JP6252222B2 - 面発光レーザアレイ及びレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザアレイ及びレーザ装置に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に対して垂直な方向にレーザ発振を行う半導体レーザ素子であり、温度に対する波長の安定性が非常に高く、又、２次元アレイ化による高出力化が容易といった特徴を有している。これらの特徴から、面発光レーザ素子は、固体レーザの励起用光源としての用途が期待されている。

固体レーザの励起用光源には、数十〜数百ワットクラスへの高出力化が求められ、多数の面発光レーザ素子を２次元的に並べた面発光レーザアレイを構成する必要がある。面発光レーザアレイを作製するには、面発光レーザ素子を並列接続するのが容易であるが、面発光レーザ素子を並列接続した場合、面発光レーザアレイ全体を駆動するには面発光レーザ素子の個数分の電流を供給可能な大電流電源が必要となる。

一般的に、大電流電源は大型で、電力の利用効率が低い。そのため、装置が巨大になる、装置全体の消費電力が増大する等の問題が生じる。従って、面発光レーザアレイによって面発光レーザ素子の高出力化を行う場合、低電流で駆動可能な直列接続を用いることが望ましい。

面発光レーザ素子を直列接続する方法として、最も簡単な方法はチップをサブマウントにダイボンドした後にワイヤーボンドで直列接続する方法である。しかし、この方法では直列接続される面発光レーザ素子同士の位置関係はダイボンド時の位置、回転、及び煽りの精度に依存する。

例えば、高出力の面発光レーザアレイから射出される光をファイバに集光してファイバから取り出すレーザ装置を考える。このようなレーザ装置では、個々の面発光レーザ素子に対応したレンズが配置されたマイクロレンズアレイを用いてコリメートし、後段の集光レンズによりファイバへ絞り込む光学系を用いる場合が多い。

このような方式の場合には、面発光レーザアレイ内の全面発光レーザ素子が高い精度で配置されていることが求められる。従って、ファイバを用いた高出力のレーザ装置の実現のためには、全面発光レーザ素子の位置関係が同一のリソグラフィ工程によって配置された、すなわちモノリシックに配置された面発光レーザアレイが必要である。

面発光レーザ素子をモノリシックに直列接続させた面発光レーザアレイの一例としては、ダブルイントラキャビティ構造を採用したものを挙げることができる（例えば、特許文献１参照）。面発光レーザ素子をモノリシックに直列接続させた面発光レーザアレイの他の例としては、面発光レーザ素子を構成するｎ側の半導体多層膜反射鏡内のコンタクト層を露出させる構造を採用したものを挙げることができる（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、ダブルイントラキャビティ構造を採用した場合には、薄膜部分を横方向に流れる電流経路が存在するため、電気抵抗が高くなりやすい。電気抵抗を低くするためには活性層近くの層のドーピング量を増加させる必要があり、光吸収が増加し効率を低下させてしまう。すなわち、面発光レーザアレイ全体として電力変換効率を低下させてしまうという問題があった。

又、ｎ側の半導体多層膜反射鏡内のコンタクト層を露出させる構造を採用した場合には、コンタクト層を露出させるために非常に高いエッチングの終端制御性が要求され、製造が困難である。コンタクト層の厚さを厚くすることでエッチングの終端制御性は緩和されるが、高ドープの領域が厚くなることで光吸収が増大し効率を低下させてしまう。すなわち、面発光レーザアレイ全体として電力変換効率を低下させてしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、モノリシックな直列接続が可能で、かつ、電力変換効率の低下を抑制可能な面発光レーザアレイを提供することを課題とする。

本面発光レーザアレイは、順次積層された下部反射鏡、活性層、及び上部反射鏡を含む積層体を備えた面発光レーザ素子が複数個形成された面発光レーザアレイであって、複数の面発光レーザ素子を備えた素子部と、前記積層体を厚さ方向に完全に分離するように設けられ、前記素子部を複数の領域に分割する溝と、前記溝を充填する充填材料と、を有し、夫々の前記領域は前記面発光レーザ素子を備え、異なる前記領域に設けられた前記面発光レーザ素子同士は直列接続されていることを要件とする。

