JP7683252B2 - 面発光レーザアレイ、光源モジュール及び測距装置 - Google Patents

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Description

本発明は、面発光レーザアレイ、光源モジュール及び測距装置に関する。
近年、ＬｉＤＡＲ等をはじめとした、ＴＯＦ（Time Of Flight）技術を活用した測距センサの普及が急速に進んでいる。このような測距センサのキーデバイスとして、２次元アレイ化が可能なため光源の配置設計が容易、かつ波長の温度変動が小さい垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）アレイが期待されている。
従来、ＶＣＳＥＬアレイの駆動電流の低減を目的として、面発光レーザ素子を直列に接続した構成が提案されている。
従来のＶＣＳＥＬアレイには、小型化に改善の余地がある。
本発明は、小型化できる面発光レーザアレイ、光源モジュール及び測距装置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、面発光レーザアレイは、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板を通して光を出射し、互いに電気的に並列に接続された複数の面発光レーザ素子を含む複数のサブアレイと、を有し、前記面発光レーザ素子は、それぞれ、前記半導体基板側から順に、第１導電型の第１半導体層と、共振器と、第２導電型の第２半導体層と、を有し、隣り合う前記サブアレイは、一方の前記サブアレイに含まれる複数の前記面発光レーザ素子内の前記第１半導体層と、他方の前記サブアレイに含まれる複数の前記面発光レーザ素子内の前記第２半導体層とを共通に接続する電極を有しており、前記複数のサブアレイが電気的に直列に接続され、前記複数のサブアレイが配列する配列方向に関して、前記複数のサブアレイのうちの１つのサブアレイ内で該配列方向に２つ以上の前記面発光レーザ素子が並び、該２つ以上の面発光レーザ素子の各々の前記第２半導体層に電気的に接続される領域が、前記１つのサブアレイ上に配置されており、前記電極は、前記２つ以上の面発光レーザ素子の各々の前記第２半導体層に電気的に接続され、前記電極を覆い、かつ、前記サブアレイ上の前記電極の一部を露出する開口が設けられた誘電体層を備える。
開示の技術によれば、小型化できる。
第１実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイを示す等価回路図である。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイを示す平面図である。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイを含む光源モジュールの第１例を示す断面図である。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイを含む光源モジュールの第２例を示す断面図である。 第１実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。 第２実施形態に係る面発光レーザアレイを示す等価回路図である。 第２実施形態に係る面発光レーザアレイを含む光源モジュールを示す断面図である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その１）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その２）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その３）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その４）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その５）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その６）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その７）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図（その８）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す平面図（その１）である。 第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す平面図（その２）である。 第４実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。 第４実施形態に係る面発光レーザアレイを示す等価回路図である。 第４実施形態に係る面発光レーザアレイを含む光源モジュールを示す断面図である。 第５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。
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。第１実施形態は、垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）アレイに関する。図１は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。図２は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイを示す等価回路図である。図３は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイを示す平面図である。
