(57)【要約】  本発明は、共通の半導体基板（101）上に配置された2個、3個、4個またはそれ以上のVCSEL（130）を備えるVCSELアレイ（100）において、ウェーハレベルに集積された1つの共通光学構造（140）であって、レーザ光（10）を被変換レーザ光（150）に変換して基準面で連続照明パターン（20）を提供することができるように構成され、照明パターン（20）のサイズを、共通光学構造（140）なしで提供することができる変換されていない照明パターンと比較して、拡大するように構成され、各VCSEL（130）が照明パターン（20）のセクタ（21）を照明するように配置されていて、各セクタ（21）が照明パターン（20）よりも小さいようにさらに構成される共通光学構造（140）をさらに備えるVCSELアレイ（100）を説明する。本発明は、そのようなVCSELアレイ（100）を備える照明デバイスと、そのような照明デバイスを備えるＴＯＦカメラ（200）と、VCSELアレイ（100）の製造方法とをさらに説明する。【選択図】  図７
2020532126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の半導体基板（101）上に配置された2個、3個、4個またはそれ以上のVCSEL（130）を備えるVCSELアレイ（100）であって、
前記VCSELアレイ（100）が、ウェーハレベルに集積された1つの共通光学構造（140）をさらに備え、
前記共通光学構造（140）が、レーザ光（10）を被変換レーザ光（150）に変換して基準面で連続照明パターン（20）を提供することができるように構成され、
前記共通光学構造（140）が、前記照明パターン（20）のサイズを、前記共通光学構造（140）なしで提供することができる変換されていない照明パターンと比較して、前記基準面で拡大するように構成され、
前記共通光学構造（140）が、各VCSEL（130）が前記照明パターン（20）のセクタ（21）を照明するように配置されていて、各セクタ（21）が前記照明パターン（20）よりも小さいように、さらに構成され、
前記共通光学構造（140）が、前記半導体基板（101）より上の高さが異なる共通光学構造（140）のサブ表面が互いに隣接して配置されるような段差を備え、
前記共通光学構造（140）が、プリズム構造またはフレネル構造であり、
各VCSEL（130）が前記共通光学構造（140）のサブ表面に関連付けられ、
各VCSEL（130）が前記段差のうちの1つを照明することなく前記共通光学構造（140）の前記それぞれのサブ表面の一部のみを照明するように、各VCSEL（130）間の距離および前記共通光学構造（140）の前記それぞれのサブ表面のサイズが構成され、
前記VCSELアレイ（100）が、マイクロレンズアレイ（143）を備え、且つ、
各VCSEL（130）がマイクロレンズに関連付けられていて、前記マイクロレンズが前記レーザ光（10）を前記共通光学構造（140）通過後にコリメートするように構成されている、VCSELアレイ（100）。
【請求項２】
前記共通光学構造（140）が、前記VCSEL（130）の発光面の上方に構成された連続構造である、請求項1に記載のVCSCLアレイ（100）。
【請求項３】
各VCSEL（130）が、前記半導体基板（101）を通して前記レーザ光（10）を放出するように構成された底面発光型であり、前記共通光学構造が、前記VCSEL（130）に対して反対側に配置される前記半導体基板（101）の表面上に設けられる、請求項1または2のいずれか一項に記載のVCSELアレイ（100）。
【請求項４】
前記共通光学構造が前記VCSELアレイ（100）の前記半導体構造に集積される、請求項3に記載のVCSELアレイ（100）。
【請求項５】
各VCSEL（130）が前記半導体基板（101）から離れる方向に前記レーザ光（10）を放出するように構成される上面発光型であり、前記共通光学構造（140）がVCSELアレイの半導体層構造の上面に設けられた材料を含み、前記材料が前記レーザ光（10）の波長範囲で透明である、請求項1または2のいずれか一項に記載のVCSELアレイ（100）。
【請求項６】
各VCSEL（130）が底面発光型であり、前記共通光学構造（140）が前記半導体基板（101）にエッチングされ、前記共通光学構造（140）が段差を備えて、前記半導体基板（101）より上の高さが異なる前記共通光学構造（140）のサブ表面が互いに隣接して配置され、各VCSEL（130）が前記共通光学構造（140）のサブ表面に関連付けられ、各VCSEL（130）が前記段差のうちの1つを照明することなく前記共通光学構造（140）の前記それぞれのサブ表面の一部のみを照明するように、各VCSEL（130）間の距離および前記共通光学構造（140）の前記それぞれのサブ表面のサイズが構成され、前記マイクロレンズアレイ（143）が透明キャリアに集積され、前記透明キャリアが前記半導体基板（101）に機械的に結合される、請求項1に記載のVCSELアレイ（100）。
【請求項７】
