WO2024078823A1 - Vcsel-element, sensorvorrichtung, elektronische vorrichtung und benutzerschnittstelle - Google Patents

Vcsel-element, sensorvorrichtung, elektronische vorrichtung und benutzerschnittstelle Download PDF

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radiation
aperture
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Arne FLEISSNER
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • Sensor devices for example as components of electronic devices in consumer electronics, measure a minimal deflection of the housing using optical means.
  • the measuring principle used is, for example, SMI ("self-mixing interferometry").
  • SMI self-mixing interferometry
  • electromagnetic radiation emitted by a VCSEL is radiated onto the housing, reflected by it and superimposed on the emitted radiation.
  • information about a deflection of the housing can be determined.
  • the present invention is based on the object of providing an improved VCSEL element, an improved sensor device, an improved electronic device and an improved user interface.
  • a VCSEL element comprises a VCSEL device attached to a substrate that is transparent to electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device, and a lens for deflecting electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device.
  • the lens is arranged on a side of the substrate facing away from the VCSEL device.
  • a position of an aperture of the VCSEL device is horizontally shifted with respect to an optical axis of the lens. For example, the position of the aperture of the VCSEL device along the substrate surface is shifted with respect to the optical axis of the lens.
  • a sensor device comprises a first and a second VCSEL device attached to a common substrate that is transparent to electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device, and a and a second lens.
  • the first lens is configured to deflect electromagnetic radiation emitted by the first VCSEL device
  • the second lens is configured to deflect electromagnetic radiation emitted by the second VCSEL device.
  • the first and the second lens are arranged on a side of the substrate facing away from the VCSEL devices. A position of an aperture of the first VCSEL device is shifted relative to an optical axis of the first lens, and a position of the aperture of the second VCSEL device is shifted relative to the optical axis of the second lens.
  • the first and second VCSEL devices may be arranged such that the aperture of the first VCSEL device and the aperture of the second VCSEL device are arranged at a distance that is smaller than the distance of the optical axes of the first and second lenses.
  • the lenses described here are suitable for deflecting radiation emitted by an associated VCSEL device.
  • the lenses may be suitable for focusing electromagnetic radiation, largely to focus, collimate or largely collimate.
  • a connecting line between the aperture of the first VCSEL device and the aperture of the second VCSEL device may be different from a connecting line between the optical axis of the first lens and the optical axis of the second lens.
  • the sensor device may further comprise a voltage source, wherein the first and the second VCSEL device can be jointly controlled by the voltage source.
  • the first and the second VCSEL device can be controlled separately by the voltage source.
  • a first interference signal which is obtainable by coherent superposition of first radiation emitted by the first VCSEL device with a first reflected signal which results when the first radiation is reflected by an object
  • a second interference signal which is obtainable by coherent superposition of radiation emitted by the second VCSEL device with a second reflected signal which results when the second radiation is reflected by the object
  • the sensor device may further comprise a first detector for detecting a first interference signal which is generated by coherent superposition of first radiation emitted by the first VCSEL device with a first reflected signal which is generated upon reflection of the first radiation at a Object.
  • the sensor device can contain a second detector for detecting a second interference signal that is obtainable by coherent superposition of radiation emitted by the second VCSEL device with a second reflected signal that results from reflection of the second radiation at the object.
  • an electronic device comprises the sensor device described above and a housing.
  • the radiation emitted by the first and second VCSEL devices can each be reflected by the housing.
  • the housing may be transparent to the electromagnetic radiation emitted by the first and second VCSEL devices.
  • the electromagnetic radiation emitted by the first and second VCSEL devices may each be reflected by an object outside the housing.
  • a user interface may comprise the electronic device described above.
  • User input may be provided via a local deformation of the housing.
  • the electromagnetic radiation emitted by the first and the second VCSEL device can each be reflected by a finger.
  • a user input can be made via a movement of the finger.
  • Fig. 1A shows a schematic cross-sectional view of a VCSEL element according to embodiments.
  • Fig. 1B shows a schematic cross-sectional view of a VCSEL device.
  • Fig. 2A shows a schematic view of a sensor device according to embodiments.
  • Fig. 2B shows a schematic view of elements of a sensor device according to further embodiments.
  • Fig. 2C shows a schematic plan view of elements of a sensor device according to further embodiments.
  • Fig. 2D illustrates the measuring principle of the sensor device.
  • Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view of a
  • Figs. 4A and 4B show cross-sectional views illustrating the fabrication of a VCSEL device according to embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may encompass any semiconductor-based structure having a semiconductor surface. Wafer and structure are to be understood as including doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers optionally supported by a base support, and further semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material may be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, for example on a sapphire substrate.
  • a growth substrate of a second semiconductor material for example a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, for example on a sapphire substrate.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include in particular nitride semiconductor compounds, through which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as for example GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, phosphide semiconductor compounds, through which, for example, green or longer wavelength light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, as well as other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials can include silicon, silicon-germanium and germanium. In the context of the present description, the term "semiconductor" also
  • substrate generally includes insulating, conductive or semiconductor substrates.
  • lateral and horizontal as used in this description are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when growing layers.
  • FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of a VCSEL element 10 according to embodiments.
  • the VCSEL element 10 comprises a VCSEL device 100 attached to a substrate 110 which is transparent to electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device 100.
  • the VCSEL element 10 further comprises a lens 113 for deflecting, for example focusing, electromagnetic radiation emitted by the VCSEL device 100.
  • the lens 113 is arranged on a side of the substrate 110 facing away from the VCSEL device 100.
  • the VCSEL device 100 is arranged on a second main surface 112 of the substrate, and the lens 113 is arranged on a first main surface 111 of the substrate 110.
  • a position of an aperture of the VCSEL device 100 is shifted with respect to an optical axis 115 of the lens.
  • the distance between the optical axis 115 and the aperture 106 of the VCSEL device 100 may be d.
  • d may be greater than 2 pm or than 5 pm.
  • d may be less than 20 pm or than 15 pm.
  • a typical value may be, for example, approximately 10 pm.
  • Fig. 1B shows an example of a VCSEL element 100, which can be part of the VCSEL element shown in Fig. 1A, for example.
  • the VCSEL device 100 comprises a semiconductor layer stack having a first semiconductor layer 101 of a first conductivity type, for example p-conducting, and a second semiconductor layer 102 of a second conductivity type, for example n-conducting.
  • An active zone 103 is arranged between the first semiconductor layer 101 and the second semiconductor layer 102.
  • the active zone 103 can, for example, be a pn junction, a
  • Double heterostructure a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • Quantum well structure has no meaning with regard to the dimensionality of the quantization. It therefore includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • a first resonator mirror 104 is arranged adjacent to or next to the first semiconductor layer 101.
