JP2012059898A - 半導体レーザアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】十分に放熱することができるとともに発光点間隔を小さくすることができる半導体レーザアレイを提供する。
【解決手段】複数の半導体レーザ素子２０１〜２０５を備える半導体レーザアレイ１００であって、複数の半導体レーザ素子２０１〜２０５のそれぞれは、第１の端面３０１及び第２の端面３０２を両端とする光導波路２０１ａ〜２０５ａを有し、複数の半導体レーザ素子２０１〜２０５の少なくとも一つの半導体レーザ素子２０１は、光導波路２０１ａにおける第１の端面３０１と第２の端面３０２との間に形成された反射面２２１ｂを有し、反射面２２１ｂは、導波光を反射させて導波光の進行方向を変える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザアレイに関し、特に、複数の光導波路を有する高出力の半導体レーザアレイに関する。

半導体レーザは、紫外光から赤外光まで広い範囲の波長領域に渡って実用化されてきた。例えば、赤外光よりも波長の短い半導体レーザは、光ディスク装置の読み出し用及び書き込み用の光源として利用されている。

近年、ＧａＮ系半導体レーザの登場によって、紫外光の波長領域から緑色光の波長領域までの比較的波長の短い領域での発光が得られるようになった。その結果、半導体レーザを光ディスク用光源以外にも応用しようという試みが始まっている。例えば、レーザディスプレイ、レーザ加工装置、又は薄膜のアニール装置などが半導体レーザの応用分野として検討されている。これらの装置において半導体レーザを利用するためには、レーザ光出力をワットクラスに増大させる必要がある。そのための有力な方法として、複数の半導体レーザ素子をアレイ化する方法が挙げられる。

半導体レーザアレイは、同一の基板に形成され、１チップとして集積化されたものが望ましい。このような半導体レーザアレイを得るには、単一の半導体レーザチップを複数個並べて組み立てる方法も考えられるが、各半導体レーザチップの発光点の間隔を制御することが難しい。また、この場合、各チップの発光点を近接させることも困難である。

このため、単一の半導体レーザチップを一つの光源として利用するためには、複数の光ファイバ等を用いて、それぞれのチップの発光点からレーザ光を取り出して、これらを合波させる必要がある。しかしながら、このような方法は、コスト的にも光源の大きさの観点からも不利である。

この点、半導体レーザをアレイとして同一基板に集積させることができれば、発光点間隔を近接させることができ、光学系を簡素化することができる。

一方、半導体レーザは、発光体であるとともに発熱体でもある。従って、半導体レーザアレイを構築した場合、アレイを構成する個々の半導体レーザ素子からの発熱が互いに影響を及ぼし合って、所期の光出力を得られない場合がある。

例えば、５個の半導体レーザ素子を集積化した半導体レーザアレイの場合、半導体レーザアレイ全体としての光出力は、１個の半導体レーザ素子の光出力の５倍となることが期待される。しかし、半導体レーザ素子の発光点間隔を小さくした場合、すなわち、半導体レーザ素子間の距離を小さくした場合、各半導体レーザ素子からの発熱が、隣接する半導体レーザ素子に容易に伝わる。そのため、個々の半導体レーザ素子の温度が上昇し、光出力の熱飽和レベルが低下する。このため、結果として、半導体レーザアレイの光出力は、１個のレーザ素子の光出力の５倍よりも低い値に制限されてしまう。

この問題を避けるためには、隣接する半導体レーザ素子の間隔を充分大きくし、各半導体レーザ素子からの発熱が互いに伝搬しないように半導体レーザアレイを構成する必要がある。

ところで、ファブリ・ペロー共振器を用いた端面発光型の半導体レーザは、直線状の光導波路を有し、その光導波路の両端が、垂直なへき開面で終端されている。この場合、レーザ発振光は、両端のへき開面で構成される二つの反射面で反射しながら光導波路を往復し、この導波光の一部が光出力として共振器の端面から外部へと取り出される。このような端面発光型の半導体レーザを半導体レーザアレイとして集積化すると、半導体レーザ素子の間隔は共振器端面における発光点間隔と一致する。

ここで、前述したように、光学系の簡素化の観点からは、各半導体レーザ素子の発光点間隔は小さい方が望ましい。その一方で、放熱の観点からは、各半導体レーザ素子はお互いに充分離れて配置されることが望ましい。

この両方の観点を同時に満たすには、半導体レーザ素子の利得部分、すなわち電流を注入して導波光を増幅させる部分においては、半導体レーザ素子を充分離間して配置した上で、発光点のみ、すなわち共振器端面近傍のみにおいては各半導体レーザ素子を近接させることが考えられる。

特許文献１には、このような半導体レーザアレイ（半導体レーザ装置）が開示されている。以下、特許文献１に開示された従来に係る半導体レーザアレイについて、図８を用いて説明する。図８は、従来に係る半導体レーザアレイを模式的に表した平面図である。

