JP2010183120A - フリップチップ接合で製作した多重波長レーザアレー - Google Patents

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Abstract

【課題】赤外から赤色および青色に至る広い波長スペクトル範囲の、密な間隔の多重波長レーザビームを放出する能力をもつモノリシックな多重レーザ構造を提供する。
【解決手段】赤色／赤外並列形レーザ構造１００が青色レーザ構造２００に半田バンプ４０２，４０４でフリップチップ接合され、ハイブリッド方式の集積化された赤色／青色／赤外集積形レーザ構造４００が形成される。この方法によりエッチングや再成長による製造方法に適合しない半導体材料系においても、異なる波長のレーザ素子をもつレーザアレー構造を製作することができる。
【選択図】図７

Description

この発明は、多重波長レーザ構造に関し、特に二種類の基板に形成されたレーザ構造を基にしてフリップチップ接合によって製作される多重波長レーザアレー構造に関する。
アドレス可能なモノリシックな多重波長光源、特にモノリシック構造内の種々のレーザ素子から種々の波長の光ビームを同時に発光することができるアレー形光源は、カラー印刷、フルカラーデジタルフィルム記録、カラーディスプレイ、およびその他の光記録や記憶システムなどの様々な用途において有用である。
レーザプリンタや光記憶装置などの多くの装置は、多重レーザビームの活用によって性能が向上する。例えば、多重ビームを用いたレーザプリンタは単一ビームを用いたプリンタよりも印刷速度の早さ、またはスポット形状のシャープさあるいはその両方の面で優れている。
上記その他の多くの用途において、異なる波長をもつ、密な間隔の複数のレーザビームが必要とされている。
密な間隔の複数のレーザビームを得る方法の一つに、複数のレーザ発光サイト（すなわちレーザストライプ）の共通基板上への形成がある。この方法は著しく密な間隔の複数ビームを得ることができるものであるが、先行技術によるモノリシックなレーザアレーから放出されるレーザビームは通常一波長のみであった。
モノリシックなレーザアレーからの異なる波長のレーザビームの発生については、先行技術による様々な方法が知られている。例えば、周知のように各レーザ発振領域での駆動条件の変化によって微量の波長変化が得られる。この方法は簡単に実行できるが、波長の変化幅が小さく、大半の用途に対して不十分である。
大半の所望の用途において、レーザ素子から波長が大きく異なる複数の光が放出されることが理想的である。好適なモノリシック構造においては、レーザ素子が赤外から赤色および青色にかけての広い波長範囲のスペクトルをもつ光を放出する。課題の一つに、異なる波長のレーザ光源を得るには異なる種類の光放出性活性層が必要なことがある。つまり、青色レーザにはＩｎＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層、赤外レーザにはＡｌＩｎＧａＡｓなどの砒素系半導体層が必要であり、赤色レーザにはＧａＩｎＰなどのリン化物系半導体層が必要である。
本発明は、赤外から赤色および青色にかけての波長スペクトルをもつ、密な間隔の多重波長レーザビームを放出することが可能なモノリシック構造の多重レーザを提供することを目的とする。
赤色／赤外並列形レーザ構造が青色レーザ構造にフリップチップ接合されて、赤色／青色／赤外ハイブリッド方式の集積化されたレーザ構造が形成される。この方法によりエッチングや再成長による製造方法に適合しない半導体材料系においても、異なる波長のレーザ素子をもつレーザアレー構造を製作することができる。
本発明による赤色／赤外並列形レーザ構造の半導体層を示す断面図である。 本発明によるリッジ状導波路式赤色／赤外並列形レーザ構造の半導体層を示す断面図である。 本発明による青色レーザ構造の半導体層を示す断面図である。 本発明によるリッジ状導波路式青色レーザ構造の半導体層を示す断面図である。 本発明によるフリップチップ接合が行われる、赤色／赤外並列形レーザ構造と青色レーザ構造の接点パッド状の半田バンプを示す断面図である。 本発明によるフリップチップ接合が行われる前の、赤色／赤外並列形レーザ構造と青色レーザ構造との半導体層を示す断面図である。 本発明によるフリップチップ接合で形成された赤色／青色／赤外積層形レーザ構造の半導体層を示す断面図である。
