TWI763764B - 雷射雷達裝置、雷射雷達系統以及形成雷射雷達之方法 - Google Patents

雷射雷達裝置、雷射雷達系統以及形成雷射雷達之方法

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Abstract

一種裝置包括第一襯底上的垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的陣列和第二襯底上的檢測器的陣列，這些檢測器配置成檢測由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束，其中第一襯底安裝到第二襯底並且配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過第一襯底並且到達檢測器。

Description

雷射雷達裝置、雷射雷達系統以及形成雷射雷達之方法
本公開涉及雷射雷達並且更特定地涉及包括垂直腔面發射雷射器和檢測器的雷射雷達。
雷射雷達(也叫作LIDAR、LiDAR和LADAR)是通過用雷射(例如，紫外、可見或近紅外)照亮目標來測量到該目標的距離的設備。雷射雷達可以用於對物體成像，這些物體可以包括廣泛材料，其包括非金屬物體、岩石、雨、化合物、氣溶膠、雲以及甚至單分子。
雷射雷達可以包括雷射器(例如，具有在500nm與1600nm之間的波長的雷射器)。雷射器可以是脈衝或連續的。雷射雷達可以包括掃描和控制雷射器的機構。該機構可以機械(例如，振盪平面鏡、多面鏡)或電(例如，相控陣)掃描雷射器。雷射雷達也可以具有檢測器，其配置成檢測在成像物體反射的光。
與從通過將個體晶片從晶圓分出所形成的表面發射的常規邊緣發射半導體雷射器(也叫作面內雷射器)相反，垂直腔面發射雷射器(VCSEL)是具有從頂表面垂直的雷射光束反射的一類半導體雷射二極體。VCSEL可以具有夾在上和下布拉格反射器(例如，通過在襯底上外延生長而形成)之間的有源區。VCSEL可以由例如GaAs、InGaAs或AlGaAs等材料形成。
本文公開這樣的裝置，其包括：第一襯底上的垂直腔面發射雷射器(VCSEL) 的陣列；第二襯底上的檢測器的陣列，這些檢測器配置成檢測由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束；其中第一襯底安裝到第二襯底並且配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過第一襯底並且到達檢測器。
根據實施例，檢測器包括單光子雪崩二極體或光電倍增器。
根據實施例，第一襯底包括GaAs。
根據實施例，裝置進一步包括配置成驅動VCSEL和檢測器的電路。
根據實施例，電路在第二襯底上集成。
根據實施例，第一襯底和第二襯底接合使得VCSEL電連接到電路。
根據實施例，第一襯底包括通孔並且VCSEL的電觸點中的至少一些通過這些通孔電連接到電路。
根據實施例，通孔通過第一襯底的整個厚度。
根據實施例，第一襯底包括窗口，其配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過這些窗口並且到達檢測器。
本文描述這樣的系統，其包括具有焦平面和上文的設置在該焦平面處的裝置中的任一個的光學系統。
本文公開這樣的方法，其包括：在第一襯底上形成垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的陣列；在第二襯底上形成檢測器的陣列，這些檢測器配置成檢測由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束；將第一襯底安裝到第二襯底；其中第一襯底配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過第一襯底並且到達檢測器。
根據實施例，檢測器包括單光子雪崩二極體。
根據實施例，第一襯底包括GaAs。
根據實施例，方法進一步包括形成電路，其配置成驅動第一襯底或第二襯底上的VCSEL和檢測器。
根據實施例，將第一襯底安裝到第二襯底包括倒裝接合或直接接合。
根據實施例，方法進一步包括在第一襯底中形成通孔，這些通孔配置成在第一與第二襯底之間提供電連接。
根據實施例，形成通孔包括蝕刻第一襯底。
根據實施例，方法進一步包括形成窗口，其配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過這些窗口並且到達檢測器。
根據實施例，形成窗口包括蝕刻第一襯底。
100:裝置
110:第一襯底
120:第二襯底
141:電觸點
143:檢測器
149:電觸點
150:VCSEL
151:通孔
152:第一電觸點
153:窗口
154:有源層
155:第二電觸點
156:上布拉格反射器
157:下布拉格反射器
158:孔徑
160:電路
300:系統
350:光學系統
351:濾波器
4010、4020、4030:過程
圖1A和圖1B示意示出根據實施例的裝置。
圖2示意示出根據實施例的圖1A和圖1B的裝置的橫截面圖。
圖3示意示出這樣的系統，其包括光學系統和定位在該光學系統的焦平面處的圖1A和圖1B的裝置。
圖4示意示出根據實施例製作圖1A和圖1B的裝置的方法的流程圖。
圖1A和圖1B示意示出根據實施例的裝置100。該裝置100包括第一襯底110和第二襯底120。該第一襯底110可以包括GaAs。第二襯底120可以包括矽。 如圖1A中示出的，第一襯底110包括VCSEL 150的陣列。VCSEL 150具有第一電觸點152和第二電觸點155(這裏未示出但在圖2中示出)。第一電觸點152和第二電觸點155配置成對VCSEL 150供電。VCSEL 150具有孔徑158，雷射器可以從該孔徑發射。第一電觸點152可以定位成環繞孔徑158。VCSEL 150可以具有通過第一襯底110的整個厚度的通孔151，用於電連接到第二襯底120。通孔151和第一電觸點152電連接。第一襯底110可以具有多個窗口153，其定位成允許由VCSEL 150發射且被物體背散射的雷射光束透射通過第一襯底110並且到達第二襯底120上的檢測器。窗口153可以簡單地是孔隙空間或可以是對來自VCSEL 150的雷射光束並非不透明的材料。在實施例中，第一襯底110自身對於來自VCSEL 150的雷射光束可並非不透明的，並且可以省略窗口153。例如，GaAs對於具有從約900nm至約18μm波長的光並非不透明的。在另一個示例中，波長轉換器與裝置100一起用於將VCSEL 150發射的雷射轉換成具有第一襯底110對其並非不透明的波長的雷射。
