CN208782239U - 一种vcsel和apd集成芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及探测技术领域，公开了一种VCSEL和APD集成芯片，集成芯片包括信号发射单元、信号接收单元、控制单元和数据处理单元，信号发射单元包括叠层的第一信号接收结构层和第一信号发射结构层，信号接收单元包括叠层的第二信号接收结构层和第二信号发射结构层，第一信号发射结构层电极电连接至信号发射单元一侧，形成接触点，第二信号接收结构层电极电连接至信号接收单元的一侧，形成接触点，各接触点分别连接控制单元和数据处理单元。第一信号接收结构层和第二信号接收结构层为APD结构层，第一信号发射结构层和第二信号发射结构层为VCSEL结构层。本实用新型实现了VCSEL和APD高度集成的光电感测系统。

Description

一种VCSEL和APD集成芯片

技术领域

本实用新型涉及探测技术领域，具体涉及一种VCSEL和APD集成芯片。

背景技术

由于垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有阈值电流低、寿命长、调制速率快、发散角小等优点，其通常会与雪崩光电二极管(APD)组合应用于激光雷达和三维感测等领域。

但目前的激光雷达和三维感测技术领域中，激光器和探测器均各自分装成独立的模块，无法实现单片集成。另外，激光器与其控制电路之间、探测器与其读出电路之间以及控制电路与读出电路之间均无法实现高度集成。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题是：现有技术中，激光器和探测器集成度低。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种VCSEL和APD集成芯片，包括：

信号发射单元，设置于衬底上，包括叠层设置的第一信号接收结构层和第一信号发射结构层，所述第一信号发射结构层上设置有第一顶电极和第一底电极，所述第一顶电极和所述第一底电极分别电连接至所述信号发射单元一侧表面，形成第一顶接触点和第一底接触点；

信号接收单元，设置于所述衬底上，与所述信号发射单元在水平方向上彼此分隔，包括叠层设置的第二信号接收结构层以及第二信号发射结构层，所述第二信号接收结构层上设置有第二顶电极和第二底电极，所述第二顶电极和所述第二底电极分别电连接至所述信号接收单元一侧表面，形成与所述第一顶接触点、所述第一底接触点位于同一平面上的第二顶接触点、第二底接触点；

控制单元，与所述第一顶接触点和所述第一底接触点连接，用于控制所述第一信号发射结构层发出激光信号至目标物；

数据处理单元，与所述第二顶接触点和所述第二底接触点连接，用于对所述目标物反射回来的激光信号进行分析处理；

第一光路调节单元，与所述信号发射单元连接，用于将所述第一信号发射结构层发出的激光整形为平行光发射至所述目标物；

第二光路调节单元，与所述信号接收单元连接，用于将所述目标物反射回来的激光整形为平行光发射至第二信号接收结构层；

所述第一信号接收结构层和所述第二信号接收结构层均为雪崩光电二极管(APD)结构层，所述第一信号发射结构层和所述第二信号发射结构层均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层。

可选地，所述信号发射单元的出光面和所述信号接收单元的入光面位于所述衬底的同一侧。

可选地，所述第一顶接触点和所述第一底接触点位于所述信号发射单元远离出光面的一侧表面，所述第二顶接触点和所述第二底接触点位于所述信号接收单元远离入光面的一侧表面。

可选地，所述控制单元通过铟柱与所述第一顶接触点、所述第一底接触点连接，所述数据处理单元通过铟柱与所述第二顶接触点、所述第二底接触点连接。

可选地，所述第一光路调节单元为凸面朝向所述信号发射单元的第一透镜组件；所述第二光路调节单元为凸面朝向所述目标物的第二透镜组件。

可选地，所述第一透镜组件为微透镜阵列，所述第二透镜组件为菲涅尔透镜。

可选地，所述信号发射单元发出的激光信号的波长大于等于1400nm。可选地，所述雪崩光电二极管(APD)结构层包括叠层设置的窗口层、吸收区、组分渐变区、电荷区、雪崩放大区、集电极层以及接触层；

所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层包括叠层设置的第一保护层、上分布反馈布拉格反射镜、第一间隔层、第一电流限制层、有源区、第二电流限制层、第二间隔层、下分布反馈布拉格反射镜以及第二保护层。

本实用新型实施例还提供了一种VCSEL和APD集成芯片的制备方法，包括：

在衬底上形成若干彼此分隔的信号发射单元和信号接收单元，所述信号发射单元包括叠层设置的第一信号接收结构层和第一信号发射结构层，所述信号接收单元包括叠层设置的第二信号接收结构层和第二信号发射结构层，其中，所述第一信号接收结构层和所述第二信号接收结构层均为雪崩光电二极管(APD)结构层，且同层制备，所述第一信号发射结构层和所述第二信号发射结构层均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层，且同层制备；

