JP5734841B2 - 垂直共振器面発光レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、垂直共振器面発光レーザであって該レーザにより発せられた光の強度を測定するように構成されたフォトダイオードが一体化されたレーザを有する垂直共振器面発光レーザ装置に関する。本発明は更に、斯かる垂直共振器面発光レーザを含む、距離及び/又は動きを測定するための光学センサに関する。
フォトダイオードと一体化された垂直(拡張)共振器面発光レーザ(VCSEL/VECSEL)は、自己混合干渉(SFI)に基づく光学センサのための魅力的な装置である。これらVCSELに一体化されたフォトダイオード(VIP)は、Philips Laser Sensorのtwin-eye(登録商標)センサのための重要な構成要素である。一体化されたフォトダイオードを持つVCSELの更なる用途においては、該フォトダイオードの信号が、VCSELの出力パワーを制御又は安定化するためのフィードバック信号として利用される。
一体化されたフォトダイオードを持つVCSEL装置の既知の設計は、VCSEL構造の底部に配置され、且つ離隔層によりVCSELの底部DBR(Distributed Bragg Reflector、分布ブラッグ反射器)から離隔された、該フォトダイオードを形成するエピタキシャル積層を有する。他の設計においては、フォトダイオードはVCSELの底部DBR内に一体化される。後者の設計は、例えば米国特許出願公開US2003/0021322A1に開示されており、該文献は、VCSELの底部DBR内に一体化された、nドープ領域、真性領域、及びpドープ領域から形成されたフォトダイオードを記載している。この目的のため、底部DBRは、第1のnドープ部分と第2のpドープ部分とに分離される。第2のpドープ部分はフォトダイオードのpドープ領域を形成し、真性領域及びnドープ領域はDBRの2つの部分間に配置される。VCSELとフォトダイオードとは、フォトダイオードのnドープ領域における抵抗n接点として実現される共通電極を共有し、該電極は底部DBR内に当該設計において必要とされる離隔層を形成する。
以上に示したようにフォトダイオードはVCSELに一体化され得るが、製造コストが標準的なVCSELよりもかなり高くなってしまう。このことは、単純なVCSELの場合におけるよりも、一体化されたフォトダイオードを持つVCSELのほうが、必要とされるエピタキシャル積層がかなり厚くなることによる。更に、フォトダイオードのpドープ領域が電気的に接触される必要がある設計においては、一体化されたフォトダイオードのpドープ層への抵抗接触を提供するために、特殊な製造工程が必要となる。第1の欠点は、底部DBR内に厚いnドープ離隔層を必要とする米国特許出願公開US2003/0021322の装置にも当てはまる。斯かる厚い離隔層は、製造の間にリアクタ成長を増大させ、且つフォトダイオードを一体化する代わりにVCSELの底面に光検出器を単純に設置する場合と略同じくらい高価であるため、望ましくない。離隔層はまた、ミラーの反射率と底部DBRの上部及び下部の位相とが合致するようにする、製造の間の正確な厚さ制御を必要とする。
本発明の目的は、先行技術の方法に比べて複雑でない製造と減少されたエピタキシャル積層の厚さとを両立した、フォトダイオードが一体化された垂直共振器面発光レーザを提供することにある。
本目的は、請求項1、2及び15に記載の垂直共振器面発光レーザ及び光センサモジュールにより達成される。垂直共振器面発光レーザの有利な実施例は、従属請求項の主題であり、本明細書及び好適な実施例の以降の部分において説明される。
提案される垂直共振器面発光レーザ装置は、垂直共振器面発光レーザであって前記レーザにより発せられた光の強度を測定するように構成されたフォトダイオードが一体化されたレーザを有する。前記フォトダイオードは、半導体物質の第1のnドープ領域、pドープ領域、真性領域及び第2のnドープ領域の層シーケンスから形成される。前記フォトダイオードと前記レーザとは、前記第1のnドープ領域における抵抗n接点として実現される共通電極を共有する。斯かる装置は、nドープ基板上に製造され得る。代替の方法は、pドープ基板に製造される装置である。この場合、上述した及び以下の説明における全てのドープは逆となり、即ちpの代わりにn、及びnの代わりにpとなる。
本特許出願において、「垂直共振器面発光レーザ」はいわゆる外部垂直共振器面発光レーザ(VECSEL)をも含む。以下、単に単純さのため、VCSELなる略語が双方のタイプのレーザを指すために用いられる。
