CN110770986A - 显示器的vcsel的新型图案化、感测和成像 - Google Patents

Abstract

本公开涉及新型且有利的VCSEL和VCSEL阵列。具体地说，本公开涉及具有或图案化成独特形状的新型且有利的VCSEL和VCSEL阵列，所述独特形状包含矩形形状、线性形状、具有两个或更多个分段的形状以及其它非圆形形状。另外，本公开的VCSEL和VCSEL阵列可以与光学元件组合。在一些实施例中，光学元件可以单片集成在VCSEL管芯上，或者可以单片集成在布置在所述VCSEL管芯上的支架基座上。

Description

显示器的VCSEL的新型图案化、感测和成像

相关申请的交叉引用

本公开要求于2017年4月5日提交的题为Novel Patterning of VCSELs forDisplays,Sensing,and Imaging(显示器的VCSEL的新型图案化、感测和成像)的临时申请第62/481,980号的优先权，所述临时申请通过全文引用的方式结合在此。

技术领域

本公开涉及垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和VCSEL阵列。具体地说，本公开涉及用独特形状图案化的VCSEL管芯。

背景技术

本文提供的背景描述是为了总体上呈现本公开的上下文。当前提及的发明人在本背景技术部分描述的范围内的工作以及在提交时可能未取得现有技术资格的描述的各方面既不明确地也不暗示地承认是相对于本公开的现有技术。

VCSEL和VCSEL阵列是在各种市场(包含但不限于消费性、工业、汽车和医疗产业)中应用的重要技术。实例应用包含但不限于安全相机的照明、传感器的照明，如三维(3D)相机或者手势识别系统、医学成像系统、光疗系统或医学感测系统，如需要深度穿透组织的那些系统。在这种光学感测和照明应用以及其它应用中，VCSEL和VCSEL阵列提供了多种好处，如将在本文中进一步详细描述的，包含但不限于功率效率、窄光谱宽度、窄光束发散和显著的封装灵活性。

实际上，对于VCSEL和VCSEL阵列，在660-1000nm范围内的波长下，可以实现大于30％的功率转换效率(PCE)。PCE可以定义为从如VCSEL或VCSEL阵列等一个或多个激光器发射的光学功率除以驱动所述一个或多个激光器的电功率之比。尽管仅VCSEL PCE与当前可用的某些最高效发光二极管(LED)相当，但考虑到光谱宽度和光束发散度，VCSEL相对于LED而言具有明显的效率优势。

例如，VCSEL阵列的光谱宽度通常为约1nm。这允许将过滤器用于光电探测器或相机，以减少与本底辐射相关联的噪声。作为对比，LED通常具有20-50nm的光谱线宽，从而导致大部分光被这种过滤器隔绝并且因此降低了LED的有效PCE。另外，VCSEL的波长对温度不太敏感，从而在温度每增加1摄氏度时仅增加约0.06nm。波长随温度的变化的VCSEL速率比LED中小四倍。

同样，例如，VCSEL的角光束发散度通常为10-30度半高全宽(FWHM)，而LED的输出光束为朗伯型(Lambertian)，从而充满整个半球。这意味着通常可以使用各种光学元件来收集VCSEL的全部光(即便不是全部)，各种光学元件例如用于准直或聚焦的光束轮廓的透镜、用于宽光束(40-90度或更高)轮廓的漫射器或用于生成光点或直线图案的衍射光学元件。由于LED的光束角较宽，因此可能难以收集所有或几乎所有光(从而导致有效PCE进一步降低)，并且也难以像VCSEL那样可能精确地引导光。

VCSEL的垂直发射性还使其具有比常规激光器更高的封装灵活性并且提供了使用LED或半导体集成电路(IC)可用的广泛范围的封装。除了将多个VCSEL集成在同一芯片上之外，如下文将进一步详细描述的，还可以用光电探测器或光学元件来封装VCSEL或VCSEL阵列。塑料或陶瓷表面安装封装或板上芯片选项同样可用于VCSEL。

VCSEL的几何形状传统上限制了单独的VCSEL可以提供的光学功率。为了说明这个问题，图1是典型VCSEL 100的横截面的图并且包含可以例如用于本文公开的VCSEL和VCSEL阵列实施例的一般结构元件和组件。一般而言，VCSEL的外延层通常可以形成在如GaAs衬底等衬底材料102上。在衬底102上，可以生长单晶四分之一波长厚的半导体层，以便在基于量子阱的有源区周围形成反射镜(例如，n型和p型分布的布拉格反射器(DBR))，从而在垂直方向上形成激光器腔。例如，在衬底102上，可以生长第一反射镜层104，如但不限于形成AlGaAs n-DBR的层，其中n表示n型掺杂。间隔物106(如但不限于波长在720nm以下的AlGaInP间隔物或波长在720nm以上的AlGaAs)可以形成在第一反射镜层104之上。然后，可以形成基于量子阱的有源区108，如但不限于波长小于720nm的AlGaInP/GaInP多量子阱(MQW)有源区，以及另一个间隔物层110，如但不限于AlGaInP间隔物。在所述间隔物层之上，可以生长第二反射镜层112，如但不限于形成AlGaAs p-DBR的层，其中p-表示p型掺杂，在所述第二反射镜层之上，可以形成电流扩散器/帽层114，如但不限于AlGaAs/GaAs电流扩散器/帽层。对于720nm以上的波长，间隔物层110可以是AlGaAs或GaAs。有源区可以由波长为720nm到820nm的AlGaAs/AlGaAs、或波长为800nm到870nm的AlGaAs/GaAs、或波长为870nm以上的AlGaAs/InGaAs组成。可以在帽层114之上形成接触金属层116，从而留下期望的直径通常以VCSEL的轴线为中心的孔118，所述孔通常为圆形。在一些实施例中，可以在孔118内形成介电帽120。如下文中将具体参考本公开的某些实施例更详细地解释的，台面122(通常为圆形)可以通过以下形成：向下蚀刻穿过VCSEL的外延结构露出较高的一个或多个含铝层124以供氧化。氧化过程在一个或多个氧化层中留下了大致圆形的导电孔126，所述孔通常与由接触金属层116限定的孔118对准，从而将电流限制在VCSEL 100的中间。

