具有集成电容器的垂直腔面发射激光器阵列的制作方法

1.本发明总体上涉及垂直腔面发射激光器(vcsel)芯片，更具体地说，涉及具有一个或多个集成电容器的vcsel芯片，以实现在大电流操作下具有快速上升时间的亚纳秒脉冲模式。


背景技术：

2.光学系统，例如基于飞行时间(tof)的测量系统，需要短持续时间(例如，10纳秒(ns)或更短)的高功率光脉冲，以及瞬态响应的快速上升和下降时间。高功率光脉冲能够实现更大的距离测距，而较短持续时间的光脉冲能够提高分辨率。对于垂直腔面发射激光器，经过垂直腔面发射激光器的较大电流对应于较高功率的光脉冲。通常，基于tof的测量系统通过测量发射的光脉冲和反射的光脉冲之间的延迟来确定到物体的距离和/或物体深度，其中发射的光脉冲具有明确定义的时间原点和简化测量的矩形形状。为了实现矩形形状，发射的光脉冲应该具有短的上升时间(例如，光脉冲的功率从零上升到峰值功率的时间)和短的下降时间(例如，光脉冲的功率从峰值功率下降到零的时间)。


技术实现要素：

3.在一些实施方式中，一种光学芯片包括垂直腔面发射激光器结构；以及在活性区之外的vcsel结构的活性层的至少一部分上方的电容器，该电容器包括：在活性层的所述部分上方的第一金属层、在第一金属层上的介电层和在介电层上的第二金属层；以及在垂直腔面发射激光器结构的衬底和垂直腔面发射激光器结构外部的电容器的一部分之间的隔离区。
4.在一些实施方式中，一种器件包括vcsel阵列；与所述vcsel阵列的电极集成的电容器，所述电容器包括第一部分、第二部分和第三部分，其中所述电容器的第一部分在所述vcsel阵列的vcsel结构的顶表面的一部分上方，其在所述vcsel结构的活性区之外，其中所述电容器的第二部分在所述vcsel阵列的vcsel结构的侧表面上，并且其中所述电容器的第三部分与所述vcsel阵列的vcsel结构相邻；以及位于电容器的第三部分和垂直腔面发射激光器阵列的衬底之间的隔离区。
5.在一些实施方式中，一种方法包括：在位于垂直腔面发射激光器芯片的垂直腔面发射激光器结构外部的垂直腔面发射激光器芯片的衬底区域中形成隔离区；在隔离区上、垂直腔面发射激光器结构的侧表面上以及垂直腔面发射激光器结构的顶表面上方形成第一金属层；在第一金属层上形成介电层；以及在介电层上形成第二金属层，其中第一金属层、介电层和第二金属层形成在垂直腔面发射激光器结构的至少一部分活性层上方延伸的平行板电容器。
附图说明
6.图1是如本文所述的包括集成电容器的vcsel芯片的示例实施方式的图。
7.图2-4是图示如本文所述的电容器集成在vcsel芯片的阳极和/或阴极处的图。
8.图5-9是示出在图2-4中概念性示出的配置中具有集成电容器的vcsel芯片的示例实施方式的图。
9.图10和11是与本文所述的在vcsel芯片中制造集成电容器的示例步骤相关联的图。
10.图12示出了可用于形成本文所述集成电容器的示例性高介电材料的特性。
11.图13和14示出了vcsel芯片的示例实施方式，其中电容器是与vcsel芯片集成的分立元件。
12.图15包括图示与vcsel芯片相关联的仿真结果的图，如本文所述，该vcsel芯片具有与vcsel芯片串联配置的集成电容器。
13.图16包括图示与vcsel芯片相关联的仿真结果的图，如本文所述，该vcsel芯片具有与vcsel芯片并联配置的集成电容器。
14.图17是与形成包括集成电容器的vcsel芯片相关联的示例过程的流程图，如本文所述。
具体实施方式
15.以下示例实施方式的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
16.与驱动vcsel芯片相关联的驱动电路在一些情况下可以包括电容器(例如，布置在印刷电路板上的电容器)，以便增强vcsel芯片的性能。例如，电容器可以被配置为充当与驱动垂直腔面发射激光器芯片相关联的电荷储存器。然而，虽然使用外部电容可以获得一些性能优势，但外部电容和vcsel芯片之间电流路径上的寄生电感和电阻意味着性能没有得到优化。例如，沿着外部电容器和垂直腔面发射激光器芯片之间的电流路径的寄生电感和电阻降低了工作电流，增大了垂直腔面发射激光器芯片的响应时间，并降低了垂直腔面发射激光器芯片的驱动效率，特别是对于高电流工作。
17.本文描述的一些方面提供了一种包括集成电容器的垂直腔面发射激光器芯片。在一些实施方式中，集成电容器是两个金属层之间具有介电层的形式，以形成金属-绝缘体-金属(mim)电容器或金属-氧化物-金属(mom)电容器。在一些实施方式中，特定集成电容器的金属层是与操作vcsel芯片相关联地使用的金属层的一部分。例如，特定集成电容器的金属层可以是vcsel芯片的阳极金属的一部分(例如，当集成电容器集成在vcsel芯片的阳极时)。类似地，给定集成电容器的金属层可以是vcsel芯片的阴极金属的一部分(例如，当给定集成电容器集成在vcsel芯片的阴极时)。下面描述集成电容器的附加细节和具体实现。
18.一般来说，将电容器集成在vcsel芯片上可以降低或最小化电容器和vcsel芯片之间的电感和电阻(例如，与外部电容器相比)，这继而会优化工作电流、切换速度和驱动效率。例如，在一些实施方式中，集成电容器可以被配置为与垂直腔面发射激光器串联，使得集成电容器充当电荷储存器。在这里，集成在垂直腔面发射激光器芯片上的电容降低或最小化集成电容器和垂直腔面发射激光器之间的电感和电阻，以实现锐脉冲和超窄脉冲操作(当集成电容器通过垂直腔面发射激光器释放存储的电荷时)。
