JP6461367B2 - 光センシング応用のための安全なレーザデバイス - Google Patents
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Description
本発明は特にセンシング応用に適したレーザデバイスに関する。本発明はさらに、レーザモジュール及びかかるレーザデバイスを有する光学センサ及びかかる光学センサを有するモバイル通信デバイスに関する。本発明はさらにかかるレーザデバイスを製造する方法に関する。
レーザデバイスはセンシング応用のためスマートフォンといったモバイル通信デバイス内で使用され得る。かかるセンシング応用は距離検出用の飛行時間測定、カメラオートフォーカス、シーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの３‐Ｄイメージングであり得る。かかるレーザデバイスの目の安全性は、かかるセンシング応用が広く受け入れられるために主要な問題になり得る。
ＵＳ２０１３／０２６６３２６Ａ１は、高パワー及び高周波数応答、及びその上に形成され得る様々なマイクロレンズ構造を持つ、ＶＣＳＥＬアレイデバイスとよばれるマルチビーム光電子デバイス、並びにその様々な利用法を開示する。ＶＣＳＥＬアレイデバイスは２以上のＶＣＳＥＬと短絡メサデバイスのアレイから成るＶＣＳＥＬのモノリシックアレイである。ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬはパワー若しくはスピード特性を改良するために数学関数に従った間隔で対称若しくは非対称の間隔で配置されるか、又は電気的に並列な回路において互いに隣り合う位相関係のために位置付けられる。ＶＣＳＥＬアレイのＶＣＳＥＬは熱拡散基板若しくはキャリア上に形成される第１の金属コンタクトパッドに電気的に接続される。
ＵＳ２００２／００７５９１１Ａ１は、全ＶＣＳＥＬが同時にモニタリングされ得るように、並列チャネル光学アレイにおける全ての垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の入力ビームの部分を回折させるように構成される回折光学配置（ＤＯＡ）を開示する。アレイ内の全チャネルについて、関連ＶＣＳＥＬの光学パワー出力をモニタリングするための検出器と、入力電流を調節するためのフィードバックシステムがある。ＤＯＡは片側にコリメートビーム入力領域、反対側にビーム出力領域、及び検出出力領域を有する。ＤＯＡはデータ送信のためにコリメートビーム入力領域からビーム出力領域へビームの第１の部分を通過させ、モニタリングのためにコリメートビーム入力領域から検出出力領域へ第２の部分を回折させるように構成される。コリメートビーム入力領域は回折機能を含み、これはコンピュータ合成ホログラム（ＣＧＨ）のものであり得るか若しくは回折格子であり得る。
ＵＳ６，６１８，４１４Ｂ１は第１のミラーに隣接する光学キャビティを含む垂直キャビティレーザを開示し、光学キャビティは半導体部と誘電体スペーサ層を持つ。誘電体ＤＢＲは誘電体スペーサ層に隣接して配置される。光学キャビティの半導体部と誘電体スペーサ層の間の界面は、その界面と関連する損失若しくは散乱を低減するために垂直キャビティレーザの光学定常波強度パターンにおけるｎｕｌｌ若しくはその付近に有利に置かれる。
従って改良されたレーザ安全性を伴うレーザデバイスを提供することが本発明の目的である。
第１の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは１の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有する。規定入力電力がメサに供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、メサは電気的に並列に接続される。レーザデバイスはさらに、レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、少なくとも１のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように、適応される。
レーザデバイスのレーザキャビティは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）などの２ミラー間で挟まれるアクティブ層を有する。第１のミラーは高反射性（＞９９％）であり、第２のミラーはレーザ発光を可能にするためにいくらか小さい反射率（＞９５％）を持つ。第２のミラーの反射率は、例えば入力電力に対するレーザパワーの勾配とレーザ閾値に影響を及ぼす。第２のミラーの反射率の低減はレーザ閾値を増加し、勾配を増加し、その逆も同様である。レーザ閾値の増加は所与の入力電力で発せられる光学パワーを低減し、勾配の増加は所与の入力電力における光学パワーを増加する。実験結果により、例えば、製造プロセスにおける典型的な発散を含め、第２のミラーの反射率が（例えば劣化により）低減するときに放射光学パワーが増加する可能性が高くなるように、所与の入力電力における放射光学パワーに影響を及ぼす複数の要因があるように見えることが示されている。さらに、飛行時間測定のようなセンシング応用のための環境光からの良好な区別、及びより大きなセンシング距離の必要性は、可能な限り高い放射レーザパワーの要望を増加する。後者はレーザパワーがレーザ安全性閾値若しくは安全性限界を下回る限り可能な限り多くのレーザパワーを供給するレーザデバイスの設計をもたらす。従って第２のミラーの反射性の劣化はレーザ光の放射コーンの所定立体角における安全性限界の逸脱をもたらし得る。さらに、レーザデバイスのメサの層のうち１の劣化は各レーザキャビティ内のモード選択に影響を及ぼし得るので、所定立体角における放射レーザ光の輝度が増加し得る。
