JP7391069B2 - VCSEL laser with multi-tunnel junction and manufacturing method thereof - Google Patents

VCSEL laser with multi-tunnel junction and manufacturing method thereof Download PDF

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Description

本願は、半導体の分野に関し、さらに具体的にはマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present application relates to the field of semiconductors, and more particularly to a VCSEL laser with a multi-tunnel junction and a method of manufacturing the same.

VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser、垂直キャビティ表面放出レーザ)は、半導体レーザであり、基板の垂直方向に共振キャビティを形成し、垂直方向にレーザ光を出射する。VCSELレーザ、特に複数のVCSELユニットを含むVCSELドットマトリクスデバイスは、例えば、コンシューマー電子、工業、医療などの業界で広く使用されている。トンネル接合の数に基づいて、VCSELデバイスは、シングル接合VCSELデバイスとマルチ接合VCSELデバイスに分けられることができ、名前の通り、シングル接合VCSELデバイスは、VCSELデバイスの中のVCSELユニットが一つのトンネル接合を有することを表し、マルチ接合VCSELデバイスは、VCSELデバイスの中のVCSELユニットが複数のトンネル接合を有することを表す。 A VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) is a semiconductor laser that forms a resonant cavity in the vertical direction of a substrate and emits laser light in the vertical direction. VCSEL lasers, particularly VCSEL dot matrix devices containing multiple VCSEL units, are widely used in industries such as consumer electronics, industrial, and medical, for example. Based on the number of tunnel junctions, VCSEL devices can be divided into single-junction VCSEL devices and multi-junction VCSEL devices, and as the name suggests, single-junction VCSEL devices mean that the VCSEL unit in the VCSEL device is connected to one tunnel junction. A multi-junction VCSEL device indicates that a VCSEL unit in the VCSEL device has multiple tunnel junctions.

マーケットは、高出力のVCSELドットマトリクスデバイスに対してずっと高い光電変換効率(Power-converted-efficiency:PCE)というニーズがある。シングル接合VCSELデバイスは、自身の抵抗特性のため、高出力を実現しながら高いPCEを達成することは難しい。また、シングル接合の高出力VCSELデバイスを駆動するには大きな電流が必要であり、実際に応用されるところ、アルゴリズムは、電流パルスの立ち上がり時間に対する要求が厳しく、つまり、駆動回路基板の設計に対する要求が厳しく、技術的に実現し難い。 The market has a need for much higher power-converted-efficiency (PCE) for high-power VCSEL dot matrix devices. Single-junction VCSEL devices have difficulty achieving high PCE while achieving high output power due to their resistive characteristics. In addition, large currents are required to drive single-junction high-power VCSEL devices, and in practical applications, the algorithm has strict requirements on the rise time of the current pulse, which means that there are demands on the design of the driving circuit board. is difficult and technically difficult to realize.

マルチ接合VCSELデバイスは、シングル接合VCSELデバイスと比較して、特定の使用条件において、シングル接合VCSELデバイスに備えられる上記の欠陥をある程度緩和することができる。つまり、指定された電力の要求について、比較的小さな電流でマルチ接合VCSELデバイスを駆動することができ、動作電流の低減により、対応するPCEも向上する。 Multi-junction VCSEL devices, compared to single-junction VCSEL devices, can alleviate some of the above deficiencies inherent in single-junction VCSEL devices under certain usage conditions. That is, for a given power requirement, a multi-junction VCSEL device can be driven with a relatively small current, and the reduction in operating current also improves the corresponding PCE.

しかし、マルチ接合VCSELデバイスの幾何キャビティ長は、シングル接合VCSELデバイスの数倍なので、実際のマルチ接合VCSELデバイスの遠視野拡がり角は、設計の要求を満たすことが難しい。つまり、マルチ接合VCSELデバイスについて、光電変換効率と遠視野拡がり角の両方面の性能を両立させることは困難である。 However, since the geometric cavity length of multi-junction VCSEL devices is several times that of single-junction VCSEL devices, the far-field divergence angle of practical multi-junction VCSEL devices is difficult to meet the design requirements. In other words, it is difficult to achieve both performance in terms of photoelectric conversion efficiency and far-field divergence angle in a multi-junction VCSEL device.

従って、光電変換効率と遠視野拡がり角の大きさを両立可能な新しいVCSELデバイスが求められている。 Therefore, there is a need for a new VCSEL device that can achieve both photoelectric conversion efficiency and a large far-field divergence angle.

本願の利点の一つは、マルチトンネル接合を有するVCSELレーザ及びその製造方法を提供し、ここに、前記VCSELレーザは、高い光電変換効率を有しながら、遠視野拡がり角の大きさを両立させることができる。 One of the advantages of the present application is to provide a VCSEL laser with a multi-tunnel junction and a method for manufacturing the same, wherein the VCSEL laser has a high photoelectric conversion efficiency while achieving a large far-field divergence angle. be able to.

上記の少なくとも一つの利点を実現するために、本願は、マルチトンネル接合を有するVCSELレーザを提供し、エピタキシャル構造と、前記エピタキシャル構造に電気的に接続される正電極及び負電極とを含み、
ここに、前記エピタキシャル構造は、
基板と、
前記基板の上方に位置する、反射チャンバが介在する第1の反射器及び第2の反射器と、
前記反射チャンバ内に形成され、前記反射チャンバ内で交互に設けられた複数の活性領域及び複数のトンネル接合と、
前記反射チャンバ内に形成された、それぞれ開口を有する少なくとも二つの規制層と、を含み、ここに、前記少なくとも二つの規制層の前記開口のうちの少なくとも一部の開口間が異なる孔径を有する。
To realize at least one of the above advantages, the present application provides a VCSEL laser with a multi-tunnel junction, comprising an epitaxial structure and a positive electrode and a negative electrode electrically connected to the epitaxial structure;
Here, the epitaxial structure is
A substrate and
a first reflector and a second reflector with an intervening reflection chamber located above the substrate;
a plurality of active regions and a plurality of tunnel junctions formed within the reflection chamber and alternately provided within the reflection chamber;
at least two regulation layers each having an aperture formed in the reflection chamber, wherein at least some of the apertures of the at least two regulation layers have different pore sizes.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記規制層は、前記活性領域ごとに上方にそれぞれ形成され、前記制限層の数は、前記活性領域の数と一致する。 In the VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to the present application, the restriction layer is formed above each active region, and the number of restriction layers corresponds to the number of active regions.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記規制層は、一部の前記活性領域の上方に選択可能に形成され、前記規制層の数は、前記活性領域の数よりも少ない。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the regulation layer is selectively formed above some of the active regions, and the number of regulation layers is smaller than the number of active regions.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記開口の孔径範囲は、1um~100umである。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the aperture diameter range is from 1 um to 100 um.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記開口の孔径範囲は、3um~50umである。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the aperture diameter range is from 3 um to 50 um.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記開口間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umである。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the difference in hole diameter between the apertures ranges from 0.1 um to 95 um.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記開口間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the difference in hole diameter between the apertures ranges from 0.5 um to 20 um.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記少なくとも二つの規制層の前記開口間の孔径のサイズは、何れも互いに等しくない。 In the VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to the present application, the sizes of the hole diameters between the openings of the at least two regulating layers are not equal to each other.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記少なくとも一つの規制層のうち前記第2の反射器に最も近い前記規制層の開口は、最小の孔径を有する。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the aperture of the at least one regulating layer closest to the second reflector has the smallest pore size.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記少なくとも二つの規制層は、酸化工程によって形成された酸化規制層を少なくとも一つ含む。 In the VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to the present application, the at least two regulation layers include at least one oxidation regulation layer formed by an oxidation process.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記少なくとも二つの規制層は、イオン注入工程によって形成されたイオン規制層を少なくとも一つ含む。 In the VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to the present application, the at least two regulation layers include at least one ion regulation layer formed by an ion implantation process.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記少なくとも二つの規制層は、酸化工程によって形成された酸化規制層を少なくとも一つ含むとともに、前記少なくとも二つの規制層は、イオン注入工程によって形成されたイオン規制層を少なくとも一つ含む。 In the VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to the present application, the at least two regulation layers include at least one oxidation regulation layer formed by an oxidation process, and the at least two regulation layers are formed by an ion implantation process. It includes at least one ion regulation layer.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記少なくとも二つの規制層は、全て酸化工程によって形成された酸化規制層である。 In the VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to the present application, the at least two regulation layers are all oxidation regulation layers formed by an oxidation process.

本願によるマルチトンネル接合を有するVCSELレーザにおいて、前記酸化規制層の間のピッチは、0.5*前記VCSELレーザによるレーザ光の波長の整数倍をその間の半導体の屈折率で割った加重合計に等しい。 In the VCSEL laser with multi-tunnel junction according to the present application, the pitch between the oxidation control layers is equal to 0.5*the weighted sum of an integer multiple of the wavelength of the laser light by the VCSEL laser divided by the refractive index of the semiconductor therebetween. .

