CN114552381A - 具有紧凑的有源区堆叠的多结vcsel - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有紧凑的有源区堆叠的多结VCSEL。多结VCSEL由紧凑的结构形成，其通过减小用于形成多结器件的这种区域的堆叠中相邻有源区之间的间距来减小横向电流散布。堆叠内的至少两个有源区位于VCSEL的强度分布的相邻峰值，并且中间的隧道结被定位于两个峰值之间的低谷处。有源区与峰值的对齐使所生成的光功率最大化，而隧道结与低谷的对齐使光学损耗最小化。相邻峰值上的紧密间距形成了紧凑的结构(该紧凑的结构甚至可以包括一个具有在λ以下的光学长度的腔体)，这缩短了载流子行进的总路径，从而减少了横向电流散布。

Description

具有紧凑的有源区堆叠的多结VCSEL
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件，且更具体地说，涉及一种具有在堆叠中形成的并由隧道结间隔的两个或更多个有源区的VCSEL，堆叠本身在独立层的数量方面进行压缩，以便限制横向电流散布，这增加了光学限制并使光学损耗最小化。
发明背景
VCSEL具有激光腔，该激光腔被夹在双镜堆叠(two mirror stacks)之间，并由双镜堆叠限定。通常在半导体衬底(在许多情况下是GaAs或InP衬底)上制造VCSEL，其中“底部”镜堆叠被形成在衬底的顶面上，且然后被激光腔和“顶部”镜堆叠覆盖。每个镜堆叠包括多个外延层，该多个外延层具有交替的折射率值(即，在“高”和“低”折射率值之间交替)。腔体区域本身包括有源区，该有源区可以由例如一个或更多个量子阱结构形成。当光从具有一个折射率的层传递到具有另一个具有折射率的层时，一部分光被反射，产生衍射布拉格反射器(DBR)结构。通过使用足够数量的交替层，高百分比的光被反射，并且在腔体中产生驻波图案。
以足够高的偏置电流(称为阈值电流)，注入的少数载流子在量子阱中形成粒子数反转(population inversion)，产生增益。当在双镜中光学增益超过总损耗时，通过其中一个镜堆叠的外表面发生激光发射。与传统边缘发射激光二极管相比，VCSEL具有更低的阈值电流、低发散度圆形输出光束和纵向单模发射(以及在特定应用中的其他优势)。
在一些构造中，在顶部DBR内包括附加层，并且附加层通常位于更靠近有源区的较低层中。该层被称为氧化物孔隙层(oxide aperture layer)，通常是原始DBR层之一，其被修改以包括较高浓度的铝。使用一组工艺步骤来氧化该层的大部分，留下其原始成分的中心部分，以形成用于限制从有源区发射的光束的“孔隙”。
已经发现，可以由单个VCSEL器件传送的光输出功率固有地限制了其尺寸相对小的孔隙，这是防止注入电流在穿过器件结构的深度时横向散布的要求。已经提出了通过在形成激光腔的反射镜之间堆叠多个有源区来实现来自各个VCSEL器件的较高输出功率。这些“多个有源区”器件通过在相邻有源区之间形成的隧道结将一个有源区电耦合到另一个有源区。隧道结内的掺杂水平需要相对较高(例如，大于1E19/cm3)，以便有效地在有源区之间传输载流子。
虽然通过使用多个有源区可以获得输出功率的增加，但是关于电流散布和模态不稳定性的固有问题仍然存在。已经提出了在最低位置定位的有源区下方包括第二氧化物孔隙来限制电流散布。这具有以下缺点：必须尽可能多地控制和匹配两个氧化物孔隙尺寸，而这依赖于各种制造工艺可变因素，包括但不限于，VCSEL的台面蚀刻轮廓、铝成分和被指定用于形成氧化物孔隙的层的厚度等。除了制造难度之外，包含第二氧化物孔隙导致器件内更高的电阻(因此导致更高的电压要求、更低的电光转换效率(wall plug efficiency)和更高的自加热；这些因素都导致较低的光输出功率)。
