低散斑激光阵列及包含低散斑激光阵列的影像显示器
阅读说明：本技术 低散斑激光阵列及包含低散斑激光阵列的影像显示器 (Low-speckle laser array and image display comprising same ) 是由 巴多拉帕斯·巴布·达亚尔 于 2019-06-26 设计创作，主要内容包括：一种垂直共振腔面射型激光装置,包含基板、第一掺杂型分布式布拉格反射件、第二掺杂型分布式布拉格反射件、第一电极、第二电极、活化层、限制件及表面浮凸层。第二电极为具有内径范围为8-17μm的环形p-接触金属。限制件的开口的开口直径范围为3.0-15μm。表面浮凸层的表面浮凸缺口的直径范围为1.0-6.0μm。垂直共振腔面射型激光装置的台面结构的底部台面直径范围为16-48μm。底部台面直径是大于开口直径,开口直径是大于该第二电极的内径,第二电极的内径大于表面浮凸缺口的直径。表面浮凸层的厚度是活化层产生的激光束的波长的n/4倍(n为正偶数)。借此使得包含上述激光装置的影像显示器产生减少的散斑及提升的信噪比。(A vertical cavity surface emitting laser device includes a substrate, a first doped distributed Bragg reflector, a second doped distributed Bragg reflector, a first electrode, a second electrode, an active layer, a limiting member and a surface relief layer. The second electrode is a ring-shaped p-contact metal having an inner diameter in the range of 8-17 μm. The opening diameter of the opening of the restriction member is in the range of 3.0 to 15 μm. The surface relief gaps of the surface relief layer have a diameter in the range of 1.0-6.0 μm. The diameter of the bottom mesa of the mesa structure of the VCSEL device is in the range of 16-48 μm. The bottom mesa diameter is greater than the opening diameter, which is greater than the inner diameter of the second electrode, which is greater than the diameter of the surface relief notch. The thickness of the surface relief layer is n/4 times (n is a positive even number) the wavelength of the laser beam generated by the active layer. Therefore, the image display comprising the laser device generates reduced speckles and improved signal-to-noise ratio.)
技术领域
本发明涉及一种半导体激光装置及包含该半导体激光装置的光学激光阵列，特别是涉及一种低散斑半导体激光装置及包含多个不规则排列的低散斑垂直共振腔面射型半导体激光装置阵列的光学激光阵列。
背景技术
现有许多与垂直腔面射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser，简称VCSEL)装置有关的应用，例如数据通信、吸收光谱术(absorption spectroscopy)、光学传感器，特别是例如脸部辨识(facial recognition，简称FR)、手势辨识(gesturerecognition，简称GR)等3D感测。
鉴于过去，显示器技术用于投射系统的数种光源(例如灯管、发光二极管及激光)，投射系统的效能主要依赖所使用的光源效能，高强度放电(high intensity discharge，简称HID)灯及超高压(ultra high pressure，简称UHP)汞(Hg)灯的寿命短且在用于投射系统前需要预热时间。由于缺少灯丝和灾难性的损坏、亮度、快速切换时间及较长寿命(至20,000小时)，固态发光体，即显示器用发光二极管，已替代传统灯管。而且由于缺少窄发光角和高亮度及效能和寿命的限制，在高输出投射系统上，尤其是在微型显示器上，发光二极管已被激光替代。激光的极窄发散允许使用低成本和较小尺寸的投射镜头，且极高亮度(LED的5×106倍)、较LED长的寿命(大于50,000小时)，促使激光主导了投射显示器的市场需求。
