一种垂直腔面发射同轴封装光电器件及其封装方法与流程

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。

技术实现要素：

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。

优选地，在所述步骤S1之前还包括Si基集成器件的制备步骤，所述制备步骤包括：

S11、提供Si基板，并采用等离子增强化学气相沉积工艺在所述Si基板的上表面生长钝化层，再利用光刻和掩膜技术将所述Si基板的上表面分割为探测器区域和过渡块区域，并采用反应离子刻蚀工艺将探测器区域表面的钝化层去掉；

S12、通过区域扩散、光刻及刻蚀工艺在探测器区域制作电极层；同时采用光刻掩膜工艺在过渡块区域制作上表面金层区，使用真空溅射机完成金层材料的沉积，然后在Si基板的下表面也使用真空溅射机完成金层材料的沉积；以及

S13、利用薄膜电路印刷工艺和掩模技术，在所述过渡块区域的金层的上表面以及Si基板的下表面的金层的下表面形成Au/Sn焊料层。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：在本发明中用于监控光功率的探测器和用于VCSEL激光器芯片贴装的过渡块均采用Si基，并利用刻蚀和钝化层掩模技术将两者集成在一起，并在加工时一次性完成探测器P型电极和过渡块表面金层的形成。因此，光电器件的结构明显更加简单，工艺步骤更少。另外，Si基集成器件在上下表面均在需要进行焊接封装的区域涂敷有Au/Sn材质的低温焊料层，在共晶焊接工艺中只需利用一次升温－高温－降温－冷却的循环就可以实现VCSEL激光器芯片与Si基集成器件以及Si基集成器件与TO底座之间的两次焊接步骤，从而进一步简化了工艺步骤。将监控出光功率的探测器和过渡块集成在一个Si基板上，使得VCSEL激光器芯片与Si基监控出光功率的探测器之间的横向距离较小，所以TO帽需要倾斜的角度需要很小就可以完成将部分出射光反射到探测器中，角度范围是10～12°。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的VCSEL TO-CAN光电器件结构的主视图；

图2是本发明提供的Si基集成器件的俯视图；

图3是本发明提供的Si基集成器件的主视图；

图4是本发明提供的VCSEL TO-CAN光电器件的封装方法流程图；

图5是本发明提供的Si基集成器件的制备方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种垂直腔面发射同轴封装(VCSEL TO-CAN)光电器件，参见图1，该光电器件包括：

VCSEL激光器芯片1，用于进行光电转换；

Si基集成器件2，用于实现VCSEL激光器芯片1过渡块和出光功率检测；其中VCSEL激光器芯片1通过共晶焊接贴装在Si基集成器件2上；

TO底座3，其中Si基集成器件2通过共晶焊接贴装在TO底座3上；

TO帽4，用于与所述TO底座3气密耦合形成一个容纳VCSEL激光器芯片1和Si基集成器件2的空间；其中TO帽4顶部为一倾斜平面，该倾斜平面上开设有出光窗口，用于射出VCSEL激光器芯片1发出的光；以及

平面玻璃5，通过密封胶粘合在倾斜平面上以堵住出光窗口，从而TO底座3、TO帽4和平面玻璃5形成一个密封空间，将VCSEL激光器芯片1和Si基集成器件2密封在其中。