发明概述
本发明解决了这些现有技术方法中存在的问题，本发明涉及一种高输出功率的VCSEL，其具有在堆叠中形成的并由隧道结间隔的两个或更多个有源区，堆叠本身在独立层的数量方面进行压缩，以便限制横向电流散布，这增加光学限制并使光学损耗最小化。
多结VCSEL形成一个紧凑的结构，其通过减小在用于形成多结器件的这些区域的堆叠中的相邻有源区之间的间距来减小横向电流散布。具体而言，堆叠内的有源区中的至少两个有源区位于VCSEL的强度分布的相邻峰值处，并且中间的隧道结定位于两个峰值之间的低谷处。有源区与峰值的对齐使所生成的光功率最大化，而隧道结与低谷的对齐使光学损耗最小化。相邻峰值的紧密间距形成一个紧凑的结构(该结构甚至可以包括具有在λ以下的光学长度(sub-λoptical length)的腔体)，缩短了载流子行进的总路径，从而减少了横向电流散布。
本发明的多结紧凑型VCSEL包括某些类型的载流子限制元件，该载流子限制元件在许多情况下包括定位于堆叠中“顶部”有源区上方的氧化物孔隙层。可替代地，可以使用被加工成呈现某种圆形形式(轮廓类似于“孔隙”)的导电元件，并且该导电元件可以包括用于形成隧道结的相同双层结构。
本发明的示例性实施例可以采取多结垂直腔面发射激光器(VCSEL)的形式，其包括以下元件：在衬底上形成的第一分布式布拉格反射器(DBR)；定位于第一DBR上方并与第一DBR间隔的第二DBR，其中，每个DBR包括具有交替折射率值的层的堆叠(第一DBR和第二DBR的组合形成了支持激射场强的驻波的谐振结构，该激射场强的驻波由被多个强度低谷间隔的多个强度峰值限定)；在第一DBR和第二DBR之间形成堆叠的数量为N的多个有源区(每个有源区包括MQW结构)；以及一个或更多个隧道结，每个隧道结包括被设置在第二导电类型的高导电层上的第一导电类型的高导电层，并且间隔隧道结被设置在数量为N的多个有源区中的相邻的一对有源区之间，每个隧道结形成在相关联的一对有源区之间的载流子移动的路径。
在下面的讨论过程中，并且通过参考附图，本发明的其他方面和特征以及另外的方面和特征将变得明显。
附图简述
现在参考附图，其中在多个视图中相似的数字代表相似的部件：
图1是现有技术的VCSEL的简化视图；
图2描绘了用于形成传统现有技术的VCSEL的各个区域的铝成分，以及所产生的场强的驻波图案；
图3示出了根据本发明原理形成的示例性双结VCSEL；
图4是对于图3的布置，覆盖有场强驻波图案的铝成分的绘图；
图5是关于本发明实施例的铝成分(和场强)的绘图，其中在氧化物孔隙层和器件有源区之间的间隔减小了；
图6是类似于图5的绘图，但是在这种情况下与本发明的构造相关联，该构造利用了一对氧化物孔隙层，且保持了紧凑的物理形式；
图7示出了本发明的替代实施例，在这种情况下，利用具有四个独立的有源区(由隧道结分开)的堆叠来形成保持相对小的物理尺寸的高功率VCSEL；
图8是用于图7的4堆叠实施例的铝成分和强度场的绘图；
图9是与图7的布置的变型相关联的绘图，在这种情况下，第二氧化物孔隙被包括在4堆叠内(例如，在中间的一对有源区之间)，以使电流重新成形并减少横向电流散布的量；
图10是形成本发明的紧凑型VCSEL的制造工艺中的示例性步骤的简化图，该制造工艺利用高电导率中心区域(而不是“孔隙”)来提供电流限制；
图11示出了图10中概述的工艺中的后续步骤，其中高导电率材料被图案化以将中心区域形成为圆形；并且