在所述第一信号发射结构层上形成第一顶电极和第一底电极，在所述第二信号接收结构层上形成第二顶电极和第二底电极；

将所述第一顶电极和所述第一底电极电连接至所述信号发射单元远离出光面的一侧表面，形成第一顶接触点和第一底接触点；将所述第二顶电极和所述第二底电极电连接至所述信号接收单元远离入光面的一侧表面，形成与所述第一顶接触点、所述第一底接触点位于同一平面上的第二顶接触点和第二底接触点；

将所述第一顶接触点、所述第一底接触点与控制单元电连接，将所述第二顶接触点、所述第二底接触点与所述数据处理单元连接。

可选地，还包括：

在所述信号发射单元的出光面上设置第一光路调节单元；

和/或，在所述信号接收单元的入光面上设置第二光路调节单元。

本实用新型的技术方案，具有如下优点：

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，信号发射单元和信号接收单元设置于同一个衬底上，相对于传统的探测器和激光器分开独立封装的方式，本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片中信号发射单元和信号接收单元便于集成于同一块主板上，集成度较高，实现VCSEL和APD高度集成的光电感测系统。且缩小了该VCSEL和APD集成芯片的体积，符合小型化发展趋势。

信号发射单元包括在衬底上叠层设置的第一信号接收结构层和第一信号发射结构层，信号接收单元包括在衬底上叠层设置的第二信号接收结构层和第二信号发射结构层，且第一信号发射结构层上设置有第一顶电极和第一底电极，第二信号接收结构层上设置有第二顶电极和第二底电极。即是说，信号发射单元和信号接收单元均包括堆叠设置的信号接收结构层和信号发射结构层，制备该VCSEL和APD集成芯片时，可一次性形成信号发射单元中的第一信号接收结构层和信号接收单元中的第二信号接收结构层，可一次性形成信号发射单元中的第一信号发射结构层和信号接收单元中的第二信号发射结构层。后续在信号发射单元中的第一信号发射结构层上设置第一顶电极和第一底电极，以使信号发射单元实现信号发射功能，在信号接收单元中的第二信号接收结构层上设置第二顶电极和第二底电极，以使信号接收单元实现信号接收功能，由此实现信号发射单元和信号接收单元的集成度，并简化了制备工艺。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，信号发射单元的出光面和所述信号接收单元的入光面位于所述衬底的同一侧，由此便于制备，且激光在同一表面上出射和入射。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，第一顶电极和第一底电极分别电连接至信号发射单元远离出光面的一侧表面上，形成第一顶接触点和第一底接触点；第二顶电极和第二底电极分别电连接至信号接收单元远离入光面的一侧表面，形成第二顶接触点和第二底接触点。电极接触点的设置有助于在信号发射单元和信号接收单元上进一步集成其他结构，主要是电路结构，有助于实现信号发射单元和信号接收单元与各自电路结构的高度集成。另外，信号发射单元和信号接收单元的电极接触点均设置于远离激光出射面和入射面的一侧，由此提高了该VCSEL和APD集成芯片的开口率，有利于提高激光通量。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，第一顶接触点、第一底接触点以及第二顶接触点、第二底接触点位于同一平面。即，当信号发射单元通过第一顶接触点和第一底接触点与其对应的电路结构连接，以及当信号接收单元通过第二顶接触点和第二底接触点与其对应的电路结构连接时，两种电路结构也位于同一平面上，即可集成于同一主板上，提高了各个电路结构之间的集成度。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，第一顶接触点和第一底接触点与控制单元连接，控制单元用于控制第一信号发射单元发出激光信号，第二顶接触点和第二底接触点与数据处理单元连接，数据处理单元用于对信号接收单元接收到的目标物反射回来的激光信号进行处理分析。由此，控制单元和数据处理单元可以集成于同一主板上，并且降低了寄生电容，提高了信号发射单元的脉冲调制频率。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，信号发射单元的出光面上连接有第一光路调节单元，第一光路调节单元为凸面朝向信号发射单元的第一透镜组件；信号接收单元的入光面上连接有第二光路调节单元，第二光路调节单元为凸面朝向目标物的第二透镜组件。凸面朝向信号发射单元的第一透镜组件的设置有助于将信号发射单元发射出去的激光整形为平行出射的激光，提高激光投射至目标物时的高准直性，使得绝大多数光能够照射至目标物，且提高了由目标物反射回来的激光的比例。

