JP2008508730A - 面発光レーザのアレイを接合部分離するための装置、システム、および方法 - Google Patents

Abstract

面発光レーザダイオードのアレイ（２５０）が、レーザダイオード（２５５）の直列電気接続（２４５）を有する。アレイ内のレーザダイオード（２５０）を分離するために、接合部分離が使用される。
【選択図】 図２Ａ

Description

発明の簡単な説明

[0001]本発明は、共通の基板上に形成されたレーザダイオードのアレイが直列構成で電気的に接続されるシステムに広く関する。より詳細には、本発明は、共通の基板上に形成され、直列構成で電気的に接続された複数の面発光半導体レーザのアレイを対象とする。

発明の背景

[0002]図１は、従来の面発光レーザ構造を使用して形成された、この場合には基板を介して光を発光する、複数の面発光レーザダイオードのアレイを示す。これらのデバイスは、標準的な垂直キャビティ面発光レーザでも、それらのそれぞれの内容をここに参照により組み込む、米国特許第６２４３４０７号、第６４０４７９７号、第６６１４８２７号、第６７７８５８２号、および第６８９８２２５号に記載されたもののようなデバイスでもよい。

[0003]面発光レーザダイオードのアレイは一般に、共通のｎ型基板上に形成され、したがって共通のｎコンタクト（接点）を有する。図１Ｂは、ｎ型基板上に形成された面発光レーザダイオードのアレイを示す。各レーザダイオードは、一般にメサとしてパターン形成され、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と量子井戸利得領域との合計の厚さに応じて、数μｍ以上の合計の高さを有することがある。各レーザダイオードは、例えば、ｐ型半導体領域への個別の接点を有することができる。ｎ型基板への別々の共通接点が形成される。このレーザダイオードの等価回路が、図１Ｂに示してある。しかし、並列電気接続には、いくつかの欠点がある。

[0004]１つの欠点は、ダイオード特性の小さなばらつきがダイオード電流の大きなばらつきを引き起こし、その結果、光出力が不均一になり、効率が低減する恐れがあることである。並列構成では、全てのダイオードには基本的に、同じ順方向電圧がその接合部に印加される。しかし、実際には、レーザダイオードは、ダイオード特性、熱特性、および抵抗のわずかなばらつきを有する。理想的なレーザダイオードが、特定の電圧に関して引き込む電流量は、温度に伴って急激に増大する。あるダイオードが、それに隣接するものよりもわずかに高温である場合、より多くの電流を流す。より多くの電流を流すことにより、ダイオードがより熱くなり、それによって更に電流が流れる。この熱暴走は、アレイに供給される大部分の電流が、ほんの少数の高温のダイオードを通過することを意味する。熱暴走が発生しない場合でも、この例は、わずかな不均一性がアレイ全体にわたる電流分布へと及ぼす影響、およびアレイ全体にわたって均一な駆動電流を確保しようとする試みに関連する問題を示している。

[0005]この問題の１つの潜在的な解決策は、抵抗器をあらゆるダイオードと直列に追加して電流を調節するというものである。こうすると、アレイの相互接続方式が複雑になり、直列抵抗器のアレイ内で損失される電力によって、全体のシステム効率が大幅に低下する。

[0006]アレイ内でのレーザダイオードの並列接続に伴う別の欠点は、必要な電流が、アレイ内のレーザダイオードの数に比例することである。その結果、レーザダイオードのアレイを駆動するために、低電圧高電流電源が必要になる。説明のための一例として、並列接続方式では、低電圧（一般に２Ｖ）で（大開口デバイスの場合、エミッタあたり１Ａもの）高電流が必要である。しかし、低電圧高電流電源は、より高電圧、より低電流の電源に比べて、高くつき非効率になる傾向がある。

[0007]更に、レーザダイオードの並列接続の別の欠点は、高駆動電流が、電流をチップに供給するのに使用される電気相互接続構造に大きな負担をかけることである。具体的には、レーザダイオードを並列接続するには、相互接続の一部分を高駆動電流に適合するように設計する必要がある。

[0008]上記で概説した、レーザダイオードを並列接続したアレイに伴う問題は、アレイ内の個々のダイオードが電気的に直列に接続されれば、解消することができる。直列接続では、全てのレーザダイオードが、局所の温度ばらつきおよび／またはアレイ内のダイオード間の差に関わらず、同じ電流を流すように強制される。電流要件が並列電気接続に比べて低減されて、より小さく、より効率的な電源を使用することが可能になる。更に、アレイに供給される電流が、フリップチップ接合やワイヤ接合など、従来のダイ相互接続技術によって容易に取り扱われるのに十分なほど少ない。

