CN109449265B - 一种光束成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光束成像装置，包括：衬底层；至少一个光波产生单元，设置在衬底层的上方，与衬底层接触，光波产生单元包括依次层叠设置的第一类型导电层、第一电极层和第一图形层、第二类型导电层以及第二电极层，图形层用于复合第一类型导电层的载流子和第二类型导电层的载流子，产生光波并传输光波；至少一个第二图形层，与光波产生单元间隔设置在衬底层的上方，与衬底层接触。本发明实施例提供的光束成像装置，不同电极层连接电源时，可以实现产生光波、传输光波以及调制光波等较多功能，此外，在衬底层上设置第二图形层，第二图形层可以用于传输光波，且在衬底层上直接形成第二图形层时，降低了成膜的难度，降低了传输损耗。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种光束成像装置。
背景技术
光束成像装置是激光雷达的核心部分，在汽车无人驾驶和安防环境监测方面具有优异的应用优势。传统的光束成像装置一般采用棱镜，不利于集成化。现有光束成像装置中采用半导体集成电路代替棱镜装置，具有体积小、价格低和便于集成化的优点。
然而现有的光束成像装置在传输光束的过程中，由于材料等因素的限制，光波的传输损耗较高，并且现有的光束成像装置只能用于传输外部设备输入的光波，功能单一。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光束成像装置，以解决现有技术中由于材料等因素的限制光波的传输损耗较高，且现有的光束成像装置只能用于传输外部设备输入的光波，功能单一的技术问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例提供一种光束成像装置，该光束成像装置包括：衬底层；至少一个光波产生单元，设置在所述衬底层的上方，与所述衬底层接触，所述光波产生单元包括依次层叠设置的第一类型导电层、第一电极层和第一图形层、第二类型导电层以及第二电极层，所述第一图形层用于复合所述第一类型导电层的载流子和所述第二类型导电层的载流子，产生光波并传输所述光波；至少一个第二图形层，与所述光波产生单元间隔设置在所述衬底层的上方，与所述衬底层接触。
进一步地，所述第一图形层的禁带宽度小于与所述第一图形层相邻层的禁带宽度，和/或所述第二图形层的禁带宽度小于与所述第二图形层相邻层的禁带宽度。
进一步地，所述第一类型导电层和/或所述第二类型导电层的禁带宽度不小于2.3eV。
进一步地，所述第一图形层的折射率大于与所述第一图形层相邻层的折射率，和/或所述第二图形层大于与所述第二图形层相邻层的折射率。
进一步地，所述第一图形层的折射率和/或所述第二图形层的折射率高于2.3eV。
进一步地，所述光束成像装置还包括：依次层叠于所述第二图形层上方的导热层和第三电极层。
进一步地，所述第一类型导电层为n型层，所述第二类型导电层为p型层；或所述第一类型导电层为p型层，所述第二类型导电层为n型层，所述导热层与所述第一类型导电层或所述第二类型导电层的材料相同，所述第二图形层的材料与所述第一图形层的材料相同。
进一步地，所述导热层的至少一个侧面具有延伸部，所述延伸部与所述衬底层接触。
进一步地，所述第一电极层与所述第一图形层并列设置在所述第一类型导电层的上方，与所述第一类型导电层接触。
进一步地，所述第一电极层与所述第一图形层之间的距离为5～50000nm。
进一步地，所述第一图形层和/或所述第二图形层包括多个图形单元，所述图形单元的间距为0～10μm,所述图形单元的形状为长方体、圆柱、圆锥或圆环中的任意一种。
本发明提出的技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的光束成像装置，在第一图形层的两侧分别设置导电层，当第一电极层和第二电极层连接电源时，导电层中的载流子会定向运动到图形层中复合产生光波，同时两个导电层可以限制产生的光波在图形层中传输，当第一电极层和第二电极层中只有一个电极层连接电源时，电极层可以通过导电层对第一图形层中传输的光波进行调制，例如，可以调节传输光波的波长等性质，当第一电极层和第二电极层都没有连接电源时，第一图形层可以用于传输光波，此外，在衬底层上设置第二图形层，第二图形层可以用于传输光波，且在衬底层上之间形成第二图形层时，降低了成膜的难度，降低了传输损耗，因此该光束成像装置可以同时实现产生光波、传输光波以及调制光波等较多功能，解决了现有光束成像装置只能用于传输外部设备输入的光波，功能单一的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1示出了本发明实施例中光束成像装置的结构示意图；
图2示出了根据本发明另一实施例的光束成像装置的结构示意图；
