JP4892941B2

JP4892941B2 - 面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法

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Publication number: JP4892941B2
Application number: JP2005343185A
Authority: JP
Inventors: 誠也大森
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: JP2007150010A

Description

本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される面発光半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。

近年、光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下、ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。

ＶＣＳＥＬは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。

特許文献１は、ＶＣＳＥＬのメサ構造がコンタクト層、上部多層膜反射鏡、電流狭窄部及び金属コンタクト層を含み、メサ構造が金属コンタクト層に整合された側面を有している。これにより、基本横モード発振でありながら光出力を改善している。特許文献２のＶＣＳＥＬは、コンタクト電極のレーザ光出射用開口部が保護膜で覆い、コンタクト電極形成後の製造上の損傷から保護している。特許文献３の面発体レーザは、断線防止、素子抵抗を低減する目的でリング状電極を用いた構成を開示している。

特許文献４は、共振器型発光ダイオードにおいて、耐湿性の保護膜を形成しつつ発光特性を劣化させないこと、及び発光強度を落すことなく発光ピークの半値幅を大幅に減少させるため、半導体材料からなる分布反射型ミラーを発光層の両側に有する共振器型発光ダイオードにおいて、絶縁材料から成る保護膜を、発っせられた光のその内部での波長の１／２の整数倍の膜厚としている。保護膜は、ＳｉＮｘ、またはＳｉＯｘとＳｉＮｘを積層膜である。これにより、耐湿性の保護膜を形成しつつ、発光強度や発光スペクトルの半値幅を劣化させないようにしている。

特許文献５は、ＶＣＳＥＬ構造を部分的に貫通する酸化空洞を形成し、ＶＣＳＥＬ構造内の層を酸化し、酸化空洞の表面上に第１のパッシベーション層を形成し、第１のパッシベーション層の上に第２のパッシベーション層を形成する。第１のパッシベーション層は窒化珪素（ＳｉＮ）で、第２のパッシベーション層はシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）で形成される。いずれか一方のパッシベーション層に存在しうるピンホールは、他方のパッシベーション層で覆われ、水分の入る経路を遮断している。

特開２００４−２３０８７号特開２００２−９３９３号特開２００４−２８８９７１号特開２００４−２８１９２９号特開２００４−２４１７７７号

図１７は、従来のポスト構造を有するＶＣＳＥＬの断面を示す図である。ｎ型のＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型のＡｌＧａＡｓ半導体層を含む下部ＤＢＲ１２、活性領域１４、電流狭窄層（ＡｌＡｓ酸化層）１６、ｐ型のＡｌＧａＡｓ半導体層を含む上部ＤＢＲ１８、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２０、およびコンタクトメタル２２が形成されている。コンタクトメタル２２の中央には、レーザ光を出射するための開口２４が形成され、コンタクト層２０とオーミック接続されている。ポストの周囲および頂部の一部が保護膜２６によって覆われ、さらにコンタクトメタル２２には、ｐ側の上部電極２８が接続されている。基板１０の裏面には、ｎ側の裏面電極２８が形成されている。

図１８は、従来の他のポスト構造を有するＶＣＳＥＬの断面を示す図である。同一構成については、同一参照番号を付してある。このＶＣＳＥＬは、コンタクトメタル２２を保護するための保護膜３０がポスト頂部に形成されたものである。

上記したようなＶＣＳＥＬを、高温多湿（８５℃、８５％）の環境下で通電すると、その簡に突然レーザ光量が劣化するという課題があった。これは、ポスト内にコンタクトメタルを使用するときに生じ得る。図１７に示すＶＣＳＥＬの場合、コンタクトメタル２２の露出された部分や、コンタクトメタル２２とコンタクト層との接触界面から水が進入しやすくなる。特に、コンタクトメタル２２は、例えば、金（Ａｕ）またはチタン（Ｔｉ）と金を積層した薄膜であるため、ポーラス状である。このため、コンタクトメタル２２が露出していると、コンタクトメタル自身を介して外部からの水や水分を内部に引き込んでしまうことがある。水分が進入した状態で、コンタクトメタル２２から電流が注入されると、コンタクトメタル２２と半導体層を構成するガリウムＧａの電気化学反応によりコンタクトメタル２２が腐食し、最終的にはコンタクトメタル２２から電流を注入することができなくなり、レーザ発光光量が低下してしまう。

