激光元件的制作方法

本发明涉及一种激光元件及其制造方法，特别是涉及一种整合监测电路的激光元件及其制造方法。

背景技术：

激光模块是将激光元件，例如：垂直腔表面发光激光(verticalcavitysurfaceemittinglasers,vcsel)，与相对应的光学元件组装作为激光光源，然而，在使用过程中，若激光模块遭受外力碰撞或摔落，可能导致光学元件破裂，从而激光元件所发射的激光光线将未经任何光学处理即从破裂处外泄，可能直射到人眼。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明部分实施例提供一种激光元件及其制造方法。

本发明一实施例的激光元件包含一透明基板、一接着层以及一激光单元。透明基板包含一导电层。接着层连接于透明基板。激光单元包含一正导电结构、一背导电结构以及一通孔。正导电结构连接于接着层。背导电结构与正导电结构相对，且背导电结构包含相互分离的多个检测电极。通孔自背导电结构延伸并贯穿正导电结构以及接着层；其中通孔的两端分别连接于多个检测电极以及一导电层。

本发明另一实施例的激光元件包含一透明基板、一接着层、一导电区域以及一激光单元。接着层连接于透明基板。导电区域设于接着层的周缘。激光单元包含一正导电结构、一背导电结构以及一通孔。正导电结构连接于接着层。背导电结构与导电结构相对，且背导电结构包含相互分离的多个检测电极。通孔自背导电结构延伸并贯穿正导电结构；其中通孔的两端分别连接于多个检测电极以及一导电区域，导电区域环绕激光单元且彼此电性分离。

以下通过具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图2为本发明一实施例的激光元件沿aa’俯视面的一示意图；

图3为本发明一实施例的激光元件沿aa’俯视面的一示意图；

图4为本发明一实施例的激光元件沿aa’俯视面的一示意图；

图5a为本发明一实施例的激光元件沿aa’俯视面的一示意图；

图5b为本发明一实施例的激光元件沿aa’俯视面的一示意图；

图6为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图7为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图8为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图9为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图10为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图11为本发明一实施例的激光元件的一示意图；

图12至图16为本发明一实施例的激光元件的制造步骤的示意图；

图17至图21为本发明一实施例的激光元件的制造步骤的示意图；

图22至图24为本发明一实施例的激光元件的制造步骤的示意图。

符号说明

1透明基板

1a、1b表面

10导电层

12光学结构

2接着层

3激光单元

30正导电结构

31第一型半导体层

32背导电结构

320导电通孔

321、322检测电极

323、324导电电极

33活性层

34通孔

340钝化层

35第二型半导体层

36保护层

38基板

aa’俯视面

l激光光线

具体实施方式

以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下仍可实施。附图中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。

请参照图1，本发明一实施例的激光元件包含一透明基板1、一接着层2以及一激光单元3。透明基板1包含一导电层10，举例而言：透明基板包含蓝宝石(sapphire)、玻璃或碳化硅(sic)。在部分实施例中，透明基板1为光学元件，也可经由图案化处理后产生特定的光学效果，但不以此为限。导电层10包含透明导电薄膜(transparentconductiveoxide)或金属，其中，透明导电薄膜可为氧化铟锡(indiumtinoxide,ito)或氧化铟锌(indiumzincoxide,izo)。在本实施例中，导电层10是设于透明基板1与接着层2之间，但不以此为限。

接着层2其一侧连接于透明基板1的导电层10，且其另一侧连接于激光单元3的出光侧。举例而言，接着层为苯环丁烯(benzocyclobutene,bcb)、二氧化硅或透明导电薄膜，但不以此为限。