19.作为另一个例子，在一些实施方式中，集成电容器可以与垂直腔面发射激光器并
联配置，使得集成电容器充当高速电容器(例如，具有相对小的电容和尺寸)。这里，集成在垂直腔面发射激光器芯片上的电容器充当垂直腔面发射激光器芯片和外部电感电路之间的阻抗匹配电路，以提供宽带宽来支持矩形脉冲的高阶谐波，从而锐化光脉冲的边缘，并因此减少光脉冲的上升和下降时间。例如，光脉冲是基频和基频的高阶谐波分量的总和。允许高频率分量通过vcsel需要宽带电路允许在光脉冲的上升时间和下降时间都有陡峭的瞬态响应。通过驱动具有较低寄生阻抗的电路，支持更宽的频率带宽，因此，允许光脉冲的高阶谐波频率分量通过垂直腔面发射激光器，这意味着实现了更快的光脉冲上升和下降时间。
20.图1是包括集成电容器的vcsel芯片100的示例实施方式的图。图1示出了vcsel芯片100上的单个vcsel结构(例如，单个发射极)，并且vcsel芯片100可以包括一个或多个附加的vcsel结构，其具有与结合图1示出和描述的结构相似的结构。如图1所示，vcsel芯片100包括衬底102、底部金属层104、隔离区106、底部反射镜108、活性层110、限定氧化物孔隙114的氧化物层112、顶部反射镜116、隔离区118、接触层120和光学孔隙122。这里，图1所示的vcsel结构是包括底部反射镜108、活性层110、氧化物层112、氧化物孔隙114、顶部反射镜116、隔离区118和光学孔隙122的结构。vcsel芯片100的其他vcsel结构可以具有与图1所示的vcsel结构相似的结构。在一些实施方式中，可以使用其他垂直腔面发射激光器结构，例如多结发射器，或者具有不同的层、反射镜和/或区域配置的其他垂直腔面发射激光器结构。如进一步所示，垂直腔面发射激光器芯片100包括电容器层124、介电层126、粘合层128和顶部金属层130。如图1所示，在vcsel芯片100的一些区域中(例如，与图1所示的vcsel结构相邻)，形成电容器132。也就是说，在垂直腔面发射激光器芯片100的一些区域中，电容器132集成在垂直腔面发射激光器芯片100中。在图1所示的示例中，包括电容器层124、介电层126和顶部金属层130的叠层形成电容器132。值得注意的是，在一些实施方式中，根据垂直腔面发射激光器芯片100的布局结构，电容器132可以形成在垂直腔面发射激光器芯片100表面的一个或多个区域中，而不是在光学孔隙122的区域中。在一些实施方式中，根据垂直腔面发射激光器芯片100的特定布局结构，可以形成多个mim(例如，mimim结构)。
21.衬底102包括在其上形成垂直腔面发射激光器阵列的衬底。在一些实施方式中，垂直腔面发射激光器芯片100的其他层生长在衬底102上。在一些实施方式中，衬底102可以由半导体材料形成，例如砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)或其他类型的半导体材料。在一些实施方式中，衬底102包括n型材料(例如，n型gaas)。
22.底部金属层104是衬底102的底表面上的金属层(例如，在垂直腔面发射激光器芯片100的背面)。底部金属层104是与衬底102电接触的层。在一些实施方式中，底部金属层104是垂直腔面发射激光器芯片100的阴极。在一些实施方式中，底部金属层104可以包括退火的金属化层，例如金-锗-镍(augeni)层或钯-锗-金(pdgeau)层等。
23.隔离区106是被配置为在电容器132和衬底102之间提供隔离的区域。例如，在一些实施方式中，隔离区106可以被配置为防止电流从电容器132泄漏到衬底102。在一些实施方式中，隔离区106可以被配置为减少电容器132和衬底102之间的电容耦合。在一些实施方式中，如图1所示，隔离区106在衬底102和电容器132之间(例如，邻近vcsel芯片100的vcsel结构)。在一些实施方式中，可以使用例如离子注入工艺或扩散工艺在衬底102中形成隔离区106。
24.底部反射镜108是vcsel芯片100的vcsel结构中的光学谐振器的底部反射器。例
如，底部反射镜108可以包括分布式布拉格反射器(dbr)、介电反射镜或其他类型的反射镜结构。在一些实施方式中，底部反射镜108由n型材料形成。在一些实施方式中，底部反射镜108包括使用金属有机物化学气相沉积(mocvd)技术、分子束外延(mbe)技术或其他技术生长的一组层(例如，铝镓砷(algaas)层)。
25.活性层110包括一个或多个层，其中电子和空穴复合而发光，并限定vcsel芯片100的发射波长范围。例如，活性层110可以包括一个或多个量子阱。在一些实施方式中，活性层110可以包括在顶部反射镜116和底部反射镜108之间的一个或多个空腔间隔层。活性层110(包括空腔间隔层)的光学厚度以及顶部反射镜116和底部反射镜108的光学厚度限定了垂直腔面发射激光器芯片100的谐振腔波长，其可以被设计为在活性区的发射波长范围内以实现激光发射。在一些实施方式中，活性层110可以是具有发光量子阱的本征(i)区域的单个p-i-n结。可选地，在一些实施方式中，活性层110可以是多结活性区——通过隧道结连接的一系列p-i-n结，具有p-i-n/n /p /p-i-n/n /p /p-i-n(从底部到顶部)的层堆叠，其中每个本征区域包括发光量子阱。在一些实施方式中，活性层110包括使用金属有机物化学气相沉积技术、分子束外延技术或其他技术生长的一组层。
