CN108923261A - 垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法，所述垂直腔面发射激光器具有一发射窗口，所述像素结构包括在所述发射窗口内形成的若干具有光线出射的亮区子像素以及若干不具有光线出射的暗区子像素，且所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成图案。相比现有的结构光模组方案和编码结构光模组方案，本发明可以在维持一定信息密度的情况下有效降低结构光和编码结构光整体光学模组的能耗及制造成本，或者在同样的成本和能耗下达到更高的信息密度和可辨识度。本发明在垂直腔面发射激光器的制造及应用领域具有广泛的应用前景。

Description

垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器及制造领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器的像素结构、像素阵列及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED（发光二极管）和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种垂直表面出光的新型激光器，与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形***，现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90%；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。
在光纤通信方面，目前VCSEL市场空前发展，并在北美替代高价位的LD用于千兆、万兆以太数据通信网的建设，导致了高速VCSEL收发模块需求***性地增长。VCSEL在其他方面也有不错的应用前景。在光打印方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着技术的发展，已逐步得到改善。如果采用LED阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入VCSEL阵列则可以解决这个问题。采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿、蓝三元色发光管构成的，如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。在照明方面，VCSEL的电光转换效率达到35%以上，如果它的波长能从紫外波段覆盖到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照明灯等许多方面。另外在气体检测、高密度光存储方面也有希望得到应用。
VCSEL阵列的特点是在一个极其小的基底上通过布置多个随机分布的VCSEL点光源的方式来进行激光投影，比如在半导体衬底上布置多个VCSEL点光源，这种VCSEL点光源通常对应一个VCSEL器件的发射窗口，该发射窗口通常被设置为一个简单的圆孔或方孔等形状，一个发射窗口仅能携带一个位置信息。VCSEL阵列作为一个整体的光源，再配合如光学透镜或光学衍射元件等，可以实现投影功能。这种投射光源实际是通过牺牲一定的点光源来实现图像的投影，这些牺牲的点光源只是在投影过程中被遮挡而形成图像，仍然会造成能量上的严重浪费。另外，作为VCSEL光源阵列的VCSEL点光源要形成图像，必须与该VCSEL点光源相邻的其他VCSEL点光源配合，若其中一个或多个VCSEL点光源损坏，则会造成整个投影图像的残缺而难以识别。
基于以上所述，提供一种可以有效节省能耗、降低成本、能携带更多信息的垂直腔面发射激光器的像素结构、像素阵列及其制作方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法，用于解决现有技术中VCSEL阵列能耗及成本较高、信息较为单一的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种垂直腔面发射激光器的像素结构，所述垂直腔面发射激光器具有一发射窗口，所述像素结构包括在所述发射窗口内形成的若干具有光线出射的亮区子像素以及若干不具有光线出射的暗区子像素，且所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成图案。
优选地，所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成矩阵图案。
优选地，所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成数字图案、文字图案及字母图案中的一种。
优选地，所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成二维码图案。
优选地，所述图案包括若干条形亮区子像素，所述若干条形亮区子像素之间由所述暗区子像素隔离。
优选地，所述图案包括若干第一条形亮区子像素及若干第二条形亮区子像素，所述第一条形亮区子像素之间、所述第二条形亮区子像素之间及所述第一条形亮区子像素与第二条形亮区子像素之间由所述暗区子像素隔离，所述第二条形亮区子像素的长度大于所述第一条形亮区子像素的长度。
优选地，所述图案包括由平行排列的所述第一条形亮区子像素及第二条形亮区子像素形成的八卦阵，所述八卦阵包括一个所述第二条形亮区子像素，以及分别位于所述第二条形亮区子像素两侧的两组第一条形亮区子像素，每组第一条形亮区子像素包括两个间隔排列的第一条形亮区子像素。
进一步地，所述第一条形亮区子像素的长度介于3微米~10微米，宽度介于3微米~10微米，所述第二条形亮区子像素的长度介于10微米~30微米，宽度介于3微米~10微米，所述暗区子像素的宽度介于2微米~15微米。