然而，激光的使用主要过度受限于散斑(speckle)的存在。散斑显现于至少部分相干光(coherent light)从光学粗糙的表面被散射时，以及在一体积中或传播通过一具有准随机(quasi-random)升降的折射率的材料而被散射时。如图1所示，由于散射自随机相位的相干激光干涉，结果是发生光的时间和空间高度相干性质，在影像平面(例如投射荧幕)延迟并显著地劣化影像质量。例如图2及图3分别呈现具有散斑及不具有散斑的影像。
散斑是由准随机的干涉图样的对比所定量，散斑图样的对比C为
C＝σI/I……………方程式1
其中，σI表示强度值的标准偏差，且I表示平均强度。对于全发展的散斑图样(以具有高斯分布的充分粗糙的表面产生)，C＝1；且对于以固定强度产生的被抑制的散斑，C＝0。C的倒数称为信噪比(signal-to-noise ratio，简称S/N或SNR)，是定义投射荧幕上影像质量的重要参数。因此，抑制散斑是显示器技术上的重大挑战。
所以，希望在实际应用上开发具有低散斑对比而因此提升信噪比及提升影像质量。由于VCSEL应用在3D感测(脸部及手势辨识)的高需求，VCSEL可被用作为产生低散斑的理想光源。
过去已有从VCSEL阵列减少散斑的数种尝试(图4至图7)。在本发明中，发明人公开了通过控制VCSEL外延结构及芯片(晶圆)工艺设计以本质地直接减少散斑的新方法，尝试控制昂贵的输出光学器件(镜头、滤光镜、投射系统等)以避免散斑。图8呈现一种常规以顶部阳极及底部阴极配置的氧化限制型VCSEL装置。
布斯克鲁德与西富尔德大学学院(Buskerud and Vestfold UniversityCollege)Trinh-Thi-Kim Tran的博士论文“在激光投射显示器上的散斑抑制”公开了在激光投射系统上的散斑抑制方法。该论文的一种建议包含具有随机图样的MEMS扩散器的应用，用作为波前相位调制器以抑制散斑。该论文提出的另一种建议包含使用市售相位随机化可变形镜以抑制散斑。该镜包含微镜阵列的连续表面，可个别地变形及驱动高达数百kHz。该论文也建议于真实激光投射系统整合其他散斑抑制(例如波长分集、角度分集及动态扩散片)。
另一篇卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)FalkoRiechert的论文“在投射系统上的散斑减少”也公开了在激光投射应用上的散斑减少方法。该论文的一种建议包含使用光线追踪软件以在激光投射系统上预测散斑现象。该论文也提出另一种建议利用在荧幕的宽带照明(broadband illumination)中消偏光(depolarization)及波长去相关(wavelength decorrelation)以减少散斑。在具有不同带宽的荧幕照明中减少散斑对比的效果可被模型化。该论文还提出另一种建议使用胶体分散填充的(colloidal-dispersion-filled)背投射荧幕以减少散斑。因此，没有必要使用任何额外的部件(例如移动或旋转扩散器)以达到时间变化。该论文也公开具有近红外光宽面积垂直腔面射型激光(BA-VCSEL)的低散斑激光投射的组合，并提出三个散斑对比减少的效果：纸荧幕的偏振干扰、BA-VCSEL发光波长的温度引导偏移及减少的光源空间相干。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种垂直共振腔面射型激光装置。
本发明垂直共振腔面射型激光装置，包含基板、设置在该基板上的第一掺杂型分布式布拉格反射件、连接该基板的第一电极、设置在第一掺杂型分布式布拉格反射件上的活化层、设置在该活化层上的第二掺杂型分布式布拉格反射件、形成在该第二掺杂型分布式布拉格反射件的顶面上且具有表面浮凸缺口(surface relief indentation)的表面浮凸层(surface relief layer)、形成在该第二掺杂型分布式布拉格反射件内且位于该表面浮凸层及该活化层间的限制件，及设置在该表面浮凸层上的第二电极。
该表面浮凸层的表面浮凸缺口的直径(d4)范围为1.0-6.0μm；该限制件定义出一个开口，且该开口的开口直径(d2)范围为3.0-15μm，并用于供由该活化层所产生的激光束通过；该第二电极为具有内径(d3)范围为8-17μm的环形p-接触金属；该第一掺杂型分布式布拉格反射件的上部、该活化层及该第二掺杂型分布式布拉格反射件形成一个台面结构(mesa structure)，且该台面结构是由该第一掺杂型分布式布拉格反射件的上部至该第二掺杂型分布式布拉格反射件逐渐变尖；该台面结构的底部台面直径(d1)范围为16-48μm；该台面结构的底部台面直径(d1)是大于该开口的开口直径(d2)，且该开口的开口直径(d2)是大于该第二电极的内径(d3)，而该第二电极的内径(d3)大于该表面浮凸层的表面浮凸缺口的直径(d4)；该表面浮凸层的厚度为该激光束的波长的n/4倍，且该n为正偶数。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该限制件是由离子注入半导体材料所制成，且该离子注入半导体材料中的离子选自于氢离子、氦离子、氧离子，或上述任意的组合，而该离子注入半导体材料中的半导体材料为AlGaAs/GaAs多层堆叠(AlGaAs/GaAsmultilayer stack)。