レーザデバイスは従って、少なくとも１のメサの劣化が、規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少を、及び好適には規定入力電力で駆動されるときの総レーザパワーの低減をもたらすように適応される。規定立体角は最大レーザパワーが発せられる立体角であり、立体角のサイズはレーザデバイスの目の安全性を考慮して決定される。この規定立体角において発せられるレーザパワーは、例えばレーザキャビティのうち１の中でのモード選択が変化するが総レーザパワーはわずかに増加するので、減少するということがあり得る。人の目は限られた立体角において発せられる光のみを受光し得るので、この場合安全性限界は超えられない。レーザデバイスの目の安全性はこのようにレーザデバイスにより発せられる総レーザパワーが増加するという事実にもかかわらず維持される。レーザデバイスは、例えば、直径７ｍｍのアパーチャの後ろで測定される７０ｍｍの距離における最大光学パワーが、この距離におけるアパーチャの任意の位置における規定閾値を下回るという条件を満たさなければならない。例えば垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）といったレーザのマルチモード性のために、最大パワーはレーザの光軸に沿って発せられない可能性がある。規定立体角は従って７０ｍｍの距離において７ｍｍのアパーチャでのスキャンを用いて決定されなければならない。かかる測定は引用により組み込まれる標準規格ＩＥＣ／ＥＮ：６０８２５‐１：２００７に従う。
レーザデバイスの各メサは半導体空気界面を有し得る。半導体空気界面はそれを通じてレーザ光が発せられるＤＢＲの上層であり得る。半導体空気界面は、最初にこの半導体層と空気の間に直接接触がないように別の層を用いて覆われる半導体層の面でもあり得る。半導体空気界面はこの場合半導体層を覆う層の欠陥の結果であり得る。レーザデバイスは１のメサの少なくとも１の半導体空気界面の劣化が規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。
半導体空気界面は、例えば、規定入力電力で駆動されるときに定常波パターンの波節（ｎｏｄｅ）において配置され得る。例えば垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのレーザデバイスは、反射性に最大寄与を、及びその結果少ないＤＢＲ層を持つために半導体空気界面を波腹（ａｎｔｉ‐ｎｏｄｅ）にして設計される。半導体空気界面をレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に、又は少なくとも波腹から十分に離して設計することは、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらし得る。この場合空気界面の劣化は反射性を増加し得る、すなわちアウトカップリングを低減し、より少ないレーザパワーが発せられ得る。さらに、反射率と入射角の間の関数関係のために、半導体空気界面の"波節‐位置"は小さい放射角での低次モードについてのアウトカップリングを最大化する。かかる層の劣化は従って放射角を増加し、これは規定立体角において発せられるレーザパワーを低減することによりレーザデバイスを安全に保つために好ましい。
各メサは代替的に若しくは付加的に保護コーティングを有してもよく、保護コーティングは、１のメサの少なくとも１の保護コーティングの劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。
保護コーティングは、１組成で起こり得るピンホール欠陥が外側へ移らないことを確実にするために酸化ケイ素若しくは窒化ケイ素、好適には両方の組み合わせの１以上の層を有し得る。厚さは典型的には数１０‐１００ｎｍであり、好適には明確に定義された波長の何分の１、例えば１／２ラムダ若しくは１／４ラムダである。代替的に若しくは付加的に、例えばチタン、タンタル、若しくはニオブのような他の材料の酸化物が保護コーティングとして使用され得る。保護コーティングは厚いダイクロイック多層コーティングを有してもよく、これは保護カプセル化として機能するだけでなく、半導体ＤＢＲの反射性を追加するので、半導体ＤＢＲがより薄く設計され得る。保護コーティングは覆われる半導体層の劣化を防止するために水密である。