[0009]直列接続されたアレイに伴う困難は、個々のダイオードが、電気的に分離されなければならないことである。これは、各ダイオードがそれ自体のダイ上に形成されれば、容易に実現することができるが、複数のダイを使用すると、組立てが困難で高価になる。共通の基板上に、電気的に分離されたダイオードを形成することが、はるかに望ましい。しかし、面発光レーザのデバイス構造は、比較的深い（一般に約８μｍ以上）。更に、垂直構造は、組成の異なる、またドーピングの異なる複数の層から形成される、分布ブラッグ反射器および利得領域からなる。効率的な面発光レーザダイオードには、低抵抗接続が必要であり、したがってレーザダイオードに接続される層の多くに、大きなドーピングと厚さの積（ｄｏｐｉｎｇ−ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔ）が必要である。したがって、共通の基板上に形成される面発光レーザの効率的なアレイを得るための製作プロセスに関して、いくつかの制約がある。したがって、半導体業界で使用される、プレーナ半導体デバイスを分離するための分離技術を、直列接続されたアレイの形成に直接適用することはできない。

[0010]したがって、所望されるものは、共通の基板上に直列接続された面発光レーザを動作させるための、改善された装置、システム、および方法である。

発明の概要

[0011]共通のダイ上に形成された面発光レーザダイオードのアレイが、レーザダイオードの直列電気接続を有する。接合部分離を使用して、アレイ内のレーザダイオードをダイ中の寄生伝導から分離する。

[0012]装置の一実施形態は、共通のダイ上に形成され、電気的に直列に接続された面発光半導体レーザダイオードのアレイと、アレイの下方に配され、アレイの動作中に、面発光半導体レーザダイオードのそれぞれをダイ中の寄生伝導から電気的に分離するように構成された少なくとも１つのｐ−ｎ接合部とを備える。

[0013]システムの一実施形態は、共通のダイの電気コンタクト層上に形成された、面発光半導体レーザダイオードメサのアレイであり、各メサの上部コンタクトと電気接続層への下部コンタクトとの間で電気的に直列に接続されたアレイと、コンタクト層を介した寄生電気伝導を阻止するために、レーザダイオードメサ間の領域内の、電気コンタクト層内に形成されたトレンチと、電気コンタクト層の下方に配され、面発光レーザダイオードメサのアレイの動作中に、ダイ中の寄生伝導経路のｐ−ｎダイオード接合部分離をもたらすために、電気コンタクト層の極性とは反対の極性を有する、ダイ中の基板層とを備える。

[0014]本発明は、以下の詳細な説明に関して添付の図面と合わせてより完全に理解される。

[0027]同じ参照番号は、これらの図面のいくつかの図を通して対応する部分を表す。

発明の詳細な説明

[0028]図２Ａは、共通のダイ２００のｐ型基板２０５上に形成された面発光レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４のアレイを示す。以下の説明全体を通じて、ドーピングタイプは例示的なものであり、ドーピングタイプの極性および対応する動作電圧を逆にすることによって、類似する等価回路および動作原理を有する電気デバイスがもたらされることが理解されよう。

[0029]各レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４は、上部ｐ型コンタクト層２２０、ｐ型レーザダイオード領域２２５（例えば、ｐ型分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ））、活性領域２３０、ｎ型レーザダイオード領域２３５（例えば、ｎ型ＤＢＲ）、および下部ｎ型コンタクト層２４０を有する。下部ｎ型コンタクト層２４０は、個々のレーザダイオードに低抵抗接続をもたらすものが選択されたドーピングと厚さの積を有する。一実装形態では、下部ｎ型コンタクト層２４０は、約５〜１０μｍ厚さであり、ｐ基板の上面上にエピタキシャルに成長した中〜高濃度ドープｎ型層である。ｎ型コンタクト層２４０のドーピングおよび厚さには、各レーザダイオードの利得領域にほぼ均一な電流注入をもたらすものが選択される。

