阅读说明：本技术 外腔式vcsel激光器、vcsel阵列和激光器的制备方法 (External cavity type VCSEL laser, VCSEL array and preparation method of laser ) 是由 林珊珊 王立 李念宜 姚毅飞 郝宇杰 李姗姗 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种外腔式VCSEL激光器、VCSEL阵列和激光器的制备方法。所述外腔式VCSEL激光器通过配置合适的发光孔径和/或腔长和/或反射膜,以输出满足预设要求的亮度,制造工艺简单、成本较低。(The application provides an external cavity VCSEL laser, a VCSEL array and a preparation method of the laser. The external cavity type VCSEL laser outputs the brightness meeting the preset requirement by configuring the proper light emitting aperture and/or the proper cavity length and/or the proper reflecting film, and has the advantages of simple manufacturing process and lower cost.)

具体实施方式

以下说明书和权利要求中使用的术语和词不限于字面的含义，而是仅由本申请人使用以使得能够清楚和一致地理解本申请。因此，对本领域技术人员很明显仅为了说明的目的而不是为了如所附权利要求和它们的等效物所定义的限制本申请的目的而提供本申请的各种实施例的以下描述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离发明构思的教导。在此使用的术语“和 /或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

示意性外腔式VCSEL激光器

如图1所示，根据本申请实施例的外腔式VCSEL激光器被阐明，所述外腔式VCSEL激光器10包括有源区14，所述有源区14被设定于形成第一反射器13的第一半导体区域和形成第二反射器16的第二半导体区域之间。所述第一半导体区域、所述第二半导体区域和所述有源区14通过外延生长工艺(例如，金属气相沉积工艺)成型于衬底12。

在所述外腔式VCSEL激光器10中，所述有源区14包括量子阱 (当然，在本申请其他示例中，所述有源区14可包括量子点)，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)制成。当然，在本申请实施例中，所述有源区14还可以通过其他用于形成量子阱层组合物制成。

所述第一反射器13和所述第二反射器16分别包括由不同折射率材料的交替层组成的系统，该系统形成分布式布拉格反射器 (Distributed Bragg Reflector)。交替层的材料选择取决于所需激光的工作波长。例如，在本申请一个具体的示例中，所述第一反射器13 和所述第二反射器16可以由高铝含量的AlGaAs和低铝含量的 AlGaAs的交替层形成。值得一提的是，交替层的光学厚度等于或约等于激光工作波长的1/4。特别地，在本申请实施例中，所述第一反射器13为N型掺杂的分布式布拉格反射器，即，N-DBR，所述第二反射器16为P型掺杂的分布式布拉格反射器，即，P-DBR。

如图1所示，所述有源区14被夹设在所述第一反射器13和所述第二反射器16之间，以形成共振腔，其中，光子在被激发后在所述共振腔内来回反射不断重复放大以形成激光振荡，从而形成了激光。本领域普通技术人员应知晓，通过对所述第一反射器13和所述第二反射器16的配置和设计能够可选择地控制激光的出射方向，例如，从第二反射器16出射(即，从VCSEL激光器10的顶表面出射)或者，从第一反射器13出射(即，从VCSEL激光器10的底表面出射)。特别地，在本申请实施例中，所述第一反射器13和所述第二反射器 16被设计以使得激光在所述共振腔内振荡后，从所述第一反射器13 出射。为了便于说明和理解，在本申请实施例中，将设定于所述第一反射器13和所述第二反射器16之间的共振腔定义为“内腔”。

如图1所示，在本申请实施例中，所述VCSEL激光器10还包括电连接于所述第二反射器16的上表面的第一电极17、电连接于所述第一反射器13的上表面裸露部分的第二电极18，以及，覆盖所述第一反射器13、所述第二反射器16的至少一部分的绝缘层19。如图1所示，在本申请实施例中，所述第一反射器13的上表面的至少一部分被暴露，并且，在该被暴露的部分的至少一部分被植入离子，以使得被植入离子的部分形成电连接区域130，所述第二电极18电连接于所述电连接区域180。特别地，如图1所示，在本申请实施例中，所述第一反射器13的上表面的至少一部分被暴露，所述有源区14的侧表面的至少一部分被暴露以形成第一台面140，所述第二反射器16的侧表面的至少一部分被暴露以形成第二台面160，相应地，相应地，所述绝缘层19覆盖所述第一台面140的至少一部分、所述第二台面160的至少一部分、所述第一反射器13的上表面中被裸露部分的至少一部分和所述第二反射器16的上表面的至少一部分。