凸面朝向目标物的第二透镜组件的设置，有助于将目标物反射回来的激光整形为平行光到达信号接收单元，反射回来的大部分激光能够被信号接收模块所接收，有效提高了激光的利用率，同时降低了该VCSEL和APD集成芯片的功率，降低了功耗。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，信号发射单元发出的激光信号的波长大于等于1400nm。根据人眼生理和光学结构的研究发现，波长大于等于1400nm的光无法透射至视网膜中，即使采用较高的功率输出也不会对人眼造成伤害。因此使用波长大于等于1400nm的长波长信号发射单元作为激光光源，可实现更远的探测距离，更高的分辨率和安全性。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片的制备方法，首先在衬底上形成若干彼此分隔的信号发射单元和信号接收单元，信号发射单元包括叠层设置的第一信号接收结构层和第一信号发射结构层，信号接收单元包括叠层设置的第二信号接收结构层和第二信号发射结构层；然后在第一信号发射结构层上形成第一顶电极和第一底电极，在第二信号接收结构层上形成第二顶电极和第二底电极；接着将第一顶电极和第一底电极电连接至信号发射单元远离出光面的一侧表面，形成第一顶接触点和第一底接触点；将第二顶电极和第二底电极电连接至信号接收单元远离入光面的一侧表面，形成第二顶接触点和第二底接触点；最后将第一顶接触点和第一底接触点与控制单元电连接，将第二顶接触点和第二底接触点与数据处理单元连接。

上述制备方法中，信号发射单元和信号接收单元形成于同一个衬底上，相对于传统的探测器和激光器分开独立封装的方式，本实用新型实施例制备出来的VCSEL和APD集成芯片中信号发射单元和信号接收单元便于集成于同一块主板上，集成度较高，缩小了该VCSEL和APD集成芯片的体积，符合小型化发展趋势。

另外，制备该VCSEL和APD集成芯片时，可一次性形成信号发射单元中的第一信号接收结构层和信号接收单元中的第二信号接收结构层，可一次性形成信号发射单元中的第一信号发射结构层和信号接收单元中的第二信号发射结构层。后续在信号发射单元中的第一信号发射结构层上设置第一顶电极和第一底电极，以使信号发射单元实现信号发射功能，在信号接收单元中的第二信号接收结构层上设置第二顶电极和第二底电极，以使信号接收单元实现信号接收功能，由此实现信号发射单元和信号接收单元的集成度，并简化了制备工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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-图9为本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片的制备工艺流程图；

附图标记：

1-衬底；

2-信号发射单元；21-第一信号接收结构层；211-出光孔；22-第一信号发射结构层；221-第一保护层；222-上分布反馈布拉格反射镜；223-第一间隔层；224-第一电流限制层；225-有源区；226-第二电流限制层；227-第二间隔层；228-下分布反馈布拉格反射镜；229-第二保护层；2210-第一顶电极；2211-第一底电极；

3-信号接收单元；31-第二信号接收结构层；311-窗口层；312-吸收区；313-组分渐变区；314-电荷区；315-雪崩放大区；316-集电极层；317-接触层；318-第二顶电极；319-第二底电极；32-第二信号发射结构层；

4-中间势垒层；5-缓冲层；6-聚酰亚胺树脂；7-增透膜；8-控制单元；9-数据处理单元；10-铟柱；11-第一光路调节单元；12-第二光路调节单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实用新型实施例提供了一种VCSEL和APD集成芯片，如图1-9所示，包括衬底1，衬底1上设置有沿水平方向分布的且彼此分隔的信号发射单元2和信号接收单元3；信号发射单元2包括在衬底1上叠层设置的第一信号接收结构层21和第一信号发射结构层22；信号接收单元3包括在衬底1上叠层设置的第二信号接收结构层31和第二信号发射结构层32。

本实施例中，信号发射单元2中的第一信号发射结构层22和信号接收单元3中的第二信号发射结构层32优选为垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构。信号发射单元2中的第一信号接收结构层21和信号接收单元3中的第二信号接收结构层31优选为雪崩光电二极管探测器(APD)结构。

垂直腔面发射激光器具有阈值电流低、无灾难性性光损伤(COD)、寿命长、稳定单波长工作、调制速率快、发散角小、耦合效率低等优点，并且光束质量远高于边发射激光器(EEL)和LED，这使得垂直腔面发射激光器在高速光通讯、激光雷达以及三维感测与成像等技术领域中具有较高的应用价值。

雪崩光电二极管探测器(APD)具有灵敏度高、体积小且速度快等优点，根据材料的选择，雪崩光电二极管的响应波段在可达到900nm-1700nm，峰值波长在1550nm，适用于高速、高灵敏度光电检测，广泛应用于长距离光通讯领域。