激光单元3包含一正导电结构30、一第一型半导体层31、一活性层33、一第二型半导体层35、一保护层36、一背导电结构32，其中背导电结构32包含相互分离的一第一导电电极323以及一第二导电电极324。本文以第一型及第二型分别指称不同电性的半导体结构，若半导体结构以空穴为多数载流子即为p型半导体，若半导体结构以电子为多数载流子即为n型半导体，举例而言，第一型半导体层为n型半导体，且第二型半导体层为p型半导体，反之亦可。由于第二型半导体层35是成长在电性相异的第一型半导体层31上，因此，将在二者交界处形成pn结(pnjunction)产生空乏区而发光，可在pn结邻近区域定义出一活性层33。在部分实施例中，活性层33包含多个量子阱层(multiplequantumwells)，以增进发光效率，但不以此为限。在一实施例中，第一型半导体层31、第二型半导体层35及活性层33的材料包含三五族化合物半导体，例如可以为：gaas、ingaas、algaas、alingaas、gap、ingap、alinp、algainp、gan、ingan、algan、alingan、alassb、ingaasp、ingaasn、algaasp等。在本发明的实施例中，若无特别说明，上述化学表示式包含「符合化学剂量的化合物」及「非符合化学剂量的化合物」，其中，「符合化学剂量的化合物」例如为三族元素的总元素剂量与五族元素的总元素剂量相同，反之，「非符合化学剂量的化合物」例如为三族元素的总元素剂量与五族元素的总元素剂量不同。举例而言，化学表示式为algaas即代表包含三族元素铝(al)及/或镓(ga)，以及包含五族元素砷(as)，其中三族元素(铝及/或镓)的总元素剂量可以与五族元素(砷)的总元素剂量相同或相异。另外，若上述由化学表示式表示的各化合物为符合化学剂量的化合物时，algaas即代表alx1ga(1-x1)as，其中，0≤x1≤1；alinp代表alx2in(1-x2)p，其中，0≤x2≤1；algainp代表(aly1ga(1-y1))1-x3inx3p，其中，0≤x3≤1，0≤y1≤1；algan代表alx4ga(1-x4)n，其中，0≤x4≤1；alassb代表alasx5sb(1-x5)，其中，0≤x5≤1；ingap代表inx6ga1-x6p，其中，0≤x6≤1；ingaasp代表inx7ga1-x7as1-y2py2，其中，0≤x7≤1，0≤y2≤1；ingaasn代表inx8ga1-x8as1-y3ny3，其中，0≤x8≤1，0≤y3≤1；algaasp代表alx9ga1-x9as1-y4py4，其中，0≤x9≤1，0≤y4≤1；ingaas代表inx10ga1-x10as，其中，0≤x10≤1。依据活性层33的材料，当半导体叠层31、35的材料为algainp系列时，活性层33可发出峰值波长(peakwavelength)介于700及1700nm之间的红外光、610nm及700nm之间的红光、或是峰值波长介于530nm及570nm之间的黄光。当半导体叠层31、35的材料为ingan系列时，活性层33可发出峰值波长介于400nm及490nm之间的蓝光、深蓝光，或是峰值波长介于490nm及550nm之间的绿光。当半导体叠层31、35的材料为algan系列时，发光层33可发出峰值波长介于250nm及400nm之间的紫外光。

在本实施例中，第一型半导体层31与第二型半导体层35包含多个交叠的层状结构，以形成分散式布拉格反射镜(distributedbraggreflector,dbr)，使得由活性层33发射的激光光线l可以在两个分散式布拉格反射镜中反射以形成同调光后，朝向第一型半导体层31的方向射出。

在一实施例中，保护层36设于背导电结构32与第二型半导体层35之间。保护层36可作为绝缘的功能，在一实施例中，保护层36的材料包含氧化硅。

在一实施例中，欧姆接触(图未示)设于背导电结构32与第二型半导体层35之间，以助于背导电结构32与第二型半导体层35形成欧姆接触(ohmiccontact)。欧姆接触形成机制为金属功函数必须要小于半导体功函数，让从半导体到金属以及从金属到半导体的电子都可以轻易地跃过此能阶，电流能够双向地导通；举例而言，背导电结构32的第二导电电极324的金属成分以钛铝合金为主，因为钛能够与第二型半导体层的三五族化合物(例如氮化铝镓)形成氮化钛，使氮原子在表面成为n型掺杂的表面，经由高温退火之后形成良好的欧姆接触，但不以此为限。

