CN1957293A - 使用垂直腔激光器阵列的显示设备 - Google Patents

Abstract

一种产生彩色像素化光的显示设备，所述设备包含背光模块和垂直腔激光器阵列器件以及激活区，所述背光模块用来产生泵浦光束，所述垂直腔激光器阵列器件包含在间隔排列的位置上调制器件性质以提供间隔排列的激光像素阵列的结构，所述像素较像素间区域具有更高的净增益，所述激活区包括响应泵浦光束产生不同色光的部分。所述设备也包括光闸和布置在光闸上以增大选定色光的锥形视角范围的扩束器。

Description

使用垂直腔激光器阵列的显示设备

                    发明领域

本发明涉及产生彩色光的显示设备，所述显示设备使用垂直腔激光器阵列。

                    发明背景

为方便本说明书的阅读，先对如下术语加以定义。本文中的光轴指光传播不发生双折射的方向。本文中的偏振器和分析器指偏振电磁波的元件，但靠近光源的那一个将被称为偏振器，而靠近观察者的那一个将被称为分析器。本文中的偏振元件同时指偏振器和分析器。本文中的方位角和倾角θ用来指定光轴的方向。对于偏振器和分析器的透射轴，仅方位角被用到，因为其倾角θ为零。

图1示意了方位角和倾角θ的定义，二者用来指定光轴1相对于x-y-z坐标系3的方向。x-y平面平行于显示面5，z-轴平行于显示面法线方向7。方位角为y-轴与光轴在x-y平面上的投影9之间的角。倾角θ为光轴1与x-y平面间的角。

产生用于显示应用的像素化彩色光的方法有很多，例如，使用常规的被动或主动矩阵有机发光二极管(OLED)器件。另一种方法是采用液晶显示器(LCD)。在典型的LCD系统中，液晶盒被放在一对偏振器之间。进入显示器的光被最初的偏振器偏振化。当光通过液晶盒时，液晶材料的分子取向将影响偏振光，使其或者通过分析器或者被分析器阻断。液晶分子的取向可通过在液晶盒上施加电压而改变，从而使不同的光强量通过LCD像素。采用这种原理，开关LCD所需的能量最低。该开关能量通常比采用阴极发光材料的阴极射线管(CRT)所要求的要低得多，这使使用液晶材料的显示器非常具有吸引力。

典型的液晶盒含有由红、绿和蓝光透射像素组成的滤色阵列(CFA)。为透射来自背光模块(BLU)的大部分光，各个CFA像素的透射光谱须有较大的半高宽(FWHM)。由于FWHM大，LCD的色域最多不过接近NTSC色域标准的70％。此外，由于光撞击到CFA上，超过三分之二的光将被CFA吸收，使透过的光不足三分之一。相应地，这种各个像素透射光谱之外的光吸收导致了整体显示效率的损失。

透射型LCD受背光模块(包括光源、导光板(LGP)、反射器、扩散器、准直膜和反射偏振器)照射。反射偏振器用来回收和反射不希望有的偏振光。但不是所有不希望有的偏振光都被回收，也不是所有被回收的光都以适当的偏振态离开BLU。因此，仅有一小部分自反射偏振器反射的光被回收为适当的偏振态。结果是，通过底部偏振器时，未偏振的BLU光源引起近一半的效率损失。

LCD正快速取代CRT和其他类型的电子显示，用于电脑显示器、电视机及其他办公和家用显示器。但LCD存在大视角下对比度差的问题。如果不改进大视角下的对比度，则LCD进入某些市场将受到限制。对比度差通常归因于显示器暗态(dark state)的亮度增高。LCD的优化是使显示器在以轴(零度视角)为中心的窄观察锥内具有最高的对比度。当在较大的视角下离轴观看显示器时，暗态亮度增大，从而降低对比度。当离轴观看全彩色显示器时，不仅暗态亮度增大，而且暗态和亮态均有色移。过去人们曾尝试通过各种办法(如在显示器中引入补偿膜或用多域进一步分割像素)来改进这种色调偏移和对比度损失，但这些方法对色调偏移和对比度仅有些许改进，且仅在有限的观察锥内有效。此外，补偿膜和多域液晶盒的制造通常价格昂贵，从而增大了显示器的总成本。

其他平板显示器也试图通过在LCD前面加上光致发光(PL)屏来解决视角问题，这被称为PL-LCD，见述于W.Crossland，SID Digest 837，(1997)。这种显示器采用窄带频率的背光模块、液晶调制器和光致发光输出屏来产生彩色。PL-LCD光源利用的是紫外波段的波长，其会加速液晶材料的分解。此外，PL-LCD光源的效率较典型的LCD显示器中所用的标准冷阴极荧光灯(CCFL)要低得多。

总的来说，生产没有典型的LCD显示器所具问题的显示器将是有益的。如上文所讨论的，这些缺点为效率损失(由于未偏振的背光和CFA的使用)、色域差以及大视角下的对比度损失和色移。OLED显示器克服了这些缺点中的一些，但目前它们仍有寿命短和制造成本高的问题。制造成本高部分是OLED设计中所固有的，如像素化OLED发射区的需要以及电流驱动设备用薄膜晶体管(TFT)的更高的复杂性。

                      发明简述

本发明的目的是提供一种显示器，所述显示器克服了典型的LCD显示器中固有的缺陷，如效率损失、色域差以及大视角下对比度低和色移。

该目的通过产生彩色像素化光的显示设备实现，所述显示设备包含：

a)产生泵浦光束的背光模块；

b)垂直腔激光器阵列器件，所述器件含：

i)在间隔排列的位置上调制器件性质以提供间隔排列的激光像素(laser pixel)阵列的结构，所述像素较像素间区域具有更高的净增益；和

ii)激活区，所述激活区包括响应泵浦光束产生不同色光的部分；

c)光闸；和

d)位于光闸上方的扩束器，用来增大选定色光的锥形视角范围。

                       优势

本发明的优势是使用像素化的二维垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列作为液晶显示器的光源。各个色元件含成千上万个微米尺寸互不相干的激光像素，从而各个色元件产生多模激光。由于像素直径为3-5微米，所以所述多模激光的发散角为3-5°左右。这种小发散角使激光器的色元件与液晶显示器的色元件之间1∶1的对应成为可能。因此，不再需要加入滤色阵列作为LCD膜部件之一。

由于激光在轴上通过LC开关，故大视角下伴随的对比度和色移问题得到减轻。近准直光源的另一个特征在于液晶视角补偿膜可从显示器结构中去除。通过引入双折射层作为VCSEL部件之一，来自二维垂直腔激光器阵列的多模激光输出可优先沿一个方向偏振。由于光源产生偏振光，故底部偏振元件和与之相关的反射偏振元件可被取消，不再作为LCD显示器的元件。将准直膜作为LCD部件的一部分也是常见的做法，但由于来自二维垂直腔激光器阵列的激光输出是自然准直的(发散角为3-5°)，故这些膜可以不要。

本发明的其他优势在于来自各个色元件的光输出接近单一波长。这种性质使液晶显示器的色域得到大大提高。在优选有限视角的应用中，如对于私人观看，与常规的显示器相比，光源的近准直性产生的结果是显示器的轴向观看亮度大大提高。这种提高或可大大增高显示器的亮度或可换来显示器功率效率的大大提高(使电池寿命大大延长)。

                      附图简述

图1所示为透视图，对用来指定光轴方向的倾角和方位角的定义的理解有用；

图2所示为光学泵浦二维VCSEL阵列器件的侧剖面图；

图3所示为含红、绿和蓝光发射元件的二维VCSEL阵列器件的顶视图，其中，各个元件由成千上万个微米尺寸的激光像素组成；

图4所示为光学泵浦二维VCSEL阵列器件另一种实施方案的侧视图，其中含吸收元件；

图5所示为光学泵浦二维VCSEL阵列器件另一种实施方案的侧剖面图，其中含染色的光刻胶(dyed photoresist)吸收元件；

图6所示为光学泵浦二维VCSEL阵列器件另一种实施方案的侧剖面图，其中含平面化吸收元件；

图7所示为光学泵浦二维VCSEL阵列器件另一种实施方案的侧剖面图，其中含蚀刻介质叠层(dielectric stack)；

图8所示为光学泵浦二维VCSEL阵列器件另一种实施方案的侧剖面图，其中含平面化的蚀刻介质叠层；

图9所示为含VCSEL阵列器件的显示设备简图；

图10所示为泵浦VCSEL阵列器件的线性LED-阵列驱动背光模块的简图；

图11所示为泵浦VCSEL阵列器件的平面型LED-阵列驱动背光模块的简图；

图12所示为泵浦VCSEL阵列器件的冷阴极荧光灯驱动背光模块的简图；

图13所示为泵浦VCSEL阵列器件的冷阴极荧光灯驱动背光模块另一种实施方案的简图；

图14所示为液晶盒及其部件(包括分析器)的简图。

                      发明详述

本发明通过产生近准直和单一波长的光输出的光源实现。此外，所述光源必须含红、绿和蓝光发射元件，所述发射元件来自尺寸规模为80×240μm的公共基材。满足这些标准的光源为二维垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列器件100，如图2中所示。图3示意了二维VCSEL阵列器件100的顶视图，其中，在VCSEL阵列器件100的表面上需有红、绿和蓝光(RGB)发射元件205，所述发射元件由成千上万个微米尺寸、被像素间区域210分开的激光像素200组成。为从公共基材产生红、绿和蓝色激光，优选激活区130由有机增益介质组成。但最近的研究(R.N.Bhargava，Phys.Stat.Sol.229，897(2002))指出了从无机纳米颗粒获得可见波长发射的可能性。其实例为掺杂(如Mn²⁺或Eu²⁺)或未掺杂的ZnO纳米颗粒(优选直径小于10nm)。