本願の他の態様により、
エピタキシャル成長工程によって、基板と、前記基板の上方に位置する第1の反射器及び第2の反射器と、前記第1の反射器と前記第2の反射器との間に形成され、交互に設けられた複数の活性領域及び複数のトンネル接合とを含むエピタキシャル構造を形成するステップと、
酸化工程によって前記第1の反射器と前記第2の反射器との間に、それぞれ開口を有する少なくとも二つの酸化規制層を形成するステップであって、前記開口のうちの少なくとも一部の開口間が異なる孔径を有するステップと、を含む、マルチトンネル接合を有するVCSELレーザの製造方法をさらに提供する。
According to other aspects of the present application,
A substrate, a first reflector and a second reflector located above the substrate, and alternately provided between the first reflector and the second reflector are formed by an epitaxial growth process. forming an epitaxial structure including a plurality of active regions and a plurality of tunnel junctions;
forming at least two oxidation control layers each having an opening between the first reflector and the second reflector by an oxidation process, the step of forming at least two oxidation control layers each having an opening, the gap between at least some of the openings; and having different hole sizes.

本願による製造方法において、前記酸化規制層は、前記活性領域ごとに上方にそれぞれ形成され、前記酸化制限層の数は、前記活性領域の数と一致する。 In the manufacturing method according to the present application, the oxidation limiting layer is formed above each of the active regions, and the number of the oxidation limiting layers matches the number of the active regions.

本願による製造方法において、前記酸化規制層は、一部の前記活性領域の上方に選択可能に形成され、前記酸化規制層の数は、前記活性領域の数よりも少ない。 In the manufacturing method according to the present application, the oxidation control layer is selectively formed above some of the active regions, and the number of the oxidation control layers is smaller than the number of the active regions.

本願による製造方法において、前記開口の孔径範囲は、1um~100umである。 In the manufacturing method according to the present application, the pore diameter range of the opening is 1 um to 100 um.

本願による製造方法において、前記開口の孔径範囲は、3um~50umである。 In the manufacturing method according to the present application, the pore diameter range of the opening is 3 um to 50 um.

本願による製造方法において、前記開口間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umである。 In the manufacturing method according to the present application, the difference in pore diameter between the openings ranges from 0.1 um to 95 um.

本願による製造方法において、前記開口間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである。 In the manufacturing method according to the present application, the difference in pore diameter between the openings ranges from 0.5 um to 20 um.

本願による製造方法において、前記少なくとも二つの酸化規制層のうち前記第2の反射器に最も近い前記酸化規制層の開口は、最小の孔径を有する。 In the manufacturing method according to the present application, the opening in the oxidation control layer closest to the second reflector among the at least two oxidation control layers has the smallest pore size.

後述の説明と図面を理解することで、本願の更なる目的と利点が十分に具現化される。 Further objects and advantages of the present application will be fully realized through an understanding of the following description and drawings.

本願のこれらとその他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲によって十分に具現化される。 These and other objects, features, and advantages of the present application are fully realized by the following detailed description, drawings, and claims.

本願のこれらおよび/または他の態様および利点は、以下の図面を参照し、本願の実施例に対する詳細な説明から、より明確かつ理解しやすくなる。ここに、
従来のシングル接合VCSELユニットの構造模式図を図示する。 従来のマルチ接合VCSELユニットの構造模式図を図示する。 従来のマルチ接合VCSELユニットの別の構造模式図を図示する。 本願の実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示する。 本願の実施例によるVCSELレーザの一つの変形実施の構造模式図を図示する。 本願の実施例によるVCSELレーザの別の変形実施の構造模式図を図示する。 本願の実施例によるVCSELレーザのパフォーマンス曲線説明図を図示する。 本願の実施例によるVCSELレーザの別のパフォーマンス曲線説明図を図示する。 本願の別の実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示する。 本願の更なる実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示する。 本願の更なる実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示する。 本願の実施例によるVCSELレーザの製造方法の説明図を図示する。
These and/or other aspects and advantages of the present application will become more clearly and understandable with reference to the following drawings and detailed description of the embodiments of the present application. Here,
1 illustrates a structural schematic diagram of a conventional single junction VCSEL unit. 1 illustrates a structural schematic diagram of a conventional multi-junction VCSEL unit. FIG. 2 illustrates another structural schematic diagram of a conventional multi-junction VCSEL unit. 1 illustrates a schematic structural diagram of a VCSEL laser according to an embodiment of the present application. 1 illustrates a structural schematic diagram of one variant implementation of a VCSEL laser according to an embodiment of the present application; FIG. Figure 3 illustrates a structural schematic diagram of another variant implementation of a VCSEL laser according to an embodiment of the present application; 1 illustrates a performance curve diagram of a VCSEL laser according to an embodiment of the present application; FIG. FIG. 3 illustrates another performance curve diagram of a VCSEL laser according to an embodiment of the present application. FIG. 4 illustrates a structural schematic diagram of a VCSEL laser according to another embodiment of the present application. Figure 3 illustrates a structural schematic diagram of a VCSEL laser according to a further embodiment of the present application; Figure 3 illustrates a structural schematic diagram of a VCSEL laser according to a further embodiment of the present application; 1 illustrates an explanatory diagram of a method for manufacturing a VCSEL laser according to an embodiment of the present application.

以下の明細書および特許請求の範囲で使用される用語および言葉は、文面の意味に限定されるものではなく、本願を明確かつ一貫して理解できるように、本出願人だけに使用されるものである。したがって、当業者は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義されるように、本願を制限する目的のためではなく、説明の目的だけのために本願の様々な実施形態の以下の説明を提供することは明らかである。 The terms and language used in the following specification and claims are not limited to their literal meaning, but are used solely by the applicant to provide a clear and consistent understanding of the present application. It is. Accordingly, those skilled in the art will appreciate the following description of the various embodiments of the present application for purposes of illustration only, and not for the purpose of limiting the present application, as defined by the appended claims and their equivalents. It is clear that an explanation is provided.

「一」という用語は、「少なくとも一」または「一つまたは複数」として理解されるべきであり、すなわち、一実施例では、ある要素の数は一つでもよく、他の実施例では、この要素の数は、複数でもよく、「一」という用語は、数に対する制限として理解されることができない。 The term "one" should be understood as "at least one" or "one or more," i.e., in one embodiment, the number of an element may be one, and in other embodiments, the number of elements may be one. The number of elements may be plural, and the term "one" cannot be understood as a restriction on the number.

たとえば、「第1」、「第2」などの序数は、様々な構成部材を記載するために使用されるが、ここではそれらの構成部材を制限しない。この用語は、ある構成部材と別の構成部材を区別するためにのみ使用される。例えば、実用新案の発想の教示を逸脱することなく、第1の構成部材を第2の構成部材と呼ぶことができ、同様に、第2の構成部材も第1の構成部材と呼ぶことができる。ここで使用される用語「および/または」には、1つまたは複数の関連するリストされた項目の任意の組み合わせと全ての組み合わせが含まれる。 For example, ordinal numbers such as "first", "second", etc. are used to describe various components, but are not intended to limit those components herein. This term is only used to distinguish one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and likewise a second component may be referred to as a first component, without departing from the teachings of the utility model concept. . The term "and/or" as used herein includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

ここで使用される用語は、様々な実施例を説明する目的だけのために使用され、制限することを意図するものではない。ここで使われているように、コンテキストで例外であるとはっきりと明記されていない限り、単数形は、複数形も含むことを意味する。さらに、「含む」および/または「有する」という用語は、本明細書で使用されるときに、1つまたは複数の他の特徴、数量、ステップ、操作、構成部材、要素、またはそれらの組み合わせの存在または付加を排除することなく、前記特徴、数量、ステップ、操作、構成部材、要素、またはそれらの組み合わせの存在を指定することを理解できる。 The terminology used herein is for the purpose of describing various embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular includes the plural unless the context clearly dictates otherwise. Additionally, the terms "comprising" and/or "having" as used herein refer to one or more other features, quantities, steps, operations, components, elements, or combinations thereof. It can be understood to specify the presence of said features, quantities, steps, operations, components, elements, or combinations thereof without excluding their presence or addition.

