CN117321868A - 发光装置、测距装置和移动体 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的发光装置。该发光装置具有半导体发光元件，所述半导体发光元件是通过将第一反射镜、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射镜按所陈述的顺序堆叠在半导体基板上而获得的。所述半导体发光元件包括在半导体基板和第二反射镜之间的可饱和吸收层。此外，所述半导体发光元件被配置为出射具有如下轮廓的光，该轮廓具有最大峰值并且在所述最大峰值之后收敛到作为预定光强度的稳定值。

Description

发光装置、测距装置和移动体

技术领域

本发明涉及发光装置、测距装置和移动体。

背景技术

PTL 1描述了VCSEL(垂直腔面发射激光器)用作使用ToF(飞行时间)方式的LiDAR(光检测和测距)装置的光源。VCSEL具有波长对温度的依赖性小的优点。

顺便提及，在上述系统中，通过提高要照射的光脉冲的峰值，在受光侧变得容易区分环境光和自身发出的光脉冲，从而可以提高S/N比，因此可以延长最大可测量距离。另一方面，从眼睛安全的角度来看，光脉冲的峰值受到限制。从眼睛安全的角度来看的峰值的上限取决于光脉冲的宽度，并且峰值可以随着光脉冲宽度变窄而增加。于是，作为应用于LiDAR系统的光源，能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的光源是可取的。

[引文列表]

[专利文献]

PTL 1：日本专利申请公开No.2020-148512

发明内容

[技术问题]

然而，从VCSEL的角度和驱动VCSEL的电气角度来看，实现能够产生适合于LiDAR系统的光脉冲的发光装置并不容易。

本发明的目的是提供一种包括能够产生具有短脉冲宽度和高峰值的光脉冲的半导体发光元件的发光装置，和使用这种发光装置的测距装置。

[问题的解决方案]

按照本公开的实施例，提供了一种发光装置，所述发光装置包括半导体发光元件，所述半导体发光元件包括按此顺序堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，其中所述半导体发光元件包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，并且其中所述半导发光元件被配置为出射具有如下轮廓的光，该轮廓具有最大峰值并且在所述最大峰值之后收敛到预定光强度的稳定值。

按照本说明书的再一个实施例，提供了一种发光装置，所述发光装置包括半导体发光元件，所述半导体发光元件包括按此顺序堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，其中所述半导体发光元件包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，并且其中所述半导体发光元件满足以下关系：Γs×gmax(Iop)>Γa×α2+αm+αi，其中Γs是活性层的光约束系数；Γa是可饱和吸收层的光约束系数；gmax(Iop)是当从驱动单元注入的电流值为Iop时获得的活性层中的最大增益；α2是可饱和吸收层的吸收系数；αm是镜面损耗；以及αi是载流子的光吸收。

按照本说明书的又一个实施例，提供了一种发光装置，所述发光装置包括半导体发光元件，所述半导体发光元件包括按此顺序堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，其中所述活性层包括6～50个量子阱层，其中所述半导体发光元件还包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，并且其中所述谐振器间隔部的光学厚度不小于与谐振波长的5倍对应的厚度。

按照本说明书的另一个实施例，提供了一种发光装置，所述发光装置包括半导体发光元件，所述半导体发光元件包括按此顺序堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，其中所述半导体发光元件包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，并且其中所述活性层包括多个量子阱层和设置在所述多个量子阱层之间的多个势垒层，并且其中所述势垒层由GaAs形成。

[发明的有益效果]

按照本发明，可以实现包括能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的半导体发光元件的发光装置、以及使用这种发光装置的高性能测距装置。

附图说明

图1是图解说明按照本发明的第一实施例的半导体发光元件的示意剖视图。

图2是图解说明累积在阱层中的载流子的密度与累积在势垒层中的载流子的密度之比的Al成分依赖性的曲线图。

图3是图解说明按照比较例的半导体发光元件的光输出波形的曲线图。

图4是图解说明按照本发明的第一实施例的半导体发光元件的光输出波形的曲线图。

图5是图解说明累积在活性层中的载流子的密度和光强度的时间变化的曲线图。

图6是图解说明有效谐振器长度与光输出波形之间的关系的曲线图。

图7是图解说明有效谐振器长度与光输出的脉冲宽度之间的关系的曲线图。

图8是图解说明量子阱层的数量与峰值比之间的关系的曲线图。

图9是图解说明峰值比超过2所需的量子阱层的最小数量与谐振器长度之间的关系的曲线图。

图10是图解说明按照本发明的第二实施例的半导体发光元件的示意剖视图。

图11是图解说明按照本发明的第三实施例的半导体发光元件的示意剖视图。

图12是图解说明按照本发明的第四实施例的半导体发光元件的透视图。

图13是按照本发明的第四实施例的半导体发光元件的顶视图。

图14是图解说明按照本发明的第五实施例的测距装置的示意构成的框图。

图15是图解说明按照本发明的第六实施例的测距装置的示意构成的框图。

图16是图解说明按照本发明的第六实施例的测距装置中的面发射激光器阵列的构成例子的示意剖视图。

图17是图解说明按照比较例的半导体发光元件中由于环境温度的变化和物理参数随时间的变化而引起的光波形的变化的曲线图。

图18是图解说明按照本发明的半导体发光元件中由于环境温度的变化和物理参数随时间的变化而引起的光波形的变化的曲线图。

具体实施方式

[第一实施例]

将参考图1描述按照本发明的第一实施例的半导体发光元件。图1是图解说明按照本实施例的半导体发光元件的结构的示意剖视图。

按照本实施例的半导体发光元件100是具有DBR(分布式布拉格反射器)的VCSEL(垂直腔面发射激光器)。如图1中图解所示，半导体发光元件100包括半导体基板10、下DBR层12、非掺杂间隔部14、谐振器18、上DBR层28、电极40和42以及保护膜44。下DBR层12设置在半导体基板10上。非掺杂间隔部14设置在下DBR层12上。谐振器18设置在非掺杂间隔部14上。上DBR层28设置在谐振器18上。位于下DBR层12和上DBR层28之间的层(非掺杂间隔部14和谐振器18)是谐振器间隔部。

在非掺杂间隔部14中设置有可饱和吸收层16。谐振器18包括设置在非掺杂间隔部14上的n型层20、设置在n型层20上的非掺杂间隔部22、以及设置在非掺杂间隔部22上的p型层26。在非掺杂间隔部22中设置有三个活性层24。在上DBR层28中设置有氧化约束层38。

非掺杂间隔部22、p型层26和上DBR层28被加工成台地形状。在通过去除非掺杂间隔部22、p型层26和上DBR层28以形成台地形状而露出的n型层20上，设置有电连接到n型层20的电极40。在上DBR层28上设置有电连接到上DBR层28的电极42。在除电极40和42的表面的至少一部分以外的n型层20的上表面以及台地的侧面和上表面上设置有保护膜44。

