ЛАЗЕР ПОВЕРХНОСТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2018 года по МПК H01S5/183 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к лазеру поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), лазерному устройству, содержащему такой VCSEL, и соответствующему способу изготовления такого VCSEL.

Уровень техники изобретения

Современные лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) имеют окисленный слой с высоким содержанием Al для формирования токовой апертуры с целью ограничения (локализации) носителей и фотонов. Чтобы подвергнуть апертурный слой процессу окисления в горизонтальном направлении, необходимо травление мезоструктур, что имеет побочный эффект в том, что другие слои, такие как слои с распределенным брэгговским отражателем (DBR), также подвергаются процессу окисления. Важно, что скорость паразитного окисления слоев DBR ниже, чем для апертурного слоя, что ограничивает фракцию с высоким содержанием Al в слоях DBR до ~90% для практического использования.

US 2010/0226402 A1 раскрывает лазерный диод, включающий в себя слоистую конфигурацию, включающую нижнее многослойное отражающее зеркало, активный слой и верхнее многослойное отражающее зеркало в порядке от стороны подложки, при этом слоистая конфигурация включает в себя столбчатую секцию мезоструктур, включающую верхнюю часть нижнего многослойного отражающего зеркала, активный слой и верхнее многослойное отражающее зеркало, а нижнее многослойное отражающее зеркало включает в себя множество пар, состоящих из слоя с низким коэффициентом преломления и слоя с высоким коэффициентом преломления, и множество слоев окисления, неравномерно распределенных в направлении, идущем вокруг центральной оси секции мезоструктур в области, за исключением центральной области одного или более слоев с низким коэффициентом преломления.

ЕР 0905835 А1 раскрывает независимо адресуемую, высокоплотную структуру лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором/светодиода, сформированную процессом окисления в горизонтальном направлении. Апертура лазерной структуры формируется либо путем мокрого окисления в горизонтальном направлении, либо путем как перемешивания выборочных слоев, так и мокрого окисления в горизонтальном направлении из полукольцевой канавки, вытравленной в лазерной структуре.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного VCSEL.

В соответствии с первым аспектом, обеспечивается лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором. Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержит первый электрический контакт, подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, активный слой, второй распределенный брэгговский отражатель и второй электрический контакт. Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержит по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 и толщиной по меньшей мере 40 нм, при этом слой Al_yGa_(1-y)As разделен посредством по меньшей мере одного слоя контроля окисления.

Термин «слой» не исключает того, что этот слой содержит два или более подслоев. VCSEL может содержать слой токовой апертуры для ограничения тока возбуждения, подаваемого посредством первого и второго электрических контактов в ограниченную область активного слоя. VCSEL может содержать один, два, три, четыре или множество слоев Al_yGa_(1-y)As. Слой или слои Al_yGa_(1-y)As могут содержаться в DBR или, например, слое токовой апертуры. Толщина слоя Al_yGa_(1-y)As может составлять по меньшей мере 40 нм, предпочтительно по меньшей мере 50 нм, более предпочтительно по меньшей мере 60 нм. Толщина слоя Al_yGa_(1-y)As может находится наиболее предпочтительно в диапазоне четверти длин волны излучения VCSEL при возбуждении заданным электрическим током. Содержание алюминия в слое Al_yGa_(1-y)As может составлять более 95%, предпочтительно более 98%, более предпочтительно более 99% и наиболее предпочтительно 100%. Слой Al_yGa_(1-y)As может быть разделен посредством одного, двух, трех или более слоев контроля окисления. Количество слоев контроля окисления в слое Al_yGa_(1-y)As может быть ограничено четырьмя или пятью слоями контроля окисления, особенно если толщина слоя Al_yGa_(1-y)As находится в диапазоне от 40 нм до четверти длины волны излучения VCSEL. Слой или слои контроля окисления выполнены с возможностью снижения скорости окисления слоя Al_yGa_(1-y)As по сравнению со слоем Al_yGa_(1-y)As с таким же содержанием алюминия без слоя или слоев контроля окисления.

Первый или второй распределенный брэгговский отражатель может предпочтительно содержать по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As. Слой или слои Al_yGa_(1-y)As в этом случае вносят вклад в коэффициент отражения DBR.

Материал слоя контроля окисления может предпочтительно содержать или состоять из Al_xGa_(1-x)As с 0≤x≤0,9. Диапазон содержания алюминия может предпочтительно составлять от 0,2 до 0,7, более предпочтительно от 0,4 до 0,6. Слои контроля окисления из чистого арсенида галлия могут иметь недостаток, состоящий в увеличении поглощения сверху длины волны излучения около 800 нм при использовании относительно толстых слоев контроля окисления. Этот эффект пренебрежимо мал в случае тонких слоев контроля окисления (толщиной около 1 нм).

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержит предпочтительно по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с содержанием алюминия y>0,99. Упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As предпочтительно разделен посредством по меньшей мере двух слоев контроля окисления, более предпочтительно посредством точно от 2 до 5 слоев контроля окисления. Материал слоя контроля окисления предпочтительно содержит Al_xGa_(1-x)As с 0,4≤x≤0,6, более предпочтительно с содержанием алюминия около 50%. Каждый слой с низким коэффициентом преломления по меньшей мере первого (нижнего) DBR предпочтительно содержит или состоит из слоя Al_yGa_(1-y)As с содержанием алюминия y>0,99 и содержит по меньшей мере один слой контроля окисления. Дополнительным преимуществом может являться то, что второй DBR и один или более слоев токовой апертуры содержат или состоят из слоя Al_yGa_(1-y)As с содержанием алюминия y>0,99 и содержат по меньшей мере один слой контроля окисления. Слой токовой апертуры может иметь толщину в половину длины волны излучения или в ее целочисленное кратное.

Упомянутый по меньшей мере один слой контроля окисления имеет толщину от 0,7 до 3 нм, предпочтительно от 0,8 до 2 нм, более предпочтительно от 0,9 до 1,5 нм. Толщина упомянутого по меньшей мере одного слоя (119, 125b) контроля окисления может составлять от 3% до 10% от общей толщины слоя Al_yGa_(1-y)As. Общая толщина слоя Al_yGa_(1-y)As определяется полной толщиной всех подслоев слоя Al_yGa_(1-y)As, которые разделены слоем или слоями контроля окисления, и толщиной слоя или слоев контроля окисления.

