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公開番号2025054289
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-07
出願番号2024165969
出願日2024-09-25
発明の名称集積光検出器を有する裏面発光型VCSELダイオードを用いた自己混合干渉法
出願人アップルインコーポレイテッド,Apple Inc.
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01S 5/026 20060101AFI20250328BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本明細書で説明される実施形態は、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)と、共振空洞光検出器(RCPD)と、トンネル接合とを有する光電子感知デバイスに関する。
【解決手段】VCSELは、基板上に配置された第1の組の半導体層によって少なくとも部分的に画定される。第1の組の半導体層は、第1の活性領域を含む。VCSELは、第1のバイアス電圧の印加時に基板に向けてレーザ光を放射し、その反射又は後方散乱の受信時に自己混合干渉を受けるように構成されており、RCPDは、VCSELに垂直に隣接し、基板上に配置された第2の組の半導体層によって、少なくとも部分的に画定される。第2の組の半導体層は、第2の活性領域を含む。RCPDは、第2のバイアス電圧の印加時に、自己混合干渉を検出するように構成される。トンネル接合は、第1の活性領域と第2の活性領域との間に配置される。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
光電子感知デバイスであって、
基板上に配置された第１の組の半導体層であって、前記第１の組の半導体層は第１の活性領域を含む、第１の組の半導体層によって、少なくとも部分的に画定された垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードと、
前記ＶＣＳＥＬダイオードに垂直に隣接し、前記基板上に配置された第２の組の半導体層であって、前記第２の組の半導体層は第２の活性領域を含む、第２の組の半導体層によって、少なくとも部分的に画定された共振空洞光検出器（ＲＣＰＤ）と、
前記第１の組の半導体層の前記第１の活性領域と、前記第２の組の半導体層の前記第２の活性領域との間に配置されたトンネル接合と、を備え、
前記ＶＣＳＥＬダイオードは、第１のバイアス電圧の印加時に前記基板に向けてレーザ光を放射し、前記放射されるレーザ光の反射又は後方散乱の受信時に自己混合干渉を受けるように構成されており、
前記ＲＣＰＤは、第２のバイアス電圧の印加時に、前記ＶＣＳＥＬダイオードによる前記レーザ光の放射中に前記自己混合干渉を検出するように構成されている、光電子感知デバイス。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記ＶＣＳＥＬダイオードは、前記基板と前記ＲＣＰＤとの間に配置される、請求項１に記載の光電子感知デバイス。
【請求項３】
前記ＲＣＰＤは、前記基板と前記ＶＣＳＥＬダイオードとの間に配置される、請求項１に記載の光電子感知デバイス。
【請求項４】
前記第２の組の半導体層のうちの１つ以上の上に、又はそれに近接して配置された第１の給電コンタクトと、
前記第１の組の半導体層のうちの１つ以上の上に、又はそれに近接して配置された第２の給電コンタクトと、
前記第１の組の半導体層の前記第１の活性領域と、前記第２の組の半導体層の前記第２の活性領域との間の層上に又はそれに近接して配置された共通給電コンタクトと、を更に備える、請求項３に記載の光電子感知デバイス。
【請求項５】
前記光電子感知デバイスは、複数の光電子感知デバイスのアレイのバンクの第１の光電子感知デバイスであり、前記複数の光電子感知デバイスの各光電子感知デバイスは、前記第２の給電コンタクトに結合された共通フォトダイオードバンクコンタクトを共有し、前記共通給電コンタクトに結合された前記ＶＣＳＥＬダイオードのための共通バンクコンタクトを共有する、請求項４に記載の光電子感知デバイス。
【請求項６】
前記光電子感知デバイスは、複数の光電子感知デバイスのアレイの第１の光電子感知デバイスであり、前記複数の光電子感知デバイスの各光電子感知デバイスは、前記第２の給電コンタクトに結合されたフォトダイオードコンタクトと、前記共通給電コンタクトに結合された前記ＶＣＳＥＬダイオードのための共通コンタクトと、を有する、請求項４に記載の光電子感知デバイス。
【請求項７】
