JP3965801B2 - 面発光レーザアレイ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信、あるいは光を用いた画像形成装置の光源として利用される面発光レーザアレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光交換あるいは光情報処理などの分野に用いるために、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ : Vertical Cavity Surface Emitting Laser ）を２次元集積化した面発光レーザアレイが必要とされており、更にはその面発光レーザの大規模化すなわち発光点の多数化が望まれている。
ＶＣＳＥＬアレイの例としては、S.S.Lee等によって8個の素子を一列に並べ
たアレイ(IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.7,pp.1031-1033,1995)が、T.Yoshikawa等によって８×８個の発光点を２次元に配置し独立に駆動するＶＣＳＥＬアレイ(Appl.Phys.Lett.,Vol.66,pp.908-910,1995)が、R.A.Morgan等によって１０×１０個の発光点をもつマトリックス駆動型ＶＣＳＥＬアレイ(IEEE Photon.Technol.Lett.,VOL.6、pp.913ー917、1994)が報告されている。更に集積化したＶＣＳＥＬアレイの例として、M.Orenstein等によって３２×３２個の発光点をもつマトリックス駆動型面発光レーザアレイ(Electron.Lett.,VOL.27、pp.437ー438、1991、およびU.S.P.5031187)が報告されている。
【０００３】
これらのＶＣＳＥＬアレイは、個々の素子を作製した後、各素子を配列するのではなく、複数の素子を同時に作製してアレイ状に形成することによって製造される。ここで、問題となるのは、各素子の均一性である。一般に、均一な素子からなるＶＣＳＥＬアレイを得るためには、各素子が簡易なプロセスで再現性良く製造できることが必要とされる。
しかしながら、再現性に優れ、大規模化に適したＶＣＳＥＬであっても、実際にＶＣＳＥＬアレイを作製し、評価した結果、中心部にあるＶＣＳＥＬと、周辺部にあるＶＣＳＥＬでは、しきい電流値、効率等のレーザ特性が異なることが分かった。これらの差異は、次に説明する作製プロセス上の問題に起因していると考えられる。
【０００４】
例えば、ＶＣＳＥＬアレイをポスト形状に形成する場合、四塩化炭素を用いた反応性イオンエッチング等により半導体材料を除去し、ポスト形状を形成する。このとき、中心部にあるポストは、すべての側面横には隣のポストが存在するが、周辺部にあるポストは、その側面のうち隣のポストに面していない面が１面以上存在している。反応性イオンエッチングの場合、エッチング時に生成する副生成物（例えば、ＧａＡｓ系では、ガリウムクロライドやヒ素クロライド等）と供給ガスとの比率がポストの形状、すなわち側面形状を決定する。具体的には、隣に他のポストが存在するポスト側面においては、副生成物の比率が高まり、供給ガスの比率が小さくなり、逆に、隣に他のポストが存在しないポスト側面においては、副生成物の比率が小さく、供給ガスの比率が高くなる。この結果、中心部にあるポストと周辺部にあるポストとでは、形状が異なってしまう。
このような形状の差異は、例えば、活性層の面積等にバラツキを生じさせ、その結果、各ＶＣＳＥＬ素子のしきい電流値や効率等の基本特性にバラツキを生じさせることになる。
反応性イオンエッチングにおいては、四塩化炭素を用いる場合のみならず、他のガスを用いた場合も同様の問題を発生させる。また、反応性イオンエッチング以外のドライエッチングの場合も同様の問題が発生する。更に、硫酸などの溶剤を用いる湿式エッチングにおいても、溶剤の供給具合がポスト周辺の障害物の存在に影響されるため、中心部にあるポストと周辺部にあるポストでは形状が異なるという同様の問題を発生させる。
以上の問題は、大規模化、集積化が更に要求され、そのためポスト間隔が狭まるほど顕著になってくることは言うまでもない。
【０００５】
また、ＶＣＳＥＬアレイのメサとメサの間にポリイミドを埋め込んだ後に、メサ上部と同一の高さになるように、ポリイミドを機械的化学的研磨により除去する場合、この機械的化学的研磨の研磨レートは、中心部の均一性は高いが、ごく周辺部の研磨レートは中心部に対して速いため、ごく周辺部にあるポスト上面は、中心部にあるポストの上面に対して速く削られることになる。すなわち、中心部ポストの上面の高さに合わせて機械的化学的研磨を行うと、周辺部ポストの上面を削りＶＣＳＥＬを破壊することになり、逆に、周辺部ポストの上面の高さに合わせて機械的化学的研磨を行うと中心部ポストの上面がポリイミドに埋まった状態となり、その後の上部電極工程に支障をきたす。
【０００６】
また、２つの考えられる例を挙げ問題を説明したが、その他のプロセス技術でも中心部と周辺部ではプロセス条件が異なり新たな問題を発生させる可能性がある。更には、駆動条件、クロストークなどのＶＣＳＥＬ特性上も中心部と周辺部では異なることは容易に推察される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題は、作製プロセス上発生する問題であり、プロセス条件を適正化することで改善されることは事実であるが、そのプロセスウインドウは狭く、また、素子の大きさや配列条件、原材料等が変わると最適条件も異なってしまう。従って、プロセス条件の適正化によってアレイの中心部の素子とアレイの周辺部の素子とを同じ形状に形成することは非常に困難であり、これを簡便な方法で解決することが望まれていた。
従って、本発明の目的は、アレイを構成する各面発光レーザ素子が均一な形状と均一なレーザ特性を有する面発光レーザアレイ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意検討の結果、実際に使用する素子の周辺に、ダミーを配置することにより、各面発光レーザ素子の作製プロセス上の環境を同一にでき、その結果、中心部ならびに周辺部の素子形状は同様となり、レーザ素子特性も均一化することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
また、本発明の面発光レーザアレイ装置は、活性層と、該活性層を挟み込む１対のスペーサ層と、該スペーサ層を挟み込む１対のミラー層とを備えると共にポスト構造を有する面発光レーザ素子の複数が、同一基板上に積層形成され、二次元アレイ状に配列されてなる面発光レーザアレイ装置において、実際に使用する面発光レーザ素子群からなる二次元アレイの周囲に、該実際に使用する面発光レーザ素子と同じポスト構造を有し且つ実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子を、隣接する面発光レーザ素子間の間隔、隣接するダミー素子間の間隔、及び隣接する面発光レーザ素子とダミー素子との間の間隔が各々同一になる配列で配置したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の面発光レーザアレイ装置は、実際に使用する素子の周辺に、ダミーもしくはそれに代わりプロセス環境を各素子に対して均一にする構造を配置することにより、各面発光レーザ素子の作製プロセス上の環境を同一にできる。その結果、面発光レーザアレイの中心部ならびに周辺部の素子形状は同様となり、レーザ素子特性の位置によるバラツキは小さくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態の一例を図１を用いて説明する。この例は、実際に使用する面発光レーザ素子（白抜き部分）が同一基板上に一列に配置され、その両側に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子（斜線部分）を配置し、実際に使用する面発光レーザ素子のプロセス環境及び駆動時の環境を均一にした例である。
また、本発明の好適な実施の形態の他の一例を図２を用いて説明する。この例は、実際に使用する面発光レーザ素子（白抜き部分）が同一基板上に一列または２次元アレイ状に配置され、その外側周辺に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子（斜線部分）を少なくとも一周配置し、実際に使用する面発光レーザ素子のプロセス環境及び駆動時の環境を均一にした例である。この時、４隅のダミーは省いても良い場合もある。
また、本発明の好適な実施の形態の他の一例を図３を用いて説明する。この例は、実際に使用する面発光レーザ素子（白抜き部分）が同一基板上に一列または２次元アレイ状に配置され、その外側周辺に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と全く同一の条件ではないが、実際に使用する面発光レーザ素子の製造工程において、その製造環境を同一にするための構造（斜線部分）を配置することにより問題を解決した例である。図３Ａは、ダミー構造により側面環境は同一にするが、ダミー構造の形状が実際に使用する面発光レーザ素子と同一でない例であり、図３Ｂは、側面環境は多少変わるが、実際に使用する面発光レーザ素子の周辺部の製造環境が中心部の製造環境と大きく変わらないよう、周囲を囲んだ例である。