保護コーティングは、例えば、半導体層（例えばアウトカップリングＤＢＲの上層）が、上記の通り規定入力電力で駆動されるときに光学場の定常波パターンの波節位置若しくは波節位置付近に配置されるように、配置され得る。保護コーティングはこの場合好適には、保護コーティングとコーティングの劣化が反射性に影響を及ぼさないように発光波長の半分の厚さを持ち得る。
代替的に、保護コーティングは保護コーティングを用いて覆われるミラーの反射性が少なくともわずかに低減されるように配置され得る。保護コーティングの劣化は増加した反射性をもたらし得るので、規定入力電力において発せられるアウトカップリングされたレーザ光が低減する。半導体層（例えばアウトカップリングＤＢＲの上層）は、規定入力電力で駆動されるときに光学場の定常波パターンの波腹位置若しくは波腹位置付近に配置され、保護コーティングはアウトカップリングＤＢＲの反射性が低減されるように配置される。そして保護コーティングの劣化は反射性を増し、レーザ出力を下げる。保護コーティングはさらに空間的構造を、例えばレーザキャビティ内の規定モード選択をサポートする規則的パターンを有し得る。保護コーティングにより抑制されるレーザモードは、保護コーティングと対応する空間的構造の劣化が、規定立体角内のレーザデバイスにより発せられるピークレーザパワーが低減されるようにレーザモードを変化させるように構成される。
レーザデバイスはさらに、規定入力電力で駆動されるときに少なくとも１のメサの劣化の場合に、レーザデバイスによる放射レーザ光の放射コーンが増加するように適応され得る。メサは、例えば、規定入力電力で駆動されるときにメサの劣化の場合にリング状レーザモードがサポートされるように配置され得る。メサの半導体層構造は、例えば、規定入力電力で駆動されるときにメサの劣化の場合にリング状電流注入がサポートされるように配置され得る。リング状レーザモードは規定立体角において発せられる光学パワーを低減する。
さらなる実施形態にかかるレーザデバイスは１の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサに供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。レーザデバイスはさらに、レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、少なくとも１のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように、適応される。レーザデバイスはオプションとして、規定入力電力で駆動されるときに少なくとも１のメサの劣化の場合にレーザデバイスによる放射レーザ光の放射コーンが増加するように適応され得る。メサは代替的に若しくは付加的に、規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードがサポートされるように配置され得る。メサの半導体層構造はオプションとして規定入力電力で駆動されるときにリング状電流注入があるように配置され得る。各メサは代替的に若しくは付加的に空間的に構造化される保護コーティングを有してもよく、空間的に構造化される保護コーティングは規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードをサポートする。
第２の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは１の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサに供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。メサは約１Ｅ１８のドーピング濃度で低ドープｐ‐ＤＢＲを、又はダイクロイックミラーと組み合わせて短ＤＢＲを有し、両方とも比較的低ドープのキャップ／サブキャップ構造（＜１Ｅ１９）と組み合わせてリング状電流注入をもたらす。これはリング状モードに好都合であり、従って発光を広げる。メサの構造は第１の態様に関して上記した各手段と組み合わされ得る。
第３の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは１の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサへ供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。各メサは空間的に構造化される保護コーティングを有し、空間的に構造化される保護コーティングは規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードをサポートする。空間的に構造化される保護コーティング若しくはキャップ層は所望のモードを選択し得る。アウトカップリングミラーに対する位相条件を変えるためには数１０ｎｍの高低差で十分であり、従って個々のモードに対する反射率は構造化部分と多かれ少なかれ重なる。一実施例として数１０ｎｍのオーダーのキャップ層の浅いリング状エッチングは、基本モード（位相条件が中心部に最適である場合）若しくはリングモード（外側部分が最高反射率に最適である場合）における好適な動作間を区別し得る。メサの空間的に構造化される保護コーティングは第１若しくは第２の態様に関して上記した各手段と組み合わされ得る。