如果希望从各个RGB发射元件205发生单模激光作用，则来自各个激光像素200的发射需要被锁相，即光强和相位信息必须在像素间交换(E.Kapon和M.Orenstein，美国专利5,086,430)。此外，激光像素200需要具有相同的尺寸并位于周期性阵列中。但从各个发射元件205发生单模激光输出将引起斑纹，这对于显示器应用是不利的。因此，优选各个激光像素200彼此互不相干，以便从各个发射元件205产生多模激光输出。即便激光像素200彼此之间没有交换光强和相位信息，为从各个发射元件205获得近准直和单一波长的输出，各个激光像素也需要产生单模输出。因此，激光像素200的优选直径在2.5-4.5μm的范围内，其中，较小的直径导致较大的散射损失，较大的直径导致不希望有的高阶横模(tranverse mode)。

产生激光像素二维阵列的一般方法是调制VCSEL器件的净增益。这种净增益的调制可通过多种方式获得，如选择性地改变(spoil)激活区130中增益介质的发射性质、选择性地泵浦激活区130中的增益介质和选择性地蚀刻介质镜(叠层)之一。改变有机增益介质发射性质的直接方式是将其暴露在高度的紫外辐射中。为选择性地泵浦激活区130中的增益介质，可在激活区130下面(像素间区域210下面的区域)选择性地淀积吸收层，以便泵浦光束180在进入激活区130之前被吸收。在这两种情况下，像素间区域210由净增益降低(通过改变发射性质或通过吸收泵浦光束180)的区域定义，而激光像素200的二维阵列对应于净增益未改变的区域。对于选择性地蚀刻一个介质叠层的情形，所述调制通过对一个介质叠层进行二维蚀刻获得，蚀刻应使像素间区域210对应于介质叠层的被蚀刻区域(激光波长下的总反射率较低)，而未蚀刻区域(激光波长下的总反射率较高)对应于激光像素200。为使设备正确运行，对介质叠层进行一或两个周期蚀刻就足够了。对于激活区130中为有机增益介质的情形，所有的器件加工均必须在淀积有机组分之前进行，因为一旦淀积了有机层，要在激光器结构上制作微米级的图案将非常困难。因此，蚀刻在底部介质叠层120上进行。尽管在最佳情形下通过净增益调制对激光像素200的激光发射进行微弱限制可产生锁相单模激光作用，但如果锁相只是局部的或如果高阶阵列模占优势，则多模激光作用将发生。本发明中优选多模激光作用以免出现激光斑纹。在这样的情形下，为改变即便是局部化的锁相，激光像素200的尺寸可从点到点随机变化，也可使像素位于随机排列的二维阵列上。

回到图2，基材110应为透光性的。因此，基材110可为透明玻璃或塑料。基材110上淀积有底部介质叠层120，其由交替的高和低折射率介质材料组成。通常，底部介质叠层120设计为能反射预定波长范围内的激光。典型的高和低折射率材料分别为TiO₂和SiO₂。底部介质叠层120可通过等离子体增强化学气相淀积、电子束(e-束)淀积或溅射法淀积。其他方法有本领域常用的聚合物挤出及溶胶-凝胶和胶体淀积。

如本领域众所周知的，VCSEL器件的光输出通常不具有优选的取向并可随光强度而变。固定偏振的途径可分为两类：1)使横向电(TE)偏振和横向磁(TM)偏振的激光跃迁振荡强度不同；和2)使两个偏振的介质叠层反射率不同。第一种方法对于由非晶有机化合物组成的增益介质难以实施。因此，在一个优选的实施方案中，我们对顶部或底部介质叠层的反射率进行了改变使其成为双折射的。已经发现，对于无机VCSEL器件，TE和TM偏振间4％的阈值模式增益差将引起大于100∶1的偏振模抑制比(PMSR)(Y.Ju，et al.，Appl.Phys.Lett.71，741(1997))。使非晶有机激光器系统实现该模差的最简单途径是用双折射层126代替一层介质叠层(优选具有较低峰值反射率的叠层)。如本领域众所周知的，这些双折射层在两个偏振方向上具有不同的折射率且差异高达0.25，折射率差为0.16更常见。如果一个叠层(其峰值反射率约为99％)为双折射层126(折射率差为0.16)所代替，用标准转换矩阵法可以简便地计算得到两个偏振的模差为22％。由于该模差远大于Y.Ju，et al.，Appl.Phys.Lett.71，741(1997)对无机VCSEL所测得的模差，所以最后得到的PMSR应远大于100∶1。尽管VCSEL阵列器件100是按采用双折射层126偏振激光190来描述的，但正如本领域众所周知的(如Y.Ju，et al.，Appl.Phys.Lett.71，741(1997))，也可采用其他方式偏振来自VCSEL阵列器件100的激光190。

双折射层126(如图2中所示)含定向层128和双折射材料129，并淀积在底部介质叠层120上。双折射层126也可淀积在激活区130和顶部介质叠层140之间。双折射层126也可淀积介质叠层之一内。定向层128可通过下述方法定向。所述定向层含可光取向或可光定向的材料并可通过光定向技术取向。可光取向的材料包括例如光致异构化聚合物、光二聚化聚合物和光分解聚合物。在一个优选的实施方案中，可光取向的材料为肉桂酸衍生物，如美国专利6,160,597中的公开。这类材料可通过线性偏振紫外光的照射而取向并同时交联。定向层也可通过机械摩擦取向，这在本领域是众所周知的。光定向过程可使用共同受让的美国专利申请公开2004/0008310 A1中所述的装置完成，其公开通过引用结合到本文中。

双折射材料129在最初布置到定向层128上时通常为液晶单体，其后通过紫外光照射而交联或通过其他方式如加热而聚合。双折射材料129可为正介电材料，其光轴1的平均倾角介于0°-20°之间。双折射材料129也可为负介电材料，其光轴1的平均倾角介于0°-20°之间。在一个优选的实施方案中，双折射材料129由正双折射的二丙烯酸酯或二环氧化物组成，如美国专利6,160,597(Schadt，et al.)和美国专利5,602,661(Schadt，et al.)中的公开。双折射材料129中的光轴1相对于层平面通常不倾斜，且在厚度方向均匀。

激活区130淀积在底部介质叠层120或双折射层126(当其包含在器件中时)上。图2示意了激活区130不为整体层而为多层组合物。激活区130含一个或多个由间隔层170所间隔的周期性增益区160。周期性增益区160的厚度通常小于50nm，优选厚度为5-30nm。间隔层170厚度的选择应使周期性增益区与激光器腔的驻波电磁场(e-场)的波腹对齐。在激活区130中采用周期性增益区160可得到更大的功率转换效率和使不希望有的自发发射大幅减少。总的来说，激活区130含一个或多个周期性增益区160和布置在周期性增益区任一侧、其布置使周期性增益区与器件的驻波电磁场的波腹对齐的间隔层170。

周期性增益区160由以高量子效率发荧光的小分子量有机材料、聚合物有机材料或无机纳米颗粒组成。小分子量有机材料通常通过高真空(10^-6托)热蒸发进行淀积，而共轭聚合物和无机纳米颗粒通常通过旋转流延形成。

