JP3684778B2 - 面発光型半導体レーザアレイ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザアレイの改良に関する。特に、マトリックス駆動方式の面発光型半導体レーザアレイにおいて、電流通路の抵抗を減少して、消費電力を低下する改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光交換・光情報処理等の分野に使用するために、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬすなわちＶｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ
Ｌａｓｅｒ）を２次元的にマトリックス状に配列した面発光レーザアレイが必要であり、特に、極めて大量の面発光レーザが配列されている大規模の面発光型半導体レーザアレイが必要である。
【０００３】
ところで、大規模の面発光型半導体レーザアレイを使用するには、これを構成する個々の面発光レーザを独立に駆動する必要があり、それぞれの素子はそれぞれ独立の接続配列で接続されねばならず、したがって、この独立駆動方式であると、Ｍ行Ｎ列の面発光型半導体レーザアレイの場合は、Ｍ×Ｎ組の接続配線が必要である。
【０００４】
しかし、面発光型半導体レーザアレイの表面に、行方向に各面発光レーザを繋ぐ行方向線を複数平行に設け、一方面発光型半導体レーザアレイの裏面に、列方向に各面発光レーザを繋ぐ列方向線を複数列設けておき、行方向線の一つと列方向線の一つとを選択して、その交点の面発光レーザを選択・点灯する、マトリックス方式の駆動方式が開発された。
【０００５】
このマトリックス駆動方式においては、Ｍ行Ｎ列の面発光型半導体レーザアレイの場合、電極はＭ＋Ｎ組あればよい。
【０００６】
図１５・図１６・図１７参照
マトリックス駆動方式の面発光型半導体レーザアレイの斜視図（図１５）と平面図（図１６）と側面図（図１７）とを参照して、マトリックス駆動方式の面発光型半導体レーザアレイの１列について説明する。
【０００７】
図１５は斜視図であり、図１６は平面図であり、図１７は、図１５を図において右から見た側面図である。
【０００８】
この面発光型半導体レーザアレイを製造するには、分子線エピタキシー法を使用して、半絶縁性ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ⁺ 型のＧａＡｓ層からなる下部コンタクト層５２を形成し、この下部コンタクト層５２上に、それぞれの膜厚が媒質内波長の１／４であるＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して、総膜厚が数μｍであるｎ側多層反射膜５３を形成する。次に、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ層を１０ｎｍ厚のＧａＡｓ層で挟んで構成される量子井戸３層をＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓの層で挟んだ構造を有し媒質内波長と同一の膜厚を有するアンドープ活性層５４を形成し、その上に、それぞれの膜厚が媒質内波長の１／４であるＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して、総膜厚が数μｍであるｐ側多層反射膜５５を形成する。なお、ｎ型ドーパントにはＳｉを、ｐ型ドーパントにはＢｅを、それぞれ、使用する。次に、リアクティブイオンエッチング法を使用して、５６をもって示す配線分離用の溝を形成し、縦方向（図１６において上下方向）にＭ本の行を設ける。溝５６の深さは下部コンタクト層５２を貫通して半絶縁性のＧａＡｓ基板５１に達している。行の電気的分離を行うためである。溝５６はポリイミドを用いて埋められる。次に、真空蒸着法を使用して、ｐ側多層反射膜５５の上にＡｕ層を形成し、このＡｕ層を各列の境界領域から除去して列方向（図１６において左右方向）に延びるｐ側電極配線５７をＮ本形成する。各列方向線をなすｐ側電極配線５７相互間の領域には、ｐ側多層反射膜５５から少くとも活性領域５４に達する深さまでプロトンを注入して、この溝型領域を絶縁して、列間分離をする。各列の端部（図において手前側の端部）のみ、ｎ⁺ ＧａＡｓ層よりなる下部コンタクト層５２が露出するまでエッチングを実行する。その上面に各行用の電極パッド（ｎ側電極パッド）５８を形成する。各列方向線をなすｐ側電極５７の端部（図において右端）上に、各列用の電極パッド（ｐ側電極パッド）５９を形成する。
【０００９】
任意の１点（ｉ、ｊ）を選択するには、ｉ行とｊ列とを選択すればよい。
