电绝缘的基底上进行生长来实现。本文所述的实施方式在这种情况下仍然适用，但是在这种情况下，VCSEL阵列的多个金属层可以与多个阴极(而不是多个阳极)关联。
进一步地，尽管本文所述的设计是针对VCSEL所述的，但是这些设计可以应用于另一类型的发射器和/或光学装置(例如发光二极管(LED))或另一类型的垂直发射(例如顶部发射或底部发射)光学装置。另外，本文所述的设计可以应用于具有任何波长、功率水平、发射模式等的VCSEL、其他类型的发射器、和/或其他类型的光学装置。换句话说，本文所述的设计不专门用于具有给定性能特征的VCSEL、其他类型发射器、或光学装置。
图2A是与发射器阵列200关联的示意图，其包括用于将布置在规则网格上的任意选择的发射器组连接到相应阳极。如图2A的俯视图所示，发射器阵列200可以包括多组发射器(例如随机布置的发射器组202-1，随机布置的发射器组202-2，和随机布置的发射器组202-3)，其每一个与相应阳极201(例如阳极201-1，阳极201-2，和阳极201-3)关联。如所示的，每一组发射器202包括，该发射器202在发射器阵列中任意布置(例如并非如上所述的包括单个金属层的VCSEL阵列中那样集群或串在一起)。在一些实施方式中，这种图案设置可以适用于用在使用如上所述的结构光技术3的D传感应用中。
应注意，如果使用连接到阳极的单个金属层为这种随机布置的组中的发射器供电，则将在一些发射器之间需要窄迹线(对典型的制造公差来说可能会过窄)，且这些窄迹线还将破坏与附近发射器的电连接，进一步增加电阻。然而，通过使用多个金属层，如下所述，将避免这些限制。
应注意，尽管图2A中所示的例子显示了按规则图案定位且随机地与给定发射器组关联的发射器，但是本文所述的VCSEL设计的改善也可应用于这样的阵列，在该阵列中发射器的定位和其与特定组的关联是非随机的或是伪随机的。另外，尽管图2A所示的例子显示处于规则或网格图案的发射器阵列，但是本文所述的VCSEL设计的改善也可应用于非网格(例如随机、伪或不规则的)发射器阵列。
图2B-2D显示了可使用多个金属层以便将每一组发射器202连接到相应阳极201的方式的例子。应注意，图2B-2D显示了包括顶部发射的发射器202的发射器阵列200。底部发射的发射器阵列200例子如下针对图4A-4C描述。
如图2B所示，可以形成金属层222-1。如所示的，金属层222-1可以形成为包括开口(显示了环形开口)，使得要被更高金属层222接触的发射器202上方的金属层222-1的一些部分(例如在发射器202-2和发射器202-3的接触层上方的金属层222-1的一些部分，表示为金属层部分222-1a)与金属层222-1b的其余部分绝缘。开口防止发射器202-2和发射器202-3(其将分别连接到阳极201-2和阳极201-3)连接到阳极201-1。如进一步所示的，金属层222-1的其余部分(表示为金属层222-1b)将发射器组202-1每一个(例如表示为黑色发射区域)连接(例如经由与每一个发射器202-1关联的接触层)到阳极201-1。这里，从阳极201-1到给定发射器202-1的电路径经过金属层222-1b。
如进一步所示的，因为发射器202是顶部发射的，所以每一个发射器202的发射区域不被金属层222-1的任何部分覆盖(即每一个金属层部分222-1a包括在相应发射器202的发射区域上方的发射开口，金属层222-1b包括在发射器202-1的发射区域上方的发射开口)。在一些实施方式中，发射开口包括圆形开口(例如图2B-2D所示)、六边形开口、或另一形状的开口。在一些实施方式中，绝缘层(未示出)沉积在金属层222-1b上，以便将金属层222-1b与在金属层222-1b之后沉积的金属层绝缘，如下所述。
如图2C所示，金属层222-2可以与金属层222-1相关地形成(例如在金属层222-1上方或在其之后)。如所示的，金属层222-2可以形成为包括开口(显示了环形开口)，使得要被更高金属层222接触的发射器202-3上方的金属层222-2的一些部分(例如在金属层部分222-1a上方的金属层222-2的一些部分，表示为金属层部分222-2a)与金属层222-2的其余部分绝缘。开口例如防止发射器202-3连接到阳极201-2。如进一步所示的，金属层222-2的其余部分(表示为金属层222-2b)将发射器组202-2每一个(例如以斜阴影线发射区域表示)连接(例如经由金属层部分222-1a和接触层)到阳极201-2。这里，从阳极201-2到给定发射器202-2的电路径经过金属层222-2b和相应金属层部分221-1a。阳极201-1与金属层222-2电绝缘(例如通过金属层222-2中的进一步开口)。
如进一步所示的，因为发射器202是顶部发射的，所以每一个发射器202的发射区域不被金属层222-2的任何部分覆盖(即每一个金属层部分222-2a包括在相应发射器202的发射区域上方的发射开口，金属层222-2b包括在发射器202-1的发射周围的发射开口)。在一些实施方式中，发射开口包括圆形开口(例如图2B-2D所示)、六边形开口、或另一形状的开口。在一些实施方式中，绝缘层(未示出)沉积在金属层222-2b上，便将金属层222-2b与在金属层222-2b之后沉积的金属层绝缘，如下所述。
如图2D所示，金属层222-3可以与金属层222-1和222-2相关地形成(例如在金属层222-2上方或在其之后)。如所示的，金属层222-3可以形成为使得金属层222-3将发射器组202-3每一个(例如表示为灰色发射区域)连接(例如经由金属层部分222-2a，金属层部分222-1a，和接触层)到阳极201-3。这里，从阳极201-3到给定发射器202-3的电路径经过金属层222-3、相应金属层部分222-2a、和相应金属层部分221-1a。阳极201-1和阳极201-2与金属层222-3电绝缘(例如通过金属层222-3中的进一步开口)。
如进一步所示的，因为发射器202是顶部发射的，所以每一个发射器202的发射区域不被金属层222-3的任何部分覆盖(即金属层222-3包括围绕所有发射器202的发射开口)。在一些实施方式中，发射开口包括圆形开口(例如图2B-2D所示)、六边形开口、或另一形状的开口。在一些实施方式中，绝缘层(未示出)沉积在金属层222-2b上。
以此方式，发射器阵列200(例如VCSEL阵列)的多个金属层222可以使得任意布置的发射器202的组(可分别寻址)设置在同一管芯区域，而不需要增加给定对的发射器202之间的间距。进一步地，与使用单个金属层的VCSEL阵列相比，使用多个金属层222可以提供增加的可制造性和更低的电阻(由此改善光电效率)。关于发射器202、金属层222的布置方式和发射器202的其他层的额外细节在下文描述。