本発明は、赤色／赤外並列形レーザ構造の製作と、青色レーザ構造の製作および赤色／赤外スタック形レーザ構造の反転並びに青色レーザ構造へのフリップチップ接合を行い、結果的に赤色／青色／赤外集積形レーザ構造を得るものである。
図１に本発明による赤色／赤外並列形レーザ構造１００を示す。
図１に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）と呼ばれる周知のエピタキシャル成長法を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上にｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層１０４を成長させる。他の成長法、例えば液相エピタキシ（ＬＰＥ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、およびその他の公知の結晶成長法を使用してもよい。下部クラッド層１０４のアルミニウムのモル分率は約５０％であり、ドーピングレベルは１〜５×１０18ｃｍ-3である。ＡｌＩｎＰ下部クラッド層１０４の厚さは約１μｍである。ｎ型ＧａＡｓ基板１０２のドーピングレビルは約５×１０18ｃｍ-3以上である。
下部クラッド層１０４上にドーピングなしのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部閉じ込め層１０６を形成する。下部閉じ込め層１０６のアルミニウム含有量は約４０％であり、厚さは約１２０ナノメータである。下部閉じ込め層１０６の形成後、Ｉｎ0.15Ａｌ0.15Ｇａ0.7Ａｓ活性層１０８を形成する。活性層１０８は約８３５ｎｍの光を放出する。活性層１０８は、一量子井戸、多重量子井戸、あるいは一量子井戸より膜厚の大きい単一層のいずれでもよい。一量子井戸の厚さは一般に５〜２０ナノメータであり、本実施例では８ナノメータである。活性層１０８上にドーピングなしのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部閉じ込め層１１０を形成する。上部閉じ込め層１１０の典型的なアルミニウム含有量は４０％であり、厚さは約１２０ナノメータである。下部閉じ込め層１０６、上部閉じ込め層１１０及び活性層１０８が、しきい値電流が低くて光放散の少ないレーザ構造に適した活性領域１１２を形成する。
赤外レーザ構造１２０の上部閉じ込め層１１０上に、約１μｍ厚さのＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１１４を形成する。典型的な上部クラッド層１１４のアルミニウム含有量は５０％であり、マグネシウムのドーピングレベルは５×１０18ｃｍ-3である。
ｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１１４上にＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ障壁低減層１１６を形成する。典型的な障壁低減層１１６では、膜厚が５０ｎｍであり、マグネシウムのドーピングレベルが約５×１０18ｃｍ-3である。このＧａＩｎＰ障壁低減層１１６上にｐ+型ＧａＡｓキャップ層１１８を形成する。典型的なキャップ層１１８では、膜厚が１００ナノメータであり、マグネシウムのドーピングレベルが１×１０19ｃｍ-3である。
ｎ型ＧａＡｓ基板１０２からキャップ層１１８までの層で赤外レーザ構造１２０が形成される。
赤外レーザ構造１２０のエピタキシャル成長後、図１の赤色／赤外並列形レーザ構造１００上に窒化シリコン（ＳｉＮx）または酸化シリコン（ＳｉＯx）層（図示せず）を被覆する。この後、この窒化シリコンまたは酸化シリコン層中にフォトリソグラフィおよびプラズマエッチングを用いて複数のストライプ状の窓を開ける。各ストライプ状窓（図示せず）の幅は３００ミクロンであり、間隔は５００ミクロンである。次いで、クエン酸（Ｃ6Ｈ8Ｏ7： Ｈ2Ｏ）、過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）およびシュウ酸（ＨＢｒ）を用いて湿式化学エッチングにより窓部の赤外レーザ構造１２０をエッチングで除去する。このエッチングは、キャップ層１１８、障壁低減層１１６、上部クラッド層１１４、上部閉じ込め層１１０、活性層１０８、下部閉じ込め層１０６および下部クラッド層１０４を厚さ方向に順にエッチングしてｎ型ＧａＡｓ基板１０２に達するまで行う。次にこの窓部内の基板上に赤色レーザ構造を成長させる。赤色レーザ構造の形成後、残った赤外レーザ構造１２０表面の窒化シリコンまたは酸化シリコン層をプラズマエッチングで除去する。
ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上にｎ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層１２４を形成する。下部クラッド層１２４のアルミニウムのモル分率は約５０％であり、ドーピングレベルは１〜５×１０18ｃｍ-3である。ＡｌＩｎＰ下部クラッド層１２４の厚さは約１ミクロン（μｍ）である。
下部クラッド層１２４上にドーピングなしのＩｎ0.5（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｐ下部閉じ込め層１２６を形成する。下部閉じ込め層１２６のアルミニウム含有量は約３０％であり、厚さは約１２０ナノメータである。下部閉じ込め層１２６の形成後、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ｐ活性層１２８を形成する。活性層１２８は約６７０ナノメータの光を放出する。活性層１２８は、一量子井戸、多重量子井戸、あるいは一量子井戸より膜厚の大きい単一層のいずれでもよい。一量子井戸の厚さは一般に５〜２０ナノメータであり、本実施例では８ナノメータである。活性層１２８上にドーピングなしのＩｎ0.5（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｐ上部閉じ込め層１３０を形成する。典型的な上部閉じ込め層１３０では、アルミニウム含有量が３０％であり、厚さが約１２０ナノメータである。下部閉じ込め層１２６、上部閉じ込め層１３０及び活性層１２８が、しきい値電流が低くて光放散の少ないレーザ構造に適した活性領域１３２を形成する。
赤色レーザ構造１４０の上部閉じ込め層１３０上に、約１ミクロン厚さのＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１３４を形成する。典型的な上部クラッド層１３４では、アルミニウム含有量が５０％で、マグネシウムのドーピングレベルが５×１０18ｃｍ-3である。
ｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１３４上にＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ障壁低減層１３６を形成する。典型的なＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ障壁低減層１３６では、厚さが５０ナノメータで、マグネシウムのドーピングレベルが約５×１０18ｃｍ-3である。この障壁低減ＧａＩｎＰ障壁低減層１３６上にｐ+型ＧａＡｓキャップ層１３８を形成する。典型的なキャップ層１３８では、厚さが１００ナノメータで、マグネシウムのドーピングレベルが１×１０19ｃｍ-3である。
ｎ型ＧａＡｓ基板１０２からキャップ層１３８の層で赤色レーザ構造１４０が形成される。
赤外レーザ構造１２０と赤色レーザ構造１４０はｎ型ＧａＡｓ基板１０２を共有する。赤外レーザ構造１２０と赤色レーザ構造１４０の各々の上下クラッド層と障壁低減層およびキャップ層は同じ半導体材料からなり、各々が同じ厚さと同じドーピングレベル（ドーピングなしの場合も含む）をもつ。赤外レーザ構造１２０と赤色レーザ構造１４０の各々の上下の閉じ込め層と活性層は（半導体材料は異なるが）厚さが等しいため、赤色／赤外並列形レーザ構造１００中の赤外レーザ構造１２０および赤色レーザ構造１４０の各光放出用活性領域は高さが等しく、かつ平行である。同様に、キャップ層１１８および１３８上の、赤外レーザ構造１２０および赤色レーザ構造１４０用の各電極接点は高さが等しく、かつ平行である。
赤色／赤外並列形レーザ構造１００における赤外レーザ構造１２０と赤色レーザ構造１４０の、各々の並列形レーザ構造間での横方向の間隔は正確に５０μｍであり、縦方向の間隔は実質的にゼロである。
図２に示す形状の、赤色／赤外並列形レーザ構造１００のリッジ状導波路を製作する。
