JP2016018943A - 面発光レーザアレイ及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ること。【解決手段】複数の面発光レーザ素子が電気的に並列接続された並列接続アレイを複数備え、複数の並列接続アレイは、電気的に直列接続されており、少なくとも二つの並列接続アレイについて、並列接続アレイに配置される面発光レーザ素子の数が異なる、面発光レーザアレイが提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザアレイ及びレーザ装置に関する。

従来、高出力レーザ用の光源として、複数の面発光レーザ素子を２次元的に配置した面発光レーザアレイが用いられている。

この面発光レーザアレイでは、例えば複数の面発光レーザ素子を同時に点灯させる場合、面発光レーザアレイの中央部に配置された面発光レーザ素子から生じた熱が外側へ放出されにくい。このため、面発光レーザアレイの中央部に配置された面発光レーザ素子と周辺部に配置された面発光レーザ素子との間の温度差が発生し、面発光レーザアレイ内における発光強度や素子寿命にバラツキが生じることがある。

そこで、従来では、面発光レーザアレイの中央部に面発光レーザ素子を配置しないことで、面発光レーザアレイに含まれる複数の面発光レーザ素子間の温度差をできるだけ小さくしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上述した従来の技術では、面発光レーザアレイの中央部に面発光レーザ素子を配置しないため、中央部の発光強度が低下し、均一な強度分布を得ることができないことがある。

そこで、本発明の一つの案では、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ることを目的とする。

一つの案では、複数の面発光レーザ素子が電気的に並列接続された並列接続アレイを複数備え、前記複数の並列接続アレイは、電気的に直列接続されており、少なくとも二つの並列接続アレイについて、並列接続アレイに配置される前記面発光レーザ素子の数が異なる、面発光レーザアレイが提供される。

一態様によれば、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

第１実施形態に係る面発光レーザアレイの概略構成を例示する図。 第１実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を例示する断面図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第１実施形態に係るレーザ装置の概略構成を例示する図。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの作用・効果を説明するための図。 第２実施形態に係る面発光レーザアレイの概略構成を例示する図。 第２実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を例示する断面図 第２実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。 第２実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［第１実施形態］
（面発光レーザアレイの構成）
まず、本発明の第１実施形態に係る面発光レーザアレイの概略構成の一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイの概略構成を例示する図である。

面発光レーザアレイ１００は、図１に示すように、サブマウント基板１０２に形成されたサブマウント電極１０３上に配置された３つの並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃを有する。

並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃは、各々８個、１２個、８個の面発光レーザ素子２００を含む。各々の並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに含まれる複数の面発光レーザ素子２００は、上部電極２１２を共通電極として並列接続されている。

また、並列接続アレイ１０１Ｂは、並列接続アレイ１０１Ａ及び並列接続アレイ１０１Ｃによって挟まれるように内側（サブマウント基板１０２の中央部側）に配置されている。

また、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃは、電気的に直列接続されている。すなわち、並列接続アレイ１０１Ａと並列接続アレイ１０１Ｂとが直列に接続され、並列接続アレイ１０１Ｂと並列接続アレイ１０１Ｃとが直列に接続されている。

より具体的には、並列接続アレイ１０１Ａの下部電極２０１と接続されたサブマウント電極１０３と、並列接続アレイ１０１Ｂの上部電極２１２とがボンディングワイヤ１０４によって接続されている。

また、並列接続アレイ１０１Ｂの下部電極２０１と接続されたサブマウント電極１０３と、並列接続アレイ１０１Ｃの上部電極２１２とがボンディングワイヤ１０４によって接続されている。

さらに、並列接続アレイ１０１Ａの上部電極２１２とボンディングワイヤ１０４によって接続されたサブマウント電極１０３には、プラス端子が接続されている。また、並列接続アレイ１０１Ｃの下部電極２０１と接続されたサブマウント電極１０３には、マイナス端子が接続されている。そして、プラス端子とマイナス端子との間に電圧が印加されることにより、面発光レーザアレイ１００が動作する。

次に、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃを構成する面発光レーザ素子２００について、図２を参照しながら説明する。図２は、第１実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を例示する断面図である。なお、図２においては、説明の便宜上、並列接続アレイに含まれる複数の面発光レーザ素子のうち、一つの面発光レーザ素子の断面を示している。また、本明細書では、レーザ光の出射方向を図２における上部方向とする。