图2E、2F和2G是显示了示例性发射器202的示例性截面图，其具有分别与发射器阵列200的第一金属层222、发射器阵列200的第二金属层222和的第三金属层222关联的接触部。金属层222被隔离绝缘层分离，具有绝缘层的过孔穿通部分，以与邻近金属层互相连接。图2E、2F和2G显示了发射器202的顶部发射构造。发射器的底部发射构造也是可以的且在下文进一步详细描述。
如图2E-2G所示，发射器202包括背侧层203、基底层204、外延层206(例如包括底部反射镜208、活性区域210、氧化层212(限定氧化孔)、顶部反射镜214和绝缘层216)、接触层218、电介质层220、一组金属层222(例如金属层222-1、222-2、和222-3)、和绝缘层224。如所示的，金属层222和绝缘层224的布置方式在图2E-2G的截面图中变化，如下所述。在一些实施方式中，可以使用一系列过程制造发射器202。例如，可以使用一个或多个生长过程、一个或多个沉积过程、一个或多个蚀刻过程、一个或多个氧化过程、一个或多个植入过程、一个或多个金属化过程和/或诸如此类形成一层或多层发射器202。
背侧层203包括在发射器的背侧的层。例如，背侧层可包括电极层，该电极层与基底层204(例如基底层204的背侧，如图1A中基底层204的底侧所示)电接触。作为具体例子，背侧层203可以包括退火金属化层，例如金-锗-镍(AuGeNi)层、钯-锗-金(PdGeAu)层和/或诸如此类。在一些实施方式中，背侧层203可以是阴极层(例如在发射器阵列200包括多个阳极时)或阳极层(例如在发射器阵列200包括多个阴极时)。
在底部发射的发射器(例如针对4A-4G所示和在下文所述的发射器402)的情况下，在底部发射的发射器的发射区域上方的背侧层203的部分可以包括抗反射涂层，且其他位置可以是金属接触层(例如n型接触层)。在一些实施方式中，背侧层203可以在金属部分和经抗反射涂层的部分之间具有间隙。在一些实施方式中，抗反射涂层可以部分地覆盖背侧层203的一些金属部分，在该处不需要电连接。例如，一些金属可以沉积在发射器之间，以便降低电阻，且金属可以被抗反射涂层覆盖。
基底层204包括基底，外延层206在其上生长。在一些实施方式中，基底层可以用半导体材料形成，例如GaAs、磷化铟(InP)和/或另一类型的半导体材料。
外延层206包括在基底层204生长的一组层。例如，外延层206可以包括光谐振器，该光谐振器包括一对反射镜(例如一对分布式布拉格反射器(DBR)、一对电介质反射镜、和/或诸如此类)和活性增益介质(本文称为活性区域)、用于形成一个或多个孔的一层或多层(例如用于光限域(opticalconfinement)和/或电限域)electrical confinement))和/或诸如此类，如下所述。在一些实施方式中，外延层206可以包括在基底层204(例如GaAs基底)生长的一组AlGaAs层。在一些实施方式中，可以使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术、分子束外延(MBE)技术和/或诸如此类让外延层206在基底层204上生长。在一些实施方式中，外延层206可以具有约7μm到约16μm(例如8μm或13μm)范围的厚度。如所示的，发射器202的外延层206可以包括底部反射镜208、活性区域210、氧化层212、顶部反射镜214和绝缘层216。
底部反射镜208包括发射器202的光谐振器的底部反射器。例如，底部反射镜208可以包括分布式布拉格反射镜(DBR)、电介质反射镜、和/或诸如此类。在一些实施方式中，底部反射镜208可以具有约3.5μm到约9μm(例如5μm)范围的厚度。
活性区域210包括一层或多层，其中电子和孔重新结合，以发光和限定发射器202的发射波长范围。例如，活性区域210可以包括一个或多个量子阱。活性区域210还包括在顶部反射镜214和底部反射镜208之间的空腔间隔层。活性区域210的光学厚度(包括空腔间隔层在内)以及顶部反射镜214和底部反射镜208的光学厚度限定发射器202的谐振腔波长，该谐振腔波长可以被设计为在能形成激光发射的活性区域的发射波长范围内。在一些实施方式中，活性区域210可以具有约0.06μm到约0.5μm(例如0.15μm或0.30μm)范围的厚度。
氧化层212包括氧化层，其提供光限域和电限域。在一些实施方式中，可以由于一个或多个外延层的氧化而形成氧化层212。例如，氧化层212可以是由于外延层(例如AlGaAs层、砷化铝(AlAs)层和/或诸如此类)的氧化而形成的氧化铝(Al2O3)层。在一些实施方式中，氧化层212可以具有约0.007μm到约0.04μm(例如0.02μm)范围的厚度。在一些实施方式中，在发射器202周围蚀刻出的氧化沟230(未示出)可以允许蒸汽介入用于形成氧化层212的外延层。如所示的，氧化层212可以限定氧化孔(例如旋光孔)。在一些实施方式中，氧化物孔径可以为非圆形形状，但是具有约相同面积的圆形可以具有约1μm到约300μm(例如5μm或8μm)范围的直径。
顶部反射镜214包括发射器202的顶部反射层。例如，顶部反射镜214可以包括DBR、电介质反射镜和/或诸如此类。在一些实施方式中，顶部反射镜214可以具有约2μm到约6μm(例如4μm)范围的厚度。
绝缘层216包括提供发射器202的电绝缘的层。例如，绝缘层216可以包括离子植入材料，例如氢植入材料或氢/质子植入材料。在一些实施方式中，可以通过对基底层204上生长的一个或多个外延层应用离子植入过程而形成绝缘层216。在一些实施方式中，绝缘层216可以具有约3μm到约7μm(例如5μm)范围的厚度。
接触层218包括与外延层206(例如顶部反射镜214)电接触的层，电流可以流动通过该层。接触层218可以包括退火金属化层。例如，接触层218可以包括铬-金(Cr-Au)层、金-锌(Au-Zn)、钛-铂-金(TiPtAu)层等，电流可以流动通过该层。在一些实施方式中，接触层218可以具有约0.03μm到约0.3μm(例如0.2μm)范围的厚度。在一些实施方式中，接触层218可以具有环形形状、带槽环形形状、齿轮形状(例如图3A-3C所示)，或另一类型的圆形或非圆形形状(例如取决于发射器202的设计)。尽管未示出，但是在一些实施方式中，接触层218被沉积为使得接触层218不延伸到用于氧化、蚀刻和/或诸如此类的空腔的上方或其中。在一些实施方式中，接触层218可以通过一个或多个金属层222电连接到阳极201，如在本文所述的。
