CN107370021A - 表面发射激光器装置 - Google Patents

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Abstract

表面发射激光器装置。提供了包括多个表面发射激光器元件并且能够显著减少光的串扰和暗线的形成的表面发射激光器装置。该表面发射激光器装置包括：安装基板；表面发射激光器阵列，所述表面发射激光器阵列包括在所述安装基板上并排布置的多个表面发射激光器元件；多个光吸收层，所述多个光吸收层分别形成在所述多个表面发射激光器元件上，并且各包括开口；以及多个波长转换板，所述多个波长转换板分别形成在所述多个光吸收层上，并且各包括荧光板和覆盖所述荧光板的侧面的光反射膜。

Description

表面发射激光器装置
技术领域
本发明涉及包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的表面发射激光器装置。
背景技术
垂直腔表面发射激光器(下文中被简称为表面发射激光器)是具有用于导致光垂直于基板表面共振并且导致光在与基板表面垂直的方向上出射的结构的半导体激光器。在本领域中已知包括布置成阵列的多个半导体发光元件(诸如，表面发射激光器)的发光器件。例如，专利文献1(日本特开第2009-134965号)公开了一种照明装置，该照明装置包括：多个发光元件，其安装在基板上；框架，其设置有贯通孔(through hole)；以及荧光滤光板，其布置在贯通孔中。
发明内容
在并排布置多个发光元件的发光装置中，例如，期望考虑到单独地驱动多个发光元件，使光的串扰(即，从所述元件中的一个元件发射、在所述元件中的另一个元件(例如，正关闭的元件)的光学路径上行进的光)尽可能地减少。另一方面，当驱动元件时，期望与彼此相邻的元件之间的非发光区域对应的暗线的形成尽可能地减少。
当表面发射激光器是能够以节省空间的方式形成阵列的高功率发光元件时，在阵列化表面发射激光器装置中还更好地促进了上述串扰和暗线的减少。此外，表面发射激光器装置的热产生量大于例如发光二极管(LED)的热产生量。因此，期望表面发射激光器装置具有高散热性能。
本发明鉴于上述问题而作出。本发明的目的是提供一种包括多个表面发射激光器元件并且能够显著减少光串扰和暗线形成的表面发射激光器装置。本发明的另一个目的是提供包括多个表面发射激光器元件并且具有高散热性能的表面发射激光器装置。
根据本发明的表面发射激光器装置包括：安装基板；表面发射激光器阵列，其包括在所述安装基板上并排布置的多个表面发射激光器元件；多个光吸收层，其分别形成在所述多个表面发射激光器元件上，并且各包括开口；以及多个波长转换板，其分别形成在所述多个光吸收层上，并且各包括荧光板和覆盖所述荧光板的侧面的光反射膜。
附图说明
图1的(a)是示意性地例示根据第一实施方式的表面发射激光器装置的透视图，图1的(b)是根据第一实施方式的表面发射激光器装置的截面图；
图2的(a)是例示根据第一实施方式的表面发射激光器装置中的发光区段(light-emitting segment)的截面图；图2的(b)是示意性地示出发光区段中的光的路径的图；以及
图3是例示根据第二实施方式的表面发射激光器装置的截面图。
具体实施方式
现在，下面将详细描述本发明的实施方式。
[第一实施方式]
图1的(a)是示意性地例示根据第一实施方式的表面发射激光器装置(下文中被简称为激光器装置)10的透视图。表面发射激光器装置10具有表面发射激光器阵列(下文中被简称为激光器阵列)12，所述表面发射激光器阵列12包括在安装基板11上并排布置的多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)元件(下文中被简称为表面发射激光器元件或激光器元件)12A。为了附图清晰起见，在图1的(a)中仅示出了激光器元件12A中的一些。
