CN115882337A - 双向垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

在一些实施方式中，垂直腔表面发射激光器装置包括基板层和设置在基板层上的用于底部发射VCSEL的第一组外延层。第一组外延层可以包括第一组反射镜和至少一个第一有源层。VCSEL装置可以包括用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，其设置在用于底部发射VCSEL的第一组外延层上。第二组外延层可以包括第二组反射镜和至少一个第二有源层。顶部发射VCSEL和底部发射VCSEL可以被配置为在相反的光发射方向上发射光。

Description

双向垂直腔面发射激光器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2021年9月27日提交的题为“垂直偏移单基板单芯片垂直腔表面发射激光器”的第63/261697号美国临时专利申请的优先权。本专利申请还要求于2021年9月27日提交的题为“双向垂直腔表面发射激光器芯片”的第63/261699号美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本公开总体上涉及激光器和双向垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
背景技术
垂直发射装置(诸如垂直腔表面发射激光器)可以包括激光器、光发射器等，其中在垂直于基板表面的方向上(例如，从半导体晶片的表面垂直地)发射光束。多个垂直发射装置可以布置在公共基板上的一个或多个发射器阵列(例如，VCSEL阵列)中。
发明内容
在一些实施方式中，垂直腔表面发射激光器装置包括基板层和设置在基板层上的用于底部发射VCSEL的第一组外延层，第一组外延层包括第一组反射镜和至少一个第一有源层。VCSEL装置包括用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，其设置在用于底部发射VCSEL的第一组外延层上，第二组外延层包括第二组反射镜和至少一个第二有源层。顶部发射VCSEL和底部发射VCSEL被配置为在相反的光发射方向上发射光。
在一些实施方式中，模块包括壳体，该壳体包括孔和附接到壳体的VCSEL装置。VCSEL装置包括基板层和设置在基板层上的用于底部发射VCSEL的第一组外延层，第一组外延层包括第一组反射镜和至少一个第一有源层。VCSEL装置包括用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，其设置在用于底部发射VCSEL的第一组外延层上，第二组外延层包括第二组反射镜和至少一个第二有源层。顶部发射VCSEL和底部发射VCSEL被配置为在相反的光发射方向上发射光，并且底部发射VCSEL的第一发射区域或顶部发射VCSEL的第二发射区域与外壳的孔对准。
在一些实施方式中，一种方法包括在基板上生长用于底部发射VCSEL的第一组外延层，第一组外延层包括第一组反射镜和至少一个第一有源层。该方法包括在第一组外延层上生长用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，第二组外延层包括第二组反射镜和至少一个第二有源层。该方法包括蚀刻第二组外延层的一部分，直到第一组外延层的表面被暴露出来。顶部发射VCSEL和底部发射VCSEL被配置为在相反的光发射方向上发射光。
附图说明
图1A和1B是分别描绘示例发射器的俯视图和示例发射器沿线X-X的横截面图的图。
图2是示例垂直腔表面发射激光器装置的图。
图3是示例VCSEL装置的图。
图4是示例VCSEL阵列的图。
图5是示例VCSEL装置的图。
图6是如本文所述的用于形成双向VCSEL的示例性过程的流程图。
具体实施方式
示例说明书的以下详细实施例参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
垂直腔表面发射激光器和边缘发射激光器在不同方向上发射光，这在需要小形状因子的应用中可能特别相关。VCSEL在垂直于晶片表面的方向上垂直发射。因此，VCSEL的厚度可以由生长的VCSEL的层的数量和制造期间VCSEL的基板变薄的量来决定。EEL从装置的边缘发射，平行于晶片表面。此外，VCSEL可以与直接放置在VCSEL表面上方的外部光学装置对接。如果发射是在与晶片表面相同的方向上，则EEL需要额外的光学装置来将发射光的方向改变90度。
另外，VCSEL可以在VCSEL(例如，顶部发射VCSEL)的生长方向上从芯片的顶部发射光，或者通过VCSEL(例如，底部发射VCSEL)的背面向下穿过基板发射光。每种类型的VCSEL可以利用不同的外延设计和不同的制造工艺。顶部发射VCSEL可以比底部发射VCSEL更容易制造，但是顶部发射VCSEL可能需要与外部光学部件组合使用。底部发射VCSEL可以将光学部件集成到底部发射VCSEL的基板的背面上以降低复杂性，但是底部发射VCSEL的制造工艺可能比顶部发射VCSEL更复杂。顶部发射VCSEL和/或底部发射VCSEL可以用于与点投影仪、间接飞行时间(ITOF)、直接飞行时间(DTOF)和/或光检测和测距(光检测和测距)等相关的应用中。
在一些情况下，多个VCSEL芯片可以集成到诸如智能电话的设备中。例如，集成到设备中的第一VCSEL芯片可以被配置为面向用户(例如，在设备的显示器的发射方向上发射光)，这可以被称为“面向前”。继续该示例，集成到设备中的第二VCSEL芯片可以被配置为面向世界(例如，与设备的显示器的发射方向相反地发射光)，这可以被称为“面向世界”。通常，在这种配置中使用的两个VCSEL芯片都可以是顶部发射的。此外，每个VCSEL芯片可以集成到单独的模块中，从而增加整体装置尺寸和厚度。
