(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024086696
(43)【公開日】2024-06-27
(54)【発明の名称】赤緑青垂直キャビティ面発光レーザアレイ
(51)【国際特許分類】
H01S 5/42 20060101AFI20240620BHJP
H01S 5/183 20060101ALI20240620BHJP
H01S 5/18 20210101ALI20240620BHJP
【FI】
H01S5/42
H01S5/183
H01S5/18
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023212199
(22)【出願日】2023-12-15
(31)【優先権主張番号】63/433,147
(32)【優先日】2022-12-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】18/530,296
(32)【優先日】2023-12-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】519146787
【氏名又は名称】ツー-シックス デラウェア インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】II-VI Delaware,Inc.
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(72)【発明者】
【氏名】ジョヴァンニ・バルバロッサ
(72)【発明者】
【氏名】ノルベルト・リヒテンシュタイン
(72)【発明者】
【氏名】ジュリー・エング
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー・ココット
(72)【発明者】
【氏名】アンナ・タタルチャック
(72)【発明者】
【氏名】フランチェスコ・スキアットーン
(72)【発明者】
【氏名】ジェーソン・リン-チュー・タン
【テーマコード(参考)】
5F173
【Fターム(参考)】
5F173AB52
5F173AC03
5F173AC04
5F173AC13
5F173AC14
5F173AC44
5F173AD02
5F173AF03
5F173AF12
5F173AH08
5F173AH22
(57)【要約】
【課題】赤緑青(RGB)垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)アレイを提供すること。
【解決手段】VCSELアレイ内の各VCSELは、回折格子と、1つまたは複数の活性領域と、2つの分布ブラッグ反射器とを有する。各VCSELは、赤、緑、または青のいずれかの波長に対応する。各VCSELにおける活性領域の数は、発光される色に基づくことがある。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)のアレイ
を含むシステムであって、
VCSELの前記アレイは、
青波長範囲内で発光するように動作可能な少なくとも1つのVCSELと、
緑波長範囲内で発光するように動作可能な少なくとも1つのVCSELと、
赤波長範囲内で発光するように動作可能な少なくとも1つのVCSELと
を含み、
VCSELの前記アレイ内の各VCSELは、
活性領域と、
2つの分布ブラッグ反射器と
を含む、
システム。
【請求項2】
請求項1に記載のシステムであって、前記青波長範囲は、440から495nmであり、前記緑波長範囲は、495から580nmであり、青波長範囲は、610から760nmである、システム。
【請求項3】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイは、1次元アレイである、システム。
【請求項4】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイは、2次元アレイである、システム。
【請求項5】
請求項1に記載のシステムであって、前記青波長範囲内で発光するように動作可能な前記少なくとも1つのVCSELは、GaN系であり、InGaN活性領域を含む、システム。
【請求項6】
請求項1に記載のシステムであって、前記緑波長範囲内で発光するように動作可能な前記少なくとも1つのVCSELは、GaN系であり、InGaN活性領域を含む、システム。
【請求項7】
請求項1に記載のシステムであって、前記赤波長範囲内で発光するように動作可能な前記少なくとも1つのVCSELは、GaAs基板上に成長させられる、(AlGa)InP活性領域ならびにAlGaAs NおよびP分布ブラッグ反射器(DBR)ミラースタックを含む、システム。
【請求項8】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイの、少なくとも1つのVCSELは、前記2つのDBRミラースタックの間に複数の活性領域を含む、システム。
【請求項9】
請求項8に記載のシステムであって、前記複数の活性領域の各活性領域は、トンネル接合により、前記複数の活性領域の各他の活性領域から分離される、システム。
【請求項10】
請求項8に記載のシステムであって、前記2つのDBRミラースタックの間に前記複数の活性領域を含む前記少なくとも1つのVCSELは、前記青波長範囲内で発光するように動作可能である、システム。
【請求項11】
請求項10に記載のシステムであって、前記赤波長範囲内で発光するように動作可能である前記少なくとも1つのVCSELは、前記2つのDBRミラースタックの間に単一の活性領域を含む、システム。
【請求項12】
