具有结合光束转向的超小型垂直腔表面发射激光发射器的器件的制作方法

优先权要求

本申请要求于2017年4月12日向美国专利商标局提交的题为“lightdetectionandranging(lidar)devicesandmethodsoffabricatingthesame”的美国临时专利申请no.62/484,701以及于2018年1月5日向美国专利商标局提交的题为“ultra-smallverticalcavitysurfaceemittinglaser(vcsel)andarraysincorporatingthesame”的美国临时专利申请no.62/613,985的优先权，其公开内容通过引用并入本文中。

本发明涉及基于半导体的激光器以及相关器件和操作方法。

背景技术：

诸如物联网(iot)和自主导航的许多新兴技术可以涉及在三维(3d)空间中检测和测量到物体的距离。例如，能够自动驾驶的汽车可能需要3d检测和识别以进行基本操作，并满足安全要求。室内导航也可能需要3d检测和识别，例如通过工业或家用机器人或玩具。

在一些情况下，基于光的3d测量可以优于雷达(角度精度低、笨重)或超声波(精度非常低)。例如，基于光的3d传感器系统可以包括检测器(比如，光电二极管或相机)和发光器件(比如，发光二极管(led)或激光二极管)作为通常发射可见波长范围以外的光的光源。垂直腔表面发射激光器(vcsel)是可以在基于光的传感器中用于在3d空间中测量距离和速度的发光器件的一种类型。vcsel阵列可以允许功率缩放，并且可以以较高功率密度来提供非常短的脉冲。

光检测和测距(lidar)系统可以基于反射光来确定点(例如，点云)的集合。lidar系统每帧可以生成的点的数量是该系统的信息收集能力的一种度量。lidar系统可以是基于闪光的或基于扫描的。基于闪光的lidar应用通常一次照亮整个场，并且可能使用大型并联检测器来检测整个场上的点并生成得到的点云。基于闪光的lidar方法可以一次生成大量点，但是可能具有较低的灵活性。例如，基于闪光的lidar应用可能无法聚焦于特定目标，从而无法照亮针对每一帧的整个视场。此外，基于闪光的方法可能需要检测器的焦平面阵列，这可以对每个单独的检测器的性能造成挑战。例如，焦平面只能这么大，因此每个单独的检测器只能容纳这么多的电路和功能。

一些基于扫描的lidar系统通过横跨目标扫描或“扫掠”一个或多个窄场(例如，大约或小于1度)照明和检测区域来生成点云。然而，扫描可能需要横跨视场使照明源转向的机制。一些lidar系统的概念可能依赖于以下用于使照明光束转向的方法的一种或多种：机械扫描；基于微机电系统(mems)的扫描镜；以及可以通过选择性延迟各个相干发射器中的相位来使光束电转向的相干相控阵列孔。这些扫描方法中的每个扫描方法可能都有缺点。基于机械和/或mems的扫描方法可能会因为例如移动部件而引起可靠性问题。此外，一些基于mems的扫描可能在无需扫描镜的精密和复杂组合的情况下能够传送的角范围方面具有限制。相控阵列扫描也可能面临困难，这是因为在生产各个发射器元件以在光学(可见和近红外)波长下工作可能需要的极限大小和间隔容差。

技术实现要素：

本文中描述的一些实施例针对激光二极管和包括激光二极管的阵列，激光二极管比如是vcsel或其他表面发射激光二极管或边缘发射激光二极管和/或其他半导体激光器。

根据一些实施例，一种激光器阵列包括：在衬底上以多个行和多个列布置的多个激光二极管，所述衬底对于所述多个激光发射器是非本征的；以及多个驱动晶体管，与激光二极管中的一个或多个激光二极管相邻地位于所述衬底上。多个激光发射器的子集包括激光发射器串，所述串的激光发射器连接使得所述子集中的至少一个激光发射器的阳极连接到所述子集中的相邻激光发射器的阴极。多个驱动晶体管中的驱动晶体管被配置为控制流过所述串的电流。

在一些实施例中，衬底对于多个驱动晶体管是非本征的。

在一些实施例中，多个激光发射器中的至少一个激光发射器和/或驱动晶体管在其外围包括断裂的系线部和/或离隙特征。

在一些实施例中，多个激光发射器中的每个激光发射器的激光发射是可单独控制的。

在一些实施例中，多个驱动晶体管中的相应驱动晶体管被配置为控制多个激光发射器中的相应激光发射器的激光发射的单独功率输出。

在一些实施例中，多个激光发射器中的第一激光发射器的第一激光发射的第一功率输出被配置为与多个激光发射器中的第二激光发射器的第二激光发射的第二功率输出分开控制。

在一些实施例中，多个激光发射器被配置为覆盖在80度与180度之间的视场，并且多个驱动晶体管被配置为顺序地激活多个串中的相应串。

在一些实施例中，所述串的驱动晶体管与紧邻激光发射器是工艺不兼容的，并且所述串的驱动晶体管与紧邻激光发射器之间的距离小于2mm。

在一些实施例中，多个驱动晶体管被配置为向所述多个激光发射器的第一子集提供功率，而不向所述多个激光发射器的第二子集提供功率。

在一些实施例中，多个驱动晶体管被配置为以第一功率等级激活所述多个激光发射器的第一子集，并以不同于所述第一功率等级的第二功率等级激活所述多个激光发射器的第二子集。例如，多个激光发射器的所述第二子集可以位于所述多个激光发射器的外围部分处。

根据一些实施例，一种操作激光器阵列的方法包括：设置包括衬底的半导体结构，在该衬底上已经以多个行和多个列布置了多个激光发射器；以及使用衬底上的多个驱动晶体管来选择性地控制通过多个激光发射器的电流。多个激光发射器的子集包括激光发射器串，所述串的激光发射器连接使得所述子集中的至少一个激光发射器的阳极连接到所述子集中的相邻激光发射器的阴极。多个驱动晶体管中的驱动晶体管被配置为控制流过所述串的电流。衬底对于所述多个激光发射器是非本征的。

在方法的一些实施例中，衬底对于多个驱动晶体管是非本征的。

在方法的一些实施例中，多个激光发射器中的至少一个激光发射器和/或驱动晶体管在其外围包括断裂的系线部和/或离隙特征。

在方法的一些实施例中，多个激光发射器中的每个激光发射器的激光发射是可单独控制的。

在方法的一些实施例中，使用所述多个驱动晶体管来选择性地控制通过所述多个激光发射器的电流包括：控制所述多个激光发射器中的相应激光发射器的激光发射的单独功率输出。

在方法的一些实施例中，使用多个驱动晶体管选择性地控制通过多个激光发射器的电流包括：顺序地激活多个激光发射器的多个列中的相应列。

在方法的一些实施例中，使用多个驱动晶体管选择性地控制通过多个激光发射器的电流包括：以第一功率等级激活多个激光发射器的第一子集并以不同于第一功率等级的第二功率等级激活多个激光发射器的第二子集。

根据一些实施例，半导体器件包括：多个激光发射器，在非本征衬底上串联电连接，其中激光发射器中的相邻激光发射器之间的间隔小于150μm；以及驱动晶体管，与多个激光发射器中的第一激光发射器相邻地位于非本征衬底上。驱动晶体管与第一激光发射器间隔小于2mm，并且其中驱动晶体管配置为控制流过第一激光发射器的电流。

在查看以下附图和具体实施方式之后，根据一些实施例的其他器件、装置和/或方法将对于本领域技术人员而言变得显而易见。除了以上实施例的任何组合和所有组合之外，预期所有这样的附加实施例被包括在本说明书中，被包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求的保护。

附图说明

图1是示出了根据本文中描述的一些实施例的示例性的基于光的3d传感器系统的示图。

图2a是示出了根据本文中描述的一些实施例的具有减小的阳极接触尺寸和阴极接触尺寸的示例激光二极管的平面图。

图2b是图2a的激光二极管的横截面图。

图2c是示出了相比于常规vcsel芯片的根据本文中描述的一些实施例的示例激光二极管的透视图。

图3a是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括激光二极管的分布式发射器阵列的透视图。

图3b是示出了根据本文中描述的一些实施例的在弯曲的衬底上包括激光二极管的分布式发射器阵列的透视图。

图4a至图4f是示出了根据本文中描述的一些实施例的激光二极管的示例制造工艺的透视图。

图4a′至4g′是示出了根据本文中描述的一些实施例的激光二极管的示例制造工艺的横截面图。

图5a至图5c是根据本文中描述的一些实施例组装的vcsel阵列的图像。

图5d至图5e是示出了根据本文中描述的一些实施例的vcsel的残留的系线部和离隙特征的放大图像。

图6a是示出了本文中描述的根据一些实施例的包括分布式激光二极管与分布式驱动晶体管的异构集成的示例发射器阵列的透视图。

图6b是示出了图6a的分布式发射器阵列的等效电路图的示意图。

图6c是沿着图6a的线6c-6c′截取的分布式发射器阵列的横截面图。

图6d是示出了图6a的分布式发射器阵列的备选等效电路图的示意图。

图7a是示出了根据本文中描述的一些实施例的示例lidar器件的透视图。

图7b是示出了图7a的lidar器件的示例组件的分解图。

图7c是示出了根据本文中描述的一些实施例的另一示例lidar器件的透视图。

图8是示出了根据本文中描述的一些实施例的lidar器件的示例系统架构的框图。

图9是示出了根据本文中描述的其他实施例的示例激光二极管阵列的横截面图。

图10a和图10b是根据本文中描述的一些实施例的具有减小的尺寸的检测器的示例的横截面图。

图11a示出了常规检测器阵列的示例。

图11b示出了根据本文中描述的一些实施例的检测器阵列和单个检测器的示例。

图11c示出了根据本文中描述的一些实施例的印刷在非本征衬底上的分布式检测器阵列的示意代表。

图12a示出了根据本文中描述的一些实施例的异质集成在非本征衬底上的发射器与检测器的结合的示意表示。图12b和图12c示出了根据本文中描述的一些实施例的其中vcsel200和检测器的阵列被不同地布置的示例配置。