电介质层220包括用作保护钝化层和/或用作额外DBR的层。例如，电介质层220可以包括沉积在发射器202的一个或多个外延层206(例如绝缘层216和顶部反射镜214)上的一个或多个子层(例如二氧化硅(SiO2)层、SiNx层和/或诸如此类)。在一些实施方式中，电介质层220可以是保形涂层(conformal coating)，以便保护露出的半导体，该半导体可以沿沟槽侧壁或被其他特征遮蔽，非保形涂层(例如通过蒸发)将不以任何可感知的厚度对该其他特征进行保护。例如，电介质层220可以是电介质，其通过溅射沉积或通过化学气相沉积(CVD)沉积，例如等离子增强CVD(PECVD)。在一些实施方式中，电介质层220可以具有约0.08到约2μm范围的厚度。
如所示的，电介质层220可以包括一个或多个过孔(vias，导孔)(例如通过蚀刻)形成)，用于金属层222-1和接触层218的电连接部分。如进一步所示的，电介质层220的在发射器202的发射区域上方的一部分可以形成光孔(例如光可以经由该孔发出)。在一些实施方式中，光孔可以通过氧化孔的直径限定，且额外孔可以形成在电介质层220中，用于模式选择。在一些实施方式中，光孔可以具有约2μm到约300μm(例如15μm)范围的直径。
金属层222包括被电介质层220或绝缘层224分离的一个或多个金属层。一个或多个金属层可以设置为用于形成阳极201和接触层218之间的电连接(例如通过电介质层220或绝缘层224中的过孔)。在一些实施方式中，金属层222可以相对较厚(例如具有至少约1μm的厚度，但是通常小于约5μm)，以便承载足够的电流，且可以进行电镀。如所示的，发射器202可以包括多个金属层222(例如金属层222-1到222-3)。在一些实施方式中，通过周围发射器202的发射区域的金属层222形成的井部的深度至少等于发射区域宽度的至少约10％。
在一些实施方式中，给定金属层222的一部分可以在给定金属层222的另一部分沉积的时刻之后进行沉积。例如，参考图2F，金属层部分222-1a(例如提供从金属层222-2到接触层218的电路径的一部分)可以在金属层222-1b(例如与金属层222-2绝缘的部分)之后沉积。在这种情况下，金属层部分222-1a可以与金属层222-2同时沉积。
替换地，给定金属层222的一部分可以与给定金属层222的另一部分同时沉积或形成。例如，再次参考图2F，金属层部分222-1a可以与金属层部分222-1b同时沉积。在这种情况下，金属层部分222-1a和金属层222-1b可以沉积作为单个金属层222-1。接下来，开口可以蚀刻或以其他方式形成在单个金属层222-1中(例如直到向下电介质层220，向下直到接触层218，以便形成分离的金属层部分222-1a和金属层222-1b。在这种情况下，绝缘层224形成在金属层部分222-1a和金属层222-1b之间的开口的表面上(例如以便将金属层部分222-1a与金属层222-1b绝缘)。这里，金属层222-2可以沉积在开口中的绝缘材料上，以便填充开口，如果需要的话。相似的方法可以用在其他层中(例如用于形成图2G的发射器202-2中的金属层部分222-2a和金属层222-2b)。
在一些实施方式中，金属层222可以基本上覆盖恰在金属层222下方的层且可以包括用于发射器阵列200的发射器202的发射区域的开口。例如，如图2E所示，发射器202可以包括金属层222-1b，该金属层基本上覆盖外延层206，且包括用于发射器202的发射区域的开口。如进一步所示的，发射器202可以包括金属层222-2b，该金属层基本上覆盖金属层222-1b，且包括用于发射器202的发射区域的开口。类似地，发射器202可以包括金属层222-3，该金属层基本上覆盖金属层222-2b，且包括用于发射器202的发射区域的开口。如进一步所示的，给定金属层222的一些部分可以通过绝缘层224与另一金属层222的一些部分电绝缘。应注意，因为发射器202是顶部发射的发射器，所以金属层222布置为具有开口，使得金属层222不阻挡来自发射器202或发射器阵列200中的任何其他发射器的光。在底部发射的发射器构造中，这种开口可以不是必要的。
多个金属层222使得通过来自同一管芯区域的发射器阵列200提供多个电绝缘的发射器组，而对给定组中发射器的布局或选择没有限制。例如，发射器阵列200可以包括多个阳极201(例如阳极201-1、阳极201-2、和阳极201-3)，其每一个为同一管芯区域中的一组发射器供电(该组发射器可以在阵列中的所有发射器中任意选择，但是不包括来自其他组的发射器)(例如分别是发射器组202-1、发射器组202-2、和发射器组202-3)，如上针对图2A所述。这里，每一个发射器202-1电连接到阳极201-1(而不电连接到阳极201-2或阳极201-3)，每一个发射器202-2电连接到阳极201-2(而不电连接到阳极201-1或阳极201-3)，且每一个发射器202-3电连接到阳极201-3(而不电连接到阳极201-2或阳极201-1)。
作为一个例子，如果发射器202-1要通过金属层222-1b连接到阳极201-1，则发射器202-1可以具有类似于图2E所示的截面。这里，给定发射器202-1的接触层218被金属层222-1b接触(通过电介质层220中的过孔)。继续参考该例子，如果发射器202-2要连接到与金属层222-2关联的阳极201-2，则发射器202-2可以具有类似于图2F所示的截面。这里，给定发射器202-2的接触层218被金属层222-2b所接触(通过在给定发射器202-2上方的金属层部分222-1a，绝缘层224中的过孔，和电介质层220中的过孔)。进一步地，如果发射器202-3要连接到与金属层222-3关联的阳极201-3，则发射器202-3可以具有类似于图2G所示的截面。这里，给定发射器202-3的接触层218被金属层222-3所接触(通过在给定发射器202-3上方的金属层部分222-2a，给定发射器202-3上方的金属层部分222-1a，绝缘层224中的过孔，和电介质层220中的过孔)。
在一些实施方式中，从给定发射器202到相关阳极201的电路径可以经过一个或多个金属层222，且与不同阳极201关联的电路径之间的绝缘可以通过绝缘层224的一些部分来提供。由此，通过金属层222和绝缘层224的适当布置，每一个发射器202可以被相关阳极201供电，以便使得来自发射器阵列200的多个(任意选择的)发射器组存在于同一管芯区域上。进一步地，因为使用相对厚的金属层222实现电连接，所以减少与发射器阵列200关联的电阻，意味着光电效率增加。另外，因为金属层的构造可限定发射器组，所以可以不需要在改变发射器组的配置时改变发射器阵列的外延生长。换句话说，作为模板的VCSEL阵列可以生长，其随后配置(通过限定金属层)为用于不同发射器组或结构光的不同图案。