面発光レーザ素子２００は、図２に示すように、サブマウント基板１０２に形成されたサブマウント電極１０３上に、接合剤１０５を介して接合されている。

サブマウント基板１０２は、面発光レーザ素子２００が配置される基板である。サブマウント基板１０２の材料としては、例えば厚さ４００μｍのＡｌＮを用いることができる。

サブマウント電極１０３は、サブマウント基板１０２に形成され、所望の形状にパターニングされた電極である。サブマウント電極１０３の材料としては、例えば厚さ２μｍのＡｕめっきを用いることができる。

接合剤１０５は、サブマウント電極１０３と面発光レーザ素子２００の下部電極２０１とを接合する。接合剤１０５としては、例えばＡｕＳｎはんだを用いることができる。

面発光レーザ素子２００は、発振波長が８０８ｎｍ帯であり、下部電極２０１と、基板２０２と、下部コンタクト層２０３と、下部多層膜反射鏡２０４と、下部スペーサ層２０５と、活性層２０６と、上部スペーサ層２０７と、上部多層膜反射鏡２０８と、選択酸化層２０９（酸化領域２０９ａ、非酸化領域２０９ｂ）と、上部コンタクト層２１０と、絶縁層２１１と、上部電極２１２とを有する。

また、面発光レーザ素子２００における活性層２０６、上部スペーサ層２０７、上部多層膜反射鏡２０８、選択酸化層２０９及び上部コンタクト層２１０は、メサ構造を形成している。

下部電極２０１は、ｎ側電極であり、基板２０２の下部方向の面上に積層され、接合剤１０５を介してサブマウント電極１０３と接合されている。下部電極２０１の材料としては、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層電極を用いることができる。

基板２０２には、下部方向の面上に下部電極２０１が積層され、上部方向の面上に下部コンタクト層２０３が積層されている。基板２０２の材料としては、例えばｎ−ＧａＡｓ基板を用いることができる。

下部コンタクト層２０３は、基板２０２の上部方向の面上に積層されている。下部コンタクト層２０３の材料としては、例えばｎ−ＧａＡｓを用いることができる。

下部多層膜反射鏡２０４は、下部コンタクト層２０３の上部方向の面上に積層されている。下部多層膜反射鏡２０４は、例えばｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とのペアが、３７．５ペア積層されている。

各屈折率層の間には、組成傾斜層が形成されることが好ましい。低屈折率層の組成から高屈折率層の組成へ向かって組成を徐々に変化させる組成傾斜層（例えば厚さ２０ｎｍ）を挿入することにより、各屈折率層の間に生じる電気抵抗を低減することができる。

各屈折率層の厚さは、隣接する組成傾斜層の半分の厚さを足した場合の厚さが、λ／４（但し、λは発振波長）の光学的厚さとなるように設定されることが好ましい。なお、光学的厚さがλ／４である場合、実際の各屈折率層の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎは各屈折率層の媒質の屈折率）となる。

下部スペーサ層２０５は、下部多層膜反射鏡２０４の上部方向に積層されている。下部スペーサ層２０５の材料としては、例えばノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓを用いることができる。

活性層２０６は、下部スペーサ層２０５の上部方向に積層されており、例えば３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有する３重量子井戸構造の活性層である。量子井戸層の材料としては、例えばＧａＡｓを用いることができ、障壁層の材料としては、例えばＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓを用いることができる。

上部スペーサ層２０７は、活性層２０６の上部方向に積層されている。上部スペーサ層２０７の材料としては、例えばノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓを用いることができる。

また、下部スペーサ層２０５と活性層２０６と上部スペーサ層２０７とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設計されている。なお、活性層２０６は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部多層膜反射鏡２０８は、上部スペーサ層２０７の上部方向に積層されている。上部多層膜反射鏡２０８は、例えばｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とのペアが、２４ペア積層されている。

各屈折率層の間には、組成傾斜層が形成されることが好ましい。低屈折率層の組成から高屈折率層の組成へ向かって組成を徐々に変化させる組成傾斜層（例えば厚さ２０ｎｍ）を挿入することにより、各屈折率層の間に生じる電気抵抗を低減できる。

各屈折率層の厚さは、隣接する組成傾斜層の半分の厚さを足した場合の厚さが、λ／４の光学的厚さとなるように設定されることが好ましい。なお、光学的厚さがλ／４である場合、実際の各屈折率層の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎは、各屈折率層の媒質の屈折率）となる。