优选地，所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的沟道及自所述沟道的侧壁朝所述垂直腔面发射激光器内部延伸的氧化层的方式限定，所述沟道及所述限制氧化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成所述暗区子像素。
优选地，所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层、位于有源层上的上反射镜、沟道及限制氧化层，所述沟道以图形化去除所述下反射镜、有源层及上反射镜的方式形成，所述限制氧化层以自所述沟道侧壁朝所述垂直腔面发射激光器内部进行氧化的方式形成。
优选地，所述暗区子像素的最小宽度为6微米。
优选地，所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的离子钝化层的方式限定，所述离子钝化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素。
优选地，所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层、位于有源层上的上反射镜及离子钝化层，所述离子钝化层以钝化离子注入的方式形成于所述下反射镜及所述有源层或所述上反射镜及所述有源层中。
优选地，所述暗区子像素的最小宽度为5微米。
优选地，所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的金属掩蔽层的方式限定，所述金属掩蔽层用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素。
优选地，所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层、位于有源层上的上反射镜及金属掩蔽层，所述金属掩蔽层以金属沉积及图形化刻蚀的方式形成于所述上反射镜表面。
优选地，所述暗区子像素的最小宽度为2微米。
优选地，所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的高阈值反射层的方式限定，所述高阈值反射层用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素。
优选地，所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层以及位于有源层上的上反射镜，所述图形化的高阈值反射层位于所述下反射镜或上反射镜中。
优选地，所述暗区子像素的最小宽度为2微米。
本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的像素阵列，所述像素阵列包括多个呈阵列排布的垂直腔面发射激光器的像素结构，以形成图案阵列。
优选地，所述图案阵列包含所述垂直腔面发射激光器的像素结构的图案信息以及所述垂直腔面发射激光器的像素结构的位置信息。
本发明还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素结构以及配置于所述像素结构上的光学透镜，以实现所述图案的放大投影。
本发明还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素结构、配置于所述像素结构上的光学透镜以及配置于所述光学透镜上的光学衍射元件，以实现所述图案的放大投影以及复制重现。以实现所述图案的放大投影以及复制重现
本发明还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素阵列以及配置于所述像素阵列上的光学透镜，以实现所述图案阵列的放大投影。
本发明还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素阵列、配置于所述像素阵列上的光学透镜以及配置于所述光学透镜上的光学衍射元件，以实现所述图案阵列的放大投影以及复制重现。
本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，包括步骤：1）形成垂直腔面发射激光器的下反射镜、有源层及上反射镜，并限定出所述垂直腔面发射激光器的发射窗口；以及2）于所述垂直腔面发射激光器的发射窗口中形成像素结构，所述像素结构包括在所述发射窗口内形成的若干具有光线出射的亮区子像素以及若干不具有光线出射的暗区子像素，且所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成图案。
优选地，步骤2）包括：2-1）于所述下反射镜、有源层及上反射镜中刻蚀出图形化的沟道，所述沟道显露所述垂直腔面发射激光器的侧壁；2-2）自所述沟道侧壁对所述垂直腔面发射激光器的进行氧化，以在所述有源层中形成限制氧化层，所述沟道及所述限制氧化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成所述暗区子像素。
优选地，步骤2）包括：于所述下反射镜及所述有源层或所述上反射镜及所述有源层中形成图形化的注入阻挡层，所述注入阻挡层注入钝化离子，以在所述下反射镜及所述有源层或所述上反射镜及所述有源层中形成离子钝化层，所述离子钝化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素。
优选地，步骤2）包括：2-1）沉积金属层于所述上反射镜上；2-2）采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述金属层中刻蚀出图案，剩余的所述金属层作为金属掩蔽层，所述金属掩蔽层用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素。
优选地，步骤2）包括：采用光刻工艺及刻蚀工艺刻蚀所述上反射镜，以在所述上反射镜中形成图形化的高阈值反射层，所述高阈值反射层用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素。
