CN105706316A - 高对比度光栅光电子器件 - Google Patents

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Abstract

一种高对比度光栅光电子设备，包括：位于基板前表面处的光电子装置。该光电子装置通过该基板的与前表面相对的后表面来发射光和/或检测光。高对比度光栅(HCG)透镜临近于该基板的后表面并且通过间隔物与后表面间隔开。该间隔物包括晶片键合基板和/或腔。所述HCG透镜聚焦所述光。

Description

高对比度光栅光电子器件
相关申请的交叉引用
N/A
关于联邦政府资助的研究发展声明
N/A
背景技术
用于近代光电子和光子应用的光电子装置通常既包括生成光的发射器、又包括接收和检测光的光电检测器，发射器比如为激光器和发光二极管(LED)，光电检测器例如但不限于光电二极管。例如，普遍用于许多光子***的发射器是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。VCSEL的制造和使用相对比较便宜，并且其特征在于相对高的性能和可靠性。基于p-n和p-i-n半导体结的光电二极管(例如，PN光电二极管、PIN光电二极管等)在近代光子***中也非常普遍，并且可以以相对低的成本提供伴随着异常杰出的可靠性的高性能。
许多情况下，在光电子装置的正常操作中使用透镜并且甚至可能必须使用透镜。例如，透镜可用于聚焦或校准由VCSEL生成的光。例如，聚焦可利于VCSEL与光通信***中光纤的相互作用。类似地，透镜可用于将光聚集或聚焦到光电检测器的有效区上，以改进光的接收和/或检测。
附图说明
参照以下结合附图的详细说明，将更易于理解根据在此描述的原理的示例的各种不同特征，其中相同的参考标记指代相同的结构元件，其中：
图1例示了根据符合在此描述的原理的示例的高对比度光栅的透视图。
图2例示了根据在此描述的原理的示例的高对比度光栅光电子设备的剖视图。
图3例示了根据在此描述的原理的另一示例的高对比度光栅光电子设备的剖视图。
图4例示了根据符合在此描述的原理的示例的、采用了高对比度光栅的光电子设备的剖视图。
图5例示了根据符合在此描述的原理的另一示例的、采用了高对比度光栅的光电子设备的剖视图。
图6例示了根据符合在此描述的原理的示例的、基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法的流程图。
图7例示了根据符合在此描述的原理的示例的、形成图6中高对比度光栅透镜的流程图。
图8A例示了根据符合在此描述的原理的示例的、在释放高对比度光栅透镜之前、基于高对比度光栅的光电子器件的剖视图。
图8B例示了根据符合在此描述的原理的示例的、在释放高对比度光栅透镜之后、图8A中基于高对比度光栅的光电子器件的剖视图。
图9例示了根据符合在此描述的原理的另一示例的、形成图6中高对比度光栅透镜的流程图。
某些示例具有参照上述附图例示的特征之外的其他特征或者具有替代这些特征的其他特征。下面参照上述附图详细描述这些及其他特征。
具体实施方式
根据在此描述的原理的示例提供采用高对比度光栅来聚焦光的光电子器件。具体地，根据在此描述的原理的各种不同示例，高对比度光栅被配置为是聚焦由光电子装置发射和/或检测的光的透镜。而且，根据各种不同示例，由高对比度光栅透镜聚焦的发射光或检测光被配置为穿过高对比度光栅透镜与光电子装置之间的基板。由此，光电子装置为“背射式”或“背照式”光电子装置，并且高对比度光栅透镜临近于支撑该光电子装置的基板的后表面而设置。而且，位于或靠近基板后表面侧的高对比度光栅透镜利于以光电子设备的形式集成该光电子装置。根据一些示例，包含该集成的高对比度光栅透镜的光电子设备可使光电子设备能够进行倒装芯片安装。
在此，将高对比度光栅定义为具有高折射率对比度的亚波长衍射光栅。具体地，根据一些示例，高对比度光栅的高折射率对比度可通过具有较高折射率的光栅元件(例如，光栅带、光栅条、光栅柱等)来提供，光栅元件基本上由具有较低折射率的材料或介质包围。例如，高对比度光栅可包括由空气、二氧化硅、氧化铝或其他较低折射率或“低指数”材料包围的、高折射率或“高指数”材料(例如，硅、砷化铝镓等)的多个间隔开的光栅条(即，光栅元件)。在另一些示例中，低指数材料仅位于包括高指数材料的光栅元件之间。在又一些示例中，低指数材料可位于光栅元件之间并且还位于包括高指数材料的光栅元件上方或者下方。根据各种不同示例，选择高指数材料和/或低指数材料，以使其在高对比度光栅的可操作波长处为基本透明的。
在一些示例中，高对比度光栅包括位于每个高指数光栅元件之间以及该高指数光栅元件上方和下方的相同的低指数材料或介质。在另一些示例中，高指数光栅元件之间的材料包括第一低指数材料，而第二低指数材料位于该高指数光栅元件上方和/或下方。在又一些示例中，高指数光栅元件上方的材料是第二低指数材料，而第三低指数材料位于该高指数光栅元件下方。
根据各种不同示例，通过具体应用或通过使用包括但不限于高对比度光栅的可操作波长的高对比度光栅，来确定高指数材料的折射率与低指数材料的折射率之间的差。在一些示例中，较高折射率可为较低折射率的2倍或更多。例如，光栅元件可包括折射率大于约2.0的材料，并且围绕该光栅元件的材料或介质的折射率可为约1.0。在又一些示例中，高指数材料的折射率可为约3.5(例如，硅、锗等)，并且低指数材料的折射率可在约1.0和约2.0之间(例如，二氧化硅、二氧化锗)。