n−p−i−nドープ半導体物質のエピタキシャル積層に基づくフォトダイオードを用いることにより、提案される装置の設計は、フォトダイオードの第1のnドープ領域における抵抗n接点として実現される、VCSEL陰極及びフォトダイオード陽極の共通電極の使用を可能とする。それ故、該装置の電気的な接触のためには1つのp接点しか必要とされず、それにより製造の複雑さを低減する。フォトダイオードの付加的な(第1の)nドープ層は、厚い離隔層の機能を実行するために必要とされず、装置全体を形成するエピタキシャル積層は、先行技術の積層よりも薄く製造されることができる。以上の全ては、先行技術の方法に比べて、製造コスト、製造時間及び製造の複雑さの低減に帰着する。
提案される装置のフォトダイオードは、VCSELのDBRの1つに一体化されても良いし、又はVCSELの層構造の延長として形成されても良い。後者の設計においては、VCSELがpドープDBRとnドープDBRとの間に埋め込まれた活性領域を含む第1の層構造を有し、フォトダイオードは該第1の層構造の延長として形成され、それによりフォトダイオードの第1のnドープ領域がVCSELのnドープDBRに面する。
最適な結果は、レーザ閾値電流がレーザ動作電流の30%未満であるレーザ設計により達成される。更に、フォトダイオードのバイアスは、フォトダイオードの設計に依存して適切に選択されるべきあり、例えば少なくとも約0.4Vである。フォトダイオードは、例えば0.4Vのような低いバイアスにおいて、検出器のキャパシタンスが十分に低く検出器の応答性が所望の動作のために十分高くなるように、真性層が完全に空乏しているか又は十分に空乏しているよう設計されるべきである。
提案される装置のVCSELは、活性領域を埋め込みレーザ空洞の2つの端部ミラーを形成する2つの層構造を持つ、本分野において知られた設計を持つ。これらの端部ミラーは好適には、分布ブラッグ反射器(distributed Bragg reflector、DBR)である。一方、活性領域は量子井戸構造により形成される。VCSELは、上部又は底部発光型として設計され得る。
フォトダイオードの層をバルク層として形成する場合、これらバルク層は約2μmの厚さを持つ。分子ビームエピタキシ(MBE)の典型的な成長速度である500nm/hに基づくと、このことはMBIシステムがこれらのバルク層を形成するだけで1日よりも長く掛かることを意味する。この製造時間を短縮するため、提案される装置の有利な実施例においては、フォトダイオードが、VCSELのDBRの1つに一体化された、好適には500nm以下の厚さの、薄い層に基づく。一実施例においては、斯かるフォトダイオードは量子井戸構造から形成される。量子井戸は数ナノメートルの厚さしかなく、垂直共振器発光レーザのエピタキシャル成長において容易に含められ得る。このことは上述した薄い層にも当てはまる。このことは、斯かる装置のエピタキシャル成長に必要とされる時間をかなり短縮する。
薄い層は厚いバルク物質よりも吸収が小さいため、斯かる薄い層又は量子井戸を持つ提案されるフォトダイオードは、VCSELのDBRの1つに一体化される。この場合におけるVCSELは、第1のDBRと第2のDBRとの間に埋め込まれた活性領域を含む第1の層構造を有し、該フォトダイオードの第1のnドープ領域、pドープ領域、真性領域及び第2のnドープ領域が第2のDBRに組み込まれる。この目的のため、第2のDBRは、該活性領域に隣接する第1のnドープ部分、第2のpドープ部分、及び第3のnドープ部分から成る3つの部分から形成されても良い。該フォトダイオードの第1のnドープ領域はこのとき、第2のDBRの第1のnドープ部分から形成される。該フォトダイオードのpドープ領域は、第2のDBRの第2のpドープ部分から形成され、該フォトダイオードの第2のnドープ領域は、第2のDBRの第3のnドープ部分から形成される。吸収層を形成する該フォトダイオードの真性領域は、第2のDBRの第2の部分と第3の部分との間に配置される。該第2のDBRは例えば、上部発光型VCSELの底部DBRであっても良い。以上の領域を第2のDBRに組み込むため、フォーマットを形成するために必要とされる機能を実行するために、該DBRの対応する薄い層はドープ濃度及び物質組成に適合される必要がある。例えば、850nmで発光するVCSELの場合、DBRはAlGa1−xAsの層から形成されても良く、xは所望の高い反射率を達成するように選択される。一体化されたフォトダイオードがない場合には、Alの量は層における光吸収を回避するため最小値よりも高く設定される。しかしながら、フォトダイオードを一体化する場合には、フォトダイオードの吸収層におけるAlの量は、所望の吸収を実現するために低下させられる。
フォトダイオードにより検出される自発光と励起光との関係を制御するため、フォトダイオードの即ち真性領域の吸収量子井戸の縦方向位置は注意深く選択され、好適には、レーザ空洞におけるレーザ放射の定常波パターンの最大値又は該最大値に近い位置とされる。フォトダイオードはこのとき、自発光に比べて励起光をより良く検出する。
