DE69032953T2

DE69032953T2 - Auf einem Halbleiter- oder elektrooptischem Substrat angebrachtes Abtastsystem

Info

Publication number: DE69032953T2
Application number: DE1990632953
Authority: DE
Inventors: Jerome Swartz
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Symbol Technologies LLC
Priority date: 1990-05-29
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: DE69032953D1; CA2021519C; CA2021519A1; EP0459025A2; JP2854422B2; EP0459025B1; EP0459025A3; JPH06124360A

Description

Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Seriennummer 493,134, die am 13. März 1990 angemeldet wurde, wobei der Inhaber der Anmeldung Symbol Technologies, Inc. ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Laserabtastsysteme zum Lesen von Daten in der Form von Anzeigen bzw. (Kenn-)Zeichen, wie zum Beispiel Strichcodesymbolen, und spezieller auf ein kompaktes, integriertes Lichtquellen- und Abtastelement, das auf einem einzelnen Halbleiter- oder elektro-optischen Substrat implementiert bzw. realisiert ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Verschiedene optischer Leser und optische Abtastsysteme sind bis heute zum Lesen von Strichcodesymbolen entwickelt worden, die auf einem Etikett oder auf der Oberfläche eines Artikels erscheinen bzw. vorhanden sind. Das Strichcodesymbol selbst ein ist ein kodiertes Muster von Anzeigen, das eine Reihe von Strichen verschiedener Breite aufweist, die voneinander beabstandet sind, um die Räume bzw. Abstände verschiedener Breiten zu begrenzen, wobei die Striche und Zwischenräume unterschiedliche lichtreflektierende Eigenschaften haben. Es existiert eine Anzahl unterschiedlicher Strichcodestandards oder -Symbolsprachen. Diese Symbolsprachen schließen UPC/FAN, Code 128, Codabar und Interleaved 2 aus 5 ein. Die Leser- und Abtastsysteme dekodieren das Symbol elektro-optisch zu mehreren alphanumerischen Zeichen, die beschreibend für den Artikel oder irgendeiner seiner Charakteristika oder Eigenschaften sein sollen. Solche Zeichen werden typischerweise in digitaler Form dargestellt, und zwar als eine Eingangsgröße zu einem Datenverarbeitungssystem für Anwendungen bei der Verarbeitung an der Kasse, bei in der Inventurkontrolle und ähnlichem. Abtastsysteme dieses allgemeinen Typs sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,251,798; 4,360,798; 4,369,361; 4,387,297; 4,409,470 und 4,460,120 offenbart, wobei alle diese demselben Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehören.
Wie in einigen der obigen Patente offenbart ist, ist eine Ausführungsform eines solchen Abtastsystems in einer Einrichtung vorhanden, die einen Laserlichtstrahl von einem handgehaltenen, tragbaren Laserabtastkopf emittiert, der von einem Nutzer gehalten wird, wobei der Kopf, und spezieller der Laserlichtstrahl, auf das zu lesende Symbol gerichtet bzw. gezielt wird. Der Abtaster bzw. Scanner funktioniert durch wiederholtes Abtasten bzw. Scannen des Laserstrahls in einer Linie über das Symbol. Ein Teil des reflektierten Laserlichts, welches vom Symbol reflektiert wird, wird detektiert, und eine elektronische Schaltung oder Software dekodiert das elektrische Signal in eine digitale Darstellung der Daten, die durch das abgetastete Symbol repräsentiert sind.
Spezieller weist ein Scanner eine Lichtquelle auf, wie zum Beispiel einen Gaslaser oder Halbleiterlaser, der einen Lichtstrahl erzeugt. Die Verwendung einer Halblei tereinrichtung als eine Lichtquelle in Scannersystemen ist besonders wünschenswert wegen ihrer kleinen Größe, ihrer geringen Kosten und geringen Leistungsanforderungen. Der Lichtstrahl wird optisch modifiziert, typischerweise durch eine Linse, um einen Lichtfleck gewisser Größe zu bilden. Es ist bevorzugt, daß die Lichtfleckgröße ungefähr dieselbe ist wie die minimale Breite zwischen Regionen unterschiedlicher Lichtreflektivität, d. h., den Strichen und Zwischenräumen des Symbols. Die relative Größe der Striche und Zwischenräumen wird durch die verwendete Kodierungsart bestimmt, genauso wie die tatsächliche Größe der Striche und Zwischenräume. Die Anzahl der Zeichen pro Zoll, die durch das Strichcodesymbol repräsentiert sind, wird als die Dichte des Symbols bezeichnet.
Der Lichtstrahl wird durch die Linse oder ähnliche optische Komponenten entlang dem Lichtweg auf ein Ziel gerichtet, das ein Strichcodesymbol auf der Oberfläche aufweist. Eine Abtast- oder Scankomponente ist ebenfalls im Lichtweg angeordnet. Die Scankomponente kann entweder den Lichtfleck über das Symbol hinwegführen und einer Scanlinie über das Symbol hinwegfolgen, oder das Sichtfeld des Scanners abtasten oder beides tun. Ein Scanner kann auch einen Sensor oder Photodetektor aufweisen. Der Photodetektor hat ein Sichtfeld, welches sich über das Symbol hinweg und etwas darüber hinaus erstreckt, und hat die Funktion, vom Symbol reflektiertes Licht zu detektieren. Das analoge elektrische Signal vom Photodetektor wird typischerweise zuerst in ein pulsbreitenmoduliertes Digitalsignal umgewandelt, wobei die Breiten den physikalischen Breiten der Striche und Zwischenräume entsprechen. Solch ein Signal wird dann gemäß der spezifischen Symbol sprache in eine binäre Darstellung der Daten, die im Symbol kodiert sind, und zu den so repräsentierten alphanumerischen Zeichen dekodiert.