本発明において「実際には面発光レ−ザ素子として使用しない」とは、電流を流さず発光させない場合の他、電流を流して発光させた場合にも光源として使用しないことも含む意味である。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照しながら、本発明の面発光レーザアレイ装置の第１の実施例を説明する。
図４ｆは、第１の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の平面図（面発光レーザアレイを上方から見たときのポスト配置を模式的に示したもの）である。図４ｅは、その面発光レーザアレイを構成する面発光レーザ素子の概略的断面図であり、図４ａ〜図４ｅは、その面発光レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００１５】
図４ｅに示す面発光レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板９１上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層９２と、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ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４０．５周期積層した１×１０18ｃｍ-3で総膜厚が約４μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3となる下部ｎ型多層反射膜９３と、アンドープ下部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層（膜厚９０ｎｍＡｌ0.1 1 Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性層領域９４と、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ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２０周期積層したキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で総膜厚が約２μｍの上部ｐ型多層反射膜９５と、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層９６とが、順次積層されており、下部ｎ型多層反射膜９３の側面が半分程度露呈する深さまでエッチングされて、角柱の半導体柱Ｓ（ポスト）が形成され、ポスト上面を除く部分がＳｉＮ膜で被覆されている。そして、ポスト中央部のレーザ光出射領域を避けるように、ＴｉとＡｕの二層構造のｐ側電極が設けられ、基板裏面には、ＡｕＧｅからなるｎ側電極（図示せず）が設けられている。
【００１６】
第１の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置は、図４ｆに図示するように、実際に使用する面発光レーザ素子（１〜１０）が、同じｎ型ＧａＡｓ基板９１上に一列に配置され、その両側に、１〜１０の面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子１１と１２とが配置されている。なお、各面発光レーザ素子のポスト間隔は１０μｍとしている。
【００１７】
次に、この面発光レーザ素子の製造工程について説明する。
まず、図４ａに示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板９１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層９２を積層し、その上に、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ下部ｎ型多層反射膜９３、アンドープ下部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層（膜厚９０ｎｍ，Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層３層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とで構成された活性層領域９４、その上にＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ上部ｐ型多層反射膜９５、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９６を順次積層する。
【００１８】
また、詳しくは述べないが、多層反射膜の電気的抵抗を下げるためにＡｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.1 Ａｓの界面に、ＡｌＡｓ組成を９０％から３０％に段階的に変化させた膜厚が９ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。 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、アルシン、ドーパント材料としてはｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【００１９】
続いて図４ｂに示すように、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部ｎ型多層反射膜９３の途中までエッチングし、径１０μmの円柱もしくは角柱の半導体柱Ｓ（ポスト）を形成する。
ここで、ポストは図４ｆに図示（面発光レーザアレイを上方から見たときのポスト配置を模式的に示したもの）するようにポスト間隔１０μｍで配置されている。
【００２０】
続いて図４ｃに示すように、レジストＲを除去した後、図４ｃに示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮを蒸着した後、通常のフォトリソ工程とバッファードフッ酸をもちいたＳｉＮのエッチングにより、ポスト上部のＳｉＮを剥離する。その後、図４ｄに示すように、フォトリソ工程を用いてポスト上部中央にレジストパターンＴを形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＴｉとＡｕをそれぞれ１０ｎｍ、２００ｎｍ蒸着する。
【００２１】
最後に、アセトンを用いて、レジストパターンＴを剥離する。この時、レジストパターンＴ上のＴｉとＡｕは同時に取り除かれ、図４ｅおよび図４ｆに示す、面発光レーザアレイ装置が完成する。この装置では、ｐ側電極のない部分、すなわちポスト中央部からレーザ光が出射される。なお、基板裏面には、ｎ電極としてＡｕＧｅが蒸着されている（不図示）。
【００２２】
この装置では、実際に使用する面発光レーザ素子（１〜１０）の両側に、１〜１０の面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子１１と１２とを配置したことにより、両端の面発光レーザ素子１および１０が、他の面発光レーザ素子と同じ製造環境に置かれることになり、各素子が均一なレーザ特性を有する面発光レーザアレイ装置となる。
【００２３】
本例では、半導体柱Ｓを形成するのに下部ｎ型多層反射膜までエッチングした場合を説明したが、上部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層あるいはそれより上方まででエッチングをストップする構造、もしくは、基板までをエッチングする構造も可能である。
また、ポスト径およびポスト間隔も任意にかえることができる。
また、本発明では、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。
更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μm帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。
また、多層反射膜として半導体材料に限定されることなく、絶縁膜を用いることも可能である。
【００２４】
以下、本発明の面発光レーザアレイ装置の第２の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図５は、第２の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の一部を上面から見た模式的平面図であり、図６は、その面発光レーザアレイ装置を上方から見たときのポスト配置を示す模式的平面図である。図７は図５のＡ−Ａ断面図、図８は図５のＢ−Ｂ断面図である。図９〜図１４は、その面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【００２５】