第１実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ１００は、図１に示されるように、基板１０１と、基板１０１の上の第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２と、カソードパッド部１２９とを有する。図２に示されるように、第１サブアレイ１２１及び第２サブアレイ１２２は互いに直列に接続されている。第１サブアレイ１２１及び第２サブアレイ１２２は、それぞれ、基板１０１を通して光Ｌを出射する２個のＶＣＳＥＬ素子１２４を含む。第１サブアレイ１２１内で２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続され、第２サブアレイ１２２内で２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続されている。カソードパッド部１２９は、疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５を含む。図１及び図３に示されるように、第２サブアレイ１２２は、第１サブアレイ１２１とカソードパッド部１２９との間にある。基板１０１は、例えばノンドープの半絶縁性のＧａＡｓ基板である。
ＶＣＳＥＬ素子１２４は、第１導電型を有する第１コンタクト層１０２と、第１導電型を有する第１多層膜反射鏡１０３と、共振器１０４と、第２導電型を有する第２多層膜反射鏡１０６と、第２導電型を有する第２コンタクト層１０７とを有する。
第１コンタクト層１０２は基板１０１の上にある。第１コンタクト層１０２は、例えば高ドープのＧａＡｓ層である。第１サブアレイ１２１に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は１個の第１コンタクト層１０２を共有し、第２サブアレイ１２２に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は１個の第１コンタクト層を共有する。第１コンタクト層１０２は第１半導体層の一例である。
第１多層膜反射鏡１０３は第１コンタクト層１０２の上にある。第１多層膜反射鏡１０３は、屈折率の異なる２種類の層を交互に含む。例えば、一方の層（高屈折率層）はＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層であり、他方の層（低屈折率層）はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。図示を省略するが、第１多層膜反射鏡１０３は、高屈折率層と低屈折率層との間に、組成が連続的に変化する組成傾斜層を含み、組成傾斜層の中心までを含む各層の光学厚さは、レーザの発振波長をλとしてλ／４である。
共振器１０４は第１多層膜反射鏡１０３の上にある。共振器１０４は、下スペーサ層と、下スペーサ層の上の活性層と、活性層の上の上スペーサ層とを含む。共振器１０４の光学長はλである。例えば、発振波長λは９４０ｎｍである。
第２多層膜反射鏡１０６は共振器１０４の上にある。第２多層膜反射鏡１０６は、屈折率の異なる２種類の層を交互に含む。例えば、一方の層（高屈折率層）はＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層であり、他方の層（低屈折率層）はＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。図示を省略するが、第２多層膜反射鏡１０６は、高屈折率層と低屈折率層との間に、組成が連続的に変化する組成傾斜層を含み、組成傾斜層の中心までを含む各層の光学厚さは、レーザの発振波長をλとしてλ／４である。第２多層膜反射鏡１０６における高屈折率層及び低屈折率層のペア数は、第１多層膜反射鏡１０３における高屈折率層及び低屈折率層のペア数よりも多い。これにより、ＶＣＳＥＬ素子１２４は基板１０１を通して光Ｌを出射することができる。
第２多層膜反射鏡１０６は選択酸化層１０５を含む。選択酸化層１０５は、酸化領域１０５ａ及び非酸化領域１０５ｂを含む。選択酸化層１０５のＡｌ組成は周辺の層と比べて高く、例えば、選択酸化層１０５はＡｌＡｓ層である。
第２コンタクト層１０７は第２多層膜反射鏡１０６の上にある。第２コンタクト層１０７は、例えば高ドープのＧａＡｓ層である。第２コンタクト層１０７は第２半導体層の一例である。
疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５はＶＣＳＥＬ素子１２４と同様の積層構造を有する。
ＶＣＳＥＬアレイ１００は、ＶＣＳＥＬ素子１２４及び疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５を覆う絶縁層１０８を有する。絶縁層１０８は、例えば、ＳｉＮ層又はＳｉＯ２層等である。絶縁層１０８は、第１サブアレイ１２１に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４の第２コンタクト層１０７を露出する開口１０８ａと、第２サブアレイ１２２に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４の第２コンタクト層１０７を露出する開口１０８ｂとを有する。絶縁層１０８は、疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５の第２コンタクト層１０７を露出する開口を有しない。絶縁層１０８は、第１サブアレイ１２１に含まれる第１コンタクト層１０２を露出する開口１０８ｓと、第２サブアレイ１２２に含まれる第１コンタクト層１０２を露出する開口１０８ｔとを有する。