根据一些示例，高对比度光栅是基本平坦的，并且其特征在于要么为一维(1-D)光栅结构要么为二维(2-D)光栅结构。具体地，高对比度光栅可在基本平坦的层内实施为高对比度光栅元件的1-D或2-D阵列。例如，1-D高对比度光栅可包括布置在平坦层中的多个基本平行的光栅条或带。在另一些示例中，准-2D高对比度光栅可包括多个弯曲的光栅条或带，或者多个宽度沿着光栅条变化的光栅条。在又一些示例中，在层中布置为2-D阵列的多个间隔开的矩形、圆形或椭圆形等的元件可提供2-D高对比度光栅。根据各种不同示例，高对比度光栅可要么为周期光栅、要么为基本非周期(即，不定期)光栅。
图1例示了根据符合在此描述的原理的示例的高对比度光栅10的透视图。具体地，图1中例示的高对比度光栅10是1-D高对比度光栅10。高对比度光栅10包括布置在平坦层(例如，x-y平面中的层，如所示)中的多个基本平行的矩形条12。矩形条12之间的中心间距小于高对比度光栅10的操作或使用波长(即，可操作波长)。矩形条12包括具有高折射率的材料并且由具有低折射率的介质14围绕。例如，矩形条12可包括硅，而介质14可包括二氧化硅或空气，如所示。
在此，将高对比度光栅(HCG)透镜定义为被配置为充当聚焦或校准光的透镜的高对比度光栅。而且，通过在此的定义，HCG透镜包括光栅节距足够小从而基本抑制HCG透镜的可操作波长上除0阶(0th)衍射模式之外的所有衍射模式的高对比度光栅。根据各种示例，所有高阶衍射模式都位于HCG透镜的可操作波长的截止点之下。具体地，通过在此的定义，HCG透镜是仅支持零阶衍射模式的非周期高对比度光栅，并且被配置为提供对穿过该HCG透镜的光的预定相位波前修改，其中，相位波前修改与透镜的一致(例如，HCG透镜用于弯曲并且聚焦光)。例如，相位波前修改可与折射透镜所提供的一致。
在一些示例中，HCG透镜的光栅元件的间隔和/或光栅元件的宽度或尺寸根据横跨或沿HCG透镜的光栅结构的距离而变化，从而提供该预定相位波前修改。在一些示例中，HCG透镜可为1-D透镜，其中，该预定相位波前修改仅在一个方向上提供(例如，x方向，其基本平行于HCG透镜的平面)。在另一些示例中，HCG透镜是被配置为提供两个大致正交的方向(例如，x方向和y方向)上的预定相位波前修改的2-D透镜。根据各种不同示例，由HCG透镜提供的预定相位波前修改可对应于由基本上任一任意透镜(例如，任意折射透镜设计或形状)提供的相位波前修改或与其一致。例如，HCG透镜的或由其提供的预定相位波前修改可与凸透镜(例如，折射平凸透镜、折射双凸面透镜等)的一致。在一些示例中，HCG透镜可实施为校准透镜。在一些示例中，HCG透镜可实施为离轴透镜或斜撑透镜。
而且，在此使用的冠词“一”旨在具有其在专利领域的通常含义，即，“一个或多个”。例如，“一透镜”意指一个或多个透镜；同样，“该透镜”在此意指“该或这些透镜”。而且，在此的任意参照“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“左”或“右”并非旨在具有限制性。在此应用于数值的术语“约”通常意指位于产生该数值的设备的公差范围内，或者，在一些示例中意指加减10％或加减5％或加减1％，除非另外特别说明。而且，在此使用的术语“基本(上)”意指“主要地”，或者“几乎所有”，或者“所有”，或者具有例如约51％-约100％范围内的量。此外，在此的示例旨在仅为示例性的并且仅用于讨论的目的而非限制性的。
图2例示了根据在此描述的原理的示例的高对比度光栅(HCG)光电子设备100的剖视图。根据一些示例，HCG光电子设备100被配置为发射光束102。光束102可被聚焦。例如，聚焦光束102可要么作为基本校准的光束发射、要么作为在距HCG光电子设备100预定距离处具有焦点和光斑尺寸的光束发射。焦点可对应于光纤104的端部，例如，如图2所示。在另一些示例中，HCG光电子设备100可被配置为聚焦入射到HCG光电子设备100上的光102。而且，HCG光电子设备100可被配置为检测所聚焦的入射光102。在又一些示例中，HCG光电子设备100可被配置为既发射又检测光102(例如，可既包括光源又包括光电检测器)。在再一些示例中(图2中未示出)，HCG光电子设备100可被配置为既聚焦光束102又以预定角度倾斜光束102。具体地，HCG光电子设备100可沿离轴方向(未示出)发射光和/或检测来自离轴方向的光。在图2中，使用虚线例示光束102。
根据各种不同示例，HCG光电子设备100的基板106对于光102是基本透明的，并且可被配置为用于通过使用所谓的倒装芯片贴附方式贴附到临近于基板106的第一表面或“前”侧或“前”表面的载体或母板上。具体地，根据各种不同示例，基板106对于光电子设备100的可操作波长的光102是基本透明的。而且，根据各种不同示例，为了支持倒装芯片贴附，基于高对比度光栅的光电子设备100被配置为通过基板106的与前表面相对的、第二表面或“后”侧或后表面来发射光102和/或接收入射光102。根据各种不同实施例，光102可以轻易穿过基本透明的基板106，并且在光电子设备100的可操作波长具有较小的光损耗。根据各种不同示例，用于使HCG光电子设备100互相连接并且对其供电的电触头或衬垫及其他电路元件(图2中未示出)可设置在HCG光电子设备100的前表面上以利于倒装芯片贴附。
