CN111564754A - 垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种垂直腔面发射激光器(100)，其包括第一电接触部(105)、基底(110)、第一分布式布拉格反射器(115)、有源层(120)、第二分布式布拉格反射器(130)和第二电接触部(135)。所述垂直腔面发射激光器包括至少两个电流孔径层(125)，所述至少两个电流孔径层被布置在所述有源层(120)下方或上方，其中，所述电流孔径层(125)中的每个包括一个AlyGa(1‑y)As层，其中，所述至少两个电流孔径层(125)中的第一电流孔径层(125a)相比于所述至少两个电流孔径层(125)中的第二电流孔径层(125b)被布置为更靠近所述有源层(120)，其中，所述第一电流孔径层(125a)包括第一电流孔径(122a)，所述第一电流孔径具有相比于所述第二电流孔径层(125b)的第二电流孔径(122b)更大的尺寸。本公开还涉及制造这样的VCSEL(100)的方法。

Description

垂直腔面发射激光器
本申请是申请日为2016年5月31日，题为“垂直腔面发射激光器”，申请号为201680033595.8的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)、包括这样的VCSEL的激光器设备、以及制造这样的VCSEL的对应方法。
背景技术
现有技术的垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有氧化的高Al含量层以形成电流孔径来限制载流子和光子。需要台面蚀刻来将孔径层暴露于横向氧化过程，横向氧化过程具有也将诸如分布式布拉格(Bragg)反射器层(DBR)的其他层暴露于氧化过程的副作用。重要的是，DBR层的寄生氧化速率比孔径层更慢，这将DBR中的高Al分数限制为约90％供实际使用。
US 2010/0226402 A1公开了一种激光二极管，其包括层压构造，该层压构造从基底侧依次包括下部多层反射镜、有源层和上部多层反射镜，其中，所述层压构造包括柱状台面部分，其包括下部多层反射镜的上部部分、有源层和上部多层反射镜，并且下部多层反射镜包括多对低折射率层和高折射率层，以及在除了低折射率层中的一个或多个低折射率层的中心区域之外的区域中在围绕台面部分的中心轴旋转的方向上不均匀分布的多个氧化层。
EP 0905835 A1公开了一种通过横向氧化过程形成的能独立寻址的、高密度、垂直腔面发射激光器/LED结构。所述激光器结构的孔径是通过横向湿氧化或者通过选择性层混合以及来自在激光器结构中蚀刻的半环形沟槽的横向湿氧化来形成的。
发明内容
本发明的目的是提供一种经改进的VCSEL。
要求保护的主题限定在独立权利要求中。进一步的改进限定在从属权利要求中。
根据第一方面，提供了一种垂直腔面发射激光器。所述垂直腔面发射激光器包括第一电接触部、基底、第一分布式布拉格反射器、有源层、第二分布式布拉格反射器和第二电接触部。所述垂直腔面发射激光器包括至少一个AlyGa(1-y)As层，其中0.95≤y≤1且厚度为至少40nm，其中，所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层被分离。
术语“层”不排除该层包括两个或更多子层。所述VCSEL可以包括电流孔径层，所述电流孔径层用于将借助第一和第二电接触部供应的驱动电流限制到有源层的限定区域。所述VCSEL可以包含一个、两个、三个、四个或多个AlyGa(1-y)As层。一个或多个AlyGa(1-y)As层可以由DBR或例如电流孔径层构成。AlyGa(1-y)As层的厚度可以为至少40nm，优选为至少50nm，更优选为至少60nm。当利用预定义的电流进行驱动时，AlyGa(1-y)As层的厚度最优选可以在VCSEL的发射波长的四分之一的范围中。AlyGa(1-y)As层的铝含量可以为大于95％，优选大于98％，更优选大于99％，并且最优选为100％。AlyGa(1-y)As层可以借助一个、两个、三个或更多氧化控制层来分离。在AlyGa(1-y)As层内的氧化控制层的数量可以限于四个或五个氧化控制层，特别是在AlyGa(1-y)As层的厚度处在40nm与VCSEL的发射波长的四分之一之间的范围中的情况下。与没有一个或多个氧化控制层的、具有相同铝含量的AlyGa(1-y)As层相比，一个或多个氧化控制层适于降低AlyGa(1-y)As层的氧化速率。
第一或第二分布式布拉格反射器优选可以包括至少一个AlyGa(1-y)As层。在这种情况下，一个或多个AlyGa(1-y)As层对DBR的反射率有贡献。
氧化控制层的材料优选可以包括AlxGa(1-x)As或者由其构成，其中0≤x≤0.9。铝含量的范围优选可以在0.2与0.7之间，更优选在0.4与0.6之间。纯砷化镓的氧化控制层可能具有这样的缺点：如果使用相对厚的氧化控制层，则吸收增加到大约800nm的发射波长以上。在薄氧化控制层(约1nm的厚度)的情况下，该效应是能忽略不计的。
所述垂直腔面发射激光器优选包括至少一个AlyGa(1-y)As层，其中铝含量y>0.99。所述至少一个AlyGa(1-y)As层优选借助至少两个氧化控制层来分离，更优选确切借助2至5个氧化控制层来分离。所述氧化控制层的材料优选包含AlxGa(1-x)As，其中0.4≤x≤0.6，更优选具有约50％的铝含量。至少第一(底部)DBR的每个低折射率层优选包括其中铝含量y>0.99且包括至少一个氧化控制层的AlyGa(1-y)As层或者由其构成。可能进一步有利的是，第二DBR以及一个或多个电流孔径层包括其中铝含量y>0.99且包括至少一个氧化控制层的AlyGa(1-y)As层或者由其构成。所述电流孔径层可以具有发射波长的一半或者其整数倍的厚度。
所述至少一个氧化控制层的厚度在0.7nm与3nm之间，优选在0.8nm与2nm之间，更优选在0.9nm与1.5mm之间。所述至少一个氧化控制层(119、125b)的厚度可以包括AlyGa(1-y)As层的3％与10％之间的总厚度。AlyGa(1-y)As层的总厚度是由通过一个或多个氧化控制层分离的AlyGa(1-y)As层的所有子层的整个厚度以及一个或多个氧化控制层的厚度来确定的。
