CN111448724B - 垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种垂直腔面发射激光器和制造这种垂直腔面发射激光器的方法。垂直腔面发射激光器包括第一电触点(105)、第二电触点(135)和光学谐振器，所述光学谐振器包括第一分布式布拉格反射器(115)、有源层(120)、分布式异质结双极光电晶体管(125)、第二分布式布拉格反射器(130)和光学引导结构(137)，所述分布式异质结双极光电晶体管(125)包括集电极层(125a)、光敏层(125c)、基极层(125e)和发射极层，其中，分布式异质结双极光电晶体管(125)布置成使得有源层(120)与分布式异质结双极光电晶体管(125)之间存在光学耦合，以用于借助于分布式异质结双极光电晶体管(125)提供有源载流子限制，其中，光学引导结构(137)设置为能够在垂直腔面发射激光器的操作期间引导垂直腔面发射激光器的光学谐振器内的光学模式，其中，光学引导结构(137)布置在能够在垂直腔面发射激光器的操作期间借助于第一电触点(105)和第二电耦合(135)提供的电流之外，其中，光学引导结构(137)在垂直腔面发射激光器的竖直方向上布置在第一电触点(105)与第二电触点(135)之间的层序列之外。本发明还涉及一种包括这种VCSEL的光学传感器(210)和一种包括这种光学传感器(210)的移动通信装置(200)。

Description

垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)，其包括分布式异质结双极光电晶体管和光学引导结构。本发明还涉及一种VCSEL模块、一种包括这种VCSEL或VCSEL模块的光学传感器以及一种包括这种光学传感器的移动通信装置。最后，本发明涉及一种制造这种VCSEL的相应方法。
背景技术
WO 2016/045935 A1公开了一种垂直腔面发射激光器和制造这种垂直腔面发射激光器的方法。垂直腔面发射激光器包括分布式异质结双极光电晶体管。
Bader et al.,"Optically Controlled Current Confinement in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers(垂直腔面发射激光器中的光控电流限制)",IEEEPhotonics Technology Letters,Vol.28,No.12,2016公开了用于VCSEL中的光控电流限制的构思。其提出激光束本身应确定通过光电晶体管邻近VCSEL的有源区所一体地集成至其中的装置的电流路径。仅曝光的光电晶体管区域允许电流流动，而未曝光或曝光不足的区域形成电流阻挡层。因此，光电晶体管应充当光切换器。
US 2017/0302059 A1公开了一种垂直腔面发射激光器和一种制造这种垂直腔面发射激光器的方法。该垂直腔面发射激光器包括第一电触点、衬底、第一分布式布拉格反射器、有源层、分布式异质结双极光电晶体管、第二分布式布拉格反射器和第二电触点，分布式异质结双极光电晶体管包括集电极层、光敏层、基极层和发射极层，其中所述分布式异质结双极光电晶体管被布置为使得在有源层和分布式异质结双极光电晶体管之间存在光学耦合，以用于借助于分布式异质结双极光电晶体管提供有源载流子限制，使得垂直腔面发射激光器的光学模式在垂直腔面发射激光器的操作期间是根据有源载流子限制而自定位的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改善的性能和可靠性的VCSEL。
所要求保护的主题由本发明的垂直腔面发射激光器限定。在本发明的技术方案中限定了进一步的改进。
根据第一方面，提供了一种VCSEL。该VCSEL包括第一电触点、第二电触点以及光学谐振器，所述光学谐振器包括第一分布式布拉格反射器、有源层、分布式异质结双极光电晶体管、第二分布式布拉格反射器和光学引导结构。所述分布式异质结双极光电晶体管包括集电极层、光敏层、基极层和发射极层。分布式异质结双极光电晶体管布置成使得有源层与分布式异质结双极光电晶体管之间存在光学耦合，以用于借助于分布式异质结双极光电晶体管提供有源载流子限制。光学引导结构设置为能够在垂直腔面发射激光器的操作期间引导垂直腔面发射激光器的光学谐振器内的光学模式。光学引导结构布置在能够在垂直腔面发射激光器的操作期间借助于第一电触点和第二电触点提供的电流之外。光学引导结构可(在垂直腔面发射激光器的竖直方向上)布置在第一电触点和第二电触点之外。光学引导结构在垂直腔面发射激光器的竖直方向上布置在第一电触点与第二电触点之间的层序列之外。换句话说，光学引导结构可布置成能够使得光学引导结构在VCSEL的竖直方向上不在第一电触点与第二电触点之间。竖直方向是指垂直腔面发射激光器的腔的竖直方向。光学引导结构包括布置在第二分布式布拉格反射器中的氧化物孔。VCSEL可包括衬底(例如，GaAs衬底)。替代地，衬底可用于加工VCSEL，但是在之后的加工步骤中被去除。