半导体基板10例如可以是GaAs基板。下DBR层12例如可以通过将均具有1/4λc的光学厚度的Al_0.1GaAs层和Al_0.9GaAs层的堆叠体作为一对，堆叠35对来形成。这里，λc是下DBR层12的高反射频带的中心波长，在本实施例中为940nm。

在一般的VCSEL中不存在非掺杂间隔部14。可饱和吸收层16例如可以由包括三个量子阱的多量子阱形成，每个量子阱中厚度为8nm的InGaAs阱层夹在厚度为10nm的AlGaAs势垒层之间。非掺杂间隔部14的其他部分可以是非掺杂GaAs层。

谐振器18由包括n型层20、非掺杂间隔部22和p型层26的p-i-n结形成。布置在非掺杂间隔部22中的三个活性层24中的每一个例如可以由包括四个量子阱的多量子阱形成，每个量子阱中厚度为8nm的InGaAs阱层夹在厚度为10nm的AlGaAs势垒层之间。在这种情况下，谐振器18包括总共12个量子阱。n型层20、p型层26和非掺杂间隔部22的其他部分可以分别由n型GaAs层、p型GaAs层和非掺杂GaAs层形成。

如上所述，谐振器18由也存在于通常的VCSEL中的p-i-n结形成，并且具有与在i层中包括活性层的谐振器类似的构成。然而，包括在谐振器18中的量子阱层的数量大于包括在通常的VCSEL中的量子阱层的数量(大约三层)。谐振器18中的有效谐振器长度为10μm。

在本实施例中，三层的活性层24不是布置在一般的VCSEL的设计中使用的驻波的波腹位置处，而是布置在驻波的波腹和波节之间的位置处。这使得可以在注入驱动电流时优化光的响应特性。此外，在通常的VCSEL中，驻波的光约束系数通常在1.5～2.0的范围内，但在本实施例中，有意将光约束系数设定为低至约0.35。此外，AlGaAs势垒层被设计为具有比通常的VCSEL的量子阱中的势垒层更小的带隙，从而载流子也累积在势垒层中。因此，其中累积载流子的InGaAs阱层的数量为12，但是载流子也累积在AlGaAs势垒层中，从而可以累积相当于通常的量子阱中大约20层的载流子。

图2是图解说明累积在InGaAs阱层中的载流子的密度与累积在AlGaAs势垒层中的载流子的密度之比的Al成分依赖性的计算结果的曲线图。在图2中，符号■的曲线指示阱层的载流子密度为2×10¹⁸cm^-3的情况，符号▲的曲线指示阱层的载流子密度为5×10¹⁸cm^-3的情况，符号●的曲线指示阱层的载流子密度为9×10¹⁸cm^-3的情况。

用于通过激光振荡所需的受激发射产生光放大的最小载流子密度约为2×10¹⁸cm^-3。于是，假设累积在量子阱中的载流子的密度为2×10¹⁸cm^-3，则当AlGaAs势垒层的Al成分为0.05时，累积在阱层中的载流子的密度与累积在势垒层中的载流子的密度之比约为0.075，如图2中图解所示。当AlGaAs势垒层的Al成分从0.05增加到0.1时，累积在阱层中的载流子的密度与累积在势垒层中的载流子的密度之比降低到约0.025。

实现作为用于累积载流子的势垒层的效果的最大厚度的粗略估计为1μm，这是载流子的扩散长度。VCSEL的活性层通常由三个量子阱形成。于是，假设在厚度为1μm的势垒层中累积数量等于或大于累积在总厚度约为25nm的三个量子阱中的载流子数量的载流子，则需要0.025或更大的载流子密度之比，这是厚度之比的倒数。即，从图2的计算结果可以理解的是，作为势垒层，优选具有0.1或更低的Al成分的AlGaAs。

Al成分为0.1的AlGaAs势垒层的带隙与发射波长为940nm的InGaAs阱层的发射能级之间的能量差为230meV。即，势垒层的带隙和阱层的发射能级之间的能量差优选为230meV或更小。另一方面，从光吸收的角度来看，势垒层的带隙和阱层的发射能级之间的能量差的下限是与GaAs的带隙的差所对应的能量。即，在波长为940nm的振荡的情况下，势垒层的带隙与阱层的发射能级之间的能量差优选为105meV或更大。由上述可知，阱层的发射能级和势垒层的带隙之间的能量差的优选范围为105meV～230meV。

上DBR层28例如可以通过将均具有1/4λc的光学厚度的Al_0.1Ga_0.9As层和Al_0.9Ga_0.1As层的堆叠体作为一对，堆叠20对来形成。在上DBR层28中，设置通过氧化厚度为30nm的Al_0.98Ga_0.02As层的一部分而形成的氧化约束层38。氧化约束层38例如可以通过在制造期间利用水蒸气从台地的侧面氧化Al_0.98Ga_0.02As层来形成。氧化约束层38具有在台地的中心部分的非氧化部分和在台地的侧壁附近的氧化部分。平面图中的非氧化部分的直径可以约为10μm。因此，由于注入半导体发光元件100中的电流只在非氧化部分中流动，因此在平面图中，只在与半导体发光元件100的台地的中心部分重叠的部分中发生激光振荡。

在半导体发光元件100中产生的激光可以从上DBR层28侧出射，或者可以从半导体基板10侧出射。

如上所述，在按照本实施例的半导体发光元件100中，基于通常的VCSEL的构成进一步添加了以下三个要素。添加到VCSEL的三个因素中的一个是显著增加活性层的体积。例如，通常的VCSEL包括三个量子阱，但是就量子阱的体积而言，层数被增加到约20层。第二是引入可饱和吸收层16。第三是作为VCSEL延长有效谐振器长度。有效谐振器长度是在谐振器中感测光的谐振器长度。更具体地，它是在谐振方向上透过活性层、被构成谐振器的两个反射器反射并再次透过活性层的光的传播距离的平均值。通过添加这些要素中的至少一个，优选三个，可以实现能够产生具有高峰值和短脉冲宽度的光脉冲的VCSEL。

接下来，将参考图3～图9描述按照本实施例的半导体发光元件100的操作。

图3和图4是图解说明通过半导体发光元件的光输出波形的计算而获得的结果的曲线图。图3是按照比较例的半导体发光元件的光输出波形，而图4是按照本实施例的半导体发光元件100的光输出波形。按照比较例的半导体发光元件是具有一般结构的VCSEL，其中不设置可饱和吸收层，设置三个量子阱，并且谐振器长度为1λ。

在一般的半导体发光元件的构成的情况下，如图3中图解所示，从电流注入开始大约70ps开始振荡，并且光输出上升。然后，光输出达到伴随弛豫振动的光波形的峰值，然后收敛到稳定值。

