JP2002329936A

JP2002329936A - 半導体レーザアレー

Info

Publication number: JP2002329936A
Application number: JP2001134102A
Authority: JP
Inventors: Maiko Ariga; 麻衣子有賀; Noriyuki Yokouchi; 則之横内
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2002-11-15

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体レーザ素子を集積化した半導体レーザ
アレーにおいて、熱抵抗Ｒ_thのばらつきを抑え、各半導
体レーザ素子の光出力の均一化を図る。【解決手段】本半導体レーザアレー４０は、二次元ア
レーであって、アレー本体２２と、アレー本体の周囲に
沿って設けられ、アレー本体の側面に熱的に一様に接続
されている環状の熱伝導部４２と、アレー本体及び環状
の熱伝導部に熱的に接続され、かつアレー本体及び環状
の熱伝導部の外周輪郭より大きな外周輪郭のＳｉ製のヒ
ートシンク４４を備えている。アレー本体は、縦５列、
横５行の合計２５ヶの面発光型半導体レーザ素子１をア
レー状に配置したものである。熱伝導部４２は、素子１
が形成されている半導体基板２と熱伝導度が同じになる
ように、同じ半導体基板で形成されていて、幅Ｗが素子
１の一辺の長さａの１／２に等しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザアレ
ーに関し、更に詳細には、半導体レーザアレーを構成す
る各面発光型又は端面発光型半導体レーザ素子が同じ注
入電流値で同じ光出力を出すように光出力の一様化を図
った、光情報処理分野、光通信分野等のデバイス用光源
として最適な半導体レーザアレーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】次世代の光通信ネットワークや、コンピ
ューターを光で接続する光インターコネクションなどの
システムでは、益々、その情報伝送容量の増大が求めら
れている。それに伴い、これらのシステムで光源として
利用される半導体レーザ素子には、その高光出力化が要
請されている。そして、その要請に応えるために、複数
個の面発光型半導体レーザ素子を一次元バー状に又は二
次元アレー状に平面上に配列してなる半導体レーザアレ
ーが、開発されており、しかも、面発光型半導体レーザ
素子の集積度を高めて、高光出力化を図ることが強く求
められている。また、将来、これらのシステムが一般家
庭等にも普及することを考慮すると、高集積化された半
導体レーザアレーを低コストで提供することも必要とな
ってくる。

【０００３】二次元半導体レーザアレー２０は、複数個
の面発光型半導体レーザ素子を平面上に二次元アレー状
に配列したものであって、例えば図６に示すように、一
つの半導体基板上に面発光型半導体レーザ素子１（以
下、簡単に素子１と言う）をアレー状に縦方向に５列、
横方向に５行で合計２５ヶ配列してなるアレー本体２２
と、アレー本体２２の下側をＡｕＳｎ半田ボンディング
により熱的に接続したＳｉ製のヒートシンク２４とを備
えている。

【０００４】一次元半導体レーザアレー３０は、複数個
の素子１を平面上に一次元的にバー状に配列したもので
あって、例えば図７に示すように、一つの半導体基板上
に素子１を横方向に５ヶ配列してなるアレー本体３２
と、アレー本体３２の下側をＡｕＳｎ半田ボンディング
により熱的に接続したＳｉ製のヒートシンク３４とを備
えている。

【０００５】半導体レーザアレーとして一次元又は二次
元的に集積される素子１は、図１０に示すファブリペロ
ー共振器型半導体レーザ素子１５とは異なり、図８に示
すように、基板２と垂直方向に光１４を表面から取り出
すことができるように構成された半導体レーザ素子であ
って、一つの半導体基板上に一次元バー状に又は二次元
アレー状に配列されることができる。一方ファブリペロ
ー共振器型半導体レーザ素子１５等の端面発光型面半導
体レーザ素子は、図１０に示すように、ダブルヘテロ接
合を有するレーザ構造の接合面に直交する出射端面１６
からレーザ光Ｂを出射している。

【０００６】ここで、図８及び図９を参照して、素子１
の構成を説明する。図８は素子１のレーザ光の出射の様
子を示す模式的斜視図であり、及び図９は素子１の構成
を示す断面斜視図である。素子１は、ｐ−ＧａＡｓ基板
２上に、３５ペアのｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを積層して
なる下部ＤＢＲミラー３と、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド
層、発振波長が８５０ｎｍのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ活
性層、及びｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層からなる活性部
４と、３０ペアのｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを積層してな
る上部ＤＢＲミラー８と、その上に成長したｎ−ＧａＡ
ｓコンタクト層９との積層構造を備えている。

