WO2022053349A2 - Optoelectronic semiconductor component, optoelectronic semiconductor device and lidar system - Google Patents

Optoelectronic semiconductor component, optoelectronic semiconductor device and lidar system Download PDF

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Definitions

  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • FMCW LIDAR systems frequency modulated continuous wave- modulated continuous wave LIDAR systems
  • laser light sources with correspondingly high power are required.
  • the object of the present invention is to provide an improved optoelectronic semiconductor component, an improved optoelectronic semiconductor device and an improved LIDAR system.
  • An optoelectronic semiconductor component comprises a semiconductor layer stack, in which a surface-emitting laser diode is arranged, and a modulation device, which has a current source.
  • the modulation device is suitable for changing a current intensity impressed into the surface-emitting laser diode, as a result of which an emission wavelength can be changed.
  • the surface-emitting laser diode can have a large number of laser elements stacked vertically one on top of the other.
  • the optoelectronic semiconductor component can also include a waveguide that is suitable for absorbing electromagnetic radiation emitted by the surface-emitting laser diode.
  • the waveguide can be a single-mode waveguide.
  • the waveguide can be integrated into a carrier.
  • the waveguide can be part of an integrated optical circuit.
  • the optoelectronic semiconductor component can also contain an optical isolator between the surface-emitting laser diode and the waveguide.
  • An optoelectronic semiconductor device has a multiplicity of optoelectronic semiconductor components as described above. Components of the optoelectronic semiconductor components are arranged on a common carrier. The optoelectronic semiconductor components are stacked one on top of the other, for example in a direction perpendicular to an emission direction of the optoelectronic semiconductor components.
  • a LIDAR system has the optoelectronic semiconductor component as described above, a beam splitter device and a detector.
  • a LIDAR system has the optoelectronic semiconductor device as described above. wrote, a beam splitter and a detector.
  • the photodetector can be a Ge detector.
  • An emission wavelength of the optoelectronic semiconductor component can be greater than 1100 nm.
  • the LIDAR system can be implemented at least partially as an integrated optical circuit.
  • the beam splitter device can be a beam splitter, for example, or else a fiber-optic component that causes the beam to be split, for example a splitter.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
  • Fig. 2 shows a cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
  • FIG. 3A shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
  • Fig. FIG. 3B shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
  • Fig. 4 shows a LIDAR system according to embodiments.
  • FIG. 5A shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
  • Fig. 5B shows a schematic structure of a LIDAR system according to further embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may include any Include semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafer and structure are understood to include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers optionally supported by a base substrate 12, and other semiconductor structures 13. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, such as a GaAs substrate, a GaN substrate, or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
  • a second semiconductor material such as a GaAs substrate, a GaN substrate, or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, phosphide semiconductor compounds through which For example, green or longer-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, Al InGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials may include silicon, silicon-germanium, and germanium.
  • the term "semiconductor" also includes organic semiconductor materials
  • substrate generally includes insulating, conductive, or semiconductor substrates.
  • vertical as used in this specification is intended to describe an orientation that is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body. The vertical direction can correspond to a growth direction when layers are grown, for example.
  • lateral and “horizontal” as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • electrically connected means a low-impedance electrical connection between the connected elements.
  • the electrically connected elements do not necessarily have to be directly connected to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
  • electrically connected also includes tunnel contacts between the connected elements.
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 comprises a semiconductor layer stack 109 in which a surface-emitting laser diode 103 is arranged.
  • the surface-emitting laser diode 103 represents, for example, a VCSEL (“Vertical Cavity Surface Emitting Laser”). This comprises a first resonator mirror 110, a second resonator mirror 120 and an active zone 125 for beam generation.
  • the surface emitting laser diode 103 has an optical cavity formed between the first and second cavity mirrors 110 , 120 .
  • the optical resonator extends in a vertical direction.
  • the first and the second resonator mirror 110, 120 can each be designed as a DBR layer stack ("distributed Bragg reflector") and have a large number of alternating thin layers of different refractive indices.
  • the thin layers can each be made of a semiconductor material or of a
  • the layers can alternately have a high refractive index (n>3.1 when using semiconductor materials, n>1.7 when using dielectric materials) and a low refractive index (n ⁇ 3.1 when using semiconductor materials, n ⁇ 1.7 when using dielectric materials).
  • the layer thickness can be X/4 or a multiple of X/4, where X indicates the wavelength of the light to be reflected in the corresponding medium.
  • the first or the second A resonator mirror can have, for example, 2 to 50 individual layers ke of the individual layers can be about 30 to 150 nm, for example 50 nm.
  • the layer stack can also contain one or two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • the first resonator mirror 110 can contain semiconductor layers of the first conductivity type, for example p-type.
  • the second resonator mirror 120 can have semiconductor layers of two th conductivity type, for example n-type included.
  • the first and/or the second resonator mirror 110 , 120 can be constructed from dielectric layers.
  • semiconductor layers of the first conductivity type can be arranged between the first resonator mirror 110 and the active zone 125 .
  • semiconductor layers of the second conductivity type can be arranged between the second resonator mirror 120 and the active zone 125 .
  • the active zone 125 can have, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • Quantum well structure has no meaning here with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the materials of the active zone can contain 125 GaAs.
  • Active zone materials may include GaN or InP.
  • the surface emitting laser diode 103 can further have an aperture stop 115 arranged in the semiconductor layer stack 109 .
  • the aperture stop 115 may be positioned adjacent to the active zone 125 .
  • the aperture stop 115 is, for example, insulating and limits the flow of current and thus the injection of charge carriers in the area between the bordering parts of the aperture stop 115 .
  • the aperture stop can be round or elliptical. A symmetrical and direction-independent beam formation takes place through a round aperture diaphragm.
  • an emitted Light beam have a preferred direction that corresponds, for example, to the longitudinal direction of the ellipse.
  • the first resonator mirror 110 is formed over a substrate 100 , for example.
  • the first resonator mirror 110 can be contacted, for example, via a first contact element 130 and optionally via the substrate 100 .
  • the first contact element 130 can be arranged on that side of the substrate 100 which is remote from the first resonator mirror 110 .
  • a laser emission can be brought about by impressing a current via the first contact element 130 and a second contact element 135 .
  • the second contact element can be formed in electrical contact with the second resonator mirror 120 .
  • the optoelectronic semiconductor component 10 also has a modulation device 140 .
  • the modulation device 140 has a current source 149 which injects a current into the surface-emitting laser diode 103, as has been described above.
  • the modulation device 140 can be suitable for modulating the impressed current, for example in the range of a few pA. Due to the modulation of the applied current, there is a modulation of the charge carrier density, which leads to a change in the refractive index in the optical resonator. As a result, the wavelength is shifted. Furthermore, an increased charge carrier density causes an increase in temperature, which also leads to a change in the emission wavelength. Accordingly, the emission wavelength can be modulated in the MHz to GHz range.
  • FIG. 1 shows a line width of 5 MHz and emit a power of 10 mW.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component, in which the surface-emitting laser diode 103 comprises a multiplicity of laser elements 122 .
  • a large number of individual laser elements 122 are arranged between a first resonator mirror 110 and a second resonator mirror 120 .
  • the individual laser elements 122 are connected to one another via tunnel junctions.
  • the semiconductor layer stack 109 thus has a large number of active zones 125 which are connected to one another, for example via tunnel junctions 127 .
  • the semiconductor layer stack 109 can have more than three, for example about six or more than six laser elements 122 .
  • the laser elements 122 can furthermore have suitable semiconductor layers of the first and second conductivity type, each of which is adjacent to the active zone 125 and connected to it.
  • the tunnel junctions 127 can each have sequences of p ++ -doped layers and n ++ -doped layers, via which the individual laser elements 122 can be connected to one another.
  • the p ++ and n ++ doped layers are reverse connected to the associated laser elements 122 .
  • the layer thicknesses of the individual semiconductor layers of the laser elements 122 are dimensioned in such a way that the tunnel junctions 127 are arranged, for example, at nodes of the standing wave that forms. In this way, the emission wavelength of the surface-emitting laser diode 103 can be stabilized.
  • the sequence of very highly doped layers of the first and second conductivity type and optionally intermediate layers represents a tunnel diode or a tunnel junction. Using these tunnel diodes, the respective laser elements 122 can be connected in series.
  • the ones shown in Fig. The surface-emitting laser diode shown in FIG. 2 with a stack of several, for example more than five, for example eight, laser elements 122 can emit, for example, electromagnetic radiation with a line width of 500 kHz.
  • the radiated power can be up to 80 mW. By selecting an appropriate number of laser elements 122, the radiated power can be scaled.