绝缘层224包括电绝缘层(例如电介质层)，以将给定金属层222的一部分与另一金属层222的一部分电绝缘(例如以便将金属层222-1b与金属层222-2b绝缘，以便将金属层222-2b与金属层222-3绝缘)或与给定金属层222的另一部分电绝缘(例如以便将金属层部分222-1a与金属层222-2b绝缘，以便将金属层部分222-2a与金属层222-2b绝缘)。在一些实施方式中，绝缘层224的一部分可以设置在一对金属层222之间(例如在并非发射开口的开口中)。在一些实施方式中，绝缘层224可以包括用于一对金属层222的电连接部分的过孔。在一些实施方式中，绝缘层224的一部分可以设置在给定金属层222的一些部分之间(例如在并非发射开口的开口中，以便让给定金属层222的一部分与给定金属层222的另一部分电绝缘)。
在一些实施方式中，绝缘层224需要是保形层(conformal layer)，以便提供足够的电绝缘。例如，因为电镀的金属层通常不平滑，所以绝缘层224可以通过CVD(例如PECVD)溅射或沉积，以便实现足够的电绝缘或电介质覆盖程度。在一些实施方式中，可以在发射器阵列200的制造期间以多个步骤沉积绝缘层224(例如可以在给定金属层222沉积之后沉积绝缘层的一部分)。在一些实施方式中，绝缘层224可以与绝缘层216或电介质层220相同或不同。
对于顶部发射的发射器，例如发射器202，在发射区域上方的电介质材料的厚度应该被控制，且发射区域中的电介质材料的厚度变化应该被最小化(例如以便允许发射器202实现可接受的光学性能)。然而，使用保形技术(例如溅射、通过CVD沉积和/或诸如此类)趋于形成保形涂层，其厚度在高的特征部(例如大于约0.5μm高度的特征部)处或附近有变化。例如，我们的研究已经发现在特征部(其高于1μm)的边缘附近的保形涂层的厚度可以比区域厚度(field thickness)薄20％，且在发射区域中可以进一步包括一些变化。这种厚度变化对于在具有的厚度大于设计波长(其用于约850nm到约1100nm范围的设计波长)的一小部分(例如小于约50nm)的发射区域上方的电介质材料来说是不可接受的。这是有问题的，因为发射器202中发射区域上方的典型的电介质需要具有至少约100nm的厚度，以便提供足够的绝缘和低电容。
由此，因为绝缘层224会需要是在给定金属层222的一部分之后沉积的保形涂层(以便提供足够的电介质覆盖程度)，且因为金属层222可以相对较厚(例如井部至少通过发射区域周围的金属层222-1形成)，所以如果绝缘层224存在于发射区域上方，则发射器202的发射区域中电介质材料厚度的变化会是不可接受的。
在被沉积作为保形涂层时，绝缘层224可以覆盖晶片/装置的整个表面且可以直接落在电介质层220上。然而，期望的是从发射区域去除绝缘层224(因为其厚度变化)。通常，这种绝缘层由二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅和/或诸如此类形成。电介质层220也可以由二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅和/或诸如此类形成，因为这些材料是在PECVD系统中建立的。然而，在这些材料种类之间没有高度选择性的蚀刻。
如果非选择性蚀刻用于去除绝缘层224(在其位于发射区域中的电介质层220上方时)，则优选去除发射区域上方的绝缘层224和电介质层220两者。否则，电介质层220的其余部分会具有与绝缘层224相似的非均匀形状且会在平均厚度方面具有不可接受的误差。然而，去除发射区域中的电介质层220(而没有额外的加工步骤)将让半导体的表面露出，这对装置可靠性来说是一种风险(尤其是在潮湿的环境中)。
发射区域中半导体表面的露出可以部分通过额外涂层的沉积来弥补。图2H是显示了替换的发射器202的截面的示意图，其中发射区域上方的电介质的厚度可被控制，使得发射区域中电介质厚度的变化被最小化。
如图2H所示，在一些实施方式中，绝缘层224和电介质层220可以不存在于发射器202的发射区域上方。相反，如图2H所示，发射器202可以包括在发射区域中的非保形涂层226。在一些实施方式中，非保形涂层226可以是相对厚的电介质层(例如具有大于约100nm的厚度的电介质层)。在一些实施方式中，可以在最后的金属层222之后(例如在金属层222-3之后)使用非保形技术(例如蒸发)沉积非保形涂层226。在一些实施方式中，非保形涂层可以包括SiO2、MgO或适用于使用非保形技术沉积的其他类型的材料。这里，因为非保形涂层226是非保形的，所以非保形涂层226的厚度的变化在发射器202的发射区域中并不显著。由此，在发射区域上方的电介质厚度可被控制为具有最小的变化(例如使得在发射器202的发射区域中的电介质的至少约90％的区域中电介质厚度的变化小于设计波长的约2％)。
进一步如图2H所示，在一些情况下，非保形涂层226可以存在于发射器202的一个或多个其他表面上。然而，在这些表面上的非保形涂层226的存在可以是可选且可以不影响发射器202的性能。
图2H中发射区域上方的层220的去除可以具有轻微的侧向底切，且非保形涂层226(非保形的)可能无法充分覆盖最终露出的半导体。在一些实施方式中，为了提供额外保护(例如对高湿度和/或高温度的防护)，发射器202可以在发射区域中包括在非保形涂层226上方的超薄膜(未示出)。在一些实施方式中，超薄膜可以是厚度的小于约50nm的电介质层。在一些实施方式中，超薄膜可以包括Al2O3或其他类型的电介质材料。在一些实施方式中，超薄膜可以是通过原子层沉积(ALD)沉积的涂层。应注意，尽管ALD是保形的且会遭受例如与PECVD涂层相同的厚度非均匀性，但是超薄膜足够薄以使得光学厚度方面的误差可以忽略。
上方实施方式的变化例是去除发射区域中的层220而仅施加非常薄的ALD涂层，如上所述，而没有非保形涂层226。然而，非保形涂层226可以提供额外的侧向热传导性(尤其是MgO的情况下)，这对改进装置性能来说是期望的。
虽然图2H所示的实施方式可以实现在发射区域中有均匀涂层和耐湿性的期望特征，但是其会需要为具有单个阳极层的VCSEL所需要的额外的处理步骤和积方法以及材料。如此，在一些实施方式中，发射器202的发射区域可以不具有在金属层222之后沉积的任何厚的保形涂层，而可以在发射区域上方保留电介质层220。例如，如图2E-2G的发射器202所示，绝缘层224可以不存在于发射器202的发射区域上方。相反，仅电介质层220(例如在金属层222-1之前沉积)可以存在于发射区域上方。以此方式，在发射区域上方的电介质的厚度可被控制，使得发射区域中电介质厚度的变化被最小化(例如使得发射器202的发射区域中至少约90％的电介质区域中的电介质厚度变化小于设计波长的约2％)。已经针对电连接到金属层222-1b的发射器202示出了图2H。图2H的非保形涂层226也可以应用于电连接到其他金属层的发射器，如果期望的话。
