CN110692171B - 超小型垂直腔表面发射激光器(vcsel)的发射器结构以及包括该发射器结构的阵列 - Google Patents

超小型垂直腔表面发射激光器(vcsel)的发射器结构以及包括该发射器结构的阵列 Download PDF

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Abstract

一种激光二极管包括具有下布拉格反射器层、有源区和上布拉格反射器层的半导体结构。上布拉格反射器层包括激光孔，该激光孔具有垂直于有源区的表面定向的光轴。有源区包含第一材料，并且下布拉格反射器层包含第二材料，其中第一材料和第二材料的相应晶格结构彼此独立。还讨论了相关的激光器阵列和制造方法。

Description

超小型垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的发射器结构以及包 括该发射器结构的阵列
优先权要求
本申请要求于2017年4月12日向美国专利商标局提交的题为“LIGHT DETECTIONAND RANGING(LIDAR)DEVICES AND METHODS OF FABRICATING THE SAME”的美国临时专利申请No.62/484,701以及于2018年1月5日向美国专利商标局提交的题为“ULTRA-SMALLVERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER(VCSEL)AND ARRAYS INCORPORATING THESAME”的美国临时专利申请No.62/613,985的优先权，其公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明构思涉及基于半导体的激光器以及相关器件和操作方法。
背景技术
诸如物联网(IoT)和自主导航的许多新兴技术可以涉及在三维(3D)空间中检测和测量到对象的距离。例如，能够自动驾驶的汽车可能需要3D检测和识别以进行基本操作，并满足安全要求。室内导航也可能需要3D检测和识别，例如通过工业或家用机器人或玩具。
在一些情况下，基于光的3D测量可以优于雷达(角度精度低、笨重)或超声波(精度非常低)。例如，基于光的3D传感器系统可以包括检测器(比如，光电二极管或相机)和发光器件(比如，发光二极管(LED)或激光二极管)作为通常发射可见波长范围以外的光的光源。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是可以在基于光的传感器中用于在3D空间中测量距离和速度的发光器件的一种类型。VCSEL阵列可以允许功率缩放，并且可以以较高功率密度来提供非常短的脉冲。
发明内容
本文中描述的一些实施例针对激光二极管和包括激光二极管的阵列，激光二极管比如是VCSEL或其他表面发射激光二极管或边缘发射激光二极管或其他半导体激光器。
在一些实施例中，激光二极管可以是表面发射激光二极管。激光二极管包括半导体结构，该半导体结构包括n型层、有源区(其可以包括至少一个量子阱层)和p型层。n型层和p型层中的一个层在其上包括激光孔，该激光孔具有被定向为垂直于n型层与p型层之间的有源区的表面的光轴。激光二极管还包括分别电连接到n型层和p型层的第一接触和第二接触。第一接触和/或第二接触在至少一个尺寸方面小于激光孔。
在一些实施例中，激光二极管可以是边缘发射激光二极管。激光二极管包括n型层、有源区、p型层、以及分别电连接到n型层和p型层的第一接触和第二接触。激光孔具有定向为平行于n型层与p型层之间的有源区的表面的光轴。激光二极管还包括分别电连接到n型层和p型层的第一接触和第二接触。第一接触和/或第二接触可以在至少一个尺寸方面小于激光孔。
根据本文中描述的一些实施例，一种激光二极管包括具有下布拉格反射器层、有源区和上布拉格反射器层的半导体结构。上布拉格反射器层在其上包含激光孔，该激光孔具有垂直于有源区的表面定向的光轴。有源区包含第一材料，并且下布拉格反射器层包含第二材料，其中第一材料和第二材料的相应晶格结构彼此独立。下布拉格反射器的第二材料的带隙可能低于有源区的第一材料的带隙。
在一些实施例中，第一材料和第二材料的相应晶格结构可以是晶格匹配的。
在一些实施例中，下布拉格反射器的第二材料可以是介电材料。在一些实施例中，上布拉格反射器还可以包括介电材料，并且可以在操作的期望波长具有比下布拉格反射器层低的反射率。
在一些实施例中，下布拉格反射器层与有源区之间的界面没有针对第一材料的种子层。在一些实施例中，下布拉格反射器层与有源区之间的界面可以包括粘合层。在一些实施例中，与有源区的第一接触和/或第二接触可以在至少一个尺寸方面小于激光孔。
在一些实施例中，下布拉格反射器层、有源区或上布拉格反射器层中的至少一个可以是微转印层，该微转印层在其外围具有残留的系线部和/或离隙特征(relieffeature)。在一些实施例中，残留的系线部或离隙特征中的至少一个可以包括第一材料。
在一些实施例中，第一材料可以被配置为发射包含约1400纳米至约1600纳米的波长的光。例如，第一材料可以是基于磷化铟(InP)的层。
在一些实施例中，激光二极管可以是在非本征衬底上以阵列布置的多个激光二极管中的第一激光二极管。在一些实施例中，第一激光二极管与多个激光二极管中的紧邻激光二极管之间的间隔可以小于约500微米、小于约200微米、小于约150微米、小于约100微米、或者小于约50微米，但是可以大于约30微米、大于约20微米、或大于约10微米。
在一些实施例中，阵列可以在非本征衬底的背面上，并且该激光二极管可以布置为通过非本征衬底发射光。非本征衬底可以包括对光透明并被配置为至少部分地准直光的材料。在一些实施例中，至少一个透镜元件可以在非本征衬底的正面上，使得非本征衬底在该至少一个透镜元件与该激光二极管之间。
在一些实施例中，多个激光二极管还可以包括第二激光二极管，第二激光二极管包含位于第二上布拉格反射器层与第二下布拉格反射器层之间的第三材料的第二有源区。第三材料和第二上布拉格反射器层的相应晶格结构彼此独立。该第二激光二极管可以以不同于第一激光二极管的波长操作，或者可以以相同的波长操作，但是在性能上存在一些其他的差异。
在一些实施例中，第三材料可以被配置为发射包含约350纳米至约450纳米的波长的光。例如，第三材料可以是基于氮化镓(GaN)的层。
在一些实施例中，第一激光二极管和第二激光二极管可以在多个激光二极管中以阵列散置。在一些实施例中，该阵列可以包括：第一区域，包括多个第一激光二极管且没有第二激光二极管；以及第二区域，包括多个第二激光二极管且没有第一激光二极管。
在一些实施例中，激光二级管可以是与其没有电接触的第一激光二极管，并且还可以包括第二激光二极管，第二激光二极管包含第三材料的第二有源区，第三材料的第二有源区被配置为发射包含比第一材料的发射波长短的发射波长的光。第二激光二极管可以被布置为用包含较短发射波长的光来对第一激光二极管的有源区进行光泵浦。
在一些实施例中，第二激光二极管可以包括位于第二上布拉格反射器层与第二下布拉格反射器层之间的第二有源区，其包含第三材料。第三材料、第二材料和第一材料的相应晶格结构可以彼此独立。第二激光二极管的激光孔的光轴可以定向为垂直于第二有源区的表面。在一些实施例中，第一激光二极管的下布拉格反射器层可以直接堆叠在第二激光二极管的第二上布拉格反射器层上。
在一些实施例中，第二激光二极管的激光孔的光轴可以定向为平行于第二有源区的表面。可以相对于激光孔布置镜结构，以将包含较短发射波长的光朝第一激光二极管的有源区反射。
在一些实施例中，提供了一种制造诸如VCSEL或其他表面发射激光二极管或边缘发射激光二极管的激光二极管的方法。该方法可以包括使用例如微转印、静电粘合和/或其他质量转移技术来制造激光二极管的阵列(在本文中也被称为激光二极管阵列或激光器阵列)。
根据一些实施例，一种用于制造激光器阵列的方法包括将多个激光二极管设置在非本征衬底上。每个激光二极管包含具有下布拉格反射器层、有源区和上布拉格反射器层的半导体结构。上布拉格反射器层在其上包括激光孔，该激光孔具有垂直于有源区的表面定向的光轴。有源区包含第一材料，并且下布拉格反射器层包含第二材料，其中第一材料和第二材料的相应晶格结构彼此独立。
在一些实施例中，第二材料可以是介电材料。将每个激光二极管设置在非本征衬底上可以包括：使用薄膜沉积或微转印工艺将下布拉格反射器层形成在非本征衬底上；将有源区设置在下布拉格反射器层的表面上，使得它们之间的界面没有针对第一材料的种子层(例如，使用微转印工艺)；以及使用薄膜沉积或微转印工艺将上布拉格反射器层形成在有源区的表面上。
在一些实施例中，设置了离散激光二极管的阵列(在本文中也被称为激光二极管阵列或激光器阵列)。激光二极管阵列可以包括表面发射激光二极管和/或边缘发射激光二极管，它们在非本征的刚性衬底和/或柔性衬底上通过薄膜互连电学并联和/或电学串联。激光二极管的阵列还可以包括集成在该阵列中的一个或多个驱动晶体管和/或其他类型/材料的器件(例如，功率电容器等)。
根据一些实施例，激光器阵列包括布置在非本征衬底上的多个离散激光二极管。每个激光二极管包含具有下布拉格反射器层、有源区和上布拉格反射器层的半导体结构。上布拉格反射器层在其上包括激光孔，该激光孔具有垂直于有源区的表面定向的光轴。有源区包含第一材料，并且下布拉格反射器层包含第二材料，其中第一材料和第二材料的相应晶格结构彼此独立。
在查看以下附图和具体实施方式之后，根据一些实施例的其他器件、装置和/或方法将对于本领域技术人员而言变得显而易见。除了以上实施例的任何组合和所有组合之外，预期所有这样的附加实施例被包括在本说明书中，被包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求的保护。
附图说明
图1是示出了根据本文中描述的一些实施例的示例性的基于光的3D传感器系统的图。
图2A是示出了根据本文中描述的一些实施例的具有减小的阳极接触尺寸和阴极接触尺寸的示例激光二极管的平面图。
图2B是图2A的激光二极管的截面图。
图2C是示出了相比于常规VCSEL芯片的根据本文中描述的一些实施例的示例激光二极管的视图。
图3A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括激光二极管的分布式发射器阵列的视图。
图3B是示出了根据本文中描述的一些实施例的在弯曲衬底上包括激光二极管的分布式发射器阵列的视图。
图4A至图4F是示出了根据本文中描述的一些实施例的激光二极管的示例制造工艺的视图。
图4A′至图4G′是示出了根据本文中描述的一些实施例的激光二极管的示例制造工艺的截面图。
图5A至图5C是根据本文中描述的一些实施例组装的VCSEL阵列的图像。
图5D至图5E是示出了根据本文中描述的一些实施例的VCSEL的断裂的系线部和离隙特征的放大图像。
图6A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括分布式激光二极管与分布式驱动晶体管的异构集成的示例发射器阵列的视图。
图6B是示出了图6A的分布式发射器阵列的等效电路图的示意图。
图6C是沿图6A的线6C-6C截取的分布式发射器阵列的截面图。
图7A是示出了根据本文中描述的一些实施例的示例LIDAR器件的视图。
图7B是示出了图7A的LIDAR器件的示例组件的分解图。
图7C是示出了根据本文中描述的一些实施例的另一示例LIDAR器件的视图。
图8是示出了根据本文中描述的一些实施例的LIDAR器件的示例系统架构的框图。
图9是示出了根据本文中描述的其他实施例的示例激光二极管阵列的截面图。
图10A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括由异质材料形成的有源区和至少一个DBR层的示例激光二极管的截面图。
图10B是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括由介电材料形成的至少一个DBR层的示例激光二极管的截面图。
图11是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括长波长激光二极管的示例分布式发射器阵列的截面图。
