JP2023076215A - 面発光型モジュール、および、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズと発光素子の上面との距離の精度を向上させ、発光素子から出射される光をマイクロレンズによって高精度に集光させることのできる面発光型モジュールを提供する。【解決手段】封止蓋に貫通孔を設け、貫通孔の内壁にレンズ保持台を設ける。マイクロレンズは、貫通孔内に配置し、レンズ保持台の上面と第１接合部により固定する。発光素子の上面は、レンズ保持台の下面と第２接合部により固定する。搭載部に凹部を設け、その縁と、封止蓋の下面とを第３接合部によって接合する。第１接合部および第２接合部は、いずれもフラックスを含まない金属接合により接合する。第３接合部は、はんだまたは接着剤により接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズアレイを一体化した半導体発光装置に関し、特に光源として垂直共振器型面発光レーザー（以下、VCSELと呼ぶ）を用いた半導体発光装置に関する。

垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）とマイクロレンズアレイを集積した半導体発光装置として、種々の構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、マイクロレンズに高さの等しい複数本の脚部を設け、VCSELが搭載されている基板上に立設させることにより、素子の厚み誤差や方向誤差に左右されず、マイクロレンズを信頼性・再現性の良く基板上に実装する装置が開示されている。また、この構造では、素子封止のために、基板にマイクロレンズの脚部を挿入するための凹部を設けている。

また、特許文献２には、VCSELを外部の湿気から保護するために、凹部を備えた導電性放熱基板の凹部内にVCSELを実装し、凹部の開口を封止用ガラス基板で封止した構造が開示されている。VCSELの上部電極は、封止用ガラス基板の下面に接触しており、ガラス基板の下面に設けられた透明電極に電気的に接続されている。

特許文献３には、マイクロレンズに脚部を設け、VCSELが搭載される基板上に搭載する構造が開示されている。製造時には、マイクロレンズの脚部の下面と、基板との間を、溶融した接着剤（AuSn）によって満たし、溶融した接着剤の復元力により、基板とマイクロレンズの脚部とを、基板の主平面内においてセルフアライメントさせる。

特許文献４には、発光体からの出力光を平行ビームとして取り出すために、面発光レーザーが搭載された基板上に、脚部を設けた成形レンズを搭載し、はんだバンプで固定した構造が開示されている。

特許文献５には、基板に搭載された発光チップの側面に接するように周囲に支持枠を立設させ、支持枠の最上部にレンズを搭載した構造が開示されている。支持枠の内側には、発光チップの高さよりも高い位置に突起が設けられ、突起と発光チップ上面との間は、溶接ボールが挿入されている。これにより、発光チップの上面は、フレームと電気的に接続されている。また、発光チップと基板との間には、発光チップと同サイズの放熱基板が挟まれ、放熱基板と発光チップとは、導電性接着剤層により接着されている。

特許第5107559号公報 特開2009-027088号公報 特許第6536004号公報 特開2006-202998号公報 特許第6821630号公報

VCSELから出射される光のマイクロレンズによる集光精度を向上させ、マイクロレンズから出射されるビーム径をより小さくするためには、VCSELの発光面とマイクロレンズとの距離の精度を向上させる必要がある。

しかしながら、特許文献１の構造の場合、マイクロレンズに複数本の脚部を設けるため、複数本の脚部の精度が、VCSELの発光面とマイクロレンズとの距離に影響を与える。また、VCSEL自体の高さの誤差や、VCSELを基板に固定するための接合材の高さの誤差が、VCSELの発光面とマイクロレンズとの距離の誤差になる。

特許文献２の構造は、ガラス基板をVCSELの上面に直接接合するため、この構造でガラス基板にマイクロレンズ構造を適用する場合、ガラス基板の上面をマイクロレンズ構造に加工する必要がある。ガラス基板の上面をマイクロレンズ構造にする場合、ガラス基板の厚みによってVCSELとマイクロレンズとの距離が決定される。また、ガラス基板の上面にマイクロレンズ構造への加工性および耐久性を担保するためには、ガラス基板として一定の厚さ以上のものを用いる必要がある。VCSELとマイクロレンズ間の距離の設計自由度が極めて重要であるが、特許文献２の構造の場合、VCSELとマイクロレンズ間の距離が、ガラス基板の厚さによって決まってしまうという問題が生じる。

また、特許文献２の構造において、ガラス基板の上面にマイクロレンズ構造を設けた場合、上面が凹凸になるため、製造工程において、ガラス基板の上面を吸着ピンセットで吸着して保持する際に、通常の吸着ピンセットでは吸着できず、特殊な形状の治具を真空ピンセットの先端に取り付ける必要がある。

特許文献３、４の構造は、マイクロレンズとVCSELの上面との距離の精度が、マイクロレンズと基板との間を満たす溶融した接着剤（AuSn）やはんだバンプの高さの精度に依存するという問題がある。溶融した接着剤（AuSn）やはんだバンプの高さ精度は、接着剤やバンプの量や濡れ広がり方に依存し、精度を向上させるのには限界がある。

特許文献５の構造は、マイクロレンズとVCSELの上面との距離の精度が、どVCSELを放熱基板に接着する導電性接着剤層の厚さの誤差と、VCSELの高さの誤差によって決まる。導電性接着剤層は、接着時にVCSELを押し付ける押圧により容易に厚さが変化するため、製造誤差が大きい。そのため、特許文献５の構造は、マイクロレンズとVCSELの上面との距離の精度向上させるのが難しい。

本発明の目的は、マイクロレンズと発光素子の上面との距離の精度を向上させ、発光素子から出射される光をマイクロレンズによって高精度に集光させることのできる面発光型モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の面発光型モジュールは、上面に凹部が形成された搭載部と、凹部の開口を覆って封止する封止蓋と、凹部内に配置され、上面から発光する発光素子と、発光素子から発せられた光を所望のビーム形状にするマイクロレンズとを有する。

