JP5451632B2 - 一体化されたフォトトランジスタを備えた半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、２つのレイヤシーケンス間に組み込まれた活性領域を含む層構造を有し、且つレーザ内で共振する光場（オプティカルフィールド）の強度を測定するように構成された光検出器を有する半導体レーザ、特に、垂直キャビティ面発光レーザ（vertical cavity surface emitting laser；ＶＣＳＥＬ）に関する。本発明は更に、このような半導体レーザを含み且つ距離及び／又は動きを測定する光センサモジュールに関する。

提案する半導体レーザの重要な用途は、距離及び／又は動きを測定する光センサモジュール内での使用である。そのような光センサモジュールは、測定用の測定ビームを生成するレーザキャビティを有するレーザと、作用平面内に測定ビームを集光し、且つ物体によって反射された測定ビームの放射線をレーザキャビティ内に集光して自己混合効果を生じさせる集光手段と、放射線感知検出器及びそれに付随する信号処理回路を有する自己混合効果を測定する手段と、を含む少なくとも１つの光センサを有する。このような光センサモジュールは、物体と当該装置との相対的な動きに基づく光学式入力装置に含められ得るが、様々な種類の測定装置の部分を形成してもよい。

特許文献１は、自己混合効果を利用する光学式入力装置を開示している。レーザの自己混合は、外部レーザキャビティが得られるように外部反射体すなわち物体がレーザの前面に配置される場合に発生する。入力装置の場合、当該装置と、ヒトの指又はデスクの表面であり得る物体すなわち反射体との相対的な動きが、外部キャビティのチューニングを引き起こす。そのようなチューニングは、レーザの平衡条件の再調整をもたらし、ひいては、レーザ出力パワーに検出可能な変化を生じさせる。これらの変化、すなわち、うねりは、物体の変位の関数として、光ビームの軸に沿ったレーザ光線の半波長に等しい距離で反復される。このことは、レーザのうねりの周波数が外部反射体の速度に比例することを意味する。

レーザの自己混合に基づく測定装置は高い感度ひいては高い精度を示す。これは、反射されて再びレーザキャビティに入るレーザ光線が、レーザの周波数を決定し、且つそれ故にレーザキャビティ内で増幅される、という事実によるものであるとし得る。斯くして、光フィルタのような更なる手段又は干渉計などの複雑な装置を用いることなく、高い受信器感度が得られる。２つのダイオードレーザを備えたこのタイプの光学式入力装置は、２つの互いに垂直な（ｘ及びｙ）方向と任意の中間方向とにおいて、当該装置と物体との相対的な動きの測定を可能にする。このような装置は、例えばディスプレー上のアイコンを選択するために、ディスプレーパネルを横切ってカーソルをナビゲートあるいは移動するために使用され得る。

特許文献２は、垂直マイクロキャビティ発光デバイスの出力制御を開示している。このデバイスは、２つのＤＢＲスタックの間に組み込まれたＶＣＳＥＬ型ダイオードレーザを含み、一方のＤＢＲスタックにフォトトランジスタが組み込まれている。レーザキャビティ内部の光場の強度を測定するものであるフォトトランジスタの出力を用いて、出力パワーを、一定レベルを達成すべく制御することができる。特許文献２のデバイスは、自己混合効果を利用するものではなく、また、物体からの測定放射線を測定信号に変換するように設計されたものでもない。このモジュールのヘテロ接合フォトトランジスタは、量子井戸を含む層を有する。この量子井戸は、自然放出のブロードな波長域ではなく、誘導放出の所望のレーザ波長を有する放射線のみを検出するよう、フォトトランジスタの波長選択性を高める。この量子井戸により、フォトトランジスタの利得は大きいものとなっている。しかしながら、このようなデバイスは、自己混合効果を用いて高精度に距離及び／又は動きを測定するような用途に適していない。

米国特許第６７０７０２７号明細書 米国特許第５８９２７８６号明細書

本発明は、自己混合効果を利用して距離及び／又は動きを測定する半導体レーザ及び光モジュールを提供することを目的とする。この光モジュールは、その内部で半導体レーザを使用することができ、また、既知のモジュールより容易に、低コスト且つ小型に製造される。

