单片串联连接的激光器二极管阵列及其形成方法技术

本发明专利技术涉及一种单片串联连接的激光二极管阵列及其形成方法，其中所述阵列形成在包含多个离散导电区的非传导衬底上。所述阵列中的每一激光二极管安置在不同传导区上使得每一激光二极管的激光腔与其相应传导区光学隔离，借此避免所述激光腔中由于与高度掺杂传导材料的相互作用的光学损耗。每一传导区经配置以延伸超过其相应激光二极管结构的横向范围。所述阵列的邻近激光二极管之间的电连接通过形成传导迹线进行，所述传导迹线从所述激光二极管中的一者的顶部接点延伸到另一激光二极管安置在其上的所述传导区。

【技术实现步骤摘要】
单片串联连接的激光器二极管阵列及其形成方法
本专利技术大体上涉及半导体激光器，且更特定来说，涉及单片半导体激光器阵列及其制造。
技术介绍
激光二极管阵列对于在许多应用中使用来说具有吸引力，例如激光测距(例如，LiDAR等)、材料处理、激光泵浦、照明、3D成像、游戏及医学以及其它。通常，并行电驱动常规激光二极管阵列，其中所有激光二极管用相同电压偏压但各自接收不同电流(electriccurrent)(在下文简称为“电流(current)”)。不幸的是，随着激光二极管阵列的大小增加，此布置所需的总电流变得不切实际-尤其是对于高光学功率应用来说，例如LiDAR。举例来说，每装置各自需要20安培的电流的一个阵列的20个激光二极管需要400安培的总电流，而每装置需要50安培的一个阵列的100个激光二极管需要5000安培的总电流。此类高电流要求导致系统级的显著复杂化。对于许多应用来说，高电流电力供应器及其相关联电缆非常笨重且昂贵。在仅需要短脉冲、低工作循环操作(纳秒到微秒)的一些应用中，电力供应器及电缆的微型化是可能的，这是因为总平均功率较低。不幸的是，甚至对于短脉冲电力供应器，达到kA的能力仍具有挑战性。因此，已开发激光二极管阵列使得其发射极串联电连接，其中跨整个串联连接的激光二极管串施加单个电压且所述串的元件共享相同电流。通常，这通过将个别发射极芯片接合到共同衬底上及经由常规线接合技术电连接发射极芯片来完成。此布置可显著降低激光二极管阵列的电流要求同时仍将高电流递送到每一装置。不幸的是，已证明，单片串联连接的激光二极管阵列在实践中难以制造。因此，串联电连接激光二极管阵列的元件通常是基于常规电方法。在一些方法中，个别激光二极管安装到在其上界定传导图案的电绝缘衬底上。每一激光二极管的底部接点电连接到图案的不同电隔离区。接着，在每一装置的顶部接点与串中的前一激光二极管的底部接点电连接到其的传导图案的区之间进行常规外部电连接(例如，线接合、突片接合、带等)，借此实现串联连接的单粒化激光二极管串。用于实现串联连接的激光二极管串的另一常规方法包含：将平行激光器阵列安装到绝缘衬底之后，分割激光二极管(例如，通过锯切、激光切割等)以电隔离每一激光二极管与其相邻者。接着，使用外部电连接串联电连接电隔离的激光二极管，如上文描述。此类常规方法需要复杂封装方法及外部电连接，这两者都会增加串联连接的装置的大小、成本及复杂性。此外，外部电连接(例如线接合及类似物)引入可限制短脉冲、高电流、高频操作的寄生电问题。仍需要适用于广泛范围的应用的实际低成本串联连接的激光二极管，到目前为止，所述需要在现有技术中尚未得到满足。
技术实现思路
本专利技术实现用相同电流流动驱动多个激光二极管而无现有技术的部分成本及缺点。根据本专利技术的实施例特别好地适于用于例如LiDAR、医学成像、照明及游戏以及其它的应用中。如同现有技术中已知的串联连接的激光二极管阵列，根据本专利技术的实施例包含多个激光二极管，其中每一者形成在电连接到其相应激光二极管的底部接点或是所述底部接点的一部分的传导区上。每一导电区延伸超过其对应激光二极管结构的周边。激光二极管通过形成迹线串联电连接，所述迹线从每一导电区延伸到不同激光二极管的顶部接点。不幸的是，每一高度掺杂现有技术传导区定位在其相应激光二极管的激光腔内；因此，在传导区中掺杂剂诱发的吸收损害在激光腔内产生的光学模式且显著降级激光器的性能。替代地，高度掺杂传导层可经减薄以帮助降低激光腔中的光学损耗，但接着，薄层引入串联连接所需的横向电传导的高电阻。