[0030]各レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４は、下方に下部ｎ型コンタクト層２０４までエッチングされたメサとしてパターン形成される。この実施形態では、あるレーザダイオードのｐ型コンタクト層２２５を、隣接するレーザダイオードのｎ型コンタクト層２４０に電気的に結合させる電気相互接続２４５が、ダイ上に形成される。電気相互接続２４５は、金属ストラップを介して行うことができる。例えば、ダイオード２０１は、相互接続２４５を介してダイオード２０２に直列に接続され、ダイオード２０２は、相互接続２４５を介してダイオード２０３に直列に接続され、ダイオード２０４は、相互接続２４５を介してダイオード２０３に直列に接続される。ＢｅＯのサブマウントなど、パターン形成されたサブマウント２５０が、直列接続されたダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４全体にわたって電圧（すなわち、グランド電圧および電圧＋ｖｅ）を印加するようにパターン形成される。サブマウント２５０は、ダイオード２０２、２０３、および２０４など、他のダイオードに対する追加の機械的支持を含むことができる。

[0031]ｎ型コンタクト層に沿った寄生伝導を低減するために、ｎ型コンタクト層２４０内の隣接するレーザダイオード間に、トレンチ２５５が形成される。トレンチは、ｐ基板への電気接続を防止するために、二酸化シリコン、窒化シリコン、または他の任意の適切な誘電体などの不活性化層でライニングが施される。トレンチは、好ましくは、連続する電気相互接続をトレンチ全体にわたって確実に堆積することが容易になるように、ダイ表面と比較的浅い角度を成す、十分に制御された側壁傾斜を有する。しかし、現在の製作プロセスを用いて、確実に不活性化されるのに十分なほどスムースな分離トレンチを製作することは、困難である。これは、一部には、約８μｍ程度の厚さを有することがある上部および下部のＤＢＲ領域を貫通する、最初のメサエッチングによって発生する、任意の粗さまたは非均一性によるものである。更に、トレンチを形成するために、５〜１０μｍのｎコンタクト層もエッチングによって貫通されなければならない。その結果、トレンチ分離単独では、レーザアレイ内のレーザダイオードの、ダイ中の寄生伝導からの、十分な信頼性が高い分離を実現することができない。したがって、追加の分離も設けなければ、トレンチ縁部の周囲に更なる寄生電流経路が現れる。

[0032]ダイ中のレーザダイオードの追加の電気的分離は、レーザアレイ内に、接合部分離によって設けられる。ｐ型基板２０５の極性が、ｎコンタクト層２４０の極性とは反対の極性を有するように選択される。その結果、ｐ型基板と下部ｎ型コンタクト層の間に、逆バイアスされたｐ−ｎ接合部が形成され、したがってｐ型基板２０５が分離層を形成する。一実施形態では、逆バイアスが、ｎ型コンタクト層と、レーザダイオードと同じ層から形成されたダミーメサ２６０および２６２に対して製作されたｐ接点との間の接続の効力によって印加される。

[0033]ｎ型コンタクト層２４０は、電気的な目的で、ｎ型材料のｎ型コンタクト層アイランド２１１、２１２、２１３、２１４、および２１５に分割される。各ｎ型コンタクト層アイランド２１１、２１２、２１３、２１４、および２１５の下が、反対のドーピング極性のｐ型基板２０５である。その結果、各レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４の下、またダミーメサ２６２の下に、ｐ−ｎ接合部が形成される。ｐ−ｎ接合部を適当にバイアスすることによって、各レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４は、ダイ中の基板２０５内の経路、またはトレンチ表面を介した寄生伝導から電気的に分離される。

[0034]図２Ｂは、図２Ａのレーザアレイに関する等価回路を示す。電圧が、ｎ型コンタクトアイランド２１５に関連するｐ−ｎ接合部によって、ｐ型基板２０５に印加され、このｐ−ｎ接合部は、ダミーメサ２６２の上部コンタクト層２２５に割り当てられたｎ型コンタクト層アイランド２１５に印加される負の電圧−ｖｅの効力によって順方向バイアスされた接合部である。逆バイアスされた接合部が、各レーザダイオードのｎ型コンタクト層アイランド２１１、２１２、２１３、および２１４と、ｐ型基板２０５との間に形成される。この接合部分離により、基板を通る、またはレーザダイオード間のトレンチの不活性化されていない縁部に沿った、寄生の電流の流れが防止される。ダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４は、活性レーザダイオードを表す。それぞれが順方向バイアスされ、４つのダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４は、直列に接続される。ｐ基板２０５が、最も負の状態のレーザダイオード電極よりも負の電位に保持されている限り、全ての分離接合部２１１〜２１４は、逆バイアスされて、レーザダイオード間に、必要な電気的分離をもたらす。

