JP7480873B2 - 面発光レーザモジュール、光学装置及び測距装置 - Google Patents

面発光レーザモジュール、光学装置及び測距装置 Download PDF

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Description

本発明は、面発光レーザモジュール、光学装置及び測距装置に関する。
垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)は、基板に対して垂直な方向にレーザ光を発振する半導体レーザである。VCSELは、閾値電流の低減、単一縦モード発振、2次元アレイ化が可能である等の特性を有している。VCSELは、マイクロレンズアレイと組み合わせて用いられることがある。
特許文献1には、VCSELデバイスのレーザメサ(VCSEL素子)が形成された面をマイクロレンズアレイ側に向け、この面上にマイクロレンズアレイを実装した装置が記載されている。このフォトニックデバイスでは、VCSEL素子が形成された面に、個々にVCSEL素子に接続された複数の電極パッドが設けられている。これら複数の電極パッドは、マイクロレンズアレイがVCSELデバイスに接触する部分よりも外側に設けられ、ワイヤボンディングによりICパッケージに接続されている。
特許文献1に記載の装置によれば、VCSELデバイスにマイクロレンズアレイを一体化することができる。
しかしながら、VCSELデバイス等の面発光レーザ基板の小型化の要請があるところ、特許文献1に記載の構造では、小型化の要請に十分に応えることができない。
本発明は、面発光レーザ基板をより小さくすることができる面発光レーザモジュール、光学装置及び面発光レーザ基板を提供することを目的とする。
開示の技術の一態様によれば、面発光レーザモジュールは、実装基板と、前記実装基板に実装され、面発光レーザ素子を備える面発光レーザ基板と、前記面発光レーザ素子から出射された光が入射する光学素子を備える光学部材と、を有し、前記面発光レーザ素子は、第1導電型の第1の半導体層と、第2導電型の第2の半導体層と、前記第1の半導体層に接続された第1の電極と、前記第2の半導体層に接続された第2の電極と、を有し、前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記面発光レーザ基板の前記実装基板側の第1の面側に設けられ、前記面発光レーザ素子は、前記面発光レーザ基板の前記第1の面とは反対の第2の面側から前記光を出射し、前記実装基板は、前記第1の電極に接続された第3の電極と、前記第2の電極に接続された第4の電極と、を有し、前記第3の電極及び第4の電極は、前記実装基板の前記面発光レーザ基板側の第3の面に設けられ、前記光学部材は、前記面発光レーザ基板の前記第2の面に、接合部材により接合され、前記第2の面に垂直な方向から見たときに、前記接合部材の少なくとも一部は、前記第1の電極及び前記第2の電極を囲む領域の中に含まれ、前記光学素子は、前記光学部材における前記第2の面に対向する部分に設けられる
開示の技術によれば、面発光レーザ基板をより小さくすることができる。
第1の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す平面図である。 第1の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す断面図(その1)である。 第1の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す断面図(その2)である。 図2の一部を拡大して示す断面図である。 図3の一部を拡大して示す断面図である。 第1の実施形態におけるVCSELチップを示す下面図である。 第1の実施形態におけるVCSELチップを示す上面図である。 第1の実施形態におけるMLAを示す下面図である。 第1の実施形態におけるMLAを示す断面図である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その1)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その2)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その3)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その4)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その5)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その6)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その7)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その8)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その9)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その10)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その11)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その12)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その13)である。 第1の実施形態におけるVCSELチップの形成方法を示す断面図(その14)である。 参考例に係る面発光レーザモジュールを示す断面図である。 参考例におけるVCSELチップを示す上面図である。 第1の実施形態の変形例におけるVCSELチップを示す下面図である。 第2の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す平面図である。 第2の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す断面図である。 図16の一部を拡大して示す断面図である。 第2の実施形態の変形例に係る面発光レーザモジュールを示す断面図である。 第3の実施形態に係る測距装置を示す図である。
