TW202221994A - 具有多隧道結的ｖｃｓｅｌ激光器及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本申請提供一種具有多隧道結的VCSEL激光器及其製備方法。所述VCSEL激光器，包括：外延結構和電連接於所述外延結構的正電極和負電極；所述外延結構，包括：襯底；位於所述襯底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之間設有反射腔；形成於所述反射腔內的多個有源區和多個隧道結，所述多個有源區和所述多個隧道結在所述反射腔內交替設置；以及，形成於所述反射腔內的至少二限制層，所述至少二限制層分別具有開孔，其中，所述至少二限制層的所述開孔中至少部分開孔之間具有不同的孔徑。這樣，所述VCSEL激光器能夠在具有較高光電轉化效率的同時兼顧遠場束散角的大小。

Description

具有多隧道結的VCSEL激光器及其製備方法
本申請涉及半導體領域，更具體地涉及具有多隧道結的VCSEL激光器及其製備方法。
VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面發射激光器)是一種半導體激光器，其在襯底的垂直方向上形成諧振腔，沿垂直方向上出射鐳射。VCSEL激光器，尤其是包括多個VCSEL單元的VCSEL點陣器件，在諸如消費電子、工業、醫療等行業得到廣泛應用。基於隧道結的數量，VCSEL器件可分為單結VCSEL器件和多結VCSEL器件，顧名思義，單結VCSEL器件表示VCSEL器件中的VCSEL單元具有一個隧道結，多結VCSEL器件表示VCSEL器件中的VCSEL單元具有多個隧道結。
市場對高功率的VCSEL點陣器件一直有較高的光電轉化效率(Power-converted-efficiency：PCE)的需求。單結VCSEL器件由於其自身的電阻特性很難在實現高功率的同時達到較高的PCE。並且，驅動單結高功率VCSEL器件需要很大的電流，在實際應用中，演算法對電流脈衝的上升時間有很高的要求，也就是，對驅動電路板的設計提出了很高的要求，難以在技術上實現。
相較於單結VCSEL器件，多結VCSEL器件在特定使用條件下能在一定程度上緩解單結VCSEL器件具有的上述缺陷。也就是，對於指定 的功率需求，能夠以相對較小的電流驅動多結VCSEL器件，由於工作電流的降低，對應的PCE也能得以提升。
但是，由於多結VCSEL器件的幾何腔長是單結VCSEL器件的多倍，導致實際多結VCSEL器件的遠場束散角難以滿足設計要求。也就是，對於多結VCSEL器件而言，其難以做到在光電轉化效率和遠場束散角兩方面的性能兼顧。
因此，需要一種新型的能夠兼顧光電轉化效率和遠場束散角大小的VCSEL器件。
本申請的一個優勢在於提供一種具有多隧道結的VCSEL激光器及其製備方法，其中，所述VCSEL激光器能夠在具有較高光電轉化效率的同時兼顧遠場束散角的大小。
為了實現上述至少一個優勢，本申請提供了一種具有多隧道結的VCSEL激光器，其包括：外延結構和電連接於所述外延結構的正電極和負電極；
其中，所述外延結構，包括：
襯底；
位於所述襯底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之間設有反射腔；
形成於所述反射腔內的多個有源區和多個隧道結，所述多個有源區和所述多個隧道結在所述反射腔內交替設置；以及
形成於所述反射腔內的至少二限制層，所述至少二限制層分 別具有開孔，其中，所述至少二限制層的所述開孔中至少部分開孔之間具有不同的孔徑。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述限制層被分別形成於每一所述有源區上方，所述限制層的數量與所述有源區的數量相一致。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述限制層被可選擇地形成於部分所述有源區的上方，所述限制層的數量小於所述有源區的數量。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述開孔的孔徑範圍為1um至100um。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述開孔的孔徑範圍為3um至50um。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述至少二限制層的所述開孔之間的孔徑尺寸相互之間都不相等。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述至少一限制層中最鄰近所述第二反射器的所述限制層的開孔具有最小的孔徑。