JP3671663B2

JP3671663B2 - 面発光型半導体レーザアレイ

Info

Publication number: JP3671663B2
Application number: JP06914998A
Authority: JP
Inventors: 剛金子; 貴幸近藤; 健夫川瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: JPH11274633A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板と垂直方向にレーザ光を出射可能な面発光型半導体レーザ素子を同一基板上に複数配置した面発光型半導体レーザアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザは、へき開面を反射鏡として共振器構造を形成していたため、レーザ光は基板端面から取り出していた。これに対し面発光型半導体レーザは、基板と垂直方向に共振器構造を形成することによりレーザ光を基板表面から取り出すものである。製造プロセスに従来の半導体プロセスと同様のプレーナ技術を用いることができるため、面発光型半導体レーザは２次元アレイ化が容易であり、並列通信の光源などとして大いに期待されている。
【０００３】
この面発光型半導体レーザの特性に大きく影響を与えるのが、レーザ発振による発熱の問題である。図３に示した熱力学シミュレーションの結果によると、活性層で発生した熱は空気中へはほとんど拡散せず、下部の多層ミラーおよび基板内へと拡散していく。この時、熱源においては１６０℃以上、熱源から５０μｍ離れた位置での表面付近の温度は５０℃以上もあることが示されている。
【０００４】
面発光型半導体レーザアレイにおいては、複数の面発光型半導体レーザ素子が同時に駆動されるため、ある素子が発生した熱が他の素子に伝播する熱的クロストークが発生してしまう。このため、駆動する素子の数に応じて個々の素子温度が変化し、それに伴って出力が変動するという問題が生じていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この熱的クロストークの問題を解決するために、例えば、特開平８−３２１７８号公報に記載の発明では隣接する素子間を分離溝で完全に分離する方法が記されている。しかしこの場合、活性領域で発生する熱を緩和する経路が制限されてしまい、単一素子の発光特性自体が悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
また、分離溝が基板の端面まで到達して形成されている場合、レーザアレイチップのへき開の際にこの分離溝からチップが破損し、不良率が高くなってしまうという問題も生じていた。
【０００７】
本発明の目的は、素子間の熱的クロストークを抑制し、かつ単一素子の発光特性を悪化させない構造を具え、同時にへき開時の不良率を増大させない面発光型半導体レーザアレイを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の面発光型半導体レーザアレイは、半導体基板上に第１の反射ミラー、少なくともクラッド層及び活性層を含む多層の半導体層、第２の反射ミラーを有し、第２の反射ミラー表面からレーザ光を出射可能な少なくとも２つの発光部を具えた構造をしており、個々の発光部の間に少なくとも第１の反射ミラーに至る深さまで穿設された溝が形成され、この溝が少なくとも２つの終端部を有することを特徴とする。
【０００９】
上述の構成によれば、一方の素子より発生された熱は、面発光型半導体レーザアレイを構成する個々の素子の発光部の間に形成された溝により伝導経路を絶たれ、隣接する素子への影響を及ぼさない。またこの溝は少なくとも２つの終端部を持つため、発生した熱が放熱される経路が確保されている。このため、個々の素子特性を劣化させることなく熱的クロストークのみを抑えることが可能となる。より好ましくは、溝と各発光部を結ぶ線分とが互いの中点で垂直に交わるように配置され、溝の長さ（長手方向）が発光部から溝の端部までの距離の２倍以上であると、熱的クロストーク低減の効果が大きい。
【００１０】
この際、前記発光部の周囲の少なくとも一部に、熱伝導性のよい材料を少なくとも第１の反射ミラーに到達する深さまで埋め込んだヒートシンクを形成し、放熱効率を上げることで、熱的クロストークや素子温度の上昇をより効果的に抑えることができる。
【００１１】
