阅读说明：本技术 一种vcsel阵列、制造方法、平顶远场生成方法及照明模组 (VCSEL array, manufacturing method, flat top far field generating method and lighting module ) 是由 梁栋 张�成 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种VCSEL阵列、制造方法、平顶远场生成方法及照明模组,相对于传统的VCSEL阵列,不需要设置漫射器等光学元件即可很容易地实现均匀的平顶远场,从而在良好满足TOF测量等需要的同时,显著降低了阵列及相应的模组成本。同时,由于漫射器的取消,相应的侧壁柱与漫射器盖等部件也得以省略,使得模组厚度明显降低,具有现有技术中所不具备的诸多有益效果。(Compared with the traditional VCSEL array, the flat-top far field can be easily realized without arranging optical elements such as a diffuser and the like, so that the requirements of TOF measurement and the like are well met, and the cost of the array and the corresponding module is remarkably reduced. Meanwhile, due to the fact that the diffuser is omitted, corresponding parts such as the side wall columns, the diffuser cover and the like are omitted, the thickness of the module is obviously reduced, and the light-emitting diode module has a plurality of beneficial effects which are not achieved in the prior art.)

一种VCSEL阵列、制造方法、平顶远场生成方法及照明模组

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术领域，尤其涉及一种无透镜的VCSEL单元及其对应的照明场生成方法。

背景技术

目前，在众多智能设备比如智能手机中，对平顶红外照明（IR）投影模组具有巨大的市场需求，该模组在TOF测量、安全摄像设备等具体应用中发挥着至关重要的作用，垂直腔面发射激光器（VCSEL）则是平顶红外照明投影模组中最为核心的器件。

现有的平顶红外照明投影模组在结构上通常包括VCSEL阵列与诸如漫射器（diffuser）等光学器件的组合。典型的VCSEL阵列的发射孔通常为矩形或圆形，空间光分布（远场）通常为高斯形或者是环形的，这种远场是非均匀的，无法满足TOF测量等的需要，因此需要通过漫射器将这些形状改变为矩形或圆形的平顶强度分布（flat-top far field），即均匀的光强分布。通常的应用场景下，具有矩形或圆形平顶光场分布的光源，例如VCSEL阵列加上漫射器的组合，其光束照射在一垂直于光束方向的屏幕上，屏幕上的光场是一均匀光场强度分布的矩形或圆形。平顶强度分布的光场有几种可能的形式，其在某一位置轴向或角度轴向的线扫描轮廓如图1(a)-1(e)所示。通常情况下，平顶强度分布定义为：某一光场分布具有一平顶区域，平顶区域的坐标系可能是方位坐标系，也可能是角度坐标系，光场在其平顶区域的相对强度波动在±15%以内，且光场能量分布有80%以上在平顶区域强度中值的50%以上，如图1(e)所示。上述现有的模组结构，由于漫射器等光学器件的设置，一方面对各组成部件之间装配的精密性具有及其严苛的要求，提高了结构和生产过程的复杂程度，同时为了支持这种光学系统，还需要具有侧壁的硬框架来支撑VCSEL阵列和光学元件，以在两个部件之间提供最小间距（通常为0.3-0.5mm），模组的总厚度通常接近1毫米，也最终导致其所具体应用的手机等设备的厚度和体积难以进一步降低。因此，如何制造一种既能生成均匀的远场并且结构简单可靠的VCSEL单元，显著降低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，本发明提供了一种不需要设置漫射器（diffuser）的无透镜VCSEL阵列，所述阵列包括：

多个VCSEL单元，并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；

其中，通过氧化层所形成的电流限制层，从而限定出所述多个VCSEL单元的发光孔；

所述阵列中的所述VCSEL单元的发光孔具有不同的形状和/或尺寸。

VCSEL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，可以将不同的VCSEL单元设置为分别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，所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔第一形状均为圆形。

现有的VCSEL阵列中，普遍采用了具有相同尺寸和大小的发射孔径的VCSEL单元。叠加产生的远场分布都呈现出高斯形或环状的不均匀分布。而比如通过具有不同直径的圆形孔径的组合则可以实现较为均匀的圆形平顶远场。

进一步地，所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔的第二形状均为矩形。

进一步地，所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔被设置为以下第三形状，所述形状为：在一矩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。

具有矩形发光孔的VCSEL阵列所产生的远场分布通常呈现出类似圆角矩形的形状，而将在矩形的至少两个边上形成向内凹陷形状时，阵列远场分布的形状能够得到明显改善，比较接近矩形。

所述凹陷部分的形状可以为弓形、矩形、三角形或者其他多边形。

根据麦克斯韦方程及其边界条件可知，不同形状及大小的孔径会有不同的边界条件，因此光学模式也会不同。例如圆形孔径允许存在的光学模式是LP类型，而在矩形孔径中允许存在的模式则是另外一种类型。基于这种理论，在增大所述弓形的曲率半径时，能够发现阵列的远场分布更加接近标准的矩形形状。