図７、図８に示すように、この面発光レーザアレイ装置は、絶縁性のＧａＡｓ基板２１上に、０．２μm程度のアンドープＧａＡｓバッファ層２２、膜厚３μm、キャリア濃度１×１０19cm-3のｎ型ＧａＡｓ２３と、このｎ型ＧａＡｓ上に形成されたそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/４であるＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した総膜厚数μmのｎ型多層反射膜２５と、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓで構成された量子井戸３層をＧａＡｓ１０ｎｍで挟んだ構造で媒質内波長の膜厚をもつアンドープ活性領域２６と、それぞれの膜厚が媒質内波長の1/４であるＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した総膜厚数μmのｐ型多層反射膜２７と、キャリア濃度１×１０19cm-3の膜厚0.１μmのｐ型ＧａＡｓ２８とを積層して構成され、この上層にｐ側電極３１が形成されたポストが形成されている。また、このポスト側面から所定の間隔を隔てて分離溝２９が設けられ、分離溝２９に囲まれた領域に露呈したｎ型ＧａＡｓ２３上にｎ側電極２４が形成されている。
【００２６】
このように構成した面発光レーザ素子が図５のように２次元平面内上に多数個並べられたものが、面発光レーザアレイ装置となる。このとき面発光レーザ素子に対応するポストは、図６に示すように、各素子は２次元に配置されている。枠内を斜線で示したポストが発光点として必要なもので、その周囲に配置されたポストはプロセス環境を均一化するためのダミーポストである。
【００２７】
この装置では、図６に示すように、各素子は２次元に配置され、実際に使用する面発光レーザ素子（枠内を斜線で示したポスト）の周囲に、面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子が配置されている。なお、この多数個素子を集積化した装置は、大規模化した、あるいは、多数個集積化した面発光レーザアレイに対する要求に答えるべく、本発明者等が、特願平９−２２５３８３明細書において開示したものである。
【００２８】
本発明では、活性層にＩｎＧａＡｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μm帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。
【００２９】
次に、この面発光レーザアレイ素子の製造工程について説明する。
まず、図９に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、絶縁性ＧａＡｓ（１００）基板２１上に、０．２μm程度のアンドープＧａＡｓバッファ層２２と、キャリア濃度１×１０19cm-3膜厚３μmのシリコンドープｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３を積層し、さらにこの上層に、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＧａＡｓ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た総膜厚約２μm、１×１０18cm-3のシリコンドープｎ型多層反射膜２５と、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓで構成された量子井戸層３層を膜厚１０ｎｍのＧａＡｓ層で挟んだ構造をもつ媒質内波長の膜厚をもつアンドープ活性領域２６と、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＧａＡｓ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た総膜厚約２μm、１×１０18cm-3のマグネシウムドープの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０．１μmで１×１０19cm-3のドーピングを施したｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８を積層する。
【００３０】
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、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、シランを用い、成長時の基板温度は７００℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【００３１】
続いて図１０に示すように、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３表面若しくはこのｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３の途中までエッチングし、幅２０μm程度のストライプ状の半導体柱Ｓを形成する。その後、図１１に示すように、Ｈ2 ＳＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏの比率が１：１：１０のエッチング液によりさらに２μｍだけ細くなるように側面からエッチングを行う。
【００３２】
この後、図１２に示すようにレジストマスクを残したまま、上方からエレクトロンビーム法により、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３上にｎ側電極２４としてＡｕＧｅ層を蒸着する。そしてリフトオフにより、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３上のＡｕＧｅ層を残して他の領域のＡｕＧｅ層をレジストと共に剥離する。
【００３３】
続いて、図１３に示すようにフォーカスドイオンビーム法を用いて、各半導体柱Ｓの間中央を、ＧａＡｓ基板２１に到達する深さまで、このストライプに沿って幅２μmの溝を形成する。
尚、図１０で説明したストライプ状の半導体柱Ｓを形成する工程と図１３で説明した工程により形成された面発光レーザ１素子に対応するポストは図６に示すように配置する。
【００３４】
次に、図１４に示すようにポリイミド膜を塗布しポストの周りを埋めた後、そのポリイミド膜上部はポスト上部と同一の高さになるようにポリイミドを機械的化学的研磨により除去し、表面の平坦化をはかる。このとき、周辺部の研磨速度は中心部より速いため、周辺部のポスト上部が削られる問題が発生するが、上記に説明したようにダミーポストを配置しているためこの問題を防ぐことができる。 その後、上層にＡｕ層を蒸着し、前記ｎ側電極２４とは直交する方向に伸長するストライプ状のｐ側電極３１を形成する。
【００３５】
このようにして図５〜８に示したマトリックス駆動型面発光レーザアレイが完成する。この装置では、図６に示すように、実際に使用する面発光レーザ素子（枠内を斜線で示したポスト）の周囲に、面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子が配置したことにより、枠内を斜線で示したポストのうち最外周にある面発光レーザ素子が、他の面発光レーザ素子と同じ製造環境に置かれることになり、各素子が均一なレーザ特性を有する面発光レーザアレイ装置となる。
【００３６】
以下、本発明の面発光レーザアレイ装置の第３の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１５は、第３の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の一部を上面から見た模式的平面図であり、図１６は、その面発光レーザアレイを構成する面発光レーザ素子の概略的断面図である。
【００３７】
図１６に示すように、この面発光レーザアレイ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層２と、ｎ型のアルミニウムガリウム砒素( Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ）からなる下部ｎ型多層反射膜３と、アンドープのＡｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓからなる下部スペーサ層４、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層５、アンドープのＡｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓからなる上部スペーサ層６とを含む活性領域７と、ｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ/ Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなる上部多層反射膜８と、同じくｐ型のＧａＡｓコンタクト層９とが順次積層せしめられている。ただし上部多層反射膜８内の最下層はｐ型のＡｌＡｓ層１０となっており、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 の入る周期の所に、ＡｌＡｓ層１０が挿入されている。上部ｐ型多層反射膜８と活性領域７のうち活性層５まで三塩化ホウ素と塩素（ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2)ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、メサ形状に加工されている。ＡｌＡｓ層１０は、窒素をキャリアガスに用いて、９５℃に加熱された純水をバブリングして水蒸気を炉に輸送して酸化するウェット酸化炉にて、４００℃に加熱し、一部だけ選択的に酸化する。さらに、前記メサを覆うように、プラズマ支援化学気層成長法にて、２５０℃でシリコン酸窒化膜１１約１μmが着膜されている。前記メサ上部にはフォトリソグラフィとエッチングによって、コンタクトホールが形成され、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９とＴｉ／Ａｕの積層膜からなるｐ側電極１２が接続され、さらに出射口が形成されている。ｎ側電極１３は基板裏面全体に付いている。ｎ側電極１３とｐ側電極１２間に電流を流し、レーザ発振を行う。