ＶＣＳＥＬアレイ１００は、絶縁層１０８の上の電極１０９ａと、電極１０９ｂと、電極１０９ｘとを有する。電極１０９ａは、開口１０８ａを通じて、第１サブアレイ１２１に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４の第２コンタクト層１０７に接触する。電極１０９ｂは、開口１０８ｂを通じて、第２サブアレイ１２２に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４の第２コンタクト層１０７に接触する。電極１０９ｂは、コンタクト領域１２６（図３参照）において、第１サブアレイ１２１に含まれる第１コンタクト層１０２にも接触する。電極１０９ｘは、カソードパッド部１２９において絶縁層１０８の上にあるが、疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５の第２コンタクト層１０７に接触しない。電極１０９ｘは、コンタクト領域１２７（図３参照）において、第２サブアレイ１２２に含まれる第１コンタクト層１０２に接触する。コンタクト領域１２６は開口１０８ｓに相当し、コンタクト領域１２７は開口１０８ｔに相当する。電極１０９ａ、１０９ｂ及び１０９ｘは、例えばＴｉ膜と、Ｔｉ膜の上のＰｔ膜と、Ｐｔ膜の上のＡｕ膜とを備えた積層体等である。なお、第１コンタクト層１０２とのオーミック接続のための下地層と、第２コンタクト層１０７とのオーミック接続のための下地層とが相違していてもよい。
ＶＣＳＥＬアレイ１００は、基板１０１の出射側の面（裏面）に反射防止膜１１０を有する。反射防止膜１１０の光学厚さはλ／４である。
第１実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ１００では、第１サブアレイ１２１における第１コンタクト層１０２と、第２サブアレイ１２２における第２コンタクト層１０７とは、基板１０１を介して導通していない。電極１０９ｂが、第１サブアレイ１２１における第１コンタクト層１０２と、第２サブアレイ１２２における第２コンタクト層１０７とを接続する。従って、第１サブアレイ１２１と第２サブアレイ１２２とが直列に接続される。このため、第１実施形態によれば、すべてのＶＣＳＥＬ素子１２４が並列に接続されている場合と比較して、駆動電流を凡そ半分に低減することができる。
また、電極１０９ａと電極１０９ｘとの間に電位差を与えれば、ＶＣＳＥＬアレイ１００を駆動させることができる。従って、第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２の各々に実装用のアノードパット及びカソードパッドを設ける必要がない。このため、小型化に好適である。また、ＶＣＳＥＬ素子１２４の間での発光部の間隔を小さくし、発光むらを抑制することができる。
次に、ＶＣＳＥＬアレイ１００を含む光源モジュールについて説明する。図４は、ＶＣＳＥＬアレイ１００を含む光源モジュールの第１例を示す断面図である。図５は、ＶＣＳＥＬアレイ１００を含む光源モジュールの第２例を示す断面図である。
光源モジュールの第１例は、図４に示されるように、ＶＣＳＥＬアレイ１００が実装されたサブマウント１５０を有する。サブマウント１５０は、ＡｌＮからなる絶縁性基板１５１と、絶縁性基板１５１の上の電極１５２及び１５３とを有する。電極１５２は電極１０９ａに対向し、電極１５３は電極１０９ｘに対向する。光源モジュールは、電極１５２と電極１０９ａとの間と、電極１５３と電極１０９ｘとの間に接合材１５４を有する。サブマウント１５０は実装基板の一例である。
光源モジュールの製造の際には、ＶＣＳＥＬアレイ１００は、位置合わせされた状態でジャンクションダウンされて接合される。接合材１５４は、例えば導電性ペースト、はんだ材料等を用いて形成される。熱や超音波を用いた金属接合により、接合材を用いずに接合面が形成されてもよい。
このような第１例では、ＶＣＳＥＬアレイ１００の電極１０９ａと電極１０９ｘとの間に、電極１５２及び１５３から電位差が与えられる。
光源モジュールの第２例では、図５に示されるように、サブマウント１５０が、第１例の構成に加えて、電極１５５を有する。電極１５５は電極１０９ｂに対向する。光源モジュールは、電極１５５と電極１０９ｂとの間にも接合材１５４を有する。他の構成は第１例と同様である。
このような第２例でも、ＶＣＳＥＬアレイ１００の電極１０９ａと電極１０９ｘとの間に、電極１５２及び１５３から電位差が与えられる。電極１５５は電流経路に含まれないが、第２サブアレイ１２２に含まれるＶＣＳＥＬ素子１２４内で発生した熱が、電極１５５と、その上の接合材１５４とを介して効率的にサブマウント１５０に放出される。
第１例、第２例のいずれにおいても、光源モジュールの製造の際には、接合材１５４の間での短絡を防止することが重要である。本実施形態では、２個のＶＣＳＥＬ素子１２４に１個の電極１０９ａ又は１０９ｂが対応するため、接合材１５４の間隔を比較的大きくすることができ、短絡を防止しやすい。
（第１実施形態の変形例）
ここで、第１実施形態の変形例について説明する。図６は、第１実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す平面図である。
この変形例では、コンタクト領域１２６が、第１サブアレイ１２１と第２サブアレイ１２２との間ではなく、第１サブアレイ１２１と第２サブアレイ１２２とが並ぶ方向に垂直な方向で第１サブアレイ１２１の側方にある。従って、第１実施形態と比較して、第１サブアレイ１２１内のＶＣＳＥＬ素子１２４と第２サブアレイ１２２内のＶＣＳＥＬ素子１２４との間の距離が小さい。このため、ＶＣＳＥＬアレイ１００内のＶＣＳＥＬ素子１２４の間隔のばらつきが小さくなり、発光むらをより抑制することができる。また、更なる小チップ化が可能となる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイに関する。図７は、第２実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。図８は、第２実施形態に係る面発光レーザアレイを示す等価回路図である。
第２実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ２００では、図７に示されるように、第１サブアレイ１２１及び第２サブアレイ１２２は、それぞれ、基板１０１を通して光Ｌを出射する３個のＶＣＳＥＬ素子１２４を含む。図８に示されるように、第１サブアレイ１２１内で３個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続され、第２サブアレイ１２２内で３個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続されている。
