CN111224319A - 有中空发光区的垂直腔面发射激光器及其制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种有中空发光区的垂直腔面发射激光器及其制造方法和应用，所述有中空发光区垂直腔面发射激光器包括：衬底；第一反射层，设置在所述衬底上；有源层，设置在所述第一反射层上；第二反射层，设置在所述有源层上；至少一环形的发光区，形成在所述第二反射层或/和所述第一反射层上，用以发射光线。本发明提出的有中空发光区垂直腔面发射激光器能够提高发光均匀性。

Description

有中空发光区的垂直腔面发射激光器及其制造方法和应用

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及有中空发光区的垂直腔面发射激光器及其制造方法和应用。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种垂直表面出光的新型激光器，与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形***，现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。

具有大面积发光区域的垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片具有能量密度大，有效发光填充比例大等优点，利于集成模组的小型化。但是传统的实心发光孔VCSEL受到p-端电极电流扩散长度的限制，很难做成大面积发光区域。如果做成大面积发光区域，则传统的实心发光孔VCSEL会有电流注入不均匀的现象，例如电流集边效应(current crowdingeffect)，即电流主要集中在孔的边缘离p-端金属近的区域注入，而更靠近孔内部的区域只有很少的电流密度，导致发光不均匀，发光效率低等问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法和其应用的光发射装置，以提高发光均匀性，提高发光效率。

为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种垂直腔面发射激光器，包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上；

至少两个电流限制区域，形成在所述第二反射层或/和所述第一反射层的侧壁及中间区域内；

至少一环形的发光区，形成在所述第二反射层或/和所述第一反射层上，用以发射光线；

其中，通过所述至少两个电流限制区域定义出发光孔，所述有源层产生的光线从所述发光孔内出射，形成所述至少一环形的发光区。

进一步地，还包括至少两个沟槽，部分所述电流限制区域与所述两个沟槽的侧壁接触。

进一步地，至少一所述沟槽为环形结构，至少一所述电流限制区域为环形结构。

进一步地，通过调节所述电流限制区域的宽度，以调整所述至少一发光区的宽度。

进一步地，所述至少一环形的发光区的内径在2-50微米，外径在5-500微米。

进一步地，所述至少一环形的发光区为封闭的区域。

进一步地，还包括遮挡层，所述遮挡层位于所述电流限制区域之间，通过所述遮挡层及所述电流限制区域形成所述至少一环形的发光区。

进一步地，所述垂直腔面发射激光器包括正面垂直腔面发射激光器或背面垂直腔面发射激光器。

本发明还提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

提供一衬底；

形成第一反射层于所述衬底上；

形成有源层于所述第一反射层上；

形成第二反射层于所述有源层上；

形成至少两个电流限制区域于所述第二反射层或/和所述第一反射层的侧壁及中间区域内；

形成至少一环形的发光区于所述第二反射层或/和所述第一反射层上，用以发射光线；

其中，通过所述至少两个电流限制区域定义出发光孔，所述有源层产生的光线从所述发光孔内出射，形成所述至少一环形的发光区。

本发明还提出一种光发射装置，包括：

基板；

发光单元，设置在所述基板上，所述发光单元包括至少一垂直腔面发射激光器；

其中，所述垂直腔面发射激光器，包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上；

至少两个电流限制区域，形成在所述第二反射层或/和所述第一反射层的侧壁及中间区域内；

至少一环形的发光区，形成在所述第二反射层或/和所述第一反射层上，用以发射光线；

其中，通过所述至少两个电流限制区域定义出发光孔，所述有源层产生的光线从所述发光孔内出射，形成所述至少一环形的发光区。

综上所述，本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法和及其应用的光发射装置，通过在垂直腔面发射激光器中形成至少一个环形的发光区，使得电流在环形的发光区上的分布更加均匀，提高了发光效率，提高了发光均匀性，同时还可以实现大角度的发散角。

