TWI786170B - 用於高密度光發射器陣列之多層導體互連件 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種多層互連件，該多層互連件使得能夠電連接一大型高密度可定址陣列中的VCSEL或其他光發射器元件之一複雜分佈。該等陣列可包括穿插於彼此之間以形成一結構化陣列的VCSEL元件之許多群組。每一群組可連接至一接觸襯墊，使得光發射器元件之每一群組可經分離地啟動。

Description

用於高密度光發射器陣列之多層導體互連件
本發明係關於針對高密度光發射器陣列之多層導體互連件。
存在垂直共振腔面發射型雷射(「VCSEL」)及其他光發射器陣列在三維(「3D」)成像及感測之領域中的許多新應用。VCSEL及VCSEL陣列可例如用於飛行時間(「TOF」)距離量測、立體聲照明及結構化光照明。在後面應用中，包括專門設計之結構化光圖案的結構化光照明投影至場景中以用光點陣列照射場景中之物件。感測器用以藉由結構化光圖案分析物件之影像，且判定關於物件及其位置之3D資訊。此技術之應用包括(但不限於)自動聚焦攝影機及電腦遊戲系統。其他主要應用係為了自動驅動載具及自動運輸控制。
VCSEL可以包含許多形式及佈局之陣列結構以大型陣列形式製造。在簡單照明器中，所有VCSEL元件經一起啟動，且輸出光束經投影以形成結構化照明圖案。然而，存在需要VCSEL元件之子集被分離地啟動的許多應用。此等子集可係在獨特群組中，或VCSEL元件可經分佈，使得一個群組之VCSEL在其他群組之VCSEL之間穿插。獨特群組之電連接為相對直接的，且可例如使用頂部導電層且在陣列基板之邊緣處將不同區段佈線連接至不同連接襯墊而實現。
互連在來自每一群組之VCSEL在彼此之間穿插的配置中變得複雜得多。個別連接必須在各種VCSEL之間佈線連接，從而使得難以製造VCSEL之大型密集陣列。
本發明描述用於光學投影及三維(「3D」)成像之光學模組，且詳言之描述用於產生被動及動態結構化光圖案從而用於3D成像、示意動作識別及其他應用的微型光學光源及模組，其中需要使用陣列之小型外觀尺寸照明源，該陣列包括光發射器之可定址陣列，該等照明源包括諸如VCSEL之面發射型光源。
舉例而言，一個態樣描述一種用於產生高密度照明圖案之裝置。該裝置包括：一共同基板上之一發光元件陣列、該等發光元件之一底部基板側上之一共同電接點，及安置於該陣列上方之多個導體圖案的一堆疊。該等導體圖案彼此電隔離，且該導體圖案中之每一者接觸該陣列內一各別子集的該等發光元件之各別電接觸區。電接觸襯墊安置於該陣列之一周邊處。該等導體圖案中之每一者分別電連接至該等電接觸襯墊中之至少一者，且該等導體圖案中之至少一者交越該等導體圖案中之另一者。
根據另一態樣，本發明描述一種用於產生高密度照明圖案之裝置。該裝置包括一共同基板上之一發光元件陣列，每一發光元件包括一基板側上之一各別底部反射器及該發光元件之另一側上的一頂部反射器。該裝置進一步包括該等發光元件之一底部基板側上之一共同電接點。一第一介電層係在該發光元件陣列上，其中該第一介電層覆蓋該基板及該等發光元件，惟每一發光元件之一頂部電接觸區除外。一第一頂部導體圖案係在該第一介電層上且接觸該等發光元件之一第一子集的各別頂部電接觸區。至少一個額外介電層及至少一個額外頂部導體圖案之一序列經安置，使得發光元件之各別子集的該頂部電接觸區連接至該至少一個額外頂部導體圖案中之一各別者。電接觸襯墊安置於該陣列之一周邊處，其中該第一頂部導體圖案及該等額外頂部導體圖案中之每一者分別電連接至該等電接觸襯墊中的一或多者。
在一些實施方案中，該發光元件陣列包含一表面發射元件陣列，例如一VCSEL陣列。
