单芯片收发光电组件和模块、光电系统及电子设备的制作方法

本实用新型总体上涉及光电器件领域，更特别地，涉及一种包括发光单元和收光单元的光学系统，其中所述发光单元和收光单元通过同一工艺形成于单个外延片上，从而具有相同的层结构和层材料，仅通过驱动电路以不同方式驱动而分别用作发光单元和收光单元，其中发光和光吸收区域为同一单层或多层结构。本实用新型还涉及用于光通信的光收发模块、用于检测物体三维形状的光电系统、以及包括所述光电组件、光收发模块或光电系统的电子设备。

背景技术：

对物体进行三维形状、尺寸、位置等信息的测量，是无人驾驶、工业测绘、医疗、手机面部识别等应用场景下重要的技术需求。现有技术通常采用一个发光单元和一个接收光单元，分别进行待测物体的照明和回光感知。

以手机结构光为例，通常在手机上设置一个点阵投影结构和光电探测器阵列，两个器件在手机上相隔一定距离。由点阵投影机构发射出结构光，在照射至人脸或其他物体后，结构光形状被物体三维形状调制，调制后的光被探测器阵列接收后进行解调，形成三维物体图像。

在自动驾驶领域，也存在类似的应用。例如，红外光源发射红外光以照射物体，红外光电探测单元通过探测红外红光来检测三维物体或者环境的形状、尺寸和距离等参数，供自动驾驶系统形成相应的驾驶策略。与传统的摄像头相比，红外检测能克服大雾等恶劣天气的影响，具有更高的可靠性。

此外，在光通讯系统中，一般包括光收发模块，其具有一个发光结构(一般为激光器)和一个接收结构(一般为光电二极管探测器)，以实现光收发功能。

技术实现要素：

在上述技术中，发光机构和光电探测器均通过不同的工艺形成于两个单独的外延片上，并且分别封装为单独的器件，彼此分立地安置在系统中。如果能使用单芯片来制造发光单元和探测单元，则在上述应用场景中将显著降低系统体积、功耗和成本。为解决此问题，曾有相关技术尝试制备基于单个芯片的发光和探测器，但发光机构和探测结构均由不同的半导体外延层实现其功能，外延生长工艺繁杂，且需特殊电路配合工作。

量子阱中的光吸收，是被学术界和工业界广泛研究的一个问题。一般认为，量子阱材料可以吸收光子，但产生的光生载流子受到势垒的限制，难以进入连续态形成电流。然而，本发明人通过实验发现，置于PN结之中的量子阱存在反常的载流子高效抽取和吸收增强现象，上述现象使得PN结中的量子阱可以制备高性能光电探测器。由于半导体发光二极管和半导体激光器其有源区结构即为置于PN结之中的量子阱，利用上述现象，如将半导体发光二极管或激光器的偏置电压置于反偏，该器件即可以作为探测器使用。因此，基于量子阱材料在不同偏置条件下的光发射和光吸收，有望利用成熟的发光二极管或垂直腔面发射激光器外延材料，来实现单芯片收发光组件的制造，从而利用单个半导体外延片，即可加工出单芯片发光和收光组件。

一般认为，受量子阱材料的厚度限制，利用其带间跃迁机制形成光电探测器量子效率较低。本实用新型利用半导体PN结对低维半导体材料参与的光吸收和电抽取过程的调制作用，大幅度提升基于量子阱或量子点材料的光电探测器的量子效率。入射光子经量子阱带间跃迁吸收后，在PN结调制下，光生载流子迅速进入连续态，在内建电场和外加偏压的共同作用下，迅速形成光电流。应理解，本实用新型的原理不仅适用于量子阱材料，还可以应用于包括量子点、量子线和超晶格等在内的其他低维半导体材料。

根据本实用新型一示例性实施例，提供一种光电组件，包括：多个光电单元，形成于相同的外延片上，每个光电单元具有相同的层结构和层材料；以及驱动电路，用于驱动所述多个光电单元；其中，取决于所述驱动电路提供的驱动信号，所述多个光电单元中的每个光电单元被用作发光单元或光电探测单元。