图3示出了根据本发明另一实施例的光束成像装置的结构示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光束成像装置，如图1所示，该光束成像装置包括：衬底层10；至少一个光波产生单元，设置在衬底层10的上方，与衬底层10接触，光波产生单元包括依次层叠设置的第一类型导电层20、第一电极层51和第一图形层31、第二类型导电层41以及第二电极层53，第一图形层31用于复合第一类型导电层20的载流子和第二类型导电层41的载流子，产生光波并传输光波；至少一个第二图形层32，与光波产生单元间隔设置在衬底层10的上方，与衬底层10接触。具体地，第一电极层51和第二电极层52中各有两个电极。
本发明实施例提供的光束成像装置，在第一图形层的两侧分别设置导电层，当第一电极层和第二电极层连接电源时，导电层中的载流子会定向运动到图形层中复合产生光波，同时两个导电层可以限制产生的光波在图形层中传输，当第一电极层和第二电极层中只有一个电极层连接电源时，电极层可以通过导电层对第一图形层中传输的光波进行调制，例如，可以调节传输光波的波长等性质，当第一电极层和第二电极层都没有连接电源时，第一图形层可以用于传输光波，此外，在衬底层上设置第二图形层，第二图形层可以用于传输光波，且在衬底层上直接形成第二图形层可以降低成膜的难度，提高成膜质量，降低传输损耗，因此该光束成像装置可以同时实现产生光波、传输光波以及调制光波等较多功能，解决了现有光束成像装置只能用于传输外部设备输入的光波，功能单一的技术问题。
具体地，衬底层10的材料可以是Si、GaN、SiO2和Al2O3等材料，衬底层10的厚度可以是0.1～10mm，衬底层10可以用于承载且便于集成化。第一图形层31和第二图形层32的材料可以是ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO等材料，第一图形层31和第二图形层32的厚度可以是5～5000nm。第一类型导电层20和第二类型导电层41的材料可以是ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO等材料，第一类型导电层20和第二类型导电层41的厚度为0.1～10μm。第一电极层51和第二电极层52可以是电阻率不大于5×10－7Ω·m的低电阻率的金属、合金或金属/氧化物复合材料，较佳的，第一电极层51和第二电极层52的材料可以是Ag、Cu、Au、Al、Pt、Ni、Cr、Ti和ITO等材料，第一电极层51和第二电极层52的厚度可以是10～1000nm。上述材料和厚度只是对该光束成像装置的各层进行举例说明，本申请不以此为限。
本发明实施例提供的光束成像装置，衬底层、导电层以及图形层采用上述价格便宜的材料，能够降低生产成本，图形层采用上述对光波透明的材料，对光波的吸收小，可以降低光的传输损耗，电极层采用上述低电阻率的材料可以提高电极层的导电性能和热导率、降低接触势垒，有利于电流的传导和器件的散热，而散热良好的光束成像装置可以提高光束成像装置的稳定性和均匀性。
作为本实施例的一种可选的实施方式，第一图形层31的禁带宽度小于与第一图形层31相邻层的禁带宽度，和/或第二图形层32的禁带宽度小于与第二图形层32相邻层的禁带宽度。其中，第一图形层31的禁带宽度小于第一类型导电层20和第二类型导电层41的禁带宽度，具体地，第一类型导电层20和/或第二类型导电层41的禁带宽度可以不小于2.3eV，也可以是其他数值，本申请对此不做限定。第一类型导电层20可以是n型层，第二类型导电层41可以是p型层；或第一类型导电层20可以是p型层，第二类型导电层41可以是n型层，其中n型层和p型层可以采用掺杂杂质的方法形成，也可以采用其他方法制备，本申请对此不做限定。
本发明实施例提供的光束成像装置，第一图形层的禁带宽度小于两侧导电层的禁带宽度，因此第一图形层相对两侧导电层是非掺杂或轻掺杂的，这样在第一图形层和两侧导电层的接触面会形成较大的势垒，两侧导电层中的电子和空穴不能越过势垒进入另外一侧的导电层中，使得两侧导电层中的电子和空穴都限制在第一图形层中复合产生光波，提高了光束成像装置产生光波的效率，降低了损耗，此外，由于第一图形层的禁带宽度小于两边导电层的禁带宽度，因此第一图形层的带隙宽度小于两边导电层的带隙宽度，使得电子和空穴复合产生的光波中光子的能量也小于两侧导电层的禁带宽度，第一图形层中传输的光波的光子不会被两侧的导电层吸收，降低了吸收损耗。
作为本实施例的一种可选的实施方式，第一图形层31的折射率大于与第一图形层31相邻层的折射率，和/或第二图形层32大于与第二图形层32相邻层的折射率。具体地，第一图形层31的折射率大于第一类型导电层20和第二类型导电层41的折射率，第二图形层32大于衬底层10的折射率，第一图形层的折射率可以高于2.3，第二图形层的折射率可以高于2.3。