【０００７】また、注入電流を効率良く閉じ込めるため
に、活性部４とＤＢＲミラー３の間には、電流注入領域
として設けられたＡｌＡｓ層１０と、電流注入領域の外
側の電流狭窄層として設けられたＡｌ酸化層１０Ａとが
形成されている。Ａｌ酸化層１０Ａは、ＡｌＡｓ層１０
のＡｌを選択的に酸化した層である。また、積層構造上
には、保護膜としてＳｉＮ膜１１が成膜され、更に、寄
生容量を減らすため、ポリイミド層１２がメサ上に形成
されている。ポリイミド層１２上には、ｎ−ＧａＡｓコ
ンタクト層９に接続するリング状のｐ側電極１３が設け
てあり、ｐ−ＧａＡｓ基板２の裏面にはｐ側電極１４が
設けてある。以上の構成により、素子１は、図８に示す
ように、基板２に直交する方向にレーザ光Ｂを出射する
ことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者
が、以上のように構成された二次元半導体レーザアレー
２０（図６参照）の各素子１について、注入電流−光出
力特性の測定を行ったところ、同じ電流値の電流を注入
した場合であっても、各素子１の光出力は、半導体レー
ザアレー２０上のｙ方向のｉ行（ｉ＝１〜５）目で、ｘ
方向のｊ列（ｊ＝１〜５）目で指定される場所に因って
ばらつきを生ずることを確認した。１行１列目の素子１
は、図６中の“０“で示されている。

【０００９】すなわち、二次元半導体レーザアレー２０
の最外周部以外の９ヶの素子１（ｉ、ｊ＝２、３、４）
では、同一の注入電流Ｉａに対して、ほぼ同一の光出力
Ｐａが得られた。一方、最外周部の１６ヶの素子１（ｉ
＝１、ｊ＝１、２、３、４、５）、（ｉ＝２、ｊ＝１、
５）、（ｉ＝３、ｊ＝１、５）、（ｉ＝４、ｊ＝１、
５）、（ｉ＝５、ｊ＝１、２、３、４、５）では、全
て、同じ注入電流Ｉａに対して、光出力がＰａよりも約
２０％程度低いことが確認された。

【００１０】つまり、光出力がばらつく二次元半導体レ
ーザアレーを光通信ネットワークや光インターコネクシ
ョンで利用した場合、半導体レーザアレー上の素子１の
それぞれの注入電流を個々に制御して、同じ光出力でレ
ーザ光を放射させることが必要になる。ところで、二次
元半導体レーザアレー２０の各素子１を駆動制御するた
めの電流源は、原則的に一つであり、この電流源には、
半導体レーザアレー２０の素子１の数に対応する数だけ
のドライバ用ＩＣが接続されている。

【００１１】従って、全ての素子１を同一の光出力で動
作させるには、ドライバ用ＩＣは、最外周部の素子の注
入電流がそれ以外の素子の注入電流より多くなるように
注入電流を制御する必要があるので、その様にドライバ
用ＩＣを設計することが必要になる。その結果、駆動さ
れる各素子１の特性に合わせて一つずつ個別にドライバ
用ＩＣを設計しなければならなくなり、その設計が複雑
となる。また、全体のコストが上がることになる。将
来、半導体レーザアレーを利用した光通信ネットワーク
や光インターコネクションなどのシステムが一般家庭等
でも利用されることを考慮すると、これは、システムの
普及にとって大きな障害となる。

【００１２】上記の事情に鑑み、本発明の目的は、面発
光型半導体レーザ素子間の光出力のばらつきが小さく、
従ってドライバ用ＩＣの低コスト化及びステム全体の低
コストを図ることができる半導体レーザアレーを提供す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、半導体レー
ザアレー上の各面発光型半導体レーザ素子の光出力のば
らつきが生じる原因を以下のように推論した。

【００１４】面発光型半導体レーザ素子の注入電流Ｉと
光出力の大きさＰ_outとの間には、（１）式のような関
係がある。

【数１】ここで、Ｒ_fは光出射面側の反射率、Ｒ_bはその反対側の
反射率、η_iは内部微分量子効率、α_mはミラー損失、α
_iは内部損失、及びＩ_thはしきい値電流である。また、
Θ（Ｔ）は、レーザ発振時の温度Ｔでの半導体レーザ素
子の発熱による光出力の低下の度合いを表す項であり、
温度Ｔの上昇に伴って減少していく。

【００１５】ミラー損失α_mは、共振器の長さＬ、Ｒ_f、
及びＲ_bを用いて、（２）式のように表すことができ
る。

【数２】（２）式において、Ｒ_f、及びＲ_bはその半導体レーザ素
子で不変的な定数であり、Ｌも一定であるから、α_mは
不変的な定数である。

【００１６】それに対し、Ｉ_th、η_i、及びα_iは、発振
時の無効電力Ｐ_nullによる温度上昇により変化するもの
の、Θ（Ｔ）の温度上昇による変化の割合と比較すれば
一般的に小さい。なお、レーザ発振時の半導体レーザ素
子の温度Ｔは、半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒ_th、及び投
入した電力のうち光に変換されなかった電力すなわち無
効電力Ｐ _nullにより、（３）式のように表すことができ
る。

