JP2000040840A

JP2000040840A - 面型発光素子装置、その駆動方法およびこれを用いた光送受信装置、光インターコネクション装置および光記録装置

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Publication number: JP2000040840A
Application number: JP22228698A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Onouchi; 敏彦尾内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2000-02-08
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP3610235B2

Abstract

(57)【要約】【課題】面型発光素子と光検出器を簡単な形態で一体化
して、発光素子の出力パワーを低下させずしかも生産性
を上げて低コスト化を図る構成を持つ面型発光素子装置
である。【解決手段】面型発光素子装置は発光素子と光検出器を
有する。発光素子は、第１の基板２１面から垂直に光を
出射する面型発光素子である。発光素子へ電流を注入す
るための電極の一部は、発光素子の機能部８以外の部分
に引き出して第１の基板２１に設けられた電極パッド６
と、第１の基板２１とは異なる第２の基板２２に形成さ
れた配線パターン上の電極パッド１３とを電気的導通が
得られる様に接合して成る。第２の基板２２側から発光
素子の機能部８に電流注入可能であり、光検出器は第２
の基板２２に形成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作製が容易で歩留
まりが高く、２次元アレイ型などの構成にするのに適し
た面型半導体発光／受光デバイスなどの面型発光素子装
置、およびそれを用いた光送受信装置、光インターコネ
クション装置、光記録装置等に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量並列光情報処理、高速光接続、高
速記録技術などへの応用のため、２次元アレイ型の面型
固体発光素子の開発が望まれている。これらの応用のた
めには、低コスト、低消費電力、高生産性、高信頼性な
どが発光素子に対して必要条件となる。発光素子の材料
としては様々なものが研究開発されているが、信頼性を
確保するためには半導体単結晶は非常に適しており、特
に化合物半導体を用いた面型発光素子の開発が盛んに行
われている。

【０００３】また、発光素子のなかでも両端面に反射ミ
ラーを備えたレーザダイオード（ＬＤ）では、自然発光
に比べて非常に発光効率が高く、２次元アレイ化した場
合にも消費電力を小さくすることができる。この様な観
点から面型の半導体レーザ（Vertical Cavity Surface
Emitting Laser:VCSEL）の開発が近年活発に行なわれて
いる。

【０００４】現在、ＶＣＳＥＬも波長４００ｎｍ程度の
青色から通信波長帯である１．５５μｍまで開発されつ
つあり、サファイア基板上のＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ
系、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｌＰ系、
ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＰ基板上のＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系などの材料系で研究されてい
る。ＶＣＳＥＬの基本的な構造を図１０に示す。これ
は、基板から垂直にレーザ光を出射し、数μｍ厚程度の
エピタキシャル成長層１０３の両面に９９％以上の高反
射膜１０２、１０４を備える構造となっている。反射膜
としては、屈折率の異なるλ／４厚の膜を多層にしたも
のが主に用いられ、材料としては、誘電体ガラス、ある
いはエピ成長した半導体（例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多
層膜：ELECTRONICS LETTERS, 31, p.560 (1995)参照）
などが一般的である。尚、図１０において、１０１はレ
ーザ用基板、１０５は絶縁膜、１０６は電極、１０７は
レーザ機能部、１０８は窓部の開けられたレーザ基板側
電極、１０９は埋め込み層である。

【０００５】ところで、実際にレーザを駆動する場合、
環境温度、素子の履歴などの影響で、一定駆動電流で動
作させるだけではレーザの出力パワーが一定しないた
め、自動光出力制御回路（APC:Automatic Power Contro
l）が一般に用いられる。その原理構成図を図１１に示
す。レーザ光は一般にレーザダイオード２００の２つの
共振器ミラー面の両側から出力される。そこで、一方の
光出力を光検出器（ホトダイオード）２０１によってモ
ニターし、差動アンプ２０３で基準電圧２０２と比較し
てレーザ２００の駆動電流に負帰還制御を施すことで、
レーザ出力を一定に保つものである。尚、２０４はＬＤ
電流制御回路、２０５、２０６、２０７は抵抗、２０８
は光ファイバである。

【０００６】この場合、端面発光レーザ３０９であれ
ば、図１２の様に同一マウント上にレーザ３０９と光検
出器（ホトダイオード）３１０を実装して、レーザ出力
の一方をモニターする構造が一般的である。尚、３１
１、３１２はリード線、３１３はキャップ、３１４は窓
板、３１５はステムである。ところが、ＶＣＳＥＬの場
合、実装方法については特開平８−１８６３２６号公報
などに記載がある様に、基板全面をボンディングしてし
まうため共振器ミラーの片方の光出力しか取り出せない
様な構造になっている。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】そこで、ＶＣＳＥ
ＬにおいてＡＰＣを行なうためには、一方から出た出力
をプリズムで２つに分けて、モニター光を光学的に作り
出すことが必要であった。そのため、光学系が複雑にな
り部品点数が増加し、コスト上昇につながってしまう。
また、光出力の一部を取り出すために実際の出力パワー
が低下するので、必要な出力パワーを得るのにレーザの
駆動電流量が増加し、消費電力の上昇を招いてしまう。

【０００８】本発明の目的は、面型発光素子と光をモニ
ターするための光検出器を簡単な形態で一体化して、発
光素子の出力パワーを低下させることなくしかも生産性
を上げて低コスト化を図ることを可能にした構成を持つ
面型発光素子装置、その駆動方法およびこれを用いた光
送受信装置、光インターコネクション装置および光記録
装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の面型発光素子装置は、少なくとも１つの発光素子と
少なくとも１つの光検出器を有し、発光素子は、それが
形成された第１の基板面から少なくとも垂直に光を出射
する面型発光素子であって、それへ電流を注入するため
の電極の一部は、該発光素子の機能部以外の部分に引き
出して第１の基板に設けられた電極パッドと、該発光素
子が形成された第１の基板とは異なる第２の基板に形成
された配線パターン上の電極パッドとを電気的導通が得
られる様に接合して成り、該第２の基板側から該発光素
子の機能部に電流注入可能であり、更に該光検出器は該
第２の基板に形成してあることを特徴とする。この構成
により、面型発光素子の機能部から離れた位置に設けら
れた電極パッドまで引き出す配線を該面型発光素子基板
上に設けて、該電極パッドを他の配線基板の電極パッド
と電気的導通が得られる様に接合し、しかも、典型的に
は、配線基板上には面型発光素子に対応する位置に光検
出器を備えるので、面型発光素子の光出力をモニターす
るための光検出器を簡単な形態で一体化して、該発光素
子の光出力を減衰させることなくモニターでき、部品点
数も減らす事ができるために低コスト化につながる。