図８に示すように、従来に係る半導体レーザアレイ１０００は、４つの半導体レーザ素子１２０１、１２０２、１０２３、１２０４をレーザアレイとして集積化したものである。４つの半導体レーザ素子１２０１〜１２０４のうち、半導体レーザ素子１２０２は、光導波路１２０２ａ（電流注入域）が直線状に形成されている。一方、残りの３つの半導体レーザ素子１２０１、１２０３、１２０４では、光導波路１２０１ａ、１２０３ａ、１２０４ａが、光取り出しの主面である第１の端面１３０１において互いの導波路間隔が小さくなるように曲げられている。なお、共振器端面である第１の端面１３０１及び第２の端面１３０２はへき開面によって構成されている。

このように構成される従来に係る半導体レーザアレイ１０００によれば、光取り出し側の第１の端面１３０１においては発光点間隔が小さく、光取り出し側とは反対側の面である第２の端面１３０２に向かって光導波路１２０１ａ〜１２０４ａの間隔が大きくなっている。これにより、各半導体レーザ素子１２０１〜１２０４から発生する熱を放熱することができるとともに、発光点間隔が小さい半導体レーザアレイを実現できる。

特開平１−１８４８９２号公報

しかしならが、図８に示す従来に係る半導体レーザアレイ１０００は、光導波路１２０１ａ、１２０３ａ、１２０４ａの曲線部において、大きな導波損失（光導波ロス）が発生するという問題がある。

近年の半導体レーザに用いられる屈折率導波構造は、横方向の実効屈折率差Δｎが１０^-3台であり、光閉じ込めが弱い導波路構造となっている。このような光閉じ込めの弱い光導波路に曲線部があると、光導波路を伝搬する導波光の一部が漏れ光として曲線部の外側に放射されてしまい、光導波路内を伝搬する光が減衰してしまう。

また、この光の減衰の大きさは、光導波路の曲線部における曲率半径や曲げ角度の大きさに依存し、図８に示すような構造の半導体レーザアレイ１０００において光導波路の曲線部における導波損失を無視できる程度にまで低減するためには、当該曲線部における曲率半径Ｒを１ｍｍ以上にする必要がある。しかしながら、このような曲率半径を有する光導波路を形成するためには、半導体レーザアレイの面積を非常に大きくする必要があり、コスト及び消費電力の面で不利である。

このように、半導体レーザアレイにおいて、半導体レーザ素子の光導波路を曲線状に曲げるという考えは、放熱性を高めた上で発光点間隔を小さくする方法として有効ではある。しかし、光導波路を曲げることに起因する導波損失が大きいと、レーザ光出力に寄与しない無効電流が増大してしまい大きな光出力を得ることができず、また、その結果、発熱量も増大する。

一方、光導波路の曲線部における曲率半径を大きくすることによって導波損失を低減することはできるものの、所望の導波損失に抑えるには、上述のとおりチップ面積を大きくしなければならない等、実用上限界がある。従って、従来に係る半導体レーザアレイでは、大きな光出力を得るというレーザアレイの所期の目的を達成することが難しい。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ素子から発生する熱を十分に放熱することができるとともに発光点間隔を小さくすることもできる半導体レーザアレイを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様は、複数の半導体レーザ素子を備える半導体レーザアレイであって、前記複数の半導体レーザ素子のそれぞれは、第１の端面及び第２の端面を両端とする光導波路を有し、前記複数の半導体レーザ素子の少なくとも一つは、当該半導体レーザ素子の光導波路における前記第１の端面と前記第２の端面との間に形成された反射面を有し、前記反射面は、導波光を反射させて当該導波光の進行方向を変えるものである。

これにより、半導体レーザアレイにおける光導波路同士の間隔と発光点の間隔とを任意に設定することができる。従って、発光点以外においては光導波路間隔が大きくなるように設定し、発光点においては光導波路間隔が小さくなるように設定することができ、これにより、半導体レーザ素子から発生する熱を十分に放熱することができるとともに、発光点間隔を小さくすることができる。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記反射面は、前記導波光の進行方向を略直角に曲げることが好ましい。

これにより、導波損失の小さな曲げ導波路を構成することができる。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記反射面を有する前記半導体レーザにおいて、前記反射面が２個以上形成されることが好ましい。

これにより、第１の端面と第２の端面とが対向する場合において、光導波路同士の間隔と発光点の間隔との設定を容易に行うことができる。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記反射面は、前記半導体レーザアレイに形成された開口部の内面によって構成されることが好ましい。

これにより、反射面を容易に形成することができる。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記反射面を有する前記半導体レーザ素子が複数個形成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記複数の半導体レーザ素子の少なくとも１つは、前記反射面が形成されておらず直線状の光導波路のみで構成されることが好ましい。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記第１の端面は、光取り出し側の端面であり、前記第１の端面における隣り合う前記半導体レーザ素子における光導波路の間隔が、前記第２の端面における隣り合う前記半導体レーザ素子における光導波路の間隔よりも小さいことが好ましい。

これにより、半導体レーザ素子から発生する熱を十分に放熱することができるとともに、光取り出し側の端面において発光点間隔を小さくすることができる。

さらに、本発明に係る半導体レーザアレイの一態様において、前記複数の半導体レーザ素子に対してそれぞれ独立に電極が形成され、前記電極に所定の電力を供給することにより、前記複数の半導体レーザ素子のそれぞれの光導波路に対して独立に電流が注入されることが好ましい。