在一些实施方式中，参考图2E，为了提供额外保护(例如对高湿度和/或高温度的防护)，发射器202可以在发射区域中包括在电介质层220上方的薄膜涂层(未示出)，如上所述。
图2I是显示了替换的发射器202的截面的示意图，其中发射区域上方的电介质的厚度可被控制，使得发射区域中电介质厚度的变化被最小化。
如图2I所示，在一些实施方式中，绝缘层224可以不存在于发射器202的发射区域上方，而电介质层220和第二电介质层228可以存在于发射区域上方。在一些实施方式中，第二电介质层228可以至少在发射区域中设置于电介质层220上。在一些实施方式中，第二电介质层228用作蚀刻停止层，其防止电介质层220的在发射区域中的那部分被蚀刻(例如使得电介质层220的在发射区域中的该部分在将绝缘层224的一部分从发射区域去除期间不被蚀刻)。例如，第二电介质层228可以是Al2O3层，其在绝缘层224包括经PECVD沉积的SiN时用作用于对绝缘层224进行的蚀刻的蚀刻停止层。
在一些实施方式中，第二电介质层228可以是非保形涂层(例如使用蒸发进行沉积)。在一些实施方式中，第二电介质层228可以是保形涂层(例如使用ALD进行沉积)，其厚度小于发射器202的设计波长的约5％。在一些实施方式中，可以在金属层222-1之后和在金属层222-2之前(例如在沉积绝缘层224中的第一个之前)沉积第二电介质层228。
这里，因为第二电介质层228是非保形涂层或超薄保形涂层，所以电介质材料的厚度变化(例如电介质层220的厚度加第二电介质层228的厚度)在发射器202的发射区域中可能并不显著。由此，在发射区域上方的电介质厚度可被控制为具有最小的变化(例如使得在发射器202的发射区域中的电介质的至少约90％的区域中电介质厚度的变化小于设计波长的约2％)。
进一步如图2I所示，在一些情况下，第二电介质层228可以存在于发射器202的一个或多个其他表面上。然而，在这些表面上存在第二电介质层228不会影响发射器202的性能。在一些实施方式中，为了提供额外保护(例如(例如对高湿度和/或高温度的防护)，发射器202可以在发射区域中包括在第二电介质层228上方的超薄膜(未示出)，如上所述。已经针对电连接到金属层222-1b的发射器202示出了图2I。图2I的第二电介质层228也可以应用于电连接到其他金属层的发射器，如果期望的话。
在一些实施方式中，第二电介质层228可以在发射区域中去除，在该处第二电介质层228位于电介质层220的顶部上。最终装置发射区域形如图2E所示。然而，第二电介质层228可以保留在其他区域中，例如在绝缘层224下方。
另一实施方式用于部分或完全地通过用作蚀刻停止层构造电介质层220(例如在沉积金属层222中的第一个之前)。例如，电介质层220可以包括保形涂层的下层(例如氮化硅)和Al2O3的上层(例如通过ALD或通过蒸发沉积)，该上层用作用于对绝缘层224进行蚀刻的蚀刻停止层(例如在在绝缘层224包括经PECVD沉积的SiN或相似材料(例如氧氮化硅或氮化硅)时)。最终装置的截面形如图2E-2G所示。然而，如果蚀刻停止层不是电介质层220中的最上层，则电介质层220在发射区域中会较薄。
图2A-2I所示的层的数量和布置方式是作为例子提供的。实践中，与图2A所示的相比，发射器阵列200可以包括额外的发射器202、更少的发射器202、不同的发射器202、不同布置的发射器202和/或诸如此类。类似地，与图2A-2I所示的相比，发射器202可以包括额外的层、更少的层、不同的层、不同布置的层、具有不同厚度或相对厚度的层和/或诸如此类。例如，与针对图2B-2I所示和所述的相比，发射器202可以包括具有不同数量(例如两个、三个以上)和/或布置方式的金属层222。进一步地，尽管针对三个阳极201显示了三个金属层222，但是也可以在单个层上组合一些连接部。换句话说，在一些实施方式中，金属层222的数量可以不等于(例如可以小于)阳极201的数量。在一些实施方式中，多个阳极201可以连接到同一组发射器。另外，发射器202的一组层(例如一层或多层)可以执行被描述为被发射器202的另一组层执行的一个或多个功能。
图3A-3C是针对顶部发射的发射器202显示了金属层222的额外示例性结构的俯视图的示意图。应注意，出于展示的目的，仅示出了单个金属层222，而其他金属层222可以存在，如下针对图3A-3C每一个所述。
图3A是针对发射器202显示了第一金属层222的俯视图的示意图，其中所示第一金属层222不连接到发射器202。出于显示第一金属层222的布置方式的目的，仅在图3A中显示了第一金属层222，但是其他金属层222可以存在于第一金属层222上方和/或下方。在图3A所示的例子中，发射器202应接触在图3A中的第一金属层222上方的另一金属层222上。如所示的，第一金属层222可以包括金属层部分222a和金属层222b。在图3A中，金属层222a是在发射器202的接触层218上方的第一金属层222的一部分，且与金属层222b绝缘。第一金属层222例如可以对应于图2F中的金属层222-1(例如包括金属层部分222-1a和金属层222-1b)，对应于图2G中的金属层222-1(例如包括金属层部分222-1a和金属层222-1b)，或对应于图2G的金属层222-2(例如包括金属层部分222-2a和金属层222-2b)。
如进一步所示的，第一金属层222可以覆盖围绕发射器202的氧化沟230。如进一步所示的，金属层222b可以存在于绝缘层216的一些部分上方(例如在绝缘层216的内边界以外的绝缘层216的那些部分，如图3A所示)。在一些实施方式中，金属层222b和绝缘层216的内边界之间的侧向距离可以至少为约0.5μm。进一步地，第一金属层222没有任何部分可以存在于发射器202的发射区域上方。
图3B是是针对发射器202显示了第二金属层222的俯视图的示意图，其中第二金属层连接到发射器202。出于显示第二金属层222的布置方式的目的，仅在图3B中显示了第二金属层222，但是其他金属层222可以存在于第二金属层222上方和/或下方。图3B的第二金属层222例如可以对应于图2E中的金属层222-1b、图2F中的金属层222-2b、或图2G中的金属层222-3。