Die Scankomponente weist typischerweise einen sich bewegenden Spiegel, wie zum Beispiel ein sich drehendes Polygon oder einen ebenen Spiegel auf, der wiederholt hin und her in abwechselnde Umfangsrichtungen um eine Antriebswelle herum angetrieben wird, auf welcher der Spiegel angebracht ist. Die Verwendung mechanisch angetriebener Spiegel trägt jedoch zum Gewicht und der Größe des Scanners bei und stellt auch verschiedene Zuverlässigkeitsprobleme dar. Solche Nachteile haben dazu geführt, daß Verfahren zum Erzeugen und Bewegen eines Abtaststrahls in einer einzelnen integrierten Komponente in Betracht gezogen werden.
Verschiedene Wege zum Erzeugen eines Abtaststrahls durch die Implementierung von Laseranordnungen auf einem Substrat sind im Stand der Technik bekannt.
US-Patent Nr. 4,445,125 beschreibt eine lineare Anordnung von Injektions-Diodenlasern, die auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sind, um modulierte Abtaststrahlen für ein photoempfindliches Medium vorzusehen. Eine Abtasteinrichtung, die vorzugsweise ein Vielfach-Spiegel-Polygon ist, das mit einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben wird, wird in den optischen Pfad zwischen der Anordnung und dem photoempfindlichen Medium angeordnet, sowie auch eine fokusierende Linse. Um zusätzliche Belichtungsintensität vorzusehen, ist die Ebene der emittierenden Oberfläche der Anordnung relativ zur abtastenden Einrichtung orientiert, so daß alle von der Anordnung emittierten Strahlen gezwungen sind, dieselbe Abtastlinie des photoempfindlichen Mediums zu beleuchten, wobei dadurch jeder Strahl dieselben Datenflecke auf derselben Linie des photoempfindlichen Mediums abtastet.
US-Patent Nr. 4,462,658 beschreibt einen optischen Scanner, wobei ein dünnes Wellenleitermedium auf einem Substrat Mittel zum Koppeln eines weit kollimierten Ausstrahlungsstrahls in ein Ende des Mediums aufweist. Eine periodische Anordnung von im wesentlichen parallelen, beabstandeten Elektroden ist zu einer Hauptoberfläche des Mediums zugehörig. Mindestens ein Teil der Elektrodenlängen erstreckt sich in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zur Richtung der Strahlung ist, die sich durch das Medium ausbreitet. Versorgungsmittel sind vorgesehen, um eine Spannung in einem Muster an die Elektroden anzulegen, welche von einer Elektrode zur nächsten benachbarten Elektrode auf einen vorbestimmten Wert über mehrere der Elektroden variiert, und dasselbe Muster von Spannungen oder ein ähnliches Muster von unterschiedlichen Spannungen wird über mehrere der nächst benachbarten Elektroden bis zu einem vorbestimmten Wert angelegt. Auf diese Weise wird das Muster über die Elektrodenanordnung vervollständigt, um einen elektro-optischen Effekt zu erzeugen, in welchem eine entsprechende Annäherung einer Soll- Phasenverzögerung entlang einer Phasenfront der sich ausbreitenden Strahlung im Medium vorgenommen wird. Weitere Mittel werden genutzt, um die Größe bzw. den Betrag der angelegten Spannung über die Elektrodenanordnung zu verändern, um die Annäherung der Phasenverzögerung zu variieren, um zu bewirken, daß der Ausstrahlungsstrahl in einer Richtung der Ausstrahlungsausbreitung im Medium abscannt.
Eine noch andere Herangehensweise zum Ablenken eines Strahls auf einem Substrat, die ebenfalls auf dem elektro optischen Effekt basiert, nutzt Einrichtungen, um einen Laserstrahl in eine oder mehrere Wellenleiter auf einem Substrat zu richten. Optische Wellenleiter sind typischerweise aus einem pyroelektrischen Material, wie zum Beispiel Lithium-Liobad oder Lithium-Tantalat oder aus Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Galliumsarsenid oder Indiumphosphid hergestellt. Wellenwege oder Wellenleiter sind im allgemeinen in der Substanz durch Ablagern eines Dotiermaterial wie zum Beispiel Titan, auf der Oberfläche des Substrats in dem für die Wellenwege gewünschten Muster hergestellt. Das Substrat wird dann erhitzt, um dann das Dotiermaterial in das Substrat hineinzudiffundieren. Dieses Verfahren bildet Wellenwege oder Wellenleiter, d. h. einen Abschnitt in dem pyroelektrischen Material, der Licht leitet, und zwar üblicherweise ungefähr 3 bis 10 Mikrometer breit. Um logische Operationen, Signalverarbeitung oder ein Schalten zwischen Wellenwegen in dem pyroelektrischen Material zu erlauben, wird ein elektrisches Feld über die Region des Kristalls angelegt, wo eine Veränderung in der Strahlrichtung gewünscht wird. Solch ein Feld wird durch Elektroden erzeugt, die auf dem Substrat für diesen Zweck abgelagert sind. Das Feld erzeugt lokale Veränderungen in der optischen Polarisierbarkeit des Kristalls, wobei dadurch der Brechungsindex verändert wird und somit wiederum der Lichtweg durch den Kristall verändert wird.
Bezug sollte auch auf Publikationen genommen werden, welche eine vorgeschlagene integrierte Lichtquelle und ein Abtastelement beschreiben, die auf einem einzelnen Sub strat (1982) implementiert sind und über eine Intensitätsmodulatoranordnung demultiplext werden, was zum Abtasten verwendet werden kann (1985). Nämlich J. Katz "Phase Control and Beam Steering of Semiconductor Laser Arrays", TDA Progress Report 42-68, Jan.-Feb. 1982 und D. L. Robinson et al "Monolithically Integrated Array of GaAlAs Electroabsorption Modulators", Electronic Letters 16. August 1984, Bd. 20, Nr. 17, Seiten 678-680.
