CN109473528B - 具有共背面电极的面光源vcsel及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有共背面电极的面光源VCSEL及其制备方法，其中，面光源包括：发光芯片、半导体外延层、半导体衬底层、外延面电极、衬底电极、第一背电极以及第二背电极；半导体外延层位于半导体衬底层的正面，发光芯片位于半导体外延层上，发光芯片包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层、有源层以及下DBR层，第一背电极和第二背电极位于半导体衬底层的背面，外延面电极一端与上DBR层的上表面相连接，另一端与第一背电极相连接，衬底电极位于半导体外延层上，并与第二背电极相连接。本发明的面光源中，正负电极都设置在背面，同时在正面没有金属跳线，如此有利于面光源空间上的垂直集成。

Description

具有共背面电极的面光源VCSEL及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种具有共背面电极的面光源VCSEL及其制备方法。
背景技术
VCSEL器件是通过外延生长和电极工艺制备的二极管。VCSEL器件中，多个二极管发光点在前外延面通过金属电极联通，共用1个电极。列阵中多个二极管在衬底面半导体材料本身连在一起，共用1个背电极。在VCSEL芯片往热沉上封装时，芯片的背面电极通过焊接的方式与热沉上电极直接键合，而芯片的正面电极需要通过金属丝与热沉上的另一个电极跳线连接。如此，不仅造成工艺的复杂，更限制了芯片表面光学元器件的垂直集成。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种具有共背面电极的面光源VCSEL及其制备方法，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种具有共背面电极的面光源VCSEL，其包括：发光芯片、半导体外延层、半导体衬底层、外延面电极、衬底电极、第一背电极以及第二背电极；
所述半导体外延层位于所述半导体衬底层的正面，所述发光芯片位于所述半导体外延层上，所述发光芯片包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层、有源层以及下DBR层，所述第一背电极和第二背电极位于所述半导体衬底层的背面，所述外延面电极一端与所述上DBR层的上表面相连接，另一端与所述第一背电极相连接，所述衬底电极位于所述半导体外延层上，并与所述第二背电极相连接。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的改进，所述外延面电极另一端与所述第一背电极通过贯穿所述半导体衬底层的第一金属柱相连接。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的改进，所述衬底电极通过贯穿所述半导体外延层和半导体衬底层的第二金属柱相连接。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的改进，所述外延面电极与所述发光芯片的侧壁之间还设置有绝缘层。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的改进，所述半导体衬底层为半绝缘的半导体衬底。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的改进，所述发光芯片为1个或多个，如多个，则发光芯片彼此连接地位于所述半导体外延层上。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的改进，多个发光芯片以非均匀或均匀阵列方式排布于所述半导体外延层上。适用于单一电极驱动或多电极分块驱动的列阵结构。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种具有共背面电极的面光源VCSEL的制备方法，其包括如下步骤：
S1、通过沉积工艺在半导体城底层上依次沉积形成半导体外延层和发光芯片，并通过刻蚀工艺定义发光芯片的台面结构；
S2、在P、N电极接触区分别刻蚀形成与外延面电极、衬底电极相接触的区域；
S3、通过沉积工艺在发光芯片的台面上沉积形成绝缘层，并在发光芯片的顶面开设电极窗口；
S4、在刻蚀形成的P、N电极接触区上开设上下贯通的孔洞，并在P电极接触区的孔洞中制作形成第一金属柱，在N电极接触区的孔洞中制作形成第二金属柱；
S5、在P电极接触区制作外延面电极，实现发光芯片与第一金属柱之间的欧姆接触，在N电极接触区制作与第二金属柱欧姆接触的衬底电极；
S6、对半导体衬底的背面及第一金属柱和第二金属柱进行减薄，并在背面沉积与第一金属柱和第二金属柱欧姆接触的背电极层，通过刻蚀工艺刻蚀背电极层形成第一背电极和第二背电极。
作为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的制备方法的改进，所述绝缘层为SiO2或Si3N4介质材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的面光源中，正负电极都设置在背面，同时在正面没有金属跳线，如此有利于面光源空间上的垂直集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL一具体实施方式的层结构示意图；
图2至图7为本发明的具有共背面电极的面光源VCSEL的制备方法中S1至S6的工艺原理图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。
如图1所示，本发明提供一种具有共背面电极的面光源VCSEL，其包括：发光芯片1、半导体外延层2、半导体衬底层3、外延面电极4、衬底电极5、第一背电极6以及第二背电极7。所述具有共背面电极的面光源VCSEL可适用于任何波长段，任何半导体材料体系的面发射激光器。且适用于随机偏振结构，或偏振控制的结构。
所述半导体外延层2位于所述半导体衬底层3的正面，为了防止第一背电极6以及第二背电极7在半导体衬底层3上断路，所述半导体衬底层3为半绝缘的半导体衬底。
所述发光芯片1位于所述半导体外延层2上，所述发光芯片1包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层11、有源层12以及下DBR层13。
