JP2010521804A - 光デバイスアレイのコンタクトパッド - Google Patents

Abstract

モノリシックレーザアレイは、レーザ素子の隣り合う対同士の間においてボンドパッド金属化部と駆動端子金属化部を、顕著に削減する態様の複数の並列レーザ素子を有する。各々のレーザ素子は、光軸に沿って延びる導波路と、導波路の少なくとも一部に沿って延びる駆動端子と、駆動端子から側方に延びるボンドパッド領域とを有する。レーザ素子は、隣り合うレーザ素子と対をなし、対をなす各々のレーザ素子は、その対をなす他方のレーザ素子へと側方に延び、対をなすレーザ素子同士の間の基板表面のそれぞれの部分を占有するボンドパッド領域を有する。レーザ素子の対同士の間の基板表面は、それによって実質的にボンドパッドの金属化部がなく、アレイ長にわたって高分割領域を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、単一基板に組み付けられた半導体レーザアレイのような半導体光デバイスのモノリシックアレイに関する。

半導体レーザアレイには、数多くのアプリケーションがある。例えば、通信システム、医療アプリケーション、レーザ切断や溶接システム、もしくは印刷や他の媒体を活性化する光エネルギを用いるプリントヘッドへの適用である。

典型的には、このようなレーザアレイは、並列レーザ素子（laser elements）のアレイを単一のモノリシック基板上に形成したものである。そして、それぞれのレーザ素子は、独立制御可能な出力を行うことができる。多くの場合、このために、それぞれのレーザ素子は、独立した駆動端子(drive contact)と、それに付随するボンドパッド(bond pad)を備える必要がある。ボンドパッドは、それぞれのレーザ素子を独立制御できるように外部にワイヤボンディングされる。

ボンドパッドは、それぞれの駆動端子と良好に電気伝導をするのが望ましい。また、電気伝導特性が、アレイの全てのレーザ素子にわたり、可能な限り一定であることが望ましい。また、ボンドパッドと、駆動端子と、これらの接続とを形成するために用いられる金属化層(the metallization layers)は、最適位置にあるレーザ素子のアレイを分割(cleave)する性能に、可能な限り影響しないことが望ましい。

本発明の課題は、上述した点の一部、または全部を改善することである。

他の態様に従い、本発明によると、以下のモノリシックレーザアレイを提供する。

複数の並列出力ビームを出射するための複数のレーザ素子を含み、
各々のレーザ素子は、光軸に沿って延びる導波路と、前記導波路の少なくとも一部に沿って延びる駆動端子と、前記駆動端子から側方に延びるボンドパッド領域とを有し、
少なくとも一部のレーザ素子は、隣り合うレーザ素子と対をなし、対をなす各々のレーザ素子は、前記対をなす他方のレーザ素子へと側方に延び、前記対をなすレーザ素子同士の間の基板表面のそれぞれの部分を占有するボンドパッド領域を有し、
レーザ素子の前記対同士の間の基板表面は、実質的にボンドパッド金属化部がなく、前記アレイ長にわたって高分割領域を形成する。

本発明によれば、上述した点の一部、または全部を改善することができる。

次に、本発明の実施形態を、例を示し、以下の図面を参照して説明する。

アレイ中のレーザ素子の電気接続に適したボンドパッドの第１の態様を示す、従来技術に係るモノリシックレーザアレイの概略平面図である。 アレイ中のレーザ素子の電気接続に適したボンドパッドの第２の態様を示す、従来技術に係るモノリシックレーザアレイの概略平面図である。 アレイ中のレーザ素子の隣接ペア間で良好な分割条件を容易化するレイアウトを示す、モノリシックレーザアレイの概略平面図である。 明りょう化のために横軸（ｘ）において非常に拡大した、図３に示すアレイの一部の概略平面図である。

本明細書中では、一般的に、「半導体レーザ」、または「レーザ素子」のアレイを参照する。これらの表現は、出射面(facet)からコヒーレント、又は非コヒーレントな光出力を発し、デバイスのモノリシックアレイ化に適した他の半導体光デバイスも含むことを意図している。

多くのアプリケーションでは、アレイ中に数多くの並列レーザを備えることが必要とされる。単一のモノリシックレーザアレイでは、いくつかの理由により各基板に数十以上のレーザを組み付けるのは不利である。

第一に、レーザ素子の数が増えると歩留まりが悪化するので、大型アレイが非常に高価になってしまう。第二に、アレイが大きくなるほど、アレイ中の各レーザの出力性能を一定に維持することがより困難になる。これは、例えば、アレイにわたる温度分布のためである。

