JP7200721B2

JP7200721B2 - 面発光レーザモジュール、光源装置、検出装置

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Publication number: JP7200721B2
Application number: JP2019021053A
Authority: JP
Inventors: 美咲石田; 直人軸谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020129588A

Description

本発明は、面発光レーザモジュール、光源装置、及び検出装置に関する。

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。

ＶＣＳＥＬとマイクロレンズアレイを組み合わせて用いる一例として、半導体基板に複数のＶＣＳＥＬ素子が配列されたＶＣＳＥＬチップ上に、ペデスタルにマイクロレンズアレイが一体形成され且つ複数本の脚部が延設されたマイクロレンズ構造を実装したアッセンブリが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記のアッセンブリでは、マイクロレンズアレイとの接合領域、配線、及び電極をＶＣＳＥＬチップ上の異なる領域に配置している。そのため、ＶＣＳＥＬチップ上のＶＣＳＥＬ素子の個数が増大すると、接合領域、配線、及び電極を配置する領域の確保が困難となり、結果としてＶＣＳＥＬチップのサイズを大きくする必要が生じる。

本発明は、ＶＣＳＥＬチップの大型化を抑制可能な面発光レーザモジュールを提供することを目的とする。

本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、面発光レーザ素子が形成された面発光レーザ基板と、前記面発光レーザ基板の前記実装基板とは反対側の面である第１面に実装され、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、前記面発光レーザ基板の前記第１面側には、前記面発光レーザ素子と配線を介して接続された電極が形成され、前記光学部材と接合される接合領域が、前記面発光レーザ基板の前記第１面側における、平面視で面発光レーザ素子と重複せず、かつ、前記配線の屈曲部と重複する位置に画定されている。

開示の技術によれば、ＶＣＳＥＬチップの大型化を抑制可能な面発光レーザモジュールを提供できる。

第１実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する平面図である。第１実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する断面図である。第１実施形態に係るＶＣＳＥＬチップを例示する平面図である。ＶＣＳＥＬチップにおける固定用パターンと配線との位置関係を説明する図（その１）である。ＶＣＳＥＬチップにおける固定用パターンと配線との位置関係を説明する図（その２）である。ＶＣＳＥＬチップにおける固定用パターンと配線との位置関係を説明する図（その３）である。図２のＢ部を拡大して示す断面図である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その１）である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その２）である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その３）である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その４）である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その５）である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その６）である。第１実施形態におけるＶＣＳＥＬ素子の形成方法を示す断面図（その７）である。ＭＬＡ接合領域を画定する位置の他の例を示す平面図（その１）である。ＭＬＡ接合領域を画定する位置の他の例を示す平面図（その２）である。ＭＬＡ接合領域を画定する位置の他の例を示す平面図（その３）である。第２実施形態に係るＶＣＳＥＬチップを例示する平面図である。第３実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する平面図である。第３実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する断面図である。第３実施形態に係るＶＣＳＥＬチップを例示する平面図である。第４実施形態に係る測距装置を例示する図である。

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実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する平面図である。図２は、第１実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する断面図であり、図２（ａ）は図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）の接着剤３３０近傍を拡大して示している。図３は、第１実施形態に係るＶＣＳＥＬチップを例示する平面図である。

図１～図３に示すように、第１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に実装されたＶＣＳＥＬチップ１４０と、ＶＣＳＥＬチップ１４０に実装されたＭＬＡ（Micro Lens Array）１６０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。

なお、本実施形態では、便宜上、面発光レーザモジュール１００のＭＬＡ１６０側を上側又は一方の側、実装基板１２０側を下側又は他方の側とする。又、各部位のＭＬＡ１６０側の面を一方の面又は上面、実装基板１２０側の面を他方の面又は下面とする。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、又は任意の角度で配置できる。又、平面視とは対象物を基板１４１の上面１４１ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基板１４１の上面１４１ａの法線方向から視た形状を指すものとする。他の実施形態についても同様である。