【数３】ここで、Ｔ₀は発振前の半導体レーザ素子の温度であ
る。

【００１７】一般的に、素子１は、電流注入領域の径が
数μｍ〜数十μｍ程度と非常に狭いので、素子抵抗Ｒ_s
が一般的なファブリペロー共振器型（端面発光型）半導
体レーザ素子のそれよりも大きい。それに加え、活性層
領域も小さいので、熱抵抗Ｒ_thは非常に大きくなり、例
えば約１０００Ｋ／Ｗ以上になる。特に、素子１の基板
として、ｐ型半導体基板を用いた場合には高くなる。例
えば、本発明者の実験では、素子１は、注入電流を２０
ｍＡとしたとき、光出力は１０ｍＷになり、無効電力Ｐ
_nullに起因する温度の上昇は、５０℃以上にもなる。そ
のため、熱抵抗Ｒ_th及びΘ（Ｔ）が光出力の低下に与え
る影響は相当大きくなることが考えられる。

【００１８】半導体レーザアレー２０上の各素子１の光
出射面側の反射率Ｒ_f、及びその反対側の反射率Ｒ_bは、
全ての素子１について同一である。また、内部微分量子
効率η_i、内部損失α_i、及びしきい値電流Ｉ_thの素子１
間のばらつきは２％程度である。それに加え、発熱の要
因となる素子抵抗Ｒ_sの大きさの素子１間ばらつきも２
％程度である。

【００１９】しかし、既に述べたように、二次元半導体
レーザアレー２０の各素子１の注入電流−光出力特性を
測定すると、最外周部の素子１の光出力が特に低いこと
が確認されていて、実際に測定された素子１間の光出力
のばらつきは、最外周部とそれ以外のものと比較する
と、最外周部の素子１は２０％程度も低下する。

【００２０】この事実を（１）式に基づいて考察する
と、仮にΘ（Ｔ）のばらつきが無ければ、各素子１間の
光出力のばらつきは数％程度になるはずである。しかる
に、実際の光出力のばらつきが２０％程度であったこと
から、そのばらつきの原因は、Θ（Ｔ）がばらつくこと
に因るものであると、考えることができる。なお、Θ
（Ｔ）はレーザ発振時の温度Ｔでの発熱による光出力の
飽和を表す項であることから、光出力の低下を引き起こ
す度合いは、温度Ｔが上昇することにより顕著になる。
一方、レーザ発振時の温度Ｔは（３）式により計算され
るが、各素子１の素子抵抗がほぼ同一であることから、
（３）式で、各レーザ間のＰ_nullはほぼ同一であると考
えられる。

【００２１】以上のことから、二次元半導体レーザアレ
ーの各素子１の注入電流−光出力特性を測定した場合
に、最外周部の素子１の光出力が特に低くなる理由は、
最外周部の素子１の熱抵抗Ｒ_thが特に他の場所と比較し
て大きいために、発振時における素子の温度上昇が大き
くなり、その結果、Θ（Ｔ）が減少することによるもの
であると結論付けることができる。

【００２２】つぎに、最外周部の素子１の熱抵抗Ｒ
_thが、他の場所の素子１と比較して大きいことの理由を
説明する。先ず、図１１及び図１２を参照して、素子１
が発振しているときの熱の流れを説明する。活性部４及
びｐ−ＤＢＲミラー３を中心とした発熱源１７より発生
した熱の殆どは、図１１のベクトルＨで示すように、ヒ
ートシンク２４の方へ流れていくが、ベクトルＨで示す
熱の流れの横方向への広がりは、素子１が二次元半導体
レーザアレー２０のどこに位置するかによって異なる。
例えば、最外周部以外の素子１では、図１１に示したよ
うに、素子１の側面４ヶ所全てが、同一の組成からなる
化合物半導体層及び半導体基板により囲まれている。そ
の結果、発熱源１７から発生した熱がヒートシンク２４
に伝達するまでの間に、熱の流れのベクトルＨは、図１
１に示すように、横方向へ一様に広がっていく。

【００２３】一方、最外周部の素子１は、側面が大気に
は接していない最外周部以外の素子１とは状況が異な
り、素子１の側面４ヶ所のうち１ヶ所または２ヶ所の側
面が大気に接している。大気の熱伝導度は、半導体の熱
伝導度の１／１００程度と極めて小さいので、大気に接
している側面では、熱の流れのベクトルＨは横方向へ広
がっていくことはなく、図１２に示すように、一方的に
下方のヒートシンク２４に向かうので、それだけ、放熱
性が悪くなり、素子１内の温度が上昇する。

【００２４】二次元半導体レーザアレー２０の最外周部
の素子１の熱抵抗Ｒ_thの値がそれ以外の場所の素子のそ
れと比較して大きくなる理由を、以上のように、説明す
ることができる。特にｐ型基板を用いた場合には、熱抵
抗Ｒ_thのばらつきが大きくなり、この現象は顕著にな
る。