关于VCSEL结构和制造以及用于制备和使用VCSEL的另外的VCSEL实施例和方法的更具体的细节公开于例如以下中：美国专利第8,249,121号，标题为“Push-Pull ModulatedCoupled Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method(推挽调制耦合垂直腔表面发射激光器和方法)”；美国专利第8,494,018号，标题为“Direct Modulated ModifiedVertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method(直接调制改进型垂直腔表面发射激光器和方法)”；美国专利第8,660,161号，标题为“Push-Pull Modulated CoupledVertical-Cavity Surface-Emitting Lasers and Method(推挽调制耦合垂直腔表面发射激光器和方法)”；美国专利第8,989,230号，标题为“Method and Apparatus IncludingMovable-Mirror MEMS-Tuned Surface-Emitting Lasers(包括可移动反射镜MEMS调谐表面发射激光器的方法和设备)”；美国专利第9,088,134号，标题为“Method and ApparatusIncluding Improved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers(包括改进型垂直腔表面发射激光器的方法和设备)”；美国重新发行号RE41,738，标题为“Red Light Laser(红光激光器)”；美国公开号2015/0380901，标题为“Method and Apparatus IncludingImproved Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers(包括改进型垂直腔表面发射激光器的方法和装置)”；美国公开号2016/0352074，标题为“VCSELs and VCSEL ArraysDesigned for Improved Performance as Illumination Sources and Sensors(被设计成提高性能作为照明源和传感器的VCSEL和VCSEL阵列)”；以及国际公开号WO 2017/218467，标题为“Improved Self-Mix Module Utilizing Filters(利用过滤器的改进型自混合模块)”，上述文献中的每个文献的内容在此通过全文引用的方式并入本文中。不限于仅在前述专利或专利申请中的任何一个专利或专利申请中描述的VCSEL，适于本公开的各个实施例或者可根据本公开适当地修改的VCSEL包含前述专利或专利申请中公开的VCSEL(包含其中对现有技术VCSEL的任何讨论)以及在检查任何前述专利或专利申请期间引用的任何现有技术参考文献中公开的VCSEL。更一般地说，除非另外具体地或明确地描述，否则目前已知或稍后开发的任何VCSEL均可以适于本公开的各个实施例或者可根据本公开适当地修改。

为了有效地操作VCSEL，常常需要用于在横向方向上提供电流限制(通过所示的电绝缘氧化层实现)以迫使电流流过装置中心的方法。装置表面上的金属触点可以提供用于将电流注入VCSEL中的手段。如上所述，金属触点应具有开口或孔，以允许光离开VCSEL。电流可以跨这个孔有效扩散的距离是有限的，并且因此，激光器的横向范围是有限的，并且进而，可以从单个圆孔发射的最大功率是有限的。对于需要更多功率的应用，对此的一种解决方案是在芯片上产生VCSEL阵列。在这种方法中，可以通过缩放VCSEL装置或孔的数量来简单地缩放总输出功率。这些VCSEL通常布置成正方形、矩形或六边形网格，但是也可以采用其它不太规则的布置。图2展示了具有例如一百一十一(111)个VCSEL装置/孔202的VCSEL管芯或芯片200的实例布局。芯片200的顶表面上的共用金属层204(或类似的触点机构)可以同时接触每个VCSEL装置202的阳极，并且共用阴极触点(或类似的触点机构)可以形成在芯片的背面上，从而允许并行地驱动所有VCSEL装置。

阵列法不仅解决了发射更多光学功率的技术问题，而且提供了重要的优势。例如，常规的单个相干激光源会产生散斑，从而增加噪声。然而，散斑对比度可以通过使用相互不相干的激光器阵列来降低。

另一个优点或好处是提高了人眼安全性。扩展源通常比发射相同量功率的点源具有更高的人眼安全性。又另一个优点或好处是能够通过在更大的衬底区域上扩展发射面积来更好地管理散热。

对光学来源的要求通常取决于应用和所使用的感测机制。例如，夜视相机的照明可以涉及仅打开光源以在广角上形成恒定的均匀照明，所述照明被反射回相机。然而，另外的照明方案可以提供更多信息，包含但不限于三维(3D)信息。图3A-C展示了用于收集三维信息的实例感测机制—结构化照明、飞行时间和调制相移。如图3A所示，在结构化照明中，可以将图案(例如点、线、更复杂的图案等)302施加到光源304上，并且然后使用一个或多个相机306来检测光的结构的畸变以估计距离。如图3B概念性地展示的，在飞行时间法中，可以使用时间门控相机来测量光脉冲的往返飞行时间。如图3C以图形方式展示的，在调制相移的情况下，可以向发射的光施加幅度调制，并且可以记录发射光束与反射光束之间的相移并用于估计行进的距离。

通常，任何给定应用对光学光源的要求可以包含考虑以下中的一个或多个：

1.光学输出功率：需要足够的功率用于感兴趣区域的照明。这个功率的范围可以为数十毫瓦的光学功率(如用于通常几厘米的感测范围)到数百毫瓦(如用于通常一米或两米左右的游戏或感测)到十瓦(如用于防撞系统)和数千瓦的总功率(如用于自动驾驶汽车)。

2.功率效率：特别是对于移动消费性装置，高效率地将电功率转换为光学功率是理想的且有利的。

3.波长：对于许多应用，包含大多数消费性、安全性和汽车应用，可以优选的是，照明不对人眼造成干扰并且常常在红外区域中。另一方面，低成本的硅光电探测器或相机限制了光谱长端的波长。因此，对于这种应用，理想的范围通常可以在800-900nm左右或之间。然而，一些工业应用可能出于对准传感器的目的倾向于可见来源，而一些医疗应用可能依赖于组织或在可见状态下具有敏感性的材料的吸收光谱(主要在650-700nm左右)。