又、各図において、基板１４１の上面１４１ａの法線方向をＺ方向、平面視において基板１４１の上面１４１ａ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。

［実装基板１２０］
実装基板１２０は、基板１２１と、基板１２１上に互いに電気的に独立して形成された電極１２２及び１２３とを備えている。なお、実装基板１２０は、サブマウントと称される場合がある。

基板１２１としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素、ダイヤモンド、銅ダイヤモンド等を用いることができる。これらの材料は、熱伝導率が高いため、熱の拡散性を高められる点で好適である。電極１２２及び１２３の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ等の導電材料を用いることができる。

［ＶＣＳＥＬチップ１４０］
ＶＣＳＥＬチップ１４０は、例えば、平面形状が四角形であり、基板１４１の上面１４１ａ側の略中央部に、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、個別に発光可能な複数のＶＣＳＥＬ素子１５９がアレイ状に配列している。各ＶＣＳＥＬ素子１５９は、ｎ－ＧａＡｓ等からなる半導体基板である基板１４１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。

ＶＣＳＥＬチップ１４０において、基板１４１の上面１４１ａ側の発光素子部１５８より外側の四隅には、接着固定領域として４つのＭＬＡ接合領域が画定されており、各ＭＬＡ接合領域には絶縁層１８１を介して固定用パターン１８２が形成されている。絶縁層１８１は、配線１８８と固定用パターン１８２との導通を防ぐための層である。なお、図２（ｂ）では、配線１８８同士の間隔が狭い部分が絶縁層１８１で埋まっているが、これは必須ではなく、絶縁層１８１は絶縁性を確保できる厚さを有していればよい。

絶縁層１８１の材料としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２等を用いることができる。固定用パターン１８２としては、例えば、上面１４１ａ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を用いることができる。ここで、上面１４１ａ側の四隅とは、平面視における上面１４１ａの角部の近傍を意味しており、必ずしも対象物が上面１４１ａの縁辺に接するように設けられていることを意味するものではない。

なお、絶縁層１８１は、少なくとも固定用パターン１８２の基板１４１側に形成されてＭＬＡ接合領域に位置する配線を被覆していればよく、固定用パターン１８２の周辺に延伸してもよい。例えば、発光素子部１５８の外側の電極１８３の形成領域を除く全領域に、絶縁層１８１を形成してもよい。

基板１４１の上面１４１ａ側の外周部には、基板１４１の各辺に沿って複数の電極１８３が形成されている。電極１８３は、各ＶＣＳＥＬ素子１５９に対して１つずつ形成され、各ＶＣＳＥＬ素子１５９のｐ側電極１８５（図７参照）と一対一で配線により接続されている。ＭＬＡ接合領域は、発光素子部１５８の外側かつ基板１４１の上面１４１ａ側の外周部（電極１８３が形成された領域）の内側に画定されている。

基板１４１の下面１４１ｂには、各々のＶＣＳＥＬ素子１５９に共通の１つのｎ側電極１８４が形成されている。

ＶＣＳＥＬチップ１４０の各々の電極１８３は、金線や銅線等の金属線３１０を介して、実装基板１２０の電極１２２と電気的に接続（ワイヤボンディング）されている。ＶＣＳＥＬチップ１４０のｎ側電極１８４は、導電性接合材３２０を介して、実装基板１２０の電極１２３上に接合されている。導電性接合材３２０は、例えば、錫（Ｓｎ）と他の金属（金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）等）との合金である。

なお、基板１４１の上面１４１ａを基準とする金属線３１０の高さは１２０μｍ程度であり、ＭＬＡ１６０の焦点距離よりも高い。そのため、ＭＬＡ接合領域（固定用パターン１８２を形成する領域）は電極１８３の内側に配置している。