フォトダイオードにより検出される自発光の量を制御又は低減する更なる好適な方法として、1つ以上の注意深くドープされた量子井戸又はその他のドープされた層が、スペクトルフィルタを生成するようにフォトダイオードの真性領域とpドープ領域との間に配置され、好適には第2のDBRのpドープ部分に組み込まれる。該スペクトルフィルタは、励起光の波長領域の外の自発光の通過を遮断又は低減して、より少ない自発光のみをフォトダイオードの真性領域に到達させるように設計される。
提案される光学モジュールは、物体により反射させられたときにレーザ空洞に再び入りフォトダイオードにより測定される自己混合効果を生成する測定ビームを発するような、少なくとも1つの垂直共振器発光レーザを有する。距離及び/又は動きを測定するための斯かる光学測定モジュールはまた、フォトダイオードの測定信号に基づいて距離及び/又は動きを算出する適切な信号処理回路を含むか又は斯かる回路に接続される。斯かる光学モジュールは、入力装置に埋め込まれても良いし、又は斯かる入力装置を含む装置に埋め込まれても良い。該入力装置が利用され得る機器は、例えばデスクトップ型コンピュータ用のマウス、ノート型コンピュータ、携帯電話、PDA(personal digital assistant)及び携帯型ゲームコンピュータである。該モジュールはまた、例えば物体の距離又は動き、液体の動き、及び液体に含まれる粒子の動きを測定するための、プロフェッショナル向け測定機器において利用されても良い。一般的に、本発明は、レーザ自己混合効果が利用され得るいずれの用途においても利用され得る。
本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照しながら説明され明らかとなるであろう。
提案される垂直共振器面発光レーザ装置は、添付図面を参照しながら、例として以下に説明されるが、これらは請求項により定義される保護の範囲を限定するものではない。
提案される装置の第1の実施例の模式的な図である。 提案される装置の第2の実施例の模式的な図である。 提案される装置の第3の実施例の模式的な図である。
図1は、提案される装置の設計の例の模式的な図である。本図は、フォトダイオード2を形成する層のシーケンスの上端に配置されたVCSEL構造1を示している。該上部発光型VCSELは、下部DBR3と上部DBR4との間に埋め込まれた活性領域5を含む層構造を有する。上部DBR4はpドープされており、下部DBR3はnドープされている。斯かる上部発光型VCSELにおいては、上部DBRは、活性領域5において生成されるレーザ放射に対して、例えば98%の反射率により、部分的に透過性となるように形成され、該DBRが出力ミラーとして動作することを可能とする。上部及び下部DBRは典型的には、それぞれが高い及び低い屈折率を持つ交番するGaAs層(高屈折率)及びAlAs層(低屈折率)から構成される。GaAs層は低いAl%を持ち、以下AlGa1−xAs層と呼ばれ、該物質のバンドギャップが光子エネルギより高くなるようにされる。下部DBRは、生成されるレーザ放射に対して、例えば99%以上の反射率により、非常に反射率の高いものとなるよう設計される。それでも、レーザ放射の僅かな部分は該下部DBRを通過し、VCSELの底面に配置されたフォトダイオード2において検出される。
フォトダイオード2は、上部のnドープAlGa1−xAs層6、pドープAlGa1−xAs層7、真性AlGa1−xAs層8、及び底部のnドープAlGa1−xAs層9の層のシーケンスから形成される。該設計は、VCSELの陰極とフォトダイオード2の陽極とが、フォトダイオードの上部のnドープAlGa1−xAs層6の上端における抵抗n接点10として実現される、共通電極を共有することができるという利点を持つ。フォトダイオードの陰極を形成する更なる抵抗n接点11は、フォトダイオードの底部のnドープAlGa1−xAs層9の底部に配置される。更なる必要とされる抵抗p接点12は、本分野において知られるようにVCSELを形成する層の上端に配置される。それ故、本装置のためには1つのp接点だけが必要とされ、製造の複雑さを低減する。フォトダイオードの種々の層は、例えば以下の厚さ及びドープ濃度を持っても良い。
−上部のnドープAlGa1−xAs層6:約2μmの厚さ、4.2*1018(1/cm)のドープ濃度。
−pドープAlGa1−xAs層7:約2μmの厚さ、2.0*1019(1/cm)のドープ濃度。
−真性AlGa1−xAs層8:約2μmの厚さ、ドープなし
−底部のnドープAlGa1−xAs層9:基板を形成する約650μmの厚さ、3.1*1018(1/cm)のドープ濃度。
これら抵抗接触は好適には、p接点についてはTi/Pt/Auから作られ、n接点についてはGe/Au/Ni/Auから作られる。
