CN114520461B - 具有多隧道结的vcsel激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种具有多隧道结的VCSEL激光器及其制备方法。所述VCSEL激光器，包括：外延结构和电连接于所述外延结构的正电极和负电极；所述外延结构，包括：衬底；位于所述衬底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之间设有反射腔；形成于所述反射腔内的多个有源区和多个隧道结，所述多个有源区和所述多个隧道结在所述反射腔内交替设置；以及，形成于所述反射腔内的至少二限制层，所述至少二限制层分别具有开孔，其中，所述至少二限制层的所述开孔中至少部分开孔之间具有不同的孔径。这样，所述VCSEL激光器能够在具有较高光电转化效率的同时兼顾远场束散角的大小。

Description

具有多隧道结的VCSEL激光器及其制备方法
技术领域
本申请涉及半导体领域，更具体地涉及具有多隧道结的VCSEL激光器及其制备方法。
背景技术
VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)是一种半导体激光器，其在衬底的垂直方向上形成谐振腔，沿垂直方向上出射激光。VCSEL激光器，尤其是包括多个VCSEL单元的VCSEL点阵器件，在诸如消费电子、工业、医疗等行业得到广泛应用。基于隧道结的数量，VCSEL器件可分为单结VCSEL器件和多结 VCSEL器件，顾名思义，单结VCSEL器件表示VCSEL器件中的VCSEL 单元具有一个隧道结，多结VCSEL器件表示VCSEL器件中的VCSEL单元具有多个隧道结。
市场对高功率的VCSEL点阵器件一直有较高的光电转化效率 (Power-converted-efficiency：PCE)的需求。单结VCSEL器件由于其自身的电阻特性很难在实现高功率的同时达到较高的PCE。并且，驱动单结高功率VCSEL器件需要很大的电流，在实际应用中，算法对电流脉冲的上升时间有很高的要求，也就是，对驱动电路板的设计提出了很高的要求，难以在技术上实现。
相较于单结VCSEL器件，多结VCSEL器件在特定使用条件下能在一定程度上缓解单结VCSEL器件具有的上述缺陷。也就是，对于指定的功率需求，能够以相对较小的电流驱动多结VCSEL器件，由于工作电流的降低，对应的PCE也能得以提升。
但是，由于多结VCSEL器件的几何腔长是单结VCSEL器件的多倍，导致实际多结VCSEL器件的远场束散角难以满足设计要求。也就是，对于多结VCSEL器件而言，其难以做到在光电转化效率和远场束散角两方面的性能兼顾。
因此，需要一种新型的能够兼顾光电转化效率和远场束散角大小的VCSEL器件。
申请内容
本申请的一个优势在于提供一种具有多隧道结的VCSEL激光器及其制备方法，其中，所述VCSEL激光器能够在具有较高光电转化效率的同时兼顾远场束散角的大小。
为了实现上述至少一个优势，本申请提供了一种具有多隧道结的 VCSEL激光器，其包括：外延结构和电连接于所述外延结构的正电极和负电极；
其中，所述外延结构，包括：
衬底；
位于所述衬底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之间设有反射腔；
形成于所述反射腔内的多个有源区和多个隧道结，所述多个有源区和所述多个隧道结在所述反射腔内交替设置；以及
形成于所述反射腔内的至少二限制层，所述至少二限制层分别具有开孔，其中，所述至少二限制层的所述开孔中至少部分开孔之间具有不同的孔径。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述限制层被分别形成于每一所述有源区上方，所述限制层的数量与所述有源区的数量相一致。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述限制层被可选择地形成于部分所述有源区的上方，所述限制层的数量小于所述有源区的数量。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述开孔的孔径范围为1um至100um。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述开孔的孔径范围为3um至50um。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述开孔之间的孔径差的范围为0.1um至95um。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述开孔之间的孔径差的范围为0.5um至20um。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述至少二限制层的所述开孔之间的孔径尺寸相互之间都不相等。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述至少一限制层中最邻近所述第二反射器的所述限制层的开孔具有最小的孔径。