ИЗЛУЧАЮЩЕЕ ВИДИМЫЙ СВЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
EMITTING VISIBLE LIGHT SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к лазерной технике, в частности, к преобразованию когерентного инфракрасного (ИК) излучения в видимый свет.
Описание предшествующего уровня техники
[0002] В настоящее время полупроводниковые лазеры, излучающие в разных диапазонах спектра, широко используются в различных областях техники. Однако полупроводниковые лазеры, излучающие в разных диапазонах спектра, имеют разные параметры, такие как стабильность, мощность излучения и срок службы, из-за использования разных полупроводниковых материалов в качестве материала активной области лазера. Например, полупроводниковые лазеры, излучающие в ИК диапазоне спектра, являются стабильными, мощными и имеют долгий срок службы, тогда как полупроводниковые лазеры, излучающие свет в «зеленой зоне» с длиной волны около 480-600 нм, имеют недостатки, заключающиеся в том, что они не являются стабильными, мощными и не имеют долгий срок службы из-за использования нитридов в качестве материала активной области. Активные области на основе нитридов, например, InGaN, GaN, содержат много дефектов, образованных при выращивании слоя активной области. Дефекты захватывают носители заряда, тем самым уменьшая эффективность рекомбинации электронов и дырок в активной области, и значительно уменьшают порог по токовому пробою структуры, из-за чего нельзя достигать больших плотностей носителей зарядов в активной области, что приводит к уменьшению эмиссии фотонов и, следовательно, нестабильности работы лазера. Кроме того, накачка полупроводникового лазера с активной областью на основе нитрида электрическим током приводит значительному уменьшению срока службы полупроводникового лазера. Для устранения по меньшей мере некоторых указанных недостатков используются лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) на основе квантовых точек, излучающие в видимом диапазоне спектра, и устройства, содержащие полупроводниковый лазер и преобразователь для преобразования излучения лазера в видимый свет требуемой длины волны.
[0003] VCSEL на основе квантовых точек содержат активную область с квантовыми точками, наличие которых увеличивает мощность излучения. Однако VCSEL на основе квантовых точек с активной областью на основе нитрида имеют мощность излучения гораздо меньшую, чем мощность излучения VCSEL, излучающих в ИК диапазоне спектра.
[0004] В предшествующем уровне техники известны решения для обеспечения устройства, содержащего полупроводниковый лазер и преобразователь для преобразования излучения лазера в видимый свет требуемой длины волны.
[0005] Компания NECSEL разработала излучающее зеленый свет устройство, которое содержит VCSEL, излучающий в ИК диапазоне спектра, и преобразователь ИК излучения в зеленый свет. Преобразователь содержит слой периодически поляризованного ниобита лития и слой объемной брэгговской решётки. Это устройство является мощным и имеет долгий срок службы. Однако данное устройство является громоздким и не может быть использовано в мобильных устройствах. Кроме того, из-за использования специфических материалов данное устройство не может быть выполнено в едином процессе изготовления и требуется дополнительная сборка VCSEL с преобразователем.
[0006] Патентная заявка US 2006023757 A1, опубликованная 02.02.2006 и озаглавленная «APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD FOR WAVELENGTH CONVERSION OF MODE-LOCKED EXTENDED CAVITY SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASERS», раскрывает техническое решение, в котором излучение полупроводникового лазера поверхностного излучения преобразуется в излучение с другой длинной волны. В этом техническом решении используется сложная конструкция для преобразования излучения лазера, которая содержит по меньшей мере модулятор синхронизации мод, нелинейный оптический материал и частотно-избирательный элемент временной задержки. Однако это техническое решение имеет недостатки, такие как большой размер, который препятствует использованию его в мобильных устройствах, устройство не может быть выполнено в едином процессе изготовления и требуется дополнительная сборка лазера с преобразователем, т.е. устройство не может быть выполнено в виде единой микросхемы, множество устройств, излучающих свет с разной длинной волны, сложно изготовить на одной кристаллической пластине.
[0007] Патентная заявка US 2006029120 A1, опубликованная 09.02.2006 и озаглавленная «COUPLED CAVITY HIGH POWER SEMICONDUCTOR LASER», раскрывает техническое решение, в котором ИК излучение VCSEL преобразуется в видимый свет. В этом техническом решении используется нелинейный оптический материал для преобразования ИК излучения в видимый свет. Кристалл нелинейного оптического материала выращивается отдельно и, следовательно, устройство не может быть выполнено в едином процессе изготовления и требуется дополнительная сборка лазера с преобразователем, т.е. устройство не может быть выполнено в виде единой микросхемы. Кроме того, устройство имеет большой размер, который препятствует использованию его в мобильных устройствах, и множество устройств, излучающих свет с разной длинной волны, сложно изготовить на одной кристаллической пластине.
[0008] Настоящее изобретение создано для устранения по меньшей мере одного из вышеописанных недостатков и для обеспечения по меньшей мере одного из нижеописанных преимуществ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Целью настоящего изобретения является обеспечение излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства, содержащего VCSEL, излучающий в ИК диапазоне спектра, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, которое позволяет получить по меньшей мере одно из следующих преимуществ:
- стабильность работы;
- большая мощность излучения;
- долгий срок службы;
- компактность;
- реализация устройства в виде единой микросхемы;
- простота изготовления устройства
- простота изготовления множества устройств, излучающих свет с разной длинной волны, на одной кристаллической пластине.
[0010] Стабильность работы, большая мощность излучения и долгий срок службы устройства достигаются за счет использования VCSEL, излучающего в ИК диапазоне спектра. Компактность, реализация устройства в виде единой микросхемы, простота изготовления устройства и простота изготовления множества устройств, излучающих свет с разной длинной волны, на одной кристаллической пластине достигаются за счет использования традиционных для микроэлектроники материалов и процессов изготовления, а также изготовления устройства в едином производственном процессе. Кроме того, компактность устройства достигается за счет того, что преобразователь ИК излучения в видимый свет представляет собой метаповерхность с нанорезонаторами, высота которых не превышает длину волны ИК излучения VCSEL.
[0011] В настоящей заявке раскрыто излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство, содержащее по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, при этом каждый VCSEL, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит: полупроводниковую подложку; слой нижнего распределенного брэгговского отражателя, расположенный на полупроводниковой подложке; полупроводниковый контактный слой первого типа проводимости, расположенный на слое нижнего распределенного брэгговского отражателя; первую контактную площадку, расположенную на участке полупроводникового контактного слоя первого типа проводимости; слой активной области, расположенный на полупроводниковом контактном слое первого типа проводимости; полупроводниковый контактный слой второго типа проводимости, расположенный на слое активной области; вторую контактную площадку, расположенную на участке полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости; и преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет, содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов и расположенную на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости, при этом метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL.