【００３８】
ここで下部多層反射膜３はｎ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層と同Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とを各々厚さλ/(4nｒ)(λ:発振波長,nｒ:媒質の屈折率)づつ交互に
４０．５周期積層して形成されたもので、ドーパントのシリコン濃度は２×１０18cm-3である。ｐ型のＡｌＡｓ層１０は厚さλ/(4nｒ)で、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18cm-3である。上部多層反射膜８はｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層と同Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とを各々厚さλ/(4nｒ)づつ交互に３０周期積層して形成されたもので、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18cm-3である。最後にｐ型のＧａＡｓコンタクト層９は膜厚２０ｎｍで、カーボン濃度は１×１０20cm-3である。上部多層反射膜８の周期数(層数)を下部多層反射膜３のそれ
よりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。
【００３９】
ドーパントの種類についてはここに挙げたものに限らず、ｎ型ならばセレン、ｐ型ならば亜鉛やマグネシウムなどを用いることも可能である。
また詳しくは述べないが素子の直列抵抗を下げるため、半導体多層膜中にはＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層の間に、その中間のアルミ組成比を有するいわゆる遷移領域を挟んでいる。メサを覆う絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜なども用いることができる。
【００４０】
本素子は以上のように構成され、発振波長λ：780nmのレーザ光を基板表面から取り出すようにしたものである。
【００４１】
第３の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置は、図１５に図示するように、素子が５行×４列の２次元に配置されている（ｉ行ｊ列の素子を番号ｉｊで表示）。その内、中心部に配置されている３行×２列素子が実際に使用する面発光レーザ素子であり、その周辺に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子が配置されている。
【００４２】
この装置の５行×４列すべての素子のしきい電流値を素子の配置された行と例を区別して図１７に示す。この図から周辺部のダミー素子のしきい電流値は中心部の実際に使用する面発光レーザ素子より低いことがわかる。更に詳しく見ると、４隅にあるダミー素子は２つの側面が外側となるため最もしきい値が下がっている。この理由は課題で述べたように、反応性イオンエッチングの際に、周辺部にあるポスト側面は中心部のポスト側面より、側方向に深くエッチングされ、その結果、ＡｌＡｓ酸化によって作られた電流通路が狭くなったためである。
本発明では、中心部の３行×２列の面発光レーザ素子だけを面発光レーザアレイとして用いるため、しきい電流値の均一性は高くなる。
【００４３】
周辺部にダミー素子を設けた面発光レーザアレイは、以上説明してきたポスト型面発光レーザアレイ、選択酸化型面発光レーザアレイのみならず、インプラ型等他の面発光レーザ構造を持つアレイにも適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、各面発光レーザ素子の作製プロセス上の環境を同一にでき、その結果、面発光レーザアレイを構成する素子の形状は均一となり、レーザ素子特性の位置によるバラツキは小さくなる。従って、集積度が高くなっても、各面発光レーザ素子が均一特性を持つ大規模面発光レーザアレイが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態の他の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の好適な実施の形態の他の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の構造および製造工程を示す概略的断面図である。図４ｆは、第１の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の平面図であり、図４ｅは、その面発光レーザアレイを構成する面発光レーザ素子の概略的断面図であり、図４ａ〜図４ｅは、その面発光レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の模式的平面図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置を上方から見たときのポスト配置を示す模式的平面図である。
【図７】図５の面発光レーザアレイ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図８】図５の面発光レーザアレイ装置のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の模式的平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施例に係る面発光レーザアレイ装置を構成する面発光レーザ素子の概略的断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施例に係る面発光レーザアレイ装置を構成する各素子のしきい電流値を行と例を区別して示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３ ｎ型下部ｎ型多層反射膜
４ 下部スペーサ層
５ 量子井戸活性層
６ 上部スペーサ層
７ 活性領域
８ ｐ型上部多層反射膜
９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０ ｐ型のＡｌＡｓ層
１２ ｐ側電極
１３ ｎ側電極
２１ 絶縁性のＧａＡｓ基板
２２ アンドープＧａＡｓバッファ層
２３ ｎ型ＧａＡｓ
２４ ｎ側電極
２５ ｎ型多層反射膜
２６ アンドープ活性領域
２７ ｐ型多層反射膜
２８ ｐ型ＧａＡｓ
３１ ｐ側電極
２９ 分離溝
９１ ｎ型ＧａＡｓ基板
９２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
９３ 下部ｎ型多層反射膜
９４ 活性層領域
９５ 上部ｐ型多層反射膜
９６ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層-
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信、あるいは光を用いた画像形成装置の光源として利用される面発光レーザアレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光交換あるいは光情報処理などの分野に用いるために、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ : Vertical Cavity Surface Emitting Laser ）を２次元集積化した面発光レーザアレイが必要とされており、更にはその面発光レーザの大規模化すなわち発光点の多数化が望まれている。
ＶＣＳＥＬアレイの例としては、S.S.Lee等によって8個の素子を一列に並べ