【００２５】こういった熱的現象は、図７のように、素
子１を一次元的に横方向に並べた半導体レーザアレー３
０でも同様である。すなわち、図７に示すように、素子
１の４ヶ所ある側面のうち、両端部の素子１では３ヶ所
が大気に接しているのに対し、それ以外の場所の素子１
は全て２ヶ所である。そのため、両端部の素子１の熱抵
抗Ｒ_thの値は、他の場所の素子１と比較して大きくな
る。

【００２６】以上に述べたように、二次元半導体レーザ
アレー２０上の各素子１間の熱抵抗Ｒ_thにばらつきがあ
るため、発振時の温度上昇が各素子１間で相互に異な
り、その結果、Θ（Ｔ）が異なるために、各素子１の光
出力がばらつくことが判る。そこで、本発明者は、半導
体レーザアレーを構成する各面発光型半導体レーザ素子
の熱抵抗Ｒ_thのばらつきを小さくして、発振時の温度上
昇を一様にすることにより、面発光型半導体レーザ素子
間の光出力のばらつきを抑えることを考えた。

【００２７】先ず、本発明者は、各面発光レーザ間の熱
抵抗Ｒ_thの値のばらつきを抑えるためにヒートシンク２
４の材料を検討し、ヒートシンク２４の材料として、従
来使用していたＳｉに代えて、熱伝導度がＳｉに比べて
１０倍程度高い高圧合成ダイヤモンドを用いて実験し
た。その結果、高圧合成ダイヤモンドをヒートシンク２
４の材料として使用することにより、最外周部とそれ以
外の場所の素子１の熱抵抗Ｒ_thのばらつきを殆ど無くす
ことが可能であることが判った。高圧合成ダイヤモンド
製ヒートシンクの場合、図１３に示すように、熱の流れ
のベクトルＨがヒートシンク２４に向かって直線的に進
む現象が顕著になる。

【００２８】以上のように、高圧合成ダイヤモンドのヒ
ートシンクを使用することにより、熱抵抗Ｒ_thのばらつ
きをなくすことが可能であるが、高圧合成ダイヤモンド
製のヒートシンクの価格は、Ｓｉ製のそれと比較して約
１００倍以上である。つまり、素子１間の熱抵抗Ｒ_thの
ばらつきを抑えて、ドライバ用のＩＣの設計コストを下
げることは可能であっても、ヒートシンク材の価格が高
いため、全体としてのコストはかえって上がってしま
い、実用化は難しい。更には、ダイヤモンドヒートシン
クは大面積化が困難であり、将来の面発光型半導体レー
ザアレーの多集積化に対応することは難しい。

【００２９】そこで、本発明者は、以下に説明するよう
に、別の解決法を検討した。既に説明したように、二次
元半導体レーザアレー２０の最外周部の素子１の熱抵抗
Ｒ_thの値が他の場所の素子１と比較して高い理由は、素
子１の４ヶ所の側面のうちの大気に接している面の数
が、最外周部の素子１と他の場所の素子１との間で異な
るためである。これを踏まえて、図１に示すように、二
次元半導体レーザアレーの最外周部の素子１の大気に接
する側面の全周を、素子１が形成されている半導体基板
の熱伝導度と同じ熱伝導度の熱伝導部で環状に囲むこと
を考えた。

【００３０】これにより、従来の半導体レーザアレー２
０では大気に接していた最外周部の素子１の側面が半導
体基板に熱的に連続することになり、最外周部以外の場
所の素子１と同じ熱伝導的状態になる。つまり、最外周
部の素子１の熱抵抗Ｒ_thが、最外周部以外の素子１の熱
抵抗Ｒ _thと略同じになるので、側面の一部が大気に接し
ていた場合と比較して、熱の流れのベクトルＨがより一
様に広がることになり、最外周部の素子１の発振時の熱
の流れが図１１と同じ状況となる。

【００３１】また、面発光レーザ素子１を横方向に配列
した一次元バー状の半導体レーザアレー３０についも、
同様に考えることができる。すなわち、図３に示すよう
に、半導体レーザアレー３０の両端部２ヶ所の素子１の
大気に接している端面に熱的に接して、半導体基板と同
じ熱伝導度の材料からなる熱伝導部を設け、熱伝導部と
半導体基板とを連続させるようする。これにより、半導
体レーザアレー３０の素子１の全てについて、大気に接
している側面の数が同じ２になる。そのため、各素子１
間の熱抵抗Ｒ_thのばらつきを抑えることが可能となる。

【００３２】以上のように、本発明者は、半導体レーザ
アレーの全外周又は外周の一部を、半導体レーザアレー
が形成されている半導体基板と同程度の熱伝導度を持つ
均質な材料からなる熱伝導部で囲むことにより、半導体
レーザアレー上の各素子間の熱抵抗Ｒ_thを一様にするこ
とを着想し、実験により、各半導体レーザ間の温度上昇
のばらつきを抑えて、光出力のばらつきを抑えることが
できることを確認して、本発明を発明するに到った。