  • Figs. 1 and 2 can be realized surface-emitting laser diodes shown in the GaAs material system.
  • wavelengths greater than 900 or 1100 nm can be realized.
  • the surface-emitting laser diodes can also be based on the InP material system. In this case, for example, wavelengths greater than 1550 nm can be emitted.
  • Fig. 3A shows an optoelectronic semiconductor device 10 according to further embodiments.
  • the surface emitting laser diode 103 shown, for example, in FIG. 1 or 2 is combined with a waveguide 102 .
  • the surface-emitting laser diode 103 is formed in a semiconductor layer stack 109 .
  • a modulation device 140 (not shown in FIG. 3A) is provided.
  • the emitted light beam 16 is in the waveguide 102 coupled .
  • the waveguide 102 is designed as a single-mode or single-mode waveguide. In this way, the wavefronts of the electromagnetic radiation emitted by the surface-emitting laser diode 103 can be aligned particularly effectively.
  • the optical I solator 103 can be arranged.
  • Fig. 3B shows an optoelectronic semiconductor component 10 in which the beam 16 emitted by the surface-emitting laser diode 103 is coupled into the waveguide 102 via a deflection device 105 .
  • the deflection device can be a prism or a grating.
  • the semiconductor layer stack 109 in which the surface-emitting laser diode 103 is arranged can also include a substrate 100 , for example a growth substrate for the layers of the semiconductor layer stack 109 .
  • the components of the semiconductor device can be integrated into a common carrier 107 .
  • the waveguide 102 optionally the optical isolator 104 and optionally the deflection device
  • optical 105 may be formed on a common carrier 107 . According to embodiments, further optical components can be integrated into the carrier 107 .
  • the waveguide 102 can be part of an integrated optical circuit, through which different functionalities can be provided.
  • the surface-emitting laser diode 103 emits electromagnetic radiation with a wavelength greater than 1100 nm, for example, in cases where the surface-emitting laser diode 103 is realized in the GaAs or InP material system, Si waveguides can be used, for example.
  • the energy of the emitted wavelength is less than the bandgap energy of silicon, Si waveguides can be used.
  • the waveguides can also be made of SiN or SiO.
  • the waveguides can be implemented using glass fiber cables.
  • wavelengths of up to 1800 nm can be detected.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 described here can be used as a radiation source, which emits electromagnetic radiation with a wavelength greater than 1000 nm. In this case, eyes can be prevented from being damaged, for example, by the emitted electromagnetic laser radiation.
  • Fig. 4 shows a schematic view of a LIDAR system 150 .
  • the LIDAR system 150 shown in FIG. 4 is an FMCW LIDAR system.
  • the laser radiation emitted by the optoelectronic semiconductor component 10 has a changing wavelength due to the modulation by the modulation device 140 .
  • the emitted radiation is divided into a reference beam 18 and an object beam 19 by a beam splitter 157 .
  • the object beam 19 is radiated onto an object 156 .
  • the reflected beam 17 is produced in the process.
  • the reflected beam 17 is suitably shaped and transposed by receiving optics 152 and collimator 153 Mirror 158 and another optics 155 fed to a detector 160, for example a photodetector.
  • the reference beam 18 is fed directly to the detector 160 via the mirror 158 and the optics 155 .
  • a mixed signal is produced at the detector 160, from which, for example, the distance and other information about the detected object can be evaluated.
  • f L o corresponds to the frequency of the object beam 19 or the reference beam 18 and f a corresponds to the frequency of the reflected beam 17.
  • the frequency of the reflected beam 17 is delayed due to the transit time difference that results from reflection on the object 156.
  • the difference between f a and f L o is a measure of the movement and the distance of the object 156.
  • the difference frequency of the reference beam 18 and the reflected beam 16 is determined by the detector 160.
  • the detector can detect wavelengths greater than 1000 nm and be designed as a Ge detector.
  • the object beam 19 is moved by the scanning or deflection unit 154 in order to scan a larger-area object 156 .
  • the deflection or scanning unit 154 can be implemented as a mirror.
  • the deflection or scanning unit can also be an optical phase array ("Optical Phase Array”), in which the Optical Phase Array
  • Waveguide is divided into different waveguides of different path lengths and thus result in laser beams of different phase. In this way the scanning surface of the object beam 19 can be enlarged without requiring a movable scanning mirror.
  • components of the LIDAR system can be implemented using suitable fiber optic components.
  • the LIDAR system or part of the LIDAR system can be implemented as an integrated optical circuit.
  • the optoelectronic semiconductor component can be provided as a so-called single-channel device, which comprises an optoelectronic semiconductor component as described above with an associated waveguide. According to further embodiments, these individual optoelectronic semiconductor components 10 can be combined to form an optoelectronic semiconductor device 20 .
  • FIG. 5A shows a view of an optoelectronic semiconductor device according to embodiments.
  • the optoelectronic semiconductor device 20 has a plurality of optoelectronic semiconductor components 10 as described above.
  • the optoelectronic semiconductor components 10 can be stacked one above the other in a z-direction perpendicular to the emission direction of the electromagnetic radiation.
  • each of the optoelectronic semiconductor components 10 additionally includes a waveguide 102 and optical components 106 which are arranged, for example, on a common carrier 107 .
  • an object 156 having a specific size can be detected.
  • the one shown in FIG. 4 illustrated sampling and scanning unit 154 are dispensed with.
  • the individual surface-emitting laser diodes 103 are very inexpensive, such an optoelectronic semiconductor device 20 can be implemented at low cost.
  • the LIDAR system or a part of the LIDAR system as an integrated optical circuit with the in Fig. 5A can be realized.
  • the emission wavelength of the optoelectronic semiconductor component can be shifted continuously by impressing a variable current intensity.
  • a control device 121 can also be provided, which controls the current to a value such that a desired wavelength range is emitted. In this way, for example, the emission wavelength can be stabilized when temperatures rise.
  • Fig. 5B shows a schematic view of a LIDAR system according to further embodiments.
  • the illustrated LIDAR system 150 has an optoelectronic semiconductor component 10 with a modulation device 140 .
  • an optical isolator 104 can be provided. A reflection of electromagnetic radiation into the surface-emitting laser diode can be prevented or suppressed by the optical isolator 104 .
  • a portion of the emitted laser radiation 16 can be branched off as a measurement beam 15 using a first beam splitter 108 .
  • the measuring beam 15 is fed to a control device 121 which is suitable for determining a control signal 14 from the frequency of the measuring beam.
  • the control signal 14 is supplied to the modulation device 140 and is used to control the current intensity impressed into the surface-emitting laser diode 103 .
  • a second beam splitter 111 splits part of the emitted beam 16, as previously shown in FIG. 4 shown , partitioned and radiated onto an object 156 as the first object beam 191 .
  • the first partial beam 171 then reflected by the object 156 is combined with the reference beam 18 or the first reference partial beam 181, similar to that in FIG. 4 previously described, coherently superimposed and mixed. This can be done via a coupling device 114 .
  • the mixed signal can be fed to different photodetectors 116 , 117 in each case.
  • a balanced receiver structure can result in this way.
  • the phase fronts between the photodetectors 116 , 117 can be shifted by 180°.
  • DC components can be eliminated from equation (1) described above.
  • the (i a +i L o ) > term from equation (1) can be eliminated.
  • part of the reference beam 18 can additionally be split off by a third beam splitter 112 .
  • a polarization direction of this divided second partial reference beam 182 can be shifted by 90° by a polarization-changing element 113 .
  • the second reference partial beam 182 is coherently superimposed and mixed with a second reflected partial beam 172 in the coupling device 114 . This mixed signal is detected by the third and, if necessary, the fourth photodetector 118 and 119 when using the "balanced receiver" structure.
  • the DC component from equation (1) above can be compensated for when the phase fronts are shifted.
  • the second partial reference beam 182 with, for example, a polarization direction rotated by 90°, polarization-changing effects can be taken into account in the reflection at the object 156 .
  • the polari- sation changing element 113 can also be omitted.
  • the third and fourth photodetectors 118, 119 are optional.
  • control device 121 can include a demodulator, which determines a changing current signal from a changing emission frequency. At a selected point, a small change in frequency causes a small change in current. Using this small current change, the current intensity impressed on the surface emitting laser diode 103 can be modulated.
  • FIG. 5B that shown in FIG. 5B described system or parts of the system can be realized as an integrated optical circuit.
  • components of the system can be implemented as fiber optic elements.