前記VCSEL（130）の少なくとも一部が、個別に制御されてレーザ光（10）を放出するように構成される、請求項1から6のいずれか一項に記載のVCSELアレイ（100）。
【請求項８】
請求項1から7のいずれか一項に記載の少なくとも1つのVCSEL（100）アレイと、前記VCSEL（130）に駆動電流を供給する電力ドライバ（230）とを備える発光デバイス。
【請求項９】
請求項8に記載の前記発光デバイスと、対象物（300）によって反射される被変換レーザ光（150）を検出する光検出器（221）とを備え、評価器が、前記光検出器（221）によって検出される前記被変換レーザ光（150）を用いて前記対象物（300）までの距離を決定するように構成される、ＴＯＦカメラ。
【請求項１０】
半導体基板（101）を提供するステップと、
前記半導体基板（101）上に少なくとも2個のVCSEL（130）を設けるステップと、
ウェーハレベルに共通光学構造（140）を集積するステップと、
前記レーザ光（10）を被変換レーザ光（150）に変換して前記基準面で前記照明パターン（20）を提供することができるように構成するステップであって、前記共通光学構造（140）が、連続照明パターン（20）を、基準面で前記共通光学構造（140）なしで提供することができる変換されていない照明パターンと比較して、拡大するように構成され、前記共通光学構造（140）が、各VCSEL（130）が前記照明パターン（20）のセクタ（21）を提供するように配置されていて、各セクタ（21）が前記照明パターン（20）よりも小さいようにさらに構成され、前記共通光学構造（140）が、前記半導体基板（101）より上の高さが異なる前記共通光学構造（140）のサブ表面が互いに隣接して配置されるような段差を備え、且つ、前記共通光学構造（140）が、プリズム構造またはフレネル構造である、ステップと、
各VCSEL（130）を前記共通光学構造（140）のサブ表面に関連付けるステップと、
各VCSEL（130）が前記段差のうちの1つを照明することなく前記共通光学構造（140）の前記それぞれのサブ表面の一部のみを照明するように、各VCSEL（130）間の距離および前記共通光学構造（140）の前記それぞれのサブ表面のサイズを構成するステップと、
マイクロレンズアレイ（143）を提供するステップと、
各VCSEL（130）をマイクロレンズに関連付けるステップと、
前記レーザ光（10）を前記共通光学構造（140）通過後にコリメートするように前記マイクロレンズを構成するステップと、
を含む、VCSELアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通のウェーハレベル集積光学デバイスを有する垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）アレイ、そのようなVCSELアレイを備える照明デバイス、そのような照明デバイスを備えるＴＯＦカメラ、およびVCSELアレイの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
VCSELアレイを備えるレーザ装置は、赤外線発光デバイスに使用することができる。例えば、短パルスVCSELアレイの使用は、飛行時間型の用途に適用される。そのような用途には、例えばポータブルデバイス用の短距離ジェスチャ認識および3D空間認識が含まれる。1〜10W範囲の出力を有する面積約1mm2のVCSELアレイが、そのような用途のために検討される。具体的な照明分野または視野は、用途によって定義される（例えば70°×50°を観測する、例えばＴＯＦカメラ（time of flight camera））。
【０００３】
米国特許出願公開第2016／0164261（A1）号明細書は、マルチゾーン発光デバイスにより視野のさまざまなゾーンを選択的に照明する方法、デバイスおよびシステムを開示する。マルチゾーン照明器は、複数の垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）と、個別のまたはグループのVCSELの開口部に位置合わせされた複数のマイクロ光学デバイスとを含むことができ、個別に起動されてイメージセンサの視野のさまざまなゾーンに調整可能な照明を提供するように構成される。
【０００４】
米国特許出願第2017／033535（A1）号明細書は、単一のレーザ発光エピタキシャル構造の各レーザ領域が、単一のレーザ発光エピタキシャル構造の他のレーザ領域に対して、単一のレーザ発光エピタキシャル構造自体内で電気的に絶縁されている、複数のレーザ領域を含む単一のレーザ発光エピタキシャル構造と、レーザ領域に電流を供給するように構成された電気導波路とを含む装置を開示する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、共通のウェーハスケール光学要素を有する改良されたVCSELアレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明を独立請求項に記載する。好ましい実施形態は、従属請求項に記載されるか、本説明の以降の部分に記載される。
【０００７】