[0012] В дополнительном аспекте слой активной области состоит из одной или более квантовых ям.
[0013] В другом дополнительном аспекте слой активной области состоит из квантовых точек.
III
V
[0014] В еще одном дополнительном аспекте каждый нанорезонатор метаповерхности расположен на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости и состоит из слоя AlGaO и слоя полупроводникового соединения AB в указанном порядке от полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
III
V
[0015] В еще одном дополнительном аспекте метаповерхность дополнительно содержит слой AlGaO, расположенный на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости, при этом каждый нанорезонатор метаповерхности расположен на слое AlGaO и состоит из слоя полупроводникового соединения AB.
[0016] В еще одном дополнительном аспекте VCSEL является импульсным VCSEL, и метаповерхность дополнительно выполняет функцию насыщаемого поглотителя.
[0017] В еще одном дополнительном аспекте упомянутое устройство содержит множество VCSEL, интегрированных с преобразователем ИК излучения в видимый свет, причем каждый VCSEL интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, и при этом разные преобразователи ИК излучения в видимый свет нелинейно преобразуют излучение VCSEL в видимый свет разного цвета.
[0018] В настоящей заявке также раскрыто излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство, содержащее по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, при этом каждый VCSEL, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит: полупроводниковую подложку; слой нижнего распределенного брэгговского отражателя, расположенный на полупроводниковой подложке; полупроводниковый контактный слой первого типа проводимости, расположенный на слое нижнего распределенного брэгговского отражателя; первую контактную площадку, расположенную на участке полупроводникового контактного слоя первого типа проводимости; слой активной области, расположенный на полупроводниковом контактном слое первого типа проводимости; полупроводниковый контактный слой второго типа проводимости, расположенный на слое активной области; вторую контактную площадку, расположенную на участке полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости; преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет, содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов и расположенную на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости; и слой верхнего распределенного брэгговского отражателя, расположенный над метаповерхностью, при этом пространство между нанорезонаторами и до слоя верхнего распределенного брэгговского отражателя заполнено прозрачным диэлектриком.
[0019] В дополнительном аспекте слой активной области состоит из одной или более квантовых ям.
[0020] В другом дополнительном аспекте слой активной области состоит из квантовых точек.
III
V
[0021] В еще одном дополнительном аспекте каждый нанорезонатор метаповерхности расположен на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости и состоит из слоя AlGaO и слоя полупроводникового соединения AB в указанном порядке от полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
III
V
[0022] В еще одном дополнительном аспекте метаповерхность дополнительно содержит слой AlGaO, расположенный на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости, при этом каждый нанорезонатор метаповерхности расположен на слое AlGaO и состоит из слоя полупроводникового соединения AB.
[0023] В еще одном дополнительном аспекте VCSEL является импульсным VCSEL, и дополнительно содержит насыщаемый поглотитель, расположенный между преобразователем ИК излучения в видимый свет и слоем верхнего распределенного брэгговского отражателя.
[0024] В еще одном дополнительном аспекте упомянутое устройство содержит множество VCSEL, интегрированных с преобразователем ИК излучения в видимый свет, причем каждый VCSEL интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, и при этом разные преобразователи ИК излучения в видимый свет нелинейно преобразуют излучение VCSEL в видимый свет разного цвета.
[0025] В настоящей заявке также раскрыто излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство, содержащее по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, при этом каждый VCSEL, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит: полупроводниковую подложку; слой нижнего распределенного брэгговского отражателя, расположенный на полупроводниковой подложке; полупроводниковый контактный слой первого типа проводимости, расположенный на слое нижнего распределенного брэгговского отражателя; первую контактную площадку, расположенную на участке полупроводникового контактного слоя первого типа проводимости; слой активной области, расположенный на полупроводниковом контактном слое первого типа проводимости; полупроводниковый контактный слой второго типа проводимости, расположенный на слое активной области; вторую контактную площадку, расположенную на участке полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости; и преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую боковые стенки, массив нанорезонаторов и перемычки, соединяющие нанорезонаторы и крепящие массив нанорезонаторов к боковым стенкам, при этом боковые стенки расположены на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости, массив нанорезонаторов расположен над полупроводниковым контактным слоем второго типа проводимости, при этом между полупроводниковым контактным слоем второго типа проводимости и массивом нанорезонаторов находится воздушный зазор, и при этом метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL.
[0026] В дополнительном аспекте слой активной области состоит из одной или более квантовых ям.
[0027] В другом дополнительном аспекте слой активной области состоит из квантовых точек.
III
V
[0028] В еще одном дополнительном аспекте боковые стенки, массив нанорезонаторов и перемычки метаповерхности состоят из слоя полупроводникового соединения AB.
[0029] В еще одном дополнительном аспекте VCSEL является импульсным VCSEL, и метаповерхность дополнительно выполняет функцию насыщаемого поглотителя.
[0030] В еще одном дополнительном аспекте упомянутое устройство содержит множество VCSEL, интегрированных с преобразователем ИК излучения в видимый свет, причем каждый VCSEL интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, и при этом разные преобразователи ИК излучения в видимый свет нелинейно преобразуют излучение VCSEL в видимый свет разного цвета.
[0031] В настоящей заявке также раскрыт способ изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства, содержащего по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, при этом упомянутый способ содержит этапы, на которых: обеспечивают (S401) полупроводниковую подложку; формируют (S402) слой нижнего распределенного брэгговского отражателя на полупроводниковой подложке; формируют (S403) полупроводниковый контактный слой первого типа проводимости на слое нижнего распределенного брэгговского отражателя; формируют (S404) слой активной области на полупроводниковом контактном слое первого типа проводимости; формируют (S405) полупроводниковый контактный слой второго типа проводимости на слое активной области;  формируют (S406) на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов, при этом метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL; формируют (S407) первую контактную площадку на участке полупроводникового контактного слоя первого типа проводимости; и формируют (S408) вторую контактную площадку на участке полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
[0032] В настоящей заявке также раскрыт способ изготовления другого излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства, содержащего по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, при этом упомянутый способ содержит этапы, на которых: обеспечивают (S501) полупроводниковую подложку; формируют (S502) слой нижнего распределенного брэгговского отражателя на полупроводниковой подложке; формируют (S503) полупроводниковый контактный слой первого типа проводимости на слое нижнего распределенного брэгговского отражателя; формируют (S504) слой активной области на полупроводниковом контактном слое первого типа проводимости; формируют (S505) полупроводниковый контактный слой второго типа проводимости на слое активной области; формируют (S506) на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов; формируют (S507) первую контактную площадку на участке полупроводникового контактного слоя первого типа проводимости; формируют (S508) вторую контактную площадку на участке полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости; наносят (S509) прозрачный диэлектрик на метаповерхность; и формируют (S510) слой верхнего распределенного брэгговского отражателя над метаповерхностью, при этом пространство между нанорезонаторами и до слоя верхнего распределенного брэгговского отражателя заполняется упомянутым прозрачным диэлектриком.