Bezüglich des Standes der Technik wird weiterhin Bezug auf die JP-A-63 199 480 genommen, aus welcher eine Halbleiterlasereinrichtung bekannt ist, die eine optische Ablenkungsregion aufweist, die einheitlich auf einem ähnlichen Substrat gebildet ist. Diese Einrichtung weist weiterhin einen Wellenleiterteil und elektrische Feldanlegemittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes auf, um einen Brechungsindex des Wellenleiterteils zu verändern.
Aus der JP-A-61 129 893 ist ein Lichtstrahlablenker bekannt, der ein Biegeteil in dem piezoelektrischen Substrat aufweist, wobei Elektroden auf seiner Vorder- und Rückseite gebildet sind. Die Elektroden sind teilweise in einer Spiegeloberfläche eingearbeitet.
US-A-4 360 921 lehrt eine monolithische Laserabtasteinrichtung, die eine Halbleiterlaseregion einstückig mit, aber beabstandet von einer optischen Abtastregion aufweist. Durch Anlegen eines Spannungsmusters wird ein Gittereffekt induziert, und zwar bedingt durch den Einfluß des durch Elektroden angelegten elektrischen Feldes, welches bewirkt, daß das Licht in einem Wellenleiter abgelenkt wird.
Aus der EP-A-0 446 364, welche einen Stand der Technik im Sinne des Artikels 54(3) EPÜ darstellt, ist ein Laserscanner für einen Strichcodeleser bekannt, wobei der Scanner ein Substrat und Mittel zum Erzeugen eines Laserstrahls, die auf dem Substrat angeordnet sind, aufweist. Ein transparenter Träger ist vorgesehen, welcher eine Lichtleitungsplatte ist, durch welche sich nach außen gehendes Licht und ein zurückkehrendes Signallicht ausbreitet.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine integrierte Laserabtasteinrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Laserabtasteinrichtung gerichtet, auf die bzw. das in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 Bezug genommen wird.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Vor der vorliegenden Erfindung gab es keine integrierte Lichtquelle und kein Abtastelement auf einem einzelnen Substrat.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Kurz und allgemein gesagt sieht die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, folgendes vor: eine integrierte Laserabtasteinrichtung einschließlich eines Substrats; Mittel zum Erzeugen eines Laserstrahls, die auf dem Substrat angeordnet sind; und Abtastmittel, die auf dem Substrat im Weg des Laserstrahls angeordnet sind, und zwar zum wiederholten und zyklischen Bewegen des Laserstrahls, um einen Abtaststrahl zum wiederholten Abtasten eines Ziels zur Reflexion davon zu bilden. Spezieller weisen die Abtastmittel eine Schicht reflektiven Materials auf, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Ebene der Schicht in einem spitzen Winkel bezüglich des Laserstrahls angeordnet ist, so daß der Strahl entlang eines optischen Weges auf (Kenn-)Zeichen gerichtet wird, die sich in der Nähe einer Bezugsebene befinden, die im optischen Weg liegt, um räumlich benachbarte Teile der Bezugsebene entlang einer relativ langgestreckten Abtastlinie abzutasten.
Die neuen Merkmale, welche als Eigenschaften für die Erfindung betrachtet werden, sind insbesondere in den Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst jedoch, sowohl bezüglich ihrer Konstruktion als auch ihres Betriebsverfahrens bzw. ihrer Arbeitsweise zusammen mit zusätzlichen Zielen und Vorteilen ist am besten aus der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen in Zusammenhang mit den Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1a und 1b sind stark vereinfachte, vergrößerte Querschnittsansichten eines Teils von zwei unterschiedlichen Halbleiterstrukturen zum Implementieren eines Halbleiterlaserteils der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine stark vereinfachte diagrammartige Perspektivansicht der Halbleiterstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine stark vereinfachte diagrammartige Perspektivansicht einer Halbleiterstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine stark vereinfachte diagrammartige Querschnittsansicht eines in der Hand gehaltenen Scanners, der die Halbleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt; und
Fig. 5 ist eine stark vereinfachte Blockdiagramm- Perspektivansicht einer Halbleitereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die vorliegenden Erfindung betrifft im allgemeinen Laserabtastsysteme zum Lesen von Daten in der Form von (Kenn-) Zeichen, wie zum Beispiel Strichcodesymbolen, und spezieller eine kompakte, integrierte Lichtquelle und ein Abtastelement, implementiert auf einen einzelnen Halbleiter- oder elektro-optischen Substrat.
Die Begriffe "Symbol" und "Strichcode", die in dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen verwendet werden, sind zur breiten Auslegung beabsichtigt und decken nicht nur Muster ab, die aus wechselnden Strichen und Zwischenräumen verschiedener Breite bestehen, sondern auch andere ein- oder zweidimensionale graphische Muster genauso wie alphanumerische Zeichen.
Mit Bezug auf Fig. 1 sind in Fig. 1a und 1b zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer Halbleiterstruktur zum Implementieren eines Halbleiterlesers gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Der Startpunkt der Herstellung der Halbleiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist es, ein halbisolierendes Kristallsubstrat 10 vorzusehen, das vorzugsweise aus Galliumarsenid (GaAs) besteht, das in der 100-Richtung orientiert ist. Ein elektrischer Kontakt (nicht gezeigt) kann an das Substrat angelegt werden, um einen der elektrischen Kontakte der Einrichtung vorzusehen.
