具有电流和光约束的独立定义的垂直腔表面发射激光器的制作方法

本公开描述了垂直腔表面发射激光器(vcsel)，其包括与电流约束分开的光学模式选择或光学约束。

背景技术：

1、迄今为止，具有氧化物孔径(oxide aperture)的vcsel提供了具有大约1-2％的有效折射率对比度的导向波导，因此高效地限制了光学模式。在这些现有技术的vcsel中，氧化物孔径被用于定义电流约束以及折射率或光约束。当要求单模行为时，氧化物孔径需要减小到4um或以下，这证明要以可重复的方式进行具有挑战性。

2、vcsel设备的顶部上的附加模式选择元件可以被用于提供模式选择性。在一个示例中，可以在vcsel设备的顶部上引入小的金属孔径以过滤不需要的高阶模式。(参见ueki等人，“single-transverse-mode 3.4-mw emission of oxide-confined 780-nmvcsels”，ieee photonics technology letters，第11卷，第12期，第1539-1541页，1999年)。在另一个示例中，“模式过滤”方法可以在vcsel设备的在发射区域内的顶表面上实现表面起伏。利用这种技术，报道了单模功率高达6.5mw的vcsel。(参见haglund等人，“high-power single transverse and polarization mode vcsel for silicon photonicsintegration”。第27卷，第13期，optics express 18892，2019年)。还有另一个示例利用了顶部分布式布拉格反射器(dbr)镜的杂质引起的无序来降低反射率，从而抑制高阶模式。这导致vcsel发射～10mw的单模功率(参见su等人，“high-power single-mode vertical-cavity surface-emitting lasers using strain controlled disorder-definedapertures”，appl.phys.lett.119，241101，2021年)。这些方法都依赖于为高阶模式引入光学损耗。

3、又一个示例通过设计折射率约束来定制模式形状，例如，通过在外延层中蚀刻类似光子晶体的结构。(参见siriani等人，“mode control in photonic crystal vertical-cavity surface-emitting lasers and coherent arrays”，ieee journal of selectedtopics in quantum electronics，第15卷，第3期，第909-917页，2009年)。这后一种方法依赖于不同的原理，但仍然引入了由深孔的垂直蚀刻的粗糙度引起的损耗。此外，可以用这种方法实现的几何形状是有限的。就像常规的氧化物vcsel一样，这种方法的另一个限制是定义电流约束的区域也定义折射率或导光区域的轮廓。

4、vcsel中的模式控制对于许多应用来说是至关重要的。在一些情况下，单一或少量(few-modes)模式操作是有益的，有时甚至是必要的。例如，光学通信就是这种情况，其中许多光学模式的存在由于线宽变宽而增加了光学色散或者削弱了相对噪声。在其它情况下，诸如当vcsel用作投影光源时(例如用于感测应用)，高阶模式操作是有益的，以便跨发射角具有均匀的能量分布。在这两种情况下，定义光学模式的自由度都可以是获得所需性能的优势。

5、在常规的氧化物-孔径vcsel中，氧化物孔径定义电流约束以及折射率-约束区域。虽然这个过程是直截了当的，但这种方法有限制性：因为无法定义非常小的模式体积，例如为了促进单模操作，或者具有氧化深度的变化，这也影响模式形状和跨晶片的产量。此外，光发射区域与周围环境之间的折射率对比度的量值基本上由在algaas层中形成的氧化的与未氧化的氧化物孔径的折射率之间的差异固定，algaas是制造氧化物孔径vcsel的常用材料。

6、因此，期望提供具有折射率或光和电流约束的独立定义的vcsel。

技术实现思路

1、本文公开的是vcsel，其中折射率、模式或光约束和电流约束是独立定义的，例如，经由在折射率或导光几何形状的定义中提供自由度的过度生长(overgrowth)过程，由此以极其灵活的方式解决了模式控制。在示例中，图案化模式选择层(本文也称为光约束层)在用于形成图案化模式选择层的外延层的生长期间引入。这个层然后被光刻图案化，然后执行外延生长的其余部分，最后通过常规制造过程制造vcsel的剩余部分。在本文中，当与术语“约束”一起使用时，术语“折射率”、“模式”、“光”和“光学”可以互换使用。

