МАТРИЦА VCSEL С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01S5/42 H01S5/183 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к матрице, содержащей несколько поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (vertical cavity surface emitting lasers, VCSEL), расположенных рядом друг с другом на общей подложке, причем каждый VCSEL образован, по меньшей мере, из верхнего зеркала, активной области, слоя для инжекции тока и нелегированного нижнего полупроводникового зеркала, причем упомянутый слой для инжекции тока расположен между упомянутой активной областью и упомянутым нижним полупроводниковым зеркалом. Такую матрицу VCSEL можно использовать в применениях, для которых требуются полупроводниковые источники света с высокой плотностью мощности, например в применениях, связанных с освещением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для высокоэффективных VCSEL требуются полупроводниковые зеркала с высокой отражающей способностью, обычно реализуемые в виде распределенных брэгговских отражателей (distributed Bragg reflectors, DBR). Легированные DBR демонстрируют более высокое поглощение генерируемого лазерного излучения, чем нелегированные DBR. Поэтому для высокоэффективных конструкций VCSEL использование нелегированных DBR является предпочтительным.

В работе R.C. Strijbos и др. «Сжатие тока в ограниченных оксидными пленками VCSEL с внутрирезонаторными контактами», Материалы Симпозиума IEEE/LEOS, Раздел Бенилюкса, 2000 г., Делфт, Нидерланды, стр. 223-226 (R.C. Strijbos et al., «Current crowding in oxide-confined intracavity-contacted VCSELs», Proceedings Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter, 2000, Delft, Netherlands, pages 223 to 226), раскрыт такой VCSEL с верхним излучением, имеющий нелегированные DBR. На обеих сторонах активной области образованы контактные слои, на которые нанесена металлизация, для приведения в электрический контакт контактных слоев, начиная с верхней стороны.

Конструкции матрицы VCSEL большой мощности, состоящие из нескольких одиночных источников света на основе VCSEL, нуждаются в обеспечении однородной инжекции носителей заряда. Это означает, что все одиночные VCSEL в матрице VCSEL, как правило, должны получать одинаковый рабочий ток и что необходимо избегать падения напряжения на электропроводах матрицы. В случае современной матрицы VCSEL с верхним излучением для однородной n-инжекции тока используют высокопроводящую подложку, а для однородной инжекции p-носителей используют толстый, как правило, электроосажденный слой золота. Для этого требуется наличие электропроводного (легированного) нижнего DBR, который, с другой стороны, обладает повышенным поглощением для лазерного излучения и, таким образом, снижает кпд VCSEL.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение матрицы VCSEL с верхним излучением, которая содержит VCSEL с нелегированными полупроводниковыми зеркалами между активной областью и подложкой, которые, тем не менее, позволяют осуществлять однородную инжекцию носителей.

Эта задача достигается с помощью матрицы VCSEL по п.1 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты воплощения этой матрицы VCSEL представляют собой объект зависимых пунктов формулы изобретения или описаны в последующих частях описания и в вариантах воплощения.

Предложенная матрица VCSEL содержит несколько VCSEL, расположенных рядом друг с другом на общей подложке. Каждый VCSEL образован, по меньшей мере, из верхнего зеркала, активной области, слоя для инжекции тока и нелегированного нижнего полупроводникового зеркала, в частности DBR, причем упомянутый слой для инжекции тока установлен между активной областью и нижним полупроводниковым зеркалом. Верхнее зеркало может представлять собой, например, полупроводниковое зеркало, в частности DBR, или диэлектрическое зеркало. Термины верхний и нижний используются в общем виде для обозначения местоположения соответствующих слоев или зеркал относительно подложки. Таким образом, нижнее зеркало установлено ближе к подложке, чем верхнее зеркало. Термин VCSEL с верхним излучением означает, что генерируемое лазерное излучение испускается через верхнее зеркало, а не через нижнее зеркало и подложку. Таким образом, термины верхний и нижний не означают пространственной ориентации матрицы VCSEL.

В предложенной матрице VCSEL, по меньшей мере, верхний слой подложки является электропроводным. Канавки и/или отверстия образованы между нижними полупроводниковыми зеркалами VCSEL таким образом, чтобы они входили в верхний слой подложки. Металлизация (т.е. металлические контакты или слой металла) электрически соединяет верхний слой подложки со слоем для инжекции тока через упомянутые канавки и/или отверстия.

С помощью этой меры подложку еще можно использовать для инжекции носителей в активную область, хотя нелегированное полупроводниковое зеркало установлено между подложкой и активной областью. Предложенная матрица VCSEL, таким образом, позволяет осуществлять однородную инжекцию тока и в то же время обладает высоким кпд и высокой плотностью мощности.

Является предпочтительным, чтобы металлизация, используемая для соединения между собой верхнего слоя подложки и слоя для инжекции тока и устанавливаемая между нижним полупроводниковым зеркалом и активной областью, была изготовлена из высокоэлектропроводного материала, такого как золото. Его применяют для металлизации на верхней стороне активной области. В настоящем изобретении использована оставшаяся область подложки или область кристалла между одиночными VCSEL для соединения верхнего проводящего слоя подложки с нижним слоем для инжекции тока. Требуемые отверстия или канавки между одиночными VCSEL могут быть созданы путем подходящего способа травления после изготовления одиночных VCSEL или, по меньшей мере, после изготовления нижних слоев этих VCSEL на подложке.

