KR20210116899A - 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치 - Google Patents

표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치 Download PDF

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박강열
이재훈
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Abstract

발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는 복수의 제1에미터가 배열된 제1영역; 복수의 제2에미터가 배열된 제2영역을 포함하며, 상기 제2영역의 면적은 상기 제1영역의 면적보다 작으며, 상기 제2영역은 상기 제1영역의 센터 영역에 배치되며, 상기 제1에미터와 상기 제2에미터는 별도로 구동될 수 있다.

Description

표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치{SURFACE-EMTTING LASER DEVICE AND DISTANCE MEASURING DEVICE HAVING THE SAME}
발명의 실시예는 표면발광 레이저소자 이를 갖는 거리측정장치에 관한 것이다.
반도체 레이저에 기초한 깊이 결정을 위한 센서가 개발되었다. 이러한 센서를 사용하는 하나의 기법은 비행 시간 기법(time-of-flight technique)이다. 비행 시간 기법은 거리를 측정하도록 전송된 광 펄스와 수광된 광 펄스 간의 지연의 정확한 감지를 필요로 한다. 일반적으로, 지연은 전송된 광 펄스의 시간과 수광된 광 펄스의 시간 간의 시간 차(즉, 전송된 광 펄스와 수광된 광 펄스 간의 시간-지연)에 기초하여 검출되고, 물체에 대한 거리는 지연에 기초하여(예를 들어, 광의 속도가 알려져 있기 때문에) 결정될 수 있다. 이미지는 시야에서 다양한 위치에 대한 거리를 결정하는 것에 기초하여 생성될 수 있다.
특정 파장의 광 펄스를 발생하는 광원은 좁은 스펙트럼의 단일 종모드(single longitudinal mode) 발진이 가능하고, 빔의 방사각이 작아 결합 효율(coupling efficiency)이 높다. 이러한 광원은 2차원적 어레이 형태로 패턴화하여 광원 매트릭스를 제조하는 기술에 대한 연구가 활발하다. 이런 2차원적 어레이 형태로 광 펄스를 물체에 조사하고, 반사되는 광의 펄스를 프로세서를 통해 분석하면 물체의 3차원 이미지 및 거리를 추출할 수 있다.
발명의 실시예는 객체를 향해 광을 조사하는 복수의 발광부를 갖는 표면발광 레이저소자를 제공한다.
발명의 실시 예는 객체를 향해 광을 조사하는 전 영역의 제1발광부 및 부분 영역의 제2발광부를 갖는 표면발광 레이저소자를 제공한다.
발명의 실시 예는 전 영역을 통해 광을 발광하는 제1발광부 및 센터 영역에서 광을 발광하는 제2발광부를 갖는 표면발광 레이저소자를 제공할 수 있다.
발명의 실시 예는 객체를 향해 서로 다른 화각의 광을 조사하는 복수의 발광부를 갖는 표면발광 레이저소자를 제공할 수 있다.
발명의 실시예는 복수의 발광부를 갖는 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치를 제공할 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는 복수의 제1에미터가 배열된 제1영역; 상기 복수의 제1에미터의 일부 및 복수의 제2에미터가 배열된 제2영역을 포함하고, 상기 제2영역의 면적은 상기 제1영역의 면적보다 작으며, 상기 제2영역은 상기 제1영역의 센터 영역에 배치되고, 상기 제1에미터와 상기 제2에미터는 별도로 구동될 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2영역에 배치된 상기 제2에미터의 개수는 상기 제1영역에 배치된 상기 제1에미터의 개수보다 작을 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1발광부가 배열된 제1영역의 외측에 배치되며 상기 복수의 제1에미터와 전기적으로 연결된 제1패드; 및 상기 제1영역의 외측에 배치되며 상기 제2발광부와 전기적으로 연결된 제2패드를 포함할 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1영역에서 인접한 제1에미터들 간의 피치는 상기 제2영역에서 인접한 제2에미터들 간의 피치와 동일할 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2영역은 상기 제2에미터들로 배열되며, 상기 제1 및 제2영역에서의 제1 및 제2에미터들의 피치가 서로 동일할 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는, 제1 영역 및 제2 영역에 배치되는 복수의 제1 에미터; 상기 제2 영역에 배치되는 복수의 제2 에미터;를 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 내에 포함되며 상기 제1 영역보다 면적이 작고, 상기 복수의 제1 에미터와 상기 복수의 제2 에미터는 별도로 구동되고, 상기 제1 에미터와 상기 제2 에미터 간의 피치는 상기 제1 에미터 간의 피치보다 작을 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2영역에 배치된 제2에미터는 인접한 제1에미터들 사이에 각각 배치될 수 있다. 상기 제2영역에서 인접한 제1 및 제2에미터들 간의 피치는 인접한 제1에미터들 간의 피치의 1/2일 수 있다. 상기 제1영역에 배치된 제1에미터는 상부에 제1전극을 포함하며, 상기 제2영역에 배치된 상기 제2에미터는 상부에 제2전극을 포함하며, 상기 제2에미터의 제2전극은 상기 제2패드와 연결되는 브리지 전극을 포함하며, 상기 브리지 전극은 상기 제1영역 상으로 상기 제2패드로 연장될 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 반사층; 상기 제1 반사층 상에 배치되는 발광층; 상기 발광층 상에 개구부 및 절연영역을 포함하는 산화층; 상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사층; 및 상기 제2반사층 상에 패시베이션층;을 포함하며, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극은 상기 제2 반사층에 접촉된 접촉부 및 상기 패시베이션층 상으로 연장되는 연결부를 포함할 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는, O행 및 P열을 갖고 적외선 영역의 광을 조사하는 복수의 제1에미터가 배열된 제1발광부; M행 및 N열을 갖고 적외선 영역의 광을 조사하는 복수의 제2에미터가 배열된 적어도 하나의 제2발광부; 상기 제2에미터가 배치된 제2영역의 면적은 상기 제1영역의 면적보다 작으며, 상기 제2영역에 배치된 상기 제2에미터의 개수는 상기 제1영역에 배치된 상기 제1에미터의 개수보다 작으며, 상기 제2영역은 상기 제1영역의 센터 영역에 배치되며, 상기 제1에미터와 상기 제2에미터는 별도로 구동되며, 상기 O,P,M,N은 정수이며, O>P>M>N의 관계를 가질 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1발광부는 기준 화각을 위한 광을 조사하며, 상기 제2발광부는 상기 기준 화각보다 작은 화각을 위한 광을 조사할 수 있다. 상기 기준 화각은 70도 이상이며, 상기 기준 화각보다 작은 화각은 50도 이하일 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제1 에미터 및 제2 에미터는 소정 주기를 가지고 온/오프를 반복하여 구동되고, 상기 기준 화각에서의 상기 제1 에미터의 구동 주기는, 상기 기준 화각보다 작은 화각에서의 상기 제2 에미터의 구동 주기보다 작을 수 있다.
발명의 실시 예에 의하면, 상기 제2영역의 면적은 상기 제1영역의 면적 대비 30% 이하이며, 상기 제2영역은 상기 제1 및 제2영역의 중심을 기준으로 다각형 형상으로 배치될 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 거리측정 장치는, 상기의 표면발광 레이저소자를 갖는 광원; 및 상기 광원의 제1 또는 제2에미터가 구동되어 조사된 적외선 영역의 광을 객체로부터 산란 또는 반사된 광을 수신하는 광 수신부를 포함할 수 있다.
