JP2008085161A - 表面発光型半導体アレイ素子、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置、および光空間伝送システム - Google Patents

表面発光型半導体アレイ素子、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置、および光空間伝送システム Download PDF

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Abstract

【課題】 段差部における金属電極の密着性を向上させ、信頼性の高い小型のＶＣＳＥＬアレイ素子を提供する。
【解決手段】 本発明に係るＶＣＳＥＬアレイは、基板のほぼ中央に複数の発光部となるメサ１０２と、分離溝１０２を介してメサ１０２から分離された電極パッド部１０６とを備える。分離溝１０４の側壁は、波型形状をしており、従来のような直線形状の側壁と比べ、分離溝１０４の段差部における層間絶縁膜や電極配線１１０の接触面積が増え、段差部を起点とする層間絶縁膜や電極配線の剥がれが生じ難くなり、ＶＣＳＥＬの歩留りの改善と共に素子の信頼性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面発光型半導体アレイ素子、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置、および光空間伝送システムに関する。
表面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode:以下、ＶＣＳＥＬと称する）素子は、半導体基板の表面から光を放射するタイプのレーザダイオードであり、端面発光型のレーザダイオードと比べ、駆動するための電流値が低い、ウエハレベル、すなわち非破壊で特性検査が可能、２次元化が容易、といった特徴を備えている。このため光情報処理装置や光通信素子、あるいは光を用いたデータ記憶装置の光源として利用されている。
図１６は、従来型ＶＣＳＥＬの電極構造を模式的に示したものである。同図において、ＧａＡｓ等の基板１０上に、メサまたはポスト状の発光部１２と、発光部１２から分離溝１４によって隔離された電極パッド部１６が形成されている。発光部１２は、基板上に積層された複数の半導体層（図示せず）を含み、その頂部には電極層１８が形成されている。電極層１８は、発光部１２の頂部においてレーザ光の出射窓（開口部）２０を形成するとともに、発光部１２への電流注入を可能にする。発光部１２の側壁、分離溝１４および電極パッド部１６は、層間絶縁膜２２によって覆われており、電極層１８は、この層間絶縁膜２２上に形成された金属配線１８ａによって電極パッド２４に接続されている。電極パッド２４には、金属ボール２６がボンディングされ、金属ボール２６に接続されたボンディングワイヤ２８がマウント部材やリードフレーム等に接続される。
金属ボール２６をボンディングする際、電極パッド２４に一定の圧力や振動が印加されると、電極パッド２４や配線金属１８ａが層間絶縁膜２２から剥離したり、あるいは層間絶縁膜２２が下地の半導体層から離脱し易くなるという課題があった。電極パッドの剥離等を改善するための提案は、従来より数多くなされており、例えば、特許文献１は、層間接続孔のエッチング途中にレジスト膜のエッチング工程を挿入することにより、層間接続孔の開口上部を広く、かつ、テーパ状に形成し、これにより上層配線層の段差被覆性を向上し、断線防止に寄与している。
特許文献２は、半導体基板を覆う層間絶縁膜に広い接続孔（又はスクライブ領域）を設けた後、絶縁膜及びその段差を覆ってＴｉＮ／Ｔｉ等の密着層とＷ等の導電材層を順次に形成し、異方性エッチングにより密着層が露呈するまで導電材層を薄くして絶縁膜の側壁に導電材層の一部を残存させた後、等方性のテーパーエッチングにより残存した導電材層の段差の急峻性が緩和し、ステップカバレッジを改善している。
特許文献３は、半導体基板上の積層半導体層をパターニングすることにより、ＬＥＤ発光部を形成すると共に、幅の狭い電極台座分離溝によりＬＥＤ発光部と分離される電極台座部をＬＥＤ発光部列に沿って形成した後、ポリイミド等の流動体ソースを塗布し硬化させ、絶縁性平坦化層を形成する。つづいて、絶縁性平坦化層により埋め込まれた分離溝上を経由してＬＥＤ発光部上から電極台座部上に至るようにｐ側電極配線を形成する。流動体ソースは、幅の狭い分離溝に溜まりやすく、分離溝が平坦化され、ｐ側電極配線が乗り越える段差を小さくすることができるので、ｐ側電極配線の段切れを防止できるとしている。
特開平５−２８３４０７ 特開２００３−１７９１３７ 特開２０００−１２９０４
