本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による面発光レーザアレイの平面図である。図1を参照して、実施の形態1による面発光レーザアレイ100は、面発光レーザ素子1〜32と、パッド51〜82と、ワイヤW1〜W32とを備える。
面発光レーザ素子1〜32は、4行×8列の2次元に配置される。面発光レーザ素子1〜32の各々は、一辺が16μmである矩形形状を有する。そして、4個の面発光レーザ素子1,9,17,25/2,10,18,26/3,11,19,27/4,12,20,28/5,13,21,29/6,14,22,30/7,15,23,31/8,16,24,32は、副走査方向に配置され、8個の面発光レーザ素子1〜8/9〜16/17〜24/25〜32は、主走査方向に配置される。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子1〜8/9〜16/17〜24/25〜32は、副走査方向に階段的にずらされて配置される。その結果、32個の面発光レーザ素子1〜32から放射された32個のレーザ光は、相互に重なることがない。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子1〜8/9〜16/17〜24/25〜32において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔Xに設定される。
また、副走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子1,9,17,25/2,10,18,26/3,11,19,27/4,12,20,28/5,13,21,29/6,14,22,30/7,15,23,31/8,16,24,32において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔dに設定される。そして、間隔dは、間隔Xよりも狭い。たとえば、間隔dは、24μmに設定され、間隔Xは、30μmに設定される。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子1〜8の8個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした8個の垂線の副走査方向における間隔c1は、等間隔であり、c1=d/8によって決定される。間隔dが24μmに設定された場合、間隔c1は、24/8=3μmである。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子9〜16/17〜24/25〜32の8個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした8個の垂線の副走査方向における間隔も、等間隔であり、間隔c1と同じである。
パッド51〜82は、二次元に配列された面発光レーザ素子1〜32の周囲に配置される。ワイヤW1〜W32は、それぞれ、面発光レーザ素子1〜32をパッド51〜82に接続する。そして、ワイヤW1〜W32の各々は、例えば、8μmの線幅を有する。
二次元に配列された面発光レーザ素子1〜32のうち、最外周に配置された面発光レーザ素子1〜8,9,16,17,24〜32をそれぞれパッド51〜59,66,67,74,75〜82に接続するワイヤW1〜W9,S16,W17,W24〜W32は、隣接する2つの面発光レーザ素子間を通らずに配置される。
また、二次元に配列された面発光レーザ素子1〜32のうち、内周部に配置された面発光レーザ素子10〜15,18〜23をそれぞれパッド60〜65,68〜73に接続するワイヤW10〜W15,W18〜W23は、主走査方向において隣接する2つの面発光レーザ素子間を通るように配置される。上述したように、主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子1〜8/9〜16/17〜24/25〜32において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔X(=30μm)に設定され、面発光レーザ素子1〜32の各々は、一辺が16μmである矩形形状を有するので、主走査方向において隣接する2つの面発光レーザ素子間は、30−16=14μmであり、線幅が8μmであるワイヤW10〜W15,W18〜W23を主走査方向において隣接する2つの面発光レーザ素子間に配置することができる。
図2は、図1に示す面発光レーザ素子1の概略断面図である。図2を参照して、面発光レーザ素子1は、基板101と、反射層102,106と、共振器スペーサー層103,105と、活性層104と、選択酸化層107と、コンタクト層108と、SiO2層109と、絶縁性樹脂110と、p側電極111と、n側電極112とを備える。面発光レーザ素子1は、780nm帯のレーザ光を出射する面発光レーザである。
基板101は、n型ガリウム砒素(n−GaAs)からなる。反射層102は、n−AlAs/n−Al0.3Ga0.7Asの対を一周期とした場合、40.5周期の[n−AlAs/n−Al0.3Ga0.7As]からなり、基板101の一主面に形成される。そして、n−AlAsおよびn−Al0.3Ga0.7Asの各々の膜厚は、面発光レーザ素子1の発振波長をλとした場合、λ/4n(nは各半導体層の屈折率)である。
共振器スペーサー層103は、ノンドープの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなり、反射層102上に形成される。活性層104は、GaInPAsからなる井戸層と、Ga0.6In0.4Pからなる障壁層とを含む量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層103上に形成される。
共振器スペーサー層105は、ノンドープの(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなり、活性層104上に形成される。反射層106は、p−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7Asの対を一周期とした場合、24周期の[p−Al0.9Ga0.1As/Al0.3Ga0.7As]からなり、共振器スペーサー層105上に形成される。そして、p−Al0.9Ga0.1AsおよびAl0.3Ga0.7Asの各々の膜厚は、λ/4n(nは各半導体層の屈折率)である。
選択酸化層107は、p−AlAsからなり、反射層106中に設けられる。より具体的には、選択酸化層107は、共振器スペーサー層105から7λ/4の位置に設けられる。そして、選択酸化層107は、非酸化領域107aと酸化領域107bとからなり、20nmの膜厚を有する。
コンタクト層108は、p−GaAsからなり、反射層106上に形成される。SiO2層109は、共振器スペーサー層103の一部の一主面と、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108の端面とを覆うように形成される。
絶縁性樹脂110は、SiO2層109に接して形成される。p側電極111は、コンタクト層108の一部および絶縁性樹脂110上に形成される。n側電極112は、基板101の裏面に形成される。
反射層102,106の各々は、活性層104で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層104に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。
また、酸化領域107bは、非酸化領域107aよりも小さい屈折率を有する。そして、酸化領域107bは、p側電極111から注入された電流が活性層104へ流れる経路を非酸化領域107aに制限する電流狭窄部を構成するとともに、活性層104で発振した発振光を非酸化領域107aに閉じ込める。これによって、面発光レーザ素子1は、低閾値電流での発振が可能となる。このように、電流狭窄部は、選択酸化層107の酸化領域107bを選択酸化することによって作製される。したがって、電流狭窄部は、選択酸化型である。
図3は、図2に示す面発光レーザ素子1の活性層104の近傍を示す断面図である。図3を参照して、反射層102は、低屈折率層1021と、高屈折率層1022と、組成傾斜層1023とを含む。低屈折率層1021は、n−AlAsからなり、高屈折率層1022は、n−Al0.3Ga0.7Asからなる。組成傾斜層1023は、低屈折率層1021および高屈折率層1022のいずれか一方から他方へ向かってAl組成が徐々に変化するn−AlGaAsからなる。そして、低屈折率層1021が共振器スペーサー層103に接する。