上記目的は、請求項１に記載の半導体レーザ及び請求項７に記載の光センサモジュールによって達成される。この半導体レーザ及び光センサモジュールの有利な実施形態を、従属請求項にて規定し、あるいは以下の説明及び好適実施形態の部分にて記載する。提案する半導体レーザは、以下ではレイヤスタックとも呼ぶ２つのレイヤシーケンスの間に組み込まれた活性領域を含む層構造と、当該レーザ内で共振する光場の強度を測定するように構成された光検出器とを有する。光検出器は、エミッタ層、コレクタ層及びベース層を有するフォトトランジスタであり、エミッタ層、コレクタ層及びベース層の各々は、バルク層であり且つレイヤシーケンスの一方の一部を形成する。

半導体レーザは、レーザキャビティの２つのエンドミラーを形成する２つのレイヤスタックを有する垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。これらのエンドミラーは、例えば、分布ブラッグ反射鏡（distributed Bragg reflector；ＤＢＲ）とし得る。

提案する半導体レーザにおいては、何れもバルク層であるエミッタ層、コレクタ層及びベース層を有するフォトトランジスタが、レイヤスタックすなわちレイヤシーケンスの一方内に組み込まれる。バルク層は、例えば量子井戸構造などの如何なる付加的な構造をも含まない層を意味するものとして理解される。活性領域は、その中でレーザ放射が生成される領域又は層を意味するものとして理解される。

本発明は、自己混合効果を用いて距離及び／又は動きを測定する測定装置に使用される光モジュールでは、測定装置の高い感度及び精度を達成するために、特許文献２にて提案されたような量子井戸は排除されるべきであるとの見識に基づく。

提案する半導体レーザにおいて、フォトトランジスタの光電流は、システムの信号対雑音比を制限するショットノイズに打ち勝つのに十分な大きさにされるべきである。一方で、トランジスタの利得は、余分なフォトトランジスタ電流を回避するために低くされるべきである。換言すれば、フォトトランジスタのベース電流を高くし、余分なコレクタ電流を回避するようにトランジスタが低い利得係数、好ましくは１と１０との間、を有するようにすべきである。故に、ベース、エミッタ及びコレクタのレイヤ群は、活性領域の近く、すなわち、半導体レーザの層の近くに配置される。フォトトランジスタは、光場の強度が活性領域の近傍で得られるＶＣＳＥＬのピーク強度の少なくとも１０％（３％でも十分であり得る）を依然として超えるようなレイヤスタック部分内に配置される。この方策により、誘導放出と自然放出との間の比が実質的に増大され、その結果、波長選択性が小さい問題となる。また、活性領域の近くでの光子強度は、ショットノイズ限界を打破するのに十分高い光電流を提供するのに十分な高さである。一実施形態において、フォトトランジスタは、レイヤシーケンスの２つの半分部分のうちの、発生領域に対して他方の半分部分よりも近くに位置する半分部分内に配置される。好ましくは、フォトトランジスタは、活性層に近い方のｎ側ＤＢＲ部分であるｎ側ＤＢＲの上側の半分内に配置される。

提案する半導体レーザがＶＣＳＥＬを形成するように設計されるとき、フォトトランジスタのレイヤ群は、レーザキャビティのエンドミラーを形成するレイヤスタックの一方内に既に存在するレイヤ群で形成される。これらの層が、フォトトランジスタのベース層、コレクタ層及びエミッタ層を形成するのに適したバンドギャップを有するようにドープされるのみである。好ましくは、コレクタ層は高バンドギャップ材料で形成され、ベース層及びエミッタ層は低バンドギャップ材料で形成される。低バンドギャップ材料とは、レーザキャビティ内で共振する光場の光子エネルギーより低いバンドギャップを有する材料である。一方、高バンドギャップ材料とは、該光子エネルギーより高い、典型的には相当に高い、バンドギャップを有する材料である。ベース及びエミッタの領域全体に関し、好ましくは、層の厚さは光波長の１／４に等しく選択され、層の位置は、ベースが光場強度のピーク位置にあり且つエミッタが光場のゼロ点にあるようにされる。