図１７に示すとおり従来のＶＣＳＥＬアレイの電極構造は、発光部１２と電極パッド部１６とを隔てる分離溝１４の側壁１４ａが直線状となっていた。このような単調な形状ではボンディング時の圧力や振動が伝播し易く、特に電極パッド部１６の段差部Ａの付近において電極パッド２４（金属配線１８ａ）や層間絶縁膜２２が剥がれるという問題を生ずることがあった。
また、発光部１２と電極パッド部１６とが基板平面内で近接している場合、ボンディング時の圧力や振動が基板表面を覆う層間絶縁膜２２を伝わって発光部１２の近傍まで伝播し、分離溝１４内に這わせた金属配線１８ａや電極層１８が層間絶縁膜２２から剥がれることがあった。このような現象はＶＣＳＥＬアレイの信頼性を著しく低下させ、好ましくない。
本発明は、金属配線、電極パッドおよび層間絶縁膜の密着性を向上させ、小型で信頼性の高い表面発光型半導体アレイ素子を提供することを目的とする。
請求項１に係る表面発光型半導体アレイ素子は、基板と、基板上に形成された複数の発光部と、基板上に形成され、複数の発光部と分離溝を介して配設され、かつ複数の電極パッドを絶縁膜上に配した電極パッド部と、分離溝を介して複数の発光部の各々を対応する電極パッドに接続する複数の金属配線とを有し、分離溝は、波型形状の側壁を有する。
請求項２において、電極パッド部の絶縁膜は、分離溝の側壁および底面にまで延在し、複数の金属配線は、絶縁膜を介して分離溝を這うように形成される。請求項３において、分離溝は高分子樹脂により埋め込まれている。請求項４において、波型形状は、側壁から突出する第１の曲面と、側壁を窪ませる第２の曲面とを含む。請求項５において、第１の曲面および第２の曲面は、楕円形状、正弦波形状、または円弧形状のいずれかの少なくとも1部である。
請求項６において、複数の発光部は、第１の方向に配列され、分離溝の波型形状は、第１の方向に対応して形成される。請求項７において、複数の発光部は、第１の方向に複数列で配列され、分離溝の波型形状は、複数の発光部の各列に対向するように配列される。
請求項８において、分離溝は複数の発光部を取り囲むように形成される。請求項９において、電極パッド部は絶縁膜の下にさらに第２の絶縁膜を備え、基板から電極パッドまでの高さは、基板から発光部までの高さよりも大きい。請求項１０において、複数の発光部および電極パッド部は、基板上に形成された複数の半導体層をそれぞれ含み、分離溝は基板上に形成された半導体層をエッチングして形成される。
請求項１１において、複数の発光部は、基板上に形成された半導体層をエッチングして形成された柱状構造物をそれぞれ含み、複数の電極配線は、絶縁膜を介して各柱状構造物の側壁を延在し、柱状構造物の頂部に形成された電極層にそれぞれ接続され、かつ中央に光を出射するための開口部を有する。請求項１２において、柱状構造物は、周縁が酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域とからなる電流狭窄層を含む。
請求項１３に係るモジュールは、請求項１ないし１２いずれか１つに記載の表面発光型半導体アレイ素子と、表面発光型半導体アレイ素子に電気的に接続された電気接続端子と、表面発光型半導体アレイ素子から出射された光を入射する光学部品とを有する。
請求項１４に係る光源装置は、請求項１ないし１２いずれか１つに記載の表面発光型半導体アレイ素子と、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備える。
請求項１５に係る情報処理装置は、請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を送信する送信手段とを備える。請求項１６に係る光送信装置は、請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を送信する送信手段とを備える。請求項１７に係る光伝送装置は、請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。請求項１８に係る光伝送システムは、請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
請求項１によれば、分離溝の側壁を波型形状とすることにより、本構成を有していない場合に比較して、分離溝の面積を大きくせずに、段差部における金属配線の接触面積が増加し、金属配線に加わる応力を分散または緩和することができ、段差部を起点とする金属配線や電極パッドの剥がれが生じ難くなり、小型で素子の信頼性が改善される。
請求項２によれば、本構成を有しない場合に比較して、分離溝の面積を大きくせずに側壁および底面を延在する絶縁膜の段差部における接触面積が増加するため、絶縁膜の段差部における剥離が抑制される。さらに、金属配線自身が放熱材となり熱応力を緩和する役割を果たすから、分離溝を這わせた金属配線の剥がれが生じ難くなり、小型で素子の信頼性が改善される。