選択酸化層２０９は、上部多層膜反射鏡２０８内に形成されており、酸化領域２０９ａと非酸化領域２０９ｂとを含む。非酸化領域２０９ｂは、酸化領域２０９ａに囲まれるようにメサ構造の中央部に形成されている。すなわち、選択酸化層２０９には、発光部の駆動電流の経路を、メサ構造の中央部に形成されている酸化領域２０９ａ（以下、「電流通過領域」ともいう。）のみに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成されている。選択酸化層２０９の材料としては、例えばｐ−ＡｌＡｓを用いることができる。

選択酸化層２０９の下面側及び上面側には、例えば選択酸化層２０９の組成から隣接する層の組成へ向かって組成を徐々に変化させる組成変化層、選択酸化層２０９の組成と隣接する層の組成との間の組成を有する中間層を含んでいてもよい。

上部コンタクト層２１０は、上部多層膜反射鏡２０８の上部方向に積層されている。上部コンタクト層２１０の材料としては、例えばｐ−ＧａＡｓを用いることができる。

絶縁層２１１は、レーザ光の射出部を除いた領域、すなわち、上部コンタクト層２１０の上部方向の一部、メサ構造の側面及び下部スペーサ層２０５の上部方向に積層されている。絶縁層２１１の材料としては、例えばｐ−ＳｉＮからなる光学的に透明な誘電体層を用いることができる。

上部電極２１２は、ｐ側電極であり、上部コンタクト層２１０の上部方向及び絶縁層２１１の上部方向に形成されている。上部電極２１２の材料としては、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる多層電極を用いることができる。

（面発光レーザアレイの製造方法）
次に、第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法について、図３から図１０を参照しながら説明する。図３から図１０は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図である。

まず、基板２０２上に、下部コンタクト層２０３、下部多層膜反射鏡２０４、下部スペーサ層２０５、活性層２０６、上部スペーサ層２０７、上部多層膜反射鏡２０８、選択酸化層２０９及び上部コンタクト層２１０を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）又は分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）によるエピタキシャル成長により形成する（図３参照）。以下、基板２０２上に複数の半導体層が積層されたものを「積層体」ともいう。

なお、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層体を形成する場合には、ＩＩＩ族の材料としては、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることができる。また、Ｖ族の材料としては、例えばアルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）を用いることができる。また、ｐ型ドーパントの材料としては、例えば四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を用いることができ、ｎ型ドーパントの材料としては、例えばセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いることができる。

続いて、積層体の表面の面発光レーザ素子２００が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、上部コンタクト層２１０の上部方向にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン（例えば、１辺が３０μｍ程度の正方形状）をアレイ状に形成する。

続いて、レジストパターンの形成されていない領域の活性層２０６、上部スペーサ層２０７、上部多層膜反射鏡２０８、選択酸化層２０９及び上部コンタクト層２１０をドライエッチングにより除去する（図４参照）。具体的には、Ｃｌ_２ガスを用いたＥＣＲエッチング法等のドライエッチングにより、レジストパターンをフォトマスクとして、活性層２０６、上部スペーサ層２０７、上部多層膜反射鏡２０８、選択酸化層２０９及び上部コンタクト層２１０を除去する。ここで、下部スペーサ層２０５に到達するまでドライエッチングを行うことにより、積層体に四角柱状のメサ構造が形成される。その後、レジストパターンを除去する。

なお、面発光レーザ素子２００が多く含まれる並列接続アレイ１０１Ｂにおいては、正方形の一辺の長さを少し短めにしておくことが好ましい。これにより、次工程で形成される並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる面発光レーザ素子２００の電流通過領域の面積が、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子２００の電流通過領域の面積よりも小さくなる。

続いて、メサ構造が形成された積層体を熱処理する（図５参照）。具体的には、高温の水蒸気雰囲気中で積層体に熱処理を施し、メサ構造の外周部から選択酸化層２０９中のＡｌを選択的に酸化し酸化物とすることで、酸化領域２０９ａと非酸化領域２０９ｂとを含む選択酸化層２０９を形成する。ここで、メサ構造の周辺部のみに対してＡｌの酸化を行い、中央部に非酸化領域２０９ｂを残留させる。これにより、発光部の駆動電流経路をメサ構造の中央部だけに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。