本發明提供一種對具有穿插元件之大型可定址光發射器(例如，VCSEL)陣列之複雜互連問題的解決方案。提供多層導體以連接例如VCSEL且將連接佈線連接至該VCSEL陣列之周邊處的接觸襯墊。每一導體層可用以連接陣列中一或多個VCSEL元件之一子集且將連接佈線連接至該等周邊接觸襯墊。此意謂導體並不受限於並排佈線連接，而是可置放於彼此頂部上，使得例如在五個層情況下，若使用五個標準VCSEL技術，則五個導體可置放於與一個導體將位於之外側空間相同的外側空間中。
多層導體結構亦允許一個層中之導體交越其他層中之導體，藉此大大增大互連件靈活性及複雜度。此特徵在連接不同群組具有在彼此之間穿插之VCSEL元件的大型VCSEL陣列中為關鍵的。每一導體層例如藉由絕緣介電層與其他導體層分離。合適介電材料包括氮化矽、氧化矽、諸如聚醯亞胺之聚合物，及其他絕緣材料。
一些實施使用透明導電層。此特徵可使得導體能夠置放於VCSEL之發射區上方而不阻斷輸出光束。
本發明中描述之原理不僅適用於VCSEL陣列，而且適用於其他類型之發光元件之陣列(例如，LED或諧振LED陣列)，且例如在發光元件需要為可定址的且具有複雜陣列佈局情況下為特別有利的。
陣列中之發光元件可經啟動，以便例如藉由結構化之光點分佈照明場景。多個不同光點結構可藉由分離地啟動陣列中元件之每一群組來形成。
其他態樣、特徵及優勢將易於自以下實施方式、附圖及申請專利範圍為顯而易見。
如圖1中所示，頂部發射式VCSEL陣列包括VCSEL元件101，該等元件中之每一者包含藉由與基板102接觸之底部分散式布瑞格反射器(「DBR」)(例如，鏡)及頂部DBR反射器形成的諧振光學腔。在反射器之間諧振腔中，增益區段包含在藉由電流啟動時提供光學增益之多量子井結構。在增益區段附近，電流限制孔隙108經設置以將電流集中於VCSEL結構之中心以在量子井中產生高增益。
如圖1中進一步所展示，兩個導體103、105遞送啟動電流。頂部導體103連接至頂部DBR反射器上之頂部接點。電流經由頂部DBR反射器、經由孔隙及增益區段、經由底部DBR而流動至基板102中。基板為導電的，使得電流可經由基板而流動至底部接點及導體105。介電性電絕緣層104製造於基板上及VCSEL元件之下部部分上以隔離頂部導體103中之電流以免經由基板或經由VCSEL元件之側面短路連接至底部接點105。
圖1中之VCSEL陣列為頂部發射式VCSEL陣列，且使頂部DBR反射器(例如，鏡面)為部分反射的，使得輸出光束107自頂表面106透射出。
在底部發射式VCSEL中，使底部DBR為部分反射的，且輸出光束穿過基板且自VCSEL陣列之底部透射出。孔隙形成於底部導體105中以允許光束透射。VCSEL之其他變型包括三個鏡類型，其中DBR鏡中之一者被分成兩個部分及置放於該兩個部分之間的間隔物。此等特徵改變光學諧振器之性質，以便修改輸出光束之特性。所有此等變型具有頂部接點及底部接點之共同電組件，從而將啟動電流遞送至增益區段中之量子井中，包括經由限制孔隙。
圖1中，所有VCSEL元件連接至共同頂部導體，使得施加電流一次啟動所有VCSEL。圖2說明每一VCSEL元件201連接至單獨頂部導體221、222之可定址VCSEL陣列。在此狀況下，每一VCSEL可分離地啟動，例如，藉由底部導體205啟動導體222產生自中心VCSEL起的輸出光束223。因此，可按需要啟動一個、若干或所有VCSEL元件。所有導體耦接至基板202之邊緣處的襯墊。需要此特徵，使得可藉由導線接合或另一電連接技術在晶片邊緣周圍進行VCSEL陣列晶片至子基座或印刷電路板(「PCB」)之連接。
對於如圖2中所展示之小型VCSEL陣列，導體及對導體進行佈線連接至晶片之邊緣的配置為相對直接且並不複雜的。然而，對於較大陣列，配置變得極其複雜。此外，並非在VCSEL之間佈線連接一個導體，而是兩個或兩個以上導體可被需要以將陣列之中心區中的VCSEL連接至晶片之周邊處的襯墊。此等要求使得難以設計並製造含有大量可定址VCSEL元件或元件群組的密集結構化照明陣列圖案。