Die folgende Beschreibung ist gerichtet auf das Wachstum bzw. die Züchtung und Ablagerung der Halbleiterstruktur, wie es in der Technik bekannt ist. Die Schichten werden sequentiell auf dem Substrat 10 gezüchtet, und zwar gemäß den Molekularstrahl-Epitaxie-Verfahren, die in der Technik bekannt sind, obwohl ein beliebiges anderes geeignetes Ablagerungsverfahren verwendet werden könnte, wie zum Beispiel Dampfphasenepitaxie, z. B. metallorganische Chemiedampfablagerung.
Die erste Ausführungsform wird mit Bezug auf Fig. 1a beschrieben, und die zweite Ausführungsform mit Bezug auf Fig. 1b.
Mit Bezug auf Fig. 1a ist eine Vielfachschichtstruktur 20 auf dem Substrat 10 gezeigt, die eine aktive Region oder Schicht vorsieht, die durch obere und untere Kaschierschichten bzw. Verkleidungsschichten begrenzt ist. Für den Betrieb eines Lasers oder einen hocheffizienten Lichtaussendungsbetrieb ist es notwendig, daß die in der aktiven Region erzeugte elektromagnetische Strahlung hauptsächlich in der aktiven Region bleibt. Somit befindet sich die aktive Schicht zwischen zwei Verkleidungsschichten mit einer niedrigeren Brechzahl als die aktive Region.
Eine erste Schicht 11 aus undotiertem Galliumarsenid wird auf das Substrat 10 aufgelagert, um als eine Pufferschicht zu dienen. Die Dicke der ersten Schicht 11 übersteigt vorzugsweise ein Mikron. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, eine Grenzschicht zwischen dem Substrat 10 und der ersten Schicht 11 zu haben.
Eine zweite Schicht 12 aus undotiertem A1xGa1-x As- Halbleitermaterial mit einer Dicke, die größer als ein Mikron ist, wird dann auf die erste Schicht 11 abgelagert, um eine erste Verkleidungsschicht bzw. Mantelschicht zu bilden. Die Mantelschicht 11 wird so ausgewählt, daß sie eine größere Bandlückenenergie und eine kleinere optische Brechungszahl als die aktive Schicht hat.
Eine Halbleiterlaser-aktive Region 13 wird dann auf die zweite Schicht 12 abgelagert, um die aktive Region der Einrichtung zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform eines doppelten Heterostruktur-(DH)-Lasers kann die laseraktive Region 13 selbst aus einer einzelnen GaAs- Schicht bestehen, oder in anderen Ausführungsformen kann die aktive Region 13 eine Sequenz von drei Schichten (A1xGa1-x As, GaAs, und A1xGa1-xAs) oder mehr in einer Quantentunnelausführungsform haben. Als ein Beispiel beginnt in dem Fall, daß die aktive Region 13 aus drei Schichten besteht, die Züchtung bzw. das Wachstum der ersten A1xGa1-xAs-Schicht mit einem Aluminiumanteil x zwischen 10% und 50% benachbart zur Mantelschicht 12, und er sinkt auf eine Zusammensetzung von 0% Aluminium an der Oberfläche der GaAs-Schicht. Der Zweck dieser Schicht ist es, eine optische Wellenleitung im Halbleiterlaser vorzu sehen. Wie dem Fachmann in der Halbleiterlasertechnik gut bekannt ist, ist das exakte Zusammensetzungsprofil der Wellenleitungsschicht nicht kritisch, vorausgesetzt, daß die Gesamtdicke der Wellenleitungsstruktur so ist, daß sie einen einzelnen optischen Modus zwischen den zwei wellenleitenden Schichten unterstützt. Die dritte Schicht aus A1xGa1-xAs beginnt bei einer Zusammensetzung von 0% Aluminium an der Oberfläche der GaAs-Schicht, und sie steigt auf 50% bei der obersten Oberfläche.
Trägerrekombination tritt in der aktiven Region 13 relativ zu dem Heterostruktur-p-n-Übergang auf, der zwischen den Schichten 12 und 14 gebildet ist. Auf das Anlegen eines Pumpstromes E über die Elektroden hin, die zur Einrichtung zugehörig sind, wird ein Strahlungsausbreitungshohlraum in der aktiven Region 13 erzeugt, mit einer Resonatorrückkopplung, die durch die Spiegelfacetten (nicht gezeigt) vorgesehen wird. Die Strahlung wird in der aktiven Region 13 durch Trägerrekombination erzeugt, und die Strahlung breitet sich in einem Hohlraum bzw. Raum parallel zu der langgestreckten Ausdehnung der oberen Elektrode aus.
Die Spiegelfacetten können mit zusätzlich abgelagerten Spiegeln versehen sein, wie zum Beispiel die elektrischen Stapelspiegel oder geätzten Spiegeln, wie sie in der Technik bekannt sind.
Eine weitere Schicht 14 aus A1xGa1-xAs-Halbleitermaterial ist auf der Region 13 abgelagert, um die zweite Mantelschicht zu bilden. Die zweite Mantelschicht hat eine größere Bandlückenenergie und eine kleinere optische Brechungszahl als die aktive Region 13.
Die Kontaktschicht 15 wird epitaxial auf der Schicht 14 gezüchtet, und kann vorzugsweise vom p-Typ GaAs sein, um einen ohmischen Kontakt zur Elektrode 16 zu ermöglichen. Die Elektrode 16 wird durch Ablagern einer Schicht aus Metall, typischerweise Chrom-Gold, auf der Schicht 15 gebildet.
Mit Bezug auf Fig. 1b ist eine andere Ausführungsform einer Vielfachschichtstruktur 40 auf dem Substrat 10 gezeigt, die eine aktive Schicht vorsieht, die durch obere und untere Mantelschichten begrenzt ist. Für Laserbetrieb oder hocheffizienten Lichtaussendebetrieb ist es notwendig, daß die elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Region erzeugt wird, hauptsächlich in der aktiven Region bleibt. Somit befindet sich die aktive Schicht zwischen zwei Mantelschichten mit einer geringeren Brechungszahl als die aktive Region.
Eine erste Schicht 41 aus undotiertem Galliumarsenid wird auf dem Substrat 10 abgelagert, um als eine Pufferschicht zu dienen. Die Dicke der ersten Schicht 41 ist vorzugsweise größer als ein Mikron.