术语“垂直腔面发射激光器”还包括所谓的垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。两种类型的激光器均使用缩写VCSEL。
近年来，已经开发出具有有源载流子限制的VCSEL。实验表明，可将光电晶体管设计和加工为光切换器，使得载流子被引导至产生的光的位置。
具有光电晶体管的VCSEL有望革新VCSEL的现状，因为：
-用于电荷载流子限制的氧化层被认为会限制VCSEL的装置可靠性。具有光电晶体管的VCSEL不需要用于电荷载流子限制的氧化层，因此有望克服对可靠性的实际限制。
-现有的具有用于电流或电荷载流子限制的氧化层的VCSEL在载流子和光子密度之间没有很好的匹配(光-电流对准差)。通常，最高的电流密度邻近氧化物的边缘，而中央的光子密度最大。预计这种影响会限制VCSEL的整体电光转化效率。
-在VCSEL中，孔径层中的电流密度通常很高，并且可能会出现电压降，从而限制了整体效率。具有光电晶体管的VCSEL有望克服这一限制。
-具有光电晶体管的VCSEL可具有更多的单模输出功率，因此这种方法可实现全新的应用领域(用于热辅助磁记录(HAMR)的VCSEL等)。
最先进的具有光电晶体管的VCSEL(例如，参见WO 2016/045935 A1)将光电晶体管用于电流限制，而没有特别注意光学限制。事实证明，尽管光电晶体管将电流向光定位，但最新的具有光电晶体管设计的VCSEL具有高阈值电流和低输出功率。
实验表明，台面几何形状对阈值和斜率有很大影响。由于台面边缘的光学引导似乎涉及高的光损耗，因此缺乏光学引导已被认定为高阈值电流和低输出功率的可能的根本原因。此外，已发现，在VCSEL的竖直方向上在第一电触点与第二电触点之间的层序列或堆叠之外布置光学引导结构可实现更有利的电流分布。例如，通过提供光学限制而非电流限制，可降低局部电流峰值。
布置在VCSEL的光学谐振器内(布置在底部DBR的最下层与顶部DBR的最上层之间)但在电泵浦VCSEL所需的电流之外的光学引导结构可以避免现有技术的方法的问题。借助于光学引导结构的光学限制不会直接与借助于分布式异质结双极光电晶体管提供的电流限制相互作用。电流不会受到光学引导结构的干扰。存在间接相互作用，因为光学引导确定了光学或激光模式的位置，因此确定了分布异质结双极光电晶体管在其中导电的区域或更确切的体积区。光学限制和电流限制的分离可使得光学模式的位置更明确，因此可以避免VCSEL台面边缘处的损耗。可减小阈值电流，并且可增大光输出功率。
术语“层”不排除该层包括两个或多于两个子层。使用邻近有源区的(单片集成的)分布式异质结双极光电晶体管(HPT)可以通过根据激光模式的实际分布(profile)的局部强度控制载流子注入来使得能够实现高效的载流子限制。因此，载流子注入可局部地适配于激光模式的需求，并且反之亦然。HPT有效地充当电流限制层或结构。
具有光敏集电极-基极结的分布式异质结双极光电晶体管(HPT)可设计成能够避免光吸收。光敏层可以是量子阱层或体层。体层例如是具有10nm或更大厚度的均质层，其中可以忽略量子力学效应。
HPT布置在VCSEL内，使得对于借助于与由第一和第二DBR提供的光学谐振器结合的VCSEL的有源层产生的光的灵敏度足够高。HPT可以例如是pnp HPT，其直接布置在有源层上方，即在有源层的远离通常n导电衬底的一侧。在一替代性方案中，可将npn HPT直接布置在有源层下方。在这方面，直接意味着pnp HPT或npn HPT被布置为尽可能接近有源层。这不排除存在改善例如VCSEL的性能和/或可靠性可能需要的一个或多于一个中间层。还可在例如三对或五对镜层之后将HPT堆叠在第一或第二DBR中。HPT的层结构甚至可以集成在DBR之一中。HPT层中的一个或多于一个HPT层的厚度可适配于VCSEL(四分之一波长层)的发射波长。在这种情况下，HPT的一个或多于一个层可用于增大相应的DBR的反射率。甚至可使用两个HPT，一个在有源层下方，一个在有源层上方。
将HPT直接定位在有源层上方或下方可以具有以下优点：由于HPT和有源层之间的低侧向导电性，光学模式最佳地适合于相应电荷载流子的分布。
