CN116505371A - 操纵多结垂直腔表面发射激光器的光束发散度 - Google Patents

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Abstract

多结垂直腔表面发射激光器(VCSEL)可以包括基板、顶部接触部和堆叠体，该堆叠体包括形成在基板和顶部接触部之间的一组层。在一些实施方式中，形成在基板和顶部接触部之间的所述一组层可以包括腔、第一分布式布拉格反射器(DBR)对以及第二DBR对，腔包括第一有源区、第二有源区和连接第一有源区和第二有源区的隧道结，第一分布式布拉格反射器(DBR)对包括在腔和顶部接触部之间的高对比度p型DBR(p‑DBR)和低对比度p‑DBR，第二DBR对包括在腔和基板之间的高对比度n型DBR(n‑DBR)和低对比度n‑DBR。低对比度p‑DBR和低对比度n‑DBR位于堆叠体的内侧，高对比度p‑DBR和高对比度n‑DBR位于堆叠体的外侧。

Description

操纵多结垂直腔表面发射激光器的光束发散度
技术领域
本公开总体上涉及一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和一种多结VCSEL，该多结VCSEL包括一个或多个低对比度反射镜以操纵多结VCSEL的光束发散度。
背景技术
VCSEL是半导体激光器，更具体地是具有单片激光谐振器的二极管激光器，其中光在垂直于芯片表面的方向上发射。通常，激光谐振器包括平行于芯片表面的两个分布式布拉格反射器(DBR)反射镜，其中有源区(包括一个或多个量子阱)设置在两个DBR反射镜之间以产生光。通常，VCSEL的上反射镜和下反射镜分别掺杂为p型和n型材料，从而形成二极管结。
发明内容
在一些实施方式中，多结VCSEL包括：基板；顶部接触部；以及一组层，其形成于所述基板与所述顶部接触部之间，该组层包括：高对比度p型DBR(p-DBR)；高对比度n型分布式布拉格反射器(n-DBR)；腔，所述腔包括第一有源区、第二有源区和连接所述第一有源区和所述第二有源区的隧道结，其中所述腔设置在所述高对比度p-DBR和所述高对比度n-DBR之间；以及设置在高对比度n-DBR和腔之间的低对比度n-DBR。
在一些实施方式中，一种装置包括基板；顶部接触部；以及形成在基板和顶部接触部之间的包括一组层的堆叠体，该组层包括：腔，其包括第一有源区、第二有源区和连接第一有源区和第二有源区的隧道结；第一DBR对，所述第一DBR对包括在所述腔与所述顶部接触部之间的高对比度p-DBR和低对比度p-DBR；以及第二DBR对，所述第二DBR对包括在所述腔与所述基板之间的高对比度n-DBR和低对比度n-DBR，其中，所述低对比度p-DBR和所述低对比度n-DBR位于所述堆叠体的内侧，并且其中，所述高对比度p-DBR和所述高对比度n-DBR位于所述堆叠体的外侧。
在一些实施方式中，多结VCSEL包括：n型基板；n型顶部接触部；以及堆叠体，其包括形成在n型基板和n型顶部接触部之间的一组层，该组层包括：腔，其包括第一有源区、第二有源区和连接第一有源区和第二有源区的第一隧道结；上部n-DBR对，所述上部n-DBR对包括上部高对比度n-DBR和上部低对比度n-DBR，所述上部高对比度n-DBR和上部低对比度n-DBR设置在所述腔与所述n型顶部接触部之间；下部n-DBR对，所述下部n-DBR对包括下部高对比度n-DBR和下部低对比度n-DBR，所述下部n-DBR对设置在所述腔和所述n型基板之间；以及第二隧道结，所述第二隧道结设置在所述腔与所述上部n-DBR对或所述下部n-DBR对之间，其中所述上部低对比度n-DBR和所述下部低对比度n-DBR位于所述堆叠体的内侧上，并且其中所述上部高对比度n-DBR和所述下部高对比度n-DBR位于所述堆叠体的外侧上。
附图说明
图1A-1B是分别描绘了示例发射器的俯视图和示例发射器的横截面视图的图。
图2A-2D是描绘了本文描述的多结发射器的示例结构的横截面视图的图。
图3A-3C是描绘了本文描述的示例性多结发射器中的高对比度外反射镜和低对比度内反射镜之间的折射率分布差异的示例的图。
具体实施方式
示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
垂直发射装置(诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))是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)发射激光束的激光器。与边缘发射装置相反，垂直发射装置可以允许在晶片制造的中间步骤进行测试。在一些情况下，可以布置多个垂直发射装置以形成阵列。例如，可以布置多个垂直发射装置(本文称为发射器)以形成VCSEL阵列，例如栅格VCSEL阵列(例如，其中多个发射器均匀间隔开并且氧化沟槽可以由两个或更多个发射器共享)或非栅格VCSEL阵列(例如，其中多个发射器不均匀间隔开并且每个发射器需要可以共享或可以不共享的一组氧化沟槽)。