請求項３によれば、本構成を有しない場合に比較して、高分子樹脂の熱的膨張、あるいは収縮による応力を分散させる効果を有するから、温度変化に起因する信頼性低下を回避することができる。
請求項４によれば、本構成を有しない場合に比較して、分離溝の段差部における金属配線や絶縁膜の接触面積を、分離溝の面積を大きくせずに側壁が直線状であるときよりも大きくすることができ、段差部における応力を緩和または分散することができる。
請求項５によれば、本構成を有しない場合に比較して、金属配線に加わる応力をより分散し、緩和することができる。
請求項６によれば、本構成を有しない場合に比較して、発光部の配列に沿って配置される金属配線の各々の応力を緩和または分散することができる。
請求項７によれば、本構成を有しない場合に比較して、発光部の各列から引き出される金属配線の各々の応力を緩和または分散することができる。
請求項８によれば、本構成を有しない場合に比較して、各発光部から放射状に引き出される電極配線の応力を緩和または分散することができ、かつ電極パッド部に生じる応力や振動が発光部へ伝わり難くなり、発光部の信頼性を維持することができる。
請求項９によれば、本構成を有しない場合に比較して、電極パッドへのボンディングする際に、キャピラリ等が発光部に接触するのを予防することができる。請求項１０によれば、半導体エッチングプロセスを利用することで、レジストパターン形状に応じた分離溝の側壁を作成することができる。請求項１１によれば、半導体のエッチングプロセスを利用することで、一括して複数の柱状構造物の発光部を形成することができる。
請求項１２ないし１８によれば、信頼性の高い表面発光型半導体アレイ素子を用いることで、信頼性の高いモジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置ならびに光空間伝送システムを提供することができる。
以下、本発明に係る表面発光型半導体レーザの実施例を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの平面図である。図に示すとおり、矩形状の基板(チップ)１００のほぼ中央部に、５行×２列のアレイ状に配列された発光部である円柱状または角柱状（ポスト状と総称）のメサ１０２が形成されている。これらのメサ１０２の周囲を取り囲むように、波型形状の側壁を有する分離溝１０４が形成されている。分離溝１０４は、基板もしくは基板上の所定の半導体層に至るまでの深さを有し、分離溝１０４の波型形状は、基板と水平な方向に延在するように形成されることが好ましい。
分離溝１０４によって隔離された基板の周縁部は、電極パッド部１０６であり、電極パッド部１０６には、層間絶縁膜を介して複数の電極パッド１０８が形成されている。電極パッド部１０６は、複数の電極パッド１０８を層間絶縁膜を介して配設する領域であり、電極パッド１０８は、外部と電気的接続を行うための配線、例えば金属ワイヤなどを接続する接続部をさす。電極パッド１０８は、放射状に広がる金属配線１１０を介して対応するメサ１０２のｐ側電極層１３４（図２を参照）に電気的に接続されている。さらに、電極パッド１０８には、ワイヤボンディング時に金属ボール１１２（図１では、２つの電極パッドにのみ金属ボールを示してある）が接続され、この金属ボール１１２は、金属ワイヤ１１４を介して図示しないマウント部材またはリードフレーム等に電気的に接続される。
図２は、ＶＣＳＥＬアレイの１つのメサの構成を示す断面図である。同図に示すように、ｎ側の下部電極１２０が形成されたＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部半導体多層反射鏡１２２、活性領域１２４、ｐ型のＡｌＡｓ層１２６、ｐ型の上部半導体多層反射鏡１２８の順で半導体薄膜が堆積されている。上部多層反射鏡１２８の最上層には、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層１３０が形成されている。上部多層反射鏡１２８から下部多層反射鏡１２２の一部に至るまで、円柱状のメサ１０２が形成されている。メサ１０２は高温の水蒸気下で熱処理され、メサ１０２内のＡｌＡｓ層１２６の周囲には酸化領域１３８が形成され、これにより、ＡｌＡｓ層１２６内に光閉じ込め領域、兼電流狭窄層が形成される。
メサ１０２の底部、側面、および頂部の一部は、層間絶縁膜１３２によって覆われている。メサ１０２の頂部において、層間絶縁膜１３２にはコンタクトホールが形成され、この上からｐ側の電極層１３４がコンタクト層１３０にオーミック接続されている。ｐ側の電極層１３４の中央には、レーザ光を出射するための円形状の開口１３６が形成されている。
