JP2017005197A - Surface emitting laser, surface emitting laser array, laser processing machine, laser ignition device, display device, and method for manufacturing surface emitting laser array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、レーザ加工機、レーザ点火装置、表示装置、及び面発光レーザアレイの製造方法に係り、更に詳しくは、メサ構造体を備える面発光レーザ、該面発光レーザを複数備える面発光レーザアレイ、前記面発光レーザアレイを備えるレーザ加工機、前記面発光レーザアレイを備えるレーザ点火装置、前記面発光レーザアレイを備える表示装置、及びメサ構造体を有する面発光レーザを複数備える面発光レーザアレイの製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-emitting laser, a surface-emitting laser array, a laser processing machine, a laser ignition device, a display device, and a method for manufacturing a surface-emitting laser array, and more particularly, a surface-emitting laser including a mesa structure, the surface Surface emitting laser array including a plurality of light emitting lasers, laser processing machine including the surface emitting laser array, a laser ignition device including the surface emitting laser array, a display device including the surface emitting laser array, and a surface emitting light having a mesa structure The present invention relates to a method of manufacturing a surface emitting laser array including a plurality of lasers.
近年、メサ構造体を備える面発光レーザの開発が盛んに行われている。 In recent years, surface emitting lasers having a mesa structure have been actively developed.
例えば、特許文献1、2には、メサ構造体の上面の周辺部に電極配線が接続された面発光レーザが開示されている。 For example, Patent Documents 1 and 2 disclose surface-emitting lasers in which electrode wiring is connected to the periphery of the upper surface of a mesa structure.
しかしながら、特許文献1、2に開示されている面発光レーザでは、信頼性に関して向上の余地があった。 However, the surface emitting lasers disclosed in Patent Documents 1 and 2 have room for improvement in terms of reliability.
本発明は、基板と、該基板上に積層された第1の反射鏡と、該第1の反射鏡上に積層された活性層と、該活性層上に積層された第2の反射鏡とを含む積層体をエッチングして形成されたメサ構造体を備える面発光レーザにおいて、前記メサ構造体が形成された前記積層体における、前記メサ構造体の上面の中央部を除く少なくとも一部の領域上に積層され、前記メサ構造体の上面の周辺部に接続された電極配線層を更に備え、前記電極配線層の厚さは、前記メサ構造体の高さよりも厚いことを特徴とする面発光レーザである。 The present invention includes a substrate, a first reflecting mirror laminated on the substrate, an active layer laminated on the first reflecting mirror, and a second reflecting mirror laminated on the active layer. In a surface emitting laser provided with a mesa structure formed by etching a laminate including the same, at least a part of the laminate in which the mesa structure is formed, excluding a central portion of the upper surface of the mesa structure The surface light emitting device further comprising an electrode wiring layer stacked on the upper surface of the mesa structure and connected to a peripheral portion of the mesa structure, wherein the thickness of the electrode wiring layer is larger than the height of the mesa structure. It is a laser.
本発明によれば、信頼性を向上できる。 According to the present invention, reliability can be improved.
《第1実施形態》
以下、本発明の第1実施形態を図1〜図11に基づいて説明する。図1には、第1実施形態に係る光源装置100が概略的に示されている。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 schematically shows a
光源装置100は、例えばレーザ加工機、表示装置等の光源や、例えば固体レーザ等のレーザ媒質の励起用光源として用いられる。光源装置100は、一例として、図1に示されるように、面発光レーザアレイ10、ヒートシンク12、マイクロレンズアレイ14、集光レンズ16、光ファイバ18などを備えている。
The
なお、本明細書では、面発光レーザアレイ10の発振方向をZ軸方向、該Z軸方向に直交する平面内で互いに直交する方向をX軸方向及びY軸方向として説明する。ここでは、面発光レーザアレイ10の出射方向は、+Z方向である。
In the present specification, the description will be made assuming that the oscillation direction of the surface emitting
面発光レーザアレイ10は、一例として、図2に示されるように、XY平面に平行な基板101上にアレイ状に形成された複数の発光部10a、該複数の発光部10a上に共通に設けられたp側電極配線層110などを有する。ここでは、複数の発光部10aは、XY平面に平行に2次元配列されている。なお、p側電極配線層は、発光部毎に分離して設けられても良い。図2には、便宜上、面発光レーザアレイ10における1つの発光部10aのみが図示されている。
As an example, as shown in FIG. 2, the surface emitting
面発光レーザアレイ10は、図1に示されるように、接合材15(例えばペースト状のはんだ)を介してヒートシンク12の+Z側の面に実装されている。以下では、面発光レーザアレイ10、接合材15及びヒートシンク12を含んで構成されるユニットを光源モジュール60と称する。
As shown in FIG. 1, the surface emitting
各発光部10aは、一例として、発振波長が808nm帯の垂直共振器型の面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)である。
Each
ヒートシンク12は、一例として、XY平面に平行な板状部材である。ヒートシンクの材料としては、例えばCVD(化学気相成長)ダイヤモンド、高熱伝導率のセラミック(例えばSiCやAu薄膜パターンが形成されたAlN)を用いても良い。また、ヒートシンク12としては、中空構造を有する部材であって、内部に水冷又は空冷などの冷却機能を有する部材であっても良い。また、ヒートシンクの代わりにヒートスプレッダを用いても良い。
For example, the
マイクロレンズアレイ14は、一例として、面発光レーザアレイ10の+Z側に配置され、XY平面に平行に2次元配列された複数のマイクロレンズ14aを含む。複数のマイクロレンズ14aは、複数の発光部10aからの複数のレーザ光の光路上に個別に配置され、対応するレーザ光を略平行光にする。
As an example, the
集光レンズ16は、一例として、光軸がZ軸に略平行になるようにマイクロレンズアレイ14の+Z側に配置され、該マイクロレンズアレイ14からの複数のレーザ光を集光(合成)する。
For example, the
光ファイバ18は、入射端が集光レンズ16の焦点位置近傍に配置され、集光レンズ16で合成された複数のレーザ光を導波させる。光ファイバ18内を導波したレーザ光(合成光)は、光ファイバ18の射出端で取り出されて、例えばレーザ加工等に用いられる。
The
以上の説明から分かるように、マイクロレンズアレイ14、集光レンズ16及び光ファイバ18を含んで、面発光レーザアレイ10からの複数のレーザ光を導光する光学系を構成している。
As can be seen from the above description, an optical system that guides a plurality of laser beams from the surface emitting
図2には、面発光レーザアレイ10のYZ断面図が示されている。
FIG. 2 shows a YZ sectional view of the surface emitting
面発光レーザアレイ10は、一例として、図2に示されるように、基板101、n側電極配線層112、バッファ層102、下部半導体DBR103、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DBR107、コンタクト層109、保護層111、p側電極配線層110などを有している。
As an example, the surface
基板101は、一例として、表面が鏡面研磨面であるn−GaAs単結晶基板である。
As an example, the
n側電極配線層112は、基板101の−Z側の面上に形成された金膜である。なお、n側電極配線層112は、金膜以外の金属膜や、複数の金属膜から成る多層膜であっても良い。
The n-side
バッファ層102は、基板101の+Z側の面上に積層され、n−GaAsからなる層である。
The
下部半導体DBR103は、バッファ層102の+Z側に積層され、n−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層と、n−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを40.5ペア有している。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厚さ20nmの組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の1/2を含んで、λ/4(λは発振波長)の光学的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Lは、L=λ/4n(但し、nはその層の媒質の屈折率)である。
The
下部スペーサ層104は、下部半導体DBR103の+Z側に積層され、ノンドープのAl0.6Ga0.4Asからなる層である。
The
活性層105は、下部スペーサ層104の+Z側に積層され、Al0.12Ga0.88As量子井戸層/Al0.3Ga0.7As障壁層からなる3重量子井戸構造の活性層である。活性層105は、出射されるレーザ光の波長λ(発振波長)が808nmとなる厚さに設定されている。
The
上部スペーサ層106は、活性層105の+Z側に積層され、ノンドープのAl0.6Ga0.4Asからなる層である。
The
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、共振器構造体とも呼ばれており、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。なお、各発光部10aは、共振器構造体を1つずつ有している。
A portion composed of the
上部半導体DBR107は、上部スペーサ層106の+Z側に積層され、p−Al0.9Ga0.1Asからなる低屈折率層とp−Al0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層のペアを24ペア有している。
The
上部半導体DBR107における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が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、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。
Between the refractive index layers in the
上部半導体DBR107には、共振器構造体からλ/4離れた位置にp−Al0.98Ga0.02Asからなる選択酸化層108(電流狭窄層)が厚さ30nmで挿入されている。選択酸化層108は、上部半導体DBR107の一の低屈折率層である被選択酸化層115(図4参照)が側面から選択酸化(Alが酸化)されて生成されている。
