具体实施方式

本发明提出一种具有单片集成的光电二极管的VCSEL，其中，光电二极管包括至少两个吸收层，所述至少两个吸收层被布置为彼此间隔一定距离，该距离是VCSEL的光电二极管的吸收区域中激光波长的奇数倍再除以4的倍数，因此光电二极管的吸收度对生产公差的依赖性较小。这将在下文更详细地说明。

参考图1，将描述具有单片集成的光电二极管的VCSEL的总体设计。图1示出了VCSEL 10。VCSEL 10包括第一反射镜12、用于激光发射的有源区域14和第二反射镜16。第一反射镜12和第二反射镜16可以被构造为分布式布拉格反射器(DBR)。有源区域14布置在第一反射镜12与第二反射镜16之间。第一反射镜12、有源区域14和第二反射镜16形成光学谐振器18。VCSEL 10还包括光电二极管34，所述光电二极管34包括光吸收区域20。

第一反射镜12、有源区域14、第二反射镜16以及光电二极管的光吸收区域20的层堆叠可以在基底22上外延生长。第一反射镜12和第二反射镜16的层可以包括掺杂AlGaAs的半导体材料。

VCSEL 10可以是顶部发射器，即，如箭头24所示地由VCSEL 10发射激光。在顶部发射器的情况下，第一反射镜12的反射率低于第二反射镜16的反射率。在其他实施例中，VCSEL 10可以被构造为底部发射器，即在VCSEL 10的基底侧发射激光。在底部发射器的情况下，第二反射镜16的反射率低于第一反射镜12的反射率。基底22可以至少部分地被移除。

在图1所示的设计中，光电二极管34的吸收区域20单片集成在第二反射镜16中。在其他实施例中，光吸收区域20可以集成在第一反射镜12中。

当第一反射镜12和第二反射镜16被构造为DBR时，第一反射镜12和第二反射镜16中的每个均可以具有一个或两个以上的层对，其中，层对中的两个层具有不同的折射率。图1所示的层数仅是示意性和示例性的。图2所示层的厚度未按比例绘制。

光学谐振器18还可包括一个或两个以上的氧化物孔(未示出)。

光电二极管34的光吸收区域20嵌入第二反射镜16的层堆叠中，从而将第二反射镜16划分为第一部分24和第二部分26。

基底22和第二反射镜16的第二部分26可以是n掺杂的。第二反射镜16的第一部分24可以具有n掺杂的第一区域28、n掺杂的第二区域30和p掺杂的第三区域32。n掺杂的第二区域30、p掺杂的第三区域32、优选地是整个本征(未掺杂)区域的光吸收区域20以及第二反射镜16的n掺杂的第二部分26形成光电二极管34。因此，光电二极管34可以是由光吸收区域20和第二反射镜16的区域30、32、26的层形成的n-p-i-n光电二极管。

VCSEL 10包括电接触布置结构，所述电接触布置结构可以包括位于第一反射镜12的顶部上的p接触体36、位于基底22的底部上的n接触体38以及位于第二反射镜16的区域28的顶部上另外的n接触体40。p接触体可以形成为环形电极。p接触体36可以布置在第一反射镜12顶部的盖层(未示出)上。n接触体38可以形成为基底22的底部的金属化物。在VCSEL 10设计为底部发射器的情况下，n接触体38可以形成为环形电极。

p接触体36可以形成VCSEL的阳极，n接触体40可以形成VCSEL 10的阴极。同时，n接触体40可以形成光电二极管34的阳极，而n接触体38可以形成光电二极管34的阴极。

VCSEL 10优选地被设计为能够输出在从850nm到1200nm的波长范围内的激光。为了获得具有这样长波长的发射，对于有源区域14以及对于吸收区域20，InGaAs材料系统可能是优选的。例如，有源区域14可以包括一个或两个以上的InGaAs层。铟含量越高，激光发射波长越高。例如，具有10％铟含量的InGaAs组合物可以在约300K的温度下提供约950nm的激光发射。对于较小的发射波长、例如850nm，有源区域14可以包括一个或两个以上的GaAs层。吸收区域20中的吸收层的铟含量优选高于有源区域14中的铟含量。