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述至少二限制层包含至少一通过氧化工艺形成的氧化限制层。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述至少二限制层包含至少一通过离子布植工艺形成的离子限制层。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述至少二限制层包含至少一通过氧化工艺形成的氧化限制层，并且，所述至少二限制层包含至少一通过离子布植工艺形成的离子限制层。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述至少二限制层为全部通过氧化工艺形成的氧化限制层。
在根据本申请的具有多隧道结的VCSEL激光器中，所述氧化限制层之间的间距等于0.5*所述VCSEL激光器产生的激光的波长的整数倍除以其间半导体的折射率的加权和。
根据本申请另一方面，还提供一种具有多隧道结的VCSEL激光器的制备方法，其包括：
通过外延生长工艺形成外延结构，其包括：衬底、位于所述衬底上方的第一反射器和第二反射器、以及，形成于所述第一反射器和所述第二反射器之间的多个有源区和多个隧道结，所述多个有源区和所述多个隧道结之间交替设置；以及
通过氧化工艺在所述第一反射器和所述第二反射器之间形成至少二氧化限制层，所述至少二氧化限制层分别具有开孔，其中，所述开孔中至少部分开孔之间具有不同的孔径。
在根据本申请的制备方法中，所述氧化限制层被分别形成于每一所述有源区上方，所述氧化限制层的数量与所述有源区的数量相一致。
在根据本申请的制备方法中，所述氧化限制层被可选择地形成形成于部分所述有源区的上方，所述氧化限制层的数量小于所述有源区的数量。
在根据本申请的制备方法中，所述开孔的孔径范围为1um至 100um。
在根据本申请的制备方法中，所述开孔的孔径范围为3um至50um。
在根据本申请的制备方法中，所述开孔之间的孔径差的范围为 0.1um至95um。
在根据本申请的制备方法中，所述开孔之间的孔径差的范围为 0.5um至20um。
在根据本申请的制备方法中，所述至少二氧化限制层中最邻近所述第二反射器的所述氧化限制层的开孔具有最小的孔径。
通过对随后的描述和附图的理解，本申请进一步的目的和优势将得以充分体现。
本申请的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
从下面结合附图对本申请实施例的详细描述中，本申请的这些和/ 或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1图示了现有的单结VCSEL单元的结构示意图。
图2图示了现有的多结VCSEL单元的结构示意图。
图3图示了现有的多结VCSEL单元的另一结构示意图。
图4A图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的结构示意图。
图4B图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的一变形实施的结构示意图。
图4C图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的另一变形实施的结构示意图。
图5图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的性能曲线示意图。
图6图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的另一性能曲线示意图。
图7图示了根据本申请另一实施例的VCSEL激光器的结构示意图。
图8图示了根据本申请又一实施例的VCSEL激光器的结构示意图。
图9图示了根据本申请又一实施例的VCSEL激光器的结构示意图。
图10图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的制备方法的示意图。
具体实施方式
以下说明书和权利要求中使用的术语和词不限于字面的含义，而是仅由本申请人使用以使得能够清楚和一致地理解本申请。因此，对本领域技术人员很明显仅为了说明的目的而不是为了如所附权利要求和它们的等效物所定义的限制本申请的目的而提供本申请的各种实施例的以下描述。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离发明构思的教导。在此使用的术语“和 /或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。
在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。
申请概述