同時に、溝が終端部を有するため、へき開の際にこの溝がきっかけとなり破損してしまう危険性が低減する。この効果はレーザアレイ基板の端から溝の終端部までの距離が溝の長さの１／２以上であるとより顕著に表れる。さらに望ましくは溝の終端部の形状が円形であるとよい。終端部が円形であることにより、へき開時にかかる歪みを均一に拡散させることができ、へき開時の不良発生率を大きく低減することが可能となる。
【００１２】
本発明の面発光型半導体レーザアレイを構成する面発光型半導体レーザ素子としては様々な構造のものが適用可能であるが、前記第２の反射ミラーの一部が柱状にエッチングされた柱状部分により発光部が形成された構造のもの、あるいは前記第２の反射ミラーを経て少なくとも前記多層の半導体層までイオン注入を行うことで電気的素子分離を達成した構造のもの、などに対して特に有益である。また、各層の材料についても、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系、ＩｎＰ系、などといった様々な材料系に対して適用可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例における面発光レーザアレイの平面図であり、図２はそのＡＡ’断面図である。
【００１５】
図１において、面発光型半導体アレイ１００は面発光型半導体レーザ１０１Ａ、１０１Ｂの２素子が対向して配置された構造となっている。各々の素子には柱状部分１０２が形成されており、柱状部分１０２の周囲から柱状部分１０２の上面の一部にかけて上部電極１０３が連続的に形成されている。また、柱状部分１０２の上面部分を除く上部電極は絶縁膜１０４上に形成されている。このため、電流はすべて柱状部分１０２の上面から各面発光型半導体レーザ素子に注入される。
【００１６】
柱状部分の表面にはレーザ出射口１０５が存在する。レーザ出射口とは上部電極１０３の柱状部分１０２の上面の開口部のことで、ここから基板の表面側にレーザ光が出射される。本実施例では、各柱状部分１０２は直径１５μｍの円柱形で、直径１３μｍのレーザ出射口をもち、これらが柱状部分の中心間距離５０μｍで配置されている。また、レーザアレイチップ１００は長辺３５０μｍ、短辺３００μｍの長方形をしている。
【００１７】
２つの面発光型半導体レーザ素子間には、エッチングにより形成された幅１０μｍ、長さ５０μｍの長方形型の溝１０６が形成されている。この溝１０６は、溝と各柱状部分の中心を結ぶ線分とが互いの中点で垂直に交わるように配置されている。また，この溝１０６は，図１の紙面における左右方向に終端部を有している。
【００１８】
次に、個々の面発光型半導体レーザ素子の構造について述べる。図２の断面図における１０１Ａおよび１０１Ｂの２つの素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０７上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０８、ｎ型半導体多層ミラー１０９、ｎ型クラッド層１１０、活性層１１１、ｐ型クラッド層１１２、ｐ型半導体多層ミラー１１３およびｐ型コンタクト層１１４が順次積層された構造をとる。
【００１９】
ｎ型半導体多層ミラー１０９は、ＡｌＡｓとＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓを交互に３０ペア積層した構造となっており、レーザ発振波長に対して９９．９％以上の反射率をもつ。一方ｐ型半導体多層ミラー１１３は、Ａｌ_０．８２Ｇａ_０．１８ＡｓとＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓを交互に２５ペア積層した構造となっており、レーザ発振波長に対して９９．６％以上の反射率をもつ。
【００２０】
活性層１１１は、ＧａＡｓからなる５つの井戸層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの障壁層からなる多重量子井戸構造をしており、この活性層１１１がｎ型Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓからなるｎ型クラッド層１１０とｐ型Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓからなるｐ型クラッド層１１２に挟まれている。
【００２１】
ｐ型コンタクト層１１４は、キャリア濃度１×１０^１９ｃｍ^−３以上のＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層から形成されている。
【００２２】
