阅读说明：本技术 一种激光器及其制造方法 (Laser and manufacturing method thereof ) 是由 梁栋 刘嵩 张�成 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种激光器,包括：衬底；多个发光单元,设置在所述衬底上。每一所述发光单元上设置第一欧姆金属电极；至少两个支撑单元,设置在所述衬底上,所述至少两个支撑单元通过导电连接层连接,且所述导电连接层连接第二欧姆金属电极；第一绝缘层,设置在所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元上,且所述第一绝缘层覆盖部分所述第二欧姆金属电极；至少两个金属柱,分别设置在所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元上；其中,所述多个发光单元发射的光线通过所述衬底出射。本发明提出的激光器可以在增强散热能力的同时,省去金线键合步骤。(The invention provides a laser, comprising: a substrate; a plurality of light emitting cells disposed on the substrate. A first ohmic metal electrode is arranged on each light-emitting unit; the at least two supporting units are arranged on the substrate and connected through a conductive connecting layer, and the conductive connecting layer is connected with the second ohmic metal electrode; a first insulating layer disposed on the plurality of light emitting cells and the at least two supporting units, and covering a portion of the second ohmic metal electrode; at least two metal columns respectively arranged on the plurality of light-emitting units and the at least two supporting units; wherein the light emitted by the plurality of light emitting units is emitted through the substrate. The laser provided by the invention can enhance the heat dissipation capability and simultaneously save the gold wire bonding step.)

一种激光器及其制造方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种激光器及其制造方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出，与一般由边缘射出的边射型激光有所不同，随着科技高速发展，VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，VCSEL不仅在手机，消费性电子等领域发挥越来越重要的作用，还被用于人脸识别，3D感测，手势侦测和VR(虚拟现实)/AR(增强现实)/MR(混合现实)等。

在现有的3D感测设备中大多使用正面发射VCSEL，正面发射VCSEL和基板需要通过金线键合连接，这样就会引入更多的电感，从而影响了3D感测设备的性能。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种激光器，该激光器可以用于3D感测设备中，可以省去金线键合步骤，避免金线之间的电感效应，提高3D感测设备的性能。

为实现上述目的及其他目的。本发明提出一种激光器，包括，

衬底；

多个发光单元，设置在所述衬底上，每一所述发光单元上设置第一欧姆金属电极；

至少两个支撑单元，设置在所述衬底上，所述至少两个支撑单元通过导电连接层连接，且所述导电连接层连接第二欧姆金属电极；

第一绝缘层，设置在所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元上，且所述第一绝缘层覆盖部分所述第二欧姆金属电极；

至少两个金属柱，分别设置在所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元上；

其中，所述多个发光单元发射的光线通过所述衬底出射。

进一步地，所述第二欧姆金属电极位于所述衬底上，部分所述第二欧姆金属电极位于所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元之间。

进一步地，所述第二欧姆金属电极围绕所述多个发光单元。

进一步地，部分所述导电连接层位于所述多个发光单元上，且连接所述第一欧姆金属电极，形成阳极。

进一步地，位于所述支撑单元上的所述导电连接层与所述第二欧姆电极连接，形成阴极。

进一步地，部分所述第一绝缘层位于所述至少两个支撑单元与所述导电连接层之间。

进一步地，所述多个发光单元和所述至少两个支撑单元之间形成有第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖部分所述第二欧姆金属电极。

进一步地，所述第二绝缘层还位于所述多个发光单元之间，以及位于所述至少两个支撑单元之间。

进一步地，每一所述金属柱的高度在25-35微米。

进一步地，本发明还提出一种激光器的制造方法，包括，

提供一衬底；

形成多个发光单元于所述衬底上，每一所述发光单元上设置第一欧姆金属电极；

形成至少两个支撑单元于所述衬底上，所述至少两个支撑单元通过导电连接层连接，且所述导电连接层连接第二欧姆金属电极；

形成第一绝缘层于所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元上，所述第一绝缘层覆盖部分所述第二欧姆金属电极；

形成至少两个金属柱于所述多个发光单元及所述至少两个支撑单元上；

其中，所述多个发光单元发射的光线通过所述衬底出射。

综上所述，本发明提出一种激光器及其制造方法，通过在衬底上形成多个发光单元和支撑单元，然后在发光单元和支撑单元上形成金属柱，该激光器通过金属柱连接在基板上，由此省去了金线键合步骤，避免金线之间的电感效应。同时背面发射的激光器上的金属柱覆盖了多个发光单元，由此也可以提高发光单元的散热效果。