ＶＣＳＥＬアレイ２００は、電極１０９ａ、１０９ｂ及び１０９ｘを覆う誘電体層１１１を有する。誘電体層１１１は、第１サブアレイ１２１内で電極１０９ａを露出する開口１１１ａと、第２サブアレイ１２２内で電極１０９ｂを露出する開口１１１ｂと、カソードパッド部１２９内で電極１０９ｘを露出する開口１１１ｘとを有する。開口１１１ａは凡そ第１サブアレイ１２１内の３個のＶＣＳＥＬ素子１２４のうち中央に位置するものの上方にある。開口１１１ｂは凡そ第２サブアレイ１２２内の３個のＶＣＳＥＬ素子１２４のうち中央に位置するものの上方にある。開口１１１ｘは疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５の上方にある。電極１０９ａの開口１１１ａから露出した部分、電極１０９ｂの開口１１１ｂから露出した部分及び電極１０９ｘの開口１１１ｘから露出した部分が実装パッドとして機能する。誘電体層１１１は、例えば、ＳｉＮ層又はＳｉＯ２層等である。
他の構成は第１実施形態と同様である。
第２実施形態では、設計者は、実装パッドの位置をＶＣＳＥＬ素子１２４の発光点から独立して設計することができる。例えば、隣り合う第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２の間におけるＶＣＳＥＬ素子１２４の発光点の間隔は、隣り合う実装パッドの間隔よりも小さい。このため、発光むらがより抑制される。
次に、ＶＣＳＥＬアレイ２００を含む光源モジュールについて説明する。図９は、ＶＣＳＥＬアレイ２００を含む光源モジュールを示す断面図である。
光源モジュールは、図９に示されるように、ＶＣＳＥＬアレイ２００が実装されたサブマウント１５０を有する。サブマウント１５０は、絶縁性基板１５１と、絶縁性基板１５１の上の電極１５２、１５３及び１５５と、誘電体層１５６とを有する。電極１５２、１５３及び１５５の誘電体層１５６から露出した部分が第２実装パッドとして機能する。例えば、第１サブアレイ１２１の実装パッドと電極１５２の第２実装パッドとは同一の平面形状を有する。例えば、第２サブアレイ１２２の実装パッドと電極１５５の第２実装パッドとは同一の平面形状を有する。例えば、カソードパッド部１２９の実装パッドと電極１５３の第２実装パッドとは同一の平面形状を有する。接合材１５４は、例えばＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ等のはんだである。
このような光源モジュールでは、ＶＣＳＥＬアレイ２００とサブマウント１５０とが接合される接合領域は、誘電体層１１１及び１５６に依存し、ＶＣＳＥＬ素子１２４の発光部は接合領域の影響を受けない。上記のように、例えば、隣り合う第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２の間におけるＶＣＳＥＬ素子１２４の発光点の間隔は、隣り合う実装パッドの間隔よりも小さい。この場合、接合材１５４同士の短絡が防止され、かつ発光点の間隔が狭くされ得る。このため、発光むらがより抑制される。また、上記の第２例と同様に、良好な放熱特性が得られる。
一般に、ＶＣＳＥＬ素子１２４はリソグラフィ技術と半導体プロセスによって形成され、接合材１５４の間隔はＶＣＳＥＬ素子１２４の間隔よりも大きくなりやすい。本実施形態によれば、実装パッドの間隔に制限されることなくＶＣＳＥＬ素子１２４の発光部が配置され得る。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイに関する。図１０は、第３実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。
第３実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ３００は、図１０に示されるように、開口１１１ａ内、開口１１１ｂ内及び開口１１１ｘ内にはんだ膜１１２を有する。はんだ膜１１２は、例えば蒸着又はスパッタリング等により成膜される。第３実施形態では、はんだ膜１１２が実装パッドとして機能する。
他の構成は第２実施形態と同様である。
第３実施形態によっても第２実施形態と同様の効果が得られる。また、サブマウント１５０への実装が簡易になる。
次に、第３実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ３００の製造方法について説明する。図１１～図１８は、第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す断面図である。図１９～図２０は、第３実施形態に係る面発光レーザアレイの製造方法を示す平面図である。図１２は、図１９中のXII-XII線に沿った断面図に相当し、図１４は、図２０中のXIV-XIV線に沿った断面図に相当する。
まず、図１１に示されるように、基板１０１上に、第１コンタクト層１０２、第１多層膜反射鏡１０３、共振器１０４、第２多層膜反射鏡１０６及び第２コンタクト層１０７が順次成長される。第１コンタクト層１０２、第１多層膜反射鏡１０３、共振器１０４、第２多層膜反射鏡１０６及び第２コンタクト層１０７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される。ここでは、ＭＯＣＶＤ法を用いた例が示される。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）等が用いられ、Ｖ族の原料に、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）が用いられる。一例として、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ４）が用いられ、ｎ型ドーパントの原料にはモノシラン（ＳｉＨ４）が用いられる。
基板１０１としては、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板が用いられる。