本文描述的一些实施方式提供了在相反方向上(例如，双向地)发射光的VCSEL装置。在一些实施方式中，不同类型(例如，顶部发射和底部发射)的VCSEL可以集成在单个芯片上。例如，顶部发射VCSEL和底部发射VCSEL(例如，具有不同有源层和反射镜的独立VCSEL)可以以在相反方向上提供发射的配置集成到同一芯片中。在一些实施方式中，用于一个或多个底部发射VCSEL的第一组外延层可以设置在基板层(例如，晶片)上，并且用于一个或多个顶部发射VCSEL的第二组外延层可以设置在第一组外延层上。例如，可以在相同的基板层上生长多个完整的VCSEL外延堆叠，并且可以在制造期间暴露下部VCSEL堆叠以产生在相反的光发射方向上发射光的多个VCSEL。
以这种方式，单个VCSEL模块可以包括具有减小的形状因子的顶部发射和底部发射VCSEL。此外，VCSEL(例如，其可以被独立地控制)实现光的双向发射以促进面向前和面向世界的操作。因此，可以在不需要单独的VCSEL芯片和模块的情况下实现面向前和面向世界的操作，从而降低复杂性、厚度和整体形状因子。
图1A和图1B是分别描绘示例发射器100的俯视图和示例发射器100的沿线X-X的横截面图150的示图。如图1A所示，发射器100可以包括以发射器架构构造的一组发射器层。在一些实施方式中，发射器100可以对应于本文所述的一个或多个垂直发射装置。
如图1A所示，发射器100可以包括在该示例中为圆形形状的注入保护层102。在一些实现中，注入保护层102可以具有另一形状，诸如椭圆形、多边形等。注入保护层102基于包括在发射器100中的注入材料(未示出)的各部分之间的空间来限定。
如图1A中的中灰色和深灰色区域所示，发射器100包括欧姆金属层104(例如，p-欧姆金属层或n-欧姆金属层)，其被构造成部分环形(例如，具有内半径和外半径)。中灰色区域示出了欧姆金属层104的被发射器100的保护层(例如，介电层或钝化层)覆盖的区域，并且深灰色区域示出了欧姆金属层104的经由通孔106暴露的区域，如下所述。如图所示，欧姆金属层104与注入保护层102重叠。例如，在p-上/顶部-发射的发射器100的情况下，可以使用这种配置。在底部发射的发射器100的情况下，可以根据需要调整配置。
在图1A中未示出，发射器100包括其中形成(例如，蚀刻)通孔106的保护层。深灰色区域示出了欧姆金属层104的被通孔106暴露的区域(例如，深灰色区域的形状可以是通孔106的形状的结果)，而中灰色区域示出了欧姆金属层104的被一些保护层覆盖的区域。保护层可以覆盖除通孔之外的所有发射器。如图所示，通孔106形成为部分环形(例如，类似于欧姆金属层104)，并且形成在欧姆金属层104上方，使得保护层上的金属化接触欧姆金属层104。在一些实施方式中，通孔106和/或欧姆金属层104可以以另一种形状形成，例如全环形或开口环形。
如进一步所示，发射器100包括在欧姆金属层104的部分环形的内半径内的发射器100的一部分中的光学孔108。发射器100经由光学孔108发射激光束。如进一步所示，发射器100还包括电流限制孔110(例如，由发射器100的氧化层形成的氧化物孔(未示出))。电流限制孔110形成在光学孔108下方。
如图1A中进一步所示，发射器100包括围绕注入保护层102的圆周间隔开(例如，相等地、不相等地)的一组沟槽112(例如，氧化沟槽)。沟槽112可以相对于光学孔108定位的紧密程度取决于应用，并且通常受到注入保护层102、欧姆金属层104、通孔106和制造公差的限制。
图1A中所示的层的数量和布置是作为示例提供的。在实践中，发射器100可以包括与图1A中所示的层相比附加的层、更少的层、不同的层或不同布置的层。例如，虽然发射器100包括一组六个沟槽112，但是在实践中，其他配置是可能的，诸如包括五个沟槽112、七个沟槽112或另一数量的沟槽的紧凑发射器。在一些实施方式中，沟槽112可以环绕发射器100以形成与距离dt相关联的台面结构。作为另一示例，虽然发射器100是圆形发射器设计，但是在实践中，可以使用其他设计，诸如矩形发射器、六边形发射器、椭圆形发射器等。附加地或替代地，发射器100的一组层(例如，一个或多个层)可以分别执行被描述为由发射器100的另一组层执行的一个或多个功能。
值得注意的是，虽然发射器100的设计被描述为包括VCSEL，但是其他实施方式也是可能的。例如，发射器100的设计可以应用于另一种类型的光学装置(诸如发光二极管)或另一种类型的垂直发射(例如，顶部发射或底部发射)光学装置的上下文中。另外，发射器100的设计可以应用于任何波长、功率电平和/或发射轮廓的发射器。换句话说，发射器100不是特定于具有给定性能特性的发射器。
如图1B所示，示例横截面视图可以表示发射器100的横截面，其穿过一对沟槽112或在一对沟槽112之间穿过(例如，如图1A中标记为“X-X”的线所示)。如图所示，发射器100可以包括背侧阴极层128、基板层126、底部反射镜124、有源区122、氧化层120、顶部反射镜118、注入隔离材料116、保护层114(例如，电介质钝化/反射镜层)和欧姆金属层104。如图所示，发射器100可以具有例如大约10微米(μm)的总高度。
背侧阴极层128可以包括与基板层126电接触的层。例如，背侧阴极层128可以包括退火的金属化层，诸如AuGeNi层、PdGeAu层等。
基板层126可以包括在其上生长外延层的基底基板层。例如，基板层126可以包括半导体层，诸如GaAs层、InP层和/或另一类型的半导体层。
底部反射镜124可以包括发射器100的底部反射器层。例如，底部反射镜124可以包括分布式布拉格反射器(DBR)。
有源区122可以包括限制电子并限定发射器100的发射波长的层。例如，有源区122可以是量子阱。
氧化层120可以包括提供发射器100的光学和电学限制的氧化物层。在一些实施方案中，氧化层120可由于外延层的湿式氧化而形成。例如，氧化层120可以是由于AlAs或AlGaAs层的氧化而形成的Al2O3层。沟槽112可以包括允许氧(例如，干氧、湿氧)进入形成氧化层120的外延层的开口。