由于VCSEL阵列的发散角会随着温度的增加而减小，发散角和温度之间具有约为-0.04°/°C至-0.05°/°C的相关因子，并且阵列中心通常比边缘更热，

因而将小孔径发光器放置在阵列中间有助于降低角度。

进一步地，所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将具有较小尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对内部区域，较大尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域。

进一步地，将第三形状的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域，并将不同于所述第三形状的VCSEL单元设置在所述阵列上由所述第三形状的VCSEL单元所限定出的相对内部区域。

进一步地，所述不同于第三形状的VCSEL单元的尺寸相对所述第三形状的VCSEL单元较小。

进一步地，所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将具有较小尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域，较大尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对内部区域。

进一步地，所述不同于第三形状的VCSEL单元的尺寸相对所述第三形状的VCSEL单元较大。

进一步地，也可将阵列中的VCSEL单元排布形式设置为在行方向和/或列方向上，第三形状的VCSEL单元与不同于该第三形状的单元规则或者不规则地交错设置的形式。

进一步地，所述VCSEL阵列可以采用倒装芯片（Flip-Chip）结构，从而使芯片可以直接在印刷线路板（PCB板）上进行倒装芯片粘合，而不需要打线连接（wire bonding）或者子基板（submount）。在这种情况下，整个模组只包括VCSEL阵列的单个芯片，可以直接将其粘合到其驱动器的印刷线路板上。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种VCSEL阵列的制造方法，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不同形状和/或尺寸的氧化沟道；

（3）.对所述氧化沟道周围进行横向氧化形成氧化层，并形成多个VCSEL单元的发光孔；

其中，所述多个VCSEL单元的发光孔具有不同的形状和/或尺寸。

进一步地，可以使不同的VCSEL单元分别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，通过所述氧化，使得所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔第一形状均形成为圆形。

进一步地，通过所述氧化，使得所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔的第二形状均形成为矩形。

进一步地，通过所述氧化，使得所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔形成为以下第三形状，所述形状为：在一矩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。

所述凹陷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阵列所能产生的远场分布进行干预。

进一步地，所述制造方法实施中，对所述VCSEL单元的位置进行选取，以提供不同的散射角。

进一步地，通过所述氧化，使得所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将具有较小尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对内部区域，较大尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域。

进一步地，通过所述氧化，使得所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将第三形状的VCSEL单元设置在所述阵列的***区域，并将不同于所述第三形状的VCSEL单元设置在所述阵列上由所述第三形状的VCSEL单元所限定出的内部区域。

进一步地，通过所述氧化，使得所述不同于第三形状的VCSEL单元的尺寸相对所述第三形状的VCSEL单元较小。

进一步地，通过所述氧化，使得所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将具有较小尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域，较大尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对内部区域。

进一步地，通过所述氧化，使得所述不同于第三形状的VCSEL单元的尺寸相对所述第三形状的VCSEL单元较大。

进一步地，通过所述氧化，使得所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将第三形状的VCSEL单元和不同于所述第三形状的VCSEL单元规则或者不规则地交错地设置在所述阵列的行方向和/或列方向上。

进一步地，所述VCSEL单元的层状结构具体包括：

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。

平顶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。

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阵列，可通过以下方法实现均匀的平顶远场分布：

（1）.对所述VCSEL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，形成均匀的平顶远场分布。

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阵列。

本发明所提供的VCSEL阵列或通过上述制造方法得到的VCSEL阵列产品，相对于传统的VCSEL阵列，不需要设置漫射器等光学元件即可很容易地实现均匀的平顶远场，从而显著降低了阵列及相应的模组成本。同时，由于漫射器的取消，相应的侧壁柱与漫射器盖等部件也得以省略，使得模组厚度可由原来的约1.5mm降低至0.5mm。在某些采用倒装芯片结构制造VCSEL阵列的情况下，模组厚度只是VCSEL芯片厚度，故能够降低至0.1mm或更薄。