封止蓋は、貫通孔と、所定の厚さのレンズ保持台とを備えている。

マイクロレンズは、レンズ保持台の上面と第１接合部により固定される。

発光素子の上面は、レンズ保持台の下面と第２接合部により固定される。

搭載部の凹部の縁と、封止蓋の下面とは、第３接合部によって接合される。

第１接合部および第２接合部は、いずれもフラックスを含まない金属接合による接合部であり、第３接合部は、はんだまたは接着剤による接合部である。

本発明によれば、発光素子とマイクロレンズの距離が、これらがいずれも金属接合によって接合されるレンズ保持台の厚さによって決まるため、発光面である発光素子の上面とマイクロレンズとの距離精度を高めることができ、発光素子からの光をマイクロレンズによって精度よく集光することができる。

本発明の実施形態１の面発光型モジュール１００の断面図。 実施形態１の面発光型モジュール１００の各部品の斜視図。 実施形態１の面発光型モジュール１００の（ａ）封止蓋１３の下面図、（ｂ）サブマウント基板１１の上面図、（ｃ）VCSEL３１の上面図、（ｄ）VCSEL３１の下面図。 （ａ）～（ｃ）実施形態１の面発光型モジュール１００の組み立て工程を説明する斜視図。 実施形態１の面発光型モジュール１００のVCSEL３１の一部断面図。 実施形態２の面発光型モジュール１００の（ａ）VCSEL３１の上面図、（ｂ）VCSEL３１の下面図、（ｃ）サブマウント基板１１の上面図。 本発明の実施形態２の面発光型モジュール１００の断面図。 実施形態２の面発光型モジュール１００の組み立て工程を説明する斜視図。 実施形態３の面発光型モジュール１００の（ａ）封止蓋１３の下面図、（ｂ）サブマウント基板１１の上面図。 （ａ）～（ｄ）実施形態３の面発光型モジュール１００の組み立て工程を説明する斜視図。

本発明の一実施形態について図面を用いて以下に説明する。

＜＜＜実施形態１＞＞＞
＜＜概要＞＞
実施形態１の面発光型モジュールについて図１等を用いて説明する。図１は、に実施形態１の面発光型モジュール１００の断面図である。図２は、面発光型モジュール１００の各部品の斜視図である。

図１および図２のように、面発光型モジュール１００は、上面に凹部１２が形成された搭載部１１と、凹部１２の開口を覆って封止する封止蓋１３と、発光素子３１と、マイクロレンズ１５とを備えて構成される。

発光素子３１は、上面から発光する面発光素子である。本実施形態では、発光素子３１として、垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）を用いる。

封止蓋１３は、中央に上下に貫通する貫通孔を備えている。貫通孔の内壁には、貫通孔の内側に向かって突出するレンズ保持台１６が設けられている。レンズ保持台１６は、所定の一様な厚さｄ２を有している。ここでは、封止蓋１３は、板状であり、レンズ保持台１６は、封止蓋１３の主平面に平行に貫通孔の内壁から突出している。

貫通孔の内壁形状は、マイクロレンズ１５の外形に一致する形状であり、レンズ保持台１６は、貫通孔の内壁の全周に沿って設けられている。レンズ保持台１６の下面は、封止蓋１３の下面と連続した平面となるように形成されている。

マイクロレンズ１５は、封止蓋１３の貫通孔内のレンズ保持台１６の上部空間（レンズ嵌合部１３ａ）に嵌合され、レンズ保持台１６の上面と第１接合部１４により固定されている。

なお、ここでは、封止蓋１３の貫通孔内にレンズ保持台１６を設けれているが、封止蓋１３に貫通孔を設け、封止蓋１３自体をレンズ保持台１６として用いることも可能である。すなわち、封止蓋１３の上面にマイクロレンズ１５を第1接合部１４により接合する構成にしてもよい。

搭載部１１として、ここでは凹部１２を設けたサブマウント基板（以下、サブマウント基板１１と呼ぶ）を用いる。なお、搭載部１１は、板状のサブマウント基板に凹部１２を成形や切削等により設けたものに限定されるものではなく、所望の形状の部材に縁部材を接合したもの等、凹部１２が形成された所望の形状の部材を搭載部１１として用いることが可能である。

発光素子３１は、サブマウント基板１１の凹部１２内に配置され、レンズ保持台１６の下面に対して、第２接合部１７により固定されている。

これにより、発光素子３１の上面（発光面）と、マイクロレンズ１５は、レンズ保持台１６を挟んで対向した構造となる。マイクロレンズ１５は、発光素子３１の上面から発せられた光を所望のビーム形状にして、マイクロレンズ１５の上面から上方に出射する。

発光素子３１の上面とマイクロレンズ１５の下面との距離は、レンズ保持台１６の厚さと、第１接合部１４と、第２接合部１７の厚さによって決定される。

一方、サブマウント基板１１の凹部１２の縁と、封止蓋１３の下面とは、第３接合部１８によって接合されている。

また、本実施形態では、発光素子３１の下面とサブマウント基板１１の凹部１２とは、第４接合部１９によって接合されている。

このとき、第１接合部１４および第２接合部１７は、いずれもフラックスを含まない金属接合による接合部であり、第３接合部１８は、フラックスを含むはんだまたは接着剤による接合部である。

第１接合部１４および第２接合部１７のようにフラックスを含まない金属接合としては、フラックスを含まない共晶接合、および、拡散接合を含む。フラックスを含まない共晶接合による接合部は、共晶を構成する２以上の金属を含有する層、または、共晶を構成する２以上の金属の層の積層体を気相成長法等により、予め膜厚を精度よくコントロールして形成しておき、接合時に、これらの層を共晶温度まで加熱することにより形成することができる。また、拡散接合による接合部は、２以上の金属を固相のまま、超音波により摺合わせたり、加熱押圧することにより形成することができる。本実施形態では、フラックスを含まない金属接合として、フラックスを含まない共晶接合を用いる場合を例に説明する。

