JP6083194B2

JP6083194B2 - 面発光型半導体レーザアレイ装置、光源および光源モジュール

Info

Publication number: JP6083194B2
Application number: JP2012244089A
Authority: JP
Inventors: 将央山本; 昌宏吉川; 友暁小嶋; 浩平湯川; 中山　秀生; 秀生中山; 上野　修; 修上野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP2014093463A

Description

本発明は、面発光型半導体レーザアレイ装置、光源および光源モジュールに関する。

近年、医療・工業の分野で高出力半導体レーザが求められている。一般的に、高出力半導体レーザでは、端面出射レーザが使用されるが、端面出射レーザでは端面破壊が発生し、素子特性が悪くなりやすい。他方、面発光型半導体レーザは、端面破壊を起こさない半導体レーザとして注目されており、温度上昇に対する許容が端面出射レーザに比べ優れている。面発光型半導体レーザを使用して高出力半導体レーザを作製するには、大規模なアレイ構造を作製する必要がある。面発光型半導体レーザ素子を直列接続し、一部の面発光型半導体レーザ素子が故障しても他の面発光型半導体レーザ素子で発光を継続させることができる長寿命の面発光型半導体レーザアレイが提案されている（特許文献１）。

特開２００９−９４３０８号公報

本発明は、高密度化および高寿命化を図ることができる面発光型半導体レーザアレイ装置、光源および光源モジュールを提供することを目的とする。

請求項１は、第１の主面、当該第１の主面に対向する第２の主面を有する基板と、前記基板の第１の主面上に行列状に配された複数の面発光型半導体レーザ素子と、前記基板の第１の主面上に形成され、第１の列に配された複数の面発光型半導体レーザ素子の第１の電極に並列に電気的接続された第１の電極領域と、前記基板の第１の主面上に形成され、第２の列に配された複数の面発光型半導体レーザ素子の第２の電極に並列に電気的接続された第２の電極領域と、前記第１の電極領域と前記第２の電極領域との間に配された少なくとも１つの金属配線とを有し、前記金属配線は、一方の列と他方の列の間を列方向に延在する部分を含み、かつ一方の列の複数の面発光型半導体レーザ素子の第１の電極にそれぞれ電気的に接続された第１の接続部と、他方の列の複数の面発光型半導体レーザ素子の第２の電極にそれぞれ電気的に接続された第２の接続部とを有し、前記第１の接続部は、前記列方向に延在する部分から第１の行方向に延在する複数の櫛形部を有し、第２の接続部は、第１の接続部の櫛形部と異なる位置で前記列方向に延在する部分から前記第１の行方向と反対の第２の行方向に延在する複数の櫛形部を有し、前記第１の接続部の櫛形部の各々は、一方の列の複数の面発光型半導体レーザ素子の各々の間を延在し、各面発光型半導体レーザ素子は、それぞれ柱状構造を有し、１つの柱状構造は、前記第１の接続部の一対の櫛形部の間に位置し、前記第１の接続部の櫛形部の各々は、一方の列の柱状構造の底部において面発光型半導体レーザ素子に電気的に接続され、前記第２の接続部の櫛形部の各々は、他方の列の柱状構造の頂部において面発光型半導体レーザ素子に電気的に接続され、前記基板は、半絶縁性でありかつ面発光型半導体レーザ素子の発振波長を透過可能な材料から構成され、複数の面発光型半導体レーザ素子のレーザ光は、前記基板の第２の主面から出射される、面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項２は、前記基板の第１の主面上に互いに電気的に分離された複数の島領域が形成され、各島領域には、列方向に配された複数の面発光型半導体レーザ素子が形成され、各島領域には、複数の面発光型半導体レーザ素子の第１の電極に共通の導電層が形成される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項３は、各島領域には、前記共通の導電層と前記第１の接続部とを接続するための接続孔が形成される、請求項２に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項４は、前記接続孔は、列方向に配列された柱状構造の間に形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項５は、前記接続孔は、列方向に配列された各柱状構造を取り囲むように形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項６は、前記接続孔は、前記島領域の列方向に沿って形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項７は、前記基板は、半絶縁性の半導体材料から構成され、前記島領域は、前記共通の導電層に前記基板に到達する溝を形成することで形成される、請求項２に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項８は、前記第１の電極領域は、アノード側電極パッドであり、前記第２の電極領域は、カソード側電極パッドであり、前記アノード側電極パッドおよび前記カソード側電極パッドは、前記基板の両端部に配され、前記アノード側電極パッドおよび前記カソード側電極パッドの列方向の長さは、列方向の複数の面発光型半導体レーザ素子の全体の間隔と等しいかまたはそれより大きい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項９は、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ装置と、前記面発光型半導体レーザアレイ装置を駆動する駆動手段と、前記面発光型半導体レーザアレイ装置に熱的に結合され、前記面発光型半導体レーザアレイ装置で発生された熱を放熱させる放熱手段と、を有する光源。
請求項１０は、請求項１ないし８いずれか１つに記載の複数の面発光型半導体レーザアレイ装置と、複数の面発光型半導体レーザアレイ装置の配列方向と並行に延在するアノード側の金属配線、カソード側の金属配線、および放熱用の金属配線とを含み、前記アノード側の金属配線は、複数の面発光型半導体レーザアレイ装置のアノード側電極パッドに共通に電気的に接続され、前記カソード側の金属配線は、複数の面発光型半導体レーザアレイ装置のカソード側電極パッドに共通に電気的に接続され、前記放熱用の金属配線は、前記アノード側の金属配線と前記カソード側の金属配線の間に配列される、光源モジュール。
請求項１１は、複数の面発光型半導体レーザアレイ装置のアノード側電極パッドおよびカソード側電極パッドは、前記アノード側の金属配線および前記カソード側の金属配線に表面実装される、請求項１０に記載の光源モジュール。