附图说明

图1：本实施提出的垂直腔面发射激光器的制造方法流程图。

图2：本实施例中步骤S1-S4的示意图。

图3：形成图案化光阻层的示意图。

图4：形成沟槽的示意图。

图5：图4的俯视图。

图6：图4的另一俯视图。

图7：图4的另一俯视图。

图8：形成电流限制区域的示意图。

图9：图8的俯视图。

图10：图8的另一俯视图。

图11：形成绝缘层的示意图。

图12：形成上电极和下电极的示意图。

图13：垂直腔面发射激光器的结构示意图。

图13A：垂直腔面发射激光器另一结构示意图。

图14：垂直腔面发射激光器为背面发射结构时的结构示意图。

图15：本实施提出的垂直腔面发射激光器的制造方法流程图。

图16：形成图案化光阻层的示意图。

图17：形成沟槽的示意图。

图18：图17的俯视图。

图19：图17的另一俯视图。

图20：图17的另一俯视图。

图21：形成电流限制区域的示意图。

图22：形成圆环形发光孔的示意图。

图23：形成矩形环形发光孔的示意图。

图24：形成绝缘层的示意图。

图25：形成上电极和下电极的示意图。

图26：形成介质层的示意图。

图27：图25的俯视图。

图28：垂直腔面发射激光器发射环形激光束的示意图。

图29：背面发射结构发射环形激光束的示意图。

图30：本实施例中垂直腔面发射激光器另一结构示意图。

图31：本实施例中垂直腔面发射激光器另一结构示意图。

图32：本实施例中垂直腔面发射激光器另一结构示意图。

图33：本实施例中垂直腔面发射激光器另一结构示意图。

图34：本实施例中垂直腔面发射激光器另一结构示意图。

图35：中空型环形发光孔和实心圆形发光孔的比较图。

图36：本实施例中垂直腔面发射激光器的排列图。

图37：本实施例中垂直腔面发射激光器的发散角示意图。

图38：本实施例提出的光发射装置的简要示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

S1：提供一衬底；

S2：形成第一反射层于所述衬底上；

S3：形成有源层于所述第一反射层上；

S4：形成第二反射层于所述有源层上；

S5：形成至少一环形发光区于所述第二反射层或/和所述第一反射层上。

如图2所示，在步骤S1-S4中，首先提供一衬底101，然后在衬底101形成第一反射层102，在第一反射层102上形成有源层103，在有源层103上形成第二反射层104。在本实施例中，该衬底101可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)。衬底101可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，掺杂可以降低后续形成的电极与半导体衬底之间欧姆接触的接触电阻，在本实施例中，该衬底101例如为N型掺杂半导体衬底。

如图2所示，在本实施例中，第一反射层102可例如由包括AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，该第一反射层102可以为N型反射镜，该第一反射层102可以为N型的布拉格反射镜。有源层103包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs，或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层103用以将电能转换为光能。第二反射层104可包括由AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，第二反射层104可以为P型反射镜，第二反射层104可以为P型的布拉格反射镜。第一反射层102和第二反射层104用于对有源层103产生的光线进行反射增强，然后从第二反射层104的表面射出。

在一些实施例中，可例如通过化学气相沉积的方法形成第一反射层102，有源层103及第二反射层104。

在一些实施例中，在衬底101和第一反射层102中间还形成有缓冲层，以有效释放衬底101和第一反射层102之间的应力及位错过滤。

在一些实施例中，第一反射层102，有源层103和第二反射层104的厚度总和在8-10微米。

在一些实施例中，衬底101可以是蓝宝石衬底或其他材料衬底，或者至少衬底101的顶面由硅，砷化镓，硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物中的一种组成。

在一些实施例中，第一反射层102或第二反射层104包括一系列不同折射率材料的交替层，其中每一交替层的有效光厚度(该层厚度乘以该层折射率)是四分之一垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍，即每一交替层的有效光厚度为垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍的四分之一。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适介电材料包括钽氧化物，钛氧化物，铝氧化物，钛氮化物，氮硅化物等。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适半导材料包括镓氮化物，铝氮化物和铝镓氮化物。然不限于此，在一些实施例中，第一反射层102和第二反射层104也可由其他的材料所形成。

在一些实施例中，该有源层103可以包括一个或多个氮化物半导体层，该半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。

如图3至图4所示，在步骤S5中，首先在第二反射层104上形成图案化光阻层105，然后根据图案化光阻层105对第二反射层104向下刻蚀，形成多个沟槽106。

如图4所示，在本实施例中，通过刻蚀工艺从第二反射层104向下进行刻蚀，刻蚀至第一反射层102。在本实施例中，沟槽106的深度可在3-5微米，深度例如为3微米，4微米，宽度可在2-10微米，例如宽度可以为2微米，3微米或5微米等，相邻两个沟槽106之间的距离可在2-10微米，例如为5微米，7微米。