続いて、面発光レーザアレイチップ分離用の溝部Ａを形成するためのレジストパターンを形成する。具体的には、溝部Ａを形成しない領域にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターンを形成する。なお、図６に示すように、基板２０２上に形成された複数の面発光レーザ素子２００が並列接続アレイ１０１Ａ、並列接続アレイ１０１Ｂ及び並列接続アレイ１０１Ｃの３つの領域に分離されるようにレジストパターンを形成する。

続いて、レジストパターンの形成されていない領域の基板２０２の一部、下部コンタクト層２０３、下部多層膜反射鏡２０４及び下部スペーサ層２０５をドライエッチングにより除去し、溝部Ａを形成する（図７参照）。具体的には、Ｃｌ_２ガスを用いたＥＣＲエッチング法等のドライエッチングにより、レジストパターンをフォトマスクとして、基板２０２の一部、下部コンタクト層２０３、下部多層膜反射鏡２０４及び下部スペーサ層２０５を除去し、溝部Ａを形成する。

続いて、例えばプラズマＣＶＤ法により、ｐ−ＳｉＮからなる光学的に透明な誘電体層等の絶縁層２１１を形成する（図８参照）。

続いて、メサ構造の上面でありレーザ光の射出部となる面に、コンタクト窓（上部電極２１２用）を開けるために、エッチングマスクを形成する。具体的には、絶縁層２１１の上部方向にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターンを形成する。このとき、メサ構造の側面、射出部の周囲、絶縁層２１１等がエッチングされないようにレジストパターンを形成する。

続いて、ＢＨＦ溶液（ＮＨ_４Ｆ／ＨＦ／Ｈ_２Ｏ）により、レジストパターンをマスクとして絶縁層２１１をエッチングし、上部電極２１２を形成するためのコンタクト窓の窓開けを行う（図８参照）。その後、エッチングマスクを除去する。

続いて、メサ構造の上面におけるレーザ光の射出部に、レジストパターンを形成する。具体的には、上部電極２１２の上部方向にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン（例えば、１辺が１５μｍの正方形状）を形成する。

続いて、例えば蒸着法を用いて電極材料の蒸着を行うことにより、上部電極２１２を形成する（図８参照）。

続いて、レーザ光の射出部に蒸着された電極材料をリフトオフして、パターニングされた上部電極２１２を形成する（図８参照）。ここで、上部電極２１２は、レーザ光の射出部を囲むように形成される。

続いて、基板２０２の裏側を、所定の厚さまで研磨する（図８参照）。

続いて、例えば蒸着法を用いて基板２０２の裏面に電極材料の蒸着を行うことにより、下部電極２０１を形成する（図８参照）。

続いて、アニールにより、上部電極２１２と下部電極２０１のオーミック導通をとる。これにより、メサ構造は発光部となる。

続いて、溝部Ａに沿ってへき開を行うことにより、面発光レーザアレイチップに切断する（図８参照）。これにより、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃが形成される。

続いて、サブマウント電極１０３と接合剤１０５とが形成されたサブマウント基板１０２（図９参照）上の所定の位置に、並列接続アレイ１０１Ａ、並列接続アレイ１０１Ｂ及び並列接続アレイ１０１Ｃをマウントする（図１０参照）。

続いて、サブマウント基板１０２をヒータ加熱することにより、接合剤１０５を溶融させ、サブマウント基板１０２と並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃとを接合する。

続いて、ボンディングワイヤ１０４により、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ間を直列に接続する。

以上の方法により、図１に示す面発光レーザアレイ１００を製造することができる。

（レーザ装置の構成）
次に、第１実施形態に係る面発光レーザアレイを備えたレーザ装置について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、第１実施形態に係るレーザ装置の概略構成を例示する図である。

レーザ装置３００は、図１１に示すように、面発光レーザアレイ１００と、マイクロレンズアレイ３０１と、集光レンズ３０２と、ファイバ３０３とを有し、これらが筐体３０４内に封止された一つの装置となっている。

また、レーザ装置３００には、駆動用の電極３０５が配置されており、外部の駆動電源３１０を電極３０５に接続することで通電を行う。レーザ装置３００が通電されると、電流が面発光レーザアレイ１００に注入され、面発光レーザアレイ１００からレーザ光が射出される（図１１の矢印参照）。