HCG光电子设备100包括光电子装置110。根据各种不同示例，光电子装置110在HCG光电子设备100的基板106的前表面上。在一些示例中，光电子装置110被配置为通过基板106发射光102，并且光102从后表面出射。在一些示例中，光电子装置110被配置为检测从后表面通过基板的光102。在一些示例中，光电子装置110被配置为通过后表面既发射光102、又检测光102。具体地，根据各种不同示例，光电子装置110可包括在基板106的前表面处的一个或多个光电子层，光电子层被配置为发射光102和/或检测光102。
根据一些示例，所发射或检测的光102可具有在约650nm和约1600nm之间或更大的可操作波长。例如，光102的波长可在约850nm和约980nm之间。在另一示例中，光102的波长可在约980nm和约1100nm之间。在又一示例中，光102的波长可在约1500nm和约1600nm之间。在其他示例中，由HCG光电子设备100发射和/或检测的光可具有除了约650nm和约1600nm之间的可操作波长之外的其他可操作波长。
在一些示例中，光电子装置110为或包括背射式垂直腔表面发射激光器(BE-VCSEL)110。例如，BE-VCSEL110可以以多个光电子层的形式被提供(例如，制造)在基板106的前表面中。该多个光电子层可包括但不限于各种不同的分布式布拉格反射(DBR)层以及构成BE-VCSEL的异质结(例如，量子阱)的层。根据各种不同示例，各种不同的光电子层可外延生长在、沉积在、附着在或者以其他方式提供在基板106内，位于或临近于前表面。
根据一些示例，基板106可为包括半导体材料的BE-VCSEL基板，半导体材料例如但不限于砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。例如，在基于GaAs的BE-VCSEL中，DBR光电子层可包括交替的GaAs层和砷化铝镓(AlGaAs)层，而光电子层的发光区域(例如，量子阱和约束层)可包括例如GaAs、AlGaAs和砷化铟镓(InGaAs)。例如，基于InP的BE-VCSEL可采用InP基板106，并且使用交替的铝镓砷化铟(AlGaInAs)和InP层充当DBR光电子层。在另一些示例中，基板106可包括介电材料，例如但不限于玻璃。
在另一些示例中，BE-VCSEL110可包括贴附到基板106的前表面的VCSEL芯片或晶片。例如，包含多个光电子层的VCSEL芯片或晶片可通过晶片键合而贴附到该前表面上。根据各种不同示例，所贴附的VCSEL被配置为通过基板106朝向后表面发射光102，并且因此其在被贴附时是BE-VCSEL110。例如，VCSEL芯片或晶片可包括但不限于半导体材料，比如GaAs、InP、AlGaAs和InGaAs。VCSEL芯片或晶片可被晶片键合到用于充当基板106的其他材料上。例如，可使用除GaAs和InP之外的材料作为基板106并且将VCSEL芯片或晶片晶片键合到该基板106上，上述材料例如但不限于硅(Si)和玻璃。在一些示例中，基板106和VCSEL芯片或晶片可包括基本相同的材料。在另一些示例中，光电子装置110可为另一发光光电子装置110，包括但不限于被配置为朝向基板106的后表面发射光102的发光二极管(LED)。
根据一些示例，光电子装置110包括光电检测器110。例如，光电检测器110可为光电二极管110。光电二极管110可被配置为从后表面通过基板106被照射。而且，被照射的光电二极管110可被配置为检测例如从后表面穿过基板106到达前表面的光102。根据各种不同示例，光电二极管110可设置在基板106的前表面中或上(例如，作为基板106上的沉积层，或者基板106中以不同方式掺杂的区域)。在另一些示例中，光电检测器110可为任意各种各样的可用于检测光102的其他装置，包括但不限于有源像素传感器、电荷耦合装置、光电导元件、光电晶体管和光伏电池。
再次参照图2，HCG光电子设备100还包括高对比度光栅(HCG)透镜120。HCG透镜120临近于基板106的后表面并且被配置为聚焦光102。具体地，当光电子装置110被配置为发射光102时，HCG透镜120被配置为聚焦所发射的光102。例如，当光电子装置110是BE-VCSEL110时，由HCG透镜120聚焦的光120是BE-VCSEL110的激光辐射。在一些示例中，HCG透镜120可校准BE-VCSEL110的激光辐射。在另一些示例中，HCG透镜120可将BE-VCSEL110的激光辐射聚焦到(例如，光纤的)孔上。另一方面，当光电子装置110被配置为检测光102(例如，光电二极管)时，HCG透镜120可被配置为将光102聚焦到光电子装置110的有源区上。例如，HCG透镜120可从(例如，光纤的)孔接收光102，并且将光102聚焦到光电二极管有源区上。在一些示例中，HCG透镜120是一维(1-D)透镜。在另一些示例中，HCG透镜120是二维(2-D)透镜。