図2は、フォトダイオードが量子井戸構造から形成される、提案される装置の更なる例を示す。本例においては、フォトダイオードはVCSELの底部DBR3a乃至3cに一体化される。上部DBR4及び活性領域並びにVCSELの陽極を形成する抵抗p接点12は、従来の態様で設計される。底部DBR3は、3つの部分に分けられる。上部分3aはnドープされ、中間部分3bはpドープされ、底部分3cはnドープされる。中間部分3bと底部分3cとの間には、フォトダイオードの真性領域を形成する吸収量子井戸構造14が配置される。この設計により、提案される装置のn−p−i−nフォトダイオードの上部nドープ領域、pドープ領域、及び下部nドープ領域は、底部DBRの層により形成される。上部nドープ領域は、底部DBRの上部nドープ部分3aにより形成される。pドープ領域は、底部DBRの中間pドープ部分3bにより形成され、下部nドープ領域は、底部DBRのnドープ底部3cにより形成される。吸収量子井戸構造14を除けば、該フォトダイオードを設定するために当該構造の底部DBR3には付加的な層は追加されていない。このことは、本装置を形成するエピタキシャル積層が、標準的なVCSELと略同じくらいの厚さであることを意味する。該フォトダイオードのために、6μm以上のバルク物質を成長させる必要はない。このことは、製造時間及びコストを低減させる。VCSELの陰極と同時にフォトダイオードの陽極を形成する抵抗n接点は、フォトダイオードの上部nドープ領域を同時に表す底部DBR3の上部nドープ部分3aに配置される。全体の層構造は、nドープ基板13上で成長し、該基板に対して、底部においてフォトダイオードの陰極のための抵抗n接点が取り付けられる。
図3は、図2の装置と同様に構成される、提案される装置の更なる例を示す。唯一の相違点は、底部DBR3のpドープ部分、即ち該底部DBRの中間部分3bに形成された、付加的な量子井戸又は量子井戸構造15である。吸収量子井戸構造14上の該付加的な量子井戸構造15は、活性領域5からフォトダイオードの真性領域に向かって伝播する光をフィルタリングするように構成され、該フィルタリングにより、レーザの励起光が通過することができ、励起発光の波長範囲外の波長範囲における自発光が大きく低減される。吸収光の再発光を防ぐようにドープされた当該付加的なフィルタ量子井戸構造15により、吸収量子井戸14により検出される自発光の量は低減される。
本発明は図面及び以上の記述において説明され記載されたが、斯かる説明及び記載は説明するもの又は例示的なものとみなされるべきであり、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。以上において及び請求項において記載された種々の実施例は、組み合わせられても良い。図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。例えば、利用されるVCSELは他の物質層から構成されても良いし、又は、本分野において知られた底部発光型レーザであっても良い。更に、垂直拡張共振器面発光レーザとして半導体レーザが設計されても良い。積層における層の数は、本発明により限定されるものではない。該数は、該積層の必要とされる光学特性のために適切に選択され得る。
請求項において、「有する(comprising)」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「1つの(a又はan)」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項における参照記号は、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
1 VCSELの層構造
2 フォトダイオードの層のシーケンス
3 下部DBR
3a 底部DBRの上部分
3b 底部DBRの中間部分
3c 底部DBRの底部分
4 上部DBR
5 活性領域
6 上部のnドープAlGa1−xAs層
7 pドープAlGa1−xAs層
8 真性AlGa1−xAs層
9 下部のnドープAlGa1−xAs層
10 抵抗n接点
11 抵抗n接点
12 抵抗p接点
13 nドープ基板
14 吸収量子井戸
15 フィルタ量子井戸

Claims (11)

  1. 垂直共振器面発光レーザであって前記レーザにより発せられた光の強度を測定するように構成されたフォトダイオードが一体化されたレーザを有する垂直共振器面発光レーザ装置であって、前記フォトダイオードは、半導体物質の第1のnドープ領域、pドープ領域、真性領域及び第2のnドープ領域の層シーケンスから形成され、
    前記フォトダイオードと前記レーザとは、前記第1のnドープ領域における抵抗n接点として実現される共通電極を共有し、