面発光レーザアレイ１００から射出されたレーザ光は、個々の面発光レーザ素子２００に対応したマイクロレンズアレイ３０１によりコリメート光となる。コリメート光は、集光レンズ３０２によりファイバ端３０３ａに集光され、ファイバ３０３に入射する。ファイバ３０３に入射したレーザ光は、ファイバ３０３内を伝送し、レーザ装置３００の外側のファイバ端３０３ｂより取り出される。

（作用・効果）
次に、第１実施形態の面発光レーザアレイ及びレーザ装置の作用・効果について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイの作用・効果を説明するための図である。より具体的には、図１２は、図１に示す面発光レーザアレイの等価回路図である。

第１実施形態に係る面発光レーザアレイは、前述したように、複数の面発光レーザ素子が電気的に並列接続され配置された並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃが直列接続されている。このため、すべての面発光レーザ素子が並列接続された面発光レーザアレイと比較すると駆動電流が小さくなる。結果として、面発光レーザアレイに含まれる複数の面発光レーザ素子間の温度差を小さくすることができ、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

また、第１実施形態に係る面発光レーザアレイにおける並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子の数は、各々８個、１２個、８個と異なっている。したがって、図１２に示すように、面発光レーザアレイ全体を駆動する電流をＩとすると、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに含まれる１個の面発光レーザ素子に流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は、各々Ｉ／８、Ｉ／１２、Ｉ／８となる。すなわち、並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる面発光レーザ素子に流れる電流Ｉ_２は、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子に流れる電流Ｉ_１、Ｉ_３の２／３となる。

また、並列接続アレイ１０１Ｂは、図１に示すように、並列接続アレイ１０１Ａ及び並列接続アレイ１０１Ｃに挟まれるように配置されている。すなわち、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃは、面発光レーザアレイの全体において周辺部に配置されている。このため、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃで発生した熱は、面発光レーザアレイの周辺部に排出されやすく、放熱性がよい。一方、並列接続アレイ１０１Ｂは、面発光レーザアレイ１００の全体において中央部（内側）に配置されている。このため、並列接続アレイ１０１Ｂで発生した熱は、面発光レーザアレイの周辺部（外側）へ排出されにくい。すなわち、並列接続アレイ１０１Ｂは、放熱性が悪い。

これに対して、第１実施形態に係る面発光レーザアレイにおいては、並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる面発光レーザ素子に流れる電流が並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子に流れる電流よりも少ない。このため、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃの発熱量よりも並列接続アレイ１０１Ｂの発熱量を小さくすることができる。

結果として、面発光レーザアレイ全体の温度上昇を均一化することができ、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性を均一にすることができる。

また、前述したように、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃに含まれる１個の面発光レーザ素子に流れるＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は、各々Ｉ／８、Ｉ／１２、Ｉ／８である。このため、並列接続アレイ１０１Ｂよりも並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃが先に発振しきい値に達する。すなわち、面発光レーザアレイの発振しきい値が不均一になるという問題が生じやすい。

そこで、第１実施形態では、並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる面発光レーザ素子の電流通過領域の面積を、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子の電流通過領域の面積よりも小さくすることが好ましい。

一般に、選択酸化層を有する電流狭窄型の面発光レーザ素子では、選択酸化層によって形成される電流通過領域が活性層にキャリアが注入される体積を決定するため、電流通過領域が小さいほど発振しきい値が小さくなる。すなわち、並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる面発光レーザ素子の電流通過領域の面積を、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子の電流通過領域の面積よりも小さくすることで、並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる１個の面発光レーザ素子の発振しきい値を小さくすることができる。結果として、並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃの発振しきい値の均一化を図ることができる。

なお、第１実施形態の場合、並列接続アレイ１０１Ｂに含まれる面発光レーザ素子に流れる電流が並列接続アレイ１０１Ａ、１０１Ｃに含まれる面発光レーザ素子に流れる電流の２／３になっている。このため、１個の面発光レーザ素子の発振しきい値が２／３程度になるように電流通過領域の面積を設計するのが好ましい。これにより、面発光レーザアレイの発光強度と寿命特性が均一で、発振しきい値が均一な面発光レーザアレイを実現することができる。

また、第１実施形態に係るレーザ装置は、複数の面発光レーザ素子の発光強度及び寿命特性の均一化を図ることが可能な面発光レーザアレイを用いている。このため、レーザ装置において取り出されるレーザ光の発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