Abstract

An optoelectronic semiconductor component (10) comprises a semiconductor layer stack (109), in which a surface-emitting laser diode (103) is arranged, and a modulating device (140) having a current source (149). The modulating device (140) is suitable for modifying a current strength injected into the surface-emitting laser diode (103), thereby making it possible to modify an emission wavelength.

Description

OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT , OPTOELEKTRONISCHE OPTOELECTRONIC SEMICONDUCTOR COMPONENT, OPTOELECTRONIC
HALBLEITERVORRICHTUNG UND LIDAR-SYSTEM SEMICONDUCTOR DEVICE AND LIDAR SYSTEM
LIDAR- ( "Light Detection and Ranging" - ) Systeme , insbesondere FMCW-LIDAR-Systeme ( „frequency modulated continous wave"- modulierte Dauerstrich-LIDAR-Systeme ) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt . Beispielsweise werden sie eingesetzt , um Abstände zu messen oder Gegenstände zu erkennen . Um Obj ekte in größerer Entfernung zuverlässig erkennen zu können, sind Laser- Lichtquellen mit entsprechend hoher Leistung erforderlich . LIDAR (“Light Detection and Ranging”) systems, in particular FMCW LIDAR systems (“frequency modulated continuous wave”- modulated continuous wave LIDAR systems) are being used to an increasing extent in vehicles, for example for autonomous driving. For example, they are used to measure distances or to recognize objects In order to be able to reliably recognize obj ects at greater distances, laser light sources with correspondingly high power are required.
Generell wird versucht , bestehende LIDAR-Systeme zu verbessern . In general, attempts are made to improve existing LIDAR systems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement , eine verbessertes optoelektronische Halbleitervorrichtung sowie ein verbessertes LIDAR-System zur Verfügung zu stellen . The object of the present invention is to provide an improved optoelectronic semiconductor component, an improved optoelectronic semiconductor device and an improved LIDAR system.
Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert . According to embodiments, the object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous further developments are defined in the dependent patent claims.
Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterschichtstapel , in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode angeordnet ist , und eine Modulationseinrichtung, die eine Stromquelle aufweist . Die Modulationseinrichtung ist geeignet , eine in die oberflächenemittierende Laserdiode eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist . Beispielsweise kann die oberflächenemittierende Laserdiode eine Viel zahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen aufweisen . An optoelectronic semiconductor component comprises a semiconductor layer stack, in which a surface-emitting laser diode is arranged, and a modulation device, which has a current source. The modulation device is suitable for changing a current intensity impressed into the surface-emitting laser diode, as a result of which an emission wavelength can be changed. For example, the surface-emitting laser diode can have a large number of laser elements stacked vertically one on top of the other.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann ferner einen Wellenleiter, der geeignet ist , von der oberflächenemittierenden Laserdiode emittierte elektromagnetische Strahlung auf zunehmen, umfassen . Der Wellenleiter kann ein single-mode- Wellenleiter sein . The optoelectronic semiconductor component can also include a waveguide that is suitable for absorbing electromagnetic radiation emitted by the surface-emitting laser diode. The waveguide can be a single-mode waveguide.
Beispielsweise kann der Wellenleiter in einen Träger integriert sein . For example, the waveguide can be integrated into a carrier.
Gemäß Aus führungs formen kann der Wellenleiter Teil einer integrierten optischen Schaltung sein . According to embodiments, the waveguide can be part of an integrated optical circuit.
Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann ferner einen optischen I solator zwischen oberflächenemittierender Laserdiode und Wellenleiter enthalten . The optoelectronic semiconductor component can also contain an optical isolator between the surface-emitting laser diode and the waveguide.
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung weist eine Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen wie vorstehend beschrieben, auf . Komponenten der optoelektronischen Halbleiterbauelemente sind auf einem gemeinsamen Träger angeordnet . Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente sind beispielsweise in einer Richtung senkrecht zu einer Emissionsrichtung der optoelektronischen Halbleiterbauelemente übereinander gestapelt . An optoelectronic semiconductor device has a multiplicity of optoelectronic semiconductor components as described above. Components of the optoelectronic semiconductor components are arranged on a common carrier. The optoelectronic semiconductor components are stacked one on top of the other, for example in a direction perpendicular to an emission direction of the optoelectronic semiconductor components.
Ein LIDAR-System weist das optoelektronische Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben, eine Strahlteilereinrichtung und einen Detektor auf . A LIDAR system has the optoelectronic semiconductor component as described above, a beam splitter device and a detector.
Gemäß weiteren Aus führungs formen weist ein LIDAR-System die optoelektronische Halbleitervorrichtung wie vorstehend be- schrieben, eine Strahlteilereinrichtung und einen Detektor auf . According to further embodiments, a LIDAR system has the optoelectronic semiconductor device as described above. wrote, a beam splitter and a detector.
Beispielsweise kann der Fotodetektor ein Ge-Detektor sein . Eine Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements kann größer als 1100 nm sein . For example, the photodetector can be a Ge detector. An emission wavelength of the optoelectronic semiconductor component can be greater than 1100 nm.
Gemäß Aus führungs formen kann das LIDAR-System mindestens teilweise als integrierte optische Schaltung realisiert sein . Die Strahlteilereinrichtung kann beispielsweise ein Strahlteiler oder aber eine faseroptische Komponente , die eine Aufteilung des Strahls bewirkt , beispielsweise ein Verzweiger, sein . According to embodiments, the LIDAR system can be implemented at least partially as an integrated optical circuit. The beam splitter device can be a beam splitter, for example, or else a fiber-optic component that causes the beam to be split, for example a splitter.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Aus führungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Aus führungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen . The accompanying drawings are provided for understanding of embodiments of the invention. The drawings illustrate exemplary embodiments and, together with the description, serve to explain them. Further exemplary embodiments and numerous of the intended advantages result directly from the following detailed description. The elements and structures shown in the drawings are not necessarily drawn to scale with respect to one another. The same reference symbols refer to the same or corresponding elements and structures.
Fig . 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Aus führungs formen . Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
Fig . 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen . Fig. 2 shows a cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
Fig . 3A zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen . Fig . 3B zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Aus führungs formen . Fig. FIG. 3A shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments. Fig. FIG. 3B shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with further embodiments.
Fig . 4 zeigt ein LIDAR-System gemäß Aus führungs formen . Fig. 4 shows a LIDAR system according to embodiments.
Fig . 5A zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Aus führungs formen . Fig. FIG. 5A shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
Fig . 5B zeigt einen schematischen Aufbau eines LIDAR-Systems gemäß weiteren Aus führungs formen . Fig. 5B shows a schematic structure of a LIDAR system according to further embodiments.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Of fenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungs zwecken spezi fische Aus führungsbeispiele gezeigt sind . In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite" , "Boden" , "Vorderseite" , "Rückseite" , "über" , " auf" , "vor" , "hinter" , "vorne" , "hinten" usw . auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen . Da die Komponenten der Aus führungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend . In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings which form a part of the disclosure, and in which specific exemplary embodiments are shown for purposes of illustration. In this context, directional terminology such as "top", "bottom", "front", "back", "over", "on", "in front", "behind", "front", "back", etc. related to the orientation of the figures just described. Because the components of the exemplary embodiments can be positioned in different orientations, the directional terminology is used for purposes of explanation and is in no way limiting.
Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Aus führungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird . Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Aus führungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Aus führungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt . The description of the exemplary embodiments is not restrictive, since other exemplary embodiments also exist and structural or logical changes can be made without departing from the scope defined by the patent claims. In particular, elements of the exemplary embodiments described below can be combined with elements of other exemplary embodiments described, unless the context indicates otherwise.
Die Begri f fe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat" , die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können j egliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat . Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage , und weitere Halbleiterstrukturen einschließen . Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial , beispielsweise einem GaAs-Substrat , einem GaN- Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material , beispielsweise auf einem Saphirsubstrat , gewachsen sein . The terms "wafer" or "semiconductor substrate" used in the following description may include any Include semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafer and structure are understood to include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers optionally supported by a base substrate 12, and other semiconductor structures 13. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, such as a GaAs substrate, a GaN substrate, or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs , AlGaAs , InGaAs , Al InGaAs , SiC, ZnSe , ZnO, Ga2Ü3, Diamant , hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien . Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren . Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Sili zium, Sili zium- Germanium und Germanium umfassen . Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begri f f „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein . Depending on the application, the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material. Examples of semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, phosphide semiconductor compounds through which For example, green or longer-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, Al InGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned. The stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary. Other examples of semiconductor materials may include silicon, silicon-germanium, and germanium. In the context of the present description, the term "semiconductor" also includes organic semiconductor materials.
