CN111969414A - Vcsel单元单独可控的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VCSEL单元单独可控的激光器，包括驱动电路模块、VCSEL模块和微透镜模块，驱动电路模块和VCSEL模块电性连接，微透镜模块设于VCSEL模块上以实现光学聚焦；VCSEL模块包括VCSEL单元形成的VCSEL阵列和共阴极单元，共阴极单元设于VCSEL阵列的四周；VCSEL单元包括独立阳极和独立阴极，独立阴极均电性连接至共阴极单元，共阴极单元电性连接至驱动电路模块的地端，独立阳极电性连接至驱动电路模块的正极端。本发明能够单独控制各VCSEL单元，驱动电路模块、VCSEL模块和微透镜模块实现一体化集成式的空间堆叠，避免了部分VCSEL单元贴片高度不一致的问题。

Description

VCSEL单元单独可控的激光器

技术领域

本发明涉及半导体发光器件，具体为一种VCSEL单元单独可控的激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列是激光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的一种半导体激光器阵列。VCSEL由于体积小，连接效率高，输出功率灵活可调，适用于各种对体积有要求的场景，其突出的优势在于便利性、灵活性以及较低的功耗和有竞争力的价格，尤其适合短距离数据通信。近几年由于3D成像、自动驾驶等领域的发展，以VCSEL组成的阵列器件逐渐成为了激光雷达、TOF传感器等硬件设备中的核心发射单元。

传统的VCSEL阵列由几十到数百颗VCSEL激光器构成，采用贴片封装工艺将器件逐个连接到驱动电路芯片层、然后在出光通路上增加透镜层以达到聚焦的目的。但是，目前市场上常见的激光器阵列中，各个VCSEL单元存在无法单独控制的问题，其仅仅是为了实现大的输出功率的目的。此外，目前激光器阵列中，VCSEL阵列的一些VCSEL单元还存在贴片高度不一致的问题，这会导致所有VCSEL单元与透镜层中的透镜组件的焦平面不能完全一一对准，从而造成激光器阵列发射光角度发散的问题。基于上述缺点，传统的VCSEL阵列器件难以满足激光雷达、TOF传感器等对阵列单元单独可调制、大发射角的要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中激光器阵列的VCSEL单元无法单独控制以及激光器阵列发射光角度过窄的问题，本发明目的是提供一种增加激光器阵列的空间指向性的VCSEL单元单独可控的激光器。

技术方案：本发明所述的一种VCSEL单元单独可控的激光器，包括驱动电路模块、VCSEL模块和微透镜模块，驱动电路模块和VCSEL模块电性连接，微透镜模块设于VCSEL模块上以实现光学聚焦；VCSEL模块包括VCSEL单元形成的VCSEL阵列和共阴极单元，共阴极单元设于VCSEL阵列的四周；VCSEL单元包括独立阳极和独立阴极，独立阴极均电性连接至共阴极单元，共阴极单元电性连接至驱动电路模块的地端，独立阳极电性连接至驱动电路模块的正极端。

VCSEL单元还包括依次堆叠的n型接触层、n型DBR层、有源层、电流限制层和p型DBR层，n型接触层中形成凹部，凹部与独立阴极相连，p型DBR层与独立阳极相连。VCSEL单元还包括第一凸点金属层，第一凸点金属层与独立阳极相连，独立阳极通过第一凸点金属层电性连接至驱动电路模块的正极端。

VCSEL单元还包括金属格栅，金属格栅的一部分与独立阴极相连，另一部分覆盖共阴极单元，以使独立阴极通过金属格栅电性连接至共阴极单元。共阴极单元包括共阴极本体和第二凸点金属层，金属格栅部分覆盖共阴极本体，第二凸点金属层与共阴极单元顶端的金属格栅相连，通过第二凸点金属层，引出至共阴极单元上的独立阴极均电性连接至驱动电路模块的地端。

VCSEL单元的数量为M×N个，M为VCSEL阵列的行数，N为VCSEL阵列的列数，M为大于1的整数，N为大于1的整数，VCSEL单元和共阴极单元构成(M+2k)×(N+2k)阵列，2k为共阴极单元的总行数或总列数，k为大于或者等于1的整数。