以上に説明したように、第１実施形態に係る面発光レーザアレイによれば、複数の面発光レーザ素子が電気的に並列接続され配置された並列接続アレイを複数備え、複数の並列接続アレイは、電気的に直列接続されており、少なくとも二つの並列接続アレイについて、並列接続アレイに配置される面発光レーザ素子の数が異なる。このため、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

なお、第１実施形態では、発光部の材料としてＧａＡｓを用いているが、本発明はこの点において限定されるものではなく、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓを用いた場合でも、同様の作用・効果を得ることができる。また、各元素の組成についても特に限定されるものではない。

また、第１実施形態では、発振波長が８０８ｎｍ帯の場合について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。発振波長としては、材料を適切に選択することにより、例えば６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の波長帯を用いることができる。

また、第１実施形態では、３つの並列接続アレイを有し、各々８個、１２個、８個の面発光レーザ素子を含む形態について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。並列接続アレイの数としては、例えば４つ以上であってもよい。面発光レーザ素子の個数としては、例えば一の並列接続アレイに含まれる面発光レーザ素子が１０００個、他の並列接続アレイに含まれる面発光レーザ素子が８００個であってもよい。

また、第１実施形態では、サブマウント基板の材料としてＡｌＮ、サブマウント電極の材料としてＡｕめっき、接合材としてＡｕＳｎを用いた形態について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。サブマウント基板の材料としては、例えばＳｉＣ、ＣＶＤ−Ｄｉａｍｏｎｄを用いることができる。また、接合材としては、例えばＡｇＳｎ、Ｉｎ、フラックス含有はんだを用いることができ、これらの材料を組み合わせて用いることもできる。また、サブマウント電極としては、例えばＣｕめっき、Ｃｕめっき及びＡｕめっきの多層膜を用いることができる。

［第２実施形態］
（面発光レーザアレイの構成）
次に、本発明の第２実施形態に係る面発光レーザアレイについて、図１３を参照しながら説明する。図１３は、第２実施形態に係る面発光レーザアレイの概略構成を例示する図である。

第２実施形態に係る面発光レーザアレイは、サブマウント基板に形成されたサブマウント電極上に、５つの並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈが配置されている点で、第１実施形態に係る面発光レーザアレイと相違する。

また、第２実施形態に係る面発光レーザアレイは、面発光レーザ素子の下部コンタクト層が接合剤を介してサブマウント基板に形成されたサブマウント電極と接合されている点で、第１実施形態に係る面発光レーザアレイと相違する。

なお、第２実施形態に係る面発光レーザアレイにおいては、上記相違点以外は第１実施形態に係る面発光レーザアレイと同様の構成を有する。このため、以下の説明では、第１実施形態と相違する点を中心に説明する。

第２実施形態に係る面発光レーザアレイ１００ａは、図１３に示すように、サブマウント基板１０２に形成されたサブマウント電極１０３上に配置された５つの並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈを有する。

並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈは、各々８個、８個、１２個、８個、８個の面発光レーザ素子２００ａを含む。各々の並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈに含まれる複数の面発光レーザ素子２００ａは、上部電極２１２を共通電極として並列接続されている。

また、並列接続アレイ１０１Ｆは、４つの並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｇ、１０１Ｈによって囲まれるように内側（サブマウント基板１０２の中央部側）に配置されている。そして、並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈは、電気的に直列接続されている。

すなわち、並列接続アレイ１０１Ｄと並列接続アレイ１０１Ｅ、並列接続アレイ１０１Ｅと並列接続アレイ１０１Ｆ、並列接続アレイ１０１Ｆと並列接続アレイ１０１Ｇ、並列接続アレイ１０１Ｇと並列接続アレイ１０１Ｈとが直列に接続されている。

より具体的には、並列接続アレイ１０１Ｄの下部電極２０１と接続されたサブマウント電極１０３と、並列接続アレイ１０１Ｅの上部電極２１２とがボンディングワイヤ１０４によって接続されている。

また、並列接続アレイ１０１Ｅの下部電極と接続されたサブマウント電極１０３と、並列接続アレイ１０１Ｆの上部電極２１２とがボンディングワイヤ１０４によって接続されている。

また、並列接続アレイ１０１Ｆの下部電極と接続されたサブマウント電極１０３と、並列接続アレイ１０１Ｇの上部電極２１２とがボンディングワイヤ１０４によって接続されている。

