具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部实施方式。实际上，这些发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于此处所述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了使本公开内容满足适用的法律要求。全文中相似的数字表示相似的元件。如本文所用，在下面提供的示例中，诸如“顶部”、“底部”、“前部”等术语用于说明性目的，以描述某些组件或组件的某部分的相对位置。因此，作为示例，术语“顶部电流扩展层”可以用于描述电流扩展层；然而，根据所描述的特定物品的方向，电流扩展层可以在顶部或底部。如本文所用，术语“约”是指制造和/或工程标准内的公差。

示例VCSEL

图1A示出了垂直腔面发射激光器(VCSEL)100的示例实施方式的一部分的截面图。VCSEL100，包括基板110、发射结构和盖层170。在示例实施方式中，薄缓冲层(例如，约0.5至1.5μm厚的n型层)可以沉积和/或设置在基板110和发射结构之间。在示例实施方式中，发射结构包括第一反射器130、第二反射器150，以及夹在第一反射器130和第二反射器150之间的有源腔材料结构。在示例实施方式中，第一反射器130直接沉积和/或设置在基板110和/或薄缓冲层上。在示例实施方式中，发射结构形成和/或为台面结构115的一部分。在示例实施方式中，有源腔材料结构包括第一电流扩展层135、有源区域140和第二电流扩展层155。在示例实施方式中，有源腔材料结构进一步包括在第二电流扩展层155中长满的隧道结145。图1B示出了不包括盖层170的VCSEL 100的另一示例实施方式。

在示例实施方式中，VCSEL 100进一步包括电连接到发射结构(例如，第一电流扩展层135和第二电流扩展层155)的触点(例如，包括用于将电源连接到VCSEL 100的迹线和/或焊盘)。例如，VCSEL100包括第二触点180，所述第二触点180邻近设置、安装、固定到和/或邻接盖层170，并远离发射结构延伸，以提供用于将电源连接至VCSEL 100的迹线和焊盘。在示例实施方式中，第二触点180与第二电流扩展层155电通信，并且第一触点(例如，与台面结构115邻近设置，设置在另一台面结构中等)与第一电流扩展层135电通信。例如，第一触点和第二触点180可以包括阳极触点和阴极触点。在各种实施方式中，触点180被配置为具有固定到其上的引线，使得可以通过引线向VCSEL 100施加电压、电流、电信号等来操作VCSEL 100。在各种实施方式中，第一电流扩展层135和第二电流扩展层155被配置为将施加到触点180的电信号、电流、电压等提供到有源区域140。在各种实施方式中，第一触点和/或第二触点180可以由金或另一种导电材料制成。

在示例实施方式中，基板110提供在其上构建、安装、固定等VCSEL的基础层。在示例实施方式中，基板110是半绝缘砷化镓(GaAs)基板。在各种实施方式中，基板110是掺杂有硅(Si)或各种其他元素的GaAs基板。在示例实施方式中，基板110是Si基板，或其他合适的基板。在示例实施方式中，基板110的厚度可以在50至300μm的范围内。例如，在示例实施方式中，基板110可以是约150μm厚。在示例实施方式中，基板110是晶圆的至少一部分。

在各种实施方式中，VCSEL 100的发射结构包括第一反射器130、第一电流扩展层135、有源区域140、第二电流扩展层155和第二反射器150。第一反射器130可以邻近、固定、安装到和/或邻接基板110和/或薄缓冲层。第一电流扩展层135可以是夹在第一反射器130和有源区域140之间的电流扩展和/或导电层。例如，第一电流扩展层135可以邻近、固定、安装到和/或邻接第一反射器130和有源区域140。第二电流扩展层155可以是夹在有源区域140和第二反射器150之间的电流扩展和/或导电层。例如，第二电流扩展层155可以邻近、固定、安装到和/或邻接有源区域140和第二反射器150。