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该半导体材料是由AlxGa1-xAs/GaAs多层堆叠经湿式氧化方式所制得，而x为0.98-1.0。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该第二电极位于该基板的底部。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该活化层包括量子阱层，且该量子阱层的厚度为2nm至12nm并包括GaAs量子阱及InxGaAs量子阱，而x为0.02至0.35。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该活化层还包括分别连接该量子阱层的两相反侧的两层阻障层，每一层阻障层是由AlxGa1-xAs所制成，而x为0-1；每一层阻障层是由AlxGa1-xAs、GaAs1-yPy及GaAs中一者所制成，而x为0.15-0.4，y为0.15-0.3。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该活化层还包括两层分离限制异质结构层，所述分离限制异质结构层分别连接在该量子阱层的两相反侧上的所述阻障层，且每一分离限制异质结构层是由AlxGa1-xAs所制成，而x为0至1，每一阻障层是由AlxGa1-xAs、GaAs1-yPy及GaAs中一者所制成，而x为0.15至0.4，y为0.15至0.3。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，每一分离限制异质结构层的厚度范围为4nm至120nm，且每一分离限制异质结构层为梯度折射分离限制异质结构层，而该梯度折射分离限制异质结构层是由AlxGaAs所制成，而x为0.15至0.75。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该表面浮凸层是一层掺杂层，且该掺杂层的掺杂浓度高于该第二掺杂型分布式布拉格反射件的掺杂浓度。
在本发明垂直共振腔面射型激光装置中，该基板是n型GaAs基板及半绝缘GaAs基板中一者。
本发明的第二目的在于提供一种光学阵列。
本发明光学阵列包含多个单元体(unit cell)。每一单元体包括第一垂直共振腔面射型激光装置、第二垂直共振腔面射型激光装置，及第三垂直共振腔面射型激光装置。
该第一垂直共振腔面射型激光装置、该第二垂直共振腔面射型激光装置，及该第三垂直共振腔面射型激光装置中每一者包括基板、设置在该基板上的第一掺杂型分布式布拉格反射件、连接该基板的第一电极、设置在第一掺杂型分布式布拉格反射件上的活化层、设置在该活化层上的第二掺杂型分布式布拉格反射件、形成在该第二掺杂型分布式布拉格反射件的顶面上且具有表面浮凸缺口的表面浮凸层、形成在该第二掺杂型分布式布拉格反射件内且位于该表面浮凸层及该活化层间的限制件，及设置在该表面浮凸层上的第二电极。
该表面浮凸层的表面浮凸缺口具有一直径(d4)；该限制件定义出一个开口，且该开口具有开口直径(d2)，并用于供由该活化层所产生的激光束通过；该第二电极具有一内径(d3)；该第一掺杂型分布式布拉格反射件的上部、该活化层及该第二掺杂型分布式布拉格反射件形成一个台面结构，且该台面结构是由该第一掺杂型分布式布拉格反射件的上部至该第二掺杂型分布式布拉格反射件逐渐变尖，且该台面结构具有底部台面直径(d1)，且该台面结构的底部台面直径(d1)是大于该开口的开口直径(d2)，且该开口的开口直径(d2)是大于该第二电极的内径(d3)，而该第二电极的内径(d3)大于该表面浮凸层的表面浮凸缺口的直径(d4)；该表面浮凸层的厚度为该激光束的波长的n/4倍，且该n为正偶数。
该第一垂直共振腔面射型激光装置的台面结构具有第一底部台面直径(D1)、该第二垂直共振腔面射型激光装置的台面结构具有第二底部台面直径(D2)，及该第三垂直共振腔面射型激光装置的台面结构具有第三底部台面直径(D3)；该第一垂直共振腔面射型激光装置的中心点与该第二垂直共振腔面射型激光装置的中心点相间隔且间隔一个第一间距(P1)，该第一垂直共振腔面射型激光装置的中心点与该第三垂直共振腔面射型激光装置的中心点相间隔且间隔一个第二间距(P2)，该第二垂直共振腔面射型激光装置的中心点与该第三垂直共振腔面射型激光装置的中心点相间隔且间隔一个第三间距(P3)。
在本发明光学阵列中，该第一垂直共振腔面射型激光装置的第一底部台面直径(D1)、该第二垂直共振腔面射型激光装置的第二底部台面直径(D2)，及该第三垂直共振腔面射型激光装置的第三底部台面直径(D3)是不相同的，且该第一间距(P1)、该第二间距(P2)及该第三间距(P3)是不相同的。
在本发明光学阵列中，该第一间距(P1)为该第一底部台面直径(D1)与该第二底部台面直径(D2)的总和的0.75至1.5倍；该第二间距(P2)为该第一底部台面直径(D1)与该第三底部台面直径(D3)的总和的0.75至1.5倍；该第三间距(P3)为该第二底部台面直径(D2)与该第三底部台面直径(D3)的总和的0.75至1.5倍。
