JP2003188460A - 光学スキャニングのためのｖｃｓｅｌアレイおよびマイクロレンズの集積化構造 - Google Patents
光学スキャニングのためのｖｃｓｅｌアレイおよびマイクロレンズの集積化構造Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＶＣＳＥＬアレイ上に屈折性マイクロレンズ
を集積化する。 【解決手段】 極めてコンパクトで、可動パーツを含ま
ないレーザスキャナであって、垂直共振器型面発光レー
ザ（VCSEL）３１０を含む。マイクロレンズ３３０が、
フリップチップ接合によってVCSEL３１０の発光表面に
直接取り付けられる。VCSELアレイ３０５は、一次元ま
たは二次元であってもよい。このレーザアレイは、自由
空間光学通信を含む様々な用途において使用できる。
を集積化する。 【解決手段】 極めてコンパクトで、可動パーツを含ま
ないレーザスキャナであって、垂直共振器型面発光レー
ザ（VCSEL）３１０を含む。マイクロレンズ３３０が、
フリップチップ接合によってVCSEL３１０の発光表面に
直接取り付けられる。VCSELアレイ３０５は、一次元ま
たは二次元であってもよい。このレーザアレイは、自由
空間光学通信を含む様々な用途において使用できる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に、小型光学
スキャナの分野に関する。 【０００２】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光学ス
キャニングおよび他の光学システムを用いる光学通信シ
ステムでは、しばしばレーザ光源が使用される。近年、
垂直共振器型面発光レーザ、すなわちVCSELという特殊
な種類のレーザが、光学システムのレーザ光源として使
用されるようになった。一般的に光学スキャニング、特
にVCSELスキャニングを用いる数々の用途の一つに、テ
レコミュニケーションやケーブルおよび衛生テレビをも
含む自由空間光学通信がある。 【０００３】光学ビームスキャニングシステムによって
は、機械的に駆動されるスキャニング素子を使用するも
のもあるが、それらは複雑な駆動システムを要し、作動
の際に比較的大きなパワーを必要とする。他のスキャニ
ングシステムでは、電界の変化に応じて作動する変形可
能なマイクロミラーを用いる。また他のスキャニングシ
ステムでは、音響光学的な光ビーム偏向を実施する。さ
らに他のスキャニングシステムでは、電気光学的または
磁気光学的ビーム偏光器を使用する。これらのシステム
の多くは、無線周波数のフェーズドアレイレーダシステ
ムと相似した作動をする光学フェーズドアレイを用い
る。しかし上記の各光学スキャニングシステムは、ビー
ム切り換え速度および偏向角度において限界がある。 【０００４】小型レーザビームスキャナもまた、イメー
ジ形成および自由空間光学通信システムを含む様々な光
学スキャニングの用途で使用されている。マイクロレン
ズを含むVCSELアレイのモノリシック集積として知られ
ている、従来技術の小型レーザスキャニングアレイの一
つを、図１に示す。このモノリシック集積VCSELは、VCS
ELアレイと、VCSELのＧａＡｓ基板内に形成された組み
込み式マイクロレンズとを有する。図１に示すデバイス
の一つの問題点は、VCSELの基板材料がレーザ波長に対
して透過性でなくてはならないことである。 【０００５】小型半導体レーザアレイの別の一例が、米
国特許第６，１２１，９８３号（特許文献１）で開示さ
れている（この出願の全体を、本願に引用し援用す
る）。この特許文献１は、垂直共振器型面発光レーザ
（VCSEL）アレイのレーザ面の線形アレイを開示してい
る。このレーザアレイの光出力は、ミラーアレイを用い
てスキャンされる。各VCSELエレメントにマイクロレン
ズが設けられ、VCSELエレメントが発するレーザビーム
の発散を低減するようになっている。各マイクロレンズ
は、対応するVCSELエレメントとの間にスペーサによっ
て間隔が設けられて配置され、レンズの焦点が対応する
VCSELエレメントの位置に一致するようになっている。
スキャニングは、ミラーアレイを用いて実施する。図２
に、レーザ光ビームの発散を低減するようマイクロレン
ズエレメントが取り付けられたVCSELエレメントを示
す。 【０００６】従来技術のVCSELアレイの他の一例が、米
国特許第６，２４６，７０８号（特許文献２）で開示さ
れている（この出願の全体を、本願に引用し援用す
る）。この特許文献２は、レーザ構造体のアドレス指定
を可能にする、トランジスタ素子の形態のマトリックス
アドレス指定回路を含む電子部品を集積化したVCSELア
レイを開示している。 【０００７】上述の従来技術のデバイスに関する問題点
を克服するマイクロレーザスキャナが、必要とされてい
る。 【０００８】本発明は、VCSELアレイ上に屈折性マイク