請求項１によれば、金属配線を持たない従来の面発光型半導体レーザアレイ装置と比較して、配線の高寿命化および素子の高密度化を図ることができる。
請求項１によれば、第１および第２の接続部を持たない構成と比較して、アレイ装置の発熱を低減することができる。
請求項１によれば、柱状構造で発生した熱を効果的に放熱させることができる。
請求項１によれば、基板を薄型化するための工程を省略することができる。
請求項２、３によれば、面発光型半導体レーザ素子の第１の電極との接続を容易にすることができる。
請求項４、５、６によれば、第１の接続部と共通の導電層との間の接触抵抗を低減することができる。
請求項７によれば、島領域の形成を容易にすることができる。
請求項８によれば、発熱の低減を図ることができる。

本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置の概略平面図である。図１から金属配線を取り除いた状態を示す平面図である。図３（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、面発光型半導体レーザ素子と金属配線との関係を説明する平面図であり、図４（Ａ）は、アノード側の金属配線の平面図、図４（Ｂ）は、中間の金属配線の平面図、図４（Ｃ）は、カソード側の金属配線の平面図である。図１の面発光型半導体レーザアレイ装置の等価回路である。本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置の他の例を示す平面図である。図７（Ａ）は、図６のＡ−Ａ線断面図、図７（Ｂ）は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置の他の例を示す平面図である。図８から金属配線を取り除いた状態を示す平面図である。図９（Ａ）は、図８のＡ−Ａ線断面図、図９（Ｂ）は、図８のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置の概略平面図である。図１０から金属配線を取り除いた状態を示す平面図である。図１１（Ａ）は、図１０のＡ−Ａ線断面図、図１１（Ｂ）は、図１０のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置を用いた光源の概略構成を示す断面図。図１２に示す光源の製造工程を説明する図である。本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置を用いた光源の他の構成例を示す平面図である。

本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明では、酸化狭窄構造の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

発振光を透過する導電性基板上にＶＣＳＥＬアレイを形成し、基板のキャリア濃度に依存した光吸収を低減させるように基板の厚さを薄く(例えば、２００ｍｍ以下)研磨した後、裏面出射用の開口部を持つ裏面電極を形成し、ＶＣＳＥＬアレイを反転して実装することで、発熱を抑制した大電流同時駆動の高出力ＶＣＳＥＬアレイが考案されている。

この種のＶＣＳＥＬアレイは、基板研磨後の加工工程が複雑となり、また、大電流駆動されるチップをレーザバー上に並べる場合、多数のワイヤボンディングを必要とするため、チップを高密度化することが難しく、かつ、１チップにオープンのような不具合が生じるとレーザバー全体が発光しなくなるという不具合がある。

本発明の好ましい１つの実施態様では、半絶縁性(SI：Semi Insulating)の基板を用いてＶＣＳＥＬアレイを構成することで、裏面出射時の基板による光吸収を低減する。基板による吸収の影響が抑制されるため、従来のように基板を薄型化するような研磨が不要となり、製造工程の容易化を図る。また、チップ上の配線に流れる電流を低減した低電流駆動アレイチップを構成することより、発熱を低減し、配線の寿命を改善する。さらに、チップの両端に電流電圧印加用の電極パッドを形成することで、レーザバーにおけるチップの高密度化を図る。

図１は、本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイ装置の概略平面図、図２は、図１の表面から金属配線を取り除いた状態を示す平面図、図３（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。また、図４（Ａ）は、アノード側の電極パッドの平面図、図４（Ｂ）は、島領域に形成されたＶＣＳＥＬ素子を直並列接続するための金属配線の平面図、図４（Ｃ）は、カソード側の金属パッドの平面図、図５は、図１のＶＣＳＥＬアレイの等価回路図である。