所述电流孔径层可以包括至少一个AlyGa(1-y)As层。所述电流孔径层可以具有VCSEL的发射波长的一半或其整数倍的厚度。在这种情况下，所述电流孔径层相对于相邻DBR的反射率没有影响。优选地，所述电流孔径层可以具有VCSEL的发射波长的四分之一的厚度或者其奇数倍数，使得所述电流孔径层可以对相邻DBR的反射率有贡献，或者甚至可以是DBR的一部分。
所述垂直腔面发射激光器包括第一电接触部、基底、第一分布式布拉格反射器、有源层、第二分布式布拉格反射器和第二电接触部。所述垂直腔面发射激光器可以包括至少两个电流孔径层，其中，所述电流孔径层被布置在有源层的下方或上方。所述至少两个电流孔径层两者优选都可以被布置在有源层的下方或上方。备选地，可能的是，所述至少两个电流孔径层中的一个可以被布置在有源层下方，而所述至少两个电流孔径层中的另一个优选可以被布置在有源层上方。所述至少两个电流孔径层中的第一电流孔径层可以被布置为比所述至少两个电流孔径层中的第二电流孔径层更靠近所述有源层。在这方面，“更靠近”意味着在垂直于所述层的各层之间更近的距离。优选的是，所述至少两个电流孔径层中的第一电流孔径层可以被布置在有源层与所述至少两个电流孔径层中的第二电流孔径层之间。所述第一电流孔径层可以包括第一电流孔径，所述第一电流孔径具有比所述第二电流孔径层的第二电流孔径更大的尺寸。电流孔径的尺寸由电流孔径层的非氧化部分给出。所述电流孔径可以具有圆形形状，使得所述电流孔径的尺寸能够借助直径来限定。所述电流孔径的形状备选地可以是椭圆形、矩形、三角形等。所述电流孔径的形状主要由VCSEL的台面形状以及氧化过程来确定。所述电流孔径包括共同对称轴，使得在圆形电流孔径的情况下，圆形的中心被沿着该共同对称轴来布置。至少两个电流孔径层中的每个电流孔径层优选可以包括具有一个或多个氧化控制层的AlyGa(1-y)As层。AlyGa(1-y)As层的厚度可以小于40nm，例如为30nm，或者甚至为20nm。AlyGa(1-y)As层可以简化具有不同尺寸的电流孔径的制造或加工，使得能够以精确的方式来制造所述尺寸的孔径。备选地，AlGaAs层的氧化可以通过在AlGaAs层(具有渐变铝含量的层)或者不同Al浓度的AlGaAs层内提供铝含量的限定变化来控制。在这种情况下，所述至少两个电流孔径层也可以包括具有平均铝浓度或者小于95％的铝浓度的AlGaAs层。需要以非常精确的方式来控制在AlGaAs层内的铝浓度，以便使得能够充分控制不同电流孔径层的氧化宽度，使得具有氧化控制层的AlyGa(1-y)As层可以是优选的。第一和第二电流孔径层被布置为使得在VCSEL的操作期间避免或至少限制在第一电流孔径的边缘处的高电流密度，使得实现VCSEL的高可靠性和使用寿命。第一和第二电流孔径层优选可以被布置在第一或第二DBR的层布置中。
具有第一电流孔径的第一电流孔径层优选可以被附接到有源层的上侧或下侧，或者换言之，其靠近所述有源层，使得避免电荷载流子的横向扩展。具有第二电流孔径的第二电流孔径层被布置为使得在VCSEL的操作期间在第一电流孔径的边缘处的电流密度小于100kA/cm2。对在所述第一电流孔径的边缘处的电流的限制(电流峰化)增加了VCSEL的可靠性和寿命，并且另外，可以避免支持针对单模VCSEL尤其不希望的高阶激光模式。
所述第二电流孔径或者更一般地具有最小尺寸的电流孔径优选可以被布置在距所述有源层的对应于VCSEL的发射波长的一半的整数倍的距离处，更优选在对应于VCSEL的发射波长的一半的偶数倍的距离处，并且最优选在VCSEL的发射波长的六倍的距离处。在与DBR的低折射率层相比为高折射率层的有源层与第二电流孔径之间的距离取自：在所述有源层的靠近具有第二电流孔径的层的一侧处、在所述有源层(包括支撑层)内的驻波图案的节点，以及在包括第二电流孔径的第二电流孔径层内的驻波图案的节点。具有最小尺寸的电流孔径的氧化轮廓(profile)可以是锥形的，以便避免光学引导。
所述垂直腔面发射激光器优选可以根据以下方法来制造。所述方法包括以下步骤：
提供第一电接触部，
提供基底，
提供第一分布式布拉格反射器，
提供有源层，
提供第二分布式布拉格反射器，
提供第二电接触部，
提供至少两个电流孔径层，其中，所述至少两个电流孔径层被布置在所述有源层的下方或上方，
将所述至少两个电流孔径层中的第一电流孔径层布置为比所述至少两个电流孔径层中的第二电流孔径层更靠近所述有源层，
在第一电流孔径层中提供第一电流孔径，
在第二电流孔径层中提供具有比第一电流孔径更小的尺寸的第二电流孔径。
所述方法的步骤不一定按照上文给出的次序执行。例如，可以在第一步骤中提供基底，而在第二步骤中提供第一电接触部。提供第一和第二电流孔径可以包括在后续步骤中提供第一和第二电流孔径层并氧化这些层的步骤。第一和第二电流孔径层可以通过如上文和下文所描述的交替沉积子层和氧化控制层来提供。可以使用氧化控制层的数量以及氧化控制层之间的距离，以便控制氧化宽度，并且由此控制电流孔径的尺寸。如上所述，可以通过沉积在层内具有平滑变化的铝含量或不同铝浓度的层来提供第一和第二电流孔径层。其铝含量的变化或铝含量可以在层中适应电流孔径层的监管氧化宽度。可以备选地借助具有相同铝含量的电流孔径层来执行氧化过程。可以通过随后将氧化开口蚀刻到相应的氧化控制层来控制不同电流孔径的氧化宽度。也可以能够组合对具有不同铝含量的电流孔径和/或氧化控制层的顺序蚀刻。第一电流孔径与第二电流孔径的尺寸之间差异优选在以圆形孔径作参考的情况下为1μm与6μm之间的直径。
上文和下文中所描述的所有优选实施例也可以被包括在VCSEL中，该VCSEL包括至少第一和第二电流孔径层，其中，第一电流孔径具有更大的尺寸。
VCSEL可以包括具有电流孔径的三个、四个、五个或更多电流孔径层。被布置在第一电流孔径层的靠近有源层的一侧上的电流孔径层中的至少一个电流孔径层的电流孔径的尺寸小于第一电流孔径的尺寸。所述电流孔径中的两个或更多电流孔径的尺寸可以相同。备选地，所有电流孔径的尺寸可以是不同的，其中，所述电流孔径的尺寸在垂直于有源层的方向上减小，其中，所述第一电流孔径具有最大的尺寸。所述电流孔径层可以被等距离地布置，使得在垂直于有源层的方向的两个相邻电流孔径层之间的距离针对所有电流孔径层是相同的。备选地，在电流孔径层之间的距离可以是变化的。第一或第二DBR例如可以包括第一低折射率层，所述第一低折射率层包括具有第一电流孔径的第一电流孔径层。第四低折射率层可以包括第二电流孔径层，所述第二电流孔径和第五低折射率层可以包括具有第三电流孔径的第三电流孔径层。第二电流孔径的尺寸可以小于第三电流孔径的尺寸。