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述至少二限制層包含至少一通過氧化工藝形成的氧化限制層。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述至少二限制層包含至少一通過離子布植工藝形成的離子限制層。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述至少二限制層包含至少一通過氧化工藝形成的氧化限制層，並且，所述至少二限制層包含至少一通過離子布植工藝形成的離子限制層。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述至少二限制層為全部通過氧化工藝形成的氧化限制層。
在根據本申請的具有多隧道結的VCSEL激光器中，所述氧化限制層之間的間距等於0.5*所述VCSEL激光器產生的鐳射的波長的整數倍除以其間半導體的折射率的加權和。
根據本申請另一方面，還提供一種具有多隧道結的VCSEL激光器的製備方法，其包括：
通過外延生長工藝形成外延結構，其包括：襯底、位於所述襯底上方的第一反射器和第二反射器、以及，形成於所述第一反射器和所述第二反射器之間的多個有源區和多個隧道結，所述多個有源區和所述多個隧道結之間交替設置；以及
通過氧化工藝在所述第一反射器和所述第二反射器之間形成至少二氧化限制層，所述至少二氧化限制層分別具有開孔，其中，所述開孔中至少部分開孔之間具有不同的孔徑。
在根據本申請的製備方法中，所述氧化限制層被分別形成於每一所述有源區上方，所述氧化限制層的數量與所述有源區的數量相一致。
在根據本申請的製備方法中，所述氧化限制層被可選擇地形 成形成於部分所述有源區的上方，所述氧化限制層的數量小於所述有源區的數量。
在根據本申請的製備方法中，所述開孔的孔徑範圍為1um至100um。
在根據本申請的製備方法中，所述開孔的孔徑範圍為3um至50um。
在根據本申請的製備方法中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um。
在根據本申請的製備方法中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。
在根據本申請的製備方法中，所述至少二氧化限制層中最鄰近所述第二反射器的所述氧化限制層的開孔具有最小的孔徑。
通過對隨後的描述和附圖的理解，本申請進一步的目的和優勢將得以充分體現。
本申請的這些和其它目的、特點和優勢，通過下述的詳細說明，附圖和權利要求得以充分體現。
1P:負電極
2P:襯底
3P:N-DBR
4P:有源區
5P:氧化限制層
6P:P-DBR
7P:正電極
8P:隧道結
10:外延結構
11:襯底
12:第一反射器
13:第二反射器
14:有源區
15:隧道結
16:限制層
16A:氧化限制層
16B:離子限制層
100:反射腔
160:開孔
20:正電極
30:負電極
從下面結合附圖對本申請實施例的詳細描述中，本申請的這些和/或其它方面和優點將變得更加清楚並更容易理解，其中：
圖1圖示了現有的單結VCSEL單元的結構示意圖。
圖2圖示了現有的多結VCSEL單元的結構示意圖。
圖3圖示了現有的多結VCSEL單元的另一結構示意圖。
圖4A圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的結構示意圖。
圖4B圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的一變形實施的結構示意圖。
圖4C圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的另一變形實施的結構示意圖。
圖5圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的性能曲線示意圖。
圖6圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的另一性能曲線示意圖。
圖7圖示了根據本申請另一實施例的VCSEL激光器的結構示意圖。
圖8圖示了根據本申請又一實施例的VCSEL激光器的結構示意圖。
圖9圖示了根據本申請又一實施例的VCSEL激光器的結構示意圖。
圖10圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的製備方法的示意圖。