【００３３】上記の目的を達成するために、上述の知見
に基づいて、本発明に係る半導体レーザアレー（以下、
第１の発明と言う）は、一次元バー状の平面配置で、又
は二次元アレー状の平面配置で、複数個の面発光型半導
体レーザ素子を一つの半導体基板上に形成してなる半導
体レーザアレーにおいて、面発光型半導体レーザ素子が
形成されている半導体基板と略同一の熱伝導度の均質な
材料からなる熱伝導部が、半導体レーザアレーの外周に
沿って、面発光型半導体レーザ素子が形成されている半
導体基板の延長部として設けてあることを特徴としてい
る。

【００３４】第１の発明によれば、半導体レーザアレー
の外周に沿って熱伝導部を設けることにより、半導体レ
ーザアレーの最外周部の面発光型半導体レーザ素子を最
外周部以外の面発光型半導体レーザ素子と同じ熱伝導的
状態、つまり熱抵抗Ｒ_thを同じ値に維持でき、各面発光
型半導体レーザ素子の熱の流れが同じになる。よって、
発振時の温度上昇が同じになるので、同じ注入電流で各
面発光型半導体レーザ素子の光出力が同じになる。

【００３５】本発明に係る半導体レーザアレー（以下、
第２の発明と言う）は、一次元バー状の平面配置で、複
数個の面発光型半導体レーザ素子を一つの半導体基板上
に形成してなるバー状の半導体レーザアレーにおいて、
面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基板
と略同一の熱伝導度の均質な材料からなる熱伝導部が、
面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基板
の延長部として、半導体レーザアレーの両端部の面発光
型半導体レーザ素子の端面又は外側面の一つに設けてあ
ることを特徴としている。

【００３６】第２の発明によれば、半導体レーザアレー
の両端部の面発光型半導体レーザ素子の端面又は外側面
の一つに熱伝導部を設けることにより、半導体レーザア
レーの両端部の面発光型半導体レーザ素子を両端部以外
の面発光型半導体レーザ素子と同じ熱伝導的状態、つま
り同じ熱抵抗Ｒ_thに維持でき、各面発光型半導体レーザ
素子の熱の流れが同じになる。よって、発振時の温度上
昇が同じになるので、同じ注入電流で各面発光型半導体
レーザ素子の光出力が同じになる。

【００３７】以上の説明では、面発光型半導体レーザ素
子を例にして熱伝導が一様でないことを説明したが、こ
の問題は、ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子等
の端面発光型半導体レーザ素子をバー状に配列してなる
半導体レーザアレーでも同じであって、本発明は、端面
発光型半導体レーザ素子をバー状に配置した半導体レー
ザアレーにも適用できる。つまり、本発明に係る半導体
レーザアレー（以下、第３の発明と言う）は、並列配置
で複数個の端面発光型半導体レーザ素子を一つの半導体
基板上に形成してなるバー状の半導体レーザアレーにお
いて、端面発光型半導体レーザ素子が形成されている半
導体基板と略同一の熱伝導度の均質な材料からなる熱伝
導部が、端面発光型半導体レーザ素子が形成されている
半導体基板の延長部として、半導体レーザアレーの両端
部の端面発光型半導体レーザ素子の外側面に設けてある
ことを特徴としている。

【００３８】好適には、面発光型又は端面発光型の半導
体レーザ素子の半導体基板と同じ半導体基板で熱伝導部
を形成する。これにより、熱抵抗Ｒ_thがより一様になる
からである。また、更に好適な実施態様では、面発光型
半導体レーザ素子が形成されている半導体基板、及び熱
伝導部の双方が、裏面側でヒートシンクに熱的に接続さ
れている。更には、ヒートシンクの外周輪郭が、面発光
型又は端面発光型半導体レーザ素子が形成されている半
導体基板及び熱伝導部からなる組み合わせた体の外周輪
郭より大きくなるようにする。