図２に示すように、基板１００上には複数の島領域Ｓが形成される。１つの島領域Ｓは、列方向に延び、この島領域Ｓが行方向に複数配列されている。図の例では、４つの島領域Ｓが行方向に表されている。好ましい態様では、基板１００は、半絶縁性（真正）のＧａＡｓ基板から構成され、基板１００上には、図３に示すように、ｎ型のＧａＡｓ層１０２をはじめ、多数の半導体層が形成されている。これらの半導体層は、エピタキシャル成長により形成される。島領域Ｓは、ｎ型のＧａＡｓ層１０２に基板１００に到達する深さの分離溝１０４を形成することで形成される。図２の例では、４つの矩形状の分離溝１０４により４つの島領域Ｓが形成されている。分離溝１０４は、基板に到達する深さであるため、１つの島領域Ｓは、隣接する島領域Ｓから分離され、互いに電気的に絶縁される。

１つの島領域Ｓには、列方向に整列された複数の円筒状のポスト（メサまたは柱状構造）Ｐが形成される。１つのポストＰは、１つのＶＣＳＥＬ素子を規定する。図の例では、１つの島領域Ｓに、列方向に４つのポストＰまたはＶＣＳＥＬ素子が形成されている。１つの島領域Ｓに形成されたｎ型のＧａＡｓ層１０２は、４つのＶＣＳＥＬ素子に共通のｎ側電極となる。

また、図２には、ＶＣＳＥＬ素子のｎ側電極と電気的接続をとるためのコンタクトホールＣｎと、ＶＣＳＥＬ素子のｐ側電極と電気的接続をとるためのコンタクトホールＣｐが示されている。図２に示す基板１００の表面は、層間絶縁膜１１８（図３を参照）によって覆われており、層間絶縁膜１１８には、ＶＣＳＥＬ素子のｎ側電極すなわちｎ型のＧａＡｓ層１０２と電気的接続をするためのコンタクトホールＣｎと、ＶＣＳＥＬ素子のｐ側電極と接続するためのコンタクトホールＣｐとが形成される。コンタクトホールＣｎは、１つの島領域Ｓの列方向に整列されたポストＰの間に形成される。コンタクトホールＣｎがポストＰと対向する側面は、ポストＰの円形に倣うような曲面を有し、コンタクトホールＣｎはできるだけポストＰに隣接され、大きな面積のコンタクトホールＣｎが形成される。コンタクトホールＣｎは、上記したようにｎ型のＧａＡｓ層１０２を露出させ、後述するようにコンタクトホールＣｎ内には、コンタクト用のｎ側金属１２２（図３を参照）が形成される。一方、コンタクトホールＣｐは、ポストＰの頂部に形成され、コンタクトホールＣｐもできるだけ大きな面積で形成されることが望ましい。また、コンタクトホールＣｐ内には、コンタクト用のｐ側金属１２０（図３を参照）が形成される。

ここで図１を参照すると、図面の一番左側の島領域Ｓ_Ａには、アノード側の電極パッド１３０が接続され、一番左側の島領域Ｓ_Ｃには、カソード側の電極パッド１４０が接続される。また、島領域Ｓ_Ａと島領域Ｓ_Ｃの間の他の島領域Ｓ上には、中間の金属配線１５０が配され、これによりＶＣＳＥＬ素子が直並列接続される。

アノード側の電極パッド１３０は、基板１００の一方の端部に配され、その列方向の長さは、１つの島領域Ｓの列方向の長さと等しいかそれいより幾分大きい。アノード側の電極パッド１３０は、図４（Ａ）に示すように、外部との接続を行うための比較的大きな矩形状の面積を有する外部接続部１３２と、島領域Ｓ_Ａの各ＶＣＳＥＬ素子のｐ側電極と電気的接続するために行方向に櫛形状に延在する複数の円形状のフィンガ部１３４とを有する。ここでは、１つの島領域Ｓ_Ａに形成されるＶＣＳＥＬ素子の数に合わせて４つの櫛形状のフィンガ部１３４が形成される。各フィンガ部１３４は、ポストＰの頂部に形成されたコンタクトホールＣｐを介してＶＣＳＥＬ素子のｐ側金属１２０に電気的に接続される。こうして、一番左側の島領域Ｓ_Ａの各ＶＣＳＥＬ素子のｐ側金属１２０は、アノード側の電極パッド１３０に共通接続される。

カソード側の電極パッド１４０は、基板１００の他方の端部に配され、その列方向の長さは、１つの島領域Ｓの列方向の長さと等しいかそれより幾分大きい。カソード側の電極パッド１４０は、図４（Ｃ）に示すように、外部との接続を行うための比較的大きな矩形状の面積を有する外部接続部１４２と、島領域Ｓ_Ｃの各ＶＣＳＥＬ素子のｎ側金属１２２と電気的接続するために行方向に櫛形状に延在する複数の櫛形部１４４とを有する。一対の櫛形部１４４は、その間に空間１４６を形成し、当該空間１４６の対向する面は、ポストＰに合わせて幾分曲面を有する。ここでは、１つの島領域Ｓ_Ｃに形成されるＶＣＳＥＬ素子の数、すなわちフィンガ部１５４の数に合わせて５つの櫛形部１４４が形成される。各櫛形部１４４は、図１に示すように、ポストＰとポストＰの間、あるいはポストＰの両側を延在し、コンタクトホールＣｎを介してＶＣＳＥＬ素子のｎ側金属１２２、すなわちｎ型のＧａＡｓ層１０２に電気的に接続され、一対の櫛形部１４４の空間１４６には、中間の金属配線１５０のフィンガ部１５４が位置される。こうして、一番右側の島領域Ｓ_Ｃの各ＶＣＳＥＬ素子のｎ側金属１２２は、カソード側の電極パッド１４０に共通接続される。