除非另有指出，否则术语“取代”或“取代基”的使用指除氢外的任何基团或原子。此外，当使用术语“基团”时，其意思是当取代基含可被取代的氢时，其不仅包括取代基未被取代的形式，也包括被任何取代基或如本文中所提到的基团进一步取代的形式，只要所述取代不破坏器件效用所必需的性质即可。适合的取代基可以是卤素或可通过碳、硅、氧、氮、磷、硫、硒或硼原子键接到分子的残基上。取代基可以是例如卤素(如氯、溴或氟)、硝基、羟基、氰基、羧基或可被进一步取代的基团如烷基(包括直链或支链或环烷基，如甲基、三氟甲基、乙基、叔丁基、3-(2，4-二叔戊基苯氧基)丙基和十四烷基)、烯基(如乙烯基、2-丁烯基)、烷氧基(如甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、2-甲氧乙氧基、仲丁氧基、己氧基、2-乙基己氧基、十四烷氧基、2-(2，4-二叔戊基苯氧基)乙氧基和2-十二烷氧基乙氧基)、芳基(如苯基、4-叔丁基苯基、2，4，6-三甲基苯基、萘基)、芳氧基(如苯氧基、2-甲基苯氧基、α-或β-萘氧基和4-甲苯氧基)、碳酰氨基(如乙酰氨基、苯甲酰氨基、丁酰氨基、十四酰氨基、α-(2，4-二叔戊基苯氧基)乙酰氨基、α-(2，4-二叔戊基苯氧基)丁酰氨基、α-(3-十五基苯氧基)己酰氨基、α-(4-羟基-3-叔丁基苯氧基)十四酰氨基、2-氧代吡咯烷-1-基、2-氧代-5-十四基吡咯烷-1-基、N-甲基十四酰氨基、N-琥珀酰亚氨基、N-邻苯二甲酰亚氨基、2，5-二氧代-1-唑烷基、3-十二烷基-2，5-二氧代-1-咪唑基和N-乙酰基-N-十二烷基氨基、乙氧基羰基氨基、苯氧基羰基氨基、苄氧基羰基氨基、十六烷氧基羰基氨基、2，4-二叔丁基苯氧基羰基氨基、苯基羰基氨基、2，5-(二叔戊基苯基)羰基氨基、对-十二烷基-苯基羰基氨基、对-甲苯基羰基氨基、N-甲基脲基、N，N-二甲基脲基、N-甲基-N-十二烷基脲基、N-十六烷基脲基、N，N-二(十八烷基脲基)、N，N-二辛基-N’-乙基脲基、N-苯基脲基、N，N-二苯基脲基、N-苯基-N-对-甲苯基脲基、N-(间-十六烷基苯基)脲基、N，N-(2，5-二叔戊基苯基)-N’-乙基脲基和叔丁基碳酰氨基)、磺酰氨基(如甲基磺酰氨基、苯磺酰氨基、对-甲苯基磺酰氨基、对-十二烷基苯磺酰氨基、N-甲基十四烷基磺酰氨基、N，N-二丙基-磺酰氨基和十六烷基磺酰氨基)、氨磺酰基(如N-甲基氨磺酰基、N-乙基氨磺酰基、N，N-二丙基氨磺酰基、N-十六烷基氨磺酰基、N，N-二甲基氨磺酰基、N-[3-(十二烷氧基)丙基]-氨磺酰基、N-[4-(2，4-二叔戊基苯氧基)丁基]氨磺酰基、N-甲基-N-十四烷基氨磺酰基和N-十二烷基氨磺酰基)、氨甲酰基(如N-甲基氨甲酰基、N，N-二丁基氨甲酰基、N-十八烷基氨甲酰基、N-[4-(2，4-二叔戊基苯氧基)丁基]氨甲酰基、N-甲基-N-十四烷基氨甲酰基和N，N-二辛基氨甲酰基)、酰基(如乙酰基、(2，4-二叔戊基苯氧基)乙酰基、苯氧基羰基、对-(十二烷氧基苯氧基羰基)甲氧基羰基、丁氧基羰基、十四烷氧基羰基、乙氧基羰基、苄氧基羰基、3-十五烷氧基羰基和十二烷氧基羰基)、磺酰基(如甲氧基磺酰基、辛氧基磺酰基、十四烷氧基磺酰基、2-乙基己氧基磺酰基、苯氧基磺酰基、2，4-二叔戊基苯氧基磺酰基、甲基磺酰基、辛基磺酰基、2-乙基己基磺酰基、十二烷基磺酰基、十六烷基磺酰基、苯磺酰基、4-壬基苯基磺酰基和对-甲苯基磺酰基)、磺酰氧基(如十二烷基磺酰氧基和十六烷基磺酰氧基)、亚硫酰基(如甲基亚硫酰基、辛基亚硫酰基、2-乙基己基亚硫酰基、十二烷基亚硫酰基、十六烷基亚硫酰基、苯基亚硫酰基、4-壬基苯基亚硫酰基和对-甲苯基亚硫酰基)、烷硫基(thio)(如乙硫基、辛硫基、苄硫基、十四烷硫基、2-(2，4-二叔戊基苯氧基)乙硫基、苯硫基、2-丁氧基-5-叔辛基苯硫基和对甲苯基硫基)、酰氧基(如乙酰氧基、苯酰氧基、十八烷酰氧基、对-十二烷基酰氨基苯甲酰氧基、N-苯基氨甲酰氧基、N-乙基氨甲酰氧基和环己基甲酰氧基)、胺(如苯基苯氨基、2-氯苯氨基、二乙胺、十二烷胺)、亚氨基(如1-(N-苯基亚氨基)乙基、N-琥珀酰亚氨基或3-苄基乙内酰脲基)、磷酸酯(如二甲基磷酸酯和乙基丁基磷酸酯)、亚磷酸酯(如二乙基和二己基亚磷酸酯)、杂环基、杂环氧基或杂环硫基(每一种均可被取代并含3-7元杂环，所述杂环由碳原子和至少一个选自氧、氮、硫、磷或硼的杂原子组成，如2-呋喃基、2-噻吩基、2-苯并咪唑氧基或2-苯并噻唑基)、季铵(如三乙基铵)、季(如三苯基基)和硅氧基(如三甲基硅氧基)。

如果需要，所述取代基自身可进一步为所述的取代基团一次或多次取代。本领域技术人员可选择所用的具体的取代基以获得具体应用下的所需性质，这些取代基可包括例如吸电子基团、给电子基团和空间位阻基团。除非另有说明，否则当一个分子有两个或多个取代基时，所述取代基可连接在一起形成环如稠环。通常，上述基团和其取代基可包括含最高达48个碳原子、通常含1-36个碳原子、一般少于24个碳原子的那些，但取决于所选的具体的取代基，更大的数目是可能的。取代可包括稠环衍生物例如但不限于苯并-、二苯并-、萘-或二萘并-稠合衍生物。这些稠环衍生物也可被进一步取代。

基于有机的周期性增益区160(或发射材料)可由单一的主体材料组成，但更通常包括掺杂了一种或多种客体化合物(掺杂剂)的主体材料，在这种情况下光发射主要来自掺杂剂并可为任意颜色。这些主体-掺杂剂的组合是有利的，因为它们使得有机增益介质引起的非泵浦散射/吸收损失非常小(可小于1cm^-1)。掺杂剂通常选自高荧光染料，但磷光化合物如WO 98/55561、WO 00/18851、WO 00/57676和WO00/70655中所述用于OLED的过渡金属络合物也可用。掺杂剂通常以0.01-10％重量掺杂进主体材料中，可以选择掺杂剂以提供具有或红或绿或蓝色调的发射光。对于红光发射层有用的主体-掺杂剂组合的一个实例是以Alq作为主体材料和以1％的L39[4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛里定基(julolidyl)-9-烯基)-4H-吡喃]作为掺杂剂。

选择染料作为掺杂剂时要考虑的一个重要关系是掺杂剂的吸收与主体材料的发射之比较。为了实现从主体到掺杂剂分子有效的能量传递(通过Forster能量传递)，必要的条件是掺杂剂的吸收覆盖了主体材料的发射。本领域技术人员对Forster能量传递的概念是熟知的，Forster能量传递涉及主体和掺杂剂分子间能量的非辐射传递。选择主体材料时要考虑的一个重要关系是主体材料的吸收显著覆盖泵浦光束180的发射谱。此外，优选主体材料或主体材料加掺杂剂的吸收在VCSEL阵列器件100的激光波长下较小。可接受的吸收程度为主体加掺杂剂的组合在激光波长下的吸收系数小于10cm^-1。

有用的荧光发射材料包括多环芳族化合物，如I.B.Berlman，“Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules(芳族分子荧光光谱手册)”，Academic Press，New York，1971和EP 1 009 041中所描述的。带多于两个氨基的芳族叔胺和其低聚物是可用的。

另一类有用的发射材料(对于主体或掺杂剂)包括芳族叔胺，其中后者应理解为含至少一个三价氮原子的化合物，所述氮原子仅键接到碳原子上，且至少一个所述碳原子为芳环上的一元。芳族叔胺的一种形式可为芳胺，如单芳胺、二芳胺、三芳胺或低聚芳胺。示例性的单体三芳胺见述于Klupfel等的美国专利3,180,730。其他适合的为一个或多个乙烯基所取代和/或包含至少一个含活性氢基团的三芳胺在Brantley等的美国专利3,567,450和3,658,520中有公开。

更优选的一类芳族叔胺为含至少两个芳族叔胺部分的那些，如美国专利4,720,432和5,061,569中所述。这样的化合物包括结构式A所代表的那些：

其中：

Q₁和Q₂独立选自芳族叔胺部分；G为连接基团如亚芳基、环亚烷基或碳碳键的亚烷基。

在一个实施方案中，Q₁或Q₂中至少一个含多环稠环结构，如萘。当G为芳基时，常为亚苯基、亚联苯基或亚萘基部分。

有用的一类满足结构式A并含两个三芳胺部分的三芳胺由结构式B所代表：

其中：

R₁和R₂各自独立地代表氢原子、芳基或烷基，或R₁和R₂一起代表构成环烷基的原子；和

R₃和R₄各自独立地代表芳基，所述芳基又被结构式C所示的二芳基取代的氨基所取代：

其中，R₅和R₆独立地选自芳基。在一个实施方案中，R₅或R₆中至少一个含多环稠环结构，如萘。

主体材料可包含取代或未取代的三芳胺化合物。另一类芳族叔胺为四芳基二胺。理想的四芳基二胺含两个二芳基氨基(如式C所示)，二者通过亚芳基连接起来。有用的四芳基二胺包括式D所代表的那些：