前記ＲＣＰＤのバイアス極性を切り替えて、時間マルチプレックスサンプル読み出しのために時間領域における前記自己混合干渉の複数の検出をキャプチャするように構成されているコントローラを更に備える、請求項１に記載の光電子感知デバイス。
【請求項８】
光電子感知デバイスであって、
表面及び裏面を有する基板と、
前記表面に配置された一組の積層半導体層であって、
共振空洞内に第１の活性領域を有する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードであって、前記ＶＣＳＥＬダイオードは、第１のバイアス電圧の印加時に、前記基板に向かって前記裏面を通して一次放射を放射するように構成されている、ＶＣＳＥＬダイオードと、
前記第１の活性領域からオフセットされた第２の活性領域を有する共振空洞光検出器（ＲＣＰＤ）と、を画定する、一組の積層半導体層と、
前記一組の積層半導体層上に配置された格子構造と、
を備える、光電子感知デバイス。
【請求項９】
前記ＶＣＳＥＬダイオードは、前記一次放射中に順バイアスされており、
前記一次放射中に前記ＶＣＳＥＬダイオードによって放射された光は、前記一次放射の反射又は後方散乱を受け取ると、前記ＶＣＳＥＬダイオードの前記共振空洞内で自己混合干渉を受け、
前記ＲＣＰＤは、前記ＶＣＳＥＬダイオードによる前記一次放射中に、第２のバイアス電圧の印加時に、前記自己混合干渉を検出するように構成されている、請求項８に記載の光電子感知デバイス。
【請求項１０】
前記格子構造は、前記ＲＣＰＤ上に垂直に配置されている、請求項８に記載の光電子感知デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、非暫定的であり、２０２３年９月２５日に出願された米国仮特許出願第６３／５４０，２５３号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下で利益を主張するものであり、その内容は、本明細書に完全に開示されているかのように参照により本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 3,000 文字）【０００２】
説明される実施形態は、概して、光感知に関し、より具体的には、自己混合干渉法（ＳＭＩ）に基づく光感知に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子デバイスは、光電子センサを備えることができる。例えば、光電子センサは、携帯電話、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、カメラ、携帯音楽プレイヤ、携帯端末、車両ナビゲーションシステム、ロボットナビゲーションシステム、電子時計、健康又はフィットネス追跡デバイス、及び他の携帯又はモバイルデバイスなどの携帯電子デバイスに含まれてもよい。光電子センサはまた、単一のロケーションに半永久的に位置する（又は設置される）デバイスに含まれてもよい（例えば、防犯カメラ、ドアベル、ドアロック、サーモスタット、冷蔵庫、又は他の機器）。これらの電子デバイスのうちのいくつかは、ユーザがタッチ、押圧、ジェスチャ、又は画像を介してコマンド又はデータを入力することができる、カメラ、ボタン、又はタッチスクリーンなどの１つ以上の入力要素又は表面を含むことができる。タッチ、押圧、ジェスチャ、又は画像は、存在、距離、ロケーション、動き、トポロジ、又は他のパラメータを検出する電子デバイスの構成要素（例えば、１つ以上の光電子センサ）によって検出されてもよい。同じ及び／又は他の電子デバイスは、同様に又は代替的に、１つ以上のセンサを含んでもよく、センサは、意図的なユーザ入力を受信することなく、近接度、距離、粒子速度、又は他のパラメータを感知してもよい。
【０００４】
いくつかの光電子センサは、入力面に向かって又は入力面を通して光ビームを放射する光源（例えば、レーザ）を含んでもよい。入力面又は入力面の反対側の物体の距離、ロケーション、動き、トポロジ、又は他のパラメータは、入力面及び／又は物体からの放射光の反射又は後方散乱から推測することができる。
【０００５】
いくつかの光電子センサは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ダイオードを含み得る。ＶＣＳＥＬダイオードは、自己混合干渉を受けることがあり、その場合、その放射されるレーザ光の反射は、その共振空洞内に戻って受け取られる。自己混合干渉は、共振空洞内で生成されたレーザ光の特性例えば、波長の、受信された反射（「自由放射」）がない場合とは異なる状態へのシフトを誘発し得る。受信された反射が入力面又は物体からのものである場合、特性のシフトは、例えば、反射を引き起こした入力面又は物体の変位、距離、動き、速さ、又は速度と相関され得る。
【発明の概要】
【０００６】
