CN213212657U - 一种激光器阵列结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光器阵列结构，结构包括：m个激光器阵列单元，每个激光器阵列单元包括：绝缘衬底；外延层，外延层位于绝缘衬底的一侧表面上，沿第一方向，外延层间隔预设距离布置n个台阶；每个台阶包括第一表面和第二表面，第一表面上设置N接触电极，第二表面上设置P接触电极；沿第一方向，N接触电极、P接触电极依次布置，第n‑1个P接触电极与第n个N接触电极电连接；沿第二方向，m个N接触电极中的第一列连接在一起，m个P接触电极中的第n列连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m≥1或者n≥1，m>1，m、n均为正整数，以在芯片层级实现高功率量级的激光器芯片。

Description

一种激光器阵列结构

技术领域

本实用新型实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种激光器阵列结构。

背景技术

现有的VCSEL激光芯片尺寸比较小，市场上主流的VCSEL激光芯片尺寸都在1-2mm量级，功率范围约3-10W。如果追求更大的功率量级，如百千瓦量级，则需要在封装层级实现芯片的串并互联，目前的缺陷和不足如下：

封装的难度明显提升，因为封装需要处理多颗芯片，需要设计复杂的封装基板实现多颗芯片的串并联，封装的成品率会影响最终大功率封装阵列的成品率；需要额外较多的金线或者布线互联，增加了成本或工艺复杂性，同时额外的金线会带来额外的电感，降低产品的响应速率，不方便在当前追求高响应速率的使用；大阵列封装的集成度较差，每颗芯片之间需要额外更多的尺寸来互联，光密度也减小，近距离光斑之间会出现一些暗斑，影响了大功率VCSEL激光芯片的应用范围；在封装层级串并联实现高功率，对于市场的应用会带来额外麻烦，驱动的设计需要根据单颗芯片参数计算匹配，同时对其处理多芯片的封装能力也提出了更高的要求。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光器阵列结构，以实现在芯片层级实现高功率量级的激光器芯片。

为实现上述目的，本实用新型实施例提出了一种激光器阵列结构，包括：

m个激光器阵列单元，每个激光器阵列单元包括：绝缘衬底；

外延层，所述外延层位于所述绝缘衬底的一侧表面上，沿第一方向，所述外延层间隔预设距离布置n个台阶；

每个所述台阶包括第一表面和第二表面，所述第一表面上设置N接触电极，所述第二表面上设置P接触电极；

其中，沿所述第一方向，所述n个N接触电极和所述n个P接触电极依序交错布置，第n-1个所述P接触电极与第n个所述N接触电极电连接；

沿第二方向，m个所述激光器阵列单元中的第一列所述N接触电极均连接在一起，m个所述激光器阵列单元中的第n列所述P接触电极均连接在一起，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述第一方向为所述外延层的长轴方向，n>1，m≥1或者，n≥1，m>1，m、n均为正整数。

根据本实用新型实施例提出的激光器阵列结构，通过在绝缘衬底上形成外延层，并在外延层间隔预设距离布置n个台阶，在每个台阶的第一表面上设置N接触电极，在每个台阶的第二表面上设置P接触电极，其中，n个N接触电极、n个P接触电极依序交替沿第一方向布置，第n-1个P接触电极与第n个N接触电极电连接；沿第二方向，m个N接触电极中第一列均连接在一起，m个P接触电极中第n列均连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，进而以实现在芯片层级实现高功率量级的激光器芯片，提高了这种高功率激光器阵列的成品率和高速响应性能，提高光斑质量，降低了封装级实现激光器阵列的难度，方便后续市场使用。

可选地，沿第二方向，m个激光器阵列单元中的其余n-1列N接触电极中的其中至少一列连接在一起，和/或，与至少一列所述N接触电极电连接的每个P接触电极连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m>1，m、n均为正整数。

