JP2019165198A - 面発光レーザアレイ、検出装置およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】他のレーザ素子からのレーザ光の入射によって発生する迷光を抑えることを目的とする。【解決手段】面発光レーザアレイ１は、半導体基板１０の第１の面１０ａ上に設けられ、第１の面１０ａに交差する方向に光を射出する複数の面発光レーザ素子２０と、半導体基板１０の第１の面１０ａに対向する第２の面１０ｂ上に、面発光レーザ素子２０に対応して配置され、光の放射角を変更する複数のマイクロレンズ４１と、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上の複数のマイクロレンズ４１の間の領域に配置される遮光部材４２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザアレイ、検出装置およびレーザ装置に関する。

レーザ光源として、複数の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が平面的に配置された面発光レーザアレイが用いられている。

従来では、半導体基板上に活性層を含む積層体が形成され、基板の裏面に発光窓部が形成された半導体発光装置（ＶＣＳＥＬアレイ）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来の半導体発光装置では、面発光レーザから出射されるレーザ光の放射角を制御することが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、面発光レーザから出射されるレーザ光の放射角を制御することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基板の第１の面上に設けられ、前記第１の面に交差する方向に光を射出する複数の面発光レーザ素子と、前記基板の前記第１の面に対向する第２の面上に、前記面発光レーザ素子に対応して配置され、前記光の放射角を変更する複数の光学素子と、前記基板の前記第２の面上の前記複数の光学素子の間の領域に配置される遮光部材と、を備える面発光レーザアレイである。

本発明によれば、面発光レーザから出射されるレーザ光の放射角を制御することができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部側面断面図である。 図２は、第１の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部下面図である。 図３は、第１の実施の形態による遮光部材４２の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。 図４は、第１の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の他の例を示す一部断面図である。 図５は、比較例による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部断面図である。 図６は、第２の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部下面図である。 図７は、第３の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部側面断面図である。 図８は、第３の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部下面図である。 図９は、遮光部材が設けられていない場合のマイクロレンズを通過した光の強度分布を示す図である。 図１０は、遮光部材を残差部分のみに設けた場合のマイクロレンズを通過した光の強度分布を示す図である。 図１１は、遮光部材を残差部分およびレンズ周縁部に設けた場合のマイクロレンズを通過した光の強度分布を示す図である。 図１２は、第４の実施の形態による面発光レーザアレイのマイクロレンズ部分の構成の一例を示す断面図である。 図１３は、第５の実施の形態によるＬｉＤＡＲ装置の構成の一例を示す概略図である。 図１４は、第６の実施の形態によるレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。

以下に添付図面を参照して、面発光レーザアレイ、検出装置およびレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部側面断面図であり、図２は、第１の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部下面図である。

面発光レーザアレイ１は、半導体基板１０の第１の面１０ａ上に配置される複数の面発光レーザ素子（以下、発光素子という）２０と、第２の面１０ｂ上に設けられる複数のマイクロレンズ４１と、第２の面１０ｂ上に設けられる遮光部材４２と、表面電極５１と、を備える。図１の例では、ｎ型の半導体基板１０が用いられる。また、半導体基板１０は、発光素子２０で発光されるレーザ光に対して透明となる材料が用いられる。

発光素子２０は、第１の面１０ａに対して交差する方向（一般的には垂直な方向）にレーザ光を出射する素子である。発光素子２０は、下部反射層２１と、共振器構成層２２と、上部反射層２３と、電流狭窄層２４と、保護膜２６と、を備える。

下部反射層２１は、半導体基板１０上に配置され、λ／４（ただし、λは発光素子２０から発光されるレーザ光の１波長である）の光学的膜厚を有する高屈折率のｎ型の半導体膜と、λ／４の光学的膜厚を有する低屈折率のｎ型の半導体膜と、を交互に複数積層させた半導体多層反射膜によって構成される。

共振器構成層２２は、下部反射層２１と上部反射層２３との間に配置され、光共振器を構成する層である。共振器構成層２２は、たとえば下部スペーサ層と上部スペーサ層との間に活性層が挟まれた構造を有する。下部スペーサ層および上部スペーサ層は、たとえばノンドープの半導体層からなる。活性層は、射出するレーザ光の波長に応じて選択される半導体材料によって構成される。半導体基板１０の第１の面１０ａに垂直な方向における共振器構成層２２の厚さは、たとえば発光素子２０から射出されるレーザ光の１波長（＝λ）に設定される。また、共振器構成層２２から射出されるレーザ光の波長は、半導体基板１０で吸収されない波長が選択される。

上部反射層２３は、共振器構成層２２上に配置され、λ／４の光学的膜厚を有する高屈折率のｐ型の半導体膜と、λ／４の光学的膜厚を有する低屈折率のｐ型の半導体膜と、を交互に複数積層させた半導体多層反射膜によって構成される。