附图说明

图1：本实施例提出的激光器的制造方法流程图。

图2A：步骤S1-S2的结构示意图。

图2B：步骤S1-S2的另一结构示意图。

图3-4：步骤S3的结构示意图。

图5：步骤S4的结构示意图。

图6：图5的俯视图。

图7-10：步骤S5的结构示意图。

图11：步骤S6的结构示意图。

图12：图11的俯视图。

图13：本实施例中激光器的阵列图。

图14：本实施例提出的发光装置的制造方法流程图。

图15：步骤S11-S12的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提出一种激光器的制造方法，该激光器可以为背面发射的垂直腔面发射激光器，该制造方法包括，

S1：提供一衬底；

S2：形成外延结构于所述衬底上；

S3：形成多个沟槽于所述外延结构内，以将所述外延结构分成多个台型结构；

S4：形成第二欧姆金属电极于所述至少一沟槽内；

S5：形成第一绝缘层及第二绝缘层于所述多个台型结构之间；

S6：形成多个金属柱于所述多个台型结构上。

如图2A所示，在步骤S1-S2中，首先提供一衬底101，然后在衬底101上形成第一反射层102，在第一反射层102上形成有源层103，在有源层103上形成第二反射层104，在第二反射层104上形成P型接触层105，将第一反射层102，有源层103，第二反射层104及P型接触层105定义为外延结构或层叠结构。在本实施例中，该衬底101可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)或其他半导体材料的衬底。衬底101可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，掺杂可以降低后续形成的欧姆金属电极与半导体衬底之间欧姆接触的接触电阻，在本实施例中，该衬底101例如为N型掺杂半导体衬底。

如图2B所示，在一些实施例中，当衬底101为半绝缘性衬底时，该外延结构还可以包括一缓冲层102a，缓冲层102a位于衬底101和第一反射层102之间，缓冲层102a的的掺杂性质与第一反射层102掺杂性质相同，缓冲层102a可例如为N型接触层。

如图2A所示，在本实施例中，第一反射层102可例如由包括AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，该第一反射层102可以为N型反射镜，具体地，该第一反射层102可以为N型的布拉格反射镜。有源层103包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs，或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层103用以将电能转换为光能。第二反射层104可包括由AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，第二反射层104可以为P型反射镜，具体地，第二反射层104可以为P型的布拉格反射镜。第一反射层102和第二反射层104用于对有源层103产生的光线进行反射增强，然后从第一反射层102的表面射出。

在一些实施例中，第一反射层102或第二反射层104包括一系列不同折射率材料的交替层，其中每一交替层的有效光厚度(该层厚度乘以该层折射率)是四分之一垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍，即每一交替层的有效光厚度为垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍的四分之一。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适介电材料包括钽氧化物，钛氧化物，铝氧化物，钛氮化物，氮硅化物等。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适半导材料包括镓氮化物，铝氮化物和铝镓氮化物。然不限于此，在一些实施例中，第一反射层102和第二反射层104也可由其他的材料所形成。

在一些实施例中，该有源层103可以包括一个或多个氮化物半导体层，该半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。

如图2A所示，在P型接触层105上还形成有两个第一欧姆金属电极109a，两个第一欧姆金属电极109a之间具有预设的距离，例如在10-15微米，第一欧姆金属电极109a还可以作为后续电极的金属接触垫。在本实施例中，所述第一欧姆金属电极109a例如为P型欧姆金属电极109a。

在一些实施例中，可例如通过化学气相沉积的方法形成第一反射层102，有源层103及第二反射层104和P型接触层105，即通过化学气相沉积的方法形成外延结构。

如图3-4所示，在步骤S3中，首先在P型接触层105上形成图案化光阻层106，图案化光阻层106覆盖住第一欧姆金属电极109a，图案化光阻层106暴露出部分P型接触层105，然后通过图案化光阻层106对暴露出的外延结构进行刻蚀，以形成多个沟槽。图3中的箭头表示刻蚀方向。

如图4所示，在本实施例中，通过刻蚀工艺从P型接触层105向下刻蚀，刻蚀至衬底101的表面，形成多个沟槽。在本实施例中，例如形成第一沟槽1071，第二沟槽1072及第三沟槽1073。通过形成第一沟槽1071，第二沟槽1072及第三沟槽1073，将外延结构分成多个台型结构，例如第一台型结构1081，第二台型结构1082，第三台型结构1083及第四台型结构1084。第一台型结构1081和第二台型结构1082之间通过第二沟槽1072隔开，第二台型结构1082与第三台型结构1083通过第一沟槽1071隔开，第三台型结构1083和第四台型结构1084之间通过第三沟槽1073隔开。在第一台型结构1081的左侧以及在第台型结构1082的右侧还具有沟槽，本实施例不在进行标注。