InGaAs是应变半导体材料。应变取决于组合物中铟含量的大小，并将能够无缺陷生长的层厚度限制为只有几十nm。这与VCSEL 10中光强度的典型变化的周期相比是较小的，VCSEL 10中光强度的典型变化由于有源区域14的两侧上的反射镜12、16而遵循驻波图形，如图2所示。图2示出了VCSEL 10的光学谐振器18内的标准化的光强度随沿着从VCSEL的第一反射镜到第二反射镜的层堆叠的位置z的变化。光强度在有源区域中最高，并朝向DBR12和DBR 16减小。

图3示出了这样的示图，其中，以铟含量约为15％、厚度为20nm的InGaAs制成的单个吸收层42被居中放置于VCSEL的光学谐振器中最大光强度处。如图3所示，单个吸收层42的厚度比光强度44的典型变化小得多。当单个吸收层42相对于最大光强度居中时，如图3所示，光电二极管信号最大。然而，在生产VCSEL时，外延生产工艺在整个晶圆上以及单独的晶圆生产批次之间都将与理论设计有一些延展偏差和厚度偏差。这些厚度偏差会引起驻波图形相对于光电二极管34的吸收区域20的偏移，从而导致最大光强度与吸收层之间的重叠减少。结果是整个晶片上以及不同生产批次之间的光电二极管信号发生变化。当吸收层42由应变的半导体材料制成时、例如由具有铟含量、例如具有超过比如10％的铟含量的InGaAs制成时，吸收层42的厚度的增加可受到严格限制。

因此，根据本公开，提出了利用多于一个的吸收层来构建光电二极管34的吸收区域20，其中，吸收层被布置为使得吸收层彼此间隔距离d，该距离d满足条件：d＝(2k-1)λ/(4m)，其中λ是在光学谐振器18中生成的激光的波长，k和m是大于或等于1的自然数。这将参照图4至图9进行更详细地解释。

在图4至图9中，光强度48由平方正弦函数(sin²x)近似。例如，平方正弦函数的周期选择为134nm，这对于输出发射波长为940nm的VCSEL是典型的。需注意，光强度以VCSEL腔内的激光的波长的一半的周期变化。因此，134nm的光强度变化的周期对应于VCSEL腔内的268nm的激光波长。

图4示出了光电二极管的一个实施例，其中，光电二极管的吸收区域包括在图4中用虚线示出的两个吸收层50、52。作为示例，在该示例中，吸收层50和52中每个单独的吸收层的厚度的例如被选择为15nm。粗线54示出了光强度曲线48与由吸收层50和52提供的吸收轮廓的重叠。在该实施例中，吸收层50、52布置为彼此间隔距离d，该距离d为光强度变化周期的一半，对应于吸收区域中波长λ的四分之一。如图4所示，距离d可以取为从吸收层50的厚度中心到吸收层52的厚度中心的距离。距离d也可以取为从吸收层50的开端到吸收层52的开端，或者从吸收层50的末端到吸收层52的末端(在图4中从左到右地看)。

在图4中，光强度与吸收层50和52之间的相对空间关系使得层50从最小的光强度开始，而吸收层52从驻波图形的最大值开始。

图5示出了相同的两个吸收层50和52，其中，在不改变距离d的情况下吸收层50和52与光强度曲线48相对于彼此偏移了10nm。这种偏移可能是由生产公差引起的。例如，图4中所示的吸收层50、52和图5中的吸收层50、52可以是沿着同一晶片的ViP的吸收层或不同生产批次的ViP的吸收层。如图5所示，虽然光强度与吸收层52的吸收重叠减小以及因此层52的吸收度减小了，但是光强度与吸收层50的吸收重叠增加了以及因此层50的吸收度增加了。因此，驻波图形相对于吸收层50和52的偏移对总吸收度的影响被减小到仅百分之几的吸收度变化。