激光器装置10具有波长转换器13，该波长转换器13被设置在激光器阵列12上并且包括与各个激光器元件12A对应的多个波长转换板13A。各个波长转换板13A具有光接收部RP，该光接收部RP被构造成接收从激光器元件12A中的对应的一个激光器元件输出的光。波长转换板13A对已经由光接收部RP进入其中的光执行波长转换。在本实施方式中，光接收部RP被设置在波长转换板13A的主表面中的一个上，并且从波长转换板13A的主表面中的另一个提取已进入波长转换板13A的光。
在本实施方式中，激光器装置10包括：十六个激光器元件12A，其被布置成四行×四列的矩阵；以及十六个波长转换板13A，其形成在激光器元件12A上并且被布置成四行×四列的矩阵。在本实施方式中，激光器元件12A被一体形成，并且波长转换板13A被一体形成。
激光器装置10还包括连接到各个激光器元件12A的共用端子14以及分别连接到激光器元件12A的单独端子15。单独端子15经由布线电极16被单独地连接到激光器元件12A。各个激光器元件12A通过在共用端子14和与该激光器元件12A对应的单独端子15之间施加电压来执行发光操作。在本实施方式中，单独端子15彼此绝缘，从而允许各个激光器元件12A单独地执行发光操作。
在本实施方式中，激光器阵列12在最外面的激光器元件12A一侧上包括相对于共用端子14的连接区域12B。波长转换器13包括设置在该连接区域12B上的侧板13B。在本实施方式中，激光器阵列12和波长转换器13各具有矩形顶表面形状。共用端子14被设置在安装基板11上彼此相对的激光器阵列12的两侧中的每一侧中。连接区域12B被设置在激光器阵列12的两侧上，以将激光器元件12B插入其间。在图1A中仅示出了连接区域12B中的一个。
图1的(b)是激光器装置10的截面图。当图1的(b)是沿着图1的(a)中的线X-X截取的截面图时，图1的(b)示出了其部分视图。如图1的(b)所示，激光器阵列12包括：半导体结构层SCL，其对于激光器元件12A来说是共用的；以及第一多层反射镜ML1和第二多层反射镜ML2(下文中被简称为反射镜)，该第一多层反射镜ML1和该第二多层反射镜ML2夹着半导体结构层而彼此相对。
在本实施方式中，半导体结构层SCL包括有源层AC以及第一半导体层SCL1和第二半导体层SCL2，第一半导体层SCL1和第二半导体层SCL2被形成为使有源层AC插入其间。例如，半导体结构层SCL具有AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)的组分。在本实施方式中，有源层AC具有多量子阱结构。
在本实施方式中，第一半导体层SC1是p型半导体层，第二半导体层SC2是n型半导体层。单独端子15经由布线电极16连接到第一半导体层SC1，而共用端子14经由连接电极(第二连接电极)E2连接到第二半导体层SC2。连接电极E2与第一半导体层SC1、有源层AC和布线电极16电绝缘。
在本实施方式中，第一反射镜ML1是交替层叠具有互不相同的折射率的电介质层的分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector)(DBR)。另一方面，第二反射镜ML2是交替层叠具有互不相同的折射率的半导体层的DBR。
激光器阵列12包括电流限制层CC，该电流限制层CC形成在半导体结构层SCL与第一反射镜ML1之间并且具有与各个激光器元件12A对应的电流限制部CP。电流限制层CC是例如由绝缘材料(诸如，SiO2或SiN)制成的绝缘层，并且包括作为电流限制部CP的开口(第一开口)。