图13a至图13f示出了根据本文中描述的一些实施例的使用分布式vcsel阵列进行光束转向的示例。

具体实施方式

本文中描述的实施例可以源自以下认识：在新兴技术中，更紧凑的光发射器阵列可能是有利的。例如，如图1中所示，以脉冲发光器件阵列120作为光源，基于光的3d传感器系统100(比如，光检测和测距(lidar)系统)可以基于从光学检测器电路130和相关联的光学器件140接收的信号来使用基于飞行时间(tof)的测量电路110和3d图像重构电路150。飞行时间测量电路110可以通过测量由目标t反射的激光脉冲109的往返(“飞行时间”；tof)来确定到目标t的距离d(其中d＝((光速(c)/2)xtof)，3d图像重建电路150可以使用距离d来创建周围环境的准确3d地图。lidar系统的一些优势可以包括远距离、高精度、出色的对象检测和识别、较高的分辨率、较高的3d点云的采样密度和在各种照明和/或天气条件下的有效性。lidar系统的应用可以包括adas(高级驾驶员辅助系统)、自动驾驶汽车、uav(无人机)、工业自动化、机器人技术、生物识别技术、建模、增强现实和虚拟现实、3d映射和安全。图1的示例示出了闪光lidar系统，其中与一些传统的扫描lidar技术(通过光栅扫描来生成图像帧)相比，脉冲发光器件阵列120在相对较大的区域上短时间发光以获取图像。然而，应当理解的是本文中描述的发光器件阵列120也可以用于扫描lidar的实施方式。

仍然参考图1，发光器件阵列120可以包括多个电连接的表面发射激光二极管，例如，vcsel，并且可以使用低占空比的强单个脉冲或使用脉冲串(该脉冲或脉冲串通常具有可见光谱之外的波长)来进行操作。因为对背景光的敏感性以及信号随距离的减弱，所以可以使用几瓦的激光功率来检测距离d处的目标t，其中距离d高达约100米或更长。

然而，一些常规的vcsel可以具有由约150微米(μm)至约200μm的尺寸(例如，长度、宽度和/或直径)定义的大小，这可能会对包括离散vcsel阵列的传感器系统施加大小和/或密度限制。这种相对较大的vcsel大小可能需要与常规取放机器配合使用，且需要用于引线接合焊盘的足够的接触表面区域以提供与vcsel的电连接。例如，一些常规的焊球或引线接合技术可能仅对于接合焊盘就需要超过约30μm的长度，而用于拉动引线接合的尖端可能具有几十微米的数量级的精度。

本文中描述的一些实施例提供了诸如表面发射激光二极管(例如，vcsel)的发光器件，其具有减小的尺寸(例如，长度和/或宽度为约30微米(μm)或更小)而不影响器件性能(例如，功率输出)。例如，vcsel管芯的孔(发生激射的有源区)的直径可以为约10μm至约20μm。通过减小或消除浪费的(非有源)区域，且通过为阳极接触和阴极接触保留几微米(例如，约4μm至约6μm或更小)的组合芯片长度，管芯长度可以减小到孔直径加上几微米。这可以使尺寸(例如，长度和/或宽度)减小约10倍或更多(例如，与具有约150微米(μm)至约200μm的管芯长度的一些常规的vcel相比，约15μm至约20μm的管芯长度)。在一些实施例中，这些减小的管芯尺寸可以允许制造包括更大密度(例如，数千个)的vcsel或其他激光二极管的发射器阵列。

图2a和图2b是示出了本文中描述的根据一些实施例的示例表面发射发光器件(被示为垂直腔表面发射激光二极管(vcsel)芯片或管芯200，在本文中也被称为vcsel200)的平面图和横截面图，vscel200包括在至少一个维度上小于激光孔210的阳极接触211和阴极接触212。如图2a和图2b中所示，vcsel200包括具有一个或多个量子阱203的有源区205，以产生和发射相干光209。vcsel200的光学腔轴208被定向为沿着电流方向(而不是如一些常规激光二极管那样，垂直于电流)，从而限定了具有沿着电流方向的长度的垂直腔。有源区205的腔长度与有源区205的横向尺寸相比可以是短的，使得辐射209从腔的表面而不是从其边缘射出。

有源区205可以被夹在分布式布拉格反射器(dbr)镜层(在本文中也被称为布拉格反射器层或布拉格镜)201和202之间，分布式布拉格反射器镜层设置在横向传导层(lcl)206上。在一些实施例中，lcl206可以允许改善的电学特性和/或光学特性(与直接接触反射器层401相比)。在一些实施例中，lcl层206的表面可以设置印刷接口215，印刷接口215包括粘合层、该粘合层改善了与下层或衬底的粘合性。粘合层对于一个或多个波长范围可以是光学透明的和/或可以是折射率匹配的以提供期望的光学性能。腔端部处的反射器层201和202可以由交替的高折射率层和低折射率层制成。例如，反射器层201和202可以包括厚度为d1和d2且折射率为n1和n2的交替的层，使得n1d1+n2d2＝λ/2，以提供发射波长λ下的波长选择性反射率。这种垂直构造可以增加与半导体制造设备的兼容性。例如，由于vcsel发射垂直于有源区205的光209，可以同时加工成千上万个vcsel，例如通过使用标准半导体晶片加工步骤来限定单个晶片的相应vcsel的发射区域和电学端子。

尽管本文中主要参考vcsel结构来进行描述，但是应当理解，本文中描述的实施例不限于vcsel，并且激光二极管200可以包括被配置为沿着光轴208发射光209的其他类型的激光二极管，其中光轴208被定向为垂直于衬底或其上设置了器件200的其他表面。还应当理解，尽管本文中主要参照表面发射激光器结构来进行描述，但是本文中描述的激光二极管和激光二极管阵列不限于此，并且可以如图9中所示包括边缘发射激光结构，其被配置为沿着平行于衬底或其上同样设置有器件的其他表面定向的光轴来发射光。

vcsel200可以由被选择为提供期望的波长范围或在期望的波长范围内的光发射的材料形成，期望的波长范围可以在人眼可见的光谱之外。例如，在一些实施例中，vcsel200可以是基于砷化镓(gaas)的结构。在具体实施例中，有源区205可以包括一个或多个基于gaas的层(例如，交替的ingaas/gaas量子阱和阻挡层)，并且布拉格镜201和202可以包括gaas和砷化铝镓(alxga(1-x)as)。例如，下布拉格镜201可以是包括n-alas/gaas的交替层的n型结构，而上布拉格镜202可以是包括p-a1gaas/gaas的交替层的p型结构。尽管参考基于gaas的vcsel以示例的方式进行了描述，但是应当理解，可以调整和/或以其他方式选择层201、202和/或205的材料和/或材料成分以提供期望波长的光发射，例如使用较短波长(例如，基于gan的)和/或较长波长(例如，基于inp的)的发射材料。

在图2a和图2b的示例中，vcsel200包括尺寸约12μm的(被示为直径d)的激光孔210，以及第一导电接触端子和第二导电接触端子(被示为阳极接触211和阴极接触212，在本文中也被称为第一接触和第二接触)。第一导电膜互连213设置在第一接触211上，并且第二导电膜互连213设置在第二接触212上，以提供与vcsel200的电连接。图2b更清楚地示出了其上具有导电膜互连213的阳极接触211和阴极接触212的横截面。第一接触211和第二接触212可以向相反导电类型(分别为p型和n型)的半导体区提供接触。因此，本文中描述的实施例被配置用于通过薄膜互连213而不是结合引线接合、带、电缆或导引头将电能传输到vcsel接触211和212，其中薄膜互连213可以通过图案化导电膜来形成。互连213可以在将vcsel200设置在目标衬底(例如，不同于在其上形成vcsel200的源衬底的非本征衬底)上之后形成，例如使用常规光刻技术，并且可以被构造为具有低电阻。这样，用于导电膜互连213的材料可以包括被形成为厚度约200nm至约500nm的铝或铝合金、金、铜、或者其他金属。

如图2a中所示，第一导电接触211和第二导电接触212在一个或多个尺寸上小于孔210。在一些实施例中，允许接触211、212中的每个接触的尺寸为约2μm至约3μm，可以显著减小vcsel管芯200的整体尺寸。例如，对于各自长度为2μm的阳极接触和阴极接触，尺寸l可以减小到约16μm(2μm的阳极长度+12μm的孔+2μm的阴极长度；全部沿着尺寸l进行测量)，从而提供16x16μm²的管芯。作为另一示例，对于各自长度为3μm的阳极接触和阴极接触，尺寸l可以减小到约18μm(3μm的阳极+12的μm孔+3μm的阴极)，从而提供18x18μm²的管芯。对于较小的孔尺寸d(例如10μm)或较大的孔尺寸d(例如20μm)，管芯尺寸l还可以减小或轻微增大。更一般地，根据本文中的实施例的vcsel管芯200可以实现约0.05至30、约0.1至20、约1至10、或者约1至3的接触面积与孔面积之比，其中接触面积是指位于表面s上的孔210上或与其相邻的电接触211和/或212的表面面积。而且，尽管接触211、212和互连213示出在相对于孔210的特定位置，但是应当理解，本文中描述的实施例不限于此，接触211、212和互连213可以设置在vcsel管芯200的其他区域(例如，在角部等)。

根据本文中描述的一些实施例的vcsel200可以被配置为在约1-10纳秒(ns)的宽脉冲宽度内以大于约100毫瓦(mw)的功率来发射光，这对于lidar应用可能是有用的。在一些实施例中，例如由于与一些传统的vcsel相比减小的电容(以及rlc时间常数的相应减小)，因此可以从单个vcsel元件200获得在10000∶1占空比下具有1ns脉冲宽度的大于1瓦的峰值功率输出。结合大于约200米(m)的范围(基于极高功率的发射器和增大的检测器灵敏度)，本文中描述的vcsel200因此可以允许较长的激光寿命(基于高脉冲功率下低激光器工作温度)。

