JP2015028995A - 面発光レーザアレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、かつ、高い放熱効果を有する面発光レーザアレイ等を提供する。【解決手段】本面発光レーザアレイは、基板の表面側に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、上部反射鏡、を含むメサを有する垂直共振器型の面発光レーザ素子を複数個備えた面発光レーザアレイであって、夫々の前記面発光レーザ素子において、前記基板の裏面に凹部が形成され、前記凹部に前記基板の材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料が充填されている。【選択図】図１

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。

電流流入効率を高めるために電流狭窄構造を備えている半導体レーザがある。一例として面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）が挙げられる。この面発光レーザ素子は、基板に垂直方向に光を出射するもので、いわゆる端面発光型の半導体レーザに比べて低価格・低消費電力・小型・２次元デバイスに好適でかつ高性能であるということから近年特に注目されている。又、面発光レーザ素子を２次元に多数個配置して面発光レーザアレイとし、夫々の面発光レーザ素子の出射光を集光して大出力用途に応用する試みがなされている。

面発光レーザアレイにおいて、夫々の面発光レーザ素子を同時に発光させて大出力とする場合、活性層における発熱が出力及び長期信頼性に影響を及ぼす。そのため、活性層で発生した熱を効果的にとり除く方法が検討されている。一例として、活性層と基板との間の半導体多層膜反射鏡における熱伝導率の高い層の膜厚を厚くすることにより、活性層で発生した熱を横方向に拡散させる構造にして放熱する第１の方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

他の例として、電極パッド領域の外側の素子分離領域の側面に放熱性が優れる金属膜を形成し、金属膜へ熱を拡散させることにより放熱する第２の方法が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。更に他の例として、ＧａＡｓ基板を除去して、下部反射鏡が直接サブマウントに接する構造とすることにより、夫々の面発光レーザ素子を基板越しではなく直接外部から冷却して放熱する第３の方法が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、第１及び第２の方法の場合、夫々の面発光レーザ素子は基板を介してサブマントに実装されるため、活性層で発生した熱は基板で遮断され、サブマウントへの熱拡散効果や水冷等、外部への放熱がほとんどない。特に、第２の方法の場合は、絶縁膜を介して金属膜を形成するため冷却効果自体が小さい。

又、第３の方法の場合、下部反射鏡を直接サブマウントに実装しているため、活性層で発生した熱をサブマウントへ拡散させることができ、放熱効果が高い。しかし、ＧａＡｓ基板を除去した厚さ１０μm程度のデバイスを搬送する必要があるため、製造が困難であるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、製造が容易で、かつ、高い放熱効果を有する面発光レーザアレイ等を提供することを課題とする。

本面発光レーザアレイは、基板の表面側に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、上部反射鏡、を含むメサを有する垂直共振器型の面発光レーザ素子を複数個備えた面発光レーザアレイであって、夫々の前記面発光レーザ素子において、前記基板の裏面に凹部が形成され、前記凹部に前記基板の材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料が充填されていることを要件とする。

開示の技術によれば、製造が容易で、かつ、高い放熱効果を有する面発光レーザアレイ等を提供できる。

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。 第２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。 第３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。 面発光レーザアレイの発光評価について模式的に示す図である。 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。

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〉
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、本明細書において、平面視とは対象物を発光方向（基板１０１の表面の法線方向）から視ることを指し、平面形状とは対象物を発光方向（基板１０１の表面の法線方向）から視た形状を指すものとする。

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１は、面発光レーザ素子１００（メサ構造体）がアレイ状に複数形成された構造を有する。面発光レーザアレイ１において、例えば、多数の面発光レーザ素子１００が２次元に配列されている。なお、図１では、２個の面発光レーザ素子１００のみを図示している。

面発光レーザアレイ１において、各面発光レーザ素子１００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帯の垂直共振器型のレーザ素子である。

面発光レーザ素子１００において、基板１０１上（基板１０１の表面側）に、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１０７が順次積層形成されている。なお、下部半導体ＤＢＲ及び上部半導体ＤＢＲを、下部ＤＢＲ及び上部ＤＢＲ、又は、下部反射鏡及び上部反射鏡と称する場合がある。