第1の態様によれば、VCSELアレイが提供される。VCSELアレイは、共通の半導体基板上に配置された2個、3個、4個またはそれ以上のVCSELを備える。VCSELアレイは、ウェーハレベルに集積された1つの共通光学構造をさらに備える。共通光学構造は、レーザ光を変換して基準面を照明することができるように構成される。共通光学構造は、レーザ光を被変換レーザ光に変換して基準面で連続照明パターンを提供することができるように構成される。共通光学構造は、共通光学構造なしで提供することができる変換されていない照明パターンと比較して、照明パターンのサイズを拡大するように構成される。照明パターンは、ISO規格11146‐1：2005に従って増加または拡大することができる。ISO規格  11146‐1：2005は、参照により組み込まれる。共通光学構造は、各VCSELが照明パターンのセクタを照明するように配置されていて、各セクタが照明パターンよりも小さいように、さらに構成される。
【０００８】
共通光学構造は、単一のVCSELアレイを分離する前に、多数のVCSELアレイおよび対応する半導体基板を備える半導体ウェーハの表面に共通光学構造を結合することによって、ウェーハレベルに集積される。共通光学構造は、半導体ウェーハの表面に取り外し不能に結合される。共通光学構造は、それぞれのVCSELアレイを損傷せずに除去することができないように、半導体ウェーハの表面に結合されることが好ましい。共通光学構造は、VCSELの処理後、ただし、例えばダイシングによって、単一のVCSELアレイを分離する前に、VCSELアレイに含まれるVCSELの半導体層構造の上面に堆積された（例えば赤外レーザ光に対して）透過性の光学ポリマ（例えばUV硬化性ポリマまたは青色光硬化性ポリマ）で構成されてもよい。あるいは、共通光学構造は、ウェーハの半導体基板にエッチングされてもよい。代替的または付加的には、共通光学構造を含むガラスウェーハが、例えば、透明接着剤または任意の他の適切な接合技術によって、多数のVCSELアレイを含む半導体ウェーハに接合されてもよい。
【０００９】
共通光学構造とは、光学構造が共通の光学機能を提供することを意味する。共通の光学機能は、照明パターンのそれぞれのセクタが照明されるように、対応するVCSELアレイの各VCSELから放出される光を変換することによって特徴づけられる。共通光学構造は、共通光学構造なしでVCSELアレイに含まれるVCSELによって提供することができる生の照明パターンと比較して、照明パターンの広がりを提供する。照明パターンは、段階がないという意味で連続的である。基準面での照明パターンを表す強度分布関数は微分可能である。そのような強度分布の例は、例えば、定義された視野における基準面での本質的に一定の強度、またはそれぞれの視野によって定義された立体角に対する本質的に一定の強度であり得る（これにより、基準面とVCSELアレイの中心とを結ぶ光軸に対する角度に関してコサインの三乗で変化する基準面での強度分布がもたらされる）。VCSELアレイの単一のVCSELによって照明されるセクタは、重複してもよい。
【００１０】
共通光学構造は、VCSELの発光面の上方に構成された連続構造とすることができる。連続構造は、例えば、ポリマの連続「ブロック」、または半導体基板もしくはガラスウェーハにエッチングされた連続表面構造とすることができる。
【００１１】
VCSELは、3μm2〜10000μm2の面積を有する有効レーザ発光領域によって特徴付けられる。VCSELアレイに含まれるVCSEL間のピッチまたは距離は、20μm〜250μmとすることができる。VCSELの密度および／または発光領域のサイズは、照明パターンの強度を適合することができるように、VCSELアレイ内の位置および／またはそれぞれのVCSELによって照明される共通光学構造の形状に応じて異なっていてもよい。
【００１２】
共通光学構造は、半導体基板より上の高さが異なる共通光学構造のサブ表面が互いに隣接して配置されるような段差を備えることができる。共通光学構造の表面は、連続的な共通光学構造の場合、数学的意味で連続的であるが微分不可能なレーザ光を変換する結像面を備えることができる。共通光学構造は、平坦なサブ表面を有するプリズム構造とすることができる。あるいは、共通光学構造は、フレネルレンズのようなフレネル構造であってもよい。この場合、サブ表面は湾曲する。プリズム構造またはフレネル構造の段差により、数学的に連続で微分可能な結像面と比較して、半導体ウェーハの処理表面上方で共通光学構造の構築高さを比較的低くすることが可能になる（図1参照）。構築高さは、好ましくは200μm未満、より好ましくは100μm未満である。段差高さ、およびVCSELまたはVCSELのグループの発光面とそれぞれのサブ表面との間の距離は、VCSELアレイ内の位置に応じて異なっていてもよい。例えば、VCSELまたはVCSELのグループの発光面とそれぞれのサブ表面との間の距離は、VCSELアレイの中心までの距離が増加するにつれて増加してもよい。
【００１３】