图6再次示出了具有两个吸收层50和52的光电二极管，其中示出了，与图4中的情况相比，现在光强度曲线48与吸收层50、52之间的相对位移为30nm。同样地，虽然光强度与吸收层52的重叠进一步减小，但是光强度与吸收层50的重叠进一步增大，从而驻波图形的偏移对光强度轮廓和吸收度轮廓的整体重叠的影响再次被减小到仅百分之几的吸收度变化。

这与仅具有一个吸收层的情况(图3)有很大不同，在仅一个吸收层的情况下，驻波图形相对于光电二极管34的相同偏移导致吸收度减少40％以上，如图7所示。图7示出了，相对于如图3所示的具有单个吸收层的光电二极管以及相对于具有如图4至图6中的吸收层50和52的两个吸收层的光电二极管，驻波图形的整体重叠偏移10nm和30nm时的变化的比较。

图8示出了具有包括四个吸收层56、58、60和62的吸收区域的光电二极管的另一实施例。吸收层56、58、60、62中相邻的吸收层间隔距离d，该距离d是吸收区域20中的激光波长的八分之一。

如图4至图6所示，两个吸收层50和52被布置在吸收区域的激光波长的一半以内。如图8所示，所有四个吸收层56、58、60、62都布置在激光波长的一半以内。在未示出的其他实施例中，六个或更多个吸收层可以被布置在激光波长的一半以内。

图9示出了包括具有两个吸收层64、66的吸收区域的光电二极管的实施例，所述两个吸收层布置在吸收区域中的激光波长的整个波长内。吸收层64、66被布置为彼此间隔距离d，该距离d是吸收区域中的激光的波长的四分之三。

图4至图6、图8和图9中的实施例是以如下等式与在吸收区域20的半导体材料中的激光波长λ相关的距离d的总体条件的示例：

d＝(2k-1)λ/(4m) (1)

其中，k和m是大于或等于1的自然数。

上述条件(1)假设应在±20％的典型的生产公差范围内理解单独的吸收层。

对于在图4、5和6中的实施例，上述条件(1)中的自然数k和m为1(k＝m＝1)并且d＝67nm。图8的实施例示出的上述条件(1)中k＝1，m＝2，距离d＝34nm。在图9的实施例中，在上述条件(1)中的数字k和m为k＝2，m＝1，导致距离d为201nm。

参照图4-6、8和9所描述的光电二极管的吸收区域的吸收层的上述实施例可以在图1的VCSEL 10的光电二极管34的吸收区域20中实现。

优选地，光电二极管34的吸收区域20包括偶数个吸收层。

本文的公开内容尤其适用于具有单片集成的光电二极管的VCSEL(ViP)，其将应变半导体材料用于光电二极管的吸收层。特别地，可以考虑具有在850nm与1200nm之间的输出发射波长的ViP。

作为实际示例，将描述具有940nm的输出发射波长的ViP。光电二极管吸收层的合适材料是x＝16.5％的In_xGa_1-xAs。根据上述Fritz等人的参考文章““Dependence ofcritical layer thickness on strain for In_xGa_1-xAs/GaAs strained-layersuperlattices”，Appl.Phys.Lett.Vol.46(10)，p.967-969，1985”，这种材料的临界层厚度约为18nm。单独的吸收层的单层厚度应大于临界层厚度的25％并小于临界层厚度的200％。例如，一个较好的选择是15nm的厚度(大约为临界层厚度的83％)。在该示例中，半导体材料在吸收区域中的折射率约为3.5(在波长约940nm的情况下对于AlGaAs和InGaAs是典型的)，半导体中的激光波长为λ＝268nm。

图10示出了图1中的吸收区域20的实施例，吸收区域包括两个吸收层70、72和位于吸收层70与72之间的三个层74、76、78。作为非吸收层的层74、76、78中的至少一个层包括应变补偿材料，该应变补偿材料部分、完全或甚至过度地补偿由吸收层、优选包含InGaAs的吸收层引入的应变。单独的吸收层70、72之间的材料可以是AlGaAs或GaAs。光吸收区域优选地整体上是本征的(未掺杂的)。

