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CN110178044B - 检测装置、检测系统及检测装置的制作方法 - Google Patents

检测装置、检测系统及检测装置的制作方法 Download PDF

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CN110178044B
CN110178044B CN201780083678.2A CN201780083678A CN110178044B CN 110178044 B CN110178044 B CN 110178044B CN 201780083678 A CN201780083678 A CN 201780083678A CN 110178044 B CN110178044 B CN 110178044B
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Abstract

本文公开了一种装置(100)，该装置(100)包括在第一衬底(110)上的垂直腔面发射激光器(VCSELs，150)阵列、以及在第二衬底(120)上的检测器(143)阵列，这些检测器(143)被配置成检测由VCSELs(150)发射且被物体背散射的激光光束，其中，第一衬底(110)安装到第二衬底(120)，并且第一衬底(110)被配置成允许由VCSELs(150)发射且被物体背散射的激光光束透射通过第一衬底(110)并到达检测器(143)。

Description

检测装置、检测系统及检测装置的制作方法
【技术领域】
本公开文涉及激光雷达，更特别地，本公开文涉及包括垂直腔面发射激光器和检测器的激光雷达。
【背景技术】
激光雷达(也叫作LIDAR、LiDAR和LADAR)是利用激光(例如，紫外、可见或近红外)照亮目标以测量到该目标的距离的设备。激光雷达可以用于对物体成像，这些物体可以包括广泛材料，其包括非金属物体、岩石、雨、化合物、气溶胶、云以及甚至单分子。
激光雷达可以包括激光器(例如，具有在500nm与1600nm之间波长的激光器)。激光器可以是脉冲型激光器或连续型激光器。激光雷达可以包括扫描和控制激光器的机构。该机构可以以机械的形式(例如，振荡平面镜、多面镜)或者以电的形式(例如，相控阵)扫描激光器。激光雷达也可以具有检测器，该检测器被配置成检测由正被成像的物体反射的光。
与从通过将个体芯片(chip)从晶片(wafer)分出而形成的表面发射的常规边缘发射半导体激光器(也叫作面内激光器)相反，垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体激光二极管，其具有从顶表面垂直的激光光束反射。VCSEL可以具有夹在上布拉格反射器与下布拉格反射器(Bragg reflector)之间的有源区(active region)(例如，通过在衬底上外延生长而形成)。VCSEL可以由例如GaAs、InGaAs或AlGaAs等材料形成。
【发明内容】
本文公开了一种检测装置，包括：第一衬底上的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列；第二衬底上的检测器的阵列，这些检测器配置成检测由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束；其中第一衬底安装到第二衬底，并配置成允许由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束透射通过第一衬底并到达检测器。
根据实施例，检测器包括单光子雪崩二极管或光电倍增器。
根据实施例，第一衬底包括GaAs。
根据实施例，检测装置进一步包括配置成驱动VCSEL和检测器的电路。
根据实施例，电路在第二衬底上集成。
根据实施例，第一衬底和第二衬底接合使得VCSEL电连接到电路。
根据实施例，第一衬底包括通孔，并且VCSEL的数个电触点中的至少一些通过这些通孔电连接到电路。
根据实施例，通孔通过第一衬底的整个厚度。
根据实施例，第一衬底包括窗口，其配置成允许由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束透射通过这些窗口并到达检测器。
本文描述了一种检测系统，其包括具有焦平面和设置在该焦平面处的根据上文所述的任何一种检测装置的光学系统。
本文公开这样的方法，其包括：在第一衬底上形成垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列；在第二衬底上形成检测器的阵列，这些检测器配置成检测由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束；将第一衬底安装到第二衬底；其中第一衬底配置成允许由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束透射通过第一衬底并到达检测器。
根据实施例，检测器包括单光子雪崩二极管。
根据实施例，第一衬底包括GaAs。
根据实施例，方法进一步包括形成电路，其配置成驱动第一衬底或第二衬底上的VCSEL和检测器。
根据实施例，将第一衬底安装到第二衬底包括倒装接合或直接接合。
根据实施例，方法进一步包括在第一衬底中形成通孔，这些通孔配置成在第一与第二衬底之间提供电连接。
根据实施例，形成通孔包括蚀刻第一衬底。
根据实施例，方法进一步包括形成窗口，其配置成允许由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束透射通过这些窗口并到达检测器。
根据实施例，形成窗口包括蚀刻第一衬底。
【附图说明】
图1A和图1B示意性地示出了根据实施例的检测装置。
图2示意性地示出了根据实施例的图1A和图1B的检测装置的横截面图。
图3示意性地示出了一种检测系统，该检测系统包括光学系统和定位在该光学系统焦平面处的图1A和图1B的检测装置。
图4示意性地示出了根据实施例制作图1A和图1B所示检测装置的方法的流程图。
【具体实施方式】