Eine zweite Schicht 42 aus undotiertem A1xGaInP- Halbleitermaterial mit einer Dicke größer als ein Mikron wird dann auf die erste Schicht 41 abgelagert, um eine erste Mantelschicht zu bilden. Die Mantelschicht 42 wird so ausgewählt, daß sie eine größere Bandlückenenergie und eine kleinere optische Brechungszahl als die aktive Schicht hat.
Eine Halbleiterlaser-aktive Region 43 wird dann auf die zweite Schicht 42 abgelagert, um die aktive Region der Einrichtung zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform eines doppelten Heterostruktur-(DH)-Lasers, kann die Laserregion 43 selbst aus einer Sequenz von drei Schichten bestehen.
Trägerrekombination tritt in der aktiven Region 43 relativ zum Heterostruktur-pn-Übergang auf, der zwischen den Schichten 42 und 44 gebildet ist. Auf die Anwendung eines Pumpstroms I mittels der Elektroden hin, wird ein Strahlungsausbreitungsraum bzw. Strahlungsausbreitungshohlraum in der aktiven Schicht 43 gebildet, und zwar mit einer Resonatorrückkopplung, die durch die Spiegelfacetten (nicht gezeigt) vorgesehen wird. Die in der aktiven Region 43 durch Trägerrekombination erzeugte Strahlung breitet sich (Pfeil) in einem Hohlraum bzw. Raum parallel zur langgestreckten Ausdehnung der Elektrode aus.
Die Spiegelfacetten können mit zusätzlich abgelagerten Spiegeln versehen sein, wie z. B. die elektrischen Stapelspiegel oder geätzten Spiegeln, wie es in der Technik bekannt ist. Die Kontaktschicht 45 ist epitaxial auf der Schicht 44 gezüchtet und kann vorzugsweise vom p-Typ GaAs sein, um die Herstellung eines ohmischen Kontakts zur oberen Elektrode (nicht gezeigt) zu ermöglichen. Die Elektrode kann durch Ablagern einer Metallschicht, typischerweise Chrom-Gold, auf der Schicht 45 gebildet sein.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht einer Halbleiterstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ge zeigt, in welcher die grundlegenden Elemente eines Strichcodelesers implementiert sein können.
Das Substrat 10 weist einen ersten Teil einschließlich einer Vielfachschichtstruktur 20 auf, d. h. eine Halbleiterlaserdiode, die, wenn sie aktiviert wird, einen Laserstrahl 25 erzeugt, welcher von einem Rand 26 der Lichtstruktur 20 emittiert bzw. ausgesendet wird. Obwohl die Verwendung des Bezugszeichens 20 in Fig. 2 die Verwendung der Struktur 20 der Fig. 1a nahelegt bzw. andeutet, kann die Verwendung der Struktur 40 der Fig. 1b oder noch andere Strukturen genauso gut verwendet werden.
Die Struktur 20 erzeugt einen Laserstrahl, welcher sich durch den freien Raum zu einer reflektierenden Struktur 35 ausbreitet, die auf dem Substrat 10 implementiert ist. Der Strahl 25 ist spezieller auf eine reflektierende Oberfläche 27 gerichtet, welche durch Mittel bewegt oder hin- und herbewegt wird, die im folgenden erklärt werden. 1 Die Bewegung der Oberfläche 27 bewirkt, daß der Laserstrahl 25 abgelenkt wird, um eine Abtastlinie oder ein anderes Muster über ein Symbol 31 zu erzeugen, das auf der Oberfläche 32 eines Ziels im Weg des reflektierten Strahls angeordnet ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die reflektierende Oberfläche 27 eine Schicht, die auf das piezoelektrische Komposit 28, 29 aufgetragen ist, das auf dem Substrat 10 angeordnet ist. Das Komposit besteht aus zwei Schichten piezoelektrischen Materials, das ansprechend auf ein elektrisches Freigabesignal bzw. Aktivierungssignal ist. Eine weiche, nachgiebige Schicht 34 aus Grenzschichtmaterial, wie zum Beispiel einer Glaszusammensetzung, ist auf der Oberfläche des Substrats 10 aufgetragen. Die Schicht 28, welche die erste Schicht aus piezoelektrischen Material ist, wird auf die Schicht 34 aufgetragen, und die zweite Schicht aus piezoelektrischen Material 29 wird auf die Schicht 28 aufgetragen. Die Schicht 34 erlaubt es den Schichten 28 und 29, sich gegeneinander zu bewegen, ohne solche Belastungen bzw. Spannungen auf das Substrat 10 zu übertragen. Eine Elektrode V1 ist an der Schicht 29 aus piezoelektrischem Material angeschlossen, und eine Elektrode V2 ist an der Schicht 28 aus piezoelektrischen Material angeschlossen. Die Schichten aus piezoelektrischen Material weisen vorzugsweise Bleizirkonat und Bleititanat, auch als PZT bekannt, auf.
Wenn ein elektrischer Strom an die Elektroden V1 und V2 angelegt wird, so bewegt sich die relative Position der Schichten 28 und 29, wie in der Technik bekannt, was in einer Auslenkung der reflektierenden Oberfläche 27 resultiert. Die an die Elektroden V1 und V2 angelegten elektrischen Signale funktionieren daher zur wiederholten und zyklischen Veränderung der Position des reflektierenden Elements im Weg des Laserstrahls 25, um den Laserstrahl 25 in einen Abtaststrahl 30 umzuwandeln, und zwar zum wiederholten Abtasten bzw. Scannen des Zieles 32 für Reflexion davon diesem.
Die Schichtebene der reflektierenden Oberfläche ist in einen spitzen Winkel bezüglich des Laserstrahls 25 angeordnet, so daß der Strahl entlang eines optischen Weges auf (Kenn-)Zeichen 31 hin gerichtet wird, die sich in der Nähe einer Bezugsebene 32 befinden, die im optischen Weg liegt, um räumlich benachbarte Teile der Bezugsebene 32 entlang einer relativ langgestreckten Abtastlinie 33 abzutasten.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist eine stark vereinfachte Perspektivansicht einer Halbleiterstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in Fig. 2 besteht die Struktur aus einem Substrat 10, einschließlich einem aus einer Mehrfachschichtstruktur 20 bestehenden ersten Teil, d. h. einer Halbleiterlaserdiode, die einen Laserstrahl 25 erzeugt, wenn sie aktiviert bzw. eingeschaltet wird.