【００１０】上記基本構成に基づいて、以下の様なより
具体的な形態が可能である。前記光検出器は前記面型発
光素子の光出力を検出する光検出器であり、少なくとも
前記面型発光素子からの光の一部を受光できる様に面型
発光素子に対向して第２の基板に形成してあったり、前
記第２の基板上の光検出器は、前記面型発光素子の光出
力のみでなく、外部からの光入力をも受光できる様に配
置されていたり、前記光検出器は、外部からの光入力を
受光できる様に、第２の基板において面型発光素子との
電気的導通を行なう面とは反対側の面に形成されていた
り、或は面型発光素子との電気的導通を行なう面とは反
対側の基板の一部を除去して窓領域を設けた所に形成さ
れていたりする。光検出器で外部の光も受光できる様に
する場合、高機能化を図る事ができる。

【００１１】前記第２の基板に形成した前記配線パター
ン上の電極パッドは、光検出器が形成された領域の外側
に設けられていたり、前記光検出器の電極の一部は、光
検出器が形成された領域の外側に設けられた電極パッド
に引き出されていたりする。これらにより、面型発光素
子を該素子以外の別基板を用いて実装する場合の歩留ま
り、生産性を上げることができる。

【００１２】前記光検出器はｐｉｎホトダイオードであ
り、該光検出器の一方の電極は第２の基板上で光検出器
が形成された領域の外側にまで引き出され、もう一方は
該第２の基板の光検出器が形成されていない面全面であ
る。また、前記光検出器はＭＳＭ（Metal-Semiconducto
r-Metal）型ホトダイオードであり、該光検出器の２つ
の電極は、第２の基板上で光検出器が形成された領域の
外側にまで引き出されている。これらにより、光検出器
を簡単な形態で一体化するための構造を提供できる。

【００１３】前記第２の基板には、トランジスタ、ＦＥ
Ｔなども集積化されて、面型発光素子の駆動や制御の回
路を同一基板上に備えている。この様に、典型的には、
光検出器が形成された基板がＳｉ基板で、該基板に面型
発光素子駆動用のトランジスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ等も集
積化させることで面型発光素子の駆動素子も一体化で
き、更に低コスト化できる。

【００１４】前記面型発光素子は半導体結晶で構成さ
れ、活性層の両側に反射ミラーを備えた面型半導体レー
ザである。これにより、発光素子を容易に複数集積化で
きる。

【００１５】前記面型発光素子を形成した第１の基板の
うち、面型発光素子の機能部が形成された領域におい
て、機能層のみ残して基板を除去して窓領域が形成され
ている。これにより、面型発光素子の光が該素子の基板
で吸収されてしまう場合の問題を解決でき、基板側から
どんな波長の光も取り出せる様になる。

【００１６】前記電極パッドの電気的導通を得ながら接
合する手段が、電極パッド上にハンダをメッキ等で形成
して加熱することである。面型発光素子の基板側あるい
は配線基板側の電極パッドにハンダをメッキしておくこ
とにより、これら互いに対応する電極パッドのアライメ
ントを行なって加熱すれば、簡単に電気的および機械的
結合が得られる。

【００１７】前記電極パッドの電気的導通を得ながら接
合する手段が、電極パッド上に異方導電性接着剤を塗布
して加圧しながら加熱することである。面型発光素子の
基板側あるいは配線基板側の電極パッドに導電性或は異
方導電性接着剤を塗布しておくことにより、これら互い
に対応する電極パッドのアライメントを行なって加圧お
よび加熱すれば、簡単に電気的および機械的結合が得ら
れる。

【００１８】前記電極パッドの電気的導通を得ながら接
合する手段が、表面電極同士を圧着することである。面
型発光素子の基板側および配線基板側の互いに対応する
電極パッドのアライメントを行なって加圧すれば、圧着
により電気的および機械的結合が得られる。このとき超
音波を加えるか、電極パッドに凹凸を形成するかしてお
くことにより、より簡単に圧着できる。

【００１９】前記電極パッドが電気的導通を得ながら接
合されていると共に、面型発光素子の機能部と第２の基
板との間にできた空隙に樹脂が充填された構造を持つ。
これにより、機械的強度を増すことができ、実装する場
合の面型発光素子の密着強度を増すことができる。

【００２０】前記面型発光素子は第１の基板上に複数集
積化してあり、第１の基板上に、該集積された面型発光
素子の機能部の周囲に前記電極パッドが配置される様に
各面型発光素子に電流注入するための配線パターンが形
成されている。面型発光素子を多数アレイ化した場合に
ついて、複数の面型発光素子と光をモニターするための
複数の光検出器を簡単な形態で一体化して、発光素子の
出力パワーを低下させることなくしかも生産性を上げて
低コスト化を図ることができる。

【００２１】前記光検出器は各面型発光素子に対応する
位置にアレイ化され、該光検出器の少なくとも一部の電
極は第２の基板上で光検出器が形成された領域の外側に
まで引き出されている。複数の面型発光素子と該素子か
らの光をモニターするための複数の光検出器を簡単な形
態で一体化して、発光素子の出力パワーを低下させるこ
となくしかも生産性を上げて低コスト化を図ることがで
きる。

【００２２】前記各面型発光素子に電流注入するための
配線パターンは独立駆動型で形成されている。マトリッ
クス駆動となる様に配線もできるが、独立駆動型の配線
パターンも容易に実現できる。