另一方面，按照本实施例的半导体发光元件100出射具有最大峰值和如下轮廓的光，该轮廓在最大峰值之后收敛到作为预定光强度的稳定值。即，在按照本实施例的半导体发光元件100中，例如，如图4中图解所示，在从电流注入开始以来经过大约600ps之后开始振荡。振荡开始的滞后归因于活性层24的有效体积增加的事实，以及在从电流注入开始以来的一段时间内通过可饱和吸收层16中的光吸收来抑制振荡的事实。当光被可饱和吸收层16吸收时，所吸收的光作为载流子累积在可饱和吸收层16中。当载流子随着光吸收而增加并且可饱和吸收层16中的载流子密度达到透明载流子密度时，可饱和吸收层16不吸收光。结果，阻止激光振荡的效果被消除，从而半导体发光元件开始激光振荡。

通过可饱和吸收层16在一段时间段内抑制激光振荡的目的是在活性层24中累积超过阈值载流子密度的载流子。这里，阈值载流子密度是用于产生激光振荡所需的增益的载流子密度。

图5是图解说明累积在活性层24中的载流子的密度和光强度的时间变化的曲线图。注入半导体发光元件中的电流具有类似于图4的波形，并且从时间轴上4E-10秒的时间点开始注入。

如图5中图解所示，活性层24的载流子密度随着电流注入的开始而开始增加。在按照本实施例的半导体发光元件100中，阈值载流子密度(在振荡开始之后收敛的载流子密度)为2.7E18 cm^-3，但是在激光振荡开始之前的状态下，载流子暂时超过阈值载流子密度继续累积。此后，当激光振荡开始时，由于受激发射，载流子迅速消耗，并且载流子密度收敛到稳定值。

因此，在按照本实施例的半导体发光元件100中，更多的载流子超过阈值载流子密度累积在活性层24中。然后，在激光振荡开始之后累积在活性层24中的载流子通过受激发射被转换成光子。这使得可以输出如图4中图解所示的具有高峰值和短半宽度的光脉冲。

可以在活性层24中累积载流子密度不小于阈值载流子密度的载流子的原因是通过使用可饱和吸收层16在一段时间内抑制激光振荡。通过实现这样的高载流子密度，可以在振荡之后在半导体发光元件内部产生具有高峰值和短脉冲宽度的光脉冲。该光脉冲比用于驱动半导体发光元件的电流脉冲短。

在光脉冲的产生之后，激光振荡继续，如图5中图解所示。这里，激光振荡继续的条件是通过活性层24获得的最大增益超过整个谐振器中的吸收。具体地，当满足由以下表达式(1)表示的关系时，激光振荡继续。在表达式(1)中，Γa是可饱和吸收层16的光约束系数，Γs是活性层24的光约束系数，而gmax(Iop)是当电流值为Iop时获得的活性层24中的最大增益。此外，α2表示可饱和吸收层16的吸收系数，αm表示镜面损耗，而αi表示半导体中的载流子等的光吸收。

Γs × gmax(Iop) > Γa × α2 + αm + αi … (1)

考虑到按照本实施例的半导体发光元件100对LiDAR等的应用，优选在脉冲光的产生之后将振荡保持在稳定状态。这是因为从半导体发光元件的驱动单元输出的电流脉冲的数量和在半导体发光元件中产生的脉冲光的数量相同。相反，在特定时段期间连续注入恒定电流时从半导体发光元件产生多个脉冲光的情况下，当从受光侧观察时，难以相互区分前面的脉冲光和后续的脉冲光，从而存在计算距离时误差变大的可能性。此外，从眼睛安全的角度来看，存在可能出现诸如对于一个脉冲光所允许的光量减少之类的缺点的可能性。

在本实施例中，非掺杂间隔部14用于延长从下DBR层12到上DBR层28的距离，从而延长作为激光器的谐振器长度。目的是使脉冲宽度变宽。谐振器间隔部的光学厚度优选不小于相当于谐振波长5倍的厚度，更优选不小于相当于谐振波长11倍的厚度。光学厚度是通过将物理厚度乘以介质的折射率而获得的值。

图6是图解说明当将矩形电流脉冲注入具有2μm、5μm和10μm的有效谐振器长度Leff的半导体发光元件中时，通过光输出波形的计算而获得的结果的曲线图。图7是图解说明有效谐振器长度与光输出的脉冲宽度之间的关系的曲线图。如图6和图7中图解所示，通过增加有效谐振器长度，可以增加光输出的脉冲宽度。在其中活性层24等同于20个量子阱层、并且可饱和吸收层16等同于3个量子阱层的本实施例的构成的情况下，当有效谐振器长度为2μm时脉冲宽度为30ps，当有效谐振器长度为5μm时脉冲宽度为59ps，而当有效谐振器长度为10μm时脉冲宽度为110ps。这里，脉冲宽度是半宽度。

当受光元件侧的受光定时的误差例如为100ps时，优选将发光元件侧的脉冲宽度缩小到相同程度，但是即使脉冲宽度被进一步缩小到例如10ps，优点也很小。于是，当发光元件侧所需的脉冲宽度为约50ps或更大时，有效谐振器长度优选为4μm或更大。当根据受光定时的误差获得的脉冲宽度为30ps时，有效谐振器长度优选为2μm或更大。

在本实施例中，通过增加非掺杂间隔部14等的层厚度来增加下DBR层12和上DBR层28之间的物理距离，有效谐振器长度被延长，但是延长有效谐振器长度的方法不限于此。例如，通过在下DBR层12和上DBR层28之间设置第三反射器以形成耦合谐振器，即使当下DBR层12和上DBR层28之间的距离比本实施例中短时，也可以有效地延长谐振器长度。在任何情况下，通过适当地控制有效谐振器长度，可以将脉冲光宽度控制为优选的宽度。

接下来，将描述活性层24的厚度，更具体地，构成活性层24的量子阱层的数量的必要范围。

图8是图解说明具有2μm、5μm和10μm的有效谐振器长度Leff的半导体发光元件中量子阱层的数量与峰值比之间的关系的曲线图。峰值比是光脉冲波形的峰值与稳定后的稳定值之比。例如，峰值比为2意味着峰值的光量是稳定值的光量的两倍。

如图8中图解所示，峰值比随着量子阱层的数量的增加而增加。当在同一峰值比下进行比较时，所需的量子阱层的数量随着有效谐振器长度的增加而增加。

图9是图解说明峰值比超过2所需的量子阱层的最小数量与谐振器长度之间的关系的曲线图。

如图9中图解所示，当谐振器长度为2μm时，具有大于2的峰值比的量子阱层的数量为6或更多。当谐振器长度为5μm时，具有大于2的峰值比的量子阱层的数量为7或更多。当谐振器长度为10μm时，具有大于2的峰值比的量子阱层的数量为9或更多。在具有2μm或更大的谐振器长度的半导体发光元件中，当峰值比的设计标准被假设为2或更大时，所需的量子阱层的数量为6或更大。从上述脉冲宽度的角度来看，谐振器长度优选不小于4μm，并且在这种情况下，所需的量子阱层的数量不小于7。