反射層106は、低屈折率層1061と、高屈折率層1062と、組成傾斜層1063とを含む。低屈折率層1061は、p−Al0.9Ga0.1Asからなり、高屈折率層1062は、p−Al0.3Ga0.7Asからなる。組成傾斜層1063は、低屈折率層1061および高屈折率層1062のいずれか一方から他方へ向かってAl組成が徐々に変化するp−AlGaAsからなる。そして、低屈折率層1061が共振器スペーサー層105に接する。
活性層104は、各々がGaInPAsからなる3層の井戸層1041と、各々がGa0.6In0.4Pからなる4層の障壁層1042とが交互に積層された量子井戸構造からなる。そして、障壁層1042が共振器スペーサー層103,105に接する。井戸層1041を構成するGaInPAsは、圧縮歪組成を有し、障壁層1042を構成するGa0.6In0.4Pは、引っ張り歪を有する。
面発光レーザ素子1においては、共振器スペーサー層103,105および活性層104は、共振器を構成し、基板101に垂直な方向における共振器の厚さは、面発光レーザ素子1の1波長(=λ)に設定される。すなわち、共振器スペーサー層103,105および活性層104は、1波長共振器を構成する。
なお、図1に示す面発光レーザ素子2〜32の各々は、図2および図3に示す面発光レーザ素子1の構成と同じ構成からなる。
図4、図5および図6は、それぞれ、図1に示す面発光レーザアレイ100の製造方法を示す第1から第3の工程図である。なお、図4〜図6の説明においては、図1に示す32個の面発光レーザ素子1〜32のうち、4個の面発光レーザ素子1,9,17,25が作製される工程を参照して面発光レーザアレイ100の製造方法を説明する。
図4を参照して、一連の動作が開始されると、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて、反射層102、共振器スペーサー層103、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108を基板101上に順次積層する(図4の工程(a)参照)。
この場合、反射層102のn−AlAsおよびn−Al0.3Ga0.7Asをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン(AsH3)およびセレン化水素(H2Se)を原料として形成し、共振器スペーサー層103の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)およびフォスフィン(PH3)を原料として形成する。
また、活性層104のGaInPAsをトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、フォスフィン(PH3)およびアルシン(AsH3)を原料として形成し、活性層104のGa0.6In0.4Pをトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)およびフォスフィン(PH3)を原料として形成する。
さらに、共振器スペーサー層105の(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)およびフォスフィン(PH3)を原料として形成する。
さらに、反射層106のp−Al0.9Ga0.1As/p−Al0.3Ga0.7Asをトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン(AsH3)および四臭化炭素(CBr4)を原料として形成する。なお、四臭化炭素(CBr4)に代えて、ジメチル亜鉛(DMZn)を用いてもよい。
さらに、選択酸化層107のp−AlAsをトリメチルアルミニウム(TMA)、アルシン(AsH3)および四臭化炭素(CBr4)を原料として形成し、コンタクト層108のp−GaAsをトリメチルガリウム(TMG)、アルシン(AsH3)および四臭化炭素(CBr4)を原料として形成する。この場合も、四臭化炭素(CBr4)に代えて、ジメチル亜鉛(DMZn)を用いてもよい。
その後、コンタクト層108の上にレジストを塗布し、写真製版技術を用いて、コンタクト層108上にレジストパターン120を形成する(図4の工程(b)参照)。
レジストパターン120を形成すると、その形成したレジストパターン120をマスクとして用いて、共振器スペーサー層103の一部、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108をドライエッチングし、さらに、レジストパターン120を除去する。
この場合、共振器スペーサー層103の一部、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108は、Cl2,BCl3,SiCl4,CCl4、CF4等のハロゲン系のガスを導入し、反応性イオンビームエッチング法(RIBE:Reactive Ion Beam Etching)、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)エッチング法および反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のプラズマを用いたドライエッチング法によりエッチングされる。そして、共振器スペーサー層103の一部、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108のエッチング中、エッチング装置の覗き窓からプラズマ発光分光を行ない、Inの451nmの発光強度の時間変化をモニタする。共振器の領域をエッチングしているときだけ、Inの発光を検出できるので、AlGaInPAs系材料からなる共振器領域中でエッチングを容易に停止させることができる。
その結果、面発光レーザ素子1,9,17,25におけるメサ構造体131〜134が形成される(図4の工程(c)参照)。メサ構造体131〜134の各々は、共振器スペーサー層103の一部、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108からなる。
なお、共振器スペーサー層103の一部、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108は、ウェットエッチングによりエッチングされてもよい。AlGaAs系材料からなる反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108をウェットエッチングにより選択的にエッチングする場合、硫酸系エッチャントを用いることができる。
次に、図5を参照して、図4に示す工程(c)の後、85℃に加熱した水を窒素ガスでバブリングした雰囲気中において、試料を350℃に加熱して、選択酸化層107の周囲を外周部から中央部に向けて酸化し、選択酸化層107中に非酸化領域107aと酸化領域107bとを形成する(図5の工程(d)参照)。
その後、気相化学堆積法(CVD:Chemical Vapour Deposition)を用いて、試料の全面にSiO2層109を形成し、写真製版技術を用いて光出射部となる領域およびその周辺領域のSiO2層109を除去する(図5の工程(e)参照)。
次に、試料の全体に絶縁性樹脂110をスピンコートにより塗布し、光出射部となる領域上の絶縁性樹脂110を除去する(図5の工程(f)参照)。
図6を参照して、絶縁性樹脂110を形成した後、光出射部となる領域上に所定のサイズを有するレジストパターンを形成し、試料の全面にp側電極材料を蒸着により形成し、レジストパターン上のp側電極材料をリフトオフにより除去してp側電極111を形成する(図6の工程(g)参照)。そして、基板101の裏面を研磨し、基板101の裏面にn側電極112を形成し、さらに、アニールしてp側電極111およびn側電極112のオーミック導通を取る(図6の工程(h)参照)。これによって、面発光レーザアレイ100が完成する。
なお、図4に示す工程(b),(c)においては、4個の面発光レーザ素子を形成するためのドライエッチングが図示されているが、実際には、工程(b),(c)においては、図1に示す32個の面発光レーザ素子1〜32を同時に形成するためのドライエッチング行なわれる。この場合、32個の面発光レーザ素子1〜32を同時に形成するためのレジストパターンは、図1に示す32個の面発光レーザ素子1〜32の配置に適合したフォトマスクを用いて形成される。すなわち、32個の面発光レーザ素子1〜32を同時に形成するためのレジストパターンは、間隔X,dがd<Xを満たすように設定され、かつ、主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子1〜8/9〜16/17〜24/25〜32の8個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした8個の垂線が等間隔c1になるように設計されたフォトマスクを用いて形成される。