また、図１８に示すＶＣＳＥＬの場合、コンタクトメタル２２と保護膜３０の隙間から水が進入してしまう。この場合、水の進入により保護膜３０が剥離され、または剥離が促進され、これによりレーザ光が出射されるポスト頂部における反射率が変化し、レーザ光の光量が低下してしまう。

図１９は、図１８に示す構造のＶＣＳＥＬを８５℃、８５％の環境で通電試験したときの時間と光出力ｍＷの関係を示している。サンプル数は１６であり、ＶＣＳＥＬに１０ｍＡの電流を印加した。サンプルの内、１つは約２００時間の通電で発光光量が完全にゼロになっている。これは、コンタクトメタルの腐食により電流が注入されなくなったものと推測される。さらにもう１つのサンプルは、約２００時間の通電により発光出力が約半分にまで低下している。これは、保護膜の剥離が影響していると推測される。

上記した特許文献のいずれにも、ポスト内にコンタクトメタルを用いたときの外部からの水分を効果的に抑制し、または防止するための最適な構成は示唆されていない。そこで、本発明は、このよう従来の課題を解決するものであり、コンタクトメタルを保護することにより外部からの水の進入を効果的に防ぎ、高温多湿環境下でも光量低下の少ない面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る垂直共振構造を有する面発光型半導体レーザ装置は、基板上に形成された第１および第２の半導体多層反射膜と、第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された活性層と、第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された電流狭窄層と、第２の半導体多層反射膜上に形成され、第２の半導体多層反射膜と電気的に接続され、活性層で発生されたレーザ光を出射する開口が形成された第１の金属層と、第１の金属層の開口を覆う第１の保護膜と、少なくとも第1の金属層の外縁を覆う第２の保護膜と、第１および第２の保護膜によって露出された第１の金属層の露出領域を覆う第２の金属層とを有する。

第１の金属層（実施例のコンタクトメタルに対応）は、第１の保護膜、第２の保護膜および第２の金属層によって覆われるようにしたので、第１の金属層の露出部分がなくなり、第１の金属層またはその界面から水が進入するのが防止される。

好ましくは、基板上にポストまたはメサが形成され、ポストは、少なくとも第１の金属層、第２の半導体多層反射膜および電流狭窄層を含み、第２の保護膜は、ポスト側部およびポスト頂部の一部を覆う。ポストは、例えば、円柱状、または角柱状である。好ましくは、第１の半導体多層反射膜は、第１導電型のＡｌＧａＡｓ半導体層であり、第２の半導体多層反射膜は、第２導電型のＡｌＧａＡｓ半導体層であり、これらは反射鏡として機能する。第２の半導体多層反射膜の上層は、第２導電型のＧａＡｓコンタクト層が形成され、コンタクト層は第１の電極層とオーミック接続される。電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層を含み、ポスト側面から周囲を選択的に酸化した高抵抗領域と高抵抗領域によって囲まれる導電領域を含む。好ましくは、第１の金属層の開口の径は、電流狭窄層の高抵抗領域によって囲まれた導電領域の径よりも小さい。導電領域は、ポスト外形を反映した形状であり、ポストが円柱状であれば、導電領域の平面状態の形状は円形である。そして、第１の金属層の開口も円形である。

第１の保護膜は、ポスト形成前に第２の半導体多層膜上に形成された絶縁膜であり、好ましくは、ＳｉＯＮから構成される、第１の保護膜は、レーザ光が出射される第２の半導体多層膜の表面を、プロセス上の種々の工程の汚染から保護する役割を担っている。例えば、ポスト形成用のレジストパターンを現像するときの現像液から第２の半導体多層膜またはコンタクト層の表面を保護する。

