高对比度光栅光电子器件制造技术

一种高对比度光栅光电子设备，包括：位于基板前表面处的光电子装置。该光电子装置通过该基板的与前表面相对的后表面来发射光和/或检测光。高对比度光栅(HCG)透镜临近于该基板的后表面并且通过间隔物与后表面间隔开。该间隔物包括晶片键合基板和/或腔。所述HCG透镜聚焦所述光。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高对比度光栅光电子器件相关申请的交叉引用N/A关于联邦政府资助的研究发展声明N/A
技术介绍
用于近代光电子和光子应用的光电子装置通常既包括生成光的发射器、又包括接收和检测光的光电检测器，发射器比如为激光器和发光二极管(LED)，光电检测器例如但不限于光电二极管。例如，普遍用于许多光子系统的发射器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。VCSEL的制造和使用相对比较便宜，并且其特征在于相对高的性能和可靠性。基于p-n和p-i-n半导体结的光电二极管(例如，PN光电二极管、PIN光电二极管等)在近代光子系统中也非常普遍，并且可以以相对低的成本提供伴随着异常杰出的可靠性的高性能。许多情况下，在光电子装置的正常操作中使用透镜并且甚至可能必须使用透镜。例如，透镜可用于聚焦或校准由VCSEL生成的光。例如，聚焦可利于VCSEL与光通信系统中光纤的相互作用。类似地，透镜可用于将光聚集或聚焦到光电检测器的有效区上，以改进光的接收和/或检测。附图说明参照以下结合附图的详细说明，将更易于理解根据在此描述的原理的示例的各种不同特征，其中相同的参考标记指代相同的结构元件，其中：图1例示了根据符合在此描述的原理的示例的高对比度光栅的透视图。图2例示了根据在此描述的原理的示例的高对比度光栅光电子设备的剖视图。图3例示了根据在此描述的原理的另一示例的高对比度光栅光电子设备的剖视图。图4例示了根据符合在此描述的原理的示例的、采用了高对比度光栅的光电子设备的剖视图。图5例示了根据符合在此描述的原理的另一示例的、采用了高对比度光栅的光电子设备的剖视图。图6例示了根据符合在此描述的原理的示例的、基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法的流程图。图7例示了根据符合在此描述的原理的示例的、形成图6中高对比度光栅透镜的流程图。图8A例示了根据符合在此描述的原理的示例的、在释放高对比度光栅透镜之前、基于高对比度光栅的光电子器件的剖视图。图8B例示了根据符合在此描述的原理的示例的、在释放高对比度光栅透镜之后、图8A中基于高对比度光栅的光电子器件的剖视图。图9例示了根据符合在此描述的原理的另一示例的、形成图6中高对比度光栅透镜的流程图。某些示例具有参照上述附图例示的特征之外的其他特征或者具有替代这些特征的其他特征。下面参照上述附图详细描述这些及其他特征。具体实施方式根据在此描述的原理的示例提供采用高对比度光栅来聚焦光的光电子器件。具体地，根据在此描述的原理的各种不同示例，高对比度光栅被配置为是聚焦由光电子装置发射和/或检测的光的透镜。而且，根据各种不同示例，由高对比度光栅透镜聚焦的发射光或检测光被配置为穿过高对比度光栅透镜与光电子装置之间的基板。由此，光电子装置为“背射式”或“背照式”光电子装置，并且高对比度光栅透镜临近于支撑该光电子装置的基板的后表面而设置。而且，位于或靠近基板后表面侧的高对比度光栅透镜利于以光电子设备的形式集成该光电子装置。根据一些示例，包含该集成的高对比度光栅透镜的光电子设备可使光电子设备能够进行倒装芯片安装。在此，将高对比度光栅定义为具有高折射率对比度的亚波长衍射光栅。具体地，根据一些示例，高对比度光栅的高折射率对比度可通过具有较高折射率的光栅元件(例如，光栅带、光栅条、光栅柱等)来提供，光栅元件基本上由具有较低折射率的材料或介质包围。例如，高对比度光栅可包括由空气、二氧化硅、氧化铝或其他较低折射率或“低指数”材料包围的、高折射率或“高指数”材料(例如，硅、砷化铝镓等)的多个间隔开的光栅条(即，光栅元件)。在另一些示例中，低指数材料仅位于包括高指数材料的光栅元件之间。在又一些示例中，低指数材料可位于光栅元件之间并且还位于包括高指数材料的光栅元件上方或者下方。根据各种不同示例，选择高指数材料和/或低指数材料，以使其在高对比度光栅的可操作波长处为基本透明的。在一些示例中，高对比度光栅包括位于每个高指数光栅元件之间以及该高指数光栅元件上方和下方的相同的低指数材料或介质。在另一些示例中，高指数光栅元件之间的材料包括第一低指数材料，而第二低指数材料位于该高指数光栅元件上方和/或下方。在又一些示例中，高指数光栅元件上方的材料是第二低指数材料，而第三低指数材料位于该高指数光栅元件下方。根据各种不同示例，通过具体应用或通过使用包括但不限于高对比度光栅的可操作波长的高对比度光栅，来确定高指数材料的折射率与低指数材料的折射率之间的差。在一些示例中，较高折射率可为较低折射率的2倍或更多。例如，光栅元件可包括折射率大于约2.0的材料，并且围绕该光栅元件的材料或介质的折射率可为约1.0。在又一些示例中，高指数材料的折射率可为约3.5(例如，硅、锗等)，并且低指数材料的折射率可在约1.0和约2.0之间(例如，二氧化硅、二氧化锗)。根据一些示例，高对比度光栅是基本平坦的，并且其特征在于要么为一维(1-D)光栅结构要么为二维(2-D)光栅结构。具体地，高对比度光栅可在基本平坦的层内实施为高对比度光栅元件的1-D或2-D阵列。例如，1-D高对比度光栅可包括布置在平坦层中的多个基本平行的光栅条或带。在另一些示例中，准-2D高对比度光栅可包括多个弯曲的光栅条或带，或者多个宽度沿着光栅条变化的光栅条。