JPH11274633A

JPH11274633A - 面発光型半導体レーザアレイ

Info

Publication number: JPH11274633A
Application number: JP6914998A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kaneko; 剛金子; Takayuki Kondo; 貴幸近藤; Takeo Kawase; 健夫川瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-10-08
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: JP3671663B2

Abstract

(57)【要約】【課題】面発光型半導体レーザアレイ特有の熱的クロス
トークを低減するために、分離溝で各素子の周囲を完全
に分離すると、素子特性が劣化してしまうという問題が
あった。また、分離溝が原因となるへき開時の不良発生
率の増加の問題も存在していた。【解決手段】面発光型半導体レーザアレイを構成する素
子間に、少なくとも２つの終端部を有する溝を形成する
ことで、放熱経路を確保し素子特性を劣化させることな
く熱的クロストークを抑制することができると同時に、
へき開時の不良発生率を低減することができる。熱的ク
ロストークは、ヒートシンクと組み合わせることでより
効果的に除去することができる。また、溝の終端部を円
形にすることにより、へき開時の不良発生率をより効果
的に低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板と垂直方向に
レーザ光を出射可能な面発光型半導体レーザ素子を同一
基板上に複数配置した面発光型半導体レーザアレイに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体レーザは、へき開面を反射
鏡として共振器構造を形成していたため、レーザ光は基
板端面から取り出していた。これに対し面発光型半導体
レーザは、基板と垂直方向に共振器構造を形成すること
によりレーザ光を基板表面から取り出すものである。製
造プロセスに従来の半導体プロセスと同様のプレーナ技
術を用いることができるため、面発光型半導体レーザは
２次元アレイ化が容易であり、並列通信の光源などとし
て大いに期待されている。

【０００３】この面発光型半導体レーザの特性に大きく
影響を与えるのが、レーザ発振による発熱の問題であ
る。図３に示した熱力学シミュレーションの結果による
と、活性層で発生した熱は空気中へはほとんど拡散せ
ず、下部の多層ミラーおよび基板内へと拡散していく。
この時、熱源においては１６０℃以上、熱源から５０μ
ｍ離れた位置での表面付近の温度は５０℃以上もあるこ
とが示されている。

【０００４】面発光型半導体レーザアレイにおいては、
複数の面発光型半導体レーザ素子が同時に駆動されるた
め、ある素子が発生した熱が他の素子に伝播する熱的ク
ロストークが発生してしまう。このため、駆動する素子
の数に応じて個々の素子温度が変化し、それに伴って出
力が変動するという問題が生じていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この熱的クロストーク
の問題を解決するために、例えば、特開平８−３２１７
８号公報に記載の発明では隣接する素子間を分離溝で完
全に分離する方法が記されている。しかしこの場合、活
性領域で発生する熱を緩和する経路が制限されてしま
い、単一素子の発光特性自体が悪化してしまうという問
題があった。

【０００６】また、分離溝が基板の端面まで到達して形
成されている場合、レーザアレイチップのへき開の際に
この分離溝からチップが破損し、不良率が高くなってし
まうという問題も生じていた。

【０００７】本発明の目的は、素子間の熱的クロストー
クを抑制し、かつ単一素子の発光特性を悪化させない構
造を具え、同時にへき開時の不良率を増大させない面発
光型半導体レーザアレイを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の面発光型半導体
レーザアレイは、半導体基板上に第１の反射ミラー、少
なくともクラッド層及び活性層を含む多層の半導体層、
第２の反射ミラーを有し、第２の反射ミラー表面からレ
ーザ光を出射可能な少なくとも２つの発光部を具えた構
造をしており、個々の発光部の間に少なくとも第１の反
射ミラーに至る深さまで穿設された溝が形成され、この
溝が少なくとも２つの終端部を有することを特徴とす
る。

【０００９】上述の構成によれば、一方の素子より発生
された熱は、面発光型半導体レーザアレイを構成する個
々の素子の発光部の間に形成された溝により伝導経路を
絶たれ、隣接する素子への影響を及ぼさない。またこの
溝は少なくとも２つの終端部を持つため、発生した熱が
放熱される経路が確保されている。このため、個々の素
子特性を劣化させることなく熱的クロストークのみを抑
えることが可能となる。より好ましくは、溝と各発光部
を結ぶ線分とが互いの中点で垂直に交わるように配置さ
れ、溝の長さ（長手方向）が発光部から溝の端部までの
距離の２倍以上であると、熱的クロストーク低減の効果
が大きい。