したがって、より小型のアレイ（例えば、１６個のレーザ素子）を組み立てて、そして、複数のアレイを単一のキャリア(a single carrier)に搭載することが、よく好まれる。これは、隣接するアレイからのレーザ光出力の相対位置を非常に正確にするために、アレイ配置に関して多くの問題が生ずる。これは、人間の目が、規則的なドットアレイにおける、ちょっとしたドット間隔の不規則性に対して敏感であることから、印刷媒体に視認可能なマーキングをするためにレーザ素子の出力ビームを用いる印刷アプリケーションにおいて、排他的ではないが、とりわけ重要である。よって、個々のレーザアレイを、互いに正確に位置合わせしなければならない。

図１には、モノリシック半導体レーザアレイ２０が示されている。各アレイ２０は、１６個のレーザ素子２１−１，２１−２・・・２１−１６が含まれており、それぞれが光出射面２２（an optical output facet）を有していることによって、１６の並列出力ビームが出射される。各レーザ素子２１は、光導波路２３を含んでおり、その受動領域のみがデバイスの端部において視認可能であるが、能動領域は、レーザの駆動端子(the drive contact)を形成する金属化層２４の下部に隠れている。導波路２３は、リッジ導波管であってもよく、この場合、駆動端子はリッジ(the ridge)（例えば、金属化層２４における金属化された狭い部分に示されている）に沿って延びている。

駆動端子の金属化部２４（つまり、光導波路２３の能動領域の上に延びている部分）は、連続的な金属化部により第１のボンドパッド領域２５(a first bond pad area)と電気的に接続されており、この第１のボンドパッド領域２５は、導波路から離れ、アレイの一端の近傍に位置する。第１のボンドパッド領域は、通常のワイヤボンディング技術に従ってワイヤボンディングを行うためのものである。第２のボンドパッド領域２６(a second bond pad area)は、導波路２３から離れた部分にあり、導波路２３を挟んで第１のボンドパッド領域２５の反対側にある。レーザ素子２１−２の第２のボンドパッド領域２６は、本来的には隣り合うレーザ素子２１−３が占める長方形の半導体領域に、効果的に侵入していることに注意されたい。

また、各レーザ素子は、レーザ素子２１の出力端近傍に整列基準２７を有している。整列基準２７は、直交する２方向において視認可能な整列端を含み、これによって、レーザ素子とアレイを、基板上の他の部品や、他の光システムに対して正確に配置することが可能となる。

各レーザ２１の第１及び第２のボンドパッド領域２５，２６のポイントは、アレイの両側端１０，１１において光導波路２３の軸に非常に近接する位置にレーザ素子２１が形成された基板の分割(cleave of substrate)を容易化することにある。これは、右手側端１１の最右端のレーザ素子２１−１６が、使用可能な第１のボンドパッド領域２５−１６に連なる完全な端子金属化領域(a complete contact metallization area)２４−１６を維持することを意味する。そのレーザ素子２１−１６の第２のボンドパッド領域２６は、分割(the cleave)において失われてしまっていることに留意されたい。

アレイの左手側端１０を見ると、左手側端１０の最左端のレーザ素子２１−１が、使用可能な第２のボンドパッド領域２６−１に連なる完全な端子金属化領域２４−１を維持することがわかる。そのレーザ素子の第１のボンドパッド領域２５は、分割(the cleave)において失われてしまっていることに留意されたい。

この態様によると、隣り合うアレイを互いに非常に近接させて搭載し、それにより、アレイ内部及びアレイ間のレーザ素子の間隔を維持するように、アレイの両側端１０，１１においてレーザ導波路の軸に可能な限り近接した分割が可能となる。言い換えると、レーザ素子のピッチ(the pitch)は、複数のモノリシックアレイにわたって一定に維持される。

図２は、図１と同じ原理に基づく他の従来技術を示している。図２は、第２のボンドパッド領域２６ａが、駆動端子２４ａの実質長と連続するように、光軸の実質長に沿って延びているレーザアレイ２０ａを示している。各第１のボンドパッド領域２５ａは、各レーザ素子の一端において導波路長のはるかに小さな部分の上を、各導波路２３の他方の側から横方向へ延びている。

したがって、図１及び図２のレーザアレイの主たる特徴は、アレイの各レーザ素子が、導波路２３の両側から横方向へ延びたボンドパッド領域２５，２５ａ，２６，２６ａを有することによって、アレイの各最側端１０，１１のレーザ素子２１が、端子金属化領域(the contact metallization area)との電気的接続のためのボンドパッドを常に有していることであることがわかる。