吸收区域20的合适的层堆叠因此可以包括两个InGaAs吸收层70、72、嵌入在两个GaAs层74、78之间的GaAsP应变补偿层76。在图10中还示出了区域32和26，吸收区域20布置在它们之间。

在上述具有铟含量为16.5％的InGaAs吸收层的示例中，图4至图6的实施例结合图10可以实现为：吸收层70、72中的每个的层厚度为15nm，层74的层厚度为3nm，层76的层厚度为46nm，层78的层厚度为3nm。吸收层70、72因此间隔67nm，对应于吸收区域内的激光波长的四分之一。

可以设想图10中的层结构的变化。例如，可以省去GaAs层，或者可以在吸收区20的两侧布置另外的应变补偿层。

图11示出了根据实施例的光学传感器100的示意图。光学传感器100被布置为借助于自混合干涉测量来确定物体的存在、距离和运动。光学传感器100包括如上所述的具有单片集成的光电二极管的VCSEL 10、传输窗102和用于电驱动VCSEL 10的驱动电路104。驱动电路104经由接触体36和40电连接到VCSEL 10，用于以限定的方式向VCSEL 10供电。驱动电路104可以包括用于存储数据和用于操作驱动电路104的指令的存储装置。光学传感器100还包括评估器106。VCSEL 10所包括的光电二极管34被布置为确定激光腔内的驻波图形的变化，该变化是由基于被各种对象反射的发射激光108的返回激光110与VCSEL 10的光学谐振器18内的光波的干涉所引起的。评估器106可以包括至少一个存储装置、例如存储芯片和至少一个处理装置、例如微处理器。评估器106适于从VCSEL接收电信号，并且可选地从驱动电路104接收电信号，以基于返回激光110与VCSEL 10的光学谐振器18内的光波的干涉(自混合干涉)来确定一个或两个以上物体的距离或运动。光学传感器100可以用于粒子检测、距离/速度测量、用户界面、手势控制等。

图12示出了包括光学传感器100的移动通信装置120的示意图。光学传感器100可以例如与在移动通信装置120上运行的软件应用结合使用。软件应用可将光学传感器100用于感测应用。这样的感测应用可以例如是自混合干涉测量应用、特别是粒子感测应用或基于手势识别的用户界面的应用。

图13示出了根据本公开的生产VCSEL的方法的工艺流程的原理示意图。

在步骤150中，设置基底22。在步骤152中，在基底22上设置如上所述可以是DBR的第二反射镜16的第二部分26。在步骤154中，在第二反射镜16的第二部分26上设置如上所述的光吸收区域20。步骤154包括使吸收层彼此分隔距离d，该距离d满足本文所述的条件(1)。步骤154还可以包括在吸收区域20的光吸收层之间设置附加的层、特别是一个或两个以上的应变补偿层、如图10中的层76。

在步骤156中，在光吸收区域20上设置如上所述的第二反射镜16的第一部分24的第三区域32和第二区域30。在步骤158中，在第二区域30上设置第二反射镜16的第一部分24的第一区域28。在步骤160中，在第二反射镜16的第一部分24的第一区域28上设置如上所述的有源区域14。在步骤162中，在有源区域14的顶部上设置第一反射镜12。在步骤164中，如上所述电接触包括第一反射镜12和第二反射镜16以及有源区域14的光学谐振器18。在步骤166中，如上所述电接触光电二极管34。

电接触可以包括以下一个或两个以上的步骤：利用适当的蚀刻技术将VCSEL 10的层结构向下蚀刻到第二反射镜16的第一部分24的第二区域30的相应层上。该工艺还可包括氧化工艺以在VCSEL 10中提供氧化物孔。生产工艺还可包括钝化或平坦化工艺以提供用于沉积接合焊盘的光滑表面。在沉积VCSEL结构的半导体层之后，可以移除基底22。可以在将基底22减薄或研磨之后在基底22的减薄的背面上提供光电二极管34的n触点38。

可以通过诸如MOCVD或MBE的外延方法来沉积VCSEL 10的层堆叠的上述各层。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述应被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求和实践要求保护的发明，本领域技术人员可以理解和实现相对所公开的实施例的其他变型。

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