集电极层、基极层和发射极层中的掺杂剂的浓度可小于1019cm-3。HPT的层的掺杂剂导致光学损耗，从而低掺杂水平是优选的。HPT的发射极层是具有最高掺杂浓度的层。发射极层中的掺杂剂的浓度可以例如低至5*1018cm-3或甚至2*1018cm-3。在发射极层中掺杂剂浓度为2*1018cm-3的情况下，在基极层中掺杂剂的浓度可以低至1*1018cm-3，并且在集电极层中可低至4*1017cm-3，以便减少借助于电荷载流子的光学损耗。
基极层的厚度可为100nm或更小。HPT可以是布置在有源层与第二DBR之间的pnpHPT。在这种情况下，基极层可具有VCSEL在基极层材料中的发射波长的大约λ/4的厚度。发射波长可与衬底的材料有关。GaAs衬底可以用于介于650nm至约1600nm之间的发射波长。具有InP衬底的VCSEL可发射大于或甚至远大于1500nm的发射波长下的激光。集电极层的厚度可以在VCSEL在材料中的发射波长的λ/2的范围内。
光学引导结构可布置成使得与光学谐振器的沿中心轴线的有效光学长度相比，光学谐振器的有效光学长度在绕光学谐振器的中心轴线间隔限定的(径向)距离处发生变化。与限定的距离(以及比该限定的距离大的距离)处的有效光学长度相比，光学谐振器的沿中心轴线的有效光学长度较长。所述中心轴线垂直于构建光学谐振器的层。光学长度与沿着确定光学长度的光学路径布置的材料和材料的折射率有关。有效光学长度考虑了布置在光学谐振器内的半导体层的不同折射率。因此，有效光学长度是第一和第二DBR的外层(相对于有源层)之间的在相对于光学谐振器的中心轴线间隔限定的位置处的平行于中心轴线的总光学长度。限定的距离是在光学引导结构的一个或多于一个平面中的使光学谐振器的有效光学长度开始改变的最小距离。在径向对称的光学引导结构的情况下，限定的距离可以是径向对称的光学引导结构的半径。
光学引导结构布置成能够随着相对于光学谐振器的中心轴线的径向距离增大而减小有效光学长度。因此，光学引导结构以与曲面镜类似的方式稳定化平面光学谐振器。
光学引导结构例如可布置成能够在绕光学谐振器的中心轴线间隔大于限定的距离的距离处减小光学谐振器的有效光学长度。
光学引导结构可借助于减小第一分布式布拉格反射器或第二分布式布拉格反射器的至少一层的折射率直至限定的(例如径向)距离来使光学谐振器的有效光学长度减小。
光学引导结构包括一个或多于一个氧化物孔，所述氧化物孔布置在第二分布式布拉格反射器中，但是如已经提到的那样在电流之外(在相应的电触点的上方或下方)。相应的一个或多个层的半导体材料的侧向氧化使相应的一个或多个层的折射率减小直至限定的距离，并进而减小相应位置处的垂直于所述一个或多个层的有效光学长度。可借助于相应层的厚度和/或材料组成来控制氧化物孔的氧化率。为了改变有效光学长度，例如可以使用一个或多于一个AlyGa(1-y)As层。氧化深度可通过提供不同厚度的层(氧化速率随厚度增大而增大)或借助于相应层的铝含量(氧化速率随铝含量增大而增大)来控制。替代地或附加地，可设置具有例如连续变化的铝含量的一层或多层，以便实现窄缩的氧化分布并且进而实现有效光学长度的连续变化或改变。
替代地，光学引导结构可布置成能够增大光学谐振器的有效光学长度直至绕光学谐振器的中心轴线间隔限定的距离。增大沿着光学谐振器的中心轴线的和中心轴线周围的有效光学长度可使光学谐振器稳定化，并且进而能够以与针对随着到中心轴线的距离增大而减小有效光学长度描述相类似的方式引导光学模式。
光学引导结构可例如包括布置在第一分布式布拉格反射器或第二分布式布拉格反射器中的相移结构。相移结构可布置成能够增大光学谐振器的有效光学长度/有效折射率直至限定的距离。相移结构可例如包括包含SiO2或SiNx的径向对称层。SiO2可以是与中心波长对准以增大有效光学长度的平坦的或结构化的圆柱体。圆柱体的结构可用于提供连续的相移。圆柱体的厚度例如可以随着距中心轴线的距离的增大而减小，以便能够连续相移或连续减小有效光学长度。相移结构可替代地包括包含基于GaAs的半导体的层。相移结构可以是在包括光学谐振器的半导体层中被蚀刻的一种(平坦的或结构化的)盘或柱。该层可构造成使得层的厚度随着距中心轴线的距离的增大而减小，以便能够实现连续相移或连续减小有效光学长度。基础结构可嵌入相应的DBR的层结构中(DBR与相移结构物理接触)。在这种情况下，相应的DBR可以是电介质DBR，其包括成对的具有不同折射率的非导电电介质层，例如Nb2O5、TiO2、TaO2、Si3N4和SiO2层。
光学引导结构的形状可与相应的VCSEL的台面的与VCSEL的层结构平行的横截面有关。光学引导结构可因此偏离径向对称性。