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。また、本開示では、構成要素間の位置関係の説明において、基板を基準とし、基板から離れる方向を上方向ということがある。例えば、基板の下面に接するように形成された膜を、基板の下面上に形成された膜ということがある。
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。第1の実施形態は、面発光レーザモジュールに関する。図1は、第1の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す平面図である。図2及び図3は、第1の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す断面図である。図2は、図1中のI-I線に沿った断面図に相当し、図3は、図1中のII-II線に沿った断面図に相当する。図4は、図2の一部を拡大して示す断面図である。図5は、図3の一部を拡大して示す断面図である。図6は、第1の実施形態における垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)チップを示す下面図である。図7は、第1の実施形態におけるVCSELチップを示す上面図である。図4中のVCSELチップの断面は、図6中のIII-III線に沿った断面に相当し、図5中のVCSELチップの断面は、図6中のIV-IV線に沿った断面に相当する。図8は、第1の実施形態におけるマイクロレンズアレイ(Micro Lens Array:MLA)を示す下面図である。図9は、第1の実施形態におけるMLAを示す断面図である。
図1~図5に示すように、第1の実施形態に係る面発光レーザモジュール100は、実装基板120と、実装基板120に実装され、VCSEL素子を備えるVCSELチップ140と、VCSEL素子から出射された光が入射するマイクロレンズ162を備えるMLA160と、を有する。VCSEL素子は面発光レーザ素子の一例であり、VCSELチップ140は面発光レーザ基板の一例であり、マイクロレンズ162は光学素子の一例であり、MLA160は光学部材の一例である。すなわち、VCSELチップ140は面発光レーザ基板の一実施形態である。
以下の説明では、特に断らない限り、実装基板120から見てVCSELチップ140が位置する方向を上方とし、VCSELチップ140から見て実装基板120が位置する方向を下方とする。但し、面発光レーザモジュール100は天地逆の状態で用いることができ、任意の角度で配置することもできる。また、平面視とは対象物をVCSELチップ140の上側の面141bの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物をVCSELチップ140の面141bの法線方向から視た形状を指すものとする。
また、各図において、VCSELチップ140の面141bの法線方向をZ方向、平面視においてVCSELチップ140の面141bの一辺に平行な方向をX方向、X方向及びZ方向に垂直な方向をY方向とする。
[VCSELチップ140の構造]
ここで、VCSELチップ140の構造について説明する。なお、VCSELチップ140の構造についての説明、及び後述のVCSELチップ140の形成方法についての説明では、VCSELチップ140から見て実装基板120が位置する方向(-Z方向)を上方とする。
図6に示すように、VCSELチップ140の平面形状は、例えば、四角形であり、実装基板120側の面141aの略中央部に、平面形状が四角形の発光素子部158が設けられている。発光素子部158には、複数のVCSEL素子159がアレイ状に配列している。例えば、X方向及びY方向に6個ずつ、合計で36個のVCSEL素子159が配列している。各VCSEL素子159は、n-GaAs基板等の基板141上にモノリシックに作製されており、各VCSEL素子159の膜構成は同一である。各VCSEL素子159は、例えば、発振波長が940nm帯の面発光レーザである。
面141aの発光素子部158の外側の四隅に第1の電極157が設けられている。また、面141aには、発光素子部158の各辺に沿って9個ずつの第2の電極155が合計で36個設けられている。4個の第1の電極157は、36個のVCSEL素子159のn側電極に共通に接続されている。36個の第2の電極155は、それぞれ配線155aを介して、個別に36個のVCSEL素子159のp側電極に接続されている。なお、面141aの四隅とは、面141aの角部の近傍を意味しており、必ずしも第1の電極157が面141aの縁辺に接するように設けられていなくてもよい。
図7に示すように、VCSELチップ140のMLA160側の面141bの四隅に接着固定領域として、固定用パターン181が形成されている。固定用パターン181としては、例えば、面141b側から順にチタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)を積層した積層膜のパターンが用いられる。接着固定領域は接合領域の一例である。
VCSEL素子159は、例えば、n-GaAs基板等の基板141上の、コンタクト層142、半導体多層膜反射鏡143、スペーサ層144、活性層145、スペーサ層146、半導体多層膜反射鏡147、選択酸化層151、及びコンタクト層148を有する。選択酸化層151は、酸化領域151a及び非酸化領域151bを含む。
コンタクト層142は基板141上に形成されている。コンタクト層142は、例えば、n-GaAs層である。
半導体多層膜反射鏡143はコンタクト層142上に形成されている。半導体多層膜反射鏡143は、例えば、n-Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層と、n-Al0.2Ga0.8Asからなる高屈折率層とを有する。半導体多層膜反射鏡143は、例えば低屈折率層と高屈折率層とのペアを30有する。
半導体多層膜反射鏡143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、例えば厚さが20nmの組成傾斜層が設けられている。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、発振波長をλとするとλ/4の光学厚さとなるように設定されている。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。