如上所述，本发明的垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法，具有以下有益效果：
1）本发明在垂直腔面发射激光器的发射窗口中形成若干具有光线出射的亮区子像素以及若干不具有光线出射的暗区子像素，直接在所述发射窗口中形成图案，且可以使得电流仅在亮区子像素的区域内通过，而在暗区子像素的区域内没有电流通过，可以大大提高器件的能效，降低器件的能耗。
2）本发明在一个垂直腔面发射激光器的发射窗口中便可形成图案，如数字图案、文字图案及字母图案、矩阵图案、二维码图案等，大大提高了垂直腔面发射激光器可携带的信息，扩展了其应用范围。
3）本发明与现有的垂直腔面发射激光器的制作工艺兼容，在显示图像时不需要额外增加外部掩膜，有利于制造成本的降低。
4）本发明的像素阵列中的每个像素结构可以不依赖相邻像素结构而进行独立识别，大大增强了像素阵列的可分辨性。
5）本发明可以将多个垂直腔面发射激光器的像素结构组成像素阵列，该像素阵列中不仅仅包含像素结构的位置信息，还包含有像素结构的图案信息，相比现有的结构光模组方案和编码结构光模组方案，本发明可以在维持一定信息密度的情况下有效降低结构光和编码结构光整体光学模组的能耗及制造成本，或者在同样的成本和能耗下达到更高的信息密度和可辨识度。
附图说明
图1a~图1i显示为本发明的垂直腔面发射激光器的像素结构中，亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成3*3矩阵的示意图。
图2a~图3c显示为本发明的垂直腔面发射激光器的像素结构中，亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布的近似图案的示意图。
图4a~图4b分别显示为亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成二维矩阵的示意图及排布成二维码图案的示意图。
图5显示为本发明的条形亮区子像素排布成字母图案的示意图。
图6a~图6b分别显示为正面发射结构与背面发射结构的垂直腔面发射激光器的像素结构的尺寸对比示意图。
图7显示为本发明由条形亮区子像素组成的一种阵列图案的示意图。
图8a~图8c显示为本发明的像素结构的一种实现方式示意图，其中，图8b显示为图8a中的A-A’处的截面结构示意图，该像素结构由沟槽及限制氧化层的方式实现。
图9a~图9c显示为本发明的像素结构的另一种实现方式示意图，其中，图9b显示为图9a中的B-B’处的截面结构示意图，该像素结构由离子钝化层的方式实现。
图10a及图10b显示为本发明的像素结构的又一种实现方式示意图，该像素结构由金属掩蔽层的方式实现。
图11a及图11b显示为本发明的像素结构的又一种实现方式示意图，该像素结构由高阈值反射层的方式实现。
图12及图13分别显示为本发明的光学组件的结构示意图。
元件标号说明
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1a~图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1a~图11所示，本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的像素结构，所述垂直腔面发射激光器具有一发射窗口103，所述像素结构包括在所述发射窗口103内形成的若干具有光线出射的亮区子像素101以及若干不具有光线出射的暗区子像素102，且所述亮区子像素101与所述暗区子像素102在所述发射窗口103内排布成图案，从而实现对所述垂直腔面发射激光器的数字化。所述发射窗口103的外周侧设置有一环绕所述发射窗口103的环形上电极，所述环形上电极为所述像素结构的亮区子像素及暗区子像素的共用电极。
例如，如图1a~图1i所示，所述亮区子像素101与所述暗区子像素102在所述发射窗口103内可以排布成矩阵图案。所述亮区子像素101和所述暗区子像素102的尺寸和大小相同，形状均大概呈正方形，所述亮区子像素101和所述暗区子像素102可以排布成M*N的矩阵图案，理论上，该矩阵图案可以产生2（m*n）种不同的图案。为了简便说明，以n＝m＝3为例，则所述亮区子像素101和所述暗区子像素102可以排布成512种不同的图案，图1a~图1i仅显示了3*3矩阵图案的9种不同的图案示例，通过所述亮区子像素101和所述暗区子像素102不同排布，可以实现更多的图案，所述亮区子像素101和所述暗区子像素102的数量和排布方式可以依据实际需求进行调整，例如所述亮区子像素101和所述暗区子像素102可以排布成4*4的矩阵图案、4*5的矩阵图案、8*8的矩阵图案等，并不限于此处所列举的示例。
所述像素结构在识别时，优选以亮区子像素101作为识别对象，以提高图案的辨识程度。进一步地，为了避免类似图案在识别过程中的误差，在设计时，可以避免近似图案的出现，如当所述像素结构被设计为如图2a所示的图案时，应避免如图2b及图2c的图案的使用，又如，当所述像素结构被设计为如图3a所示的图案时，应避免如图3b及图3c的图案的使用，以增强所述像素结构的可辨识性。
上述的所述亮区子像素101与所述暗区子像素102通过增加更多的数量以及采用不同的排布方式，可以在所述发射窗口103内排布成二维矩阵，如图4a所示，也可以排布成二维码图案，如图4b所示。
又如，如图5所示，所述图案包括若干条形亮区子像素101，所述若干条形亮区子像素101之间由所述暗区子像素102隔离。所述亮区子像素101与所述暗区子像素102在所述发射窗口103内可以排布成数字图案、文字图案及字母图案中的一种。
又如，如图6a及图6b所示，所述图案可以包括若干第一条形亮区子像素501及若干第二条形亮区子像素502，所述第一条形亮区子像素501之间、所述第二条形亮区子像素502之间及所述第一条形亮区子像素501与第二条形亮区子像素502之间由所述暗区子像素102隔离，所述第二条形亮区子像素502的长度大于所述第一条形亮区子像素501的长度。