驱动电路模块包括M×N个驱动单元和多个接地单元，驱动单元对应地设于VCSEL单元下并与其电性连接，接地单元对应地设于共阴极单元下并与其电性连接。驱动电路模块还包括控制单元和I/O接口单元，I/O接口单元、控制单元和驱动单元依次电性相连，I/O接口单元接收外部信号并反馈给控制单元，控制单元根据外部信号处理得到选址信号和数据信号，并将选址信号和数据信号传输给驱动单元，以使各驱动单元对应控制各VCSEL单元的开启和关断。

微透镜模块包括M×N阵列式的微透镜单元形成的微透镜阵列，VCSEL阵列的出光面与微透镜阵列的焦平面重合。微透镜阵列为蓝宝石微透镜阵列、玻璃微透镜阵列或树脂微透镜阵列。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、驱动电路模块能够单独控制各VCSEL单元，所有的独立阴极通过共阴极单元引出到驱动电路模块的接地，使得驱动电路模块、VCSEL模块和微透镜模块实现一体化集成式的空间上的堆叠，避免了部分VCSEL单元贴片高度不一致的问题；

2、通过晶圆级封装的方法提高了系统集成效率，使得VCSEL阵列与微透镜模块完全自对准，可以灵活地设置激光器阵列的发射光角度，有助于增加激光器阵列的空间指向性，获得大尺寸阵列激光器件并实现激光器件的各VCSEL单元的单独寻址。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的内部电路简化结构示意图；

图3是本发明的VCSEL单元21的剖面示意图；

图4是本发明的共阴极单元22的剖面示意图；

图5是本发明的VCSEL单元21单独可控的激光器的功能框架结构示意图；

图6是本发明的驱动单元11的剖面示意图；

图7是本发明的驱动单元11的电路结构示意图；

图8是本发明的微透镜模块3中任意一微透镜的剖面示意图；

图9是本发明的VCSEL单元21单独可控的激光器的剖面示意图。

具体实施方式

以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。

如图1，VCSEL单元单独可控的激光器包括：驱动电路模块1、VCSEL模块2和微透镜模块3，驱动电路模块1和VCSEL模块2采取金属连接，微透镜模块3设于VCSEL模块2上以实现光学聚焦。优选地，微透镜模块3可以通过键合材料键合在VCSEL模块2上，VCSEL模块2金属键合在驱动电路模块1上，从而驱动电路模块1、VCSEL模块2和微透镜模块3一体化集成并在空间上堆叠，从而获得大尺寸阵列激光器件。VCSEL模块2包括VCSEL阵列和多个共阴极单元22，VCSEL阵列包括：M×N个VCSEL单元21，VCSEL单元21包括独立阳极210和独立阴极211。

如图2，VCSEL模块2包括：VCSEL阵列和多个共阴极单元22，共阴极单元22设于VCSEL阵列的四周。结合图1，沿着图1中AA’方向俯视，VCSEL阵列和共阴极单元22构成(M+2k)×(N+2k)阵列，其中，M为VCSEL阵列的行数，N为VCSEL阵列的列数，2k为共阴极单元22的总行数/总列数，共阴极单元22的总行数和总列数相同，M为大于1的整数，N为大于1的整数，k为大于或者等于1的整数。以k＝1为例，共阴极单元22的数量为2M+2N+4个，VCSEL阵列和共阴极单元22构成(M+2)×(N+2)阵列，设置多个共阴极单元22可以使得流经VCSEL阵列的电流分布均匀，有效缓解电流拥堵效应。