在一些示例中，所述多个光电单元通过同一工艺形成，从而具有相同的层结构和层材料。

在一些示例中，每个光电单元的发光和光吸收区域包括位于PN结耗尽区的非掺杂量子阱、量子点、量子线或超晶格层，其中发光和光吸收区域为同一单层或多层结构。

在一些示例中，外延片采用红外发光二极管结构，量子阱包括InGaAs材料，势垒包括GaAs或AlGaAs，PN结材料包括GaAs或AlGaAs。

在一些示例中，外延片采用红外垂直腔面发射激光器结构，量子阱包括InGaAs材料，势垒包括GaAs或AlGaAs，PN结材料包括GaAs或AlGaAs，其中上下分布反馈布拉格镜包括GaAs/AlGaAs材料或介质材料或金属材料。

在一些示例中，当所述驱动电路向所述PN结提供正向偏置时，所述光电单元用作发光单元；当所述驱动电路向所述PN结提供反向偏置时，所述光电单元用作光电探测单元。

在一些示例中，所述驱动电路还向所述发光单元提供调制信号以调制所述发光单元发出的光信号。

在一些示例中，所述多个光电单元中的一部分光电单元被配置为发光单元，剩余部分光电单元被配置为光电探测单元。

在一些示例中，所述发光单元为垂直腔面反射激光器，所述光电探测单元为反向偏置下的垂直腔面反射激光器。

根据本实用新型另一示例性实施例，提供一种用于物体三维形状检测的光电系统，包括：光发射机构，用于发射光信号以照射物体；光接收机构，用于接收被物体反射的回光信号，并将其转换为电信号；驱动电路，用于驱动所述光发射机构和所述光接收机构；以及处理单元，用于基于所述光发射机构发射的光信号和所述光接收机构接收的回光信号来确定所述光电系统与所述物体之间的距离，进而确定所述物体的三维形状，其中，所述光发射机构和所述光接收机构通过同一工艺形成于相同的外延片上，从而具有相同的层结构和层材料，所述驱动电路对所述光发射机构和所述光接收机构施加不同的驱动信号，以驱动其分别发射光信号和接收回光信号。

在一些示例中，所述光发射机构和所述光接收机构形成于单个外延片上，所述单个外延片被直接封装。

在一些示例中，所述单个外延片经过分割以将所述光发射机构和所述光接收机构分开，然后所述光发射机构和所述光接收机构彼此分开地被封装。

在一些示例中，所述光发射机构采用InGaAs/GaAs基垂直腔面反射激光器，所述光接收机构为反向偏置的InGaAs/GaAs基垂直腔面反射激光器。

根据本实用新型另一示例性实施例，提供一种光收发模块，包括：光发射机构，用于发射光通信信号，所发射的光通信信号经光纤传输；光接收机构，用于接收光纤传输的光通信信号，并将其转换为电信号；以及驱动电路，用于驱动所述光发射机构和所述光接收机构，其中，所述光发射机构和所述光接收机构通过同一工艺形成于相同外延片上，从而具有相同的层结构和层材料，所述驱动电路对所述光发射机构和所述光接收机构施加不同的驱动信号，以驱动其分别发射光通信信号和接收光通信信号。

在一些示例中，光发射机构为InP基激光器结构，探测器采用反向偏置的InP基激光器。

在一些示例中，激光器结构和探测器通过同一工艺形成于相同外延片上之后，经过划片以分别封装，并且安置于光模块内部的不同位置处。

根据本实用新型另一示例性实施例，提供一种电子设备，其包括上述光电组件、光电系统或光收发模块。

本实用新型的有益效果在于：

1.现有物体三维形状、距离、大小等信息的光学检测系统，无论利用结构光原理或飞行时间原理，均需要发光单元和探测单元，两结构由两个外延片加工后再集成封装，而利用本实用新型所涉及的结构，发光机构和探测机构由单个外延芯片制成，将显著降低系统制造成本、功耗、体积等参数；

2.现有激光雷达或结构光系统所采用的发光阵列和探测阵列外延难度大，价格昂贵，利用本实用新型涉及的光学系统，可以利用工业基础更好的发光二极管外延片制造发光和探测单元，降低了生产成本和难度；

3.利用本实用新型所制造的光学系统，发光单元与探测单元的几何配置更加灵活，发光和探测机构的外延结构完全相同，仅通过驱动电路即可定义其功能，因此激光器可以以环绕、相邻、嵌套等方式布置于探测器周围，为图像处理等带来更多的灵活度；

