阅读说明：本技术 可分区导通的vcsel激光光源及其制备方法和驱动方法 (VCSEL laser light source capable of conducting in partition mode and manufacturing method and driving method thereof ) 是由 林珊珊 郭铭浩 李念宜 王立 姚毅飞 李姗姗 郝宇杰 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种可分区导通的VCSEL激光光源、制备方法及驱动方法。该光源包括：VCSEL阵列；形成于所述VCSEL阵列顶部的顶部电导通图案,以及,形成于所述VCSEL阵列底部的底部电导通图案。所述VCSEL阵列,包括相互电隔离的多个VCSEL单元,其中每一VCSEL单元自下而上包括衬底、底部反射器、有源区、具有开孔的限制层、顶部反射器和欧姆接触层。所述底部电导通图案包括第一电导通图案和第二电导通图案,其中所述第一电导通图案电连接于所述多个VCSEL单元中的第一子集,以及,所述第二电导通图案电连接于所述多个VCSEL单元中的第二子集。这样,所述激光光源通过负极布线的方式实现分区导通,以解决散热难题并能够适应不同的应用场景。(The application provides a VCSEL laser light source capable of being conducted in a partitioned mode, a preparation method and a driving method. The light source includes: a VCSEL array; a top electrical conduction pattern formed on top of the VCSEL array, and a bottom electrical conduction pattern formed on bottom of the VCSEL array. The VCSEL array comprises a plurality of VCSEL units which are electrically isolated from each other, wherein each VCSEL unit comprises a substrate, a bottom reflector, an active region, a limiting layer with an opening, a top reflector and an ohmic contact layer from bottom to top. The bottom electrical conduction pattern includes a first electrical conduction pattern and a second electrical conduction pattern, wherein the first electrical conduction pattern is electrically connected to a first subset of the plurality of VCSEL units and the second electrical conduction pattern is electrically connected to a second subset of the plurality of VCSEL units. Therefore, the laser light source realizes partition conduction in a negative wiring mode, so that the problem of heat dissipation is solved, and different application scenes can be adapted.)

具体实施方式

以下说明书和权利要求中使用的术语和词不限于字面的含义，而是仅由本申请人使用以使得能够清楚和一致地理解本申请。因此，对本领域技术人员很明显仅为了说明的目的而不是为了如所附权利要求和它们的等效物所定义的限制本申请的目的而提供本申请的各种实施例的以下描述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

虽然比如“第一”、“第二”等的序数将用于描述各种组件，但是在这里不限制那些组件。该术语仅用于区分一个组件与另一组件。例如，第一组件可以被称为第二组件，且同样地，第二组件也可以被称为第一组件，而不脱离发明构思的教导。在此使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的列出的项目的任何和全部组合。

在这里使用的术语仅用于描述各种实施例的目的且不意在限制。如在此使用的，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指示例外。另外将理解术语“包括”和/或“具有”当在该说明书中使用时指定所述的特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组合的存在，而不排除一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组件、元件或其组的存在或者附加。

申请概述

如上所述，在实际应用中，VCSEL激光器通常以VCSEL阵列的形式被集成应用，VCSEL阵列表示能够产生两束及以上激光光束的光电器件。随着VCSEL阵列包含的VCSEL激光器数量的增加，其功率逐渐增加，一方面，高功率VCSEL阵列的发热量较大，在没有充分散热的前提下，芯片性能也会受到影响；另一方面，数量增加的 VCSEL阵列，其电极布线也变得更加复杂和困难，尤其是对位于 VCSEL阵列中间区域的VCSEL激光器而言。

针对于散热问题，现有的常见技术方案是改变VCSEL激光器的热沉配置或改变底层设计来改变激光器本身的热敏特性，但是由于本道题本身特有的特性，这种热敏特征很难完全消除。也就是说，现有的技术方案只能在一定范围内降低温度的影响。