上記した構造の面発光型半導体レーザアレイにおいては、ｐ側電極配線５７は金であるから、ｐ側電極配線５７の抵抗は数Ωであって小さいので問題はないが、下部コンタクト層５２がｎ側電極への接続線路となっており、ｎ側電極パッド５８から離隔した面発光型半導体レーザの線路抵抗は無視できない程度に大きい。したがって、上記構造のマトリックス駆動型の面発光型半導体レーザアレイの消費電力は決して小さくない。
【００１０】
ここに、上述した事項について、さらに詳細に説明する。
図１５再参照・図１８参照
図１５に示した面発光型半導体レーザアレイでは、下側の配線にｎ⁺ ＧａＡｓ層よりなる下部コンタクト層５２が用いられており、電極と半導体との接触抵抗は大きくても数Ω以下である。ここで、接触抵抗を、Ｔｒａｎｍｉｓｓｉｏｎ
Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ法を用いてなす解析的手段を使用して確認して見る。図１５に示した例では、電極と半導体との接触部分は、電極パッド５８である。図１８に図１５の断面図を示し、電極パッド５８とｎ⁺ 型ＧａＡｓ層よりなる下部コンタクト層５２との実効的接触距離を演算する。接触抵抗は接触比抵抗と電流の流れる接触面積との積で求められる。この場合、電極材料は金属であり、金属の抵抗および接触比抵抗は小さい、しかし、それに比べｎ⁺ ＧａＡｓ層の抵抗は大きいため、電極５８とｎ⁺ ＧａＡｓ層よりなる下部コンタクト層との電気的実効接触部分は、図１８においてＬｔで示した位置までとなる。接触比抵抗ρｃを１０^-6ｃｍ² 、ｎ⁺ ＧａＡｓ層の抵抗率ｒｓを３×１０^-4Ωｃｍ（キャリア濃度ｎを１０¹⁹ｃｍ^-3、キャリア移動度μを５０００ｃｍ² ／Ｖｓｅｃとして、ｌ／ｅｎμから求めた。また、ｅを素電荷１．６×１０^-19 クーロンとした。）、電極パッドの長さｄ（図１８の紙面水平方向）を１ｍｍとして、式ρｃ＝（Ｌｔ×√（ρｃｒｓ））÷ｃｏｔｈ（ｄ／Ｌｔ）からＬｔを求めると、１０μｍとなる。従って、実効的な接触面積は電極パッドの幅を１０μｍとした場合、１０μｍ×１０μｍとなる。接触比抵抗を１０^-6ｃｍ² とした場合、電極と半導体との接触抵抗は１Ωとなり、面発光レーザ本体の抵抗と比べて十分小さい。
【００１１】
しかし、図１５に示した面発光型半導体レーザアレイにおいては、下側配線にはｎ⁺ ＧａＡｓ層が用いられているため、配線抵抗をｎ⁺ ＧａＡｓの、抵抗率×配線長×配線の断面積（配線長１ｍｍ、幅２０μｍ、厚さ４μｍとした）から求めると、５０Ωとなり、無視できない値となる。
【００１２】
以上に詳述したように、従来技術に係るマトリックス駆動型面発光レーザアレイは、面発光レーザ素子本体以外の抵抗が大きく、消費電力が大きいという欠点が避け難い。この問題は、消費電力が大きいという欠点ばかりでなく、駆動速度を低下するという欠点も惹起する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、面発光レーザアレイを構成する面発光レーザの素子本体以外の抵抗が低減されたマトリックス駆動型面発光レーザアレイを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る面発光型半導体レーザアレイにおいて、上側電極配線のみならず、下側電極配線も金属線としたものである。
【００１５】
したがって、本発明に係る面発光型半導体レーザアレイは、活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、このスペーサ層を挟んで上下の多層反射膜が形成されている面発光型半導体レーザ本体がこの本体の平面積より大きな平面積を有し導電性である下側コンタクト層上に形成される面発光型半導体レーザユニットの複数が、絶縁膜をもって相互に絶縁されて、絶縁性基板上にマトリックス状に配列され、前記のマトリックスの一方向に並置される前記のユニットの複数の上に前記のマトリックスの一方向に連続する金属の帯よりなる上側電極の複数が形成され、前記のマトリックスの他方向に並置される前記のユニットの下側のコンタクト層の上面に、前記のマトリックスの他方向に連続して、金属の帯よりなる下側電極の複数が形成されている。
【００１６】
従来導電性半導体層であった下側電極配線が金属に変更されたので、抵抗が低下し、しかも、各ユニットは、この金属配線と直接接続されることになったので、抵抗が低下し、ユニット間の抵抗のばらつきもなくなった。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイについて、さらに説明する。
【００１８】
図４参照