これにより、半導体レーザアレイを構成する半導体レーザ素子を独立に制御することができるので、任意の発光点で任意の光出力を得ることができる。

本発明に係る半導体レーザアレイによれば、半導体レーザ素子から発生する熱を十分に放熱することができるとともに、発光点間隔を小さくすることもできる。

本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの概略構成を示す平面図である。 （ａ）は、図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの断面図である。（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’線に沿って切断した本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイにおける第２の折り曲げ部周辺の斜視図である。（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイを作製したときにおける第２の折り曲げ部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 （ａ）は、反射面周辺における光導波路のシミュレーションモデルである。（ｂ）は、ＦＤＴＤｍｅｔｈｏｄを用いて（ａ）のモデルにおける反射面の光の伝搬を計算した結果を示す図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの光学系の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置又はレーザアニール装置の光学系の一例を示す図である。 従来に係る半導体レーザアレイを模式的に表した平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイについて、図面を参照しながら説明する。なお、各図は、説明のための模式図であり、膜厚及び各構成要素の大きさの比などは、必ずしも厳密に表したものではない。また、各図同士の縮尺比も厳密に一致しない。

まず、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの概略構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの概略構成を示す平面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００は、複数の半導体レーザ素子（半導体レーザ）を備えるものであり、複数の半導体レーザ素子が１チップに集積化されている。本実施形態では、５つの半導体レーザ素子２０１、２０２、２０３、２０４、２０５が１チップに集積化されている。

５つの半導体レーザ素子２０１〜２０５のそれぞれは、第１の端面３０１及び第２の端面３０２を両端とする光導波路２０１ａ〜２０５ａを有する。

各半導体レーザ素子２０１〜２０５における各光導波路２０１ａ〜２０５ａは、第１の端面３０１と第２の端面３０２との間をそれぞれ導波光が伝搬するように構成されている。

第１の端面３０１及び第２の端面３０２は、それぞれウェハがへき開されることによって形成される各半導体レーザ素子２０１〜２０５に共通の端面であって、半導体レーザアレイ１００の共振器端面を構成している。本実施形態において、第１の端面３０１は、反射率が低い低反射率端面であって、各半導体レーザ素子２０１〜２０５のレーザ光が外部に取り出される側の端面である光取り出し側端面（前端面）である。一方、第２の端面３０２は、反射率が高い高反射率端面（後端面）である。

本実施形態に係る半導体レーザアレイ１００において、５つの半導体レーザ素子２０１〜２０５のうち、中央に位置する半導体レーザ素子２０３は、直線状の光導波路２０３ａのみで構成されている。

一方、残りの４個の半導体レーザ素子２０１、２０２、２０４、２０５はそれぞれ、２箇所の折り曲げ部が形成された光導波路２０１ａ、２０２ａ、２０４ａ、２０５ａによって構成されている。本実施形態では、光導波路２０１ａ、２０２ａ、２０４ａ、２０５ａは、クランク状の導波路によって構成されており、各折り曲げ部において、導波光の進行方向が略直角方向に曲げられる。

具体的には、半導体レーザ素子２０１の光導波路２０１ａには、第１の折り曲げ部２１１と第２の折り曲げ部２２１とが形成されている。また、光導波路２０１ａは、第１の端面３０１と第１の折り曲げ部２１１との間の直線状の第１直線部と、第１の折り曲げ部２１１と第２の折り曲げ部２２１との間の直線状の第２直線部と、第２の折り曲げ部２２１と第２の端面３０２との間の直線状の第３直線部とによって構成されている。

同様に、半導体レーザ素子２０２の光導波路２０２ａには、第１の折り曲げ部２１２と第２の折り曲げ部２２２とが形成されている。また、光導波路２０２ａは、第１の端面３０１と第１の折り曲げ部２１２との間の直線状の第１直線部と、第１の折り曲げ部２１２と第２の折り曲げ部２２２との間の直線状の第２直線部と、第２の折り曲げ部２２２と第２の端面３０２との間の直線状の第３直線部とによって構成されている。

同様に、半導体レーザ素子２０４の光導波路２０４ａには、第１の折り曲げ部２１４と第２の折り曲げ部２２４とが形成されている。また、光導波路２０４ａは、第１の端面３０１と第１の折り曲げ部２１４との間の直線状の第１直線部と、第１の折り曲げ部２１４と第２の折り曲げ部２２４との間の直線状の第２直線部と、第２の折り曲げ部２２４と第２の端面３０２との間の直線状の第３直線部とによって構成されている。

同様に、半導体レーザ素子２０５の光導波路２０５ａには、第１の折り曲げ部２１５と第２の折り曲げ部２２５とが形成されている。また、光導波路２０５ａは、第１の端面３０１と第１の折り曲げ部２１５との間の直線状の第１直線部と、第１の折り曲げ部２１５と第２の折り曲げ部２２５との間の直線状の第２直線部と、第２の折り曲げ部２２５と第２の端面３０２との間の直線状の第３直線部とによって構成されている。

このように構成される各光導波路２０１ａ、２０２ａ、２０４ａ、２０５ａにおいて、各第２直線部は、各第１直線部及び各第３直線部に対して略直角となるように構成されている。また、本実施形態では、折り曲げ部を有する各光導波路２０１ａ、２０２ａ、２０４ａ、２０５ａについては、複数の直線状の光導波路のみによって構成されており、各半導体レーザ素子２０１、２０２、２０４、２０５は、曲線状の光導波路を有していない。

