CN1957509A - 用于低功耗显示设备的光量子环激光器 - Google Patents

Abstract

一种用于低功耗显示器的三维(3D)光量子环(PQR)激光器，其中该PQR激光器具有足够小的半径，以调整在PQR激光器的给定半导体材料的增益轮廓线内的包络波长范围中离散地进行多波长振荡的振荡模式的模式问间距(IMS)，从而使得IMS具有最大值，振荡模式的数量具有最小值。该PQR激光器显示出依据3D环状腔结构的多波长振荡特性，并且设计为显示出比LED低的阈值电流且在几nm到几十nm的包络波长范围中具有多波长模式。通过调整该PQR激光器的多波长振荡特性和IMS，该PQR激光器消耗的能量降低，同时保证了与LED相同的令人满意的颜色和高亮度。

Description

用于低功耗显示设备的光量子环激光器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种适用于低功耗显示器的具有多波长振荡特性的光量子环(PQR)激光器。

背景技术

在显示器领域最为突出的发光二极管(LED)主要具有诸如卓越的抗振动性、高稳定性和低功耗等优良的特性。这种LED已经得到很好的发展，从而使其具有改善的性能，例如，亮度和发射波长能在宽范围内变化以及能够进行大规模生产。由此，这种LED的应用已经扩展到整个工业领域，例如移动式显示器的背光源、高速公路上的路标、股票报价板、地铁路标板、安装在车辆内的发光器等。尤其是，为了降低能耗甚至将这种LED应用于交通信号灯。虽然LED由于其发射波长范围可按照LED所使用的增益材料，例如GaInN、GaAsP和InGaAsP而扩展，从而发射三原色的光，但是这些LED具有一个缺点，这个缺点在于，其随波长变化的半最大值全宽(FWHM)通常具有几十nm到100nm的宽波长分布，如LED的强度分布图中所示。

已经进行的研究提供了一种谐振腔二极管(RCLED)，这种谐振腔二极管通过将具有低反射率的谐振器加入到具有基本结构的LED中而制成，以便实现光的直线度和强度以及温度稳定性的改进，或者实现将FWHM降低到几nm，从而在保证亮度的同时实现功耗的降低。

本发明的公开

技术问题

然而，RCLED具有的缺陷在于：由于谐振器具有低的品质因数(Q)，因此它与激光器相比具有极高的FWHM。

因此，需要提供一种新的低功耗显示设备，其能在保证与LED相同的令人满意的色彩和高亮度的同时表现出低功耗。

技术解决方案

因此，本发明的一个目的是提供一种适用于低功耗显示器的PQR激光器，该激光器与LED相比表现出低的阈值电流，同时保证了与LED相同的令人满意的色彩和高亮度。

根据本发明的优选实施例，提供了一种用于低功耗显示器的三维(3D)光量子环(PQR)激光器，其中该PQR激光器具有足够小的半径，以调整在PQR激光器的给定半导体材料的增益轮廓线内的包络波长范围中离散地进行多波长振荡的振荡模式的模式间间距(IMS)，从而使得IMS具有最大值。

根据本发明的另一个优选实施例，提供一种用于低功耗显示器的三维(3D)光量子环(PQR)激光器，其中该PQR激光器具有足够小的半径，以将在PQR激光器的给定半导体材料的增益轮廓线内的包络波长范围中离散地进行多波长振荡的振荡模式的数量调整为1。

有益效果

因此，可以用本发明的显示器代替用于显示设备的具有几十nm到100nm发射波长FWHM的常规LED。

附图简述

根据下面结合附图对优选实施例进行的详细描述，本发明的上述和其它目的以及特征将变得显而易见，在附图中，

图1和2分别示出使用环状垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等结构的三维回音壁型(WG)光量子环(PQR)激光器的横截面和部分放大视图；