出願の概要
上述したように、シングル接合VCSELデバイスは、自身の抵抗特性のため、高出力を実現しながら高いPCEを達成することは難しい。図1は、従来のシングル接合VCSELデバイスにおけるシングル接合VCSELユニットの構造模式図を図示する。図1に示すように、従来のシングル接合VCSELユニットは、上から下へ順に、負電極1P、基板2P、N-DBR 3P、活性領域4P、酸化規制層5P、P-DBR 6P及び正電極7Pを含み、ここに、動作中に、活性領域4P内に反転分布が存在し、レーザ媒質が与えるゲインが損失を十分に超えている場合、前記正電極7Pと負電極1Pから電流を注入すると、光強度が増加し続け、高エネルギー状態の伝導帯底にある電子が低エネルギー帯に遷移すると、特定波長の光がP-DBR 6PとN-DBR 3Pの間を往復して反射するにつれて増幅過程が繰り返され、レーザ光が形成される。特に、従来のシングル接合VCSELユニットでは、シングルトンネル接合が活性領域に形成されている。
SUMMARY OF THE APPLICATION As mentioned above, single-junction VCSEL devices have difficulty achieving high PCE while achieving high output power due to their resistive characteristics. FIG. 1 illustrates a structural schematic diagram of a single-junction VCSEL unit in a conventional single-junction VCSEL device. As shown in FIG. 1, the conventional single junction VCSEL unit includes, from top to bottom, a negative electrode 1P, a substrate 2P, an N-DBR 3P, an active region 4P, an oxidation regulating layer 5P, a P-DBR 6P, and a positive electrode 7P. Here, during operation, if population inversion exists in the active region 4P and the gain provided by the laser medium sufficiently exceeds the loss, when current is injected from the positive electrode 7P and the negative electrode 1P, As the light intensity continues to increase and the electrons at the bottom of the conduction band in the high energy state transition to the low energy band, an amplification process occurs as light of a specific wavelength is reflected back and forth between P-DBR 6P and N-DBR 3P. is repeated to form a laser beam. In particular, in conventional single-junction VCSEL units, a single tunnel junction is formed in the active region.

図2は、従来のマルチ接合VCSELユニットの構造模式図を図示する。図2に示すように、図1で示されているシングル接合VCSELユニットと比べられると、マルチ接合VCSELユニットは、N-DBR 3PとP-DBR 6Pとの間に互いに交互に設けられた複数の活性領域 4P及び複数のトンネル接合8Pを含む。例えば、図2で示されているマルチ接合VCSELユニットにおいて、該マルチ接合VCSELユニットは、三接合VCSELユニットに実施され、三つの活性領域 4Pと二つのトンネル接合 8Pとを含み、トンネル接合8Pは、二つの活性領域 4Pごとの間に介在される。 FIG. 2 illustrates a structural schematic diagram of a conventional multi-junction VCSEL unit. As shown in FIG. 2, compared to the single-junction VCSEL unit shown in FIG. It includes an active region 4P and a plurality of tunnel junctions 8P. For example, in the multi-junction VCSEL unit shown in FIG. 2, the multi-junction VCSEL unit is implemented in a three-junction VCSEL unit and includes three active regions 4P and two tunnel junctions 8P, where the tunnel junction 8P is Two active regions are interposed between each 4P.

トンネル接合がトンネル効果に基づいて動作することは、当業者に知られるべきであり、いわゆるトンネル効果とは、キャリアエネルギが低い(ポテンシャル障壁高さより小さい、すなわちE<V)場合に、薄膜材料そのものは厚さが薄い(10nm以下の場合)ため、キャリアは、一定の確率で薄膜材料を通り抜けることができるということを指す。シングル接合VCSELデバイスと比べられると、指定された電力の要求に対して、比較的に小さな電流でマルチ接合VCSELデバイスを駆動することができ、動作電流の低減により、対応するPCEも向上する。具体的には、指定された電力の要求に対して、シングル接合型VCSELデバイスには10Aの電流駆動が必要であれば、二接合VCSELデバイスには約5Aの電流駆動だけが必要であり、三接合VCSELデバイスには3A~4Aの駆動電流だけが必要である。 It should be known to those skilled in the art that tunnel junctions operate on the basis of tunneling effects, the so-called tunneling effect is when the carrier energy is low (less than the potential barrier height, i.e. E<V), when the thin film material itself indicates that carriers can pass through the thin film material with a certain probability because the thickness is thin (10 nm or less). When compared to single-junction VCSEL devices, multi-junction VCSEL devices can be driven with relatively small currents for a given power requirement, and the reduction in operating current also improves the corresponding PCE. Specifically, for a given power requirement, if a single-junction VCSEL device requires 10A of current drive, a two-junction VCSEL device only requires about 5A of current drive, and three Junction VCSEL devices require only 3A to 4A drive current.

しかし、マルチ接合VCSELデバイスの幾何キャビティ長は、シングル接合VCSELデバイスの数倍なので、実際のマルチ接合VCSELデバイスの遠視野拡がり角は、設計の要求を満たすことが難しくなる。マルチ接合VCSELデバイスの遠視野拡がり角が大き過ぎるという問題を解決するために、図3に示すように、酸化規制層5Pの数を減らしてみるメーカがある。図3に示すマルチ接合VCSELユニットでは、酸化規制層5Pが一つだけ配置されている。しかし、実際のテスト過程では、酸化規制層の数を減らすと、発光効率が低下し、すなわち、光電変換効率が再び非常に低くなることが本願の発明者によって発見され、このようにすると、マルチ接合VCSELレーザに特有される利点がなくなる。分析によると、酸化規制層は、キャリアを制限することを目的とし、酸化規制層の数を必要以上に減らすとキャリアに対する制限が少なすぎるようになり電流閾値が大きくなり、光電変換効率が低下してしまう。つまり、従来の解決案により、依然としてマルチ接合VCSELデバイスの光電変換効率と遠視野拡がり角の両方面の性能パフォーマンスを両立させることができない。 However, since the geometric cavity length of multi-junction VCSEL devices is several times that of single-junction VCSEL devices, the far-field divergence angle of practical multi-junction VCSEL devices becomes difficult to meet the design requirements. In order to solve the problem that the far-field divergence angle of multi-junction VCSEL devices is too large, some manufacturers try to reduce the number of oxidation control layers 5P, as shown in FIG. In the multi-junction VCSEL unit shown in FIG. 3, only one oxidation control layer 5P is disposed. However, in the actual test process, the inventor of the present application found that reducing the number of oxidation regulating layers reduces the luminous efficiency, that is, the photoelectric conversion efficiency becomes very low again, and in this way, the multi-layer The advantages inherent to junction VCSEL lasers are eliminated. According to the analysis, the purpose of the oxidation regulation layer is to limit carriers, and if the number of oxidation regulation layers is reduced more than necessary, carriers will be restricted too little, the current threshold will increase, and the photoelectric conversion efficiency will decrease. It ends up. In other words, the conventional solutions still cannot balance the performance performance of multi-junction VCSEL devices in both photoelectric conversion efficiency and far-field divergence angle.

そこで、本願の発明者は、規制層(ここでの規制層は、酸化規制層だけではなく、イオン注入工程によって形成されるイオン規制層もさらに含む)の配置形態を変更してみることで、光電変換効率と遠視野拡がり角との両方面の性能を両立させることを図った。 Therefore, the inventor of the present application attempted to change the arrangement form of the regulation layer (the regulation layer here includes not only the oxidation regulation layer but also the ion regulation layer formed by the ion implantation process). We aimed to achieve both performance in terms of photoelectric conversion efficiency and far-field divergence angle.

本願の発明者は、理論的研究と実験テストにより、規制層の開口の孔径を変更し、および/または、活性領域及びトンネル接合に対する規制層の位置設置を変更することにより、VCSELデバイスの光電変換効率と遠視野拡がり角の両方面の性能を両立させるのを実現できることを発見した。具体的には、理論的には、上述したように、酸化規制層は、キャリアを制限することを目的とし、キャリアに対する制限が少な過ぎると閾値が大きくなり、光電変換効率が低下するが、逆に、制限が多過ぎるとキャリアの分布に影響し、さらに光のモードに影響し、さらに遠視野拡がり角が制御されなくなる。従って、本願の発明者は、規制層の開口の孔径を調整し(さらに明確には、規制層の一部の開口の孔径を等しくなくし)、及び/又は、活性領域及びトンネル接合に対する規制層の位置設置を変更する(即ち、前記規制層の数と設置位置を調整する)ことにより、VCSELデバイスの光電変換効率と遠視野拡がり角との両方面の性能を両立させるのを図る。 Through theoretical studies and experimental tests, the inventors of the present application have determined that the photovoltaic conversion of VCSEL devices can be improved by changing the pore size of the opening in the regulating layer and/or by changing the positioning of the regulating layer with respect to the active region and the tunnel junction. We have discovered that it is possible to achieve both performance in terms of efficiency and far-field divergence angle. Specifically, theoretically, as mentioned above, the purpose of the oxidation regulating layer is to limit carriers, and if there is too little restriction on carriers, the threshold value will increase and the photoelectric conversion efficiency will decrease, but vice versa. On the other hand, too many restrictions affect the carrier distribution, which in turn affects the optical mode, and furthermore, the far-field divergence angle becomes uncontrolled. Therefore, the inventors of the present application adjust the pore sizes of the openings in the regulation layer (more specifically, make the pore sizes of some openings in the regulation layer unequal) and/or By changing the location (that is, adjusting the number and location of the regulating layers), it is possible to achieve both the photoelectric conversion efficiency and the far-field spread angle of the VCSEL device.