Слой токовой апертуры может содержать упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As. Слой токовой апертуры может иметь толщину в половину длины волны излучения VCSEL или в ее целочисленное кратное. Слой токовой апертуры в этом случае не будет иметь влияния относительно коэффициента отражения соседнего DBR. Предпочтительно слой токовой апертуры может иметь толщину в четверть длины волны излучения VCSEL или в ее нечетное кратное, так что слой токовой апертуры может вносить вклад в коэффициент отражения соседнего DBR или даже может быть частью DBR.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержит первый электрический контакт, подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, активный слой, второй распределенный брэгговский отражатель и второй электрический контакт. Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором может содержать по меньшей мере два слоя токовой апертуры, при этом слои токовой апертуры расположены снизу или сверху активного слоя. Оба из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры могут быть предпочтительно расположены снизу или поверх активного слоя. В качестве альтернативы возможно, что один из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры может быть расположен снизу активного слоя, а другой из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры может быть предпочтительно расположен сверху активного слоя. Первый слой токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры может быть расположен ближе к активному слою по сравнению со вторым слоем токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры. Ближе означает в этой связи на более близком расстоянии между слоями перпендикулярно этим слоям. Может быть предпочтительно, чтобы первый слой токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры мог быть расположен между активным слоем и вторым слоем токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры. Первый слой токовой апертуры может содержать первую токовую апертуру большего размера по сравнению со второй токовой апертурой второго слоя токовой апертуры. Размер токовой апертуры определяется неокисленными частями слоев токовой апертуры. Токовая апертура может иметь круглую форму, так что размер токовой апертуры может ограничиваться посредством диаметра. Форма токовой апертуры может в качестве альтернативы быть эллиптической, прямоугольной, треугольной и т.п. Форма токовой апертуры в основном определяется формой мезоструктур VCSEL и процессом окисления. Токовые апертуры содержат общую ось симметрии, так что в случае круглых токовых апертур центры кругов расположены вдоль этой общей оси симметрии. Каждый из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры может предпочтительно содержать слой Al_yGa_(1-y)As с одним или более слоями контроля окисления. Толщина слоев Al_yGa_(1-y)As может быть меньше 40 нм, например, 30 нм или даже 20 нм. Слои Al_yGa_(1-y)As могут упростить изготовление или обработку токовых апертур с разными размерами, благодаря чему размер апертур может быть изготовлен точно. В качестве альтернативы окисление слоев AlGaAs может контролироваться путем обеспечения ограниченных вариаций содержания алюминия в слоях AlGaAs (слои с градуированным содержанием алюминия) или различных концентраций Al в слоях AlGaAs. Упомянутые по меньшей мере два слоя токовой апертуры могут в этом случае также содержать слои AlGaAs со средней концентрацией алюминия или с концентрацией алюминия менее 95%. Концентрация алюминия в слоях AlGaAs должна контролироваться очень точно, чтобы обеспечить достаточный контроль ширины окисления разных слоев токовой апертуры, так что слои Al_yGa_(1-y)As со слоями контроля окисления могут быть предпочтительными. Первый и второй слои токовой апертуры расположены таким образом, что во время работы VCSEL высокие плотности тока на краю первой токовой апертуры предотвращаются или по меньшей мере ограничиваются, благодаря чему обеспечивается высокая надежность и большой срок службы VCSEL. Первый и второй слои токовой апертуры могут быть предпочтительно расположены в слоистой структуре первого или второго DBR.

Первый слой токовой апертуры с первой токовой апертурой может быть предпочтительно прикреплен к верхней стороне или нижней стороне активного слоя или, другими словами, вблизи активного слоя, так что предотвращается горизонтальное распространение носителей заряда. Второй слой токовой апертуры со второй токовой апертурой располагается таким образом, чтобы плотности тока на краю первой токовой апертуры составляли менее 100 кА/см² во время работы VCSEL. Ограничение тока на краю первой токовой апертуры (пика тока) увеличивает надежность и срок службы VCSEL и, кроме того, может предотвращать поддержку мод лазера более высокого порядка, которые могут быть нежелательными, особенно для одномодовых VCSEL.

Вторая токовая апертура или в более общем случае токовая апертура с наименьшим размером может быть предпочтительно расположена на расстоянии, соответствующем целому кратному половины длины волны излучения VCSEL, более предпочтительно на расстоянии, соответствующем четному кратному половины длины волны излучения VCSEL, и наиболее предпочтительно на расстоянии в шесть половин длины волны излучения VCSEL до активного слоя. Расстояние между активным слоем, который является слоем с высоким коэффициентом преломления по сравнению со слоями с низким коэффициентом преломления в DBR, и второй токовой апертурой берется от узла картины стоячей волны в активном слое (содержащем поддерживающие слои) со стороны активного слоя рядом со слоем со второй токовой апертурой до узла картины стоячей волны во втором слое токовой апертуры, содержащем вторую токовую апертуру. Профиль окисления токовой апертуры с наименьшим размером может быть выполнен в виде конуса, чтобы избежать оптического волновода.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором может быть предпочтительно изготовлен в соответствии со следующим способом. Способ содержит этапы:

- обеспечение первого электрического контакта,

- обеспечение подложки,

- обеспечение первого распределенного брэгговского отражателя,

- обеспечение активного слоя,

- обеспечение второго распределенного брэгговского отражателя,

- обеспечение второго электрического контакта,

- обеспечение по меньшей мере двух слоев токовой апертуры, при этом упомянутые по меньшей мере два слоя токовой апертуры расположены снизу или сверху активного слоя,

- размещение первого слоя токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры ближе к активному слою по сравнению со вторым слоем токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев токовой апертуры,

- обеспечение первой токовой апертуры в первом слое токовой апертуры,

- обеспечение второй токовой апертуры во втором слое токовой апертуры с меньшим размером по сравнению с первой токовой апертурой.

Этапы способа необязательно должны выполняться в порядке, приведенном выше. Подложка, например, может быть обеспечена на первом этапе, а первый электрический контакт - на втором этапе. Обеспечение первой и второй токовых апертур может содержать этапы обеспечения первого и второго слоев токовой апертуры и окисления этих слоев на последующем этапе. Первый и второй слои токовой апертуры могут быть обеспечены путем поочередного нанесения подслоев и слоев контроля окисления, как описано выше и ниже. Число слоев контроля окисления и расстояние между слоями контроля окисления можно использовать для контроля ширины окисления и, следовательно, размера токовых апертур. Первый и второй слои токовой апертуры в качестве альтернативы могут быть обеспечены путем нанесения слоев с плавным изменением содержания алюминия или с разной концентрацией алюминия в слоях, как описано выше. Изменение их содержания алюминия или содержания алюминия может быть адаптировано в слоях под управляющую ширину окисления слоев токовой апертуры. Процесс окисления в качестве альтернативы может быть выполнен посредством слоев токовой апертуры с одинаковым содержанием алюминия. Ширина окисления разных токовых апертур может контролироваться путем последующего вытравливания окислительного отверстия к соответствующему слою контроля окисления. Также возможно комбинировать последовательное вытравливание токовых апертур с разным содержанием алюминия и/или слоев контроля окисления. Разница между размером первой токовой апертуры и второй токовой апертуры предпочтительно составляет, как ссылка, от 1 до 6 мкм в диаметре в случае круглой апертуры.