如图a~图6b所示，在本实施例中，所述图案包括由平行排列的所述第一条形亮区子像素501及第二条形亮区子像素502形成的八卦阵，所述八卦阵包括一个所述第二条形亮区子像素502，以及分别位于所述第二条形亮区子像素502两侧的两组第一条形亮区子像素501，每组第一条形亮区子像素包括两个间隔排列的第一条形亮区子像素501，所述八卦阵呈现为《易经》里的卦象。
图6a显示为正面发射结构的垂直腔面发射激光器的像素结构的结构示意图，所述像素结构的长度D1约为40微米~50微米，宽度D2约为40微米~50微米，所述第一条形亮区子像素501的长度D4介于3微米~10微米，宽度D3介于3微米~10微米，所述第二条形亮区子像素502的长度D5介于10微米~30微米，宽度介于3微米~10微米，氧化层504的长度D6介于4微米~10微米，沟道503的宽度D7介于1微米~10微米之间。正面发射结构的垂直腔面发射激光器的像素结构的需要在正面制作金属环电极作为电接触，且该金属环电极不能阻挡发射窗口103中的激光，在设计时，通常需要将氧化层504的长度设计为大于金属环电极的宽度，氧化层504的长度通常需要设计为不小于4微米，因此，正面发射的垂直腔面发射激光器的像素结构的尺寸氧化层504的限制，像素结构的尺寸较大，密度较小。
图6b显示为背面发射结构的垂直腔面发射激光器的像素结构的结构示意图，所述像素结构的长度D11约为20微米，宽度D12约为20微米，所述第一条形亮区子像素501的长度D14介于3微米~10微米，宽度D13介于3微米~10微米，所述第二条形亮区子像素502的长度D15介于10微米~30微米，宽度介于3微米~10微米，氧化层504的长度D16介于0.5微米~4微米，沟道503的宽度D17介于1微米~10微米之间。背面发射结构的垂直腔面发射激光器的像素结构的主要优点是：仅需要在发射窗口103之外的区域制作金属环电极，因此，可将氧化层505的长度可以设计为小于1微米，每个像素结构可以设计为小于20微米或更小的宽度，与正面发射结构的垂直腔面发射激光器的像素结构相比，可以大大减小像素结构的尺寸，提高像素结构的密度，从而获得更高的图像信息密度。更进一步地，多个所述第一条形亮区子像素501及多个所述第二条形亮区子像素502经过设计及排布，可以形成如图7所示的阵列图案。上述结构的像素结构，制作工艺简单，图案简洁且容易被识别，具有十分广泛的应用前景。
在一个实施过程中，如图8a及图8b所示，其中，图8b显示为图8a中的A-A’处的截面结构示意图。如图8b所示，所述暗区子像素102在所述垂直腔面发射激光器中可以以图形化的沟道300及自所述沟道300的侧壁朝所述垂直腔面发射激光器的内部延伸的氧化层的方式限定，所述沟道300及所述限制氧化层301用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成所述暗区子像素102。
具体地，所述垂直腔面发射激光器可以为背面发射结构的垂直腔面发射激光器，其包括下反射镜201、有源层202、上反射镜203、沟道300，沟道侧壁绝缘层302、限制氧化层301、衬底204、下电极401及上电极402，所述下反射镜201为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述上反射镜203为N型导电的反射镜，所述上反射镜及所述下反射镜可以为布拉格反射镜DBR。
所述有源层202位于所述下反射镜201上，用以将电能转换为光能。所述上反射镜203位于所述有源层202上，所述下反射镜201及所述上反射镜203用于对所述有源层202产生的光线进行反射增强，最后形成激光从所述上反射镜203的表面射出。所述沟道300以图形化去除所述下反射镜201、有源层202及上反射镜203的方式形成，所述沟道侧壁绝缘层302形成于所述沟道的侧壁以对所述侧壁绝缘、所述限制氧化层301以自所述沟道300侧壁朝所述垂直腔面发射激光器的内部进行氧化的方式形成，例如，所述限制氧化层301可以形成于所述垂直腔面发射激光器的P型导电的反射镜中。所述沟道300及所述限制氧化层301用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径，共同限定以形成所述暗区子像素102，以这种方式限定的所述暗区子像素102的最小宽度为6微米。所述衬底204位于所述上反射层上，所述衬底204对应激光发射的区域被刻蚀去除，形成空腔，以增强激光的发射强度。所述下电极401形成于所述下反射镜201的底面，以实现所述下反射镜201的电性引出，所述上电极402设计为金属环电极，位于所述衬底204的上表面且包围整个发射窗口103，即每个发射窗口103的外周侧仅对应设置一环形上电极，以实现所述上反射镜203的电性引出。
当然，所述垂直腔面发射激光器也可以为正面发射结构的垂直腔面发射激光器，其结构如图8c所示，其基本结构为背面反射的垂直腔面发射激光器的翻转结构，其中，与背面发射结构的垂直腔面发射激光器主要的不同之处在于，所述下反射镜201为N型导电的反射镜，所述上反射镜203为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述衬底不需要做腔体化处理，下电极401覆盖整个衬底的背面，上电极402环绕于所述发射窗口103。
在另一实施过程中，如图9a~图9b所示，其中，图9b显示为图9a中B-B’处的截面结构示意图，所述暗区子像素102在所述垂直腔面发射激光器中也可以以图形化的离子钝化层310的方式限定，所述离子钝化层310用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素102。
