WO2022244674A1 - 発光装置、測距装置及び移動体 - Google Patents

発光装置、測距装置及び移動体 Download PDF

Info

Publication number
WO2022244674A1
WO2022244674A1 PCT/JP2022/020072 JP2022020072W WO2022244674A1 WO 2022244674 A1 WO2022244674 A1 WO 2022244674A1 JP 2022020072 W JP2022020072 W JP 2022020072W WO 2022244674 A1 WO2022244674 A1 WO 2022244674A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
emitting device
light
layer
light emitting
semiconductor
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/020072
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
武志 内田
貴子 須賀
Original Assignee
キヤノン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2022065143A external-priority patent/JP2022176886A/ja
Application filed by キヤノン株式会社 filed Critical キヤノン株式会社
Priority to CN202280035764.7A priority Critical patent/CN117321868A/zh
Priority to EP22804587.8A priority patent/EP4343990A1/en
Priority to KR1020237037684A priority patent/KR20230164160A/ko
Publication of WO2022244674A1 publication Critical patent/WO2022244674A1/ja
Priority to US18/507,189 priority patent/US20240085534A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18358—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] containing spacer layers to adjust the phase of the light wave in the cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
    • H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H01S5/04257—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration having positive and negative electrodes on the same side of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0601—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising an absorbing region
    • H01S5/0602—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising an absorbing region which is an umpumped part of the active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0615—Q-switching, i.e. in which the quality factor of the optical resonator is rapidly changed
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18341—Intra-cavity contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18383—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] with periodic active regions at nodes or maxima of light intensity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H01S5/426—Vertically stacked cavities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation
    • H01S5/18313—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation by oxidizing at least one of the DBR layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18344—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] characterized by the mesa, e.g. dimensions or shape of the mesa
    • H01S5/18347—Mesa comprising active layer