ＶＣＳＥＬ素子１５９の詳細な構造については後述する。

［ＭＬＡ１６０］
ＭＬＡ１６０は、ＶＣＳＥＬチップ１４０の実装基板１２０とは反対側の面に実装され、ＶＣＳＥＬ素子１５９から出射された光が入射するマイクロレンズ１６２を備える光学部材である。

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が設けられ、レンズ領域内の各ＶＣＳＥＬ素子１５９に対応する位置にマイクロレンズ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。各ＶＣＳＥＬ素子１５９から出射された光は、各マイクロレンズ１６２に入射して平行光とされる。

ＭＬＡ１６０の両面に反射防止膜が形成されてもよい。反射防止膜は、例えば、透明基板１６１側から順にＨｆＯ_２／ＳｉＯ_２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できる。

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側から順に蒸着等により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１８２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１８２の平面形状と等しくすることが好ましい。

固定用パターン１６４と固定用パターン１８２とが、低温半田等の接着剤３３０により互いに接合されている。接着剤３３０は接合部材の一例である。

図４は、ＶＣＳＥＬチップにおける固定用パターンと配線との位置関係を説明する図である。図４に示すように、固定用パターン１８２は、配線１８８上に配置されている。配線１８８は、各ＶＣＳＥＬ素子１５９のｐ側電極１８５と電極１８３とを接続するパターンであり、図１、図２（ａ）、及び図３では図示が省略されている。又、図２（ａ）及び図４では配線１８８を模式的に示しているため、両図において配線１８８の本数や形成位置は必ずしも一致しない。

なお、電極１８３のサイズは７０μｍ角程度であり、隣接する電極１８３同士の間隔は１５～２５μｍ程度である。又、固定用パターン１８２のサイズは約１００μｍ角程度である。又、配線１８８の幅は５～１０μｍ程度で、隣接する配線１８８同士の間隔は５～３０μｍ程度である。

このように、固定用パターン１８２を配線１８８上に配置する（すなわち、ＭＬＡ接合領域を配線１８８と平面視で重複する位置に画定する）。これにより、固定用パターン１８２を配線１８８とは別の位置に配置する場合と比較して、ＶＣＳＥＬチップ１４０の大型化を抑制できる。

特に、ＶＣＳＥＬチップ１４０のように、ＶＣＳＥＬ素子１５９が個別に点灯するようにレイアウトされている場合には、ＶＣＳＥＬ素子１５９の数が多くなるほど、固定用パターン１８２を配線１８８上に配置する効果が大きくなる。ＶＣＳＥＬチップ１４０の大型化を抑制できると、１枚のウエハから得られるＶＣＳＥＬチップ１４０の数が多くなるため、ＶＣＳＥＬチップ１４０を低コストで製造できる。

又、ＶＣＳＥＬ素子１５９が個別に点灯するようにレイアウトされている場合には、配線１８８上に固定用パターン１８２を設けると、固定用パターン１８２を配線１８８とは別の位置に配置する場合と比較して、配線１８８の曲がり角の数を少なくできる。

又、配線１８８の曲がり角の数を少なくできると、ＶＣＳＥＬ素子１５９をパルス駆動する際に電流の反射を軽減でき、低損失で電流を伝播させることができる。又、配線１８８の曲がり角の部分での電流の反射は、高周波数駆動になるほど大きくなる。そのため、配線１８８の曲がり角の数を減らすことで、ＶＣＳＥＬ素子１５９の高周波応答特性を向上させることができる。

なお、図４では、固定用パターン１８２の下部を通る配線１８８が全て平行な直線である場合を例示したが、図５に示すように、固定用パターン１８２の下部を通る配線１８８の一部又は全部に曲がり角があってもよい。又、固定用パターン１８２の下部を通る配線１８８の本数は任意である。