Der Begri f f „Substrat" umfasst generell isolierende , leitende oder Halbleitersubstrate . Der Begri f f "vertikal" , wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft . Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen . The term "substrate" generally includes insulating, conductive, or semiconductor substrates. The term "vertical" as used in this specification is intended to describe an orientation that is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body. The vertical direction can correspond to a growth direction when layers are grown, for example.
Die Begri f fe " lateral" und "hori zontal" , wie in dieser Beschreibung verwendet , sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft . Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips ( Die ) sein . The terms “lateral” and “horizontal” as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
Die hori zontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen . The horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begri f f „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen . Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein . Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein . In the context of this description, the term “electrically connected” means a low-impedance electrical connection between the connected elements. The electrically connected elements do not necessarily have to be directly connected to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
Der Begri f f „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen . The term "electrically connected" also includes tunnel contacts between the connected elements.
Fig . 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Aus führungs formen . Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst einen Halbleiterschichtstapel 109 , in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode 103 angeordnet ist . Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 stellt beispielsweise einen VCSEL ( "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" ) dar . Dieser umfasst einen ersten Resonatorspiegel 110 , einen zweiten Resonatorspiegel 120 und eine aktive Zone 125 zur Strahlerzeugung . Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 weist einen optischen Resonator auf , der zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 110 , 120 ausgebildet ist . Der optische Resonator erstreckt sich in einer vertikalen Richtung . Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments. The optoelectronic semiconductor component 10 comprises a semiconductor layer stack 109 in which a surface-emitting laser diode 103 is arranged. The surface-emitting laser diode 103 represents, for example, a VCSEL (“Vertical Cavity Surface Emitting Laser”). This comprises a first resonator mirror 110, a second resonator mirror 120 and an active zone 125 for beam generation. The surface emitting laser diode 103 has an optical cavity formed between the first and second cavity mirrors 110 , 120 . The optical resonator extends in a vertical direction.
Der erste und der zweite Resonatorspiegel 110 , 120 können j eweils als DBR-Schichtstapel ( „distributed bragg reflector" ) ausgebildet sein und eine Viel zahl alternierende dünne Schichten unterschiedlicher Brechungsindi zes aufweisen . Die dünnen Schichten können j eweils aus einem Halbleitermaterial oder auch aus einem dielektrischen Material aufgebaut sein . Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 3 , 1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n > 1 , 7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) und einen niedrigen Brechungsindex (n < 3 , 1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n < 1 , 7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) haben . Beispielweise kann die Schichtdicke X/ 4 o- der ein Mehrfaches von X/ 4 betragen, wobei X die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium angibt . Der erste oder der zweite Resonatorspiegel kann beispielweise 2 bis 50 Einzelschichten aufweisen . Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielweise 50 nm betragen . Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind . The first and the second resonator mirror 110, 120 can each be designed as a DBR layer stack ("distributed Bragg reflector") and have a large number of alternating thin layers of different refractive indices. The thin layers can each be made of a semiconductor material or of a For example, the layers can alternately have a high refractive index (n>3.1 when using semiconductor materials, n>1.7 when using dielectric materials) and a low refractive index (n<3.1 when using semiconductor materials, n<1.7 when using dielectric materials).For example, the layer thickness can be X/4 or a multiple of X/4, where X indicates the wavelength of the light to be reflected in the corresponding medium.The first or the second A resonator mirror can have, for example, 2 to 50 individual layers ke of the individual layers can be about 30 to 150 nm, for example 50 nm. The layer stack can also contain one or two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
Der erste Resonatorspiegel 110 kann Halbleiterschichten vom ersten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ enthalten . Der zweite Resonatorspiegel 120 kann Halbleiterschichten vom zwei- ten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ enthalten . Gemäß weiteren Aus führungs formen können der erste und/oder der zweite Resonatorspiegel 110 , 120 aus dielektrischen Schichten aufgebaut sein . In diesem Fall können zwischen dem ersten Resonatorspiegel 110 und der aktiven Zone 125 Halbleiterschichten vom ersten Leit f ähigkeitstyp angeordnet sein . Weiterhin können Halbleiterschichten vom zweiten Leit f ähigkeitstyp zwischen dem zweiten Resonatorspiegel 120 und der aktiven Zone 125 angeordnet sein . The first resonator mirror 110 can contain semiconductor layers of the first conductivity type, for example p-type. The second resonator mirror 120 can have semiconductor layers of two th conductivity type, for example n-type included. According to further embodiments, the first and/or the second resonator mirror 110 , 120 can be constructed from dielectric layers. In this case, semiconductor layers of the first conductivity type can be arranged between the first resonator mirror 110 and the active zone 125 . Furthermore, semiconductor layers of the second conductivity type can be arranged between the second resonator mirror 120 and the active zone 125 .
Die aktive Zone 125 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur ( SQW, single quantum well ) oder eine Mehrfach-Quantentopf- Struktur (MQW, multi quantum well ) zur Strahlungserzeugung aufweisen . Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte sowie j ede Kombination dieser Schichten . Beispielsweise können die Materialien der aktiven Zone 125 GaAs enthalten . Gemäß weiteren Aus führungs formen können Materialien der aktiven Zone GaN oder InP enthalten . The active zone 125 can have, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation. The term "quantum well structure" has no meaning here with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers. For example, the materials of the active zone can contain 125 GaAs. According to further embodiments Active zone materials may include GaN or InP.
Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 kann weiterhin eine Aperturblende 115 , die in dem Halbleiterschichtstapel 109 angeordnet ist , aufweisen . Die Aperturblende 115 kann beispielsweise angrenzend an die aktive Zone 125 angeordnet sein . Die Aperturblende 115 ist beispielsweise isolierend und begrenzt den Stromfluss und damit die Inj ektion von Ladungsträgern auf dem Bereich zwischen den Umrandungsteilen der Aperturblende 115 . Beispielsweise kann die Aperturblende rund oder elliptisch sein . Durch eine runde Aperturblende findet eine symmetrische und richtungsunabhängige Strahl formung statt . Bei Verwendung einer elliptischen Aperturblende kann ein emittierter Lichtstrahl eine Vorzugsrichtung aufweisen, die beispielsweise der Längsrichtung der Ellipse entspricht . The surface emitting laser diode 103 can further have an aperture stop 115 arranged in the semiconductor layer stack 109 . For example, the aperture stop 115 may be positioned adjacent to the active zone 125 . The aperture stop 115 is, for example, insulating and limits the flow of current and thus the injection of charge carriers in the area between the bordering parts of the aperture stop 115 . For example, the aperture stop can be round or elliptical. A symmetrical and direction-independent beam formation takes place through a round aperture diaphragm. When using an elliptical aperture stop, an emitted Light beam have a preferred direction that corresponds, for example, to the longitudinal direction of the ellipse.
Der erste Resonatorspiegel 110 ist beispielsweise über einem Substrat 100 ausgebildet . Der erste Resonatorspiegel 110 kann beispielsweise über ein erstes Kontaktelement 130 und gegebenenfalls über das Substrat 100 kontaktiert werden . Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 130 auf der von dem ersten Resonatorspiegel 110 abgewandten Seite des Substrats 100 angeordnet sein . Durch Einprägen eines Stroms über das erste Kontaktelement 130 und ein zweites Kontaktelement 135 , kann eine Laseremission bewirkt werden . Das zweite Kontaktelement kann in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Resonatorspiegel 120 ausgebildet sein . The first resonator mirror 110 is formed over a substrate 100 , for example. The first resonator mirror 110 can be contacted, for example, via a first contact element 130 and optionally via the substrate 100 . For example, the first contact element 130 can be arranged on that side of the substrate 100 which is remote from the first resonator mirror 110 . A laser emission can be brought about by impressing a current via the first contact element 130 and a second contact element 135 . The second contact element can be formed in electrical contact with the second resonator mirror 120 .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 weist darüber hinaus eine Modulationseinrichtung 140 auf . Die Modulationseinrichtung 140 weist eine Stromquelle 149 auf , die in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 einen Strom einprägt , wie vorstehend beschrieben worden ist . Die Modulationseinrichtung 140 kann geeignet sein, den eingeprägten Strom zu modulieren, beispielsweise im Bereich von einigen pA. Aufgrund der Modulation der eingeprägten Stromstärke ergibt sich eine Modulation der Ladungsträgerdichte , was zu einer Veränderung des Brechungsindex im optischen Resonator führt . Als Folge wird die Wellenlänge verschoben . Weiterhin wird durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte eine Temperaturerhöhung verursacht , welche ebenfalls zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge führt . Entsprechend kann die Emissionswellenlänge im MHz- bis GHz- Bereich moduliert werden . The optoelectronic semiconductor component 10 also has a modulation device 140 . The modulation device 140 has a current source 149 which injects a current into the surface-emitting laser diode 103, as has been described above. The modulation device 140 can be suitable for modulating the impressed current, for example in the range of a few pA. Due to the modulation of the applied current, there is a modulation of the charge carrier density, which leads to a change in the refractive index in the optical resonator. As a result, the wavelength is shifted. Furthermore, an increased charge carrier density causes an increase in temperature, which also leads to a change in the emission wavelength. Accordingly, the emission wavelength can be modulated in the MHz to GHz range.