如图4所示，在本实施例中，第一台型结构1081和第二台型结构1082的结构一致，第三台型结构1083和第四台型结构1084的结构一致，第一台型结构1081和第三台型结构1083的结构不同在于第一台型结构1081还包括第一欧姆金属电极109a，因此第一台型结构1081的高度大于第三台型结构1083的高度，本实施例中，第一台型结构1081和第二台型结构1082用于形成发光单元，第三台型结构1083和第四台型结构1084用于形成支撑单元，所述支撑单元不作为发光单元，也就是所述支撑单元不发光。

如图5所示，在形成多个沟槽及多个台型结构之后，然后通过沉积的方式在衬底101上形成第二欧姆金属电极109b。第二欧姆金属电极109b位于第一沟槽1071内，也就是位于第二台型结构1082第三台型结构1083之间。当对第一欧姆金属电极109a施加电压时，电流从P型接触层105，第二反射层104，有源层103，第一反射层102及衬底101流向第二欧姆金属电极109b。在本实施例中，第二欧姆金属电极109b例如为N型欧姆金属电极。

如图6所示，图6显示为图5的俯视图，图5显示为图6在A-A方向的剖面图，需要说明的是，图6仅为显示出第二欧姆金属电极109b的结构，图6不作为显示尺寸的限制，在第一台型结构1081的左侧的第二欧姆金属电极109b在图5中未显示。从图6可以看出，第二欧姆金属电极109b环绕第一台型结构1081和第二台型结构1082，也就是说第二欧姆金属电极109b环绕发光单元，例如在第二欧姆金属电极109b内形成四个发光单元。第三台型结构1083和第四台型结构1084位于第二欧姆金属电极109b的外侧，也就是支撑单元位于第二欧姆金属电极109b的外侧，也就是发光单元和支撑单元通过第二欧姆金属电极109b隔开。

在一些实施例中，第二欧姆金属电极109b内还例如可以设置两个发光单元，在第二欧姆金属电极109b的外侧设置两个支撑单元，本实施例对发光单元和支撑单元的数量不作限定。

如图5-6所示，在本实施例中，第一台型结构1081，第二台型结构1082，第三台型结构1083和第四台型结构1084同时形成，且第一台型结构1081和第二台型结构1082用于形成发光单元，第三台型结构1083和第四台型结构1084不作为发光单元，第三台型结构1083和第四台型结构1084的作用是提高后期形成的阴极的高度，因此可以用绝缘材料形成第三台型结构1083和第四台型结构1084。例如，首先形成第一台型结构1081和第二台型结构1082，然后在第二欧姆金属电极109b的外侧形成绝缘层，该绝缘层的高度可以和第一台型结构1081和第二台型结构1082的高度一致或基本一致。

如图7所示，在步骤S5中，在形成第二欧姆金属电极109b后，通过高温氧化高掺铝的方法，对沟槽的侧壁进行氧化，以在第一台型结构1081，第二台型结构1082，第三台型结构1083和第四台型结构1804的第二反射层104内形成至少一个电流限制层110。通过电流限制层110定义出发光单元的发光孔。需要说明的是，由于第一台型结构1081的俯视图为圆形，电流限制层110在第二反射层105内为圆环形结构，当第一台型结构1081的俯视图为矩形时，电流限制层110为距环形结构。

如图7所示，在本实施例中，电流限制层110从第二反射层104的侧壁向第二反射层104内部延伸，因此将电流限制层110定义为位于第二反射层104内。

在一些实施例中，电流限制层110也可以形成在第一反射层102内，电流限制层110也可以称为电流限制区域。

在一些实施例中，还可以在第二反射层104内形成环形的发光孔。

如图7所示，在一些实施例中，电流限制层110包括空气柱型电流限制结构，离子注入型电流限制结构，掩埋异质结型电流限制结构与氧化限制型电流限制结构的一种，本实施例中采用的是氧化限制型电流限制结构。