開示の技術によれば、モノリシックな直列接続が可能で、かつ、電力変換効率の低下を抑制可能な面発光レーザアレイを提供できる。

第１の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成を例示する図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する平面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する断面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイの製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイの製造工程を例示する図（その２）である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイの製造工程を例示する図（その３）である。 比較例に係る面発光レーザアレイを例示する図である。 第１の実施の形態の変形例に係る面発光レーザアレイを例示する平面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
［レーザ装置、面発光レーザアレイの構造］
まず、レーザ装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係るレーザ装置の概略構成を例示する図である。図１を参照するに、第１の実施の形態に係るレーザ装置１は、主要な構成要素として、面発光レーザアレイ１０、マイクロレンズアレイ２０、集光レンズ３０、ファイバ４０等を有し、これらの構成要素が筐体内に封止された装置である。レーザ装置１には駆動用の電極５０が配置されており、ケーブル８０を介して外部の駆動電源９０を電極５０に接続し通電を行う。

電流は面発光レーザアレイ１０に注入され、面発光レーザアレイ１０からレーザ光が図１内の上方向に射出される。面発光レーザアレイ１０から射出された光は個々の面発光レーザ素子に対応して配置されたマイクロレンズアレイ２０によってコリメートされて平行光となる。平行光となったレーザ光は集光レンズ３０によってファイバ４０の下端に集光され、ファイバ４０に入射する。ファイバ４０に入射した光はファイバ４０内を伝送し、ファイバ４０の上端より取り出される。

次に、面発光レーザアレイの構造について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する平面図であり、図２（ａ）は面発光レーザアレイの全体図、図２（ｂ）は面発光レーザアレイを構成するサブマウントのみを示した図である。又、図３は、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する断面図であり、図３（ａ）は図２（ａ）に示す面発光レーザアレイのＡ−Ａ線に沿う断面図、図３（ｂ）は図２（ａ）に示す面発光レーザアレイのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図２及び図３を参照するに、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１０は、素子部１００と、サブマウント３００とを有する。素子部１００は、サブマウント３００上に設けられており、平面視で十字型に設けられた充填材料４００によって４つの領域１０１、１０２、１０３、及び１０４に分割されている。そして、領域１０１〜１０４の夫々には、４個の面発光レーザ素子２００が設けられている。

なお、本実施の形態では、便宜上、面発光レーザアレイ１０の上部コンタクト層２０８側を上側、サブマウント３００側を下側とする。又、各部位の上部コンタクト層２０８側の面を上面、サブマウント３００側の面を下面とする。但し、面発光レーザアレイ１０は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物をメサ２２０周辺の底面２２０ａの法線方向（レーザ光の射出方向）から視ることを指し、平面形状とは対象物をメサ２２０周辺の底面２２０ａの法線方向（レーザ光の射出方向）から視た形状を指すものとする。

サブマウント３００は、基体３１０と、電極３２１、３２２、３２３、３２４、及び３２５とを有する。電極３２１、３２２、３２３、３２４、及び３２５は、基体３１０上に互いに所定の間隙を有するようにパターニングされており、互いに電気的に独立している（互いに絶縁されている）。素子部１００の領域１０１〜１０４は、サブマウント３００の別々の電極上に実装されている。サブマウント３００の材料としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の絶縁材料を用いることができる。電極３２１〜３２５の材料としては、例えば、金（Ａｕ）等の導電材料を用いることができる。

充填材料４００は、素子部１００の４つの領域１０１〜１０４の間において、サブマウント３００の電極３２１〜３２５が形成されていない領域（基体３１０が露出する部分：以降、絶縁部と称する場合がある）と平面視で重複するようにダイボンドされている。言い換えれば、充填材料４００は、サブマウント３００の各電極間に露出する基体３１０と平面視で重複する位置に設けられている。

充填材料４００は、素子部１００側（後述の積層体側）から基体３１０側に突出した突出部を備え、充填材料４００の突出部と基体３１０との間には間隙が設けられている。充填材料４００の突出部の幅は、サブマウント３００の各電極間に露出する基体３１０の幅（絶縁部の幅）よりも狭くなっている。

充填材料４００の材料としては、例えば、安価かつ簡単なプロセスで製造可能なポリイミドを用いることができる。充填材料４００の材料として、例えば、金めっきや銅めっき等の金属材料を用いてもよい。このような金属材料を用いることで、面発光レーザアレイ１０で生じる熱の放熱性を向上させることができる。但し、充填材料４００の材料として金属材料等の導電性の材料を用いる場合には、充填材料４００が充填される部分には上部電極２１０を形成しないようにする必要がある。

領域１０１の各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１は、導電材５０１を介して、サブマウント３００の電極３２２と接続されている。又、領域１０１の各面発光レーザ素子２００には共通の上部電極２１０が設けられている。つまり、領域１０１の各面発光レーザ素子２００は並列接続されている。