図４の場合、配線１８８と平行な方向にＭＬＡ１６０の応力がかかるため、ＭＬＡ１６０を接合する際に、ＭＬＡ１６０の位置がずれやすい。これに対して、図５のように固定用パターン１８２が配線１８８の屈曲部と平面視で重複する場合、配線１８８に曲がり角があることにより応力のかかる方向が分散されるため、図４の場合よりもＭＬＡ１６０を接合する際のずれ量を低減できる。すなわち、ＶＣＳＥＬチップ１４０に対してＭＬＡ１６０を精度よく実装できる。

又、図６に示すように、固定用パターン１８２の下部に電極１８３及び配線１８８があってもよい。或いは、固定用パターン１８２の下部に電極１８３のみがあり、配線１８８がなくてもよい。すなわち、ＭＬＡ接合領域は、配線１８８及び／又は電極１８３と平面視で重複する位置に画定されていればよい。

図６の場合、固定用パターン１８２の下部に電極１８３の角の部分があることにより、図５の場合と同様に応力のかかる方向が分散されるため、図４の場合よりもＭＬＡ１６０を接合する際のずれ量を低減できる。すなわち、ＶＣＳＥＬチップ１４０に対してＭＬＡ１６０を精度よく実装できる。

ここで、ＶＣＳＥＬ素子１５９の詳細な構造、及びＶＣＳＥＬチップ１４０の形成方法について説明する。

［ＶＣＳＥＬ素子１５９の詳細な構造］
図７は、図２のＢ部を拡大して示す断面図である。図７に示すように、ＶＣＳＥＬ素子１５９は、例えば、ｎ－ＧａＡｓ基板等の基板１４１上に順次積層された、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－Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ－Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ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－Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｐ－Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ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の光学的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、厚さが３０ｎｍ程度の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の一部がエッチングにより除去されて、発光素子部１５８内にＶＣＳＥＬ素子１５９に対応するメサ１５０が形成されている。又、隣り合うメサ１５０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。なお、メサ１５０の側面は、スペーサ層１４４側に末広がりとなるテーパ形状としてもよい。

メサ１５０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_２等を用いることができる。絶縁層１５３には、各メサ１５０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。

絶縁層１５３上に、メサ１５０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１８５が形成されている。各ｐ側電極１８５は、個々に配線１８８を介して電極１８３に接続されている。ｐ側電極１８５、配線１８８及び電極１８３としては、例えば、基板１４１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。

基板１４１の下面に、ｎ側電極１８４が形成されている。ｎ側電極１８４は、例えば、基板１４１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。

ＶＣＳＥＬチップ１４０において、ｎ側電極１８４と任意のメサ１５０のｐ側電極１８５との間に外部の電源から所定の電圧を印加すると、選択されたメサ１５０に電流が流れ、メサ１５０から矢印Ｌ方向にレーザ光が出射される。各メサ１５０は、独立して発光させることができる。

なお、上記の説明では、発光部（各量子井戸層）の材料としてＩｎＧａＡｓを用いる例を示したが、これに限定されない。発光部（各量子井戸層）の材料として、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＰＡｓを用いた場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。又、発光部（各量子井戸層）の材料が何れの場合であっても、その組成は問わない。又、上記の説明では、各ＶＣＳＥＬ素子１５９の発振波長の例として９４０ｎｍ帯を挙げたが、これに限定されない。各ＶＣＳＥＬ素子１５９の発振波長は、材料を適切に選択することにより、例えば、９８０ｎｍ帯、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯とすることができる。

［ＶＣＳＥＬチップ１４０の形成方法］
図８Ａ～図８Ｇは、ＶＣＳＥＬ素子１５９の形成方法を示す断面図であり、図７に対応する断面を示している。

まず、図８Ａ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_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）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_４）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。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１４８上に所望のメサ１５０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_２ガスを用いた誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）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８Ｂに示すように、メサ１５０を形成する。この際、メサ１５０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８Ｃに示すように、メサ１５０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１５０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１５０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１５０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８Ｄに示すように、写真製版技術を用いて、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。そして、例えばＣｌ_２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、コンタクト層１４２に達する溝１５２を形成する。

