CN110301076B - 包括多个vcsel的光源阵列 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种光源阵列（1），包括在衬底（3）之上彼此横向布置的多个VCSEL（2），其中每个VCSEL（2）包括由不发射光的电极结构（22）包围的发光区域（21），其中遮挡层（4）被涂敷在至少电极结构（22）之上，遮挡层（4）仅覆盖电极结构（22）的面向VECSEL（2）的一般发光方向（5）的表面（22s），遮挡层（4）是不透明层，并且被适配为将关闭状态下的阵列（10）与光源阵列（1）要被安装于其中的设备（10）的外壳（11）的外表面（11s）光学匹配。本发明还描述了包括这种阵列（1）的设备（10）和用于制造光源阵列（1）的方法（100）。

Description

包括多个VCSEL的光源阵列

技术领域

本发明涉及光源阵列、包括这种阵列的设备以及用于制造光源阵列的方法。

背景技术

独立封装的红外（IR）和可见光发射器已经用于多种应用（包括摄影、光谱或高光谱分析、3D感测和通信）中。当IR发射器、光学器件或封装被安装在承载设备中时，IR发射器、光学器件或封装的布局、材料或设计可能影响该承载设备的整体外观。

将合乎期望的是获得从环境可见的、不干扰承载这些组件的设备的整体光学外观的设备组件（尤其是IR发射器模块），这在消费者应用中可能是特别感兴趣的。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备组件，尤其是IR发射器模块，其具有与承载该组件的设备的整体光学外观相匹配的光学外观。包括多个垂直腔表面发射激光器（所谓的VCSEL）的光源阵列是IR发射器模块。如果VCSEL外观允许颜色变化以提供承载设备的更均匀的外观，则针对VCSEL阵列的简单设计可以被改进。

本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。

根据第一方面，提供了一种光源阵列。光源阵列包括在衬底之上彼此横向布置的多个VCSEL，其中每个VCSEL包括由不发射光的电极结构包围的发光区域，其中遮挡层被涂敷在至少电极结构之上，该遮挡层至少覆盖电极结构的面向VCSEL的一般（average）发光方向的表面，该遮挡层被适配为将不发射光的关闭状态下的阵列与需要的外观光学匹配。这里，术语“涂敷在……之上”表示在另一层或组件之上的层的直接涂覆，以及涂敷在另一层或组件上方的涂覆，其中附加的材料层可以布置在其间。在一实施例中，遮挡层被适配为将关闭状态下的阵列与光源阵列要被安装于其中的设备的外壳的外表面光学匹配。

垂直腔表面发射激光器或VCSEL是一种具有与顶表面垂直的激光束发射的类型的半导体激光二极管，其与常规的边缘发射半导体激光器（也是面内激光器）相反，常规的边缘发射半导体激光器从通过从晶片分割出单个芯片而形成的表面发射。VCSEL的激光谐振器由平行于晶片表面的两个分布式布拉格反射器（DBR）镜组成，其间具有由一个或多个用于激光生成的量子阱组成的有源区。波长从650 nm到1400 nm的VCSEL通常基于砷化镓晶片，其具有由GaAs和砷化镓铝形成的DBR。从1400 nm到2000 nm的较长波长设备已经被证实具有至少由磷化铟制成的有源区。发光区域通常布置在DBR镜的发射表面的中心处，其中顶部电极被布置为DBR镜之上的金属层，通常由金制成。VCSEL发射具有垂直于DBR镜的一般发光方向的光，其中与周围电极结构的表面相比，发光区域较小，从而导致由电极材料的外观主导的光学外观。发光区域和电极结构之间的比率远低于50%，例如20-30%。因此，VCSEL阵列通常具有与设备外壳的常见外观不匹配的金色外观。与电极结构相反，VCSEL的发光区域在被关闭时具有深色外观。