ｎ型の下部半導体多層反射鏡１２２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、λ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）である。活性領域１２４は、例えば、アンドープ下部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層とアンドープ量子井戸活性層とアンドープ上部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層とで構成される。ｐ型の上部半導体多層反射鏡１２８は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとを交互に複数の周期で積層し、各層の厚さは、媒質内波長の１／４とである。上部半導体多層反射鏡１２８の最下層には、低抵抗のｐ型ＡｌＡｓ層１２６が含まれ、さらに、上部半導体多層反射鏡１２８の最上部に、例えば、キャリア濃度が１×１０19cm-3となるｐ型のＧａＡｓコンタクト層１３０が積層される。ｐ側の電極層１３４は、例えばＡｕから構成され、ｎ側の電極１２０は、例えばＡｕ／Ｇｅから構成される。層間絶縁膜１３２は、例えばＳｉＮｘから構成される。
基板１００上に積層された複数の半導体層をエッチングすることにより、５行×２列のメサ１０２が形成され、これと同時に、分離溝１０４が形成される。これにより、各メサ１０２は、メサ相互間で分離されるとともに、電極パッド部１０６から物理的、電気的に分離される。電極パッド部１０６は、メサ１０２と同一の半導体積層構造を有し、その最上部に層間絶縁膜１３２が形成される。層間絶縁膜１３２上の所定の位置に複数の矩形状の電極パッド１０８が形成される。電極パッド１０８は、金属配線１１０を介して対応するメサ１０２のｐ側の電極層１３４に接続される。層間絶縁膜１３２は、分離溝の側壁および底面を覆い、分離溝の段差部（図１６を参照）を介して電極パッド部１０６の層間絶縁膜につながっている。金属配線１１０は、分離溝１０４の段差部を介して底面および側面を這うように電極パッド１０８まで延在する。金属配線１１０、ｐ側電極層１３４および電極パッド１０８は、電極層をパターニングする工程において同時に形成することができる。
本実施例に係るＶＣＳＥＬアレイにおいて、各電極配線１１０は、発光部１０２から放射状に引き出されるため、分離溝１０４の側壁を全周において波型形状としている。分離溝１０４の側壁を波型形状とすることで、これが単純な直線、あるいは曲線だった従来のＶＣＳＥＬアレイに比べ、分離溝１０４の側壁の半導体層と層間絶縁膜１３２との接触面積、および層間絶縁膜１３２と金属配線１１０の接触面積が増加する。このため、分離溝１０４の段差部もしくは電極パッド部１０６のコーナーの方向に向かう応力Ｆ（図１を参照）が、分散もしくは緩和される結果、層間絶縁膜１３２と下地の半導体層および層間絶縁膜１３２と金属配線１１０との密着性が改善される。また、ボンディングに際して電極パッド部１０６に加わる応力や振動に基因した電極パッド部１０６のコーナー近傍での電極パッド１０８、金属配線１１０および層間絶縁膜１３２の剥離が抑制される。
さらに、この応力は、ボンディング等のプロセス基因のみならず、例えば高温高湿環境といった環境基因でも生ずることが知られている。これは温度変化による材料の熱収縮、熱膨張や、吸湿による膨張を主な要因とする現象である。この時も、側壁が波型である分離溝１０４は、同様の応力分散に寄与することができ、層間絶縁膜１３２や金属配線１１０の剥がれを抑制する効果がある。
また、ＶＣＳＥＬアレイを樹脂やカン等のパッケージに最終的に封止する際、分離溝１０４内を、ポリイミド等の高分子樹脂１４０により充填することも可能である。図３に示すように、配線部分が深い溝の底、あるいは側壁に引き回される金属配線１１０の応力を緩和する目的で、高分子樹脂の一種であるポリイミド１４０により埋め込んで平坦化することも可能である。この方法では、ポリイミド自身の熱収縮、熱膨張および吸湿による膨張が懸念されるが、本実施例に係る分離溝１０４の側壁の波型形状の効果によりポリイミド樹脂１４０による応力が緩和される。
次に、分離溝の側壁に形成される波型形状の態様を例示する。分離溝の形状や配列、メサの配列、メサの数等は、目的や用途に応じて適宜変更することができる。上記実施例では、メサは、５行×２列としているが、勿論、これ以外の配列であってもよい。図４（ａ）に示すように、分離溝の側壁に形成される波型形状は、分離溝の側壁１５０とほぼ平行な直線状の仮想線Ｋから突出する凸状の曲面１５２と、仮想線Ｋから窪む凹状の曲面１５４とを含む。同図（ａ）に示す波型形状は、凸状の曲面１５２と凹状の曲面１５２とが連続的に接続されているが、同図（ｂ）に示すように、凸状の曲面１５２と凹状の曲面１５２とが一部不連続的に接続され、その合間に直線領域１５６が含まれる態様であってもよい。但し、この場合には、金属配線１１０が直線領域１５６上を引き回されないようにする。