  • a second resonator mirror 105 is arranged adjacent to or next to the second semiconductor layer 102.
  • the first and second resonator mirrors 104, 105 can be designed as a dielectric mirror layer and each have a plurality of dielectric layers with different refractive indices.
  • the term "dielectric mirror layer” includes any arrangement that reflects incident electromagnetic radiation to a high degree (for example >90%) and is non-conductive.
  • a dielectric mirror layer can be formed by a sequence of very thin dielectric layers, each with a different refractive indices.
  • the layers can alternately have a high refractive index (n>no) and a low refractive index (n ⁇ no) and be designed as a Bragg reflector.
  • the layer thickness can be X/4, where X indicates the wavelength of the light to be reflected in the respective medium.
  • the layer seen from the incident light can have a greater layer thickness, for example 3X/4.
  • the dielectric mirror layer Due to the low layer thickness and the difference in the respective refractive indices, the dielectric mirror layer provides a high reflectivity and is non-conductive at the same time.
  • a dielectric mirror layer can, for example, have 2 to 50 dielectric layers.
  • a typical The layer thickness of the individual layers can be about 30 to 90 nm, for example about 50 nm.
  • the layer stack can further contain one or two or more layers that are thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • the layers of the resonator mirrors 104 and 105 can also contain semiconductor layers.
  • an optical resonator is formed in the vertical direction, i.e. perpendicular to the surface of the individual layers.
  • An aperture 106 can, for example, be formed in a blocking layer 109, i.e. in a layer that is opaque to the electromagnetic radiation. The electromagnetic radiation is emitted through the aperture 106.
  • a diameter of the aperture 106 can be approximately larger than 2 pm.
  • the diameter of the aperture 106 can be smaller than 8 pm.
  • the diameter of the aperture 106 can be approximately 4 pm.
  • the blocking layer 109 can, depending on the design, be arranged on the side of the first resonator mirror 104 facing or facing away from the first semiconductor layer 101.
  • the term "aperture" refers to an emission region of a VCSEL device.
  • an electrical voltage can be applied by a voltage source 108.
  • terminals of the voltage source 108 can be connected to the first semiconductor layer 101 and the second semiconductor layer 102 via suitable contact areas.
  • the VCSEL device 100 can have a detector 116, for example a photodiode, which can be monolithically integrated with the VCSEL device 100, for example.
  • the Detector 116 may, for example, detect an interference signal generated by so-called SMI, in which the emitted radiation is coherently superimposed with reflected radiation.
  • a signal generated by SMI may be detected by the VCSEL device 100 itself, for example by detecting the change in a voltage signal, for example by the voltage source 108 or a component of the voltage source.
  • the detected signal can be evaluated, for example, by an evaluation circuit 119.
  • the evaluation circuit 119 can be connected to the voltage source 108. In particular, information about the level of the applied voltage can be passed on to the evaluation circuit.
  • emitted rays 16 are refracted toward the optical axis at the interface 114 between the lens 113 and the surrounding air. Accordingly, it is possible to deflect the emitted radiation 16.
  • VCSEL element 10 With the VCSEL element 10 shown, it is possible, for example, to arrange a large number of VCSEL elements 10 spatially close together and at the same time to generate the generated beams 16 at an increased spatial distance.
  • Fig. 2A shows a sensor device 15 according to embodiments.
  • the sensor device 15 shown in Fig. 2A comprises a first VCSEL device 1001 and a second VCSEL device 1002.
  • the first and second VCSEL devices 1001, 1002 are attached to a common substrate 110.
  • the common substrate 110 is transparent to electromagnetic radiation 16 emitted by the VCSEL devices 1001, 1002.
  • the sensor device 15 further comprises a first lens 1131 and a second lens 1132.
  • the first lens 1131 is designed to deflect, for example focus, electromagnetic radiation emitted by the first VCSEL device 101.
  • the second lens 1132 is designed to deflect, for example focus, electromagnetic radiation emitted by the second VCSEL device 1002.
  • the first and second lenses 1131, 1132 are arranged on a side of the substrate 110 facing away from the VCSEL devices 1001, 1002.
  • a position of an aperture of the first VCSEL device 1001 is shifted by a distance di relative to the optical axis 115 of the first lens 1131.
  • a position of the aperture of the second VCSEL device 1002 is shifted by a distance d2 relative to the optical axis 115 of the second lens 1132.
  • the distances di and d2 can be equal to one another. According to further embodiments, the distances di and d2 can also be different from one another.
  • the first VCSEL device 1001 and the second VCSEL device 1002 are arranged such that the aperture of the first VCSEL device 1001 and the aperture of the second VCSEL device 1002 are arranged at a distance that is smaller than the distance of the optical axes of the first and second lenses.
  • both the first VCSEL device 1001 and the second VCSEL device 1002 face each other, i.e. the first VCSEL device 1001 and the aperture of the first VCSEL device 1001 are arranged on the side of the optical axis 115 of the associated first lens 1131, which is the second lens 1132.
  • the second VCSEL device 1002 or the aperture of the second VCSEL device 1002 is arranged on the side of the optical axis 115 of the second lens 1132 which faces the first lens 1131.
  • the first VCSEL device 1001 also has a first detector 1161.
  • the second VCSEL device 1002 can have a second detector 1162.
  • the sensor device 15 can also have a voltage source 108 for operating the first VCSEL device 1001 and the second VCSEL device 1002.
  • the first VCSEL device 1001 can be operated independently of the second VCSEL device 1002 using the voltage source 108.
  • both VCSEL devices can also be operated together.
  • the evaluation circuit 119 can, for example, be connected to the voltage source 108 and can also be suitable for evaluating signals from the detectors 1161, 1162.
  • a signal generated by SMI can also be detected by the VCSELL device 1001, 1002 and read out via a voltage signal.
  • the evaluation circuit 119 can, for example, be connected to the voltage source 108 and can also be suitable for reading out the detected voltage signals.
  • At least two measuring points are preferably used in order to increase the accuracy and reliability of the measurement.
  • the first and second VCSEL devices 1001 and 1002 in the manner described, as shown in Fig. 2A, it is possible to arrange the individual VCSEL devices at a short distance and to provide a minimum distance between the corresponding measuring points, even if the reflective housing or the finger is a short distance apart, for example less than about 10 cm.
  • the sensor device shown in Fig. 2A realizes the first VCSEL device 1001 and the second VCSEL device 1002 in a common VCSEL chip. In this way, a sensor device can be realized as a VCSEL chip that is small in size.