各々の面発光型半導体レーザ素子１０１Ａおよび１０２Ｂの電気的な素子分離は、ｐ型コンタクト層１１４を経てｐ型半導体多層ミラー１１３の下部まで突起状にエッチングして形成された柱状部分１０２により達成される。この柱状部分１０２を形成することによって、注入された電流が拡散せず無効電流を抑えることができ、効率的なレーザ発振が可能になる。また、この柱状部分に例えばＡｌＡｓの自然酸化を利用した酸化Ａｌによる電流狭窄構造を具えればより効率的なレーザ発振が可能になるが、本発明はこのような構造をもつ面発光型半導体レーザアレイについても実施可能である。
【００２３】
柱状部分１０２の周囲にはＳｉ０_２膜からなる絶縁膜１０４とＴｉ膜とＡｕ膜の２層からなる上部電極１０３が形成されている。絶縁膜１０４はｐ型半導体多層ミラー１１３の表面から柱状部分１０２の側面を覆うように形成されている。上部電極１０３は絶縁膜１０４に沿った形で柱状部分１０２の最上部まで達しており、さらにｐ型コンタクト層１１４の表面にいたるまで連続的に形成されている。この上部電極１０３は柱状部分１０２の上面にレーザ出射口１０５を備えている。また、基板の裏面にはＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕからなる下部電極１１５が形成されている。
【００２４】
面発光型半導体レーザアレイ素子１０１Ａと１０１Ｂとの間には溝１０６がエッチングにより形成されている。有効な溝の深さは図３の熱力学シミュレーションの結果から判断できる。図３のシミュレーションは、基板００１、下部多層ミラー００２、活性層００３、上部多層ミラー００４の４層が積層され、上部多層ミラー００４の一部が柱状に形成されたモデルを用い、柱状部の中央直下の活性層領域を発熱源として行った。
【００２５】
この結果を見ると、一方の素子の活性層発生された熱は、活性層００３内、下部多層ミラー００２、基板００１へと拡散していく。この時熱源はおよそ１６０℃程度となる。多層ミラーにおける熱伝導率は、基板と水平方向成分が垂直方向性分より大きいため、発熱源から水平方向へ２５μｍ離れた点であっても、活性層の温度が７０℃、多層ミラーの中央部でも６５℃と高温である。また、本実施例において隣接する素子が存在する位置である発熱源から５０μｍの点でも、活性層の温度が５０℃以上あり、熱的クロストークの影響があることが示される。
【００２６】
上述の結果から、活性層および下部多層ミラーにおける基板と水平方向の熱伝導を遮断することが、熱的クロストークの抑制につながることがわかる。これを踏まえて本実施例では、溝の深さをｎ型半導体多層ミラー１０９を貫き少なくともバッファ層１０８まで到達する深さとした。本実施例の構造では７μｍ程度の深さに相当する。
【００２７】
次に、本実施例の構造の面発光型半導体レーザアレイを実際に駆動したときの効果について述べる。図４は、面発光型半導体レーザアレイにおいて、駆動した素子数に対する１素子あたりの出力を示している。出力の測定はしきい値電流４．５ｍＡの素子を７ｍＡで駆動して行った。
【００２８】
図４の結果を見ると、まず溝のないサンプルでは、２素子駆動時の１素子あたりの出力が、単独で駆動した場合に比べおよそ２０％低減していることがわかる。この際の各素子の温度を発振波長の変化から計算すると、１素子駆動時に比べて２素子駆動時は４０℃も高くなっていることが示された。
【００２９】
一方、分離溝で素子を完全に囲ったサンプルの場合は、熱の拡散経路が制限されてしまうため、１素子駆動時の出力が溝のない場合に比べ４０％低減してしまっている。また、各々の素子温度が高くなるため、分離溝が熱的クロストークに対して有効に機能していない。
【００３０】
これに対し、本実施例の構造をとる面発光型半導体レーザアレイの場合、単独駆動時の出力の低減が少なく、かつ、２素子駆動時にも出力の低減が６％程度に抑えられている。この時の素子温度の上昇は２素子駆動時で１２℃に抑えられており、熱的クロストークが効果的に除去されていることがわかる。
【００３１】
次に、効果的な溝の形状について述べる。図５は、素子間の溝の幅を１０μｍに固定し長さを変化させ、その際の２素子駆動時の１素子駆動時に対する素子温度上昇と、へき開時の不良発生率について示したものである。
【００３２】
図５を見ると温度上昇の低減の効果は、溝の長さ５０μｍから顕著に表れることがわかる。これは素子の発光点から溝までの距離の２倍の長さであり、熱的クロストークを低減するには少なくとも上記の長さが必要である事が分かる。さらに望ましくは、１００μｍ以上の長さをとると熱的クロストーク低減の効果が大きい。
【００３３】
一方、素子分離時の不良発生率は溝の短いうちは低いが、溝の長さが１５０μｍを越えると、すなわち、レーザアレイチップの端から溝の終端部までの距離が溝の長さの１／２以下になると急激に増加する。