そこで、本願は、エピタキシャル構造と、前記エピタキシャル構造に電気的に接続される正電極及び負電極とを含み、ここに、前記エピタキシャル構造は、基板と、前記基板の上方に位置する、反射チャンバが介在する第1の反射器及び第2の反射器と、前記反射チャンバ内に形成され、前記反射チャンバ内で交互に設けられた複数の活性領域及び複数のトンネル接合と、前記反射チャンバ内に形成された、それぞれ開口を有する少なくとも二つの規制層と、を含み、ここに、前記少なくとも二つの規制層の前記開口のうちの少なくとも一部の開口間が異なる孔径を有する、マルチトンネル接合を有するVCSELレーザを提案する。 Accordingly, the present application includes an epitaxial structure and a positive electrode and a negative electrode electrically connected to the epitaxial structure, wherein the epitaxial structure includes a substrate and a reflection chamber located above the substrate. an intervening first reflector and a second reflector, a plurality of active regions and a plurality of tunnel junctions formed within the reflection chamber and alternating within the reflection chamber; and a plurality of tunnel junctions formed within the reflection chamber; at least two regulation layers each having an opening, wherein at least some of the openings in the at least two regulation layers have different pore diameters, the VCSEL having a multi-tunnel junction. Suggest laser.

模式的なVCSELレーザ
図4Aは、本願の実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示する。図4Aに示すように、本願の実施例による前記VCSELレーザは、マルチトンネル接合を有する。ここで、トンネル接合は、トンネル効果に基づいて動作し、いわゆるトンネル効果とは、キャリアエネルギが低い(ポテンシャル障壁高さより小さい、すなわちE<V)場合に、薄膜材料そのものは厚さが薄い(10nm以下の場合)ため、キャリアは、一定の確率で薄膜材料を通り抜けることができるということを指す。
Schematic VCSEL Laser FIG. 4A illustrates a structural schematic diagram of a VCSEL laser according to an embodiment of the present application. As shown in FIG. 4A, the VCSEL laser according to an embodiment of the present application has a multi-tunnel junction. Here, the tunnel junction operates based on the tunnel effect, and the so-called tunnel effect means that when the carrier energy is low (less than the potential barrier height, that is, E<V), the thin film material itself is thin (10 nm). In the following case), carriers can pass through the thin film material with a certain probability.

特に、図4Aで示されている前記VCSELレーザにおいて、前記VCSELレーザは、一つのVCSELユニットを含むものを例とし、且つ、前記VCSELユニットは、三つのトンネル接合を有する。 In particular, in the VCSEL laser shown in FIG. 4A, the VCSEL laser includes one VCSEL unit, and the VCSEL unit has three tunnel junctions.

本願の他の例では、前記VCSELレーザは、さらに多くの数のVCSELユニットを含むことができ、勿論、前記VCSELユニットは、より多くの数またはより少い数のトンネル接合を含むことができ、これについて、本願で限定しないことを理解すべきである。通常、VCSELレーザにおいて、トンネル接合の数は、活性領域の数より一つ多く、例えば、図4Aで示されている前記VCSELレーザにおいて、前記VCSELユニットは、三つのトンネル接合と二つの活性領域とを有する。 In other examples of the present application, the VCSEL laser may include a greater number of VCSEL units, and of course the VCSEL units may include a greater or lesser number of tunnel junctions; It should be understood that this application is not limiting in this regard. Usually, in a VCSEL laser, the number of tunnel junctions is one more than the number of active regions, for example, in the VCSEL laser shown in FIG. 4A, the VCSEL unit has three tunnel junctions and two active regions. has.

図4Aに示されている前記VCSELレーザにおいて、前記VCSELレーザは、エピタキシャル成長工程(例えば、金属有機化合物の化学気相析出)によって生成されたエピタキシャル構造10と、前記エピタキシャル構造10に電気的に接続された正電極 20及び負電極 30とを含み、ここに、前記エピタキシャル構造10は、基板11と、前記基板11の上方に位置する、反射チャンバ100が介在する第1の反射器12及び第2の反射器13と、前記反射チャンバ100内に形成され、前記反射チャンバ100内で交互に設けられた複数の活性領域14及び複数のトンネル接合15と、前記反射チャンバ100内に形成された、それぞれ開口160を有する少なくとも二つの規制層16と、を含み、ここに、前記少なくとも二つの規制層16の前記開口160のうちの少なくとも一部の開口160間が異なる孔径を有する。 In the VCSEL laser shown in FIG. 4A, the VCSEL laser includes an epitaxial structure 10 produced by an epitaxial growth process (e.g., chemical vapor deposition of a metal-organic compound) and electrically connected to the epitaxial structure 10. a positive electrode 20 and a negative electrode 30, wherein the epitaxial structure 10 includes a substrate 11 and a first reflector 12 and a second reflector positioned above the substrate 11 with a reflection chamber 100 interposed therebetween. a reflector 13 , a plurality of active regions 14 and a plurality of tunnel junctions 15 formed within the reflection chamber 100 and arranged alternately within the reflection chamber 100 , and respective openings formed within the reflection chamber 100 . 160, wherein at least some of the openings 160 of the at least two regulating layers 16 have different hole diameters.

具体的には、図4Aに示されている前記VCSELレーザにおいて、前記VCSELレーザは、三つの前記活性領域14と二つの前記トンネル接合15とを含み、ここに、前記二つのトンネル接合15と前記三つの活性領域14は、前記第1の反射器12と前記第2の反射器13により形成された前記反射チャンバ100内で交互に設けられ、即ち、1層の前記トンネル接合15ごとに二つの前記活性領域14の間に介在される。 Specifically, in the VCSEL laser shown in FIG. 4A, the VCSEL laser includes three active regions 14 and two tunnel junctions 15, where the two tunnel junctions 15 and the Three active regions 14 are provided alternately within the reflection chamber 100 formed by the first reflector 12 and the second reflector 13, i.e. two active regions per layer of the tunnel junction 15. The active region 14 is interposed between the active regions 14 .

前記VCSELレーザにおいて、前記活性領域14は、量子井戸 (勿論、本願の他の例では、前記活性領域14は量子ドットを含むことができ)を含み、AlInGaAs(例えば、AlInGaAs、GaAs、AlGaAs及びInGaAs)、InGaAsP(例えば、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP及びGaP)、GaAsSb(例えば、GaAsSb、GaAs及びGaSb)、InGaAsN(例えば、InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN及びGaN)またはAlInGaAsP(例えば、AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP及びGaP)から作製されることができる。勿論、本願の実施例では、前記活性領域14は、さらに量子井戸層を形成するための他の組成物から作製されてもよい。 In the VCSEL laser, the active region 14 includes quantum wells (of course, in other examples herein, the active region 14 can include quantum dots) and includes AlInGaAs (e.g., AlInGaAs, GaAs, AlGaAs, and InGaAs). ), InGaAsP (e.g. InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP and GaP), GaAsSb (e.g. GaAsSb, GaAs and GaSb), InGaAsN (e.g. InGaAsN, GaAs, InGaAs, GaAsN and GaN) or AlInGaAsP ( For example, AlInGaAsP, AlInGaAs , AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP and GaP). Of course, in embodiments of the present application, the active region 14 may also be made of other compositions for forming quantum well layers.

前記VCSELレーザにおいて、前記第1の反射器12と前記第2の反射器13は、それぞれ屈折率の異なる材料の交互層からなるシステムを含み、このシステムは、分散ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector)を形成する。交互層の材料選択は、必要なレーザの動作波長に依存する。本願の具体的な一例では、前記第1の反射器12と前記第2の反射器13は、高アルミニウム含有量のAlGaAsと低アルミニウム含有量のAlGaAsとの交互層で形成されることができる。なお、交互層の光学的厚さは、レーザの動作波長の1/4に等しいか、ほぼ等しい。特に、本願の実施例では、前記第1の反射器12は、N型ドープの分散ブラッグ反射器であり、即ち、N-DBRであり、前記第2の反射器13は、P型ドープの分散ブラッグ反射器であり、即ち、P-DBRであり、ここに、前記P型ドープのDBRと前記N型ドープのDBR 03の材料は、InGaAsP/InP、AlGaInAs/AlInAs、AlGaAsSb/AlAsSb、GaAs/AlGaAs、Si/MgO及びSi/Al2O3等を含むが、これらに限られない。 In the VCSEL laser, the first reflector 12 and the second reflector 13 each include a system of alternating layers of materials with different refractive indices, and this system is a distributed Bragg reflector. form. The material selection for the alternating layers depends on the required operating wavelength of the laser. In a specific example of the present application, the first reflector 12 and the second reflector 13 may be formed of alternating layers of high aluminum content AlGaAs and low aluminum content AlGaAs. Note that the optical thickness of the alternating layers is equal to or approximately equal to 1/4 of the operating wavelength of the laser. In particular, in the present embodiment, the first reflector 12 is an N-doped distributed Bragg reflector, ie, an N-DBR, and the second reflector 13 is a P-doped distributed Bragg reflector. A Bragg reflector, namely a P-DBR, where the materials of the P-type doped DBR and the N-type doped DBR 03 are InGaAsP/InP, AlGaInAs/AlInAs, AlGaAsSb/AlAsSb, GaAs/AlGaAs. , Si/MgO, Si/Al2O3, etc., but are not limited to these.