ロレンズを集積化して形成されたマイクロレーザビーム
スキャナを提供する。 【０００９】本発明はまた別個に、VCSELアレイ上に屈
折性マイクロレンズを集積化する方法を提供する。 【００１０】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の線形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【００１１】本発明はまた別個に、VCSELエレメントの
二次元アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【００１２】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の円形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【００１３】 【特許文献１】米国特許第６１２１９８３号明細書 【特許文献２】米国特許第６２４６７０８号明細書 【００１４】 【課題を解決するための手段】数々の例示的実施形態に
おいて、マイクロレンズとVCSELアレイとの集積化は、V
CSEL基板上にマイクロレンズチップをフリップチップ接
合することにより達成される。本発明のシステムおよび
方法の数々の例示的実施形態において、マイクロレンズ
は、VCSELアレイ内の別々のピクセルの光学出力を異な
る方向へ方向付けるために用いられる。このようなシス
テムは、自由空間通信のみならず、たとえば電子写真式
露光システムや光学レーダなどの他の光学ビームスキャ
ニングの用途においても利用できる。 【００１５】本発明によるマイクロレーザスキャナは、
いずれのレーザ波長においても、いずれの光学材料を用
いても作動するよう設計される。ここで提案するマイク
ロレーザスキャナは、可動パーツを含まない。 【００１６】本発明の上記および他の特徴ならびに利点
は、本発明によるシステムおよび方法の数々の例示的実
施形態に関する以下の詳細な説明中に記述されている
か、もしくは以下の説明から明白である。 【００１７】 【発明の実施の形態】添付の図面を参照しつつ、本発明
の数々の例示的実施形態を詳細に説明する。 【００１８】以下の詳細な説明および添付の図面を参照
することにより、本発明をより完全に認識でき、本発明
に付随する多くの利点を容易に認識および理解できる。
異なる図面において、類似の要素には類似の符号を付
す。本発明の様々な特徴ならびに利点が、図面と共に以
下の説明を熟読することによってさらに明白になる。 【００１９】図１は、従来技術のモノリシック集積垂直
共振器型面発光レーザ（VCSEL）デバイス１００の断面
図を示す。VCSELデバイス１００は、一次元アレイ１０
５状に配置された複数のピクセルまたはエレメント１１
０を有する。VCSELピクセルまたはエレメント１１０
は、半導体レーザ構造体１０７の一部として形成されて
いる。ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）層１２０が、VCSELピ
クセルまたはエレメント１１０の発光表面を覆って形成
される。マイクロレンズ１３０は、VCSELピクセルまた
はエレメント１１０に隣接するＧａＡｓ層の表面とは反
対側のＧａＡｓ層１２０の表面１２２上に形成される。
VCSELエレメント１１０が発するレーザ光の波長が８５
０ｎｍ未満の場合、そのレーザ光に対してＧａＡｓ基板
が高い吸収性を示すため、VCSELデバイス１００の作動
帯域は制限されている。 【００２０】図２は、マイクロレンズ２３０を有する第
二の従来のVCSELデバイス２００を示す。図２に示すと
おり、VCSELデバイス２００は基板２２０を含み、その
基板２２０上にVCSELピクセルまたはエレメント２１０
のアレイ２０５が形成されている。スペーサ層２４０
が、VCSELピクセルまたはエレメント２１０の上あるい
は上方に形成される。スペーサ層２４０の上あるいは上
方に、複数のマイクロレンズ２３０が形成される。各マ
イクロレンズ２３０は、VCSELピクセルまたはエレメン
ト２１０の一つに関連づけられている。各マイクロレン
ズ２３０は、対応するVCSELエレメント２１０が発する
レーザビームの発散を低減する。各マイクロレンズエレ
メント２３０は、対応するVCSELエレメント２１０との
間にスペーサ層２４０によって間隔が設けられて配置さ
れ、それにより各VCSELエレメント２１０が対応するマ
イクロレンズ２３０の焦点に位置している。 【００２１】図３は、本発明による集積デバイス３００
の例示的実施形態を示す。図３に示すとおり、集積デバ
イス３００は基板層３０２を含む。半導体構造体３０７
が、基板層３０２の上あるいは上方に形成されている。
半導体構造体３０７は、二つ以上のVCSELエレメント３
１０のアレイ３０５を含む。基板またはプレート３５０