たアレイ(IEEE Photon.Technol.Lett.,Vol.7,pp.1031-1033,1995)が、T.Yoshikawa等によって８×８個の発光点を２次元に配置し独立に駆動するＶＣＳＥＬアレイ(Appl.Phys.Lett.,Vol.66,pp.908-910,1995)が、R.A.Morgan等によって１０×１０個の発光点をもつマトリックス駆動型ＶＣＳＥＬアレイ(IEEE Photon.Technol.Lett.,VOL.6、pp.913ー917、1994)が報告されている。更に集積化したＶＣＳＥＬアレイの例として、M.Orenstein等によって３２×３２個の発光点をもつマトリックス駆動型面発光レーザアレイ(Electron.Lett.,VOL.27、pp.437ー438、1991、およびU.S.P.5031187)が報告されている。
【０００３】
これらのＶＣＳＥＬアレイは、個々の素子を作製した後、各素子を配列するのではなく、複数の素子を同時に作製してアレイ状に形成することによって製造される。ここで、問題となるのは、各素子の均一性である。一般に、均一な素子からなるＶＣＳＥＬアレイを得るためには、各素子が簡易なプロセスで再現性良く製造できることが必要とされる。
しかしながら、再現性に優れ、大規模化に適したＶＣＳＥＬであっても、実際にＶＣＳＥＬアレイを作製し、評価した結果、中心部にあるＶＣＳＥＬと、周辺部にあるＶＣＳＥＬでは、しきい電流値、効率等のレーザ特性が異なることが分かった。これらの差異は、次に説明する作製プロセス上の問題に起因していると考えられる。
【０００４】
例えば、ＶＣＳＥＬアレイをポスト形状に形成する場合、四塩化炭素を用いた反応性イオンエッチング等により半導体材料を除去し、ポスト形状を形成する。このとき、中心部にあるポストは、すべての側面横には隣のポストが存在するが、周辺部にあるポストは、その側面のうち隣のポストに面していない面が１面以上存在している。反応性イオンエッチングの場合、エッチング時に生成する副生成物（例えば、ＧａＡｓ系では、ガリウムクロライドやヒ素クロライド等）と供給ガスとの比率がポストの形状、すなわち側面形状を決定する。具体的には、隣に他のポストが存在するポスト側面においては、副生成物の比率が高まり、供給ガスの比率が小さくなり、逆に、隣に他のポストが存在しないポスト側面においては、副生成物の比率が小さく、供給ガスの比率が高くなる。この結果、中心部にあるポストと周辺部にあるポストとでは、形状が異なってしまう。
このような形状の差異は、例えば、活性層の面積等にバラツキを生じさせ、その結果、各ＶＣＳＥＬ素子のしきい電流値や効率等の基本特性にバラツキを生じさせることになる。
反応性イオンエッチングにおいては、四塩化炭素を用いる場合のみならず、他のガスを用いた場合も同様の問題を発生させる。また、反応性イオンエッチング以外のドライエッチングの場合も同様の問題が発生する。更に、硫酸などの溶剤を用いる湿式エッチングにおいても、溶剤の供給具合がポスト周辺の障害物の存在に影響されるため、中心部にあるポストと周辺部にあるポストでは形状が異なるという同様の問題を発生させる。
以上の問題は、大規模化、集積化が更に要求され、そのためポスト間隔が狭まるほど顕著になってくることは言うまでもない。
【０００５】
また、ＶＣＳＥＬアレイのメサとメサの間にポリイミドを埋め込んだ後に、メサ上部と同一の高さになるように、ポリイミドを機械的化学的研磨により除去する場合、この機械的化学的研磨の研磨レートは、中心部の均一性は高いが、ごく周辺部の研磨レートは中心部に対して速いため、ごく周辺部にあるポスト上面は、中心部にあるポストの上面に対して速く削られることになる。すなわち、中心部ポストの上面の高さに合わせて機械的化学的研磨を行うと、周辺部ポストの上面を削りＶＣＳＥＬを破壊することになり、逆に、周辺部ポストの上面の高さに合わせて機械的化学的研磨を行うと中心部ポストの上面がポリイミドに埋まった状態となり、その後の上部電極工程に支障をきたす。
【０００６】
また、２つの考えられる例を挙げ問題を説明したが、その他のプロセス技術でも中心部と周辺部ではプロセス条件が異なり新たな問題を発生させる可能性がある。更には、駆動条件、クロストークなどのＶＣＳＥＬ特性上も中心部と周辺部では異なることは容易に推察される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題は、作製プロセス上発生する問題であり、プロセス条件を適正化することで改善されることは事実であるが、そのプロセスウインドウは狭く、また、素子の大きさや配列条件、原材料等が変わると最適条件も異なってしまう。従って、プロセス条件の適正化によってアレイの中心部の素子とアレイの周辺部の素子とを同じ形状に形成することは非常に困難であり、これを簡便な方法で解決することが望まれていた。
従って、本発明の目的は、アレイを構成する各面発光レーザ素子が均一な形状と均一なレーザ特性を有する面発光レーザアレイ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意検討の結果、実際に使用する素子の周辺に、ダミーを配置することにより、各面発光レーザ素子の作製プロセス上の環境を同一にでき、その結果、中心部ならびに周辺部の素子形状は同様となり、レーザ素子特性も均一化することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
また、本発明の面発光レーザアレイ装置は、活性層と、該活性層を挟み込む１対のスペーサ層と、該スペーサ層を挟み込む１対のミラー層とを備えると共にポスト構造を有する面発光レーザ素子の複数が、同一基板上に積層形成され、二次元アレイ状に配列されてなる面発光レーザアレイ装置において、実際に使用する面発光レーザ素子群からなる二次元アレイの周囲に、該実際に使用する面発光レーザ素子と同じポスト構造を有し且つ実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子を、隣接する面発光レーザ素子間の間隔、隣接するダミー素子間の間隔、及び隣接する面発光レーザ素子とダミー素子との間の間隔が各々同一になる配列で配置したことを特徴とする。
【００１２】
本発明の面発光レーザアレイ装置は、実際に使用する素子の周辺に、ダミーもしくはそれに代わりプロセス環境を各素子に対して均一にする構造を配置することにより、各面発光レーザ素子の作製プロセス上の環境を同一にできる。その結果、面発光レーザアレイの中心部ならびに周辺部の素子形状は同様となり、レーザ素子特性の位置によるバラツキは小さくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態の一例を図１を用いて説明する。この例は、実際に使用する面発光レーザ素子（白抜き部分）が同一基板上に一列に配置され、その両側に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子（斜線部分）を配置し、実際に使用する面発光レーザ素子のプロセス環境及び駆動時の環境を均一にした例である。
また、本発明の好適な実施の形態の他の一例を図２を用いて説明する。この例は、実際に使用する面発光レーザ素子（白抜き部分）が同一基板上に一列または２次元アレイ状に配置され、その外側周辺に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子（斜線部分）を少なくとも一周配置し、実際に使用する面発光レーザ素子のプロセス環境及び駆動時の環境を均一にした例である。この時、４隅のダミーは省いても良い場合もある。
また、本発明の好適な実施の形態の他の一例を図３を用いて説明する。この例は、実際に使用する面発光レーザ素子（白抜き部分）が同一基板上に一列または２次元アレイ状に配置され、その外側周辺に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と全く同一の条件ではないが、実際に使用する面発光レーザ素子の製造工程において、その製造環境を同一にするための構造（斜線部分）を配置することにより問題を解決した例である。図３Ａは、ダミー構造により側面環境は同一にするが、ダミー構造の形状が実際に使用する面発光レーザ素子と同一でない例であり、図３Ｂは、側面環境は多少変わるが、実際に使用する面発光レーザ素子の周辺部の製造環境が中心部の製造環境と大きく変わらないよう、周囲を囲んだ例である。
本発明において「実際には面発光レ−ザ素子として使用しない」とは、電流を流さず発光させない場合の他、電流を流して発光させた場合にも光源として使用しないことも含む意味である。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照しながら、本発明の面発光レーザアレイ装置の第１の実施例を説明する。
図４ｆは、第１の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の平面図（面発光レーザアレイを上方から見たときのポスト配置を模式的に示したもの）である。図４ｅは、その面発光レーザアレイを構成する面発光レーザ素子の概略的断面図であり、図４ａ〜図４ｅは、その面発光レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００１５】