以下說明書和權利要求中使用的術語和詞不限於字面的含義，而是僅由本申請人使用以使得能夠清楚和一致地理解本申請。因此，對本領域技術人員很明顯僅為了說明的目的而不是為了如所附權利要求和 它們的等效物所定義的限制本申請的目的而提供本申請的各種實施例的以下描述。
可以理解的是，術語“一”應理解為“至少一”或“一個或多個”，即在一個實施例中，一個元件的數量可以為一個，而在另外的實施例中，該元件的數量可以為多個，術語“一”不能理解為對數量的限制。
雖然比如“第一”、“第二”等的序數將用於描述各種元件，但是在這裡不限制那些元件。該術語僅用於區分一個元件與另一元件。例如，第一元件可以被稱為第二元件，且同樣地，第二元件也可以被稱為第一元件，而不脫離實用新型構思的教導。在此使用的術語“和/或”包括一個或多個關聯的列出的專案的任何和全部組合。
在這裡使用的術語僅用於描述各種實施例的目的且不意在限制。如在此使用的，單數形式意在也包括複數形式，除非上下文清楚地指示例外。另外將理解術語“包括”和/或“具有”當在該說明書中使用時指定所述的特徵、數目、步驟、操作、元件、元件或其組合的存在，而不排除一個或多個其它特徵、數目、步驟、操作、元件、元件或其組的存在或者附加。
申請概述
如前所述，單結VCSEL器件由於其自身的電阻特性很難在實現高功率的同時達到較高的PCE。圖1圖示了現有的單結VCSEL器件中單結VCSEL單元的結構示意圖。如圖1所示，現有的一種單結VCSEL單元，自上而下依次包括：負電極1P、襯底2P、N-DBR 3P、有源區4P、氧化限制層5P、P-DBR 6P和正電極7P，其中，在工作過程中，有源區4P記憶體在粒子數反 轉，使鐳射媒質提供的增益足夠超過損耗的情況下，當電流通過所述正電極7P和負電極1P注入時，光強將持續增加，處於高能態導帶底的電子躍遷到處於低能帶時，隨著特定波長的光在P-DBR 6P和N-DBR 3P之間來回反射，放大過程不斷重複，便形成了鐳射。特別地，在現有的單結VCSEL單元中單隧道結形成于有源區中。
圖2圖示了現有的多結VCSEL單元的結構示意圖。如圖2所示，相較於如圖1中所示意的單結VCSEL單元，多結VCSEL單元在N-DBR 3P和P-DBR 6P之間包括相互交替設置的多個有源區4P和多個隧道結8P。例如，在如圖2所示的多結VCSEL單元中，該多結VCSEL單元被實施為三節VCSEL單元，其包括三個有源區4P和兩個隧道結8P，隧道結8P被夾設於每兩個有源區4P之間。
本領域普通技術人員應知曉，隧道結基於隧道效應工作，所謂隧道效應是指載流子能量較低(小於勢壘高度，即E<V)的情況下，由於薄膜材料本身厚度很小(10nm甚至更薄的情況下)，載流子仍然能有一定的幾率穿過薄膜材料。相較于單結VCSEL器件，對於指定的功率需求，能夠以相對較小的電流驅動多結VCSEL器件，由於工作電流的降低，對應的PCE也能得以提升。具體地，對於指定的功率需求，如單結VCSEL器件需要10A電流驅動，雙結VCSEL器件只需要大約5A電流驅動，三節VCSEL器件只需要3A~4A的驅動電流。
但是，由於多結VCSEL器件的幾何腔長是單結VCSEL器件的多倍，導致實際多結VCSEL器件的遠場束散角難以滿足設計要求。為了解決多結VCSEL器件的遠場束散角過大的問題，有一些廠商會嘗試減少氧化 限制層5P的數量，如圖3所示。在如圖3所示的多結VCSEL單元中，其僅配置了一個氧化限制層5P。但是，在實際測試過程中，本申請發明人發現：如果減小氧化限制層的數量，會導致發光效率降低，即，光電轉化效率重新變得很低，這就失去了多結VCSEL激光器特有的優勢。經分析可知，氧化限制層的目的是為了限制載流子，過多地減少氧化限制層的數量會使得對載流子的限制變得太少而使電流閾值加大，導致光電轉化效率降低。也就是，現有的解決方案其仍無法兼顧多結VCSEL器件在光電轉化效率和遠場束散角這兩方面的性能表現。
基於此，本申請發明人嘗試通過改變限制層(這裡的限制層不僅僅包括氧化限制層，還包括通過離子佈置工藝形成的離子限制層)的配置方式，來實現在光電轉化效率和遠場束散角量兩方面的性能兼顧。
本申請發明人通過理論研究和實驗測試發現：通過改變限制層的開孔孔徑和/或改變限制層相對于有源區和隧道結的位置設置可實現VCSEL器件在光電轉化效率和遠場束散角量兩方面的性能兼顧。具體地，在理論層面，如上所述，氧化限制層的目的是為了限制載流子，如果對載流子的限制變得太少將會使閾值加大，光電轉化效率變低，但相反地，如果限制過多，將會影響載流子的分佈進而影響光的模式，進而使遠場發散角不受控制。因此，本申請發明人通過調整限制層的開孔孔徑(更明確地使得限制層的部分開孔孔徑不相等)，和/或，改變限制層相對于有源區和隧道結的位置設置(也就是，調整所述限制層的數量和設置位置)來實現VCSEL器件在光電轉化效率和遠場束散角量兩方面性能的兼顧。