面発光レーザアレイ100においては、副走査方向に配置した面発光レーザ素子の間隔dを主走査方向に配置した面発光レーザ素子の間隔Xよりも小さく設定する。これにより、間隔dを間隔Xよりも大きくした場合よりも、間隔c1(=d/8)を小さくでき、高密度記録に有利となる。
副走査方向に配置した面発光レーザ素子の間隔、および主走査方向に配置した面発光レーザ素子の間隔の両方を狭くすることも可能であるが、各素子間の熱干渉の影響の低減、各素子の配線を通すために必要なスペースを確保するためには、少なくとも一方の間隔を広げる必要があるので、高密度書き込みを行なうためには、主走査方向を広げることが好ましい。
図7は、図4の(b)におけるエッチングを詳細に説明するための図である。なお、図7は、共振器スペーサー層103、活性層104、共振器スペーサー層105、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108からなる結晶層をレジストパターン120を用いずにエッチングした場合の基板101の面内方向DR1におけるエッチング深さの分布を示す。
図7を参照して、コンタクト層108、選択酸化層107および反射層106(「領域REG1」と言う。)をエッチングするときの基板101の面内方向DR1におけるエッチング深さの分布は、曲線k1によって表される。また、共振器スペーサー層105、活性層104および共振器スペーサー層103(「領域REG2」と言う。)をエッチングするときの基板101の面内方向DR1におけるエッチング深さの分布は、曲線k2によって表される。
反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108は、上述したように、AlGaAs系の材料からなるので、エッチング速度が相対的に速く、領域REG1におけるエッチング深さの面内方向DR1の分布は、相対的に大きくなる(曲線k1参照)。
一方、共振器スペーサー層103,105および活性層104は、Inを含み、Inの反応物の蒸気圧が低いので、共振器スペーサー層103,105および活性層104のエッチング速度は、反射層106、選択酸化層107およびコンタクト層108のエッチング速度よりも遅くなり、領域REG2におけるエッチング深さの面内方向DR1の分布は、領域REG1におけるエッチング深さの面内方向DR1の分布よりも小さくなる(曲線k2参照)。即ち、領域REG1において生じた面内方向DR1のエッチング深さの差は、領域REG2においてエッチング速度が遅くなることによって吸収される。その結果、領域REG2におけるエッチング深さの面内方向DR1の分布は、領域REG1におけるエッチング深さの面内方向DR1の分布よりも小さくなる。
Inを含む領域REG2におけるエッチング速度がAlGaAs系材料からなる領域REG1におけるエッチング速度よりも遅くなることを示す実験結果について説明する。図8および図9は、それぞれ、図1に示す面発光レーザアレイ100を作製するときのエッチング時のプラズマ発光の第1および第2のタイミングチャートである。
図8および図9において、縦軸は、プラズマ発光の強度を表し、横軸は、時間を表す。また、図8は、共振器領域の途中までエッチングした場合を示し、図9は、共振器領域から反射層102の3ペア目程度までエッチングした場合を示す。さらに、図8において、曲線k3は、ガリウム(Ga)の発光強度を示し、曲線k4は、インジウム(In)の発光強度を示し、曲線k5は、アルミニウム(Al)の発光強度を示す。さらに、図9において、曲線k6は、Gaの発光強度を示し、曲線k7は、Inの発光強度を示し、曲線k8は、Alの発光強度を示す。さらに、実験においては、表面から反射層106と共振器領域との界面までの厚さが3.18μmであり、Inを含む共振器領域の厚さが0.23μmである試料を用いた。
表面から反射層106と共振器領域との界面までの領域におけるエッチング速度は、3.18μm/871sec=3.65×10−3μm/secである。一方、共振器領域におけるエッチング速度は、0.23μm/372sec=6.18×10−4μm/secである(図9参照)。
このように、Inを含む共振器領域においては、エッチング速度が低下し、共振器領域の膜厚(=0.23μm)が共振器領域よりも上側の領域の膜厚(=3.18μm)に比べて薄いにも拘わらず、共振器領域の全体をエッチングするために長い時間を要する。
Inの発光強度は、共振器領域において増加する(曲線k4,k7参照)。したがって、Inの発光強度が増加したことを検知することによって、エッチングを共振器領域で容易に停止させることができる。
Gaの発光強度およびAlの発光強度は、エッチング時間の経過とともに周期的に変化し、発光強度の振幅は、エッチング時間の経過とともに徐々に小さくなる(曲線k3,k5,k6,k8参照)。
ウェハの面内方向DR1におけるエッチング深さの分布が均一であれば、Gaの発光強度およびAlの発光強度は、ほぼ一定の振幅で周期的に変化する。一方、ウェハの面内方向DR1におけるエッチング深さの分布が不均一であれば、Alの発光とGaの発光とを同時に観測することになり、Gaの発光強度の振幅およびAlの発光強度の振幅は、小さくなる。
したがって、Gaの発光強度の振幅およびAlの発光強度の振幅がエッチング時間の経過とともに徐々に小さくなっていることは、エッチング時間の経過とともにウェハの面内方向DR1におけるエッチング深さに差が生じていることを意味する。
そして、エッチングが共振器領域を突き抜けた後においては、Gaの発光強度の振幅およびAlの発光強度の振幅は、さらに小さくなっているので、エッチング底面が反射層102に到達した段階では、面内方向DR1におけるエッチング深さにさらに大きな差が生じている(曲線k6,k8参照)。
図10は、共振器領域でエッチングを停止させた場合の平坦部におけるエッチング深さおよび面発光レーザ素子の素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差をメサ間隔に対して示す図である。また、図11は、基板101側に配置された反射層102でエッチングを停止させた場合の平坦部におけるエッチング深さおよび面発光レーザ素子の素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差をメサ間隔に対して示す図である。
図10および図11において、縦軸は、平坦部のエッチング深さおよび素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差Δdを表し、横軸は、メサ間隔を表す。また、図10および図11において、◆は、平坦部エッチング深さを示し、■は、差Δdを示す。
エッチングを共振器領域の途中で停止させた場合、メサ間隔が10μm以下であっても、面発光レーザ素子間におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差Δdは、100nm以下である(図10参照)。
一方、エッチングを基板101側に設けられた反射層102で停止させた場合、メサ間隔が約23μmのとき、差Δdは、100nmになり、メサ間隔が20μm以下になると、差Δdは、100nmよりも大きくなる。そして、メサ間隔が10μm以下では、差Δdは、250nm程度まで大きくなる(図11参照)。
このように、Inを含む共振器領域でエッチングを停止させることによって、共振器領域に至るまでに素子間隙部と平坦部との間でエッチング深さに大きな差が生じていても、そのエッチング深さの大きな差は、エッチング速度が遅い共振器領域で吸収され、メサ間隔が小さくなっても素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差Δdを小さくすることができる。つまり、Inを含む共振器領域でエッチングを停止させることによって、複数の面発光レーザ素子1〜32が密集した素子間隙部と面発光レーザ素子が形成されていない平坦部とが存在するウェハの面内方向DR1におけるエッチング深さを均一化できる。
図12は、図1に示す面発光レーザアレイ100の平面図および断面図である。図12を参照して、面発光レーザ素子1〜32が配置された領域は、非エッチング領域であり、面発光レーザ素子1〜32の周囲は、エッチング領域である。A−A’間の断面図は、面発光レーザ素子25〜27および面発光レーザ素子25周辺の平坦部の断面図である。面発光レーザ素子25,26間および面発光レーザ素子26,27間におけるエッチング深さは、D1であり、面発光レーザ素子25周辺の平坦部におけるエッチング深さは、D2である。そして、エッチング深さD1は、エッチング深さD2よりも浅い。その結果、エッチング深さD1とエッチング深さD2との差は、Δdとなる。