一般に、特に上記の空間的に構造化される保護層及びリング状電流注入は、設計によりレーザキャビティ内のモード選択を定義する。この設計は製造における小規模変動若しくは寿命中の変化に対するレーザデバイスの感受性を低下させる。これはレーザ発光に寄与する複数のｎモードにより定量的に記述され得、追加モードは最小値により抑制される（モード抑制におけるｄＢ値若しくはレーザ閾値における差のいずれか）。レーザデバイスは、例えば、レーザ閾値における３、４、５若しくはそれ以上のモードの発光により特徴付けられ得る。抑制されるモードはレーザデバイスの典型的な動作電流の少なくとも１．２から１．５倍高い電流においてレーザ発光し始める。
第４の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは１の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサへ供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。各メサは、トレンチを超える半導体チップのレベルが少なくともメサのレーザ射出窓と同じ高さになるようなトレンチにより囲まれる。トレンチは第１、第２若しくは第３の態様に関して上記した各手段と組み合わされ得る。半導体チップエリアの大部分はエッチングされないままであり、従って元のレベルのままである。パッシベーション及びコンタクト堆積は、レーザデバイスのメサの感光性レーザファセットと同じ若しくはそれよりも高いレベルの上に半導体チップの大きな面積をもたらし得る。
レーザデバイスのより高い機械的ロバスト性に加え、製造においてかかるチップ設計の別の利点がある。はるかに少ない量のエッチング材料は、エッチング廃液からの影響を低減して、より一定のエッチングプロセスを可能にする。メサは好適には、除去される材料が最小化されるように配置され得る。メサは例えば３のメサの場合、正三角形に配置され得る。メサ間の距離は隣接メサのトレンチが重なるように選択され得る。
第５の態様によればレーザモジュールが提案される。レーザモジュールは上記レーザデバイスを有する。レーザデバイスはメサを電気的に駆動するための駆動回路をさらに有し、駆動回路はメサへ規定入力電力を供給するように適応される。
第６の態様によれば光学センサが提案される。光学センサは上記レーザモジュールを有する。光学センサはレーザデバイスにより発せられる対応レーザパルスの反射レーザ光を受光するように適応される少なくとも１の光検出器を有し得る。光学センサは対応レーザパルスの反射レーザ光を識別するように適応される評価器をさらに有し得る。評価器はさらに反射レーザ光の受光時間と対応レーザパルスの放出時間の間の飛行時間を決定するように適応され得る。
飛行時間（ＴｏＦ）測定用の光学センサは、距離検出、カメラオートフォーカス、シーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの３Ｄイメージングのような多くの目的でモバイルデバイス（例えばスマートフォン）において使用され得る。有利なシステムはフォトダイオード（例えばアバランシェフォトダイオード）と、ＶＣＳＥＬからシーンへ、そしてセンサへ戻る光の移動時間を測定する電子機器と組み合わされるＶＣＳＥＬを使用する。ＶＣＳＥＬの使用は、その安定で狭いスペクトル放射（環境光に対しアバランシェフォトダイオードにおいて強いフィルタリングを可能にする）のため、及び適切な放射パターン（２０‐３０°ＦＷ１／ｅ２で回転対称）のために、ＬＥＤ若しくはＥＥＬと比較して有利である。追加光学系が放射コーンをさらに調整するために使用され得る。マルチチャネル、すなわち複数のＶＣＳＥＬ及び／又はフォトダイオードのアレイが特に光学系と組み合わせて良好な角度範囲を可能にする。異なるチャネルからの信号をリンクするアルゴリズムと組み合わせて、最小限の労力で、特にスキャナのような機械的可動部品なしに、高い角度分解能が実現され得る。上記レーザデバイスは増大したレーザ安全性で長距離の距離検出を可能にし得る。
評価器はさらに、例えばレーザデバイスにより発せられる制御信号に基づき、レーザ安全性を向上させるために入力電力が低減され得るよう、平均受光光学パワーを決定するように適応され得る。レーザデバイスにより発せられる光学パワーは、光検出器付近に配置される、放射レーザ光の小部分を反射する既知の反射率を持つフィードバック構造を用いて較正され得る。フィードバック構造は例えば、例えば光検出器、並びに光学センサのレーザデバイスを保護する透明カバーガラス若しくはシートの面であり得る。レーザデバイス、フィードバック構造及び光検出器の間のわずかな距離は、制御信号としてレーザデバイスにより発せられる検出信号の使用を可能にし得る。発光と受光の間の短時間は較正及び測定信号間を区別することを可能にする。代替的に、２測定パルス間に与えられる追加制御信号を使用することも可能であり得る。制御信号の受信信号強度は、レーザデバイスの劣化前に決定される初期信号強度と、評価器を用いて比較され得る。評価器はプロセッサ、マイクロプロセッサなど、及び対応メモリデバイスを有し得る。レーザデバイスに供給される電力は較正信号の受信信号強度が初期信号強度に関する閾値を超えるとすぐに低減され得る。