在典型的单结VCSEL中，有源区嵌入顶部反射镜(例如，p型分布式布拉格反射器(p-DBR))和底部反射镜(例如，n型DBR(n-DBR))之间的VCSEL的腔中。例如，有源区可以包括形成正-本征-负(p-i-n)结的多量子阱(MQW)结构。在一些示例中，多结VCSEL可以包括多个(例如，两个、三个或更多个)有源区或p-i-n结，其垂直串联连接，在有源区之间具有低电阻隧道结。隧道结是由非常重掺杂的p型和n型半导体材料(分别表示为p++和n++)形成的正-负(p-n)结，其可以具有从1019至1020cm-3的掺杂水平。由于量子隧穿效应，电子通过隧道结转换为空穴，由此多结VCSEL可以通过每个注入的电子生成多个光子。相对于具有一个有源区的单结VCSEL，具有与一个或多个低电阻隧道结串联连接的多个有源区的多结VCSEL提供更高的斜率效率(例如，以瓦特/安培为单位)和更高的功率转换效率。因此，多结VCSEL或多结VCSEL阵列提供高亮度激光源，其可用于光检测和测距(LIDAR)应用和/或三维(3D)感测应用(例如，直接飞行时间(dToF)应用和/或间接飞行时间(iToF)应用)以及其他示例。
然而，相对于单结VCSEL，在设计多结VCSEL时可能出现的一个挑战是，与单结VCSEL相比，使用更多的有源区导致高得多的总增益，这可以促使激光发射具有比单结VCSEL更高阶的模式和更高角度的横向模式。例如，在单结VCSEL中，光学损耗可以抑制可能导致光束发散的高阶和更高角度的横向模式，光束发散在多结VCSEL中可能相对较高，因为通过使用多个有源区实现的更高的总增益可以克服否则抑制单结VCSEL中的高阶和更高角度横向模式的光学损耗。此外，多结VCSEL设计的另一个挑战是当电子和空穴进入外部有源区并穿过每个有源区和隧道结界面时控制电流注入分布。尽管可以使用非常接近单个有源区的单个氧化物孔在单结VCSEL中控制电流注入和模式分布，但是在多结VCSEL中在每个有源区之间添加氧化物孔可能具有各种缺点。例如，由于低折射率限制，附加的氧化物孔可能增加光学损耗和/或支持甚至更高的角度模式。另外，由于在电压势垒周围具有高掺杂层的隧道结，插入更多的氧化物孔可能是无效的，可能导致横向电流扩散。对于具有非常窄的光束发散度的高功率LIDAR系统，对于需要大孔隙(例如，具有12微米(μm)以上的直径)的VCSEL发射器，这些特性中的一些(特别是更高角度模式和不均匀电流扩散)变得甚至更差。
本文描述的一些实施方式涉及具有一个或多个低对比度反射镜(例如，低对比度DBR)的多结VCSEL结构，该一个或多个低对比度反射镜更靠近腔设置，该腔包括与一个或多个隧道结串联连接的多个有源区，以便延伸腔的有效长度，从而操纵多结VCSEL中的总光束发散度。例如，本文描述的一些实施方式涉及一个或多个多结VCSEL结构，其中在一侧或两侧上，最接近腔的标准DBR反射镜对可以由与外侧(远离腔)处的高折射率对比度DBR反射镜对相比具有相对较低折射率对比度的DBR反射镜对代替。以这种方式，本文描述的多结VCSEL结构可以增加腔的有效长度，从而通过促进较低阶、较低角度模式来减少激光束发散度。此外，对比度较低的DBR反射镜对可以使用较低的铝(Al)组合物层，这可以提供较高的迁移率并有助于DBR中的电流扩散，从而降低电阻和电压。以这种方式，低对比度反射镜可以用于通过滤除高阶模式并增加到发射器中心的电流注入分布来操纵多结VCSEL中的光束发散度。以这种方式，本文描述的一些实施方式可以改善多结VCSEL中的性能(例如，光-电流-电压(I-I-V)特性和/或远场光束轮廓)和/或优化用于iToF和dToF 3D感测应用和/或汽车LIDAR应用的短脉冲(例如，纳秒)应用的多结VCSEL中的功率、效率和/或随温度的发散，以及其他示例。
图1A-1B是分别描绘了示例发射器100的俯视图和示例发射器100沿线X-X的横截面图的图示。如图1A所示，示例发射器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，图1A-1B中所示的示例发射器100可以对应于本文所述的一个或多个垂直发射装置，例如VCSEL。
如图1A所示，发射器100可以包括在所示示例中为圆形形状的注入保护层102。在一些实施方式中，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形状(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的由发射器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-上部/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。
