CN112490846A - 一种半导体激光发射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层具有第一厚度，所述衬底远离所述量子阱有源区的一侧包含激发所述量子阱有源区的第一电极和第二电极；通过将驱动有源区的第一电极和第二电极设置在衬底的相同侧，减少了引线电感，使得发射器能够适应更高电信号传递速率要求的场景，同时也不用改变顶出光的出光方式。

Description

一种半导体激光发射器

技术领域

本发明涉及半导体激光发射器领域，具体而言，涉及一种VCSEL类型的激光器结构。

背景技术

半导体类型的激光器，由于其出色的可控性能，并且非常容易实现阵列型的集成化设计，被越来越多地利用在各个探测过程中，通过对于电压等特性的控制也能比较方便地实现激光参数的调整，对于整个系统而言是非常有利的，半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管(LD)，是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器的优点主要包含以下几个方面：1)体积小、重量轻。2)可注入激励：仅用几伏的电压注入毫安级的电流就能够驱动。除电源装置以外不需要其它的激励设备和部件。电功率直接变换成光功率，能量效率高。3)波长范围宽：适当的选择材料和合金比，在红外和可见光很宽的波长范围内能够实现任意波长的激光器。4)可直接调制：把信号重叠在驱动电流上，在直流到G赫兹范围内，可以调制振荡强度、频率和相位。5)相干性高：用单横模的激光器可以得到空间上相干性高的输出光。在分布反馈型(DFB)和分布布拉格反射型(DBR)激光器中能够得到稳定的单纵模激射，得到时间上的高相干性等等优势。

目前应用较多的一种半导体激光器为表面发射半导体激光器，与传统的边缘发射报道提激光器相比也具有许多的优势，而在表面发射型半导体激光器中垂直腔表面发射激光器VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)因其本身低阈值、圆形光束、易耦合和易二维集成其同时具有边模抑制比高、阈值低、体积小、易于集成、输出功率高等优点，成为光电子领域研究的热点。例如用于3D成像的结构光源，激光检测和测距(LADAR)，飞行时间(TOF)3D成像，航空防御和聚变研究等。垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于低功率应用以及高频优势和制造优于其他类型的半导体激光器件而常用于许多半导体激光器应用中，在TOF测距过程中需要保证VCSEL激光源具有可靠的激光输出，然而目前所采用的封装方案，VCSEL器件通过焊料或环氧树脂正面安装到封装的基板上。然后可以使用引线键合将VCSEL器件连接到外部电路，如此本身的引线之间存在寄生电感，例如在1mm的引线存在1nH的寄生电感，因此现有结构的半导体激光器还需要引线，这种结构本身所需要的引线数量有比较多，如此将存在因为寄生电感等效应而引起的一系列问题，例如需要传输高速电信号传递要求时，这对于现在越来越多地将VCSEL型半导体激光器用于高精度的TOF方案测量中，将非常重要，此时需要VCSEL高速精确地响应。

因此开发一种能够消除现有技术的引线所产生的寄生电感，进而保证TOF类型测距系统的高电信号传递要求的VCSEL类型的半导体发射器是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体激光发射器，以便解决相关技术中，由于引出线而导致的寄生电感在TOF类型的探测系统精度对应的高速电信号传递要求等等引起的一些列问题，严重的甚至导致VCSEL类型的半导体激光器在TOF领域的应用被极大地限制的情形。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层具有第一厚度，所述衬底远离所述量子阱有源区的一侧包含激发所述量子阱有源区的第一电极和第二电极。