图2c是示出了与常规vcsel芯片10相比的本文中描述的根据一些实施例的vcsel芯片200的平面图。如图2c中所示，常规vcsel芯片10可以具有约200μm的长度l，从而为有源区5和可以用作n型接触或p型接触的顶部导线接合焊盘11提供足够的区域。相反，本文中描述的根据一些实施例的vcsel芯片200可以具有约20μm或更小的长度l。由于通过薄膜金属化互连213设置了与更小的接触211、212的电连接，因此本文中描述的根据一些实施例的vcsel芯片200不需要接合焊盘，使得光学孔210占据了发光表面s的整个表面区域中的大部分。

因此，根据本发明的一些实施例的vcsel芯片200的尺寸可以是一些常规的vcsel芯片10的尺寸的1/100，从而允许发射表面s的每单位区域功率增加多达一百倍，并且减小了电容，这可以显著减少与这些设备中的驱动快速脉冲相关联的rlc时间常数。这种大小的指数减小可以允许制造包括数千个紧密间隔的vcsel200的vcsel阵列，其中一些vcsel200在刚性或柔性衬底上电学串联(或者，阳极到阴极)，这对于在共享电衬底上制造的一些常规的紧密间隔的vcsel是不可能的。例如，如下面更详细描述的，本文中描述的根据一些实施例的多个管芯200可以组装并电连接在常规vcsel芯片10的占用空间(footprint)内。在某些应用中，与一些常规的vcsel阵列相比，这种大小的减小和接合焊盘的消除可以允许降低成本、器件电容和/或器件热输出(高达一百倍)。

图3a是示出了本文中描述的根据一些实施例的包括激光二极管(示出为vcsel200)的分布式发射器阵列300a的透视图。阵列300a(在本文中也被称为分布式vcsel阵列(dva))可以例如通过微转印、静电粘合或其他质量转移技术组装在非本征衬底307a上。如本文中所使用的，非本征衬底(在本文中也被称为目标衬底)可以指在其上布置或放置激光二极管200的衬底，其不同于在其上生长或以其他方式形成激光二极管200的本征衬底(在本文中也被称为源衬底)。衬底307a在一些实施例中可以是刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的，和/或可以被选择为与源衬底相比提供改善的热特性。例如，在一些实施例中，非本征衬底307a可以是导热的，并且还可以是电绝缘的(或涂覆有诸如氧化物、氮化物、聚合物等的绝缘材料)。导电薄膜互连313可以被形成为以串联和/或并联配置电连接激光二极管200的相应接触，并且可以类似于上述互连213。通过控制由导电薄膜互连313电连接的激光二极管200的子集的操作，这可以允许动态可调的配置。在一些实施例中，阵列300a可以包括非并联(例如，没有共享或公共的阴极/阳极的连接)连接的vcsel200之间的布线313。也就是说，导电薄膜互连313可以提供串联/并联互连的许多变体，以及赋予较好良率的附加电路元件(例如，旁路、熔断器等)。

可以在衬底307a上设置激光二极管200的平行工艺中、在此之前和/或在此之后，形成导电薄膜互连313。例如，可以通过使用常规光刻技术在衬底307a上图案化导电膜来形成导电薄膜互连313，使得阵列300的激光二极管200没有穿过衬底307a的电连接。

由于较小尺寸的激光二极管200和通过导电薄膜互连313设置的连接，两个紧邻的激光二极管200之间的间隔或间距小于约500微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约200μm，或者小于约150μm，或者小于约100μm，或者小于约50μm，而没有到共享或公共的阴极/阳极的连接。尽管一些单片阵列可以设置小于约100μm的激光二极管间距，但是为了实现这样的紧密间隔，这种阵列的激光二极管可以电学上共享一个阴极/阳极并可以机械上共享一个刚性衬底。相比之下，在一些实施例中，如本文中所述的激光二极管阵列(比如，阵列300a)可以在非本征衬底(例如，刚性衬底或柔性衬底)、紧邻的串联连接的激光二极管200(不具有公共阳极或阴极连接)之间实现小于约150μm的间隔。另外，如下面参考图6a至图6c的示例所描述的，本公开的一些实施例可以集成在本文中描述的具有小于150μm的间隔的激光二极管200之间的其他类型器件和/或由不同材料(例如，功率电容器，fet等)来形成的器件。

而且，在一些实施例中，阵列300a的每个区域的激光二极管200的集中度可以在阵列300a的不同部分处是不同的。例如，一些lidar传感器应用可能受益于阵列的中心部分(与行进的前向方向相对应)中具有较高的分辨率，但是可能不需要在阵列的外围区域具有高分辨率。这样，在一些实施例中，阵列300a的外围部分的vcsel200的集中度可以小于阵列300a的中心部分的vcsel200的集中度。如图3b中所示，该配置可以用于衬底是柔性的并可以弯曲或折弯成期望的形状的应用中。

图3b是示出了根据本文中描述的一些实施例的在曲面的非本征衬底307b上包括激光二极管200的分布式发射器阵列300b的透视图。在一些实施例中，衬底307b由可以折弯以设置弯曲的发射表面的柔性材料形成，使得安装在衬底307b的中心部分317上的vcsel200面向前方，而安装在衬底307b的外围部分317′上的vcsel200面向倾斜方向。由于vcsel200分别在垂直于它们的有源区的方向上发射光，因此安装在衬底307b的中心部分317上的vcsel200在前向方向上发射光309，而安装在衬底307b的外围部分317′上的vcsel200在倾斜方向上发射光309′，从而提供宽视场。在一些实施例中，每个vcsel可以提供窄场照明(例如，覆盖小于约1度)，并且阵列300a、300b可以包括数百或数千个vcsel200(例如，1500个vcsel的阵列，每个vcsel覆盖约0.1度的视场，从而可以提供150度的视场)。

通过改变衬底307b的曲率，视场可以在从0度至约180度的范围内根据期望来调节或改变。衬底307b的曲率可以是也可以不是恒定半径，并且因此可以被设计或以其他方式选择为提供期望的功率分布。例如，衬底307b可以限定法向表面提供相对功率量的期望分布的柱状、非柱状、球形或非球形曲线。在一些实施例中，衬底307b的曲率可以通过机械或机电致动而动态地改变。例如，中心轴(mandrel)可用于形成柱状或非柱状形状的柔性非本征衬底307b。在一些实施例中，中心轴也可以用作热沉。此外，如上所述，在一些实施例中，阵列300b的外围部分的vcsel200的空间密度或集中度可以小于阵列300b的中心部分的vcsel200的空间密度或集中度。例如，可以使用例如微转印和/或其他微组装技术以不同和/或非均匀的间距将vcsel200的阵列300b的行或列布置在非本征衬底307b上，以提供期望的远场输出光图案。

图3a和图3b中所示的阵列300a和300b可以基于激光二极管200的期望数量或分辨率而可缩放，从而允许长距离和高脉冲功率输出(千瓦(kw)量级)。可以选择衬底307a和307b的表面上的激光二极管200的空间密度或分布以减小光学功率密度，从而在期望的操作波长(例如，对于gaasvcsel约为905nm；对于inpvcsel约为1500nm)下提供长距离和人眼安全性。通过控制施加到vcsel的信号的占空比和/或通过改变衬底的曲率，可以进一步实现期望的光功率密度。而且，可以依据衬底材料来选择阵列300a和300b内的相邻激光二极管200之间的分隔或间隔，来在操作期间提供热管理并改善散热。例如，两个紧邻的激光二极管200之间的大于约100微米(μm)的间隔可以提供热学优点，特别是对于有限导热率的衬底而言。因此，本文中描述的阵列300a和300b可以通过消除引线接合、提供容错架构和/或提供较低的工作温度来提供更高的可靠性。在其他实施例中，可以将自对准、低成本的光束整形微光学器件(例如，球透镜阵列)集成在阵列300a和300b的表面上或表面内。

在一些实施例中，图3a和图3b中所示的紧凑阵列300a和300b可以使用微转印(mtp)、静电粘合和/或其他大规模并行芯片处理技术来制造，其允许通过外延剥离在非本征衬底上同时组装和异构集成数千个微型器件。例如，可以使用类似于例如在rogers等人的题为“opticalsystemsfabricatedbyprinting-basedassembly”的美国专利no.7,972,875中所描述的微转印工艺来制造vcsel200的阵列，其公开内容通过整体引用并入本文中。备选地，可以使用类似于例如在bibl等人的题为“microdevicetransferheadheaterassemblyandmethodoftransferringamicrodevice”的美国专利no.8,789,573中所描述的静电粘合或夹持转印(grippingtransfer)技术来制造vcsel200的阵列，其公开内容通过整体引用并入本文中。在一些实施例中，mtp、静电粘合/或其他传质技术可以允许制造本文中描述的具有较小器件间间隔的vcsel或其他激光二极管的阵列。

图4a至图4f以及图4a′至4g′是示出了本文中描述的根据一些实施例的激光二极管(被示为vcsel400)的示例制造工艺的透视图以及横截面图。在一些实施例中，本文中描述的vcsel200还可以使用图4a至图4f中所示的一个或多个处理操作来制造。如图4a至图4f以及图4a′至4g′中所示，本文中描述的根据实施例的超小型vcsel400可以生长在源衬底上并可以使用微转印技术在非本征目标衬底上进行组装。具体地，在图4a和4a′中，牺牲层408、横向传导层406、第一n型分布式布拉格反射器(dbr)层401、有源区405和第二p型dbr层402依次形成在源晶片或衬底404上。尽管参考单个vcsel400进行了说明以示出了制造，但是应当理解，可以在源晶片404上同时制造多个vcsel400，减小或最小化相邻vcsel400之间的间隔以增加或最大化可以在晶片404上同时制造的vcsel的数量。而且，应当理解，可以在从用于印刷的衬底404释放的单个管芯或小芯片上制造多个vcsel器件。而且，下面更详细地描述的转印技术可以允许重用源晶片404，以便随后制造额外的vcsel。