如图3，VCSEL阵列包括：M×N个VCSEL单元21，各VCSEL单元21包括：独立阳极210，独立阴极211，依次堆叠的n型接触层206、n型DBR层205、有源层204、电流限制层203以及p型DBR层202。独立阳极210设于p型DBR层202上，n型接触层206中形成有凹部2061，独立阴极211设于凹部2061的底壁上，即VCSEL单元21的半导体材料通过刻蚀工艺(刻蚀p型DBR层202、电流限制层203、有源层204、n型DBR层205以及部分厚度的n型接触层206)形成台阶形结构，台阶的底部位于n型接触层206中，独立阴极211坐落在台阶的底部。独立阴极211均电性连接至VCSEL阵列四周的共阴极单元22，并且共阴极单元22电性连接至驱动电路模块1的地端，从而独立阴极211得以连接至驱动电路模块1的地端，VCSEL单元21的独立阳极210电性连接至驱动电路模块1的正极端。每个VCSEL单元21上对应设有独立阳极210，通过电学连接键合方式与驱动电路模块1键合，并利用驱动电路模块1单独驱动，实现了各VCSEL单元21的单独控制，提高了激光器阵列中各单元发光的灵活性，降低了器件功耗。进一步的，将所有独立阴极211利用共阴极单元22引出到驱动电路模块1的接地，使得VCSEL阵列能够一次性集成于驱动电路模块1上，避免了传统VCSEL激光器阵列存在的贴片高度不一致的问题，使得VCSEL阵列与微透镜模块3完全自对准，有助于增加器阵列发射光角度，实现激光雷达的单片发射单元。

VCSEL单元21还包括：第一凸点金属层201，第一凸点金属层201位于独立阳极210上，通过第一凸点金属层201，独立阳极210电性连接至驱动电路模块1的正极端。其中，n型接触层206、n型DBR层205、有源层204、电流限制层203以及p型DBR层202均为III-V族半导体材料，包括但不限于GaAs、InP、GaN、AlGaAs、InGaAs、InGaAlP、InGaN、AlGaN。n型DBR层205和p型DBR层202对激光的反射率都超过99％，并且n型DBR层205的反射率低于p型DBR层202，从而使得VCSEL单元21的激光的出光方向被控制指向n型DBR层205的方向，因为后续VCSEL阵列需要倒置键合于驱动电路模块1上，所以需要保证激光从n型DBR层205一侧射出。较佳的，第一凸点金属层201、独立阳极210以及独立阴极211为金属材料，包括但不限于Ti、Au、Ni、Ge、Pt及其合金。

VCSEL单元21还包括钝化层209和第一键合层207，钝化层209覆盖阳极电极210、阴极电极211以及将n型接触层206、n型DBR层205、有源层204、电流限制层203以及p型DBR层202的裸露的侧面，钝化层209和第一键合层207可以为绝缘介质膜，包括但不限于SiO₂、Si₃N₄、TiO₂、Al₂O₃，并且钝化层209和第一键合层207设置为：在激光器工作的波长范围内对激光的吸收极小。钝化层209相当于VCSEL单元21的最外层绝缘膜，为了实现独立阳极210与外部的电连接，独立阳极210上覆盖的钝化层209刻蚀打开一个通孔二213，第一凸点金属层201可以通过通孔二213实现与独立阳极210的直接电性接触。

如图4，VCSEL模块2还包括金属格栅208，其中，一部分金属格栅208位于独立阴极210上并且另一部分金属格栅208覆盖共阴极单元211以使独立阴极211通过金属格栅208电性连接至共阴极单元211。具体的，独立阴极211顶部的钝化层209刻蚀打开一个通孔一212，金属格栅208可以通过通孔一212实现与独立阴极211的直接电性接触。所有独立阴极211利用金属格栅208从VCSEL阵列外围的共阴极单元22引出到驱动电路模块1的接地，避免了传统VCSEL激光器阵列的独立阴极因各自单独引出而造成其中部分VCSEL单元贴片高度不一致的问题，使得VCSEL阵列能够通过晶圆级封装的方法一次性集成于驱动电路模块上，从而使得VCSEL阵列的出光平面与微透镜模块3的焦平面完全对准，通过调节各个VCSEL单元21同微透镜单元31的光轴偏移量，可以灵活的设置VCSEL单元21的发射光角度，增加了激光器阵列的发射光空间指向性。