本実施形態に係る半導体レーザアレイ１００は、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｎ（窒素）等からなる窒化物半導体で構成されており、半導体レーザアレイ１００は、例えば波長が３８０ｎｍ〜６００ｎｍのレーザ光を発する。なお、半導体レーザアレイ１００の詳細な層構成については、後述する。

また、本実施形態に係る半導体レーザアレイ１００は、第１の端面３０１及び第２の端面３０２によってファブリ・ペロー型の共振器を構成している。そして上述のとおり、光取り出しの主面として第１の端面３０１を用いており、第１の端面３０１には反射率２０％以下の低反射膜が、第２の端面３０２には反射率８０％以上の高反射膜がそれぞれ形成されている。

また、本実施形態における各光導波路２０１ａ〜２０５ａにおいては、第１の端面３０１における隣り合う半導体レーザ素子における光導波路の間隔が、第２の端面３０２における隣り合う半導体レーザ素子における光導波路の間隔よりも小さくなるように、各折り曲げ部が形成されている。

すなわち、図１に示すように、中央に位置する半導体レーザ素子２０３の両側に位置する半導体レーザ素子２０１、２０２、２０４、２０４は、第１の端面３０１側において中央の半導体レーザ素子２０３に近づくようにして、各光導波路が折り曲げられている。

これにより、第１の端面３０１における光導波路２０１ａ〜２０５ａ同士の間隔Ｘ１（光導波路のピッチ）を、第２の端面３０２における光導波路２０１ａ〜２０５ａ同士の間隔Ｘ２よりも小さくすることができる。従って、第１の折り曲げ部から第２の端面３０２側の領域においては、光導波路間隔を大きく確保して各半導体レーザ素子２０１〜２０５から発生する熱を放熱することができる。さらに、第１の端面３０１においては、光導波路間隔を小さくして発光点間隔を小さくすることができる。このように発光点間隔を小さくすることにより、半導体レーザアレイ１００の発光面の幅Ｗ１の大きさを小さくすることができる。

なお、本実施形態において、半導体レーザアレイ１００の第１の端面３０１における光導波路間隔（光導波路のピッチ）Ｘ１は、例えば２０μｍである。この場合、発光面の幅（水平方向の光源の大きさ）Ｗ１は、２０×４＝８０μｍとなる。一方、第２の端面３０２における導波路のピッチＸ２は、例えば２００μｍである。

次に、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００の層構成について、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの断面図である。また、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’線に沿って切断した本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの断面図である。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、半導体レーザ素子２０１における断面図である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００は、基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、ｎ型光ガイド層１０３、多重量子井戸活性層１０４、ｐ型光ガイド層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が順次積層されている。ｐ型コンタクト層１０７及びｐ型クラッド層１０６には、各半導体レーザ素子２０１〜２０５の光導波路２０１ａ〜２０５ａに対応する領域において、リッジ１１０が形成されている。なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、光導波路２０１ａのみのリッジ１１０を示している。

リッジ１１０の両側のｐ型クラッド層１０６の表面には、光閉じ込め絶縁膜１２０が形成されている。光閉じ込め絶縁膜１２０は、ｐ型コンタクト層１０７を露出するようにしてリッジ１１０の上面に開口が形成されている。

光閉じ込め絶縁膜１２０の開口には、リッジ１１０の上面におけるｐ型コンタクト層１０７を被覆するようにして、ｐ−オーミック電極１２１が形成されている。そして、最表面には、ｐ−オーミック電極１２１及びその周辺の光閉じ込め絶縁膜１２０を覆うようにしてｐ−パッド電極１３１が形成されている。また、基板１０１の裏面には、ｎ−オーミック電極１３０が形成されている。

以上のようにして、半導体レーザ素子２０１が構成されている。なお、本実施形態に係る半導体レーザアレイ１００において、基板１０１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いることができる。ｎ型クラッド層１０２は、例えばＳｉをドープしたＡｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_1-x1-y1Ｎである。ｎ型光ガイド層１０３は、例えばＳｉをドープしたＡｌ_x2Ｉｎ_y2Ｇａ_1-x2-y2Ｎである。多重量子井戸活性層１０４は、例えばＩｎ_y3Ｇａ_1-y3ＮとＩｎ_y4Ｇａ_1-y4Ｎとが複数交互に積層されて構成されている。ｐ型光ガイド層１０５は、例えばＭｇをドープしたＡｌ_x5Ｉｎ_y5Ｇａ_1-x5-y5Ｎである。ｐ型クラッド層１０６は、例えばＭｇをドープしたＡｌ_x6Ｉｎ_y6Ｇａ_1-x6-y6Ｎである。ｐ型コンタクト層１０７は、例えばＭｇをドープしたＡｌ_x7Ｉｎ_y7Ｇａ_1-x7-y7Ｎである。光閉じ込め絶縁膜１２０は、例えばＳｉＯ₂で形成される。ｐ−オーミック電極１２１は、例えばＰｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）及びＡｕ（金）等のいずれか１つの金属、もしくはこれらの複数の金属からなる金属積層膜で構成することができる。また、ｐ−パッド電極１３１についても、例えばＰｔ、Ｔｉ及びＡｕ等のいずれか１つの金属、もしくはこれらの複数の金属からなる金属積層膜で構成することができる。