4.现有激光雷达系统，通常以拼装形式构成探测器阵列，利用本专利涉及的结构，可由半导体工艺定义出更大规模、更高精度、更优性能的发光和探测阵列。

本实用新型的上述和其他特征和优点将通过下面结合附图对示例性实施例的具体描述而变得更加显而易见。

附图说明

通过结合附图对本申请的示例性实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1是根据本实用新型一实施例的光电系统的示意图。

图2是根据本实用新型另一实施例的光电系统的示意图。

图3是根据本实用新型一实施例的光电组件的结构示意图。

图4是根据本实用新型另一实施例的光电组件的结构示意图。

图5是根据本实用新型一实施例的光电组件的发光单元和探测单元的平面排布示意图。

图6是根据本实用新型另一实施例的光电组件的发光单元和探测单元的平面排布示意图。

图7是根据本实用新型一实施例的光收发模块的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述。下面将参照附图来描述本实用新型的示范性实施例。应理解，示范性实施例仅用于示出本实用新型的原理，而非要将本实用新型限制到所描述的精确形式。而是，可以以更多或更少的细节来实现本实用新型。在附图中，相似的元件用相似的附图标记来指示，可能省略对其的重复描述。

图1示出根据本实用新型一实施例的光电系统100的示意图，并且以人脸三维形貌识别为例示出了本实用新型的光电系统100的应用。如图1所示，光电系统100可用于向人脸10发射光信号以照射人脸10，并且接收被人脸10反射的回光信号，从而检测人脸10的三维形貌，以用于人脸识别应用。当然，本实用新型的光电系统100也可以应用于其他领域的三维识别，例如自动驾驶领域的环境识别、SLAM地图构建等。在一些实施例中，光电系统100中使用的光信号可以是红外光信号。

参照图1，光电系统100包括形成于单个外延片101上的多个光发射机构(发光单元)102和光接收机构(光电探测单元)103，光发射机构102用于发射光信号以照射物体例如人脸10，光接收机构103用于接收被人脸10发射的回光信号，并且将其转换为电信号。如下面将进一步详细描述的那样，光发射机构102和光接收机构103可以通过同一工艺形成于相同的外延片101上，从而具有相同的层结构和层材料，也就是说，从本身结构上而言，光发射机构102和光接收机构103是相同的器件，其仅通过驱动电路104施加不同的驱动信号，来分别用作光发射机构和光接收机构，这将在下面进一步详细论述。虽然未示出，但是驱动电路104可包括单独的光发射机构驱动电路和光接收机构驱动电路。

光电系统100还包括处理单元105，其可以基于光发射机构102发射的光信号和光接收机构103接收的回光信号来确定光电系统100与人脸10上的各个点之间的距离，进而确定人脸10的三维形状。例如，在一些实施例中，处理单元105可以基于发射光信号和接收回光信号之间的时间差来确定光电系统100与人脸10上的各个点之间的距离；或者在另一些实施例中，通过采用特定发光结构透射出具有特定几何图案的光斑，根据光斑在被测物体上反射后被探测单元拍摄的畸变图形来进行计算，进而确定所述物体例如人脸的三维形状。

在图1的实施例中，光发射机构102和光接收机构103可形成于同一外延片101上，该外延片可以被直接封装，也就是说，光发射机构102和光接收机构103被封装为单个器件。进行光发射和探测的有源区为同一外延片上的区域，其发光或探测的功能仅由驱动电路104定义，该方案可以最大地减小系统的体积、功耗、成本等要素。

图2示出了另一实施例，其与图1的实施例基本相同，除了外延片101在形成有光发射机构102和光接收机构103之后，被划片为两个分开的外延片101a和101b，其中光发射机构102位于外延片101a上，光接收机构103位于外延片101b上。然后，这两个器件可以被分别封装以形成两个单独的器件，并且被安置在例如印刷电路板上的不同位置处。如前所述，驱动电路104可包括单独的光发射机构驱动电路和光接收机构驱动电路，以分别驱动二者。与图1的实施例相比，图2的实施例可以减小系统的光学共线影响，。