26.氧化物层112包括形成氧化物孔隙114的氧化物层，用于为垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器提供光学和电学限制。在一些实施方式中，氧化物层112是作为垂直腔面发射激光器芯片100的一个或多个外延层的氧化的结果而形成的。例如，氧化物层112可以是作为外延层(例如，algaas层、砷化铝alas层等)氧化的结果而形成的氧化铝(al2o3)层。在一些实施方式中，在垂直腔面发射激光器芯片100中的垂直腔面发射激光器周围蚀刻的氧化沟槽(例如，邻近图1所示的垂直腔面发射激光器结构)可以允许蒸汽或气体进入用于形成氧化物层112的外延层。在一些实施方式中，氧化物层112被形成为使得氧化物孔隙114具有圆形形状。在一些实施方式中，氧化物层112被形成为使得氧化物孔隙114具有非圆形形状。
27.顶部反射镜116是vcsel芯片100的vcsel结构中的光学谐振器的顶部反射器。例如，顶部反射镜116可以包括dbr镜、介电反射镜或其他类型的反射镜结构。在一些实施方式中，顶部反射镜116由p型材料形成。在一些实施方式中，顶部反射镜116包括使用金属有机物化学气相沉积技术、分子束外延技术或其他技术生长的一组层(例如，algaas层)。
28.隔离区118是被配置为防止自由载流子到达垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构的沟槽边缘和/或使垂直腔面发射激光器芯片100中的相邻垂直腔面发射激光器结构彼此隔离的隔离区(例如，当垂直腔面发射激光器没有被沟槽完全包围时)。在一些实施方式中，隔离区106可以使用例如离子注入工艺或扩散工艺形成在垂直腔面发射激光器芯片100的外延层中。
29.接触层120是垂直腔面发射激光器芯片100的顶部接触层，其与电流可以流过的顶部反射镜116电接触。在一些实施方式中，接触层120包括退火的金属化层。例如，接触层120可以是钛-金(ti-au)层、镍-金(ni-au)层等。在一些实施方式中，接触层120具有环形、开槽环形、齿轮形或其他圆形或非圆形形状(例如，取决于垂直腔面发射激光器芯片100中垂直腔面发射激光器结构的设计)。
30.光学孔隙122是vcsel芯片100的vcsel结构中的孔隙，光通过该孔隙发射。在一些实施方式中，如图1所示，光学孔隙122的尺寸或形状可以至少部分由接触层120限定。在一
些实施方式中，如图所示，介电层126的一部分可以形成在光学孔隙122之上或之中。在一些实施方式中，在光学孔隙122之上或之中的介电层126的部分可以是在与形成接触层120相关联地蚀刻介电层126之后保留在光学孔隙122之上或之中的介电层126的部分。
31.电容器层124是形成集成在垂直腔面发射激光器芯片100中的电容器132的一部分的导电层。在一些实施方式中，电容器层124可以包括例如金、镍、钛、铂、铜、一种或多种其他金属材料、或者一种或多种其他导电材料。如图1所示，在一些实施方式中，电容器层124形成在vcsel芯片100的隔离区106上或上方。此外，在一些实施方式中，电容器层124形成在垂直腔面发射激光器结构的一个或多个部分上。在一些实施方式中，电容器层124的厚度可以在从大约0.5微米到大约3微米的范围内，例如2μm。电容器层124的厚度在一些情况下可以结合在vcsel芯片100的后处理期间提供机械性能的情况来选择，例如针对引线键合和探测。
32.介电层126包括一层或多层绝缘材料。介电层126的特定部分的目的或功能可以取决于介电层126的特定部分所处的区域。例如，在图1所示的实现中，顶部金属层130和vcsel结构的侧表面之间在vcsel结构的侧表面上的介电层的一部分可以被配置为提供vcsel结构与顶金属层130的隔离。作为另一示例，电容器层124和顶部金属层130之间的介电层126的一部分可以被配置为用作电容器132中的介电层。作为另一个例子，光学孔隙122之上或之中的介电层126的一部分可以被配置成保护垂直腔面发射激光器结构的下层免受损坏。在一些实施方式中，介电层126中的一种或多种类型的介电材料或介电层126中的一种或多种介电材料的厚度可以在介电层126的不同部分之间变化。在一些实施方式中，垂直腔面发射激光器芯片100可以包括一个或多个介电层126。在介电层126中具有更多类型的介电材料的一些实施方式中，介电层可以相对于电容器132的板之间的电场线平行或串联地布置。
33.在一些实施方式中，介电层126包括具有相对高介电常数的介电材料(例如，介电常数大于或等于大约100的材料)，例如二氧化钛(tio2)、钛酸钡(batio3，也称为bt)、钛酸锶钡(basrtio3，也称为bst)或钛酸锶(srtio3)。附加地或替代地，介电层126可以包括具有相对低介电常数的介电材料，例如氮化硅(si
x
ny，例如si3n4)或二氧化硅(sio2)等。在一些实施方式中，介电层126可以包括两层或更多层介电材料，其中介电材料的类型或厚度在两层或更多层介电材料之间变化。在一些实施方式中，可以选择介电层126中的介电材料的类型或介电材料的厚度，以使电容器132提供期望的电容(例如，大于大约100皮法(pf)的电容、在大约0.1纳法(nf)到大约50nf的范围内的电容)或其他特性。在一些实施方式中，介电层126的厚度可以在大约50埃(a)到大约1微米的范围内，例如0.1微米。在一些实施方式中，介电材料的厚度可以基于特定操作的击穿电压来选择。
34.粘合层128是与将顶部金属层130结合到介电层126相关联的层。在一些实施方式中，粘合层128是有机材料(例如，苯并环丁烯(bcb))或无机材料。在一些实施方式中，粘合层128在沉积顶部金属层130之前沉积在介电层126上，以便提供顶部金属层130到介电层126的结合。