附图说明

图1是平顶均匀远场的线扫描强度分布图

图2是单个圆形VCSEL单元远场及不同发光孔所叠加的远场分布图

图3是VCSEL阵列所具有的平滑作用示意图

图4是凹陷部分的几种优选形状图

图5是凹边矩形与标准矩形发光孔的远场分布对比图

图6是发散角与温度之间的关系图

图7是采用大凹边矩形与小矩形发光孔径组合的阵列及远场分布图

图8是采用大凹边矩形与小矩形发光孔径组合阵列的远场分布效果

图9是包含本发明所提供阵列的模组与现有技术中的模组结构对比图

图10是本发明所提供的制造方法的优选实施方式

图11是本发明的VCSEL单元可采用的结构图

图12是采用本发明的优选实施方式的芯片结构及远场分布图。

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。

附图2、7-8、12中的光场分布成像及波形示意图目的在于体现本发明方案所能实现的效果及其与现有技术之间的对比，其中的具体坐标数值并非所要呈现的重点。

本发明提供了一种不需要设置漫射器（diffuser）的无透镜VCSEL阵列，所述阵列包括：

多个VCSEL单元，所述VCSEL单元的发光孔径具有不同的形状和/或尺寸。

图2示出了具有圆形发光孔的单个VCSEL的远场分布以及包括不同尺寸的发光孔VCSEL单元叠加产生的远场分布。可见单个VCSEL单元的远场呈环状或高斯分布等非均匀的形式，而在阵列中叠加产生的远场分布则较为均匀。

如图3所示，对于凹边矩形、圆形和矩形发光孔构成的VCSEL阵列所产生的叠加远场相对于单个VCSEL单元的远场，都具有一定的平滑（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，可以将不同的VCSEL单元设置为分别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2中也示出了本发明的一个优选实施方式，即所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔第一形状均为如图3（b）所示的圆形。

在本申请的一个优选实施例中，所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔的第二形状均为如图3（c）所示的矩形。

在本申请的一个优选实施例中，所述阵列中的部分所述VCSEL单元的发光孔被设置为如图3（a）所示的第三形状，所述形状为：在一矩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。图4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。

如图5所示，具有矩形发光孔的VCSEL阵列所产生的远场分布通常呈现出类似圆角矩形的形状，而将在矩形的至少两个边上形成向内凹陷形状时，阵列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，能够发现阵列的远场分布更加接近标准的矩形形状。

如图6所示，由于VCSEL阵列的发散角会随着温度的增加而减小，发散角和温度之间具有约为-0.04°/°C至-0.05°/°C相关因子，并且阵列中心通常比边缘更热，因而在本申请的一个优选实施例中，可将小孔径发光器放置在阵列中间有助于降低发散角度。

在一些优选的实施方式中，可将所述VCSEL阵列中的VCSEL单元设置为：将具有较小尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对内部区域，较大尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域。

进一步地，将第三形状的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域，并将不同于所述第三形状的VCSEL单元设置在所述阵列上由所述第三形状的VCSEL单元所限定出的相对内部区域。

进一步地，所述不同于第三形状的VCSEL单元的尺寸相对所述第三形状的VCSEL单元较小。

当然，在某些优选的实施方式中，通过合理的排布，将具有较小尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对***区域，较大尺寸发光孔的VCSEL单元设置在所述阵列的相对内部区域，也能够实现较好的平顶远场效果。在此情况下，可以采用不同于第三形状的VCSEL单元的尺寸相对所述第三形状的VCSEL单元较大的设置形式。

在某些优选实施方式中，也可将第三形状的VCSEL单元和不同于所述第三形状的VCSEL单元规则或者不规则地交错地设置在所述阵列上的行方向和/或列方向上。

图7示出了采用上述设置的一种优选实施方式，采用了较大尺寸凹边矩形发光孔与两种不同摆放方向的小尺寸矩形发光孔的组合。其中的凹边矩形采用了由四条内凹弧线围成的优选形式。图8示出了这种阵列所能得到的远场分布效果，可见矩形平顶的光场强度波动可以在±10％之内，完全满足TOF投影模块绝大部分应用的要求。

在一些优选实施方式中，所述VCSEL阵列可以采用倒装芯片（Flip-Chip）结构，从而显著降低器件及模组的厚度，图9示出了本发明所提供的阵列与传统VCSEL阵列在结构与厚度上的对比。

本发明还提供了相应的VCSEL阵列的制造方法，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不同形状和/或尺寸的氧化沟道；

（3）.对所述氧化沟道周围进行横向氧化形成氧化层，并形成多个VCSEL单元的发光孔；

其中，所述多个VCSEL单元的发光孔具有不同的形状和/或尺寸。

图10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，阴影凹边矩形以及小直边矩形是发光区域。通过此方法可制造对应于图7所示的阵列形式。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；

R1：16um，R2：20 μm。

所述VCSEL单元的层状结构可采用如图11所示的典型结构。其中，各层分别为：金属层1、p型分布式布拉格反射器（p-DBR）2、氧化层3、量子阱发光层（QW）4、n型分布式布拉格反射器（n-DBR）5以及n型衬底6。

图12示出了一种采用本发明所提供的一种优选芯片结构及其远场分布，阵列***设置凹边矩形发光孔，内部区域均为矩形发光孔。

本发明还提供了相应的均匀平顶远场生成方法，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。