JP6221236B2 - 面発光レーザアレイ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザアレイ及びその製造方法に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に垂直な方向に光を射出するレーザ素子である。垂直共振器型の面発光レーザ素子は、基板に平行な方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザ素子よりも低価格、低消費電力、小型、２次元デバイスに好適、かつ、高性能であることから、近年、注目されている。

面発光レーザ素子の応用分野の一例としては、プリンタにおける光書き込み系の光源（例えば、発振波長：７８０ｎｍ帯）や、光ディスク装置における書き込み用光源（例えば、発振波長：７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯）等が挙げられる。又、面発光レーザ素子の応用分野の他の例としては、光ファイバを用いるＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の光伝送システムの光源（例えば、発振波長：１．３μｍ帯、１．５μｍ帯）等が挙げられる。

更には、ボード間、ボード内、集積回路（ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）のチップ間、及び集積回路のチップ内の光伝送用光源としても期待されている。又、固体レーザに対する励起光源としての応用が可能であり、エンジンの燃焼効率を大幅に向上させることが可能であるため、固体レーザのエンジン点火プラグへの応用時に効果がある（例えば、非特許文献１参照）。

ところで、面発光レーザ素子は集積化が容易であるという利点があるため、面発光レーザ素子をアレイ状に複数形成した面発光レーザアレイとしても用いられる。面発光レーザアレイにおいて、各面発光レーザ素子は電気的に並列接続されることが多いが、面発光レーザ素子を並列接続すると、必要な電流が、形成される面発光レーザ素子の数に比例して大きくなるという不具合がある。

すなわち、アレイ数を増加させて出力を増大させるときに電流が大きくなり危険であるし、面発光レーザアレイを駆動させる低電圧大電流電源が必要となる。低電圧大電流電源は一般的に高価であり、面発光レーザアレイ装置全体のコストを上昇させる要因となる。

これに対して、隣接する面発光レーザ素子間にドライエッチング等により分離溝を形成して両者を電気的に絶縁し、面発光レーザ素子同士を電気的に直列接続する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、面発光レーザアレイの発光に必要な電流が、形成される面発光レーザ素子の数に比例して大きくなるという不具合が生じないし、面発光レーザアレイを駆動させる低電圧大電流電源も不要となる。

しかしながら、様々な材料からなる層が多数積層されている面発光レーザ素子において、ドライエッチング等により側面形状を制御することは困難である。そのため、ドライエッチング等により分離溝を形成すると、分離溝の側面に大小様々な凹凸が発生する場合が多く、面発光レーザ素子同士を信頼性の高い状態で電気的に直列接続することは困難である。

例えば、面発光レーザ素子同士を直列接続する際に、分離溝の内壁面に沿って金属蒸着法等により配線を形成する方法を用いると、内壁面の凹凸により金属原子が付着しない領域ができ、配線断線が発生する不具合が生じるおそれがある。

又、金属蒸着法による配線形成に代えて、ワイヤボンディングにより各面発光レーザ素子を接続する方法が考えられるが、アレイ数が多い場合には多大な工数が掛かり、面発光レーザアレイ装置全体のコストを上昇させる要因となる。又、ワイヤボンディングで配線を接続する場合、面発光レーザアレイ装置の大面積化は免れない。

このように、面発光レーザ素子同士が直列接続された従来の面発光レーザアレイでは、配線形成工程における歩留りの低下（信頼性の低下）やコストの多大な増加、面発光レーザアレイ装置の大面積化といった不具合があり、特に信頼性の低下が大きな問題である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、直列接続された面発光レーザ素子を有する信頼性の高い面発光レーザアレイを提供することを課題とする。

本面発光レーザアレイは、基板上に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、及び上部反射鏡を含むメサを備えた複数の面発光レーザ素子が配線により直列接続された面発光レーザアレイであって、隣接する前記面発光レーザ素子は、隣接する前記面発光レーザ素子の前記下部反射鏡の所定領域の厚さ方向に形成され、前記下部反射鏡の他の領域よりも不純物の濃度が高い高抵抗領域により分離されており、隣接する前記面発光レーザ素子の前記下部反射鏡の各々の上面と前記高抵抗領域の上面とが同一平面にあり、前記配線は、前記高抵抗領域上を通るように形成されていることを要件とする。

開示の技術によれば、直列接続された面発光レーザ素子を有する信頼性の高い面発光レーザアレイを提供できる。

第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する断面図である。 比較例に係る面発光レーザアレイを例示する断面図である。 第２の実施の形態に係る面発光レーザアレイの回路接続を例示する図である。 第３の実施の形態に係る面発光レーザアレイの回路接続を例示する図である。 第４の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する平面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
［面発光レーザアレイの構造］
まず、面発光レーザアレイの構造について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する断面図である。なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ部（破線で囲まれた部分）を拡大したものである。

