JP2015076425A - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置、情報処理装置および面発光型半導体レーザの製造方法 - Google Patents

面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置、情報処理装置および面発光型半導体レーザの製造方法 Download PDF

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純一朗 早川
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一隆 武田
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Abstract

【課題】発生する熱を効率的に放熱する面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザは、ＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、活性層を含む活性領域１０４、ｐ型の半導体層１０６、電流狭窄層１１０およびｐ型の上部ＤＢＲ１０８を含み、上部ＤＢＲ１０８から半導体層１０６に至るメサＭが形成される。メサＭを覆うように層間絶縁膜１１２が形成され、メサＭの底部の層間絶縁膜１１２には、半導体層１０６を露出するためのコンタクトホール１１２Ｂが形成される。コンタクトホール１１２Ｂを介して放熱用金属１３０が半導体層１０６に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置、情報処理装置および面発光型半導体レーザの製造方法に関する。
面発光型半導体レーザは、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出すことができ、さらに２次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、電子写真システムの書き込み用光源や光通信用光源として利用されている。面発光型半導体レーザアレイでは、それぞれの素子からの発熱によって、アレイ中心部に位置するレーザ素子ほど温度が上昇し、周辺のレーザ素子よりも高温になる傾向がある。アレイ全体の温度差を縮小させるため、アレイ中央部のメサ構造に隣接する位置に形成された放熱部材とアレイ周辺部のメサ構造に隣接する位置に形成された放熱部材の放熱特性を異ならせることで、アレイ全体の放熱の均一化を図る構造が開示されている（特許文献１）。また、上部ＤＢＲでエッチングを止め、ＤＢＲ上の電極配線にメッキ電極を形成することで電極の放熱特性を改善したり（特許文献２）、アレイ中央に位置する素子に結合する電極配線の断面積を他の素子に結合する電極配線の断面積よりも大きくする構造が開示されている（特許文献３）。
特開２００８−３１１４９１号公報 特開２００３−８６８９５号公報 特開２００７−５３２４３号公報
本発明は、発生する熱を効率的に放熱する面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、アレイ全体の温度の均一性を高めることができる面発光型半導体レーザアレイを提供することを目的とする。
請求項１は、基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性層、半導体層、および電流狭窄層を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造の底部で露出された前記半導体層に放熱用金属が接続される、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記放熱用金属が前記半導体層に接触する面から前記電流狭窄層までの距離は、前記半導体層の膜厚の１／２よりも小さい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記半導体層の膜厚は、光路長がλ／４（λは発振波長）となる膜厚よりも大きくかつλ／４の奇数倍である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記半導体層は、第２の半導体多層膜反射鏡を構成する一対の層の内で相対的に熱伝導率の高い材料と同じ組成である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記半導体層は、前記活性層上に形成されたスペーサ層である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記柱状構造の底部、側面および頂部が層間絶縁膜によって覆われ、前記柱状構造の頂部の層間絶縁膜の開口部を介して配線電極が形成され、前記柱状構造の底部の層間絶縁膜の開口部を介して前記放熱用金属が前記半導体層に接続され、前記配線電極および前記放熱用金属は同一材料から構成される、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の柱状構造が複数形成された面発光型半導体レーザアレイであって、アレイ中心部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属と前記半導体層との接触面積は、アレイ周辺部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属と前記半導体層との接触面積よりも大きい、面発光型半導体レーザアレイ。
請求項８は、アレイ中心部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属の表面積は、アレイ周辺部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属の表面積よりも大きい、請求項７に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