【００３９】本発明は、面発光型半導体レーザ素子がｐ
型半導体基板上に形成されている半導体レーザアレーに
特に効果がある。それは、素子の基板として、ｐ型半導
体基板を用いた場合に、ｎ型半導体基板に比べて、熱抵
抗Ｒ_thが特に高くなるからである。尚、実用的には、熱
伝導部は、厚さ（Ｈ）が面発光型又は端面発光型半導体
レーザ素子が形成されている半導体基板と同じ厚さで、
幅（Ｗ）が面発光型又は端面発光型半導体レーザ素子の
平面形状を画成する辺のうちの短い方の一辺の長さ
（ｔ）の１／２以上である。例えば、図１（ａ）に示す
ように、半導体レーザ素子の平面形状が長方形（ｔ₁＞
ｔ₂）の場合には、短辺の長さ（ｔ₂）の１／２以上で
良い。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例１本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザアレー
の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導
体レーザアレーの構成を示す平面図である。図１に示す
ものの符号のうち、図６と同じものには同じ符号を付し
ている。本実施形態例の半導体レーザアレー４０は、ア
レー本体２２と、アレー本体２２の周囲に沿って設けら
れ、アレー本体２２の側面に熱的に一様に接続されてい
る環状の熱伝導部４２と、アレー本体２２及び環状の熱
伝導部４２に熱的に接続され、かつアレー本体４２及び
環状の熱伝導部４２の外周輪郭より大きな外周輪郭のＳ
ｉ製のヒートシンク４４を備えている。

【００４１】アレー本体２２は、縦５列、横５行の合計
２５ヶの面発光型半導体レーザ素子１（以下、素子１と
言う）をアレー状に配置したものであって、半導体レー
ザアレー２０のアレー本体２２と同じ構成である。ま
た、素子１も従来の半導体レーザアレー２０を構成する
素子１と同じ構成である。熱伝導部４２は、素子１が形
成されている半導体基板２（図９参照）と熱伝導度が同
じになるように、同じ半導体基板で形成されていて、厚
さＨは半導体基板と同じ厚さで、幅Ｗが素子１の一辺の
長さａ（図９参照）の１／２に等しい。熱伝導部４２の
幅Ｗは、素子１の一辺の長さａの少なくとも半分以上必
要である。幅Ｗが一辺ａの半分未満であると、熱の流れ
が図１１のベクトルＨで示すように横方向へ一様に広が
ることが期待できず、熱抵抗Ｒ_thのばらつきを抑えるこ
とができないからである。尚、図１（ａ）に示すよう
に、素子１の平面形状が長方形（ｔ₁＞ｔ₂）の場合に
は、短辺の長さ（ｔ₂）の１／２以上で良い。ヒートシ
ンク４４の厚さは、従来の半導体レーザアレー２０のヒ
ートシンク２４と同じ厚さである。

【００４２】本実施形態例の半導体レーザアレー４０
は、アレー本体２２の側面に熱伝導部４２が熱的に一様
に接続されているので、半導体レーザアレー４０の最外
周部の素子１を最外周部以外の素子１と同じ熱伝導的状
態、つまり略同じ熱抵抗Ｒ_thに維持でき、各素子１の熱
の流れが、図１１に示すように、一様になる。よって、
発振時の温度上昇が同じになるので、同じ注入電流値で
各素子１の光出力が同じになる。更に言えば、半導体レ
ーザアレー４０では、素子１が発振すると、活性部４及
びｐ−ＤＢＲミラー３を中心とした発熱源１７より発生
した熱の殆どが、図１１のベクトルＨに示すように、ヒ
ートシンク２４の方へ流れつつ一様に横方向へ広がって
いく。半導体レーザアレー４０では、アレー本体２２の
外周を熱伝導部４２で囲んでいて、いずれの素子１の側
面も大気に接していないので、熱の流れのベクトルＨが
横方向へ広がっていくことが妨げられることがなく、放
熱性が悪くなることもない。

【００４３】次に、図２を参照して、本実施形態例の半
導体レーザアレー４０の作製方法を説明する。先ず、図
２に示すように、面発光型半導体レーザ素子の形成プロ
セスを実施して、半導体基板２上にアレー状に配列する
ように複数個、例えば２５ヶの素子１を形成してアレー
本体２２を作製する。アレー本体２２の外側の幅Ｗの外
周領域４６には何も形成プロセスを施さず、素子１の形
成前の半導体基板２の状態をそのままにしておく。ここ
にＳｉＮパッシベーション膜１１を形成した場合には、
ＳｉＮ膜１１を除去する。

【００４４】なお、本実施形態例で言う形成プロセスと
は、半導体基板２上に化合物半導体層からなる積層構造
の形成、積層構造のメサエッチング、酸化狭窄層１０Ａ
の生成、ＳｉＮ膜１１の形成、ポリイミド膜４の形成、
ＳｉＮ膜１１上の電極窓の形成、表面電極（ｎ側電極）
１３の金属膜蒸着、基板研磨、及び裏面電極（ｐ側電
極）１４の金属膜蒸着というように通常行われているも
のを言う。また、このプロセスの詳細は本発明の本質と
直接関係がないので省略する。

【００４５】形成プロセスを完了した半導体基板２を図
２の点線４８に沿ってダイシングし、個々の半導体レー
ザアレー４０に分割する。半導体基板２からなる外周領
域４６は、このままで熱伝導部４２として機能する。ダ
イシングした半導体レーザアレー４０をＳｉヒートシン
ク４４にＡｕＳｎ半田でボンディングを行い、図示しな
い配線を行って図１に示す二次元半導体レーザアレー４
０を完成することができる。なお、アレー本体２２内は
全面にわたって素子１を形成する必要は必ずしもなく、
一部の領域が半導体基板の状態のままでもよい。但し、
ここにＳｉＮ膜１１を形成した場合には、そのＳｉＮ膜
１１を除去する。