中間の金属配線１５０は、アノード側の電極パッド１３０とカソード側の電極パッド１４０との間に配され、隣接する島領域間のＶＣＳＥＬ素子を直並列接続する。中間の金属配線１５０は、図４（Ｂ）に示すように、列方向に延在する部分１５１と、延在する部分１５１の一方の側から行方向に櫛形状に延在する複数の櫛形部１５２と、これと反対の側において行方向に櫛形状に延在しする複数の円形状のフィンガ部１５４とを有する。但し、フィンガ部１５４が行方向に延在する位置は、櫛形部１５２が行方向に延在する位置と異なり、あたかも櫛形部１５２とフィンガ部１５４とが交互にそれぞれの方向に延在する。櫛形部１５２の形状は、カソード側の電極１４０の櫛形部１４４と同様であり、その中央に空間１５６が形成され、当該空間１５６内には、隣接する中間の金属配線のフィンガ部１５４、あるいはアノード側の電極パッド１３０のフィンガ部１３４が位置される。フィンガ部１５４の形状もまた、アノード側の電極パッド１３０のフィンガ部１３４と同様である。

列方向に延在する部分１５１は、図１に示すように分離溝１０４上を延び、櫛形部１５２は、隣接する島領域の各ポストＰの間を通り、ポストＰの両側のコンタクト領域Ｃｎを介してｎ側金属１２２に電気的に接続され、フィンガ部１５４は、反対側の隣接する島領域の各ポストＰの頂部のコンタクト領域Ｃｐを介してｐ側金属１２０に電気的に接続される。こうして、隣接し合う島領域間の対応するＶＣＳＥＬ素子のｎ側金属１２２とｐ側金属１２０とが中間の金属配線１５０によって電気的に接続される。図１の例では、各島領域間のＶＣＳＥＬ素子を接続するために３つの中間の金属配線１５０が用いられている。

図１の面発光型半導体レーザアレイ装置１０の等価回路が図５に示される。同図に示されるように、１つの島領域Ｓに形成された４つのＶＣＳＥＬ素子は並列接続され、隣接する島領域Ｓの各ＶＣＳＥＬ素子が直列接続される。アノード側の電極パッド１３０とカソード側の電極パッド１４０間に順方向バイアス電圧が印加されると、各ＶＣＳＥＬ素子は定電流駆動される。このような回路構成では、仮に、一部の配線にオープンが生じた場合であっても、ＶＣＳＥＬアレイを発光させることができる。

次に、図３の断面図を参照してアレイ装置を構成する個々のＶＣＳＥＬを説明する。本実施例のアレイ装置１０は、ｉ型の半絶縁性ＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型のＧａＡｓ層１０２を形成し、さらにその上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１１０、下部ＤＢＲ１１０上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれたＩｎＧａＡｓ量子井戸層を含む活性領域１１２、活性領域１１２上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１１６を含んで構成される。これらの半導体層は、ＭＯＣＶＤにより形成される。

本実施例のアレイ装置１０は、裏面出射、すなわち基板１００の裏面からレーザ光を出射させるため、上部ＤＢＲ１１６の反射率が下部ＤＢＲ１１０の反射率よりも大きくなるように、上部ＤＢＲ１１６の低屈折率層と高屈折率層のペアの周期が下部ＤＢＲ１１０よりも大きくなるように調整される。ｎ型のＧａＡｓ層１０２は、低抵抗の領域を提供するため下部ＤＢＲ１１０よりも高い不純物濃度を有する。また、ＧａＡｓ層１０２は、光吸収が大きくならない程度の膜厚に調整される。活性領域１１２は、９８０ｎｍ帯の波長の光を発生させるが、ｎ型のＧａＡｓ層１０２およびＧａＡｓ基板１００は、９８０ｎｍ帯の波長を透過する。基板１００は、半絶縁性であるため、基板における不純物による光の吸収は抑制される。

通常のフォトリソ工程を用いて、上部ＤＢＲ１１６から下部ＤＢＲ１１０に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のポスト（柱状構造）Ｐが形成される。ポストＰの形成後の酸化工程において、上部ＤＢＲ１１６内の電流狭窄層１１４は、ポストＰの側面から選択的に酸化される。酸化領域により囲まれた酸化アパーチャの径を調整することで、横モード発振が制御される。比較的高出力が要求される場合には、マルチモード発振となる酸化アパーチャ径が選択される。