次に、図８Ｅに示すように、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、メサ１５０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_２等を用いることができる。

次に、図８Ｆに示すように、写真製版技術を用い、メサ１５０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８Ｇ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１８５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。又、基板１４１の下面にｎ側電極１８４を形成する。ｎ側電極１８４は、例えば、ｐ側電極１８５と同様にして形成できる。

このようにしてＶＣＳＥＬ素子１５９を形成できる。

さらに、ＶＣＳＥＬ素子１５９のｐ側電極１８５に接続される配線及び電極１８３を形成する。配線１８８及び電極１８３は、例えば、写真製膜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形成できる。配線１８８及び電極１８３としては、例えば、上面１４１ａ側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した積層膜のパターンを用いることができる。なお、配線１８８及び電極１８３の形成は、ｐ側電極１８５の形成と同時に行ってもよい。

次に、各ＭＬＡ接合領域に絶縁層１８１を介して固定用パターン１８２を形成する。絶縁層１８１は、例えば、プラズマＣＶＤ法により形成できる。絶縁層１８１の材料としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２等を用いることができる。固定用パターン１８２は、例えば、写真製膜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形成できる。固定用パターン１８２としては、例えば、上面１４１ａ側から順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層した積層膜のパターンを用いることができる。

このようにしてＶＣＳＥＬチップ１４０を形成できる。

［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。

まず、電極１２２及び電極１２３が形成された実装基板１２０に、ＶＣＳＥＬチップ１４０を実装する。

最初に、実装基板１２０の電極１２３上に、例えば、錫（Ｓｎ）と他の金属（金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）等）との合金である導電性接合材３２０を配置する。そして、ｎ側電極１８４が導電性接合材３２０と接するように、実装基板１２０上にＶＣＳＥＬチップ１４０を配置する。

次に、所定の環境下において、ＶＣＳＥＬチップ１４０を実装基板１２０側に押圧しながら導電性接合材３２０を加熱し、その後冷却する。これにより、実装基板１２０の電極１２３とＶＣＳＥＬチップ１４０のｎ側電極１８４とが、導電性接合材３２０を介して接合される。次に、周知のワイヤボンディング法により、実装基板１２０の各電極１２２とＶＣＳＥＬチップ１４０の各電極１８３とを、金属線３１０を用いて接合する。

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１８２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１８２との間に接着剤３３０となる低温半田を配置する。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１８２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をＶＣＳＥＬチップ１４０に対して高精度に位置を合わせできる。又、固定用パターン１８２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。

なお、ＶＣＳＥＬの光利用効率を高くするためには、ＶＣＳＥＬチップ１４０上に、ＸＹＺの３方向それぞれで±数μｍの高い実装精度でＭＬＡ１６０を実装することが好ましい。

以上の説明では、固定用パターン１８２が形成されるＭＬＡ接合領域を、図３に示すような発光素子部１５８より外側の四隅に画定したが、これには限定されない。

固定用パターン１８２が形成されるＭＬＡ接合領域は、例えば、図９に示すように、発光素子部１５８の角部以外の４個所に画定してもよい。又、固定用パターン１８２が形成されるＭＬＡ接合領域は、例えば、図１０に示すように、発光素子部１５８の外側に額縁状に画定してもよい。又、固定用パターン１８２が形成されるＭＬＡ接合領域は、例えば、図１１に示すように、発光素子部１５８の外側の３辺に沿って画定してもよい。

又、固定用パターン１８２が形成されるＭＬＡ接合領域は、四角形には限定されず、例えば、円形や楕円形等であってもよい。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、一括して発光可能な複数のＶＣＳＥＬ素子が発光素子部に配列された面発光レーザモジュールの例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１２は、第２実施形態に係るＶＣＳＥＬチップを例示する平面図である。面発光レーザモジュール１００において、ＶＣＳＥＬチップ１４０に代えて、図１２に示すＶＣＳＥＬチップ１４０Ａを用いてもよい。ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａは、面発光レーザ基板の一例である。