具体地，本发明中，VCSEL激光器芯片1为主要的电光转换元件，镓砷(GaAs)材料系的850nm VCSEL激光器芯片具有发光效率高、工作阈值电流低、温度稳定性好、工作速率高以及工作寿命长等优点，VCSEL激光器芯片1利用共晶焊接方法与Si基集成器件2焊接在一起，有利于加强贴装的剪切力以及芯片的散热效果，即提高温度稳定性。Si基集成器件2主要实现VCSEL激光器芯片过渡块和器件出光功率监控两个功能，利用半导体芯片的相关刻蚀、钝化层掩模、金属溅射等集成工艺在一个Si基片上制作出两个功能元件。在VCSEL激光器芯片1下方的Si基片主要是起到引出激光器芯片的N型电极、提供激光器芯片散热以及符合TO整体光路设计等作用，而作为光功率监控的Si基片则需要完成光探测器需要的扩散、刻蚀、电极等半导体工艺，实现Si材料探测器的所有功能，特别是0.55mA/mW左右的响应度。Si基集成器件2与VCSEL激光器芯片1组成的内部元件均将贴装在标准的TO-46底座上。TO-46底座可以是由德国SCHOTT公司生产的标准同轴器件，其基本材质为镍铁合金，表层为0.5～2微米镀金层，所有管脚利用绝缘玻璃胶进行密封，保证了气密性以及与TO底座3整体的绝缘性。而TO帽4则是特殊设计的倾斜平面透镜帽，材质与TO底座相同，在帽子底部边缘有用于阻容焊接的突出圆环作为大电流通过时熔化的焊料。TO帽中间利用密封胶将BK系列或其他高折射率材质的平面玻璃5固定在帽体上，作为TO-CAN的出光窗口并在玻璃表面镀有5～10％反射比例的反射膜以完成出光功率一定比例返回。将TO底座与TO帽，在氮气保护的环境中利用阻容焊的方法进行对接，具备较好的抗机械冲击性能，同时气密性可以达到10^-7mbar/l.s以下的氦检漏气率。

进一步地，如图2和3所示，Si基集成器件2包括：

Si基板12，其中，Si基板12上表面包括探测器区域6和过渡块区域8这两个相邻的区域；

钝化层11，生长在所述过渡块区域8的Si基板12的上表面；

金层9，分别生在在所述过渡块区域8的所述钝化层11的上表面以及所述Si基板12的下表面；

Au/Sn焊料层10，分别生长在所述过渡块区域8的所述金层9的上表面以及所述Si基板12的下表面的金层的下表面；以及

电极层7，生长在所述探测器区域6的所述Si基板12的上表面。

进一步地，如图1～3所示，VCSEL激光器芯片1贴装在Au/Sn焊料层10上。

进一步地，根据Si基板12掺杂的载流子浓度，Si基板12分为较厚的n型上层和较薄的n+型下层。

进一步地，如图2所示，电极层7为方框环形的P型电极。

进一步地，TO帽4的倾斜平面的倾斜角度为10～12°。本发明可以将VCSEL激光器芯片1和Si基探测器的横向距离控制在1.1～1.35mm范围内，所以倾斜平面采用的倾斜角度可以较小，以减小TO帽制作难度并提高器件的可靠性。本发明有简单、合理的结构设计，工艺环节优化，器件可靠性、一致性和温度冲击等各项指标上均明显好于原有结构，可以在室温情况下稳定、连续工作30年以上，成为国际高端产品的主要选择。

实施例二

如图4所示，本实施例提供了一种垂直腔面发射同轴封装光电器件的封装方法，用于制备上述实施例描述的垂直腔面发射同轴封装光电器件。该封装方法包括以下步骤：

S1、通过共晶焊接工艺实现VCSEL激光器芯片1与Si基集成器件2以及所述Si基集成器件2与TO底座3之间的焊接；

S2、通过密封胶将平面玻璃5粘合在TO帽4的倾斜平面上以堵住出光窗口；以及

S3、在氮气保护的环境中利用阻容焊方法将TO帽4气密耦合至TO底座3上，从而TO底座3、TO帽4和平面玻璃5形成一个密封空间将VCSEL激光器芯片1和Si基集成器件2密封在其中。

进一步地，如图5所示，在步骤S1之前还包括Si基集成器件2的制备步骤，该制备步骤包括：

S11、提供Si基板12，并采用等离子增强化学气相沉积工艺在所述Si基板12的上表面生长钝化层11，再利用光刻和掩膜技术将Si基板12的上表面分割为探测器区域6和过渡块区域8，并采用反应离子刻蚀工艺将探测器区域6表面的钝化层去掉；

S12、通过区域扩散、光刻及刻蚀工艺在探测器区域6制作电极层7；同时采用光刻掩膜工艺在过渡块区域8制作上表面金层区，使用真空溅射机完成金层7材料的沉积，然后在Si基板12的下表面也使用真空溅射机完成金层7材料的沉积；以及