In the
コンタクト層109は、上部半導体DBR107の+Z側に積層され、p−GaAsからなる層である。
The
コンタクト層109には、p−SiN(プラズマCVDにより成膜されたSiN)からなる光学的に透明な誘電体層から成る保護層111によって絶縁されたp側電極配線層110の一部が接触している(接続されている)。ここでは、p側電極配線層110の材料には、金が用いられている。
A part of the p-side
p側電極配線層110の内部におけるメサ(メサ構造体)の側方近傍(図2の破線で囲まれた領域)には、保護層111と同じ材料、すなわちp−SiNからなる光学的に透明な誘電体膜が応力緩和層として設けられている。なお、p−SiNは、金よりも熱膨張係数が小さい。
In the vicinity of the side of the mesa (mesa structure) inside the p-side electrode wiring layer 110 (region surrounded by the broken line in FIG. 2), the optically transparent material made of the same material as the
詳述すると、p側電極配線層110は、第1の配線層110aと、該第1の配線層110a上に積層された第2の配線層110bとを含む2層構造となっている。応力緩和層は、第1及び第2の配線層110a、110bの間に配置されている。
Specifically, the p-side
また、p側電極配線層110は、複数の発光部10aが配置された領域の周辺領域に配置された電極パッドに接続され、該電極パッドには、Auからなる通電用のワイヤが接続されている。
The p-side
以下に、面発光レーザアレイ10を含む光源モジュール60の製造方法について説明する。面発光レーザアレイ10は、半導体製造工程によって、同時に複数個が一体的に形成された後、複数のチップ状の面発光レーザアレイ10に分割される。なお、上記のように、基板101上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、「積層体」ともいう。また、面発光レーザアレイ10を「チップ」とも呼ぶ。
Below, the manufacturing method of the
(1)上記積層体を有機金属気相成長法(MOCVD法)ある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作成する。この結晶成長は、不図示の結晶成長装置の反応管内において行われる。 (1) The laminate is formed by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). This crystal growth is performed in a reaction tube of a crystal growth apparatus (not shown).
ここでは、MOCVD法を例に説明する。MOCVD法では、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)を用い、V族の原料に、フォスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を用いている。また、p型ドーパントの原料には四臭化炭素(CBr4)、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(H2Se)を用いている。 Here, the MOCVD method will be described as an example. In the MOCVD method, trimethylaluminum (TMA), trimethylgallium (TMG), and trimethylindium (TMI) are used as Group III materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) are used as Group V materials. Yes. Further, carbon tetrabromide (CBr 4 ) and dimethyl zinc (DMZn) are used as the raw material for the p-type dopant, and hydrogen selenide (H 2 Se) is used as the raw material for the n-type dopant.
具体的には、基板101上に、バッファ層102、下部半導体DBR103、下部スペーサ層104、活性層105、上部スペーサ層106、被選択酸化層115を含む上部半導体DBR107及びコンタクト層109を、この順に成長させて積層体を作成する(図3参照)。
Specifically, the
(2)リソグラフィにより積層体の表面に一辺が25μmの正方形状の複数のレジストパターンをアレイ状に形成する。ここでは、後の工程で形成されるp側電極配線層110の電極領域に対応する範囲以上の範囲に亘ってレジストパターンを形成する。
(2) A plurality of square resist patterns each having a side of 25 μm are formed in an array on the surface of the laminate by lithography. Here, the resist pattern is formed over the range corresponding to the electrode region of the p-side
(3)ICP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複数のメサ(メサ構造体)をアレイ状に形成する(図4参照)。ここでは、エッチング底面が下部半導体DBR103内に達するまでドライエッチングを行う。
(3) A plurality of square mesas (mesa structures) are formed in an array by the ICP dry etching method using the resist pattern as a photomask (see FIG. 4). Here, dry etching is performed until the bottom surface of the etching reaches the
(4)フォトマスクを除去する。 (4) The photomask is removed.
(5)メサが形成された積層体を水蒸気中で熱処理することにより、被選択酸化層115中のAl(アルミニウム)をメサの外周部から選択的に酸化し、メサの中央部に、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を形成する(図5参照)。このようにして、選択酸化層108が生成される。選択酸化層108では、酸化層108a(絶縁層)により発光部の駆動電流の経路がメサの中央部だけに制限される。そこで、領域108bは、電流通過領域(電流注入領域)とも呼ばれる。そして、選択酸化層108は、電流狭窄層とも呼ばれる。このようにして、例えば幅4μmから6μm程度の略正方形状の電流通過領域が形成される。
(5) By heat-treating the laminated body on which the mesa is formed in water vapor, Al (aluminum) in the
(6)酸化処理が完了した積層体に対して、チップ分離溝を形成する領域のみを露出させるよう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た後、レジストパターンを除去する。 (6) A resist pattern is formed by lithography so that only the region for forming the chip separation groove is exposed on the laminated body that has been subjected to the oxidation treatment, and the chip separation groove is formed using the ICP dry etching method, and then the resist is formed. Remove the pattern.
(7)メサ及びチップ分離溝が形成された積層体を加熱チャンバーに入れ、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、も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。なお、この工程(7)は、必須ではなく、省略しても良い。 (7) The laminated body in which the mesa and the chip separation groove are formed is put in a heating chamber and held in a nitrogen atmosphere at a temperature of 380 to 400 ° C. for 3 minutes. As a result, a natural oxide film formed by oxygen or water adhering to the surface in the air or a small amount of oxygen or water in the heat treatment chamber becomes a stable passive film by heat treatment in a nitrogen atmosphere. This step (7) is not essential and may be omitted.
(8)気相化学堆積法(CVD法)を用いて、p−SiNからなる保護層111(以下で「層間絶縁膜」とも呼ぶ)を形成する(図6参照)。 (8) A protective layer 111 (hereinafter also referred to as an “interlayer insulating film”) made of p-SiN is formed by vapor phase chemical deposition (CVD) (see FIG. 6).
層間絶縁膜の厚さは、100nm〜400nmの範囲が望ましい。層間絶縁膜が100nmより薄い場合、配線容量が増大するため動作速度が低下する不具合があり、層間絶縁膜が400nmより厚い場合、層間絶縁膜の内部応力により結晶欠陥を誘発する不具合がある。層間絶縁膜の厚さの更に望ましい範囲は150nm〜300nmであり、ここではp−SiN膜をプラズマCVD法により200nmの厚さで形成した。 The thickness of the interlayer insulating film is desirably in the range of 100 nm to 400 nm. When the interlayer insulating film is thinner than 100 nm, there is a problem that the operation speed is lowered because the wiring capacity is increased. When the interlayer insulating film is thicker than 400 nm, there is a problem that a crystal defect is induced by the internal stress of the interlayer insulating film. A more desirable range of the thickness of the interlayer insulating film is 150 nm to 300 nm. Here, a p-SiN film is formed with a thickness of 200 nm by a plasma CVD method.
(9)メサ上部にp側電極コンタクトの窓開けを行う。すなわち、メサ上面上の保護層111にコンタクトホールを形成する(図7参照)。ここでは、フォトレジストによるエッチングマスクを施した後、メサ上部を露光してその部分のフォトレジストを除去し、BHF(バッファードフッ酸)にて保護層111をウェットエッチングして開口(コンタクトホール)を形成する。また、このとき同時に(6)工程で形成した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。
(9) Open the window of the p-side electrode contact on the top of the mesa. That is, a contact hole is formed in the
(10)エッチングマスクを除去する。 (10) The etching mask is removed.
(11)フォトリソグラフィーによりフォトレジスト(リフトオフレジスト)をパターンニングし、p側の電極材料の蒸着を行う。具体的には、メサ上部にp側電極で囲まれた出射口を形成するための一辺10μmの正方形状のレジストパターンと、複数の電極パッドを形成するためのレジストパターンとを形成し、電極材料である金膜を電子ビーム蒸着法により成膜する。 (11) A photoresist (lift-off resist) is patterned by photolithography, and a p-side electrode material is deposited. Specifically, a square-shaped resist pattern with a side of 10 μm for forming an emission port surrounded by a p-side electrode on the top of the mesa and a resist pattern for forming a plurality of electrode pads are formed. A gold film is formed by electron beam evaporation.