電流狭窄層２４は、上部反射層２３中に設けられ、電流の通過面積を小さくするために設けられる層である。電流狭窄層２４は、発光素子２０の形成位置の中心を含む所定の領域に設けられる電流狭窄領域２４１と、電流狭窄領域２４１の周辺に設けられる酸化領域２４２と、を有する。電流狭窄層２４で電流の通過面積を絞ることによって、レーザの発振閾値を低減することができる。電流狭窄領域２４１は、上部反射層２３を構成する半導体膜と同じ材料によって構成され、酸化領域２４２は、電流狭窄領域２４１と同じ半導体膜を酸化した材料によって構成される。

上部反射層２３および電流狭窄層２４は、共振器構成層２２上にメサ状に加工される。すなわち、上部反射層２３および電流狭窄層２４は、隣接する発光素子２０間で分離された構造を有する。以下では、メサ状に加工された上部反射層２３および電流狭窄層２４をメサ構造２５という。第１の実施の形態では、メサ構造２５は、半導体基板１０の第１の面１０ａ上に、正方形の格子の格子点に位置するよう（以下、正方格子状という）に設けられる。

保護膜２６は、メサ構造２５の側面と共振器構成層２２上を覆うように設けられる。すなわち、メサ構造２５の上面が露出するように、メサ構造２５が設けられた共振器構成層２２上に保護膜２６が設けられる。

マイクロレンズ４１は、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上に、発光素子２０の配置位置に対応して設けられる。発光素子２０（メサ構造２５）が正方格子状に設けられているので、図２に示されるように、マイクロレンズ４１も正方格子状に配置される。マイクロレンズ４１は、対応する発光素子２０から射出されたレーザ光の放射角を小さく抑える光学素子である。レーザ光の放射角を抑えることで、マイクロレンズ４１を通過したレーザ光を集光レンズなどを通して対象物に集光する際にスポット径を小さくすることができる。マイクロレンズ４１は、たとえば半導体基板１０の第２の面１０ｂ側の発光素子２０の配置位置に対応する領域を凸レンズ上に加工することで得られる。なお、ここで、放射角とは、レーザ光の最大強度の１０％の強度が出ている角度をいうものとする。

ここで、面発光レーザから出射されるレーザ光の放射角をレンズにより制御しようとした場合には、焦点距離の長いレンズを用いるのが望ましい。例えば、発光部とレンズとの間にある程度（〜数百μm程度）の光学長を設けるのが望ましい。しかし、発光部とレンズとの光学長が長いと、レーザ光がレンズ部に到達するまでにビーム径が拡大してしまう。この結果、レンズ部に到達するときのビーム径がレンズ径よりも大きくなり、レンズ間の残差部分に光が入射してしまい、迷光が発生するおそれがある。そこで、本実施形態では、迷光を抑制するため、残差部分に遮光部材４２を配置している。

遮光部材４２は、図２に示されるように、半導体基板１０の第２の面１０ｂの複数のマイクロレンズ４１の間を覆い、発光素子２０から射出された光を反射または吸収する機能を有する。これによって、図１に示されるように、発光素子２０から射出されたレーザ光のうち、マイクロレンズ４１の外周部に到達するレーザ光Ｂは、半導体基板１０の第２の面１０ｂから射出されない。また、マイクロレンズ４１には、隣接するマイクロレンズ４１に対応する発光素子２０からのレーザ光が遮光部材４２によって到達し難くなり、迷光を大幅に低減することができる。遮光部材４２として、レーザ光を反射する金属膜、半導体多層反射膜、あるいは発光素子２０から射出されるレーザ光よりもバンドギャップが小さくレーザ光を吸光する半導体膜などを用いることができる。半導体多層反射膜、半導体膜は、たとえば半導体基板１０の第２の面１０ｂ側にエピタキシャル成長によって形成される。なお、遮光部材４２は、これらに限定されるものではなく、たとえばスピンコート法で塗布可能な材料であってもよい。また、ここでは、遮光部材４２は、膜状のものが示されているが、膜状のものでなくてもよく、バルク状のものであってもよい。

ここで、マイクロレンズ４１のレンズ径（レンズの直径）φの望ましい大きさについて説明する。レンズ状のフォトレジストをマスクとして半導体基板１０をドライエッチングすることによってマイクロレンズ４１を形成する場合には、フォトレジスト同士の干渉を防ぐために、マイクロレンズ４１のレンズ径φは、発光素子２０のピッチＸよりも小さくなければならない。すなわち、隣接するマイクロレンズ４１との間には、Ｘ−φの隙間がある。この隙間のことを残差という。この残差にレーザ光の透過を防ぐ遮光部材４２を被膜することで、迷光を防ぎ、レーザ光を小さいビームスポット径に集光することができる。