又、上部半導体ＤＢＲ１０７の上にはコンタクト層１０９が形成されている。そして、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、及び下部スペーサ層１０４の一部を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スペーサ層１０４の上面がメサ１１０周辺の底面１１０ａとなる。なお、選択酸化層１０８（電流狭窄層）は、上部半導体ＤＢＲ１０７の内部に形成されている。

更に、メサ１１０の上面の一部（コンタクト層１０９上の一部の領域）、メサ１１０の側面、及びメサ１１０周辺の底面１１０ａを覆うように、透明な誘電体膜１１１が形成されている。誘電体膜１１１は光出射領域１１２に残留し光出射面を保護している。誘電体膜１１１の光学的厚さは、λ／４の偶数倍とされている。誘電体膜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。

上部電極１１３は、誘電体膜１１１の上に形成されており、メサ１１０最上層であるコンタクト層１０９のコンタクト領域１０９ａと接触している。

各面発光レーザ素子１００において、基板１０１としては、例えば、面方位が（１００）面から［１１１］Ａ方向に１５°傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板を用いることができる。基板１０１の厚さは、例えば、４００〜５００μｍ程度とすることができる。バッファ層１０２は、基板１０１の表面に積層されている。バッファ層１０２は、例えば、ｎ−ＧａＡｓから形成することができる。

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の対を１周期としたものを３７．５周期形成したものである。

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程度の組成傾斜層を設けることができる。この場合、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、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定される。なお、光学的厚さとその層の実際の厚さについては以下の関係がある。例えば光学的厚さが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から形成することができる。

活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の上側に積層されている。活性層１０５は、例えば、３層の量子井戸層と４層の障壁層とを有する構造とすることができる。各量子井戸層は、例えば、Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓから形成することができ、各障壁層は、例えば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓから形成することができる。

上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の上側に積層されている。上部スペーサ層１０６は、例えば、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓから形成することができる。

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２４ペア有している。上部半導体ＤＢＲ１０７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組成傾斜層を設けることができる。この場合、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、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定される。

上部半導体ＤＢＲ１０７における共振器構造体から光学的にλ／４離れた位置に、例えば膜厚３０ｎｍ程度のｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層１０８が設けられている。なお、図１では、便宜上、選択酸化層１０８は、上部半導体ＤＢＲ１０７と共振器構造体との間に図示されている。選択酸化層１０８は、例えば、メサ１１０の側面から水蒸気等により酸化させ、メサ１１０の中央部にＡｌの酸化層１０８aによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂを形成したものである。この酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域である。

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。

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。

基板１０１の裏面１０１ａには、凹部１０１ｘが形成されている。凹部１０１ｘの断面形状（基板１０１の表面に平行な断面の形状）は、例えば、矩形状とすることができる。凹部１０１ｘ内には、基板１０１の材料よりも熱伝導率の高い高熱伝導材料１１５が充填されている。基板１０１としてＧａＡｓ基板を用いた場合には、高熱伝導材料１１５として、例えば、ＧａＡｓよりも熱伝導率の高い金（Ａｕ）を用いることができる。又、高熱伝導材料１１５として、例えば、ＧａＡｓよりも熱伝導率の高いダイヤモンドライクカーボンを用いてもよい。

凹部１０１ｘは、平面視において、メサ１１０と重複する位置に形成されていることが好ましい。例えば、メサ１１０の平面形状が一辺が約３０μｍの略正方形である場合、平面視においてメサ１１０と重複する位置に、平面形状が一辺が約３０μｍの略正方形である凹部１０１ｘを形成することができる。基板１０１の厚さが例えば４５０μｍ程度であった場合、基板１０１の裏面１０１ａからの凹部１０１ｘの深さは、例えば、４００μｍ程度とすることができる。

凹部１０１ｘを、平面視において、メサ１１０よりも大きく形成してもよい。例えば、メサ１１０の平面形状が一辺が約３０μｍの略正方形である場合、平面視において凹部１０１ｘの一部がメサ１１０の全部と重複するように、平面形状が一辺が３０μｍよりも大きい略正方形である凹部１０１ｘを形成することができる。但し、凹部１０１ｘの平面形状は、必ずしも略正方形でなくてもよい。