这里，量子阱层的数量是通过将累积载流子的部分的厚度转换为量子阱层的数量而获得的，并且不一定与量子阱层的实际数量一致。即，量子阱层的实际数量可以按照图8和图9中图解所示的关系来设计。或者，它可以被设计为使得载流子也累积在量子阱层周围的层中，尽管量子阱层的实际数量少于按照图8和图9中图解所示的关系的总数，并且可以累积基本上所期望的载流子。

根据图6～图9清楚的是，从脉冲宽度和峰值比的角度来看，量子阱层的数量优选尽可能大，并且没有特别的上限。然而，当通过电流注入将载流子注入p-i-n结的i层中时，i层的厚度受到来自p层和n层的载流子扩散程度的限制。扩散距离因活性层24的材料和成分而极大变化，并且当扩散距离为1μm时，量子阱层的数量约为50。构成活性层24的量子阱层的数量优选从例如6层以上和50层以下的范围中适当选择。

接下来，下面将描述制造按照本实施例的半导体发光元件100的方法的例子。

首先，通过金属有机化合物气相外延法或分子束外延法在半导体基板10上生长构成下DBR层12、非掺杂间隔部14、谐振器18和上DBR层28的半导体层。

接下来，通过光刻和蚀刻使上DBR层28、p型层26和非掺杂间隔部22图案化。因此，形成了直径例如约为30μm的柱状台地。

然后，在约450℃的水蒸气气氛中进行热氧化，以从台地的侧壁氧化上DBR层28中的Al_0.98Ga_0.02As层，从而形成氧化约束层38。此时，通过控制氧化时间，在Al_0.98Ga_0.02As层中形成台地的中心部分中的非氧化部分和台地的侧壁附近的氧化部分(氧化约束层38)。Al_0.98Ga_0.02As层的非氧化部分被控制为具有约10μm的直径。

接下来，通过光刻和真空蒸发在台地的上表面上形成充当p侧电极的电极42，并且在通过蚀刻露出的n型层20的上表面上形成充当n侧电极的电极40。电极42具有环形图案，并且中心开口成为用于光提取的圆形窗口。

接下来，通过光刻和等离子体CVD(化学气相沉积)法形成保护膜44，以覆盖设置有电极40和42的台地的上表面和侧面以及n型层20的上表面。

接下来，为了获得良好的电气特性，在氮气氛中进行热处理以使电极材料和半导体材料之间的界面合金化，从而完成按照本实施例的半导体发光元件100。

如上所述，按照本实施例，可以实现能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的半导体发光元件和发光装置。

[第二实施例]

将参考图10描述按照本发明的第二实施例的半导体发光元件。图10是图解说明按照本实施例的半导体发光元件的结构的示意剖视图。与按照第一实施例的半导体发光元件的组件相似的组件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。

除了谐振器18的结构与按照第一实施例的半导体发光元件的谐振器的结构不同之外，按照本实施例的半导体发光元件与按照第一实施例的半导体发光元件相同。在本实施例中，将主要描述与按照第一实施例的半导体发光元件不同的部分，并且将适当省略与按照第一实施例的半导体发光元件共同的部分的描述。

如图10中图解所示，本实施例的谐振器18由包括n型层20、非掺杂间隔部22和p型层26的p-i-n结构成，并且与第一实施例类似之处在于在非掺杂间隔部22中设置有活性层24。n型层20是置于活性层24和可饱和吸收层16之间的具有高杂质浓度的半导体层。

第一实施例的谐振器18在非掺杂间隔部22中具有均包括三个量子阱的三个活性层24。另一方面，本实施例的谐振器18在非掺杂间隔部22中具有包括四个量子阱的一个活性层24。活性层24例如可以由包括四个量子阱的多量子阱形成，其中厚度为8nm的InGaAs阱层夹在厚度为10nm的GaAs势垒层之间。非掺杂间隔部22的其他部分由非掺杂GaAs层形成。

如上所述，第一实施例的谐振器18具有包括总共12个量子阱层的活性层24，而本实施例的谐振器18具有包括四个量子阱层的活性层24。本实施例的谐振器18的活性层24中所包括的量子阱层的总数可以减少到四个的原因在于，非掺杂间隔部22的除包括势垒层的InGaAs阱层以外的部分由GaAs而不是AlGaAs制成。

通过由GaAs形成非掺杂间隔部22的除InGaAs阱层以外的部分，可以使势垒层的带隙小于在使用AlGaAs作为势垒层的情况下的带隙。结果，由于载流子可以累积在GaAs中，因此可以容易地增加为实现按照本实施例的本发明的效果所需的载流子的量。由于不需要增加量子阱层的数量，量子阱层的数量可以从12减小到4。

在按照第一实施例的半导体发光元件中，驻波的光约束系数低至约0.35。另一方面，在按照本实施例的半导体发光元件中，由于量子阱层的数量减少，因此光约束系数被设定为大约1.4。换句话说，量子阱层被布置在驻波的波腹位置附近。这是因为量子阱层的数量和光约束系数的乘积是激光谐振器的增益，并且第一实施例和本实施例被配置为获得相同的增益。通过将量子阱层的数量和光约束系数的乘积设定为近似相同，可以将弛豫振荡频率，即脉冲产生时的脉冲宽度设定为近似相同。

除了上述效果之外，本实施例的其中积极地在势垒层中累积载流子的构成还具有次要效果。下面将举例说明两个次要效果。

第一个效果是可以减小半导体层的累积应变。假设振荡波长被设定为940nm，由于活性层是InGaAs并且基板是GaAs，因此在基板上生长的活性层中发生由晶格常数的差异引起的应变。累积应变随着量子阱层的数量的增加而增加。于是，如本实施例中那样通过减小势垒层的带隙来减小量子阱层的数量的设计具有降低累积应变的效果。这不是在振荡波长为940nm时获得的独特效果，而是在基板的构成材料的晶格常数不同于在其上生长的层(比如活性层)的构成材料的晶格常数时所获得的共同效果。

第二个效果是可以降低归因于辐射再结合的载流子消耗。在包括量子阱层和势垒层的所有半导体中，当空穴和电子两者同时存在时，辐射再结合(自发发射)消耗载流子。在半导体激光器的情况下，当归因于辐射再结合(自发发射)的载流子的消耗增加时，激光振荡的阈值增加并且功率转换效率降低，这不是优选的。已知这种辐射再结合与载流子密度的平方成比例。于是，即使当累积相同量的载流子时，载流子密度，即，通过辐射再结合所消耗的载流子的量也取决于累积载流子的部分的体积而变化。