可选地，所述激光器阵列结构中，每个激光器阵列单元还包括：键合层，所述键合层位于所述绝缘衬底的一侧表面上，所述外延层位于所述键合层背离所述绝缘衬底的一侧表面上。

可选地，所述第一表面在所述绝缘衬底上的垂直投影小于所述第二表面在所述绝缘衬底上的垂直投影。

可选地，每个P接触电极上设置有多个阵列排布的通孔，每个通孔用于出射激光器芯片的发光点发出的光。

可选地，第n个所述N接触电极一侧与第n个所述P接触电极的一侧之间形成有第一绝缘钝化区。

可选地，第n-1个所述P接触电极的另一侧与第n所述N接触电极的另一侧之间形成有第二绝缘钝化区。

可选地，所述激光器阵列结构中，每个激光器阵列单元还包括：第三绝缘钝化区，所述第三绝缘钝化区位于邻近第二绝缘钝化区的每个所述P接触电极背离所述外延层一侧的表面上，所述第三绝缘钝化区在所述P接触电极上的垂直投影面积小于所述P接触电极的面积，且与所述通孔在所述P接触电极上的垂直投影不交叠可选地，所述激光器阵列结构中，每个激光器阵列单元还包括：n个第一导电金属层和n个第二导电金属层，每个所述第一导电金属层填充于所述第一绝缘钝化区与所述第二绝缘钝化区之间；每个所述第二导电金属层填充于所述第二绝缘钝化区与第三绝缘钝化区之间，其中，第n-1个第二导电金属层与第n个第一导电金属层电连接。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：提高激光器的功率量级，增加其应用范围，如大功率远距离雷达；利用芯片制造工艺高的成品率提升激光器阵列的成品率，即在芯片制造层级提升激光器阵列成品率，由于芯片制造工艺的自动化程度明显高于封装工艺，因此芯片制造的成品率能明显提升，缺陷能明显降低；芯片层级制造的激光器阵列能明显减少芯片之间的非发光区域，提高芯片发光区域密度，增加光密度，明显改善近距离光斑之间的暗斑。在芯片制造层级实现芯片的串并联，能根据客户实时的电压和电流驱动需求定制直接符合市场需要的高功率阵列，后期封装能力要求也明显降低，方便市场封装使用。除此之外，对于衬底二次转移方案，本实用新型提出的二次转移外延层的方法，能有效地缓释外延层在第一衬底上生长过程引入的热应力，减少应力在发光区引入的非辐射符合中心，减少载流子非辐射符合，增强发光复合效应，能有效提升激光器的光电转换效率。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的激光器阵列结构的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例的激光器阵列结构的俯视图；

图3是本实用新型另一个实施例的激光器阵列结构的俯视图；

图4是本实用新型另一个实施例的激光器阵列结构的结构示意图；

图5是本实用新型又一个实施例的激光器阵列结构的结构示意图；

图6是本实用新型再一个实施例的激光器阵列结构的结构示意图；

图7是本实用新型再一个实施例的激光器阵列结构的结构示意图；

图8是本实用新型实施例的激光器阵列结构的制作方法的流程图；

图9是本实用新型一个实施例的激光器阵列结构的制作方法的流程图；

图10是本实用新型又一个实施例的激光器阵列结构的制作方法的流程图；

图11至图21是本实用新型一个具体实施例的激光器阵列结构的制作方法的工艺步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

下面结合附图来描述本实用新型实施例提出的激光器阵列结构及其制作方法。图1是本实用新型实施例的激光器阵列结构的结构示意图，图2是本实用新型一个实施例的激光器阵列结构的俯视图。如图1-2所示，该激光器阵列结构100，包括：

m个激光器阵列单元101，每个激光器阵列单元101包括：绝缘衬底102；

外延层103，外延层103位于绝缘衬底102的一侧表面上，沿第一方向，外延层103间隔预设距离布置n个台阶104；其中，预设距离为单个激光器芯片的宽度，可根据实际情况进行设置；

每个台阶104包括第一表面104A和第二表面104B，第一表面104A上设置N接触电极105，第二表面104B上设置P接触电极106；

其中，沿第一方向，n个N接触电极105和n个P接触电极106依序交错布置，第n-1个P接触电极106与第n个N接触电极105电连接；

沿第二方向，m个激光器阵列单元101中的第一列N接触电极105连接在一起，m个激光器阵列单元101中的第n列P接触电极106连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m≥1或者，n≥1，m>1，m、n均为正整数。

可选的，沿第二方向，m个激光器阵列单元101中的其余n-1列其中至少一列N接触电极105连接在一起，和/或，与所述至少一列N接触电极电连接的每个P接触电极106连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m>1，m、n均为正整数。下面以n＝2，m＝2为例来进行说明。

结合图1和图2所示，图1是图2沿A-A’方向的剖面图。每个激光器阵列单元包括两个激光器芯片。沿第一方向，在绝缘衬底102上形成外延层103，并在外延层103上形成2个台阶104，在每个台阶104的第一表面104A上设置N接触电极105，在台阶104的第二表面104B上设置P接触电极106。其中，在第一方向上，前一个激光器芯片的P接触电极106与后一个激光器芯片的N接触电极105电连接，即两个激光器芯片串联连接。前一个激光器芯片的N接触电极105作为激光器阵列单元的主N电极107，后一个激光器芯片的P接触电极106作为激光器阵列单元的主P电极108。