同様に、領域１０２の各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１は、導電材５０２を介して、サブマウント３００の電極３２３と接続されている。又、領域１０２の各面発光レーザ素子２００には共通の上部電極２１０が設けられている。つまり、領域１０２の各面発光レーザ素子２００は並列接続されている。

同様に、領域１０３の各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１は、導電材５０３を介して、サブマウント３００の電極３２４と接続されている。又、領域１０３の各面発光レーザ素子２００には共通の上部電極２１０が設けられている。つまり、領域１０３の各面発光レーザ素子２００は並列接続されている。

同様に、領域１０４の各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１は、導電材５０４を介して、サブマウント３００の電極３２５と接続されている。又、領域１０４の各面発光レーザ素子２００には共通の上部電極２１０が設けられている。つまり、領域１０４の各面発光レーザ素子２００は並列接続されている。導電材５０１〜５０４の材料としては、例えば、金錫（ＡｕＳｎ）等のはんだ材料を用いることができる。

領域１０１の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６０１を介して、サブマウント３００の電極３２１と接続されている。又、領域１０２の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６０２を介して、サブマウント３００の電極３２２と接続されている。又、領域１０３の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６０３を介して、サブマウント３００の電極３２３と接続されている。又、領域１０４の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６０４を介して、サブマウント３００の電極３２４と接続されている。ボンディングワイヤ６０１〜６０４の材料としては、例えば、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）等を用いることができる。

このように、領域１０１〜１０４の夫々には４個の面発光レーザ素子２００が並列接続されている。そして、領域１０１内で並列接続された面発光レーザ素子２００と、領域１０２内で並列接続された面発光レーザ素子２００とは直列接続されている。又、領域１０２内で並列接続された面発光レーザ素子２００と、領域１０３内で並列接続された面発光レーザ素子２００とは直列接続されている。又、領域１０３内で並列接続された面発光レーザ素子２００と、領域１０４内で並列接続された面発光レーザ素子２００とは直列接続されている。

つまり、サブマウント３００の電極３２１と電極３２５との間において、領域１０１、領域１０２、領域１０３、領域１０４の順で直列接続されている。例えば、サブマウント３００の電極３２１を外部の駆動電源９０（図１参照）の正電極、電極３２５を負電極に接続することによって、各面発光レーザ素子２００が駆動されて発光する。

次に、面発光レーザ素子２００について詳説する。各面発光レーザ素子２００は、同一基板上でモノリシックに作製された素子であり、各面発光レーザ素子２００の膜構成は同一である。各面発光レーザ素子２００は、例えば、サブマウント３００側がｎ型、射出側がｐ型であり、発振波長が８０８ｎｍ帯のレーザダイオードである。

面発光レーザ素子２００は、主要な構成要素として、下部コンタクト層２０１、ｎ型の半導体多層膜反射鏡（以降、下部半導体ＤＢＲ又は下部反射鏡とする）２０２、下部スペーサ層２０３、活性層２０４、上部スペーサ層２０５、ｐ型の半導体多層膜反射鏡（以降、上部半導体ＤＢＲ又は上部反射鏡とする）２０６、選択酸化層２０７（２０７ａ：酸化領域、２０７ｂ：非酸化領域）、上部コンタクト層２０８、絶縁層２０９、上部電極２１０等を有する。なお、２１１は発光領域を示している。

下部コンタクト層２０１は、例えば、ノンドープＧａＡｓからなる層である。下部コンタクト層２０１の上面には、下部半導体ＤＢＲ２０２が積層されている。下部半導体ＤＢＲ２０２は、例えば、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とを有する。下部半導体ＤＢＲ２０２は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とのペアがｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓから始まり、３７．５ペア積層された層である。

下部半導体ＤＢＲ２０２の各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた、例えば厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。上記各屈折率層の膜厚は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部スペーサ層２０３は、下部半導体ＤＢＲ２０２の上面に積層されている。下部スペーサ層２０３は、例えば、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。活性層２０４は、下部スペーサ層２０３の上面に積層されている。活性層２０４は、例えば、３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有する３重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層は例えばＧａＡｓからなり、各障壁層は例えばＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる。上部スペーサ層２０５は、活性層２０４の上面に積層されている。上部スペーサ層２０５は、例えば、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