如图2所示，HCG透镜120可包括临近于基板106的后表面并与后表面间隔开的HCG层122。在各种不同示例中，HCG层122可为例如但不限于Si、GaAs、Inp和其他半导体材料之类的材料的悬浮层。例如，HCG层122可包括但不限于非晶Si、多晶Si或碳化硅(SiC)的悬浮层。
根据各种不同示例，HCG层122可通过间隔层或间隔物124而从基板106的后表面悬浮或者与基板106的后表面间隔开。间隔层或间隔物124充当将HCG层122与基板后表面分离的支架(standoff)。而且，间隔层或间隔物124可包括HCG透镜120与基板106之间的腔126(例如，充气腔)。例如，包括非晶Si的HCG层122可通过包括二氧化硅(SiO2)的间隔物124而与基板后表面间隔开。例如，可使用微电机***(MEMS)制造技术、由充当牺牲层的SiO2层来形成该SiO2间隔物124，从而使HCG层122的包括该HCG透镜120的部分悬浮。具体地，可通过移除HCG层122下方的牺牲层来提供腔126，以使包括HCG透镜120的该部分悬浮。
在一些示例中，HCG透镜120悬浮在空中，并且腔126是充气腔126。具体地，空气可围绕HCG透镜120并且填充在HCG透镜122的高指数光栅元件之间。而且，空气可基本填充HCG层122与基板106的后表面之间的该腔126。图2例示了HCG层122的HCG透镜120与基板后表面之间的、由空气围绕并且填充的腔126。充气腔126的折射率可为约1.0。
在另一些示例中(未示出)，其他材料可填充或至少部分地填充腔126(例如，参照如下描述的图3)。例如，腔126可由除空气之外的其他低折射率流体甚或真空填充。在另一示例中，腔126可由封装材料填充或部分地填充。具体地，HCG透镜120可由封装材料或“密封剂”封装。根据一些示例，密封材料可保护HCG透镜120。例如，封装材料可保护HCG透镜120免受在HCG透镜120的制造之后发生的工艺(例如，刻蚀等)或可操作环境的伤害。封装材料可包括但不限于硅氮化物或者相对于HCG透镜120的材料而言具有较低的折射率的类似材料。在另一些示例中，封装材料可为例如旋涂到表面上的液态聚合物或玻璃材料。在又一些示例中，封装材料可包括层压到HCG层122上从而覆盖HCG透镜120的聚合物或玻璃薄膜。
图3例示了根据在此描述的另一示例的高对比度光栅(HCG)光电子设备100的剖视图。如图3所示，HCG透镜120由封装材料128(例如，氮化硅)封装。封装材料128基本覆盖并保护HCG透镜120。而且，如所示，封装材料128部分地填充HCG透镜120与基板106之间的腔126。可采用各向异性沉积技术(例如，定向沉积)来沉积封装材料128，以部分地填充该腔126。在另一些示例中(未示出)，可使用例如各向同性沉积技术、由封装材料128基本填充腔126。在又一些示例中(未示出)，封装材料可形成HCG透镜120顶部上的覆盖层。
再次参照图2，根据一些示例，HCG光电子设备100还包括增透膜130。具体地，增透膜130可位于基板106上、HCG透镜120和基板106的后表面之间。通过在此的定义，增透膜130是被配置为减少光102在基板后表面处的反射的光学层。增透膜130例如可通过气相沉积而沉积在间隔物124与基板106之间。在另一些示例中，根据一些示例，增透膜130可穿过HCG透镜120的开口、通过气相沉积而沉积。例如，包括氮化硅和二氧化硅的组合(例如，以不同的比率)的一个或多个层可用作包括硅的基板106上的增透膜130。图2例示了基板106的后表面上的增透膜130。
图4例示了根据符合在此描述的原理的示例的、采用了高对比度光栅的光电子设备200的剖视图。如所示，光电子设备200包括具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面的透明基板210。例如，透明基板210被配置为传输光202。所传输的光202可处于光电子设备200的可操作波长或者可包括该可操作波长。具体地，透明基板210相对于可操作波长的光202可为基本透明的。在一些示例中，透明基板210可基本类似于上文中关于HCG光电子设备100描述的基板106。在图4中，使用虚线例示了所传输的光202。
光电子设备200还包括位于透明基板210的第一表面处的光电子层220。在各种不同示例中，光电子层220被配置为发射光202和/或检测光202。具体地，光电子层220可提供基本类似于上述HCG光电子设备100中光电子装置110的功能的光电功能。例如，光电子层220可包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或光电二极管。例如，VCSEL可被配置为在朝向基板210的第二表面的方向上发射光，而光电二极管可被配置为由来自基板第二表面的光照射并且检测来自基板第二表面的光。如图4所示，光电子层220仅覆盖透明基板210的第一表面的一部分。然而，在另一些示例中(未示出)，光电子层220可覆盖基本上整个基板第一表面。