所涂敷的遮挡层至少覆盖电极结构，以便防止光从电极结构反射，或者至少更改从电极结构反射的光，以提供期望的光学外观。最终，遮挡层覆盖光源阵列的所有非发光区域。因此，遮挡层是不透明层，其至少在光的波长光谱的可见范围内是不透明或半透明的。遮挡层可以具有有着例如白色、黑色或彩色外观的任何材料。作为示例，遮挡层可以是银层、铬层、包括磷光体颗粒的层或油墨层，其中特定磷光体颗粒或油墨取决于期望的外观而被选择。电极结构不主动发射光。电极结构仅吸收或反射来自环境的光。

横向布置的VCSEL提供VCSEL的横向阵列，其中VCSEL彼此并排布置。术语“横向”表示平行于VCSEL的发光区域的VCSEL的布置的延伸。

光源阵列可以以这种方式布置：电极结构的所有可见表面都被遮挡层涂覆。在这种情况下，可以在没有阵列的任何非覆盖部分的影响的情况下适配阵列的整体外观。术语“可见”表示对光源阵列对于环境的整体光学外观作出贡献的所有表面。

光源阵列可以以这种方式布置：光源阵列包括相邻VCSEL之间的非有源区域，其中遮挡层也覆盖非有源区域。非有源区域可以是未被布置在衬底之上的VCSEL覆盖的衬底的部分。覆盖非有源区域的遮挡层防止衬底对阵列的整体光学外观的任何影响。

光源阵列可以以这种方式布置：非有源区域限定相邻VCSEL之间的体积，其中至少所述体积被填充物材料适当地填充，以在相邻VCSEL之间提供待被涂覆有遮挡层的平滑表面。VCSEL的布置提供了结构化的非平坦表面，该表面难以涂覆有均匀的涂层，以便影响光源阵列的外表面的光学属性来匹配阵列的整体外观。当填充体积（间隙）时，可以在发光区域之间提供平滑且平坦的表面，在具有该层的改进的均匀度的情况下，该平滑且平坦的表面可以更容易地涂覆有遮挡层。平坦（平滑）表面表示这样的表面：与没有被填充的体积的对应表面相比，该表面在表面的最高点和最低点之间具有显著较低的高度差。显著较低意味着至多低十分之一（Significantly lower means at least a factor of ten lower）。

光源阵列可以以这种方式布置：填充物材料至少将一个体积填充到衬底上方的相邻VCSEL的电极结构的最高距离。这尤其在VCSEL的发光区域之外提供了平坦表面，该平坦表面可以容易地涂覆有遮挡层，从而提供均匀的光学属性和对涂覆表面的良好粘附性。

光源阵列可以以这种方式布置：填充物材料是光致抗蚀剂材料。光致抗蚀剂材料可以容易地涂敷和结构化，以便覆盖VCSEL的发光区域。光致抗蚀剂材料的使用使得针对填充物材料的涂覆工艺在没有所需掩模的情况下能够遮挡VCSEL的发光区域。涂覆后，填充材料可以通过合适的激光处理而被稳定在非发光区域中。未被激光处理的光致抗蚀剂材料可以例如通过合适的清洗工艺被简单地去除。

光源阵列可以以这种方式布置：遮挡层具有可见波长范围内的吸收或反射光谱，该吸收或反射光谱与电极结构的材料的对应吸收或反射光谱不同。为了更改未涂覆电极结构的整体外观，这些结构必须涂覆有更改所得到的层堆叠的光学属性的材料。因此，与电极结构的光学属性相比，遮挡层的光学属性必须不同，其中电极结构的材料可以是金。作为示例，但不作为本发明的部分，遮挡层可以是不透明的，因此电极结构的颜色是不可见的。如果遮挡层是半透明的，则电极结构是部分可见的。在这种情况下，遮挡层的光学外观被适配为抵消电极的光谱吸收。对于由金（吸收蓝光）制成的电极结构，具有绿色和红色吸收的遮挡层将导致电极结构和遮挡层的整体光学外观为白色或灰色。提供这样的外观的层材料是已知的。

作为示例，但不作为本发明的部分，光源阵列可以以这种方式布置：遮挡层的厚度被适配为至少针对可见光是半透明的，并且与遮挡层下面的电极结构相组合地提供光学外观，该光学外观与设备的外壳的外表面相匹配。取决于电极结构的材料和遮挡层的材料，该厚度可以被适配为将所得到的阵列的光学外观从接近未涂覆电极结构的外观的外观转变为接近遮挡层本身的外观，而不管下面的电极材料如何。