第１コンタクト層１０２は、例えば厚さが３μｍのｎ型ＧａＡｓ層である。第１コンタクト層１０２のオーバーエッチを防止するために、第１コンタクト層１０２と第１多層膜反射鏡１０３との間にＡｌＧａＩｎＰ層又はＧａＩｎＰ層等のエッチストップ層が形成されてもよい。
第１多層膜反射鏡１０３は２４．５ペアの高屈折率層及び低屈折率層を含む。例えば、高屈折率層はｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層であり、低屈折率層はｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、厚さが２０ｎｍの組成傾斜層が形成される。高屈折率層及び低屈折率層の光学厚さは、発振波長をλとしたとき、隣接する組成傾斜層の１／２を含んでλ／４である。光学厚さが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。
共振器１０４は、下スペーサ層と、下スペーサ層の上の活性層と、活性層の上の上スペーサ層とを含む。共振器１０４の光学長はλである。例えば、発振波長λは９４０ｎｍである。下スペーサ層及び上スペーサ層は、例えばＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層である。活性層は３重量子井戸構造からなる。各量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層であり、各障壁層はＡｌ０．１ＧａＡｓ層である。活性層は、共振器１０４の中央に形成される。例えば、発振波長λは９４０ｎｍである。
第２多層膜反射鏡１０６は３８ペアの高屈折率層及び低屈折率層を含む。例えば、高屈折率層はｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層であり、低屈折率層はｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、厚さが２０ｎｍの組成傾斜層が形成される。高屈折率層及び低屈折率層の光学厚さは、発振波長をλとしたとき、隣接する組成傾斜層の１／２を含んでλ／４である。
第２多層膜反射鏡１０６は、例えばｐ－ＡｌＡｓからなる選択酸化層１０５（図示せず）を含む。選択酸化層１０５の位置は、第２多層膜反射鏡１０６と共振器１０４との界面から光学的距離がλ／４の位置である。選択酸化層１０５が上下に組成傾斜層又は中間層等を含んでもよい。
第２コンタクト層１０７は、例えばｐ型ＧａＡｓ層である。
半導体積層構造体の形成後、写真製版技術を用いて、例えば一辺の長さが３０μｍの正方形のレジストパターンと、８０μｍ×２００μｍの長方形のレジストパターンが、第２コンタクト層１０７の上に形成される。正方形のレジストパターンはＶＣＳＥＬ素子１２４の形成予定領域に形成され、長方形のレジストパターンは疑似ＶＣＳＥＬ素子１２５の形成予定領域に形成される。次に、これらレジストパターンをマスクとし、Ｃｌ２ガスを用いた電子サイクロトロン（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）エッチング法により、図１２及び図１９に示されるように、第１コンタクト層１０２が底面として露出するように半導体積層構造体がエッチングされる。この結果、メサ構造体が形成される。メサ構造体は、少なくとも選択酸化層１０５（図示せず）が露出するように形成される。エッチング後、レジストパターンが除去される。
次に、メサ構造体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）が行われる。この結果、メサ構造体の外周部から選択酸化層１０５中のＡｌが選択的に酸化される。そして、図１３に示すように、メサ構造体の中央部に、Ａｌの酸化領域１０１ａによって囲まれた酸化されていない非酸化領域１０５ｂが残留する。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサ構造体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１０５ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。このようにして、例えば一片の長さが１０μｍの正方形状の電流通過領域が形成される。
次に、写真製版技術を用いてレジストパターンが第１コンタクト層１０２及び第２コンタクト層１０７の上に形成される。レジストパターンは、第１サブアレイ１２１の形成予定領域と第２サブアレイ１２２の形成予定領域との間と、第２サブアレイ１２２の形成予定領域とカソードパッド部１２９の形成予定領域との間とに開口を有する。開口の幅は、例えば２０μｍである。次に、これらレジストパターンをマスクとし、Ｃｌ２ガスを用いたＥＣＲエッチング法により、図１４及び図２０に示されるように、基板１０１が底面として露出するように第１コンタクト層１０２がエッチングされる。この結果、第１コンタクト層１０２に幅が２０μｍの溝が形成される。溝により、第１サブアレイ１２１内の第１コンタクト層１０２と、第２サブアレイ１２２内の第１コンタクト層１０２と、カソードパッド部１２９内の第１コンタクト層１０２とが電気的に絶縁される。溝は、溶剤を用いたウェットエッチング法により形成されてもよい。
次に、図１５に示されるように、例えばプラズマ化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法を用いて、メサ構造体を覆う光学的に透明な絶縁層１０８が形成される。絶縁層１０８は、例えばＳｉＮ層である。次に、写真製版技術を用い、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）等を用いたエッチングによって絶縁層１０８に、開口１０８ａ及び１０８ｂと、開口１０８ｓ及び１０８ｔとが形成される。
次に、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が行われ、図１６に示されるように、電極１０９ａ、１０９ｂ及び１０９ｘが形成される。金属膜は、例えばＴｉ膜と、Ｔｉ膜の上のＰｔ膜と、Ｐｔ膜の上のＡｕ膜とを備えた積層体等である。第１コンタクト層１０２とのオーミック接続のための下地層と、第２コンタクト層１０７とのオーミック接続のための下地層とが相違していてもよい。この場合、蒸着及びリフトオフが２回又は３回に分けて行われてもよい。