凸状の曲面１５２および凹状の曲面１５４は、楕円形状、正弦波形状、または円弧形状のいずれかまたはその１部であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。このような形状を有することで、分離溝１０４の段差部における層間絶縁膜１３２や金属配線１１０の応力を均等に緩和することができる。また、凸状の曲面１５２および凹状の曲面１５４の大きさ、数、配列は、メサ１０２の数、ピッチ、配列に加え、金属配線の太さ、引き回し方向等に応じて適宜選択される。
例えば、図５（ａ）に示すように、メサ１０２が５行×２列に配列されている場合には、その配列方向に沿うように分離溝１６０が縦長となる。そして、メサ１０２の数が多くなれば、電極配線１１０の数も多くなり、電極配線１１０のピッチも狭くなるため、分離溝１６０の側壁の波型形状を細かくするようにしてもよい。同図（ａ）では、分離溝１６０の側壁には、図１に示す分離溝１０４の側壁のときよりも、多くの凸状の曲面と凹状の曲面が形成され、それらのピッチが小さくなっている。また、図５（ｂ）に示すように、メサ１０２の数が少なく、電極配線がメサ１０２の両側に引き出されるような場合には、分離溝１６２の上下の側壁１６２ａを直線状とし、左右方向の側壁のみを波型形状としてもよい。
また、メサ１０２が２列の場合には、それぞれの列と対向する分離溝の側壁を波型形状とすればよいが、メサ１０２が１列であって、その片側にしか電極配線が引き出されないような場合には、その片側の分離溝の側壁のみを波型形状とするようにしてもよい。これらの波型形状は、基板と水平な方向に対して波型であることが好ましい。
さらに、金属配線は、元々電流注入のためのものだが、半導体材料、あるいはシリコン系無機絶縁膜等に比べ熱伝導性が高い。したがって、金属配線自身が放熱材となって熱応力の緩和に寄与し、結果的に膜剥がれの要因を未然に防ぐ対策となっている。
次に、ＶＣＳＥＬアレイのメサと電極パッド部の高さの関係について説明する。図６は、ＶＣＳＥＬアレイの他の構成を示す断面図である。電極パッド部１０６とメサ１０２は、上記したように基板上に積層された同一の半導体層を有するが、電極パッド部１０６の層間絶縁膜１３２上にさらに厚い層間絶縁膜１７０が付加されている。つまり、電極パッド１０８と半導体層との間には、層間絶縁膜１７０、１３２が介在している。このように、電極パッド１０８と半導体層との間に厚い層間絶縁膜１７０を形成することで、ボンディング時に印加された応力や振動が層間絶縁膜１３２、１７０において吸収され、応力や振動が、分離溝１０４の段差部やメサ１０２への伝播が緩和される。なお、層間絶縁膜１７０は、層間絶縁膜１３２を形成した後に、メサ１０２をマスクすることで、電極パッド部１０６上に選択的に形成することができる。
さらに、電極パッド部１０６の高さＨ２は、メサ１０２の高さＨ１よりも高くなっている。Ｈ１＜Ｈ２の関係にすることで、ボンディング時に金ワイヤーを送り出すキャピラリ、あるいはチップをつかむダイコレット等の移動の際、不用意にこれらの先端部が発光部であるメサ１０２に接触する事故を防ぐことができる。
図７は、マルチスポット型のＶＣＳＥＬアレイを駆動する回路の構成を示す図である。レーザーダイオード・ドライバ（ＬＤＤ）２００は、入力された駆動制御信号に応答して基板上に形成された複数のメサ１０２に対し駆動信号２１０を供給する。駆動信号２１０は、図１に示す電極パッド部１０６の各電極パッド１０８に供給される。これにより、各メサ１０２は、同時に駆動され、メサ頂部の開口１３６を介して、基板と垂直方向に複数のレーザ光が同時に出射される。すなわちＬＤＤ２００の駆動信号２１０は、光信号へと変換され、例えば、光ファイバ等に入射される。
本実施例のＶＣＳＥＬアレイは、セラミックパッケージ、キャンパッケージあるいは樹脂パッケージ等に封止し、パッケージから外部に露出したリード端子に上記駆動信号２１０を与えることでレーザ光を出射する半導体レーザ装置として利用される。
図８は、ＶＣＳＥＬアレイを実装したパッケージ（モジュール）の構成を示す断面図である。パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬアレイが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。電気接続端子３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方の電気接続端子３４０は、チップ３１０の裏面に形成されたｎ側電極に電気的に接続され、他方の電気接続端子３４２は、チップ３１０の表面に形成されたｐ側電極にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。電気接続端子は、例えば導電性のリード端子である。