在第二金属层222对应于图2E中金属层222-1b的时，第二金属层222可以存在于围绕发射器202的氧化沟230以及接触层218的一些部分上方(例如使得第二金属层222b通过电介质层220中的过孔(未示出)接触该接触层218)。在第二金属层222对应于图2F中的金属层222-2b时，第二金属层222可以覆盖接触层218上方的金属层部分222-1a且可以存在于金属层222-1b上方但是与之绝缘。这里，金属层222-2连接到接触层218(通过金属层部分222-1a和电介质层220中的过孔(未示出))。在第二金属层222对应于图2G中的金属层222-3时，第二金属层222可以覆盖接触层218(其覆盖接触层218上方的金属层部分222-1a)，且可以存在于金属层222-2b上方但是与之绝缘。这里，金属层222-3连接到接触层218(通过金属层部分222-2a，金属层部分222-1a，和电介质层220中的过孔(未示出))。进一步地，如所示的，第二金属层222没有任何部分可以存在于发射器202的发射区域上方。
图3C是针对发射器202显示了第三金属层222的俯视图的示意图，其中第三金属层222不连接到发射器202。出于显示第三金属层222的布置方式的目的，仅在图3C中显示了第三层222，但是其他金属层222可以存在于第三金属层222上方和/或下方。在图3C所示的例子中，发射器202应接触在第三金属层222下方的另一金属层222上。例如，图3C的第三金属层222可以对应于图2E中的金属层222-3、图2E中的金属层222-2b或图2F中的金属层222-3。
如图3C所示，第三金属层222可以存在于围绕发射器202的氧化沟230和绝缘层216的一些部分上方。在一些实施方式中，如所示的，第三金属层222可以不存在于接触层218的一些部分上方。进一步地，第三金属层222没有任何部分可以存在于发射器202的发射区域上方。
如上所述，图3A-3C仅仅作为例子提供，以显示金属层222的可行布置方式。其他例子也是可以的，且可以与针对图3A-3C所述的有所不同。
在一些实施方式中，包括底部发射的发射器的发射器阵列可以包括多个金属层，以便在同一管芯区域上提供任意成组的发射器(例如以便能以类似于如上所述的方式提供随机的多图案结构光)。
图4A-4G是与示例性发射器阵列400关联的示意图，其包括底部发射的发射器402。发射器402可以在结构方面与发射器202相似，但做出了改变以使得发射器进行底部发射。例如，反射层214、210可以被不同地配置，以允许通过基底层204向底部以外发射。然而，电介质层220可以不存在于孔的上方，且发射器402的金属层222可以被不同地布置。针对图4D-4G描述显示了更多细节的发射器的截面。
对于具有底部发射的发射器402的发射器阵列400，金属层222不干扰激光输出(即不需要金属层222具有发射开口以避开发射器402的发射区域，因为发射区域是在发射器402的底部)。图4A-4D显示了不同组中的发射器402可经由多个金属层222连接到相应阳极201的方式。
如图4A所示，可以形成包括金属层部分222-1a和金属层222-1b的金属层222-1。如所示的，金属层222-1可以形成为包括开口(显示了环形开口)，使得要被更高金属层222接触的发射器402上方的金属层部分222-1a与金属层222-1b绝缘。开口防止发射器402-2和发射器402-3(其将分别连接到阳极201-2和阳极201-3)连接到阳极201-1。如进一步所示的，金属层222-1b(例如经由与每一个发射器402-1关联的接触层)将每一组发射器402-1(例如图4A中的虚线圆所示)连接到阳极201-1。这里，从阳极201-1到给定发射器402-1的电路径经过金属层222-1b。
如进一步所示的，因为发射器402是底部发射的，所以每一个发射器402的发射区域可以被金属层222-1b或金属层部分222-1a覆盖。在一些实施方式中，绝缘层(未示出)被沉积在金属层222-1b上，以便让金属层222-1b与在金属层222-1b之后沉积的金属层绝缘。在一些实施方式中，绝缘层224不形成在与其他发射器组关联的发射器402上方的金属层部分222-1a上(例如以便提供通向金属层部分222-1a的电路径)。
如图4B所示，可以形成包括金属层部分222-2a和金属层222-2b的金属层222-2。如所示的，金属层222-2可以形成为包括开口(显示了环形开口)，使得要被更高金属层222接触的发射器402上方的金属层部分222-2a与金属层222-2b绝缘。例如，开口防止发射器402-3(其可以连接到阳极201-3)连接到阳极201-2。如进一步所示的，金属层222-2b(例如经由与每一个发射器402-2和每一个发射器上方的相应金属层部分222-1a关联的接触层)将每一组发射器402-2(例如图4B中的虚线圆所示)连接到阳极201-2。这里，从阳极201-2到给定发射器402-2的电路径经过金属层222-2b和给定发射器402-2上方的金属层部分222-1a。阳极201-1与金属层222-2电绝缘(例如通过金属层222-2中的进一步开口)。
如进一步所示的，因为发射器402是底部发射的，所以每一个发射器402的发射区域可以被金属层222-2b或金属层部分222-2a覆盖。在一些实施方式中，绝缘层(未示出)被沉积在金属层222-2b上，以便让金属层222-2b与在金属层222-2b之后沉积的金属层绝缘。在一些实施方式中，绝缘层224不形成在与其他发射器组关联的发射器402上方的金属层部分222-2a上(例如以便提供经过金属层部分222-2a的电路径)。
如图4C所示，可以形成金属层222-3。如所示的，金属层222-3可以形成为使得金属层222-2b(例如经由与每一个发射器402-3、每一个发射器上方的金属层部分222-1a和每一个发射器上方的相应金属层部分222-2a关联的接触层)将每一组发射器402-3(例如图4C中的虚线所示)连接到阳极201-3。这里，从阳极201-3到给定发射器402-3的电路径经过金属层222-3、给定发射器上方的金属层部分222-2a和给定发射器402-2上方的金属层部分222-1a。阳极201-1和阳极201-2与金属层222-3电绝缘(例如通过金属层222-3中的进一步开口)。
如进一步所示的，因为发射器402是底部发射的，所以每一个发射器402的发射区域被金属层222-3覆盖。在一些实施方式中，绝缘层(未示出)沉积在金属层222-3上，以便使得金属层222-3绝缘。
以此方式，发射器阵列400(例如VCSEL阵列)的多个金属层222可以使得任意布置(可分别寻址)的多组发射器402的设置在同一管芯区域，而不需要增加给定对的发射器402之间的间距。进一步地，与使用单个金属层的VCSEL阵列相比，使用多个金属层222可以提供增加的可制造性和更低的电阻(由此改善光电效率)。