表面電極５１は、発光素子２０の保護膜２６上に設けられる。メサ構造２５の上部では保護膜２６は設けられていないので、表面電極５１は、上部反射層２３と電気的に接触することになる。また、半導体基板１０の第２の面１０ｂ側には裏面電極が設けられる。表面電極５１と裏面電極とは、発光素子２０の活性層に電流を流すために設けられる。遮光部材４２が導電性材料で構成される場合には、遮光部材４２が裏面電極を兼ねることもできる。

半導体基板１０として、ＧａＡｓ基板を用い、活性層として、ＩｎＧａＡｓを用いることができる。ＩｎＧａＡｓを活性層として用いる場合の発光素子２０の発振波長のピーク波長は、およそ８６０〜１２００ｎｍにある。また、この波長帯に含まれる９４０ｎｍ付近の波長帯は地球の大気によって吸収される波長帯の１つであり、レーザ光を使用した測距装置などに応用するときに低ノイズのシステムを構成することが可能となる。また、同様に９４０ｎｍ帯はＹｂ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）固体レーザの吸収係数が大きい波長帯であり、Ｙｂ：ＹＡＧ固体レーザの高効率な励起が可能となる。また、ＩｎＧａＡｓはＧａＡｓに対して圧縮歪みを持つ材料であり、半導体レーザの活性層として使用した場合、高い微分利得を持つ。したがって、低閾値発振が可能であり、高い効率の面発光レーザアレイ１を提供することができる。

また、半導体基板１０として、ＩｎＰ基板を用い、活性層としてＩｎＧａＡｓを用いてもよい。この場合の発光素子２０の発振波長のピーク波長は、１．３〜１．６μｍとなる。

下部反射層２１および上部反射層２３として、ＡｌＡｓ膜およびＡｌＧａＡｓ膜の対を複数積層させたものなどを用いることができる。電流狭窄層２４として、上部反射層２３を構成する材料であるＡｌＡｓ膜またはＡｌＧａＡｓ膜を用いることができる。また、ここでは、下部反射層２１および上部反射層２３として、半導体多層反射膜を用いる場合を示したが、低屈折率の誘電体膜と高屈折率の誘電体膜とを交互に複数積層した誘電体多層反射膜を用いてもよい。このような誘電体多層膜として、たとえば五酸化タンタルと二酸化ケイ素（Ｔａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂）とが交互に複数積層されたものを用いることができる。ただし、この場合には、下部反射層２１および上部反射層２３に電流を流すことができないので、イントラキャビティ構造にして電極を形成する必要がある。

共振器構成層２２中の下部スペーサ層および上部スペーサ層として、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。また、活性層として、ＩｎＧａＡｓＰを用いてもよい。

表面電極５１として、たとえば第１の面１０ａ側からＣｒ／ＡｕＺｎ／ＡｕまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層膜などを用いることができる。これらの材料を表面電極５１として使用する場合には、最表面が化学的に安定であるＡｕであるので、高い信頼性が得られる。また、裏面電極の材料として、オーミックコンタクトが可能な金属を用いることができる。裏面電極として、第２の面１０ｂ側からＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜などを用いることができる。

遮光部材４２として、Ａｕなどの金属材料を用いることができる。なお、Ａｕなどの金属材料を遮光部材４２として用いる場合には、遮光部材４２は、裏面電極を兼ねることもできる。

また、上記した説明では、ｎ型の半導体基板１０を用いる場合を説明したが、ｐ型の半導体基板１０を用いてもよい。この場合には、電流狭窄層２４が下部反射層２１側に設けられることになる。また、この場合の表面電極５１は、第１の面１０ａ側からＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜などを用いることができる。また、裏面電極として、第２の面１０ｂ側からＣｒ／ＡｕＺｎ／ＡｕまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層膜などを用いることができる。

つぎに、このような構造の面発光レーザアレイ１の製造方法について説明する。なお、発光素子２０の製造方法については、公知の技術を用いることができるので、概略を説明し、遮光部材４２の形成処理の部分について、図面を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態による遮光部材４２の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、半導体基板１０の第２の面１０ｂを上向きに配置した場合を示している。

まず、半導体基板１０の第１の面１０ａ上に、下部反射層２１、活性層を含む共振器構成層２２および上部反射層２３を含む半導体層を積層して形成する。半導体層の形成方法としては、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いることができる。

ついで、上部反射層２３上にフォトレジストを塗布し、リソグラフィ技術による露光処理と、現像処理と、を行うことによって、メサ構造２５が形成される領域にレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などのドライエッチング技術によって、共振器構成層２２が露出するまでエッチングし、メサ構造２５を形成する。メサ構造２５の上面における形状は、たとえば円形、楕円形、正方形、長方形、その他の形状であってもよい。また、メサ構造２５は、第１の面１０ａ上で正方格子状に配置されるように形成される。

その後、メサ構造２５の側面において露出している電流狭窄層２４となる半導体膜を、たとえば水蒸気雰囲気中で高温処理して酸化させ、半導体膜の周縁部に酸化領域２４２を形成する。電流狭窄層２４を構成する半導体膜のうち、酸化されなかった領域が電流狭窄領域２４１となる。これによって、電流狭窄層２４が形成される。