スペーサ層144は半導体多層膜反射鏡143上に形成されている。スペーサ層144は、例えば、ノンドープのAlGaInP層である。
活性層145はスペーサ層144上に形成されている。活性層145は、例えば、3層の量子井戸層と4層の障壁層とを有する3重量子井戸構造の活性層である。例えば、各量子井戸層はInGaAs層であり、各障壁層はAlGaAs層である。
スペーサ層146は活性層145上に形成されている。スペーサ層146は、例えば、ノンドープのAlGaInP層である。
スペーサ層144と活性層145とスペーサ層146とを含む部分は、共振器構造体(共振器領域)とも称され、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、その厚さが1波長(λ)の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層145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。
半導体多層膜反射鏡147はスペーサ層146上に形成されている。半導体多層膜反射鏡147は、例えば、p-Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層と、p-Al0.2Ga0.8Asからなる高屈折率層とを有する。半導体多層膜反射鏡147は、例えば低屈折率層と高屈折率層とのペアを20有する。
半導体多層膜反射鏡147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、例えば厚さが20nmの組成傾斜層が設けられている。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、発振波長をλとするとλ/4の光学厚さとなるように設定されている。
半導体多層膜反射鏡147には、例えばp-AlAsからなる選択酸化層151が例えば30nmの厚さで挿入されている。選択酸化層151の挿入位置は、例えば、スペーサ層146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。なお、選択酸化層151は、上下に組成傾斜層や中間層等の層を含んでいてもよく、ここでは実際に酸化される層を合わせて選択酸化層と称する。
コンタクト層148は、半導体多層膜反射鏡147上に形成されている。コンタクト層148は、例えば、p-GaAs層である。
コンタクト層148、半導体多層膜反射鏡147、スペーサ層146、及び活性層145の一部をエッチングで除去することにより、発光素子部158内にVCSEL素子159に対応するメサ150aが形成されている。また、発光素子部158の外側で第2の電極155に対応する位置にメサ150bが形成されている。また、隣り合うメサ150aの間には、スペーサ層144及び半導体多層膜反射鏡143を分割し、コンタクト層142に達する溝152が形成されている。
メサ150a及び150bを覆う絶縁層153が形成されている。絶縁層153の材料としては、例えば、SiN、SiON、SiO等を用いることができる。絶縁層153には、各メサ150aのコンタクト層148の一部を露出する開口部154が形成されている。開口部154は、平面視で非酸化領域151bと重なる位置に形成されている。
絶縁層153上に、メサ150a毎に独立して、開口部154を通じてコンタクト層148に電気的に接続されたp側電極155bが形成されている。各p側電極155bは、個々に配線155aを介して第2の電極155に接続されている。p側電極155b、配線155a及び第2の電極155としては、例えば、絶縁層153側から順にTi/Pt/Auを積層した積層膜を用いることができる。
絶縁層153のメサ150b上の部分には開口部が形成されておらず、メサ150b内のコンタクト層148は第2の電極155から電気的に絶縁されている。従って、メサ150b内には電流が流れない。
絶縁層153の発光素子部158の外側の四隅に、コンタクト層142の一部を露出する開口部156が形成されている。そして、開口部156を通じてコンタクト層142に電気的に接続された第1の電極157が形成されている。第1の電極157は各VCSELチップ140のn側電極を兼ねる。第1の電極157としては、例えば、コンタクト層142側から順に金ゲルマニウム合金(AuGe)/ニッケル(Ni)/金(Au)を積層した積層膜を用いることができる。
実装基板120の面141aに対向する面121aには、基板121上で、第1の電極157が接合される第3の電極122と、第2の電極155が接合される第4の電極123とが形成されている。例えば、第3の電極122の数は4個であり、第4の電極123の数は36個である。そして、VCSELチップ140が実装基板120にフリップチップ実装されている。第3の電極122及び第4の電極123は、例えば厚さが2μmのAuめっき膜である。
[MLA160の構造]
ここで、MLA160について説明する。
MLA160は、例えば石英ガラスの透明基板161を有する。MLA160のVCSELチップ140側の面の略中央部にレンズ領域166が設けられ、例えば、レンズ領域166内で各VCSEL素子159に対応する位置に合計で36個のマイクロレンズ162がアレイ状に配列している。各マイクロレンズ162は、VCSEL素子159の放射パターンに対して所望のビーム成形を行えるように設計されており、例えば、レンズ径が45μm、焦点距離が70μmである。
MLA160の両面に反射防止膜168が形成されている。反射防止膜168は、例えば透明基板161側から順にHfO/SiOを積層した積層膜であり、VCSEL素子159の発振波長である940nmを含む所定の波長領域の光に対する透過率を99%以上にするように設計されている。
MLA160のVCSELチップ140側の面の四隅にVCSELチップ140からの距離を規定するための橋脚部163が、透明基板161から延伸して形成されている。橋脚部163の底面に、接着固定領域として、固定用パターン164が形成されている。固定用パターン164としては、例えば、橋脚部163側から順に蒸着によりTi/Pt/Auを積層した積層膜のパターンが用いられる。