第１の金属層は、例えば、金または金とチタンの積層金属により構成される。第２の金属層は、好ましくは、第１の金属層と同一金属で構成され、第２の半導体多層反射膜へ電流を注入するための電極として機能する。

さらに本発明に係る垂直共振構造を有する面発光型半導体レーザ装置は、基板上に形成された第１および第２の半導体多層反射膜と、第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された活性層と、第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された電流狭窄層と、第２の半導体多層反射膜上に形成され、第２の半導体多層反射膜と電気的に接続され、活性層で発生されたレーザ光を出射する開口が形成された第１の金属層と、第１の金属層の開口を覆う第１の保護膜と、少なくとも第1の金属層の外縁を覆う第２の保護膜と、第１および第２の保護膜によって露出された第１の金属層の露出領域に接続される第２の金属層と、第１の保護膜と第２の金属層と露出された第１の金属層の露出領域を覆う第３の保護膜とを有する。

第１の保護膜と第２の保護膜によって露出された第１の金属層の露出領域またはコンタクトホールは、無機膜によって覆われるようにしたので、第１の金属層の露出する領域がなくなり、外部からの水の進入を抑制することができる。

第３の保護膜は、好ましくはシリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、またはインジウム系酸化物のいずれかから選択される。例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘＮ、ＳｉＮｘ、ＩｎｘＳｎｙＯｚである。第３の保護膜は、少なくとも０．４μｍの厚さを有することが望ましい。

さらに本発明に係る垂直共振構造を有する面発光型半導体レーザ装置は、基板上に形成された第１および第２の半導体多層反射膜と、第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された活性層と、第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された電流狭窄層と、第２の半導体多層反射膜上に形成され、第２の半導体多層反射膜と電気的に接続され、第１の開口が形成された第１の金属層と、第１の開口と整合し第１の開口よりも大きな第２の開口を有し、第１の金属層に接続された第２の金属層と、第２の金属層の第２の開口によって露出された第１の金属層の露出領域を覆い、第１の開口と整合し第１の開口よりも小さな第３の開口を有する無機膜とを有する。

第１の金属層は、第２の金属層および無機膜によって覆われ、外部に露出されないようにする。好ましくは、無機膜は、第２の金属層と同一材料であり、少なくとも０．８μｍの厚さを有することが望ましい。あるいは、無機膜は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、またはインジウム系酸化物のいずれかから選択され、少なくとも０．４μｍの厚さを有することが望ましい。

本発明によれば、半導体多層反射膜と電気的に接続され、かつレーザ光を出射する第１の開口が形成された第１の金属層が露出されないように完全に覆うことで、第１の金属層またはその界面からの水の進入を防ぎ、第１の金属層の腐食または第１の保護膜の剥離等に伴うレーザ光の光量低下を抑制することができる。特に、高温多湿環境下で駆動されるとき、信頼性の高い安定した動作を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す断面図であり、図１（ｂ）はその平面図である。ＶＣＳＥＬ１００は、ｎ型のＧａＡｓ基板１０２、基板１０２の裏面に形成されたｎ側電極１０４、基板１０２上に形成されたｎ型のＡｌＧａＡｓを含む下部半導体多層膜１０６、活性層１０８、活性層１０８上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓを含む上部半導体多層膜１１０、上部半導体多層膜１１０上に形成された金（Ａｕ）からなる環状（リング状）のコンタクトメタル１１２を有している。

基板１０２上には、円筒状のポストＰが形成されている。ポストＰは、コンタクトメタル１１２から下部半導体多層膜１０６に到達している。下部半導体多層膜１０６および上部半導体多層膜１１０は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）として機能する。上部半導体多層膜１１０の下層には、ｐ型のＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１２４が形成され、その上層にはｐ型のＧａＡｓコンタクト層１２６が形成されている。ＡｌＡｓ層１２４は、ポストＰの側壁から酸化された高抵抗領域により囲まれた導電領域１２４ａを含み、導電領域１２４ａは、ポストＰの外形を反映するように平面から見た形状が円形状である。コンタクト層１２６は、高濃度の不純物がドーピングされ、コンタクトメタル１１２とオーミック接続されている。