Beispielsweise kann der in Fig . 1 dargestellte oberflächenemittierende Laserdiode eine Linienbreite von 5 MHz haben und eine Leistung von 10 mW abstrahlen . Fig . 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements , bei dem die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eine Viel zahl von Laserelementen 122 umfasst . For example, the one shown in FIG. 1 have a line width of 5 MHz and emit a power of 10 mW. Fig. FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component, in which the surface-emitting laser diode 103 comprises a multiplicity of laser elements 122 .
Zwischen einem ersten Resonatorspiegel 110 und einem zweiten Resonatorspiegel 120 ist eine Viel zahl von einzelnen Laserelementen 122 angeordnet . Die einzelnen Laserelemente 122 sind über Tunnelübergänge miteinander verbunden . A large number of individual laser elements 122 are arranged between a first resonator mirror 110 and a second resonator mirror 120 . The individual laser elements 122 are connected to one another via tunnel junctions.
Der Halbleiterschichtstapel 109 weist somit eine Viel zahl aktiver Zonen 125 auf , die beispielsweise über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden sind . Auf diese Weise kann der Halbleiterschichtstapel 109 mehr als drei , beispielsweise etwa sechs oder mehr als sechs Laserelemente 122 aufweisen . Die Laserelemente 122 können weiterhin geeignete Halbleiterschichten vom ersten und zweiten Leit f ähigkeitstyp aufweisen, die j eweils an die aktive Zone 125 angrenzen und mit dieser verbunden sind . The semiconductor layer stack 109 thus has a large number of active zones 125 which are connected to one another, for example via tunnel junctions 127 . In this way, the semiconductor layer stack 109 can have more than three, for example about six or more than six laser elements 122 . The laser elements 122 can furthermore have suitable semiconductor layers of the first and second conductivity type, each of which is adjacent to the active zone 125 and connected to it.
Die Tunnelübergänge 127 können j eweils Abfolgen von p++- dotierten Schichten sowie n++-dotierten Schichten aufweisen, über die j eweils die einzelnen Laserelemente 122 miteinander verbunden werden können . Die p++- und n++-dotierten Schichten sind in Sperrrichtung mit den zugehörigen Laserelementen 122 verbunden . Gemäß Aus führungs formen sind die Schichtdicken der einzelnen Halbleiterschichten der Laserelemente 122 derart bemessen, dass die Tunnelübergänge 127 beispielsweise an Knoten der sich ausbildenden stehenden Welle angeordnet sind . Auf diese Weise kann die Emissionswellenlänge der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 stabilisiert werden . Durch Stapelung mehrerer Laserelemente 122 übereinander können höhere Leistungsdichten und weiterhin geringere Linienbreiten des emit- tierten Laserstrahls erreicht werden . Die Abfolge von sehr hoch dotierten Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps sowie optional von Zwischenschichten stellt eine Tunneldiode oder einen Tunnelübergang dar . Unter Verwendung dieser Tunneldioden können die j eweiligen Laserelemente 122 in Reihe geschaltet werden . The tunnel junctions 127 can each have sequences of p ++ -doped layers and n ++ -doped layers, via which the individual laser elements 122 can be connected to one another. The p ++ and n ++ doped layers are reverse connected to the associated laser elements 122 . According to embodiments, the layer thicknesses of the individual semiconductor layers of the laser elements 122 are dimensioned in such a way that the tunnel junctions 127 are arranged, for example, at nodes of the standing wave that forms. In this way, the emission wavelength of the surface-emitting laser diode 103 can be stabilized. By stacking several laser elements 122 one on top of the other, higher power densities and still lower line widths of the emit oriented laser beam can be achieved. The sequence of very highly doped layers of the first and second conductivity type and optionally intermediate layers represents a tunnel diode or a tunnel junction. Using these tunnel diodes, the respective laser elements 122 can be connected in series.
Die in Fig . 2 dargestellte oberflächenemittierende Laserdiode mit einer Ubereinanderstapelung von mehreren beispielsweise mehr als fünf , beispielsweise acht Laserelemente 122 kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Linienbreite von 500 kHz emittieren . Die abgestrahlte Leistung kann bis zu 80 mW betragen . Durch Auswahl einer geeigneten Anzahl von Laserelementen 122 kann die ausgestrahlte Leistung skaliert werden . The ones shown in Fig. The surface-emitting laser diode shown in FIG. 2 with a stack of several, for example more than five, for example eight, laser elements 122 can emit, for example, electromagnetic radiation with a line width of 500 kHz. The radiated power can be up to 80 mW. By selecting an appropriate number of laser elements 122, the radiated power can be scaled.
Beispielsweise können die in den Fig . 1 und 2 dargestellten oberflächenemittierenden Laserdioden im GaAs-Materialsystem realisiert sein . Dabei können beispielsweise Wellenlängen größer als 900 oder als 1100 nm realisiert werden . Gemäß weiteren Aus führungs formen können die oberflächenemittierenden Laserdioden auch auf dem InP-Materialsystem basieren . Beispielsweise können in diesem Fall Wellenlängen größer als 1550 nm emittiert werden . For example, in Figs. 1 and 2 can be realized surface-emitting laser diodes shown in the GaAs material system. In this case, for example, wavelengths greater than 900 or 1100 nm can be realized. According to other embodiments, the surface-emitting laser diodes can also be based on the InP material system. In this case, for example, wavelengths greater than 1550 nm can be emitted.
Fig . 3A zeigt eine optoelektronische Halbleitervorrichtung 10 gemäß weiteren Aus führungs formen . In Fig . 3A ist die oberflächenemittierende Laserdiode 103 , die beispielsweise in Fig . 1 oder 2 dargestellt ist , mit einem Wellenleiter 102 kombiniert . Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 ist , wie vorstehend beschrieben, in einem Halbleiterschichtstapel 109 ausgebildet . Zusätzlich ist , wie in den Fig . 1 und 2 dargestellt , eine Modulationseinrichtung 140 (nicht dargestellt in Fig . 3A) vorgesehen . Der emittierte Lichtstrahl 16 wird in den Wellenleiter 102 eingekoppelt . Beispielsweise ist der Wellenleiter 102 als Single-Mode oder Einmoden-Wellenleiter ausgeführt . Auf diese Weise können die Wellenfronten der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierten elektromagnetischen Strahlung besonders wirkungsvoll ausgerichtet werden . Fig. 3A shows an optoelectronic semiconductor device 10 according to further embodiments. In Fig. 3A is the surface emitting laser diode 103 shown, for example, in FIG. 1 or 2 is combined with a waveguide 102 . As described above, the surface-emitting laser diode 103 is formed in a semiconductor layer stack 109 . In addition, as shown in FIGS. 1 and 2, a modulation device 140 (not shown in FIG. 3A) is provided. The emitted light beam 16 is in the waveguide 102 coupled . For example, the waveguide 102 is designed as a single-mode or single-mode waveguide. In this way, the wavefronts of the electromagnetic radiation emitted by the surface-emitting laser diode 103 can be aligned particularly effectively.
Beispielsweise kann ein optischer I solator 104 zwischen dem Wellenleiter 102 und der oberflächenemittierenden LaserdiodeFor example, an optical isolator 104 between the waveguide 102 and the surface emitting laser diode
103 angeordnet sein . Beispielsweise kann der optische I solator103 can be arranged. For example, the optical I solator
104 verhindern, dass elektromagnetische Strahlung von dem Wellenleiter 102 in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 reflektiert wird . 104 prevent electromagnetic radiation from being reflected from the waveguide 102 into the surface-emitting laser diode 103 .
