具体实施方式

下面的详细描述参考了附图，这些附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的具体细节和实施例。对这些实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实施本发明。可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构、逻辑和电的改变。下面讨论的各种实施例不一定相互排斥，有时可以适当组合。因此，以下详细描述不应被视为限制意义，并且本发明的实施例的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等价物的全部范围限定。

尽管在描述中使用的数值范围和参数是近似值，但在具体实施例中尽可能精确地报告这些数值。然而，任何数值都固有地包含某些误差，这些误差必然由在它们各自的测试测量中发现的标准偏差产生。

特别地，本文所述的任何数值范围旨在包括其中所包含的所有子范围并且包括范围极限值。例如，“1至10”的范围意在包括介于(并包括)所列举的约1的最小值至所列举的约10的最大值之间的所有子范围，即，具有等于或大于约1的最小值以及等于或小于约10的最大值。

此外，在本申请中，“或”的使用意味着“和/或”，除非另有特别说明，即使“和/或”在某些情况下可能被明确使用。

术语“晶格匹配”或类似术语是指当这些层的厚度大于100nm时形成相邻层材料的材料的面内晶格常数(以它们的完全松弛状态考虑)相差小于0.6％的半导体层。此外，在比如具有多个层的VCSEL等器件中，形成彼此基本晶格匹配的单个区域(例如反射镜)意味着限定了结中所有材料具有小于0.6％的面内晶格常数差异的情况，这些材料的厚度大于100nm，并在它们完全放松状态下考量。可替代地，如将根据讨论的上下文所理解的，术语基本上晶格匹配或“伪形应变”可以指层内应变的存在(其也可以薄于100nm)。因此，给定分层结构的基材层可具有0.1％至6％、0.1％至5％、0.1％至4％、0.1％至3％、0.1％至2％、或从0.1％至1％的应变；或者可以具有小于6％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％的应变。由具有晶格参数差异的不同材料制成的层，例如伪形应变层，可以在其他晶格匹配或应变层的顶部生长，而不会产生错配位错。术语“应变”通常是指压缩应变和/或拉伸应变。

参考上述结构，两个典型的VCSEL器件的示意性截面图如图1A和1B所示。图1A图示了使用离子注入形成的增益引导的VCSEL结构100的横截面，而图1B示出了具有氧化物限定孔的VCSEL结构100'的横截面。器件100、100'包括许多VCSEL共有的通用结构元件，包括下文描述的VCSEL和VCSEL阵列的实施例。VCSEL通常包括形成在有源区的相对侧上的第一和第二反射镜或反射器，例如分布式布拉格反射器(以下称为“DBR”)。可以电(例如，通过强制电流通过有源区)或光(通过将所需光谱频率的光提供或泵浦到有源区)驱动或泵浦给定的VCSEL。

在图1A中，示出了VCSEL100包括衬底102、覆盖在衬底102上的第一反射器分层结构(或简称为第一反射器)104；第一间隔区106，覆盖在第一反射器上；有源区108，覆盖在第一间隔区106上；第二间隔层110，覆盖在有源区108上；以及第二反射器112，覆盖在有源区108上。间隔层106、有源区108和间隔层110限定了空腔和相关联的空腔谐振波长。衬底102由具有相应晶格常数的半导体材料制成。通常，衬底102可以包括砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)，但其他半导体衬底例如锑化镓(GaSb)、锗(Ge)或外延生长材料(例如三元或四元半导体)，或者也可以使用缓冲或复合衬底。明智地选择衬底102的晶格常数以最小化随后在其上生长的材料中的缺陷。反射器(或反射镜)104通常是具有与衬底102的晶格匹配的晶格的半导体DBR。DBR是由具有不同折射率的交替材料形成的周期性结构，其可用于在频率或波长范围内实现高反射。基于所需的设计波长λ₀，层的厚度被选择为四分之一波长的整数倍。也就是说，层的厚度选择为λ₀/4n的整数倍，其中n是材料在波长λ₀处的折射率。DBR可以包括例如元素周期表的第III族和第V族的半导体材料，例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、GaInAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、InGaAsP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。当在GaAs衬底上形成时，DBR使用两种不同的AlGaAs成分形成。反射镜104也可以掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂以促进通过器件结构的电流传导。间隔层106，例如AlGaAs或AlGaInP，可以形成为覆盖在第一反射镜104之上。有源区108形成为覆盖在间隔层106之上，并且包括能够以期望的工作波长发射大量光的材料。应当理解，有源区108可以包括各种发光结构，例如量子点、量子阱等，其显着提高了VCSEL 100的发光效率。对于GaAs衬底，有源区108可以包括可以发射波长介于0.62μm至1.6μm之间的光的材料。有源区108可以包括一个以上的材料层，但是为了简化和易于讨论，在优选实施例中被示为包括单层。例如，有源区108可以包括GaAs/AlGaAs或InGaAs/GaAs或AlGaInP/InGaP或GaInNAsSb/GaAsN多量子阱(MQW)。间隔层110，例如AlGaAs或AlGaInP可以形成为覆盖在有源区108上。第二反射器(或反射镜)112可以形成为覆盖在间隔层110上。第二反射镜112通常是DBR并且在设计上类似于第一反射镜104。当在GaAs衬底上形成时，DBR使用两种不同的AlGaAs成分形成。反射镜112也可以掺杂有p型掺杂剂或n型掺杂剂，掺杂类型与第一反射镜104的掺杂类型相反，以形成p-n结并促进通过器件结构的电流传导。为了具有高效的VCSEL操作，需要一种横向限制电流和/或横向限制光场(提供波导)的方法，因此需要在VCSEL 100内形成限制区。在所示示例中，限制区114形成在VCSEL 100内并且具有不同于相邻区域的材料特性以提供波导和/或限定用于电流注入的区域，使得在限制区114内的孔区域116中发生激光。形成限制区的方法包括但不限于不限于氧化、质子注入、离子注入、半导体蚀刻、半导体再生长、其他材料的沉积及其组合。在所示示例中，使用离子注入来形成限制区114以产生高电阻区域，同时限定电流可以流过的低电阻率孔区域116。VCSEL100由第一金属触点118和第二金属触点120完成。第一金属触点118或第二金属触点120具有开口或金属孔122，光可以通过该开口或金属孔122发射。在所示示例中，光发射通过形成在衬底102底部上的孔122发生，但在其他示例中，光可以通过顶面发射。孔区域116具有第一尺寸并且金属孔122具有第二尺寸。通常，孔是圆形的，描述孔的尺寸是直径，但也可以使用其他形状。在一些实施例中，第一孔和第二孔尺寸不同，但在其他实施例中它们可以相同。用于形成器件及其孔的方法将孔对齐，使得它们同心并具有旋转对称性。

应当理解，也可以包括其他层，例如电流扩展层和接触层，可以使用器件内不同深度的多于一个限制区，并且使用不同的电接触配置，例如腔内触点。然而，为了简单起见，为了清楚地解释关键器件设计元素，这些都没有显示。具有同心孔和对称性的器件设计用于在器件内提供均匀的电流注入和光导。