在一些实施例中，可例如通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成沟槽106。

如图5所示，图5显示为图4的俯视图，在本实施例中，两侧的沟槽106形成环形沟槽，易于形成圆形的发光区域，环形的外径和内径之差介于0.5-10微米，可选地，环形的外径和内径之差介于5-6微米。

如图5所示，在两侧的沟槽106中间还包括一个圆柱形沟槽1061，圆柱形沟槽1061位于两侧的沟槽106的中间区域内，即两侧的沟槽106关于圆柱形沟槽1061对称，该圆柱形沟槽1061将圆形的发光区域形成圆环状的发光区域，即具有圆形中空区域的圆形发光区域，即圆环形发光区域，需要说明的是，该圆形中空区域是封闭的区域。

如图6所示，在一些实施例中，还可以在两侧的沟槽106中间形成矩形状沟槽1062，矩形状沟槽1062位于两侧的沟槽106的中间区域内，即两侧的沟槽106关于矩形状沟槽1062对称，即形成具有矩形中空区域的圆形发光区域，需要说明的是，该矩形中空区域是封闭的区域。

如图7所示，在一些实施例中，还可以将两侧的沟槽106形成矩形环状，因此形成矩形状的发光区域，并且在环状的沟槽内形成矩形沟槽1062，因此将矩形状的发光区域形成矩形环状的发光区域，即具有矩形中空区域的矩形发光区域。

在本实施例中，形成发光区域的沟槽的形状不做任何限定，可例如为椭圆形，六边形，正八边形或其他图形。

在本实施例中，形成中空区域的沟槽还可以为椭圆形，正六边形，三角形或其他规则或不规则图形，对形成中空区域的沟槽的形状不做任何限定。

如图8所示，在步骤S5中，在形成发光区域和中空区域的沟槽后，通过高温氧化高掺铝的方法，对沟槽106的侧壁进行氧化，以在第二反射层104内形成至少两个电流限制区域107，与两侧沟槽106接触的电流限制区域107形成环形结构，与中间的沟槽106接触的电流限制区域107形成环形结构，该些电流限制区域107与沟槽106的侧壁接触，且部分电流限制区域107位于第二反射层104的中间区域内，并通过电流限制区域107定义发光孔，并由位于两端的电流限制区域107与位于中间的电流限制区域107形成环形的发光区。由于沟槽106及电流限制区域107切断了相应区域的电流路径，使得有源层103产生的光线从环形的发光区内出射，从而形成环形的光线。

在一些实施例中，电流限制区域107包括空气柱型电流限制结构，离子注入型电流限制结构，掩埋异质结型电流限制结构与氧化限制型电流限制结构的一种，本实施例中采用的是氧化限制型电流限制结构。

如图9所示，图9显示为图8的俯视图，本实施例给出一种具有矩形中空区域的矩形发光区108a，从图中可知，两侧的沟槽106暴露外侧的第一反射层102，同时两侧的沟槽106也定义出了矩形台面结构(即第二反射层104的区域)，同时在矩形台面结构内形成了中间的沟槽，因此形成了矩形的中空区域(即暴露的第一反射层102)，然后在第二反射层104内形成电流限制区域107，由于电流限制区域107限制了部分电流的通过，以及电流无法通过矩形的中空区域，因此形成带有矩形中空区域的矩形发光区108a，同时该矩形发光区108a也可以称为矩形发光环，需要说明的是，为显示出该矩形发光区108a，特在图9中显示该矩形发光区108a。在本实施例中，矩形发光区108a的宽度可例如为2-8微米，例如3-4微米，5-6微米。矩形发光区108a的宽度为矩形发光区108a的外径与内径的差值。

如图10所示，图10显示为图8的俯视图，本实施例给出一种具有圆形中空区域的圆形发光区108b，从图中可知，两侧的沟槽106暴露外侧第一反射层102，且两侧的沟槽106也定义出了圆形台面结构(第二反射层104的区域)，同时在圆形台面结构上形成了中间的沟槽，因此形成了圆形的中空区域(暴露的第一反射层102的区域)，然后在第二反射层104内形成电流限制区域107，由于电流限制区域107限制了部分电流的通过，以及电流无法通过圆形的中空区域，因此形成带有圆形中空区域的圆形发光区108b，该圆形发光区108b也可以称为圆形发光环，需要说明的是，为显示出该圆形发光区108b，特在图10中画出该圆形发光区108b。在本实施例中，圆形发光区108b宽度可例如为2-8微米，例如为4-5微米，6-7微米。圆形发光区108b的宽度为圆形发光区108b的外径与内径的差值。