本发明实施例提供的光束成像装置，第一图形层31的折射率大于与第一图形层31相邻层的折射率，第二图形层32大于与第二图形层32相邻层的折射率，可以使得传输的光波在第一图形层31和/或第二图形层32与相邻层的接触界面处发生全反射，从而实现光在第一图形层31和/或第二图形层32中传输，降低光的传输损耗。
作为本实施例的一种可选的实施方式，如图2所示，该光束成像装置还包括：依次层叠于第二图形层32上方的导热层42和第三电极层53。具体地，导热层42与第一类型导电层20或第二类型导电层41的材料相同，导热层42与第二类型导电层41的间距可以是0～5000nm，第二电极层52和第三电极层53之间的间距可以是0～5000nm。第二图形层32的折射率大于导热层42的折射率。第三电极层53可以是电阻率不大于5×10－7Ω·m的低电阻率的金属、合金或金属/氧化物复合材料，较佳的，第三电极层53的材料可以是Ag、Cu、Au、Al、Pt、Ni、Cr、Ti和ITO等材料，第三电极层53的厚度可以是10～1000nm，上述材料和厚度只是对第三电极层53进行举例说明，本申请不以此为限。
本发明实施例通过在第二图形层32上方设置导热层42和第三电极层53，当第三电极层53连接电源时，第三电极层53可以通过导热层42对第二图形层32中传输的光波进行热调制，例如，可以调节传输光波的波长等性质，使得第二图形层32实现了传输光波和调制光波的双重功能。
作为本实施例的一种可选的实施方式，如图3该光束成像装置的右视图所示，导热层42的至少一个侧面具有延伸部，延伸部与衬底层10接触。具体地，导热层可以将第二图形层32包裹，防止第二图形层32与外部接触，因为第二图形层32材料如果长期与外界接触，容易受到化学腐蚀或机械划伤，导热层42可以使第二图形层32与外界隔离，防止第二图形层32受损。
作为本实施例的一种可选的实施方式，如图1所示，第一电极层51与第一图形层31并列设置在第一类型导电层20的上方，与第一类型导电层20接触。具体地，第一电极层51与第一图形层31之间的距离可以是5～50000nm。
作为本实施例的一种可选的实施方式，第一图形层31和第二图形层32的间距可以是0～5000nm，第一图形层31和/或第二图形层32可以包括多个图形单元，各图形单元的间距可以是0～10μm,图形单元的形状可以是长方体、圆柱、圆锥或圆环中的任意一种，图形单元也可以是其他形状，本申请对此不做限定。具体地，当图形单元为长方体时，长方体的宽度可以是5～5000nm，长方体的厚度可以是5～5000nm，此外，第一类型导电层20的厚度可以是0.1～10μm，第二类型导电层41的厚度可以是0.1～10μm，上述厚度和间距等只是举例说明，本申请不以此为限。
作为该光束成像装置的一个较佳实施方式中，如图2所示，衬底层10可以选择Al2O3材料，衬底层10的厚度可以是0.5mm。
第一类型导电层20可以是n型层，该n型层的材料可以选择n型ZnO材料，ZnO材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.0，该n型层的主要作用是提供负自由载流子，并将光限制在图形层中传输，该n型层的厚度可以是1μm。
第一图形层31和第二图形层32可以选择GaP系材料。GaP材料的室温禁带宽度为2.3eV，折射率为3.5，第一图形层31和第二图形层32的间距可以是100nm。具体地，第二图形层32的折射率可以小于衬底层10和导热层42的折射率，用于将光波限制在第二图形层32中传输。第一图形层31和/或第二图形层32中可以包括多个图形单元，图形单元可以是长方体，该长方体的厚度可以是100nm，宽度可以是1μm，图形层中各图形单元的间距可以是5μm。该第一图形层31的主要作用是产生和传输光波。第二图形层32可以用于传输和调制光波。
第二类型导电层41可以是p型层，该p型层的材料可以选择p型ZnO材料，ZnO材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.0，该p型层的厚度可以是2μm。该p型层的主要作用是提供正自由载流子，并将光限制在第一图形层31中传输。当第一类型导电层20选择n型ZnO材料、第二类型导电层41选择p型ZnO材料、第一图形层31选择GaP系材料时，可以使得第一图形层31中传输的光波在GaP材料与ZnO材料的界面处发生全反射，从而实现光在GaP材料中传输，能起到降低光的传输损耗的作用。此外，导热层42可以包裹第二图形层32，防止第二图形层32与外界接触，避免图形层受到化学腐蚀或机械划伤。
导热层42可以与第一类型导电层20和/或第二类型导电层41的材料相同，可以选择n型ZnO材料或p型ZnO材料，ZnO材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.0。该导热层42的折射率小于第二图形层32的折射率，可以将光波限制在第二图形层32中传输。导热层42与第二类型导电层41之间的间距可以是100nm，第二电极层52和第三电极层53之间的间距可以是100nm。导热层42还可以在第三电极层53接通电源时，对第二图形层32加热，对第二图形层32中传输的光波进行调制。导热层42可以包裹第二图形层32，防止第二图形层32与外界接触，避免第二图形层32受到化学腐蚀或机械划伤。