如圖1B中示出的，第二襯底120具有檢測器143的陣列，其配置成檢測由VCSEL 150發射且被物體背散射的雷射光束。第一襯底110安裝到第二襯底120。對檢測器143定位使得由VCSEL 150發射且被物體背散射的雷射光束可以透射通過第一襯底110的窗口153並且到達檢測器143。
第二襯底120可以是印刷電路板(PCB)、矽襯底或任何其他適合的形式。在第二襯底120是PCB的情況下，檢測器143和電路160可以是安裝到PCB上或嵌入其中的晶片。在第二襯底120是矽襯底的情況下，檢測器143和電路160可以通過CMOS工藝形成。
裝置100可以具有電路160，其配置成驅動VCSEL 150和檢測器143。例如， 電路160可以在第二襯底120上集成。第一襯底110可以接合到第二襯底120使得VCSEL 150電連接到電路160。電路160可以具有電觸點141，其電連接到通孔151。電路160可以具有電觸點149，其電連接到VCSEL 150的第二電觸點155。電路160可以配置成控制檢測器143，或處理或解釋來自檢測器143的信號。
VCSEL 150與電路160之間的電連接可以通過各種方式進行。一個示例是線接合。另一個示例通過導電粘合劑(例如，苯丙環丁烯(BCB))。
圖2示意示出根據實施例的裝置100的橫截面圖。在該示例中，VCSEL 150可以包括有源層154，其可以包括夾在上布拉格反射器156與下布拉格反射器157之間的量子阱。上布拉格反射器156、有源層154和下布拉格反射器157可以在第一襯底110上外延形成。
檢測器143可以是任何適合的檢測器。在示例中，檢測器143包括光電倍增器。光電倍增器能夠使入射光產生的電流增加很多倍，並且從而允許檢測到低入射通量的光子。光電倍增器可以採用真空光電管的形式，其包括包含光電陰極、若干打拿集和電子集電極的外殼。進入外殼且入射在光電陰極上的光由於光電效應而促使光電陰極發射電子。電子撞擊連續打拿集，從而通過二次發射導致電子倍增。在撞擊最後的打拿集後，電子被集電極收集並且用於檢測入射光。
在示例中，檢測器143包括單光子雪崩二極體(SPAD)(也稱為蓋革模式APD或G-APD)。SPAD是在高於擊穿電壓的反偏壓下工作的雪崩光電二極體(APD)。這裏的詞“高於”意指反偏壓的絕對值大於擊穿電壓的絕對值。當光子入射在SPAD上時，它可以產生載荷子(電子和空穴)。這些載荷子中的一些通過SPAD中的電場而加速並且可以通過碰撞電離觸發雪崩電流。碰撞電離是 材料中一個高能載荷子通過形成其他載荷子而可能失去能量的過程。例如，在半導體中，具有足夠動能的電子(或空穴)可以使束縛電子脫離其束縛態(在價帶內)並且使其提升到處於導帶內的狀態，從而形成電子-空穴對。SPAD可以用於檢測低強度光(例如，下至單光子)並且利用幾十微微秒的抖動來信號傳遞光子的到達時間。SPAD在高於p-n結的擊穿電壓的反偏壓(即，p-n結的p型區以比n型區還低的電勢偏置)下可以採用該p-n結的形式。p-n結的擊穿電壓是反偏壓，出現高於該反偏壓則p-n結中的電流呈指數增加。
圖3示意示出系統300，其包括光學系統350和定位在該光學系統350的焦平面處的裝置100。系統300可以是雷射雷達、望遠鏡或拍攝裝置。系統300可以具有濾波器351，其防止除雷射光束以外的光通過。濾波器351可以集成到裝置100內，例如在檢測器143前面。濾波器351可以是窗口153的一部分。在操作中，裝置100的VCSEL 150發射的雷射光束朝遠離裝置100的場景向不同方向引導(即，從場景到裝置100的距離比VCSEL 150和它們相應的相鄰檢測器143的大得多)。由VCSEL 150中的一個發射且被場景中的物體背散射的雷射光束被鄰近該VCSEL的檢測器143收集。物體到裝置100的距離基於例如經發射且背散射的雷射光束之間的相位差或基於雷射光束的飛行時間來確定。儘管光學系統350示出為圖3中的單個凸透鏡，光學系統350可以具有任何適合的部件。VCSEL 150可以被配置使得所有VCSEL 150同時或在不同時間發射雷射光束。例如，VCSEL 150可以配置成逐個(即，在指定時間僅對VCSEL 150中的一個供電)發射雷射光束；VCSEL 150可以被配置使得VCSEL 150中的一些在指定時間被供電，其中這些經供電的VCSEL 150隔開。不是所有的同時在發射的VCSEL 150都可以幫助減少檢測器143之間的串擾。
圖4示意示出根據實施例製作裝置100的方法的流程圖。在過程4010中， 在第一襯底上形成VCSEL的陣列。在過程4020中，在第二襯底上形成檢測器的陣列。這些檢測器配置成檢測由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束。在過程4030中，第一襯底安裝到第二襯底。襯底配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過第一襯底並且到達檢測器。在過程4010中，在第一襯底中還可以形成通孔(例如，通過蝕刻)。這些通孔配置成在第一與第二襯底之間提供電連接。在過程4010中，在第一襯底中還可以形成窗口(例如，通過蝕刻)並且這些窗口配置成允許由VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束透射通過窗口並且到達檢測器。
儘管本文公開各種方面和實施例，其他方面和實施例對於本領域內技術人員將變得明顯。本文公開的各種方面和實施例是為了說明目的而不意在為限制性的，其真正範圍和精神由下列權利要求指示。
100:裝置
110:第一襯底
143:檢測器
150:VCSEL
151:通孔
152:第一電觸點
153:窗口
158:孔徑