なお、各固定用パターン164は、各固定用パターン181に対向する位置に形成されていれば、必ずしも橋脚部163の底面の全面に形成されていなくてもよい。固定用パターン164の平面形状は、固定用パターン181の平面形状と等しくすることが好ましい。
そして、図4等に示すように、固定用パターン164と固定用パターン181とが、低温半田等の接着剤182により互いに接合されている。接着剤182は接合部材の一例である。
このように構成された面発光レーザモジュール100では、各VCSEL素子159が、VCSELチップ140の面141bから光を出射し、この光がマイクロレンズ162に入射して平行光とされる。
[VCSELチップ140の形成方法]
ここで、VCSELチップ140の形成方法について説明する。図10A~図10Gは、VCSELチップ140の形成方法を示す断面図である。図10A~図10Gは、図6中のIII-III線に沿った断面の変化を示す。図11A~図11Gは、図6中のIV-IV線に沿った断面の変化を示す。
先ず、図10Aに示すように、基板141上に、コンタクト層142、半導体多層膜反射鏡143、スペーサ層144、活性層145、スペーサ層146、半導体多層膜反射鏡147、及びコンタクト層148を順次成長する。半導体多層膜反射鏡147内には、例えばp-AlAsからなる選択酸化層151(図示せず)が含まれる。コンタクト層142、半導体多層膜反射鏡143、スペーサ層144、活性層145、スペーサ層146、半導体多層膜反射鏡147、及びコンタクト層148の半導体積層構造体は、例えば、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法又は分子線エピタキシャル成長(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法による結晶成長によって作製することができる。ここでは、MOCVD法を用いた例を示す。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)、アルシン(AsH)を用いる。一例として、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr)を用い、n型ドーパントの原料にはセレン化水素(HSe)を用いる。基板141としては、例えば、表面が鏡面研磨面であるn-GaAs基板を用いることができる。
次に、写真製版技術を用いて、コンタクト層142上に所望のメサ150a及び150bの平面形状に対応するようにレジストパターン(図示せず)を形成する。そして、例えばClガスを用いた電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance:ECR)エッチング法等で、半導体積層構造体のレジストパターンに被覆されていない領域の一部の層をエッチングし、図10B及び図11Aに示すように、メサ150a及び150bを形成する。この際、メサ150a及び150bは、少なくとも選択酸化層151(図示せず)が露出するように形成する。エッチング後、レジストパターンを除去する。なお、エッチング底面は、例えば、スペーサ層144の上面とすることができる。
次に、図10C及び図11Bに示すように、メサ150a及び150bが形成された半導体積層構造体を酸化対象物として、水蒸気中で熱処理(酸化処理)を行う。この結果、メサ150a及び150bの外周部から選択酸化層151中のAl(アルミニウム)が選択的に酸化される。そして、メサ150a及び150bの中央部に、Alの酸化領域151aによって囲まれた酸化されていない非酸化領域151b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150aの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が形成される。非酸化領域151bが電流通過領域(電流注入領域)である。
次に、図10D及び図11Cに示すように、写真製版技術を用いて、コンタクト層142及びスペーサ層144上に溝152の平面形状に対応するようにレジストパターン(図示せず)を形成する。このレジストパターンは、第1の電極157を形成する予定の領域を露出するように形成する。そして、例えばClガスを用いたECRエッチング法等で、半導体積層構造体のレジストパターンに被覆されていない領域の一部の層をエッチングし、コンタクト層142に達する溝152を形成する。このとき、第1の電極157を形成する予定の領域においてコンタクト層142が露出する。エッチング後、レジストパターンを除去する。
次に、図10E及び図11Dに示すように、例えばプラズマCVD法を用いて、メサ150a及び150bの上面及び側面、スペーサ層144の上面、並びに溝152の内壁面(底面及び側面)を連続的に覆うように、光学的に透明な絶縁層153を形成する。絶縁層153の材料としては、例えば、SiN、SiON、SiO等を用いることができる。
次に、図10Fに示すように、写真製版技術を用い、メサ150aの上面の一部(コンタクト層148の上面の外周部を除く部分)に形成された絶縁層153を除去して窓開けを行い、開口部154(コンタクト領域)を形成する。
次に、図10G及び図11Eに示すように、写真製版技術によるレジストパターンの形成、金属膜の形成及びリフトオフを行うことで、p側電極155b、配線155a及び第2の電極155を形成する。金属膜の形成では、例えば、蒸着法により、Ti、Pt及びAuを、絶縁層153と、開口部154から露出しているコンタクト層148との上に順次積層する。
次に、図11Fに示すように、第1の電極157を形成する予定の領域において、写真製版技術を用い、絶縁層153の一部を除去して窓開けを行い、開口部156(コンタクト領域)を形成する。
次に、図11Gに示すように、写真製版技術によるレジストパターンの形成、金属膜の形成及びリフトオフを行うことで、n側電極を兼ねる第1の電極157を形成する。金属膜の形成では、例えば、蒸着法により、AuGe、Ni及びAuを開口部156から露出しているコンタクト層142上に順次積層する。
このようにしてVCSELチップ140を形成することができる。
[面発光レーザモジュール100の製造方法]
次に、実装基板120、VCSELチップ140及びMLA160を用いた面発光レーザモジュール100の製造方法について説明する。