[0035]図３は、レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４の間に直列電気接続を形成するための、一代替手法を示す。層構造および等価電気回路は、図２Ａ〜２Ｂに関して上記で見出されたものと同じである。この実施形態では、電線路が分離トレンチ２５５を横切る必要がなく、それらのトレンチがどのように形成されるかということに関する制約が大幅に緩和される。その代わりに、接続は、サブマウント上のパターン形成された金属によって行われる。各レーザダイオード用のｎ側コンタクト３０５が、サブマウント３５０に接触するために、レーザダイオードメサの上部にもたらされる。各メサ用のｐ接点３１０が、サブマウント３５０への別々の接点を有する。ダイまたはサブマウント上で、ｎ接点とｐ接点の間に短絡がないようにするために、またサブマウント上のｎ接点金属が、ダイ上のｐ接点金属に接触することができず、その逆もまた同様であるようにするために、接点３１０および３０５は、十分離しておかなければならない。このため、メサに関する最小サイズが定められ、パッキング密度が制限される。

[0036]図４は、レーザダイオード２０１、２０２、２０３、および２０４の間に、電気的短絡のリスクを最小限に抑え、パッキング密度を増大させる、直列電気接続を形成するための別の代替手法を示す。層構造および等価電気回路は、図２Ａ〜２Ｂに関して上述したものと同じである。しかし、この場合、追加の支持メサ４４０が、各ｎ型コンタクトアイランド２１１、２１２、２１３、および２１４上に形成される。この場合、ｎ接点金属が、対応するレーザダイオード２０１、２０２、２０３、または２０４のメサに隣接する支持メサ４４０の上部にもたらされる。これらの支持メサ４４０は、ｎ接点金属をｐ接点金属と同じ高さに上げる働きをするにすぎず、比較的小さくてよい。

[0037]面発光半導体レーザアレイは、さまざまな異なる半導体材料系中に製作することができる。一例として、レーザを、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長することができる材料中に形成することができる。レーザアレイのエピタキシャル層を製作するために、さまざまな製作技術を使用することができる。一実施形態では、ｎコンタクト層およびレーザダイオード層を、ｐ型基板上に直接成長させる。しかし、多くの面発光レーザ設計では、光が基板中を透過する。したがって、確実に低光吸収となるように、基板のドーピングレベルが比較的低くなければならず（〜１Ｅ１７ｃｍ^−３）、面発光レーザの高信頼性を確保するために、欠陥密度が低くなければならない。一般に、低ドーピングと低欠陥密度とのそうした組合せを、ｐ型またはｎ型ＧａＡｓウエーハ内で得るのは困難である。

[0038]一実施形態では、別の半導体基板の上面上にｐ基板を成長させる。図５は、必要なドーピングレベルおよび低欠陥密度を有するエピタキシャル層を成長させる手法を示す。これは、その内容をここに参照により組み込む、米国特許仮出願第６０／４３４６７１号に記載されている方法に似ている。このプロセスでは、レーザ層を形成するために、２つのエピタキシャル成長プロセスが使用される。標準的な低欠陥密度（低ＥＰＤ）を有する基板を選択する（５０５）。基板は、いかなるドーピングのものでもよい。ＥＰＤが十分低い基板は、ドーピング濃度が高い場合、いくつかの供給業者から容易に入手することができる。次いで、ほぼ格子整合のとれたｐ型材料の厚い（〜１００μｍ）層を、第１のエピタキシャル成長プロセス中に、出発基板上に成長させる（５１０）。成長した層は、出発基板の欠陥密度に整合するが、基板に対して良好な格子整合を維持しながら、広い範囲にわたり調整された組成およびドーピングレベルを有することができる。追加のｎ型伝導層（〜５μｍ厚さ）を成長させる。一実施形態では、エピタキシの第２のステップ用に基板を準備するために、再仕上ステップを実施する。次いで、レーザダイオード構造を、エピタキシの第２のステップ中に成長させる（５１５）。エピタキシャル構造を成長させた後、前面処理を実施する（５２０）。次いで、ｎ−ＧａＡｓ基板を完全に除去し（５３０）、ｐ−ＧａＡｓ層を通して光を結合させるために、適切な反射防止被覆（ＡＲＣ）を堆積させる（５４０）。