电流限制孔110可以包括由氧化层120限定的光学活性孔。电流限制孔110的尺寸可以在例如约4μm至约20μm的范围内。在一些实施方式中，电流限制孔110的尺寸可以取决于围绕发射器100的沟槽112之间的距离。例如，可以蚀刻沟槽112以暴露形成氧化层120的外延层。这里，在形成(例如，沉积)保护层114之前，外延层的氧化可以朝向发射器100的中心发生特定距离(例如，在图1B中标识为D0)，从而形成氧化层120和电流限制孔110。在一些实施方式中，电流限制孔110可以包括氧化物孔。附加地或替代地，电流限制孔110可以包括与另一种类型的电流限制技术相关联的孔，例如蚀刻的台面、没有离子注入的区域、光刻限定的腔内台面和再生长等。
顶部反射镜118可以包括发射器100的顶部反射器层。例如，顶部反射镜118可以包括DBR。
注入隔离材料116可以包括提供电隔离的材料。例如，注入隔离材料116可以包括离子注入材料，诸如氢/质子注入材料或类似的注入元素，以降低导电性。在一些实现中，注入隔离材料116可以限定注入保护层102。
保护层114可以包括充当保护性钝化层并且可以充当附加DBR的层。例如，保护层114可以包括沉积(例如，通过化学气相沉积、原子层沉积或其他技术)在发射器100的一个或多个其他层上的一个或多个子层(例如，电介质钝化层和/或反射镜层、SiO2层、Si3N4层、Al2O3层或其他层)。
如图所示，保护层114可以包括提供到欧姆金属层104的电接入的一个或多个通孔106。例如，通孔106可以形成为保护层114的蚀刻部分或保护层114的剥离部分。光学孔108可以包括在电流限制孔110上方的保护层114的一部分，光可以通过电流限制孔110发射。
欧姆金属层104可以包括进行电流可以流过的电接触的层。例如，欧姆金属层104可以包括Ti和Au层、Ti和Pt层和/或Au层等，电流可以流过这些层(例如，流过通过通孔106接触欧姆金属层104的焊盘(未示出))。欧姆金属层104可以是P欧姆、N欧姆或本领域已知的其他形式。欧姆金属层104的特定类型的选择可以取决于发射器的架构，并且在本领域技术人员的知识范围内。欧姆金属层104可以提供金属和半导体之间的欧姆接触和/或可以提供非整流电结和/或可以提供低电阻接触。在一些实施方式中，可以使用一系列步骤来制造发射器100。例如，底部反射镜124、有源区122、氧化层120和顶部反射镜118可以在基板层126上外延生长，之后欧姆金属层104可以沉积在顶部反射镜118上。接下来，可以蚀刻沟槽112以暴露氧化层120用于氧化。可经由离子植入来产生植入隔离材料116，之后可沉积保护层114。通孔106可以被蚀刻在保护层114中(例如，以暴露欧姆金属层104以供接触)。可以执行电镀、接种和蚀刻，之后可以将基板层126减薄和/或研磨到目标厚度。最后，背侧阴极层128可以沉积在基板层126的底侧上。
图1B中所示的层的数量、布置、厚度、顺序、对称性等被提供作为示例。在实践中，发射器100可以包括与图1B中所示的层相比附加的层、更少的层、不同的层、不同构造的层或不同布置的层。附加地或替代地，发射器100的一组层(例如，一个或多个层)可以执行被描述为由发射器100的另一组层执行的一个或多个功能，并且任何层可以包括多于一个层。
图2是示例VCSEL装置200的图。如图2所示，VCSEL装置200可以包括基板层202，类似于如上所述的。另外，VCSEL装置200可以包括用于设置在基板层202上的底部发射VCSEL206(例如，一个或多个底部发射VCSEL 206，诸如多个底部发射VCSEL 206)的第一组外延层204，并且VCSEL装置200可以包括用于设置在第一组外延层204上的顶部发射VCSEL 210(例如，一个或多个顶部发射VCSEL 210，诸如多个顶部发射VCSEL 210)的第二组外延层208。第一组外延层204和第二组外延层可以是独立的，因此底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL210可以是(例如，电和光学地)独立的。第一组外延层204和/或第二组外延层208可以对应于结合图1A-1B描述的发射器层。
VCSEL装置200可以包括在第一组外延层204和第二组外延层208之间的本体材料层212。例如，本体材料层212可以包括本体半导体层(例如，GaAs)，其可以与基板层202晶格匹配(例如，GaAs本体半导体层可以与GaAs基板层202晶格匹配)。在一些实施方式中，VCSEL装置200可以包括在第一组外延层204和第二组外延层208之间(例如，在本体材料层212和第一组外延层204之间)的电隔离层214(例如，半导体层)。电隔离层214可以包括提供电隔离的材料。在一些实施方式中，VCSEL装置200可以包括在第一组外延层204和第二组外延层208之间(例如，在本体材料层212和第一组外延层204之间)的接触层216(例如，半导体层)。接触层216可以包括高度掺杂的半导体材料(例如，n++材料或p++材料)。接触层216可以设置在电隔离层214上。在一些实施方式中，VCSEL装置200可以包括在第一组外延层204和第二组外延层208的一个或多个有源层之间的隧道结218，如下所述(例如，在本体材料层212内，在第二组外延层208的底部反射镜内，等等，在顶部发射VCSEL 210和底部发射VCSEL206的有源区域之外)。
隧道结218可以在第一组外延层204和第二组外延层208之间翻转载体类型(例如，从电子(n型)到空穴(p型))。以这种方式，第一组外延层204和第二组外延层208都可以利用p-i-n结构和电驱动方案(即，简化了VCSEL装置200的制造)。然而，第一组外延层204和第二组外延层208不限于任何特定结构。例如，第一组外延层204和第二组外延层208可以包括相同的结构或不同的结构，其可以是p-i-n、n-i-p、n-p-i-n等的任何组合。