図１２に示すように、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａは、ＶＣＳＥＬチップ１４０（図３参照）と同様に複数のＶＣＳＥＬ素子１５９を有する。しかし、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａは、各ＶＣＳＥＬ素子１５９のｐ側電極１８５が相互に接続され、発光素子部１５８の外側に形成された共通電極であるアノード電極１８６に接続されている点がＶＣＳＥＬチップ１４０と相違する。ここで、アノード電極１８６は、ＶＣＳＥＬチップ１４０における配線１８８及び電極１８３に相当する。

すなわち、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａにおいて、各メサ１５０同士は並列に接続されており、ｎ側電極１８４とアノード電極１８６との間に外部の電源から所定の電圧を印加すると、全メサ１５０に電流が流れ、全メサ１５０からレーザ光が同時に出射される。

ＭＬＡ接合領域は、アノード電極１８６と平面視で重複する位置に画定されている。具体的には、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａの発光素子部１５８より外側の四隅に、接着固定領域として４つのＭＬＡ接合領域が画定されており、各ＭＬＡ接合領域には絶縁層１８１を介して固定用パターン１８２が形成されている。つまり、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａにおいて、絶縁層１８１及び固定用パターン１８２の積層構造は、ＶＣＳＥＬチップ１４０の場合と同様である。

なお、図１２の例では、固定用パターン１８２の下部にベタ状のアノード電極１８６が配置されているが、固定用パターン１８２の下部のアノード電極１８６のパターンを図４～図６で示したパターンとしてもよい。

このように、複数のＶＣＳＥＬ素子１５９が一括点灯するパターンを有するＶＣＳＥＬチップ１４０Ａにおいて、固定用パターン１８２をアノード電極１８６上に配置する（すなわち、ＭＬＡ接合領域をアノード電極１８６と平面視で重複する位置に画定する）。これにより、固定用パターン１８２をアノード電極１８６とは別の位置に配置する場合と比較して、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａの大型化を抑制できる。ＶＣＳＥＬチップ１４０Ａの奏する他の効果についても、ＶＣＳＥＬチップ１４０の場合と同様である。

以上の説明では、固定用パターン１８２が形成されるＭＬＡ接合領域を、図１２に示すような発光素子部１５８より外側の四隅に画定したが、これには限定されない。

〈第３実施形態〉
第３実施形態では、ＶＣＳＥＬチップとＭＬＡとを非導電性の接着剤により接合する例を示す。なお、第３実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１３は、第３実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する平面図である。図１４は、第３実施形態に係る面発光レーザモジュールを例示する断面図であり、図１４（ａ）は図１３のＡ－Ａ線に沿う断面を示し、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の接着剤３４０近傍を拡大して示している。図１５は、第３実施形態に係るＶＣＳＥＬチップを例示する平面図である。

図１３～図１５に示すように、面発光レーザモジュール１００Ａは、ＶＣＳＥＬチップ１４０がＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂに置換された点が、面発光レーザモジュール１００（図１～図３参照）と相違する。ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂは、面発光レーザ基板の一例である。

ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂにおいて、基板１４１の上面１４１ａ側の発光素子部１５８より外側の四隅には、接着固定領域として４つのＭＬＡ接合領域１８７が画定されている。各ＭＬＡ接合領域１８７は、各固定用パターン１６４に対向する位置に画定されている。

ＭＬＡ接合領域１８７内には、例えば図４～図６に示すように、配線１８８や電極１８３が配置されている。言い換えれば、配線１８８や電極１８３が配置されている領域に、ＭＬＡ接合領域１８７が画定されている。但し、各ＭＬＡ接合領域１８７上には、絶縁層１８１や固定用パターン１８２は形成されていない。