35.顶部金属层130是垂直腔面发射激光器芯片100的金属层(例如，在垂直腔面发射激光器芯片100的前侧)。顶部金属层130是与vcsel芯片100发光的操作相关联地与接触层120电接触的层。在一些实施方式中，顶部金属层130是垂直腔面发射激光器芯片100的阳极。在一些实施方式中，顶部金属层130可以包括例如金、镍、钛、铂、铜、一种或多种其他金
属材料、或者一种或多种其他导电材料。在一些实施方式中，顶部金属层130的厚度可以在大约1微米到大约3微米的范围内，例如3μm。在一些实施方式中，金属层130的厚度可以等于或接近给定制造工艺可用的最高金属化厚度，以便提供最低可能的电阻率。
36.在一些实施方式中，顶部金属层130的一部分是导电层，其形成集成在vcsel芯片100中的电容器132的一部分。也就是说，在一些实施方式中，顶部金属层130的一部分被配置为充当电容器132中的导电层。例如，如图1所示，电容器层124上的顶部金属层130的部分可以充当电容器132的顶部导电层。
37.电容器132是集成在vcsel芯片100中的电容器。在一些实施方式中，电容器132由电容器层124、介电层126的一部分和顶部金属层130的一部分形成。因此，在一些实施方式中，电容器132是平行板电容器，例如mim电容器或mom电容器(取决于介电层126的组成)。在一些实施方式中，如图1所示，电容器132形成在与vcsel芯片100的一个或多个vcsel结构相邻的区域中。也就是说，在一些实施方式中，电容器132形成在vcsel芯片100的一个或多个vcsel结构之间、周围或附近的区域中。此外，在一些实施方式中，电容器132的一部分形成在垂直腔面发射激光器结构上方(例如，在活性层110的一部分上方)。也就是说，在一些实施方式中，电容器132在给定的垂直腔面发射激光器结构的光学孔隙122附近或延伸到光学孔隙122。
38.值得注意的是，实现电容器132的金属层的数量不限于两个金属层和一个介电层。例如，在一些实施方式中，电容器132可以包括分隔三个或更多个金属层(例如，第一电容器层124、第二电容器层124和顶部金属层130)的多个介电层(例如，第一介电层126和第二介电层126)，而不是分隔电容器层124和顶部金属层130的单个介电层126。在这种实施方式中，这种电容器132的三个或更多个金属层中的给定金属层可以使用介电层126中的通孔或电介质蚀刻工艺电连接到一个或更多个其他金属层。在一些实施方式中，这种配置可以减小vcsel芯片100的接合焊盘的面积(例如，通过将底部触头电连接到顶部金属层)，并为电容器132提供增加的电容(例如，与包括两个金属层的电容器132相比)。
39.在一些实施方式中，电容器132与vcsel芯片100的阳极集成在一起，如图1所示。或者，电容器可以与垂直腔面发射激光器芯片100的阴极集成在一起，其各种例子将在下面描述。在一些实施方式中，垂直腔面发射激光器芯片100包括与垂直腔面发射激光器芯片100的阳极集成的第一电容器132a和与垂直腔面发射激光器芯片100的阴极集成的第二电容器132b，其示例将在下面参照图9进行描述。
40.在一些实施方式中，电容器132与垂直腔面发射激光器芯片100串联连接。在这种配置中，电容器132充当vcsel芯片100的电荷储存器。这里，电容器132在垂直腔面发射激光器芯片100上的集成减小或最小化了电容器132和垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器之间的电感和电阻(例如，与外部电容器相比)，从而能够进行锐利脉冲和超窄脉冲操作(当电容器132通过垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器释放存储的电荷时)。
41.在一些实施方式中，电容器132与垂直腔面发射激光器芯片100并联连接。在这种配置中，电容器132充当高速电容器(例如，具有相对小的电容和尺寸)。此时，电容器132充当vcsel芯片100和外部电感电路之间的阻抗匹配电路，以提供宽带宽来支持矩形脉冲的高阶次谐波，从而锐化光脉冲的边缘，并因此降低光脉冲的上升和下降时间。例如，光脉冲是
基频和基频的高阶谐波分量的总和。允许高频分量通过垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器需要宽带电路，该电路允许在光脉冲的上升时间和下降时间都有陡峭的瞬态响应。通过驱动具有较低寄生阻抗的电路，支持更宽的频率带宽，因此，允许光脉冲的高阶谐波频率分量通过垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器，这意味着实现了更快的上升和下降时间。
42.在一些实施方式中，垂直腔面发射激光器芯片100包括与垂直腔面发射激光器芯片100串联的第一电容器132和与垂直腔面发射激光器芯片100并联的第二电容器132。下面提供了包括电容器132的垂直腔面发射激光器芯片100的附加示例实施方式。
43.图1所示的层的数量、排列、厚度、顺序、对称性等作为示例提供。实际上，垂直腔面发射激光器芯片100可以包括与图1所示的层相比更多的层、更少的层、不同的层、不同构造的层、不同排列的层或者具有不同相对厚度的层。附加地或替代地，垂直腔面发射激光器芯片100的一组层(例如，一个或多个层)可以执行被描述为由垂直腔面发射激光器芯片100的另一组层执行的一个或多个功能，并且实际上，任何层可以包括多于一个层。