图1B类似于图1A，示出了使用氧化物限制来限定孔的VCSEL 100'的横截面。与图1A中的器件一样，VCSEL 100'包括衬底102'、第一反射镜104'、第一间隔层106'、有源区108'、第二间隔层110'和第二反射镜112'。为了形成限制区，首先使用标准半导体蚀刻方法蚀刻台面结构124'，以暴露用于氧化的一个或多个更高的含铝层，这可以使用已知方法实现。对于在GaAs衬底上形成的器件，一个或多个用于氧化的层通常包括Al_yGa_1-yAs，其中y大于0.9。与未氧化的孔区域116'相比，氧化过程形成具有(a)低折射率和(b)高电阻率的限制区114'，因此提供光学和电限制。带有氧化物限制孔的器件可以具有非常低的阈值电流。孔116'通常是圆形的，以形成圆形电流注入区域和来自VCSEL 100'的相关输出光束，但也可以使用其他形状的孔，例如正方形、矩形或菱形。孔116'具有第一尺寸，在圆形孔的情况下是直径。VCSEL 100'由第一金属触点118'和第二金属触点120'完成。第一金属触点118'或第二金属触点120'具有开口或金属孔122'，光可以通过其发射。在所示示例中，光发射通过器件顶面的孔122'发生，但在其他示例中，光可以通过底面发射。

金属孔122'通常是圆形的，但可以具有类似于孔114'的其他形状，并且具有可以等于孔114'的第一尺寸或不同于孔114'的第一尺寸的第二尺寸。用于形成器件100'及其孔114'和122'的方法对齐孔，使得它们同心并具有旋转对称性。因此，对于不同尺寸的孔，不同孔之间的重叠区域在孔的任一侧是相同的。与图1A中的器件100一样，将理解还可以包括诸如电流扩展层和接触层之类的其他层，可以使用在器件内的不同深度处的多于一个限制区，并且可以使用不同的电接触配置，例如腔内触点。然而，为了简单起见，为了清楚地解释关键器件设计元素，这些都没有显示。具有同心孔和对称性的器件设计用于在器件内提供均匀的电流注入和光导。

如前所述，在某些应用中，需要以单一空间模式操作的VCSEL。然而，此类器件的孔尺寸通常很小(孔直径约为6至8μm)并且单模输出功率有限。更大面积的器件可以提供更高的输出功率，但这些器件通常以多种空间(或横向)模式运行。较大器件的问题在于，从一种发射图案到另一种发射图案的空间模式转换可能发生在不同的电流注入水平，并且难以控制或预测。更大面积的器件也以更高的电流运行，电阻加热效应会影响器件的模式性能。

因此，通常需要特定结构以控制器件模态性能。呈现环形图案的多模可用于基于多模光纤的光通信，并且受控光斑图案也可用作成像应用的结构化光源。图2示出了相关技术VCSEL 200的示例，并且被设计为产生环形模式。VCSEL 200类似于VCSEL 100和100'，除了该器件中的引导是由蚀刻柱214提供的光引导。顶部金属触点220具有孔216，其直径小于蚀刻柱214的直径。在孔216内，形成直径小于孔216的直径的蚀刻区域222。蚀刻区域222在孔222内居中，以保持同心设计，具有旋转对称性。蚀刻区域222的目的是减少器件中心处的反射镜对的数量，这减少了蚀刻区域中的光反馈。在蚀刻区域222和孔216之间的区域中反射镜的反射率更高，从而可以产生环状模式。诸如此类的设计在美国专利号5,963,576中有所描述。这种设计的问题包括需要额外的处理步骤，包括蚀刻掉器件孔内的反射镜对，以及暴露含铝层，然后可能会出现氧化并影响器件可靠性。虽然存在其他技术，如PCT申请WO2012/140544中所述，但这需要更复杂的器件设计和处理，涉及单层内限定环状模式的两个蚀刻结构和两个氧化区域。同样，设计是同心的并且具有旋转对称性。

因此，确保单个VCSEL器件或VCSEL器件阵列的多模激光发射(即，产生光输出，包含多个和/或高阶空间模式)的问题，同时通过设计具有以下至少一项的VCSEL结构来解决获得对防止此类器件或器件阵列在单空间模式机制中的操作的控制的问题：a)与传统制造的VCSEL器件相比，降低或至少阻碍VCSEL结构的旋转对称性；b)在VCSEL结构的不同层中限定并被配置为在空间上包含贯穿整个VCSEL结构的电流注入的空间分布中以及运行中的VCSEL器件产生的光输出的空间分布中的至少一个的物理孔之间故意引入的横向或侧向(即，沿层)未对准。在一种情况下，旋转对称性可以相对于与结构层横向的结构纵向轴线限定，而一个物理孔由空间图案化金属层限定，该金属层配置为VCSEL结构的电触点。其他VCSEL部件的空间图案化(不旨在是电活性的，例如衬底图案化，或附加空间图案化介电层的沉积)可以与图案化光学输出孔结合使用，以促进输出光束控制.

本发明的思想源于这样一种认识，即可以通过将不对称性引入到器件孔结构中来实现实际起作用的多模(或多空间输出)VCSEL器件的制造。在一种实施方式中，例如，存在于VCSEL分层结构中的孔可以具有不超过两个对称轴，和/或孔可以相对于彼此非同轴或相对于彼此横向偏移。

本发明思想的实施方式或实施例解决了与现有多模VCSEL器件相关联的问题。VCSEL层中孔的合理配置可以通过传统和简单的处理步骤来实现，同时避免在制造实践中常见的额外复杂处理步骤，这些步骤会影响器件的可靠性。

图3呈现了根据本发明的思想构造的VCSEL 300的示例的截面图。VCSEL结构300包括衬底302、覆盖在衬底302上的第一反射镜或反射器304(在一个实施方式中被配置为DBR)、覆盖在第一反射器304上的第一间隔层306、由第一间隔层306承载的有源区308(由虚线示出)、覆盖在有源区308上的第二间隔层310和同样覆盖有源区的第二反射镜或反射器结构312。接触层313设置为由第二反射镜312承载。一般而言，除非另有明确说明，如本申请中广泛使用和描述的，将层或元件称为“承载”在元件或另一层的表面上，元件或另一层是指直接设置在元件/层的表面上的层或设置在直接设置在元件/层的表面上的又一涂层、一层或多层上的层。间隔层306、有源区308和间隔层310限定了空腔305，该空腔305限定了相关联的空腔谐振波长。

衬底302是具有相应晶格常数的半导体衬底。通常，衬底302可以包括砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)，但也可以使用其他半导体衬底例如锑化镓(GaSb)、锗(Ge)或外延生长材料(例如三元或四元半导体)或者缓冲或复合衬底，例如稀土氧化物缓冲硅衬底。明智地选择衬底302的晶格常数以最小化随后在其上生长的材料中的缺陷。衬底302可以被掺杂，这允许在衬底302的下表面上形成接触金属。在一些实施例(未示出)中，衬底可以是未掺杂的，并且可以在衬底上形成接触层以促进形成VCSEL的下金属触点。