共通光学構造の段差は、VCSELから放出される光が段差のうちの1つに当たると光学損失を引き起こす可能性がある。この光は、この段差のために、意図した照明パターンから外れた方向にリダイレクトされる可能性があり、したがって、定義された視野（例えば70°×50°）において照明パターンに寄与しない。したがって、各VCSEL（またはVCSELのサブグループ）を共通光学構造のサブ表面に関連付けてもよい。各VCSEL間の距離および共通光学構造のそれぞれのサブ表面のサイズは、各VCSELが段差のうちの1つを照明することなく共通光学構造のそれぞれのサブ表面の一部のみを照明するように構成される。VCSELの発散角は、通常、VCSELの発光面の表面法線に対して空中に20°である。発散角および発光面のサイズ、ならびにそれぞれのサブ表面までの距離は、共通光学構造の最大高さ（サブ表面とVCSELの発光領域との間の距離）を決定する。さらに、段差に起因する損失を回避するために、VCSELアレイ内のVCSELの配置および意図した照明パターンを考慮する必要がある。VCSELアレイのVCSELは、規則的なパターン（長方形、六角形など）または視野における意図した照明パターンに適合されたパターン（例えば、VCSELアレイ周縁部のVCSELの高強度）で配置することができる。
【００１４】
VCSELアレイのVCSELは、半導体基板を通してレーザ光を放出するように構成される底面発光型とすることができる。この場合、VCSELが設けられる処理表面に対して反対側に配置される半導体基板の表面上に、共通光学構造を設けることができる。
【００１５】
共通光学構造は、特にVCSELアレイの半導体基板にエッチングされて、集積されてもよい。半導体基板の高屈折率（ガリウム砒素n約3．5）は、比較的平坦な外形の共通光学構造を可能にする。半導体基板に共通光学構造を集積した後に、平坦化層が提供されてもよい。
【００１６】
あるいは、半導体基板に接合されたガラスウェーハ上に共通光学構造が設けられてもよい。例えば、共通光学構造は、半導体基板への接合の前または後に、ガラスウェーハにエッチングされてもよい。ガラスウェーハは、例えば、接着されてもよい。
【００１７】
あるいは、VCSELアレイのVCSELは、半導体基板から離れる方向にレーザ光を放出するように構成される上面発光型であってもよい。この実施形態では、共通光学構造は、VCSELアレイの半導体層構造の上面に設けられた透明材料を備えてもよい。材料は、レーザ光の波長範囲で（例えば、750nm〜1200nmの波長範囲で）透明である。透明材料は、上述のようにUV硬化性光学ポリマまたは青色光硬化性光学ポリマであってもよい。透明材料は、VCSELのメサの上面に設けられてもよい。
【００１８】
あるいは、単一のVCSELの発光領域のレベルで本質的に平坦な表面を提供するために、平坦化層が提供されてもよい。共通光学構造の透明材料は、平坦化層の上面に堆積されてもよい。
【００１９】
VCSELアレイは、マイクロレンズアレイをさらに備えることができる。各VCSELはマイクロレンズに関連付けられる。マイクロレンズは、対応するVCSELから放出されるレーザ光を、共通光学構造通過後にコリメートするように構成される。マイクロレンズの焦点距離または光学形状は、VCSELアレイでのそれぞれのVCSELの位置に応じて異なっていてもよい。付加的なマイクロレンズは、意図した視野における照明パターンの強度分布の周縁部での、より急な傾きを可能にする。これにより、効率を改善することができる。
【００２０】
VCSELアレイは、例えば、多数の底面発光VCSELを備えることができる。共通光学構造は、半導体基板にエッチングされる。共通光学構造は段差を備え、共通光学構造のサブ表面は半導体基板の処理表面に平行な基準表面より上の高さが異なる。各VCSELは、共通光学構造のサブ表面に関連付けられる。VCSELアレイのVCSEL間の距離および共通光学構造のそれぞれのサブ表面のサイズは、各VCSELが段差のうちの1つを照明することなく、共通光学構造のそれぞれのサブ表面の一部のみを照明するように構成される。マイクロレンズアレイは、ガラス基板のような透明キャリアに集積することができる。透明キャリアは、半導体基板に機械的に結合される。例えば、透明キャリアは、半導体基板の屈折率と比較して低い屈折率の接着剤によって、共通光学構造の表面に接着されてもよい。あるいは、透明キャリアは、共通光学構造の上面に設けられた低屈折率の平坦化層に接合されてもよい。マイクロレンズは、あるいは、共通光学構造の上面に直接配置されるように半導体基板にエッチングされてもよい。平坦化層は、共通光学構造の上面に設けられてもよい。平坦化層は、半導体基板の屈折率と比較して相対的に低い屈折率によって特徴付けることができる。したがって、共通光学構造の変換特性に関する影響を制限することができ、および／または共通光学構造の設計で考慮することができる。マイクロレンズは、平坦化層に、または平坦化層の上面に提供することができる。例えば、1つまたは複数のさらなる材料層が平坦化層の上面に設けられてもよい。例えば、マイクロレンズは、1つまたは複数のさらなる材料層をエッチングすることによって提供されてもよい。
【００２１】