在一实施例中，第一型半导体层31连接于正导电结构30，正导电结构30通过导电通孔320连接于第一导电电极323，第二导电电极324与第一导电电极323相互分离以避免短路，且第二型半导体层35连接于第二导电电极324，通过上述导电结构，激光单元3接收外界驱动电压/电流，提供活性层33产生激光光线l所需的电能。正导电结构30设于激光单元3的出光侧且连接于接着层2，因此，激光单元3所发射的激光光线l将通过接着层2以及透明基板1而输出至外界。

由于激光元件所发出的同调光线具有较高的原始能量，需要相对应的光学元件，例如：透明基板1，处理以输出适当强度的激光光线l。为了有效监测激光元件是否受损，避免未经由透明基板1进行光学处理的激光光线l外泄而直射人眼，本实施例的激光元件具有人眼安全(eyesafety)监测电路，可即时监测激光元件出光侧的异常破损，以下例示说明部分实施例的激光元件结构其工作原理。

在本实施例中，除了上述有关发射激光光线所需的半导体结构外，激光单元3还包含背导电结构32以通孔34。背导电结构32包含多个检测电极321、322，且背导电结构32与正导电结构30相对配置于激光单元3的两侧。通孔34自背导电结构32延伸并贯穿正导电结构30以及接着层2，并连接于导电层10，亦即，通孔34的两端分别连接于多个检测电极321、322以及导电层10。在部分实施例中，背导电结构32包含彼此相互分离且共平面的多个检测电极321、322以及多个导电电极323、324，如图1所示，由此，激光元件适于倒装(flipchip)封装，无需打线制作工艺，以节省封装体积。在另一实施例中，背导电结构32包含多个检测电极321、322，且多个检测电极321、322自该背导电结构延伸并贯穿该正导电结构以及该接着层，并连接该导电层10。

请一并参照图1及图2，其中图2显示沿图1所示aa’俯视面向下观察的俯视示意图，相互分离的多个检测电极321、322是通过通孔34以跨接于导电层10的两端，因此，将多个检测电极321、322外接一控制电路，可即时监量导电层10的电阻值变化。当激光元件受到外力冲击而受损，特别是作为出光侧的透明基板1受损时，导电层10也将随之受损从而电阻值变大，甚至因破损而断路，由此，控制电路通过监测电路依据导电层10的电阻值变化决定是否切断激光单元3的电源供应，以避免激光单元3所发射的激光光线l经由透明基板1的破损缝隙外泄而直接照射人眼，从而达到即时监测异常状况的功效。

在另一实施例中，为避免通孔320内填充的导电介质与激光单元3的正导电结构30、第一型半导体层31或第二型半导体层35相接触而形成短路，激光单元3还包含一钝化(passivation)层340，设于通孔320的内壁，以避免通孔所测量的电阻值受激光单元3的电性干扰，降低测量噪声。

由上述说明可知，本发明部分实施例的激光元件是将由上述导电层、通孔以及检测电极所构成的监测电路整合于激光单元结构，通过一体成型的半导体制作工艺，生产出内置监测电路的激光元件，因此，可以节省模块端的封装体积、简化模块化工序以及降低生产成本。