[0039]図６は、ステップ６３０でｎ−ＧａＡｓが部分的にしか除去されないことを除き、図５に示すエピタキシャル層構造に基づく一変形形態を示す。この場合、出発基板の一部がビーム経路中に残り、光損失を最小限に抑えるために、低ドーピングが必要である。これにより、低欠陥密度の実現が困難になるが、ｐ型分離層およびｎ型伝導層の十分な厚さ、ならびに成長条件の適当な選択によって、基板層と決定的に重要なデバイス層との間に十分なバリアを確立することができる。ｐ−ＧａＡｓ層は、図５で成長したｐ型層よりも薄いが、類似の結果を実現することに留意されたい。１つの利点は、成長した材料の合計の厚さが低減されて、構造がより安価になり、余分のウエーハ再仕上ステップの必要性がなくなることである。

[0040]レーザアレイを、さまざまなレーザ製作プロセスを使用して製作することができる。レーザアレイを、例えば、ブラッグ反射器が、レーザ発振のための全ての光学的フィードバックをもたらす、垂直キャビティ面発光レーザとして製作することができる。あるいは、レーザアレイを、ブラッグ反射器の光学的フィードバックに加えて追加の外部反射器が光学的フィードバックをもたらし、それによって、更なる波長の制御およびモードの安定性がもたらされる、拡張キャビティ面発光レーザとして製作することもできる。

[0041]製作プロセスの一例では、レーザアレイは、拡張キャビティ面発光レーザで使用するものである。エッチングされたメサ構造が、好ましくは、熱の取り出しを向上させ、最大のパワーおよび効率を増大させるために、フリップチップ接合される。図２〜４を再度参照すると、各単位セルが１つのレーザダイオードを収容し、複数の単位セルが、アレイを構成している。拡張キャビティ面発光レーザのための製作プロセスの一例では、各レーザ用の電流開口が、パターン形成したマスクを設けた上での高エネルギー陽子イオン注入によって、各単位セル内に画定される。陽子は、注入領域内に結晶欠陥を引き起こし、それが注入領域の抵抗率を大幅に増大させる。このため、電流がレーザの非注入開口のみを通って流れることが可能になる。開口はメサの中心にあり、この開口内でレーザ発振が行われる。トレンチ層が、塩素ベースプラズマ中の、マスクした上での反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、アレイ内の各単位セルの周囲にエッチングされる。トレンチは、ｐ型基板の中にまでずっと広がる。このトレンチは、レーザダイオードを互いに電気的に分離し、それらを並列にではなく直列に動作させることを可能にする。

[0042]各レーザダイオード用のメサ構造を、塩素ベースプラズマ中の、マスクした上での反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、各単位セル内に画定することができる。メサ構造は、ｎ型エピタキシャルコンタクト層２４０の中へエッチングされるが、貫通しない。メサエッチングの目的は、ｎ型オーム接点をｎ型コンタクト層上に堆積させることができるようにすることである。ウエーハ全体を、ＰＥ−ＣＶＤ窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の層で不活性化する。窒化物堆積後、ｎ接点およびｐ接点用の開口を、フッ素ベースプラズマを用いた、パターン形成したマスクを設けた上での反応性イオンエッチングによって、窒化物内に作成する。ｐ接点を、ｐ金属をブランケットスパッタリングし、続いてそれが不要な領域内で、パターン形成したマスクを設けた上でｐ金属をエッチングすることによって、メサの上部に画定する。ｎ接点を、パターン形成したマスクを設けた上で金属を蒸着することによって、メサの下部に画定する。堆積後、それらをｎ型コンタクト層に合金する。ｐ接点およびｎ接点が形成された後、レーザダイオードおよびテストパターンを、自動ステッピングプローブステーション上の電気的および光学的プロービングによってテストすることができる。