なお、活性層にＩｎＧａＡｓを用いる場合には、ＩｎＧａＡｓは、化学的に活性なＡｌを含まない材料であるため、結晶成長集の反応室に微量に存在する酸素が活性層中に取り込まれ難くなる。これによって、高い信頼性の面発光レーザアレイ１を提供することができる。

ついで、メサ構造２５を有する共振器構成層２２上の全面に保護膜２６を形成する。保護膜２６の形成方法としては、たとえば、プラズマＣＶＤ法などを用いることができる。その後、保護膜２６上にスピンコート法などの方法によってフォトレジストを塗布し、リソグラフィ技術による露光処理と、現像処理と、を行うことによって、メサ構造２５の上面が開口したレジストパターンを形成する。ついで、レジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ法などの異方性エッチング技術によって、メサ構造２５の上面に形成された保護膜２６を除去する。これによって、保護膜２６は、メサ構造２５の上面で開口を有するようになる。レジストパターンを除去した後、表面電極５１を保護膜２６上に形成する。これによって、表面電極５１が上部反射層２３と電気的に接続される。

その後、半導体基板１０の第２の面１０ｂにフォトレジストを塗布し、たとえばグレートーンマスクリソグラフィ技術による露光処理と、現像処理と、によって、マイクロレンズ４１の形成位置にレンズ状に成形したレジストパターンを形成する。その後、このレジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチング技術によってエッチングすることで、半導体基板１０の第２の面１０ｂにマイクロレンズ４１が形成される。マイクロレンズ４１は、第１の面１０ａに形成された発光素子２０に対応して、正方格子状に形成される。

なお、マイクロレンズ４１の形成方法は、これに限定されるものではない。たとえば、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上に半導体膜をエピタキシャル成長させ、この半導体膜上にレジストを塗布し、マイクロレンズ４１の形成位置にレジストが残るようにパターニングする。その後、レジストをリフローさせて凸レンズ状に変形させたレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクとして、エピタキシャル成長した半導体膜をＲＩＥ法などのドライエッチング技術でエッチングすることによってマイクロレンズ４１状の半導体膜を形成することができる。

また、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上のマイクロレンズ４１の形成位置に、光透過性を有する硬化樹脂の前駆体の溶液を滴下させ、前駆体を硬化させることによってマイクロレンズ４１を形成することもできる。さらに、上記以外の方法でマイクロレンズ４１を形成してもよい。

その後、図３（ａ）に示されるように、マイクロレンズ４１が形成された半導体基板１０の第２の面１０ｂ上にレジストを塗布し、リソグラフィ技術による露光処理と、現像処理と、を行うことによって、マイクロレンズ４１上にリフトオフ用のレジストパターン７１を形成する。

ついで、図３（ｂ）に示されるように、レジストパターン７１を形成した第２の面１０ｂ上に遮光部材４２を形成する。遮光部材４２は、遮光部材４２の種類に応じて真空蒸着法、スパッタリング法などの方法によって成膜される。遮光部材４２は、第２の面１０ｂ上およびレジストパターン７１上に形成される。そして、図３（ｃ）に示されるように、レジストパターン７１のリフトオフを行い、不要部を除去することによって、マイクロレンズ４１以外の領域に遮光部材４２が残される。以上によって、図２に示される面発光レーザアレイ１が得られる。

なお、遮光部材４２としてＡｕなどの金属材料を用いることで、裏面電極の機能を遮光部材４２に持たせることができる。これによって、遮光部材４２と裏面電極とを同時に形成することができるので、製造工程を簡略化することができる。このときの裏面電極は、上記した図３と同様の方法で形成することができる。

面発光レーザの構成としては、図１に示されるものに限定されない。図４は、第１の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の他の例を示す一部断面図である。この図４では、図１の場合とは上下が逆に描かれており、表面電極５１には接合材５６を介してヒートシンク５５と接続される構成となっている。接合材５６に代えて、電極を用いてもよい。なお、図１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

このような構成とすることで、動作時に主に発熱する活性層付近とヒートシンク５５との間の距離が近くなるため、放熱性が向上し、面発光レーザアレイ１の高効率化が可能となる。

つぎに、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上に遮光部材４２を設けない比較例と比較した第１の実施の形態による効果について説明する。図５は、比較例による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部断面図である。なお、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。すなわち、比較例の面光レーザアレイ１Ｃでは、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上のマイクロレンズ４１の形成位置以外の領域には、遮光部材４２が設けられていない。

各発光素子２０の共振器構成層２２内の発光領域２２１から発振されたレーザ光は、半導体基板１０を透過し、マイクロレンズ４１から外部に射出される。このとき、マイクロレンズ４１の内部を透過したレーザ光Ａはそのまま集光レンズへと入射する。しかし、マイクロレンズ４１外、すなわち第２の面１０ｂにおいてマイクロレンズ４１とマイクロレンズ４１との間の残差から射出されたレーザ光Ｂは、迷光となる。そして、この迷光によって、集光レンズ等を通して集光する際にスポット径が大きくなる不具合がある。