請求項11に記載のシステムであって、前記青波長範囲内で発光するように動作可能である前記少なくとも1つのVCSEL、および、前記赤波長範囲内で発光するように動作可能である前記少なくとも1つのVCSELは、共通電流供給部により、動作可能に給電される、システム。
【請求項13】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイの各VCSELは、光発光側のキャップ層において回折格子を含む、システム。
【請求項14】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイの各VCSELは、活性領域に近接する回折格子を含む、システム。
【請求項15】
請求項14に記載のシステムであって、前記回折格子は、キャビティの内側でエッチングされる、システム。
【請求項16】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイの各VCSELは、線形分散を伴うオープンディラック電磁キャビティを含む、システム。
【請求項17】
請求項1に記載のシステムであって、VCSELの前記アレイの各VCSELは、マイクロレンズを含む、システム。
【請求項18】
請求項17に記載のシステムであって、前記マイクロレンズは、コリメータである、システム。
【請求項19】
請求項17に記載のシステムであって、前記マイクロレンズは、ディフューザである、システム。
【請求項20】
請求項17に記載のシステムであって、前記マイクロレンズは、ポリマ層のナノインプリントリソグラフィ(NIL)によって、各VCSELの上部に統合される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、2022年12月16日に出願された、RED-GREEN-BLUE,VERTICAL-CAVITY,SURFACE-EMITTING LASER ARRAY(赤緑青垂直キャビティ面発光レーザアレイ)と表題を付けられた、米国仮特許出願第63/433,147号の利益および優先権を主張するものであり、その米国仮特許出願の開示は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。
【背景技術】
【0002】
[0002]VCSELアレイの限界および不利点が、そのような手法の、図面を参照して本開示の残り部分において論述される本方法およびシステムのいくつかの態様との比較を通して、当業者に明らかになることになる。
【発明の概要】
【0003】
[0003]特許請求の範囲において、より完全に論述されるような、実質的に、図のうちの少なくとも1つにより図解される、および/または、図のうちの少なくとも1つに関して説明されるような、RGB VCSELアレイを生産するためのシステムおよび方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【
図1】[0004]本開示の様々な例示実現形態による、2D RGB VCSELアレイを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【
図2】[0005]本開示の様々な例示実現形態による、分布ブラッグ反射器(DBR)ミラースタック同士の間に活性領域とトンネル接合とを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【
図3】[0006]
図3aは、本開示の様々な例示実現形態による、DBRミラースタック同士の間に活性領域を含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図3bは、本開示の様々な例示実現形態による、DBRミラースタック同士の間に活性領域を含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図3cは、本開示の様々な例示実現形態による、DBRミラースタック同士の間に活性領域を含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【
図4】[0007]
図4aは、本開示の様々な例示実現形態による、AR用途のためのRGB VCSELアレイを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図4bは、本開示の様々な例示実現形態による、AR用途のためのRGB VCSELアレイを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【
図5】[0008]本開示の様々な例示実現形態による、ウェハ上のマイクロ光学系の例示実施形態を図解する図である。
【
図6】本開示の様々な例示実現形態による、ウェハ上のマイクロ光学系の例示実施形態を図解する図である。
【
図7】[0009]
図7aは、本開示の様々な例示実現形態による、レンズを伴わないVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図7bは、本開示の様々な例示実現形態による、レンズを伴わないVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図7cは、本開示の様々な例示実現形態による、レンズを伴わないVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【
図8】[0010]
図8aは、本開示の様々な例示実現形態による、コリメータを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図8bは、本開示の様々な例示実現形態による、コリメータを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図8cは、本開示の様々な例示実現形態による、コリメータを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【