根据第二方面，提供了一种包括至少一个依照上面描述的任何实施例的光源阵列的设备。该设备还包括具有外表面的外壳，其中遮挡层将关闭状态下的阵列与外表面光学匹配。这种设备提供整体均匀的光学外观。术语“设备”可以表示期望针对环境的特定外观（例如，黑色、白色、特别是彩色或镜面状）的平板PC、膝上型电脑、相机或移动通信设备（诸如智能电话、蜂窝电话或PDA）。

根据第三方面，提供了一种用来制造依照上面描述的任何实施例的光源阵列的方法。该方法包括以下步骤：

-以横向阵列在衬底之上布置多个VCSEL，其中每个VCSEL包括由不发射光的电极结构包围的发光区域；

-至少在电极结构之上涂敷遮挡层，以至少覆盖电极结构的面向VECSEL的一般发光方向的表面，以便将关闭状态下的阵列与需要的外观光学匹配。

用于在电极结构之上涂敷遮挡层的工艺可以是任何合适的工艺，例如，在沉积期间遮挡VCSEL的发光区域的掩模工艺。作为掩模工艺的替代或作为对掩模工艺的支持，跟随有光致抗蚀剂材料的激光硬化和清洗掉未硬化区域的光致抗蚀剂沉积工艺可以被用来遮挡或填充不同区域，这取决于涂敷遮挡层的所使用工艺的实施例。存在可用的正性和负性光致抗蚀剂。取决于使用哪种材料，在显影光致抗蚀剂层时，曝光区域保持或被去除。在一实施例中，遮挡层被适配为将关闭状态下的阵列与光源阵列要被安装于其中的设备的外壳的外表面光学匹配。

该方法可以以这种方式布置：其中在涂敷遮挡层的步骤之前，该方法还包括以下步骤：

-在涂敷遮挡层之前，利用光致抗蚀剂材料覆盖发光区域；和

-在已经涂敷遮挡层之后，清洗掉覆盖发光区域的光致抗蚀剂层，以便去除发光区域之上的任何材料。

该方法可以以这种方式布置：涂敷遮挡层的步骤也将涂覆位于相邻VCSEL之间的阵列内的非有源区域。

该方法可以以这种方式布置：在涂敷遮挡层的步骤之前，该方法还包括以下步骤：通过填充物材料来适当填充由非有源区域限定的相邻VCSEL之间的体积，以在相邻VCSEL之间提供待被涂覆有遮挡层的平滑表面。

该方法可以以这种方式布置：合适的填充表示将至少一个体积填充到衬底上方的相邻VCSEL的电极结构的最高距离。

该方法可以以这种方式布置：经由无掩模电泳沉积工艺来执行涂敷遮挡层的步骤，以便在电极结构之上局部沉积遮挡层。在该工艺期间，VCSEL的阵列被布置在湿溶液中，该湿溶液包括待被沉积在电极结构之上的遮挡层的材料，并且在溶液和VCSEL电极之间施加电场。电场将待被沉积的材料引导至位于电极结构上方的具有高电场密度的区域。电极结构尤其是待涂覆的区域，以便能够将光源阵列的光学外观与需要的外观相匹配。因此，遮挡层的材料主要或排他地沉积在电极结构之上，保留VCSEL的发光区域不被涂覆。利用该电泳工艺，可以在不应用掩模工艺或层硬化工艺的情况下局部涂覆VCSELS。因此，与可替换的沉积工艺相比，电泳沉积工艺需要更少的努力。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。

下面限定了其他有利实施例。

附图说明

本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将是清楚明白的，并且将参考下文描述的实施例进行阐述。

现在将参考附图，基于实施例，通过示例的方式来描述本发明。

在附图中:

图1以俯视图示出了没有涂敷的遮挡层的VCSEL阵列的主要简图。

图2以侧视图示出了在电极结构之上具有涂敷的遮挡层的VCSEL阵列中的一VCSEL的主要简图。

图3以侧视图示出了（a）在涂敷遮挡层之前和（b）在由填充物材料提供的平坦表面之上具有涂敷的遮挡层，在相邻的VCSEL之间具有被填充的体积的VCSEL阵列的主要简图。

图4示出了根据本发明的包括光源阵列的设备的主要简图。

图5示出了根据本发明的方法的实施例的主要简图。

在附图中，相同的数字始终指代相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现在将借助附图描述本发明的各种实施例。

图1以俯视图示出了没有涂敷的遮挡层4的VCSEL 2的阵列1的主要简图。光源阵列1包括多个环形VCSEL 2，这些VCSEL 2在衬底3之上彼此横向布置，其中每个VCSEL 2包括由不发射光的电极结构22包围的发光区域21。光源阵列1包括非有源区域6（大约在相邻的VCSEL 2之间），其限定相邻VCSEL 2之间的体积61。在本发明涵盖的其他实施例中，布置可以与图1中示出的布置不同。所示阵列1中的VCSEL 2彼此并排布置，从而导致VCSEL 2的横向布置，其中阵列1的横向延伸表示平行于VCSEL 2的发光区域21的延伸。在该示例中，VCSEL 2具有0.5 mm×0.5 mm的横向延伸和在衬底3上方的0.2 mm的高度。

图2以侧视图示出了在电极结构22之上具有涂敷的遮挡层4的VCSEL 2的阵列1中的一VCSEL 2的主要简图，遮挡层4覆盖电极结构22的所有可见表面22s、22l，电极结构22的所有可见表面22s、22l被遮挡层4涂覆。该侧视图沿着如图1中所指示的平面P1。在其他实施例中，可以仅涂覆电极结构22的面向VECSEL 2的一般发光方向5的表面22s。遮挡层4被适配为将不发射光的关闭状态下的阵列1与光源阵列1要被安装于其中的设备10的外壳11的外表面11s（另参见图4）光学匹配。遮挡层4具有可见波长范围内的吸收或反射光谱，该吸收或反射光谱与电极结构22的材料的对应吸收或反射光谱不同。在一实施例中，电极结构22的材料是金。遮挡层4的厚度可以被适配为至少针对可见光是半透明的，并且与遮挡层4下面的电极结构22相组合地提供光学外观，该光学外观与设备10的外壳11的外表面11s相匹配。

图3以侧视图示出了（a）在涂敷遮挡层4之前和（b）在由填充物材料7提供的平坦表面71之上具有涂敷的遮挡层4，在相邻的VCSEL 2之间具有被填充的体积61的VCSEL 2的阵列1的主要简图。该侧视图沿着如图1中指示的平面P2。非有源区域6限定相邻VCSEL 2之间的体积61，所述体积61由填充物材料7填充，以在相邻VCSEL 2之间提供待被涂覆有遮挡层4的平坦（平滑）的表面71。平坦表面71表示这样的表面：与没有被填充的体积61的对应表面相比，该表面在表面71的最高点和最低点之间具有显著较低的高度差。显著较低意味着至多低十分之一。这里，填充物材料7将整个体积61填充至衬底3上方的相邻VCSEL 2的电极结构22的最高距离D1。在该实施例中，填充物材料7是光致抗蚀剂材料。在图3b中，平坦表面71在平坦表面71之上直接涂覆有遮挡层4。观看方向VD指示观看者（此处未示出）可以从哪一侧看向阵列1以向观看者提供对应外观。

图4示出了根据本发明的包括光源阵列1的设备10的主要简图。设备10包括一个光源阵列1和具有外表面11s的外壳11，其中遮挡层4将关闭状态下的阵列1与外表面11s的光学外观光学匹配。