在操作过程中，将操作电压施加到所述VCSEL激光器10的第一电极17和第二电极18以在半导体结构中产生电流，其中，如图 1所示，在本申请实施例中，所述第一电极17电连接于所述第二反射器16的上表面裸露部分中的所述电连接区域180，所述第二电极 18电连接于所述第二反射器16的上表面裸露部分。在被导通后，电流被形成于所述有源区14上方的氧化限制层15限制流向，其最终被导入半导体结构的中间区域，以使得在所述有源区14的中间区域产生激光。更具体地说，在本申请实施例中，形成于所述有源区14 上方的所述氧化限制层15，包括限制区域151和由所述限制区域 151形成的氧化开孔150，其中，所述限制区域151具有较高的电阻率以限制载流子流入半导体的中间区域，且所述限制区域151的折射率较低以对光子进行横向限制，载流子和光学横向限制增加了所述有源区14内的载流子和光子的密度，提高了在所述有源区14内产生光的效率。

在本申请的一些示例中，所述氧化限制层15作为单独的一层形成于所述有源区14的上方。当然，在本申请其他示例中，所述氧化限制层15，还可以通过氧化所述第二反射器16的下方区域的至少一部分的方式形成于所述有源区14的上方，即，所述氧化限制层15 为所述第二反射器16的一部分，对此，并不为本申请所局限。

进一步地，在本申请实施例中，所述衬底12的制成材料选自 GaAs，GaN和lnP中任意一种，其允许波长范围在300nm至150mm的激光透过。优选地，所述衬底12由GaAs材料制成，其可以是未掺杂的，可以是N型掺杂的(例如，掺杂了Si)，也可以是P型掺杂的 (例如，掺杂了Zn)。由GaAs材料制成的所述衬底12对特定波长的激光(例如，980nm波段的激光)的吸收损耗非常小，甚至可以忽略。因此，当激光在所述内腔内振荡并从所述第一反射器13射出并在所述衬底12内传播的过程中，激光在所述衬底12内几乎没有发生吸收损耗。

特别地，如图1所示，在本申请实施例中，所述外腔式VCSEL 还包括形成于所述衬底12的下表面的反射层11，以在所述反射层 11和所述第一反射器13之间形成振荡腔。为了便于理解和说明，这里，将所述振荡腔定义为“外腔”，这也是本申请设计的VCSEL激光器10被命名为外腔式VCSEL激光器10的原因)。具体来说，从所述第一反射器13出射的激光能够进一步地在外腔内进一步发生振荡，以提高最终从所述VCSEL激光器10的底表面出射的激光的光学性能：相较于现有的氧化型VCSEL激光器10，所述外腔式激光器10具有较高的输出功率和较高的亮度。

应可以理解，因为所述外腔式VCSEL相较于现有的VCSEL激光器 10多了一个振荡腔(即，所述外腔)，因此，在相同腔长的前提下，所述外腔式VCSEL激光器10的光学腔长更长。这里，腔长表示所述VCSEL激光器10的上表面与下表面之间的距离，光学腔长表示光子从激发到出光的过程中在所述VCSEL激光器10内运动的总路程的一半。也因此，相较于现有的氧化型VCSEL激光器10，所述外腔式激光器10具有较高的输出功率和较高的亮度。

如前所述，在一些特殊的应用场景中(例如，当VCSEL产品被应用于车载激光雷达时)，要求VCSEL激光器10具有高亮度的光学特性，然而，这一性能对于现有的VCSEL激光器10来说难以满足，但是，对本申请实施例所提供的所述外腔式VCSEL激光器10而言，满足这一应用场景的需求却很匹配。也就是，在本申请实施例中，所述外腔式VCSEL激光器10通过配置合适的发光孔径和/或腔长和/或反射膜，以输出满足预设要求的亮度。