发射器100可以包括保护层(图1A中未示出)，所述保护层中形成(例如，蚀刻)通孔106。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)，并且中灰色区域示出了欧姆金属层104的被保护层覆盖的区域。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部接触欧姆金属层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的部分环形形状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，虽然图1A中所示的发射器100包括一组六个沟槽112，但是在实践中，其他配置也是可能的，诸如包括五个沟槽112、七个沟槽112或其他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以形成台面结构dt。作为另一示例，虽然图1A中所示的发射器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的背景中，例如发光二极管(LED)或另一类型的垂直发射(例如，顶部发射或底部发射)光学装置。另外，发射器100的设计可以应用于任何波长、功率水平和/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之间经过(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10μm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，诸如金锗镍(AuGeNi)层、钯锗金(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，诸如砷化镓(GaAs)层、磷化铟(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DBR(例如，n-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(例如，单量子阱(SQW)或多量子阱(MQW))。在一些示例中，发射器100可以包括与有源区122之间的隧道结(未示出)串联连接的多个堆叠的有源区122(例如，两个、三个、四个、五个、六个或更多个有源区122)。在一些示例中，一个或多个有源区122(以及在多个有源区122的情况下的任何隧道结)可以形成发射器100的腔。
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。在一些实施方式中，氧化层120可由于外延层的湿式氧化而形成。例如，氧化层120可以是由于砷化铝(AlAs)层或砷化铝镓(AlGaAs)层的氧化而形成的氧化铝(AlOX)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限定的光学有源孔。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(例如，p-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。在一些实施方式中，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可以包括一个或多个子层(例如，电介质钝化层和/或反射镜层、氧化硅(SiOX)层、氮化硅(SiNX)层、氧化铝(AlOX)层或其他层)，其可以通过化学气相沉积、原子层沉积和/或其他合适的技术沉积在发射器100的一个或多个其他层上。
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可以包括实现电接触的层，电流可通过所述电接触流动。例如，欧姆金属层104可以包括电流可以流过的钛(Ti)和金(Au)层、Ti和铂(Pt)层、Au层等(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，并且完全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、晶种和蚀刻，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所示的层的数量、排列、厚度、顺序、对称性等是作为示例提供的。