4.光谱宽度和稳定性：如阳光等本底辐射的存在会使传感器或相机的信噪比降级。这可以用检测器或相机上的光谱过滤器进行补偿，但是在不损失效率的情况下实施这一点常常需要光源具有窄而稳定的光谱。

5.调制速率或脉冲宽度：对于基于例如飞行时间或调制相移的传感器，光学来源可达到的脉冲宽度或调制速率可以确定三维空间分辨率。

6.光束发散度：可以指定各种各样的光束发散度，这取决于传感器瞄准的是特定光点或方向还是相对较大的区域。

7.封装：封装为光学来源提供电气和光学接口。这可以并入有助于控制光束轮廓的光学元件并且可以生成结构化照明图案。特别是对于移动装置或其它小型装置，理想的是，整体封装将会尽可能紧凑。相比于如TO顶盖(TO header)等通孔封装件，几乎总是优选与标准板组装技术兼容的表面安装封装件。

还有一些应用期望线性来源或图案。这样可以有利于常规边缘发射激光器或边缘发射激光器阵列，因为边缘发射激光器的光束形状是不对称的，在一个方向上的角度比另一个方向上更宽。然而，这种激光器的封装难以在表面安装封装件中实现。所述激光器还缺乏VCSEL的某些优点，包含光谱更稳定以及波长随温度的变化慢4倍。

鉴于前述内容，本领域中需要具有独特形状(包含但不限于线性形状)的VCSEL或VCSEL阵列。具体地说，本领域中需要在提供提高的将电功率转换为光学功率的效率、减小的光束发散度和相对紧凑的封装的同时具有独特形状的VCSEL或VCSEL阵列。

发明内容

以下呈现了对本公开的一个或多个实施例的简要概述，以提供对这种实施例的基本理解。本概述不是对所有设想到的实施例的广泛综述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或重要元素，也不旨在界定任何或所有实施例的范围。

在一个或多个实施例中，本公开涉及一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)装置，所述VCSEL装置的两个边限定长度并且两个边限定宽度，其中所述VCSEL的纵横比为至少12.5。在一些实施例中，所述纵横比可以为至少25或至少250。在一些实施例中，VCSEL的所述长度可以为至少0.2mm或至少1mm。VCSEL可以具有四个大体上圆形的角，每个角的曲率半径为所述VCSEL的所述宽度的约一半。在一些实施例中，每个角的所述曲率半径可以为至少1.5μm。在一些实施例中，所述VCSEL可以具有柱面透镜。在一些实施例中，所述柱面透镜可以单片集成在所述VCSEL上。在其它实施例中，所述柱面透镜可以单片集成在布置在所述透镜与所述VCSEL之间的支架基座上。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及一种在单个芯片上制造的VCSEL的阵列，每个VCSEL的两个边限定长度并且两个边限定宽度，其中所述VCSEL的纵横比为至少12.5。在一些实施例中，所述阵列中的所述VCSEL可以共享共用阴极和共用阳极。在其它实施例中，所述VCSEL可以共享共用阴极，并且两个或更多个VCSEL可以连接到单独的阳极触点，从而允许独立地调制所述两个或更多个VCSEL。在一些实施例中，每个VCSEL可以具有其自己的阴极和阳极触点，阳极阴极触点是通过从顶表面向下蚀刻到VCSEL二极管的n侧并制作与蚀刻的底表面接触的金属触点来形成的。在一些实施例中，所述VCSEL可以被分成组，每组具有共用阴极触点。此外，所述VCSEL阵列可以具有圆柱透镜阵列，每个VCSEL具有一个透镜，以聚焦从所述VCSEL发射的光。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及一种图案化VCSEL，所述图案化VCSEL具有包括至少两个分段的非圆形形状。在一些实施例中，每个分段的尺寸可以不超过25μm。此外，每个VCSEL可以具有曲率半径为至少1.5μm的至少一个圆角。

在一个或多个实施例中，本公开另外涉及一种图案化VCSEL的阵列，其中所述阵列中的至少一个VCSEL具有包括至少两个分段的非圆形形状。在一些实施例中，所述VCSEL形状可以跨所述阵列在形状、大小和/或朝向上变化。在一些实施例中，所述阵列可以包含宏观准直透镜，所述宏观准直透镜用于投影图案以形成显示。在其它实施例中，所述阵列可以具有光学元件，如透镜、衍射光学元件和/或光栅。

虽然公开了多个实施例，但是根据以下详细描述，本公开的又其它实施例对于本领域技术人员而言将变得显而易见，所述详细描述示出并描述了本发明的说明性实施例。如将认识到的，本公开的各个实施例能够在各个明显的方面进行修改，所有这些修改均不脱离本公开的精神和范围。因此，附图和详细描述应被视为本质上是说明性的而非限制性的。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并明确要求保护被视为形成本公开的各个实施例的主题的权利要求书作为结尾，但是应当相信，根据结合附图进行的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：