具体来说，在本申请实施例中，所述外腔式VCSEL激光器10的亮度满足如下关系：其中，M²表示光束质量参数，λ是光波长，一般情况下M²≥1，当M²＝1时表示理想光束，基于关系式可知，高亮度需要高光束质量。图3图示了根据本申请实施例的所述外腔式 VCSEL激光器10的腔长与光学质量参数的关系示意图。图4图示了根据本申请实施例的所述外腔式VCSEL激光器10的腔长与功率的关系示意图。如图3和4所示，存在一个优化的腔长参数来达到所需的功率和亮度的性能需求，即，所述外腔式VCSEL激光器10配置合适的腔长，以满足在亮度和功率的两方面性能的均衡和优化。特别地，在本申请实施例中，所述腔长的取值范围为100um至5000um，在一个具体的示例中，对于6寸GaAs晶圆而言(其厚度一般为675±25um)，相应地，其对应的光学腔长为675um*3.55(其中，3.55为衬底12 材料的折射率)＝2.44mm，即，外腔式VCSEL激光器10的光学腔长的长度等于晶圆厚度与所述衬底12的折射率之积。

特别地，在本申请实施例中，发光孔径的取值范围为1um-500um，优选地，为20um-50um，也就是，所述氧化限制层15的氧化开孔150 的直径的取值范围为1um-500um，优选地，为20um-50um。应可以理解，氧化开孔150的直径决定了所述VCSEL激光器10在一个端面的光斑大小，当光斑大小较大时，其输出功率也高，但产生的热量也大，因此，需要选择合适的发光孔径，以满足适当的功率需求，但也同时需要确保所述VCSEL激光器10的阈值不会过大而产生过多的热量。也就是，所述外腔式VCSEL激光器10配置合适的发光孔径，以使得所述激光器10能够保证单点发光功率足够高，且同时确保所述激光器10的阈值不会过大而产生过多热量。也就是，所述外腔式VCSEL 激光器10通过合适的发光孔径设计，以获得在发光功率和产生热量两方面性能的均衡和优化。

如前所述，内腔的反射是靠所述第一反射器13和所述第二反射器16实现的，外腔的反射需要设置于所述VCSEL激光器10的底表面的反射层11实现，其中，所述反射层11的反射率的范围为 20.00％-99.99％。图5图示了根据本申请实施例的所述外腔式VCSEL 激光器10的单层反射膜的厚度与反射率的关系示意图。如图5所示，所述反射层11包括一层反射膜，其中，单层反射膜的反射率较低，一般在20％-40％左右。图6图示了根据本申请实施例的所述外腔式 VCSEL激光器10的多层反射膜的厚度与反射率的关系示意图。如图 6所示，当所述反射层11包括两层反射膜时，其反射率可达到 70.00％-99.99％。在本申请实施例中，所述反射膜的制成材料选自氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛和二氧化硅中任意一种或几种的组合。值得一提的是，所述反射层11包括的反射膜数量以及所述反射膜的材料选择可基于实际输出所需的功率以及模式做微调，对此，并不为本申请所局限。

相应地，在通过合适诸如发光孔径、光学腔长、反射层11之类的参数设计，获得满足预设要求的激光器10后，可选择适当数量的所述激光器10形成VCSEL阵列(如图7所示)来满足特定应用场景的需求。也就是说，根据本申请的另一方面，本申请还提供一种VCSEL 阵列，其包括多个如上所述的外腔式VCSEL激光器10。应可以理解，所述外腔式VCSEL激光器10的单点功率较大，因此，所述VCSEL阵列在包括相较较少数量的所述外腔式VCSEL激光器10的前提下，能满足在预设功率要求下的亮度要求。

图2图示了根据本申请实施例的所述外腔式VCSEL激光器10的另一变形实施的示意图，其中，如图2示意的所述VCSEL激光器10 在整体结构上与图1所示的所述VCSEL激光器10相近，只有所述第一电极17发生改变，特别地，在该实施例中，电连接于所述第二反射器16的上表面的第一电极17为平面电极。如前所述，本申请涉及的所述外腔式VCSEL激光器10从激光器10的背面出光，因此，所述第一电极17不需要设置出光孔而制成全平面电极，通过这样的方式，可提高所述VCSEL激光器10的输出功率和稳定性。

示意性制备方法1

图8A至图8C图示了根据本申请实施例的所述外腔式VCSEL激光器10的制备过程的示意图。

如图8A至图8C所示，所述制备过程，包括：

首先，提供一外延结构，所述外延结构包括衬底12、位于所述衬底12上方的第一反射器13、位于所述第一反射器13上方的有源区14、位于所述有源区14上方的第二反射器16。特别地，在申请实施例中，所述衬底12的制成材料选自GaAs，GaN和lnP中任意一种，其允许波长范围在300nm至150mm的激光透过。

接着，蚀刻所述外延结构，以使得所述第一反射器13的上表面的至少一部分被暴露，以及，所述有源区14的侧表面被暴露以形成第一台面140。这里，所述第一台面140表示所述有源区14的侧表面被暴露的部分。