が、はんだバンプ３４０を介して半導体構造体３０７に
取り付けられている。このタイプの接合構造は、フリッ
プチップ接合として知られている。数々の例示的実施形
態において基板またはプレート３５０は、たとえば水
晶、または適切な屈折率および寸法安定性を有するいず
れの材料で形成されてもよい。 【００２２】プレート３５０の上あるいは上方にマイク
ロレンズ３３０が形成され、マイクロレンズ３３０はVC
SELエレメント３１０のアレイ３０５に対して、幾何学
的に上方に位置する。別々のVCSELエレメントからの出
力は、マイクロレンズ３３０を通過した後、異なる方向
へ屈折する。したがって、異なるVCSELエレメント３１
０を順次オンおよびオフにすることによって、スキャニ
ングが達成される。 【００２３】VCSELピクセルまたはエレメント３１０と
マイクロレンズ３３０との精緻な整列は、半導体構造体
３０７と、マイクロレンズ３３０を担持するプレート３
５０との間に位置するはんだバンプ３４０をリフローイ
ングすることによって達成される。はんだ湿潤金属パッ
ド（図示せず）が、半導体構造体３０７の表面およびVC
SELピクセル／エレメント３１０と対向する基板３５０
の表面の両方に設けられる。VCSELデバイス３００は、
米国特許第６，２０８，６８１号に記載の技術を用いて
製造できる（この出願の全体を、本願に引用し援用す
る）。 【００２４】米国特許第６，２０８，６８１号によれ
ば、VCSELピクセルまたはエレメント３１０の中心間の
ピッチまたは間隔が約７μｍ未満のアレイ３０５状に、
VCSELピクセルまたはエレメント３１０を製造可能であ
る。数々の例示的実施形態において、VCSELアレイピッ
チが約６μｍである場合、マイクロレンズの適切な焦点
距離は５００μｍになる。一般的に、VCSELピクセルま
たはエレメント３１０のアレイ３０５の中心は、マイク
ロレンズ３３０の焦点に位置する。このような構成を有
する本発明による集積VCSELのこの例示的実施形態にお
いて、２個の隣接するVCSELピクセルまたはエレメント
３１０を順次オンにすることによって得られるスキャン
角は、０．６８度である。したがって、１０個のVCSEL
ピクセルまたはエレメント３１０を有するアレイ３０５
において、各ピクセルを順次オンにした場合、６度のス
キャン角が得られる。 【００２５】図４は、５個のVCSELピクセルまたはエレ
メント３１０を有する一次元アレイ３０５を示す平面図
である。図４に示すVCSELピクセルまたはエレメント３
１０の数は単に例証的であり、用途によって可変であ
る。 【００２６】図５および図６は、本発明の集積VCSELの
他の例示的実施形態を示す。図４に示すようなVCSELピ
クセルまたはエレメント３１０の一次元アレイ３０５を
設ける代わりに、図５および図６はVCSELピクセルまた
はエレメント３１０の二次元アレイ３０５を表す。 【００２７】図６は、マイクロレンズ３３０の軸焦点(a
xial focus)を中心とする円形パターン状に配置した、V
CSELピクセルまたはエレメント３１０の二次元アレイ３
０５を示す。この構成により、円錐形のビームスキャン
パターンが得られる。 【００２８】図７は、本発明と共に使用できる、垂直共
振器型面発光レーザ構造体および集積電子部品構造体を
示す。この構造は、米国特許第６，２４６，７０８号に
さらに詳しく記述されている（この出願の全体を、本願
に引用し援用する）。本発明による集積VCSELには、図
７に示すように集積スキャニング電子部品を組み込んで
もよいし、あるいは米国特許第６，２４６，７０８号に
開示するように、外部のアドレス指定およびスキャニン
グ回路を用いてもよい。 【００２９】図７は、垂直共振器型面発光レーザ（VCSE
L）ピクセル３１０を示す。VCSELピクセルエレメント３
１０は、基板３５４と、下部ミラー構造体３５８と、活
性層３６２の上下に位置するスペーサ層３６４および３
６０と、上部ミラー構造体３６８とを含む。レーザビー
ムＢは、上部ミラー構造体３６８を通過して放射され
る。VCSELピクセルエレメント３１０の上方には、保護
層３１１が設けられる。図７はさらに、第一および第二
のトランジスタ構造体３０８および３０９を示す。各ト
ランジスタ構造体３０８および３０９は、それぞれゲー
ト電極３１２および３１４と、絶縁層３１６および３１
８とを有する。ゲート電極の上方には、チャネル材料３
２０および３２２がそれぞれ設けられる。チャネル材料
３２０，３２２の上方に、保護材料３２４および３２６
がそれぞれ設けられる。 【００３０】第一のトランジスタ３０８にはソース３２
８およびドレイン３２９が設けられ、第二のトランジス
タ３０９にはソース３２８’およびドレイン３２９’が
設けられる。ドレイン３２９は、導電領域３１５を通じ
てゲート３１４と電気的接続する。同様に、ドレイン３
２９は導電領域３１３を通じて、レーザ構造体の電極３