발명에 실시예에 따른 표면발광 레이저소자에서 일부 영역이 부분적으로 발광하는 제2에미터 또는 제2발광부를 구비함으로써, 모듈의 소비전력을 줄여줄 수 있다.
발명에 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 복수의 발광 영역 또는 에미터들이 선택적으로 발광시켜 줌으로써, 줌 기능 또는 측정 거리에 따라 선택하여 사용할 수 있다.
발명에 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 전 영역을 통해 광들을 발광하는 제1에미터와 부분 또는 센터 영역을 통해 광들을 발광하는 제2에미터를 선택적으로 발광시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정 장치의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자는 차량과 같은 이동체, 휴대단말기, 카메라, 각종 정보 측정장치, 로봇, 컴퓨터, 의료기기, 가전이나 웨어러블에 거리 측정장치로 적용될 수 있다.
도 1는 발명의 실시 에에 따른 거리 측정 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 거리 측정장치에서 광원 내의 표면발광 레이저소자의 평면도이다.
도 3은 도 2의 표면발광 레이저소자에서 제1발광부와 제2발광부의 영역을 설명한 도면이다.
도 4는 도 3의 제1발광부와 제2발광부의 확대도이다.
도 5의 (A)(B)는 도 3의 제1발광부 및 제2발광부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3의 표면발광 레이저소자에서 제2발광부에 연결되는 브리지 전극의 변형 예이다.
도 7는 도 4의 A1-A1의 측 단면도이다.
도 8은 도 4의 A2-A2의 측 단면도이다.
도 9는 도 4의 A3-A3의 측 단면도이다.
도 10은 도 4의 A4-A4의 측 단면도이다.
도 11은 발명의 실시 예에 따른 표면발광 레이저소자에서 제2발광부의 다른 예를 설명하는 도면이다.
도 12의 (A)-(D)는 도 11의 제2발광부의 구동에 따른 영역을 설명한 도면이다.
도 13은 도 11의 표면발광 레이저소자의 제1발광부와 제2발광부를 설명한 도면이다.
도 14는 발명의 실시 예에 따른 거리측정 장치의 블록 구성도이다.
도 15는 발명의 실시 예에 따른 거리측정 장치의 흐름도의 예이다.
도 16은 발명의 실시 예에 따른 거리측정 장치가 결합된 휴대 단말기의 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A,B,C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나이상을 포함 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 확정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
<실시예>
도 1는 발명의 실시 에에 따른 거리 측정 장치를 설명하는 개념도이며, 도 2는 도 1의 거리 측정장치에서 광원 내의 표면발광 레이저소자의 평면도이고, 도 3은 도 2의 표면발광 레이저소자에서 제1발광부와 제2발광부의 영역을 설명한 도면이며, 도 4는 도 3의 제1발광부와 제2발광부의 확대도이고, 도 5의 (A)(B)는 도 3의 제1발광부 및 제2발광부의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 3의 표면발광 레이저소자에서 제2발광부에 연결되는 브리지 전극의 변형 예이며, 도 7는 도 4의 A1-A1의 측 단면도이며, 도 8은 도 4의 A2-A2의 측 단면도이고, 도 9는 도 4의 A3-A3의 측 단면도이며, 도 10은 도 4의 A4-A4의 측 단면도이다.
도 1을 참조하면, 거리측정 장치(10)는 전방에 위치한 객체(1)에 대한 거리 정보 등의 3차원 정보를 검출하기 위한 광을 조사하고 실시간으로 조사된 광을 획득하는 센서일 수 있다. 여기서, 상기 3차원 정보는 3차원 이미지 또는 거리 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 거리측정 장치(10)는 휴대 단말기, 무인 자동차, 자율 주행차, 로봇, 및 드론, 의료기기 등에 적용될 수 있다. 상기 거리측정 장치(10)는 라이다(LiDAR: Light detection and ranging) 장치, 센싱 장치 또는 카메라 모듈을 포함할 수 있다.
상기 거리측정 장치(10)는 하나 또는 복수의 광원(30) 및 하나 또는 복수의 광 수신부(20)를 포함할 수 있다. 상기 광원(30)은 출력 광(11)이 객체(1)로 조사되고, 상기 객체(1)로부터 반사된 수신 광(12)은 광 수신부(20)에 의해 검출될 수 있다. 상기 광원(30)은 객체(1)를 향해 광을 조사하는 소자를 포함할 수 있다. 상기 광원(30)은 사인파, 램프파, 구형파, 펄스파 또는 연속 광을 생성하고 조사할 수 있다. 상기 광원(30)은 동일한 파장의 광 또는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성하고 조사할 수 있다. 상기 광원(30)은 예를 들여, 크기(amplitude) 변조 또는 위상(phase) 변조를 수행하여 광을 출력할 수 있다. 상기 광원(30)은 적외선 영역의 광을 방출할 수 있다. 상기 적외선 영역의 광을 사용하면 태양광을 비롯한 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 반드시 적외선 영역에 한정되는 것은 아니며 다양한 파장 영역의 빛을 방출 할 수 있다. 이러한 경우 혼합된 자연광의 정보를 제거하기 위한 보정이 요구될 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(30)은 레이저 광원을 포함할 수 있으며 이에 한정되지 않는다. 상기 광원(30)은 측면 발광 레이저(Edge emitting laser), 수직캐비티 표면 광방출 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser; VCSEL), 분포궤환형 레이저 (Distributed feedback laser) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(30)은 레이저 다이오드(Laser Diode)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광원(30)은 근적외선 반도체 레이저 등 다양한 종류의 레이저가 될 수 있다. 구현의 필요에 따라, 상기 광원(30)은 다른 장치에 포함될 수도 있고, 반드시 거리 측정 장치(10)에 포함된 하드웨어로 구성될 필요는 없다.
상기 광 수신부(20)는 수신 광(12)으로, 광의 세기 정보, 객체(1)와의 거리 정보를 획득할 수 있다. 상기 광의 세기 정보는 객체(1)의 영역에 따라 반사되는 광들의 세기 값을 포함할 수 있으며, 상기 거리 정보는 상기 객체(1)와 상기 거리측정 장치(10) 사이의 거리를 나타낼 수 있다. 상기 광 수신부(20)는 내부에 센서(미도시)와 렌즈(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 렌즈를 통해 입사되는 광은 센서를 통해 검출할 수 있다.