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device, a distance measuring device, and a moving body.
  • Patent Document 1 discloses a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) as a light source for ToF (Time of Flight) LiDAR (Light Detection and Ranging). It is stated to use VCSELs have the advantage of being less wavelength dependent on temperature.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • the peak value of the irradiated light pulse By the way, in the above system, by increasing the peak value of the irradiated light pulse, it becomes easier for the light receiving side to distinguish between the ambient light and the light pulse emitted by itself, and the S/N can be increased. , and thus the maximum measurable distance can be extended.
  • the peak value of the optical pulse there is a limit to the peak value of the optical pulse.
  • the upper limit of the peak value from the viewpoint of eye safety depends on the width of the optical pulse, and the narrower the width of the optical pulse, the higher the peak value can be. Therefore, as a light source to be applied to the LiDAR system, a light source capable of generating a light pulse with a short light pulse width and a high peak value is desirable.
  • An object of the present invention is to provide a light emitting device including a semiconductor light emitting element capable of generating a light pulse with a short light pulse width and a high peak value, and a distance measuring device using such a light emitting device.
  • a semiconductor light-emitting device in which a first reflecting mirror, a resonator spacer section including an active layer, and a second reflecting mirror are stacked in this order on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor light emitting device includes a saturable absorption layer between the semiconductor substrate and the second reflector; the semiconductor light emitting device has a maximum peak value;
  • a light emitting device is provided that is configured to emit light having a profile that subsequently converges to a stable value of predetermined light intensity.
  • a first reflecting mirror, a resonator spacer section including an active layer, and a second reflecting mirror are laminated in this order on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor light emitting device includes a saturable absorption layer between the semiconductor substrate and the second reflecting mirror
  • the light confinement coefficient of the active layer is ⁇ s
  • the saturable absorption layer ⁇ a is the optical confinement factor of
  • gmax (Iop) is the maximum gain in the active layer obtained when the current value injected from the drive unit is Iop
  • ⁇ 2 is the absorption coefficient of the saturable absorption layer
  • the mirror loss is A light-emitting device is provided that satisfies the relationship ⁇ s ⁇ gmax(Iop)> ⁇ a ⁇ 2+ ⁇ m+ ⁇ i, where ⁇ m is light absorption by carriers and ⁇ i.
  • a first reflecting mirror, a resonator spacer section including an active layer, and a second reflecting mirror are laminated in this order on a semiconductor substrate.
  • the active layer includes 6 or more and 50 or less quantum well layers, further comprising a saturable absorption layer between the semiconductor substrate and the second reflector;
  • a light-emitting device is provided in which the optical thickness of the cavity spacer portion is equal to or greater than a thickness corresponding to five times the resonance wavelength.
  • a first reflecting mirror, a resonator spacer section including an active layer, and a second reflecting mirror are laminated in this order on a semiconductor substrate.
  • the semiconductor light emitting device includes a saturable absorption layer between the semiconductor substrate and the second reflector, and the active layer includes a plurality of quantum well layers and the plurality of A light emitting device is provided including barrier layers disposed between the quantum well layers, said barrier layers comprising GaAs.
  • a light-emitting device including a semiconductor light-emitting element capable of generating a light pulse with a short light pulse width and a high peak value, and a high-performance distance measuring device using such a light-emitting device are realized. can be done.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a graph showing Al composition dependence of the ratio of the density of carriers accumulated in a well layer to the density of carriers accumulated in a barrier layer.
  • 7 is a graph showing optical output waveforms of semiconductor light emitting devices according to comparative examples.
  • 4 is a graph showing optical output waveforms of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention; 4 is a graph showing temporal changes in density of carriers accumulated in an active layer and light intensity.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between effective cavity length and optical output waveform; 4 is a graph showing the relationship between the effective cavity length and the pulse width of optical output; 4 is a graph showing the relationship between the number of quantum well layers and the peak ratio. 4 is a graph showing the relationship between the minimum number of quantum well layers required for a peak ratio exceeding 2 and the cavity length.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 11 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a top view of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance measuring device according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance measuring device according to a sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a surface emitting laser array in a distance measuring device according to a sixth embodiment of the present invention
  • 7 is a graph showing changes in optical waveform due to changes in environmental temperature and changes in physical parameters over time in the semiconductor light emitting device of Comparative Example.
  • 5 is a graph showing changes in optical waveform due to changes in environmental temperature and changes in physical parameters over time in the semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor light emitting device according to this embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 100 is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) having a distributed Bragg reflector (DBR). As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device 100 includes a semiconductor substrate 10, a lower DBR layer 12, a non-doped spacer section 14, a resonator section 18, an upper DBR layer 28, electrodes 40 and 42, and a protective film. 44 and .
  • a lower DBR layer 12 is provided on the semiconductor substrate 10 .
  • a non-doped spacer portion 14 is provided on the lower DBR layer 12 .
  • the resonator section 18 is provided on the non-doped spacer section 14 .
  • the upper DBR layer 28 is provided on the resonator section 18 .
  • a layer (the non-doped spacer section 14 and the resonator section 18) located between the lower DBR layer 12 and the upper DBR layer 28 is the resonator spacer section.
  • a saturable absorption layer 16 is provided in the non-doped spacer portion 14 .
  • the resonator section 18 includes an n-type layer 20 provided on the non-doped spacer section 14 , a non-doped spacer section 22 provided on the n-type layer 20 , and a p-type layer provided on the non-doped spacer section 22 .
  • a three-layer active layer 24 is provided in the non-doped spacer portion 22 .
  • An oxidized constricting layer 38 is provided in the upper DBR layer 28 .
  • the non-doped spacer portion 22, the p-type layer 26 and the upper DBR layer 28 are processed into a mesa shape.
  • An electrode 40 electrically connected to the n-type layer 20 is provided on the n-type layer 20 exposed by processing the non-doped spacer portion 22, the p-type layer 26 and the upper DBR layer 28 into a mesa shape.
  • An electrode 42 electrically connected to the upper DBR layer 28 is provided on the upper DBR layer 28 .
  • a protective film 44 is provided on the top surface of the n-type layer 20 excluding at least part of the surfaces of the electrodes 40 and 42 and the side and top surfaces of the mesa.
  • the semiconductor substrate 10 can be composed of, for example, a GaAs substrate.
  • the lower DBR layer 12 can be constructed by, for example, stacking 35 pairs of a laminate of an Al 0.1 GaAs layer and an Al 0.9 GaAs layer each having an optical thickness of 1/4 ⁇ c.
  • ⁇ c is the central wavelength of the high reflection band of the lower DBR layer 12, which is 940 nm in this embodiment.
  • the non-doped spacer portion 14 has a configuration that does not exist in a general VCSEL.
  • the saturable absorption layer 16 can be composed of, for example, a multi-quantum well layer including three quantum well layers in which InGaAs well layers with a thickness of 8 nm are sandwiched between AlGaAs barrier layers with a thickness of 10 nm.
  • Other portions of the non-doped spacer portion 14 can be composed of non-doped GaAs layers.
  • the resonator section 18 is composed of a pin junction composed of an n-type layer 20, a non-doped spacer section 22 and a p-type layer .
  • Each of the three active layers 24 disposed in the non-doped spacer section 22 is composed of a multi-quantum well including four quantum well layers in which, for example, InGaAs well layers with a thickness of 8 nm are sandwiched between AlGaAs barrier layers with a thickness of 10 nm. obtain.
  • the resonator section 18 includes a total of 12 layers of quantum wells.
  • the n-type layer 20 can be composed of an n-type GaAs layer
  • the p-type layer 26 can be composed of a p-type GaAs layer
  • the other portions of the non-doped spacer portion 22 can be composed of non-doped GaAs layers.
  • the resonator section 18 is composed of a pin junction that is also present in a normal VCSEL, and has a configuration similar to that of a resonator section that includes an active layer in the i-layer.
  • the number of quantum well layers that the resonator section 18 has is larger than the number of quantum well layers (about three layers) that a normal VCSEL has.
  • the effective cavity length of the cavity portion 18 is 10 ⁇ m.
  • these three active layers 24 are arranged at positions between the antinodes and nodes of the standing wave, not at the positions of the antinodes of the standing wave used in general VCSEL design.
  • the optical confinement factor for standing waves is generally set in the range of 1.5 to 2.0 in a normal VCSEL, but in the present embodiment, it is intentionally set as low as about 0.35.
  • the AlGaAs barrier layer has a smaller bandgap than the barrier layer in the quantum well of a normal VCSEL, and is designed so that carriers are accumulated in the barrier layer as well.
  • the number of InGaAs well layers in which carriers are accumulated is 12, carriers are also accumulated in the AlGaAs barrier layers, so that approximately 20 layers of carriers are accumulated in terms of normal quantum well layers. It becomes possible to
  • FIG. 2 is a graph showing the result of calculating the Al composition dependence of the ratio of the density of carriers accumulated in the InGaAs well layer and the density of carriers accumulated in the AlGaAs barrier layer.
  • the ⁇ plots are for the carrier density of the well layer of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the ⁇ plots are for the carrier density of the well layer of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the plots marked with ⁇ are for the carrier density of the well layer of 9 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the minimum carrier density for generating the induced amplification required for laser oscillation is about 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 . Therefore, assuming that the density of carriers accumulated in the quantum well is 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , when the Al composition of the AlGaAs barrier layer is 0.05, as shown in FIG. The ratio of the density to the density of carriers accumulated in the barrier layer is about 0.075. When the Al composition of the AlGaAs barrier layer increases from 0.05 to 0.1, the ratio of the density of carriers accumulated in the well layer to the density of carriers accumulated in the barrier layer decreases to about 0.025.
  • a guideline for the maximum thickness that is effective as a barrier layer for accumulating carriers is 1 ⁇ m, which is the diffusion length of carriers.
  • the active layer of a VCSEL is often composed of three quantum wells. Therefore, assuming that the amount of carriers accumulated in the barrier layer with a thickness of 1 ⁇ m is equal to or greater than that accumulated in the three quantum wells with a total thickness of about 25 nm, the reciprocal of the thickness ratio is A carrier density ratio of 0.025 or greater is required. In other words, from the calculation results of FIG. 2, it can be seen that AlGaAs with an Al composition of 0.1 or less is preferable for the barrier layer.
  • the energy difference between the bandgap of the AlGaAs barrier layer with an Al composition of 0.1 and the emission level of the InGaAs well layer with an emission wavelength of 940 nm is 230 meV. That is, the energy difference between the bandgap of the barrier layer and the emission level of the well layer is preferably 230 meV or less.
  • the lower limit of the energy difference between the bandgap of the barrier layer and the emission level of the well layer is the energy corresponding to the difference from the bandgap of GaAs from the viewpoint of light absorption.
  • the energy difference between the bandgap of the barrier layer and the emission level of the well layer is preferably 105 meV or more. From the above, the preferable range of the energy difference between the emission level of the well layer and the bandgap of the barrier layer is 105 meV to 230 meV.
  • a pair of laminates of an Al 0.1 Ga 0.9 As layer and an Al 0.9 Ga 0.1 As layer having an optical film thickness of 1/4 ⁇ c are formed into 20 layers. It can be constructed by pair lamination.
  • An oxidized constricting layer 38 is provided in the upper DBR layer 28 by partially oxidizing an Al 0.98 Ga 0.02 As layer having a thickness of 30 nm.
  • the oxidized constricting layer 38 can be formed, for example, by oxidizing the Al 0.98 Ga 0.02 As layer from the side surface of the mesa with water vapor during manufacturing.
  • the oxidized constricting layer 38 has an unoxidized portion at the center of the mesa and an oxidized portion near the sidewalls of the mesa.
  • the diameter of the non-oxidized portion in plan view can be about 10 ⁇ m.
  • the laser light generated by the semiconductor light emitting device 100 may be configured to be emitted from the upper DBR layer 28 side, or may be configured to be emitted from the semiconductor substrate 10 side.
  • the following three elements are added to the basic configuration of a normal VCSEL.
  • the first of the three additions to the VCSEL is to substantially increase the volume of the active layer.
  • a normal VCSEL is composed of three layers of quantum wells, but this can be increased to about 20 layers in terms of quantum well volume.
  • the second is to introduce a saturable absorbing layer 16 .
  • the third is to extend the effective cavity length of the VCSEL.
  • the effective cavity length is the cavity length that light senses in the cavity. More specifically, it is the average value of the distance that light transmitted through the active layer in the resonance direction is reflected by two reflecting mirrors constituting the resonator and propagates until the light is transmitted through the active layer again.
  • FIG. 3 and 4 are graphs showing results obtained by calculation of optical output waveforms of semiconductor light emitting devices.
  • FIG. 3 shows the optical output waveform of the semiconductor light emitting device according to the comparative example
  • FIG. 4 shows the optical output waveform of the semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment.
  • the semiconductor light-emitting device according to the comparative example is a VCSEL having a general configuration in which a saturable absorption layer is not provided and three quantum well layers and a cavity length of 1 ⁇ are designed.
  • oscillation starts at about 70 ps from the start of current injection, and light output rises. Then, the optical output reaches the peak of the optical waveform associated with relaxation oscillation, and then converges to a stationary value.
  • the semiconductor light emitting device 100 emits light having a profile that has a maximum peak value and converges to a stable value that is a predetermined light intensity after the maximum peak value. That is, in the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, oscillation starts after about 600 ps have elapsed from the start of current injection, as shown in FIG. 4, for example. This delay in the start of oscillation is due to the fact that the effective volume of the active layer 24 is increased and that the oscillation is inhibited by light absorption in the saturable absorption layer 16 for a certain period of time after the start of current injection.
  • the absorbed light is accumulated in the saturable absorption layer 16 as carriers.
  • the carrier density in the saturable absorption layer 16 reaches the transparent carrier density, the saturable absorption layer 16 stops absorbing light. As a result, the effect of inhibiting laser oscillation disappears, and the semiconductor light emitting element starts laser oscillation.
  • the purpose of inhibiting laser oscillation for a certain period of time by the saturable absorption layer 16 is to accumulate carriers exceeding the threshold carrier density in the active layer 24 .
  • the threshold carrier density is a carrier density that generates a gain necessary for laser oscillation.
  • FIG. 5 is a graph showing temporal changes in the density of carriers accumulated in the active layer 24 and the light intensity. Assume that the current injected into the semiconductor light emitting device has a waveform similar to that shown in FIG. 4, and the injection starts at 4E-10 seconds on the time axis.
  • the carrier density in the active layer 24 begins to rise with the start of current injection.
  • the threshold carrier density (the carrier density that converges after the start of oscillation) in the semiconductor light emitting device 100 of the present embodiment is 2.7E+18 cm ⁇ 3 , but before laser oscillation starts, carriers temporarily exceed the threshold carrier density. continue to accumulate. After that, when laser oscillation starts, the carriers are rapidly consumed by stimulated emission and converge to a stable value.
  • the semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment, more carriers are accumulated in the active layer 24 than the threshold carrier density. After the start of laser oscillation, carriers accumulated in the active layer 24 are converted into photons by stimulated emission. This makes it possible to output an optical pulse with a high peak value and a short half width as shown in FIG.
  • the reason why carriers with a threshold carrier density or more can be accumulated in the active layer 24 is that the saturable absorption layer 16 is used to suppress laser oscillation for a certain period of time.
  • an optical pulse with a high peak value and a short pulse width can be generated inside the semiconductor light emitting device after oscillation. This light pulse is shorter than the current pulse that drives the semiconductor light emitting device.
  • the condition for continuous laser oscillation is that the maximum gain obtained by the active layer 24 exceeds the absorption in the entire cavity.
  • laser oscillation can be continued when the relationship represented by the following formula (1) holds.
  • ⁇ a is the optical confinement coefficient of the saturable absorption layer 16
  • ⁇ s is the optical confinement coefficient of the active layer 24
  • gmax(Iop) is the maximum gain in the active layer 24 obtained when the current value is Iop. is.
  • ⁇ 2 is the absorption coefficient of the saturable absorption layer 16
  • ⁇ m is the mirror loss
  • ⁇ i is the light absorption by semiconductor carriers and the like.
  • the oscillation continues in a stable state after the optical pulse is generated.
  • the reason is that the number of current pulses output from the driver of the semiconductor light emitting device and the number of light pulses generated by the semiconductor light emitting device are the same.