在一些实施例中，还可以形成带有矩形中空区域的圆形发光区域，还可以形成带有圆形中空区域的方形发光区域，还可以形成带有六边形中空区域的圆形发光区域，还可以形成带有椭圆形中空区域的圆形发光区域。需要说明的是，圆形中空区域，矩形中空区域，椭圆形中空区域及多边形中空区域均为封闭的区域。

如图11所示，在形成电流限制区域107后，在沟槽106内形成绝缘层109，该绝缘层109位于沟槽106的底部和侧壁上，且部分绝缘层109位于第二反射层104上。绝缘层109的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘材料，该绝缘层109的厚度可在100-300纳米，该绝缘层109可以保护电流限制区域107，还可以有效隔离相邻的台面结构。

如图11所示，需要说明的是，可以将位于沟槽106内的绝缘层109称为位于第二反射层104之间，但是不能将位于沟槽106内的绝缘层109称为位于第二反射层104内，也就是沟槽106位于第二反射层104的外侧。在本实施例中，可以将电流限制区域107称为位于第二反射层104内。

在本实施例中，可例如通过化学气相沉积的方式形成该绝缘层109。

如图12所示，在本实施例中，在绝缘层109上形成上电极110以及在衬底101的背面形成下电极111。在实施例中，该上电极110还与第二反射层104接触，上电极110和下电极111的材料可包括Au金属，Ag金属，Pt金属，Ge金属，Ti金属及Ni金属中的一种或组合。

如图13所示，在本实施例中，还可以在第二反射层104上形成介质层112，以保护第二反射层104。该介质层112的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘保护材料。

如图13所示，当该垂直腔面发射激光器工作时，电流从上电极110注入，经过第二反射层104，进入有源层103，由于电流限制区域107及沟槽106的存在，电流无法通过电流限制区域107及沟槽106，因此只能在环形的发光区域内产生受激发射，形成环形波导结构，并在第二反射层104，第一反射层102形成的谐振腔内形成激光振荡，从第二反射层104出射，形成出射光线。

如图13所示，需要说明的是，在形成环形的发光区时，通过调节中间的沟槽106的宽度来调节环状发光区的宽度。同时还可以通过调节与沟槽106接触的电流限制区域107的宽度，来调节环形发光区的宽度。

如图13A所示，图13A与图13的区别在于，图13A中与中间的沟槽106接触的电流限制区域107的宽度大于图13中与中间的沟槽106接触的电流限制区域107的宽度。在形成图13A中的结构时，首先两侧的电流限制区域107与中间的电流限制区域107同时形成，然后在保护住两侧的电流限制区域107后，再次生长中间的电流限制区域107。由于中间的电流限制区域107的宽度大于两侧的电流限制区域107的宽度，因此可以调节环形发光区的宽度。本发明并不限于此，在一些实施例中，还可以通过调节与两侧的沟槽106接触的电流限制区域107的宽度来调节环形发光区的宽度，即通过两侧的沟槽106接触的电流限制区域107的宽度大于中间的沟槽106接触的电流限制区域107的宽度调节环形发光区的宽度。

在一些实施例中，该垂直腔面发射激光器还可以出射矩形空心光线，椭圆形空心光线。

在本实施例中，该垂直腔面发射激光器为正面垂直腔面发射激光器，在一些实施例中，该可以为背面垂直腔面发射激光器。

如图14所示，本实施例提出一种垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器为背面发射结构，该垂直腔面发射激光器包括：第二反射层104，第二反射层104的背面具有下电极111；有源层103，位于第二反射层104上；第一反射层102，位于有源层103上；第一反射层102中设置有电流限制区域107，并由该电流限制区域107定义发射孔；衬底101，位于第一反射层102上；介质层112，位于衬底101上；沟槽106，该沟槽106自衬底101延伸至第二反射层104中，以将发射孔形成中空的发射孔，即形成环形发光区；绝缘层109，位于沟槽106的底部和侧壁上，以及上电极110，位于绝缘层109上，且向沟槽106的两侧延伸，与衬底101形成欧姆接触。

如图14所示，当该垂直腔面发射激光器工作时，电流从上电极110注入，经过第一反射层102，进入有源层103，由于电流限制区域107及沟槽106的存在，电流无法通过电流限制区域107及沟槽106，因此只能在环形的发光区域内产生受激发射，形成环形波导结构，并在第二反射层104，第一反射层102形成的谐振腔内形成激光振荡，从衬底101出射，形成出射光线。