상기 광원(30)은 카메라 모듈 예컨대, 3차원 이미지 센싱용 카메라 모듈에 채택된다. 예를 들어, 3차원 이미지 센싱용 카메라 모듈은 객체의 심도 정보(Depth Information)를 포착할 수 있는 카메라일 수 있다. 한편, 카메라 모듈의 심도 센싱을 위해서는 별도 센서를 탑재하며, 구조광(Structured Light: SL) 방식과 ToF(Time of Flight) 방식 등 두 가지로 구분된다. 구조광(SL) 방식은 특정 패턴의 레이저를 피사체에 방사한 후, 피사체 표면의 모양에 따라 패턴이 변형된 정도를 바탕으로 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3차원 이미지의 촬영 결과를 얻게 된다. 이에 비해 ToF 방식는 레이저가 피사체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 심도를 계산한 후, 이미지센서가 찍은 사진과 합성해 3D 촬영 결과를 얻게 된다. 이에 따라 SL 방식은 레이저가 매우 정확하게 위치해야 하는 반면에, ToF 기술은 향상된 이미지센서에 의존한다는 점에서 대량 생산에 유리한 장점이 있으며, 하나의 휴대폰에 어느 하나의 방식 또는 두 가지 방식 모두를 채용할 수도 있다.
상기 ToF는 직접/간접(direct/In-direct) 타입이 있으며, 간접 타입은 방출광과 수신광의 위상차를 이용하여 거리를 측정하며, 표면발광 레이저소자(VCSEL)의 광원을 변조하여 소정 주기로 온오프가 반복되도록 구동될 수 있다. 여기서, 센서의 픽셀은 광원과 동일 주기로 온오프되는 픽셀 및 180도의 위상 차이를 갖고 온/오프되는 픽셀을 포함할 수 있다. 간접(In-direct) 타입에서는 위상차를 검출해서 거리를 측정하는데, 위상차가 0인 경우와 360도인경우 동일한 거리로 인식될 수 있다. 예컨대, 광원 바로 앞에 물체가 있는 제1케이스(Case)와, 광원과 멀리 있어 광이 돌아오는 시간이 위상이 360도 바뀌는 주기와 동일한 제2케이스(case)를 같은 거리로 처리하고 인식할 수 있다. 상기 제1케이스는 광원이 발광한 광이 위상 차이 없이 바로 센서에서 검출할 수 있으며, 제2케이스는 광원과 센서가 수신하는 반사광의 위상 차이가 360도가 되어 다시 위상 차이가 없어지게 된다. 이에 따라 타켓(target) 거리에 따라 광원과 센서의 점멸 주기를 맞춰야 하며, 특히 물체와 객체 사이의 거리가 멀어질수록 점멸 주기를 길게(모듈레이션 주파수를 작게) 설정할 수 있다.
도 1 및 도 2와 같이, 상기 광원(30)은 복수의 에미터(201,202)들이 배열된 표면발광 레이저소자(도 2의 200)을 포함할 수 있다. 상기 표면발광 레이저소자(200)은 영역(R1,R2)에 따라 선택적으로 발광되는 복수의 발광부(E1,E2)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 표면발광 레이저소자(200)은 전체 영역(예: R1)에서 발광하는 제1발광부(E1)와, 부분 영역(예: R2)에서 발광하는 제2발광부(E2)를 포함할 수 있다. 상기 부분 영역은 전체 영역의 사이즈보다 작은 사이즈를 갖는 영역으로서, 센터 영역일 수 있다. 상기 표면발광 레이저소자(200)은 서로 다른 화각(FOV: Field Of View)을 갖는 광을 조사하는 제1발광부(E1) 또는/및 제2발광부(E2)를 포함할 수 있다. 상기 표면발광 레이저소자(200)은 서로 다른 줌(Zoon) 기능을 위해 광을 조사하는 제1발광부(E1) 또는/및 제2발광부(E2)를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 표면발광 레이저소자(200)은 제1발광부(E1), 상기 제1발광부(E1)의 제1에미터(201)들에 연결된 제1패드(101), 제2발광부(E2), 및 상기 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)들에 연결된 제2패드(102)를 포함할 수 있다. 상기 제1발광부(E1)는 상기 제1에미터(201)들의 어레이를 포함하며, 상기 제1에미터(201)들의 어레이는 제1영역(R1)에 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 제1영역(R1)은 상기 표면발광 레이저소자(200)의 전 영역으로서, 가로 길이(H1)가 세로 길이(V1)보다 클 수 있다. 상기 제1영역(R1)의 가로 길이(H1)와 세로 길이(V1)는 소정 각도의 화각(FOV)를 기준으로 1배(1x)의 줌 영역을 위한 발광 영역으로 제공될 수 있다. 제1발광부(201)에 의해 조사되는 광에 의한 화각 또는 기준 화각은 예컨대, 70도 이상 예컨대, 80도 내지 90도의 범위일 수 있다. 상기 가로 길이(H1)는 1mm 이상 예컨대, 1.2mm 내지 1.5mm의 범위일 수 있다. 상기 세로 길이(V1)는 0.7mm 이상 예컨대, 0.7mm 내지 1.2mm의 범위일 수 있다. 상기 가로 길이(H1)와 상기 세로 길이(V1)의 비율은 4:3이거나, a:b의 비율일 수 있으며, 상기 a>b이며, a은 b보다 1배 초과일 수 일 수 있다.
상기 제2발광부(E2)는 상기 제2에미터(202)들의 어레이를 포함하며, 상기 제2에미터(202)들의 어레이는 상기 제1영역(R1)의 면적보다 작은 제2영역(R2)의 면적에 배치될 수 있다. 상기 제1영역(R1)은 전 영역에서 제1에미터(201)들이 배치된 영역일 수 있다. 상기 제2영역(R2)은 센터 영역에서 상기 제1에미터(201)와 제2에미터(202)들이 교대로 배열된 영역이거나, 제2에미터(202)가 배치된 영역일 수 있다. 상기 제2영역(R2)은 제1에미터(201)과 제2에미터(202)들이 교대로 배치될 수 있으며, 상기 제2에미터(202)는 상기 제1에미터(201)들 사이에 각각 배치될 수 있다. 다른 예로서, 상기 제2영역(R2)은 상기 제1 영역(R1) 중 제2에미터(202)가 배치되지 않는 영역에 둘러싸일 수 있다. 이에 따라, 상기 제2영역(R2) 내의 제2에미터(202)들은 상기 제1영역(R1) 또는 제1에미터(201)들에 의해 오픈 루프(Open loop) 또는/및 클로즈드(closed) 루프 형태로 배치될 수 있다. 또는 상기 제2영역(R2) 내에 제1에미터(201)들은 상기 제2에미터(201)들에 의해 오픈 루프 또는/및 클로즈드 루프 형태로 배치될 수 있다.
상기 제1영역(R1)에서의 인접한 제1에미터(201) 간의 피치는 제2영역(R2)에서 인접한 제2에미터(202) 간의 피치와 동일할 수 있다. 그리고, 제2영역(R2)에서 인접한 제1 및 제2에미터(201,202) 간의 피치는 인접한 제2에미터(202)들의 피치의 1/2일 수 있다. 상기 제2영역(R2)에서 인접한 제1 및 제2에미터(201,202)들 간의 피치는 제1영역(R1)에서 인접한 제1에미터(201)들의 피치의 1/2일 수 있다. 즉, 균일한 피치를 갖는 제1에미터(201)들 사이의 영역 중에서 제2영역에 각각 제2에미터(202)들이 균일한 피치로 배치될 수 있다.
