384通道二维可寻址蓝色VCSEL阵列

2026-03-25

论文

村山真浩 (Masahiro Murayama) 庄司美和子 (Miwako Shoji) 幸田伦太郎 (Rintaro Koda) 二川范之 (Noriyuki Futagawa)

索尼半导体解决方案公司 (Sony Semiconductor Solutions Corporation)

收录于 SPIE. 数字图书馆 AR | VR | MR | 2026年1月19-23日

摘要

我们开发了集成在硅转接板（Silicon Interposers）上的二维（2D）384通道氮化镓（GaN）基垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列，其发射波长为 450 nm 。该阵列专为先进显示应用设计，作为高分辨率且可独立寻址的可见光光源。该VCSEL阵列包含384个发射器，采用16（纵向）× 24（横向）的配置排列，纵向间距（Pitch）为 $127 \mu m$，横向间距为 $79 \mu m$ 。VCSEL通过倒装芯片键合（Flip-chip bonded）技术连接到硅转接板上实现电气连接，并支持通过GaN衬底进行背面出射。每个发射器均可通过直接在硅转接板上形成的金属布线层进行独立驱动，从而在整个阵列上提供灵活的发射图案空间控制。这种架构为需要紧凑型、高分辨率和高亮度光源的应用提供了显著优势。实验表明，VCSEL在整个阵列中展现了均匀的激射性能。平均阈值电流（Threshold current）为 1.8 mA，标准差小于 0.3 mA，这表明器件具有极佳的均匀性，这是大规模阵列可靠且一致运行的基本要求。将GaN基VCSEL阵列集成在硅转接板上，代表了向紧凑、高亮度、高效率且可独立寻址的可见光光源迈出的重要一步，使其非常适用于各种下一代显示技术。

氮化镓 (Gallium Nitride) VCSEL 可见光光源 2D阵列有源矩阵驱动 (Active-matrix driving)

1. 引言 (INTRODUCTION)

近年来，AR/VR（增强现实/虚拟现实）、光通信、工业视觉和交互式显示等领域对高速、高密度光源技术的需求日益增长。可见光VCSEL因其在高亮度、高效率、高速运行以及光束方向性和可控性方面的优势，有望在这些领域开启新的可能性。此外，二维阵列集成结合硅互补金属氧化物半导体（Si CMOS）驱动器，可以实现用于先进显示和光通信系统的理想紧凑型光源。

我们此前已开发出基于GaN材料的可见光VCSEL，采用带有曲面镜（Curved mirrors）的光约束结构，以实现低阈值电流和高效率。此外，我们还通过二维阵列集成展示了高输出功率，并利用无源矩阵驱动（Passive matrix driving）实现了独立的发射器控制。在本研究中，我们的目标是开发一种多通道GaN基可见光VCSEL阵列，能够利用硅转接板实现有源矩阵（Active-matrix）独立驱动，针对下一代显示和光通信应用。

2. 可寻址蓝色VCSEL阵列的结构 (STRUCTURE OF ADDRESSABLE BLUE VCSEL ARRAYS)

图 1(a) 展示了结合曲面镜结构的GaN基VCSEL示意图，图 1(b) 展示了安装在硅转接板上的VCSEL阵列的基本概念。

该器件从形成有曲面镜的衬底侧出射光线，发射波长位于 450 nm 的蓝色波段。该阵列由 24 列 × 16 行共 384 个发射器组成，横向间距为 $79 \mu m$，纵向间距为 $127 \mu m$。硅转接板上的电互连直接连接到每个发射器，从而实现独立驱动和灵活的发射图案形成。

图 1：(a) 带有曲面镜（Curved mirror）的氮化镓基垂直腔面发射激光器（GaN-VCSEL）示意图，以及 (b) 位于硅转接板（Si interposer）上的 384 通道（384ch）GaN-VCSEL 阵列示意图。硅转接板集成了金属互连线（图中未示出），这些互连线为 VCSEL 阵列中的每个发射器（Emitter）提供独立的电气连接

3. 激光特性 (LASER CHARACTERISTICS)

图 2(a) 展示了典型的电流-光输出（I-L）和电流-电压（I-V）特性曲线。该阵列的表现与此前开发的单发射器器件相当。其平均阈值电流（Average threshold current）为 1.8 mA，标准差（Standard deviation）为 0.28 mA；平均斜率效率（Average slope efficiency）为 0.55 W/A，标准差为 0.041 W/A 。这些结果证明了全部 384 个通道均具有极其出色的均匀性（Uniformity）。

图 2：(a) 氮化镓基垂直腔面发射激光器（GaN-VCSEL）的典型电流-光输出（I-L）及电流-电压（I-V）特性曲线。384 通道（384-ch）GaN-VCSEL 发射器的 (b) 阈值电流（Threshold current）与 (c) 斜率效率（Slope efficiency）直方图

4. 结论 (CONCLUSIONS)

在这项工作中，我们成功开发了一种集成在硅转接板上的多通道GaN基可见光VCSEL阵列，实现了用于下一代显示和光通信应用的有源矩阵独立驱动。该阵列发射波长为 450 nm 的蓝光，由 384 个发射器组成，展现出均匀的性能，平均阈值电流为 1.8 mA，平均斜率效率为 0.55 W/A，与单发射器器件性能相当。这些结果证实了将GaN基VCSEL技术与硅转接板集成以实现紧凑、高性能光源的可行性。未来的工作将重点关注进一步扩大阵列规模、优化热管理，并探索先进的调制方案，以满足高速和高分辨率光学系统的需求。

参考文献

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T. Hamaguchi et al., “Sub-milliampere-threshold continuous wave operation of GaN-based vertical-cavity surface emitting laser with lateral optical confinement by curved mirror,” Appl. Phys. Express 12, 044004 (2019). [cite: 110, 111, 112]
T. Makino et al., in International Workshop on Nitride Semiconductors 2024. [cite: 113, 114]
K. Hayashi et al., in the 15th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-15) 2025. [cite: 115, 116]

著录信息

Masahiro Murayama, Miwako Shoji, Rintaro Koda, and Noriyuki Fuutagawa "384-channel 2D-addressable blue VCSEL arrays", Proc. SPIE 13821, Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VII, 1382110 (5 March 2026); https://doi.org/10.1117/12.3080492

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