【００４６】実施形態例２本実施形態例は、第２の発明に係る半導体レーザアレー
の実施形態の一例であって、図３は本実施形態例の半導
体レーザアレーの構成を示す平面図である。図３に示す
ものの符号のうち、図７と同じものには同じ符号を付し
ている。本実施形態例の半導体レーザアレー５０は、図
３に示すように、５ヶの素子１を一列に並べたバー状の
アレー本体３２と、アレー本体３２の両端部の素子１の
端面に熱的に接続された熱伝導部５２と、アレー本体３
２及び熱伝導部５２の双方に熱的に接続され、かつアレ
ー本体３２及び熱伝導部５２の外周輪郭より大きな外周
輪郭のＳｉ製のヒートシンク５４を備えている。

【００４７】熱伝導部５２は、素子１が形成されている
半導体基板２（図６参照）と熱伝導度が同じになるよう
に、同じ半導体基板で形成されていて、厚さＨは半導体
基板と同じで、長さＬが素子１の一辺の長さａ（図９参
照）に等しい。半導体レーザアレー５０の素子１及びア
レー本体３２の構成は、従来の半導体レーザアレー３０
の素子１及びアレー本体３２と同じ構成である。また、
ヒートシンク５４の厚さも従来の半導体レーザアレー３
０のヒートシンク３４と同じ厚さである。

【００４８】これにより、本実施形態例の半導体レーザ
アレー５０では、全ての素子１の大気に接している側面
の数が同じ２面になるので、素子１の熱抵抗Ｒ_thの値が
ばらつくことなく同程度となる。よって、素子１が発振
すると、発熱源１７より発生した熱の殆どは、図１１の
ベクトルＨに示すように、ヒートシンク２４の方へ流れ
つつ一様に横方向へ広がっていく。よって、温度上昇が
一様になるので、素子１の光出力のばらつきもなくな
る。

【００４９】本半導体レーザアレー５０を作製する際に
は、図４に示すように、５ヶの素子１を横１列に並べた
バー状のアレー本体３２を作製し、アレー本体３２の両
端部の領域５６は形成プロセスを施すことなく半導体基
板２のままにしておく。形成プロセスが終了した半導体
基板２を点線５８に沿ってダイシングし、領域５６を両
端部に有するアレー本体３２に分割する。領域５６は、
そのままで熱伝導部５２になる。ダイシングしたアレー
本体３２及び熱伝導部５２をＳｉヒートシンク５４にＡ
ｕＳｎ半田でボンディングし、図示しない配線を行って
図３に示す半導体レーザアレー５０を完成することでき
る。

【００５０】尚、熱伝導部４２の位置は本実施形態例の
例に限らず、例えば熱伝導部４２をアレー本体３２の端
部素子１の“Ｃ“面（図３参照）に取り付けても良い。
また、本実施形態例の半導体レーザアレー５０では、素
子１を必ずしも連続的に並べる必要はなく、図５に示す
ように、一部に素子１を形成しない領域６０を設けても
よい。

【００５１】実施形態例３本実施形態例は、第３の発明に係る半導体レーザアレー
の実施形態の一例である。実施形態例２では、素子１を
一次元的にバー状に配置するだけであって、二次元的に
は配置しない。よって、実施形態例２の素子配置では、
素子は面発光型半導体レーザ素子に限らず、端面発光型
（ファブリペロー共振器型）半導体レーザ素子でも良
い。そこで、本実施形態例は、実施形態例２の面発光型
半導体レーザ素子１に代えて、端面発光型（ファブリペ
ロー共振器型）半導体レーザ素子を使用し、実施形態例
２と同様に構成している。

【００５２】

【発明の効果】第１から第３の発明によれば、半導体レ
ーザアレーの外周の全周又は一部に沿って半導体基板と
熱伝導度が略同じ熱伝導部を設けることにより、各面発
光型又は端面発光型の半導体レーザ素子間の熱抵抗Ｒ_th
の値のばらつきを抑えることが可能となり、熱による影
響で各素子間の光出力のばらつきが生じ難くすることが
できる。特に、半導体レーザ素子が熱が逃げ難くいｐ型
半導体基板上に形成されている半導体レーザアレーで
は、本発明の効果が大きい。また、第１から第３の発明
を適用して、各半導体レーザ素子間の熱抵抗Ｒ_thの値の
ばらつきを抑えることにより、駆動される各面発光型半
導体レーザ素子に対応して個別にドライバ用ＩＣを設計
する必要がなくなり、設計の簡素化を図ることができ、
ドライバ用ＩＣの低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の二次元半導体レーザアレーの斜
視図である。図１（ａ）は長方形の半導体レーザ素子を
示す。