【００３４】
これらの結果より、熱的クロストークを効果的に抑え、かつへき開時の不良率を増加させない溝の長さは、本実施例の素子配置の場合５０μｍから１５０μｍの間ということがわかる。
【００３５】
以上のように、本発明の構成による面発光型半導体レーザアレイが、熱的クロストークおよびへき開時の不良率の低減に有効であることが示された。なお、本実施例では基板や共振器、活性領域の材料についてＧａＡｓ系化合物を用いたが、これらが本発明を限定するものではなく、ＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系など様々な材料系で適用可能である。また、素子の極性を反転した構成においても適用可能である。
【００３６】
（実施例２）
図６は本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザアレイの概略を示す平面図である。この面発光型半導体レーザアレイは、各面発光型半導体レーザ素子の周囲のうち溝が存在しない領域に、熱伝導率の高い材料で形成されたヒートシンクが存在する点が第１の実施例と異なる。
【００３７】
図６において、面発光型半導体レーザアレイ２００を構成する２０１Ａ、２０１Ｂの２素子の構造および形状は、図１および図２に示された第１の実施例における面発光型半導体レーザ素子１０１Ａ、１０１Ｂのそれと同一である。ただし上部電極２０３は、面発光型半導体レーザアレイ２００の対角線方向に配置されている。また、各素子間には活性層を経て少なくとも下部ミラーまで到達する溝２０６が形成されており、その形状および配置は、第１の実施例で示したものと同一である。
【００３８】
本実施例ではさらに、柱状部分２０２に近接しておりかつ溝２０６が形成されていない位置に、ＡｕＳｎ合金を用いたヒートシンク２１６を具えている。
【００３９】
図７はこの構造のＡＡ’断面の概略図である。面発光型半導体レーザ素子２０１Ａおよび２０１Ｂの構造は、第１の実施例ですでに説明したものと同じ構造である。また、素子間に形成された溝２０６も第１の実施例と同じ形状をとる。
【００４０】
本実施例の場合、溝２０６と反対側にＡｕＳｎ合金で形成されたヒートシンク２１６が、表面からｎ型半導体多層ミラー２０９を経て少なくともバッファ層２０８まで達している。このヒートシンク用材はＡｕＳｎに限定されるものではなく、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料や、ＳｉＣ、ＢｅＯなどの熱伝導性を有する絶縁材料などが使用できる。
【００４１】
この構造によると、例えば面発光型半導体レーザ素子２０１Ａで発生した熱は、第１の実施例の説明時に述べたように、活性層２１１、ｐ型半導体多層ミラー２０９中心に基板と水平方向に拡散していく。この際、溝２０６側に伝播した熱は、空気の熱伝導率が小さいため溝２０６により水平方向への伝播が遮られ、隣接の素子２０１Ｂへの熱伝導が抑えられる。一方、逆方向に伝播した熱はヒートシンク２１６により放熱が促される。したがって、溝により熱伝播が遮られたことに伴う素子２０１Ａの温度上昇を抑えることができる。図６に示したように、上部電極２０３の形状を工夫することで、各面発光型半導体レーザの柱状部分２０２の近傍に広い面積をもつヒートシンク２１６を形成することができ、素子の放熱に対して非常に有効である。
【００４２】
本実施例の構造で実際に面発光型半導体レーザ素子を駆動した結果、２素子駆動時の素子温度上昇は８℃に抑えられた。また、１素子あたりの出力も２素子駆動時に１素子駆動時の３％減少にとどまり、熱的クロストーク低減の効果がより有効に現れていることがわかる。
【００４３】
（実施例３）
図８は本発明の第３の実施例における面発光型半導体レーザアレイの概略を示す平面図である。この面発光型半導体レーザアレイは、各素子間に形成された溝を、溝幅よりも大きい直径をもつ円形にて終端させている点で第１の実施例と異なる。
【００４４】
図８において、面発光型半導体レーザアレイ３００を構成する３０１Ａ、３０１Ｂの２素子の構造および形状は、図１および図２に示された第１の実施例における面発光型半導体レーザ素子１０１Ａ、１０１Ｂのそれと同一である。また、溝３０６は、基本的な構造は第１の実施例と変わらないが、各々の終端部を直径の位置とする直径１４μｍの円形部で終端させてある。
【００４５】
溝３０６の基本的な構造が変わらないため、本実施例の構造においても、第１の実施例同様熱的クロストークの低減に大きな効果がある。
【００４６】