当如第一实施例中那样通过增加量子阱层的总数来累积载流子时，由于带隙小，因此量子阱层中的载流子密度增加。在这种情况下，尽管存在层的总厚度减小的优点，但是由于载流子密度增加，通过辐射再结合消耗的载流子也增加。另一方面，当如本实施例中那样载流子累积在带隙比量子阱层的带隙大的层中时，由于带隙大，因此载流子密度变低，并且累积载流子的层的总层厚度变大。然而，由于载流子密度低，因此归因于辐射再结合的载流子的消耗减少。如上所述，按照本实施例，由于载流子以更大的比例累积在带隙比量子阱层的带隙大的层中，因此可以降低归因于辐射再结合的载流子的消耗。

n型层20由Al_0.9GaAs层和GaAsP层的堆叠结构形成。具体地，在GaAsP层和非掺杂间隔部22之间设置Al_0.9GaAs层。AlGaAs层的Al成分被增加到0.9，以便增加带隙并防止从活性层24溢出的载流子流入可饱和吸收层16。于是，Al_0.9GaAs层被设置在非掺杂间隔部22附近。另一方面，GaAsP层充当应变补偿层。在本实施例中，量子阱层的数量小于第一实施例中的量子阱层的数量，但是由于InGaAs层用于量子阱层，因此发生累积应变。于是，通过插入相对于GaAs在与InGaAs的方向相反的方向上产生晶格应变的GaAsP层来减小累积应变。

构成n型层20的AlGaAs层即使在Al成分为0.9或更低时也具有抑制载流子溢出的效果。在基于AlGaAs的材料的情况下，相对于Al成分的增加的带隙的增加量从大约0.45的Al成分开始减小。换句话说，通过将AlGaAs层的Al成分从0.9降低到0.45而引起的带隙的减小量小。另一方面，当AlGaAs层的Al成分超过0.9时，由于与空气中的氧的反应，自然氧化膜的形成速度迅速增加，从制造工艺和元件的可靠性的角度来看，这是不优选的。从这个角度来看，构成n型层20的AlGaAs层的Al成分优选为0.45以上并且0.9以下。

其中量子阱的发射能级与势垒层的带隙之间的能量差被减小到不发生激光振荡波长下的光吸收的程度的设计，以及其中增加势垒层的厚度以增加载流子累积量的设计，与通常的半导体激光器的设计思想相反。其原因在于，在通常的半导体激光器中，优选光输出尽可能快地响应于输入电流的增加或减少。在半导体激光器中，载流子仅累积在诸如量子阱之类的发光层中，并且使载流子在其中移动的势垒层的厚度尽可能薄，从而使得能够以更高的速度进行响应。

在包括光通信和使用ToF方式的LiDAR的许多应用中，通过增加或减少电流来控制光量，并且主要优点在于光输出随着高速变化的电流波形而增加或减少。例如，在光通信中，可以提高通信速度。此外，在使用ToF方式的LiDAR中，通过缩短发射的光脉冲的时间宽度，可以提高估计由受光侧检测到的光在发光侧产生的时间的精度，从而可以提高测距精度。于是，将量子阱层的数量增加到振荡所需的数量以上的设计以及增加势垒层的载流子累积量的设计，由于光的增/减对电流波形的跟随性变差，因此成为要避免的设计。

另一方面，由于本发明基于在VCSEL中发射短脉冲的思想，因此光输出不一定需要跟随电流波形。脉冲的峰值优选更大。于是，在本实施例中，在包括为在VCSEL中发射短脉冲所需的可饱和吸收层16的构成中，通过设计成包括势垒层来累积更多载流子，实现了具有短脉冲宽度和高峰值的光脉冲的产生。

如上所述，按照本实施例，可以实现能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的半导体发光元件和发光装置。

[第三实施例]

将参考图11描述按照本发明的第三实施例的半导体发光元件。图11是图解说明按照本实施例的半导体发光元件的结构的示意剖视图。与按照第一或第二实施例的半导体发光元件的组件相似的组件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。

如图11中图解所示，半导体发光元件100包括半导体基板10、下DBR层12、非掺杂间隔部14、谐振器18和上DBR层28。半导体发光元件100还包括下DBR层30、谐振器32、上DBR层36、电极40和42以及保护膜44。下DBR层12设置在半导体基板10上。非掺杂间隔部14设置在下DBR层12上。谐振器18设置在非掺杂间隔部14上。上DBR层28设置在谐振器18上。下DBR层30设置在上DBR层28上。谐振器32设置在下DBR层30上。上DBR层36设置在谐振器32上。

下DBR层12、非掺杂间隔部14、谐振器18和上DBR层28的堆叠结构构成第一VCSEL。下DBR层30、谐振器32和上DBR层36的堆叠结构构成第二VCSEL。即，在按照本实施例的半导体发光元件100中，第一VCSEL和第二VCSEL按该顺序堆叠在半导体基板10上。

第一VCSEL的堆叠结构类似于按照第一实施例的半导体发光元件100的堆叠结构。在非掺杂间隔部14中设置有可饱和吸收层16。在谐振器18中设置有五个活性层24。每个活性层24由包括四个量子阱的多量子阱形成。即，谐振器18总共包括20个量子阱层。与第一实施例中一样，谐振器18被设计为具有比在通常的VCSEL的量子阱中使用的势垒层更小的AlGaAs势垒层的带隙，并且也在AlGaAs势垒层中累积载流子。类似于按照第一实施例的半导体发光元件，第一VCSEL具有可饱和吸收层16，并且产生高峰值和短脉冲的光脉冲。按照第二实施例的半导体发光元件的结构可以应用于第一VCSEL。

下DBR层30、谐振器32和上DBR层36的堆叠结构被加工成台地形状。在该台地中形成第二VCSEL。在谐振器32中设置有活性层34。在上DBR层36中设置有氧化约束层38。在通过将下DBR层30、谐振器32和上DBR层36加工成台地形状而露出的上DBR层28上设置有电连接到上DBR层28和下DBR层30的电极40。在上DBR层36上设置有电连接到上DBR层36的电极42。在除电极40和42的表面的至少一部分以外的上DBR层28的上表面以及台地的侧面和上表面上设置有保护膜44。

通过在电极40和电极42之间施加电压并使电流流动，第二VCSEL振荡，从而产生激光。由第二VCSEL产生的激光的波长是波长比第一VCSEL的发射波长短的光，例如780nm的波长。由第二VCSEL产生的激光是用于激发第一VCSEL的活性层24的激发光。通过利用在第二VCSEL中产生的激光来激发活性层24，第一VCSEL通过与按照第一实施例的半导体发光元件100的机制相似的机制产生高峰值和短脉冲的光脉冲。

在按照本实施例的半导体发光元件100中，在第一VCSEL上设置第二VCSEL的原因是为了增加第一VCSEL中的活性层24的数量。在如第一实施例中那样形成p-i-n结的结构的情况下，i层的厚度受到载流子的扩散长度，特别是空穴的扩散长度的限制。另一方面，当如本实施例中那样通过从外部用光照射活性层24来激发活性层24时，不存在对载流子扩散长度的限制，因此存在可以形成具有更多活性层24的VCSEL、并且可以增加脉冲能量的优点。

如上所述，按照本实施例，可以实现能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的半导体发光元件和发光装置。

[第四实施例]

