DE-102024132082-A1 - LASER-VORRICHTUNG MIT GEKRÜMMTEM SPIEGEL

Abstract

A VCSEL includes epitaxial layers on a main surface of a substrate layer. The epitaxial layers include an n-doped semiconductor layer, a p-doped semiconductor layer, and an active region arranged between the n-doped semiconductor layer and the p-doped semiconductor layer. The VCSEL includes a first distributed Bragg reflector (DBR) disposed on or over a second surface of the substrate layer opposite to the main surface, the first DBR including a concave portion with respect to a direction facing away from the substrate layer; a second DBR disposed on or over a side or surface of the plurality of layers facing away from the first DBR; and a metasurface structure arranged on or over a surface or side of the second DBR facing away from the first DBR. The the concave portion of the first DBR is configured to cause the VCSEL to emit in a single transverse mode.

Inventors

• Rasoul Alaee
• Farhang Ghasemi Afshar

Assignees

• AMS-OSRAM INTERNATIONAL GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (20)

1. Vertikaler Resonator-Oberflächenemitterlaser (VCSEL) aufweisend: eine Substratschicht; eine Vielzahl von Epitaxieschichten auf einer Hauptfläche der Substratschicht, wobei die Vielzahl von Epitaxieschichten eine n-dotierte Halbleiterschicht, eine p-dotierte Halbleiterschicht und einen aktiven Bereich aufweist, der zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht und der p-dotierten Halbleiterschicht angeordnet ist; einen ersten verteilten Bragg-Reflektor, DBR, der auf oder über einer zweiten Oberfläche der Substratschicht gegenüber der Hauptoberfläche angeordnet ist, wobei der erste DBR einen konkaven Abschnitt in Bezug auf eine von der Substratschicht abgewandte Richtung aufweist; einen zweiten DBR, der auf oder über einer Seite oder Oberfläche der Vielzahl von Schichten angeordnet ist, die vom ersten DBR weg zeigen; und eine Meta-Oberfläche-Struktur, die auf oder über einer Oberfläche oder Seite des zweiten DBRs angeordnet ist, die vom ersten DBR weg zeigt; wobei der konkave Abschnitt des ersten DBR so konfiguriert ist, dass er den VCSEL dazu veranlasst, in einem einzigen transversalen Modus zu emittieren.
2. VCSEL nach Anspruch 1 , ferner aufweisend eine Metallschicht, die über einer Seite des ersten DBRs angeordnet ist, die vom ersten DBR weg zeigt.
3. VCSEL nach Anspruch 2 , ferner aufweisend eine erste Abstandhalterschicht, die auf oder über der konkaven Oberfläche des ersten DBR angeordnet ist; und wobei die Metallschicht über einer Seite oder Oberfläche der ersten Abstandhalterschicht angeordnet ist, die vom ersten DBR weg zeigt.
4. VCSEL nach Anspruch 2 oder 3 , wobei die Meta-Oberfläche-Struktur direkt an oder auf einer Oberfläche des zweiten DBR angeordnet ist, die vom ersten DBR weg zeigt.
5. VCSEL nach Anspruch 2 oder 3 , ferner aufweisend: eine zweite Abstandhalterschicht, die auf oder über einer Oberfläche des zweiten DBR angeordnet ist, die vom ersten DBR weg zeigt, so dass die zweite Abstandhalterschicht zwischen der Metallschicht und dem zweiten DBR angeordnet ist.
6. VCSEL nach Anspruch 5 , wobei die zweite Abstandhalterschicht eingerichtet ist, eine Phasenanpassung zu erzielen.
7. VCSEL nach Anspruch 1 , ferner aufweisend: eine Metallschicht, die über einer Seite der Meta-Oberfläche-Struktur angeordnet ist, die von der Substratschicht weg zeigt.