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のアレイのほぼ中心と一致するように位置決めされる。電気接続端子３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０の各メサからレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。
図９は、他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整される。
図１０は、ＶＣＳＥＬアレイを光源として適用した例を示す図である。光源装置３７０は、図８または図９のようにＶＣＳＥＬアレイを実装したパッケージ３００（３０２）、パッケージ３００からのマルチビームのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬアレイからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図１１は、図８に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
図１２は、図９に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。
図１３は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬアレイが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を図１４に示す。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０を含み、内部に送信回路基板／受信回路基板を有している。
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１５に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１４に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。
上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。
上記実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。
本発明に係る表面発光型半導体アレイ素子は、基板上に一次元もしくは二次元アレイ状に配列されたＬＥＤやレーザダイオードのような発光素子に適用され、それらを光通信や光記録等の光源等に用いることができる。
本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの構成を示す平面図である。 ＶＣＳＥＬアレイの１つのメサの断面図である。 ＶＣＳＥＬアレイに形成された分離溝にポリイミドを埋め込んだときの断面図である。 分離溝の側壁に形成される波型形状を説明する図である。 本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの他の例を示す平面図である。 本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの他の例を示す断面図である。 ＶＣＳＥＬアレイを駆動する回路構成例を示す図である。 ＶＣＳＥＬアレイを実装したパッケージの構成を示す模式図である。 ＶＣＳＥＬアレイを実装した他のパッケージの構成を示す模式図である。 ＶＣＳＥＬアレイを使用した光源装置の構成例を示す図である。 図８に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。 空間伝送システムの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１４の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。 従来のＶＣＳＥＬアレイの概略構成を示す断面図である。 従来のＶＣＳＥＬアレイの概略構成を示す平面図である。
符号の説明
１００：基板 １０２：メサ
１０４：分離溝 １０６：電極パッド部
１０８：電極パッド １１０：金属配線
１３２：層間絶縁膜 １３４：電極層
１３６：開口 １４０：ポリイミド樹脂
１５０：側壁 １５２：凸状の曲面
１５４：凹状の曲面 １６０、１６２：分離溝
１７０：厚い層間絶縁膜 Ａ：段差部

Claims (18)

  1. 基板と、