図9】[0011]
図9aは、本開示の様々な例示実現形態による、ディフューザを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図9bは、本開示の様々な例示実現形態による、ディフューザを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
図9cは、本開示の様々な例示実現形態による、ディフューザを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
[0012]本開示は、3つ以上の波長の群の1つの波長において発光する別個の垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)を含む、VCSELの複合アレイを説明し、波長の前記群の各波長は、青範囲(すなわち、440から495nm)、緑範囲(すなわち、495から580nm)、または赤範囲(すなわち、610から760nm)内である。
【0006】
[0013]
図1は、本開示の様々な例示実現形態による、2D RGB VCSELアレイを含む、本開示の例示実施形態を図解する。
[0014]実現形態の例として、別個のVCSELが、各波長範囲内で使用され、1Dまたは2Dアレイを形成するためにチップ上に一体で実装される。InGaN活性領域を伴うGaN系VCSELが、青および緑範囲のために、誘電体ミラーとともに使用されることがある。GaAs基板上に成長させられる、(AlGa)InP活性領域ならびにAlGaAs NおよびP分布ブラッグ反射器(DBR)ミラースタックを伴うVCSELが、赤範囲のために使用されることがある。
【0007】
[0015]アレイは、順序付けされた101、または、順序付けされない103であり得る。複合アレイは、行により、列により、または、個々のVCSELレベルにおいてアドレス可能であり得る。アレイ101、103は、共通カソードまたは共通アノード構成においてバイアスされることがある。
【0008】
[0016]アレイ101、103は、追加的なVCSEL属性およびプロセス要素を有することがある。例えばではあるが、VCSELアレイ101、103は、レーザ転写プロセスを使用することがある。レーザ誘起前方転写(LIFT)および画素/修復調整が、RGB VCSELアレイ101、103を構築することのコストを低減するために使用されることがある。
【0009】
[0017]マイクロLEDおよびマイクロVCSELにおけるチップ側壁上の表面再結合を克服するために、チップの輪郭が、レーザ転写の後にチップ上に残るすべてのエピ層を通して上部側から植え込まれることがある。
【0010】
[0018]青および緑GaN系VCSEL構造は、誘電体DBRミラーを含むことがある。VCSELの光発生セクション(活性領域)は、エピタキシにより成長させられることがある。ウェハボンディングプロセスまたはウェハ融着が、DBRスタックを活性領域と結合するために使用されることがある。融着ボンディングは、何らの中間層の追加も伴わない、2つの平面状基板の自然接着を指す。代替的な手法として、適切な設計のDBRが、第1のステップがDBRであり、第2のステップが活性領域のためのものである、2ステップレーザ転写プロセスを使用して、各波長の各エミッタのために個々に配置されることがある。誘電体DBRは絶縁体であるので、イントラキャビティコンタクトが、活性領域内へと電流を注入するために使用される。
【0011】
[0019]パルスレーザ堆積(PLD)は、反射層の堆積であり、共振キャビティLEDのために使用されることがある。PLDは、真空チャンバの内側の固体ターゲットの表面を蒸発させるために高エネルギーレーザパルスを使用する、薄膜堆積技法である。蒸気は、次いで、厚さにおいて最高で数マイクロメートルの薄膜を形成するために、基板上で凝固させられる。反射材料の薄膜は、青または緑LEDにおいてミラーとして使用され得る。反射率は、VCSEL構造においてそのミラーを使用するのに十分には高くないことがあるが、そのミラーは、共振キャビティ(RC)LEDにおいて使用されることがある。このことは、VCSELの代わりにRC LEDを利用するいくつかの用途において、青および緑光源を単純化し、青および緑光源のコストを低減し得る。
【0012】
[0020]
図2は、本開示の様々な例示実現形態による、DBRミラースタック201および203の間に活性領域205とトンネル接合207とを含む、本開示の例示実施形態を図解する。
【0013】
[0021]この複数接合(multi-junction)VCSEL技術は、2つのDBRミラースタック201および203の間の複数個の活性領域205およびトンネル接合207を実現する。このことによって、複数個の光子が単一の電子につき放出される、より高い効率のVCSELが可能になる。追加的な活性領域205およびトンネル接合207を追加することが、電力およびスロープ効率を増大し、同時に、より高い電圧を結果的に生じさせる。
【0014】
[0022]RGB VCSELの文脈において、青色レーザの効率は、典型的には、材料特性制約に起因して、より低い。青レーザ効率は、この例示接合技術を使用することにより改善され得る。より高い効率のレーザ(すなわち、赤)は、標準的な単接合を使用することがある。このことによって、3つのRGB VCSELのための、同等の出力電力を伴う同じ電流供給部の使用が可能となることがある。
【0015】
[0023]リソグラフィによって画定されるアパーチャが、酸化物アパーチャに対する代替法をもたらすことがある。酸化物フリーVCSEL構造は、電流およびモード閉じ込めのために、リソグラフィによって画定されるイントラキャビティメサを使用することがある。そのようなイントラキャビティメサの閉じ込め特性は、アパーチャサイズのより高い精密度の制御によって、酸化物アパーチャと同等である。