如图8所示，在形成电流限制层110后，在第一台型结构1081，第二台型结构1082，第三台型结构1084及第四台型结构1084上形成第一绝缘层111，第一绝缘层111可以覆盖第一台型结构1081，第二台型结构1082，第三台型结构1084及第四台型结构1084，第一绝缘层111还可以覆盖第二欧姆金属电极109b，第一绝缘层111可以覆盖多个沟槽。第一绝缘层111用于隔绝第一台型结构1081，第二台型结构1082，同时还可以保护电流限制层110。在本实施例中，第一绝缘层111的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘材料，该第一绝缘层111的厚度可在100-1000nm，可例如通过化学气相沉积的方式形成该第一绝缘层111。

如图9所示，在形成第一绝缘层111之后，在第一台型结构1081和第二台型结构1082上形成第一导电连接层112a，在第三台型结构1083和第四台型结构1084上形成第二导电连接层112b。第一导电连接层112a和第二导电连接层112b可以为同种材料且可同时形成。在形成第一导电连接层112a时，首先将第一台型结构1081和第二台型结构1082上的第一绝缘层111上形成一开口，暴露出第一欧姆金属电极109a，然后在该开口内形成第一导电连接层112a，第一导电连接层112a连接第一欧姆金属电极109a。在形成第二导电连接层112b时，首先将第二欧姆金属电极109b上的第一绝缘层111上形成一开口，暴露出第二欧姆金属电极109b，然后在该开口内形成第二导电连接层112b，第二导电连接层112b还位于第三台型结构1083和第四台型结构1084上，也就是说第三台型结构1083和第四台型结构1084通过第二导电连接层112b连接，第二导电连接层112b还连接第二欧姆金属电极109b。

如图4及图9所示，图4中的第一台型结构1081的高度大于第三台型结构1083的高度，第一台型结构1081与第三台型结构1083的高度差为第一欧姆金属电极109a的高度。在形成第一导电连接层112a和第二导电连接层112b时，第一导电连接层112a与第一欧姆电极109a接触，位于第三台型结构1083和第四台型结构1084顶部的第二导电连接层112b与第一绝缘层111接触，也就是说第一绝缘层111补偿了第三台型结构1083和第四台型结构1084的高度，因此，第一导电连接层112a的高度可以和位于第三台型结构1083和第四台型结构1084顶部的第二导电连接层112b的高度相等或大致相等，也可以说明第一台型结构1081，第二台型结构1082，第三台型结构1083和第四台型结构1084的高度相等或大致相等，所述第一台型结构1081和所述第二台型结构1082包括第一反射层102，有源层103，第二反射层104，P型接触层105，第一欧姆金属电极109a和第一导电连接层112a，所述第三台型结构1083和所述第四台型结构1084包括第一反射层102，有源层103，第二反射层104，P型接触层105，第一绝缘层111和第二导电连接层112b。在本实施例中，还可以将第一欧姆金属电极109a和第一导电连接层112a定义为阳极，将第二欧姆金属电极109b和第二导电连接层112b定义为阴极，当施加电压后，电流从第一导电连接层112a，第一欧姆金属电极109a，P型接触层105，第二反射层104，有源层103，第一反射层102，衬底101，从第二欧姆金属电极109b，第二导电连接层112b流出，因此电流不通过第三台型结构1083和第四台型结构1084，也就是说，第三台型结构1083和第四台型结构1084不作为发光单元，第三台型结构1083和第四台型结构1084的作用是使得阳极和阴极的高度相等或大致相等。

如图10所示，在形成第一导电连接层112a和第二导电连接层112b后，还可以在多个沟槽内形成第二绝缘层113，第二绝缘层113位于多个沟槽内，也就是位于多个台型结构之间。例如当第二绝缘层113位于第二台型结构1082和第三台型结构1083之间时，第二绝缘层113覆盖第二欧姆金属电极109b和部分第一绝缘层111，第二绝缘层113还位于第一台型结构1081和第二台型结构1082之间，以及位于第三台型结构1083和第四台型结构1084之间。第二绝缘层113的高度小于第一台型结构1081的高度，例如第二绝缘层113可以和第一台型结构1081上的第一绝缘层111平齐。需要说明的是，第二绝缘层113不能覆盖住第一导电连接层112a，以及位于第三台型结构1083和第四台型结构1084顶部的第二导电连接层112b。第二绝缘层113可例如为BCB有机物等其他材料。

如图10-图11所示，在步骤S6中，在形成第二绝缘层113后，还可以在第一台型结构1081和第二台型结构1082上，以及在第三台型结构1083和第四台型结构1084上形成金属柱，图11中例如显示出第一金属柱114a和第二金属柱114b，本实施例以位于第一台型结构1081和第二台型结构1082上的第一金属柱114a为例进行说明。