图3、4和5分别示出PQR激光器的3D环状腔结构和PQR激光器中的振荡模式的CCD图像照片的示意图；

图6是描绘PQR激光器的多波长振荡光谱和通过计算得到的波长分布分析的曲线图；

图7是使用柱状坐标系示意性地描绘3D环状腔的视图；

图8是描绘GaInN/GaN蓝色LED、GaInN/GaN绿色LED和AlGaInP/GaAs红色LED的常见发射波长分布曲线图；

图9和10是描绘PQR激光器和高质量RCLED型器件的光谱的曲线图；以及

图11是描绘根据本发明的红色PQR激光器的振荡光谱的曲线图。

最佳实施方式

在下文中，将参照附图详细描述根据本发明优选实施例的适用于低功耗显示器光量子环(PQR)激光器。

参照图1和图2，其分别示出了根据本发明适用于低功耗显示器、使用环状垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等结构的三维回音壁型(whispering gallelry)(WG)光量子环(PQR)激光器的横截面图和部分放大视图。在图1和图2中示出的3D PQR激光器在2003年2月11日授权的美国专利No.6,519,271中充分公开了，其公开内容将以引用方式并入此处。

3D PQR激光器类似于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，但是表现出如下特性：即，激光器开始振荡的阈值电流在μA到nA的范围内，显著低于LED和VCSEL的阈值电流。根据振荡光谱的属性可以将这种3D PQR激光器分类为瑞利一法布里一波罗(RFP)WG模式激光器。如图1和2中所示，3D PQR激光器是通过采用如下的工艺来制备的：将具有多个量子阱例如四个量子阱的有源区18外延沉积在衬底12上，使其夹在n型分布式布拉格反射器(DBR)16和p型DBR 20之间；使用干蚀刻形成圆柱形台面；通过聚酰亚胺的平面化包围该圆柱形台面；以及将条带状的或有多个部分的p电极26加到圆柱形台面的顶部，将一个n电极10加到衬底12的下部。具体而言，衬底12由任何合适的材料制成，例如砷化镓(GaAs)、镓铟氮化物(GaInN)等，并且通常是n+掺杂的以便于随后多个层的外延生长。通常，使用任何合适的外延沉积方法，例如分子束外延(MBE)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)等来产生所需要的多层。这些方法使得可以进行材料层，例如砷化铝、砷化镓、铝镓砷化物等的外延沉积。应该理解，外延沉积被广泛地用来产生多层。在具有0.3μm厚度的n+GaAs缓冲层14沉积在例如可以由n+GaAs制成的衬底12上之后，具有两个不同折射率的许多层相互堆叠，即一层在另一层之上，从而形成n型DBR 16。也就是说，如图2中所示，将41个Al_xGa_1-xAs的低层16-L和40个Al_yGa_1-yAs的高层16-H交替沉积以形成n型DBR 16，其中0≤x，y≤1，x和y分别优选0.9和0.3。Al_xGa_1-xAs优选具有相对低的折射率，Al_yGa_1-yAs优选具有相对高的折射率，从而使得具有相对低的折射率的低层16-L可以邻近有源区18。n型DBR16的每一层是四分之一波长λ_n/4厚，其中波长λ_n(＝λ/n)是VCSEL模式下发射的激光辐射在该层中的波长，λ是激光辐射的自由空间波长，n是Al_xGa_1-xAs或Al_yGa_1-yAs的折射率。如图2中所示，夹在低和高AlGaAs隔离层17和19之间的有源区18沉积在n型DBR 16上，该低和高AlGaAs隔离层17和19中的每一个厚为850，其中有源区18由四组包括具有小带隙能的Al_zGa_1-zAs 18-L和具有大带隙能的Al_xGa_1-xAs 18-H的交替层制成，其中z和x分别优选是0.11和0.3，从而在有源区18中形成由Al_zGa_1-zAs 18-L形成的4个量子阱。Al_zGa_1-zAs 18-L和Al_xGa_1-xAs 18-H中的每一层优选为80厚。应该注意的是，两个AlGaAs隔离层17和19以及有源区18的总垂直尺寸是VCSEL模式辐射的一个波长的厚度，两个AlGaAs隔离层17和19以及有源区18之中每一个的垂直尺寸取决于它的折射率。在上隔离层19上，具有两个不同折射率的许多层相互堆叠，从而形成了具有高得多的折射率的p型DBR 20。也就是说，如图2中所示，30个Al_xGa_1-xAs或Al_yGa_1-yAs低层20-L和30个Al_yGa_1-yAs高层20-H交替沉积以形成p型DBR 20，其中x和y分别优选0.9和0.3。p型DBR20中的每一层优选是四分之一波长λ_n/4厚。在p型DBR 20上沉积p+GaAs覆盖层22。在上述外延层沉积之后，用干蚀刻例如化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)来蚀刻有源区18以及两个隔离层17和19的侧壁，以便形成平滑的圆柱形台面。应该注意，通过CAIBE蚀刻的侧壁表面比用任何其它蚀刻方法例如反应离子蚀刻(RIE)所蚀刻的表面更加均匀。圆柱形台面的直径可以从次μm(sub-μm)变化到几十μm。