【図２】実施形態例１の二次元半導体レーザアレーの作
製を説明するウエハの平面図である。

【図３】実施形態例２の一次元半導体レーザアレーの斜
視図である。

【図４】実施形態例２の一次元半導体レーザアレーの作
製を説明するウエハの平面図である。

【図５】実施形態例２の一次元半導体レーザアレーの変
形例の作製を説明するウエハの平面図である。

【図６】従来の二次元半導体レーザアレーの斜視図であ
る。

【図７】従来の一次元半導体レーザアレーの斜視図であ
る。

【図８】面発光型半導体レーザ素子のレーザ光の出射の
様子を示す斜視図である。

【図９】面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面斜
視図である。

【図１０】ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子の
レーザ光の出射の様子を示す斜視図である。

【図１１】二次元半導体レーザアレーの最外周部以外の
面発光型半導体レーザ素子内の熱の流れのベクトルを示
した模式図である。

【図１２】従来の二次元半導体レーザアレーの最外周部
又は従来の一次元半導体レーザアレーの端部の面発光型
半導体レーザ素子内の熱の流れのベクトルを示した模式
図である。

【図１３】半導体レーザアレーのヒートシンクをＳｉか
らダイヤモンドに替えた場合のアレー上の面発光型半導
体レーザ素子内の熱の流れのベクトルを示した模式図で
ある。

【符号の説明】

１面発光型半導体レーザ素子２ｐ型ＧａＡｓ基板３下部ＤＢＲミラー４活性部８上部ＤＢＲミラー９コンタクト層１０ＡｌＡｓ層１０ＡＡｌ酸化層１１ＳｉＮ膜１２ポリイミド層１３ｎ側電極１４ｐ側電極１５ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子１６出射端面１７発熱源２０二次元半導体レーザアレー２２アレー本体２４ヒートシンク３０一次元半導体レーザアレー３２アレー本体３２ヒートシンク４０実施形態例１の二次元半導体レーザアレー４２熱伝導部４４ヒートシンク４６外周領域４８点線（ダイシング線）５０実施形態例２の一次元半導体レーザアレー５２熱伝導部５４ヒートシンク５６領域５８点線（ダイシング線）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一次元バー状の平面配置で、又は二次元
アレー状の平面配置で、複数個の面発光型半導体レーザ
素子を一つの半導体基板上に形成してなる半導体レーザ
アレーにおいて、面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基板
と略同一の熱伝導度の均質な材料からなる熱伝導部が、
半導体レーザアレーの外周に沿って、面発光型半導体レ
ーザ素子が形成されている半導体基板の延長部として設
けてあることを特徴とする半導体レーザアレー。
【請求項２】一次元バー状の平面配置で、複数個の面
発光型半導体レーザ素子を一つの半導体基板上に形成し
てなるバー状の半導体レーザアレーにおいて、面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基板
と略同一の熱伝導度の均質な材料からなる熱伝導部が、
面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基板
の延長部として、半導体レーザアレーの両端部の面発光
型半導体レーザ素子の端面又は外側面の一つに設けてあ
ることを特徴とする半導体レーザアレー。
【請求項３】並列配置で複数個の端面発光型半導体レ
ーザ素子を一つの半導体基板上に形成してなるバー状の
半導体レーザアレーにおいて、端面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基
板と略同一の熱伝導度の均質な材料からなる熱伝導部
が、端面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導
体基板の延長部として、半導体レーザアレーの両端部の
端面発光型半導体レーザ素子の外側面に設けてあること
を特徴とする半導体レーザアレー。
【請求項４】熱伝導部が、面発光型又は端面発光型半
導体レーザ素子が形成されている半導体基板と同じ半導
体基板で形成されていることを特徴とする請求項１から
３のいずれか１項に記載の半導体レーザアレー。
【請求項５】面発光型半導体レーザ素子が形成されて
いる半導体基板、及び熱伝導部の双方が、裏面側でヒー
トシンクに熱的に接続されていることを特徴とする請求
項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザアレ
ー。
【請求項６】ヒートシンクの外周輪郭が、面発光型又
は端面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体
基板及び熱伝導部からなる組み合わせた体の外周輪郭よ
り大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１
項に記載の半導体レーザアレー。
【請求項７】面発光型又は端面発光型半導体レーザ素
子がｐ型半導体基板上に形成されていることを特徴とす
る請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ
アレー。
【請求項８】熱伝導部は、厚さ（Ｈ）が面発光型又は
端面発光型半導体レーザ素子が形成されている半導体基
板と同じ厚さで、幅（Ｗ）が面発光型又は端面発光型半
導体レーザ素子の平面形状を画成する辺のうちの短い方
の一辺の長さ（ｔ）の１／２以上であることを特徴とす
る請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の半導体
レーザアレー。