具体地，所述垂直腔面发射激光器可以为背面发射结构的垂直腔面发射激光器，其包括下反射镜201、有源层202、上反射镜203、侧壁绝缘层404、限制氧化层403、衬底204、下电极401及上电极402及离子钝化层310，所述下反射镜201为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述上反射镜203为N型导电的反射镜。所述有源层202位于所述下反射镜201上，用以将电能转换为光能。所述上反射镜203位于所述有源层202上，所述下反射镜201及所述上反射镜203用于对所述有源层202产生的光线进行反射增强，最后形成激光从所述上反射镜203的表面射出。所述离子钝化层310以钝化离子注入的方式形成于所述下反射镜201及所述有源层202或所述上反射镜203及所述有源层202中，所述离子钝化层310用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素102，以这种方式限定的所述暗区子像素102的最小宽度为5微米。所述离子钝化层310具有较高的绝缘性能，可以有效切断电流，因此该处不会产生光，可以节省能耗。所述衬底204位于所述上反射层上，所述衬底204对应激光发射的区域被刻蚀去除，形成空腔，以增强激光的发射强度。所述下电极401形成于所述下反射镜201的底面，以实现所述下反射镜201的电性引出，所述上电极402设计为金属环电极，位于所述衬底204的上表面且包围整个发射窗口103，以实现所述上反射镜203的电性引出。
本示例的所述侧壁绝缘层用以隔离下电极401与有源层202及上反射镜203，所述限制氧化层用以限定出发射窗口103。
当然，所述垂直腔面发射激光器也可以为正面发射结构的垂直腔面发射激光器，其结构如图9c所示，其基本结构为背面反射的垂直腔面发射激光器的翻转结构，其中，与背面发射结构的垂直腔面发射激光器主要的不同之处在于，所述下反射镜201为N型导电的反射镜，所述上反射镜203为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述衬底不需要做腔体化处理，下电极401覆盖整个衬底的背面，上电极402环绕于所述发射窗口103。
在又一实施过程中，如图10a所示，所述暗区子像素102在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的金属掩蔽层320的方式限定，所述金属掩蔽层320用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素102。
具体地，所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜201、位于所述下反射镜201上的有源层202、位于有源层202上的上反射镜203及金属掩蔽层320，所述金属掩蔽层320以金属沉积及图形化刻蚀的方式形成于所述上反射镜203表面。
优选地，所述暗区子像素102的最小宽度为2微米。
具体地，所述垂直腔面发射激光器可以为背面发射结构的垂直腔面发射激光器，其包括下反射镜201、有源层202、上反射镜203、侧壁绝缘层404、限制氧化层403、衬底204、下电极401及上电极402及金属掩蔽层320，所述下反射镜201为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述上反射镜203为N型导电的反射镜。
所述有源层202位于所述下反射镜201上，用以将电能转换为光能。所述上反射镜203位于所述有源层202上，所述下反射镜201及所述上反射镜203用于对所述有源层202产生的光线进行反射增强，最后形成激光从所述上反射镜203的表面射出。所述金属掩蔽层320以金属沉积及图形化刻蚀的方式形成于所述上反射镜203表面，用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素102，以这种方式限定的所述暗区子像素102的最小宽度为2微米。所述衬底204位于所述上反射层上，所述衬底204对应激光发射的区域被刻蚀去除，形成空腔，以增强激光的发射强度。所述下电极401形成于所述下反射镜201的底面，以实现所述下反射镜201的电性引出，所述上电极402设计为金属环电极，位于所述衬底204的上表面且包围整个发射窗口103，以实现所述上反射镜203的电性引出。
本示例的所述侧壁绝缘层404用以隔离下电极401与有源层202及上反射镜203，所述限制氧化层403用以限定出发射窗口103。
由于金属掩蔽层320具有较高的反射率，被掩蔽的区域的光线不能发射出去，被掩蔽的区域仍然产生热，会降低像素结构的总能量转换效率。然而，金属掩蔽层320形状的精度可以高达0.1微米，虽然能量效率不是非常高，但是在发射窗口103上的金属掩蔽层320可以实现如二维码和数据矩阵等的复杂结构。
当然，所述垂直腔面发射激光器也可以为正面发射结构的垂直腔面发射激光器，其结构如图10b所示，其基本结构为背面反射的垂直腔面发射激光器的翻转结构，其中，与背面发射结构的垂直腔面发射激光器主要的不同之处在于，所述下反射镜201为N型导电的反射镜，所述上反射镜203为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述衬底不需要做腔体化处理，下电极401覆盖整个衬底的背面，上电极402环绕于所述发射窗口103。在又一实施过程中，如图11a所示，所述暗区子像素102在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的高阈值反射层330的方式限定，所述高阈值反射层330用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层330的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素102。
具体地，所述垂直腔面发射激光器可以为背面发射结构的垂直腔面发射激光器，其包括下反射镜201、有源层202、上反射镜203、侧壁绝缘层404、限制氧化层403、衬底204、下电极401及上电极402及图形化的高阈值反射层330，所述下反射镜201为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述上反射镜203为N型导电的反射镜。