下部スペーサ層２０３と活性層２０４と上部スペーサ層２０５とを含む部分は、共振器構造体（共振器領域）とも称され、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層２０４は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部半導体ＤＢＲ２０６は、上部スペーサ層２０５の上面に積層されている。上部半導体ＤＢＲ２０６は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とを有する。上部半導体ＤＢＲ２０６は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とのペアがｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓから始まり、２４ペア積層された層である。

上部半導体ＤＢＲ２０６の各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた、例えば厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。上記各屈折率層の膜厚は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ２０６には、例えばｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層２０７（２０７ａ：酸化領域、２０７ｂ：非酸化領域）が例えば厚さ３０ｎｍで挿入されている。選択酸化層２０７の挿入位置は、例えば、上部スペーサ層２０５から数えて２つ目の高屈折率層と低屈折率層のペア内とすることができる。なお、選択酸化層２０７は、上下に組成傾斜層や中間層等の層を含んでいてもよく、ここでは実際に酸化される層を合わせて選択酸化層と称する。

上部コンタクト層２０８は、上部半導体ＤＢＲ２０６の最上部に積層されている。上部コンタクト層２０８は、例えば、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。又、上部コンタクト層２０８、上部半導体ＤＢＲ２０６、上部スペーサ層２０５、及び活性層２０４の一部をエッチングで除去することにより、メサ２２０（メサ構造体）が形成されている。この場合、エッチングにより露出した下部スペーサ層２０３の上面がメサ２２０周辺の底面２２０ａとなる。

更に、メサ２２０の上面の一部（発光領域２１１を除く上部コンタクト層２０８の上面の外周部）、メサ２２０の側面、及びメサ２２０周辺の底面２２０ａを覆うように、絶縁層２０９及び上部電極２１０がこの順番で積層形成されている。絶縁層２０９の材料としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２等を用いることができる。上部電極２１０としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等が積層された多層膜を用いることができる。

但し、図３（ｂ）に示すように、Ｂ−Ｂ線に沿う断面においては、隣接する面発光レーザ素子２００を構成する各層は、絶縁層２０９を除いて完全に分離されており、分離された部分には充填材料４００が充填されている。なお、以上のように複数の半導体層が積層された構造体を、以降、便宜上「積層体」と称する場合がある。

［面発光レーザアレイの製造方法］
次に、面発光レーザアレイ１０の製造方法について説明する。図４〜図６は、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイの製造工程を例示する図である。なお、図４〜図６において、図５（ｂ）及び図６（ｂ）は図３（ａ）に対応する断面を示しており、その他の図は図３（ｂ）に対応する断面を示している。

まず、複数の半導体層が積層された「積層体」を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）或いは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって作製する。ここでは、ＭＯＣＶＤ法を用いた例を示す。又、ここでは、一例として、ＩＩＩ族の原料に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用い、Ｖ族の原料に、フォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いる。又、一例として、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いる。

具体的には、まず、図４（ａ）に示すように、基板２４０上に、エッチストップ層２５０、下部コンタクト層２０１、下部半導体ＤＢＲ２０２、下部スペーサ層２０３、活性層２０４、上部スペーサ層２０５、上部半導体ＤＢＲ２０６、及び上部コンタクト層２０８を順次成長する。基板２４０としては、例えば、表面が鏡面研磨面であるｎ−ＧａＡｓ基板を用いることができる。又、エッチストップ層２５０としては、例えば厚さ１００ｎｍ程度のｎ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを用いることができる。なお、上部半導体ＤＢＲ２０６内には、例えばｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層２０７（図示せず）が設けられている。

次に、図４（ｂ）に示すように、公知の写真製版技術を用いて、積層体の表面に所望のメサ２２０の平面形状に対応するように、例えば一辺の長さが約３０μｍの正方形のレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、例えばＣｌ_２ガスを用いたＥＣＲエッチング法等で、積層体のレジストパターンに被覆されていない領域の一部の層をエッチングし、平面形状が約３０μｍ四方の正方形のメサ２２０（メサ構造体）を形成する。この際、メサ２２０は、少なくとも選択酸化層２０７（図示せず）が露出するように形成する。エッチング後、レジストパターンを除去する。なお、エッチング底面（メサ２２０周辺の底面２２０ａ）は、例えば、下部スペーサ層２０３の上面とすることができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、メサ２２０が形成された積層体を酸化対象物として、水蒸気中で熱処理（酸化処理）を行う。ここでは、メサ２２０の外周部から選択酸化層２０７中のＡｌ（アルミニウム）が選択的に酸化される。そして、メサ２２０の中央部に、Ａｌの酸化領域２０７ａによって囲まれた酸化されていない非酸化領域２０７ｂを残留させる。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサ２２０の中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域２０７ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。領域２０７ｂの平面形状は、例えば、一辺の長さが約１０μｍの正方形とすることができる。