然而，与现有技术形成鲜明对比的是，本文揭示的传导区定位在其相应激光二极管的激光腔外；因此，每一导电区的传导材料与其相应激光腔光学解耦。因此，不会发生由传导区吸收激光腔内的光，与现有技术相比，这实现经改进激光器性能。此外，因为其不会影响激光器的光学模式，所以本专利技术的传导区可更高度掺杂，从而使其更薄而不会牺牲导电性。根据本专利技术的说明性实施例是单片集成在共同衬底上且串联电连接的边缘发射(即，侧发射)激光二极管阵列。所述衬底是半绝缘半导体衬底，具有经由离子植入形成在所述衬底内的其顶部表面处的多个导电区。因为衬底材料是非传导的，所以所述传导区未通过衬底本身电耦合。激光二极管阵列的层结构外延生长在传导区上且经图案化以分离个别激光二极管，以及暴露每一传导区的一部分，其用作激光二极管的底部接点。每一传导区与不同激光二极管的顶部接点电耦合以实现可用单个共同电流流动驱动的串联激光二极管串。每一激光二极管的层结构包含波导层，其在两个端垂直定向的端面处终止以界定其光学模式横向定向的激光腔，即，侧发射极。所述波导层定位在底部与顶部覆层之间，其具有低于波导层的折射率的折射率。因此，覆层基本上将激光腔的光学模式局限于波导层本身内，借此确保激光腔与其相应横向传导区光学解耦。在一些实施例中，外延生长激光器结构包含底部接点层。激光二极管经形成使得每一装置的底部至少部分物理且电接触其相应传导区。在一些实施例中，导电区通过遍及衬底的整个顶部表面外延生长传导层而形成。在这些实施例的一些中，接着，通过图案化所述传导层形成电离散传导区。在这些实施例中的一些中，电离散传导区通过在层的除了传导区之外的所有区域中执行质子植入形成于整个表面传导层内。在这些实施例中的一些中，相反类型的掺杂剂植入于层的所有区域中(除了传导区之外)以在每一传导区的边界处产生p-n结。在一些实施例中，传导区通过在形成于衬底的顶部表面中的沟槽内选择性区域生长而形成。根据本专利技术的实施例是单片串联连接的激光二极管阵列，其包括：衬底，其具有导电的第一区及导电的第二区，其中所述第一及第二区通过所述衬底未电耦合；第一激光二极管，其包含第一波导层、第一底部接点及第一顶部接点，其中所述第一激光二极管安置在所述第一区上使得所述第一区界定所述第一底部接点的至少一部分，且其中所述第一激光二极管包含与所述第一区光学解耦的第一激光腔；第二激光二极管，其包含第二波导层、第二底部接点及第二顶部接点，其中所述第二激光二极管安置在所述第二区上使得所述第二区界定所述第二底部接点的至少一部分，且其中所述第二激光二极管包含与所述第二区光学解耦的第二激光腔；及迹线，其经配置以电连接所述第一区及所述第二顶部接点。根据本专利技术的另一实施例是单片串联连接的激光二极管阵列，其包括：衬底，其包括导电的多个第一区，其中所述多个第一区中的两个第一区通过所述衬底电耦合；多个激光二极管，每一激光二极管以激光腔为特征且包含经配置以实现光学增益的波导层、底部接点及顶部接点，且每一激光二极管安置在所述多个第一区其中的不同第一区的至少一部分上使得其底部接点与其相应第一区电连接，且其激光腔与其相应第一区光学隔离；及多个迹线，其中每一迹线经配置以电连接所述多个第一区中的不同第一区与安置在所述多个第一区中的不同第一区上的激光二极管的所述顶部接点使得所述多个激光二极管串联电连接。根据本专利技术的又另一实施例是一种用于形成单片串联连接的激光二极管阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单片串联连接的激光二极管阵列，其包括：/n衬底，其具有导电的第一区及导电的第二区，其中所述第一及第二区未通过所述衬底电耦合；/n第一激光二极管，其包含第一波导层、第一底部接点及第一顶部接点，其中所述/n第一激光二极管安置在所述第一区上使得所述第一区界定所述第一底部接点的至少一部分，且其中所述第一激光二极管包含与所述第一区光学解耦的第一激光腔；/n第二激光二极管，其包含第二波导层、第二底部接点及第二顶部接点，其中所述第二激光二极管安置在所述第二区上使得所述第二区界定所述第二底部接点的至少一部分，且其中所述第二激光二极管包含与所述第二区光学解耦的第二激光腔；及/n迹线，其经配置以电连接所述第一区及所述第二顶部接点。/n