图12示出了工艺中的后续步骤，其中“顶部”DBR形成在图11的结构上方；并且
图13示出了图12的实施例的替代构造，其中，在这种情况下，第二高电导率中心区形成在有源区的堆叠内，以提高根据本发明的原理形成的高功率紧凑多结VCSEL的电流限制能力。
详细描述
图1是传统现有技术的VCSEL 1的简化视图，该VCSEL被形成为包括一对“堆叠的”有源区2-1和2-2。如图所示，隧道结3定位于有源区2-1和2-2之间，并且用于以从作为给结构(未示出)的输入而被施加的偏置电流激励两个区域的方式，在有源区之间移动空穴和电子。如图1的放大部分所示，隧道结3包括在高掺杂p型层3p上形成的高掺杂n型层3n。为了允许载流子隧穿隧道结，掺杂水平需要在1x1019cm-3或更高的数量级。示出了在p型分布式布拉格反射器(pDBR)5内形成的常规氧化物孔隙层4，其中，所产生的光输出通常是从pDBR 5发出的。n型DBR(示出为nDBR 6)形成激光器结构的底部反射部分。
在反向偏压下，隧道结3用于将电极注入第一有源区2-1的n侧，并将空穴注入第二有源区2-2的p侧。理论上，对于相同的注入电流，包含两个有源区则将生成大于两倍的光输出功率(并且，通过扩展，N个有源区的堆叠将会生成N倍的输出功率)。虽然能够产生一些额外的输出功率，但是到目前为止所描述的现有技术结构表现出了在注入电流从第一有源区2-1流到第二有源区2-2时注入电流横向散布的问题。结果，第二有源区2-2将表现出比第一有源区2-1更低的电流密度(以及因此更低的增益)。根据特定的构造，因此可以观察到阈值电流的增加。
解决这个问题的现有技术方法是将第二氧化物孔隙层结合到该结构中，如图1中的氧化物孔隙层7所示。包含这种附加孔隙将有助于控制注入电流的横向散布，从而提高器件的光学性能。这种方法仍然存在各种制造问题，并且腔体的进一步延长导致该器件的阻抗值高得多。
图2描绘了用于现有技术的VCSEL 1的各个区域的铝成分以及所产生的场强的驻波图案，其中，这些参数被认为有助于理解VCSEL的构造和由特定布置形成的腔体的边界。在绘图的左侧部分示出在nDBR 6内的层内的铝含量，并且右侧部分示出在pDBR 5的层内的铝含量。有源区2-1和2-2由在两个DBR之间的中心区域中的MQW结构表示，并且隧道结3如图所示定位于第一有源区2-1的n侧和第二有源区2-2的p侧之间。氧化物孔隙层4被示出为是在pDBR 5内的铝含量相对较高的层，并且出于识别目的而被遮蔽(shaded)。类似地示出了与第二有源区2-2相关的第二氧化物孔隙层7。
覆盖在该绘图上的是通过向该结构中注入电流而产生的场强，该结构采用驻波图案的形式，形成由nDBR 6和pDBR 5产生的在镜之间的谐振结构。在大多数情况下，有源区2-1和2-2被定位成与场强的峰值重合(以使所产生的增益最大化)，而隧道结3和氧化物孔隙层5、7被定位成与场强的低谷重合(以使损耗最小化)。该结构的腔体8被限定为跨在第二有源区2-2下方的第一强度峰值(在图2中表示为N峰值)和第一有源区2-1上方的第一强度峰值(表示为P峰值)之间的区域。对于这种特殊的结构，腔体8被示出为具有3λ的光学长度，这是相当大的，并且是结构内相对高阻抗以及与较长光路相关联的较高光学损耗的一个因素。
图3示出了根据本发明形成的示例性双结VCSEL 10，其表现出相对紧凑的结构，消除了对第二氧化物孔隙的需要，并且还减小了器件的腔体长度。如图所示，VCSEL 10包括由隧道结14间隔的第一有源区12-1和第二有源区12-2。另外，VCSEL 10包括nDBR 16和pDBR18，并且在pDBR 18内形成氧化物孔隙层20。图4是VCSEL 10的铝成分(和所产生的场强)的绘图，类似于如上所述的图2。