在一些实施例中，该背面发射结构还可以出射矩形空心光线，椭圆形空心光线。

如图13所示，该环形的发光区形成在第二反射层104中，如图14所示，该环形的发光区形成第一反射层102中，在本实施例中，图13中形成环形发光区的方法和图14中形成环形发光区的方法一样，本实施例不在进行阐述。

需要说明的是，还可以在第一反射层102和第二反射层104中同时形成电流限制区域107，以在第一反射层102和第二反射层104中形成环形发光区，在第一反射层102和第二反射层104中同时形成电流限制区域107的方法与上述方法一致，本实施例不在进行阐述。

如图15所示，本实施例提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

S1：提供一衬底；

S2：形成第一反射层于所述衬底上；

S3：形成有源层于所述第一反射层上；

S4：形成第二反射层于所述有源层上；

S5：形成至少两个电流限制区域于所述第二反射层或/和所述第一反射层内，以形成至少一环形发光区。

如图2所示，在步骤S1-S4中，首先提供一衬底101，然后在衬底101形成第一反射层102，在第一反射层102上形成有源层103，在有源层103上形成第二反射层104。在本实施例中，该衬底101可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)。衬底101可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，掺杂可以降低后续形成的电极与半导体衬底之间欧姆接触的接触电阻，在本实施例中，该衬底101例如为N型掺杂半导体衬底。

如图2所示，在本实施例中，第一反射层102可例如由包括AlGaAs和GaAs或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，该第一反射层102可以为N型反射镜，该第一反射层102可以为N型的布拉格反射镜。有源层103包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层103用以将电能转换为光能。第二反射层104可以包括由AlGaAs和GaAs或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，第二反射层104可为P型反射镜，第二反射层104可以为P型的布拉格反射镜。第一反射层102和第二反射层104用于对有源层103产生的光线进行反射增强，然后从第二反射层104的表面射出。

在一些实施例中，可例如通过化学气相沉积的方法形成第一反射层102，有源层103及第二反射层104。

在一些实施例中，在衬底101和第一反射层102中间还形成有缓冲层，以有效释放衬底101和第一反射层102之间的应力及位错过滤。

在一些实施例中，第一反射层102，有源层103和第二反射层104的厚度总和在8-10微米。

在一些实施例中，衬底101可以是蓝宝石衬底，或者至少衬底101的顶面由硅，砷化镓，硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物中的一种组成。

在一些实施例中，第一反射层102或第二反射层104包括一系列不同折射率材料的交替层，其中每一交替层的有效光厚度(该层厚度乘以该层折射率)是四分之一垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍，即每一交替层的有效光厚度为垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍的四分之一。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适介电材料包括钽氧化物，钛氧化物，铝氧化物，钛氮化物，氮硅化物等。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适半导材料包括镓氮化物，铝氮化物和铝镓氮化物。

在一些实施例中，该有源层103可以包括一个或多个氮化物半导体层，该半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。

如图16至图17所示，在形成电流限制区域之前，还形成沟槽106，首先在第二反射层104上形成图案化光阻层105，图案化光阻层105位于第二反射层104的中间区域，暴露出第二反射层104的两端，然后通过刻蚀工艺根据图案化光阻层105对第二反射层104向下刻蚀，形成沟槽106，需要说明的是，该沟槽106为环形结构，沟槽106之间的区域为台面结构，即该台面结构包括第二反射层104，有源层103及部分第一反射层102，沟槽106自第二反射层104延伸至第一反射层102中。

在本实施例中，可通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成沟槽106。

如图18所示，图18显示为图17的俯视图，从图中可知，沟槽106暴露部分第一反射层102，即图17的沟槽106为圆环形结构，形成的台面结构为圆柱形，因此易于形成圆形的发光孔。在本实施例中，圆环形结构的外径与内径之差介于1-9微米，可选地，圆环形结构的外径与内径之差介于3-5微米。