第一组外延层204可以包括第一组反射镜，示出为第一反射镜220a和第二反射镜220b。第一组外延层204可以包括在第一反射镜220a和第二反射镜220b之间的至少一个第一有源层222(例如，增益区)。第二组外延层208可以包括第二组反射镜，示出为第三反射镜224a和第四反射镜224b。第二组外延层208可以包括在第三反射镜224a和第四反射镜224b之间的至少一个第二有源层226(例如，增益区)。有源层可以包括有源区，其中电子和空穴复合以发光。例如，有源区可以包括一个或多个量子阱。有源层可以位于一组外延层的半导体结处。半导体结可以是相反掺杂的半导体材料相遇的区域。例如，一组外延层的第一有源层和第二有源层可分别在第一p-n结和第二p-n结处。底部发射VCSEL 206和/或顶部发射VCSEL 210可以包括两个或更多个半导体结/有源层(例如，底部发射VCSEL 206和/或顶部发射VCSEL 210可以是多结VCSEL)。这里，隧道结可以在连续的有源层之间。在一些实施方式中，第一组反射镜和第二组反射镜可以被配置为防止底部发射VCSEL206和顶部发射VCSEL 210之间的光学串扰。
在一些实施方案中，第一组反射镜可包含第一反射镜220A(例如，底部反射镜)及第二反射镜220B(例如，顶部反射镜)，且第二组反射镜可包含第三反射镜224A(例如，底部反射镜)及第四反射镜224B(例如，顶部反射镜)。在一些实施方式中，第一组反射镜可以包括第一反射镜(例如，第一反射镜220a)和第二反射镜(例如，第二反射镜220b和第三反射镜224a的组合)，并且第二组反射镜可以包括第二反射镜和第三反射镜(例如，第四反射镜224b)。例如，可以省略本体材料层212，并且第一组外延层204的顶部反射镜(或其一个或多个层)可以与第二组外延层208的底部反射镜(或其一个或多个层)组合，以形成用于第一组外延层204和第二组外延层208的共享反射镜。共享反射镜可以具有增加的反射率，从而减少底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210之间的光学泄漏。此外，共享反射镜的使用可以减少制造VCSEL装置200的时间和复杂性。如本文所述，第一反射镜220A、第二反射镜220B、第三反射镜224A或第四反射镜224B可以是DBR。
在一些实施方案中，第一组反射镜中的第一底部反射镜(例如，第一反射镜220a)及第二组反射镜中的第二底部反射镜(例如，第三反射镜224a)可为n型或p型中的一者，且第一组反射镜中的第一顶部反射镜(例如，第二反射镜220b)及第二组反射镜中的第二顶部反射镜(例如，第四反射镜224b)可为n型或p型中的另一者。例如，第一底部反射镜和第二底部反射镜可以是n型，并且第一顶部反射镜和第二顶部反射镜可以是p型。这里，如上所述，VCSEL装置200可以包括在第一组外延层204和第二组外延层208之间的隧道结218。因此，第一组外延层204和第二组外延层208都可以利用相同的p-i-n结构、相同的n-i-p结构等。在一些实施方式中，第一组外延层204和第二组外延层208可以利用不同的结构，并且可以省略隧道结218。
至少一个第一有源层222可以包括一个或多个有源层，并且至少一个第二有源层226可以包括一个或多个有源层。在一些实施方式中，第一有源层222的有源层的第一数量与第二有源层226的有源层的第二数量相同，如图所示。在一些实现中，第一有源层222的有源层的第一数量不同于第二有源层226的有源层的第二数量。以这种方式，底部发射VCSEL206的光功率可以与顶部发射VCSEL 210的光功率相同或不同。在第一有源层222或第二有源层226包括多个有源层(例如，两个有源层)的实现方式中，第一组外延层204或第二组外延层208分别可以包括多个有源层之间的隧道结(未示出)。
在示例中，底部发射VCSEL 206(或顶部发射VCSEL 210)可以具有两个有源层222(例如，用于较高的斜率效率)并且可以适用于使用较高功率或较长距离光发射的应用，而顶部发射VCSEL 210(或底部发射VCSEL)可以具有单个有源层226(例如，用于较低的斜率效率和/或用于较低的驱动器电压和/或电流操作)并且可以适用于使用较低功率或较短距离光发射的应用。因此，VCSEL装置200可以用于多功率应用，诸如室内/室外应用、短程/远程应用等。例如，如果面向世界的应用使用较高的光功率，则面向世界的VCSEL可以包括三个有源层或五个有源层，而面向前方的VCSEL可以包括单个有源层(例如，因为面向前方的应用通常使用较低的光功率)。
在一些实施方式中，底部发射VCSEL 206(例如，下部VCSEL)可以具有比顶部发射VCSEL 210(例如，上部VCSEL)更多数量的有源层。可替代地，顶部发射VCSEL 210可以具有比底部发射VCSEL 206更多数量的有源层。具有最大数量的有源层(例如，并且因此具有最大热负载)的VCSEL可以被定位成最靠近基板层202，并且因此最靠近散热器(未示出)。可以在底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210中利用的有源层的数量不限于一个或两个有源层。例如，底部发射VCSEL 206和/或顶部发射VCSEL 210可以包括三个有源层、四个有源层、五个有源层和/或六个有源层等。此外，有源层的数量的任何组合可以用于底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210(例如，因为第一组外延层204独立于第二组外延层208)。
底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210可以配置有850纳米(nm)、905nm、940nm或大于1300nm的发射波长。在一些实施方式中，底部发射VCSEL 206的发射波长可以与顶部发射VCSEL 210的发射波长相同。在一些实施方式中，底部发射VCSEL 206的发射波长可以与顶部发射VCSEL 210的发射波长不同。这里，VCSEL装置200可以用于多波长应用。例如，VCSEL装置200可以提供较短波长发射(例如，940nm)和较长波长发射(例如，大于1300nm)。以这种方式，VCSEL装置200可以(例如，同时)用于完全不同的应用。
VCSEL装置200可以包括电连接到第一组外延层204的第一组电触点。第一组电触点可以包括底部触点228a(例如，阴极触点)和顶部触点228b(例如，阳极触点)。底部接触件228a可以设置在与第一组外延层204相对的基板层202的表面上。顶部接触228b可以形成在从第一组外延层204的表面延伸到第一镜220a的一个或多个沟槽中。图2所示和本文所述的第一组电触点的配置是作为示例提供的，并且其他配置也是可能的。