この方法では、先ず、VCSELチップ140を実装基板120にフリップチップ実装する。上述のように、実装基板120には、第1の電極157が接合される第3の電極122と、第2の電極155が接合される第4の電極123とが形成されている。半田を挟んで第1の電極157と第3の電極122とが向かい合い、半田を挟んで第2の電極155と第4の電極123とが向かい合うように、VCSELチップ140を実装基板120の上方に配置し、加熱及び冷却により、半田を溶融、凝固させる。このようにして、フリップチップ実装を行うことができる。半田としては、例えば、鉛フリーはんだボールを用いることができる。
次に、VCSELチップ140上にMLA160を、例えばセルフアライメント法により接合する。すなわち、平面視で固定用パターン164と固定用パターン181とがほぼ重なり合うように、VCSELチップ140とMLA160との相対位置を調整し、固定用パターン164と固定用パターン181との間に低温半田を接着剤182として配置する。低温半田としては、例えば融点が140℃程度の半田を用いることができる。次に、窒素雰囲気中で加熱し、低温半田を溶融させる。溶融した低温半田は、VCSELチップ140の固定用パターン181とMLA160の固定用パターン164との間に濡れ広がる。このとき、溶融した低温半田の復元力により、セルフアライメント(自己整合)が起こり、MLA160はVCSELチップ140に対して高精度に位置を合わせることができる。また、固定用パターン181と固定用パターン164との4箇所の組み合わせに割り当てる低温半田の量を均一にすることにより、高さ方向の精度を確保することもできる。例えば、VCSELチップ140とMLA160との間の距離が100μmとなるように低温半田の量を調整する。その後、冷却工程を経て、MLA160の接合を完了させる。このようなセルフアライメント法による接合方法は、例えば特開2016-40822号公報に記載されている。
ここで、本実施形態の効果について、参考例と比較しながら説明する。図12は、参考例に係る面発光レーザモジュールを示す断面図である。図13は、参考例におけるVCSELチップを示す上面図である。
この参考例に係る面発光レーザモジュール900は、実装基板920と、実装基板920に実装され、VCSEL素子を備えるVCSELチップ940と、MLA160と、を有する。
VCSELチップ940の平面形状は四角形であり、MLA960側の面941bの略中央部に、平面形状が四角形の発光素子部958が設けられている。発光素子部958には、X方向及びY方向に6個ずつ、合計で36個のVCSEL素子に対応するメサ950aが配列している。面941bの発光素子部958の外側の四隅に接着固定領域として固定用パターン981が形成されている。固定用パターン981の周囲には禁メタル領域983が設けられている。
面941bには、発光素子部958の各辺に沿って9個ずつの第2の電極955が合計で36個設けられている。36個の第2の電極955は、それぞれ配線955aを介して、個別に36個のVCSEL素子のp側電極に接続されている。36個のVCSEL素子のn側電極は、VCSELチップ940の面941bとは反対側の面941aに形成されており、実装基板920の基板921上に形成された電極922に共通に接続されている。一方、36個の第2の電極955は、実装基板920の基板921上に形成された36個の電極923に、個々にボンディングワイヤ959を介して接続されている。ボンディングワイヤ959のための空間の確保及び禁メタル領域983による面積の制限等のために、第2の電極955は、平面視で、4個の固定用パターン981が構成する四角形の外側に配置されている。
発光素子部158の平面形状及び面積が、発光素子部958の平面形状及び面積と同一である場合、第1の実施形態におけるVCSELチップ140の面積を、参考例におけるVCSELチップ940の面積よりも小さくすることができる。
例えば、第1の実施形態では、第2の電極155が設けられた面141aと固定用パターン181が設けられた面141bとが相違している。このため、固定用パターン181は、VCSEL素子159からの出射光の経路から外れていれば、平面視で第1の電極157若しくは第2の電極155又はこれらの両方と重なっていてもよい。
一方、参考例では、第2の電極955と固定用パターン981とが同一の面941bに設けられている。このため、固定用パターン981の周囲に絶縁性の確保のために禁メタル領域983が設けられている。例えば、固定用パターン981の直径が400μmの場合、禁メタル領域983の外周の直径は800μmである。従って、VCSELチップ940には、固定用パターン981の配置に関して大きな面積が必要とされる。
また、ボンディングワイヤ959とMLA160との接触を避けるために、第2の電極955は平面視でMLA160の外側に配置される。例えば、実装基板920からボンディングワイヤ959の頂点までの距離が120μmで、実装基板920からマイクロレンズ162の下端までの距離が100μmの場合、第2の電極955が平面視でMLA160の外側に配置されていなければ、ボンディングワイヤ959がMLA160に接触してしまう。従って、VCSELチップ940には、第2の電極955の配置に関しても大きな面積が必要とされる。
実装基板920からマイクロレンズ162の下端までの距離が120μm超であれば、接触を回避することが可能であるが、この場合には、マイクロレンズ162の焦点距離を長くする必要がある。焦点距離を長くするためには、レンズ径を大きくする必要があり、レンズ径の拡大はマイクロレンズ162及びVCSEL素子のピッチの拡大を招く。従って、この場合も、VCSELチップ940に大きな面積が必要となってしまう。
一方、第1の実施形態によれば、これらの制限がないため、VCSELチップ140のサイズを小さくすることができる。VCSELチップ140の小型化は、同一サイズのウェハから切り出せるVCSELチップ140の数の増加に繋がり、VCSELチップ140のコストの低減という効果が得られる。
なお、発光素子部158の平面形状は四角形である必要はなく、例えば、図14に示すように円形であってもよい。この場合、固定用パターン181は、MLA160側の面141bにて、平面視で第1の電極157、第2の電極155のいずれとも重ならない位置に設けられていてもよい。