請求項９は、請求項１ないし８に記載の面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイと、面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイからの光を入射する光学部材とを実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１０は、請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
請求項１１は、請求項１ないし８に記載の面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイと、前記面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。
請求項１２は、基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性層、半導体層、および電流狭窄層を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成する工程と、第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造を形成する工程と、前記柱状構造を絶縁膜によって被覆する工程と、前記柱状構造の底部で前記半導体層を露出させるため前記絶縁膜に第１の開口を形成する工程と、前記第１の開口によって露出された半導体層に放熱用金属を接続する工程とを有する面発光型半導体レーザの製造方法。
請求項１３は、前記柱状構造の頂部を露出させるため前記絶縁膜に第２の開口を形成する工程を含み、第２の開口を形成する工程は、第１の開口を形成する工程と同時に行われる、請求項１２に記載の製造方法。
請求項１４は、前記第２の開口を介して配線電極を接続する工程を含み、当該配線電極を接続する工程は、前記放熱用金属を接続する工程と同時に行われる、請求項１３に記載の製造方法。
請求項１、１２によれば、電流狭窄層と活性層との間の半導体層に放熱用金属が形成されない場合と比較して、電流狭窄層付近で発生する熱を効率良く放熱させることができる。
請求項２、４、５によれば、当該構成を有さない場合と比較して、放熱効果をさらに向上させることができる。
請求項３によれば、第２の半導体多層膜反射鏡の光学的損失を小さくすることができる。
請求項６、１３、１４によれば、放熱用金属の形成を容易に行うことができる。
請求項７、８によれば、アレイ全体の温度の均一性を高めることができる。
本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略断面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略平面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザの好ましい態様を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイの斜視図である。 図４に示すアレイ中心部のメサＭ１からアレイ周辺のメサＭ３に至る概略断面図である。 本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイの斜視図である。 図６に示すアレイ中心部のメサＭ１からアレイ周辺のメサＭ３に至る概略断面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程を示す断面図である。 本実施例の面発光型半導体レーザまたはそのアレイに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。 本実施例の面発光型半導体レーザまたはそのアレイを使用した光源装置の構成例を示す図である。 図１１に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
面発光型半導体レーザは、半導体基板上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器と、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性層、及び共振器スペーサー層とから構成され、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極により活性層へ電流を注入し、基板に対して垂直にレーザ発振を生じさせる。また、低閾値電流化と、横モードの制御からＡｌを組成に含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層を備えており、このＡｌを含む半導体層を酸化するために、素子はメサ形状(柱状構造)にエッチング加工され、酸化処理が施される。その後、エッチング加工により露出したメサ形状の側面やエッチングされた半導体表面は、ＳｉＮやＳｉＯ２などの絶縁材料によって覆われるのが一般的である。このようなレーザ素子をアレイ化したレーザアレイにおいて、レーザ素子間の温度が異なると、それぞれのレーザ素子から出射されるレーザ光の波長や光出力が、アレイ中で異なってしまうため、電子写真システムの書き込み用光源や光通信用光源として利用する上で好ましくない。そこで、アレイ全体の温度の均一性が高めることが望ましい。