因此，选用垂直腔面发射激光器和雪崩光电二极管探测器分别作为信号发射结构层和信号接收结构层，有效保证了该VCSEL和APD集成芯片的优良的使用性能。

需要说明的是，图中示出的信号发射单元2仅是一个垂直腔面发射激光器，实际应用时，信号发射单元2可以包括多个垂直腔面发射激光器，即为垂直腔面发射激光器阵列。同样的，图中示出的信号接收单元3仅是一个垂直腔面发射激光器周边的两个雪崩光电二极管，实际应用时，信号接收单元3可以包括多个雪崩光电二极管，即为雪崩光电二极管阵列。

在制备该VCSEL和APD集成芯片时，一般是在衬底1上同时形成信号发射单元2中的第一信号接收结构层21和信号接收单元3中的第二信号接收结构层31，再在其上同时形成信号发射单元2中的第一信号发射结构层22和信号接收单元3中的第二信号发射结构层32。最后通过光刻刻蚀技术对衬底1上所形成的结构层进行分割，形成分隔开的信号发射单元2和信号接收单元3。

本实施例中，第一信号发射结构层22上设置有第一顶电极2210和第一底电极2211；第二信号接收结构层31上设置有第二顶电极318和第二底电极319。即，在信号发射单元2中，实际发挥作用的为第一信号发射结构层22，通过第一顶电极2210和第一底电极2211的电信号的传输可实现信号发射单元2的信号发射功能。在信号接收单元3中，实际发挥作用的为第二信号接收结构层31，通过第二顶电极318和第二底电极319的电信号传输可实现信号接收单元3的信号接收功能。

本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片，信号发射单元2和信号接收单元3设置于同一个衬底1上，相对于传统的探测器和激光器分开独立封装的方式，本实用新型实施例提供的VCSEL和APD集成芯片中信号发射单元2和信号接收单元3便于集成于同一块主板上，集成度较高，缩小了该VCSEL和APD集成芯片的体积，符合小型化发展趋势。

作为一种可选实施方式，本实施例中，垂直腔面发射激光器包括叠层设置的第一保护层221、上分布反馈布拉格反射镜222(DBR)、第一间隔层223、第一电流限制层224、有源区225、第二电流限制层226、第二间隔层227、下分布反馈布拉格反射镜228(DBR)以及第二保护层229。其中，上述各层的材料如下表所示：

作为一种可选实施方式，本实施例中，雪崩光电二极管探测器包括叠层设置的窗口层311、吸收区312、组分渐变区313、电荷区314、雪崩放大区315、集电极层316以及接触层317。其中，上述各层材料如下表所示：

作为一种可选实施方式，本实施例中，雪崩光电二极管的接触层317和垂直腔面发射激光器的第一保护层221相邻，两者之间设置有中间势垒层4，中间势垒层4优选为500nm的I-InP材料。

作为一种可选实施方式，本实施例中，衬底1为P-InP材料，其掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。衬底1与雪崩光电二极管的窗口层311相邻，两者之间还设置有缓冲层5，缓冲层5优选为500nm的P-InP材料，其掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3。

其中，第一顶电极2210为N电极，其可以设置于第一信号发射结构层22中的第二间隔层227上，第一底电极2211为P电极，其可以设置于第一信号发射结构层22中的第一间隔层223上。第二顶电极318为N电极，其可以设置于第二信号接收结构层31中的接触层317上，第二底电极319为P电极，其可以设置于缓冲层5上。

作为一种可选实施方式，本实施例中，信号发射单元2的出光面和信号接收单元3的入光面位于衬底1的同一侧。进一步优选地，信号发射单元2的出光面位于第一信号接收结构层21靠近衬底1的一侧，信号接收单元3的入光面位于第二信号接收结构层31靠近衬底1的一侧。由于信号发射单元2中的第一信号发射结构层22与衬底1之间还间隔由第一信号接收结构层21，因此，本实施例中，在第一信号接收结构层21中还开设有延伸至第一信号发射结构层22的出光孔211，由此，使得激光能够从出光孔211发射出。

作为一种可选实施方式，本实施例中，衬底1的厚度为0-20微米，由此可减少对出射激光和入射激光的阻挡，避免过厚的衬底1会影响探测效果。

作为一种可选实施方式，本实施例中，在衬底1上还设置有增透膜7，增透膜7优选为氮化硅材料制成，不仅可以增加出光效率和反射光的入射效率，并且有助于保护信号接收结构层的材料不受外界环境影响。

作为一种可选实施方式，本实施例中，第一顶电极2210和第一底电极2211分别电连接至信号发射单元2远离出光面的一侧表面上，形成第一顶接触点和第一底接触点；第二顶电极318和第二底电极319分别电连接至信号接收单元3远离入光面的一侧表面，形成第二顶接触点和第二底接触点。