  • the distance d between the aperture 106 and the optical axis 115 of the lens can be selected such that the angle a between the emission direction of the emitted laser beam 16 and the optical axis 115 is greater than 20°, for example greater than 30°, for example approximately 35°.
  • the distance between the apertures of the first VCSEL device 1001 and the second VCSEL device 1002 may, for example, be smaller than 50 pm.
  • the beam 16 emitted by the second VCSEL device 1002 may, for example, be deflected in a direction deviating by -a from the optical axis 115 of the second lens 1132.
  • the beam 16 emitted by the second VCSEL device 1001 may, for example, be counter-propagating to the beam 16 emitted by the VCSEL device 1001.
  • the VCSEL devices 1001 and 1002 are each shown as separate elements. According to further embodiments, they may also have common layers and be electrically separated from each other.
  • Fig. 2B shows a further example of an arrangement of VCSEL devices 1001, 1002 in a sensor device 15 according to further embodiments.
  • the sensor device 15 shown in Fig. 2B can, for example, have similar components to the sensor device 15 shown in Fig. 2A.
  • the VCSEL devices 1001, 1002 can also be arranged such that a distance between the apertures 106 is greater than the distance between the optical axes 115 of the associated lenses 1131, 1132.
  • Fig. 2C shows a schematic top view of elements of a sensor device 15 according to embodiments.
  • a connecting line 118 between the aperture 106 of the first VCSEL device 1001 and the aperture 106 of the second VCSEL device 1002 can be different from a connecting line 117 between the optical axis 115 of the first lens 1131 and the optical axis 115 of the second lens 1132.
  • the two connecting lines can intersect each other or be shifted parallel to each other.
  • the distance between the apertures 106 of the first and second VCSEL devices 1001, 1002 can be different from or equal to the distance between the optical axes 115 of the first and second lenses 1131, 1132.
  • Fig. 2D illustrates a measuring arrangement using the VCSEL arrangement shown in Fig. 2A.
  • a beam 16 is emitted by a VCSEL 100. This is reflected by an object 20 so that the reflected beam 17 is generated.
  • the detector 116 is suitable for detecting a superposition signal from the emitted radiation 16 and the reflected radiation 17.
  • the VCSEL device 100 shown in Fig. 2D has similar components to the VCSEL device shown in Fig. 1B, so that a detailed description is omitted.
  • Fig. 3 shows a part of an electronic device 30 or the user interface 35.
  • the sensor device 15, which has been described with reference to Fig. 2A is mounted on a suitable carrier 123.
  • the VCSEL devices 1001, 1002 can be arranged between the carrier 123 and the substrate 110.
  • the VCSEL devices 1001, 1002 can, as indicated in Fig. 3, be designed as separate elements or have common layers.
  • a housing 120 is arranged above the sensor device 15.
  • the sensor device 15 can be arranged in an electronic device 30, and the housing 120 simultaneously forms the housing of the electronic device 120.
  • a finger 121 moves in the direction of the arrow and in doing so exerts pressure in the direction of the sensor device 15.
  • the position of the first measuring point 122 is defined by the position of the intersection point of the radiation 16 emitted by the first VCSEL device 1001 with the housing 120.
  • the position of the second measuring point 124 is defined by the position of the intersection point of the radiation 16 emitted by the second VCSEL device 1002 with the housing 120.
  • the first measuring point 122 and the second measuring point 124 can have a distance of at least 1 mm, for example 2 mm. Because, as described above with reference to Fig. 2A, the apertures of the respective first VCSEL device 1001 and the second VCSEL device 1002 are shifted relative to the optical axis of the lens 113, this minimum distance can be maintained, even if the first and second VCSEL devices 1001, 1002 are arranged on a common chip and are thus designed to be particularly space-saving.
  • the movement of the finger i.e. distance and speed of the finger, can be determined by modulating the output power of the VCSELs or the forward voltage of the VCSELs and evaluating the signals detected by the detectors 1161, 1162.
  • FMCW-LIDAR frequency modulated continuous wave LIDAR
  • the VCSEL devices 1001, 1002 themselves can detect a generated SMI signal by changing a voltage signal.
  • no separate detectors 1161, 1162 are required.
  • the arrangement shown in Fig. 3 can be part of an electronic device, for example a portable terminal, a smartphone, a camera or, for example, headphones.
  • the arrangement shown in Fig. 3 also provides a user interface 35.
  • a user interface 35 For example, in the case of wireless headphones or earbuds,
  • Pressing on the housing commands can be entered.
  • user input can be made by moving the finger, for example to adjust the volume or to perform other controls.
  • the housing 120 may be opaque. In this case, the deflection of the housing 120 is measured and results in the generation of the desired signals.
  • the housing 120 can also be transparent.
  • the emitted electromagnetic radiation 16 can be reflected on the finger 121 and thus lead to the generation of the desired signals.
  • the first measuring point 122 can correspond to the intersection point of the radiation 16 emitted by the first VCSEL device 1001 with the finger.
  • the second measuring point 124 can correspond to the intersection point of the radiation 16 emitted by the second VCSEL device 1002 with the finger.
  • Figures 4A to 4B illustrate an example of a method for manufacturing the sensor device or an arrangement of VCSEL elements according to embodiments.
  • layers for forming the respective VCSEL devices 1001, 1002 are formed at wafer level on a substrate 110 which acts as a growth substrate and is transparent to the electromagnetic radiation to be emitted by the VCSEL devices 100.
  • the associated methods are generally known, so a detailed description is omitted.
  • the substrate 110 is thinned and then etched to form the lenses 113. Furthermore, the semiconductor layer stacks belonging to the individual VCSEL devices 1001, 1002 are each separated from one another and electrically isolated, for example by etching a mesa. This is illustrated in Fig. 4B. The etching of the lenses 113 is carried out in such a way that the optical axis 115 of the individual lenses is shifted relative to the aperture 106 of the individual laser devices 100, as described above.

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Abstract

Ein VCSEL-Element (10) umfasst eine VCSEL-Vorrichtung (100), die an einem Substrat (110) angebracht ist, welches für von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist, und eine Linse (113) zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung (100) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16). Die Linse (113) ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung (100) abgewandten Seite des Substrats (110) angeordnet, und eine Position einer Apertur (106) der VCSEL-Vorrichtung (100) ist gegenüber einer optischen Achse (115) der Linse (113) horizontal verschoben.