なお、凹部１０１ｘは、夫々の面発光レーザ素子１００に対して１つずつ独立に設けることができる。

下部電極１１４は、基板１０１の裏面１０１ａの少なくとも凸部（裏面１０１ａの凹部１０１ｘの周辺部）に形成されている。但し、下部電極１１４は、例えば、裏面１０１ａの凹部１０１ｘの周辺部から、凹部１０１ｘを充填する高熱伝導材料１１５の裏面に連続的に形成してもよい。又、下部電極１１４は、例えば、基板１０１の裏面１０１ａの凸部及び凹部１０１ｘの内側面及び底面を被覆するように形成してもよい。この場合には、凹部１０１ｘ内には、下部電極１１４を介して高熱伝導材料１１５が充填される。なお、凹部１０１ｘにおいて、例えば、内側面と底面との境界がＲ形状になっており両者の境界が明確でなくてもよい。

このように、基板１０１の裏面１０１ａに凹部１０１ｘを形成し、凹部１０１ｘ内に基板１０１の材料よりも熱伝導率の高い高熱伝導材料１１５を充填することにより、活性層１０５で発生した熱が基板１０１で遮蔽されることを防止できる。例えば、面発光レーザアレイ１をサブマントに実装した場合、活性層１０５で発生した熱が高熱伝導材料１１５を介してサブマウントへ拡散するので、高い放熱効果を実現できる。

この際、基板１０１の凹部１０１ｘ上に残存する部分の厚さＴ_１（基板１０１の表面から凹部１０１ｘの底面までの基板１０１の厚さ）を５０μｍ以下とすることが好ましい。この部分を薄型化することにより、活性層１０５で発生した熱が基板１０１で遮蔽され難くなり、放熱効果を更に向上できるからである。

又、凹部１０１ｘを、平面視において、メサ１１０と重複する位置に形成することにより、放熱部を発熱部と至近距離に配置できるため、放熱効果を更に向上することができる。

又、高熱伝導材料１１５の材料として、下部電極１１４と異なる材料を用いることができるため、下部電極１１４の材料によらず、放熱効果を向上することができる。

なお、高熱伝導材料１１５としてダイヤモンドライクカーボンを用いた場合には、ＣＶＤ法により高いアスペクト比の凹部１０１ｘにも容易に形成することが可能である。又、ダイヤモンドライクカーボンは放熱効果が大きいのみでなく、基板１０１の機械的強度を高める効果も有する。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは形状の異な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２は、第２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。図２を参照するに、第２の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１Ａは、高熱伝導材料１１５が高熱伝導材料２１５に置換された点が面発光レーザアレイ１（図１参照）と相違する。

図２に示す面発光レーザアレイ１Ａにおいて、高熱伝導材料２１５は、凹部１０１ｘを充填すると共に、凹部１０１ｘ内から突出して下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆している。下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆する部分の高熱伝導材料２１５の厚さＴ_２は、例えば、１０〜３０μｍ程度とすることができる。

高熱伝導材料２１５は、基板１０１の材料よりも熱伝導率の高い材料である。基板１０１としてＧａＡｓ基板を用いた場合には、高熱伝導材料２１５として、例えば、ＧａＡｓよりも熱伝導率の高い金（Ａｕ）を用いることができる。又、高熱伝導材料２１５として、例えば、ＧａＡｓよりも熱伝導率の高いダイヤモンドライクカーボンを用いてもよい。

このように、高熱伝導材料２１５を、凹部１０１ｘを充填すると共に、凹部１０１ｘ内から突出して下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆するように設けてもよい。この場合にも、第１の実施の形態と同様の放熱効果を奏する。又、第１の実施の形態とは異なり、更に横方向への熱拡散により放熱性が向上するという効果を奏する。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第２の実施の形態とは形状の異な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３は、第３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。図３を参照するに、第３の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１Ｂは、高熱伝導材料２１５が高熱伝導材料３１５に置換された点が面発光レーザアレイ１Ａ（図２参照）と相違する。