図１に示した赤色／赤外並列形レーザ構造１００の半導体層を全て形成した後、図２に示すように、窒化シリコン（ＳｉＮx）または酸化シリコン（ＳｉＯ2）層を赤外レーザ構造１２０のキャップ層１１８の上面および赤色レーザ構造１４０のキャップ層１３８の上面に形成する。５０μｍ間隔の２本のストライプパターンをキャップ層１１８および１３８上に形成し、ストライプの間の部分を開口窓にする。
臭素とメタノールの混合（Ｂｒ：ＣＨ3ＯＨ）溶液を用いて赤外レーザ構造１２０のキャップ層１１８と障壁低減層１１６の非マスク領域をエッチングし、マスク領域すなわちエッチングをされないキャップ層１１８と障壁低減層１１６からなる小形のメサ１５０を開口窓状の溝間に形成する。
同様に、臭素とメタノールの混合（Ｂｒ：ＣＨ3ＯＨ）溶液を用いて赤色レーザ構造１４０のキャップ層１３８と障壁低減層１３６の非マスク領域をエッチングし、マスク領域すなわちエッチングをされないキャップ層１３８と障壁低減層１３６からなる小形のメサ１５２を開口窓状の溝間に形成する。
次にリン酸（Ｈ3ＰＯ4）を用いてメサ１５０の両側の１ミクロン厚さのｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１１４の非マスク領域を時限エッチング法により厚さ方向にエッチングして、ｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１１４の、上部閉じこめ層１１０、活性層１０８および下部閉じこめ層１０６からなる活性領域１１２上での厚さが０．３５ミクロンになるようにする。
同様に、リン酸（Ｈ3ＰＯ4）を用いてメサ１５２の両側の１ミクロン厚さのｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１３４の非マスク領域を限時エッチング法により厚さ方向にエッチングして、ｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１３４の、上部閉じこめ層１３０、活性層１２８および下部閉じこめ層１２６からなる活性領域１３２上での厚さが０．３５ミクロンになるようにする。
湿式化学エッチングの代わりに反応性イオンエッチングを用いてもよい。
エッチングが完了して図２の形状が出来上がった後、窒化シリコンのストライプを除去する。
メサ１５０の下方に残ったＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１５４がリッジ状導波路１５６を形成する。この導波路１５６は、赤外レーザ構造１２０の活性領域から放出された光の光学的閉じ込め効果をもつ。
メサ１５２の下方に残ったＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１５８がリッジ状導波路１６０を形成する。この導波路１６０は、赤色レーザ構造１４０の活性領域から放出された光の光学的閉じ込め効果をもつ。
赤外レーザ構造１２０と赤色レーザ構造１４０間を基板１０２に達するまで厚さ方向にエッチングして絶縁用溝１６２を形成する。この溝によって二つのレーザ構造間が電気的および熱的に絶縁され、両レーザ構造間のクロストークが減少する。
窒化シリコンストライプを除去した後、Ｔｉ／Ａｕのｐ型金属電極１６４を赤外レーザ構造１２０のキャップ層１１８と接触層即ち障壁低減層１１６および上部クラッド層１１４の上面に形成する。リッジ状導波路１５６はこのｐ型金属電極１６４内に閉じ込められる。Ｔｉ／Ａｕのｐ型金属電極１６６を、赤色レーザ構造１４０のキャップ層１３８と接触層即ち障壁低減層１３６および上部クラッド層１３４の上面に形成する。リッジ状導波路１６０はこのｐ型金属電極１６６内に閉じ込められる。赤外レーザ構造１２０と赤色レーザ構造１４０との共通電極となる、Ａｕ／Ｇｅのｎ型金属電極１６８を基板１０２の下面に形成する。
金属電極に閉じ込められたリッジ状導波路１５６をもつ赤外レーザ構造１２０と金属電極に閉じ込められたリッジ状導波路１６０をもつ赤色レーザ構造１４０は、いずれもシングルモードの横波光を放出する。
この赤外および赤色レーザ構造は緊密に並列配置しているにも係わらず、３ナノ秒未満という早いスイッチング速度での個別アドレスが可能である。
図２に示す赤色／赤外並列形レーザ構造１００はエッジ発光形のアレー構造をもつ。従来形の刻面（図示せず）を赤色／赤外並列形レーザ構造１００の端部に形成する。赤外レーザ構造１２０は、活性層１０８を含む活性領域１１２で発生した赤外波長光をレーザ構造の端部から放出する。赤色レーザ構造１４０は、活性層１２８を含む活性領域１３２で発生した赤色波長光をレーザ構造の端部から放出する。