図１を参照するに、第１の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１００は、面発光レーザ素子１００_１及び１００_２が直列接続された構造を有する。但し、直列接続される面発光レーザ素子の数は２個には限定されず、３個以上としてもよい。

面発光レーザアレイ１００において、面発光レーザ素子１００_１及び１００_２は同一構造のレーザ素子であり、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸構造を活性層とする発振波長が７８０ｎｍ帯のレーザ素子である。面発光レーザアレイ１００において、面発光レーザ素子１００_１及び１００_２のレーザ発振方向は、基板表面方向である。なお、便宜上、コンタクト層１０９側（発光側）の面を上面、基板１０１側の面を下面として以下の説明をする。

面発光レーザ素子１００_１及び１００_２の各々は、主要な構成要素として、基板１０１、ノンドープのバッファ層１０２、ｎ型の半導体多層膜反射鏡（以降、下部半導体ＤＢＲ又は下部反射鏡とする）１０３、ノンドープの下部スペーサ層１０４、活性層１０５、ノンドープの上部スペーサ層１０６、ｐ型の半導体多層膜反射鏡（以降、上部半導体ＤＢＲ又は上部反射鏡とする）１０７、被選択酸化層１０８（１０８ａ：酸化領域、１０８ｂ：非酸化領域）、コンタクト層１０９、保護層１１１、ｐ側の電極となるコンタクトメタル多層膜１１２、配線１１３_１〜１１３_３を含む配線１１３、ｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１１４、エッチストップ層１１５、ｎ側の電極となるコンタクトメタル多層膜１１６等を有する。

隣接する面発光レーザ素子１００_１と面発光レーザ素子１００_２の下部半導体ＤＢＲ１０３の間の所定領域には、両者を電気的に分離する高抵抗領域１２０が厚さ方向に形成されている。高抵抗領域１２０は、下部半導体ＤＢＲ１０３の他の領域よりも不純物の濃度（例えば、水素イオンの濃度）が高い領域であり、高抵抗領域１２０により面発光レーザ素子１００_１と面発光レーザ素子１００_２とは分離されている。換言すれば、面発光レーザ素子１００_１と面発光レーザ素子１００_２とは、高抵抗領域１２０により絶縁されている。

なお、面発光レーザ素子１００_１の下部半導体ＤＢＲ１０３と面発光レーザ素子１００_２の下部半導体ＤＢＲ１０３において、高抵抗領域１２０が形成される部分に分離溝は形成されていない。つまり、高抵抗領域１２０が形成されている領域とその周辺領域とは、平坦な面を形成している。

面発光レーザアレイ１００において、基板１０１としては、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることができる。バッファ層１０２は、基板１０１の上側に積層されている。バッファ層１０２は、例えば、ノンドープＧａＡｓからなる層である。

下部半導体ＤＢＲ１０３は、バッファ層１０２の上面に積層されている。下部半導体ＤＢＲ１０３は、例えば、発振波長をλとしたとき、光学的厚さがλ／４となる膜厚のｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、光学的厚さがλ／４となる膜厚のｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とを有する。下部半導体ＤＢＲ１０３は、例えば、低屈折率層と高屈折率層とのペアがｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓから始まり、４０．５ペア積層された層である。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

下部半導体ＤＢＲ１０３の各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた、例えば厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。なお、上記各屈折率層の膜厚は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んでいる。

又、下部半導体ＤＢＲ１０３の最上部の高屈折率層と低屈折率層のペアの間に、コンタクト層１１４とエッチストップ層１１５が、コンタクト層１１４が基板１０１側に配置されるように積層された状態で挿入されている（図１（ｂ）参照）。なお、図１（ｂ）において、下部半導体ＤＢＲ１０３の最上部の高屈折率層と低屈折率層のペアの図示は省略されている。

コンタクト層１１４が基板１０１側に積層されている理由は、ｎ側の電極を形成する際に、硫酸により保護層１１１をエッチストップ層１１５までエッチングし、塩酸によりエッチストップ層１１５をエッチングすることでコンタクト層１１４を制御性良く露出させるためである。なお、これらの層は膜厚が薄く短時間で処理可能なため、フォトレジストをマスクにしてエッチングすることが可能である。

