CN111653938A

CN111653938A - 一种背出光的面射型激光器结构及其制作方法和应用

Info

Publication number: CN111653938A
Application number: CN202010224240.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡文必; 陈文欣; 邱姝颖
Original assignee: Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-09-11

Abstract

本发明公开了一种背出光的面射型激光器结构及其制作方法和应用，是在基板的正面依次层叠低反射率的底部DBR、主动区和高反射率的顶部DBR，将顶面出光改变为背面出光，同时在基板对应出光区域位置设置出光孔，使光由基板的出光孔导出。与集成电路芯片整合时，将面射型激光器结构背面朝下的覆设于集成电路芯片上并进行电路连接，封装工艺简单快速，可靠性高。

Description

一种背出光的面射型激光器结构及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及面射型激光器的技术领域，尤其涉及一种背出光的面射型激光器结构及其制作方法和应用。

背景技术

面射型激光器是一种垂直于顶面射出激光的半导体器件。常见的面射型激光器由两面分散式布拉格反射器(DBR)平行于一个芯片主动反应区表面，此主动区是由一到数个量子井所构成，使激光光带存在于其中。一个平面的DBR是由几层不同高低折射率的透镜所组成。每层透镜的厚度为四分之一的激光波长，并给予高反射强度。面射型激光器具有体积小、单纵模输出、阈值电流小、光电转换效率高、造价低等特点，可以广泛应用于光通信、光互联、光存储等领域。

由于硅光技术的逐渐成熟与应用逐渐展开，面射型激光器芯片与硅集成电路芯片的整合越来越受重视。在850nm硅光的应用上为了方便光路整合，需要面射型激光器实现向下或背面出光，然而由于目前850nm的面射型激光器芯片使用砷化镓作为外延基板，而砷化镓材料对于850nm光会有严重的吸收，因此只能采用覆晶封装或是将芯片转移到不吸收850nm波段的基板上再贴片到硅集成芯片上。覆晶封装需要特殊设备，且制程良率和产能低；基板转移需要寻找透光且散热性能优的材料，成本高且容易产生应力不匹配等问题；这两个技术的程序和工艺都较为复杂，且对封装精度要求较高，应用受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种背出光的面射型激光器结构及其制作方法和应用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种背出光的面射型激光器结构，包括底部金属电极、基板、底部DBR、主动区、顶部DBR、限定区和顶部金属电极；所述底部DBR、主动区、顶部DBR和顶部金属电极依次层叠在所述基板的正面，其中所述底部DBR的反射率低于所述顶部DBR的反射率，所述限定区用于限定激光器的出光区域；所述底部金属电极设于所述基板的背面；所述基板设有出光孔，且所述出光孔对应所述激光器的出光区域设置。

可选的，所述面射型激光器结构被配置用于发射850nm的激光，所述基板是砷化镓基板。

可选的，所述出光孔内设有微透镜。

可选的，所述微透镜的材料是环氧树脂类材料、硅胶类材料或聚亚胺。

可选的，所述限定区包括筒状绝缘层，所述筒状绝缘层至少限定所述顶部DBR的导电性边界；所述出光孔对应所述筒状绝缘层设置。

上述背出光的面射型激光器结构的制作方法，包括以下步骤：

1)于一基板正面依次形成底部DBR、主动区和顶部DBR，其中所述底部DBR的反射率低于所述顶部DBR的反射率；

2)于所述顶部DBR上制作顶部金属电极；

3)制作限定区用于限定激光器的出光区域；

4)对所述基板开设出光孔，所述出光孔对应所述出光区域；

5)于所述基板背面制作底部金属电极。

可选的，步骤3)中所述限定区的制作包括以下步骤：通过蚀刻工艺制作主动区平台，进行非导电性离子注入形成筒状绝缘层。

可选的，步骤4)或步骤5)之后，还包括于所述出光孔之内制作微透镜的步骤。

上述背出光的面射型激光器结构的封装结构，所述面射型激光器结构背面朝下的覆设于一集成电路芯片上，所述顶部金属电极和所述底部金属电极分别与所述集成电路芯片进行电性连接。