图4D是示例性底部发射的发射器阵列400的示例性截面。如图4D所示，金属层222和绝缘层224可布置为使得发射器402-2通过金属层222-1、222-2和222-3的一些部分(例如通过绝缘层224中的过孔)连接到阳极201-2。类似地，金属层222和绝缘层224可布置为使得发射器402-3通过金属层222-1、222-2和222-3的一些部分(例如通过绝缘层224和金属层222中的过孔)连接到阳极201-3。进一步地，尽管在图4D的截面中未示出，但是金属层222和绝缘层224可布置为使得发射器402-1通过金属层222-1、222-2、和222-3的一些部分(例如通过绝缘层224中的过孔)连接到阳极201-1。在一些实施方式中，如所示的，发射器阵列400的背侧层203可以包括在发射器402的发射区域上方的抗反射涂层(例如通过发射器阵列400的背侧层的阴影部分所示)，且其他位置可以包括金属接触层。
在一些实施方式中，在底部发射的发射器阵列400的外延侧使用多个金属层222允许金属导热垫设置在发射器402的上方而不会短接阳极201。
如针对顶部发射VCSEL所述的，一些金属层的一些部分可以按不同的分组来沉积，但是具有相同的最终电气配置。类似地，该方法显示在显示了底部发射的发射器402的横截面的图4E-4G中。图4E是被金属层222-1接触的发射器402-1的示例性截面。在这种情况下，该截面与图4D中的发射器402-1的相同。图4F是发射器402-2的示例性截面，其被金属层222-2接触，且图4G是被金属层222-3接触的发射器402-3的示例性截面。
如图4E所示，发射器402-1的接触层218连接到金属层222-1，该金属层可连接到阳极201-1(即与一组发射器402-1关联的阳极201)。如图4E所示，在一些实施方式中，发射器402-1的金属层222-1和绝缘层224可以形成为使得金属层222-1与金属层222-2和金属层222-3绝缘。
如图4F所示，发射器402-2的接触层218连接到金属层222-2，该金属层可连接到阳极201-2(即与一组发射器402-2关联的阳极201)。如图4F所示，在发射器402-2附近，金属层222-1可以形成为使得金属层222-1不存在于发射器402-2的接触层218上方。从而，且如图4F示出，在形成金属层222-2时，金属层222-2接触发射器402-2的接触层218。如进一步所示的，在一些实施方式中，发射器402-2的绝缘层224可以形成为使得金属层222-2与金属层222-1和金属层222-3绝缘。
如图4G所示，发射器402-3的接触层218连接到金属层222-3，该金属层可连接到阳极201-3(即与一组发射器402-3关联的阳极201)。如图4G所示，在发射器402-3附近，金属层222-2和金属层222-1可以形成为使得金属层222-2和金属层222-1不存在于发射器402-3的接触层218上方。从而，且如图4G示出，在形成金属层222-3时，金属层222-3接触发射器402-3的接触层218。如进一步所示的，在一些实施方式中，发射器402-3的绝缘层224可以形成为使得金属层222-3与金属层222-1和金属层222-3绝缘。
图4A-4G所示的发射器和层的数量和布置方式是作为例子提供的。实践中，与图4A-4G所示的相比，发射器阵列400可以包括额外的发射器402、更少的发射器402、不同的发射器402、不同布置的发射器402和/或诸如此类。类似地，与图4A-4G所示的相比，发射器402可以包括额外的层、更少的层、不同的层、不同布置的层、具有不同厚度或相对厚度的层和/或诸如此类。例如，与针对图4A-4G所示和所述的相比，发射器402可以包括具有不同数量(例如两个、三个以上)和/或布置方式的金属层222。进一步地，尽管针对三个阳极201显示了三个金属层222，但是也可以在单个层上组合一些连接部。换句话说，在一些实施方式中，金属层222的数量可以不等于(例如可以小于)阳极201的数量。另外，发射器402的一组层(例如一层或多层)可以执行被描述为被发射器402的另一组层执行的一个或多个功能。
本文所述的一些实施方式提供了发射器阵列(例如VCSEL的阵列，也称为VCSEL阵列)，其包括多个金属层222，使得能从同一管芯区域设置任意布置的多个发射器组(例如用于在3D传感应用中使用)。在一些实施方式中，多个金属层222增加管芯区域的使用效率(例如通过允许从同一管芯区域显示多个图案)，由此降低管芯成本、光学器件成本、和/或组装成本(例如与使用分离的管芯区域相比)。另外，与使用单个金属层的VCSEL阵列相比，具有多个金属层222的发射器阵列200可以具有增加的可制造性和较低的电阻(由此改善光电效率)。进一步地，因为金属层的构造可限定发射器组，所以可以不需要在改变发射器组的配置时改变发射器阵列的外延生长。换句话说，作为模板的VCSEL阵列可以生长，其随后配置(通过限定金属层)为用于不同发射器组或结构光的不同图案。
在一些实施方式中，VCSEL阵列可以包括第一VCSEL，以在基底的非外延侧发光。第一VCSEL的接触部可以是在基底的外延侧上且可以电连接到第一金属层。第一金属层可以是在基底的外延侧上且可以基本上形成在VCSEL阵列上方。VCSEL阵列可以包括第二VCSEL，以在基底的非外延侧发光。第一VCSEL的接触部可以是在基底的外延侧上且可以电连接到第二金属层。第二金属层可以是在基底的外延侧上且可以基本上形成在第一金属层上方。
在一些实施方式中，VCSEL阵列可以包括第一VCSEL，以在基底的外延侧发光。第一VCSEL的接触部可以是在基底的外延侧上且电连接到第一金属层。第一金属层可以是在基底的外延侧上且可以基本上形成在VCSEL阵列上方。第一金属层可以包括用于VCSEL阵列中的VCSEL的发射开口。VCSEL阵列可以包括第二VCSEL，以在基底的外延侧发光。第一VCSEL的接触部可以是在基底的外延侧上且可以电连接到第二金属层。第二金属层可以是在基底的外延侧上且可以基本上形成在第一金属层上方。第二金属层可以包括用于VCSEL阵列中的VCSEL的发射开口。
在一些实施方式中，VCSEL阵列可以包括第一VCSEL，以在基底的发射侧发光。基底的发射侧可以是基底的外延侧(例如在VCSEL阵列中的VCSEL是顶部发射的VCSEL时的基底的顶部或前侧)，或可以是基底的非外延侧(例如在VCSEL阵列中的VCSEL是底部发射的VCSEL时的基底的背侧)。第一VCSEL的接触部可以是在基底的外延侧上且可以电连接到第一金属层。第一金属层可以是在基底的外延侧上且可以基本上形成在VCSEL阵列上方。VCSEL阵列可以包括第二VCSEL，以在基底的发射侧发光。第一VCSEL的接触部可以是在基底的外延侧上且可以电连接到第二金属层。第二金属层可以是在基底的外延侧上且可以基本上形成在第一金属层上方。在一些实施方式中，在基底的发射侧是基底的外延侧时，第一金属层和第二金属层可以包括用于第一VCSEL和第二VCSEL的发射开口。
前文内容提供了展示和描述，但是目的不是要将实施方式穷尽或限制为所公开的确切形式。可以在上述内容的启发下或从具体实施方式的实施过程中做出改变和修改。