次に、図１７に示されるように、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、電極１０９ａ、１０９ｂ及び１０９ｘを覆う光学的に透明な誘電体層１１１が形成される。誘電体層１１１は、例えばＳｉＮ層である。次に、写真製版技術を用い、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）等を用いたエッチングによって誘電体層１１１に、開口１１１ａ、１１１ｂ及び１１１ｘが形成される。
次に、図１８に示されるように、次に、はんだ膜１１２が形成される。はんだ膜１１２の形成では、まず、シード層（図示せず）がスパッタリング法等により形成される。シード層は、例えば、Ｔｉ膜と、Ｔｉ膜の上のＣｕ膜とを含む。次に、シード層の上に、写真製版技術を用いてレジストパターンが形成される。レジストパターンはサブマウント１５０との実装に用いる実装領域のみを開口する。隣り合う開口の間の距離は、例えば２００μｍである。この距離は、隣り合う実装パッドの間での短絡が生じないよう、その後の実装工程を考慮して設定されることが望ましい。次に、電解めっき法により開口内に選択的にはんだ膜１１２が形成される。はんだ膜１１２の材料は、例えばＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｕＡｕ等である。シード層とはんだ膜１１２との間にＮｉ層又はＣｒ層等の密着層が形成されてもよい。はんだ膜１１２の形成後、レジストパターンが除去され、全面の逆スパッタリング等によるエッチバックが行われ、露出したシード層が除去される。
次に、基板１０１の出射側の面（裏面）が化学機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法等により鏡面化される。次に、基板１０１の出射側の面に反射防止膜１１０が形成される。反射防止膜１１０は、例えばプラズマＣＶＤ法により形成される。反射防止膜１１０は、例えば光学厚さがλ／４のＳｉＮ膜である。
このようにして、第３実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ３００が製造される。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、ＶＣＳＥＬアレイに関する。図２１は、第４実施形態に係る面発光レーザアレイを示す断面図である。図２２は、第４実施形態に係る面発光レーザアレイを示す等価回路図である。
第４実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ４００は、図２１に示されるように、基板１０１と、基板１０１の上の第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２と、第３サブアレイ１２３と、カソードパッド部１２９とを有する。図２２に示されるように、第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２及び第３サブアレイ１２３は互いに直列に接続されている。第１サブアレイ１２１、第２サブアレイ１２２及び第３サブアレイ１２３は、それぞれ、基板１０１を通して光Ｌを出射する２個のＶＣＳＥＬ素子１２４を含む。第１サブアレイ１２１内で２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続され、第２サブアレイ１２２内で２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続され、第３サブアレイ１２３内で２個のＶＣＳＥＬ素子１２４は互いに電気的に並列に接続されている。図２１に示されるように、第３サブアレイ１２３は、第２サブアレイ１２２とカソードパッド部１２９との間にある。
絶縁層１０８は、開口１０８ａ及び１０８ｂに加えて、第３サブアレイ１２３に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４の第２コンタクト層１０７を露出する開口１０８ｃを有する。絶縁層１０８は、開口１０８ｓ及び１０８ｔに加えて、第３サブアレイ１２３に含まれる第１コンタクト層１０２を露出する開口１０８ｕを有する。
ＶＣＳＥＬアレイ１００は、電極１０９ａ、１０９ｂ及び１０９ｘに加えて、絶縁層１０８の上の電極１０９ｃを有する。電極１０９ｃは、開口１０８ｃを通じて、第３サブアレイ１２３に含まれる２個のＶＣＳＥＬ素子１２４の第２コンタクト層１０７に接触する。
誘電体層１１１は、開口１１１ａ及び１１１ｘを有するが、開口１１１ｂを有しない。従って、誘電体層１１１は、電極１０９ｂ及び１０９ｃの全体を覆う。ＶＣＳＥＬアレイ４００は、開口１１１ａ内及び開口１１１ｘ内にはんだ膜１１２を有する。ＶＣＳＥＬアレイ４００は、更に、第２サブアレイ１２２及び第３サブアレイ１２３にわたって広がるはんだ膜１１２ｃを有する。はんだ膜１１２ｃは、第２サブアレイ１２２と第３サブアレイ１２３との間の誘電体層１１１の隙間の内側に入り込んでもよい。第４実施形態では、はんだ膜１１２及び１１２ｃが実装パッドとして機能する。
他の構成は第３実施形態と同様である。
次に、ＶＣＳＥＬアレイ４００を含む光源モジュールについて説明する。図２３は、ＶＣＳＥＬアレイ４００を含む光源モジュールを示す断面図である。
光源モジュールは、図２３に示されるように、ＶＣＳＥＬアレイ４００が実装されたサブマウント１５０を有する。サブマウント１５０は、絶縁性基板１５１と、絶縁性基板１５１の上の電極１５２、１５３及び１５５と、誘電体層１５６とを有する。電極１５２、１５３及び１５５の誘電体層１５６から露出した部分が第２実装パッドとして機能する。例えば、第１サブアレイ１２１の実装パッドと電極１５２の第２実装パッドとは同一の平面形状を有する。例えば、第２サブアレイ１２２及び第３サブアレイ１２３の実装パッド（はんだ膜１１２ｃ）と電極１５５の第２実装パッドとは同一の平面形状を有する。例えば、カソードパッド部１２９の実装パッドと電極１５３の第２実装パッドとは同一の平面形状を有する。