光电子设备200还包括高对比度光栅(HCG)层230。根据各种不同示例，HCG层230临近于透明基板210的第二表面并且与其间隔开。而且，根据各种不同示例，HCG层230被配置为提供HCG透镜232以聚焦光202。当光电子层220包括VCSEL时，HCG透镜232可被配置为聚焦由VCSEL发射的光202。当光电子层220包括光电二极管时，HCG透镜232可被配置为将光202聚焦到光电二极管上。
在各种不同示例中，光电子设备200还包括位于HCG层230与透明基板210之间的间隔层240。在一些示例中，间隔层240被配置为使HCG层230的HCG透镜232悬浮在透明基板210的第二表面上方并且远离该第二表面。在一些示例中，间隔层240可基本类似于上文关于HCG光电子设备100描述的间隔层124。具体地，间隔层240可用作HCG层230与透明基板210的第二表面之间的支架。具体地，根据一些示例，间隔层240可提供HCG透镜232与透明基板210之间的腔242。
如图4所示，光电子设备200还包括晶片键合支撑层或基板250。晶片键合支撑基板250被配置为支撑HCG层230以使其临近于基板第二表面。例如，HCG层230可设置在晶片键合支撑基板250上。然后，晶片键合支撑基板250可被晶片键合到透明基板210上，以将HCG层230临近于基板第二表面而定位。具体地，如图4所示，表面上支撑着HCG层230的该晶片键合支撑基板250临近于透明基板210的第二表面，该第二表面包括间隔层240。而且，如所示，HCG层230通过间隔层240与透明基板第二表面间隔开。
根据各种不同示例，晶片键合支撑基板250可基本包括可用于支撑HCG层230并且还可被晶片键合到透明基板210的任意材料或者材料的组合。例如，晶片键合支撑基板250可包括玻璃或类似的光学透明材料。在另一些示例中，晶片键合支撑基板250可包括半导体材料，例如但不限于硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)。根据一些示例，晶片键合支撑基板250的热膨胀系数(CTE)可与透明基板210的CTE相匹配。例如，玻璃材料的CTE与透明基板210的材料相匹配，可用于该晶片键合支撑基板250。在一些示例中，晶片键合支撑基板250和透明基板210可包括相同的材料。
图4还例示了位于透明基板210的第二表面上的增透膜260。如所示，增透膜260基本覆盖整个第二表面。在一些示例中，增透膜260可基本类似于上文关于HCG光电子设备100描述的增透膜130。具体地，根据一些示例，增透膜260可基本限于基板第二表面的位于HCG层230的HCG透镜232下方的部分。
在一些示例中(未示出)，HCG层230可从晶片键合支撑基板250悬浮或与其间隔开。根据各种不同示例，作为将HCG层230与透明基板第二表面间隔开的替换方案或作为其额外方案，HCG层230可与晶片键合支撑基板250间隔开。例如，作为将间隔层240设在HCG层230与透明基板210的第二表面之间的替换方案，间隔层240可位于晶片键合支撑基板250与HCG层230之间。在另一些示例中，HCG层230可通过其他间隔物或间隔层与晶片键合支撑基板250间隔开。例如，除了图4所示的间隔层240之外，还可提供其他间隔层。
图5例示了根据符合在此描述的原理的另一示例的、采用了高对比度光栅的光电子设备200的剖视图。具体地，图5例示了光电子设备200包括透明基板210、位于透明基板210的第一表面处的光电子层220、具有HCG透镜232的HCG层230以及被配置为支撑HCG层230以使其临近于基板第二表面的晶片键合支撑基板250。如图4所示，光电子设备200被配置为提供光202的发射和/或检测，光透过透明基板210。而且，光电子层220被配置为发射和/或检测光202，而具有HCG透镜232的HCG层230被配置为聚焦光202。在图5中也使用虚线例示了光202。然而，不同于图4所示的示例，图5中的晶片键合支撑基板250在基板210的第二表面与HCG层230之间。由此，HCG层230与透明基板210的第二表面之间的间隔物或间隔层包括图5所示的晶片键合支撑基板250。
具体地，如图5所示，HCG层230被支撑在晶片键合支撑基板250的一表面上，该表面与晶片键合支撑基板250在基板第二表面处被晶片键合到透明基板210上的表面相对。如所示，晶片键合支撑基板250使HCG层230与透明基板第二表面间隔开。在一些示例中(未示出)，增透膜可设置在透明基板210与晶片键合支撑基板250之间。在另一些示例中(未示出)，可在透明基板210和/或晶片键合支撑基板250中(例如，通过刻蚀)提供孔、腔或凹陷，并且HCG层230可悬浮在该孔、腔或凹陷上方。
在一些示例中，透明基板210可相对于透明基板210的原始厚度而被薄化。可采用薄化来提供光电子层220与HCG层230之间的距离，例如，该距离与HCG透镜232关于光束202的适当操作相符。具体地，根据一些示例，可采用薄化来建立HCG透镜232与光电子层220之间的预定距离，该预定距离与HCG透镜232的焦距相符。
在符合在此描述的原理的一些示例中，提供了一种基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法。在一些示例中，制造方法可用于实现上述高对比度光栅光电子设备100。在另一些示例中，可根据该制造方法制造上述关于图4或图5描述的光电子设备200。
