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技術 光センシング応用のための安全なレーザデバイス

出願人 コーニンクレッカフィリップスエヌヴェ
発明者 メンヒホルゲルヴァイグルアレクサンダーゲルラッハフィリップヘニング
出願日 2016年3月29日 (3年5ヶ月経過) 出願番号 2017-545720
公開日 2018年3月22日 (1年6ヶ月経過) 公開番号 2018-508122
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 機械的可動部品 誘電体スペーサ層 半導体空 保護カプセル 円形ホール 規定閾値 金属コンタクトパッド 安全性限界
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課題・解決手段

本発明は1の半導体チップ110上に設けられる2から6のメサ120を有するレーザデバイス100を記載し、メサ120は電気的に並列に接続される。レーザデバイス100は、少なくとも1のメサ120の劣化が、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイス100により発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。レーザデバイス100は、レーザデバイスの寿命中にレーザデバイス100の目の安全性が保証されるように適応される。目の安全性は、層構造の1以上の層の劣化が規定立体角において発せられる最大光学パワーの低減をもたらすような方法で、レーザデバイス100のメサ120の半導体構造若しくはより一般的な層構造を設計することにより保証され得る。代替的に若しくは付加的に、レーザデバイス100へ供給される入力電力は、安全性限界が超えられないよう、放射光パワーに依存して制御され適応され得る。本発明はさらにかかるレーザデバイス100を有するレーザモジュール光学センサ300、並びにかかる光学センサ300を有するモバイル通信デバイス400に関する。本発明はさらにかかるレーザデバイス100を製造する方法に関する。

概要

背景

レーザデバイスセンシング応用のためスマートフォンといったモバイル通信デバイス内で使用され得る。かかるセンシング応用は距離検出用の飛行時間測定カメラオートフォーカスシーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの3‐Dイメージングであり得る。かかるレーザデバイスの目の安全性は、かかるセンシング応用が広く受け入れられるために主要な問題になり得る。

US2013/0266326A1は、高パワー及び高周波数応答、及びその上に形成され得る様々なマイクロレンズ構造を持つ、VCSELアレイデバイスとよばれるマルチビーム光電子デバイス、並びにその様々な利用法を開示する。VCSELアレイデバイスは2以上のVCSELと短絡メサデバイスのアレイから成るVCSELのモノリシックアレイである。VCSELアレイのVCSELはパワー若しくはスピード特性を改良するために数学関数に従った間隔で対称若しくは非対称の間隔で配置されるか、又は電気的に並列回路において互いに隣り合う位相関係のために位置付けられる。VCSELアレイのVCSELは熱拡散基板若しくはキャリア上に形成される第1の金属コンタクトパッドに電気的に接続される。

US2002/0075911A1は、全VCSELが同時にモニタリングされ得るように、並列チャネル光学アレイにおける全ての垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)の入力ビームの部分を回折させるように構成される回折光学配置(DOA)を開示する。アレイ内の全チャネルについて、関連VCSELの光学パワー出力をモニタリングするための検出器と、入力電流を調節するためのフィードバックシステムがある。DOAは片側にコリメートビーム入力領域、反対側にビーム出力領域、及び検出出力領域を有する。DOAはデータ送信のためにコリメートビーム入力領域からビーム出力領域へビームの第1の部分を通過させ、モニタリングのためにコリメートビーム入力領域から検出出力領域へ第2の部分を回折させるように構成される。コリメートビーム入力領域は回折機能を含み、これはコンピュータ合成ホログラムCGH)のものであり得るか若しくは回折格子であり得る。

US6,618,414B1は第1のミラーに隣接する光学キャビティを含む垂直キャビティレーザを開示し、光学キャビティは半導体部と誘電体スペーサ層を持つ。誘電体DBRは誘電体スペーサ層に隣接して配置される。光学キャビティの半導体部と誘電体スペーサ層の間の界面は、その界面と関連する損失若しくは散乱を低減するために垂直キャビティレーザの光学定常波強度パターンにおけるnull若しくはその付近に有利に置かれる。

概要

本発明は1の半導体チップ110上に設けられる2から6のメサ120を有するレーザデバイス100を記載し、メサ120は電気的に並列に接続される。レーザデバイス100は、少なくとも1のメサ120の劣化が、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイス100により発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。レーザデバイス100は、レーザデバイスの寿命中にレーザデバイス100の目の安全性が保証されるように適応される。目の安全性は、層構造の1以上の層の劣化が規定立体角において発せられる最大光学パワーの低減をもたらすような方法で、レーザデバイス100のメサ120の半導体構造若しくはより一般的な層構造を設計することにより保証され得る。代替的に若しくは付加的に、レーザデバイス100へ供給される入力電力は、安全性限界が超えられないよう、放射光学パワーに依存して制御され適応され得る。本発明はさらにかかるレーザデバイス100を有するレーザモジュール光学センサ300、並びにかかる光学センサ300を有するモバイル通信デバイス400に関する。本発明はさらにかかるレーザデバイス100を製造する方法に関する。