图1A和图1B示意性地示出了根据实施例的检测装置100。该检测装置100包括第一衬底110和第二衬底120。该第一衬底110可以包括GaAs。第二衬底120可以包括矽。如图1A中示出地，第一衬底110包括VCSEL 150的阵列。VCSEL 150具有第一电触点152和第二电触点155(此处未示出，但在图2中示出)。第一电触点152和第二电触点155被配置成对VCSEL 150供电。VCSEL 150具有孔径158，激光器可以从该孔径发射。第一电触点152可以定位成环绕孔径158。VCSEL 150可以具有通过第一衬底110的整个厚度的通孔151，用于电连接到第二衬底120。通孔151和第一电触点152电连接。第一衬底110可以具有多个窗口153，其定位成允许由VCSEL 150发射且被物体背散射的激光光束透射通过第一衬底110并且到达衬底120上的检测器。窗口153可以简单地是孔隙空间，或可以是对来自VCSEL 150的激光光束并非不透明的材料。在实施例中，第一衬底110自身对于来自VCSEL 150的激光光束可以是并非不透明的，从而可以省略窗口153。例如，GaAs对于具有从约900nm至约18μm波长的光是并非不透明的。在另一个示例中，波长转换器与检测装置100一起用于将VCSEL 150发射的激光转换成具有第一衬底110对其是并非不透明的波长的激光。
如图1B中示出的，第二衬底120具有检测器143的阵列，其配置成检测由VCSEL 150发射且被物体背散射的激光光束。第一衬底110安装到第二衬底120。对检测器143定位使得由VCSEL 150发射且被物体背散射的激光光束可以透射通过第一衬底110的窗口153并且到达检测器143。
第二衬底120可以是印刷电路板(PCB)、矽衬底或任何其他适合的形式。在第二衬底120是PCB的情况下，检测器143和电路160可以是安装到PCB上或嵌入其中的晶片。在第二衬底120是矽衬底的情况下，检测器143和电路160可以通过CMOS工艺形成。
检测装置100可以具有电路160，其配置成驱动VCSEL 150和检测器143。例如，电路160可以在第二衬底120上集成。第一衬底110可以接合到第二衬底120，使得VCSEL 150电连接到电路160。电路160可以具有电触点141，其电连接到通孔151。电路160可以具有电触点149，其电连接到VCSEL 150的第二电触点155。电路160可以配置成控制检测器143，或者处理或解释来自检测器143的信号。
VCSEL 150与电路160之间的电连接可以通过各种方式进行。一个示例是线接合。另一个示例通过导电粘合剂(例如，苯丙环丁烯(BCB))。
图2示意性地示出了根据实施例的检测装置100的横截面图。在该示例中，VCSEL150可以包括有源层154，该有源层夹在上布拉格反射器156与下布拉格反射器157之间，并且该有源层可以包括量子阱。上布拉格反射器156、有源层154和下布拉格反射器157可以在第一衬底110上外延地形成。
检测器143可以是任何适合的检测器。在示例中，检测器143包括光电倍增器。光电倍增器能够使入射光产生的电流增加很多倍，从而允许检测到低入射通量的光子。光电倍增器可以采用真空光电管的形式，其包括包含光电阴极、若干打拿集和电子集电极的外壳。进入外壳且入射在光电阴极上的光由于光电效应而促使光电阴极发射电子。电子撞击连续打拿集，从而通过二次发射导致电子倍增。在撞击最后的打拿集，电子被集电极收集并用于检测入射光。
在示例中，检测器143包括单光子雪崩二极管(SPAD)(也称为盖革模式APD或G-APD)。SPAD是在高于击穿电压的反偏压下工作的雪崩光电二极管(APD)。这里的词“高于”意指反偏压的绝对值大于击穿电压的绝对值。当光子入射在SPAD上时，它可以产生载流子(电子和空穴)。这些载流子中的一些经SPAD中的电场加速，并可以通过碰撞电离触发雪崩电流。碰撞电离是材料中一个高能载流子通过形成其他载流子而可能失去能量的过程。例如，在半导体中，具有足够动能的电子(或空穴)可以使束缚电子脱离其束缚态(在价带内)并且使其提升到处于导带内的状态，从而形成电子-空穴对。SPAD可以用于检测低强度光(例如，下至单光子)，并且利用几十微微秒的抖动来信号传递光子的到达时间。SPAD在高于p-n结的击穿电压的反偏压(即，p-n结的p型区以比n型区还低的电势偏置)下可以采用该p-n结的形式。p-n结的击穿电压是反偏压，出现高于该反偏压则p-n结中的电流呈指数增加。
图3示意性地示出了检测系统300，其包括光学系统350和定位在该光学系统350的焦平面处的检测装置100。检测系统300可以是激光雷达、望远镜或拍摄检测装置。检测系统300可以具有滤波器351，其防止除激光光束以外的光通过。滤波器351可以集成到检测装置100内，例如在检测器143前面。滤波器351可以是窗口153的一部分。在操作中，检测装置100的VCSEL 150发射的激光光束朝远离检测装置100的场景向不同方向引导(即，从场景到检测装置100的距离比VCSEL 150和它们相应的相邻检测器143的大得多)。由一个VCSEL 150发射且被场景中的物体背散射的激光光束被邻近该VCSEL的检测器143收集。物体到检测装置100的距离例如基于经发射且背散射的激光光束之间的相位差或基于激光光束的飞行时间来确定。尽管光学系统350示出为图3中的单个凸透镜，光学系统350可以具有任何适合的部件。VCSEL 150可以被配置使得所有VCSEL 150同时或在不同时间发射激光光束。例如，VCSEL 150可以配置成逐个地(即，在指定时间仅对其中一个VCSEL 150供电)发射激光光束；VCSEL 150可以被配置成使得在指定时间内对一些VCSEL 150供电，其中这些经供电的VCSEL 150隔开。不是所有同时在发射的VCSEL 150都可以帮助减少检测器143之间的串扰。
图4示意性地示出了根据实施例制作检测装置100的方法的流程图。在过程4010中，在第一衬底上形成VCSEL的阵列。在过程4020中，在第二衬底上形成检测器的阵列。这些检测器配置成检测由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束。在过程4030中，第一衬底安装到第二衬底。衬底配置成允许由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束透射通过第一衬底并且到达检测器。在过程4010中，在第一衬底中还可以形成通孔(例如，通过蚀刻)。这些通孔配置成在第一与第二衬底之间提供电连接。在过程4010中，在第一衬底中还可以形成窗口(例如，通过蚀刻)，这些窗口配置成允许由VCSEL发射且被物体背散射的激光光束透射通过窗口并到达检测器。
尽管本文公开了各种方面和实施例，其它方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求示明。