根据本发明的原理，有源区12和隧道结14的组合以紧凑的形式布置，当注入的电流通过该结构时，这个紧凑的形式使注入的电流的横向散布最小化。具体地，有源区12-1和12-2被设置成与强度分布中的相邻峰值(在图4中被示出为P-1和P-2)对齐，并且隧道结14被定位成与在相邻峰值之间的低谷T对齐。当与现有技术图2相比的时候，这种布置的紧凑性是明显的。图4中还示出了本发明的VCSEL 10结构的腔体边界(即，N峰值、P峰值)的位置。与这种紧凑的布置相关联的是，光学腔体长度被示出为从(如上所述的现有技术的)值3λ减少到值1.5λ。
为了进一步使本发明的紧凑型VCSEL 10内的横向电流散布最小化，可以减小在氧化物孔隙层20和第一有源区12-1之间的间隔。关于VCSEL的有源区和氧化物孔隙层的相对定位的各种细节可以在我们的于2020年4月27日提交的共同未决的美国专利申请第16/858,909号中找到，并且该美国专利申请在此通过引入并入本文。
图5是与本发明的这种减小的氧化物孔隙层间隔的实施例相关联的绘图。如图所示，有源区12-1定位于与低谷T-20相邻的强度峰值Pa上，在低谷T-20处定位有氧化物孔隙层20。如同上面结合图3和图4讨论的紧凑的构造一样，第二有源区12-2位于紧接的峰值(在图5中显示为强度峰值Pb)处，隧道结14被定位于在峰值Pa和Pb之间的低谷T处。由于这种构造，实现了与“单个”有源区VCSEL相关联的1λ的常规腔长。通过以这种方式使第一有源区12-1和氧化物孔隙层20之间的间隔最小化，横向电流散布被进一步减小，这允许注入电流的阈值水平降低(因此增加了VCSEL 10的效率)。此外，减小的光路使光学损耗最小化，这导致阈值电流的进一步减小以及斜率效率的增加，这也有利于生成更高的光输出功率。
如果需要，可以向在这些布置中的任何一个添加第二氧化物孔隙层。虽然增加了一些制造复杂性并且在该结构内增加了电阻，但是可能存在着对注入电流的额外限制会有帮助的情况。图6是示出添加定位于第二有源区12-2下方的第二氧化物孔隙层22的绘图。对这一层的包含改变了强度分布，使得腔体的光学长度减少到0.5λ。要注意的是，虽然第二氧化物孔隙层22定位于刚好低于与有源区12-2相关联的峰值的低谷Ta处，但是也可以将第二氧化物孔隙层22放置于低谷Tb处，这可以减少制造问题并且仍然提供额外的电流限制。
如上所述，可以在VCSEL内堆叠数量为N的多个有源区，对于基本相同的输入电流阈值水平，提供接近N倍的光输出功率增加。图7示出了示例性的4堆叠VCSEL 30，其包括一系列四个单独的有源区32-1、32-2、32-3和32-4，并且在相邻的有源区之间设置有单独的隧道结。具体地，第一隧道结34-1设置在有源区32-1和32-2之间，第二隧道结34-2设置在有源区32-2和32-3之间，并且第三隧道结设置在有源区32-3和32-4之间。如图所示，紧凑的4堆叠VCSEL 30还包括nDBR 36和pDBR 38，其中氧化物孔隙层40设置在pDBR 38中的第一有源区32-1上方。
图8是与紧凑的4堆叠VCSEL 30相关联的绘图。与上述布置一样，示出了有源区32定位于相邻的峰值P1、P2、P3和P4上，其中沿着在相邻峰值之间的低谷T1、T2、T3定位了隧道结34-1、34-2和34-3。另外，有源区32-1被示出为定位于刚好低于氧化物孔隙层40的位置的峰值处，这提供了额外的电流限制。正因如此，本发明的布置提供了一组四个独立有源区的最紧凑的布置，所有这些都在1.5λ的光腔长度内。