【００１０】この際、前記発光部の周囲の少なくとも一
部に、熱伝導性のよい材料を少なくとも第１の反射ミラ
ーに到達する深さまで埋め込んだヒートシンクを形成
し、放熱効率を上げることで、熱的クロストークや素子
温度の上昇をより効果的に抑えることができる。

【００１１】同時に、溝が終端部を有するため、へき開
の際にこの溝がきっかけとなり破損してしまう危険性が
低減する。この効果はレーザアレイ基板の端から溝の終
端部までの距離が溝の長さの１／２以上であるとより顕
著に表れる。さらに望ましくは溝の終端部の形状が円形
であるとよい。終端部が円形であることにより、へき開
時にかかる歪みを均一に拡散させることができ、へき開
時の不良発生率を大きく低減することが可能となる。

【００１２】本発明の面発光型半導体レーザアレイを構
成する面発光型半導体レーザ素子としては様々な構造の
ものが適用可能であるが、前記第２の反射ミラーの一部
が柱状にエッチングされた柱状部分により発光部が形成
された構造のもの、あるいは前記第２の反射ミラーを経
て少なくとも前記多層の半導体層までイオン注入を行う
ことで電気的素子分離を達成した構造のもの、などに対
して特に有益である。また、各層の材料についても、Ｇ
ａＡｓ系、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系、ＩｎＰ系、などとい
った様々な材料系に対して適用可能である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して説明する。

【００１４】（実施例１）図１は本発明の一実施例にお
ける面発光レーザアレイの平面図であり、図２はそのＡ
Ａ’断面図である。

【００１５】図１において、面発光型半導体アレイ１０
０は面発光型半導体レーザ１０１Ａ、１０１Ｂの２素子
が対向して配置された構造となっている。各々の素子に
は柱状部分１０２が形成されており、柱状部分１０２の
周囲から柱状部分１０２の上面の一部にかけて上部電極
１０３が連続的に形成されている。また、柱状部分１０
２の上面部分を除く上部電極は絶縁膜１０４上に形成さ
れている。このため、電流はすべて柱状部分１０２の上
面から各面発光型半導体レーザ素子に注入される。

【００１６】柱状部分の表面にはレーザ出射口１０５が
存在する。レーザ出射口とは上部電極１０３の柱状部分
１０２の上面の開口部のことで、ここから基板の表面側
にレーザ光が出射される。本実施例では、各柱状部分１
０２は直径１５μｍの円柱形で、直径１３μｍのレーザ
出射口をもち、これらが柱状部分の中心間距離５０μｍ
で配置されている。また、レーザアレイチップ１００は
長辺３５０μｍ、短辺３００μｍの長方形をしている。

【００１７】２つの面発光型半導体レーザ素子間には、
エッチングにより形成された幅１０μｍ、長さ５０μｍ
の長方形型の溝１０６が形成されている。この溝１０６
は、溝と各柱状部分の中心を結ぶ線分とが互いの中点で
垂直に交わるように配置されている。また，この溝１０
６は，図１の紙面における左右方向に終端部を有してい
る。

【００１８】次に、個々の面発光型半導体レーザ素子の
構造について述べる。図２の断面図における１０１Ａお
よび１０１Ｂの２つの素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０７
上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０８、ｎ型半導体多層
ミラー１０９、ｎ型クラッド層１１０、活性層１１１、
ｐ型クラッド層１１２、ｐ型半導体多層ミラー１１３お
よびｐ型コンタクト層１１４が順次積層された構造をと
る。

【００１９】ｎ型半導体多層ミラー１０９は、ＡｌＡｓ
とＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓを交互に３０ペア積層
した構造となっており、レーザ発振波長に対して９９．
９％以上の反射率をもつ。一方ｐ型半導体多層ミラー１
１３は、Ａｌ_０．８２Ｇａ_０．１８ＡｓとＡｌ_０．１５
Ｇａ_０．８５Ａｓを交互に２５ペア積層した構造となっ
ており、レーザ発振波長に対して９９．６％以上の反射
率をもつ。

【００２０】活性層１１１は、ＧａＡｓからなる５つの
井戸層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの障壁層からなる多
重量子井戸構造をしており、この活性層１１１がｎ型Ａ
ｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓからなるｎ型クラッド層１
１０とｐ型Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓからなるｐ型
クラッド層１１２に挟まれている。

【００２１】ｐ型コンタクト層１１４は、キャリア濃度
１×１０^１９ｃｍ^−３以上のＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５
Ａｓ層から形成されている。