Description

VCSEL-ELEMENT , SENSORVORRICHTUNG, ELEKTRONISCHE VORRICHTUNG
UND BENUTZERSCHNITTSTELLE
BESCHREIBUNG
Sensorvorrichtungen, beispielsweise als Bestandteile von elektronischen Geräten der Unterhaltungselektronik, messen eine minimale Auslenkung des Gehäuses mit optischen Mitteln . Als Messprinzip wird beispielsweise sogenannte SMI ( " sel f-mixing interferometry" , selbstmischende Interferometrie ) verwendet . Dabei wird beispielsweise elektromagnetische Strahlung, die von einem VCSEL emittiert worden ist , auf das Gehäuse eingestrahlt , von diesem reflektiert und mit der emittierten Strahlung überlagert . Durch Auswerten des Überlagerungssignals lassen sich Informationen über eine Auslenkung des Gehäuses ermitteln .
Generell werden Anstrengungen unternommen, verbesserte Sensorvorrichtungen und verbesserte VCSEL-Elemente bereitzustellen .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes VCSEL-Element , eine verbesserte Sensorvorrichtung, eine verbesserte elektronische Vorrichtung sowie eine verbesserte Nutzerschnittstelle zur Verfügung zu stellen .
Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst .
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert .
Ein VCSEL-Element umfasst eine VCSEL-Vorrichtung, die an einem Substrat angebracht ist , welches für von der VCSEL-Vorrichtung emittierte , elektromagnetische Strahlung transparent ist , und eine Linse zur Ablenkung von von der VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung . Die Linse ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung abgewandten Seite des Substrats angeordnet . Eine Position einer Apertur der VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber einer optischen Achse der Linse hori zontal verschoben . Beispielsweise ist die Position der Apertur der VCSEL-Vorrichtung entlang der Substratoberfläche gegenüber der optischen Achse der Linse verschoben .
Gemäß Aus führungs formen umfasst eine Sensorvorrichtung eine erste und eine zweite VCSEL-Vorrichtung, die an einem gemeinsamen Substrat angebracht sind, welches für von der VCSEL- Vorrichtung emittierte , elektromagnetische Strahlung transparent ist , und eine und eine zweite Linse . Die erste Linse ist zur Ablenkung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet , und die zweite Linse ist zur Ablenkung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet . Die erste und die zweite Linse sind auf einer von den VCSEL- Vorrichtungen abgewandten Seite des Substrats angeordnet . Eine Position einer Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber einer optischen Achse der ersten Linse verschoben, und eine Position der Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung ist gegenüber der optischen Achse der zweiten Linse verschoben . Die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung können beispielsweise so angeordnet sein, dass die Apertur der ersten VCSEL- Vorrichtung und die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung bei einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Abstand der optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse ist .
Die hier beschriebenen Linsen sind zur Ablenkung von Strahlung geeignet , die von einer zugehörigen VCSEL-Vorrichtung emittiert worden ist . Beispielsweise können die Linsen geeignet sein, elektromagnetische Strahlung zu fokussieren, weitgehend zu fokussieren, zu kollimieren oder weitgehend zu kollimieren .
Jede andere Art der Ablenkung oder Ausrichtung der Strahlung ist ebenfalls umfasst .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann eine Verbindungslinie zwischen der Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung und der Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung von einer Verbindungslinie zwischen der optischen Achse der ersten Linse und der optischen Achse der zweiten Linse verschieden ist .
Die Sensorvorrichtung kann ferner eine Spannungsquelle aufweisen, wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung gemeinsam durch die Spannungsquelle ansteuerbar sind .
Gemäß weiteren Aus führungs formen können die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung getrennt voneinander durch die Spannungsquelle ansteuerbar sein .
Gemäß Aus führungs formen kann ein erstes Interferenzsignal , das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL- Vorrichtung emittierter erster Strahlung mit einem ersten reflektierten Signal , das sich bei Reflexion der ersten Strahlung an einem Obj ekt ergibt , erhältlich ist , sowie ein zweites Interferenzsignal , das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal , das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung an dem Obj ekt ergibt , erhältlich ist , durch Auslesen eines Spannungssignals j eweils an der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung ermittelt werden .
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin einen ersten Detektor zum Nachweisen eines ersten Interferenzsignals , das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung emittierter erster Strahlung mit einem ersten reflektierten Signal , das sich bei Reflexion der ersten Strahlung an einem Obj ekt ergibt , erhältlich ist , aufweisen . Darüber hinaus kann die Sensorvorrichtung einen zweiten Detektor zum Nachweisen eines zweiten Interferenzsignals , das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal , das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung an dem Obj ekt ergibt , erhältlich ist , enthalten .
Gemäß Aus führungs formen weist eine elektronische Vorrichtung die vorstehend beschriebene Sensorvorrichtung sowie ein Gehäuse auf .
Beispielsweise kann die von der ersten und der zweiten VCSEL- Vorrichtung emittierte Strahlung j eweils an dem Gehäuse reflektiert werden .
Gemäß Aus führungs formen kann das Gehäuse , für die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung transparent sein . Die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung kann j eweils an einem Gegenstand außerhalb des Gehäuses reflektiert werden .
Beispielsweise kann eine Benutzerschnittstelle die vorstehend beschriebene elektronische Vorrichtung aufweisen . Eine Benutzereingabe kann über eine örtliche Verformung des Gehäuses erfolgen .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung j eweils an einem Finger reflektiert werden . In diesem Fall kann eine Benutzereingabe über eine Bewegung des Fingers erfolgen . Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Aus führungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Aus führungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt . Gleiche Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen .
Fig . 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL-Elements gemäß Aus führungs formen .
Fig . 1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer VCSEL-Vorrichtung .
Fig . 2A zeigt eine schematische Ansicht einer Sensorvorrichtung gemäß Aus führungs formen .
Fig . 2B zeigt eine schematische Ansicht von Elementen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Aus führungs formen .
Fig . 2C zeigt eine schematische Draufsicht von Elementen einer Sensorvorrichtung gemäß weiteren Aus führungs formen .
Fig . 2D veranschaulicht das Messprinzip der Sensorvorrichtung .
Fig . 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines
Teils einer elektronischen Vorrichtung .
Figs . 4A und 4B zeigen Querschnittsansichten zur Veranschaulichung der Herstellung einer VCSEL-Vorrichtung gemäß Aus führungs formen .
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Of fenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungs zwecken spezi fische Ausführungsbeispiele gezeigt sind . In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite" , "Boden" , "Vorderseite" , "Rückseite" , "über" , " auf" , "vor" , "hinter" , "vorne" , "hinten" usw . auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen . Da die Komponenten der Aus führungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend .
Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Aus führungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird . Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Aus führungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Aus führungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt .
Die Begri f fe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat" , die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können j egliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat . Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage , und weitere Halbleiterstrukturen einschließen . Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial , beispielsweise einem GaAs-Substrat , einem GaN-Substrat oder einem Si- Substrat oder aus einem isolierenden Material , beispielsweise auf einem Saphirsubstrat , gewachsen sein .
Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, Phos- phid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen . Fig . 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL-Elements 10 gemäß Aus führungs formen . Das VCSEL- Element 10 umfasst eine VCSEL-Vorrichtung 100 , die an einem Substrat 110 angebracht ist , welches für von der VCSEL- Vorrichtung 100 emittierte elektromagnetische Strahlung transparent ist . Das VCSEL-Element 10 umfasst weiterhin eine Linse 113 zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von elektromagnetischer Strahlung, die von der VCSEL- Vorrichtung 100 emittiert worden ist . Die Linse 113 ist auf einer von der VCSEL-Vorrichtung 100 abgewandten Seite des Substrats 110 angeordnet . Beispielsweise ist die VCSEL- Vorrichtung 100 auf einer zweiten Hauptoberfläche 112 des Substrats angeordnet , und die Linse 113 ist auf einer ersten Hauptoberfläche 111 des Substrats 110 angeordnet . Eine Position einer Apertur der VCSEL-Vorrichtung 100 ist gegenüber einer optischen Achse 115 der Linse verschoben . Beispielsweise kann der Abstand zwischen der optischen Achse 115 und der Apertur 106 der VCSEL-Vorrichtung 100 d betragen . Beispielsweise kann d größer als 2 pm oder als 5 pm sein . Weiterhin kann d kleiner als 20 pm oder als 15 pm sein . Ein typischer Wert kann beispielsweise ungefähr 10 pm sein .
Fig . 1B zeigt ein Beispiel eines VCSEL-Elements 100 , das beispielsweise Bestandteil des in Fig . 1A gezeigten VCSEL- Elements sein kann . Die VCSEL-Vorrichtung 100 umfasst einen Halbleiterschichtstapel , der eine erste Halbleiterschicht 101 von einem ersten Leit f ähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend, und eine zweite Halbleiterschicht 102 von einem zweiten Leit- f ähigkeitstyp, beispielsweise n-leitend, aufweist . Eine aktive Zone 103 ist zwischen der ersten Halbleiterschicht 101 und der zweiten Halbleiterschicht 102 angeordnet .
Die aktive Zone 103 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine
Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur ( SQW, single quantum well ) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well ) zur Strahlungserzeugung aufweisen . Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge , Quantendrähte und Quantenpunkte sowie j ede Kombination dieser Schichten .
Ein erster Resonatorspiegel 104 ist angrenzend oder benachbart zur ersten Halbleiterschicht 101 angeordnet . Ein zweiter Resonatorspiegel 105 ist angrenzend oder benachbart zur zweiten Halbleiterschicht 102 angeordnet . Beispielsweise können nun der erste und der zweite Resonatorspiegel 104 , 105 als dielektrische Spiegelschicht ausgebildet sein und j eweils eine Viel zahl dielektrischer Schichten mit j eweils unterschiedlichen Brechungsindi zes aufweisen .
Generell umfasst der Begri f f „dielektrische Spiegelschicht" j egliche Anordnung, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90% ) reflektiert und nicht leitend ist . Beispielsweise kann eine dielektrische Spiegelschicht durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen Schichten mit j eweils unterschiedlichen Brechungsindi zes ausgebildet werden . Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>no ) und einen niedrigen Brechungsindex (n<no ) haben und als Bragg-Ref lektor ausgebildet sein . Beispielsweise kann die Schichtdicke X/ 4 betragen, wobei X die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem j eweiligen Medium angibt . Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke , beispielsweise 3X/ 4 haben . Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der j eweiligen Brechungsindi zes stellt die dielektrische Spiegelschicht ein hohes Reflexionsvermögen bereit und ist gleichzeitig nichtleitend . Eine dielektrische Spiegelschicht kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische Schichten aufweisen . Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen . Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind .
Gemäß weiteren Ausgestaltungen können die Schichten der Resonatorspiegel 104 und 105 auch Halbleiterschichten enthalten .
Bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht 102 wird elektrische Strahlung 16 emittiert . Dabei bildet sich ein optischer Resonator in vertikaler Richtung, d . h . senkrecht zur Oberfläche der einzelnen Schichten aus . Eine Apertur 106 kann beispielsweise in einer blockierenden Schicht 109 , d . h . in einer für die elektromagnetische Strahlung undurchlässigen Schicht ausgebildet sein . Die elektromagnetische Strahlung wird durch die Apertur 106 emittiert . Beispielsweise kann ein Durchmesser der Apertur 106 etwa größer als 2 pm sein . Beispielsweise kann der Durchmesser der Apertur 106 kleiner als 8 pm sein . Beispielsweise kann der Durchmesser der Apertur 106 ungefähr 4 pm sein . Die blockierende Schicht 109 kann j e nach Ausgestaltung auf der der ersten Halbleiterschicht 101 zugewandten oder abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels 104 angeordnet sein . Gemäß Ausgestaltungen bezeichnet der Begri f f „Apertur" einen Emissionsbereich einer VCSEL-Vorrichtung .
Beispielsweise kann eine elektrische Spannung durch eine Spannungsquelle 108 angelegt werden . Beispielsweise können Anschlüsse der Spannungsquelle 108 über geeignete Kontaktbereiche mit der ersten Halbleiterschicht 101 und der zweiten Halbleiterschicht 102 verbunden sein . Zusätzlich kann die VCSEL- Vorrichtung 100 einen Detektor 116 , beispielsweise eine Fotodiode , die beispielsweise monolithisch mit der VCSEL- Vorrichtung 100 integriert sein kann, aufweisen . Der Detektor 116 kann beispielsweise ein Interferenzsignal nachweisen, welches durch so genannte SMI erzeugt wird, bei der die emittierte Strahlung mit reflektierter Strahlung kohärent überlagert wird . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann ein durch SMI erzeugtes Signal durch die VCSEL-Vorrichtung 100 selbst , beispielsweise durch Ermitteln der Änderung eines Spannungssignals , beispielsweise durch die Spannungsquelle 108 oder einen Bestandteil der Spannungsquelle nachgewiesen werden .
Das nachgewiesene Signal kann beispielsweise durch eine Auswerteschaltung 119 ausgewertet werden . Die Auswerteschaltung 119 kann mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein . Insbesondere kann Information über eine Höhe der angelegten Spannung an die Auswerteschaltung weitergegeben werden .