続いて、半導体レーザ素子２０１の光導波路２０１ａにおける第２の折り曲げ部２２１の構成について説明する。

図２（ｂ）に示すように、第２の折り曲げ部２２１は、ミラー開口部２２１ａと反射面２２１ｂとからなる。

ミラー開口部２２１ａは、リッジ１１０の一部を通って、半導体レーザアレイ１００の表面から深さ方向に凹状に形成された凹部で構成される。本実施形態において、ミラー開口部２２１ａを上方から見たときの平面視形状は、図１に示すように、略矩形状であるが、これに限らない。所定の反射面２２１ｂが形成されていれば、ミラー開口部２２１ａの平面視形状は、その他、三角形等の多角形であっても構わない。また、本実施形態において、ミラー開口部２２１ａの凹部底面は、基板１０１まで達するように構成されているが、これに限らない。例えば、ミラー開口部２２１ａの凹部底面が、ｎ型クラッド層１０２の中にあっても構わない。

反射面２２１ｂは、ミラー開口部２２１ａの内側面によって構成され平面状の反射平面であって、光導波路２０１ａと接する側の面に形成される全反射ミラーである。反射面２２１ｂは、直方体形状のミラー開口部２２１ａが形成されることによって形成される。

なお、ミラー開口部２２１ａの内面には、ＳｉＯ₂からなる光閉じ込め膜１２０が被覆されており、これにより、反射面２２１ｂの表面にもＳｉＯ₂からなる光閉じ込め膜１２０が被覆されている。

次に、第２の折り曲げ部２２１のより具体的な構成について、図３（ａ）を用いて説明する。また、実際に作製した第２の折り曲げ部２２１について、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイにおける第２の折り曲げ部２２１周辺の構成を示す斜視図である。また、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイを作製したときにおける第２の折り曲げ部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

図３（ａ）に示すように、第２の折り曲げ部２２１におけるミラー開口部２２１ａは、光導波路２０１ａにおける第１直線部と第２直線部とが交差する直角部分において、当該光導波路２０１ａの直角部分の外側の一部を切り欠くようにして形成されている。

また、ミラー開口部２２１ａは、開口内の光導波路２０１ａを横切る内側面と、光導波路２０１ａの第１直線部（又は第２直線部）とのなす角が略４５度となるようにして形成されている。

さらに、深さ方向については、ミラー開口部２２１ａは、多重量子井戸活性層１０４を横切るように形成される。反射面２２１ｂは、少なくとも、半導体レーザアレイ１００の上面に対してほぼ垂直方向に形成される。

また、図３（ａ）に示すように、反射面２２１ｂは、ミラー開口部２２１ａが光導波路２０１ａを横切る内側面によって構成されており、反射面２２１ｂの主面は、光導波路２０１ａの一部を構成している。

このように構成される光導波路２０１ａにおいて、光導波路２０１ａを伝搬する導波光は、反射面２２１ｂによって進行方向が略直角（約９０度）に曲げられる。すなわち、反射面２２１ｂを境として、一方の導波路（第１直線部又は第２直線部）から伝搬してきた光は、反射面２２１ｂによって反射されて進行方向が９０度変えられて、もう一方の他方の導波路（第２直線部又は第１直線部）に導かれる。

実際に、半導体レーザアレイを作製したところ、図３（ｂ）に示すように、光導波路２０１ａにおいて、所望の反射面２２１ｂを有するミラー開口部２２１ａを形成することができた。

次に、本実施形態に係る半導体レーザアレイ１００における反射面２２１ｂの反射効果について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）は、反射面２２１ｂ周辺における光導波路２０１ａのシミュレーションモデルである。図４（ｂ）は、時間領域差分法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎｍｅｔｈｏｄ：ＦＤＴＤｍｅｔｈｏｄ）を用いて図４（ａ）のモデルにおける反射面２２１ｂの光の伝搬を計算したときの計算結果を示す図である。

図４（ａ）に示すように、計算のためのシミュレーションモデルにおいては、ミラー開口部２２１ａの屈折率（ｎ１）を１（空気）とし、光導波路２０１ａの有効屈折率（ｎ２）を２．５２４５８とし、基板１０１の屈折率（ｎ３）を２．５１６７４とした。また、光導波路２０１ａ内を伝搬する光である導波光の波長を４０５ｎｍとした。

図４（ｂ）の計算結果に示すように、光導波路を伝搬する導波光は、反射面２２１ｂによってほとんど反射され、略９０度に折れ曲がった光導波路に対して効率よく結合されることが分かった。すなわち、このときの反射面２２１ｂにおける反射率は９９％以上であり、反射面２２１ｂにおける導波損失は１％以下と無視できるほどに小さかった。

なお、この計算ではミラー開口部の屈折率（ｎ１）を１としたが、これを例えばＳｉＯ₂の屈折率としてｎ１＝１．５としても結果は変わらない。すなわち、屈折率ｎ１＝１のときの臨界角（全反射が生じる光の入射角）は２３．３°であり、屈折率ｎ１＝１．５のときの臨界角は３６．５°であって、反射面２２１ｂへの光の入射角が４５°であることから、いずれの場合も入射角は臨界角よりも大きくなる。従って、導波光は反射面２２１ｂによってほぼ完全に反射されることになる。