根据需要可设置一个或者多个发光芯片1。当所述发光芯片1为多个时，多个发光芯片1彼此连接地位于所述半导体外延层2上。优选地，多个发光芯片1以阵列方式排布于所述半导体外延层2上。
所述第一背电极6和第二背电极7位于所述半导体衬底层3的背面，所述外延面电极4一端与所述上DBR层11的上表面相连接，另一端与所述第一背电极6相连接。所述衬底电极5位于所述半导体外延层2上，并与所述第二背电极7相连接。从而，正负电极都设置在背面，同时在正面设置有金属跳线，如此有利于面光源空间上的垂直集成。
为了实现外延面电极4与第一背电极6的连接，所述外延面电极4另一端与所述第一背电极6通过贯穿所述半导体衬底层3的第一金属柱8相连接。同时，为了实现述衬底电极5与所述第二背电极7相连接，所述衬底电极5通过贯穿所述半导体外延层2和半导体衬底层3的第二金属柱9相连接。
此时，所述发光芯片1、半导体外延层2、半导体衬底层3、外延面电极4、衬底电极5、第一金属柱8、第二金属柱9、第一背电极6以及第二背电极7形成回路，电流依次通过第一背电极6、第一金属柱8、外延面电极4，流向上DBR层11，在有源层12中产生载流子复合产生光，流经下DBR层13，经半导体外延层2流向第二金属柱9，并自第二背电极7流出。
此外，所述外延面电极4与所述发光芯片1的侧壁之间还设置有绝缘层10。优选地，所述绝缘层10为SiO2或Si3N4介质材料。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种具有共背面电极的面光源VCSEL的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S1、如图2所示，通过沉积工艺在半导体城底层上依次沉积形成半导体外延层和发光芯片，并通过刻蚀工艺定义发光芯片的台面结构。
其中，沉积时，依次沉积形成半导体外延层以及发光芯片中下DBR层、有源层以及上DBR层。
S2、如图3所示，在P、N电极接触区分别刻蚀形成与外延面电极、衬底电极相接触的区域。
其中，N型接触区刻蚀到N掺杂材料中。P型接触区区将下DBR层，N掺杂层刻蚀掉，露出非掺杂的半导体材料层。
S3、如图4所示，通过沉积工艺在发光芯片的台面上沉积形成绝缘层，并在发光芯片的顶面开设电极窗口。优选地，所述绝缘层为SiO2或Si3N4介质材料。
S4、如图5所示，在刻蚀形成的P、N电极接触区上开设上下贯通的孔洞，并在P电极接触区的孔洞中制作形成第一金属柱，在N电极接触区的孔洞中制作形成第二金属柱。
S5、如图6所示，在P电极接触区制作外延面电极，实现发光芯片与第一金属柱之间的欧姆接触，在N电极接触区制作与第二金属柱欧姆接触的衬底电极。
S6、如图7所示，对半导体衬底的背面及第一金属柱和第二金属柱进行减薄，并在背面沉积与第一金属柱和第二金属柱欧姆接触的背电极层，通过刻蚀工艺刻蚀背电极层形成第一背电极和第二背电极。
综上所述，本发明的面光源中，正负电极都设置在背面，同时在正面没有金属跳线，如此有利于面光源空间上的垂直集成。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种具有共背面电极的面光源VCSEL，其特征在于，所述面光源VCSEL包括：发光芯片、半导体外延层、半导体衬底层、外延面电极、衬底电极、第一背电极以及第二背电极；
所述半导体外延层位于所述半导体衬底层的正面，所述发光芯片位于所述半导体外延层上，所述发光芯片包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层、有源层以及下DBR层，所述第一背电极和第二背电极位于所述半导体衬底层的背面，所述外延面电极一端与所述上DBR层的上表面相连接，另一端与所述第一背电极相连接，所述衬底电极位于所述半导体外延层上，并与所述第二背电极相连接；所述发光芯片为多个，多个发光芯片彼此连接地位于所述半导体外延层上，且直接与所述半导体外延层相接触；
所述发光芯片、半导体外延层、半导体衬底层、外延面电极、衬底电极、第一背电极以及第二背电极形成回路，电流依次通过第一背电极、外延面电极，流向上DBR层，在有源层中产生载流子复合产生光，流经下DBR层，经半导体外延层自第二背电极流出。
2.根据权利要求1所述的面光源VCSEL，其特征在于，所述外延面电极另一端与所述第一背电极通过贯穿所述半导体衬底层的第一金属柱相连接。
3.根据权利要求1所述的面光源VCSEL，其特征在于，所述衬底电极通过贯穿所述半导体外延层和半导体衬底层的第二金属柱相连接。
4.根据权利要求1所述的面光源VCSEL，其特征在于，所述外延面电极与所述发光芯片的侧壁之间还设置有绝缘层。
5.根据权利要求1所述的面光源VCSEL，其特征在于，所述半导体衬底层为半绝缘的半导体衬底。
6.根据权利要求1所述的面光源VCSEL，其特征在于，多个发光芯片以非均匀或均匀阵列方式排布于所述半导体外延层上，适用于单一电极驱动或多电极分块驱动的列阵结构。
7.一种如权利要求1-6任一项所述具有共背面电极的面光源VCSEL的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1、通过沉积工艺在半导体衬底层上依次沉积形成半导体外延层和发光芯片，并通过刻蚀工艺定义发光芯片的台面结构；
S2、在P、N电极接触区分别刻蚀形成与外延面电极、衬底电极相接触的区域；
S3、通过沉积工艺在发光芯片的台面上沉积形成绝缘层，并在发光芯片的顶面开设电极窗口；
S4、在刻蚀形成的P、N电极接触区上开设上下贯通的孔洞，并在P电极接触区的孔洞中制作形成第一金属柱，在N电极接触区的孔洞中制作形成第二金属柱；
S5、在P电极接触区制作外延面电极，实现发光芯片与第一金属柱之间的欧姆接触，在N电极接触区制作与第二金属柱欧姆接触的衬底电极；
S6、对半导体衬底的背面及第一金属柱和第二金属柱进行减薄，并在背面沉积与第一金属柱和第二金属柱欧姆接触的背电极层，通过刻蚀工艺刻蚀背电极层形成第一背电极和第二背电极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘层为SiO2或Si3N4介质材料，但不限于这些介质材料。
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