７０と電気的接続する。 【００３１】図８は、図７に示すデバイスを表す平面図
であり、集積VCSELおよび関連電子部品３１０の一つの
実施形態を示す。三次元アレイにおいては、図示するVC
SEL３１０の上方および下方に複数のVCSEL３１０が存在
することもある。電圧源（図示せず）からの電圧を駆動
ライン３８０に印加し、VCSEL３１０を駆動する。図８
はさらに、トランジスタ３０８のゲート３１４と駆動ラ
イン３８０を接続させるキャパシタ３８２を示す。キャ
パシタ３８２は、駆動ライン３８０の一部の下方に位置
する、トランジスタ３０９のゲート接点材料の延伸部を
含む。 【００３２】アレイの作動の詳細は、本願に引用する米
国特許第６，２４６，７０８号に記載されている。本明
細書で開示するフリップチップマイクロレンズアレイピ
クセル３１０は、図７および図８に示す回路を用いてオ
ンおよびオフにすることができる。 【００３３】VCSELピクセルまたはエレメント３１０の
アレイ３０５は、マイクロレンズ３３０の軸を中心に配
置されなくてもよいと理解されるべきであり、少なくと
も一つのVCSELピクセルまたはエレメント３１０のビー
ム偏向が実施されるのであれば、いずれの方向および量
にてずれていてもよい。 【００３４】本発明で使用されるマイクロレンズ３３０
は、アレイ３０５のVCSELレーザ３１０が生成し得る一
つまたは複数の広波長帯域の光ビーム、ならびにそれら
のレーザが光学的に励起され得るのであればそのいずれ
かの励起光をも透過する、いずれかの適切な基板３５０
上に製造できる。適切な基板材料としては、他にもある
が、ガラスおよび水晶が挙げられる。 【００３５】本発明によるマイクロレンズチップ３３０
の製造方法の例示的実施形態の一つでは、水晶から成る
基板３５０を半導体構造体３０７にフリップチップ接合
させた。その後、一つ以上の厚いＳｉＯ2の誘電性フィ
ルム（図示せず）を、基板３５０の上または上方に蒸着
させた。次に、フォトレジストパターンをリフローイン
グすることにより、基板３５０の上または上方に形成さ
れたＳｉＯ2層の上または内部に、マイクロレンズ３３
０を形成した。続いて、一対一(one-to-one)プラズマエ
ッチングによって、マイクロレンズ３３０を基板３５０
に転写した。 【００３６】別の例示的実施形態では、屈折性マイクロ
レンズ３３０を市販で入手し、基板３５０の上または上
方に直接付着させることもできる。数々の例示的実施形
態においてマイクロレンズ３３０は、屈折率１．４５５
を有する水晶、屈折率３．５を有するシリコン、または
窒化物によって形成される。窒化物の屈折率は使用する
窒化物の種類によって異なるが、本発明によるマイクロ
レンズ３３０の数々の例示的実施形態においては、窒化
物マイクロレンズ３３０の屈折率の妥当な想定値は約
２．０３である。本発明の数々の例示的実施形態では、
マイクロレンズ３３０の直径は約１３０ミクロン（μ
ｍ）、マイクロレンズ３３０の比較的薄い縁部と比較的
厚い中心部との厚さの差異は約５ミクロン（μｍ）、そ
してマイクロレンズ３３０の焦点距離は、マイクロレン
ズ３３０の曲率半径をマイクロレンズ３３０の屈折率−
１で除算して得られる数値に等しく、すなわち焦点距離
＝（（曲率半径）／（屈折率−１））である。
スキャナの分野に関する。 【０００２】 【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光学ス
キャニングおよび他の光学システムを用いる光学通信シ
ステムでは、しばしばレーザ光源が使用される。近年、
垂直共振器型面発光レーザ、すなわちVCSELという特殊
な種類のレーザが、光学システムのレーザ光源として使
用されるようになった。一般的に光学スキャニング、特
にVCSELスキャニングを用いる数々の用途の一つに、テ
レコミュニケーションやケーブルおよび衛生テレビをも
含む自由空間光学通信がある。 【０００３】光学ビームスキャニングシステムによって
は、機械的に駆動されるスキャニング素子を使用するも
のもあるが、それらは複雑な駆動システムを要し、作動
の際に比較的大きなパワーを必要とする。他のスキャニ
ングシステムでは、電界の変化に応じて作動する変形可
能なマイクロミラーを用いる。また他のスキャニングシ
ステムでは、音響光学的な光ビーム偏向を実施する。さ
らに他のスキャニングシステムでは、電気光学的または
磁気光学的ビーム偏光器を使用する。これらのシステム
の多くは、無線周波数のフェーズドアレイレーダシステ
ムと相似した作動をする光学フェーズドアレイを用い
る。しかし上記の各光学スキャニングシステムは、ビー
ム切り換え速度および偏向角度において限界がある。 【０００４】小型レーザビームスキャナもまた、イメー
ジ形成および自由空間光学通信システムを含む様々な光
学スキャニングの用途で使用されている。マイクロレン
ズを含むVCSELアレイのモノリシック集積として知られ