以下の説明では、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と称する。好ましい態様として、基板上に単数または複数の発光部が形成されたＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイを例示する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図１は、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬ素子の概略断面図、図２は、ＶＣＳＥＬ素子の概略平面図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸活性層を含む活性領域１０４、活性領域１０４上に形成されたｐ型の半導体層１０６、半導体層１０６上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８が形成される。
下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層している。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
半導体層１０６は、上部ＤＢＲ１０８の最下層に形成された電流狭窄層１１０に隣接し、電流狭窄層近傍で生じた熱を放熱部材１３０へ伝達する役割を担う。従って、半導体層１０６は、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であり、かつ熱伝導性の良い材料から構成されることが望ましい。例えば、半導体層１０６は、ＡｌＧａＡｓから構成される。半導体層１０６がＡｌＧａＡｓから構成されるとき、半導体層１０６は、上部ＤＢＲ１０８を構成する各層の膜厚よりも大きな膜厚に形成され、好ましくは、λ／４ｎｒの奇数倍の膜厚に形成され、さらに上部ＤＢＲ１０８を構成する層のうち熱伝導率の高い層と同一のＡｌ組成で形成される。半導体層１０６は、上部ＤＢＲ１０８と同じＰ型の不純物がドーピングされることが望ましいが、必ずしもｐ型である必要はなく、ノンドープな層であってもよい。半導体層１０６の詳細は後述する。
上部ＤＢＲ１０８は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２２周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
上部ＤＢＲ１０８は、上記したように半導体層１０６に隣接するように、ｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌ組成が相対的に高いＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ）からなる電流狭窄層１１０を最下層に形成している。電流狭窄層１１０は、メサＭが側面から選択的に酸化された酸化領域１１０Ａと、酸化領域１１０Ａによって囲まれた非酸化領域（導電領域）１１０Ｂとを有する。酸化領域１１０Ａは、電気的に高抵抗領域であり、また、光学的に非酸化領域１１０Ｂに比べて屈折率が小さい。これにより、電流狭窄層１１０は、非酸化領域１１０Ｂ内にキャリアと光の横方向の閉じ込めを行う。また、上部ＤＢＲ１０８は、その最上層に不純物濃度が高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層を含むものであってもよい。
上部ＤＢＲ１０８から半導体層１０６が露出されるまで半導体層がエッチングされ、基板上に円形状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。メサＭの頂部、側面、底部を覆うように層間絶縁膜１１２が形成される。層間絶縁膜１１２は、例えば、シリコン酸化物やシリコン窒化物等から構成される。メサ頂部の層間絶縁膜１１２には、環状のｐ側電極１１４を露出させるためのコンタクトホール１１２Ａが形成され、メサ底部の層間絶縁膜１１２には、半導体層１０６を露出させるためのコンタクトホール１１２Ｂが形成される。
メサＭの頂部には、ｐ側電極１１４が形成される。ｐ側電極１１４は、例えば、ＡｕまたはＡｕ／Ｔｉなどから構成され、上部ＤＢＲ１０８に電気的に接続される。ｐ側電極１１４の中央には、円形の光出射口が形成され、当該光出射口は、出射保護膜１１６によって覆われている。出射保護膜１１６は、発振波長に対して透明な誘電体材料から構成される。
金属配線１１８は、層間絶縁膜１１２のコンタクトホール１１２Ａを介してｐ側電極１１４に接続される。金属配線１１８はさらに、メサＭの側方に位置する電極パッド１２２に接続される。また、メサ底部には、層間絶縁膜１１２のコンタクトホール１１２Ｂを介して金属製の放熱部材１３０が半導体層１０６に接続される。図２の例では、説明を分かり易くするため、金属配線１１８、電極パッド１２２、および放熱部材１３０を破線のハッチングで示している。同図に示すように、放熱部材１３０は、メサＭおよび電極パッド１２２の外周を取り囲むように形成されている。好ましい態様では、放熱部材１３０は、金属配線１１８および電極パッド１２２と同一材料から構成することができ、その場合、同時にパターンニングされる。基板１００の裏面には、ｎ側電極１２０が形成され、ｎ側電極１２０は、基板１００および下部ＤＢＲ１０２に電気的に接続される。ｎ側電極１２０は、例えばＡｕ／Ｇｅなどから構成される。このようなＶＣＳＥＬ１０に順方向の駆動電流が印加されたとき、ｐ側電極の光出射口から基板と垂直方向に約７８０ｎｍのレーザ光が出射される。
次に、図３を参照し、本実施例のＶＣＳＥＬの要部の詳細について説明する。図３（Ａ）は、半導体層１０６が活性領域１０４と電流狭窄層１１０との間に形成された例を示している。活性領域１０４は、アンドープの下部スペーサ層１０４Ａと、例えば３重量子井戸活性層１０４Ｂと、アンドープの上部スペーサ層１０４Ｃとを含む。そして、半導体層１０６は、上部スペーサ層１０４Ｃ上に形成される。一方、上部ＤＢＲ１０８は、その最下層にＡｌ組成が高い電流狭窄層１１０を形成し、その結果、電流狭窄層１１０と上部スペーサ層１０４Ｃとの間に半導体層１０６が挟まれている。