複数のVCSELの少なくとも一部は、個別に制御されてレーザ光を放出するように構成されてもよい。VCSELアレイの各VCSELまたは2個、3個、4個もしくはそれ以上のVCSELのグループは、定義されたシーケンスで照明パターンの1つまたは複数のセクタを照明するために、個別にオンまたはオフに切り替えられるように構成されてもよい。VCSELアレイは、VCSELまたはVCSELのグループの個別の制御を可能にするために、それぞれの電極を備える。VCSELまたはVCSELのグループ（サブアレイ）の個別の制御により、照明パターン（例えば、暗い隅部を含むセクタでは、より多くの光）または定義された照明シーケンスの電子的調整を可能にすることができる。
【００２２】
第2の態様によれば、発光デバイスが提供される。発光デバイスは、上述のように少なくとも1つのVCSELアレイと、VCSELアレイのVCSELを電気的に駆動する電力ドライバとを備える。発光デバイスは、電力ドライバを制御するための制御信号を提供するコントローラをさらに備えてもよい。例えば、コントローラは、データを格納するストレージデバイスと、格納されたデータに含まれる命令を実行する処理デバイスとを備えることができる。例えば、格納されたデータは、VCSELまたはVCSELのグループに駆動電流を供給するシーケンスを含むことができる。
【００２３】
VCSELアレイまたは照明デバイスは、コンシューマデバイス（例えば
スマートフォン）、自動車および消費者をサポートするための高出力の産業用用途、スマートフォン、ラップトップ、タブレットなどでのジェスチャインタフェースまたは3Dスキャナーのようなポータブルアプリケーション、
ロボット工学、スポーツ、産業、照明などのためのユーザインタフェースまたはインドアナビゲーション、
自動車のミッドレンジ検出のためのハイエンド製品（パークアシスト、安全な市街地走行）、および高出力の産業用用途で使用される可能性がある。
【００２４】
第3の態様によれば、ＴＯＦカメラが提供される。ＴＯＦカメラは、上述の任意の実施形態による発光デバイス、光検出器、光学イメージング構造、および評価器を備える。光学イメージング構造は、対象物によって反射された被変換レーザ光を光検出器に結像するように構成される。評価器は、光検出器により検出された被変換レーザ光の結像を用いて対象物までの距離を決定するように構成される。
【００２５】
第4の態様によれば、上述の任意の実施形態によるVCSELアレイ製造方法が提供される。この方法は、
多数の半導体基板を含む半導体ウェーハを提供するステップと、
それぞれの半導体基板上に少なくとも2個のVCSELを提供するステップと、
ウェーハレベルに共通光学構造を集積するステップと、
被変換レーザ光を基準面で提供するように共通光学構造を構成するステップと
を含み、共通光学構造は、レーザ光を被変換レーザ光に変換して基準面で連続照明パターンを提供することができるように構成され、照明パターンを、共通光学構造なしで提供することができる変換されていない照明パターンと比較して、拡大または拡散するように構成され、各VCSELが照明パターンのセクタを提供するように配置されていて、各セクタが照明パターンよりも小さいようにさらに構成される。
【００２６】
これらのステップは、必ずしも上記の順序で実行される必要はない。
【００２７】
共通光学構造は、研削、ラッピング、エッチング、ソフトクッションインプリントリソグラフィとそれに続くエッチング、ウェーハ上のマスター構造のUV複製とそれに続く半導体基板での複製構造のエッチング転写などの中の、いくつかの方法によって集積することができる。さらに、多数の共通光学構造を備える、例えばガラスウェーハの、半導体ウェーハへのウェーハ接合が使用されてもよい。あるいは、硬化性ポリマを提供し、その後、処理光（例えば、UVまたは青色光）によって処理してもよい。そのようなプロセスの詳細は、例えば、国際公開第2017／055160 A1号パンフレットの2ページ2行目〜5ページ19行目に記載される。さらに、図2〜図10および9ページ20行目〜11ページ20行目の対応する説明は、そのようなプロセスの特別な例を提供する。国際公開第2017／055160 A1号パンフレットの開示は、参照により組み込まれる。
【００２８】
共通光学構造は、上述のように平坦化層で覆われていてもよい。平坦化層は、光学構造の材料よりも低い屈折率によって特徴づけられる。光学構造は、所望の照明パターンを提供するために、平坦化層の屈折率に対して設計されてもよい。平坦化層は、光学構造によって引き起こされる表面の不規則性を滑らかにするために使用されてもよい。平坦化層は、シリコーン、エポキシ、ポリイミド、SiNなどのような材料を含んでもよい。光学構造の製造に使用される半導体層構造（半導体基板または、1つもしくは複数の半導体層）の屈折率と平坦化層の屈折率との差は、多数の用途に照明パターンを提供するのに十分である。平坦化層は、共通光学構造を保護することができ、上述のように共通光学構造の上面でマイクロレンズを処理するために、さらなる処理ステップを簡素化することができる。
【００２９】