次に、図５（ａ）に示すように、図２（ａ）における充填材料４００に対応する領域の積層体を除去して、充填材料４００に対応するように溝１００ｘを形成する。例えば、充填材料４００が平面視で十字型であれば、平面視で十字型の溝１００ｘを形成する。溝１００ｘは、素子部１００の隣接する領域間に、隣接する領域に設けられた積層体を厚さ方向に完全に分離するように設けられ、素子部を複数の領域に分割する。

具体的には、公知の写真製版技術を用いて、溝１００ｘを形成したい部分のみを露出するレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、例えばＣｌ_２ガスを用いたＥＣＲエッチング法等で、積層体のレジストパターンに被覆されていない領域の各層をエッチングし、更にエッチストップ層２５０及び基板２４０の一部をエッチングし、基板２４０に達する溝１００ｘを形成する。

なお、基板２４０をエッチングする深さは、サブマウント３００の電極３２１〜３２５の厚さよりも浅くなるよう制御する必要がある。例えば、サブマウント３００の電極３２１〜３２５の厚さが夫々２μｍであれば、基板２４０をエッチングする深さは２μｍ以下にする必要がある。

次に、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、メサ２２０の上面及び側面、メサ２２０周辺の底面２２０ａ、並びに溝１００ｘの内壁面（底面及び側面）を連続的に覆うように、光学的に透明な絶縁層２０９を形成する。絶縁層２０９の材料としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２等を用いることができる。そして、写真製版技術を用い、メサ２２０の上面の一部（上部コンタクト層２０８の上面の外周部を除く部分）に形成された絶縁層２０９を除去して窓開けを行い、コンタクト領域（上部コンタクト層２０８と上部電極２１０とが接続される領域）を形成する。

次に、蒸着法等により、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）を絶縁層２０９上に順次積層し、上部電極２１０を形成する。この際、上部コンタクト層２０８の上面の外周部を除く部分を露出するように上部電極２１０を形成し、発光領域２１１を設ける。発光領域２１１の平面形状は、例えば一辺の長さが約１５μｍの正方形とすることができる。なお、溝１００ｘ内には、上部電極２１０を形成しない。

次に、図６（ａ）に示すように、溝１００ｘ内、及び溝１００ｘ上のメサ２２０とメサ２２０との間に充填材料４００を充填する。充填材料４００としては、例えば、ポリイミド等を用いることができる。

次に、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、積層体の上側にガラス基板等からなる搬送用基板９００を貼り付け、基板２４０の裏面を所定の厚さまで研磨し、基板２４０及びエッチストップ層２５０をウェットエッチング法等により除去する。基板２４０のエッチャントとしては、例えば、Ｈ_２Ｏ_２、Ｈ_２ＳＯ_４、及びＨ_２Ｏの混合液を用いることができる。エッチストップ層２５０のエッチャントとしては、例えば、ＨＣｌとＨ_２Ｏの混合液を用いることができる。基板２４０及びエッチストップ層２５０が除去されることで、表面が絶縁層２０９で覆われた充填材料４００の一部が下部コンタクト層２０１から下側に突出して突出部となる。以上の工程により、充填材料４００によって４つの領域１０１、１０２、１０３、及び１０４に分割された素子部１００が作製される（但し、素子部１００は搬送用基板９００に貼り付けられている）。

次に、素子部１００をサブマウント３００上にダイボンドする（図示せず）。具体的には、サブマウント３００の電極３２２〜３２５上の所定領域にはんだ材料等からなる導電材５０１〜５０４を形成する。そして、搬送用基板９００に貼り付けられた素子部１００を、サブマウント３００の絶縁部と素子部１００の充填材料４００の突出部とが合うように、導電材５０１〜５０４を介して、サブマウント３００上に配置する。

次に、熱を加えることにより、はんだ材料等からなる導電材５０１〜５０４を溶融させ、素子部１００の領域１０１〜１０４の各下部コンタクト層２０１を、サブマウント３００の電極３２２〜３２５に接合する。その後、搬送用基板９００を剥離する。