コンタクト層108、選択酸化層107、反射層106、共振器スペーサー層105、活性層104および共振器スペーサー層103をエッチングすることによって、すそ引き141〜145が形成されるが、共振器スペーサー層103,105および活性層104は、上述したように、Inを含み、エッチング速度が相対的に遅いため、共振器スペーサー層103,105および活性層104のエッチング時に面発光レーザアレイ100の面内方向DR1におけるエッチングも進行する。その結果、すそ引き141〜145の大きさは、従来の面発光レーザアレイよりも小さくなる。
エッチング形状のすそ引き部分は、メサ構造体の上部の側面の傾斜と傾斜率が異なり、エッチング形状のすそ引き部分に酸化狭窄層が含まれると、被選択酸化層の幅がメサ構造体の上部の幅よりも広くなり、被選択酸化層の幅を正確に見積もることが困難となる。その結果、酸化領域107bの幅の見積もりが不正確になり、酸化狭窄径を正確に制御することが困難となる。したがって、エッチング底面は、アレイチップ全体を通して共振器領域に入っていることが好ましい。
共振器領域の厚さがλ(1波長共振器厚さ)である場合、共振器領域の厚さ方向の中心がエッチング底面(平坦部)になるように狙ってエッチングを行なうことがウェハ面内におけるエッチング深さの均一性を考慮すると好ましく、この場合、Δdは、媒体内の実効的な長さとしてλ/2以下であればよい。実施の形態1における面発光レーザ素子1〜32の発振波長は、780nmであるので、1波長共振器の厚さは、230nm程度である。その結果、Δdは、115nm以下であると好ましい。
従来の面発光レーザアレイにおいては、差Δdが115nmである場合、メサ間隔は、約20μmであり(図11参照)、この発明による面発光レーザアレイ100においては、メサ間隔が20μm以下であっても、差Δdは、100nmよりも小さい。したがって、この発明は、メサ間隔が20μm以下である場合に特に効果がある。なお、波長が780nmよりも短くなると、1波長共振器の厚さは、薄くなるので、メサ間隔がより広い領域でΔdがλ/2を超えるようになる。
上述したように、面発光レーザアレイ100においては、メサ構造体を形成するためのメサエッチングは、Inを含む共振器領域の途中(=共振器スペーサー層103の途中)で停止されるので、メサ間隔が小さくなっても素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差Δdが小さくなり、平坦部において反射層102の低屈折率層(=AlAs)が露出することがない。その結果、選択酸化層107を選択酸化しても、反射層102の低屈折率層(=AlAs)は、酸化されない。
したがって、この発明によれば、活性層104で発生した熱を反射層102のAlAs(低屈折率層)を介して基板1へ逃がすことができ、ダミー素子を用いずに熱を活性層104にこもり難くできる。
なお、素子間隙部において隣接する2つの面発光レーザ素子の間隔とは、メサ構造体の上面位置における面発光レーザ素子間の間隔およびメサ構造体の底面位置における面発光レーザ素子間の間隔のうち、狭い方の間隔を言う。メサ構造体を形成するためのエッチングの方法によっては、メサ構造体の上面位置における面発光レーザ素子間の間隔の方が広くなったり、メサ構造体の底面位置における面発光レーザ素子間の間隔の方が広くなったりするからである。
図13は、実施の形態1による面発光レーザアレイの他の平面図である。実施の形態1による面発光レーザアレイは、図13に示す面発光レーザアレイ100Aであってもよい。図13を参照して、面発光レーザアレイ100Aは、図1に示す面発光レーザアレイ100に面発光レーザ素子33〜40と、パッド83〜90と、ワイヤW33〜W40とを追加したものであり、その他は、面発光レーザアレイ100と同じである。
面発光レーザアレイ100Aにおいては、面発光レーザ素子1〜40は、4行×10列の2次元に配置される。面発光レーザ素子33〜40の各々は、面発光レーザ素子1〜32の各々と同じように、一辺が16μmである矩形形状を有する。そして、4個の面発光レーザ素子1,11,21,31/2,12,22,32/3,13,23,33/4,14,24,34/5,15,25,35/6,16,26,36/7,17,27,37/8,18,28,38/9,19,29,39/10,20,30,40は、副走査方向に配置され、10個の面発光レーザ素子1〜10/11〜20/21〜30/31〜40は、主走査方向に配置される。
主走査方向に配置された10個の面発光レーザ素子1〜10/11〜20/21〜30/31〜40は、副走査方向に階段的にずらされて配置される。その結果、40個の面発光レーザ素子1〜40から放射された40個のレーザ光は、相互に重なることがない。
主走査方向に配置された10個の面発光レーザ素子1〜10/11〜20/21〜30/31〜40において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔Xに設定される。
また、副走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子1,11,21,31/2,12,22,32/3,13,23,33/4,14,24,34/5,15,25,35/6,16,26,36/7,17,27,37/8,18,28,38/9,19,29,39/10,20,30,40において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔dに設定される。
主走査方向に配置された10個の面発光レーザ素子1〜10の10個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした10個の垂線の副走査方向における間隔c2は、等間隔であり、c2=d/10によって決定される。間隔dが24μmに設定された場合、間隔c2は、24/10=2.4μmである。
主走査方向に配置された10個の面発光レーザ素子11〜20/21〜30/31〜40の10個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした10個の垂線の副走査方向における間隔も、等間隔であり、間隔c2と同じである。
パッド51〜90は、二次元に配列された面発光レーザ素子1〜40の周囲に配置される。ワイヤW1〜W40は、それぞれ、面発光レーザ素子1〜40をパッド51〜90に接続する。そして、ワイヤW33〜W40の各々は、例えば、8μmの線幅を有する。
二次元に配列された面発光レーザ素子1〜40のうち、最外周に配置された面発光レーザ素子1〜11,20,21,30〜40をそれぞれパッド51〜61,70,71,80〜90に接続するワイヤW1〜W11,W20,W21,W30〜W40は、隣接する2つの面発光レーザ素子間を通らずに配置される。
また、二次元に配列された面発光レーザ素子1〜40のうち、内周部に配置された面発光レーザ素子12〜19,22〜29をそれぞれパッド62〜69,72〜79に接続するワイヤW12〜W19,W22〜W29は、主走査方向において隣接する2つの面発光レーザ素子間を通るように配置される。上述したように、ワイヤW1〜W40の線幅が8μmであれば、ワイヤW12〜W19,W22〜W29の各々を主走査方向において隣接する2つの面発光レーザ素子間に配置することができるからである。
さらに、パッド51〜90が配置された領域には、エピタキシャル層が残っており、溝部150が面発光レーザ素子1〜40の周辺に形成され、溝部150は、ポリイミドで埋め込まれている。そして、配線は、そのポリイミドの上を通っている。また、パッド51〜90は、絶縁膜を介してエピタキシャル層と接合している。ポリイミド上にパッド1〜40を形成するよりもパッド1〜40と絶縁膜との密着性を強くでき、ワイヤーボンド時のパッド剥がれを確実に防止することができる。
面発光レーザ素子33〜40の各々は、図2および図3に示す面発光レーザ素子1の断面構造と同じ断面構造からなる。したがって、面発光レーザアレイ100Aにおいても、メサ構造体を形成するためのメサエッチングは、Inを含む共振器領域の途中(=共振器スペーサー層103の途中)で停止されるので、メサ間隔が小さくなっても素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差Δdが小さくなり、平坦部において反射層102の低屈折率層(=AlAs)が露出することがない。その結果、選択酸化層107を選択酸化しても、反射層102の低屈折率層(=AlAs)は、酸化されない。