可选的，所述第一DBR层为P型掺杂，所述第二DBR层为N型掺杂，所述第一电极与所述第一DBR层相连接，所述第二电极与所述第二DBR层相连接。

可选的，所述第一电极包含穿透所述衬底的导电连接部，并通过所述导电连接部与所述第一DBR层相连接。

可选的，所述导电连接部包含位于TSV工艺形成的衬底贯穿部的导电连接部。

可选的，所述半导体有源区与所述的贯穿部在半导体基板上穿插布置。

可选的，所述贯穿部在半导体基板上布置于所述半导体有源区范围外的独立区域内。

可选的，所述贯穿部与所述导电连接部之间还包含绝缘介质部。

可选的，所述贯穿部是由两个方向的两次刻蚀而形成的。

可选的，所述贯穿部具有第一倾角范围内的倾斜部。

可选的，所述第一倾角范围为75°-90°。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层具有第一厚度，所述衬底远离所述量子阱有源区的一侧包含激发所述量子阱有源区的第一电极和第二电极，通过如此设计一方面将驱动有源区触发光电转化的第一电极和第二电极设置于衬底相同的一侧，实现了后续封装中引线数量的减小，通过TSV穿孔的适应化设计可以满足高速电信号传递需求，保证了使用这种类型的VCSEL系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中提供的一种VCSEL激光源和驱动与探测阵列的封装结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种VCSEL激光源的结构主视图；

图3为本发明实施例提供的另一种VCSEL激光源的结构主视图；

图4为本发明实施例提供的又一种VCSEL激光源的结构主意图；

图5为本发明实施例提供的一种有源发射单元与穿孔穿插布置的示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种有源发射区与穿孔独立布置的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种发光模块与基板的封装示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为现有技术中VCSEL激光源和驱动与探测阵列的封装结构示意图；VCSEL芯片贴在submount上面后通过打线将正负电极引出，在与激光器驱动和传感器芯片配合完成整个模组的封装，其中VCSEL激光源101在Driver驱动部103之上的位置，VCSEL激光源101的一个电极与驱动部103和VCSEL激光源之间的连接板平面连接，由于激光器的特性需要将另一极利用引出线102做引出连接，与驱动部103输出的另一极连接，另外驱动部103的连接也需要引出线104，同样Sensor(通常是阵列型感光部)107也需要引出线106与封装基板105相连接，在此现有封装连接结构下，将存在如下的一些缺点：a)引线电感1mm 1nH在VCSEL引线出来时不可避免。b)通过柔板将驱动芯片Driver信号给到VCSEL经过路径很长，必须在柔板上做消去电感的设计。c)VCSEL放置在驱动芯片Driver上表面，对VCSEL的散热设计存在很大挑战，导致VCSEL不能长时间工作，因为热量不能散出。

为了减小引线结构，现有技术有多种方案，其中比较典型的一种是在衬底靠近有源区的边缘设置第一和第二电极，之后在有源区的另一端涂敷粘结层，通过粘结层粘结第二衬底层，之后通过反向去除将原有的衬底层去除掉，这样能保证器件的强度也将两个不同的电极设计在相同的一侧，出光方向也不会改变，依旧为顶出光方式，但是如此的设计在出光方向上多出了第二衬底层，还同时多出了粘结层，这样虽然简化了连线，但是实际上在制造过程中引入了更多的工艺步骤，同时去除衬底工艺虽然不复杂，但是对于精密加工来说成本将增加很多，同时由于发射光需要经过粘结层和第二衬底，将会产生出光损失，这一方案实际上和背出光方式的光损失相当，甚至在粘结层控制不当的前提下光损失将远远超过背出光方案，在背出光为了改善光损失，有改进方案提出了在出光的衬底方向配合出光的位置开设对应数量的孔，以保证出射光不受影响的方案，但是这些方案本身还是在工艺上具有更高的复杂度，生产成本也没有本质上的降低，因此为了改善这一现象保证生产过程浪费小并且保持现有的顶出光方案，需要设计一种新型结构。