なお、充填材料４００の突出部がサブマウント３００の絶縁部から外れた場合、下部コンタクト層２０１底面がサブマウント３００の各電極に均一に貼り付けられない問題や、サブマウント３００の各電極が短絡するという問題が生じるおそれがある。従って、充填材料４００の突出部をサブマウント３００の絶縁部に納めるように実装する必要がある。そこで、サブマウント３００の絶縁部の幅は、充填材料４００の突出部の幅に比べて十分に大きく作製しておくことが望ましい。

次に、領域１０１の上部電極２１０とサブマウント３００の電極３２１とをボンディングワイヤ６０１を介して接続する（ワイヤーボンドを行う）。又、領域１０２の上部電極２１０とサブマウント３００の電極３２２とをボンディングワイヤ６０２を介して接続する。又、領域１０３の上部電極２１０とサブマウント３００の電極３２３とをボンディングワイヤ６０３を介して接続する。又、領域１０４の上部電極２１０とサブマウント３００の電極３２４とをボンディングワイヤ６０４を介して接続する。ボンディングワイヤ６０１〜６０４の材料としては、例えば、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）等を用いることができる。以上の工程により、面発光レーザアレイ１０（図２及び図３参照）が作製される。

ここで、比較例を参照しながら、本実施に形態に係る面発光レーザアレイ１０の奏する効果について説明する。図７は、比較例に係る面発光レーザアレイを例示する図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す面発光レーザアレイのＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

図７を参照するに、比較例に係る面発光レーザアレイ１０Ｘでは、サブマウント３００において基体３１０上には２つの電極３３１及び３３２が設けられている。サブマウント３００上に設けられた素子部１００Ｘは領域分割されていなく、１つの領域に複数（図７の例では１６個）の面発光レーザ素子２００が設けられている。

各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１は、導電材５０３を介して、サブマウント３００の電極３３１と接続されている。又、各面発光レーザ素子２００に共通の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６１０を介して、サブマウント３００の電極３３２と接続されている。つまり、面発光レーザアレイ１０Ｘでは、全ての面発光レーザ素子２００が並列接続されている。又、面発光レーザアレイ１０Ｘでは、サブマウント３００上には基板７００（半導体基板）を介して各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１が設けられている。

このように、比較例に係る面発光レーザアレイ１０Ｘでは、全ての面発光レーザ素子２００が並列接続されているため、前述のように、大型で電力の利用効率が低い大電流電源を用いて駆動する必要があり、装置の巨大化や装置全体の消費電力の増大等が問題となる。

一方、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１０では、素子部１００を４個の領域に分割し、各領域に配置された面発光レーザ素子２００が直列接続されている。つまり、面発光レーザアレイ１０では面発光レーザ素子２００が並列接続された並列接続アレイが直列接続されているため、面発光レーザアレイ１０Ｘのように全ての面発光レーザ素子２００が並列接続されたアレイに比べ、駆動電流を約１／４に低減できる。これにより、低電流の電源を用いて面発光レーザアレイ１０を駆動できるため、高出力化及び高効率化を実現可能となり、上記の消費電力の増大等の問題を回避できる。

又、比較例に係る面発光レーザアレイ１０Ｘでは、サブマウント３００上に基板７００を介して各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１が設けられている。一方、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１０では、サブマウント３００上に基板を介さずに直接各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１が設けられている。

半導体基板は一般的にデバイス部分に比べ非常に膜厚が厚く、活性層２０４で発生する熱をサブマウント３００へ排出することを阻害する。面発光レーザアレイ１０では基板を完全に除去しているため、熱抵抗を大幅に低減することができ、サブマウント３００への非常に高い放熱効果が得られる。そのため、より出力が高く信頼性の高い面発光レーザアレイを提供できる。

なお、基板を除去することにより面発光レーザアレイ１０の機械的強度の低下が懸念されるが、充填材料４００が充填されていることにより、面発光レーザアレイ１０の機械的強度を確保できる。つまり、一般的に基板を除去すると面発光レーザアレイの機械的強度が低下するため基板の除去は困難であるが、面発光レーザアレイ１０では充填材料４００の存在により機械的強度を高めることができるため基板の除去が可能となる。

又、面発光レーザアレイ１０では全ての面発光レーザ素子２００がモノリシックに形成されているため、面発光レーザ素子２００の位置関係を非常に高い精度で制御できる。これにより、図１に示すようなレーザ装置１を考えたとき、１枚のマイクロレンズアレイ２０で分割された並列接続アレイを含めた全ての面発光レーザ素子２００と結合できる。そのため、面発光レーザアレイ１０とマイクロレンズアレイ２０とのアライメントを一度で実施することができ、高効率なレーザ装置を実現することができる。