Является предпочтительным, чтобы подложка представляла собой полупроводниковую подложку, при этом чтобы верхний слой был легированным для достижения желаемой электропроводности, например n-легированным, с концентрацией легирующей примеси 2,5·10¹⁸ см^-3. Является предпочтительным, чтобы легирующая примесь верхнего слоя подложки простиралась непрерывно по всей области, на которой установлены VCSEL. Вместо верхнего слоя подложки, для достижения желаемой электропроводности, также может быть подходящим образом легирована вся подложка (см. выше).

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения обеспечены одиночные VCSEL с n-легированным слоем для инжекции носителей, расположенным между нижним полупроводниковым зеркалом и активной областью, и n-легированным верхним слоем подложки. Верхнее зеркало может представлять собой, например, диэлектрическое зеркало или p-легированный DBR, с которым можно установить контакт через p-контакты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие особенности изобретения станут ясными и будут освещены со ссылкой на варианты воплощения, описанные ниже. На чертежах:

Фиг.1 схематически показывает первую стадию при изготовлении матрицы VCSEL согласно изобретению;

Фиг.2 схематически показывает вторую стадию при изготовлении матрицы VCSEL согласно изобретению;

Фиг.3 схематически показывает третью стадию при изготовлении матрицы VCSEL согласно изобретению;

Фиг.4 схематически показывает четвертую стадию при изготовлении матрицы VCSEL согласно изобретению;

Фиг.5 схематически показывает конечную конфигурацию части матрицы VCSEL согласно изобретению;

Фиг.6 схематически показывает пятую стадию при изготовлении матрицы VCSEL согласно другому варианту воплощения с диэлектрическими верхними зеркалами; и

Фиг.7 схематически показывает конечную конфигурацию части матрицы VCSEL с диэлектрическими верхними зеркалами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

На фигурах показан пример для изготовления матрицы VCSEL согласно настоящему изобретению. На фигурах показана только часть матрицы с двумя одиночными VCSEL. Очевидно, что полная матрица будет тем больше, чем больше будет количество VCSEL, которые изготовлены с одинаковыми технологическими этапами за одно и то же время.

VCSEL, принадлежащие предложенной матрице, могут быть изготовлены известным образом путем эпитаксиального выращивания пакета слоев на несущей подложке или на кристаллической пластине. Фигура 1 показывает пример для такого пакета эпитаксиальных слоев, содержащего нелегированный DBR 2, n-легированный слой для инжекции тока 3, активный слой 4 и p-легированный DBR 5 на верхней стороне. Материалы для одиночных слоев, а также конфигурацию DBR и активного слоя можно выбирать, как уже известно из уровня техники.

Пакет эпитаксиальных слоев согласно фигуре 1 затем подвергают травлению жидким химическим травителем на областях кристаллической пластины, которые будут позднее служить в качестве электрических соединений. Канавки 6, сформированные этим жидким химическим травителем, обозначены на фигуре 2. Канавки могут полностью окружать каждый VCSEL, что, однако, не является необходимым. Для достижения плотного расположения VCSEL также можно, например, располагать VCSEL и канавки в шахматном порядке, таким образом, чтобы VCSEL занимали белые поля, а канавки - темные поля шахматной доски. После этого этапа травления, контактные кольца с p-проводимостью 7 формируются на верхней поверхности p-легированного DBR 5. Такую металлизацию, обычно изготавливаемую из материалов с высокой электропроводностью, например, из Ti/Pt/Au для создания p-контактов на GaAs, наносят с помощью известных технологий литографии и осаждения. Фигура 3 показывает результат после нанесения контактных колец с p-проводимостью 7.

Вытравливание мезаструктур и оксидирование в парах воды приводит к конфигурации согласно фигуре 4. Контактное кольцо с p-проводимостью 6 служит в качестве маски для травления для вытравливания мезаструктур, в ходе которого уже существующие канавки 6 дополнительно углубляются, с образованием канавок или отверстий 8 на подложке 1. Активная область 4 ограничена сбоку окисленными слоями 9, которые возникают во время процесса оксидирования в парах воды.

На фигуре 5 показана конечная конфигурация после образования металлического контакта с n-проводимостью, например, последовательности металлов Ge/Au/Ni/Au. При наличии такой металлизации (n-контактов 10) достигается электрическое соединение между подложкой 1 и отдельными слоями для инжекции тока 3 VCSEL. Носители инжектируются с различных сторон VCSEL (инжекция носителей 11). Подложку 1 при такой конфигурации еще можно использовать для однородной инжекции носителей на n-стороне, хотя нижний DBR 2 не является электропроводным. Электрическое соединение достигается за счет удаления не проводящих частей DBR между одиночными VCSEL и нанесения слоя металлизации для соединения n-электродов VCSEL с подложкой. Поскольку подложка 1 служит в качестве хорошего слоя для растекания тока, а нелегированный DBR 2 обладает низкими оптическими потерями, матрица VCSEL с такой конфигурацией обладает высоким кпд и высокой плотностью мощности.