また、発光素子部158内のVCSEL素子159の配列はアレイ状である必要はなく、例えば、ハニカム状にVCSEL素子159が配列していてもよい。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、面発光レーザモジュールに関する。図15は、第2の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す平面図である。図16は、第2の実施形態に係る面発光レーザモジュールを示す断面図である。図16は、図15中のI-I線に沿った断面図に相当する。図17は、図16の一部を拡大して示す断面図である。
図15~図17に示すように、第2の実施形態に係る面発光レーザモジュール200は、実装基板220と、実装基板220に実装され、VCSEL素子を備えるVCSELチップ140と、VCSEL素子から出射された光が入射するマイクロレンズ262を備えるMLA260と、を有する。VCSEL素子は面発光レーザ素子の一例であり、VCSELチップ140は面発光レーザ基板の一例であり、マイクロレンズ262は光学素子の一例であり、MLA260は光学部材の一例である。
本実施形態では、VCSELチップ140の面141bに固定用パターン181が形成されていない。
実装基板220の面141aに対向する面221aには、基板221上で、第1の電極157が接合される第3の電極122と、第2の電極155が接合される第4の電極123とが形成されている。例えば、第3の電極122の数は4個であり、第4の電極123の数は36個である。そして、VCSELチップ140が実装基板120にフリップチップ実装されている。また、平面視でVCSELチップ140の外側で、基板221の四隅に接着固定領域として、固定用パターン281が形成されている。固定用パターン281としては、例えば、基板221側から順にTi/Pt/Auを積層した積層膜のパターンが用いられる。
MLA260は、例えば石英ガラスの透明基板261を有する。透明基板261は、平面視でVCSELチップ140より広く形成されており、第1の実施形態における透明基板161より広く形成されている。MLA260のVCSELチップ140側の面の略中央部にレンズ領域が設けられ、例えば、レンズ領域内で各VCSEL素子159に対応する位置に合計で36個のマイクロレンズ262がアレイ状に配列している。各マイクロレンズ262は、VCSEL素子159の放射パターンに対して所望のビーム成形を行えるように設計されており、例えば、レンズ径が45μm、焦点距離が70μmである。また、MLA260の両面に反射防止膜が形成されている。
MLA260のVCSELチップ140側の面の四隅に実装基板220からの距離を規定するための橋脚部163が、透明基板261から延伸して形成されている。橋脚部163の底面に、接着固定領域として、固定用パターン164が形成されている。
そして、固定用パターン164と固定用パターン281とが、低温半田等の接着剤282により互いに接合されている。MLA260は、例えばセルフアライメント法により実装基板220に接合されている。接着剤282は接合部材の一例である。
第1の実施形態では、第1の電極157及び第2の電極155のサイズと関係なく、VCSELチップ140は、固定用パターン181のための領域を含む。このため、第1の電極157及び第2の電極155が比較的小さい場合、VCSELチップ140のサイズは固定用パターン181のサイズの影響を受けやすい。
一方、第2の実施形態では、固定用パターン281が実装基板220に設けられるため、VCSELチップ140に固定用パターンのための領域は必要とされない。従って、VCSELチップ140のサイズは固定用パターン181のサイズの影響を受けず、第1の電極157及び第2の電極155が小さければ、その分だけVCSELチップ140を小型化することができる。
なお、固定用パターン164と固定用パターン281とが単一の接着剤282により接合されている必要はなく、例えば、図18に示すように、固定用パターン164と固定用パターン281との間にスペーサ385が設けられていてもよい。この変形例では、スペーサ385が接着剤383により固定用パターン281に固定され、固定用パターン164が接着剤382によりスペーサ385に固定されている。接着剤382、スペーサ385及び接着剤383の組み合わせは接合部材の一例である。
VCSEL素子159から出射された光をMLA260で十分に取り込むためには、VCSELチップ140とMLA260との間の距離のばらつきを±3μm以下にすることが望まれる。例えば、VCSELチップ140の高さが250μmの場合に、VCSELチップ140の面141bとマイクロレンズ262の下端との間の距離を100μmにしようとすると、実装基板220の上面からマイクロレンズ262の下端までの距離は350μmとなる。350μmという長い距離に対し、単一の半田等の接着剤282の表面張力のみで、ばらつきを±3μm以下に抑えることは困難である。
その一方で、本変形例では、スペーサ385が設けられているため、接着剤382及び383の個々の量は少なくすみ、これらの表面張力によって距離のばらつきを抑制し、高精度で接合することができる。接着剤382及び383としては、例えば低温半田を用いることができる。
スペーサ385の材料としては、例えばシリコン(Si)及び石英が挙げられる。Siには、材料コストが低いというメリットと、加工が容易であるというメリットがある。石英には、その熱膨張係数はVCSELチップ140の基板141の熱膨張係数と近いため、VCSELチップ140が動作に伴って発熱した時でも、VCSELチップ140とMLA260と間の距離の変動量を小さくすることができるというメリットがある。
なお、VCSEL素子の発振波長は940nm帯に限定されず、例えば、980nm帯、1.3μm帯又は1.5μm帯であってもよい。また、VCSEL素子を構成する材料は限定されず、VCSEL素子に、AlGaInAs又はGaInPAs等が用いられてもよい。また、各化合物半導体層の組成も特に限定されない。
また、MLAの材料は石英ガラスに限定されず、例えばホウケイ酸ガラス等が用いられてもよい。材料の屈折率に応じてマイクロレンズの曲率半径を設計することができる。マイクロレンズが透明基板のVCSELチップとは反対側に設けられていてもよい。