また、並列接続アレイ１０１Ｇの下部電極と接続されたサブマウント電極１０３と、並列接続アレイ１０１Ｈの上部電極２１２とがボンディングワイヤ１０４によって接続されている。

さらに、並列接続アレイ１０１Ｄの上部電極２１２とボンディングワイヤ１０４によって接続されたサブマウント電極１０３には、プラス端子が接続されている。また、並列接続アレイ１０１Ｈの下部電極と接続されたサブマウント電極１０３には、マイナス端子が接続されている。そして、プラス端子とマイナス端子との間に電圧が印加されることにより、面発光レーザアレイ１００ａが動作する。

また、第２実施形態では、面発光レーザアレイ１００ａに含まれるすべての面発光レーザ素子２００ａの位置関係は、後述する面発光レーザアレイの製造方法により、同一のリソグラフィ工程で形成されたものであり、モノリシックな位置関係が保たれている。

また、第２実施形態では、並列接続アレイ内における最近接メサ構造間の距離（ここでの距離は、メサ構造の中心間距離をいう。）を８０μｍ、異なる並列接続アレイを跨いだときの最近接メサ構造間の距離を２４０μｍとした。

次に、並列接続アレイを構成する面発光レーザ素子について、図１４を参照しながら説明する。図１４は、第２実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を例示する断面図である。なお、図１４においては、説明の便宜上、並列接続アレイに含まれる複数の面発光レーザ素子のうち、一つの面発光レーザ素子の断面を示している。

面発光レーザ素子２００ａは、図１４に示すように、下部コンタクト層２０３が接合剤１０５を介してサブマウント基板１０２に形成されたサブマウント電極１０３と接合されている。

なお、その他の構成については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

（面発光レーザアレイの製造方法）
次に、第２実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法について、図１５及び図１６を参照しながら説明する。図１５及び図１６は、第２実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を説明するための図である。

まず、基板２０２上に、エッチストップ層２１３、下部コンタクト層２０３、下部多層膜反射鏡２０４、下部スペーサ層２０５、活性層２０６、上部スペーサ層２０７、上部多層膜反射鏡２０８、選択酸化層２０９及び上部コンタクト層２１０をＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法によるエピタキシャル成長により形成する（図１５参照）。

なお、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層体を形成する場合には、第１実施形態と同様の材料を用いることができる。また、エッチストップ層２１３としては、例えば厚さが１００ｎｍのｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを用いることができる。

続いて、第１実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法と同様に、メサ構造の形成、酸化狭窄構造体の形成、面発光レーザアレイチップ分離用の溝部Ａの形成、絶縁層２１１の形成、上部電極２１２の形成及び基板２０２の裏側の研磨を行う（図１６参照）。

続いて、面発光レーザ素子２００ａの上部電極２１２を、高耐熱性樹脂を介してガラス基板等の搬送用基板２１４に貼り付ける（図１６参照）。

続いて、基板２０２及びエッチストップ層２１３を、例えばウェットエッチング法により除去する（図１６参照）。ウェットエッチング法に用いられる基板２０２に対するエッチャントしては、例えばＨ_２Ｏ_２とＨ_２ＳＯ_４とＨ_２Ｏとの混合液を用いることができる。また、ウェットエッチング法に用いられるエッチストップ層２１３に対するエッチャントとしては、例えばＨＣｌとＨ_２Ｏとの混合液を用いることができる。

なお、面発光レーザアレイチップ分離用の溝部Ａの形成の際に、溝部Ａに対応する位置の基板２０２の一部が除去されているため、基板２０２がエッチングされると、溝部Ａの積層体は完全に除去され、面発光レーザアレイチップが分離される。これにより、並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈが形成される。

ここで、面発光レーザ素子２００ａは、搬送用基板２１４に貼り付けられているため、すべてのメサ構造の位置関係は同一のリソグラフィによって形成された位置関係を保っている。

続いて、サブマウント電極１０３と接合剤１０５とが形成されたサブマウント基板１０２上の所定の位置に、並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈをマウントする。

続いて、サブマウント基板１０２をヒータ加熱することにより、接合剤１０５を溶融させ、サブマウント基板１０２と並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈとを接合する。

続いて、例えば有機溶剤により搬送用基板２１４を面発光レーザ素子２００ａから剥離する。

続いて、ボンディングワイヤ１０４により、並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｆ、１０１Ｇ、１０１Ｈ間を直列に接続する。

