VCSEL单元单独可控的激光器转让专利
申请号 : CN202010868364.7
文献号 : CN111969414B
文献日 : 2021-08-17
发明人 : 范谦 , 顾星 , 华斌 , 倪贤锋
申请人 : 东南大学苏州研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种VCSEL单元单独可控的激光器,其特征在于:包括驱动电路模块(1)、VCSEL模块(2)和微透镜模块(3),所述驱动电路模块(1)和VCSEL模块(2)电性连接,所述微透镜模块(3)设于VCSEL模块(2)上;
所述VCSEL模块(2)包括VCSEL单元(21)形成的VCSEL阵列和共阴极单元(22),所述共阴极单元(22)设于VCSEL阵列的四周;
所述VCSEL单元(21)包括独立阳极(210)和独立阴极(211),所述独立阴极(211)均电性连接至共阴极单元(22),所述共阴极单元(22)电性连接至驱动电路模块(1)的地端,所述独立阳极(210)电性连接至驱动电路模块(1)的正极端;
所述VCSEL单元(21)的数量为M×N个,M为VCSEL阵列的行数,N为VCSEL阵列的列数,M为大于1的整数,N为大于1的整数,所述VCSEL单元(21)和共阴极单元(22)构成(M+2k)×(N+
2k)阵列,2k为共阴极单元(22)的总行数或总列数, k为大于或者等于1的整数;
所述驱动电路模块(1)包括驱动单元(11)和接地单元(12),所述驱动单元(11)对应地设于VCSEL单元(21)下并与其电性连接,所述接地单元(12)对应地设于共阴极单元(22)下并与其电性连接;
所述VCSEL单元(21)从下而上包括依次堆叠的n型接触层(206)、n型DBR层(205)、有源层(204)、电流限制层(203)、p型DBR层(202)和第一凸点金属层(201),所述n型接触层(206)中形成凹部(2061),所述凹部(2061)与独立阴极(211)相连,所述p型DBR层(202)与独立阳极(210)相连;所述第一凸点金属层(201)与独立阳极(210)相连,所述独立阳极(210)通过第一凸点金属层(201)电性连接至驱动电路模块(1)的正极端;
所述VCSEL单元(21)还包括金属格栅(208),所述金属格栅(208)的一部分与独立阴极(211)相连,另一部分覆盖共阴极单元(22);所述共阴极单元(22)从下而上依次包括共阴极本体和第二凸点金属层(2011),所述金属格栅(208)部分覆盖共阴极本体,所述第二凸点金属层(2011)与共阴极单元(22)顶端的金属格栅(208)相连,通过第二凸点金属层(2022),引出至共阴极单元(22)上的独立阴极(211)均电性连接至驱动电路模块(1)的地端;
所述微透镜模块(3)包括微透镜单元(31)形成的微透镜阵列,所述VCSEL阵列的出光面与微透镜阵列的焦平面重合,所述共阴极单元(22)上方对应的微透镜模块(3)的位置上设有透镜单元(31)。
2.根据权利要求1所述的VCSEL单元单独可控的激光器,其特征在于:所述驱动电路模块(1)还包括控制单元和I/O接口单元,所述I/O接口单元、控制单元和驱动单元(11)依次电性相连,所述I/O接口单元接收外部信号并反馈给控制单元,所述控制单元根据外部信号处理得到选址信号和数据信号,并将选址信号和数据信号传输给驱动单元(11),以使各驱动单元对应控制各VCSEL单元(21)的开启和关断。
3.根据权利要求1所述的VCSEL单元单独可控的激光器,其特征在于:所述微透镜阵列为蓝宝石微透镜阵列、玻璃微透镜阵列或树脂微透镜阵列。
说明书 :
VCSEL单元单独可控的激光器
技术领域
背景技术
体积有要求的场景,其突出的优势在于便利性、灵活性以及较低的功耗和有竞争力的价格,
尤其适合短距离数据通信。近几年由于3D成像、自动驾驶等领域的发展,以VCSEL组成的阵
列器件逐渐成为了激光雷达、TOF传感器等硬件设备中的核心发射单元。
场上常见的激光器阵列中,各个VCSEL单元存在无法单独控制的问题,其仅仅是为了实现大
的输出功率的目的。此外,目前激光器阵列中,VCSEL阵列的一些VCSEL单元还存在贴片高度
不一致的问题,这会导致所有VCSEL单元与透镜层中的透镜组件的焦平面不能完全一一对