在一些实施例中，可以选择层406、401、405和402的材料成分以提供期望的发射波长和发射方向(光轴)。例如，在一些实施例中，层406、401、405和402可以是基于砷化镓(gaas)或基于磷化铟(inp)的。如所示的，在源晶片404上顺序地形成横向传导层406、algaasn型高反射率分布式布拉格反射器(dbr)和有源区405。有源区405可以被形成为包括inalgaas应变量子阱，其被设计为提供期望波长上的光发射，并且随后形成p型dbr输出镜402。执行顶部接触金属化工艺，以在p型dbr层402上形成p接触(例如，阳极接触)411。例如，可以沉积不同尺寸的ti/pt/au环形接触以形成阳极或p接触411。孔410可以限定在p接触411的周边。在一些实施例中，可以在有源区405与p型dbr层402之间设置氧化物层以限定孔410的边界。可以选择孔410的布局和设计以最小化光学损耗和电流扩散。

在图4b和4b′中，执行顶部台面蚀刻工艺以暴露有源区405和n型dbr层401的顶表面，并且执行氧化工艺以氧化暴露的表面(包括有源区405的暴露的侧壁)，特别是光学孔410的横向限定边界。在图4c和图4c′中，执行底部接触金属化工艺以在横向传导层406的表面上暴露并形成n型(例如，阴极)接触412。应当理解，在一些实施例中，n型接触412可以备选地形成在n型dbr层401上以提供顶侧接触。在图4d和图4d′中，执行隔离工艺以限定相应的横向传导层406，并且沉积并蚀刻锚固(anchor)材料(例如，光刻胶层)以限定光刻胶锚固499和用于暴露牺牲释放层408的入口来进行外延剥离。

在图4e和图4e′中，执行底切蚀刻工艺以去除牺牲释放层408的一部分，使得锚固499将vcsel管芯400悬挂在源晶片404上方。在一些实施例中，图4e和图4e′的操作之后可以是微转印工艺，如图4f和图4f′中所示，微转印工艺可以利用弹性体和/或其他压模490来破坏锚固499，将vcsel管芯400(连同源晶片404上的多个其他的vcsel管芯400)粘合到压模490的表面，并且如图4g′所示，通过使在其上包括管芯400的压模的表面接触非本征目标衬底407的表面，同时将多个vcsel管芯400(已经粘合到压模的表面)转印到非本征目标衬底407的表面。在其他实施例中，图4f的操作之后可以是基于静电夹持器的转印工艺，该工艺可以通过使用相反电荷的吸引力来利用静电转印头将vcsel管芯400(连同源晶片404上的多个其他的vcsel管芯400)粘合到该转印头的表面，并且同时将vcsel管芯400转印到非本征目标衬底。作为破坏锚固499的结果，每个vcsel管芯400可以包括从管芯400的边缘或侧表面(和/或管芯400的外围处的对应离隙特征)突出或凹入其内的断裂或破裂的系线部499t(例如，锚固结构499的残留部分)，系线部499t可以在将vcsel管芯400转印到非本征衬底407时保留。

非本征目标衬底可以是用于vcsel阵列的刚性或柔性目的地衬底，或者可以是较小的夹层或“小芯片”衬底。在目标衬底是针对阵列的目的地衬底的情况下，互连工艺可以在在其上包括有组装的vcsel管芯400的目标衬底上形成导电薄膜层，并且可以图案化导电薄膜层以限定在vcsel管芯400之间提供期望电连接的薄膜金属互连。可以在将vcsel管芯400组装在目的地衬底上之后执行互连工艺，或者可以在组装vcsel管芯400之前在目的地衬底上执行预图案化工艺，使得在组装时实现vcsel管芯之间的电连接(在将管芯400转印到衬底上之后不需要互连处理)。在目标衬底是小芯片的情况下，vcsel管芯400可以通过小芯片并联连接。然后可以将其上包括vcsel管芯400的小芯片组装(通过转印、静电吸附或其他转印工艺)到针对阵列的目的地衬底上，其中可以对目的地衬底进行预图案化或后图案化以在小芯片之间设置电连接。在一些实施例中，薄膜金属互连可以限定在从管芯400的边缘突出的断裂的系线部上和/或在其周围。

因为vcsel400是通过外延剥离完成的，因此与衬底是分离的，并且因为使用了薄膜互连，所以vcsel400也可以比保持连接到其本征衬底的一些常规的vcsel更薄，比如图2c的vcsel10。例如，vcsel400可以具有约1微米(μm)至约20μm的厚度t(例如，包括层406、401、405和402的半导体堆叠的组合厚度)。

图5a至图5c是本文中描述的根据一些实施例的vcsel阵列500的图像，其是使用微转印工艺组装的。具体地，图5a示出了约11000个激光器的vcsel阵列500，其在非本征衬底507上组装之后，相邻的vcsel200之间的vcsel间间隔为约200微米(μm)或更小，图5b的插入图像和图5c的图像示出了本文中描述的根据一些实施例的分别包括约350个激光器和9个激光器的阵列500的一部分的放大视图。由于本文中描述的vcsel的尺寸减小了，在一些实施例中，紧邻的vcsel200之间的vcsel间间隔在源衬底上可以小于约150μm，或者小于约100μm，或者小于约50μm。在一些实施例中，阵列500可以在5平方毫米(mm²)或更小的占用空间或区域内包括100个vcsel或更多。

图5d至图5e是示出了本文中描述的根据一些实施例的vcsel结构的断裂系线部和离隙特征的放大图像。如图5d和图5e中所示，转印的vcsel510(比如，vcsel200中的一个vcsel200)或如本文中描述的其他激光二极管可以在其外围包括一个或多个断裂的系线部499t和/或离隙特征599。可以沿着vcsel510的外围图案化或以其他方式设置离隙特征599以部分限定系线499和用于使系线499优先破裂(preferentialfracture)的区域。在图5d至图5e的实施例中，断裂的系线部499和离隙特征599被示为沿横向传导层(lcl)506的外围存在；然而，应当理解，断裂的系线部499t和/或relilef特征599可以存在于通过本文中描述的转印工艺设置在非本征衬底上的任何层的外围中或沿着所述外围存在，所述层例如是在图4a至图4f和图4a′至图4g′的示例中，在在源晶片或衬底404上制造有源区405中形成的外延生长层406、405、401、402。这样，在一些实施例中，断裂的系线部499t的材料和厚度可以与lcl层506(或者，与有源区相关联的其他层)的材料和厚度相对应。在其他实施例中，为了缩短蚀刻程序，可以部分蚀刻lcl506的外围或边缘部分，因此系线特征499t的离隙图案599可以比lcl506(或者，与有源区相关联的其他层)更薄。在“拾取”操作期间(比如，图4g′所示)，系线499的破裂可以发生在抗蚀剂层4991本身中，并且断裂的系线部499t的材料和厚度可以与抗蚀剂层4991的材料和厚度相对应。断裂的系线部499t可以与印刷粘合剂或环氧树脂相互作用，并且即使在抗蚀剂显影和/或抗蚀剂去除工艺之后也仍保留在完全处理的器件上。更一般地，本文中描述的根据实施例的一些激光二极管结构可以包括沿着激光二极管结构的外围或边缘处于系线499附近区域处的断裂的系线部499t或离隙图案或特征599中的至少一个。

因此，本文中描述的一些实施例可以使用mtp来将数百或数千个vcsel或其他表面发射激光二极管印刷或集成到占用空间较小的发光阵列中。通过允许对数千个激光二极管器件进行同时操控和晶圆级组装，mtp可能是有利的。在一些实施例中，每个激光二极管可以具有小至约1-10μm的孔尺寸，从而将结合了这种vcsel阵列的激光器的大小(和成本)减小高达100倍。为了实现不同性能，诸如修改的近场图案和远场图案，其他实施例可以包括具有甚至小于1μm的孔尺寸的衬底。为了实现每个vcsel器件更高的功率输出，另外的其他实施例可以使用更大的孔，例如约10至100μm。而且，mtp允许在转印工艺之后重用源晶片(例如，gaas或inp)来生长新器件，从而进一步降低了制造成本(在一些情况下，降低了多达50％)。mtp还可以允许将不同材料系统(例如，gaas或inp激光器)的激光二极管和/或驱动晶体管(如下面讨论的)直接异构集成和互连在硅集成电路(ic)上。而且，可以以成本高效的方式使用和重用源晶片，以制造可以提供大功率并具有人眼安全性性以及减小的环境噪声的激光二极管(例如，基于inp的vcsel)。这样，mtp可以在一些实施例中用于减少发射器成本，并且允许制造包括数百或数千个vcsel的大功率、高分辨率的分布式vcsel阵列(dva)。

而且，当设置在柔性或弯曲的衬底上时，本文中描述的实施例可以提供具有高达180度水平的宽视场(fov)的dva。在一些实施例中，可以针对人眼安全性和有效散热配置通过dva分散的光学功率。在一些实施例中，可以在弯曲的dva内集成低成本、自对准、光束整形微光学器件。

图6a是示出了根据本文中描述的一些实施例的包括分布式表面发射激光二极管(被示为vcsel200)与分布式驱动晶体管610的异构集成的示例发射器阵列600的透视图。如本文中所使用的，分布式电路元件可以指激光二极管、驱动晶体管和/或在整个激光二极管阵列的各种期望位置中组装的其他电路元件，并且分布式电路元件的这种阵列在本文中被称为分布式阵列。在一些实施例中，分布式阵列可以是包括行和列的二维阵列。例如，将分布式大功率驱动晶体管集成在分布式vcsel阵列中对于lidar应用可能是有利的。图6b是示出了图6a的分布式发射器阵列600的等效电路图的示意图，且图6c是沿着图6a的线6c-6c′截取的分布式发射器阵列600的横截面图。

如图6a至图6c所示，阵列600(在本文中也被称为dva)可以例如通过微转印或其他技术组装在非本征衬底607上。衬底607在一些实施例中可以是刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的。阵列600还包括集成驱动晶体管610，集成驱动晶体管610与一个或多个vcsel200相邻地组装在衬底607上。例如，可以使用微转印(mtp)工艺将驱动晶体管610组装在衬底607上。在一些实施例中，可以提供包括数百或数千个驱动晶体管610的阵列。导电薄膜互连613可以被形成为以串联和/或并联配置来电连接驱动晶体管610与激光二极管200的相应接触。驱动晶体管610与紧邻激光二极管200之间的间隔可以小于约2毫米、小于约1毫米、小于约500微米、小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm、或小于约50μm，这可以在它们之间提供减小的寄生阻抗(例如，比驱动晶体管610位于芯片外或衬底外的情况小多达100倍)。