Fig . 3B zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10 , bei dem der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierte Strahl 16 über eine Umlenkeinrichtung 105 in den Wellenleiter 102 eingekoppelt wird . Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung ein Prisma oder ein Gitter sein . Beispielsweise kann der Halbleiterschichtstapel 109 , in dem die oberflächenemittierende Laserdiode 103 angeordnet ist , weiterhin ein Substrat 100 , beispielsweise ein Wachstumssubstrat für die Schichten des Halbleiterschichtstapels 109 umfassen . Fig. 3B shows an optoelectronic semiconductor component 10 in which the beam 16 emitted by the surface-emitting laser diode 103 is coupled into the waveguide 102 via a deflection device 105 . For example, the deflection device can be a prism or a grating. For example, the semiconductor layer stack 109 in which the surface-emitting laser diode 103 is arranged can also include a substrate 100 , for example a growth substrate for the layers of the semiconductor layer stack 109 .
Gemäß Aus führungs formen können die Komponenten des Halbleiterbauelements in einen gemeinsamen Träger 107 integriert sein .According to embodiments, the components of the semiconductor device can be integrated into a common carrier 107 .
Beispielsweise können der Wellenleiter 102 , gegebenenfalls der optische I solator 104 und gegebenenfalls die UmlenkeinrichtungFor example, the waveguide 102, optionally the optical isolator 104 and optionally the deflection device
105 auf einem gemeinsamen Träger 107 ausgebildet sein . Gemäß Aus führungs formen können weitere optische Komponenten in den Träger 107 integriert sein . 105 may be formed on a common carrier 107 . According to embodiments, further optical components can be integrated into the carrier 107 .
Beispielsweise kann der Wellenleiter 102 Teil einer integriert optischen Schaltung sein, durch die verschiedene Funktionalitäten bereitgestellt werden können . Wird beispielsweise durch die oberflächenemittierende Laserdiode 103 elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 1100 nm emittiert , beispielsweise , in Fällen, in denen die oberflächenemittierende Laserdiode 103 in dem GaAs- oder InP-Materialsystem realisiert ist , so können beispielsweise Si-Wellenleiter benutzt werden . Generell können, wenn die Energie der emittierten Wellenlänge kleiner als die Bandlückenenergie von Sili zium ist , Si-Wellenleiter benutzt werden . Alternativ können die Wellenleiter auch aus SiN oder SiO hergestellt sein . Beispielsweise können die Wellenleiter durch Glas faserkabel realisiert sein . For example, the waveguide 102 can be part of an integrated optical circuit, through which different functionalities can be provided. If, for example, the surface-emitting laser diode 103 emits electromagnetic radiation with a wavelength greater than 1100 nm, for example, in cases where the surface-emitting laser diode 103 is realized in the GaAs or InP material system, Si waveguides can be used, for example. In general, if the energy of the emitted wavelength is less than the bandgap energy of silicon, Si waveguides can be used. Alternatively, the waveguides can also be made of SiN or SiO. For example, the waveguides can be implemented using glass fiber cables.
Wird beispielsweise in einem optischen Messsystem ein Fotodetektor auf Ge-Basis verwendet , so können Wellenlängen bis zu 1800 nm nachgewiesen werden . In diesem Fall kann beispielsweise das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement 10 als Strahlungsquelle verwendet wird, welches elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 1000 nm emittiert . In diesem Fall kann verhindert werden, dass beispielsweise durch die emittierte elektromagnetische Laserstrahlung Augen geschädigt werden . For example, if a Ge-based photodetector is used in an optical measurement system, wavelengths of up to 1800 nm can be detected. In this case, for example, the optoelectronic semiconductor component 10 described here can be used as a radiation source, which emits electromagnetic radiation with a wavelength greater than 1000 nm. In this case, eyes can be prevented from being damaged, for example, by the emitted electromagnetic laser radiation.
Fig . 4 zeigt eine schematische Ansicht eines LIDAR-Systems 150 . Das in Fig . 4 gezeigte LIDAR-System 150 ist ein FMCW- LIDAR-System . Die von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 emittierte Laserstrahlung weist aufgrund der Modulation durch die Modulationseinrichtung 140 eine sich verändernde Wellenlänge auf . Die emittierte Strahlung wird durch einen Strahlteiler 157 in einen Referenzstrahl 18 und einen Obj ektstrahl 19 aufgeteilt . Der Obj ektstrahl 19 wird auf ein Obj ekt 156 eingestrahlt . Dabei entsteht der reflektierte Strahl 17 . Der reflektierte Strahl 17 wird durch eine Empfangsoptik 152 und einen Kollimator 153 in geeigneter Weise geformt und über Spiegel 158 und eine weitere Optik 155 einem Detektor 160, beispielsweise einem Fotodetektor zugeführt. Der Referenzstrahl 18 wird über Spiegel 158 sowie die Optik 155 direkt dem Detektor 160 zugeführt. Bei einer Überlagerung des reflektierten Strahls 17 mit dem Referenzstrahl 18, die zueinander kohärent sind, entsteht an dem Detektor 160 ein Mischsignal, aus dem sich beispielsweise Abstand und weitere Informationen über das nachgewiesene Objekt auswerten lassen. Fig. 4 shows a schematic view of a LIDAR system 150 . The one in Fig. The LIDAR system 150 shown in FIG. 4 is an FMCW LIDAR system. The laser radiation emitted by the optoelectronic semiconductor component 10 has a changing wavelength due to the modulation by the modulation device 140 . The emitted radiation is divided into a reference beam 18 and an object beam 19 by a beam splitter 157 . The object beam 19 is radiated onto an object 156 . The reflected beam 17 is produced in the process. The reflected beam 17 is suitably shaped and transposed by receiving optics 152 and collimator 153 Mirror 158 and another optics 155 fed to a detector 160, for example a photodetector. The reference beam 18 is fed directly to the detector 160 via the mirror 158 and the optics 155 . When the reflected beam 17 is superimposed on the reference beam 18, which are mutually coherent, a mixed signal is produced at the detector 160, from which, for example, the distance and other information about the detected object can be evaluated.
An dem Detektor 160 wird ein Mischsignal der Formel
Figure imgf000016_0001
nachgewiesen. Dabei entspricht fLo der Frequenz des Objektstrahls 19 bzw. des Referenzstrahls 18 und fa entspricht der Frequenz des reflektierten Strahls 17. Die Frequenz des reflektierten Strahls 17 ist aufgrund des Laufzeitunterschieds, der sich bei Reflexion an dem Objekt 156 ergibt, verzögert. Die Differenz zwischen fa und fLo ist ein Maß für die Bewegung und die Entfernung des Objekts 156. Durch den Detektor 160 wird die Differenzfrequenz des Referenzstrahls 18 und des reflektierten Strahls 16 ermittelt. Beispielsweise kann der Detektor Wellenlängen größer als 1000 nm detektieren und als Ge- Detektor ausgeführt sein.
At the detector 160, a composite signal of the formula
Figure imgf000016_0001
proven. In this case, f L o corresponds to the frequency of the object beam 19 or the reference beam 18 and f a corresponds to the frequency of the reflected beam 17. The frequency of the reflected beam 17 is delayed due to the transit time difference that results from reflection on the object 156. The difference between f a and f L o is a measure of the movement and the distance of the object 156. The difference frequency of the reference beam 18 and the reflected beam 16 is determined by the detector 160. For example, the detector can detect wavelengths greater than 1000 nm and be designed as a Ge detector.
Der Objektstrahl 19 wird durch die Scan- oder Ablenkeinheit 154 bewegt, um ein größerf lächiges Objekt 156 abzutasten. Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Ablenk- oder Scaneinheit 154 als Spiegel realisiert sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Ablenk- oder Scaneinheit auch als optische Phasenanordnung („Optical Phase Array") sein, bei der derThe object beam 19 is moved by the scanning or deflection unit 154 in order to scan a larger-area object 156 . According to further embodiments, the deflection or scanning unit 154 can be implemented as a mirror. According to further embodiments, the deflection or scanning unit can also be an optical phase array ("Optical Phase Array"), in which the
Wellenleiter in jeweils unterschiedliche Wellenleiter unterschiedlicher Weglänge aufgeteilt wird und sich somit jeweils Laserstrahlen unterschiedlicher Phase ergeben. Auf diese Weise kann die Abtastfläche des Ob j ektstrahls 19 vergrößert werden, ohne dass ein beweglicher Abtastspiegel erforderlich ist . Waveguide is divided into different waveguides of different path lengths and thus result in laser beams of different phase. In this way the scanning surface of the object beam 19 can be enlarged without requiring a movable scanning mirror.
Beispielsweise können Komponenten des LIDAR-Systems durch geeignete faseroptische Komponenten realisiert sein . Beispielsweise kann das LIDAR-System oder ein Teil des LIDAR-Systems als integrierte optische Schaltung realisiert sein . For example, components of the LIDAR system can be implemented using suitable fiber optic components. For example, the LIDAR system or part of the LIDAR system can be implemented as an integrated optical circuit.