    基板上に形成された複数の発光部と、
    基板上に形成され、前記複数の発光部と分離溝を介して配設され、かつ複数の電極パッドを絶縁膜上に配した電極パッド部と、
    前記分離溝を介して前記複数の発光部の各々を対応する電極パッドに接続する複数の金属配線とを有し、
    前記分離溝は、波型形状の側壁を有する、
    表面発光型半導体アレイ素子。
  2. 前記電極パッド部の絶縁膜は、前記分離溝の側壁および底面にまで延在し、前記複数の金属配線は、前記絶縁膜を介して前記分離溝を這うように形成される、請求項１に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  3. 前記分離溝は、高分子樹脂により埋め込まれている、請求項１または２に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  4. 前記波型形状は、側壁から突出する第１の曲面と、側壁を窪ませる第２の曲面とを含む、請求項１に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  5. 第１の曲面および第２の曲面は、楕円形状、正弦波形状、または円弧形状のいずれかの少なくとも1部である、請求項４に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  6. 前記複数の発光部は、第１の方向に配列され、前記分離溝の波型形状は、前記第１の方向に対応して形成される、請求項１ないし５いずれか１つに記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  7. 前記複数の発光部は、前記第１の方向に複数列で配列され、前記分離溝の波型形状は、前記複数の発光部の各列に対向するように配列される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  8. 前記分離溝は、前記複数の発光部を取り囲むように形成される、請求項１ないし７いずれか１つに記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  9. 前記電極パッド部は、前記絶縁膜の下にさらに第２の絶縁膜を備え、基板から電極パッドまでの高さは、基板から発光部までの高さよりも大きい、請求項１に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  10. 前記複数の発光部および電極パッド部は、基板上に形成された複数の半導体層をそれぞれ含み、前記分離溝は、基板上に形成された半導体層をエッチングして形成される、請求項１に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  11. 前記複数の発光部は、基板上に形成された半導体層をエッチングして形成された柱状構造物をそれぞれ含み、前記複数の電極配線は、絶縁膜を介して各柱状構造物の側壁を延在し、柱状構造物の頂部に形成された電極層にそれぞれ接続され、かつ光を出射するための開口部を有する、請求項１に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  12. 前記柱状構造物は、周縁が酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域とからなる電流狭窄層を含む、請求項１１に記載の表面発光型半導体アレイ素子。
  13. 請求項１ないし１２いずれか１つに記載の表面発光型半導体アレイ素子と、表面発光型半導体アレイ素子に電気的に接続された電気接続端子と、表面発光型半導体アレイ素子から出射された光を入射する光学部品とを備えたモジュール。
  14. 請求項１ないし１２いずれか１つに記載された表面発光型半導体アレイ素子と、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備えた、光源装置。
  15. 請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を送信する送信手段とを備えた、情報処理装置。
  16. 請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
  17. 請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
  18. 請求項１３に記載されたモジュールと、表面発光型半導体アレイ素子から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
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