图1是常规VCSEL的横截面的示意图。

图2是具有例如111个VCSEL孔的VCSEL阵列芯片的示意性布局的实例。

图3A是展示结构化照明感测机构的图。

图3B是展示飞行时间感测机制的图。

图3C是展示调制相移感测机制的图。

图4是根据一个或多个实施例的线性VCSEL的阵列的示意图，所述阵列被分成两个分段，每个分段具有4个矩形VCSEL。

图5是根据其它实施例的线性VCSEL的阵列的示意图，所述阵列被分成两个分段，每个分段具有4个矩形VCSEL。

图6A是根据一个或多个实施例的VCSEL条带阵列的示意图，其中每个条带具有其自己的键合焊盘以用于独立地控制每个条带。

图6B是根据一个或多个实施例的VCSEL条带的阵列的图像，其中每个条带具有其自己的键合焊盘以用于独立地控制每个条带。

图7A是圆形VCSEL的阵列的图像。

图7A是根据一个或多个实施例的线性条带VCSEL的图像。

图8是示出圆形VCSEL的阵列和条带VCSEL的阵列的光学输出功率和电压对电流的绘图，从而指示了在激光器中看到的阈值特性。

图9示出了根据一个或多个实施例的在平行于条带的短边的方向上(顶图)和平行于条带的长边的方向上(底图)条带VCSEL的远场光束形状的绘图。

图10A是根据一个或多个实施例的具有尖角的矩形VCSEL的示意图。

图10B是根据一个或多个实施例的图10A所示的VCSEL的输出功率和电压对电流的绘图。

图11A是根据一个或多个实施例的具有圆角的条带VCSEL的替代性布局的示意图。

图11B是根据一个或多个实施例的图11A所示的VCSEL的输出功率和电压对电流的绘图。

图12是根据一个或多个实施例的较宽条带VCSEL的示意图，其中角是圆形的，但是条带的短边还包含线性分段。

图13是具有不同长度和VCSEL密度的本公开的四个条带VCSEL阵列的功率转换效率对条带宽度的绘图。

图14A是根据一个或多个实施例的具有模拟8分段LED显示器的多个VCSEL矩形分段的图案化VCSEL的示意图。

图14B是根据一个或多个实施例的由圆形形状和矩形形状组成的图案化VCSEL的示意图。

图15A是示出多模式圆形VCSEL孔的远场光束形状(强度对角度)的绘图。

图15B是示出根据一个或多个实施例的条带VCSEL的短方向的远场光束形状(强度对角度)的绘图。

图15C是示出根据一个或多个实施例的图案化VCSEL的远场形状(强度对角度)的绘图。

图16A是根据一个或多个实施例的图案化以拼出单词“Vixar”的VCSEL的示意图。

图16B是根据一个或多个实施例的拼出单词“Vixar”的激活的图案化VCSEL的图像。

图17是根据一个或多个实施例的包含各种VCSEL形状和朝向的VCSEL管芯布局的示意性实例。

图18是展示根据一个或多个实施例的可以直接在VCSEL管芯上形成透镜的方式的图像。

图19是展示根据一个或多个实施例的直接在VCSEL管芯上在支架基座上形成透镜的图像。

具体实施方式

本公开涉及新型且有利的VCSEL和VCSEL阵列。具体地说，本公开涉及具有或图案化成独特形状的新型且有利的VCSEL和VCSEL阵列，所述独特形状包含矩形形状、线性形状、具有两个或更多个分段的形状以及其它非圆形形状。另外，本公开的VCSEL和VCSEL阵列可以与光学元件组合。在一些实施例中，光学元件可以单片集成在VCSEL管芯上，或者可以单片集成在布置在VCSEL管芯上的支架基座上。

在一些实施例中，本公开的VCSEL可以具有总体上矩形的形状或线性形状。即，VCSEL可以具有两个平行边为第一长度并且两个平行边为第二长度的孔形状，其中第一长度比第二长度短。另外，这种VCSEL可以具有由四个边限定的四个角。这种孔形状在本文中可以称为矩形、线性或条带VCSEL。已经报道了VCSEL的一些简单扩展，如为实现更高的功率而设计的单个矩形VCSEL，如Gronenborn等人，(应用物理学B(Applied Physics B)(2011)105:783-792)中，所述文献的内容在此通过全文引用的方式并入本文。对于相同的发射面积，与相同大小的圆形VCSEL相比，发现矩形VCSEL具有提高的效率和低电压。

图4展示了具有多个矩形VCSEL孔402的VCSEL管芯400的一个实施例。在一些实施例中，每个孔402的长度(即，长边长度)可以为约175μm。在其它实施例中，每个孔的长度可以更长或更短。在一些实施例中，VCSEL孔402的长度可以超过0.1mm或超过0.2mm。在一些实施例中，VCSEL孔402的宽度(即，短边长度)可以为约14μm。在其它实施例中，每个孔402的宽度可以更宽或更窄。在一些实施例中，本公开的VCSEL或VCSEL孔的纵横比可以为至少或大于12.5、至少或大于25或者至少或大于250。VCSEL管芯400可以配置有任何适合数量的矩形或线性VCSEL孔402。例如，如图4所示，管芯400可以有八个孔402。在一些实施例中，孔可以进行分组，其中共享阴极金属404连接各组。例如，如图4所示，八个孔402可以分为两组，每组4个，每组具有阴极金属404。在其它实施例中，管芯400可以具有不同的分组或布置。

如图4所示的那些VCSEL等具有矩形或线性形状的VCSEL可以通过蚀刻矩形台面而不是更常规的圆形台面来制造。电流限制区可以通过将晶片置于蒸汽气氛中、将铝含量高的AlGaAs层转换成氧化铝来形成。氧化前沿距边缘的距离可以基于晶片在氧化气氛中的时间，所述距离确定了氧化物中允许电流流动的开口。通常，氧化前沿可以设计成与顶部金属孔大致一致，所述顶部金属孔可以在过程中稍后沉积。在一些实施例中，金属孔的大小可以设定为氧化物孔的尺寸在+/-2μm的范围内，但是在其它实施例中，所述尺寸可以更大或更小。

图5展示了具有布置在金属触点区域504上的多个矩形或线性VCSEL孔502的另一个VCSEL管芯500。图5展示了制造矩形VCSEL形状的替代方式。在这种情况下，代替一直在预期VCSEL区域周围蚀刻台面，可以将比氧化层延伸得更深的多个沟槽506蚀刻到VCSEL外延结构中。在一些实施例中，这些沟槽彼此不相连。然而，当结构置于氧化气氛中时，氧化可以在所有方向上从每个沟槽向外进行。沟槽的氧化前沿最终可以会合形成包围预期的VCSEL孔区域的连续氧化物层。这种方法可以为结构提供一些另外的热优点。