44.图2-4是概念性地示出电容器132集成在vcsel芯片100的阳极和/或阴极处的图。值得注意的是，除了电容器132之外，vcsel芯片100的各个层和特征在图2-4中没有示出。
45.图2是概念性地示出电容器132集成在vcsel芯片100的阳极处的图。图2右上角示出了图2所示配置的等效电路。在图2所示的示例中，电容器132与vcsel芯片100的阳极集成在一起，并且与vcsel芯片100的vcsel结构阵列串联连接。在图2的示例中，vcsel结构阵列形成在发射区域202中，并且vcsel结构阵列的每个vcsel结构由深灰色垂直取向矩形和对应的虚线矩形表示。如图2所示，在一些实施方式中，电容器132可以位于发射区域202上方的区域中，而不是发射区域202中的发射极的孔上方的区域中。如进一步所示，在一些实施方式中，电容器132可以延伸到发射区域202的外部。这种配置能够为切换操作积累电荷。在切换模式期间，由电容器132存储的电荷被激发(当电流通过外部驱动器连接在阳极和阴极之间时)，从而在驱动vcsel芯片100的驱动脉冲的下降沿产生超快的电流脉冲。
46.图3是概念性地示出电容器132集成在vcsel芯片100的阴极处的图。图3右上角示出了图3所示配置的等效电路。在图3所示的示例中，电容器132与vcsel芯片100的阴极集成在一起，并且与vcsel芯片100的vcsel结构阵列串联连接。在图3的示例中，vcsel结构阵列形成在发射区域302中，并且vcsel结构阵列的每个vcsel结构由深灰色垂直取向矩形和对应的虚线矩形表示。如图3所示，在一些实施方式中，电容器132可以在发射区域302之外。此外，在一些实施方式中，电容器132可以通过隔离区域304(例如，包括介电层126的一部分的区域或者vcsel芯片100的一个或多个隔离区域)与vcsel芯片100的vcsel结构隔离。值得注意的是，图3所示的vcsel芯片100的操作类似于结合图2描述的操作，但是集成电容器连接到vcsel芯片100的阴极。这种布置使得阻抗匹配和到驱动器芯片的反馈具有灵活性。
47.图4是概念性地示出电容器132集成在vcsel芯片100的阳极和阴极处的图。图4右上角示出了图4所示配置的等效电路。在图4所示的示例中，电容器132a与vcsel芯片100的阳极集成在一起，并且与vcsel芯片100的vcsel结构阵列串联连接。在图4的示例中，vcsel结构阵列形成在发射区域402中，并且vcsel结构阵列的每个vcsel结构由深灰色垂直取向矩形和对应的虚线矩形表示。如图4所示，电容器132a可以在发射区域402之上，并且在一些情况下，可以延伸到发射区域402之外。如图4进一步所示，电容器132b与vcsel芯片100的阴
极集成在一起，并与vcsel芯片100的vcsel结构阵列串联。如图4所示，在一些实施方式中，电容器132b可以在发射区域402之外，并且可以通过隔离区域404(例如，包括介电层126的一部分的区域或者vcsel芯片100的一个或多个隔离区域)与vcsel芯片100的vcsel结构隔离。通过分别在vcsel芯片100的阳极和阴极处集成电容器132a和132b，图4所示的配置提高了vcsel芯片100的操作的灵活性和针对外部电路进行调谐的灵活性。
48.如上所述，图2-4被提供作为在vcsel芯片100中集成电容器132的概念性说明的示例，而其他示例也被考虑。
49.图5-9是示出图2-4中概念性示出的配置中的vcsel芯片100的示例实施方式的图。
50.图5是vcsel芯片100的示例实施方式的图，其中电容器132集成在vcsel芯片100的阳极，并且被配置为与vcsel芯片100的vcsel结构阵列串联。图5的右上角示出了图5所示的示例实施方式的等效电路。值得注意的是，图5中的垂直腔面发射激光器芯片100在垂直腔面发射激光器芯片100的阳极上具有两个接入触点——用于连接到顶部金属层130的接合线(例如，接合线a)的第一接入触点，和用于连接到电容器层124的接合线(例如，引线键合b)的第二接入触点。这里，当接合线a连接到电压源时，阳极电容器132与垂直腔面发射激光器芯片100并联。此外，当接合线b连接到电压源时，阳极电容器132与垂直腔面发射激光器芯片100串联。
51.图6是图示vcsel芯片100的另一示例实施方式的图，其中电容器132集成在vcsel芯片100的阳极处，并且被配置为与vcsel芯片100的vcsel结构阵列串联。图6的右上角示出了图6所示的示例实施方式的等效电路。在图6所示的示例实施方式中，电容器层124、介电层126b和顶部金属层130形成电容器132。如图所示，电容器132在与垂直腔面发射激光器结构相邻的表面上(例如，在隔离区106上方)，在垂直腔面发射激光器结构的侧表面上(例如，垂直腔面发射激光器结构的垂直取向的侧表面)，以及在垂直腔面发射激光器结构的顶表面上的一部分上。在一些实施方式中，如图6所示，电容器132在垂直腔面发射激光器结构的顶面上延伸到光学孔隙122或其附近。在一些实施方式中，如图所示，电容器132的一部分在垂直腔面发射激光器结构的活性层110的一部分的上方。此时，活性层110上方形成电容器132的部分在垂直腔面发射激光器结构的活性区之外。垂直腔面发射激光器结构的活性区对应于氧化物孔114内的活性层110的一部分(例如，其上不存在氧化物层112的活性层110的一部分)。换句话说，电容器132可以形成在垂直腔面发射激光器结构的侧表面上和活性区之外的垂直腔面发射激光器结构的顶表面的一部分上。在一些实施方式中，重叠电容器132区域形成在包括垂直腔面发射激光器芯片100的整个表面的区域中，而不是对应于垂直腔面发射激光器芯片100的发射极的孔的区域中。值得注意的是，在图6所示的示例实施方式中，电容器层124可以沉积在顶部金属层130之后(例如，以能够形成在vcsel结构的活性层110上延伸的电容器132)。