【技术特征摘要】
20180921 US 16/138,0181.一种单片串联连接的激光二极管阵列，其包括：
衬底，其具有导电的第一区及导电的第二区，其中所述第一及第二区未通过所述衬底电耦合；
第一激光二极管，其包含第一波导层、第一底部接点及第一顶部接点，其中所述
第一激光二极管安置在所述第一区上使得所述第一区界定所述第一底部接点的至少一部分，且其中所述第一激光二极管包含与所述第一区光学解耦的第一激光腔；
第二激光二极管，其包含第二波导层、第二底部接点及第二顶部接点，其中所述第二激光二极管安置在所述第二区上使得所述第二区界定所述第二底部接点的至少一部分，且其中所述第二激光二极管包含与所述第二区光学解耦的第二激光腔；及
迹线，其经配置以电连接所述第一区及所述第二顶部接点。


2.根据权利要求1所述的激光二极管阵列，其中所述第一激光二极管是边缘发射激光二极管。


3.根据权利要求1所述的激光二极管阵列，其中所述第一激光二极管包含覆层，所述覆层在所述第一区与所述第一激光腔之间。


4.根据权利要求1所述的激光二极管阵列，其中所述第一区界定第一平面，且其中所述第一激光腔以与所述第一平面平行的光学模式为特征。


5.根据权利要求1所述的激光二极管阵列，其中所述第一激光二极管包含切割面，所述切割面界定所述激光腔的镜的至少一部分。


6.根据权利要求1所述的激光二极管阵列，其中所述第一区是离子植入区。


7.根据权利要求1所述的激光二极管阵列，其中所述第一区是外延生长区。


8.一种单片串联连接的激光二极管阵列，其包括：
衬底，其包括导电的多个第一区，其中所述多个第一区中的两个第一区未通过所述衬底电耦合；
多个激光二极管，每一激光二极管以激光腔为特征且包含经配置以实现光学增益的波导层、底部接点及顶部接点，且每一激光二极管安置在所述多个第一区其中的不同第一区的至少一部分上使得其底部接点与其相应第一区电连接，且其激光腔与其相应第一区光学隔离；及
多个迹线，其中每一迹线经配置以电连接所述多个第一区中的不同第一区与安置在所述多个第一区中的不同第一区上的激光二极管的所述顶部接点使得所述多个激光二极管串联电连接。


9.根据权利要求8所述的激光二极管阵列，其中所述多个激光二极管其中的每一激光二极管是边缘发射激光二极管。


10.根据权利要求8所述的激光二极管阵列，其中所述多个激光二极管其中的每一激光二极管包含第一及第二覆层，且其中所述波导层在所述第一覆层与第二覆层之间。


11.根据权利要求8所述的激光二极管阵列，其中所述多个激光二极管中的每一激光二极管是离子植入区。


12.根据权利要求8所述的激光二极管阵列，其中所述多个激光二极管中的每一激光二极管是外延生长区。


13.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·库德里亚绍夫，J·L·霍斯泰特勒，
申请(专利权)人：阿尔戈人工智能有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US