さらなる態様によれば、レーザデバイスの製造方法が提供される。方法は以下のステップを有する：
１の半導体チップ上に２から６のメサを設けるステップ；
規定入力電力がメサへ供給される場合に、メサが同時にレーザ光を発するようにメサを電気的に並列に接続するステップと；
少なくとも１のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすようにレーザデバイスを適応させるステップ。
１の半導体チップ上に２から６のメサを設けるステップ；
規定入力電力がメサへ供給される場合に、メサが同時にレーザ光を発するようにメサを電気的に並列に接続するステップと；
少なくとも１のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすようにレーザデバイスを適応させるステップ。
方法ステップは必ずしも提示された順序で実行されない。レーザデバイスは、例えば、レーザデバイスに関して上記した技術的手段を考慮してメサの層の製造中にステップ３に従って適応され得る。
請求項１‐１０のレーザデバイス及び請求項１５にかかるレーザデバイスを製造する方法は、特に従属請求項に定義される同様の及び／又は同一の実施形態を持つことが理解されるものとする。
本発明の好適な実施形態は各独立請求項と従属請求項の任意の組み合わせでもあり得ることが理解されるものとする。
さらなる有利な実施形態が以下定義される。
本発明のこれらの及び他の態様は以降に記載の実施形態から明らかとなりそれらを参照して解明される。
本発明は例として添付の図面を参照する実施形態に基づいて記載される。
図中、類似する数字は全体を通して類似するオブジェクトをあらわす。図中のオブジェクトは必ずしも原寸通りに描かれていない。
本発明の様々な実施形態が図面を用いて記載される。
図１は３のメサ１２０を有する半導体チップ１１０を有するレーザデバイスの第１の実施形態の主要スケッチを示す。メサの各々は光学共振器を有する。かかる光学共振器の主要スケッチが図４及び５に示される。メタライゼーション層１３０はレーザデバイスの半導体チップ１１０に電気的に接触するためのボンディングエリア１６０が設けられるように構造化される。
図２は４のメサ１２０を有する半導体チップ１１０を有するレーザデバイスの第２の実施形態の主要スケッチを示す。メサは２次パターンで配置される。各メサ１２０は半導体チップ１１０の層構造においてトレンチ１４０により囲まれる。メサ１２０とトレンチ１４０の幅との間のピッチは、隣接メサ１２０間のトレンチ１４０が重なるように選ばれる。エッチングされる材料は最小化される。はるかに少ない量のエッチング材料は、エッチング廃液からの影響を低減して、より一定のエッチングプロセスを可能にする。半導体チップ１１０は、規定入力電力を供給するために駆動回路（例えば図６参照）とレーザデバイスを電気的に接触させるため、半導体チップ１１０の底に設けられるボンディングエリア１６０と電気コンタクトをさらに有する。
図３はメサ１２０周辺に設けられるトレンチ１４０の詳細を示す、線Ａ‐Ａに沿った図２に示す半導体チップ１１０の断面を示す。トレンチ１４０は電気絶縁材料で充填される。電気絶縁材料の上に、レーザデバイス１００と電気的に接触するための第１のコンタクトエリア１３１と第２のコンタクトエリア１３２を構築する構造化された導電材料が設けられる。第１のコンタクトエリア１３１はメサ１２０のｐドープ層に電気的に接続され、第２のコンタクトエリアはメサ１２０のｎドープ層に電気的に接続される。メサ１２０及び特にかなり高感度のレーザファセット１２５は、レーザファセット１２５の面より高いレベルにある面（第１及び第２の電気コンタクトエリア１３１、１３２の面の上）により囲まれる。より高いレベルにあるこの周囲面は、メサ１２０の１及び特にレーザファセット１２５の面に触れる可能性が低減されるので、半導体チップ１１０の扱いを単純化する。
図４は第１の実施形態にかかるメサ１２０に埋め込まれる光学共振器を示すＶＣＳＥＬの断面を示す。光学共振器はボトムＤＢＲ２３０とトップＤＢＲ２４０、及びボトムＤＢＲ２３０とトップＤＢＲ２４０の間に挟まれるアクティブ層２６０を有する。ボトムＤＢＲ２３０は高反射性（＞９９％）であり、トップＤＢＲ２４０を介してレーザ発光を可能にするためにトップＤＢＲ２４０はいくらか小さい反射率（＞９５％）を持つ。ＶＣＳＥＬはこのようにいわゆるトップエミッタである。アクティブ層２６０は量子井戸構造を構築する複数の層を有する。ボトムＤＢＲ２３０はＧａＡｓ基板のような基板上に配置される。ＶＣＳＥＬはボトム電極２１０とリング電極２２０を用いて接触される。ボトム電極２１０はボトムＤＢＲ２３０と反対側の基板側に設けられる。