相应地，本申请发明人提出通过一种“分区点亮”的技术方向，即，通过调整VCSEL阵列中的布线配置，以将相对大数量的VCSEL 激光器划分为可单独控制或联合控制的多个发光区域，通过这样的方式，一方面，从本质上解决所述VCSEL阵列的因高功率产生的散热问题，另一方面，也拓展了所述VCSEL阵列的应用可塑性。

进一步地，在确定如何进行分区导通布线的技术构思中，本申请申请人提出两种布线方案：将多层布线结构设置于VCSEL阵列的顶侧作为其正极，以及，将多层布线结构设置于VCSEL阵列的顶侧作为其负极。这两种技术构思，从原理上都能实现本申请想要实现的技术目的。

但是，在具体选择中，本申请申请人认为将多层布线结构设置于 VCSEL阵列的顶侧作为其负极是更为优选的方案。其原因在于，首先，当将多层布线结构设置于VCSEL阵列的顶部时，其会降低 VCSEL激光器所产生的热量向外传递的速度，也就是说，一方面通过多层布线结构是为了解决散热的问题，但同时布设于顶侧的多层布线结构又会增加散热难度，此形成了一对矛盾，导致如果选择将多层布线结构布设于顶侧作为正极的话，其取得的散热效果有限。

其次，当将多层布线结构设置于VCSEL阵列的顶部时，其会影响VCSEL激光器的出光。当然，可以采用具有透光性能的布线结构解决此问题，但具有透光性能的布线结构，其成本更高，制备过程也更为繁琐。

综合考虑，在本申请实施例中，采用在负极布设电导通结构，以使得所述VCSEL阵列能够实现分区点亮。

基于上述研究发现，本申请提出一种可分区VCSEL导通的激光光源，包括，VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括相互电隔离的多个 VCSEL单元，其中每一VCSEL单元自下而上包括衬底、底部反射器、有源区、具有开孔的限制层、顶部反射器和欧姆接触层，每一所述 VCSEL单元的所述欧姆接触层的上表面包括每一所述VCSEL单元的顶部电接触区；形成于所述VCSEL阵列顶部的顶部电导通图案，其中，所述顶部电导通图案电连接于所述VCSEL阵列中所有所述 VCSEL单元的顶部电接触区；以及形成于所述VCSEL阵列底部的底部电导通图案，其中，所述底部电导通图案包括第一电导通图案和第二电导通图案，其中所述第一电导通图案电连接于所述多个VCSEL 单元中的第一子集，以及，所述第二电导通图案电连接于所述多个 VCSEL单元中的第二子集。这样，通过在VCSEL阵列的底部布线的方式实现VCSEL的分区点亮，优化VCSEL激光光源的制备过程和性能。

示意性激光光源及其制备方法

参考说明书附图1至图5，根据本申请实施例的可分区导通的 VCSEL激光光源100被阐明，其中，所述可分区导通的VCSEL激光光源100包括VCSEL阵列10、形成于所述VCSEL阵列顶部的顶部电导通图案20以及形成于所述VCSEL阵列底部的底部电导通图案 30。

如图1至图5所示，所述VCSEL阵列10包括相互电隔离的多个 VCSEL单元11，其中，每一VCSEL单元11自下而上包括衬底111、底部反射器112、有源区113、具有开孔的限制层114、顶部反射器 115和欧姆接触层116，每一所述VCSEL单元11的所述欧姆接触层 116的上表面包括每一所述VCSEL单元的顶部电接触区117。如图1 至图5所示，所述顶部电导通图案20电连接于所述VCSEL阵列10 中所有所述VCSEL单元11的顶部电接触区117。进一步地，所述底部电导通图案30包括第一电导通图案31和第二电导通图案32，其中所述第一电导通图案31电连接于所述多个VCSEL单元11中的第一子集12，以及，所述第二电导通图案32电连接于所述多个VCSEL 单元11中的第二子集13。所述激光光源100进一步包括形成于所述衬底111和所述底部电导通图案30之间的一导电胶层50，所述导电胶层50用于将所述底部电导通图案30固定于所述衬底111，并且使得所述衬底111电连接于所述底部电导通图案30。