请参照图3显示沿图1所示aa’俯视面向下观察的横截面示意图，在一实施例中，为了扩大监测范围，导电层10具有较大的面积，几乎覆盖透明基板1。请参照图4显示沿图1所示aa’俯视面向下观察的横截面示意图，在一实施例中，导电层10环绕透明基板1的周缘且具有一中空区域对应于下方的激光单元3出光孔(未绘示)，以避免激光单元3所发射的激光光线l受导电层10所遮蔽，此时，导电层10即可选用不透光的材质，例如：金属导电层，而不限于采用透明导电层，在部分实施例中，采用金属导电层可具有较佳的导电特性，从而提升监测的灵敏度，同时又不遮蔽激光单元3所发射的光线。请参照图5a显示沿图1所示aa’俯视面向下观察的横截面示意图，在一实施例中，激光单元3的多个出光孔为阵列排列，因此导电层10可避开此出光区域而形成条状的结构，如图5a所示。请参照图5b显示沿图1所示aa’俯视面向下观察的横截面示意图，于本实施例中，激光单元3的多个出光孔为交错排列，因此导电层10可避开此出光区域而形成蛇行的几何结构。上述部分实施例仅为如何设计导电层的例示说明，也可适用于本文中其他实施例的激光元件结构，但不以此为限。

请参照图6，在一实施例中，激光元件与上述各种实施例的结构差异在于，导电层10是设于透明基板1上与接着层2相对的一侧，亦即设于激光元件的出光侧。因此，接着层2其一侧连接于透明基板1，且其另一侧连接于激光单元3的正导电结构30。为了有效监控导电层10的电阻值变化，通孔34进一步地贯穿接着层2以及透明基板1，由此，相互分离的多个检测电极321、322通过通孔34以跨接于导电层10的两端，以利于监测导电层10的电阻值变化。其中，有关其他构件的结构特征及其连结关系已如前述，在此不再冗述。

请参照图7，在一实施例中，激光元件与上述各种实施例不同的结构在于，多个导电层10是同时设于透明基板1的相对两侧，且通孔34贯穿接着层2、透明基板1以及至少一导电层10，或者同时贯穿透明基板1两侧的导电层10，因此，当其中一侧或两侧的导电层10受损时，多个检测电极321、322所测量到的电阻值都会发生变化，由此确保透明基板1(即光学元件)的两侧都无受损，避免未经透明基板1处理的激光光线外泄。其中，有关其他构件的结构特征及其连结关系已如前述。

请参照图8，在一实施例中，透明基板1还包含一光学结构12，设于透明基板1上与接着层2相反的一侧，亦即设于激光元件的出光侧。举例而言，光学结构12为绕射光学元件(diffractiveopticalelement)，搭配激光单元3，可产生数万个激光光点，适用于三维感测或人脸辨识，但不限于此。

请参照图9，本发明另一实施例的激光元件包含一透明基板1、一接着层2、一导电区域10以及一激光单元3。导电区域10包含透明导电薄膜(transparentconductiveoxide)、金属或一氧化硅，其中，透明导电薄膜可为氧化铟锡(indiumtinoxide,ito)或氧化铟锌(indiumzincoxide,izo)，但不以此为限。激光单元3包含一正导电结构30、一第一型半导体层31、一活性层33、一第二型半导体层35、一保护层36以及一背导电结构32。其中，有关激光元件的透明基板1、正导电结构30、第一型半导体层31、活性层33、通孔34、钝化层340、第二型半导体层35、保护层36以及背导电结构32的构件特征、连结关系、功效优点及其相关实施例，已如前述。本实施例与上述各种实施例的差异在于，采用环状的导电区域10替代整片的导电层以简化半导体制作工艺并提升生产良率，亦即，导电区域10设于接着层2的周缘。其中，导电区域10环绕激光单元3且彼此电性分离，以避免导电区域10与激光单元3相接触而形成短路或干扰监测电路。在本实施例中，由于通孔34并未贯穿接着层以及透明基板1，因此在蚀刻制作工艺中较好控制，此外，导电区域10是在形成通孔34后才形成，可避免欲填入导电区域10的导电材料在蚀刻制作工艺中受影响。