2、在如此制造的vcsel中，电流约束和光学约束可以完全独立，从而允许更宽的设计自由度和设计稳健性。模式或光约束层的图案化允许定义光学发射的模式尺寸、模式阶数和折射率对比度。通过适当的工程设计，例如，通过创建比模式约束区域更宽的氧化物孔径，电流约束层的改变不会直接影响光学模式形状，从而导致稳健的模式整形。这也实现了设计的附加的自由度，唯一的缺点是增加了一个或多个附加的光刻步骤和过度生长过程。vcsel制造过程的其余部分可以保持不变，从而确保与现有制造技术的兼容性。

3、更具体而言，本文公开了一种vcsel，其包括主体，该主体包括一个在另一个之上的半导体层的垂直堆叠，其中半导体层的堆叠包括：电流约束层，其包括由对电流流动具有高电阻的区域定义的对电流流动具有低电阻的区域，由此，半导体层的堆叠中的垂直电流流动被电流约束层的对电流流动具有高电阻的区域指引通过电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域。光约束层部署或定位在电流约束层的下方或上方。光约束层包括部署或定位在电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域的下方或上方的突起或凹陷。

技术特征：

1.一种垂直腔表面发射激光器vcsel，包括：

2.如权利要求1所述的vcsel，其中半导体层的堆叠依次包括：

3.如权利要求2所述的vcsel，其中半导体层的堆叠还包括：

4.如权利要求1所述的vcsel，其中电流约束层的对电流流动具有高电阻的区域包围电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域。

5.如权利要求4所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷定位成与电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域对齐。

6.如权利要求5所述的vcsel，其中电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域是圆形的。

7.如权利要求6所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷与圆形的电流约束层同轴。

8.如权利要求5所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷是球形的或圆形的或环形的。

9.如权利要求5所述的vcsel，其中：

10.如权利要求5所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷包括一对突起或凹陷。

11.如权利要求1所述的vcsel，其中电流约束层包括氧化的或注入的半导体层。

12.如权利要求5所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷包括圆形楼梯台阶，该圆形楼梯台阶包括随着台阶绕中心轴线旋绕而高度增加或减小的一系列台阶。

13.如权利要求5所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷是不规则形状的并且包括不同高度的多个区域。

14.如权利要求2所述的vcsel，还包括在电流约束层和光约束层之间的中间层。

15.如权利要求14所述的vcsel，其中半导体层的堆叠还包括：

16.如权利要求14所述的vcsel，其中电流约束层的对电流流动具有高电阻的区域包围电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域。

17.如权利要求15所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷定位成与电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域对齐。

18.如权利要求17所述的vcsel，其中电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域是圆形的。

19.如权利要求18所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷与圆形的电流约束层同轴。

20.如权利要求17所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷为球形的或圆形的或环形的。

21.如权利要求17所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷包括位于球形或圆形突起或凹陷的顶部或之中的环形突起或凹陷。

22.如权利要求17所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷包括一对突起或凹陷。

23.如权利要求17所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷包括圆形楼梯台阶，该圆形楼梯台阶包括随着台阶绕中心轴线旋绕而高度增加或减小的一系列台阶。

24.如权利要求17所述的vcsel，其中光约束层的突起或凹陷是不规则形状的并且包括不同高度的多个区域。

25.如权利要求16所述的vcsel，其中：

26.如权利要求12所述的vcsel，其中电流约束层的对电流流动具有高电阻的区域包括氧化的或注入的半导体层。

27.如权利要求14所述的vcsel，其中电流约束层的对电流流动具有高电阻的区域包括氧化的或注入的半导体层。

技术总结本公开涉及具有电流和光约束的独立定义的垂直腔表面发射激光器。垂直腔表面发射激光器具有主体，该主体包括一个在另一个之上的半导体层的垂直堆叠，该半导体层的堆叠包括电流约束层，该电流约束层具有由对电流流动具有高电阻的区域定义的对电流流动具有低电阻的区域，由此，半导体层的堆叠中的垂直电流流动被电流约束层的对电流流动具有高电阻的区域指引通过电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域。分开的光约束层部署在电流约束层的下方或上方。光约束层包括部署在电流约束层的对电流流动具有低电阻的区域的下方或上方的一个或多个突起或凹陷。技术研发人员：S·蒂雷利,E·杜塔,A·皮塞斯,E·泽比克,W·凯泽尔受保护的技术使用者：II-VI特拉华股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17