コンタクト層１１４は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる層（例えば、膜厚２０ｎｍ）である。但し、コンタクト層１１４は必ずしもｎ−ＧａＡｓである必要はない。エッチストップ層１１５は、例えば、ＧａＩｎＰ層（例えば、膜厚２０ｎｍ）とすることができる。

下部スペーサ層１０４は、下部半導体ＤＢＲ１０３の上面に積層されている。下部スペーサ層１０４は、例えば、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の上面に積層されている。活性層１０５は、例えば、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる３重量子井戸構造の活性層である。上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の上面に積層されている。上部スペーサ層１０６は、例えば、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体（共振器領域）とも称され、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。

上部半導体ＤＢＲ１０７は、上部スペーサ層１０６の上面に積層されている。上部半導体ＤＢＲ１０７は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２５ペア有している。各屈折率層の間には組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層は何れも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。

上部半導体ＤＢＲ１０７には、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層１０８（１０８ａ：酸化領域、１０８ｂ：非酸化領域）が例えば厚さ３０ｎｍで挿入されている。被選択酸化層１０８の挿入位置は、例えば、上部スペーサ層１０６から数えて２つ目の高屈折率層と低屈折率層のペア内とすることができる。

コンタクト層１０９は、上部半導体ＤＢＲ１０７の上側に積層されている。コンタクト層１０９は、例えば、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。但し、コンタクト層１０９は必ずしもｐ−ＧａＡｓである必要はない。

コンタクト層１０９、上部半導体ＤＢＲ１０７、上部スペーサ層１０６、活性層１０５、下部スペーサ層１０４、及び下部半導体ＤＢＲ１０３の一部をエッチングで除去することにより、メサ１１０（メサ構造体）が形成されている。この場合、エッチングにより露出した下部半導体ＤＢＲ１０３の上面がメサ１１０周辺の底面１１０ａとなる。

更に、メサ１１０の上面の一部（コンタクト層１０９の上面の外周部）、メサ１１０の側面、及びメサ１１０周辺の底面１１０ａを覆うように、保護層１１１が形成されている。保護層１１１としては、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）等を用いることができる。

コンタクト層１０９上面において、保護層１１１から露出する部分の外周側には、ｐ側の電極となるコンタクトメタル多層膜１１２が例えば環状に形成されている。コンタクトメタル多層膜１１２の材料としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｔからなる多層膜を用いることができる。

コンタクト層１１４上面において、保護層１１１及びエッチストップ層１１５から露出する部分には、ｎ側の電極となるコンタクトメタル多層膜１１６が形成されている。コンタクトメタル多層膜１１６の材料としては、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉからなる多層膜を用いることができる。

面発光レーザ素子１００_１のコンタクトメタル多層膜１１６（ｎ側の電極）と、面発光レーザ素子１００_２のコンタクトメタル多層膜１１２（ｐ側の電極）とは、保護層１１１を介して高抵抗領域１２０上を通るように形成された配線１１３_２により電気的に接続されている。

面発光レーザアレイ１００の駆動電流は、面発光レーザ素子１００_１のコンタクトメタル多層膜１１２（ｐ側の電極）上等に形成された配線１１３_１からメサ１１０内を経由してコンタクトメタル多層膜１１６（ｎ側の電極）に流れる。そして、配線１１３_２を経由して面発光レーザ素子１００_２のコンタクトメタル多層膜１１２（ｐ側の電極）に流れる。

そして、更に面発光レーザ素子１００_２のコンタクトメタル多層膜１１２（ｐ側の電極）からメサ１１０内を経由してコンタクトメタル多層膜１１６（ｎ側の電極）及びコンタクトメタル多層膜１１６（ｎ側の電極）上等に形成された配線１１３_３に流れる。このように、面発光レーザ素子１００_１と面発光レーザ素子１００_２とは、直列接続されている。

なお、以上のように基板１０１上に複数の半導体層が積層された構造体を、以降、便宜上「積層体」と称する場合がある。

［面発光レーザアレイの製造方法］
次に、面発光レーザアレイ１００の製造方法について説明する。まず、基板１０１上に複数の半導体層が積層された「積層体」を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）或いは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって形成する。ここでは、ＭＯＣＶＤ法を用いた例を示す。又、ここでは、一例として、ＩＩＩ族の原料に、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）等を用い、Ｖ族の原料に、フォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いる。

又、一例として、ＡｌＧａＡｓ系のｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）、ＡｌＧａＩｎＰ系のｐ型ドーパントにはジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いる。

次に、積層体の表面に所望のメサ１１０の平面形状に対応するように、例えば、１辺が２５μｍの正方形状のレジストパターンを形成する。そして、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチング法で、上記レジストパターンをフォトマスクとして四角柱のメサ１１０を形成し、フォトレジストを除去する。