即使特征的具体组合记载于权利要求中和/或公开在说明书中，这些组合的目的也不是限制本发明的可能实施方式。事实上，许多这些特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的各种方式组合。虽然每一个从属权利要求可以直接从属于一个权利要求，但是可行实施方式的公开包括与权利要求书中每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。
本文使用的元件、动作或指令都不应被理解为是关键或必不可少的，除非另有描述。还有，如本文使用的，冠词“一”目的是包括一个或多个项目，且可以与“一个或多个”替换使用。进而，如本文使用的，术语“组”应是包括一个或多个项目(例如关联项目，非关联项目，关联项目和非关联项目的组合等)，且可以与“一个或多个”替换使用。在指仅一个项目的情况下，使用术语“一个”或相似用语。还有，如本文使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等应是开放性的术语。进一步地，短语“基于”应是“至少部分地基于”，除非另有说明。

Claims (18)

1.一种光学装置，包括：
垂直腔表面发射激光器的阵列，即VCSEL的阵列，其具有设计波长，
每一个VCSEL具有发射区域；
第一金属层，基本上覆盖该阵列，
第一金属层包括用于每一个发射区域的开口，且
第一金属层连接到所述阵列的第一组第一发射器；
第二金属层，基本上覆盖第一金属层，
第二金属层连接到所述阵列的第二组第二发射器，
其中所述第二组不包括第一发射器；和
其中第一金属层或第二金属层中的至少一个是阳极层或阴极层；
在第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层，
该电绝缘层包括用于将第一金属层的一些部分与第二金属层的一些部分电连接的过孔；和
电介质，设置在每一个VCSEL的发射区域上方，
在每一个发射区域上方的电介质具有厚度和区域，
其中至少90％的电介质区域中的电介质的厚度变化小于设计波长的2％，且
其中至少通过周围每一个VCSEL的发射区域的第一金属层形成的井部的深度等于发射区域宽度的至少10％。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中在每一个发射区域上方的电介质包括非保形涂层。
3.如权利要求1所述的光学装置，其中在每一个发射区域上方的电介质包括保形涂层的一部分，
其中保形涂层基本上覆盖VCSEL的阵列且包括用于将第一金属层的一些部分与VCSEL阵列中的VCSEL的电接触部电连接的过孔。
4.如权利要求3所述的光学装置，其中保形涂层是第一电介质涂层，且其中在每一个发射区域上方的电介质进一步包括在第一电介质涂层上的第二电介质涂层。
5.如权利要求4所述的光学装置，其中第二电介质涂层是非保形涂层。
6.如权利要求4所述的光学装置，其中第二电介质涂层是具有的厚度小于设计波长的5％的保形涂层。
7.如权利要求1所述的光学装置，其中每一个发射区域上方的电介质包括薄膜涂层。
8.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括:
第三金属层，基本上覆盖第二金属层，和
在第二金属层和第三金属层之间的电绝缘层，
在第二金属层和第三金属层之间的电绝缘层包括用于将第二金属层的一些部分与第三金属层的一些部分电连接的过孔。
9.如权利要求1所述的光学装置，其中VCSEL的阵列用于提供多图案结构光。
10.如权利要求1所述的光学装置，其中VCSEL的阵列与3D传感应用关联。
11.一种垂直腔表面发射激光器阵列，即VCSEL阵列，包括：
一组发射器且具有设计波长，
其中所述一组发射器中的每一个具有相应发射区域；
第一金属层，
其中第一金属层基本上覆盖VCSEL阵列，
其中第一金属层包括用于每一个发射区域的开口，且
其中第一金属层连接到所述一组发射器中的第一组第一发射器；
第二金属层，
其中第二金属层基本上覆盖第一金属层，
其中第一金属层或第二金属层中的至少一个是阳极层或阴极层；
其中第二金属层连接到所述一组发射器中的第二组第二发射器；
其中所述第二组不包括第一发射器；
电绝缘层，
其中电绝缘层在第一金属层和第二金属层之间，且
其中电绝缘层包括用于将第一金属层的一部分与第二金属层的一部分电连接的过孔；和
在每一个发射区域上方的电介质，
其中在每一个发射区域上方的电介质在至少90％的电介质区域中具有厚度变化，该厚度变化小于设计波长的2％，且
其中至少通过围绕发射区域的第一金属层形成的井部的深度等于发射区域宽度的至少10％。
12.如权利要求11所述的VCSEL阵列，其中在每一个发射区域上方的电介质包括非保形涂层。
13.如权利要求11所述的VCSEL阵列，其中在每一个发射区域上方的电介质包括保形涂层的一部分，
其中保形涂层基本上覆盖VCSEL阵列且包括用于将第一金属层的一些部分与该组发射器的电接触部电连接的过孔。
14.如权利要求13所述的VCSEL阵列，其中保形涂层是第一电介质涂层，且其中在每一个发射区域上方的电介质进一步包括在第一电介质涂层上的第二电介质涂层。
15.如权利要求14所述的VCSEL阵列，其中第二电介质涂层是非保形涂层，或是具有的厚度小于设计波长的5％的保形涂层。
16.如权利要求11所述的VCSEL阵列，其中每一个发射区域上方电介质包括的薄膜涂层。
17.如权利要求11所述的VCSEL阵列，进一步包括：
第三金属层，基本上覆盖第二金属层，和
在第二金属层和第三金属层之间的电绝缘层，
在第二金属层和第三金属层之间的电绝缘层包括用于将第二金属层的一部分与第三金属层的一部分电连接的过孔。
18.一种垂直腔表面发射激光器阵列，即VCSEL阵列，包括：
第一金属层，其包括用于VCSEL阵列的VCSEL的发射区域的开口
其中第一金属层连接到VCSEL阵列的第一组第一发射器；
第二金属层，基本上覆盖第一金属层，
其中第二金属层连接到VCSEL阵列的第二组第二发射器，
其中所述第二组不包括第一发射器；和
其中第一金属层或第二金属层中的至少一个是阳极层或阴极层；
在第一金属层和第二金属层之间的电绝缘层，
该电绝缘层：
包括用于将第一金属层的一部分与第二金属层的一部分电连接的过孔，或
将第一金属层的该部分与第二金属层的该部分绝缘；和
电介质，设置在发射区域上方，
发射区域上方的电介质具有厚度和区域，
其中至少90％的电介质区域中的厚度变化小于与VCSEL关联的设计波长的2％，且
其中至少通过周围发射区域的第一金属层形成的井部的深度等于发射区域宽度的至少10％。
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