在本实施方式中，激光器阵列12包括激光器元件12A共用的半导体基板SB。激光器阵列12具有以下结构：第二反射镜ML2、第二半导体层SC2、有源层AC、第一半导体层SC1、电流限制层CC和第一反射镜ML1被层叠在半导体基板SB上。激光器装置10具有以下结构：激光器阵列12的第一反射镜ML1侧以倒装芯片(flip-chip)方式安装在安装基板11上。注意，例如，安装基板11由具有高热导率的材料(诸如，Si、AlN或SiC)制成。
光吸收层17形成在激光器阵列12上。波长转换器13经由光吸收层17被固定到激光器阵列12上。例如，光吸收层17包括低反射率的金属层。光吸收层17包括作为各个激光器元件12A上的光通过部的开口(第二开口)AP。
波长转换器13中的波长转换板13A各包括：荧光板PL，其具有底表面BS、顶表面TS和侧面SS；以及光反射膜RF，其覆盖荧光板PL的底表面BS和侧面SS并且在底表面BS中具有作为光接收部RP的开口(第三开口)。例如，荧光板PL由包含荧光粒子和光散射粒子的玻璃板构成。波长转换板13A经由底表面BS上的光反射膜RF和光吸收层17被固定到激光器元件12A(激光器阵列12)。在本实施方式中，波长转换板13A被接合到激光器阵列12的半导体基板SB的表面。
在本实施方式中，电流限制层CC的作为电流限制部CP的开口(第一开口)、光吸收层17的作为光通过部AP的开口(第二开口)和光反射膜RF的作为光接收部RP的开口(第三开口)各具有圆形形状，并且在与安装基板11垂直的方向上同轴布置。从上方观察时，荧光板PL具有矩形形状。光接收部(开口)RP被布置在荧光板PL的底表面BS的中心处。开口CP、AP和RP的形状不限于圆形形状，而可以是例如椭圆形或多边形形状。另外，荧光板PL的顶表面形状不限于矩形形状，而可以是例如圆形或多边形形状。
各个布线电极16连接到与电流限制部CP(第一开口)、光通过部(第二开口)AP和光接收部RP(第三开口)的位置对应的半导体结构层SCL(本实施方式中，第一半导体层SCL1)。施加在共用端子14与单独端子15(布线电极16)中的一个单独端子之间的电流经由电流限制部CP中的对应一个电流限制部流过半导体结构层SCL。
在有源层AC中发射的光通过在第一反射镜ML1与第二反射镜ML2之间被放大而引起激光振荡，穿过光通过部AP，并且然后从设置在电流限制部CP正上方的光接收部RP(荧光板PL的底表面BS)进入波长转换板13A中。已进入波长转换板13A中的光经受其波长的转换，并且然后从顶表面TS出射。以这种方式，一个激光器元件12A及其对应的波长转换板13A一起构成一个发光区段ES。激光器装置10具有能够单独地驱动每个发光区段ES的构造。
图2的(a)是例示发光区段ES的更详细结构的截面图。当图2的(a)是以放大方式示出由图1的(b)中的虚线包围的部分的部分放大截面图时，省略了阴影的一部分并且用虚线示出组件的一部分。图2的(a)用于更详细地描述激光器元件12A和波长转换板13A的构造。
激光器元件12A具有连接到第一半导体层SC1的从开口CP暴露的表面的连接电极(第一连接电极)E1。连接电极E1形成在电流限制层CC上，同时嵌入开口CP中。例如，连接电极E1由透明材料(诸如，ITO或IZO制成。
第一反射镜ML1形成在连接电极E1上，并且具有部分暴露连接电极E1的贯通孔。激光器元件12A具有焊盘电极PE，所述焊盘电极PE经由贯通孔连接到连接电极E1。焊盘电极PE形成在第一反射镜ML1上，同时嵌入贯通孔中。布线电极16与焊盘电极PE接触。
在本实施方式中，波长转换板13A具有包括两层结构的光反射膜RF。光反射膜RF包括：反射金属膜MF，其形成在荧光板PL的侧面SS和底表面BS上；以及保护金属膜PF，其形成在反射金属膜MF上。反射金属膜MF具有例如Ti/Ag、Ti/Al和ITO/Ag薄膜中的任何薄膜被依次层压的结构。保护金属膜PF具有例如Ti膜、Pt膜和Au膜被层压的结构。