リング電極２２０はトップＤＢＲ２４０の上に設けられる。例えばビアを用いて、図２及び３に示す第１のコンタクトエリア１３１はリング電極２２０に接触するために使用され得、第２のコンタクトエリア１３２はボトム電極２１０に接触するために使用され得る。アクティブエリアを通る電流を、アクティブ層のこの場合円形の定義エリアに制限するために、閉じ込め層２５０が使用される。閉じ込め層２５０はメサのエッチング後に閉じ込め層２５０の側方酸化により処理される円形ホールを伴う電気的に基本的に非導電性の酸化物エリアを有する。閉じ込め層２５０はこの場合アクティブ層２６０の上に配置される。閉じ込め層はボトムＤＢＲ２３０若しくはトップＤＢＲ２４０内に位置付けられてもよい。層の機能に影響を及ぼすことなく、層の配置のバリエーションが当業者に周知である。レーザデバイス１００は、半導体空気界面２４２、トップＤＢＲ２４０の上層の面が、規定入力電力で駆動されるときに定常波パターンの波節に配置されるように、設計される。半導体空気界面２４２をレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に、又は少なくとも波腹から十分に離して設計することは、半導体空気界面２４２の劣化の場合に、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらす。半導体空気界面２４２の劣化はトップＤＢＲ２４０の反射性を増すので、より少ないレーザパワーが発せられる。さらに、反射率と入射角の関数関係のために、半導体空気界面の"波節‐位置"は小さい放射角での低次モードに対するアウトカップリングを最大化する。かかる層の劣化は放射角を増加し、従って規定立体角において発せられる最大光学パワーを減少させる。
図５は第２の実施形態にかかるメサ１２０に埋め込まれる光学共振器を示すＶＣＳＥＬの断面を示す。半導体層構造は図４に示す第１の実施形態とかなり類似する。トップＤＢＲ２４０は約１Ｅ１８のドーピングノードの低ドープｐ‐ＤＢＲである。低ドープｐ‐ＤＢＲは比較的低ドープのキャップ／サブキャップ構造（＜１Ｅ１９）（不図示）と組み合わせてリング状電流注入をもたらす。これはリング状モードに好都合であり、従って発光を広げる。加えて酸化ケイ素及び窒化ケイ素層の層シーケンスを有する保護コーティング２８０がトップＤＢＲ２４０の上層の上に設けられる。保護コーティング２８０はメサ１２０の半導体層構造の劣化を妨げる。さらに、トップＤＢＲ２４０の上層の面は図４に記載の通り定常波パターンの波節位置に配置される。発光波長の半分の厚さを伴う保護コーティング２８０の損傷及びその後の"新たな"半導体空気界面２４２の劣化は、従って規定立体角において発せられる最大光学パワーを減少させる。
図６は第１の実施形態にかかる光学センサ３００の断面を示す。光学センサ３００はレーザデバイス１００、透過窓３１０、及びレーザデバイス１００を電気的に駆動するための駆動回路３２０を有する。駆動回路３２０は規定方法でレーザデバイス１００へ電力を供給するためにレーザデバイス１００へ電気的に接続される。駆動回路３２０は駆動回路３２０を作動させるデータと命令を保存するためのメモリデバイスと、駆動回路３２０を作動させるデータと命令を実行するための処理ユニットとを有する。光学センサ３００は光検出器３５０と評価器３６０をさらに有する。光検出器３５０はこの場合フォトダイオードであるが、レーザデバイスによる放射レーザ光を検出するために使用され得る好適には任意の半導体デバイスであり得る。光検出器３５０はレーザにより発せられる光子に対し可能な限り高感度であるべきであり、高速測定時間を持つべきである。好適な技術は例えばアバランシェフォトダイオード若しくはさらにいわゆるＳＰＡＤ（単一光子アバランシェダイオード）並びにそのアレイである。評価器３６０はメモリチップのような少なくとも１のメモリデバイスとマイクロプロセッサのような少なくとも１の処理デバイスとを有する。評価器３６０は放射レーザ光３１５がレーザパルスの形で拡張キャビティを離れる時間ｔ１を決定するために、駆動回路３２０から、及びオプションとしてレーザデバイス１００からデータを受信するように適応される。評価器３６０はさらにこの時間ｔ１と、駆動回路３２０を用いて提供される繰り返し率に基づいて、フォトダイオードにより検出される反射レーザ光３１７が時間ｔ１において発せられるレーザパルスを起源とするかどうか決定する。反射レーザ光３１７がレーザパルスを起源とする場合、時間ｔ２が記録され、レーザパルスを反射したオブジェクトへの距離が飛行時間Δｔ＝ｔ２−ｔ１及びレーザパルスの速度ｃを用いて計算される。放射レーザ光３１５の小部分が透過窓３１０において反射され、制御信号３１９として使用される。制御信号３１９は反射レーザ光３１７よりもかなり早く光検出器３５０を用いて受信される。評価器３６０は従って制御信号３１９及び反射レーザ光３１７の受信間を区別することができる。受信制御信号３１９の信号強度は、評価器３６０を用いて、評価器３６０のメモリデバイスに保存される基準信号強度と比較される。光学センサ３００の目の安全性を保証するため、評価器３６０は受信制御信号３１９の信号強度が、基準信号強度に基づく閾値を超えるとすぐに、駆動回路３２０へパワー低減信号を送信する。