如下文中更詳細地解釋，前述問題可藉由提供多層頂部導體來解決。以此方式，導體不需要受約束於並排佈線連接，而是可置放於彼此頂部上，使得在多個(例如，五個)層情況下，多個(例如，五個)導體可置放於與在標準VCSEL技術狀況下將由僅一個導體佔據的側向空間相同的側向空間中。
圖3說明採用兩個頂部導體層級的兩層導體配置。下部第一層321可為與標準VCSEL相同的組態。頂部導體321連接至VCSEL 301之頂部接點且佈線連接至基板之邊緣。介電絕緣層304隔離導體321與基板及VCSEL之側面。
第二絕緣介電層334沈積於第一導體層321之頂部上。介電層334可為光學透射的以允許來自連接至第一導體層321之VCSEL的輸出光束透射。孔335在將連接至第二導體層331之VCSEL元件之頂部接點的位置處形成於此介電層334中。第二導體層331設置於第二介電層334之頂部上。第二導體331穿過孔335接觸VCSEL頂部接點，且佈線連接至基板之邊緣333。由於導體331通常為光學不透光的，因此導體331沿著路徑332佈線連接，使得其並不阻斷來自其他VCSEL元件306之任何輸出光束。可用於介電層304、334之材料的實例包括氮化矽、二氧化矽及諸如聚醯亞胺之聚合物。
圖4(a)及圖4(b)展示使用單層導體(圖4(a))及兩層級導體(圖4(b))之可定址陣列中個別VCSEL 406之連接的比較。圖4(a)說明使用單層頂部導體圖案之VCSEL陣列的實例，在該實例中，外部VCSEL元件之導體421可易於佈線連接至基板402之邊緣處的襯墊。然而，為了將導體441自內部VCSEL佈線連接至基板402之邊緣，導體441必須在外部VCSEL中之鄰接VCSEL之間佈線連接。如由圖4(a)所指示，此限制導致極窄導體441，極窄導體限制可施加之電流的量。此外，VCSEL 406必須進一步隔開以為來自內部VCSEL之導體441提供空間。對小型陣列，可最小難度地實現此間隔。然而，對於大型陣列，此間隔變得極其困難，且在一些狀況下不可能達成。間隔要求亦限制VCSEL陣列之佈局及其連通性。
對比而言，圖4(b)說明使用兩層導體421、431連接至VCSEL陣列元件之潛在益處中的一些。如圖之上部部分中所展示，一個潛在益處為，具有相對寬之部分442的導體431可用以將內部VCSEL連接至基板402之邊緣處的襯墊443。上部導體431可越過下部導體421，此係因為其藉由第二介電質絕緣層(圖4(a)中未圖示)彼此隔離。此情形意謂，對於甚至大型陣列，VCSEL元件相對於其他情況下將可能可更靠近地定位在一起。
第二潛在益處為，可使用導體交越，其中一個導體與其他導體交叉而至另一側上的連接。此係展示於圖4(b)之下部部分中。在此實例中，內部VCSEL之第一內部VCSEL使用下部第一導體層421A連接至基板402之邊緣處的第一襯墊433A。第二內部VCSEL使用第二層導體431B連接至另一第二襯墊433B。在此狀況下，第二襯墊433B定位於第一襯墊433A上方。導體431B經過下部導體421A，且藉助於導體431B之一部分443連接至上部襯墊433B處。在需要交錯或穿插VCSEL元件並單獨或以群組方式啟動VCSEL元件之處，此能力對於產生結構化陣列可為重要的。
在前述實例中，上部導體層假設為對於自VCSEL發射之光束為不透光的。為了適應此特徵，導體431、431B經佈線連接，使得其並不經過VCSEL發射區域406。上文請注意到，對於底部發射式VCSEL，底部共同導體具有孔隙以允許輸出光束透射。然而，若諸如氧化銦錫之透射電導體材料用於上部導體層時，此約束不再適用，且導體可直接經過VCSEL發射區406。圖5中展示此實施之實例。