提案するフォトトランジスタ構造を有する半導体レーザは、バルク層のみが用いられるので、低コストで製造されることが可能である。また、フォトトランジスタを有しない半導体レーザと異なり、如何なる追加の層も堆積される必要がない。本発明は、このような層のレイヤスタック内に既に含まれるレイヤ群を使用する。該当するレイヤスタックの関係のあるレイヤ群の材料のバンドギャップを適応させることにより、これらの層はフォトトランジスタを形成するように構成されることが可能であり、その結果、上述のように如何なる追加の層も必要とされず、且つモジュールの製造がより容易になる。通常、フォトトランジスタが組み込まれるレイヤスタックは、分布ブラッグ反射鏡のレイヤスタックである。フォトダイオードの代わりにフォトトランジスタを用いることにより、トランジスタの増幅を有利に使用することができ、フォトダイオードと比較して改善された信号が得られる。さらに、フォトダイオードのアノードを形成し、フォトトランジスタの場合にはベースを形成するｐ層には追加のコンタクトは必要とされない。

半導体レーザの一実施形態において、フォトトランジスタのエミッタ層はグランド電位に設定される。これはレーザ電流のグランドコンタクト及びフォトトランジスタのグランド端子を提供するので、レーザのアノード及びフォトトランジスタのコレクタの双方を、グランドに対して正の電圧で駆動することができ、電力供給方式が単純化される。

更なる一実施形態において、半導体レーザは頂面発光ダイオードであるように設計され、この頂面発光ダイオードレーザの主放射面の反対側に配置されたｎ型リフレクタを形成するレイヤシーケンス内にフォトトランジスタが組み込まれる。また、この実施形態において、コレクタ領域は好ましくは高バンドギャップ材料内に形成され、ベース及びエミッタの領域は何れも低バンドギャップ材料内、すなわち、光子吸収が起こることを可能にするのに十分な低さのバンドギャップの材料内に形成される。

提案する光モジュールは、測定ビームを放射する少なくとも１つの上述の半導体レーザを有する。測定ビームは、物体によって反射されたとき、レーザキャビティに再び入射し、フォトトランジスタによって測定される自己混合効果を生じさせる。距離及び／又は動きを測定するこのような光測定モジュールはまた、フォトトランジスタの測定信号に基づいて距離及び／又は動きを計算する適当な信号処理回路を含み、あるいは、そのような信号処理回路と接続される。本発明に従ったセンサモジュールは入力装置の小型化及び低コスト化を可能にし、それにより適用分野を拡大するので、このような光モジュールは、入力装置に組み込まれ、あるいは入力装置を含む機器に組み込まれ得る。機器内にこのような入力装置を含むことは、コスト及び空間を削減するのみでなく、より大きい設計の自由度を設計者に提供する。本発明が実装された入力装置は、ＶＣＳＥＬ及びフォトトランジスタの一体化された構造を除いて、特許文献１に記載されたレーザ自己混合デバイスと同じ構成を有してもよい（特許文献１をここに援用する）。上述の入力装置を使用し得る機器は、例えば、デスクトップコンピュータのマウス、ノート型コンピュータ、移動式電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、及び手持ち式のゲームコントローラである。本発明はまた、例えば物体までの距離若しくは物体の動き、液体の動き、及び液体内に組み込まれた粒子の動きなどを測定する職業上の測定機器に使用されることも可能である。概して、本発明は、レーザ自己混合を利用することが可能な如何なる用途にも使用され得る。

以下に記載の実施形態を参照することにより、本発明のこれら及びその他の態様が明らかになるであろう。

以下、提案する半導体レーザを、添付の図面を参照して例として説明する。以下の説明は、請求項により定められる保護範囲を限定するものではない。
本発明にて使用され得るＶＣＳＥＬレーザの典型的な一構成を示す図である。 本発明の一例に従ったＶＣＳＥＬのｎ側ミラー内の光場に対するフォトトランジスタの位置を示す概略図である。 入力装置の一例を示す断面図である。

図１は、本発明に使用され得るＶＣＳＥＬの基本設計を概略的に示している。ＶＣＳＥＬは、下部レイヤスタック１と、上部レイヤスタック２と、これらの間に組み込まれた活性層３とを有している。このＶＣＳＥＬは基板４上に形成されている。基板４は冷却機能をも有し得る。下部及び上部のレイヤスタックは、典型的に、ｐ型及びｎ型のＤＢＲを形成するように設計される。これら２つのＤＢＲはレーザキャビティのエンドミラーであり、上部ｐ型ＤＢＲは、出力カップリングミラーとして機能するよう、例えば生成レーザ光線に対して９８％の反射率を有するなど、部分的に透過性であるように形成される。上部ｐ型ＤＢＲ及び下部ｎ型ＤＢＲは、典型的に、高屈折率のＧａＡｓ層と低屈折率のＡｌＡｓ層とが交互に重ねられた複数の層からなる。ＧａＡｓ層は、材料のバンドギャップが光子エネルギーより大きくなるよう、低いＡｌ含有率（Ａｌ％）を有する。