Все предпочтительные варианты осуществления, описанные выше и в дальнейшем, могут также содержаться в VCSEL, содержащем упомянутые по меньшей мере первый и второй слои токовой апертуры, в которых первая токовая апертура имеет больший размер.

VCSEL может содержать три, четыре, пять или более слоев токовой апертуры с токовыми апертурами. Размер токовой апертуры по меньшей мере одного из слоев токовой апертуры, расположенных на стороне первого слоя токовой апертуры рядом с активным слоем, меньше размера первой токовой апертуры. Размер двух или более токовых апертур может быть одинаковым. В качестве альтернативы размер всех токовых апертур может быть разным, при этом размер токовых апертур уменьшается в направлении, перпендикулярном активному слою, причем первая токовая апертура имеет наибольший размер. Слои токовой апертуры могут быть расположены равноудаленно, так что расстояние между двумя соседними слоями токовой апертуры перпендикулярно направлению активного слоя одинаково для всех слоев токовой апертуры. В качестве альтернативы возможно, что расстояние между слоями токовой апертуры варьируется. Первый или второй DBR может, например, содержать первый слой с низким коэффициентом преломления, содержащий первый слой токовой апертуры с первой токовой апертурой. Четвертый слой с низким коэффициентом преломления может содержать второй слой токовой апертуры со второй токовой апертурой, а пятый слой с низким коэффициентом преломления может содержать третий слой токовой апертуры с третьей токовой апертурой. Размер второй токовой апертуры может быть меньше, чем размер третьей токовой апертуры.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором может содержать по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As или один, два, три или более слоев Al_yGa_(1-y)As, которые содержат конический профиль окисления. Упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с коническим профилем окисления может содержать предпочтительно по меньшей мере два слоя контроля окисления. Эти по меньшей мере два слоя контроля окисления разделяют упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As на по меньшей мере три подслоя, и при этом по меньшей мере один из трех подслоев имеет отличающуюся толщину относительно других подслоев. Подслой с отличающейся толщиной предпочтительно толще по сравнению с другими подслоями. Более толстый подслой окисляется быстрее, чем соседний подслой, так что конический профиль окисления создается в процессе окисления. Конический профиль окисления содержит сужение, означающее наименьший диаметр в слое Al_yGa_(1-y)As, который не окисляется во время процесса окисления. Сужение конического профиля окисления предпочтительно расположено в области узла картины стоячей волны лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором при возбуждении с заданным электрическим током возбуждения. В области узла означает, что сужение расположено намного ближе к узлу, чем максимум картины стоячей волны. Расстояние между узлом и сужением предпочтительно составляет менее 35 нм, более предпочтительно менее 25 нм. Расположение сужения (в виде "талии") конического профиля окисления в области узла картины стоячей волны может иметь то преимущество, что сильное смещение картины стоячей волны внутри толстого слоя Al_yGa_(1-y)As предотвращается или по меньшей мере уменьшается. Такое смещение обычно предотвращают или ограничивают, используя тонкие слои токовой апертуры толщиной около 30 нм или менее.

Первый или второй распределенный брэгговский отражатель может содержать множество слоев Al_yGa_(1-y)As, при этом слои Al_yGa_(1-y)As разделены посредством по меньшей мере одного слоя контроля окисления. Слои Al_yGa_(1-y)As могут содержать максимум 3 слоя контроля окисления. Слои Al_yGa_(1-y)As могут быть расположены для уменьшением теплового сопротивления лазера (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором до охлаждающей структуры при установке на охлаждающую структуру. DBR, содержащий слои Al_yGa_(1-y)As, может быть верхним или нижним DBR в зависимости от компоновки VCSEL и охлаждающей структуры. Наиболее распространенная компоновка будет отвечать нижнему DBR в случае VCSEL, излучающего вверх. Высокое содержание алюминия в слоях Al_yGa_(1-y)As приводит к высокой удельной теплопроводности. Содержание алюминия может, таким образом, предпочтительно быть как можно более высоким, например, сто процентов. Слои Al_yGa_(1-y)As в этом случае являются слоями AlAs.

Высокое содержание алюминия в слоях Al_yGa_(1-y)As дополнительно может быть использовано для уменьшения паразитной емкости VCSEL. Первый или второй распределенный брэгговский отражатель может, таким образом, содержать множество слоев Al_yGa_(1-y)As. Слои Al_yGa_(1-y)As разделены посредством по меньшей мере одного слоя контроля окисления и предпочтительно максимум 3-мя слоями контроля окисления. DBR, содержащий слои Al_yGa_(1-y)As, может быть верхним или нижним DBR в зависимости от компоновки VCSEL. Наиболее распространенная компоновка будет отвечать верхнему DBR в случае VCSEL, излучающего вверх.

Первый и второй распределенные брэгговские отражатели содержат множество слоев с высоким коэффициентом преломления и множество слоев с низким коэффициентом преломления, при этом слои с низким коэффициентом преломления содержат упомянутые слои Al_yGa_(1-y)As или являются упомянутыми слоями Al_yGa_(1-y)As. Слои Al_yGa_(1-y)As разделены посредством по меньшей мере одного слоя контроля окисления и предпочтительно максимум 3-мя слоями контроля окисления.

В соответствии со вторым аспектом обеспечивается лазерное устройство. Лазерное устройство содержит по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором в соответствии с любыми вышеописанными вариантами осуществления и электрическую цепь возбуждения для электрического возбуждения лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором. Лазерное устройство необязательно может дополнительно содержать источник электропитания, подобную, например, батарее или аккумуляторной батарее. Лазерное устройство может быть соединено с оптическим сенсорным устройством, оптическим устройством передачи данных и т.п.

В соответствии с третьим аспектом обеспечивается способ изготовления лазера поверхностного излучения с вертикальным резонатором. Способ содержит этапы:

- обеспечение первого электрического контакта,

- обеспечение подложки,

- обеспечение первого распределенного брэгговского отражателя,

- обеспечение активного слоя,

- обеспечение второго распределенного брэгговского отражателя,

- обеспечение второго электрического контакта,

- обеспечение по меньшей мере одного слоя Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 и толщиной по меньшей мере 40 нм, причем слой Al_yGa_(1-y)As разделен посредством по меньшей мере одного слоя контроля окисления.