ている、従来技術の小型レーザスキャニングアレイの一
つを、図１に示す。このモノリシック集積VCSELは、VCS
ELアレイと、VCSELのＧａＡｓ基板内に形成された組み
込み式マイクロレンズとを有する。図１に示すデバイス
の一つの問題点は、VCSELの基板材料がレーザ波長に対
して透過性でなくてはならないことである。 【０００５】小型半導体レーザアレイの別の一例が、米
国特許第６，１２１，９８３号（特許文献１）で開示さ
れている（この出願の全体を、本願に引用し援用す
る）。この特許文献１は、垂直共振器型面発光レーザ
（VCSEL）アレイのレーザ面の線形アレイを開示してい
る。このレーザアレイの光出力は、ミラーアレイを用い
てスキャンされる。各VCSELエレメントにマイクロレン
ズが設けられ、VCSELエレメントが発するレーザビーム
の発散を低減するようになっている。各マイクロレンズ
は、対応するVCSELエレメントとの間にスペーサによっ
て間隔が設けられて配置され、レンズの焦点が対応する
VCSELエレメントの位置に一致するようになっている。
スキャニングは、ミラーアレイを用いて実施する。図２
に、レーザ光ビームの発散を低減するようマイクロレン
ズエレメントが取り付けられたVCSELエレメントを示
す。 【０００６】従来技術のVCSELアレイの他の一例が、米
国特許第６，２４６，７０８号（特許文献２）で開示さ
れている（この出願の全体を、本願に引用し援用す
る）。この特許文献２は、レーザ構造体のアドレス指定
を可能にする、トランジスタ素子の形態のマトリックス
アドレス指定回路を含む電子部品を集積化したVCSELア
レイを開示している。 【０００７】上述の従来技術のデバイスに関する問題点
を克服するマイクロレーザスキャナが、必要とされてい
る。 【０００８】本発明は、VCSELアレイ上に屈折性マイク
ロレンズを集積化して形成されたマイクロレーザビーム
スキャナを提供する。 【０００９】本発明はまた別個に、VCSELアレイ上に屈
折性マイクロレンズを集積化する方法を提供する。 【００１０】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の線形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【００１１】本発明はまた別個に、VCSELエレメントの
二次元アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【００１２】本発明はさらに別個に、VCSELエレメント
の円形アレイ上に集積化される屈折性マイクロレンズ
と、その屈折性マイクロレンズの集積化方法とを提供す
る。 【００１３】 【特許文献１】米国特許第６１２１９８３号明細書 【特許文献２】米国特許第６２４６７０８号明細書 【００１４】 【課題を解決するための手段】数々の例示的実施形態に
おいて、マイクロレンズとVCSELアレイとの集積化は、V
CSEL基板上にマイクロレンズチップをフリップチップ接
合することにより達成される。本発明のシステムおよび
方法の数々の例示的実施形態において、マイクロレンズ
は、VCSELアレイ内の別々のピクセルの光学出力を異な
る方向へ方向付けるために用いられる。このようなシス
テムは、自由空間通信のみならず、たとえば電子写真式
露光システムや光学レーダなどの他の光学ビームスキャ
ニングの用途においても利用できる。 【００１５】本発明によるマイクロレーザスキャナは、
いずれのレーザ波長においても、いずれの光学材料を用
いても作動するよう設計される。ここで提案するマイク
ロレーザスキャナは、可動パーツを含まない。 【００１６】本発明の上記および他の特徴ならびに利点
は、本発明によるシステムおよび方法の数々の例示的実
施形態に関する以下の詳細な説明中に記述されている
か、もしくは以下の説明から明白である。 【００１７】 【発明の実施の形態】添付の図面を参照しつつ、本発明
の数々の例示的実施形態を詳細に説明する。 【００１８】以下の詳細な説明および添付の図面を参照
することにより、本発明をより完全に認識でき、本発明
に付随する多くの利点を容易に認識および理解できる。
異なる図面において、類似の要素には類似の符号を付
す。本発明の様々な特徴ならびに利点が、図面と共に以
下の説明を熟読することによってさらに明白になる。 【００１９】図１は、従来技術のモノリシック集積垂直
共振器型面発光レーザ（VCSEL）デバイス１００の断面
図を示す。VCSELデバイス１００は、一次元アレイ１０
５状に配置された複数のピクセルまたはエレメント１１
０を有する。VCSELピクセルまたはエレメント１１０
は、半導体レーザ構造体１０７の一部として形成されて
いる。ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）層１２０が、VCSELピ
クセルまたはエレメント１１０の発光表面を覆って形成