好ましい態様では、半導体層１０６の光学的膜厚をＴとしたとき、膜厚Ｔは、上部ＤＢＲ１０８を構成する各層の膜厚λ／４よりも大きくなるように形成される。半導体層１０６の膜厚Ｔを大きくすることで横方向の熱抵抗が下がり、電流狭窄層近傍で発生された熱
が放熱部材１３０側へ逃げ易くなり、放熱効果を高めることができる。他方、上部ＤＢＲ１０８の光学的損失を抑制するため、半導体層１０６の膜厚Ｔは、λ／４の奇数倍、例えば、３λ／４に形成される。この場合、半導体層１０６も上部ＤＢＲの一部として機能することになる。
さらに好ましい態様では、放熱部材１３０が半導体層１０６に接触する面から電流狭窄層１１０までの基板と垂直方向の間隔または距離Ｄは、Ｔ／２よりも小さくされる（Ｄ＜Ｔ／２）。つまり、メサＭの形成のためにエッチングが行われるとき、エッチングされた半導体層１０６の膜厚Ｄが半導体層１０６の半分の膜厚Ｔ／２よりも小さくなるようにエッチングが制御される。電流狭窄層１１０と上部スペーサ層１０４Ｃとの中間よりも電流狭窄層１１０に近い位置で放熱部材１３０を半導体層１０６に密着させることで、電流狭窄層近傍で発生された熱が放熱部材１３０へ伝わり易くなり、より放熱効果を高めることができる。
さらに好ましい態様では、半導体層１０６は、上部ＤＢＲ１０８を構成するペア層の中で、相対的に熱伝導率の高い材料と同じ組成で構成される。上部ＤＢＲ１０８は、Ａｌ組成が高い低屈折率層（例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層）とＡｌ組成が低い高屈折率層（例えば、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）との対から構成されるが、例示の場合、低屈折率層の方が熱伝導率が高い。従って、半導体層１０６は、ＭＯＣＶＤのエピタキシャル成長により上部ＤＢＲ１０８を形成するとき、上部ＤＢＲ１０８の低屈折率層と同じＡｌ組成のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓで、その膜厚が例えば３λ／４になるように成膜される。
次に、本実施例の半導体層の他の構成例を説明する。図３（Ｂ）は、上部スペーサ層１０４Ｃが半導体層１０６を兼ねる例を示している。活性領域１０４は、下部スペーサ層１０４Ａと、量子井戸活性層１０４Ｂと、上部スペーサ層１０４Ｃ／１０６とを含んで構成され、下部スペーサ層１０４Ａおよび量子井戸活性層１０４Ｂは、従来または図３（Ａ）と同じ構成であるが、上部スペーサ層１０４Ｃ／１０６だけが膜厚を大きく形成される。図３（Ａ）の活性領域１０４の全体の共振器長Ｔａが、例えばλであるとき、図３（Ｂ）の活性領域の全体の共振器長Ｔａが１．５λまたは２λとなるように上部スペーサ層１０４Ｃ／１０６の膜厚が調整される。
上部スペーサ層１０４Ｃは、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、上部ＤＢＲ１０８の低屈折率層（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層）よりは熱伝導率が低下するが、その反面、膜厚は上部ＤＢＲ１０８を構成する各層よりも厚いため、横方向の熱抵抗が下がり、電流狭窄層近傍で発生された熱が放熱部材１３０側へ逃げ易くなり、結果として放熱効果を高めることができる。好ましい態様では、上部ＤＢＲ１０８は、電流狭窄層１１０と上部スペーサ層１０４Ｃとの間に、Ａｌ組成が低い高屈折率のＡｌＧａＡｓを少なくとも１層含むように形成される。上部スペーサ層１０４Ｃ上に電流狭窄層を形成すると、光閉じ込め効果が大きくなり発光スペクトルが広がってしまい、また電流狭窄層１１０の酸化による体積収縮の歪みが活性層へ伝播され易くなってしまうためである。
放熱部材１３０は、層間絶縁膜１１２のコンタクトホール１１２Ｂを介して半導体層１０６に接続されるが、放熱部材１３０は、必ずしも半導体層１０６との間で良好な電気的接続、すなわちオーミック接続を要しない。従って、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半導体層１０６または上部スペーサ層１０４Ｃに接続される放熱部材１３０を形成した後、アニール処理は必ずしも不要である。
一般に、ＶＣＳＥＬの素子発熱量は、半導体積層構造中の電流狭窄層１１０付近で最大となるが、放熱部材１３０が作製される位置は、電流狭窄層１１０と同じ側の半導体層１０６上に形成されているので、放熱効率が向上される。これに対し、仮に半導体層１０６が、電流狭窄層１１０と異なる側、すなわち活性領域を挟んで反対側のＤＢＲ側に形成された場合には、電流狭窄層との距離が大きくなり、熱的な結合が小さくなるため、有効な放熱効果を得ることができない。
上記実施例では、発振波長が７８０ｎｍ帯域のＶＣＳＥＬの例を示したが、ＶＣＳＥＬは、これ以外の発振波長帯域、例えば８５０ｎｍや９８０ｎｍのものであってもよい。その場合には、積層される各半導体層は発振波長に応じて適切な材料が選択される。
次に、本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイについて説明する。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイは、図１に示すようなメサＭを基板上に複数形成したものである。図４に、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイを上方からみた概略斜視図を示す。同図に示すように、ＶＣＳＥＬアレイ１２は、基板上に複数のメサＭが二次元アレイ状に形成され、図の例では、発光部であるメサＭが４行×８列に形成されている。１つのメサＭの周囲には、それを取り囲むような１つの矩形状の放熱部材１３０が形成され、従って、放熱部材１３０もまた４行×８列に形成される。図中の矩形状の実線は、放熱部材１３０が空気中に露出する部分を表しており、矩形状の破線は、放熱部材と半導体層の接触する部分（言い換えれば、層間絶縁膜１１２のコンタクトホール１１２Ｂの大きさ）を表している。各放熱部材１３０の表面積はほぼ等しく、放熱部材１３０を矩形状にすることで、円形状の場合と比べて各放熱部材の間隔を狭め、放熱効果を高めることができる。各メサＭのｐ側電極には金属配線１１８が形成され、各金属配線１１８は、図示しない電極パッドに接続されている。
