独立开关式面光源VCSEL论文和设计-王俊

全文摘要

本实用新型提供一种独立开关式面光源VCSEL，其包括：半导体衬底、外延层以及至少两个各自独立工作的发光区域；外延层位于半导体衬底的正面，发光区域位于外延层的正面，各发光区域具有各自独立的供电电极，任一发光区域包括：发光芯片以及供电电极，发光芯片包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层、有源层以及下DBR层，供电电极包括：外延层电极以及背电极，外延层电极一端与上DBR层的顶面相连接，另一端延伸至外延层上，背电极位于半导体衬底层的背面。本实用新型中，各发光区域可协同工作，也可各自独立工作，充分满足了实际的使用需求。同时，还有利于节约能耗，延长面光源的使用寿命。

主设计要求

1.一种独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述独立开关式面光源VCSEL包括：半导体衬底、外延层以及至少两个各自独立工作的发光区域；所述外延层位于所述半导体衬底的正面，所述发光区域位于所述外延层的正面，各发光区域具有各自独立的供电电极，任一所述发光区域包括：发光芯片以及所述供电电极，所述发光芯片包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层、有源层以及下DBR层，所述供电电极包括：外延层电极以及背电极，所述外延层电极一端与所述上DBR层的顶面相连接，另一端延伸至所述外延层上，所述背电极位于半导体衬底层的背面。

设计方案

1.一种独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述独立开关式面光源VCSEL包括：半导体衬底、外延层以及至少两个各自独立工作的发光区域；

所述外延层位于所述半导体衬底的正面，所述发光区域位于所述外延层的正面，各发光区域具有各自独立的供电电极，任一所述发光区域包括：发光芯片以及所述供电电极，所述发光芯片包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层、有源层以及下DBR层，所述供电电极包括：外延层电极以及背电极，所述外延层电极一端与所述上DBR层的顶面相连接，另一端延伸至所述外延层上，所述背电极位于半导体衬底层的背面。

2.根据权利要求1所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，任一所述发光区域中具有至少一个发光芯片。

3.根据权利要求2所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述发光芯片为多个，多个发光芯片以规则或者不规则的方式排布于所述外延层上。

4.根据权利要求3所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，多个发光芯片以方形阵列或者圆形阵列的方式进行排布。

5.根据权利要求1所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述发光区域为四个，四个发光区域对应一直角坐标系的四个象限。

6.根据权利要求5所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，四个发光区域的面积相等或者不等。

7.根据权利要求1所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述外延面电极与所述发光芯片的侧壁之间还设置有绝缘层。

8.根据权利要求1所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，各发光区域之间设置有隔离层。

9.根据权利要求1所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述独立开关式面光源VCSEL为适用于红外、可见和紫外光波段面光源VCSEL中的任一种。

10.根据权利要求1所述的独立开关式面光源VCSEL，其特征在于，所述独立开关式面光源VCSEL为适用于无偏振控制或偏振控制的面光源结构。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种独立开关式面光源VCSEL。

背景技术

VCSEL器件是通过外延生长和电极工艺制备的二极管。VCSEL器件中，多个发光点在前外延面通过金属电极联通，共用1个电极。列阵中多个二极管在衬底面半导体材料本身连在一起，共用1个背电极。从而，VCSEL器件工作时，其上的各个发光点是同时工作的，因此不适用于低功率需求的使用场合，同时也不利于节约能耗。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种独立开关式面光源VCSEL及其制备方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种独立开关式面光源VCSEL，其包括：半导体衬底、外延层以及至少两个各自独立工作的发光区域；

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，任一所述发光区域中具有至少一个发光芯片。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，所述发光芯片为多个，多个发光芯片以规则或者不规则的方式排布于所述外延层上。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，多个发光芯片以方形阵列或者圆形阵列的方式进行排布。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，所述发光区域为四个，四个发光区域对应一直角坐标系的四个象限。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，四个发光区域的面积相等或者不等。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，所述外延面电极与所述发光芯片的侧壁之间还设置有绝缘层。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，各发光区域之间设置有隔离层。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，所述独立开关式面光源VCSEL为适用于红外、可见、紫外光波段面光源VCSEL中的任一种。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的改进，所述独立开关式面光源VCSEL为适用于无偏振控制或偏振控制的面光源结构。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种独立开关式面光源VCSEL的制备方法，其包括如下步骤：