Dadurch, dass , wie in Fig . 1A gezeigt , die Position der Apertur 106 der VCSEL-Vorrichtung 100 gegenüber der optischen Achse 115 der Linse 113 verschoben ist , werden emittierte Strahlen 16 an der Grenz fläche 114 zwischen der Linse 113 und der umgebenden Luft zur optischen Achse hin gebrochen . Entsprechend ist es möglich, die emittierte Strahlung 16 abzulenken .
Mit dem gezeigten VCSEL-Element 10 ist es beispielsweise möglich, eine Viel zahl von VCSEL-Elementen 10 räumlich dicht anzuordnen und gleichzeitig die erzeugten Strahlen 16 bei vergrößertem räumlichen Abstand zu erzeugen .
Fig . 2A zeigt eine Sensorvorrichtung 15 gemäß Aus führungs formen . Die in Fig . 2A gezeigte Sensorvorrichtung 15 umfasst eine erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und eine zweite VCSEL- Vorrichtung 1002 . Die erste und die zweite VCSEL- Vorrichtung 1001 , 1002 sind an einem gemeinsamen Substrat 110 angebracht . Das gemeinsame Substrat 110 ist für elektromagnetische Strahlung 16 , die von den VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 emittiert worden ist , transparent .
Die Sensorvorrichtung 15 umfasst weiterhin eine erste Linse 1131 und eine zweite Linse 1132 . Die erste Linse 1131 ist zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung 101 emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet . Die zweite Linse 1132 ist zur Ablenkung, beispielsweise Fokussierung von der zweiten VCSEL- Vorrichtung 1002 emittierter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet . Die erste und die zweite Linse 1131 , 1132 sind auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 abgewandten Seite des Substrats 110 angeordnet . Eine Position einer Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 ist gegenüber der optischen Achse 115 der ersten Linse 1131 um einen Abstand di verschoben . Weiterhin ist eine Position der Apertur der zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 gegenüber der optischen Achse 115 der zweite Linse 1132 um einen Abstand d2 verschoben . Beispielsweise können die Abstände di und d2 zueinander gleich sein . Gemäß weiteren Aus führungs formen können die Abstände di und d2 auch voneinander verschieden sein .
Beispielsweise sind die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 so angeordnet , dass die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 bei einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als der Abstand der optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse ist . Beispielsweise sind sowohl die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 als auch die zweite VCSEL- Vorrichtung 1002 einander zugewandt , d . h . die erste VCSEL- Vorrichtung 1001 bzw . die Apertur der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 ist auf der Seite der optischen Achse 115 der zugehörigen ersten Linse 1131 angeordnet , die der zweiten Linse 1132 zugewandt ist . Weiterhin ist die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 bzw . die Apertur der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 auf der Seite der optischen Achse 115 der zweite Linse 1132 angeordnet , die der ersten Linse 1131 zugewandt ist .
Auf diese Weise ist es möglich, einzelne VCSEL-Vorrichtungen bei kleinem Abstand anzuordnen, während die elektromagnetische Strahlung 16 j eweils bei einem größeren Abstand emittiert wird .
Ähnlich wie in Fig . 1B gezeigt , weist gemäß Aus führungs formen auch hier die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 einen ersten Detektor 1161 auf . Weiterhin kann die zweite VCSEL-Vorrichtung 1002 einen zweiten Detektor 1162 aufweisen . Die Sensorvorrichtung 15 kann weiterhin eine Spannungsquelle 108 zum Betreiben der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL- Vorrichtung 1002 aufweisen . Beispielsweise kann durch die Spannungsquelle 108 die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 unabhängig von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 betrieben werden . Gemäß weiteren Aus führungs formen können aber auch beide VCSEL- Vorrichtungen gemeinsam betrieben werden . Die Auswerteschaltung 119 kann beispielsweise mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein und weiterhin geeignet sein, Signale der Detektoren 1161 , 1162 aus zuwerten .
Gemäß Aus führungs formen kann ein durch SMI erzeugtes Signal auch j eweils durch die VCSELL-Vorrichtung 1001 , 1002 nachgewiesen und über ein Spannungssignal ausgelesen werden . Die Auswerteschaltung 119 kann beispielsweise mit der Spannungsquelle 108 verbunden sein und weiterhin geeignet sein, die ermittelten Spannungssignale aus zulesen .
Bei einer optischen Sensorvorrichtung, die beispielsweise eine lokale Verformung eines Gehäuses oder die Bewegung eines Fingers nachweist und die auf der sel f-mixing interference beruht , werden bevorzugt mindestens zwei Messstellen verwendet , um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung zu erhöhen . Dadurch, dass , wie in Fig . 2A gezeigt ist , die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung 1001 und 1002 in der beschriebenen Weise angeordnet sind, ist es möglich, die einzelnen VCSEL- Vorrichtungen bei kurzem Abstand anzuordnen und einen Mindestabstand der entsprechenden Messstellen bereitzustellen, selbst wenn das reflektierende Gehäuse oder der Finger einen geringen Abstand, beispielsweise von weniger als etwa 10 cm hat . Weiterhin wird durch die in Fig . 2A gezeigte Sensorvorrichtung die erste VCSEL-Vorrichtung 1001 und die zweite VCSEL- Vorrichtung 1002 in einem gemeinsamen VCSEL-Chip realisiert . Auf diese Weise kann eine Sensorvorrichtung als VCSEL-Chip realisiert sein, der eine geringe Größe aufweist .
Wie weiterhin in Fig . 2A gezeigt ist , kann in Abhängigkeit von der Krümmung der j eweiligen Linsen 113 der Abstand d zwischen der Apertur 106 und der optischen Achse 115 der Linse so gewählt werden, dass der Winkel a zwischen der Emissionsrichtung des emittierten Laserstrahls 16 und der optischen Achse 115 größer als 20 ° , beispielsweise größer als 30 ° , beispielsweise etwa 35 ° ist .
Der Abstand zwischen den Aperturen der ersten VCSEL- Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 kann beispielsweise kleiner als 50 pm sein . Der Strahl 16 , der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittiert wird, kann beispielsweise in eine Richtung, die um -a von der optischen Achse 115 der zweiten Linse 1132 abweicht , abgelenkt werden . Der Strahl 16 , der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittiert wird, kann beispielsweise gegenläufig zu dem Strahl 16 , der von der VCSEL-Vorrichtung 1001 emittiert wird, sein . In Fig . 2A sind die VCSEL-Vorrichtungen 1001 und 1002 j eweils als separate Elemente dargestellt . Gemäß weiteren Aus führungsformen können sie auch gemeinsame Schichten aufweisen und voneinander elektrisch getrennt sein .