したがって、この発明によれば、活性層104で発生した熱を反射層102のAlAs(低屈折率層)を介して基板1へ逃がすことができ、ダミー素子を用いずに熱を活性層104にこもり難くできる。
[実施の形態2]
図14は、実施の形態2による面発光レーザアレイの平面図である。図14を参照して、実施の形態2による面発光レーザアレイ200は、図1に示す面発光レーザアレイ100の面発光レーザ素子1〜32を面発光レーザ素子151〜182に代えたものであり、その他は、面発光レーザアレイ100と同じである。なお、面発光レーザアレイ200においては、ワイヤW1〜W32は、面発光レーザ素子151〜182をそれぞれパッド51〜82に接続する。
面発光レーザ素子151〜182は、4行×8列の2次元に配置される。面発光レーザ素子151〜182の各々は、一辺が16μmである矩形形状を有する。そして、4個の面発光レーザ素子151,159,167,175/152,160,168,176/153,161,169,177/154,162,170,178/155,163,171,179/156,164,172,180/157,165,173,181/158,166,174,182は、副走査方向に配置され、8個の面発光レーザ素子151〜158/159〜166/167〜174/175〜182は、主走査方向に配置される。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子151〜158/159〜166/167〜174/175〜182は、副走査方向に階段的にずらされて配置される。その結果、32個の面発光レーザ素子1〜32から放射された32個のレーザ光は、相互に重なることがない。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子151〜158/159〜166/167〜174/175〜182において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔Xに設定される。
また、副走査方向に配置された4個の面発光レーザ素子151,159,167,175/152,160,168,176/153,161,169,177/154,162,170,178/155,163,171,179/156,164,172,180/157,165,173,181/158,166,174,182において、隣接する2つの面発光レーザ素子間の間隔は、間隔dに設定される。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子151〜158の8個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした8個の垂線の副走査方向における間隔は、等間隔であり、間隔c1に設定される。
主走査方向に配置された8個の面発光レーザ素子159〜166/167〜174/175〜182の8個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした8個の垂線の副走査方向における間隔も、等間隔であり、間隔c1に設定される。
図15は、図14に示す面発光レーザ素子151の概略断面図である。図15を参照して、面発光レーザ素子151は、図2に示す面発光レーザ素子1の共振器スペーサー層103,105および反射層106をそれぞれ共振器スペーサー層103A,105Aおよび反射層106Aに代えたものであり、その他は、面発光レーザ素子1と同じである。
共振器スペーサー層103Aは、ノンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなり、反射層102上に形成される。共振器スペーサー層105Aは、ノンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなり、活性層104上に形成される。
反射層106Aは、図2に示す反射層106のうち、活性層104に最も近い低屈折率層をp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pにより構成したものであり、共振器スペーサー層105A上に形成される。そして、反射層106Aは、活性層104で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層104に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。
図16は、図15に示す面発光レーザ素子151の活性層104の近傍を示す断面図である。図16を参照して、反射層102の低屈折率層1021が共振器スペーサー層103Aに接する。共振器スペーサー層103Aは、反射層102の低屈折率層1021および活性層104の障壁層1042に接する。反射層106Aは、図3に示す反射層106のうち、活性層104に最も近い低屈折率層1061を低屈折率層1061Aに代えたものであり、その他は、反射層106と同じである。そして、低屈折率層1061Aは、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなり、共振器スペーサー層105Aに接する。共振器スペーサー層105Aは、活性層104の障壁層1042および反射層106Aの低屈折率層1061Aに接する。
面発光レーザ素子151においては、共振器スペーサー層103A,105Aおよび活性層104は、共振器を構成し、基板101に垂直な方向における共振器の厚さは、面発光レーザ素子151の1波長(=λ)に設定される。すなわち、共振器スペーサー層103A,105Aおよび活性層104は、1波長共振器を構成する。
なお、図14に示す面発光レーザ素子152〜182の各々は、図15および図16に示す面発光レーザ素子151の構成と同じ構成からなる。
面発光レーザアレイ200は、図4、図5および図6に示す工程(a)〜(h)に従って作製される。この場合、図4の工程(a)において、共振器スペーサー層103A,105Aの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pは、MOCVD法を用いて、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)およびフォスフィン(PH3)を原料として形成され、反射層106Aの低屈折率層1061Aを構成するp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pは、MOCVD法を用いて、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、フォスフィン(PH3)およびジメチル亜鉛(DMZn)を原料として形成される。なお、ジメチル亜鉛(DMZn)に代えて四臭化炭素(CBr4)を用いてもよい。
面発光レーザアレイ200の面発光レーザ素子151〜182の各々は、共振器(=共振器スペーサー層103A,105Aおよび活性層104)と、反射層106Aの一部(低屈折率層1061A)とにInを含むので、Inを含む層の膜厚が面発光レーザ素子1〜32よりも厚くなる。したがって、エッチングの制御が面発光レーザアレイ100に比べさらに容易になる。なお、ここでは反射層106Aのうち共振器に最も近い低屈折率層1061AにのみInを含むとしたが、共振器に対して上側に位置する反射層106Aの共振器に近いほうから低屈折率層と高屈折率層の両方にInを含ませ、複数層Inを含むように構成してもよい。その場合、低屈折率層としては(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとし、高屈折率層としては(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pとする。そして複数層Inを含む層を有することで、Inを含む層の合計の膜厚を更に厚くすることができる。
また、ワイドバンドギャップであるp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pは、ZnまたはMgをドーピングして使う場合が多いが、これらのドーパントは、拡散し易く、活性層104へ拡散した場合、活性層104にダメージを与え、発光効率の低下および信頼性の低下を招く。
面発光レーザ素子151〜182においては、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pを共振器スペーサー層105Aよりも活性層104から遠い反射層106A中に配置し、共振器スペーサー層103A,105Aをアンドープの(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pから構成したので、不純物の悪影響を抑えることができる。