共阴极单元22同VCSEL单元21相邻，同VCSEL单元21相比，共阴极单元22也可以具有相同的台阶结构以及III-V半导体层级，VCSEL单元21的台阶尺寸与共阴极单元22的台阶尺寸可以相同，也可以不同。共阴极单元22的结构与VCSEL单元21相似，共阴极单元22包括共阴极本体和第二凸点金属层2011。共阴极本体可以包括：依次堆叠的n型接触层206、n型DBR层205、有源层204、电流限制层203以及p型DBR层202。此外，共阴极本体还可以包括：钝化层209，钝化层209覆盖p型DBR层202以及n型接触层206、n型DBR层205、有源层204和电流限制层203的裸露的侧面。进一步的，共阴极单元22与VCSEL单元21的区别在于：金属电极以及金属格栅结构的设置，具体的，共阴极单元22的台阶底部不需要有独立阴极电极，并且共阴极单元22的台阶顶部不需要独立阳极电极；金属格栅208从共阴极单元22的台阶底部沿着侧壁延续到台阶顶部。如图4所示，共阴极单元22顶部的钝化层209刻蚀打开一个通孔三214，另一部分金属格栅208覆盖共阴极本体表面的钝化层209以及露出的p型DBR层202表面，即另一部分金属格栅208覆盖通孔三214的底壁和侧壁。在本实施例中，第二凸点金属层2011位于共阴极单元22顶端的金属格栅208上，通过第二凸点金属层2011能够将金属格栅208引出至共阴极单元22上的独立阴极211均电性连接至驱动电路模块1的地端。

共阴极单元22中台阶顶部的金属格栅208和第二凸点金属层2011的总厚度和VCSEL单元21中台阶顶部的独立阳极210和第二凸点金属层2011的总厚度完全相同，使得后续连接驱动电路模块1时进行金属凸点焊的时候共阴极单元22和VCSEL单元21的高度完全一致，从而保证VCSEL阵列贴片高度完全一致，从而保证微透镜模块3所有的微透镜的中心在同一平面上，使得每个VCSEL单元21的出光表面位于微透镜的焦平面上，使得所有VCSEL单元21与微透镜模块3中的透镜的焦平面完全一一对准，从而达到汇聚出光的目的，增大了激光器阵列发射光角度。

如图5～7，驱动电路模块1包括：M×N个驱动单元11和多个接地单元12，各驱动单元11对应地设于各VCSEL单元21下并与各VCSEL单元21电性连接，接地单元12的数量与共阴极单元22的数量相同，优选的，与VCSEL单元21和共阴极单元22构成阵列类似，驱动单元11和接地单元12构成(M+2k)×(N+2k)阵列，各接地单元12对应地设于各共阴极单元22下并与对应的共阴极单元22电性连接。具体的，驱动电路模块1可使用标准的硅基大规模集成电路，倾向于使用数字/模拟混合电路以实现激光器单元(VCSEL单元21)的驱动和逻辑控制的单片集成，可采用CMOS(互补型金属氧化物半导体)芯片工艺制作。驱动单元11可以包括：衬底107、位于衬底107上的前道工艺层(FEOL层)106、位于前道工艺层106上的后道工艺层105、位于后道工艺层105上的顶层金属层102和电连接结构101，其中，前道工艺层106可以包括晶体管电路的源极、栅极、漏极、介质层、隔离沟道等。后道工艺层105可以包括多层内部金属层103、顶层金属层102以及连接多层内部金属层103的通孔104，其工艺材质可以是基于铜互连，也可以是基于铝/钨互联工艺，从而实现图7所示的电路结构。值得注意的是，顶部金属层102为凸点焊金属的防扩散层或者种层，采用的金属包括Ti，Ni，Au等。电连接结构101可以为共晶焊金属球，其材质首选为Sn，或者In，Ag，Au及其合金。该共晶焊金属球(电连接结构101)可采用电镀的方式沉积，然后进行回流退火形成高度一致的金属球。驱动电路模块1的驱动单元11和接地单元12的结构相似并且在高度上的尺寸相同。驱动电路模块1的驱动单元11和接地单元12具有相似的剖面结构，驱动单元11和接地单元12均是同样的生长工艺同时形成的，只不过接地单元12的后道工艺层的多层内部金属层通过通孔直接与衬底电性相连，从而使得共阴极单元直接接到驱动电路模块1的地端，从而使得VCSEL模块2能够一次性集成于驱动电路模块1上，并且不会产生VCSEL模块2顶面不平整的问题，即不会产生各VCSEL单元21高度不一致的问题。