コンタクトメタル１１２の中央には、円形状の開口１１２ａが形成されている。開口１１２ａは、電流狭窄層１２４の導電領域と整合され、かつ開口１１２ａのその径は、導電領域の径よりも小さく、開口１１２ａは、活性層１０８で発生されたレーザ光を出射するための出射口として機能する。コンタクトメタル１１２の開口１１２ａを覆うように円形状にパターニングされた保護膜１１４が形成されている。保護膜１１４は、例えばＳｉＯＮからなる。保護膜１１４は、開口１１２ａを覆うことで、コンタクト層１２６が外部から汚染されるのを防止する。

ポストＰの底部、側部および頂部の一部は、ＳｉＯＮ等の層間絶縁膜１１６によって覆われている。層間絶縁膜１１６は、ポスト頂部においてコンタクトメタル１１２の外縁を覆い、保護膜１１４との間にコンタクトメタル１１２の表面の一部を露出させる環状のコンタクトホール１１８を形成している。

ポスト頂部において、ｐ側電極１２０がコンタクトホール１１８を介してコンタクトメタル１１２に接続されている。このｐ側電極１２０は、配線電極１２２を介して図示しない電極パッドに接続されている。ｐ側電極１２０の中央には、開口１２０ａと整合し、開口１２０ａの径よりも大きい径をもつ円形状の開口１２０ａが形成されている。好ましくは、ｐ側電極１２０は、コンタクトメタル１１２と同一の材料から構成され、例えば、金または金とチタンの積層から構成される。さらに、一定の膜厚にすることでポーラス状の金属を水分が透過するのを防止する。そのため、ｐ側電極１２０の膜厚は、少なくとも０．８μｍ以上であることが好ましい。

ｎ側電極１０４とｐ側電極１２０間に駆動電流を印加すると、活性層１０８で発生されたレーザ光は、コンタクトメタル１１２の開口１１２ａから基板とほぼ垂直方向に出射される。本実施例のＶＣＳＥＬ１００では、従来の図１８に示すＶＣＳＥＬのｐ側電極１２０の形状を変更し、ｐ側電極１２０がコンタクトメタル１１２のコンタクトホール１１８を完全に埋め込んでいる。このため、コンタクトホール１１８に隙間が生成されず、コンタクトメタル１１２が外部に露出されない構成となっている。これにより、外部からの水分がコンタクトホール１１８またはその界面に進入することを防止している。

次に、本発明の第２の実施例について図２を参照して説明する。第１の実施例と同一構成については同一参照番号を付してある。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ２００は、第１の実施例と同様に、保護膜１１４と層間絶縁膜１１６によってコンタクトホール１１８が形成され、コンタクトホール１１８によってコンタクトメタル１１２の表面の一部が露出されている。ｐ側電極１２０は、コンタクトホール１１８の一部を部分的に充填するようにしてコンタクトメタル１１２に接続されている。この状態では、コンタクトメタル１１２が依然として露出されているが、本実施例では、非導電性材料からなる無機膜２１０を形成することで、コンタクトホール１１８を完全に埋め込んでいる。ｐ側電極１２０および保護膜１１４上に形成された無機膜２１０は、所定形状にパターニングされ、その中央には、円形状の開口２１０ａが形成される。開口２１０ａは、開口１１２ａと整合され、かつ、開口１１２ａの径よりも大きい。このような構成により、コンタクトメタル１１２が外部に露出されない構成を得ている。

無機膜２３０は、好ましくは、シリコン系またはインジウム系材料を含んだ材料で、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_ｘＮ、ＳｉＮ_ｘ、またはＩｎ_ｘＳｎ_ｙＯ_ｚから構成される。無機膜２３０の膜厚は、０．４μｍ以上が望ましい。