Der Strahl 25 wird auf eine Vielzahl reflektierender Oberflächen 50a, 50b, 50c, 50d, 50e, usw. gerichtet, welche auf der Oberfläche des Substrats 10 ausgeführt sind. Spezieller sind die reflektierenden Elemente 50a, 50b usw. Mikrospiegel, welche an Tragpfosten 51a, 51b usw. auf der Oberfläche des Substrats 10 befestigt sind. Die Spiegeloberflächen 50a, 50b usw. liegen über einem Muster von Steuerelektroden 52, 53, 54 usw. und von diesem beabstandet, welche wiederholt und zyklisch aktiviert bzw. erregt werden, um zu bewirken, daß die Spiegeloberflächen 50a, 50b usw. sich auf den Schwenkpfosten 51a, 51b usw. drehen. Die Drehung der Spiegeloberflächen um einen relativ kleinen Winkel führt dazu, daß der Laserstrahl, der auf die Oberfläche der Spiegeloberflächen auftritt, abgelenkt wird, wie in den reflektierten Strahlen gezeigt ist. Die Bewegung des Laserstrahls 25 erzeugt eine Abtastlinie eines anderen Musters über ein Symbol 31, das auf einem Ziel im Weg des reflektierten Strahls angeordnet ist.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in eine integrierte Schaltkreispackung gepackt werden, und zwar mit einem Fenster für den emittierten Laserstrahl und implementiert auf einer gedruckten Leiterplatte mit anderen elektronischen Komponenten. Solch eine Leiterplatte kann in einem in der Hand gehaltenen Scanner, einer Tisch-Workstation oder einem stationären Scanner gepackt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform würde die Anordnung in einem Gehäuse realisiert sein, das einen Ausgangsanschluß aufweist, durch welchen ein nach außen gehender Laserlichtstrahl 30 gerichtet wird, um auf Symbole 31 zu stoßen und um über diese gescannt zu werden, die auf einem Ziel 32 befindlich sind, das sich außerhalb des Gehäuses befindet.
Bevor die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, soll das Verpacken oder die Realisierung der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert werden.
Als ein Beispiel solch einer Ausführungsform wurde die Realisierung der vorliegenden Erfindung in einer in der Hand gehaltenen, laserabtastenden Strichcodeleseeinheit beschrieben, wie sie z. B. in Fig. 4 dargestellt ist. Dies in der Hand gehaltene Einrichtung der Fig. 4 ist im allgemeinen vom Typ, der im US-Patent 4,760,248 offenbart ist, das Swartz et al erteilt wurde und Symbol Technologies, Inc. zugewiesen wurde, und sie ist ebenfalls ähnlich zur Konfiguration eines Strichcodelesers der kommerziell als Teil LS 8100 oder LS 2000 von Symbol Technologies, Inc. erhältlich ist. Alternativ oder zusätzlich dazu können Merkmale des US-Patents 4,387,297, das Swartz et al erteilt wurde, oder des US-Patents 4,409,470, das Shepard et al erteilt wurde, wobei beide Patente Symbol Technologies, Inc. zugewiesen wurden, in der Konstruktion der Strichcodeleseeinheit der Fig. 4 genutzt werden.
Die Arbeitsweise einer solchen Einheit kann wie folgt beschrieben werden: ein nach außen gehender Lichtstrahl 151 wird im Laser 100 erzeugt, und zwar üblicherweise durch eine Laserdiode oder ähnliches, und so gerichtet, daß er auf ein Strichcodesymbol auftrifft, das in einer Entfernung von der Vorderseite der Lasereinheit beabstandet ist. Der nach außen gehende Strahl 151 wird in einem festen linearen Muster abgescannt, und der Nutzer positioniert die in der Hand gehaltene Einheit, so daß dieses Abtastmuster das zu lesende Symbol überstreicht. Vom Symbol reflektiertes Licht 152 wird durch eine auf Licht ansprechende Einheit 146 in der Leseeinheit detektiert, was serielle elektrische Signale erzeugt, die zum Identifizieren des Strichcodes verarbeitet werden. Die Leseeinheit 100 ist eine Einrichtung in Pistolenform mit einem 1 Griff 153 vom Pistolengrifftyp und ein bewegbarer Auslöser 154 wird genutzt, um dem Nutzer zu erlauben, den Lichtstrahl 151 und die Detektorschaltung zu aktivieren, wenn der Lichtstrahl auf das zu lesende Symbol gerichtet wird, wobei dadurch die Lebensdauer der Batterie verlängert wird, wenn die Einheit batteriebetrieben ist. Ein leichtgewichtiges Plastikgehäuse 155 enthält die Laserlichtquelle, den Detektor 146, die Optik und die Signalverarbeitungsschaltung und die CPU 140 genauso wie die Batterie 162. Ein lichtdurchlässiges Fenster 156 im vorderen Ende des Gehäuses 150 erlaubt es dem nach außen gehenden Lichtstrahl 151 auszutreten und dem hereinkommenden reflektierten Licht 152 einzutreten. Der Leser 100 ist so gestaltet, daß er durch den Nutzer von einer Posi tion auf ein Strichcodesymbol gerichtet wird, wo der Leser 100 vom Symbol beabstandet ist, d. h. das Symbol nicht berührt oder sich über das Symbol hinwegbewegt. Typischerweise ist dieser Typ von in der Hand gehaltenem Strichcodeleser so spezifiziert, daß er in einem Bereich von vielleicht mehreren Zoll arbeitet.