基於此，本申請提出了一種具有多隧道結的VCSEL激光器， 其包括：外延結構和電連接於所述外延結構的正電極和負電極；其中，所述外延結構，包括：襯底；位於所述襯底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之間設有反射腔；形成於所述反射腔內的多個有源區和多個隧道結，所述多個有源區和所述多個隧道結在所述反射腔內交替設置；以及，形成於所述反射腔內的至少二限制層，所述至少二限制層分別具有開孔，其中，所述至少二限制層的所述開孔中至少部分開孔之間具有不同的孔徑。
示意性VCSEL激光器
圖4A圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的結構示意圖。如圖4A所示，根據本申請實施例的所述VCSEL鐳射器具有多隧道結。這裡，隧道結基於隧道效應工作，所謂隧道效應是指載流子能量較低(小於勢壘高度，即E<V)的情況下，由於薄膜材料本身厚度很小(10nm甚至更薄的情況下)，載流子仍然能有一定的幾率穿過薄膜材料。
特別地，在如圖4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器以包含一個VCSEL單元為示例，並且，所述VCSEL單元具有三節隧道結。
應可以理解，在本申請其他示例中，所述VCSEL激光器還可以包括更多數量的VCSEL單元，當然，所述VCSEL單元可包括更多數量或者更少數量的隧道結，對此，並不為本申請所局限。通常，在VCSEL激光器中，隧道結的數量比有源區的數量少一個，例如，在如圖4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL單元具有三節隧道結和兩個有源區。
在如圖4A所示的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器 包括：通過外延生長工藝(例如，金屬有機化合物化學氣相沉澱)生成的外延結構10和電連接於所述外延結構10的正電極20和負電極30，其中，所述外延結構10，包括：襯底11、位於所述襯底11上方的第一反射器12和第二反射器13，所述第一反射器12和所述第二反射器13之間設有反射腔100、形成於所述反射腔100內的多個有源區14和多個隧道結15，所述多個有源區14和所述多個隧道結15在所述反射腔100內交替設置，以及，形成於所述反射腔100內的至少二限制層16，所述至少二限制層16分別具有開孔160，其中，所述至少二限制層16的所述開孔160中至少部分開孔160之間具有不同的孔徑。
具體地，在如圖4A所示的所述VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器包括三個所述有源區14和兩個所述隧道結15，其中，所述兩個隧道結15和所述三個有源區14在所述第一反射器12和所述第二反射器13形成的所述反射腔100內交替設置，即，每一層所述隧道結15被夾設於兩個所述有源區14之間。
在所述VCSEL激光器中，所述有源區14包括量子阱(當然，在本申請其他示例中，所述有源區14可包括量子點)，其可以由AlInGaAs(例如，AlInGaAs、GaAs、AlGaAs和InGaAs)、InGaAsP(例如，InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)、GaAsSb(例如，GaAsSb、GaAs和GaSb)、InGaAsN(例如，InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN和GaN)或者AlInGaAsP(例如，AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)製成。當然，在本申請實施例中，所述有源區14還可以通過其他用於形成量子阱層組合物製成。
在所述VCSEL激光器中，所述第一反射器12和所述第二反射器13分別包括由不同折射率材料的交替層組成的系統，該系統形成分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)。交替層的材料選擇取決於所需鐳射的工作波長。在本申請一個具體的示例中，所述第一反射器12和所述第二反射器13可以由高鋁含量的AlGaAs和低鋁含量的AlGaAs的交替層形成。值得一提的是，交替層的光學厚度等於或約等於鐳射工作波長的1/4。特別地，在本申請實施例中，所述第一反射器12為N型摻雜的分散式布拉格反射器，即，N-DBR，所述第二反射器13為P型摻雜的分散式布拉格反射器，即，P-DBR，其中，所述P型摻雜的DBR和所述N型摻雜的DBR 03的材料，包括但不限於：InGaAsP/InP、AlGaInAs/AlInAs、AlGaAsSb/AlAsSb、GaAs/AlGaAs、Si/MgO和Si/Al2O3等。