次に、本発明の第３実施例について図３を参照して説明する。第３実施例に係るＶＣＳＥＬ２２０は、第１および第２の実施例と異なり、コンタクトメタル１１２の開口１１２ａを覆う保護膜１１４を用いる代わりに、無機膜２３０によりコンタクトメタル１１２の露出部分を覆うようにしている。ポストＰの頂部において、層間絶縁膜１１６に形成されたコンタクトホールを介して環状にパターニングされたｐ側電極１２０がコンタクトメタル１１２に接続されている。ｐ側電極によって露出されたコンタクトメタル１１２は、さらに環状にパターニングされた無機膜２３０によって覆われる。無機膜２３０の開口２３０ａは、レーザ光を出射する出射口として機能する。開口２３０ａの径は、コンタクトメタル１１２の開口１１２ａよりも小さく、電流狭窄層１２４の導電領域１２４ａの径とほぼ等しい。

無機膜２３０は、ｐ側電極１２０と同一材料、例えばＡｕ等により形成することができる。厚さは、０．８μｍ以上が望ましい。あるいは、無機膜２３０は、Ｓｉ系、Ｉｎ系材料を含んだ材料、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯｘＮ、ＳｉＮｘ、ＩｎｘＳｎｙＯｚから形成するようにしてもよい。この場合、厚さは、０．４μｍ以上が望ましい。

以上の構成により、コンタクトメタル１２２が層間絶縁膜１１６、ｐ側電極１２０および無機膜２３０によって覆われているため、外部からの水がコンタクトメタルへ進入することが防止される。

図４は、第１の実施例のＶＣＳＥＬを高温多湿試験したときの結果を示すグラフである。ｐ側電極１２０をＡｕから構成し、その厚さを１μｍとした。このＶＣＳＥＬを、８５℃、８５％ＲＨ環境で５００時間の通電を行った。試験個数１６個のうち、１つも光出力が低下するものがみられず、信頼性が改善されたことが確認された。

次に、第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について図５ないし図７を参照して説明する。図５（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりｎ型のＧａＡｓ基板１０２の（１００）面上にｎ型のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部半導体多層膜１０６と、アンドープのＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層、アンドープのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層よりなる障壁層、及びアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性層１０８と、ｐ型のＡｌＡｓ層１２４と、ｐ型のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部半導体多層膜１１０と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層１２６とを順次積層する。

下部半導体多層膜１０６は、ｎ型のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎｒ(但し、λは発振波長、ｎｒは媒質中の光学屈折率)に相当し、混晶比の異なる層を交互に、例えば、３６．５周期積層してある。ｎ型不純物としてシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。活性層１０８は、アンドープのＧａＡｓ層よりなる厚さ８ｎｍの量子井戸活性層とアンドープのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層よりなる厚さ５ｎｍの障壁層とを交互に積層した（但し、外層は障壁層）積層体が、アンドープのＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層の中央部に配置され、量子井戸活性層と障壁層とを含むスペーサ層の膜厚がλ／４ｎｒの整数倍となるよう設計されている。このような構成の活性層１０８からは波長８５０ｎｍの放射光が得られる。

上部半導体多層膜１１０は、ｐ型のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層との複数半導体層からなる積層である。各層の厚さはλ／４ｎｒであり、混晶比の異なる層を交互に、例えば２２周期で積層してある。この周期数は下層に設けたＡｌＡｓ層１２４、および上層に設けたコンタクト層１２６を加えた数である。ｐ型不純物として炭素をドーピングした後のキャリア濃度は、例えば３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

次に、上部半導体多層膜１１０の表面に、パターにニングされたレジスト膜を形成し、リフトオフ工程により、図５（ｂ）に示すように、ＡｕまたはＡｕ／Ｔｉの環状のコンタクトメタル１１２を形成する。中央には開口１１２ａが形成されている。