在各种实施方式中，第一反射器130和第二反射器150被配置为耦合和/或反射由有源区域140产生的激光，使得激光1可以在沿发射轴105的方向通过触点180中的孔径为a_c的孔发射。在各种实施方式中，第一反射器130和第二反射器150中的每一个包括半导体分布式布拉格反射器(DBR)、介电反射器堆栈等。例如，第一反射器130和第二反射器150可以包括砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)的未掺杂交替层。在各种实施方式中，第一反射器130和第二反射器150中的每一个可以包括多个AlGaAs和GaAs层。例如，第一反射器130和第二反射器150中的每一个可以包括在15至35对GaAs/AlGaAs层。例如，在示例实施方式中，第一反射器和第二反射器中的每一个可以包括25对GaAs/AlGaAs层。例如，第一反射器和第二反射器中的每一个可以包括25层GaAs和25层AlGaAs，其中设置各层使得这些层在GaAs层和AlGaAs层之间交替。例如，一对层可以由GaAs层和邻接的AlGaAs层组成。在示例实施方式中，每层的厚度为约λ/n的四分之一，其中λ为发射波长，n为该层半导体的折射率。在示例实施方式中，第一反射器130的至少一层被掺杂，使得第一反射器包括n型DBR(N-DBR)。在示例实施方式中，第二反射器150的至少一层被掺杂，使得第二反射器包括p型DBR(P-DBR)。

在示例实施方式中，第二反射器150具有反射器厚度T。在示例实施方式中，反射器厚度T在1.5至3μm的范围内。在示例实施方式中，反射器厚度T在2至2.5μm的范围内。在示例实施方式中，反射器厚度T为约2.25μm。如上所述，可以基于第二反射器150层的折射率和激光1的波长来确定第二反射器150的反射器厚度T。

如上所述，第一电流扩展层135可以夹在第一反射器130和有源区域140之间，并且第二电流扩展层155可以夹在有源区域140和第二反射器150之间。在各种实施方式中，第一电流扩展层135和第二电流扩展层155包括n型磷化铟(n-InP)层。在各种实施方式中，第一电流扩展层135和/或第二电流扩展层155包括磷化铟镓砷(InGaAsP)层。在各种实施方式中，通过n型第一电流扩展层135和第二电流扩展层155提供电触点允许第一反射器135和第二反射器155中的每一个包括未掺杂的DBR镜或介电反射器堆栈，如本文其他地方所述。

在各种实施方式中，有源区域140包括嵌入和/或设置在第二电流扩展层155内的隧道结145。例如，隧道结145可以被第二电流扩展层155长满，其中隧道结145被设置邻近和/或邻接有源区域140。在示例实施方式中，隧道结145是蚀刻在p⁺⁺/n⁺⁺隧道结中的台面。在示例实施方式中，隧道结145包括重掺杂的p++/n++铟铝砷化镓隧道结。在各种实施方式中，当将直流电压(例如，通过触点180)施加到VCSEL 100时，反向偏置的p-n结阻断了隧道结145周围的电流。在各种实施方式中，隧道结145起到光(光子)和电(电流)限制的双重作用。例如，隧道结145可以嵌入在提供电流和光子限制的长满区域中。在该示例中，电流由形成在第二电流扩展层155与包括有源区域140的第二表面144的p层之间界面处的反向p-n结限制。在示例实施方式中，光限制由代表发射激光1的光学孔径的隧道结145定义，并由垂直于发射轴105的平面中隧道结145的宽度或直径(例如，隧道结直径D_TJ)确定。

在各种实施方式中，有源区域140被夹在和/或设置在第一电流扩展层135和第二电流扩展层155之间。在各种实施方式中，有源区域140与第一电流扩展层135和第二电流扩展层155电通信。在各种实施方式中，有源区域140包括在第一反射器130和第二反射器150之间产生光和/或电磁辐射1的多个量子阱。在各种实施方式中，有源区域140可以包括多量子阱(MQW)层堆栈，该多量子阱(MQW)层堆栈包括设置在一系列势垒之间的一系列量子阱，设置在第二电流扩展层155和MQW层堆栈之间的p型区域(层)。例如，有源区域140的第二表面144可以包括p型层。在示例实施方式中，一系列量子阱和势垒可以包括六个未掺杂的压缩应变的砷化铟铝镓(InAlGaAs)量子阱和七个拉伸应变的InAlGaAs势垒。