【００２３】前記面型発光素子の光出力を第２の基板に
形成された光検出器で受光して面型発光素子の光出力を
安定化する様にフィードバック制御する様に構成されて
いる。面型発光素子の光出力を上記の様に一体化した光
検出器でモニターして該発光素子の注入電流にフィード
バック制御すれば、光出力を安定化できる。

【００２４】更に、上記目的を達成する本発明の面型発
光素子装置の駆動方法は、上記の面型発光素子装置の面
型発光素子の光出力を第２の基板に形成された光検出器
で受光して、この受光量に基づいて、面型発光素子の光
出力を安定化する様に該面型発光素子をフィードバック
制御することを特徴とする。これにより、面型発光素子
の光出力を安定化できる。

【００２５】また、面型発光素子装置の駆動方法は、上
記の面型発光素子装置の面型発光素子の光出力を第２の
基板に形成された光検出器で受光して面型発光素子の光
出力を安定化する様にフィードバック制御するととも
に、該光検出器に外部から光信号を入射させることで光
インバータ素子として機能させることを特徴とする。こ
の様にフィードバック制御をしながら光検出器に外部か
ら光信号を入射すると、光インバータとして機能させる
ことができる。

【００２６】更に、上記目的を達成する本発明の光記録
装置は、上記の面型発光素子装置を光源として用いて記
録媒体に信号を載せた該光源からの光をあてることを特
徴とする。上記面型発光素子装置を用いてレーザビーム
プリンタ、ＣＤ−ＲＯＭ等の光記録を行なえ、上記面型
発光素子装置を用いれば比較的安価な性能、機能の良い
光記録装置を実現できる。

【００２７】更に、上記目的を達成する本発明の光送受
信装置は、上記の面型発光素子装置を送信機として備え
たことを特徴とする。上記面型発光素子装置を用いて光
情報伝送を行なえ、上記面型発光素子装置を用いれば比
較的安価な性能、機能の良い光情報伝送装置を実現でき
る。

【００２８】更に、上記目的を達成する本発明の光イン
ターコネクション装置は、上記の光送受信装置を用いて
ボード間の並列伝送、処理を行なうことを特徴とする。
上記面型発光素子装置を用いて光インターコネクション
を行なえ、上記面型発光素子を用いれば比較的安価な性
能、機能の良い光インターコネクション装置を実現でき
る。

【００２９】具体例を用いて、本発明の原理、特徴を以
下に説明する。本発明においては、面型発光素子（ここ
ではＶＣＳＥＬとする）の基板面からの出力およびエピ
タキシャル成長面からの出力の両光出力を利用できる様
に、面全体で接合して実装するのではなくＶＣＳＥＬ領
域ないしＶＣＳＥＬアレイ領域（ここではＶＣＳＥＬア
レイを考える）の外側で電気的接合を得るものである。
例えば、８×８の２次元アレイＶＣＳＥＬの場合を考え
る。個々のＶＣＳＥＬの位置で電気的接合を得ようとす
ると接合側の光が金属等で遮られてしまうので、図２に
示す如く、ＶＣＳＥＬの上面（エピタキシャル層面）
に、ＶＣＳＥＬアレイ領域の外側に電極パッドが配置さ
れる様に配線パターンを引き出し線として形成する。こ
のとき該配線は各対応するＶＣＳＥＬの部分のみにオー
ミック接触を得ており、それ以外の領域では絶縁膜（Ｓ
ｉＯ₂、ＳｉＮ_x等）でアイソレーションされている。各
ＶＣＳＥＬの構成は、例えば図１０の従来例の様に、Ｇ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ歪み多重量子井戸活性層を１波長
共振器長になる様にスペーサ層を介してＡｌＡｓ／Ｇａ
Ａｓエピミラーで挟んだ構造であり、０．９８μｍ帯の
レーザになっている。光の取り出し方は波長によって異
なるが、０．９８μｍ帯の様にレーザ基板側から取り出
せる場合は、図１０の様に基板側に電極の窓を開けるだ
けで取り出せ、エピタキシャル層上面の電極に窓を設け
れば、エピタキシャル層側からも光を取り出すことがで
きる。

【００３０】一方、レーザ光出力をモニタできる光検出
器アレイを持った配線基板側は（ここでは光検出器はレ
ーザ光出力のみを受ける場合を考える）、図３の様な配
線パターンとする。材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの半導
体で、図１の様なｐｉｎ型ＰＤあるいは図５の様なショ
ットキーバリア型ＰＤを各ＶＣＳＥＬに対応する位置に
図３の様に８×８でアレイ化し、配線基板上のＶＣＳＥ
Ｌの配線とは独立に電極配線および電極パッドを形成す
る。もちろん、同一表面あるいは裏面には図５や図６の
様にトランジスタ等の電子回路が集積されていてもよ
い。

【００３１】この配線基板にはＶＣＳＥＬアレイの外側
に配置されたＶＣＳＥＬ基板上の各パッドと対応する様
なパッドも形成され、該パッドから更に電極が引き出せ
る様にパターンを形成している。

【００３２】この様にＶＣＳＥＬアレイ領域の外側に引
き出された電極パッドと配線基板上の電極パッド同士で
接合する場合には、図１の様に、ＶＣＳＥＬからの一方
の光出力を近接した位置に実装された光検出器でモニタ
ーできる。また、このとき形成された電極形状、サイ
ズ、間隔は自由に設計できアライメント精度をあまり要
求しないため、歩留まり、生産性の向上につながる。ま
た、接合点がＶＣＳＥＬから離れているために、接合時
にＶＣＳＥＬにダメージを与えることはない。

【００３３】パッド同士の接合は、一般的にはパッドに
ハンダをメッキ等で形成しておき加圧しながら加熱すれ
ばよい。断面形状のイメージとしては図１の様になる。
この接合には、Ａｕパッド同士を合わせて超音波をかけ
る方法、あるいは表面に凹凸を形成して加圧して直接接
合する方法もある。また、導電粒子を含んだ接着剤いわ
ゆる異方導電性接着剤を塗布して、加圧加熱接着しても
よい。この場合、配線パターンをメッキ等で１０μｍ以
上の厚膜にしておけばバンプとして作用するため、隣接
するパターンとの接触を防げられる。