目的

従って改良されたレーザ安全性を伴うレーザデバイスを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

1の半導体チップ上に設けられる2から6のメサを有するレーザデバイスであって、前記メサの各々は、規定入力電力で駆動されるときに発光波長レーザ光を発するように構成される垂直キャビティ面発光レーザ光学共振器を埋め込み、前記メサは電気的に並列に接続され、前記レーザデバイスは、前記レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、少なくとも1のメサの劣化が、前記規定入力電力で駆動されるときに規定立体角において前記レーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応され、各メサは半導体空気界面を有し、前記レーザデバイスは、少なくとも1の半導体空気界面の劣化が、前記規定入力電力で駆動されるときに前記レーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応されることを特徴とし、前記半導体空気界面は、前記少なくとも1の半導体空気界面の劣化が、前記レーザデバイスの反射性を増加することにより前記規定入力電力で駆動されるときのレーザ光のアウトカップリングを低減させるよう、前記規定入力電力で駆動されるときにレーザキャビティにおける光学場定常波パターン波腹から離れて配置される、レーザ装置

請求項2

各メサが保護コーティングを有し、前記保護コーティングは、少なくとも1の保護コーティングの劣化が、前記規定入力電力で駆動されるときに前記レーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される、請求項1に記載のレーザデバイス。

請求項3

前記半導体空気界面が、前記規定入力電力で駆動されるときに定常波パターンの波節に配置される、請求項1に記載のレーザデバイス。

請求項4

前記メサは、前記規定入力電力で駆動されるときにリングレーザモードサポートされるように構成される、請求項1に記載のレーザデバイス。

請求項5

前記メサの半導体層構造は、前記規定入力電力で駆動されるときにリング状電流注入があるように構成される、請求項4に記載のレーザデバイス。

請求項6

各メサが空間的に構造化される保護コーティングを有し、前記空間的に構造化される保護コーティングは、前記規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードをサポートする、請求項4又は5に記載のレーザデバイス。

請求項7

各メサは、トレンチを超える前記半導体チップのレベルが少なくとも前記メサのレーザ射出窓と同じ高さになるようなトレンチにより囲まれる、請求項1に記載のレーザデバイス。

請求項8

前記レーザデバイスが前記メサを電気的に駆動するための駆動回路をさらに有し、前記駆動回路が前記メサへ前記規定入力電力を供給するように適応される、請求項1から6のいずれか一項に記載のレーザデバイスを有するレーザモジュール

請求項9

請求項8に記載のレーザモジュールを有する光学センサ

請求項10

前記レーザデバイスにより発せられる対応するレーザパルス反射レーザ光受光するように適応される少なくとも1の光検出器を有する、請求項9に記載の光学センサであって、前記光学センサが、前記対応するレーザパルスの反射レーザ光を識別するように適応される評価器をさらに有し、前記評価器がさらに、前記反射レーザ光の受光時間と前記対応するレーザパルスの放出時間の間の飛行時間を決定するように適応される、光学センサ。

請求項11

請求項9又は10に記載の少なくとも1の光学センサを有するモバイル通信デバイス

請求項12

レーザデバイスを製造する方法であって、1の半導体チップ上に2から6のメサを設けるステップと、前記メサを電気的に並列に接続するステップであって、前記メサの各々は、規定入力電力で駆動されるときに発光波長のレーザ光を発するように構成される垂直キャビティ面発光レーザの光学共振器を埋め込み、各メサが半導体空気界面を有する、ステップと、前記レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、少なくとも1のメサの劣化が、前記規定入力電力で駆動されるときに前記レーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように、前記レーザデバイスを適応させるステップとを有し、少なくとも1の前記半導体空気界面の劣化が、前記レーザデバイスの反射性を増加することにより前記規定入力電力で駆動されるときのレーザ光のアウトカップリングを低減させるよう、前記規定入力電力で駆動されるときにレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波腹から離して前記半導体空気界面を配置するステップを特徴とする、方法。

技術分野

0001

本発明は特にセンシング応用に適したレーザデバイスに関する。本発明はさらに、レーザモジュール及びかかるレーザデバイスを有する光学センサ及びかかる光学センサを有するモバイル通信デバイスに関する。本発明はさらにかかるレーザデバイスを製造する方法に関する。

背景技術

0002

レーザデバイスはセンシング応用のためスマートフォンといったモバイル通信デバイス内で使用され得る。かかるセンシング応用は距離検出用の飛行時間測定カメラオートフォーカスシーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの3‐Dイメージングであり得る。かかるレーザデバイスの目の安全性は、かかるセンシング応用が広く受け入れられるために主要な問題になり得る。

