DE202018004017U1 - Generating arbitrary patterns on a uniform 2-D grid VCSEL array - Google Patents
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Abstract
Optoelektronische Vorrichtung, umfassend:ein Halbleitersubstrat; undeine Anordnung von optoelektronischen Zellen, welche auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind und umfassen:erste Epitaxialschichten, die einen unteren verteilen Bragg-Reflektor-(DBR)-Stapel definieren;zweite Epitaxialschichten, die über dem unteren DBR-Stapel gebildet sind, welche eine Quantenwallstruktur definieren;dritte Epitaxialschichten, die über der Quantenwallstruktur gebildet sind, welche einen oberen DBR-Stapel definieren; undElektroden, die über dem oberen DBR-Stapel gebildet sind, welche konfigurierbar sind, um einen Anregungsstrom in die Quantenwallstruktur jeder optoelektronischen Zelle zu injizieren,wobei die Anordnung einen ersten Satz der optoelektronischen Zellen umfasst, die konfiguriert sind, um, in Antwort auf den Anregungsstrom, Laserstrahlung zu emittieren, und einen zweiten Satz der optoelektronischen Zellen, welcher mit dem ersten Satz verschachtelt ist, in welchem zumindest ein Element der optoelektronischen Zellen, ausgewählt unter den Epitaxialschichten und den Elektroden, so konfiguriert ist, dass die optoelektronischen Zellen in dem zweiten Satz die Laserstrahlung nicht emittieren.An optoelectronic device comprising: a semiconductor substrate; andan array of optoelectronic cells formed on the semiconductor substrate and comprising: first epitaxial layers defining a bottom distributed Bragg reflector (DBR) stack; second epitaxial layers formed over the bottom DBR stack defining a quantum well structure third epitaxial layers formed over the quantum well structure defining an upper DBR stack; andelectrodes formed over the top DBR stack configurable to inject an excitation current into the quantum well structure of each optoelectronic cell, the array comprising a first set of the optoelectronic cells configured to, in response to the excitation current To emit laser radiation, and a second set of the optoelectronic cells interleaved with the first set, in which at least one element of the optoelectronic cells selected among the epitaxial layers and the electrodes is configured such that the optoelectronic cells in the second set do not emit the laser radiation.
Description
Querverweis auf eine verwandte AnmeldungCross-reference to a related application
Diese Anwendung beansprucht den Nutzen der
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optoelektronische Vorrichtungen und insbesondere auf Vorrichtungen, die konfigurierbar sind, um eine gemusterte Beleuchtung zu emittieren.The present invention relates generally to optoelectronic devices, and more particularly to devices that are configurable to emit patterned illumination.
Hintergrundbackground
Bestehende und aufstrebende Konsumentenanwendungen haben ein zunehmendes Bedürfnis nach dreidimensionalen (3D) Bildgebern in Echtzeit erzeugt. Diese bildgebenden Vorrichtungen, allgemein auch als Tiefensensoren oder als Tiefenabbilder bekannt, ermöglichen die entfernte Messung einer Distanz (und oft einer Intensität) von jedem Punkt einer Zielszene - sogenannte Zielszenentiefe - durch Beleuchten der Zielszene mit einem oder mit mehreren optischen Strahlen und durch Analysieren der reflektierten optischen Signale.Existing and emerging consumer applications have created an increasing need for real-time three-dimensional (3D) imagers. These imaging devices, also commonly known as depth sensors or depth images, allow remote measurement of a distance (and often intensity) from any point of a target scene - so-called target scene depth - by illuminating the target scene with one or more optical beams and analyzing the reflected ones optical signals.
Verschiedene Verfahren zum Erzeugen von Lichtquellen basierend auf Anordnungen von mehreren lichtemittierenden Elementen von optischer Strahlung auf einem monolithischen Halbleitersubstrat sind im Stand der Technik bekannt.Various methods for generating light sources based on arrays of multiple light emitting elements of optical radiation on a monolithic semiconductor substrate are known in the art.
Die
ZusammenfassungSummary
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben werden, stellen verbesserte Vorrichtungen zum Herstellen von gemusterten Lichtquellen und Lichtquellen, die durch solche Vorrichtungen produziert werden können, bereit.Embodiments of the present invention, which are described below, provide improved apparatus for fabricating patterned light sources and light sources that can be produced by such apparatus.