【００３４】また、上記の様に実装した光検出器は、Ｖ
ＣＳＥＬからの光をモニターするだけでなく外部からの
光を受光してこの光信号を元にＶＣＳＥＬの光出力を制
御する様な擬似的な光−光制御を行なうこともできる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００３６】（第１実施例）本発明による第１の実施例
は、０．９８μｍ帯の８×８の２次元ＶＣＳＥＬアレー
に本発明の考え方を適用したものである。図１におい
て、ＶＣＳＥＬウエハ２１は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
歪み２重量子井戸活性層とＩｎＧａＡｓスペーサ層から
なる１波長共振器３を、ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓの１／
４波長厚の多層膜（２０〜３０組程度）から成るＤＢＲ
（分布反射）ミラー２および４で挟む様にＭＯＶＰＥ
（有機金属気相成長）法などによってＧａＡｓ基板１上
にエピタキシャル成長した構造となっている。ＤＢＲミ
ラー４の最上層は電極コンタクトを取り易い様にハイド
ープのＧａＡｓ層となっている。発光領域８に電流狭窄
を行なうため、円環状に活性層３近傍までエッチングし
た後、ポリイミド９で凹部を埋め込んで平坦化し、そこ
にＳｉＮ_x等の絶縁膜５を形成して窓開けしてから電極
６を形成している。この際、円環状にエッチングして現
れたＤＢＲミラー４の側面のＡｌＡｓ層のみ選択酸化し
て、更に電流狭窄化してもよい。

【００３７】電極６は、図２に示す如くＶＣＳＥＬアレ
イ領域２３から外に電極パッド６を引き出す様に配線パ
ターンが形成されている。本実施例では、蒸着によるＣ
ｒ／Ａｕを電極として用いたが、配線の長さによっては
抵抗低減のためにＡｕメッキによる厚膜にしてもよい。
また、ハンダ接合するときの密着を増すためおよび半導
体とのコンタクト抵抗の低減のために、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａ
ｕ等の密着／バリア／配線層で形成してもよい（Ｔｉは
半導体との密着が良く、Ｐｔはハンダに溶けないのでバ
リアとなり、Ａｕはハンダに溶けて合金を作る）。

【００３８】また、本実施例でのサイズは、ＶＣＳＥＬ
の発光領域８が１０μｍφ、その間隔が１２５μｍであ
り、従ってＶＣＳＥＬアレイ領域２３は８７５μｍ□、
全体のチップ２１は３ｍｍ□としたが、もちろんサイズ
は自由に設計できる。ＶＣＳＥＬ部分の電極６は、中心
に電極を除去した５μｍφの窓を設けて、エピタキシャ
ル層側から光を取り出せる構造としている。ＶＣＳＥＬ
のＧａＡｓ基板１側の電極７はＡｕＧｅ／Ａｕで形成
し、アレイ領域２３の部分だけ除去して基板１側からも
光を取り出せる構造としている（ＧａＡｓ基板１は０．
９８μｍ帯の光に対して透明である）。

【００３９】一方、ＶＣＳＥＬ基板２１を実装する光検
出器基板２２には、図３に示す様なパターンを形成し
た。すなわち、まず、ＶＣＳＥＬの各発光領域８に対応
する電極パッド６に合う様に電極パッドが形成してあり
（最も内側の電極パッドアレイ）、その外側に電極１３
を引き出す様なパターンとしている。また、該基板２２
には図１と図３に示す様に、ｐｉｎ型ＰＤ３０が各ＶＣ
ＳＥＬに対応する位置にアレイ化されており、各電極１
４は基板２２の最も外側の電極パッドアレイに引き出す
様に配線されている。

【００４０】これらの配線１３、１４はＣｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕのメッキ等により形成してあり、電極パッド部にはハ
ンダ１８がやはりメッキ等により形成してある。こうし
てＶＣＳＥＬ基板２１と光検出器基板２２をアライメン
トして加熱することで簡単に電気的接合及び機械的結合
が得られる。

【００４１】この電気的接合はハンダを使う手段以外
に、Ａｕ電極同士を圧着あるいは超音波をかけて接合す
る方法もある。また、導電粒子（４〜１０μｍ程度の大
きさである）の入った異方導電性接着剤を塗布して加
圧、加熱してもよい。この場合、Ａｕ配線をメッキで形
成して１０μｍ以上の厚さにしておけば、導電粒子の大
きさとの関係から接着剤の異方性（垂直方向には導電性
を持つが横方向は絶縁する）を引き出すことができ、歩
留まり良く隣り合う配線の絶縁を取りながら対応する電
極間の接合ができる。

【００４２】なお、電極の接合によって形成された空隙
２５はそのままでもよいし、レーザ光に対して吸収、散
乱の少ない樹脂などを充填してもよい。また、光検出器
基板２２の表面にはＶＣＳＥＬへの反射の影響を低減す
るために無反射コーティングを施してもよい。また、本
実施例では、配線のパターンは各デバイス独立駆動型と
しているが、マトリックス駆動となる様に配線してもよ
い。この場合は、例えば、ＶＣＳＥＬのエピタキシャル
層側の電極６を、２次元アレイの一方の方向の行につい
て、接続して配線してＶＣＳＥＬ領域外の電極パッドア
レイに引き出し、基板１側は、電極分離をエピタキシャ
ル層側と同様に行い（例えば、上から見てます目状に基
板１から活性層３の下辺りまでエッチングしてそこに絶
縁材料を埋め込んで平坦化する）、こうして分離された
ＶＣＳＥＬの基板側の電極７を、２次元アレイの他の一
方の方向の列について、接続して配線してＶＣＳＥＬ領
域外の電極パッドアレイに引き出す必要がある。