これらのアプローチには、潜在的な不利益が存在する。

第一に、ボンドパッド領域２５，２５ａ，２６，２６ａと駆動端子金属化領域２４，２４ａの間の伝導性(the extent of electrical communication)が、第１、または第２のボンドパッド領域の何れをレーザ素子２１に使用するのかに依存して、ある程度変化する。このため、例えば、キャパシタンスや電気抵抗の相違から、アレイにわたるレーザの電気性能に若干の誤差が引き起こされる。

第二に、特に図２の場合、図１の場合では程度は低いが、分割を、実質的な金属化領域において行う必要がある。そのような金属化層（例として金）にスクライブや分割の処理を試みると、スクライブ及び／または分割処理の完了に必要な余圧のために、分割の失敗、分割の質の不揃い、及び破損に至り得ることがわかっている。

図３には、金属化層のスクライブ及び分割の必要性をなくし、近接して束ねた半導体レーザアレイの欠陥なきスクライブ処理を容易化する、駆動端子とボンドパッド金属化部(bond pad metallization)の配置を示している。

モノリシック半導体レーザアレイ３０は、１６個のレーザ素子３１−１，３１−２・・・３１−１６を含んでおり、それぞれが光出射面３２（an optical output facet）を有していることによって、１６の並列出力ビームが出射される。各レーザ素子３１は、レーザの光軸に沿って延びた光導波路３３を含んでおり、その受動領域のみが視認可能であり、能動領域は、レーザの駆動端子(the drive contact)を形成する金属化層３４の下部に隠れている。導波路３３は、リッジ導波管であってもよく、この場合、駆動端子金属化部３４はリッジ沿いに該上部で延びて、図３に示されるように金属化部に視認可能な外形を作っている。

駆動端子３４は、実質的に（示されるような）導波路の全長に沿って延びてもよいし、もしくは、導波路の長さの一部分のみに沿って、すなわち、導波路の一部分、またはそれ以上の部分の上部に延びてもよい。

１つおきのレーザ素子（つまり、偶数番号のレーザ素子３１−２，３１−４，・・・３１−１６）において、駆動端子金属化部３４（つまり、光導波路３３の能動領域の上に延びている部分）は、連続的な金属化部によりボンドパッド領域３５(bond pad areas)と電気的に接続されており、このボンドパッド領域３５は、導波路から離れ、図３に示されるように左手側のそれぞれの導波路３３から離れるように横方向に延びている。これらのボンドパッド領域３５は、通常のワイヤボンディング技術に従って、適当な位置に、好ましくは、レーザ素子３１の第１端４０の広い部分にワイヤボンディングを行うためのものである。これらは、「左手ボンドパッド」(left-handed bond pads)３５と呼ばれる。

他のレーザ素子（つまり、奇数番号のレーザ素子３１−１，３１−３，・・・３１−１５）において、駆動端子金属化部３４は、連続的な金属化部によりボンドパッド領域３６(bond pad areas)と電気的に接続されており、このボンドパッド領域３６は、導波路から離れ、図３に示されるように右手側のそれぞれの導波路３３から横方向に延びている。これらのボンドパッド領域３６は、通常のワイヤボンディング技術に従って、適当な位置に、好ましくは、レーザ素子３１の第２端４１の広い部分にワイヤボンディングを行うためのものである。これらは、「右手ボンドパッド」(right-handed bond pads)３６と呼ばれる。

したがって、レーザ素子３１は、隣り合うレーザ素子（例えば、３１−３，３１−４）の対(pairs)に配列されていることがわかる。対をなすレーザ素子のそれぞれはボンドパッド領域３５，３６を有しており、このボンドパッド領域３５，３６は、その対の他方のレーザ素子に向かって横方向に延び、その対をなすレーザ素子同士の間の基板表面４６のそれぞれの部分を占有する。レーザ素子の対同士の間の基板表面４７は、実質的にボンドパッド金属化部がなく、光軸方向（ｚ方向）に、アレイの第１端４０と第２端４１の間でアレイ長にわたって延びる高分割領域を形成する。

図１に示されたアレイと共通に、各レーザ素子３１は、レーザ素子３１の第２端近傍に整列基準３７も有している。整列基準３７は、直交する２方向において視認可能な整列端を含み、これによって、レーザ素子とアレイを、基板上の他の部品や、他の光システムに対して正確に配置することが可能となる。