在一些实施例中，阵列600可以包括未并联连接(例如，没有公共阴极/阳极)的vcsel200之间的布线613。并非简单地将阵列的所有元件并联(例如，没有公共的阳极连接或阴极连接)的互连设计可以提供降低阵列的电流需求的优点，这可以减少电感损耗并增加开关速度。各种互连设计还提供了嵌入或集成在电互连阵列内的其他器件(例如，开关、门、fet、电容器等)以及在阵列制造中实现容错的结构(例如，熔断器、旁路电路等)，从而赋予良率优势。例如，如图6b中所示，阵列600包括以串联(或者，阳极到阴极)电连接以限定阵列600的列(或者，其他子集或子阵列)的多个vcsel串200。阵列600还包括驱动晶体管610的阵列，其中每个驱动晶体管610与串联连接(或阳极到阴极连接)的vcsel200的相应串以串联方式电连接。

可以通过例如使用常规光刻技术图案化导电膜，来在衬底607上设置激光二极管200和驱动晶体管610之后以并行工艺形成导电薄膜互连613。这样，阵列600的驱动晶体管610和激光二极管200没有引线接合和/或穿过衬底607的电连接。由于激光二极管200和驱动晶体管610的尺寸较小以及本文中描述的组装技术的精确度，紧邻的激光二极管200和/或驱动晶体管610之间的间隔可以小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm或小于约50μm。因此，将驱动晶体管610紧靠vcsel200地集成在衬底607上(例如，距最近的vcsel200距离小于约2毫米、小于约1毫米、小于约500微米、小于约150微米(μm)，或者在一些实施例中，小于约100μm、或者小于约50μm)可以缩短元件之间的电连接613，从而减小寄生电阻、电感和电容(例如，寄生阻抗)，并且允许更快的开关响应。在一些实施例中，使用诸如微转印、静电粘合或其他质量转移技术的工艺可以允许布置可能是工艺不兼容的(例如，由可能利用难以集成的操作和/或材料的不同工艺制作的)vcsel200和驱动晶体管610。在不使用这种工艺的常规系统中，等效驱动电子器件可以至少部分地由于用于构造它们的不同工艺而被放置在离发射器结构更远的和/或芯片偏离的地方。然后，在本文中描述的一些实施例中，驱动晶体管610和vcsel200可以紧靠地放置。因此，尽管它们的驱动晶体管610和vcsel200可以放置在接近150μm的位置，但是即使在包括5mm、2mm和/或1mm的更远距离处，也可以获得优于常规器件的益处。本文中描述的根据一些实施例构造的器件可以具有比常规器件的寄生阻抗小一百倍的寄生阻抗，从而允许更快速的开关能力。

在图6a至图6c的示例中，驱动晶体管610以阵列布置，使得每个驱动晶体管610与一列(或者，其他子集)串联连接(或者，以阳极到阴极连接)的vcsel200串联连接，从而允许分别控制vcsel200的各列/串。然而，应当理解本文中描述的实施例不限于这种连接配置。相反，将驱动晶体管610紧靠vcsel200地集成还可以允许更灵活的布线配置(例如，串联和/或并联)，这可以用于控制电流和/或提升性能或使性能最大化。例如，可以设置更少或更多的驱动晶体管610(例如，用于控制串联连接的vcsel200的行以及列的驱动器)，以更好地控制相应vcsel或vcsel组和/或输出功率。与一些常规设计(可以是约1至10纳秒(ns)的数量级或更长)相比，另一示例是为了更快的脉冲产生(例如，亚纳秒(ns)的数量级)而在阵列的元件附近添加电容器或类似的电存储器件。同样，尽管示出为平面阵列600，但在衬底607在一些实施例中可以是柔性的；因此阵列600可以折弯以提供期望的曲率，类似于图3b的阵列300b。

如上面参考阵列300a和300b的类似讨论，阵列600可以基于激光二极管200的期望数量或分辨率缩放，从而允许长距离和高脉冲功率输出(千瓦(kw)量级)。可以选择激光二极管200在衬底607的表面上的分布和/或可以动态调整或以其他方式控制(通过晶体管610)激光二极管的操作以减小光功率密度，从而提供长距离和期望的工作波长下的人眼安全性(例如，对于gaasvcsel约905nm，对于inpvcsel约1500nm)。而且，元件200和/或610之间的间隔可以被选择为提供热管理并改善操作期间的散热。因此，本文中描述的阵列600可以通过消除引线接合，提供容错架构和/或提供较低的操作温度来提供改善的可靠性。在其他实施例中，可以将自对准、低成本的光束成形微光学器件(例如，球状透镜阵列)集成在阵列607的表面上或表面内。

图6d是示出了图6a的分布式发射器阵列600的等效电路图的示意图，其中发射器200是可单独寻址的。如图6d中所示，阵列600包括以串联(或者，阳极到阴极)电连接以限定阵列600的列或其他子集或子阵列的多个vcsel串200。阵列600还包括驱动晶体管610的阵列，其中每个驱动晶体管610与串联连接的vcsel200的相应串以串联方式电连接。驱动晶体管610可以是通过列信号column单独可寻址的。在一些实施例中，驱动晶体管610可以单独激活(例如，被偏置以导通)，从而改变提供给串联连接的vcsel200的相应串的功率。在一些实施例中，驱动晶体管610可以以线性模式操作，以便改变驱动晶体管610的电阻并相应地改变施加到串联连接的vcsel200的串的电流。

阵列600的行也可以是单独可寻址的。例如，阵列600可以利用旁路电路来单独选择串联连接的vcsel200的串的多行中的一行。在一些实施例中，可以利用相应旁路晶体管628来选择vcsel200中的相应vcsel。例如，为了选择在特定行和列处的特定vcsel200，可以激活用于包含特定vcsel200的串的驱动晶体管610以提供流过该串的电流，并且与特定vcsel200相关联的旁路晶体管628可以关断(例如，偏置从而为非通导)，使得流过该串的电流可以流过该vcsel200。在一些实施例中，旁路晶体管628可以以线性模式操作以沿着旁路路径提供可变电阻。可变电阻可以允许控制流过vcsel200的电流量。

图6d的电路实施例只是如何将发射器阵列600配置为可行寻址和可列寻址的示例。然而，本文中描述的实施例不限于该特定布置。本领域技术人员将认识到，其他可能的电路布置也有可能实现可以通过行或列进行选择性寻址的器件的有源矩阵，例如将较大比例的脉冲能量引导到vcsel的一些子集以修改发射的输出光束的远场图案，使得只有某些方向接收较大量的功率。可以使用这样的电路布置代替图6d的电路布置而不背离本文中描述的实施例的范围。

图7a是示出了根据本文中描述的实施例的包括表面发射激光二极管(比如，vcsel200)的lidar器件700a的透视图，图7a是相对于铅笔按比例示出的。图7c是示出了根据本文中描述的实施例的备选lidar器件700c的透视图。具体地，图7a和图7c示出了基于分布式垂直腔表面发射激光器(vcsel)阵列的固态闪光lidar器件700a、700c。参考弯曲阵列720(比如，图3b的弯曲阵列300b)示出了700a、700c，但是应当理解，lidar器件700a、700c不是限制性的，并且可以备选地实现图3a的阵列300a、图6a至图6c的阵列600、和/或提供本文中描述的特征的激光二极管200的其他阵列。器件700a、700c的此类特征可以包括但不限于宽视场(在特定实施例中，约水平方向上θ＝120°且垂直方向上φ＝10°，或更宽)；远距离(在一些情况下，大于约200m)；由减小的尺寸(在特定实施例中，约110x40x40mm)限定的高分辨率(在特定实施例中，约0.1°水平和垂直)的紧凑大小；大功率(在特定实施例中，峰值约10000w、脉冲型的)；以及人眼安全性(在特定实施例中，分散的光学功率可以支持人眼安全、大功率，905nm(例如，gaas)和/或约1500nm(例如，inp)发射器)。

图7b是示出了图7a的lidar器件700a的组件的分解图700b。如图7b中所示，器件壳体或外壳701包括用于电连接到电源和/或其他外部器件的连接器702。外壳701被设定为容纳光发射器阵列720、光检测器阵列730、电子电路760、检测器光学器件740(可以包括一个或多个透镜和/或光学滤光器)和透镜架770的大小。设置透明盖780以保护发射器阵列720和检测器光学器件740，并且在一些实施例中可以包括光束整形和/或滤波光学器件。

光发射器阵列720可以是脉冲激光器阵列，比如本文中描述的vcsel阵列300a、300b、600中的任何vcsel阵列。这样，光发射器阵列720可以包括大量(例如，数百或甚至数千个)分布式的超小型激光二极管200，它们被共同配置为提供极高水平的功率(通过利用大量超小型器件的益处)。使用大量小型器件而不是少量大型器件允许将速度极快、功耗低且在低温度下运行的器件集成到最优配置中(与其他设备一起，比如晶体管、电容器等)以提供少量大型激光器件不易获得的性能。如本文所述，激光二极管200可以同时转印到非本征的弯曲或柔性衬底上。被配置为将来自光发射器阵列720的高纵横比照明投射到目标平面上的光束整形光学器件也可以设置在光发射器阵列720上或附近。

光检测器阵列730可以包括一个或多个光学检测器器件，比如pin、pinfet、线性雪崩光电二极管(apd)、硅光电倍增管(sipm)、和/或单光子雪崩二极管(spad)器件，其由材料形成或以其他方式被配置为检测由光发射器阵列720发射的光。光检测器阵列730可以包括足以实现期望的灵敏度、填充因子和分辨率的一定数量的光学检测器二器件。在一些实施例中，可以使用如本文中描述的微转印工艺来制造光检测器阵列730。检测器光学器件740可以被配置为收集高纵横比的回波并将目标图像聚焦到光检测器阵列730的焦平面上，并且可以由透镜保持器770保持在光检测器阵列730上或其附近。