[0033] В настоящей заявке также раскрыт способ изготовления еще одного излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства, содержащего по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, при этом упомянутый способ содержит этапы, на которых: обеспечивают (S601) полупроводниковую подложку; формируют (S602) слой нижнего распределенного брэгговского отражателя на полупроводниковой подложке; формируют (S603) полупроводниковый контактный слой первого типа проводимости на слое нижнего распределенного брэгговского отражателя; формируют (S604) слой активной области на полупроводниковом контактном слое первого типа проводимости; формируют (S605) полупроводниковый контактный слой второго типа проводимости на слое активной области; формируют (S606) на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую боковые стенки, массив нанорезонаторов и перемычки, соединяющие нанорезонаторы и крепящие массив нанорезонаторов к боковым стенкам, при этом боковые стенки располагаются на полупроводниковом контактном слое второго типа проводимости, массив нанорезонаторов располагается над полупроводниковым контактным слоем второго типа проводимости, при этом между полупроводниковым контактным слоем второго типа проводимости и массивом нанорезонаторов находится воздушный зазор, и при этом метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL; формируют (S607) первую контактную площадку на участке полупроводникового контактного слоя первого типа проводимости; и формируют (S608) вторую контактную площадку на участке полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0034] Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0035] Фиг. 1 изображает пример излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства.
[0036] Фиг. 2 изображает другой пример излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства.
[0037] Фиг. 3 изображает еще один пример излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства.
[0038] Фиг. 4 изображает пример реализации метаповерхности.
[0039] Фиг. 5 изображает другой пример реализации метаповерхности.
[0040] Фиг. 6 изображает пример формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
[0041] Фиг. 7 изображает другой пример формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
[0042] Фиг. 8 изображает еще один пример формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости.
[0043] Фиг. 9 является блок-схемой последовательности операций способа 400 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 100.
[0044] Фиг. 10 является блок-схемой последовательности операций способа 500 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 200.
[0045] Фиг. 11 является блок-схемой последовательности операций способа 600 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 300.
[0046] В последующем описании, если не указано иное, одинаковые ссылочные позиции используются для одинаковых элементов, когда они изображены на разных чертежах, и их параллельное описание не приводится.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0047] Нижеследующее описание со ссылкой на прилагаемые чертежи приведено, чтобы облегчить полное понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, заданного формулой изобретения, и его эквивалентов. Описание включает в себя различные конкретные подробности, чтобы облегчить такое понимание, но данные подробности следует считать только примерными. Соответственно, специалисты в данной области техники обнаружат, что можно разработать различные изменения и модификации различных вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, без выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, описания общеизвестных функций и конструкций могут быть исключены для ясности и краткости.
[0048] Термины и формулировки, используемые в последующем описании и формуле изобретения не ограничены библиографическим значениями, а просто использованы создателем настоящего изобретения, чтобы обеспечить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что последующее описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается только для иллюстрации.
[0049] Следует понимать, что формы единственного числа включают в себя множественность, если контекст явно не указывает иное.
[0050] Дополнительно следует понимать, что термины «содержит», «содержащий», «включает в себя» и/или «включающий в себя», при использовании в настоящей заявке, означают присутствие изложенных признаков, значений, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают присутствия или добавления одного или более других признаков, значений, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0051] В дальнейшем, различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
[0052] На фиг. 1 схематично изображено излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство 100, содержащее по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет. Каждый VCSEL, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит: полупроводниковую подложку 101, слой 102 нижнего распределенного брэгговского отражателя, полупроводниковый контактный слой 103 первого типа проводимости, первую контактную площадку 104, слой 105 активной области, полупроводниковый контактный слой 106 второго типа проводимости, вторую контактную площадку 107 и преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов 108.
[0053] Элементы 101-107 непосредственно относятся к конструкции традиционного VCSEL. Метаповерхность относится как к конструкции VCSEL, поскольку она выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL, так и к преобразователю ИК излучения в видимый свет, поскольку она нелинейно преобразует излучение VCSEL в видимый свет.
[0054] Нелинейное преобразование излучения с одной длиной волны в излучение с другой длиной волны метаповерхностями известно, например, из источников P.P. Vabishchevich et al., “Enhanced Second-Harmonic Generation Using Broken Symmetry III-V Semiconductor Fano Metasurfaces”, ACS Photonics (2018) и Z. Liu et al., “High-Q Quasibound States in the Continuum for Nonlinear Metasurfaces”, Phys. Rev. Lett. (2019) и поэтому его подробное описание опущено.
[0055] Элементы 101-107 являются основными элементами традиционного VCSEL, которые обеспечивают формирование излучения VCSEL. Однако следует понимать, что конструкция VCSEL не ограничена этими элементами 101-107 и может содержать различные дополнительные элементы/слои традиционного VCSEL.
[0056] Поскольку конструкция VCSEL содержит различные элементы/слои традиционного VCSEL, то материалы, из которых выполнены элементы 101-107 и возможные дополнительные элементы/слои также известны, и их подробное описание опущено. Метаповерхность может быть изготовлена из различных материалов, используемых для изготовления VCSEL таких как, например, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP и других полупроводниковых соединений. Используя разные материалы, можно сместить рабочую длину волны лазера. Метаповерхность и активная структура VCSEL могут быть реализованы с использованием различных материалов, обеспечивая широкий диапазон работы и гибкость.
[0057] Слой 102 нижнего распределенного брэгговского отражателя расположен на полупроводниковой подложке 101. Полупроводниковый контактный слой 103 первого типа проводимости расположен на слое 102 нижнего распределенного брэгговского отражателя. Первая контактная площадка 104 расположена на участке полупроводникового контактного слоя 103 первого типа проводимости. Слой 105 активной области расположен на полупроводниковом контактном слое 103 первого типа проводимости в области, не занятой первой контактной площадкой 104. Полупроводниковый контактный слой 106 второго типа проводимости расположен на слое 105 активной области. Вторая контактная площадка 107 расположена на участке полупроводникового контактного слоя 106 второго типа проводимости. Метаповерхность, выполненная с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащая по меньшей мере массив нанорезонаторов 108, расположена на полупроводниковом контактном слое 106 второго типа проводимости в области, не занятой второй контактной площадкой 107. Метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL.