图3是根据本实用新型一实施例的单芯片光电组件200的结构示意图，其可应用于例如图1和图2所示的光电系统。在图3的实施例中，单芯片光电组件200包括多个光电单元，其每个可通过同一工艺形成于同一外延片上，从而具有相同的层结构和层材料，仅取决于驱动信号而被用作发光单元或光电探测单元。作为示例，图3的光电组件200可以利用单个GaAs基InGaAs量子阱红外发光二极管外延片，通过半导体加工工艺，定义出发光和探测结构的台面，其中，每个台面上包含一个顶电极，底电极制备在衬底一侧。驱动电路207通过底电极与器件互联。

参照图3，可以首先在步骤1，利用含有P型层201、非掺杂量子阱层202和N型层203的GaAs基红外发光二极管外延片，利用半导体光刻、干法或湿法刻蚀、金属蒸镀等工艺流程，形成具有顶电极的台面结构。

然后在步骤2，可以根据实际需要，在上述工艺流程的基础上，利用等离子体增强化学气相沉积技术，沉积SiN或SiO2减反射层和表面钝化层(未示出)以进一步提高器件性能。

接下来在步骤3，可以根据实际需要，在上述工艺流程的基础上，增加发光器件的表面介质或金属镀层204，用于限制光在器件中的波导传播，减少光学串扰。

然后在步骤4，可以利用In柱或其他互连材料206将单芯片发光/探测组件200的衬底或底电极层205与驱动电路207形成电学互联，互联方式可以采用倒装焊或回流焊。此外，虽然未示出，但是顶电极可以通过例如丝线键合的方式连接到驱动电路207。驱动电路207向发光器件阵列提供正向偏置电压驱动其发光，向探测器阵列提供反向偏置电压收集光电流。根据实际需要，还可对发光器件提供调制信号，对探测器阵列所获得的光电转换信号进行放大和模拟信号/数字信号转换等功能。虽然未示出，但是驱动电路207可包括分别为发光单元和光电探测单元提供驱动信号的发光单元驱动电路和光电探测单元驱动电路。

如图3所示，通过上述步骤，可以通过同一道半导体工序在同一半导体外延片上加工生成多个光电单元，每个光电单元包括相同的层结构和层材料，例如P型层201、非掺杂量子阱层202、N型层203、衬底或底电极层205、以及表面介质或金属2层304，并且每个光电单元通过导电柱或其他互连结构206连接到驱动电路207。当然，各个光电单元的面积尺寸可以根据需要而彼此相同或不同。应理解，取决于驱动电路207提供的驱动信号，每个光电单元既可以用作发光单元，也可以用作光探测单元，或者一部分单元用作发光单元，另一部分单元用作光探测单元。

当用作发光单元时，驱动电路207提供正向偏置电压，电子空穴分别注入非掺杂量子阱层202，并在其中复合发光；

当用作光探测单元时，由发光单元发出的光被待测物体高度调制后，返回探测单元，回光在探测单元的非掺杂量子阱区激发出光生电子空穴对，根据PN结中受限光生载流子高效抽取现象，在驱动电路207提供的反向偏置电压下，光生载流子被抽取出，经驱动电流放大后形成电信号。

除GaAs基量子阱材料体系外，还可采用InP基材料体系，其中P型层201可采用InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP材料，量子阱202可采用InGaAs/InGaAsP量子阱、InGaAs/InAlAs量子阱、InGaAs/InP量子阱，当然也可以采用量子点、量子线或超晶格等其他低维半导体结构。N型区203可采用InGaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP材料，衬底205可为InP。

除GaAs量子阱材料体系外，还可采用GaSb基材料体系，其中P型层201可采用GaSb、InAs、InAsSb、InAlSb等材料，量子阱区202可采用InGaSb/GaSb量子阱、InAsSb/GaSb量子阱、InAs/GaSb量子阱或超晶格，N型区203可采用GaSb、InAs、InAsSb、InAlSb材料，衬底205为GaSb。

图4是根据本实用新型另一实施例的光电组件300的结构示意图，其为基于垂直腔面发射激光器的单芯片收发光组件，其中与图3相同的元件用相同的附图标记表示，这里将省略对其的重复描述。如图4所示，该结构利用一个GaAs基InGaAs量子阱红外垂直腔面发射激光器外延片，相比红外发光二极管，该结构包含了分别形成于P型层201和N型层203中的上301和下302分布反馈布拉格镜。其中布拉格镜的结构可由GaAs/AlGaAs，Si/SiO2甚至金属等构成，可根据实际需要选用不同的材料。通过半导体加工工艺，定义出发光和探测结构的台面，其中，每个台面上包含一个顶电极，底电极制备在衬底一侧。驱动电路207通过底电极与器件互联。其加工过程与图3实例中利用红外发光二极管制备的光电组件结构类似。