可选的，所述集成电路芯片是硅基成电路芯片，且对应所述基板的出光孔设有光路通道。

本发明的有益效果为：

(1)通过调整外延结构，在基板正面依次形成低反射率的底部DBR、主动区和高反射率的顶部DBR，并配合基板对应出光区域开设通光孔的设置，使激光器芯片能做到背面出光，可通过简单的封装工艺与基成电路芯片快速整合，可靠性高；另一方面，由于p型半导体空穴迁移率低，设置整面的金属电极，可使电流垂直往下，缩短空穴移动距离，电流结构分散较佳。

(2)本发明的结构可以在半导体晶圆制程上实现，可以同时对整片晶圆上的芯片进行加工，成本低，工艺简单，易于实现和控制。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的封装结构示意图，其中箭头表示光路方向。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

实施例1

参考图1，一种背出光的面射型激光器结构1包括底部金属电极11、基板12、底部DBR13、主动区14、顶部DBR 15、限定区和顶部金属电极17。所述底部DBR 13、主动区14、顶部DBR 15和顶部金属电极17依次层叠在所述基板12的正面，其中所述底部DBR 13的反射率低于所述顶部DBR 15的反射率，所述限定区用于限定激光器的出光区域A。所述底部金属电极11设于所述基板12的背面。所述基板12设有出光孔121，且所述出光孔121对应所述激光器的出光区域A设置。

具体，所述面射型激光器结构1被配置用于发射850nm的激光，基板12是砷化镓基板。底部DBR 13和顶部DBR 15分别由两种折射率的材料交替层叠形成，可以采用已知DBR结构，例如可以是Al_0.15GaAs/Al_0.9GaAs。作为一种实施方式，底部DBR为n型DBR，顶部DBR为p型DBR。通过材料或层数的配置，例如设置顶部DBR 15的层数大于底部DBR 13的层数，使得顶部DBR 15的反射率接近全反射，而底部DBR 13具有适当的反射率，用于出光，从而将顶部出光改变为底部出光。主动区14可采用已知的发光结构，例如多量子阱层堆叠结构，更具体的，例如GaAs/AlGaAs多量子阱叠层。限定区包括筒状绝缘层16，筒状绝缘层16至少限定顶部DBR 13的导电性边界，从而在电学上和光学上限定激光器腔体直径，进而限定了出光区域A。本实施例中，筒状绝缘层16贯穿顶部DBR 15、主动区14并深入至少部分底部DBR 13。基板12开设的出光孔121对应筒状绝缘层16设置，从而光由基板12背面导出。进一步，限定区还包括限定层19，限定层19设于顶部DBR15和主动区14之间且具有小于筒状绝缘层16的孔径。限定层19由折射率低的绝缘材料形成，进一步把光、载流子限定在垂直方向。此外，限定区也可采用已知技术的其他结构。

上述背出光的面射型激光器结构1的制作方法，是在基板12正面依次外延形成低反射率的底部DBR 13、主动区14、Al_(>0.95)GaAs层、高反射率的顶部DBR 15，采用例如金属蒸镀的方法在顶部DBR 15上制作p型半导体的欧姆接触金属形成顶部金属电极17，然后采用干式或湿式蚀刻制作主动区平台，对Al_(>0.95)GaAs层进行高温湿法氧化形成Al₂O₃作为限定层19，进行非导电性离子(例如氢离子)注入形成筒状绝缘层16，采用研磨或是切削减薄晶圆，然后对基板12开设出光孔121。举例来说，出光孔121工艺流程如下：采用背面光刻工艺定义开孔区域，进行背面干式或湿式蚀刻至基板12形成通孔，通孔底部裸露底部DBR 13表面，然后去除光阻，出光孔121的直径优选与筒状绝缘层16其筒状的直径一致。然后在基板12背面制作n型半导体欧姆接触金属形成底部金属电极11。此外，其他额外的标准VCSEL制造和加工步骤，包括介质保护层、金属焊垫层及散热层的制作等，均参考现有技术，不做具体说明。相对于正面出光的环形顶部金属电极结构，本发明由于采用背面出光，顶部DBR 15上覆盖整面的顶部金属电极17，可使电流垂直往下，缩短空穴移动距离，电流结构分散较佳。