Этапы способа необязательно должны выполняться в вышеприведенном порядке. Подложка, например, может быть обеспечена на первом этапе, а первый электрический контакт - на втором этапе. По меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As может быть обеспечен на этапе обеспечения первого и/или второго DBR. Способ может необязательно содержать дополнительный этап обеспечения слоя токовой апертуры, который может представлять собой упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As.

В соответствии с четвертым аспектом, обеспечивается способ изготовления лазерного устройства. Способ содержит этапы:

- обеспечение VCSEL, как описано выше,

- обеспечение электрической цепи возбуждения и необязательно

- обеспечение источника электропитания.

Следует понимать, что VCSEL по пп.1-13 и способ по п.15 имеют похожие и/или идентичные варианты осуществления, в частности, которые определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Следует понимать, что предпочтительный вариант осуществления изобретения может быть любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения. Признаки пп.5 и 6 могут быть объединены, например, с признаками любого из пп.2-4. Признаки пп.7-8, 11, 12 и 13 могут быть объединены, например, с признаками любого из предшествующих пунктов. Признаки п.9 могут быть объединены, например, с признаками п.8.

Дополнительные преимущественные варианты осуществления охарактеризованы ниже.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные здесь далее.

Теперь изобретение будет описано в качестве примера на основе вариантов осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На чертежах:

фиг.1 показывает принципиальный эскиз первого VCSEL

фиг.2 показывает принципиальный эскиз слоя токовой апертуры

фиг.3 показывает принципиальный эскиз второго VCSEL

фиг.4 показывает принципиальный эскиз первого DBR второго VCSEL

фиг.5 показывает принципиальный эскиз слоя с низким коэффициентом преломления первого DBR

фиг.6 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры третьего VCSEL

фиг.7 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры четвертого VCSEL

фиг.8 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры пятого VCSEL

фиг.9 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры шестого VCSEL

фиг.10 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры седьмого VCSEL

фиг.11 показывает принципиальный эскиз восьмого VCSEL

фиг.12 показывает принципиальный эскиз профиля окисления

фиг.13 показывает принципиальный эскиз картины стоячей волны

фиг.14 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры девятого VCSEL

фиг.15 показывает принципиальный эскиз лазерного устройства

фиг.16 показывает принципиальный эскиз технологического процесса способа изготовления VCSEL

На фигурах подобные числа относятся к подобным объектам по всему описанию. Объекты на фигурах не обязательно нарисованы в масштабе.

Подробное описание вариантов осуществления

Различные варианты осуществления изобретения теперь будут описаны посредством фигур.

Фиг.1 показывает принципиальный эскиз первого VCSEL 100. Первый VCSEL 100 представляет собой излучающий вверх VCSEL 100, т.е. излучающий лазерный свет в направлении от подложки 110. На нижней стороне подложки 110 обеспечен первый электрический контакт 105. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115, содержащий 30 пар слоев с первым и вторым коэффициентами преломления. Пары слоев первого DBR 115 содержат слои AlGaAs с высоким и низким содержанием алюминия. Содержание алюминия может в крайних случаях и в зависимости от длины волны излучения VCSEL 100 составлять 0% для материала с высоким коэффициентом преломления и до 100% для материала с низким коэффициентом преломления. Толщина слоев адаптирована под длину волны излучения VCSEL 100 (толщина в четверть длины волны) для обеспечения требуемого коэффициента отражения более 99,9%. На верху первого DBR 115 обеспечен активный слой 120. Активный слой 120 содержит структуру квантовой ямы для генерации света. Между первым DBR 115 и активным слоем 120 может быть расположен инъекционный слой n-тока (не показан). VCSEL 100 дополнительно содержит слой 125 токовой апертуры, содержащий или состоящий из слоя Al_0,98Ga_0,02As толщиной около 70 нм, которая находится в диапазоне четверти длины волны излучения VCSEL 100, составляющей 850 нм. Слой Al_0,98Ga_0,02As содержит пять слоев 125b контроля окисления, содержащих или состоящих из слоя Al_0,2Ga_0,8As толщиной 1 нм. Второй DBR 130 содержит 15 пар слоев, которые содержат слои AlGaAs с высоким и низким содержанием алюминия, похожие на или даже идентичные слоям AlGaAs первого DBR. Толщина пары слоев адаптирована под длину волны излучения VCSEL 100 для обеспечения требуемого коэффициента отражения около 95%. Второй электрический контакт 135 кольцевой формы электрически контактирует с электропроводящим вторым DBR 130. VCSEL 100 излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130. Слой 125 токовой апертуры расположен поверх активного слоя 120.

Фиг.2 показывает принципиальный эскиз слоя 125 токовой апертуры с двумя подслоями 125a Al_0,98Ga_0,02As, которые разделены слоем 125b контроля окисления. Толщина подслоев 125а Al_0,98Ga_0,02As является разной для обеспечения профиля окисления в слое 125 токовой апертуры. Слой 125b контроля окисления обеспечивает улучшенный контроль окисления слоя 125 токовой апертуры в процессе изготовления VCSEL 100.

Фиг.3 показывает принципиальный эскиз второго VCSEL 100. Второй VCSEL 100 представляет собой излучающий вверх VCSEL 100, т.е. излучающий лазерный свет в направлении от подложки 110. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115. Активный слой 120 обеспечен на верху первого DBR 115. Слой 125 токовой апертуры с токовой апертурой 122 обеспечен на верху активного слоя 120. Второй DBR 130 обеспечен на верху слоя 125 токовой апертуры. Слой 125 токовой апертуры содержит или состоит из AlAs. Толщина слоя 125 токовой апертуры, который содержит два слоя 125b контроля окисления, составляет 40 нм. Второй электрический контакт 135 электрически контактирует с электропроводящим вторым DBR 130. VCSEL 100 излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130. VCSEL 100 может содержать дополнительные слои в виде, например, буферных слоев, которые не показаны. VCSEL 100 устанавливается с подложкой 110 на охлаждающей структуре 150. Первый электрический контакт 105 выполнен в виде внутрирезонаторного контакта на проводящем слое, расположенным в пределах первого DBR 115.