この例において、フォトトランジスタは、ＶＣＳＥＬのｎ側ミラー（ｎ型ＤＢＲ）である下部レイヤスタック１内に組み込まれる。図２は、このミラー内の光場に対するフォトトランジスタの位置を示している。

ＶＣＳＥＬのｎドープミラー内のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ接合の位置に、フォトトランジスタのベースを形成するように薄いｐドープ層が配置される。図２の上側の線は材料の屈折率を表しており、屈折率は、低い％のＡｌを含有するＡｌＧａＡｓにて高く、１／４波長厚の層である高い％のＡｌを含有するＡｌＧａＡｓ層（すなわちＡｌＡｓ）にて低くなっている。フォトトランジスタ層は、光子が電子正孔対を生成し得るようにＧａＡｓからなる。電子はベースｂから、主として、やはりＧａＡｓ材料内に形成されるエミッタｅに拡散する。１／４波長厚のＧａＡｓ層の総厚は約６０ｎｍであり、そのうち、ＡｌＡｓのｎドープコレクタ層ｃに隣接する３０ｎｍがｐドープされる。エミッタｅは、エミッタｅがベースより高いバンドギャップを有する場合に生じるバンドエッジの段差に起因する電流利得の増大を防止するため、ベースｂと同一のバンドギャップを有する。図２はまた、伝導帯エネルギー（Ｅｃ）及び価電子帯エネルギー（Ｅｖ）を模式的に示している。これらは、場の印加なしでのアンドープ材料の特性を表す。

図２の下側部分には光強度プロファイルが示されている。この図から見て取れるように、光強度は、エミッタＧａＡｓ層内でゼロとなり、その結果、例えエミッタＧａＡｓ層が吸収に十分な低さのバンドギャップを有する場合であっても、光子吸収にあまり寄与しない。一方、ベース領域は光場のピーク位置にあり、有意な光子吸収を有する。ＡｌＡｓコレクタに隣接するベース領域の適切な配置は、不必要な光損失を過大に生じさせることなく、低バンドギャップエミッタの要求（エミッタのバンドギャップが高いとトランジスタの利得を増大させることになる）を単純化し、低利得フォトトランジスタの設計を容易にする。

この実施形態において、低利得の一体型フォトトランジスタは、光子を検出するように、標準的なＶＣＳＥＬにおいて１つのミラー層を異なるようにドーピングし、且つ該ミラー層のＡｌ％を僅かに低減することによって設計されている。これは、非効率的な検出器を形成し、この検出器はミラースタック内で好ましくは、レーザ光子密度がレーザの外部の位置においてよりも遙かに高い活性層に近い位置に置かれる。結果として、意図される光電流は、一体化されたフォトダイオードを備えたＶＣＳＥＬのそれに匹敵するが、不所望の自然放出を検出することは非常に非効率的である。フォトトランジスタはエミッタのｎコンタクトを、レーザのｎコンタクトと共有し、ｐ型のコンタクトは必要とされない。基板が、ＶＣＳＥＬと同一極性のコレクタからの光電流を伝達する。標準的なＶＣＳＥＬの厚さを超えて追加的な層厚を加えることなく、非合金のｎ型コンタクトを用いて、ＶＣＳＥＬ及びフォトトランジスタの双方にコンタクトをとることができる。

図３は、本発明に従った入力装置の一例の断面図である。この装置は、その下側において、半導体レーザの担体であるベース板５を有する。半導体レーザは、この実施形態においては、一体化されたフォトトランジスタを備えた上述のＶＣＳＥＬ型レーザである。図３においては１つのレーザ６のみを見て取れるが、通常、２つの直交する方向の動きを検出することができるよう、ベース板５上に少なくとも第２のレーザが設けられる。レーザはレーザビーム９を放射する。この装置は、その上側において、透明なウィンドウ８を備えており、それを横切って例えばヒトの指である物体１０が動かされる。ダイオードレーザ６とウィンドウ８との間には、例えば平凸レンズであるレンズ７が配置されている。このレンズは、レーザビーム９の焦点を、透明ウィンドウの上面又はその付近に合わせる。この位置に物体が存在する場合、その物体がビーム９を散乱する。ビーム９の放射線の一部は、レーザ６の方向に散乱される。この部分は、レンズ７によって、レーザ６の放射面上に集光され、該レーザのキャビティに再び入る。キャビティ内に戻った放射線は、このキャビティ内に変化を誘起し、それにより、とりわけ、レーザ６によって放射されるレーザ光線の強度に変化が生じる。この変化は、該レーザのフォトトランジスタによって検出されることが可能である。フォトトランジスタは、放射線の変動を電気信号へと変換し、この電気信号を、この信号を処理する電子回路１１に与える。