請求項1〜12のVCSELアレイ、請求項13の照明デバイス、および請求項15の方法は、特に従属請求項で定義されるように、類似および／または同一の実施形態を有することを理解されたい。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせでもあり得ることを理解されたい。
【００３１】
さらなる有利な実施形態を以下に示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかになり、その参照により説明される。
【００３３】
ここで、例として、添付図面の参照により実施形態に基づいて本発明を説明する。
【図１】従来技術のVCSELアレイの概略断面図である。
【図２】第1のVCSELアレイの概略断面図である。
【図３】第2のVCSELアレイの概略断面図である。
【図４】第3のVCSELアレイの概略上面図である。
【図５】第4のVCSELアレイの概略上面図である。
【図６】第4のVCSELアレイの概略断面図である。
【図７】第5のVCSELアレイの概略断面図である。
【図８】第6のVCSELアレイの概略断面図である。
【図９】第7のVCSELアレイの概略断面図である。
【図１０】1つの定義された視野における2つの強度分布の例を示す図である。
【図１１】照明パターンの概略図である。
【図１２】飛行時間センサモジュールの概略図である。
【図１３】VCSELアレイの製造方法のプロセスフロー概略図である。
【００３４】
図では、同じ番号が全体を通して同じ対象物を指す。図中の対象物は、必ずしも縮尺どおりに描かれていない。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
次に、本発明のさまざまな実施形態を図面によって説明する。
【００３６】
図1は、従来技術のVCSELアレイの概略断面図を示す。従来技術のVCSELアレイは、半導体基板101（ガリウム砒素−GaAs）を備え、半導体基板101の上面に処理された多数のVCSEL130を有する。VCSELは、レーザ光10を半導体基板11から離れて放出するように構成される（上面発光型）。110°×90°の視野をカバーする長方形の照明パターンを提供するために、従来技術のVCSELアレイの上方に分離したボリュームレンズ135が提供される。分離したボリュームレンズ135の高さは0．95mmである。したがって、そのようなボリュームレンズ135を、厚さ200μmの半導体基板101を備えるVCSELアレイ上に集積することは不可能である。ウェーハ上に多数のそのようなボリュームレンズ135を集積することは、特に不可能である。
【００３７】
図2は、第1のVCSELアレイ100の概略断面図を示す。断面は、第1のVCSELアレイ100の中心線に沿って切断されている。半導体基板の上面に設けられた上面発光VCSEL130の5つのメサが示される。各VCSEL130は、レーザ光を空中に20°の放出コーンで放出する。メサは、共通光学構造140を構築する光学ポリマに埋め込まれている。共通光学構造140は、硬化したポリマの連続ブロックからなる。断面は、共通光学構造140の上側表面が、段差によって分離された、隣接する平坦だが傾斜したサブ表面（sub-surface（ファセット））からなることを示した。各VCSEL130は、定義された照明パターンのそれぞれのセクタを照明するために、1つのそれぞれのサブ表面（またはファセット）を照明する。段差により、この場合は150μmである半導体基板101の処理表面上方にある共通光学構造140の低い最大構築高さが可能になる。レーザ光10は、ファセットの一部のみを照明し、光学損失を回避するために光は段差には放出されない。この場合、共通光学構造140は、定義された照明パターンを提供するために、定義された視野で被変換レーザ光150を結像するためのプリズム構造である。
【００３８】
図3は、第2のVCSELアレイ100の概略断面図を示す。VCSEL130および半導体基板101の構成は、図2に関して説明したものと同一である。共通光学構造140は、この場合もまた上述の硬化性光学ポリマからなる。共通光学構造140は、被変換レーザ光150を照明パターンのそれぞれのセクタに結像するサブ表面を提供するために、やはり段差を備える。サブ表面は、この場合は湾曲しており、共通光学構造140はフレネル型レンズである。3つのVCSEL130が断面の中央に配置され、レーザ光10をフレネル型レンズの1つの共通の湾曲したサブ表面に放出する。
【００３９】
図4は、図3に関して説明したものと同様の第3のVCSELアレイ100の概略上面図を示す。VCSELアレイ100は正方形状であり、複数のVCSEL130が中央のVCSEL130の周囲に円状に配置される。円形の断面は、図3に関して説明したようにフレネル型共通光学構造140の円形対称サブ表面を示す。9個のVCSEL130が中央に配置され、レーザ光を共通光学構造140の中央のサブ表面に放出する。中央の周囲に円状に配置された16個のVCSEL130は、レーザ光を共通光学構造140の中央サブ表面を囲む、1つの共通の第1の円形対称サブ表面に放出する。4個のVCSEL130がVCSELアレイ100の隅部に配置され、レーザ光を共通光学構造140の第1の円形対称サブ表面の周囲に配置された第2の円形対称サブ表面の一部に放出する。