电子电路760集成以上组件和其他组件以将多个返回的lidar点云数据提供给数据分析。更具体地，电子电路760被配置为控制光发射器阵列720和光检测器阵列730的操作，以通过连接器702向一个或多个外部器件输出滤波后的高质量数据，比如3d点云数据。外部器件可以被配置为利用专有和/或开源的3d点云生态系统和物体分类库来分析由lidar器件700a、700c提供的数据。例如，这样的外部器件可以包括被配置用于包括但不限于自动驾驶汽车、adas、uav、工业自动化、机器人技术、生物识别技术、建模、增强现实和虚拟现实、3d映射和/或安全性的应用。

图8是示出了根据本文中描述的一些实施例的用于诸如图7a至图7c的lidar器件700a、700b、700c的lidar器件的示例系统800的框图。如图8中所示，系统800集成了多个电耦合的集成电路元件，以提供本文中描述的lidar器件功能。具体地，系统800包括耦合到存储器件810、照明电路820和检测电路830的处理器805。存储器器件810在其中存储计算机可读程序代码，当由处理器执行时，计算机可读程序代码操作照明电路820和检测电路830以收集、处理和输出对运行环境中的一个或多个目标加以指示的数据，比如3d点云数据。系统800还可以包括热敏电阻器842和相关的温度补偿电路843，以及被配置为调节到系统800的电压或功率的功率管理电路841。

照明电路820包括离散表面发射激光二极管200的阵列、驱动晶体管610以及相关的电路元件611，其以各种配置中的任何配置电连接。在一些实施例中，照明电路820可以是包括多行和/或多列的vcsel200的激光器阵列，比如本文中描述的vcsel阵列300a、300b、600中的任何vcsel阵列。处理器805可以通过调制和定时电路815来控制照明电路820发射光脉冲809的操作，以产生脉冲光输出809。光束整形和/或聚焦光学器件也可以包括在激光二极管200的阵列中或其附近，以整形和/或引导光脉冲809。

检测电路830可以包括耦合到飞行时间(tof)控制器852的飞行时间(tof)检测器851。tof检测器851可以包括一个或多个光学检测器器件，比如离散pin、pinfet、线性雪崩光电二极管(apd)、硅光电倍增管(sipm)和/或单光子雪崩二极管(spad)器件的阵列。tof控制器852可以通过测量由目标反射并在tof检测器851接收的激光脉冲809′的往返(“飞行时间”)来确定到目标的距离。在一些实施例中，在由tof检测器851检测之前，反射的激光脉冲809′可以由诸如带通滤波器的光学滤波器840滤波。可以对检测块830的输出进行处理以抑制环境光，然后将其提供给处理器805，处理器805可以执行进一步的处理和/或滤波(通过信号处理器鉴别滤波器817，并且可以提供滤波后的输出数据(例如，3d点云数据))以进行数据分析。数据分析可以包括帧滤波和/或图像处理。在一些实施例中，数据分析可以由外部器件(例如，自主车辆智能系统)来执行。

图9是示出了根据本文中描述的其他实施例的包括边缘发射激光二极管910的示例激光二极管阵列900的横截面图。如图9中所示，激光二极管910包括有源区905(有源区905可以包括一个或多个量子阱)以产生并发射相干光909。有源区905设置在p型层901和n型层902之间，并且在其上分别具有接触912和911。可以包括衍射光栅层以提供用于激射的反馈。激光二极管910的光腔轴垂直于电流的方向定向，从而限定了边缘发射器件，使得辐射909从器件910的边缘而不是从其顶部表面射出。可以通过例如微转印、静电粘合或其他质量转印技术将装置910组装在非本征衬底907上。相应镜元件(被示为微转向镜913)也可以(例如，通过微转印、静电粘合或其他质量转印技术)组装在衬底907上，并且相对于与其相邻设置的激光二极管910的光腔轴定向，使得来自激光二极管910的辐射909反射并最终在垂直于衬底907的方向上发射。

衬底907在一些实施例中可以是刚性的，或者在其他实施例中可以是柔性的，并且导电薄膜互连可以形成为以串联和/或并联配置电连接到激光二极管910的相应接触，其间隔类似于参考本文的阵列300a、300b和/或600所述的间隔。同样地，如上面参考图6a至图6c的示例所描述的，阵列900可以包括其他类型的器件和/或由不同材料(例如，功率电容器、fet、微透镜阵列等)形成的器件，其与激光二极管910以本文中描述的间隔集成在衬底907上。

本文中描述的vcsel阵列可以有利地与现有的tof器件一起使用，比如利用pin、pinfet、线性apd、sipm和/或spad器件的现有检测器阵列。在一些实施例中，本文中描述的mtp技术还可以用于制造光电检测器(在本文中也称为“检测器”)和/或光电检测器阵列。图10a和图10b是根据本文中描述的一些实施例的具有减小的尺寸的检测器1000的示例的横截面图。可以使用微转印、静电粘合或其他质量转移技术来制造检测器1000。

参考图10a，检测器1000可以包括第一外延层1001和第二外延层1005。在一些实施例中，第一外延层1001可以是p外延层且第二外延层1005可以是n外延层。第一外延层1001可以包括掩埋层1009。在一些实施例中，掩埋层1009可以是p掩埋层。第二外延层1005可以包括阱区1003。在一些实施例中，阱区1003可以是p型阱区。阱区1003可以附加地包括第一接触层1009。在一些实施例中，第一接触层1009可以是p+接触层。第二外延层1005还可以包括第二接触层1006。在一些实施例中，第二接触层1006可以是n+层。第一接触层1009可以连接到阳极1011，并且第二接触层1006可以连接到阴极1018。电互连1012可以分别连接到阳极1011和阴极1018。电互连1012可以通过绝缘层1014与检测器1000的各个层隔离，尽管在一些实施例中，绝缘层1014可以是可选的。虽然本文中的描述突出了图10a的检测器1000的一些导电类型和相关浓度，但是应当理解，在不背离本文中讨论的实施例的精神和范围的情况下，其他配置也是可能的。

检测器1000被配置为检测撞击检测器1000的入射光1019，并基于检测到的光产生电信号。在一些实施例中，通过调节施加到阳极1011和/或阴极1018的偏置电压，可以调节检测器1000的灵敏度。换言之，可以通过改变检测器1000的偏置电压，调节检测器1000对入射光1019的响应，从而使得系统级灵敏度或检测器1000的输出可调节。

检测器1000可以以类似于关于图4a至图4f以及图4a′至图4h′描述的方式形成在源晶片上并放置在非本征衬底1007上。在一些实施例中，检测器1000可以被单独放置为离散器件。例如，检测器1000可以被形成为具有可以选择性断裂的系线1017，使得检测器1000可以转移到非本征衬底1007。例如，压模可以用于破坏锚定结构以从源晶片释放检测器1000，将检测器1000粘合到压模的表面，并且通过将其上包括检测器1000的压模的表面与非本征衬底1007接触来将多个检测器1000同时转移到非本征衬底1007，从而限定它们之间的印刷界面1015。在一些实施例中，检测器1000与非本征衬底1007之间的印刷界面1015可以包括粘合层。作为mtp加工的结果，系线伪像1017可以保留为检测器1000的一部分。例如，检测器1000可以表现出系线和/或离隙特征，比如本文中关于vcsel200(例如，图5d和5e)描述的那些。

本文中描述的实施例可以允许形成具有减小的个体尺寸的检测器1000。例如，作为mtp工艺的一部分，可以将检测器1000直接印刷在非本征衬底1007上。在一些实施例中，检测器1000可以印刷在支持电路上，以实现具有由约100微米(μm)至约200μm的尺寸(例如，长度、宽度和/或直径)定义的大小的检测器1000的阵列。在一些实施方式中，尺寸为约4μm至约40μm。在一些实施例中，尺寸为约30μm。在一些实施例中，检测器可以彼此间隔小于150μm的距离，但是本文中描述的实施例不限于此。在一些实施例中，检测器可以彼此间隔小于20μm的距离。在一些实施例中，检测器可以彼此间隔小于5μm的距离。在一些实施例中，检测器可以彼此间隔小于2μm的距离。

参考图10b，作为mtp加工的一部分，检测器1000可以沉积在其他电路层上。例如，逻辑层1021可以在检测器1000与衬底1007之间。逻辑层1021可以包含附加电路，比如用于检测器1000的支持电路(例如，附加检测器逻辑)。在一些实施例中，逻辑层1021可以包含tof支持电路，比如tof处理电路和/或tof定时控制电路。可以使用微转印技术将检测器1000形成在逻辑层1021上。例如，压模可以用于破坏锚定结构以从源晶片释放检测器1000，将检测器1000粘合到压模的表面，并且通过将其上包括检测器1000的压模的表面与逻辑层1021的相应表面接触来将多个检测器1000同时转移到相应逻辑层1021，从而限定它们之间的印刷界面1015。在一些实施例中，检测器1000与逻辑层1021之间的印刷界面1015可以包括粘合层。

虽然在图10a和图10b中示出了检测器1000的特定配置，但是应当理解，其他配置也是可能的。例如，可以使用基于光电检测器的已知实现方式的备选配置，比如基于pin、pinfet、线性apd、sipm、电子注入和/或spad器件的配置。在一些实施例中，检测器1000可以是基于gan的、基于gaas的和/或基于inp的，虽然本文中描述的实施例不限于此。

图11a示出了常规检测器阵列的示例。如图11a中所示，常规检测器结构1150可以包括集成检测器和附加元件(例如，逻辑、存储器、环形振荡器等)。然而，与常规检测器结构1150的大小相比，集成检测器的大小可以是相对较小的。在一些常规布置中，填充因子(例如，集成检测器的面积与常规检测器结构1150的面积之比)可以低至20％。

