CN110661171B - 一种具有凹边多边形发光孔的vcsel单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，相对于传统的圆形或矩形发光孔的VCSEL单元，本发明VCSEL单元的发光孔径具有以下形状：在一多边形矩形的至少两个边上具有朝向所述多边形矩形的内部方向凹陷的部分，以用于产生具有和发光孔径相同边数的标准多边形的平顶远场，标准多边形可以为矩形、五边形等。
Description
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域，尤其涉及一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元。
背景技术
市场上对于红外照明投影模组的需求很大，特别是在飞行时间（TOF）和安全摄像机的应用方面，垂直腔面发射激光器(VCSEL)是红外照明投影模组中最为核心的器件。典型的具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元通常为矩形或圆形，空间光分布（远场）通常为高斯形或者是环形的，这种远场通常无法满足TOF测量等所需要的多边形的远场分布，因此需要通过漫射器将这些形状改变为多边形的光强分布。因此，如何制造一种既能生成多边形的远场并且结构简单可靠的垂直腔面发射激光器单元，显著降低红外（IR）模组及其所应用的设备成本，是本领域中亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的发光孔形状设置为一多边形的至少两个边上具有朝向所述多边形的内部方向凹陷的部分，以用于产生具有和发光孔相同边数的标准多边形远场。现有的VCSEL单元，普遍采用了矩形或圆形VCSEL单元，产生的为圆形远场分布。而将在多边形的至少两个边上形成向内凹陷形状时，单元的远场分布形状能够得到明显改善，接近标准多边形。所述多边形为三角形、四边形、五边形、六边形及其他多边形，凹边多边形发光孔产生的远场具有和其发光孔的凹边多边形的形状对应的直边多边形的形状，且边数相同。所述凹陷的部分形状可以设置为弓形、矩形、三角形或者其他多边形。
由于不同的所述弓形曲率半径与所生成的远场分布效果具有相关性，在增大所述弓形的曲率半径时，能够发现单元的远场分布更加接近标准多边形形状。
所述VCSEL单元具有诸如以下层状结构：
在n型衬底上自下而上依次设置n型分布式布拉格反射器（n-DBR）、量子阱发光层（QW），氧化层以及金属层和金属电极接触区；
其中，通过氧化层所形成的电流限制层，从而限定出所述VCSEL单元的发光孔。单元的金属电极接触区域可以和发光孔形状一致，以保证均匀的电流注入；单元的金属电极接触区域也可以是圆形或椭圆形，使电流更多的注入到多边形的角区域，也使得光场分布的多边形的角更加锐利。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法，具体包括以下步骤：
（1）.在衬底上外延生长VCSEL单元的层状结构；
（2）.在所述层状结构上开设多个氧化沟道；
（3）.利用氧化沟道进行氧化，由所形成的氧化层包围限定出每个所述VCSEL单元的发光孔；
通过所述氧化，使得所述具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的发光孔形成以下形状：在一多边形的至少两个边上具有朝向所述多边形的内部方向凹陷的部分。
进一步地，通过所述氧化，使所述多边形为三角形、四边形、五边形、六边形及其他多边形。
所述凹陷的部分的形状可以为弓形、矩形、三角形或者其他多边形。
通过所述氧化，形成具有不同曲率半径的所述弓形，用于对所述VCSEL单元所能产生的远场分布进行干预。
远场的角度可以通过外延生长设计进行调整，并且由于大多数应用情况下需要有>40°的照明区域，因此可进一步将氧化层置于光场驻波的波腹或增加氧化层的厚度及层数以产生大角度。
本发明还提供了一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，包括多个上述VCSEL单元或VCSEL单元的制造方法制造的单元，所述多个VCSEL单元的发光孔具有相同的尺寸，VCSEL单元阵列所产生的叠加远场相对于单个VCSEL单元的远场具有一定的平滑（平均）作用，从而有助于提高模组整体的远场分布的均匀性。
进一步地，所述制造方法实施中，可以对所述VCSEL单元的排布密度和位置进行选取，以提供不同的散射角。
进一步地，可以将多个VCSEL单元设置为具有相同的电流密度，从而能够对所产生的远场实现更好的控制。
进一步地，所述VCSEL单元阵列采用倒装芯片结构。