【0016】
[0024]別の異形において、アパーチャは、トンネル接合およびp-n接合の組み合わせにより制御されることがある。p-n接合は、逆バイアスされ、そうして、電流の流れを遮断することがある。VCSELアパーチャは、トンネル接合の横方向寸法により決定されることがある。リソグラフィの精密度を有することにより、デバイスのモーダルコンテンツは、生産フローにおいて正確に制御されることがある。例えばではあるが、AR用途は、そのような精密なモーダル制御によって生産される細い線幅を使用することがある。
【0017】
[0025]
図3a~
図3cは、本開示の様々な例示実現形態による、DBRミラースタック303および307の間に活性領域305を含む、本開示の例示実施形態を図解する。ARグラスにおける層の光学特性は、偏光させられた光について最大効率に達することがある。RGB発光光源についての単一偏光を確実にするために、回折格子層301が、光発光側のキャップ層において画定され得る。
図3aは、どのようにこの解決法が上部発光(top emitting)デバイスのために使用され得るかを示す。
図3bは、どのようにこの解決法が下部発光(bottom emitting)デバイスのために使用され得るかを示す。回折格子301は、リソグラフィによって画定され得る。ピッチおよびデューティサイクルは、最大偏光消光比について最適化され得る。
【0018】
[0026]
図3cにおける解決法は、上部発光デバイスまたは下部発光デバイスのいずれかのために使用され得る。
図3cにおけるイントラキャビティ回折格子301によって、さらには、基板上の偏光ロッキングおよび光学系を伴う裏面側発光VCSEL(例えば、下部発光)が可能となる。
【0019】
[0027]追加的な光学機能性(例えば、レンズ、ディフューザ、その他)がVCSELの発光側に追加されるならば、偏光ロックは、VCSELキャビティの中で実現され得る。回折格子層301は、次いで、
図3cにおいて示されるように、キャビティの内側でエッチングされる。この構造は、ウェハボンディングまたは再成長技法を使用することにより現実化され得る。
【0020】
[0028]線形分散を伴うオープンディラック電磁キャビティ(open-dirac electromagnetic cavity)が、六角形パターンにおいて配置構成される切頭フォトニック結晶(truncated photonic crystal)により現実化されることがある。そのようなオープンディラック電磁キャビティは、キャビティがサイズにおいてスケールを拡大される際に維持される単一モードレーザ発振につながる、逆空間における損失の、従来にはないスケーリングを呈することがある。VCSELは、線形分散を伴うオープンディラック電磁キャビティの原理に基づいて開発されることがある。これらのVCSELは、電流注入型であることがあり、RGB範囲内で作動することがある。
【0021】
[0029]
図4a~
図4bは、本開示の様々な例示実現形態による、AR用途のためのRGB VCSELアレイを含む、本開示の例示実施形態を図解する。単一モード動作をより大きいアパーチャに拡張する能力は、AR用途にとって非常に有利であることがある。
【0022】
[0030]
図4aにおいて示されるように、RGBプロジェクタ401が、視認されること405の前に、ARグラス403上の反射要素407に照準を定められることがある。
図4bにおいて示されるように、RGBプロジェクタ401は、さらには、視認されること405の前に、ARグラス403内の導波路に照準を定められることがある。
【0023】
[0031]
図5および
図6は、本開示の様々な例示実現形態による、ウェハ上のマイクロ光学系の例示実施形態を図解する。マイクロ光学系要素は、VCSELウェハの上方に分配されたポリマ層のナノインプリントリソグラフィ(NIL)に基づいて、ウェハレベルプロセスを使用してVCSELエミッタの上部上に統合され得る。NILプロセスを使用すると、高い適合性正確度を伴うマイクロ光学系要素が、<1umの位置的正確度を伴って生成されることがある。NIL技術は、異なる設計、形式、および形状を伴う種々のマイクロレンズを生産するための柔軟性をもたらす。
【0024】
[0032]
図7a~
図7cは、本開示の様々な例示実現形態による、レンズを伴わないVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する。
図7aは、物理的VCSELを示す。
図7bは、レンズを伴わないこのVCSELの遠視野を示す。
図7cは、レンズを伴わないVCSELの遠視野がおよそ30°であるということを示す。
【0025】
[0033]マイクロ光学系要素の2つの例は、コリメータおよびディフューザである。
図8a~
図8cは、本開示の様々な例示実現形態による、コリメータを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する。
図8aは、コリメータを伴う物理的VCSELを示す。
図8bは、コリメータを伴うこのVCSELの遠視野を示す。
図8cは、このコリメータがVCSELの遠視野を(
図7cにおいて示されるようなおよそ30°から)10°よりも下にコリメートし得るということを示す。
【0026】
[0034]
図9a~
図9cは、本開示の様々な例示実現形態による、ディフューザを伴うVCSELを含む、本開示の例示実施形態を図解する。
図9aは、ディフューザを伴う物理的VCSELを示す。
図9bは、ディフューザを伴うこのVCSELの遠視野を示す。
図9cは、このディフューザがVCSELの遠視野を(