図面及び以上の説明にて、本発明を例示し、詳細に説明した。これらの例示及び説明は、限定的なものではなく、例示的あるいは代表的なものと見なされるべきである。すなわち、本発明は開示の実施形態に限定されるものではない。以上の説明及び請求項に記載した異なる複数の実施形態が組み合わされてもよい。請求項に記載の発明を実施する際、図面、明細書及び特許請求の範囲による教示を受けて、開示の実施形態へのその他の変形が当業者によって理解され、実現され得る。例えば、使用されるＶＣＳＥＬは、その他の材料層を有していてもよいし、技術的に知られた底面発光型のレーザであってもよい。また、半導体レーザは、外部共振器型垂直面発光レーザ（vertical extended cavity surface emitting laser；ＶＥＣＳＥＬ）として設計されてもよい。レイヤスタック内の層の数は、本発明では制限されない。この数は、要求されるレイヤスタックの光学特性に適するように選択することができる。

請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。複数の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを指し示すものではない。請求項中の参照符号は、請求項の範囲を限定するものとして解されるべきでない。

１ 下部レイヤシーケンス
２ 上部レイヤシーケンス
３ 活性領域
４ 基板
５ ベース板
６ レーザ
７ レンズ
８ 透明ウィンドウ
９ レーザビーム
１０ 物体
１１ 電子回路
ｅ エミッタ
ｂ ベース
ｃ コレクタ

Claims (8)

1. 垂直キャビティ面発光レーザであって、
   ２つのレイヤシーケンスの間に組み込まれた活性領域を含む層構造と、当該レーザ内で共振する光場の強度を測定するように構成された光検出器とを有し、
   前記光検出器は、エミッタ層、コレクタ層及びベース層を有するフォトトランジスタであり、前記エミッタ層、コレクタ層及びベース層の各々は、バルク層であり且つ前記レイヤシーケンスの一方の一部を形成し、
   前記フォトトランジスタは、前記レイヤシーケンスの、前記光場の強度が前記活性領域の近傍で得られるピーク強度の１０％を超える部分内に配置され、
   前記２つのレイヤシーケンスは、当該レーザのエンドミラーを形成するように設計され、且つ前記エミッタ層、前記コレクタ層及び前記ベース層は、前記レイヤシーケンスのレイヤ群のバンドギャップを適応させることによって形成される、
   垂直キャビティ面発光レーザ。
2. 前記フォトトランジスタは、前記レイヤシーケンスの２つの半分部分のうちの、前記活性領域に近い方に位置する半分部分内に配置される、
   請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザ。
3. 前記コレクタ層は高バンドギャップ材料で形成され、前記ベース層及び前記エミッタ層は、当該レーザ内で共振する前記光場の光子エネルギーより低いバンドギャップを有する低バンドギャップ材料で形成される、
   請求項２に記載の垂直キャビティ面発光レーザ。
4. 前記エミッタ層はグランド電位に設定される、
   請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザ。
5. 前記ベース層と前記エミッタ層とによって形成される領域の厚さは、前記光場の光波長の１／４に等しく、該領域は、前記ベース層が光場強度のピーク位置にあり且つ前記エミッタ層が前記光場のゼロ点にあるように配置される、
   請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザ。
6. 請求項１に記載の垂直キャビティ面発光レーザを少なくとも１つ含む、距離及び／又は動きを測定する光センサモジュールであって、
   前記レーザは測定ビームを放射し、該測定ビームは、物体によって反射されたとき、前記レーザのキャビティに再び入射し、前記フォトトランジスタによって測定される自己混合効果を生じさせる、
   光センサモジュール。
7. 入力装置、又は入力装置を備えた機器であって、前記入力装置は請求項６に記載の光センサモジュールを含む、入力装置、又は入力装置を備えた機器。
8. 請求項６に記載の光センサモジュールを含む測定装置。
   

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