  • a constant current is continuously injected during a certain period of time and a plurality of pulses are generated from the semiconductor light-emitting element, it is difficult to distinguish between the first pulse and the subsequent pulses when viewed from the light receiving side. It is difficult and can lead to large errors in calculating the distance.
  • a demerit such as a reduction in the amount of light allowed for one pulse may occur.
  • the length of the cavity as a laser is extended by extending the distance from the lower DBR layer 12 to the upper DBR layer 28 using the non-doped spacer portion 14 .
  • the purpose is to widen the pulse width. It is desirable that the optical thickness of the cavity spacer portion is equal to or greater than five times the resonant wavelength, more preferably equal to or greater than eleven times the resonant wavelength.
  • the optical thickness refers to a value obtained by multiplying the physical thickness by the refractive index of the medium.
  • FIG. 6 is a graph showing results obtained by calculation of optical output waveforms when rectangular current pulses are injected into semiconductor light emitting devices having effective cavity lengths L eff of 2 ⁇ m, 5 ⁇ m, and 10 ⁇ m.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the effective cavity length and the pulse width of optical output. As shown in FIGS. 6 and 7, the pulse width of the optical output can be lengthened by lengthening the effective cavity length.
  • the effective cavity length is 2 ⁇ m
  • the pulse width is 30 ps
  • the effective cavity length is 2 ⁇ m.
  • the pulse width was 59 ps at 5 ⁇ m
  • the pulse width was 110 ps at the effective cavity length of 10 ⁇ m. Note that the pulse width here is the half width.
  • the effective cavity length is preferably 4 ⁇ m or more. Also, if the pulse width obtained from the error of the light receiving timing is 30 ps, the effective cavity length is preferably 2 ⁇ m or more.
  • the thickness of the non-doped spacer portion 14 and the like is increased to increase the physical distance between the lower DBR layer 12 and the upper DBR layer 28, thereby extending the effective cavity length.
  • the method for extending the cavity length is not limited to this.
  • by providing a third reflecting mirror between the lower DBR layer 12 and the upper DBR layer 28 to form a coupled resonator the distance between the lower DBR layer 12 and the upper DBR layer 28 can be changed from that of the present embodiment. Even with a relatively short configuration, it is possible to effectively extend the resonator length. In any case, it is possible to control the optical pulse width to a preferable width by appropriately controlling the effective cavity length.
  • the thickness of the active layer 24, more specifically, the required range of the number of quantum well layers forming the active layer 24 will be described.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the number of quantum well layers and the peak value ratio in semiconductor light emitting devices with effective cavity lengths L eff of 2 ⁇ m, 5 ⁇ m, and 10 ⁇ m.
  • the peak value ratio is the ratio between the peak value of the optical pulse waveform and the steady-state value after stabilization.
  • a peak value ratio of 2 means that the amount of light at the peak value is twice the amount of light at the steady value.
  • the peak value ratio increases as the number of quantum well layers increases. Further, when comparing with the same peak value ratio, the longer the effective cavity length, the more the required number of quantum well layers.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the minimum number of quantum well layers required for the peak value ratio to exceed 2 and the cavity length.
  • the number of quantum well layers with a peak value ratio exceeding 2 is 6 or more.
  • the number of quantum well layers with a peak value ratio exceeding 2 is seven or more.
  • the number of quantum well layers with a peak value ratio exceeding 2 is nine or more.
  • the design standard for the peak value ratio is 2 or more in a semiconductor light emitting device having a cavity length of 2 ⁇ m or more, six or more quantum well layers are required.
  • the resonator length is preferably 4 ⁇ m or more, and in that case, the required number of quantum well layers is 7 or more.
  • the number of quantum well layers here is obtained by converting the layer thickness of the portion where carriers are accumulated into the number of quantum well layers, and does not necessarily have to match the actual number of quantum well layers. do not have. That is, the actual number of quantum well layers can be designed according to the relationships shown in FIGS. Alternatively, although the actual number of quantum well layers is smaller than the total number according to the relationship of FIGS. It may be designed to accumulate carriers.
  • the number of quantum well layers should be as large as possible, and there is no particular upper limit.
  • the thickness of the i-layer is restricted by the degree of carrier diffusion from the p-layer and the n-layer.
  • the diffusion distance varies greatly depending on the material and composition of the active layer 24. If the diffusion distance is 1 ⁇ m, the number of quantum well layers is about 50 layers. It is desirable that the number of quantum well layers forming the active layer 24 is appropriately selected, for example, within a range of 6 layers or more and 50 layers or less.
  • semiconductor layers constituting the lower DBR layer 12, the non-doped spacer section 14, the resonator section 18, and the upper DBR layer 28 are grown on the semiconductor substrate 10 by metal-organic vapor phase epitaxy or molecular beam epitaxy. .
  • the upper DBR layer 28, the p-type layer 26 and the non-doped spacer section 22 are patterned. Thereby, a columnar mesa having a diameter of, for example, about 30 ⁇ m is formed.
  • thermal oxidation is performed in a steam atmosphere at about 450° C. to oxidize the Al 0.98 Ga 0.02 As layer in the upper DBR layer 28 from the side walls of the mesa to form an oxidized constricting layer 38 .
  • the Al 0.98 Ga 0.02 As layer has a non-oxidized portion in the central portion of the mesa and an oxidized portion (oxidized constricting layer 38) in the vicinity of the side wall of the mesa.
  • the non-oxidized portion of the Al 0.98 Ga 0.02 As layer is controlled to have a diameter of about 10 ⁇ m.
  • an electrode 42 that will be the p-side electrode is formed on the upper surface of the mesa, and an electrode 40 that will be the n-side electrode is formed on the upper surface of the n-type layer 20 exposed by etching. do.
  • the electrode 42 has an annular pattern, and the central opening serves as a circular window for extracting light.
  • a protective film 44 is formed so as to cover the upper and side surfaces of the mesa provided with the electrodes 40 and 42 and the upper surface of the n-type layer 20 .
  • heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere to alloy the interface between the electrode material and the semiconductor material, thereby completing the semiconductor light emitting device 100 of this embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor light emitting device according to this embodiment. Components similar to those of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
  • the semiconductor light emitting device is the same as the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, except that the configuration of the resonator section 18 is different from that of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • the parts different from the semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be mainly described, and the explanation of the parts common to the semiconductor light emitting device according to the first embodiment will be omitted as appropriate.
  • the resonator section 18 of the present embodiment is composed of a pin junction composed of an n-type layer 20, a non-doped spacer section 22 and a p-type layer 26, and the non-doped spacer section 22
  • the point that the active layer 24 is provided in is the same as in the first embodiment.
  • the n-type layer 20 is a semiconductor layer with a high impurity concentration arranged between the active layer 24 and the saturable absorption layer 16 .
  • the resonator section 18 of the first embodiment had three layers of active layers 24 each including three layers of quantum wells in the non-doped spacer section 22 .
  • the resonator section 18 of this embodiment has a single active layer 24 including four quantum well layers in the non-doped spacer section 22 .
  • the active layer 24 can be composed of, for example, a multiple quantum well including four quantum well layers in which InGaAs well layers with a thickness of 8 nm are sandwiched between GaAs barrier layers with a thickness of 10 nm.
  • Other portions of the non-doped spacer portion 22 are composed of non-doped GaAs layers.
  • the resonator section 18 of the first embodiment had the active layer 24 including a total of 12 quantum well layers
  • the resonator section 18 of the present embodiment has four quantum well layers. It has an active layer 24 comprising layers.
  • the reason why the total number of quantum well layers included in the active layer 24 of the resonator section 18 of the present embodiment can be reduced to four is that the portions other than the InGaAs well layers of the non-doped spacer section 22, including the barrier layers, are made of AlGaAs. This is because it is made of GaAs.
  • the bandgap of the barrier layer can be made smaller than when AlGaAs is used as the barrier layer.
  • the amount of carriers necessary for achieving the effects of the invention according to this embodiment can be easily increased.
  • the optical confinement factor for standing waves is as low as about 0.35.
  • the number of quantum well layers is reduced, so the optical confinement factor is set to about 1.4.
  • the quantum well layer is arranged near the position of the antinode of the standing wave. Since the product of the number of quantum well layers and the optical confinement coefficient is the gain of the laser resonator, the first embodiment and the present embodiment are configured so that the same gain can be obtained. It's for.
  • the relaxation oscillation frequency that is, the pulse width at the time of pulse generation, to be approximately the same.
  • the configuration of this embodiment in which carriers are actively accumulated in the barrier layer, also has a secondary effect.
  • Two secondary effects will be described below as examples.
  • the first effect is that the accumulated strain of the semiconductor layer can be reduced.
  • the active layer is made of InGaAs and the substrate is made of GaAs. Therefore, strain is generated in the active layer grown on the substrate due to the lattice constant difference.
  • the cumulative strain increases as the number of quantum well layers increases. Therefore, the design in which the bandgap of the barrier layer is reduced to reduce the number of quantum well layers as in this embodiment has the effect of reducing the cumulative strain.
  • the second effect is that carrier consumption due to radiative recombination can be reduced.
  • the carriers are consumed by radiative recombination (spontaneous emission).
  • the threshold of laser oscillation rises and the power conversion efficiency decreases, which is not preferable.
  • This radiative recombination is known to be proportional to the square of the carrier density. Therefore, even when the same amount of carriers are accumulated, the carrier density, that is, the amount of carriers consumed by radiative recombination, changes depending on the volume of the portion where carriers are accumulated.
  • the carrier density increases because the quantum well layers have a small bandgap.
  • the carrier density increases, so the number of carriers consumed by radiative recombination also increases.
  • the carrier density is low due to the large bandgap, and the total layer thickness of the layers for accumulating carriers is large.
  • the carrier density is lower, less carriers are consumed by radiative recombination.
  • carriers are accumulated in a layer having a larger bandgap than in the quantum well layer at a higher rate, so carrier consumption due to radiative recombination can be reduced.
  • the n-type layer 20 has a laminated structure of an Al 0.9 GaAs layer and a GaAsP layer. Specifically, an Al 0.9 GaAs layer is provided between the GaAsP layer and the non-doped spacer section 22 .
  • the reason why the Al composition of the AlGaAs layer is increased to 0.9 is to increase the bandgap and prevent carriers overflowing from the active layer 24 from flowing into the saturable absorption layer 16 . Therefore, the Al 0.9 GaAs layer is provided near the non-doped spacer section 22 .
  • the GaAsP layer has a role as a strain compensation layer.
  • the cumulative strain is reduced by inserting a GaAsP layer that generates lattice strain in the direction opposite to that of InGaAs in GaAs.
  • the AlGaAs layer forming the n-type layer 20 has the effect of suppressing carrier overflow even when the Al composition is 0.9 or less.
  • the amount of increase in the bandgap with respect to the increase in the Al composition becomes small from around 0.45. In other words, the amount of reduction in bandgap caused by lowering the Al composition of the AlGaAs layer from 0.9 to 0.45 is small.
  • the Al composition of the AlGaAs layer exceeds 0.9, the reaction with oxygen in the air will rapidly increase the formation rate of the natural oxide film, which is not preferable from the viewpoint of the manufacturing process and device reliability. From this point of view, the Al composition of the AlGaAs layer forming the n-type layer 20 is preferably about 0.45 or more and about 0.9 or less.
  • the energy difference between the emission level of the quantum well and the bandgap of the barrier layer is reduced to the extent that light absorption does not occur at the lasing wavelength, and the thickness of the barrier layer is increased to increase the amount of carrier storage.
  • the design is contrary to the general semiconductor laser design concept. The reason for this is that, in a normal semiconductor laser, it is preferable that the optical output responds as fast as possible to an increase or decrease in the input current.
  • a semiconductor laser can respond at a higher speed by accumulating carriers only in a light-emitting layer such as a quantum well and by making the thickness of a barrier layer through which carriers move as thin as possible.
  • the amount of light is controlled by increasing or decreasing the current, and it is advantageous to increase or decrease the light output by following the current waveform that changes at high speed.
  • communication speed can be increased.
  • ToF type LiDAR by shortening the time width of the light emission pulse, the accuracy of estimating the time when the light detected by the light receiving side was generated on the light emitting side can be improved, and the accuracy of distance measurement can be improved. . Therefore, designs that increase the number of quantum well layers beyond the number required for oscillation, or designs that increase the amount of carrier accumulation in the barrier layers, are designs that should be avoided, as they will not follow the current waveform to changes in light. .
  • the present invention is based on the concept of emitting short pulses within the VCSEL, it is not necessary to make the light output follow the current waveform. Also, it is preferable that the peak value of the pulse is large. Therefore, in the present embodiment, the structure including the saturable absorption layer 16 necessary for emitting a short pulse in the VCSEL is designed to accumulate more carriers including the barrier layer, thereby reducing the pulse width. A short optical pulse with a high peak value can be generated.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor light emitting device according to this embodiment. Components similar to those of the semiconductor light emitting device according to the first or second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
  • the semiconductor light emitting device 100 has a semiconductor substrate 10, a lower DBR layer 12, a non-doped spacer section 14, a resonator section 18, and an upper DBR layer 28, as shown in FIG. Moreover, the semiconductor light emitting device 100 further includes a lower DBR layer 30 , a resonator section 32 , an upper DBR layer 36 , electrodes 40 and 42 and a protective film 44 .
  • a lower DBR layer 12 is provided on the semiconductor substrate 10 .
  • a non-doped spacer portion 14 is provided on the lower DBR layer 12 .
  • the resonator section 18 is provided on the non-doped spacer section 14 .
  • the upper DBR layer 28 is provided on the resonator section 18 .
  • a lower DBR layer 30 is provided over the upper DBR layer 28 .
  • the resonator section 32 is provided on the lower DBR layer 30 .
  • the upper DBR layer 36 is provided on the resonator section 32 .
  • a laminated structure of the lower DBR layer 12, the non-doped spacer section 14, the resonator section 18, and the upper DBR layer 28 constitutes the first VCSEL.
  • a laminated structure of the lower DBR layer 30, the resonator section 32, and the upper DBR layer 36 constitutes a second VCSEL. That is, the semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment is formed by stacking a first VCSEL and a second VCSEL in this order on a semiconductor substrate 10 .
  • the laminated structure of the first VCSEL is the same as that of the semiconductor light emitting device 100 of the first embodiment.
  • a saturable absorption layer 16 is provided in the non-doped spacer section 14 .
  • Five active layers 24 are provided in the resonator section 18 .
  • Each of the active layers 24 is composed of multiple quantum wells including four layers of quantum wells. That is, the resonator section 18 includes a total of 20 quantum well layers.
  • the bandgap of the AlGaAs barrier layer is made smaller than that of the barrier layer used in the quantum well of a normal VCSEL so that carriers can be stored in the AlGaAs barrier layer.
  • the first VCSEL like the semiconductor light emitting device of the first embodiment, has a saturable absorption layer 16 and generates high peak, short optical pulses. Note that the structure of the semiconductor light emitting device of the second embodiment may be applied to the first VCSEL.
  • a laminated structure of the lower DBR layer 30, the resonator section 32, and the upper DBR layer 36 is processed into a mesa shape.
  • a second VCSEL is formed on this mesa.
  • An active layer 34 is provided in the resonator section 32 .
  • An oxidized constricting layer 38 is provided in the upper DBR layer 36 .
  • Electrodes electrically connected to the upper DBR layer 28 and the lower DBR layer 30 are provided on the upper DBR layer 28 exposed by processing the lower DBR layer 30, the resonator section 32 and the upper DBR layer 36 into a mesa shape. 40 are provided.
  • An electrode 42 electrically connected to the upper DBR layer 36 is provided on the upper DBR layer 36 .
  • a protective film 44 is provided on the top surface of the upper DBR layer 28 excluding at least part of the surfaces of the electrodes 40 and 42 and the side surfaces and top surface of the mesa.
  • the second VCSEL oscillates and generates laser light by applying a voltage between the electrodes 40 and 42 and causing a current to flow.
  • the wavelength of the laser light generated by the second VCSEL is shorter than the emission wavelength of the first VCSEL, eg, 780 nm.
  • the laser light generated by the second VCSEL is excitation light for exciting the active layer 24 of the first VCSEL.
  • the first VCSEL emits a light pulse with a high peak value and a short pulse by a mechanism similar to that of the semiconductor light emitting device 100 of the first embodiment. to generate
  • the reason why the second VCSEL is provided on the first VCSEL in the semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment is to increase the number of active layers 24 in the first VCSEL.
  • the thickness of the i-layer is limited by the diffusion length of carriers, particularly the diffusion length of holes.
  • the active layer 24 is excited by irradiating light from the outside as in the present embodiment, there is no restriction on the diffusion length of carriers, so a VCSEL having a larger number of active layers 24 can be configured. There is an advantage that the energy can be increased.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the semiconductor light emitting device according to this embodiment.
