[发明专利]一种垂直腔面发射同轴封装光电器件及其封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种广泛应用于并行数据通信、波分复用、宽带传输传感等领域的电光转换器件及其封装方法。

背景技术

传统的垂直腔面发射激光器晶体管封装(VCSEL TO-CAN，Vertical Cavity Surface Emitting Laser Transistor Outline Can)，一般包括VCSEL激光器芯片、氮化铝或硅(AlN/Si)材料的过渡块以及Si材料的背光探测器。这些均是分离元件，封装采用导电胶粘合后烘烤固化，光路上使用简单半球面透镜或平面镜，利用漫反射实现光功率监控。这种采用分离元器件的方式在工艺控制上极端复杂。在这种封装形式中，对导电胶的点胶机的均匀性和稳定性要求极高，这样才能保证胶的厚度、覆盖范围的一致性，否则会发生光路轴向角度偏移、元件下方出现空位(胶层厚薄不均)或是短路现象(胶量过多)。在烘烤固化前的位置调整和压力控制也容易造成横向位移，同时需要多个工艺步骤才能完成整个工艺。在整个工艺中有多次高温烘烤，导电胶可能产生的气体挥发物或是颗粒将封闭在TO-CAN的密闭环境中，对光器件的性能和使用寿命可能存在隐患，同时导电胶的导电率比金属焊料连接差。而且利用漫反射原理进行光功率监控，会因为发射比例不确定、发射光功率较小而引起探测器能产生的光生电流过于接近噪声而影响产品的性能和一致性。

随着光器件的集成化和微型化，VCSEL TO-CAN产量巨大同时也要求成本降低，采取较为便宜的导电胶、分离元件以及普通TO帽等材料，利用人工操作的方法造成了工艺环节多、质量可靠性差、成品率低和产品一致性差等多种问题，这使得国内基本没有制作高性能VCSEL TO-CAN的厂家。

发明内容

针对现有技术中VCSEL TO-CAN光电器件可靠性差、结构复杂及其封装工艺环节多的缺陷，本发明提供一种高性能、结构简单、可靠性高的VCSELTO-CAN光电器件及工艺环节少的封装方法。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

一方面，提供了一种垂直腔面发射同轴封装光电器件，包括：

VCSEL激光器芯片，用于进行光电转换；

Si基集成器件，用于实现所述VCSEL激光器芯片过渡块和出光功率检测；其中所述VCSEL激光器芯片通过共晶焊接贴装在所述Si基集成器件上；

TO底座，其中所述Si基集成器件通过共晶焊接贴装在TO底座上；

TO帽，用于与所述TO底座气密耦合形成一个容纳所述VCSEL激光器芯片和所述Si基集成器件的空间；其中所述TO帽顶部为一倾斜平面，所述倾斜平面上开设有出光窗口，用于射出所述VCSEL激光器芯片发出的光；以及

平面玻璃，通过密封胶粘合在所述倾斜平面上以堵住所述出光窗口，从而所述TO底座、TO帽和平面玻璃形成一个密封空间，将所述VCSEL激光器芯片和Si基集成器件密封在其中。

优选地，所述Si基集成器件包括：

Si基板，其中，Si基板上表面包括探测器区域和过渡块区域这两个相邻的区域；

钝化层，生长在所述过渡块区域的所述Si基板的上表面；

金层，分别生在在所述过渡块区域的所述钝化层的上表面以及所述Si基板的下表面；

Au/Sn焊料层，分别生长在所述过渡块区域的所述金层的上表面以及所述Si基板的下表面的金层的下表面；以及

电极层，生长在所述探测器区域的所述Si基板的上表面。

优选地，所述TO底座和所述TO帽的材料相同。

优选地，所述VCSEL激光器芯片贴装在所述Au/Sn焊料层上。

优选地，根据所述Si基板掺杂的载流子浓度，所述Si基板分为较厚的n型上层和较薄的n+型下层。

优选地，所述电极层为方框环形的P型电极。

优选地，所述TO帽的倾斜平面的倾斜角度为10～12°。

另一方面，还提供了一种垂直腔面发射同轴封装光电器件的封装方法，包括以下步骤：

S1、通过共晶焊接工艺实现所述VCSEL激光器芯片与所述Si基集成器件以及所述Si基集成器件与所述TO底座之间的焊接；

S2、通过密封胶将所述平面玻璃粘合在所述TO帽的所述倾斜平面上以堵住所述出光窗口；以及

S3、在氮气保护的环境中利用阻容焊方法将所述TO帽气密耦合至所述TO底座上，从而所述TO底座、TO帽和平面玻璃形成一个密封空间将所述VCSEL激光器芯片和Si基集成器件密封在其中。