如前所述，单结VCSEL器件由于其自身的电阻特性很难在实现高功率的同时达到较高的PCE。图1图示了现有的单结VCSEL器件中单结VCSEL单元的结构示意图。如图1所示，现有的一种单结VCSEL单元，自上而下依次包括：负电极1P、衬底2P、N-DBR 3P、有源区4P、氧化限制层5P、P-DBR 6P和正电极7P，其中，在工作过程中，有源区4P内存在粒子数反转，使激光媒质提供的增益足够超过损耗的情况下，当电流通过所述正电极7P和负电极1P注入时，光强将持续增加，处于高能态导带底的电子跃迁到处于低能带时，随着特定波长的光在P-DBR 6P和N-DBR 3P之间来回反射，放大过程不断重复，便形成了激光。特别地，在现有的单结VCSEL单元中单隧道结形成于有源区中。
图2图示了现有的多结VCSEL单元的结构示意图。如图2所示，相较于如图1中所示意的单结VCSEL单元，多结VCSEL单元在N-DBR 3P和P-DBR 6P之间包括相互交替设置的多个有源区4P和多个隧道结8P。例如，在如图2所示的多结VCSEL单元中，该多结VCSEL单元被实施为三节VCSEL单元，其包括三个有源区4P和两个隧道结8P，隧道结8P被夹设于每两个有源区4P之间。
本领域普通技术人员应知晓，隧道结基于隧道效应工作，所谓隧道效应是指载流子能量较低(小于势垒高度，即E<V)的情况下，由于薄膜材料本身厚度很小(10nm甚至更薄的情况下)，载流子仍然能有一定的几率穿过薄膜材料。相较于单结VCSEL器件，对于指定的功率需求，能够以相对较小的电流驱动多结VCSEL器件，由于工作电流的降低，对应的PCE也能得以提升。具体地，对于指定的功率需求，如单结VCSEL器件需要10A电流驱动，双结VCSEL器件只需要大约5A 电流驱动，三节VCSEL器件只需要3A～4A的驱动电流。
但是，由于多结VCSEL器件的几何腔长是单结VCSEL器件的多倍，导致实际多结VCSEL器件的远场束散角难以满足设计要求。为了解决多结VCSEL器件的远场束散角过大的问题，有一些厂商会尝试减少氧化限制层5P的数量，如图3所示。在如图3所示的多结VCSEL单元中，其仅配置了一个氧化限制层5P。但是，在实际测试过程中，本申请发明人发现：如果减小氧化限制层的数量，会导致发光效率降低，即，光电转化效率重新变得很低，这就失去了多结VCSEL激光器特有的优势。经分析可知，氧化限制层的目的是为了限制载流子，过多地减少氧化限制层的数量会使得对载流子的限制变得太少而使电流阈值加大，导致光电转化效率降低。也就是，现有的解决方案其仍无法兼顾多结VCSEL器件在光电转化效率和远场束散角这两方面的性能表现。
基于此，本申请发明人尝试通过改变限制层(这里的限制层不仅仅包括氧化限制层，还包括通过离子布置工艺形成的离子限制层)的配置方式，来实现在光电转化效率和远场束散角量两方面的性能兼顾。
本申请发明人通过理论研究和实验测试发现：通过改变限制层的开孔孔径和/或改变限制层相对于有源区和隧道结的位置设置可实现 VCSEL器件在光电转化效率和远场束散角量两方面的性能兼顾。具体地，在理论层面，如上所述，氧化限制层的目的是为了限制载流子，如果对载流子的限制变得太少将会使阈值加大，光电转化效率变低，但相反地，如果限制过多，将会影响载流子的分布进而影响光的模式，进而使远场发散角不受控制。因此，本申请发明人通过调整限制层的开孔孔径(更明确地使得限制层的部分开孔孔径不相等)，和/或，改变限制层相对于有源区和隧道结的位置设置(也就是，调整所述限制层的数量和设置位置)来实现VCSEL器件在光电转化效率和远场束散角量两方面性能的兼顾。
基于此，本申请提出了一种具有多隧道结的VCSEL激光器，其包括：外延结构和电连接于所述外延结构的正电极和负电极；其中，所述外延结构，包括：衬底；位于所述衬底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之间设有反射腔；形成于所述反射腔内的多个有源区和多个隧道结，所述多个有源区和所述多个隧道结在所述反射腔内交替设置；以及，形成于所述反射腔内的至少二限制层，所述至少二限制层分别具有开孔，其中，所述至少二限制层的所述开孔中至少部分开孔之间具有不同的孔径。
示意性VCSEL激光器
图4A图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的结构示意图。如图4A所示，根据本申请实施例的所述VCSEL激光器具有多隧道结。这里，隧道结基于隧道效应工作，所谓隧道效应是指载流子能量较低 (小于势垒高度，即E<V)的情况下，由于薄膜材料本身厚度很小(10nm 甚至更薄的情况下)，载流子仍然能有一定的几率穿过薄膜材料。
特别地，在如图4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器以包含一个VCSEL单元为示例，并且，所述VCSEL单元具有三节隧道结。
应可以理解，在本申请其他示例中，所述VCSEL激光器还可以包括更多数量的VCSEL单元，当然，所述VCSEL单元可包括更多数量或者更少数量的隧道结，对此，并不为本申请所局限。通常，在VCSEL 激光器中，隧道结的数量比有源区的数量少一个，例如，在如图4A 所示意的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL单元具有三节隧道结和两个有源区。