在本发明光学阵列中，该第一垂直共振腔面射型激光装置的第一底部台面直径(D1)、该第二垂直共振腔面射型激光装置的第二底部台面直径(D2)，及该第三垂直共振腔面射型激光装置的第三底部台面直径(D3)是相同的，且该第一间距(P1)、该第二间距(P2)及该第三间距(P3)是相同的。
本发明的第三目的在于提供一种制备光学感测模组的方法。
本发明制备光学感测模组的方法，该光学感测模组具有不规则排列垂直共振腔面射型激光装置的阵列，且该不规则排列垂直共振腔面射型激光装置的阵列具有多个垂直共振腔面射型激光装置，且该垂直共振腔面射型激光装置如上述的垂直共振腔面射型激光装置。
本发明的第四目的在于提供一种光学阵列。
本发明光学阵列包含多个上述的垂直共振腔面射型激光装置，其中，每一个垂直共振腔面射型激光装置的台面结构是圆柱形台面、六角形台面及方形台面中一者；所述垂直共振腔面射型激光装置是在2-D矩阵中不规则地排列；所述垂直共振腔面射型激光装置的发光波长是不相同的。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种通过改变外延生长(epitaxial growth)及晶圆工艺设计而具有低散斑的半导体激光装置，且该通过改变外延生长及晶圆工艺设计为(i)改变p-接触金属内径(d3)、(ii)改变GaAs表面浮凸直径(d4)、(iii)改变氧化开口直径(d2)、及(iv)改变台面直径(d1)。通过在这些关键参数d1、d2、d3及d4间存在某些关系的型式安排以产生减少的散斑及提升的信噪比(SNR)。此外，在VCSEL阵列中，多个发光体以不规则方式排列，以致在它们间没有明确固定的间距，而形成不均匀的具有固定强度的发光矩阵。
附图说明
图1是当相干光在粗糙表面上传播而从散射光形成散斑的示意图；
图2是一示意图，说明具有散斑的影像；
图3是一示意图，说明不具有散斑的原始影像；
图4至图7是示意图，呈现现有技术用于散斑对比研究的规则/标准(三角)型式VCSEL阵列；
图8是呈现出常规VCSEL的现有技术示意图；
图9是VCSEL装置在非典型状态的示意图；
图10是VCSEL装置在典型状态的示意图；；
图11是本发明通过改变外延生长及晶圆工艺设计的低散斑VCSEL装置的一个具体例示意图；
图12是本发明通过改变台面直径(d1)以控制发光波长而获得低散斑VCSEL装置的一个具体例示意图；
图13是通过改变p-接触金属内径(d3)以控制输出功率、阈值电流及SNR而获得低散斑VCSEL装置的一个具体例示意图；
图14是通过改变表面浮凸直径(d4)以通过滤光光模(optical modes)控制SNR而获得低散斑VCSEL装置的一个具体例示意图；
图15是示意图，说明单元体是由8个VCSEL发光体构成且以2维(2-D)矩阵型式排列，以及以3个发光体所构成的截面呈现出在三个发光体间不同间距，而指示出不一致的间距。
图16是呈现出d1、d2、d3及d4尺寸的单一VCSEL/发光体的上视图；
图17是单元体的原始排列状态的示意图；
图18是单元体水平翻转180度的排列状态的示意图；
图19是单元体垂直翻转180度的排列状态的示意图；
图20是单元体同时水平及垂直翻转180度的排列状态的示意图；
图21是单元体顺时钟旋转90度的排列状态的示意图；
图22是单元体顺时钟旋转270度的排列状态的示意图；；
图23是由图15所定义的单元体制得的不规则VCSEL阵列的示例，且具有数种在图17至图22呈现的单元体排列的组合；
图24是示意图，说明用于3-D感测应用的实际不规则VCSEL 2-D阵列，且可看出台面直径及在VCSEL发光体间的间距是不规则且不具有固定关系；
图25是呈现以不规则VCSEL阵列制得3D传感器模组的制造方法流程图；
图26是说明图，说明该光学传感器模组由左至右包含VCSEL阵列、微透镜阵列(microlens array，简称MLA)、衍射光学元件(diffractive optical elements，简称DOE)及影像显示器；
图27是一以不一致台面形状的2D-阵列产生一致强度图的远场图样，说明台面直径及在VCSEL发光体间的间距是不规则且不具有固定关系；
图28是一以具有六角阵列的全加工940nm VCSEL阵列的SEM影像，其中，图28中内嵌部分呈现出多个发光体间的间距的单元体的后氧化工艺的放大区域；
图29是图28的VCSEL阵列的2D-强度图；
图30为一示意图，说明左侧部分呈现出全加工940nm VCSEL阵列的光学显微影像、上部分呈现出VCSEL阵列的2D-强度图、VCSEL阵列的1D-强度图、及从以人脸绘示的3D物体反射的入射光的干涉，且某些发光体不发出激光，而下部分呈现出VCSEL阵列的2D-强度图、VCSEL阵列的1D-强度图、及从以人脸绘示的3D物体反射的入射光的干涉，且所有发光体皆发出激光。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
激光器，特别是具有超过一种横向光模(transverse modes)的垂直共振腔面射型激光(VCSEL)发射器，可以产生统计上独立的散斑图案。所有发射的横向光模都是单独的、完全的且空间的相干(coherent)，并且产生在统计上独立于其他散斑图案的散斑图案，因此VCSEL可以视为不发射横向光模的光源[具有氧化开口直径约为3-5μm的准单一光模状态(quasi single mode regime)]，但是大量的光束(VCSEL阵列)是相互在相干(in-coherent)。因此，M个准随机干扰(quasi-random interference)和完全去相关(fully de-correlated)的图案的叠加应形成更均匀的强度分布，且由下式来获得：