前記VCSELレーザにおいて、前記基板11 01は、シリコン基板11、サファイア基板11及びガリウム砒素基板11などを含んでもよいが、これらに限られない。 In the VCSEL laser, the substrate 1101 may include, but is not limited to, a silicon substrate 11, a sapphire substrate 11, a gallium arsenide substrate 11, and the like.

図4Aに示すように、前記複数の活性領域14は、前記第1の反射器12と前記第2の反射器13との間の前記反射チャンバ100内に介在され、ここに、光子が励起された後で、前記反射チャンバ100内で復反射して増幅を絶えずに往繰り返し、レーザ発振を形成することによって、レーザ光を形成する。前記第1の反射器12と前記第2の反射器13に対する配置と設計によって、レーザ光の出射方向、例えば、第2の反射器13から出射する(即ち、前記VCSELレーザの上面から出射する)か、または、第1の反射器12から出射する(即ち、前記VCSELレーザの底面から出射する)かを選択可能に制御できることが当業者に知られるべきである。本願の実施例では、前記第1の反射器12と前記第2の反射器13は、レーザ光が前記反射チャンバ100内で発振された後、前記第2の反射器13から出射するように設計されており、つまり、前記VCSELレーザは、正面から光を取り出す半導体レーザである。 As shown in FIG. 4A, the plurality of active regions 14 are interposed in the reflection chamber 100 between the first reflector 12 and the second reflector 13, where photons are excited. After that, the light is reflected back and forth in the reflection chamber 100 and amplified continuously to form laser oscillation, thereby forming a laser beam. Depending on the arrangement and design of the first reflector 12 and the second reflector 13, the emission direction of the laser beam, for example, the emission direction from the second reflector 13 (that is, the emission from the upper surface of the VCSEL laser) Those skilled in the art should know that it is possible to selectively control whether the laser beam is emitted from the first reflector 12 (ie, emitted from the bottom of the VCSEL laser). In the embodiment of the present application, the first reflector 12 and the second reflector 13 are designed such that the laser light is emitted from the second reflector 13 after being oscillated within the reflection chamber 100. In other words, the VCSEL laser is a semiconductor laser that extracts light from the front.

前記VCSELレーザの電流モードと出光モードを制限するために、本願の実施例による前記VCSELレーザは、前記反射チャンバ100内に形成された、それぞれ開口160を有する、少なくとも二つの規制層16をさらに含み、ここに、前記少なくとも二つの規制層16の前記開口160のうちの少なくとも一部の開口160間が異なる孔径を有する。特に、図4Aで示されている前記VCSELレーザにおいて、前記少なくとも二つの規制層16は、酸化工程によって一部の前記活性領域14の上方に形成された少なくとも二つの酸化規制層16Aであり、ここに、前記酸化規制層16Aの酸化される度合いによって、前記酸化規制層16Aの前記開口160の孔径のサイズが決まる。 In order to limit the current mode and emission mode of the VCSEL laser, the VCSEL laser according to embodiments of the present application further includes at least two constraining layers 16 formed in the reflection chamber 100, each having an aperture 160. Here, at least some of the openings 160 of the at least two regulating layers 16 have different hole diameters. Particularly, in the VCSEL laser shown in FIG. 4A, the at least two regulation layers 16 are at least two oxidation regulation layers 16A formed above part of the active region 14 by an oxidation process. In addition, the size of the hole diameter of the opening 160 of the oxidation control layer 16A is determined by the degree of oxidation of the oxidation control layer 16A.

より具体的には、図4Aで示されている前記VCSELレーザにおいて、前記酸化規制層16Aの数は、前記活性領域14の数と等しく、即ち、図4Aで示されているVCSELレーザにおいて、前記VCSELレーザは、前記活性領域14ごとの上方にそれぞれ形成された三つの酸化規制層16Aを含む。 More specifically, in the VCSEL laser shown in FIG. 4A, the number of oxidation control layers 16A is equal to the number of active regions 14, that is, in the VCSEL laser shown in FIG. The VCSEL laser includes three oxidation control layers 16A formed above each active region 14, respectively.

本願の実施例では、前記少なくとも二つの酸化規制層16Aの複数の開口160のうちの少なくとも一部の開口160間が異なる孔径を有し、つまり、本願の実施例では、前記VCSELレーザは、非対称な酸化規制層16A構造を有する点で従来のマルチ接合VCSELユニットと異なる。 In the embodiment of the present application, at least some of the apertures 160 of the at least two oxidation control layers 16A have different hole diameters, that is, in the embodiment of the present application, the VCSEL laser is asymmetric. It differs from conventional multi-junction VCSEL units in that it has a structure of the oxidation control layer 16A.

非対称な酸化層構造の配置により、前記VCSELレーザは、光電変換効率と遠視野拡がり角の両方面での性能の両立が得られることが測定により分かった。具体的には、図5と図6に示すように、前記VCSELレーザは、2.7Aの駆動電流の前提で、その遠視野拡がり角が19°で、光パワーが6.5Wに達し、光電変換効率が最大47%に達することができる。 It has been found through measurements that the asymmetric oxide layer structure arrangement allows the VCSEL laser to achieve both performance in terms of photoelectric conversion efficiency and far-field divergence angle. Specifically, as shown in FIGS. 5 and 6, the VCSEL laser has a far-field divergence angle of 19 degrees, an optical power of 6.5 W, and a photovoltaic power output of 2.7 A drive current. Conversion efficiency can reach up to 47%.

より具体的には、本願の実施例では、前記少なくとも二つの酸化規制層16Aの複数の開口160の孔径のサイズは、何れも等しくなくてもよく、例えば、図4Aで示されている例では、三つの前記開口160は、上から下へその孔径が順次小さくなっている。或いは、図4Bで示されている例では、三つの前記開口160の孔径のサイズは、上から下へ順次大きくなっている。或いは、図4Cで示されている例では、三つの前記開口160の孔径のサイズは、上から下へ先に縮小してから大きくなっている。勿論、本願の他の例では、前記複数の酸化規制層16Aの複数の開口160の孔径のサイズは、一部等しくてもよく、これについて、本願では限定しない。 More specifically, in the embodiment of the present application, the pore diameters of the plurality of openings 160 in the at least two oxidation control layers 16A do not have to be equal; for example, in the example shown in FIG. 4A, , the three openings 160 have their pore diameters gradually decreasing from top to bottom. Alternatively, in the example shown in FIG. 4B, the hole diameter sizes of the three openings 160 increase sequentially from top to bottom. Alternatively, in the example shown in FIG. 4C, the pore size of the three apertures 160 first decreases and then increases from top to bottom. Of course, in other examples of the present application, the sizes of the pore diameters of the plurality of openings 160 of the plurality of oxidation control layers 16A may be partially equal, and this is not limited in the present application.

より明確に、本願の実施例では、前記開口160の孔径範囲は、1um~100umであり、好ましくは、前記開口160の孔径範囲は、3um~50umである。さらに、本願の実施例では、前記開口160間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umであり、好ましくは、前記開口160間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである。また、本願の実施例では、前記酸化規制層16A間のピッチは、0.5*前記VCSELレーザによるレーザ光の波長の整数倍をその間の半導体の屈折率で割った加重合計に等しく、ここで、その間の半導体は、二つの前記酸化規制層16Aの間の半導体材料を示し、加重合計は、半導体の屈折率に予め設定された重みをかけた値の合計を示す。前記酸化規制層16Aと前記活性領域14との間の距離は、0.25*前記VCSELレーザによるレーザ光の波長の奇数倍を前記基板11の屈折率で割った。例えば、屈折率が3.4のGaAs基板11は、倍数が3である場合、前記酸化規制層16Aと前記活性領域14との間の距離は、0.25*940/3.4*3~200nmである。 More specifically, in the embodiment of the present application, the pore size range of the aperture 160 is 1 um to 100 um, preferably, the pore size range of the aperture 160 is 3 um to 50 um. Further, in an embodiment of the present application, the range of the difference in pore diameter between the openings 160 is 0.1 um to 95 um, and preferably the range of the difference in pore diameter between the openings 160 is 0.5 um to 20 um. . Further, in the embodiment of the present application, the pitch between the oxidation control layers 16A is equal to the weighted sum of 0.5*integer multiple of the wavelength of the laser light from the VCSEL laser divided by the refractive index of the semiconductor therebetween, where: , the semiconductor between them indicates the semiconductor material between the two oxidation control layers 16A, and the weighted sum indicates the sum of values obtained by multiplying the refractive index of the semiconductor by a preset weight. The distance between the oxidation control layer 16A and the active region 14 is determined by dividing 0.25*odd multiple of the wavelength of the laser beam from the VCSEL laser by the refractive index of the substrate 11. For example, when the GaAs substrate 11 has a refractive index of 3.4 and the multiple is 3, the distance between the oxidation control layer 16A and the active region 14 is 0.25*940/3.4*3~ It is 200 nm.