図４ｅに示す面発光レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板９１上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層９２と、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ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４０．５周期積層した１×１０18ｃｍ-3で総膜厚が約４μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3となる下部ｎ型多層反射膜９３と、アンドープ下部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層（膜厚９０ｎｍＡｌ0.1 1 Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性層領域９４と、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ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２０周期積層したキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で総膜厚が約２μｍの上部ｐ型多層反射膜９５と、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層９６とが、順次積層されており、下部ｎ型多層反射膜９３の側面が半分程度露呈する深さまでエッチングされて、角柱の半導体柱Ｓ（ポスト）が形成され、ポスト上面を除く部分がＳｉＮ膜で被覆されている。そして、ポスト中央部のレーザ光出射領域を避けるように、ＴｉとＡｕの二層構造のｐ側電極が設けられ、基板裏面には、ＡｕＧｅからなるｎ側電極（図示せず）が設けられている。
【００１６】
第１の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置は、図４ｆに図示するように、実際に使用する面発光レーザ素子（１〜１０）が、同じｎ型ＧａＡｓ基板９１上に一列に配置され、その両側に、１〜１０の面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子１１と１２とが配置されている。なお、各面発光レーザ素子のポスト間隔は１０μｍとしている。
【００１７】
次に、この面発光レーザ素子の製造工程について説明する。
まず、図４ａに示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板９１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層９２を積層し、その上に、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ下部ｎ型多層反射膜９３、アンドープ下部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層（膜厚９０ｎｍ，Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層３層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層とで構成された活性層領域９４、その上にＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ上部ｐ型多層反射膜９５、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９６を順次積層する。
【００１８】
また、詳しくは述べないが、多層反射膜の電気的抵抗を下げるためにＡｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.1 Ａｓの界面に、ＡｌＡｓ組成を９０％から３０％に段階的に変化させた膜厚が９ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。 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、アルシン、ドーパント材料としてはｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【００１９】
続いて図４ｂに示すように、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部ｎ型多層反射膜９３の途中までエッチングし、径１０μmの円柱もしくは角柱の半導体柱Ｓ（ポスト）を形成する。
ここで、ポストは図４ｆに図示（面発光レーザアレイを上方から見たときのポスト配置を模式的に示したもの）するようにポスト間隔１０μｍで配置されている。
【００２０】
続いて図４ｃに示すように、レジストＲを除去した後、図４ｃに示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮを蒸着した後、通常のフォトリソ工程とバッファードフッ酸をもちいたＳｉＮのエッチングにより、ポスト上部のＳｉＮを剥離する。その後、図４ｄに示すように、フォトリソ工程を用いてポスト上部中央にレジストパターンＴを形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＴｉとＡｕをそれぞれ１０ｎｍ、２００ｎｍ蒸着する。
【００２１】
最後に、アセトンを用いて、レジストパターンＴを剥離する。この時、レジストパターンＴ上のＴｉとＡｕは同時に取り除かれ、図４ｅおよび図４ｆに示す、面発光レーザアレイ装置が完成する。この装置では、ｐ側電極のない部分、すなわちポスト中央部からレーザ光が出射される。なお、基板裏面には、ｎ電極としてＡｕＧｅが蒸着されている（不図示）。
【００２２】
この装置では、実際に使用する面発光レーザ素子（１〜１０）の両側に、１〜１０の面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子１１と１２とを配置したことにより、両端の面発光レーザ素子１および１０が、他の面発光レーザ素子と同じ製造環境に置かれることになり、各素子が均一なレーザ特性を有する面発光レーザアレイ装置となる。
【００２３】
本例では、半導体柱Ｓを形成するのに下部ｎ型多層反射膜までエッチングした場合を説明したが、上部Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサ層あるいはそれより上方まででエッチングをストップする構造、もしくは、基板までをエッチングする構造も可能である。
また、ポスト径およびポスト間隔も任意にかえることができる。
また、本発明では、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。
更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μm帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。
また、多層反射膜として半導体材料に限定されることなく、絶縁膜を用いることも可能である。
【００２４】
以下、本発明の面発光レーザアレイ装置の第２の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図５は、第２の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の一部を上面から見た模式的平面図であり、図６は、その面発光レーザアレイ装置を上方から見たときのポスト配置を示す模式的平面図である。図７は図５のＡ−Ａ断面図、図８は図５のＢ−Ｂ断面図である。図９〜図１４は、その面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【００２５】
図７、図８に示すように、この面発光レーザアレイ装置は、絶縁性のＧａＡｓ基板２１上に、０．２μm程度のアンドープＧａＡｓバッファ層２２、膜厚３μm、キャリア濃度１×１０19cm-3のｎ型ＧａＡｓ２３と、このｎ型ＧａＡｓ上に形成されたそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/４であるＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した総膜厚数μmのｎ型多層反射膜２５と、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓで構成された量子井戸３層をＧａＡｓ１０ｎｍで挟んだ構造で媒質内波長の膜厚をもつアンドープ活性領域２６と、それぞれの膜厚が媒質内波長の1/４であるＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した総膜厚数μmのｐ型多層反射膜２７と、キャリア濃度１×１０19cm-3の膜厚0.１μmのｐ型ＧａＡｓ２８とを積層して構成され、この上層にｐ側電極３１が形成されたポストが形成されている。また、このポスト側面から所定の間隔を隔てて分離溝２９が設けられ、分離溝２９に囲まれた領域に露呈したｎ型ＧａＡｓ２３上にｎ側電極２４が形成されている。
【００２６】
このように構成した面発光レーザ素子が図５のように２次元平面内上に多数個並べられたものが、面発光レーザアレイ装置となる。このとき面発光レーザ素子に対応するポストは、図６に示すように、各素子は２次元に配置されている。枠内を斜線で示したポストが発光点として必要なもので、その周囲に配置されたポストはプロセス環境を均一化するためのダミーポストである。
