CN109975786B - 一种光束成像装置以及激光雷达 - Google Patents

一种光束成像装置以及激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种光束成像装置以及激光雷达，光束成像装置包括层叠设置的衬底层、包层和图形层；还包括包围设置于所述图形层外部并与所述包层接触的p型层；所述包层和所述p型层的折射率不高于所述图形层的折射率；所述p型层包括间隔设置的第一p型层和第二p型层；所述第一p型层上方设置有发光层以及驱动所述发光层的n型层、第一电极层和第二电极层，所述第二p型层上方设置有对所述图形层加热的第三电极层。如此设置可使光在界面处发生全反射，将光限制在图形层中传输，降低光的传输损耗。并且p型层使图形层与外界隔离，对图形层进行一定保护，防止图形层受损。

Description

一种光束成像装置以及激光雷达
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以及激光雷达。
背景技术
与雷达原理相似，激光雷达根据激光遇到障碍物后的折返时间，计算目标与自己的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿，轮廓信息组成所谓的点云并绘制出3D环境地图，精度可达到厘米级别，因此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。
光束成像装置是激光雷达的核心部分。传统的光束成像装置一般采用棱镜，不利于集成化。鉴于此，目前光束成像装置采用半导体集成电路，具有体积小、价格低和便于集成化的优点。但是光束成像装置仍存在传输损耗较高的缺陷。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的传输损耗较高的缺陷，从而提供一种光束成像装置以及激光雷达。
本发明提供的一种光束成像装置，包括层叠设置的衬底层、包层和图形层；还包括包围设置于所述图形层外部并与所述包层接触的p型层；所述包层和所述p型层的折射率不高于所述图形层的折射率；所述p型层包括间隔设置的第一p型层和第二p型层；所述第一p型层上方设置有发光层以及驱动所述发光层的n型层、第一电极层和第二电极层，所述第二p型层上方设置有对所述图形层加热的第三电极层。
可选的，所述图形层和所述发光层为禁带宽度不小于2.3eV且折射率高于2.3的高折射宽禁带半导体材料。
可选的，所述图形层包括ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO或ITO。
可选的，所述发光层为GaP系材料。
可选的，所述图形层包括多个间隔设置的第一图形单元，所述第一图形单元包括长方体、圆柱、圆锥或圆环。
可选的，所述发光层包括多个间隔设置的第二图形单元，所述第二图形单元包括长方体、圆柱、圆锥或圆环。
可选的，所述p型层和所述n型层为禁带宽度不小于2.3eV宽禁带材料。
可选的，所述p型层为6对p型GaN/p型ZnO材料；所述n型层为6对n型GaN/n型ZnO材料。
可选的，所述电极层为电阻率不大于5×10－7Ω·m且与所述p型层、所述n型层的接触势垒不大于1.5eV的具有低电阻率和低接触势垒的金属、合金或金属/氧化物复合材料。
可选的，所述第一p型层上方间隔设置有所述发光层和第二电极层，所述发光层上方依次设置有所述n型层和所述第一电极层；所述第一电极层和所述第二电极层与电源相连。
可选的，所述第二p型层上方设置有与电源相连的所述第三电极层。
本发明同时提供了一种激光雷达，包括上述任一项所述的光束成像装置。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的一种光束成像装置，其p型层包围设置于图形层外部并与包层接触，包层和p型层折射率不高于图形层。如此设置可使光在界面处发生全反射，将光限制在图形层中传输，降低光的传输损耗。并且p型层使图形层与外界隔离，对图形层进行一定保护，防止图形层受损。
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为本发明的第一种实施方式中提供的光束成像装置的主视图；
图2为本发明的第一种实施方式中提供的光束成像装置的左视图；
图3为本发明的第一种实施方式中提供的光束成像装置的俯视图；
图4为本发明的第一种实施方式中提供的光束成像装置的右视图。
附图标记说明：
10－衬底层、20－包层、30－图形层、40－p型层、41－第一p型层、42－第二p型层、50－发光层、60－n型层、70－电极层、71－第一电极层、72－第三电极层、73－第二电极层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
