專利名稱：用于照明的垂直腔面發(fā)射激光器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域。更具體地講，本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(“LED”)和垂直腔面發(fā)射激光器(“VCSEL”)。
當今世界上電力的最大應(yīng)用之一是居民的、商業(yè)的和公共的照明。據(jù)估計，大約全部用電量的30％-40％是用于發(fā)光。對發(fā)光效率的任何明顯的改進都將帶來巨大的經(jīng)濟效益。
不幸的是，盡管在二十世紀前半頁發(fā)光效率有了迅猛的提高，對于當前已知的發(fā)光技術(shù)例如白熾燈或熒光燈而言，其發(fā)光效率在最近25年只取得了較小的改進。在最近二十年中只有LED的發(fā)光效率顯著地得到改善，但是，在每LED約1lm的情況下，它們對發(fā)光領(lǐng)域不是一種經(jīng)濟的替換。
非常希望有一種能以合理的成本提供高轉(zhuǎn)換效率的新型發(fā)光技術(shù)。
在第一實施例中，本發(fā)明包括由30至100個GaAlAs或GaInAsVCSEL組成的二維列陣，其發(fā)光波長分別為850nm和980nm。各VCSEL并行地由單個電流源驅(qū)動。為防止損傷眼睛，每個激光器產(chǎn)生的光能量較低，在這里是3mW。該列陣可用于紅外(IR)無線通訊，例如IrDA標準，其速度比使用LED所能獲得的速度快。IR局域網(wǎng)(LAN)或交互式TV也可使用本發(fā)明的這一實施例。
在第二實施例中，封裝在單個殼體內(nèi)的多個VCSEL列陣被并行地驅(qū)動，每個列陣工作在不同的可見光波長，每個單個的VCSEL單元消耗的功率較低。由于各VCSEL列陣的不同波長覆蓋了色度圖，產(chǎn)生了效率極高的白區(qū)光源(White area)。
現(xiàn)在詳細描述這些實施例，參照下面列出和描述的附圖。


圖1表示用于IR通訊的本發(fā)明的第一實施例；圖2表示用作二維照明器件的本發(fā)明的第二實施例；圖3表示本發(fā)明的第二實施例如何安裝到與已知發(fā)光系統(tǒng)兼容的封裝中。
VCSEL及其制作方法是已知的。例如，參見美國專利No.5,359,618和5,164,949。用VCSEL形成二維列陣以用于數(shù)據(jù)顯示也是已知的。參見美國專利No.5,325,386和5,073,041。
近來，桑地亞國家實驗室提出了一種VCSEL，其電能到光通量的轉(zhuǎn)換效率高達50％(5mA電流和2V電壓產(chǎn)生5mW的光能)。桑地亞的VCSEL使用GaInAs材料系，產(chǎn)生的光束波長在980nm，直徑約8～10μm。
工作在850nm的GaAlAs VCSEL列陣(1×8)也已制出了。本發(fā)明人利用這些列陣作實驗，將VCSEL并聯(lián)于單個電源。盡管與桑地亞的50％相比，這些列陣的轉(zhuǎn)換效率只有15％～25％，但它們證實了并行操作大VCSEL列陣而不會產(chǎn)生熱擊穿的可行性。在早期的功率晶體管中，當在單個功率晶體管中使用的發(fā)射極指列陣中有一個發(fā)射極指上流過的電流“份額變大(hog)”時，這增加了它的工作溫度，進而使得流過的電流更多，以起來越快的循環(huán)使得晶體管損壞，就會發(fā)生熱擊穿。本發(fā)明人相信每個VCSEL的布喇格反射器的串聯(lián)電阻，盡管不可預(yù)期，是能夠穩(wěn)定器件并阻止電流份額變大(hogging)的。
并行驅(qū)動這些VCSEL，就獲得了光源。在圖1所示的第一實施例中，在20×20mil的芯片13上制作了直徑約10μm、中心間距40μm的VCSEL列陣11。在芯片上很容易容納12×12的激光器列陣?？偣?28個激光器，鍵合區(qū)15的面積為5×5mil。如果每個激光器工作于2mA和2V，發(fā)出的光通量為2mW，則列陣的總輸入功率為0.5W，且光輸出功率約0.25W。其余的0.25W肯定作為熱能消耗掉了。
移去熱能是一個直接的目標。如果激光器制作在GaAs襯底上，熱阻包括從10μm的圓到襯底的擴展項和在激光器與芯片背面之間的熱阻的線性項。由于熱流為0.25w，擴展熱阻使溫度上升1.4℃，襯底又使溫度上升2.9℃，所以整個芯片溫升為4.3℃。將芯片安裝到熱擴展襯底上，如化學汽相淀積(CVD)生長的金剛石、ALN或平的銅上，可控制熱通量而不會有明顯的溫升。
VCSEL也可以面向下安裝在熱擴展襯底上，這可進一步降低芯片中的溫升。這時，光將透過襯底發(fā)出。在980nm，GaAs襯底是透明的。在更短的波長，襯底應(yīng)由將結(jié)構(gòu)鍵合到GaP襯底上的晶片替換。