在如图4A所示的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器包括：通过外延生长工艺(例如，金属有机化合物化学气相沉淀)生成的外延结构10和电连接于所述外延结构10的正电极20和负电极30，其中，所述外延结构10，包括：衬底11、位于所述衬底11上方的第一反射器12和第二反射器13，所述第一反射器12和所述第二反射器13之间设有反射腔100、形成于所述反射腔100内的多个有源区14和多个隧道结15，所述多个有源区14和所述多个隧道结15 在所述反射腔100内交替设置，以及，形成于所述反射腔100内的至少二限制层16，所述至少二限制层16分别具有开孔160，其中，所述至少二限制层16的所述开孔160中至少部分开孔160之间具有不同的孔径。
具体地，在如图4A所示的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器包括三个所述有源区14和两个所述隧道结15，其中，所述两个隧道结15和所述三个有源区14在所述第一反射器12和所述第二反射器13形成的所述反射腔100内交替设置，即，每一层所述隧道结15被夹设于两个所述有源区14之间。
在所述VCSEL激光器中，所述有源区14包括量子阱(当然，在本申请其他示例中，所述有源区14可包括量子点)，其可以由 AlInGaAs(例如，AlInGaAs、GaAs、AlGaAs和InGaAs)、InGaAsP(例如，InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)、GaAsSb(例如，GaAsSb、 GaAs和GaSb)、InGaAsN(例如，InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN和 GaN)或者AlInGaAsP(例如，AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、 InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)制成。当然，在本申请实施例中，所述有源区14还可以通过其他用于形成量子阱层组合物制成。
在所述VCSEL激光器中，所述第一反射器12和所述第二反射器 13分别包括由不同折射率材料的交替层组成的系统，该系统形成分布式布拉格反射器(Distributed BraggReflector)。交替层的材料选择取决于所需激光的工作波长。在本申请一个具体的示例中，所述第一反射器12和所述第二反射器13可以由高铝含量的AlGaAs和低铝含量的AlGaAs的交替层形成。值得一提的是，交替层的光学厚度等于或约等于激光工作波长的1/4。特别地，在本申请实施例中，所述第一反射器12为N型掺杂的分布式布拉格反射器，即，N-DBR，所述第二反射器13为P型掺杂的分布式布拉格反射器，即，P-DBR，其中，所述P型掺杂的DBR和所述N型掺杂的DBR 03的材料，包括但不限于：InGaAsP/InP、AlGaInAs/AlInAs、AlGaAsSb/AlAsSb、 GaAs/AlGaAs、Si/MgO和Si/Al2O3等。
所述VCSEL激光器中，所述衬底1101可包括但不限于硅衬底11，蓝宝石衬底11和砷化镓衬底11等。
如图4A所示，所述多个有源区14被夹设在所述第一反射器12 和所述第二反射器13之间的所述反射腔100内，其中，光子在被激发后在所述反射腔100内来回反射不断重复放大以形成激光振荡，从而形成了激光。本领域普通技术人员应知晓，通过对所述第一反射器12和所述第二反射器13的配置和设计能够可选择地控制激光的出射方向，例如，从第二反射器13出射(即，从所述VCSEL激光器的顶表面出射)或者，从第一反射器12出射(即，从所述VCSEL激光器的底表面出射)。在本申请实施例中，所述第一反射器12和所述第二反射器13被设计使得激光在所述反射腔100内振荡后，从所述第二反射器13出射，也就是，所述VCSEL激光器为正面出光的半导体激光器。
为了限制所述VCSEL激光器的电流模式和出光模式，根据本申请实施例的所述VCSEL激光器还包括形成于所述反射腔100内的至少二限制层16，所述至少二限制层16分别具有开孔160，其中，所述至少二限制层16的所述开孔160中至少部分开孔160之间具有不同的孔径。特别地，在如图4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述至少二限制层16为通过氧化工艺形成于部分所述有源区14的上方的至少二氧化限制层16A，其中，所述氧化限制层16A被氧化的程度决定了所述氧化限制层16A的所述开孔160的孔径尺寸。
更具体地，在如图4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述氧化限制层16A的数量与所述有源区14的数量相等，即，在如图4A所示意的VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器包括三个氧化限制层16A，其分别形成于每一所述有源区14的上方。