如图19至图20所示，在一些实施例中，该沟槽106还可以为矩形环状，还可以为椭圆环状。

本实施例对沟槽106的形状不作限定，在一些实施例中，该沟槽106还可以为六边形环状。

如图21所示，在步骤S5中，在第二反射层104内形成至少两个电流限制区域107，在本实施例中，可通过离子注入方法和高温氧化高掺铝的方法形成至少两个电流限制区域107，需要说明的是，通过对沟槽106的侧壁进行高温氧化，形成氧化限制结构的电流限制区域107，或通过离子注入的方法延沟槽106的侧壁向内在第二反射层104形成电流限制区域107，然后通过离子注入的方法在第二反射层104的中间区域形成电流限制区域107。由于通过离子注入方法形成的电流限制区域107具有高电阻，电流无法通过该电流限制区域107，电流无法进入有源层103的中心，激光振荡不能在有源层103的中心区域内形成，从而产生了有效的环形光线。需要说明的是，与沟槽106的侧壁接触的电流限制区域107形成环形结构，位于第二发射层104中间区域内的电流限制区域107例如可为圆形结构，矩形结构或六边形结构。

如图21所示，在本实施例中，通过中间的电流限制区域107与两侧的电流限制区域107形成环形的发光区，且中间的电流限制区域107可以向两侧的电流限制区域107延伸，或者两侧的电流限制区域107可以向中间的电流限制区域107延伸，从而调整了环形发光区的宽度。

如图22所示，图22显示为图21的俯视图，由图21和图22所知，第二反射层104内的至少两个电流限制区域107形成了圆环状发光区，即圆形发光区108b，圆形发光区108b也可以称为圆形发光环，需要说明的是，为显示出该圆形发光区108b，特在图22中画出该圆形发光区108b。

如图23所示，在一些实施例中，当沟槽106为矩形环状结构时，还可以形成带有中空区域的矩形发光区108a，矩形发光区108a也可以称为矩形发光环。

在一些实施例中，还可以形成带有中空区域的椭圆形发光区，带有中空区域的六边形发光区或其他环状的发光区。

如图24所示，当电流限制区域107形成后，还可以在沟槽106内形成绝缘层109，绝缘层109位于沟槽106的底部和侧壁上，并且有部分绝缘层109位于第二反射层104上，该绝缘层109的材料可以是氮化硅，氧化硅或其他绝缘保护材料。

如图25所示，在绝缘层109上形成上电极110以及在衬底101的背面形成下电极111。其中该上电极110位于绝缘层109上，且该上电极110还与第二反射层104接触，在本实施例中，上电极110和下电极111的材料可以是金，珀金，镍或其他金属材料。在形成下电极111时，先减薄，抛光衬底101的背面，然后在衬底101的背面形成下电极111。

在一些实施例中，还可以在沟槽106形成之前形成上电极110，可提高刻蚀精度，提高产品良率。同时形成的上电极110还可以作为后续光刻，刻蚀等工艺的对准标记。

如图26所示，在一些实施例中，还可以在第二反射层104上形成介质层112，用以保护第二反射层104。该介质层112位于第二反射层104上，且与上电极110接触。该介质层112的材料可以是氮化硅，氧化硅或其他绝缘保护材料。

如图27至图28所示，当该垂直腔面发射激光器工作时，电流从上电极110注入，经过第二反射层104，有源层103，在第一反射层102和第二反射层104形成的谐振腔内形成激光振荡，由于高阻区电流限制区域107的存在，电流无法进入到有源层103的中心，激光振荡不能在有源层103的中心区域形成，电流只能在电流限制区域107形成的圆形发光区108b内产生受激发射，形成环形波导结构，然后从第二反射层104出射，形成出射光线L。

在一些实施例中，该垂直腔面发射激光器还可以发射矩形空心激光线，椭圆形空心激光线，六边形空心激光线，或多个环形所组成的同心环状。

在本实施例中，该垂直腔面发射激光器为正面发射结构，在一些实施例中，该垂直腔面发射激光器还可以为背面发射结构。

如图29所示，本实施例提出一垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器为背面发射结构，包括：第二反射层104，第二反射层104的背面包括一下电极111；有源层103，位于第二反射层104上；第一反射层102，位于有源层103上，且第一反射层102内形成有电流限制区域107，并由该电流限制区域107定义环形发射孔；衬底101，位于第一反射层102上；沟槽106，自衬底101延伸至第二反射层104中，绝缘层109，位于沟槽106的底部及侧壁上，且部分绝缘层109和衬底101接触；上电极110，位于绝缘层109上，且与衬底101接触；介质层112，位于衬底101上，且与上电极110接触。

如图29所示，当该垂直腔面发射激光器工作时，电流从上电极110注入，经过衬底101，第一反射层102，进入有源层103，由于高阻区电流限制区域107的存在，电流只能从电流限制区域107形成的圆环形结构内产生受激发射，形成环形波导结构，并在第一反射层102，第二反射层104形成的谐振腔内形成激光振荡，从第一反射层102出射，形成出射光线L。