【００４３】光検出器の構造は図１に示す様に一般的な
ｐｉｎ−ＰＤの構造とした。すなわち、ｐ^-（π）−Ｓ
ｉ基板１０に受光部となるｎ⁺領域１１を拡散により形
成し、ＳｉＯ₂等の絶縁膜１２を形成して、リング状の
電極１４およびその配線を図３の様に形成する。ｎ領域
１１との電極コンタクトは、絶縁膜１２にスルーホール
１５を形成して電極を埋め込めばよい。一方、ｐ側は全
体に拡散によりｐ⁺層１６を形成し、電極１７を全面に
形成する。レーザパワーが強すぎてＰＤが飽和してしま
う場合は薄い金属膜などの吸収体をコーティングしてパ
ワーを減衰させてもよい。

【００４４】実装は、ｐｉｎ−ＰＤのｐ側電極１７をパ
ッケージにダイボンディングし、レーザ基板２１のｎ側
電極７とともに共通のグランドに接続する。この場合、
レーザがカソードコモン、ＰＤがアノードコモンとな
り、これらが共通のグランドに接続されることになる。
一方、レーザのアノードはそれぞれＬＤ制御回路を通し
てトランジスタで駆動され、ＰＤは抵抗を介して逆電界
を印加し、ＶＣＳＥＬ出力に応じてＰＤのホトカレント
を検出する様な構成にする。

【００４５】このときの、ＡＰＣ回路の概念図を図７に
示す。ＶＣＳＥＬ８０からのレーザ光をＰＤ８３で検出
し、そのときの電圧変動を作動アンプ８６で基準電圧８
５と比較し、ＬＤ電流制御回路８７で負帰還制御する様
にＶＣＳＥＬの駆動トランジスタ８１にフィードバック
する。この回路系は、本実施例の様にＶＣＳＥＬがカン
ードコモンすなわちｎ基板１を用いた場合で、ＰＤがア
ノードコモンすなわちｐ基板１０を用いた場合である。
それぞれの極性が異なる場合には、この回路系に準じて
回路を組めばよい。尚、図７において、８２、８４は抵
抗である。

【００４６】この様な形態にすることにより、ＶＣＳＥ
Ｌアレイとそのレーザ光のモニター用ＰＤをコンパクト
に一体化して実装することができ、樹脂モールド等を用
いて一体化した光学系に比べてコンパクトにできて部品
点数を減らすことができるために、低コスト化につなが
る。また、ＶＣＳＥＬの出力の一部をビームスプリッタ
等で取り出すこともないため、レーザパワーの取り出し
効率が向上する。更に、ＶＣＳＥＬ基板２１と配線基板
２２を貼り合わせるときのアライメントが容易なため、
歩留まり、生産性が高く、ＶＣＳＥＬ近傍での接合等の
作業がないためにＶＣＳＥＬへの特性劣化などのダメー
ジがない。

【００４７】（第２実施例）本発明による第２の実施例
は、配線基板において、図４の様にＶＣＳＥＬの光出力
を受ける面とは反対側の面に光検出器を集積化させたも
のである。これによって外部からの光も光検出器で感度
良く受光できる構造になっている。レーザ基板２１およ
び光検出器基板２２は第１実施例とほぼ同じであるが、
ＶＣＳＥＬからの光が光検出器まで到達できる様に光検
出器のｐ側電極１７の一部に窓をあけ（４３で示す）、
更にＶＣＳＥＬとのコンタクトを取る配線１３は、ｐ電
極１７の上に絶縁膜４０を成膜してから形成していると
ころが異なる。本実施例ではＶＣＳＥＬの発振波長が
０．９８μｍなのでＳｉ基板を透過させることができ
る。

【００４８】実装においてはチップ全体をダイボンディ
ングするのではなく、受光領域に窓をあけたパッケージ
４２に配線パターンを図３のＶＣＳＥＬ用の配線パター
ン１３と同様に形成して、光検出器のｎ側電極１４をハ
ンダメッキ４１を介してこの配線パターン１３に接合す
ればよい。光検出器のｐ電極１７は図４の様にワイヤボ
ンディング４４でＶＣＳＥＬのｎ電極７と電気的に導通
させ、共通のグランドとする。

【００４９】外部光を使った制御の仕方であるが、ＡＰ
Ｃをかけている状態で外部から光検出器に光が入射する
と、見かけ上ＶＣＳＥＬパワーが上昇したことになるの
で、ＶＣＳＥＬへの注入電流が減少してＶＣＳＥＬの出
力パワーが減少する。従って、この面型発光素子装置
は、外部からの光の入力に対してインバータとして機能
することになる。また、外部からの光は、ｐｉｎ−ＰＤ
で受光される光であれば、インコヒーレント光、ＶＣＳ
ＥＬと波長の異なるレーザ光などでもよいので、この面
型発光素子装置は、擬似的なインコヒーレント−コヒー
レント変換（ＶＣＳＥＬはコヒーレントを出すので）、
あるいは波長変換素子（ＶＣＳＥＬはＰＤで受光される
光の波長とは異なる波長の光を出すとしている）として
も動作させることができる。

【００５０】（第３実施例）本発明による第３の実施例
は、図５に示す構造の様に光検出器として、ショットキ
ーバリア型ＰＤ５３を用いたものである。半導体基板上
に図５（ｂ）の様な櫛形電極５８、５９を設けるだけで
高感度、高速な光検出器が得られ、これはＭＳＭ（Meta
l-Semiconductor-Metal）−ＰＤと呼ばれている。本実
施例では、半絶縁性のＧａＡｓ基板５０にアンドープの
ＧａＡｓバッファ層５１を０．５μｍエピタキシャル成
長し、絶縁膜１２としてＳｉＮ_xを成膜してから窓領域
を形成して、図５（ｂ）の様な櫛形電極をｌ₁＝１０μ
ｍ、ｌ₂＝５μｍで作製した。このＭＳＭ−ＰＤ５６は
第１実施例と同様に各ＶＣＳＥＬに対応する位置に作製
してアレイ化し、その素子分離のためｐ拡散層５２を設
けている。