所述有源层202位于所述下反射镜201上，用以将电能转换为光能。所述上反射镜203位于所述有源层202上，所述下反射镜201及所述上反射镜203用于对所述有源层202产生的光线进行反射增强，最后形成激光从所述上反射镜203的表面射出。
所述图形化的高阈值反射层330位于所述下反射镜201或上反射镜203中，所述高阈值反射层330用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层330的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素102，以这种方式限定的所述暗区子像素102的最小宽度为2微米。所述衬底204位于所述上反射层上，所述衬底204对应激光发射的区域被刻蚀去除，形成空腔，以增强激光的发射强度。所述下电极401形成于所述下反射镜201的底面，以实现所述下反射镜201的电性引出，所述上电极402设计为金属环电极，位于所述衬底204的上表面且包围整个发射窗口103，以实现所述上反射镜203的电性引出。
本示例的所述侧壁绝缘层404用以隔离下电极401与有源层202及上反射镜203，所述限制氧化层403用以限定出发射窗口103。
当然，所述垂直腔面发射激光器也可以为正面发射结构的垂直腔面发射激光器，其结构如图11b所示，其基本结构为背面反射的垂直腔面发射激光器的翻转结构，其中，与背面发射结构的垂直腔面发射激光器主要的不同之处在于，所述下反射镜201为N型导电的反射镜，所述上反射镜203为P型导电的反射镜，所述上反射镜表面覆盖有保护层405，所述保护层为介质层，其厚度从半波长的整数倍变成半整数倍，这时，介质层会从透明变成增透膜，其效果相当于减少了P型导电的反射镜的反射率，从而在此区域形成高阈值反射层。所述衬底不需要做腔体化处理，下电极401覆盖整个衬底的背面，上电极402环绕于所述发射窗口103。图6a所示的正面发射结构的沟道氧化的像素结构的限定方式、图6b所示的背面发射结构的沟道氧化的像素结构的限定方式、图9a所示的离子钝化层的像素结构的限定方式、图10a所示的金属掩蔽层限的像素结构的定方式以及图11a所示的高阈值反射层限的像素结构的定方式的子像素最小尺寸、像素结构的信息密度、转换能效、信噪比的参数对比如表1所示。
表1
需要说明的是，上述表1所提供参数均为近似数值，该数值是依据现阶段垂直腔面发射激光器VCSEL工业制造的平均工艺水平所得出，仅具有相对参考意义，而非用于限制本发明所要求的专利保护范围。
本实施例还提供一种垂直腔面发射激光器的像素阵列，所述像素阵列包括多个呈阵列排布的垂直腔面发射激光器的像素结构，以形成图案阵列。所述图案阵列包含所述垂直腔面发射激光器的像素结构的图案信息以及所述垂直腔面发射激光器的像素结构的位置信息。本发明的像素阵列中的每个像素结构可以不依赖相邻像素结构而进行独立识别，大大增强了像素阵列的可分辨性。本发明可以将多个垂直腔面发射激光器的像素结构组成像素阵列，该像素阵列中不仅仅包含像素结构的位置信息，还包含有像素结构的图案信息，本发明的像素阵列具有较高的信息密度。
如图12所示，本实施例还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素结构10以及配置于所述像素结构10上的光学透镜20，以实现所述图案的放大投影。
如图13所示，本实施例还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素结构10、配置于所述像素结构10上的光学透镜20以及配置于所述光学透镜20上的光学衍射元件30，以实现所述图案的放大投影以及复制重现。光学衍射元件30（DOE）可以将垂直腔面发射激光器的图案复制成为一个大型的M*N的矩阵，可以将上百个像素结构复制成上万个，即可以使得图案在数量上增加几倍至几百倍，该光学组件可以应用于人脸识别和三维感知等。本实施例还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素阵列以及配置于所述像素阵列上的光学透镜20，以实现所述图案阵列的放大投影。
本实施例还提供一种光学组件，其包含上述的垂直腔面发射激光器的像素阵列、配置于所述像素阵列上的光学透镜20以及配置于所述光学透镜20上的光学衍射元件30，以实现所述图案阵列的放大投影以及复制重现。光学衍射元件30（DOE）可以将垂直腔面发射激光器的图案阵列复制成为一个大型的M*N的矩阵，可以将上百个像素结构复制成上万个，即可以使得图案阵列在数量上增加几倍至几百倍，该光学组件可以应用于人脸识别和三维感知等。
如图8a~图11所示，本实施例还提供一种垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，包括步骤：1）形成垂直腔面发射激光器的下反射镜201、有源层202及上反射镜203，并限定出所述垂直腔面发射激光器的发射窗口103；以及2）于所述垂直腔面发射激光器的发射窗口103中形成像素结构，所述像素结构包括在所述发射窗口103内形成的若干具有光线出射的亮区子像素101以及若干不具有光线出射的暗区子像素102，且所述亮区子像素101与所述暗区子像素102在所述发射窗口103内排布成图案。
在一个实施过程中，如图8a~图8b所示，其中，图8b为图8a中A-A’处的截面结构示意图，步骤2）包括：2-1）于所述下反射镜201、有源层202及上反射镜203中刻蚀出图形化的沟道300，所述沟道300的侧壁显露所述有源层202；2-2）自所述沟道300侧壁对所述垂直腔面发射激光器的的侧壁进行氧化，以在所述垂直腔面发射激光器中形成限制氧化层301，所述沟道300及所述限制氧化层301用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成所述暗区子像素102。