所述垂直腔面发射激光器可以包括具有锥形氧化轮廓的至少一个AlyGa(1-y)As层或者一个、两个、三个或更多AlyGa(1-y)As层。具有锥形氧化轮廓的至少一个AlyGa(1-y)As层优选可以包括至少两个氧化控制层。所述至少两个氧化控制层将所述至少一个AlyGa(1-y)As层分离在至少三个子层中，并且其中，所述三个子层中的至少一个子层具有与其他子层不同的厚度。具有不同厚度的子层优选比其他子层更厚。较厚的子层比相邻的子层氧化得更快，使得在氧化过程期间建立锥形氧化轮廓。锥形氧化轮廓包括腰线，其意指AlyGa(1-y)As层内在氧化过程期间未被氧化的最小直径。当以预定义的驱动电流来驱动所述垂直腔面发射激光器时，所述锥形氧化轮廓的腰线优选被布置在所述垂直腔面发射激光器的驻波图案的节点的范围中。在节点的范围中意指腰线被布置为比驻波图案的最大值更靠近节点。在节点与腰线之间的距离优选小于35nm，更优选小于25nm。将锥形氧化轮廓的腰线布置在驻波图案的节点范围中具有以下优点：避免或者至少减少了在厚的AlyGa(1-y)As层内的驻波图案的强引导。这样的引导通常通过使用具有约30nm或更小的厚度的薄电流孔径层来避免或限制。
第一或第二分布式布拉格反射器可以包括多个AlyGa(1-y)As层，其中，所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层来分离。AlyGa(1-y)As层可以包括最多3个氧化控制层。当被安装在冷却结构上时，AlyGa(1-y)As层可以被布置为将垂直腔面发射激光器(100)的热电阻降低至冷却结构。包括AlyGa(1-y)As层的DBR可以是顶部或底部DBR，这取决于VCSEL和冷却结构的布置。最常见的布置是在顶部发射VCSEL的情况下的底部DBR。AlyGa(1-y)As层的高铝含量导致高导热性。铝含量因此优选可以尽可能高，例如百分之百。AlyGa(1-y)As层在这种情况下是AlAs层。
AlyGa(1-y)As层的高铝含量可以进一步被用于降低VCSEL的寄生电容。因此，第一或第二分布式布拉格反射器可以包括多个AlyGa(1-y)As层。所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层并且优选最多3个氧化控制层来分离。包括AlyGa(1-y)As层的DBR可以是顶部或底部DBR，这取决于VCSEL的布置。最常见的布置将是在顶部发射VCSEL的情况下的顶部DBR。
所述第一和第二分布式布拉格反射器包括多个高折射率层和多个低折射率层，其中，所述低折射率层包括所述AlyGa(1-y)As层或者是所述AlyGa(1-y)As层。AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层并且优选最多3个氧化控制层来分离。
根据第二方面，提供了一种激光器设备。所述激光器设备包括根据上文所描述的任何实施例的至少一个垂直腔面发射激光器以及用于电驱动所述垂直腔面发射激光器的驱动电路。所述激光器设备任选还可以包括电源，例如电池或能再充电电池布置。所述激光器设备可以被耦合到光学传感器设备、光学数据通信设备等。
根据第三方面，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：
提供第一电接触部，
提供基材，
提供第一分布式布拉格反射器，
提供有源层，
提供第二分布式布拉格反射器，
提供第二电接触部，
提供至少一个AlyGa(1-y)As层，其中0.95≤y≤1且厚度为至少40nm，其中，所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层来分离。
所述方法的步骤不一定按照上文给出的次序执行。例如，可以在第一步骤中提供基底，而在第二步骤中提供第一电接触部。可以在提供第一和/或第二DBR的步骤中提供所述至少一个AlyGa(1-y)As层。所述方法任选可以包括提供电流孔径层的附加步骤，所述电流孔径层可以是至少一个AlyGa(1-y)As层。
根据第四方面，提供了一种制造激光器设备的方法。所述方法包括以下步骤：
提供如上文所描述的VCSEL，
提供驱动电路，并且任选地
提供电力供应。
应当理解，根据关于VCSEL的权利要求中所述的VCSEL和根据方法权利要求所述的方法具有相似和/或相同的实施例，特别是如在从属权利要求中所限定的。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。权利要求5和6的特征例如可以与权利要求2-4中的任一项的特征相组合。权利要求7-8、11、12和13的特征例如可以与前述权利要求中的任一项的特征相组合。权利要求9的特征例如可以与权利要求8的特征相组合。
下文定义了其他有利实施例。
附图说明
参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
现在将参考附图基于实施例以举例的方式来描述本发明。
在附图中：
图1示出了第一VCSEL的原理图；
图2示出了电流孔径层的原理图；
图3示出了第二VCSEL的原理图；
图4示出了第二VCSEL的第一DBR的原理图；
图5示出了第一DBR的低折射率层的原理图；
图6示出了第三VCSEL的层结构的原理图；
图7示出了第四VCSEL的层结构的原理图；
图8示出了第五VCSEL的层结构的原理图；
图9示出了第六VCSEL的层结构的原理图；
图10示出了第七VCSEL的层结构的原理图；
图11示出了第八VCSEL的原理图；
图12示出了氧化轮廓的原理图；
图13示出了驻波图案的原理图；
图14示出了第九VCSEL的层结构的原理图；
图15示出了激光器设备的原理图；
图16示出了制造VCSEL的方法的过程流的原理图。
在附图中，相似的数字始终指代相似的对象。图中的对象不一定按比例绘制。
参考标记列表：