より好ましくは、本願の実施例では、前記少なくとも一つの酸化規制層16Aのうち前記第2の反射器13に最も近い前記酸化規制層16Aの開口160は、最小の孔径を有する。
具体的に実施するところ、同じ酸化工程の条件で、異なる孔径を有する酸化規制層16Aは、前記酸化規制層16Aの厚さまたは前記酸化規制層16Aの中のアルミニウムの含有量を制御することによって実現することができる。特に、本願の実施例では、前記酸化規制層16Aのアルミニウムの含有量の範囲は、95%~100%であり、その厚さの範囲は、10nm~50nmである。
More preferably, in the embodiment of the present application, the opening 160 of the at least one oxidation control layer 16A closest to the second reflector 13 has the smallest pore diameter.
Specifically, under the same oxidation process conditions, the oxidation control layer 16A having different pore diameters can be formed by controlling the thickness of the oxidation control layer 16A or the aluminum content in the oxidation control layer 16A. It can be realized. In particular, in the embodiment of the present application, the aluminum content of the oxidation control layer 16A is in the range of 95% to 100%, and the thickness thereof is in the range of 10 nm to 50 nm.

なお、本願の実施例では、前記酸化規制層16Aが異なる孔径を有するため、前記酸化規制層16A全体の酸化される量は縮減でき、これにより、前記酸化規制層16Aのもたらす全体的な応力も小さくなり、故に、前記VCSELレーザの確実性が向上する。 In the embodiment of the present application, since the oxidation control layer 16A has different pore diameters, the amount of oxidation of the oxidation control layer 16A as a whole can be reduced, and thereby the overall stress caused by the oxidation control layer 16A can be reduced. smaller, thus increasing the reliability of the VCSEL laser.

酸化規制層16Aが多すぎることによる確実性欠如の問題をさらに回避するために、本願の他の例では、前記酸化規制層16Aと前記活性領域14及び前記トンネル接合15との間の相対位置関係を変更することができる。図7は、本願の別の実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示し、ここに、図7で示されている前記VCSELレーザは、図4Aないし図4Cで示されているVCSELレーザの変形実施例である。具体的には、図7で示されているVCSELレーザにおいて、前記酸化規制層16Aは、一部の前記活性領域14の上方に選択可能に形成され、即ち、前記酸化規制層16Aの数量は、前記活性領域14の数よりも少ない(ここの前記酸化規制層16Aの数は、相変わらず2以上でなければならない)。 In order to further avoid the problem of lack of reliability due to too many oxidation control layers 16A, in another example of the present application, the relative positional relationship between the oxidation control layer 16A and the active region 14 and the tunnel junction 15 is can be changed. FIG. 7 illustrates a structural schematic diagram of a VCSEL laser according to another embodiment of the present application, wherein the VCSEL laser shown in FIG. 7 is a modification of the VCSEL laser shown in FIGS. 4A to 4C. This is an example. Specifically, in the VCSEL laser shown in FIG. 7, the oxidation control layer 16A is selectively formed above some of the active regions 14, that is, the number of the oxidation control layer 16A is It is smaller than the number of active regions 14 (the number of oxidation control layers 16A here still has to be 2 or more).

つまり、本願の他の例では、前記活性領域14ごとに一つの前記酸化規制層16Aを配置せず、このように、前記VCSELレーザの光電変換効率を確保できるだけではなく、同時に、その安定性も確保できる。このような形態は、より多くの接合のトンネル接合15を有するVCSELデバイスにとってより重要である。 In other words, in another example of the present application, one oxidation control layer 16A is not arranged for each active region 14, and in this way, not only can the photoelectric conversion efficiency of the VCSEL laser be ensured, but also its stability can be ensured. Can be secured. Such a configuration is more important for VCSEL devices with more junction tunnel junctions 15.

なお、本実施例では、前記活性領域14ごとに一つの前記酸化規制層16Aを配置しないとき、前記酸化規制層16Aの孔径は、全て等しく配置されてもよい。つまり、前記活性領域14ごとに一つの前記酸化規制層16Aを配置しないとき、前記酸化規制層16Aは、対称構造を有するように配置されてもよく、これについて、本願では限定しない。 In this embodiment, when one oxidation control layer 16A is not arranged for each active region 14, the pore diameters of the oxidation control layers 16A may all be arranged the same. That is, when one oxidation control layer 16A is not arranged for each active region 14, the oxidation control layer 16A may be arranged to have a symmetrical structure, but this is not limited in the present application.

さらに、本願の実施例では、レーザ光を発生させるように前記エピタキシャル構造10を導通するために、前記VCSELレーザは、前記エピタキシャル構造10に電気的に接続される正電極20及び負電極30をさらに含み、ここに、前記正電極20が前記エピタキシャル構造10の上面に形成され、前記負電極30が前記エピタキシャル構造10の下面に形成される。より明確に、本願の実施例では、前記正電極20は、前記エピタキシャル構造10の前記第2の反射器13の上方に形成され、前記第負電極30は、前記エピタキシャル構造10の前記基板11の下方に形成される。 Furthermore, in embodiments of the present application, the VCSEL laser further includes a positive electrode 20 and a negative electrode 30 electrically connected to the epitaxial structure 10 in order to conduct the epitaxial structure 10 to generate laser light. The positive electrode 20 is formed on the top surface of the epitaxial structure 10 and the negative electrode 30 is formed on the bottom surface of the epitaxial structure 10. More specifically, in the embodiment of the present application, the positive electrode 20 is formed above the second reflector 13 of the epitaxial structure 10, and the negative electrode 30 is formed above the substrate 11 of the epitaxial structure 10. Formed downwards.

なお、本願の他の例では、前記正電極 20と前記負電極 30は、前記VCSELレーザの他の位置に形成されてもよく、これについて、本願では限定しない。 Note that in other examples of the present application, the positive electrode 20 and the negative electrode 30 may be formed at other positions of the VCSEL laser, and the present application is not limited to this.

図8は、本願の更なる実施例によるVCSELレーザの構造模式図を図示する。図4Aないし4B及び図7で示されているVCSELレーザと比べられると、本願の実施例では、前記VCSELレーザにおける前記規制層16は、イオン注入工程によって形成されたイオン規制層16である。 FIG. 8 illustrates a structural schematic diagram of a VCSEL laser according to a further embodiment of the present application. Compared to the VCSEL laser shown in FIGS. 4A-4B and FIG. 7, in the present embodiment, the regulation layer 16 in the VCSEL laser is an ion regulation layer 16 formed by an ion implantation process.

図8に示すように、本願の実施例では、前記イオン規制層16の数は、前記活性領域14の数と等しく、即ち、図8で示されているVCSELレーザにおいて、前記活性領域14ごとの上方にそれぞれ形成された三つのイオン規制層16Bを含む。それに合わせ、本願の実施例では、前記少なくとも二つのイオン規制層16Bの複数の開口160のうちの少なくとも一部の開口160間が、異なる孔径を有し、つまり、前記VCSELレーザは、非対称なイオン規制層16B構造を有する。 As shown in FIG. 8, in the embodiment of the present application, the number of ion regulating layers 16 is equal to the number of active regions 14, i.e., for each active region 14 in the VCSEL laser shown in FIG. It includes three ion regulation layers 16B formed above. Accordingly, in the embodiment of the present application, at least some of the apertures 160 of the at least two ion regulating layers 16B have different hole diameters, that is, the VCSEL laser has asymmetric ion It has a regulation layer 16B structure.

より具体的には、本願の実施例では、前記複数のイオン規制層16Bの複数の開口160の孔径のサイズは、何れも等しくなくてもよく、勿論、前記複数のイオン規制層16Bの複数の開口160の孔径のサイズは、一部等しくてもよく、これについて、本願では限定しない。 More specifically, in the embodiment of the present application, the pore diameters of the plurality of openings 160 of the plurality of ion regulation layers 16B do not have to be equal; The sizes of the pore diameters of the openings 160 may be partially equal, and this is not limited in this application.