図５は、図４のアレイ中心部のメサＭ１と、メサＭ１に隣接するメサＭ２と、メサＭ２に隣接するメサＭ３と、メサＭ４に隣接するアレイ周辺部のメサＭ４の概略断面図を示している。基板１００上に、下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４、半導体層１０６、電流狭窄層１１０および上部ＤＢＲ１０８が積層され、発光部を規定するメサＭが形成される。アレイ中心部に位置するメサＭ１の底部に形成された放熱部材１３０−１は、層間絶縁膜１１２のコンタクトホール１１２Ｂ−１を介して半導体層１０６に接続され、他のメサＭ２、Ｍ３、Ｍ４の底部に形成された放熱部材１３０−２、１３０−３、１３０−４も同様に、コンタクトホール１１２Ｂ−２、１１２Ｂ−３を介して半導体層１０６に接続される。ここで留意すべきことは、アレイ中心部から周辺部に向けてコンタクトホール１１２Ｂ−１、１１２Ｂ−２、１１２Ｂ−３の大きさが段階的に減少していることであり、言い換えれば、アレイ中心部のメサＭ１では、放熱部材１３０−１が半導体層１０６に接触する面積が大きく、アレイ周辺部に向かうにつれて、放熱部材１３０−２、１３０−３が半導体層１０６に接触する面積が小さくなっている。なお、放熱部材１３０−４は、半導体層１０６に直接接触されておらず、すなわち、この部分にはコンタクトホールが形成されていない。半導体層１０６は、層間絶縁膜１１２よりも熱伝導率が高く、その接触面積に比例してアレイ中心部の放熱部材１３０−１による放熱量が、アレイ周辺部の放熱部材１３０−３、１３０−４による放熱量よりも大きくなる。こうして、アレイ内の位置に応じて放熱性に差異を持たせることで、アレイ全体の温度の均一化を図ることができる。なお、層間絶縁膜１１２に形成されるコンタクトホールの形状は、特に限定されるものではなく、任意の形状であることができる。要は、放熱部材と半導体層との接触面積がアレイ中心部から周辺部に向けて小さくなればよい。
特許文献１のように放熱部材が断熱部材に接するか否かによって十分な放熱性の差異を付与することは困難であるが、本実施例では、層間絶縁膜１１２のコンタクトホールの大きさを選択することによって放熱部材１３０と半導体層１０６との接触面積を決定できるので、特許文献１よりもアレイ面内の放熱特性の差異の形成が容易となる。
次に、本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイについて説明する。第３の実施例は、第２の実施例のＶＣＳＥＬアレイの構成において、放熱部材が空気中に露出する面積（表面積）を、アレイ中心から周辺に向かって段階的に減少させたものである。図６は、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの斜視図、図７は、図６のアレイ中心部のメサＭ１と、メサＭ１に隣接するメサＭ２と、メサＭ２に隣接するメサＭ３と、メサ周辺部のメサＭ４の概略断面図を示している。これらの図に示すように、放熱部材１３０−１、１３０−２、１３０−３と半導体層１０６との接触面積（またはコンタクトホール１１２Ｂ−１、１１２Ｂ−２、１１２Ｂ−３の大きさ）は、アレイ中心から周辺に向けて減少するとともに、放熱部材１３０−１、１３０−２、１３０−３の表面積または外形が、アレイ中心から周辺に向けて減少している。なお、メサＭ４には、放熱部材が形成されていない。これにより、アレイ中心部からアレイ周辺部へ向けて段階的に放熱量が小さくなり、その結果、アレイ全体の温度の均一化を図ることができる。なお、放熱部材１３０の形状は、特に限定されるものではなく任意の形状が可能である。
次に、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの製造方法について図８ないし図１０の工程断面図を参照して説明する。先ず、図８（Ａ）に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、有機金属気層成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:ＭＯＰＶＥ)法により、ＩＩＩ−Ｖ族化合物（ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ）半導体薄膜を順次エピタキシャル成長させ積層してゆく。積層される薄膜の構造は、例えば、ｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との４０ペアを含む下部ＤＢＲ１０２、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓの下部スペーサ層１０４Ａ、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層の量子井戸活性層１０４Ｂ、およびアンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓの上部スペーサ層１０４Ｃを有する活性領域１０４、３λ／４の膜厚のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの半導体層１０６、ｐ型のＡｌＡｓの電流狭窄層１１０、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との２２ペアを含む上部ＤＢＲ１０８である。