第１の実施の形態では、各発光素子２０の共振器構成層２２内の発光領域２２１から発振されたレーザ光のうち、マイクロレンズ４１の内部を透過したレーザ光Ａは、比較例と同様にそのまま集光レンズへと入射する。一方、マイクロレンズ４１外の残差に到達したレーザ光Ｂは、遮光部材４２によって反射または吸光される。また、他の発光領域２２１からマイクロレンズ４１に入射する意図していないレーザ光も遮光部材４２によって反射または吸光される。その結果、残差の部分から面発光レーザアレイ１の外側に射出される迷光を大幅に低減することができる。迷光を大幅に低減することができるということによって、面発光レーザから出射されるレーザ光の放射角を制御することができ、発光領域２２１から放出されたレーザ光がマイクロレンズ４１を通過する際の放射角を小さく抑えることができる。したがって、レーザ光を走査するための反射ミラーなどの対象物を小さくすることが可能になり、比較例に比して装置を小型化することができるという効果を有する。

また、半導体基板１０の第２の面１０ｂに半導体基板１０をエッチングしたり、レーザ光に対して透明な樹脂を硬化させたりして、マイクロレンズ４１を形成した。そのため、マイクロレンズ４１を石英またはガラス等から作製し、実装する必要がなく、部品数の削減および製造工程の削減が可能となり、面発光レーザアレイ１を低コストで製造することができるという効果も有する。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部下面図である。図６は、面発光レーザアレイ１を半導体基板１０の第２の面１０ｂ側から見た図である。第１の実施の形態では、発光素子２０の配置位置に合わせて、マイクロレンズ４１も正方格子状に配置されていたが、第２の実施の形態では、正六角形の各角部および中心に位置するように、発光素子２０およびマイクロレンズ４１を設けている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

第２の実施の形態では、発光素子２０およびマイクロレンズ４１を正六角形の各角部および中心に位置するように設けたので、等間隔で発光素子２０を配置する場合に最も密に配置することが可能となる。その結果、同じレーザ光の出力を得る際に、第１の実施形態の図２のように配置する場合と比較して、チップサイズを小さくすることができるという効果を有する。

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部側面断面図であり、図８は、第３の実施の形態による面発光レーザアレイの構成の一例を示す一部下面図である。第３の実施の形態による面発光レーザアレイ１では、半導体基板１０の第２の面１０ｂ側に設けられる遮光部材４２が、残差の部分だけではなく、マイクロレンズ４１の外縁から所定の範囲の周縁部も覆う構成となっている。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

前述のように、発光素子２０から射出されるレーザ光の放射角（発散角）を小さくするためには、半導体基板１０を厚くし、焦点距離の大きなマイクロレンズ４１により集光しなければならない。しかし、半導体基板１０を厚くすると、半導体基板１０内のレーザ光の発散により、ある発光素子からのレーザ光が隣接する発光素子に対応するマイクロレンズ４１、特にその周縁部に入射してしまい、迷光が発生してしまう。そこで、第３の実施の形態のように、マイクロレンズ４１の外縁から周縁部を被覆するように遮光部材４２を設けることで、隣接する発光素子２０からのレーザ光Ｂによる迷光を抑制しながら、出射されるレーザ光の放射角を小さくすることができ、集光スポット径をより小さくすることが可能となる。

また、一般的なマイクロレンズの形成方法では、マイクロレンズ４１の周縁部分まで所望の形状となるよう形成することは困難である。そのため、マイクロレンズ４１の周縁部分の曲率がマイクロレンズ４１の中央部の曲率と異なってしまう場合がある。このようなマイクロレンズアレイを用いる場合において、周縁部の狙いの曲率が得られていない部分に入射した光は、その光がレンズに対応する発光部から出射された光であったとしても、迷光となりうる。

本実施形態では、残差部のみでなくマイクロレンズ４１の周縁部も遮光部材４２で覆うよう構成しているため、レンズに対応する発光部から射出されたレーザ光によって発生しうる迷光も抑制することが可能となる。

ここで、遮光部材４２が覆うマイクロレンズ４１の周縁部の望ましい範囲について説明する。前述の通り、一般的にマイクロレンズアレイは、周縁部分を所望の曲率通りに作製することが難しい。周縁部の有効範囲外となる部分の大きさは、製法にもよるが最大でレンズ径φの１０％（レンズの外周から５％）になりうる。

一方、レンズの有効範囲内に遮光部材４２を設けた場合、所望のビーム整形がなされるはずのレーザ光を遮蔽してしまうため、面発光レーザからの出力を低下させてしまう。したがって、マイクロレンズ４１の周縁部に遮光部材４２を設ける範囲は、レンズ外周から０〜φ／２０の範囲で、プロファイルに合わせて適切に選択するのが望ましい。