Hierfür ist daher eine optoelektronische Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt, die ein Halbleitersubstrat und eine Anordnung von optoelektronischen Zellen beinhaltet, welche auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind. Die Zellen beinhalten erste Epitaxialschichten, die einen unteren verteilten Braggreflektor-(distributed Bragg reflector, DBR)-Stapel definieren; zweite Epitaxialschichten, die über dem unteren DBR-Stapel gebildet sind, welche eine Quantenwallstruktur definieren; dritte Epitaxialschichten, die über den Quantenwallstrukturen gebildet sind, welche einen oberen DBR-Stapel bilden; und Elektroden, die über dem oberen DBR-Stapel gebildet sind, welche konfigurierbar sind, um einen Anregungsstrom in die Quantenwallstruktur jeder optoelektronischen Zelle zu injizieren.Therefore, there is provided for this purpose an optoelectronic device in accordance with an embodiment of the invention including a semiconductor substrate and an array of optoelectronic cells formed on the semiconductor substrate. The cells include first epitaxial layers defining a lower distributed Bragg reflector (DBR) stack; second epitaxial layers formed over the lower DBR stack defining a quantum well structure; third epitaxial layers formed over the quantumwall structures forming an upper DBR stack; and electrodes formed over the upper DBR stack that are configurable to inject an excitation current into the quantum well structure of each optoelectronic cell.
Die Anordnung beinhaltet einen ersten Satz der optoelektronischen Zellen, die konfiguriert sind, um, in Antwort auf den Anregungsstrom, Laserstrahlung zu emittieren, und einen zweiten Satz optoelektronischer Zellen, der mit dem ersten Satz verschachtelt ist, in welchem zumindest ein Element der optoelektronischen Zellen, ausgewählt unter den Epitaxialschichten und den Elektroden, konfiguriert ist, so dass die optoelektronischen Zellen in dem zweiten Satz die Laserstrahlung nicht emittieren.The arrangement includes a first set of optoelectronic cells configured to emit laser radiation in response to the excitation current and a second set of optoelectronic cells interleaved with the first set, in which at least one of the optoelectronic cell elements, selected among the epitaxial layers and the electrodes is configured so that the optoelectronic cells in the second set do not emit the laser radiation.
In einer offenbarten Ausführungsform ist die Anordnung eine regelmäßige Anordnung, während der erste Satz der optoelektronischen Zellen in einem unkorrelierten Muster innerhalb der Anordnung angeordnet ist.In a disclosed embodiment, the array is a regular array while the first set of opto-electronic cells are arranged in an uncorrelated pattern within the array.
In einer Ausführungsform beinhaltet der zweite Satz optoelektronischer Zellen implantierte Ionen in dem oberen DBR-Stapel, welche einen elektrischen Widerstand des oberen DBR-Stapels um einen hinreichenden Betrag vergrößern, um den Anregungsstrom, der in die Quantenwallstruktur injiziert wird, unter einen Schwellwert zu verringern, der zum Emittieren von Laserstrahlung erforderlich ist.In one embodiment, the second set of optoelectronic cells includes implanted ions in the upper DBR stack that increase an electrical resistance of the upper DBR stack by a sufficient amount to reduce the excitation current injected into the quantum well structure below a threshold, which is required for emitting laser radiation.
In anderen Ausführungsformen sind die Elektroden des zweiten Satzes der optoelektronischen Zellen konfiguriert, um den Anregungsstrom nicht in die Quantenwallstruktur zu injizieren. In solch einer Ausführungsform beinhalten die optoelektronischen Zellen eine Isolationsschicht zwischen den Epitaxialschichten und den Elektroden, und ein Teil der Isolationsschicht ist im ersten Satz optoelektronischer Zellen geätzt und ist in dem zweiten Satz optoelektronischer Zellen nicht geätzt, so dass der Anregungsstrom nicht in die Quantenwallstruktur des zweiten Satzes der optoelektronischen Zellen injiziert wird. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung, Leiter, die konfiguriert sind, um Strom zu den optoelektronischen Zellen zu speisen, und eine Isolationsschicht, welche die Elektroden des zweiten Satzes optoelektronischer Zellen von den Leitern isoliert, so dass der elektrische Strom nicht zu den Elektroden des zweiten Satzes optoelektronischer Zellen gespeist wird.In other embodiments, the electrodes of the second set of optoelectronic cells are configured so as not to inject the excitation current into the quantum well structure. In such an embodiment, the optoelectronic cells include an insulating layer between the epitaxial layers and the electrodes, and a portion of the Insulation layer is etched in the first set of optoelectronic cells and is not etched in the second set of optoelectronic cells, so that the excitation current is not injected into the quantum well structure of the second set of optoelectronic cells. In another embodiment, the device includes conductors configured to supply current to the optoelectronic cells and an isolation layer that isolates the electrodes of the second set of optoelectronic cells from the conductors such that the electrical current does not reach the electrodes of the optoelectronic cells second set of optoelectronic cells is fed.