0003

US2013/0266326A1は、高パワー及び高周波数応答、及びその上に形成され得る様々なマイクロレンズ構造を持つ、VCSELアレイデバイスとよばれるマルチビーム光電子デバイス、並びにその様々な利用法を開示する。VCSELアレイデバイスは2以上のVCSELと短絡メサデバイスのアレイから成るVCSELのモノリシックアレイである。VCSELアレイのVCSELはパワー若しくはスピード特性を改良するために数学関数に従った間隔で対称若しくは非対称の間隔で配置されるか、又は電気的に並列回路において互いに隣り合う位相関係のために位置付けられる。VCSELアレイのVCSELは熱拡散基板若しくはキャリア上に形成される第1の金属コンタクトパッドに電気的に接続される。

0004

US2002/0075911A1は、全VCSELが同時にモニタリングされ得るように、並列チャネル光学アレイにおける全ての垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)の入力ビームの部分を回折させるように構成される回折光学配置(DOA)を開示する。アレイ内の全チャネルについて、関連VCSELの光学パワー出力をモニタリングするための検出器と、入力電流を調節するためのフィードバックシステムがある。DOAは片側にコリメートビーム入力領域、反対側にビーム出力領域、及び検出出力領域を有する。DOAはデータ送信のためにコリメートビーム入力領域からビーム出力領域へビームの第1の部分を通過させ、モニタリングのためにコリメートビーム入力領域から検出出力領域へ第2の部分を回折させるように構成される。コリメートビーム入力領域は回折機能を含み、これはコンピュータ合成ホログラムCGH)のものであり得るか若しくは回折格子であり得る。

0005

US6,618,414B1は第1のミラーに隣接する光学キャビティを含む垂直キャビティレーザを開示し、光学キャビティは半導体部と誘電体スペーサ層を持つ。誘電体DBRは誘電体スペーサ層に隣接して配置される。光学キャビティの半導体部と誘電体スペーサ層の間の界面は、その界面と関連する損失若しくは散乱を低減するために垂直キャビティレーザの光学定常波強度パターンにおけるnull若しくはその付近に有利に置かれる。

発明が解決しようとする課題

0006

従って改良されたレーザ安全性を伴うレーザデバイスを提供することが本発明の目的である。

課題を解決するための手段

0007

第1の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは1の半導体チップ上に設けられる2から6のメサを有する。規定入力電力がメサに供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、メサは電気的に並列に接続される。レーザデバイスはさらに、レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、少なくとも1のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように、適応される。

0008

レーザデバイスのレーザキャビティ分布ブラッグ反射器(DBR)などの2ミラー間で挟まれるアクティブ層を有する。第1のミラーは高反射性(>99%)であり、第2のミラーはレーザ発光を可能にするためにいくらか小さい反射率(>95%)を持つ。第2のミラーの反射率は、例えば入力電力に対するレーザパワーの勾配レーザ閾値に影響を及ぼす。第2のミラーの反射率の低減はレーザ閾値を増加し、勾配を増加し、その逆も同様である。レーザ閾値の増加は所与の入力電力で発せられる光学パワーを低減し、勾配の増加は所与の入力電力における光学パワーを増加する。実験結果により、例えば、製造プロセスにおける典型的な発散を含め、第2のミラーの反射率が(例えば劣化により)低減するときに放射光学パワーが増加する可能性が高くなるように、所与の入力電力における放射光学パワーに影響を及ぼす複数の要因があるように見えることが示されている。さらに、飛行時間測定のようなセンシング応用のための環境光からの良好な区別、及びより大きなセンシング距離の必要性は、可能な限り高い放射レーザパワーの要望を増加する。後者はレーザパワーがレーザ安全性閾値若しくは安全性限界を下回る限り可能な限り多くのレーザパワーを供給するレーザデバイスの設計をもたらす。従って第2のミラーの反射性の劣化はレーザ光の放射コーンの所定立体角における安全性限界の逸脱をもたらし得る。さらに、レーザデバイスのメサの層のうち1の劣化は各レーザキャビティ内のモード選択に影響を及ぼし得るので、所定立体角における放射レーザ光の輝度が増加し得る。

0009

レーザデバイスは従って、少なくとも1のメサの劣化が、規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少を、及び好適には規定入力電力で駆動されるときの総レーザパワーの低減をもたらすように適応される。規定立体角は最大レーザパワーが発せられる立体角であり、立体角のサイズはレーザデバイスの目の安全性を考慮して決定される。この規定立体角において発せられるレーザパワーは、例えばレーザキャビティのうち1の中でのモード選択が変化するが総レーザパワーはわずかに増加するので、減少するということがあり得る。人の目は限られた立体角において発せられる光のみを受光し得るので、この場合安全性限界は超えられない。レーザデバイスの目の安全性はこのようにレーザデバイスにより発せられる総レーザパワーが増加するという事実にもかかわらず維持される。レーザデバイスは、例えば、直径7mmのアパーチャ後ろで測定される70mmの距離における最大光学パワーが、この距離におけるアパーチャの任意の位置における規定閾値を下回るという条件を満たさなければならない。例えば垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)といったレーザのマルチモード性のために、最大パワーはレーザの光軸に沿って発せられない可能性がある。規定立体角は従って70mmの距離において7mmのアパーチャでのスキャンを用いて決定されなければならない。かかる測定は引用により組み込まれる標準規格IEC/EN:60825‐1:2007に従う。