發(fā)光波長為850nm、由GaAlAs制作的LED的內(nèi)量子效率為100％。類似于圖1所示的、適當優(yōu)化設(shè)計的VCSEL列陣會使能量轉(zhuǎn)換效率大于50％。這種光源能使IR通信的速度比IRLED所允許的速度更高。它們可以實現(xiàn)IR LAN和交互式TV。另一種可能的應(yīng)用是將列陣用于保密通信。
VCSEL最重要的應(yīng)用是照明，使用一系列發(fā)光波長分別位于可見光譜的不同部分的列陣。桑地亞國家實驗已用GaAlInP材料系制作了紅光VCSEL。這些VCSEL的發(fā)光波長為635～680nm，單個VCSEL的功率高達8mW。最好的轉(zhuǎn)換效率為約15％。在可見光譜的綠光和藍光部分，GaInN器件利用光泵浦實現(xiàn)了激射，用ZnSe材料系實現(xiàn)了綠/藍法布里-珀羅激光器。在不遠的將來，GaInN將會用在法布里-珀羅激光器和VCSEL中。
假定在從紅到藍的任何可見光波長上均可實現(xiàn)在工作波長為980nm的VCSEL上已實現(xiàn)的相同轉(zhuǎn)換效率。則上述的IR VCSEL芯片可以放大到1×1mm并具有相同的激光器面密度，以提供單色可見光照明VCSEL列陣芯片。該芯片含有約500個激光器，當每個激光器工作于2mA時，在50％轉(zhuǎn)換效率的情況下將具有1W的光通量。在560nm，該芯片將產(chǎn)生680lm的流明通量。在輸入電流lA且供電電壓為2V時，芯片的流明效率為340lm/W。
可用6個VCSEL芯片形成白光源，每個芯片具有1W的光通量并且發(fā)光波長等間距地分布在475nm(藍光)和625nm(紅光)之間。
表1波長(nm)通量(lm)475 77505 343535 622565 665595 473625 218白光2398表1表示具有6個VCSEL列陣且輸入為12W的VCSEL照明源的波長/通量關(guān)系。具有12W輸入的該光源將產(chǎn)生約2400lm的光通量。其效率約200lm/W。表2所示為與具有可比通量水平的普通白光源的比較。2400lm的光通量相當于170W白熾燈泡發(fā)出的光通量。
圖2是包括VCSEL列陣21至26的這種白光照明源20的示意圖。VCSEL各產(chǎn)生不同波長的可見光。在第一優(yōu)選實施例中，這些列陣將發(fā)出表1所列波長的光。VCSEL列陣依次通過控制器35。耦合到電源30。至少，電源30必須能以激射所需的最小電流并行驅(qū)動全部VCSEL列陣中的每個激光器?？刂破?5通過允許使用者控制從單個列陣和同時從全部列陣得到或多或少的光輸出而可以有額外的操作靈活性。通過這樣做，使用者可以控制光源20的色溫以及其最后的光輸出。
上述VCSEL列陣白光照明源與已知光源相比具有許多優(yōu)點。表2概括了VCSEL照明系統(tǒng)與已知發(fā)光技術(shù)相比在效率上所具有的優(yōu)點。
表2類型效率(lm/W) VCSEL優(yōu)點白熾燈 14 15x鹵燈 20 10x熒光燈 80 2.5x金屬鹵化物燈 80 2.5x汞燈 405x基于VCSEL的光源與已知照明光源相比還提供了其它額外的優(yōu)點。
最近對桑地亞制作的980nm VCSEL列陣的測試表明這些列陣能以相當恒定的效率工作在0.5到5.0mW的功率范圍內(nèi)?？刂破?5可用于通過等量地且并行地降低每個VCSEL列陣的驅(qū)動電流來進行亮度調(diào)節(jié)。如果每個列陣的VCSEL單元具有一個公用陰極但具有多個獨立的陽極，調(diào)節(jié)范圍還可進一步擴展。這可使VCSEL列陣的各部分獨立地導(dǎo)通或關(guān)斷。假定一個列陣制作了10個獨立的陽極，結(jié)合降低驅(qū)動電流，該列陣的調(diào)節(jié)范圍可通過附加因子10來擴展。這樣擴展調(diào)節(jié)范圍的成本很低，只包括VCSEL制造工藝和控制器設(shè)計的很小的改動。普通光源或者不能進行亮度調(diào)節(jié)，或者如果它們可進行亮度調(diào)節(jié)，那么它們的效率將要有很大的損失，且在鹵燈的情況下，進行亮度調(diào)節(jié)還會降低其使用壽命。
通過使用控制器35改變圖2的白光源中的各個彩色VCSEL列陣的驅(qū)動電流，光的色溫可從淡藍的冷白色到更黃更暖的白色或其間的任何色彩變化或組合。因此光源30可工作于整個色度圖上。單個白光源也可用作至少6個不同顏色的單色光源而只需極小的額外花費。結(jié)合前述的亮度調(diào)節(jié)能力，具有改變顏色和/或色溫的能力使本發(fā)明成為一個可用于裝飾或劇場照明的通用光源。