具体地，第一顶电极2210、第一底电极2211、第二顶电极318以及第二底电极319分别采用爬坡方式在信号发射结构层中的第二保护层229上形成第一顶接触点、第一底接触点、第二顶接触点以及第二底接触点。

电极接触点的设置有助于在信号发射单元2和信号接收单元3上进一步集成其他结构，主要是电路结构，有助于实现信号发射单元2和信号接收单元3与各自电路结构的高度集成。另外，信号发射单元2和信号接收单元3的电极接触点均设置于远离激光出射面和入射面的一侧，由此提高了该VCSEL和APD集成芯片的开口率，有利于提高激光通量。

另外，为了防止各器件结构层受到影响，信号发射单元2和信号接受单元的外侧和顶部均设置有氮化硅保护层，即电极与接触点之间的导电坡段与器件结构之间间隔由氮化硅保护层。

优选地，本实施例中，第一顶接触点、第一底接触点以及第二顶接触点、第二底接触点位于同一平面。信号发射单元2和信号接收单元3中的信号接收结构层和信号发射结构层均为同层制备，且厚度一致，因此，信号发射单元2远离出光面的一侧与信号接收单元3远离入光面的一侧位于同一平面上，即，第一顶接触点、第一底接触点以及第二顶接触点、第二底接触点也是位于同一平面。

当信号发射单元2通过第一顶接触点和第一底接触点与其对应的电路结构连接，以及当信号接收单元3通过第二顶接触点和第二底接触点与其对应的电路结构连接时，两种电路结构也位于同一平面上，即可集成于同一主板上，提高了各个电路结构之间的集成度。

作为一种可选实施方式，本实施例中，第一顶接触点和第一底接触点与控制单元8连接，控制单元8用于控制第一信号发射单元2发出激光信号。第二顶接触点和第二底接触点与数据处理单元9连接，数据处理单元9用于对信号接收单元3接收到的目标物反射回来的激光信号进行处理分析。由此，控制单元8和数据处理单元9可以集成于同一主板上，并且降低了寄生电容，提高了信号发射单元2的脉冲调制频率。

具体地，接触点与控制单元8以及数据处理单元9之间的连接方式优选为铟柱10连接。由于铟导电性能较强，采用铟柱作为接触点与控制单元、数据处理单元之间的连接材料，提高了该集成芯片的稳定性。

作为一种可选实施方式，本实施例中，信号发射单元2的出光面上连接有第一光路调节单元11，第一光路调节单元11为凸面朝向信号发射单元2的第一透镜组件；信号接收单元3的入光面上连接有第二光路调节单元12，第二光路调节单元12为凸面朝向目标物的第二透镜组件。

凸面朝向信号发射单元2的第一透镜组件的设置有助于将信号发射单元2发射出去的激光整形为平行出射的激光，提高激光投射至目标物时的高准直性，使得绝大多数光能够照射至目标物，且提高了由目标物反射回来的激光的比例。

凸面朝向目标物的第二透镜组件的设置，有助于将目标物反射回来的激光整形为平行光到达信号接收单元3，反射回来的大部分激光能够被信号接收模块所接收，有效提高了激光的利用率，同时降低了该VCSEL和APD集成芯片的功率，降低了功耗。

其中，信号发射单元2为垂直腔面发射激光器阵列时，第一光路调节单元11对应的可为微透镜阵列，信号接收单元3为雪崩光电二极管阵列时，第二光路调节单元12对应的可为菲涅尔透镜。需要说明的是，这里所说的菲涅尔透镜为传统的菲涅尔透镜的外围环状结构，其中心的凸透镜由上述微透镜阵列所替代。

作为一种可选实施方式，本实施例中，信号发射单元2发出的激光信号的波长大于等于1400nm。根据人眼生理和光学结构的研究发现，波长大于等于1400nm的光无法透射至视网膜中，即使采用较高的功率输出也不会对人眼造成伤害。因此使用波长大于等于1400nm的长波长信号发射单元2作为激光光源，可实现更远的探测距离，更高的分辨率和安全性。

进一步优选地，激光信号的波长为1550nm。这是由于1550nm波长的激光是自由空间光通讯(FSO)的重要光源，其在空气中可长距离传播，有利于消除恶劣气候的影响，以及避免对人眼造成伤害。

实施例2

本实用新型实施例提供了一种VCSEL和APD集成芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤S21、在衬底1上形成若干彼此分隔的信号发射单元2和信号接收单元3，信号发射单元2包括叠层设置的第一信号接收结构层21和第一信号发射结构层22，信号接收单元3包括叠层设置的第二信号接收结构层31和第二信号发射结构层32，其中，所述第一信号接收结构层21和所述第二信号接收结构层31均为雪崩光电二极管(APD)结构层，且同层制备，所述第一信号发射结构层22和所述第二信号发射结构层32均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层，且同层制备。