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用して、半絶縁性ＧａＡｓ基板２１の（１００）面上に、厚さが０．２μｍ程度でありアンドープのＧａＡｓ層よりなるバッファ層２２と、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、膜厚が３μｍであるｎ型ＧａＡｓ層よりなるコンタクト層２３とを積層し、さらに、その上層に、Ａｌ_0.9 Ｇａ_0.1 Ａｓ層とＧａＡｓ層とをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に積層して総膜厚が約２μｍであり、１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度にｎ型不純物（シリコン）を含むｎ型多層反射膜２４を積層する。さらに上層に、アンドープのＡｌ _0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓ層よりなる下部スペーサ層２５と、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ層よりなる量子井戸層３層と、障壁層をなすＧａＡｓ層４層とを交互に積層した構造を有するアンドープの活性層２６と、アンドープのＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ａｓ層よりなる上部スペーサ層２５ａとが積層され、上部および下部スペーサ層２５、２５ａと活性層２６の総膜厚が、媒質内波長の整数倍とされている。さらに上層には、Ａｌ_0.9 Ｇａ_0.1 Ａｓ層とＧａＡｓ層とをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に積層して総膜厚が約２μｍであり、１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度にｐ型不純物（マグネシウム）を含むｐ型多層反射膜２７とを、順次積層する。そして、このｐ型多層反射膜の上には、膜厚が０．１μｍであり、１×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度にｐ型不純物を含むｐ−ＧａＡｓ層よりなるコンタクト層２８を積層する。ここで、原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを使用し、ドーパント材料としては、シクロペンタジニウムマグネシウム、シランを使用し、成長時の基板温度は７００℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次切り替え、連続して成膜を行なうことができる。
【００１９】
図５・図６参照
続いて、フォトリソグラフィー法を使用して、行方向と列方向とに溝２３ａを形成する。
【００２０】
行方向溝（図５において紙面に垂直な方向の溝）と列方向溝（図５において紙面に平行な方向の溝）とによって区分されて素子形成領域の複数がマトリックス状に配列されているフォトレジストマスク２９を、コンタクト層２８上に形成し、四塩化炭素をエッチングガスとしてなす反応性イオンエッチング法を使用して、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３の表面またはこのｎ型のＧａＡｓコンタクト層２３の途中までエッチングし、幅３０μｍ程度の溝を格子状に形成し、この格子状の溝２３ａに囲まれ、１辺の長さが２０μｍ程度である正方形の断面を有する半導体柱ｓを形成する。図５は側面図であり、図６は平面図である。
【００２１】
図７・図８参照
硫酸と過酸化水素と水との混合液をエッチャントとして使用して、断面が正方形である半導体柱ｓの側面をサイドエッチする。次の工程で形成される行方向電極３０（ストライプ状のＡｕＧｅ層よりなる電極）と断面が正方形の半導体柱ｓとの絶縁を確保するためである。図７は側面図であり、図８は平面図である。
【００２２】
図９・図１０参照
前工程で使用したレジストマスク２９をマスクとして使用して、ＡｕＧｅをスパッタし、格子状溝２３ａ内のコンタクト層２３上と断面が正方形の半導体柱ｓとの上にＡｕＧｅ層３０を形成する。図９は側面図であり、図１０は平面図である。
【００２３】
図１１・図１２参照
使用済みのフォトレジスト膜２９を溶解して、断面が正方形の半導体柱ｓの上からＡｕＧｅ層３０を除去し、続いて、フォーカスドイオンビームエッチング法を使用して、格子状溝２３ａ内に形成されている格子状ＡｕＧｅ層３０の行方向（図１１において紙面に垂直な方向）の中心線に沿って、幅２μｍのストライプ状の溝３０ａを、バッファ層２２の下面に達するまで形成する。
【００２４】
このようにして、ｎ側電極３０が完成する。なお、このｎ側電極３０は、面発光型半導体レーザの両側に２個１対として設けられる。したがって、ストライプ状の溝３０ａは、ｎ側電極３０を左右の面発光型半導体レーザに振り分けるためのものである。面発光型半導体レーザの両側にあるｎ側電極３０は相互に接続されているが、これらは相互に同電位であるから何ら支障はない。