さらに、本実施例における溝３０６の形状によると、へき開の際に溝にかかる歪みを円形部分にて緩和することができる。これにより素子分離の際の不良発生率の低下をさらに強化することができる。具体的には、本実施例における素子分離の際の不良率は０．８％であり、第１の実施例における１．８％を下回る良好な結果が得られた。
【００４７】
このように、本実施例の面発光型半導体レーザアレイによれば、高い製造歩留まりを保ちつつ、複数の素子間の熱的クロストークを低減することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば複数の面発光型半導体レーザ素子間に領域または形状の限定された溝を形成することにより、さらに、熱伝導率の高いヒートシンクを溝の存在しない個所に形成することにより、素子間の熱的クロストークを効果的に低減することができ、安定した面発光型半導体レーザアレイを供給することができる。同時に、レーザアレイチップをへき開する際の不良率を抑え、高歩留まりで面発光型半導体レーザアレイを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における面発光型半導体レーザアレイを示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施例における面発光型半導体レーザアレイを示す断面図である。
【図３】面発光型半導体レーザの熱力学シミュレーションの結果を示す図である。
【図４】面発光型半導体レーザアレイの駆動素子数に対する１素子あたりの光出力を示す図である。
【図５】溝の長さに対する素子温度上昇および不良率の関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例における面発光型半導体レーザアレイを示す平面図である。
【図７】本発明の第２の実施例における面発光型半導体レーザアレイを示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施例における面発光型半導体レーザアレイを示す平面図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００面発光型半導体レーザアレイチップ
１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａ面発光型半導体レーザ素子
１０１Ｂ、２０１Ｂ、３０１Ｂ面発光型半導体レーザ素子
１０２、２０２、３０２柱状部分
１０３、２０３、３０３上部電極
１０４、２０４、３０４絶縁膜
１０５、２０５、３０５レーザ出射口
１０６、２０６、３０６溝
１０７、２０７ｎ型ＧａＡｓ基板
１０８、２０８ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０９、２０９ｎ型半導体多層ミラー
１１０、２１０ｎ型クラッド層
１１１、２１１活性層
１１２、２１２ｐ型クラッド層
１１３、２１３ｐ型半導体多層ミラー
１１４、２１４ｐ型コンタクト層
１１５、２１５下部電極
２１６ヒートシンク
００１基板
００２下部多層ミラー
００３活性層
００４上部多層ミラー

Claims

基板と、
前記基板上に配置された第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラー上方に配置された活性層と、
前記活性層上方に配置された第２の反射ミラーと、
前記第２の反射ミラーの表面からレーザ光を出射可能な少なくとも２つの発光部と、
前記第２の反射ミラーの表面から少なくとも前記第１の反射ミラーに至る深さで、個々の前記発光部の間に形成された溝と、
を有し、
前記溝は少なくとも二つの円形の終端部を有することを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
請求項１において、前記終端部の幅は前記溝の溝幅より大きいことを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
請求項１又は２において、前記溝の長軸方向の長さが、発光点から溝までの距離の２倍以上であることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記半導体レーザアレイの端から前記終端部までの距離が、前記溝の長軸方向の長さの１／２以下であることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記溝と柱状部分の中心を結ぶ線分とが互いの中心で交わることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。