又、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１０では、ダブルイントラキャビティ構造を採用していないため、電気抵抗を低くするために活性層近くの層のドーピング量を増加させる必要がない。そのため、光吸収が増加して効率を低下させる問題を回避でき、面発光レーザアレイ１０全体の電力変換効率の低下を抑制可能となる。

又、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１０では、ｎ側の半導体多層膜反射鏡内のコンタクト層を露出させる構造を採用していないため、コンタクト層を必要以上に厚くしなくてもよい。そのため、高ドープの領域であるコンタクト層を厚くすることで光吸収が増加して効率を低下させる問題を回避でき、面発光レーザアレイ１０全体の電力変換効率の低下を抑制可能となる。

〈第１の実施の形態の変形例〉
第１の実施の形態の変形例では、素子部の分割数等が第１の実施の形態とは異なる面発光レーザアレイの例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図８は、第１の実施の形態の変形例に係る面発光レーザアレイを例示する平面図である。なお、図８に示す面発光レーザアレイのＤ−Ｄ線に沿う断面図は図３（ａ）に相当し、Ｅ−Ｅ線に沿う断面図は図３（ｂ）に相当するため、各断面図の図示は省略する。

図８を参照するに、第１の実施の形態の変形例に係る面発光レーザアレイ１０Ａでは、サブマウント３００が３つの電極３２１、３２２、及び３２３を有し、素子部１００が２つの領域１０１及び１０２に分割されている。そして、領域１０１及び１０２の夫々には、８個の面発光レーザ素子２００が配置されている。

領域１０１の各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１（図示せず）は、導電材を介して、サブマウント３００の電極３２２と接続されている。又、領域１０１の各面発光レーザ素子２００には共通の上部電極２１０が設けられている。つまり、領域１０１の各面発光レーザ素子２００は並列接続されている。

同様に、領域１０２の各面発光レーザ素子２００の下部コンタクト層２０１（図示せず）は、導電材を介して、サブマウント３００の電極３２３と接続されている。又、領域１０２の各面発光レーザ素子２００には共通の上部電極２１０が設けられている。つまり、領域１０２の各面発光レーザ素子２００は並列接続されている。

領域１０１の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６０１を介して、サブマウント３００の電極３２１と接続されている。又、領域１０２の上部電極２１０は、ボンディングワイヤ６０２を介して、サブマウント３００の電極３２２と接続されている。

このように、領域１０１、１０２の夫々には８個の面発光レーザ素子２００が並列接続されている。そして、領域１０１内で並列接続された面発光レーザ素子２００と、領域１０２内で並列接続された面発光レーザ素子２００とは直列接続されている。

つまり、サブマウント３００の電極３２１と電極３２３との間において、領域１０１、領域１０２の順で直列接続されている。例えば、サブマウント３００の電極３２１を外部の駆動電源９０（図１参照）の正電極、電極３２３を負電極に接続することによって、各面発光レーザ素子２００が駆動されて発光する。

図８に示す面発光レーザアレイ１０Ａの場合も、図２及び図３に示す面発光レーザアレイ１０と同様の効果を奏する。

このように、素子部１００は充填材料４００によって少なくとも２つの領域に分割されていればよい。すなわち、素子部１００は充填材料４００によって複数の領域に分割されていれば、分割数は第１の実施の形態のように４つでもよいし、第１の実施の形態の変形例のように２つでもよいし、３つや５つ以上であってもよい。これにより、各領域の面発光レーザ素子２００が直列接続されるため、低電流での駆動でも高出力化が可能となる。そのため、大型で電力の利用効率が低い大電流電源を用いて駆動する必要がなくなり、装置の巨大化や装置全体の消費電力の増大等の問題を回避できる。

又、素子部１００の各領域には少なくとも１つの面発光レーザ素子２００が配置されていればよい。これにより、各領域の面発光レーザ素子２００が直列接続されるため、上記の効果を奏する。但し、並列接続された複数の面発光レーザ素子２００を各領域に配置すると（直列接続と並列接続を合わせて使うことにより）、更に以下の効果を奏する。

すなわち、各領域に配置される面発光レーザ素子２００が１つずつの場合には、何れか１つでも面発光レーザ素子２００がパターン不良等により電気的にオープンになった場合、面発光レーザアレイ１０全体を駆動することが不可能になる。並列接続された複数の面発光レーザ素子２００を各領域に配置することで、各領域の面発光レーザ素子２００の一部が電気的にオープンになっても、全てが電気的にオープンにならなければ、面発光レーザアレイ１０全体の駆動を継続できる。