沿第二方向上，如图2所示，两个前述的激光器阵列单元依次排列，两个主N电极连接在一起，作为整个激光器阵列结构的主N电极，两个主P电极连接在一起，作为整个激光器阵列结构的主P电极。当串联连接的激光器芯片有一个不工作时，与其串联的一行的激光器芯片均不工作。

沿第二方向上，如图3所示，其与图2的差异在于：两个前述的激光器阵列单元依次排列，第二列的两个N接触电极连接在一起，且与第二列N接触电极电连接的两个P接触电极连接在一起。任意一个激光器芯片不工作，均不影响其他激光器芯片的工作。

需要说明的是，绝缘衬底可以采用砷化镓，氮化铝、蓝宝石、碳化硅、非故意掺杂的硅衬底。

外延层主要是GaAs，AlGaAs，InP，GaN材料。

激光器芯片的N接触电极和P接触电极主要是TiPtAu，AuGeNiAu电极。

可选地，如图4所示，激光器阵列结构100中，每个激光器阵列单元101还包括：键合层109，键合层109位于绝缘衬底102的一侧表面上，外延层103位于键合层109背离绝缘衬底102的一侧表面上。键合层109的设置有利于外延层103与绝缘衬底102的贴合。

可选地，如图1和图4所示，第一表面104A在绝缘衬底102上的垂直投影小于第二表面104B在绝缘衬底102上的垂直投影。即N接触电极105的面积小于P接触电极的面积。

可选地，如图5所示，第n个N接触电极105一侧与第n个P接触电极106的一侧之间形成有第一绝缘钝化区110。其中，第一绝缘钝化区110的设置是为了隔离单个激光器芯片中的N接触电极和P接触电极。

可选地，如图5所示，第n-1个P接触电极106的另一侧与第n个N接触电极105的另一侧之间形成有第二绝缘钝化区111。第二绝缘钝化区111的设置是为了隔离前一个激光器芯片中的P接触电极106，与后一个激光器芯片中的N接触电极105。

可选地，如图5所示，激光器阵列结构100中，每个激光器阵列单元101还包括：第三绝缘钝化区112，第三绝缘钝化区112位于每个P接触电极106背离外延层103一侧的表面上，第三绝缘钝化区112在P接触电极106上的垂直投影面积小于P接触电极106的面积。

其中，绝缘钝化区的材质可以为氮化铝，氮化硅，氧化硅等绝缘材质。

可选地，如图6所示，激光器阵列结构100中，每个激光器阵列单元101还包括：n个第一导电金属层113和n个第二导电金属层114，每个第一导电金属层113填充于第一绝缘钝化区110与第二绝缘钝化区111之间；每个第二导电金属层114填充于第二绝缘钝化区111与第三绝缘钝化区112之间，其中，第n-1个第二导电金属层113与第n个第一导电金属层114电连接。

也就是说，相邻两个激光器芯片的N接触电极与P接触电极电连接，其中，N接触电极上布置第一导电金属层113，P接触电极上布置第二导电金属层114，第一导电金属层113与第二导电金属层114电连接，从而实现相邻两个激光器芯片的串联连接。

可选地，如图7所示，每个P接触电极106上设置有多个阵列排布的通孔115，每个通孔115用于出射激光器芯片的发光点发出的光。进一步的，第三绝缘钝化区112位于邻近第二绝缘钝化区的每个P接触电极106背离外延层103一侧的表面上，第三绝缘钝化区112在P接触电极106上的垂直投影面积小于P接触电极106的面积，且与通孔115在P接触电极106上的的垂直投影不交叠。

需要说明的是，每个激光器芯片包括多个发光点，每个P接触电极106上设置的通孔数目与多个发光点的个数相对应。

综上所述，根据本实用新型实施例提出的激光器阵列结构，通过在绝缘衬底上形成外延层，并在外延层间隔预设距离布置n个台阶，在每个台阶的第一表面上设置N接触电极，在每个台阶的第二表面上设置P接触电极，其中，n个N接触电极和n个P接触电极依序交错沿第一方向依次布置，第n-1个P接触电极与第n个N接触电极电连接；沿第二方向，m个N接触电极中的第一列均连接在一起，m个P接触电极中的第n列均连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m≥1或者，n≥1，m>1，进而以实现在芯片层级实现高功率量级的激光器芯片，提高了这种高功率激光器阵列的成品率和高速响应性能，提高光斑质量，降低了封装级实现激光器阵列的难度，方便后续市场使用。