其中：

各个Are独立地选自亚芳基(如亚苯基或蒽部分)；

n为1-4的整数；和

Ar、R₇、R₈和R₉独立地选自芳基。

在一个典型的实施方案中，Ar、R₇、R₈和R₉中至少一个为多环稠环结构如萘。

前述结构式A、B、C、D的各种烷基、亚烷基、芳基和亚芳基部分可各自再被取代。典型的取代基包括烷基、烷氧基、芳基、芳氧基和卤素(如氟、氯和溴)。各种烷基和亚烷基部分通常含1-约6个碳原子。环烷基部分可含3-约10个碳原子，但通常含5、6或7个碳原子，如环戊基、环己基和环庚基环结构。芳基和亚芳基部分通常为苯基和亚苯基部分。

发射材料可由单一的芳族叔胺化合物或芳族叔胺化合物的混合物形成。具体而言，可采用三芳胺(如满足式B的三芳胺)和四芳基二胺(如式D所示的)的组合。主体材料可包括取代或未取代的二咔唑-联苯化合物。有用的芳族叔胺其示例如下：

4，4’-N，N’-二咔唑-1，1’-联苯(CBP)(D1)；

4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]联苯(D2)；

4，4’-双[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]联苯(D3)；

4，4’-双[N-(2-萘基)-N-对-甲苯基氨基]联苯(D4)；

1，1-双(4-二-对-甲苯基氨基苯基)环己烷；

1，1-双(4-二-对-甲苯基氨基苯基)-4-苯基环己烷；

4，4’-双(二苯基氨基)四联苯；

双(4-二甲基氨基-2-甲基苯基)-苯甲烷；

N，N，N-三(对甲苯基)胺；

4-(二-对-甲苯基氨基)-4’-[4(二-对-甲苯基氨基)-苯乙烯基]二苯乙烯；

N，N，N’，N’-四-对-甲苯基-4-4’-二氨基联苯；

N，N，N’，N’-四苯基-4-4’-二氨基联苯；

N，N，N’，N’-四-1-萘基-4-4’-二氨基联苯；

N，N，N’，N’-四-2-萘基-4-4’-二氨基联苯；

N-苯基咔唑；

4，4”-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]对-三联苯；

4，4’-双[N-(2-萘基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4’-双[N-(3-苊基)-N-苯基氨基]联苯；

1，5-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘；

4，4’-双[N-(9-蒽基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4”-双[N-(1-蒽基)-N-苯基氨基]对-三联苯；

4，4’-双[N-(2-菲基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4’-双[N-(8-荧蒽基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4’-双二[N-(2-芘基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4’-双[N-(2-并四苯基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4’-双[N-(2-苝基)-N-苯基氨基]联苯；

4，4’-双[N-(1-蔻基)-N-苯基氨基]联苯；

2，6-双(二-对-甲苯基氨基)萘；

2，6-双二[二-(1-萘基)氨基]萘；

2，6-双二[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]萘；

N，N，N’，N’-四(2-萘基)-4，4”-二氨基-对-三联苯；

4，4’-双{N-苯基-N-[4-(1-萘基)-苯基]氨基}联苯；

4，4’-双二[N-苯基-N-(2-芘基)氨基]联苯；

2，6-双[N，N-二(2-萘基)氨基]芴；

1，5-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘；和

4，4’，4”-三[(3-甲基苯基)苯基氨基]三苯基胺。

主体材料可包含取代或未取代的氮杂芳族化合物。例如，主体材料可包含取代或未取代的吖啶、喹啉、嘌呤、吩嗪、吩嗪或菲咯啉化合物。咔唑衍生物是有用的主体材料。有用的菲咯啉材料的实例包括2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲咯啉和4，7-二苯基-1，10-菲咯啉。

主体和掺杂剂分子包括但不限于美国专利4,768,292、5,141,671、5,150,006、5,151,629、5,405,709、5,484,922、5,593,788、5,645,948、5,683,823、5,755,999、5,928,802、5,935,720、5,935,721和6,020,078中公开的那些。

8-羟基喹啉的金属络合物和类似的衍生物(式E)构成一类有用的能支持电致发光的主体材料，并特别适用于波长大于500nm的光(如绿、黄、橙和红)的发射。

其中：

M代表金属；

n为1-3的整数；和

每个Z独立地代表构成含至少两个稠合芳环的核的原子。

很明显，所述金属可以是一价、二价、三价或四价金属。所述金属可以是例如碱金属(如锂、钠或钾)、碱土金属(如镁或钙)、土金属(如铝或镓)或过渡金属(如锌或锆)。通常任何已知可用作螯合金属的一价、二价、三价或四价金属均可用。

Z构成含至少两个稠合芳环的杂环核，至少一个所述稠合芳环为吡唑(azole)或吖嗪环。如果需要，其他环(包括脂环和芳环)可与所述两个所要求的环稠合。为避免增大分子体积而不提高功能，成环原子的数目通常保持在18或以下。

主体材料可包含取代或未取代的螯合化8-羟基喹啉酮化合物。

有用的螯合的喔星类(oxinoid)化合物的实例如下：

CO-1：三喔星铝[别名：三(8-喹啉酚根)合铝(III)]；

CO-2：二喔星镁[别名：二(8-喹啉酚根)合镁(II)]；

CO-3：二[苯并{f}-8-喹啉酚根]合锌(II)；

CO-4：二(2-甲基-8-喹啉酚根)合铝(III)-μ-氧桥-二(2-甲基-8-喹啉酚根)合铝(III)；

CO-5：三喔星铟[别名：三(8-喹啉酚根)合铟]；

CO-6：三(5-甲基-8-喔星)铝[别名：三(5-甲基-8-喹啉酚根)合铝(III)]；

CO-7：喔星锂[别名：(8-喹啉酚根)合锂(I)]；

CO-8：喔星镓[别名：三(8-喹啉酚根)合镓(III)]；和

CO-9：喔星锆[别名：四(8-喹啉酚根)合锆(IV)]。

主体材料可包含取代或未取代的蒽化合物。

9，10-二-(2-萘基)蒽(式F)的衍生物构成一类有用的能支持电致发光的主体，并特别适用于波长大于400nm的光(如蓝、绿、黄、橙和红)的发射。

其中，R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶代表各个环上的一个或多个取代基，其中，各个取代基单独选自如下组别：

组1：氢或含1-24个碳原子的烷基；

组2：含5-20个碳原子的芳基或取代芳基；

组3：构成蒽基、芘基或苝基的稠合芳环所必需的4-24个碳原子；

组4：含5-24个碳原子的杂芳基或取代杂芳基，所述碳原子是构成呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基或其他杂环体系的稠合杂芳环所必需的。

组5：含1-24个碳原子的烷氧基氨基、烷基氨基或芳基氨基；和

组6：氟、氯、溴或氰基。

示例性的实例包括9，10-二-(2-萘基)蒽(F1)和2-叔丁基-9，10-二-(2-萘基)蒽(F2)。其他可用作主体的蒽衍生物包括9，10-双-(4-(2，2’-二苯基乙烯基)苯基)蒽的衍生物。

吲哚衍生物(式G)构成另一类有用的能支持电致发光的主体，并特别适用于波长大于400nm的光(如蓝、绿、黄、橙或红)的发射。

其中：

n为3-8的整数；

Z为O、NR或S；和

R和R’分别为氢；含1-24个碳原子的烷基，如丙基、叔丁基、庚基等；含5-20个碳原子的芳基或杂原子取代的芳基，如苯基、萘基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基和其他杂环体系；或卤素如氯、氟；或构成稠合芳环所必需的原子；和

L为连接单元，包括共轭或非共轭地将多个吲哚连接在一起的烷基、芳基、取代的烷基或取代的芳基。有用的吲哚的实例为2，2’，2”-(1，3，5-亚苯基)三[1-苯基-1H-苯并咪唑]。

主体材料可包含取代或未取代的苯并唑化合物、取代或未取代的苯并噻唑化合物、或取代或未取代的苯并咪唑化合物。主体材料可包含取代或未取代的唑化合物、取代或未取代的三唑化合物、或取代或未取代的二唑化合物。有用的唑化合物的实例包括1，4-双(5-苯基唑-2-基)苯、1，4-双(4-甲基-5-苯基唑-2-基)苯和1，4-双(5-(对-联苯基)唑-2-基)苯。有用的二唑化合物的实例包括2-(4-联苯基)-5-苯基-1，3，4-二唑和2-(4-联苯基)-5-(4-叔丁基苯基)-1，3，4-二唑。有用的三唑化合物的实例包括3-(4-联苯基)-4-苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑。