Claims (19)

1.一种检测装置，包括：
第一衬底上的垂直腔面发射激光器的阵列；
第二衬底上的检测器的阵列，所述检测器配置成检测由所述垂直腔面发射激光器发射且被物体背散射的激光光束；
其中，所述第一衬底安装到所述第二衬底，并且所述第一衬底配置成允许由所述垂直腔面发射激光器发射且被所述物体背散射的激光光束透射通过所述第一衬底并且到达所述检测器。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述检测器包括单光子雪崩二极管或光电倍增器。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述第一衬底包括GaAs。
4.根据权利要求1所述的检测装置，该装置进一步包括配置成驱动所述垂直腔面发射激光器和所述检测器的电路。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其中，所述电路在所述第二衬底上集成。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其中，所述第一衬底和所述第二衬底接合，使得所述垂直腔面发射激光器电连接到所述电路。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其中，所述第一衬底包括通孔，并且所述垂直腔面发射激光器的数个电触点中的至少一些电触点通过所述通孔电连接到所述电路。
8.根据权利要求7所述的检测装置，其中，所述通孔通过所述第一衬底的整个厚度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的检测装置，其中，所述第一衬底包括窗口，所述窗口配置成允许由所述垂直腔面发射激光器发射且被所述物体背散射的激光光束透射通过所述窗口并到达所述检测器。
10.一种检测系统，该检测系统包括具有焦平面和设置在所述焦平面处的根据权利要求1-9中任一项所述的检测装置的光学系统。
11.一种检测装置的制作方法，包括：
在第一衬底上形成垂直腔面发射激光器的阵列；
在第二衬底上形成检测器的阵列，所述检测器配置成检测由所述垂直腔面发射激光器发射且被物体背散射的激光光束；
将所述第一衬底安装到所述第二衬底；
其中，所述第一衬底配置成允许由所述垂直腔面发射激光器 发射且被所述物体背散射的激光光束透射通过所述第一衬底并到达所述检测器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述检测器包括单光子雪崩二极管。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一衬底包括GaAs。
14.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括形成电路，所述电路配置成驱动所述第一衬底或所述第二衬底上的所述垂直腔面发射激光器和所述检测器。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第一衬底安装到所述第二衬底包括倒装接合或直接接合。
16.根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括在所述第一衬底中形成通孔，所述通孔配置成在所述第一衬底与所述第二衬底之间提供电连接。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述通孔包括蚀刻所述第一衬底。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的方法，其进一步包括形成窗口，所述窗口配置成允许由所述垂直腔面发射激光器发射且被所述物体背散射的激光光束透射通过所述窗口并到达所述检测器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，形成所述窗口包括蚀刻所述第一衬底。
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