准,从而造成激光器阵列发射光角度发散的问题。基于上述缺点,传统的VCSEL阵列器件难
以满足激光雷达、TOF传感器等对阵列单元单独可调制、大发射角的要求。
发明内容
VCSEL单元单独可控的激光器。
上以实现光学聚焦;VCSEL模块包括VCSEL单元形成的VCSEL阵列和共阴极单元,共阴极单元
设于VCSEL阵列的四周;VCSEL单元包括独立阳极和独立阴极,独立阴极均电性连接至共阴
极单元,共阴极单元电性连接至驱动电路模块的地端,独立阳极电性连接至驱动电路模块
的正极端。
包括第一凸点金属层,第一凸点金属层与独立阳极相连,独立阳极通过第一凸点金属层电
性连接至驱动电路模块的正极端。
体和第二凸点金属层,金属格栅部分覆盖共阴极本体,第二凸点金属层与共阴极单元顶端
的金属格栅相连,通过第二凸点金属层,引出至共阴极单元上的独立阴极均电性连接至驱
动电路模块的地端。
单元的总行数或总列数,k为大于或者等于1的整数。
块还包括控制单元和I/O接口单元,I/O接口单元、控制单元和驱动单元依次电性相连,I/O
接口单元接收外部信号并反馈给控制单元,控制单元根据外部信号处理得到选址信号和数
据信号,并将选址信号和数据信号传输给驱动单元,以使各驱动单元对应控制各VCSEL单元
的开启和关断。
微透镜阵列。
的空间上的堆叠,避免了部分VCSEL单元贴片高度不一致的问题;
性,获得大尺寸阵列激光器件并实现激光器件的各VCSEL单元的单独寻址。
附图说明
具体实施方式
光学聚焦。优选地,微透镜模块3可以通过键合材料键合在VCSEL模块2上,VCSEL模块2金属
键合在驱动电路模块1上,从而驱动电路模块1、VCSEL模块2和微透镜模块3一体化集成并在
空间上堆叠,从而获得大尺寸阵列激光器件。VCSEL模块2包括VCSEL阵列和多个共阴极单元
22,VCSEL阵列包括:M×N个VCSEL单元21,VCSEL单元21包括独立阳极210和独立阴极211。
2k)×(N+2k)阵列,其中,M为VCSEL阵列的行数,N为VCSEL阵列的列数,2k为共阴极单元22的
总行数/总列数,共阴极单元22的总行数和总列数相同,M为大于1的整数,N为大于1的整数,
k为大于或者等于1的整数。以k=1为例,共阴极单元22的数量为2M+2N+4个,VCSEL阵列和共
阴极单元22构成(M+2)×(N+2)阵列,设置多个共阴极单元22可以使得流经VCSEL阵列的电
流分布均匀,有效缓解电流拥堵效应。
DBR层202。独立阳极210设于p型DBR层202上,n型接触层206中形成有凹部2061,独立阴极
211设于凹部2061的底壁上,即VCSEL单元21的半导体材料通过刻蚀工艺(刻蚀p型DBR层
202、电流限制层203、有源层204、n型DBR层205以及部分厚度的n型接触层206)形成台阶形
结构,台阶的底部位于n型接触层206中,独立阴极211坐落在台阶的底部。独立阴极211均电
性连接至VCSEL阵列四周的共阴极单元22,并且共阴极单元22电性连接至驱动电路模块1的
地端,从而独立阴极211得以连接至驱动电路模块1的地端,VCSEL单元21的独立阳极210电
性连接至驱动电路模块1的正极端。每个VCSEL单元21上对应设有独立阳极210,通过电学连
接键合方式与驱动电路模块1键合,并利用驱动电路模块1单独驱动,实现了各VCSEL单元21
的单独控制,提高了激光器阵列中各单元发光的灵活性,降低了器件功耗。进一步的,将所
有独立阴极211利用共阴极单元22引出到驱动电路模块1的接地,使得VCSEL阵列能够一次
性集成于驱动电路模块1上,避免了传统VCSEL激光器阵列存在的贴片高度不一致的问题,
使得VCSEL阵列与微透镜模块3完全自对准,有助于增加器阵列发射光角度,实现激光雷达
的单片发射单元。
接触层206、n型DBR层205、有源层204、电流限制层203以及p型DBR层202均为III‑V族半导体
材料,包括但不限于GaAs、InP、GaN、AlGaAs、InGaAs、InGaAlP、InGaN、AlGaN。n型DBR层205和
p型DBR层202对激光的反射率都超过99%,并且n型DBR层205的反射率低于p型DBR层202,从
