[发明专利]表面贴装的兼容的VCSEL阵列

说明书

公开了一种VCSEL/VECSEL阵列设计，其产生的阵列可以使用常规表面贴装和焊接技术被直接焊接到PCB上，用于进行批量生产。完整的VCSEL阵列不需要单独的封装，也不需要精密热沉和倒装芯片接合工艺。设计允许在将裸片从晶圆切分之前，在晶圆上探测完整的阵列。实施例涉及半导体器件，并且更具体地涉及用于高功率和高频应用的半导体激光器的多光束阵列及其制造和使用方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月14日提交的美国临时专利申请62/545,363的权益。

技术领域

本公开涉及半导体器件，并且更具体涉及半导体激光器的多光束阵列。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是具有独特性能优势的通用型半导体激光器。它们目前用于高速数据通信，光学感测应用(诸如接近感测)和激光雷达。通过在半导体材料(通常为砷化镓)的晶圆的表面上使激光腔以层状形式外延生长来制造器件。结果，它们在垂直于晶圆表面的方向上发光。由于没有必要，如边缘发射半导体激光器所需要的，切割半导体晶圆以形成激光腔，所以可以很容易地在单个半导体裸片中以VCSEL的一维和二维阵列制造器件。VCSEL阵列提供了一种将输出功率按比例缩放到更高功率水平的方法，并能够使阵列中的各个激光器或激光器组被配置为独立的功率和控制。

已经提出并且制造了VCSEL的许多设计或配置。这些设计中的大多数都需要某种程度的封装，以提供保护激光器表面不受环境影响，并提供与常规印刷电路板的连接。一个典型的示例是VCSEL的顶部发射阵列，其中在裸片的顶部处需要电连接。通常，阳极(正)触点靠近发光结，以及阴极(负)触点是裸片的掺杂基板。在大多数示例中，阳极触点经由引线接合到裸片的顶部的衬垫，且阴极触点经由焊料接合在裸片的底部。

这些互连与常规印刷线路板(PWB)或印刷电路板(PCB)结构不直接兼容，并且不可以直接与常用来大量生产电子和光电系统的高速、低成本表面贴装焊接工艺一起使用。需要电子封装来建立与VCSEL裸片的连接，并且该封装必须具有合适的金属衬垫或引线以焊接到PCB。封装还为VCSEL提供保护，因为所使用的制造工艺经常留下外延层的侧面，而这些侧面通过台面或沟槽的蚀刻被暴露，没有受到保护，或者仅受到用于平坦化的聚合物层的保护。蚀刻的外延层需要暴露用于横向氧化(用于VCSEL中电流限制的常用处理)。这些器件长期暴露在大气湿气中是已知的可靠性问题，通常通过使用气密封装来解决。引线接合器件也不容易按比例缩放到二维阵列中，特别是在需要在阵列内部接触许多各个激光器或激光器组时。

一些VCSEL阵列被制造为使光发射通过基板晶圆，通过以对其而言晶圆是透明的波长发射光、或通过晶圆中的通孔。在这样的体系结构中，通过将阳极触点向下接合到导电衬垫而将阳极触点制作到器件。在许多设计中，阴极触点仍被制作到半导体基板表面。这允许倒装芯片接合用于制作阳极触点。引线接合仍可以用于将阴极触点制作到基板表面，基板表面现在是倒置器件的顶部。在大多数情况下，仍然需要封装来保护器件并提供用于引线接合的衬垫，以及然后提供用于附接到PCB的焊垫。引线接合的需求仍然严重限制了二维阵列的互连选项。

这样的配置确实具有激光器的阳极表面与封装基板直接接触的优点。这是优势，因为p-n结和反射镜或DBR(分布式布拉格反射器)在阳极触点附近，并且这是在器件中产生的大部分热量所在的位置。这使阳极触点成为用于从结区域去除热量的最有效的表面。