图12A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括发射不同波长范围的光的激光二极管的示例分布式发射器阵列的截面图。
图12B是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括发射不同波长范围的光的异质散置激光二极管的示例发射器阵列的视图。
图12C是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括发射相应波长范围的光的激光二极管的同质区域的示例发射器阵列的视图。
图13A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括光泵浦有源区的示例激光二极管配置的截面图。
图13B是示出了根据本文中描述的其他实施例的包括光泵浦有源区的示例激光二极管配置的截面图。
图13C是示出了根据本文中描述的另外其他实施例的包括光泵浦有源区的示例激光二极管配置的截面图。
具体实施方式
本文中描述的实施例可以源自以下认识：在新兴技术中，更紧凑的光发射器阵列可能是有利的。例如，如图1中所示，以脉冲发光器件阵列120作为光源，基于光的3D传感器系统100(比如，光检测和测距(LIDAR)系统)可以基于从光学检测器电路130和相关联的光学器件140接收的信号来使用基于飞行时间(TOF)的测量电路110和3D图像重建电路150。飞行时间测量电路110可以通过测量由目标T反射的激光脉冲109的往返(“飞行时间”；ToF)来确定到目标T的距离d(其中d＝((光速(c)/2)xToF)，3D图像重建电路150可以使用距离d来创建周围环境的准确3D地图。LIDAR系统的一些优势可以包括远距离；高精度；出色的对象检测和识别；较高的分辨率；较高采样密度的3D点云；以及在各种光照和/或天气条件下的有效性。LIDAR系统的应用可以包括ADAS(高级驾驶员辅助系统)、自动驾驶汽车、UAV(无人机)、工业自动化、机器人技术、生物识别技术、建模、增强现实和虚拟现实、3D映射和安全。图1的示例示出了闪光LIDAR系统，其中与一些传统的扫描LIDAR技术(通过光栅扫描来生成图像帧)相比，脉冲发光器件阵列120在相对较大的区域上短时间发光以获取图像。然而，应当理解的是本文中描述的发光器件阵列120也可以用于扫描LIDAR的实施方式。
仍然参考图1，发光器件阵列120可以包括多个电连接的表面发射激光二极管，例如，VCSEL，并且可以使用低占空比的强单个脉冲或使用脉冲串(该脉冲或脉冲串通常具有可见光谱之外的波长)来进行操作。因为对背景光的敏感性以及信号随距离的减弱，所以可以使用几瓦的激光功率来检测距离d处的目标T，其中距离d高达约100米或更长。
然而，一些常规的VCSEL可以具有由约150微米(μm)至约200μm的尺寸(例如，长度、宽度和/或直径)定义的大小，这可能会对包括VCSEL阵列的传感器系统施加大小和/或密度限制。这种相对较大的VCSEL大小可能需要与常规取放机器配合使用，且需要用于引线接合焊盘的足够的接触表面区域以提供与VCSEL的电连接。例如，一些常规的焊球或引线接合技术可能仅对于接合焊盘就需要超过约30μm的长度，而用于拉动引线接合的尖端可能具有几十微米的数量级的精度。
本文中描述的一些实施例提供了诸如表面发射激光二极管(例如，VCSEL)的发光器件，其具有减小的尺寸(例如，长度和/或宽度为约30微米(μm)或更小)而不影响器件性能(例如，功率输出)。例如，VCSEL管芯的孔(发生激射的有源区)的直径可以为约10μm至约20μm。通过减小或消除浪费的(非有源)区域，且通过为阳极接触和阴极接触保留几微米(例如，约4μm至约6μm或更小)的组合芯片长度，管芯长度可以减小到孔直径加上几微米。这可以使尺寸(例如，长度和/或宽度)减小约10倍或更多(例如，与具有约150微米(μm)至约200μm的管芯长度的一些常规的VCEL相比，约15μm至约20μm的管芯长度)。在一些实施例中，这些减小的管芯尺寸可以允许制造包括更大密度(例如，数千个)的VCSEL或其他激光二极管的发射器阵列。
图2A和图2B是示出了本文中描述的根据一些实施例的示例表面发射发光器件(被示为垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)芯片或管芯200，在本文中也被称为VCSEL 200)的平面图和截面图，VSCEL 200包括在至少一个尺寸方面小于激光孔210的阳极接触211和阴极接触212。如图2A和图2B中所示，VCSEL 200包括具有一个或多个量子阱203的有源区205，以产生和发射相干光209。VCSEL 200的光学腔轴208被定向为沿着电流方向(而不是如一些常规激光二极管那样，垂直于电流)，从而限定了具有沿着电流方向的长度的垂直腔。有源区205的腔长度与有源区205的横向尺寸相比可以是短的，使得辐射209从腔的表面而不是从其边缘射出。
有源区205可以被夹在分布式布拉格反射器(DBR)层(在本文中也被称为布拉格反射器层或布拉格镜)201和202之间，分布式布拉格反射器层设置在横向传导层(LCL)206上。在一些实施例中，LCL 206可以允许改善的电学特性和/或光学特性(与直接接触反射器层401相比)。在一些实施例中，LCL层206的表面可以设置印刷接口215，印刷接口215包括粘合层、该粘合层改善了与下层或衬底的粘合性。粘合层对于一个或多个波长范围可以是光学透明的和/或可以是折射率匹配的以提供期望的光学性能。腔端部处的反射器层201和202可以由交替的高折射率层和低折射率层制成。例如，反射器层201和202可以包括厚度为d1和d2且折射率为n1和n2的交替的层，使得n1d1+n2d2＝λ/2，以提供发射波长λ下的波长选择性反射率。这种垂直构造可以增加与半导体制造设备的兼容性。例如，由于VCSEL发射垂直于有源区205的光209，可以同时加工成千上万个VCSEL，例如通过使用标准半导体晶片加工步骤来限定单个晶片的各个VCSEL的发射区域和电学端子。
尽管本文中主要参考VCSEL结构来进行描述，但是应当理解，本文中描述的实施例不限于VCSEL，并且激光二极管200可以包括被配置为沿着光轴208发射光209的其他类型的激光二极管，其中光轴208被定向为垂直于衬底或其上设置了器件200的其他表面。还应当理解，尽管本文中主要参照表面发射激光器结构来进行描述，但是本文中描述的激光二极管和激光二极管阵列不限于此，并且可以如图9中所示包括边缘发射激光结构，其被配置为沿着平行于衬底或其上同样设置有器件的其他表面定向的光轴来发射光。
VCSEL 200可以由被选择为提供期望的波长范围或在期望的波长范围内的光发射的材料形成，期望的波长范围可以在人眼可见的光谱之外。例如，在一些实施例中，VCSEL200可以是基于砷化镓(GaAs)的结构。在具体实施例中，有源区205可以包括一个或更多个基于GaAs的层(例如，交替的InGaAs层/GaAs量子阱层/阻挡层)，并且布拉格镜201和202可以包括GaAs和砷化铝镓(AlxGa(1-x)As)。例如，下布拉格镜201可以是包括n-AlAs/GaAs的交替层的n型结构，而上布拉格镜202可以是包括p-AlGaAs/GaAs的交替层的p型结构。尽管参考基于GaAs的VCSEL以示例的方式进行了描述，但是应当理解，可以调整和/或以其他方式选择层201、202和/或205的材料和/或材料成分以提供期望波长的光发射。例如，下面参考图10A至图13C描述的实施例可以涉及根据本文中描述的实施例的较短波长(例如，基于GaN)和/或较长波长(例如，基于InP)的VCSEL。
在图2A和图2B的示例中，VCSEL 200包括尺寸约12μm的(被示为直径D)的激光孔210，以及第一导电接触端子和第二导电接触端子(被示为阳极接触211和阴极接触212，在本文中也被称为第一接触和第二接触)。第一导电膜互连213设置在第一接触211上，并且第二导电膜互连213设置在第二接触212上，以提供与VCSEL 200的电连接。图2B更清楚地示出了其上具有导电膜互连213的阳极接触211和阴极接触212的截面。第一接触211和第二接触212可以向相反导电类型(分别为P型和N型)的半导体区提供接触。因此，本文中描述的实施例被配置用于通过薄膜互连213而不是结合引线接合、带、电缆或导引头将电能传输到VCSEL接触211和212，其中薄膜互连213可以通过图案化导电膜来形成。互连213可以在将VCSEL 200设置在目标衬底(例如，不同于在其上形成VCSEL 200的源衬底的非本征衬底)上之后形成，例如使用常规光刻技术，并且可以被构造为具有低电阻。这样，用于导电膜互连213的材料可以包括被形成为厚度约200nm至约500nm的铝或铝合金、金、铜、或者其他金属。
如图2A中所示，第一导电接触211和第二导电接触212在一个或多个尺寸上小于孔210。在一些实施例中，允许接触211、212中的每个接触的尺寸为约2μm至约3μm，可以显著减小VCSEL管芯200的整体尺寸。例如，对于各自长度为2μm的阳极接触和阴极接触，尺寸L可以减小到约16μm(2μm的阳极长度+12μm的孔+2μm的阴极长度；全部沿着尺寸L进行测量)，从而提供16x16μm2的管芯。作为另一示例，对于各自长度为3μm的阳极接触和阴极接触，尺寸L可以减小到约18μm(3μm的阳极+12的μm孔+3μm的阴极)，从而提供18x18μm2的管芯。对于较小的孔尺寸D(例如10μm)或较大的孔尺寸D(例如20μm)，管芯尺寸L还可以减小或轻微增大。更一般地，根据本文中的实施例的VCSEL管芯200可以实现约0.05至30、约0.1至20、约1至10、或者约1至3的接触面积与孔面积之比，其中接触面积是指位于表面S上的孔210上或与其相邻的电接触211和/或212的表面面积。而且，尽管接触211、212和互连213示出在相对于孔210的特定位置，但是应当理解，本文中描述的实施例不限于此，接触211、212和互连213可以设置在VCSEL管芯200的其他区域(例如，在角部等)。
根据本文中描述的一些实施例的VCSEL 200可以被配置为在约1-10纳秒(ns)的宽脉冲宽度内以大于约100毫瓦(mW)的功率来发射光，这对于LIDAR应用可能是有用的。在一些实施例中，例如由于与一些传统的VCSEL相比减小的电容(以及RLC时间常数的相应减小)，因此可以从单个VCSEL元件200获得在10000∶1占空比下具有1ns脉冲宽度的大于1瓦的峰值功率输出。结合大于约200米(m)的范围(基于极高功率的发射器和增大的检测器灵敏度)，本文中描述的VCSEL 200因此可以允许较长的激光寿命(基于高脉冲功率下低激光器工作温度)。
图2C是示出了与常规VCSEL芯片10相比的根据本文中描述的一些实施例的VCSEL芯片200的视图。如图2C中所示，常规VCSEL芯片10可以具有约200μm的长度L，从而为有源区5和可以用作n型接触或p型接触的顶部导线接合焊盘11提供足够的区域。相反，本文中描述的根据一些实施例的VCSEL芯片200可以具有约20μm或更小的长度L。由于通过薄膜金属化互连213设置了与更小的接触211、212的电连接，因此本文中描述的根据一些实施例的VCSEL芯片200不需要接合焊盘，使得光学孔210占据了发光表面S的整个表面区域中的大部分。
因此，根据本发明的一些实施例的VCSEL芯片200的尺寸可以是一些常规的VCSEL芯片10的尺寸的1/100，从而允许发射表面S的每单位区域功率增加多达一百倍，并且减小了电容，这可以显著减少与这些设备中的驱动快速脉冲相关联的RLC时间常数。这种大小的指数减小可以允许制造包括数千个紧密间隔的VCSEL 200的VCSEL阵列，其中一些VCSEL200在刚性或柔性衬底上电学串联(或者，阳极到阴极)，这对于在共享电衬底上制造的一些常规的紧密间隔的VCSEL是不可能的。例如，如下面更详细描述的，本文中描述的根据一些实施例的多个管芯200可以组装并电连接在常规VCSEL芯片10的占用空间(footprint)内。在某些应用中，与一些常规的VCSEL阵列相比，这种大小的减小和接合焊盘的消除可以允许降低成本、器件电容和/或器件热输出(高达一百倍)。