第一电极层51、第二电极层52以及第三电极层53可以选择Al/Au材料，Al的厚度可以是20nm，Au的厚度可以是200nm，Al材料的电阻率为2.7×10－8Ω·m，Au材料的电阻率为2.4×10－8Ω·m。第一电极层51和第一图形层31的间距可以是100nm。当第一电极层51和第二电极层52连接电源时，导电层中的载流子会定向运动到第一图形层31中复合产生光波，同时两个导电层可以限制产生的光波在第一图形层31中传输，当第一电极层51和第二电极层52中只有一个电极层连接电源时，电极层可以通过导电层对第一图形层31中传输的光波进行调制，例如，可以调节传输光波的波长等性质，当第一电极层51和第二电极层52都没有连接电源时，第一图形层51可以用于传输光波。当第三电极层53连接电源时，第三电极层53可以通过导热层42对第二图形层32中传输的光波进行热调制，例如，可以调节传输光波的波长等性质，使得第二图形层32实现了传输光波和调制光波的双重功能。
本发明实施例提供的光束成像装置，衬底层、第一类型导电层、第二类型导电层以及选用价格便宜的材料，降低了生产成本，第一图形层的禁带宽度小于第一类型导电层和第二类型导电层的禁带宽度，在第一图形层和两侧导电层的接触面会形成较大的势垒，两侧导电层中的电子和空穴不能越过势垒进入另外一侧的导电层中，使得两侧导电层中的电子和空穴都限制在第一图形层中复合产生光波，提高了光束成像装置产生光波的效率，降低了损耗，第一图形层的折射率大于第一类型导电层和第二类型导电层的折射率降低了光波在图形层中的传输损耗，电极层选用低电阻率的材料有利于电流的传导和器件的散热，而散热良好可以提高光束成像装置的稳定性和均匀性，此外，光束成像装置具有产生光波、传输光波以及调制光波等较多功能，解决了现有光束成像装置只能用于传输外部设备输入的光波，功能单一的技术问题。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种光束成像装置，其特征在于，包括：
衬底层；
至少一个光波产生单元，设置在所述衬底层的上方，与所述衬底层接触，所述光波产生单元包括依次层叠设置的第一类型导电层、第一电极层和第一图形层、第二类型导电层以及第二电极层，所述第一图形层用于复合所述第一类型导电层的载流子和所述第二类型导电层的载流子，产生光波并传输所述光波；
至少一个第二图形层，与所述光波产生单元间隔设置在所述衬底层的上方，与所述衬底层接触；
所述第一图形层的禁带宽度小于与所述第一图形层相邻层的禁带宽度，和/或所述第二图形层的禁带宽度小于与所述衬底层的禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于，所述第一类型导电层和/或所述第二类型导电层的禁带宽度不小于2.3eV。
3.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于，
所述第一图形层的折射率大于与所述第一图形层相邻层的折射率，和/或所述第二图形层大于与所述衬底层的折射率。
4.根据权利要求3所述的光束成像装置，其特征在于，所述第一图形层的折射率和/或所述第二图形层的折射率高于2.3eV。
5.根据权利要求1－4任一项所述的光束成像装置，其特征在于，还包括：依次层叠于所述第二图形层上方的导热层和第三电极层。
6.根据权利要求5所述的光束成像装置，其特征在于，所述第一类型导电层为n型层，所述第二类型导电层为p型层；或所述第一类型导电层为p型层，所述第二类型导电层为n型层，所述导热层与所述第一类型导电层或所述第二类型导电层的材料相同，所述第二图形层的材料与所述第一图形层的材料相同。
7.根据权利要求5所述的光束成像装置，其特征在于，所述导热层的至少一个侧面具有延伸部，所述延伸部与所述衬底层接触。
8.根据权利要求1－4任一项所述的光束成像装置，其特征在于，所述第一电极层与所述第一图形层并列设置在所述第一类型导电层的上方，与所述第一类型导电层接触。
9.根据权利要求8所述的光束成像装置，其特征在于，所述第一电极层与所述第一图形层之间的距离为5～50000nm。
10.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于，所述第一图形层和/或所述第二图形层包括多个图形单元，所述图形单元的间距为0～10μm,所述图形单元的形状为长方体、圆柱、圆锥或圆环中的任意一种。
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