图6例示了根据符合在此描述的原理的示例的、基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法300的流程图。方法300包括提供(310)光电子基板。所提供(310)的光电子基板被配置为在第一或“前”表面上支撑光电子装置。而且所提供(310)的光电子基板被配置为在光电子基板的前表面和第二或“背”面之间透射光。在一些示例中，所提供(310)的光电子基板基本类似于上文关于HCG光电子设备100描述的基板106。而且，在一些示例中，所提供(310)的光电子基板包括光电子装置。
具体地，在一些示例中，光电子基板包括发光光电子装置，例如但不限于背射式垂直腔表面发射激光器(BE-VCSEL)和发光二极管(LED)。BE-VCSEL或LED被配置为朝向光电子基板的后表面发射光。在一些示例中，作为发光光电子装置的替换方案或额外方案，光电子基板包括光电检测器。光电检测器可包括但不限于例如光电二极管。光电检测器被配置为检测照射光电子基板的后表面的光。例如，发光光电子装置和光电检测器可预先形成在所提供(310)的光电子基板中。
在另一些示例中，提供(310)光电子基板可包括：在光电子基板的前表面中形成或制造光电子装置。形成光电子装置可包括：在前表面上沉积或者通过其他方式建立一个或多个材料层，以形成光电子装置。根据各种不同示例，可使用半导体制造方法来形成光电子装置的材料层。例如，材料层可为形成光电子装置的部分的、外延生长的或沉积的半导体层，例如但不限于分布式布拉格反射器(DBR)、半导体结(例如，p-n结或p-i-n结)以及量子阱。例如，形成光电子装置还可包括但不限于：使用掺杂物选择性地掺杂光电子基板的部分(以例如在光电子基板的材料内建立半导体结)。
基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法300还包括：形成(320)高对比度光栅(HCG)透镜。例如，在HCG层中形成(320)该HCG透镜。在各种不同示例中，临近于光电子基板后表面形成(320)该HCG透镜并使HCG透镜与基板后表面间隔开。而且，HCG透镜被配置为聚焦在光电子基板的前表面和后表面之间传输的光。根据一些示例，所形成(320)的HCG透镜基本类似于上文中关于HCG光电子设备100描述的HCG透镜120和HCG层122。
具体地，在一些示例中，所形成(320)的HCG透镜临近于所提供(310)的光电子基板的后表面，并且通过间隔层或间隔物与该后表面间隔开。根据各种不同示例，间隔物包括腔和/或晶片键合基板。例如，腔可为间隔物材料中的充气腔。当间隔物包括晶片键合基板时，HCG透镜可形成(320)在晶片键合支撑基板上。然后，可在形成(320)该HCG透镜之后，将晶片键合支撑基板晶片键合到所提供(310)的光电子基板的后表面上。在其它示例中，可在晶片键合支撑基板晶片键合到所提供(310)的光电子基板的后表面之后，形成(320)该HCG透镜。
图7例示了根据符合在此描述的原理的示例的、图6中高对比度光栅(HCG)的形成方法(320)的流程图。如图7所示，形成(320)该HCG透镜包括：将HCG层沉积(322)到光电子基板的后表面上。例如，HCG层可包括半导体材料，比如但不限于非晶硅(Si)。在一些示例中，HCG层被沉积在牺牲间隔层之上。牺牲间隔层可包括但不限于例如二氧化硅(SiO2)。形成(320)该HCG透镜还包括：图案化(324)该HCG层。可通过各种各样的方法来提供该图案化(324)，包括但不限于光刻和压印光刻。形成(320)该HCG透镜还包括：刻蚀(326)该图案化的HCG层，以限定HCG透镜。根据各种不同示例，刻蚀(326)可通过使用干法刻蚀或者湿法刻蚀而完成。例如，在刻蚀(326)该HCG层时可采用干法刻蚀，比如但不限于等离子刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)。例如，可在刻蚀(326)该HCG层的过程中、使用氢氧化钾(KOH)溶剂对包括Si的HCG层进行湿法刻蚀。
而且，形成(320)该HCG透镜包括：释放(328)该HCG透镜。在一些示例中，释放(328)该HCG透镜被配置为在光电子基板后表面与HCG透镜之间形成腔。释放(328)该HCG透镜可包括：在HCG透镜与光电子基板后表面之间的区域中选择性地刻蚀该牺牲间隔层的一部分。例如，包括SiO2的该牺牲间隔层的选择性刻蚀可通过使用包括氢氟(HF)酸的刻蚀溶剂来完成。在另一些示例中，释放(328)该HCG透镜的另一方法包括但不限于：可采用蒸镀HF刻蚀。根据各种不同示例，在释放(328)该HCG透镜时，通过选择性刻蚀、仅移除该牺牲间隔层的位于HCG透镜后方或下方的部分。
图8A例示了根据符合在此描述的原理的示例、在释放(328)该HCG透镜之前、基于高对比度光栅(HCG)的光电子器件400的剖视图。具体地，图8A例示了光电子基板410，其在HCG层422中具有HCG透镜420。HCG透镜420通过牺牲间隔层430与光电子基板410的后表面间隔开。例如，图8A可能例示了在刻蚀(326)该HCG层之前但在释放(328)该HCG透镜之后的基于HCG的光电子器件400。如所示，牺牲间隔层430的材料位于HCG透镜420与光电子基板后表面之间。垂直箭头表示选择性地移除该牺牲间隔层430的刻蚀剂的作用。