52.在图6所示的示例实施方式中，电容器132的面积增加，这意味着电容可以增大(例如，与使用相同介电材料并且电容器132不在vcsel结构的活性区之外的活性层110上延伸的实施方式相比)。因此，图6所示的实现减少了在vcsel芯片100上形成电容器132所需的空间量，从而使得vcsel芯片100具有更小的尺寸和更低的成本(例如，与电容器132与vcsel结构相邻并且不与vcsel结构重叠的实施方式相比)。
53.值得注意的是，图6所示的示例实施方式包括介电层126a和介电层126b。在一些实
施方式中，介电层126a和介电层126b可以由同一组材料或不同组材料形成。在一些实施方式中，介电层126b中的一个或多个层的类型或厚度可以基于电容器132提供的期望电容来选择。
54.此外，如果图6所示的vcsel芯片100的示例实施方式的极性使用隧道结或公共阳极，则vcsel芯片100将向外看起来相同，而阳极将在vcsel芯片100的底部，阴极将在vcsel芯片100的顶部。
55.图7是图示vcsel芯片100的示例实施方式的图，其中电容器132集成在vcsel芯片100的阴极处，并且与vcsel芯片100的vcsel结构阵列并联配置，其中阴极104在vcsel芯片100的底部。图7的右上角示出了图7所示的示例实施方式的等效电路。值得注意的是，在图7所示的示例实施方式中，电容器132由电容器层124、介电层126b和衬底102形成。这里，在vcsel芯片100的表面上的阴极电容器接入点使得能够在点b接入阴极电容器132。
56.值得注意的是，在这样的配置中，电容器132需要形成在除了vcsel芯片100的发射区域之外的vcsel芯片100的所有区域中，以便能够减小尺寸和成本。因此，可能需要与发射区域相邻的相对较大的区域来实现电容器132。在此，电容器132可能需要选择介电层126b的材料，以能够减小衬底102的尺寸(例如，避免显著增加vcsel芯片100的面积)。
57.图8和图9是示出了vcsel芯片100的示例实施方式的图，其中电容器132a集成在vcsel芯片100的阳极，电容器132b集成在vcsel芯片100的阴极。图8是示出可以限定阳极电容器132a和阴极电容器132b的配置的图。在此，阳极焊盘和发射区域下面的区域限定阳极电容器132a，阴极顶部金属和阴极镀覆金属下面的区域限定阴极电容器132b。值得注意的是，如图8所示，存在间隙使得vcsel芯片100的阳极和阴极不连接。图8是示出与图9所示的截面相关联的vcsel芯片100的示例俯视图的图。图9的右上角示出了图9所示的示例实施方式的等效电路。值得注意的是，在图8和图9所示的示例实施方式中，电容器132a由电容器层124、介电层126a和顶部金属层130形成，而电容器132b由电容器层124、介电层126b和衬底102形成。包括在垂直腔面发射激光器芯片100的阳极的电容器132a和在垂直腔面发射激光器芯片100的阴极的电容器132b可能是理想的，以实现例如包括偏置和调谐的复杂操作。
58.图5-9所示的层的数量、排列、厚度、顺序、对称性等作为示例被提供。实际上，垂直腔面发射激光器芯片100可以包括与图5-9所示的层相比更多的层、更少的层、不同的层、不同构造的层、不同排列的层或者具有不同相对厚度的层。附加地或替代地，垂直腔面发射激光器芯片100的一组层(例如，一个或多个层)可以执行被描述为由垂直腔面发射激光器芯片100的另一组层执行的一个或多个功能，并且实际上，任何层可以包括多于一个层。
59.图10和11是与在vcsel芯片100中制造电容器132的示例步骤相关联的图。图10从vcsel芯片100的俯视图示出了示例步骤。
60.如图10所示，在vcsel芯片100中形成vcsel结构的阵列。如图10所示，在第一组操作(1)之后，vcsel芯片100可以包括接触层120、沟槽(在图10中标识为黑色矩形)和介电层126。这里，介电层126在接触层120上方。
61.如进一步所示，在第二组操作(2)中，电容器层124形成在垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构周围。也就是说，电容器层124可以沉积在与垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构相邻的区域中。如下所述，形成电容器层124的区域是电容器132集成在垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构阵列
中的区域。
62.如进一步所示，在第三组操作(3)中，介电层126可以被蚀刻以暴露接触层120的一部分。例如，可以在接触层120上的介电层126中蚀刻通孔，以暴露接触层120的部分(例如，使得顶部金属层130可以与接触层120电接触)。