次に、メサ１１０が形成された積層体を酸化対象物として、酸化処理を行う。ここでは、メサ１１０の外周部から被選択酸化層１０８中のＡｌ（アルミニウム）が選択的に酸化される。そして、メサ１１０の中央部に、Ａｌの酸化領域１０８ａによって囲まれた酸化されていない非酸化領域１０８ｂを残留させる。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサ１１０の中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。

次に、酸化処理が完了した積層体に対して、スクライブラインを形成するために外周部の溝形成部のみを露出させるようにリソグラフィによりレジストパターンを形成し、ＩＣＰドライエッチング法を用いてチップ分離溝を形成し、レジストパターンを除去する。これにより、面発光レーザ素子１００_１及び１００_２となる部分を含むようにスクライブラインが形成される。

そして、積層体を加熱チャンバーに入れ、例えば、窒素雰囲気中に３８０〜４００℃の温度で３分間保持する。これにより、大気中で表面に付着した酸素や水、若しくは加熱処理用のチャンバー内の微量な酸素や水による自然酸化膜が、窒素雰囲気中での加熱処理により安定した不動態皮膜になる。

次に、隣接する面発光レーザ素子１００_１及び１００_２となる部分の下部半導体ＤＢＲ１０３の所定領域の厚さ方向に不純物を導入し、下部半導体ＤＢＲ１０３の他の領域よりも不純物の濃度が高い高抵抗領域１２０を形成する。ここでは、不純物として水素イオンを用い、イオン注入法により水素イオンを打ち込むことにより下部半導体ＤＢＲ１０３に不純物を導入する例を示す。

具体的には、高抵抗領域１２０を形成しない部分にフォトレジストパターンを形成した後、イオン注入法により基板１０１に達するように水素イオンを打ち込み、高抵抗領域１２０を形成し、フォトレジストを除去する。イオン注入に水素イオンを用いることにより、低ダメージで高抵抗領域１２０を形成することができ、結晶性の低下を抑制することが可能となる。

この工程により、ｎ型である下部半導体ＤＢＲ１０３に高抵抗領域１２０が形成され、素子間（面発光レーザ素子１００_１及び１００_２となる部分の間）の絶縁性を得ることができる。なお、このとき、水素イオンは確実に基板１０１に達するように打ち込まなければならない。

水素イオンが基板１０１に達していない場合、素子間の抵抗を十分に高抵抗化できず、電流が隣接する素子の下部半導体ＤＢＲ１０３中を流れてしまい、全ての面発光レーザ素子を発光させることが不可能となるためである。

なお、水素イオンを打ち込む代わりに、Ｚｎ等のｐ型不純物の注入や熱拡散を行うことにより、下部半導体ＤＢＲ１０３に不純物を導入してもよい。水素イオンを打ち込む場合には、水素イオンにより下部半導体ＤＢＲ１０３中に絶縁領域（高抵抗領域）が形成されるが、ｐ型不純物の注入や熱拡散を行う場合には、下部半導体ＤＢＲ１０３中に、基板１０１と平行方向にｎｐｎ接合が形成される。

複数の面発光レーザ素子を直列接続した場合に、ｎｐｎ接合のうちの一つの接合が逆バイアスとなり、隣接する面発光レーザ素子同士を分離できる。つまり、この場合には、ｎｐｎ接合の逆バイアスとなる部分が高抵抗領域１２０である。

次に、気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ＳｉＮ、ＳｉＯ_Ｎ或いはＳｉＯ_２等からなる保護層１１１を形成する。そして、電極コンタクトの窓開けを行う。具体的には、まず、保護層１１１上に、フォトレジストによるマスクを施す。その後、メサ１１０の上部及びメサ１１０周辺の底面１１０ａの各々の保護層１１１の所定領域上に形成されたフォトレジストを露光し、その部分のフォトレジストを除去して電極形成領域に対応する部分の保護層１１１を露出させる。

そして、露出した部分の保護層１１１を、例えば、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）にてエッチングして除去し、メサ１１０の上部にコンタクト層１０９を、メサ１１０周辺の底面１１０ａに下部半導体ＤＢＲ１０３の最上部のＡｌＧａＡｓ層を露出させる。又、これと同時に、前述のチップ分離溝の底面にあるスクライブする領域の保護層１１１も除去する。