所述VCSEL激光器中，所述襯底11 01可包括但不限於矽襯底11，藍寶石襯底11和砷化鎵襯底11等。
如圖4A所示，所述多個有源區14被夾設在所述第一反射器12和所述第二反射器13之間的所述反射腔100內，其中，光子在被激發後在所述反射腔100內來回反射不斷重複放大以形成鐳射振盪，從而形成了鐳射。本領域普通技術人員應知曉，通過對所述第一反射器12和所述第二反射器13的配置和設計能夠可選擇地控制鐳射的出射方向，例如，從第二反射器13出射(即，從所述VCSEL激光器的頂表面出射)或者，從第一反射器12出射(即，從所述VCSEL激光器的底表面出射)。在本申請實施例中，所述第一反射器12和所述第二反射器13被設計使得鐳射在所述反射腔100內振盪後，從所述第二反射器13出射，也就是，所述VCSEL激光器為正 面出光的半導體激光器。
為了限制所述VCSEL激光器的電流模式和出光模式，根據本申請實施例的所述VCSEL激光器還包括形成於所述反射腔100內的至少二限制層16，所述至少二限制層16分別具有開孔160，其中，所述至少二限制層16的所述開孔160中至少部分開孔160之間具有不同的孔徑。特別地，在如圖4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述至少二限制層16為通過氧化工藝形成於部分所述有源區14的上方的至少二氧化限制層16A，其中，所述氧化限制層16A被氧化的程度決定了所述氧化限制層16A的所述開孔160的孔徑尺寸。
更具體地，在如圖4A所示意的所述VCSEL激光器中，所述氧化限制層16A的數量與所述有源區14的數量相等，即，在如圖4A所示意的VCSEL激光器中，所述VCSEL激光器包括三個氧化限制層16A，其分別形成於每一所述有源區14的上方。
與現有的多結VCSEL單元不同的是，在本申請實施例中，所述至少二氧化限制層16A的多個開孔160中至少部分開孔160之間具有不同的孔徑，也就是，在本申請實施例中，所述VCSEL鐳射器具有非對稱的氧化限制層16A結構。
通過非對稱的氧化層結構配置，經測量可知，所述VCSEL激光器能夠取得在光電轉化效率和遠場束散角量方面性能的兼顧。具體地，如圖5和6所示，所述VCSEL激光器可以在2.7A驅動電流的前提下，其遠場束散角為19°，光功率達到6.5W，光電轉化效率最高可達47%。
更具體地，在本申請實施例中，所述至少二氧化限制層16A 的多個開孔160的孔徑尺寸可以全不相等，例如，在如圖4A所示意的示例中，三個所述開孔160自上而下其孔徑依次降低。或者，在如圖4B所示意的示例中，三個所述開孔160的孔徑尺寸自上而下依次增加。或者，在如圖4C所示意的示例中，三個所述開孔160的孔徑尺寸自上而下先縮小後增大。當然，在本申請其他示例中，所述多個氧化限制層16A的多個開孔160的孔徑尺寸可以部分相等，對此，並不為本申請所局限。
更明確地，在本申請實施例中，所述開孔160的孔徑範圍為1um至100um，優選地，所述開孔160的孔徑範圍為3um至50um。進一步地，在本申請實施例中，所述開孔160之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um，優選地，所述開孔160之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。並且，在本申請實施例中，所述氧化限制層16A之間的間距等於0.5*所述VCSEL激光器產生的鐳射的波長的整數倍除以其間半導體的折射率的加權和，這裡，其間半導體表示兩個所述氧化限制層16A之間的半導體材料，加權和表示半導體的折射率以預設權重的乘積之和。所述氧化限制層16A與所述有源區14之間的距離為0.25*所述VCSEL激光器產生的鐳射的波長的奇數倍除以所述襯底11的折射率。例如，當折射率為3.4的GaAs襯底11，倍數為3時，所述氧化限制層16A與所述有源區14之間的距離為0.25*940/3.4*3~200nm。
更為優選地，在本申請實施例中，所述至少一氧化限制層16A中最鄰近所述第二反射器13的所述氧化限制層16A的開孔160具有最小的孔徑。
在具體實施中，在相同的氧化工藝條件下，具有不同孔徑的氧化限制層16A可通過控制所述氧化限制層16A的厚度或者所述氧化限制 層16A中鋁含量來實現。特別地，在本申請實施例中，所述氧化限制層16A的鋁含量的範圍為95%-100%，其厚度的範圍為10nm-50nm。