通过聚酰亚胺平面化技术用聚酰亚胺沟道24来包围蚀刻后的圆柱形台面。聚酰亚胺沟道24支撑如下所述的条带状的或有多个部分的p电极26，并提供了用于传送在环状腔中产生的PQR模式的辐射的通道。可以由AuGe/Ni/Au制成的n电极10被沉积在n+衬底12的下面，条带状的或有多个部分的p电极26被沉积在p+GaAs覆盖层22的上面。通过快速热退火工艺使金属的n和p电极10和26分别与半导体也就是GaAs衬底12和p+GaAs覆盖层22欧姆接触。

依照由设置在多量子阱(MQW)有源层的上方和下方的DBR层16和20所形成的光子的垂直限制和由沿PQR激光盘的侧面边界发生的全反射所形成的光子的水平限制，PQR激光器在3D RFP条件下形成了环状腔型WG模式，如在微盘型激光器中那样。依据光量子围栏(corral)效应(PQCE)，在限定为环状的环内MQW有源表面上的载体被以量子线(QWR)的同心环的形式重新分布，从而产生了电子-空穴的重新组合，由此产生了光子。

本发明的发明者发现，通过调整PQR激光器的光谱振荡模式波长和模式间间距(IMS)，与常规的LED相比可以将PQR激光器的能耗降低

$\frac{\mathrm{FWHM}\left(\mathrm{LED}\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FWHM}}_m\left(\mathrm{PQR}\right)}.$

也就是说，本发明的PQR激光器表现出与LED的宽FWHM和PQR激光器的n个模式中的窄FWHM之和之间的比值相对应的能耗降低。依照本发明，PQR激光器的振荡模式波长和模式间间距的调整是通过减小PQR激光器的盘的半径来实现的。通过实现PQR激光器的盘的半径R的减小，可以调整PQR激光器的模式间间距，在这个模式间间距下PQR激光器在几nm到几十nm的PQR激光器的给定半导体材料的增益轮廓线内的包络波长范围中的多个波长下离散地进行振荡。而且，通过这种模式间间距的调整，可以确定在PQR激光器的整个所限定的包络中的振荡模式的数量。由此，可以控制PQR激光器消耗的功率量。根据本发明，取决于PQR激光器的结构和形状(例如三角形或矩形)以及所用的半导体材料，PQR激光器的半径R在15μm到2μm的范围内，优选约3μm。PQR激光器中模式的数量n优选是1。

上面描述的作为激光光源的PQR激光器具有下面的振荡特性和优势。首先将描述PQR激光器的电流特性。如上所述，在PQR激光器中，沿着3D环状RFP腔中的MQW盘的圆周边缘形成了瑞利环。PQR激光器在阈值电流的超低状态下被驱动，同时通过瑞利环中的某些QWR同心圆产生电子-空穴的重新组合。由此，PQR激光器在其中心部分甚至表现出比自转换(self-transition)型LED的发射能力更优的发射能力。而且PQR激光器的优势在于：由于QWR特性，可以稳定地保持PQR激光器的输出波长。图3、4和5分别示出了PQR激光器的3D环状腔结构、当注入12μA的电流时从直径15μm的PQR激光器中的瑞利环中发射的PQR模式、以及当注入12mA的电流时VCSEL模式在PQR激光器的中心部分处振荡。