光吸收层17包括：防反射层17A，其形成在激光器元件12A上；以及吸收层17B，其形成在防反射层17A上，以用作光吸收层。换句话讲，光吸收层17在与激光器元件12A的界面处包括防反射层17A。在本实施方式中，防反射层17A也形成在激光器元件12A上的开口(光通过部)AP中。在本实施方式中，光吸收层17的光通过部AP由防反射层17A和设置在防反射层17A上的吸收层17B的开口构成。
防反射层17A由电介质多层膜形成，在该电介质多层膜中，例如SiO2层、Nb2O5层、ZrO2层、Al2O3层等中的任一层被多次层压。可以例如通过调节各个电介质层的层厚度以便对于从有源层AC发射的光的波长防反射来形成防反射层17A。例如，用作光吸收层17的吸收层17B包括低反射率金属层(诸如，层叠Cu或类金刚石碳(DLC))。
在本实施方式中，光吸收层17(吸收层17B)的开口AP具有与光反射膜RF的开口RP相同的开口直径。然而，注意，开口AP和RP的开口直径之间的关系不限于此。唯一必要的是使开口RP布置在开口AP上。
激光器元件12A和波长转换板13A经由接合金属层BD彼此接合。在本实施方式中，激光器元件12A的半导体基板SB和波长转换板13A的保护金属膜PF经由光吸收层17和接合金属层BD彼此接合。更具体地，光吸收层17和接合金属层BD依次形成在半导体基板SB上，并且保护金属膜PF接合到接合金属层BD。
注意，接合金属层BD具有层压例如Ti膜或Ni膜、Pt膜和Au膜的结构。在本实施方式中，接合金属层BD具有与开口AP和RP具有相同直径并且与开口AP和RP同轴布置的开口。
波长转换器13的相邻波长转换板13A隔着荧光板PL的侧面SS上的光反射膜RF彼此接触。在本实施方式中，波长转换板13A经由荧光板PL的侧面SS上方的光反射膜RF的保护金属膜RF接合(固定)到其相邻的另一个波长转换板13A，由此作为整体构成一体化的板状波长转换器13。荧光板PL的侧面SS之间的间隔是例如大约几μm。
在本实施方式中，光吸收层17的开口AP和光反射膜RF的开口RP的开口直径D2的尺寸大于或等于用作激光器元件12A的半导体结构层SCL与连接电极E1之间的接触部的电流限制层CC(绝缘层)的开口CP的开口直径D1。可以在考虑例如激光器元件12A的整个层厚度、开口CP和RP之间的距离和开口RP中的光束发散角的情况下，调节开口直径D1和D2。就光提取效率而言，开口直径D2优选地大于或等于开口直径D1。
通过考虑例如半导体结构层SCL的材料或荧光粒子的材料，可以调节荧光板PL的外形和厚度，以获得所期望的发射颜色。例如，开口CP具有2μm至20μm的开口直径D1，并且开口RP具有20μm至40μm的开口直径D2。例如，荧光板PL具有20μm至300μm的厚度和50μm至400μm的宽度和长度。
图2的(b)是示意性示出发光区段ES中的光路径的图。图2的(b)是类似于图2的(a)的截面图。首先，由于从激光器元件12A输出的激光的大部分具有相干性质，所以这种主相干光L1直接朝向开口AP和开口RP前进，并且进入荧光板PL中。
在本实施方式中，防反射层17A被设置在激光器元件12A中的光L1的(光吸收层17中的光通过部AP内)出射部分上。因此，抑制了光L1在激光器元件12A的顶表面上的反射。这使得光L1中的大部分能够从激光器元件12A出射(穿过光吸收层17)，并且然后进入荧光板PL中。
已进入荧光板PL中的光L1与荧光板PL中的荧光粒子和光散射粒子部分碰撞。从顶表面TS输出所得的波长转换后的光或散射光。尚未与荧光粒子等碰撞的光L1直接向前直行前进，并且从荧光板PL的顶表面TS出射。这造成光的混色，从而使得能够获得具有所期望的发射颜色的光。
在光L1中，被顶表面TS反射的光L2朝向荧光板PL的底表面BS行进。光L2被几乎完全覆盖除了开口RP外的底表面BS和侧面SS的光反射膜RF(反射金属膜MF)反射。因此，光L2再次朝向顶表面TS行进，并且更有可能被从荧光板PL提取。此外，在侧面SS上设置光反射膜RF可以防止光L1和L2行进到另一个荧光板PL中。因此，已进入波长转换板13A中的光可以被提取到外部，同时抑制了串扰。