[0058] Первый тип проводимости может быть проводимостью n-типа, тогда второй тип проводимости является проводимостью p-типа, или первый тип проводимости может быть проводимостью p-типа, тогда второй тип проводимости является проводимостью n-типа. Полупроводниковый контактный слой проводимости p-типа получают путем легирования слоя из собственного полупроводника акцепторной примесью, а полупроводниковый контактный слой проводимости n-типа получают путем легирования слоя из собственного полупроводника донорной примесью.
[0059] Слой 105 активной области может состоять из одной или более квантовых ям или из квантовых точек.
III
V
[0060] На фиг. 4 изображен один вариант осуществления метаповерхности. Каждый нанорезонатор 108 метаповерхности может быть расположен непосредственно на полупроводниковом контактном слое 106 второго типа проводимости и состоять из слоя AlGaO и слоя полупроводникового соединения AB в указанном порядке от полупроводникового контактного слоя 106 второго типа проводимости.
III
V
[0061] На фиг. 5 изображен другой вариант осуществления метаповерхности. Метаповерхность может дополнительно содержать слой AlGaO, расположенный на полупроводниковом контактном слое 106 второго типа проводимости, а каждый нанорезонатор метаповерхности расположен на слое AlGaO и состоит из слоя полупроводникового соединения AB.
2
III
V
[0062] Нанорезонатор также может содержать слой диэлектрика с низким показателем преломления, такого как, например, SiO, полиметилметакрилат (PMMA), бензоциклобутен (BCB) и др. на слое полупроводникового соединения AB. Слой диэлектрика не является обязательным и не влияет на работу нанорезонатора. Такой слой диэлектрика используется в качестве маски при формировании массива нанорезонаторов и может быть не удален с нанорезонаторов для упрощения процесса изготовления устройства 100. Диэлектрик не ограничен перечисленными примерами и может быть любым диэлектриком с низким показателем преломления, пригодным для маски при формировании массива нанорезонаторов.
III
V
III
V
III
V
[0063] Полупроводниковое соединение AB для нанорезонаторов 108 выбирают из полупроводниковых соединений AB близких по кристаллической структуре материалу, из которого выполнен полупроводниковый контактный слой 106 второго типа проводимости. Такой выбор материалов обусловлен тем, что использование близких по кристаллической структуре материалов для нанорезонаторов и полупроводникового контактного слоя 106 второго типа проводимости снижает напряжение между слоем полупроводникового соединения AB нанорезонатора, слоем AlGaO и слоем полупроводникового контактного слоя 106 второго типа проводимости и обеспечивает монолитность структуры.
[0064] Формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости могут быть любыми. Предпочтительные формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости имеют форму, состоящую из сочетания по меньшей мере двух плоских геометрических фигур, таких как квадрат, прямоугольник, треугольник, круг, овал и т.д. Предпочтительные формы сечения нанорезотатора обеспечивают возбуждение высокодобротных резонансных мод, за счет чего повышается эффективность преобразования. На фиг. 6-8 изображены примеры формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости. Однако настоящее изобретение не ограниченно формами сечения нанорезотатора, показанными на фиг. 6-8, и могут быть любыми.
[0065] Подбор параметров нанорезотаторов осуществляется с помощью численной оптимизации, например, методом конечных разностей во временной области (FDTD), методом конечных элементов (FEM) и тому подобных. Однако подбор параметров нанорезотаторов не ограничен этими методами и может быть выполнен любыми подходящими способами. Необходимо добиться возбуждения низших резонансов в частицах метаповерхности вблизи длины волны излучения VCSEL. Стартовые параметры берутся из расчета кратности длины волны излучения внутри нанорезонатора и его размера с учетом показателя преломления материала, из которого он выполнен. Численной оптимизацией добиваются получения излучения необходимой длины волны из излучения VCSEL.
[0066] Чтобы метаповерхность дополнительно выполняла функцию обратной связи для резонатора VCSEL, параметры нанорезотаторов 108 подбирают так, чтобы обеспечить высокое отражение излучения VCSEL.
III
V
[0067] Импульсные лазеры с той же средней мощностью, что и у не импульсных лазеров, имеют большую пиковую энергию, что важно для увеличения эффективности нелинейного оптического преобразования излучения VCSEL в видимый свет. Насыщаемый поглотитель является одним из ключевых элементов импульсных лазеров, он работает как зеркало и пропускает световой импульс, когда он набирает достаточно энергии. Если в устройстве 100 применяется импульсный VCSEL, то метаповерхность может дополнительно выполнять функцию насыщаемого поглотителя благодаря механизму инжекции носителей в слое полупроводникового соединения AB нанорезонаторов, чтобы повысить эффективность нелинейного преобразования в импульсном режиме.  Такое свойство метаповерхностей известно, например, из источника V.V. Zubyuk et al., “Low-Power Absorption Saturation in Semiconductor Metasurfaces”, ACS Photonics (2019), и его подробное описание опущено.
[0068] Устройство 100 может представлять собой матрицу из множества VCSEL, интегрированных с преобразователем ИК излучения в видимый свет, причем каждый VCSEL интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, и разные преобразователи ИК излучения в видимый свет нелинейно преобразуют излучение VCSEL в видимый свет разного цвета. Множество VCSEL, каждый из которых интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, может быть выполнено на единой подложке. Такая матрица может использоваться в качестве матрицы отображения, например, в телевизорах, смартфонах, компьютерах и других устройствах, содержащих экран отображения.
[0069] На фиг. 2 схематично изображено излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство 200, содержащее по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет. Каждый VCSEL, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит: полупроводниковую подложку 201, слой 202 нижнего распределенного брэгговского отражателя, полупроводниковый контактный слой 203 первого типа проводимости, первую контактную площадку 204, слой 205 активной области, полупроводниковый контактный слой 206 второго типа проводимости, вторую контактную площадку 207, преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов 208, слой 209 верхнего распределенного брэгговского отражателя и прозрачный диэлектрик 210, которым заполнено пространство между нанорезонаторами 208 и до слоя 209 верхнего распределенного брэгговского отражателя.
[0070] Элементы 201-207 и 209 непосредственно относятся к конструкции традиционного VCSEL. Элементы 201-207 и 209 являются основными элементами традиционного VCSEL, которые обеспечивают формирование излучения VCSEL. Однако следует понимать, что конструкция VCSEL не ограничена этими элементами 201-207 и 209 и может содержать различные дополнительные элементы/слои традиционного VCSEL.