图8B例示了根据符合在此描述的原理的示例、在释放(328)该HCG透镜之后、基于HCG的光电子器件400的剖视图。如图8B所示，已在释放(328)该HCG透镜的过程中通过刻蚀移除了在HCG透镜420与光电子基板的后表面之间的牺牲间隔层430的材料。如所示，在释放(328)该HCG透镜的过程中移除该牺牲间隔层430的材料形成了腔432，该腔432例如可为充气腔或者可随后由低折射率材料或流体填充。
在一些示例中(如所示)，可向所提供(310)的光电子基板的后表面涂覆增透膜。例如，可使用等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)、通过HCG层中由HCG透镜提供的开口来沉积该增透膜。在一些示例中，通过封装材料来封装所形成的HCG透镜。例如，可通过PECVD、ALD、溅射、电子束蒸发等方法中的一种或多种来涂覆该封装材料。封装HCG透镜可用于保护该HCG透镜免受随后的制造工艺和环境的伤害。根据各种不同示例，HCG透镜可为完全封装的或者部分封装的。具体地，在一些示例中，封装材料可部分地填充HCG透镜与光电子基板后表面之间的腔。在另一些示例中，可通过封装材料基本填充该腔。
图9例示了根据符合在此描述的原理的另一示例、图6中高对比度光栅(HCG)透镜的形成(320)方法的流程图。如图9中所示，形成(320)该HCG透镜包括：在支撑基板上沉积(322a)HCG层。支撑基板可包括但不限于半导体和玻璃。在一些示例中，支撑基板可基本类似于上文参照图4和光电子设备200描述的晶片键合支撑基板250。形成(320)该HCG透镜还包括：图案化(324)该HCG层，并且刻蚀(326)图案化的HCG层，以限定HCG透镜。图案化(324)该HCG层可包括但不限于：使用光刻法在光刻胶中限定图案以及使用压印光刻法在光刻胶中限定图案。例如，刻蚀(326)该图案化的HCG层可通过使用干法刻蚀或湿法刻蚀来完成。
如图9所示，形成(320)该HCG透镜还包括：将具有所限定的HCG透镜的支撑基板晶片键合(329)到所提供(310)的光电子基板的后表面。在一些示例中，支撑基板是以使HCG层面朝光电子基板的后表面而被晶片键合(329)的(例如，如图4所示)。在一些示例中，在光电子基板后表面与支撑基板上的HCG透镜之间提供支架。具体地，支架可沉积在或者以其他方式设置在光电子基板后表面上，然后将该支撑基板以使HCG透镜面朝光电子基板而被晶片键合(329)到光电子基板后表面上(例如，晶片键合到支架的暴露表面上)。在一些示例中，在晶片键合(329)之后，支架在光电子基板后表面与晶片键合支撑基板上的HCG透镜之间提供腔(例如，充气腔)。可向光电子基板后表面涂覆增透膜(例如，在沉积或者提供该支架之前)。
在另一些示例中，支撑基板是以使HCG层背朝光电子基板而被晶片键合(329)的(例如，如图5所示)。具体地，晶片键合(329)可在支撑基板的、与沉积有HCG层的表面相对的表面上、将支撑基板连接至所提供(310)的光电子基板的后表面。可在将支撑基板晶片键合(329)到光电子基板之前或之后，将HCG层图案化为HCG透镜。根据一些示例，在晶片键合(329)之前，可向光电子基板的后表面涂覆增透膜。
在另一些示例中(未示出)，HCG透镜可通过沉积SiO2或者其他适当的掩模材料而形成为掩模层(例如，在支撑基板的表面上)。然后，根据待形成的HCG透镜的反向图案，图案化或刻蚀(例如，使用干法刻蚀)所沉积的该掩模层。沉积该HCG透镜的材料(例如，非晶Si)，以填充掩模层中的刻蚀区域并且还可覆盖掩模层的顶面或其部分。例如，可使用化学机械抛光来移除掩模层顶面上的任意多余HCG透镜材料，从而留下所形成的HCG透镜(即，作为刻蚀区域内的HCG透镜材料)。在一些示例中，随后可通过选择性刻蚀，从所形成的HCG透镜移除该掩模层的材料。例如，当HCG透镜材料是非晶Si并且掩模层是SiO2时，可使用HF刻蚀剂移除掩模层SiO2，从而留下非晶Si的HCG透镜。在另一些示例中，掩模层材料(例如，SiO2)可保留在HCG透镜的元件之间(例如，作为低折射率材料)。
在又一些示例中(未示出)，HCG透镜可形成在另一基板的层中，例如但不限于绝缘体上硅(SOI)基板。该另一基板可用作操作晶片(handlewafer)，并且HCG透镜可形成在该操作晶片的一部分中或上。例如，HCG透镜可形成在SOI基板的硅装置层中。然后，将操作晶片晶片键合到支撑基板上(使HCG透镜夹在其间)，并且在晶片键合之后移除该操作晶片(除了HCG透镜之外)，从而在HCG透镜上留下二氧化硅操作层。在另一些示例中，可以选择性地刻蚀(例如，使用包括HF酸的刻蚀剂)SOI基板的二氧化硅操作层，以在晶片键合到支撑基板之后移除二氧化硅操作层而留下HCG透镜。例如，可在将HCG透镜晶片键合到支撑基板之前或之后，将支撑基板晶片键合到光电子基板后表面，这取决于是制造图4中的装置还是图5中的装置。