100 垂直腔面发射激光器
105 第一电接触部
110 基底
115 第一分布式布拉格反射器
116 高折射率层
117 低折射率层
118 AlyGa(1-y)As子层
119 氧化控制层
120 有源层
122 电流孔径
122a 第一电流孔径
122b 第二电流孔径
125 电流孔径层
125a 第一电流孔径层
125b 第二电流孔径层
125c 第三电流孔径层
125d 第四电流孔径层
126 氧化轮廓
127 腰线
130 第二分布式布拉格反射器
135 第二电接触部
150 冷却结构
200 AlAs含量
210 沿着发射方向跨VCSEL的方向
250 驻波图案
300 激光器设备
310 驱动电路
320 电源
330 激光器阵列
410 提供第一电接触部的步骤
420 提供基底的步骤
430 提供第一分布式布拉格反射器
440 提供有源层的步骤
450 提供第二分布式布拉格反射器的步骤
460 提供第二电接触部的步骤
470 提供AlyGa(1-y)As层的步骤
具体实施方式
现在将借助附图来描述本发明的各种实施例。
图1示出了第一VCSEL 100的原理图。第一VCSEL 100是在远离基底110的方向上发射激光的顶部发射VCSEL 100。在基底110的底侧上提供有第一电接触部105。在基底的顶侧上提供有第一DBR 115，第一DBR 115包括30对具有第一和第二折射率的层。第一DBR 115的成对层包括具有高铝含量和低铝含量的AlGaAs层。在极端情况下，并且取决于VCSEL 100的发射波长，针对高折射率材料的铝含量可以为0％，并且针对低折射率材料的铝含量高达100％。为了提供大于99.9％的所要求的反射率，层的厚度适应于VCSEL 100的发射波长(四分之一波长厚度)。在第一DBR 115的顶部上提供了有源层120。有源层120包括用于光生成的量子阱结构。可以在第一DBR 115与有源层120之间布置n电流注入层(未示出)。VCSEL100还包括电流孔径层125，电流孔径层125包括Al0.98Ga0.02As层或者由其构成，其中厚度约为70nm，其在VCSEL 100的850nm的发射波长的四分之一的范围中。Al0.98Ga0.02As层包括五个氧化控制层125b，氧化控制层125b包括厚度为1nm的Al0.2Ga0.98As层或者由其构成。第二DBR130包括15对层，其包括具有与第一DBR的AlGaAs层相似或甚至相同的高和低铝含量的AlGaAs层。一对层的厚度适应于VCSEL 100的发射波长，以便提供约95％的所需反射率。环形第二电接触部135与导电的第二DBR 130电接触。VCSEL 100经由第二DBR 130在箭头方向上发射激光。电流孔径层125布置在有源层120上方。
图2示出了具有被氧化控制层125b分离的两个Al0.98Ga0.02As子层125a的电流孔径层125的原理图。Al0.98Ga0.02As子层125a的厚度是不同的，以便实现在电流孔径层125内的氧化轮廓。氧化控制层125b实现在VCSEL100的制造期间对电流孔径层125的氧化的经改进的控制。
图3示出了第二VCSEL 100的原理图。第二VCSEL 100是在远离基底110的方向上发射激光的顶部发射VCSEL 100。在基底的顶侧上提供了第一DBR 115。有源层120被提供在第一DBR 115的顶部上。具有电流孔径122的电流孔径层125被提供在有源层120的顶部上。第二DBR 130被提供在电流孔径层125的顶部上。电流孔径层125包括AlAs或者由构成。包括两个氧化控制层125b的电流孔径层125的厚度为40nm。第二电接触部135与导电的第二DBR130电接触。VCSEL 100经由第二DBR 130在箭头方向上发射激光。VCSEL 100可以包括另外的层，例如，未示出的缓冲层。VCSEL100与基底110一起被安装在冷却结构150上。第一电接触部105被布置为在第一DBR 115内布置的导电层上的腔内接触部。
图4示出了第二VCSEL 100的第一DBR 115的原理图。第一DBR 115包括40个高折射率层116与低折射率层117的交替序列。高折射率层116包括Al0.05Ga0.95As或者由其构成，并且低折射率层117包括具有两个氧化控制层119的AlAs或者由其构成，氧化控制层119包括厚度为1nm的Al0.5Ga0.5As或者由其构成。图5示出了第一DBR 115的低折射率层117的原理图。低折射率层117借助两个氧化控制层119来分离，使得三个AlAs子层118具有相同的厚度。AlAs层的高导热性降低了在有源层120与冷却结构150之间的热阻。氧化控制层119实现在VCSEL 100的制造期间对电流孔径层125的氧化的经改进的控制。与电流孔径层125的氧化相比，氧化控制层119避免了低折射率层117的更快氧化。
图6示出了第三VCSEL 100的层结构的原理图。所述层结构被示为在有源层120周围。垂直轴200示出了层的AlAs含量。水平轴210示出了沿着发射方向跨VCSEL 100的方向，其中第一DBR 115在左侧，而第二DBR130在右侧。示出了第一DBR 115的四个层。左侧的第一低折射率层117包括AlAs或者由其构成，所述AlAs具有的三个氧化控制层119包括Al0.5Ga0.5As或者由其构成。左侧的第二低折射率层11包括AlAs或者由其构成，其具有的两个氧化控制层119包括Al0.5Ga0.5As或者由其构成。被布置在有源层120左侧上的电流孔径层125包括不具有任何氧化控制层的AlAs或者由其构成。电流孔径层125具有30nm的厚度。示出了第一DBR115的四个层。在右侧有源层120处的第二低折射率层117包括AlAs或者由其构成，所述AlAs具有的一个氧化控制层119包括Al0.5Ga0.5As或者由其构成。在有源层120右侧处的第二和第三低折射率层117包括AlAs或者由其构成，所述AlAs具有的两个氧化控制层119包括Al0.5Ga0.5As或者由其构成。氧化控制层119具有1nm的厚度，其中，低折射率层117的总厚度约为70nm。