すなわち、本実施形態では、発光素子３１の上面とマイクロレンズ１５の下面との距離を決定する要素となる第１接合部１４と、第２接合部１７を、フラックスを含まない金属接合にしたことにより、厚さを高精度にコントロールして製造することができる。これにより、発光素子３１の上面とマイクロレンズ１５の下面との距離を、高い精度で所定の距離に形成することができる。

一方、第３接合部１８は、はんだまたは接着剤による接合部であるので、はんだや接着剤を、サブマウント基板１１の凹部１２の縁および封止蓋１３の下面の縁の片方または両方に塗布した後、両者を位置合わせして硬化させることにより形成することができる。

このとき、未硬化のはんだや接着剤の厚さは、封止蓋１３の押圧量や、はんだまたは接着剤の塗布量によって、容易に調整することができるため、サブマウント基板１１の凹部１２の縁と封止蓋１３の下面を固定する第３接合部１８を所望の厚さで形成することができる。

また、はんだや接着剤は、気密に封止するのに必要な量を容易に塗布して硬化させることができるため、気密に封止する第３接合部１８を形成できる。

また、はんだを用いる場合、たとえ共晶はんだであっても、フラックスを含有させることにより、溶融させるために必要な加熱温度を、フラックスを含有しない共晶接合よりも低温にすることができる。接着剤の硬化に必要な温度は、一般的に、金属の共晶温度よりも低温である。よって、フラックスを含まない共晶接合部である第１接合部１４および第２接合部１７よりも低温で、第３接合部１８を接合することができるため、第１接合部１４および第２接合部１７を再溶融させることなく、第３接合部１８を接合できる。

また、第３接合部１８のみならず第４接合部１９も、はんだまたは接着剤による接合部にすることにより、発光素子３１の高さが設計変更や誤差が生じたり、凹部１２の深さに誤差が生じた場合であっても、第３接合部１８または第４接合部１９のはんだまたは接着剤の塗布量を調整したり、封止蓋１３の押圧量を調整することにより、発光素子３１の高さが設計変更や誤差や凹部１２の深さの誤差があっても、それらに対応して、第３接合部１８の気密封止および発光素子３１の底面の接合が可能である。

また、本実施形態では、マイクロレンズ１５の下面のうち、レンズ保持台１６に固定されていない領域に所望のレンズ形状が形成されている。マイクロレンズ１５の上面は、平面である。これにより、発光素子３１からレンズ形状（マイクロレンズ１５の下面）までの距離は、レンズ保持台１６の厚さｄ２と第１接合部１４および第２接合部１７の厚さによって決まり、マイクロレンズ１５の厚さに依存しない。よって、発光素子３１の上面からの光を、マイクロレンズ１５のレンズ面によって集光することができる。

また、サブマウント基板１１の凹部１２の縁と封止蓋１３を接合する第３接合部１８を、はんだまたは導電性の接着剤により構成することにより、導電性にすることが可能である。この場合、封止蓋１３の下面に、金属層２０を配置して、金属層２０が第３接合部１８および第２接合部１７に接触して、両者を電気的に接続する構成にすることができる。これにより、発光素子３１の上面の上面電極（不図示）を、第２接合部１７、金属層２０、および、第３接合部１８を介して、サブマウント基板１１に電気的に接続することができる。これにより、サブマウント基板１１から発光素子３１の上面電極に給電することができる。例えば、サブマウント基板１１が絶縁性である場合、第３接合部１８に接する位置に、ビアを設け、ビア内に導電体（金属）を充填した第１導電体領域２１を形成することにより、第１導電体領域２１を介して、発光素子３１の上面電極に給電できる。

また、発光素子３１の下面とサブマウント基板の凹部の底面とを接続する第４接合部１９を、導電性の接合部にすることにより、発光素子３１の下面に配置された下面電極を第４接合部１９を介して基板と電気的に接続することができる。例えば、サブマウント基板１１の第４接合部１９が接する位置に、ビアを設け、ビア内に導電体を充填した第２導電体領域２２を形成することにより、第２導電体領域２２を介して、発光素子３１の下面電極に給電できる。

なお、第３接合部１８および第４接合部１９は、フラックスを含有するはんだで形成した場合、第３接合部１８および第４接合部１９は、フラックス残渣を含有する。これに対し、第１接合部１４および第２接合部１７は、フラックスを含まない共晶接合部であるので、フラックス残渣を含有しない。

＜＜具体的な構造例＞＞
本実施形態の面発光型モジュール１００の具体的な構造の一例について説明する。なお、本実施形態の面発光型モジュール１００は、下記構成に限定されるものではない。

面発光型モジュール１００は、発光素子（以下、VCSELと呼ぶ）３１の上面からの出射光が、マイクロレンズ１５に入射し、コリメートされた光が上方に向かって放射される。

＜サブマウント基板１１＞
サブマウント基板１１は、AlN（窒化アルミニウム）から成る絶縁性の基板に、Cu（銅）が充填されたビアを設けることにより、第１導電体領域２１および第２導電体領域２２を形成している。

＜封止蓋１３＞
封止蓋１３は、サブマウント基板１１と同一材料であるAlNから成り、レンズ保持台１６を有する貫通穴が中央部に形成され、貫通孔にはマイクロレンズ１５が嵌合されている。

＜マイクロレンズ１５＞
マイクロレンズ１５は、合成石英ガラスから成り、下面の中央領域がレンズ形状に加工されている。図１の例では、マイクロレンズ１５の下面の中央領域はアレイレンズの形状に加工されている。マイクロレンズ１５下面の周縁部および上面全体は、平面である。レンズ形状に加工された中央領域は、VCSEL３１の上面の発光領域と対向している。マイクロレンズ１５のレンズ材料は、VCSEL３１の発光波長に応じて、合成石英ガラスをはじめとするガラス材料やプラスチック材料等、任意の材料から適切なものを選択することが好ましい。