VCSEL是标准的半导体激光源，且VCSEL发射垂直于腔(cavity)的外延生长(epitaxial growth)方向的光。由于腔的长度短(约1.0μm或更小)且腔的长度为一个波长的量级，因此仅有一个纵向光模可以发射激光。单一横向光模[非典型状态(non-modalregime)]操作可通过氧化开口直径约为3-5μm来实现。对于较大的氧化开口[6-15μm，典型状态(modal regime)]和较高的连续波驱动电流，VCSEL的发光通常由大量横向光模组成。具有发射横向光模的VCSEL的非典型状态和典型状态分别显示于图9和图10，在图9及图10对应的虚线围绕中的曲线表示在发光波长光学光谱中横向光模(transverse modes)的数量。
三种有助于散斑对比以减少影响的主要方式，即偏振加扰(polarizationscrambling)，热致啁啾(thermally induced chirp)以及空间和时间相干性(spatial andtemporal coherence)。由于激光(VCSEL)散斑直接源于激光源的相干性，因此减少光源的空间或时间相干性是一种很有前景的方法。激光的时间相干性由相干长度定义，而相干长度为激光维持的传播距离。相干度定义如下：
Lc＝λ2/Δλ……………方程式3
λ是发光波长，Δλ是光谱带宽。照明用VCSEL的相干度小于表面粗糙度，由于缺乏明显的相位关系，散斑对比C将减小，并且有时甚至可以产生无散斑(高质量)影像。对于激光二极管，相干度在500μm至1.0mm的范围内。
更有希望的散斑减少方式是VCSEL在非典型状态中的操作，如图9，其中，所有VCSEL的开口可以被视为填充有相互独立且非干涉的高斯光束(Gaussian beamlets)。采用高斯远场(Gaussian farfield)的输出峰功率为10mW的非典型状态[单一光模行为(singlemode behavior)]的VCSEL具有低空间相干性的优点。
关于热致啁啾，脉冲操作中VCSEL的发光波长可以移动数纳米，且取决于电流偏移(current bias)条件(脉冲宽度和振幅)。当相机积分时间(camera integration time)(通常约为90μs)长于典型脉冲持续时间(2μs)，则可以显著降低散斑对比。在VCSEL的典型操作中，腔中的每个横向光模是单独的、完全的和空间的相干[假设没有光模的频率简并(frequency degeneracy)]，但是腔中所有横向光模的叠加的相干度会降低。随着偏移电流(bias current)的增加，横向光模的数量增加且激光束的空间相干性降低。当每个光模产生散斑图案，而散斑图案与其他散斑图案部分地去相关，则图案叠加后所得散斑对比将降低。当不同的横向光模具有略微不同的发光波长或照亮荧幕上的不同位置，则诸如去相关可以被实现。因此，在VCSEL的典型发射状态中，难以估计光模的确切数量及光模的相干性，从而难以减少散斑对比。
图1显示出了当相干光在粗糙表面上传播时，来自散射光的散斑形成。照射在表面上的每个点都可以看作是次级光源(secondary source)，并将球面波发射到自由空间。由球面波前(振幅和相位)产生的准随机干扰图案显现出散斑，是因为由次级光源和观测点间的距离和振幅确定的相位是由相同的距离、表面反射率和照明光场来决定。由于采用VCSEL阵列/发射器的光学传感器涉及扫描3-D对象的深度(粗糙度)，因此，来自具有最小可能的散斑对比的3-D对象的固定强度分布(constant intensity profile)是显著地重要，从而获得高质量影像的显示器，如图3所示，没有散斑的影像。
图9和图10显示出了在非典型状态(图9)及典型状态(图10)的VCSEL装置。根据上述方程式2，散斑对比C与横向光模的数量成反比，自然地可以了解到具有数个多重横向光模(multi-transverse mode)时散斑对比C就越小。单一横向光模(具有较小氧化开口的非典型操作)状态是能够获得较低散斑和较高SNR的有前景的方式。在多重横向光模(具有较大氧化开口的典型操作)状态中，需要较高的连续波驱动电流以获得较小的散斑对比C。通常许多横向光模会在光谱中引起杂讯并且在散斑的存在下降低了影像质量。
图4至图7显示出了现有技术(美国专利公开第2016352074A1号)的用于散斑对比研究的常规/标准(三角)方式的VCSEL阵列。该现有技术未公开任何减少散斑对比C的具体方法。
参阅图8，现有的垂直共振腔面射型激光装置900包括一个基板901、一个设置在该基板901上的下分布式布拉格反射件902、一层设置在该下分布式布拉格反射件902的活化层903、一个设置在该活化层903的上分布式布拉格反射件904、一个设置在该上分布式布拉格反射件904的上电极905、一个下电极906及一个限制件907。该下电极906连接该基板901且相反于该下分布式布拉格反射件902。该限制件907形成在该上分布式布拉格反射件904内且定义出一个供由该活化层903所发射的激光束910通过的开口908。