实验已经表明，如在图6中所示的，被布置在堆栈中厚度为30nm且没有任何氧化控制层119的AlAs层在370℃下在约72分钟内氧化38μm。可以被用作发射波长为850nm的VCSEL的DBR内的低折射率层117的厚度为70nm的AlAs层在与30nm层相同的条件下氧化45μm。因此，不能够在DBR中使用这样的70nm的AlAs层作为低折射率层117，因为与30nm的电流孔径层125的氧化相比，氧化更快。相比之下，包括厚度为1nm并且包括Al0.5Ga0.5As或者由其构成的一个氧化控制层119的70nmAlAs层氧化28.6nm，以及包括厚度为1nm并且包括Al0.5Ga0.5As或者由其构成的两个氧化控制层119的70nmAlAs层，在相同条件下仅氧化10nm。在实验中，氧化控制层119将AlAs层分离在相同厚度的AlAs子层118中。氧化控制层119能够使用纯AlAs作为低折射率层117。氧化控制层119实现根据氧化控制层119的数量和位置对氧化宽度的良好控制。
图7示出了第四VCSEL 100的层结构的原理图。第四VCSEL 100是在远离基底110的方向上发射激光的顶部发射VCSEL 100。在基底110的底侧上，提供了第一电接触部105。在基底的顶侧上，提供了第一DBR 115，第一DBR 115包括30对具有第一和第二折射率的层。第一DBR 115的成对层包括具有高和低铝含量的AlGaAs层。在极端情况下，并且取决于VCSEL100的发射波长，针对高折射率材料铝含量可以为0％，而针对低折射率材料所述含量高达100％。为了提供大于99.9％的所要求的反射率，层的厚度适应于VCSEL 100的发射波长(四分之一波长厚度)。在第一DBR115的顶部上提供了有源层120。有源层120包括针对光生成的量子阱结构。可以在第一DBR 115与有源层120之间布置n电流注入层(未示出)。VCSEL100还包括第一电流孔径层125a，第一电流孔径层125a包括AlGaAs或者由其构成，具有平均组分为Al0.90Ga0.1As层，厚度约为30纳米。优选可以具有至少95％的较高铝含量，以便实现高氧化速率，并且因此减少氧化时间。第一电流孔径层125a包括第一电流孔径122a，第一电流孔径122a被布置在有源层120的顶部上并且被布置在有源层120的上表面上，以便实现良好的电流限制。第二DBR 130包括15对层，其包括具有与第一DBR的AlGaAs层相似或者甚至相同的高和低铝含量的AlGaAs层。一对层的厚度适应于VCSEL 100的发射波长，以便提供约95％的所需要的反射率。第二电流孔径层125b被布置在第一DBR的层堆栈内。第二电流孔径层125b是第一DBR的低折射率层117中的一个，并且具有大约70nm的厚度，这对应于大约850nm的VCSEL 100的发射波长的四分之一。第二电流孔径层125b包括具有比第一电流孔径层125a的第一电流孔径122a更小直径的第二电流孔径122b。选取第一电流孔径122a和第二电流孔径122b的直径以及在垂直于VCSEL 100的层的第一电流孔径层125a与第二电流孔径层125b之间的距离以及在第一电流孔径层125a与有源层之间的距离，使得能够实现良好的电流限制，但是避免了在第一电流孔径122a的边缘处的例如大于100kA/cm2的高电流密度。此外，与常规VCSEL 100相比，在有源层120与具有最小孔径尺寸的第二电流孔径122b之间的距离更大，使得能够实现低光导。通常，低光导是优选的，因为其支持窄射束发散、较高的单模功率、较小的光谱宽度VCSEL、高亮度设计等。在第一或第二DBR内提供电流孔径层125可以具有以下优点：电流孔径层125对第一或第二DBR的反射率有贡献。另外，由于铝型材与DBR设计的要求相匹配，所以可以简化这样的电流孔径层125的制造。环形第二电接触部135电接触导电的第二DBR 130。VCSEL 100经由第二DBR 130在箭头的方向上发射激光。电流孔径层125被布置在有源层120上方。
图8示出了第五VCSEL 100的层结构的一部分的原理图。VCSEL 100是顶部发射VCSEL 100。第二DBR 130的高折射率层116和低折射率层117的部分被示出沉积在有源层120的顶部上。第二DBR 130包括三个低折射率层117，其被布置为电流孔径层125。第一电流孔径层125a是在远离有源层120的方向上的第二DBR 130的第二低折射率层117。第二电流孔径层125b是第三低折射率层117，而第三电流孔径层125c是第二DBR 130的第四低折射率层117。在电流孔径层125之间的距离是相等的。被布置为靠近有源层120的第一电流孔径122a在圆形孔径情况下具有最大尺寸，即最大直径。第二电流孔径层125b的第二电流孔径122b具有最小尺寸，并且被布置在第一和第二电流孔径层125a、125c之间。第三电流孔径层125c的电流孔径的大小在第一电流孔径125a与第二电流孔径122b的大小之间。
图9示出了第六VCSEL的层结构的一部分的原理图。VCSEL 100是顶部发射VCSEL100。第二DBR 130的高折射率层116和低折射率层117的部分被示出为沉积在有源层120的顶部上。第二DBR 130包括三个低折射率层117，其被布置为电流孔径层125。第一电流孔径层125a是在远离有源层120的方向上的第二DBR 130的第二低折射率层117。第二电流孔径层125b是第四低折射率层117，并且第三电流孔径层125c是第二DBR 130的第三低折射率层117。在电流孔径层125之间的距离是相等的。被布置为靠近有源层120的第一电流孔径122a在圆形孔径的情况下具有最大尺寸，即最大直径。第三电流孔径层125c的电流孔径具有与第一电流孔径125a相同的尺寸。第二电流孔径层125b的第二电流孔径122b具有最小尺寸，并且在远离有源层120的方向上被布置在第一和第三电流孔径层125a、125c上方。电流孔径125a、125b和125c可以在备选实施例中被布置在有源层120下方的第一DBR 115中。
图10示出了第七VCSEL的层结构的原理图。所述层结构非常类似于在图9中所示的第六VCSEL的层结构。具有第一电流孔径122a的第一电流孔径层125a在这种情况下是在有源层120下面的第一DBR 115的第一低折射率层117。在这种情况下，有源层120被布置在第一电流孔径层125a与被布置在第二DBR 130的第三低折射率层117中的第二电流孔径层125b之间。