상기 제2영역(R2)의 면적은 상기 제1영역(R1)의 면적 내에서 30% 이하 예컨대, 4% 내지 25% 범위로 배치될 수 있다. 여기서, 상기 제2영역(R2)은 상기 제1,2영역(R1,R2)의 중심 위치에서 가로 방향으로 동일한 길이를 가지며, 세로 방향으로 서로 동일한 길이를 가질 수 있다. 상기 제2영역(R2)은 상기 제1 및 제2영역(R1,R2)의 중심에서 원형 또는 다각형 형상으로 배치될 수 있다.
제1예로서, 상기 제2영역(R2)이 전체 면적대비 25%±2%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 40도 내지 50도의 범위로 제공될 수 있다. 제2예로서, 상기 제2영역(R2)이 전체 면적대비 11%±1.5%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 25도 내지 35도의 범위로 제공될 수 있다. 제3예로서, 상기 제2영역(R2)이 전체 면적대비 6%±1%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 20도 내지 25도의 범위로 제공될 수 있다. 제4예로서, 상기 제2영역(R2)이 전체 면적대비 4%±1%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 15도 내지 23도의 범위로 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 25% 이하 예컨대, 20% 내지 25%의 범위일 수 있다. 상기 제2예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 15% 이하 예컨대, 9% 내지 15%의 범위일 수 있다. 상기 제3예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 8% 이하 예컨대, 4% 내지 8%의 범위일 수 있다. 여기서, 상기 제1에미터(201)의 전체 개수는 450개 이상 예컨대, 450 내지 1000개의 범위일 수 있으며, 상기 제2에미터(202)의 개수는 최소 20개 이상일 수 있으며, 상기 제1 예 내지 제4예에 따라 제2에미터(202)의 개수를 계산하고 배치할 수 있다.
상기 제4예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 6% 이하 예컨대, 2% 내지 6%의 범위일 수 있다.
이러한 제2영역(R2)은 상기 제1 내지 제4 예 중에서 어느 하나로 줌 배율 및 화각에 맞추어 제공될 수 있다. 상기 제1예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 배수(1x) 대비 2배 줌 모드로 제공될 수 있으며, 상기 제2예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 배수 대비 3배의 줌 모드로 제공될 수 있으며, 상기 제3예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 배수 대비 4배의 줌 모드로 제공될 수 있으며, 또는 상기 제4예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 대비 5배의 줌 모드로 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 5.8%±1.2%의 소비 전력이 절약되며, 상기 제2예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 2.9%±0.5%의 소비 전력이 절약되며, 상기 제3예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 1.7%±0.3%의 소비 전력이 절약되며, 또는 상기 제1예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 1%±0.2%의 소비 전력이 절약될 수 있다.
이와 같이, 발광부(E1,E2)에 대해 제1영역(R1)과 제2영역(R2)으로 구동시켜 줌으로써, 서로 다른 화각 및 서로 다른 줌 배율에 따른 광을 제공해 줄 수 있다. 또한 소비 전력은 제2영역(R2)을 구비하지 않는 경우에 비해, 최대 6% 정도로 절약할 수 있다.
상기 제1 및 제2에미터(201,202)는 예를 들면, 수직캐비티 표면 광방출 레이저(Vertical-cavity surface emitting laser; VCSEL)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2에미터(201,202)들 각각은 개구부를 갖는 에미터 또는 발광 구조물로 정의될 수 있다. 상기 제1 및 제2에미터(201,202)는 750nm 이상 예컨대, 750nm 내지 1100nm의 범위 또는 750nm 내지 950nm의 범위로 발광할 수 있다. 상기 제1 및 제2에미터(201,202)는 동일한 피크 파장을 발광할 수 있다.
도 5의 (A)와 같이, 상기 제1에미터(201)들은 상기 제1패드(101)에 전원이 공급되면, 발광될 수 있다. 상기 제1패드(101)는 상기 제1발광부(E1)의 상부를 통해 연장된 제1전극(280)과 전기적으로 연결될 수 있다. 도 5의 (B)와 같이, 상기 제2에미터(202)들은 제2패드(102)에 전원이 공급되면, 발광될 수 있다. 상기 제2에미터(202)들은 상기 제1발광부(E1) 및 상기 제2발광부(E2)의 상부를 통해 연장된 제2전극(290)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1패드(101)는 상기 제1전극(280)의 외부 영역 중 외부 전원 단자 예컨대, 와이어 또는 본딩 부재가 연결되는 영역일 수 있다. 상기 제2패드(102)는 상기 제2전극(290)의 외부 영역 중 외부 전원 단자, 예컨대 와이어 또는 본딩 부재가 연결되는 영역일 수 있다. 상기 제2패드(102)는 상기 제1패드(101)가 배치된 영역 중에서 상기 제2영역(R2)과 가장 인접한 영역에 배치되며, 상기 제1패드(101)의 영역들 사이에 배치될 수 있다.
도 4 및 도 6과 같이, 상기 제2패드(102)와 상기 제2에미터(202)들의 제2전극(290)은 브리지 전극(295)으로 연결될 수 있다. 상기 브리지 전극(295)은 하나 또는 복수로 배치될 수 있다. 상기 브리지 전극(295)은 상기 제2패드(102)와 상기 제2영역(R2) 사이의 제3영역(R3)을 따라 배치되며, 상기 제1에미터(201)들의 외측 상부를 따라 연장될 수 있다. 상기 브리지 전극(295)의 폭은 상기 제2패드(102)의 폭과 같거나 작을 수 있다. 상기 브리지 전극(295)의 폭은 상기 제2발광부(E2)의 가로 너비와 같거나 작을 수 있다. 상기 제2영역(R2)은 상기 제1영역(R1)의 면적, 즉 전체 면적 대비 30% 이하의 면적일 수 있으며, 예컨대 4% 내지 30%의 범위 또는 4% 내지 25%의 범위일 수 있다. 이러한 제2영역(R2)이 상기 범위 내에서 제2에미터(202)를 구비하고 선택적으로 제2에미터(202)를 구동시켜 줌으로써, 표면발광 레이저소자(200)의 소비전력을 낮추어줄 수 있다. 또한 기준이 되는 화각(FOV)보다 작은 화각이나 더 높은 줌(Zoom)에 따른 제2에미터(202)들이 배열되는 제2영역(R2)에 의한 소비전력은 전체 소비전력을 최대 6% 정도로 절약할 수 있다. 즉, 1배 초과 줌 기능을 사용할 경우, 제2영역(R2)의 제2에미터(202)만을 구동시키고, 제1에미터(201)는 오프시켜 줌으로써, 소비 전력을 줄여줄 수 있다. 그리고, 기준 화각 또는 1배 줌 모드인 경우, 제1에미터(201)는 온 시키고, 제2에미터(202)는 오프시켜 줄 수 있다.
또한 표면발광 레이저소자에서 전체 영역 이외의 제2영역의 구동 시, 제1에미터(201)와 별도의 제2에미터(202)를 이용하여 독립적으로 구동시켜 줌으로써, 각 제2에미터(202)에 동일 전류 밀도를 얻기 위해 인가되는 전류의 차이를 제거하면서, 제2영역(R2)으로 공급되는 전류가 감소되어, 소비 전력을 감소시켜 줄 수 있다.