接下来将描述PQR激光器的波长特性。PQR激光器具有由3D环状腔结构产生的多波长振荡特性。图6示出了当将7mA的电流注入到具有40μm直径的PQR激光器中时产生的多波长振荡光谱。从图6中可以知道，可以注意到在PQR激光器的增益范围内产生的谐振模式在范围从845nm到850nm的整个光谱的包络范围中离散地形成了具有约～0.2nm/模式的平均模式间间距(IMS)的激光振荡模式。因此，通过使PQR激光器的具有上述波长分布特性的振荡处于分别与低功耗显示设备例如LED的红(R)、绿(G)和蓝(B)相对应的波长范围内，可以将本发明的PQR激光器应用于低功耗显示设备。此外，可以通过在蓝PQR上涂覆钇铝石榴石(YAG)或用其它方法而产生具有白色的PQR光谱。整个光谱中的模式的数量n以及IMSΔλ只取决于PQR激光器的尺寸。可以通过将非垂直入射(off-normal)的法布里-波罗谐振和WG谐振之间的边界条件应用到3D环状微腔上而分析这种波长特性。图7用圆柱形坐标系示意性地示出了具有半径R和厚度d的3D环状腔。在圆柱形腔中存在的光波的常见形式可以由下面的表达式1表示：

[表达式1]

     Ψ_m(r，φ，z)∝J_m(k_tr)exp(±imφ)exp(±ik_zz)

其中，m是整数(＝0，±1，±2，±3，…)，

J_m表示第m阶贝塞耳函数，以及

k_z和k_t(＝k_rφ)表示腔中的波矢量的纵向和横向分量。

当将3D环状微腔的边界条件应用到表达式1上时，可以得到PQR激光器的振荡模式。当如图7中所示，任意行波以入射角θ_in，进入具有与一个波长相对应的厚度d，也就是1-λ的腔中时，并且沿着该腔行进，同时在腔的上和下反射表面之间进行反复的透射和反射，则该行波的纵向和横向波矢量分量可由下面的表达式2和3所限定：

[表达式2]

                 k_z＝kcosθ_in

[表达式3]

                 k_t＝ksinθ_in

其中，该腔的波数k由(2π/λ)n来表示，也就是k＝(2π/λ)n，其中λ是自由空间的波长，并且n是该腔中给定波长下的折射率。

当具有入射角θ_in的光波以角度θ射入空气中时，建立如下关系：

sinθ＝nsinθ_in。而且假设λ₀表示沿纵向(z方向)发射到自由空间中的光的波长，以及n₀表示波长λ₀的折射率，则纵向波矢量分量k_z用下面的表达式表示

k_z＝(2π/λ₀)n₀。

通过把这些条件应用到表达式2上，并且考虑到边界条件k_tR，则对于WG谐振模式，也就是 $k_{t}R=x_m^1,$ 其中R是盘的半径，并且x_m ¹是当假设贝塞耳函数J_m(k_tr)在点r(r＝R)处与0(零)相对应，也就是J_m(k_tr)＝0时，贝塞耳函数J_m(k_tr)的第一个根，那么可以获得如下面的表达式4所示的量子化的发射波长(模式)：

[表达式4]

${\mathrm{\λ}}_m={\mathrm{\λ}}_0\frac{n_m}{n_0}{[1+{\left(\frac{x_m^1{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\π}{\mathrm{Rn}}_0}\right)}^2]}^{-1/2}$

从表达式4中可以简单地得到IMS，也就是|λ_m+1-λ_m|如下面的表达式5所示：

[表达式5]

${\mathrm{\Δ\λ}}_m\≈\frac{n_0}{({\mathrm{\α\λ}}_0-n_0)}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^3{\mathrm{\Δx}}_m^1}{{\left(2\mathrm{\π}{\mathrm{Rn}}_0\right)}^2}{x}_m^1$