而使得VCSEL单元21的激光的出光方向被控制指向n型DBR层205的方向,因为后续VCSEL阵
列需要倒置键合于驱动电路模块1上,所以需要保证激光从n型DBR层205一侧射出。较佳的,
第一凸点金属层201、独立阳极210以及独立阴极211为金属材料,包括但不限于Ti、Au、Ni、
Ge、Pt及其合金。
202的裸露的侧面,钝化层209和第一键合层207可以为绝缘介质膜,包括但不限于SiO2、
Si3N4、TiO2、Al2O3,并且钝化层209和第一键合层207设置为:在激光器工作的波长范围内对
激光的吸收极小。钝化层209相当于VCSEL单元21的最外层绝缘膜,为了实现独立阳极210与
外部的电连接,独立阳极210上覆盖的钝化层209刻蚀打开一个通孔二213,第一凸点金属层
201可以通过通孔二213实现与独立阳极210的直接电性接触。
性连接至共阴极单元211。具体的,独立阴极211顶部的钝化层209刻蚀打开一个通孔一212,
金属格栅208可以通过通孔一212实现与独立阴极211的直接电性接触。所有独立阴极211利
用金属格栅208从VCSEL阵列外围的共阴极单元22引出到驱动电路模块1的接地,避免了传
统VCSEL激光器阵列的独立阴极因各自单独引出而造成其中部分VCSEL单元贴片高度不一
致的问题,使得VCSEL阵列能够通过晶圆级封装的方法一次性集成于驱动电路模块上,从而
使得VCSEL阵列的出光平面与微透镜模块3的焦平面完全对准,通过调节各个VCSEL单元21
同微透镜单元31的光轴偏移量,可以灵活的设置VCSEL单元21的发射光角度,增加了激光器
阵列的发射光空间指向性。
尺寸可以相同,也可以不同。共阴极单元22的结构与VCSEL单元21相似,共阴极单元22包括
共阴极本体和第二凸点金属层2011。共阴极本体可以包括:依次堆叠的n型接触层206、n型
DBR层205、有源层204、电流限制层203以及p型DBR层202。此外,共阴极本体还可以包括:钝
化层209,钝化层209覆盖p型DBR层202以及n型接触层206、n型DBR层205、有源层204和电流
限制层203的裸露的侧面。进一步的,共阴极单元22与VCSEL单元21的区别在于:金属电极以
及金属格栅结构的设置,具体的,共阴极单元22的台阶底部不需要有独立阴极电极,并且共
阴极单元22的台阶顶部不需要独立阳极电极;金属格栅208从共阴极单元22的台阶底部沿
着侧壁延续到台阶顶部。如图4所示,共阴极单元22顶部的钝化层209刻蚀打开一个通孔三
214,另一部分金属格栅208覆盖共阴极本体表面的钝化层209以及露出的p型DBR层202表
面,即另一部分金属格栅208覆盖通孔三214的底壁和侧壁。在本实施例中,第二凸点金属层
2011位于共阴极单元22顶端的金属格栅208上,通过第二凸点金属层2011能够将金属格栅
208引出至共阴极单元22上的独立阴极211均电性连接至驱动电路模块1的地端。
续连接驱动电路模块1时进行金属凸点焊的时候共阴极单元22和VCSEL单元21的高度完全
一致,从而保证VCSEL阵列贴片高度完全一致,从而保证微透镜模块3所有的微透镜的中心
在同一平面上,使得每个VCSEL单元21的出光表面位于微透镜的焦平面上,使得所有VCSEL
单元21与微透镜模块3中的透镜的焦平面完全一一对准,从而达到汇聚出光的目的,增大了
激光器阵列发射光角度。
极单元22的数量相同,优选的,与VCSEL单元21和共阴极单元22构成阵列类似,驱动单元11
和接地单元12构成(M+2k)×(N+2k)阵列,各接地单元12对应地设于各共阴极单元22下并与
对应的共阴极单元22电性连接。具体的,驱动电路模块1可使用标准的硅基大规模集成电
路,倾向于使用数字/模拟混合电路以实现激光器单元(VCSEL单元21)的驱动和逻辑控制的
单片集成,可采用CMOS(互补型金属氧化物半导体)芯片工艺制作。驱动单元11可以包括:衬
底107、位于衬底107上的前道工艺层(FEOL层)106、位于前道工艺层106上的后道工艺层
105、位于后道工艺层105上的顶层金属层102和电连接结构101,其中,前道工艺层106可以
包括晶体管电路的源极、栅极、漏极、介质层、隔离沟道等。后道工艺层105可以包括多层内
部金属层103、顶层金属层102以及连接多层内部金属层103的通孔104,其工艺材质可以是