虽然图7和图8的构造形式极为紧凑，但是在所有四个有源区的范围上存在固有量的横向电流散布。为了减少电流散布，紧凑的4堆叠VCSEL 30的另一种构造可以被布置成在堆叠内包括附加的氧化物孔隙层42(例如，在这一组的中点)。图9是与该构造相关联的绘图。在此，第二氧化物孔隙层42定位于刚好低于隧道结34-2所在的低谷的低谷T-42处。如上所述，这些层可以相对于场强图位于各种位置处，但是将氧化物孔隙层定位在低谷位置处/在低谷位置附近使器件内的光学损耗最小化。因此，在这种情况下，将第二氧化物孔隙层42定位在低谷处的选择导致了有源区32-2和32-3之间的间隔增加，这是由于在隧道结34-2和第二氧化物孔隙层42之间的分布中存在“空”峰值。本发明的这种双氧化物孔隙实施例在图9中示出为具有光学长度为2λ的腔体(包括四个单独有源区的堆叠)，仍然远低于现有技术双有源区布置的3λ的腔体尺寸。
虽然本发明的紧凑型多结VCSEL的各种实施例已经被描述为使用氧化物孔隙层以用于载流子限制，但是应当理解，还有其他技术可以用于提供载流子限制。例如，代替使用具有中心孔隙的介电层，可以使用中心“高导电”元件来实现相同的结果。因此，根据本发明的教导，可以将位于中心的隧道结结构添加到第一有源区周围的“堆叠”中(因为已经开发了包括形成插入的隧道结的步骤的制造工艺)，并且将该顶部隧道结用作载流子限制元件。
图10-图12示出了可用于在本发明的紧凑的多结VCSEL内形成位于中心的隧道结的一组工艺步骤。图10示出了示例性紧凑的双结VCSEL 50的工艺中的一点，其中已经形成了除了最上面的DBR镜之外的所有器件层。在该点处VCSEL 50被示出为包括由隧道结54间隔的第一有源区52-1和第二有源区52-2。如图所示，已经在nDBR 56上制造了形成这种结构所需的各种半导体层。
在形成pDBR之前，隧道结58被示出为在第一有源区52-1的暴露的p侧表面上方形成。为了提供“限制”，需要修改隧道结58的结构，使得仅保留中央导电“盘”。为了实现这一点，图10所示的结构以本领域公知的方式被构图和蚀刻，以去除隧道结58的外部部分，仅留下导电盘58A，如图11所示。一旦导电盘58A形成，就在暴露的表面上方添加第二DBR 60。在这种情况下，使用另一个n型DBR，如图12的最终器件结构所示。
横向限制是通过使导电盘58A采用nDBR 60覆盖导电盘58A的暴露表面而实现的。虽然中心区域的电导率由于盘58A的存在而增加，但是在有源区52-1的p侧和顶部nDBR 60之间形成的PN结将会是不导电的(即，反向偏置的)。虽然这种方法具有要求nDBR 60过度生长的复杂性，但是与传统的pDBR相比，使用n型DBR的能力导致更低的光学损耗(即，更低的阈值和高斜率)，以及更低的电阻(因为n掺杂半导体材料的电导率大于p掺杂半导体材料的电导率)。
图13示出了图12的构造的替代实施例。在这种情况下，通过还蚀刻隧道结54来去除外围区域，留下导电盘54A，实现了额外的载流子限制。同样，虽然这改善了结构内的载流子限制，但它又增加了制造工艺的复杂性。
尽管前述内容针对本发明的实施例，但是在不脱离由所附权利要求确定的基本范围的情况下，可以设计出本发明的其他的和进一步的实施例。

Claims (14)

1.一种多结垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包括：
第一分布式布拉格反射器(DBR)，其形成在衬底上；
第二DBR，所述第二DBR被定位于所述第一DBR上方，其中，每个DBR包括具有交替折射率值的层的堆叠，所述第一DBR和所述第二DBR的组合形成支持激射场强的驻波的谐振结构，所述激射场强的驻波由被多个强度低谷间隔的多个强度峰值限定；