当该垂直共振腔面射型激光装置900运作时，该上电极905及该下电极906连接至一个外部电源(图未示)以提供电能至该活化层903。然后，该活化层903发射在该上分布式布拉格反射件904及该下分布式布拉格反射件902间震荡的激光束910，且该激光束910最后经由被该限制件907所定义的该开口908离开该垂直共振腔面射型激光装置900。
参阅图11，本发明垂直共振腔面射型激光装置10的一个实施例包含一个基板100、一个第一掺杂型分布式布拉格反射件110、一个第一电极120、一层活化层130、一个第二掺杂型分布式布拉格反射件140、一个表面浮凸层150(surface relief layer)、一个限制件160，及一个第二电极170。
该第一掺杂型分布式布拉格反射件110设置在该基板100上。该第一电极120连接在该基板100上。该活化层130设置在该第一掺杂型分布式布拉格反射件110上。该第二掺杂型分布式布拉格反射件140设置在该活化层130上。该表面浮凸层150形成在该第二掺杂型分布式布拉格反射件140的顶面上且具有一个表面浮凸缺口151。该第二电极170设置在该表面浮凸层150上。
在该实施例中，该第一电极120位于该基板100的底部且相反于该第一掺杂型分布式布拉格反射件110。
该基板100可以是n型掺杂GaAs基板、p型掺杂GaAs基板、未掺杂GaAs基板，或半绝缘GaAs基板。在该实施例中，该基板100为n型掺杂GaAs基板。该第一电极120是由导电材料所制成。
该第一掺杂型分布式布拉格反射件110可以是n型掺杂的分布式布拉格反射件或p型掺杂的分布式布拉格反射件，且该第二掺杂型分布式布拉格反射件140的极性相反于该第一掺杂型分布式布拉格反射件110的极性。在该实施例中，该第一掺杂型分布式布拉格反射件110是n型掺杂的分布式布拉格反射件，而该第二掺杂型分布式布拉格反射件140是p型掺杂的分布式布拉格反射件。该第一掺杂型分布式布拉格反射件110及该第二掺杂型分布式布拉格反射件140中的每一个是由多层堆叠所制成，且所述层具有不同的折射系数，且可以由铝镓砷半导体材料所制成，而该铝镓砷半导体材料由AlxGa1-xAs表示，且该x为0至1。
在该实施例中，该活化层130包括一层量子阱层131且厚度为2nm至12nm。该量子阱层131由GaAs或InxGaAs所制成，其中，该x为0.02至0.35。在该实施例的一种变化态样中，该活化层130包括多层量子阱层131(也就是，一个量子阱层堆叠)。该活化层130还可以包括两层阻障层132。所述阻障层132分别连接该量子阱层131的两相反侧，以形成一个双层异质结构(double heterostructure)。每一层阻障层132是由AlxGa1-xAs(x＝0.15-0.4)、GaAs1-yPy(y＝0.15-0.3)，或GaAs所制成。在某些实施例中，拉伸应变GaAs1-yPy量子阱及压缩应变InxGaAs量子阱形成一个应变补偿双层异质结构。在该实施例的一种变化态样中，所述阻障层132的数目可以超过两层，且该量子阱层131的该两相反侧连接等量的所述阻障层132。两层分离的限制异质结构层(separate confinement heterostructure layer)133分别连接所述阻障层132且相反于该量子阱层131。每一层限制异质结构层133可以具有一层梯度折射分离限制异质结构层(graded index separate confinement heterostructurelayer)。该梯度折射分离限制异质结构层是由AlxGaAs所制成而该x为0.15至0.75，且该梯度折射分离限制异质结构层的厚度为4nm至120nm。
该限制件160是形成在该第二掺杂型分布式布拉格反射件140内，且位于该表面浮凸层150及该活化层130间。该限制件160定义出一个用来供由该活化层130所产生的激光束800通过的开口161。在某些实施例中，该限制件160是由离子注入半导体材料(ionimplanted semiconductor material)或经湿式热氧化制程所制成。该离子注入半导体材料中的离子选自于氢离子(H+)、氦离子(He+)、氧离子(O+)，或上述任意的组合。该限制件160经湿式热氧化制程所制成而所形成的开口直径，称为氧化开口直径(oxide aperturediameter，简称OXD)。在某些实施例中，该限制件160是仅质子注入AlGaAs/GaAs多层堆叠(proton implanted AlGaAs/GaAs multilayer stack)所制成。对于以湿式氧化制程的方式的态样，该限制件160是由AlxGa1-xAs所制成，而x为0.98-1.0。
该第一掺杂型分布式布拉格反射件110的上部、该活化层130及该第二掺杂型分布式布拉格反射件140形成一个角度台面结构(angled mesa structure)。该角度台面结构是由该第一掺杂型分布式布拉格反射件110的上部至该第二掺杂型分布式布拉格反射件140逐渐变尖。