次に、基板全面にＳｉＯＮを形成し、フォトリソ工程を用いて、図５（ｃ）に示すように、コンタクトメタル１１２の開口１１２ａを覆う保護膜１１４を形成する。保護膜１１４は、以後の工程において出射口を保護する。

次に、ポストを形成するためのマスクを形成し、当該マスクに用いて積層された半導体層を異方性エッチングし、図６（ｄ）に示すように、基板上に円柱状のポストＰを形成する。エッチングは、下部半導体多層膜１０６の一部に到達する深さである。

次に、図６（ｅ）に示すように、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。電流狭窄層（ＡｌＡｓ）層１２４は、同じくその一部を構成するＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層やＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層と比べ著しく酸化速度が速いため、ポストＰの側面から酸化領域が形成され、酸化されずに残った非酸化領域が電流注入領域あるいは導電領域１２４ａとなる。導電領域１２４ａは、ポストＰの外形を反映し、平面から見た形状が円形状である。導電領域１２４ａは、コンタクトメタル１１２の開口１１２ａと整合され、かつその直径は、開口１１２ａの直径よりも幾分大きい。

次に、基板全面にＳｉＮを形成し、フォトリソ工程によりＳｉＮをパターニングし、図６（ｆ）に示すように、層間絶縁膜１１６を形成する。ポスト頂部において、層間絶縁膜１１６には、コンタクトメタル１１２を露出させるためのコンタクトホール１１８が形成される。

次に、フォトリソ工程を用いてレジストをパターンニングし、次いでＡｕまたはＡｕ／Ｔｉを着膜し、図７（ｇ）に示すように、リフトオフによりｐ側電極１２０、配線電極１２２を形成する。ｐ側電極１２０は、コンタクトホール１１８を完全に埋め込み、かつ中央に開口１２０ａが形成されるようにパターニングされる。これにより、コンタクトメタル１１２は、保護膜１１４、層間絶縁膜１１６およびｐ側電極１２０によって包囲され、コンタクトメタル１１２の外部への露出が防止される。次に、基板裏面には、ＡｕまたはＧｅからなるｎ側電極１０４が形成される。こうして、第１の実施例のＶＣＳＥＬ１００を得ることができる。

図８は、ＶＣＳＥＬを形成するチップが実装された半導体レーザ装置のパッケージ（モジュール）例を示す概略断面を示す図である。同図に示すように、パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬアレイが形成されたチップ３１０を、マウンタ３２０上のダイアタッチを介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０の貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成された下部電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の上面に形成された上部電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。

キャップ３５０の出射窓３５２内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。また、チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０からレーザ光が出射され、ボールレンズ３６０を介して外部へ出力される。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。

図９は、さらに他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の出射窓３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整されている。

図１０は、図８に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。

ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

図１１は、図９に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを用い、高出力を得るようにしてもよい。

図１２は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１３は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１４はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１５および図１６に示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１５に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、映像信号伝送用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。

本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。

本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）はＡ１−Ａ１線断面図、同図（ｂ）はその概略平面図である。本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）はＡ２−Ａ２線断面図、同図（ｂ）はその概略平面図である。本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）はＡ３−Ａ３線断面図、同図（ｂ）はその概略平面図である。本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬを高温多湿環境で通電したときの光量変化を示すグラフである。本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。ＶＣＳＥＬが形成された半導体チップを実装したパッケージの構成を示す概略断面図である。他のパッケージの構成を示す概略断面図である。図８に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。図９に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。光伝送システムの構成を示すブロック図である。光伝送装置の外観構成を示す図である。光伝送装置の内部構成を示し、図１４Ａは上面を切り取ったときの内部構造を示し、図１４Ｂは側面を切り取ったときの内部構造を示している。図１３の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。図１５の映像伝送システムを裏側から示した図である。従来のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。従来のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。図１８に示すＶＣＳＥＬを高温多湿環境下で通電したときの試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１００：ＶＣＳＥＬ１０２：基板
１０４：ｎ側電極１０６：下部半導体多層膜
１０８：活性層１１０：上部半導体多層膜
１１２：コンタクトメタル１１２ａ：開口
１１４：保護膜１１６：層間絶縁膜
１１８：コンタクトホール１２０：ｐ側電極
１２０ａ：開口１２２：配線電極
１２４：電流狭窄層１２６：コンタクト層
２１０、２３０：無機膜

