用于照明的垂直腔面发射激光器阵列制造技术

一种红外光源，包括 多个垂直腔面发射激光器芯片，每个芯片包括多个垂直腔面发射激光器单元，每个芯片上的单元发射红外光并被耦合在一起，因此它们至少可被并行驱动，芯片通过串联耦合和并联耦合的组合被耦合在一起；和 与芯片耦合以为各单元提供驱动电流的电源。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体发光器件领域。更具体地讲，本专利技术涉及发光二极管(“LED”)和垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)。当今世界上电力的最大应用之一是居民的、商业的和公共的照明。据估计，大约全部用电量的30％-40％是用于发光。对发光效率的任何明显的改进都将带来巨大的经济效益。不幸的是，尽管在二十世纪前半页发光效率有了迅猛的提高，对于当前已知的发光技术例如白炽灯或荧光灯而言，其发光效率在最近25年只取得了较小的改进。在最近二十年中只有LED的发光效率显著地得到改善，但是，在每LED约1lm的情况下，它们对发光领域不是一种经济的替换。非常希望有一种能以合理的成本提供高转换效率的新型发光技术。在第一实施例中，本专利技术包括由30至100个GaAlAs或GaInAsVCSEL组成的二维列阵，其发光波长分别为850nm和980nm。各VCSEL并行地由单个电流源驱动。为防止损伤眼睛，每个激光器产生的光能量较低，在这里是3mW。该列阵可用于红外(IR)无线通讯，例如IrDA标准，其速度比使用LED所能获得的速度快。IR局域网(LAN)或交互式TV也可使用本专利技术的这一实施例。在第二实施例中，封装在单个壳体内的多个VCSEL列阵被并行地驱动，每个列阵工作在不同的可见光波长，每个单个的VCSEL单元消耗的功率较低。由于各VCSEL列阵的不同波长覆盖了色度图，产生了效率极高的白区光源(White area)。现在详细描述这些实施例，参照下面列出和描述的附图。附图说明图1表示用于IR通讯的本专利技术的第一实施例；图2表示用作二维照明器件的本专利技术的第二实施例；图3表示本专利技术的第二实施例如何安装到与已知发光系统兼容的封装中。VCSEL及其制作方法是已知的。例如，参见美国专利No.5,359,618和5,164,949。用VCSEL形成二维列阵以用于数据显示也是已知的。参见美国专利No.5,325,386和5,073,041。近来，桑地亚国家实验室提出了一种VCSEL，其电能到光通量的转换效率高达50％(5mA电流和2V电压产生5mW的光能)。桑地亚的VCSEL使用GaInAs材料系，产生的光束波长在980nm，直径约8～10μm。工作在850nm的GaAlAs VCSEL列阵(1×8)也已制出了。本专利技术人利用这些列阵作实验，将VCSEL并联于单个电源。尽管与桑地亚的50％相比，这些列阵的转换效率只有15％～25％，但它们证实了并行操作大VCSEL列阵而不会产生热击穿的可行性。在早期的功率晶体管中，当在单个功率晶体管中使用的发射极指列阵中有一个发射极指上流过的电流“份额变大(hog)”时，这增加了它的工作温度，进而使得流过的电流更多，以起来越快的循环使得晶体管损坏，就会发生热击穿。本专利技术人相信每个VCSEL的布喇格反射器的串联电阻，尽管不可预期，是能够稳定器件并阻止电流份额变大(hogging)的。并行驱动这些VCSEL，就获得了光源。在图1所示的第一实施例中，在20×20mil的芯片13上制作了直径约10μm、中心间距40μm的VCSEL列阵11。在芯片上很容易容纳12×12的激光器列阵。总共128个激光器，键合区15的面积为5×5mil。如果每个激光器工作于2mA和2V，发出的光通量为2mW，则列阵的总输入功率为0.5W，且光输出功率约0.25W。其余的0.25W肯定作为热能消耗掉了。移去热能是一个直接的目标。