在示例实施方式中，第二反射器150被部分氧化和/或包括一个或多个定义氧化剖面的氧化元件160。在各种实施方式中，氧化剖面定义一个或多个氧化剖面直径(例如，a₂、a₃)。在各种实施方式中，氧化剖面直径(例如，a₂、a₃)在垂直于发射轴105的平面中定义。在各种实施方式中，第二触点180可以设置在盖层170上。在示例实施方式中，第二触点180定义了孔185，VCSEL 100可以通过该孔185发射激光1。在各种实施方式中，第二触点180的内径定义了VCSEL 100的物理发射孔。物理发射孔的孔径为a_c，如图1A和图1B所示。例如，由VCSEL 100发射的激光1可以沿着由VCSEL 100的发射结构定义的发射轴105并通过具有通过第二触点180提供的孔径a_c的孔发射。孔径a_c可以在垂直于发射轴105的平面中测量。

在示例实施方式中，盖层170被沉积和/或设置在发射结构上。例如，盖层170可以是由SiO₂、Si₃N₄、苯并环丁烯(BCB)、GaAs等制成和/或包括SiO₂、Si₃N₄、苯并环丁烯(BCB)、GaAs等的绝缘层。在示例实施方式中，盖层170为约40nm厚。在示例实施方式中，盖层170为约38.2nm厚。

在各种实施方式中，可以对第二反射器150进行蚀刻，使得第二反射器150的至少一部分的厚度小于反射器厚度T。在示例实施方式中，蚀刻穿过盖层170并穿过第二反射器150的一部分至深度D。在示例实施方式中，在盖层170沉积之前进行第二反射器150的蚀刻，并且盖层170可以沉积在第二反射器150的蚀刻表面上。如图1A和图1B所示，第二反射器150可以具有反射器厚度T的厚度，如虚线所示，其指示预蚀刻第二反射器150的第二边缘154，第二反射器150可以被蚀刻至深度D以产生开口185。如图1A和图1B所示，可以从VCSEL 100的预蚀刻的第二表面测量蚀刻深度D。在示例实施方式中，第二触点180设置在VCSEL 100的预蚀刻的第二表面上。在各种实施方式中，在具有盖层170的实施方式中，VCSEL 100的预蚀刻的第二表面是盖层170的第二边缘，或在不具有盖层170的实施方式中，从第二反射器150的预蚀刻的第二边缘154开始。深度D可以平行于发射轴105测量。在示例实施方式中，深度D在约20至55nm的范围内。在示例实施方式中，深度D为约40nm。在示例实施方式中，深度D在约15至30nm的范围内。在示例实施方式中，预定深度在20nm至25nm的范围内。

开口185的直径(例如，开口直径a₀)可以在垂直于发射轴105的平面中测量。在示例实施方式中，开口直径a₀约与孔径a_c相同。在示例实施方式中，开口直径a₀可以小于孔径a_c。在示例实施方式中，开口直径a₀在台面直径的一半a₁/2到台面直径a₁的范围内。在示例实施方式中，开口直径a₀在10-30nm的范围内。例如，在一些示例实施方式中，开口直径是a₀为15nm、20nm或25nm。在示例实施方式中，开口直径a₀大于孔径a_c。例如，开口直径a₀可以与氧化剖面直径(例如，a₂、a₃)之一近似相同，或者可以是孔径和第二反射器直径a₁之间的另一直径。开口直径a₀可以不大于第二反射器直径a₁。第二反射器直径a₁可以在垂直于发射轴105的平面中测量，并且在示例实施方式中，第二反射器直径a_l在10至50μm的范围内。例如，在示例实施方式中，第二反射器直径a₁为约27μm。在各种实施方式中，在第二反射器150内垂直于发射轴105截取的任何平面中，第二反射器直径a_l近似相同。在示例实施方式中，在第二反射器150的第二表面154附近的与发射轴105垂直截取的平面中的第二反射器直径a₁可以小于在第二电流扩散层155附近的与发射轴105垂直截取的平面中的第二反射器直径a₁。例如，在示例实施方式中，台面结构115可以是锥形的。