图6A和6B分别展示了具有线性VCSEL 602的阵列的VCSEL管芯600的示意图和图像。每个VCSEL 602可以具有任何适合的长度和宽度。在一些实施例中，每个VCSEL 602各自的长度可以为约1.3mm并且宽度为约4μm。然而，在其它实施例中，VCSEL 602的长度可以更长或更短并且宽度可以更宽或更窄。在一些实施例中，每个VCSEL 602可以连接到管芯600上的探针垫604，使得每个VCSEL 602可以独立于其它VCSEL而被驱动。替代地，在其它实施例中，两个或更多个VCSEL 602可以通过包围或连接每个组或分段的金属层进行分组或分段，使得与金属接触的电触点可以同时向一个组或分段的VCSEL供电。在一些实施例中，所有VCSEL可以使用同一金属层和电触点一起驱动。

矩形、线性或条带VCSEL相比于布置成一条线的多个常规形状的圆形VCSEL可以提供优势。图7A示出了呈线性图案的一行这种常规圆形VCSEL 702，而图7B示出了长度与所述一行圆形VCSEL类似的线性或条带VCSEL 704。为了用常规圆形VCSEL产生光线，通常需要光学元件来使光沿直线方向扩散。相比之下，条带VCSEL可以提供产生光线的更简单且更有效的手段。此外，如图7A所示，当多个圆形VCSEL布置成一条线时，每个发射孔周围可以有间距，所述间距在很大程度上由制造工艺确定。可能需要为台面蚀刻留出空间以供进入要氧化的层、以及氧化距离。相比之下，对于线性VCSEL，如图7B所示的VCSEL，可以提供实线光。因此，对于线性VCSEL，可以提供VCSEL的较高密度的有源区域。这样的优点在于，如例如图4、图5和图6中所示，通过形成长的相对较细的线的阵列，可以减小实现特定输出功率所需的芯片面积。

另外，本公开的矩形、线性或条带VCSEL可以提供与激光相关联的其它优点，如提高的将电功率转换成光学功率的效率、减小的光束发散度和相对较窄的光谱。图8展示了条带VCSEL 802和一系列常规圆形VCSEL 804两者的光学输出功率对输入电流和电压对输入电流的曲线图。这个曲线图中表示的条带VCSEL 802的长度为约1.3mm并且宽度为约4μm。曲线图中表示的所述一系列常规圆形VCSEL 804的长度为约1.3mm并且宽度为约50μm。条带VCSEL的有效面积可以是所述一系列圆形VCSEL的有效面积的两倍。如图8所示，这两种装置均具有阈值电流，在所述阈值电流下，装置开始发出激光，并且输出功率在电流增加时急剧增大。如图8的曲线图所示，所述一系列圆形VCSEL 804的阈值电流可以为约60mA，而线性VCSEL 802的阈值电流可以为约120mA。这与线性VCSEL覆盖了所述一系列圆形VCSEL的面积的两倍相一致。还可以看到，条带VCSEL的电阻远远低于所述一行圆形VCSEL的电阻，这可能主要是由于发射面积较大。尽管功率和电压的量值不同，但是对比清楚地表明，条带VCSEL以与所述一系列圆形VCSEL类似的方式发出激光，并且在与条带VCSEL相同的总空间中，可以实现更高密度的激光发出区域。

图9展示了根据一些实施例的条带VCSEL的光束发散特性。图9示出了相对于X轴和Y轴朝向的条带VCSEL 902。如所示，在这个特定实例中，条带VCSEL 902的宽度(或较短尺寸)与x轴对准，并且VCSEL的长度(或较长尺寸)与y轴对准。两个曲线图展示了根据所示朝向平行于x方向和平行于y方向的VCSEL 902的强度对角度。在这个实例中，VCSEL 902的宽度为约4μm并且长度为约1.3mm。然而，条带VCSEL可以具有任何其它适合的尺寸。如这两个曲线图所示，光束在这两个方向上均相对较窄(＜20度半高全宽)，这表明发出的光是激光器的受激发射。还示出了在x方向与y方向之间光束形状的差异。在x方向上测量的光束是高斯型或几乎高斯型，而在y方向上的光束则更宽并且具有两个波瓣，这可以指示多模式特性。线性装置在x方向上的尺寸足够小，以将发射限制于单个模式，而y方向上的长尺寸将会支持多种模式。

在一些实施例中，本公开的矩形、线性或条带VCSEL的内角可以为90度或大体上90度。如例如图10A的VCSEL 1002所示，矩形形状的两个短边和两个长边可以形成四个角，每个角具有内角。矩形的四个内角中的每个内角的角度可以为90度或约90度。在一些实施例中，具有方角或90度角的矩形VCSEL可以产生软导通效果并且可以表现出角更早导通，从而指示角中具有更高的电流密度。图10B示出了输出功率和电压作为穿过图10A的VCSEL 1002的电流的函数的绘图。可以看到阈值下功率对电流的软导通，在这个实例中，所述阈值在约50mA与约100mA之间。