图11示出了第八VCSEL 100的原理图。第七VCSEL 100是在基底110的方向上发射激光的底部发射VCSEL 100。在发射激光的区域处去除基底110。发光的方向由箭头指示。在基底110的底侧上，在去除基底110的部分周围提供第一电接触部105。在基底的顶侧上是提供具有大约95％的反射率的第一DBR 115，以便能够经由第一DBR 115发射激光。电流孔径层125被提供在第一DBR 115的顶部上。有源层120被提供在电流孔径层125的顶部上。第二DBR 130被提供在有源层120的顶部上，具有大于99.9％的反射率。第二电接触部135被电连接到导电的第二DBR 130。
图12示出了在第七VCSEL 100的电流孔径层125中的氧化轮廓126的原理图。电流孔径层125包括四个Al0.99Ga0.01As子层125a，其被包括Al0.7Ga0.3As或者由其构成的厚度为0.8nm的三个氧化控制层125b分离。Al0.99Ga0.02As子层125a的厚度是不同的，以便能够在电流孔径层125内形成氧化轮廓。靠近有源层120的上部Al0.99Ga0.02As子层125a(参见图7)具有大约35nm的厚度，下一Al0.99Ga0.02As子层125a厚度低于20nm，并且另外两个Al0.99Ga0.02As子层125a具有7nm的厚度。电流孔径层125的总厚度在图7所示的VCSEL 100的850nm的发射波长的四分之一的范围内。氧化控制层125因此对第一DBR 115的反射有贡献。不同厚度的Al0.99Ga0.02As子层125a导致在靠近有源层120的上部Al0.99Ga0.02As子层125a中具有腰线127的氧化轮廓126。当以在图13中所描绘的预定义电流进行驱动时，腰线127被布置在VCSEL100的驻波图案250的节点的范围中。氧化控制层125b将电流孔径层125分离在不同厚度的子层中使得能够在VCSEL 100的制造期间控制电流孔径层125的氧化，使得构建定义的氧化轮廓。备选方法使用例如跨电流孔径层125的铝含量的预定变化。实验已经表明，在制造过程期间，在跨整个晶片或甚至若干晶片的电流孔径层内的铝含量的限定控制是困难的，并且大幅降低产量。因此，在常规VCSEL中使用厚度为30nm或更小的薄的电流孔径层以便避免对激光的强引导。
已经利用厚度约为70nm的AlAs电流孔径层125进行了实验，所述AlAs电流孔径层125包括由Al0.5Ga0.5As构成的厚度为1nm的两个氧化控制层125a。上部AlAs子层125a比其他两个AlAs子层125a厚2nm。所发射的激光的谱证实了电流孔径层125内具有驻波图案的腰线127的锥形氧化轮廓126。
图14示出了第九VCSEL 100的层结构的一部分的原理图。在这种情况下，VCSEL100是类似于在图10中所描述的底部发射VCSEL 100。有源层120被沉积在第一DBR 115的顶部上，示出了所述第一DBR 115的低折射率层116和高折射率层117的部分。第一DBR 115包括被布置为电流孔径层125的四个低折射率层117。第一电流孔径层125a是紧接被布置在有源层120下方的、第一DBR 115的最上面的低折射率层117。第二电流孔径层125b是以第一电流孔径125a层作为第一低折射率层117开始的第五低折射率层117。第三电流孔径层125c是第二DBR 130的第三低折射率层117，并且如果第二DBR 130的第四低折射率层117，则是第四电流孔径层125d。在第一电流孔径层125a与随后的电流孔径层(第三电流孔径层125c)之间的距离是在第三、第四与第二电流孔径层125c、125d、125b之间的距离的两倍大。被布置为靠近有源层120的第一电流孔径122a具有最大的尺寸，意味着最大的电流通过面积。在远离有源层的方向上的随后的电流孔径随后减小尺寸。第二电流孔径层125b的第二电流孔径122b具有最小尺寸，并且在远离有源层120的方向上被布置在第一、第三和第四电流孔径层125a、125c下方。
图14示出了包括多个VCSEL 100的激光器设备300的原理图，所述VCSEL 100具有的DBR包括由砷化铝(AlAs)构成的低折射率层117。VCSEL 100被布置在激光器阵列330中。单个VCSEL 100的配置基本上与在图3中所示的第二VCSEL 100的配置相同。激光器设备300还包括驱动电路310和电源320(其是能充电电池)。驱动电路310被布置为以定义的方式将借助电源320提供的电力提供给激光器阵列330。
图15示出了根据本发明的制造VCSEL 100的方法的过程流的原理图。在步骤410中提供了第一电接触部。第一电接触部被附接到在步骤420中提供的GaAs基底的底侧。在步骤430中，在基底的顶侧上提供第一DBR115；并且在随后的步骤440中，在第一DBR115的顶部上提供了有源层120。在步骤450中，在有源层120的顶部上提供了第二DBR。在步骤460处，提供第二电接触部以电接触VCSEL 100。在步骤470中，提供了至少一个AlyGa(1-y)As层，其中0.95≤y≤1且厚度为至少40nm。提供其中0.95≤y≤1的AlyGa(1-y)As层的制造步骤包括沉积第一AlyGa(1-y)As子层118、125a，沉积至少一个氧化控制层119、125b，并且至少将第二AlyGa(1-y)As子层118、125a沉积在至少一个氧化控制层119、125b的顶部上。该方法还可以包括提供电流孔径层125的步骤。
可以通过如MOCVD的外延方法沉积作为电流注入层、缓冲层等的第一DBR层115、第二DBR层130、有源层120、电流孔径层125以及任何其他层。
本发明的目的是提供一种VCSEL 100，其能够通过实现对1、2、3或更多电流孔径层125的限定氧化以及使用具有最小化铝含量95％的AlyGa(1-y)As作为低折射率层117以可靠的方式进行容易地处理。本发明能够在厚的(例如，四分之一波长)电流孔径层125内提供限定的氧化轮廓，其适于以优化的方式与VCSEL 100的驻波图案相互作用。可以在VCSEL100的一个或两个DBR内使用高铝含量的低折射率层117，以实现高导热性和降低的寄生电容。可以改善VCSEL 100的寿命和切换行为，而没有可靠性和产量问题，这通常由最小铝含量为95％并且尤其是AlAs层的厚(四分之一波长)的AlyGa(1-y)As层引起，因为对这样的层的氧化在制造过程期间不能跨晶片(waver)而被充分地控制。