图2根据模拟结果显示了深度D对VCSEL 100的光子寿命和VCSEL 100的阈值增益的影响。图3提供了一个表格，总结了对于0nm(例如，未蚀刻)、20nm、40nm和55nm的蚀刻深度D，以GHz为单位的调制带宽和以皮秒(ps)为单位的光子寿命。从图2和图3可以看出，将第二反射器150蚀刻至深度D会减少光子寿命和VCSEL 100的阈值增益，同时增加调制带宽并保持第二反射器150的高反射率。例如，将第二反射器150蚀刻至深度D允许增加对VCSEL 100的腔倾倒响应的控制。因此，将第二反射器150蚀刻至深度D改善了VCSEL 100的超调控制、更宽的调制带宽和更快的脉冲，使得VCSEL 100可以提供具有受控超调的高速、高带宽信号。

图4、图5、图6、图7A和图7B提供了示出VCSEL 100的一些示例模拟实施方式的各种特征的曲线图。图4和图5示出了VCSEL 100的光子寿命和顶面功率作为盖层170的厚度变化的函数的模拟结果。例如，在图4和图5所示的图中，沿水平轴的-10表示将顶层170蚀刻至10nm深度D，并且沿水平轴的10表示将顶层170生长到更大的10nm的厚度，在模拟实施方式中，0是约38.2nm的传统盖层170的厚度。如图4和图5所示，对于模拟实施方式，对于25nm的蚀刻深度D，腔寿命达到最大4.8ps，并且对于30nm的生长(例如，使盖层170生长更厚，例如，使用盖层170的外延生长)，腔寿命达到最小0.44ps。当寿命达到最小值时(例如，在模拟实施方式中为30nm生长)，顶面输出功率最大。模拟实施方式的电流-功率曲线与腔输出功率计算一致：在从25nm蚀刻到15nm生长的范围内，盖层170越厚，光功率越高。模拟实施方式的电流-电压曲线表明，深度D对VCSEL 100的电流-电压关系几乎没有影响。图6示出了VCSEL100的模拟实施方式的阈值电流I_TH作为盖层170的蚀刻/生长的函数。通常，图6示出了阈值电流随盖层170的厚度和腔寿命而变化：腔寿命越高，阈值越低。例如，在将盖层170蚀刻至25nm深度D的模拟实施方式中，与将盖层170蚀刻至0深度D的模拟实施方式相比，腔寿命增加了1.7ps，并且与D为0的模拟实施方式相比，在D为25nm的模拟实施方式中，阈值电流I_TH为约0.05mA。图7A和图7B示出了在7.5mA的电流下计算的VCSEL 100的各种模拟示例实施方式的频率响应曲线。如图7A和图7B所示，减小盖层170的厚度(例如，增加深度D)导致较少的超调和稍高的-3dB频率。具有蚀刻至20nm和25nm深度D的盖层170的模拟示例实施方式示出了相似的频率响应，并且在腔性质方面相似。

制造VCSEL的示例方法

图8提供了示出制造VCSEL 100的示例过程的流程图。从框602开始，可以对包括多个层的VCSEL毛坯进行干蚀刻，以定义一个或多个台面(例如，台面结构115)。例如，VCSEL毛坯可以在基板110(和/或薄缓冲层)上形成，并且可以包括可以形成第一反射器130的第一层，可以形成第一电流扩展层135的第二层，可以形成有源区域140的第三层，可以形成第二电流扩展层155的第四层，可以形成第二反射器150的第五层等。在示例实施方式中，VCSEL毛坯包括可以形成盖层170的第六层。例如，第一层和第五层可以包括用于形成第一反射器130和第二反射器150的DBR镜的AlGaAs和GaAs的多个未掺杂的交替层。在示例实施方式中，第二层和第四层包括可以形成第一电流扩展层135和第二电流扩展层155的导电材料。在示例实施方式中，VCSEL毛坯的第四层可以具有在其中嵌入、设置和/或生长的隧道结145。例如，第三层可以包括多量子阱(MQW)层堆栈，该多量子阱(MQW)层堆栈包括设置在一系列势垒之间的一系列量子阱。在示例实施方式中，第三层包括设置在MQW层堆栈和VCSEL毛坯的第四层之间的p型区域(层)。