図３に本発明による青色レーザ構造２００を示す。
青色レーザ構造２００はサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板２０２をもつ。基板２０２上に、ドーピングなしのバッファ層２０４を３０ナノメータ厚さに形成する。このドーピングなしのバッファ層２０４上にｎ型ＧａＮバッファ層２０６を形成する。このｎ型バッファ層２０６のシリコンのドーピングレベルは１×１０18ｃｍ-3で、膜厚は４ミクロンである。上記ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６上にｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ歪み低減層２０８を形成する。ＩｎＧａＮ歪み低減層２０８の膜厚は０．１ミクロンで、シリコンのドーピングレベルは１×１０18ｃｍ-3である。さらにこのＩｎＧａＮ歪み低減層２０８上にｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ下部クラッド層２１０を形成する。ｎ型下部クラッド層２１０のシリコンのドーピングレベルは１×１０18ｃｍ-3で、膜厚は０．５ミクロンである。
ｎ型ＧａＮの導波層２１２をｎ型ＡｌＧａＮ下部クラッド層２１０上に形成する。ＧａＮ導波層２１２の膜厚は０．１ミクロンで、シリコンのドーピングレベルは１×１０18ｃｍ-3である。導波層２１２上にＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎの多重量子井戸活性層２１４を形成する。このＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ／Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ多重量子井戸活性層２１４は３〜２０の量子井戸からなり、厚さが約５０ナノメータで４１０〜４３０ナノメータの光を放出する。活性層２１４上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎのキャリア閉じ込め層２１６を形成する。このｐ型ＡｌＧａＮキャリア閉じ込め層２１６のマグネシウムのドーピングレベルは５×１０19ｃｍ-3であり、膜厚は０．０２ミクロンである。ｐ型ＡｌＧａＮキャリア閉じ込め層２１６上にｐ型ＧａＮ導波層２１８を形成する。ＧａＮ導波層２１８の膜厚は０．１ミクロンで、マグネシウムのドーピングレベルは５×１０19ｃｍ-3である。導波層２１２，２１８と閉じ込め層２１６および活性層２１４とが、レーザ構造の活性領域２１９を形成する。
導波層２１８上にｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎの上部クラッド層２２０を形成する。ｐ型上部クラッド層２２０のマグネシウムのドーピングレベルは５×１０19ｃｍ-3であり、膜厚は０．５ミクロンである。このｐ型上部クラッド層２２０上にｐ型ＧａＮ接触層２２２を形成する。接触層２２２のマグネシウムのドーピングレベルは５×１０19ｃｍ-3であり、膜厚は０．５ミクロンである。
図４に示す形状に、青色レーザ構造２００のリッジ状導波路を製作する。
図３に示した青色レーザ構造２００の半導体層が全て形成された後、フォトレジストのマスクを青色レーザ構造２００の接触層２２２の上面に形成する。一本のストライプパターンをフォトレジストで形成し、接触層２２２中に開口部２５０を設ける。次いで、ケミカルアシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）で接触層２２２の非マスク領域２５０をエッチングする。このエッチングは、接触層２２２、ｐ型上部クラッド層２２０、ｐ型導波層２１８、ｐ型キャリア閉じ込め層２１６、多重量子井戸形活性層２１４、ｎ型導波層２１２、ｎ型下部クラッド層２１０、ｎ型歪み低減層２０８を順に除去してｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６の表面２５２に達するまで行う。このエッチング後、フォトレジストのマスクを除去する。