図８に示されるように、マイクロレンズ４１の外縁からの遮光部材４２の被覆幅ｈは、０≦２ｈ≦φ／１０の範囲となる。このように、遮光部材４２は、マイクロレンズ４１間の残差部分と、マイクロレンズ４１の外縁から０≦２ｈ≦φ／１０を満たす被覆幅ｈの周縁部と、に設けられることになる。

つぎに、半導体基板１０の望ましい厚さについて説明する。上述したように、半導体基板１０の厚さを大きくすると、出射されるレーザ光をより小さいビームスポット径に集光することができる。しかし、半導体基板１０内部でのビーム径が大きくなってしまう、レーザ光が隣接するマイクロレンズ４１に入射し、迷光を発生させる。発光素子２０から発光されるレーザ光が、半導体基板１０に配置されたマイクロレンズ４１に入射するときのビーム径Ｄは、発光素子２０の発光領域２２１の大きさ（電流狭窄領域２４１の最も大きい開口長）をａとし、レーザ光の半導体基板１０中での放射角をθとし、発光部からレンズ出射面までの距離をｔとすると、次式（１）で表される。ただし、レンズ高さは基板厚さに比べて微小であるため、出射面全体にわたってｔは同一と考える。

発光素子２０からの光が、マイクロレンズ４１（４１−１）に隣接するマイクロレンズ４１（４１−２）の遮光部材を超えて隣接するマイクロレンズ４１（４１−２）に光が入射することは好ましくない。そのため、マイクロレンズ４１に入射させるビーム径Ｄは、「マイクロレンズ４１のピッチＸ＋遮光部材の幅２ｈ＋残差Ｘ−レンズ径φ」となるよう、次式（２）が成り立つことが好ましい。

（１）式および（２）式から、半導体基板１０の厚さｔは、素子間ピッチＸおよび遮光部材の幅２ｈに対して次式（３）を満たす値となる。

特に、レンズ径φの１０％を遮光部材で覆う場合、２ｈ＝φ／１０であるから、式（３）は次式（４）となる。

このような面発光レーザアレイ１での遮光部材４２の形成方法は、図３（ａ）において、第１の実施の形態の場合に比して、マイクロレンズ４１上に形成するレジストパターン７１の基板面内方向のサイズを小さくすればよい。たとえば、レジストパターン７１のサイズは、マイクロレンズ４１のレンズ径φの９０％の大きさとされる。これによって、図３（ｂ）で半導体基板１０の第２の面上に遮光部材４２を形成した場合に、マイクロレンズ４１の周縁部のレンズ径φの１０％以下の領域を遮光部材４２で覆うことができる。

次に、本実施形態の面発光レーザについてシミュレーションを行った結果を説明する。シミュレーションの対象とした面発光レーザの構成は、発光素子２０の発光領域２２１の大きさａが１０μｍ、レーザ光の半導体基板１０中での放射角θが６度、発光部から基板までの半導体層（おもに下部ＤＢＲ）が２．８μｍ、基板厚さが３００μｍ、発光素子およびレンズのピッチが３０μｍ、レンズ径が２８μｍ、レンズ間の残差が２μｍである。

図９は、上記の面発光レーザであって遮光部材４２が設けられていない場合の、マイクロレンズを通過した光の強度分布を示す図である。発光素子に対応するレンズから出射した光（Ａ）の他、レンズ間の残差部分から出射した光（Ｂ）と、隣接するレンズから出射した光（Ｃ）が確認された。

図１０は、上記の面発光レーザであって遮光部材４２を残差部分のみに設けた場合の、マイクロレンズを通過した光の強度分布を示す図である。図９と比較して、レンズ間の残差部分から出射した光（Ｂ）が抑制されている。一方、隣接するレンズから出射した光（Ｃ）は図９と同様に発生している。

図１１は、上記の面発光レーザであって遮光部材４２を残差部分およびレンズ周縁部に設けた場合の、マイクロレンズを通過した光の強度分布を示す図である。なお、ここでは遮光部材で覆う領域はレンズ径の１０％とした。図１０と比較して、隣接するレンズから出射した光（Ｃ）も抑制することができていることがわかる。

（第４の実施の形態）
図１２は、第４の実施の形態による面発光レーザアレイのマイクロレンズ部分の構成の一例を示す断面図である。第４の実施の形態では、裏面電極４３に透明導電性材料を用い、半導体基板１０の第２の面１０ｂ上の全面に裏面電極４３が形成される場合を示している。透明導電性材料として、たとえば、Ｉｎ₂Ｏ₃：Ｓｎ，ＳｎＯ₂：Ｆ，ＺｎＯ：Ａｌ，ＺｎＯ：Ｇａ，グラフェンなどを用いることができる。なお、その他の構成は、第１〜第３の実施の形態で説明したものと同様である。