VCSEL毛坯可以干蚀刻，以形成和/或定义一个或多个台面(例如，台面结构115)。在示例实施方式中，VCSEL毛坯在Ar-SiCl₄等离子体中干蚀刻。在示例实施方式中，使用光刻胶或介电掩模对VCSEL毛坯进行干蚀刻。在示例实施方式中，掩模区域的中心与隧道结145的中心对齐。在示例实施方式中，干蚀刻用于定义第二反射器150。在示例实施方式中，当暴露第二层(例如，可以形成第一电流扩展层的层)时，停止干蚀刻。

继续图4，在框604，使用湿蚀刻来定义和/或形成有源区域140和第二反射器150。例如，在示例实施方式中，湿刻蚀是通过在H3PO4-H2O2-H2O溶液中进行选择性化学刻蚀至到达第一电流扩展层135来完成的。例如，台面结构115可以进行湿蚀刻，以定义和/或完成定义发射结构。例如，第一反射器130的直径可以大于台面结构115的其余部分，并且第一电流扩展层135的直径可以与第一反射器130近似相同大小或更小，并且大于台面结构115的其余部分。例如，第一电流扩展层135的直径可以被配置为允许在第一电流扩展层135和被配置为向第一电流扩展层135提供电信号的第一触点之间产生电触点。在框606，可以使用湿蚀刻来定义和/或形成第二反射器150。

在框606，可以使用湿蚀刻来定义和/或形成开口185。例如，第六层和第五层可以被蚀刻(例如，通过在H3PO4-H2O2-H2O溶液中进行选择性化学蚀刻)直到达到第二反射器150内的深度D。执行蚀刻使得开口185具有开口直径a₀的直径。在各种实施方式中，深度D和开口直径a₀是预先确定的(例如，在开口185蚀刻之前确定)。例如，在各种实施方式中，第六层和第五层可以被蚀刻至约20-25nm的深度D。

在框608，第二触点180可以在盖层170上沉积和/或形成。例如，可以使用各种金属沉积技术在盖层170上沉积第二触点180。在示例实施方式中，第二触点沉积在开口185周围。在示例实施方式中，第二触点180沉积和/或形成，使得第二触点180与第二电流扩展层155直接电通信。

在各种实施方式中，电介质可以沉积在框604和框606之间或框606和框608之间。例如，如果VCSEL毛坯不包括可以形成为盖层170的层，则可以沉积电介质，以形成盖层170。例如，化学气相沉积可以用于沉积介电材料，以形成盖层170。在示例实施方式中，介电材料是SiO₂、Si₃N₄、苯并环丁烯(BCB)等。介电材料可以电钝化和化学钝化在先前处理步骤期间暴露的所有界面。

应理解，一旦VCSEL 100形成、制造等，就可以将VCSEL固定、粘贴或安装到电路板。例如，VCSEL 100可以被固定、粘贴或安装到电路板，使得第一触点机械地固定到第一引线，使得第一触点与第一引线电通信。例如，VCSEL 100可以被固定、粘贴或安装到电路板，使得第二触点180机械地固定到第二引线，使得第二触点180与第二引线电通信。因此，将VCSEL100安装到电路板可以制造、产生、形成和/或以其他方式生产板载VCSEL。

在示例实施方式中，当设计和制造VCSEL毛坯时，可以考虑深度D和开口直径a₀。例如，可以形成VCSEL毛坯，使得将要形成第二反射器的层包括具有期望的(例如，预定的)深度D和开口直径a₀的开口185。对于开口直径a₀与第二反射器直径a_l近似相同的实施方式，形成开口185的这种策略可能特别有效。

结论

受益于前述描述和相关附图中呈现的教导，这些发明有关的本领域技术人员将想到本文所述的本发明的许多修改和其他实施方式。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施方式，并且修改和其他实施方式旨在被包括在所附权利要求书的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅用于一般和描述性意义，而不用于限制目的。