反射器304被示为半导体DBR，半导体DBR形成有与衬底302的晶格基本匹配的晶格。DBR是一种周期性结构，由具有不同折射率的材料的交替层形成，可用于在一系列频率或波长内实现高反射。基于所需的设计波长λ₀，层的厚度被选择为四分之一波长的整数倍。也就是说，层的厚度选择为λ₀/4n的整数倍，其中n是材料在波长λ₀处的折射率。DBR可以包括例如元素周期表的第III族和第V族的半导体材料，例如AlAs、AlGaAs、GaAs、InAs、GaInAs、AlInAs、InGaP、AlInGaP、InGaP、InGaAsP、GaP、InP、AlP、AlInP或AlInGaAs。当在GaAs衬底上形成时，DBR使用两种不同的AlGaAs成分形成。反射器304也可以掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂以促进通过器件结构的电流传导。间隔层306，例如AlGaAs或AlGaInP，可以形成为覆盖在第一反射镜304之上。有源区308形成为覆盖在间隔层306之上，并且包括能够以期望的工作波长发射大量光的材料。应当理解，有源区308可以包括各种发光结构，例如量子点、量子阱等，其显着提高了VCSEL 300的发光效率。对于GaAs衬底，有源区308可以包括可以发射波长介于0.62μm和1.6μm之间的光的材料。有源区308可以包括一个以上的材料层，但是为了简化和易于讨论，在优选实施例中被示为包括单层。例如，有源308可以包括GaAs/AlGas或InGaAs/GaAs或AlGaInP/InGaP或GaInNAsSb/GaAsN多量子阱(MQW)。间隔层310，例如AlGaAs或AlGaInP，可以形成为覆盖在有源区308上。第二反射器312可以形成为覆盖在间隔层310上。第二反射器312也可以是DBR，并且在这种情况下，可以在设计上类似于第一反射镜304。当在GaAs衬底上形成时，DBR使用两种不同的AlGaAs成分形成。反射器312也可以掺杂p型掺杂剂或n型掺杂剂，掺杂类型与第一反射镜304的掺杂类型相反，以形成p-n结并促进电流通过器件结构传导。接触层313形成在反射器312上并且是有助于器件与金属接触层的电连接的掺杂半导体层。

为了确保VCSEL器件的有效操作，可能需要电流和/或光场的横向限制(在横向于器件坐标的局部系统的轴z的平面中)(例如，通过提供波导)。因此，例如通过将实施例300的材料特性构造为不同于相邻区域的材料特性，在VCSEL 300内形成限制区或层314：以提供光波导和/或限定用于电流注入的区域使得激光发射通过限定在限制区314内的孔区或开口316发生。形成限制区的方法包括但不限于氧化、离子注入、半导体蚀刻、半导体再生长、其他材料的沉积及其组合。在VCSEL 300的一种实施方式中，使用离子注入来形成限制区314以产生高电阻层，同时限定低电阻率孔区域316，电流可以被引导通过该低电阻率孔区域316。应当理解，也可以适当地包括其他功能层(例如电流扩展层和接触层)，可以在器件300内的不同深度处形成多于一个限制区或层，以及可以使用不同的电接触配置(例如腔内电触点)。(为了简化说明和为了清楚地解释器件的关键设计元素，未示出与示意性结构300的这些变化。)VCSEL结构300被示出为包含第一金属接触层318和第二金属接触层320。如图所示，这些接触层中的每一个都位于外围，即限定VCSEL的实施例的分层结构的堆叠的边界处，并且因此被限定为外围层。第一金属接触层318或第二金属接触层320(这里，如图所示，层320)具有开口或孔322，在器件的操作中可以通过VCSEL 300发射光。

而在相关技术的VCSEL结构100中，孔区域114和金属孔对齐以彼此同轴，孔开口316(限定在限制层314中)和金属接触层中的孔322在相对于彼此的至少一个横向方向上是偏移的(即，这两个孔的轴线沿横向于输出光束方向的轴彼此在空间上移位：这里是沿x轴和/或y轴)。结果，这两个孔开口不再同轴(相对于z轴)。孔316和322的形状通常是圆形的，并且可以通过相应的尺寸例如直径来表征。在孔316、322中的每一个旋转对称的情况下，侧向或横向偏移的引入因此降低或阻碍了整个器件300的旋转对称性。而孔316、322的直径可以基本上相等，这些直径也可以彼此不同。在图3所示的示例中，孔322大于孔316。因此，由于这些孔不是同轴的，孔316和322的直径之间的差异导致在器件300的纵向轴线330的一侧上的第一偏移324，其中金属接触层320与孔开口316重叠(悬垂于孔开口316上方)，以及在孔316的相对侧上的第二偏移326(如图所示，在相对于轴330的右手侧)。第一侧向偏移324小于孔316、322之间同轴对准的情况，第二侧向偏移326大于孔316、322同轴的情况。这些空间偏移在器件300的操作中产生的实际效果是导致电流注入到孔区域316的非均匀空间分布。在限制层(例如，层314中的孔或孔区域316)中形成的孔或开口不连续性可互换地称为“限制孔”、“制约孔”或“内部孔”。

作为空间非均匀电流注入分布的结果，空间模式的位置从输出孔322和/或限制孔316的中心横向偏移。这是由于孔316上的载流子浓度相关增益变化，以及孔316和322内的引导效应，孔316和322内的引导效应是由于孔316上的载流子浓度变化引起的跨有源区的折射率变化(其中，折射率随着载流子浓度的增加而降低)以及与孔316和322上变化的电流注入的电阻损耗相关联的热引导效应(折射率随温度增加)的组合引起的。在脉冲操作条件下，载流子引起的反引导效应会导致在孔内的一个或多个位置形成空间模式或细丝。随着器件运行期间脉冲持续时间的增加——以及随着器件向连续波(CW)运行过渡——由电阻加热引起的热效应增加并主导引导机制，从而允许空间模式或细丝以在孔322的不同空间区域中形成。因此，通过明智地选择当前注入条件，可以在孔内的不同位置获得对(不对称)模式或细丝形成的控制，从而使得在器件运行期间可以在光的不同空间输出分布(图案)之间切换。可以使用不同空间图案(模式或细丝)的存在以及它们之间的切换。在一个实施例中，减少器件的光输出的空间相干性并减少单个、单独的VCSEL器件的散斑对比度。

VCSEL器件结构的不对称性导致空间上不均匀的电流注入，从而导致不均匀的载流子浓度。这反过来又会影响激光模式(或细丝)占据的区域或空间。这在图13A、13B、13C中针对在限制孔和发射(输出)孔之间具有三个不同横向偏移的三种不同VCSEL结构示意性地示出。图13A、13B、13C中的每个包含两个部分：示意图(说明载流子浓度的横向分布和整个VCSEL结构的最低激光模式)和显示输出孔和激光产生模式的空间协调的简化俯视图。

具体地，图13A示意性地说明对于发射或输出孔1300，空间模式1304'(或1304)在向孔中心右侧偏移的特定位置处(如图中所见)。查看穿过模式的孔的横截面，在局部坐标系中，穿过孔1302的载流子浓度是不均匀的并且在孔的右侧更高。因此，产生激光所需的阈值载流子浓度出现在该特定偏移位置，产生具有峰值1304的激光产生模式，对应于图13A的右手侧部分中的点1304'。相比之下，图13B示出对于相对于对应的VCSEL结构的限制孔没有横向偏移的输出孔1310，穿过腔的载流子浓度1312基本上是均匀的，导致实际上在输出孔的中心处形成激光产生模式(如峰值1314和光斑1314'所示)。图13C示出了对于发射/输出孔1320(其以不同于图13A的方式相对于对应VCSEL结构的限制孔横向偏移)，激光产生模式1324'(或1324)的空间分布向孔中心左侧的位置偏移。查看穿过模式的输出孔的横截面，穿过孔的载流子浓度1322基本上是不均匀的并且显示在孔的左侧更高。因此，产生激光所需的阈值载流子浓度出现在该特定位置，产生具有峰值1324的激光产生模式，对应于光斑1324'。在具有孔1300、1310和1320的等间距VCSEL结构的阵列中，从这些孔发出的激光产生模式的空间坐标在它们之间具有不等间距，从而形成相邻器件的模式。