[0043]ウエーハの裏面を、ラッピングし、ウエーハが非常に薄くなるまで研磨する。この目的は、アレイをスクライブして割れるようにすること、およびｐ型基板層内の光吸収を低減できるようにすることである。この表面を介してレーザ光が発光するので、研磨は光学品質でなければならない。ウエーハの研磨後の裏面を、１つまたは複数の誘電体材料を用いて反射防止被覆（ＡＲＣ）する。この被覆の厚さ、屈折率、および均一性は、この表面の反射率がレーザの動作波長において最小限に抑えられるように、正確に維持されなければならない。裏面開口金属を、パターン形成したマスクを設けた上で金属を蒸着することによって、堆積させる。この開口は、レーザダイオードの注入された活性領域と同心である。ウエーハをスクライブして割り、個々のアレイにする。次いでアレイを、パターン形成し、メタライゼーションを施したサブマウントに接合する。

[0044]レーザアレイは、好ましくは、寄生バイポーラデバイスの効果を最小限に抑えるように設計、製作される。図７Ａおよび７Ｂは、レーザアレイ内に形成された寄生バイポーラデバイスを示す。図７Ａは、どのデバイスのメサも、垂直の寄生ＰＮＰトランジスタを含む構成を示す（図７Ａでは、説明のために２つだけ示してある）。図７Ｂは、追加の接合部により、寄生サイリスタを形成するように寄生ＰＮＰに結合される、余分の寄生ＮＰＮトランジスタが導入される構成を示す。寄生バイポーラトランジスタは、望ましくない電流経路をもたらし、それにより、普通ならレーザダイオード中を流れるはずの電流が基板に分路される恐れがある。更に、図７Ｂの実施形態では、少なくとも電源を一旦切って入れなおすまでデバイス障害を生じる、寄生サイリスタのラッチアップの可能性がある。寄生バイポーラデバイス効果は、各寄生バイポーラトランジスタの利得が低いように設計パラメータを選択することによって、低減することができる。例えば、寄生バイポーラトランジスタの等価ベース幅に、比較的幅が広いものを選択することができ、ＰＮＰデバイスの場合、ベースはｎ−ＤＢＲを含む。したがって、これらのデバイスの利得は非常に低くなり、寄生バイポーラトランジスタが、大きな問題になり得ない。

[0045]前述のように、多くの適用分野では、面発光レーザが、基板を介して光を発光する。しかし、本発明の諸実施形態には、メサ上面から光が発光される面発光レーザも含まれる。図８Ａは、同様の接合部分離構造を使用して形成された上面発光型面発光レーザアレイ８００を示す。光がエピタキシャル成長した層の上面から発光されるので、サブマウントを使用してダイオード間の直列接続を完了することができない。したがって、ダイオード間の直列接続を形成するためにウエーハ上の金属相互接続８１０を利用し、ダイ表面へのワイヤボンドで外部接続を実現する。サブマウントを、ｐ基板２０５への電気接続を形成するために使用することができる。図８Ｂは、レーザダイオード８０１および８０２、ならびにｎコンタクトアイランドとｐ型基板２０５の間に形成されたｐ−ｎ接合部８１１および８１２のアレイ８００に関する、対応する等価回路図を示す。

[0046]上述の技術を使用して、サブアレイが直列または並列に動作するアレイを製作することができる。これにより、レーザエミッタの数をスケーリングするためのいくつかの可能性が開かれる。直列配線されたデバイスの単一アレイの場合、デバイスの数が増えるにつれて、分離接合部上の逆電圧がそれと比例して増大する。したがって、直列に接続することができるレーザダイオードの数は制限される。というのも、いくつかのレーザダイオードが直列に接続された後、分離電圧が分離接合部の逆破壊電圧を超えて、分離が損なわれるからである。直列に接続することができるレーザダイオードの最大数は、接合部分離層の形成および各レーザダイオードの順方向電圧に依存する。デバイスをサブアレイからなるアレイとして構成することによって、合計電圧をサブアレイの電圧に制限することができる。サブアレイが直列配線される場合、サブアレイの素子間の電圧差が平均化される傾向があるので、サブアレイの電圧は単一デバイスの電圧よりも均一になる。このようにして、直列配線されたアレイの主要な利点の１つを保つことができる。

[0047]電圧の均一性が問題でない場合は、アレイを、並列配線されたデバイスからなるサブアレイを直列配線したものとして構成すると、供給電流に対して必要な供給電圧が増大されるという利点があり、それにより、より効率的な電源を使用することが可能になる。そうしたアレイは、素子間の配線をウエーハ上で行うことができ、サブアレイ間の配線をサブマウント上で行うことができるので、潜在的に製作が非常に簡単でもある。