S13、利用薄膜电路印刷工艺和掩模技术，在过渡块区域8的金层9的上表面以及Si基板12的下表面的金层的下表面形成Au/Sn焊料层10。

具体地，本发明采用的是Si系材料，以达到良好的散热性、850nm波长左右较高的光电转换效率、简便的工艺、低成本以及便于集成化的效果。首先，根据Si基板12掺杂的载流子浓度将Si基板12分为较厚的n型上层和较薄的n+下层，以实现PN结和n型接触电极。在制作Si基过渡块时，整片Si基板12用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺生长SiO₂作为钝化层，再利用光刻和掩模技术将探测器区域6和过渡块区域8分开并用反应离子刻蚀(RIE)工艺将探测器区域6表面的钝化层去掉以方便探测器的制作。在探测器制作中，先使用区域扩散的原理将电极7的覆盖范围内掺杂进入p型载流子，形成需要的PN结和空间电荷区，即探测器的光敏面；随后在表面用PECVD工艺生产一层850nm波段的1/4λ增透膜以提高透过率即光电转换效率，材质为SiO₂；后利用光刻及刻蚀工艺将电极7阴影区域制作出探测器p型电极区域；同时在过渡块区域8的阴影区域用光刻掩模的工艺制作上表面金层9，使用真空溅射机完成Ti/Pt/Au几层材料的沉积并使用剥离(lift-off)工艺完成图形金层9；后在整个Si基板12的下表面也利用真空溅射机完成Ti/Pt/Au几层材料的沉积，放入合金炉内进行410～415℃、60秒的合金过程即完成探测器p/n型电极的欧姆接触的制作；最后，利用薄膜电路印刷工艺和掩模技术，在Au/Sn焊料区10以及Si基板12的整体下表面涂敷上需要的焊料，厚度为3～5微米，熔点在210～250℃。

参照图3，Si基板12的厚度在200～300微米，满足较好的导热率、机械强度和可加工性，同时在本发明中集成了两种器件于一体，既简化了器件结构和工艺步骤，又非常好的加强了贴装精度和一致性，而且大大降低了综合成本，是大规模生产的理想结构。在Si基板12的下表面和过渡块上表面均为整面金层9，其中，Si基板12的下表面金层是起到了过渡块焊接面和探测器n型电极的两种作用；过渡块区域上表面金层也是提供了VCSEL激光器芯片n型贴装以及将n型电极引出以完成后续金丝键合工艺。Au/Sn焊料层10是本发明的主要特点，由于将共晶焊接需要的焊料已经利用薄膜电路印刷工艺涂敷在了元件需要贴装面上，所以完全免去了原有器件结构中多处导电胶或多种焊片等辅料以及多次点胶、多次焊接的复杂工艺，很好地提高了产品的精度、一致性和可靠性。过渡块区域上表面的钝化层11是实现Si基片两种集成功用分离的关键部分，由于使用SiNx的材料，具有较好的热稳定性、电隔离性、机械强度和工艺可加工性，所以用这种钝化层将过渡块区域保护起来以后才能进行探测器区域的载流子扩散工艺，钝化层11厚度为折射率在1.99～2.02范围以内，使用光刻掩模和RIE刻蚀技术能完成需要的钝化层图形化，同时钝化层11也使得过渡块上表面金层9与Si基板n型上层进行了电隔离，保证了过渡块与VCSEL芯片贴装后不对激光器芯片引入电流或电压干扰。Si基探测器的p型电极7采用的是先进的lift-off图形电极工艺，设计为方框环行电极，最大限度的利用基板的整体面积以扩大入射光需要的探测器光敏面的大小，提高器件的光电转换效率，在金丝键合需要的Pad也设计在边角处而改变了传统形式中因为引出圆形电极而减小了光敏面的区域的情况。

与单一过渡块、探测器元件相比，Si基集成器件层次较复杂，但从Si基集成器件的加工工艺角度和材料整体使用情况上看，没有增加工艺难度而且合并了一些工艺流程从而节约了成本，更重要的是Si集成器件在作用和功能上的增加对本发明整体性能的提高、工艺的简化、可靠性的提高以及成本的降低起到了关键作用。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。