然后，通过离子植入工艺注入离子于所述第一反射器13的上表面中被裸露部分的至少一部分，其中，被注入离子的区域形成电连接区域180；特别地，通过离子注入可提高所述电连接区域180的电导率，其中，注入离子的浓度～10¹⁹。

接着，电连接第二电极18于所述第一反射器13的所述电连接区域180；值得一提的是，还可以在所述第二电极18的周围设置一些绝缘材料，例如，二氧化硅或者氮化硅，以保护所述第二电极18，对此，并不为本申请所局限。

接着，蚀刻所述第二反射器16，以使得所述第二反射器16具有形成于其侧表面的第二台面160，这里，所述第二台面160表示所述第二反射器16的侧表面中被暴露的部分；

接着，氧化所述第二反射器16的下方区域的至少一部分以形成氧化限制层15，所述氧化限制层15具有用于限定所述VCSEL激光器10发光孔径的氧化开孔150。

然后，形成覆盖所述第一台面140的至少一部分、所述第二台面160的至少一部分、所述第一反射器13的上表面中被裸露部分的至少一部分和所述第二反射器16的上表面的至少一部分的绝缘层 19；

接着，电连接第一电极17于所述第二反射器16的上表面裸露部分；

然后，在所述衬底12的下表面形成反射层11。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，所述氧化开孔150的直径范围为20um-50um。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，所述反射层 11的反射率的范围为70.00％-99.99％。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，所述反射层 11包括至少二反射膜，所述反射膜的制成材料选自氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛和二氧化硅中任意一种或几种的组合。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，外腔式VCSEL 激光器10的光学腔长的长度等于晶圆厚度与所述衬底12的折射率之积，其中，所述光学腔长表示光子从激发到出光的过程在所述VCSEL 激光器10内运动的总路程的一半。

示意性制备方法2

图9A至图9D图示了根据本申请实施例的所述外腔式VCSEL激光器10的另一制备过程的示意图。

如图9A至图9D所示，所述制备过程，包括：

首先，提供一外延结构，所述外延结构包括衬底12、位于所述衬底12上方的第一反射器13、位于所述第一反射器13上方的有源区14、位于所述有源区14上方的第二反射器16。特别地，在申请实施例中，所述衬底12的制成材料选自GaAs，GaN和lnP中任意一种，其允许波长范围在300nm至150mm的激光透过。

接着，蚀刻所述外延结构，以蚀刻所述第二反射器16的至少一部分以使得所述第二反射器16的侧表面被暴露以形成第二台面160；

然后，氧化所述第二反射器16的下方区域的至少一部分以形成氧化限制层15，所述氧化限制层15具有用于限定所述VCSEL激光器10发光孔径的氧化开孔150；

接着，形成覆盖所述第二台面160的至少一部分和所述第二反射器16的上表面的至少一部分的绝缘层19；

然后，电连接第二电极18于所述第二反射器16的上表面裸露部分；

接着，进一步蚀刻所述外延结构，以使得所述第一反射器13的上表面的至少一部分被暴露，以及，所述有源区14的侧表面被暴露以形成第一台面140。这里，所述第一台面140表示所述有源区14 的侧表面被暴露的部分；

然后，通过离子植入工艺注入离子于所述第一反射器13的上表面中被裸露部分的至少一部分，其中，被注入离子的区域形成电连接区域180；特别地，通过离子注入可提高所述电连接区域180的电导率，其中，注入离子的浓度～10¹⁹；

接着，电连接第二电极18于所述第一反射器13的所述电连接区域180；值得一提的是，还可以在所述第二电极18的周围设置一些绝缘材料，例如，二氧化硅或者氮化硅，以保护所述第二电极18，对此，并不为本申请所局限；

然后，在所述衬底12的下表面形成反射层11。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，所述氧化开孔150的直径范围为20um-50um。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，所述反射层 11的反射率的范围为70.00％-99.99％。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，所述反射层 11包括至少二反射膜，所述反射膜的制成材料选自氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛和二氧化硅中任意一种或几种的组合。

在根据本申请的制备过程中，在本申请一个示例中，外腔式VCSEL 激光器10的光学腔长的长度等于晶圆厚度与所述衬底12的折射率之积，其中，所述光学腔长表示光子从激发到出光的过程在所述VCSEL 激光器10内运动的总路程的一半。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的优势已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。