여기서, 제1 및 제2에미터(201,202)는 동일한 구조로 제공되므로, 제1에미터(201)를 중심으로 설명하며, 제2에미터(202)에 대해서는 제1에미터(201)의 설명을 참조하기로 한다. 또한 상기 제2에미터(202)의 구조 중에서 상기 제1에미터(201)와 다른 구성 및 추가적인 구성에 대해, 후술하기로 한다.
도 4, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 표면발광 레이저 소자는 하부 전극(215), 기판(210), 제1 반사층(220), 발광층(230), 산화층(240), 제2 반사층(250), 패시베이션층(270), 및 제1 전극(280)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(280)은 접촉부(282)와 연결부(284)를 포함할 수 있다.
상기 제1에미터(201)의 하부에는 기판(210)이 배치될 수 있다. 상기 기판(210)은 전도성 기판 또는 비전도성 기판일 수 있다. 상기 전도성 기판은 전기 전도도가 우수한 금속이 사용될 수 있다. 상기 기판(210)은 제1에미터(201)의 동작시 발생되는 열이 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로, 열전도도가 높은 GaAs 기판 또는 금속기판을 사용하거나 실리콘(Si) 기판을 포함할 수 있다. 상기 비전도성 기판은 AlN 기판이나 사파이어(Al2O3) 기판 또는 세라믹 계열의 기판 등이 사용될 수 있다.
상기 하부 전극(215)은 기판(210)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(215)은 도전성 재료로 단층 또는 다층으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(215)은 금속일 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성되어, 전기적 특성을 향상시켜 광출력을 높일 수 있다. 상기 하부 전극(215)은 상기 제1에미터(201)와 상기 제2에미터(202)와 공통적으로 연결되는 공통 전극 또는 캐소드 단자일 수 있다.
상기 제1 반사층(220)는 기판(210) 상에 배치될 수 있다. 두께를 줄이기 위해 기판(210)이 생략되는 경우, 제1 반사층(220)의 하면은 하부 전극(215)의 상면과 접촉될 수 있다. 상기 제1 반사층(220)는 제1 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 제1 반사층(220)는 갈륨계 화합물, 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 반사층(220)는 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(220)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 제1 층 및 제2 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다. 상기 제1 반사층(220)에서의 층의 두께는 각각의 굴절률과 발광층(230)에서 방출되는 광의 파장에 따라 결정될 수 있다.
상기 발광층(230)은 제1 반사층(220) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 발광층(230)은 상기 제1 반사층(220)과 제2 반사층(250) 사이에 배치될 수 있다. 상기 발광층(230)는 내부에 활성층과 적어도 하나 이상의 캐비티를 포함할 수 있으며, 상기 활성층은 단일 우물구조, 다중 우물구조, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 활성층은 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 InGaAs/AlxGaAs, AlGaInP/GaInP, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, GaAs/InGaAs 등의 페어를 갖고 1 내지 3 페어 구조로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다. 상기 캐비티는 AlyGa(1-y)As(0<y<1) 물질로 형성될 수 있으며, AlyGa(1-y)As로된 복수의 층을 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 산화층(240)은 절연영역(242)과 개구부(241)를 포함할 수 있다. 상기 절연영역(242)는 개구부(241)을 둘러쌀 수 있다. 예컨대, 상기 개구부(241)는 상기 발광층(230)의 발광 영역(중심영역) 상에 배치되고, 상기 절연영역(242)은 발광층(230)의 비 발광 영역(가장자리영역) 상에 배치될 수 있다. 상기 비 발광 영역은 발광 영역을 둘러쌀 수 있다. 상기 개구부(241)는 전류가 흐르는 통로영역일 수 있다. 상기 절연영역(242)은 전류의 흐름을 차단하는 차단영역일 수 있다. 상기 절연영역(242)는 옥사이드층(oxide layer) 또는 산화층으로 지칭될 수 있다. 상기 산화층(240)은 전류의 흐름이나 밀도를 제한하여 보다 응집된 레이저 빔이 방출되도록 하므로, 전류제한층(current confinement layer)으로 지칭될 수 있다.
상기 개구부(241)의 사이즈에 의해 상기 제1 전극(280)에서 발광층(230)으로 공급되는 전류의 양, 즉 전류밀도가 결정될 수 있다. 상기 개구부(241)의 사이즈는 절연영역(242)에 의해 결정될 수 있다. 상기 절연영역(242)의 사이즈가 커질수록 개구부(241)의 사이즈는 작아지고, 이에 따라 발광층(230)으로 공급되는 전류밀도는 증가될 수 있다. 아울러, 상기 개구부(241)는 발광층(230)에서 생성된 빔이 상측 방향, 즉 제2 반사층(250)의 방향으로 진행되는 통로일 수 있다. 즉, 상기 개구부(241)의 사이즈에 따라, 발광층(230)의 빔의 발산 각이 달라질 수 있다.
상기 절연영역(242)은 절연층, 예를 들어 알루미늄산화물(Al2O3)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 산화층(240)이 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)를 포함하는 경우, 산화층(240)의 AlGaAs가 H2O와 반응하여 가장자리가 알루미늄산화물(Al2O3)로 변해져 절연영역(242)으로 형성되고, H2O와 반응하지 않은 중심영역은 AlGaAs를 포함하는 개구부(241)가 될 수 있다.
상기 개구부(241)를 통해 발광층(230)에서 발광된 광을 상부 영역으로 발산할 수 있으며, 상기 절연영역(242)과 비교하여 개구부(241)의 광 투과율은 더 높을 수 있다. 상기 절연영역(242)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 예컨대, 적어도 한 층이 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사층(250)는 산화층(240) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 반사층(250)는 갈륨계 화합물 예를 들면 AlGaAs를 포함할 수 있다. 상기 제2 반사층(250)는 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1 반사층(220)이 p형 도펀트로 도핑될 수도 있고, 상기 제2 반사층(250)이 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다. 상기 제2 반사층(250)은 분산 브래그 반사기(DBR: Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 반사층(250)는 서로 다른 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 복수의 층이 교대로 적어도 1회 이상 적층된 구조일 수 있다. 상기 제2 반사층(250)의 각 층은 AlGaAs를 포함할 수 있고, 상세하게는, x의 조성이 다른 AlxGa(1-x)As(0<x<1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, Al이 증가하면 각 층의 굴절률은 감소하고, Ga가 증가하면 각 층의 굴절률은 증가할 수 있다. 상기 제2 반사층(250)의 각 층의 두께는
Figure pat00001
/4n이고,
Figure pat00002
는 활성층에서 방출되는 광의 파장일 수 있고, n은 상술한 파장의 광에 대한 각 층의 굴절률일 수 있다.
상기 제2 반사층(250)은 층들이 교대로 적층되어 이루어질 수 있으며, 상기 제1 반사층(220) 내에서 층들의 페어(pair) 수는 상기 제2 반사층(250) 내에서 층들의 페어 수보다 더 많을 수 있다. 여기서, 상기 제1 반사층(220)의 반사율은 상기 제2 반사층(250)의 반사율 보다 클 수 있다.
여기서, 상기 제1 반사층(220)에서 상기 제2 반사층(250)까지의 층들은 발광 구조물로 정의될 수 있다. 상기 발광 구조물의 상부는 외 측면이 경사진 측면으로 제공될 수 있다. 상기 발광 구조물의 상부는 메사 에칭 공정에 의해 경사진 측면으로 노출될 수 있다.