值得一提的是，在本申請實施例中，由於所述氧化限制層16A具有不同的孔徑，因此，所述氧化限制層16A整體的被氧化的量可得以縮減，從而，所述氧化限制層16A帶來的整體應力也得以減小，故所述VCSEL激光器的可靠性得以提升。
為了進一步避免過多氧化限制層16A導致的可靠性問題，在本申請其他示例中，可改變所述氧化限制層16A與所述有源區14和所述隧道結15之間的相對位置關係。圖7圖示了根據本申請另一實施例的VCSEL激光器的結構示意圖，其中，圖7所示意的所述VCSEL激光器為圖4A至圖4C所示意的VCSEL激光器的變形實施例。具體地，在如圖7所示意的VCSEL激光器中，所述氧化限制層16A被可選擇地形成形成於部分所述有源區14的上方，即，所述氧化限制層16A的數量小於所述有源區14的數量(應注意，這裡的所述氧化限制層16A的數量仍大於等於2)。
也就是，本申請其他示例中，不針對每一個所述有源區14配置一個所述氧化限制層16A，這樣，既可以保證所述VCSEL激光器的光電轉化效率，同時，也可以確保其穩定性。這種方式對於具有更多結隧道結15的VCSEL器件更為重要。
值得一提的是，在本實施例中，當不針對每一個所述有源區14配置一個所述氧化限制層16A時，所述氧化限制層16A的孔徑可配置為全部相等。也就是，在不針對每一個所述有源區14配置一個所述氧化限制層16A時，所述氧化限制層16A也可被配置為具有對稱結構，對此，並不 為本申請所局限。
進一步地，在本申請實施例中，為了導通所述外延結構10以產生鐳射，所述所述VCSEL激光器進一步包括電連接於所述外延結構10的正電極20和負電極30，其中，所述正電極20形成於所述外延結構10的上表面，所述第二電極形成於所述外延結構10的下表面。更明確地，在本申請實施例中，所述第一電極形成於所述外延結構10的所述第二反射器13的上方；所述第一電極形成於所述外延結構10的所述襯底11的下方。
值得一提的是，在本申請其他示例中，所述正電極20和所述負電極30也可以形成於所述VCSEL激光器的其他位置，對此，並不為本申請所局限。
圖8圖示了根據本申請又一實施例的VCSEL激光器的結構示意圖。相較於圖4A至4B和圖7所示意的VCSEL激光器，在本申請實施例中，所述VCSEL激光器中的所述限制層16為通過離子佈置工藝形成的離子限制層16。
如圖8所示，在本申請實施例中，所述離子限制層16的數量與所述有源區14的數量相等，即，在如圖8所示意的VCSEL激光器中，其包括三個離子限制層16B，分別形成於每一所述有源區14的上方。相一致地，在本申請實施例中，所述至少二離子限制層16B的多個開孔160中至少部分開孔160之間具有不同的孔徑，也就是，所述VCSEL鐳射器具有非對稱的離子限制層16B結構。
更具體地，在本申請實施例中，所述多個離子限制層16B的多個開孔160的孔徑尺寸可以全不相等，當然，所述多個離子限制層16B 的多個開孔160的孔徑尺寸可以部分相等，對此，並不為本申請所局限。
更明確地，在本申請實施例中，所述開孔160的孔徑範圍為1um至100um，優選地，所述開孔160的孔徑範圍為3um至50um。進一步地，在本申請實施例中，所述開孔160之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um，優選地，所述開孔160之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。更為優選地，所述至少一離子限制層16B中最鄰近所述第二反射器13的所述離子限制層16B的開孔160具有最小的孔徑。
在具體實施中，被注入的離子包括但不限於氫離子，氧離子等，其可從所述第二反射器13的上表面注入至所述反射腔100內，所述粒子被注入的深度可基於注入時的能量控制。具體地，當要注入更深時，可加大能量以使得被注入的離子更鄰近於所述第一反射器12，當要注入淺一些時，可減小能量以使得被注入的離子更鄰近於所述第二反射器13。相應地，基於注入離子的能量和注入離子的量便能夠控制所述離子限制層16B的所述開孔160的尺寸。
值得一提的是，在本申請其他示例中，所述限制層16還可以是離子限制層16B和所述氧化限制層16A的組合，也就是，所述至少二限制層16包含至少一通過氧化工藝形成的氧化限制層16A，並且，所述至少二限制層16包含至少一通過離子布植工藝形成的離子限制層16B，如圖9所示。
綜上，基於本申請實施例的所述VCSEL激光器被闡明，其通過調整所述限制層16的開孔160孔徑和/或調整所述限制層16相對于有源區14和隧道結15之間的位置設置，實現VCSEL器件在光電轉化效率和遠場 束散角量兩方面的性能兼顧。
示意性製備方法
圖10圖示了根據本申請實施例的VCSEL激光器的製備方法的示意圖。