图8是本实用新型实施例的激光器阵列结构的制作方法的流程图。其中，激光器阵列结构包括m个激光器阵列单元，如图8所示，每个激光器阵列单元的制作方法包括以下步骤：

S101，形成绝缘衬底；

S102，在绝缘衬底的一侧表面形成外延层；

其中，外延层包括：高反射的n-DBR层、多量子阱层和P-DBR层。

需要说明的是，可以采用有机物化学气相沉积MOCVD工艺在绝缘衬底上沉积外延层。

S103，沿第一方向，在外延层上间隔预设距离布置n个台阶，其中，每个台阶包括第一表面和第二表面；

需要说明的是，可以通过刻蚀工艺将每个独立化的外延层刻蚀到N形掺杂层，形成一个台阶。

S104，在第一表面上形成N接触电极；

在N型掺杂层表面通过镀膜工艺形成N接触电极。

S105，在第二表面上形成P接触电极；

通过氧化或离子注入工艺形成一个个激光器发光点，在第二表面(即P型掺杂层表面)通过镀膜工艺形成P接触电极。

S106，第n-1个P接触电极与第n个N接触电极电连接；

S107，沿第二方向，m个N接触电极中的第一列均连接在一起，m个P接触电极中的第n列均连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m≥1或者，n≥1，m>1，m、n均为正整数。

在前述的结构表面，沉积钝化绝缘膜，通过刻蚀工艺将需要镀第一导电金属层和第二导电金属层的区域露出来，最后在通过金属镀膜工艺将一个个激光器芯片串联起来形成激光器阵列单元，并且多个激光器阵列单元的第一列N接触电极连接在一起，形成整个激光器芯片的N电极，多个激光器阵列单元的第n列P接触电极连接在一起，形成整个激光器芯片的P电极。

可选地，如图9所示，步骤S106包括：即第n-1个P接触电极与第n个N接触电极电连接包括：

S1061，第n个N接触电极一侧与第n个P接触电极的一侧之间形成有第一绝缘钝化区；

S1062，第n-1个P接触电极的另一侧与第n个N接触电极的另一侧之间形成有第二绝缘钝化区；

S1063，位于每个P接触电极背离外延层一侧的表面上形成第三绝缘钝化区；

S1064，在第一绝缘钝化区与第二绝缘钝化区之间填充第一导电金属层，在第二绝缘钝化区与第三绝缘钝化区之间填充第二导电金属层，其中，第n-1个第二导电金属层与第n个第一导电金属层电连接。

可选地，如图10所示，在步骤S103之前还包括：即在外延层上间隔预设距离布置n个台阶之前还包括：

S108，在第一衬底上沉积外延层；

其中，第一衬底为砷化镓衬底。可采用采用金属有机物化学气相沉积MOCVD工艺在砷化镓等衬底上沉积外延层。

S109，将外延层转移到第二衬底上；

其中，第二衬底为过渡衬底。可以通过有机物粘合工艺将外延层转移到过渡衬底上。过渡衬底主要有氮化铝，蓝宝石，碳化硅，未故意掺杂的硅衬底。

S110，剥离第一衬底；

可以通过湿法，干法或者激光剥离技术取掉砷化镓衬底。

S111，在外延层上形成键合层；

S112，将键合层以及外延层转移至绝缘衬底上，其中，键合层与绝缘衬底邻近，剥离第二衬底；

再采用芯片制造的晶圆Au-Au或AuSn键合工艺将中间体转移到绝缘衬底上，取掉过渡衬底(即第二衬底)。

S113，独立化各个激光器芯片。

在通过刻蚀工艺将每个激光器芯片独立化。

其中，上述实施例中所述的激光器芯片可以为VCSEL激光器芯片，主要是通过芯片工艺在芯片层级实现多个VCSEL芯片的串并联，借以弥补单个VCSEL功率无法做到百千瓦，其产品的工作原理和单颗激光器一样，主要是通过正负电极向芯片里通入正负电流，再使正负载流子受激辐射复合发光，再通过N-DBR和P-DBR谐振腔进一步增大激光输出。