Фиг.4 показывает принципиальный эскиз первого DBR 115 второго VCSEL 100. Первый DBR 115 содержит чередующуюся последовательность из 40 слоев 116 с высоким коэффициентом преломления и слоев 117 с низким коэффициентом преломления. Слой 116 с высоким коэффициентом преломления содержит или состоит из Al_0,05Ga_0,95As, а слой 117 с низким коэффициентом преломления содержит или состоит из AlAs с двумя слоями 119 контроля окисления, содержащими или состоящими из Al_0,5Ga_0,5As толщиной 1 нм. Фиг.5 показывает принципиальный эскиз слоя 117 с низким коэффициентом преломления первого DBR 115. Слой 117 с низким коэффициентом преломления разделен посредством двух слоев 119 контроля окисления так, что три подслоя 118 AlAs имеют одинаковую толщину. Высокая удельная теплопроводность слоев AlAs уменьшает тепловое сопротивление между активным слоем 120 и охлаждающей структурой 150. Слои 119 контроля окисления обеспечивают улучшенный контроль окисления слоя 125 токовой апертуры в процессе изготовления VCSEL 100. Слои 119 контроля окисления предотвращают более быстрое окисление слоев 117 с низким коэффициентом преломления по сравнению с окислением слоя 125 токовой апертуры.

Фиг.6 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры третьего VCSEL 100. Слоистая структура показана вокруг активного слоя 120. Вертикальная ось 200 показывает содержание AlAs в слоях. Горизонтальная ось 210 показывает направление через VCSEL 100 вдоль направления излучения с первым DBR 115 слева и вторым DBR 130 справа. Показаны четыре слоя первого DBR 115. Первый слой 117 с низким коэффициентом преломления слева содержит или состоит из AlAs с тремя слоями 119 контроля окисления, содержащими или состоящими из Al_0,5Ga_0,5As. Второй слой 117 с низким коэффициентом преломления слева содержит или состоит из AlAs с двумя слоями 119 контроля окисления, содержащими или состоящими из Al_0,5Ga_0,5As. Слой 125 токовой апертуры, расположенный слева от активного слоя 120, содержит или состоит из AlAs без каких-либо слоев контроля окисления. Слой 125 токовой апертуры имеет толщину 30 нм. Показаны четыре слоя первого DBR 115. Второй слой 117 с низким коэффициентом преломления с правой стороны активного слоя 120 содержит или состоит из AlAs с одним слоем 119 контроля окисления, содержащим или состоящим из Al_0,5Ga_0,5As. Второй и третий слои 117 с низким коэффициентом преломления с правой стороны активного слоя 120 содержат или состоят из AlAs с двумя слоями 119 контроля окисления, содержащими или состоящими из Al_0,5Ga_0,5As. Слои 119 контроля окисления имеют толщину 1 нм, при этом общая толщина слоев 117 с низким коэффициентом преломления составляет около 70 нм.

Эксперименты показали, что слой AlAs толщиной 30 нм и без какого-либо расположенного в пакете слоя 119 контроля окисления, как показано на фиг.6, окисляется при 370°C в течение примерно 72 минут на 38 мкм. Слой AlAs толщиной 70 нм, который может быть использован в качестве слоя 117 с низким коэффициентом преломления в DBR VCSEL с длиной волны излучения 850 нм, окисляется на 45 мкм при тех же условиях, что и слой в 30 нм. Таким образом, невозможно использовать такой слой AlAs в 70 нм в качестве слоя 117 с низким коэффициентом преломления в DBR, поскольку окисление происходит быстрее по сравнению с окислением слоя 125 токовой апертуры в 30 нм. Для сравнения слой AlAs в 70 нм, содержащий один слой 119 контроля окисления толщиной 1 нм, содержащий или состоящий из Al_0,5Ga_0,5As, окисляется на 28,6 нм, а слой AlAs в 70 нм, содержащий два слоя 119 контроля окисления толщиной 1 нм, содержащих или состоящих из Al_0,5Ga_0,5As, окисляется только на 10 нм, окисленных в тех же условиях. Слои 119 контроля окисления разделяют слой AlAs в эксперименте на подслои AlAs 118 одинаковой толщины. Слои 119 контроля окисления позволяют использовать в качестве слоя 117 с низким коэффициентом преломления чистый AlAs. Слои 119 контроля окисления обеспечивают, в зависимости от числа и расположения слоев 119 контроля окисления, улучшенный контроль ширины окисления.

Фиг.7 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры четвертого VCSEL 100. Четвертый VCSEL 100 представляет собой излучающий вверх VCSEL 100, т.е. излучающий лазерный свет в направлении от подложки 110. На нижней стороне подложки 110 обеспечен первый электрический контакт 105. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115, содержащий 30 пар слоев с первым и вторым коэффициентами преломления. Пары слоев первого DBR 115 содержат слои AlGaAs с высоким и низким содержанием алюминия. Содержание алюминия может в крайних случаях и в зависимости от длины волны излучения VCSEL 100 составлять 0% для материала с высоким коэффициентом преломления и до 100% для материала с низким коэффициентом преломления. Толщина слоев адаптирована под длину волны излучения VCSEL 100 (толщина в четверть длины волны) для обеспечения требуемого коэффициента отражения более 99,9%. На верху первого DBR 115 обеспечен активный слой 120. Активный слой 120 содержит структуру квантовой ямы для генерации света. Между первым DBR 115 и активным слоем 120 может быть расположен инъекционный слой n-тока (не показан). VCSEL 100 дополнительно содержит первый слой 125a токовой апертуры, содержащий или состоящий из AlGaAs со средним составом из слоя Al_0,90Ga_0,1As толщиной около 30 нм. Может быть предпочтительно иметь более высокое содержание алюминия по меньшей мере в 95% для обеспечения высоких скоростей окисления и, следовательно, уменьшенных времен окисления. Первый слой 125a токовой апертуры содержит первую токовую апертуру 122a, которая расположена на верху активного слоя 120 и расположена на верхней поверхности активного слоя 120 для обеспечения хорошего ограничения (локализации) тока. Второй DBR 130 содержит 15 пар слоев, которые содержат слои AlGaAs с высоким и низким содержанием алюминия, подобные или даже идентичные слоям AlGaAs первого DBR. Толщина пары слоев адаптирована под длину волны излучения VCSEL 100 для обеспечения требуемого коэффициента отражения около 95%. Второй слой 125b токовой апертуры расположен в пределах пакета слоев первого DBR. Второй слой 125b токовой апертуры является одним из слоев 117 с низким коэффициентом преломления первого DBR и имеет толщину около 70 нм, что соответствует четверти длины волны излучения VCSEL 100, составляющей около 850 нм. Второй слой 125b токовой апертуры содержит вторую токовую апертуру 122b с меньшим диаметром по сравнению с первой токовой апертурой 122a первого слоя 125a токовой апертуры. Диаметры первой токовой апертуры 122а и второй токовой апертуры 122b и расстояние между первым слоем 125а токовой апертуры и вторым слоем 125b токовой апертуры, перпендикулярное слоям VCSEL 100, а также расстояние между первым слоем 125а токовой апертуры и активным слоем выбраны таким образом, что обеспечивается хорошее ограничение тока, но предотвращаются большие плотности тока, например, более 100 кА/см², на краю первой токовой апертуры 122а. Кроме того, расстояние между активным слоем 120 и второй токовой апертурой 122b с наименьшим размером апертуры больше по сравнению с обычным VCSEL 100, так что обеспечивается низкое оптическое смещение. Обычно низкое оптическое смещение предпочтительно, поскольку оно поддерживает узкую расходимость пучка, более высокую мощность одиночной моды, VCSEL с меньшей спектральной шириной, конструкции с высокой яркостью и т.д. Обеспечение слоев 125 токовой апертуры в первом или втором DBR может иметь то преимущество, что слои 125 токовой апертуры дают вклад в коэффициент отражения первого или второго DBR. Кроме того, изготовление таких слоев 125 токовой апертуры может быть упрощено, поскольку профиль алюминия соответствует требованиям конструкции DBR. Второй электрический контакт 135 кольцевой формы электрически контактирует с электропроводящим вторым DBR 130. VCSEL 100 излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130. Слои 125 токовой апертуры расположены поверх активного слоя 120.