随着提供给激光器件的注入电流增加，载流子浓度变得基本上固定在形成激光产生模式的位置，而在其他地方增加。在模式形成的位置，载流子浓度甚至会降低。这在图14A、14B、14C中示意性地示出，其中代表激光产生模式(分别属于图13A、13B、13C的结构)的曲线1404、1414和1424与位置1406、1416和1426处的载流子浓度分布1402、1412和1422的“下降”或减少一致。结果，跨器件的折射率分布在位置1406、1416和1426处提供更高的折射率，其用于空间会聚或聚焦模式1404、1414和1424。这种“聚焦”可能导致材料中载流子的局部耗尽和该位置的模式“崩溃”，而器件中其他地方的载流子浓度升高允许在不同位置实现阈值载流子密度(这反过来导致形成不同位置的高阶横向模式或空间细丝)。

高阶横向模式或空间细丝的形成示意性地描绘在图15A、15B和15C中，现在分别与相应的图13A至13C和14A至14C进行比较。作为本领域技术人员将容易理解，并且参考图15A，随着载流子浓度1502的空间浓度的降低或下降1506变得更加明显，由于“空间烧孔”而不再支持激光产生模式1504，并且激光产生模式的强度降低(可能高达最终熄灭的点)。相反，新的激光产生模式或细丝1508在腔中的其他地方形成，在由孔偏移以及波导效应引起的电流注入的不对称性所确定的位置处。对于VCSEL孔1510/1310(相对于相应的限制孔没有偏移地设置)，初始激光产生模式1314坍塌为表示为模式1514(或1514')，并且形成由强度峰值1518a和1518b(以及相关联的模式点1518)指示的新的“哑铃”状形状的模式。如图15C所示，随着载流子浓度分布1522中的降低或下降1526继续增长，不再支持初始激光产生模式1324(并退化为模式1524)，并且新模式1528跨越发射/输出孔在别处形成。因此，即使对于具有图13所示的孔1300、1310和1320的等距器件阵列处于更高的电流注入水平下，从阵列的每个组成输出孔发出的模式位置仍然出现在不同的空间位置，从而导致来自阵列的相邻组成器件的模式间隔不等距。

在一些当前注入操作条件下，可以存在不止一种空间模式，这样的多种模式中的每一种通常以稍微不同的波长发生。因此，器件孔(或器件阵列)内的所有横向模式或细丝的叠加的相干程度降低，这又降低了器件(或器件阵列)产生的散斑对比度。因此，单个VCSEL器件(或VCSEL结构阵列)的多空间模式(或多细丝)操作有利于包括3D成像、照明、物体或手势识别、激光雷达(LIDAR)、光学相干断层扫描(OCT)和干涉显微镜检查的应用。

图4是根据本发明的思想构造的VCSEL 400的示例的剖视图。VCSEL400类似于VCSEL 300，不同之处在于它使用氧化物限制的孔。与VCSEL 300一样，为了清楚起见，仅示出了某些层以描述本发明的特征。VCSEL 400包括衬底402、覆盖衬底的第一反射镜404、覆盖第一反射器层的第一间隔区406、覆盖第一间隔层的有源区408、覆盖有源区的第二间隔层410和覆盖有源区的第二反射镜412。接触层413覆盖在第二反射器412上。间隔层406、有源区408和间隔层410限定了具有相关腔谐振波长的腔405。为了形成限制区，首先使用标准半导体蚀刻方法蚀刻台面结构421，以暴露更高的含铝层或用于氧化的层，这可以使用已知方法实现。对于在GaAs衬底上形成的器件，用于氧化的一个或多个层通常包括Al_yGa_1-yAs，其中y大于0.9。当与未氧化的孔区域416相比时，氧化过程形成具有(a)低折射率和(b)高电阻率的限制区414，并因此提供光学和电限制。孔416通常是圆形的，以形成圆形电流注入区，但也可以使用其他形状的孔，例如正方形、或矩形或菱形。孔416具有第一尺寸，在圆形孔的情况下是直径。VCSEL400由外围层——第一金属接触层418和第二金属接触层420完成。通常，第一金属接触层418或第二金属接触层420被构造为包含贯穿其中的开口——孔422(也称为金属孔)，在器件运行期间通过该孔发出光。在所示示例中，光发射通过器件顶面处的外围层420中的孔422发生，但在其他示例中，光可以通过底面发射。

在一种实施方式中，金属孔422制成圆形，但在相关实施例中它可以具有其他形状(类似于孔414)，并且可以定尺寸为例如在尺寸上等于孔414(或者，可替代地，其尺寸与孔414不同)。

用于形成器件400及其孔414和422的方法在至少一个方向上引入横向偏移，使得孔非同心且器件不具有旋转对称性。在所示的示例中，孔422大于孔414。因此，这导致孔的一侧上的第一偏移424，其中金属420与孔416重叠，并且导致孔的另一侧上的第二偏移426，其中金属420和孔416之间的偏移大于孔同心对齐(或相对于轴z同轴)的情况下的偏移。效果是在VCSEL 400的有源区中产生不均匀的电流注入分布，如上文针对VCSEL 300所述，以便产生多个横向模式或输出细丝。

图5是根据本发明的思想构造的VCSEL 500的另一个实施例的示意图。VCSEL 500的结构类似于VCSEL 400的结构，不同之处在于它具有两个限制层或区域(514A和514B)，如图所示——在腔区505的相对侧。限制区514A限定了开口或孔516A，并且限制区514B限定孔516B。孔516A、516B的尺寸可以彼此相同或不同。使外围接触层513中的金属孔522和孔516A之间的空间对准与图4的实施例400的情况基本相同，即相对于实施例500的纵向轴线在至少一个方向上(沿着轴x和轴y中的至少一个)具有横向偏移，以在孔516A的一侧上限定偏移524以及在孔516A另一侧限定偏移526。孔516B被示出为类似地相对于孔516A和孔522横向移动以在相对于孔516A的一侧限定第一偏移528，并且在孔516A的第二侧限定第二偏移530。在一些相关实施例中，这些孔516A和516B之间的几何配合可以不同——例如，这些孔可以相对于彼此基本同轴对齐，同时不与孔522同轴对齐。优选地，在具有输出孔和具有对应孔的至少两个限制层的VCSEL器件的实施例中，这三个孔中的至少两个彼此不同轴。

由于在不具有旋转对称性的VCSEL器件结构中的三个孔中的至少两个孔之间缺乏相互同轴对准而产生的操作效果是VCSEL 500的有源区的电流注入的空间分布是非均匀的，如上面参考图3(VCSEL 300)已经描述的，从而形成由VCSEL器件产生的光输出的多个横向模式或输出细丝。

因此，本领域技术人员将容易理解，根据本发明的思想，采用孔偏移的单个、单独的VCSEL器件可以产生多个横向(或空间)模式，从而改善或减少与传统结构的单个VCSEL光源的光输出相关的散斑对比度，正如已经讨论的那样。在许多成像应用中，可能需要在一维或二维阵列中组合多个VCSEL。在使用“孔偏移”设计形成的VCSEL阵列中，限制层中的孔与外围层中的金属孔之间的偏移量可以从一个器件到另一个器件有所改变，使得同一阵列内不同器件的空间模式属性不同。在如此构造的VCSEL阵列中，一些组成的VCSEL器件可能仍然具有输出金属孔和相互同轴的限制层中的孔，至少因为这种组成VCSEL产生的光输出的模态行为是仍然不同于孔不同轴的其他器件产生的光输出。在VCSEL阵列中，包含具有至少两个不同孔偏移(也称为孔图案)的组成器件可用于改变阵列上的空间模式图案，并进一步提高散斑对比度。