基于铜互连,也可以是基于铝/钨互联工艺,从而实现图7所示的电路结构。值得注意的是,
顶部金属层102为凸点焊金属的防扩散层或者种层,采用的金属包括Ti,Ni,Au等。电连接结
构101可以为共晶焊金属球,其材质首选为Sn,或者In,Ag,Au及其合金。该共晶焊金属球(电
连接结构101)可采用电镀的方式沉积,然后进行回流退火形成高度一致的金属球。驱动电
路模块1的驱动单元11和接地单元12的结构相似并且在高度上的尺寸相同。驱动电路模块1
的驱动单元11和接地单元12具有相似的剖面结构,驱动单元11和接地单元12均是同样的生
长工艺同时形成的,只不过接地单元12的后道工艺层的多层内部金属层通过通孔直接与衬
底电性相连,从而使得共阴极单元直接接到驱动电路模块1的地端,从而使得VCSEL模块2能
够一次性集成于驱动电路模块1上,并且不会产生VCSEL模块2顶面不平整的问题,即不会产
生各VCSEL单元21高度不一致的问题。
外围,I/O接口单元13可以通过驱动电路模块1外围的管线引脚109接收外部信号,结合参考
图2和图7,I/O接口单元13接收外部信号并反馈给控制单元14,控制单元14根据外部信号处
理得到一选址信号和一数据信号,并将选址信号和数据信号传输给驱动单元11以使各驱动
单元11对应控制各VCSEL单元21的开启和关断。具体的,图7显示了一种可能的驱动单元11
所具有的电路结构,其使用两个硅晶体管T1和T2来控制发光二极管(VCSEL单元21)。驱动单
元11接收控制单元14的选址信号从而选中阵列中一驱动单元11,在驱动单元11中,硅晶体
管T1为选通晶体管,当选址信号选通该驱动单元时,硅晶体管T1导通,接着控制单元14输出
的数据信号传递到硅晶体管T2的栅极。CS为电流源,为VCSEL单元21提供电流驱动。硅晶体
管T2为驱动晶体管,同电流源CS串联,这样该数据信号可以用来控制VCSEL单元21的开关。
电路中的电容C用来存储该数据信号,保证在VCSEL单元21的选通时间内,硅晶体管T2的栅
极可以获得稳定的电压信号。
透镜单元31包括:曲面透镜301,透明衬底302以及第二键合层303。微透镜单元31为正焦透
镜,其中,曲面透镜301可以为单曲面透镜,也可以为双曲面透镜,图8中仅示意单曲面。曲面
透镜301的材质和透明衬底302的材质可以相同,也可以不同,曲面透镜301可采用的材料包
括:Al2O3、石英、玻璃、Si3N4、AlN等等。较佳的,微透镜阵列可以为蓝宝石微透镜阵列、玻璃
微透镜阵列或树脂微透镜阵列等等。第二键合层303同VCSEL模块2(VCSEL单元21)中的第一
键合层207的材料一致,VCSEL模块2倒置以电学连接键合方式固定于驱动电路模块1上,并
且第一键合层207与第二键合层303键合从而使得驱动电路模块1、VCSEL模块2和微透镜模
块3在空间上堆叠在一起。微透镜模块3中,共阴极单元22上方对应的微透镜模块3的位置上
可以有透镜单元31,也可以没有透镜单元31。通过调节透明衬底302的厚度,使得微透镜单
元31的焦平面正好位于第二键合层303同透明衬底302的界面处,使得每个VCSEL单元21的
出光表面位于微透镜的焦平面上,从而达到汇聚出光的目的,但是每个微透镜单元31的光
轴和其下对应的VCSEL单元21的出光面中心的相对位置有微小差别,这样就可以调整单个
激光光束的空间指向。
和第二键合层303进行晶圆级键合,优选的,两者都具有平整的表面,可通过范德华力进行
键合,这样得到的键合界面可以承受高温工艺处理,而且对红外/可见光波段透明。驱动电
路模块1和VCSEL模块2之间通过电连接结构101和第一凸点金属层201进行金属共晶焊连
接,以锡金合金共晶焊为例,电连接结构101为锡金合金球,第一凸点金属层201为含金金属
层,通过倒装焊的方法,两者接触以后在100℃‑300℃范围内即可形成合金,无需助焊剂。同
样的,第二凸点金属层2011与其底部的电连接结构进行金属共晶焊连接以使共阴极单元22
倒置焊接固定于接地单元12上。另外,为了减少锡球之间的空隙,提高器件运行的热稳定性
和可靠性,可以在VCSEL模块2和微透镜模块3之间施加灌封胶层108,所用的材料包括但不
限于环氧树脂、硅胶。