8. VCSEL nach Anspruch 7 , ferner aufweisend: eine erste Abstandhalterschicht, die zwischen der Meta-Oberfläche-Struktur und dem zweiten DBR angeordnet ist; und eine zweite Abstandshalterstruktur, die zwischen der Meta-Oberfläche-Struktur und der Metallschicht angeordnet ist, wobei die erste Abstandhalterschicht und die zweite Abstandhalterschicht jeweils eine dielektrische Schicht aufweisen.
9. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , wobei die Meta-Oberfläche-Struktur ein Array von Meta-Oberfläche-Elementen ist.
10. VCSEL nach Anspruch 9 , wobei die Meta-Oberfläche-Elemente Meta-Atome aufweisen.
11. VCSEL nach Anspruch 9 oder 10 , wobei das Array von Meta-Oberfläche-Elementen ein periodisches Array von Meta-Oberfläche-Elementen ist, wobei das periodische Array von Meta-Oberfläche-Elementen eine Reihe von länglichen Meta-Oberfläche-Elementen aufweist, die sich parallel orthogonal zu einer Ebene erstrecken, die parallel zur Hauptoberfläche der Substratschicht verläuft.
12. VCSEL nach Anspruch 11 , wobei das periodische Array von Meta-Oberfläche-Elementen ein zweidimensionales, 2D, Array von Meta-Oberfläche-Elementen aufweist, wobei das Meta-Oberfläche-Element Materialien mit hohem Brechungsindex aufweist, wobei die Materialien mit hohem Brechungsindex einen Brechungsindex von mehr als 2 aufweisen.
13. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , ferner aufweisend: eine auf oder über der Oberfläche der Meta-Oberfläche-Struktur angeordnete Meta-Linse, wobei die Meta-Linse eingerichtet ist, das vom VCSEL ausgegebene Licht zu kollimieren.
14. VCSEL nach Anspruch 13 , wobei die Meta-Linse eine 2D-Array von Nanosäulen aufweist.
15. VCSEL nach Anspruch 14 , wobei das 2D-Array von Nanosäulen einen Bereich in einer Ebene parallel zum Hauptflächensubstrat überspannt, der größer ist als das Doppelte der Strahltaille w 0 der vom VCSEL ausgegebenen Lichtstrahlung.
16. VCSEL nach Anspruch 14 oder 15 , wobei jede Nanosäulen ein Material mit einem Brechungsindex größer als 2 aufweist.
17. VCSEL nach einem der Ansprüche 14 bis 16 , wobei die Radien der 2D-Array Nanosäulen so ausgelegt sind, dass sie eine positionsabhängige Phase einer fundamentalen Mode eines Resonators des VCSELs erfüllen.
18. VCSEL nach den Ansprüchen 1 bis 17 , wobei der konkave Abschnitt des ersten DBR eine Vielzahl von Schichten aufweist, die jeweils durch einen Parameter d definiert sind, wobei d ein Abstand ist, der in einer vertikalen Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats von einem Scheitelpunkt der jeweiligen Schicht im konkaven Abschnitt zu einem Endpunkt dieser Schicht innerhalb des konkaven Abschnitts gemessen wird, wobei der Parameter d die folgende Gleichung erfüllt: π w 0 n λ d L < 2 wobei: - w 0 die Strahltaille des von dem VCSEL ausgegebenen Lichts ist, - L die Resonatorlänge des VCSELs ist, gemessen von der p-dotierten Halbleiterschicht bis zur Substratschicht, - n der effektive Brechungsindex für Halbleiterschichten ist und - λ die Wellenlänge des vom VCSEL ausgegebenen Lichts ist.
19. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 18 , wobei der zweite DBR eine Vielzahl von Schichten aufweist, die abwechselnd Schichten aus Materialien mit niedrigem Brechungsindex und Materialien mit hohem Brechungsindex aufweisen, wobei die Materialien mit niedrigem Brechungsindex einen Brechungsindex von weniger als 1,5 und die Materialien mit hohem Brechungsindex einen Brechungsindex von mehr als 2 aufweisen.
20. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 19 , ferner aufweisend: eine Aktuatorvorrichtung, die in der Nähe oder angrenzend an die Meta-Oberfläche-Struktur angeordnet ist, wobei die Aktuatorvorrichtung eingerichtet ist, den Brechungsindex der Meta-Oberfläche-Struktur zu modifizieren.