如图11所示，在本实施例中，第一金属柱114a位于第一台型结构1081和第二台型结构1082上，第一金属柱114a包括金属层1141和粘结层1142，粘结层1142也可以进行导电，粘结层1142位于金属层1141上，金属层1141位于第一台型结构1081和第二台型结构1082，并与第一导电连接层112a连接。同理位于第三台型结构1083和第四台型结构1084上的第二金属柱114b同样与第二导电连接层112b连接。在本实施例中，该金属层1141可例如为金属铜，粘结层1141可例如为银锡合金，第一金属柱114a和第二金属柱114b的高度可例如为25-35微米，例如为30微米。

如图12所示，图12显示为图11的俯视图，图11显示为图12在B-B方向的剖面图，需要说明的是，该图仅显示为金属柱114和台型结构的关系，图12中未显示出其他结构。从图12中可以看出，第一金属柱114a覆盖四个台型结构，也就是说第一金属柱114a覆盖四个发光单元，第二金属柱114b覆盖四个台型结构，也就是说第二金属柱114b覆盖住四个支撑单元。在本实施例中，由于该激光器为背面发射结构，因此当将激光器设置在基板上时，通过较大面积的金属柱覆盖住发光单元，由此扩大了发光单元的散热面积，由于第一金属柱114a具有良好的导热性，因此第一金属柱114a也可以提高发光单元的散热性。需要说明的是，形成金属柱后，还需要对晶元进行打磨，减薄，沉积高反射膜和切割的后端支撑作业，以形成完整的背面发射垂直腔面发射激光器结构，本实施例不再进行阐述。

如图11-图12所示，在本实施例中，当需要将该激光器设置在基板上时，通过第一金属柱114a和第二金属柱114b连接在基板上的线路板，即通过第一金属柱114a和第二金属柱114b上的粘结层1142连接在基板上的线路板，由于粘结层1142为银锡合金，在加热时可以进行回流，也有利于后期的封装作业。

如图13所示，本实施例还提出一种激光器阵列200，该激光器阵列200包括多个激光器210和多个支撑体220。在本实施例中，每个激光器210例如包括四个发光单元211和一级阳极金属柱212。每个支撑体220包括四个支撑单元221和一个阴极金属柱222，也就是说电流从阳极金属柱212流向阴极金属柱222。在本实施例中，当沿着X方向切割该激光器阵列200时，多个激光器210在X方向上可例如是分开的，当沿着Y方向切割该激光器阵列200时，多个激光器210在Y方向上可例如通过其他金属连接。在本实施例中，该激光器阵列200中的激光器210可例如是相互独立，因此可以控制任一激光器210，该激光器210例如为背面发射的垂直腔面发射激光器。

如图14所示，本实施例还提出一种发光装置的制造方法，包括，

S11：提供一基板；

S12：将激光器设置在所述基板上。

如图15所示，在步骤S11-S12中，首先提供一基板410，在基板410上设置有多个金属焊盘411，然后将激光器420倒装在基板410上，即通过激光器420上的阳极金属柱421和阴极金属柱422连接在金属焊盘411上，例如通过焊接将阳极金属柱421，阴极金属柱421与金属焊盘411连接，因此省去了金线键合的步骤，同时由于阳极金属柱421和阴极金属柱422上的粘结层为银锡合金，因此在加热时可以回流，也有利于后续的封装作业。该激光器420的具体结构可例如参阅图12-13。在本实施例中，该激光器420例如为背面发射的垂直腔面发射激光器，在阳极金属柱421下覆盖着多个发光单元。当打开该发光装置400时，该激光器420发射的光线从衬底出射。由于多个发光单元通过较大面积的阳极金属柱421覆盖，因此增大了多个发光单元的散热面积，且阳极金属柱421具有良好的导热性，由此提高了该发光装置400的散热性。

在本实施例中，该激光器可以用做光发射的各种光源，可例如用于激光雷达，红外摄像头，3D深度识别探测器，图像信号处理。

本实施例中的激光器可用于成像设备中，成像设备包括激光束打印机，复印机和传真机。

在一些实施例中，该激光器还可用于光通信中光源，例如光纤模块的光收发模块中的激光源。

综上所述，本发明提出一种激光器及其制造方法，通过将背面发射的激光器倒装在基板上，即该激光器通过多个金属柱连接在基板上，由此省去了金线键合的步骤，同时多个发光单元通过金属柱覆盖住，也增加了发光单元的散热面积，提高了发光装置的散热效果。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。