该台面结构的底部直径(d1)是大于该开口161的开口直径(d2)，且该开口161的开口直径(d2)是大于p-接触金属的内径(d3)，p-接触金属的内径(d3)是大于该表面浮凸层150的表面浮凸缺口151的直径(d4)。在某些实施例中，该台面结构的底部直径(d1)的范围为16μm至48μm，该开口161的开口直径(d2)的范围为3μm至15μm，该p-接触金属的内径(d3)的范围为8μm至17μm，且该表面浮凸层150的表面浮凸缺口151的直径(d4)的范围为1μm至6μm。
当该第一电极120及该第二电极170连接至该外部电源时，电流在该第一电极120及该第二电极170间流动且通过该活化层130，而该活化层130发射该激光束800。在该实施例中，该第二掺杂型分布式布拉格反射件140的反射率是被设计低于该第一掺杂型分布式布拉格反射件110的反射率，以使该激光束800从该垂直共振腔面射型激光装置10向上发射。
图12呈现改变该台面直径(d1)与改变发光波长间的关系的说明。通过从粗糙/漫射的3-D对象产生固定的强度分布(profile)，两个或几个VCSEL间的发射波长差会提供较低的散斑对比。这也可以通过改变氧化开口161的直径(d2)来实现，对于非典型状态，氧化开口161的直径(d2)为3.0-5.0±1.0μm，而对于典型状态，氧化开口161的直径(d2)为6.0-15.0±1.0μm。
参阅图13，在该实施例中，该第二电极170也是由导电材料所制成。因此，该第二电极170在该实施例中是被制成具有圆环型(内径)的构造而不至于阻挡该开口161。借由使p-接触金属的内径(d3)在范围为8.0至17.0μm间变化，就可以控制o/p功率、阈值电流、远场角度(angle of far-field)，以增加SNR。
图14显示出了表面浮凸层150被部分蚀刻，而为表面浮凸缺口151(参见图11)。根据光模滤波功能(mode filtering function)的实际要求，表面浮凸缺口151的直径(d4)可以为1.0-6.0μm，这导致不同操作光模的垂直共振腔面射型激光装置10的SNR增加。当在反相(anti-phase，简称A.P.)厚度和表面浮凸缺口151处的表面浮凸层150的厚度在光场分布(optical filed distribution)的同相(in-phase，简称I.P.)厚度处停止时，光模滤波有效导致SNR增[模式损失物理学(Mode loss physics)]。或者，当表面浮凸缺口151的厚度终止于光场(optical field)的同相(in-phase)状态时，表面浮凸缺口151也可以停止在p掺杂型分布式布拉格反射件的顶表面处。表面浮凸直径(d4)与SNR间的变化情况显示在图14中。
图15涉及8个VCSEL/光学阵列，包括以2-D矩阵配置随机排列的多个垂直共振腔面射型激光装置。这可以被认为是具有四个角A、B、C和D的基本单元(base cell)，而用于定义出大规模阵列。在该基本单元中，三个垂直共振腔面射型激光装置10被定义为单元体(如虚线框所示)，并且分别被定义为第一垂直共振腔面射型激光装置101，第二垂直共振腔面射型激光装置102和第三垂直共振腔面射型激光装置103。在单元体中，第一垂直共振腔面射型激光装置101，第二垂直共振腔面射型激光装置102和第三垂直共振腔面射型激光装置103的台面结构的底部台面直径分别定义为D1，D2和D3。在单元体中，第一垂直共振腔面射型激光装置101的中心点和第二垂直共振腔面射型激光装置102的中心点间的距离(即，第一间距)被定义为P1，第一垂直共振腔面射型激光装置101的中心点和第三垂直共振腔面射型激光装置103的中心点间的距离(即，第二间距)被定义为P2，并且第二垂直共振腔面射型激光装置102的中心点和第三垂直共振腔面射型激光装置103的中心点间的距离(即，第三间距)被定义为P3。在单元体中，P1的范围为0.75×(D1+D2)至1.5×(D1+D2)，P2范围为0.75×(D1+D3)至1.5×(D1+D3)，P3范围为0.75×(D2+D3)至1.5×(D2+D3)。在任何给定情况下，单元体中的所有垂直共振腔面射型激光装置都与P1，P2和P3相关。图16显示出了典型VCSEL作为发射器的俯视图，其中，所有的d1，d2，d3和d4满足d1>d2>d3>d4的条件。
VCSEL发射器的不规则排列(非一致间距)和四个直径(d1，d2，d3和d4)的方式使得任何给定阵列的发光波长始终不同于每个发射器，然后发光波长的差异干扰在远场轮廓(far-field profile)中可能产生固定强度图案。根据方程式1，这对于扫描任何3-D对象的粗糙/漫射表面以生成在显示器上的较低散斑对比影像是必要的。
具有四个角的原始基本单元包括8个垂直共振腔面射型激光装置且所述垂直共振腔面射型激光装置可以以数种组合来排列，如图17至图22呈现出的单元体的不同配置排列。。图17是原始排列状态、图18是水平翻转180度的排列状态、图19是垂直翻转180度的排列状态、图20是同时水平及垂直翻转180度的排列状态、图21是顺时钟旋转90度的排列状态，及图22是顺时钟旋转270度的排列状态。上述的排列是为了确保VCSEL发射器间的间距(P1，P2和P3)是不一致以及VCSEL直径d1，d2，d3和d4是可独立变化，以便对于给定的随机阵列配置，从台面结构的圆柱对称性，可以遵循两个或更多个基本单元组合，并且所有发射器的发光波长彼此略微不同，以产生均匀/固定强度图案。在随机阵列中的发射器数量通常最多为2500个。