光学引导结构的尺寸可以小于第一和第二电触点中的至少一个的孔径。光学引导结构的尺寸可表示光学引导结构的透光部分的尺寸或面积。尺寸可表示与垂直腔面发射激光器的竖直轴线垂直的平面中的尺寸或面积。该实施例的一个优点在于，光学限制可以比电限制窄。例如，可由此减小边缘或电触点或中间氧化物层处的峰值电流密度。光学引导结构的尺寸可以是第一和第二电触点中的至少一个的孔径的尺寸或面积的5％至90％，特别是10％至85％，特别是25％至80％，特别是50％至70％。前述示例的不同的上边界值和下边界值可以组合以提供另外的范围。
光学引导结构可不同于第一和第二分布式布拉格反射器。特别地，光学引导结构可不同于第一和/或第二分布式布拉格反射器的层序列。
光学引导结构可布置成能够更改第一和第二分布式布拉格反射器中的至少一个的至少一部分。
VCSEL可以是台面结构VCSEL。
光学引导结构可具有与第一分布式布拉格反射器和/或第二分布式布拉格反射器中的至少一个不同的折射率。分布式布拉格反射器的折射率可表示分布式布拉格反射器层序列的平均折射率、最小折射率或最大折射率。因此，与第一分布式布拉格反射器和/或第二分布式布拉格反射器中的至少一个相比，光学引导结构可提供不同的每单位长度或每预定距离间隔的光程长度。
垂直腔面发射激光器还可包括电流扩散层，所述电流扩散层直接附接至第一电触点或第二电触点。发射极层中的电流扩散层可有助于降低电阻，特别是在与非导电电介质DBR结合时。这对于实现低欧姆装置可能是有利的或必要的。电流扩散层可支持根据光学引导结构提供的光学模式来分配电流。电流扩散层可布置在垂直腔面发射激光器的操作期间的驻波图形的节点中，以减少光损耗。在这种情况下，光学引导结构布置在电流扩散层与DBR的外层之间，DBR布置在电流扩散层的相对于有源层相反的一侧上。发射极层可以包括电流扩散层。
根据第二方面，提供了一种垂直腔面发射激光器模块，其包括根据上述任何实施例的垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器模块还包括用于电泵浦光学谐振器的驱动电路。电驱动电路布置成能够通过经由第一和第二电触点向相应的有源层供应电流来泵浦光学谐振器。可借助于外部电源为电驱动电路供电，该外部电源可借助于电连接器来连接。
光学传感器可包括垂直腔面发射激光器模块或垂直腔面发射激光器。移动通信装置可包括光学传感器。光学传感器可用于机动车应用、尤其是自动驾驶。VCSEL另外可用于阵列布置中，以用于例如印刷或高功率施加、如增材制造。
根据另一方面，提供了一种制造垂直腔面发射激光器的方法。所述方法包括以下步骤：
提供第一电触点，
提供衬底，
提供第一分布式布拉格反射器，
提供有源层，
提供分布式异质结双极光电晶体管，其包括集电极层、光敏层、基极层和发射极层，
提供第二分布式布拉格反射器，
提供第二电触点，
将异质结双极光电晶体管布置成使得在有源层与异质结双极光电晶体管之间存在光学耦合，以用于借助于异质结双极光电晶体管提供有源载流子限制，
提供光学引导结构，所述光学引导结构布置成能够在垂直腔面发射激光器的操作期间引导垂直腔面发射激光器的光学模式，其中，光学引导结构布置在能够在垂直腔面发射激光器的操作过程中借助于第一电触点和第二电触点提供的电流之外，其中，光学引导结构包括布置在第二分布式布拉格反射器中的氧化物孔。
这些步骤不一定需要以上面给出的顺序执行。可以例如在第一步骤中提供衬底，并且可以在第二步骤中提供第一电触点。可以在第一DBR内、在第一DBR和有源层之间、在有源层和第二DBR之间或在第二DBR内提供分布式异质结双极光电晶体管。第一电极和第二电极的定位可与预期的激光发射(顶部或底部发射VCSEL)有关。光学引导结构可优选地在于有源层的背离衬底的一侧上提供有源层和分布式HPT之后被提供。在底部发射VCSEL的情况下，可以选择在衬底与第一DBR之间或在第一DBR内提供光学引导结构。此类VCSEL的加工可能具有挑战性，因为必须在光学引导结构的顶部加工有源层。衬底可以可择性地被去除。可通过例如MOCVD、MBE等的外延方法来沉积不同的层。
应当理解，上述的VCSEL和上述的方法具有相似和/或相同的实施例，特别是如本发明的技术方案中所限定的那样。
下面限定另外的有利实施例。
附图说明
根据下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考下文描述的实施例进行阐述。
现在将参考附图基于实施例示例性地描述本发明。
附图中：
图1示出了具有分布式HPT和光学引导结构的第一VCSEL的主示意图
图2示出了具有分布式HPT和光学引导结构的第二VCSEL的主示意图
图3示出了具有分布式HPT和光学引导结构的第三VCSEL的主示意图
图4示出了分布式HPT的层结构的一个实施例的主示意图
图5示出了驻波图形的主示意图以及VCSEL导带相对于分布式HPT的层结构的趋势