图3A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括激光二极管(示出为VCSEL200)的分布式发射器阵列300a的视图。阵列300a(在本文中也被称为分布式VCSEL阵列(DVA))可以例如通过微转印、静电粘合或其他质量转移技术组装在非本征衬底307a上。如本文中所使用的，非本征衬底(在本文中也被称为目标衬底)可以指在其上布置或放置激光二极管200的衬底，其不同于在其上生长或以其他方式形成激光二极管200的本征衬底(在本文中也被称为源衬底)。衬底307a在一些实施例中可以是刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的，和/或可以被选择为与源衬底相比提供改善的热特性。例如，在一些实施例中，非本征衬底307a可以是导热的，并且还可以是电绝缘的(或涂覆有诸如氧化物、氮化物、聚合物等的绝缘材料)。导电薄膜互连313可以被形成为以串联和/或并联配置电连接激光二极管200的各个接触，并且可以类似于上述互连213。通过控制由导电薄膜互连313电连接的激光二极管200的子集的操作，这可以允许动态可调的配置。在一些实施例中，阵列300a可以包括非并联(例如，没有共享或公共的阴极/阳极的连接)连接的VCSEL 200之间的布线313。也就是说，导电薄膜互连313可以提供串联/并联互连的许多变体，以及赋予较好良率的附加电路元件(例如，旁路、熔断器等)。
可以在衬底307a上设置激光二极管200的平行工艺中、在此之前和/或在此之后，形成导电薄膜互连313。例如，可以通过使用常规光刻技术在衬底307a上图案化导电膜来形成导电薄膜互连313，使得阵列300的激光二极管200没有穿过衬底307a的电连接。
由于较小尺寸的激光二极管200和通过导电薄膜互连313设置的连接，两个紧邻的激光二极管200之间的间隔或间距小于约500微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约200μm，或者小于约150μm，或者小于约100μm，或者小于约50μm，而没有到共享或公共的阴极/阳极的连接。尽管一些单片阵列可以设置小于约100μm的激光二极管间距，但是为了实现这样的紧密间隔，这种阵列的激光二极管可以电学上共享一个阴极/阳极并可以机械上共享一个刚性衬底。相比之下，在一些实施例中，如本文中所述的激光二极管阵列(比如，阵列300a)可以在非本征衬底(例如，刚性衬底或柔性衬底)、紧邻的串联连接的激光二极管200(不具有公共阳极或阴极连接)之间实现小于约500μm的间隔。另外，如下面参考图6A至图6C的示例所描述的，本公开的一些实施例可以集成在本文中描述的具有小于500μm的间隔的激光二极管200之间的其他类型器件和/或由不同材料(例如，功率电容器，FET等)形成的器件。
而且，在一些实施例中，阵列300a的每个区域的激光二极管200的集中度可以在阵列300a的不同部分处是不同的。例如，一些LIDAR传感器应用可能受益于阵列的中心部分(与行进的前向方向相对应)中具有较高的分辨率，但是可能不需要在阵列的外围区域具有高分辨率。这样，在一些实施例中，阵列300a的外围部分的VCSEL 200的集中度可以小于阵列300a的中心部分的VCSEL 200的集中度。如图3B中所示，该配置可以用于衬底是柔性的并可以弯曲或折弯成期望的形状的应用中。
图3B是示出了本文中描述的根据一些实施例的在曲面的非本征衬底307b上包括激光二极管200的分布式发射器阵列300b的视图。在一些实施例中，衬底307b由可以折弯以设置弯曲的发射表面的柔性材料形成，使得安装在衬底307b的中心部分317上的VCSEL 200面向前方，而安装在衬底307b的外围部分317′上的VCSEL 200面向倾斜方向。由于VCSEL200分别在垂直于它们的有源区的方向上发射光，因此安装在衬底307b的中心部分317上的VCSEL 200在前向方向上发射光309，而安装在衬底307b的外围部分317′上的VCSEL 200在倾斜方向上发射光309′，从而提供宽视场。在一些实施例中，每个VCSEL可以提供窄场照明(例如，覆盖小于约1度)，并且阵列300a、300b可以包括数百或数千个VCSEL 200(例如，1500个VCSEL的阵列，每个VCSEL覆盖约0.1度的视场，从而可以提供150度的视场)。
通过改变衬底307b的曲率，视场可以在从0度至约180度的范围内根据期望来调节或改变。衬底307b的曲率可以是也可以不是恒定半径，并且因此可以被设计或以其他方式选择为提供期望的功率分布。例如，衬底307b可以限定法向表面提供相对功率量的期望分布的圆柱、非圆柱、球形或非球形曲线。在一些实施例中，衬底307b的曲率可以通过机械或机电致动而动态地改变。例如，中心轴(mandrel)可用于形成圆柱或非圆柱形状的柔性非本征衬底307b。在一些实施例中，中心轴也可以用作散热器。此外，如上所述，在一些实施例中，阵列300b的外围部分的VCSEL 200的空间密度或集中度可以小于阵列300b的中心部分的VCSEL 200的空间密度或集中度。
图3A和图3B中所示的阵列300a和300b可以基于激光二极管200的期望数量或分辨率而可缩放，从而允许长距离和高脉冲功率输出(千瓦(kW)量级)。可以选择衬底307a和307b的表面上的激光二极管200的空间密度或分布以减小光学功率密度，从而在期望的操作波长(例如，对于GaAs VCSEL约为905nm；对于InP VCSEL约为1500nm)下提供长距离和人眼安全性。通过控制施加到VCSEL的信号的占空比和/或通过改变衬底的曲率，可以进一步实现期望的光功率密度。而且，可以依据衬底材料来选择阵列300a和300b内的相邻激光二极管200之间的分隔或间隔，来在操作期间提供热管理并改善散热。例如，两个紧邻的激光二极管200之间的大于约100微米(μm)的间隔可以提供热学优点，特别是对于有限导热率的衬底而言。因此，本文中描述的阵列300a和300b可以通过消除引线接合、提供容错架构和/或提供较低的工作温度来提供更高的可靠性。在其他实施例中，可以将自对准、低成本的光束成形微光学器件(例如，球状透镜阵列)集成在阵列300a和300b的表面上或表面内。
在一些实施例中，图3A和图3B中所示的紧凑阵列300a和300b可以使用微转印(MTP)、静电粘合和/或其他大规模并行芯片处理技术来制造，其允许通过外延剥离在非本征衬底上同时组装和异构集成数千个微型器件。例如，可以使用类似于例如在Rogers等人的题为“Optical Systems Fabricated By Printing-Based Assembly”的美国专利No.7,972,875中所描述的微转印工艺来制造VCSEL 200的阵列，其公开内容通过整体引用并入本文中。备选地，可以使用类似于例如在Bibl等人的题为“Micro device transfer headheater assembly and method of transferring a micro device”的美国专利No.8,789,573中所描述的静电粘合或夹持转印(gripping transfer)技术来制造VCSEL 200的阵列，其公开内容通过整体引用并入本文中。在一些实施例中，MTP、静电粘合/或其他传质技术可以允许制造本文中描述的具有较小器件间间隔的VCSEL或其他激光二极管的阵列。
图4A至图4F以及图4A′至图4G′是示出了根据本文中描述的一些实施例的激光二极管(被示为VCSEL 400)的示例制造工艺的视图以及截面图。在一些实施例中，本文中描述的VCSEL 200还可以使用图4A至图4F中所示的一个或多个处理操作来制造。如图4A至图4F以及图4A′至图4G′中所示，本文中描述的根据实施例的超小型VCSEL400可以生长在源衬底上并可以使用微转印技术在非本征目标衬底上进行组装。具体地，在图4A和图4A′中，牺牲层408、横向传导层406、第一n型分布式布拉格反射器(DBR)层401、有源区405和第二p型DBR层402依次形成在源晶片或衬底404上。尽管参考单个VCSEL400进行了说明以示出了制造，但是应当理解，可以在源晶片404上同时制造多个VCSEL 400，减小或最小化相邻VCSEL 400之间的间隔以增加或最大化可以在晶片404上同时制造的VCSEL的数量。而且，应当理解，可以在从用于印刷的衬底404释放的单个管芯或小芯片上制造多个VCSEL器件。而且，下面更详细地描述的转印技术可以允许重用源晶片404，以便随后制造额外的VCSEL。
在一些实施例中，可以选择层406、401、405和402的材料成分以提供期望的发射波长和发射方向(光轴)。例如，在一些实施例中，层406、401、405和402可以是基于砷化镓(GaAs)或基于磷化铟(InP)的。如所示的，在源晶片404上顺序地形成横向传导层406、AlGaAsn型高反射率分布式布拉格反射器(DBR)和有源区405。有源区405可以被形成为包括InAlGaAs应变量子阱，其被设计为提供期望波长上的光发射，并且随后形成p型DBR输出镜402。执行顶部接触金属化工艺，以在p型DBR层402上形成p接触(例如，阳极接触)411。例如，可以沉积不同尺寸的Ti/Pt/Au环形接触以形成阳极或p接触411。孔410可以限定在p接触411的周边。在一些实施例中，可以在有源区405与p型DBR层402之间设置氧化物层以限定孔410的边界。可以选择孔410的布局和设计以最小化光学损耗和电流扩散。
在图4B和图4B′中，执行顶部台面蚀刻工艺以暴露有源区405和n型DBR层401的顶表面，并且执行氧化工艺以氧化暴露的表面(包括有源区405的暴露的侧壁)，特别是光学孔410的横向限定边界。在图4C和图4C′中，执行底部接触金属化工艺以在横向传导层406的表面上暴露并形成n型(例如，阴极)接触412。应当理解，在一些实施例中，n型接触412可以备选地形成在n型DBR层401上以提供顶侧接触。在图4D和图4D′中，执行隔离工艺以限定相应的横向传导层406，并且沉积并蚀刻锚固(anchor)材料(例如，光刻胶层)以限定光刻胶锚固499和用于暴露牺牲释放层408的入口来进行外延剥离。
在图4E和图4E′中，执行底切蚀刻工艺以去除牺牲释放层408的一部分，使得锚固499将VCSEL管芯400悬挂在源晶片404上方。在一些实施例中，图4E和图4E′的操作之后可以是微转印工艺，如图4F和图4F′中所示，微转印工艺可以利用弹性体和/或其他压模490来破坏锚固499，将VCSEL管芯400(连同源晶片404上的多个其他的VCSEL管芯400)粘合到压模490的表面，并且如图4G′所示，通过使在其上包括管芯400的压模的表面接触非本征目标衬底407的表面，同时将多个VCSEL管芯400(已经粘合到压模的表面)转印到非本征目标衬底407的表面。在其他实施例中，图4F的操作之后可以是基于静电夹持器的转印工艺，该工艺可以通过使用相反电荷的吸引力来利用静电转印头将VCSEL管芯400(连同源晶片404上的多个其他的VCSEL管芯400)粘合到该转印头的表面，并且同时将VCSEL管芯400转印到非本征目标衬底。作为破坏锚固499的结果，每个VCSEL管芯400可以包括从管芯400的边缘或侧表面(和/或管芯400的外围处的对应离隙特征)突出或凹入其内的断裂或破裂的系线部499t(例如，锚固结构499的残留部分)，系线部499t可以在将VCSEL管芯400转印到非本征衬底407时保留。
非本征目标衬底可以是用于VCSEL阵列的刚性或柔性目的地衬底，或者可以是较小的夹层或“小芯片”衬底。在目标衬底是针对阵列的目的地衬底的情况下，互连工艺可以在在其上包括有组装的VCSEL管芯400的目标衬底上形成导电薄膜层，并且可以图案化导电薄膜层以限定在VCSEL管芯400之间提供期望电连接的薄膜金属互连。可以在将VCSEL管芯400组装在目的地衬底上之后执行互连工艺，或者可以在组装VCSEL管芯400之前在目的地衬底上执行预图案化工艺，使得在组装时实现VCSEL管芯之间的电连接(在将管芯400转印到衬底上之后不需要互连处理)。在目标衬底是小芯片的情况下，VCSEL管芯400可以通过小芯片并联连接。然后可以将其上包括VCSEL管芯400的小芯片组装(通过转印、静电吸附或其他转印工艺)到针对阵列的目的地衬底上，其中可以对目的地衬底进行预图案化或后图案化以在小芯片之间设置电连接。在一些实施例中，薄膜金属互连可以限定在从管芯400的边缘突出的断裂的系线部499t上和/或在其周围。