[0071] Поскольку конструкция VCSEL содержит различные элементы/слои традиционного VCSEL, то материалы, из которых выполнены элементы 201-207, 209 и возможные дополнительные элементы/слои также известны, и их подробное описание опущено. Метаповерхность может быть изготовлена из различных материалов, используемых для изготовления VCSEL таких как, например, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP и других полупроводниковых соединений. Используя разные материалы, можно сместить рабочую длину волны лазера. Метаповерхность и активная структура VCSEL могут быть реализованы с использованием различных материалов, обеспечивая широкий диапазон работы и гибкость.
[0072] Нелинейное преобразование излучения с одной длиной волны в излучение с другой длиной волны метаповерхностями известно, например, из источников P.P. Vabishchevich et al., “Enhanced Second-Harmonic Generation Using Broken Symmetry III-V Semiconductor Fano Metasurfaces”, ACS Photonics (2018) и Z. Liu et al., “High-Q Quasibound States in the Continuum for Nonlinear Metasurfaces”, Phys. Rev. Lett. (2019) и поэтому его подробное описание опущено.
[0073] Слой 202 нижнего распределенного брэгговского отражателя расположен на полупроводниковой подложке 201. Полупроводниковый контактный слой 203 первого типа проводимости расположен на слое 202 нижнего распределенного брэгговского отражателя. Первая контактная площадка 204 расположена на участке полупроводникового контактного слоя 203 первого типа проводимости. Слой 205 активной области расположен на полупроводниковом контактном слое 203 первого типа проводимости в области, не занятой первой контактной площадкой 204. Полупроводниковый контактный слой 206 второго типа проводимости расположен на слое 205 активной области. Вторая контактная площадка 207 расположена на участке полупроводникового контактного слоя 206 второго типа проводимости. Метаповерхность, выполненная с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащая по меньшей мере массив нанорезонаторов 208, расположена на полупроводниковом контактном слое 206 второго типа проводимости в области, не занятой второй контактной площадкой 207. Слой 209 верхнего распределенного брэгговского отражателя расположен над метаповерхностью и пространство между нанорезонаторами 208 и до слоя 209 верхнего распределенного брэгговского отражателя заполнено прозрачным диэлектриком 210.
2
2
3
[0074] Прозрачный диэлектрик 210 может быть, например, SiO, AlO, полиметилметакрилатом (PMMA), бензоциклобутеном (BCB) и др. Диэлектрик 210 не ограничен перечисленными примерами и может быть любым прозрачным диэлектриком, пригодным для использования в процессах производства полупроводниковых приборов.
[0075] Первый тип проводимости может быть проводимостью n-типа, тогда второй тип проводимости является проводимостью p-типа, или первый тип проводимости может быть проводимостью p-типа, тогда второй тип проводимости является проводимостью n-типа. Полупроводниковый контактный слой проводимости p-типа получают путем легирования слоя из собственного полупроводника акцепторной примесью, а полупроводниковый контактный слой проводимости n-типа получают путем легирования слоя из собственного полупроводника донорной примесью.
[0076] Слой 205 активной области может состоять из одной или более квантовых ям или из квантовых точек.
III
V
[0077] На фиг. 4 изображен один вариант осуществления метаповерхности. Каждый нанорезонатор 208 метаповерхности может быть расположен непосредственно на полупроводниковом контактном слое 206 второго типа проводимости и состоять из слоя AlGaO и слоя полупроводникового соединения AB в указанном порядке от полупроводникового контактного слоя 206 второго типа проводимости.
III
V
[0078] На фиг. 5 изображен другой вариант осуществления метаповерхности. Метаповерхность может дополнительно содержать слой AlGaO, расположенный на полупроводниковом контактном слое 206 второго типа проводимости, а каждый нанорезонатор метаповерхности расположен на слое AlGaO и состоит из слоя полупроводникового соединения AB.
2
III
V
[0079] Нанорезонатор также может содержать слой диэлектрика с низким показателем преломления, такого как, например, SiO, полиметилметакрилат (PMMA), бензоциклобутен (BCB) и др. на слое полупроводникового соединения AB. Слой диэлектрика не является обязательным и не влияет на работу нанорезонатора. Такой слой диэлектрика используется в качестве маски при формировании массива нанорезонаторов и может быть не удален с нанорезонаторов для упрощения процесса изготовления устройства 200. Диэлектрик не ограничен перечисленными примерами и может быть любым диэлектриком с низким показателем преломления, пригодным для маски при формировании массива нанорезонаторов.
III
V
III
V
III
V
[0080] Полупроводниковое соединение AB для нанорезонаторов 108 выбирают из полупроводниковых соединений AB близких по кристаллической структуре материалу, из которого выполнен полупроводниковый контактный слой 206 второго типа проводимости. Такой выбор материалов обусловлен тем, что использование близких по кристаллической структуре материалов для нанорезонаторов и полупроводникового контактного слоя 206 второго типа проводимости снижает напряжение между слоем полупроводникового соединения AB нанорезонатора, слоем AlGaO и слоем полупроводникового контактного слоя 206 второго типа проводимости и обеспечивает монолитность структуры.
[0081] Формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости могут быть любыми. Предпочтительные формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости имеют форму, состоящую из сочетания по меньшей мере двух плоских геометрических фигур, таких как квадрат, прямоугольник, треугольник, круг, овал и т.д. Предпочтительные формы сечения нанорезотатора обеспечивают возбуждение высокодобротных резонансных мод, за счет чего повышается эффективность преобразования. На фиг. 6-8 изображены примеры формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости. Однако настоящее изобретение не ограниченно формами сечения нанорезотатора, показанными на фиг. 6-8, и могут быть любыми.
[0082] Подбор параметров нанорезотаторов осуществляется с помощью численной оптимизации, например, методом конечных разностей во временной области (FDTD), методом конечных элементов (FEM) и тому подобных. Однако подбор параметров нанорезотаторов не ограничен этими методами и может быть выполнен любыми подходящими способами. Необходимо добиться возбуждения низших резонансов в частицах метаповерхности вблизи длины волны излучения VCSEL. Стартовые параметры берутся из расчета кратности длины волны излучения внутри нанорезонатора и его размера с учетом показателя преломления материала, из которого он выполнен. Численной оптимизацией добиваются получения излучения необходимой длины волны из излучения VCSEL.
[0083] Параметры нанорезотаторов 208 подбирают так, чтобы обеспечить высокое пропускание излучения VCSEL.
[0084] Если в устройстве 200 применяется импульсный VCSEL, то устройство 200 может дополнительно содержать насыщаемый поглотитель, расположенный между преобразователем ИК излучения в видимый свет/метаповерхностью и слоем 209 верхнего распределенного брэгговского отражателя.