VCSEL装置200可以包括电连接到第二组外延层208的第二组电触点。第二组电触点可以包括底部触点230a(例如，阴极触点)和顶部触点230b(例如，阳极触点)。底部触点230a可以设置在第一组外延层204上。例如，底部触点230a可以设置在接触层216或电隔离层214上。顶部触点230b可以设置在第二组外延层208的表面上(例如，在第四镜224b上)，或者可以形成在从第二组外延层208的表面延伸到第三镜224a的一个或多个沟槽中。图2所示和本文所述的第二组电触点的配置是作为示例提供的，并且其他配置也是可能的。
第一组电触点和第二组电触点可以是独立的或连接在一起(例如，取决于所采用的VCSEL装置200的驱动方案)。也就是说，底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210可以同时或独立地操作(例如，基于所采用的驱动方案和/或基于制造VCSEL的方式)。例如，每个VCSEL可以由在VCSEL装置200的制造期间沉积的单独的接触层组独立地控制。
在一些实施方式中，第一组外延层204可以包括氧化物层232(例如，在第一有源层222和第二反射镜220b之间)，氧化物层232包括氧化物孔，并且第二组外延层208可以包括氧化物层234(例如，在第二有源层226和第四反射镜224b之间)，氧化物层234包括氧化物孔，类似于如上所述。在一些实施方式中，电隔离层236可以沿着第一组外延层204的表面设置(例如，并且衬在用于顶部触点230b的一个或多个沟槽上)，并且电隔离层238可以沿着第二组外延层208的表面设置(例如，并且衬在用于顶部触点232b的一个或多个沟槽(如果存在的话)上)。电隔离层236、238可以包括电隔离去除的部分(由虚线椭圆示出)，以促进顶部触点228b、230b分别电连接到第一组外延层204和第二组外延层208。
在一些实施方式中，与第一组外延层204相对的基板层202的表面可以包括光学元件240(例如，透镜)。也就是说，光学元件240可以集成到基板层202中。这里，基板层202可以具有大于或等于50μm的厚度(例如，基于光学元件240的配置)。如图所示，光学元件240可以用于底部发射VCSEL206(例如，来自底部发射VCSEL 206的光发射可以被引导到光学元件240)。
底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210可以被配置为在相反的光发射方向242a、242b上发射光(例如，光发射方向242a相对于光发射方向242b旋转180度)。例如，如本文所述，底部发射VCSEL 206可以被配置用于底部发射(例如，通过基板层202)，并且顶部发射VCSEL 210可以被配置用于顶部发射(例如，远离基板层202)。此外，底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210可以在相反的光发射方向242a、242b上偏移(例如，垂直偏移)。例如，用于顶部发射VCSEL 210的第二组外延层208可以堆叠在用于底部发射VCSEL 206的第一组外延层204上。
在一些实施方式中，底部发射VCSEL 206的发射区域和顶部发射VCSEL210的发射区域在与相反的光发射方向242a、242b正交的方向上对准，如图2所示。在一些实施方式中，底部发射VCSEL 206的发射区域和顶部发射VCSEL 210的发射区域在与相反的光发射方向242a、242b正交的方向上偏移，如下所述。也就是说，底部发射VCSEL 206的发射区域和顶部发射VCSEL210的发射区域可以水平偏移。
在VCSEL装置200中，底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210是光学独立的。换句话说，在底部发射VCSEL 206的光学腔和顶部发射VCSEL210的光学腔之间可以存在完全的光学分离，因为底部发射VCSEL 206和顶部发射VCSEL 210之间的光学泄漏可能影响顶部发射VCSEL 210(例如，堆叠在另一VCSEL的顶部上的VCSEL)的性能。
VCSEL装置200可以被实现为包括双向VCSEL 206、210的单个芯片。也就是说，双向VCSEL 206、210可以共享单个公共基板层202(例如，单个公共晶片)。因此，VCSEL装置200在单个芯片中提供面向前的VCSEL和面向世界的VCSEL的集成，所述面向前的VCSEL和面向世界的VCSEL可以是不同的光功率(例如，不同数量的有源层)和/或不同的发射波长。
如上所述，图2是作为示例提供的。其它示例可以与关于图2所描述的示例不同。
图3是示例VCSEL装置300的图。VCSEL装置300可以包括基板层302，类似于如上所述。另外，VCSEL装置300可以包括用于设置在基板层302上的底部发射VCSEL 306(例如，一个或多个底部发射VCSEL 306，诸如多个底部发射VCSEL 306)的第一组外延层304，并且VCSEL装置300可以包括用于设置在第一组外延层304上的顶部发射VCSEL 310(例如，一个或多个顶部发射VCSEL 310，诸如多个顶部发射VCSEL 310)的第二组外延层308。包括第一组外延层304和第二组外延层308的VCSEL装置300可以以与结合VCSEL装置200所描述的类似方式配置。底部发射VCSEL 306和顶部发射VCSEL 310可以被配置为以与上述类似的方式在相反的光发射方向342a、342b上发射光。
如图3所示，底部发射VCSEL 306的发射区域和顶部发射VCSEL 310的发射区域可以在与相反的光发射方向342a、342b正交的方向上偏移(例如，底部发射VCSEL 306的发射区域和顶部发射VCSEL 310的发射区域可以水平偏移)，如本文所述。水平偏移可用于满足模块约束或用于产生特定VCSEL阵列图案(如结合图4所述)。例如，用于前向应用的VCSEL可能需要具有随机发射器布局的点投影器，而用于面向世界的应用(即基于ITOF)的VCSEL可能需要均匀的发射器阵列。底部发射VCSEL 306和顶部发射VCSEL 310的水平偏移还可以简化VCSEL装置300的制造。
