阅读说明：本技术 一种具有非对称氧化结构vcsel单元 (VCSEL unit with asymmetric oxidation structure ) 是由 梁栋 于 2019-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有非对称氧化结构VCSEL单元,通过在器件内设有上下两组不同氧化层即第一氧化层组、第二氧化层组,第二氧化层组的两个区域内侧边缘与发光孔的边缘在竖直方向上具有部分重叠,产生在水平面不同方向上非对称的光束缚作用的技术手段,实现非对称的光发散角的效果,打破现有技术中光场发散角只能对称的局限性。(The invention provides a VCSEL unit with an asymmetric oxidation structure, which adopts the technical means that an upper group of oxide layers and a lower group of oxide layers, namely a first oxide layer group and a second oxide layer group, are arranged in a device, the inner side edges of two areas of the second oxide layer group are partially overlapped with the edge of a light emitting hole in the vertical direction, and the asymmetric light beam binding effect in different directions of a horizontal plane is generated, so that the effect of an asymmetric light divergence angle is realized, and the limitation that the divergence angle of a light field in the prior art can only be symmetric is broken through.)

一种具有非对称氧化结构VCSEL单元

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术领域，尤其涉及一种具有非对称氧化结构VCSEL单元。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)主要是以III-V族化合物半导体材料为基础研制。有别于LED（发光二极管）和EEL(EdgeEmitting Laser，边发射激光二极管)等其他光源，VCSEL可以较容易实现小阈值电流的激光，比一般的EEL有更好的波长温度稳定性，同时也可以实现单纵模甚至单横模、超窄带宽的发光频谱，由于可以进行规模化晶圆级别测试，使其相比边发射激光器，其量产价格更加经济。在和后端模组的配合上，相比于EEL需要粘贴，VCSEL可以在芯片层面实现大面积二维阵列，同时由于是表面出光，整个模组厚度可以做很薄，甚至可以把VCSEL直接表面贴片到驱动电路板上，而不需要额外的反射棱镜等部件。传统VCSEL广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域，近几年随着智能手机、人脸识别及3D探测建模等技术的大规模应用，VCSEL在消费电子领域成为LED后最重要的半导体光源。

目前，在众多智能设备比如智能手机中，对红外照明（IR）投影模组具有巨大的市场需求，该模组在TOF测量、安全摄像设备等具体应用中发挥着至关重要的作用，VCSEL则是红外照明投影模组中最为核心的器件。现有的垂直腔面发射激光器在x方向和y方向上只有对称的发散角，但是有很多应用需要VCSEL在x方向和y方向上出现不同的发散角，例如需要产生一个长方形的或者椭圆形的照明场。在一般情况下VCSEL发光孔的光场是x和y轴对称或者是轴对称的。如果要打破光场发散角的对称性，就需要打破光场限制的对称性。现有技术中尚缺乏能够满足光场具有一定偏角的VCSEL器件。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有非对称氧化结构VCSEL单元，包括半导体外延结构层、台面结构，在所述台面结构中设有上下两层氧化层组；

其中，所述两层氧化层组中的第一氧化层组由台面结构四周沟道向其中央氧化形成，并限制出器件的发光孔；

沟道可以是一体连续的环绕台面结构也可以是不连续的独立的几个孔围绕着台面结构。

第二氧化层组包括两个在水平面上分别由台面结构相对的两外侧向台面结构中央延伸并且相互间隔开的区域；所述两个区域之间的部分对所述发光孔在竖直方向上不存在遮挡；

所述两个区域的内侧边缘与所述发光孔的边缘在竖直方向上具有部分重叠。

氧化层组的位置放在量子肼上下均可。

第二氧化层组的轮廓在和第一氧化层组的轮廓有重叠的部分一般直接沿用第一氧化层组在该部分的形状（第一层的发光孔上方没有多余的氧化层阻挡，这样器件发光效率会比较高），其他轮廓上不重叠的部分是什么形状不重要，只要在第一层氧化孔径的外部，对光场的束缚较弱就可以。

比如对于长方形或者正方形的发光孔，第二氧化层组的轮廓和第一氧化层组的轮廓水平面一个方向上位置重叠，在另一个方向上位置不重叠；对于圆形或者椭圆形的发光孔，第二氧化层组的轮廓和第一氧化层组的轮廓两个相对的圆弧存在重叠。

两个区域的内侧边缘与发光孔的边缘在竖直方向上的部分重叠，实际上如果误差在1-2um内，并不会对本器件发光有所影响。

优选地，所述氧化层组包括一层氧化层。

优选地，所述氧化层组包括至少两层氧化层。

理论上来说，光场限制大的方向额外存在更多层数的氧化层组，使该方向看纵向光场在孔径内和外部的有效折射系数的差别，比氧化层组数较少的方向较大，该方向由于多了这一组氧化层组而增大该方向对光场的限制，因此本发明的方案中所采用的技术手段能够增加该方向的发散角。