図３に示す面発光レーザアレイ１Ｂにおいて、高熱伝導材料３１５は、高熱伝導材料３１５ａと、高熱伝導材料３１５ｂとを有する。高熱伝導材料３１５ａは、凹部１０１ｘを充填し、更に下部電極１１４の裏面１１４ａと略同一平面の位置まで形成されている。なお、下部電極１１４の裏面１１４ａと、高熱伝導材料３１５ａの下部電極１１４の裏面１１４ａから露出する露出面とは、略面一とすることができる。高熱伝導材料３１５ｂは、下部電極１１４の裏面１１４ａ及び高熱伝導材料３１５ａの露出面を連続的に被覆している。高熱伝導材料３１５ｂの厚さＴ_３は、例えば、１０〜３０μｍ程度とすることができる。

高熱伝導材料３１５ａ及び３１５ｂは、基板１０１の材料よりも熱伝導率の高い材料である。基板１０１としてＧａＡｓ基板を用いた場合には、高熱伝導材料３１５ａとして、例えば、ＧａＡｓよりも熱伝導率の高い金（Ａｕ）を用いることができる。又、高熱伝導材料３１５ｂとして、例えば、ＧａＡｓよりも熱伝導率の高いダイヤモンドライクカーボンを用いることができる。

このように、凹部１０１ｘを充填する高熱伝導材料３１５ａと、下部電極１１４の裏面１１４ａ等を被覆する高熱伝導材料３１５ｂに異なる材料を用いてもよい。この場合にも、第２の実施の形態と同様の放熱効果を奏する。又、第２の実施の形態とは異なり、例えば、充填部（高熱伝導材料３１５ａ）として熱拡散効果が高い材料、突出部（高熱伝導材料３１５ｂ）として強度が高い材料を選択することにより、放熱特性と強度とを兼ね備えた構造を得ることが可能になるという効果を奏する。

［実施例１］
以下の製造方法により、第２の実施の形態に係る面発光レーザアレイ１Ａ（図２参照）を作製した。

まず、第１の工程として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）又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前記積層体を作製する。本実施例では、ＭＯＣＶＤ法により前記積層体を作製した。この際、ＩＩＩ族の原料には、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）を用い、Ｖ族の原料には、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いた。又、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いた。各膜の膜厚や層数等については前述の通りである。

次に、第２の工程として、作製した積層体の表面にプラズマＣＶＤ法により誘電体膜を成膜した。本実施例ではＳｉＮ膜を誘電体として用いた。この誘電体膜は基板１０１の裏面に凹凸を形成するためのエッチング工程時に積層体表面を保護するための保護膜であり、約１００ｎｍ程度の厚さとした。

次に、第３の工程（第１の写真工程）として、基板１０１の裏面にメサ１１０に相当する部分に（平面視でメサ１１０と重複する位置に）凹部を形成するためのレジストパターンを形成する。レジストは一般的なポジレジストを用いており、本実施例では東京応化社製ＯＦＰＲ８００−２００ｃｐを使用している。塗布はスピンコーターにより膜厚約８μmとなるように回転数を調整し、露光・現像・ポストベークを経てメサ１１０に相当するレジストパターンを得た。なお、メサ１１０は、平面形状が、一辺が約３０μｍの略正方形とした。

次に、第４の工程として、誘導結合型プラズマを用いた反応性イオンエッチングにより前記レジストパターンをマスクとして、メサ１１０に相当する部分の基板１０１を裏面１０１ａ側から一部除去して凹部１０１ｘを形成した。具体的には、エッチングはＳｉＣｌ_４、Ｃｌ_２、Ａｒの混合ガスを使用し、圧力１Ｐａ、基板１０１の温度６０℃、投入電力５００Ｗにて行い、厚さ約４５０μmの基板１０１に対して、４００μｍの深さの凹部１０１ｘを形成した。

次に、第５の工程として、下部電極１１４として抵抗加熱法及び電子ビーム蒸着法により基板１０１の裏面の凸部（凹部１０１ｘが形成されていない領域）に金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる多層膜を形成した。その後、高熱伝導材料２１５として、無電解めっき法により、凹部１０１ｘを充填すると共に、凹部１０１ｘ内から突出して下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆するように金を形成した。下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆する部分の高熱伝導材料２１５（金膜）の厚さは約２０μｍとした。

次に、第６の工程（第２の写真工程）として、積層体にメサ１１０を形成する領域に相当するレジストパターンを形成する。この際、両面アライメントが可能な露光装置を使用し、第１の写真工程で形成したアライメントパターンに位置合わせする。これにより積層体に形成するメサ１１０に該当する部分が基板１０１の凹部１０１ｘに相当するようになる。