0010

レーザデバイスの各メサは半導体空気界面を有し得る。半導体空気界面はそれを通じてレーザ光が発せられるDBRの上層であり得る。半導体空気界面は、最初にこの半導体層と空気の間に直接接触がないように別の層を用いて覆われる半導体層の面でもあり得る。半導体空気界面はこの場合半導体層を覆う層の欠陥の結果であり得る。レーザデバイスは1のメサの少なくとも1の半導体空気界面の劣化が規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。

0011

半導体空気界面は、例えば、規定入力電力で駆動されるときに定常波パターン波節(node)において配置され得る。例えば垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)などのレーザデバイスは、反射性に最大寄与を、及びその結果少ないDBR層を持つために半導体空気界面を波腹(anti‐node)にして設計される。半導体空気界面をレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に、又は少なくとも波腹から十分に離して設計することは、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらし得る。この場合空気界面の劣化は反射性を増加し得る、すなわちアウトカップリングを低減し、より少ないレーザパワーが発せられ得る。さらに、反射率と入射角の間の関数関係のために、半導体空気界面の"波節‐位置"は小さい放射角での低次モードについてのアウトカップリングを最大化する。かかる層の劣化は従って放射角を増加し、これは規定立体角において発せられるレーザパワーを低減することによりレーザデバイスを安全に保つために好ましい。

0012

各メサは代替的に若しくは付加的に保護コーティングを有してもよく、保護コーティングは、1のメサの少なくとも1の保護コーティングの劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。

0013

保護コーティングは、1組成で起こり得るピンホール欠陥が外側へ移らないことを確実にするために酸化ケイ素若しくは窒化ケイ素、好適には両方の組み合わせの1以上の層を有し得る。厚さは典型的には数10‐100nmであり、好適には明確に定義された波長の何分の1、例えば1/2ラムダ若しくは1/4ラムダである。代替的に若しくは付加的に、例えばチタンタンタル、若しくはニオブのような他の材料の酸化物が保護コーティングとして使用され得る。保護コーティングは厚いダイクロイック多層コーティングを有してもよく、これは保護カプセル化として機能するだけでなく、半導体DBRの反射性を追加するので、半導体DBRがより薄く設計され得る。保護コーティングは覆われる半導体層の劣化を防止するために水密である。

0014

保護コーティングは、例えば、半導体層(例えばアウトカップリングDBRの上層)が、上記の通り規定入力電力で駆動されるときに光学場の定常波パターンの波節位置若しくは波節位置付近に配置されるように、配置され得る。保護コーティングはこの場合好適には、保護コーティングとコーティングの劣化が反射性に影響を及ぼさないように発光波長の半分の厚さを持ち得る。

0015

代替的に、保護コーティングは保護コーティングを用いて覆われるミラーの反射性が少なくともわずかに低減されるように配置され得る。保護コーティングの劣化は増加した反射性をもたらし得るので、規定入力電力において発せられるアウトカップリングされたレーザ光が低減する。半導体層(例えばアウトカップリングDBRの上層)は、規定入力電力で駆動されるときに光学場の定常波パターンの波腹位置若しくは波腹位置付近に配置され、保護コーティングはアウトカップリングDBRの反射性が低減されるように配置される。そして保護コーティングの劣化は反射性を増しレーザ出力下げる。保護コーティングはさらに空間的構造を、例えばレーザキャビティ内の規定モード選択をサポートする規則的パターンを有し得る。保護コーティングにより抑制されるレーザモードは、保護コーティングと対応する空間的構造の劣化が、規定立体角内のレーザデバイスにより発せられるピークレーザパワーが低減されるようにレーザモードを変化させるように構成される。

0016

レーザデバイスはさらに、規定入力電力で駆動されるときに少なくとも1のメサの劣化の場合に、レーザデバイスによる放射レーザ光の放射コーンが増加するように適応され得る。メサは、例えば、規定入力電力で駆動されるときにメサの劣化の場合にリング状レーザモードがサポートされるように配置され得る。メサの半導体層構造は、例えば、規定入力電力で駆動されるときにメサの劣化の場合にリング状電流注入がサポートされるように配置され得る。リング状レーザモードは規定立体角において発せられる光学パワーを低減する。

0017

さらなる実施形態にかかるレーザデバイスは1の半導体チップ上に設けられる2から6のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサに供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。レーザデバイスはさらに、レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、少なくとも1のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように、適応される。レーザデバイスはオプションとして、規定入力電力で駆動されるときに少なくとも1のメサの劣化の場合にレーザデバイスによる放射レーザ光の放射コーンが増加するように適応され得る。メサは代替的に若しくは付加的に、規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードがサポートされるように配置され得る。メサの半導体層構造はオプションとして規定入力電力で駆動されるときにリング状電流注入があるように配置され得る。各メサは代替的に若しくは付加的に空間的に構造化される保護コーティングを有してもよく、空間的に構造化される保護コーティングは規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードをサポートする。