固定用パターン１６４とＭＬＡ接合領域１８７とは、非導電性の接着剤３４０により互いに接合されている。接着剤３４０は接合部材の一例である。

非導電性の接着剤３４０としては、例えば、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系等の樹脂を主成分とする接着剤を用いることができる。これらの中でも、紫外線硬化型や常温硬化型の接着剤が好ましい。

接着剤３４０として非導電性の接着剤を用いることで、絶縁層を介さずに、基板１４１の上面１４１ａ側に形成された配線１８８や電極１８３上に接着剤３４０を直接塗布することができる。

ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂ上にＭＬＡ１６０を接合するには、例えば、ＶＣＳＥＬチップ１４０ＢとＭＬＡ１６０にそれぞれ設けたアライメントマークを用いて位置合わせし、接着剤３４０で固着するパッシブアライメント法を用いることができる。或いは、ＶＣＳＥＬチップ１４０ＢのＶＣＳＥＬ素子を発光させた状態でＭＬＡ１６０を動かし、光学的に最適な位置へ調整し、接着剤３４０で固着するアクティブアライメント法等を用いてもよい。

このように、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂでは、配線１８８や電極１８３が配置されている領域にＭＬＡ接合領域１８７を画定し、固定用パターン１６４とＭＬＡ接合領域１８７とを非導電性の接着剤３４０により互いに接合している。これにより、配線１８８や電極１８３が配置されていない領域にＭＬＡ接合領域１８７を画定する場合と比較して、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂの大型化を抑制できる。その他の効果についてもＶＣＳＥＬチップ１４０の場合と同様である。

又、ＶＣＳＥＬチップ１４０ＢとＭＬＡ１６０との接合に非導電性の接着剤３４０を用いることで、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂの熱をＭＬＡ１６０に伝え難くできるという効果も得られる。

なお、ＶＣＳＥＬチップ１４０Ｂ側の固定用パターンとして、ＭＬＡ接合領域１８７に固定用パターン１６４と同形状の絶縁層を形成し、絶縁層と固定用パターン１６４とを非導電性の接着剤３４０により互いに接合してもよい。

第３実施形態は、第２実施形態に係るＶＣＳＥＬチップ１４０Ａに適用することも可能である。

以上の説明では、ＭＬＡ接合領域１８７を、図１５に示すような発光素子部１５８より外側の四隅に画定したが、これには限定されない。

ＭＬＡ接合領域１８７は、例えば、図９と同様に、発光素子部１５８の角部以外の４個所に画定してもよい。又、ＭＬＡ接合領域１８７は、例えば、図１０と同様に、発光素子部１５８の外側に額縁状に画定してもよい。ＭＬＡ接合領域１８７は、例えば、図１１と同様に、発光素子部１５８の外側の３辺に沿って画定してもよい。

又、ＭＬＡ接合領域１８７は、四角形には限定されず、例えば、円形や楕円形等であってもよい。

（第４実施形態）
第１～第３実施形態で例示した面発光レーザモジュールは、様々な光源装置として利用できる。一例として、面発光レーザモジュールを固体レーザや蛍光体等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できる。又、面発光レーザモジュールと面発光レーザモジュールからの光を発散又は収束させる光学素子（レンズやミラー、回折格子等）とを組み合わせて、検出装置用の光源装置として利用することもできる。検出装置は、光源装置と受光部とを有し、例えば、物の存在を検知したり、対象物との距離や相対速度を測定したりできる。

第４実施形態では、検出装置の具体例として測距装置について説明する。
なお、第４実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１６は、第４実施形態に係る測距装置を例示する図である。

第４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～第３実施形態に係る面発光レーザモジュールの何れかを含む。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の面発光レーザ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。又、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の面発光レーザ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、対象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。但し、測距装置４００の外部へと照射され、対象物を透過したレーザ光を受光部４２０で受光する構成としてもよい。