驱动电路模块1还包括：控制单元14和I/O接口单元13，I/O接口单元13、控制单元14和驱动单元11依次电性相连，I/O接口单元13和控制单元14可以设计集成于接地单元的外围，I/O接口单元13可以通过驱动电路模块1外围的管线引脚109接收外部信号，结合参考图2和图7，I/O接口单元13接收外部信号并反馈给控制单元14，控制单元14根据外部信号处理得到一选址信号和一数据信号，并将选址信号和数据信号传输给驱动单元11以使各驱动单元11对应控制各VCSEL单元21的开启和关断。具体的，图7显示了一种可能的驱动单元11所具有的电路结构，其使用两个硅晶体管T1和T2来控制发光二极管(VCSEL单元21)。驱动单元11接收控制单元14的选址信号从而选中阵列中一驱动单元11，在驱动单元11中，硅晶体管T1为选通晶体管，当选址信号选通该驱动单元时，硅晶体管T1导通，接着控制单元14输出的数据信号传递到硅晶体管T2的栅极。CS为电流源，为VCSEL单元21提供电流驱动。硅晶体管T2为驱动晶体管，同电流源CS串联，这样该数据信号可以用来控制VCSEL单元21的开关。电路中的电容C用来存储该数据信号，保证在VCSEL单元21的选通时间内，硅晶体管T2的栅极可以获得稳定的电压信号。

如图8，微透镜模块3包括：M×N阵列式的微透镜阵列，VCSEL阵列的出光面与微透镜阵列的焦平面重合，微透镜阵列与VCSEL阵列有源对准，其中，微透镜阵列中的任意一微透镜单元31包括：曲面透镜301，透明衬底302以及第二键合层303。微透镜单元31为正焦透镜，其中，曲面透镜301可以为单曲面透镜，也可以为双曲面透镜，图8中仅示意单曲面。曲面透镜301的材质和透明衬底302的材质可以相同，也可以不同，曲面透镜301可采用的材料包括：Al₂O₃、石英、玻璃、Si₃N₄、AlN等等。较佳的，微透镜阵列可以为蓝宝石微透镜阵列、玻璃微透镜阵列或树脂微透镜阵列等等。第二键合层303同VCSEL模块2(VCSEL单元21)中的第一键合层207的材料一致，VCSEL模块2倒置以电学连接键合方式固定于驱动电路模块1上，并且第一键合层207与第二键合层303键合从而使得驱动电路模块1、VCSEL模块2和微透镜模块3在空间上堆叠在一起。微透镜模块3中，共阴极单元22上方对应的微透镜模块3的位置上可以有透镜单元31，也可以没有透镜单元31。通过调节透明衬底302的厚度，使得微透镜单元31的焦平面正好位于第二键合层303同透明衬底302的界面处，使得每个VCSEL单元21的出光表面位于微透镜的焦平面上，从而达到汇聚出光的目的，但是每个微透镜单元31的光轴和其下对应的VCSEL单元21的出光面中心的相对位置有微小差别，这样就可以调整单个激光光束的空间指向。