具体地，步骤S21包括：

步骤S211、在衬底1上依次形成叠层设置的信号接收结构层和信号发射结构层。其中，信号接收结构层和信号发射结构层优选为雪崩光电二极管探测器结构层和垂直腔面发射激光器结构层。具体结构和材料在实施例1中已详细说明，在此不再赘述。

步骤S212、对堆叠设置的信号接收结构层和信号发射结构层进行刻蚀，形成彼此分隔开的信号发射单元2和信号接收单元3。其中，信号发射单元2中的信号接收结构层和信号发射结构层分别为第一信号接收结构层21和第一信号发射结构层22，信号接收单元3中的信号接收结构层和信号发射结构层分别为第二信号接收结构层31和第二信号发射结构层32。

优选地，在步骤S211中，在信号接收结构层和信号发射结构层之间还形成有中间势垒层4。中间势垒层4的材料类型请参考实施例1。

优选地，在步骤S21之前，还包括在衬底1上形成缓冲层5的步骤。缓冲层5的材料类型请参考实施例1。

步骤S22、在第一信号发射结构层22上形成第一顶电极2210和第一底电极2211，在第二信号接收结构层31上形成第二顶电极318和第二底电极319。

优选地，步骤S22包括：

步骤S221、在第一信号发射结构层22上形成第一顶电极2210台阶面和第一底电极2211台阶面，在第二信号接收结构层31上形成第二顶电极318台阶面和第二底电极319台阶面；

步骤S222、在第一顶电极2210台阶面、第一底电极2211台阶面、第二顶电极318台阶面和第二底电极319台阶上分别形成第一顶电极2210、第一底电极2211、第二顶电极318以及第二底电极319。

步骤S23、将第一顶电极2210和第一底电极2211电连接至信号发射单元2远离出光面的一侧表面，形成第一顶接触点和第一底接触点；将第二顶电极318和第二底电极319电连接至信号接收单元3远离入光面的一侧表面，形成与所述第一顶接触点、所述第一底接触点位于同一平面上的第二顶接触点和第二底接触点。

具体地，采用爬坡方式将第一顶电极2210和第一底电极2211牵引至信号发射单元2远离出光面的一侧表面，形成第一顶接触点和第一底接触点；将第二顶电极318和第二底电极319电连接至信号接收单元3远离入光面的一侧表面，形成第二顶接触点和第二底接触点。

本实施例中，第一顶接触点、第一底接触点、第二顶接触点和第二底接触点均位于同一平面。

步骤S24、将第一顶接触点和第一底接触点与控制单元8电连接，将第二顶接触点和第二底接触点与数据处理单元9连接。

即，将信号发射单元2中的第一信号发射结构层22与控制单元8电连接，实现信号发射单元2的信号发射功能，以及将信号接收单元3的第二信号接收结构层31与数据处理单元9电连接，实现信号接收单元3的信号接收功能。

具体地，步骤S24中是通过铟柱10实现互连。

优选地，步骤S24之后还包括步骤S25：对衬底1进行减薄，使其厚度小于20微米。由此可减少对出射激光和入射激光的阻挡，避免过厚的衬底1会影响探测效果。

优选地，步骤S25之后还包括步骤S26：在第一信号接收结构层21开设有延伸至第一信号发射结构层22的出光孔211。由此使得激光信号能够从出光孔211发射出。

优选地，步骤S26之后还包括步骤S27：在衬底1远离信号接收结构层的一侧表面形成增透膜7，增透膜7优选为氮化硅材料制成，不仅可以增加出光效率和反射光的入射效率，并且有助于保护信号接收结构层的材料不受外界环境影响。

优选地，在步骤S27之后还包括步骤S28：在信号发射单元2的出光面上连接设置第一光路调节单元11，以及在信号接收单元3的入光面上连接设置第二光路调节单元12。

本实施例中，第一光路调节单元11为凸面朝向信号发射单元2的第一透镜组件；信号接收单元3的入光面上连接有第二光路调节单元12，第二光路调节单元12为凸面朝向目标物的第二透镜组件。凸面朝向信号发射单元2的第一透镜组件的设置有助于将信号发射单元2发射出去的激光整形为平行出射的激光，提高激光投射至目标物时的高准直性，使得绝大多数光能够照射至目标物，且提高了由目标物反射回来的激光的比例。凸面朝向目标物的第二透镜组件的设置，有助于将目标物反射回来的激光整形为平行光到达信号接收单元3，反射回来的大部分激光能够被信号接收模块所接收，有效提高了激光的利用率，同时降低了该VCSEL和APD集成芯片的功率，降低了功耗。