＜VCSEL３１＞
図３（ｃ）に示すように、VCSEL３１は、単数、またはマトリクス状に配列された複数の発光領域３１ｃを有し、発光領域３１ｃ以外の素子上面にAu層である上面電極３１ａが設けられている。一方、図３（ｄ）に示すように、VCSEL３１の素子下面には、共通の下面電極３１ｂとしてAu層が備えられている。VCSEL３１の詳しい層構造については、後述する。

＜第１～第４接合部＞
サブマウント基板１１の下面全体には、金属層２０として、Au層が設けられている。

マイクロレンズ１５とレンズ保持台１６とを接合する第１接合部１４は、フラックスを含まないAuSn共晶により構成されている。

レンズ保持台１６とVCSEL３１とを接合する第２接合部１７は、フラックスを含まないAuSn共晶により構成されている。

封止蓋１３とサブマウント基板１１とを接合する第３接合部１８は、例えばAgやAu、Cu、Snといった金属とフラックスから成るはんだペースト、ボールはんだ、Auバンプによって形成される。

VCSEL３１とサブマウント基板１１とを接合する第４接合部１９は、例えばAgやAu、Cu、Snといった金属とフラックスから成るペースト、ボールはんだ、Auバンプによって形成される。なお、第４接合部１９と第３接合部１８とを同じ材料で構成する等、同じ焼成温度で焼成できる材料で構成することにより、同一の工程で第4接合部１９と第3接合部１８とを同時焼成することが可能になる。

＜各部のサイズの一例＞
各部のサイズの一例は以下の通りである。VCSEL３１のチップサイズは、横1.4mm*縦0.9mm*厚さ0.2mmである。サブマウント基板１１の外形は、横2.4mm*縦1.9mm*厚さ0.4mmである。封止蓋１３の外形は、横2.4mm*縦1.9mm*厚さ0.8mmである。マイクロレンズ１５の外形は横1.0mm*縦1.0mm*厚さ0.6mmである。レンズ保持台１６が設けられている位置の封止蓋１３の貫通孔（レンズ窓）の形状は、横1.0mm*縦1.0mm*厚さ0.2mmである。ただし、上記寸法は一例であり、本実施形態の面発光型モジュール１００のサイズを限定するものではない。

＜製造方法の一例＞
以下、本実施形態の面発光型モジュール１００の製造方法について図２～図４を用いて説明する。

（封止蓋１３の製造工程例）
AlN板を用意し、レンズ保持台１６とレンズ嵌合部１３ａを有する貫通穴を中央に設けることにより、封止蓋１３を製造する。

このとき、レンズ保持台１６の厚さd2は、このあと形成される第１接合部１４および第２接合部１７の厚さと合わせて、マイクロレンズ１５とVCSEL３１との距離を決定するため、予め設計したおいた値と等しくなるように精度よく形成する。また、レンズ嵌合部１３ａの高さd3は、マイクロレンズの厚みもしくはそれ以下となるように設計されている。

次に、図３（ａ）に示したように、封止蓋１３の下面の全体に、金属層２０として、Au層を厚さ1μｍで形成する。また、VCSEL３１と接合する第２接合部１７となる領域に、AuSn層（組成：Au80％、Sn20％）を厚さ3μｍに成膜する。

また、図２のレンズ保持台１６の上面全体には、第１接合部１４の一部となるAu層を厚さ1μｍに成膜する。

（サブマウント基板１１の製造工程例）
AlN板を用意し、VCSEL３１を実装部するための凹部１２を所定の深さｄ１で形成する。AlN板の凹部１２の縁の位置と、凹部１２底面のVCSEL３１を搭載する領域に、サブマウント基板１１を厚さ方向に貫通するにビアを設け、Cuを充填することにより、第１導電体領域２１と、第２導電体領域２２を形成する。これにより、サブマウント基板１１を製造する。

つぎに、図２および図３（ｂ）に示すように、サブマウント基板１１の凹部１２の縁の上面領域１１ａと、凹部１２の底面のVCSEL３１を接合する領域１１ｂにAu層を成膜する。

（マイクロレンズ１５の製造工程例）
下面の中央領域がレンズアレイに加工されたマイクロレンズ１５を用意し、下面の周縁部に、第１接合部１４の一部となるAuSn層（組成：Au80％、Sn20％）を厚さ3μｍに成膜する。

（組み立て工程例）
まず、図４（ａ）のように、VCSEL３１の上面電極３１ａ（Au電極）の周縁部と、封止蓋１３の下面のAuSn層を位置合わせして接触させ、VCSEL３１と封止蓋１３とをAuSnの共晶点（２８０℃）に加熱する。これにより、AuSn共晶の第２接合部１７を形成し、封止蓋１３の下面にVCSEL３１をフラックスを含まないAuSn共晶により接合する。

つぎに図４（ｂ）のように、マイクロレンズ１５を封止蓋１３のレンズ嵌合部１３ａに嵌合し、マイクロレンズ１５の下面の周縁部のAuSn層と、レンズ保持台１６の上面のAu層とを接触させ、封止蓋１３とマイクロレンズ１５とをAuSnの共晶点（２８０℃）に加熱する。これにより、AuSn共晶の第１接合部１４を形成し、封止蓋１３の上面にマイクロレンズ１５をフラックスを含まないAuSn共晶により接合する。

これにより、マイクロレンズ１５の外周とレンズ保持台１６には、AuSn共晶の金属膜である第１接合部１４が形成され、マイクロレンズ１５の外周は封止される。また、図４（ａ）でVCSEL３１を封止蓋１３に固定した後、図４（ｂ）の工程でマイクロレンズ１５を封止蓋１３に工程することにより、VCSEL３１とマイクロレンズ１５を精度よく位置合わせすることができる。

つぎに、図４（ｃ）に示すように、サブマウント基板１１の凹部１２のVCSEL３１を接合する領域１１ｂのAu層と、凹部１２の周縁の上面領域１１ａのAu層にAuSn 共晶はんだペーストを塗布する。AuSn 共晶はんだペーストは、フラックスを含有する。