Zusätzlich oder alternativ beinhaltet die Vorrichtung eine Isolationsschicht, die zwischen dem unteren und dem oberen DBR-Stapel gebildet ist, wobei die Isolationsschicht aus einem Bereich der Quantenwallstruktur in dem ersten Satz optoelektronischer Zellen herausgeätzt ist und nicht aus dem zweiten Satz optoelektronischer Zellen herausgeätzt ist.Additionally or alternatively, the device includes an insulating layer formed between the lower and upper DBR stacks, wherein the insulating layer is etched out of a portion of the quantumwall structure in the first set of optoelectronic cells and is not etched out of the second set of optoelectronic cells.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung ist zum Ablagern von ersten Epitaxialschichten auf einem Halbleitersubstrat konfiguriert, um einen unteren verteilten Braggreflektor-(distributed Bragg reflector, DBR)-Stapel definieren. Zweite Epitaxialschichten werden über der ersten Epitaxialschichten abgelagert, um eine Quantenwallstruktur zu definieren. Dritte Epitaxialschichten werden über den zweiten Epitaxialschichten abgelagert, um einen oberen DBR-Stapel zu definieren. Die Epitaxialschichten werden geätzt, um eine Anordnung optoelektronischer Zellen zu definieren. Elektroden werden über den dritten Epitaxialschichten abgelagert und sind konfigurierbar, um einen Anregungsstrom in die Quantenwallstruktur von jeder optoelektronischen Zelle zu injizieren, so dass ein erster Satz optoelektronischer Zellen dazu veranlasst wird, in Antwort auf den Anregungsstrom, Laserstrahlung zu emittieren. Zumindest ein Element, ausgewählt unter den Epitaxialschichten und den Elektroden des zweiten Satzes optoelektronischer Zellen, welcher mit dem ersten Satz verschachtelt ist, ist so konfiguriert, dass die optoelektronischen Zellen in dem zweiten Satz die Laserstrahlung nicht emittieren.In accordance with one embodiment of the invention, an apparatus for manufacturing an optoelectronic device is also provided. The apparatus for manufacturing an optoelectronic device is configured to deposit first epitaxial layers on a semiconductor substrate to define a bottom distributed Bragg reflector (DBR) stack. Second epitaxial layers are deposited over the first epitaxial layers to define a quantum well structure. Third epitaxial layers are deposited over the second epitaxial layers to define an upper DBR stack. The epitaxial layers are etched to define an array of optoelectronic cells. Electrodes are deposited over the third epitaxial layers and are configurable to inject an excitation current into the quantum well structure of each optoelectronic cell such that a first set of optoelectronic cells are caused to emit laser radiation in response to the excitation current. At least one element selected among the epitaxial layers and the electrodes of the second set of optoelectronic cells interleaved with the first set is configured such that the optoelectronic cells in the second set do not emit the laser radiation.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen davon zusammen mit den Zeichnungen besser verstanden werden, in welchen:The present invention will be better understood by the following detailed description of embodiments thereof taken in conjunction with the drawings, in which:
Figurenlistelist of figures
-
1 ist eine schematische Draufsicht einer optoelektronischen Vorrichtung, die einen Halbleiterchip umfasst, auf welchem eine monolithische Anordnung von VCSELs in einem zweidimensionalen Muster gebildet wurde, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;1 FIG. 12 is a schematic plan view of an optoelectronic device including a semiconductor chip on which a monolithic array of VCSELs has been formed in a two-dimensional pattern, in accordance with an embodiment of the present invention; FIG. -
2a bis b sind schematische Querschnittsansichten eines aktivierten VCSELs und eines deaktivierten VCSELs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;2a to b are schematic cross-sectional views of an activated VCSEL and a deactivated VCSEL in accordance with an embodiment of the present invention; -
3a bis b sind schematische Querschnittsansichten eines aktivierten VCSELs und eines deaktivierten VCSELs in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;3a to b are schematic cross-sectional views of an activated VCSEL and a deactivated VCSEL in accordance with an embodiment of the present invention; -
4a bis b sind schematische Querschnittsansichten von Bereichen von aktivierten und deaktivierten VCSELs in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;4a to b are schematic cross-sectional views of portions of activated and deactivated VCSELs in accordance with still another embodiment of the present invention; -
5a bis b sind schematische Querschnittsansichten von Bereichen von aktivierten und deaktivierten VCSELs in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;5a to b are schematic cross-sectional views of portions of activated and deactivated VCSELs in accordance with another embodiment of the present invention; -
6a bis b sind schematische Querschnittsansichten von Bereichen von aktivierten und deaktivierten VCSELs in Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und6a to b are schematic cross-sectional views of portions of activated and deactivated VCSELs in accordance with still another embodiment of the present invention; and -
7a bis b sind schematische Querschnittsansichten eines aktivierten VCSELs und eines deaktivierten VCSELs in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.7a to b are schematic cross-sectional views of an activated VCSEL and a deactivated VCSEL in accordance with an alternative embodiment of the present invention.