[0085] Устройство 200 может представлять собой матрицу из множества VCSEL, интегрированных с преобразователем ИК излучения в видимый свет, причем каждый VCSEL интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, и разные преобразователи ИК излучения в видимый свет нелинейно преобразуют излучение VCSEL в видимый свет разного цвета. Множество VCSEL, каждый из которых интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, может быть выполнено на единой подложке. Такая матрица может использоваться в качестве матрицы отображения, например, в телевизорах, смартфонах, компьютерах и других устройствах, содержащих экран отображения.
[0086] На фиг. 3 схематично изображено излучающее видимый свет полупроводниковое лазерное устройство 300, содержащее по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет. Каждый VCSEL, интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит: полупроводниковую подложку 301, слой 302 нижнего распределенного брэгговского отражателя, полупроводниковый контактный слой 303 первого типа проводимости, первую контактную площадку 304, слой 305 активной области, полупроводниковый контактный слой 306 второго типа проводимости, вторую контактную площадку 307 и преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую боковые стенки 309, массив нанорезонаторов 308 и перемычки 310, соединяющие нанорезонаторы 308 и крепящие массив нанорезонаторов 308 к боковым стенкам 309, при этом боковые стенки 309 расположены на полупроводниковом контактном слое 306 второго типа проводимости, массив нанорезонаторов 308 расположен над полупроводниковым контактным слоем 306 второго типа проводимости, при этом между полупроводниковым контактным слоем 306 второго типа проводимости и массивом нанорезонаторов 308 находится воздушный зазор.
[0087] Воздушный зазор представляет собой полость, заполненную воздухом.
[0088] Элементы 301-307 непосредственно относятся к конструкции традиционного VCSEL. Метаповерхность относится как к конструкции VCSEL, поскольку она выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL, так и к преобразователю ИК излучения в видимый свет, поскольку она нелинейно преобразует излучение VCSEL в видимый свет.
[0089] Нелинейное преобразование излучения с одной длиной волны в излучение с другой длиной волны метаповерхностями известно, например, из источников P.P. Vabishchevich et al., “Enhanced Second-Harmonic Generation Using Broken Symmetry III-V Semiconductor Fano Metasurfaces”, ACS Photonics (2018) и Z. Liu et al., “High-Q Quasibound States in the Continuum for Nonlinear Metasurfaces”, Phys. Rev. Lett. (2019) и поэтому его подробное описание опущено.
[0090] Элементы 301-307 являются основными элементами традиционного VCSEL, которые обеспечивают формирование излучения VCSEL. Однако следует понимать, что конструкция VCSEL не ограничена этими элементами 301-307 и может содержать различные дополнительные элементы/слои традиционного VCSEL.
[0091] Поскольку конструкция VCSEL содержит различные элементы/слои традиционного VCSEL, то материалы, из которых выполнены элементы 301-307 и возможные дополнительные элементы/слои также известны, и их подробное описание опущено. Метаповерхность может быть изготовлена из различных материалов, используемых для изготовления VCSEL таких как, например, GaAs, AlGaAs, InGaAs, InP и других полупроводниковых соединений. Используя разные материалы, можно сместить рабочую длину волны лазера. Метаповерхность и активная структура VCSEL могут быть реализованы с использованием различных материалов, обеспечивая широкий диапазон работы и гибкость.
[0092] Слой 302 нижнего распределенного брэгговского отражателя расположен на полупроводниковой подложке 301. Полупроводниковый контактный слой 303 первого типа проводимости расположен на слое 302 нижнего распределенного брэгговского отражателя. Первая контактная площадка 304 расположена на участке полупроводникового контактного слоя 303 первого типа проводимости. Слой 305 активной области расположен на полупроводниковом контактном слое 303 первого типа проводимости в области, не занятой первой контактной площадкой 304. Полупроводниковый контактный слой 306 второго типа проводимости расположен на слое 305 активной области. Вторая контактная площадка 307 расположена на участке полупроводникового контактного слоя 306 второго типа проводимости. Метаповерхность, выполненная с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет, содержит боковые стенки 309, массив нанорезонаторов 308 и перемычки 310, соединяющие нанорезонаторы 308 и крепящие массив нанорезонаторов 308 к боковым стенкам 309. Боковые стенки 309 расположены на полупроводниковом контактном слое 306 второго типа проводимости, массив нанорезонаторов 308 расположен над полупроводниковым контактным слоем 306 второго типа проводимости, при этом между полупроводниковым контактным слоем 306 второго типа проводимости и массивом нанорезонаторов 308 находится воздушный зазор. Метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL.
[0093] Первый тип проводимости может быть проводимостью n-типа, тогда второй тип проводимости является проводимостью p-типа, или первый тип проводимости может быть проводимостью p-типа, тогда второй тип проводимости является проводимостью n-типа. Полупроводниковый контактный слой проводимости p-типа получают путем легирования слоя из собственного полупроводника акцепторной примесью, а полупроводниковый контактный слой проводимости n-типа получают путем легирования слоя из собственного полупроводника донорной примесью.
[0094] Слой 305 активной области может состоять из одной или более квантовых ям или из квантовых точек.
III
V
[0095] Боковые стенки 309, массив нанорезонаторов 308 и перемычки 310 метаповерхности состоят из слоя полупроводникового соединения AB.
III
V
III
V
III
V
[0096] Полупроводниковое соединение AB для нанорезонаторов 308, боковых стенок 309 и перемычек 310 выбирают из полупроводниковых соединений AB близких по кристаллической структуре материалу, из которого выполнен полупроводниковый контактный слой 306 второго типа проводимости. Такой выбор материалов обусловлен тем, что использование близких по кристаллической структуре материалов для нанорезонаторов 308, боковых стенок 309, перемычек 310 и полупроводникового контактного слоя 306 второго типа проводимости снижает напряжение между стенками 309 из полупроводникового соединения AB и слоем полупроводникового контактного слоя 306 второго типа проводимости и обеспечивает монолитность структуры.
[0097] Формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости могут быть любыми. Предпочтительные формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости имеют форму, состоящую из сочетания по меньшей мере двух плоских геометрических фигур, таких как квадрат, прямоугольник, треугольник, круг, овал и т.д. Предпочтительные формы сечения нанорезотатора обеспечивают возбуждение высокодобротных резонансных мод, за счет чего повышается эффективность преобразования. На фиг. 6-8 изображены примеры формы сечения нанорезотатора параллельно поверхности полупроводникового контактного слоя второго типа проводимости. Однако настоящее изобретение не ограниченно формами сечения нанорезотатора, показанными на фиг. 6-8, и могут быть любыми.