其中，信号发射单元2为垂直腔面发射激光器阵列时，第一光路调节单元11对应的可为微透镜阵列，信号接收单元3为雪崩光电二极管阵列时，第二光路调节单元12对应的可为菲涅尔透镜。需要说明的是，这里所说的菲涅尔透镜为传统的菲涅尔透镜的外围环状结构，其中心的凸透镜由上述微透镜阵列所替代。

本实施例提供的制备方法，信号发射单元2和信号接收单元3形成于同一个衬底1上，相对于传统的探测器和激光器分开独立封装的方式，本实用新型实施例制备出来的VCSEL和APD集成芯片中信号发射单元2和信号接收单元3便于集成于同一块主板上，集成度较高，缩小了该VCSEL和APD集成芯片的体积，符合小型化发展趋势。

另外，信号发射单元2与其对应的控制单元8通过铟柱10互连，信号接收单元3与其对应的数据处理单元9通过铟柱10互连，实现了信号发射单元2与控制单元8之间的高度集成，实现了信号接收单元3与数据处理单元9之间的高度集成。同时，数据处理单元9和控制单元8位于同一平面上，有助于将两者集成在一起，提高了各电路结构之间的集成度。

实施例3

本实用新型实施例提供了一种上述实施例2所提供的VCSEL和APD集成芯片的制备方法的具体示例。包括以下步骤：

步骤1：在P-InP衬底上依次形成缓冲层、雪崩光电二极管(APD)结构层、中间势垒层以及垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层。具体结构和材料同实施例1。利用双面套刻以及配置光学发射光谱(OES)功能的感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法，以厚氮化硅(SiN_X)作为掩膜，刻蚀到P-InP缓冲层的顶部，在正面形成InGaAs APD的圆柱状台面，在InP衬底背面形成APD阵列的图形和对版标记(见图1)。

步骤2：利用配置OES功能的ICP干法刻蚀方法，以氮化硅作为掩膜，刻蚀到接触层的顶部，形成APD的N型下电极接触层台阶(见图2)。

步骤3：利用双面套刻以及配置光学发射光谱(OES)功能的感应耦合等离子体(ICP)方法，以氮化硅(SiN_X)作为掩膜，刻蚀到第一保护层的顶部，分别在正面形成VCSEL台面，在InP衬底背面形成VCSEL出光孔与对版标记(见图2)。

步骤4：利用配置OES功能的ICP干法刻蚀方法，以氮化硅作为掩膜，刻蚀到P-InP第一间隔层的顶部，形成VCSEL的P型上电极接触层台阶(见图3)。

步骤5：利用配置OES功能的ICP干法刻蚀方法，以光刻胶作为掩膜，刻蚀到N-InP第二间隔层的顶部，形成VCSEL的下分布反馈布拉格反射镜(DBR)台面和N型下电极接触层台阶(见图3)。

步骤6：利用含水蒸气的氮气湿法氧化In_0.40Al_0.60As第一电流限制层和第二电流限制层以及VCSEL的上、下DBR台面中的In_0.52Al_0.48As层，形成AlO_X电流限制孔和光学限制孔。

步骤7：去掉光刻胶之后，利用感应耦合等离子体(ICP)化学气相沉积(CVD)方法在APD和VCSEL台面外侧沉积SiN_X薄膜。

步骤8：结合光刻和湿法腐蚀工艺，分别去除APD的P-InP缓冲层和VCSEL的P-InP第一间隔层上的部分SiN_X薄膜，形成P型电极接触面。

步骤9：结合光刻、物理气相沉积(PVD)金属镀膜和带胶剥离工艺，在APD的P-InP缓冲层和VCSEL的P-InP第一间隔层上形成TiAu或AuZn电极(见图4)。

步骤10：结合光刻和湿法腐蚀工艺，分别去除VCSEL的N-InP第二间隔层和APD的接触层上的部分SiN_X薄膜，形成相应的N型电极接触面。

步骤11：结合光刻和PVD金属沉积以及带胶剥离工艺，在VCSEL的N-InP第二间隔层和APD的接触层上面形成AuGeNiAu电极(见图4)。

步骤12：利用聚酰亚胺树脂6填充VCSEL台面的间隙并整平(见图5)。

步骤13：利用光刻、PVD金属镀膜与带胶剥离工艺，在VCSEL和APD的侧壁与顶部形成爬坡电极。其中VCSEL的P-InP第一间隔层上的P电极和N-InP第二间隔层上的N电极分别爬坡到外围VCSEL侧台面顶部和圆柱状VCSEL台面上；APD的P-InP缓冲层上的P型电极和接触层上的N型电极分别爬坡到环状APD台面的内侧和外侧。由于VCSEL和APD台面顶部和外侧均有氮化硅保护，可以保证器件的正常工作(见图6)。