除GaAs基量子阱材料体系外，还可采用InP基材料体系，其中P型层201可采用InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP材料，量子阱区202采用InGaAs/InGaAsP量子阱、InGaAs/InAlAs量子阱、InGaAs/InP量子阱，N型区203可采用InGaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InP材料，衬底205为InP。

除GaAs量子阱材料体系外，还可采用GaSb基材料体系，其中P型层201可采用GaSb、InAs、InAsSb、InAlSb等材料，量子阱区202采用InGaSb/GaSb量子阱、InAsSb/GaSb量子阱、InAs/GaSb量子阱或超晶格，N型区203可采用GaSb、InAs、InAsSb、InAlSb材料，衬底205为GaSb。

如前所述，形成于同一外延片上的多个光电单元可具有相同的结构，仅基于不同的驱动方式而用作发光单元或光电探测单元。也就是说，同一个光电单元既可以用作发光单元，又可以用作光电探测单元。因此，可以选择同一外延片上的多个光电单元中的任意一个或多个光电单元用作发光单元，剩余光电单元用作光电探测单元，或者同一光电单元在某一时刻用作发光单元，在另一时刻又用作光电探测单元。图5示出根据本实用新型一实施例的光电组件400中的发光单元401和探测单元402的排布方式。其中，发光单元401和探测单元402均以面阵方式排布，发光机构阵列(n行×n'列，n和n'均为大于等于1的自然数)定义在外延片的一边，探测机构阵列(m行×m'列，m和m'均为大于等于1的自然数)定义在外延片的另一边，m、m'、n和n'可以彼此相等或不相等。各个单元的发光或探测的功能定义由驱动电路(未示出)决定，发光阵列和探测阵列的间距可以根据实际应用场景进行设计。

图6示出另一种发光结构和探测机构的排布方式，其中发光单元401环绕探测单元402，并且其一起形成阵列排布。各个单元的发光或探测的功能定义由驱动电路(未示出)决定，发光阵列和探测阵列的间距可以根据实际应用场景进行设计。

图7是根据本实用新型一实施例的光收发模块的结构示意图，其可以应用于例如光通信设备中。如图7所示，光收发模块600可包括光发射机构601和光接收机构602。光发射机构可以发射光通信信号，所发射的光通信信号可经光纤传输；光接收机构602可接收来自光纤的光通信信号，并且将其转换为电信号。此外，光收发模块600还可包括驱动电路603，其可以驱动光发射机构601和光接收机构602。驱动电路603可以与主机(未示出)相连，从而将接收信号输出给主机，并且接收来自主机的发射信号。此外，驱动电路603还可以对光发射机构601和光接收机构602执行数字诊断和监视(DDM)功能，并且将光发射机构601和光接收机构602的运行状态报告给主机，或者响应于主机的命令来控制光发射机构601和光接收机构602的操作，例如调节它们的偏置电流、收发功率等。

如前面描述的那样，光发射机构601和光接收机构602可以通过同一工艺形成于相同外延片上，从而具有相同的层结构和层材料，这可以节省制造时间，降低成本。然后，外延片可经过划片，然后封装成不同的器件，并且安装于光收发模块600的不同位置处，即，分别与发射光纤和接收光纤对准。通过使用驱动电路603对所述光发射机构和所述光接收机构施加不同的驱动信号，以驱动其分别发射光通信信号和接收光通信信号。在这方面，前面已经进行了详细的描述，这里不再重复。

本实用新型的一些实施例还提供包括前述光电组件、光电系统和光收发模块中的至少一种的电子设备。例如，该电子设备可以是包括所述光电组件或光电系统的手机、汽车自动驾驶系统的光电传感子系统等，或者是包括所述光收发模块的光通信设备等。本实用新型的电子设备可以应用于无人驾驶、工业测绘、医疗、安防、机器人、便携电子设备等诸多领域，这里不再一一例举。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。