また、基板上に島領域Ｓを形成するため、ｎ型のＧａＡｓ層１０２には分離溝１０４が形成される。分離溝１０４は、基板１００に到達する深さを有することで、島領域は互いに電気的に分離される。

ポストＰおよび分離溝１０４を含む基板全面に層間絶縁膜１１８が形成され、層間絶縁膜１１８の必要な個所にはコンタクトホールＣｐ、Ｃｎが形成される。層間絶縁膜１１８は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等などから構成される。ポストＰの頂部には、ｐ型の上部ＤＢＲ１１６を露出させるような円形状のコンタクトホールＣｐが形成される。好ましくは、上部ＤＢＲ１１６の最上層には、不純物濃度が高いＧａＡｓコンタクト層が形成され、ＧａＡｓコンタクト層は、ｐ側金属１２０とオーミック接続される。他方、ポストＰの間には、ほぼ矩形状のコンタクトホールＣｎが形成され、コンタクトホールＣｎ内に形成されたｎ側金属１２２は、ｎ型のＧａＡｓ層１０２にオーミック接続される。

コンタクトホールＣｐ内のｐ側金属１２０は、例えばＡｕ、またはＴｉ／Ａｕなどの積層金属から構成される。コンタクトホールＣｎ内のｎ側金属１２２は、ｎ型の半導体層と接続性が良いＡｕ／Ｇｅなどから構成される。アノード側の電極パッド１３０、カソード側の電極パッド１４０、および中間の金属配線１５０は、好ましくは同一の金属材料（例えば、ｐ側金属１２０と同一の材料）から構成され、同時にパターンニングされる。アノード側の電極パッド１３０のフィンガ部１３４、および中間の金属配線１５０のフィンガ部１５４は、それぞれＶＣＳＥＬ素子のｐ側金属１２０に接続され、カソード側の電極パッド１４０の櫛形部１４４、および中間の金属配線の櫛形部１５４は、それぞれポストＰの側部のｎ側金属１２２に接続される。レーザ光は、基板裏面側から出射されるため、フィンガ部１３４、１５４は、ポストＰの頂部の全面を覆い、フィンガ部１３４、１５４には出射窓または開口は形成されない。

本実施例のアレイ装置は、１つのチップ上に複数の島領域を形成し、１つの島領域内に複数のＶＣＳＥＬ素子を形成し、複数の島領域間の複数のＶＣＳＥＬ素子をそれぞれ直並列接続する。このように直並列接続されたアレイ装置では、各ＶＣＳＥＬ素子を定電流駆動することができ、ムラの少ない均一な面光源を提供することができる。仮に、一部の配線やコンタクトにオープン等の不良が発生しても、アレイ装置の発光を継続させることができる。また、半絶縁性の基板により不純物による光吸収が生じないため、従来のように基板を薄型化する研磨が不要となり、製造工程の容易化を図ることができる。さらに本実施例のアレイ装置では、チップの両端にアノードおよびカソードの電極パッド１３０、１４０を配置させ、アレイ状に配列されたＶＣＳＥＬ素子間に中間の金属配線１５０を配置させることで、基板表面の領域を効果的に利用して金属配線の総面積を大きくすることができ、これにより、金属配線の負荷抵抗を小さくすることでアレイ装置を駆動する電流を低減させ、かつ放熱特性を改善することができる。

次に、本実施例の面発光型半導体レーザアレイ装置の他の構成例について説明する。図６は、他の構成例に係るアレイ装置１０Ａの概略平面図、図７は、図６のＡ−Ａ線断面図およびＢ−Ｂ線断面図である。

本構成のアレイ装置１０Ａは、図６に示すように、コンタクトホールＣｎの構成を異にし、それに伴い、中間の金属配線１５０およびカソード側の電極パッド１４０の一部を変形したものである。コンタクトホールＣｎは、１つの島領域Ｓの縁部に沿って列方向に、ポストＰと分離溝１０４との間に複数形成される。ここでは、１つの島領域に４つのポストＰが配列されているため、それに応じて４つの矩形状のコンタクトホールＣｎが形成されている。一方、中間の金属配線１５０Ａは、列方向に延在する部分１５１と、当該延在する部分１５１から行方向に延在する複数のフィンガ部１５４を有しているが、図４の金属配線１５０のように櫛形部１５２を備えていない。その代わり、列方向に延在する部分１５１は、コンタクトホールＣｎ上を延在し、コンタクトホールＣｎを介してｎ側金属１２２に電気的に接続される。カソード側の電極パッド１４０も同様に、櫛形部を備えておらず、列方向に延在する部分１４１がコンタクトホールＣｎ上を延在し、ｎ側金属１２２に電気的に接続される。