【００４０】
図5は、第4の長方形のVCSELアレイ100の概略上面図を示す。VCSEL130は、半導体基板101の上面に六角形の配置で設けられる。VCSELアレイ100の中央に配置された4個のVCSELに沿った断面が図6に示される。共通光学構造10は、やはりフレネル型レンズである。レーザ光10は、VCSELアレイ100内の位置に応じて、1つのそれぞれのVCSELからの光のみを受けるサブ表面、または2個もしくはそれ以上のそれぞれのVCSEL130からのレーザ光10を受けるサブ表面に放出される。共通光学構造の構築高さ、サブ表面のサイズおよび位置、VCSEL130の発光領域のサイズ、ならびにVCSEL130によって放出されるレーザ光10の放出コーンは、この場合もまた、光学損失を回避するためにフレネル型レンズの段差が照明されないように構成される。図6から明らかなように、レーザ光10によって照明されない共通光学構造140の部分は、共通光学構造140の光学機能に影響を与えることなく除去することができる。
【００４１】
図7は、第5のVCSELアレイ10の概略断面図を示す。断面はここでも、半導体基板101を通してレーザ光10を放出する（底面発光型）、5個のVCSEL130を備える例を示す。この場合、共通光学構造は、半導体基板101の底面（VCSEL130が処理される面とは反対側の面）にエッチングされたフレネル型レンズである。n＝3．5というGaAs半導体基板101の高い屈折率は、共通光学構造140のかなり低い外形を可能にする。マイクロレンズアレイは、フレネル型レンズのサブ表面の上面に設けられる。マイクロレンズ143は、半導体基板101に共通光学構造140とともにエッチングされる。各VCSEL130は、基準面でそれぞれのセクタに結像される被変換レーザ光150（コリメートされたレーザビーム）を提供するために、1つのマイクロレンズ143に関連付けられる。
【００４２】
図8は、第6のVCSELアレイ100の概略断面図を示す。第6のVCSELアレイ100もまた、図7に関して説明したような底面発光VCSEL130を備える。共通光学構造140は、上述のように半導体基板101にエッチングされる。ガラスウェーハは、VCSELアレイ100を備える半導体ウェーハに接合層145によって接合される。この実施形態では、マイクロレンズアレイ143は、各マイクロレンズが上述のように1つのそれぞれのVCSELからレーザ光10を受けるように、その後処理される（あるいは、処理されたガラスウェーハが多数の半導体基板101を備える半導体ウェーハに接合されてもよい）。
【００４３】
図9は、第7のVCSELアレイ100の概略断面図を示す。第7のVCSELアレイ100もまた、図7および図8に関して説明したような底面発光VCSEL130を備える。ガラスウェーハは、VCSELアレイ100を備える半導体ウェーハに接合される。ガラスウェーハは、各VCSELアレイ100が1つの共通光学構造140と位置合わせされるように処理される。
【００４４】
図10は、1つの定義された視野における2つの強度分布の例を示す。縦座標は強度51に割り当てられ、横座標は視野における照明パターンの表面に平行な1つの断面に沿った角度53に割り当てられる。点線61は、従来技術の拡散板によって提供することができる従来技術の強度分布を示す。強度分布は緩やかに上昇して平坦なプラトーに達し、左から右に向かって緩やかに減少する。したがって、照明パターンは、強度分布が変化する広い周縁部を含む。平坦なプラトーの領域のみが照明用途に使用される。周縁部に放出される光およびそれに対応するエネルギーは、したがって無駄になる。実線63は、例えば、図7および図8に関して説明したVCSELアレイ100の実施形態によって、特に提供することができる改善された強度分布を示す。共通光学構造140は、各VCSEL130のレーザ光が図11に示すような照明パターン20の1つの関連セクタ21に向けられるように、レーザ光10を被変換レーザ光150に変換する。どのVCSEL130が1つのそれぞれのセクタ21に関連付けられるかは、レーザ光10が向けられる共通光学構造140の表面のそれぞれの部分の、それぞれのVCSEL13の光軸に対する傾斜に依存する。関連するマイクロレンズ143は、発散が低減されて改善された照明パターン63が達成されるように、レーザ光10をコリメートする。
【００４５】