Фиг.8 показывает принципиальный эскиз части слоистой структуры пятого VCSEL 100. VCSEL 100 представляет собой излучающий вверх VCSEL 100. Второй DBR 130, в котором показана часть слоев 116, 117 с высоким коэффициентом преломления и низким коэффициентом преломления, нанесен на верх активного слоя 120. Второй DBR 130 содержит три слоя 117 с низким коэффициентом преломления, которые выполнены в виде слоев 125 токовой апертуры. Первый слой 125a токовой апертуры является вторым слоем 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130 в направлении от активного слоя 120. Второй слой 125b токовой апертуры является третьим слоем 117 с низким коэффициентом преломления, а третий слой 125c токовой апертуры является четвертым слоем 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130. Расстояние между слоями 125 токовой апертуры одинаково. Первая токовая апертура 122а, расположенная рядом с активным слоем 120, имеет наибольший размер, что в случае круглой апертуры означает наибольший диаметр. Вторая токовая апертура 122b второго слоя 125b токовой апертуры имеет наименьший размер и расположена между первым и третьим слоями 125a, 125c токовой апертуры. Токовая апертура третьего слоя 125c токовой апертуры имеет размер, который находится между размерами первой токовой апертуры 125a и второй токовой апертуры 122b.

Фиг.9 показывает принципиальный эскиз части слоистой структуры шестого VCSEL. VCSEL 100 представляет собой излучающий вверх VCSEL 100. Второй DBR 130, в котором показана часть слоев 116, 117 с высоким коэффициентом преломления и низким коэффициентом преломления, нанесен на верх активного слоя 120. Второй DBR 130 содержит три слоя 117 с низким коэффициентом преломления, которые выполнены в виде слоев 125 токовой апертуры. Первый слой 125a токовой апертуры является вторым слоем 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130 в направлении от активного слоя 120. Второй слой 125b токовой апертуры является четвертым слоем 117 с низким коэффициентом преломления, а третий слой 125c токовой апертуры является третьим слоем 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130. Расстояние между слоями 125 токовой апертуры одинаково. Первая токовая апертура 122а, расположенная рядом с активным слоем 120, имеет наибольший размер, что в случае круглой апертуры означает наибольший диаметр. Токовая апертура третьего слоя 125c токовой апертуры имеет тот же размер, что и первая токовая апертура 125а. Вторая токовая апертура 122b второго слоя 125b токовой апертуры имеет наименьший размер и расположена поверх первого и третьего слоев 125a, 125c токовой апертуры в направлении от активного слоя 120. Токовые апертуры 125a, 125b и 125c могут в альтернативном варианте осуществления располагаться в первом DBR 115 снизу активного слоя 120.

Фиг.10 показывает принципиальный эскиз слоистой структуры седьмого VCSEL. Данная слоистая структура очень похожа на слоистую структуру шестого VCSEL, показанного на фиг.9. Первый слой 125a токовой апертуры с первой токовой апертурой 122a представляет собой в этом случае первый слой 117 с низким коэффициентом преломления первого DBR 115 снизу активного слоя 120. Активный слой 120 расположен в этом случае между первым слоем 125а токовой апертуры и вторым слоем 125b токовой апертуры, который расположен в третьем слое 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130.

Фиг.11 показывает принципиальный эскиз восьмого VCSEL 100. Восьмой VCSEL 100 представляет собой излучающий вниз VCSEL 100, т.е. излучающий лазерный свет в направлении подложки 110. Подложка 110 удалена на области, в которой излучается лазерный свет. Направление излучения света обозначено стрелкой. На нижней стороне подложки 110 обеспечен первый электрический контакт 105 вокруг удаленной части подложки 110. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115 с коэффициентом отражения около 95% для обеспечения излучения лазерного света через первый DBR 115. Слой 125 токовой апертуры обеспечен на верху первого DBR 115. Активный слой 120 обеспечен на верху слоя 125 токовой апертуры. Второй DBR 130 обеспечен на верху активного слоя 120 с коэффициентом отражения более 99,9%. Второй электрический контакт 135 электрически подключен к электропроводящему второму DBR 130.