このように、面発光レーザアレイ200においても、メサ構造体を形成するためのメサエッチングは、Inを含む領域の途中(=共振器スペーサー層103Aの途中)で停止されるので、メサ間隔が小さくなっても素子間隙部におけるエッチング深さと平坦部におけるエッチング深さとの差Δdが小さくなり、平坦部において反射層102の低屈折率層1021(=AlAs)が露出することがない。その結果、選択酸化層107を選択酸化しても、反射層102の低屈折率層1021(=AlAs)は、酸化されない。
したがって、この発明によれば、活性層104で発生した熱を反射層102のAlAs(低屈折率層)を介して基板1へ逃がすことができ、ダミー素子を用いずに熱を活性層104にこもり難くできる。
また、面発光レーザアレイ200は、Inを含む層の膜厚が面発光レーザ素子1〜32よりも厚い面発光レーザ素子151〜182を備えるので、面発光レーザアレイ100よりも制御性良くエッチング底面をInを含む層で停止させることができる。
次に、実施の形態2による面発光レーザアレイ200の出力特性について説明する。図17は、実験に用いた実施の形態2による面発光レーザ素子の断面図である。また、図18は、実験に用いた比較用の面発光レーザ素子の断面図である。
図17に示す断面図は、面発光レーザ素子151の反射層102のうち、活性層104に近い3周期分の低屈折率層1021(=AlAs)の膜厚を3λ/4に設定したものであり、その他は、面発光レーザ素子151と同じである。
また、図18に示す断面図は、面発光レーザ素子151の反射層102を、30.5周期の[n−Al0.3Ga0.7As/n−AlAs]と10周期の[n−Al0.3Ga0.7As/n−Al0.9Ga0.1As]とからなる反射層に代えたものである。そして、n−Al0.3Ga0.7As、n−AlAsおよびn−Al0.9Ga0.1Asの各々は、λ/4の膜厚を有する。
図19は、実験結果を示す光出力と電流との関係図である。図19において、縦軸は、光出力を表し、横軸は、電流を表す。また、曲線k9は、この発明による面発光レーザ素子の光出力と電流との関係を示し、曲線k10は、比較用の面発光レーザ素子の光出力と電流との関係を示す。なお、実験は、光出射部の面積が16μm2である面発光レーザ素子を用い、20℃における連続光(CW)を観測することにより行なわれた。
図19に示す実験結果から明らかなように、この発明による面発光レーザ素子の光出力の飽和値が比較用の面発光レーザ素子の光出力の飽和値よりも高電流値側へシフトし、高出力が得られている。これは、この発明による面発光レーザ素子においては、基板101側の反射層102の低屈折率層1021は、全て、熱伝導率の高いAlAsにより構成されているので、基板101側への放熱が良好になり、素子動作時の素子の温度上昇が抑制されたためである。
このように、基板101に設けられた反射層102の低屈折率層1021を熱伝導率が高いAlAsにより構成し、活性層104で発生した熱を基板101へ放熱させる構成を採用することによって、面発光レーザ素子の出力特性、引いては、面発光レーザアレイの出力特性を向上できることが実験的に実証された。
なお、実施の形態2による面発光レーザアレイは、面発光レーザアレイ100A(図13参照)のように4行×10列に配置された40個の面発光レーザ素子を備えるものであってもよい。
また、この発明による面発光レーザアレイは、面発光レーザ素子1〜40,151〜182の共振器スペーサー層103,103AをGa0.5In0.5Pによって構成した面発光レーザ素子を備えていてもよい。
さらに、この発明による面発光レーザアレイは、面発光レーザ素子1〜40,151〜182の共振器スペーサー層103,103Aを(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5Pによって構成した面発光レーザ素子を備えていてもよい。この場合、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pは、活性層104側に配置され、Ga0.5In0.5Pは、反射層102側に配置される。これによって、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pによる活性層104へのキャリアの閉じ込めが向上するとともに、活性層104で発生した熱をより反射層102へ放熱させることができる。Ga0.5In0.5Pは、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pよりも熱伝導率が高いからである。
表1は、共振器スペーサー層103,105;103A,105A/活性層104の井戸層1041が、それぞれ、AlGaAs/AlGaAsから形成された場合およびAlGaInP/GaInPAsから形成された場合における共振器スペーサー層103,105;103A,105Aと井戸層1041とのバンドギャップの差および障壁層1042と井戸層1041とのバンドギャップの差を示す。
共振器スペーサー層103,105;103A,105Aおよび活性層104の井戸層1041にそれぞれAlGaAsおよびAlGaAsを用いた場合、発振波長が780nmである面発光レーザ素子における共振器スペーサー層103,105;103A,105Aと井戸層1041とのバンドギャップの差は、465.9meVであり、障壁層1042と井戸層1041とのバンドギャップの差は、228.8meVである。
また、共振器スペーサー層103,105;103A,105Aおよび活性層104の井戸層1041にそれぞれAlGaAsおよびAlGaAsを用いた場合、発振波長が850nmである面発光レーザ素子における共振器スペーサー層103,105;103A,105Aと井戸層1041とのバンドギャップの差は、602.6meVであり、障壁層1042と井戸層1041とのバンドギャップの差は、365.5meVである。
一方、共振器スペーサー層103,105;103A,105Aおよび活性層104の井戸層1041にそれぞれAlGaInPおよびGaInPAsを用いた場合、発振波長が780nmである面発光レーザ素子1〜40,151〜182における共振器スペーサー層103,105;103A,105Aと井戸層1041とのバンドギャップの差は、767.3meVであり、障壁層1042と井戸層1041とのバンドギャップの差は、463.3meVである。
このように、共振器スペーサー層103,105;103A,105Aおよび活性層104の井戸層1041をそれぞれAlGaInPおよびGaInPAsによって構成することにより、共振器スペーサー層103,105;103A,105Aと井戸層1041とのバンドギャップの差および障壁層1042と井戸層1041とのバンドギャップの差を従来よりも格段に大きくできる。その結果、井戸層1041へのキャリアの閉じ込め効果が格段に大きくなり、面発光レーザ素子1〜40,151〜182は、低閾値で発振するとともに、より高出力の発振光を放射する。
また、活性層104が圧縮歪を有するGaInPAsを含むので、ヘビーホールとライトホールとのバンド分離によって利得の増加が大きくなる。これにより、高利得となり、低閾値で高出力な発振光を得ることができる。なお、この効果は、GaAs基板とほぼ同じ格子定数を有するAlGaAs系で作製した780nmまたは850nmの面発光レーザ素子では得られない。
さらに、キャリア閉じ込めの向上、および活性層104が歪量子井戸構造からなることによる高利得化によって、面発光レーザ素子1〜40,151〜182の閾値電流が低化し、光取り出し側の反射層106,106Aによる反射率の低減が可能となり、さらに高出力化できる。
さらに、活性層104は、Alを含んでいない材料から構成されており、Alフリー活性領域(量子井戸活性層およびそれに隣接する層)としているので、これらの領域への酸素の取り込みが低減することによって非発光再結合センターの形成を抑制でき、長寿命化を図れる。これによって、書き込みユニットまたは光源ユニットの再利用が可能となる。
さらに、上記においては、反射層102の低屈折率層1021は、AlAsからなると説明したが、この発明においては、活性層104よりも基板101側に配置された反射層102の低屈折率層1021は、選択酸化層107の酸化速度と同等以上の酸化速度を有する半導体材料からなっていればよい。選択酸化層107は、一般的には、AlxGa1−xAs(x≧0.9)からなるので、AlAsからなる低屈折率層1021は、一般的には、選択酸化層107の酸化速度と同等以上の酸化速度を有することになるからである。なお、Alを含む層において酸化速度は、Al組成が異なる場合にはAl組成が大きいほうが酸化速度が速く、Al組成が同じ場合には層の膜厚が厚いほうが酸化速度が速くなる。