そして、マイクロレンズ１５およびVCSEL１３が接合されている封止蓋１３を、サブマウント基板１１に搭載して、所定の温度（例えば280℃）に加熱して、AuSn 共晶はんだペーストを焼成する。

これにより、AuSn共晶により封止蓋１３の周縁部とサブマウント基板１１の凹部１２の縁とを接合する第３接合部１８を形成すると同時に、VCSEL３１の下面電極３１ｂをサブマウント基板１１の凹部１２の領域１１ｂに接合する第４接合部１９を形成する。

第３接合部１８と第４接合部１９を形成することにより、VCSEL３１の上面電極３１ａと下面電極３１ｂを、サブマウント基板１１の第１導電体領域２１と第２導電体領域２２に電気的に接続することができる。同時に、封止蓋１３とサブマウント基板１１の外周部を気密封止することができる。

以上の工程により、面発光型モジュール１００を製造することができる。なお、この後の工程で、面発光型モジュール１００のサブマウント基板１１は、図示していない放熱回路基板に実装される。

上記組み立て工程では、高温に加熱する必要があるフラックスを用いない共晶接合の第１接合部１４と第２接合部１７の形成を、フラックスを含有する共晶はんだペーストを用いる第３接合部１８および第４接合部１９の形成よりも前に行う。よって、第３接合部１８および第４接合部１９の接合の際に、第１接合部１４と第２接合部１７のAuSn共晶の再溶融を防止できる。

＜VCSEL３１の構造例＞
ここで、VCSEL３１の構造の一例について具体的に説明する。図５に青色レーザ光（例えば波長４５０ｎｍ前後）の出射するVCSEL３１の一つの発光領域３１ｃの直下の断面図を示す。

図５のVCSEL３１は、GaN（窒化ガリウム）から成る導電性の基板５１の下面に順に形成された、n型ドーピングにより導電性を持たせた半導体から成る第１反射鏡５２と、n型半導体層５３、量子井戸層を含む活性層５４、電子ブロック層５５及びｐ型半導体層５６から成る積層構造を有する。第１反射鏡５２は、屈折率の異なる半導体の多層膜から成る。

電子ブロック層５５には、GaNよりもバンドギャップエネルギーが大きい材料、たとえばAlGaN等の窒化アルミニウムガリウム系半導体層を用いることができる。

第１反射鏡５２ならびにｎ型半導体層５３、活性層５４、電子ブロック層５５及びｐ型半導体層５６は、GaN系半導体基板５１上にMOCVD法を用いたエピタキシャル成長により構成される。

基板５１の上面には、たとえばAu等の上面電極３１ａが成膜されている。

ｐ型半導体層５６の下面には、たとえばSiO₂等の絶縁膜５７が形成されている。絶縁膜５７の下面には、たとえばITO等の透明電極層５８が形成されている。絶縁膜５７には、開口部が設けられており、透明電極層５８は、絶縁膜５７の開口部においてp型半導体層５６と接触し、電流狭窄を行う。

透明電極層５８の下面には、波長調整層として、例えばNb₂O₅等の誘電体層が配置され、続けて誘電体多層膜から成る第２反射鏡６０が配置される。

第１反射鏡５２、第２反射鏡６０は、共に分布ブラッグ反射鏡（DBR）であり、1/4波長の光学膜厚で屈折率の異なる材料を交互に積層した構成である。

半導体から成る第１反射鏡５２は、低反射率側（光出射側）として用いられる。第１反射鏡５２は、たとえばGaN/InAlNの40～50ペアによる積層構造で、たとえばSiドーピングによってn型半導体とすることで導電性を付与する。

誘電体から成る第２反射鏡６０は、高反射率側として用いられる。第２反射鏡６０は、SiO₂/Nb₂O₅の5～15ペアによる積層構造である。

活性層５４は、量子井戸層構造である。たとえばInGaN/GaNの2～5ペアによる積層構造であり、総厚20～50nmである。

電子ブロック層５５は、たとえば20nmのAlGaNであり、活性層５４とp型半導体層５６の間に位置する。

P型半導体層５６およびn型半導体層５３の厚みは、共振器内で生じる定在波の強度分布に対して活性層５４と透明電極層５８が所望の位置に位置し、かつ、共振器長が設計値となるように適宜調整する。

具体的には、光出射（縦）方向の光閉じ込めを効率的に行うため、活性層５４は、定在波の強度分布の腹に当たる部分に位置するよう設計することが好ましい。

また透明電極層５８として用いるITOは、光吸収が大きいため、定在波の強度分布の節に当たる部分に位置するよう設計する。透明電極層５８であるITOの厚みは20nm未満が好ましい。

＜効果＞
本実施形態の面発光型モジュール１００は、簡易な構成でありながら、VCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離精度が高く、しかもVCSEL３１の封止を実現できる。

また、マイクロレンズ１５の上面は平面であり、下面のみにレンズアレイ形状を備えた簡素な形状のため、ガラスのような加工にコストがかかる材料を材料としても選択でき、材料選択の幅を広げることができる。

また、マイクロレンズ１５の下面のみにレンズアレイ形状を備えた形状であるため、VCSELとマイクロレンズ間の距離をレンズ部材の厚さで規定する構造と比較して、VCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離を小さくすることができる。よって、VCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離の制限を受けることなくビーム径の設計が可能となる。また、レンズアレイ形状が、外側に露出していないため、レンズアレイ形状マイクロレンズの加工性や耐久性を高めることができる。

また、マイクロレンズ１５の上面が平面であるため、図４（ｂ）の工程でレンズを搬送する際や、完成後に面発光型モジュール１００を回路基板に実装する際に、マイクロレンズ１５の上面を大面積で安定して吸着して、搬送し、均一な荷重で実装することが可能となる。よって、一般的な装置や備品によって、マイクロレンズ１５の搬送や、完成後の面発光型モジュール１００の搬送および実装が可能であり、量産性に優れる。

VCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離に影響を与える構成要素は、レンズ保持台１６と、第１接合部１４と、第２接合部１７の厚みのみであり、誤差がVCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離に影響を与える構成要素が少ない。よって、VCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離精度が高い面発光型モジュール１００を実現できる。

また、本実施形態の面発光型モジュール１００は、VCSEL３１の厚みがVCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離に影響を与えないため、VCSEL３１の厚さが大幅に変わる設計変更を行った場合も容易にレンズアライメントが実現できる。例えば、VCSEL３１において、第１反射鏡５２として、半導体DBRを採用し、第２反射鏡６０として、誘電体DBRを採用する場合、基板５１上に半導体DBR５２を成長させて作成する。これは図５の構成そのものである。

なお、両側に誘電体DBRを採用するVCSEL３１を用いることも可能であり、その場合、上面電極３１ａ、第１反射鏡５２を除いたものを作製後、基板５１を除去、ｎ型半導体層５３の上に上面電極３１ａを形成し、発光領域３１ｃに重なるように誘電体ＤＢＲを形成する。Ｐ型半導体層５６およびｎ型半導体層５３の厚みは、共振器内で生じる定在波の強度分布に対して活性層５４と透明電極層５８が所望の位置に位置し、かつ、共振器長が設計値となるように適宜調整する。そのため、一方が半導体DBRで他方が誘電体DBRのVCSEL３１と、両側に誘電体DBRのVCSEL３１では基板５１の有無により大幅に素子厚さが変わる。本発明ではVCSEL３１の素子厚さの大幅な変更を伴うような、設計変更をVCSEL３１に加えたとしてもVCSEL３１とマイクロレンズ１５間の距離が変わらないため、柔軟に対応できる。

レンズ嵌合部１３ａの深さd3（例えば300-600μｍ）は、マイクロレンズ１５の厚みと同じ高さ、もしくはそれ以下となるように設計している。これにより、本実施形態の面発光型モジュール１００を、回路基板に実装する工程においてマイクロレンズ１５全体に荷重がかかるため、マイクロレンズ１５への荷重付加を均一に行うことができる。

本実施形態の面発光型モジュール１００では、封止蓋１３の下面の第２接合部１７となる領域にAuSn層のパターンを設け、このパターンを、VCSEL３１の上面電極３１ａの外形のパターンと一致させている。これにより、封止蓋１３に接合されているマイクロレンズ１５と、VCSEL３１とのXY方向のアライメントを簡易に行うことができる。また、マイクロレンズ１５とVCSEL３１のアライメント精度を高めるため、第１接合部１４および第２接合部１７には、フラックスを含まないAuSn共晶を用いることが好ましい。

また、実施形態１では、サブマウント基板１１にビアを設けて第1導電体領域２１および第２導電体領域２２を形成し、VCSEL３１の上面電極と下面電極から給電しているが、上面のみまたは下面のみに一対以上の電極を設け、上面のみまたは下面のみから給電することも可能である。下面のみから給電する場合、サブマウント基板１１の凹部１２の縁と封止蓋１３の電気的接続は不要である。この場合、第３接合部１８は、樹脂等の絶縁性接合剤を使用してもよい。

＜接合部の断面構造＞
本実施形態１では、フラックスを含有するはんだによる接合と、フラックスを用いない共晶接合とを使い分けている。このため、フラックスを含むはんだにより接合する第３接合部１８の封止された内側、ならびに、VCSEL３１とサブマウント基板１１とを接合する第４接合部１９の周囲は、はんだで接合した場合、はんだのフラックス残渣２３が残る。一方、マイクロレンズ１５と封止蓋１３を接合する第１接合部１４、および、VCSEL３１と封止蓋１３を接合する第２接合部１７の周囲には、フラックス残渣は生じない。

また、接合部の内部の構造にも差が生じる。フラックスを用いない共晶接合部は、その断面を拡大して観察すると、均一なコントラストである。一方、フラックスを含有する金属ペーストによる接合部は、その断面を拡大して観察すると金属粒子同士が溶け合わさった界面部分でわずかにコントラストが変わった断面となる。なお、はんだには、フラックスレスのものも知られているが、厚さに弾力性がないため、本実施形態の第３接合部１８には適さない。

＜＜＜実施形態２＞＞＞
実施形態１では、図３（ｄ）に示したように、VCSEL３１として、上面に複数の発光領域３１ｃとその周囲の上面電極３１ａを備え、下面に共通の下面電極３１ｂを備えるものを用いたが、実施形態２では、VCSEL３１の下面電極３１ｄが、図６（ａ）、（ｂ）のように、上面の発光領域３１ｃと対応する形状の複数の電極に分かれており、各下面電極３１ｄは、上面の発光領域３１ｃと向かい合うように、縦横に配列されている。また、VCSEL３１の内部の層構造は、図５の構造が、発光領域３１ｃごとに主平面方向に繰り返されている。

このような下面電極３１ｄの構造を備えるVCSEL３１を用いる場合、サブマウント基板１１の上面に、図６（ｃ）のように、VCSEL３１の底面を接合する領域１１ｂに、VCSEL３１の下面電極３１ｄと対応する形状のAu層１１ｄを備える。また、図７に示す通り、第２導電体領域２２のビアもVCSEL３１の下面電極３１ｄと対応する直径とし、下面電極３１ｄごとに独立して設ける。

組み立て工程時には、実施形態１の工程と同様であるが、実施形態１の図４（ｃ）の工程に代わりに、実施形態２では図８のように、縦横に配列されたAu層１１ｄごとに、フラックスを含まないAuSnを成膜し、 VCSEL３１の下面電極３１ｄと接合する第４接合部１９をそれぞれ形成する。これにより、VCSEL３１の縦横に配置された複数の下面電極３１ｄのうち任意の下面電極３１ｄに対して、第２導電体領域２２から電流を供給することができるため、任意の発光領域３１ｃを発光させることが可能になる。