如图9，驱动电路模块1、VCSEL模块2和微透镜模块3通过键合的方式垂直堆叠在一起，从而构成本发明提供的阵列器件。VCSEL模块2和微透镜模块3之间通过第一键合层207和第二键合层303进行晶圆级键合，优选的，两者都具有平整的表面，可通过范德华力进行键合，这样得到的键合界面可以承受高温工艺处理，而且对红外/可见光波段透明。驱动电路模块1和VCSEL模块2之间通过电连接结构101和第一凸点金属层201进行金属共晶焊连接，以锡金合金共晶焊为例，电连接结构101为锡金合金球，第一凸点金属层201为含金金属层，通过倒装焊的方法，两者接触以后在100℃-300℃范围内即可形成合金，无需助焊剂。同样的，第二凸点金属层2011与其底部的电连接结构进行金属共晶焊连接以使共阴极单元22倒置焊接固定于接地单元12上。另外，为了减少锡球之间的空隙，提高器件运行的热稳定性和可靠性，可以在VCSEL模块2和微透镜模块3之间施加灌封胶层108，所用的材料包括但不限于环氧树脂、硅胶。

Claims (10)

1.一种VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：包括驱动电路模块(1)、VCSEL模块(2)和微透镜模块(3)，所述驱动电路模块(1)和VCSEL模块(2)电性连接，所述微透镜模块(3)设于VCSEL模块(2)上；

所述VCSEL模块(2)包括VCSEL单元(21)形成的VCSEL阵列和共阴极单元(22)，所述共阴极单元(22)设于VCSEL阵列的四周；

所述VCSEL单元(21)包括独立阳极(210)和独立阴极(211)，所述独立阴极(211)均电性连接至共阴极单元(22)，所述共阴极单元(22)电性连接至驱动电路模块(1)的地端，所述独立阳极(210)电性连接至驱动电路模块(1)的正极端。

2.根据权利要求1所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述VCSEL单元(21)还包括依次堆叠的n型接触层(206)、n型DBR层(205)、有源层(204)、电流限制层(203)和p型DBR层(202)，所述n型接触层(202)中形成凹部(2061)，所述凹部(2061)与独立阴极(211)相连，所述p型DBR层(202)与独立阳极(210)相连。

3.根据权利要求2所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述VCSEL单元(21)还包括第一凸点金属层(201)，所述第一凸点金属层(201)与独立阳极(210)相连，所述独立阳极(210)通过第一凸点金属层(201)电性连接至驱动电路模块(1)的正极端。

4.根据权利要求2所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述VCSEL单元(21)还包括金属格栅(208)，所述金属格栅(208)的一部分与独立阴极(211)相连，另一部分覆盖共阴极单元(22)。

5.根据权利要求4所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述共阴极单元(22)包括共阴极本体和第二凸点金属层(2011)，所述金属格栅(208)部分覆盖共阴极本体，所述第二凸点金属层(2011)与共阴极单元(22)顶端的金属格栅(208)相连，通过第二凸点金属层(2022)，引出至共阴极单元(22)上的独立阴极(211)均电性连接至驱动电路模块(1)的地端。

6.根据权利要求1所述的一种VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述VCSEL单元(21)的数量为M×N个，M为VCSEL阵列的行数，N为VCSEL阵列的列数，M为大于1的整数，N为大于1的整数，所述VCSEL单元(21)和共阴极单元(22)构成(M+2k)×(N+2k)阵列，2k为共阴极单元(22)的总行数或总列数，k为大于或者等于1的整数。

7.根据权利要求1所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述驱动电路模块(1)包括驱动单元(11)和接地单元(12)，所述驱动单元(11)对应地设于VCSEL单元(21)下并与其电性连接，所述接地单元(12)对应地设于共阴极单元(22)下并与其电性连接。

8.根据权利要求7所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述驱动电路模块(1)还包括控制单元和I/O接口单元，所述I/O接口单元、控制单元和驱动单元(11)依次电性相连，所述I/O接口单元接收外部信号并反馈给控制单元，所述控制单元根据外部信号处理得到选址信号和数据信号，并将选址信号和数据信号传输给驱动单元(11)，以使各驱动单元对应控制各VCSEL单元(21)的开启和关断。

9.根据权利要求1所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述微透镜模块(3)包括微透镜单元(31)形成的微透镜阵列，所述VCSEL阵列的出光面与微透镜阵列的焦平面重合。

10.根据权利要求9所述的VCSEL单元单独可控的激光器，其特征在于：所述微透镜阵列为蓝宝石微透镜阵列、玻璃微透镜阵列或树脂微透镜阵列。

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