図４は、横方向（ｘ方向）を明りょう化のために拡大した、図３のアレイの一部の近接平面図を示す。隣り合うレーザ素子の対３１−３、３１−４，３１−５，・・・３１−１０が視認可能となっている。ここで、レーザ素子３１が形成された基板の分割は、分割ライン(cleave lines)の両側のレーザ素子が利用可能なボンドパッドを破壊することなく、分割ラインの何れか一方の側のレーザ素子の光導波路３３に非常に近い位置にある分割ライン４３−１，４３−２，・・・４３−５のうちの何れか１つで行うことが可能であるとわかる。これによって、分割されたレーザアレイ同士は、適当なパッケージ基板に、互いに十分に近づけて搭載されるから、複数のアレイにわたってレーザ素子の間隔が、ほとんど、あるいは全く崩れることはない。

図１及び図２の構成と同様に、この態様によると、隣り合うアレイを互いに非常に近接させて搭載し、それにより、アレイ内部及びアレイ間のレーザ素子の間隔を維持するように、アレイの両側端４４，４５においてレーザ導波路の軸に可能な限り近接した分割が可能となる。言い換えると、レーザ素子のピッチ(the pitch)は、複数のモノリシックアレイにわたって一定に維持される。分割ライン４３は、レーザ素子同士のちょうど中間を目標とすることができる。例えば、分割ライン４３−２は、レーザ素子３１−４と３１−５のちょうど中間に伸びている。

また、ボンドパッド領域３５，３６は、分割されたアレイの最側端４４，４５（図３）であっても、それぞれのレーザ素子に利用可能となる。

ここで、アレイは、隣り合うレーザ素子の交互の対同士の間でしか分割できないが、この分割位置の若干の制限の利益は、上述した内容に付随する問題を回避して、ボンドパッド３５，３６、または駆動端子３４の金属化領域を切断することなく、分割をなし得ることであるとわかる。

さらに、ボンドパッド領域３５，３６と各駆動端子３４の間の接続の電気的特性（既に述べたように、これは駆動端子の全長に沿って連続することが好ましい。）は、左手ボンドパッド３５と右手ボンドパッド３６とで同一となることがわかる。

図３及び図４の構成に対しては、多くの変形例やバリエーションがあり得る。駆動端子領域３４と、付随するボンドパッド領域３５，３６は、必ずしも、示された三角形とする必要はないことが理解されよう。もっと一般的には、隣り合うレーザ素子の各対のボンドパッド領域（例えば符号３１−５，３１−６）の形状は、これらが、重なり合わない態様で、隣り合うレーザ素子の対同士の間の基板の表面を一緒に共有するように、相補的形状(complementary shapes)でありさえすればよいのである。

相補的形状は、電気的同一性（例えば、シート抵抗率、電気抵抗、キャパシタンス）を高めるために、互いに同一面積を有すると好ましい。これは、ワイヤボンドから駆動端子への伝導の電気的特性を最適に一定化するために有益である。

さらに好ましくは、２つの相補的形状は、１８０度回転すれば互いに正確な同一形状、すなわち、１８０度回転対称とするのが良い。このような態様で互いに同一な２つの相補的形状をなすことにより、各対の隣り合うレーザ素子の電気的特性を、最大限同一にすることができる。しかしながら、これに依らずとも、対象となるアプリーケーションに応じた電気的同一性が十分に得られれば、２つの相補的形状は、同一、または同じ面積ですらある必要はない。

２つの相補的形状は、複数のボンドパッド位置をなす、ぎざぎざ形状のような相互に組み合った構造(interdigitated structures)を含み、如何なる適当な形状もとり得る。

さらに、モノリシックアレイにわたる完全な分割位置の柔軟性が求められなければ、レーザ素子の一部だけを、図３及び図４に示される態様で対とすればよいことが理解されよう。例えば、１６個の素子からなるアレイのみを組み立てるのであれば、厳密に言うと、レーザ素子３１−１と３１−２（または、レーザ素子３１−１５と３１−１６）のみが、示された態様で対とする必要がある。分割の柔軟性が複数の位置において求められるのであれば、他のレーザ素子を、対をなす態様の対象として選択すればよい。したがって、一般的な見方をすると、複数のレーザ素子のうち、少なくとも一部、もしくは全部が、既に述べた相補的レイアウトをなるように対をなして構成される。他の（対をなしていない）レーザ素子は、左手ボンドパッド３５の態様、もしくは右手ボンドパッド３６の態様の何れかと一致するボンドパッド領域を有しても良い。