さらに、上記においては、反射層102の複数の低屈折率層1021は、全てAlAsからなると説明したが、この発明においては、これに限らず、反射層102は、選択酸化層107の酸化速度以上の酸化速度を有する低屈折率層(=AlxGa1−xAs(x≧0.9))を少なくとも活性層104側に備えていればよい。発熱源(=活性層104)に近い部分の熱伝導率を高くすることは、活性層104で発生した熱を基板101へ放熱する効果が高いからである。
さらに、上記においては、メサエッチングは、共振器スペーサー層103,103A中で停止されると説明したが、この発明においては、これに限らず、面発光レーザアレイ100,100Aにおいては、メサエッチングは、共振器(共振器スペーサー層103、活性層104および共振器スペーサー層105)内または共振器と反射層106との界面で停止されればよく、面発光レーザアレイ200においては、共振器(共振器スペーサー層103A、活性層104および共振器スペーサー層105A)内または反射層106Aの低屈折率層1061A内または低屈折率層1061Aと高屈折率層1062との界面で停止されればよく、一般的には、反射層102よりも反射層106側で停止されればよい。
[実施の形態3]
図20は、実施の形態3による面発光レーザアレイの平面図である。図20を参照して、実施の形態3による面発光レーザアレイ300は、基板310と、面発光レーザ素子311〜320と、パッド321〜330とを備える。
面発光レーザ素子311〜320は、基板310上に一次元に配置される。そして、面発光レーザ素子311〜320の各々は、上述した面発光レーザ素子1〜40または面発光レーザ素子151〜182からなる。
パッド321〜330は、それぞれ、面発光レーザ素子311〜320の周囲に配置され、p側電極111に接続される。
閾値上昇が抑制され、高出力動作が可能な面発光レーザ素子311〜320を同一基板310上に多数集積することで、たとえば、光通信に用いた場合、同時に多数ビームによるデータ伝送が可能となるので、高速通信を行なうことができる。また、面発光レーザ素子311〜320は、低消費電力で動作するとともに、活性層104で発生した熱の放熱特性も良いので、特に、機器の中に取り込んで利用した場合、温度上昇を低減させることができる。
[実施の形態4]
実施の形態4による面発光レーザアレイの製造方法が図21(A)〜図23に示されている。
(1)有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いた結晶成長によって、前記基板101上に、前記反射層(下部反射鏡)102、前記共振器スペーサ層(下部スペーサ層)103、前記活性層104、前記共振器スペーサ層(上部スペーサ層)105、前記選択酸化層107、前記反射層(上部反射鏡)106などの半導体層を、順次積層する(図21(A)参照)。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを「半導体積層体」ともいう。
(2)半導体積層体における表面(基板101と反対側の面)である積層体表面に、フォトリソグラフィー法により発光部及びアレイ境界部に対応してフォトマスクPMをパターニングする(図21(B)参照)。ここでは、一例として、1つのチップが9個(3×3)の発光部を有するものとする。
(3)フォトマスクPMをエッチングマスクとして、ドライエッチング法によりメサ形状を形成する(図21(C)参照)。なお、以下では、便宜上、メサ形状の部分を「メサ」と略述する。このとき、アレイ境界部となる部分も同時にエッチングする。ここでは、エッチングは、エッチング底面が下部スペーサ層103に達するまで行われる。
(4)フォトマスクPMを除去する。
(5)選択酸化層107に電流狭窄構造を形成する(図21(D)参照)。
(6)アレイ境界部をエッチングするためのエッチングマスクをフォトリソグラフィー法によりパターニングする。
(7)アレイ境界部をエッチング底面が基板101に達するまでエッチングする(図22(A)参照)。これにより、各アレイ部は、それぞれ他のアレイ部から分離され、いわゆるアイランド化されることとなる。
(8)パッシベーション膜として、SiO2、SiN及びSiONのいずれかからなる保護膜109を形成する(図22(B)参照)。
(9)メサ上部のコンタクトとアレイ境界部の底面の分割部分のパッシベーション膜をエッチングにより除去する(図22(C)参照)。このとき、アレイ境界部の側面のパッシベーション膜はエッチングされないようにマスクされる。
(10)リフトオフ法により前記p側電極111を形成する(図22(D)参照)。具体的には、予め電極以外の部分をフォトレジストによりマスクしておき、電極材料を蒸着後アセトン等のフォトレジストが溶解する溶液中で超音波洗浄する。p側の電極材料としてはCr/AuZn/Auからなる多層膜、もしくはTi/Pt/Auからなる多層膜が用いられる。
(11)基板101の裏側を所定の厚さ(例えば100μm程度)まで研磨した後、前記n側電極112を形成する(図23参照)。ここでは、n側電極112はAuGe/Ni/Auからなる多層膜である。
(12)不図示の複数の電極パッド、及び各発光部のp側電極111と対応する電極パッドとの間を電気的に接続する配線を形成する。なお、p側電極111はその中央に窓が開けられ、この部分からレーザ光が射出される。これにより、各メサは、それぞれ発光部となる。
(13)アレイ境界部の底面の分割部分に沿って切断し、チップ毎に分割する。
このようにして製造された実施の形態4による面発光レーザアレイ350が図24に示されている。
この面発光レーザアレイ350は、製造時にアイランド化されているため、基板101の反りを低減することができる。従って、製造歩留まりが向上し、低コスト化を図ることが可能となる。
また、面発光レーザアレイ350は、下部反射鏡102の側面が保護膜で被覆されているため、下部反射鏡102の低屈折率層が大気中の水分と反応して酸化され、歪みが発生し破壊が進行するのを抑制することができる。すなわち、経時劣化を防ぐことができ、信頼性の高い面発光レーザアレイを実現することが可能となる。
[応用例]
図25は、図13に示す面発光レーザアレイ100Aを用いた光走査装置の構成を示す概略図である。図25を参照して、光走査装置400は、光源401と、カップリングレンズ402と、アパーチャ403と、アナモルフィックレンズ404と、ポリゴンミラー405と、偏向器側走査レンズ406と、像面側走査レンズ407と、防塵ガラス408と、像面ガラス408と、像面409と、防音ガラス410と、ダミーレンズ411とを備える。
光源401は、図13に示す面発光レーザアレイ100Aからなる。光源401から出射された40個の光束は、カップリングレンズ402に入射し、カップリングレンズ402によって弱い発散光にされ、アナモルフィックレンズ404に入射する。
そして、アナモルフィックレンズ404に入射した光束は、アナモルフィックレンズ404によって、主走査方向が平行光にされ、副走査方向がポリゴンミラー405近傍に集束するように変えられる。その後、光束は、アパーチャ403、ダミーレンズ411および防音ガラス410を経て、ポリゴンミラー405に入射する。
そして、光束は、ポリゴンミラー405によって偏向され、偏向器側走査レンズ406および像面側走査レンズ407によって防塵ガラス408を経て、像面409に結像する。
光源401およびカップリングレンズ402は、材質がアルミニウムからなる同一の部材に固定される。
光源401は、10個の面発光レーザ素子1〜10/11〜20/21〜30/31〜40の10個の中心から副走査方向に配置された直線に下ろした10本の垂線の副走査方向における間隔が等間隔c2になるように配置された40個の面発光レーザ素子1〜40を備える面発光レーザアレイ100Aからなるので、40個の面発光レーザ素子1〜40の点灯のタイミングを調整することにより、感光体上では副走査方向に等間隔で光源が並んでいる場合と同様な構成として捉えることができる。
また、面発光レーザ素子1〜40の素子間隔c2および光学系の倍率を調整することにより、副走査方向に書き込まれる間隔を調整できる。すなわち、光源401として面発光レーザアレイ100A(40チャネル)を用いた場合、素子間隔c2は、上述したように2.4μmに設定されるので、光学系の倍率を約2.2倍に設定することによって、4800dpi(ドット/インチ)の高密度書き込みを行なうことができる。また、主走査方向の素子数を増加したり、副走査方向において隣接する面発光レーザ素子間の間隔dをさらに狭くすることによって間隔c2をさらに小さくしたり、光学系の倍率を下げたりすることによって、さらに高密度書き込みが可能となり、より高品質な印刷が可能となる。この場合、主走査方向の書き込み間隔は、光源401の点灯タイミングを調整することによって、容易に制御できる。