【００２２】各々の面発光型半導体レーザ素子１０１Ａ
および１０２Ｂの電気的な素子分離は、ｐ型コンタクト
層１１４を経てｐ型半導体多層ミラー１１３の下部まで
突起状にエッチングして形成された柱状部分１０２によ
り達成される。この柱状部分１０２を形成することによ
って、注入された電流が拡散せず無効電流を抑えること
ができ、効率的なレーザ発振が可能になる。また、この
柱状部分に例えばＡｌＡｓの自然酸化を利用した酸化Ａ
ｌによる電流狭窄構造を具えればより効率的なレーザ発
振が可能になるが、本発明はこのような構造をもつ面発
光型半導体レーザアレイについても実施可能である。

【００２３】柱状部分１０２の周囲にはＳｉ０_２膜から
なる絶縁膜１０４とＴｉ膜とＡｕ膜の２層からなる上部
電極１０３が形成されている。絶縁膜１０４はｐ型半導
体多層ミラー１１３の表面から柱状部分１０２の側面を
覆うように形成されている。上部電極１０３は絶縁膜１
０４に沿った形で柱状部分１０２の最上部まで達してお
り、さらにｐ型コンタクト層１１４の表面にいたるまで
連続的に形成されている。この上部電極１０３は柱状部
分１０２の上面にレーザ出射口１０５を備えている。ま
た、基板の裏面にはＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕからなる下部
電極１１５が形成されている。

【００２４】面発光型半導体レーザアレイ素子１０１Ａ
と１０１Ｂとの間には溝１０６がエッチングにより形成
されている。有効な溝の深さは図３の熱力学シミュレー
ションの結果から判断できる。図３のシミュレーション
は、基板００１、下部多層ミラー００２、活性層００
３、上部多層ミラー００４の４層が積層され、上部多層
ミラー００４の一部が柱状に形成されたモデルを用い、
柱状部の中央直下の活性層領域を発熱源として行った。

【００２５】この結果を見ると、一方の素子の活性層発
生された熱は、活性層００３内、下部多層ミラー００
２、基板００１へと拡散していく。この時熱源はおよそ
１６０℃程度となる。多層ミラーにおける熱伝導率は、
基板と水平方向成分が垂直方向性分より大きいため、発
熱源から水平方向へ２５μｍ離れた点であっても、活性
層の温度が７０℃、多層ミラーの中央部でも６５℃と高
温である。また、本実施例において隣接する素子が存在
する位置である発熱源から５０μｍの点でも、活性層の
温度が５０℃以上あり、熱的クロストークの影響がある
ことが示される。

【００２６】上述の結果から、活性層および下部多層ミ
ラーにおける基板と水平方向の熱伝導を遮断すること
が、熱的クロストークの抑制につながることがわかる。
これを踏まえて本実施例では、溝の深さをｎ型半導体多
層ミラー１０９を貫き少なくともバッファ層１０８まで
到達する深さとした。本実施例の構造では７μｍ程度の
深さに相当する。

【００２７】次に、本実施例の構造の面発光型半導体レ
ーザアレイを実際に駆動したときの効果について述べ
る。図４は、面発光型半導体レーザアレイにおいて、駆
動した素子数に対する１素子あたりの出力を示してい
る。出力の測定はしきい値電流４．５ｍＡの素子を７ｍ
Ａで駆動して行った。

【００２８】図４の結果を見ると、まず溝のないサンプ
ルでは、２素子駆動時の１素子あたりの出力が、単独で
駆動した場合に比べおよそ２０％低減していることがわ
かる。この際の各素子の温度を発振波長の変化から計算
すると、１素子駆動時に比べて２素子駆動時は４０℃も
高くなっていることが示された。

【００２９】一方、分離溝で素子を完全に囲ったサンプ
ルの場合は、熱の拡散経路が制限されてしまうため、１
素子駆動時の出力が溝のない場合に比べ４０％低減して
しまっている。また、各々の素子温度が高くなるため、
分離溝が熱的クロストークに対して有効に機能していな
い。

【００３０】これに対し、本実施例の構造をとる面発光
型半導体レーザアレイの場合、単独駆動時の出力の低減
が少なく、かつ、２素子駆動時にも出力の低減が６％程
度に抑えられている。この時の素子温度の上昇は２素子
駆動時で１２℃に抑えられており、熱的クロストークが
効果的に除去されていることがわかる。

【００３１】次に、効果的な溝の形状について述べる。
図５は、素子間の溝の幅を１０μｍに固定し長さを変化
させ、その際の２素子駆動時の１素子駆動時に対する素
子温度上昇と、へき開時の不良発生率について示したも
のである。