Fig . 2B zeigt ein weiteres Beispiel einer Anordnung von VCSEL- Vorrichtungen 1001 , 1002 bei einer Sensorvorrichtung 15 gemäß weiteren Aus führungs formen . Die in Fig . 2B gezeigte Sensorvorrichtung 15 kann beispielsweise ähnliche Komponenten wie die in Fig . 2A gezeigte Sensorvorrichtung 15 aufweisen . Wie in Fig . 2B gezeigt , können die VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 auch so angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen den Aperturen 106 größer als der Abstand zwischen den optischen Achsen 115 der zugehörigen Linsen 1131 , 1132 ist .
Fig . 2C zeigt eine schematische Draufsicht von Elementen einer Sensorvorrichtung 15 gemäß Aus führungs formen . Wie in Fig . 2C gezeigt ist , kann beispielsweise eine Verbindungslinie 118 zwischen der Apertur 106 der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der Apertur 106 der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 von einer Verbindungslinie 117 zwischen der optischen Achse 115 der ersten Linse 1131 und der optischen Achse 115 der zweiten Linse 1132 verschieden sein . Beispielsweise können die beiden Verbindungslinien einander schneiden oder parallel zueinander verschoben sein . Gemäß weiteren Ausgestaltungen kann der Abstand zwischen den Aperturen 106 der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1001 , 1002 von dem Abstand zwischen den optischen Achsen 115 der ersten und der zweiten Linse 1131 , 1132 verschieden oder gleich sein .
Fig . 2D veranschaulicht eine Messanordnung unter Verwendung der in Fig . 2A gezeigten VCSEL-Anordnung . Von einem VCSEL 100 wird ein Strahl 16 emittiert . Dieser wird an einem Obj ekt 20 reflektiert , so dass der reflektierte Strahl 17 erzeugt wird . Der Detektor 116 ist geeignet , ein Überlagerungssignal aus der emittierten Strahlung 16 und der reflektierten Strahlung 17 zu detektieren . Die in Fig . 2D gezeigte VCSEL-Vorrichtung 100 weist ähnliche Komponenten wie die in Fig . 1B gezeigte VCSEL- Vorrichtung auf , so dass eine detaillierte Beschreibung entfällt .
Fig . 3 zeigt einen Teil einer elektronischen Vorrichtung 30 oder der Benutzerschnittstelle 35 . Beispielsweise ist die Sensorvorrichtung 15 , die unter Bezugnahme auf Fig . 2A beschrieben worden ist , auf einem geeigneten Träger 123 angebracht . Die VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 können dabei zwischen dem Träger 123 und dem Substrat 110 angeordnet sein . Die VCSEL- Vorrichtungen 1001 , 1002 können, wie in Fig . 3 angedeutet , als j eweils separate Elemente ausgebildet sein oder gemeinsame Schichten aufweisen .
Ein Gehäuse 120 ist über der Sensorvorrichtung 15 angeordnet . Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 15 in einem elektronischen Gerät 30 angeordnet sein, und das Gehäuse 120 bildet gleichzeitig das Gehäuse der elektronischen Vorrichtung 120 . Wie in Fig . 3 weiterhin dargestellt ist , bewegt sich ein Finger 121 in Pfeilrichtung und übt dabei einen Druck in Richtung der Sensorvorrichtung 15 aus . Als Ergebnis findet eine Verringerung des Abstands zwischen dem Gehäuse 120 und der Sensorvorrichtung 15 statt . Durch die Position des Schnittpunkts der von der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittierten Strahlung 16 mit dem Gehäuse 120 wird die Position der ersten Messstelle 122 definiert . Weiterhin wird durch die Position des Schnittpunkts der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierten Strahlung 16 mit dem Gehäuse 120 die Position der zweiten Messstelle 124 definiert . Üblicherweise können die erste Messstelle 122 und die zweite Messstelle 124 einen Abstand von mindestens 1 mm, beispielsweise 2 mm haben . Dadurch, dass , wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig . 2A beschrieben worden ist , die Aperturen der j eweils ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 und der zweiten VCSEL- Vorrichtung 1002 gegenüber der optischen Achse der Linse 113 verschoben sind, kann dieser Mindestabstand eingehalten werden, auch wenn die erste und die zweite VCSEL- Vorrichtung 1001 , 1002 auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sind und somit besonders platzsparend ausgeführt sind .
Beispielsweise kann die Bewegung des Fingers , d . h . Abstand und Geschwindigkeit des Fingers , ermittelt werden, indem die Ausgangsleistung der VCSELs oder die Vorwärtsspannung der VCSELs moduliert wird und die von den Detektoren 1161 , 1162 nachgewiesenen Signale ausgewertet werden . Diese Konzepte sind bekannt und unter dem Begri f f „FMCW-LIDAR" , frequency modulated continuous wave LIDAR) aus führlich beschrieben worden .
Gemäß Aus führungs formen können, wie vorstehend beschrieben, die VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 selbst ein erzeugtes SMI- Signal durch Änderung eines Spannungssignals nachweisen . In diesem Fall sind keine separaten Detektoren 1161 , 1162 erforderlich .
Die in Fig . 3 gezeigte Anordnung kann Teil einer elektronischen Vorrichtung, beispielsweise eines tragbaren Endgeräts , eines Smartphones , einer Kamera oder von beispielsweise Kopfhörern sein .
Gemäß weiteren Aus führungs formen stellt die in Fig . 3 gezeigte Anordnung auch eine Nutzerschnittstelle 35 bereit . Beispielsweise können bei schnurlosen Kopfhörern bzw . Earbuds durch
Drücken auf das Gehäuse Befehle eingegeben werden . In diesem Fall kann durch Bewegen des Fingers eine Nutzereingabe vorgenommen werden, um beispielsweise die Lautstärke zu regeln oder eine andere Steuerung zu bewirken .
Gemäß Aus führungs formen kann das Gehäuse 120 lichtundurchlässig sein . In diesem Fall wird die Auslenkung des Gehäuses 120 gemessen und führt zu der Erzeugung der gewünschten Signale .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das Gehäuse 120 auch transparent sein . In diesem Fall kann beispielsweise die emittierte elektromagnetische Strahlung 16 an dem Finger 121 reflektiert werden und somit zur Erzeugung der gewünschten Signale führen . Dabei kann die erste Messstelle 122 dem Schnittpunkt der von der ersten VCSEL-Vorrichtung 1001 emittierten Strahlung 16 mit dem Finger entsprechen . Die zweite Messstelle 124 kann dem Schnittpunkt der von der zweiten VCSEL-Vorrichtung 1002 emittierten Strahlung 16 mit dem Finger entsprechen .