Wie in Fig. 4 ersichtlich wird eine geeignete Linse 157 (oder ein Mehrfachlinsensystem) verwendet um den abgetasteten Strahl auf ein Strichcodesymbol bei einer entsprechenden Bezugsebene zu kollimieren und zu fokussieren, und dieselbe Linse 157 wird verwendet, um das reflektierte Licht 152 zu fokussieren. Eine Abtastlichtquelle 158, wie zum Beispiel eine Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wird positioniert, um einen Lichtstrahl in eine Achse der Linse 157 durch eine entsprechende benötigte Strahlformstruktur einzuführen, wenn der Auslöser 154 betätigt bzw. gezogen wird. Wenn das durch die Quelle 158 erzeugte Licht nicht sichtbar ist, so kann ein Ziellicht in dem optischen System umfaßt sein, um den Strahl in den Lichtweg koaxial mit der Linse 157 einzuführen. Das Ziellicht, wenn nötig, erzeugt einen sichtbaren Lichtfleck, der genauso wie der Laserstrahl abgescannt wird; der Nutzer kann dieses sichtbare Licht verwenden, um die Lesereinheit auf das Symbol zu richten, und zwar vor dem Ziehen bzw. Betätigen des Auslösers 154, um das Abtasten zu aktivieren.
Mit Bezug auf Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in welcher ein gesamter Scanner auf einem Siliziumsubstrat realisiert ist. Ein Siliziumsubstrat 200 wird vorgesehen, welches eine Schicht 201 aus GaAs auf einem Teil seiner Oberfläche aufweist. Auf der Schicht 201 ist eine Sequenz von Schichten 202, welche einen Halbleiterlaser bilden, wie zum Beispiel in Fig. 1a und 1b gezeigt. Der Ausgangslaserstrahl aus dem Halbleiterlaser wird auf ein piezoelektrisches Scanelement 203 gerichtet, welches ebenfalls auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 200 gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert ist. Das Scanelement 203 kann ähnlich zu dem in Fig. 2 beschriebenen Komposit 28, 29 sein.
Eine Anzahl zusätzlicher Elemente des Scanners kann ebenfalls auf demselben Siliziumsubstrat 200 realisiert sein, wie in der Figur gezeigt ist. Zum Beispiel kann eine Überwachungsphotodiode 204 auf dem Siliziumsubstrat realisiert sein, um den Ausgang des Halbleiterlasers 202 zu messen. Ein IC-Mikrocontroller 205 kann ebenfalls auf derselben Oberfläche des Siliziumsubstrats 200 zusammen mit einem Dekodierer 206, Digitalisierer 207, Vorverstärker 208, einer Photodiode 209, einem Laserdiodentreiber 210 und piezoelektrischen Abtastelementtreiber 211 realisiert sein. Alle diese Einheiten können mittels Buselektroden 212 verbunden sein, die auf der Oberfläche des Chips realisiert sind. Kontaktanschlüsse bzw. Kontaktflächen 213, wie sie in der Technik bekannt sind, können auf der Peripherie des Substrats 200 implementiert sein, und zwar zur Verbindung an externe Drähte und zum Verpacken des integrierten Schaltkreises in eine Packung bzw. Verpackung.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich Abtastern bzw. Scannern zum Lesen linearer oder einzelner Linienstrichcodes beschrieben wurde, ist sie nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt, sondern sie kann auf komplexere Abtastmuster und auf gestapelte oder zweidimensionale Strichcodes wie zum Beispiel Code 49 oder ähnliche Symbologien angewendet werden. Es ist verständlich, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch Anwendung in verschiedenen Maschinenerkennungsanwendungen oder optischen Zeichenerkennungsanwendungen finden kann, wo Informationen von anderen Typen von (Kenn-)Zeichen bzw. Anzeigen wie zum Beispiel (lesbare) Zeichen oder von den Oberflächeneigenschaften eines abzutastenden Artikels abgeleitet werden.
In all diesen verschiedenen Ausführungsformen können die Elemente des Scanners in einer sehr kompakten IC-Packung oder einem Modul zusammengebaut sein. Solch eine Packung oder ein solches Modul kann austauschbar als Laserabtastelement für eine Vielzahl unterschiedlicher Datenerfassungsysteme verwendet werden. Z. B. kann das Modul altrenativ eingebaut bzw. eingesteckt und verwendet sein in einem in der Hand gehaltenen Scanner oder einem Tischplattenscanner, der an einem flexiblen Arm oder einer flexiblen Halterung befestigt ist, der bzw. die sich über die Oberfläche des Tisches erstreckt, oder der an der Unterseite der Tischplatte befestigt ist oder der als eine Unterkomponente oder Unteranordnung eines komplizierteren Datenerfassungssystems eingebaut ist.
Das oben beschriebene Abtastmodul kann auch innerhalb eines in sich abgeschlossenen Datenerfassungssystems realisiert sein, einschließlich einer oder mehrerer Komponenten wie z. B. Tastatur, Anzeige, Datenspeicherung, Anwendungssoftware und Datenbauken. Solch ein System kann auch eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, um dem Datenerfassungssystem zu erlauben mit anderen Komponenten ei nes lokalen Netzwerkes (LAN) oder mit dem Telefonnetzwerk zu kommunizieren, entweder durch ein Modem oder durch eine ISDN-Schnittstelle oder durch eine Funkverbindung mit geringer Leistung vom tragbaren Terminal zu einem stationären Empfänger.
Es sei bemerkt, daß jedes der oben beschriebenen Merkmale, oder zwei oder mehr zusammengenommen, eine nützliche Anwendung in anderen Scannertypen und Strichcodelesern finden können, die sich von den oben beschriebenen Typen unterscheiden.
Während die Erfindung als eine Ausführung in einem Abtastsystem, das auf einem Halbleiter- oder elektrooptischen Substrat implementiert ist, dargestellt und beschrieben wurde, ist sie nicht auf die gezeigten Details beschränkt, da verschiedene Modifikationen und Strukturveränderungen gemacht werden können.
Das Vorangegange offenbart somit das Wesen der vorliegenden Erfindung, so daß andere sie leicht auf verschiedene Anwendungen anwenden können ohne Merkmale auszulassen, die vom Standpunkt des Standes der Technik gesehen wesentliche Eigenschaften der allgemeinen und spezifischen Aspekte dieser Erfindung darstellen, und deshalb sind solche Anpassungen innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereiches der folgenden Ansprüche erfaßt.