図7cにおいて示されるようなおよそ30°から)65°よりも上に拡大し得るということを示す。
【0027】
[0035]本方法および/またはシステムは、ハードウェア、ソフトウェア、または、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにおいて現実化されることがある。本方法および/またはシステムは、少なくとも1つのコンピューティングシステムにおける集中型の方式において、または、異なる要素がいくつもの相互接続されるコンピューティングシステムにわたって散らされる、分散型の方式において現実化されることがある。本明細書において説明される方法を履行するように適応させられる、任意の種類のコンピューティングシステムまたは他の装置が適する。典型的な実現形態は、1つもしくは複数の特定用途向け集積回路(ASIC)、1つもしくは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、ならびに/または、1つもしくは複数のプロセッサ(例えば、x86、x64、ARM、PIC、および/または、任意の他の適するプロセッサアーキテクチャ)および関連付けられる支持回路網(例えば、記憶装置、DRAM、フラッシュ、バスインターフェース回路、その他)を含むことがある。各別個のASIC、FPGA、プロセッサ、または、他の回路は、「チップ」と呼称されることがあり、複数個のそのような回路は、「チップセット」と呼称されることがある。別の実現形態は、機械により実行されるときに、本開示において説明されるようなプロセスを遂行することを機械に行わせる、コードの1つまたは複数のラインを記憶した、非一時的機械可読(例えば、コンピュータ可読)媒体(例えば、フラッシュドライブ、光学ディスク、磁気記憶ディスク、または類するもの)を含むことがある。別の実現形態は、機械により実行されるときに、本開示において説明されるシステムとして動作するように構成されること(例えば、ソフトウェアおよび/またはファームウェアをその機械の回路内へとロードすること)を機械に行わせる、コードの1つまたは複数のラインを記憶した、非一時的機械可読(例えば、コンピュータ可読)媒体(例えば、フラッシュドライブ、光学ディスク、磁気記憶ディスク、または類するもの)を含むことがある。
【0028】
[0036]本明細書において使用される際、用語「回路」および「回路網」は、物理的電子構成要素(すなわちハードウェア)、ならびに、ハードウェアを構成する、ハードウェアにより実行される、およびまたは、他の形でハードウェアと関連付けられることがある、任意のソフトウェアおよび/またはファームウェア(「コード」)を指す。本明細書において使用される際、例えばではあるが、個別のプロセッサおよびメモリは、コードの第1の1つまたは複数のラインを実行するときの第1の「回路」を含むことがあり、コードの第2の1つまたは複数のラインを実行するときの第2の「回路」を含むことがある。本明細書において使用される際、「および/または」は、「および/または」により結び付けられる列挙における項目のうちの任意の1つまたは複数を意味する。例として、「xおよび/またはy」は、3要素集合{(x),(y),(x,y)}の任意の要素を意味する。別の例として、「x、y、および/またはz」は、7要素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}の任意の要素を意味する。本明細書において使用される際、用語「例示的」は、非制限的な例、実例、または図解として役立つことを意味する。本明細書において使用される際、用語「例えば」および「例えばではあるが」は、1つまたは複数の非制限的な例、実例、または図解の列挙のきっかけとなるものである。本明細書において使用される際、機能の遂行が、(例えば、ユーザ構成可能セッティング、工場調整、その他により)ディセーブルにされる、またはイネーブルにされないかどうかにかかわらず、回路網が、機能を遂行するための必要なハードウェアおよびコードを(何かが必要である場合に)含むときはいつでも、回路網は、機能を遂行するように「動作可能」である。本明細書において使用される際、用語「に基づく」は、「に少なくとも部分的に基づく」を意味する。例えばではあるが、「yに基づくx」は、「x」が、「y」に少なくとも部分的に基づく(および、例えばではあるが、さらにはzに基づくことがある)ということを意味する。
【0029】
[0037]本方法および/またはシステムは、ある決まった実現形態を参照して説明されたが、本方法および/またはシステムの範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされることがあり、均等物が代用されることがあるということが、当業者により理解されることになる。加えて、多くの修正が、個別の状況または材料を本開示の教示に適応させることを、本開示の範囲から逸脱することなく行うようになされることがある。それゆえに、本方法および/またはシステムは、開示される個別の実現形態に制限されるということではなく、本方法および/またはシステムは、添付される特許請求の範囲の、範囲の中に該当するすべての実現形態を含むことになるということが意図される。
【符号の説明】
【0030】
101 アレイ、VCSELアレイ、RGB VCSELアレイ
103 アレイ、VCSELアレイ、RGB VCSELアレイ
201 DBRミラースタック
203 DBRミラースタック
205 活性領域
207 トンネル接合
301 回折格子層、回折格子、イントラキャビティ回折格子
303 DBRミラースタック
305 活性領域
307 DBRミラースタック
401 RGBプロジェクタ
403 ARグラス
405 視認されること
407 反射要素
【外国語明細書】