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2A至图2D是描绘本文所述的示例性多结发射器结构200A至200D的横截面视图的图。在一些实施方式中，多结发射器结构200A-200D可以对应于本文所述的一个或多个垂直发射装置，例如图1A-1B所示并在上面进一步详细描述的发射器100。例如，多结发射器结构200A-200D可以用在单发射器多结VCSEL和/或VCSEL阵列中(例如，其中多个发射器布置在栅格VCSEL阵列或非栅格VCSEL阵列中)。如图2A-2B所示，多结发射器结构200A、200B包括以发射器架构构造的一组发射器层(例如，如结合图1A-1B所述，其中多结发射器结构200A-200D为包括图1B所示的光学孔108和电流限制孔的区域的不同变型)。在一些实施方式中，多结发射器结构200A-200D可以用在顶部发射多结VCSEL和/或底部发射多结VCSEL中。
如图2A-2D所示，多结发射器结构200A-200D可以包括基板202(例如，n型半导体基板)和堆叠体，所述堆叠体包括在基板202上形成(例如，外延生长)的一组层(例如，堆叠的外延层)。例如，如图2A-2D所示，形成在基板202上的一组堆叠的层可以包括底部反射镜结构、顶部反射镜结构、顶部反射镜结构上的顶部接触部和/或盖层218或230，以及顶部反射镜结构和底部反射镜结构之间的腔。
如图2A-2D所示，基板202包括支撑材料，多结发射器结构200A-200D的一个或多个层或特征在其上或其中生长或制造。在一些实施方式中，基板202包括n型材料。在一些实施方式中，基板202包括半绝缘类型的材料。在一些实施方式中，当在一个或多个底部发射的发射器中使用多结发射器结构200A-200D时，可以使用半绝缘类型的材料，以便减少来自基板202的光学吸收。在这样的实施方式中，多结发射器结构200A-200D可以包括在底部反射镜结构中或附近的接触缓冲件(未示出)。在一些实施方式中，基板202可由半导体材料(诸如GaAs、InP或另一类型的半导体材料)形成。在一些实施方式中，多结发射器结构200A-200D的底部接触部(例如，底部n-接触部)可以由基板202的背侧制成。在一些实施方式中，多结发射器结构200A-200D的底部接触部可以由多结发射器结构200A-200D的前侧制成。在一些实施方式中，可以通过例如将台面台阶或沟槽蚀刻到基板202或者在底部反射镜结构中或附近插入接触缓冲件来实现前侧接触。
在一些实施方式中，多结发射器结构200A-200D可以形成在底部金属(未示出)上，其包括在基板202的底表面上(例如，在多结发射器结构200A-200D的背侧处)的金属层。在一些实施方式中，底部金属由n型材料形成。在一些实施方式中，底部金属是与基板202进行电接触的层。在一些实施方式中，底部金属用作多结发射器结构200A-200D的阳极。例如，在一些实施方式中，底部金属可以用作VCSEL阵列的一组子阵列的公共阳极，其中多结发射器结构200A-200D是该组子阵列中的一个。在一些实施方式中，底部金属可包括经退火的金属化层，例如AuGeNi或PdGeAu层。
在一些实施方式中，底部反射镜结构和顶部反射镜结构分别形成多结发射器结构200A-200D的光学谐振器的底部反射器和顶部反射器。例如，底部反射镜结构和顶部反射镜结构可以各自包括一个或多个DBR、电介质反射镜或其他反射镜结构。在一些实施方式中，底部反射镜结构和顶部反射镜结构各自包括使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术、分子束外延(MBE)技术或另一技术生长的一个或多个层(例如，砷化铝镓(AlGaAs)层)。
在一些实施方式中，如图2A-2D所示，设置在底部反射镜结构和顶部反射镜结构之间的腔通常包括多个有源区208(示出为MQW层)，其中电子和空穴复合以发射光并限定多结发射器结构200A-200D的发射波长范围。例如，如本文所述，多结发射器结构200A-200D是双结发射器的示例，其中隧道结210用于连接嵌入在形成顶部反射镜结构的一个或多个DBR和形成底部反射镜结构的一个或多个DBR之间的两个有源区208-1、208-2。因此，如本文所述，示例性多结发射器结构200A-200D对应于具有通过单个隧道结210串联连接的第一有源区208-1和第二有源区208-2的双结VCSEL，该隧道结210包括重掺杂的p型和n型半导体材料(分别表示为p++和n++)(例如，掺杂水平为1019至1020cm-3)。然而，应当理解，多结发射器结构200A-200D中的腔可以包括两个、三个、四个、五个、六个或更多个有源区208，其中隧道结210设置在一对有源区208之间的每个界面处。