패시베이션층(270)은 발광구조물의 상부 둘레에 배치될 수 있다. 상기 발광구조물의 상부는, 예컨대 발광층(230), 산화층(240) 및 제2 반사층(250)를 포함할 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 상기 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 상기 제2 반사층(250)의 에지 영역 상에 배치될 수 있다. 상기 발광구조물이 부분적으로 메사 식각되는 경우, 상기 제1 반사층(220)의 상면의 일부는 노출되고, 발광구조물의 일부 영역이 돌출된 형태로 배치될 수 있다. 상기 패시베이션층(270)이 발광구조물의 일부 영역의 둘레와 상기 노출된 제1 반사층(220)의 상면 상에 배치될 수 있다.
상기 패시베이션층(270)은 외부로부터 발광구조물을 보호하고, 상기 제1 반사층(220)와 제2 반사층(250)의 전기적인 쇼트를 차단할 수 있다. 상기 패시베이션층(270)은 절연 재질 또는 유전체 재질로 형성될 수 있으며, 예컨대 SiO2와 같은 무기 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 제1 전극(280)은 접촉부(282)와 접촉부(282)에 연결되는 연결부(284)를 포함할 수 있다. 상기 접촉부(282)는 상기 제2 반사층(250)의 상면의 일부분에 접촉될 수 있다. 상기 접촉부(282)는 상기 제2 반사층(250)과의 오믹 접촉될 수 있다. 상기 연결부(284)는 상기 접촉부(282)와 제1 패드(도 4의 101)를 연결시켜 줄 수 있으며, 인접한 제1에미터(201)들을 연결시켜 줄 수 있다.
상기 접촉부(282)와 연결부(284)는 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 접촉부(282)와 연결부(284)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 상기 접촉부(282)와 연결부(284)는 서로 동일한 금속 또는 비 금속 재질이거나, 서로 다른 재질로 형성될 수 있다.
상기 접촉부(282)는 상기 개구부(241)와 수직 방향으로 중첩되는 패시베이션층(270)의 외측 둘레에서 상기 제2 반사층(250)과 접촉될 수 있다. 상기 접촉부(282)는 상기 패시베이션층(270)을 통해 제2 반사층(250)과 접촉될 수 있으며, 상기 제2 반사층(250)의 상부 둘레에 루프 형상 또는 폐 루프 형상으로 배치될 수 있다.
도 4와 같이, 상기 제1 및 제2에미터(201,202) 각각은 탑뷰에서 볼 때, 상기 개구부(241)가 중심부에 배치되고, 상기 개구부(241)의 둘레에 절연영역(242) 및 접촉부(282)가 배치될 수 있다.
도 10과 같이, 제1절연층(285)은 상기 제2영역(R2)과 상기 제2패드(102) 사이의 제3영역(R3) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1절연층(285)는 제1발광부(E1)의 제1전극(280)과 상기 제2발광부(E2)의 제2전극(290)의 브리지 전극(295) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1절연층(285)은 상기 제1에미터(201)의 제1전극(280)의 상부와 상기 제2에미터(202)의 제2전극(290)의 브리지 전극(295)의 하부에 배치되며, 제1전극(280)의 연결부(284)를 상기 브리지 전극(295)으로부터 전기적 및 물리적으로 분리시켜 줄 수 있다. 이에 따라 상기 제1절연층(285)에 의해 상기 제3영역(R3) 상에서 제2전극(290)의 브리지 전극(295)은 제1전극(280)과 전기적으로 절연될 수 있다. 상기 제2절연층(287)은 상기 브리지 전극(295)의 외측 상부에 연장될 수 있다.
도 4 및 도 9와 같이, 상기 제2절연층(287)은 상기 제1발광부(E1)와 상기 제2발광부(E2) 사이의 경계 영역에 더 배치될 수 있다. 상기 제2절연층(287)은 상기 제1발광부(E1)의 제1전극(280)의 연결부(284)와, 상기 제2발광부(E2)의 제2전극(290)의 연결부(294) 사이를 절연시켜 줄 수 있다. 이에 따라 상기 제2절연층(287)은 제2영역(R2)의 외측에서 제1발광부(E1)의 제1전극(280)으로부터 제2발광부(E2)의 제2전극(290)의 연결부(294)를 전기적 및 물리적으로 분리시켜 줄 수 있다. 상기 제2절연층(287)은 경계 영역을 따라 일 방향으로 직선 형태로 연장되거나, 지그 재그 형태로 연장될 수 있다. 즉, 상기 제2절연층(287)은 인접한 에미터(201,202)들에 공간적으로 영향을 주지 않는 영역에 배치되거나 개구부(241)에 영향이 없도록, 상기 제1전극(280)의 연결부(284)와 제2전극(290)의 연결부(294) 또는 브리지 전극(295) 사이로 연장될 수 있다.
상기 제1절연층(285) 및 제2절연층(287)은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 질화물 또는 산화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide), 실리카(SiO2), 또는 질화 실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 표면발광 레이저소자에서 제1영역(R1)은 제2영역(R2)을 제외한 영역일 수 있다. 전체 구동모드 또는 기준 화각인 경우, 제1영역(R1)과 제2영역(R2)의 발광부(E1,E2)들이 모두 발광될 수 있다.
상기 제2영역(R2)은 기준보다 작은 화각이나 줌 배율에 따라 다수의 서브영역(Ra,Rb,Rc,Rd) 중에서 어느 하나일 수 있다. 상기 기준보다 작은 화각 및 줌 배율에 해당되는 영역은 상기에 개시된 제1예, 제2예, 제3예 및 제4예에 설정된 각 서브영역(Ra,Rb,Rc,Rd)일 수 있다. 도 11 및 도 12와 같이, 제2영역(R2: Ra,Rb,Rc,Rd) 중에서 어느 하나를 구현할 수 있다.
여기서, 상기 제2발광부(202)에 배치된 제2에미터는 M행 및 N열을 포함하며, 상기 M행은 적어도 8행이며, N열은 적어도 4열을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1예 내지 제4예에 따라 M행은 8내지 20행일 수 있으며, N(N<M)열은 18보다 작은 4열 내지 15열일 수 있다. 상기 제2에미터들은 인접한 행마다 같은 열로 배치되거나, 지그 재그로 배열될 수 있다. 상기 제1에미터는 O행 및 P열을 포함하며, O행(O>M, O>N)은 적어도 30행 이상이며, P열(P>M, P>N)은 적어도 15열 이상일 수 있으며, 매트릭스 행태로 배열되거나, 지그재그 형태로 배열될 수 있다. 여기서, 제2영역에서의 제2에미터만으로 배열된 경우, 제1에미터들의 행과 열에 따라, 동일한 피치로 배열될 수 있다. 그리고, 행열은 O>P>M>N의 관계를 가질 수 있다.