また、ミラー開口部２２１ａの材料（屈折率）は、臨界角が４５°以下になる範囲において自由に選ぶことができる。但し、ミラー開口部２２１ａで光の吸収が起きると反射率が低下するので、レーザ発振波長に対して透明な材料を選択することが好ましい。

なお、以上、図２（ｂ）、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）においては、半導体レーザ素子２０１の第２の折り曲げ部２２１のみが図示され、第２の折り曲げ部２２１についてのみ説明したが、第１の折り曲げ部２１１についても同様の構成であり、また、同様の作用を奏する。また、半導体レーザ素子２０２、２０４、２０５における第１の折り曲げ部２１２、２１４、２１５及び第２の折り曲げ部２２２、２２４、２２５についても、上述の第２の折り曲げ部２２１と同様の構成であり、また、同様の作用を奏する。

次に、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００の製造方法について、図５（ａ）〜図５（ｄ）を用いて説明する。図５（ａ）〜図５（ｂ）は、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイの製造方法を説明するための断面図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）において、左側の図は図２（ａ）に対応し、右側の図は図２（ｂ）に対応する。なお、本製造方法においては、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長技術を用いることができる。また、本実施形態では、ＧａＮ基板上に複数の半導体レーザ素子を構成する多層膜からなる積層構造体を形成する。また、図５（ａ）及び図５（ｂ）においては、半導体レーザ素子２０１の第２の折り曲げ部２２１のみ説明するが、第１の折り曲げ部２１１についても、さらに、半導体レーザ素子２０２、２０４、２０５における第１の折り曲げ部２１２、２１４、２１５及び第２の折り曲げ部２２２、２２４、２２５についても、同様である。なお、半導体レーザ素子２０３については、直線状のみの光導波路で構成されるように作製される。

まず、図５（ａ）に示すように、ＧａＮ基板からなる基板１０１上に、膜厚２μｍのＳｉドープされたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０３）で構成されるｎ型クラッド層１０２、続いて、膜厚０．１μｍのＳｉドープされたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．００３）で構成されるｎ型光ガイド層１０３、続いて、膜厚８ｎｍのＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．０２）の障壁層と膜厚３ｎｍのＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．１２）の井戸層からなる多重量子井戸活性層１０４、続いて膜厚０．１μｍのＭｇドープされたＧａＮで構成されるｐ型光ガイド層１０５、続いて、膜厚０．５μｍのＭｇドープされたＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０３）で構成されたｐ型クラッド層１０６、そして最後に膜厚６０ｎｍのＭｇドープされたＧａＮで構成されたｐ型コンタクト層１０７を形成する。

なお、上記の積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）等の、ＧａＮ系半導体レーザ構造を成長することができる各種成長方法を用いてもよい。ＭＯＣＶＤ法を用いた場合の原料としては、例えばＧａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を用いればよい。

次に、熱化学気相堆積法（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下「熱ＣＶＤ法」と略す）を用いて、図５（ａ）に示す多層構造体の表面に、エッチングマスクを構成するＳｉＯ₂膜（不図示）を形成する。続いてフォトリソグラフィーとフッ素ガスを用いたドライエッチングによってＳｉＯ₂膜をストライプ状に加工する。このストライプ状のＳｉＯ₂膜をエッチングマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングを行って、所定の深さまでエッチングを行う。このエッチングによってｐ型コンタクト層１０７とｐ型クラッド層１０６の一部を除去し、図５（ｂ）に示すようなリッジ１１０を形成する。このリッジ１１０が光導波路２０１ａを構成する。なお、ドライエッチングとしては、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を用いることができる。

次に、エッチングマスクとして利用したＳｉＯ₂膜をウェットエッチングによって除去し、ミラー開口部２２１ａを形成するためのエッチングマスクとして、再度ＳｉＯ₂膜を熱ＣＶＤ法によって形成する。続いて、フォトリソグラフィーとドライエッチングによってミラー開口部２２１ａを形成する位置、すなわち光導波路２０１ａの折り曲げ部においてＳｉＯ₂膜を除去した開口部を形成する。そして、図２（ｂ）に示すように、ドライエッチングによって基板１０１まで到達するミラー開口部２２１ａを形成する。その結果、光導波路２０１ａの折り曲げ部に反射面２２１ｂが形成される。その後、エッチングマスクとして利用したＳｉＯ₂膜をウェットエッチングによって除去する。

この後、図５（ｃ）に示すように、熱ＣＶＤ法により、表面をＳｉＯ₂層で覆い、再びフォトリソグラフィー及びエッチングによってリッジ１１０上部に開口を形成し、続いて、当該開口から露出するｐ型コンタクト層１０７を覆うようにして、例えばＰｂ（４０ｎｍ）／Ｐｔ（３５ｎｍ）からなるｐ−オーミック電極１２１を形成する。

続いて、図５（ｄ）に示すように、各半導体レーザ素子２０１〜２０５の各光導波路に対して独立に電流が注入できるように、Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３５ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）からなるｐ−パッド電極１３１〜１３５を所定形状に形成する。