图1至图4示出了本发明提供的一种光束成像装置实施例
该光束成像装置包括衬底层10、包层20、图形层30、p型层40、发光层50、n型层60和电极层70。其中，p型层40包括第一p型层41和第二p型层42。电极层70包括第一电极层71、第二电极层73和第三电极层72。包层20位于衬底层10之上，位于图形层30之下。p型层40位于发光层50、第三电极层72和第二电极层73之下。p型层40为倒U型结构，扣设于图形层30之上，并且与包层20之间接触。
衬底层10为非金属材料，主要作用是承载和便于集成。本实施例中衬底层10为Al2O3材料，厚度为0.5mm。可选的，衬底层10包括但不限于Si、SiC、GaN和SiO2，厚度在0.1－10mm之间根据实际情况选择。
包层20为禁带宽度不小于2.3eV且折射率不高于图形层30的折射率的低折射宽禁带材料，主要作用是将光限制在图形层30中传输。本实施例中包层20为AlN材料，厚度为1μm。AlN材料的室温禁带宽度为6.2eV，折射率为1.9。可选的，包层20包括但不限于ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO材料，厚度在0.1－10μm中根据实际情况选择。
图形层30为禁带宽度不小于2.3eV且折射率高于2.3的高折射宽禁带半导体材料，包括间隔设置的多个第一图形单元，主要作用传输光波。本实施例中，图形层30为SiC材料，SiC材料的室温禁带宽度为3.2eV，折射率为2.7。第一图形单元为长方体，该长方体的厚度为200nm，宽度为500nm，长度不作限制。长方体在宽度方向的间距为2μm。
可选的，图形层30包括但不限于ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO材料，厚度在5－5000nm之间根据实际情况选择。长方体宽度在5－5000nm、间距在5－5000nm之间根据实际情况选择。第一图形单元还可为圆柱、圆锥或圆环。
p型层40为禁带宽度不小于2.3eV且折射率不高于图形层30的折射率的低折射宽禁带材料，主要作用是提供正自由载流子，并将光限制在图形层30中传输。本实施例中，p型层40为6对p型GaN/p型ZnO材料。p型ZnO材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.0，单层厚度为200nm。p型GaN材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.5，单层厚度为150nm。p型层40的厚度为2.1μm。第一p型层41和第二p型层42之间的距离为300nm。
可以理解的是，SiC材料的折射率高于ZnO和GaN材料，使光在SiC材料与ZnO材料的界面处发生全反射，从而实现光在SiC材料中传输，能起到降低光的传输损耗的作用。另外，图形层30如果直接与外界长期作用，就容易受到化学腐蚀或机械划伤。p型层40的次要作用是使图形层30与外界隔离，防止图形层30受损。
可选的，p型层40包括但不限于ZnS、AlP、GaP、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO材料，厚度在0.1－10μm之间根据实际情况选择。
发光层50为禁带宽度不小于2.3eV且折射率高于2.3的高折射宽禁带半导体材料，包括间隔设置的多个第二图形单元，主要作用是产生光波。本实施例中发光层50为GaP系材料。GaP材料的室温禁带宽度为2.3eV，折射率为3.5。发光层50的图形单元为长方体，该长方体的厚度为100nm，宽度为1.5μm，长度没有限制。长方体在宽度方向上的间距为5μm。发光层50和第三电极层72之间的距离为200nm。
可选的，发光层50包括但不限于ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO材料，厚度在5－5000nm之间根据实际情况选择。长方体宽度在5－5000nm、间距在5－5000nm之间根据实际情况选择。第二图形单元还可为圆柱、圆锥或圆环。
n型层60为禁带宽度不小于2.3eV的宽禁带材料，主要作用是提供负自由载流子。本实施例中n型层60为6对n型GaN/n型ZnO材料。n型ZnO材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.0，单层厚度为200nm。n型GaN材料的室温禁带宽度为3.4eV，折射率为2.5，单层厚度为150nm。n型层60的厚度为2.1μm。
可选的，n型层60包括但不限于ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO和ITO材料，厚度在0.1－10μm之间根据实际情况选择。
