[发明专利]一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法，包括：外延层上的氧化沟道和通过氧化层限定出的VCSEL单元台面结构；位于所述外延层上的透明顶衬及设置于透明顶衬上的光学元件；所述外延层背面形成的通孔；所述外延层背面包含正极与负极。本发明通过一次正面键合顶衬，然后移除背面衬底即可完成主要制程；该器件由于出光在正面，制程上对背面光刻的精准度要求比较宽松；正负电极位于背面，封装时无需打线，直接表面贴片，易与驱动等其他组件直接贴合。

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)技术领域，尤其涉及一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法。

背景技术

目前，在众多智慧设备比如智慧手机中，对平顶红外照明(IR)投影模块具有巨大的市场需求，该模块在TOF测量、安全摄像设备等具体应用中发挥着至关重要的作用，垂直腔面发射激光器(VCSEL)则是平顶红外照明投影模块中最为核心的器件。

现有的VCSEL器件一般采用背面出光，正负电极位于正面，器件制备过程中，正面刻蚀结束后通常需要先在正面键合(Bonding)顶衬以保护正面结构，然后移除背面衬底，进行背面制程，将背面与透明衬底键合后，再移除正面键合的顶衬。此制备过程存在如下问题：一是需要进行两次衬底键合过程，工序复杂且表面质量较难控制。采用背面出光的方式，背面衬底材料对激光波长有限制，例如GaAs衬底不适合使用940nm以下波长，对出光效率造成影响；二是背面制程所需精度高(精度小于5um)；三是封装时需打线，增加电感影响高频传输，大量生产时无法有效管控。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的问题，本发明提出一种新的正面出光，顶衬透明，背面贴装型VCSEL器件，包括：外延层上的氧化沟道和通过氧化层19限定出的VCSEL单元台面结构；位于所述外延层上的透明顶衬12；所述外延层背面形成的连接正面种子金属层10的通孔14；所述外延层背面包含负极17，所述通孔14包含正极18。

优选的，所述台面结构包括量子阱层2，位于所述量子阱层2和所述氧化层19上的P型DBR层1，位于量子阱层2下的N型DBR层3，位于所述P型DBR层1上的P型欧姆金属层5、第一钝化层4、第二钝化层9、正面种子金属层10和电镀金属层11。电流注入时电子与电洞于量子阱层2复合产生光子，光子在P型DBR层与N型DBR层组成的高反射率共振腔内来回反射并激发其他光子，当增益大于共振腔内部损耗后于正面出光。

优选的，所述透明顶衬12为均一材料的单层结构或不同材料的多层结构；所述多层结构的任一层结构上设置光学元件20。

优选的，所述光学元件20包括漫射器、超表面、透镜、光栅、衍射光学组件。

优选的，所述光学元件20用于实现远场光学效果；所述效果包括：长方形平顶、超大出射角度、小角度及近准直光束、非垂直出射方向、周期性散斑点阵。

优选的，所述外延层背面包括N+高掺杂半导体层6、N型欧姆金属层13、第三钝化层15、背面种子金属层16和负极17。

优选的，所述通孔14设有第三钝化层15、背面种子金属层16和正极18。

优选的，所述P型DBR层1、所述N型DBR层3材料选自Ⅲ-Ⅴ族化合物、SiN、SiO、SiON；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括Al_xGa_(1-x) As，In_yGa_(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN。

优选的，所述量子阱层2材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物；所述Ⅲ-Ⅴ族化合物包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaP、InGaNAsP。

优选的，所述透明顶衬12材料选自AlOx、SiOx、SiNx、有机聚合物。