此外，VCSEL可以被配置为如在以下条目或其任意组合的一个或多个中描述的那样。
条目1、一种垂直腔面发射激光器(100)，包括第一电接触部(105)、基底(110)、第一分布式布拉格反射器(115)、有源层(120)、第二分布式布拉格反射器(130)和第二电接触部(135)，其中，所述垂直腔面发射激光器包括至少一个AlyGa(1-y)As层，其中0.95≤y≤1且厚度为至少40nm，其中，所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层(119、125b)被分离在至少两个子层(118、125a)中，其中，所述至少一个氧化控制层(119、125b)的特征在于厚度在0.7nm与3nm之间。
条目2、根据条目1所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述第一分布式布拉格反射器(115)或所述第二分布式布拉格反射器(130)包括所述至少一个AlyGa(1-y)As层。
条目3、根据条目1或2所述的垂直腔面发射激光器(100)，还包括电流孔径层(125)，其中，所述电流孔径层(125)包括所述至少一个AlyGa(1-y)As层。
条目4、根据条目1或3所述的垂直腔面发射激光器，包括被布置在所述有源层(120)下方或上方的至少两个电流孔径层(125)，其中，所述电流孔径层(125)中的每个电流孔径层包括一个AlyGa(1-y)As层，其中，所述至少两个电流孔径层(125)中的第一电流孔径层(125a)被布置为比所述至少两个电流孔径层(125)中的第二电流孔径层(125b)更靠近所述有源层(120)，其中，所述第一电流孔径层(125a)包括具有比所述第二电流孔径层(125b)的第二电流孔径(122b)更大的尺寸的第一电流孔径(122a)。
条目5、根据条目1或2所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述氧化控制层(119、125b)的材料包括AlxGa(1-x)As，其中0≤x≤0.9。
条目6、根据条目1或2所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个AlyGa(1-y)As层的特征在于y>0.99，并且其中，所述至少一个AlyGa(1-y)As层借助至少两个氧化控制层(119、125b)被分离，并且所述氧化控制层(119、125b)的材料包括AlxGa(1-x)As，其中0.4≤x≤0.6。
条目7、根据条目1或2所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个氧化控制层(119、125b)的厚度包括在所述AlyGa(1-y)As层的总厚度的3％与10％之间。
条目8、根据条目1或3所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个AlyGa(1-y)As层中的至少一个AlyGa(1-y)As层包括锥形氧化轮廓(126)。
条目9、根据条目8所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，具有所述锥形氧化轮廓(126)的所述至少一个AlyGa(1-y)As层包括至少两个氧化控制层(119、125b)，其中，所述至少两个氧化控制层(119、125b)将所述至少一个AlyGa(1-y)As层分离在至少三个子层(118、125a)中，并且其中，所述三个子层(118、125a)中的至少一个子层具有与其他子层不同的厚度。
条目10、根据条目8所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，当以预定义驱动电流来驱动所述垂直腔面发射激光器(100)时，所述锥形氧化轮廓(126)的腰线(127)被布置在所述垂直腔面发射激光器(100)的驻波图案(210)的节点的范围中。
条目11、根据条目1或2所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述第一分布式布拉格反射器(115)和所述第二分布式布拉格反射器(130)包括多个高折射率层(116)和多个低折射率层(117)，其中，所述低折射率层包括所述AlyGa(1-y)As层。
条目12、一种激光器设备(300)，包括至少一个根据前述条目中的任一项所述的垂直腔面发射激光器(100)以及用于电驱动所述垂直腔面发射激光器(100)的驱动电路(310)。
条目13、一种制造垂直腔面发射激光器(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一电接触部(105)，
-提供基底(110)，
-提供第一分布式布拉格反射器(115)，
-提供有源层(120)，
-提供第二分布式布拉格反射器(130)，
-提供第二电接触部(135)，
-提供至少一个AlyGa(1-y)As层，其中0.95≤y≤1且厚度为至少40nm，其中，所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层(119、125b)被分离在至少两个子层(118)中，其中，所述至少一个氧化控制层(119、125b)的特征在于厚度在0.7nm与3nm之间。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改可能涉及本领域已知的其他特征，并且可以代替在本文中已经描述的特征来使用或者除了在本文中已经描述的特征之外而使用所述其他特征。
通过研究附图、公开内容和随附的权利要求，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的这一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。