実施形態２では第４接合部１９でフラックスを含まないAuSn膜を使用するため厚み誤差を吸収できない構成上、サブマウント凹部深さｄ１をVCSEL31の厚さより小さくする必要がある。さらに、第３接合部１８に使用する共晶はんだペーストも、AuSn膜と同温度条件で焼成できる材料（例えばフラックスを含むAuSn共晶はんだペースト）を用いることが好ましい。

他の構造及び製造工程は、実施形態１と同様であるので説明を省略する。

＜＜＜実施形態３＞＞＞
実施形態１では、サブマウント基板１１の凹部１２の縁と、封止蓋１３の封止と電気的な接続を、第３接合部１８によって同時に行う構成であったが、実施形態３では、第３接合部１８が、電気的接続部と、その外側に配置された樹脂封止部４１を含む二重構造とする。

実施形態３の構造により、電気的接続と封止を同時に実現するのが難しい導電性ペーストを電気的接続に用いることができるため、材料選択の幅を広げることができる。

具体的には、AuSn共晶はんだペースト以外の導電性ペースト（例えば、SnAgCuペースト、SnCuペースト）を使用することができる。

樹脂封止には、エポキシ樹脂や、シリコーン樹脂等の封止材料として公知の樹脂材料を用いることができる。

この際、樹脂封止を容易にするためにサブマウント基板１１および封止蓋１３の一方のサイズ（面積）を、他方のサイズよりも大きくすることが望ましい。図９の例では、サブマウント基板１１を封止蓋１３よりも一回り大きくし、周縁部にAu層を設けず、封止樹脂塗布領域１１ｅとしている。

実施形態３の面発光型モジュール１００の組み立て工程は、図１０（ａ）～（ｄ）に示したように、図１０（ａ）～（ｃ）までは、実施形態１の図４（ａ）～（ｃ）と同様である。これにより、封止蓋１３とサブマウント基板１１の凹部１２の縁との間に、第３接合部１８のうち電気接合部を形成する。図１０（ｃ）の工程の後、図１０（ｄ）において、サブマウント基板１１の外周部の封止蓋１３より外側の部分にエポキシ樹脂をディスペンス塗布し、熱硬化させて封止する。これにより、第３接合部１８の樹脂封止部４１を形成する。

このように、実施形態３では、サブマウント基板１１の外周部の封止蓋１３より外側の部分に、第３接合部１８の一部として樹脂封止部４１を設けることにより、第３接合部１８を、封止と電気的接続の役割を別部材に分けて実現することができる。このため、第３接合部１８の材料選択の幅が広がる。

以上の実施形態１～３において、VCSEL３１の厚み誤差は5μｍ程度、サブマウント基板１１の凹部１２の深さ誤差20μｍ程度であるため、VCSEL３１をサブマウント基板１１に接合する際に、各部材の厚み誤差を吸収させる必要がある。VCSEL３１とサブマウント基板１１とを接合する第４接合部１９の導電性接合剤は、SnAgCuのような金属ペーストでもよいし、Auバンプでもよいし、また金属のレーザー溶接によって接合を行ってもよい。また、その他導電性を持ち、厚み誤差を吸収する材料を適用できる。

＜＜＜実施形態４＞＞＞
実施形態１～３のいずれかの面発光型モジュール１００を搭載して、ＶＲ（仮想現実）用やＡＲ（拡張現実）用の眼鏡型ウェアラブルデバイスを構成することができる。例えば、光源として実施形態１～３のいずれかの面発光型モジュール１００を眼鏡型の支持体に搭載し、面発光型モジュール１００の出射光を、直接またはミラーで反射させて、眼鏡型支持体を掛けた人の眼球の瞳孔に対して入射させる。これにより、所定の画像を人の見せ、ＶＲやＡＲを実現する。

実施形態１～３の面発光型モジュール１００であって、発光素子３１としてVCSELを搭載したものを用いることにより、小型で、かつ、マイクロレンズ１５によって精度よく集光したレーザー光を出射することができるため、解像度の高い画像を表示可能なＶＲ（仮想現実）用またはＡＲ（拡張現実）用の眼鏡型ウェアラブルデバイスを提供できる。

なお、ＶＲ（仮想現実）用またはＡＲ（拡張現実）用の眼鏡型ウェアラブルデバイスは、例えば特許６２８６７８１号公報等に記載されているように、広く知られた構造であるので詳しい説明は省略する。

また、眼球に対してレーザー光を照射し、その反射光を検出することにより、眼球の傾きや、視線を検出する装置の光源として、実施形態１～３の面発光型モジュール１００を適用することも可能である。眼球の傾きを検出する眼鏡型ウェアラブルデバイスは、例えば、特開２０２０－８１４４９号公報等に記載されているように広く知られた構造であるので詳しい説明は省略する。

さらに、実施形態１～３のいずれかの面発光型モジュール１００の上に、偏向器（例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー）を搭載し、レーザービームをスキャンしながら出射する光源装置を構成することも可能である。例えば、この光源装置を、カメラ内に配置し、合焦状態を示すマークをファインダーの視野内にレーザービームで描かせること等が可能である合焦状態を示すマークを表示する機能を備えたカメラについては、例えば特開２０１０－１７５６７７号公報等により広く知られた技術であるので、詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態の面発光型モジュール１００の用途は、上述したデバイスに限定されるものではなく、プロジェクタ、ウェアラブルディスプレイ、ならびに、スマートグラス等映像装置や、照明装置等の種々のデバイスの光源として用いることができる。