另外，如图所示，嵌入在顶部反射镜结构和底部反射镜结构之间的腔可以包括一个或多个氧化物孔隙(OA)层212、214。例如，设置在有源区208上方的OA层212可以对电流和光学模式施加横向限制，并且可以可选地在底部结中添加附加的OA层214以增强这种限制。例如，在图2A-2B中，对电流和光学模式施加横向限制的OA层212可以设置在上部有源区208-2和顶部反射镜结构之间。或者，在图2C-2D中，对电流和光学模式施加横向限制的OA层212可以设置在上部有源区208-2和附加隧道结236之间，这将在下面更详细地描述。在一些实施方式中，在腔包括(可选的)附加OA层214的情况下，附加OA层214可以位于一个或多个有源区208的p侧和/或n侧。例如，如图2A-2D所示，附加OA层214可以设置在第一有源区208-1和隧道结区210之间，隧道结区210连接第一有源区208-1和第二有源区208-2。替代地，在其他示例中，附加OA层214可以设置在隧道结210和第二有源区208-2之间、第一有源区208-1和底部反射镜结构之间等。替代地，在一些实施方式中，多结发射器结构200A-200D可以没有OA层(例如，多结发射器结构200A-200D可以不利用氧化物限制)。例如，不是使用一个或多个OA层212、214，一些实施方式可以使用包括一个或多个注入钝化层、一个或多个台面或沟槽隔离层和/或一个或多个掩埋隧道结层的结构来实现电流和模式限制，等等。
在一些实施方式中，如图2A-2D所示，示例性多结发射器结构200A-200D通常可以包括一个或多个DBR对，其中设置在堆叠体的更靠近腔的内侧上的低对比度DBR与设置在堆叠体的更远离腔的外侧上的高对比度DBR相配对。例如，如本文所述，高对比度DBR意味着高折射率DBR层和低折射率DBR层之间的折射率分布差异相对较大，并且低对比度DBR意味着高折射率DBR层和低折射率DBR层之间的折射率分布差异相对较小。因此，一个或多个DBR对可以用于形成底部反射镜结构和/或顶部反射镜结构，以便滤除高阶模式并增加到多结发射器结构200A-200D的中心的电流注入分布，从而操纵多结发射器结构200A-200D中的光束发散度。例如，通过在最靠近包括多个有源区208的腔的内侧上提供低对比度DBR，示例性多结发射器结构200A-200D可以增加腔的有效长度，以便通过促进较低阶、较低角度模式来减小激光束发散度。此外，内侧上的低对比度DBR可以使用较低的铝(Al)组合物，其可以提供更高的迁移率并帮助扩散电流，从而降低电阻和电压。
在一个示例中，如图2A所示，多结发射器结构200A的底部反射镜结构包括在堆叠体的更远离腔的外侧上形成在基板202上的底部(例如，高对比度)n-DBR 204，以及在堆叠体的更靠近腔的内侧上形成在底部n-DBR 204上的低对比度n-DBR 206。在图2A所示的多结发射器结构200A中，仅底部反射镜结构包括低对比度n-DBR 206，并且顶部反射镜结构由顶部(例如，高对比度)p-DBR 216形成。替代地，在图2B所示的示例性多结发射器结构200B中，顶部反射镜结构包括在堆叠体的外侧上的顶部(例如，高对比度)p-DBR 216和在堆叠体的更靠近腔的内侧上的低对比度p-DBR 220。通常，在顶部接触部或盖层218由p型半导体材料形成的情况下，顶部反射镜结构可以由一个或多个p-DBR形成。
替代地，如图2C-2D所示，顶部接触部或盖层230可以由n型半导体材料形成，在这种情况下，顶部反射镜结构可以由一个或多个n-DBR形成(例如，在堆叠体的更远离腔的外侧上的顶部n-DBR 232和在堆叠体的更靠近腔的内侧上的上部低对比度n-DBR 234)。在这些示例中，腔包括附加的隧道结236以转换极性，使得图2A-2B中所示的p-DBR的全部或部分可以由N-DBR 232、234代替。以这种方式，当顶部接触部或盖层230由n型半导体材料形成时，可以使用图2C中所示的负-正-本征-负(NPIN)载流子类型配置、或图2D中所示的负-本征-正-负(NIPN)载流子类型配置，其中NPIN配置中的腔相对于NIPN配置中的腔垂直倒置(反之亦然)。例如，如本文所述，与负载流子类型相关联的区域或层可以主要用于电子传导，并且与正载流子类型相关联的区域或层可以主要用于空穴(例如，正电荷)传导。因此，在一些实施方式中，由于电子具有比空穴更低的自由载流子吸收，因此图2C-2D中所示的NPIN和NIPN配置可以有助于减少光学吸收。附加地或替代地，图2C-2D中所示的多结发射器结构200C-200D可以提供更窄发散度的附加机会，因为与仅由一个或多个p-DBR形成的顶部反射镜结构相比，n型载流子通常具有更高的迁移率并且可以增强载流子在OA层212、214上更均匀地扩散。以这种方式，与多结发射器结构200A-200B相比，图2C-2D中所示的多结发射器结构200C-200D可以在中心(例如，有源)区域中产生更高的增益，这可以对大型OA设计具有更显著的影响。此外，由于n型DBR具有比p型DBR相对更低的光学吸收，因此在n型基板上生长的NPIN或NIPN式VCSEL结构(例如，如图2C-2D所示)可以增加上部低对比度p-DBR 220的有效性。