【００２５】
図１・図２・図３参照
格子状の溝２３ａをポリイミドで充填して、ポリイミド膜３３を形成する。図１は平面図であり、図２は図１の平面図を紙面下方から上方に向かって見た側面図であり、図３は図１の平面図を紙面左右方向に見た側面図である。
【００２６】
ポリイミドの膜の表面をコンタクト層２８の表面と同一平面になるようにポリッシした後、Ａｕ層を形成し、このＡｕ膜を、図１・図３に示すように、各列に対応するストライプ状に（ＡｕＧｅ層をもって形成したｎ側電極３０と直交する方向すなわち図１・図２において紙面に平行する方向に）、分離するとともに、光放出口に対応する開口３４を形成して、ｐ側電極３１を形成する。Ｌは光放出方向を示す。
【００２７】
以上の工程をもって製造したマトリックス駆動方式の面発光型半導体レーザアレイにおいては、上下の電極がともに金属であるので、電流通路の抵抗が低く、消費電力が少なく、動作速度が速いばかりでなく、各素子の抵抗が均一であり、ばらつきがない。
【００２８】
図１３に、本発明に係る面発光型半導体レーザアレイの特性を示す、効果確認試験の結果を示す。この効果確認試験の結果は、図１５・図１６に構成を示す従来技術に係る面発光型半導体レーザアレイに対する条件と同一の条件においてなされた試験結果とあわせて示す。図１３に、従来例の抵抗を、本発明の抵抗と比較して示した。レーザ素子の抵抗を１００Ωとして、５０μｍ間隔で素子を並べた時、１ビットだけを駆動する場合の抵抗を示してあるが、従来例の場合は素子の数が増えるにつれて、すなわちアレイの規模が大きくなるにつれて増加する。一方、本発明では、ビット数（行数と列数との積）を増加しても素子部位外の抵抗は殆んど増加せず、消費電力は明らかに少ない。
【００２９】
図１４に、本発明に係るマトリックス駆動型面発光レーザアレイを高速動作させた場合の周波数特性を、図１５・図１６に構成を示した従来技術に係る面発光型半導体レーザアレイに対する結果と併せて示した。本発明のマトリックス駆動型面発光半導体レーザアレイは、抵抗が小さいため、動作速度が明らかに速い。
【００３０】
上記の実施の形態においては、レーザ本体の１例として、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層との組み合わせよりなる活性層とＡｌＧａＡｓ層よりなるスペーサ層との組を示してあるが、この例の他に、ＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との組み合わせよりなる活性層とＡｌＧａＡｓ層よりなるスペーサ層との組や、ＩｎＧａＰ層またはＩｎＧａＡｌＰ層とＩｎＧａＡｌＰ層との組み合わせよりなる活性層とＩｎＧａＡｌＰ層との組も、汎く知られているので、申し添える。
【００３１】
また、上記の実施の形態において、電流導通路としても機能する下側コンタクト層の抵抗は低いことが望ましいので、その不純物濃度は１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることが望ましい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明に係るマトリックス駆動型の面発光型半導体レーザアレイは、活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、スペーサ層を挟んで上下の多層反射膜が形成されている面発光型半導体レーザ本体が本体の平面積より大きな平面積を有し導電性の下側コンタクト層上に形成されている面発光型半導体レーザユニットの複数が、絶縁膜をもって相互に絶縁されて、絶縁性基板の上にマトリックス状に配列され、前記のマトリックスの一方向に並置される前記のユニットの複数の上に前記のマトリックスの一方向に連続する金属の帯よりなる上側電極の複数が形成され、前記のマトリックスの他方向に並置される前記のユニットの下側コンタクト層の上面に、前記のマトリックスの他方向に連続して、金属の帯よりなる下側電極の複数が形成されるので、電流通路の抵抗が小さく、消費電力が少なく、動作速度が速い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの側面図（図１を紙面の下方から見た場合）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの側面図（図１を紙面の左右方向に見た場合）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における側面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