より明確に、本願の実施例では、前記開口160の孔径範囲は、1um~100umであり、好ましくは、前記開口160の孔径範囲は、3um~50umである。さらに、本願の実施例では、前記開口160間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umであり、好ましくは、前記開口160間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである。より好ましくは、前記少なくとも一つのイオン規制層16Bのうち前記第2の反射器13に最も近い前記イオン規制層16Bの開口160は、最小の孔径を有する。 More specifically, in the embodiment of the present application, the pore size range of the aperture 160 is 1 um to 100 um, preferably, the pore size range of the aperture 160 is 3 um to 50 um. Further, in an embodiment of the present application, the range of the difference in pore diameter between the openings 160 is 0.1 um to 95 um, and preferably the range of the difference in pore diameter between the openings 160 is 0.5 um to 20 um. . More preferably, the opening 160 of the at least one ion regulating layer 16B closest to the second reflector 13 has the smallest pore diameter.

具体的に実施するところ、注入されるイオンには水素イオン、酸素イオンなどが含まれるが、これらに限定されず、前記第2反射器13の上面から前記反射チャンバ100内に注入されることができ、前記イオンの注入される深さは、注入時のエネルギー制御に基づくことができる。具体的には、深く注入する場合には、注入されるイオンが第1の反射器12により近づくようにエネルギーを大きくし、浅く注入する場合には、注入されるイオンが第2の反射器13により近づくようにエネルギーを小さくすればよい。それに応じ、イオン注入のエネルギーとイオン注入量とに基づいて、前記イオン規制層16Bの前記開口160のサイズを制御することができる。 Specifically, the ions to be injected include, but are not limited to, hydrogen ions, oxygen ions, etc., and may be injected into the reflection chamber 100 from the upper surface of the second reflector 13. The depth at which the ions are implanted can be based on energy control during implantation. Specifically, when implanting deeply, the energy is increased so that the implanted ions approach the first reflector 12, and when implanting shallowly, the implanted ions move closer to the second reflector 13. The energy can be reduced to get closer. Accordingly, the size of the opening 160 in the ion regulating layer 16B can be controlled based on the ion implantation energy and the ion implantation amount.

なお、本願の他の例では、図9に示すように、前記規制層16は、さらにイオン規制層16Bと前記酸化規制層16Aとの組合せでもよく、つまり、前記少なくとも二つの規制層16は、少なくとも一つの酸化工程によって形成された酸化規制層16Aを含み、且つ、前記少なくとも二つの規制層16は、少なくとも一つのイオン注入工程によって形成されたイオン規制層16Bを含む。 In addition, in another example of the present application, as shown in FIG. 9, the regulation layer 16 may further include a combination of an ion regulation layer 16B and the oxidation regulation layer 16A, that is, the at least two regulation layers 16 are It includes an oxidation regulation layer 16A formed by at least one oxidation process, and the at least two regulation layers 16 include an ion regulation layer 16B formed by at least one ion implantation process.

上記により、本願の実施例による前記VCSELレーザは、説明され、前記規制層16の開口160の孔径を調整することで、及び/または活性領域14とトンネル接合15との間に対する前記規制層16の位置設置を調整することで、VCSELデバイスの光電変換効率と遠視野拡がり角との両方面の性能を両立させるのを図る。 From the above, the VCSEL laser according to embodiments of the present application has been described, and by adjusting the pore size of the opening 160 of the regulation layer 16 and/or the regulation layer 16 between the active region 14 and the tunnel junction 15. By adjusting the position and installation, it is possible to achieve both the photoelectric conversion efficiency and the far-field divergence angle of the VCSEL device.

模式的な製造方法
図10は、本願の実施例によるVCSELレーザの製造方法の説明図を図示する。
Schematic Manufacturing Method FIG. 10 illustrates an explanatory diagram of a method for manufacturing a VCSEL laser according to an embodiment of the present application.

図10に示すように、本願の実施例による製造過程は、まず、エピタキシャル成長工程によって、基板11と、前記基板11の上方に位置する第1の反射器12及び第2の反射器13と、前記第1の反射器12と前記第2の反射器13との間に形成され、交互に設けられた複数の活性領域14及び複数のトンネル接合15とを含むエピタキシャル構造10を形成するステップと、その後、酸化工程によって前記第1の反射器12と前記第2の反射器14との間に、それぞれ開口160を有する少なくとも二つの酸化規制層16Aを形成するステップであって、前記開口160のうちの少なくとも一部の開口160間が異なる孔径を有するステップと、を含む。 As shown in FIG. 10, in the manufacturing process according to the embodiment of the present application, first, by an epitaxial growth process, a substrate 11, a first reflector 12 and a second reflector 13 located above the substrate 11, and the forming an epitaxial structure 10 formed between a first reflector 12 and said second reflector 13 and comprising a plurality of alternating active regions 14 and a plurality of tunnel junctions 15; , forming at least two oxidation control layers 16A each having an opening 160 between the first reflector 12 and the second reflector 14 by an oxidation process, the step of forming at least two oxidation control layers 16A each having an opening 160; At least some of the openings 160 have different hole diameters.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記酸化規制層16Aは、前記活性領域14ごとの上方にそれぞれ形成され、前記酸化規制層16Aの数は、前記活性領域14の数と一致する。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the oxidation control layer 16A is formed above each of the active regions 14, and the number of the oxidation control layers 16A matches the number of the active regions 14.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記酸化規制層16Aは、一部の前記活性領域14の上方に選択可能に形成され、前記酸化規制層16Aの数は、前記活性領域14の数よりも少ない。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the oxidation control layer 16A is selectively formed above some of the active regions 14, and the number of the oxidation control layers 16A is equal to the number of the active regions 14. less than.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記開口160の孔径範囲は、1um~100umである。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the diameter range of the aperture 160 is 1 um to 100 um.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記開口160の孔径範囲は、3um~50umである。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the diameter range of the aperture 160 is 3 um to 50 um.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記開口160間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umである。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the difference in hole diameter between the apertures 160 ranges from 0.1 um to 95 um.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記開口160間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the difference in hole diameter between the apertures 160 ranges from 0.5 um to 20 um.

一例では、上記のVCSELレーザの製造方法において、前記少なくとも二つの酸化規制層16Aのうち前記第2の反射器13に最も近い前記酸化規制層16Aの開口160は、最小の孔径を有する。 In one example, in the method for manufacturing a VCSEL laser described above, the opening 160 of the oxidation control layer 16A closest to the second reflector 13 among the at least two oxidation control layers 16A has the smallest hole diameter.

上記により、本願の実施例による前記VCSELレーザの製造方法は、説明され、上記したようなVCSELレーザを製造できる。図10でに示されている製造過程は、前記規制層16が酸化規制層16AのVCSELレーザを製造するものを例とすることに注意されたく、前記規制層16がイオン規制層16Bまたは前記規制層16がイオン規制層16Bと酸化規制層16Aとの組合せである場合に、対応する製造過程は、簡単に変化することでわかることができると理解すべき、これについて、説明を省略する。 From the above, a method for manufacturing the VCSEL laser according to an embodiment of the present application has been described and is capable of manufacturing a VCSEL laser as described above. It should be noted that the manufacturing process shown in FIG. It should be understood that if the layer 16 is a combination of an ion control layer 16B and an oxidation control layer 16A, the corresponding manufacturing process can be seen with simple variations, and a description thereof will be omitted.

以上、具体的な実施例を結びつけて本願の基本的な原理を説明したが、本願において言及された長所、利点、効果などは、あくまで例示であって限定的なものではなく、これらの長所、利点、効果などは本願の各実施例に必須であるとは考えられないことに留意されたい。また、上記に開示された具体的な詳細は、例示的な役割と理解しやすい役割のためのものだけであって、制限するものではなく、上記の詳細は、本願が上記の具体的な詳細を採用して実現されなければならないことを制限するものではない。 The basic principles of the present application have been explained above by linking specific examples, but the advantages, advantages, effects, etc. mentioned in this application are merely illustrative and not limiting. It is noted that no advantage, effect, etc. is considered essential to each embodiment of the present application. Furthermore, the specific details disclosed above are for an exemplary role and an easy-to-understand role only, and are not limiting; This does not limit what must be achieved by adopting the above.