このような構成では、中間の金属配線１５０Ａおよびカソード側の電極パッド１４０がポストＰの間に入り込むような櫛形部を備えていないので、ポストＰの列方向のピッチをより狭くすることができ、チップ上に形成されるＶＣＳＥＬ素子の高密度化を図ることができる。

図８は、本実施例のアレイ装置のさらなる他の構成例を示す平面図、図８Ａは、図８の表面の金属配線１５０および電極パッド１３０、１４０を取り除いた状態の平面図、図９は、そのＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線断面図である。本構成例のアレイ装置１０Ｂは、ｎ型のＧａＡｓ層１０２への電気的接続を行うためのコンタクトホールＣｎの構成を異にしている。図８Ａに示すように、１つの島領域内に形成されるコンタクトホールＣｎは、それぞれ分離されるのではなく、１つの連続的な形状を有する。あたかも、図２に示す複数のコンタクトホールＣｎを、図６に示すコンタクトホールＣｎにより連結したような形状である。このため、中間の配線金属１５０の櫛形部１５２およびカソード側の電極パッド１４０の櫛形部１４４の形状に倣うようなコンタクトホールＣｎが形成され、櫛形部１５２、１４４の真下には、比較的大きな面積のｎ側金属１２２が形成される。このような構成では、図１の構成と比較して、櫛形部１５２、１４４とｎ型のＧａＡｓ層１０２との間の接触面積を大きくすることができるため、櫛形部１５２、１４４での接触抵抗を減らすことができ、同時に、発熱をより効果的に抑制することができる。

図１０は、本実施例のアレイ装置のさらなる他の構成を示す平面図、図１０Ａは、図１０の中間の金属配線および電極パッド１３０、１４０を取り除いた状態の平面図、図１１は、図１０のＡ−Ａ線断面図、およびＢ−Ｂ線断面図である。本構成例のアレイ装置１０Ｃは、１つ１つのＶＣＳＥＬ素子が完全に分離して形成されるものである。図１０Ａに示すように、島領域を規定するための分離溝１０４が格子状に形成され、これにより、行列方向に複数の島領域Ｓが形成される。図の例では、４行×４列の島領域Ｓが示されている。そして、１つの島領域Ｓには、１つのＶＣＳＥＬ素子（またはポストＰ）が形成され、ポストＰの両側に一対のコンタクトホールＣｎが形成される。アノード側の電極パッド１３０、カソード側の電極パッド１４０、および中間の金属配線１５０の形状は、図１のときと同じである。

上記実施例では、基板裏面からレーザ光を出射させる例を示したが、これに限らず、基板表面側からレーザ光を出射させるようにしてもよい。この場合には、ポストＰの頂部を覆うｐ側金属１２０およびフィンガ部１３４、１５４に光出射用の開口を形成し、かつ上部ＤＢＲよりも下部ＤＢＲの反射率が高くなるようにする。

上記実施例では、ポストＰを円筒状または円錐状に形成したが、ポストＰの形状はどのようなものであってもよい。例えば、ポストＰは、１回のエッチングにより連続的に形成してもよいし、複数回のエッチングに分けて形成してもおい。例えば、ポストＰを２段階のエッチングにより形成する場合には、最初のエッチングで形成されたポストと次のエッチングで形成されたポストとの境界において不連続な径が生じてもよい。

さらに上記実施例では、半絶縁性の半導体基板を用いエピタキシャル成長により半導体層を積層する構成を示したが、これに限らず、発振波長を透過できるものであれば、他の絶縁性の基板を用いることも可能である。さらに上記実施例では、基板上にｎ型のＧａＡｓ層を用いたが、共通の導電層は、ＧａＡｓ以外の半導体材料からなる層であってもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓの半導体材料を用いたＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬにも適用することができる。

次に、本実施例の面発光型半導体レーザアレイ装置を用いた光源の概略断面図を図１２に示す。本実施例の光源２００は、上記した面発光型半導体レーザアレイ装置１０と、アレイ装置１０の基板１００の裏面上に形成された反射防止膜２１０と、アレイ装置１０の基板の表面側に形成された再配線金属パターン２２０、再配線金属パターン２２０上に形成された半田層２３０、半田層２３０上に形成されたヒートシンク２４０、ヒートシンク２４０上に形成された冷却機器２５０を含んで構成される。

アレイ装置１０は、図１ないし図１１に示すような構成を有しており、このアレイ装置１０を１８０度反転した状態が図１２に示されている。反射防止膜２１０は、基板１００の裏面に、例えば発振波長のλ／４の膜厚で形成され、アレイ装置１０で発光されたレーザ光Ｌが基板界面で内部に反射されるのを抑制する。