实施例2

参考图2，本实施例的背出光的面射型激光器结构1’与实施例1的差别在于，还包括微透镜18，所述微透镜18设置于出光孔121之内，具体为凸透镜结构。微透镜的材料是环氧树脂类材料、硅胶类材料或聚亚胺等不吸光材料，设置于出光孔121之内，一方面起到保护出光孔121的作用，另一方面，进一步缩小激光的发散角度。

微透镜18可于出光孔121制作步骤或底部金属电极11制作步骤之后进行。具体，对基板背面涂覆微透镜材料，进行光刻显影后去除出光孔121之外的材料，然后通过热固化的方式形成凸透镜表面。或者，对基板背面涂覆微透镜材料然后进行热固化，光刻显影后去除出光孔121之外的材料，然后通过蚀刻工艺形成凸透镜表面。

实施例3

参考图3，将实施例1形成的面射型激光器结构1背面朝下的覆设于硅集成电路芯片2上，顶部金属电极17和底部金属电极11分别与硅集成电路芯片2进行电性连接。面射型激光器结构1由出光孔121出光，硅集成电路芯片2上对应出光孔121设有光路通道21。本发明的封装工艺简单，可快速与集成电路芯片做整合。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种背出光的面射型激光器结构及其制作方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种背出光的面射型激光器结构，其特征在于：包括底部金属电极、基板、底部DBR、主动区、顶部DBR、限定区和顶部金属电极；所述底部DBR、主动区、顶部DBR和顶部金属电极依次层叠在所述基板的正面，其中所述底部DBR的反射率低于所述顶部DBR的反射率，所述限定区用于限定激光器的出光区域；所述底部金属电极设于所述基板的背面；所述基板设有出光孔，且所述出光孔对应所述激光器的出光区域设置。

2.根据权利要求1所述的面射型激光器结构，其特征在于：所述面射型激光器结构被配置用于发射850nm的激光，所述基板是砷化镓基板。

3.根据权利要求1所述的面射型激光器结构，其特征在于：所述出光孔内设有微透镜。

4.根据权利要求3所述的面射型激光器结构，其特征在于：所述微透镜的材料是环氧树脂类材料、硅胶类材料或聚亚胺。

5.根据权利要求1所述的面射型激光器结构，其特征在于：所述限定区包括筒状绝缘层，所述筒状绝缘层至少限定所述顶部DBR的导电性边界；所述出光孔对应所述筒状绝缘层设置。

6.一种背出光的面射型激光器结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

2)于所述顶部DBR上制作顶部金属电极；

3)制作限定区用于限定激光器的出光区域；

4)对所述基板开设出光孔，所述出光孔对应所述出光区域；

5)于所述基板背面制作底部金属电极。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：步骤3)中所述限定区的制作包括以下步骤：通过蚀刻工艺制作主动区平台，进行非导电性离子注入形成筒状绝缘层。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：步骤4)或步骤5)之后，还包括于所述出光孔之内制作微透镜的步骤。

9.权利要求1～5任一项所述背出光的面射型激光器结构的封装结构，其特征在于：所述面射型激光器结构背面朝下的覆设于一集成电路芯片上，所述顶部金属电极和所述底部金属电极分别与所述集成电路芯片进行电性连接。

10.根据权利要求9所述的封装结构，其特征在于：所述集成电路芯片是硅基成电路芯片，且对应所述基板的出光孔设有光路通道。