图11b示出了根据本文中描述的一些实施例的检测器阵列1070和单个检测器1000的示例。与图11a的常规布置相比，使用mtp工艺印刷、静电粘合或其他质量转移技术的检测器1000可以导致能够将检测器1000布置在针对检测器的支持逻辑电路上(用虚线示出)1000以创建检测器结构1080。例如，可以首先在源衬底上形成用于支持检测器1000的元件(例如，逻辑、存储器等)的电子电路，并且可以使用mtp工艺将检测器1000印刷在电子电路的上表面上以创建检测器结构1080。因此，利用如本文中描述的mtp工艺的检测器结构1080的填充因子(例如，检测器1000的面积与检测器结构1080的面积之比)可以接近80％或更大。在一些实施例中，填充因子可以大于或等于90％。由于使用具有增加的填充因子的单个检测器1000，检测器1000可以布置在比常规阵列占据更小面积的阵列1070中。

图11c示出了根据本文中描述的一些实施例的印刷在非本征衬底1007上的检测器1000的分布式阵列1070的示意代表。如图11c中所示，检测器1000可以以行-列架构布置。在一些实施例中，单个检测器1000可以是可独立寻址的，如关于图6b和图6d所讨论的。换言之，可以添加控制元件以允许检测器阵列1070的单个检测器1000的单个可寻址性。

如本文中关于图6a至图6d所讨论的，相应检测器1000可以与导电薄膜互连连接。由于检测器1000的小尺寸以及由导电薄膜互连提供的连接，两个紧邻的检测器1000之间的间隔可以小于约150微米(μm)。两个紧邻检测器1000之间的间隔在一些实施例中可以小于5μm，或者在一些实施例中小于约20μm、或者小于约30μm。另外，如本文参考图6a至图6d的示例所描述的，本公开的一些实施例可以集成在本文中描述的具有小于150μm的间隔的检测器1000之间的其他类型器件和/或由不同材料(例如，功率电容器，fet等)来形成的器件。

在某些实施例中，可以使用mtp、静电粘合或其他质量转移工艺将各个检测器1000和各个vcsel200放置在同一衬底上。图12a示出了根据本文中描述的一些实施例的异质集成在非本征衬底1007上的vcsel200与检测器1000的结合的示意表示。如图12a中所示，多个vcsel200可以布置在多个检测器1000附近。为了便于说明，仅为vcsel200和检测器1000提供代表性图像。然而，应当理解，可以以m行×n列的阵列设置vcsel200，其中m和n为1或更大的整数。类似地，检测器1000可以设置在r行×s列中，其中r和s是1或更大的整数。在一些实施例中，m可以等于r和/或n可以等于s，但是本文中描述的实施例不限于此。在一些实施例中，m可以不同于r，并且n可以不同于s。

如前面所描述的，使用mtp、静电粘合或其他质量转移工艺可以允许vcsel200和检测器1000以串联或并联配置位于非本征衬底1007上的布局，以及在各种器件之间形成电互联，比如图6a的薄膜电互联613。非本征衬底1007可以是刚性的或柔性的，并且可以包括集成的驱动晶体管，比如关于图6a至图6d讨论的集成的驱动晶体管。vcsel200与检测器1000相邻的布置允许两个器件共同设置在单个衬底上。给定vcsel200和检测器1000的减小的大小，本文中描述的实施例提供了能够支持激光信号的发射和检测的密集分布阵列。

虽然图12a示出了其中vcsel200的阵列与检测器1000的阵列相邻的配置，但是应当理解，其他配置也是可用的。例如，图12b和图12c示出了根据本文中描述的一些实施例的其中vcsel200和检测器1000的阵列被不同地布置的示例配置。图12b示出了其中vcsel200的单个阵列的两侧是检测器1000的阵列的配置。图12c示出了包括vcsel200和检测器1000二者的多个阵列的配置。在一些实施例中，检测器1000的阵列中的一个或多个阵列的空间密度或集中度可以与检测器1000的阵列中的其他阵列的空间密度或集中度不同。例如，在非本征衬底1007的外围部分处的检测器1000的空间密度或集中度可以小于在非本征衬底1007的中央部分处的vcsel200的集中度。在非本征衬底1007的外围部分处具有减小的检测能力可以在可能不需要较高细节的视场的外围部分处提供较低的分辨率和较低的功耗。本领域技术人员应当理解，在不脱离本文中描述的实施例的情况下，利用mtp工艺，vcsel200和检测器1000的其他配置是可能的。

如前面所描述的，用于扫描的常规技术可能具有许多缺点。因此，不依赖于机械扫描或相控阵列的电子扫描方法代表了构建诸如lidar单元的扫描系统的有吸引力的方法。

图13a至图13f示出了根据本文中描述的一些实施例的使用分布式vcsel200阵列进行光束转向的示例。如例如图13a中所示，可以控制非本征衬底1007上的各个vcsel200，以便选择性地激活vcsel200的列1310。如本文中所描述的(例如，图6b和图6d)，可以基于衬底1007上的并与vcsel200相连的驱动器来选择性地控制vcsel200。在一些实施例中，列1310可以被顺序地激活，使得发射的光扫描“扫射”由vcsel200发射的光照亮的目标。例如，如图13a中所示，可以选择性地激活vcsel200的各个列1310以水平方式(例如，从左到右)进展。一旦进展到达vcsel200的阵列的边缘(例如，左侧或右侧)，就可以控制扫描以便再次在相对侧上(例如，从左到右)开始。在一些实施例中，扫描可以是从左到右，然后从右到左。在一些实施例中，可以顺序地扫描vcsel200的阵列的每个列1310，但是本文中描述的实施例不限于此。例如，在一些实施例中，在光束的每次通过中可以不激活一些列1310。通过不在每次通过时激活每个vcsel200，可以减少功率使用，和/或可以控制热影响。

在一些实施例中，vcsel200的列1310可以覆盖vcsel阵列的视场(fov)。在一些实施例中，vcsel200的阵列的fov可以覆盖180度(例如，参见图3b)或更小。在一些实施例中，vcsel200的阵列的fov可以覆盖150度(例如，参见图3b)或更小。在一些实施例中，vcsel200的阵列的fov可以覆盖120度(例如，参见图3b)或更小。在一些实施例中，vcsel200的阵列的fov可以覆盖80度或更小。vcsel200的阵列的每次扫描可以构成捕获fov的“帧”。每秒可以捕获的帧数可以指示可以通过例如lidar系统扫描fov的频率。在一些实施例中，vcsel200的分布式阵列可能能够以每秒30帧(fps)的速度进行扫描，但是本文中描述的实施例不限于此。在一些实施例中，可以实现5fps至30fps的速率。在一些实施例中，可以实现30fps至60fps的速率。

在技术上，扫描的速度可以是能够紧靠地放置vcsel200的阵列的元件的结果。例如，如本文中所讨论的，诸如微转移印刷、静电粘合和/或其他质量转移技术的工艺可以允许彼此150μm内地放置vcsels200。另外，如关于图6a和图6b所讨论的，用于阵列的列的驱动器可以在阵列的vcsel的150μm内。减小存储电荷的位置(在驱动器后面)和将电荷用于产生光的位置(例如vcsel)之间的物理距离可以由于减少与激活vcsel200的特定列1310相关的寄生阻抗而导致缩短的开关时间。在一些实施例中，相较于将驱动电子器件置于芯片外和/或衬底外的常规设计，可以将驱动晶体管610(参见图6a和图6b)与vcsel200的列1310的第一vcsel200之间的寄生阻抗减小100倍。另外，如关于图6a和图6b所讨论的，本文中描述的一些实施例可以使用较小的驱动晶体管610(参见图6a和图6b)的分布式集合，而不是较少数量的较大的驱动晶体管。因此，vcsel200的阵列的开关速度可以通过提供比较相似的总电流量得到提高，其中在许多较小的驱动器(例如，驱动晶体管610)而不是较少数量的较大驱动器之间扩散该电流来进行开关。结果，使用通过微转印、静电粘合或其他质量转移技术布置的vcsel200(和/或驱动晶体管610)的光束转向可以允许更快的开关和/或扫描，这可以允许大量的vcsel200上更高的fps扫描速率。

图13b示出了其中光束转向基于vcsel的行1315且可以以垂直方式执行扫描的示例。一旦进展到达vcsel200的阵列的边缘(例如，顶部或底部)，就可以控制扫描以便再次在相对侧上开始。

图13c示出了其中光束转向沿着vcsel200的特定行(例如，从左到右)顺序地进行，然后在前进返回之前移动到下一行。换言之，vcsel的激活可以沿着行顺序地进行，其中vcsel200中的各个vcsel200被激活。虽然在图13c中示出了基于行的进展，但是应当理解，基于列的进展也是可能的。在一些实施例中，可以同时处理多个行。例如，扫描可以沿第一行和第二行从左到右同时进行，然后进行到第三行和第四行，依此类推。

图13d示出了其中vcsel200的各个集被选择性地激活的示例。例如，图13d示出了被激活的vcsel200的“环”(例如，两行和两列的vcsel200被同时激活)。扫描可以进行到vcsel的下一环(例如，行和列的下一集合)，从而进行通过阵列的每个vcsel200。如图13d中所示，进展可以是从向外到向内的，虽然本实施例不限于此。

图13e示出了其中vcsel200的特定区被选择性地激活的实施例。可以通过偏置阵列的特定行和列来激活vcsel200的各个区域，以便使vcsel200发光，而使其他vcsel不被激活(通过不使它们偏置和/或使诸如图6d中所示的那些的旁路晶体管偏置)。通过选择要被激活的vcsel200的特定区域和/或子集，将提供来自vcsel200的光以照亮特定区域。对区域的这种选择性激活可以允许lidar系统聚焦于特定区域，以便更新3d点云的特定部分。特定区域可以包括lidar系统的fov的子集。因此，在一些实施例中，lidar系统可以控制vcsel200以便在扫描的特定帧期间照亮fov的一部分。