图6示出了分布式HPT和有源层的等效电路
图7示出了示出VCSEL内的分布式HPT的能带图的曲线图
图8示出了移动通信装置的主示意图
图9示出了根据本发明的制造VCSEL的方法的工艺流程的主示意图。
在附图中，相似的附图标记始终指代相似的对象。图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
现在将通过附图描述本发明的各种实施例。
图1示出了具有分布式HPT 125和光学引导结构137的第一VCSEL的主示意图。第一VCSEL是沿远离衬底110的方向发射激光的顶部发射式VCSEL。第一电触点105设置在衬底110的底侧上。包括30对具有第一和第二折射率的层的第一DBR 115设置在衬底110的顶侧上。第一DBR 115的成对的层包括AlGaAs/GaAs层。层的厚度适配于VCSEL的发射波长，以提供所要求的大于99.9％的反射率。有源层120设置在第一DBR 115的顶部上。有源层120包括用于发光的量子阱结构。n电流注入层(未示出)可布置在第一DBR 115与有源层120之间。分布式HPT 125设置在有源层120的顶部上。第二DBR 130设置在分布式HPT 125的顶部上。第二DBR130包括15对包括AlGaAs/GaAs层的层。一对层的厚度适配于VCSEL的发射波长，以提供所要求的约98％的反射率。环形的第二电触点135在分布式HPT 125上方绕第二DBR 130布置。VCSEL经由第二DBR 130沿箭头方向发射激光。分布式HPT 125布置在有源层120的上方，进而为pnp HPT。光学引导结构137是由氧化的、第二DBR 130的AlGaAs层构成的氧化物孔。该氧化层布置在第二电触点135的水平高度的上方。氧化层在该实施例中限定绕中心轴线10的相对于中心轴线10具有限定的距离12的圆形体积区。在该圆对称实施例(具有平行于层结构的圆形横截面的台面)中，限定的距离12是绕中心轴线10的限定的半径。VCSEL的光学谐振器由嵌入在第一DBR 115和第二DBR 130的外层之间的层组成。第二DBR130的层中的一个或多于一个(尤其是邻近分布式HPT 125的层)可以是高掺杂的以实现高导电性。在这种情况下，环形第二电触点135可布置为能够经由第二DBR 130的高掺杂层提供电流。在该实施例中，这些层可用作电流扩散层。
图2示出了具有分布式HPT 125和光学引导结构137的第二VCSEL的主示意图。第二VCSEL还是沿远离衬底110的方向发射激光的顶部发射式VCSEL。第一电触点105设置在衬底110的底侧上。从第一电触点105开始及至分布式HPT 125层的原理结构与针对图1所描述的基本上相同。电流扩散层127布置在分布式HPT 125的顶部上。第二DBR 130设置在分布式HPT 125的顶部上。第二DBR 130是电介质DBR，其包括成对的具有不同折射率的非导电电介质层，例如Nb2O5、TiO2、TaO2、Si3N4和SiO2层。层对的数量与材料和预期的反射率有关。一对层的厚度适配于VCSEL的发射波长，以提供所要求的约97％的反射率。环形的第二电触点135绕第二电介质DBR 130布置在分布式HPT 125上方。VCSEL经由第二电介质DBR130沿箭头方向发射激光。光学引导结构137是圆对称的SiO2层，其围绕由第一DBR 115和第二DBR 130以及布置在第一DBR 115与第二DBR 130之间的层构建的光学谐振器的中心轴线布置。圆对称SiO2层嵌入在电流扩散层127与第二DBR 130之间。SiO2层沉积在电流扩散层127的顶部上，然后被蚀刻以得到该实施例中的圆形。然后将第二DBR 130的介电层沉积在圆对称SiO2层和电流扩散层127的顶部上，在此电流扩散层127通过蚀刻SiO2层而露出。SiO2层在绕光学谐振器的中心轴线的限定的距离内增大了与第二VCSEL的层结构垂直的激光腔的有效光学长度。
图3示出了具有分布式HPT 125和光学引导结构137的第三VCSEL的主示意图。第三VCSEL是经由衬底110发射激光的底部发射式VCSEL。因此，VCSEL的发射波长必须设置为使得(例如GaAs)衬底110相对于发射波长是可透射的。包括20对具有第一和第二折射率的层的第一DBR115设置在衬底110的顶侧上。第一DBR 115的成对的层包括AlGaAs/GaAs层。层的厚度适配于VCSEL的发射波长，以提供所要求的约96％的反射率。第一DBR 115被部分蚀刻以沉积第一电触点105。第一DBR 115的其上设有第一电触点105的层的可具有增大的电导率(高掺杂)以使电流分布在平行于VCSEL的层结构的侧向方向上(电流分布层)。