その後、コンタクト層１１４を露出させる。具体的には、露出したい部分を開口するフォトレジストパターンを形成し、形成したフォトレジストパターンをマスクとして、例えば硫酸で下部半導体ＤＢＲ１０３の最上部のＡｌＧａＡｓ層をエッチングし、除去する。更に、ＡｌＧａＡｓ層の下層であるエッチストップ層１１５（ＧａＩｎＰ層）を塩酸でエッチングし、除去してコンタクト層１１４を露出させることができる。

次に、メサ１１０の上部の光射出部となる領域に、例えば、平面形状が一辺１０μｍの正方形状のレジストパターンと、電極と発光部の配線を形成するフォトレジストパターンを形成する。そして、ｐ側のオーミックコンタクトを形成する電極材料の蒸着を行い、リフトオフする。これにより、コンタクト層１０９上面の保護層１１１から露出する部分の外周側に、ｐ側の電極となるコンタクトメタル多層膜１１２が例えば環状に形成される。コンタクトメタル多層膜１１２の材料としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｔからなる多層膜を用いることができる。

次に、フォトレジストでパターンを形成し、ｎ側のオーミックコンタクト形成用の電極材料を蒸着し、リフトオフする。これにより、コンタクト層１１４上面の保護層１１１及びエッチストップ層１１５から露出する部分には、ｎ側の電極となるコンタクトメタル多層膜１１６が形成される。コンタクトメタル多層膜１１６の材料としては、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉからなる多層膜を用いることができる。

次に、フォトレジストパターンを形成し、配線用の材料を蒸着し、リフトオフにより配線１１３を形成する。配線１１３の材料としては、例えば、Ａｕ等を用いることができる。なお、面発光レーザ素子１００_１のコンタクトメタル多層膜１１６（ｎ側の電極）と、面発光レーザ素子１００_２のコンタクトメタル多層膜１１２（ｐ側の電極）とを接続する配線１１３_２は、保護層１１１を介して高抵抗領域１２０上を通るように形成される。

次に、基板１０１の裏側を所定の厚さ（例えば、１００μｍ等）まで研磨する。そして、アニールによって、電極（配線）のオーミック導通をとる。これにより、メサ１１０は発光部となる。

次に、スクライブ・ブレーキングにより、チップ毎に（面発光レーザ素子１００_１及び１００_２を含むように）切断する。その後、種々の後工程を経て、面発光レーザ素子１００_１及び１００_２を含む面発光レーザアレイ１００が完成する。

ここで、比較例を示しながら、本実施の形態に係る面発光レーザアレイ１００が奏する所定の効果について説明する。図２は、比較例に係る面発光レーザアレイを例示する断面図である。なお、比較例の説明において、既に説明した本実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

図２を参照するに、比較例に係る面発光レーザアレイ２００は、面発光レーザ素子２００_１及び２００_２が直列接続された構造を有する。但し、本実施の形態に係る面発光レーザアレイ１００とは異なり、面発光レーザアレイ２００の、面発光レーザ素子２００_１及び２００_２間の下部半導体ＤＢＲ１０３には、基板１０１に達する分離溝２００ｘがドライエッチング等により形成されている。

分離溝２００ｘの内壁及び分離溝２００ｘ内に露出する基板１０１上には、メサ１１０周辺の底面１１０ａから延設された保護層１１１が形成されている。そして、保護層１１１上には、面発光レーザ素子２００_１のコンタクトメタル多層膜１１６（ｎ側の電極）と、面発光レーザ素子２００_２のコンタクトメタル多層膜１１２（ｐ側の電極）とを電気的に接続する配線１１３_２が金属蒸着法等により形成されている。

下部半導体ＤＢＲ１０３には様々な材料からなる層が多数積層されている。そのため、下部半導体ＤＢＲ１０３においてドライエッチングによる側面形状制御は困難であり、ドライエッチングにより形成された分離溝２００ｘの内壁には、大小様々な凹凸が発生する場合が多い。

そのため、分離溝２００ｘの内壁に形成された保護層１１１の表面も内壁に追従して凹凸面となる。保護層１１１の凹凸面に金属蒸着法等により配線１１３_２を形成すると、凹凸により保護層１１１上に配線１１３_２となる金属原子が付着しない領域が形成され、配線１１３_２に断線が発生する不具合が生じるおそれがある。

一方、本実施の形態に係る面発光レーザアレイ１００では、分離溝２００ｘに相当する溝を形成することなく、水素イオンの打ち込み等により高抵抗領域１２０を形成する。そのため、面発光レーザアレイ１００では、隣接する面発光レーザ素子１００_１及び１００_２の各々の下部半導体ＤＢＲ１０３の上面と、その間に位置する高抵抗領域１２０の上面とが略同一平面となる。又、この略同一平面には、分離溝２００ｘの内壁のような凹凸は形成されていない。