第４実施形態によっても第３実施形態と同様の効果が得られる。また、第２サブアレイ１２２と第３サブアレイ１２３とを電気的に短絡させることなく、実装パッドが１つに纏められる。従って、サブアレイの数と実装パッドの数とが等しい。電極１５５は電流経路に含まれないが、第２サブアレイ１２２に含まれるＶＣＳＥＬ素子１２４内で発生した熱及び第３サブアレイ１２３に含まれるＶＣＳＥＬ素子１２４内で発生した熱が、電極１５５と、その上の接合材１５４とを介して効率的にサブマウント１５０に放出される。第４実施形態では、第２サブアレイ１２２と第３サブアレイ１２３との間に実装パッドの隙間が必要とされず、大きな面積の接合領域が得られ、より優れた放熱特性が得られる。
なお、第４実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイ４００は、３個のサブアレイを有するが、サブアレイの数が４個以上であっても、実装パッドの数を３個とすることができる。例えば、サブアレイの数が４個又は５個であっても、ＶＣＳＥＬアレイが、第１サブアレイ１２１の実装パッドと、カソードパッド部１２９の実装パッドと、電流経路に含まれない放熱用の実装パッドとを有してもよい。このような場合、実装パッドの数はサブアレイの数よりも少ない。また、例えば、サブアレイの数が５個である場合に、電流経路に含まれず、電気的に接続されない実装パッドが２つの領域に分割され、実装パッドの数が４個になっていてもよい。
なお、隣り合う第１コンタクト層１０２の間の絶縁分離が、エッチングによる溝の形成に代えて、水素等のイオン注入により行われてもよい。
また、上記の実施形態では、半導体積層構造体と基板１０１とを電気的に絶縁するために、基板１０１が半絶縁性ＧａＡｓ基板であるが、基板１０１は半絶縁性ＧａＡｓ基板に限定されない。例えば、基板１０１と第１コンタクト層１０２との間にノンドープのＧａＡｓ層があれば、基板１０１がｎ型ＧａＡｓ基板であってもよい。
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５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２４は、第５実施形態に係る測距装置を示す図である。
第５実施形態に係る測距装置５００は、投光部５１０、受光部５２０、時間計測回路５３０及び制御回路５４０を有する。
投光部５１０は、例えば、光源５１１と、光源駆動回路５１２と、光スキャナ５１３と、光スキャナ駆動回路５１４と、走査角モニタ５１５と、投射レンズ５１６とを有する。光源５１１は、第１～第４実施形態に係るＶＣＳＥＬアレイを有する光源モジュールを含む。光源駆動回路５１２は制御回路５４０から出力された駆動信号に基づいて光源５１１を駆動する。光スキャナ５１３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５１４は制御回路５４０から出力された駆動信号に基づいて光スキャナ５１３を駆動する。光源５１１の光源モジュールは複数のサブアレイを有する。各サブアレイは、それぞれが１個以上のＶＣＳＥＬ素子を含み、各サブアレイ内のＶＣＳＥＬ素子は電気的に並列に接続されている。また、各サブアレイは、光スキャナ５１３の走査方向（副走査方向に）１次元的に配置されている。光源５１１の光源モジュールは光源駆動回路５１２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５１６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５１３によって照射方向が決められ、測距装置５００の外部へ照射される。光スキャナ５１３の走査角が走査角モニタ５１５により測定され、この結果が制御回路５４０に出力される。光スキャナ５１３及び投射レンズ５１６は光学素子の一例である。
測距装置５００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５００に戻り、受光部５２０に到達する。
受光部５２０は、例えば、受光素子５２１と、受光レンズ５２２と、バンドパスフィルタ５２３とを有する。受光素子５２１はシリコンのＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）素子を含む。受光レンズ５２２は受光部５２０に到達した光を受光素子５２１に収束させる。バンドパスフィルタ５２３は誘電体多層膜を含み、光源５１１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５２３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５２１に到達した光は、受光素子５２１により電気信号に変換され、必要に応じて増幅器５３１やコンパレータ５３２を通して時間計測回路５３０に入力される。
時間計測回路５３０には、制御回路５４０が出力した光源５１１の駆動信号と、受光素子５２１からの信号が入力される。時間計測回路５３０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５４０に出力する。
制御回路５４０は、時間計測回路５３０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５００によれば、対象物までの距離を計測し、光源モジュールのサブ発光領域及び光スキャナ５１３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５００は、例えばＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）に用いることができる。
本開示の光源モジュールは、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、３００、４００、 面発光レーザアレイ（ＶＣＳＥＬアレイ）
１０１ 基板
１０２、１０７ コンタクト層