本领域技术人员还将理解，根据本发明的思想，采用孔偏移的器件还可以包括被配置为产生多个横向(或空间)模式的垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)，从而改善或减少与传统结构的单个VECSEL源的光输出相关的散斑对比度，正如已经讨论的那样。在VECSEL中，可以在例如形成扩展腔的外部反射器或反射镜中实现孔。

关于给定器件内的最小限制孔的尺寸对本发明的VCSEL器件的实施例进行定尺寸和参考，其通常由氧化物限制或离子注入形成，如前所述。VCSEL可具有约3μm至50μm宽的孔，并且孔通常为圆形，但它们也可以形成为正方形、矩形或椭圆形。在一些实施例中，“VCSEL尺寸”(就限制孔宽度而言)介于约6μm至约25μm之间，或介于约8μm至约20μm之间。发射光所通过的金属孔(输出孔)被适当地确定为在相关实施例中宽约3μm至约60μm，或宽约8μm至约30μm，或宽约10μm至约24μm并且通常具有与限制孔的形状相同的形状。对于顶部发射器件(即，在整个结构顶部的金属接触层中形成输出孔的实施例——例如实施例500的层520)，输出孔通常具有与限制孔的宽度相同的宽度，或者比限制孔大例如6μm或更小。对于底部发射器件(即，其中输出孔形成在金属接触层中的器件，例如实施例500的层518)，其中电流可以通过衬底注入和扩散，输出孔可以比限制孔大10μm甚至高达20μm。

VCSEL结构包括具有第一尺寸的第一孔(从输出孔和至少一个限制孔的组合中选择)和具有第二尺寸的第二孔(从相同的组合中选择)。第一尺寸和第二尺寸之间的差异至少满足以下条件之一：a)该差异等于或小于6μm；b)该差异等于或小于4μm；c)该差异等于或小于2μm。

单个、单独的VCSEL器件的实施例的限制孔的中心和输出孔的中心之间的横向偏移——可以表示为这两个孔的相应轴之间的横向偏移，垂直于形成孔的层——可以至少为1μm，最多为限制孔尺寸的40％。作为非限制性示例，对于10μm直径的器件，金属输出孔相对于限制孔的横向偏移可以在大约1μm至4μm之间。在一些实施例中，孔中心之间的偏移可以高达限制孔宽度的30％或20％。

在一些实施例中，根据本发明的实施例配置的器件被构造成从同一输出孔内的至少两个不同空间位置发射光。

在一些实施例中，根据本发明的实施例配置的器件被设计为产生具有大于0.5nm、或大于1nm或大于1.5nm的光谱宽度(全宽半最大值，FWHM)的光。

图6示出了根据本发明的实施例的使用多个组成的VCSEL器件形成的VCSEL阵列600的俯视图，每个组成的VCSEL器件具有两个孔。(这两个孔选自输出孔和至少一个限制孔的组合，即至少一个孔形成在至少一层限制材料中)，至少一层限制材料相对于彼此横向偏移，如实线和虚线圆形线所示。孔之间的横向偏移(显示为虚线圆和实线圆之间的几何偏移)限定在基本垂直于给定组成VCSEL器件的纵轴的平面中。(在图6中，这样的纵轴基本上平行于z轴。)如图所示，阵列600的组成器件的纵轴布置在基本上直线的网格上。VCSEL阵列600的具体实施例被图示为具有标记为A、B、C、D、……、K和L的三行四列组成器件。每个器件的输出和至少一个限制孔的尺寸彼此不同。

在阵列600的特定实施例中，第一孔是组成器件的输出孔，可以是在金属接触层中制成的孔，对应于组成VCSEL器件的发光表面。第二孔是形成在被配置为在阵列的操作期间限制VCSEL结构内的电流的空间分布的内部(到器件的结构)层中的限制孔中的至少一个。在另一个具体实施例中，第一孔和第二孔都是在VCSEL器件结构内部的限制孔并且是氧化物限制孔或离子注入孔。

在一个实施例中，器件A具有作为金属(输出)孔602A的第一孔602A和作为限制孔的第二孔604A。组成器件B到L的孔以类似的方式限定。如图所示，不同组成器件的第一孔的尺寸(和形状)基本上彼此相等，并且各个组成器件的第二孔的尺寸(和形状)基本上彼此相等，而给定的第一孔大于分别对应的第二孔。然而，通常，阵列中组成器件的相应孔尺寸不必相同。

步进跨过一排组成器件阵列——例如，从器件A到器件D——可以看出，第一孔和第二孔之间的横向偏移沿着该排被系统地改变。顺着阵列的一列向下步进(例如，从器件A到器件I)，可以看到第一孔和第二孔之间的横向偏移也沿列的方向系统地改变。因此，给定阵列内的组成器件可以配置为具有相对于彼此具有不同偏移的非同轴孔，从而导致组成激光器的电流注入的不同空间分布，因此导致来自不同的组成激光器的输出中的不同空间模式的内容。在该示例中，虽然组成器件的孔之间的偏移通常在整个阵列的x方向和/或y方向上系统地变化，但阵列中的至少一个组成器件可能具有同轴对齐的第一和第二对齐孔，而阵列中的至少一个组成器件具有非同轴的第一孔和第二孔。结果，来自阵列的不同激光器的输出处的不同空间模式形成具有不同图案的空间多模光发射，可以通过改变第一孔和第二孔的轴之间的偏移来明智地操纵这些图案以实现来自VCSEL阵列的不同形状的输出光束，这将在后面描述。

图7以俯视图示意性地示出了VCSEL阵列700的另一个实施例，其中组成的VCSEL器件(表示为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J)形成在基本上六边形的网格上。在该示例中，器件A具有输出孔和至少一个限制孔，其中一个被表示为第一孔702A而另一个被表示为第二孔704A。在该示例中，阵列中相邻器件之间的偏移没有系统地变化，如在VCSEL阵列600的示例中，而是随机选择的。同样，空间发射图案将因器件而异，并且会导致阵列中器件的空间不等距分离模式，从而从阵列产生“不规则”输出图案。

在一些示例中，可以根据期望的图案来设计孔偏移，以便控制从器件阵列的各个位置输出的光束。阵列(或阵列的段)中的至少一个器件具有非同心对齐的孔。在其他示例中，器件和它们的孔不规则地间隔开。在其他示例中，可以根据给定应用的照明要求(例如所需的功率或光束的图案化或方向)将器件阵列分段，使得阵列的不同部分可以彼此分开使用或可以一起使用。

图8示出了分段VCSEL阵列800的简化俯视图。该阵列被分段成单独的区域802，每个单独的段具有多个VCSEL器件或孔中的一个。在该示例中，不同的分段区域表示为A、B和C。在每个分段内，VCSEL器件具有第一孔804和第二孔806，如图所示，阵列段中的至少一个器件具有非同心孔，并且该阵列具有具有至少两个不同孔偏移的VCSEL。阵列的不同段之间的VCSEL孔的图案可以不同，并且可以使用系统的、随机的或图案化的偏移(例如，如图6和图7所示)。孔可以规则地间隔开或不规则地间隔开。段A、B和C可以单独进行电寻址，从而可以驱动电流并行通过阵列段中的VCSEL。段可以单独寻址或彼此组合寻址。同时操作多个段可以增加激光器阵列发射的功率。在一些实施例中，由于段不需要相同并且可以具有不同的器件图案和偏移，根据段内孔的具体设计，单独操作阵列的段可以产生不同的阵列光束输出图案和形状。