[0098] Подбор параметров нанорезотаторов осуществляется с помощью численной оптимизации, например, методом конечных разностей во временной области (FDTD), методом конечных элементов (FEM) и тому подобных. Однако подбор параметров нанорезотаторов не ограничен этими методами и может быть выполнен любыми подходящими способами. Необходимо добиться возбуждения низших резонансов в частицах метаповерхности вблизи длины волны излучения VCSEL. Стартовые параметры берутся из расчета кратности длины волны излучения внутри нанорезонатора и его размера с учетом показателя преломления материала, из которого он выполнен. Численной оптимизацией добиваются получения излучения необходимой длины волны из излучения VCSEL.
[0099] Чтобы метаповерхность дополнительно выполняла функцию обратной связи для резонатора VCSEL, параметры нанорезотаторов 308 подбирают так, чтобы обеспечить высокое отражение излучения VCSEL.
III
V
[0100] Если в устройстве 300 применяется импульсный VCSEL, то метаповерхность может дополнительно выполнять функцию насыщаемого поглотителя благодаря механизму инжекции носителей в слое полупроводникового соединения AB нанорезонаторов, чтобы повысить эффективность нелинейного преобразования в импульсном режиме.  Такое свойство метаповерхностей известно, например, из источника V.V. Zubyuk et al., “Low-Power Absorption Saturation in Semiconductor Metasurfaces”, ACS Photonics (2019), и его подробное описание опущено.
[0101] Устройство 300 может представлять собой матрицу из множества VCSEL, интегрированных с преобразователем ИК излучения в видимый свет, причем каждый VCSEL интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, и разные преобразователи ИК излучения в видимый свет нелинейно преобразуют излучение VCSEL в видимый свет разного цвета. Множество VCSEL, каждый из которых интегрирован с разным преобразователем ИК излучения в видимый свет, может быть выполнено на единой подложке. Такая матрица может использоваться в качестве матрицы отображения, например, в телевизорах, смартфонах, компьютерах и других устройствах, содержащих экран отображения.
[0102] На фиг. 9 изображена блок-схема последовательности операций способа 400 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 100.
[0103] Элементы 101-107 являются основными элементами традиционного VCSEL, которые обеспечивают формирование излучения VCSEL. Однако следует понимать, что конструкция VCSEL не ограничена этими элементами 101-107 и может содержать различные дополнительные элементы/слои традиционного VCSEL. Следовательно, способ 400 может содержать дополнительные операции для формирования этих дополнительных элементов/слоев.
[0104] Поскольку конструкция VCSEL содержит различные элементы/слои традиционного VCSEL, то материалы, из которых выполнены элементы 101-107, возможные дополнительные элементы/слои, и технологические процессы для формирования элементов 101-107 и дополнительных элементов/слоев также известны, и их подробное описание опущено.
[0105] Способ 400 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 100, содержащего по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит этапы S401-S408.
[0106] На этапе S401 обеспечивают полупроводниковую подложку 101. Обеспечение полупроводниковой подложки 101 заключается в том, что выбирают кристаллическую пластину, на которой затем формируют элементы устройства 100.
[0107] На этапе S402 слой 102 нижнего распределенного брэгговского отражателя формируют на полупроводниковой подложке 101.
[0108] На этапе S403 полупроводниковый контактный слой 103 первого типа проводимости формируют на слое 102 нижнего распределенного брэгговского отражателя.
[0109] На этапе S404 слой 105 активной области формируют на полупроводниковом контактном слое 103 первого типа проводимости.
[0110] На этапе S405 полупроводниковый контактный слой 106 второго типа проводимости формируют на слое 105 активной области.
[0111] На этапе S406 преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов 108, формируют на полупроводниковом контактном слое 106 второго типа проводимости. Метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL. Технологические процессы для формирования метаповерхности известны из уровня техники, например, из источника S. Liu et al., “III-V Semiconductor Nanoresonators - A New Strategy for Passive, Active, and Nonlinear All-Dielectric Metamaterials”, Adv. Opt. Mater. (2016). Поэтому подробное описание технологических процессов для формирования метаповерхности опущены.
[0112] На этапе S407 первую контактную площадку 104 формируют на участке полупроводникового контактного слоя 103 первого типа проводимости.
[0113] На этапе S407 вторую контактную площадку 107 формируют на участке полупроводникового контактного слоя 106 второго типа проводимости.
[0114] Слои 102, 103, 105, 106 и слои преобразователя ИК излучения в видимый свет могут быть выращены на полупроводниковой подложке 101 один за другим в одной камере в порядке расположения слоев, что обеспечивает монолитность структуры излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства. Порядок формирования нанорезонаторов 108, первой контактной площадки 104 и второй контактной площадки 107 не ограничен последовательностью операций способа 400 и может быть любым, пригодным для технологии изготовления полупроводниковых приборов.
[0115] На фиг. 10 изображена блок-схема последовательности операций способа 500 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 200.
[0116] Элементы 201-207, 209 являются основными элементами традиционного VCSEL, которые обеспечивают формирование излучения VCSEL. Однако следует понимать, что конструкция VCSEL не ограничена этими элементами 201-207, 209 и может содержать различные дополнительные элементы/слои традиционного VCSEL. Следовательно, способ 500 может содержать дополнительные операции для формирования этих дополнительных элементов/слоев.
[0117] Поскольку конструкция VCSEL содержит различные элементы/слои традиционного VCSEL, то материалы, из которых выполнены элементы 201-207, 209, возможные дополнительные элементы/слои, и технологические процессы для формирования элементов 201-207, 209 и дополнительных элементов/слоев также известны, и их подробное описание опущено.
[0118] Способ 500 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 200, содержащего по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит этапы S501-S510.
[0119] На этапе S501 обеспечивают полупроводниковую подложку 201. Обеспечение полупроводниковой подложки 201 заключается в том, что выбирают кристаллическую пластину, на которой затем формируют элементы устройства 200.
[0120] На этапе S502 слой 202 нижнего распределенного брэгговского отражателя формируют на полупроводниковой подложке 201.
[0121] На этапе S503 полупроводниковый контактный слой 203 первого типа проводимости формируют на слое 202 нижнего распределенного брэгговского отражателя.
[0122] На этапе S504 слой 205 активной области формируют на полупроводниковом контактном слое 203 первого типа проводимости.
[0123] На этапе S505 полупроводниковый контактный слой 206 второго типа проводимости формируют на слое 205 активной области.
[0124] На этапе S506 преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую по меньшей мере массив нанорезонаторов 208 формируют на полупроводниковом контактном слое 206 второго типа проводимости. Технологические процессы для формирования метаповерхности известны из уровня техники, например, из источника S. Liu et al., “III-V Semiconductor Nanoresonators - A New Strategy for Passive, Active, and Nonlinear All-Dielectric Metamaterials”, Adv. Opt. Mater. (2016). Поэтому подробное описание технологических процессов для формирования метаповерхности опущены.