再次参考图6d，可以使用特定的控制晶体管(例如，驱动晶体管610和/或旁路晶体管628)以行和列的格式对vcsel200的阵列进行寻址。如关于图6d所讨论的，控制晶体管可以以线性模式操作以便提供可变电阻。可变电阻可以用于改变通过一个或多个vcsel200的电流。图13f示出了以不同的功率等级驱动vcsel200的光束转向的示例。参考图13f，在一些实施例中，第一区域1320中的vcsel200可以以第一功率等级来驱动，而第二区域1330中的vcsel200可以以不同于第一功率等级的第二功率等级来驱动。在一些实施例中，两个功率等级可以是非零的，使得第一区域1320和第二区域1330都被照射，但是以较高的功率等级照射两个区域中的一个区域。改变vcsel200的功率等级可以控制从vcsel200发射的光的功率输出。例如，随着到vcsel200的功率增大，由vcsel发射的光可能能够进一步行进。因此，通过控制施加到特定vcsel200的功率量，可以控制由vcsel200发射的光的范围。通过选择性地控制各个vcsel200的功率，由vcsel200发射的光在fov上的功率分布可以是不均匀的。

在一些实施例中，lidar系统可以被配置为在一个方向上覆盖比在另一个方向上更大的距离。例如，在汽车lidar系统中，在汽车的正前向覆盖较大的距离(例如200m)，但是在侧向覆盖较小的距离(例如50m)可能是有用的。由于汽车的速度，行进方向上的障碍物具有最大的风险，而在与行进方向相邻的外围区域中距离较远的障碍物可能存在较小的风险。因此，汽车lidar系统可以向面向前方的发射器元件提供增加的功率和/或密度，并且向面向相对于行进方向的外围的发射器元件提供较少的功率和/或密度。在一些实施例中，位于阵列的外围部分的vcsel200可以照亮目标的外围区域，但是本文中描述的实施例不限于此。在一些实施例中，vcsel200的功率等级和衬底1007的曲率都可以被控制(例如，通过诸如本文中关于图3a和图3b所讨论的那些机械手段)。

另外，vcsel200的分布式阵列的可配置性允许技术的结合。例如，可以控制vcsel200的阵列在一段时间内向一些vcsel200(例如，面向目标区域的外围部分的vcsel200)提供较低的功率，但是不定期地向所有vcsel200提供全功率。这可以允许系统不定期地“填充”这些外围区域，而无需始终提供全功率。在一些实施例中，可以控制vcsel200的阵列向vcsel200的子集提供全功率，同时对其余vcsel200执行扫描操作。

尽管图13a至图13f示出了光束转向的类型的特定示例，但是应当理解，在不脱离本文中描述的实施例的情况下，vcsel200的照明的其他布置和进展是可能的。而且，应当理解，各种技术可以被组合为lidar系统的一部分。例如，lidar系统可以使用诸如图13a至图13d中所示的那些光束转向技术来顺序地扫描目标。在找到感兴趣的区域时，lidar系统可以使用诸如图13e中所示的光束转向技术来聚焦于该区域。使用图13f中所示的技术，lidar系统可以向感兴趣的区域提供更大的功率以实现更大的范围。在一些实施例中，vcsel200的任意序列可以被激活，可以立刻激活vcsel200的多个区域，可以激活vcsel200的蛇形序列，和/或以上所有序列的组合。

再次参考回图6b和图6d，vcsel的阵列可以连接到诸如驱动晶体管610和/或旁路晶体管628的驱动电子器件(参见图6b和图6d)。因此，将驱动晶体管610紧靠vcsel200地集成在衬底1007上(例如，使用mtp工艺，距最近的vcsel200距离小于约150毫米)可以缩短元件之间的电连接，从而减小寄生电阻、电感和电容，并且允许更快的开关响应。因此，可以选择性地控制vcsel200的阵列，以便具有比常规扫描lidar系统更快的响应。在一些实施例中，除了快速响应之外，vcsel200的阵列的行和列可寻址性的可配置性可以允许以更高的速度进行扫描的可能性的多种变体。因此，结合本文中描述的实施例的lidar系统可能能够具有多个扫描选项，这可以允许lidar系统快速适应环境条件和/或扫描反馈。

如本文中所描述的，vcsel的分布式阵列可以用于提供不依赖于机械扫描或相控阵列的扫描方法。实现这种电子扫描能力的一种方法是制造各个发射器(例如，vcsel)的大的阵列，将该阵列的各个子区域或各个发射器分配给要感测的场的不同部分。通过以高速和大功率顺序地对各个发射器(或子区域)独立供电，可以电子扫描视场而不需要机械运动或相控阵列操作。

该方法至少在使每个单独的发射器利用率低的方面可能是反直观的。因为仅向单个发射器元件(或子区域)分配了视场的一部分，所以仅在短时间内通电以生成单个帧(或点云)。例如，虽然特定的帧覆盖了发射器阵列的fov，但是特定的单个发射器可能仅在扫描fov所花费的部分时间内通电。因此，在视场中用于实现每单位立体角的给定的光学照明强度的发射器的数量乘以立刻激活的各个子区域的数量。然而，本文中描述的实施例的使用赋予了从其他方法中不易(或根本无法)获得的益处。

例如，本文中描述的实施例提供了经济效益。因为与利用用于生产vcsel的原始半导体材料相关联的成本降低，所以更为可行的是使用vcsel来创建该电子扫描阵列，尽管各个元件的利用率较低。

而且，本文中描述的实施例提供了以完全任意的方式将各个发射器与期望的串联或并联或任意组合的许多单元电互连的能力。本文中描述的一些实施例也可以为该阵列的发射器元件之间的其他电子设备的异构集成提供机会。这种互连灵活性与异构集成的结合效果是能够在发射器中创建“有源矩阵显示”的等效，即，可以单独打开和关闭的发射器阵列，比如在lidar域中可以使用的发射器阵列。

另一个改进是速度。电子扫描本质上可以比机械扫描快。它也是可配置的，如果需要，则允许同时扫描多个区域。这对扫描lidar是有用的，因为lidar的扫描方法的缺点之一(相对于闪光)是在单个帧期间(例如，以30fps操作时)，可能存在有限数量的视场位置，有限数量的视场位置可以是顺序停留的。例如，对于汽车lidar应用，鉴于汽车的速度和潜在目标的数量，生成即将到来的目标的点云的能力十分重要。就刷新率而言，包括本文中描述的发射器阵列的lidar系统可以达到30fps，这可能是通过某些常规的基于扫描的lidar结构无法实现的。使用vcsel提供快速电子扫描解决了其他常规系统的速度缺陷。

另外，本文中描述的一些实施例提供了驱动电子器件(例如，图6b和图6e的驱动晶体管610)，其被布置为紧靠于非本征衬底上的vcsel。例如，可以通过使用如本文中描述的mtp制造工艺来布置vcsel以提供串联连接的vcsel。将驱动电子器件设置成紧靠发射器(例如，小于约15微米)可以减小两个结构之间的电感和寄生电容，这可以提高vcsel的开关速度。此外，vcsel的串联连接可以提供附加优点。例如，对于相同的功率量，串联连接可以允许较低的电流。较低的电流提供较低的电感，这进一步提高了vcsel的开关速度。

在一些实施例中，如本文中描述的使用mtp工艺制造vcsel允许以降低的成本进行vcsel的串联连接。相反，通过一些常规方法进行的vcsel的串联连接可以利用vcsel在其本征衬底(具有大的接触衬垫)上的引线接合，这可能会增加大的vcsel阵列所需的空间量。

上面已经参考示出了本发明的实施例的附图描述了本发明。然而，本发明不应当被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供的这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并且向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见，放大了各层和各区域的厚度。贯穿全文，类似的附图标记指代类似的元件。

应当理解，当提及元件“在”另一元件“上”、“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到该另一元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当提及元件”“直接在”另一元件“上”、“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，不存在介于中间的元件。

还应当理解，尽管术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应当受这些术语的限制。这些术语仅用来将元件彼此区分。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。

此外，在本文中可以使用诸如“下”或“底”和“上”或“顶”的相对术语来描述图中所示的一个元件与另一元件的关系。应当理解，除了附图中描绘的朝向之外，相对术语旨在涵盖装置的不同朝向。例如，如果一幅图中的器件翻转，则被描述为位于其它元件的“下”侧的元件将定向在其它元件的“上”侧。因此，示例性术语“下”可以涵盖“下”和“上”的朝向，这取决于图的特定朝向。类似地，如果一幅图中的器件翻转，则被描述为位于其它元件的“下方”或“下侧”的元件将定向在其它元件的“上方”。因此，示例性术语“下方”或“下侧”可以涵盖上方和下方的两个朝向。

本文中用于描述本发明的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不是为了限制本发明。除非上下文另有明确说明，否则如本发明的描述和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式。也应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并且涵盖一个或多个相关所列项目的任何和所有可能的组合。还应当理解，术语“具有”、“含有”、“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并没有排除存在或另外添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。

本文中参考图示描述本发明的实施例，所述图示是本发明的理想实施例(以及，中间结构)的示意图。因此，例如由于制造技术和/或公差造成的所图示的形状的变化是预期的。因此，图中示出的区域本质上是示意性的，它们的形状并不意在示出设备的区域的实际形状，也不意在限制本发明的范围。

除非另有限定，否则用于公开本发明的实施例的所有术语，包括技术术语和科学术语，均具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义，并且不必限于描述本发明时已知的特定定义。因此，这些术语可以包括在该时间之后创建的等同术语。还应当理解，诸如在常用词典中定义的术语等的术语应当被解释为其含义与在本说明书和相关技术的上下文中的含义相一致，而不应当将其解释为理想的或过于正式的含义，除非本文明确如此定义。本文中提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过整体引用并入本文中。

结合以上描述和附图，这里公开了许多不同实施例。应当理解，逐字地描述和说明这些实施例的每个组合和子组合将会过分冗余和混淆。因此，包括附图的本说明书将被解释以构建本文描述的本发明的实施例的所有组合和子组合以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面说明，并且将支持要求任意这种组合或子组合的权益。

尽管本文中已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在本发明原理的范围和精神内做出进一步的变化和修改。尽管采用了特定术语，但是它们仅在一般性和描述性意义上使用，而不是出于约束的目的，本发明的实施例的范围在所附权利要求中阐明。