レーザプリントヘッドの典型的な態様では、レーザ素子とレーザ素子のピッチとして１２５ミクロンが求められ、ポンドパッドエリア３５，３６は、典型的には、およそ導波路の幅である駆動端子部に隣接する、そのピッチの最大約６０％（例えば、７５ミクロン幅）とする。これにより、１つ、またはそれ以上の分割がなされる基板において、レーザ素子の隣り合う対同士の間の表面４７の幅を、そのピッチの約７０％（例えば、８０〜１００ミクロン）とすることができる。分割されたアレイ３０の側端４０，４１を最適に切断、またはラッピングすることにより（もしくは、基板領域４７に対して１以上の分割を行う。）、共通の基板に搭載された隣り合うアレイ３０の間を１２５ミクロンに容易に維持することができ、また、分割処理の誤差に対する有効なマージンが得られる。レーザ素子の対の隣り合うボンドパッド領域３５，３６の間隔は、非常に小さくすることができる。例えば、対の内部の基板領域４６の幅は、数ミクロンにまで小さくでき、典型的にはレーザピッチの１０〜２０％とすることができる。

好ましい構成としては、ボンドパッド、または駆動端子金属化部のない、レーザの隣接する対同士の間の基板表面の幅は、レーザ素子の間隔のピッチの５０〜９０％とするのが良い。実際には、ボンドパッド、または駆動端子の金属化部のない、レーザの隣接する対の間の基板表面の幅は、もし、駆動端子の金属化部がリッジ、または埋設された導波路(buried waveguide)をはみ出たり、超えたりしなければ、導波路と導波路（例えば、リッジとリッジ）の間隔の最大１００％となり得る。

上述したレーザ素子は、金属化部がリッジの上に延び、はみ出るリッジ導波管を用いて形成されている。しかし、例えば、リッジのない、埋設されたヘテロ構造の導波管のような他のタイプの導波路も使用できることは、理解されよう。

上述したように、隣り合うアレイ３０のギャップは、いくつかのアプリケーションでは決定的であって、この場合、アレイ間のレーザピッチを増加させる如何なるギャップも避けなければならない。

典型的なサーマルプリンティング(thermal printing)の要求は、２０３ｄｐｉ（ドット／インチ）、すなわち８ドット／ｍｍであり、これは、アレイ中のレーザが１２５ミクロンピッチでなければならないということになる。例えば、２５０ｄｐｉ、３００ｄｐｉ、６００ｄｐｉ、１２００ｄｐｉのように、他の標準ピッチも広く使われている。図３及び図４に関して述べたレーザアレイは、これらの標準レーザピッチとともに従来のフォトリソグラフィー処理を用いるモノリシックアレイの形成に、直ちに適用され得る。

他の実施例は、添付の特許請求の範囲内にあるものとする。

Claims (10)

1. モノリシックレーザアレイであって、
   複数の並列出力ビームを出射するための複数のレーザ素子を含み、
   各々のレーザ素子は、光軸に沿って延びる導波路と、前記導波路の少なくとも一部に沿って延びる駆動端子と、前記駆動端子から側方に延びるボンドパッド領域とを有し、
   少なくとも一部のレーザ素子は、隣り合うレーザ素子と対をなし、対をなす各々のレーザ素子は、前記対をなす他方のレーザ素子へと側方に延び、前記対をなすレーザ素子同士の間の基板表面のそれぞれの部分を占有するボンドパッド領域を有し、
   レーザ素子の前記対同士の間の基板表面は、実質的にボンドパッド金属化部がなく、前記アレイ長にわたって高分割領域を形成する。
2. 請求項１に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   対をなすそれぞれのレーザ素子のボンドパッド領域は、実質的に三角形であり、各対の前記２つのレーザ素子は、相補的な三角形のボンドパッド領域を有している。
3. 請求項２に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   前記２つの相補的な三角形の領域は、レーザ素子の導波路の各対の上で、その間に延びる実質的な矩形領域を一緒に規定する。
4. 請求項１に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   対をなす各レーザ素子の前記ボンドパッド領域は、その対の他方のレーザ素子の前記ボンドパッド領域に対して相補的な形状を有している。
5. 請求項４に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   対をなす各レーザ素子の前記ボンドパッド領域は、その対の他方のレーザ素子の前記ボンドパッド領域の形状に対して、１８０度回転対称により実質的に同一形状を有している。
6. 請求項４に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   レーザ素子の各対の前記２つのボンドパッド領域は、相互に組み合っている。
7. 請求項１に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   対をなす各レーザ素子の前記ボンドパッド領域は、実質的に面積が等しい。
8. 請求項６に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   対をなす各レーザ素子の前記ボンドパッド領域は、前記駆動端子に対する電気伝導の電気的特性が実質的に同一である。
9. 請求項１に記載されたモノリシックレーザアレイであって、
   前記モノリシックアレイの全ての前記レーザ素子が前記対をなして構成されている。
10. 添付図を参照し、実質的にここに記載されたモノリシックレーザアレイ。
    
    
    
    

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