Фиг.12 показывает принципиальный эскиз профиля 126 окисления со слоем 125 токовой апертуры седьмого VCSEL 100. Слой 125 токовой апертуры содержит четыре подслоя 125a Al_0,99Ga_0,01As, которые разделены тремя слоями 125b контроля окисления, содержащими или состоящими из Al_0,7Ga_0,3As толщиной 0,8 нм. Толщина подслоев 125a Al_0,99Ga_0,02As различна для обеспечения профиля окисления в слое 125 токовой апертуры. Верхний подслой 125a Al_0,99Ga_0,02As, расположенный рядом с активным слоем 120 (см. фиг.7), имеет толщину около 35 нм, следующий подслой 125a Al_0,99Ga_0,02As ниже имеет толщину 20 нм, а два других подслоя 125a Al_0,99Ga_0,02As имеют толщину 7 нм. Общая толщина слоя 125 токовой апертуры находится в диапазоне четверти длины волны излучения в 850 нм у VCSEL 100, показанного на фиг.7. Таким образом, слой 125 контроля окисления способствует отражению у первого DBR 115. Разная толщина подслоев 125a Al_0,99Ga_0,02As приводит к образованию профиля 126 окисления с сужением 127 в верхнем подслое 125a Al_0,99Ga_0,02As рядом с активным слоем 120. Сужение 127 расположено в области узла картины 250 стоячей волны VCSEL 100 при возбуждении заданным током, как показано на фиг.13. Слои 125b контроля окисления, разделяющие слой 125 токовой апертуры на подслои разной толщины, позволяют контролировать окисление слоя 125 токовой апертуры в процессе изготовления VCSEL 100 так, что образуется определенный профиль окисления. Альтернативные способы используют, например, заданное изменение содержания алюминия по слою 125 токовой апертуры. Эксперименты показали, что адекватный контроль содержания алюминия в слое токовой апертуры по всей полупроводниковой пластине или даже по нескольким полупроводниковым пластинам затруднен во время процесса изготовления и существенно снижает выход продукции. Поэтому в обычном VCSEL используют тонкие слои токовой апертуры толщиной 30 нм или менее для предотвращения сильного канализирования лазерного света.

Были выполнены эксперименты со слоем 125 токовой апертуры AlAs толщиной около 70 нм, содержащим два слоя 125a контроля окисления, состоящих из Al_0,5Ga_0,5As толщиной 1 нм. Верхний подслой 125a из AlAs был на 2 нм толще, чем два других подслоя 125a AlAs. Спектр излучаемого лазерного света подтвердил конический профиль 126 окисления в слое 125 токовой апертуры с сужением 127 картины стоячей волны.

Фиг.14 показывает принципиальный эскиз части слоистой структуры девятого VCSEL 100. VCSEL 100 в этом случае представляет собой излучающий вниз VCSEL 100, подобный описанному на фиг.10. Активный слой 120 нанесен на верх первого DBR 115, в котором показана часть слоев 116, 117 с низким и высоким коэффициентами преломлением. Первый DBR 115 содержит четыре слоя 117 с низким коэффициентом преломления, которые расположены как слои 125 токовой апертуры. Первый слой 125a токовой апертуры является самым верхним слоем 117 с низким коэффициентом преломления первого DBR 115, который расположен непосредственно снизу активного слоя 120. Второй слой 125b токовой апертуры является пятым слоем 117 с низким коэффициентом преломления, начиная с первого слоя 125a токовой апертуры в качестве первого слоя 117 с низким коэффициентом преломления. Третий слой 125c токовой апертуры является третьим слоем 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130, а четвертый слой 125d токовой апертуры является четвертым слоем 117 с низким коэффициентом преломления второго DBR 130. Расстояние между первым слоем 125a токовой апертуры и следующим слоем токовой апертуры (третьим слоем 125с токовой апертуры) вдвое больше расстояния между третьим, четвертым и вторым слоями 125c, 125d, 125b токовой апертуры. Первая токовая апертура 122а, которая расположена рядом с активным слоем 120, имеет наибольший размер, означающий наибольшую площадь для прохождения электрического тока. Последующие токовые апертуры в направлении от активного слоя последовательно уменьшаются в размере. Вторая токовая апертура 122b второго слоя 125b токовой апертуры имеет наименьший размер и расположена снизу первого, третьего и четвертого слоев 125a, 125c токовой апертуры в направлении от активного слоя 120.

Фиг.15 показывает принципиальный эскиз лазерного устройства 300, содержащего множество VCSEL 100 с DBR, содержащими слои 117 с низким коэффициентом преломления, состоящие из арсенида алюминия (AlAs). VCSEL 100 расположены в лазерной матрице 330. Конфигурация одиночного VCSEL 100 по существу та же, что и конфигурация второго VCSEL 100, показанного на фиг.3. Лазерное устройство 300 дополнительно содержит электрическую цепь 310 возбуждения и источник 320 электропитания, который представляет собой аккумуляторную батарею. Электрическая цепь 310 возбуждения предназначена для подачи электроэнергии, обеспечиваемой посредством источника 320 электропитания, определенным образом в лазерную матрицу 330.

Фиг.16 показывает принципиальный эскиз технологического процесса способа изготовления VCSEL 100 в соответствии с настоящим изобретением. На этапе 410 обеспечивается первый электрический контакт. Первый электрический контакт прикрепляется к нижней стороне подложки GaAs, которая обеспечивается на этапе 420. На верхней стороне подложки на этапе 430 обеспечивается первый DBR 115, а на верху первого DBR 115 на следующем этапе 440 обеспечивается активный слой 120. На верху активного слоя 120 на этапе 450 обеспечивается второй DBR. Для электрического контакта с VCSEL 100 на этапе 460 обеспечивается второй электрический контакт. На этапе 470 обеспечивается по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 и толщиной не менее 40 нм. Этап изготовления при обеспечении слоя Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 содержит нанесение первого подслоя 118, 125a Al_yGa_(1-y)As, нанесение по меньшей мере одного слоя 119, 125b контроля окисления и нанесение по меньшей мере второго подслоя 118, 125a Al_yGa_(1-y)As на верху упомянутого по меньшей мере одного слоя 119, 125b контроля окисления. Способ может дополнительно содержать этап обеспечения слоя 125 токовой апертуры.

Слои первого DBR 115, второго DBR 130, активного слоя 120, слоя 125 токовой апертуры и любых других слоев, таких как слои инжекции тока, буферные слои и т.п., могут быть нанесены эпитаксиальными методами, такими как MOCVD.

Целью настоящего изобретения является обеспечение VCSEL 100, который может быть легко изготовлен надежным способом путем обеспечения заданного окисления 1-го, 2-х, 3-х или более слоев 125 токовой апертуры и использования Al_yGa_(1-y)As с минимальным содержанием алюминия в 95% в качестве слоев 117 с низким коэффициентом преломления. Изобретение позволяет обеспечить заданный профиль окисления в толстом (например, в четверть длины волны) слое 125 токовой апертуры, который выполнен с возможностью оптимального взаимодействия с картиной стоячей волны VCSEL 100. Высокое содержание алюминия в слоях 117 с низким коэффициентом преломления, которые могут использоваться в одном или обоих DBR VCSEL 100, обеспечивает высокую удельную теплопроводность и уменьшенную паразитную емкость. Срок службы и манера переключения VCSEL 100 могут быть улучшены без проблем с надежностью и выпуском, которые обычно вызываются толстыми (в четверть длины волны) слоями Al_yGa_(1-y)As с минимальным содержанием алюминия в 95% и особенно слоями AlAs, поскольку окисление таких слоев не может в достаточной степени управляться в целом по колебаниям (волне) во время процесса изготовления.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничительные.