联苯乙烯基亚芳基衍生物也可用作主体材料或掺杂材料。美国专利5,121,029中描述了许多实例。有用的发射材料(主体和掺杂剂)可具有通式

                  X-CH＝CH-Y-CH＝CH-Z

                     X-(CH＝CH)_n-Z

其中：

X和Z独立地为取代或未取代的芳基或取代或未取代、含一个氮原子的芳族络合环基；

n等于1、2或3；和

Y为二价芳基或含一个氮原子的二价芳族络合环基。有用的实例包括1，4-双(2-甲基苯乙烯基)-苯、4，4’-(9，10-蒽二基-2，1-乙烯二基)双(N，N-二(4-甲基苯基)苯胺、4，4’-(1，4-萘二基-2，1-乙烯二基)双(N，N-二(4-甲基苯基)苯胺和4，4’-(1，4-亚苯基二-2，1-乙烯二基)双(N，N-二(4-甲苯基)苯胺。

选择有机掺杂剂以在300-1700nm间发光。所述掺杂剂可选自荧光或磷光染料。有用的荧光掺杂剂包括上文主体材料部分所述的材料。其他有用的荧光掺杂剂包括但不限于取代或未取代的蒽、并四苯、氧杂蒽、苝、红荧烯、香豆素、若丹明和喹吖啶酮的衍生物，二氰基亚甲基吡喃化合物、噻喃化合物、聚甲川化合物、吡喃和噻喃化合物、芴衍生物、periflanthene衍生物、茚并苝衍生物、二(吖嗪基)胺硼化合物、二(吖嗪基)甲烷化合物、萘啶、荧蒽、呋喃、吲哚、噻吩、苯并氧杂蒽、芘、靴二蒽、三联苯、四联苯、五联苯、六联苯、蒽嵌蒽、双蒽烯(bisanthrene)、N，N，N’，N’-四取代联苯胺(benzidene)衍生物、N，N，N’，N’-四芳基联苯胺(tetrarybenzidene)衍生物和喹诺酮化合物及其组合。这些类别的材料其衍生物也可用作主体材料或其组合。主体材料通常为含至少三个亚苯基部分的化合物。

有用的掺杂剂的示例性实例包括但不限于如下：

其他发射材料包括各种杂环光学增白剂，如美国专利4,539,507中所述。

发射材料也可为聚合材料、两种或多种聚合材料的共混物、或掺杂的聚合物或聚合物共混物。发射材料也可包括多于一种的非聚合和聚合材料(有或没有掺杂剂)。典型的掺杂剂已在前面非聚合分子部分列出。非聚合掺杂剂可以分子水平分散在聚合物主体中，或者掺杂剂可通过将微量组分共聚合进主体聚合物中而加入。典型的聚合材料包括但不限于取代和未取代的聚对亚苯基亚乙烯基(PPV)衍生物、取代和未取代的聚对苯(PPP)衍生物、取代和未取代的聚芴(PF)衍生物、取代和未取代的聚对吡啶、取代和未取代的聚对吡啶基亚乙烯衍生物、和取代和未取代的聚对亚苯基梯形和阶梯型聚合物及其共聚物，如Diaz Garcia等在美国专利5,881,083和其参考文献中所述的。取代基包括但不限于烷基、环烷基、烯基、芳基、杂芳基、烷氧基、芳氧基、氨基、硝基、硫基、卤素、羟基和氰基。典型的聚合物为聚对亚苯基亚乙烯基；二烷基-、二芳基-、二氨基-或二烷氧基-取代的PPV；单烷基-单烷氧基-取代的PPV；单芳基-取代的PPV；9，9’-二烷基或二芳基-取代的PF；9，9’-单烷基-单芳基取代的PF；9-单烷基或芳基取代的PF、PPP；二烷基-、二氨基-、二芳基-、或二烷氧基-取代的PPP；单烷基-、芳基-、烷氧基-、或氨基-取代的PPP。此外，可使用聚合材料如聚(N-乙烯基咔唑)(PVK)、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺和共聚物如也称PEDOT/PSS的聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)/聚(4-苯乙烯磺酸盐)。

适当地将前述有机材料通过升华淀积，但也可从溶剂中淀积，溶剂中任选含粘结剂以改进成膜性。如果所述材料是聚合物，通常优选溶剂淀积。待通过升华淀积的材料可从通常由钽材料构成的升华舟皿中蒸发(例如如美国专利6,237,529中所述)，或可先涂到供体板上然后在靠近基材的地方升华。含混合材料的层可分别用升华舟皿或可将材料预混并从单个升华舟皿或供体板完成涂覆。

如图3和上文的讨论所示，VCSEL阵列含红、绿、蓝光发射像素，尺寸约为80×240μm。发射光的颜色由激光路径长度和周期性增益区160中所含增益介质的荧光光谱决定。使用掩模、整体掩模(美国专利5,294,870)、来自供体板的空间限定的染料热转移(美国专利5,688,551；5,851,709和6,066,357)和喷墨法(美国专利6,066,357)可使周期性增益区160中所含增益介质形成图案化的淀积层。如果周期性增益区160不止一层，则相应地需要重复进行图案化淀积。

大多数有机激光器件对潮湿或氧气或潮湿和氧气敏感，所以它们通常被密封在惰性气氛如氮气或氩气中。被密封的器件内可加入干燥剂如氧化铝、铝矾土、硫酸钙、粘土、硅胶、沸石、碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硫酸盐或金属卤化物和高氯酸盐。封装和干燥的方法包括但不限于美国专利6,226,890中所描述的那些。此外，阻挡层如SiOx、特氟纶和交替的无机/聚合层用于封装也是本领域内已知的。

间隔层170优选使用同时对激光190和泵浦光束180高度透明的材料。该本实施方案中选择1，1-双-(4-二(4-甲基-苯基)-氨基-苯基)-环己烷(TAPC)作为间隔材料，因为其在整个可见和近紫外光谱内具有非常低的吸收且其折射率略低于大多数有机主体材料的折射率。这样的折射率差是有用的，因为其有助于使驻波电场波腹和周期性增益区160间的交迭最大化。除有机间隔材料外，间隔层170也可由无机材料如SiO₂组成，因为其具有低吸收且其折射率低于有机主体材料的折射率。当使用无机间隔层时，间隔材料可通过热蒸发、低淀积温度下的电子束(约70℃)或胶体法淀积。

淀积激活区130后，有必要对周期性增益区160的净增益进行空间图案化以形成下部净增益区150。对于图2中所示的实施方案，下部净增益区150通过局部改变(spoil)周期性增益区160的发射性质而产生。形成下部净增益区150的一种有效方法(对于有机增益介质)是使用标准的光刻用掩模和紫外曝照设备以产生带图案的周期性增益区160的紫外曝照。由于有机介质对高强度紫外光(例如汞弧灯的i-线(365nm))敏感，因此该法对于降低周期性增益区160的紫外曝照区的发射强度非常有效。如上文所讨论的，紫外曝照区(下部净增益区150)对应于像素间区域210，而未曝照区对应于激光像素200。在一个优选的实施方案中，激光像素200的形状为圆形；但其他像素形状也是可以的，如矩形。激光像素200的尺寸在2.5-20微米的范围内。对于单横模激光器的运行，优选的激光像素200直径为2.5-4.5μm。像素间距在0.25-4μm的范围内。一般而言，间隔排列的激光像素200可具有相同或不同的尺寸，且像素间的间距的长度相同或不同以使VCSEL阵列器件100的输出局部地产生单模或多模激光输出。应该指出，周期性增益区160的发射强度可通过高强度紫外照射之外的方式(如本领域常用的那些)进行局部调制。

生成激活区130和下部净增益区150后，接下来进行顶部介质叠层140的淀积。顶部介质叠层140与底部介质叠层120隔开并反射预定波长范围内的光。其组成与底部介质叠层的组成相似。由于顶部介质叠层140淀积在含有机物(对于有机增益介质的情形)的激活区130上，其淀积温度必须保持较低以避免有机物熔融。因此，顶部介质叠层140的典型淀积温度为100℃或更低。顶部介质叠层可通过常规方法淀积，如电子束、低能溅射或胶体淀积。为获得有效的激光性能，优选顶部和底部介质叠层的峰值反射率大于99％，较小的值导致较大的激光线宽。

VCSEL阵列器件100通过入射的泵浦光束180光驱动并发射激光190。由于有机VCSEL激光器腔的激光功率密度阈值小，故泵浦光束可为非相干的LED光。图2示意了通过顶部介质叠层140的激光190。或者，激光器的结构可利用通过基材110的激光190使光泵浦通过顶部介质叠层。VCSEL阵列器件100的运行通过下述方式发生。泵浦光束180通过基材110和底部介质叠层120传播并为周期性增益区160所吸收，其中部分泵浦光束能在激光像素200位置上作为更长波长的激光被重新发射。当泵浦光束180通过基材110进入时，为确保激光190主要通过顶部介质叠层140离开，有必要选择顶部介质叠层的峰值反射使之小于底部介质叠层120的峰值反射。为提高器件的功率转换效率，向两个介质叠层中增加额外的介质层以使顶部介质叠层140高度反射泵浦光束180、底部介质叠层120高度透射泵浦光束180是通常的做法。

