[發明專利]低散斑激光陣列及包含低散斑激光陣列的影像顯示器

有效

• 申請號: 201910563333.8
• 申請日: 2019-06-26
• 公開（公告）號: CN110646946B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 巴多拉帕斯·巴布·達亞爾
• 申請（專利權）人: 廈門市三安集成電路有限公司
• 主分類號: G02B27/48
• 分類號: G02B27/48;H01S5/183;H01S5/187;H01S5/343;H01S5/42
• 代理公司: 北京泰吉知識產權代理有限公司 11355
• 代理人: 史瞳;謝瓊慧

一種垂直共振腔面射型激光裝置，包含基板、第一摻雜型分布式布拉格反射件、第二摻雜型分布式布拉格反射件、第一電極、第二電極、活化層、限制件及表面浮凸層。第二電極為具有內徑范圍為8?17μm的環形p?接觸金屬。限制件的開口的開口直徑范圍為3.0?15μm。表面浮凸層的表面浮凸缺口的直徑范圍為1.0?6.0μm。垂直共振腔面射型激光裝置的臺面結構的底部臺面直徑范圍為16?48μm。底部臺面直徑是大于開口直徑，開口直徑是大于該第二電極的內徑，第二電極的內徑大于表面浮凸缺口的直徑。表面浮凸層的厚度是活化層產生的激光束的波長的n/4倍(n為正偶數)。借此使得包含上述激光裝置的影像顯示器產生減少的散斑及提升的信噪比。

技術領域

本發明涉及一種半導體激光裝置及包含該半導體激光裝置的光學激光陣列，特別是涉及一種低散斑半導體激光裝置及包含多個不規則排列的低散斑垂直共振腔面射型半導體激光裝置陣列的光學激光陣列。

背景技術

現有許多與垂直腔面射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser，簡稱VCSEL)裝置有關的應用，例如數據通信、吸收光譜術(absorption spectroscopy)、光學傳感器，特別是例如臉部辨識(facial recognition，簡稱FR)、手勢辨識(gesturerecognition，簡稱GR)等3D 感測。

鑒于過去，顯示器技術用于投射系統的數種光源(例如燈管、發光二極管及激光)，投射系統的效能主要依賴所使用的光源效能，高強度放電(high intensity discharge，簡稱HID)燈及超高壓(ultra high pressure，簡稱UHP)汞(Hg)燈的壽命短且在用于投射系統前需要預熱時間。由于缺少燈絲和災難性的損壞、亮度、快速切換時間及較長壽命(至20,000小時)，固態發光體，即顯示器用發光二極管，已替代傳統燈管。而且由于缺少窄發光角和高亮度及效能和壽命的限制，在高輸出投射系統上，尤其是在微型顯示器上，發光二極管已被激光替代。激光的極窄發散允許使用低成本和較小尺寸的投射鏡頭，且極高亮度 (LED的5×106倍)、較LED長的壽命(大于50,000小時)，促使激光主導了投射顯示器的市場需求。

然而，激光的使用主要過度受限于散斑(speckle)的存在。散斑顯現于至少部分相干光(coherent light)從光學粗糙的表面被散射時，以及在一體積中或傳播通過一具有準隨機(quasi-random)升降的折射率的材料而被散射時。如圖1所示，由于散射自隨機相位的相干激光干涉，結果是發生光的時間和空間高度相干性質，在影像平面(例如投射熒幕)延遲并顯著地劣化影像質量。例如圖2及圖3分別呈現具有散斑及不具有散斑的影像。

散斑是由準隨機的干涉圖樣的對比所定量，散斑圖樣的對比C為

C＝σ_I/I……………方程式1

其中，σ_I表示強度值的標準偏差，且I表示平均強度。對于全發展的散斑圖樣(以具有高斯分布的充分粗糙的表面產生)，C＝1；且對于以固定強度產生的被抑制的散斑，C＝0。C的倒數稱為信噪比 (signal-to-noise ratio，簡稱S/N或SNR)，是定義投射熒幕上影像質量的重要參數。因此，抑制散斑是顯示器技術上的重大挑戰。

所以，希望在實際應用上開發具有低散斑對比而因此提升信噪比及提升影像質量。由于VCSEL應用在3D感測(臉部及手勢辨識)的高需求，VCSEL可被用作為產生低散斑的理想光源。

過去已有從VCSEL陣列減少散斑的數種嘗試(圖4至圖7)。在本發明中，發明人公開了通過控制VCSEL外延結構及芯片(晶圓)工藝設計以本質地直接減少散斑的新方法，嘗試控制昂貴的輸出光學器件 (鏡頭、濾光鏡、投射系統等)以避免散斑。圖8呈現一種常規以頂部陽極及底部陰極配置的氧化限制型VCSEL裝置。