请参照图10，在一实施例中，激光元件与如图9所示实施例不同的结构在于，通孔34贯穿接着层2，且导电区域10两侧分别连接于透明基板1以及通孔34，其余构件特征请详前述。在本实施例中，由于导电区域10直接连接于透明基板1，因此可敏锐地监测透明基板1的异常状况，此外，导电区域10是在形成通孔34后才形成，可避免欲填入导电区域10的导电材料在蚀刻制作工艺中受影响。

请参照图11，在一实施例中，激光元件的透明基板1还包含一光学结构12，设于透明基板1上与接着层2相反的一侧，亦即设于激光元件的出光侧。举例而言，光学结构12为绕射光学元件或微透镜(microlens)等光学元件，搭配激光单元3，可产生数万个激光光点，相关优点功效已如前述。

请一并参照图12至图16，以下说明本发明再一实施例的激光元件的制造方法。首先，形成一导电层10于一透明基板1，如图12所示，举例而言，透明基板1包含相对的一第一表面1a以及一第二表面1b，导电层10设于第一表面1a，且透明基板1以第一表面1a朝向激光单元3，但不以此为限。其中有关导电层10以及透明基板1的材料成分、结构特征、构件间的连结关系及其相关实施例，已如前述。

以一接着层2黏合透明基板1与一激光单元3，如图13所示。在一实施中，激光单元3包含正导电结构30、第一型半导体层31、活性层33、第二型半导体层35以及保护层36依序堆叠在基板38上。在另一实施例中，基板38为晶片基板，以成长多个激光单元3。因此，本实施例可在晶片层级(waferlevel)进行下述的监测电路成长步骤以及后续的微型化封装应用。

移除激光单元3的一基板38，如图14所示，以露出保护层36，将有助于后续形成背导电结构步骤；通过蚀刻制作工艺，蚀刻出通孔34贯穿激光单元3以及接着层2，以露出部分的导电层10，如图15所示。

接着，请参照图16，在通孔34内壁形成一钝化层340，有关钝化层的作用及功效已如前述；通过蒸镀制作工艺，以一导电介质填充通孔34且连接导电层10；最后，在激光单元3的保护层36表面形成背导电结构32，其中背导电结构32包含相互分离的多个检测电极321、322，且多个检测电极321、322分别连接通孔34。

在一实施例中，激光单元3为倒装结构，因此在形成背导电结构32步骤中，同时形成多个导电电极323、324，其与多个检测电极321、322相互分离且共平面，此外，在蚀刻制作工艺中，同时形成一导电通孔32，并通过蒸镀制作工艺填充钝化层340以及导电介质，使导电通孔32的两端分别连接正导电结构30与背导电结构32的第一检测电极323。其中，有关各构件的结构特征、连结关系、优点功效及其相关实施例已如前述。

在一实施例中，激光元件的制造方法还包含形成一光学结构于透明基板上与接着层相反的一侧，举例而言，可以通过光刻制作工艺或粘合制作工艺以形成光学结构，其中，有关光学结构的构件特征及其相关实施例已如前述。

请参照图12，在部分实施例中，导电层10形成于透明基板1的第一表面1a，且透明基板1以第二表面1b朝向激光单元而粘合于接着层2，如图6所示，亦即导电层10与接着层2分别设于透明基板1的相对两侧。在本实施例中，通过蚀刻制作工艺，使通孔34还贯穿透明基板1，再通过蒸镀制作工艺，填充钝化层340以及导电介质，使通孔34的两端分别连接于正导电结构30与背导电结构32的多个检测电极321、322，如图16所示。

请一并参照图17至图21，以下说明本发明再一实施例的激光元件的制造方法。首先，以一接着层黏合一透明基板1与一激光单元3，如图17所示。在一实施例中，激光单元3包含正导电结构30、第一型半导体层31、活性层33、第二型半导体层35以及保护层36依序堆叠在基板38上。上述各构件的结构特征、材料成分、优点功效及其相关实施例已如前述。

移除激光单元3的一基板38，如图18所示，以露出保护层36，将有助于后续形成背导电结构步骤；通过蚀刻制作工艺，蚀刻出通孔34贯穿激光单元3，以露出部分的接着层2，如图19所示。