0018

第2の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは1の半導体チップ上に設けられる2から6のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサに供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。メサは約1E18のドーピング濃度低ドープp‐DBRを、又はダイクロイックミラーと組み合わせて短DBRを有し、両方とも比較的低ドープのキャップサブキャップ構造(<1E19)と組み合わせてリング状電流注入をもたらす。これはリング状モードに好都合であり、従って発光を広げる。メサの構造は第1の態様に関して上記した各手段と組み合わされ得る。

0019

第3の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは1の半導体チップ上に設けられる2から6のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサへ供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。各メサは空間的に構造化される保護コーティングを有し、空間的に構造化される保護コーティングは規定入力電力で駆動されるときにリング状レーザモードをサポートする。空間的に構造化される保護コーティング若しくはキャップ層は所望のモードを選択し得る。アウトカップリングミラーに対する位相条件を変えるためには数10nmの高低差で十分であり、従って個々のモードに対する反射率は構造化部分と多かれ少なかれ重なる。一実施例として数10nmのオーダーのキャップ層の浅いリング状エッチングは、基本モード(位相条件が中心部に最適である場合)若しくはリングモード(外側部分が最高反射率に最適である場合)における好適な動作間を区別し得る。メサの空間的に構造化される保護コーティングは第1若しくは第2の態様に関して上記した各手段と組み合わされ得る。

0020

一般に、特に上記の空間的に構造化される保護層及びリング状電流注入は、設計によりレーザキャビティ内のモード選択を定義する。この設計は製造における小規模変動若しくは寿命中の変化に対するレーザデバイスの感受性を低下させる。これはレーザ発光に寄与する複数のnモードにより定量的に記述され得、追加モード最小値により抑制される(モード抑制におけるdB値若しくはレーザ閾値における差のいずれか)。レーザデバイスは、例えば、レーザ閾値における3、4、5若しくはそれ以上のモードの発光により特徴付けられ得る。抑制されるモードはレーザデバイスの典型的な動作電流の少なくとも1.2から1.5倍高い電流においてレーザ発光し始める。

0021

第4の態様によればレーザデバイスが提案される。レーザデバイスは1の半導体チップ上に設けられる2から6のメサを有する。メサは、規定入力電力がメサへ供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するように適応されるよう、電気的に並列に接続される。各メサは、トレンチを超える半導体チップのレベルが少なくともメサのレーザ射出窓と同じ高さになるようなトレンチにより囲まれる。トレンチは第1、第2若しくは第3の態様に関して上記した各手段と組み合わされ得る。半導体チップエリアの大部分はエッチングされないままであり、従って元のレベルのままである。パッシベーション及びコンタクト堆積は、レーザデバイスのメサの感光レーザファセットと同じ若しくはそれよりも高いレベルの上に半導体チップの大きな面積をもたらし得る。

0022

レーザデバイスのより高い機械ロバスト性に加え、製造においてかかるチップ設計の別の利点がある。はるかに少ない量のエッチング材料は、エッチング廃液からの影響を低減して、より一定のエッチングプロセスを可能にする。メサは好適には、除去される材料が最小化されるように配置され得る。メサは例えば3のメサの場合、正三角形に配置され得る。メサ間の距離は隣接メサのトレンチが重なるように選択され得る。

0023

第5の態様によればレーザモジュールが提案される。レーザモジュールは上記レーザデバイスを有する。レーザデバイスはメサを電気的に駆動するための駆動回路をさらに有し、駆動回路はメサへ規定入力電力を供給するように適応される。

0024

第6の態様によれば光学センサが提案される。光学センサは上記レーザモジュールを有する。光学センサはレーザデバイスにより発せられる対応レーザパルス反射レーザ光を受光するように適応される少なくとも1の光検出器を有し得る。光学センサは対応レーザパルスの反射レーザ光を識別するように適応される評価器をさらに有し得る。評価器はさらに反射レーザ光の受光時間と対応レーザパルスの放出時間の間の飛行時間を決定するように適応され得る。

0025

飛行時間(ToF)測定用の光学センサは、距離検出、カメラオートフォーカス、シーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの3Dイメージングのような多くの目的でモバイルデバイス(例えばスマートフォン)において使用され得る。有利なシステムフォトダイオード(例えばアバランシェフォトダイオード)と、VCSELからシーンへ、そしてセンサへ戻る光の移動時間を測定する電子機器と組み合わされるVCSELを使用する。VCSELの使用は、その安定で狭いスペクトル放射(環境光に対しアバランシェフォトダイオードにおいて強いフィルタリングを可能にする)のため、及び適切な放射パターン(20‐30°FW1/e2で回転対称)のために、LED若しくはEELと比較して有利である。追加光学系が放射コーンをさらに調整するために使用され得る。マルチチャネル、すなわち複数のVCSEL及び/又はフォトダイオードのアレイが特に光学系と組み合わせて良好な角度範囲を可能にする。異なるチャネルからの信号をリンクするアルゴリズムと組み合わせて、最小限の労力で、特にスキャナのような機械的可動部品なしに、高い角度分解能が実現され得る。上記レーザデバイスは増大したレーザ安全性で長距離の距離検出を可能にし得る。