S1、通过沉积工艺在半导体衬底层上依次沉积形成半导体外延层和发光芯片，并通过刻蚀工艺定义发光芯片的台面结构；

S2、通过沉积工艺在发光芯片的台面上沉积形成绝缘层，并在发光芯片的顶面开设电极窗口；

S3、在绝缘层上通过沉积工艺沉积形成外延面电极，所述外延面电极与上DBR层的顶面进行欧姆连接；

S4、对半导体衬底的背面进行减薄，并在背面沉积背电极；

S5、通过刻蚀工艺在半导体外延层上定义不同发光区域的分隔槽。

作为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的制备方法的改进，所述绝缘层为SiO_{2<\/sub>或Si_{3<\/sub>N_{4<\/sub>介质材料。}}}

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的独立开关式面光源VCSEL中，各发光区域可协同工作，也可各自独立工作，充分满足了实际的使用需求。同时，还有利于节约能耗，延长面光源的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL一具体实施方式的俯视图，其中发光芯片以阵列方式规则排布；

图2为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL一具体实施方式的俯视图，其中发光芯片以随机方式不规则排布；

图3为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL一具体实施方式的层结构示意图；

图4至图6为本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的制备方法的工艺原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至3所示，本实用新型提供一种独立开关式面光源VCSEL，其包括：衬底1、设置于所述衬底1上的外延层2，以及设置于所述外延层2上的发光区域3。所述独立开关式面光源VCSEL可适用于任何波长段，任何半导体材料体系的面发射激光器。例如，所述独立开关式面光源VCSEL为适用于红外、可见和紫外光波段面光源VCSEL中的任一种。且适用于随机偏振结构，或偏振控制的面光源结构。

所述外延层2位于所述衬底1的正面，所述衬底1可以为半导体衬底，所述外延层2可以为半导体外延层。

所述发光区域3位于所述外延层2的正面，所述发光区域3为至少两个，且各个发光区域3能够通过分别开关的方式各自独立地工作。如此设置，可根据需求使得某一个或者几个发光区域3进行工作。同时，分区域的工作方式还有利于节约能耗，延长面光源的使用寿命。

具体地，为了实现各发光区域3各自独立的工作，各发光区域3为并联关系，每一发光区域3中的发光芯片具有独立的供电电极。

下面以一个发光区域3为例，对发光区域3的结构进行介绍。

所述发光区域3包括：至少一个发光芯片31、所述发光芯片31的供电电极32以及绝缘层33。任一发光芯片31作为所在发光区域3的一个发光点。所述发光芯片31包括自上而下依次层叠设置的：上DBR层311、有源层312以及下DBR层313。所述供电电极32包括：外延面电极321以及背电极322。所述外延面电极321的一端与所述上DBR层311的顶面相连接，且所述上DBR层311的顶面的中间区域预留有出光窗口。所述外延面电极321的另一端延伸至所述外延层2上。所述背电极322位于所述衬底1的背面，并与所述发光芯片31的位置保持对应。

在一个发光区域3中，所述发光芯片31为多个时，多个发光芯片31可以规则或者不规则的方式排布于所在的发光区域3中。当多个发光芯片31以规则方式排布时，优选地，多个发光芯片31以方形阵列或者圆形阵列的方式进行排布。

所述绝缘层33位于所述外延面电极321与发光芯片31的侧面之间。优选地，所述绝缘层33为SiO_{2<\/sub>或Si_{3<\/sub>N_{4<\/sub>介质材料，但不局限于这些介质材料。}}}

此外，为了实现各发光区域3各自独立的工作，各发光区域3之间还设置有起到绝缘作用的隔离层4。

在一个实施方式中，所述发光区域3为四个，此时四个发光区域3对应于平面直角坐标系的四个象限。四个发光区域3的面积可以相等或者不相等。

下面，对本实用新型的独立开关式面光源VCSEL的制备方法进行介绍。

所述制备方法包括如下步骤：

S1、如图4所示，通过沉积工艺在半导体衬底层上依次沉积形成半导体外延层和发光芯片，并通过刻蚀工艺定义发光芯片的台面结构。

其中，生长时，依次沉积形成半导体外延层以及发光芯片中下DBR层、有源层以及上DBR层。

S2、如图5所示，通过沉积工艺在发光芯片的台面上沉积形成绝缘层，并在发光芯片的顶面开设电极窗口。优选地，所述绝缘层为SiO_{2<\/sub>或Si_{3<\/sub>N_{4<\/sub>介质材料。}}}

S3、如图6所示，在绝缘层上通过沉积工艺沉积形成外延面电极，所述外延面电极与上DBR层的顶面进行欧姆连接；

S4、对半导体衬底的背面进行减薄，并在背面沉积背电极；

S5、通过刻蚀工艺在半导体外延层上定义不同发光区域的分隔槽。

综上所述，本实用新型的独立开关式面光源VCSEL中，各发光区域可协同工作，也可各自独立工作，充分满足了实际的使用需求。同时，还有利于节约能耗，延长面光源的使用寿命。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

设计图

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