次に、第７の工程として、誘導結合型プラズマを用いた反応性イオンエッチングにより第２の写真工程で形成したレジストパターンをマスクとして、積層体にメサ１１０を形成する。エッチングはＳｉＣｌ_４、Ａｒの混合ガスを使用し、圧力０．１Ｐａ、基板１０１の温度６０℃、投入電力５００Ｗにて行い、下部スペーサ層１０４の一部まで除去した。

次に、第８の工程として、水蒸気中で熱処理することでメサ１１０の外周部（側面）から選択酸化層１０８を選択的に酸化する。そして、メサ１１０の中央部にＡｌの酸化層１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂ（電流通過領域）を残留させた。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作製された。

次に、第９の工程として、誘電体膜１１１をプラズマＣＶＤ法で成膜した。本実施例では、誘電体膜１１１をＳｉＮ膜とし、光学的膜厚が２λ／４となる膜厚２０６ｎｍとした。更に、第３の写真工程によりレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとしてコンタクト層１０９を界面活性剤入りバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングによりパターニングした。

次に、第１０の工程として、リフトオフ法により、光出射部に一辺が約１０μｍの光出射領域１１２（正方形の開口）を備えた上部電極１１３を形成した。上部電極１１３は、Ｃｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕがこの順番で積層された多層膜とした。但し、上部電極１１３は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕがこの順番で積層された多層膜としてもよい。

次に、第１１の工程として、アニールにより上部電極１１３と下部電極１１４のオーミック接触を形成した。これにより、面発光レーザアレイ１Ａが完成した。

その後、図４に示すように、プリフォーム４０１（厚さ約２０μｍ、大きさ約６ｍｍ角のＡｕ／２０%Ｓｎプリフォーム）を準備した。そして、プリフォーム４０１を２８０℃に加熱し、基板１０１の裏面１０１ａ側がプリフォーム４０１を介してサブマウント４０２の上面と対向するように面発光レーザアレイ１Ａをサブマウント４０２に実装した。そして、上部電極１１３がプラス、下部電極１１４がマイナスの極性になるように面発光レーザアレイ１Ａを大電流電源４０３に接続し、例えば６０ＨｚのＱＣＷ動作でパルス電圧を印加し、出力が２００Ｗとなるように各面発光レーザ素子を駆動した。このとき、サブマウント４０２を裏面から水冷した。

［実施例２］
実施例２では、実施例１の第５の工程において、実施例１とは異なる材料を用いて面発光レーザアレイ１Ａ（図２参照）を作製した。第５の工程以外は実施例１の製造方法と同様である。

具体的には、実施例２では、高熱伝導材料２１５として、誘導結合型プラズマを用いた化学的気相成長法により、凹部１０１ｘを充填すると共に、凹部１０１ｘ内から突出して下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆するようにダイヤモンドライクカーボンを形成した。下部電極１１４の裏面１１４ａを被覆する部分の高熱伝導材料２１５（ダイヤモンドライクカーボン膜）の厚さは約１５μｍとした。なおダイヤモンドライクカーボンは高熱伝導率であると同時に電気伝導性を有する。

その後、図４と同様にして、基板１０１の裏面１０１ａ側がプリフォーム４０１を介してサブマウント４０２の上面と対向するように面発光レーザアレイ１Ａをサブマウント４０２に実装した。そして、上部電極１１３がプラス、下部電極１１４がマイナスの極性になるように面発光レーザアレイ１Ａを大電流電源４０３に接続し、例えば６０ＨｚのＱＣＷ動作でパルス電圧を印加し、出力が２００Ｗとなるように各面発光レーザ素子を駆動した。このとき、サブマウント４０２を裏面から水冷した。

［比較例］
比較例では、基板１０１に凹部１０１ｘを備えていない面発光レーザアレイ１Ｘ（図５参照）を作製した。

具体的には、実施例１の第１の工程を実行後、実施例１の第６〜第１０の工程を実行した（第２〜第５の工程は実行しない）。次に、下部電極１１４として、抵抗加熱法及び電子ビーム蒸着法により、基板１０１の裏面１０１ａの全面に金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる多層膜を形成した。次に、実施例１の第１１の工程を実行した。これにより、面発光レーザアレイ１Ｘが完成した。