制御信号３１９と反射レーザ光３１７の受信間の時間はかなり短くなり得る。従って放射レーザ光３１５から独立して個別制御信号３１９を使用することが好都合であり得る。個別制御信号３１９は放射レーザ光３１５の２レーザパルス間に発せられる非常に短いレーザパルスであり得る。さらに、制御信号３１９の信号強度が十分に高くなるように透過窓３１０においてフィードバック構造を組み込むことが好都合であり得る。フィードバック構造は、例えば、透過窓３１０の面の残りに対して傾斜した透過窓３１０の面の小ピースであり得る。位置及び傾斜角度は制御信号３１９が光検出器３５０へ方向付けられるように選ばれる。
図７は光学センサ３００を有するモバイル通信デバイス４００の主要スケッチを示す。光学センサ３００は、例えば、モバイル通信デバイス４００上で実行するソフトウェアアプリケーションと組み合わせて使用され得る。ソフトウェアアプリケーションはセンシング応用のために光学センサ３００を使用し得る。かかるセンシング応用は距離検出のための飛行時間測定、カメラオートフォーカス、シーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの３‐Ｄイメージングであり得る。
図８はレーザデバイス１００を製造する方法の主要スケッチを示す。ステップ５１０において２から６のメサが１の半導体チップ１１０上に設けられる。メサ１２０は、規定入力電力がメサ１２０へ供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するよう、ステップ５２０において電気的に並列に接続される。レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、レーザデバイス１００はステップ５３０において、少なくとも１のメサ１２０の劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。レーザデバイス１００は、例えば、規定入力電力で駆動されるときに光学共振器における定常波パターンの波節に半導体空気界面２４２を設けることにより適応され得る。
２から６のメサ１２０を有するレーザデバイス１００を提供することが本発明の基本的アイデアであり、レーザデバイス１００はレーザデバイス１００の寿命中にレーザデバイス１００の目の安全性が保証されるように適応される。目の安全性は、層構造の１以上の層の劣化が、規定立体角において発せられる最大光学パワーの低減をもたらすような方法で、レーザデバイス１００のメサ１２０の半導体構造若しくはより一般的に層構造を設計することにより、保証され得る。代替的に若しくは付加的に、レーザデバイス１００へ供給される入力電力は、安全性限界が超えられないよう、放射光学パワーに依存して制御され適応され得る。
本発明は図面及び上記説明において詳細に図示され記載されているが、かかる図示と記載は例示若しくは説明であって限定ではないとみなされるものとする。
本開示を読むことで、他の修正が当業者に明らかになる。かかる修正は本明細書に既に記載の特徴の代わりに若しくはそれに加えて使用され得る、当技術分野で既知の他の特徴を含み得る。
開示の実施形態への変更は、図面、開示、及び添付の請求項の考察から当業者により理解されもたらされることができる。請求項において"有する"という後は他の要素若しくはステップを除外せず、不定冠詞"ａ"若しくは"ａｎ"は複数の要素若しくはステップを除外しない。所定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙され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使用されることができないことを示さない。
請求項における任意の参照符号はその範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
１００ レーザデバイス
１１０ 半導体チップ
１２０ メサ
１２５ レーザファセット
１３１ 第１のコンタクトエリア
１３２ 第２のコンタクトエリア
１３５ 絶縁層
１４０ トレンチ
１６０ ボンディングエリア
２１０ ボトム電極
２２０ リング電極
２３０ ボトムＤＢＲ
２４０ トップＤＢＲ
２５０ 閉じ込め層
２６０ アクティブ層
２７０ 基板
２８０ 保護コーティング
３００ 光学センサ
３１０ 透過窓
３１５ 放射レーザ光
３１７ 反射レーザ光
３１９ 制御信号
３２０ 駆動回路
３５０ 光検出器
３６０ 評価器
４００ モバイル通信デバイス
５１０ メサを設けるステップ
５２０ メサを電気的に接続するステップ
５３０ レーザデバイスを適応させるステップ
１１０ 半導体チップ
１２０ メサ
１２５ レーザファセット
１３１ 第１のコンタクトエリア
１３２ 第２のコンタクトエリア
１３５ 絶縁層
１４０ トレンチ
１６０ ボンディングエリア
２１０ ボトム電極
２２０ リング電極
２３０ ボトムＤＢＲ
２４０ トップＤＢＲ