将参考图12和图13描述按照本发明的第四实施例的半导体发光元件。图12是图解说明按照本实施例的半导体发光元件的透视图。图13是按照本实施例的半导体发光元件的顶视图。

按照本实施例的半导体发光元件100是其中以二维阵列布置按照第一到第三实施例的半导体发光元件100的多个发光部分50的发光装置，即，所谓的VCSEL阵列。沿图13的A-A'线截取的截面大致对应于图1、图10或图11的截面。图12中的每个发光部分50对应于图1、图10或图11中的台地。图12中的半导体基板10对应于图1或图10中的从半导体基板10到n型层20，或者图11中的从半导体基板10到上DBR层28。

为了简化附图，图12和图13仅图解说明了以4×3阵列布置的12个发光部分50，但是在一般的VCSEL阵列中，例如，以60×60阵列布置的3600个VCSEL设置在同一半导体基板10上。发光部分50的直径例如为10μm。发光部分50被布置成使得平面图中的发光部分50的中心之间在垂直方向和水平方向上的距离例如为50μm。半导体发光元件100的芯片尺寸例如为3.3mm×3.3mm。

与每个发光部分50对应的电极40经由互连(未示出)电连接到阳极公共电极40C。与各个发光部分50对应的电极42电连接到阴极公共电极42C。阳极公共电极40C和阴极公共电极42C是构成VCSEL阵列的多个发光部分50共同的电极。Au线(未示出)电连接并且物理连接到阳极公共电极40C和阴极公共电极42C。用于驱动半导体发光元件100的电流经由阳极公共电极40C和阴极公共电极42C从外部电路注入。阳极公共电极40C和阴极公共电极42C具有宽度例如为100μm和长度例如为1.5mm的条形形状。

如上所述，按照本实施例，可以实现使用按照第一到第三实施例的半导体发光元件100的VCSEL阵列。

[第五实施例]

将参考图14描述按照本发明的第五实施例的测距装置。图14是图解说明按照本实施例的测距装置的示意构成的框图。

按照本实施例的测距装置200是其中将按照第四实施例的半导体发光元件100应用于光源单元的测距装置(LiDAR装置)。

按照本实施例的测距装置200可以包括控制单元210、面发射激光器阵列驱动器212、面发射激光器阵列214、发光侧光学系统218、受光侧光学系统220、图像传感器222和距离数据处理单元224。

面发射激光器阵列214是通过将按照第四实施例的半导体发光元件100安装在封装上而获得的。面发射激光器阵列驱动器212是接收来自控制单元210的驱动信号、产生用于振荡面发射激光器阵列214的驱动电流、并将驱动电流输出到面发射激光器阵列214的驱动单元。面发射激光器阵列214和面发射激光器阵列驱动器212可以是单个发光装置。

发光侧光学系统218是将由面发射激光器阵列214产生的激光朝向待测量范围出射的光学系统。受光侧光学系统220是将待测量对象1000反射的激光引导到图像传感器222的光学系统。尽管在图14中发光侧光学系统218和受光侧光学系统220由单个凸透镜形构件表示，但是它们不是由单个凸透镜形构件形成，而是由其中组合多个透镜的透镜组形成。

图像传感器222是其中以二维阵列布置均包括光电转换单元的多个像素的光电转换装置，并且是输出与入射光对应的电信号的受光装置。图像传感器222可以是诸如CMOS图像传感器之类的成像装置。距离数据处理单元224具有作为距离信息获取单元的功能，距离信息获取单元基于来自图像传感器222的信号，生成关于到存在于待测量范围中的待测量对象1000的距离的信息，并输出该信息。距离数据处理单元224可以电连接到图像传感器222，并且可以布置在与图像传感器222相同的封装中，或者可以布置在不同于图像传感器222的封装中。

控制单元210例如由包括微型计算机、逻辑电路等的信息处理装置形成，并且起控制测距装置200中的操作(比如每个单元的操作控制和各种计算处理)的中央处理单元的作用。

如上所述，作为适合于LiDAR系统的发光装置，能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的发光装置是可取的。具体地，适合于LiDAR系统的光源的光脉冲宽度例如在约50ps～1ns的范围内。另一方面，从VCSEL的角度和驱动VCSEL的电气角度来看，不容易出射具有此类短脉冲宽度的光。由于VCSEL按照注入电流的量出射光，因此需要均衡用于驱动VCSEL的电流脉冲，以便将光脉冲设定为约50ps～1ns。即，从驱动器单元到VCSEL，作为频率分量需要在诸如1GHz或10GHz之类的高频带中具有优异的电特性，并且需要处理超过1A的电流。在这种情况下，与其中直到驱动器或VCSEL的电传输单元仅由只处理不超过上述频带的频带的电路构成的情况相比，存在成本增加的问题。

于是，在本实施例中，VCSEL本身由可以通过使用在第一到第四实施例中描述的半导体发光元件产生短脉冲的构成形成。这样，在避免驱动器单元和电传输单元的成本增加的同时，实现了对于LiDAR系统优选的约50ps～1ns的光脉冲。

接下来，将参考图14描述按照本实施例的测距装置的操作。

首先，控制单元210向面发射激光器阵列驱动器212输出驱动信号。面发射激光器阵列驱动器212接收来自控制单元210的驱动信号，并将预定电流值的电流注入面发射激光器阵列214中。从而，面发射激光器阵列214振荡，并且从面发射激光器阵列214输出激光。此时，如上所述，从面发射激光器阵列214出射的光的脉冲宽度比注入的电流的脉冲宽度窄。

由面发射激光器阵列214产生的激光通过发光侧光学系统218朝着要测量的范围出射。在照射到待测量范围中的待测量对象1000的激光中，由待测量对象1000反射并入射到受光侧光学系统220的激光通过受光侧光系统220引导到图像传感器222。

图像传感器222的每个像素产生与激光入射的定时对应的电信号脉冲。由图像传感器222产生的电信号脉冲被输入到距离数据处理单元224。

距离数据处理单元224基于从图像传感器222输出的电信号脉冲的接收定时，生成关于沿着光传播方向到待测量对象1000的距离的信息。通过基于从图像传感器222的每个像素输出的电信号脉冲来计算距离信息，可以获取待测量对象1000的三维信息。

按照本实施例的测距装置200例如在汽车领域中，可以应用于在汽车领域中用于执行控制以便不与其他车辆碰撞的控制装置、用于执行控制以便跟随其他车辆并执行自动驾驶的控制装置等。此外，按照本实施例的测距装置200不仅可以应用于汽车，而且可以应用于诸如船舶、飞机和工业机器人之类的其他可移动体(移动装置)、可移动体检测系统等。按照本实施例的测距装置200可以广泛应用于利用三维识别的对象的信息(包括距离信息)的设备。这些可移动体可被配置为包括本实施例的测距装置和用于基于测距装置所获取的关于距离的信息来控制可移动体的控制单元。