【００５１】また、同一基板５０上にはショットキーバ
リア型ＦＥＴ５７も集積化してあり、ＶＣＳＥＬの駆動
トランジスタとして機能する。光検出器基板５０に形成
された配線パターン１３は、このＦＥＴのドレイン電極
も兼ねている。

【００５２】一方、ＭＳＭ−ＰＤ５６の電極５３は表面
上に２極あり（５８、５９）、基本的には両性であるの
でどちらをコモン電極にしてもよい。本実施例では、Ｖ
ＣＳＥＬとしてｐ基板１を用いており、従ってアノード
コモンタイプとなり、ＭＳＭ−ＰＤの一方のコモンに当
たる電極とＶＣＳＥＬのｐ電極７とを配線して共通のプ
ラス電源Ｖｃｃと接続している。ＭＳＭ−ＰＤ５６のも
う一方の電極は、第１実施例と同様にＶＣＳＥＬ基板２
１の外側に引き出し、同様に集積化された差動アンプや
ＬＤ制御回路（不図示）を介して、ＦＥＴ５７のゲート
電極５４に配線される様になっている。ソース電極５５
は抵抗を介して上記の共通のグランドと配線される。

【００５３】したがって、本実施例により、ＶＣＳＥ
Ｌ、ＰＤ、ＡＰＣ回路が一体化したコンパクトで歩留ま
りの良いレーザアレイ光源を提供できる。この装置での
制御系は図８の様になる。図７の場合と違い、ＶＣＳＥ
Ｌ８０のｎ側電極が直接ＦＥＴ５７のドレインＤと接続
でき、集積化のときに抵抗を介さないために有利にな
る。また、ソースＳの電圧を抵抗Ｒによる自動負帰還で
調整できるので、電流増倍率を制御しやすく、より安定
な駆動回路を構成できる。

【００５４】（第４実施例）本発明による第４の実施例
は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を配線基板お
よび電子デバイス基板として用い、ＶＣＳＥＬの光出力
を第３実施例と同様のＭＳＭ−ＰＤで検出するものであ
る。

【００５５】図６に示す様に、Ｓｉ基板６０上にＳｉＯ
₂６１およびアンドープＳｉ層（０．３μｍ程度）６２
が形成されたＳＯＩ基板に、第３実施例と同様にＭＳＭ
−ＰＤアレイ６４が形成されている。また、素子分離の
ためにｐ拡散層６３が設けられ、ＶＣＳＥＬ駆動用のド
ライバとしてバイポーラトランジスタ７０が集積化され
ている。該トランジスタ７０では、Ｓｉ層６２にｎ拡散
層６５としてコレクタ電極１３を形成し、そしてｐ型拡
散層６７を形成してベース電極６９が形成され、ｎ型拡
散層６６を形成してエミッタ電極６８が形成されてい
る。

【００５６】本実施例では、第３実施例と同様にｐ型基
板７１を用いているため配線方法は第３実施例と同様で
ある。また、ＡＰＣの駆動方法も第３実施例と同様であ
る（図８のＦＥＴをバイポーラトランジスタ７０で置き
換えた回路を参照）。

【００５７】ただし、本実施例では、ＧａＡｓ基板７１
上にバンドギャップ波長０．７７μｍのＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓ活性層をエピタキシャル成長しているため、Ｇ
ａＡｓ基板７１が吸収体となってしまう。そこで、図６
の様にＧａＡｓ基板７１をＤＢＲミラー２の第１層まで
エッチングにより除去して窓領域７２を形成している。
また、外部からの光も受光するため、Ｓｉ基板６０の一
部をＳｉＯ₂６１までエッチングして窓７３を形成して
いる。外部光の使い方としては、第２実施例の様にＶＣ
ＳＥＬをインバー夕的に駆動できる。また、時分割で外
部光を受光するときは、ＶＣＳＥＬの発振を止めて受光
器として作用し、受光しないときにＶＣＳＥＬを発振さ
せるというシステムで、ボード間の光インターコネクシ
ョンを用いたり光ファイバに結合して光情報伝送として
用いたりしてもよい。第２実施例や本実施例の様な場
合、光検出器は外部光を受光するのみでもよいので、光
検出器は発光素子と対応した位置に必ずしも形成する必
要はない。

【００５８】ところで、今までの実施例ではＧａＡｓ基
板上のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓの例を示したが、もちろん他の材料、波長、すなわ
ち青色発光のＧａＮ系、ＧａＡｓ基板上の長波材料であ
るＧａＩｎＮＡｓなどでも、同様のことが実現できる。
また、これまで挙げた実施例では、８×８の２次元ＶＣ
ＳＥＬアレイであったが、もちろんアレイ数には制限は
なく１つのＶＣＳＥＬないし面型発光素子でもよい。

【００５９】（第５実施例）第５実施例は、今まで述べ
てきたＶＣＳＥＬアレイをレーザビームプリンタに適用
したものである。図９にその概略構成図を示す。

【００６０】本発明による光検出器付きＶＣＳＥＬアレ
イ９０を光源に使うと（該アレイ９０はポリゴンミラー
９１の回転軸の方向に（紙面垂直方向ないし副走査方
向）並んでいる）、図９に示す様に、１回のスキャンで
感光ドラム９３へ数列の帯状に光書き込みができるた
め、非常に高速なプリントが可能となる。ドラム９３面
上でのビームのピッチはレンズ系９２で任意の幅にする
ことができ、例えば１２５μｍピッチのＶＣＳＥＬアレ
イの光をドラム面上では２０μｍピッチにすることも容
易である。制御の上では、今までの実施例の様に２次元
アレイにするよりは１次元で８個を集積化したＶＣＳＥ
Ｌなどが使いやすい。レーザの波長としては第４実施例
の様に０．７７μｍ帯のＶＣＳＥＬを用いた。