在另一实施过程中，如图9a~图9b所示，其中，图9b为图9a中B-B’处的截面结构示意图，步骤2）包括：于所述下反射镜201或上反射镜203中形成图形化的注入阻挡层，所述注入阻挡层注入钝化离子，以在所述下反射镜201及所述有源层202或上反射镜203及所述有源层202中形成离子钝化层310，所述离子钝化层310用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素102。
在又一实施过程中，如图10所示，步骤2）包括：2-1）沉积金属层于所述上反射镜203上；2-2）采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述金属层中刻蚀出图案，剩余的所述金属层作为金属掩蔽层320，所述金属掩蔽层320用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素102。
在又一实施过程中，如图11所示，步骤2）包括：采用光刻工艺及刻蚀工艺刻蚀所述上反射镜203，以在所述上反射镜203中形成图形化的高阈值反射层330，所述高阈值反射层330用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层330的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素102。
如上所述，本发明的垂直腔面发射激光器的像素结构及其制作方法，具有以下有益效果：
1）本发明在垂直腔面发射激光器的发射窗口中形成若干具有光线出射的亮区子像素101以及若干不具有光线出射的暗区子像素，直接在所述发射窗口中形成图案，且可以使得电流仅在亮区子像素的区域内通过，而在暗区子像素的区域内没有电流通过，可以大大提高器件的能效，降低器件的能耗。
2）本发明在一个垂直腔面发射激光器的发射窗口中便可形成图案，如数字图案、文字图案及字母图案、矩阵图案、二维码图案等，大大提高了垂直腔面发射激光器可携带的信息，扩展了其应用范围。
3）本发明与现有的垂直腔面发射激光器的制作工艺兼容，在显示图像时不需要额外增加外部掩膜，有利于制造成本的降低。
4）本发明的像素阵列中的每个像素结构可以不依赖相邻像素结构而进行独立识别，大大增强了像素阵列的可分辨性。
5）本发明可以将多个垂直腔面发射激光器的像素结构组成像素阵列，该像素阵列中不仅仅包含像素结构的位置信息，还包含有像素结构的图案信息，相比现有的结构光模组方案和编码结构光模组方案，本发明可以在维持一定信息密度的情况下有效降低结构光和编码结构光整体光学模组的能耗及制造成本，或者在同样的成本和能耗下达到更高的信息密度和可辨识度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (31)

1.一种垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器具有一发射窗口，所述像素结构包括在所述发射窗口内形成的若干具有光线出射的亮区子像素以及若干不具有光线出射的暗区子像素，且所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成图案。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成矩阵图案。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成数字图案、文字图案及字母图案中的一种。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成二维码图案。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述图案包括若干条形亮区子像素，所述若干条形亮区子像素之间由所述暗区子像素隔离。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述图案包括若干第一条形亮区子像素及若干第二条形亮区子像素，所述第一条形亮区子像素之间、所述第二条形亮区子像素之间及所述第一条形亮区子像素与第二条形亮区子像素之间由所述暗区子像素隔离，所述第二条形亮区子像素的长度大于所述第一条形亮区子像素的长度。
7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述图案包括由平行排列的所述第一条形亮区子像素及第二条形亮区子像素形成的八卦阵，所述八卦阵包括一个所述第二条形亮区子像素，以及分别位于所述第二条形亮区子像素两侧的两组第一条形亮区子像素，每组第一条形亮区子像素包括两个间隔排列的第一条形亮区子像素。
8.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述第一条形亮区子像素的长度介于3微米~10微米，宽度介于3微米~10微米，所述第二条形亮区子像素的长度介于10微米~30微米，宽度介于3微米~10微米，所述暗区子像素的宽度介于2微米~15微米。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的沟道及自所述沟道的侧壁朝所述垂直腔面发射激光器内部延伸的氧化层的方式限定，所述沟道及所述限制氧化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成所述暗区子像素。
10.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层、位于有源层上的上反射镜、沟道及限制氧化层，所述沟道以图形化去除所述下反射镜、有源层及上反射镜的方式形成，所述限制氧化层以自所述沟道侧壁朝所述垂直腔面发射激光器内部进行氧化的方式形成。
11.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素的最小宽度为6微米。
12.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的离子钝化层的方式限定，所述离子钝化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素。