このような構造の面発光レーザアレイ１の製造方法は、第１の実施の形態のようにマイクロレンズ４１間の残差部分、または第３の実施の形態のように残差部分に加えてマイクロレンズ４１の周縁部に遮光部材４２を形成した後、透明導電性材料からなる裏面電極４３を半導体基板１０の第２の面１０ｂ上に形成すればよい。

第４の実施の形態では、裏面電極４３に透明導電性材料を用いたので、マイクロレンズ４１および遮光部材４２が形成された半導体基板１０の第２の面１０ｂ上の全面に裏面電極４３を形成することができる。これによって、マイクロレンズ４１の表面に裏面電極４３をよりコンタクトさせることができるので、低抵抗化させることができるという効果を有する。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では、第１〜第４の実施の形態で説明した面発光レーザアレイ１を検出装置に適用した場合を説明する。ここでは、検出装置として、レーザ光により対象物との距離の測定や形状マッピングを行うＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、または、Laser Imaging Detection and Ranging）装置１００を例に挙げる。

図１３は、第５の実施の形態によるＬｉＤＡＲ装置の構成の一例を示す概略図である。ＬｉＤＡＲ装置１００は、光学的に距離を計測する距離計測装置の一例である。ＬｉＤＡＲ装置１００は、レーザ光を投光する投光部１１０と、対象物１４１からの反射光Ｌrefを受光する受光部１２０と、投光部１１０の制御と受信反射光に基づく距離演算を行う制御・信号処理部１３０と、を有する。

投光部１１０は、レーザ光源１１１と、投光レンズ１１３と、走査部としての可動ミラー１１４と、を有する。レーザ光源１１１には、第１〜第４の実施の形態で説明した面発光レーザアレイ１が使用される。可動ミラー１１４は、投光レンズ１１３から入射するレーザ光を、所望の走査範囲１４０に走査する。

受光部１２０は、集光光学系１２１と、光学フィルタ１２２と、受光素子１２３と、を有する。集光光学系１２１は、対象物１４１からの反射光Ｌrefを集光し、光学フィルタ１２２を通して、受光素子１２３に入射させる。光学フィルタ１２２は、レーザ光源の発振波長近傍の所定の範囲の波長のみを透過させるフィルタである。発振波長と異なる波長をカットすることで、受光素子１２３に入射する光のＳ／Ｎ（信号対雑音）比が向上する。受光素子１２３は、光学フィルタ１２２を透過した光を電気信号に変換する。

制御・信号処理部１３０は、レーザ光源１１１を駆動するレーザ光源駆動回路１３１と、可動ミラー１１４の動き（または偏向角）を制御する制御回路１３２と、対象物１４１の距離を計算する信号処理回路１３３を有する。レーザ光源駆動回路１３１は、レーザ光源１１１の発光タイミングと発光強度を制御する。

ＬｉＤＡＲ装置１００での動作について説明する。レーザ光源１１１からの光は、投光レンズ１１３により、可動ミラー１１４に導かれ、可動ミラー１１４によって走査範囲１４０内に存在する対象物１４１に走査光Ｌscanとして照射される。対象物１４１で反射された反射光Ｌrefは、集光光学系１２１、光学フィルタ１２２を経て、受光素子１２３で受光される。受光素子１２３は入射光量に応じた光電流を検出信号として出力する。信号処理回路１３３は、レーザ光源駆動回路１３１から供給される発光タイミング信号と検出信号の時間差とに基づいて距離演算を行い、対象物１４１からの距離を計算する。

第５の実施の形態では、マイクロレンズ４１から射出されるレーザ光をより小さいビームスポット径に集光することができる、第１〜第４の実施の形態で説明した面発光レーザアレイ１をレーザ光源１１１として用いた。そのため、レーザ光源１１１から射出されるレーザ光を受ける光学部品を小型化することができるので、検出装置自体も小型化することができるという効果を有する。

（第６の実施の形態）
第６の実施の形態では、第１〜第４の実施の形態で説明した面発光レーザアレイ１をレーザ装置に適用した場合を説明する。

図１４は、第６の実施の形態によるレーザ装置の構成の一例を示す概略図である。レーザ装置２００は、レーザ光源２０１と、第１集光光学系２０３と、光ファイバ２０４と、第２集光光学系２０５と、レーザ共振器２０６と、射出光学系２０７と、を備える。なお、図１４では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、レーザ光源２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。

レーザ光源２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。レーザ光源２０１には、第１〜第４の実施の形態で説明した面発光レーザアレイ１が使用される。そして、レーザ光源２０１から光を射出する際には、複数の発光部は、同時に発光される。

なお、面発光レーザアレイは、温度による波長ずれが非常に少ないため、波長ずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。