[0125] На этапе S507 первую контактную площадку 204 формируют на участке полупроводникового контактного слоя 203 первого типа проводимости.
[0126] На этапе S508 вторую контактную площадку 207 формируют на участке полупроводникового контактного слоя 206 второго типа проводимости.
[0127] На этапе S509 прозрачный диэлектрик 210 наносят на метаповерхность.
[0128] На этапе S510 слой 209 верхнего распределенного брэгговского отражателя формируют над метаповерхностью, при этом пространство между нанорезонаторами и до слоя верхнего распределенного брэгговского отражателя заполнено упомянутым прозрачным диэлектриком 210.
[0129] Слои 202, 203, 205, 206 и слои преобразователя ИК излучения в видимый свет могут быть выращены на полупроводниковой подложке 201 один за другим в одной камере в порядке расположения слоев, что обеспечивает монолитность структуры излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства. Порядок формирования нанорезонаторов 208, первой контактной площадки 204, второй контактной площадки 207 и нанесения прозрачного диэлектрика 210 не ограничен последовательностью операций способа 500 и может быть любым, пригодным для технологии изготовления полупроводниковых приборов.
[0130] На фиг. 11 изображена блок-схема последовательности операций способа 600 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 300.
[0131] Элементы 301-307 являются основными элементами традиционного VCSEL, которые обеспечивают формирование излучения VCSEL. Однако следует понимать, что конструкция VCSEL не ограничена этими элементами 301-307 и может содержать различные дополнительные элементы/слои традиционного VCSEL. Следовательно, способ 600 может содержать дополнительные операции для формирования этих дополнительных элементов/слоев.
[0132] Поскольку конструкция VCSEL содержит различные элементы/слои традиционного VCSEL, то материалы, из которых выполнены элементы 301-307, возможные дополнительные элементы/слои, и технологические процессы для формирования элементов 301-307 и дополнительных элементов/слоев также известны, и их подробное описание опущено.
[0133] Способ 600 изготовления излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства 300, содержащего по меньшей мере один лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), излучающий в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и интегрированный с преобразователем ИК излучения в видимый свет, содержит этапы S601-S608.
[0134] На этапе S601 обеспечивают полупроводниковую подложку 301. Обеспечение полупроводниковой подложки 301 заключается в том, что выбирают кристаллическую пластину, на которой затем формируют элементы устройства 300.
[0135] На этапе S602 слой 302 нижнего распределенного брэгговского отражателя формируют на полупроводниковой подложке 301.
[0136] На этапе S603 полупроводниковый контактный слой 303 первого типа проводимости формируют на слое 302 нижнего распределенного брэгговского отражателя.
[0137] На этапе S604 слой 305 активной области формируют на полупроводниковом контактном слое 303 первого типа проводимости.
[0138] На этапе S605 полупроводниковый контактный слой 306 второго типа проводимости формируют на слое 305 активной области.
[0139] На этапе S606 преобразователь ИК излучения в видимый свет, представляющий собой метаповерхность, выполненную с возможностью нелинейного преобразования ИК излучения в видимый свет и содержащую боковые стенки 309, массив нанорезонаторов 308 и перемычки 310, соединяющие нанорезонаторы 308 и крепящие массив нанорезонаторов 308 к боковым стенкам 309, формируют на полупроводниковом контактном слое 306 второго типа проводимости. Боковые стенки 309 располагаются на полупроводниковом контактном слое 306 второго типа проводимости, массив нанорезонаторов 308 располагается над полупроводниковым контактным слоем 306 второго типа проводимости. Между полупроводниковым контактным слоем 306 второго типа проводимости и массивом нанорезонаторов 308 находится воздушный зазор. Метаповерхность дополнительно выполняет функцию обратной связи для резонатора VCSEL. Технологические процессы для формирования подвешенной структуры известны из уровня техники, например, из источника M.C.Y. Huang et al., “A surface-emitting laser incorporating a high-index-contrast subwavelength grating”, Nat. Photon. (2007).
[0140] На этапе S607 первую контактную площадку 304 формируют на участке полупроводникового контактного слоя 303 первого типа проводимости.
[0141] На этапе S608 вторую контактную площадку 307 формируют на участке полупроводникового контактного слоя 306 второго типа проводимости.
[0142] Слои 302, 303, 305, 306 и слой преобразователя ИК излучения в видимый свет могут быть выращены на полупроводниковой подложке 301 один за другим в одной камере в порядке расположения слоев, что обеспечивает монолитность структуры излучающего видимый свет полупроводникового лазерного устройства. Порядок формирования нанорезонаторов 308, боковых стенок 309, перемычек 310, первой контактной площадки 304 и второй контактной площадки 307 не ограничен последовательностью операций способа 600 и может быть любым, пригодным для технологии изготовления полупроводниковых приборов.
[0143] Монолитная интеграция метаповерхности с VCSEL не требует дополнительной сборки и корпусирования, вся конструкция изготавливается с помощью единого технологического процесса и позволяет обеспечить массовое производство. Использование стандартной структуры VCSEL, излучающего в ИК диапазоне спектра, в качестве основы позволяет использовать существующие производственные мощности, нет необходимости в новых материалах, обеспечивает стабильные и надежные лазерные устройства, излучающие видимый свет. Метаповерхность, выполненная непосредственно на VCSEL, очень тонкая, что обеспечивает более компактные лазеры, которые могут быть интегрированы в мобильные устройства. Массивы VCSEL, излучающие видимый свет с разными длинами волн могут использоваться для цветных дисплеев и проекторов.
[0144] Настоящее изобретение можно применять в цветных дисплеях, различных проекторах, очках виртуальной/дополненной реальности, мини-проекторах, проектирующих изображение на сетчатке глаза, мобильных устройствах и т.д.
[0145] Вышеприведенные описания вариантов осуществления изобретения являются иллюстративными, и модификации конфигурации и реализации не выходят за пределы объема настоящего описания. Например, хотя варианты осуществления изобретения описаны, в общем, в связи с фигурами 1-11, приведенные описания являются примерными. Хотя объект изобретения описан на языке, характерном для конструктивных признаков или методологических операций, понятно, что объект изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, не обязательно ограничен конкретными вышеописанными признаками или операциями. Следует понимать, что последовательность выполнения операций способов 400-600, приведенная в формуле изобретения, не ограничена такой последовательностью, и последовательность выполнения операций способов 400-600 может быть любой согласно технологии изготовления полупроводниковых приборов. Некоторые операций способов 400-600 могут выполняться одновременно. Более того, конкретные вышеописанные признаки и операции раскрыты как примерные формы реализации формулы изобретения.
[0146] Соответственно предполагается, что объем варианта осуществления изобретения ограничивается только нижеследующей формулой изобретения.