【００３２】図５を見ると温度上昇の低減の効果は、溝
の長さ５０μｍから顕著に表れることがわかる。これは
素子の発光点から溝までの距離の２倍の長さであり、熱
的クロストークを低減するには少なくとも上記の長さが
必要である事が分かる。さらに望ましくは、１００μｍ
以上の長さをとると熱的クロストーク低減の効果が大き
い。

【００３３】一方、素子分離時の不良発生率は溝の短い
うちは低いが、溝の長さが１５０μｍを越えると、すな
わち、レーザアレイチップの端から溝の終端部までの距
離が溝の長さの１／２以下になると急激に増加する。

【００３４】これらの結果より、熱的クロストークを効
果的に抑え、かつへき開時の不良率を増加させない溝の
長さは、本実施例の素子配置の場合５０μｍから１５０
μｍの間ということがわかる。

【００３５】以上のように、本発明の構成による面発光
型半導体レーザアレイが、熱的クロストークおよびへき
開時の不良率の低減に有効であることが示された。な
お、本実施例では基板や共振器、活性領域の材料につい
てＧａＡｓ系化合物を用いたが、これらが本発明を限定
するものではなく、ＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系な
ど様々な材料系で適用可能である。また、素子の極性を
反転した構成においても適用可能である。

【００３６】（実施例２）図６は本発明の第２の実施例
の面発光型半導体レーザアレイの概略を示す平面図であ
る。この面発光型半導体レーザアレイは、各面発光型半
導体レーザ素子の周囲のうち溝が存在しない領域に、熱
伝導率の高い材料で形成されたヒートシンクが存在する
点が第１の実施例と異なる。

【００３７】図６において、面発光型半導体レーザアレ
イ２００を構成する２０１Ａ、２０１Ｂの２素子の構造
および形状は、図１および図２に示された第１の実施例
における面発光型半導体レーザ素子１０１Ａ、１０１Ｂ
のそれと同一である。ただし上部電極２０３は、面発光
型半導体レーザアレイ２００の対角線方向に配置されて
いる。また、各素子間には活性層を経て少なくとも下部
ミラーまで到達する溝２０６が形成されており、その形
状および配置は、第１の実施例で示したものと同一であ
る。

【００３８】本実施例ではさらに、柱状部分２０２に近
接しておりかつ溝２０６が形成されていない位置に、Ａ
ｕＳｎ合金を用いたヒートシンク２１６を具えている。

【００３９】図７はこの構造のＡＡ’断面の概略図であ
る。面発光型半導体レーザ素子２０１Ａおよび２０１Ｂ
の構造は、第１の実施例ですでに説明したものと同じ構
造である。また、素子間に形成された溝２０６も第１の
実施例と同じ形状をとる。

【００４０】本実施例の場合、溝２０６と反対側にＡｕ
Ｓｎ合金で形成されたヒートシンク２１６が、表面から
ｎ型半導体多層ミラー２０９を経て少なくともバッファ
層２０８まで達している。このヒートシンク用材はＡｕ
Ｓｎに限定されるものではなく、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなど
の金属材料や、ＳｉＣ、ＢｅＯなどの熱伝導性を有する
絶縁材料などが使用できる。

【００４１】この構造によると、例えば面発光型半導体
レーザ素子２０１Ａで発生した熱は、第１の実施例の説
明時に述べたように、活性層２１１、ｐ型半導体多層ミ
ラー２０９中心に基板と水平方向に拡散していく。この
際、溝２０６側に伝播した熱は、空気の熱伝導率が小さ
いため溝２０６により水平方向への伝播が遮られ、隣接
の素子２０１Ｂへの熱伝導が抑えられる。一方、逆方向
に伝播した熱はヒートシンク２１６により放熱が促され
る。したがって、溝により熱伝播が遮られたことに伴う
素子２０１Ａの温度上昇を抑えることができる。図６に
示したように、上部電極２０３の形状を工夫すること
で、各面発光型半導体レーザの柱状部分２０２の近傍に
広い面積をもつヒートシンク２１６を形成することがで
き、素子の放熱に対して非常に有効である。

【００４２】本実施例の構造で実際に面発光型半導体レ
ーザ素子を駆動した結果、２素子駆動時の素子温度上昇
は８℃に抑えられた。また、１素子あたりの出力も２素
子駆動時に１素子駆動時の３％減少にとどまり、熱的ク
ロストーク低減の効果がより有効に現れていることがわ
かる。