0026

評価器はさらに、例えばレーザデバイスにより発せられる制御信号に基づき、レーザ安全性を向上させるために入力電力が低減され得るよう、平均受光光学パワーを決定するように適応され得る。レーザデバイスにより発せられる光学パワーは、光検出器付近に配置される、放射レーザ光の小部分を反射する既知の反射率を持つフィードバック構造を用いて較正され得る。フィードバック構造は例えば、例えば光検出器、並びに光学センサのレーザデバイスを保護する透明カバーガラス若しくはシートの面であり得る。レーザデバイス、フィードバック構造及び光検出器の間のわずかな距離は、制御信号としてレーザデバイスにより発せられる検出信号の使用を可能にし得る。発光と受光の間の短時間は較正及び測定信号間を区別することを可能にする。代替的に、2測定パルス間に与えられる追加制御信号を使用することも可能であり得る。制御信号の受信信号強度は、レーザデバイスの劣化前に決定される初期信号強度と、評価器を用いて比較され得る。評価器はプロセッサマイクロプロセッサなど、及び対応メモリデバイスを有し得る。レーザデバイスに供給される電力較正信号の受信信号強度が初期信号強度に関する閾値を超えるとすぐに低減され得る。

0027

さらなる態様によれば、レーザデバイスの製造方法が提供される。方法は以下のステップを有する:
1の半導体チップ上に2から6のメサを設けるステップ;
規定入力電力がメサへ供給される場合に、メサが同時にレーザ光を発するようにメサを電気的に並列に接続するステップと;
少なくとも1のメサの劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすようにレーザデバイスを適応させるステップ。

0028

方法ステップは必ずしも提示された順序で実行されない。レーザデバイスは、例えば、レーザデバイスに関して上記した技術的手段を考慮してメサの層の製造中にステップ3に従って適応され得る。

0029

請求項1‐10のレーザデバイス及び請求項15にかかるレーザデバイスを製造する方法は、特に従属請求項に定義される同様の及び/又は同一の実施形態を持つことが理解されるものとする。

0030

本発明の好適な実施形態は各独立請求項と従属請求項の任意の組み合わせでもあり得ることが理解されるものとする。

0031

さらなる有利な実施形態が以下定義される。

0032

本発明のこれらの及び他の態様は以降に記載の実施形態から明らかとなりそれらを参照して解明される。

0033

本発明は例として添付の図面を参照する実施形態に基づいて記載される。

図面の簡単な説明

0034

3のメサを有する半導体チップの主要スケッチを示す。
4のメサを有する半導体チップの主要スケッチを示す。
図2に示す半導体チップの断面を示す。
第1の実施形態にかかるメサに埋め込まれる光学共振器を示すVCSELの断面を示す。
第2の実施形態にかかるメサに埋め込まれる光学共振器を示すVCSELの断面を示す。
第1の実施形態にかかる光学センサの断面を示す。
光学センサを有するモバイルデバイスの主要スケッチを示す。
レーザデバイスを製造する方法の主要スケッチを示す。

実施例

0035

図中、類似する数字は全体を通して類似するオブジェクトをあらわす。図中のオブジェクトは必ずしも原寸通りに描かれていない。

0036

本発明の様々な実施形態が図面を用いて記載される。

0037

図1は3のメサ120を有する半導体チップ110を有するレーザデバイスの第1の実施形態の主要スケッチを示す。メサの各々は光学共振器を有する。かかる光学共振器の主要スケッチが図4及び5に示される。メタライゼーション層130はレーザデバイスの半導体チップ110に電気的に接触するためのボンディングエリア160が設けられるように構造化される。

0038

図2は4のメサ120を有する半導体チップ110を有するレーザデバイスの第2の実施形態の主要スケッチを示す。メサは2次パターンで配置される。各メサ120は半導体チップ110の層構造においてトレンチ140により囲まれる。メサ120とトレンチ140の幅との間のピッチは、隣接メサ120間のトレンチ140が重なるように選ばれる。エッチングされる材料は最小化される。はるかに少ない量のエッチング材料は、エッチング廃液からの影響を低減して、より一定のエッチングプロセスを可能にする。半導体チップ110は、規定入力電力を供給するために駆動回路(例えば図6参照)とレーザデバイスを電気的に接触させるため、半導体チップ110の底に設けられるボンディングエリア160と電気コンタクトをさらに有する。