第１集光光学系２０３は、集光レンズであり、レーザ光源２０１から射出された光を集光する。なお、第１集光光学系２０３は、複数の光学素子から構成されていてもよい。

光ファイバ２０４は、第１集光光学系２０３によって光が集光される位置にコアの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。光ファイバ２０４を設けることによって、レーザ光源２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置くことができる。光ファイバ２０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。

第２集光光学系２０５は、集光レンズであり、光ファイバ２０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。なお、光の品質等により、第２集光光学系２０５として、複数の光学素子を用いる場合もある。第２集光光学系２０５で集光された光は、レーザ共振器２０６に入射する。

レーザ共振器２０６は、第２集光光学系２０５から射出されたレーザ光を共振させ増幅させるＱスイッチレーザであり、たとえば固体レーザ媒質２０６ａ、および可飽和吸収体２０６ｂを有している。固体レーザ媒質２０６ａとして、たとえばＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いることができる。可飽和吸収体２０６ｂとして、たとえばＣｒ：ＹＡＧ結晶を用いることができる。そして、レーザ共振器２０６は、固体レーザ媒質２０６ａと可飽和吸収体２０６ｂとが接合されている。

第２集光光学系２０５からの光は、固体レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系２０５からの光によって固体レーザ媒質２０６ａが励起される。なお、レーザ光源２０１から射出される光のピーク波長は、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い９１０〜９７０ｎｍであることが望ましい。そして、可飽和吸収体２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。

固体レーザ媒質２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面２０６１、および可飽和吸収体２０６ｂの射出側（＋Ｚ側）の面２０６２は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、固体レーザ媒質２０６ａの入射側の面２０６１を「第１の面」ともいい、可飽和吸収体２０６ｂの射出側の面２０６２を「第２の面」ともいう。

そして、第１の面２０６１および第２の面２０６２には、レーザ光源２０１から射出される光の波長、およびレーザ共振器２０６から射出される光の波長に応じた誘電体多層膜がコーティングされている。

具体的には、第１の面２０６１には、波長が９１０〜９７０ｎｍの光に対して十分に高い透過率を示し、波長が１０３０ｎｍの光に対して十分に高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第２の面２０６２には、波長が１０３０ｎｍの光に対して所望の閾値が得られるように選択された反射率を示すコーティングがなされている。これにより、レーザ共振器２０６内で光が共振し増幅される。

射出光学系２０７は、レーザ共振器２０６から射出されたレーザパルスを集光して外部に射出する。

このような構成のレーザ装置は、たとえば内燃機関の点火装置、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置等に利用される。

１ 面発光レーザアレイ
１０ 半導体基板
１０ａ 第１の面
１０ｂ 第２の面
２０ 発光素子
２１ 下部反射層
２２ 共振器構成層
２３ 上部反射層
２４ 電流狭窄層
２５ メサ構造
２６ 保護膜
４１ マイクロレンズ
４２ 遮光部材
４３ 裏面電極
５１ 表面電極
２２１ 発光領域
２４１ 電流狭窄領域
２４２ 酸化領域

特開２０１４−００７２９３号公報

Claims (10)

1. 基板の第１の面上に設けられ、前記第１の面に交差する方向に光を射出する複数の面発光レーザ素子と、
   前記基板の前記第１の面に対向する第２の面上に、前記面発光レーザ素子に対応して配置され、前記光の放射角を変更する複数の光学素子と、
   前記基板の前記第２の面上の前記複数の光学素子の間の領域に配置される遮光部材と、
   を備える面発光レーザアレイ。
2. 前記遮光部材は、前記光学素子の周縁部も被覆する請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
3. 前記光学素子上で前記遮光部材によって覆われる領域は、前記光学素子の直径に対して１０％以下の領域である請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
4. 前記遮光部材は、前記基板の前記第２の面側の電極を兼ねている請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光レーザアレイ。
5. 前記第２の面上の前記光学素子上および前記遮光部材上に設けられ、透明導電性材料からなる裏面電極をさらに備える請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光レーザアレイ。
6. 前記基板は、ＧａＡｓ基板であり、
   前記面発光レーザ素子は、ＩｎＧａＡｓからなる活性層を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の面発光レーザアレイ。
7. 前記面発光レーザ素子が出射する前記光のピーク波長は、９１０〜９７０ｎｍの範囲にある請求項１〜６のいずれか１つに記載の面発光レーザアレイ。
8. 前記基板の厚さｔは、前記基板中の前記光の前記放射角をθとし、前記面発光レーザ素子間のピッチをＸとし、前記光学素子の直径をφとし、前記面発光レーザ素子での発光領域をａとしたときに、次式（１）を満たす請求項１〜７のいずれか１つに記載の面発光レーザアレイ。
   
9. 請求項１〜８のいずれか１つ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の前記面発光レーザ素子から射出された光を受光する受光部と、
   を備える検出装置。
10. 請求項１〜８のいずれか１つ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から射出された光を共振させる固体レーザ媒質を含むレーザ共振器と、
    を備えるレーザ装置。