其中，Δx_m ¹是m阶和m+1阶贝塞耳函数的第一个根之差，并且α是在各自的模式下随折射率变化的参数，但是假设它是恒定的。在Joongwoo Bae等人于2003年10月在Opt.Lett.杂志第28卷第20期第1861-1863页上发表的“Spectum of the three-dimentsional photonicquantum-ring microdisk cavities：comparison between theory andexperiment(三维光量子环微盘空腔：理论和实验的比较)”中公开了细节。从表达式5的结果中可以看出，依照模式的阶m的增加IMS逐渐变宽，并且与PQR激光器的半径R的平方成反比。例如，当将表达式4和5应用到图6的PQR激光器上时，其中将7mA的电流注入到具有40μm直径的PQR激光器元件中，可以看到PQR激光器元件的实际测量的离散波长分布恰好与计算出的多波长振荡位置的分布一致。虽然IMS朝着短波长增加，但是平均的IMS约是0.2nm/模式。而且，虽然FWHM随各个振荡波长而变化，但是它约等于平均FWHM，也就是FWHM_m，其值约是0.4nm $({\mathrm{FWHM}}_m\≅\mathrm{FWHM}=0.4\mathrm{nm}).$ 从上面的结果中可以看出，通过调整PQR激光器的尺寸，也就是减小PQR激光器元件的尺寸，可以在比LED的FWHM窄得多的覆盖几nm的振荡范围中调整离散波长的分布。这个原理意味着可以通过控制振荡模式的数量n而降低功耗，同时保证适当的颜色和亮度。

通常，商用的但不用于高功率应用的LED通过用约2V到4V的电压来驱动，以注入20mA的电流来激发具有R、G和B发射波长带的增益材料，例如AlGaAs、InGaAsP、GaP和InGaN。也就是，这种LED消耗40mW到80mW的驱动功率，具有确定的发射波长分布，从而依照LED的制备细节，在符合R、G或B的约700nm到400nm的波长范围内FWHM为几nm大到100nm。

因此，减小PQR激光器的半径R可以实现对PQR激光器的振荡模式波长和IMS的调整，尤其是，依照PQR激光器的半径R的这种减小，可以增加IMS，从而依照IMS的这种调整，可以使模式的数量n最小化。

图8示出了GaInN/GaN蓝色LED、GaInN/GaN绿色LED和AlGaInP/GaAs红色LED的常见发射波长分布。LED具有150nm的全光谱分布范围和约～25nm的FWHM，从而它们具有宽的波长分布，其甚至可以高达PQR激光器的波长分布的30倍(5mm×30＝150nm)(在Toyota Gosei Corp.2000之后)。当假设LED发光强度与PQR激光器的发光强度之比是

时，LED的功耗与PQR激光器的功耗之比可以通过下面的表达式6获得：

[表达式6]

$\frac{I\left(\mathrm{LED}\right)}{I\left(\mathrm{PQR}\right)}\×\frac{\mathrm{FWHM}\left(\mathrm{LED}\right)}{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{FWHM}}_m\left(\mathrm{PQR}\right)}=\frac{I\left(\mathrm{LED}\right)}{I\left(\mathrm{PQR}\right)}\×\frac{\mathrm{FWHM}\left(\mathrm{LED}\right)}{n\×{\mathrm{FWHM}}_m\left(\mathrm{PQR}\right)}=\frac{I\left(\mathrm{LED}\right)}{I\left(\mathrm{PQR}\right)}\×\frac{25\mathrm{nm}}{n\×0.4\mathrm{nm}}$

其中，n表示PQR激光器的整个包络中的振荡模式的数量，并且如上所述取决于PQR激光器的半径R。具体而言，值n是包括在PQR激光器的包络的FWHM中的离散模式的数量，在如图6所示的情况下是7。优选的是值n最小为1。在这种情况下，PQR激光器工作在单模式中。