在其它实施例中，本公开的矩形、线性或条带VCSEL可以具有包含有限曲率半径的一个或多个内角。例如，图11示出了具有由矩形形状的两个短边和两个长边形成的四个内角的矩形VCSEL 1102。在一个实施例中，矩形的这四个内角中的每个内角的曲率半径可以是VCSEL的宽度的约一半。例如，在VCSEL的宽度为约4μm并且长度超过4μm的情况下，每个内角的曲率半径可以为约2μm。作为另一个实例，在VCSEL的宽度为约14μm的情况下，每个内角的曲率半径可以为约7μm。然而，在其它实施例中，VCSEL的不同角可以具有不同的曲率半径。例如，图12展示了具有圆角以帮助实现VCSEL的相对可靠的操作和相对均匀的导通的另一个矩形VCSEL 1200。VCSEL 1200可以具有由第一长度的两个平行边和比第一长度短的第二长度的两个平行边形成的总体上矩形的形状。VCSEL的每个角1202可以具有包含曲率半径的总体上圆形的形状。这四个角1202可以全部具有相同的曲率半径，或者可以具有不同的曲率半径。在一些实施例中，一个或多个角1202的曲率半径可以为约1.5微米或超过1.5微米。在其它实施例中，一个或多个角1202的曲率半径可以小于1.5微米。图11B示出了输出功率和电压作为穿过图11A的VCSEL 1102的电流的函数的绘图。如所示，VCSEL 1102可以在约20mA的阈值电流下具有快速导通的功率。

在一些实施例中，可以至少部分地基于期望的效率和/或输出功率来确定线性、矩形、条带VCSEL的宽度或具有不同形状的VCSEL的分段宽度。通常，VCSEL阵列的效率可以是外延设计、掩模布局、发射面积的密度和/或其它因素的函数。因此，线性VCSEL的宽度可以是重要特征。图13示出了一些线性VCSEL阵列管芯的功率转换效率作为VCSEL在短方向上的宽度的函数的绘图。绘图中包含四种不同的设计，标记为A、B、C和D。这四种设计中的每一种具有不同长度(在较长方向上)和不同VCSEL密度的VCSEL。然而，所有四种设计示出了相同的趋势，即，在宽度变窄时，VCSEL变得更加高效。然而，应当了解，这个参数可以与如从芯片发射的总功率等其它目标进行权衡。在一些实施例中，线性VCSEL的宽度或不同形状的VCSEL的分段的宽度可以小于25μm。在一些实施例中，可以优选小于12μm的VCSEL宽度。然而，在其它实施例中，线性VCSEL的宽度或不同形状的VCSEL的分段的宽度可以小于12μm、小于10μm或小于6μm。

线性、矩形或条带VCSEL通常可以布置成任何图案。如关于图4、图5和图6所示出和描述的，阵列可以具有布置成平行线的多个线性VCSEL。另外或替代地，在一些实施例中，线性、矩形或条带VCSEL可以布置成其它设计或图案。例如，图14A展示了具有布置成八字形图案的线性VCSEL 1404的VCSEL阵列1402。作为特定实例，七个线性VCSEL 1404可以布置成八字形形状，并且21个VCSEL可以提供三个八字形形状。每个VCSEL 1404可以具有其自己的接合焊盘1405，使得可以独立地驱动每个分段。每个八字形形状的可独立寻址的分段可以用于显示例如在0-9之间的数字。还设想了可以布置成其它适合的图案以实现期望的显示和/或期望的照明图案的线性、矩形或条带VCSEL。图14B展示了具有以下的阵列1406的实施例：第一长度的线性VCSEL 1408、垂直于第一长度的VCSEL 1408布置的第二长度的线性VCSEL1410、以及一起布置成期望的图案的圆形VCSEL 1412。其它阵列可以包含布置成任何适合的图案或构型的具有不同大小的线性和/或圆形VCSEL。

在一些实施例中，组合了线性VCSEL和圆形VCSEL的管芯布局，如图14B所示的实例阵列1406，可以提供对光束轮廓的改进的控制。例如，图15A展示了相对较大的圆形且多模式VCSEL的光束轮廓。这个绘图绘制了光束强度对光束角度，其中0度为垂直于VCSEL管芯的平面的方向。对于多模式装置，图案趋向于径向对称，其中在0度方向上的强度略低并且强度峰值与法线成约10度的角度。图15B展示了当短方向为约4μm时跨线性VCSEL在短方向上测得的光束发散度的先前在图9中示出的光束发散度。图15C表明了可能由图14B的组合线性和圆形VCSEL设计造成的组合光束发散度，所述组合光束发散度可以看起来像光束具有相对或几乎恒定的强度对斜至特定角度的角度，并且然后可以在相对较高的角度下降到接近零。所述光束有时称为“平顶”光束。这可能是由呈圆环形状的圆形VCSEL造成的，而布置成垂直方向或不同布置的线性VCSEL可以提供高斯形状，所述高斯形状通常在0度方向上的强度下进行填充。图案可以被设计成产生这个或其它光束发散图案。

除了矩形、线性或条带VCSEL之外，在一些实施例中，本公开的VCSEL还可以具有其它非圆形形状。例如，VCSEL可以被配置成具有任何适合数量的边和角以及一个或多个弧线、角度或弯曲。在一些实施例中，本公开的VCSEL可以具有两个或更多个分段，所述两个或更多个分段可以在一个或多个角、角度或弯曲处连接在一起。图16A示出了VCSEL的图案的一个实施例，其中每个VCSEL设置成字母的形状以拼写单词VIXAR。例如，两个分段1602以一定角度连接的VCSEL可以形成字母“V”。矩形VCSEL 1604和圆形VCSEL 1606可以彼此相邻地布置以形成字母“i”。具有中心线性分段1608和从中心分段的每个端部延伸的两个弧形分段1610的VCSEL可以形成字母“X”。具有线性部分1612和弧形部分1614的VCSEL可以形成字母“a”，并且具有矩形分段1616和从所述矩形分段延伸的弧形分段1618的VCSEL可以形成字母“r”。图16B示出了由具有图16A的VCSEL布置的芯片产生的投影的图像。应当了解，可以用具有不同长度、曲率半径或其它性质的线性或弯曲VCSEL由VCSEL分段形成任何期望的形状。