[0048]図２〜４はまた、順方向バイアスされた接合部を介したｐ基板への接触をも示しているが、一代替実施形態では、ｐ基板を、ダイ下部の（発光）面上の適当な金属化リングコンタクトを使用して直接接触させることもできる。金属への外部接触を、従来型のワイヤボンド技術によって行うことができる。

[0049]先の記述では、説明のため、本発明の完全な理解が可能になるように、特定の用語を使用した。しかし、本発明を実施するために特定の詳細は必要でないことが、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の特定の諸実施形態についての先の記述は、例示および説明のために提示されるものである。それらは、網羅的なもの、または本発明を開示された厳密な形式に限定するものではなく、上記の教示に鑑みて、多くの変更形態および変形形態が明らかに可能である。これらの実施形態は、本発明の原理およびその実際的な用途を最も良く説明するために選択され、説明されたものであり、企図される特定の使用に適したものではあるが、それによって当分野の他の技術者が本発明およびさまざまな変更形態を伴うさまざまな実施形態を最良に利用することが可能になる。添付の特許請求の範囲およびそれらに相当するものが、本発明の範囲を規定するものである。

従来技術の面発光レーザの並列アレイを示す図である。 図１Ａのアレイに関する等価電気回路を示す図である。 本発明の一実施形態に従って直列に接続された、面発光レーザのアレイを示す図である。 図２Ａのアレイに関する等価電気回路を示す図である。 本発明の一実施形態に従って直列に接続された、面発光レーザのアレイを示す図である。 本発明の一実施形態に従って直列に接続された、面発光レーザのアレイを示す図である。 本発明の一実施形態に従って直列接続されたアレイを形成するためのエピタキシャル成長および製作作業の手順を示す図である。 本発明の一実施形態に従って直列接続されたアレイを形成するためのエピタキシャル成長および製作作業の手順を示す図である。 レーザアレイ内の寄生バイポーラトランジスタを示す図である。 レーザアレイ内の寄生サイリスタを示す図である。 光を上面発光するための直列接続アレイの一代替実施形態を示す図である。 図８Ａのアレイに関する等価電気回路を示す図である。

Claims (18)