２５０ 閉じ込め層
２６０ アクティブ層
２７０ 基板
２８０ 保護コーティング
３００ 光学センサ
３１０ 透過窓
３１５ 放射レーザ光
３１７ 反射レーザ光
３１９ 制御信号
３２０ 駆動回路
３５０ 光検出器
３６０ 評価器
４００ モバイル通信デバイス
５１０ メサを設けるステップ
５２０ メサを電気的に接続するステップ
５３０ レーザデバイスを適応させるステップ
Claims (12)
- １の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有するレーザデバイスであって、前記メサの各々は、規定入力電力で駆動されるときに発光波長のレーザ光を発するように構成される垂直キャビティ面発光レーザの光学共振器を埋め込み、前記メサは電気的に並列に接続され、各メサは半導体空気界面を有し、前記半導体空気界面は、前記規定入力電力で駆動されるときのレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に配置される、レーザ装置。
- １の半導体チップ上に設けられる２から６のメサを有するレーザデバイスであって、前記メサの各々は、規定入力電力で駆動されるときに発光波長のレーザ光を発するように構成される垂直キャビティ面発光レーザの光学共振器を埋め込み、前記メサは電気的に並列に接続され、各メサが保護コーティングを有し、前記垂直キャビティ面発光レーザのアウトカップリング誘電体ブラッグ反射器の上層と前記保護コーティングの間の界面は、前記規定入力電力で駆動されるときのレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に配置され、前記保護コーティングが前記アウトカップリング誘電体ブラッグ反射器の反射性を低減する、レーザデバイス。
- 前記メサは、前記規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードが選択されるように構成される、請求項１に記載のレーザデバイス。
- 前記メサは、前記規定入力電力で駆動されるときにリング状の電流が注入される半導体層構造を有する、請求項３に記載のレーザデバイス。
- 前記保護コーティングは、前記規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードが選択される構造を有する、請求項２に記載のレーザデバイス。
- 各メサは、トレンチにより囲まれる、請求項１から請求項５に記載のレーザデバイス。
- 前記レーザデバイスが前記メサを電気的に駆動するための駆動回路をさらに有し、前記駆動回路が前記メサへ前記規定入力電力を供給するように適応される、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザデバイスを有するレーザモジュール。
- 請求項７に記載のレーザモジュールを有する光学センサ。
- 前記レーザデバイスにより発せられるレーザパルスの反射レーザ光を受光するように適応される少なくとも１の光検出器を有する、請求項８に記載の光学センサであって、前記光学センサが、前記レーザパルスの反射レーザ光を識別するように適応される評価器をさらに有し、前記評価器がさらに、前記レーザパルスの放射時点と当該レーザパルスがオブジェクトにより反射された反射レーザ光の受光時点との間の差である飛行時間を決定するように適応される、光学センサ。
- 請求項８又は９に記載の少なくとも１の光学センサを有するモバイル通信デバイス。
- レーザデバイスを製造する方法であって、
１の半導体チップ上に２から６のメサを設けるステップと、
前記メサを電気的に並列に接続するステップであって、前記メサの各々は、規定入力電力で駆動されるときに発光波長のレーザ光を発するように構成される垂直キャビティ面発光レーザの光学共振器を埋め込み、各メサが半導体空気界面を有する、ステップと、
を有し、
前記規定入力電力で駆動されるときのレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に前記半導体空気界面を配置するステップを特徴とする、
方法。 - レーザデバイスを製造する方法であって、
１の半導体チップ上に２から６のメサを設けるステップであって、前記メサの各々は、規定入力電力で駆動されるときに発光波長のレーザ光を発するように構成される垂直キャビティ面発光レーザの光学共振器を埋め込み、各メサが保護コーティングを有する、ステップと、
前記メサを電気的に並列に接続するステップと、
を有し、
前記メサを設けるステップが、前記規定入力電力で駆動されるときのレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に、前記垂直キャビティ面発光レーザのアウトカップリング誘電体ブラッグ反射器の上層と前記保護コーティングの間の界面を配置するステップを有し、
前記保護コーティングが前記アウトカップリング誘電体ブラッグ反射器の反射性を低減する、
方法。
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