  • FIG. 13 is a top view of the semiconductor light emitting device according to this embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 100 is a so-called VCSEL array, which is a light emitting device configured by arranging a plurality of light emitting portions 50 of the semiconductor light emitting devices 100 according to the first to third embodiments in a two-dimensional array.
  • a cross section along line AA' in FIG. 13 generally corresponds to the cross sectional view of FIG. 1, FIG. 10 or FIG.
  • Each of the light emitting portions 50 in FIG. 12 corresponds to the mesa portion in FIG. 1, FIG. 10 or FIG.
  • the semiconductor substrate 10 in FIG. 12 corresponds to the semiconductor substrate 10 to the n-type layer 20 in FIG. 1 or 10 or the semiconductor substrate 10 to the upper DBR layer 28 in FIG.
  • 12 and 13 show only 12 light emitting units 50 arranged in a 4 ⁇ 3 array for the sake of simplification of the drawings, but a general VCSEL array has, for example, 60 ⁇ 60 arrays. 3600 VCSELs arranged in a shape are provided on the same semiconductor substrate 10 .
  • the diameter of the light emitting portion 50 is, for example, 10 ⁇ m.
  • the light-emitting portions 50 are arranged such that the distance between the centers of the light-emitting portions 50 in the vertical direction and the horizontal direction is, for example, 50 ⁇ m.
  • a chip size of the semiconductor light emitting device 100 is, for example, 3.3 mm ⁇ 3.3 mm.
  • the electrode 40 corresponding to each of the light emitting portions 50 is electrically connected to the anode common electrode 40C via wiring (not shown). Also, the electrode 42 corresponding to each of the light emitting portions 50 is electrically connected to the cathode common electrode 42C.
  • the anode common electrode 40C and the cathode common electrode 42C are electrodes common to the plurality of light emitting units 50 that constitute the VCSEL array. Au wires (not shown) are electrically and physically connected to the anode common electrode 40C and the cathode common electrode 42C.
  • a current for driving the semiconductor light emitting device 100 is injected from an external circuit through the common anode electrode 40C and the common cathode electrode 42C.
  • the anode common electrode 40C and the cathode common electrode 42C have a strip shape with a width of, for example, 100 ⁇ m and a length of, for example, 1.5 mm.
  • a VCSEL array using the semiconductor light emitting device 100 of the first to third embodiments can be realized.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a schematic configuration of the distance measuring device according to this embodiment.
  • a range finder 200 according to the present embodiment is a range finder (LiDAR device) in which the semiconductor light emitting device 100 of the fourth embodiment is applied to the light source section.
  • the distance measuring device 200 includes a control unit 210, a surface emitting laser array driver 212, a surface emitting laser array 214, a light emitting side optical system 218, a light receiving side optical system 220, an image sensor 222, a distance A data processing unit 224 may be used.
  • the surface emitting laser array 214 is obtained by mounting the semiconductor light emitting device 100 according to the fourth embodiment in a package.
  • the surface emitting laser array driver 212 is a driving unit that receives a drive signal from the control unit 210 , generates a driving current for oscillating the surface emitting laser array 214 , and outputs the drive current to the surface emitting laser array 214 .
  • the surface emitting laser array 214 and the surface emitting laser array driver 212 may be one light emitting device.
  • the light-emitting side optical system 218 is an optical system that emits the laser light generated by the surface emitting laser array 214 toward the distance measurement target range.
  • the light-receiving side optical system 220 is an optical system that guides the laser beam reflected by the measurement object 1000 to the image sensor 222 .
  • the light-emitting side optical system 218 and the light-receiving side optical system 220 are represented by a single convex lens-shaped member. It consists of a lens group that combines lenses.
  • the image sensor 222 is a photoelectric conversion device in which a plurality of pixels including photoelectric conversion units are arranged in a two-dimensional array, and is a light receiving device that outputs electrical signals according to incident light.
  • Image sensor 222 may be an imaging device such as, for example, a CMOS image sensor.
  • the distance data processing unit 224 has a function as a distance information acquisition unit that generates information regarding the distance to the measurement object 1000 existing in the range to be measured based on the signal from the image sensor 222 and outputs the information. Note that the distance data processing unit 224 may be electrically connected to the image sensor 222 and may be arranged in the same package as the image sensor 222, or may be arranged in a package separate from the image sensor 222. may have been
  • the control unit 210 is composed of an information processing device including a microcomputer and a logic circuit, and has a function as a central processing device that controls operations in the distance measuring device 200, such as operation control of each unit and various arithmetic processing.
  • a light-emitting device suitable for the LiDAR system is preferably a light-emitting device that can generate light pulses with a short light pulse width and a high peak value.
  • the optical pulse width of a light source suitable for LiDAR systems is, for example, in the range of 50 ps to 1 ns.
  • the current pulse driving the VCSEL must be of the same order in order to reduce the light pulse from 50 ps to 1 ns.
  • the VCSEL itself generates a short pulse by using the semiconductor light emitting device described in the first to fourth embodiments.
  • the controller 210 outputs a drive signal to the surface emitting laser array driver 212 .
  • the surface emitting laser array driver 212 receives a drive signal from the control unit 210 and injects a current of a predetermined current value into the surface emitting laser array 214 .
  • the surface emitting laser array 214 oscillates and laser light is output from the surface emitting laser array 214 .
  • the pulse width of the light emitted from the surface emitting laser array 214 is narrower than the pulse width of the injected current, as described above.
  • the laser light generated by the surface emitting laser array 214 is emitted toward the distance measurement target range by the light emission side optical system 218 .
  • the laser beams irradiated to the measurement object 1000 in the distance measurement target range the laser beams reflected by the measurement object 1000 and incident on the light receiving side optical system 220 are guided to the image sensor 222 by the light receiving side optical system 220. be killed.
  • Each pixel of the image sensor 222 generates an electrical signal pulse according to the timing of the incident laser light.
  • An electrical signal pulse generated by the image sensor 222 is input to the distance data processing section 224 .
  • the distance data processing unit 224 generates information about the distance to the measurement object 1000 along the light propagation direction based on the reception timing of the electrical signal pulse output from the image sensor 222. By calculating the distance information based on the electrical signal pulses output from each pixel of the image sensor 222, the three-dimensional information of the measuring object 1000 can be obtained.
  • the distance measuring device 200 of the present embodiment is, for example, in the field of automobiles, a control device for performing control so as not to collide with another vehicle, or a control device for performing control for automatically driving following another vehicle. and so on. Further, the distance measuring device 200 of the present embodiment can be applied not only to automobiles but also to other moving bodies (moving devices) such as ships, aircraft, and industrial robots, moving body detection systems, and the like. The distance measuring device 200 of the present embodiment can be widely applied to devices that use information about objects recognized three-dimensionally, including distance information. These moving bodies can be configured to include the distance measuring device of the present embodiment and control means for controlling the moving bodies based on the distance information obtained by the distance measuring device.
  • the three-dimensional information including the depth that can be acquired by the distance measuring device 200 of this embodiment can be used by an image capturing device, an image processing device, a display device, and the like.
  • an image capturing device an image processing device
  • a display device a display device
  • the three-dimensional information acquired by the distance measuring device 200 of the present embodiment it is possible to display a virtual object on an image of the real world without any sense of incongruity.
  • by storing three-dimensional information together with image information it is also possible to correct blurring and the like of the shot image after shooting.
  • the present embodiment it is possible to realize a high-performance rangefinder equipped with a light-emitting device capable of generating an optical pulse with a short optical pulse width and a high peak value.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of the distance measuring device according to this embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a surface emitting laser array in the distance measuring device according to this embodiment.
  • Components similar to those of the semiconductor light emitting devices according to the first to fourth embodiments and the distance measuring device according to the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
  • the distance measuring device 200 according to this embodiment differs from the distance measuring device according to the fifth embodiment in that the surface emitting laser array 214 further has a light emission timing monitor section 216, as shown in FIG. Other points of the distance measuring device 200 according to this embodiment are the same as those of the distance measuring device according to the fifth embodiment.
  • the surface emitting laser array 214 has a semiconductor light emitting element 100, an emission timing monitor section 216, a base 110, and a window member 120, as shown in FIG. 16, for example.
  • the base 110 is a part of the package that mounts the semiconductor light emitting element 100 and the light emission timing monitor section 216, and has a concave portion that accommodates the semiconductor light emitting element 100 and the light emission timing monitor section 216.
  • FIG. The base 110 can be made of ceramic, for example.
  • the window member 120 is fixed to the base 110 so as to close the concave portion of the base 110 on which the semiconductor light emitting element 100 and the light emission timing monitor section 216 are mounted.
  • the semiconductor light emitting device 100 is the semiconductor light emitting device 100 according to the fourth embodiment.
  • the light emission timing monitor unit 216 is configured by a semiconductor substrate having a square shape of 0.3 mm square, for example, and has a photodiode with a light receiving area having a diameter of 100 ⁇ m, for example.
  • the anode common electrode 40C and the cathode common electrode 42C of the semiconductor light emitting element 100, and the anode and cathode of the photodiode constituting the light emission timing monitor section 216 are electrically connected to electrodes (not shown) provided on the outer periphery of the base 110. It is connected to the.
  • a pulse current supplied from the surface emitting laser array driver 212 is supplied to the semiconductor light emitting device 100 via electrodes provided on the base 110 .
  • the electrical signal generated by the light emission timing monitor section 216 is supplied to the distance data processing section 224 via the electrodes provided on the base 110 .
  • the controller 210 outputs a drive signal to the surface emitting laser array driver 212 .
  • the surface emitting laser array driver 212 receives a drive signal from the control unit 210 and injects current of a predetermined current value into the semiconductor light emitting elements 100 of the surface emitting laser array 214 .
  • the semiconductor light emitting device 100 oscillates and laser light is output from the semiconductor light emitting device 100 .
  • the pulse width of the light emitted from the semiconductor light emitting device 100 is narrower than the pulse width of the injected current, as described above.
  • a laser beam generated by the semiconductor light emitting device 100 is emitted from the surface emitting laser array 214 through the window member 120 and emitted toward the distance measurement target range by the light emitting side optical system 218 .
  • the window material 120 is AR-coated, part of the light is reflected by the window material 120 and enters the light emission timing monitor section 216 .
  • the light emission timing monitor unit 216 converts the incident light into an electric signal and outputs it to the distance data processing unit 224 .
  • the distance data processing unit 224 calculates the distance to the measurement object 1000 along the light propagation direction based on the time difference between the reception timing of the electrical signal pulse from the image sensor 222 and the reception timing of the electrical signal from the light emission timing monitor unit 216. Generate information about distance. Three-dimensional information of the measurement object 1000 is acquired by calculating distance information based on the electrical signal pulses output from each pixel of the image sensor 222 .
  • FIG. 17 the reason why the distance measuring device is configured in this way will be described with reference to FIGS. 17 and 18.
  • the distance to the measurement object is calculated based on the time difference from when the laser light is emitted until it is reflected by the measurement object and returned. Therefore, in order to improve the distance measurement accuracy, it is necessary to know the timing at which the light emission pulse is generated in the semiconductor light emitting device 100 with higher accuracy. For example, if the time detection accuracy on the light receiving side is about 50 ps, the accuracy of information on timing of pulse generation on the light emitting side is preferably less than 50 ps.
  • a VCSEL driver In a general VCSEL and a LiDAR system using it, a VCSEL driver generates a pulse current to drive the VCSEL. Since the VCSEL emits light according to the pulse current waveform, the difference between the VCSEL light emission timing and the rise timing of the pulse current generated by the VCSEL driver is small, and the time difference does not change significantly due to environmental temperature fluctuations. This is because the VCSEL design is designed to emit light in response to the amount of current injected. Therefore, it is possible to accurately estimate the time from the timing at which the current pulse is generated in the driver to the timing at which the VCSEL emits light.
  • the LiDAR system using the semiconductor light-emitting device of the first to fourth embodiments may have reduced accuracy in distance measurement.
  • the present inventors have discovered for the first time that there is.
  • carriers are accumulated in the active layer 24, and after the start of laser oscillation, the accumulated carriers are converted into light to generate light pulses. That is, the current injected into the semiconductor light emitting device is used to accumulate carriers in the active layer 24 for a predetermined time until carriers are accumulated in the active layer 24 . Then, the laser oscillation of the semiconductor light emitting device is delayed for a predetermined time until carriers are accumulated in the active layer 24 .
  • the timing of laser oscillation in the semiconductor light emitting devices of the first to fourth embodiments is determined by the physical parameters of the materials composing the structure and each part of the semiconductor light emitting device. Therefore, even if the current waveform generated by the surface emitting laser array driver 212 is the same, the time difference from the start of driving to the start of laser oscillation changes due to changes in environmental temperature and changes in physical parameters over time. In some cases, the time difference exceeds about 50 ps, which is the typical time detection accuracy on the light receiving side.
  • FIGS. 17 and 18 are graphs showing the results of calculation of changes in optical waveforms due to changes in environmental temperature and changes in physical parameters over time.
  • FIG. 17 shows calculation results for a general VCSEL
  • FIG. 18 shows calculation results for the semiconductor light emitting device of the present invention.
  • FIGS. 17 and 18 show enlarged optical waveforms immediately after the start of oscillation in cases where the transparent carrier density is assumed at room temperature and where the transparent carrier density is assumed to be 50° C. higher than room temperature. ing.
  • the characteristic where oscillation starts first is the case where the transparent carrier density is assumed at room temperature, and the characteristic where oscillation starts later is the case where it is 50°C higher than room temperature. This is the case assuming a transparent carrier density.
  • the peak of the optical pulse when assuming a transparent carrier density at room temperature and the optical pulse when assuming a transparent carrier density at 50° C. higher than room temperature are shown. is 13 ps.
  • the transparent carrier density at the peak of the light pulse when the transparent carrier density at room temperature is assumed and the transparent carrier density at 50° C. higher than room temperature are assumed.
  • the time difference between the peak time of the optical pulse in case is 70 ps.
  • the time difference from the timing when the current injection to the semiconductor light emitting device 100 starts to the timing when the light output reaches the maximum peak value can change, for example, within a range of 50 ps or more and 1 ns or less due to changes in environmental temperature.
  • changes in physical properties have a greater effect on changes in oscillation timing.
  • the amount of change in the oscillation timing may exceed the typical time detection accuracy of the light receiving side, which is about 50 ps.
  • the light emission timing of the surface emitting laser array 214 is detected by the light emission timing monitor section 216 . Then, the light emission timing detected by the light emission timing monitor unit 216 is used to calculate the distance information. Therefore, even if the emission timing of the surface-emitting laser array 214 deviates due to factors such as the environmental temperature, it is possible to maintain high ranging accuracy without affecting the ranging accuracy of the ranging device 200 .
  • GaAs, AlGaAs, and InGaAs were exemplified as semiconductor materials capable of crystal growth when a GaAs substrate was used as the semiconductor substrate 10, but the semiconductor substrate 10 is limited to a GaAs substrate. not something.
  • an InP substrate can be used as the semiconductor substrate 10 .
  • InP, InGaAs, InGaP, InGaAsP, and the like are examples of semiconductor materials that allow crystal growth when an InP substrate is used as the semiconductor substrate 10 .
  • the DBR layers in the semiconductor light emitting devices according to the first to third embodiments do not necessarily have to be made of a semiconductor material, and may be made of a material other than a semiconductor material. Also in this case, the same effects as in the present embodiment can be obtained by configuring the same function as in the first to third embodiments.
  • SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 12, 30... Lower DBR layer 14... Non-doped spacer part 16... Saturable absorption layer 18, 32... Resonator part 20... N-type layer 22... Non-doped spacer part 24, 34... Active layer 26... P-type layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 28, 36 Upper DBR layer 38 Oxidation narrowing layer 40, 42 Electrode 44 Protective film 50 Light-emitting section 100 Semiconductor light-emitting element 200 Distance measuring device