１１ 搭載部（サブマウント基板）
１１ａ 上面領域
１１ｂ 領域
１１ｄ Au層
１１ｅ 封止樹脂塗布領域
１２ 凹部
１３ 封止蓋
１３ａ レンズ嵌合部
１４ 第１接合部
１５ マイクロレンズ
１６ レンズ保持台
１７ 第２接合部
１８ 第３接合部
１９ 第４接合部
２０ 金属層
２１ 第１導電体領域
２２ 第２導電体領域
２３ フラックス残渣
３１ 発光素子（VCSEL）
３１ａ 上面電極
３１ｂ 下面電極
３１ｃ 発光領域
３１ｄ 下面電極
４１ 樹脂封止部
５１ 基板
５２ 第１反射鏡
５３ ｎ型半導体層
５４ 活性層
５５ 電子ブロック層
５６ ｐ型半導体層
５７ 絶縁膜
５８ 透明電極層
６０ 第２反射鏡
１００ 面発光型モジュール

Claims (14)

1. 上面に凹部が形成された搭載部と、前記凹部の開口を覆って封止する封止蓋と、前記凹部内に配置され、上面から発光する発光素子と、前記発光素子から発せられた光を所望のビーム形状にするマイクロレンズとを有し、
   前記封止蓋は、貫通孔と、所定の厚さのレンズ保持台とを備え、
   前記マイクロレンズは、前記レンズ保持台の上面に第１接合部により固定され、
   前記発光素子の上面は、前記レンズ保持台の下面に第２接合部により固定され、
   前記搭載部の前記凹部の縁と、前記封止蓋の下面とは、第３接合部によって接合され、
   前記第１接合部および第２接合部は、いずれもフラックスを含まない金属接合による接合部であり、
   前記第３接合部は、はんだまたは接着剤による接合部であることを特徴とする面発光型モジュール。
2. 請求項１に記載の面発光型モジュールであって、前記レンズ保持台は、前記貫通孔の内壁から前記貫通孔の内側へ突出した部分であることを特徴とする面発光型モジュール。
3. 請求項１または２に記載の面発光型モジュールであって、前記発光素子の下面と前記搭載部の凹部の底面とは第４接合部によって接合され、前記第４接合部は、はんだまたは接着剤による接合部であることを特徴とする面発光型モジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の面発光型モジュールであって、前記封止蓋は、板状であり、
   前記レンズ保持台は、一様な厚さを有し、前記封止蓋の主平面に平行な方向に前記貫通孔の内壁から突出し、
   前記レンズ保持台の下面は、前記封止蓋の下面と連続した平面であることを特徴とする面発光モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の面発光型モジュールであって、前記第３接合部は、前記搭載部の前記凹部の縁と、前記封止蓋の下面とを封止していることを特徴とする面発光型モジュール。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の面発光型モジュールであって、前記マイクロレンズの下面のうち、前記レンズ保持台に固定されていない領域には、所望のレンズ形状が形成されていることを特徴とする面発光型モジュール。
7. 請求項６に記載の面発光型モジュールであって、前記マイクロレンズの上面は、平面であることを特徴とする面発光型モジュール。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の面発光型モジュールであって、前記搭載部の前記凹部の縁と前記封止蓋の下面とを接続する前記第３接合部は、導電性であり、
   前記封止蓋の下面には、金属層が配置され、前記金属層は、前記第３接合部および前記第２接合部に接触して、両者を電気的に接続し、
   前記発光素子は、上面に上面電極を備え、前記上面電極は、前記第２接合部、前記金属層、および、前記第３接合部を介して、前記搭載部と電気的に接続されていることを特徴とする面発光型モジュール。
9. 請求項３に記載の面発光型モジュールであって、前記発光素子の下面と前記搭載部の前記凹部の底面とを接続する前記第４接合部は、導電性であり、
   前記発光素子は、下面に下面電極を備え、前記下面電極は、前記第４接合部を介して、前記搭載部と電気接続されていることを特徴とする面発光型モジュール。
10. 請求項８に記載の面発光型モジュールであって、前記搭載部には、前記第３接合部および第４接合部が接する位置に導電体領域を有することを特徴とする面発光型モジュール。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の面発光型モジュールであって、前記発光素子は、垂直共振器型面発光レーザーであることを特徴とする面発光型モジュール。
12. 請求項３に記載の面発光型モジュールであって、前記第３接合部および前記第４接合部は、フラックス残渣を含有することを特徴とする面発光型モジュール。
13. 上面に凹部が形成された搭載部と、前記凹部の開口を覆って封止する封止蓋と、前記凹部内に配置され、上面から発光する発光素子と、前記発光素子から発せられた光を所望のビーム形状にするマイクロレンズとを有し、
    前記封止蓋は、貫通孔と、所定の厚さのレンズ保持台とを備え、
    前記マイクロレンズは、前記レンズ保持台の上面と第１接合部により固定され、
    前記発光素子の上面は、前記レンズ保持台の下面と第２接合部により固定され、
    前記搭載部の前記凹部の縁と、前記封止蓋の下面とは、第３接合部によって接合され、
    前記発光素子の下面は、前記凹部と第４接合部により固定され、
    前記第１接合部および第２接合部は、いずれもフラックスを含まない金属接合による接合部であり、
    前記第４接合部は、はんだまたは接着剤による接合部であることを特徴とする面発光型モジュール。
14. 貫通孔と、所定の厚さのレンズ保持台とを備える封止蓋の、前記レンズ保持台の下面に発光素子を、前記レンズ保持台の上面に、前記発光素子から発せられた光を所望のビーム形状にするマイクロレンズをそれぞれ接合する第１工程と、
    前記搭載部の前記凹部の縁と、前記封止蓋の下面とを接合する第２工程とを有し、
    前記第１工程は、前記レンズ保持台の下面と発光素子とを接合する接合部、および、前記レンズ保持台の上面と前記マイクロレンズとを接合する接合部をいずれもフラックスを含まない金属接合により形成し、
    前記第２工程は、前記凹部の縁と前記封止蓋の下面とを接合する接合部を、はんだまたは接着剤により形成する
    ことを特徴とする面発光型モジュールの製造方法。

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