例如，从激光器元件12A发射的光可以包含没有相干性质的成分，如从发光二极管发射的光中一样。由于以辐射方式从有源层AC发射这种相干光L3，所以有可能在偏离开口RP的方向上行进。然而，这种光L3更有可能进入光吸收层17中并且在光吸收层17中消失或衰减。因此，进入另一个发光区段ES的区域中的光L3(即，光的串扰)可以被减少。
在本实施方式中，光吸收层17在与激光器元件12A的界面处包括防反射层17A。因此，可以防止光L3被光吸收层17反射。因此，可以防止光L3回到激光器元件12A侧，迷失(stray)在元件内，并且然后行进到另一个激光器元件12A的区域中。因此，可以显著地减少光的串扰。
在本实施方式中，首先在激光器元件12A上形成具有开口(光通过部)AP的光吸收层17，如上面所提到的。在光吸收层17上形成波长转换板13A，所述波长转换板13A包括具有覆盖有光反射膜RF的侧面SS的荧光板PL。因此，可以提供能够减少光串扰的高功率激光器装置10。
在本实施方式中，光反射膜RF覆盖荧光板PL的底表面BS，同时具有开口RP。因此，可以导致在利用激光特性的同时，使光高效地进入波长转换板13A中，并且可以高效地从波长转换板13A提取光。
波长转换板13A的荧光板PL经由光反射膜RF与另一个荧光板PL接触。因此，有可能在发光区段ES之间形成非发光区域(即，暗线)的区域可以限于光反射膜RF的厚度的程度。例如，荧光板PL之间的距离可以减小至大约5μm至20μm。因此，与荧光板PL之间的区域对应的暗线的形成可以减少。
因此，当激光器装置10用于例如照明目的时，可以在照射区域中实现高对比度。此外，可以在照射区域中减少暗线的形成，由此使得整个照射区域能够均匀照明。因此，可以提供能够显著减少光串扰和暗线的形成的表面发射激光器装置10。
波长转换板13A中的光反射膜RF与接合金属层BD接触。接合金属层BD和光反射膜RF一起形成用于将波长转换板13A中生成的热散到外部的散热路径。此外，如上所述，由于波长转换板13A的底表面除了开口RP之外几乎与接合金属层BD完全接触，所以可以高效地执行散热。
包括反射金属膜MF和保护金属膜PF的光反射膜RF可以提高光反射膜的耐久性，并且与接合金属层BD一起形成稳定的散热部。因此，可以获得包括多个表面发射激光器元件12A并且具有高散热性能的表面发射激光器装置10。
在表面发射激光器中，例如，在激光的出射表面上或波长转换板13A的开口RP中生成大量热。另外，当多个激光器元件12A被布置成阵列时，所生成的热可能难以逸出到外部。在本实施方式中，相比之下，可以通过利用接合金属层BD和光反射膜RF来高效地执行散热。因此，可以提供高可靠性且长寿命的激光器装置10。
虽然在本实施方式中激光器阵列12包括连接区域12B并且波长转换器13包括侧板13B，但是激光器阵列12和波长转换器13仅必须分别具有多个激光器元件12A和多个波长转换板13A。虽然在本实施方式中激光器元件12A并联连接并且被构造成能够被独立地驱动，但是激光器元件12A的连接构造不限于此。例如，激光器元件12A可以串联连接。
虽然在本实施方式中激光器元件12A和波长转换板13A布置成矩阵，但是激光器元件12A和波长转换板13A的这种布置构造仅仅是以举例方式提供的。对于激光器装置10来说仅必须包括多个激光器元件12A的激光器阵列12被形成在安装基板11上。例如，激光器元件12A可以被布置成蜂窝形状。仅以举例方式提供波长转换板13A的上述布置构造和激光器元件12A的上述层构造。
虽然在本实施方式中光反射膜RF形成在荧光板PL的底表面BS上，但是仅必须使光反射膜RF形成在荧光板PL的侧面SS上。荧光板PL的侧面SS和底表面BS的大部分由于光吸收层17和侧面SS上的光反射膜RF而用作光反射表面或光吸收表面。因此，可以减少光的串扰。