(12)出射口となる領域の電極材料をリフトオフして第1の配線層110aを形成するとともに(図8参照)、複数の電極パッドが形成される領域の電極材料もリフトオフして複数の電極パッドを形成する(図8参照)。具体的には、NMPなどの有機溶剤を使用してフォトレジストを除去してフォトレジストが無かった部分の金を残存させ、第1の配線層110a及び電極パッドを形成する。
(12) The
(13)配線材料である金属(ここでは金)よりも熱膨張係数が小さい薄膜であるp−SiNからなる誘電体層120を全面に形成する(図9参照)。
(13) A
この誘電体層120の膜厚は100nm〜200nmの範囲が望ましい。誘電体層120が100nmよりも薄い場合には応力緩和効果が小さく、誘電体層120が200nmよりも厚い場合には該誘電体層120の一部を応力緩和層としてメサ側方のみに残存させるために行う全面エッチバック工程で誘電体層120の他の部分を除去することが困難となるからである。すなわち、層間絶縁膜と同程度の厚さにすることが適切である。
The film thickness of the
ここでは、誘電体層120としてp−SiN膜を200nm形成した。
Here, a 200-nm p-SiN film was formed as the
(14)0.1Paの高真空プラズマ中のArイオンによる異方性エッチング(反応性イオンエッチング)により全面を垂直方向に選択的にエッチングすることにより、メサ側方に応力緩和層としてのp−SiN膜を残存させる(図10参照)。このとき、コンタクトホールの中央部の周辺部位の誘電体層120も残存する。
(14) By selectively etching the entire surface in the vertical direction by anisotropic etching (reactive ion etching) with Ar ions in 0.1 Pa high-vacuum plasma, p − as a stress relaxation layer on the side of the mesa The SiN film is left (see FIG. 10). At this time, the
このコンタクトホールに残存した誘電体層120は、出射口の周辺部にあり該周辺部の反射率を低減できるため、単一横モードの発振を抑制することなく、高次横モードの発振を抑制することができる。
The
(15)フォトリソグラフィーによりフォトレジスト(リフトオフレジスト)をパターニングし、p側の電極材料の蒸着を行う。具体的には、メサ上部にp側電極で囲まれた出射口を形成するための一辺15μmの正方形状のレジストパターンを形成し、電極材料である金膜を電子ビーム蒸着法により成膜する。 (15) A photoresist (lift-off resist) is patterned by photolithography, and a p-side electrode material is deposited. Specifically, a square resist pattern having a side of 15 μm for forming an exit port surrounded by a p-side electrode is formed on the mesa, and a gold film as an electrode material is formed by electron beam evaporation.
(16)出射口となる領域上の電極材料をリフトオフして第2の配線層110bを形成する(図11参照)。具体的には、NMPなどの有機溶剤を使用してフォトレジストを除去してフォトレジストが無かった部分の金を残存させ、第2の配線層110bを形成する。この結果、第1の配線層110a上に第2の配線層110bが積層されたp側電極配線層110が形成される。
(16) The
ここで、第1の配線層110aの厚さをd1、第2の配線層110bの厚さをd2、p側電極配線層110の厚さをD、保護層111の厚さをe、メサの高さをHとすると、d1+d2+e=D+e>H…(P)が成立する(図2参照)。すなわち、p側電極配線層110の上面(+Z側の面)は、メサの上面よりも基板101から離れた位置にある。
Here, the thickness of the
逆に言うと、上記(P)式が成立するように、上記(11)、(15)の工程において、p側の電極材料の蒸着量が設定される。なお、上記(11)、(15)の工程におけるp側の電極材料の蒸着量の比は、上記(P)式が成立する範囲内で適宜変更可能である。 In other words, the deposition amount of the p-side electrode material is set in the steps (11) and (15) so that the formula (P) is established. In addition, the ratio of the vapor deposition amount of the p-side electrode material in the steps (11) and (15) can be appropriately changed within the range in which the formula (P) is established.
ここでは、保護層111の厚さeがp側電極配線層110の厚さDよりも充分に小さいため、実質的に、d1+d2=D>H…(Q)が成立すると考えて良い。なお、上記(Q)式が成立する場合には、上記(P)式も成立する。
Here, since the thickness e of the
(17)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、n側配線層112を形成する(図2参照)。
(17) After polishing the back side of the
(18)アニールによって、p側電極配線層110とn側配線層112のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部10aとなる。
(18) Ohmic conduction is established between the p-side
(19)スクライブ・ブレーキングにより、チップ毎に切断する。 (19) Cut by chip by scribing and braking.
結果として、上記(1)〜(19)の工程により、複数の発光部10aをそれぞれが含む複数のチップ状の面発光レーザアレイ10が製造される。
As a result, a plurality of chip-shaped surface-emitting
(20)200〜250℃に加熱したホットプレート上で、厚さ1μmのNi/Pt/Auによりパターンが形成されたAlN材料からなるヒートシンク12と面発光レーザアレイ10とを接合材15(例えばペースト状のはんだ)により接合する。なお、ヒートシンク12にはAuが成膜されていない領域が設けられており、これにより、p側電極配線層110とn側配線層112の短絡が防止される。
(20) On a hot plate heated to 200 to 250 ° C., a bonding material 15 (for example, a paste) is bonded to the surface emitting
(21)Auからなる通電用のワイヤを、電極パッドに対して接続する。 (21) An energizing wire made of Au is connected to the electrode pad.
上記(1)〜(21)の工程により、面発光レーザアレイ10を含む光源モジュール60が製造される(図1参照)。
The
ところで、従来、面発光レーザアレイの電流狭窄構造の各発光部(VCSEL)に電流を注入するための電極配線を形成する工程では、メサ形状に沿って(メサの段差を越えて)電極配線を配置しており、電極配線のステップカバレージ不足による断線等が発生するおそれがあり、信頼性が低下していた。 By the way, conventionally, in the process of forming the electrode wiring for injecting current into each light emitting portion (VCSEL) of the current confinement structure of the surface emitting laser array, the electrode wiring is arranged along the mesa shape (over the step of the mesa). Therefore, there is a possibility that disconnection or the like due to insufficient step coverage of the electrode wiring may occur, resulting in a decrease in reliability.
また、VCSELを大規模にアレイ化して、例えば、10000個以上のVCSELを集積して100W以上の出力とする場合には、50Aを超える大電流で駆動する必要がある。この場合、電極配線の厚さが薄いと、駆動時に電極配線の抵抗で発熱することによりレーザ出力が飽和するため、電極配線のステップカバレージ不足はVCSELを高出力化する妨げになっていた。 Further, when VCSELs are arrayed on a large scale, for example, when 10000 or more VCSELs are integrated to output 100 W or more, it is necessary to drive with a large current exceeding 50 A. In this case, if the thickness of the electrode wiring is thin, the laser output is saturated due to heat generated by the resistance of the electrode wiring during driving, so that the lack of step coverage of the electrode wiring hinders high output of the VCSEL.
以上説明した第1実施形態の面発光レーザ(発光部10a)は、基板101と、該基板101上に積層された下部半導体DBR103と、該下部半導体DBR103上に積層された活性層105と、該活性層105上に積層され、被選択酸化層115が設けられた上部半導体DBR107とを含む積層体を、少なくとも被選択酸化層115の側面が露出するまでエッチングして形成されたメサ(メサ構造体)を備える面発光レーザにおいて、メサが形成された積層体における、メサの上面の中央部を除く少なくとも一部の領域上に積層され、メサの上面の周辺部に接続されたp側電極配線層110を更に備え、該p側電極配線層110の厚さDは、メサの高さHよりも厚く設定されている。
The surface emitting laser (
この場合、p側電極配線層110において、ステップカバレージを充分に確保できる。
この結果、信頼性を向上できる。
In this case, sufficient step coverage can be secured in the p-side
As a result, reliability can be improved.