される。マイクロレンズ１３０は、VCSELピクセルまた
はエレメント１１０に隣接するＧａＡｓ層の表面とは反
対側のＧａＡｓ層１２０の表面１２２上に形成される。
VCSELエレメント１１０が発するレーザ光の波長が８５
０ｎｍ未満の場合、そのレーザ光に対してＧａＡｓ基板
が高い吸収性を示すため、VCSELデバイス１００の作動
帯域は制限されている。 【００２０】図２は、マイクロレンズ２３０を有する第
二の従来のVCSELデバイス２００を示す。図２に示すと
おり、VCSELデバイス２００は基板２２０を含み、その
基板２２０上にVCSELピクセルまたはエレメント２１０
のアレイ２０５が形成されている。スペーサ層２４０
が、VCSELピクセルまたはエレメント２１０の上あるい
は上方に形成される。スペーサ層２４０の上あるいは上
方に、複数のマイクロレンズ２３０が形成される。各マ
イクロレンズ２３０は、VCSELピクセルまたはエレメン
ト２１０の一つに関連づけられている。各マイクロレン
ズ２３０は、対応するVCSELエレメント２１０が発する
レーザビームの発散を低減する。各マイクロレンズエレ
メント２３０は、対応するVCSELエレメント２１０との
間にスペーサ層２４０によって間隔が設けられて配置さ
れ、それにより各VCSELエレメント２１０が対応するマ
イクロレンズ２３０の焦点に位置している。 【００２１】図３は、本発明による集積デバイス３００
の例示的実施形態を示す。図３に示すとおり、集積デバ
イス３００は基板層３０２を含む。半導体構造体３０７
が、基板層３０２の上あるいは上方に形成されている。
半導体構造体３０７は、二つ以上のVCSELエレメント３
１０のアレイ３０５を含む。基板またはプレート３５０
が、はんだバンプ３４０を介して半導体構造体３０７に
取り付けられている。このタイプの接合構造は、フリッ
プチップ接合として知られている。数々の例示的実施形
態において基板またはプレート３５０は、たとえば水
晶、または適切な屈折率および寸法安定性を有するいず
れの材料で形成されてもよい。 【００２２】プレート３５０の上あるいは上方にマイク
ロレンズ３３０が形成され、マイクロレンズ３３０はVC
SELエレメント３１０のアレイ３０５に対して、幾何学
的に上方に位置する。別々のVCSELエレメントからの出
力は、マイクロレンズ３３０を通過した後、異なる方向
へ屈折する。したがって、異なるVCSELエレメント３１
０を順次オンおよびオフにすることによって、スキャニ
ングが達成される。 【００２３】VCSELピクセルまたはエレメント３１０と
マイクロレンズ３３０との精緻な整列は、半導体構造体
３０７と、マイクロレンズ３３０を担持するプレート３
５０との間に位置するはんだバンプ３４０をリフローイ
ングすることによって達成される。はんだ湿潤金属パッ
ド（図示せず）が、半導体構造体３０７の表面およびVC
SELピクセル／エレメント３１０と対向する基板３５０
の表面の両方に設けられる。VCSELデバイス３００は、
米国特許第６，２０８，６８１号に記載の技術を用いて
製造できる（この出願の全体を、本願に引用し援用す
る）。 【００２４】米国特許第６，２０８，６８１号によれ
ば、VCSELピクセルまたはエレメント３１０の中心間の
ピッチまたは間隔が約７μｍ未満のアレイ３０５状に、
VCSELピクセルまたはエレメント３１０を製造可能であ
る。数々の例示的実施形態において、VCSELアレイピッ
チが約６μｍである場合、マイクロレンズの適切な焦点
距離は５００μｍになる。一般的に、VCSELピクセルま
たはエレメント３１０のアレイ３０５の中心は、マイク
ロレンズ３３０の焦点に位置する。このような構成を有
する本発明による集積VCSELのこの例示的実施形態にお
いて、２個の隣接するVCSELピクセルまたはエレメント
３１０を順次オンにすることによって得られるスキャン
角は、０．６８度である。したがって、１０個のVCSEL
ピクセルまたはエレメント３１０を有するアレイ３０５
において、各ピクセルを順次オンにした場合、６度のス
キャン角が得られる。 【００２５】図４は、５個のVCSELピクセルまたはエレ
メント３１０を有する一次元アレイ３０５を示す平面図
である。図４に示すVCSELピクセルまたはエレメント３
１０の数は単に例証的であり、用途によって可変であ
る。 【００２６】図５および図６は、本発明の集積VCSELの
他の例示的実施形態を示す。図４に示すようなVCSELピ
クセルまたはエレメント３１０の一次元アレイ３０５を
設ける代わりに、図５および図６はVCSELピクセルまた
はエレメント３１０の二次元アレイ３０５を表す。 【００２７】図６は、マイクロレンズ３３０の軸焦点(a
xial focus)を中心とする円形パターン状に配置した、V
CSELピクセルまたはエレメント３１０の二次元アレイ３
０５を示す。この構成により、円錐形のビームスキャン