1. 共通のダイ上に形成されると共に電気的に直列に接続された複数の面発光半導体レーザダイオードのアレイと、
   前記アレイの下方に配されており、前記アレイの動作中に、前記複数の面発光半導体レーザダイオードのそれぞれを前記ダイ中の寄生伝導から電気的に分離するように構成された、前記ダイ中の少なくとも１つのｐ−ｎ接合部と、
   を備えるレーザ装置。
2. 前記面発光レーザダイオードが、垂直キャビティ面発光レーザおよび拡張キャビティ面発光レーザのうち少なくとも１つを備える、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 各前記面発光レーザダイオードが、上部コンタクト層と、基板層上に形成された下部コンタクト層とを有するメサを備え、
   前記下部コンタクト層が、前記少なくとも１つのｐ−ｎ接合部を形成するために、前記基板層の極性とは反対のドーピング極性を有する、請求項１に記載のレーザ装置。
4. トレンチ分離を形成するために、前記下部コンタクト層内で前記複数の面発光レーザダイオードの間に形成されたトレンチを更に備える、請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記トレンチが、各メサが前記下部コンタクト層と前記基板層の間に形成された分離ｐ−ｎ接合部を有するように、各メサの下方に前記下部コンタクト層のアイランドを画定する、請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記基板層をバイアスするために、前記ダイの一部分上に、順方向バイアスされたｐ−ｎ接合部が形成された、請求項５に記載のレーザ装置。
7. 複数のレーザダイオードを直列に接続するために、前記ダイ上に金属相互接続が形成された、請求項４に記載のレーザ装置。
8. レーザダイオード間の前記直列接続の少なくとも一部分が、サブマウントによってもたらされる、請求項４に記載のレーザ装置。
9. 前記共通のダイ上に配され、電気的に直列に接続された第２のアレイであって、前記第２のアレイの動作中に、前記第２のアレイ内の前記複数のレーザダイオードのそれぞれを前記ダイ中の寄生伝導から電気的に分離するように構成された、少なくとも１つのｐ−ｎ接合部を前記ダイ中に有する前記第２のアレイを更に備える、請求項１に記載のレーザ装置。
10. 共通のダイの電気コンタクト層上に形成された、各メサの上部コンタクトと前記電気接続層への下部コンタクトとの間で電気的に直列に接続された、複数の面発光半導体レーザダイオードメサのアレイと、
    前記コンタクト層を介した寄生電気伝導を阻止するために、前記複数のレーザダイオードメサ間の領域において前記電気コンタクト層内に形成されたトレンチと、
    前記電気コンタクト層の下方に配され、面発光レーザダイオードメサの前記アレイの動作中に、前記ダイ中に寄生伝導経路のｐ−ｎダイオード接合部分離をもたらすために、前記電気コンタクト層の極性とは反対の極性を有する前記ダイ中の基板層と、
    を備えるレーザシステム。
11. 前記面発光レーザダイオードメサが、垂直キャビティ面発光レーザおよび拡張キャビティ面発光レーザのうち少なくとも１つを備える、請求項１０に記載のレーザシステム。
12. 各トレンチが、前記コンタクト層のアイランドを画定し、それによって各メサが、前記コンタクト層の１つのアイランドと前記基板とによって画定される、ｐ−ｎダイオード接合部分離をもたらすための、対応するｐ−ｎダイオード接合部を有する、請求項１０に記載のレーザシステム。
13. 前記基板をバイアスするために、前記ダイの一部分上に、順方向バイアスされたｐ−ｎ接合部が形成される、請求項１０に記載のレーザシステム。
14. 複数のレーザダイオードを直列に接続するために、前記ダイ上に金属相互接続が形成される、請求項１０に記載のレーザ装置。
15. 複数のレーザダイオード間の前記直列接続の少なくとも一部分が、サブマウントによってもたらされる、請求項１０に記載のレーザ装置。
16. 共通のダイ上に形成されており、各レーザダイオードが、第１の電気接続を形成するための上部コンタクト層と、第２のドーピング極性の下部レーザダイオード領域と、前記第２のドーピング極性の第２のコンタクト層とを有し、各レーザダイオードが、前記第１のコンタクト層に電気的に結合された上部電気コンタクトを有し、各レーザダイオードが、前記第２のコンタクト層の一部分への下部電気コンタクトを有するメサとしてパターン形成される複数の面発光半導体レーザダイオードのアレイと、
    前記アレイ内の複数の面発光レーザダイオードを、直列接続で結合する電気相互接続と、
    前記複数の面発光レーザダイオード間の領域において前記第２のコンタクト層を貫通して広がる分離トレンチと、
    直列接続されたレーザダイオードの接合部分離をもたらすための、前記ダイ中に配された前記第１のドーピングタイプの基板層と、
    面発光半導体レーザダイオードの前記アレイの動作中に、前記分離層を前記コンタクト層に対して逆バイアスするように構成された電気接続と、
    を備えるレーザシステム。
17. 共通のダイの電気コンタクト層上に形成され、電気的に直列に接続された、複数の面発光半導体レーザダイオードメサの第１のアレイと、
    共通のダイの電気コンタクト層上に形成され、電気的に直列に接続された、複数の面発光半導体レーザダイオードメサの第２のアレイと、
    前記コンタクト層を介した寄生電気伝導を阻止するために、前記各レーザダイオード間の領域において前記電気コンタクト層内に形成された分離トレンチと、
    面発光レーザダイオードの前記第１のアレイおよび面発光レーザダイオードの前記第２のアレイの動作中に、基板の伝導経路のｐ−ｎダイオード接合部分離をもたらすために、前記第１のアレイおよび前記第２のアレイの下方に配された、少なくとも１つのｐ−ｎ接合部と、を備えており、
    直列に接続される前記第１のアレイ内のレーザダイオードおよび前記第２のアレイ内のレーザダイオードのそれぞれの数は、前記第１のアレイおよび前記第２のアレイを動作させている際に、接合部分離を得ることができる最大数よりも多くないものが選択されるレーザシステム。
18. 面発光レーザアレイを形成する方法であって、
    共通のダイ上に、レーザダイオード間の直列電気接続を形成するための少なくとも１つの特徴を含む、レーザダイオードのアレイを形成するステップであり、前記ダイが、電気的な分離をもたらすために、前記アレイの下方に少なくとも１つのｐ−ｎ接合部を含むステップと、
    レーザダイオードの各前記アレイを、直列接続で電気的に結合するステップと、
    前記少なくとも１つのｐ−ｎ接合部をバイアスして、前記アレイ内の各レーザダイオードを分離するステップと、
    を含む方法。

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