因为VCSEL 400是通过外延剥离完成的，因此与衬底是分离的，并且因为使用了薄膜互连，所以VCSEL 400也可以比保持连接到其本征衬底的一些常规的VCSEL更薄，比如图2C的VCSEL 10。例如，VCSEL 400可以具有约1微米(μm)至约20μm的厚度t(例如，包括层406、401、405和402的半导体堆叠的组合厚度)。
图5A至图5C是根据本文中描述的一些实施例的VCSEL阵列500的图像，其是使用微转印工艺组装的。具体地，图5A示出了约11000个激光器的VCSEL阵列500，其在非本征衬底507上组装之后，相邻的VCSEL200之间的VCSEL间间隔为约200微米(μm)或更小，图5B的插入图像和图5C的图像示出了本文中描述的根据一些实施例的分别包括约350个激光器和9个激光器的阵列500的一部分的放大视图。由于本文中描述的VCSEL的尺寸减小了，在一些实施例中，紧邻的VCSEL 200之间的VCSEL间间隔在源衬底上可以小于约500μm，或者小于约100μm，或者小于约50μm。在一些实施例中，阵列500可以在5平方毫米(mm2)或更小的占用空间或区域内包括100个VCSEL或更多。
图5D至图5E是示出了本文中描述的根据一些实施例的VCSEL结构的断裂系线部和离隙特征的放大图像。如图5D和图5E中所示，转印的VCSEL 510(比如，VCSEL 200中的一个VCSEL 200)或如本文中描述的其他激光二极管可以在其外围包括一个或多个残留或断裂的系线部499t和/或离隙特征599。可以沿着VCSEL 510的外围图案化或以其他方式设置离隙特征599以部分限定系线499和用于使系线499优先破裂(preferential fracture)的区域。在图5D至图5E的实施例中，断裂的系线部499和离隙特征599被示为沿横向传导层(LCL)506的外围存在；然而，应当理解，断裂的系线部499t和/或relilef特征599可以存在于通过本文中描述的转印工艺设置在非本征衬底上的任何层的外围中或沿着所述外围存在，所述层例如是在图4A至图4F和图4A′至图4G′的示例中，在在源晶片或衬底404上制造有源区405中形成的外延生长层406、405、401、402。这样，在一些实施例中，断裂的系线部499t的材料和厚度可以与LCL层506(或者，与有源区相关联的其他层)的材料和厚度相对应。在其他实施例中，为了缩短蚀刻程序，可以部分蚀刻LCL 506的外围或边缘部分，因此系线特征499t的离隙图案599可以比LCL 506(或者，与有源区相关联的其他层)更薄。在“拾取”操作期间(比如，图4G′所示)，系线499的破裂可以发生在抗蚀剂层4991本身中，并且断裂的系线部499t的材料和厚度可以与抗蚀剂层4991的材料和厚度相对应。断裂的系线部499t可以与印刷粘合剂或环氧树脂相互作用，并且即使在抗蚀剂显影和/或抗蚀剂去除工艺之后也仍保留在完全处理的器件上。更一般地，本文中描述的根据实施例的一些激光二极管结构可以包括沿着激光二极管结构的外围或边缘的断裂的系线部499t或离隙图案或特征599中的至少一个。
因此，本文中描述的一些实施例可以使用MTP来将数百或数千个VCSEL或其他表面发射激光二极管印刷或集成到占用空间较小的发光阵列中。通过允许对数千个激光二极管器件进行同时操控和晶圆级组装，MTP可能是有利的。在一些实施例中，每个激光二极管可以具有小至约1-10μm的孔尺寸，从而将结合了这种VCSEL阵列的激光器的大小(和成本)减小高达100倍。为了实现不同性能，诸如修改的近场图案和远场图案，其他实施例可以包括具有甚至小于1μm的孔尺寸的衬底。为了实现每个VCSEL器件更高的功率输出，另外的其他实施例可以使用更大的孔，例如约10至100μm。而且，MTP允许在转印工艺之后重用源晶片(例如，GaAs或InP)来生长新器件，从而进一步降低了制造成本(在一些情况下，降低了多达50％)。MTP还可以允许将不同材料系统(例如，GaAs或InP激光器)的激光二极管和/或驱动晶体管(如下面讨论的)直接异构集成和互连在硅集成电路(IC)上。而且，可以以成本高效的方式使用和重用源晶片，以制造可以提供大功率并具有人眼安全性性以及减小的环境噪声的激光二极管(例如，基于InP的VCSEL)。这样，MTP可以在一些实施例中用于减少发射器成本，并且允许制造包括数百或数千个VCSEL的大功率、高分辨率的分布式VCSEL阵列(DVA)。
而且，当设置在柔性或弯曲的衬底上时，本文中描述的实施例可以提供具有高达180度水平的宽视场(FoV)的DVA。在一些实施例中，可以针对人眼安全性和有效散热配置通过DVA分散的光学功率。在一些实施例中，可以在弯曲的DVA内集成低成本、自对准、光束成形微光学器件。
图6A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括分布式表面发射激光二极管(被示为VCSEL 200)与分布式驱动晶体管610的异构集成的示例发射器阵列600的视图。如本文中所使用的，分布式电路元件可以指激光二极管、驱动晶体管和/或在整个激光二极管阵列的各种期望位置中组装的其他电路元件，并且分布式电路元件的这种阵列在本文中被称为分布式阵列。例如，将分布式大功率驱动晶体管集成在分布式VCSEL阵列中对于LIDAR应用可能是有利的。图6B是示出了图6A的分布式发射器阵列600的等效电路图的示意图，且图6C是沿着图6A的线6C-6C截取的分布式发射器阵列600的截面图。
如图6A至图6C所示，阵列600(在本文中也被称为DVA)可以例如通过微转印或其他技术组装在非本征衬底607上。衬底607在一些实施例中可以是刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的。阵列600还包括集成驱动晶体管610，集成驱动晶体管610与一个或多个VCSEL 200相邻地组装在衬底607上。在一些实施例中，驱动器610和激光二极管200可以包括具有不兼容的制造工艺的不同的半导体材料和/或技术。例如，可以使用微转印(MTP)工艺将驱动晶体管610组装在衬底607上。在一些实施例中，可以提供包括数百或数千个驱动晶体管610的阵列。导电薄膜互连613可以被形成为以串联和/或并联配置来电连接驱动晶体管610与激光二极管200的各个接触。驱动晶体管610与紧邻激光二极管200之间的间隔可以小于约2毫米、小于约1毫米、小于约500微米、小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm、或小于约50μm，这可以在它们之间提供减小的寄生阻抗(例如，比驱动晶体管610位于芯片外或衬底外的情况小多达100倍)。
在一些实施例中，阵列600可以包括未并联连接(例如，没有公共阴极/阳极)的VCSEL 200之间的布线613。并非简单地将阵列的所有元件并联(例如，没有公共的阳极连接或阴极连接)的互连设计可以提供降低阵列的电流需求的优点，这可以减少电感损耗并增加开关速度。各种互连设计还提供了嵌入或集成在电互连阵列内的其他器件(例如，开关、门、FET、电容器等)以及在阵列制造中实现容错的结构(例如，熔断器、旁路电路等)，从而赋予良率优势。例如，如图6B中所示，阵列600包括以串联(或者，阳极到阴极)电连接以限定阵列600的列(或者，其他子集或子阵列)的多个VCSEL串200。阵列600还包括驱动晶体管610的阵列，其中每个驱动晶体管610与串联连接或阳极到阴极连接的VCSEL 200的相应串以串联方式电连接。
可以通过例如使用常规光刻技术图案化导电膜，来在衬底607上设置激光二极管200和驱动晶体管610之后以并行工艺形成导电薄膜互连613。这样，阵列600的驱动晶体管610和激光二极管200没有引线接合和/或穿过衬底607的电连接。由于激光二极管200和驱动晶体管610的尺寸较小以及本文中描述的组装技术的精确度，紧邻的激光二极管200和/或驱动晶体管610之间的间隔可以小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm或小于约50μm。因此，将驱动晶体管610紧靠VCSEL 200地集成在衬底607上(例如，距最近的VCSEL 200距离小于约2毫米、小于约1毫米、小于约500微米、小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm、或者小于约50μm)可以缩短元件之间的电连接613，从而减小寄生电阻、电感和电容，并且允许更快的开关响应。
在图6A至图6C的示例中，驱动晶体管610以阵列布置，使得每个驱动晶体管610与一列(或者，其他子集)串联连接(或者，以阳极到阴极连接)的VCSEL 200串联连接，从而允许分别控制VCSEL200的各列/串。然而，应当理解本文中描述的实施例不限于这种连接配置。相反，将驱动晶体管610紧靠VCSEL 200地集成还可以允许更灵活的布线配置(例如，串联和/或并联)，这可以用于控制电流和/或提升性能或使性能最大化。例如，可以设置更少或更多的驱动晶体管610(例如，用于控制串联连接的VCSEL 200的行以及列的驱动器)，以更好地控制各个VCSEL或VCSEL组和/或输出功率。与一些常规设计(可以是约1至10纳秒(ns)的数量级或更长)相比，另一示例是为了更快的脉冲产生(例如，亚纳秒(ns)的数量级)而在阵列的元件附近添加电容器或类似的电存储器件。同样，尽管被示为平面阵列600，但是衬底607可以在一些实施例中是柔性的；因此，类似于图3B的阵列300b，可以折弯阵列600以提供期望的曲率。
如上面参考阵列300a和300b的类似讨论，阵列600可以基于激光二极管200的期望数量或分辨率缩放，从而允许长距离和高脉冲功率输出(千瓦(kW)量级)。可以选择激光二极管200在衬底607的表面上的分布和/或可以动态调整或以其他方式控制(通过晶体管610)激光二极管的操作以减小光功率密度，从而提供长距离和期望的工作波长下的人眼安全性(例如，对于GaAs VCSEL约905nm，对于InP VCSEL约1500nm)。而且，元件200和/或610之间的间隔可以被选择为提供热管理并改善操作期间的散热。因此，本文中描述的阵列600可以通过消除引线接合，提供容错架构和/或提供较低的操作温度来提供改善的可靠性。在其他实施例中，可以将自对准、低成本的光束成形微光学器件(例如，球状透镜阵列)集成在阵列607的表面上或表面内。
图7A是示出了根据本文中描述的实施例的包括表面发射激光二极管(比如，VCSEL200)的LIDAR器件700a的视图，图7A是相对于铅笔按比例示出的。图7C是示出了根据本文中描述的实施例的备选LIDAR器件700c的视图。具体地，图7A和图7C示出了基于分布式垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列的固态闪光LIDAR器件700a、700c。参考弯曲阵列720(比如，图3B的弯曲阵列300b)示出了LIDAR器件700a、700c，但是应当理解，LIDAR器件700a、700c不是限制性的，并且可以备选地实现图3A的阵列300a、图6A至图6C的阵列600、和/或提供本文中描述的特征的激光二极管200的其他阵列。器件700a、700c的此类特征可以包括但不限于宽视场(在特定实施例中，约水平方向上θ＝120且垂直方向上φ＝10，或更宽)；°°远距离(在一些情况下，大于约200m)；由减小的尺寸(在特定实施例中，约110x40x40mm)限定的高分辨率(在特定实施例中，约0.1°水平和垂直)的紧凑大小；大功率(在特定实施例中，峰值约10000w、脉冲型的)；以及人眼安全性(在特定实施例中，分散的光学功率可以支持人眼安全、大功率，905nm(例如，GaAs)和/或约1500nm(例如，InP)发射器)。