具有一个或多个分段的具有非圆形形状的VCSEL，如图16A所示的那些VCSEL，可以通过蚀刻适当形状的台面而非更常规的圆形台面来制造。电流限制区可以通过将晶片置于蒸汽气氛中、将铝含量高的AlGaAs层转换成氧化铝来形成。如上文关于矩形VCSEL所描述的，氧化前沿距边缘的距离可以基于晶片在氧化气氛中的时间，所述距离确定了氧化物中允许电流流动的开口。此外，在一些实施例中，非圆形VCSEL可以通过将比氧化层延伸得更深的多个沟槽蚀刻到VCSEL外延结构中来形成，如例如参考图5所示出和描述的。沟槽的氧化前沿最终可以会合以形成包围具有期望的非圆形形状的预期的VCSEL孔区域的连续氧化物层。在一些实施例中，图案化或非圆形VCSEL的一个或多个分段的至少一个尺寸(如长度或宽度)可以位25μm或更小。

一些传统的照明源将光源与幻灯片投影机或者透明片与例如固定的光点图案组合。例如，Chen等人的美国专利7,164,789描述了被其称为“字形地毯(glyph carpet)”的用途，所述字形地毯投影到三维对象上并且然后记录投影到图像检测装置上的字形地毯的图像。在这个专利中，发明人期望使用幻灯片投影机来生成“字形地毯”图案，即光学来源照亮单独的幻灯片，或者使用数字投影机(意指由被操纵以反射光从而产生图案的微镜阵列组成的投影机)。在幻灯片投影机的情况下，投影的能效较低，因为幻灯片被均匀地照亮，但是仅允许一部分光通过，而其余的光则浪费掉。在使用数字投影机的情况下，除了光源之外，还需要相对昂贵的装置(微镜阵列)来产生图案。专利出版物WO 2008120217 A2也描述了照明组合件的用途，所述照明组合件包括：单个透明片，所述单个透明片含有固定的光点图案；以及光源，所述光源被配置成用光学辐射透照单个透明片以将图案投影到对象上；图像捕获组合件，所述图像捕获组合件被配置成使用单个透明片捕获投影到对象上的图案的图像；以及处理器，所述处理器被耦合以处理由图像捕获组合件捕获的图像从而重建对象的三维(3D)图。

与这种传统的照明源相比，在使本公开中提出的光图案化的情况下，光源和透明片上图案可以有效地组合到同一半导体芯片中。相比于与幻灯片组合的光源，电流可以被设计成发射光图案的区域消耗掉，但是通常不被黑暗区域消耗或丢弃。与上述传统幻灯投影机和透明片方法相比，本公开的VCSEL方法的优点包含但不限于：a)通过仅产生期望图案的光来提高效率；b)去除了额外的组件，如幻灯片或数字微镜阵列；c)由于去除了额外的组件，照明源更为紧凑；以及d)由于额外组件的大小和照度较小，成本较低。

通过在VCSEL芯片上设计具有特定间距或密度的光点阵列，VCSEL阵列可以用于3D成像。美国公开号2016/0025993描述了通过使来自圆形VCSEL阵列的光点图案的投影重叠来进行3D成像或3D映射的方法。相对于圆形VCSEL，本公开的矩形和其它非圆形VCSEL形状可以用于投影独特的图案以收集信息进行3D映射。以此方式，具有非圆形VCSEL的本公开的VCSEL管芯可以用于投影用于映射3D对象或场景的独特形状的光点。例如，本公开的图17展示了VCSEL管芯的图案化布置，所述VCSEL管芯具有在多个朝向上并入单个VCSEL管芯中的几种不同的形状。各种VCSEL形状和朝向的这种图案化可以用来提供比圆形光点的图案化所提供的更丰富的关于3D对象或场景的信息集。在一些实施例中，VCSEL阵列可以具有形状、大小或朝向的任何适合的组合。在一些实施例中，可以用规则或伪随机图案跨管芯重复同一形状或一系列形状。在一些实施例中，这种阵列可以与如宏观准直透镜或其它透镜等光学元件组合，以将图案投影到远场形成显示。

本公开的VCSEL或VCSEL阵列可以与光学元件组合，光学元件如透镜、衍射光学元件(DOE)、光栅或其它元件。例如，在一些实施例中，可以将透镜直接集成在VCSEL管芯上以减小或扩大VCSEL的光束发散度。在一些实施例中，透镜可以单片集成在VCSEL上。图18展示了这种透镜1802可以与圆形VCSEL 1804集成的方式一个实例。然而，这种透镜可以对非圆形的VCSEL有相同或类似的部分准直或扩大效果。可以通过在VCSEL管芯上沉积和图案化聚合物材料来制造透镜1802。在将聚合物材料图案化几个循环之后，可以使用回流工艺来形成透镜形状。在一些实施例中，可以使用回流的光刻胶来转移弯曲的透镜形状。图18中的图像还展示了如何制造具有共面触点的装置的一个实例，如通过将深沟槽1806蚀刻到二极管的n型掺杂侧并制作与沟槽底部接触的金属触点。

虽然关于圆形VCSEL示出在图18中，但是这种柱面透镜还可以通过与条带VCSEL或其它形状的VCSEL相同或类似的工艺来形成。例如，可以在聚合物材料中图案化与线性VCSEL的条带孔重叠的线。可以使用如上述那些回流工艺等回流工艺将聚合物材料转化为柱面透镜。

在一些实施例中，在透镜直接沉积在VCSEL管芯上的情况下，透镜与VCSEL的发光层的紧密度可以限制其作为准直透镜或聚焦透镜的有效性并且可以减小VCSEL的光束发散度。然而，根据一些实施例，可以通过在芯片上设置间隔物来制造透镜。一种可以例如用于供装置在大于约900nm的波长下发射的方法是产生底部发射VCSEL并将透镜置于晶片的衬底侧。在一些实施例中，这种方法可以在更长的波长下使用。替代地，可以在晶片的顶表面上构建间隔物。图19展示了根据一个实施例的这种间隔物的实例。在一些实施例中，厚度为约50-100μm或任何其它适合厚度的光刻胶可以形成在具有VCSEL孔1906的VCSEL管芯1900上并且图案化以形成基座1902。在一些实施例中，可以将聚合物材料喷墨印刷在基座1902的顶部上，并且表面张力可以使聚合物材料形成透镜形状1904。这个过程可以产生可以提供提高的准直的透镜。在其它实施例中，可以使用用于在晶片上或在晶片上的基座上形成透镜的其它手段。