图2为本发明实施例提供的一种VCSEL激光源的结构主视图；本发明对于VCSEL激光源的结构进行了优化，其中202a与202b为激光源的第一电极和第二电极，其中电极材料可以采用(Au)，锗(Ge)，银(Ag)，钯(Pd)，铂(Pt)，镍(Ni)，钛(Ti)，钒(V)，钨(W)，铬(Cr)，铝(Al)，铜(Cu)，锌(Zn)，锡(Sn)和铟(In)等等材料，当然也不限定于金属材料，也可以为金属氧化物等形成的透明电极，第一电极与第一DBR层相连接(也就是图中的209的P型布拉格反射镜Distributed Bragg Reflection)，其具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层压结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的P型Al_X1Ga_(1-X1)As(0＜X1＜1)。λ表示半导体激光器1的振荡波长。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的P型Al_X2Ga_(1-X2)As(0≤X2＜X1)，此处只是示例性地说明，也非具体限定实施材料必须为此，满足中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可。第二电极202b连接第二DBR层也就是图中的211，其具有低折射率层和高折射率层交替堆叠的层叠结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的N型Al_X3Ga_(1-X3)As(0＜X3＜1)。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的N型Al_X4Ga_(1-X4)As(0≤X4＜X3)，此处也只是示例性地说明，也非具体限定实施材料必须为此，满足中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，有源区210具有量子阱结构，在该量子阱结构中，交替地层叠具有8nm厚度的未掺杂Al_0.11As_0.89GaAs量子阱层的量子阱层和具有5nm厚度的未掺杂Al_0.3Ga_0.7As层的阻挡层。例如将有源区210设计成具有780nm波长的光发射(实际不限于该波长，在TOF系统中应用较多的为800nm-1000nm波长范围的红外光)，按照有源区210的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，以满足谐振条件。由未掺杂Al_0.6Ga_0.4As层形成的作为用于形成有源区210中的一层的隔离层在其中心包括量子阱结构，当然具体的材料和厚度关系并不限于此，此处仅为示例型说明。整个隔离层具有的膜厚同λ/n_r的整数倍一样大，这里λ是振荡波长而n_r是介质的折射率，通过第一电极202a和第二电极202b施加电压，实现二极管的发光，需要说明的是VCSEL类型的半导体激光发射器中的光发射部包含第一第二DBR层和有源区这些结构一般在纵向位置的尺寸比较小，例如总的厚度可以在10μm左右，但是这种尺寸下发射器的可靠性将面临严峻的考验，因此在出光方向的相反侧一般设置衬底，其具有第一厚度，这个厚度主要是保证整个器件的可靠性，因此按照强度理论设计所述衬底的第一厚度，例如可以设置为不小于100μm的半导体衬底层，本发明通过在衬底上形成穿孔结构，最优地形成贯穿型孔，例如利用TSV工艺(Through Silicon Via)也就是硅上穿孔工艺，形成一个具有特定深宽比的穿孔，例如能达到5:1到40:1甚至更高的深宽比情景下，如此形成多个穿孔，之后在穿孔的侧壁或者DBR层的侧壁设置一层介质层，例如是绝缘材料，如此可以实现将将电极可靠准确地施加至需要的部位而不至于造成器件内部短路等现象，图2中的穿孔例如可以只连接少数几个发射单元的穿孔部，其孔径尺寸可以小于2μm，为了保证连接的可靠性甚至通过所述穿孔内的导电连接部对于器件所产生的热量能够快速地导出，所述穿孔内的导电连接部可以设置为完全填充的金属，例如与第一电极材料完全相同的填充材料，并与第一电极相连接，通过穿孔可以将第一电极和第二电极均设置在衬底远离发射部出光方向的一侧，如此可以实现更优化地封装连接，省掉引线的连接，从而最大限度地实现电信号的高速传递。

图3为本发明实施例提供的另一种VCSEL激光源的结构主视图，与上述的方案不同在于，此处的穿孔方案为经过两个相对的方向两次成型而形成的穿孔，可以从远离发射端的衬底一侧成型出40-70μm深度的非贯穿孔，之后由相对的另一侧成型出剩余比例的孔，从而实现贯穿的设计，并且连接的金属也并非充实填充，在实际的使用过程中，在贯穿孔中的孔壁与导电连接部之间包含绝缘介质层，并且还包含电阻减小部，该部位的金属材料明显多于其他部位(也就是说导电填充部包含异型截面部)，为了保证器件的可靠性在贯穿孔的剩余空间内填充其他介质材料，也可以是与绝缘介质层相同的材料，当然也可以采用其他介质材料作为填充材料，两次成型的方案克服了一次成型深宽比大的通孔所可能存在的一些缺陷，这样将更有利于本发明的实现，在图3中的导电连接部的实现方式可以和图2的方式不同，图2中的导电连接部可以采用热熔和方式形成，图3中的金属可以采用沉积的方式形成，当然与之前相同的部件此处不再详细叙述，相似部位的用途也类似。