与现有的多结VCSEL单元不同的是，在本申请实施例中，所述至少二氧化限制层16A的多个开孔160中至少部分开孔160之间具有不同的孔径，也就是，在本申请实施例中，所述VCSEL激光器具有非对称的氧化限制层16A结构。
通过非对称的氧化层结构配置，经测量可知，所述VCSEL激光器能够取得在光电转化效率和远场束散角量方面性能的兼顾。具体地，如图5和6所示，所述VCSEL激光器可以在2.7A驱动电流的前提下，其远场束散角为19°，光功率达到6.5W，光电转化效率最高可达47％。
更具体地，在本申请实施例中，所述至少二氧化限制层16A的多个开孔160的孔径尺寸可以全不相等，例如，在如图4A所示意的示例中，三个所述开孔160自上而下其孔径依次降低。或者，在如图4B所示意的示例中，三个所述开孔160的孔径尺寸自上而下依次增加。或者，在如图4C所示意的示例中，三个所述开孔160的孔径尺寸自上而下先缩小后增大。当然，在本申请其他示例中，所述多个氧化限制层16A的多个开孔160的孔径尺寸可以部分相等，对此，并不为本申请所局限。
更明确地，在本申请实施例中，所述开孔160的孔径范围为1um 至100um，优选地，所述开孔160的孔径范围为3um至50um。进一步地，在本申请实施例中，所述开孔160之间的孔径差的范围为 0.1um至95um，优选地，所述开孔160之间的孔径差的范围为0.5um 至20um。并且，在本申请实施例中，所述氧化限制层16A之间的间距等于0.5*所述VCSEL激光器产生的激光的波长的整数倍除以其间半导体的折射率的加权和，这里，其间半导体表示两个所述氧化限制层16A之间的半导体材料，加权和表示半导体的折射率以预设权重的乘积之和。所述氧化限制层16A与所述有源区14之间的距离为 0.25*所述VCSEL激光器产生的激光的波长的奇数倍除以所述衬底 11的折射率。例如，当折射率为3.4的GaAs衬底11，倍数为3时，所述氧化限制层16A与所述有源区14之间的距离为0.25*940/3.4*3～200nm。
更为优选地，在本申请实施例中，所述至少一氧化限制层16A 中最邻近所述第二反射器13的所述氧化限制层16A的开孔160具有最小的孔径。
在具体实施中，在相同的氧化工艺条件下，具有不同孔径的氧化限制层16A可通过控制所述氧化限制层16A的厚度或者所述氧化限制层16A中铝含量来实现。特别地，在本申请实施例中，所述氧化限制层16A的铝含量的范围为95％-100％，其厚度的范围为10nm-50nm。
值得一提的是，在本申请实施例中，由于所述氧化限制层16A 具有不同的孔径，因此，所述氧化限制层16A整体的被氧化的量可得以缩减，从而，所述氧化限制层16A带来的整体应力也得以减小，故所述VCSEL激光器的可靠性得以提升。
为了进一步避免过多氧化限制层16A导致的可靠性问题，在本申请其他示例中，可改变所述氧化限制层16A与所述有源区14和所述隧道结15之间的相对位置关系。图7图示了根据本申请另一实施例的VCSEL激光器的结构示意图，其中，图7所示意的所述VCSEL激光器为图4A至图4C所示意的VCSEL激光器的变形实施例。具体地，在如图7所示意的VCSEL激光器中，所述氧化限制层16A被可选择地形成形成于部分所述有源区14的上方，即，所述氧化限制层16A 的数量小于所述有源区14的数量(应注意，这里的所述氧化限制层 16A的数量仍大于等于2)。
也就是，本申请其他示例中，不针对每一个所述有源区14配置一个所述氧化限制层16A，这样，既可以保证所述VCSEL激光器的光电转化效率，同时，也可以确保其稳定性。这种方式对于具有更多结隧道结15的VCSEL器件更为重要。
值得一提的是，在本实施例中，当不针对每一个所述有源区14 配置一个所述氧化限制层16A时，所述氧化限制层16A的孔径可配置为全部相等。也就是，在不针对每一个所述有源区14配置一个所述氧化限制层16A时，所述氧化限制层16A也可被配置为具有对称结构，对此，并不为本申请所局限。
进一步地，在本申请实施例中，为了导通所述外延结构10以产生激光，所述所述VCSEL激光器进一步包括电连接于所述外延结构 10的正电极20和负电极30，其中，所述正电极20形成于所述外延结构10的上表面，所述第二电极形成于所述外延结构10的下表面。更明确地，在本申请实施例中，所述第一电极形成于所述外延结构10的所述第二反射器13的上方；所述第一电极形成于所述外延结构10的所述衬底11的下方。
值得一提的是，在本申请其他示例中，所述正电极20和所述负电极30也可以形成于所述VCSEL激光器的其他位置，对此，并不为本申请所局限。
图8图示了根据本申请又一实施例的VCSEL激光器的结构示意图。相较于图4A至4B和图7所示意的VCSEL激光器，在本申请实施例中，所述VCSEL激光器中的所述限制层16为通过离子布置工艺形成的离子限制层16。
如图8所示，在本申请实施例中，所述离子限制层16的数量与所述有源区14的数量相等，即，在如图8所示意的VCSEL激光器中，其包括三个离子限制层16B，分别形成于每一所述有源区14的上方。相一致地，在本申请实施例中，所述至少二离子限制层16B的多个开孔160中至少部分开孔160之间具有不同的孔径，也就是，所述 VCSEL激光器具有非对称的离子限制层16B结构。