Gemäß Aus führungs formen kann das optoelektronische Halbleiterbauelement als sogenannte Ein-Kanal-Vorrichtung vorgesehen sein, welches ein optoelektronisches Halbleiterbauelement wie vorstehend beschrieben mit einem zugehörigen Wellenleiter umfasst . Gemäß weiteren Aus führungs formen können diese einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 zu einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung 20 kombiniert sein . According to embodiments, the optoelectronic semiconductor component can be provided as a so-called single-channel device, which comprises an optoelectronic semiconductor component as described above with an associated waveguide. According to further embodiments, these individual optoelectronic semiconductor components 10 can be combined to form an optoelectronic semiconductor device 20 .
Fig . 5A zeigt eine Ansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Aus führungs formen . Die optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 weist mehrere optoelektronische Halbleiterbauelemente 10 wie vorstehend beschrieben auf . Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 können in einer z- Richtung senkrecht zur Emissionsrichtung der elektromagnetischen Strahlung übereinander gestapelt sein . Beispielsweise umfasst j edes der optoelektronischen Halbleiterbauelemente 10 zusätzlich einen Wellenleiter 102 sowie optische Komponenten 106 , die beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger 107 angeordnet sind . Unter Verwendung dieser optoelektronischen Halbleitervorrichtung 20 kann ein Obj ekt 156 mit einer bestimmten Größe erfasst werden . Beispielsweise kann auf die in Fig . 4 dargestellte Abtast- und Scaneinheit 154 verzichtet werden . Da die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdioden 103 sehr günstig sind, kann eine derartige optoelektronische Halbleitervorrichtung 20 mit niedrigen Kosten realisiert werden . Beispielsweise kann das LIDAR-System oder ein Teil des LIDAR- Systems als integrierte optische Schaltung mit der in Fig . 5A gezeigten Halbleitervorrichtung 20 realisiert werden . Fig. FIG. 5A shows a view of an optoelectronic semiconductor device according to embodiments. The optoelectronic semiconductor device 20 has a plurality of optoelectronic semiconductor components 10 as described above. The optoelectronic semiconductor components 10 can be stacked one above the other in a z-direction perpendicular to the emission direction of the electromagnetic radiation. For example, each of the optoelectronic semiconductor components 10 additionally includes a waveguide 102 and optical components 106 which are arranged, for example, on a common carrier 107 . Using this optoelectronic semiconductor device 20, an object 156 having a specific size can be detected. For example, the one shown in FIG. 4 illustrated sampling and scanning unit 154 are dispensed with. Since the individual surface-emitting laser diodes 103 are very inexpensive, such an optoelectronic semiconductor device 20 can be implemented at low cost. For example, the LIDAR system or a part of the LIDAR system as an integrated optical circuit with the in Fig. 5A can be realized.
Wie beschrieben worden ist , kann durch Einprägen einer veränderlichen Stromstärke die Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements kontinuierlich verschoben werden . Gemäß Aus führungs formen kann weiterhin eine Regelungsvorrichtung 121 vorgesehen sein, die den Strom auf einen Wert regelt , so dass ein gewünschter Wellenlängenbereich emittiert wird . Dadurch kann beispielsweise bei steigenden Temperaturen die Emissionswellenlänge stabilisiert werden . As has been described, the emission wavelength of the optoelectronic semiconductor component can be shifted continuously by impressing a variable current intensity. According to embodiments, a control device 121 can also be provided, which controls the current to a value such that a desired wavelength range is emitted. In this way, for example, the emission wavelength can be stabilized when temperatures rise.
Fig . 5B zeigt eine schematische Ansicht eines LIDAR-Systems gemäß weiteren Aus führungs formen . Wie dargestellt ist , weist das dargestellte LIDAR-System 150 ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 10 mit einer Modulationseinrichtung 140 auf . Gegebenenfalls kann ein optischer I solator 104 vorgesehen sein . Durch den optischen I solator 104 kann eine Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in die oberflächenemittierende Laserdiode verhindert oder unterdrückt werden . Fig. 5B shows a schematic view of a LIDAR system according to further embodiments. As illustrated, the illustrated LIDAR system 150 has an optoelectronic semiconductor component 10 with a modulation device 140 . If necessary, an optical isolator 104 can be provided. A reflection of electromagnetic radiation into the surface-emitting laser diode can be prevented or suppressed by the optical isolator 104 .
Wie in Fig . 5B weiterhin gezeigt ist , kann ein Teil der emittierten Laserstrahlung 16 unter Verwendung eines ersten Strahlteilers 108 als Messstrahl 15 abgezweigt werden . Der Messstrahl 15 wird einer Regelungsvorrichtung 121 zugeführt , die geeignet ist , aus der Frequenz des Messstrahls ein Regelungssignal 14 zu ermitteln . Das Regelungssignal 14 wird der Modulationseinrichtung 140 zugeführt und dient dazu, die in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eingeprägte Stromstärke zu regeln . As in Fig. 5B, a portion of the emitted laser radiation 16 can be branched off as a measurement beam 15 using a first beam splitter 108 . The measuring beam 15 is fed to a control device 121 which is suitable for determining a control signal 14 from the frequency of the measuring beam. The control signal 14 is supplied to the modulation device 140 and is used to control the current intensity impressed into the surface-emitting laser diode 103 .
Durch einen zweiten Strahlteiler 111 wird ein Teil des emittierten Strahls 16 , wie zuvor in Fig . 4 gezeigt , abgeteilt und als erster Obj ektstrahl 191 auf ein Obj ekt 156 eingestrahlt .A second beam splitter 111 splits part of the emitted beam 16, as previously shown in FIG. 4 shown , partitioned and radiated onto an object 156 as the first object beam 191 .
Der daraufhin von dem Obj ekt 156 reflektierte erste Teilstrahl 171 wird mit dem Referenzstrahl 18 oder dem ersten Referenz- Teilstrahl 181 , ähnlich wie in Fig . 4 zuvor beschrieben, kohärent überlagert und gemischt . Dies kann über eine Kopplungseinrichtung 114 erfolgen . Das Mischsignal kann j eweils unterschiedlichen Fotodetektoren 116 , 117 zugeführt werden . Beispielsweise kann sich auf diese Weise eine sogenannte "Balanced Receiver Structure" ergeben . Beispielsweise können in diesem Fall die Phasenfronten zwischen den Fotodetektoren 116 , 117 um 180 ° verschoben sein . Auf diese Weise können beispielsweise Gleichstromanteile aus der vorstehend beschriebenen Gleichung ( 1 ) eliminiert werden . Insbesondere kann der ( ia + iLo) > Term aus Gleichung ( 1 ) eliminiert werden . The first partial beam 171 then reflected by the object 156 is combined with the reference beam 18 or the first reference partial beam 181, similar to that in FIG. 4 previously described, coherently superimposed and mixed. This can be done via a coupling device 114 . The mixed signal can be fed to different photodetectors 116 , 117 in each case. For example, what is known as a “balanced receiver structure” can result in this way. In this case, for example, the phase fronts between the photodetectors 116 , 117 can be shifted by 180°. In this way, for example, DC components can be eliminated from equation (1) described above. In particular, the (i a +i L o ) > term from equation (1) can be eliminated.
Gemäß Aus führungs formen kann zusätzlich ein Teil des Referenzstrahls 18 durch einen dritten Strahlteiler 112 abgeteilt werden . Eine Polarisationsrichtung dieses abgeteilten zweiten Referenz-Teilstrahls 182 kann gemäß Aus führungs formen durch ein polarisationsveränderndes Element 113 um 90 ° verschoben werden . Der zweite Referenz-Teilstrahl 182 wird mit einem zweiten reflektierten Teilstrahl 172 in der Kopplungsvorrichtung 114 kohärent überlagert und gemischt . Dieses Mischsignal wird durch den dritten und gegebenenfalls bei Verwendung der „balanced receiver"-Struktur den vierten Fotodetektor 118 und 119 nachgewiesen . According to embodiments, part of the reference beam 18 can additionally be split off by a third beam splitter 112 . According to embodiments, a polarization direction of this divided second partial reference beam 182 can be shifted by 90° by a polarization-changing element 113 . The second reference partial beam 182 is coherently superimposed and mixed with a second reflected partial beam 172 in the coupling device 114 . This mixed signal is detected by the third and, if necessary, the fourth photodetector 118 and 119 when using the "balanced receiver" structure.