상기 서브영역(Ra)의 면적은 상기 제1영역(R1)의 면적 내에서 30% 이하 예컨대, 4% 내지 25% 범위로 배치될 수 있다. 상기 서브영역(Ra)는 도 2에서의 제2영역의 크기일 수 있다. 여기서, 상기 서브영역(Ra)은 상기 제1,2영역(R1,R2)의 중심 위치에서 가로 방향으로 동일한 길이를 가지며, 세로 방향으로 서로 동일한 길이를 가질 수 있다. 제1예로서, 상기 서브영역(Ra)이 전체 면적대비 25%±2%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 40도 내지 50도의 범위로 제공될 수 있다(도 12의 (A) 참조). 제2예로서, 상기 서브영역(Rb)이 전체 면적대비 11%±1.5%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 25도 내지 35도의 범위로 제공될 수 있다(도 12의 (B) 참조). 제3예로서, 상기 서브영역(Rc)이 전체 면적대비 6%±1%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 20도 내지 25도의 범위로 제공될 수 있다(도 12의 (C) 참조). 제4예로서, 상기 서브영역(Rc)이 전체 면적대비 4%±1%의 면적인 경우, 상기 제2발광부(202)에 의해 조사되는 광에 의한 화각은 15도 내지 23도의 범위로 제공될 수 있다(도 12의 (D) 참조).
상기 제1예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 25% 이하 예컨대, 20% 내지 25%의 범위일 수 있다. 상기 제2예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 15% 이하 예컨대, 9% 내지 15%의 범위일 수 있다. 상기 제3예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 8% 이하 예컨대, 4% 내지 8%의 범위일 수 있다. 여기서, 상기 제1에미터(201)의 전체 개수는 450개 이상 예컨대, 450 내지 1000개의 범위일 수 있으며, 상기 제2에미터(202)의 개수는 최소 20개 이상일 수 있으며, 상기 제1 예 내지 제4예에 따라 제2에미터(202)의 개수를 계산하고 배치할 수 있다. 상기 제4예에서 제2발광부(E2)의 제2에미터(202)의 전체 개수는 제1에미터(201)의 전체 개수 대비 6% 이하 예컨대, 2% 내지 6%의 범위일 수 있다.
이러한 제2영역(R2: Ra,Rb,Rc,Rd)은 상기 제1 내지 제4 예 중에서 어느 하나로 줌 배율 및 화각에 맞추어 제공될 수 있다. 상기 제1예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 배수(1x) 대비 2배 줌 모드로 제공될 수 있으며, 상기 제2예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 배수 대비 3배의 줌 모드로 제공될 수 있으며, 상기 제3예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 배수 대비 4배의 줌 모드로 제공될 수 있으며, 또는 상기 제4예에 의해 제2발광부(E2)의 광은 기준 대비 5배의 줌 모드로 제공될 수 있다.
여기서, 상기 제1예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 5.8%±1.2%의 소비 전력이 절약되며, 상기 제2예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 2.9%±0.5%의 소비 전력이 절약되며, 상기 제3예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 1.7%±0.3%의 소비 전력이 절약되며, 또는 상기 제1예에 의해 제2발광부만 구동될 경우, 제1발광부의 소비 전력에 비해 1%±0.2%의 소비 전력이 절약될 수 있다.
이와 같이, 발광부(E1,E2)에 대해 제1영역(R1) 또는/및 제2영역(R2)으로 구동시켜 줌으로써, 서로 다른 화각 및 서로 다른 줌 배율에 따른 광을 제공해 줄 수 있다. 또한 소비 전력은 제2영역(R2)을 구비하지 않는 경우에 비해, 최대 6% 정도로 절약할 수 있다.
다른 예로서, 상기 제2영역 내에는 제3에미터를 갖는 제3영역이 배치될 수 있으며, 상기 제3영역 내에는 제4에미터를 갖는 제4영역이 배치될 수 있으며, 예컨대 n 에미터를 갖는 n(n은 3 이상) 영역 내에 배치되는 n+1에미터를 갖는 n+1 영역이 배치될 수 있다.
도 14와 같이, 거리 측정 장치는 광원(30), 광 수신부(20), 복수의 증폭기들(70), 피크 검출기(72), 선택부(74) 및 프로세서(76)를 포함할 수 있다. 상기 광원(30)은 상기에 개시된 도 2 내지 도 10에 개시된, 제1영역(R1) 또는/및 제2영역(R2: Ra,Rb,Rc,Rd)에 구비된 제1,2발광부(51,52)를 통해 객체(1)을 향해 광을 조사할 수 있다. 상기 광원(30)은 제1발광부(51)를 구동시키는 제1구동부(61)와, 제2발광부(52)를 구동시키는 제2구동부(62)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2구동부(61,62)는 드라이버 IC로 구현될 수 있다. 이러한 광원(30)에 대해 중복되는 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
상기 광 수신부(20)는 객체(1)에서 반사 또는 산란된 광을 검출하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 광 수신부(20)는 산란된 광을 검출하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 광 수신부(20)는 반사 또는 산란된 광을 전압 신호로 변환할 수 있다. 복수의 증폭기들(70)은 서로 다른 이득(gain)들 각각으로 전기 신호를 증폭하여, 복수의 증폭된 전기 신호들을 생성할 수 있다. 복수의 증폭기들(70)은 낮은 이득 값부터 높은 이득 값까지 서로 다른 이득 값을 가질 수 있다.
복수의 피크 검출기(72)들은 상기 증폭된 신호들 각각에 대해 피크를 검출하여, 피크 검출 신호를 생성할 수 있으며, 각각 피크 검출기(72)는 증폭된 전기 신호의 중심 위치를 검출함으로써, 피크를 검출할 수 있다.
선택부(74)는 복수의 증폭된 전기 신호들 중에서 적어도 하나의 증폭된 전기 신호의 레벨에 기초하여 최적의 피크 검출신호를 선택할 수 있다.
프로세서(76)는 거리측정 장치의 각 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다. 상기 거리측정 장치는 상기 프로세서(76)에 의해 수행되는 동작을 프로그램 및 기타 데이터들이 저장된 메모리를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(76)는 광원(30)의 제1 또는/및 제2발광부(51,52)에서 조사된 광의 조사 시점과 피크 검출기(74)에서 검출된 피크의 검출 시점 사이의 시간을 측정하는 TDC(Time to Digital Converter)를 포함할 수 있고, 프로세서(76)는 TDC에 의해 측정된 시간에 기초하여, 객체(1)까지의 거리를 측정할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 프로세서(76)는, 아날로그 신호인 피크를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter)를 포함할 수 있고, 프로세서(76)는 ADC에 의해 변환된 디지털 신호를 처리하여 객체(1)까지의 거리를 측정할 수 있다.
도 15와 같이, 표면발광 레이저소자는 제1 및 제2발광부 중 어느 하나 또는 모두를 선택할 수 있으며(S21), 상기 선택된 발광부는 제1 및 제2구동부에 의해 구동되며(S22), 적외선 광을 객체를 향해 조사될 수 있다. 이후, 광 수신부는 제1 또는/및 제2발광부에 의해 조사된 광을 수신하며(S24), 상기 수신된 광을 분석하여 3차원 이미지 또는 거리를 검출할 수 있다. 이때 상기 제2발광부를 구동할 때, 기준 배율보다 높은 배율 즉, 2배율 이상이고 기준 화각보다 작은 화각 예컨대, 80도 미만의 화각을 위한 광을 조사할 수 있다. 이에 따라 상기 광 수신부에 의해 수신된 광에 의해 객체에 상응하는 3차원 이미지 또는 거리를 측정할 수 있다. 이에 따라 기준모드(기준 화각, 기준 배율)인 경우 보다 줌 배율에서의 소비 전력을 줄여줄 수 있다.