图9A、图9B、图9C、图9D、图9E和图9F提供了可以根据其构造VCSEL器件的给定实施例的金属层(例如，类似于实施例300的金属接触层320)以形成根据本发明的实施例确定尺寸的输出孔或孔开口(例如，类似于孔322)的空间图案的示意图。根据本发明的思想，通过标准光刻工艺对金属孔进行图案化将不对称性引入到所得输出孔中并且将输出孔在输出孔平面中的对称性降低到至多具有两个对称轴的对称性。给定器件的限制层中的限制孔(例如实施例300的孔316)(此处未示出)可以与(金属)输出孔同轴或非同轴对齐。因此，在VCSEL器件的实施例中，器件不对称性可仅通过(金属)输出孔的适当成形而引入。在不同的实施例中，至少一个限制孔(即，在相应限制层中具有比相同限制层的周围区域低的电阻率的区域)可以由这样的孔(即，包含孔的层的第二部分)中的氧含量来限定。在相关实施例中，作为在给定限制层的识别部分暴露于离子注入程序期间的制造过程的结果，在限制孔的区域的边界之外的如此处理的限制层的晶格结构被修改产生高于限制孔边界内的电阻率的电阻率。(因此，在不同的实施例中，可以满足以下条件中的至少一项：a)第一和第二限制层中的至少一个的第一部分具有的氧分子密度低于第一和第二限制层中的所述至少一个的第二部分的氧分子密度，以及b)第一和第二限制层中的至少一个的第一部分具有的电阻率低于第一和第二限制层中的至少一个的第二部分的电阻率。此处，第一部分限定了第一和第二限制孔中的一个限制孔，而第二部分位于第一和第二限制孔的所述限制孔的外部。)

图9A、图9B、图9C、图9D、图9E和图9F示出了可用于限定非对称孔的一些可能图案的示例。

形成这样的输出孔的金属接触层的不对称性一方面可以影响器件操作期间的电流注入分布，但也可以用于闭塞通过其输送光输出的部分，否则该部分通常是透明的，以允许在规则的非图案化孔情况下进行光发射。

例如，图9A示出了限定输出孔904A的金属接触层902A，其中金属接触902A在右手侧具有更宽的横向尺寸，限定了将开口904A与相同尺寸的圆形孔开口区别开的部分闭塞，以防止在金属接触层902A重叠并覆盖器件的下方限制层中的孔的区域处的光发射。如图所示，图9A的材料层包括尺寸确定为限定自身闭合材料条带(显示为基本上圆形的环形条带)的第一部分和成形为圆的一部分(即由圆的外围或边缘包围的圆的一部分，以及外围上两点之间的线，也称为弦)的第二部分。第一部分和第二部分在至少一个点处电接触和/或物理接触(如图所示，沿着曲线)。

图9B至图9D和图9F中的孔由与金属接触层部分902B、902C、902D和906F连接的金属接触层部分906B、906C、906D和906F(称为金属接触层的第二部分)限定。(后者又被称为金属接触层的第一部分和外围部分。)图9B、图9C和图9D的的材料层尺寸被确定为包括：限定环形材料条带(如图所示-基本上为圆形的材料环)的第一外围部分，该材料条带具有内部和外部周边并且自身闭合，以及第二部分，第二部分被格式化为沿着第一部分的半径延伸以例如覆盖第一部分的中心的材料条带(在旋转对称的第一部分的特定情况下——例如覆盖第一部分的旋转对称中心)。图9E、图9F的材料层尺寸被确定为包括第一外围部分，该第一外围部分限定具有内部和外部周边并且自身闭合的大致多边形环(如该特定示例中所示，矩形环)，以及形状为三角形的第二部分，沿其两侧与第一部分(在图9E的情况下)或从第一部分向内延伸的条带(如图9F所示——连接第一多边形部分的两个不同侧边的条带)共享边界。值得注意的是，在图9B至图9D和图9F的实施例中的至少一个中，外围材料层的第二部分如在第一外围部分的平面中所见围绕(即，包围)第二部分。可选地，第二部分被适当地确定尺寸以覆盖由第一外围部分包围的区域的中心(例如，在第一部分具有对称轴的情况下)。第一部分和第二部分在至少一个点处电连接和/或物理连接。

因此，在VCSEL结构的至少一个实施例中，(限定VCSEL结构的输出孔的材料层的)第一外围部分可被确定尺寸以限定环形材料条带，这种材料层的第二部分可被确定尺寸以满足以下条件之一：(i)第二部分被配置为径向延伸的材料条带，并且(ii)第二部分被配置为连接多边形形状的第一外围部分的两个不同侧边的条带。同时，在至少一个实施例中，第二部分被配置为在至少一点处与第一外围部分电连接。替代地或额外地，在VCSEL结构的至少一个实施例中，(限定VCSEL结构的输出孔的材料层的)第一外围部分可被确定尺寸为具有闭合多边形周边的材料条带，而第二部分可被确定尺寸以覆盖表面区域并与多边形周边的至少一个侧边建立电接触。

本领域技术人员将理解，部分906B、906C、906D和906F的适当定位和尺寸设计通常用于抑制激光器结构的输出表面的、沉积有金属接触层的那些位置处的光发射，因此在没有金属接触层的地方强制形成横向模式。在图9B到图9D和图9F的具体示例中，这种配置导致在相应孔的几何中心处和/或附近的光发射的抑制和具有环状形状或“哑铃”状形状的空间模式的形成，已知每个空间模式对于具有圆形横截面的激光腔来说是高阶横向模式。(由本发明的一个实施例在操作中产生的被描述为具有哑铃形的辐照度横截面分布的输出的横向模式可以可视化为例如相对于分布的中心在任一侧具有两个瓣的横向模式，该模式又基本上不携带光。这种横向模式输出由单个横向模式或横向模式的组合限定。仅用于说明目的，无意限制此描述的范围，可以将TEM01或TEM10或TEM(01)版本的激光模式视为激光输出中辐照度横截面横向分布的非常具体的例子。另一方面，术语“辐照度的环形横向分布”或“环形横向空间模式”是指辐照度分布，当检测到时被感知为形成一个环——无论这种分布是否形成有单个空间模式或多个空间模式或细丝的组合，例如作为多个横向模式叠加的结果，每个横向模式均具有辐照度的哑铃分布。)由此产生的横向模式可以由至少一个发射点或区域表征并且在输出孔的几何中心处没有发射点。例如，在具有图9C和图9F的输出孔的VCSEL器件的操作期间，输出横向模式的特征在于分别在孔区域904C和904C'中的至少一个中的光输出，或在孔区域904F和904F'中的至少一个中的光输出。例如，光的形成可能发生在区域904C和904C'中，在金属906C的任一侧产生光输出的两个空间区域，因此被光输出很少或没有光输出的区域隔开，从而形成具有哑铃状形状的输出图案。输出孔的这些区域中的空间模式图案也可能受到特定形状和VCSEL结构内下方限制层中的孔的任何横向偏移的影响。