Claims (19)

  1. 一種雷射雷達裝置，其包括：第一襯底上的垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的陣列；第二襯底上的檢測器的陣列，所述檢測器配置成檢測由所述VCSEL發射且被物體背散射的雷射光束；其中所述第一襯底安裝到所述第二襯底並且配置成允許由所述VCSEL發射且被所述物體背散射的雷射光束透射通過所述第一襯底並且到達所述檢測器。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中所述檢測器包括單光子雪崩二極體或光電倍增器。
  3. 如申請專利範圍第1-2項任一項之裝置，其中所述第一襯底包括GaAs。
  4. 如申請專利範圍第1-2項任一項之裝置，其進一步包括配置成驅動所述VCSEL和所述檢測器的電路。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中所述電路在所述第二襯底上集成。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中所述第一襯底和所述第二襯底接合使得所述VCSEL電連接到所述電路。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中所述第一襯底包括通孔並且所述VCSEL的電觸點中的至少一些通過所述通孔電連接到所述電路。
  8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中所述通孔通過所述第一襯底的整個厚度。
  9. 如申請專利範圍第1-2項任一項之裝置，其中所述第一襯底包括窗口， 其配置成允許由所述VCSEL發射且被所述物體背散射的雷射光束透射通過所述窗口並且到達所述檢測器。
  10. 一種雷射雷達系統，其包括具有焦平面和如申請專利範圍第1-9項任一項之設置在所述焦平面處的雷射雷達裝置的光學系統。
  11. 一種形成一雷射雷達之方法，其包括：在第一襯底上形成垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的陣列；在第二襯底上形成檢測器的陣列，所述檢測器配置成檢測由所述VCSEL發射且被所述物體背散射的雷射光束；將所述第一襯底安裝到所述第二襯底；其中所述第一襯底配置成允許由所述VCSEL發射且被所述物體背散射的雷射光束透射通過所述第一襯底並且到達所述檢測器。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中所述檢測器包括單光子雪崩二極體。
  13. 如申請專利範圍第11-12項任一項之方法，其中所述第一襯底包括GaAs。
  14. 如申請專利範圍第11-12項任一項之方法，其進一步包括形成電路，所述電路配置成驅動所述第一襯底或所述第二襯底上的VCSEL和檢測器。
  15. 如申請專利範圍第11-12項任一項之方法，其中將所述第一襯底安裝到所述第二襯底包括倒裝接合或直接接合。
  16. 如申請專利範圍第11-12項任一項之方法，其進一步包括在所述第一襯底中形成通孔，所述通孔配置成在所述第一與第二襯底之間提供電連接。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中形成所述通孔包括蝕刻所述第一 襯底。
  18. 如申請專利範圍第11-12項任一項之方法，其進一步包括形成窗口，所述窗口配置成允許由所述VCSEL發射且被所述物體背散射的雷射光束透射通過所述窗口並且到達所述檢測器。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中形成所述窗口包括蝕刻所述第一襯底。
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