如圖10所示，根據本申請實施例的製備過程，包括：首先通過外延生長工藝形成外延結構10，其包括：襯底11、位於所述襯底11上方的第一反射器12和第二反射器13、以及，形成於所述第一反射器12和所述第二反射器13之間的多個有源區14和多個隧道結15，所述多個有源區14和所述多個隧道結15之間交替設置；然後，通過氧化工藝在所述第一反射器12和所述第二反射器13之間形成至少二氧化限制層16A，所述至少二氧化限制層16A分別具有開孔160，其中，所述開孔160中至少部分開孔160之間具有不同的孔徑。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述氧化限制層16A被分別形成於每一所述有源區14上方，所述氧化限制層16A的數量與所述有源區14的數量相一致。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述氧化限制層16A被可選擇地形成形成於部分所述有源區14的上方，所述氧化限制層16A的數量小於所述有源區14的數量。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述開孔160的孔徑範圍為1um至100um。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述開孔160的孔徑範圍為3um至50um。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述開孔160之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述開孔160之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。
在一個示例中，在上述VCSEL激光器的製備方法中，所述至少二氧化限制層16A中最鄰近所述第二反射器13的所述氧化限制層16A的開孔160具有最小的孔徑。
綜上，基於本申請實施例的所述VCSEL激光器的製備方法被闡明，其能夠製備如上所述的VCSEL激光器。應注意到，如圖10所示意的製備過程以製備所述限制層16為氧化限制層16A的VCSEL激光器為示例，應可以理解，當所述限制層16為離子限制層16B或者所述限制層16為離子限制層16B和氧化限制層16A的組合時，對應的製備過程可通過簡單變化得知，對此，不再贅述。
以上結合具體實施例描述了本申請的基本原理，但是，需要指出的是，在本申請中提及的優點、優勢、效果等僅是示例而非限制，不能認為這些優點、優勢、效果等是本申請的各個實施例必須具備的。另外，上述公開的具體細節僅是為了示例的作用和便於理解的作用，而非限制，上述細節並不限制本申請為必須採用上述具體的細節來實現。
本申請中涉及的器件、裝置、設備、系統的方框圖僅作為例示性的例子並且不意圖要求或暗示必須按照方框圖示出的方式進行連接、佈置、配置。如本領域技術人員將認識到的，可以按任意方式連接、佈置、配置這些器件、裝置、設備、系統。諸如“包括”、“包含”、“具有” 等等的詞語是開放性詞彙，指“包括但不限於”，且可與其互換使用。這裡所使用的詞彙“或”和“和”指詞彙“和/或”，且可與其互換使用，除非上下文明確指示不是如此。這裡所使用的詞彙“諸如”指片語“諸如但不限於”，且可與其互換使用。
還需要指出的是，在本申請的裝置、設備和方法中，各部件或各步驟是可以分解和/或重新組合的。這些分解和/或重新組合應視為本申請的等效方案。
提供所公開的方面的以上描述以使本領域的任何技術人員能夠做出或者使用本申請。對這些方面的各種修改對於本領域技術人員而言是非常顯而易見的，並且在此定義的一般原理可以應用於其他方面而不脫離本申請的範圍。因此，本申請不意圖被限制到在此示出的方面，而是按照與在此公開的原理和新穎的特徵一致的最寬範圍。
為了例示和描述的優勢已經給出了以上描述。此外，此描述不意圖將本申請的實施例限制到在此公開的形式。儘管以上已經討論了多個示例方面和實施例，但是本領域技術人員將認識到其某些變型、修改、改變、添加和子組合。
10:外延結構
11:襯底
12:第一反射器
13:第二反射器
14:有源區
15:隧道結
16:限制層
16A:氧化限制層
100:反射腔
160:開孔
20:正電極
30:負電極

Claims (22)

  1. 一種具有多隧道結的VCSEL激光器，其特徵在於，包括：外延結構和電連接於所述外延結構的正電極和負電極；
    其中，所述外延結構，包括：
    襯底；
    位於所述襯底上方的第一反射器和第二反射器，其中，所述第一反射器和所述第二反射器之間設有反射腔；