具体地，所述VCSEL阵列进一步具有形成于所述顶部反射器115 和所述底部反射器112之间的谐振腔，位于所述谐振腔中所述有源区 113、所述有源区113形成一个多量子阱结构，当所述多量子阱结构被电流激活时提供光学增益，所述限制层114能够将电流集中在 VCSEL单元的中心，以供在量子阱结构中产生较高的增益。

所述顶部电导通图案20和所述底部电导通图案30用于导通电流，所述顶部电导通图案20电连接于所述顶部电接触区117，所述底部电导通图案30电连接于所述VCSEL单元11的所述衬底111。电流能够通过所述顶部电导通图案20、所述顶部电接触区117以及所述欧姆接触层116传递至所述顶部反射器115，电流通过形成于所述限制层114的开口和位于所述谐振腔的量子阱结构后，通过所述有源区 113传递至所述底部反射器112，最后经过所述衬底111流通至所述底部电导通图案30。需要指出的是，所述VCSEL阵列是顶部发射 VCSEL阵列，其中，所述顶部发射器115能够部分反射光线，所述底部发射器112允许光线反射而不允许光线透射，从而使得光线能够穿过所述顶部发射器115自所述顶部电导通图案20的一侧射出。

所述第一子集12由至少一所述VCSEL单元11形成，并且所述第一子集12中的所述至少一VCSEL单元11能够被同时点亮或关闭。相应地，所述第二子及13由至少一所述VCSEL单元11形成，并且所述第二子集12中的所述至少一VCSEL单元能够被同时点亮或关闭。

参考说明书附图1，可选地，所述VCSEL阵列10的所述第一子集12和所述第二子集13中没有共同的所述VCSEL单元11，也就是说，在所述VCSEL阵列10中没有一个VCSEL单元11同时属于两个或两个以上的子集。

参考说明书附图2，在另一些可选实施方式中，所述VCSEL阵列10的所述第一子集12包括所述第二子集13中所有的VCSEL单元 11。也就是说，位于所述第二子集13中的所有所述VCSEL单元11 既属于所述第二子集13，同时也属于所述第一子集12；而所述第二子集12中的一部分所述VCSEL单元11属于所述第二子集13，另一部分所述VCSEL单元11不属于所述第二子集13。也就是说，所述第一子集12除了包括所述第二子集13中的所有所述VCSEL单元11 之外，还包括部分不适于所述第二子集13的所述VCSEL单元11。

进一步地，所述底部电导通图案30进一步包括第三导通图案33，所述第三导通图案33电连接于所述多个VCSEL单元11中的第三子集14，用于将电流导通至属于所述第三子集14的所述VCSEL单元 11。需要指出的是，在本优选实施例中，以所述VCSEL阵列10的所述VCSEL单元11被划分为三个区，即所述第一子集12、所述第三子集13以及所述第四子集14，为例进行介绍而不应当构成对本申请的限制，相应地，所述底部电导通图案30包括所述第一导通图案31、所述第二导通图案32以及所述第三导通图案33，可以理解的是，所述VCSEL阵列10的所述VCSEL单元11能够被划分为三个以上的分区或子集，所述VCSEL阵列10的所述VCSEL单元11被划分为的具体分区或子集的数量不应当构成对本申请的限制。

进一步地，所述可导通的VCSEL激光光源100进一步包括形成于所述VCSEL阵列10的一隔离机构40，所述隔离机构40用于电隔离所述VCSEL阵列10的所述多个VCSEL单元11。

参考说明书附图3，可选地，所述隔离机构40是形成于所述 VCSEL阵列10的每两个VCSEL单元11之间的多个隔离槽41，每一所述隔离槽41分别从所述衬底111向上延伸并贯穿所述衬底111 和所述底部反射器112抵达所述顶部导电图案20的底部，以通过所述隔离槽41使得所述多个VCSEL单元11之间相互电隔离。