本願で関するデバイス、装置、設備、システムのブロック図は、あくまで例示的な例であり、ブロック図のように接続、レイアウト、配置しなければならないことを要求したり示唆したりすることを意図していない。これらのデバイス、装置、設備、システムを、任意の方法で接続、レイアウト、配置することができることは、当業者に認識される。「含む」、「含有」、「有する」などの言葉は、開放的な言葉であり、「含むが、限定されない」を意味し、それと交換して使用することができる。ここで使用される用語「または」と「および」は、用語「および/または」を意味し、コンテキストでそうでないことが明示されていない限り、それと交換して使用することができる。ここで使用される用語「例えば」は、フレーズ「例えば、しかし、これに限定されない」を指し、それと交換して使用することができる。 Any block diagrams of devices, apparatus, equipment, or systems to which this application relates are illustrative examples only and are not intended to require or imply that the devices, apparatus, equipment, or systems must be connected, laid out, or arranged in accordance with the block diagrams. Not yet. Those skilled in the art will recognize that these devices, apparatus, equipment, and systems can be connected, laid out, and arranged in any manner. Words such as "comprising," "containing," "having," and the like are open words meaning "including, but not limited to," and can be used interchangeably. As used herein, the terms "or" and "and" mean the terms "and/or" and may be used interchangeably, unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the term "for example" refers to, and can be used interchangeably with, the phrase "for example, but not limited to."

本願の装置、設備および方法では、各部材または各ステップは分解および/または再組み合わせ可能であることにも留意されたい。これらの分解および/または再組み合わせは、本願の等価案とみなすべきである。 It should also be noted that in the devices, equipment, and methods of the present application, each component or each step can be disassembled and/or recombined. These decompositions and/or recombinations should be considered as equivalent proposals for the present application.

開示されている態様の上記の説明は、当業者が本願を作成または使用することを可能にするために提供される。これらの態様への様々な補正は、当業者にとって非常に自明なことであり、また本明細書に定義される一般的な原理は、本願の範囲を逸脱することなく他の態様にも適用可能である。したがって、本願は、ここに示されている態様に制限されることを意図するものではなく、ここに開示されている原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲に従うものである。 The previous description of the disclosed aspects is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present application. Various modifications to these embodiments will be very obvious to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of this application. It is. Accordingly, this application is not intended to be limited to the embodiments shown herein, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

例示と説明の利点のために、上記の説明は、既に与えられている。さらに、この説明は、本願の実施例を本明細書に開示された形態に制限することを意図するものではない。以上、多くの例示的な態様および実施例について検討しているが、そのいくつかの変形、補正、変更、追加、およびサブコンビネーションは当業者に認識される。
For the benefit of illustration and explanation, the above description has already been given. Furthermore, the description is not intended to limit the embodiments of the application to the form disclosed herein. While many exemplary aspects and embodiments have been discussed above, several variations, amendments, changes, additions, and subcombinations thereof will be recognized by those skilled in the art.

Claims (18)

エピタキシャル構造と前記エピタキシャル構造に電気的に接続される正電極及び負電極とを含み、
前記エピタキシャル構造は、
基板と、
前記基板の上方に位置する、反射チャンバが介在する第1の反射器及び第2の反射器と、
前記反射チャンバ内に形成され、前記反射チャンバ内で交互に設けられた複数の活性領域及び複数のトンネル接合と、
前記反射チャンバ内に形成された、それぞれ開口を有する少なくとも二つの規制層と、を含み、前記少なくとも二つの規制層の前記開口のうちの少なくとも一部の開口間が異なる孔径を有し、
前記規制層は、一部の前記活性領域の上方に形成され、前記規制層の数は、前記活性領域の数よりも少ない、
ことを特徴とするマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
comprising an epitaxial structure and a positive electrode and a negative electrode electrically connected to the epitaxial structure,
The epitaxial structure is
A substrate and
a first reflector and a second reflector with an intervening reflection chamber located above the substrate;
a plurality of active regions and a plurality of tunnel junctions formed within the reflection chamber and alternately provided within the reflection chamber;
at least two regulation layers each having an opening formed in the reflection chamber, wherein at least some of the openings of the at least two regulation layers have different pore diameters;
The regulation layer is formed above some of the active regions, and the number of regulation layers is smaller than the number of active regions.
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction characterized by:
前記開口の孔径範囲は、1um~100umである、
ことを特徴とする請求項1に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The pore diameter range of the opening is 1 um to 100 um,
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 1.
前記開口の孔径範囲は、3um~50umである、
ことを特徴とする請求項2に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The pore diameter range of the opening is 3um to 50um,
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 2.
前記開口間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umである、
ことを特徴とする請求項3に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The range of the difference in pore diameter between the openings is 0.1 um to 95 um,
4. A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 3.
前記開口間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである、
ことを特徴とする請求項4に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The range of the difference in pore diameter between the openings is 0.5 um to 20 um,
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 4.
前記少なくとも二つの規制層の前記開口間の孔径のサイズは、何れも互いに等しくない、ことを特徴とする請求項2に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。 3. The VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 2, wherein the sizes of the hole diameters between the openings of the at least two regulating layers are not equal to each other. 前記少なくとも二つの規制層のうち前記第2の反射器に最も近い前記規制層の開口は、最小の孔径を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
of the at least two regulation layers, the opening in the regulation layer closest to the second reflector has the smallest pore size;
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 1.
前記少なくとも二つの規制層は、化規制層を少なくとも一つ含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The at least two regulation layers include at least one oxidation regulation layer.
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 1.
前記少なくとも二つの規制層は、オン規制層を少なくとも一つ含む、
ことを特徴とする請求項1に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The at least two regulation layers include at least one ion regulation layer.
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 1.
前記少なくとも二つの規制層は、化規制層を少なくとも一つ含むとともに、前記少なくとも二つの規制層は、オン規制層を少なくとも一つ含む
ことを特徴とする請求項1に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The multi-tunnel junction according to claim 1, wherein the at least two regulation layers include at least one oxidation regulation layer, and the at least two regulation layers include at least one ion regulation layer. VCSEL laser with
前記少なくとも二つの規制層は、全て化規制層である、
ことを特徴とする請求項8に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
the at least two regulation layers are all oxidation regulation layers;
A VCSEL laser having a multi-tunnel junction according to claim 8.
前記酸化規制層の間のピッチは、0.5*前記VCSELレーザによるレーザ光の波長の整数倍をその間の半導体の屈折率で割った加重合計に等しい、
ことを特徴とする請求項11に記載のマルチトンネル接合を有するVCSELレーザ。
The pitch between the oxidation control layers is equal to the weighted sum of 0.5*integral multiples of the wavelength of laser light from the VCSEL laser divided by the refractive index of the semiconductor therebetween;
A VCSEL laser with a multi-tunnel junction according to claim 11.
エピタキシャル成長工程によって、基板と、前記基板の上方に位置する第1の反射器及び第2の反射器と、前記第1の反射器と前記第2の反射器との間に形成され、交互に設けられた複数の活性領域及び複数のトンネル接合とを含むエピタキシャル構造を形成するステップと、
酸化工程によって前記第1の反射器と前記第2の反射器との間に、それぞれ開口を有する少なくとも二つの酸化規制層を形成するステップであって、前記開口のうちの少なくとも一部の開口間が異なる孔径を有するステップと、を含み、
前記酸化規制層は、一部の前記活性領域の上方に形成され、前記酸化規制層の数は、前記活性領域の数よりも少ない、
ことを特徴とするマルチトンネル接合を有するVCSELレーザの製造方法。
A substrate, a first reflector and a second reflector located above the substrate, and alternately provided between the first reflector and the second reflector are formed by an epitaxial growth process. forming an epitaxial structure including a plurality of active regions and a plurality of tunnel junctions;
forming at least two oxidation control layers each having an opening between the first reflector and the second reflector by an oxidation process, the step of forming at least two oxidation control layers each having an opening, the gap between at least some of the openings; have different pore sizes;
The oxidation control layer is formed above some of the active regions, and the number of the oxidation control layers is smaller than the number of the active regions.
A method for manufacturing a VCSEL laser having a multi-tunnel junction, characterized in that:
前記開口の孔径範囲は、1um~100umである、
ことを特徴とする請求項13に記載の製造方法。
The pore diameter range of the opening is 1 um to 100 um,
The manufacturing method according to claim 13, characterized in that:
前記開口の孔径範囲は、3um~50umである、
ことを特徴とする請求項13に記載の製造方法。
The pore diameter range of the opening is 3um to 50um,
The manufacturing method according to claim 13, characterized in that:
前記開口間の孔径の差の範囲は、0.1um~95umである、
ことを特徴とする請求項15に記載の製造方法。
The range of the difference in pore diameter between the openings is 0.1 um to 95 um,
The manufacturing method according to claim 15, characterized in that:
前記開口間の孔径の差の範囲は、0.5um~20umである、
ことを特徴とする請求項16に記載の製造方法。
The range of the difference in pore diameter between the openings is 0.5 um to 20 um,
The manufacturing method according to claim 16, characterized in that:
前記少なくとも二つの酸化規制層のうち前記第2の反射器に最も近い前記酸化規制層の開口は、最小の孔径を有する、
ことを特徴とする請求項13に記載の製造方法。
of the at least two oxidation control layers, the opening in the oxidation control layer closest to the second reflector has the smallest pore size;
The manufacturing method according to claim 13, characterized in that:
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