Claims

垂直共振構造を有する面発光型半導体レーザ装置であって、
基板上に形成された第１および第２の半導体多層反射膜と、
第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された活性層と、
第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された電流狭窄層と、
第２の半導体多層反射膜上に形成され、第２の半導体多層反射膜と電気的に接続され、活性層で発生されたレーザ光を出射する開口が形成された第１の金属層と、
第１の金属層の開口を覆う第１の保護膜と、
少なくとも第1の金属層の外縁を覆う第２の保護膜と、
第１および第２の保護膜によって露出された第１の金属層の露出領域に接続される第２の金属層と、
第１の保護膜と第２の金属層によって露出された第１の金属層の露出領域を覆う無機膜と、
を有する面発光型半導体レーザ装置。
基板上にポストが形成され、当該ポストは、少なくとも第１の金属層、第２の半導体多層反射膜および電流狭窄層を含み、第２の保護膜は、ポスト側部およびポスト頂部の一部を覆う、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
第１の保護膜は、ポスト形成前に第２の半導体多層膜上に形成された絶縁膜である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
第１の金属層は、第２の半導体多層反射膜の上層に形成されたコンタクト層とオーミック接続される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
第２の金属層は、第２の半導体多層反射膜へ電流を注入するための電極である、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
第１の金属層の開口は、電流狭窄層に形成された導電領域と整合し、かつ、第１の金属層の開口の径は、前記導電領域の径よりも小さい、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
前記導電領域は、ポスト側面から酸化された酸化領域によって囲まれている、請求項６に記載の面発光型半導体レーザ装置。
第２の金属層は、金または金を含む積層金属である、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
前記無機膜は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、またはインジウム系酸化物のいずれかから選択される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
前記無機膜は、少なくとも０．４μｍの厚さを有する、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
垂直共振構造を有する面発光型半導体レーザ装置であって、
基板上に形成された第１および第２の半導体多層反射膜と、
第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された活性層と、
第１および第２の半導体多層反射膜の間に形成された電流狭窄層と、
第２の半導体多層反射膜上に形成され、第２の半導体多層反射膜と電気的に接続され、かつ第１の開口が形成された第１の金属層と、
第１の開口に整合され第１の開口よりも大きな第２の開口を有し、第１の金属層に接続された第２の金属層と、
第２の金属層の第２の開口によって露出された第１の金属層の露出領域を覆い、かつ第１の開口に整合し第１の開口よりも小さな第３の開口を有する無機膜と、
を有する面発光型半導体レーザ装置。
前記無機膜は、第２の金属層と同一材料である、請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ装置。
第２の金属層は、第２の半導体多層反射膜へ電流を注入するための電極である、請求項１１または１２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
無機膜は、金または金を含む積層金属から構成され、少なくとも０．８μｍの厚さを有する、請求項１１ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
無機膜は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、またはインジウム系酸化物のいずれかから選択される、請求項１１ないし１４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
無機膜は、少なくとも０．４μｍの厚さを有する、請求項１１ないし１５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
基板上にポストまたはメサが形成され、当該ポストは、少なくとも第１の金属層、第２の半導体多層反射膜および電流狭窄層を含み、電流狭窄層は、ポスト側面から酸化された酸化領域によって囲まれた導電領域を含み、第３の開口は、電流狭窄層の導電領域の径とほぼ等しい、請求項１１ないし１６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
請求項１ないし１７いずれか１つに記載の面発光型半導体装置を実装したモジュール。
請求項１８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
請求項１８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
請求項１８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
請求項１８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。