参考说明书附图5，可选地，所述隔离机构40包括多个形成于所述VCSEL阵列10的每两个所述VCSEL单元11之间的且掺杂地形成于各所述VCSEL单元11的所述衬底111和所述底部反射器112 的隔离介质42，以通过所述隔离介质42使得所述多个VCSEL单元 11之间相互电隔离。

在制备流程中，所述隔离介质42选自H、He、C、O、N的高能注入掺杂，能量MeV级别，剂量10^11-15。值得一提的是，非标准流程下，例如，将衬底减薄需到10～20um，所述隔离介质42选自H、He、C、 O、N、Si的中能注入掺杂，能量几百KeV级别，剂量10^11-17。

参考说明书附图6，依本申请的另一方面，本申请进一步提供一种VCSEL激光光源的制备方法200，所述VCSEL激光光源的制备方法200包括：

201：形成外延结构15，所述外延结构15自下而上依次包括衬底111、底部反射器112、有源区113、限制层114、顶部反射器115 和欧姆接触层116；

202：通过蚀刻工艺在所述外延结构15上形成多个台面结构151，每一所述台面结构151自下而上包括所述有源区113、所述限制层114、所述顶部反射器115和所述欧姆接触层116，其中，所述欧姆接触层 116包括形成于其上表面的顶部电接触区117；

203：通过氧化工艺氧化各所述台面结构151的所述限制层114，以使得所述限制层114具有特定孔径的开孔；

204：在所述台面结构151上沉积介电绝缘层118，其中，所述介电绝缘层118覆盖所述衬底111的上表面、所述台面结构151的底部区域、以及所述欧姆接触层116中除了所述顶部电接触区117之外的其他区域；

205：在所述欧姆接触层116的上表面形成顶部电导通图案20，其中，所述顶部电导通图案20电连接于所述所有台面结构151的所述顶部电接触区117；

206：蚀刻所述衬底111和所述底部反射器112以在每两个所述台面结构151之间形成隔离槽41，以通过所述隔离槽41分隔形成多个VCSEL单元11，其中，所述隔离槽41分别从所述衬底111向上延伸并贯穿所述衬底111和所述底部反射器112并抵至所述顶部电导通图案20的底部，每一所述VCSEL单元11自下而上包括所述衬底 111、所述底部反射器112、所述有源区113、具有开孔的所述限制层 114、所述顶部反射器115和所述欧姆接触层116；以及

207：在所述衬底111的下表面形成电连接于所述衬底111的底部电导通图案30，其中，所述底部电导通图案30包括第一电导通图案31和第二电导通图案32，其中，所述第一电导通图案31电连接于所述多个VCSEL单元11中的第一子集12，以及，所述第二电导通图案32电连接于所述多个VCSEL单元11中的第二子集13。

进一步地，在所述步骤207中，在所述衬底111的下表面形成电连接于所述衬底111的底部电导通图案30，包括：

2071：减薄所述衬底111；

2072：在所述衬底111的下表面形成电连接胶层；以及

2073：将所述底部电导通图案30粘附并电连接于所述电连接胶层。

需要指出的是，在所述欧姆接触层116的上表面形成所述顶部电导通图案20之后，通过蚀刻工艺蚀刻所述衬底111和所述底部反射器112以在每两个所述台面结构151之间形成所述隔离槽41。需要指出的是，通过光刻的方式对所述衬底111和所述底部反射器112进行蚀刻。所述顶部电导通图案20的材质是金属，由于采用光刻工艺不能够蚀刻金属，对金属无效，能够通过光刻工艺蚀刻所述衬底111 和所述反射器112至所述顶部电导通图案20的底部，也就是说，所述隔离槽41贯穿所述衬底111，并且延伸至所述顶部电导通图案20 的底部，以供有效地电隔离所述VCSEL阵列10中的多个所述VCSEL 单元11。