MLAの接合方法はセルフアライメント法に限定されない。例えば、パッシブアライメント法又はアクティブアライメント法等により接合を行ってもよい。パッシブアライメント法では、例えば、VCSELチップ又は実装基板に設けたアライメントマークと、MLAに設けたアライメントマークとを用いて位置合わせすることができる。アクティブアライメント法では、例えば、VCSELチップを発光させた状態でMLAを動かし、光学的に適切な位置へと調整することができる。これらの接合方法を採用する場合、接着剤として、例えば紫外線(UV)硬化樹脂又は熱硬化樹脂等を用いることもできる。また、セルフアライメント法により接合を行う場合に固定用パターンが用いられなくてもよい。
VCSELチップ140は、各VCSEL素子159を個別に駆動することができる個別駆動型のVCSELチップであるが、本開示に用いられるVCSELチップは、チップ内のVCSEL素子を一括して駆動する一括駆動型のVCSELチップでもよい。一括駆動型のVCSELチップでは第2の電極の数を少なくすることができる。一括駆動型のVCSELチップを含む面発光レーザモジュールにおいても、VCSELチップの小型化の効果を得ることができる。
また、各VCSEL素子に対応するメサ上の電極、例えばp側電極をそのまま第2の電極として実装基板上の電極に接合するようにしてもよい。この場合、平面視でVCSELチップの発光素子部の外側に第2の電極を設けなくてもよい。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は測距装置に関する。測距装置は光学装置の一例である。図19は、第3の実施形態に係る測距装置を示す図である。
第3の実施形態に係る測距装置400は、投光部410、受光部420、時間計測回路430及び制御回路440を有する。
投光部410は、例えば、光源411と、光源駆動回路412と、光スキャナ413と、光スキャナ駆動回路414と、走査角モニタ415と、投射レンズ416とを有する。光源411は第1又は第2の実施形態に係るVCSELモジュールを含む。光源駆動回路412は制御回路440から出力された駆動信号に基づいて光源411を駆動する。光スキャナ413はMEMS(Micro Electro Mechanical System)ミラー又はポリゴンミラー等を含む。光スキャナ駆動回路414は制御回路440から出力された駆動信号に基づいて光スキャナ413を駆動する。光源411のVCSELモジュールは複数のサブ発光領域を有する。各サブ発光領域は、それぞれが1個以上のVCSEL素子を含み、各サブ発光領域内のVCSEL素子は電気的に並列に接続されている。また、各サブ発光領域は、光スキャナ413の走査方向(副走査方向に)1次元的に配置されており、個別に駆動させることができる。光源411のVCSELモジュールは光源駆動回路412によって、例えばナノ秒オーダーのパルス電流で駆動される。そして、VCSEL素子が出射したレーザ光は必要に応じて投射レンズ416等によって所望のビームプロファイルに変換され、その後、光スキャナ413によって照射方向が決められ、測距装置400の外部へ照射される。光スキャナ413の走査角が走査角モニタ415により測定され、この結果が制御回路440に出力される。光スキャナ413及び投射レンズ416は第2の光学素子の一例である。
測距装置400の外部へと照射されたレーザ光は、対称物によって反射されて測距装置400に戻り、受光部420に到達する。
受光部420は、例えば、受光素子421と、受光レンズ422と、バンドパスフィルタ423とを有する。受光素子421はシリコンのAPD(Avalanche Photo Diode)素子を含む。受光レンズ422は受光部420に到達した光を受光素子421に収束させる。バンドパスフィルタ423は誘電体多層膜を含み、光源411の発振波長の領域の光のみを透過するように設計されている。バンドパスフィルタ423により、信号のS/N比を向上させることができる。
受光素子421に到達した光は、受光素子421により電気信号に変換され、必要に応じて増幅器431やコンパレータ432を通して時間計測回路430に入力される。
時間計測回路430には、制御回路440が出力した光源411の駆動信号と、受光素子421からの信号が入力される。時間計測回路430は、これら2信号の間の遅延時間を計測し、この結果を制御回路440に出力する。
制御回路440は、時間計測回路430からの遅延時間を光波長へと変換する。
このような測距装置400によれば、対象物までの距離を計測し、VCSELモジュールのサブ発光領域及び光スキャナ413によって分解された空間領域に対して、順次レーザ光を照射することで、2次元的な距離情報を得ることができる。この測距装置400は、例えばLiDAR(Light Detection and Ranging)に用いることができる。
本開示の面発光レーザモジュールは、測距装置の光源の他にも、固体レーザの励起光源に用いることもできる。また、面発光レーザモジュールを、蛍光体等の、面発光レーザモジュールからの出射光の波長変換を行う光学素子と組み合わせてプロジェクタ等の光源装置として利用することもできる。面発光レーザモジュールを、レンズ、ミラー、回折格子等の、面発光レーザモジュールからの出射光を発散又は収束させる光学素子と組み合わせてセンシング用の光源装置として利用することもできる。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等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等に種々の変形及び置換を加えることができる。
100、200 面発光レーザモジュール
120、220 実装基板
140 VCSELチップ
150a、150b メサ
155 第2の電極
157 第1の電極
158 発光素子部
159 VCSEL素子
160、260 MLA
162 マイクロレンズ
164、181、281 固定用パターン
182、282、382、383 接着剤
385 スペーサ
400 測距装置
411 光源
特開2007-142425号公報

Claims (12)

  1. 実装基板と、
    前記実装基板に実装され、面発光レーザ素子を備える面発光レーザ基板と、
    前記面発光レーザ素子から出射された光が入射する光学素子を備える光学部材と、
    を有し、
    前記面発光レーザ素子は、
    第1導電型の第1の半導体層と、
    第2導電型の第2の半導体層と、
    前記第1の半導体層に接続された第1の電極と、
    前記第2の半導体層に接続された第2の電極と、
    を有し、