现有的VCSEL单元阵列中，普遍采用了具有不同形状和大小的发光孔的VCSEL单元进行叠加，比如大的圆形发光孔和小的圆形发光孔叠加以产生均匀的圆形远场分布，而无法形成多边形远场分布。而本发明的VCSEL单元阵列，多个相同尺寸和形状的凹边多边形发光孔叠加形成的远场即可实现标准多边形分布。
通过上述本发明所提供的VCSEL阵列或者通过上述方法制造出的VCSEL单元阵列，可通过以下方法实现均匀的多边形远场分布：
（1）.对所述VCSEL单元阵列中的各VCSEL单元施加电流；
（2）.通过所述各VCSEL单元所分别产生的光场叠加，形成标准多边形远场分布。
本发明还提供了一种照明模组，包含了上述本发明所提供的VCSEL阵列，或者本发明所提供的方法制造的VCSEL单元阵列。
本发明所提供的VCSEL单元阵列或通过上述制造方法得到的VCSEL单元阵列产品，相对于传统的VCSEL单元阵列，不需要设置漫射器等光学元件即可很容易地实现标准多边形的远场，从而显著降低了阵列及相应的模组成本。
附图说明
图1是VCSEL单元凹陷部分的几种优选形状图
图2是不同曲率半径的凹边矩形VCSEL单元与标准矩形VCSEL单元发光孔的远场分布对比图
图3是凹边矩形VCSEL单元阵列相比于凹边矩形VCSEL单元所具有的远场平滑作用示意图
图4是本发明所提供的VCSEL凹边矩形的单元制造方法的优选实施方式
图5是本发明的VCSEL单元可采用的外延层结构图
图6是具有凹边矩形的VCSEL阵列单元发光孔远场分布图
图7是具有凹边六边形的VCSEL单元阵列发光孔远场分布图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
本发明提供了一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，所述VCSEL单元的发光孔形状设置为一多边形的至少两个边上具有朝向所述矩形的内部方向凹陷的部分，以用于产生标准多边形远场。
图1示出了凹陷部分适用的几种优选形状，可以为弓形、矩形、三角形，在实施中也可以选择其他多边形。
图2示出了不同曲率半径的凹边矩形VCSEL单元与标准矩形VCSEL单元发光孔的远场分布对比图。具有矩形发光孔的VCSEL单元所产生的远场分布通常呈现出类似圆角矩形的形状，将矩形的四个边形成向内凹陷弓形形状，弓形对边相等且邻边不等，远场分布的形状能够得到明显改善，比较接近矩形。并且在增大所述弓形的曲率半径时，能够发现单元的远场分布更加接近标准矩形形状。
本发明还提供了相应的VCSEL单元的制造方法，具体包括以下步骤：
（1）.在衬底上外延生长VCSEL单元的层状结构；
（2）.在所述层状结构上开设多个氧化沟道；
（3）.利用氧化沟道进行氧化，由所形成的氧化层包围限定出每个所述VCSEL单元的发光孔；
图4示出了上述方法的一个优选实施方式，其中黑色区域是氧化沟道区域，使水蒸气得以进入该沟道与高铝组分的AlGaAs量子阱层侧面进行接触，而实现对高铝组分AlGaAs层的横向氧化，形成Al2O3电流限制层。由虚线界定的白色区域是氧化区域，四个不同氧化半径的氧化沟道包围形成阴影凹边形的发光区域，通过此方法可制造对应于图2所示的VCSEL单元发光孔。可以选用的典型尺寸为：
氧化长度：~5 μm；
氧化沟道最小尺寸：6 μm；
小矩形：3 μm ×4 μm；
凹边矩形：15×11.25 μm；
曲率半径R1：16um，R2：20 μm。
所述VCSEL单元的层状结构可采用如图5所示的典型结构，包括：
在n型衬底上自下而上依次设置的n型分布式布拉格反射器（n-DBR）、AlGaAs量子阱层（QW），氧化层Al2O3以及金属层和金属电极接触区；
其中，通过氧化层所形成的Al2O3电流限制层限定出所述VCSEL单元的发光孔。单元的金属电极接触区域和发光孔形状一致，以保证均匀的电流注入；单元的金属电极接触区域也可以是圆形或椭圆形，使电流更多的注入到多边形的角区域，也使得光场分布的多边形的角更加锐利。本发明还提供了一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，包括多个上述VCSEL单元或VCSEL单元的制造方法制造的单元，所述多个VCSEL单元的发光孔具有相同的尺寸，如图3所示，对于凹边矩形发光孔构成的VCSEL单元阵列所产生的叠加远场相对于单个VCSEL单元的远场，具有一定的平滑（平均）作用，从而有助于提高模组整体的远场分布的均匀性。
在本申请的一个优选实施例中，可以将VCSEL单元设置为具有相同的电流密度，从而能够对所产生的远场实现更好的控制。
图6和7示出了形状为矩形和六边形的VCSEL单元和阵列发光孔远场分布图，可见单元和阵列的远场分形状和其发光孔的凹边多边形形状对应，且边数相同，并且阵列产生的均匀远场相较于单元的远场内凹幅度更小，更接近标准多边形。