图23显示出了随机排列的VCSEL 2-D阵列的示例。可以选择由虚线框(A、B和C)给出的任何给定组合，这取决于实际需要的发射器的数量。具有32个发射器的随机阵列如图24所示。
图25显示出了制造VCSEL传感器模组的流程图。
在这种情况下，首先通过MOCVD对外延结构进行外延生长，并使用标准III-V工艺技术完成晶圆/芯片处理。接下来，阵列将被分类为规则(一致间距)和不规则(非一致间距)。这些VCSEL阵列将与外部微透镜阵列(microlens array，简称MLA)组装在一起。在某些情况下，微透镜阵列也可以直接集成在VCSEL阵列上。然后，VCSEL阵列与结合/集成的微透镜阵列的组合进一步与衍射光学元件(diffractive optical elements，简称DOE)和IC驱动器组装，最后组装到显示器上。
图26说明该光学传感器模组由左至右包含VCSEL阵列、微透镜阵列、衍射光学元件及影像显示器。在VCSEL阵列中，所有发射器是不规则/不均匀的排列，使得VCSEL间没有一致的间距，而与常规阵列不同。这种不规则是由于微透镜阵列和衍射光学元件的结合。在实际的光学传感器应用中，微透镜阵列必须以这样的方式排列，使得VCSEL阵列与微透镜阵列重叠，这导致散斑减少并且在显示器上产生高质量影像。
作为示例性实施例，还公开了一种非一致台面形状的阵列。该阵列可以在远场图案中产生均匀强度分布。这是由于圆形、六角形和方形台面的光模容积(volume)是略为不同并且产生不同的发光波长。该阵列的配置如图27所示。
全加工940nm的VCSEL阵列的示例显示于图27,28和29中。图28显示正六角形阵列的扫描电子显微镜(SEM)图像。在图28中的内嵌部分显示在后氧化阶段的SEM图像中单位体的任何部分的光泽区域，其中，利用SEM可见清晰的氧化开口直径。通过满足VCSEL直径(如上定义)D1>D3>D2和间距P1＝P2＝P3的关系来排列该阵列中的所有发射器。图29显示出了通过正六角形阵列的近场图案(near field pattern，简称NFP)成像的2D强度图，其中，所有发射器都被点亮(即，发射激光)。
本发明公开的目的之一是当数个阵列在它们间没有确定的间距时，通过VCSEL阵列，减少散斑。在这方面，图30显示出了规则(具有P1＝P2＝P3)和不规则(P1≠P2≠P3)阵列中的斑点的形成。图30的左侧部分。图30左侧部分呈现出具有D1>D3>D2且P1＝P2＝P3的全加工940nm VCSEL阵列的光学显微影像。参考图30的上半部，这是VCSEL阵列中所有发射器间一致间距的标准情况。当来自该一致间距阵列的入射光落在任何3D对象上时，来自反射光的干涉图案显示出散斑增加，这是因为反射光线由于3D对象的深度差异而没有固定的相位和幅度所导致。然而，当来自非一致间距阵列的入射光落在任何3D对象上时，来自反射光的干涉图案显示出散斑减少，这是因为反射光线由于来自3D对象的多次反射而以固定的相位发出所导致。非一致间距阵列可能是具有固定的相位和幅度，因此可以提高影像质量。
图30的上半部还显示出了VCSEL阵列的2D强度分布，其中一些发射器不发射激光。具有D1>D3>D2且发射器数量较少的态样可以被视为是用于实际目的的非一致间距(P1≠P2≠P3)的不规则阵列。图30中的VCSEL阵列的1D强度分布和作为3D对象的来自人脸部绘示的反射光的干涉也在图30的下半部显示出。2D-VCSEL阵列具有i行和j列，且该阵列的发射强度为λij。当所有发射器具有相同的强度(λi＝j)，它导致来自3D对象的异相(out-of-phase)反射的散斑增加，而当所有发射器具有不相同的强度时(λi≠j)，它导致来自3D对象的可能的同相(in-phase)反射的散斑减少。
图30的下半部显示出了VCSEL阵列的2D强度分布，其中所有D1>D3>D2且间距P1＝P2＝P3的发射器发射激光。图30的下半部显示出2D-VCSEL阵列的1D强度分布。1D强度分布显示出了相当固定的发射强度和来自3D对象的人脸部绘示的反射光的干涉，且该人脸部绘示会具有较多的散斑。在上述两种情况下，即使发射器1D扫描线的发光波长的差异很小，散斑对比也可以降低。因此，发射器间的位置或间距对于通过散斑强度杂讯(speckle-intensity noise)的影像质量是重要的。
在本发明中所提供的半导体激光装置10具有低散斑。该半导体激光装置10具有广泛的应用，例如接近度(proximity)感测、手势识别、3D感测、飞行时间感测、激光(lidar)雷达感测、红外光感测等。本发明也提供具有呈不规则阵列的垂直共振腔面射型激光装置10的光学阵列200。在许多应用领域中该不规则阵列的设计是被期望的。举例来说，当影像传感器捕捉一个不规则形状的对象的影像时，因为对象的不规则导致在每一个像素中的传感器数目不同，使得规则阵列(也就是，半导体激光装置周期地排列)会出现不均衡的影像。反过来说，随机阵列在捕捉不规则形状的对象时能够提供较均衡的影像。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。
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