    前記レーザ装置は、第1の分布ブラッグ反射器と第2の分布ブラッグ反射器との間に埋め込まれた活性領域を含む第1の層構造を有し、前記フォトダイオードの前記第1のnドープ領域、前記pドープ領域、前記真性領域及び前記第2のnドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器に組み込まれ、
    前記フォトダイオードの前記第1のnドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の第1のnドープ部分から形成され、前記フォトダイオードの前記pドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の第2のpドープ部分から形成され、前記フォトダイオードの前記第2のnドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の第3のnドープ部分から形成され、前記フォトダイオードの前記真性領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の前記第2のpドープ部分と前記第3のnドープ部分との間に配置された、
    垂直共振器面発光レーザ装置。
  2. 垂直共振器面発光レーザであって前記レーザにより発せられた光の強度を測定するように構成されたフォトダイオードが一体化されたレーザを有する垂直共振器面発光レーザ装置であって、前記フォトダイオードは、半導体物質の第1のpドープ領域、nドープ領域、真性領域及び第2のpドープ領域の層シーケンスから形成され、
    前記フォトダイオードと前記レーザとは、前記第1のpドープ領域における抵抗p接点として実現される共通電極を共有し、
    第1の分布ブラッグ反射器と第2の分布ブラッグ反射器との間に埋め込まれた活性領域を含む第1の層構造を有し、前記フォトダイオードの前記第1のpドープ領域、前記nドープ領域、前記真性領域及び前記第2のpドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器に組み込まれ、
    前記フォトダイオードの前記第1のpドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の第1のpドープ部分から形成され、前記フォトダイオードの前記nドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の第2のnドープ部分から形成され、前記フォトダイオードの前記第2のpドープ領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の第3のnドープ部分から形成され、前記フォトダイオードの前記真性領域は、前記第2の分布ブラッグ反射器の前記第2のpドープ部分と前記第3のnドープ部分との間に配置された、
    垂直共振器面発光レーザ装置。
  3. pドープ分布ブラッグ反射器とnドープ分布ブラッグ反射器との間に埋め込まれた活性領域を含む第1の層構造を有し、前記フォトダイオードは、前記第1のnドープ領域が前記nドープ分布ブラッグ反射器に面するように前記第1の層構造の延長として形成される、請求項1に記載のレーザ装置。
  4. pドープ分布ブラッグ反射器とnドープ分布ブラッグ反射器との間に埋め込まれた活性領域を含む第1の層構造を有し、前記フォトダイオードは、前記第1のpドープ領域が前記pドープ分布ブラッグ反射器に面するように前記第1の層構造の延長として形成される、請求項2に記載のレーザ装置。
  5. 前記共通電極は、前記レーザの陰極及び前記フォトダイオードの陽極を形成する、請求項1又は3に記載のレーザ装置。
  6. 前記共通電極は、前記レーザの陽極及び前記フォトダイオードの陰極を形成する、請求項2又は4に記載のレーザ装置。
  7. 前記真性領域と前記pドープ領域との間にスペクトルフィルタリング層が形成され、前記フィルタリング層は、前記真性領域に伝播することが可能な自発光の量を低減させるように構成された、請求項1に記載のレーザ装置。
  8. 前記真性領域と前記nドープ領域との間にスペクトルフィルタリング層が形成され、前記フィルタリング層は、前記真性領域に伝播することが可能な自発光の量を低減させるように構成された、請求項2に記載のレーザ装置。
  9. 前記フォトダイオードは量子井戸構造から形成された、請求項1又は2に記載のレーザ装置。
  10. 前記真性領域は、前記レーザにおいて共振する光波の定常波パターンが最大値を持つ位置に配置された、請求項1又は2に記載のレーザ装置。
  11. 物体により反射させられたときにレーザ空洞に再び入り前記フォトダイオードにより測定される自己混合効果を生成する測定ビームを発する、少なくとも1つの請求項1又は2に記載のレーザ装置を含む、距離及び/又は動きを測定するための光学センサモジュール。
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