パターンが得られる。 【００２８】図７は、本発明と共に使用できる、垂直共
振器型面発光レーザ構造体および集積電子部品構造体を
示す。この構造は、米国特許第６，２４６，７０８号に
さらに詳しく記述されている（この出願の全体を、本願
に引用し援用する）。本発明による集積VCSELには、図
７に示すように集積スキャニング電子部品を組み込んで
もよいし、あるいは米国特許第６，２４６，７０８号に
開示するように、外部のアドレス指定およびスキャニン
グ回路を用いてもよい。 【００２９】図７は、垂直共振器型面発光レーザ（VCSE
L）ピクセル３１０を示す。VCSELピクセルエレメント３
１０は、基板３５４と、下部ミラー構造体３５８と、活
性層３６２の上下に位置するスペーサ層３６４および３
６０と、上部ミラー構造体３６８とを含む。レーザビー
ムＢは、上部ミラー構造体３６８を通過して放射され
る。VCSELピクセルエレメント３１０の上方には、保護
層３１１が設けられる。図７はさらに、第一および第二
のトランジスタ構造体３０８および３０９を示す。各ト
ランジスタ構造体３０８および３０９は、それぞれゲー
ト電極３１２および３１４と、絶縁層３１６および３１
８とを有する。ゲート電極の上方には、チャネル材料３
２０および３２２がそれぞれ設けられる。チャネル材料
３２０，３２２の上方に、保護材料３２４および３２６
がそれぞれ設けられる。 【００３０】第一のトランジスタ３０８にはソース３２
８およびドレイン３２９が設けられ、第二のトランジス
タ３０９にはソース３２８’およびドレイン３２９’が
設けられる。ドレイン３２９は、導電領域３１５を通じ
てゲート３１４と電気的接続する。同様に、ドレイン３
２９は導電領域３１３を通じて、レーザ構造体の電極３
７０と電気的接続する。 【００３１】図８は、図７に示すデバイスを表す平面図
であり、集積VCSELおよび関連電子部品３１０の一つの
実施形態を示す。三次元アレイにおいては、図示するVC
SEL３１０の上方および下方に複数のVCSEL３１０が存在
することもある。電圧源（図示せず）からの電圧を駆動
ライン３８０に印加し、VCSEL３１０を駆動する。図８
はさらに、トランジスタ３０８のゲート３１４と駆動ラ
イン３８０を接続させるキャパシタ３８２を示す。キャ
パシタ３８２は、駆動ライン３８０の一部の下方に位置
する、トランジスタ３０９のゲート接点材料の延伸部を
含む。 【００３２】アレイの作動の詳細は、本願に引用する米
国特許第６，２４６，７０８号に記載されている。本明
細書で開示するフリップチップマイクロレンズアレイピ
クセル３１０は、図７および図８に示す回路を用いてオ
ンおよびオフにすることができる。 【００３３】VCSELピクセルまたはエレメント３１０の
アレイ３０５は、マイクロレンズ３３０の軸を中心に配
置されなくてもよいと理解されるべきであり、少なくと
も一つのVCSELピクセルまたはエレメント３１０のビー
ム偏向が実施されるのであれば、いずれの方向および量
にてずれていてもよい。 【００３４】本発明で使用されるマイクロレンズ３３０
は、アレイ３０５のVCSELレーザ３１０が生成し得る一
つまたは複数の広波長帯域の光ビーム、ならびにそれら
のレーザが光学的に励起され得るのであればそのいずれ
かの励起光をも透過する、いずれかの適切な基板３５０
上に製造できる。適切な基板材料としては、他にもある
が、ガラスおよび水晶が挙げられる。 【００３５】本発明によるマイクロレンズチップ３３０
の製造方法の例示的実施形態の一つでは、水晶から成る
基板３５０を半導体構造体３０７にフリップチップ接合
させた。その後、一つ以上の厚いＳｉＯ2の誘電性フィ
ルム（図示せず）を、基板３５０の上または上方に蒸着
させた。次に、フォトレジストパターンをリフローイン
グすることにより、基板３５０の上または上方に形成さ
れたＳｉＯ2層の上または内部に、マイクロレンズ３３
０を形成した。続いて、一対一(one-to-one)プラズマエ
ッチングによって、マイクロレンズ３３０を基板３５０
に転写した。 【００３６】別の例示的実施形態では、屈折性マイクロ
レンズ３３０を市販で入手し、基板３５０の上または上
方に直接付着させることもできる。数々の例示的実施形
態においてマイクロレンズ３３０は、屈折率１．４５５
を有する水晶、屈折率３．５を有するシリコン、または
窒化物によって形成される。窒化物の屈折率は使用する
窒化物の種類によって異なるが、本発明によるマイクロ
レンズ３３０の数々の例示的実施形態においては、窒化
物マイクロレンズ３３０の屈折率の妥当な想定値は約
２．０３である。本発明の数々の例示的実施形態では、
マイクロレンズ３３０の直径は約１３０ミクロン（μ
ｍ）、マイクロレンズ３３０の比較的薄い縁部と比較的
厚い中心部との厚さの差異は約５ミクロン（μｍ）、そ
してマイクロレンズ３３０の焦点距離は、マイクロレン
ズ３３０の曲率半径をマイクロレンズ３３０の屈折率−