图7B是示出了图7A的LIDAR器件700a的组件的分解图700b。如图7B中所示，器件壳体或外壳701包括用于电连接到电源和/或其他外部器件的连接器702。外壳701被设定为容纳光发射器阵列720、光检测器阵列730、电子电路760、检测器光学器件740(可以包括一个或多个透镜和/或光学滤光器)和透镜架770的大小。设置透明盖780以保护发射器阵列720和检测器光学器件740，并且在一些实施例中可以包括光束整形和/或滤波光学器件。
光发射器阵列720可以是脉冲激光器阵列，比如本文中描述的VCSEL阵列300a、300b、600中的任何VCSEL阵列。这样，光发射器阵列720可以包括大量(例如，数百或甚至数千个)分布式的超小型激光二极管200，它们被共同配置为提供极高水平的功率(通过利用大量超小型器件的益处)。使用大量小型器件而不是少量大型器件允许将速度极快、功耗低且在低温度下运行的器件集成到最优配置中(与其他设备一起，比如晶体管、电容器等)以提供少量大型激光器件不易获得的性能。如本文所述，激光二极管200可以同时转印到非本征的弯曲或柔性衬底上。被配置为将来自光发射器阵列720的高纵横比照明投射到目标平面上的光束整形光学器件也可以设置在光发射器阵列720上或附近。
光检测器阵列730可以包括一个或多个光学检测器器件，比如pin、pinFET、线性雪崩光电二极管(APD)、硅光电倍增管(SPM)、和/或单光子雪崩二极管(SPAD)器件，其由材料形成或以其他方式被配置为检测由光发射器阵列720发射的光。光检测器阵列730可以包括足以实现期望的灵敏度、填充因子和分辨率的一定数量的光学检测器器件。在一些实施例中，可以使用如本文中描述的微转印工艺来制造光检测器阵列730。检测器光学器件740可以被配置为收集高纵横比的回波并将目标图像聚焦到光检测器阵列730的焦平面上，并且可以由透镜保持器770保持在光检测器阵列730上或其附近。
电子电路760集成以上组件和其他组件以将多个返回的LIDAR点云数据提供给数据分析。更具体地，电子电路760被配置为控制光发射器阵列720和光检测器阵列730的操作，以通过连接器702向一个或多个外部器件输出滤波后的高质量数据，比如3D点云数据。外部器件可以被配置为利用专有和/或开源的3D点云生态系统和对象分类库来分析由LIDAR器件700a、700c提供的数据。例如，这样的外部器件可以包括被配置用于包括但不限于自动驾驶汽车、ADAS、UAV、工业自动化、机器人技术、生物识别技术、建模、增强现实和虚拟现实、3D映射和/或安全性的应用。
图8是示出了本文中描述的根据一些实施例的用于诸如图7A至图7C的LIDAR器件700a、700b、700c的LIDAR器件的示例系统800的框图。如图8中所示，系统800集成了多个电耦合的集成电路元件，以提供本文中描述的LIDAR器件功能。具体地，系统800包括耦合到存储器件810、照明电路820和检测电路830的处理器805。存储器器件810在其中存储计算机可读程序代码，当由处理器执行时，计算机可读程序代码操作照明电路820和检测电路830以收集、处理和输出对运行环境中的一个或多个目标加以指示的数据，比如3D点云数据。系统800还可以包括热敏电阻器842和相关的温度补偿电路843，以及被配置为调节到系统800的电压或功率的功率管理电路841。
照明电路820包括表面发射激光二极管200的阵列、驱动晶体管610以及相关的电路元件611，其以各种配置中的任何配置电连接。在一些实施例中，照明电路820可以是包括多行和/或多列的VCSEL 200的激光器阵列，比如本文中描述的VCSEL阵列300a、300b、600中的任何VCSEL阵列。处理器805可以通过调制和定时电路815来控制照明电路820发射光脉冲809的操作，以产生脉冲光输出809。光束整形和/或聚焦光学器件也可以包括在激光二极管200的阵列中或其附近，以整形和/或引导光脉冲809。
检测电路830可以包括耦合到飞行时间(ToF)控制器852的飞行时间(ToF)检测器851。ToF检测器851可以包括一个或多个光学检测器器件，比如pin、pinFET、线性雪崩光电二极管(APD)、硅光电倍增管(SPM)和/或单光子雪崩二极管(SPAD)器件的阵列。ToF控制器852可以通过测量由目标反射并在ToF检测器851接收的激光脉冲809′的往返(“飞行时间”)来确定到目标的距离。在一些实施例中，在由ToF检测器851检测之前，反射的激光脉冲809′可以由诸如带通滤波器的光学滤波器840滤波。可以对检测块830的输出进行处理以抑制环境光，然后将其提供给处理器805，处理器805可以执行进一步的处理和/或滤波(通过信号处理器鉴别滤波器817，并且可以提供滤波后的输出数据(例如，3D点云数据))以进行数据分析。数据分析可以包括帧滤波和/或图像处理。在一些实施例中，数据分析可以由外部器件(例如，自主车辆智能系统)来执行。
图9是示出了根据本文中描述的其他实施例的包括边缘发射激光二极管910的示例激光二极管阵列900的截面图。如图9中所示，激光二极管910包括有源区905(有源区905可以包括一个或多个量子阱)以产生并发射相干光909。有源区905设置在p型层901和n型层902之间，并且在其上分别具有接触912和911。可以包括衍射光栅层以提供用于激射的反馈。激光二极管910的光腔轴垂直于电流的方向定向，从而限定了边缘发射器件，使得辐射909从器件910的边缘而不是从其顶部表面射出。可以通过例如微转印、静电粘合或其他质量转印技术将装置910组装在非本征衬底907上。各个镜元件(被示为微转向镜913)也可以(例如，通过微转印、静电粘合或其他质量转印技术)组装在衬底907上，并且相对于与其相邻设置的激光二极管910的光腔轴定向，使得来自激光二极管910的辐射909反射并最终在垂直于衬底907的方向上发射。
衬底907在一些实施例中可以是刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的，并且导电薄膜互连可以形成为以串联和/或并联配置电连接到激光二极管910的相应接触，其间隔类似于参考本文的阵列300a、300b和/或600所述的间隔。同样地，如上面参考图6A至图6C的示例所描述的，阵列900可以包括其他类型的器件和/或由不同材料(例如，功率电容器、FET、微透镜阵列等)形成的器件，其与激光二极管910以本文中描述的间隔集成在衬底907上。
本文中描述的其他实施例可以源自以下认识：半导体DBR层的材料选择可能由于晶格匹配要求而受到限制，这可能使得在DBR层中难以实现高对比度。半导体DBR层通常与晶格匹配层一起外延生长，其中晶格匹配可以帮助形成截然不同且大致上没有诸如悬空(dangling)接合的缺陷的界面。例如，发射波长在约650nm至约980nm之间的光的VSSEL通常基于砷化镓(GaAs)有源区，而分布式布拉格反射器(DBR)层通常由交替的GaAs层和AlGaAs层形成。AlGaAs的折射率随Al馏分的增加而剧烈变化，与一些其他的材料系统相比，减少了实现有效的DBR层可能需要的层数。而且，GaAs的晶格常数不会随着组份的改变而剧烈变化，从而允许具有不同折射率的多个晶格匹配的外延层生长在GaAs衬底上。然而，对于提供较短的波长发射(例如，约350nm至约600nm或更小)和/或较长的波长发射(例如，约1000nm至约1600nm或更大)的材料，可能难以使用晶格匹配的材料来形成DBR层。例如，氮化镓(GaN)(可以提供较短波长的发射)和磷化铟(InP)(可以提供较长波长的发射)的晶格常数可能随通常用于实现DBR层的交替的高折射率层和低折射率层的材料成分的变化而显著变化。
在特定情况下，对于极短波长的VCSEL，在使用AlN和GaN的GaN材料系统中可能存在外延的可能性，这可能为DBR应用提供足够的折射率对比。然而，这些材料具有较大的晶格失配和不同的热膨胀系数(CTE)，因此可能不适合厚外延生长。AlInN可能是潜在的候选DBR材料，可以与GaN晶格匹配地生长，但实际上，相分离问题可能使这种合金难以生长。其他的候选外延DBR层可以由NbN2或ScAlN形成。这些材料可能对GaN具有蚀刻选择性。NbN2离与GaN晶格匹配相距不远，并且ScAlN可以是晶格匹配生长的，并且如果相对于GaN而言形成有足够的反射率差和足够的透明度，则可以用于VCSEL中的掩埋DBR。
对于较长波长的VCSEL，由于电通信的重要性，可能期望发射在1550nm范围中的材料系统(例如InP)。这种材料系统的一个困难是识别与InP晶格匹配的化合物，该化合物在1550nm处提供足够的折射率对比，这对于短于1550nm的波长来说更糟。一个选项是AlInGaAs/InP或AlInGaAs/InGaAsP，其中AlInGaAs带隙略宽于1550nm。然而，为了获得高反射率，可能需要40个以上的周期，这可能是昂贵的。而且，AlInGaAs可能是不良的导热体。
本文中描述的一些实施例可以涉及在形成DBR中使用异质材料和/或介电材料。形成介电DBR的一些考虑因素可以包括(但不限于)：表面粗糙度与转印的兼容性；外延有源区与电介质之间的CTE差异，这可能会带来可靠性问题；以及介电镜层的导热性可能对于使器件散热是不良的。短波长VCSEL DBR层的一些候选材料可以包括SiO2/ZrO2，SiO2/ZrO2可以提供高折射率对比且是对UV波长是透明材料。可以使用热蒸发或类似的沉积技术来制造非晶态ZrO2。使用MgF2可以比使用SiO2提供更大的折射率对比，提供更大的折射率对比可以减少所需周期的数量(并因此降低成本)。由于相对较低的粗糙度和良好的热导率以及与InP接近CTE匹配，长波长VCSEL DBR层的一些候选材料可能包括GaAs/AlGaAs(为较短波长的VCSEL而生长的，但是可以转印或以其他方式沉积在InP上)。介电DBR层可以提供几种高折射率对比度的选项，例如CaF/ZnS(其中少于10层可以用于前VCSEL和后VCSEL)。
因此，本文描述的其他实施例涉及包括由异质材料形成的有源区和DBR层的激光二极管。该激光二极管可以包括高反射率的下分布式布拉格反射器(DBR)层和较低反射率的上DBR层，其中在两个DBR层之间是包括位于微腔中的半导体增益材料的有源区，其中微腔的光学厚度可以是发射波长的数量级。图10A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括有源区和由异质材料形成的至少一个DBR层1001a、1002a的示例激光二极管(被示为VCSEL 1000a)的截面图，而图10B示出了示例激光二极管(被示为VCSEL 1000b)，其中DBR层包括限定介电镜层1001b、1002b的介电材料。VCSEL 1000a、1000b分别包括在至少一个尺寸上小于激光孔1010的阳极接触1011与阴极接触1012。第一导电膜互连1013设置在第一接触1011上，并且第二导电膜互连1013设置在第二接触1012上，以提供与VCSEL 1000a、1000b的电连接。横向传导层可以包括下横向传导层和上横向传导层1006a、1016a以及1006b、1016b，在一些实施例中，它们可以用于提供与VCSEL 1000a、1000b的有源区1005的电接触。
参考图10A和图10B，VCSEL 1000a、1000b分别包括具有一个或多个量子阱或量子点层的有源区1005，所述量子阱或所述量子点层被间隔层或阻挡层隔开，以产生和发射相干光1009。VCSEL 1000a、1000b的光学腔轴1008被定向为沿着电流方向(而不是如一些常规激光二极管那样，垂直于电流)，从而限定了具有沿着电流方向的长度的垂直腔。有源区1005的腔长度与有源区1005的横向尺寸相比可以是短的，使得辐射1009从腔的表面而不是从其边缘射出。