【００６１】アレイ化したＶＣＳＥＬは、本発明による
装置により自動的に個々にＡＰＣがかけられるが、光学
系による光量変動を抑えるにはドラム９３近傍に設置さ
れたＰＤ９４で走査光を受光し１スキャン毎に補正する
必要がある。このとき、各々のＶＣＳＥＬのパワーをモ
ニターしてもよいが、ＶＣＳＥＬアレイからの全パワー
を１個のＰＤ９４で受光して、ＬＤ制御回路９５で全体
のＬＤ電流の合計にフィードバックする方法が簡便であ
る。

【００６２】レーザビームプリンタの高速化のために
は、ポリゴンミラー９１の回転数には限界があるが、本
発明によるＶＣＳＥＬアレイを用いることで簡単に達成
できる。また、端面発光レーザをアレイ化した場合には
注入電流量が多いため、消費電力の上昇の問題があった
が、本発明によるＶＣＳＥＬアレイを用いれば１桁以上
消費電力を低減することができる。これは、端面発光レ
ーザでの駆動電流が５０ｍＡであるのに対し、ＶＣＳＥ
Ｌの場合は１０ｍＡ程度で駆動できるためである。

【００６３】本実施例以外の適用例としては、ボード間
光インターコネクション、ＣＤ−ＲＯＭ、光磁気ディス
ク等の光源としても用いることができる。また、光ファ
イバに結合して光を伝送する場合には大容量光並列伝送
の光源として用いることもできる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によって、面
型発光素子の出力パワーを低下させることなく該発光素
子の光出力をモニターする等の事ができ、しかも面型発
光素子装置の生産性を上げて低コスト化を図ることがで
きる。

【００６５】更に、上記面型発光素子装置を用いて低コ
スト、低消費電力のレーザビームプリンタ、ＣＤ−ＲＯ
Ｍ等の光記録装置を実現できる。また、上記面型発光素
子装置を用いて低コストの光情報伝送装置、低コストの
光インターコネクション装置等を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例のＶＣＳＥＬアレイモ
ジュールの断面図である。