１で除算して得られる数値に等しく、すなわち焦点距離
＝（（曲率半径）／（屈折率−１））である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザビームスキャニングのためのマイクロ
レンズを含む、従来技術のモノリシック集積VCSELアレ
イを示す図である。 【図２】 各VCSELエミッタに対してマイクロレンズが
設けられ、ミラースキャナを含む、従来技術のVCSELア
レイを示す図である。 【図３】 本発明によるマイクロレーザスキャナの例示
的実施形態の一つを示す断面図である。 【図４】 本発明によるマイクロレーザスキャナの一次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図５】 本発明によるマイクロレーザスキャナの二次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図６】 本発明によるマイクロレーザスキャナの円形
二次元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図７】 本発明と共に使用できる、垂直共振器型面発
光レーザ構造および集積電子回路部品を示す断面図であ
る。 【図８】 図７に示すデバイスの平面図である。 【符号の説明】 ３０５ アレイ、３１０ VCSELエレメント、３３０
マイクロレンズ、３４０ はんだバンプ、３５０ 基
板。
レンズを含む、従来技術のモノリシック集積VCSELアレ
イを示す図である。 【図２】 各VCSELエミッタに対してマイクロレンズが
設けられ、ミラースキャナを含む、従来技術のVCSELア
レイを示す図である。 【図３】 本発明によるマイクロレーザスキャナの例示
的実施形態の一つを示す断面図である。 【図４】 本発明によるマイクロレーザスキャナの一次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図５】 本発明によるマイクロレーザスキャナの二次
元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図６】 本発明によるマイクロレーザスキャナの円形
二次元アレイ状の実施形態を示す断面図である。 【図７】 本発明と共に使用できる、垂直共振器型面発
光レーザ構造および集積電子回路部品を示す断面図であ
る。 【図８】 図７に示すデバイスの平面図である。 【符号の説明】 ３０５ アレイ、３１０ VCSELエレメント、３３０
マイクロレンズ、３４０ はんだバンプ、３５０ 基
板。
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フロントページの続き
(72)発明者 マイケル エイ ローザ
アメリカ合衆国 カリフォルニア サン
ノゼ エラン ヴィレッジ レーン 350
アパートメント ＃209
Ｆターム(参考） 5F073 AB04 AB14 AB17 AB27 BA02
EA29 FA08 FA30 GA38
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 発光表面を通じて光を発する複数の垂直
共振器型面発光レーザエレメントを有するアレイと、 はんだバンプを含むフリップチップ接合を介して前記発
光表面に接着されたマイクロレンズと、 マイクロレンズ内を透過する光を発するよう複数の垂直
共振器型面発光レーザエレメントを順次作動させる駆動
アクチュエータと、を有するマイクロレーザアレイ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/683,053 | 2001-11-13 | ||
| US09/683,053 US20030091084A1 (en) | 2001-11-13 | 2001-11-13 | Integration of VCSEL array and microlens for optical scanning |
Publications (1)
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|---|---|
| JP2003188460A true JP2003188460A (ja) | 2003-07-04 |
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ID=24742363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20030091084A1 (ja) |
| EP (1) | EP1317038A3 (ja) |
| JP (1) | JP2003188460A (ja) |
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