引起在输出孔结构的中心(实际上，在给定的VCSEL的纵向轴线)具有受抑制发射的多模空间发射的能力可用于多种应用，包括基于偏移发射方案的多模光纤通信，并减少成像系统操作中的散斑形成。

在相关实施例中，阵列由具有至少两种不同输出孔形状(例如，图9A至图9F中呈现的形状)的单独VCSEL形成。在图10中示出此类阵列的示例100，其包括多个VCSEL器件，这些VCSEL器件覆盖有输出孔或具有输出孔，输出孔标记为A、B、C、D、E、F、G、H、I和J(在该示例中，阵列包括十个组成的VCSEL)。VCSEL阵列1000中元件器件的不同形状的输出孔导致来自阵列1000的光输出光束的非均匀空间阵列。通常，在如此配置的VCSEL阵列中，可能具有一些具有旋转对称输出孔的组成激光器和/或其中相应的输出孔和限制层中的孔彼此同轴的激光器，尽管意图是组成VCSEL器件的至少一个输出孔i)与相应限制层中的孔保持非同轴对称和/或ii)具有不超过两个对称轴。例如，具有输出孔A、F和J的组成器件显示为具有轴对称孔，而输出孔C和E仅具有两个对称轴；输出孔B、D、G、H和I每个均只有一个对称轴。在特定情况下，即使阵列的所有组成器件都采用相同形状的输出孔，也可以明智地选择这种输出孔的空间取向以从一个组成器件到另一个组成器件不同，从而改变阵列的各个组成器件相互之间的空间输出图案。

再次参考图6所示的VCSEL阵列的示例，当阵列的组成VCSEL器件的孔被选择为以图6所示的方式成形时，限定了输出孔的金属层，例如图9A至图9F中示出为906B、906C、906D和906F的金属区域，可以具有0.5μm的最小特征尺寸(例如，宽度或直径)。最大特征尺寸，例如宽度或直径，可以高达输出孔尺寸的25％(或高达20％，或高达10％，取决于特定实施方式)。输出孔的金属区域的另一个尺寸可以延伸穿过腔，例如，如图9C和图9F中所示。

因此，对于本领域的普通技术人员来说可以清楚得知，通过使用图3至图10中所示的本发明的实施例，因此可以形成产生不规则输出光输出图案的VCSEL阵列，而不管阵列本身在各个(组成)激光器的输出孔之间是否具有规则间距。器件阵列可以产生复杂的输出图案，这些图案可能适合实现明智地产生空间结构光生成的目标。

根据本发明的思想构造的单独的VCSEL器件和/或VCSEL阵列可以进一步与辅助光学元件集成或可操作地协作，例如微透镜或滤光器。这样做时，在一些实施例中，微透镜可以被构造成形成单独的、独立的透镜元件阵列，在产生光输出的一侧覆盖(并结合)VCSEL阵列。例如，可以在单独的透明衬底上制造微透镜，该透明衬底附接到整个激光器阵列并与之对齐。在其他实施例中，可以通过使用本领域普通技术人员已知的多种不同工艺在衬底表面的背面上形成微透镜。(用于形成这种微透镜的一种技术涉及光刻工艺，该工艺限定具有圆柱体或其他形状的光刻胶的透镜元件，然后将光刻胶熔化到衬底上，然后通过蚀刻工艺将透镜形状转印到衬底上。蚀刻可以是基于氯(Cl)的干法蚀刻，调整为或接近衬底材料和光刻胶之间的均匀蚀刻选择性，以便以接近或相同的速率蚀刻这两种材料。例如，使用业界常见的背面晶圆对准系统完成用于制造透镜元件的光刻步骤。

无论给定VCSEL阵列中组成VCSEL器件的几何排列是规则的还是不规则的(并且无论相应输出孔的阵列是几何规则的还是不规则的)，阵列中的至少一些组成的VCSEL器件被有意地确定尺寸以产生具有相对于相应输出孔的中心不对称的辐照横向分布的激光输出的事实，导致输出光束的阵列通常不规则地间隔开。因此，当(VCSEL阵列的)输出孔阵列与微透镜阵列对齐时，限定为微透镜阵列吞吐量的光束也可以相对于组成微透镜的纵向轴线偏移。可替代地，即使在来自VCSEL阵列的激光器的输出光束彼此基本规则地间隔开的情况下，也可以将相应的微透镜阵列选择为几何不规则的。这种可变性使用户能够基于所选激光器的驱动条件和/或VCSEL阵列内被驱动从而使得来自配备微透镜的VCSEL阵列的所得整体输出光束在不同的感兴趣空间区域上聚焦和扫描的所选激光器子集的组合来操纵和修改VCSEL阵列有用光输出的空间分布。

为此，图11A示出了形成在衬底1102上的VCSEL阵列1100，其与微透镜阵列集成。在一种实施方式中，微透镜阵列的微透镜1110A、1110B和1110C可以使用间隔层或基座层1108A、1108B和1108C与对应的VCSEL器件1104A、1104B和1104C(这些器件具有孔1106A、1106B和1106C)单独集成。微透镜1110A、1110B和1110C可以使用任何合适的透光材料(例如聚合物)形成，而间隔层或基座可以使用相同或不同的透光材料形成。在这个示例中，微透镜阵列与组成输出VCSEL孔对齐，每个小透镜和相应的激光器之间没有偏移。激光器阵列1100被设计成使组成通过光束中的至少一些空间模式相对于相应输出孔的中心且相对于相应透镜元件的中心轴偏离中心。如图所示，阵列的至少一个激光器的输出光束(如图所示——光束1112A、1112B和1112C)可以偏转一个角度并聚焦或散焦，这取决于特定的微透镜设计和与相应的激光发射器的间距/分离距离。微透镜不必彼此相同。尺寸灵活性允许设计者使用一组微透镜会聚光束，这些微透镜相对于由不同激光器件产生的辐照度空间分布具有不同的偏移。在一个示例中，当从微透镜输出的所有激光束都被引导到相同区域或单个光斑时(图11A中用虚线1120表示)，这种对光束方向和(散焦)聚焦的控制有利于使用，其中可以放置光检测器以接收光信号。许多其他聚焦布置是可能的，例如被引导以照亮更大的光斑尺寸，或产生准直的光输出光束，或产生具有所需发散度的总光束的聚焦布置。集成阵列还可与附加光学元件组合以实现其他所需的光束输出特性。除了透镜之外或代替透镜，可以使用其他光学元件，例如漫射器或滤光器。

为了说明实现不同输出光束特性的可能性，图11B示出了形成在衬底1152上并与微透镜阵列集成的另一个VCSEL阵列1150。微透镜1160A、1160B和1160C(显示为单独的、独立的器件)可以与具有相应输出孔1156A、1156B和1156C的组成VCSEL器件1154A、1154B和1154C集成。这种集成是通过分别对应的间隔层或基座层1158A、1158B、1158C实现的，如本示例中所示。间隔层和相应微透镜的材料选择可以与参考图11A所讨论的基本相同。微透镜或光学元件不必在几何上相同。在该示例中，组成微透镜与组成VCSEL器件的相应输出孔对准，在每个透镜和相应激光器之间基本上没有偏移。激光器阵列1150被设计成使在激光器器件的操作中形成的空间模式中的至少一些在空间偏移而偏离中心(相对于相应输出孔的中心和相对于相应微透镜的中心轴)。如图所示，至少一个激光器件的光束可以适当地以一角度进行角偏转(如图所示，光束1162A、1162B和1162C)，以在不同的感兴趣区域或不同检测器所在的位置产生不同的照明点。