0039

図3はメサ120周辺に設けられるトレンチ140の詳細を示す、線A‐Aに沿った図2に示す半導体チップ110の断面を示す。トレンチ140は電気絶縁材料充填される。電気絶縁材料の上に、レーザデバイス100と電気的に接触するための第1のコンタクトエリア131と第2のコンタクトエリア132を構築する構造化された導電材料が設けられる。第1のコンタクトエリア131はメサ120のpドープ層に電気的に接続され、第2のコンタクトエリアはメサ120のnドープ層に電気的に接続される。メサ120及び特にかなり高感度のレーザファセット125は、レーザファセット125の面より高いレベルにある面(第1及び第2の電気コンタクトエリア131、132の面の上)により囲まれる。より高いレベルにあるこの周囲面は、メサ120の1及び特にレーザファセット125の面に触れる可能性が低減されるので、半導体チップ110の扱いを単純化する。

0040

図4は第1の実施形態にかかるメサ120に埋め込まれる光学共振器を示すVCSELの断面を示す。光学共振器はボトムDBR230とトップDBR240、及びボトムDBR230とトップDBR240の間に挟まれるアクティブ層260を有する。ボトムDBR230は高反射性(>99%)であり、トップDBR240を介してレーザ発光を可能にするためにトップDBR240はいくらか小さい反射率(>95%)を持つ。VCSELはこのようにいわゆるトップエミッタである。アクティブ層260は量子井戸構造を構築する複数の層を有する。ボトムDBR230はGaAs基板のような基板上に配置される。VCSELはボトム電極210とリング電極220を用いて接触される。ボトム電極210はボトムDBR230と反対側の基板側に設けられる。リング電極220はトップDBR240の上に設けられる。例えばビアを用いて、図2及び3に示す第1のコンタクトエリア131はリング電極220に接触するために使用され得、第2のコンタクトエリア132はボトム電極210に接触するために使用され得る。アクティブエリアを通る電流を、アクティブ層のこの場合円形の定義エリアに制限するために、閉じ込め層250が使用される。閉じ込め層250はメサのエッチング後に閉じ込め層250の側方酸化により処理される円形ホールを伴う電気的に基本的に非導電性の酸化物エリアを有する。閉じ込め層250はこの場合アクティブ層260の上に配置される。閉じ込め層はボトムDBR230若しくはトップDBR240内に位置付けられてもよい。層の機能に影響を及ぼすことなく、層の配置のバリエーションが当業者に周知である。レーザデバイス100は、半導体空気界面242、トップDBR240の上層の面が、規定入力電力で駆動されるときに定常波パターンの波節に配置されるように、設計される。半導体空気界面242をレーザキャビティにおける光学場の定常波パターンの波節に、又は少なくとも波腹から十分に離して設計することは、半導体空気界面242の劣化の場合に、規定入力電力で駆動されるときに規定立体角においてレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらす。半導体空気界面242の劣化はトップDBR240の反射性を増すので、より少ないレーザパワーが発せられる。さらに、反射率と入射角の関数関係のために、半導体空気界面の"波節‐位置"は小さい放射角での低次モードに対するアウトカップリングを最大化する。かかる層の劣化は放射角を増加し、従って規定立体角において発せられる最大光学パワーを減少させる。

0041

図5は第2の実施形態にかかるメサ120に埋め込まれる光学共振器を示すVCSELの断面を示す。半導体層構造は図4に示す第1の実施形態とかなり類似する。トップDBR240は約1E18のドーピングノードの低ドープp‐DBRである。低ドープp‐DBRは比較的低ドープのキャップ/サブキャップ構造(<1E19)(不図示)と組み合わせてリング状電流注入をもたらす。これはリング状モードに好都合であり、従って発光を広げる。加えて酸化ケイ素及び窒化ケイ素層層シーケンスを有する保護コーティング280がトップDBR240の上層の上に設けられる。保護コーティング280はメサ120の半導体層構造の劣化を妨げる。さらに、トップDBR240の上層の面は図4に記載の通り定常波パターンの波節位置に配置される。発光波長の半分の厚さを伴う保護コーティング280の損傷及びその後の"新たな"半導体空気界面242の劣化は、従って規定立体角において発せられる最大光学パワーを減少させる。

0042

図6は第1の実施形態にかかる光学センサ300の断面を示す。光学センサ300はレーザデバイス100、透過窓310、及びレーザデバイス100を電気的に駆動するための駆動回路320を有する。駆動回路320は規定方法でレーザデバイス100へ電力を供給するためにレーザデバイス100へ電気的に接続される。駆動回路320は駆動回路320を作動させるデータと命令を保存するためのメモリデバイスと、駆動回路320を作動させるデータと命令を実行するための処理ユニットとを有する。光学センサ300は光検出器350と評価器360をさらに有する。光検出器350はこの場合フォトダイオードであるが、レーザデバイスによる放射レーザ光を検出するために使用され得る好適には任意の半導体デバイスであり得る。光検出器350はレーザにより発せられる光子に対し可能な限り高感度であるべきであり、高速測定時間を持つべきである。好適な技術は例えばアバランシェフォトダイオード若しくはさらにいわゆるSPAD単一光子アバランシェダイオード)並びにそのアレイである。評価器360はメモリチップのような少なくとも1のメモリデバイスとマイクロプロセッサのような少なくとも1の処理デバイスとを有する。評価器360は放射レーザ光315がレーザパルスの形で拡張キャビティを離れる時間t1を決定するために、駆動回路320から、及びオプションとしてレーザデバイス100からデータを受信するように適応される。評価器360はさらにこの時間t1と、駆動回路320を用いて提供される繰り返し率に基づいて、フォトダイオードにより検出される反射レーザ光317が時間t1において発せられるレーザパルスを起源とするかどうか決定する。反射レーザ光317がレーザパルスを起源とする場合、時間t2が記録され、レーザパルスを反射したオブジェクトへの距離が飛行時間Δt=t2−t1及びレーザパルスの速度cを用いて計算される。放射レーザ光315の小部分が透過窓310において反射され、制御信号319として使用される。制御信号319は反射レーザ光317よりもかなり早く光検出器350を用いて受信される。評価器360は従って制御信号319及び反射レーザ光317の受信間を区別することができる。受信制御信号319の信号強度は、評価器360を用いて、評価器360のメモリデバイスに保存される基準信号強度と比較される。光学センサ300の目の安全性を保証するため、評価器360は受信制御信号319の信号強度が、基準信号強度に基づく閾値を超えるとすぐに、駆動回路320へパワー低減信号を送信する。