虽然关于圆形VCSEL示出在图19中，但是这种柱面透镜和基座还可以通过与条带VCSEL或其它形状的VCSEL相同或类似的工艺来形成。例如，在一些实施例中，可以将透明介电材料沉积在VCSEL表面上并且蚀刻成遵循VCSEL形状的形状的图案。在一些实施例中，可以通过蚀刻将聚合物材料图案化来产生支架基座，并且可以通过在基座之上沉积第二较低熔化温度介电材料并回流以形成柱面透镜来产生透镜。在其它实施例中，可以使用其它方法来形成支架基座和/或透镜。

在一些实施例中，本公开的图案化激光源可以与透镜组合以准直或聚焦光。图案化激光源还可以与衍射光学元件(DOE)组合，所述衍射光学元件可以将图案投影成多个重复物以填充更大的视野，或者通过交织阵列的复制品来产生更密集的阵列。还可以设想分段VCSEL芯片在芯片上具有多个图案，或者多个VCSEL芯片在安装在同一底座或同一封装件上的每个芯片上具有不同的图案。在一些实施例中，可以独立地导通不同的图案，如以便填充更大的视野或者及时改变图案，例如通过按顺序激活不同的分段或芯片。分段可以另外或替代地与透镜、光栅或DOE组合，以将每个分段的VCSEL图案引导到视野的不同部分，如以便填充更大的视野或者例如通过仅照亮视野的当前感兴趣部分来减少能量消耗。

如本文所使用的术语“基本上”或“通常”是指动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全的范围或程度。例如，“基本上”或“通常”封闭的对象将会意味着对象被完全封闭或几乎完全封闭。在某些情况下，与绝对完全性的偏差的精确允许程度可以取决于具体的上下文。然而，一般而言，完成的接近度将是具有如获得了绝对且全部完成那样总体上相同的总体结果。当以否定含义使用以指代动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全缺失时，“基本上”或“通常”的使用同样适用。例如，“基本上不含”或“通常不含”元素的元素、组合、实施例或组成实际上仍然可以包含这种元素，只要所述元素总体上无显著效果即可。

在前述描述中，出于说明和描述的目的，已经给出了本公开的各个实施例。所述实施例不旨在是详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于以上教导，明显的修改或变化是可能的。选择并描述了不同实施例，以便提供对本公开的原理和其实际应用的最佳说明并且使本领域普通技术人员能够利用如适于所构想的特定用途的具有各种修改的各个实施例。所有这种修改和变化均在如由所附权利要求书在根据其公平、合法且平等有权取得的广度解释时确定的本公开的范围内。

Claims (23)

1.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)装置，其两个边限定长度并且两个边限定宽度，其中所述VCSEL的纵横比为至少12.5。

2.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述纵横比为至少25。

3.根据权利要求2所述的VCSEL，其中所述纵横比为至少250。

4.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述长度为至少0.2mm。

5.根据权利要求5所述的VCSEL，其中所述长度为至少1mm。

6.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL包括四个大体上圆形的角，每个角的曲率半径为所述VCSEL的所述宽度的约一半。

7.根据权利要求6所述的VCSEL，其中每个角的曲率半径为至少1.5μm。

8.根据权利要求1所述的VCSEL，其进一步包括柱面透镜。

9.根据权利要求8所述的VCSEL，其中所述柱面透镜单片集成在所述VCSEL上。

10.根据权利要求8所述的VCSEL，其中所述柱面透镜单片集成在布置在所述透镜与所述VCSEL之间的支架基座上。

11.一种在单个芯片上制造的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列，每个VCSEL的两个边限定长度并且两个边限定宽度，其中所述VCSEL的纵横比为至少12.5。

12.根据权利要求11所述的阵列，其中所述VCSEL共享共用阳极和共用阴极。

13.根据权利要求11所述的阵列，其中所述VCSEL共享共用阴极，并且其中至少两个VCSEL连接到单独的阳极触点，从而允许独立地调制所述至少两个VCSEL。

14.根据权利要求11所述的阵列，其中每个VCSEL具有其自己的阴极和阳极触点，阳极阴极触点是通过从顶表面向下蚀刻到VCSEL二极管的n侧并制作与所述蚀刻的底表面接触的金属触点来形成的。

15.根据权利要求11所述的阵列，其中所述VCSEL被分成组，每组具有共用阴极触点。

16.根据权利要求11所述的阵列，其进一步包括柱面透镜阵列，每个VCSEL具有一个透镜，以聚焦从线性VCSEL发射的光。

17.一种图案化垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其具有包括至少两个分段的非圆形形状。

18.根据权利要求17所述的图案化VCSEL，其中每个分段的尺寸不超过25μm。

19.根据权利要求17所述的图案化VCSEL，其中所述VCSEL的所述形状具有曲率半径为至少1.5μm的至少一个圆角。

20.一种图案化垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的阵列，至少一个VCSEL具有包括至少两个分段的非圆形形状。

21.根据权利要求20所述的阵列，其中多个所述VCSEL的所述形状跨所述阵列在形状、大小和朝向中的至少一个上变化。

22.根据权利要求20所述的阵列，其进一步包括宏观准直透镜，所述宏观准直透镜用于投影图案以形成显示。

23.根据权利要求20所述的阵列，其进一步包括光学元件，其中所述光学元件包括透镜、衍射光学元件和光栅中的至少一个。

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