    前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記面発光レーザ基板の前記実装基板側の第1の面側に設けられ、
    前記面発光レーザ素子は、前記面発光レーザ基板の前記第1の面とは反対の第2の面側から前記光を出射し、
    前記実装基板は、
    記第1の電極に接続された第3の電極と、
    記第2の電極に接続された第4の電極と、
    を有し、
    前記第3の電極及び第4の電極は、前記実装基板の前記面発光レーザ基板側の第3の面に設けられ、
    前記光学部材は、前記面発光レーザ基板の前記第2の面に、接合部材により接合され、
    前記第2の面に垂直な方向から見たときに、前記接合部材の少なくとも一部は、前記第1の電極及び前記第2の電極を囲む領域の中に含まれ、
    前記光学素子は、前記光学部材における前記第2の面に対向する部分に設けられる
    ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
  2. 実装基板と、
    前記実装基板に実装され、面発光レーザ素子を備える面発光レーザ基板と、
    前記面発光レーザ素子から出射された光が入射する光学素子を備える光学部材と、
    を有し、
    前記面発光レーザ素子は、
    第1導電型の第1の半導体層と、
    第2導電型の第2の半導体層と、
    前記第1の半導体層に接続された第1の電極と、
    前記第2の半導体層に接続された第2の電極と、
    を有し、
    前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記面発光レーザ基板の前記実装基板側の第1の面側に設けられ、
    前記面発光レーザ素子は、前記面発光レーザ基板の前記第1の面とは反対の第2の面側から前記光を出射し、
    前記実装基板は、
    前記第1の電極に接続された第3の電極と、
    前記第2の電極に接続された第4の電極と、
    を有し、
    前記第3の電極及び第4の電極は、前記実装基板の前記面発光レーザ基板側の第3の面に設けられ、
    前記光学部材は、前記面発光レーザ基板の前記第2の面に、接合部材により接合され、
    前記第2の面に垂直な方向から見たときに、前記接合部材の少なくとも一部は、前記第1の電極若しくは前記第2の電極又はこれらの両方と重なり、
    前記光学素子は、前記光学部材における前記第2の面に対向する部分に設けられる
    ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
  3. 実装基板と、
    前記実装基板に実装され、面発光レーザ素子を備える面発光レーザ基板と、
    前記面発光レーザ素子から出射された光が入射する光学素子を備える光学部材と、
    を有し、
    前記面発光レーザ素子は、
    第1導電型の第1の半導体層と、
    第2導電型の第2の半導体層と、
    前記第1の半導体層に接続された第1の電極と、
    前記第2の半導体層に接続された第2の電極と、
    を有し、
    前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記面発光レーザ基板の前記実装基板側の第1の面側に設けられ、前記第1の面に垂直な方向から見たときに前記面発光レーザ素子における光を発生するメサから離間し、
    前記面発光レーザ素子は、前記面発光レーザ基板の前記第1の面とは反対の第2の面側から前記光を出射し、
    前記実装基板は、
    前記第1の電極に接続された第3の電極と、
    前記第2の電極に接続された第4の電極と、
    を有し、
    前記第3の電極及び第4の電極は、前記実装基板の前記面発光レーザ基板側の第3の面に設けられ、
    前記光学部材は、前記面発光レーザ基板の前記第2の面側に配置され、
    前記光学素子は、前記光学部材における前記第2の面に対向する部分に設けられる
    ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
  4. 前記光学部材は、前記面発光レーザ基板の前記第2の面に、接合部材により接合される請求項3に記載の面発光レーザモジュール。
  5. 前記光学部材、前記実装基板の前記第3の面に、接合部材により接合される請求項3に記載の面発光レーザモジュール。
  6. 前記接合部材は、前記第2の面に垂直な方向から見たときに前記光学素子と異なる場所に設けられる請求項1、2、4、又は5のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュール。
  7. 前記光学素子と前記面発光レーザ基板との間に空隙を有する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュール。
  8. 前記光学素子は、前記面発光レーザ基板側に突出するレンズを含む請求項1乃至7のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュール。
  9. 前記面発光レーザ素子における光を発生するメサと前記実装基板との間に空隙を有する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュール。
  10. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュールと、
    前記面発光レーザモジュールから出射された光が入射される第2の光学素子と、
    を有する光学装置。
  11. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュールと、
    前記面発光レーザモジュールから出射され、対象物で反射又は透過された光を受光する受光部と、
    を有する光学装置。
  12. 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の面発光レーザモジュールと、
    前記面発光レーザモジュールから出射され、対象物で反射された光を受光する受光部と、
    を有する測距装置。
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