その結果、保護層１１１の表面は、凹凸が形成されていない平坦面となる。そして、保護層１１１の平坦面に配線１１３_２が形成されている。つまり、面発光レーザアレイ１００では、配線１１３_２は凹凸のある分離溝には形成されず、凹凸のない平坦面上に形成されている。

そのため、面発光レーザアレイ１００では、金属蒸着法等を用いて一度に配線１１３_２を形成することが可能となる。又、その際に配線１１３_２が断線を起こすことがないため、信頼性の高い状態で面発光レーザ素子１００_１及び１００_２を電気的に直列接続することが可能となる。

又、面発光レーザ素子１００_１及び１００_２の直列接続にワイヤボンディングを用いていないため、アレイ数が多くなった場合でも、多大な工数が生じてコストが上昇することがない。又、ワイヤボンディングを用いていないため、面発光レーザアレイ１００が大面積化することもない。

このように、本実施の形態によれば、面発光レーザ素子間に分離溝を形成することで発生する配線形成工程の歩留りの低下や、ワイヤボンディングによる工数の増加、ワイヤボンディングによる面発光レーザアレイの大面積化を引き起こすことがない。その結果、面発光レーザ素子間が電気的に直列接続された面発光レーザアレイを、小型、高信頼性、かつ安価で提供可能となる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、高抵抗領域により分離された１つの分離領域に複数の面発光レーザ素子が並列接続された並列接続ブロックを有する面発光レーザアレイの例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

図３は、第２の実施の形態に係る面発光レーザアレイの回路接続を例示する図である。図３に示す面発光レーザアレイ１００Ａでは、面発光レーザ素子１００_１及び１００_４が並列接続された並列接続ブロック、面発光レーザ素子１００_２及び１００_５が並列接続された並列接続ブロック、面発光レーザ素子１００_３及び１００_６が並列接続された並列接続ブロックが直列接続されている。

面発光レーザ素子１００_３〜１００_６の各々の構造については、第１の実施の形態で説明した面発光レーザ素子１００_１及び１００_２の構造と同様である。又、面発光レーザ素子同士を直列に接続する方法については、第１の実施の形態で説明した通りである。

面発光レーザ素子１００_１及び１００_４を並列接続するには、高抵抗領域１２０で他の素子と分離された１つの分離領域内に面発光レーザ素子１００_１及び１００_４を配置し、各々のｐ側の電極同士及びｎ側の電極同士を配線１１３で接続すればよい。面発光レーザ素子１００_２及び１００_５の並列接続、面発光レーザ素子１００_３及び１００_６の並列接続についても同様である。

このように、第２の実施の形態では、高抵抗領域により分離された１つの分離領域に複数の面発光レーザ素子が並列接続された並列接続ブロックを直列接続する。これにより、何らかの理由で直列接続された面発光レーザ素子の一部が故障しても、故障した面発光レーザ素子と並列接続された面発光レーザ素子に電流が流れるため、面発光レーザアレイに電流が流れなくなることを防止できる。

このような構造の面発光レーザアレイは、面発光レーザ素子の一部が故障してレーザ光が途切れることで重大な事故が発生するおそれがある機器（例えば、医療機器やエンジン点火プラグ等）に用いると特に有効である。

なお、１つの並列接続ブロックにおいて並列接続される面発光レーザ素子の数、及び直列接続する並列接続ブロックの数は、図３の例には限定されず、任意に決定してよい。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、複数の面発光レーザ素子が直列接続された直列接続ブロックを複数有する面発光レーザアレイの例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

図４は、第３の実施の形態に係る面発光レーザアレイの回路接続を例示する図である。図４に示す面発光レーザアレイ１００Ｂは、面発光レーザ素子１００_１、１００_２、及び１００_３が直列接続された直列接続ブロック、及び、面発光レーザ素子１００_４、１００_５、及び１００_６が直列接続された直列接続ブロックを有する。

面発光レーザ素子１００_１、１００_２、及び１００_３が直列接続された直列接続ブロックと、面発光レーザ素子１００_４、１００_５、及び１００_６が直列接続された直列接続ブロックは、各々スイッチＳ_１及びＳ_２と接続されている。スイッチＳ_１及びＳ_２は、外部からの指令に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦ可能とされている。例えば、スイッチＳ_１がＯＮすると、面発光レーザ素子１００_１、１００_２、及び１００_３が直列接続された直列接続ブロックが発光する。又、スイッチＳ_２がＯＮすると、面発光レーザ素子１００_４、１００_５、及び１００_６が直列接続された直列接続ブロックが発光する。