因此，如本文所述，一些实施方式涉及多结发射器结构，其中底部反射镜结构和/或顶部反射镜结构包括设置在堆叠体的更靠近腔的内侧上的低对比度DBR，其与设置在堆叠体的更远离腔的外侧上的高对比度DBR配对。以这种方式，一个或多个低对比度DBR可以用于滤除高阶模式并增加到多结发射器结构的中心的电流注入分布。例如，在最靠近腔的内侧上提供低对比度DBR可以增加腔的有效长度。例如，在典型的基于GaAs的VCSEL中，夹住所述腔的顶部和底部DBR包括较高Al组分的AlGaAs和较低Al组分的AlGaAs或GaAs，并且还可以包括DBR之间的分级层以降低电阻。因此，因为折射率值通常随着AlGaAs半导体合金中Al成分的增加而减小，所以低对比度DBR(例如，底部反射镜结构中使用的低对比度n-DBR206和/或顶部反射镜结构中使用的低对比度p-DBR 220或n-DBR 234)可以使用较低的Al成分来增加腔的有效长度。例如，在传统的法布里-珀罗(Fabry–Pérot)腔中，腔的长度是直接的并且由反射镜之间的距离确定。然而，对于具有顶部反射镜结构和底部反射镜结构的VCSEL(例如，如图2A-2D所示)，腔长度包括顶部反射镜结构和底部反射镜结构之间的实际腔的长度以及穿透到顶部反射镜结构和底部反射镜结构中的有效腔的长度。
例如，如图3A-3C所示，腔的有效长度通常可以取决于高折射率DBR层和低折射率DBR层之间的折射率差(例如，在堆叠体的更远离腔的外侧处的高对比度DBR与更堆叠体的更靠近腔的内侧上的低对比度DBR之间的折射率分布差，诸如折射率大小、对比度和DBR对的数量)。例如，在一些实施方式中，相对于折射率分布的较大差异(例如，较高的对比度)，折射率分布的较小差异(例如，较低的对比度)通常导致较长的有效腔。以这种方式，可以通过控制高对比度/低对比度DBR对的数量和/或通过控制低对比度DBR的对比度来操纵多结发射器(例如，单个多结VCSEL或VCSEL阵列)中的光束发散度。例如，在一些实施方式中，较大数量的低对比度DBR对和/或低对比度DBR的较低对比度可以增加有效腔长度，从而产生较窄的光束发散度。替代地，使用较少的低对比度DBR对和/或较高对比度的低对比度DBR可以减小有效腔长度，从而产生较宽的光束发散度。
图2A-2D中所示的层的数量、布置、厚度、顺序、对称性等是作为示例提供的。在实践中，多结VCSEL可以包括与图2A-2D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。例如，多结VCSEL可以包括靠近隧道结210和OA层212和/或OA层214的间隔层和/或附加DBR层。另外或替代地，图2A到2D中所展示的一组层(例如，一个或多个层)可执行描述为由另一组层执行的一个或多个功能，且任何层可包括多于一个层。
图3A-3C是描绘本文描述的示例性多结发射器中的高对比度外反射镜和低对比度内反射镜之间的折射率分布差异的示例的图。例如，图3A示出了示例性多结发射器结构300，其中腔包括通过每对有源区之间的一个或多个隧道结串联连接的多个有源区。如图3A所示，腔嵌入在底部反射镜结构和顶部反射镜结构之间，底部反射镜结构和顶部反射镜结构中的一个或多个包括与高对比度DBR(例如，在堆叠体的更远离腔的外侧上)配对的低对比度DBR(例如，在堆叠体的更靠近腔的内侧上)。例如，在图3A中，底部反射镜结构包括在堆叠体的更远离腔的外侧上的底部n-DBR和在堆叠体的更靠近腔的内侧上的下部低对比度n-DBR，并且顶部反射镜结构包括在堆叠体的更远离腔的外侧上的顶部p-DBR和在堆叠体的更靠近腔的内侧上的上部低对比度p-DBR。然而，应当理解，不同的配置可以用于低对比度DBR的数量和/或组成(例如，n型或p型)，如上面参考图2A-2D所述。
在一些实施方式中，为了使载流子吸收损耗最小化，位于堆叠体的更靠近腔的内侧中的低对比度DBR具有比位于堆叠体的更远离腔的外侧上的高对比度DBR相对更低的掺杂。在一些实施方式中，光束发散度的操纵可以取决于DBR对的数量和/或低对比度DBR的对比度。例如，如上所述，使用较大数量的低对比度DBR对和/或对于低对比度DBR使用较低对比度可以增加有效腔长度，从而产生较窄的光束发散度，并且使用较少的低对比度DBR对和/或对于低对比度DBR使用较高对比度可以减小有效腔长度，从而产生较宽的光束发散度。此外，如本文所述，腔的有效长度(其可能影响光束发散度)可以取决于用于形成顶部和/或底部反射镜结构的高对比度DBR层和低对比度DBR层之间的折射率分布差异。例如，在图3A中，附图标记310描绘了形成顶部反射镜结构的上部低对比度p-DBR和顶部p-DBR之间的折射率分布差异，并且附图标记312描绘了形成底部反射镜结构的下部低对比度n-DBR和底部n-DBR之间的折射率分布差异。例如，在一些实施方式中，堆叠体的更靠近腔的内侧上的低对比度DBR可以比堆叠体的更远离腔的外侧上的高对比度DBR具有更低的Al组成，这可导致低对比度DBR具有比高对比度DBR更高的折射率(例如，基于折射率值随着Al组成的增加而减小)。