如上文所讨论的，对周期性增益区160的净增益进行空间调制的另一种方法是通过泵浦光束180调制周期性增益区160的激发。图4中给出了本发明的另一实施方案，激光器阵列器件102，其包含吸收元件155。为形成微米尺寸的激光像素和减少衍射效应，优选吸收元件155邻近激活区130布置。如上文所讨论的，一旦有机物已经淀积，则在激光器件上进行光刻处理将是困难的；因此，优选如图4所示那样将吸收元件布置在双折射层126和激活区130之间。吸收元件155的组成为任何吸收泵浦光束180而仅最低限度地吸收和散射激光190的材料。优选在泵浦光束180的发射波长下吸收元件155的吸收系数大于10⁴cm^-1。吸收元件155厚度的选择应使相当大百分率的泵浦光束180被该元件所吸收。优选的吸收百分率大于25％。为产生图案化的吸收层，可采用多种方法。第一种方法是淀积均匀的染料层157并使用图案化的紫外光选择性地改变染料层157的吸收系数。如上文对图2的讨论，紫外光可用常规的光刻掩模进行调制。染料层157吸收系数的改变可或通过漂白染料分子(降低吸收选择性)或通过离解染料分子以产生更强地吸收泵浦光束180的物种(提高吸收选择性)来实现。如上文所述，优选染料层157和吸收元件155均仅微弱地吸收/散射激光190。这种产生吸收元件155的方法的一个好处是得到平面型的激光器阵列器件102。

淀积吸收元件155的另一种方法是使用染色的光刻胶。得到的激光器阵列器件103示意于图5中。这些类型的染色的光刻胶是本领域内众所周知的，通过标准的光刻工艺旋转流延和图案化。对于激光器阵列器件102或103，在产生以间隔的吸收元件155后，激活区130和顶部介质叠层140被顺次淀积。由于吸收元件155需要被布置在双折射层126和激活区130之间并吸收部分泵浦光束180，所以有必要使泵浦光束180通过基材110进入。本领域常用的其他方式也可产生吸收元件155，如本领域内常用的。例如，可在透明层(如SiO₂)上形成蚀坑，蚀坑上可淀积吸收元件155材料。接着，可用标准的化学机械抛光(CMP)法抛光吸收元件155材料，使其只留在蚀坑区中。如上文所讨论的，吸收元件155的位置对应于像素间区域210，而余下的区域对应于激光像素200。在一个优选的实施方案中，激光像素200的形状为圆形；但其他像素形状是可能的，如矩形。激光像素200的尺寸在2.5-20微米的范围内。对于单横模激光器的运行，优选的激光像素200直径为2.5-4.5μm。像素间距在0.25-4μm的范围内。一般而言，间隔排列的激光像素200可具有相同或不同的尺寸，且像素间的间距的长度相同或不同以使激光器阵列器件102或103的输出局部地产生单模或多模激光输出。

图6示意了本发明的另一实施方案。该激光器阵列器件104为图5所示器件的变体。在图5中，激活区130直接生长在吸收元件155上。因此，对于通过染色的光刻胶形成吸收元件的情形，激活区130和顶部介质叠层140被淀积在非平面(波纹形)表面上(注意：对于在蚀坑中生长并随后进行CMP的情形，得到的是平面型表面)。对于某些多层叠层的组合，如TiO₂-SiO₂，在波纹面上的淀积可能导致叠层的柱状生长，从而使顶部介质叠层140中的散射损失增大。为克服这个问题，吸收元件155用本领域内广为人知的方法在淀积激活区130之前通过平面化层158平面化。在一个实施方案中，产生间隔的吸收元件155后，平面化层158的材料通过适合的工艺被淀积。接着，采用本领域内众所周知的CMP法抛光平面化层158的材料，直至与吸收元件155的顶面齐平(或在几十纳米以内)。平面化层158的第二个实施方案是使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在这种情况下，PMMA被旋转流延到间隔的吸收元件155上达0.5-3μm的厚度范围，然后在150-220℃下进行常规的烘烤。扫描电子显微镜(SEM)图像表明PMMA厚度与吸收元件厚度的比率为3∶1或4∶1时通常使PMMA表面平面化。除了这三个平面化的实施方案外，本领域技术人员采用的其他方法也是可能的。总之，在产生间隔的吸收元件155后而在淀积激活区130前增加平面化层158可使激活区130和顶部介质叠层140中的散射损失减少，并在使用染色的光刻胶形成吸收元件155的情形下的功率转换效率提高。

图7示意了本发明的另一实施方案，激光器阵列器件106。在该例中，空间调制VCSEL器件的净增益的方法是选择性地蚀刻(反射调制)底部介质叠层120。为减少散射损失并相应地提高功率转换效率，优选从激活区130的驻波电磁场(e-场)强度最高的地方除去底部介质叠层的被蚀刻表面。这样，底部介质叠层120被淀积成两部分中，第一部分121和第二部分125，其中反射调制通过在底部介质叠层第一部分121的表面中形成蚀刻区151获得。为使蚀刻区151远离激活区130间，优选底部介质叠层第一部分121含至多3-5个反射激光的介质层。对于底部介质叠层加了额外的介质层以将泵浦光束180反射回激活区130中的情形，这些层首先淀积在底部介质叠层的第一部分121中。

图案化的蚀刻区151采用标准的光刻和蚀刻技术在底部介质叠层的第一部分121中形成，从而在底部介质叠层第一部分121的表面上形成二维圆柱阵列。在一个优选的实施方案中，激光像素的形状为圆形；但其他像素形状也是可以的，如矩形。像素间距在0.25-4μm的范围内。通过实验已经确定，应除去底部介质叠层第一部分121的一个或两个周期以产生蚀刻区151。更深的蚀刻通常引起激光器阵列较差的性能。底部介质叠层的第二部分125在蚀刻区151形成后淀积在底部介质叠层的第一部分121上。如图7中所示，底部介质叠层的第二部分125填充了蚀刻区151。底部介质叠层的第二部分125由高和低折射率介质材料(如TiO₂和SiO₂)的交替层组成。同第一部分一样，第二部分可通过电子束、PECVD、溅射、溶胶-凝胶法或胶体淀积法淀积。

图8示意了本发明的另一实施方案，激光器阵列器件108。该器件是图7中所示器件的变体。在图7中，底部介质叠层的第二部分125直接生长在蚀刻区151上。这样，叠层被淀积在非平面(波纹形)的表面上。对于某些多层叠层的组合，如TiO₂-SiO₂，在波纹面上的淀积可能导致叠层的柱状生长。因此，底部介质叠层的第二部分125中的散射损失增大。为克服这个问题，底部介质叠层第一部分121的蚀刻表面在淀积底部介质叠层第二部分125之前通过平面化层158被平面化。平面化层158的一个实施方案是以聚酰亚胺用于Ta₂O₅-SiO₂或TiO₂-SiO₂多层叠层系统。产生蚀刻区151后，2-3微米的聚酰亚胺通过旋转流延、然后在180-250℃的温度范围内烘烤硬化而被淀积在底部介质叠层第一部分121的表面上。接着，采用本领域内众所周知的CMP法抛光聚酰亚胺，直至在激光像素200位置处与底部介质叠层第一部分121的顶面齐平(或在几十纳米以内)。由于标准的CMP淤浆中聚酰亚胺和氧化物的抛光速率差异大，可简单地在开始抛光激光像素200处的氧化层时让抛光停止。

平面化层158的第二个实施方案是以SiO₂用于Ta₂O₅-SiO₂多层介质叠层系统。在该例中，底部介质叠层第一部分121的顶层为Si₃N₄的薄层。氮化硅可通过等离子体增强化学气相淀积法(CVD)在300-400℃的温度范围内淀积，厚度范围为10-200nm。在形成蚀刻区151(蚀刻穿过氮化物层和底部介质叠层第一部分121的1-2个周期)后，SiO₂的平面化层158通过CVD或热蒸发法被淀积，厚度为0.75-2.0μm。同聚酰亚胺实施方案一样，使用CMP和另一种普通淤浆抛光SiO₂，直至其与氮化硅层的顶面齐平(或在几十纳米以内)。由于抛光选择性高于3.5∶1，又可简单地在开始抛光氮化硅层顶面时停止抛光。平面化层158的第三种实施方案是以PMMA用于任何多层介质叠层系统。在该例中，PMMA被旋转流延到底部介质叠层第一部分121的蚀刻表面上达0.5-3.0μm的厚度范围，然后在150-220℃下进行常规的烘烤。除了这三个平面化的实施方案外，本领域技术人员采用其他方法也是可能的。总之，在产生蚀刻区151后而在淀积底部介质叠层第二部分125前增加平面化层158可使激活区130和底部及顶部介质叠层中的散射损失减少，并使功率转换效率提高。