次に、基板１０１の裏面側を研削・研磨して、ウェハ厚さを１００μｍ程度にする。そして最後に、図５（ｄ）に示すように、基板１０１の裏面（研磨面）に対してＴｉ（５ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）からなるｎ−オーミック電極１３０を形成する。これにより、ウェハプロセスが完了する。

その後、図示しないが、ウェハを短冊状のレーザバーにへき開する一次へき開工程を実施する。さらに、その後、一次へき開面（共振器端面）に反射率制御と端面保護のために端面コーティングを行う。これにより、第１の端面３０１及び第２の端面３０２を形成することができる。なお、第１の端面３０１のへき開面には、低反射膜がコーティングされ、第２の端面３０２のへき開面には、高反射膜がコーティングされる。

最後に、レーザバーを個々のチップに分離する二次へき開工程を行う。

以上のような作製方法によって、本実施形態に係る半導体レーザアレイを作製することができる。

以上、本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００によれば、光導波路２０１ａ、２０２ａ、２０４ａ、２０５ａの光導波経路の途中に、反射面を有する折り曲げ部が形成されている。これにより、反射面の設定によって光導波路同士の間隔を任意に設定することができる。

例えば、第１の端面３０１においては光導波路間隔が小さくなるように設定し、第１の端面３０１以外の領域（発光点以外の領域）においては光導波路間隔が大きくなるように設定する。より具体的には、図１に示すように、第１の端面３０１における隣り合う半導体レーザ素子における光導波路の間隔（発光点間隔）Ｘ１が、第２の端面３０２における隣り合う半導体レーザ素子における光導波路の間隔Ｘ２よりも小さくなるように、折り曲げ部の形成位置を設定することができる。

このように構成することにより、各半導体レーザ素子２０１〜２０５から発生する熱を十分に放熱することができるとともに、発光点間隔を小さくすることができる。このように発光点間隔を小さくすることにより、半導体レーザアレイ１００の発光面の幅Ｗ１の大きさを小さくすることができる。

なお、本実施形態において、隣り合う光導波路の間隔Ｘ１（又は光導波路同士の間隔Ｘ２）は、第１の端面３０１（又は第２の端面３０２）において同じ値になるように設定してあるが、第１の端面３０１（又は第２の端面３０２）においいぇ、異なる値となるように設定しても構わない。

さらに、本実施形態では、折り曲げ部おける各光導波路の折り曲げ角度は、略９０度であることが好ましい。すなわち、反射面は、導波光の進行方向を略直角に曲げるように構成されることが好ましい。これにより、導波損失の小さな曲げ導波路を構成することができる。

さらに、図１に示すように、半導体レーザ素子２０１、２０２、２０４、２０５の各第２の折り曲げ部と第２の端面３０２との間における光導波路（第３直線部）の長さが、半導体レーザ素子２０１、２０２、２０４、２０５の第１の折り曲げ部と第１の端面３０１との間の光導波路（第１直線部）の長さよりも長くなるように、各折り曲げ部の形成位置を設定することが好ましい。

これにより、各半導体レーザ素子の放熱性を十分に確保することができるとともに、電流注入領域を確保することができる。なお、さらに放熱性を確保するには、各半導体レーザ素子の第１の折り曲げ部と第１の端面３０１との間の光導波路（第１直線部）の長さを極力小さく設定し、各半導体レーザ素子の各第２の折り曲げ部と第２の端面３０２との間の光導波路（第３直線部）の長さを極力大きくすることが好ましい。

次に、本発明の実施形態に係るプロジェクタ４００について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態に係るプロジェクタの光学系の一例を示す図である。

本発明の実施形態に係るプロジェクタ４００は、上述の本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００を備えるものであり、図６に示すように、本実施形態に係るプロジェクタの光学系は、筐体４１０内に配置された、半導体レーザアレイ１００と、コリメートレンズ４０１と、偏光子４０２と、液晶パネル４０３と、偏光子４０４と、投影レンズ群４０５とで構成される。

図６に示すように、半導体レーザアレイ１００から出射される、例えば波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍのレーザ光は、コリメートレンズ４０１により平行光に変換され、偏光子４０２、液晶パネル４０３及び偏光子４０４により面内に所定の画像情報を有する映像光となり、投影レンズ群４０５により画像４５０としてスクリーン上に投影される。

このとき画像４５０の解像度は、コリメートレンズ４０１と投影レンズ群４０５の焦点距離、及び、半導体レーザアレイ１００の発光面の大きさにより決定される。つまり、半導体レーザアレイ１００の発光面が小さくなるにつれて解像度が向上する。また、半導体レーザアレイ１００における電力−光変換効率は、個々の半導体レーザ素子の多重量子井戸活性層の温度により決定され、多重量子井戸活性層の温度が上昇するにつれて電力―光変換効率は低下する。

ここで、本実施形態に係る半導体レーザアレイ１００は、上述のように、各半導体レーザ素子から発生する熱を十分に放熱することができるとともに、発光点間隔を小さくすることができる。従って、発光面の大きさを小さくすることができ、かつ多重量子井戸活性層の温度上昇を低減できるため、解像度が高く、電力−光変換効率の高いプロジェクタ光源を提供することができる。