如上所述，图3是作为示例提供的。其它示例可以与关于图3所描述的示例不同。
图4是示例VCSEL阵列400、410和420的图。VCSEL阵列400、410和420可以包括VCSEL装置300或本文所述的另一VCSEL装置。例如，VCSEL阵列400、410和420可以包括用于多个底部发射VCSEL 306的第一组外延层304和用于多个顶部发射VCSEL 310的第二组外延层308。如图所示，VCSEL阵列400、410和420可以被布置成用于多个底部发射VCSEL 306和多个顶部发射VCSEL 310的各种图案(其中一些图案不能使用单独的VCSEL芯片来实现)。图4中所示的图案是作为示例提供的，并且在一些实施方式中，VCSEL阵列可以利用与图4中所示的图案不同的图案。
在VCSEL阵列400中，多个底部发射VCSEL 306和多个顶部发射VCSEL310可以分离到芯片的不同部分(例如，左部分和右部分、顶部部分和底部部分等)上。例如，多个底部发射VCSEL 306可以定位到将VCSEL阵列400分割(例如，分割成相等的部分或分割成不相等的部分)的线的第一侧，并且多个顶部发射VCSEL 310可以在与相反的光发射方向342a、342b正交的方向上定位到该线的第二侧。线可以表示暴露第一组外延层304的表面的第二组外延层308的蚀刻的起始位置。
在VCSEL阵列410和VCSEL阵列420中，多个底部发射VCSEL 306和多个顶部发射VCSEL 310混合。例如，多个底部发射VCSEL 306可以以第一图案布置，并且多个顶部发射VCSEL 310可以以第二图案布置。在VCSEL阵列410中，多个底部发射VCSEL 306可以以均匀图案与多个顶部发射VCSEL 310交错(例如，VCSEL阵列410的每行和每列在多个底部发射VCSEL 306和多个顶部发射VCSEL 310之间交替)。然而，在一些实施方式中，多个底部发射VCSEL 306与多个顶部发射VCSEL 310以随机图案或准随机图案交错。换句话讲，多个底部发射VCSEL 306的第一图案与多个顶部发射VCSEL 310的第二图案在与相反的光发射方向242a、242b正交的方向上交错。在VCSEL阵列410中，第二组外延层308的蚀刻可以暴露(例如，围绕)第一组外延层304中的各个VCSEL。在一些实施方式中，第二组外延层308的蚀刻可以暴露第一组外延层304中的多个VCSEL(例如，蚀刻暴露第一组外延层304的表面的特定部分)。
在VCSEL阵列420中，多个底部发射VCSEL 306围绕(例如，如图所示，中心地，或从中心偏移)多个顶部发射VCSEL 310。换句话讲，多个底部发射VCSEL 306的第一图案在与相反的光发射方向342a、342b正交的方向上围绕多个顶部发射VCSEL 310的第二图案。这里，第二组外延层308的蚀刻可以暴露第一组外延层304中的多个底部发射VCSEL 306。在一些实施方式中，多个底部发射VCSEL 306可以围绕多个顶部发射VCSEL 310的多个组。在一些实施方式中，多个顶部发射VCSEL 310可以以类似的方式围绕多个底部发射VCSEL 306。
以这种方式，单个光学部件(例如，其包括VCSEL阵列400、410或420)可以以减小的模块尺寸和模块复杂度提供面向前和面向世界的光发射。
如上所述，图4是作为示例提供的。其它示例可以与关于图4所描述的示例不同。
图5是示例模块500的图。如图5所示，模块可以包括VCSEL装置501。VCSEL装置501可以包括基板层502，类似于如上所述。另外，VCSEL装置501可以包括用于设置在基板层502上的底部发射VCSEL 506(例如，一个或多个底部发射VCSEL 506，诸如多个底部发射VCSEL506)的第一组外延层504，并且VCSEL装置501可以包括用于设置在第一组外延层504上的顶部发射VCSEL 510(例如，一个或多个顶部发射VCSEL 510，诸如多个顶部发射VCSEL 510)的第二组外延层508。包括第一组外延层504和第二组外延层508的VCSEL装置501可以以与结合VCSEL装置200描述的类似方式配置。
另外，模块500可以包括壳体550。VCSEL装置501可以附接到壳体550。例如，壳体550可以包括基板，VCSEL装置501通过接合等附接到基板(例如，在VCSEL装置501的边缘处)。作为示例，壳体550可以包括盒(例如，其中盒的底座是基板)、托盘(例如，其中托盘的底座是基板)或板(例如，其中板是基板)。
在一些实施方式中，壳体550可以包括孔552。也就是说，壳体550的基板可以包括孔552。底部发射VCSEL 506的发射区域或顶部发射VCSEL 510的发射区域可以与壳体550的孔552对准(例如，使得从底部发射VCSEL506或顶部发射VCSEL 510发射的光穿过孔552)。例如，底部发射VCSEL506的发射区域可以与壳体550的孔552对准(例如，使得孔围绕底部发射VCSEL 506的发射区域，并且从底部发射VCSEL 506发射的光穿过孔552)，如图所示。
在一些实施方式中，模块500可以包括附接到壳体550的一个或多个光学元件(未示出)。例如，用于底部发射VCSEL 506的光学元件可以在基板的与VCSEL装置501相对的表面处附接到基板。这里，光学元件可以附接到孔552或以其他方式与孔552对准。作为另一示例，用于顶部发射VCSEL510的光学元件可以附接到VCSEL装置501上方的壳体。
如上所述，图5是作为示例提供的。其它示例可以与关于图5描述的示例不同。