在又一些示例中，在层中布置为2-D阵列的多个间隔开的矩形、圆形或椭圆形等的元件可提供2-D高对比度光栅。根据各种不同示例，高对比度光栅可要么为周期光栅、要么为基本非周期(即，不定期)光栅。图1例示了根据符合在此描述的原理的示例的高对比度光栅10的透视图。具体地，图1中例示的高对比度光栅10是1-D高对比度光栅10。高对比度光栅10包括布置在平坦层(例如，x-y平面中的层，如所示)中的多个基本平行的矩形条12。矩形条12之间的中心间距小于高对比度光栅10的操作或使用波长(即，可操作波长)。矩形条12包括具有高折射率的材料并且由具有低折射率的介质14围绕。例如，矩形条12可包括硅，而介质14可包括二氧化硅或空气，如所示。在此，将高对比度光栅(HCG)透镜定义为被配置为充当聚焦或校准光的透镜的高对比度光栅。而且，通过在此的定义，HCG透镜包括光栅节距足够小从而基本抑制HCG透镜的可操作波长上除0阶(0th)衍射模式之外的所有衍射模式的高对比度光栅。根据各种示例，所有高阶衍射模式都位于HCG透镜的可操作波长的截止点之下。具体地，通过在此的定义，HCG透镜是仅支持零阶衍射模式的非周期高对比度光栅，并且被配置为提供对穿过该HCG透镜的光的预定相位波前修改，其中，相位波前修改与透镜的一致(例如，HCG透镜用于弯曲并且聚焦光)。例如，相位波前修改可与折射透镜所提供的一致。在一些示例中，HCG透镜的光栅元件的间隔和/或光栅元件的宽度或尺寸根据横跨或沿HCG透镜的光栅结构的距离而变化，从而提供该预定相位波前修改。在一些示例中，HCG透镜可为1-D透镜，其中，该预定相位波前修改仅在一个方向上提供(例如，x方向，其基本平行于HCG透镜的平面)。在另一些示例中，HCG透镜是被配置为提供两个大致正交的方向(例如，x方向和y方向)上的预定相位波前修改的2-D透镜。根据各种不同示例，由HCG透镜提供的预定相位波前修改可对应于由基本上任一任意透镜(例如，任意折射透镜设计或形状)提供的相位波前修本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高对比度光栅光电子设备，包括：位于基板的前表面处的光电子装置，所述光电子装置通过所述基板的与所述前表面相对的后表面来发射光和/或检测光；以及高对比度光栅(HCG)透镜，临近于所述基板的所述后表面并且通过间隔物与所述后表面间隔开，所述HCG透镜用于聚焦所述光，其中所述间隔物包括晶片键合基板和/或位于所述HCG透镜与所述基板的后表面之间的腔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高对比度光栅光电子设备，包括：位于基板的前表面处的光电子装置，所述光电子装置通过所述基板的与所述前表面相对的后表面来发射光和/或检测光；高对比度光栅(HCG)透镜，临近于所述基板的所述后表面并且通过间隔物与所述后表面间隔开，所述HCG透镜用于聚焦所述光；以及其中所述间隔物包括位于所述HCG透镜与所述基板的后表面之间的腔，并且其中所述HCG透镜被封装在封装材料中，所述封装材料部分地填充所述HCG透镜与所述基板的后表面之间的腔。2.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，其中所述光电子装置包括背射式垂直腔表面发射激光器(BE-VCSEL)，由所述HCG透镜聚焦的所述光是BE-VCSEL的激光辐射。3.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，其中所述光电子装置包括光电二极管，所述HCG透镜将所述光聚焦到所述光电二极管的有源区上。4.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，进一步包括在所述基板上的、位于所述HCG透镜与所述基板的所述后表面之间的增透膜。5.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，其中所述间隔物包括与所述封装材料不同的材料。6.一种采用高对比度光栅的光电子设备，包括：透明基板，具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述透明基板传输所述光电子设备的可操作波长的光；光电子层，位于所述透明基板的所述第一表面处，所述光电子层发射所述光和/或检测所述光；以及高对比度光栅(HCG)层，临近于所述透明基板的所述第二表面并且通过间隔层与所述第二表面间隔开，所述HCG层提供HCG透镜以聚焦所述光，其中所述间隔层包括腔，以将所述HCG透镜悬浮在所述透明基板的第二表面上方，并且其中所述HCG透镜被封装在封装材料中，所述封装材料部分地填充所述HCG透镜与所述透明基板的所述第二表面之间的腔。7.如权利要求6所述的采用高对比度光栅的光电子设备，其中所述光电子层包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或光电二极管，所述VCSEL在朝向所述第二表面的方向上发射光，所发射的光由所述HCG透镜聚焦，所述光电二极管由来自所述第二表面的光照射并且检测所述光，所述光由所述HCG透镜聚焦到所述光电二极管上。8.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·V·马塔伊，迈克尔·瑞恩·泰·谭，戴维·A·法塔勒，韦恩·V·瑟林，
申请(专利权)人：慧与发展有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US