如果激光器制作在GaAs衬底上，热阻包括从10μm的圆到衬底的扩展项和在激光器与芯片背面之间的热阻的线性项。由于热流为0.25w，扩展热阻使温度上升1.4℃，衬底又使温度上升2.9℃，所以整个芯片温升为4.3℃。将芯片安装到热扩展衬底上，如化学汽相淀积(CVD)生长的金刚石、ALN或平的铜上，可控制热通量而不会有明显的温升。VCSEL也可以面向下安装在热扩展衬底上，这可进一步降低芯片中的温升。这时，光将透过衬底发出。在980nm，GaAs衬底是透明的。在更短的波长，衬底应由将结构键合到GaP衬底上的晶片替换。发光波长为850nm、由GaAlAs制作的LED的内量子效率为100％。类似于图1所示的、适当优化设计的VCSEL列阵会使能量转换效率大于50％。这种光源能使IR通信的速度比IRLED所允许的速度更高。它们可以实现IR LAN和交互式TV。另一种可能的应用是将列阵用于保密通信。VCSEL最重要的应用是照明，使用一系列发光波长分别位于可见光谱的不同部分的列阵。桑地亚国家实验已用GaAlInP材料系制作了红光VCSEL。这些VCSEL的发光波长为635～680nm，单个VCSEL的功率高达8mW。最好的转换效率为约15％。在可见光谱的绿光和蓝光部分，GaInN器件利用光泵浦实现了激射，用ZnSe材料系实现了绿/蓝法布里-珀罗激光器。在不远的将来，GaInN将会用在法布里-珀罗激光器和VCSEL中。假定在从红到蓝的任何可见光波长上均可实现在工作波长为980nm的VCSEL上已实现的相同转换效率。则上述的IR VCSEL芯片可以放大到1×1mm并具有相同的激光器面密度，以提供单色可见光照明VCSEL列阵芯片。该芯片含有约500个激光器，当每个激光器工作于2mA时，在50％转换效率的情况下将具有1W的光通量。在560nm，该芯片将产生680lm的流明通量。在输入电流lA且供电电压为2V时，芯片的流明效率为340lm/W。可用6个VCSEL芯片形成白光源，每个芯片具有1W的光通量并且发光波长等间距地分布在475nm(蓝光)和625nm(红光)之间。表1波长(nm)通量(lm)475 77505 343535 622565 665595 473625 218白光2398表1表示具有6个VCSEL列阵且输入为12W的VCSEL照明源的波长/通量关系。具有12W输入的该光源将产生约2400lm的光通量。其效率约200lm/W。表2所示为与具有可比通量水平的普通白光源的比较。2400lm的光通量相当于170W白炽灯泡发出的光通量。图2是包括VCSEL列阵21至26的这种白光照明源20的示意图。VCSEL各产生不同波长的可见光。在第一优选实施例中，这些列阵将发出表1所列波长的光。VCSEL列阵依次通过控制器35。耦合到电源30。至少，电源30必须能以激射所需的最小电流并行驱动全部VCSEL列阵中的每个激光器。控制器35通过允许使用者控制从单个列阵和同时从全部列阵得到或多或少的光输出而可以有额外的操作灵活性。通过这样做，使用者可以控制光源20的色温以及其最后的光输出。上述VCSEL列阵白光照明源与已知光源相比具有许多优点。表2概括了VCSEL照明系统与已知发光技术相比在效率上所具有的优点。表2类型效率(lm/W) VCSEL优点白炽灯 14 15x卤灯 20 10x荧光灯 80 2.5x金属卤化物灯 80 2.5x汞灯 405x基于VCSEL的光源与已知照明光源相比还提供了其它额外的优点。最近对桑地亚制作的980nm VCSEL列阵的测试表明这些列阵能以相当恒定的效率工作在0.5到5.0mW的功率范围内。控制器35可用于通过等量地且并行地降低每个VCSEL列阵的驱动电流来进行亮度调节。如果每个列本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·海茨，
申请(专利权)人：艾加伦特技术公司，
类型：发明
国别省市：