有了含VCSEL阵列器件100的显示器的发明，可制得简化的液晶显示器。简化的LCD(如图9中所示)通常含背光模块220、VCSEL阵列器件100、偏振层305、光闸层310和扩束器320。背光模块220为VCSEL阵列器件100提供泵浦光束180。VCSEL阵列器件100为光闸层310提供彩色的像素化光源。如果VCSEL阵列器件100含双折射层126，则其输出也被偏振化而可没有偏振层305。否则偏振层305向光闸层310传递激光190的一个偏振态。光闸层310或者传递或者阻断像素化结构的偏振光。扩束器320捕获离开光闸层310的光并扩展其观察锥。

如图10-13中所示用于产生泵浦光束180的背光模块220由扩散器240和发光二极管(LEDs)230或冷阴极荧光灯(CCFL)280组成。扩散器240使入射到VCSEL阵列器件100上的光均匀化。LEDs 230通常或在照亮波导260边缘的线性阵列250中(波导260再改变光的方向使其照射在VCSEL阵列器件100上)或在直接照亮VCSEL阵列器件100的平面阵列270中。CCFL 280通常或照亮波导260边缘(波导260再改变光的方向使其照射在VCSEL阵列器件100上)或定位于扩散器下面的行300中并直接照亮VCSEL阵列器件100。

VCSEL阵列器件100的小发散角使激光器阵列的发射元件205与光闸层310的色元件间1∶1的对应成为可能。相应地不再有必要采用滤色阵列作为光闸层310的部件之一。光闸层310仅需调制自VCSEL阵列器件100入射的色光；从而减少了伴随滤色阵列的效率损失。自VCSEL阵列器件100输出的光其近准直性的另一个特征在于视角补偿膜可从显示器结构中除去。也由于VCSEL阵列器件100光输出的自然准直性(发散角为3-5°)，通常包含在背光模块220中的准直膜也可被取消。由于显示器结构中视角补偿膜和准直膜的取消，液晶显示器件的成本可降低。但为防止从相邻的像素漏光，VCSEL阵列器件100光输出的非常小的发散必须被考虑。为防止颜色不正确的光通过相邻的像素跑出，激光器阵列发射元件205的尺寸必须被略微减小，以便激光一横贯进入光闸层310中即对着约为80×240μm的适合像素尺寸。发射元件的尺寸可通过在底部介质叠层120和基材110间选择性地淀积金属得到调节。优选的金属为Al或Ag，其可通过人们熟知的蒸发法选择性地淀积。这些金属能高度反射泵浦光束180并促成泵浦光束180的回收，直至泵浦光束180从金属淀积物间通过。

通过在VCSEL阵列器件100中引入双折射层126(或一些影响VCSEL阵列光输出的优选偏振的其他常见装置)作为部件，来自二维垂直腔激光器阵列的多模激光输出将优选沿一个方向偏振化。这样，背光模块220中不需要再有底部偏振元件和与之相关的反射偏振元件。这些元件从显示器结构中的去除节约了成本。本发明的另一实施方案未将VCSEL输出优选偏振化。这种情况下将有必要在VCSEL阵列器件100的顶部和光闸层310的底部之间增加偏振层305。由于VCSEL光输出的发散，如上文所讨论的，优选所增加的偏振层305尽可能薄。例如，新近的偏振器厚度约为10μm。

光闸层310，如图14中所示，通常为在距离VCSEL阵列器件100最远的一侧上有分析器340的液晶盒330。除其不含CFA外，液晶盒330与常规的液晶盒是相似的。由于自VCSEL阵列器件100输出的光被像素化为红、绿和蓝色激光发射，因此液晶盒330不需要CFA。液晶盒330在顶部和底部上包含液晶基材350。液晶盒330中的液晶基材350可包括玻璃板或塑料基材。液晶基材350的厚度应足够薄以防止视差，视差可能导致通过相邻像素漏光。液晶基材350的厚度应优选小于0.5mm。两层液晶基材350上均覆盖了图案化的透明导体层360。典型的透明导体为氧化铟锡。在每一透明导体层360的顶部覆盖有定向层370。最后，在两个定向层370之间覆盖着液晶材料380。液晶盒330通过选择性地施加电压时对液晶分子取向来调制自VCSEL阵列器件100输出的光强度。液晶盒330也可在每个像素位置含薄膜晶体管，使显示器被主动驱动。但本发明不要求特定驱动方案。光闸层310也含分析器340，其分辨自液晶盒330输出的偏振光。

本领域技术人员能理解本发明也可使用其他光闸。实例为自电润湿(electroicwetting)法产生的光闸。在这个光开关中，如Hayes，et al.，Nature，425，383(2003)所论证的，电场的应用改变了含染料的油滴覆盖各个像素表面的程度。实际上，电场改变像素表面的憎水性。Hayes，et al.，Nature，425，383(2002)预见了将其开关用于反射显示，其中的反射通过油滴后面的白反射片产生。如果底板是透明的而不是反射性的，则电润湿开关也可用在透射显示中。

由于VCSEL阵列器件100的光输出是近准直的，因此有必要采用扩束器320作为图9的LCD器件的最末元件以增大色光输出的角度锥。包含扩束器320的可能部件可为扩散元件或微透镜阵列。所述部件应能增大锥形视角范围同时保持显示图像的清晰度。更具体地说，一离开扩束器320，各个像素应同进入扩束器320之前一样清晰可辨。根据预期的应用，可相应地通过扩束器320调节扩大锥形视角范围。

上文特别参考某些优选实施方案对本发明进行了详细的描述，但应理解的是可在本发明的精神和范围内实施变化和改动。

                    零部件清单

1           光轴

3           x-y-z坐标系

5           显示面

7           显示面法线方向

9           光轴

100         VCSEL阵列器件

102         激光器阵列器件

103         激光器阵列器件

104         激光器阵列器件

106         激光器阵列器件

108         激光器阵列器件

110         基材

120         底部介质叠层

121         底部介质叠层的第一部分

125         底部介质叠层的第二部分

126         双折射层

128         定向层

129         双折射材料

130         激活区

140         顶部介质叠层

150         下部净增益区

151         蚀刻区

155         吸收元件

157         染料层

158         平面化层

160         周期性增益区

170         间隔层

180         泵浦光束

190         激光

200         激光像素

205         发射元件

210         像素间区域

220         背光模块

230         发光二极管

240         扩散器

250         线性阵列

260         波导

270         平面阵列

280         冷阴极荧光灯

300         行(row)

305         偏振层

310         光闸层

320         扩束器

330         液晶盒

340         分析器

350         液晶基材

360         透明导体

370         液晶分子定向层

380         液晶材料

          方位角

θ          倾角

Claims (74)

1.一种产生彩色像素化光的显示设备，所述显示设备包含：

a)产生泵浦光束的背光模块；

b)垂直腔激光器阵列器件，所述器件含：

i)在间隔排列的位置上调制器件性质以提供间隔排列的激光像素阵列的结构，所述像素较像素间区域具有更高的净增益；和

ii)激活区，所述激活区包括响应泵浦光束产生不同色光的部分；

c)光闸；和

d)位于光闸上方的扩束器，以增大选定色光的锥形视角范围。

2.权利要求1的显示设备，其中在所述垂直腔激光器阵列器件和光闸间提供有偏振层。

3.权利要求1的显示设备，其中所述垂直腔激光器阵列器件进一步含布置在激光器阵列器件中的双折射层以确保所述器件产生具有预定偏振方向的偏振光。

4.一种产生彩色像素化光的显示设备，所述显示设备包含：

a)产生泵浦光束的背光模块；

b)垂直腔激光器阵列器件，所述器件含：

i)透明基材；

ii)底部介质叠层，所述叠层布置在基材上，反射预定波长范围内的光；

iii)在间隔排列的位置上调制器件性质以提供间隔排列的激光像素阵列的装置，所述像素较像素间区域具有更高的净增益；

iv)激活区，所述激活区包括响应泵浦光束产生不同色光的部分；和

v)顶部介质叠层，所述叠层与底部介质叠层相间隔并反射预定波长范围内的光；

c)光闸，所述光闸允许来自垂直腔激光器阵列器件的选定色光通过；和

d)位于光闸上方的扩束器，用来增大选定色光的锥形视角范围。

5.权利要求4的显示设备，其中在所述垂直腔激光器阵列器件和光闸间提供有偏振层。

6.权利要求4的显示设备，其中所述垂直腔激光器阵列器件进一步含布置在激光器阵列器件中的双折射层以确保所述器件产生具有预定偏振方向的偏振光。

7.权利要求4的显示设备，其中所述光闸含至少一层含有液晶的层，所述液晶对所施加的场作出响应以允许选定的光通过。

8.权利要求4的显示设备，其中所述光闸含至少一层偏振膜。

9.权利要求4的显示设备，其中所述光闸含至少一层含有电润湿开关的层。

10.权利要求4的显示设备，其中所述背光模块含发光二极管或冷阴极荧光灯。

11.权利要求4的显示设备，其中所述激活区含一个或多个周期性增益区和布置在周期性增益区任一侧、其布置使周期性增益区与器件的驻波电磁场的波腹对齐的间隔层。

12.权利要求11的显示设备，其中部分周期性增益区产生红、绿或蓝光。

13.权利要求11的显示设备，其中所述周期性增益区含有机主体材料和掺杂剂，且所述间隔层对泵浦光束和激光基本透明。

14.权利要求11的显示设备，其中所述间隔层含1，1-双-(4-二(4-甲基-苯基)-氨基-苯基)-环己烷或二氧化硅。

15.权利要求12的显示设备，其中产生绿光的周期性增益区部分含主体材料三(8-喹啉酚根)合铝和掺杂剂[10-(2-苯并噻唑基)-2，3，6，7-四氢-1，1，7，7-四甲基-1H，5H，11H-[1]苯并吡喃[6，7，8-ij]喹嗪-11-酮]。