进一步地，在所述步骤202中，通过光刻的工艺在所述外延结构 15上形成多个台面结构151。

在所述步骤207中，可选地，所述第一子集12和所述第二子集 13中没有共同的所述VCSEL单元11。在另一些可选实施方式中，所述第一子集12还能够包括所述第二子集13中所有的所述VCSEL单元11。

所述底部电导通图案30进一步包括一第三电导通图案33，所述第三电导通图案33电连接于所述多个VCSEL单元11中的第三子集 14。其中，所述底部电导通图案30的所述第一电导通图案31用于将电流导通至所述多个VCSEL单元11中的所述第一子集12，用于点亮位于所述第一子集12内的所述VCSEL单元11；所述底部电导通图案30的所述第二电导通图案32用于将电流导通至所述多个 VCSEL单元11中的所述第二子集13，用于点亮位于所述第二子集 13内的所述VCSEL单元11；所述底部电导通图案30的所述第三电导通图案33用于将电流导通至所述多个VCSEL单元11中的所述第三子集14，用于点亮位于所述第三子集14内的所述VCSEL单元11。本领域的技术人员可以理解的是，在另一些可选实施方式中，所述VCSEL阵列10的所述VCSEL单元11还能够被分为三个以上的子集或区，相应地，所述底部电导通图案30还能够被分为三个以上的同层或不同层布置的导电图案，以实现VCSEL单元11的分区点亮，只要能够达到本申请的申请目的，所述VCSEL阵列10的所述VCSEL 单元11的子集或分区的数量不应当构成对本申请的限制。

在所述步骤204中，所述介电绝缘层118由所述非金属介电材料制成，包括但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiON) 等。

参考说明书附图7，依本申请的另一方面，本申请进一步提供一种VCSEL激光光源的制备方法200a，所述VCSEL激光光源的制备方法200a包括：

201a：形成外延结构15，所述外延结构15自下而上依次包括衬底111、底部反射器112、有源区113、限制层114、顶部反射器115 和欧姆接触层116；

202a：通过蚀刻工艺在所述外延结构15上形成多个台面结构151，每一所述台面结构151自下而上包括所述有源区113、所述限制层114、所述顶部反射器115和所述欧姆接触层116，其中，所述欧姆接触层 116包括形成于其上表面的顶部电接触区117；

203a：通过氧化工艺氧化各所述台面结构151的所述限制层114，以使得所述限制层114具有特定孔径的开孔；

204a：在每两个所述台面结构151之间注入隔离介质42，其中，所述隔离介质42掺杂地形成于所述衬底111和所述底部反射器112，以通过所述隔离介质42分隔形成多个VCSEL单元11，每一所述 VCSEL单元11自下而上包括所述衬底111、所述底部反射器112、所述有源区113、具有开孔的所述限制层114、所述顶部反射器115 和所述欧姆接触层116；

205a：在所述台面结构151上沉积介电绝缘层118，其中，所述介电绝缘层118覆盖所述衬底111的上表面、所述台面结构151的底部区域、以及所述欧姆接触层116中除了所述顶部电接触区117之外的其他区域；

206a：在所述欧姆接触层116的上表面形成顶部电导通图案20，其中，所述顶部电导通图案20电连接于所有所述台面结构151的所述顶部电接触区117；以及

207a：在所述衬底111的下表面形成电连接于所述衬底111的底部电导通图案30，其中，所述底部电导通图案30包括第一电导通图案31和第二电导通图案32，其中，所述第一电导通图案31电连接于所述多个VCSEL单元11中的第一子集12，以及，所述第二电导通图案32电连接于所述多个VCSEL单元11中的第二子集13。