以上の方法により、図１３に示す面発光レーザアレイ１００ａを製造することができる。

（レーザ装置の構成）
次に、第２実施形態に係る面発光レーザアレイを備えたレーザ装置について説明する。第２実施形態に係る面発光レーザアレイを備えたレーザ装置は、第１実施形態と同様の構成とすることができる。

（作用・効果）
次に、第２実施形態の面発光レーザアレイ及びレーザ装置の作用・効果について説明する。

第２実施形態に係る面発光レーザアレイにおいて、並列接続アレイ１０１Ｆは、４つの並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｇ、１０１Ｈによって囲まれるように内側に配置されている。また、並列接続アレイ１０１Ｆに含まれる面発光レーザ素子の数が、並列接続アレイ１０１Ｄ、１０１Ｅ、１０１Ｇ、１０１Ｈの各々に含まれる面発光レーザ素子の数よりも多い。このため、第１実施形態と同様に、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

また、並列接続アレイに含まれるすべての面発光レーザ素子の位置関係が同一のフォトリソグラフィにより形成されているため、高い位置精度を有する。すなわち、各々の面発光レーザ素子に対応するようなマイクロレンズアレイを面発光レーザアレイの直上に配置する場合、マイクロレンズアレイの設計が容易である。

また、第２実施形態では、並列接続アレイ内における最近接メサ構造間の距離を８０μｍとし、異なる並列接続アレイを跨いだときの最近接メサ構造間の距離を２４０μｍとした。すなわち、面発光レーザアレイを用いてレーザ装置を構成する場合、マイクロレンズアレイは、一様に８０μｍ間隔でレンズが配置されたものを用いればよく、面発光レーザ素子の配置される間隔が変わる位置を合わせる必要がないため、アライメントが容易である。

すなわち、面発光レーザアレイに含まれる面発光レーザ素子の最近接メサ構造間の距離を最小ピッチとして、面発光レーザアレイに含まれるすべての面発光レーザ素子を最小ピッチの整数倍の間隔で配置することが好ましい。これにより、面発光レーザアレイを用いたレーザ装置において取り出されるレーザ光の発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

以上に説明したように、第２実施形態に係る面発光レーザアレイによれば、複数の面発光レーザ素子が電気的に並列接続され配置された並列接続アレイを複数備え、複数の並列接続アレイは、電気的に直列接続されており、複数の並列接続アレイの少なくとも一つが、他の並列接続アレイによって囲まれるように内側に配置され、内側に配置される並列接続アレイに含まれる面発光レーザ素子の数が、他の並列接続アレイの各々に含まれる面発光レーザ素子の数よりも多い。このため、面発光レーザアレイの発光強度及び寿命特性の均一化を図ることができる。

以上、面発光レーザアレイ及びレーザ装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１００、１００ａ 面発光レーザアレイ
１０１Ａ〜Ｈ 並列接続アレイ
２００、２００ａ 面発光レーザ素子
２０９ 選択酸化層
３００ レーザ装置

特開２００５−２１６９２５号公報

Claims (4)

1. 複数の面発光レーザ素子が電気的に並列接続された並列接続アレイを複数備え、
   前記複数の並列接続アレイは、電気的に直列接続されており、
   少なくとも二つの並列接続アレイについて、並列接続アレイに配置される前記面発光レーザ素子の数が異なる、
   面発光レーザアレイ。
2. 前記複数の並列接続アレイの少なくとも一つの並列接続アレイが、他の並列接続アレイによって挟まれる又は囲まれるように内側に配置され、
   前記内側に配置される並列接続アレイに含まれる前記面発光レーザ素子の数が、他の並列接続アレイに含まれる前記面発光レーザ素子の数よりも多い、
   請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
3. 前記面発光レーザ素子は、アルミニウムを含む酸化物によって周辺が囲まれた電流通過領域を含む選択酸化層を有し、
   前記内側に配置される並列接続アレイに含まれる前記面発光レーザ素子の電流通過領域の面積が、他の並列接続アレイに含まれる前記面発光レーザ素子の電流通過領域の面積よりも小さい、
   請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面発光レーザアレイと、
   前記面発光レーザアレイにより射出されるレーザ光をコリメート光とするマイクロレンズアレイと、
   前記コリメート光をファイバへ集光するための集光レンズと
   を有する、
   レーザ装置。

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