この場合、各領域において並列接続される面発光レーザ素子２００の数は第１の実施の形態のように４つでもよいし、第１の実施の形態の変形例のように８つでもよいし、これ以外の個数であってもよい。

なお、複数の面発光レーザ素子２００が並列接続された並列接続アレイを複数個設け、各並列接続アレイを直列接続する形態に代えて、複数の面発光レーザ素子２００が直列接続された直列接続アレイを複数個設け、各直列接続アレイを並列接続する形態としてもよい。この場合にも同様の効果を奏する。すなわち、一部の面発光レーザ素子２００が電気的にオープンになっても、面発光レーザアレイ１０全体の駆動を継続できる。

以上、好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の実施形態では発光部の材料としてＡｌＧａＡｓを用いる例を示したが、発光部の材料はこれに限定されず、ＡｌＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＰＡｓ等の他の材料を用いてもよく、この場合にも同様の効果を奏する。又、各元素の組成も問わない。

又、上記の実施形態では、発光部の発振波長が８０８ｎｍ帯の場合を例示したが、これに限定されるものではない。材料を適切に選択することにより、発光部の発振波長を、例えば、６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯とすることができる。

１ レーザ装置
１０、１０Ａ 面発光レーザアレイ
２０ マイクロレンズアレイ
３０ 集光レンズ
４０ ファイバ
５０ 電極
８０ ケーブル
９０ 駆動電源
１００ 素子部
１００ｘ 溝
１０１、１０２、１０３、１０４ 領域
２００ 面発光レーザ素子
２０１ 下部コンタクト層
２０２ 下部半導体ＤＢＲ
２０３ 下部スペーサ層
２０４ 活性層
２０５ 上部スペーサ層
２０６ 上部半導体ＤＢＲ
２０７ 選択酸化層
２０７ａ 酸化領域
２０７ｂ 非酸化領域
２０８ 上部コンタクト層
２０９ 絶縁層
２１０ 上部電極
２１１ 発光領域
２２０ メサ
２２０ａ メサ周囲の底面
３００ サブマウント
３１０ 基体
３２１、３２２、３２３、３２４、３２５ 電極
４００ 充填材料
５０１、５０２、５０３、５０４ 導電材
６０１、６０２、６０３、６０４ ボンディングワイヤ
９００ 搬送用基板

国際公開第２０１０／０８４８９０号 特開２００９−９４３０８公報

Claims (10)

1. 順次積層された下部反射鏡、活性層、及び上部反射鏡を含む積層体を備えた面発光レーザ素子が複数個形成された面発光レーザアレイであって、
   複数の面発光レーザ素子を備えた素子部と、
   前記積層体を厚さ方向に完全に分離するように設けられ、前記素子部を複数の領域に分割する溝と、
   前記溝を充填する充填材料と、を有し、
   夫々の前記領域は前記面発光レーザ素子を備え、異なる前記領域に設けられた前記面発光レーザ素子同士は直列接続されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
2. 基体と、
   前記基体上に形成され、互いに電気的に独立した複数の電極と、を有し、
   夫々の前記領域は、別々の電極上に実装されていることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザアレイ。
3. 前記充填材料は、前記電極間に露出する前記基体と平面視で重複する位置に設けられていることを特徴とする請求項２記載の面発光レーザアレイ。
4. 前記充填材料は、前記積層体側から前記基体側に突出した突出部を備え、前記突出部と前記基体との間には間隙が設けられていることを特徴とする請求項３記載の面発光レーザアレイ。
5. 前記突出部の幅は、前記電極間に露出する前記基体の幅よりも狭いことを特徴とする請求項４記載の面発光レーザアレイ。
6. 前記充填材料はめっきであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
7. 前記充填材料はポリイミドであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
8. 夫々の前記領域は、並列接続された複数の前記面発光レーザ素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
9. 異なる前記領域に設けられた前記面発光レーザ素子同士が直列接続されている直列接続アレイを複数個有し、
   前記直列接続アレイ同士が並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
10. 請求項１乃至９の何れか一項記載の面発光レーザアレイと、
    前記面発光レーザアレイより射出されるレーザ光をコリメートするマイクロレンズアレイと、
    前記マイクロレンズアレイによりコリメートされた前記レーザ光を集光する集光レンズと、
    集光された前記レーザ光を伝送して外部に取り出すファイバと、を備えていることを特徴とするレーザ装置。

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