分布式HPT125设置在第一DBR 115的顶部上。分布式HPT 125布置在有源层120的下方，进而为npnHPT。有源层120设置在分布式HPT 125的顶部上，电流扩散层127布置在有源层120的顶部上。第二DBR 130设置在分布式HPT 125的顶部上，与上面针对图2讨论的类似。第二DBR 130还是电介质DBR，其包括成对的具有不同折射率的非导电电介质层，例如Nb2O5、TiO2、TaO2、Si3N4和SiO2层。一对层的厚度适配于VCSEL的发射波长，以提供所要求的大于99.99％的反射率。环形的第二电触点135绕第二电介质DBR 130布置在分布式HPT 125的上方。VCSEL经由第一电介质DBR 115沿箭头方向发射激光。光学引导结构137是绕光学谐振器的中心轴线布置的非圆对称的(例如星形的)半导体柱。非圆对称半导体柱嵌入在电流扩散层127与第二DBR 130之间。在沉积电流扩散层127之后蚀刻非圆对称半导体柱。第二DBR 130的介电层然后被沉积在半导体柱和周围的电流扩散层127的顶部上。借助于半导体柱提供的光学谐振器的增大的厚度增大了根据柱的形状绕光学谐振器的中心轴线的与第二VCSEL的层结构垂直的激光腔的有效光学长度。
图4示出了可以集成在第一、第二或第三VCSEL中的分布式HPT 125的层结构的实施例的主示意图。分布式HPT包括集电极层125a、第一中间层125b、光敏层125c、第二中间层125d、基极层125e、可选的宽间隙发射极125f和发射极层125g。集电极层125a包括厚度为50nm且碳原子浓度为4*1017cm-3的GaAs。第一中间层125b布置在集电极层125a下方，并且包括5nm的GaAs层。光敏层125c布置在第一中间层125b下方，并且包括光敏量子阱层，该光敏量子阱层包括厚度为5nm的Ga0.73In0.27As。第二中间层125d布置在光敏层125c下方，并且包括5nm的GaAs层。基极层125e布置在第二中间层125d下方，并且包括厚度为35nm且硅原子浓度为1.5*1018cm-3的GaAs。在该实施例中，发射极层分为两部分：宽间隙发射极125f和发射极125g，所述发射极125g布置在基极层125e下方并包括厚度为25nm且碳原子的浓度为1.5*1018cm-3的Al0.24Ga0.76As。不同层的材料组成可以根据VCSEL的要求而变化。集电极层中的掺杂浓度对HPT击穿电压有重要影响。因此，可优选使用小于1.5*1018cm-3的碳掺杂。
例如，如图4所示的分布式HPT可集成在图1所示的第一VCSEL中。分布式HPT由此可布置为就在有源层120的正上方。有源层120和分布式HPT 125的布置与第一VCSEL的驻波图形310一起在图5中示出。有源层120被布置在驻波图形310的最大值中。集电极层125a和可能的中间层的厚度布置成能够使得光敏层125c也被放置在驻波图形310的最大值中，以便使得能够实现有源层120和光敏层125c之间的最大反馈。分布式HPT和有源层的对应等效电路在图6中示出。在有源层120和HPT层125之间存在由箭头指示的光学耦合。由于有源层120需要布置在谐振器中，所以耦合不是1:1，而是实际耦合有多强与谐振器的侧向质量有关。这产生电流丝状化(filamentation)和载流子限制。光学引导结构137进一步支持载流子限制，从而提供光学谐振器内的激光模式的最佳位置。
图7示出了示出VCSEL内的分布式HPT的能带图的图。该图示出了跨分布式HPT的不同层的导带380、电子的费米能级386、空穴的费米能级390和价带395。与AlGaAs发射极层125f的价带395中的阶跃相结合的、借助于基极层125e中的硅原子的n掺杂阻碍了空穴从发射极层到达集电极层125a。如果用集电极层125a与基极层125e之间的光敏层125c(InGaAsQW)中吸收的一些光来照射分布式HPT 125，则将为每个光子产生电子-空穴对。电子将行进到基极层125e并产生通过基极-发射极异质结的正向电流。该正向电流还将引起大得多的空穴-电流(从发射极层125f到集电极层125a)，这众所周知为晶体管效应。≈1000的高电流放大率对于如上讨论的分布式HPT结构可以是可能的。
图8示出了包括具有如上所述的VCSEL的光学传感器210的移动通信装置200的主示意图。光学传感器210可例如与在移动通信装置200上运行的软件应用结合使用。软件应用可以将光学传感器210用于感测应用。这样的感测应用可以是用于距离检测的飞行时间测量、相机自动对焦、场景的3D成像或基于手势的用户交互。