63.如进一步所示，在第四组操作(4)中，顶部金属层130可以形成在电容器层124之上以及包括接触层120的暴露部分的区域之上。如所指出的，在形成顶部金属层130之后，仅一个金属层——顶部金属层130——存在于紧接周围的介电层126的剩余暴露部分的区域中(例如，包括垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构的顶面和侧面的区域)。相反，在形成顶部金属层130之后，两个金属层——电容器层124和顶部金属层130——存在于垂直腔面发射激光器芯片100的其他区域中(例如，与垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构相邻的区域)。这里，电容器132形成在垂直腔面发射激光器芯片100的这些其他区域中(例如，形成电容器层124的区域)。
64.在一些实施方式中，可以执行类似于结合图10描述的那些操作的一系列操作，以在vcsel结构之间的接合焊盘下方的区域中或者横跨整个vcsel芯片100形成电容器层124。
65.图11示出了vcsel芯片100的布局的俯视图和在使用类似于结合图10描述的一系列操作形成电容器132之后vcsel芯片100的特定vcsel结构处的横截面。
66.在一个实际示例中，使用结合图10描述的示例工艺，vcsel芯片100具有大约0.3平方毫米(mm2)的面积，具有大约512个vcsel结构(例如，发射器)，并且，介电层126具有大约0.1微米(微米)的厚度，并且由二氧化钛(例如，具有大约100的介电常数的材料)形成。在该示例中，电容器132实现了大约3纳法(nf)的电容。
67.如上所述，提供图10和11作为例子。其他示例可以不同于关于图10和11所描述的。
68.值得注意的是，在垂直腔面发射激光器芯片100的特定面积内为电容器132提供足够电容的高介电材料和相关制造工艺的可用性可能受到限制。尽管形成电容器132的金属层(例如，电容器层124和顶部金属层130)的面积可以延伸超过垂直腔面发射激光器芯片100的发射区域(例如，形成垂直腔面发射激光器芯片100的垂直腔面发射激光器结构的区域)，但是在这种情况下，垂直腔面发射激光器芯片100的成本可能会增加，以获得期望的电容。另一种方法是在介电层126中包括高介电材料，以便增加形成电容器132的区域内的电容。
69.图12示出了可用于形成电容器132的示例性高介电材料的特性。图12的上部的表格列出可以包括在用于形成电容器132的介电层126中的材料的例子以及这些材料的介电常数。图12的下部描绘了对于二氧化钛(左图)和钛酸钡(右图)的不同介电厚度，电容器132(例如，mim)的预测电容与可用面积之间关系。从图12的下图中可以看出，当用于形成电容器132的介电层126是诸如二氧化钛或钛酸钡的高介电材料时，电容器132的足够电容在vcsel芯片100的尺寸内是可行的。在一些实施方式中，电容器132可以是多个金属层的形式，其中电容显示在图12中示出了mimim形式的三个金属层的图的右侧部分，以支持更高的电容。值得注意的是，上述预测电容是基于所选比例因子(例如，0.8)的估计电容，该因子反映由于温度、电压和老化效应导致的性能退化。
70.如上所述，提供图12作为示例。其他示例或高介电材料可以不同于关于图12所描述的。
71.图13和14示出了vcsel芯片的示例实施方式，其中电容器是与vcsel芯片集成(例如，安装在其上)的分立元件。如图13的上部图(顶视图)所示，电容器1302(例如，平行板陶瓷电容器)可以包括空腔1304。如图13中的下部图(侧视图)所示，电容器1302可以使用导电粘合剂1306安装在vcsel芯片1300上(例如，在vcsel芯片1300的顶部金属层上，其可以包括典型的vcsel结构)(例如，使得分立电容器1302附接到vcsel芯片1300)。这里，空腔1304的尺寸被设计成允许垂直腔面发射激光器芯片1300的激光发射(例如，使得空腔1304在垂直腔面发射激光器芯片1300的发射区域上方)。这种配置类似于电容器132集成在vcsel芯片100的阳极上的vcsel芯片100，。在一些实施方式中，光学透镜可以安装在空腔1304的顶部，用于光学信号调节或处理。在一些实施方式中，多层mim可以用于为光学聚焦提供足够的厚度。图13所示结构的功能类似于上述阳极电容器实施方式的功能。
72.或者，如图14所示，可以使用导电粘合剂1404将电容器1402安装在vcsel芯片1400的底部(例如，在vcsel芯片1400的底部金属层上，其可以包括典型的vcsel结构)。这种配置类似于电容器132集成在vcsel芯片100的阴极上的vcsel芯片100。对于后端激发的vcsel，可能需要类似于1304的空腔来实现通过电容器1402的激光发射。
73.如上所述，提供图13和14作为示例。其他示例可以不同于关于图13和14所描述的。
74.图15包括示出与具有与vcsel芯片100串联配置的电容器132的vcsel芯片100相关联的仿真结果的图。在与图15相关的模拟中，电容器132与vcsel芯片100的阳极串联集成。此外，在图15所示的图中，对于vcsel芯片100，v(脉冲)是脉冲电压，i(vcsel)是电流。图15中的上部图示出了在与控制vcsel芯片100的工作电流相关联的电阻被设置为例如0.05欧姆的值的情况下的响应时间。图15中的下图示出了与控制vcsel芯片100的工作电流相关联的电阻被调整到与控制vcsel芯片100的工作电流相关联的不同值的情况下的响应时间(用于控制工作电流的电阻值取决于vcsel和驱动器电路的类型)。从图15中的图表可以看出，具有集成在阳极的电容器132的vcsel芯片100即使在存在来自控制工作电流的附加电阻的情况下，也可以实现具有高电流工作的亚纳秒脉冲响应。