Detaillierte Beschreibung von AusführungsformenDetailed description of embodiments
ÜbersichtOverview
Lichtquellen, die mehrere Strahlen emittieren, werden unter anderem in 3D (dreidimensionalen) Abbildungsanwendungen basierend auf einer optischen Triangulation verwendet. Wie in der oben genannten
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die hierin beschrieben werden, adressieren die obigen Limitierungen durch ein Herstellen einer VCSEL Anordnung auf einem gleichmäßigen Gitter und durch Deaktivieren von individuellen Emittern. Die deaktivierten Emitter können mit den aktivierten (betriebenen) Emittern in im Wesentlichen jedem gewünschten Muster verschachtelt sein, z.B. in einem Pseudozufallsmuster oder einem anderweitig unkorrelierten Muster. Die offenbarten Ausführungsformen deaktivieren Emitter wahlweise unter Verwendung von Modifikationen in dem VCSEL Herstellungsprozess, z.B. durch Modifizieren der Epitaxialschichten oder der Elektroden der VCSELs. Da das Design auf einem gleichmäßigen Gitter basiert ist, kann es zuverlässig unter Verwendung von Standardphotolithographieverfahren hergestellt werden.The embodiments of the present invention described herein address the above limitations by establishing a VCSEL array on a uniform grid and by deactivating individual emitters. The deactivated emitters may be nested with the activated (powered) emitters in substantially any desired pattern, e.g. in a pseudo-random pattern or otherwise uncorrelated pattern. The disclosed embodiments selectively deactivate emitters using modifications in the VCSEL fabrication process, e.g. by modifying the epitaxial layers or the electrodes of the VCSELs. Since the design is based on a uniform grid, it can be reliably manufactured using standard photolithography techniques.
Beschreibung des SystemsDescription of the system
Die Art von unkorrelierten Mustern von aktivierten VCSELs
Die Fähigkeit, eine Anordnung von betrieben Emittern in im Wesentlichen jedem gewünschten Muster zu erzeugen, z.B. in einem Pseudozufalls- oder einem anderweitig unkorrelierten Muster, basierend auf einer regelmäßigen Anordnung von Zellen, hat mehrere Vorteile:
- • Eine verbesserte Trockenätzgleichförmigkeit wird durch ein Minimieren von sogenannten Ätzladungseffekten erreicht;
- • eine genauere Kontrolle der Photoresistenz-CD wird aufgrund der periodischen Struktur des gleichförmigen Gitters erreicht; und
- • eine gleichförmigere Temperaturverteilung des
Chips 10 kann erreicht werden, was zu einer besseren optischen Leistungsgleichförmigkeit führt, indem die Gräben zwischen Zellen mit einem Kunstharz, wie beispielsweise Polyimid gefüllt werden.
- Improved dry etch uniformity is achieved by minimizing so-called etch charge effects;
- • closer control of the photoresist CD is achieved due to the periodic structure of the uniform grating; and
- • a more uniform temperature distribution of the
chip 10 can be achieved, resulting in better optical performance uniformity by filling the trenches between cells with a synthetic resin such as polyimide.
Die
Das aktivierte VCSEL
Das deaktivierte VCSEL
Die
Die
In dem aktivierten VCSEL
Das Deaktivieren der VCSEL
Die
In sowohl der aktivierten VCSEL
Eine Deaktivierung der VCSEL
Die
In sowohl der aktivierten VCSEL
Ein Deaktivieren der VCSEL
Die
Ein Deaktivieren der VCSEL
Es wird verstanden werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen als Beispiele wiedergegeben sind und dass die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt ist, was oben insbesondere gezeigt und beschrieben worden ist. Vielmehr beinhaltet der Umfang der vorliegenden Erfindung sowohl Kombinationen als auch Unterkombinationen der verschiedenen oben beschriebenen Merkmale sowie auch Variationen und Modifikationen davon, welche dem Fachmann beim Lesen der vorhergehenden Beschreibung vor Augen geführt werden und welche im Stand der Technik nicht offenbart sind.It will be understood that the embodiments described above are given by way of example and that the present invention is not limited to what has been particularly shown and described above. Rather, the scope of the present invention includes both combinations and sub-combinations of the various features described above, as well as variations and modifications thereof, which will become apparent to those skilled in the art upon reading the foregoing description and which are not disclosed in the prior art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 62552406 [0001]US 62552406 [0001]
- US 2014/0211215 [0005, 0015]US 2014/0211215 [0005, 0015]
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