如圖5中所示，上部透射導體531之區段551可經過VCSEL發射區506且仍不阻斷VCSEL輸出光束。在此狀況下，介電層334亦需要對於輸出光束波長為透射的。此亦適用於上部透射導體531A之區段552經過VCSEL之發射區的交越情形。此情形適用於隔離介電層置放於VCSEL接點及發射區上方的第二及較高數目個導體。然而，下部或第一導體521不可經過另一VCSEL，此係因為導體521將觸碰該VCSEL之接點。
前述論述內容描述兩層頂部導體VCSEL連接且其如何引起針對電連接陣列中之VCSEL元件的增大之靈活性。此類多頂部導體VCSEL連接可經擴展至兩個以上頂部導體層。相同原理可用以提供三個、四個、五個或甚至五個以上頂部導體層從而連接單一VCSEL元件或VCSEL元件之群組且用於將此等連接佈線連接至在VCSEL陣列基板之周邊處的接觸襯墊。為了提供額外頂部導體VCSEL連接，將額外絕緣介電層設置在先前頂部導體層上方，且接著將另一頂部導體層設置於額外絕緣介電層上。此程序可經重複以提供與針對VCSEL之不同子群組所需要一樣多的導體層。又，除將VCSEL元件連接至基板之周邊處的襯墊之外，多層互連可用以形成VCSEL之間的連接以形成互連群組，且可用以將VCSEL連接至基板上之其他電元件。
圖6展示VCSEL元件以非規則陣列結構佈局之結構化光VCSEL陣列照明器的實例。在所說明之配置中，以四個群組連接VCSEL。VCSEL 661(標記為「1」)形成群組1，且連接至基板之邊緣處的接觸襯墊665。其他群組以類似方式連接(亦即，分別標記為「2」、「3」、「4」之VCSEL 662、663、664分別連接至襯墊666、667、668)。用於達成連接之一個配置為使用四個頂部導體層，使得VCSEL之每一群組使用層中之各別者連接。將極其困難的是使用單層導體連接VCSEL元件之此配置，此係因為屬於每一特定子群組之VCSEL元件並不形成凝聚性群組，但在其他群組之VCSEL之間穿插。
本發明之原理可適用於構建廣泛範圍之極其緊湊的結構化光照明器、光學子總成及光學模組。VCSEL陣列裝置可針對多波長應用諸如RBG或白光光源之多波長應用構建。針對緊湊密集VCSEL陣列之多層導體連接對於用於各種應用之手持型裝置以及對於批量生產、可靠性及較低成本可為高度合適的。此處所揭示之原理的此等及其他優勢對於熟習此項技術者將為顯而易見。
另外，上述原理不僅適用於VCSEL陣列，而且適用於其他類型之發光元件陣列(例如，LED或諧振LED陣列)。舉例而言，若發光元件需要為可定址的且具有複雜陣列佈局，則此等技術可為特別有利的。
原理之框架藉由使用在不同圖式中表示之例示性實施描述本發明之各種態樣而呈現於前述段落中。為了描述清楚及容易起見，每一說明實施包括僅特定態樣。一般而言，不同實施之不同態樣可如圖所示實踐，或結合不同實施描述之不同態樣可以組合及子組合形式實踐。在本發明之廣泛框架內但未明確展示或描述之代表性實施例的其他組合及子組合，包括對於熟習此項技術者可顯而易見的彼等實施例，包括在本發明之範疇內。另外，各種變化及修改對於熟習此項技術者將易於為顯而易見。因此，其他實施係在申請專利範圍之範疇內。
101‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)元件102‧‧‧基板103‧‧‧頂部導體104‧‧‧介電性電絕緣層105‧‧‧底部接點及導體106‧‧‧頂表面107‧‧‧輸出光束108‧‧‧電流限制孔隙201‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)元件202‧‧‧基板205‧‧‧底部導體221‧‧‧單獨頂部導體222‧‧‧單獨頂部導體223‧‧