优选地，所述的第一氧化层组相对于第二氧化层组在上方。

优选地，所述的第一氧化层组相对于第二氧化层组在下方。

只要工艺允许，第一氧化层组、第二氧化层组的上下顺序可以调换，两组至少有一组需要是起主要的限流作用。

优选地，所述台面结构侧壁为平面，相应的沟道深度达到衬底层上表面的位置。

优选地，所述台面结构侧壁为阶梯型，分别在量子阱上的刻蚀阻止层上表面和量子阱下方具有台阶。

优选地，所述由第一氧化层组限定出的发光孔形状为圆形、椭圆、标准多边形、带弧边的多边形；第二氧化层组在水平方向限定出由所述台面结构一侧延伸至另一侧的非氧化部分；

优选地，所述半导体外延结构层包括，P型分布布拉格反射镜、量子阱层、 N型分布布拉格反射镜、N型衬底层。

优选地，所述P型分布布拉格反射镜和N型分布布拉格反射镜材料为不同Al和Ga组分的Al_xGa_（1-x）As，或不同组分的In_(1-x)Ga_xAs_yP_(1-y)，或选自AlN、GaN、InGaN、AlGaN或SiN、SiO、SiON中的一种或几种；量子阱层材料选自GaAs、AlGaAs、 InGaAs、 InGaP、GaN、InGaN、AlGaN或AlInGaNAsP中的一种或几种，所述VCSEL单元包含P/N电极金属层及焊盘金属，P/N电极金属层及焊盘金属材料选自: Ti、Pt、Au、Pt、Pd、Ge及其合金中的一种或几种。

如以上任一项所述的一种具有非对称氧化结构VCSEL单元，均可采用空气层和/或SiN和/或SiO和/或SiON材料形成的介质层取代所述第二氧化层组。

红光LED可以借鉴这个规律，把氧化层刻蚀掉用空气层代替。原理上，只要是面发光光源，有低折射率的介质（例如氧化层）来束缚光，那么就可以用到这个技术。

优选地，所述介质层通过将所述第二氧化层组一部分或者全部刻蚀掉后形成。

本发明提供的一种具有非对称氧化结构VCSEL单元，通过在量子阱层上方设有上下两层氧化层组的技术手段，实现了在不同方向上产生不同发散角的有益效果，打破现有技术中光场发散角只能对称的局限性。

附图说明

图1为正方形VCSEL器件单元技术方案图。

图2为其他形状VCSEL器件单元技术方案图。

图3为正方形VCSEL器件单元制作方法1工艺图。

图4为其他形状VCSEL器件单元制作方法1工艺图。

图5为正方形VCSEL器件单元制作方法2工艺图。

图6为其他形状VCSEL器件单元制作方法2工艺图。

图7为技术效果图A:把VCSEL原本圆形远场改为椭圆形远场；B:把VCSEL原本正方形远场的改为长方形远场。

图中：1.第一氧化层组；2.第二氧化层组；3.刻蚀阻止层；4.量子阱发光区；5.沟道1；6.沟道2。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

如图1所示，通过在x和y方向（x和y泛指不同方向，不一定非要互相垂直正交）制造不同的氧化层组，从而使x和y方向上的有效折射系数产生差异，即对光场的限制作用产生不同，从而打破x和y的光场的对称性。使光场限制小的一个方向发散角较小。光场限制大的方向发散角大，光场限制小的方向只有较少层数的氧化层组（如图1所示第一氧化层组）。这些层由于在另一个方向也存在，所以形成一个近似方形孔径，同时起到限制电流的作用；图2为其他形状VCSEL器件单元技术方案图。

如图3所示具体的结构示意图，A：沿y方向截面图，B:沿x方向截面图,C：俯视图。展示了一套优选的实施方案，具体的实施方式为：1、先刻蚀x或y一个方向的两侧沟道，两层一起氧化，然后用电介质保护；2、然后在另一个方向刻蚀沟道（可以是干法和湿法刻蚀的结合或者纯湿法刻蚀），停止在两层氧化层之间的刻蚀阻止层，这样只氧化上面一层氧化层组。这样形成x和y方向不同氧化结构；图4为其他形状VCSEL器件单元制作方法1工艺图。

如图5所示具体的结构示意图，A:第一步沿x或y方向截面图，B:第一步俯视图，C:第二步沿x方向截面图，D:第二步沿y方向截面图，E：第二步俯视图。展示了一套优选的实施方案，具体的实施方式为：1、先刻蚀氧化沟道1， 沟道1从上面看环绕了发光孔的四周。刻蚀停止在刻蚀阻止层上面，保护下面一组高铝组分的外延层（第一氧化层组）在这一步不被氧化。单独氧化第二氧化层组后，通过电介质层保护侧壁。第二氧化层组在水平方向限定出由所述台面结构一侧延伸至另一侧的非氧化部分；2、第二次刻蚀，在沟道1里面先打开部分电介质层，然后向下刻蚀半导体层，形成沟道2。沟道2不完全环绕发光孔，只存在于预计增大发散角的两边，沟道2的边缘可以和沟道1重合，或者略微向外撤出（具***置和形状依照所需光场进行调整）。然后进行第二次氧化，此时第一次氧化层组的侧壁仍然有完整的电介质层保护，第二次氧化只作用于第一氧化层组；图6为其他形状VCSEL器件单元制作方法2工艺图。

图7为技术效果图其中A:把VCSEL原本圆形远场改为椭圆形远场；B:把VCSEL原本正方形远场的改为长方形远场。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。