图9示出了根据本发明的制造VCSEL的方法的工艺流程的主示意图。在步骤410中提供第一电触点105。第一电触点105附接至在步骤420中提供的GaAs衬底110的底侧。在步骤430中，在衬底110的顶侧上提供第一DBR 115，并且在之后的步骤440中在第一DBR 115的顶部上提供有源层120。在步骤450中在有源层120上提供分布式异质结双极光电晶体管125。在步骤460中，在分布式异质结双极光电晶体管125上提供第二DBR 130。在步骤470，提供第二电触点135用于电接触VCSEL。在步骤480中，分布式异质结双极光电晶体管125布置成能够使得在有源层120和分布式异质结双极光电晶体管125之间存在光学耦合，以用于借助于分布式异质结双极光电晶体管125提供有源载流子限制。分布式异质结双极光电晶体管125的布置可通过将分布式异质结双极光电晶体管125定位在第一DBR115内、在第一DBR115与有源层120之间、在有源层120与第二DBR 130之间或在第二DBR 130内来执行。在步骤490中提供光学引导结构137。将光学引导结构137布置在VCSEL的在VCSEL操作期间的电流之外。光学引导结构137还布置成能够在VCSEL的操作期间引导VCSEL的光学模式。
可以通过例如MOCVD或MBE的外延方法来沉积第一DBR的层、有源层、第二、分布式异质结双极光电晶体管和作为电流注入层等的任何其它层等。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
根据阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员将是清楚明白的。这样的修改可以涉及本领域中已知且可以代替或除本文中已经描述的特征之外而使用的其他特征。
根据研究附图、公开内容和本发明的技术方案，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在技术方案中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的技术方案中记载某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
本发明技术方案中的任何参考符号不应被解释为限制其范围。
附图标记列表
10 中心轴线
12 限定的距离
105 第一电触点
110 衬底
115 第一分布式布拉格反射器
120 有源层
125 分布式异质结双极光电晶体管
125a 集电极层
125b 第一中间层
125c 光敏层
125d 第二中间层
125e 基极层
125f 宽间隙发射极
125g 发射极
127 电流扩散层
130 第二分布式布拉格反射器
135 第二电触点
137 光学引导结构
310 驻波图形
380 导带
385 费米能级电子
390 费米能级空穴
395 价带
200 移动通信装置
210 光学传感器
410 提供第一电触点的步骤
420 提供衬底的步骤
430 提供第一分布式布拉格反射器的步骤
440 提供有源层的步骤
450 提供分布式异质结双极光电晶体管的步骤
460 提供第二分布式布拉格反射器的步骤
470 提供第二电触点的步骤
480 布置分布式异质结双极光电晶体管的步骤
490 提供光学引导结构的步骤

Claims (15)

1.一种垂直腔面发射激光器，其包括：
-第一电触点(105)，
-第二电触点(135)，以及
-光学谐振器，所述光学谐振器包括第一分布式布拉格反射器(115)、有源层(120)、分布式异质结双极光电晶体管(125)、第二分布式布拉格反射器(130)和光学引导结构(137)，所述分布式异质结双极光电晶体管(125)包括集电极层(125a)、光敏层(125c)、基极层(125e)和发射极层，
其中，分布式异质结双极光电晶体管(125)布置成使得有源层(120)与分布式异质结双极光电晶体管(125)之间存在光学耦合，以用于借助于分布式异质结双极光电晶体管(125)提供有源载流子限制，
其中，光学引导结构(137)设置为能够在垂直腔面发射激光器的操作期间引导垂直腔面发射激光器的光学谐振器内的光学模式，光学引导结构(137)确定了光学模式的位置并且确定了分布式异质结双极光晶体管(125)在其中导电的体积区，
其中，光学引导结构(137)布置在能够在垂直腔面发射激光器的操作期间借助于第一电触点(105)和第二电触点(135)提供的电流之外，