图4为本发明实施例提供的又一种VCSEL激光源的结构主视图，与上述方式不同点在于两次成型的贯穿孔侧壁并非垂直的，其与水平方向具有一定的夹角，为了保证成型和加工的高效性，最优化地保证成型的导电连接部的均匀性，最优地所述侧壁的角度范围设置为75°-90°之间，两边均设置夹角范围内的倾斜部，当然也可以在一次成型的贯穿部设置具有所述夹角范围的倾斜部，此处不再进行赘述。

图5为本发明实施例提供的一种VCSEL激光源发光部与贯穿部穿插布置的示意图，通过如此布置可以在较小的尺度下例如每个贯穿部只对应数个发射部，也就是第一电极通过贯穿孔内的电性连接部连接数个有源区，如此能够实现更精确的发光控制效果，另外穿插设计也能保证每个贯穿部内导电连接部的距离，如此可以优化贯穿部内导电连接部的干扰效应，穿插布置的规则可以利用优化的计算机程序模拟计算获得，其余不再详细赘述。

图6为本发明实施例提供的一种VCSEL激光源发光部与贯穿部单独布置的示意图，通过如此布置可以将更多的有源区通过一个贯穿部的导电连接部连接例如数十个有源区，来控制有源区发射的激光，所有的贯穿部设置在独立的区域内，如此布置可以保证发射光的密度实现对于视场内更高分辨率的覆盖，同时更多数量的有源区被相同的导电连接部所驱动也减小了所需求的贯穿部的数量，如此也能尽可能地减小导电连接部之间的干扰作用，也有利于TOF系统内对于高速传递信号的需求，从而保证测距的精确性。

图7为本发明实施例提供的一种VCSEL激光源与封装基板连接的结构示意图；通过图5或图6的VCSEL激光源结构设计，第一电极和第二电极平面化设计提供了与基板705平面连接的基础，通过焊接方式直接将VCSEL激光源的第一电极与第二电极和封装基板的对应电极焊接连接，实现了直接平面化的直接连接，从而两个电极均不采用外部的引线，如此降低或者消除了电感的寄生，对于TOF测距获得高精度的测量结果将非常重要，另一方面通过此结构也实现了连接的可靠性。

通过本发明的技术方案实现了如下几个的技术优点：

1.可以减少引线工艺带入的寄生参数。

2.减少大的高速驱动电流信号通过引线的电感效应产生信号串扰。

3.减少引线步骤完全无可移动部件，提高可靠性。

4.实现了将VCSEL光源用于高精度TOF测量系统设计的高速响应的技术效果。

5.最优化地布局导电金属连接部的规则，实现了对于不同场景的适应，也减小了导电连接部之间的干扰现象。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光发射器，其特征在于，包含：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层具有第一厚度，所述衬底远离所述量子阱有源区的一侧包含激发所述量子阱有源区的第一电极和第二电极。

2.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一DBR层为P型掺杂，所述第二DBR层为N型掺杂，所述第一电极与所述第一DBR层相连接，所述第二电极与所述第二DBR层相连接。

3.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一电极包含穿透所述衬底的导电连接部，并通过所述导电连接部与所述第一DBR层相连接。

4.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述导电连接部包含位于TSV工艺形成的衬底贯穿部的导电连接部。

5.根据权利要求4所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述半导体有源区与所述的贯穿部在半导体基板上穿插布置。

6.根据权利要求4所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述贯穿部在半导体基板上布置于所述半导体有源区范围外的独立区域内。

7.根据权利要求4所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述贯穿部与所述导电连接部之间还包含绝缘介质部。

8.根据权利要求4所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述贯穿部是由两个方向的两次刻蚀而形成的。

9.根据权利要求4或8所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述贯穿部具有第一倾角范围内的倾斜部。

10.根据权利要求9所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一倾角范围为75°-90°。

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