В случае изготовления матрицы VCSEL с диэлектрическими верхними зеркалами вместо DBR, пакет эпитаксиальных слоев согласно фигуре 1 может содержать слой p-легированной полупроводниковой прокладки 14 вместо p-легированного DBR 5 на верхней стороне. После травления жидким химическим травителем, как на фигуре 2, образования контактных колец с p-проводимостью 7 на слое прокладки 14, как на фигуре 3, травления мезаструктур и оксидирования в парах воды, как на фигуре 4, диэлектрическое верхнее зеркало 15 осаждается, как показано на фигуре 6. Фигура 7 затем показывает конечную конфигурацию после образования металлического контакта с n-проводимостью, аналогично конфигурации согласно фигуре 5.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать в качестве иллюстративных или примерных, а не ограничивающих; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами воплощения. Другие варианты для раскрытых вариантов воплощения могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при реализации заявленного изобретения, исходя из исследования чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В частности, VCSEL, принадлежащие предложенной матрице, могут включать дополнительные слои, например также p-легированный слой для инжекции тока между, расположенный между верхним DBR и активной областью. Также, p-контакты могут быть расположены различным образом. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает наличия других элементов или этапов, а неопределенный артикль «а» или «an» не исключает множественности. Сам факт, что определенные меры приведены в различных взаимозависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что нельзя успешно использовать сочетание этих мер. Ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем формулы изобретения.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 n-легированная подложка

2 нелегированный DBR

3 n-легированный слой для инжекции тока

4 активная область/слой

5 p-легированный DBR

6 канавки

7 контактное кольцо с p-проводимостью

8 канавки

9 окисленный слой

10 n-контактная металлизация

11 инжекция носителей

12 высокое оптическое отражение

13 высокая боковая проводимость

14 p-легированный слой полупроводниковой прокладки

15 диэлектрическое верхнее зеркало

Изобретение относится к лазерной технике. Матрица VCSEL содержит несколько VCSEL, расположенных рядом друг с другом на общей подложке (1). Каждый VCSEL образован, по меньшей мере, из верхнего зеркала (5, 14), активной области (4), слоя для инжекции тока (3) и нелегированного нижнего полупроводникового зеркала (2). Слой для инжекции тока (3) установлен между активной областью (4) и нижним полупроводниковым зеркалом (2). По меньшей мере, верхний слой подложки (1) является электропроводным. Канавки (8) и/или отверстия образованы между нижними полупроводниковыми зеркалами (2) упомянутых VCSELs таким образом, чтобы они входили в упомянутый верхний слой упомянутой подложки (1). Металлизация (9) электрически соединяет верхний слой подложки (1) со слоем для инжекции тока (3) посредством упомянутых канавок (8) и/или отверстий. Технический результат заключается в обеспечении возможности осуществления однородной инжекции тока с высоким кпд и высокой плотностью мощности излучения. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Матрица VCSEL, содержащая несколько VCSEL, расположенных рядом друг с другом на общей подложке (1), причем каждый VCSEL образован, по меньшей мере, из верхнего зеркала (5, 14), активной области (4), слоя для инжекции тока (3) и нелегированного нижнего полупроводникового зеркала (2), причем упомянутый слой для инжекции тока (3) установлен между упомянутой активной областью (4) и упомянутым нижним полупроводниковым зеркалом (2), причем:
- по меньшей мере, верхний слой упомянутой подложки (1) является электропроводящим,
- между упомянутыми нижними полупроводниковыми зеркалами (2) упомянутых VCSEL образованы канавки (8) и/или отверстия в упомянутом верхнем слое упомянутой подложки (1), и
- металлизация (9) электрически соединяет упомянутый верхний слой упомянутой подложки (1) с упомянутым слоем (3) для инжекции тока посредством упомянутых канавок (8) и/или отверстий.

2. Матрица VCSEL по п. 1,
в которой подложка (1) представляет собой легированную электропроводную полупроводниковую подложку.

3. Матрица VCSEL по п. 1,
в которой подложка (1) представляет собой полупроводниковую подложку, упомянутый верхний слой которой является легированным.

4. Матрица VCSEL по п. 1,
в которой верхнее зеркало (5, 14) представляет собой легированный или нелегированный распределенный брэгговский отражатель.

5. Матрица VCSEL по п. 1,
в которой верхнее зеркало (5, 14) представляет собой диэлектрическое зеркало.

6. Матрица VCSEL по п. 1,
в которой нижнее полупроводниковое зеркало (2) представляет собой нелегированный распределенный брэгговский отражатель.

7. Матрица VCSEL по п. 1,
в которой верхнее зеркало (5, 14) представляет собой p-легированный распределенный брэгговский отражатель или диэлектрическое зеркало, подложка (1) представляет собой n-легированную полупроводниковую подложку или полупроводниковую подложку с n-легированным верхним слоем, слой для инжекции тока (3) является n-легированным, а нижнее полупроводниковое зеркало (2) представляет собой нелегированный распределенный брэгговский отражатель.