其中，光学引导结构(137)在垂直腔面发射激光器的竖直方向上布置在第一电触点(105)与第二电触点(135)之间的层序列之外，其中，光学引导结构(137)包括布置在第二分布式布拉格反射器(130)中的氧化物孔。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构(137)布置成使得与光学谐振器的沿中心轴线(10)的有效光学长度相比，光学谐振器的有效光学长度在绕光学谐振器的中心轴线(10)间隔限定的距离(12)处发生变化，其中，与间隔限定的距离(12)处的有效光学长度相比，光学谐振器的沿中心轴线(10)的有效光学长度较长，其中，所述中心轴线(10)垂直于构建光学谐振器的层。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构(137)布置成能够减小光学谐振器的绕光学谐振器的中心轴线(10)间隔大于限定的距离(12)处的有效光学长度。
4.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构(137)布置成能够增大光学谐振器的有效光学长度直至绕光学谐振器的中心轴线(10)间隔限定的距离(12)。
5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构(137)是相移结构，其中，所述相移结构布置成能够增大光学谐振器的有效光学长度直至限定的距离(12)。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其中，相移结构包括包含从包括SiO2、SiNx和基于GaAs的半导体的组中选择的材料的层。
7.根据前述权利要求中任一项所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构的尺寸小于第一电触点和第二电触点中的至少一个的孔径。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构(137)具有与第一分布式布拉格反射器(115)和第二分布式布拉格反射器(130)中的至少一个相比不同的折射率。
9.根据权利要求1-6中的任一项所述的垂直腔面发射激光器，其中，垂直腔面发射激光器还包括电流扩散层(127)，所述电流扩散层直接附接至第一电触点(105)或第二电触点(135)。
10.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器，其中，在垂直腔面发射激光器的操作期间，电流扩散层(127)布置在驻波图形(310)的节点中。
11.根据权利要求10所述的垂直腔面发射激光器，其中，发射极层包括电流扩散层(127)。
12.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其中，光学引导结构(137)借助于减小第一分布式布拉格反射器(115)或第二分布式布拉格反射器(130)的至少一层的折射率直至限定的距离(12)来减小光学谐振器的有效光学长度。
13.一种光学传感器(210)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的垂直腔面发射激光器。
14.一种移动通信装置(200)，所述移动通信装置(200)包括至少一个根据权利要求13所述的光学传感器(210)。
15.一种制造垂直腔面发射激光器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一电触点(105)，
提供衬底(110)，
提供第一分布式布拉格反射器(115)，
提供有源层(120)，
提供分布式异质结双极光电晶体管(125)，其包括集电极层(125a)、光敏层(125c)、基极层(125e)和发射极层，
提供第二分布式布拉格反射器(130)，
提供第二电触点(135)，
将异质结双极光电晶体管(125)布置成使得在有源层(120)与异质结双极光电晶体管(125)之间存在光学耦合，以用于借助于异质结双极光电晶体管(125)提供有源载流子限制，
提供光学引导结构(137)，所述光学引导结构(137)布置成能够在垂直腔面发射激光器的操作期间引导垂直腔面发射激光器的光学模式，光学引导结构(137)确定了光学模式的位置并且确定了分布式异质结双极光晶体管(125)在其中导电的体积区，其中，光学引导结构(137)布置在能够在垂直腔面发射激光器的操作期间借助于第一电触点(105)和第二电触点(135)提供的电流之外，其中，光学引导结构(137)在垂直腔面发射激光器的竖直方向上布置在第一电触点(105)和第二电触点(135)之间的层序列之外，其中，光学引导结构(137)包括布置在第二分布式布拉格反射器(130)中的氧化物孔。
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