なお、本実施形態において、光源としては、波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍのレーザ光を発する半導体レーザアレイのみを用いたが、これに限らない。その他、光源としては、例えば波長４８０ｎｍ〜５６０ｎｍのレーザ光を発する半導体レーザアレイ、あるいは、例えば波長５６０ｎｍ〜７００ｎｍのレーザ光を発する半導体レーザアレイと組み合わせたものを用いてもよい。これにより、より演色性のすぐれたプロジェクタを提供することができる。

次に、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置又はレーザアニール装置の光学系５００について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置又はレーザアニール装置の光学系５００の一例を示す図である。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置又はレーザアニール装置の光学系５００は、上述の本発明の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００を備えるものであり、図７に示すように、半導体レーザアレイ１００と、コリメートレンズ５０１と、集光レンズ５０２とで構成される。

図７に示すように、半導体レーザアレイ１００から出射される、例えば波長３９０ｎｍ〜４２０ｎｍのレーザ光は、コリメートレンズ５０１により平行光に変換され、集光レンズ５０２により対象基板５１０上に集光される。

このとき、半導体レーザアレイ１００の発光面の幅をＷ１、対象基板５１０上の集光光の幅をＷ２、コリメートレンズ５０１の焦点距離をｆ１、集光レンズの焦点距離をｆ２とすると、Ｗ１：Ｗ２＝ｆ１：ｆ２の関係が成り立つ。従って、半導体レーザアレイ１００の発光面の幅Ｗ１を小さくすることで、対象基板５１０上の集光光Ｗ２の幅を大きくすることが可能となり、対象基板５１０上において、より広範囲にレーザ光を照射することができる。これにより、レーザ加工及びレーザアニールを容易に行うことができる。

以上、本発明に係る半導体レーザアレイについて、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

例えば、本実施形態では、１つの光導波路において折り曲げ部は２個形成したが、これに限定されない。例えば、１つの光導波路に形成する折り曲げ部は、１個のみでも構わないし、２個以上の複数個でも構わない。なお、本実施形態のように、第１の端面と第２の端面とが対向する場合は、折り曲げ部は偶数個形成すればよく、第１の端面と第２の端面とが直交方向に位置する場合は、折り曲げ部は奇数個形成すればよい。

本発明に係る半導体レーザアレイは、レーザディスプレイやプロジェクタ等の画像表示装置、又はレーザ加工装置やレーザアニール装置等の産業用のレーザ装置における光源、特に、比較的に高い光出力が必要な各種装置の光源として有用である。

１００、１０００ 半導体レーザアレイ
１０１ 基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３ ｎ型光ガイド層
１０４ 多重量子井戸活性層
１０５ ｐ型光ガイド層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ ｐ型コンタクト層
１１０ リッジ
１２０ 光閉じ込め絶縁膜
１２１ ｐ−オーミック電極
１３０ ｎ−オーミック電極
１３１、１３２、１３３、１３４、１３５ ｐ−パッド電極
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、１２０１、１２０２、１２０３、１２０４ 半導体レーザ素子
２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、１２０１ａ、１２０２ａ、１２０３ａ、１２０４ａ 光導波路
２１１、２１２、２１４、２１５ 第１の折り曲げ部
２２１、２２２、２２４、２２５ 第２の折り曲げ部
２２１ａ ミラー開口部
２２１ｂ 反射面
３０１、１３０１ 第１の端面
３０２、１３０２ 第２の端面
４０１、５０１ コリメートレンズ
４０２、４０４ 偏光子
４０３ 液晶パネル
４０５ 投影レンズ群
４１０ 筐体
４５０ 画像
５０２ 集光レンズ
５１０ 対象基板

Claims (8)

1. 複数の半導体レーザ素子を備える半導体レーザアレイであって、
   前記複数の半導体レーザ素子のそれぞれは、第１の端面及び第２の端面を両端とする光導波路を有し、
   前記複数の半導体レーザ素子の少なくとも一つは、当該半導体レーザ素子の光導波路における前記第１の端面と前記第２の端面との間に形成された反射面を有し、
   前記反射面は、導波光を反射させて当該導波光の進行方向を変える
   半導体レーザアレイ。
2. 前記反射面は、前記導波光の進行方向を略直角に曲げる
   請求項１に記載の半導体レーザアレイ。
3. 前記反射面を有する前記半導体レーザにおいて、前記反射面が２個以上形成される
   請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザアレイ。
4. 前記反射面は、前記半導体レーザアレイに形成された開口部の内面によって構成される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ。
5. 前記反射面を有する前記半導体レーザ素子が複数個形成される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ。
6. 前記複数の半導体レーザ素子の少なくとも１つは、前記反射面が形成されておらず直線状の光導波路のみで構成される
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ。
7. 前記第１の端面は、光取り出し側の端面であり、
   前記第１の端面における隣り合う前記半導体レーザ素子における光導波路の間隔が、前記第２の端面における隣り合う前記半導体レーザ素子における光導波路の間隔よりも小さい
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ。
8. 前記複数の半導体レーザ素子に対してそれぞれ独立に電極が形成され、
   前記電極に所定の電力を供給することにより、前記複数の半導体レーザ素子のそれぞれの光導波路に対して独立に電流が注入される
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ。