一种背发射VCSEL及测试方法

技术领域

本发明属于激光器的技术领域，具体涉及一种背发射VCSEL及测试方法。

背景技术

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种出光方向垂直于谐振腔表面的激光器，其具有体积小、单纵模输出、阈值电流小、光电转换效率高、造价低等特点，可以广泛应用于光通信、光互联、光存储等领域。VCSEL根据出光方向区分成正面出光与背面出光的VCSEL。其中背发射VCSEL与倒装芯片(flip－chip)技术结合时，其N/P电极共面且位于发光面相对的正面以便于表面贴装，因其更高的性能和更低的成本成为未来发展极具竞争力的关注方向。

目前主流的测量设备主要包含收光装置和测试平台，将VCSEL置于测试平台基板上，N/P电极连接探针给电，通过测试平台上方的收光装置来进行收光，这种测试设备难以支持Flip Chip背发射VCSEL的电性测试。改进方式为将VCSEL背面朝下放置于透明的石英玻璃基板上，探针于正面连接N/P电极，收光装置置于测试平台下方，透过石英玻璃基板收光的形式进行测试，这种方式有如下缺点：

1、石英玻璃基板温控难度大，气体氛围控温测试难度大、成本高且无法精准控温，无法进行高低温测试；

2、石英玻璃对光的吸收和折射效果，使收光装置的收光功率、近远场结果失真，

测试精度差。

上述缺点限制了Flip Chip背发射VCSEL的性能测试。而开发新的测试设备费用高、难度大，测试成本高，难以在实际生产中实现。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种背发射VCSEL及测试方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种背发射VCSEL，包括外延结构，外延结构的正面设有电极，背面设有电极引出端，背面为出光面；外延结构包括器件区和位于器件区之外的外围区，外围区设有连接结构和绝缘结构，连接结构深入外延结构的至少部分深度，连接结构实现电极和电极引出端的导通，绝缘结构贯穿外延结构的正面和背面，绝缘结构分隔连接结构和器件区以实现电性隔离。

可选的，所述电极包括P电极和N电极，所述电极引出端包括P电极引出端和N电极引出端；P电极和P电极引出端之间、N电极和N电极引出端之间各自通过所述连接结构导通。

可选的，所述P电极的连接结构和所述N电极的连接结构位于所述器件区的两侧，且与所述器件区之间分别设有所述绝缘结构。

可选的，所述外围区包括一测试区，所述P电极的连接结构和所述N电极的连接结构均位于所述测试区内，所述测试区与所述器件区之间通过一所述绝缘结构分隔。

可选的，所述连接结构贯穿所述外延结构的正面和背面。

可选的，所述外延结构由背面至正面按序包括衬底、N型DBR、有源层和P型DBR，其中所述器件区还包括氧化限制层，所述氧化限制层位于所述有源层与P型DBR之间；所述器件区设有N区连接孔，所述N电极通过所述N区连接孔连接所述N型DBR，所述P电极于所述器件区连接所述P型DBR。

可选的，所述连接结构由所述外延结构的背面深入至所述P型DBR。

可选的，所述外延结构设有于正面和背面之间延伸的槽孔，所述连接结构为填充所述槽孔形成的金属柱。

可选的，所述金属柱与所述电极引出端的材料相同。

可选的，还包括第一介质层，所述第一介质层设于所述外延结构的正面，所述电极延伸至所述外围区并位于第一介质层上，所述第一介质层设有让位于所述连接结构与电极连接的开口。

可选的，所述外延结构设有贯穿正面和背面的通孔，所述绝缘结构通过通孔内壁覆盖绝缘层形成。

可选的，还包括第二介质层，所述第二介质层位于所述外延结构的背面，所述第二介质层同时覆盖所述绝缘结构的内壁形成所述绝缘层，所述第二介质层对应所述连接结构设有开口。

可选的，所述第二介质层的材料为SiN或SiO

可选的，所述绝缘结构于所述外延结构背面的投影为条形，位于所述连接结构和器件区之间并分隔所述外延结构。

可选的，所述绝缘结构于所述外延结构背面的投影为环形，所述连接结构位于环形内圈。

可选的，所述连接结构的宽度为30～80μm，所述绝缘结构的宽度为5～20μm，所述连接结构和绝缘结构之间的距离为5～20μm。

可选的，所述器件区包括多个发光器件单元形成的阵列，所述电极为阵列的电极引出线。

上述背发射VCSEL的制作方法，包括以下步骤：

1)提供完成器件区的器件制程以及电极制作的背发射VCSEL芯片，将芯片的正面键合于临时载板上；

2)从背面蚀刻外围区形成贯穿所述外延结构的正面和背面的绝缘通孔，以及深入外延结构的至少部分深度的导电槽孔(包括贯穿的通孔或不贯穿的凹槽)；

3)于外延结构的背面沉积介质层，介质层同时覆盖所述绝缘通孔和导电槽孔的内壁和底部；

4)于外延结构的背面形成光阻遮蔽层，所述遮蔽层覆盖绝缘通孔，且使导电槽孔裸露；

5)蚀刻去除所述导电槽孔内壁和底部的介质层；然后去除光阻遮蔽层；

6)沉积金属于外延结构的背面形成电极引出端，使金属同时沉积于导电槽孔中形成导通所述电极和电极引出端的连接结构，覆盖介质层的绝缘通孔形成绝缘结构。

可选的，步骤4)包括：于外延结构的背面涂覆负性光阻，对光阻进行曝光，曝光区域包括器件区和绝缘通孔所在区域，且不包括导电槽孔所在的区域，然后进行显影去除曝光区域之外的光阻。

一种背发射VCSEL的测试方法，将上述的背发射VCSEL的正面朝下置于测试载盘上，收光装置位于背发射VCSEL的上方，P电极引出端和N电极引出端分别连接探针并给电，通过收光装置接收发光信号进行测试。

可选的，所述背发射VCSEL的正面和测试载盘之间还设有绝缘导热膜。

本发明的有益效果为：

(1)电极通过设于VCSEL外延结构的外围区的连接结构实现相反面的引出，并通过设置绝缘结构分隔连接结构和发光器件区进行电性隔离，避免了连接结构对器件本身性能的影响；

(2)背发射VCSEL具有位于正面的P电极、N电极以及位于背面的P电极引出端、N电极引出端，正面和背面均可进行线路连接，适配于不同的测试设备；

(3)背发射VCSEL可以转换成P电极和N电极同在正面、同在背面、一个在正面一个在背面的多种形式，适配包括常规封装和FlipChip等多种封装形式，具有广泛的应用。

附图说明

图1为实施例1的背发射VCSEL的截面结构示意图；

图2为实施例1的背发射VCSEL的俯视方向的结构示意图，图中显示连接结构、绝缘结构和器件区之间的位置关系；

图3为实施例1的背发射VCSEL的电流流路示意图；

图4为实施例1的背发射VCSEL的工艺流程图，其中(a)～(f)分别对应步骤1～步骤6得到的结构示意图；

图5为实施例1的背发射VCSEL的测试方法示意图；

图6为实施例2的背发射VCSEL的截面结构示意图；

图7为实施例3的背发射VCSEL的俯视方向的结构示意图，图中显示连接结构、绝缘结构和器件区之间的位置关系；

图8为实施例4的背发射VCSEL的俯视方向的结构示意图，图中显示连接结构、绝缘结构和器件区之间的位置关系；

图9为实施例5的背发射VCSEL的俯视方向的结构示意图，图中显示连接结构、绝缘结构和器件区之间的位置关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

实施例1

参考图1至图2，实施例1的背发射VCSEL，其包括外延结构100、N电极201和P电极202，外延结构100具有相对的正面和背面，背面为出光面，N电极201和P电极202共面且设于正面。外延结构100包括器件区a和位于器件区a之外的外围区b，器件区a形成激光器器件发光单元并具有出光口a1，N电极201和P电极202分别于器件区a与外延结构连接，并延伸至外围区b上。外围区b设有连接结构31、32和绝缘结构41、42，连接结构31、32和绝缘结构41、42分别贯穿外延结构100的正面和背面。外围区b背面设有N电极引出端301和P电极引出端302，连接结构31导通N电极201和N电极引出端301，连接结构32导通P电极202和P电极引出端302，绝缘结构41、42分别分隔连接结构31、32和器件区a以实现电性隔离。从而，在不产生电干扰的前提下将N电极201和P电极202由正面引出至背面。

外延结构100为GaAs基VCSEL外延结构，由背面至正面按序包括衬底101、N型DBR102、有源层103和P型DBR 104，其中器件区a内还包括氧化限制层105，氧化限制层105位于有源层103附近以提供电流限制，氧化限制层105通常通过湿法氧化工艺形成中心孔来定义主动区的范围，器件区a设有用于氧化工艺进行的光窗台柱蚀刻孔106。此外，其他已知的VCSEL外延结构也可应用。

器件区a正面设有N区连接孔107，N区连接孔107底部设置有位于N型DBR 102或衬底101上的n型金属接触层2011，N电极201通过N区连接孔107底部的n型金属接触层2011连接N型DBR 102或衬底101，n型金属接触层2011可选采用Au/Ge/Ni/Au叠层合金。器件区a的P型DBR上设有p型金属接触层2021，P电极202与p型金属接触层2021接触以连接P型DBR 104。外延结构100的正面覆盖有第一介质层5，N电极201和P电极202设于第一介质层5上，第一介质层5对N区连接孔107底部和p型接触层108上方开口以实现电极连接，连接结构31、32同时贯穿第一介质层5以实现连接。连接结构31、32通过在外延结构100和第一介质层5上开设导电通孔V11、V21并填充导电材料形成金属柱，从而实现了正面电极和背面电极引出端的导通，其可以采用与电极引出端相同的导电金属材料进行填充，并在同道金属沉积工艺中形成。绝缘结构41、42通过在外延结构100上开设绝缘通孔V12、V22并覆盖绝缘材料形成绝缘层，其分隔了连接结构31、32和器件区a，使得经过器件区a的电流仅能通过N电极201和P电极202流经连接结构31、32，如图3所示。

外延结构100的背面覆盖有第二介质层6，第二介质层6同时作为绝缘层覆盖绝缘通孔内壁，并且覆盖绝缘通孔位于正面一侧的底部，从而隔断了导电结构对器件区a的影响。此外，绝缘通孔也可以填充其他绝缘材料来实现绝缘效果。本实施例中，绝缘通孔覆盖绝缘层之后还与导电通孔同时填充导电金属材料，可以理解，由于介质层的存在，填充于绝缘通孔的导电金属材料与正面的电极并不导通，其作用为提供良好的散热。

本实施例中，连接结构31、32位于器件区a相对的两侧，并分别设有绝缘结构41、42，绝缘结构41、42在衬底上的投影为条形，隔断了器件区a和连接结构31、32所在区域的外延结构。

参考图4，上述背发射VCSEL的制作方法的步骤为：

步骤1：参考图4(a)，将已完成器件区器件制程的背发射VCSEL的正面键合于临时载板S上并进行研磨制程，其包括外延结构100、第一介质层5、N电极201和P电极202，研磨后外延结构100的厚度约为100μm；临时载板S例如采用蓝宝石。

步骤2：参考图4(b)，蚀刻器件区a两侧的外围区b分别形成贯穿外延结构100以及第一介质层5的导电通孔V11、V21和绝缘通孔V12、V22，底部分别裸露N电极201和P电极202；导电通孔V11、V21的宽度d1为50μm，绝缘通孔V12、V22的宽度d2为10μm，导电通孔V11和绝缘通孔V12之间的间隔为10μm，导电通孔V21和绝缘通孔V22之间的间隔为10μm。其中，在相同的蚀刻条件下，开口小的蚀刻速率更快，设置绝缘通孔V12、V22的宽度小于导电通孔V11、V21，可确保导电通孔蚀刻完成时绝缘通孔贯穿外延结构。

步骤3：参考图4(c)，于外延结构100的背面沉积第二介质层6，第二介质层6同时覆盖导电通孔V11和绝缘通孔V12内壁；第二介质层6为厚度650nm的SiN层。

步骤4：参考图4(d)，于外延结构100的背面涂覆负光阻R，通过曝光、显影进行图形化，曝光区域包括绝缘通孔V12、V22以及器件区所在区域，该部分显影之后形成了遮蔽层，未曝光区域(导电通孔V11、V21所在区域)显影之后去除；因通孔深度达到100μm，曝光的光能量不足，无法穿透，因而采用负光阻，曝光区域部分深度得到了变性并在显影中留存，保护了底下未变性部分。

步骤5：参考图4(e)，采用BOE溶液的湿法蚀刻工艺去除导电通孔V11、V21内的SiN层，使底部的N电极201和P电极202裸露；

步骤6：参考图4(f)，剥离光阻R，沉积金属于外延结构的背面形成N电极引出端301和P电极引出端302，金属同时沉积于导电通孔V11、V21并分别与N电极201和P电极202连接，形成连接结构31、32；绝缘通孔V12、V22覆盖第二介质层6形成了绝缘结构41、42，金属可以同时沉积于绝缘通孔V12、V22的第二介质层6上。金属沉积优选溅镀种子层+电镀工艺，可以实现厚金属的沉积。

采用上述背发射VCSEL进行测试时，参考图5，将背发射VCSEL的正面朝下置于测试载盘71上，VCSEL正面和测试载盘71之间设有绝缘导热膜72，收光装置73位于背发射VCSEL的上方，背面的N电极引出端301和P电极引出端302分别连接探针74并给电，通过收光装置73接收发光信号进行测试。收光装置包括但不限于积分球，以进行LV、近远场等测试。

实施例2

参考图6，实施例2与实施例1的区别在于，连接结构33、34不贯穿外延结构。以N电极连接的连接结构33为例，其由外延结构背面深入至到达P型DBR 104形成导电槽V31、V41，并同样填充金属材料。第一介质层5对应连接结构33设有开口51，由于P型DBR 104为半导体，电流可导通，因而连接结构33底部至N电极201之间通过P型DBR 104导通，同样可以实现N电极201和N电极引出端301的连接。并且，由于该区域与器件区a之间的外延结构通过绝缘结构41分隔，不对器件区a的器件工作过程产生影响。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，参考图7，绝缘结构43、44在衬底上的投影为环形，连接结构31、32分别位于绝缘结构43、44的环形内圈中，通过环形绝缘结构的设置，实现连接结构31、32与器件区a的分隔。

实施例4

参考图8，实施例4中，外围区b中设置一测试区c，N电极201和P电极202均引出至测试区c正面，N电极引出端301和P电极引出端302位于测试区背面，连接结构31、32均位于测试区c内，连接结构31导通N电极201和N电极引出端301，连接结构32导通P电极202和P电极引出端302。测试区c与器件区a之间通过一条形绝缘结构4分隔。

测试区c在完成性能测试之后，可以切割去除，一方面减少了器件尺寸，另一方面提升器件机械强度和稳定性。

实施例5

实施例1至4举例器件区a为单个发光单元的结构，本实施例中，器件区a包括若干发光单元A形成的阵列，已知VCSEL阵列结构可以应用于本实施例，VCSEL阵列的N电极接线和P电极接线位于外围区b正面并通过连接结构31、32分别引出至外围区b背面形成N电极引出端301和P电极引出端302，其俯视方向的位置关系图如图9所示。则可以通过N电极引出端301和P电极引出端302给电实现对VCSEL阵列的测试。

上述实施例的背发射VCSEL均具有位于正面的P电极、N电极以及位于背面的P电极引出端、N电极引出端，即正面和背面均可进行线路连接，适配于不同的测试设备。此外，最终可以转换成P电极和N电极同在正面、同在背面、一个在正面一个在背面的多种形式，适配包括常规封装和FlipChip等多种封装形式，具有广泛的应用。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种背发射VCSEL及测试方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。