13.根据权利要求12所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层、位于有源层上的上反射镜及离子钝化层，所述离子钝化层以钝化离子注入的方式形成于所述下反射镜及所述有源层或所述上反射镜及所述有源层中。
14.根据权利要求12所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素的最小宽度为5微米。
15.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的金属掩蔽层的方式限定，所述金属掩蔽层用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素。
16.根据权利要求15所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层、位于有源层上的上反射镜及金属掩蔽层，所述金属掩蔽层以金属沉积及图形化刻蚀的方式形成于所述上反射镜表面。
17.根据权利要求15所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素的最小宽度为2微米。
18.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素在所述垂直腔面发射激光器中以图形化的高阈值反射层的方式限定，所述高阈值反射层用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素。
19.根据权利要求18所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器包括下反射镜、位于所述下反射镜上的有源层以及位于有源层上的上反射镜，所述图形化的高阈值反射层位于所述下反射镜或上反射镜中。
20.根据权利要求18所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，其特征在于：所述暗区子像素的最小宽度为2微米。
21.一种垂直腔面发射激光器的像素阵列，其特征在于：所述像素阵列包括多个呈阵列排布的如权利要求1~20任意一项所述的垂直腔面发射激光器的像素结构，以形成图案阵列。
22.根据权利要求21所述的垂直腔面发射激光器的像素阵列，其特征在于：所述图案阵列包含所述垂直腔面发射激光器的像素结构的图案信息以及所述垂直腔面发射激光器的像素结构的位置信息。
23.一种光学组件，其特征在于：包含如权利要求1~20任意一项所述的垂直腔面发射激光器的像素结构以及配置于所述像素结构上的光学透镜，以实现所述图案的放大投影。
24.一种光学组件，其特征在于，包含如权利要求1~20任意一项所述的垂直腔面发射激光器的像素结构、配置于所述像素结构上的光学透镜以及配置于所述光学透镜上的光学衍射元件，以实现所述图案的放大投影以及复制重现。
25.一种光学组件，其特征在于：包含如权利要求21~22任意一项所述的垂直腔面发射激光器的像素阵列以及配置于所述像素阵列上的光学透镜，以实现所述图案阵列的放大投影。
26.一种光学组件，其特征在于：包含如权利要求21~22任意一项所述的垂直腔面发射激光器的像素阵列、配置于所述像素阵列上的光学透镜以及配置于所述光学透镜上的光学衍射元件，以实现所述图案阵列的放大投影以及复制重现。
27.一种垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：
1）形成垂直腔面发射激光器的下反射镜、有源层及上反射镜，并限定出所述垂直腔面发射激光器的发射窗口；以及
2）于所述垂直腔面发射激光器的发射窗口中形成像素结构，所述像素结构包括在所述发射窗口内形成的若干具有光线出射的亮区子像素以及若干不具有光线出射的暗区子像素，且所述亮区子像素与所述暗区子像素在所述发射窗口内排布成图案。
28.根据权利要求27所述的垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，其特征在于：步骤2）包括：
2-1）于所述下反射镜、有源层及上反射镜中刻蚀出图形化的沟道，所述沟道显露所述垂直腔面发射激光器的侧壁；以及
2-2）自所述沟道侧壁对所述垂直腔面发射激光器进行氧化，以形成限制氧化层，所述沟道及所述限制氧化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成所述暗区子像素。
29.根据权利要求27所述的垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，其特征在于：步骤2）包括：于所述下反射镜及所述有源层或所述上反射镜及所述有源层中形成图形化的注入阻挡层，所述注入阻挡层注入钝化离子，以在所述下反射镜及所述有源层或所述上反射镜及所述有源层中形成离子钝化层，所述离子钝化层用以切断相应区域的所述垂直腔面发射激光器的电流路径而形成暗区子像素。
30.根据权利要求27所述的垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，其特征在于：步骤2）包括：
2-1）沉积金属层于所述上反射镜上；以及
2-2）采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述金属层中刻蚀出图案，剩余的所述金属层作为金属掩蔽层，所述金属掩蔽层用以掩蔽相应区域的所述垂直腔面发射激光器的光线出射路径而形成暗区子像素。
31.根据权利要求27所述的垂直腔面发射激光器的像素结构的制作方法，其特征在于：步骤2）包括：采用光刻工艺及刻蚀工艺刻蚀所述上反射镜，以在所述上反射镜中形成图形化的高阈值反射层，所述高阈值反射层用以提高所述垂直腔面发射激光器的光线出射所需的电流强度，使得所述高阈值反射层的相应区域的所述垂直腔面发射激光器的不具有光线出射而形成暗区子像素。
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