【図２】図２は本発明による第１実施例のＶＣＳＥＬア
レイ基板の平面図である。

【図３】図３は本発明による第１実施例のＶＣＳＥＬア
レイを接合する光検出器兼配線用基板の平面図である。

【図４】図４は本発明による第２実施例のＶＣＳＥＬア
レイモジュールの断面図である。

【図５】図５は本発明による第３実施例のＶＣＳＥＬア
レイモジュールの作製方法、構造を示す断面図である。

【図６】図６は本発明による第４実施例のＶＣＳＥＬア
レイモジュールの断面図である。

【図７】図７はＶＣＳＥＬがカソードコモンの場合のＶ
ＣＳＥＬアレイモジュールのＡＰＣ回路の概念図であ
る。

【図８】図８はＶＣＳＥＬがアノードコモンの場合のＶ
ＣＳＥＬアレイモジュールのＡＰＣ回路の概念図であ
る。

【図９】図９は本発明によるＶＣＳＥＬアレイモジュー
ルを利用したレーザビームプリンタ光学系の概念図であ
る。

【図１０】図１０は従来のＶＣＳＥＬの断面構造図であ
る。

【図１１】図１１は一般的なＡＰＣ回路の概念図であ
る。

【図１２】図１２はモニタ用ＰＤ付きレーザモジュール
の従来例の図である。

【符号の説明】

１、７１、１０１レーザ用基板２、４、１０２、１０４半導体多層膜ミラー３、１０３活性層５、１２、４０、１０５絶縁膜６レーザ側電極兼配線７、１０８レーザ基板側電極８、１０７レーザ機能部９、１０９埋め込み領域１０、５０、６０光検出器兼配線用基板１１ｐｉｎホトダイオード機能部１３配線基板側電極兼配線１４、５３光検出器電極１５スルーホール電極１６ｐ型拡散領域１７光検出器基板側電極１８、４１接合用金属１９、２０、４４ボンディングワイヤ２１レーザ基板２２光検出器基板２３ＶＣＳＥＬアレイ領域２５空隙３０光検出器アレイ領域４２パッケ―ジ４３電極窓領域５１バッファ層５２、６３素子分離領域５３、５８、５９ＭＳＭホトダイオード電極用配線５４、５５、６８、６９トランジスタ電極５６、６４ＭＳＭホトダイード機能部５７ＦＥＴ領域６１ＳｉＯ₂ ６２Ｓｉ層６５、６６ｎ型拡散領域６７ｐ型拡散領域７０トランジスタ領域７２ＶＣＳＥＬ用窓領域７３光検出器用窓領域８０、２００、３０９レーザダイオード８１トランジスタ８２、８４、２０５、２０６、２０７抵抗８３、２０１、３１０ホトダイオード８５、２０２基準電圧８６、２０３差動アンプ８７、９５、２０４ＬＤ電流制御回路９０ＶＣＳＥＬアレイモジュール９１ポリゴンミラー９２シリンドリカルレンズ９３感光ドラム９４光検出器１０６電極２０８光ファイバ３１１、３１２リード線３１３キャップ３１５ステム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｂ 10/04 Ｆターム(参考） 5F049 AA04 AA05 AB03 AB07 BB01 CA15 EA02 EA07 KA17 5F073 AA65 AA74 AB05 AB15 AB17 CA07 CB02 CB11 CB22 CB23 DA05 DA21 DA31 EA29 FA03 GA02 GA12 GA18 5F089 AB03 AB08 AC02 AC05 AC07 AC24 CA20 EA01 EA06 FA03 FA06 5K002 AA05 BA07 BA11 BA13 CA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの発光素子と少なくとも１
つの光検出器を有し、発光素子は、それが形成された第
１の基板面から少なくとも垂直に光を出射する面型発光
素子であって、それへ電流を注入するための電極の一部
は、該発光素子の機能部以外の部分に引き出して第１の
基板に設けられた電極パッドと、該発光素子が形成され
た第１の基板とは異なる第２の基板に形成された配線パ
ターン上の電極パッドとを電気的導通が得られる様に接
合して成り、該第２の基板側から該発光素子の機能部に
電流注入可能であり、更に該光検出器は該第２の基板に
形成してあることを特徴とする面型発光素子装置。
【請求項２】前記光検出器は前記面型発光素子の光出力
を検出する光検出器であり、少なくとも前記面型発光素
子からの光の一部を受光できる様に面型発光素子に対向
して第２の基板に形成してあることを特徴とする請求項
１記載の面型発光素子装置。
【請求項３】前記第２の基板上の光検出器は、前記面型
発光素子の光出力のみでなく、外部からの光入力をも受
光できる様に配置されていることを特徴とする請求項１
または２記載の面型発光素子装置。
【請求項４】前記光検出器は、外部からの光入力を受光
できる様に、第２の基板において面型発光素子との電気
的導通を行なう面とは反対側の面に形成されていること
を特徴とする請求項１、２または３記載の面型発光素子
装置。
【請求項５】前記光検出器は、外部からの光入力をも受
光できるために、第２の基板において面型発光素子との
電気的導通を行なう面とは反対側の基板の一部を除去し
て窓領域を設けた所に形成されていることを特徴とする
請求項１、２または３記載の面型発光素子装置。
【請求項６】前記第２の基板に形成した前記配線パター
ン上の電極パッドは、光検出器が形成された領域の外側
に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何
れかに記載の面型発光素子装置。
【請求項７】前記光検出器の電極の一部は、光検出器が
形成された領域の外側に設けられた電極パッドに引き出
されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに
記載の面型発光素子装置。
【請求項８】前記光検出器はｐｉｎホトダイオードであ
り、該光検出器の一方の電極は第２の基板上で光検出器
が形成された領域の外側にまで引き出され、もう一方は
該第２の基板の光検出器が形成されていない面全面であ
ることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の面
型発光素子装置。
【請求項９】前記光検出器はＭＳＭ（Metal-Semiconduc
tor-Metal）型ホトダイオードであり、該光検出器の２
つの電極は、第２の基板上で光検出器が形成された領域
の外側にまで引き出されていることを特徴とする請求項
１乃至７の何れかに記載の面型発光素子装置。
【請求項１０】前記第２の基板には、トランジスタ、Ｆ
ＥＴなども集積化されて、面型発光素子の駆動や制御の
回路を同一基板上に備えていることを特徴とする請求項
１乃至９の何れかに記載の面型発光素子装置。
【請求項１１】前記面型発光素子は半導体結晶で構成さ
れ、活性層の両側に反射ミラーを備えた面型半導体レー
ザであることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに
記載の面型発光素子装置。
【請求項１２】前記面型発光素子を形成した第１の基板
のうち、面型発光素子の機能部が形成された領域におい
て、機能層のみ残して基板を除去して窓領域が形成され
ていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記
載の面型発光素子装置。
【請求項１３】前記電極パッドの電気的導通を得ながら
接合する手段が、電極パッド上にハンダをメッキ等で形
成して加熱することであることを特徴とする請求項１乃
至１２の何れかに記載の面型発光素子装置。
【請求項１４】前記電極パッドの電気的導通を得ながら
接合する手段が、電極パッド上に導電性或は異方導電性
接着剤を塗布して加圧しながら加熱することであること
を特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の面型発
光素子装置。
【請求項１５】前記電極パッドの電気的導通を得ながら
接合する手段が、表面電極同士を圧着することであるこ
とを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の面型
発光素子装置。
【請求項１６】前記電極パッドが電気的導通を得ながら
接合されていると共に、面型発光素子の機能部と第２の
基板との間にできた空隙に樹脂が充填された構造を持つ
ことを特徴とする請求項１乃至１５の何れかに記載の面
型発光素子装置。
【請求項１７】前記面型発光素子は第１の基板上に複数
集積化してあり、第１の基板上に、該集積された面型発
光素子の機能部の周囲に前記電極パッドが配置される様
に各面型発光素子に電流注入するための配線パターンが
形成されていることを特徴とする請求項１乃至１６の何
れかに記載の面型発光素子装置。
【請求項１８】前記光検出器は各面型発光素子に対応す
る位置にアレイ化され、該光検出器の少なくとも一部の
電極は第２の基板上で光検出器が形成された領域の外側
にまで引き出されていることを特徴とする請求項１７記
載の面型発光素子装置。
【請求項１９】前記各面型発光素子に電流注入するため
の配線パターンは独立駆動型で形成されていることを特
徴とする請求項１７または１８記載の面型発光素子装
置。
【請求項２０】前記面型発光素子の光出力を第２の基板
に形成された光検出器で受光して面型発光素子の光出力
を安定化する様にフィードバック制御する様に構成され
ていることを特徴とする請求項１乃至１９の何れかに記
載の面型発光素子装置。
【請求項２１】請求項１乃至２０の何れかに記載の面型
発光素子装置の面型発光素子の光出力を第２の基板に形
成された光検出器で受光して、この受光量に基づいて、
面型発光素子の光出力を安定化する様に該面型発光素子
をフィードバック制御することを特徴とする面型発光素
子装置の駆動方法。
【請求項２２】請求項１乃至２０の何れかに記載の面型
発光素子装置の面型発光素子の光出力を第２の基板に形
成された光検出器で受光して面型発光素子の光出力を安
定化する様にフィードバック制御するとともに、該光検
出器に外部から光信号を入射させることで光インバータ
素子として機能させることを特徴とする面型発光素子装
置の駆動方法。
【請求項２３】請求項１乃至２０の何れかに記載の面型
発光素子装置を光源として用いて記録媒体に信号を載せ
た該光源からの光をあてることを特徴とする光記録装
置。
【請求項２４】請求項１乃至２０の何れかに記載の面型
発光素子装置を送信機として備えたことを特徴とする光
送受信装置。
【請求項２５】請求項２４記載の光送受信装置を用いて
ボード間の並列伝送、処理を行なうことを特徴とする光
インターコネクション装置。