[实用新型]一种用于激光雷达的人眼安全长波长VCSEL阵列芯片

说明书

本实用新型公开了一种用于激光雷达的人眼安全长波长VCSEL阵列芯片，涉及半导体光电子技术领域，包括散热片以及若干排列键合于散热片上方的VCSEL，各VCSEL由下至上依次包括介质层DBR、第二N型掺杂DBR、第二掩埋隧穿结、多结级联有源区、第一N型掺杂DBR、InP第二缓冲层和光栅层；相邻两VCSEL的介质层DBR之间填充有用于连接散热片的焊料。本实用新型利用介质层DBR+第一N型掺杂DBR以及光栅层+第二N型掺杂DBR的组合反射镜代替传统VCSEL中的单一半导体DBR反射镜，由此一方面降低了VCSEL的光、电损耗，减小了串联电阻，提高了VCSEL的电光转换效率，另一方面提高了VCSEL芯片的散热能力和高温工作性能，并降低了器件的制作难度，符合激光雷达对长波长VCSEL的特性需求。

技术领域

本实用新型涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种用于激光雷达的人眼安全长波长VCSEL阵列芯片。

背景技术

目前，激光雷达光源主要采用多结905nm的边发射激光器(EEL)和多结垂直腔面发射激光器(VCSEL)，由于VCSEL具有波长稳定、适合大规模生产、相较于EEL更便宜和可靠性更好、无腔面损伤、可快速调制、面阵式出光、圆形均匀对称光斑等独特优点，因此高功率的905/940nm VCSEL阵列芯片获得了激光雷达系统的青睐。然而车载激光雷达所需的激光功率高达数十瓦乃至数百瓦水平以保证足够远的探测距离，这使得905/940nm的激光用于车载激光雷达存在巨大的人眼安全问题。

人眼对不同频率的光辐射具有不同的透过率与吸收特性，波长在 400nm-700nm的可见光波会透过眼球的虹膜、晶状体和玻璃体，对视网膜造成伤害；波长在750nm-1400nm的近红外波段会造成白内障及视网膜损伤；但波长在400nm以下以及1400nm以上的激光则对人眼的损伤阈值都很高，而且几乎被晶状体吸收，所以一般不会造成眼球内部的伤害。因此通常1500-1800nm 和2000-2400nm波段的激光被称为人眼安全激光。有资料显示相比905nm的激光，同等功率的1550nm激光拥有高于10万倍的人眼安全性！同时，考虑到光波在大气中的传输因素，1500nm的激光正好处于“大气窗口”，具有很强的烟雾穿透能力和高的目标反射率等优良性能，所以目前1550nm被公认为激光雷达光源的最佳波长。

目前，几乎所有的采用1550nm方案的激光雷达厂家都是采用1550nm的光纤激光器，主要原因是它是市场上现有的能提供足够功率、具有较好的光束质量、较小的发散角的1550nm激光光源，但光纤激光器极其昂贵和笨重，这大大限制了对人眼安全的1550nm激光雷达的应用和普及。类似于多结 905/940nm VCSEL阵列芯片，1550nm多结VCSEL阵列芯片会以高性能、低成本、体积小、适合大规模生产等优势，取代1550nm光纤激光器成为激光雷达的最主流的激光光源，是激光雷达和自动驾驶实用化的必走技术路径。

然而现有技术难点在于1550nm VCSEL是基于InP衬底，没有合适的晶格常数匹配的折射率差异大的化合物半导体材料来设计VCSEL所必需的DBR反射镜，也没有类似于AlAs之于GaAs衬底系统的材料来形成氧化孔径以提高VCSEL的光学和电学性能，所以1550nmVCSEL一直没能成为业界主流，也没有成熟的产品用于光通信，更没有1550nm VCSEL阵列芯片用于激光雷达。

现有VCSEL的结构通常采用“三明治”式设计，其顶部和底部的DBR反射镜与有源区形成激光器的谐振腔，在设计制作VCSEL时，需要考虑有源区的材料及DBR反射镜的反射率，这些因素决定激光器的激射波长及增益等性能。基于InP衬底而生长的长波长1550nmVCSEL的DBR反射镜一般采用InP/InAlGaAs 交互周期堆叠，若要达到99％的反射率，则DBR反射镜的厚度需达到8μm。但是DBR反射镜的厚度越大，对光吸收会越大，容易造成阈值电流高和插入损耗大的问题，还会使得芯片存在极大的串联电阻，芯片散热性差。而且DBR反射镜的厚度越大，就意味着InP/InAlGaAs的膜层数目多，这导致器件的制作难度高，生产较为困难。