在一些实施方式中，VCSEL装置200、VCSEL装置300和/或VCSEL装置501可以采用除VCSEL之外的一种垂直发射装置，如本文所述。在一些实施方式中，模块可以包括VCSEL装置200、VCSEL装置300和/或VCSEL装置501。例如，VCSEL装置200、VCSEL装置300和/或VCSEL装置501可以设置在具有一个或多个附加电气部件(例如，用于驱动VCSEL装置200、VCSEL装置300和/或VCSEL装置501的电路)和/或光学部件(例如，光学元件，诸如透镜、漫射器、衍射光学元件等)的壳体中。在一些实施方式中，光源(例如，用于三维感测(3DS)或LIDAR)可以包括VCSEL装置200、VCSEL装置300和/或VCSEL装置501。在一些实施方式中，光学系统可以包括VCSEL装置200、VCSEL装置300和/或VCSEL装置501。此外，光学系统可以包括一个或多个透镜、一个或多个光学元件(例如，衍射光学元件、折射光学元件等)、一个或多个反射器元件和/或一个或多个光学传感器，以及其他示例。
在一些实施方式中，VCSEL可以从相同的有源区实现如本文所述的双向光发射。例如，VCSEL的顶部反射镜和底部反射镜的反射率可以被配置为使得光从VCSEL的两侧(例如，顶部和底部)发射。
图6是如本文所述的用于形成双向VCSEL的示例性过程600的流程图。
如图6所示，过程600可以包括在基板层上生长用于底部发射VCSEL(例如，下部VCSEL)的第一组外延层(框610)。基板层可以对应于基板层202、302或502。第一组外延层可以对应于第一组外延层204、304或504。如图6中进一步所示，过程600可以包括在第一组外延层上生长用于顶部发射VCSEL(例如，上部VCSEL)的第二组外延层(框620)。第二组外延层可以对应于第二组外延层208、308或508。在第一组外延层和第二组外延层的各组反射镜之间的生长期间，应避免通过引入外延位错或其他应变效应来限制外延质量和厚度。
第一组外延层和第二组外延层可以在相同的生长工艺期间在相同的基板层上生长。此外，第一组外延层和第二组外延层可以生长有不同数量的有源层和/或以不同的发射波长发射光。在一些实施方式中，为了为第一组外延层和第二组外延层配置不同的发射波长，可以将不同的生长工艺用于第一组外延层和第二组外延层。例如，金属有机气相外延(MOVPE)和/或金属有机化学气相沉积(MOCVD)可以用于产生较短波长(例如，850nm、905nm和/或940nm)，并且分子束外延(MBE)可以用于产生较长波长(例如，大于1300nm)。
如图6中进一步所示，过程600可以包括蚀刻第二组外延层的一部分，直到第一组外延层的表面被暴露(框630)。例如，为了蚀刻第二组外延层的部分，过程600可以包括掩蔽第二组外延层的期望顶部发射VCSEL的操作(例如，光发射)的区域，并且执行蚀刻工艺(例如，湿法蚀刻、干法蚀刻或其组合)以去除期望底部发射VCSEL的操作(例如，光发射)的区域中的第二组外延层。在一些实施方式中，可以蚀刻第二组外延层以产生VCSEL阵列400的图案、VCSEL阵列410的图案和/或VCSEL阵列420的图案，以及其他示例。
如图6中进一步所示，过程600可以包括形成第一组外延层中的底部发射VCSEL或第二组外延层中的顶部发射VCSEL中的至少一个(框640)。形成底部发射VCSEL和/或顶部发射VCSEL可以包括沉积用于底部发射VCSEL和/或顶部发射VCSEL的金属触点、暴露底部发射VCSEL和/或顶部发射VCSEL的氧化层等。在一些实施方式中，底部发射VCSEL和顶部发射VCSEL都可以在结合框630描述的蚀刻之后形成。在一些实施方式中，可以在结合框630描述的蚀刻之前形成顶部发射VCSEL，并且可以在结合框630描述的蚀刻之后形成底部发射VCSEL。
在一些实施方式中，底部发射VCSEL和顶部发射VCSEL可以独立地形成。例如，底部发射VCSEL可以通过掩蔽VCSEL装置的除了底部发射VCSEL的区域之外的区域来形成，并且顶部发射VCSEL可以通过掩蔽VCSEL装置的除了顶部发射VCSEL的区域之外的区域来形成。在一些实施方式中，底部发射VCSEL和顶部发射VCSEL可以同时形成，例如，通过同时沉积每个VCSEL的相应金属触点和/或通过同时暴露每个VCSEL的相应氧化层。
以这种方式，过程600改善了VCSEL装置的容差，并且消除了对多个晶片和/或多个生长运行的需要，以产生适合于双向光发射的VCSEL装置。
过程600可以包括附加实施方式，诸如下面描述的和/或结合本文其他地方描述的一个或多个其他过程描述的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。
尽管图6示出了过程600的示例框，但是在一些实施方式中，过程600包括与图6中描绘的那些框相比附加的框、更少的框、不同的框或不同布置的框。另外地或替代地，可以并行地执行过程600的框中的两个或更多个框。
前述公开内容提供了说明和说明书，但并不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式可以不组合的原因，否则可以组合本文描述的任何实施方式。
即使在权利要求中叙述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求书中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。如本文所使用的，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“A、B或C中的至少一个”旨在涵盖A、B、C、A-B、A-C、B-C和A-B-C，以及与多个相同项目的任何组合。