次に、図８（Ｂ）に示すように、上部ＤＢＲ１０８上に、リフトオフ法によって中央に円形状の出射口１１４Ａを有するｐ側電極１１４が形成される。ｐ側電極１１４の形成後、上部ＤＢＲ１０８との良好な電気的接続を得るために一定温度でアニールが実施される。次に、図８（Ｃ）に示すように、公知のフォトリソ工程により、ｐ側電極１１４の中央の出射口１１４Ａを覆うように出射保護膜１１６が所定の膜厚に形成される。出射保護膜１１６は、例えばＳｉＯＮから構成される。次に、基板全面にＳｉＮを形成し、公知のフォトリソ工程を用いて図８（Ｄ）に示すように、メサ形成用のエッチングマスク２００が形成される。
メサ形成後、図９（Ｅ）に示すように、エッチングマスク２００を用いて積層された半導体層を異方性エッチングし、上部ＤＢＲ１０８から半導体層１０６に至る円柱状のメサＭを形成する。エッチングの深さは、半導体層１０６に到達する深さであり、好ましくは、図３（Ａ）に示したように、Ｄ＜Ｔ／２となる深さである。
次に、図９（Ｆ）に示すように、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１１０は、上部ＢＢＲ１０８を構成するＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層と比べ著しく酸化速度が速いため、メサＭの側面からメサ形状を反映した酸化領域１１０Ａが形成され、酸化されずに残った非酸化領域１１０Ｂが電流注入領域あるいは導電領域となる。
次に、エッチングマスク２００を除去した後、図９（Ｇ）に示すように、基板全面にＳｉＮまたはＳｉＯＮ等の層間絶縁膜１１２を形成し、次に、図９（Ｈ）に示すように基板１００の裏面に、Ａｕ／Ｇｅ等のｎ側電極１２０を形成する。ｎ側電極形成後に一定温度でアニールが行われ、ｎ側電極１２０と基板１００との良好な電気的接続が得られる。次に、図１０（Ｉ）に示すように、メサＭの頂部の層間絶縁膜１１２にコンタクトホール１１２Ａが形成され、同時にメサＭの底部の層間絶縁膜１１２にコンタクトホール１１２Ｂが形成される。コンタクトホール１１２Ａによってｐ側電極１１４および出射保護膜１１６が露出され、コンタクトホール１１２Ｂによって半導体層１０６が露出される。
次に、図１０（Ｊ）に示すように、金属配線１１８がコンタクトホール１１２Ａを介してｐ側電極１１４に接続されるようにパターニングされ、放熱電極１３０がコンタクトホール１１２Ｂを介して半導体層１０６に接続されるようにパターニングされる。配線電極１１８と放熱電極１３０は、同一材料によって同一のプロセス、例えばリフトオフによって形成することができる。さらに配線電極１１８および放熱電極１３０は、ｐ側電極１１４と同じ材料、例えばＴｉ／Ａｕによって構成することができる。ここで、配線電極１１８および放熱電極１３０の形成後のアニールは不要である。この場合、放熱電極１３０は、半導体層１０６にショットキー接続されオーミック接続されないが、半導体層１０６と良好に熱的に結合される。また、ここには図示しないが電極パッドも配線電極１１８と同一のプロセスによって形成される。その後、基板を、ダイシングすることで、ＶＣＳＥＬアレイチップに切り落とされ、第２または第３の実施例のＶＣＳＥＬアレイ１２、１４を得ることができる。
図１０（Ｋ）は、ＶＣＳＥＬアレイの他の構成例を示している。図１０（Ｊ）に示す構成では、放熱電極１３０と配線電極１１８とが分離されるようにパターニングされたが、図１０（Ｋ）に示す構成では、放熱電極１３０は、メサＭの側面の層間絶縁膜１１２上を延在する連結電極１３２によってメサＭの配線電極１１８に接続される。つまり、配線電極１１８と放熱電極１３０とを共通化させることができる。放熱電極１３０は、半導体層１０６に電気的に導通される必要がないので、配線電極１１８と接続されても良い。こうすることで、メサ側面にも連結電極１３２が形成されるため放熱特性がさらに向上される。
次に、本実施例のＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。
図１１は、ＶＣＳＥＬアレイと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、単一のＶＣＳＥＬ素子またはＶＣＳＥＬアレイが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。複数の導電性のリード３４０は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、リード３４０は、対応する電極パッド６０、およびチップ３１０のｎ側電極１２０に電気的に接続される。チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２が固定される。選択されたリード３４０間に順方向の駆動電流が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内に平板ガラス３６２が含まれるように調整される。また、キャップ内に、発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
図１２は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図１１のように単一のＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイを実装した面発光型半導体レーザ装置３００からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、面発光型半導体レーザ装置３００からのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図１３は、図１１に示すＶＣＳＥＬを光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸が平板ガラス３６２のほぼ中央に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、平板ガラス３６２を介して光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０：ＶＣＳＥＬ