图5示出了用来制造光源阵列1的根据本发明的方法100的实施例的主要简图，方法100包括以下步骤:以横向阵列1在衬底3之上布置110多个VCSEL 2，其中每个VCSEL 2包括由不发射光的电极结构22包围的发光区域21，并且至少在电极结构22之上涂敷140遮挡层4，以至少覆盖电极结构22的面向VECSEL 2的一般发光方向5的表面22s，以便将关闭状态下的阵列1与光源阵列1要被安装于其中的设备10的外壳11的外表面11s光学匹配。用于在电极结构22之上涂敷140遮挡层的工艺可以是任何合适的工艺，例如在沉积期间遮挡VCSEL2的发光区域21的掩模工艺。可替换地，该方法可以包括在涂敷140遮挡层之前利用光致抗蚀剂材料覆盖120发光区域21的步骤。涂敷140遮挡层4的步骤也可以涂覆位于相邻VCSEL 2之间的阵列1内的非有源区域6。在一实施例中，该方法还包括通过填充物材料7适当填充130由非有源区域6限定的相邻VCSEL 2之间的体积61的步骤，以在相邻VCSEL 2之间提供待在涂敷步骤140中被涂覆有遮挡层4的平滑表面71。术语合适的填充130可以表示将至少一个体积61填充到衬底3上方的相邻VCSEL 2的电极结构22的最高距离D1。在发光区域21在涂敷140遮挡层之前被覆盖有光致抗蚀剂材料的情况下，在已经涂敷140遮挡层4之后，覆盖发光区域21的光致抗蚀剂层将被清洗掉160，以便去除发光区域21之上的任何材料。在具有未覆盖的发光区域21的另一实施例中，可以经由无掩模电泳沉积工艺150来执行涂敷140遮挡层4的步骤，以便在电极结构22之上局部沉积遮挡层4。在该工艺150期间，VCSEL 2的阵列1被布置在湿溶液中，该湿溶液包括待沉积在电极结构22之上的遮挡层4的材料，并且在溶液和VCSEL电极结构22之间施加电场。电场将待沉积材料引导至位于靠近电极结构22处的具有高电场密度的区域。尤其是电极结构22是待涂覆的区域，以便能够将光源阵列1的光学外观与所需外观相匹配，因为这些区域对阵列1的可见区域贡献远远超过50%。因此，遮挡层4的材料主要或排他地沉积在电极结构22之上，保留VCSEL 2的发光区域21不被涂覆。利用该电泳工艺150，可以在不应用掩模工艺或层硬化工艺的情况下局部涂覆VCSEL 2。因此，与可替换的沉积工艺相比，电泳沉积工艺140需要更少的努力。

虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述应被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。

通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员来说将是清楚明白的。这样的修改可以涉及本领域已知的和可以代替本文已经描述的特征而被使用或除了本文已经描述的特征之外而被使用的其它特征。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员能够理解并实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

附图标记列表:

1 根据本发明的光源阵列

2 垂直腔表面发射层（VCSEL）

21 VCSEL的发光区域

22 围绕VCSEL的发光区域的VCSEL的电极结构

22s 面向一般发光方向的非发射结构的表面

22l 面向相邻VCSEL的非发射结构的表面

3 阵列的衬底

4 遮挡层

5 VCSEL的一般发光方向

6 相邻VCSEL之间的非有源区域

61 由非有源区域限定的相邻VCSEL之间的体积

7 填充物材料

71 填充物材料的平滑表面

10 根据本发明的包括光源阵列的设备

11 设备的外壳

11s 外壳的外表面

100 根据本发明的用来制造光源阵列的方法

110 以横向阵列在衬底之上布置多个VCSEL

120 在涂敷遮挡层之前利用光致抗蚀剂材料覆盖发光区域

130 适当地填充由非有源区域限定的相邻VCSEL之间的体积

140 至少在电极结构之上涂敷遮挡层

150 执行无掩模电泳沉积工艺

160 在已经涂敷遮挡层之后清洗掉光致抗蚀剂层

D1 衬底上方的相邻VCSEL的非发光结构的最高距离

P2、P3 分别为图2和3的截面平面2和3

VD 观看方向

Claims (15)