如图29所示，在本实施例中，该垂直腔面发射激光器可形成圆环空心激光束，在一些实施例中，该垂直腔面发射激光器还可以形成矩形空心激光线束，椭圆空心激光线，六边形空心激光线。

如图28所示，环形发光区形成在第二反射层104中，如图29所示，环形发光区形成在第一反射层102中，在本实施例中，图28中形成环形发光区的方法和图29中形成环形发光区的方法一样，本实施例不在进行阐述。

需要说明的是，还可以在第一反射层102和第二反射层104中同时形成电流限制区域107，以形成环形发光区，在第一反射层102和第二反射层104中同时形成电流限制区域107的方法与上述方法一致，本实施例不在进行阐述。

如图30所示，本实施例又提出一种垂直腔面发射激光器，图30中的该垂直腔面发射激光器与图13中的该垂直腔面发射激光器的区别在于，图30中的电流限制区域形成在不同的反射层内，如图30所示，例如第一电流限制区域1071形成在第二反射层104内，第二电流限制区域1072形成在第一反射层内，且第一电流限制区域1071与两端的沟槽的侧壁接触，形成环形的结构，第二电流限制区域1072与中间的沟槽106的侧壁接触，形成环形的结构，由此通过第一电流限制区域1071及第二电流限制区域形成环形的发光区。第一电流限制区域1071与第二电流限制区域1072可例如通过两次不同深度的离子注入形成。由于通过离子注入方法形成的第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072具有高电阻，电流无法通过该第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072，电流无法进入有源层103的中心，激光振荡不能在有源层103的中心区域内形成，从而产生了有效的环形光线。在本实施例中，环形的发光区的内径可例如为2-50微米，环形的发光区的外径可例如为5-500微米。

如图31所示，在一些实施例中，还可以将第一电流限制区域1071及第二电流限制区域形成在有源层103内，第一电流限制区域1071与两端的沟槽的侧壁接触，形成环形的结构，第二电流限制区域1072与中间的沟槽106的侧壁接触，形成环形的结构，并通过第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072形成环形的发光区。环形的发光区的内径例如在10-30微米，环形的发光区的外径可例如为100-300微米。

如图32所示，图32中的垂直腔面发射激光器与图28中的垂直腔面发射激光器的结构不同在于，图32中的垂直腔面发射激光器中的电流限制区域位于不同的反射层内。例如第一电流限制区域1071通过离子注入方法形成在第二反射层104的中间区域，第二电流限制区域1072形成在第一反射层102内，且第一电流限制区域1071位于第二电流限制区域1072之间，第二电流限制区域1072与沟槽106的侧壁接触，形成环形的结构。第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072具有高电阻，电流无法通过该第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072，电流无法进入有源层103的中心，激光振荡不能在有源层103的中心区域内形成，从而产生了有效的环形光线。在本实施例中，环形的发光区的内径可例如为20-40微米，环形的发光区的外径可例如为300-400微米。

如图33所示，在一些实施例中，垂直腔面发射激光器还可以包括遮挡层113，例如在第二反射层104内形成电流限制区域107，通过电流限制区域107定义发光孔，然后在发光孔的中间区域形成遮挡层107，即遮挡层107位于第二反射层104上。通过该遮挡层113，有源层104发出的光线无法通过遮挡层113，因此形成环形的发光区。在一些实施例中，遮挡层113可例如为高反射层或金属层。在一些实施例中，电流限制区域107与遮挡层113形成的环形的发光区的内径例如在30-40微米，电流限制区域107与遮挡层113形成的环形的发光区的外径例如在400-500微米。

如图34所示，在一些实施例中，还可以通过电流限制区域形成同心发光环，例如在第二反射层104内形成第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072，第一电流限制区域1071为环形结构，第二电流限制区域1072为环形结构，因此通过第一电流限制区域1071及第二电流限制区域1072形成同心的发光环。

在一些实施例中，还可以通过水平刻蚀的方法在有源层内形成空气间隙层(airgap layer)并将所述空气间隙层作为电流限制区域，并根据所述电流限制区域形成环形的发光区，或通过隧穿结(tunnel junction)的方式在有源层内形成电流限制区域，并根据所述电流限制区域形成环形的发光区。

如图35所示，在工艺限制条件一样的情况下，在P-端电极横向传输距离相同的情况下，中空型环形发光孔A的有效发光面积填充比例例如是大于实心发光孔B的有效发光面积填充比例。