更具体地，在本申请实施例中，所述多个离子限制层16B的多个开孔160的孔径尺寸可以全不相等，当然，所述多个离子限制层 16B的多个开孔160的孔径尺寸可以部分相等，对此，并不为本申请所局限。
更明确地，在本申请实施例中，所述开孔160的孔径范围为1um 至100um，优选地，所述开孔160的孔径范围为3um至50um。进一步地，在本申请实施例中，所述开孔160之间的孔径差的范围为 0.1um至95um，优选地，所述开孔160之间的孔径差的范围为0.5um 至20um。更为优选地，所述至少一离子限制层16B中最邻近所述第二反射器13的所述离子限制层16B的开孔160具有最小的孔径。
在具体实施中，被注入的离子包括但不限于氢离子，氧离子等，其可从所述第二反射器13的上表面注入至所述反射腔100内，所述粒子被注入的深度可基于注入时的能量控制。具体地，当要注入更深时，可加大能量以使得被注入的离子更邻近于所述第一反射器12，当要注入浅一些时，可减小能量以使得被注入的离子更邻近于所述第二反射器13。相应地，基于注入离子的能量和注入离子的量便能够控制所述离子限制层16B的所述开孔160的尺寸。
值得一提的是，在本申请其他示例中，所述限制层16还可以是离子限制层16B和所述氧化限制层16A的组合，也就是，所述至少二限制层16包含至少一通过氧化工艺形成的氧化限制层16A，并且，所述至少二限制层16包含至少一通过离子布植工艺形成的离子限制层16B，如图9所示。
综上，基于本申请实施例的所述VCSEL激光器被阐明，其通过调整所述限制层16的开孔160孔径和/或调整所述限制层16相对于有源区14和隧道结15之间的位置设置，实现VCSEL器件在光电转化效率和远场束散角量两方面的性能兼顾。
示意性制备方法
图10图示了根据本申请实施例的VCSEL激光器的制备方法的示意图。
如图10所示，根据本申请实施例的制备过程，包括：首先通过外延生长工艺形成外延结构10，其包括：衬底11、位于所述衬底11 上方的第一反射器12和第二反射器13、以及，形成于所述第一反射器12和所述第二反射器13之间的多个有源区14和多个隧道结 15，所述多个有源区14和所述多个隧道结15之间交替设置；然后，通过氧化工艺在所述第一反射器12和所述第二反射器13之间形成至少二氧化限制层16A，所述至少二氧化限制层16A分别具有开孔 160，其中，所述开孔160中至少部分开孔160之间具有不同的孔径。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述氧化限制层16A被分别形成于每一所述有源区14上方，所述氧化限制层 16A的数量与所述有源区14的数量相一致。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述氧化限制层16A被可选择地形成形成于部分所述有源区14的上方，所述氧化限制层16A的数量小于所述有源区14的数量。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述开孔160 的孔径范围为1um至100um。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述开孔 160的孔径范围为3um至50um。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述开孔 160之间的孔径差的范围为0.1um至95um。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述开孔160之间的孔径差的范围为0.5um至20um。
在一个示例中，在上述VCSEL激光器的制备方法中，所述至少二氧化限制层16A中最邻近所述第二反射器13的所述氧化限制层 16A的开孔160具有最小的孔径。
综上，基于本申请实施例的所述VCSEL激光器的制备方法被阐明，其能够制备如上所述的VCSEL激光器。应注意到，如图10所示意的制备过程以制备所述限制层16为氧化限制层16A的VCSEL激光器为示例，应可以理解，当所述限制层16为离子限制层16B或者所述限制层16为离子限制层16B和氧化限制层16A的组合时，对应的制备过程可通过简单变化得知，对此，不再赘述。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的优势已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (22)

1.一种具有多隧道结的VCSEL激光器，其特征在于，包括：外延结构和电连接于所述外延结构的正电极和负电极；
其中，所述外延结构，包括：
衬底；
位于所述衬底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之间设有反射腔；
形成于所述反射腔内的多个有源区和多个隧道结，所述多个有源区和所述多个隧道结在所述反射腔内交替设置；以及