0043

制御信号319と反射レーザ光317の受信間の時間はかなり短くなり得る。従って放射レーザ光315から独立して個別制御信号319を使用することが好都合であり得る。個別制御信号319は放射レーザ光315の2レーザパルス間に発せられる非常に短いレーザパルスであり得る。さらに、制御信号319の信号強度が十分に高くなるように透過窓310においてフィードバック構造を組み込むことが好都合であり得る。フィードバック構造は、例えば、透過窓310の面の残りに対して傾斜した透過窓310の面の小ピースであり得る。位置及び傾斜角度は制御信号319が光検出器350へ方向付けられるように選ばれる。

0044

図7は光学センサ300を有するモバイル通信デバイス400の主要スケッチを示す。光学センサ300は、例えば、モバイル通信デバイス400上で実行するソフトウェアアプリケーションと組み合わせて使用され得る。ソフトウェアアプリケーションはセンシング応用のために光学センサ300を使用し得る。かかるセンシング応用は距離検出のための飛行時間測定、カメラオートフォーカス、シーン若しくはジェスチャベースユーザインターフェースの3‐Dイメージングであり得る。

0045

図8はレーザデバイス100を製造する方法の主要スケッチを示す。ステップ510において2から6のメサが1の半導体チップ110上に設けられる。メサ120は、規定入力電力がメサ120へ供給される場合にメサが同時にレーザ光を発するよう、ステップ520において電気的に並列に接続される。レーザデバイスの目の安全性が維持されるよう、レーザデバイス100はステップ530において、少なくとも1のメサ120の劣化が、規定入力電力で駆動されるときにレーザデバイスにより発せられるレーザパワーの減少をもたらすように適応される。レーザデバイス100は、例えば、規定入力電力で駆動されるときに光学共振器における定常波パターンの波節に半導体空気界面242を設けることにより適応され得る。

0046

2から6のメサ120を有するレーザデバイス100を提供することが本発明の基本的アイデアであり、レーザデバイス100はレーザデバイス100の寿命中にレーザデバイス100の目の安全性が保証されるように適応される。目の安全性は、層構造の1以上の層の劣化が、規定立体角において発せられる最大光学パワーの低減をもたらすような方法で、レーザデバイス100のメサ120の半導体構造若しくはより一般的に層構造を設計することにより、保証され得る。代替的に若しくは付加的に、レーザデバイス100へ供給される入力電力は、安全性限界が超えられないよう、放射光学パワーに依存して制御され適応され得る。

0047

本発明は図面及び上記説明において詳細に図示され記載されているが、かかる図示と記載は例示若しくは説明であって限定ではないとみなされるものとする。

0048

本開示を読むことで、他の修正が当業者に明らかになる。かかる修正は本明細書に既に記載の特徴の代わりに若しくはそれに加えて使用され得る、当技術分野で既知の他の特徴を含み得る。

0049

開示の実施形態への変更は、図面、開示、及び添付の請求項の考察から当業者により理解されもたらされることができる。請求項において"有する"という後は他の要素若しくはステップを除外せず、不定詞"a"若しくは"an"は複数の要素若しくはステップを除外しない。所定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。

0050

請求項における任意の参照符号はその範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

0051

100レーザデバイス
110半導体チップ
120メサ
125レーザファセット
131 第1のコンタクトエリア
132 第2のコンタクトエリア
135絶縁層
140トレンチ
160ボンディングエリア
210ボトム電極
220リング電極
230ボトムDBR
240トップDBR
250閉じ込め層
260アクティブ層
270基板
280保護コーティング
300光学センサ
310透過窓
315放射レーザ光
317反射レーザ光
319制御信号
320駆動回路
350光検出器
360評価器
400モバイル通信デバイス
510 メサを設けるステップ
520 メサを電気的に接続するステップ
530 レーザデバイスを適応させるステップ

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