有源区1005可以夹在下DBR层1001a、1001b(更通常被称为DBR层1001)与上DBR层1002a、1002b(更通常被称为DBR层1002)之间，其中有源区1005以及DBR层1001和1002由异质材料形成。在一些实施例中，DBR层1001、1002中的一个或其二者可以由与有源区1005的半导体材料属于不同材料系统的半导体层来形成。下DBR层1001a可以是n掺杂的，并且上DBR层1002a可以是p掺杂的，反之亦然。在其他实施例中，DBR层1001b、1002b中的一个或其二者可以由介电层形成，并且如图10B中所示，阳极接触1011和阴极接触1012可以被形成为分别接触上横向传导层1016b和下横向传导层1006b，(因为介电DBR层1001b、1002b可以是电绝缘的)。氧化物或其他隔离区1014还可以设置来限定隔离的电流孔。
VCSEL 1000a、1000b可以由被选择为提供期望波长范围的或期望波长范围内的光发射的材料来形成。在一些示例实施例中，VCSEL1000a、1000b可以是基于磷化铟(InP)的结构。在特定实施例中，有源区1005可以包括一个或多个基于InP的层(例如，包括交替的InGaAsP/InP层或AlGaInAs/InP层的多量子阱(MQW)有源区)，其被配置为发射具有约1400纳米至约1600纳米的波长的光。在其他示例实施例中，VCSEL 1000a、1000b可以是基于氮化镓(GaN)的结构。在特定实施例中，有源区1005可以包括一个或多个基于GaN的层(例如，包括交替的GaAlN层/GaInN层的MQW有源区)，其被配置为发射具有约350纳米至约450纳米的波长的光。
鉴于难以与较长波长材料(例如，基于InP的)或较短波长材料(例如，基于GaN的材料)的有源区1005进行晶格匹配，本文中描述的实施例可以利用除了外延生长以外的制造工艺来将有源区1005形成在具有独立晶格结构的下DBR层1001a、1001b上(例如，不是基于下层的晶格结构)。也就是说，下DBR层1001a、1001b与一个或多个上面的层之间的界面可以没有或可以不包括用于形成有源区1005的种子层。这样，有源区1005和下DBR层1001a、1001b的材料可以不必是晶格匹配的。更一般地，本文中描述的实施例在将有源区1005形成在上DBR层1001或下DBR层1002上的过程中消除了晶格匹配限制，使得DBR层1001和/或1002的材料可以被选择为提供期望的和/或优选的折射率差，其中有源区1005和DBR层1001、1002中的任意一个DBR层的材料的相应晶格结构彼此独立。
在一些实施例中，有源区1005可以由源晶片形成(例如，通过外延生长)，然后从源晶片转移到DBR层1001、1002中的一个DBR层。例如，微转印技术可以利用压模来破坏锚定结构以从源晶片释放有源区1005，将有源区1005(与多个其他的有源区1005一起)粘合到压模的表面，并且通过使其上包括了管芯400的压膜的表面接触下DBR层1001a、1001b的相应表面，将多个有源区1005转印到已形成在非本征目标衬底1007(即，与其上形成了有源区1005的源晶片不同的衬底)上的相应下DBR层1001a、1001b，从而在它们之间限定印刷界面1015。由于有源区1005不是外延生长在DBR层1001a、1001b上，所以印刷界面1015可以没有针对有源区1005的种子层。在一些实施例中，印刷界面1015可以包括粘合层，该粘合层改善了上面的传导层1006a、1006b与下面的DBR层1001a、1001b之间的粘合性。粘合层对于由有源区1005提供的光发射的波长可以是光学透明的，和/或可以是折射率匹配的以提供期望的光学性能。例如，在一些实施例中，粘合层可以具有厚度和/或其他光学特性，从而有效地用作DBR层1001a、1001b的一个折射率层。
而且，有源区1005(和/或关联的传导层1006、1016)可以在其外围包括断裂的系线部或相应的离隙特征1099。如上所述，断裂的系线部1099可以是形成在针对有源区1005的源晶片上的锚定结构的断裂或破裂部分，其可以是通过压印工艺而断裂的并可以在转移到非本征衬底1007上的DBR层1001、1002中的一个层上之后从有源区1005的边缘或侧表面突出或在有源区1005的边缘或侧表面处凹进。断裂的系线部或离隙特征1099可以包括有源区1005、横向传导层1006、1016和/或锚定结构(例如，图4D′中所示的锚定结构499)的材料的一部分。
在图10B的示例中，介电DBR层1001b、1002b中的一个或两个DBR层可以由交替的高折射率介电层和低折射率介电层形成。介电层可以包括但不限于TiO2、SiO2、TaO5、HfO、Al2O3、Si3N4、a-Si等。介电层可以蒸发、溅射或PECVD薄膜沉积到非本征衬底1007的表面上以限定下DBR 1001b，或者到有源区1005的上横向传导层1016b的表面上以限定上DBR层1002b。也就是说，用于形成VCSEL 1000b的制造工艺可以包括：将DBR层1001b薄膜沉积到非本征衬底1007上；将有源区1005(在一些实施例中，包括其子层和粘合层)微转印到DBR层1001b上；以及将DBR层1002b薄膜沉积到有源区1005上。作为备选，可以以类似于有源区1005的方式转印介电DBR层1001b、1002b中的一个或其二者。更具体地，在一些实施例中，可以通过将DBR层1001a、1001b转印到非本征衬底1007上、将有源区1005转印到DBR层1001a、1001b上，并且将DBR层1002a、1002b转印到有源区1005上来形成VCSEL 1000a、1000b。在这样的实施例中，转印的DBR层1001和/或1002可以分别在它们的外围处包括断裂的系线部和/或离隙特征，其中断裂的系线部和/或离隙特征包括DBR层1001和/或1002的材料的一部分。
图11是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括激光二极管(被示为VCSEL1100)的示例分布式发射器阵列1110的截面图。可以类似于VCSEL 1000a或1000b来构造或制造阵列1110的VCSEL1100，即，将VCSEL 1100构造或制造为包括用于有源区1105和DBR层1101、1102的异质材料。在图11的示例中，对于有源区1105，使用长波长材料(例如，发射约1400nm至约1600nm或更大的波长范围内的光的材料)来实现VCSEL 1100；然而，可以为有源区1105选择其他材料以实现提供其他期望的发射范围内的光发射的阵列。
例如，鉴于更好的人眼安全性(由于长于1400nm的激光波长可能在角膜和晶状体中被更强地吸收，因此不太可能到达视网膜)和更高的信噪比(因为太阳辐射(噪音)在可见光谱的较长波长部分中低于在可见光谱的近红外(IR)部分中)，较长波长的激光器阵列(例如，提供约1300nm至约2000nm之间的波长范围内的光发射)对于LIDAR应用而言可以是有吸引力的。在一些实施例中，使用基于InP的有源区可以实现约1550nm的较长波长的光发射。然而，由于如上所述的，InP的晶格常数会随着材料成分的变化而显著变化，因此可能难以使用基于InP的有源区的晶格匹配材料来形成DBR层。
这样，如图11中所示，包括长波长VCSEL 1100的分布式发射器阵列1110可以设置在非本征衬底1107上。每个VCSEL 1100可以包括异构DBR层1101、1102和有源区1105。例如，可以使用薄膜沉积技术(例如，蒸发、溅射或等离子体增强化学气相沉积)将介电DBR层1101形成在非本征衬底1107上的相应位置处。可以通过例如微转印、静电粘合或其他质量转移技术，将由长波长半导体材料(例如，InP)形成的各个有源区1105组装到介电DBR层1101上。如此，界面1115可以限定在有源区1105(或者，其子层)与介电DBR层1101之间，其中界面1115没有针对有源区1105的材料的种子层并可以包括粘合层，其中粘合层改善与下面的DBR层1101的粘合性。有源区1105可以包括其相对表面上的一个或多个横向传导子层1106、1116，它们连同例如如上面参考图4F′和图4G′所述的有源区1105一起印刷或以其他方式转印到DBR层1101的表面上。横向传导子层1106、1116中的一个或多个横向传导子层可以包括其外围处的离隙特征，所述离隙特征可以类似于图5D至图5E所示的离隙特征599。可以类似地使用薄膜沉积技术将DBR层1102形成在有源区1105或上横向传导层1116的表面上。备选地，DBR层1101和/或1102可以通过使用微转印、静电粘合或其他质量转移技术来组装在衬底1107和/或有源区1105上，并且可以包括如上面讨论的相应的系线部或离隙特征。
VCSEL 1100可以在非本征衬底1107上串联(或阳极到阴极)电连接，和/或可以以本文中描述的小于500μm的间隔集成在VCSEL之间的器件和/或由不同材料(例如，功率电容器、FET等)形成的器件，例如以类似于上面参考图6A至图6C的分布式阵列600和驱动晶体管610描述的布置的方式。而且，非本征衬底1107可以是柔性衬底，并且可以弯曲或变形以提供期望的曲率或轮廓，比如上面参照图3B的衬底307b示出和描述的那些。同样，可以使用上面参考图4A至图4F以及图4A′至图4G′描述的任何技术来制造VCSEL 1100和/或其子层1101、1102、1105。
图12A至图12C示出了根据本文中描述的一些实施例的包括激光二极管(被示为VCSEL1100和1200)的示例分布式发射器阵列1210a、1210b、1210c。阵列1210a、1210b、1210c的VCSEL 1100、1200可以类似于VCSEL 1000a或1000b来构造和/或制造，即，构造和/或制造为包括用于有源区1105、1205以及DBR层1101、1102和1102、1202的异质材料。在图12A至图12C的示例中，针对有源区1105使用长波长材料(例如，发射约1400nm至约1600nm或更长的范围内的光)来实现VCSEL 1100，并且针对有源区1205使用短波长材料来实现VCSEL 1200(例如，发射约350nm至约450nm或更短的范围内的光)。也就是说，阵列1210a、1210b、1210c包括发射不同波长范围的光的多个激光二极管1100、1200。
例如，在LIDAR应用中，来自具有不同发射波长的多个激光器的强度数据可以允许改善基于例如不同波长的目标反射率的差来区分材料。然而，制造包括不同发射波长的激光器的阵列可能涉及挑战。例如，对于不同发射波长的激光器，光腔的物理长度(因此，作为物理长度和折射率的函数的光路长度)可以是不同的。而且，对于提供不同发射波长的不同材料，DBR层的折射率层的厚度和/或成分可以是不同的(通常，发射波长越长，DBR层堆叠中的层越厚)。如上所述，可能难以针对不同波长的材料系统形成晶格匹配的DBR层。这样，本文中描述的实施例设置了异质材料的有源区1105和1205以及DBR层1101、1102和1201、1202，其中针对较短波长的有源区1205来选择DBR层1201、1202的材料(例如，GaN)，而针对较长波长的有源区1105来选择DBR层1101、1102的材料(例如，InP)。
具体地，如图12A中所示，包括长波长VCSEL 1100和短波长VCSEL 1200的分布式发射器阵列1110可以设置在非本征衬底1207上。VCSEL 1100和1200可以分别包括异质DBR层1101、1102和1201、1202以及有源区1105和1205。例如，可以使用薄膜沉积技术(例如，蒸发、溅射或等离子体增强化学气相沉积)将介电DBR层1101和1201形成在非本征衬底1207上的相应位置处。由长波长半导体材料(例如，InP)形成的相应有源区1105可以组装在介电DBR层1101上，而由短波长半导体材料(例如，GaN)形成的相应有源区1205可以组装在介电DBR层1201上。