【００２７】
この装置では、図６に示すように、各素子は２次元に配置され、実際に使用する面発光レーザ素子（枠内を斜線で示したポスト）の周囲に、面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子が配置されている。なお、この多数個素子を集積化した装置は、大規模化した、あるいは、多数個集積化した面発光レーザアレイに対する要求に答えるべく、本発明者等が、特願平９−２２５３８３明細書において開示したものである。
【００２８】
本発明では、活性層にＩｎＧａＡｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μm帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。
【００２９】
次に、この面発光レーザアレイ素子の製造工程について説明する。
まず、図９に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、絶縁性ＧａＡｓ（１００）基板２１上に、０．２μm程度のアンドープＧａＡｓバッファ層２２と、キャリア濃度１×１０19cm-3膜厚３μmのシリコンドープｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３を積層し、さらにこの上層に、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＧａＡｓ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た総膜厚約２μm、１×１０18cm-3のシリコンドープｎ型多層反射膜２５と、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓで構成された量子井戸層３層を膜厚１０ｎｍのＧａＡｓ層で挟んだ構造をもつ媒質内波長の膜厚をもつアンドープ活性領域２６と、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 ＡｓとＧａＡｓ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た総膜厚約２μm、１×１０18cm-3のマグネシウムドープの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０．１μmで１×１０19cm-3のドーピングを施したｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８を積層する。
【００３０】
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、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、シランを用い、成長時の基板温度は７００℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【００３１】
続いて図１０に示すように、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３表面若しくはこのｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３の途中までエッチングし、幅２０μm程度のストライプ状の半導体柱Ｓを形成する。その後、図１１に示すように、Ｈ2 ＳＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏの比率が１：１：１０のエッチング液によりさらに２μｍだけ細くなるように側面からエッチングを行う。
【００３２】
この後、図１２に示すようにレジストマスクを残したまま、上方からエレクトロンビーム法により、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３上にｎ側電極２４としてＡｕＧｅ層を蒸着する。そしてリフトオフにより、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３上のＡｕＧｅ層を残して他の領域のＡｕＧｅ層をレジストと共に剥離する。
【００３３】
続いて、図１３に示すようにフォーカスドイオンビーム法を用いて、各半導体柱Ｓの間中央を、ＧａＡｓ基板２１に到達する深さまで、このストライプに沿って幅２μmの溝を形成する。
尚、図１０で説明したストライプ状の半導体柱Ｓを形成する工程と図１３で説明した工程により形成された面発光レーザ１素子に対応するポストは図６に示すように配置する。
【００３４】
次に、図１４に示すようにポリイミド膜を塗布しポストの周りを埋めた後、そのポリイミド膜上部はポスト上部と同一の高さになるようにポリイミドを機械的化学的研磨により除去し、表面の平坦化をはかる。このとき、周辺部の研磨速度は中心部より速いため、周辺部のポスト上部が削られる問題が発生するが、上記に説明したようにダミーポストを配置しているためこの問題を防ぐことができる。 その後、上層にＡｕ層を蒸着し、前記ｎ側電極２４とは直交する方向に伸長するストライプ状のｐ側電極３１を形成する。
【００３５】
このようにして図５〜８に示したマトリックス駆動型面発光レーザアレイが完成する。この装置では、図６に示すように、実際に使用する面発光レーザ素子（枠内を斜線で示したポスト）の周囲に、面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子が配置したことにより、枠内を斜線で示したポストのうち最外周にある面発光レーザ素子が、他の面発光レーザ素子と同じ製造環境に置かれることになり、各素子が均一なレーザ特性を有する面発光レーザアレイ装置となる。
【００３６】
以下、本発明の面発光レーザアレイ装置の第３の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１５は、第３の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の一部を上面から見た模式的平面図であり、図１６は、その面発光レーザアレイを構成する面発光レーザ素子の概略的断面図である。
【００３７】
図１６に示すように、この面発光レーザアレイ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層２と、ｎ型のアルミニウムガリウム砒素( Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ）からなる下部ｎ型多層反射膜３と、アンドープのＡｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓからなる下部スペーサ層４、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層５、アンドープのＡｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓからなる上部スペーサ層６とを含む活性領域７と、ｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ/ Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓからなる上部多層反射膜８と、同じくｐ型のＧａＡｓコンタクト層９とが順次積層せしめられている。ただし上部多層反射膜８内の最下層はｐ型のＡｌＡｓ層１０となっており、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 の入る周期の所に、ＡｌＡｓ層１０が挿入されている。上部ｐ型多層反射膜８と活性領域７のうち活性層５まで三塩化ホウ素と塩素（ＢＣｌ3 ＋Ｃｌ2)ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、メサ形状に加工されている。ＡｌＡｓ層１０は、窒素をキャリアガスに用いて、９５℃に加熱された純水をバブリングして水蒸気を炉に輸送して酸化するウェット酸化炉にて、４００℃に加熱し、一部だけ選択的に酸化する。さらに、前記メサを覆うように、プラズマ支援化学気層成長法にて、２５０℃でシリコン酸窒化膜１１約１μmが着膜されている。前記メサ上部にはフォトリソグラフィとエッチングによって、コンタクトホールが形成され、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９とＴｉ／Ａｕの積層膜からなるｐ側電極１２が接続され、さらに出射口が形成されている。ｎ側電極１３は基板裏面全体に付いている。ｎ側電極１３とｐ側電極１２間に電流を流し、レーザ発振を行う。
【００３８】
ここで下部多層反射膜３はｎ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層と同Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とを各々厚さλ/(4nｒ)(λ:発振波長,nｒ:媒質の屈折率)づつ交互に