本发明还提供了相应的标准多边形远场生成方法，在上述各实施例及附图中均已体现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，其特征在于：所述VCSEL单元的发光孔由氧化层包围限定并具有以下形状：在一多边形的至少两个边上具有朝向所述多边形的内部方向凹陷的部分且所述VCSEL单元包括与所述凹边多边形发光孔形状一致的金属电极接触区，以用于产生具有和发光孔相同边数的标准多边形的远场。
2.如权利要求1所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，其特征在于：所述多边形包括三角形、四边形、五边形、六边形。
3.如权利要求1所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，其特征在于：所述凹陷的部分设置为弓形、矩形或三角形。
4.如权利要求3所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，其特征在于：不同的所述弓形曲率半径与所生成的远场分布形状具有相关性。
5.一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1）.在衬底上外延生长所述VCSEL单元的层状结构；
2）.在所述层状结构上开设多个氧化沟道；
3）.利用所述氧化沟道进行氧化，并且由所形成的氧化层包围限定出每个所述VCSEL单元的发光孔；
通过所述氧化，使得所述具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的发光孔形成以下形状：在一多边形的至少两个边上具有朝向所述多边形的内部方向凹陷的部分。
6.如权利要求5所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法，其特征在于：通过所述氧化，使所述多边形包括三角形、四边形、五边形、六边形。
7.如权利要求5所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法，其特征在于：通过所述氧化，使所述凹陷的部分的形状形成为弓形、矩形或三角形。
8.如权利要求7所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法，其特征在于：通过所述氧化，形成具有不同曲率半径的所述弓形，用于对所述VCSEL单元所能产生的远场分布进行干预。
9.如权利要求5所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法，其特征在于：将氧化层置于光场驻波的波腹或增加氧化层的厚度及层数以产生大角度。
10.一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，其特征在于：包括多个如权利要求1-4任一所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元，或包括多个如权利要求5-9任一所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL单元的制造方法制造的VCSEL单元，多个所述VCSEL单元的发光孔具有相同的形状和尺寸，以用于产生平滑标准多边形的远场。
11.如权利要求10所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，其特征在于：所述制造方法实施中，对所述VCSEL单元的排布密度和位置进行选取，以提供不同的散射角。
12.如权利要求10所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，其特征在于：多个所述VCSEL单元设置为具有相同的电流密度。
13.如权利要求10所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，其特征在于：所述VCSEL阵列采用倒装芯片结构。
14.一种生成多边形的远场分布的方法，其特征在于：
利用如权利要求10-13任一所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列，并执行以下步骤：
1）.对所述VCSEL单元阵列中的各VCSEL单元施加电流；
2）.通过所述各VCSEL单元所分别产生的光场叠加，形成标准多边形的远场分布。
15.一种照明模组，其特征在于：
所述照明模组包含如权利要求10-13任一所述的一种具有凹边多边形发光孔的VCSEL阵列。
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