次に、別のフォトレジストマスクを青色レーザ構造２００中の接触層２２２の上面および露出したｎ型バッファ層２０６の表面２５２上に形成する。５０ミクロン間隔の二本のストライプパターンを接触層２２２上に形成し、ストライプ間の部分が開口窓となるようにする。
次に、ケミカルアシストイオンビームエッチングによって接触層２２２中の非マスク領域をエッチングし、マスクされた（すなわちエッチングされない）接触層２２２からなる小形のメサ２５４が開口窓形の溝間に残るようにする。
ケミカルアシストイオンビームエッチングを進行させ、メサ２５４の両側の０．５ミクロン厚さのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ上部クラッド層２２０中の非マスク領域を時限エッチング法を用いて厚さ方向にエッチングする。このエッチングは、導波層２１２、活性層２１４、閉じこめ層２１６および導波層２１８からなる活性領域２１９上のｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ上部クラッド層２２０の厚さが０．３５ミクロンになるまで行う。
エッチング終了後、フォトレジストのマスクを除去する。
メサ２５４の下方に残ったｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ上部クラッド層２２０がリッジ状導波路２５６となる。この導波路２５６は青色レーザ構造２００の活性領域から放出される光の光学的閉じ込め効果をもつ。
窒化シリコンストライプを除去した後、Ｔｉ／Ａｕのｐ型金属電極２５８を、青色レーザ構造２００の上部閉じ込め層２２０の上面、リッジ状導波路２５６および接触層２２２のメサ２５４上に形成する。リッジ状導波路２５６はｐ型用金属電極２５８に閉じ込められる。Ｔｉ／Ａｕのｎ型用電極２６０がｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６の表面２５２上に形成される。
金属電極に閉じ込められたリッジ状導波路２５６をもつ青色レーザ構造２００はシングルモードの横波光を放出する。
図４に示した青色レーザ構造２００はエッジ発光形のアレー構造をもつ。従来形の刻面（図示せず）を青色レーザ構造２００の端部に形成する。青色レーザ構造２００は、活性層２１４を含む活性領域２１９で発生した青色波長光をレーザ構造の端部から放出する。
図２に示したリッジ状導波路式赤色／赤外並列形レーザ構造１００を、図４に示したリッジ状導波路式青色レーザ構造２００にフリップチップ接合して、集積形の赤色／青色／赤外レーザ構造を形成する。
フリップチップ接合によって二つの半導体構造が対向配置で半田付けされ、一つの半導体構造が製作される。一般に、両方の半導体構造表面の電極パッド上に半田バンプを形成する。一方の構造（すなわちチップ）を反転させてもう一方の構造（すなわちチップ）に対向させる。各半導体構造上の半田バンプを位置合わせした後、両構造を加熱しながら相互に加圧する。二つの半田バンプが融合して一つの半田バンプになり、それによって二つの半導体構造は一体化して一つの集積化された半導体構造になる。二つのレーザ構造は融液状の半田金属の表面張力によって引き寄せられ、整合した位置関係に正確に収まる。
図５に代表的な一例を示す。半田バンプ用の二つの電極パッド３００および３０２を赤色／赤外レーザ構造１００の各ｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１１４および１３４の表面に形成する（図５（ａ））。電極パッド３００は、赤外レーザ構造１２０のリッジ状導波路１５６と上部クラッド層１１４上に位置する。電極パッド３０２は、赤色レーザ構造１４０のリッジ状導波路１６０と上部クラッド層１３４上に位置する。
電極パッドの形成は一連の金属層の連続蒸着、すなわち３０ナノメータ厚さのＴｉ層、５０ナノメータ厚さのＡｕ層、３０ナノメータ厚さのＴｉ層、および２００ナノメータ厚さのＮｉ層の連続成膜により行う。電極パッド３００は、同じくｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１１４の表面に位置した、赤外レーザ構造１２０のリッジ状導波路１５６およびｐ型金属電極１６４のいずれからも物理的に分離されると共に電気的に絶縁される。電極パッド３０２は、同じくｐ型Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層１３４の表面に位置した、赤色レーザ構造１４０のリッジ状導波路１６０およびｐ型金属電極１６６のいずれからも物理的に分離されると共に電気的に絶縁される。