由此，已描述了采用高对比度光栅作为透镜的光电子设备以及光电子器件的制造方法的示例。应理解的是，上述示例仅例示了呈现在此描述的原理的许多具体示例中的一些。显而易见的是，在不脱离随附权利要求书限定的范围的前提下，本领域普通技术人员可容易地构想出许多其他设置方式。

Claims (15)

1.一种高对比度光栅光电子设备，包括：
位于基板的前表面处的光电子装置，所述光电子装置通过所述基板的与所述前表面相对的后表面来发射光和/或检测光；以及
高对比度光栅(HCG)透镜，临近于所述基板的所述后表面并且通过间隔物与所述后表面间隔开，所述HCG透镜用于聚焦所述光，
其中所述间隔物包括晶片键合基板和/或位于所述HCG透镜与所述基板的后表面之间的腔。
2.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，其中所述光电子装置包括背射式垂直腔表面发射激光器(BE-VCSEL)，由所述HCG透镜聚焦的所述光是BE-VCSEL的激光辐射。
3.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，其中所述光电子装置包括光电二极管，所述HCG透镜将所述光聚焦到所述光电二极管的有源区上。
4.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，进一步包括在所述基板上的、位于所述HCG透镜与所述基板的后表面之间的增透膜。
5.如权利要求1所述的高对比度光栅光电子设备，其中所述HCG透镜被封装在封装材料中。
6.一种采用高对比度光栅的光电子设备，包括：
透明基板，具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述透明基板传输所述光电子设备的可操作波长的光；
光电子层，位于所述透明基板的所述第一表面处，所述光电子层发射所述光和/或检测所述光；以及
高对比度光栅(HCG)层，临近于所述透明基板的所述第二表面并且通过间隔层与所述第二表面间隔开，所述HCG层提供HCG透镜以聚焦所述光，
其中所述间隔层包括晶片键合支撑基板和/或腔，以将所述HCG透镜悬浮在所述透明基板的第二表面上方。
7.如权利要求6所述的采用高对比度光栅的光电子设备，其中所述光电子层包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或光电二极管，所述VCSEL在朝向所述第二表面的方向上发射光，所发射的光由所述HCG透镜聚焦，所述光电二极管由来自所述第二表面的光照射并且检测所述光，所述光由所述HCG透镜聚焦到所述光电二极管上。
8.如权利要求6所述的采用高对比度光栅的光电子设备，其中所述HCG透镜将所述光聚焦到光纤内和/或将来自光纤的光聚焦到所述光电子层上以照射所述光电子层。
9.如权利要求6所述的采用高对比度光栅的光电子设备，其中所述间隔层包括位于所述HCG层与所述透明基板的第二表面之间的腔，所述光电子设备进一步包括晶片键合基板以将所述HCG层支撑在所述晶片键合的基板的表面上，所述HCG层在所述晶片键合基板与所述透明基板的第二表面之间。
10.如权利要求6所述的采用高对比度光栅的光电子设备，其中所述间隔层包括晶片键合支撑基板，所述HCG层位于所述晶片键合基板的、与所述晶片键合支撑基板的临近于所述透明基板的第二表面的表面相对的表面上。
11.一种基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法，所述方法包括：
提供光电子基板，所述光电子基板将光电子装置支撑在前表面上并且在所述光电子基板的所述前表面与后表面之间传输光；以及
形成高对比度光栅(HCG)透镜，所形成的HCG透镜临近于所述光电子基板的后表面并且通过间隔物与所述后表面间隔开以聚焦所传输的光，
其中所述间隔物位于所述光电子基板与所述HCG透镜之间，并且包括腔和/或晶片键合基板。
12.如权利要求11所述的基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法，其中形成所述HCG透镜包括：
将HCG层沉积到所述光电子基板的所述后表面上的间隔层上；
图案化所述HCG层；
刻蚀图案化的HCG层，以限定所述HCG透镜；以及
释放所述HCG透镜，以在所述光电子基板的后表面与所述HCG透镜之间的所述间隔层中形成所述腔。
13.如权利要求11所述的基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法，其中形成所述HCG透镜包括：
在支撑基板上沉积HCG层；
图案化所述HCG层；
刻蚀图案化的HCG层，以在所述支撑基板上限定所述HCG透镜；以及
将具有所限定的HCG透镜的所述支撑基板晶片键合到所述光电子基板的所述后表面。
14.如权利要求11所述的基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法，其中提供光电子基板包括：在所述光电子基板的所述前表面中形成所述光电子装置。
15.如权利要求11所述的基于高对比度光栅的光电子器件的制造方法，其中所述光电子装置包括背射式垂直腔表面发射激光器(BE-VCSEL)。
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