如上所述，可以通过例如微转印、静电粘合或其他质量转移技术将有源区1105和/或1205组装在DBR层1101和1201上。这样，界面1115可以限定在有源区1105(或者，其子层)与介电DBR层1101之间，并且界面1215可以限定在有源区1205(或者，其子层)与介电DBR层1201之间。界面1115和1215没有分别用于有源区1105和1205的材料的种子层，并且在一些实施例中可以包括相应的粘合层。有源区1105和1205可以包括其相对表面上的一个或多个横向传导子层1106、1116和1206、1216，它们可以分别连同例如如上面参考图4F′和图4G′所述的有源区1105和1205一起印刷或以其他方式转印到DBR层1101和1201的表面上。横向传导子层1106、1116和1206、1216中的一个或多个横向传导子层可以在其外围处包括离隙特征，所述离隙特征可以类似于图5D至图5E所示的离隙特征599。可以类似地使用薄膜沉积技术将DBR层1102和1202形成在有源区1105或上横向传导层1116的表面上。备选地，DBR层1101、1201和/或1102、1202可以通过使用微转印、静电粘合或其他质量转移技术来组装在衬底1207和/或有源区1105、1205上，并且可以包括如上面讨论的断裂的系线部或离隙特征。
这样，如图12B的视图中所示，发射不同波长范围的光的激光二极管1100和1200可以异质散置在相同的阵列1210b中。附加地或备选地，如图12C的视图中所示，发射不同波长范围的光的激光二极管1100和1200可以组装在相同阵列1210c的相应部分或区域1195和1295中。也就是说，根据本文中描述的实施例的多波长激光二极管阵列1210a、1210b、1210c可以包括不同波长的多个激光器，这些激光器同质地布置在阵列衬底1207的相应部分中或异质地散置贯穿阵列1207的一个或多个部分。而且，在一些实施例中，阵列1210a、1210b、1210c的每个区域的激光二极管1100和/或1200的集中度在阵列的不同部分处可以是不同的，例如可能有益于在与行进的前向方向相对应的阵列的中心部分中提供较高分辨率(通过较大集中度的激光二极管1100和/或1200)而在该阵列的外围区域处提供较低分辨率(通过较小集中度的激光二极管1100和/或1200)的一些LIDAR传感器应用。附加地或备选地，衬底1207的曲率可以被配置为提供期望的功率分布；例如，衬底1207可以限定法向表面提供相对功率量的期望分布的圆柱、非圆柱、球形或非球形曲线。在一些实施例中，衬底1207的曲率可以以类似于上面参考图3B的衬底307b讨论的方式来动态地改变。
图11以及图12A至图12C中通过示例的方式说明的阵列1110、1210a、1210b、1210c可以包括数百或数千个紧密相隔的VCSEL 1100、1200，其中一部分VCSEL可以以串联或并联配置电连接。例如，根据本文中描述的一些实施例的多个管芯1100、1200可以在图2C的常规VCSEL芯片10的占用空间(footprint)内组装并串联(或者，阳极到阴极)电连接。导电薄膜互连1113、1213可以被形成为以串联和/或并联配置电连接VCSEL 1100、1200的各个接触，并且可以类似于上述互连213。可以在将激光二极管1100、1200的一个或多个子层制造在衬底1107、1207上之前、在此之后或在此之间，通过例如使用常规的光刻技术来图案化导电膜，来以并行工艺形成导电薄膜互联1113、1213。因此，激光二极管1100、1200可以没有穿过衬底1107、1207的电连接。由于较小尺寸的激光二极管1100、1200和通过导电薄膜互连1113、1213设置的连接，两个紧邻激光二极管1100、1200之间的间隔可以小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm，或者小于约50μm，具有或没有到共享或公共的阴极/阳极的连接。
VCSEL 1100、1200还可以以本文中描述的小于500μm的间隔集成在VCSEL 1100、1200之间的器件和/或由不同材料(例如，功率电容器、FET等)形成的器件，例如以类似于上面参考图6A至图6C的分布式阵列600和驱动晶体管610描述的布置的方式。同样，可以使用上面参考图4A至图4F以及图4A′至图4G′描述的任何技术来制造VCSEL 1100、1200和/或其子层。更一般地，本文中参考特定激光二极管结构(和/或其子层)描述的制造技术、器件集成和/或非本征衬底特性可以用于制造本文中描述的任何激光二极管结构、其子层和/或激光器阵列。
如本文中所述的，由于图10A至图12C中所示的激光二极管1000a、1000b、1000、1200的有源区1005、1105、1205不需要受到针对下面的DBR层1001、1101、1201或1002、1102、1202上进行外延生长的晶格匹配限制，因此有源区1005、1105、1205的材料可以被选择为提供期望的发射波长。同样地，DBR层1001、1101、1201或1002、1102、1202的材料可以被选择为提供期望的折射率，以适于有源区域1005、1105、1205的材料。尽管参考基于GaN的VCSEL和基于InP的VCSEL以示例的方式进行了描述，但是应当理解，有源区和/或DBR层的材料和/或材料成分可以被调整和/或以其他方式被选择为提供期望波长的光发射和/或适于不同的环境条件或操作条件。
图13A是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括光泵浦有源区的示例激光二极管配置1300a的截面图。如图13A中所示，激光二极管(被示为VCSEL 1300)的有源区1305可以由发射较短发射波长的光209的外部光源(被示为VCSEL 200)泵浦。VCSEL 200可以是单片结构，该结构包括下DBR反射镜结构201与上DBR反射镜结构202之间的有源区205、横向导电层206和限定激光孔210的隔离区214。VCSEL 200可以如参考图2A至图2C所讨论的包括阳极接触211和阴极接触212以及电互连213，因此将省略对VCSEL 200(用作图13A中的光泵浦且也被称为泵浦激光器200)的进一步描述。
如图13A的激光二极管配置1300a中所示，本文中描述的一些实施例可以使用由下面的VCSEL 200的光发射209进行的光泵浦以在非GaAs VCSEL 1300(也被称为发射激光器1300)中获得载流子反转，非GaAs VCSEL 1300包括具有如下材料的有源区1305：该材料被配置为发出发射波长比下面的VCSEL 200的有源区205的材料的发射波长长的光1309。因此，电流可以受限于泵浦晶体管200，使得发射激光器1300没有阳极接触和阴极接触。对于形成接触比形成GaAs结构更困难的一些材料成分(例如，InGaAsP成分)，不存在接触可能是特别有利的。这样，VCSEL 1300可以包括由介电材料形成的上DBR层1301和下DBR层1302，从而避免当位于非导电介电DBR层1301、1302之间时形成与有源区1305的接触的复杂性。也就是说，发射激光器1300的有源区域1305可以没有电接触，从而使得制造更加容易。
可以使用各种技术(包括但不限于微转印、静电粘合和/或其他质量转移技术)来制造光泵浦的激光二极管配置1300a，以限定包括多个激光二极管1300的阵列。例如，如上面参考图4A至图4F以及图4A′至图4G′描述的微转印技术可以用于在非本征衬底1307的表面上制造各个泵浦激光器200，并且电互联213可以同样如上所述般形成。
在制造泵浦激光器200之后，可以例如使用如上所述的薄膜沉积技术，将相应发射激光器1300的下介电DBR层1301形成在包括相应泵浦激光器200的激光孔210的上DBR层202上。可以使用微转印技术将发射激光器1300的较长波长的有源区1305形成在相应DBR层1301上。例如，压模可用于破坏锚定结构以从源晶片释放有源区1305，将有源区1305粘合到压模的表面，并且通过将其上包括有源区1305的压模的表面与下DBR层1301的相应表面接触来将多个有源区1305同时转印到相应的下DBR层1301上，限定它们之间的印刷界面1315。
由于有源区1305没有在下DBR层1301上外延生长，因此相应印刷界面1315可能没有用于有源区1305的种子层。在一些实施例中，印刷界面1315可以包括粘合层以改善与下面的DBR层1301的粘合性。而且，相应的转印有源区1305(和/或与有源区1305一起印刷的关联传导层)可以在其外围包括断裂的系线部或相应的离隙特征1399。例如，可以使用如上面讨论的薄膜沉积技术将相应发射激光器1300的上介电DBR层1302形成在相应有源区1305上。备选地，DBR层1301和/或1302可以通过使用微转印、静电粘合或其他质量转移技术来组装在泵浦激光器200的DBR层202上和/或有源区1305上，并且可以包括如上面讨论的相应的断裂的系线部或离隙特征。上介电DBR层1302限定了发射激光器1300的相应激光孔。
尽管图13A中参考基于VCSEL的泵浦激光器200来进行描述，但是应当理解，本文中描述的实施例不限于VCSEL，并且泵浦激光器200可以包括被配置为沿光轴发射光209的其他表面发射激光二极管，其中光轴被定向为垂直于其上设置有器件200的衬底或其他表面。还应当理解，尽管在图13A中参照表面发射激光器结构来进行描述，但是本文中描述的激光二极管和激光二极管阵列不限于此，并且可以如图13B和图13C的示例中所示包括边缘发射激光结构(诸如，图9的边缘发光激光二极管910)，其被配置为沿着平行于衬底或其上同样设置有器件的其他表面定向的光轴来发射光。
图13B是示出了根据本文中描述的其他实施例的包括光泵浦有源区的示例激光二极管配置1300b的截面图。如图13B中所示，激光二极管配置1300b在功能上类似于图13A的配置1300a，但是在非本征衬底1307上包括边缘发射激光二极管910作为泵浦激光器，以及边缘发射激光二极管1310作为发射激光器。这样，类似地使用由泵浦激光器910的光发射909进行的光泵浦以便在发射激光器1310中获得载流子反转，发射激光器1310包括如下材料的有源区1305：所述材料被配置为发射发射波长比相邻的泵浦激光器910的有源区905的材料更长的光1309。因此，电流可以受限于泵浦晶体管910，使得发射激光器1310没有阳极接触和阴极接触。镜结构1313组装在基板1307上并相对于发射激光器1310的光腔轴定向，使得来自发射激光器1310的辐射1309被反射并最终在垂直于基板1307的方向上出射。可以通过例如微转印、静电粘合或其他质量转印技术将装置910、1310和/或1313组装在非本征衬底1307上。
在图13B中，泵浦激光器910包括用于产生和发射相干光909的有源区905(有源区905可以包括一个或多个量子阱)。有源区905设置在p型层901和n型层902之间，并且在其上分别具有接触912和911。衍射光栅层903可以提供用于激光的反馈。激光二极管910的光腔轴被定向为使得辐射909从泵浦激光器910的边缘射出，并指向发射激光器1310的有源区域1305，发射激光器1310在衬底上与泵浦激光器910是相邻的。
发射激光器1310类似地包括用于产生和发射相干光1309的有源区1305(有源区905可以包括一个或多个量子阱)。有源区1305设置在p型层1301p与n型层1302n之间，但是没有阳极接触和阴极接触。衍射光栅层1303(在一些实施例中可以被制造为DBR层)可以提供用于激射的反馈。激光二极管1310的光腔轴被定向为使得辐射1309从泵浦激光器1310的边缘射出，并指向镜结构1313，以便沿垂直于衬底1307的方向进行反射和出射。
图13C是示出了根据本文中描述的另外其他实施例的包括光泵浦有源区的示例激光二极管配置1300c的截面图。如图13C中所示，激光二极管配置1300c在功能上类似于图13A和图13B的配置1300a，但是在非本征衬底1307上包括边缘发射激光二极管910作为泵浦激光器且包括表面发射激光二极管(被示为VCSEL 1300)作为发射激光器；其中镜结构1313组装在衬底1307上并相对于泵浦激光器910的光腔轴定向为使得来自泵浦激光器910的辐射909朝向发射激光器1300反射。因此，使用由泵浦激光器910的光发射909进行的光泵浦以便在发射激光器1300中获得载流子反转，发射激光器1310包括如下材料的有源区1305：所述材料被配置为发射发射波长比相邻的泵浦激光器910的有源区905的材料更长的光1309。因此，电流可以受限于泵浦晶体管910，使得发射激光器1300没有阳极接触和阴极接触。可以通过例如微转印、静电粘合或其他质量转印技术将装置910、1300和/或1313组装在非本征衬底1307上。