このように、第３の実施の形態では、複数の面発光レーザ素子が直列接続された直列接続ブロックを外部からの指令に基づいてＯＮ／ＯＦＦ可能とされたスイッチを介して複数並列接続する。つまり、外部からの指令に基づいて、任意の直列接続ブロックを発光可能に構成されている。

これにより、何らかの理由で直列接続ブロックを構成する面発光レーザ素子の一部が故障しても、外部回路により故障したことを検出してスイッチを切り替え、故障していない方の直列接続ブロックを用いて発光を継続させることが可能となる。特に、アレイ状のレーザ光が必要な装置に有効である。

なお、１つの直列接続ブロックにおいて直列接続される面発光レーザ素子の数、及びスイッチを介して並列接続する直列接続ブロックの数は、図４の例には限定されず、任意に決定してよい。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態は、第３の実施の形態をより具体化した例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

図５は、第４の実施の形態に係る面発光レーザアレイを例示する平面図である。図５に示す面発光レーザアレイ１００Ｃは、３個の面発光レーザ素子が直列接続された直列接続ブロックＡ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｄ_１、及びＤ_２を有する。各直列接続ブロックは、例えば、中心に対して放射状に配置されており、各直列接続ブロックにおいて、同一順の面発光レーザ素子は、同心円上に来るように配置されている。

例えば、各直列接続ブロックにおいて、最内周側の面発光レーザ素子は、同心円上に配置されている。又、各直列接続ブロックにおいて、最内周側から２番目の面発光レーザ素子は、同心円上に配置されている。又、各直列接続ブロックにおいて、最外周側の面発光レーザ素子は、同心円上に配置されている。なお、図５中の点線は高抵抗領域１２０が形成されていることを分かりやすく示したものであり、実際にはパターンとしては見えないものである。

各直列接続ブロックは、各々が外部からの指令に基づいてＯＮ／ＯＦＦ可能とされた図示しないスイッチと接続されている。例えば、スイッチを切り替えることにより、各直列接続ブロックの少なくとも１組に属する面発光レーザ素子を全て発光させることができる。例えば、直列接続ブロックＡ_１に属する面発光レーザ素子のみを発光させてもよいし、直列接続ブロックＡ_１に属する面発光レーザ素子及び直列接続ブロックＡ_２に属する面発光レーザ素子を発光させてもよい。

図５の例では、直列接続ブロックＡ_１と直列接続ブロックＡ_２は直線状に配置されている。同様に、直列接続ブロックＢ_１と直列接続ブロックＢ_２、直列接続ブロックＣ_１と直列接続ブロックＣ_２、及び直列接続ブロックＤ_１と直列接続ブロックＤ_２は、各々直線状に配置されている。又、直列接続ブロックＡ_１−Ａ_２、直列接続ブロックＢ_１−Ｂ_２、直列接続ブロックＣ_１−Ｃ_２、及び直列接続ブロックＤ_１−Ｄ_２の各組は、任意の角度で回転させたときに発光部が重なるように配置されている。このような配置により、円形のレンズで集光した場合に、何れの直列接続ブロックの面発光レーザ素子を発光させても同一のレーザ光を得ることが可能となる。

例えば、まず直列接続ブロックＡ_１−Ａ_２の組からレーザ光を出射させておき、何らかの理由で直列接続ブロックＡ_１と直列接続ブロックＡ_２の少なくとも一方が故障したとき、直列接続ブロックＢ_１−Ｂ_２の組に切り替えてレーザ光を出射させる。同様に、直列接続ブロックＢ_１と直列接続ブロックＢ_２の少なくとも一方が故障したとき、直列接続ブロックＣ_１−Ｃ_２の組や直列接続ブロックＤ_１−Ｄ_２の組に順次発光部を切り変えていく。これにより、円形の集光レンズを介して同一のレーザ光を得ることが可能となる。

但し、必ずしも前記の順番に切り替える必要はない。又、各直列接続ブロックに属する面発光レーザ素子の数や、直列接続ブロックの数等は、図５の例には限定されない。

このように、第４の実施の形態では、複数の面発光レーザ素子が直列接続された直列接続ブロックを、各直列接続ブロックにおいて同一順の面発光レーザ素子が同心円上に来るように配置する。そして、任意の角度で回転させたときに発光部が重なるように各直列接続ブロックを配置する。更に、各直列接続ブロックを各々が外部からの指令に基づいてＯＮ／ＯＦＦ可能とされたスイッチと接続する。

