[发明专利]低散斑激光阵列及包含低散斑激光阵列的影像显示器

说明书

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。

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＝σ_I/I……………方程式1

其中，σ_I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。