形成于所述反射腔内的至少二限制层，所述至少二限制层分别具有开孔，其中，所述至少二限制层的所述开孔中至少部分开孔之间具有不同的孔径，每个所述限制层形成在所述有源区的上方，所述限制层的数量和所述有源区的数量相等或少于所述有源区的数量。
2.根据权利要求1所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述限制层被分别形成于每一所述有源区上方，所述限制层的数量与所述有源区的数量相一致。
3.根据权利要求1所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述限制层被可选择地形成
于部分所述有源区的上方，所述限制层的数量小于所述有源区的数量。
4.根据权利要求2或3所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述开孔的孔径范围为1um至100um。
5.根据权利要求4所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述开孔的孔径范围为3um至50um。
6.根据权利要求5所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述开孔之间的孔径差的范围为0.1um至95um。
7.根据权利要求6所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述开孔之间的孔径差的范围为0.5um至20um。
8.根据权利要求4所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制层的所述开孔之间的孔径尺寸相互之间都不相等。
9.根据权利要求2或3所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制层中最邻近所述第二反射器的所述限制层的开孔具有最小的孔径。
10.根据权利要求1所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制层包含至少一通过氧化工艺形成的氧化限制层。
11.根据权利要求1所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制层包含至少一通过离子布植工艺形成的离子限制层。
12.根据权利要求1所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制层包含至少一通过氧化工艺形成的氧化限制层，并且，所述至少二限制层包含至少一通过离子布植工艺形成的离子限制层。
13.根据权利要求10所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制层为全部通过氧化工艺形成的氧化限制层。
14.根据权利要求13所述的具有多隧道结的VCSEL激光器，其中，所述氧化限制层之间的间距等于0.5*所述VCSEL激光器产生的激光的波长的整数倍除以其间半导体的折射率的加权和，其中所述其间半导体表示两个所述限制层之间的半导体材料，所述加权和表示该半导体的折射率以预设权重的乘积之和，所述限制层与所述有源区之间的距离为0.25*所述VCSEL激光器产生的激光的波长的奇数倍除以所述衬底的折射率。
15.一种具有多隧道结的VCSEL激光器的制备方法，其特征在于，包括：
通过外延生长工艺形成外延结构，其包括：衬底、位于所述衬底上方的第一反射器和第二反射器、以及，形成于所述第一反射器和所述第二反射器之间的多个有源区和多个隧道结，所述多个有源区和所述多个隧道结之间交替设置；以及
通过氧化工艺在所述第一反射器和所述第二反射器之间形成至少二氧化限制层，所述至少二氧化限制层分别具有开孔，其中，所述开孔中至少部分开孔之间具有不同的孔径，每个所述限制层形成在所述有源区的上方，所述限制层的数量和所述有源区的数量相等或少于所述有源区的数量。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其中，所述氧化限制层被分别形成于每一所述有源区上方，所述氧化限制层的数量与所述有源区的数量相一致。
17.根据权利要求15所述的制备方法，其中，所述氧化限制层被可选择地形成于部分所述有源区的上方，所述氧化限制层的数量小于所述有源区的数量。
18.根据权利要求15所述的制备方法，其中，所述开孔的孔径范围为1um至100um。
19.根据权利要求15所述的制备方法，其中，所述开孔的孔径范围为3um至50um。
20.根据权利要求19所述的制备方法，其中，所述开孔之间的孔径差的范围为0.1um至95um。
21.根据权利要求20所述的制备方法，其中，所述开孔之间的孔径差的范围为0.5um至20um。
22.根据权利要求16所述的制备方法，其中，所述至少二氧化限制层中最邻近所述第二反射器的所述氧化限制层的开孔具有最小的孔径。
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