包括可由按照本实施例的测距装置200获取的深度的三维信息也可以在成像装置、图像处理装置、显示装置等中使用。例如，通过使用由按照本实施例的测距装置200获取的三维信息，可以在现实世界中的图像上毫无违和感地显示虚拟对象。此外，通过将三维信息与图像信息一起存储，可以在拍摄后校正拍摄图像的模糊效果等。

如上所述，按照本实施例，可以实现包括能够产生具有短光脉冲宽度和高峰值的光脉冲的发光装置的高性能测距装置。

[第六实施例]

将参考图15和图16描述按照本发明的第六实施例的测距装置。图15是图解说明按照本实施例的测距装置的示意构成的框图。图16是图解说明按照本实施例的测距装置中的面发射激光器阵列的构成例子的示意剖视图。与按照第一到第四实施例的半导体发光元件和按照第五实施例的测距装置的组件相似的组件由相同的附图标记表示，并且将省略或简化其描述。

按照本实施例的测距装置200与按照第五实施例的测距装置的不同之处在于，面发射激光器阵列214还包括发光定时监测单元216，如图15中图解所示。按照本实施例的测距装置200的其他各点与按照第五实施例的测距装置的那些相同。

如图16中图解所示，面发射激光器阵列214例如包括半导体发光元件100、发光定时监测单元216、基座110和窗口构件120。基座110是其上安装有半导体发光元件100和发光定时监测单元216的封装的一部分，并且具有用于容纳半导体发光元件100和发光定时监测单元216的凹陷部分。基座110例如可以由陶瓷制成。窗口构件120被固定到基座110，以封闭其上安装有半导体发光元件100和发光定时监测单元216的基座110的凹陷部分。半导体发光元件100是按照第四实施例的半导体发光元件100。发光定时监测单元216由具有例如0.3mm²的正方形形状的半导体基板形成，并包括具有例如100μm的受光区域的直径的光电二极管。

半导体发光元件100的阳极公共电极40C、阴极公共电极42C以及构成发光定时监测单元216的光电二极管的阳极和阴极电连接到设置在基座110的外周部分上的对应电极(未示出)。从面发射激光器阵列驱动器212提供的脉冲电流经由设置在基座110上的电极被提供给半导体发光元件100。由发光定时监测单元216产生的电信号经由设置在基座110上的电极被提供给距离数据处理单元224。

接下来，将参考图15和图16描述按照本实施例的测距装置的操作。

首先，控制单元210向面发射激光器阵列驱动器212输出驱动信号。面发射激光器阵列驱动器212接收来自控制单元210的驱动信号，并将预定电流值的电流注入面发射激光器阵列214的半导体发光元件100中。从而，半导体发光元件100振荡，并且从半导体发光元件100输出激光。此时，如上所述，从半导体发光元件100出射的光的脉冲宽度比注入的电流的脉冲宽度窄。

由半导体发光元件100产生的激光通过窗口构件120从面发射激光器阵列214出射，并且通过发光侧光学系统218朝着要测量的范围出射。此时，尽管对于窗口构件120涂敷了AR涂层，但是光的一部分被窗口构件120反射并且入射到发光定时监测单元216。

发光定时监测单元216将入射光转换为电信号，并将电信号输出到距离数据处理单元224。距离数据处理单元224基于来自图像传感器222的电信号脉冲的接收定时与来自发光定时监测单元216的电信号的接收定时之间的时间差，生成关于沿着光传播方向到待测量对象1000的距离的信息。通过基于从图像传感器222的每个像素输出的电信号脉冲计算距离信息，获取待测量对象1000的三维信息。

接下来，将参考图17和图18描述在本实施例中以这种方式构成测距装置的原因。

在LiDAR系统中，基于从激光的发射到激光从待测量对象的返回的时间差来计算到待测量对象的距离。于是，为了提高测距精度，需要以更高的精度知道在半导体发光元件100中产生光脉冲的定时。例如，当受光侧的时间检测精度为约50ps时，关于发光侧的脉冲产生的定时的信息的精度优选小于50ps。

在一般的VCSEL和使用该VCSEL的LiDAR系统中，VCSEL驱动器产生脉冲电流以驱动VCSEL。由于VCSEL按照脉冲电流波形发光，因此VCSEL的发射定时与在VCSEL驱动器中产生的脉冲电流的上升定时之间的差小，并且时间差不会由于环境温度的变化等而极大改变。这是因为VCSEL的设计被设计为按照注入的电流值来发光。于是，可以准确地估计从驱动器中的电流脉冲的产生定时到VCSEL的发射定时的时间。

另一方面，本发明的发明人首次发现，当通过上述方法估计电流脉冲的产生定时与光脉冲的产生定时之间的时间差时，在一些情况下，在使用第一到第四实施例的半导体发光元件的LiDAR系统中测距精度可能降低。

在按照第一到第四实施例的半导体发光元件中，载流子被累积在活性层24中，并且累积的载流子在激光振荡开始之后被转换成光以产生光脉冲。即，在载流子被累积在活性层24中之前的预定时间段内注入半导体发光元件中的电流用于在活性层24中累积载流子。因此，半导体发光元件的激光振荡被延迟该预定时间段，直到载流子被累积在活性层24中为止。

按照第一到第四实施例的半导体发光元件中的激光振荡的定时由半导体发光元件的结构和构成每个部分的材料的物理参数确定。于是，即使面发射激光器阵列驱动器212产生的电流波形相同，从驱动开始到激光振荡开始的时间差也会由于随时间物理参数的变化或环境温度的变化而变化。时间差可能超过约50ps，50ps是受光侧的典型时间检测精度。

图17和图18是图解说明通过计算由于随时间物理参数的变化和环境温度的变化引起的光波形的变化而获得的结果的曲线图。图17图解说明在一般的VCSEL的情况下的计算结果，而图18图解说明在按照本发明的半导体发光元件的情况下的计算结果。

图17和图18图解说明在假设室温下的透明载流子密度时和在假设比室温高50℃下的透明载流子密度时，紧接在振荡开始之后的放大的光波形。在任何一个图中，振荡先开始的特性是假设室温下的透明载流子密度的情况，而振荡后开始的特性则是假设比室温高50℃下的透明载流子密度的情况。

在一般的VCSEL中，如图17中图解所示，在假设室温下的透明载流子密度时的光脉冲的峰值与在假设比室温高50℃下的透明载流子密度时的光脉动的峰值之间的时间差为13ps。

另一方面，在按照本发明的半导体发光元件中，如图18中图解所示，在假设室温下的透明载流子密度时的光脉冲的峰值与在比室温高50℃下的透明载流子密度时的光脉冲的峰值之间的时间差为70ps。由于环境温度的变化，从开始向半导体发光元件100注入电流的定时到光输出达到最大峰值的定时的时间差例如可在50ps以上并且1ns以下的范围内变化。