虽然在本实施方式中光吸收层17由防反射层17A和吸收层17B构成，但是仅必须光吸收层17包括吸收层17B。不必须设置防反射层17A。
在本实施方式中，激光器装置10包括：多个激光器元件12A，其布置成阵列；光吸收层17，其形成在各个激光器元件12A上并且具有开口AP；以及波长转换板13A，其形成在光吸收层17上并且具有荧光板PL和覆盖荧光板PL的侧面SS的光反射膜RF。因此，可以提供能够减少光的串扰和暗线的形成的高功率阵列型表面发射激光器装置10。
[第二实施方式]
图3是例示根据第二实施方式的表面发射激光器装置20的截面图。图3是以放大方式示出激光器装置20的一个发光区段的截面图。激光器装置20除了激光器元件21和光吸收层22的构造之外具有与激光器装置10相同的构造。在本实施方式中，各个激光器元件21具有包括平坦表面21F和不平坦表面21U的顶表面形状。光吸收层22形成在不平坦表面21U上，同时在平坦表面21F上具有开口AP。
例如，可以通过使激光器元件21的半导体基板SB1除了其一部分(将成为平坦表面21F的部分)之外受到蚀刻，在半导体基板SB1的表面上形成不平坦表面21U，以便形成例如来自基于GaN的半导体的晶体结构的多个六棱锥突出。然后，在不平坦表面21U上形成光吸收层22。光吸收层22的层构造与光吸收层17的层构造相同。
在本实施方式中，激光器元件21在与光吸收层22的界面处具有不平坦表面21U。因此，可以导致朝向光吸收层22行进的光(诸如图2的(b)中的光L3的光)高效地进入光吸收层22中。这可以使得朝向光吸收层22行进的光的大部分能够消失或衰减，由此减少光的串扰。因此，可以提供能够减少光的串扰并且减少暗线的形成的高功率激光器装置20。

Claims (8)

1.一种表面发射激光器装置，所述表面发射激光器装置包括：
安装基板；
表面发射激光器阵列，所述表面发射激光器阵列包括在所述安装基板上并排布置的多个表面发射激光器元件；
多个光吸收层，所述多个光吸收层分别形成在所述多个表面发射激光器元件上，并且各包括开口；以及
多个波长转换板，所述多个波长转换板分别形成在所述多个光吸收层上，并且各包括荧光板和覆盖所述荧光板的侧面的光反射膜。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光器装置，其中，所述光吸收层在与所述表面发射激光器元件的界面处包括防反射层。
3.根据权利要求1所述的表面发射激光器装置，其中，所述表面发射激光器元件在与所述光吸收层的界面处包括不平坦表面。
4.根据权利要求1所述的表面发射激光器装置，其中，所述光反射膜形成在所述光吸收层与所述荧光板之间。
5.根据权利要求1所述的表面发射激光器装置，其中，所述多个波长转换板中的相邻波长转换板隔着所述荧光板的侧面上的所述光反射膜彼此接触。
6.根据权利要求1所述的表面发射激光器装置，其中，所述表面发射激光器阵列包括：
半导体结构层，所述半导体结构层对于所述表面发射激光器元件是共用的；
第一多层反射镜和第二多层反射镜，所述第一多层反射镜和所述第二多层反射镜夹着所述半导体结构层而彼此相对；以及
电流限制层，所述电流限制层形成在所述第一多层反射镜与所述半导体结构层之间，并且包括分别与所述表面发射激光器元件对应的多个电流限制部。
7.根据权利要求6所述的表面发射激光器装置，其中：
所述电流限制层是具有开口作为所述电流限制部的绝缘层；以及
所述绝缘层的所述开口与所述光吸收层的开口同轴布置。
8.根据权利要求7所述的表面发射激光器装置，其中，所述光吸收层的所述开口的开口直径大于或等于所述绝缘层的所述开口的开口直径。
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