このように、光走査装置400においては、40ドットを同時に書き込み可能であり、高速印刷を行なうことができた。面発光レーザアレイ100Aにおける面発光レーザ素子の素子数を増加することによって、さらに高速印刷が可能である。
さらに、面発光レーザ素子1〜40,151〜182を面発光レーザアレイ100Aに用いることによって、面発光レーザアレイ100Aの寿命が格段に向上するので、書込みユニットまたは光源ユニットの再利用が可能となる。
光走査装置400においては、光源401を図1に示す面発光レーザアレイ100または図14に示す面発光レーザアレイ200によって構成してもよい。
図26は、レーザプリンターの概略図である。図26を参照して、レーザプリンター500は、感光体ドラム501と、光走査装置502と、クリーニングユニット503と、帯電ユニット504と、現像ユニット505と、転写ユニット506と、定着ユニット507とを備える。
光走査装置502、クリーニングユニット503、帯電ユニット504、現像ユニット505、転写ユニット506および定着ユニット507は、感光体ドラム501の周囲に配置される。
光走査装置502は、図25に示す光走査装置400からなり、上述した方法によって複数のレーザ光を用いて感光体ドラム501上に潜像を形成する。クリーニングユニット503は、感光体ドラム501上に残留しているトナーを除去する。
帯電ユニット504は、感光体ドラム501の表面を帯電させる。現像ユニット505は、トナーを感光体ドラム501の表面に導き、光走査装置502によって形成された潜像にトナー現像を施す。
転写ユニット506は、トナー画像を転写する。定着ユニット507は、転写されたトナー画像を定着させる。
レーザプリンター500において、一連の動作が開始されると、帯電ユニット504は、感光体ドラム501の表面を帯電させ、光走査装置502は、複数のレーザ光によって感光体ドラム501上に潜像を形成する。そして、現像ユニット505は、光走査装置502によって形成された潜像にトナー現像を施し、転写ユニット506は、トナー画像を転写し、定着ユニット507は、転写されたトナー画像を定着する。これにより、トナー画像が記録紙508上に転写され、その後、トナー画像は、定着ユニット507によって熱定着を施され、電子写真画像の形成が完了する。
一方、除電ユニット(図示せず)は、感光体ドラム501上の潜像を消去し、クリーニングユニット503は、感光体ドラム501上に残留したトナーを除去する。これにより、一連の動作は終了し、上述した動作を繰り返すことにより、電子写真画像を連続、かつ、高速に出力することができる。
なお、レーザプリンター500は、「画像形成装置」を構成する。
図27は、画像形成装置の概略図である。図27を参照して、画像形成装置600は、感光体1Y,1M,1C,1Kと、帯電器2Y,2M,2C,2Kと、現像器4Y,4M,4C,4Kと、クリーニング手段5Y,5M,5C,5Kと、転写用帯電手段6Y,6M,6C,6Kと、定着手段610と、書き込みユニット620と、転写ベルト630とを備える。なお、Yは、イエローを表し、Mは、マゼンダを表し、Cは、シアンを表し、Kは、ブラックを表す。
感光体1Y,1M,1C,1Kは、矢印の方向に回転し、回転順に、帯電器2Y,2M,2C,2K、現像器4Y,4M,4C,4K、転写用帯電手段6Y,6M,6C,6Kおよびクリーニング手段5Y,5M,5C,5Kが配置されている。
帯電器2Y,2M,2C,2Kは、感光体1Y,1M,1C,1Kの表面を均一に帯電するための帯電装置を構成する帯電部材である。この帯電器2Y,2M,2C,2Kと、現像器4Y,4M,4C,4Kとの間の感光体1Y,1M,1C,1Kの表面に書き込みユニット620(=光走査装置400からなる)によりビームが照射され、感光体1Y,1M,1C,1Kに静電画像が形成される。そして、現像器4Y,4M,4C,4Kは、静電画像に基づいて、感光体1Y,1M,1C,1Kの表面にトナー画像を形成する。そして、転写用帯電手段6Y,6M,6C,6Kは、記録紙640に各色の転写トナー画像が順次転写され、定着手段610は、最終的に、記録紙640に画像を定着する。
機械精度等で各色の色ずれが発生する場合があるが、画像形成装置600は、高密度対応であり、書き込みユニット620に用いられる面発光レーザアレイの複数の面発光レーザ素子を点灯させる順序を変えることによって各色の色ずれの補正精度を高めることができる。
図28は、光送信モジュールの概略図である。図28を参照して、光送信モジュール700は、面発光レーザアレイ701と、光ファイバー702とを備える。面発光レーザアレイ701は、複数の面発光レーザ素子1〜40,151〜182を一次元に配列した構造からなる。光ファイバー702は、複数のプラスチック光ファイバー(POF)からなる。そして、複数のプラスチック光ファイバーは、面発光レーザアレイ701の複数の面発光レーザ素子1〜40,151〜182に対応して配置される。
光送信モジュール700においては、各面発光レーザ素子1〜40,151〜182から放射されたレーザ光は、対応するプラスチック光ファイバーに伝送される。そして、アクリル系のプラスチック光ファイバーは、650nmに吸収損失のボトムがあり、650nmの面発光レーザ素子が検討されているが、高温特性が悪く、実用化されていない。
光源としてLED(Light Emitting Diode)が用いられているが、高速変調が困難であり、1Gbpsを超えた高速伝送の実現のためには、半導体レーザが必要である。
上述した面発光レーザ素子1〜40,151〜182の発振波長は、780nmであるが、放熱特性が改善され、高出力であるとともに、高温特性にも優れており、光ファイバーの吸収損失は大きくなるが、短距離であれば、伝送可能である。
光通信の分野では、同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザを集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。これにより、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
光送信モジュール700では、面発光レーザ素子1〜40,151〜182と、光ファイバーとを1対1に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光レーザ素子を1次元または2次元にアレイ状に配置して、波長多重送信することにより、伝送速度をさらに増大させることができる。
さらに、面発光レーザ素子1〜40,151〜182を用いた面発光レーザアレイと、安価なPOFとを組み合わせた光送信モジュール700を光通信システムに用いると、低コストな光送信モジュールを実現できる他、これを用いた低コストな光通信システムを実現できる。そして、極めて低コストであるので、家庭用、オフィスの室内用、および機器内等の短距離のデータ通信に有効である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1〜40,151〜182,311〜320…面発光レーザ素子、51〜90,321〜330…パッド、100,100A,200,300,701…面発光レーザアレイ、101…基板、102,106,106A…反射層、103,103A,105,105A…共振器スペーサー層、104…活性層、107…選択酸化層、107a…非酸化領域、107b…酸化領域、108…コンタクト層、109…SiO2層、110…絶縁性樹脂、111…p側電極、112…n側電極、120…レジストパターン、131〜134…メサ構造体、141〜145…すそ引き、350…面発光レーザアレイ、400,502…光走査装置、401…光源、402…カップリングレンズ、403…アパーチャ、404…アナモルフィックレンズ、405…ポリゴンミラー、406…偏向器側走査レンズ、407…像面側走査レンズ、408…防塵ガラス、409…像面、410…防音ガラス、411…ダミーレンズ、500…レーザプリンター、501…感光体ドラム、503…クリーニングユニット、504…帯電ユニット、505…現像ユニット、506…転写ユニット、507…定着ユニット、600…画像形成装置、1Y,1M,1C,1K…感光体、2Y,2M,2C,2K…帯電器、4Y,4M,4C,4K…現像器、5Y,5M,5C,5K…クリーニング手段、6Y,6M,6C,6K…転写用帯電手段、610…定着手段、620…書き込みユニット、630…転写ベルト、640…記録紙、700…光送信モジュール、702…光ファイバー、1021,1061…低屈折率層、1022,1062…高屈折率層、1023,1063…組成傾斜層、1041…井戸層、1042…障壁層、W1〜W40…ワイヤ。