当假设

为1时，可以获得相当于LED的功率增益9倍的功率增益。这种增益随着PQR激光器的半径R的降低而逐渐增加。这意味着在PQR激光器中用于发出与LED相同颜色的光所需要的功率降低了。图9和10示出了实施例，图9和10是描绘850nm波长带中的PQR激光器和高质量RCLED型器件的光谱的曲线图。尤其是，图10示出了在n＝1的情况下，PQR激光器和高质量RCLED型器件的光谱。在使用谐振器将其FWHM降低约几nm的RCLED的情况下，与PQR激光器相比，RCLED消耗了大量的功率。在单模PQR激光器的情况下，由于取决于PQR激光器尺寸的DBR串联阻抗，该PQR激光器具有增加的阻抗。然而，在这种情况下，因为PQR激光器用具有几μA的阈值的极低的电流发生振荡，因此可以充分补偿由比LED高的阻抗所引起的功耗。

图11是描绘当300μA的电流注入到具有15μm直径的红色PQR激光器中时产生的振荡光谱，其中示出了具有35nm的FWHM的整个包络范围，在该包络范围内存在两个显著的模式振荡并且具有3nm的FWHM_m。从上面的描述中显而易见的是，本发明的显示设备使用PQR激光器，该PQR激光器被设计为显示出比LED低的阈值电流并且在几nm到几十nm的包络波长范围中具有多波长模式，而且本发明的显示设备通过调整该PQR激光器的多波长振荡特性和IMS，能够在保证与LED相同的另人满意的颜色和高亮度的同时，使得消耗的功率降低。因此，本发明的显示设备可以代替用于显示器的具有几十nm到100nm的发射波长FWHM的常规LED。

虽然只参照特定的优选实施例对本发明进行了描述，但是在不偏离下面的权利要求中阐述的本发明的精神和范围的条件下，可以进行其它的修改和变化。

Claims (13)

1、一种用于低功耗显示器的三维(3D)光量子环(PQR)激光器，其中该PQR激光器具有足够小的半径，以调整在该PQR激光器的给定半导体材料的增益轮廓线内的包络波长范围中离散地进行多波长振荡的振荡模式的模式间间距(IMS)，从而使得所述IMS具有最大值。

2、根据权利要求1的3D PQR激光器，其中将所述IMS调整到最大值使得在所述包络中振荡的振荡模式的数量将被调整到最小值。

3、根据权利要求2的3D PQR激光器，其中根据所述PQR激光器的结构和形状以及所述半导体材料，所述PQR激光器的半径在15μm到2μm的范围内。

4、根据权利要求1的3D PQR激光器，其中所述PQR激光器的半径约是3μm。

5、根据权利要求3的3D PQR激光器，其中所述PQR激光器的振荡模式的数量的值为1。

6、根据权利要求4的3D PQR激光器，其中所述PQR激光器的振荡模式的数量的值为1。

7、根据权利要求1的3D PQR激光器，其中所述PQR激光器在与红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)中之一相对应的振荡波长带中振荡，由此从所述PQR激光器发射出相应的颜色。

8、根据权利要求7的3D PQR激光器，其中在与蓝色相对应的波长带中振荡的所述PQR激光器涂覆有能产生具有白色的PQR光谱的材料。

9、一种用于低功耗显示器的三维(3D)光量子环(PQR)激光器，其中该PQR激光器具有足够小的半径以进行调整，从而使得在该PQR激光器的给定半导体材料的增益轮廓线内的包络波长范围中离散地进行多波长振荡的振荡模式的数量为1。

10、根据权利要求9的3D PQR激光器，其中根据所述PQR激光器的结构和形状以及所述半导体材料，所述PQR激光器的半径在15μm到2μm的范围内。

11、根据权利要求9的3D PQR激光器，其中所述PQR激光器的半径约是3μm。

12、根据权利要求10的3D PQR激光器，其中所述PQR激光器在与红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)中之一相对应的振荡波长带中进行振荡，由此从所述PQR激光器发射出相应的颜色。

13.根据权利要求12的3D PQR激光器，其中在与蓝色(B)相对应的振荡波长带中振荡的所述PQR激光器涂覆有能产生具有白色的PQR光谱的材料。

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