Die Figuren 4A bis 4B veranschaulichen ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung der Sensorvorrichtung bzw . einer Anordnung von VCSEL-Elementen gemäß Aus führungs formen .
Zunächst werden, wie in Fig . 4A angedeutet , Schichten zur Ausbildung der j eweiligen VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 auf Waferebene auf einem Substrat 110 , das als Wachstumssubstrat wirkt und für die von den VCSEL-Vorrichtung 100 zu emittierende elektromagnetische Strahlung transparent ist , ausgebildet . Die zugehörigen Verfahren sind allgemein bekannt , sodass eine detaillierte Beschreibung weggelassen wird .
Das Substrat 110 wird gedünnt und anschließend zur Ausbildung der Linsen 113 geätzt . Weiterhin werden die zu den einzelnen VCSEL-Vorrichtungen 1001 , 1002 gehörenden Halbleiterschichtstapel j eweils voneinander getrennt und elektrisch isoliert , beispielsweise durch Ätzen einer Mesa . Dies ist in Fig . 4B veranschaulicht . Das Ätzen der Linsen 113 wird derart durchgeführt , dass die optische Achse 115 der einzelnen Linsen gegenüber der Apertur 106 der einzelnen Laser-Vorrichtun- gen 100 verschoben ist , wie vorstehend beschrieben worden ist .
Obwohl hierin spezi fische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezi fischen Aus führungs formen durch eine Viel zahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen . Die Anmeldung sol l j egliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezi fischen Aus führungsformen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt .
BEZUGSZEICHENLISTE
10 VCSEL-Element
15 Sensorvorrichtung
16 emittierte Strahlung
17 reflektierte Strahlung
20 Obj ekt
30 elektronische Vorrichtung
35 Benutzerschnittstelle
100 VCSEL-Vorrichtung
1001 erste VCSEL-Vorrichtung
1002 zweite VCSEL-Vorrichtung
101 erste Halbleiterschicht
102 zweite Halbleiterschicht
103 aktive Zone
104 erster Resonatorspiegel
105 zweiter Resonatorspiegel
106 Apertur
108 Spannungsquelle
109 blockierende Schicht
110 Substrat
111 erste Hauptoberfläche
112 zweite Hauptoberfläche
113 Linse
1131 erste Linse
1132 zweite Linse
114 Oberfläche der Linse
115 optische Achse
116 Detektor
1161 erster Detektor
1162 zweiter Detektor
117 Verbindungslinie zwischen optischen Achsen
118 Verbindungslinie zwischen Aperturen
119 Auswerteschaltung 120 Gehäuse
121 Finger
122 erste Messstelle
123 Träger 124 zweite Messstelle

Claims

ANSPRÜCHE
1. Elektronische Vorrichtung (30) , welche eine Sensorvorrichtung (15) , und ein Gehäuse (120) umfasset, wobei die Sensorvorrichtung (15) aufweist: eine erste und eine zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) , die in einem gemeinsamen Chip ausgebildet und an einem gemeinsamen Substrat (110) angebracht sind, welches für von der VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) transparent ist; und eine erste und eine zweite Linse (1131, 1132) , wobei die erste Linse (1131) zur Ablenkung von von der ersten VCSEL- Vorrichtung (1001) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16) eingerichtet ist und die zweite Linse (1132) zur Ablenkung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16) eingerichtet ist, wobei die erste und die zweite Linse (1131, 1132) auf einer von den VCSEL-Vorrichtungen (1001, 1002) abgewandten Seite des Substrats (110) angeordnet sind, eine Position einer Apertur (106) der ersten VCSEL- Vorrichtung (1001) gegenüber einer optischen Achse (115) der ersten Linse (1131) verschoben ist und eine Position der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) gegenüber der optischen Achse (115) der zweiten Linse (113) verschoben ist, wobei die von der ersten und der zweiten VCSEL- Vorrichtung (1001, 1002) emittierte Strahlung (16) jeweils an dem Gehäuse (120) oder einem auf dem Gehäuse befindlichen Objekt reflektiert wird.
2. Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) so angeordnet sind, dass ein Abstand zwischen der Apertur (106) der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) und der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) von einem Abstand der optischen Achsen (115) der ersten und der zweiten Linse (1131, 1132) verschieden ist.
3. Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Verbindungslinie (118) zwischen der Apertur (106) der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) und der Apertur (106) der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) von einer Verbindungslinie (117) zwischen der optischen Achse (115) der ersten Linse (1131) und der optischen Achse (115) der zweiten Linse (1132) verschieden ist.
4. Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Abstand zwischen der Apertur (106) der ersten VCSEL- Vorrichtung (1001) und der Apertur (106) der zweiten VCSEL- Vorrichtung (1002) kleiner als der Abstand der optischen Achsen (115) der ersten und der zweiten Linse (1131, 1132) ist.
5. Elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einem ersten Detektor (1161) zum Nachweisen eines ersten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) emittierter erster Strahlung (16) mit einem ersten reflektierten Signal (17) , das sich bei Reflexion der ersten Strahlung (16) an einem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist, sowie einem zweiten Detektor (1162) zum Nachweisen eines zweiten Interferenzsignals, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal (17) , das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung (16) an dem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist .
Elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche
1 bis 5, ferner mit einer Spannungsquelle (108) , wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) gemeinsam durch die Spannungsquelle (108) ansteuerbar sind.
7. Elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit einer Spannungsquelle (108) , wobei die erste und die zweite VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) getrennt voneinander durch die Spannungsquelle (108) ansteuerbar sind.
8. Elektronische Vorrichtung (30) nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein erstes Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der ersten VCSEL-Vorrichtung (1001) emittierter erster Strahlung (16) mit einem ersten reflektierten Signal (17) , das sich bei Reflexion der ersten Strahlung (16) an einem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist, sowie ein zweites Interferenzsignal, das durch kohärente Überlagerung von von der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1002) emittierter Strahlung mit einem zweiten reflektierten Signal (17) , das sich bei Reflexion der zweiten Strahlung (16) an dem Objekt (20) ergibt, erhältlich ist, durch Auslesen eines Spannungssignals jeweils an der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) ermittelbar ist.
9. Benutzerschnittstelle (35) , die die elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wobei eine Benutzereingabe über eine örtliche Verformung des Gehäuses (120) erfolgt.
10. Benutzerschnittstelle (35) , die die elektronische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, wobei die von der ersten und der zweiten VCSEL-Vorrichtung (1001, 1002) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) jeweils an einem Finger reflektiert wird, und eine Benutzereingabe über eine Bewegung des Fingers erfolgt.
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