本实用新型芯片层级的串并联VCSEL大功率芯片主要应用于激光雷达、固体，光纤激光器泵浦源、医疗美容、工业应用、科研应用等领域。

具体来说，如图11-21所示，一个具体实施例激光器阵列的制作方法流程图。其中，m＝1，n＝3。

S201，在砷化镓衬底200上沉积外延层201。

S202，外延层201转移到过渡衬底202。

S203，剥离砷化镓衬底200。

S204，在外延层201上形成键合层203。

S205，将外延层201通过键合层203转移至绝缘衬底204上，并且剥离过渡衬底202。

S206，将各个激光器芯片独立化。

S207，形成各个台阶。

S208，形成P接触电极205。

S209，形成N接触电极206。

S210，沉积钝化绝缘膜。

S211，串联连接多个激光器芯片，并且形成主N电极208和主P电极207。

综上所述，根据本实用新型实施例提出的激光器阵列结构的制作方法，首先，形成绝缘衬底；接着在绝缘衬底的一侧表面形成外延层；接着沿第一方向，在外延层上间隔预设距离布置n个台阶，其中，每个台阶包括第一表面和第二表面；接着在第一表面上形成N接触电极；并在第二表面上形成P接触电极；接着第n-1个P接触电极与第n个N接触电极电连接；接着沿第二方向，m个N接触电极中的第一列连接在一起，m个P接触电极中的第n列连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，从而，以实现在芯片层级实现高功率量级的激光器芯片，提高了这种高功率激光器阵列的成品率和高速响应性能，提高光斑质量，降低了封装级实现激光器阵列的难度，方便后续市场使用。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种激光器阵列结构，其特征在于，包括：

m个激光器阵列单元，每个所述激光器阵列单元包括：绝缘衬底；

外延层，所述外延层位于所述绝缘衬底的一侧表面上，沿第一方向，所述外延层间隔预设距离布置n个台阶；

每个所述台阶包括第一表面和第二表面，所述第一表面上设置N接触电极，所述第二表面上设置P接触电极；

其中，沿所述第一方向，所述n个N接触电极和所述n个P接触电极依序交错布置，第n-1个所述P接触电极与第n个所述N接触电极电连接；

沿第二方向，m个所述激光器阵列单元中的第一列所述N接触电极均连接在一起，m个所述激光器阵列单元中的第n列所述P接触电极均连接在一起，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述第一方向为所述外延层的长轴方向，其中，n>1，m≥1，或者，n≥1，m>1，m、n均为正整数。

2.根据权利要求1所述的激光器阵列结构，其特征在于，沿第二方向，m个激光器阵列单元中的其余n-1列N接触电极中的其中至少一列连接在一起，和/或，与至少一列所述N接触电极电连接的每个P接触电极连接在一起，第二方向与第一方向垂直，第一方向为外延层的长轴方向，n>1，m>1，m、n均为正整数。

3.根据权利要求1所述的激光器阵列结构，其特征在于，

还包括：键合层，所述键合层位于所述绝缘衬底的一侧表面上，所述外延层位于所述键合层背离所述绝缘衬底的一侧表面上。

4.根据权利要求1所述的激光器阵列结构，其特征在于，

所述第一表面在所述绝缘衬底上的垂直投影小于所述第二表面在所述绝缘衬底上的垂直投影。

5.根据权利要求1所述的激光器阵列结构，其特征在于，每个P接触电极上设置有多个阵列排布的通孔，每个通孔用于出射激光器芯片的发光点发出的光。

6.根据权利要求1所述的激光器阵列结构，其特征在于，第n个所述N接触电极一侧与第n个所述P接触电极的一侧之间形成有第一绝缘钝化区。

7.根据权利要求6所述的激光器阵列结构，其特征在于，第n-1个所述P接触电极的另一侧与第n所述N接触电极的另一侧之间形成有第二绝缘钝化区。

8.根据权利要求7所述的激光器阵列结构，其特征在于，每个P接触电极上设置有多个阵列排布的通孔，每个通孔用于出射激光器芯片的发光点发出的光，还包括：第三绝缘钝化区，所述第三绝缘钝化区位于邻近所述第二绝缘钝化区的每个所述P接触电极背离所述外延层一侧的表面上，所述第三绝缘钝化区在所述P接触电极上的垂直投影面积小于所述P接触电极的面积，且与所述通孔在所述P接触电极上的垂直投影不交叠。

9.根据权利要求8所述的激光器阵列结构，其特征在于，还包括：n个第一导电金属层和n个第二导电金属层，每个所述第一导电金属层填充于所述第一绝缘钝化区与所述第二绝缘钝化区之间；每个所述第二导电金属层填充于所述第二绝缘钝化区与所述第三绝缘钝化区之间，其中，第n-1个第二导电金属层与第n个第一导电金属层电连接。

Images