如图36所示，当该垂直腔面发射激光器100发射圆形中孔激光束时，该垂直腔面发射激光器100按照相互错开的方式排列，例如，第一行垂直腔面发射激光器与第二行的垂直腔面发射激光器相互错开的排列，第三行的垂直腔面发射激光器的排列方式与第一行的垂直腔面发射激光器的排列方式一致，第四行的垂直腔面发射激光器的排列方式与第二行的垂直腔面发射激光器的排列方式一致，如图36(a)所示。当该垂直腔面发射激光器100发射矩形中孔激光束时，该垂直腔面发射激光器100可例如按照矩阵的方式排列，如图36(b)所示。通过上述的排列方式形成垂直腔面发射激光器的阵列，可以实现更大发光面积的效果，实现大发光面积的芯片。

如图37所示，当该垂直腔面发射激光器采用圆环状发光孔时，可以实现回音壁的纵向模式，有利于和光纤的耦合。在图37(a)中，当近场C采用的半径小的圆环发光孔，因此对应的回音壁驻波短，强度点数少，远场D发散角小。在图37(b)中，当近场C采用的半径大的圆环发光孔，因此对应的回音壁驻波长，强度点数多，远场D发散角大，发散角例如在40-60°。

如图38所示，本实施例还提出一种光发射装置10，该光发射装置10包括一基板11以及设置在基板11上的发光元件12。发光元件12内包括至少一个垂直腔面发射激光器13，该垂直腔面发射激光器13内包括至少一个环形发光区。

在本实施例中，该垂直腔面发射激光器还可以多个中空区域，因此实现多个环状发光区域，提高发光效率，提高发光均匀性。

在本实施例中，该垂直腔面发射激光器及其应用的光发射装置10可用做光发射的各种光源，垂直腔面发射激光器的阵列也可以作为多束光源使用。本实施例中的垂直腔面发射激光器可用于成像设备中，成像设备包括激光束打印机，复印机和传真机。

本实施例提出的垂直腔面发射激光器可例如用于激光雷达，红外摄像头，3D深度识别探测器，图像信号处理。在一些实施例中，该垂直腔面发射激光器还可用于光通信中光源，例如光纤模块的光收发模块中的激光器。

在本实施例中，通过在垂直腔面发射激光器形成中空的发光区，可以在相同的P侧电流扩散长度条件下，可以实现更大的发光面积，提高发光均匀性。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上；

至少两个电流限制区域，形成在所述第二反射层和/或第一反射层内；

至少一环形的发光区，形成在所述第二反射层或/和所述第一反射层上，用以发射光线；

其中，通过所述至少两个电流限制区域定义出发光孔，所述有源层产生的光线从所述发光孔内出射，形成所述至少一环形的发光区。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括至少两个沟槽，部分所述电流限制区域与所述沟槽的侧壁接触。

3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，至少一所述沟槽为环形结构，至少一所述电流限制区域为环形结构。

4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，通过调节所述电流限制区域的宽度，以调整所述至少一发光区的宽度。

5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述至少一环形的发光区的内径在2-50微米，外径在5-500微米。

6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述至少一环形的发光区为封闭的区域。

7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括遮挡层，所述遮挡层位于部分所述电流限制区域之间，通过所述遮挡层及所述电流限制区域形成所述至少一环形的发光区。

8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器包括正面垂直腔面发射激光器或背面垂直腔面发射激光器。

9.一种垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

形成第一反射层于所述衬底上；

形成有源层于所述第一反射层上；

形成第二反射层于所述有源层上；

形成至少两个电流限制区域于所述第二反射层内；

形成至少一环形的发光区于所述第二反射层内，用以发射光线；

其中，通过所述至少两个电流限制区域定义出发光孔，所述有源层产生的光线从所述发光孔内出射，形成所述至少一环形的发光区。

10.一种光发射装置，其特征在于，包括：

基板；

发光单元，设置在所述基板上，所述发光单元包括至少一垂直腔面发射激光器；

其中，所述垂直腔面发射激光器，包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上；

至少两个电流限制区域，形成在所述第二反射层侧壁及中间区域内；

至少一环形的发光区，形成在所述第二反射层上，用以发射光线；

其中，通过所述至少两个电流限制区域定义出发光孔，所述有源层产生的光线从所述发光孔内出射，形成所述至少一环形的发光区。

Images