プラズマ強化化学的気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または２７５℃での電子ビーム蒸着によって、ＳｉＯＮ絶縁層３０４を電極パッド３００および３０２のほぼ全面上に形成する。ＳｉＯＮ絶縁層３０４は半田除けとなると共に、電極パッド３００および３０２をｐ型金属電極１６４および１６６からより確実に電気的に絶縁させる。上部クラッド層に隣接した、電極パッド中のＴｉ／Ａｕ層は標準のレーザ用オーミック接触性金属である。電極パッドの上層のＴｉ／Ｎｉ層は、上部クラッド層上の薄膜金属被覆と１０〜１２ミクロン厚さのＰｂ／Ｓｎ半田バンプとの間の接触抵抗の低い界面形成と、半田浸出防止層としての役割との若干相容れない要求を満たす機能をもつ。さらに、Ｎｉには表面に安定な酸化物が形成される性質があり、これによってＳｉＯＮ層の接着能が向上する。
この後、通常のフォトリソグラフィ法を用いて絶縁層３０４のパターンニングを行う。フォトレジストのマスク（図示せず）は、リッジ状導波路１５６，１６０および下方のレーザストライプと位置整合された後、ＳｉＯＮ絶縁層３０４の表面に形成される。ＳｉＯＮ絶縁層３０４の非マスク領域はプラズマエッチングされて、５０〜９０μｍ径の接点孔３０６が形成される。接点孔３０６は、絶縁膜３０４を貫通して接点パッド３００の位置まで厚さ方向にエッチングされる。接点孔３０８は、絶縁膜３０４を貫通して接点パッド３０２の位置まで厚さ方向にエッチングされる。このエッチングによって二つのレーザ半導体構造間の最終的な位置関係が規定されると共に、接点パッド中の濡れ性をもつ領域が規定される。
２０ナノメータ厚さのＳｎ層３１０が接点孔３０６を通して接点パッド３００上に形成される。２０ナノメータ厚さのＳｎ層３１２が接点孔３０８を通して接点パッド３０２上に形成される（図５（ｂ））。
次に１０ミクロン厚さのフォトレジスト層３１４が三つの層パターンの表面に形成される。このフォトレジスト層３１４は接点孔３０６と位置整合して成長させた逆テーパ形孔３１６、および接点孔３０８と位置整合して成長させた逆テーパ形孔３１８をもつ（図５（ｃ））。
ＰｂＳｎ半田は電子ビーム蒸着装置によって蒸着され、次いでリフトオフによって、接点パッド３００上のＳｎ層３１０上に形成されたＰｂＳｎ板３２０および接点パッド３０２上のＳｎ層３１２上に形成されたＰｂＳｎ板３２２の形状にされる。１０μｍ厚さのＰｂＳｎ板は濡れ性のある接点パッド３００，３０２よりやや径が大きい。この後フォトレジスト３１４が除去される（図５（ｄ））。
半田板３２０および３２２がフラックスを用いてリフロされて２２０℃の温度に加熱されることにより、各々が濡れ性のある接点パッド領域３００および３０２上に引き戻され、半球状の半田バンプ３２４および３２６が形成される。半田バンプ３２４は接点パッド３００のＳｎ層３１０上に位置し、半田バンプ３２６は接点パッド３０２のＳｎ層３１２上に位置する。Ｓｎ層のＰｂＳｎ半田との合金化が起こり、良好な電気的かつ機械的な接続部が形成される。
青色レーザ構造２００の接点パッドと半田バンプも同じ方法で形成される。ＳｉＯＮ絶縁層３５４が、青色レーザ構造２００の上部閉じ込め層２２０の上面の、二つのＴｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｎｉ接点パッド３５０の大半を覆う。半田バンプ３５８は接点パッド３５０のＳｎ層３５６上に位置し、半田バンプ３６２は接点パッド３５２のＳｎ層３６０上に位置する（図５（ｆ））。
図および本文では一列分の半田バンプが示されている。レーザ構造の全面には何列もの半田バンプが存在しており、それによって二つのレーザ構造間に良好な機械的および電気的接続が得られている。
接点パッド３００，３０２上に半田バンプ３２４，３２６をもつ赤色／赤外並列形レーザ構造１００と、接点パッド３５０，３５２上に半田バンプ３５８，３６２をもつ青色レーザ構造２００は通常の手段で個片に切り出されて洗浄される。粘着性のフラックスがそれぞれのレーザ構造の半田バンプ表面に塗布される。