これにより、円形のレンズで集光した場合に、何れの直列接続ブロックの面発光レーザ素子を発光させても同一のレーザ光を得ることが可能となる。又、何らかの理由で直列接続ブロックに属する面発光レーザ素子の一部が故障しても、外部回路により故障したことを検出してスイッチを切り替え、故障していない直列接続ブロックで発光を継続させ、同様のレーザ光を得ることが可能となる。

〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態は、下部半導体ＤＢＲ１０３の層構成の例を示す。なお、第５の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。

面発光レーザアレイ１００の各面発光レーザ素子において、下部半導体ＤＢＲ１０３にＡｌＡｓからなる層が含まれていると好適である。ＡｌＡｓ材料はＡｌＧａＡｓ材料と比較して熱伝導率が大きいため放熱性に優れ、高い出力を得ることが可能である。従って、高い出力が必要な光源に有効である。但し、ＡｌＡｓ層は空気中で容易に酸化されるため、ｎ側のコンタクト層１１４よりも基板１０１側に形成することが好ましい。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 面発光レーザアレイ
１００_１、１００_２、１００_３、１００_４、１００_５、１００_６ 面発光レーザ素子
１０１ 半導体基板
１０２ バッファ層
１０３ 下部半導体ＤＢＲ
１０４ 下部スペーサ層
１０５ 活性層
１０６ 上部スペーサ層
１０７ 上部半導体ＤＢＲ
１０８ 被選択酸化層
１０８ａ 酸化領域
１０８ｂ 非酸化領域
１０９、１１４ コンタクト層
１１０ メサ
１１０ａ メサ周囲の底面
１１１ 保護層
１１２、１１６ コンタクトメタル多層膜
１１３、１１３_１、１１３_２、１１３_３ 配線
１１５ エッチストップ層
１２０ 高抵抗領域
Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｄ_１、Ｄ_２ 直列接続ブロック
Ｓ_１、Ｓ_２ スイッチ

特開２００９−９４３０８公報

常包正樹, 平等拓範, 動作温度領域の拡大を目指したエンジン点火用VCSEL励起マイクロレーザー, レーザー学会学術講演会第32回年次大会, B330p I 16, pp.33 2012

Claims (10)

1. 基板上に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、及び上部反射鏡を含むメサを備えた複数の面発光レーザ素子が配線により直列接続された面発光レーザアレイであって、
   隣接する前記面発光レーザ素子は、隣接する前記面発光レーザ素子の前記下部反射鏡の所定領域の厚さ方向に形成され、前記下部反射鏡の他の領域よりも不純物の濃度が高い高抵抗領域により分離されており、
   隣接する前記面発光レーザ素子の前記下部反射鏡の各々の上面と前記高抵抗領域の上面とが同一平面にあり、
   前記配線は、前記高抵抗領域上を通るように形成されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
2. 前記不純物は水素イオンであることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザアレイ。
3. 前記高抵抗領域は、前記水素イオンがイオン注入法により打ち込まれて形成された領域であることを特徴とする請求項２記載の面発光レーザアレイ。
4. 複数の面発光レーザ素子が直列接続された直列接続ブロックを複数有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
5. 複数の前記直列接続ブロックは中心に対して放射状に配置されており、各々の前記直列接続ブロックは同一数の前記面発光レーザ素子を有し、各々の前記直列接続ブロックにおいて同一順の前記面発光レーザ素子は同心円上に来るように配置されていることを特徴とする請求項４記載の面発光レーザアレイ。
6. 外部からの指令に基づいて、任意の前記直列接続ブロックを発光可能に構成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の面発光レーザアレイ。
7. 前記高抵抗領域により分離された１つの分離領域に複数の面発光レーザ素子が並列接続された並列接続ブロックを有し、
   各々の前記並列接続ブロックが直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
8. 前記下部反射鏡は、ＡｌＡｓからなる層を含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
9. 基板上に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、及び上部反射鏡を含むメサを備えた複数の面発光レーザ素子が配線により直列接続された面発光レーザアレイの製造方法であって、
   隣接する前記面発光レーザ素子となる部分の前記下部反射鏡の所定領域の厚さ方向に不純物を導入し、前記下部反射鏡の他の領域よりも不純物の濃度が高い高抵抗領域を、隣接する前記面発光レーザ素子となる部分の前記下部反射鏡の各々の上面と前記高抵抗領域の上面とが同一平面になるように形成する工程と、
   前記高抵抗領域上を通るように前記配線を形成する工程と、を有することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法。
10. 前記高抵抗領域を形成する工程では、イオン注入法により水素イオンを打ち込むことにより、前記不純物を導入することを特徴とする請求項９記載の面発光レーザアレイの製造方法。

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