一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A VCSEL device with transparent top lining and back positive and negative electrodes and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术中所存在的问题，本专利技术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AlxGa(1-x)As，InyGa(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。基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，包括如下步骤1)在外延层正面形成包含氧化层19的VCSEL单元台面结构；2)在所述台面结构上设置透明顶衬12；3)在所述外延层背面刻蚀通孔14连接至正面种子金属层10；4)在所述外延层背面形成负极17与正极18。优选的，所述步骤1)包括1.1在外延层正面通过依次执行黄光工艺、P型欧姆金属层5蒸镀、第一钝化层4沉积及蚀刻工艺形成沟槽22、VCSEL单元台面结构及相应的发光区域，后执行氧化工艺形成氧化层19；1.2在所述第一钝化层4上沉积第二钝化层9，并暴露出所述P型欧姆金属层5；1.3在所述外延层正面生长正面种子金属层10和电镀金属层11。优选的，所述步骤2)包括2.1在所述电镀金属层11上设置透明顶衬12；2.2依次剥离所述外延层背面的衬底8和阻挡层7，暴露出所述外延层背面的N+高掺杂半导体层6(N+high-dopedcontactlayer)。随后可在背面进行制程，简化了键合(bonding)工序，缩短制备时间；与背面出光对材料的限制相比，正面透明顶衬12出光，对激光波长没有限制，提高了出光效率；且正面出光时，背面的制程精度要求不高，易于实现。优选的，所述步骤3)包括：3.1在不包含台面结构垂直投影区的区域，蚀刻贯穿至所述正面种子金属层10的通孔14；3.2在包含台面结构垂直投影区的N+高掺杂半导体层6沉积N型欧姆金属层13。优选的，所述步骤4)包括：4.1在外延层背面沉积第三钝化层15，并刻蚀使得N型欧姆金属层13以及正面种子金属层10暴露；4.2在所暴露出的所述N型欧姆金属层13和所述通孔14中形成背面种子金属层16；4.3在所述背面种子金属层16上镀金属以形成背面的负极17与通孔14中的正极18。优选的，所述透明顶衬12上设置光学元件20；设置所述光学元件20方式包括纳米压印，灰度光刻或光刻胶回流。优选的，所述第一钝化层4、第二钝化层9或第三钝化层15材料选自AlOx、SiOx、SiNx、SiON、有机聚合物。优选的，所述P型欧姆金属层5、背面种子金属层16和N型欧姆金属层13材料选自Ti、Pt、Au、Pd、Ge及其合金。以VCSEL器件为中心，透明顶衬在发光的同方向，即在原来生长衬底的反方向；正负电极均在发光的反方向，即原来生长衬底的同方向。本专利技术所提供的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件及其制备方法取得如下有益效果：(1)通过一次正面键合顶衬，然后移除背面衬底即可完成制程，简化了键合工序，缩短制备时间；(2)正面出光使得背面制程不需很高的精准度(>15um)；(3)在透明顶衬上设计光学组件，可以实现一些特殊的远场效果，可取代外部被动封装光学组件；(4)正负电极位于背面，封装时无需打线，而且易与其他组件结合。附图说明图1是本专利技术实施例1的形成台面结构和发光区示意图；图2是本专利技术实施例1的沉积第二钝化层示意图；图3是本专利技术实施例1的生长正面种子金属层和电镀金属层示意图；图4是本专利技术实施例1的键合透明顶衬示意图；图5是本专利技术实施例1的刻蚀背面通孔的示意图；图6是本专利技术实施例1的形成第三钝化层示意图；图7是本专利技术实施例1的形成背面电极示意图。P型DBR层1，量子阱层2，N型DBR层3，第一钝化层4，P型欧姆金属层5，N+高掺杂半导体层6，阻挡层7，衬底8，第二钝化层9，正面种子金属层10，电镀金属层11，蓝宝石透明顶衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：包括/n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)；/n所述外延层背面形成的连接正面种子金属层(10)的通孔(14)；/n所述外延层背面包含负极(17)，所述通孔(14)包含正极(18)。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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)。


2.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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)。


3.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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)。


4.如权利要求3所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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。


5.如权利要求4所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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。


6.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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)。


7.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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)。


8.如权利要求2所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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AlxGa(1-x)As，InyGa(1-y)AsP，AlN，GaN，InGaN，AlGaN。


9.如权利要求2所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：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。


10.如权利要求1所述的具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件，其特征在于：所述透明顶衬(12)材料选自AlOx、SiOx、SiNx、有机聚合物。


11.一种具有透明顶衬与背面正负电极的VCSEL器件制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在外延层正面形成包含氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁栋，丁维遵，翁玮呈，刘嵩，
申请(专利权)人：常州纵慧芯光半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32