도 16는 발명의 실시예에 따른 표면발광 레이저소자가 적용된 이동 단말기의 예를 나타낸 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 이동 단말기(1500)는 일면 또는 후면에 제공된 카메라 모듈(1520), 플래쉬 모듈(1530), 자동 초점 장치(1510)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 자동 초점 장치(1510)는 발광층으로서 상기에 개시된 표면발광 레이저소자 및 광 수신부를 포함할 수 있다.
상기 플래쉬 모듈(1530)은 그 내부에 광을 발광하는 에미터를 포함할 수 있다. 상기 플래쉬 모듈(1530)은 이동 단말기의 카메라 작동 또는 사용자의 제어에 의해 작동될 수 있다. 상기 카메라 모듈(1520)은 이미지 촬영 기능 및 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 예컨대 카메라 모듈(1520)은 이미지를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다.
상기 자동 초점 장치(1510)는 레이저를 이용한 자동 초점 기능을 포함할 수 있다. 상기 자동 초점 장치(1510)는 카메라 모듈(1520)의 이미지를 이용한 자동 초점 기능이 저하되는 조건, 예컨대 10m 이하의 근접 또는 어두운 환경에서 주로 사용될 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
101: 제1패드 102: 제2패드
201: 제1에미터 202: 제2에미터
210: 기판 215: 하부 전극
220: 제1 반사층 230: 발광층
240: 산화층 241: 개구부
242: 절연영역 250: 제2 반사층
270: 패시베이션층 280: 제1 전극
290: 제2 전극 282,292: 접촉부
284,294: 연결부 295: 브리지 전극
E1,E2: 발광부 285,287: 절연층
R1: 제1영역 R2: 제2영역

Claims (16)

  1. 복수의 제1에미터가 배열된 제1 영역; 및
    상기 복수의 제1 에미터의 일부 및 복수의 제2에미터가 배열된 제2 영역을 포함하고,
    상기 제2 영역의 면적은 상기 제1영역의 면적보다 작으며,
    상기 제2 영역은 상기 제1영역의 센터 영역에 배치되고,
    상기 제1에미터와 상기 제2에미터는 별도로 구동되는, 표면발광 레이저소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역에 배치된 상기 제2에미터의 개수는 상기 제1 영역에 배치된 상기 제1에미터의 개수보다 작은, 표면발광 레이저소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1에미터가 배열된 제1영역의 외측에 배치되며 상기 복수의 제1에미터와 전기적으로 연결된 제1패드; 및
    상기 제1 영역의 외측에 배치되며 상기 제2에미터와 전기적으로 연결된 제2패드;를 포함하는, 표면발광 레이저소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 인접한 제1에미터들 간의 피치는 상기 제2 영역에서 인접한 제2에미터들 간의 피치와 동일한, 표면발광 레이저소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2영역은 상기 제2에미터들로 배열되며,
    상기 제1영역 및 상기 제2 영역에서의 제1 및 제2에미터들의 피치가 서로 동일한, 표면발광 레이저소자.
  6. 제1 영역 및 제2 영역에 배치되는 복수의 제1 에미터;
    상기 제2 영역에 배치되는 복수의 제2 에미터;를 포함하고,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역 내에 포함되며, 상기 제1 영역보다 면적이 작고,
    상기 복수의 제1 에미터와 상기 복수의 제2 에미터는 별도로 구동되고,
    상기 제1 에미터와 상기 제2 에미터 간의 피치는 상기 제1 에미터 간의 피치보다 작은, 표면 발광 레이저 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 영역에 배치된 제2에미터는 인접한 제1에미터들 사이에 각각 배치되는, 표면발광 레이저소자.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 영역에서 인접한 제1 및 제2에미터들 간의 피치는 인접한 제1에미터들 간의 피치의 1/2인, 표면발광 레이저소자.
  9. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제1 영역에 배치된 제1에미터는 상부에 제1전극을 포함하며,
    상기 제2 영역에 배치된 상기 제2에미터는 상부에 제2전극을 포함하며,
    상기 제2에미터의 제2전극은 상기 제2패드와 연결되는 브리지 전극을 포함하며,
    상기 브리지 전극은 상기 제1영역 상으로 상기 제2패드로 연장되는, 표면발광 레이저소자.
  10. 제9항에 있어서,
    하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 반사층과,
    상기 제1 반사층 상에 배치되는 발광층;
    상기 발광층 상에 개구부 및 절연영역을 포함하는 산화층;
    상기 산화층 상에 배치되는 제2 반사층; 및
    상기 제2반사층 상에 패시베이션층;을 포함하며,
    상기 제1전극 또는 상기 제2전극은 상기 제2 반사층에 접촉된 접촉부 및 상기 패시베이션층 상으로 연장되는 연결부를 포함하는, 표면발광 레이저소자.
  11. O행 및 P열을 갖고 적외선 영역의 광을 조사하는 복수의 제1에미터가 배열된 제1발광부;
    M행 및 N열을 갖고 적외선 영역의 광을 조사하는 복수의 제2에미터가 배열된 적어도 하나의 제2발광부;
    상기 제2에미터가 배치된 제2영역의 면적은 상기 제1영역의 면적보다 작으며,
    상기 제2영역에 배치된 상기 제2에미터의 개수는 상기 제1영역에 배치된 상기 제1에미터의 개수보다 작으며,
    상기 제2영역은 상기 제1영역의 센터 영역에 배치되며,
    상기 제1에미터와 상기 제2에미터는 별도로 구동되며,
    상기 O,P,M,N은 정수이며, O>P>M>N의 관계를 갖는, 표면발광 레이저소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1발광부는 기준 화각을 위한 광을 조사하며,
    상기 제2발광부는 상기 기준 화각보다 작은 화각을 위한 광을 조사하는, 표면발광 레이저소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기준 화각은 70도 이상이며,
    상기 기준 화각보다 작은 화각은 50도 이하인, 표면발광 레이저소자.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 에미터 및 제2 에미터는 소정 주기를 가지고 온/오프를 반복하여 구동되고,
    상기 기준 화각에서의 상기 제1 에미터의 구동 주기는, 상기 기준 화각보다 작은 화각에서의 상기 제2 에미터의 구동 주기보다 작은, 표면 발광 레이저 소자
  15. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제2영역의 면적은 상기 제1영역의 면적 대비 30% 이하이며,
    상기 제2영역은 상기 제1 및 제2영역의 중심을 기준으로 다각형 형상으로 배치되는, 표면발광 레이저소자.
  16. 제1항 또는 제6항의 표면발광 레이저소자를 갖는 광원; 및
    상기 광원의 제1 또는 제2에미터가 구동되어 조사된 적외선 영역의 광을 객체로부터 산란 또는 반사된 광을 수신하는 광 수신부를 포함하는, 거리측정 장치.
KR1020200033040A 2020-03-18 2020-03-18 표면발광 레이저소자 및 이를 구비한 거리측정장치 KR20210116899A (ko)

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