ところで、高出力レーザにおいては大電流が流れるため、電極配線の抵抗を低抵抗とすることが必須となる。蒸着法等の空孔ができる手法で形成する配線の抵抗は、段差が無い場合は膜厚に応じて減少し、メサの段差が有る場合は配線の厚さがメサの高さよりも厚い値で低抵抗化の効果が劇的に高くなることが分かった。 By the way, since a large current flows in a high-power laser, it is essential to reduce the resistance of the electrode wiring. The resistance of the wiring formed by a method that creates holes, such as vapor deposition, decreases according to the film thickness when there is no step, and when there is a mesa step, the wiring thickness is thicker than the mesa height. It was found that the effect of lowering the resistance is dramatically increased.
そこで、第1実施形態の面発光レーザ(発光部10a)によれば、高出力化を図ることができる。
Therefore, according to the surface emitting laser (
そして、p側電極配線層110の上面は、メサ構造体の上面よりも基板101から離れた位置にあるため、信頼性を確実に向上できる。
Since the upper surface of the p-side
また、p側電極配線層110の内部におけるメサの側方近傍には、応力緩和層が設けられている。
Further, a stress relaxation layer is provided in the vicinity of the side of the mesa inside the p-side
この場合、p側電極配線層110が発熱した場合でも、応力緩和層の作用(応力緩和作用)によりp側電極配線層110の熱膨張が抑制され、レーザ(VCSEL)の動作信頼性を向上できる。
In this case, even when the p-side
また、応力緩和層は、p側電極配線層110の材料(例えば金)よりも熱膨張係数が小さい材料からなり、p側電極配線層110の熱膨張を吸収するため、活性層の破損を防止できる。この結果、レーザの動作信頼性を確実に向上できる。なお、応力緩和層の材料は、p側電極配線層110の材料(例えば金)よりも熱膨張係数が小さい材料であれば、誘電体(絶縁体)に限らず、導電体であっても良い。
Further, the stress relaxation layer is made of a material having a smaller thermal expansion coefficient than the material of the p-side electrode wiring layer 110 (for example, gold) and absorbs the thermal expansion of the p-side
また、メサが形成された積層体とp側電極配線層110との間に保護層111(絶縁層)が配置され、応力緩和層は、保護層111と同じ材料からなる。
この場合、膜厚設計や製造プロセスを簡素化できる。
Further, a protective layer 111 (insulating layer) is disposed between the stacked body on which the mesa is formed and the p-side
In this case, the film thickness design and manufacturing process can be simplified.
また、第1実施形態の面発光レーザアレイ10は、発光部10aとしての面発光レーザを複数備えるため、チップ単位で、高信頼性、高歩留まりを実現できる。
In addition, since the surface emitting
また、第1実施形態の面発光レーザアレイ10の製造方法は、基板101上に下部半導体DBR103と、活性層105と、被選択酸化層115が設けられた上部半導体DBR107とを順次積層し、積層体を作製する工程と、該積層体を少なくとも被選択酸化層115の側面が露出するまでエッチングしてメサを形成する工程と、被選択酸化層115を側面から選択酸化して選択酸化層108(電流狭窄層)を形成する工程と、選択酸化層108がメサに形成された積層体上に、メサの上面上にコンタクトホールを有する保護層111を形成する工程と、保護層111上及びコンタクトホールの周辺部に第1の配線層110aを形成する工程と、第1の配線層110aにおけるメサの側方近傍に誘電体膜(応力緩和層)を形成する工程と、第1の配線層110a上に誘電体膜を覆うように第2の配線層110bを形成する工程と、を含む。
In the method of manufacturing the surface emitting
この場合、信頼性を向上できる面発光レーザアレイ10を半導体製造工程を用いて容易に製造できる。
In this case, the surface emitting
また、上記誘電体膜を形成する工程は、第1の配線層110a上及びコンタクトホールの中央部に誘電体層120を積層するサブ工程と、誘電体層120におけるメサの側方近傍の部位である誘電体膜以外の少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含む。
The dielectric film forming step includes a sub-step of laminating the
この場合、誘電体膜(応力緩和層)を、半導体製造工程を用いて容易に生成することができる。 In this case, the dielectric film (stress relaxation layer) can be easily generated using a semiconductor manufacturing process.
また、上記除去するサブ工程では、コンタクトホールの中央部の誘電体層120のうち該中央部の周辺部位にある部分を除去しないため、単一横モードの発振を抑制することなく高次横モードの発振を抑制できる面発光レーザアレイを製造できる。
Further, in the sub-step to be removed, the
なお、上記第1実施形態では、応力緩和層にSiN膜を用いているが、例えばSiOx、SiNx(X≠1)、SiOxNy、TiOx等の誘電体膜を用いても良い。但し、x、yは自然数(例えば1桁の自然数)である。 In the first embodiment, the SiN film is used for the stress relaxation layer. However, a dielectric film such as SiOx, SiNx (X ≠ 1), SiOxNy, TiOx, or the like may be used. However, x and y are natural numbers (for example, one-digit natural numbers).
また、上記第1実施形態では、応力緩和層は、層間絶縁膜と同じ材料からなるが、応力緩和機能を有する材料であれば、異なる材料(例えば誘電体や導電体)であっても良い。 In the first embodiment, the stress relaxation layer is made of the same material as the interlayer insulating film, but may be a different material (for example, a dielectric or a conductor) as long as it has a stress relaxation function.
《第2実施形態》
以下に、第2実施形態を図12〜図17に基づいて説明する。第2実施形態では、面発光レーザアレイの構成及び製造工程の一部が上記第1実施形態と異なる。
<< Second Embodiment >>
Below, 2nd Embodiment is described based on FIGS. 12-17. In the second embodiment, the configuration of the surface emitting laser array and a part of the manufacturing process are different from those in the first embodiment.
第2実施形態の面発光レーザ(発光部20a)では、図12に示されるように、p側電極配線層210の内部におけるメサの側方近傍(図12の破線で囲まれた領域)に、応力緩和機能を有する空孔が形成されている。p側電極配線層210も、p側電極配線層110と同様に、第1及び第2配線層210a、210bの2層構造となっている。
In the surface emitting laser (
次に、第2実施形態の面発光レーザアレイ20を含む光源モジュールの製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing a light source module including the surface emitting
第2実施形態では、先ず、第1実施形態と同様に、上記工程(1)〜(3)を行う。
この際、工程(3)すなわちドライエッチング工程は、図13に示されるようなICPエッチャーを用いて反応性イオンエッチングにより行う。このICPエッチャーでは、エンドポイントモニタの波形によりエッチング進行時の底面位置を把握することができる。
In the second embodiment, first, the steps (1) to (3) are performed as in the first embodiment.
At this time, the step (3), that is, the dry etching step is performed by reactive ion etching using an ICP etcher as shown in FIG. In this ICP etcher, the position of the bottom surface during the progress of etching can be grasped from the waveform of the end point monitor.
エッチング底面が被選択酸化層115よりも下側(−Z側)まで進行したことを確認した後、エッチング条件を化学反応優位な条件に変更することにより横方向にもエッチングを進行させ、図14に示されるようにメサの底部にオーバーハング部を形成することができる。
After confirming that the bottom surface of the etching has progressed to the lower side (-Z side) than the
次の表1にエッチング条件の例を示す。ここでは、エッチング開始から被選択酸化層115下までエッチングが進行するまでをエッチングステップ1とし、被選択酸化層115下までのエッチングの進行を確認後にエッチング条件を変更してからエッチング終了までをエッチングステップ2としている。
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(4)〜(8)を行う。
この際、工程(8)すなわち保護層形成工程では、保護層211(層間絶縁膜)がオーバーハング部に沿って(倣って)形成される(図15参照)。
Subsequently, the said process (4)-(8) is performed similarly to 1st Embodiment.
At this time, in the step (8), that is, the protective layer forming step, the protective layer 211 (interlayer insulating film) is formed along the overhang portion (see FIG. 15).
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(9)〜(12)を行う。
この際、工程(12)すなわち第1配線層形成工程では、p側の電極材料である金膜を電子ビーム蒸着する際、蒸着源と成膜面との距離を50cm以上とする。これにより、金膜が異方的に成長するため(特に金膜が角から成長するため)、図16に示されるように成膜の初期段階では第1の配線層210aにおけるオーバーハングで影になる部分が空隙210cとなる。
Subsequently, the said process (9)-(12) is performed similarly to 1st Embodiment.