１０３、１０６ 多層膜反射鏡
１０４ 共振器
１０５ 選択酸化層
１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｘ 電極
１２１、１２２、１２３ サブアレイ
１２４ ＶＣＳＥＬ素子
１２５ 疑似ＶＣＳＥＬ素子
１２９ カソードパッド部
１５０ サブマウント
５００ 測距装置
特開２０２０－１２３７１０号公報 米国特許出願公開第２０１９／００３６３０８号明細書 特表２０１５－５１０２７９号公報

Claims (9)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板を通して光を出射し、互いに電気的に並列に接続された複数の面発光レーザ素子を含む複数のサブアレイと、
    を有し、
    前記面発光レーザ素子は、それぞれ、前記半導体基板側から順に、
    第１導電型の第１半導体層と、
    共振器と、
    第２導電型の第２半導体層と、
    を有し、
    隣り合う前記サブアレイは、一方の前記サブアレイに含まれる複数の前記面発光レーザ素子内の前記第１半導体層と、他方の前記サブアレイに含まれる複数の前記面発光レーザ素子内の前記第２半導体層とを共通に接続する電極を有しており、
    前記複数のサブアレイが電気的に直列に接続され、
    前記複数のサブアレイが配列する配列方向に関して、前記複数のサブアレイのうちの１つのサブアレイ内で該配列方向に２つ以上の前記面発光レーザ素子が並び、該２つ以上の面発光レーザ素子の各々の前記第２半導体層に電気的に接続される領域が、前記１つのサブアレイ上に配置されており、
    前記電極は、前記２つ以上の面発光レーザ素子の各々の前記第２半導体層に電気的に接続され、
    前記電極を覆い、かつ、前記サブアレイ上の前記電極の一部を露出する開口が設けられた誘電体層を備えることを特徴とする面発光レーザアレイ。
  2. 複数の前記サブアレイのうちの１以上に、実装基板に実装される実装パッドが設けられ、
    前記実装パッドは、前記第２半導体層に電気的に接続される領域である導通パッドと、前記第２半導体層に電気的に接続されない非導通パッドと、を含み、
    前記導通パッドは、前記電極の前記開口から露出した部分又は前記開口内に設けられたはんだ膜であり、
    前記非導通パッドは、前記誘電体層上のはんだ膜であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
  3. 前記配列方向に関して、前記実装パッドの大きさは、前記実装パッドの設けられた前記サブアレイの大きさよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
  4. 複数の前記サブアレイのうちの２以上に、前記実装パッドが設けられ、
    隣り合う前記サブアレイの間における前記面発光レーザ素子の発光点の間隔は、隣り合う前記実装パッドの間隔よりも小さいことを特徴とする請求項２又は３に記載の面発光レーザアレイ。
  5. 前記実装パッドの数は、前記サブアレイの数以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
  6. 隣り合う前記サブアレイの間における前記面発光レーザ素子の発光点の間隔と、前記サブアレイ内における前記面発光レーザ素子の発光点の間隔とが等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
  7. 面発光レーザアレイと、
    前記面発光レーザアレイが実装された実装基板と、
    を有し、
    前記面発光レーザアレイは、
    半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板を通して光を出射し、互いに電気的に並列に接続された複数の面発光レーザ素子を含む複数のサブアレイと、
    を有し、
    前記面発光レーザ素子は、それぞれ、前記半導体基板側から順に、
    第１導電型の第１半導体層と、
    共振器と、
    第２導電型の第２半導体層と、
    を有し、
    隣り合う前記サブアレイは、一方の前記サブアレイに含まれる複数の前記面発光レーザ素子内の前記第１半導体層と、他方の前記サブアレイに含まれる複数の前記面発光レーザ素子内の前記第２半導体層とを共通に接続する電極を有しており、
    前記複数のサブアレイが電気的に直列に接続され、
    前記複数のサブアレイが配列する配列方向に関して、前記複数のサブアレイのうちの１つのサブアレイ内で該配列方向に２つ以上の前記面発光レーザ素子が並び、該２つ以上の面発光レーザ素子の各々の前記第２半導体層に電気的に接続される領域が、前記１つのサブアレイ上に配置されており、
    前記電極は、前記２つ以上の面発光レーザ素子の各々の前記第２半導体層に電気的に接続され、
    前記電極を覆い、かつ、前記サブアレイ上の前記電極の一部を露出する開口が設けられた誘電体層を備え、
    前記サブアレイ上の前記第２半導体層に電気的に接続される領域と前記実装基板の電極とが接合材により接合されていることを特徴とする光源モジュール。
  8. 複数の前記サブアレイのうちの１以上に、前記実装基板に実装される実装パッドが設けられ、
    前記実装パッドは、前記第２半導体層に電気的に接続される領域である導通パッドと、前記第２半導体層に電気的に接続されない非導通パッドと、を含み、
    前記導通パッドは、前記電極の前記誘電体層の開口から露出した部分又は前記開口内に設けられたはんだ膜であり、
    前記非導通パッドは、前記誘電体層上のはんだ膜であり、
    前記実装基板は、前記実装パッドと同一の平面形状の第２実装パッドを有することを特徴とする請求項７に記載の光源モジュール。
  9. 請求項７又は８に記載の光源モジュールと、
    前記光源モジュールから出射された光が入射される光学素子と、
    を有することを特徴とする測距装置。
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