における側面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における平面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における側面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における平面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における側面図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの製造工程における平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの効果確認試験の結果である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る面発光型半導体レーザアレイの効果確認試験の結果である。
【図１５】従来技術に係る面発光型半導体レーザアレイの斜視図である。
【図１６】従来技術に係る面発光型半導体レーザアレイの側面図である。
【図１７】従来技術に係る面発光型半導体レーザアレイの側面図である。
【図１８】従来技術に係る面発光型半導体レーザアレイの欠点を分析した図である。
【符号の説明】
２１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
２２ アンドープのＧａＡｓバッファ層
２３ ｎ−ＧａＡｓコンタクト層
２３ａ 格子状の溝
２４ ｎ−Ａｌ_0.9 Ｇａ_0.1 Ａｓ／ＧａＡｓ多層反射膜
２５，２５ａ アンドープのＡｌ_0.9 Ｇａ_0.1 Ａｓスペーサ層
２６ Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸層よりなる活性層
２７ ｐ−Ａｌ_0.9 Ｇａ_0.1 Ａｓ／ＧａＡｓ多層反射膜
２８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
２９ フォトレジスト膜
３０ ｎ側電極
３０ａ ｎ側電極を行方向に絶縁分離する溝
３１ ｐ側電極
３３ ポリイミド膜
３４ 光放出口
Ｌ 光放出方向
ｓ 柱状体

Claims (2)

1. 活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、該スペーサ層を挟んで上下の多層反射膜が形成されてなる面発光型半導体レーザ本体が、該本体の平面積より大きな平面積を有し導電性の下側コンタクト層上に形成されてなる複数の面発光型半導体レーザユニットを、各々絶縁性樹脂が充填された行方向及び列方向の複数の溝を挟んで絶縁性基板上にマトリックス状に絶縁分離して配列した面発光型半導体レーザアレイであって、
   前記マトリックスの一方向に並置される前記複数の面発光型半導体レーザユニットの上に、前記マトリックスの一方向に連続する金属の帯よりなる複数の上側電極が形成され、前記マトリックスの他方向に並置される前記面発光型半導体レーザユニットの下側コンタクト層の上面に、前記マトリックスの他方向に連続して、金属の帯よりなる複数の下側電極が前記面発光型半導体レーザ本体と離間して形成されており、
   さらに、前記マトリックスの他方向の複数の溝の底部における一部分が、前記絶縁性基板上まで貫通して連続した凹部を形成しており、該連続した凹部を介して隣り合う面発光型半導体レーザユニットが絶縁分離され、該隣り合う面発光型半導体レーザユニットの下側電極が、前記連続した凹部を介して両側に形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
2. 少なくとも、絶縁性基板上に下側コンタクト層及び複数の面発光型半導体レーザ本体となる多層膜を形成した後、該多層膜にフォトリソグラフィー法で行方向及び列方向に複数の溝を形成することにより複数の面発光型半導体レーザユニットをマトリックス状に作製し、次いで、前記下側コンタクト層上に下側電極を前記面発光半導体レーザ本体と離間させるように形成した後、前記マトリックスの一方向の複数の溝の底部における一部分に前記絶縁基材上まで貫通して連続した凹部を形成して隣り合う面発光型半導体レーザユニットの下側電極を、前記連続した凹部を介して両側に形成し、さらに前記溝全体に絶縁性樹脂を充填した後、前記マトリックスの他方向に並置された面発光型半導体レーザユニットの上に、金属の帯よりなる複数の上側電極を連続して形成することを特徴とする面発光型半導体レーザアレイの製造方法。

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