如图3B-3C所示，低对比度内部DBR和高对比度外部DBR的组合可以具有不同的配置，以使得能够以不同的方式操纵光束发散度。例如，在图3B中，附图标记314描绘了高对比度DBR与高折射率低对比度DBR配对之间的折射率分布差异，附图标记316描绘了高对比度DBR与低折射率低对比度DBR配对之间的折射率分布差异，并且附图标记318和320描绘了高对比度DBR与插入堆叠体的更靠近腔的内侧的另外一对、两对或几对高对比度DBR配对之间的折射率分布差异。在其他示例中，如图3C所示，附图标记322描绘了高对比度DBR与两级高折射率低对比度DBR(例如，其中折射率以两级变化)配对之间的折射率分布差异，附图标记324描绘了高对比度DBR与两级低折射率低对比度DBR配对之间的折射率分布差异，附图标记326描绘了高对比度DBR与较高的高折射率低对比度DBR配对之间的折射率分布差异。附图标记328描绘了高对比度DBR与较低的高折射率低对比度DBR配对之间的折射率分布差异。其他示例可以仅包括上部DBR或仅包括下部DBR，包括低对比度DBR，所述上部DBR和下部DBR对于低对比度DBR和/或高对比度DBR具有不同的对比度，和/或多于两级或逐渐改变的低对比度DBR。
图3A-3C中所示的层的数量、布置、厚度、顺序、对称性、折射率等是作为示例提供的。在实践中，与图3A-3C中所示的那些相比，多结发射器可以包括附加的层、更少的层、不同的层、不同构造的层、不同布置的层或不同的折射率。另外或替代地，图3A到3C中所展示的一组层(例如，一个或多个层)可执行描述为由图3A到3C中所展示的另一组层执行的一个或多个功能，且任何层可包括多于一个层。
前述公开内容提供了说明和描述，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“有”、“具有”、“带有”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括性的，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，本文可以使用空间相对术语，例如“下方”、“下部”、“底部”、“上方”、“上部”、“顶部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个或多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设备、装置和/或元件的不同取向。设备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。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有于2022年1月27日提交的名称为“多结垂直腔表面发射激光器的光束发散度的操纵”的美国临时专利申请No.63/267,216的优先权。该在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用并入本专利申请。

Claims (20)

1.一种多结垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括：
基板；
顶部接触部；以及
一组层，该组层形成在所述基板与所述顶部接触部之间，该组层包括：
高对比度p型分布式布拉格反射器(p-DBR)；
高对比度n型分布式布拉格反射器(n-DBR)；
腔，所述腔包括第一有源区、第二有源区和连接所述第一有源区和所述第二有源区的隧道结，
其中所述腔设置在所述高对比度p-DBR和所述高对比度n-DBR之间；以及
低对比度n-DBR，设置于所述高对比度n-DBR与所述腔之间。
2.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中该组层还包括：
氧化物孔隙层，所述氧化物孔隙层设置在所述高对比度p-DBR与所述腔之间。
3.根据权利要求2所述的多结VCSEL，其中：
所述氧化物孔隙层是第一氧化物孔隙层，并且
该组层还包括在腔内设置在隧道结与第一有源区或第二有源区之间的第二氧化物孔隙层。