Из прочтения настоящего раскрытия специалистам в данной области техники будут очевидны другие модификации. Такие модификации могут включать в себя другие признаки, которые уже известны в данной области техники и которые могут использоваться вместо или в дополнение к уже описанным здесь признакам.

Изменения к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а указание на единственное число не исключает множества элементов или этапов. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть использована с преимуществом комбинация этих мер.

Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие ее объем.

Список ссылочных позиций:

100 лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором

105 первый электрический контакт

110 подложка

115 первый распределенный брэгговский отражатель

116 слой с высоким коэффициентом преломления

117 слой с низким коэффициентом преломления

118 подслой Al_yGa_(1-y)As

119 слой контроля окисления

120 активный слой

122 токовая апертура

122а первая токовая апертура

122b вторая токовая апертура

125 слой токовой апертуры

125а первый слой токовой апертуры

125b второй слой токовой апертуры

125c третий слой токовой апертуры

125d четвертый слой токовой апертуры

126 профиль окисления

127 сужение

130 второй распределенный брэгговский отражатель

135 второй электрический контакт

150 охлаждающая структура

200 содержание AlAs

210 направление по VCSEL вдоль направления излучения

250 картина стоячей волны

300 лазерное устройство

310 электрическая цепь возбуждения

320 источник электропитания

330 лазерная матрица

410 этап обеспечения первого электрического контакта

420 этап обеспечения подложки

430 этап обеспечения первого распределенного брэгговского отражателя

440 этап обеспечения активного слоя

450 этап обеспечения второго распределенного брэгговского отражателя

460 этап обеспечения второго электрического контакта

470 этап обеспечения слоя Al_yGa_(1-y)As

Изобретение относится к лазерной полупроводниковой технике. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) содержит первый электрический контакт (105), подложку (110), первый распределенный брэгговский отражатель (115), активный слой (120), второй распределенный брэгговский отражатель (130) и второй электрический контакт (135). Также содержит по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 толщиной по меньшей мере 40 нм. Слой Al_yGa_(1-y)As разделен посредством по меньшей мере одного слоя (119, 125b) контроля окисления. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения надёжности лазера. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором, содержащий первый электрический контакт (105), подложку (110), первый распределенный брэгговский отражатель (115), активный слой (120), второй распределенный брэгговский отражатель (130) и второй электрический контакт (135), при этом лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором содержит по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 толщиной по меньшей мере 40 нм, причем слой Al_yGa_(1-y)As разделен на по меньшей мере два подслоя (118, 125а) посредством по меньшей мере одного слоя (119, 125b) контроля окисления, причем упомянутый по меньшей мере один слой (119, 125b) контроля окисления характеризуется толщиной от 0,7 нм до 3 нм.

2. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1, в котором первый или второй распределенный брэгговский отражатель (115, 130) содержит упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As.

3. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 2, дополнительно содержащий слой (125) токовой апертуры, при этом слой (125) токовой апертуры содержит упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As.

4. Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 3, содержащий по меньшей мере два слоя (125) токовой апертуры, расположенных снизу или поверх активного слоя (120), при этом каждый из слоев (125) токовой апертуры содержит один слой Al_yGa_(1-y)As, причем первый слой (125a) токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев (125) токовой апертуры расположен ближе к активному слою (120) по сравнению со вторым слоем (125b) токовой апертуры из упомянутых по меньшей мере двух слоев (125) токовой апертуры, при этом первый слой (125а) токовой апертуры содержит первую токовую апертуру (122а) большего размера по сравнению со второй токовой апертурой (122b) второго слоя (125b) токовой апертуры.

5. Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 2, в котором материал слоя (119, 125b) контроля окисления содержит Al_xGa_(1-x)As с 0≤x≤0,9.

6. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 2, в котором упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As характеризуется отношением y>0,99 и в котором упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As разделен посредством по меньшей мере двух слоев (119, 125b) контроля окисления, а материал слоя (119, 125b) контроля окисления содержит Al_xGa_(1-x)As с 0,4≤x≤0,6.

7. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 2, в котором толщина упомянутого по меньшей мере одного слоя (119, 125b) контроля окисления составляет от 3% до 10% общей толщины слоя Al_yGa_(1-y)As.

8. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 3, в котором по меньшей мере один из упомянутого по меньшей мере одного из слоев Al_yGa_(1-y)As содержит конический профиль (126) окисления.

9. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.8, в котором упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As с коническим профилем (126) окисления содержит по меньшей мере два слоя (119, 125b) контроля окисления, при этом упомянутые по меньшей мере два слоя (119, 125b) контроля окисления разделяют упомянутый по меньшей мере один слой Al_yGa_(1-y)As на по меньшей мере три подслоя (118, 125a) и при этом по меньшей мере один из трех подслоев (118, 125а) имеет отличающуюся толщину по сравнению с упомянутыми другими подслоями.

10. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.8, при этом сужение (127) конического профиля (126) окисления расположено в области узла картины (210) стоячей волны лазера (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором при возбуждении с заданным электрическим током возбуждения.

11. Лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по п.1 или 2, в котором первый и второй распределенные брэгговские отражатели (115, 130) содержат множество слоев (116) с высоким коэффициентом преломления и множество слоев (117) с низким коэффициентом преломления, при этом слои с низким коэффициентом преломления содержат упомянутые слои Al_yGa_(1-y)As.

12. Лазерное устройство (300), содержащее по меньшей мере один лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором по любому из предшествующих пунктов и электрическую цепь (310) возбуждения для электрического возбуждения лазера (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором.

13. Способ изготовления лазера (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором, содержащий этапы:

- обеспечения первого электрического контакта (105),

- обеспечения подложки (110),

- обеспечения первого распределенного брэгговского отражателя (115),

- обеспечения активного слоя (120),

- обеспечения второго распределенного брэгговского отражателя (130),

- обеспечения второго электрического контакта (135),

- обеспечения по меньшей мере одного слоя Al_yGa_(1-y)As с 0,95≤y≤1 и толщиной по меньшей мере 40 нм, при этом слой Al_yGa_(1-y)As разделяют на по меньшей мере два подслоя (118) посредством по меньшей мере одного слоя (119, 125b) контроля окисления, причем упомянутый по меньшей мере один слой (119, 125b) контроля окисления характеризуется толщиной от 0,7 нм до 3 нм.