【００４３】（実施例３）図８は本発明の第３の実施例
における面発光型半導体レーザアレイの概略を示す平面
図である。この面発光型半導体レーザアレイは、各素子
間に形成された溝を、溝幅よりも大きい直径をもつ円形
にて終端させている点で第１の実施例と異なる。

【００４４】図８において、面発光型半導体レーザアレ
イ３００を構成する３０１Ａ、３０１Ｂの２素子の構造
および形状は、図１および図２に示された第１の実施例
における面発光型半導体レーザ素子１０１Ａ、１０１Ｂ
のそれと同一である。また、溝３０６は、基本的な構造
は第１の実施例と変わらないが、各々の終端部を直径の
位置とする直径１４μｍの円形部で終端させてある。

【００４５】溝３０６の基本的な構造が変わらないた
め、本実施例の構造においても、第１の実施例同様熱的
クロストークの低減に大きな効果がある。

【００４６】さらに、本実施例における溝３０６の形状
によると、へき開の際に溝にかかる歪みを円形部分にて
緩和することができる。これにより素子分離の際の不良
発生率の低下をさらに強化することができる。具体的に
は、本実施例における素子分離の際の不良率は０．８％
であり、第１の実施例における１．８％を下回る良好な
結果が得られた。

【００４７】このように、本実施例の面発光型半導体レ
ーザアレイによれば、高い製造歩留まりを保ちつつ、複
数の素子間の熱的クロストークを低減することができ
る。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば複数の面
発光型半導体レーザ素子間に領域または形状の限定され
た溝を形成することにより、さらに、熱伝導率の高いヒ
ートシンクを溝の存在しない個所に形成することによ
り、素子間の熱的クロストークを効果的に低減すること
ができ、安定した面発光型半導体レーザアレイを供給す
ることができる。同時に、レーザアレイチップをへき開
する際の不良率を抑え、高歩留まりで面発光型半導体レ
ーザアレイを供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における面発光型半導体
レーザアレイを示す平面図である。

【図２】本発明の第１の実施例における面発光型半導体
レーザアレイを示す断面図である。

【図３】面発光型半導体レーザの熱力学シミュレーショ
ンの結果を示す図である。

【図４】面発光型半導体レーザアレイの駆動素子数に対
する１素子あたりの光出力を示す図である。

【図５】溝の長さに対する素子温度上昇および不良率の
関係を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施例における面発光型半導体
レーザアレイを示す平面図である。

【図７】本発明の第２の実施例における面発光型半導体
レーザアレイを示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施例における面発光型半導体
レーザアレイを示す平面図である。

【符号の説明】

１００、２００、３００面発光型半導体レーザアレイ
チップ１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａ面発光型半導体レーザ
素子１０１Ｂ、２０１Ｂ、３０１Ｂ面発光型半導体レーザ
素子１０２、２０２、３０２柱状部分１０３、２０３、３０３上部電極１０４、２０４、３０４絶縁膜１０５、２０５、３０５レーザ出射口１０６、２０６、３０６溝１０７、２０７ｎ型ＧａＡｓ基板１０８、２０８ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０９、２０９ｎ型半導体多層ミラー１１０、２１０ｎ型クラッド層１１１、２１１活性層１１２、２１２ｐ型クラッド層１１３、２１３ｐ型半導体多層ミラー１１４、２１４ｐ型コンタクト層１１５、２１５下部電極２１６ヒートシンク００１基板００２下部多層ミラー００３活性層００４上部多層ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成された第１の反射ミ
ラーと、前記第１の反射ミラー上に形成され少なくとも
活性層及びクラッド層を含む多層の半導体層と、前記多
層の半導体層上に形成された第２の反射ミラーと、前記
第２の反射ミラーの表面からレーザ光を出射可能な少な
くとも２つの発光部と、前記第２の反射ミラーの表面か
ら少なくとも前記第１の反射ミラーに至る深さで、個々
の前記発光部の間に形成された溝と、を有し、前記溝は
少なくとも二つの終端部を有することを特徴とする面発
光型半導体レーザアレイ。
【請求項２】請求項１において、前記発光部の周囲の
少なくとも一部に、前記第２の反射ミラーの表面から少
なくとも前記第１の反射ミラーに至る深さで形成された
ヒートシンクを有することを特徴とする面発光型半導体
レーザアレイ。
【請求項３】請求項１において、前記溝の終端部が円
形であることを特徴とする面発光型半導体レーザアレ
イ。