[发明专利]垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列及制造方法

说明书

公开一种VCSEL阵列以及其制造方法。该VCSEL阵列包括基片以及在所述基片上形成规则图案的多个VCSEL结构。沉积定制金属层以电连接选定数量而非全部的所述VCSEL结构。选定数量的所述VCSEL结构形成预定的不规则图案的阵列。

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)及制造方法。

背景技术

三维(Three-dimensional，3D)传感代表了智能手机的未来发展趋势。3D传感技术也有望增强机器人、无人机和自动驾驶车辆的功能。与提供二维信息的传统相机相比，三维传感除了捕获平面图像外还能捕获深度数据，从而实现精确的面部识别、对象识别、手势感测和环境感测。此外，它还增强了增强现实(augmented reality，AR)和虚拟现实(virtualreality，VR)的功能。三维传感包括飞行时间法(Time-of-Flight，TOF)和结构光法。在TOF方法中，深度数据是通过测量从光源发射、从物体反射并最终由传感器检测的光的传播时间来获得的。在结构光方法中，将预定的点状图案投射到物体上。在图案由物体的三维形状反射后会发生扭曲。通过分析图案的变化来计算物体的深度数据。目前，用于结构光方法的优选点状图案由VCSEL阵列实现。本发明涉及用于此类应用的VCSEL阵列。

VCSEL在垂直于其顶面和底面的方向上产生输出光束。为了成为VCSEL阵列，VCSEL芯片可以包含产生多个输出光束的多个VCSEL。例如，可以在一个芯片上形成数千个VCSEL。由于其表面发射特性，晶圆级加工和表面贴装技术在半导体工业中得到了很好的发展，它们可以被用来廉价地大批量生产VCSEL阵列器件。VCSEL阵列具有光谱窄、温度稳定性好、成本低、体积小等优点，因此正成为三维传感领域的主流光源。

在照明应用中，VCSEL阵列中的VCSEL发射器以规则图案(regular pattern)排列。一种常用的规则图案是矩阵。在矩阵的行和列中，任意两个相邻VCSEL发射器之间的间距是相同的。例如，30*30VCSEL阵列在每行和每列中有30个发射器，并且任何两个相邻发射器的中心之间的距离可以是恒定值，例如40微米。

然而，在三维传感的结构光方法中，VCSEL阵列的VCSEL发射器以预定的不规则(irregular)图案排列，这由结构光方法使用的特定算法确定。不规则图案示例包括随机图案和伪随机图案，其具体取决于设计需要。规则图案的VCSEL阵列和不规则图案的VCSEL阵列可以采用相同的制造方法来制造。以顶面发射(top-emitting)VCSEL阵列为例。当制造规则图案的VCSEL阵列时，在基片上按照规则图案形成VCSEL。这些VCSEL共用公共阴极端，并通过隔离沟槽(isolation trench)相互隔离。在每个VCSEL的顶部都形成触点。在最后一个制造步骤中，在VCSEL上方沉积金属层以连接全部这些顶部触点。当制造不规则图案的VCSEL阵列时，在基片上按照预定的不规则图案形成VCSEL。这些VCSEL共用公共阴极端，并通过隔离沟槽相互隔离。类似地，在每个VCSEL的顶部都形成触点。在最后一个制造步骤中，沉积金属层以连接VCSEL的全部顶部触点。规则图案的VCSEL阵列的制造和不规则图案的VCSEL阵列制造的主要区别在于它们使用不同的掩模集。虽然制造工艺充分利用了当前的制造技术和工艺，但其仅限于一种图案阵列设计。任何具有新图案的VCSEL阵列都需要一套新的掩模和单独的制造工艺，因此缺乏灵活性，并且导致成本难以降低且周转时间难以缩短，

因此，需要一种能够更灵活地适应不同图案设计的VCSEL阵列和制造方法。

发明内容

如上所述，在现有技术的方法中，不同图案的VCSEL阵列的制造，无论是规则图案还是不规则图案，在制造过程中，从开始到结束都需要完全不同的掩模。这不但复杂的，还效率低下而且代价高昂。