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、光源４１１の駆動信号と受光素子４２１からの信号の２信号の遅延時間に基づき、対象物までの距離を算出できる。又、面発光レーザ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。

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

１００、１００Ａ面発光レーザモジュール
１２０実装基板
１４０、１４０Ａ、１４０ＢＶＣＳＥＬチップ
１４１基板
１５０メサ
１５８発光素子部
１５９ＶＣＳＥＬ素子
１６０ＭＬＡ
１６２マイクロレンズ
１６４、１８２固定用パターン
１８１絶縁層
１８３電極
１８４ｎ側電極
１８５ｐ側電極
１８８配線
３３０、３４０接着剤
４００測距装置

特開２００７－１４２４２５号公報

Claims

実装基板と、
前記実装基板に実装され、面発光レーザ素子が形成された面発光レーザ基板と、
前記面発光レーザ基板の前記実装基板とは反対側の面である第１面に実装され、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、
前記面発光レーザ基板の前記第１面側には、前記面発光レーザ素子と配線を介して接続された電極が形成され、
前記光学部材と接合される接合領域が、前記面発光レーザ基板の前記第１面側における、平面視で面発光レーザ素子と重複せず、かつ、前記配線の屈曲部と重複する位置に画定されている面発光レーザモジュール。
前記光学部材には、第１固定用パターンが形成され、
前記第１固定用パターンと前記接合領域とが非導電性の接合部材により接合されている請求項１に記載の面発光レーザモジュール。
前記光学部材には、第１固定用パターンが形成され、
前記接合領域には、前記配線及び前記電極の少なくとも一方を被覆する絶縁層が形成され、
前記第１固定用パターンと前記絶縁層とが非導電性の接合部材により接合されている請求項１に記載の面発光レーザモジュール。
実装基板と、
前記実装基板に実装され、面発光レーザ素子が形成された面発光レーザ基板と、
前記面発光レーザ基板の前記実装基板とは反対側の面である第１面に実装され、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、
前記面発光レーザ基板の前記第１面側には、前記面発光レーザ素子と配線を介して接続された電極が形成され、
前記光学部材と接合される接合領域が、前記面発光レーザ基板の前記第１面側における、前記配線及び前記電極の少なくとも一方と平面視で重複する位置に画定され、
前記光学部材に形成された第１固定用パターンと前記接合領域とが非導電性の接合部材により接合されている面発光レーザモジュール。
前記接合領域には、前記配線及び前記電極の少なくとも一方を被覆する絶縁層が形成され、
前記第１固定用パターンと前記絶縁層とが前記接合部材により接合されている請求項４に記載の面発光レーザモジュール。
前記接合領域には、前記配線及び前記電極の少なくとも一方を被覆する絶縁層を介して第２固定用パターンが形成され、
前記第１固定用パターンと前記第２固定用パターンとが前記接合部材により接合されている請求項４に記載の面発光レーザモジュール。
前記面発光レーザ基板は、個別に発光可能な複数の面発光レーザ素子が配列された発光素子部を有し、
前記電極は、各面発光レーザ素子に対して１つずつ形成されて前記面発光レーザ基板の前記第１面側の外周部に配置され、
前記接合領域は、前記発光素子部の外側かつ前記外周部の内側に画定されている請求項１乃至６の何れか一項に記載の面発光レーザモジュール。
前記面発光レーザ基板は、一括して発光可能な複数の面発光レーザ素子が配列された発光素子部を有し、
前記電極は、各面発光レーザ素子に接続された１つの共通電極であって、前記面発光レーザ基板の前記第１面側の前記発光素子部の外側に配置され、
前記接合領域は、前記共通電極と平面視で重複する位置に画定されている請求項１乃至６の何れか一項に記載の面発光レーザモジュール。
請求項１乃至８の何れか一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、を有する光源装置。
請求項９に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射され、対象物で反射された光又は対象物を透過した光を受光する受光部と、を有する検出装置。