Description

Gebiet Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterlaser und Verfahren zum Herstellen derselben. Hintergrund Vertikaler Resonator-Oberflächenemitterlaser (VCSELs) auf Indiumgalliumnitridbasis (InGaN) sind aufgrund ihres Potenzials für Anwendungen wie Hochgeschwindigkeitskommunikation, Displays (z.B. Augmented-Reality-Displays (AR), Virtual-Reality-Displays (VR)) und Beleuchtung zu einem Bereich von großem Interesse geworden. Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von VCSELs auf InGaN-Basis liegt in der Kontrolle der optischen Moden innerhalb des Resonators. Insbesondere VCSELs mit langen Resonatorlängen, die typischerweise zwischen 20 und 100 µm liegen, stellen spezifische Herausforderungen in Bezug auf Modenkontrolle und Stabilität dar. Bei VCSELs mit langem Resonator ist eines der Hauptprobleme die Verringerung des longitudinalen Modenabstands mit zunehmender Resonatorlänge (L). Diese Verringerung des Modenabstands, der oft Werte im Subnanometerbereich erreicht, führt zu einer verminderten Kontrolle über die longitudinalen Moden und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Modensprüngen während des Laserbetriebs. Modensprünge können die Leistung des Lasers erheblich beeinträchtigen und die Stabilität und Kohärenz des emittierten Lichts beeinträchtigen. Bei VCSELs mit langem Resonator kann die Verwendung eines gekrümmten Spiegels in Kombination mit einer Meta-Oberfläche dazu beitragen, diese Herausforderungen zu bewältigen. Der gekrümmte Spiegel kann zur Modenanpassung beitragen, indem er dafür sorgt, dass der fundamentale transversale Modus erhalten bleibt und Beugungsverluste minimiert werden. Das Verhältnis zwischen der Krümmung des Spiegels (R) und der Strahltaille des Lasers (w0) muss eine bestimmte Bedingung erfüllen, um die Leistung zu optimieren:√(RL−L2)=(πw∘n)/λ In dieser Gleichung repräsentiert L die Länge des Resonators, n den Brechungsindex von GaN und λ die Resonanzwellenlänge des Resonators. Durch die Erfüllung dieser Bedingung können die optischen Moden effektiver eingeschränkt werden, wodurch Beugungsverluste reduziert und die Gesamteffizienz des VCSELs verbessert werden. Darüber hinaus kann die Länge des Resonators (L) eine wichtige Rolle beim Ermitteln der Resonanzwellenlängen der longitudinalen Moden spielen, gegeben durch den Ausdruck:λ=(nL)/(2m)wobei m eine beliebige ganze Zahl ist. Der Abstand zwischen diesen longitudinalen Moden (Δλ) kann näherungsweise angegeben werden durch:Δλ≈(λ2)/(2nL) Mit zunehmender Länge des Resonators verringert sich der Modenabstand, was zu Modenabständen im Subnanometerbereich führt. Diese Verringerung des Modenabstands erhöht die Wahrscheinlichkeit eines longitudinalen Modensprungs, was den stabilen Betrieb des VCSELs weiter erschweren kann. Im Allgemeinen weisen VCSELs mindestens zwei Moden auf:a) Longitudinale Moden: Ein langer Resonator kann zu Modensprüngen zwischen den longitudinalen Moden des Resonators führen.b) Transversale Moden: Mit einer gekrümmten Spiegelgeometrie kann eine einzelne transversale Mode erreicht werden. Die Steuerung der longitudinalen Moden in InGaN-basierten VCSELs mit langem Resonator bleibt jedoch eine große Herausforderung. Der Einbau gekrümmter Spiegel bietet eine praktische Lösung für die Modenanpassung und die Minimierung von Beugungsverlusten, aber es sind weitere Optimierungen erforderlich, um das Modenspringen vollständig zu unterdrücken und die Stabilität dieser Vorrichtungen während des Betriebs zu verbessern. Kurzbeschreibung der Zeichnungen In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern dienen in erster Linie der Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte der Offenbarung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:1 einen Querschnitt einer Halbleiterlaservorrichtung/VCSEL zeigt;2A ein Diagramm zeigt, das den Modenabstand in Abhängigkeit von der Resonatorlänge für einen VCSEL darstellt;2B ein Diagramm der Transmissionsspektren der longitudinalen Moden für einen VCSEL zeigt;3 einen vereinfachten Querschnitt einer Struktur für einen VCSEL 300 gemäß mindestens einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt;4A-4D Meta-Oberfläche-Strukturen für VCSELs gemäß mindestens einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigen;5A ein Diagramm mit einer Darstellung der Reflektivität in Abhängigkeit von der Laserwellenlänge für den VCSEL 300 aufweist;5B ein Diagramm mit einer Darstellung der unteren Reflektivität in Abhängigkeit von der Laserwellenlänge für VCSEL wie beispielsweise VCSEL 300 aufweist;6 einen vereinfachten Querschnitt einer Struktur für einen VCSEL 600 gemäß mindestens einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt;7 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Struktur für einen VCSEL 700 gemäß mindestens einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt;8 eine vereinfachte Draufsich