１２、１４：ＶＣＳＥＬアレイ
１００：ＧａＡｓ基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０４Ａ：下部スペーサ層
１０４Ｂ：量子井戸活性層
１０４Ｃ：上部スペーサ層
１０６：半導体層
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：非酸化領域
１１２：層間絶縁膜
１１２Ａ、１１２Ｂ：コンタクトホール
１１４：ｐ側電極
１１６：出射保護膜
１１８：金属配線
１２０：ｎ側電極
１２２：電極パッド
１３０：放熱部材（放熱電極）
１３２：連結電極
２００：エッチングマスク

Claims (14)

  1. 基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性層、半導体層、および電流狭窄層を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡が形成され、
    第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、
    前記柱状構造の底部で露出された前記半導体層に放熱用金属が接続される、面発光型半導体レーザ。
  2. 前記放熱用金属が前記半導体層に接触する面から前記電流狭窄層までの距離は、前記半導体層の膜厚の１／２よりも小さい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 前記半導体層の膜厚は、光路長がλ／４（λは発振波長）となる膜厚よりも大きくかつλ／４の奇数倍である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 前記半導体層は、第２の半導体多層膜反射鏡を構成する一対の層の内で相対的に熱伝導率の高い材料と同じ組成である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 前記半導体層は、前記活性層上に形成されたスペーサ層である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 前記柱状構造の底部、側面および頂部が層間絶縁膜によって覆われ、前記柱状構造の頂部の層間絶縁膜の開口部を介して配線電極が形成され、前記柱状構造の底部の層間絶縁膜の開口部を介して前記放熱用金属が前記半導体層に接続され、前記配線電極および前記放熱用金属は同一材料から構成される、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 請求項１ないし６いずれか１つに記載の柱状構造が複数形成された面発光型半導体レーザアレイであって、
    アレイ中心部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属と前記半導体層との接触面積は、アレイ周辺部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属と前記半導体層との接触面積よりも大きい、面発光型半導体レーザアレイ。
  8. アレイ中心部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属の表面積は、アレイ周辺部の柱状構造の底部に形成された放熱用金属の表面積よりも大きい、請求項７に記載の面発光型半導体レーザアレイ。
  9. 請求項１ないし８に記載の面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイと、
    面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイからの光を入射する光学部材とを実装した面発光型半導体レーザ装置。
  10. 請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
    前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
  11. 請求項１ないし８に記載の面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイと、
    前記面発光型半導体レーザまたは面発光型半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
    前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。
  12. 基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性層、半導体層、および電流狭窄層を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成する工程と、
    第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造を形成する工程と、
    前記柱状構造を絶縁膜によって被覆する工程と、
    前記柱状構造の底部で前記半導体層を露出させるため前記絶縁膜に第１の開口を形成する工程と、
    前記第１の開口によって露出された半導体層に放熱用金属を接続する工程とを有する面発光型半導体レーザの製造方法。
  13. 前記柱状構造の頂部を露出させるため前記絶縁膜に第２の開口を形成する工程を含み、第２の開口を形成する工程は、第１の開口を形成する工程と同時に行われる、請求項１２に記載の製造方法。
  14. 前記第２の開口を介して配線電極を接続する工程を含み、当該配線電極を接続する工程は、前記放熱用金属を接続する工程と同時に行われる、請求項１３に記載の製造方法。
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