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる発光装置を提供する。発光装置は、半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有する。半導体発光素子は、半導体基板と第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含む。また、半導体発光素子は、最大ピーク値を有し、かつ、最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出するように構成されている。

Description

発光装置、測距装置及び移動体
　本発明は、発光装置、測距装置及び移動体に関する。
　特許文献１には、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ：飛行時間）方式のＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ：光検出と測距）用光源としてＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ＬＡＳＥＲ：垂直共振器型面発光レーザ）を用いることが記載されている。ＶＣＳＥＬは、温度に対する波長依存性が少ない利点がある。
　ところで、上記のシステムにおいては、照射する光パルスの尖頭値を上げることで、受光側において環境光と自身が発した光パルスとを見分けることが容易になり、Ｓ／Ｎを上げることができ、ひいては最大測距可能距離を延ばすことができる。一方で、アイセーフの観点から、光パルスの尖頭値には制限がある。アイセーフの観点からの尖頭値の上限は、光パルスの幅に依存し、光パルスの幅が狭いほど尖頭値を上げることができる。そのため、ＬｉＤＡＲシステムに適用する光源としては、光パルス幅が短く、尖頭値が高い光パルスを生成しうる光源が望ましい。
特開２０２０－１４８５１２号公報
　しかしながら、ＬｉＤＡＲシステムに好適な光パルスを発生し得る発光装置を実現するのは、ＶＣＳＥＬ及びＶＣＳＥＬを駆動する電気的な観点から容易ではなかった。
　本発明の目的は、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる半導体発光素子を含む発光装置、並びに、このような発光装置を用いた測距装置を提供することにある。
　本明細書の一開示によれば、半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、前記半導体発光素子は、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含み、前記半導体発光素子は、最大ピーク値を有し、かつ、前記最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出するように構成されている発光装置が提供される。
　また、本明細書の更に他の一開示によれば、半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、前記半導体発光素子は、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含み、前記活性層の光閉じ込め係数をΓｓ、前記可飽和吸収層の光閉じ込め係数をΓａ、前記駆動部から注入される電流値がＩｏｐのときに得られる前記活性層での最大利得をｇｍａｘ（Ｉｏｐ）、前記可飽和吸収層の吸収係数をα２、ミラー損失をαｍ、キャリアによる光吸収をαｉとして、Γｓ×ｇｍａｘ（Ｉｏｐ）　＞　Γａ×α２＋αｍ＋αｉの関係を満たす発光装置が提供される。
　また、本明細書の更に他の一開示によれば、半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、前記活性層は、６層以上、５０層以下の量子井戸層を含み、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を更に有し、前記共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の５倍に相当する厚さ以上である発光装置が提供される。
　また、本明細書の更に他の一開示によれば、半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、前記半導体発光素子は、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含み、前記活性層は、複数の量子井戸層と、前記複数の量子井戸層の間に設けられた障壁層を含み、前記障壁層は、ＧａＡｓにより構成されている発光装置が提供される。
　本発明によれば、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる半導体発光素子を含む発光装置、並びに、このような発光装置を用いた高性能の測距装置を実現することができる。
本発明の第１実施形態による半導体発光素子を示す概略断面図である。 井戸層に蓄積されるキャリアの密度と障壁層に蓄積されるキャリアの密度との比のＡｌ組成依存性を示すグラフである。 比較例による半導体発光素子の光出力波形を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による半導体発光素子の光出力波形を示すグラフである。 活性層に蓄積されるキャリアの密度及び光強度の時間変化を示すグラフである。 実効共振器長と光出力波形との関係を示すグラフである。 実効共振器長と光出力のパルス幅との関係を示すグラフである。 量子井戸の層数と尖頭値比との関係を示すグラフである。 尖頭値比が２を超えるために必要な量子井戸層の最少数と共振器長との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による半導体発光素子を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態による半導体発光素子を示す概略断面図である。 本発明の第４実施形態による半導体発光素子を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態による半導体発光素子の上面図である。 本発明の第５実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第６実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第６実施形態による測距装置における面発光レーザアレイの構成例を示す概略断面図である。 比較例の半導体発光素子における環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化による光波形の変化を示すグラフである。 本発明の半導体発光素子における環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化による光波形の変化を示すグラフである。
　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態による半導体発光素子について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態による半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。
　本実施形態による半導体発光素子１００は、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を有する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。半導体発光素子１００は、図１に示すように、半導体基板１０と、下部ＤＢＲ層１２と、ノンドープスペーサ部１４と、共振器部１８と、上部ＤＢＲ層２８と、電極４０，４２と、保護膜４４と、を有する。下部ＤＢＲ層１２は、半導体基板１０の上に設けられている。ノンドープスペーサ部１４は、下部ＤＢＲ層１２の上に設けられている。共振器部１８は、ノンドープスペーサ部１４の上に設けられている。上部ＤＢＲ層２８は、共振器部１８の上に設けられている。下部ＤＢＲ層１２と上部ＤＢＲ層２８との間に位置する層（ノンドープスペーサ部１４及び共振器部１８）が、共振器スペーサ部である。
　ノンドープスペーサ部１４の中には、可飽和吸収層１６が設けられている。共振器部１８は、ノンドープスペーサ部１４の上に設けられたｎ型層２０と、ｎ型層２０の上に設けられたノンドープスペーサ部２２と、ノンドープスペーサ部２２の上に設けられたｐ型層２６と、により構成されている。ノンドープスペーサ部２２の中には、３層の活性層２４が設けられている。上部ＤＢＲ層２８の中には、酸化狭窄層３８が設けられている。
　ノンドープスペーサ部２２、ｐ型層２６及び上部ＤＢＲ層２８は、メサ状に加工されている。ノンドープスペーサ部２２、ｐ型層２６及び上部ＤＢＲ層２８をメサ状に加工することにより露出したｎ型層２０の上には、ｎ型層２０に電気的に接続された電極４０が設けられている。上部ＤＢＲ層２８の上には、上部ＤＢＲ層２８に電気的に接続された電極４２が設けられている。電極４０，４２の表面の少なくとも一部を除くｎ型層２０の上面及びメサの側面及び上面には、保護膜４４が設けられている。
　半導体基板１０は、例えば、ＧａＡｓ基板により構成され得る。下部ＤＢＲ層１２は、例えば、光学膜厚が１／４λｃであるＡｌ０．１ＧａＡｓ層とＡｌ０．９ＧａＡｓ層との積層体を１ペアとして、これを３５ペア積層することにより構成され得る。ここで、λｃは下部ＤＢＲ層１２の高反射帯域の中心波長であり、本実施形態では９４０ｎｍである。
　ノンドープスペーサ部１４は、一般的なＶＣＳＥＬには存在しない構成である。可飽和吸収層１６は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層を厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層で挟んだ量子井戸を３層含む多重量子井戸により構成され得る。ノンドープスペーサ部１４のその他の部分は、ノンドープＧａＡｓ層により構成され得る。
　共振器部１８は、ｎ型層２０、ノンドープスペーサ部２２及びｐ型層２６からなるｐ－ｉ－ｎ接合により構成されている。ノンドープスペーサ部２２に配された３層の活性層２４の各々は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層を厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層で挟んだ量子井戸を４層含む多重量子井戸により構成され得る。この場合、共振器部１８の中には計１２層の量子井戸が含まれる。ｎ型層２０はｎ型ＧａＡｓ層により、ｐ型層２６はｐ型ＧａＡｓ層により、ノンドープスペーサ部２２のその他の部分はノンドープＧａＡｓ層により、それぞれ構成され得る。
　このように、共振器部１８は、通常のＶＣＳＥＬにも存在するｐ－ｉ―ｎ接合からなり、ｉ層内に活性層を含んだ共振器部と類似の構成である。ただし、共振器部１８が有する量子井戸の層数は、通常のＶＣＳＥＬが有する量子井戸の層数（３層程度）と比較して多い。共振器部１８における有効共振器長は１０μｍとなっている。
　本実施形態では、これら３層の活性層２４を、一般的なＶＣＳＥＬの設計で用いられる定在波の腹の位置ではなく、定在波の腹と節の間の位置に配置する。これにより、駆動電流を注入した際の光の応答特性の最適化を図ることができる。また、定在波に対する光閉じ込め係数について、通常のＶＣＳＥＬでは１．５～２．０の範囲が一般的であるところ、本実施形態では０．３５程度と意図的に低く設定している。また、ＡｌＧａＡｓ障壁層は、通常のＶＣＳＥＬの量子井戸における障壁層と比較してバンドギャップを小さくしており、それによって障壁層にもキャリアが蓄積されるように設計がなされている。これにより、キャリアが蓄積されるＩｎＧａＡｓ井戸層の層数は１２層であるが、ＡｌＧａＡｓ障壁層にもキャリアが蓄積されることで、通常の量子井戸に換算しておよそ２０層分のキャリアを蓄積すること可能となる。
　図２は、ＩｎＧａＡｓ井戸層に蓄積されるキャリアの密度とＡｌＧａＡｓ障壁層に蓄積されるキャリアの密度との比のＡｌ組成依存性を計算により求めた結果を示すグラフである。図２中、■印のプロットは井戸層のキャリア密度が２×１０１８ｃｍ－３の場合であり、▲印のプロットは井戸層のキャリア密度が５×１０１８ｃｍ－３の場合であり、●印のプロットは井戸層のキャリア密度が９×１０１８ｃｍ－３の場合である。
　レーザ発振に必要な誘導増幅を発生するための最低限のキャリア密度は２×１０１８ｃｍ－３程度である。そこで、量子井戸に蓄積するキャリアの密度を２×１０１８ｃｍ－３と仮定すると、ＡｌＧａＡｓ障壁層のＡｌ組成が０．０５の場合、図２に示すように、井戸層に蓄積されるキャリアの密度と障壁層に蓄積されるキャリアの密度との比は０．０７５程度となる。ＡｌＧａＡｓ障壁層のＡｌ組成が０．０５から０．１まで増加すると、井戸層に蓄積されるキャリアの密度と障壁層に蓄積されるキャリアの密度との比は０．０２５程度まで低下する。
　キャリアを蓄積する障壁層としての効果を奏する最大の厚さは、キャリアの拡散長である１μｍが目安となる。また、ＶＣＳＥＬの活性層は３つの量子井戸で構成されることが多い。そこで、合計の厚さが約２５ｎｍである３つの量子井戸に蓄積されるキャリアと同等以上の量のキャリアを厚さ１μｍの障壁層に蓄積することを想定すると、厚さの比の逆数である０．０２５以上のキャリア密度の比が必要となる。つまり、図２の計算結果から、障壁層としてはＡｌ組成が０．１以下のＡｌＧａＡｓが好ましいことが判る。
　Ａｌ組成が０．１のＡｌＧａＡｓ障壁層のバンドギャップと発光波長が９４０ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層の発光準位とのエネルギー差は、２３０ｍｅＶである。つまり、障壁層のバンドギャップと井戸層の発光準位とのエネルギー差は、２３０ｍｅＶ以下であることが好ましい。一方、障壁層のバンドギャップと井戸層の発光準位とのエネルギー差の下限は、光吸収の観点からＧａＡｓのバンドギャップとの差に相当するエネルギーとなる。つまり、波長９４０ｎｍで発振させる場合、障壁層のバンドギャップと井戸層の発光準位とのエネルギー差は、１０５ｍｅＶ以上であることが好ましい。以上から、井戸層の発光準位と障壁層のバンドギャップとのエネルギー差の好ましい範囲は、１０５ｍｅＶから２３０ｍｅＶとなる。
　上部ＤＢＲ層２８は、例えば、光学膜厚が１／４λｃであるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層との積層体を１ペアとして、これを２０ペア積層することにより構成され得る。上部ＤＢＲ層２８の中には、厚さ３０ｎｍのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層の一部が酸化されてなる酸化狭窄層３８が設けられている。酸化狭窄層３８は、例えば、製造時にＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層をメサの側面から水蒸気によって酸化することにより形成することができる。酸化狭窄層３８は、メサの中心部分の非酸化部と、メサの側壁近傍の酸化部と、を有する。平面視における非酸化部の直径は、１０μｍ程度であり得る。これにより、半導体発光素子１００に注入された電流は非酸化部のみを流れるため、半導体発光素子１００は平面視においてメサの中心部分と重なる部分のみがレーザ発振する。
　なお、半導体発光素子１００で発生したレーザ光は、上部ＤＢＲ層２８の側から出射するように構成してもよいし、半導体基板１０の側から出射するように構成してもよい。
　このように、本実施形態の半導体発光素子１００では、通常のＶＣＳＥＬの構成を基本として、以下に示す３つの要素を更に付加している。ＶＣＳＥＬに付加する３つの要素のうちの１つ目は、活性層の体積を実質的に増加することである。例えば、通常のＶＣＳＥＬは３層の量子井戸で構成されるが、これを量子井戸の体積に換算して２０層程度まで増加する。２つ目は、可飽和吸収層１６を導入することである。３つ目は、ＶＣＳＥＬとして有効共振器長を延ばすことである。有効共振器長とは、共振器内で光が感じる共振器長である。より具体的には、活性層を共振方向に透過した光が共振器を構成する２枚の反射鏡で反射され、再び活性層を透過するまでに光が伝搬する距離の平均値である。これら要素のうちの少なくとも１つ、好ましくは３つを付加することにより、尖頭値が高くパルス幅の短い光パルスを発生し得るＶＣＳＥＬを実現することが可能である。
　次に、本実施形態による半導体発光素子１００の動作について、図３乃至図９を用いて説明する。
　図３及び図４は、半導体発光素子の光出力波形を計算により求めた結果を示すグラフである。図３は比較例による半導体発光素子の光出力波形であり、図４は本実施形態による半導体発光素子１００の光出力波形である。比較例による半導体発光素子は、可飽和吸収層を備えておらず、量子井戸が３層、共振器長が１λに設計されている一般的な構成のＶＣＳＥＬである。
　一般的な半導体発光素子の構成の場合、図３に示すように、電流の注入開始から７０ｐｓ程度で発振が始まり、光出力が立ち上がる。そして、光出力は緩和振動に伴う光波形のピークに到達し、その後、定常値に収束する。
　一方、本実施形態による半導体発光素子１００は、最大ピーク値を有し、かつ、最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出する。すなわち、本実施形態による半導体発光素子１００では、例えば図４に示すように、電流の注入開始から６００ｐｓ程度経過した後に発振が始まる。この発振開始の遅れは、活性層２４の実効的な体積を大きくしていることや、電流の注入開始から一定時間は可飽和吸収層１６での光の吸収により発振が阻害されることによる。可飽和吸収層１６に光が吸収されると、吸収された光はキャリアとして可飽和吸収層１６内に蓄積される。光の吸収に伴ってキャリアが増加していき、可飽和吸収層１６内におけるキャリア密度が透明キャリア密度に達すると、可飽和吸収層１６は光を吸収しなくなる。その結果、レーザ発振を阻害する効果がなくなり、半導体発光素子はレーザ発振を始める。
　可飽和吸収層１６によって一定時間、レーザ発振を阻害している目的は、閾値キャリア密度を超えるキャリアを活性層２４に蓄積するためである。ここで、閾値キャリア密度とは、レーザ発振をするために必要な利得を発生させるキャリア密度である。
　図５は、活性層２４に蓄積されているキャリアの密度及び光強度の時間変化を示すグラフである。半導体発光素子に注入する電流は、図４と同様の波形を有し、時間軸の４Ｅ－１０秒の時点から注入が開始されるものとする。
　図５に示すように、活性層２４のキャリア密度は、電流注入の開始とともに上昇し始める。本実施形態の半導体発光素子１００における閾値キャリア密度（発振開始後に収束するキャリア密度）は２．７Ｅ＋１８ｃｍ－３であるが、レーザ発振が始まる前の状態では、キャリアは一時的に閾値キャリア密度を超えて蓄積し続ける。その後、レーザ発振が始まると、誘導放出によってキャリアが急激に消費され、安定値に収束する。
　このように、本実施形態による半導体発光素子１００では、閾値キャリア密度を超えてより多くのキャリアを活性層２４に蓄積する。そして、レーザ発振の開始後に活性層２４に蓄積されたキャリアを誘導放出によってフォトンに変換する。これにより、図４に示すような尖頭値が高く半値幅の短い光パルスを出力することができる。
　活性層２４に閾値キャリア密度以上のキャリアを蓄積することができるのは、可飽和吸収層１６を用いてレーザ発振を一定時間、抑制しているためである。このような高いキャリア密度を実現することで、発振後には尖頭値が高くパルス幅の短い光パルスを半導体発光素子の内部で発生することができる。この光パルスは、半導体発光素子を駆動する電流パルスよりも短いパルスとなる。
　光パルスの発生後は、図５に示すように、レーザ発振が継続している。ここで、レーザ発振が継続する条件は、活性層２４により得られる最大利得が共振器全体での吸収を超えていることである。具体的には、以下の式（１）で表される関係が成立するときに、レーザ発振を継続することができる。なお、式（１）中、Γａは可飽和吸収層１６の光閉じ込め係数、Γｓは活性層２４の光閉じ込め係数、ｇｍａｘ（Ｉｏｐ）は電流値Ｉｏｐのときに得られる活性層２４での最大利得である。また、α２は可飽和吸収層１６の吸収係数、αｍはミラー損失、αｉは半導体のキャリアなどでの光吸収である。
　　Γｓ×ｇｍａｘ（Ｉｏｐ）　＞　Γａ×α２＋αｍ＋αｉ　　…（１）