电极层70与p型层40、n型层60相接触，该电极层70为电阻率不大于5×10－7Ω·m且与p型层40、n型层60的接触势垒不大于1.5eV的具有低电阻率和低接触势垒的金属、合金或金属/氧化物复合材料。本实施例中，电极层70为Al/Au材料，Al的厚度为30nm，Au的厚度为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。第二电极层73和发光层50之间的距离为500nm。
第一电极层71和第二电极层73的作用是连接电源，在第一p型层41和n型层60之间产生电压，使p型层40和包层20中的载流子定向运动到发光层50中并复合产生光波。
第三电极层72的主要作用是连接电源，对图形层30进行加热，对在该图形层30中传输的光进行调制。可以理解的是，低电阻率的材料具有高的导电性能，低的接触势垒有利于电流的传导。并且，金属材料的热导率高，有利于器件的散热。
可选的，第三电极层72距离发光层50的间距可为0－5000nm；第二电极层73和发光层50之间的距离为5－50000nm。
根据本发明提供的光束成像装置，可以实现低成本、低传输损耗、高稳定性和高均匀性的成像过程。衬底层10和包层20选用价格便宜的材料，能降低生产成本，并且包层20材料的折射率低于图形层30，能起到降低光的传输损耗的作用。图形层30材料对于光波透明，对光波的吸收小，可以降低光的传输损耗。低电阻率的电极层70材料具有高的导电性能、低的接触势垒和高的热导率，有利于电流的传导和器件的散热。散热良好可以提高光束成像的稳定性和均匀性。
本发明同时提供了一种激光雷达实施例，其包括上述实施例中的光束成像装置。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种光束成像装置，其特征在于：包括层叠设置的衬底层(10)、包层(20)和图形层(30)；还包括包围设置于所述图形层(30)外部并与所述包层(20)接触的p型层(40)；所述包层(20)和所述p型层(40)的折射率不高于所述图形层(30)的折射率；所述p型层(40)包括间隔设置的第一p型层(41)和第二p型层(42)；所述第一p型层(41)上方设置有发光层(50)以及驱动所述发光层(50)的n型层(60)、第一电极层(71)和第二电极层(73)，所述第二p型层(42)上方设置有对所述图形层(30)加热的第三电极层(72)。
2.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于：所述图形层(30)和所述发光层(50)为禁带宽度不小于2.3eV且折射率高于2.3的高折射宽禁带半导体材料。
3.根据权利要求2所述的光束成像装置，其特征在于：所述图形层(30)包括ZnS、AlP、GaP、SiC、GaN、AlN、TiO2、ZnO或ITO。
4.根据权利要求2所述的光束成像装置，其特征在于：所述发光层(50)为GaP系材料。
5.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于；所述图形层(30)包括多个间隔设置的第一图形单元，所述第一图形单元包括长方体、圆柱、圆锥或圆环。
6.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于；所述发光层(50)包括多个间隔设置的第二图形单元，所述第二图形单元包括长方体、圆柱、圆锥或圆环。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光束成像装置，其特征在于：所述p型层(40)和所述n型层(60)为禁带宽度不小于2.3eV宽禁带材料。
8.根据权利要求7所述的光束成像装置，其特征在于：所述p型层(40)为6对p型GaN/p型ZnO材料；所述n型层(60)为6对n型GaN/n型ZnO材料。
9.根据权利要求1所述的光束成像装置，其特征在于：所述第一电极层(71)、所述第二电极层(73)，和所述第三电极层(72)为电阻率不大于5×10-7Ω·m且与所述p型层(40)、所述n型层(60)的接触势垒不大于1.5eV的具有低电阻率和低接触势垒的金属、合金或金属/氧化物复合材料。
10.根据权利要求9所述的光束成像装置，其特征在于：所述第一p型层(41)上方间隔设置有所述发光层(50)和第二电极层(73)，所述发光层(50)上方依次设置有所述n型层(60)和所述第一电极层(71)；所述第一电极层(71)和所述第二电极层(73)与电源相连。
11.根据权利要求9或10所述的光束成像装置，其特征在于：所述第二p型层(42)上方设置有与电源相连的所述第三电极层(72)。
12.一种激光雷达，其特征在于：包括权利要求1-11中任一项所述的光束成像装置。
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