数量为N的多个有源区，所述数量为N的多个有源区形成为在所述第一DBR和所述第二DBR之间的有源区的堆叠，每个有源区包括MQW结构；和
一个或更多个隧道结，每个隧道结包括被设置在第二导电类型的高导电层上方的第一导电类型的高导电层，并且间隔隧道结被设置在所述数量为N的多个有源区中的相邻一对有源区之间，每个隧道结形成在相关联的一对有源区之间的载流子移动的路径。
2.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中，所述数量为N的多个有源区中的一个或更多个有源区被定位成与所述多个强度峰值中的各个强度峰值重叠。
3.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中，所述数量为N的多个有源区中的每个有源区被定位成与所述多个强度峰值中的单独的强度峰值重叠。
4.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中，一个或更多个隧道结被定位成与所述多个强度低谷中的各个强度低谷重叠。
5.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中，每个隧道结被定位成与所述多个强度低谷中的单独的强度低谷重叠。
6.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中，所述多结VCSEL还包括：
载流子限制元件，所述载流子限制元件被设置在所述有源区的堆叠中的顶部有源区上方并且靠近所述顶部有源区。
7.根据权利要求6所述的多结VCSEL，所述载流子限制元件包括氧化物孔隙层。
8.根据权利要求6所述的多结VCSEL，其中，所述载流子限制元件包括被设置在所述VCSEL结构的中心区域中的导电元件。
9.根据权利要求8所述的多结VCSEL，其中，所述导电元件包括隧道结，所述隧道结被图案化以表现出图案化的盘结构。
10.根据权利要求6所述的多结VCSEL，其中，所述载流子限制元件被定位成靠近与所述顶部有源区的强度峰值位置邻近的强度低谷。
11.根据权利要求6所述的多结VCSEL，其中，所述多结VCSEL还包括一个或更多个附加的载流子限制元件，所述一个或更多个附加的载流子限制元件被设置在所述第一DBR和所述第二DBR之间的腔体中。
12.根据权利要求11所述的多结VCSEL，其中，附加的载流子限制元件被定位于所述有源区的堆叠的中点。
13.根据权利要求12所述的多结VCSEL，其中，所述附加的载流子限制元件被定位成与强度低谷重叠。
14.一种双结VCSEL，包括：
第一分布式布拉格反射器(DBR)，其形成在衬底上；
第二DBR，所述第二DBR被定位于所述第一DBR上方，其中，每个DBR包括具有交替折射率值的层的堆叠，所述第一DBR和所述第二DBR的组合形成支持激射场强的驻波的谐振结构，所述激射场强的驻波由被多个强度低谷间隔的多个强度峰值限定；
第一有源区和单独的第二有源区，所述第一有源区和第二有源区形成为在所述第一DBR和所述第二DBR之间的堆叠，每个有源区包括MQW结构；和
隧道结，所述隧道结包括被设置在第二导电类型的高导电层上方的第一导电类型的高导电层，所述隧道结被设置在所述第一有源区和第二有源区之间，在所述第一有源区和第二有源区之间形成载流子移动的路径。
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