4.根据权利要求2所述的多结VCSEL，其中该组层还包括：
低对比度p-DBR，所述低对比度p-DBR设置在所述高对比度p-DBR与所述腔之间。
5.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中所述隧道结是正负结，所述正负结包括掺杂p型半导体层和与所述掺杂p型半导体层相邻的掺杂n型半导体层。
6.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中所述腔的有效长度基于所述低对比度n-DBR和所述高对比度n-DBR之间的折射率分布差异。
7.根据权利要求1所述的多结VCSEL，其中所述低对比度n-DBR具有比所述高对比度n-DBR的掺杂水平更低的掺杂水平。
8.一种装置，包括：
基板；
顶部接触部；以及
堆叠体，所述堆叠体包括形成在所述基板与所述顶部接触部之间的一组层，该组层包括：
腔，所述腔包括第一有源区、第二有源区和连接所述第一有源区和所述第二有源区的隧道结；
第一分布式布拉格反射器(DBR)对，所述第一分布式布拉格反射器(DBR)对包括在所述腔与所述顶部接触部之间的高对比度p型DBR(p-DBR)和低对比度p-DBR；以及
第二DBR对，所述第二DBR对包括在所述腔与所述基板之间的高对比度n型DBR(n-DBR)和低对比度n-DBR，
其中，所述低对比度p-DBR和所述低对比度n-DBR位于所述堆叠体的内侧，并且
其中，所述高对比度p-DBR和所述高对比度n-DBR位于所述堆叠体的外侧。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，该组层还包括：
一个或多个层，所述一个或多个层被布置成对所述腔内的电流和光学模式施加横向限制。
10.根据权利要求9所述的装置，其中被布置为对所述电流和光学模式施加横向限制的所述一个或多个层包括一个或多个氧化物孔隙层、注入钝化层、台面或沟槽隔离层、或掩埋隧道结层。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述腔具有基于所述低对比度n-DBR与所述高对比度n-DBR之间的折射率分布差异以及所述低对比度p-DBR与所述高对比度p-DBR之间的折射率分布差异的有效长度。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述基板是n型基板或半绝缘基板，其中接触缓冲件插入所述第二DBR对中或附近。
13.根据权利要求8所述的装置，其中所述装置是顶部发射多结垂直腔表面发射激光器。
14.根据权利要求8所述的装置，其中所述装置是底部发射多结垂直腔表面发射激光器。
15.一种多结垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括：
n型基板；
n型顶部接触部；以及
堆叠体，所述堆叠体包括形成在所述n型基板与所述n型顶部接触部之间的一组层，该组层包括：
腔，所述腔包括第一有源区、第二有源区和连接所述第一有源区和所述第二有源区的第一隧道结；
上部n型分布式布拉格反射器(n-DBR)对，所述上部n型分布式布拉格反射器(n-DBR)对包括上部高对比度n-DBR和上部低对比度n-DBR，所述上部高对比度n-DBR和上部低对比度n-DBR设置在所述腔与所述n型顶部接触部之间；
下部n-DBR对，所述下部n-DBR对包括下部高对比度n-DBR和下部低对比度n-DBR，所述下部n-DBR对设置在所述腔和所述n型基板之间；以及
第二隧道结，所述第二隧道结设置在所述腔与所述上部n-DBR对或所述下部n-DBR对之间，
其中所述上部低对比度n-DBR和所述下部低对比度n-DBR位于堆叠体的内侧上，并且
其中所述上部高对比度n-DBR和所述下部高对比度n-DBR位于堆叠体的外侧上。
16.根据权利要求15所述的多结VCSEL，其中所述第二隧道结反转所述腔与所述上部n-DBR对或所述下部n-DBR对之间的极性。
17.根据权利要求15所述的多结VCSEL，其中该组层还包括：
一个或多个层，所述一个或多个层被布置成对所述腔内的电流和光学模式施加横向限制。
18.根据权利要求15所述的多结VCSEL，其中所述腔具有基于所述上部低对比度n-DBR和所述上部高对比度n-DBR之间的折射率分布差异以及所述下部低对比度n-DBR和所述下部高对比度n-DBR之间的折射率分布差异的有效长度。
19.根据权利要求15所述的多结VCSEL，其中该组层具有负-正-本征-负(NPIN)载流子类型配置。
20.根据权利要求15所述的多结VCSEL，其中该组层具有负-本征-正-负(NIPN)载流子类型配置。
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