16.权利要求12的显示设备，其中产生红光的周期性增益区部分含主体材料三(8-喹啉酚根)合铝和掺杂剂[4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛里定基-9-烯基)-4H-吡喃]。

17.权利要求12的显示设备，其中产生蓝光的周期性增益区部分含主体材料2-叔丁基-9，10-二-萘-2-基-蒽和掺杂剂2，5，8，11-四(1，1-二甲基乙基)-苝。

18.权利要求11的显示设备，其中所述周期性增益区含聚合材料。

19.权利要求11的显示设备，其中所述周期性增益区含无机纳米颗粒。

20.权利要求4的显示设备，其中所述间隔排列的激光像素具有相同或不同的尺寸，且像素间的间距的长度相同或不同以使所述垂直腔激光器阵列器件的输出为单模或多模激光输出。

21.权利要求4的显示设备，其中所述像素间间隔为0.25-4微米。

22.权利要求4的显示设备，其中所述像素尺寸为2.5-20微米。

23.权利要求4的显示设备，其中所述像素以周期性的二维阵列排列。

24.权利要求4的显示设备，其中所述像素以二维阵列随机排列。

25.权利要求4的显示设备，其中所述间隔排列的激光像素阵列含多个间隔的吸收元件以吸收泵浦光束。

26.权利要求4的显示设备，其中所述间隔排列的激光像素阵列在间隔的位置上改变激活区的发射性质。

27.权利要求26的显示设备，其中所述发射性质通过高强度紫外辐射改变。

28.权利要求4的显示设备，其中所述间隔排列的激光像素阵列包括在底部介质叠层的顶面中选择性地形成蚀刻区。

29.权利要求28的显示设备，其中在被选择性地蚀刻了的底部介质叠层上形成平面化层。

30.权利要求29的显示设备，其中所述平面化层含聚酰亚胺或SiO₂并通过化学机械抛光系统磨薄。

31.权利要求29的显示设备，其中所述平面化层含聚甲基丙烯酸甲酯。

32.权利要求6的显示设备，其中所述双折射层布置在激活区与底部或顶部介质叠层中任一层之间。

33.权利要求6的显示设备，其中所述双折射层布置介质叠层之一内。

34.权利要求6的显示设备，其中所述双折射层含布置在双折射层两侧中的至少一侧上的定向层。

35.权利要求34的显示设备，其中所述定向层含可通过光定向法取向的材料。

36.权利要求34的显示设备，其中所述定向层含可通过机械摩擦取向的材料。

37.权利要求6的显示设备，其中所述双折射层含正或负双折射材料，其光轴的平均倾角在0°-20°之间。

38.权利要求37的显示设备，其中所述双折射材料包括聚合液晶材料。

39.权利要求4的显示设备，其中所述泵浦光束通过至少一个介质叠层透射并进入激活区。

40.一种产生彩色像素化光的显示设备，所述显示设备包含：

a)产生泵浦光束的背光模块；

b)垂直腔激光器阵列器件，所述器件含：

i)蚀刻区，所述蚀刻区在底部介质叠层第一部分的顶面中选择性地形成以提供间隔排列的激光像素阵列，所述像素较像素间区域具有更高的净增益；和

ii)激活区，所述激活区包括响应泵浦光束产生不同色光的部分；

c)光闸；和

d)位于光闸上方的扩束器，用来增大选定色光的锥形视角范围。

41.权利要求40的显示设备，其中在所述垂直腔激光器阵列器件和光闸间提供有偏振层。

42.权利要求40的显示设备，其中所述垂直腔激光器阵列器件进一步含布置在激光器阵列器件中的双折射层以确保所述器件产生具有预定偏振方向的偏振光。

43.一种产生彩色像素化光的显示设备，所述显示设备包含：

a)产生泵浦光束的背光模块；

b)垂直腔激光器阵列器件，所述器件含：

i)透明基材；

ii)底部介质叠层的第一部分，其布置在基材上，反射预定波长范围内的光；

iii)蚀刻区，所述蚀刻区在底部介质叠层第一部分的顶面中选择性地形成以提供间隔排列的激光像素阵列，所述像素较像素间区域具有更高的净增益；

iv)在蚀刻第一部分上形成的底部介质叠层第二部分；

v)激活区，所述激活区包括响应泵浦光束产生不同色光的部分；和

vi)顶部介质叠层，所述叠层与底部介质叠层相间隔并能反射预定波长范围内的光；

c)光闸，所述光闸允许来自垂直腔激光器阵列器件的选定色光通过；和

d)位于光闸上方的扩束器，用来增大选定色光的锥形视角范围。

44.权利要求43的显示设备，其中在所述垂直腔激光器阵列器件和光闸间提供有偏振层。

45.权利要求43的显示设备，其中所述垂直腔激光器阵列器件进一步含布置在激光器阵列器件中的双折射层以确保所述器件产生具有预定偏振方向的偏振光。

46.权利要求43的显示设备，其中所述光闸含至少一层含有液晶的层，所述液晶能对所施加的场作出响应以允许选定的光通过。

47.权利要求43的显示设备，其中所述光闸含至少一层偏振膜。

48.权利要求43的显示设备，其中所述光闸含至少一层含有电润湿开关的层。

49.权利要求43的显示设备，其中所述背光模块含发光二极管或冷阴极荧光灯。

50.权利要求43的显示设备，其中所述激活区含一个或多个周期性增益区和布置在周期性增益区任一侧、其布置使周期性增益区与器件的驻波电磁场的波腹对齐的间隔层。

51.权利要求50的显示设备，其中部分周期性增益区产生红、绿或蓝光。

52.权利要求50的显示设备，其中所述周期性增益区含有机主体材料和掺杂剂，且所述间隔层对泵浦光束和激光基本透明。

53.权利要求50的显示设备，其中所述间隔层含1，1-双-(4-二(4-甲基-苯基)-氨基-苯基)-环己烷或二氧化硅。

54.权利要求51的显示设备，其中产生绿光的周期性增益区部分含主体材料三(8-喹啉酚根)合铝和掺杂剂[10-(2-苯并噻唑基)-2，3，6，7-四氢-1，1，7，7-四甲基-1H，5H，11H-[1]苯并吡喃[6，7，8-ij]喹嗪-11-酮]。

55.权利要求51的显示设备，其中产生红光的周期性增益区部分含主体材料三(8-喹啉酚根)合铝和掺杂剂[4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛里定基-9-烯基)-4H-吡喃]。

56.权利要求51的显示设备，其中产生蓝光的周期性增益区部分含主体材料2-叔丁基-9，10-二-萘-2-基-蒽和掺杂剂2，5，8，11-四(1，1-二甲基乙基)-苝。

57.权利要求50的显示设备，其中所述周期性增益区含聚合材料。

58.权利要求50的显示设备，其中所述周期性增益区含无机纳米颗粒。

59.权利要求43的显示设备，其中所述间隔排列的激光像素具有相同或不同的尺寸，且像素间的间距的长度相同或不同以使所述垂直腔激光器阵列器件的输出为单模或多模激光输出。

60.权利要求43的显示设备，其中所述像素间间隔为0.25-4微米。

61.权利要求43的显示设备，其中所述像素尺寸为2.5-20微米。

62.权利要求43的显示设备，其中所述像素以周期性的二维阵列排列。

63.权利要求43的显示设备，其中所述像素以二维阵列随机排列。

64.权利要求43的显示设备，其中在底部介质叠层的第一和第二部分间形成平面化层。

65.权利要求64的显示设备，其中所述平面化层含聚酰亚胺或SiO₂并通过化学机械抛光系统磨薄。

66.权利要求64的显示设备，其中所述平面化层含聚甲基丙烯酸甲酯。

67.权利要求45的显示设备，其中所述双折射层布置在激活区与底部或顶部介质叠层中任一层之间。

68.权利要求45的显示设备，其中所述双折射层布置介质叠层之一内。

69.权利要求45的显示设备，其中所述双折射层含布置在其两侧中的至少一侧上的定向层。

70.权利要求69的显示设备，其中所述定向层含可通过光定向法取向的材料。

71.权利要求69的显示设备，其中所述定向层含可通过机械摩擦取向的材料。

72.权利要求45的显示设备，其中所述双折射层含正或负双折射材料，其光轴的平均倾角在0°-20°之间。

73.权利要求72的显示设备，其中所述双折射材料包括聚合液晶材料。

74.权利要求43的显示设备，其中所述泵浦光束通过至少一个介质叠层透射并进入激活区。

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