図６に示すように、ＧａＡｓ系赤色／赤外並列形レーザ構造１００がＩｎＧａＮ／サファイア系青色レーザ構造２００の頂部に、フリップチップアライナボンダを用いて±１０μｍの位置精度でフリップチップ接合される。赤色／赤外並列形レーザ構造１００の半田バンプ３２６，３２４がそれぞれ青色レーザ構造２００の半田バンプ３５８，３６２に接触するようにされて、フラックスで位置を保持される。
このハイブリッド形式の集積化された赤色／青色／赤外集積形レーザ構造４００が再度２２０℃の温度に加熱される。第二のリフロの間に二つの半田バンプ３２６，３５８は一つの半田バンプ４０２になり、二つの半田バンプ３２４，３６２は一つの半田バンプ４０４になる。この結果図７に示すように、別々な二つの赤色／赤外並列形レーザ構造１００および青色レーザ構造２００は接合されて一つの集積化されたレーザ構造４００が生じる。この接合工程の間に、赤色／赤外並列形レーザ構造と青色レーザ構造とは、Ｐｂ／Ｓｎ半田バンプ間に働く自己整合性の表面張力によって引っ張られ、きわめて正確に位置決めされる。
青色レーザのリッジ２５６は赤色レーザのリッジ１６０と赤外レーザのリッジ１５６との中央に設置されて、横方向の間隔が緊密になるようにされる。縦方向の間隔はバンプ径に依存する。例えば半田バンプ半球体の径が５０、７０および９０μｍの場合は、チップ間隔はそれぞれ３０、４０および５０μｍである。このハイブリッド接合方式では青色および赤色／赤外並列形レーザ間に非常に低い熱的クロストークしか生じないため、横方向の間隔は基本的に赤色レーザと赤外レーザとの間隔で規定される。赤色レーザと赤外レーザ間の間隔が２０μｍであれば、青色レーザと赤色レーザ（または赤外レーザ）間の間隔は１０μｍである。縦方向の間隔はバンプ径に依存する。例えばプリンタヘッドなどの用途によっては、赤色／赤外並列形レーザの動作に電子制御式の遅延をもたせることによって縦方向の間隔を事実上ゼロにされる。間隔が密であることは高速で高解像度のプリンタにとって好都合である。
フリップチップ接合により本態様の非格子整合ヘテロ構造の、ハイブリッドされた集積化されたレーザ構造４００が製作される。本集積形の赤色／青色／赤外レーザ構造４００により、精密な光学系に必要な、精密な間隔をもつ波長範囲の広い三種のレーザ源構造が得られる。
１００ 赤色／赤外並列形レーザ構造、１０２ ｎ型ＧａＡｓ基板、１１２，１３２，２１９ 活性領域、１２０ 赤外レーザ構造、１４０ 赤色レーザ構造、１５６，１６０，２５２ リッジ状導波路、２００ 青色レーザ構造、２０２ サファイア基板、３２４，３２６，３５８，３６２ 半田バンプ、４００ 赤色／青色／赤外集積形レーザ構造。

Claims (1)

  1. 集積化されたエッジ発光半導体レーザ構造において、
    第一のレーザ構造であって、
    第一の基板と、
    前記第一の基板上に形成された第一の複数の半導体層と、
    第一の活性領域を形成する前記第一の複数の半導体層中の一つ以上の層と、
    前記第一の複数の半導体層中の一層上に設けられた第一の接合手段と、
    を有する第一のレーザ構造と、
    第二のレーザ構造であって、
    第二の基板と、
    前記第二の基板上に形成された第二の複数の半導体層と、
    第二の活性領域を形成する前記第二の複数の半導体層中の一つ以上の層と、
    前記第二の複数の半導体層中の一層上に設けられた第二の接合手段であって、
    前記第一の接合手段の少なくとも一つに接合される第二の接合手段と、
    前記第二の基板上に形成された第三の複数の半導体層と、
    第三の活性領域を形成する前記第三の複数の半導体層中の一つ以上の層と、
    前記第三の複数の半導体層中の一層上に設けられた第三の接合手段であって、
    前記第一の接合手段の少なくとも一つに接合される第三の接合手段と、
    を有する第二のレーザ構造と、
    第一の波長の光を放出させるために前記第一の活性領域にバイアス電圧を印加することができる第一および第二の接点と、
    第二の波長の光を放出させるために前記第二の活性領域にバイアス電圧を印加することができる第三および第四の接点と、
    第三の波長の光を放出させるために前記第三の活性領域にバイアス電圧を印加することができる第五および第六の接点と、
    を含むことを特徴とする集積化されたエッジ発光半導体レーザ構造。
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