在图13A至图13C中，非本征衬底1307在一些实施例中可以刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的，并且导电薄膜互联可以形成为以类似于参考本文中描述的任何阵列(比如，阵列300a、300b、600和/或900)所述的间隔和曲率将配置1300a、1300b、1300c中所示的激光二极管的相应接触以串联和/或并联配置电连接。同样，如上面参考图6A至图6C的示例所描述的，包括激光二极管配置1300a、1300b、1300c的阵列也可以包括其他类型的器件和/或由与其一起集成在非本征衬底1307上的不同材料形成的器件(例如，功率电容器、FET、微透镜阵列等)。
上面已经参考示出了本发明的实施例的附图描述了本发明。然而，本发明不应当被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供的这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并且向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，放大了各层和各区域的厚度。贯穿全文，类似的附图标记指代类似的元件。
应当理解，当提及元件“在”另一元件“上”、“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到该另一元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当提及元件”“直接在”另一元件“上”、“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在介于中间的元件。如本文中使用的层之间的“界面”可以在层之间具有或不具有直接接触。
还应当理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应当受这些术语的限制。这些术语仅用来将元件彼此区分。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。
此外，在本文中可以使用诸如“下”或“底”和“上”或“顶”的相对术语来描述图中所示的一个元件与另一元件的关系。应当理解，除了附图中描绘的朝向之外，相对术语旨在涵盖装置的不同朝向。例如，如果一幅图中的器件翻转，则被描述为位于其它元件的“下”侧的元件将定向在其它元件的“上”侧。因此，示例性术语“下”可以涵盖“下”和“上”的朝向，这取决于图的特定朝向。类似地，如果一幅图中的器件翻转，则被描述为位于其它元件的“下方”或“下侧”的元件将定向在其它元件的“上方”。因此，示例性术语“下方”或“下侧”可以涵盖上方和下方的两个朝向。
本文中用于描述本发明的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不是为了限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则如本发明的描述和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式。也应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并且涵盖一个或多个相关所列项目的任何和所有可能的组合。还应当理解，术语“具有”、“含有”、“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并没有排除存在或另外添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
本文中参考图示描述本发明的实施例，所述图示是本发明的理想实施例(以及，中间结构)的示意图。因此，例如由于制造技术和/或公差造成的所图示的形状的变化是预期的。因此，图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状并不意在示出设备的区域的实际形状，也不意在限制本发明的范围。
除非另有限定，否则用于公开本发明的实施例的所有术语，包括技术术语和科学术语，均具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义，并且不必限于描述本发明时已知的特定定义。因此，这些术语可以包括在该时间之后创建的等同术语。还应当理解，诸如在常用词典中定义的术语等的术语应当被解释为其含义与在本说明书和相关技术的上下文中的含义相一致，而不应当将其解释为理想的或过于正式的含义，除非本文明确如此定义。本文中提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过整体引用并入本文中。
结合以上描述和附图，这里公开了许多不同实施例。应当理解，逐字地描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将会过分冗余和混淆。因此，包括附图的本说明书将被解释以构建本文描述的本发明的实施例的所有组合和子组合以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面说明，并且将支持要求任意这种组合或子组合的权益。
尽管本文中已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在本发明原理的范围和精神内做出进一步的变化和修改。尽管采用了特定术语，但是它们仅在一般性和描述性意义上使用，而不是出于约束的目的，本发明的实施例的范围在所附权利要求中阐明。

Claims (21)

1.一种激光二极管，包括：
半导体结构，所述半导体结构包括依次堆叠的下布拉格反射器层、下横向传导层、有源区、上横向传导层和上布拉格反射器层，所述上布拉格反射器层包括具有垂直于所述有源区的表面的光轴的激光孔；以及
阳极接触和阴极接触，分别与所述上横向传导层和所述下横向传导层电连接；以及
其中所述有源区包含第一材料，其中所述上布拉格反射器层和所述下布拉格反射器层包括相应材料，且其中所述相应材料中的至少一个材料和所述第一材料的晶格结构彼此失配。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述相应材料中的至少一个材料是介电材料。
3.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述第一材料是基于磷化铟InP的、基于砷化镓GaAs的和/或基于氮化镓GaN的。
4.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述上布拉格反射器层具有比所述下布拉格反射器层低的反射率。
5.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述下布拉格反射器层与所述下横向传导层之间的界面没有针对所述第一材料的种子层。
6.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述下布拉格反射器层与所述下横向传导层之间的界面包含粘合层。
7.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述下布拉格反射器层、所述下横向传导层、所述有源区、所述上横向传导层或所述上布拉格反射器层中的至少一个层包括微转印层，所述微转印层在外围具有残留的系线部和/或离隙特征，其中在转印相应层时保留所述残留的系线部和/或离隙特征。
8.根据权利要求7所述的激光二极管，其中所述残留的系线部或所述离隙特征中的至少一个包括所述第一材料。
9.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述第一材料被配置为发射包括1400纳米至1600纳米的波长的光。
10.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述激光二极管用于构建LIDAR发射器阵列，其中所述LIDAR发射器阵列包括以阵列布置在非本征衬底的表面上的多个激光二极管。
11.根据权利要求10所述的激光二极管，其中所述多个激光二极管中的第一激光二极管和与所述第一激光二极管紧邻的激光二极管之间的间隔小于150微米、小于100微米、或者小于50微米，并且大于10微米。
12.根据权利要求11所述的激光二极管，其中所述多个激光二极管还包括第二激光二极管，所述第二激光二极管包括位于第二上布拉格反射器层与第二下布拉格反射器层之间的具有第三材料的第二有源区，并且其中所述第三材料与所述第二下布拉格反射器层的晶格结构彼此失配。
13.根据权利要求12所述的激光二极管，其中所述第三材料被配置为发射包括350纳米至450纳米的波长的光。
14.根据权利要求12所述的激光二极管，其中在所述多个激光二极管之中所述第一激光二极管和所述第二激光二极管在所述阵列中散置。
15.根据权利要求12所述的激光二极管，其中所述阵列包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括多个所述第一激光二极管且没有所述第二激光二极管，所述第二区域包括多个所述第二激光二极管且没有所述第一激光二极管。
16.根据权利要求1所述的激光二极管，其中所述激光二极管是第一激光二极管，并且还包含：
第二激光二极管，所述第二激光二极管包括具有第三材料的第二有源区，所述第三材料被配置为发射包括比所述第一材料的发射波长短的发射波长的光，其中所述第二激光二极管被布置为对所述第一激光二极管的所述有源区进行光泵浦。
17.根据权利要求16所述的激光二极管，其中所述第二激光二级管包括在第二上布拉格反射器与下布拉格反射器之间的所述第二有源区，所述第二有源区包含所述第三材料，并且其中所述第三材料、所述相应材料中的至少一个材料和所述第一材料的晶格结构彼此失配。
18.根据权利要求16所述的激光二极管，其中所述第二激光二极管的激光孔的光轴平行于所述第二有源区的表面，并且还包含在所述激光孔的输出路径中布置的镜结构以朝着所述第一激光二极管的所述有源区反射包含比所述第一材料的发射波长短的发射波长的光。
19.一种制造激光器阵列的方法，所述方法包含：
在非本征衬底上设置多个激光二极管，其中每个激光二极管包括半导体结构，所述半导体结构包括依次堆叠的下布拉格反射器层、下横向传导层、有源区、上横向传导层和上布拉格反射器层；以及阳极接触和阴极接触，分别与所述上横向传导层和所述下横向传导层电连接；所述上布拉格反射器层包括具有垂直于所述有源区的表面定向的光轴的激光孔，
其中所述有源区包含第一材料，其中所述上布拉格反射器层和所述下布拉格反射器层包括相应材料，且其中所述相应材料中的至少一个材料和所述第一材料的晶格结构彼此失配。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述相应材料中的至少一个材料是介电材料，并且其中在所述非本征衬底上设置所述多个激光二极管包括：针对所述半导体结构中的每一个半导体结构，
使用薄膜沉积工艺将所述下布拉格反射器层形成在所述非本征衬底上；以及
使用所述薄膜沉积工艺将所述上布拉格反射器层形成在所述有源区的表面上。
21.一种LIDAR阵列，包含：
多个激光二极管，布置在非本征衬底上，其中所述激光二极管中的每个激光二极管包括：
半导体结构，所述半导体结构包括依次堆叠的下布拉格反射器层、下横向传导层、有源区、上横向传导层和上布拉格反射器层，在所述上布拉格反射器层上包括激光孔，所述激光孔具有垂直于所述有源区的表面的光轴；以及
阳极接触和阴极接触，分别与所述上横向传导层和所述下横向传导层电连接；
其中所述有源区包含第一材料，其中所述上布拉格反射器层和所述下布拉格反射器层包括相应材料，且其中所述相应材料中的至少一个材料和所述第一材料的晶格结构彼此失配。
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