図12は、飛行時間センサモジュール200の概略図を示す。飛行時間センサモジュール200は、上述の実施形態のうちの1つによるVCSELアレイ100を備える。飛行時間センサモジュール200は、非常に短い光パルスを検出するように構成された検出器221をさらに備える。そのような短いレーザパルスは、VCSELアレイ100から放出された被変換レーザ光150が対象物300に当たることによって発生する場合がある。被変換レーザ光150の一部は対象物300によって反射されて、反射レーザ光202は、受信したレーザ光を検出器221に結像する光学デバイス240（例えばレンズまたはレンズ構成）によって受信される。反射レーザ光202により、対応する電気信号が検出器221で発生する。電力ドライバ230は、VCSELアレイ、または任意選択でVCSELアレイ100の各VCSELもしくはVCSELのサブグループを個別に電気的に駆動するように構成することができる。コントローラ250は、例えば、VCSELアレイ100によって放出されるレーザパルスの開始および停止時間を制御するために、電力ドライバ230と接続される。コントローラ250は、検出器221によって検出される、反射レーザ光202によって発生する電気信号を受信するために、検出器221にさらに接続される。飛行時間センサモジュール200は、任意のインタフェース235をさらに備えて、対応するVCSELまたはVCSELのグループによって放出される被変換レーザ光150の開始および停止時間、ならびに反射レーザ光202によって発生する電気信号の受信時間を転送する。転送されたデータを使用して、レーザ光の飛行時間、したがって飛行時間センサモジュール200と対象物300との間の距離を計算することができる。あるいは、飛行時間センサモジュール200は、対象物までの距離を決定するために、コントローラ250と電気的に接続された（またはコントローラ250を含むか、もしくはコントローラ250に含まれてもよい）評価器（図示せず）を備えてもよい。いくつかの距離測定値を使用して、対象物300の速度または加速度を決定することができる。
【００４６】
VCSELアレイによって提供される照明パターン20は、光学デバイス240に適合される。例えば、光学デバイス240の光学損失を補償するために、強度を照明パターン20の周縁部で増加することができる。
【００４７】
図13は、VCSELアレイ100の製造方法のプロセスフロー概略図を示す。ステップ410では、半導体基板101が提供される。半導体基板101は、半導体ウェーハの一部である。それに続くステップ420では、少なくとも2個のVCSEL130が半導体基板101の処理側に設けられる。ステップ430では共通光学構造140がウェーハレベルに集積され、1つの共通光学構造140が1つの対応するVCSELアレイ100に関連付けられる。ステップ440では共通光学構造140が提供される。共通光学構造140は、レーザ光10を被変換レーザ光150に変換して、基準面で連続照明パターン20を提供することができるように構成される。共通光学構造140は、照明パターン20を、共通光学構造140なしで提供することができる変換されていない照明パターンと比較して、拡大するように構成される。共通光学構造140は、各VCSEL130が配置されて照明パターン20のセクタ21を提供するように、さらに構成される。各セクタ21は、照明パターン20よりも小さい。
【００４８】
本発明は、図面および前述の説明において詳細に例示および説明されているが、そのような例示および説明は限定的ではなく、例示的または典型的であると見なされるべきである。
【００４９】
本開示を読むことにより、当業者には他の修正が明らかであろう。そのような修正は、当技術分野で既知であり、本明細書で既に説明した特徴の代わりに、またはそれに加えて使用することができる他の特徴を含む場合がある。
【００５０】
図面、開示および添付の特許請求の範囲の検討により、当業者は開示された実施形態の変形形態を理解し、達成することができる。特許請求の範囲において、「備える（comprising）」という語は他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「a（1つの）」または「an（1つの）」は複数の要素またはステップを除外しない。ある特定の手段が相互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、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。
【００５１】
特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００５２】
10  レーザ光
20  照明パターン
21  照明パターンのセクタ
51  強度
53  角度
61  従来技術の強度分布
63  改善された強度分布
100 VCSELアレイ
101  半導体基板
130 VCSEL
135  分離したボリュームレンズ
140  共通光学構造
143  マイクロレンズアレイ
145  接合層
150  被変換レーザ光
200  ＴＯＦカメラ
202  反射レーザ光
221  光検出器
230  電力ドライバ
235  インタフェース
240  光学デバイス
250  コントローラ
300  対象物
410  半導体基板を提供するステップ
420  少なくとも2個のVCSELを提供するステップ
430  共通光学構造を集積するステップ
440  共通光学構造を構成するステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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