75.如上所述，提供图15作为示例。其他示例可能与关于图15描述的不同。
76.图16是示出与具有与vcsel芯片100并联配置的电容器132的vcsel芯片100相关联的仿真结果的图。在与图16相关联的模拟中，电容器132与vcsel芯片100的阳极集成在一起。图16所示的仿真结果说明，与不包括集成电容器的vcsel芯片相比，集成电容器132与vcsel芯片100并联布置的vcsel芯片100可以实现更快的上升时间。
77.如上所述，提供图16作为示例。其他示例可能与关于图16描述的不同。
78.图17是与形成包括这里描述的电容器132的vcsel芯片100相关联的示例过程1700的流程图。
79.如图17所示，工艺1700可以包括在vcsel芯片的vcsel结构外部的vcsel芯片的衬底区域中形成隔离区(方框1710)。例如，如上所述，隔离区(例如，隔离区106)可以形成在位于垂直腔面发射激光器芯片的垂直腔面发射激光器结构外部的垂直腔面发射激光器芯片(例如，垂直腔面发射激光器芯片100)的衬底(例如，衬底102)的区域中。
80.如图17进一步所示，工艺1700可以包括在隔离区上方、在垂直腔面发射激光器结构的侧表面上以及在垂直腔面发射激光器结构的顶表面上形成第一金属层(方框1720)。例如，如上所述，第一金属层(例如，电容器层124)可以形成在隔离区上、垂直腔面发射激光器
结构的侧表面上以及垂直腔面发射激光器结构的顶表面上。
81.如图17进一步所示，工艺1700可以包括在第一金属层上形成介电层(方框1730)。例如，如上所述，介电层(例如，介电层126)可以形成在第一金属层上。
82.如图17进一步所示，工艺1700可以包括在介电层上形成第二金属层，其中第一金属层、介电层和第二金属层形成平行板电容器，该电容器在vcsel结构的活性层的至少一部分上延伸(方框1740)。例如，第二金属层(例如，顶部金属层130)可以形成在介电层上，其中第一金属层、介电层和第二金属层形成平行板电容器(例如，电容器132)，该电容器在vcsel结构的活性层(例如，活性层110)的至少一部分上延伸，如上所述。
83.过程1700可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程的任何单个实现或实现的任何组合。
84.在第一实施方式中，形成第一金属层，使得第一金属层连接到垂直腔面发射激光器结构的接触层(例如，接触层120)。
85.在第二实施方式中，单独或与第一实施方式结合，第一金属层延伸到或靠近垂直腔面发射激光器结构的光学孔隙(例如，光学孔隙122)。
86.虽然图17示出了过程1700的示例块，但是在一些实施方式中，过程1700可以包括与图17所示的那些块相比的更多的块、更少的块、不同的块或不同排列的块。附加地或替代地，过程1700的两个或更多个块可以并行执行。
87.如上所述，这里描述的具有集成电容器132的垂直腔面发射激光器芯片100能够实现具有更快切换时间、高电流超短脉冲和/或提高驱动效率的各种驱动方法。此外，在一些实施方式中，本文所述的具有集成电容器132的垂直腔面发射激光器芯片100可用于阳极推动操作、阴极拉动操作或阳极推动/阴极拉动操作。在一些实施方式中，这里描述的具有集成电容器132的垂直腔面发射激光器芯片100可以用于提供大于大约100皮法的电容。
88.前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。此外，这里描述的任何实现都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实现不能被组合的理由。
89.如这里所使用的，术语“组件”旨在被广义地解释为硬件、固件和/或硬件和软件的组合。显然，这里描述的系统和/或方法可以以不同形式的硬件、固件或硬件和软件的组合来实现。用于实现这些系统和/或方法的实际专用控制硬件或软件代码并不限制这些实现。因此，这里描述的系统和/或方法的操作和行为没有参考特定的软件代码——应当理解，可以基于这里的描述设计软件和硬件来实现系统和/或方法。
90.如这里所使用的，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等的值。
91.即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”意在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c
和a-b-c，以及相同项目的多个的任意组合。
92.除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用当只打算使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”、“具有”、“具有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。
93.相关申请的交叉引用
94.本专利申请要求享有2020年12月28日提交的、标题为“capacitively charged vertical-cavity surface-emitting laser array”的美国临时专利申请第63/131,185号的优先权。该在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。