At this time, in the step (12), that is, the first wiring layer forming step, the distance between the vapor deposition source and the film formation surface is set to 50 cm or more when the gold film as the p-side electrode material is subjected to electron beam vapor deposition. As a result, the gold film grows anisotropically (especially because the gold film grows from the corner), and as shown in FIG. 16, in the initial stage of film formation, the
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(15)、(16)を行う。
この際、工程(16)すなわち第2配線層形成工程では、第2の配線層210bにおいて、第1の配線層210aの空隙210cに連通する空隙210dが形成される(図17参照)。
Subsequently, the said process (15) and (16) are performed similarly to 1st Embodiment.
At this time, in the step (16), that is, the second wiring layer forming step, a
この結果、第1の配線層210a上に第2配線層210bが積層されたp側電極配線層210が生成される。このp側電極配線層210の内部のメサ側方近傍には、空隙210cと空隙210dによって形成された空孔(空間部)が形成される。この空孔が応力緩和機能を有する。
As a result, the p-side
ここで、第1の配線層210aの厚さをd1´、第2の配線層210bの厚さをd2´、p側電極配線層110の厚さをD´、保護層211の厚さをe´、メサの高さをH´とすると、d1´+d2´+e´=D´+e´>H´…(R)が成立する(図12参照)。すなわち、p側電極配線層210の上面(+Z側の面)は、メサの上面よりも基板101から離れた位置にある。
Here, the thickness of the
逆に言うと、上記(R)式が成立するように、上記(11)、(15)の工程において、p側の電極材料の蒸着量が設定される。なお、上記(11)、(15)の工程におけるp側の電極材料の蒸着量の比は、上記(R)式が成立する範囲内で適宜変更可能である。 In other words, the deposition amount of the electrode material on the p side is set in the steps (11) and (15) so that the formula (R) is established. Note that the ratio of the deposition amount of the p-side electrode material in the steps (11) and (15) can be changed as appropriate within the range in which the formula (R) is satisfied.
ここでは、保護層211の厚さe´がp側電極配線層210の厚さD´よりも充分に小さいため、実質的に、d1´+d2´=D´>H´…(S)が成立すると考えて良い。なお、上記(S)式が成立する場合には、上記(R)式も成立する。
Here, since the thickness e ′ of the
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(17)〜(21)を行う。 Subsequently, the said process (17)-(21) is performed similarly to 1st Embodiment.
結果として、上記(1)〜(12)、(15)〜(21)の工程により、面発光レーザアレイ20を含む光源モジュールが製造される。
As a result, the light source module including the surface emitting
以上説明した第2実施形態の面発光レーザ(発光部20a)では、応力緩和部は、p側電極配線層210の内部に形成された空孔であるため、p側電極配線層210が熱膨張したときのスペース(逃げ場)を確保できる。この結果、活性層105の破損を防止ができ、ひいてはレーザの動作信頼性を確実に向上できる。
In the surface-emitting laser (light-emitting
また、メサは、底部にオーバーハング部を有し、空孔は、p側電極配線層210の内部におけるオーバーハング部に対応する箇所に形成されている。
The mesa has an overhang portion at the bottom, and the holes are formed at locations corresponding to the overhang portion in the p-side
この場合、メサ形状(オーバーハング部)に起因する電極材料の成長ばらつきを利用して、空孔を形成できる。 In this case, holes can be formed by utilizing the growth variation of the electrode material due to the mesa shape (overhang portion).
また、第2実施形態の面発光レーザアレイ20の製造方法は、基板101上に下部半導体DBR103と、活性層105と、被選択酸化層115が設けられた上部半導体DBR107とを順次積層し、積層体を作製する工程と、積層体を少なくとも被選択酸化層115の側面が露出するまでエッチングする第1エッチング工程と、側面が露出した後、第1エッチング工程よりも化学反応優位なエッチング条件で積層体をエッチングして、オーバーハング部を底部に有するメサ構造体を形成する工程と、被選択酸化層115を側面から選択酸化して選択酸化層108(電流狭窄層)を形成する工程と、選択酸化層108がメサに形成された積層体上に、メサの上面上にコンタクトホールを有する保護層211(絶縁膜)を形成する工程と、該保護層211上及びコンタクトホールの周辺部に第1の配線層210aを形成する工程と、第1の配線層210a上に第2の配線層210bを形成する工程と、を含む。
In the method of manufacturing the surface emitting
この場合、信頼性を向上できる面発光レーザアレイ20を半導体製造工程を用いて容易に製造できる。
In this case, the surface emitting
《第3実施形態》
以下に、第3実施形態を図18〜図22に基づいて説明する。第3実施形態では、面発光レーザアレイの構成及び製造工程の一部が上記第1実施形態と異なる。
<< Third Embodiment >>
Below, 3rd Embodiment is described based on FIGS. 18-22. In the third embodiment, the configuration of the surface emitting laser array and a part of the manufacturing process are different from those in the first embodiment.
第3実施形態の面発光レーザ(発光部30a)では、図18に示されるように、p側電極配線層310の内部におけるメサの側方近傍(図18の破線で囲まれた領域)に、応力緩和機能を有する空孔(空間部)が形成されている。p側電極配線層310も、p側電極配線層110、210と同様に、第1及び第2配線層310a、310bの2層構造となっている。
In the surface emitting laser (
次に、第3実施形態の面発光レーザアレイ30を含む光源モジュールの製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing a light source module including the surface emitting
第3実施形態では、先ず、第1実施形態と同様に、上記工程(1)〜(5)を行う。
この際、工程(5)すなわち選択酸化工程では、選択酸化層108を形成後、メサを濃度1%のバッファードフッ酸に20秒間浸漬する。この結果、上部半導体DBR107の低屈折率層(Al0.9Ga0.1As層)の酸化された部分が溶出してメサの側面に複数の凹部が形成される(図19参照)。
In the third embodiment, first, the steps (1) to (5) are performed as in the first embodiment.
At this time, in the step (5), that is, the selective oxidation step, after the
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(6)〜(8)を行う。
この際、工程(8)すなわち保護層形成工程では、メサの側面に形成された複数の凹部に沿って(入り込むように)保護層311(層間絶縁膜)が形成される(図20参照)。このとき、保護層311におけるメサの側面とは反対側の面に複数の凹部が形成される。
Subsequently, the said process (6)-(8) is performed similarly to 1st Embodiment.
At this time, in the step (8), that is, the protective layer forming step, the protective layer 311 (interlayer insulating film) is formed along the plurality of recesses formed on the side surface of the mesa (see FIG. 20). At this time, a plurality of recesses are formed on the surface of the
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(9)〜(12)を行う。
この際、工程(12)すなわち第1配線層形成工程では、p側の電極材料である金膜を電子ビーム蒸着する際、蒸着源と成膜面との距離を50cm以上とする。これにより、金膜が異方的に成長するため、図21に示されるようにメサの側面に形成された保護層311の凹部(影となる部分)に金膜が成長しにくくなる。この結果、第1の配線層310aにおけるメサ側面の凹部に対応する部分が空隙310cとなる。
Subsequently, the said process (9)-(12) is performed similarly to 1st Embodiment.
At this time, in the step (12), that is, the first wiring layer forming step, the distance between the vapor deposition source and the film formation surface is set to 50 cm or more when the gold film as the p-side electrode material is subjected to electron beam vapor deposition. Thereby, since the gold film grows anisotropically, as shown in FIG. 21, it becomes difficult for the gold film to grow in the concave portion (shaded portion) of the
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(15)、(16)を行う。
この際、工程(16)すなわち第2配線層形成工程では、第2の配線層310bにおいて、第1の配線層310aの空隙310cに連通する空隙310dが形成される(図22参照)。
Subsequently, the said process (15) and (16) are performed similarly to 1st Embodiment.