在权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种垂直腔面发射激光器(100)，包括第一电接触部(105)、基底(110)、第一分布式布拉格反射器(115)、有源层(120)、第二分布式布拉格反射器(130)和第二电接触部(135)，其中，所述垂直腔面发射激光器包括至少两个电流孔径层(125)，所述至少两个电流孔径层被布置在所述有源层(120)下方或上方，其中，所述电流孔径层(125)中的每个电流孔径层包括AlyGa(1-y)As层，其中，所述至少两个电流孔径层(125)中的第一电流孔径层(125a)相比于所述至少两个电流孔径层(125)中的第二电流孔径层(125b)被布置为更靠近所述有源层(120)，其中，所述第一电流孔径层(125a)包括第一电流孔径(122a)，所述第一电流孔径具有相比于所述第二电流孔径层(125b)的第二电流孔径(122b)更大的尺寸。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器(100)，还包括至少一个AlyGa(1-y)As层，其中0.95≤y≤1且厚度为至少40nm，其中，所述AlyGa(1-y)As层借助至少一个氧化控制层(119、125b)被分离在至少两个子层(118、125a)中。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个氧化控制层(119、125b)的特征在于厚度在0.7nm与3nm之间。
4.根据前述任一权利要求所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少两个电流孔径层(125)中的每个电流孔径层包括具有一个或多个氧化控制层的AlyGa(1-y)As层。
5.根据前述任一权利要求所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述第二电流孔径被布置在距所述有源层(120)对应于所述垂直腔面发射激光器(100)的发射波长一半的整数倍的距离处。
6.根据前述任一权利要求所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述第一分布式布拉格反射器(115)或所述第二分布式布拉格反射器(130)包括所述至少一个AlyGa(1-y)As层。
7.根据权利要求2、3或4所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述氧化控制层(119、125b)的材料包括AlxGa(1-x)As，其中0≤x≤0.9。
8.根据权利要求2或3所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个AlyGa(1-y)As层的特征在于y>0.99，并且其中，所述至少一个AlyGa(1-y)As层借助至少两个氧化控制层(119、125b)被分离，并且所述氧化控制层(119、125b)的材料包括AlxGa(1-x)As，其中0.4≤x≤0.6。
9.根据权利要求2或3所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个氧化控制层(119、125b)的厚度包括在所述AlyGa(1-y)As层的总厚度的3％与10％之间。
10.根据前述任一权利要求所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述至少一个AlyGa(1-y)As层中的至少一个AlyGa(1-y)As层包括锥形氧化轮廓(126)，具体而言，其中，所述第二电流孔径包括锥形氧化轮廓。
11.根据权利要求10所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，具有所述锥形氧化轮廓(126)的所述至少一个AlyGa(1-y)As层包括至少两个氧化控制层(119、125b)，其中，所述至少两个氧化控制层(119、125b)将所述至少一个AlyGa(1-y)As层分离在至少三个子层(118、125a)中，并且其中，所述三个子层(118、125a)中的至少一个子层具有与其他子层不同的厚度。
12.根据权利要求10所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，当以预定义驱动电流来驱动所述垂直腔面发射激光器(100)时，所述锥形氧化轮廓(126)的腰线(127)被布置在所述垂直腔面发射激光器(100)的驻波图案(210)的节点的范围中。
13.根据权利要求2或3所述的垂直腔面发射激光器(100)，其中，所述第一分布式布拉格反射器(115)和所述第二分布式布拉格反射器(130)包括多个高折射率层(116)和多个低折射率层(117)，其中，所述低折射率层包括所述AlyGa(1-y)As层。
14.一种激光器设备(300)，包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的垂直腔面发射激光器(100)以及用于电驱动所述垂直腔面发射激光器(100)的驱动电路(310)。
15.一种制造垂直腔面发射激光器(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一电接触部(105)，
提供基底(110)，
提供第一分布式布拉格反射器(115)，
提供有源层(120)，
提供第二分布式布拉格反射器(130)，
提供第二电接触部(135)，
提供至少两个电流孔径层(125)，其中，所述至少两个电流孔径层被布置在所述有源层(120)下方或上方，
将所述至少两个电流孔径层(125)中的第一电流孔径层(125a)相比于所述至少两个电流孔径层中的第二电流孔径层(125b)布置为更靠近所述有源层，
在所述第一电流孔径层(125a)中提供第一电流孔径(122a)，
在所述第二电流孔径层(125b)中提供第二电流孔径(122b)，所述第二电流孔径相比于所述第一电流孔径(122a)具有更小的尺寸。
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