    形成於所述反射腔內的多個有源區和多個隧道結，所述多個有源區和所述多個隧道結在所述反射腔內交替設置；以及
    形成於所述反射腔內的至少二限制層，所述至少二限制層分別具有開孔，其中，所述至少二限制層的所述開孔中至少部分開孔之間具有不同的孔徑。
  2. 如請求項1所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述限制層被分別形成於每一所述有源區上方，所述限制層的數量與所述有源區的數量相一致。
  3. 如請求項11所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述限制層被可選擇地形成形成於部分所述有源區的上方，所述限制層的數量小於所述有源區的數量。
  4. 如請求項2或3所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述開孔的孔徑範圍為1um至100um。
  5. 如請求項4所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述開孔的孔徑範圍為3um至50um。
  6. 如請求項5所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um。
  7. 如請求項6所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。
  8. 如請求項4所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制層的所述開孔之間的孔徑尺寸相互之間都不相等。
  9. 如請求項2或3所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制層中最鄰近所述第二反射器的所述限制層的開孔具有最小的孔徑。
  10. 如請求項1所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制層包含至少一通過氧化工藝形成的氧化限制層。
  11. 如請求項1所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制層包含至少一通過離子布植工藝形成的離子限制層。
  12. 如請求項1所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制層包含至少一通過氧化工藝形成的氧化限制層，並且，所述至少二限制層包含至少一通過離子布植工藝形成的離子限制層。
  13. 如請求項10所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述至少二限制層為全部通過氧化工藝形成的氧化限制層。
  14. 如請求項13所述的具有多隧道結的VCSEL激光器，其中，所述氧化限制層之間的間距等於0.5*所述VCSEL激光器產生的鐳射的波長的整數倍除以其間半導體的折射率的加權和。
  15. 一種具有多隧道結的VCSEL激光器的製備方法，其特徵在於，包括：
    通過外延生長工藝形成外延結構，其包括：襯底、位於所述襯底上方的第一反射器和第二反射器、以及，形成於所述第一反射器和所述第二反射器之間的多個有源區和多個隧道結，所述多個有源區和所述多個隧道結之間交替設置；以及
    通過氧化工藝在所述第一反射器和所述第二反射器之間形成至少二氧化限制層，所述至少二氧化限制層分別具有開孔，其中，所述開孔中至少部分開孔之間具有不同的孔徑。
  16. 如請求項15所述的製備方法，其中，所述氧化限制層被分別形成於每一所述有源區上方，所述氧化限制層的數量與所述有源區的數量相一致。
  17. 如請求項15所述的製備方法，其中，所述氧化限制層被可選擇地形成形成於部分所述有源區的上方，所述氧化限制層的數量小於所述有源區的數量。
  18. 如請求項15所述的製備方法，其中，所述開孔的孔徑範圍為1um至100um。
  19. 如請求項15所述的製備方法，其中，所述開孔的孔徑範圍為3um至50um。
  20. 如請求項19所述的製備方法，其中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.1um至95um。
  21. 如請求項20所述的製備方法，其中，所述開孔之間的孔徑差的範圍為0.5um至20um。
  22. 如請求項16所述的製備方法，其中，所述至少二氧化限制層中最鄰近所述第二反射器的所述氧化限制層的開孔具有最小的孔徑。
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