1.一种光源阵列（1），包括在衬底（3）之上彼此横向布置的多个VCSEL（2），其中每个VCSEL（2）包括由不发射光的电极结构（22）包围的发光区域（21），其中遮挡层（4）被涂敷在至少所述电极结构（22）之上，所述遮挡层（4）仅覆盖所述电极结构（22）的面向所述VCSEL（2）的一般发光方向（5）的表面（22s），所述遮挡层（4）是不透明层，并且被适配为将不发射光的关闭状态下的所述阵列（1）与所述光源阵列（1）要被安装于其中的设备（10）的外壳（11）的外表面（11s）光学匹配。

2.根据权利要求1所述的光源阵列（1），其中所述电极结构（22）的所有可见表面（22s、22l）被所述遮挡层（4）涂覆。

3.根据权利要求1所述的光源阵列（1），其中所述光源阵列（1）包括相邻VCSEL（2）之间的非有源区域（6），其中所述遮挡层（4）也覆盖所述非有源区域（6）。

4.根据权利要求3所述的光源阵列（1），其中所述非有源区域（6）限定相邻VCSEL（2）之间的体积（61），其中至少所述体积（61）被填充物材料（7）适当地填充，以在相邻VCSEL（2）之间提供待被涂覆有所述遮挡层（4）的平坦表面（71）。

5.根据权利要求4所述的光源阵列（1），其中所述填充物材料（7）是光致抗蚀剂材料。

6.根据权利要求4所述的光源阵列（1），其中所述填充物材料（7）将至少一个体积（61）填充到所述衬底（3）上方的所述相邻VCSEL（2）的所述电极结构（22）的最高距离（D1）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光源阵列（1），其中所述遮挡层（4）具有可见波长范围内的吸收或反射光谱，所述吸收或反射光谱与所述电极结构（22）的材料的对应吸收或反射光谱不同。

8.根据权利要求7所述的光源阵列（1），其中所述电极结构（22）的所述材料是金。

9.一种设备（10），包括至少一个根据权利要求1所述的光源阵列（1）和具有外表面（11s）的外壳（11），其中所述遮挡层（4）将关闭状态下的所述阵列（1）与所述外表面（11s）光学匹配。

10.一种用来制造根据权利要求1所述的光源阵列（1）的方法（100），包括以下步骤：

-以横向阵列（1）在衬底（3）之上布置（110）多个VCSEL（2），其中每个VCSEL（2）包括由不发射光的电极结构（22）包围的发光区域（21）；

-至少在所述电极结构（22）之上涂敷（140）作为不透明层的遮挡层（4），所述遮挡层（4）仅覆盖所述电极结构（22）的面向所述VECSEL（2）的一般发光方向（5）的表面（22s），以便将关闭状态下的所述阵列（1）与所述光源阵列（1）要被安装于其中的设备（10）的外壳（11）的外表面（11s）光学匹配。

11.根据权利要求10所述的方法（100），其中在涂敷（140）所述遮挡层（4）的步骤之前，所述方法还包括以下步骤：

-在涂敷（140）所述遮挡层之前，利用光致抗蚀剂材料覆盖（120）所述发光区域（21）；和

-在已经涂敷所述遮挡层之后，清洗掉（160）覆盖所述发光区域（21）的光致抗蚀剂层，以便去除所述发光区域（21）之上的任何材料。

12.根据权利要求10或11所述的方法（100），其中涂敷（140）所述遮挡层（4）的步骤还将涂覆位于相邻VCSEL（2）之间的所述阵列（1）内的非有源区域（6）。

13.根据权利要求12所述的方法（100），其中在涂敷（140）所述遮挡层（4）的步骤之前，所述方法还包括以下步骤：通过填充物材料（7）来适当地填充（130）由所述非有源区域（6）限定的相邻VCSEL（2）之间的体积（61），以在相邻VCSEL（2）之间提供待被涂覆有所述遮挡层（4）的平坦表面（71）。

14.根据权利要求13所述的方法（100），其中合适的填充（130）表示将至少一个体积（61）填充到所述衬底（3）上方的所述相邻VCSEL（2）的所述电极结构（22）的最高距离（D1）。

15.根据权利要求10所述的方法（100），其中经由无掩模电泳沉积工艺（150）来执行涂敷（140）所述遮挡层（4）的步骤，以便在所述电极结构（22）之上局部沉积所述遮挡层（4）。

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