熒光燈通過用UV光激勵磷光層產(chǎn)生白光。磷光層是主要產(chǎn)生三種近單色光(紅、綠、藍)的磷光體的混和物。VCSEL光源將使用可以改善照明源發(fā)光顏色的6種單色光源。最終它將可能用12個0.5W的芯片建立步長15nm的照明源，而不是前述6個功率為1W、步長為30nm的芯片。這種器件的顏色再現(xiàn)性能將大大優(yōu)于任何現(xiàn)有的光源。
上述白光源具有VCSEL所固有的調(diào)制速度，它可以GHz頻率關(guān)斷和導(dǎo)通。這使得照明源能夠以每秒千兆比特的速率發(fā)送信號。使用本發(fā)明可以很容易地，構(gòu)造低成本、高度非對稱的局域網(wǎng)，其中諸如視頻的高速信號經(jīng)由光源傳送，低速信號用普通電話線傳送。在雜貨店中使用的單向信號發(fā)送系統(tǒng)，其中VCSEL白光照明源用于照明和信號傳輸，可使電池供能的電子貨架標簽通過發(fā)光系統(tǒng)刷新而不需安裝IR或RF廣播系統(tǒng)。通常光接收器比RF接收器簡單，當使用本發(fā)明時，照明功率水平很高，使得可以制作比IR接收器更簡單的可見光接收器。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的光源沒有“導(dǎo)通”延遲，不象熒光源通常都有的導(dǎo)通延遲。它們的壽命據(jù)測量為幾萬小時，可能有幾十年長。
從各VCSEL輸出的光是發(fā)散角約為10°的準直光束。該光束可以與低成本光學表面相交叉以有效地再分布光通量到希望照明的地方。在不需要或不希望有光泄漏的情況下，與普通各向同性高色溫光源相比，這一特性可使效率再提高2至5倍。
由于VCSEL大致工作在室溫下，光學表面可以安全地定位在很近的近端。這使得可以設(shè)計和構(gòu)造非常緊湊的、平坦的發(fā)光固定物，它與商業(yè)或居民建筑物中的通風頂(flush ceiling)相一致。
使用照明用VCSEL提出了視覺安全問題。具有時間相干性波前的光能容易地被眼睛聚焦成視網(wǎng)膜上的衍射極限點。如果該點的功率量級超過約200μW，將會導(dǎo)致視網(wǎng)膜的永久傷害。
VCSEL列陣具有解決視覺安全問題的獨特特性。如果VCSEL中各單元的直徑增加到20至25μm，則VCSEL不再作為具有時間相干性的單元激射。發(fā)射面積分成多個不再屬于單一相干模式的部分(filament)。如果相鄰VCSEL間的間隔大約20-50μm，則列陣的行為如同大量獨立的激光器。時間相干性局限于單個單元的通量，它在第一實施例中工作在大約2mW。各個激光器單元的時間相干性也可通過全息狀的相移表面交叉光束而破壞。需要破壞的是多個獨立的2mW激光器的相干性，而不是破壞1W激光器的相位相干性。因此，相位相干性必須降低一階幅值，而不是降低約4階幅值。
如圖3所示，圖2的光源20可被封裝以裝入已知的光源封裝，這里，是標準的旋入式白熾燈泡，產(chǎn)生能易于被改型的光源100。使用圖2中相同的標號，VCSEL列陣21至26安裝在陶瓷基片27上，由控制器35控制。分立的供能單元30位于基片27的后面，通過插座28從電源接收能量。初級光束整形光學系統(tǒng)40具有破壞VCSEL21至26的相位相干性以防傷害眼睛的后光學表面41和在光的相位相干性被破壞以后整形光束的前表面42。次級光束整形光學系統(tǒng)45用于準直和聚焦光束以適應(yīng)具體的光學應(yīng)用。通過改變次級光束整形光學系統(tǒng)45，一個光源可用于許多不同的應(yīng)用。
全球的電力消費額約為1.2萬億美元。約33-40％用于發(fā)光。將發(fā)光能耗成本降低5到10倍能每年節(jié)約3000-4000億美元。
用30年的時間將90％的發(fā)光設(shè)備轉(zhuǎn)換為基于VCSEL的光源能降低對發(fā)電量的需求，使得電力的其它非發(fā)光應(yīng)用能夠以每年1.0％的速度增長30年而不需增加在全球范圍內(nèi)安裝新的發(fā)電設(shè)施。在暖帶，這些節(jié)約可能更高，因為VCSEL產(chǎn)生的、需要用空調(diào)系統(tǒng)移出的熱較少。
權(quán)利要求
1.一種紅外光源，包括多個垂直腔面發(fā)射激光器芯片，每個芯片包括多個垂直腔面發(fā)射激光器單元，每個芯片上的單元發(fā)射紅外光并被耦合在一起，因此它們至少可被并行驅(qū)動，芯片通過串聯(lián)耦合和并聯(lián)耦合的組合被耦合在一起；和與芯片耦合以為各單元提供驅(qū)動電流的電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其中各芯片上的單元產(chǎn)生的紅外光波長與其它芯片上的單元所產(chǎn)生的不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光源，其中每個芯片上的單元產(chǎn)生的紅外光波長在700和1000nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其中所述單元可以至少10MHz的頻率調(diào)制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的光源，其中破壞相位的光學系統(tǒng)位于芯片和被照明的目標之間，破壞相位的光學系統(tǒng)降低了單元的時間相干性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光源，其中光源用于提供保密用途的紅外光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光源，其中每個單元具有陰極和陽極觸點，芯片上全部單元的陰極觸點是共用的而陽極觸點被分成至少兩個分離的陽極組，光源的亮度調(diào)節(jié)由降低各單元的驅(qū)動電流和關(guān)斷耦合到至少一個陽極組的這些單元來完成。
8.一種光源，包括多個垂直腔面發(fā)射激光器芯片，每個芯片具有多個垂直腔面發(fā)射激光器單元，每個芯片上的單元產(chǎn)生預(yù)定波長的激光并被耦合在一起，因此它們能至少并行驅(qū)動；與各芯片耦接的電源，它至少能為全部芯片上的全部單元并行地提供驅(qū)動電流；和與電源耦接以控制芯片的光輸出的控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光源，其中每個芯片中所含的單元發(fā)出相同波長的光，每個芯片發(fā)出的光波長與任一其它芯片都不同。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的光源，其中從每個芯片發(fā)出的光合并為白光。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光源，其中，控制器可接受用戶輸入，用戶確定在任意預(yù)定的時間哪個芯片應(yīng)發(fā)光，然后光源能夠提供各個芯片單獨產(chǎn)生的各個波長的光或各個波長任意組合而成的光。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的光源，其中芯片可被調(diào)制以傳輸信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的光源，其中破壞相位的光學系統(tǒng)位于光源和被照明的目標之間，破壞相位的光學系統(tǒng)降低了各激射單元的時間相干性。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的光源，其中，電源可由控制器調(diào)節(jié)以對每個激射單元同時提供可變的驅(qū)動電流，因而允許對光源進行亮度調(diào)節(jié)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的光源，其中，光源可進一步地進行亮度調(diào)節(jié)，即，為芯片上的全部單元形成一個陰極觸點和多個陽極觸點組，每個單元與一個陽極觸點組耦合，每個芯片上至少有兩個陽極觸點組，所述亮度調(diào)節(jié)通過選擇性地去激活至少一個陽極組而完成。
16.一種以多個波長提供面照明的方法，該方法包括以下步驟制作多個垂直腔面發(fā)射激光器列陣，每個列陣發(fā)出不同波長的光；將列陣與能夠至少同時并行驅(qū)動列陣中所有垂直腔激光器的電源耦接；將光散射系統(tǒng)放在列陣和被照明的目標之間，光散射系統(tǒng)可防止可能由激光器產(chǎn)生的相干光造成的危害。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中全部列陣產(chǎn)生相同波長的光以提供單色面光源。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中列陣和電源還耦接到控制器，控制器能夠調(diào)節(jié)由電源送到每個列陣的電流。
全文摘要
描述了一種用于在紅外和可見光波段照明的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)列陣。通過使用幾種不同的列陣(21—26),每個列陣(21—26)產(chǎn)生一種不同波長的光,可獲得普通光源的替換。本發(fā)明比已知發(fā)光技術(shù)提供了更低的功耗和更長的使用壽命。
文檔編號H01S3/00GK1200797SQ96197959
公開日1998年12月2日 申請日期1996年10月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月1日
發(fā)明者R·H·海茨 申請人:惠普公司