At this time, in the step (16), that is, the second wiring layer forming step, a
この結果、第1の配線層310a上に第2配線層310bが積層されたp側電極配線層310が生成される。このp側電極配線層310の内部のメサ側方近傍には、空隙310cと空隙310dによって形成された空孔(空間部)が複数形成される。この空孔が応力緩和機能を有する。
As a result, the p-side
ここで、第1の配線層310aの厚さをd1”、第2の配線層310bの厚さをd2”、p側電極配線層110の厚さをD”、保護層211の厚さをe”、メサの高さをH”とすると、d1”+d2”+e”=D”+e”>H”…(T)が成立する(図18参照)。すなわち、p側電極配線層310の上面(+Z側の面)は、メサの上面よりも基板101から離れた位置にある。
Here, the thickness of the
逆に言うと、上記(T)式が成立するように、上記(11)、(15)の工程において、p側の電極材料の蒸着量が設定される。なお、上記(11)、(15)の工程におけるp側の電極材料の蒸着量の比は、上記(T)式が成立する範囲内で適宜変更可能である。 In other words, the deposition amount of the p-side electrode material is set in the steps (11) and (15) so that the equation (T) is established. In addition, the ratio of the vapor deposition amount of the p-side electrode material in the steps (11) and (15) can be appropriately changed within the range where the above equation (T) is satisfied.
ここでは、保護層311の厚さe”がp側電極配線層310の厚さD”よりも充分に小さいため、実質的に、d1”+d2”=D”>H”…(U)が成立すると考えて良い。なお、上記(U)式が成立する場合には、上記(T)式も成立する。
Here, since the thickness e ″ of the
次いで、第1実施形態と同様に、上記工程(17)〜(21)を行う。 Subsequently, the said process (17)-(21) is performed similarly to 1st Embodiment.
結果として、上記(1)〜(12)、(15)〜(21)の工程により、面発光レーザアレイ30を含む光源モジュールが製造される。
As a result, the light source module including the surface emitting
以上説明した第3実施形態の面発光レーザ(発光部30a)では、メサは、側面に凹部(溝部)が形成され、空孔は、p側電極配線層110の内部における凹部に対応する箇所に形成されている
In the surface emitting laser (
この場合、メサ形状(メサ側面の凹部)に起因する電極材料の成長ばらつきを利用して、空孔を形成できる。 In this case, holes can be formed by utilizing the variation in the growth of the electrode material due to the mesa shape (the recess on the side surface of the mesa).
また、第3実施形態の面発光レーザアレイ30は、基板上に下部半導体DBR103と、活性層105と、被選択酸化層115が設けられた上部半導体DBR107とを順次積層し、積層体を作製する工程と、該積層体を少なくとも被選択酸化層115の側面が露出するまでエッチングしてメサを形成する工程と、被選択酸化層115を側面から選択酸化して選択酸化層108(電流狭窄層)を形成する工程と、選択酸化層108が形成されたメサ構造体の側面の酸化物を除去して、該側面に凹部を形成する工程と、選択酸化層108がメサに形成された積層体上に、メサの上面上にコンタクトホールを有する保護層311を形成する工程と、該保護層311上及びコンタクトホールの周辺部に第1の配線層310aを形成する工程と、第1の配線層310a上に第2の配線層310bを形成する工程と、を含む。
In the surface emitting
この場合、信頼性を向上できる面発光レーザアレイ30を、半導体製造工程を用いて容易に製造できる。
In this case, the surface emitting
また、第3実施形態では、メサ側面に複数の凹部が形成され、該複数の空孔が形成されるため、熱膨張吸収性が高く、レーザの動作信頼性をより向上できる。 In the third embodiment, since a plurality of recesses are formed on the side surface of the mesa and the plurality of holes are formed, the thermal expansion absorbability is high and the operational reliability of the laser can be further improved.
なお、上記各実施形態では、層間絶縁膜にSiNを用いているが、例えばSiOx、SiNx(X≠0)、SiOxNy、TiOx等の他の誘電体であっても良い。但し、x、yは、自然数である。 In each of the above embodiments, SiN is used for the interlayer insulating film. However, other dielectrics such as SiOx, SiNx (X ≠ 0), SiOxNy, TiOx may be used. However, x and y are natural numbers.
また、上記各実施形態では、p側電極配線層は、第1及び第2の配線層から成る2層構造であるが、これに限らず、一層構造であっても良いし、3層以上の積層構造であっても良い。なお、一層構造の場合には、p側電極配線層の内部に応力緩和層(例えば誘電体膜)を形成するのは困難であるため、上記第2及び第3実施形態のように、空孔を形成するのが好ましい。また、p側電極配線層を2層以上の積層構造とする場合、各層は、同一の材料であっても良いし、異なる材料であっても良い。p側電極配線層の各層の異なる材料の具体例として、例えばCr/AuZn/Auからなる多層膜やTi/Pt/Auからなる多層膜を用いても良い。 In each of the above embodiments, the p-side electrode wiring layer has a two-layer structure including the first and second wiring layers, but is not limited thereto, and may have a single-layer structure, or three or more layers. A laminated structure may be used. In the case of a single-layer structure, it is difficult to form a stress relaxation layer (for example, a dielectric film) inside the p-side electrode wiring layer. Therefore, as in the second and third embodiments, a void is formed. Is preferably formed. Further, when the p-side electrode wiring layer has a laminated structure of two or more layers, each layer may be made of the same material or different materials. As a specific example of a different material for each layer of the p-side electrode wiring layer, for example, a multilayer film made of Cr / AuZn / Au or a multilayer film made of Ti / Pt / Au may be used.
また、上記各実施形態では、p側電極配線層の内部に応力緩和部(応力緩和層や空孔)を形成しているが、応力緩和部を形成しなくても良い。 In each of the above embodiments, the stress relaxation portion (stress relaxation layer or hole) is formed inside the p-side electrode wiring layer, but the stress relaxation portion may not be formed.
例えば、図23に示される変形例1の面発光レーザアレイ40の発光部40aでは、p側電極配線層410は、第1及び第2の配線層410a、410bから成り、その内部に応力緩和部が形成されていない。
For example, in the
また、例えば、図24に示される変形例2の面発光レーザアレイ50の発光部50aでは、p側電極配線層510は、一層構造であり、その内部に応力緩和部が形成されていない。
Further, for example, in the
また、上記各実施形態では、第1及び第2の配線層を、電子ビーム蒸着により形成しているが、他の蒸着やスパッタにより形成しても良い。第1及び第2の配線層をいずれの方法により形成する場合でも、上記第2及び第3実施形態では、角からの電極材料の成長度合いと該電極材料の表面移動性で空孔の形状が異なってくる。 In each of the above embodiments, the first and second wiring layers are formed by electron beam evaporation, but may be formed by other evaporation or sputtering. Regardless of the method used to form the first and second wiring layers, in the second and third embodiments, the shape of the pores is determined by the degree of growth of the electrode material from the corner and the surface mobility of the electrode material. Come different.
また、上記各実施形態では、AlGaAs系の半導体DBR、AlGaInP系のスペーサ層、GaInAsP系の活性層の例を示したが、この材料系に限定されるものではない。 In each of the above embodiments, an example of an AlGaAs semiconductor DBR, an AlGaInP spacer layer, and a GaInAsP active layer has been described. However, the present invention is not limited to this material system.
また、上記各実施形態では、光学系は、集光レンズ16及び光ファイバ18を含んで構成されているが、これに限られず、要は、集光レンズ16及び光ファイバ18のうち少なくとも1つを含んで構成されることが好ましい。また、マイクロレンズアレイ14は、必ずしも設けなくても良い。
In each of the above embodiments, the optical system is configured to include the condensing
また、上記各実施形態では、発光部の発振波長が808nm帯の場合について説明したが、これに限定されるものではない。材料を適切に選択する事により、例えば650nm帯、780nm帯、850nm帯、980nm帯、1.3um帯、1.5um帯の波長帯の面発光レーザアレイを同様に作製することができる。 In each of the above embodiments, the case where the oscillation wavelength of the light emitting unit is in the 808 nm band has been described. However, the present invention is not limited to this. By appropriately selecting the material, for example, surface emitting laser arrays having wavelength bands of 650 nm band, 780 nm band, 850 nm band, 980 nm band, 1.3 um band, and 1.5 um band can be similarly produced.
以上は、n型基板上の素子について説明したものであるが、n型基板上の素子に対して限定されるものではなく、p型基板上の素子に対しても同様のことが言える。p型基板を用いた場合には、上記の説明において、各層の導電型とキャリアの極性を入れ換えれば同様の効果が得られる。また、波長も808nm帯に限定されるものではなく、650nm帯、780nm帯、850nm帯、980nm帯、1.3μm及び1.5μm帯など、異なる活性層材料を用いた他の波長帯であっても良い。また、基板もGaAs以外の基板を用いても良い。 The above is a description of an element on an n-type substrate, but it is not limited to an element on an n-type substrate, and the same can be said for an element on a p-type substrate. When a p-type substrate is used, the same effect can be obtained by replacing the conductivity type of each layer and the polarity of carriers in the above description. Further, the wavelength is not limited to the 808 nm band, but other wavelength bands using different active layer materials, such as a 650 nm band, a 780 nm band, an 850 nm band, a 980 nm band, a 1.3 μm band, and a 1.5 μm band. Also good. The substrate may be a substrate other than GaAs.