Durch Verwendung j eweils zweier Fotodetektoren kann bei Verschiebung der Phasenfronten der Gleichstromanteil aus der vorstehenden Gleichung ( 1 ) kompensiert werden . Weiterhin können bei Verwendung des zweiten Referenz-Teilstrahls 182 mit beispielsweise um 90 ° gedrehter Polarisationsrichtung polarisationsverändernde Ef fekte bei der Reflexion an dem Obj ekt 156 be- rücksichtigt werden . Gemäß Aus führungs formen kann das polari- sationsverändernde Element 113 auch weggelassen werden . Entsprechend sind die dritten und vierten Fotodetektoren 118 , 119 optional . By using two photodetectors in each case, the DC component from equation (1) above can be compensated for when the phase fronts are shifted. Furthermore, when using the second partial reference beam 182 with, for example, a polarization direction rotated by 90°, polarization-changing effects can be taken into account in the reflection at the object 156 . According to embodiments, the polari- sation changing element 113 can also be omitted. Likewise, the third and fourth photodetectors 118, 119 are optional.
Gemäß Aus führungs formen kann die Regelungsvorrichtung 121 einen Demodulator umfassen, der aus einer sich verändernden Emissions frequenz ein sich veränderndes Stromsignal ermittelt . An einem ausgewählten Punkt bewirkt eine kleine Frequenzänderung eine kleine Stromänderung . Unter Verwendung dieser kleinen Stromänderung kann die in die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eingeprägte Stromstärke moduliert werden . According to embodiments, the control device 121 can include a demodulator, which determines a changing current signal from a changing emission frequency. At a selected point, a small change in frequency causes a small change in current. Using this small current change, the current intensity impressed on the surface emitting laser diode 103 can be modulated.
In entsprechender Weise wie vorstehend beschrieben worden ist , kann auch das in Fig . 5B beschriebene System oder Teile des Systems als integrierte optische Schaltung realisiert werden . Insbesondere können Komponenten des Systems als faseroptische Elemente realisiert sein . In a manner corresponding to that described above, that shown in FIG. 5B described system or parts of the system can be realized as an integrated optical circuit. In particular, components of the system can be implemented as fiber optic elements.
Obwohl hierin spezi fische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezi fischen Aus führungs formen durch eine Viel zahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen . Die Anmeldung soll j egliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezi fischen Aus führungs formen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt . BEZUGSZEICHENLISTE Optoelektronisches Halbleiterbauelement Regelungssignal Messstrahl emittierter Strahl reflektierter Strahl Referenzstrahl Obj ektstrahl Optoelektronische Halbleitervorrichtung Substrat Wellenleiter oberflächenemittierende Laserdiode optischer I solator Umlenkeinrichtung optische Komponente gemeinsamer Träger erster Strahlteiler Halbleiterschichtstapel erster Resonatorspiegel zweiter Strahlteiler zweiter Strahlteiler Polarisationsveränderndes Element Kopplungsvorrichtung Aperturblende erster Fotodetektor zweiter Fotodetektor dritter Fotodetektor vierter Fotodetektor zweiter Resonatorspiegel Regelungsvorrichtung Laserelement aktive Zone Tunnelübergang erstes Kontaktelement zweites Kontaktelement Although specific embodiments have been illustrated and described herein, those skilled in the art will recognize that a variety of alternative and/or equivalent designs may be substituted for the specific embodiments shown and described without departing from the scope of the invention. The application is intended to cover any adaptations or variations of the specific embodiments discussed herein. Therefore, the invention is to be limited only by the claims and their equivalents. LIST OF REFERENCE NUMBERS optoelectronic semiconductor component control signal measurement beam emitted beam reflected beam reference beam object beam optoelectronic semiconductor device substrate waveguide surface-emitting laser diode optical isolator deflection device optical component common carrier first beam splitter semiconductor layer stack first resonator mirror second beam splitter second beam splitter polarization-changing element coupling device aperture stop first photodetector second photodetector third photodetector fourth photodetector second resonator mirror control device Laser element active zone tunnel junction first contact element second contact element
Modul at ions einrichtungModule at ion setup
Stromquelle power source
LIDAR-System LIDAR system
Strahlteiler beam splitter
Empfangs optik receiving optics
Ob j ektstrahl Ob j ect beam
Ablenk-/ Scaneinheit deflection/scanning unit
Optik optics
Ob j ekt Ob j ect
Strahlteiler beam splitter
Spiegel mirror
Detektor erster reflektierter Teilstrahl zweiter reflektierter Teilstrahl erster Referenz-Teilstrahl zweiter Referenz-Teilstrahl erster Obj ektstrahl zweiter Obj ektstrahl Detector first reflected partial beam second reflected partial beam first reference partial beam second reference partial beam first object beam second object beam

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit: einem Halbleiterschichtstapel (109) , in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) angeordnet ist, und eine Modulationseinrichtung (140) , die eine Stromquelle (149) aufweist und geeignet ist, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist. 1. Optoelectronic semiconductor component (10) with: a semiconductor layer stack (109) in which a surface-emitting laser diode (103) is arranged, and a modulation device (140) which has a current source (149) and is suitable for inserting a laser diode into the surface-emitting diode ( 103) to change the applied current, whereby an emission wavelength can be changed.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, bei dem die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen (122) aufweist. 2. Optoelectronic semiconductor component (10) according to claim 1, in which the surface-emitting laser diode (103) has a multiplicity of laser elements (122) stacked vertically one on top of the other.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Wellenleiter (102) , der geeignet ist, von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) aufzunehmen. 3. Optoelectronic semiconductor component (10) according to claim 1 or 2, further comprising a waveguide (102) which is suitable for receiving electromagnetic radiation (16) emitted by the surface-emitting laser diode (103).
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 3, bei dem der Wellenleiter (102) ein single-mode- Wellenleiter ist. 4. Optoelectronic semiconductor component (10) according to claim 3, wherein the waveguide (102) is a single-mode waveguide.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, bei der der Wellenleiter (102) in einen Träger (107) integriert ist. 5. Optoelectronic semiconductor component (10) according to claim 3 or 4, in which the waveguide (102) is integrated in a carrier (107).
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Wellenleiter (102) Teil einer integrierten optischen Schaltung ist. 6. Optoelectronic semiconductor component according to one of claims 3 to 5, in which the waveguide (102) is part of an integrated optical circuit.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner mit einem optischen Isolator (104) zwischen oberflächenemittierender Laserdiode (103) und7. Optoelectronic semiconductor component (10) according to any one of claims 3 to 6, further comprising an optical isolator (104) between surface emitting laser diode (103) and
Wellenleiter (102) . Waveguide (102) .
8. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) mit einer Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der Komponenten der optoelektronischen Halbleiterbauelemente (10) auf einem gemeinsamen Träger (107) angeordnet sind. 8. Optoelectronic semiconductor device (20) having a multiplicity of optoelectronic semiconductor components (10) according to one of claims 3 to 7, in which the components of the optoelectronic semiconductor components (10) are arranged on a common carrier (107).
9. LIDAR-System (150) , welches das optoelektronische Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, eine- Strahlteilereinrichtung (108, 111, 112, 151) und einen Detektor (116, 117, 118, 119, 160) aufweist. 9. LIDAR system (150), which the optoelectronic semiconductor component (10) according to any one of claims 1 to 7, a beam splitter device (108, 111, 112, 151) and a detector (116, 117, 118, 119, 160) having.
10. LIDAR-System (150) , welches die optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) nach Anspruch 8, eine Strahlteilereinrichtung (108, 111, 112, 151) und einen Detektor (116, 117, 118, 119, 160) aufweist. 10. LIDAR system (150), which has the optoelectronic semiconductor device (20) according to claim 8, a beam splitter device (108, 111, 112, 151) and a detector (116, 117, 118, 119, 160).
11. LIDAR-System (150) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Detektor ein Ge-Detektor (116, 117, 118, 119, 160) ist. The LIDAR system (150) of claim 9 or 10, wherein the detector is a Ge detector (116, 117, 118, 119, 160).
12. LIDAR-System (150) nach Anspruch 11, bei dem eine Emissionswellenlänge des optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) größer als 1100 nm ist. 12. LIDAR system (150) according to claim 11, in which an emission wavelength of the optoelectronic semiconductor component (10) is greater than 1100 nm.
13. LIDAR-System (150) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welches mindestens teilweise als integrierte optische Schaltung realisiert ist. 13. LIDAR system (150) according to any one of claims 9 to 12, which is at least partially implemented as an integrated optical circuit.
PCT/EP2021/073957 2020-09-09 2021-08-31 Optoelectronic semiconductor component, optoelectronic semiconductor device and lidar system WO2022053349A2 (en)

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