　本実施形態の半導体発光素子１００をＬｉＤＡＲ等へ適用することを考慮した場合、光パルスの発生後は安定状態で発振し続けることが好ましい。その理由は、半導体発光素子の駆動部から出力される電流パルス数と半導体発光素子で発生する光パルス数とが同じになるからである。反対に、ある特定の期間に一定電流を連続的に注入したときに半導体発光素子から複数のパルスが発生するような場合、受光側から見て、先頭のパルスとその後のパルスとの切り分けがしにくく、距離を算出する際に誤差が大きくなる可能性がある。また、アイセーフの観点から１パルスに許容される光量が減るなどのデメリットが出てくる可能性がある。
　また、本実施形態では、ノンドープスペーサ部１４を用いて下部ＤＢＲ層１２から上部ＤＢＲ層２８までの距離を延ばすことで、レーザとしての共振器長を延ばしている。その目的は、パルス幅を広げるためである。共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の５倍に相当する厚さ以上、より好ましくは共振波長の１１倍に相当する厚さ以上であることが望ましい。なお、光学厚さとは、物理的な厚さにその媒質の屈折率を乗じた値を指す。
　図６は、実効共振器長Ｌｅｆｆが２μｍ、５μｍ、１０μｍの半導体発光素子に矩形の電流パルスを注入した際の光出力波形を計算により求めた結果を示すグラフである。図７は、実効共振器長と光出力のパルス幅との関係を示すグラフである。図６及び図７に示すように、実効共振器長を長くすることにより光出力のパルス幅を長くすることができる。なお、活性層２４が量子井戸層２０層相当、可飽和吸収層１６が量子井戸層３層相当である本実施形態の構成の場合、実効共振器長２μｍでパルス幅が３０ｐｓ、実効共振器長５μｍでパルス幅が５９ｐｓ、実効共振器長１０μｍでパルス幅が１１０ｐｓであった。なお、ここでのパルス幅は半値幅である。
　受光素子側の受光タイミングの誤差が例えば１００ｐｓである場合、発光素子側のパルス幅も同程度まで狭めることが好ましいが、それ以上、例えば１０ｐｓに狭めてもメリットは小さい。そのため、発光素子側に求められるパルス幅をおおよそ５０ｐｓ以上とする場合には、実効共振器長は４μｍ以上であることが好ましい。また、受光タイミングの誤差から求められるパルス幅を３０ｐｓとすると、実効共振器長は２μｍ以上であることが好ましい。
　なお、本実施形態ではノンドープスペーサ部１４などの層厚を厚くして下部ＤＢＲ層１２と上部ＤＢＲ層２８との間の物理的な距離を広げることにより実効共振器長を延ばしているが、実効共振器長を延ばす方法はこれに限定されるものではない。例えば、下部ＤＢＲ層１２と上部ＤＢＲ層２８との間に３枚目の反射鏡を設けて結合共振器とすることにより、下部ＤＢＲ層１２から上部ＤＢＲ層２８の間の距離は本実施形態と比較して短い構成であっても、実効的に共振器長を延ばすことは可能である。いずれにしろ、実効共振器長を適宜制御することで、光パルス幅を好ましい幅に制御することが可能である。
　次に、活性層２４の厚さ、より具体的には、活性層２４を構成する量子井戸層の数の必要範囲について説明する。
　図８は、実効共振器長Ｌｅｆｆが２μｍ、５μｍ、１０μｍの半導体発光素子における量子井戸層の数と尖頭値比との関係を示すグラフである。尖頭値比とは、光パルス波形のピーク値と、その後の安定化後の定常値との比である。例えば、尖頭値比２とは、尖頭値の光量が定常値の光量の２倍となっているということである。
　図８に示すように、尖頭値比は、量子井戸層の層数が増加するほどに大きくなる。また、同一の尖頭値比で比較した場合、実効共振器長が長くなるほど必要な量子井戸層の層数は増加する。
　図９は、尖頭値比が２を超えるために必要な量子井戸層の最少数と共振器長との関係を示すグラフである。
　図９に示すように、共振器長が２μｍの場合、尖頭値比が２を超える量子井戸層の層数は６層以上となる。共振器長が５μｍの場合、尖頭値比が２を超える量子井戸層の層数は７層以上となる。共振器長が１０μｍの場合、尖頭値比が２を超える量子井戸層の層数は９層以上となる。共振器長が２μｍ以上の半導体発光素子において尖頭値比の設計基準を２以上と想定した場合、必要な量子井戸層は６層以上となる。上述したパルス幅の観点からは共振器長は４μｍ以上であることが好ましく、その場合には必要な量子井戸層の層数は７層以上となる。
　なお、ここでの量子井戸層の層数とは、キャリアが蓄積する部分の層厚を量子井戸層の層数に換算したものであり、必ずしも実際の量子井戸層の層数と一致する必要はない。すなわち、実際の量子井戸層の層数は、図８及び図９の関係に従って設計することができる。或いは、実際の量子井戸層の層数は図８及び図９の関係に従った総数よりも少ないが、量子井戸層の周囲の層にもキャリアを蓄積できるように構成し、実質的に所望のキャリアを蓄積できるように設計してもよい。
　図６乃至図９からも明らかなように、パルス幅や尖頭値比の観点からは、量子井戸層の層数は多いほどよく、特段の上限はない。ただし、ｐ－ｉ－ｎ接合のｉ層に電流注入によってキャリアを注入する場合には、ｐ層及びｎ層からのキャリア拡散度合からｉ層の厚さに制約が出る。活性層２４を構成する材料、組成により拡散距離は大きく変化するが、拡散距離を１μｍとした場合、量子井戸の層数は約５０層となる。活性層２４を構成する量子井戸の層数は、例えば、６層以上、５０層以下の範囲で適宜選択することが望ましい。
　次に、本実施形態による半導体発光素子１００の製造方法の一例を以下に示す。
　まず、半導体基板１０の上に、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法により、下部ＤＢＲ層１２、ノンドープスペーサ部１４、共振器部１８及び上部ＤＢＲ層２８を構成する各半導体層を成長する。
　次いで、フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用い、上部ＤＢＲ層２８、ｐ型層２６及びノンドープスペーサ部２２をパターニングする。これにより、例えば直径が３０μｍ程度の柱状のメサを形成する。
　次いで、４５０℃程度の水蒸気雰囲気中で熱酸化を行い、上部ＤＢＲ層２８内のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層をメサの側壁部分から酸化し、酸化狭窄層３８を形成する。この際、酸化時間を制御することにより、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層内に、メサの中心部分の非酸化部と、メサの側壁近傍の酸化部（酸化狭窄層３８）と、を形成する。Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層の非酸化部分は、直径が１０μｍ程度となるように制御する。
　次いで、フォトリソグラフィ及び真空蒸着法を用い、メサの上面上にｐ側電極となる電極４２を形成し、エッチングすることにより露出したｎ型層２０の上面上にｎ側電極となる電極４０を形成する。電極４２は円環状のパターンを有しており、中央の開口部が光取り出し用の円形窓となる。
　次いで、フォトリソグラフィ及びプラズマＣＶＤ法を用い、電極４０，４２が設けられたメサの上面及び側面とｎ型層２０の上面を覆うように保護膜４４を形成する。
　次いで、良好な電気特性を得るために、窒素雰囲気中で熱処理を行い、電極材料と半導体材料との界面を合金化し、本実施形態の半導体発光素子１００を完成する。
　このように、本実施形態によれば、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる半導体発光素子及び発光装置を実現することができる。
　［第２実施形態］
　本発明の第２実施形態による半導体発光素子について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態による半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。第１実施形態による半導体発光素子と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
　本実施形態による半導体発光素子は、共振器部１８の構成が第１実施形態による半導体発光素子と異なるほかは、第１実施形態による半導体発光素子と同様である。本実施形態では、第１実施形態による半導体発光素子と異なる部分を中心に説明し、第１実施形態による半導体発光素子と共通する部分については適宜説明を省略する。
　本実施形態の共振器部１８は、図１０に示すように、ｎ型層２０、ノンドープスペーサ部２２及びｐ型層２６からなるｐ－ｉ－ｎ接合により構成されている点、ノンドープスペーサ部２２の中に活性層２４が設けられている点は、第１実施形態と同様である。なお、ｎ型層２０は、活性層２４と可飽和吸収層１６との間に配された高不純物濃度の半導体層である。
　第１実施形態の共振器部１８は、ノンドープスペーサ部２２の中に、各々が３層の量子井戸を含む３層の活性層２４を有していた。これに対し、本実施形態の共振器部１８は、ノンドープスペーサ部２２の中に、４層の量子井戸を含む１層の活性層２４を有している。活性層２４は、例えば、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層を厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層で挟んだ量子井戸を４層含む多重量子井戸により構成され得る。ノンドープスペーサ部２２のその他の部分は、ノンドープＧａＡｓ層により構成されている。
　このように、第１実施形態の共振器部１８は合計で１２層の量子井戸層を含む活性層２４を有していたのに対し、本実施形態の共振器部１８は４層の量子井戸層を含む活性層２４を有している。本実施形態の共振器部１８の活性層２４が備える量子井戸層の総数を４層に減らすことができるのは、ノンドープスペーサ部２２のＩｎＧａＡｓ井戸層以外の部分を、障壁層も含め、ＡｌＧａＡｓではなくＧａＡｓにより構成しているからである。
　ノンドープスペーサ部２２のＩｎＧａＡｓ井戸層以外の部分をＧａＡｓにより構成することで、障壁層としてＡｌＧａＡｓを用いる場合よりも、障壁層のバンドギャップを小さくすることができる。この結果、ＧａＡｓにもキャリアを蓄積できるようになったため、本実施形態に係る発明の効果を奏するために必要なキャリアの量を容易に増やすことができる。そして、量子井戸層の層数を増やす必要がなくなった結果、量子井戸層の層数を１２層から４層まで削減することが可能となっている。
　第１実施形態の半導体発光素子においては、定在波に対する光閉じ込め係数を０．３５程度と低くしていた。一方、本実施形態の半導体発光素子では、量子井戸層の層数が減ったため、光閉じ込め係数は１．４程度に設定している。別の言い方をすると、定在波の腹の位置付近に量子井戸層を配置している。これは、量子井戸層の層数と光閉じ込め係数との積がレーザ共振器としての利得となるところ、第１実施形態と本実施形態とで同程度の利得が得られるように構成しているためである。量子井戸層の層数と光閉じ込め係数との積を同程度とすることで、緩和振動周波数、つまりパルス発生時のパルス幅を同程度に設定することができる。
　障壁層にキャリアを積極的に蓄積する本実施形態の構成には、上述した効果に加え、副次的な効果もある。以下に、その例として２つの副次的な効果を説明する。
　第１の効果は、半導体層の累積歪みが低減できることである。発振波長を９４０ｎｍに設定する場合を想定すると、活性層はＩｎＧａＡｓとなり、基板はＧａＡｓとなるため、基板の上に成長する活性層には格子定数差に起因する歪が発生する。そして、量子井戸層の層数が増えるほどに累積歪は大きくなる。そのため、本実施形態のように障壁層のバンドギャップを小さくして量子井戸層の層数を減らす設計には、累積歪を減らすことができるという効果がある。これは、発振波長が９４０ｎｍの場合に得られる特有の効果ではなく、基板の構成材料の格子定数とその上に結晶成長する活性層などの構成材料の格子定数とが異なる場合に共通して得られる効果である。
　第２の効果は、発光再結合によるキャリアの消費を少なくできることである。量子井戸層や障壁層を含む総ての半導体においては、正孔・電子の両方のキャリアが同時に存在する場合、発光再結合（自然放出）によりキャリアが消費される。半導体レーザの場合、発光再結合（自然放出）によるキャリアの消費量が大きくなると、レーザ発振の閾値が上がり電力変換効率が低下するため好ましくない。この発光再結合は、キャリア密度の２乗に比例することが知られている。そのため、同じ量のキャリアを蓄積する場合でも、キャリアを蓄積する部分の体積によってキャリア密度、すなわち発光再結合により消費されるキャリアの量も変化する。
　第１実施形態のように量子井戸層の総数を多くしてキャリアを蓄積する場合、量子井戸層はバンドギャップが小さいためキャリア密度が上がる。この場合、合計の層の厚さとしては薄くて済むというメリットがあるが、キャリア密度が上がるため発光再結合により消費されるキャリアも増える。一方、本実施形態のように量子井戸層よりもバンドギャップが大きい層にもキャリアを蓄積する場合、バンドギャップが大きいためキャリア密度は低くなり、キャリアを蓄積する層の合計の層厚は大きくなる。しかしながら、キャリア密度が低くなるため、発光再結合によるキャリアの消費は少なくなる。このように、本実施形態では、量子井戸層よりもバンドギャップが大きい層により大きな割合でキャリアを蓄積するため、発光再結合によるキャリアの消費を少なくすることができる。
　ｎ型層２０は、Ａｌ０．９ＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層との積層構造により構成されている。具体的には、Ａｌ０．９ＧａＡｓ層を、ＧａＡｓＰ層とノンドープスペーサ部２２との間に設けられている。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成を０．９まで高くしているのは、バンドギャップを大きくし、活性層２４からオーバーフローしたキャリアが可飽和吸収層１６へ流れ込まないようにするためである。そのため、Ａｌ０．９ＧａＡｓ層は、ノンドープスペーサ部２２の近くに設けられている。他方、ＧａＡｓＰ層は、歪補償層としての役割を有する。本実施形態では、第１実施形態と比較して量子井戸層の層数が少なくなっているが、量子井戸層にＩｎＧａＡｓ層を使用しているため累積歪が発生する。そこで、ＧａＡｓに対してＩｎＧａＡｓとは逆方向の格子歪を発生させるＧａＡｓＰ層を挿入することにより、累積歪を低減している。
　なお、ｎ型層２０を構成するＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成が０．９以下でもキャリアのオーバーフロー抑制の効果を奏する。ＡｌＧａＡｓ系材料の場合、Ａｌ組成が０．４５付近からＡｌ組成の増加に対するバンドギャップの増加量が小さくなる。換言すると、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成を０．９から０．４５まで下げることによるバンドギャップの低下量は小さい。一方、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成が０．９を超えると、空気中の酸素との反応によって自然酸化膜の形成速度が急激に上がるため、作成プロセス及び素子の信頼性の観点から好ましくない。このような観点から、ｎ型層２０を構成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０．４５以上、０．９程度以下が好ましい。
　なお、量子井戸の発光準位と障壁層のバンドギャップとのエネルギー差をレーザ発振波長での光吸収が起きない程度まで小さくする設計や、障壁層の層厚を厚くしてキャリア蓄積量を増やす設計は、通常の半導体レーザの設計思想とは逆である。その理由は、通常の半導体レーザでは、入力された電流の増減に対して光出力はできるだけ高速で応答することが好ましいからである。半導体レーザでは、キャリアは量子井戸などの発光層内のみに蓄積させること及びキャリアが移動する障壁層の厚さをできるだけ薄くすることで、より高速での応答が可能となる。
　光通信やＴｏＦ方式のＬｉＤＡＲを含む多くの応用では、電流の増減により光量を制御しており、高速で変化する電流波形に追従して光出力が増減することはメリットが大きい。例えば、光通信では、通信速度を増加することができる。また、ＴｏＦ方式のＬｉＤＡＲでは、発光パルスの時間幅を短くすることで、受光側が検知した光が発光側で発生した時間を推定する精度を上げることができ、測距精度を向上することができる。そのため、量子井戸層の層数を発振に必要な数以上に増やす設計や、障壁層のキャリア蓄積量を増やす設計は、電流波形への光増減の追従性が悪くなるため、避けるべき設計となる。
　一方、本発明は、ＶＣＳＥＬ内で短パルスを発光させる思想であるため、必ずしも光出力を電流波形に追従させる必要はない。また、パルスの尖頭値は大きい方が好ましい。そこで、本実施形態では、ＶＣＳＥＬ内で短パルスを発光させるのに必要な可飽和吸収層１６を含む構成において、障壁層を含めてより多くのキャリアを蓄積する設計とすることで、パルス幅が短くかつ尖頭値の高い光パルスの生成を実現している。
　このように、本実施形態によれば、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる半導体発光素子及び発光装置を実現することができる。
　［第３実施形態］
　本発明の第３実施形態による半導体発光素子について図１１を用いて説明する。図１１は本実施形態による半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。第１又は第２実施形態による半導体発光素子と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
　半導体発光素子１００は、図１１に示すように、半導体基板１０と、下部ＤＢＲ層１２と、ノンドープスペーサ部１４と、共振器部１８と、上部ＤＢＲ層２８と、を有する。また、半導体発光素子１００は、下部ＤＢＲ層３０と、共振器部３２と、上部ＤＢＲ層３６と、電極４０，４２と、保護膜４４と、を更に有する。下部ＤＢＲ層１２は、半導体基板１０の上に設けられている。ノンドープスペーサ部１４は、下部ＤＢＲ層１２の上に設けられている。共振器部１８は、ノンドープスペーサ部１４の上に設けられている。上部ＤＢＲ層２８は、共振器部１８の上に設けられている。下部ＤＢＲ層３０は、上部ＤＢＲ層２８の上に設けられている。共振器部３２は、下部ＤＢＲ層３０の上に設けられている。上部ＤＢＲ層３６は、共振器部３２の上に設けられている。
　下部ＤＢＲ層１２と、ノンドープスペーサ部１４と、共振器部１８と、上部ＤＢＲ層２８と、の積層構造体は、第１のＶＣＳＥＬを構成している。また、下部ＤＢＲ層３０と、共振器部３２と、上部ＤＢＲ層３６と、の積層構造体は、第２のＶＣＳＥＬを構成している。すなわち、本実施形態による半導体発光素子１００は、半導体基板１０の上に第１のＶＣＳＥＬと第２のＶＣＳＥＬとがこの順に積層されてなる。
　第１のＶＣＳＥＬの積層構造は、第１実施形態の半導体発光素子１００と同様である。ノンドープスペーサ部１４の中には、可飽和吸収層１６が設けられている。共振器部１８の中には、５層の活性層２４が設けられている。活性層２４の各々は、４層の量子井戸を含む多重量子井戸により構成されている。すなわち、共振器部１８は、全体で２０層の量子井戸層を含む。共振器部１８は、第１実施形態と同様、通常のＶＣＳＥＬの量子井戸で用いられる障壁層と比較してＡｌＧａＡｓ障壁層のバンドギャップを小さくしており、ＡｌＧａＡｓ障壁層にもキャリアを蓄積できるように設計されている。第１のＶＣＳＥＬは、第１実施形態の半導体発光素子と同様、可飽和吸収層１６を有し、高尖頭値、短パルスの光パルスを生成する。なお、第１のＶＣＳＥＬには、第２実施形態の半導体発光素子の構造を適用してもよい。
　下部ＤＢＲ層３０と、共振器部３２と、上部ＤＢＲ層３６と、の積層構造体は、メサ形状に加工されている。第２のＶＣＳＥＬは、このメサに形成されている。共振器部３２の中には、活性層３４が設けられている。上部ＤＢＲ層３６の中には、酸化狭窄層３８が設けられている。下部ＤＢＲ層３０、共振器部３２及び上部ＤＢＲ層３６をメサ状に加工することにより露出した上部ＤＢＲ層２８の上には、上部ＤＢＲ層２８及び下部ＤＢＲ層３０に電気的に接続された電極４０が設けられている。上部ＤＢＲ層３６の上には、上部ＤＢＲ層３６に電気的に接続された電極４２が設けられている。電極４０，４２の表面の少なくとも一部を除く上部ＤＢＲ層２８の上面及びメサの側面及び上面には、保護膜４４が設けられている。
　第２のＶＣＳＥＬは、電極４０と電極４２との間に電圧を印加して電流を流すことで発振し、レーザ光を生成する。第２のＶＣＳＥＬが生成するレーザ光の波長は、第１のＶＣＳＥＬの発光波長よりも短い波長の光、例えば波長７８０ｎｍである。第２のＶＣＳＥＬが生成するレーザ光は、第１のＶＣＳＥＬの活性層２４を励起するための励起光である。第２のＶＣＳＥＬで発生したレーザ光によって活性層２４を励起することで、第１のＶＣＳＥＬは、第１実施形態の半導体発光素子１００と同様のメカニズムにより、高尖頭値、短パルスの光パルスを生成する。