Claims

1. Integrierte Laserabtasteinrichtung, die folgendes aufweist:

ein Substrat (10), das aus einem Halbleitermaterial oder elektro-optischen Material besteht,

Mittel (20), die auf dem Substrat (10) zur Erzeugung eines Laserstrahls (25) angeordnet sind, und

Abtastmittel, die auf dem Substrat (10) im Weg des Laserstrahls (25) angeordnet sind, ansprechend auf ein elektrisches Freigabesignal,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Abtastmittel folgendes aufweisen:

einen Mikrospiegel mit einer planaren reflektierenden Oberfläche (27), angeordnet auf Abtastmitteln (203), welche als Spiegelpositionsänderungsmittel dienen und welche auf dem Substrat (10) angeordnet sind, oder einen Mikrospiegel (50a-50d) mit einer planaren reflektierenden Oberfläche, der drehbar an einen Schwenkunterstützungspfosten (51a, 51b) angebracht ist, der als Spiegelpositionieräderungsmittel dient und auf dem Substrat (10) gebildet ist, wobei der entsprechende Mikrospiegel so angeordnet ist, daß die entsprechende reflektierende Oberfläche des Mikrospiegels einen spitzen Winkel bezüglich des Laserstrahls (25) bildet, und wobei die Position des Mikrospiegels wiederholt und zyklisch verändert werden kann, ansprechend auf das Freigabesignal durch die Spiegelpositionsänderungsmittel, um den Laserstrahl (25) in einen Abtaststrahl umzuformen, und zwar zum wiederholten Abtasten einer Probe bzw. eines Ziels (target) auf von ihr bzw. von ihm stammender Reflexion.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtastmittel (203) eine erste und zweite Schicht (28, 29) eines piezoelektrischen Materials aufweisen, ansprechend auf das Freigabesignal.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, wobei das piezoelektrische Material Bleizirkonat und Bleititanat aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Laserstrahls einen Halbleiterlaser aufweisen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegelpositionsänderungsmittel geeignet sind, die reflektierende Oberfläche hin und her zu bewegen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegelpositionsänderungsmittel geeignet sind, um die reflektierende Oberfläche (27) zu bewegen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegelpositionsänderungsmittel geeignet sind, um die reflektierende Oberfläche (27) auszulenken.

8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die reflektierende Oberfläche (27) eine auf den Spiegelpositionsänderungsmitteln aufgebrachte Schicht ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 8, wobei eine weiche, nachgiebige Schicht (34) eines Schnittstellenmaterials zwischen der Oberfläche des Substrats (10) und den Schichten (27, 28) aus piezoelektrischen Material angeordnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtastmittel einen Mikrospiegel aufweisen, der auf dem Substrat durch eine Drehachse (pivot) angebracht ist, und wobei die Abtastmittel weiterhin Elektroden aufweisen, die betriebsmäßig mit dem Spiegel verbunden sind, so daß die Abtastmittel auf das elektrische Freigabesignal ansprechen, und zwar auf den Elektroden zum Ändern der Position des Mikrospiegels, um die Richtung des Laserstrahls, der von ihm reflektiert wird, zu ändern.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Mikrospiegel eine flache quadratisch geformte metallisches Flächenelement (Scheibe) ist, die an zwei gegenüberliegenden Ecken geschwenkt ist.

12. Verfähren zum Herstellen einer integrierten Laserabtasteinrichtung nach Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist:

Vorsehen eines Substrats (10), das aus Halbleitermaterial oder elektro-optischem Material besteht;

Bilden einer ersten Struktur (20) auf dem Substrat (10) zum Erzeugen eines Laserstrahls (25);

Bilden einer zweiten Struktur (35) auf dem Substrat (10), wobei die zweite Struktur folgendes aufweist:

einen Mikrospiegel mit einer planaren reflektierenden Oberfläche, die auf dem Substrat angeordnet ist, oder einen planaren reflektiven Oberflächen- Mikrospiegel (50a-50d), der drehbar an einem Schwenkunterstützungspfosten (51a, 51b) angebracht ist, der auf dem Substrat gebildet ist, wobei der entsprechende Mikrospiegel auf dem Substrat so angeordnet ist, daß der Spiegel im Weg des Laserstrahls (25) liegt, und die entsprechende reflektierende Oberfläche des Spiegels einen spitzen Winkel bezüg lich des Laserstrahls (25) bildet, so daß die Spiegelposition wiederholt und zyklisch ansprechend auf das elektrische Freigabesignal geändert werden kann, und zwar zum wiederholten Abtasten der Probe (32) mit von ihr stammender Reflexion.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bildens der zweiten Struktur (35) ein Ablagern erster und zweiter Schichten eines piezoelektrischen Materials und einer Schicht eines reflektierenden Materials auf dem Substrat (10) aufweist, und zwar so, daß die Position des reflektierenden Materials verändert werden kann ansprechend auf das elektrische Freigabesignal, um den Laserstrahl (25) entlang einer Abtastzeile zu führen bzw. zu richten.