その後、図４と同様にして、基板１０１の裏面１０１ａ側がプリフォーム４０１を介してサブマウント４０２の上面と対向するように面発光レーザアレイ１Ｘをサブマウント４０２に実装した。そして、上部電極１１３がプラス、下部電極１１４がマイナスの極性になるように面発光レーザアレイ１Ｘを大電流電源４０３に接続し、例えば６０ＨｚのＱＣＷ動作でパルス電圧を印加し、出力が２００Ｗとなるように各面発光レーザ素子を駆動した。このとき、サブマウント４０２を裏面から水冷した。

［放熱性能の確認］
実施例１、実施例２、比較例の各面発光レーザアレイついて、発光開始時の駆動電流（所定の出射パワーとなる電流）と比した２００００時間経過後の駆動電流の増加率について確認を行った。その結果、実施例１及び２で作製した面発光レーザアレイでは駆動電流の増加率は１０％未満、比較例で作製した面発光レーザアレイでは１０％以上であった。

このように、実施例１、実施例２、及び比較例の結果より、基板１０１の裏面１０１ａに形成した凹部１０１ｘ内に基板１０１の材料よりも熱伝導率の高い高熱伝導材料を充填することで、放熱性能が向上し、熱ダメージを低減できることが確認された。

なお、実施例１及び２の方法では、厚さが４００〜５００μｍ程度の基板１０１に凹部１０１ｘを形成後、基板１０１上にメサ１１０を形成する。そのため、背景技術で説明した第３の方法のように、厚さ１０μm程度の極薄デバイスを搬送する必要がないため、製造が容易である。

以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例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及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ、１Ｂ 面発光レーザアレイ
１００ 面発光レーザ素子
１０１ 基板
１０１ａ 基板の裏面
１０１ｘ 凹部
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 選択酸化層
１０８ａ 酸化層
１０８ｂ 領域（電流通過領域）
１０９ コンタクト層
１０９ａ コンタクト領域
１１０ メサ
１１０ａ メサ周囲の底面
１１１ 誘電体膜
１１２ 光出射領域
１１３ 上部電極
１１４ 下部電極
１１４ａ 下部電極の裏面
１１５、２１５、３１５、３１５ａ、３１５ｂ 高熱伝導材料

特開２００７−２９９８９７号公報 特開２００９−５４８５５号公報

Proc. Of SPIE Vol.7229 722903-(1-11)

Claims (9)

1. 基板の表面側に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、上部反射鏡、を含むメサを有する垂直共振器型の面発光レーザ素子を複数個備えた面発光レーザアレイであって、
   夫々の前記面発光レーザ素子において、前記基板の裏面に凹部が形成され、前記凹部に前記基板の材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料が充填されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
2. 前記凹部は、前記基板の表面の法線方向から視て、前記メサと重複する位置に形成されてい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. 前記基板の裏面の前記凹部の周辺部には下部電極が形成され、
   前記凹部を充填する前記高熱伝導材料は、前記凹部内から突出して前記下部電極を被覆していることを特徴とする請求項１又は２記載の面発光レーザアレイ。
4. 前記下部電極の材料と前記高熱伝導材料とが異なることを特徴とする請求項３記載の面発光レーザアレイ。
5. 前記凹部を充填する高熱伝導材料と、前記下部電極を被覆する高熱伝導材料とが異なることを特徴とする請求項３又は４記載の面発光レーザアレイ。
6. 前記高熱伝導材料がダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
7. 前記基板の表面から前記凹部の底面までの前記基板の厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の面発光レーザアレイ。
8. 前記凹部は、夫々の前記面発光レーザ素子に対して１つずつ独立に設けられている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. 基板の表面側に積層された下部反射鏡、活性層を含む共振器領域、上部反射鏡、を含むメサを有する垂直共振器型の面発光レーザ素子を複数個備えた面発光レーザアレイの製造方法であって、
   夫々の前記面発光レーザ素子において、前記基板の裏面に凹部を形成する工程と、
   前記凹部に前記基板の材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導材料を充填する工程と、を有することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。

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