[发明专利]单个芯片串联连接VCSEL阵列

说明书

用于能够实现单个芯片串联连接垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列的方法、器件和系统被描述。在一方面中，所述单个芯片包括在导电层上的一个或多个非导电区域，以产生多个电分离导电区域。每个电分离区域可以具有多个VCSEL元件，包括串联连接的阳极区域和阴极区域。所述芯片连接到具有金属化图案的热沉，所述热沉将导电层上的每个电分离区域串联连接。在一方面中，金属化图案将第一电分离区域的阳极区域连接到第二电分离区域的阴极区域。金属化图案还可包括切口，所述切口保持每个导电层区域上的阳极区域和阴极区域之间的电分离，并且与蚀刻区域对准。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月25日提交的美国临时专利申请号62/536,918的优先权及其权益。

技术领域

本公开涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列以及与串联连接结构有关的器件、方法和系统。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)用于多种通信技术，包括短波长多模光纤通信系统。VCSEL在极端温度和辐射环境下也是有效且健壮的，从而使其可用于诸如照明器和工业热处理等应用。单个VCSEL器件通常在几毫瓦的光输出功率下工作，特别是在设计用于10Gb/s或更高的数据速率时。更大的光输出功率可以通过在公共基板或多个基板上构建同时寻址的VCSEL阵列获得。

然而，由于电流散布损耗和模态特性，VCSEL被限制为适中的孔径大小。为了将VCSEL缩放到更高的功率，通常的方法是在公共裸片上创建VCSEL阵列。阵列器件通常并联或串联连接组合，并且被设计用于低调制带宽。在并联布置中，在单个基板上的多个VCSEL通常共同地通过晶片连接，并且激光器与公共阴极连接并联电连接。这样的配置可以在例如美国专利7,949,024B2中找到，该美国专利描述了背向发射式VCSEL阵列的并联配置。然而，附加的大容量电容是VCSEL并联运行的限制因素，而且并联布置可能不是高电流脉冲驱动器电路的理想阻抗匹配。R.Carson，M.Warren，P.Dacha，T.Wilcox，J.Maynard，D.Abell，K.Otis和J.Lott，“Progress in high-power high-speed VCSEL arrays”，Proc.SPIE9766,Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XX,97660B(2016年3月18日)，已经示出通过串联连接多个裸片可以获得更高的光功率。每个单体裸片具有并联连接的多个VCSEL，但是与该裸片以倒装芯片接合方式接合的热沉(sub-mount)可以与该裸片串联连接。

相对于单个并联连接VCSEL阵列，已经示出串联连接VCSEL阵列可以在给定电流下极大增强输出光功率，特别是在低占空比脉冲电流源下工作时。这种高功率脉冲光源特别适用于诸如闪光LiDAR和近距离NIR照明的应用。

在许多当前的串联连接配置中，每个VCSEL阵列包括一组布置在单个芯片或晶片上的并联VCSEL元件，以及由连接到芯片上的导电层的短路触点形成的公共阴极路径。多个芯片接合在一个公共热沉(sub-mount)上，并且布置为形成串联连接。在倒装芯片配置中，每个芯片的阳极都连接到在热沉上的公共电连接，并且在每个芯片上的公共阴极连接都连接到热沉上的下一个芯片的阳极连接。由于这样的配置在每个芯片上使用公共阴极布置，因此在公共热沉上“平铺”(tiling)多个芯片一直是实现串联连接配置的唯一方法。

从设计灵活性的角度来看，“平铺”方法具有许多优点。然而，也存在许多其中使用单个芯片具有更明显优点的配置。例如，在使用分段的微透镜组的激光组件中，这些透镜之间的相对对准精度是至关重要的，从而使得平铺芯片之间的相对角度差成为问题。另一个例子是存在低值电流源的情况，该电流源可以受益于与串联连接相关联的额外光功率，但平铺多个裸片所需的额外半导体裸片面积会导致成本和封装问题。