步骤14：结合光刻和蒸镀In以及回流焊工艺，在APD的P-InP缓冲层和VCSEL的P-InP第一间隔层的TiAu或AuZn电极上、VCSEL的N-InP第二间隔层以及APD的接触层上AuGeNiAu电极上形成铟柱，铟柱高度略高于VCSEL的InGaAs第二保护层3-10μm(见图7)。

步骤15：分别将VCSEL和APD芯片上的铟柱与VCSEL控制电路与读出电路(ROIC)上的电极对准并加热加压互连(见图8)。

步骤16：根据步骤1和步骤3中作出的背面VCSEL和APD图形与对版标记，结合光刻和湿法腐蚀和化学机械研磨(CMP)工艺，将InP衬底减薄至0-20μm；然后开始腐蚀中间部分的APD材料到VCSEL的第一保护层,形成VCSEL的喇叭形背面出光孔(见图8)。

步骤17：在减薄并抛光之后InP衬底或P-InP缓冲层上沉积氮化硅增透膜。氮化硅不仅增加VCSEL出光效率和反射光进入APD的效率，而且保护APD材料免收环境因素影响(见图9)。

步骤18：分别将VCSEL阵列和APD阵列与对应的微透镜阵列和菲涅尔透镜的环形镜片对准好焦距、固定好，实现VCSEL光束准直地输出和反射光准直地进入APD阵列(见图9)。

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实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，包括：

信号发射单元，设置于衬底上，包括叠层设置的第一信号接收结构层和第一信号发射结构层，所述第一信号发射结构层上设置有第一顶电极和第一底电极，所述第一顶电极和所述第一底电极分别电连接至所述信号发射单元一侧表面，形成第一顶接触点和第一底接触点；

信号接收单元，设置于所述衬底上，与所述信号发射单元在水平方向上彼此分隔，包括叠层设置的第二信号接收结构层以及第二信号发射结构层，所述第二信号接收结构层上设置有第二顶电极和第二底电极，所述第二顶电极和所述第二底电极分别电连接至所述信号接收单元一侧表面，形成与所述第一顶接触点、所述第一底接触点位于同一平面上的第二顶接触点、第二底接触点；

控制单元，与所述第一顶接触点和所述第一底接触点连接，用于控制所述第一信号发射结构层发出激光信号至目标物；

数据处理单元，与所述第二顶接触点和所述第二底接触点连接，用于对所述目标物反射回来的激光信号进行分析处理；

第一光路调节单元，与所述信号发射单元连接，用于将所述第一信号发射结构层发出的激光整形为平行光发射至所述目标物；

第二光路调节单元，与所述信号接收单元连接，用于将所述目标物反射回来的激光整形为平行光发射至第二信号接收结构层；

所述第一信号接收结构层和所述第二信号接收结构层均为雪崩光电二极管(APD)结构层，所述第一信号发射结构层和所述第二信号发射结构层均为垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层。

2.根据权利要求1所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述信号发射单元的出光面和所述信号接收单元的入光面位于所述衬底的同一侧。

3.根据权利要求1所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述第一顶接触点和所述第一底接触点位于所述信号发射单元远离出光面的一侧表面，所述第二顶接触点和所述第二底接触点位于所述信号接收单元远离入光面的一侧表面。

4.根据权利要求1所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述控制单元通过铟柱与所述第一顶接触点、所述第一底接触点连接，所述数据处理单元通过铟柱与所述第二顶接触点、所述第二底接触点连接。

5.根据权利要求1所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述第一光路调节单元为凸面朝向所述信号发射单元的第一透镜组件；所述第二光路调节单元为凸面朝向所述目标物的第二透镜组件。

6.根据权利要求5所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述第一透镜组件为微透镜阵列，所述第二透镜组件为菲涅尔透镜。

7.根据权利要求1所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述信号发射单元发出的激光信号的波长大于等于1400nm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的VCSEL和APD集成芯片，其特征在于，所述雪崩光电二极管(APD)结构层包括叠层设置的窗口层、吸收区、组分渐变区、电荷区、雪崩放大区、集电极层以及接触层；

所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构层包括叠层设置的第一保护层、上分布反馈布拉格反射镜、第一间隔层、第一电流限制层、有源区、第二电流限制层、第二间隔层、下分布反馈布拉格反射镜以及第二保护层。