アレイ装置１０の表面側には、後述するように再配線された金属パターン２２０が形成される。金属パターン２２０は、アノード側の電極パッド１３０とカソード側の電極パッド１４０に電気的に接続され、それ以外のポストＰが形成された発光部領域とは絶縁膜２６０によって電気的に隔離されている。アノード側の電極パッド１３０およびカソード側の電極パッド１４０は、再配線された金属パターン２２０および半田層２３０を介してヒートシンク２４０に接続される。半田層２３０は、例えばＩｎ半田、Ａｕ／Ｓｕ半田などが用いられる。ヒートシンク２４０は、例えば熱伝導性が良い銅（Ｃｕ）が積層される。冷却機器２５０は、放熱フィンなどによる空冷装置、冷媒を用いた水冷装置、あるいはペルチエ素子を用いた冷却装置などが用いられる。

図示しない駆動装置から、アノード側の電極パッド１３０およびカソード側の電極パッド１４０に順方向駆動電力が供給されると、アレイ装置１０の各ＶＣＳＥＬ素子が発光し、レーザ光Ｌが基板裏面から出射される。各ＶＣＳＥＬ素子は、定電流駆動されることで、ムラの少ない均一は光を出射する。また、アレイ装置の表面には、再配線された金属パターン２２０が形成されているため、アレイ装置で発生した熱は、金属パターン２２０を介して効果的に外部へ放散される。さらに、ヒートシンク２４０および冷却機器２５０を設けることで、アレイ装置で発生した熱を強制的に外部へ放散させることで、冷却効率を改善することができる。

図１３は、図１２に示す光源の製造方法を説明する図である。先ず、図１３（Ａ）に示すような本実施例のアレイ装置１０が作成される。例えば、１ｍｍ×１ｍｍのエリア内に、１６×１６のＶＣＳＥＬ素子が形成される。ＶＣＳＥＬ素子のポスト径は約３５μｍ、ビット間隔は６５μｍ、酸化アパーチャ径は２５μｍである。

次に、アレイ装置１０の全面を覆うように絶縁膜が塗布され、次いで、図１３（Ｂ）に示すように、発光領域を覆うように絶縁膜２６０がパターンニングされる。すなわち、絶縁膜２６０は、アノード側の電極パッド１３０の外部接続される領域と、カソード側の電極パッド１４０の外部接続される領域を露出し、それ以外の発光部領域を被覆するようにパターンニングされる。絶縁膜２６０は、熱伝導性の高い材料であることが望ましく、例えばポリイミド樹脂が用いられる。このとき、絶縁膜２６０の表面は平坦化されるようにしてもよい。

次に、アレイ装置１０の全面を覆うように金属膜が形成され、次いで、図１３（Ｃ）に示すように、絶縁膜２６０上に再配線された金属パターン２２０が形成される。金属パターン２２０Ａは、アノード側の電極パッド１３０上に形成され、金属パターン２２０Ｂは、カソード側の電極パッド１４０上に形成される。金属パターン２２０Ｃは、金属パターン２２０Ａ、２２０Ｂと分離され、アレイ装置の発光領域を覆う絶縁膜２６０上に形成される。次に、図１３（Ｃ）のアレイ装置を反転させ、金属パターン２２０Ａ、２２０Ｂを、半田層２３０を介してヒートシンク２４０に接続する。

図１４は、本実施例の面発光型半導体レーザアレイ装置を用いた光源モジュールの一例を示す平面図である。図１４（Ａ）に示すように、本実施例の光源モジュール（レーザバー）３００は、線形に配列された複数のアレイ装置１０と、アレイ装置１０の配列方向に延在するアノード側の金属配線３１０と、金属配線３１０と並行に延びるカソード側の金属配線３２０と、金属配線３１０と金属配線３２０間に並行に延びる放熱用の金属配線３３０とを有する。これらの金属配線は、見易くするためハッチングで表している。アノード側の金属配線３１０は、各アレイ装置１０のアノード側の電極パッド１３０に共通に電気的に接続され、カソード側の金属配線３２０は、各アレイ装置１０のカソード側の電極パッド１４０に共通に電気的に接続される。放熱用の金属配線３３０は、金属配線３１０、３２０とは電気的に分離され、絶縁物質を介して各発光装置１０の発光部領域を延在し、各アレイ装置で発生した熱を放散させる。

アノード側の電極パッド１３０およびカソード側の電極パッド１４０は、半田等を介して金属配線３１０、３２０に表面実装することが可能になる。このため、ワイヤボンディング接続をするような光源モジュールと比較して、実装するアレイ装置（チップ）の高密度化が可能になり、製造工程が簡略化され、小型化、薄型化を図ることが可能になる。また、図１４（Ａ）の光源モジュール３００を、図１４（Ｂ）に示すように２次元的に配置させることも可能である。このような光源モジュール３００を同時に一斉点灯させることで、均一でムラの少ない高光出力の面光源を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：面発光型半導体レーザアレイ装置
１００：基板
１０２：ｎ型のＧａＡｓ層
１０４：分離溝
１１０：下部ＤＢＲ
１１２：活性領域
１１４：電流狭窄層
１１６：上部ＤＢＲ
１１８：層間絶縁膜
１２０：ｐ側金属
１２２：ｎ側金属
１３０：アノード側の電極パッド
１３２：外部接続部
１３４：フィンガ部
１４０：カソード側の電極パッド
１４２：外部接続部
１４４：櫛形部
１４６：空間
１５０：中間の金属配線
１５１：列方向に延在する部分
１５２：櫛形部
１５４：フィンガ部
１５６：空間
Ｃｎ、Ｃｐ：コンタクトホール
Ｓ、Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｃ：島領域