如上所述，在按照本发明的半导体发光元件中，物理性质值的变化极大地影响振荡定时的变化。振荡定时的变化量可能超过约50ps，50ps是受光侧的典型时间检测精度。

从这样的角度来看，在按照本实施例的测距装置200中，面发射激光器阵列214的发射定时由发光定时监测单元216检测。使用由发光定时监测单元216检测的发光定时来计算距离信息。于是，即使面发射激光器阵列214的发光定时由于诸如环境温度之类的因素而偏离，也可以在不影响测距装置200的测距精度的情况下维持高的测距精度。

如上所述，按照本实施例，在使用具有高峰值和短脉冲的光脉冲的测距装置中，可以减小由于环境温度的变化等对测距精度的影响。

[修改的实施例]

本发明不限于上述实施例，并且可以进行各种修改。

例如，其中将任何实施例的一些构成添加到其他实施例的例子、或者其中将任何实施例的一些构成替换为其他实施例的一些构成的例子也是本发明的实施例。

尽管在第一到第三实施例中，当使用GaAs基板作为半导体基板10时，作为能够晶体生长的半导体材料，例示了GaAs、AlGaAs和InGaAs，但是半导体基板10不限于GaAs基板。例如，可以使用InP基板作为半导体基板10。当使用InP基板作为半导体基板10时能够晶体生长的半导体材料的例子包括InP、InGaAs、InGaP、InGaAsP等。

按照第一到第三实施例的半导体发光元件中的DBR层不一定由半导体材料形成，可以由除半导体材料以外的材料形成。在这种情况下，通过配置以实现与第一到第三实施例的功能相同的功能，也可以获得与本实施例的效果相同的效果。

应注意的是，上述实施例中的任何一个仅仅是用于实现本发明的实施例的例子，并且本发明的技术范围不应被解释为局限于此。即，在不脱离本发明的技术思想或主要特征的情况下，可以以各种形式来实现本发明。

本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改。因而，为了公布本发明的范围，附加了以下权利要求。

本申请要求2021年5月17日提交的日本专利申请No.2021-083105和2022年4月11日提交的日本专利申请No.2022-065143的权益，这些专利申请通过引用整体并入本文中。

[附图标记列表]

10…半导体基板

12,30…下DBR层

14…非掺杂间隔部

16…可饱和吸收层

18,32…谐振器

20…n型层

22…非掺杂间隔部

24,34…活性层

26…p型层

28,36…上DBR层

38…氧化约束层

40,42…电极

44…保护膜

50…发光部分

100…半导体发光元件

200…测距装置

Claims (21)

1.一种发光装置，包括：

半导体发光元件，所述半导体发光元件包括依次堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，

其中所述半导体发光元件包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，以及

其中所述半导体发光元件被配置为出射具有如下轮廓的光，该轮廓具有最大峰值并且在所述最大峰值之后收敛到预定光强度的稳定值。

2.一种发光装置，包括：

半导体发光元件，所述半导体发光元件包括依次堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，

其中所述半导体发光元件包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，以及

其中所述半导体发光元件满足以下关系：

Γs×gmax(Iop)>Γa×α2+αm+αi

其中Γs是活性层的光约束系数；Γa是可饱和吸收层的光约束系数；gmax(Iop)是当从驱动单元注入的电流值为Iop时获得的活性层中的最大增益；α2是可饱和吸收层的吸收系数；αm是镜面损耗；以及αi是载流子的光吸收。

3.按照权利要求1或2所述的发光装置，其中所述可饱和吸收层位于所述半导体基板和所述活性层之间，并且充当第一反射器。

4.按照权利要求1或2所述的发光装置，其中所述可饱和吸收层位于所述活性层和第二反射器之间。

5.按照权利要求1所述的发光装置，其中指示所述最大峰值的光脉冲的半宽度值不小于50ps。

6.按照权利要求1所述的发光装置，其中开始将电流注入到所述半导体发光元件中的定时与光输出达到所述最大峰值的定时之间的时间差不小于50ps且不大于1ns。

7.按照权利要求1～6任意之一所述的发光装置，其中所述活性层包括多个量子阱层和设置在所述多个量子阱层之间的多个势垒层，并且量子阱层的发射能级与势垒层的带隙之间的能量差在105meV～230meV的范围内。

8.按照权利要求7所述的发光装置，

其中量子阱层由InGaAs形成，以及

其中势垒层由GaAs形成。

9.按照权利要求1～8任意之一所述的发光装置，还包括设置在所述活性层和所述可饱和吸收层之间的半导体层，

其中所述半导体层包括Al成分在0.45～0.9范围内的AlGaAs层。

10.按照权利要求9所述的发光装置，其中所述半导体层还包括GaAsP层。

11.按照权利要求1～10任意之一所述的发光装置，其中所述谐振器间隔部的光学厚度不小于相当于谐振波长5倍的厚度。

12.按照权利要求1～11任意之一所述的发光装置，其中所述谐振器间隔部的光学厚度不小于相当于谐振波长11倍的厚度。

13.按照权利要求1～12任意之一所述的发光装置，其中所述活性层包括6～50个量子阱层。

14.按照权利要求1～13任意之一所述的发光装置，还包括受光元件，所述受光元件安装在与所述半导体发光元件相同的封装上，并被配置为接收从所述半导体发光元件出射的光。

15.一种发光装置，包括：

半导体发光元件，所述半导体发光元件包括依次堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，

其中所述活性层包括6～50个量子阱层，

其中所述半导体发光元件还包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，以及

其中所述谐振器间隔部的光学厚度不小于相当于谐振波长5倍的厚度。

16.按照权利要求15所述的发光装置，其中所述活性层位于在第一反射器和第二反射器之间产生的驻波的波腹和波节之间。

17.一种发光装置，包括：

半导体发光元件，所述半导体发光元件包括依次堆叠在半导体基板上的第一反射器、包括活性层的谐振器间隔部和第二反射器，

其中所述半导体发光元件包括设置在所述半导体基板和第二反射器之间的可饱和吸收层，以及

其中所述活性层包括多个量子阱层和设置在所述多个量子阱层之间的多个势垒层，以及

其中所述势垒层由GaAs形成。

18.按照权利要求17所述的发光装置，其中所述谐振器间隔部的光学厚度不小于相当于谐振波长5倍的厚度。

19.按照权利要求15～18任意之一所述的发光装置，其中所述谐振器间隔部的光学厚度不小于相当于谐振波长11倍的厚度。

20.一种测距装置，包括：

按照权利要求1～19任意之一所述的发光装置；

受光装置，所述受光装置被配置为接收从所述发光装置出射并被待测量对象反射的光；以及

距离信息获取单元，所述距离信息获取单元被配置为基于从所述发光装置出射光的定时与所述受光装置接收光的定时之间的时间差，来获取关于到所述待测量对象的距离的信息。

21.一种移动体，包括：

按照权利要求20所述的测距装置；以及

控制单元，所述控制单元被配置为基于与由所述测距装置获取的距离有关的信息来控制所述移动体。