除非明确描述如此，否则本文使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、或者相关和不相关项目的组合)。在仅意图一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在是开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。此外，如本文所使用的，术语“或”在串联使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“中的仅一个”组合使用)。此外，为了便于说明书，本文可以使用空间相对术语，例如“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置、设备和/或元件的不同取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向)，并且本文使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。

Claims (20)

1.一种垂直腔表面发射激光器装置，包括：
基板层；
设置在所述基板层上的用于底部发射VCSEL的第一组外延层，所述第一组外延层包括：
第一组反射镜；以及
至少一个第一有源层；以及
用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，其设置在用于所述底部发射VCSEL的所述第一组外延层上，所述第二组外延层包括：
第二组反射镜；以及
至少一个第二有源层，
其中所述顶部发射VCSEL和所述底部发射VCSEL被配置为在相反的光发射方向上发射光。
2.根据权利要求1所述的VCSEL装置，还包括以下中的至少一个：
在所述第一组外延层和所述第二组外延层之间的电隔离层；
接触层，所述接触层在所述第一组外延层与所述第二组外延层之间；或
隧道结，所述隧道结在所述第一组外延层与所述至少一个第二有源层之间。
3.根据权利要求1所述的VCSEL装置，还包括：
在所述第一组外延层和所述第二组外延层之间的本体材料层。
4.根据权利要求1所述的VCSEL装置，其中所述第一组反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，并且
其中所述第二组反射镜包括所述第二反射镜和第三反射镜。
5.根据权利要求1所述的VCSEL装置，其中与所述第一组外延层相对的所述基板层的表面包括用于所述底部发射VCSEL的光学元件。
6.根据权利要求1所述的VCSEL装置，其中所述底部发射VCSEL的第一发射区域和所述顶部发射VCSEL的第二发射区域在与相反的光发射方向正交的方向上偏移。
7.根据权利要求1所述的VCSEL装置，其中所述底部发射VCSEL的第一发射区域和所述顶部发射VCSEL的第二发射区域在与相反的光发射方向正交的方向上对准。
8.根据权利要求1所述的VCSEL装置，其中，所述至少一个第一有源层的有源层的第一数量不同于所述至少一个第二有源层的有源层的第二数量。
9.根据权利要求1所述的VCSEL装置，其中所述底部发射VCSEL的第一发射波长不同于所述顶部发射VCSEL的第二发射波长。
10.一种模块，包括：
壳体，所述壳体包括孔；以及
附接到所述壳体的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)装置，所述VCSEL装置包括：
基板层；
设置在所述基板层上的用于底部发射VCSEL的第一组外延层，所述第一组外延层包括：
第一组反射镜；以及
至少一个第一有源层；以及
用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，其设置在用于所述底部发射VCSEL的所述第一组外延层上，所述第二组外延层包括：
第二组反射镜；以及
至少一个第二有源层；
其中所述顶部发射VCSEL和所述底部发射VCSEL被配置为在相反的光发射方向上发射光，并且
其中所述底部发射VCSEL的第一发射区域或所述顶部发射VCSEL的第二发射区域与所述外壳的所述孔对准。
11.根据权利要求10所述的模块，其中所述底部发射VCSEL的所述第一发射区域与所述壳体的所述孔对准。
12.根据权利要求10所述的模块，其中与所述第一组外延层相对的所述基板层的表面包括用于所述底部发射VCSEL的光学元件。
13.根据权利要求10所述的模块，还包括：
用于所述顶部发射VCSEL的至少一个光学元件。
14.根据权利要求10所述的模块，其中所述第一组反射镜中的第一底部反射镜和所述第二组反射镜中的第二底部反射镜是n型或p型中的其中之一，
其中所述第一组反射镜中的第一顶部反射镜和所述第二组反射镜中的第二顶部反射镜是n型或p型中的另一个，并且
其中隧道结在所述第一组外延层和所述至少一个第二有源层之间。
15.根据权利要求10所述的模块，其中所述底部发射VCSEL的所述第一发射区域和所述顶部发射VCSEL的所述第二发射区域在与所述相反的光发射方向正交的方向上对准。
16.根据权利要求10所述的模块，其中，所述至少一个第一有源层的有源层的第一数量不同于所述至少一个第二有源层的有源层的第二数量。
17.根据权利要求10所述的模块，其中所述底部发射VCSEL的第一发射波长不同于所述顶部发射VCSEL的第二发射波长。
18.一种方法，包括：
在基板上生长用于底部发射VCSEL的第一组外延层，所述第一组外延层包括：
第一组反射镜；以及
至少一个第一有源层；
在所述第一组外延层上生长用于顶部发射VCSEL的第二组外延层，所述第二组外延层包括：
第二组反射镜；以及
至少一个第二有源层；以及
蚀刻所述第二组外延层的一部分，直到所述第一组外延层的表面被暴露出来，
其中所述顶部发射VCSEL和所述底部发射VCSEL被配置为在相反的光发射方向上发射光。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在蚀刻所述第二组外延层的所述部分之前，在所述第二组外延层中形成所述顶部发射VCSEL；以及
在蚀刻所述第二组外延层的所述部分之后，在所述第一组外延层中形成所述底部发射VCSEL。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在蚀刻所述第二组外延层的所述部分之后，在所述第一组外延层中形成所述底部发射VCSEL并且在所述第二组外延层中形成所述顶部发射VCSEL。
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