実施形態という用語及び同様の用語、例えば、実装形態、構成、態様、例、及びオプションは、本開示の主題及び以下の特許請求の範囲のすべてを広く指すことが意図されている。これらの用語を含む記述は、本明細書に記載される主題を限定するものでも、以下の特許請求の範囲の意味又は範囲を限定するものでもないと理解されるべきである。本明細書に包含される本開示の実施形態は、この発明の概要ではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される。この発明の概要は、本開示の様々な態様の高レベルの概要であり、以下の発明を実施するための形態のセクションにおいて更に説明される概念のうちのいくつかを紹介する。この概要は、特許請求される主題の主要又は本質的な特徴を特定することを意図するものではない。この概要は、特許請求される主題の範囲を決定するために単独で使用されることも意図されていない。主題は、本開示の明細書全体、いずれか又はすべての図面、及び各請求項の適切な部分を参照することによって理解されるべきである。
【０００７】
本開示の実施形態は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、共振空洞光検出器（ＲＣＰＤ）と、トンネル接合とを有する光電子感知デバイスに関する。ＶＣＳＥＬは、基板上に配置された第１の組の半導体層によって少なくとも部分的に画定される。第１の組の半導体層は、第１の活性領域を含む。ＶＣＳＥＬは、第１のバイアス電圧の印加時に基板に向けてレーザ光を放射し、ターゲット物体からの放射されるレーザ光の反射又は後方散乱の受信時に自己混合干渉を受けるように構成されている。ＲＣＰＤは、ＶＣＳＥＬに垂直に隣接し、基板上に配置された第２の組の半導体層によって、少なくとも部分的に画定される。第２の組の半導体層は、第２の活性領域を含む。ＲＣＰＤは、第２のバイアス電圧の印加時に、ＶＣＳＥＬによるレーザ光の放射中に自己混合干渉を検出するように構成されている。トンネル接合は、第１の活性領域と第２の活性領域との間に配置される。
【０００８】
本開示の実施形態は更に、基板と、一組の導体層と、一組の積層半導体層上に配置された格子構造とを有する光電子感知デバイスに関する。基板は、表面及び裏面を有する。一組の積層半導体層は、表面上に配置され、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及び共振空洞光検出器（ＲＣＰＤ）を画定する。ＶＣＳＥＬは、その共振空洞内に第１の活性領域を有する。ＶＣＳＥＬは、第１のバイアス電圧が印加されると、基板に向かって裏面を通して一次放射を放射するように構成されている。ＲＣＰＤは、第１の活性領域からオフセットされた第２の活性領域を有する。
【０００９】
本開示の実施形態はまた、基板と、一組の積層半導体層と、少なくとも１つの導電体とを有する光電子感知デバイスに関する。基板は、表面及び裏面を有する。一組の積層半導体層は、表面上に配置され、一組のメサを画定する。一組のメサは、第１の組の１つ以上のメサと、第２の組の１つ以上のメサとを含む。第１の組の１つ以上のメサ内の各メサは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及び共振空洞光検出器（ＲＣＰＤ）を含む。ＶＣＳＥＬは、その共振空洞内に第１の活性領域を有する。ＶＣＳＥＬは、第１のバイアス電圧が印加されると、基板に向かって裏面を通して一次放射を放射するように構成されている。ＲＣＰＤは、第１の活性領域からオフセットされた第２の活性領域を有する。ＲＣＰＤは、第２のバイアス電圧の印加時に、反射又は後方散乱の受信時にＶＣＳＥＬのレーザ空洞内の一次放射の自己混合干渉を検出するように構成されている。第１の組の１つ以上のメサ内の第１のメサの要素に電気的に接続され、第２の組の１つ以上のメサ内の第２のメサの一部分の上にルーティングされた少なくとも１つの導電体と、を備える、光電子感知デバイス。
【００１０】
上記の概要は、本開示の各実施形態又はすべての態様を表すことを意図するものではない。むしろ、前述の発明の概要は、本明細書に記載される新規の態様及び特徴のいくつかの例を提供するに過ぎない。本開示の上記の特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、添付の図面及び添付の特許請求の範囲に関連して、本発明を実施するための代表的な実施形態及び様式の以下の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。本開示の追加の態様は、図面を参照して行われる様々な実施形態の詳細な説明を考慮して当業者に明らかになり、図面の簡単な説明が以下に提供される。
（【００１１】以降は省略されています）

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