　本実施形態による半導体発光素子１００において第１のＶＣＳＥＬの上に第２のＶＣＳＥＬを設けている理由は、第１のＶＣＳＥＬにおける活性層２４の層数を増やすためである。第１実施形態のようなｐ－ｉ－ｎ接合を形成する構成の場合、ｉ層の厚さはキャリアの拡散長、特に正孔の拡散長により制限される。一方、本実施形態のように外部から光を照射して活性層２４を励起する場合、キャリアの拡散長の制約がなくなるため、より多くの活性層２４を有するＶＣＳＥＬを構成することができ、パルスエネルギーをより大きくできるというメリットがある。
　このように、本実施形態によれば、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる半導体発光素子及び発光装置を実現することができる。
　［第４実施形態］
　本発明の第４実施形態による半導体発光素子について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、本実施形態による半導体発光素子を示す斜視図である。図１３は、本実施形態による半導体発光素子の上面図である。
　本実施形態による半導体発光素子１００は、第１乃至第３実施形態の半導体発光素子１００の発光部５０を２次元アレイ状に複数配列することにより構成した発光装置、いわゆるＶＣＳＥＬアレイである。図１３のＡ－Ａ′線に沿った断面が、概ね図１、図１０又は図１１の断面図に対応している。図１２における発光部５０の各々は、図１、図１０又は図１１におけるメサ部に対応している。図１２における半導体基板１０は、図１若しくは図１０における半導体基板１０からｎ型層２０又は図１１における半導体基板１０から上部ＤＢＲ層２８に対応している。
　図１２及び図１３には図面の簡略化のため４×３のアレイ状に配された１２個の発光部５０のみを示しているが、一般的なＶＣＳＥＬアレイでは例えば６０個×６０個のアレイ状に配された３６００個のＶＣＳＥＬが同一の半導体基板１０に設けられる。発光部５０の直径は、例えば１０μｍである。発光部５０は、平面視における発光部５０の中心の縦方向及び横方向の間隔が例えば５０μｍになるように配置される。半導体発光素子１００のチップサイズは、例えば３．３ｍｍ×３．３ｍｍである。
　発光部５０の各々に対応する電極４０は、図示しない配線を介してアノード共通電極４０Ｃに電気的に接続されている。また、発光部５０の各々に対応する電極４２は、カソード共通電極４２Ｃに電気的に接続されている。アノード共通電極４０Ｃ及びカソード共通電極４２Ｃは、ＶＣＳＥＬアレイを構成する複数の発光部５０に共通の電極である。アノード共通電極４０Ｃ及びカソード共通電極４２Ｃには、図示しないＡｕワイヤが電気的・物理的に接続されている。半導体発光素子１００を駆動する電流は、アノード共通電極４０Ｃ及びカソード共通電極４２Ｃを介して外部回路から注入される。アノード共通電極４０Ｃ及びカソード共通電極４２Ｃは、幅が例えば１００μｍ、長さが例えば１．５ｍｍの短冊状の形状を有している。
　このように、本実施形態によれば、第１乃至第３実施形態の半導体発光素子１００を用いたＶＣＳＥＬアレイを実現することができる。
　［第５実施形態］
　本発明の第５実施形態による測距装置について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。
　本実施形態による測距装置２００は、第４実施形態の半導体発光素子１００を光源部に適用した測距装置（ＬｉＤＡＲ装置）である。
　本実施形態による測距装置２００は、制御部２１０と、面発光レーザアレイドライバ２１２と、面発光レーザアレイ２１４と、発光側光学系２１８と、受光側光学系２２０と、イメージセンサ２２２と、距離データ処理部２２４とにより構成され得る。
　面発光レーザアレイ２１４は、第４実施形態による半導体発光素子１００がパッケージに実装されたものである。面発光レーザアレイドライバ２１２は、制御部２１０からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ２１４を発振するための駆動電流を生成し、面発光レーザアレイ２１４に出力する駆動部である。なお、面発光レーザアレイ２１４と面発光レーザアレイドライバ２１２とは、１つの発光装置であってもよい。
　発光側光学系２１８は、面発光レーザアレイ２１４により生成されたレーザ光を測距対象範囲に向けて出射する光学系である。受光側光学系２２０は、測定対象物１０００により反射されたレーザ光をイメージセンサ２２２に導く光学系である。なお、図１４では発光側光学系２１８及び受光側光学系２２０を１枚の凸レンズ形状の部材により表しているが、これらは１枚の凸レンズ形状の部材のみから構成されるものではなく、複数のレンズを組み合わせたレンズ群から構成されている。
　イメージセンサ２２２は、光電変換部を含む複数の画素が２次元アレイ状に配列された光電変換装置であり、入射した光に応じた電気信号を出力する受光装置である。イメージセンサ２２２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像装置であり得る。距離データ処理部２２４は、イメージセンサ２２２からの信号に基づき、測距対象範囲に存在する測定対象物１０００までの距離に関する情報を生成し、出力する距離情報取得部としての機能を備える。なお、距離データ処理部２２４は、イメージセンサ２２２と電気的に接続されていればよく、イメージセンサ２２２と同じパッケージ内に配置されていてもよいし、イメージセンサ２２２とは別のパッケージ内に配置されていてもよい。
　制御部２１０は、マイクロコンピュータや論理回路を含む情報処理装置などにより構成され、各部の動作制御や各種の演算処理などの測距装置２００における動作を司る中心的な処理装置としての機能を備える。
　上述のように、ＬｉＤＡＲシステムに好適な発光装置としては、光パルス幅が短く、尖頭値が高い光パルスを発生し得る発光装置が望ましい。具体的には、ＬｉＤＡＲシステムに好適な光源の光パルス幅は、例えば５０ｐｓから１ｎｓ程度の範囲である。一方、ＶＣＳＥＬ及びＶＣＳＥＬを駆動する電気的な観点からは、そのような短いパルス幅で発光させるのは容易ではない。ＶＣＳＥＬは注入された電流量に応じて発光するため、光パルスを５０ｐｓから１ｎｓ程度にするためには、ＶＣＳＥＬを駆動する電流パルスを同程度にする必要がある。つまり、ドライバ部からＶＣＳＥＬにかけては、周波数成分としては、１ＧＨｚや１０ＧＨｚといった高周波帯域に優れた電気特性を備え、かつ１Ａを超える電流を扱う必要がある。このようにすることは、それ以下の周波数帯域のみを扱う電気回路のみでドライバやＶＣＳＥＬまでの電気的な伝送部を構成する場合と比較して高コストになるという課題がある。
　そこで、本実施形態においては、第１乃至第４実施形態において説明した半導体発光素子を用いることで、ＶＣＳＥＬ自身が短パルスを発生する構成としている。これにより、ドライバ部や電気伝送部の高コスト化を避けつつ、ＬｉＤＡＲシステムにとって好ましい５０ｐｓから１ｎｓ程度の光パルスを実現している。
　次に、本実施形態による測距装置の動作について、図１４を用いて説明する。
　まず、制御部２１０は、面発光レーザアレイドライバ２１２に駆動信号を出力する。面発光レーザアレイドライバ２１２は、制御部２１０からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ２１４に所定の電流値の電流を注入する。これにより、面発光レーザアレイ２１４が発振し、面発光レーザアレイ２１４からレーザ光が出力される。このとき、面発光レーザアレイ２１４から出射される光のパルス幅は、前述のように、注入された電流のパルス幅よりも狭い。
　面発光レーザアレイ２１４により生成されたレーザ光は、発光側光学系２１８により、測距対象範囲に向けて出射される。測距対象範囲にある測定対象物１０００に照射されたレーザ光のうち、測定対象物１０００によって反射されて受光側光学系２２０に入射したレーザ光は、受光側光学系２２０によってイメージセンサ２２２に導かれる。
　イメージセンサ２２２の各画素は、レーザ光の入射したタイミングに応じた電気信号パルスを生成する。イメージセンサ２２２により生成された電気信号パルスは、距離データ処理部２２４に入力される。
　距離データ処理部２２４は、イメージセンサ２２２から出力される電気信号パルスの受信タイミングに基づき、光伝搬方向に沿った測定対象物１０００までの距離に関する情報を生成する。イメージセンサ２２２の各画素から出力される電気信号パルスに基づく距離情報をそれぞれ算出することにより、測定対象物１０００の３次元情報を取得することができる。
　本実施形態の測距装置２００は、例えば自動車の分野において、他の車両と衝突しないように制御を行うための制御装置や、他の車両に追従して自動運転する制御を行うための制御装置などに適用可能である。また、本実施形態の測距装置２００は、自動車のみならず、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの他の移動体（移動装置）や、移動体検出システムなどにも適用可能である。本実施形態の測距装置２００は、距離情報を含め、３次元的に認識した物体の情報を利用する機器に広く適用することができる。これら移動体は、本実施形態の測距装置と、当該測距装置が取得した距離に関する情報に基づいて移動体を制御する制御手段と、を含んで構成され得る。
　また、本実施形態の測距装置２００により取得可能な奥行きを含めた３次元情報は、画像撮影装置、画像処理装置、表示装置などで利用することも可能である。例えば、本実施形態の測距装置２００により取得した３次元情報を用い、現実世界の画像の上に仮想物体を違和感なく表示することが可能である。また、画像情報とともに３次元情報を保存しておくことで、撮影後に撮影映像のボケ味等を修正することも可能である。
　このように、本実施形態によれば、光パルス幅が短く尖頭値が高い光パルスを生成しうる発光装置を備えた高性能の測距装置を実現することができる。
　［第６実施形態］
　本発明の第６実施形態による測距装置について、図１５及び図１６を用いて説明する。図１５は、本実施形態による測距装置の概略構成を示すブロック図である。図１６は、本実施形態による測距装置における面発光レーザアレイの構成例を示す概略断面図である。第１乃至第４実施形態による半導体発光素子並びに第５実施形態による測距装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
　本実施形態による測距装置２００は、図１５に示すように、面発光レーザアレイ２１４が発光タイミングモニタ部２１６を更に有する点で、第５実施形態による測距装置と異なっている。本実施形態による測距装置２００のその他の点は、第５実施形態による測距装置と同様である。
　面発光レーザアレイ２１４は、例えば図１６に示すように、半導体発光素子１００と、発光タイミングモニタ部２１６と、基台１１０と、窓材１２０と、を有する。基台１１０は、半導体発光素子１００及び発光タイミングモニタ部２１６を実装するパッケージの一部であり、半導体発光素子１００及び発光タイミングモニタ部２１６を収容する凹部を有する。基台１１０は、例えばセラミックにより構成され得る。窓材１２０は、半導体発光素子１００及び発光タイミングモニタ部２１６が実装された基台１１０の凹部を塞ぐように、基台１１０に固定されている。半導体発光素子１００は、第４実施形態による半導体発光素子１００である。発光タイミングモニタ部２１６は、例えば０．３ｍｍ角の正方形形状を有する半導体基板により構成され、受光エリアの直径が例えば１００μｍのフォトダイオードを有する。
　半導体発光素子１００のアノード共通電極４０Ｃ、カソード共通電極４２Ｃ、発光タイミングモニタ部２１６を構成するフォトダイオードのアノード及びカソードは、基台１１０の外周部に設けられた電極（図示せず）に電気的に接続されている。面発光レーザアレイドライバ２１２から供給されるパルス電流は、基台１１０に設けられた電極を介して半導体発光素子１００に供給される。また、発光タイミングモニタ部２１６で生成される電気信号は、基台１１０に設けられた電極を介して、距離データ処理部２２４に供給される。
　次に、本実施形態による測距装置の動作について、図１５及び図１６を用いて説明する。
　まず、制御部２１０は、面発光レーザアレイドライバ２１２に駆動信号を出力する。面発光レーザアレイドライバ２１２は、制御部２１０からの駆動信号を受け、面発光レーザアレイ２１４の半導体発光素子１００に所定の電流値の電流を注入する。これにより、半導体発光素子１００が発振し、半導体発光素子１００からレーザ光が出力される。このとき、半導体発光素子１００から出射される光のパルス幅は、前述のように、注入された電流のパルス幅よりも狭い。
　半導体発光素子１００により生成されたレーザ光は、窓材１２０を通して面発光レーザアレイ２１４から放出され、発光側光学系２１８により測距対象範囲に向けて出射される。この際、窓材１２０にはＡＲコーティングが施されているが、一部の光は窓材１２０によって反射され、発光タイミングモニタ部２１６に入射する。
　発光タイミングモニタ部２１６は、入射した光を電気信号に変換し、距離データ処理部２２４へと出力する。距離データ処理部２２４は、イメージセンサ２２２からの電気信号パルスの受信タイミングと、発光タイミングモニタ部２１６からの電気信号の受信タイミングとの時間差に基づき、光伝搬方向に沿った測定対象物１０００までの距離に関する情報を生成する。そして、イメージセンサ２２２の各画素から出力される電気信号パルスに基づく距離情報をそれぞれ算出することにより、測定対象物１０００の３次元情報を取得する。
　次に、本実施形態において測距装置をこのように構成している理由について、図１７及び図１８を用いて説明する。
　ＬｉＤＡＲシステムでは、レーザ光を出射してから測定対象物で反射されて戻ってくるまでの時間差に基づいて、測定対象物までの距離を算出する。したがって、測距精度を向上するためには、半導体発光素子１００において発光パルスが生成されたタイミングをより高い精度で知る必要がある。例えば、受光側の時間検知精度が５０ｐｓ程度である場合、発光側のパルス発生のタイミングの情報の精度は５０ｐｓよりも小さいことが好ましい。
　一般的なＶＣＳＥＬ及びそれを用いたＬｉＤＡＲシステムでは、ＶＣＳＥＬドライバでパルス電流を発生し、ＶＣＳＥＬを駆動する。ＶＣＳＥＬはパルス電流波形に応じて発光するため、ＶＣＳＥＬの発光タイミングとＶＣＳＥＬドライバで発生するパルス電流の立ち上がりのタイミングとの差は小さく、またその時間差は環境温度などの変動によって大きな変化は生じない。これは、ＶＣＳＥＬの設計が注入された電流値に応じて発光するように設計されているためである。そのため、ドライバにおける電流パルスの発生タイミングからＶＣＳＥＬの発光タイミングまでの時間を精度良く推測することができる。
　一方、上述の方法で電流パルスの発生タイミングと光パルスの発生タイミングとの時間差を推定した場合、第１乃至第４実施形態の半導体発光素子を用いたＬｉＤＡＲシステムでは測距精度が低下する場合があることを、本発明者等は初めて見出した。
　第１乃至第４実施形態の半導体発光素子では、活性層２４内にキャリアを蓄積し、レーザ発振の開始後に蓄積したキャリアを光に変換して光パルスを発生させる。すなわち、活性層２４内にキャリアが蓄積されるまでの所定の時間、半導体発光素子に注入した電流は活性層２４内にキャリアを蓄積するのに利用される。そして、活性層２４内にキャリアが蓄積されるまでの所定の時間、半導体発光素子のレーザ発振が遅れることになる。
　第１乃至第４実施形態の半導体発光素子におけるレーザ発振のタイミングは、半導体発光素子の構造及び各部を構成する材料の物理パラメータによって決定する。そのため、面発光レーザアレイドライバ２１２で生成する電流波形が同一であっても、環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化により駆動開始からレーザ発振開始までの時間差が変わってくる。そしてその時間差は、典型的な受光側の時間検知精度である５０ｐｓ程度を超える場合がある。
　図１７及び図１８は、環境温度の変化や経時的な物理パラメータの変化による光波形の変化を計算により求めた結果を示すグラフである。図１７が一般的なＶＣＳＥＬの場合の計算結果であり、図１８が本発明の半導体発光素子の場合の計算結果である。
　図１７及び図１８には、室温のときの透明キャリア密度を想定した場合と、室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合とにおいて、発振開始直後の光波形を拡大して示している。いずれの図でも、先に発振が開始している方の特性が室温のときの透明キャリア密度を想定した場合であり、後に発振が開始している方の特性が室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合である。
　一般的なＶＣＳＥＬでは、図１７に示すように、室温のときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時と、室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時との間の時間差は、１３ｐｓである。
　一方、本発明の半導体発光素子では、図１８に示すように、室温のときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時と、室温よりも５０℃高いときの透明キャリア密度を想定した場合の光パルスのピーク時との間の時間差は、７０ｐｓである。半導体発光素子１００への電流の注入開始のタイミングから光出力が最大ピーク値に達するタイミングまでの時間差は、環境温度の変化などにより、例えば、５０ｐｓ以上、１ｎｓ以下の範囲で変化しうる。
　このように、本発明の半導体発光素子では、物性値の変化が発振タイミングの変化により大きく影響する。そして、その発振タイミングの変化量は、典型的な受光側の時間検知精度である５０ｐｓ程度を超えてしまう場合がある。
　このような観点から、本実施形態の測距装置２００においては、面発光レーザアレイ２１４での発光タイミングを発光タイミングモニタ部２１６によって検知する。そして、発光タイミングモニタ部２１６により検知した発光タイミングを利用して距離情報の算出を行う。したがって、仮に面発光レーザアレイ２１４における発光タイミングが環境温度などの要因でずれたとしても、測距装置２００の測距精度には影響を及ぼすことなく、高い測距精度を維持することができる。
　このように、本実施形態によれば、尖頭値が高くパルスの短い光パルスを使用した測距装置において、環境温度の変化などによる測距精度への影響を低減することができる。
　［変形実施形態］
　本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
　例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
　また、上記第１乃至第３実施形態では、半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いた場合に結晶成長が可能な半導体材料としてＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓを例示したが、半導体基板１０はＧａＡｓ基板に限定されるものではない。例えば、半導体基板１０としてＩｎＰ基板を用いることもできる。半導体基板１０としてＩｎＰ基板を用いた場合に結晶成長が可能な半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓＰ等が上げられる。
　また、上記第１乃至第３実施形態による半導体発光素子におけるＤＢＲ層は、必ずしも半導体材料によって構成されている必要はなく、半導体材料以外の材料によって構成されていてもよい。この場合も、第１乃至第３実施形態と同様の機能を奏するように構成することで本実施形態と同様の効果を奏することができる。
　なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０２１年５月１７日提出の日本国特許出願特願２０２１－０８３１０５及び２０２２年４月１１日提出の日本国特許出願特願２０２２－０６５１４３を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。
１０…半導体基板
１２，３０…下部ＤＢＲ層
１４…ノンドープスペーサ部
１６…可飽和吸収層
１８，３２…共振器部
２０…ｎ型層
２２…ノンドープスペーサ部
２４，３４…活性層
２６…ｐ型層
２８，３６…上部ＤＢＲ層
３８…酸化狭窄層
４０，４２…電極
４４…保護膜
５０…発光部
１００…半導体発光素子
２００…測距装置

Claims (21)

  1. 　半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、
    　前記半導体発光素子は、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含み、
    　前記半導体発光素子は、最大ピーク値を有し、かつ、前記最大ピーク値の後に所定の光強度である安定値へ収束するプロファイルを有する光を射出するように構成されている
    　ことを特徴とする発光装置。
  2. 　半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、
    　前記半導体発光素子は、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含み、
    　前記活性層の光閉じ込め係数をΓｓ、可飽和吸収層の光閉じ込め係数をΓａ、前記駆動部から注入される電流値がＩｏｐのときに得られる前記活性層での最大利得をｇｍａｘ（Ｉｏｐ）、前記可飽和吸収層の吸収係数をα２、ミラー損失をαｍ、キャリアによる光吸収をαｉとして、
    　　Γｓ×ｇｍａｘ（Ｉｏｐ）　＞　Γａ×α２＋αｍ＋αｉ
    の関係を満たす
    　ことを特徴とする発光装置。
  3. 　前記可飽和吸収層は、前記半導体基板と前記活性層との間に位置し、前記第１の反射鏡を兼ねる
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
  4. 　前記可飽和吸収層は、前記活性層と前記第２の反射鏡との間に位置している
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
  5. 　前記最大ピーク値を示す光パルスの半値幅が５０ｐｓ以上である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  6. 　前記半導体発光素子への電流の注入開始のタイミングから光出力が前記最大ピーク値に達するタイミングまでの時間差が、５０ｐｓ以上、１ｎｓ以下である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  7. 　前記活性層は、複数の量子井戸層と、前記複数の量子井戸層の間に設けられた障壁層と、を有し、前記量子井戸層の発光準位と前記障壁層のバンドギャップとのエネルギー差は、１０５ｍｅＶから２３０ｍｅＶの範囲である
    　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光装置。
  8. 　前記量子井戸層はＩｎＧａＡｓにより構成されており、
    　前記障壁層はＧａＡｓにより構成されている
    　ことを特徴とする請求項７記載の発光装置。
  9. 　前記活性層と前記可飽和吸収層との間に配された半導体層を更に有し、
    　前記半導体層は、Ａｌ組成が０．４５から０．９の範囲のＡｌＧａＡｓ層を含む
    　ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光装置。
  10. 　前記半導体層は、ＧａＡｓＰ層を更に含む
    　ことを特徴とする請求項９記載の発光装置。
  11. 　前記共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の５倍に相当する厚さ以上である
    　ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発光装置。
  12. 　前記共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の１１倍に相当する厚さ以上である
    　ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発光装置。
  13. 　前記活性層は、６層以上、５０層以下の量子井戸層を含む
    　ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項記載の発光装置。
  14. 　前記半導体発光素子と同じパッケージに実装され、前記半導体発光素子から射出された光を受ける受光素子を更に有する
    　ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発光装置。
  15. 　半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、
    　前記活性層は、６層以上、５０層以下の量子井戸層を含み、
    　前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を更に有し、
    　前記共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の５倍に相当する厚さ以上である
    　ことを特徴とする発光装置。
  16. 　前記活性層は、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に生じる定在波の腹と節との間に位置している
    　ことを特徴とする請求項１５に記載の発光装置。
  17. 　半導体基板の上に、第１の反射鏡と、活性層を含む共振器スペーサ部と、第２の反射鏡と、がこの順に積層された半導体発光素子を有し、
    　前記半導体発光素子は、前記半導体基板と前記第２の反射鏡との間に可飽和吸収層を含み、
    　前記活性層は、複数の量子井戸層と、前記複数の量子井戸層の間に設けられた障壁層を含み、
    　前記障壁層は、ＧａＡｓにより構成されている
    　ことを特徴とする発光装置。
  18. 　前記共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の５倍に相当する厚さ以上である
    　ことを特徴とする請求項１７に記載の発光装置。
  19. 　前記共振器スペーサ部の光学厚さは、共振波長の１１倍に相当する厚さ以上である
    　ことを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の発光装置。
  20. 　請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の発光装置と、
    　前記発光装置から射出され、測定対象物で反射した光を受ける受光装置と、
    　前記発光装置から光が射出されるタイミングと前記受光装置が受光するタイミングとの時間差に基づいて前記測定対象物までの距離に関する情報を取得する距離情報取得部と
    　を有することを特徴とする測距装置。
  21. 　移動体であって、
    　請求項２０に記載の測距装置と、
    　前記測距装置が取得した前記距離に関する情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    　を有することを特徴とする移動体。
PCT/JP2022/020072 2021-05-17 2022-05-12 発光装置、測距装置及び移動体 WO2022244674A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280035764.7A CN117321868A (zh) 2021-05-17 2022-05-12 发光装置、测距装置和移动体
EP22804587.8A EP4343990A1 (en) 2021-05-17 2022-05-12 Light-emitting device, ranging device, and movable body
KR1020237037684A KR20230164160A (ko) 2021-05-17 2022-05-12 발광장치, 측거장치 및 이동체
US18/507,189 US20240085534A1 (en) 2021-05-17 2023-11-13 Light emitting device, ranging device and movable object

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021083105 2021-05-17
JP2021-083105 2021-05-17
JP2022-065143 2022-04-11
JP2022065143A JP2022176886A (ja) 2021-05-17 2022-04-11 発光装置及び測距装置

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US18/507,189 Continuation US20240085534A1 (en) 2021-05-17 2023-11-13 Light emitting device, ranging device and movable object

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022244674A1 true WO2022244674A1 (ja) 2022-11-24

Family

ID=84140412

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/020072 WO2022244674A1 (ja) 2021-05-17 2022-05-12 発光装置、測距装置及び移動体

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240085534A1 (ja)
EP (1) EP4343990A1 (ja)
KR (1) KR20230164160A (ja)
WO (1) WO2022244674A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11511292A (ja) * 1995-06-07 1999-09-28 ハネウエル・インコーポレーテッド マルチ・ギガヘルツ周波数変調垂直キャビティ表面発光レーザ
US20150311673A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Princeton Optronics Inc. Polarization Control in High Peak Power, High Brightness VCSEL
JP2020524910A (ja) * 2017-06-22 2020-08-20 トルンプ フォトニック コンポーネンツ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 利得スイッチング動作を改良した垂直共振器面発光レーザ（ｖｃｓｅｌ）
JP2020148512A (ja) 2019-03-11 2020-09-17 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光源モジュール、測距装置及び制御方法
JP2021083105A (ja) 2021-02-12 2021-05-27 ジャパンエレベーターサービスホールディングス株式会社 エレベーターの通話管理システムおよび通話管理プログラム
JP2022065143A (ja) 2017-01-25 2022-04-26 三洋電機株式会社 二次電池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11511292A (ja) * 1995-06-07 1999-09-28 ハネウエル・インコーポレーテッド マルチ・ギガヘルツ周波数変調垂直キャビティ表面発光レーザ
US20150311673A1 (en) * 2014-04-29 2015-10-29 Princeton Optronics Inc. Polarization Control in High Peak Power, High Brightness VCSEL
JP2022065143A (ja) 2017-01-25 2022-04-26 三洋電機株式会社 二次電池
JP2020524910A (ja) * 2017-06-22 2020-08-20 トルンプ フォトニック コンポーネンツ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 利得スイッチング動作を改良した垂直共振器面発光レーザ（ｖｃｓｅｌ）
JP2020148512A (ja) 2019-03-11 2020-09-17 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 光源モジュール、測距装置及び制御方法
JP2021083105A (ja) 2021-02-12 2021-05-27 ジャパンエレベーターサービスホールディングス株式会社 エレベーターの通話管理システムおよび通話管理プログラム

Also Published As

Publication number Publication date
US20240085534A1 (en) 2024-03-14
KR20230164160A (ko) 2023-12-01
EP4343990A1 (en) 2024-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7778304B2 (en) Measuring arrangement and measuring system
US7573929B2 (en) Vertical-cavity surface-emitting laser diode device
US7601987B2 (en) Semiconductor light emitting device
US20070153865A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser
JP2006140446A (ja) 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザモジュールおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステム
US20100046565A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser
JP5391240B2 (ja) 面発光レーザ、光源、および光モジュール
US20110007769A1 (en) Laser diode
JP2011142252A (ja) 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置
JP2018010913A (ja) 発光デバイス
US7873092B2 (en) Laser diode
JP5190038B2 (ja) 面発光レーザ
WO2022244674A1 (ja) 発光装置、測距装置及び移動体
US20230059270A1 (en) Light source device and distance measuring device
JP4525921B2 (ja) 光素子およびその製造方法、ならびに光モジュール
JP2022176886A (ja) 発光装置及び測距装置
Noda et al. Continuous wave operation of ridge waveguide AlGaAs/GaAs distributed feedback lasers with low threshold current
JP4967615B2 (ja) 半導体発光装置
Geske et al. High power VCSELs for miniature optical sensors
JP2005251860A (ja) 面発光レーザ装置
CN117321868A (zh) 发光装置、测距装置和移动体
CN112310810A (zh) 一种半导体激光发射器
JP2008187108A (ja) 光素子およびその製造方法
EP4207518A1 (en) Vcsel having small divergence angle, and chip and light source for lidar system
JP7351132B2 (ja) 面発光レーザ、面発光レーザ装置、光源装置及び検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22804587

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20237037684

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020237037684

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280035764.7

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022804587

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022804587

Country of ref document: EP

Effective date: 20231218