进一步地，在所述步骤207a中，在所述衬底111的下表面形成电连接于所述衬底111的底部电导通图案30，包括：

2071a：减薄所述衬底111；

2072a：在所述衬底111的下表面形成电连接胶层；以及

2073a：将所述底部电导通图案30粘附并电连接于所述电连接胶层。

具体地，在所述步骤203a和所述步骤205a之间，也就是，在通过氧化工艺氧化各所述台面结构的所述限制层和在所述台面结构上沉积介电绝缘层步骤之间，在每两个所述台面结构151之间注入所述隔离介质42，其中，所述隔离介质42能够掺杂地形成于所述衬底111 和所述底部反射器112，以通过所述隔离介质42分隔所述VCSEL阵列10形成多个所述VCSEL单元11。可选地，所述步骤203a与所述步骤204a的先后顺序能够相互交换，也就是说，先在每两个所述台面结构151之间注入隔离介质42然后再通过氧化工艺氧化各所述台面结构151的所述限制层114，所述步骤203a与所述步骤204a之间的先后顺序不应当构成对本申请的限制。

进一步地，在所述步骤202a中，通过光刻的工艺在所述外延结构15上形成多个台面结构151。

在所述步骤205a中，所述介电绝缘层118由所述非金属介电材料制成，包括但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅 (SiON)等。

可选地，在所述步骤2071a之后，也就是在减薄所述衬底111之后，可以再次向VCSEL单元11之间进行隔离介质42的注入，以供进一步地提高VCSEL单元11之间的电隔离效果。可以理解的是，由于已经在所述欧姆接触层116的上表面形成顶部电导通图案20，再次进行隔离介质42的注入需要在所述衬底111的一侧进行注入。

在所述步骤207a中，可选地，所述第一子集12和所述第二子集 13中没有共同的所述VCSEL单元11。在另一些可选实施方式中，所述第一子集12还能够包括所述第二子集13中所有的所述VCSEL单元11。

所述底部电导通图案30进一步包括一第三电导通图案33，所述第三电导通图案33电连接于所述多个VCSEL单元11中的第三子集 14。其中，所述底部电导通图案30的所述第一电导通图案31用于将电流导通至所述多个VCSEL单元11中的所述第一子集12，用于点亮位于所述第一子集12内的所述VCSEL单元11；所述底部电导通图案30的所述第二电导通图案32用于将电流导通至所述多个 VCSEL单元11中的所述第二子集13，用于点亮位于所述第二子集 13内的所述VCSEL单元11；所述底部电导通图案30的所述第三电导通图案33用于将电流导通至所述多个VCSEL单元11中的所述第三子集14，用于点亮位于所述第三子集14内的所述VCSEL单元11。本领域的技术人员可以理解的是，在另一些可选实施方式中，所述VCSEL阵列10的所述VCSEL单元11还能够被分为三个以上的子集或区，相应地，所述底部电导通图案30还能够被分为三个以上的同层或不同层布置的导电图案，以供实现VCSEL单元11的分区点亮，只要能够达到本申请的申请目的，所述VCSEL阵列10的所述VCSEL 单元11的子集或分区的数量不应当构成对本申请的限制。

参考说明书附图8，依本申请的另一方面，本申请进一步提供一种VCSEL激光光源的驱动方法300，用于导通上述所述可分区导通的VCSEL激光光源100，所述驱动方法300包括：

301：以第一控制电流导通所述VCSEL激光光源中底部电导通图案30的第一电导通图案31，以使得所述VCSEL激光光源100中多个VCSEL单元11中第一子集12被导通。

所述驱动方法300进一步包括：

302：以第二控制电流导通所述VCSEL激光光源100中所述底部电导通图案30的第二电导通图案32，以使得所述VCSEL激光光源 100中多个所述VCSEL单元11中第二子集13被导通。

其中，所述第一控制电流和所述第二控制电流的电流大小不相同，以使得所述多个VCSEL单元11中的所述第一子集12和所述第二子集13发出不同亮度的激光。

进一步地，所述驱动方法300进一步包括：

303：以第三控制电流导通所述VCSEL激光光源中所述底部电导通图案30的第三电导通图案33，以使得所述VCSEL激光光源中多个VCSEL单元中第三子集14被导通。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本申请的实施例只作为举例而并不限制本申请。本申请的目的已经完整并有效地实现。本申请的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本申请的实施方式可以有任何变形或修改。