また、上記面発光レーザアレイ10、20、30、40、50は、レーザ加工以外の用途(例えば画像形成)にも用いることができる。その場合には、発振波長は、その用途に応じて、650nm帯、780nm帯、850nm帯、980nm帯、1.3μm帯、1.5μm帯等の波長帯であっても良い。この場合に、活性層を構成する半導体材料は、発振波長に応じた混晶半導体材料を用いることができる。例えば、650nm帯ではAlGaInP系混晶半導体材料、980nm帯ではInGaAs系混晶半導体材料、1.3μm帯及び1.5μm帯ではGaInNAs(Sb)系混晶半導体材料を用いることができる。
The surface-emitting
《レーザアニール装置》
一例として図25(A)及び図25(B)にレーザ加工機としてのレーザアニール装置1500の概略構成が示されている。このレーザアニール装置1500は、光源1010、光学系1020、テーブル装置1030、及び不図示の制御装置などを備えている。
<Laser annealing equipment>
As an example, FIG. 25A and FIG. 25B show a schematic configuration of a
光源1010は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを複数有し、複数のレーザ光を射出することができる。光学系1020は、光源1010から射出された複数のレーザ光を対象物Pの表面に導光する。テーブル装置1030は、対象物Pが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともY軸方向に沿って移動することができる。
The
例えば、対象物Pがアモルファスシリコン(a−Si)の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン(a−Si)は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン(p−Si)になる。 For example, in the case where the object P is amorphous silicon (a-Si), when irradiated with laser light, the amorphous silicon (a-Si) is crystallized by increasing the temperature and then gradually cooling, It becomes polysilicon (p-Si).
この場合、レーザアニール装置1500は、光源1010が上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有しているため、アニール処理を効率的に行うことができる。
In this case, the
《レーザ切断機》
一例として図26にレーザ加工機としてのレーザ切断機2000の概略構成が示されている。このレーザ切断機2000は、光源2010、光学系2100、対象物Pが載置されるテーブル2150、テーブル駆動装置2160、操作パネル2180及び制御装置2200などを備えている。
<Laser cutting machine>
As an example, FIG. 26 shows a schematic configuration of a
光源2010は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有し、制御装置2200の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系2100は、光源2010から射出されたレーザ光を対象物Pの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置2160は、制御装置2200の指示に基づいて、テーブル2150をX軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向に移動させる。
The
操作パネル2180は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置2200は、操作パネル2180からの各種設定情報に基づいて、光源2010及びテーブル駆動装置2160を制御する。
The
この場合、レーザ切断機2000は、光源2010が上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有しているため、切断処理を効率的に行うことができる。
In this case, the
なお、レーザ切断機2000は、複数の光源2010を有しても良い。
Note that the
また、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールは、レーザアニール装置及びレーザ切断機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、表示装置の光源に用いても良い。 The surface-emitting laser array or the light source module is also suitable for an apparatus that uses laser light other than a laser annealing apparatus and a laser cutting machine. For example, you may use for the light source of a display apparatus.
《レーザ・ディスプレイ装置》
図27には、表示装置としてのレーザ・ディスプレイ装置3000の概略構成が示されている。
<Laser display device>
FIG. 27 shows a schematic configuration of a
このレーザ・ディスプレイ装置3000は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを含む光源3001と、該光源3001からのレーザ光を表示情報に応じて変調し、該変調されたレーザ光をスクリーン3010に向けて出力するための光学系3003と、光源3001及び光学系3003を制御する制御装置3005とを備えている。
The
このレーザ・ディスプレイ装置3000は、上記面発光レーザアレイ又は上記光源モジュールを有しているため、表示される画像品質を向上させることができる。
Since the
なお、空間を貫くレーザ光によって映像表現を行うレーザ・ディスプレイ装置であっても、前記光源3001を備えるレーザ・ディスプレイ装置であれば、表示される画像品質を向上させることができる。
Note that even a laser display device that displays an image using laser light penetrating space can improve the displayed image quality as long as the laser display device includes the
また、上記面発光レーザアレイは、例えばレーザプリンタ、レーザ複写機等の画像形成装置の書込み用の光源としても利用できる。 The surface emitting laser array can also be used as a light source for writing in an image forming apparatus such as a laser printer or a laser copying machine.
また、以下に説明するように、上記面発光レーザアレイを備えるエンジン用のレーザ点火装置を提供することもできる。 Further, as will be described below, a laser ignition device for an engine including the surface emitting laser array can be provided.
上記面発光レーザアレイは、マイクロチップレーザとして高出力、高発振速度、高信頼性が得られ、車両、船舶、航空機、宇宙船等のエンジンに組み込みな寸法に収めることができる。 The surface emitting laser array has high output, high oscillation speed, and high reliability as a microchip laser, and can be accommodated in a size incorporated in an engine of a vehicle, a ship, an aircraft, a spacecraft, or the like.
また、上記面発光レーザアレイは、複数のレーザビームを出射可能なため着火位置(点火ポイント)の自由度が高く、また混合ガス(燃焼ガス)に着火し易い極短パルスのナノ秒領域でも高出力を出すことが可能である。また、レーザ光の集光位置を調節することで、燃焼室の自由な場所に点火ポイントを設定することができる In addition, since the surface emitting laser array can emit a plurality of laser beams, the degree of freedom of the ignition position (ignition point) is high, and it is also high in the nanosecond region of an extremely short pulse that easily ignites the mixed gas (combustion gas). It is possible to output. Also, the ignition point can be set at a free location in the combustion chamber by adjusting the condensing position of the laser beam.
なお、従来の点火プラグでは放電電極位置からの着火に限られていたが、上記面発光レーザアレイであれば、最適な空間位置へ着火することが可能である。これは、燃費向上目的の希薄燃焼法などにおいて最適着火位置を設定できるため、大いなるメリットである。 The conventional spark plug is limited to ignition from the position of the discharge electrode, but the above surface emitting laser array can ignite to the optimum spatial position. This is a great advantage because the optimal ignition position can be set in a lean combustion method for the purpose of improving fuel efficiency.
以下に、発明者らが上記各実施形態及び各変形例を発案するに至った思考プロセスを説明する。 Below, the thought process which the inventors came to invent each said embodiment and each modification is demonstrated.
VCSELアレイの作製工程の一つにVCSEL素子に電流を注入するための電極配線を形成する工程がある。電流狭窄構造のVCSEL素子はメサ形状の上部から電流を注入するため、上部電極は大きなメサの段差を越えて配線しなければならず、配線のステップカバレージ不足による断線や信頼性不良の原因となっていた。 One of the steps for producing a VCSEL array is a step of forming an electrode wiring for injecting a current into the VCSEL element. Since current-confined VCSEL devices inject current from the top of the mesa shape, the upper electrode must be routed over a large mesa step, causing disconnection and poor reliability due to insufficient wiring step coverage. It was.
また、VCSEL素子を大規模にアレイ化して、例えば、10000個以上のVCSEL素子を集積して100W以上の出力とする場合には50Aを超える大電流で駆動する必要がある。その様なデバイスでは配線厚さが薄い場合、駆動時に配線部の抵抗で発熱することによりレーザの出力が飽和するため、配線のステップカバレッジ不足はレーザを高出力化する妨げになっていた。 In addition, when VCSEL elements are arrayed on a large scale, for example, when 10000 or more VCSEL elements are integrated to produce an output of 100 W or more, it is necessary to drive with a large current exceeding 50 A. In such a device, when the wiring thickness is thin, the output of the laser is saturated due to heat generated by the resistance of the wiring section during driving, and thus insufficient step coverage of the wiring has hindered high laser output.