４０．５周期積層して形成されたもので、ドーパントのシリコン濃度は２×１０18cm-3である。ｐ型のＡｌＡｓ層１０は厚さλ/(4nｒ)で、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18cm-3である。上部多層反射膜８はｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層と同Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とを各々厚さλ/(4nｒ)づつ交互に３０周期積層して形成されたもので、ドーパントのカーボン濃度は３×１０18cm-3である。最後にｐ型のＧａＡｓコンタクト層９は膜厚２０ｎｍで、カーボン濃度は１×１０20cm-3である。上部多層反射膜８の周期数(層数)を下部多層反射膜３のそれ
よりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。
【００３９】
ドーパントの種類についてはここに挙げたものに限らず、ｎ型ならばセレン、ｐ型ならば亜鉛やマグネシウムなどを用いることも可能である。
また詳しくは述べないが素子の直列抵抗を下げるため、半導体多層膜中にはＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層の間に、その中間のアルミ組成比を有するいわゆる遷移領域を挟んでいる。メサを覆う絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜なども用いることができる。
【００４０】
本素子は以上のように構成され、発振波長λ：780nmのレーザ光を基板表面から取り出すようにしたものである。
【００４１】
第３の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置は、図１５に図示するように、素子が５行×４列の２次元に配置されている（ｉ行ｊ列の素子を番号ｉｊで表示）。その内、中心部に配置されている３行×２列素子が実際に使用する面発光レーザ素子であり、その周辺に、実際に使用する面発光レーザ素子の配列条件と同一の条件で、実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子が配置されている。
【００４２】
この装置の５行×４列すべての素子のしきい電流値を素子の配置された行と例を区別して図１７に示す。この図から周辺部のダミー素子のしきい電流値は中心部の実際に使用する面発光レーザ素子より低いことがわかる。更に詳しく見ると、４隅にあるダミー素子は２つの側面が外側となるため最もしきい値が下がっている。この理由は課題で述べたように、反応性イオンエッチングの際に、周辺部にあるポスト側面は中心部のポスト側面より、側方向に深くエッチングされ、その結果、ＡｌＡｓ酸化によって作られた電流通路が狭くなったためである。
本発明では、中心部の３行×２列の面発光レーザ素子だけを面発光レーザアレイとして用いるため、しきい電流値の均一性は高くなる。
【００４３】
周辺部にダミー素子を設けた面発光レーザアレイは、以上説明してきたポスト型面発光レーザアレイ、選択酸化型面発光レーザアレイのみならず、インプラ型等他の面発光レーザ構造を持つアレイにも適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、各面発光レーザ素子の作製プロセス上の環境を同一にでき、その結果、面発光レーザアレイを構成する素子の形状は均一となり、レーザ素子特性の位置によるバラツキは小さくなる。従って、集積度が高くなっても、各面発光レーザ素子が均一特性を持つ大規模面発光レーザアレイが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態の他の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の好適な実施の形態の他の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の構造および製造工程を示す概略的断面図である。図４ｆは、第１の実施例に係る本発明の面発光レーザアレイ装置の平面図であり、図４ｅは、その面発光レーザアレイを構成する面発光レーザ素子の概略的断面図であり、図４ａ〜図４ｅは、その面発光レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の模式的平面図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置を上方から見たときのポスト配置を示す模式的平面図である。
【図７】図５の面発光レーザアレイ装置のＡ−Ａ断面図である。
【図８】図５の面発光レーザアレイ装置のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の製造工程を示す断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施例に係る面発光レーザアレイ装置の模式的平面図である。
【図１６】本発明の第３の実施例に係る面発光レーザアレイ装置を構成する面発光レーザ素子の概略的断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施例に係る面発光レーザアレイ装置を構成する各素子のしきい電流値を行と例を区別して示すグラフである。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３ ｎ型下部ｎ型多層反射膜
４ 下部スペーサ層
５ 量子井戸活性層
６ 上部スペーサ層
７ 活性領域
８ ｐ型上部多層反射膜
９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０ ｐ型のＡｌＡｓ層
１２ ｐ側電極
１３ ｎ側電極
２１ 絶縁性のＧａＡｓ基板
２２ アンドープＧａＡｓバッファ層
２３ ｎ型ＧａＡｓ
２４ ｎ側電極
２５ ｎ型多層反射膜
２６ アンドープ活性領域
２７ ｐ型多層反射膜
２８ ｐ型ＧａＡｓ
３１ ｐ側電極
２９ 分離溝
９１ ｎ型ＧａＡｓ基板
９２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
９３ 下部ｎ型多層反射膜
９４ 活性層領域
９５ 上部ｐ型多層反射膜
９６ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層-
Claims (9)
- 活性層と、該活性層を挟み込む１対のスペーサ層と、該スペーサ層を挟み込む１対のミラー層とを備えると共にポスト構造を有する面発光レーザ素子の複数が、同一基板上に積層形成され、二次元アレイ状に配列されてなる面発光レーザアレイ装置において、
実際に使用する面発光レーザ素子群からなる二次元アレイの周囲に、該実際に使用する面発光レーザ素子と同じポスト構造を有し且つ実際には面発光レ−ザ素子として使用しないダミー素子を、隣接する面発光レーザ素子間の間隔、隣接するダミー素子間の間隔、及び隣接する面発光レーザ素子とダミー素子との間の間隔が各々同一になる配列で配置したことを特徴とする面発光レーザアレイ装置。 - 前記ダミー素子を、隣接する面発光レーザ素子間のポスト間隔、隣接するダミー素子間のポスト間隔、及び隣接する面発光レーザ素子とダミー素子との間のポスト間隔が各々同一になる配列で配置したことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ装置。
- 前記実際に使用する面発光レーザ素子群からなる二次元アレイの最外周に配置された面発光レーザ素子の外側に、前記ダミー素子を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザアレイ装置。
- エッチング工程を含む前記二次元アレイの作製プロセスにおいて、前記実際に使用する全部の面発光レーザ素子のポスト側面がさらされるプロセス環境が各々同じになるように、前記ダミー素子を配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ装置。
- 前記実際に使用する全部の面発光レーザ素子のポスト側面が各々隣接するポストに面するように、前記ダミー素子を配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ装置。
- 前記ポストの周囲をポリイミドで埋めたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ装置。
- 前記面発光レーザ素子が選択酸化型面発光レーザであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ装置。
- 前記ポスト構造はドライエッチングにより形成されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ装置。
- 前記複数の面発光レーザ素子を一定のポスト間隔で二次元アレイ状に配列したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ装置。
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