在激光单元3的周缘形成一导电区域10环绕激光单元3且彼此电性分离，如图20所示，以避免导电区域10受来自激光单元3的电性干扰或彼此形成短路。

接着，请参照图21，在通孔34内壁形成一钝化层340，有关钝化层的作用及功效已如前述；通过蒸镀制作工艺，以一导电介质填充通孔34且连接导电区域10；最后，在激光单元3的保护层36表面形成背导电结构32，其中背导电结构32包含相互分离的多个检测电极321、322，且多个检测电极321、322分别连接通孔34。

在一实施例中，激光单元3为倒装结构，因此在形成背导电结构32步骤中，同时形成多个导电电极323、324，其与多个检测电极321、322相互分离且共平面，此外，在蚀刻制作工艺中，同时形成一导电通孔32，并通过蒸镀制作工艺填充钝化层340以及导电介质，使导电通孔32的两端分别连接正导电结构30与背导电结构32的第一检测电极323。其中，有关各构件的结构特征、连结关系、优点功效及其相关实施例已如前述。

请参照图21，在一实施例中，激光元件的制造方法更包含形成一光学结构(未绘示)于透明基板1上与接着层2相反的一侧，举例而言，可以通过光刻制作工艺或粘合制作工艺以形成光学结构，其中，有关光学结构的构件特征及其相关实施例已如前述。

请一并参照图22及图24，在部分实施例中，通过蚀刻制作工艺，蚀刻出通孔34贯穿激光单元3以及接着层，以露出部分的透明基板1，如图22所示。

请参照图23，在本实施例中，在激光单元3的周缘形成一导电区域10环绕激光单元3，且导电区域10直接设于透明基板1上，从而更灵敏地监测透明基板1有无破损等异常状况。其中，导电区域10与激光单元3彼此电性分离，以避免导电区域10受来自激光单元3的电性干扰或彼此形成短路。

请参照图24，接着，在通孔34内壁形成一钝化层340，有关钝化层的作用及功效已如前述；通过蒸镀制作工艺，以一导电介质填充通孔34且连接导电区域10；最后，在激光单元3的保护层36表面形成背导电结构32，其中背导电结构32包含相互分离的多个检测电极321、322，且多个检测电极321、322分别连接通孔34。

在一实施例中，激光单元3为倒装结构，因此在形成背导电结构32步骤中，同时形成多个导电电极323、324，其与多个检测电极321、322相互分离且共平面，此外，在蚀刻制作工艺中，同时形成一导电通孔32，并通过蒸镀制作工艺填充钝化层340以及导电介质，使导电通孔32的两端分别连接正导电结构30与背导电结构32的第一检测电极323。其中，有关各构件的结构特征、连结关系、优点功效及其相关实施例已如前述。

在一实施例中，激光元件的制造方法还包含形成一光学结构(未绘示)于透明基板1上与接着层2相反的一侧，举例而言，可以通过光刻制作工艺或粘合制作工艺以形成光学结构，其中，有关光学结构的构件特征及其相关实施例已如前述。

综合上述，本发明的部分实施例提供一种激光元件及其制造方法，主要是将由上述导电层/导电区域、通孔以及检测电极所构成的监测电路整合于同一激光单元结构，通过外部控制电路连接激光元件内的监测电路，依据导电层/导电区域的电阻值变化决定是否切断激光单元的电源供应，以避免激光单元所发射的激光光线经由透明基板的破损缝隙处外泄而直接照射人眼，从而达到人眼安全(eyesafety)监测及保护的功效。同时，一体成型的元件制作工艺可以节省模块端的封装体积、简化模块封装工序以及降低生产成本。例如，通过晶片级半导体制作工艺，生产出内置监测电路的激光元件，适于倒装封装，无需打线制作工艺，以节省封装体积，有利于后续的微型化应用。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的保护范围内。