‧輸出光束301‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)304‧‧‧介電絕緣層306‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)元件321‧‧‧頂部導體/第一導體層/下部第一層331‧‧‧第二導體層/第二導體332‧‧‧路徑333‧‧‧邊緣334‧‧‧第二絕緣介電層335‧‧‧孔402‧‧‧基板406‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)/垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)發射區域421‧‧‧下部導體421A‧‧‧下部第一導體層/下部導體431‧‧‧上部導體431B‧‧‧第二層導體433A‧‧‧第一襯墊433B‧‧‧第二襯墊441‧‧‧導體442‧‧‧部分443‧‧‧襯墊/部分506‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)發射區521‧‧‧下部或第一導體531‧‧‧上部透射導體531A‧‧‧上部透射導體551‧‧‧區段552‧‧‧區段661‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)662‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)663‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)664‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)665‧‧‧接觸襯墊666‧‧‧襯墊667‧‧‧襯墊668‧‧‧襯墊
圖1說明VCSEL陣列之實例，該VCSEL陣列具有基板之底側上的共同底部接點及接觸陣列中之所有VCSEL元件的單層頂部接點。
圖2展示VCSEL陣列之一實例，其具有至每一VCSEL元件之分離頂部接點以提供可定址VCSEL陣列。
圖3為兩個頂部導體層用以連接至VCSEL元件頂部接點且介電層用於導體層之間以使導體層電隔離的實例。
圖4(a)及4(b)展示單層導體(圖4(a))及一兩層導體(圖4(b))之連接性配置的並排比較。
圖5展示VCSEL元件之多層導體連接器的實例，該等VCSEL元件使用透明導體材料，使得導體可在不阻礙輸出光束透射情況下經過另一VCSEL之發射區域。
圖6說明多個導體層可如何用以提供VCSEL陣列，在該VCSEL陣列處，VCSEL元件之多個不同集合可經獨立地啟動以形成多個不同結構化照明圖案。
101‧‧‧垂直共振腔面發射型雷射(VCSEL)元件
102‧‧‧基板
103‧‧‧頂部導體
104‧‧‧介電性電絕緣層
105‧‧‧底部接點及導體
106‧‧‧頂表面
107‧‧‧輸出光束
108‧‧‧電流限制孔隙

Claims (18)

  1. 一種用於產生高密度照明圖案之裝置，該裝置包含：一共同基板上之一發光元件陣列，每一發光元件包括一基板側上之一各別底部反射器及該發光元件之另一側上的一頂部反射器；該等發光元件之一底部基板側上之一共同電接點；該發光元件陣列上之一第一介電層，該第一介電層覆蓋該基板及該等發光元件，惟每一發光元件之一頂部電接觸區除外；一第一頂部導體圖案，其係在該第一介電層上且接觸該等發光元件之一第一子集的各別頂部電接觸區；至少一個額外介電層及至少一個額外頂部導體圖案之一序列，其經安置使得發光元件之各別子集的該等頂部電接觸區連接至該至少一個額外頂部導體圖案中之一各別者；該陣列之一周邊處的電接觸襯墊，其中該第一頂部導體圖案及該等額外頂部導體圖案中之每一者分別電連接至該等電接觸襯墊中的一或多者；其中該第一頂部導體圖案及該至少一額外頂部導體圖案形成安置於該陣列上方之多個導體圖案之一堆疊，該等導體圖案彼此電隔離；及其中該等導體圖案藉由各別介電層彼此電隔離，且其中該等介電層中之至少一者對於藉由該等發光元件發射之輻射為光學透明的，且覆蓋該等發光元件之多個發射區。