Claims

第１の主面、当該第１の主面に対向する第２の主面を有する基板と、
前記基板の第１の主面上に行列状に配された複数の面発光型半導体レーザ素子と、
前記基板の第１の主面上に形成され、第１の列に配された複数の面発光型半導体レーザ素子の第１の電極に並列に電気的接続された第１の電極領域と、
前記基板の第１の主面上に形成され、第２の列に配された複数の面発光型半導体レーザ素子の第２の電極に並列に電気的接続された第２の電極領域と、
前記第１の電極領域と前記第２の電極領域との間に配された少なくとも１つの金属配線とを有し、
前記金属配線は、一方の列と他方の列の間を列方向に延在する部分を含み、かつ一方の列の複数の面発光型半導体レーザ素子の第１の電極にそれぞれ電気的に接続された第１の接続部と、他方の列の複数の面発光型半導体レーザ素子の第２の電極にそれぞれ電気的に接続された第２の接続部とを有し、
前記第１の接続部は、前記列方向に延在する部分から第１の行方向に延在する複数の櫛形部を有し、第２の接続部は、第１の接続部の櫛形部と異なる位置で前記列方向に延在する部分から前記第１の行方向と反対の第２の行方向に延在する複数の櫛形部を有し、前記第１の接続部の櫛形部の各々は、一方の列の複数の面発光型半導体レーザ素子の各々の間を延在し、
各面発光型半導体レーザ素子は、それぞれ柱状構造を有し、１つの柱状構造は、前記第１の接続部の一対の櫛形部の間に位置し、前記第１の接続部の櫛形部の各々は、一方の列の柱状構造の底部において面発光型半導体レーザ素子に電気的に接続され、前記第２の接続部の櫛形部の各々は、他方の列の柱状構造の頂部において面発光型半導体レーザ素子に電気的に接続され、
前記基板は、半絶縁性でありかつ面発光型半導体レーザ素子の発振波長を透過可能な材料から構成され、複数の面発光型半導体レーザ素子のレーザ光は、前記基板の第２の主面から出射される、面発光型半導体レーザアレイ装置。
前記基板の第１の主面上に互いに電気的に分離された複数の島領域が形成され、各島領域には、列方向に配された複数の面発光型半導体レーザ素子が形成され、各島領域には、複数の面発光型半導体レーザ素子の第１の電極に共通の導電層が形成される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
各島領域には、前記共通の導電層と前記第１の接続部とを接続するための接続孔が形成される、請求項２に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
前記接続孔は、列方向に配列された柱状構造の間に形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
前記接続孔は、列方向に配列された各柱状構造を取り囲むように形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
前記接続孔は、前記島領域の列方向に沿って形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
前記基板は、半絶縁性の半導体材料から構成され、前記島領域は、前記共通の導電層に前記基板に到達する溝を形成することで形成される、請求項２に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
前記第１の電極領域は、アノード側電極パッドであり、前記第２の電極領域は、カソード側電極パッドであり、前記アノード側電極パッドおよび前記カソード側電極パッドは、前記基板の両端部に配され、前記アノード側電極パッドおよび前記カソード側電極パッドの列方向の長さは、列方向の複数の面発光型半導体レーザ素子の全体の間隔と等しいかまたはそれより大きい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザアレイ装置。
請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザアレイ装置と、
前記面発光型半導体レーザアレイ装置を駆動する駆動手段と、
前記面発光型半導体レーザアレイ装置に熱的に結合され、前記面発光型半導体レーザアレイ装置で発生された熱を放熱させる放熱手段と、
を有する光源。
請求項１ないし８いずれか１つに記載の複数の面発光型半導体レーザアレイ装置と、
複数の面発光型半導体レーザアレイ装置の配列方向と並行に延在するアノード側の金属配線、カソード側の金属配線、および放熱用の金属配線とを含み、
前記アノード側の金属配線は、複数の面発光型半導体レーザアレイ装置のアノード側電極パッドに共通に電気的に接続され、前記カソード側の金属配線は、複数の面発光型半導体レーザアレイ装置のカソード側電極パッドに共通に電気的に接続され、前記放熱用の金属配線は、前記アノード側の金属配線と前記カソード側の金属配線の間に配列される、光源モジュール。
複数の面発光型半導体レーザアレイ装置のアノード側電極パッドおよびカソード側電極パッドは、前記アノード側の金属配線および前記カソード側の金属配線に表面実装される、請求項１０に記載の光源モジュール。