このステップカバレージ不足を解消する方法として、
・特許文献1には、p側電極配線でメサ側壁全体を被覆する構成が開示されている。
・特許文献2には、メサ段差をポリイミドで平坦化する構成によりステップカバレージを改善する方法が開示されている。
・非特許文献:<Progress in high-power high-efficiency VCSEL arrays>Proc. of SPIE Vol.7229 722903-1には、ステップカバレッジの良いメッキ法によりメサ段差よりも厚い配線を形成する構成によりステップカバレージを改善する方法、が開示されている。
As a method to eliminate this step coverage shortage,
Patent Document 1 discloses a configuration in which the entire mesa side wall is covered with p-side electrode wiring.
Patent Document 2 discloses a method of improving step coverage by a configuration in which a mesa step is flattened with polyimide.
・ Non-patent literature: <Progress in high-power high-efficiency VCSEL arrays> Proc. Of SPIE Vol.7229 722903-1 has step coverage with a structure in which a wiring thicker than a mesa step is formed by a plating method with good step coverage. Is disclosed.
しかしながら、特許文献1のようにメサ側壁全面にp側電極配線を形成する場合でもステップカバレッジ部の配線膜厚が小さいこと自体を解消することはできない。また、電極が有する内部応力がメサ全体に作用するため信頼性不良が生じやすくなる。 However, even when the p-side electrode wiring is formed on the entire surface of the mesa side wall as in Patent Document 1, it cannot be solved that the wiring film thickness of the step coverage portion is small. Further, since the internal stress of the electrode acts on the entire mesa, a reliability failure is likely to occur.
特許文献2の構成の場合、ポリイミドの収縮による内部応力が大きいため、結晶欠陥を誘発し信頼性不良の原因となっている。 In the case of the configuration of Patent Document 2, since the internal stress due to the contraction of polyimide is large, a crystal defect is induced and causes a reliability defect.
上記非特許文献の場合、ステップカバレッジ部の配線膜厚が小さいことを解消して配線抵抗による発熱が抑えられるため高出力動作が可能となるが、メサ側面周囲が厚い配線金属で覆われることになり、特許文献1と同様に、信頼性不良が生じやすくなる。 In the case of the above-mentioned non-patent document, it is possible to achieve a high output operation because the heat generation due to the wiring resistance is suppressed by eliminating the small wiring film thickness of the step coverage part, but the periphery of the mesa side is covered with a thick wiring metal. Thus, similarly to Patent Document 1, a reliability failure is likely to occur.
そこで、発明者らは、以上のような問題を解決すべく(特に信頼性不良を抑制すべく)、上記各実施形態及び各変形例を発案した。 Therefore, the inventors have devised the above embodiments and modifications in order to solve the above-described problems (in particular, to suppress poor reliability).
10、20、30、40、50…面発光レーザアレイ、10a、20a、30a、40a、50a…発光部(面発光レーザ)、101…基板、110…p側電極配線層、110a、210a、310a…第1の配線層、110b、210b、310b…第2の配線層、1500…レーザアニール装置(レーザ加工機)、2000…レーザ切断機(レーザ加工機)、3000…レーザ・ディスプレイ装置(表示装置)。
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記メサ構造体が形成された前記積層体における、前記メサ構造体の上面の中央部を除く少なくとも一部の領域上に積層され、前記メサ構造体の上面の周辺部に接続された電極配線層を更に備え、
前記電極配線層の厚さは、前記メサ構造体の高さよりも厚いことを特徴とする面発光レーザ。 A laminate including a substrate, a first reflecting mirror laminated on the substrate, an active layer laminated on the first reflecting mirror, and a second reflecting mirror laminated on the active layer In a surface emitting laser including a mesa structure formed by etching
In the laminate in which the mesa structure is formed, an electrode wiring layer is laminated on at least a part of the mesa structure excluding a central portion on the upper surface and connected to a peripheral portion on the upper surface of the mesa structure Further comprising
The surface emitting laser according to claim 1, wherein a thickness of the electrode wiring layer is thicker than a height of the mesa structure.
前記応力緩和部は、前記絶縁層と同じ材料からなることを特徴とする請求項3又は4に記載の面発光レーザ。 An insulating layer is disposed between the stacked body in which the mesa structure is formed and the electrode wiring layer,
5. The surface emitting laser according to claim 3, wherein the stress relaxation part is made of the same material as the insulating layer.
前記空孔は、前記電極配線層の内部における前記オーバーハング部に対応する箇所に形成されていることを特徴とする請求項7に記載の面発光レーザ。 The mesa structure has an overhang portion at the bottom,
The surface emitting laser according to claim 7, wherein the hole is formed at a location corresponding to the overhang portion in the electrode wiring layer.
前記空孔は、前記電極配線層の内部における前記凹部に対応する箇所に形成されていることを特徴とする請求項7に記載の面発光レーザ。 The mesa structure has a recess formed on a side surface,
The surface emitting laser according to claim 7, wherein the hole is formed at a location corresponding to the concave portion inside the electrode wiring layer.
前記レーザ光を出射する請求項10に記載の面発光レーザアレイを備える表示装置。 In a display device that displays information using laser light,
A display device comprising the surface-emitting laser array according to claim 10 that emits the laser light.
前記積層体をエッチングしてメサ構造体を形成する工程と、
前記メサ構造体に電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層が前記メサ構造体に形成された前記積層体上に、前記メサ構造体の上面上にコンタクトホールを有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上及び前記コンタクトホールの周辺部に第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層における前記メサ構造体の側方近傍に誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の配線層上に前記誘電体膜を覆うように第2の配線層を形成する工程と、を含む面発光レーザアレイの製造方法。 A step of sequentially laminating a first reflecting mirror, an active layer, and a second reflecting mirror on a substrate to produce a laminate;
Etching the laminate to form a mesa structure;
Forming a current confinement layer in the mesa structure;
Forming an insulating film having a contact hole on the upper surface of the mesa structure on the stacked body in which the current confinement layer is formed in the mesa structure;
Forming a first wiring layer on the insulating film and in the periphery of the contact hole;
Forming a dielectric film near a side of the mesa structure in the first wiring layer;
Forming a second wiring layer so as to cover the dielectric film on the first wiring layer.
前記誘電体層における前記メサ構造体の側方近傍の部位である前記誘電体膜以外の少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含むことを特徴とする請求項14に記載の面発光レーザアレイの製造方法。 The step of forming the dielectric film includes a sub-step of laminating a dielectric layer on the first wiring layer and in the center of the contact hole,
The surface emitting laser array according to claim 14, further comprising: a sub-process for removing at least a part other than the dielectric film, which is a portion of the dielectric layer near the side of the mesa structure. Manufacturing method.
前記積層体をエッチングして、オーバーハング部を底部に有するメサ構造体を形成する工程と、
前記メサ構造体に電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層が前記メサ構造体に形成された前記積層体上に、前記メサ構造体の上面上にコンタクトホールを有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上及び前記コンタクトホールの周辺部に配線層を形成する工程と、を含む面発光レーザアレイの製造方法。 A step of sequentially laminating a first reflecting mirror, an active layer, and a second reflecting mirror on a substrate to produce a laminate;
Etching the laminate to form a mesa structure having an overhang portion at the bottom;
Forming a current confinement layer in the mesa structure;
Forming an insulating film having a contact hole on the upper surface of the mesa structure on the stacked body in which the current confinement layer is formed in the mesa structure;
Forming a wiring layer on the insulating film and in the peripheral portion of the contact hole.
前記積層体をエッチングしてメサ構造体を形成する工程と、
前記メサ構造体に電流狭窄層を形成する工程と、
前記メサ構造体の側面に凹部を形成する工程と、
前記電流狭窄層が前記メサ構造体に形成された前記積層体上に、前記メサ構造体の上面上にコンタクトホールを有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上及び前記コンタクトホールの周辺部に配線層を形成する工程と、を含む面発光レーザアレイの製造方法。
A step of sequentially laminating a first reflecting mirror, an active layer, and a second reflecting mirror on a substrate to produce a laminate;
Etching the laminate to form a mesa structure;
Forming a current confinement layer in the mesa structure;
Forming a recess on a side surface of the mesa structure;
Forming an insulating film having a contact hole on the upper surface of the mesa structure on the stacked body in which the current confinement layer is formed in the mesa structure;
Forming a wiring layer on the insulating film and in the peripheral portion of the contact hole.
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| JP2018152467A (en) * | 2017-03-13 | 2018-09-27 | 株式会社リコー | Surface-emitting laser element, surface-emitting laser array element, light source unit, laser device, and ignition device |
-
2015
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