  2. 如請求項1之裝置，其中該發光元件陣列包含一表面發射元件陣列。
  3. 如請求項1之裝置，其中該發光元件陣列包含一VCSEL陣列。
  4. 如請求項3之裝置，其中該等VCSEL包括三鏡組態VCSEL。
  5. 如請求項1之裝置，其中該等發光元件為頂部發射式VCSEL。
  6. 如請求項1之裝置，其中該等發光元件為頂部發射式VCSEL，且其中至少一個額外頂部導體層為光學透明的且在該等VCSEL之發射區上佈線連接。
  7. 如請求項1之裝置，其中至少一個額外介電層及至少一個額外頂部導體圖案之該序列包括：該第一頂部導體圖案上之一第一額外介電層；一第一額外頂部導體圖案，其係在該第一額外介電層上且接觸該等發光元件之一第二子集的該等各別頂部電接觸區；該第一額外頂部導體圖案上之一第二額外介電層；及一第二額外頂部導體圖案，其係在該第二額外介電層上且接觸該等發光元件之一第三子集的該等各別頂部電接觸區。
  8. 如請求項7之裝置，其中至少一個額外介電層及至少一個額外頂部導體圖案之該序列進一步包括：該第二額外頂部導體圖案上之一第三額外介電層；及 一第三額外頂部導體圖案，其係在該第三額外介電層上且接觸該等發光元件之一第四子集的該等各別頂部電接觸區。
  9. 如請求項8之裝置，其中至少一個額外介電層及至少一個額外頂部導體圖案之該序列進一步包括：該第三額外頂部導體圖案上之一第四額外介電層；及一第四額外頂部導體圖案，其係在該第四額外介電層上且接觸該等發光元件之一第五子集的該等各別頂部電接觸區。
  10. 如請求項1之裝置，其經配置使得該等發光元件之不同子集可與該等發光元件之其他子集分離地啟動。
  11. 如請求項10之裝置，其經配置使得該等不同子集之該等發光元件彼此穿插。
  12. 一種用於產生高密度照明圖案之裝置，該裝置包含：一共同基板上之一發光元件陣列；該等發光元件之一底部基板側上之一共同電接點；安置於該陣列上方之多個導體圖案之一堆疊，該等導體圖案彼此電隔離，該等導體圖案中之每一者接觸該陣列內之一各別子集之該等發光元件的各別電接觸區；該陣列之一周邊處之電接觸襯墊，其中該等導體圖案中之每一者分別電連接至該等電接觸襯墊中之至少一者，且其中該等導體圖案中之至少 一者交越該等導體圖案中之另一者；及其中該等導體圖案藉由各別介電層彼此電隔離，且其中該等介電層中之至少一者對於藉由該等發光元件發射之輻射為光學透明的，且覆蓋該等發光元件之多個發射區。
  13. 如請求項12之裝置，其中該等導體圖案中之多個導體圖案交越該等導體圖案中之其他各別導體圖案。
  14. 如請求項12之裝置，其經配置使得該等發光元件之不同子集可與該等發光元件之其他子集分離地啟動。
  15. 如請求項12之裝置，其經配置使得該等發光元件之不同子集經由該等導體圖案電連接至該等電接觸襯墊中之不同電接觸襯墊，且其中該等發光元件之該等不同子集經安置使得其彼此穿插。
  16. 如請求項12之裝置，其中該發光元件陣列包含一表面發射元件陣列。
  17. 如請求項12之裝置，其中該發光元件陣列包含一VCSEL陣列。
  18. 如請求項12之裝置，其中導體層中之至少一者對於藉由該等發光元件發射之輻射為光學透明的，且在該等發光元件之發射區上佈線連接。
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