图12示出了形成在衬底1202上并与形成在微透镜衬底1202的背面上的微透镜阵列集成的VCSEL阵列1200的示例。如图所示，微透镜1210A、1210B和1210C的阵列与具有相应的限制孔1206A、1206B和1206C以及由金属触点1208A、1208B和1208C限定的相应输出孔的组成VCSEL器件1204A、1204B和1204C的阵列集成。微透镜1210A、1210B和1210C可以使用任何合适的已知方法形成。在该示例中，微透镜相对于VCSEL器件的相应孔具有不同的空间对准。在至少一些组成VCSEL器件的情况下，阵列的透镜的中心轴可以相对于两种类型孔中的至少一种的轴(即，相对于输出孔的轴和/或限制孔的轴)偏移。在这个示例中，激光器阵列中的组成激光器有规律地间隔开，而彼此紧邻的微透镜彼此间隔开不同的距离(例如，透镜1210A和1210B之间的距离不同于透镜1210B和1210C之间的距离)。在相关实施方式中，在组成激光器件之间具有不规则间隔的VCSEL也可以与其中组成微透镜在公共衬底上规则地间隔开的阵列组合。根据本发明的思想，类似的布置也可以应用于分段阵列。微透镜阵列和VCSEL器件阵列之间的可操作协作的建议灵活性促进了光束会聚结构的多样性或根据需要对源自激光器阵列的不同部分的光束进行其他操纵。虽然微透镜1210A、1210B和1210C的几何形状可以基本相同，但可以使用不同的设计，和/或每个元件1210A、1210B和1210C可以使用不同的光学元件来代替透镜或作为透镜的附加，使得阵列的所选光学元件以不同的方式控制来自VCSEL器件和阵列段的输出光束。产生的效果是器件1200和/或该器件的部分操作以产生不同的光强度和/或光束轮廓。

为了制造根据本发明的思想构造的半导体光电子器件的实施例，可以在第一材料沉积室中的适当衬底上沉积多个层。多个层可以包括蚀刻停止层；释放层(即，设计用于在应用特定工艺序列(例如化学蚀刻)时从衬底释放半导体层的层)；接触层，例如横向导电层；缓冲层；形成反射器或反射镜结构的层，和/或其他半导体层。例如，沉积的层序列可以包括缓冲层，然后是横向传导或接触层，然后是形成VCSEL结构的反射器的层。接下来，可以将衬底转移到第二材料沉积室，在那里在现有的、已经沉积的半导体层的顶部形成空腔区和有源区。然后可将衬底转移至第一材料沉积室或第三材料沉积室以沉积额外的反射镜层和接触层。在一些实施方式中也可以形成隧道结。

衬底和半导体层从一个沉积室到另一个室的移动或重新定位/重放置被称为转移。转移可以在真空中、在空气或另一种气体环境中的大气压力下、或在具有混合特性的环境中进行。转移可以进一步在一个位置的材料沉积室之间组织，其可以或可以不以某种方式互连，或者可以涉及在不同位置之间传输衬底和半导体层，这被称为传输。可以在真空下密封、被氮气或另一种气体包围或被空气包围的衬底和半导体层进行传输。附加的半导体层、绝缘层或其他层可在转移或传输过程中用作表面保护，并在转移或传输后在进一步沉积之前去除。

例如，可以在第一材料沉积室中沉积稀氮化物有源区和空腔区，而可以在第二材料沉积室中沉积AlGaAs/GaAs DBR和其他结构层。为了制造本公开中讨论的VCSEL器件，可以在一个沉积室上使用分子束外延(MBE)来沉积空腔区域的一些或所有层，包括基于稀释的氮化物的有源区域，并且激光器的剩余层为可以在另一个材料沉积室中使用化学气相沉积(CVD)进行沉积。

在一些实施例中，当沉积器件的任何层时，可以使用表面活性剂，例如Sb或Bi。小部分的表面活性剂也可并入层内。

包括稀氮化物层的半导体器件可以在生长之后经受一次或多次热退火处理。例如，热退火处理包括施加约400℃至约1,000℃范围内的温度持续约10微秒至约10小时之间的持续时间。热退火可以在包括空气、氮气、砷、砷化氢、磷、磷化氢、氢气、合成气体、氧气、氦气或前述材料的任何组合的气氛中执行。

如本公开所附权利要求中所述的本发明旨在根据本公开作为整体进行评估，包括参考的相关技术中公开的特征。

出于本公开和所附权利要求的目的，术语“基本上”、“近似”、“大约”和类似术语的使用指的是手头现有的值、元素、性质或特性的描述符旨在强调所提及的价值、元素、性质或特性，虽然不一定完全如所述，但出于实际目的，仍将被视为如本领域技术人员所陈述的。适用于特定的特性或质量描述符这些术语意思是“大部分”、“主要”、“相当多”、“大体上”、“基本上”、“在很大程度上但不一定完全相同”，例如合理地表示近似语言并描述指定的特性或描述词，以便本领域普通技术人员能够理解其范围。在一个特定情况下，术语“近似”、“基本上”和“大约”，当用于参考数值时，表示相对于指定值的正或负20％的范围，更优选相对于指定值的正或负10％，甚至更优选相对于指定值的正或负5％，最优选相对于指定值的正或负2％。作为非限制性示例，两个值彼此“基本相等”意味着两个值之间的差异可以在值本身的+/-20％的范围内，优选在值本身的+/-10％的范围内，更优选在值本身的+/-5％的范围内，并且甚至更优选在值本身的+/-2％或更少的范围内。可以以相同方式使用术语“基本等同”。

这些术语在描述所选特征或概念时的使用既不暗示也不提供任何不确定性和向指定特征或描述词添加数字限制的基础。如本领域技术人员所理解的，这些值、元素或特性的确切值或特性与所述值的实际偏差落入并且可能在由实验测量误差限定的数值范围内变化，该数值范围在使用在本领域中公认用于此类目的的测量方法时是典型的。

虽然这里已经说明和描述了特定的实施例，但是本领域的普通技术人员应当理解，设计成实现相同目的的任何布置都可以替代所示的特定实施例。例如，在相关实施例中，提供了具有纵向轴线并且包括第一和第二反射器的VCSEL结构；第一和第二反射器之间的增益介质；以及在其中限定输出孔的外围材料层(输出孔的尺寸被设计为具有输出孔的不超过两个对称轴；这里，外围材料层是配置为VCSEL结构的电接触层的金属层，并且外围材料层的尺寸被设计为包括第一外围部分和由第一外围部分围绕的第二部分)。这种VCSEL结构可以被配置为在操作中产生具有以下形式之一的强度空间分布的光输出：a)环形的强度分布，和b)哑铃形的强度分布，如在横向于光输出轴的平面中限定的，而输出孔的轴和至少一个内部孔的轴可以被配置为彼此不重合，和/或同时外围材料层和至少一个限制材料层中的至少一个的横向范围(在横向于纵向轴线的第一平面中)可以被选择为小于有源区的横向范围(在平行于第一平面的第二平面中)。

总的来说，本申请旨在涵盖本发明的实施例的任何修改或变化。应当理解，以上描述旨在说明性而非限制性，并且本文所使用的措辞或术语是出于描述的目的而非限制性的。通过研究以上描述，上述实施例和其他实施例的组合对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本发明的范围包括使用上述结构和制造方法的实施例的任何其他应用。本发明的实施例的范围应当参考与这些实施例相关联的权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。