(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部ミラー領域、下部ミラー領域、前記上部ミラー領域と下部ミラー領域との間の発光領域、導電性基板、および、下部電極を備え、前記下部ミラー領域は、導電性基板と発光領域との間に挟まれ、前記導電性基板が、下部電極と下部ミラー領域との間に挟まれているＶＣＳＥＬと、
上部および下部表面を有する取り付け基板と
を備える垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アセンブリであって、
前記ＶＣＳＥＬが、前記取り付け基板と前記上部表面において機械的に結合され、
前記取り付け基板の下部表面にチャネルが形成され、前記取り付け基板を前記チャネルの軸のまわりで曲げたときに、光学利得を増大させたい偏光方向に沿った単軸応力を前記発光領域に誘発する
ＶＣＳＥＬアセンブリ。
【請求項２】
さらに前記取り付け基板の下部表面を支持するヘッダを備え、
前記取り付け基板と前記ヘッダとの間に接着層を備え、前記接着層が、前記取り付け基板とは異なる熱膨張率を有する請求項１に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ。
【請求項３】
前記接着層が、前記チャネルを充填するハンダ層を含む請求項２に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ。
【請求項４】
上部ミラー領域、下部ミラー領域、前記上部ミラー領域と下部ミラー領域との間の発光領域、導電性基板、および、下部電極を備え、前記下部ミラー領域は、導電性基板と発光領域との間に挟まれ、前記導電性基板が、下部電極と下部ミラー領域との間に挟まれているＶＣＳＥＬと、
上部および下部表面を有する取り付け基板と
を備える垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アセンブリであって、
前記ＶＣＳＥＬが、前記取り付け基板と前記上部表面において機械的に結合され、
前記導電性基板が、前記取り付け基板の一部であって、
前記取り付け基板の下部表面にチャネルが形成され、前記取り付け基板を前記チャネルの軸のまわりで曲げたときに、光学利得を増大させたい偏光方向に沿った単軸応力を前記発光領域に誘発するＶＣＳＥＬアセンブリ。
【請求項５】
さらに前記取り付け基板の下部表面を支持するヘッダを備え、
前記チャネルと前記ヘッダの取り付け表面との間に接着層を備え、前記接着層が、前記取り付け基板とは異なる熱膨張率を有する請求項４に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ。
【請求項６】
前記接着層が、前記チャネルを充填するハンダ層を含む請求項５に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザに関するものであり、とりわけ、面発光レーザ・ダイオードのアレイにおけるこうしたダイオードの偏向を制御するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、現在のところＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤヘッド、及び、レーザ・プリンタに用いられるものとみなされている。これらの用途の全てについて、レーザ・パワーをディスクまたはドラムに送る光学素子は、一定の偏向感度を備えているので、光源の偏向がドリフトすると、そのドリフトが有害な出力パワー変動に変換される。さらに、これらのシステムにおける光学素子は、十分に複雑になる可能性があるため、光学素子の設計を最適化するには、偏向方向について知っていることが必要である。以上の理由から、こうした用途の光源は、偏向が安定した固定状態でなければならず、偏向方向は、製作される全てのレーザについて同じでなければならない。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、基本モードで動作中、偏向が固定されている場合が多い。しかし、出力光は、一般に、偏向状態が混じり合ったものであり、固定偏向状態の光と他の偏向状態の光の比がほぼ１０：１になる。さらに、偏向状態は、必ずしも安定していない。例えば、偏向方向は、電流がしきい値を超えると、また、レーザがモード間でスイッチされると、９０゜転換する可能性がある。
【０００４】
こうした不安定性に加えて、偏向は、デバイス毎にランダムな向きになる。これは、典型的なＶＣＳＥＬ設計の円対称性に起因する。楕円電流閉じ込めまたは楕円光閉じ込め、あるいは、その両方といった、何らかの非対称性を空洞に付加することによって偏向方向をロックする、さまざまな方法が用いられた。しかし、これらの解決法では、所望の偏向方向にロックされたままの完成デバイスのパーセンテージが、１００％を大幅に下回るので、限られた成功しか納めなかった。さらに、方法によっては、ビーム形状が、望ましい円形出力ビームからそれほど望ましくない楕円形状に変わることもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、本発明の目的は、改良されたＶＣＳＥＬを提供することにある。
【０００６】
本発明のもう１つの目的は、出力光がある偏向状態にロックされるＶＣＳＥＬを提供することにある。
【０００７】
本発明のさらにもう１つの目的は、偏向状態が全てのデバイスについて同じになるＶＣＳＥＬを提供することにある。
【０００８】
本発明の以上の及びその他の目的については、当該技術者であれば、本発明に関する下記の詳細な説明及び添付の図面から明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、偏向が全てのＶＣＳＥＬについて同じである指定の方向にロックされる垂直空洞面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アセンブリである。本発明によるＶＣＳＥＬには、上部ミラー領域、下部ミラー領域、上部ミラー領域と下部ミラー領域の間の発光領域、導電性基板、及び、下部電極を備えたＶＣＳＥＬが含まれている。下部ミラー領域は、導電性基板と発光領域とに挟まれており、導電性基板は、下部電極と下部ミラー領域とに挟まれている。ＶＣＳＥＬアセンブリには、上部表面と下部表面を備えた取り付け基板も含まれており、ＶＣＳＥＬは取り付け基板と機械的に結合されている。取り付け基板には、第１の軸を定義する手段が含まれている。アセンブリには、第１の軸まわりで取り付け基板を曲げることによって、発光領域に歪みを生じさせ、偏向が第１の軸によって決まるモードにロックされるようにする手段が含まれている。
本発明の望ましい実施例の場合、第１の軸は、取り付け基板のチャネルによって定義される。取り付け基板は、取り付け基板と取り付け表面の間に接着層を付着させることによって曲げられる。接着層は、熱膨張率が取り付け基板とは異なっている。実施例の１つでは、接着層にチャネルを充填するハンダ層が含まれる。冷却すると、ハンダ層が収縮し、取り付け基板が曲げられる。もう１つの実施例では、その方向によって第１の軸が定義されるトレンチが、ＶＣＳＥＬの上部ミラー領域に配置される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、従来のＶＣＳＥＬ１０の断面図である図１を参照することによって、より容易に理解することが可能になる。ＶＣＳＥＬの構成は、レーザ技術者にとって周知のところであるため、ここでは詳述しない。ここでの説明のためには、ＶＣＳＥＬ１０は、上部ミラー領域１８、発光領域１４、及び、下部ミラー領域１９を備えたｐ−ｉ−ｎダイオードとみなすことができるという点に言及すれば十分である。これらの領域は、基板１２上に形成される。電極２２と２７の間に電力が印加される。個々の層は、エピタキシャル成長によって形成されている。図１に示す例の場合、基板１２はｎタイプの半導体である。
【００１１】
発光領域１４である活性領域は、一般に、それぞれ、スペーサ１５及び１６によってミラー領域１８及び１９から隔てられた、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、または、ＩｎＡｌＧａＡｓの１つ以上の量子井戸から形成される。材料の選択は、ＶＣＳＥＬによって放出される光の所望の波長及び他の所望のＶＣＳＥＬ特性によって決まる。さらに、当該技術では、バルク活性領域をベースにしたデバイスが既知のところである。この層は発光領域１４であり、自然放出、及び、ｐ−ｉ−ｎダイオードに順バイアスをかけることによって生じる電子と正孔の再結合を介した誘導放出によって光を発生する発光層とみなすことが可能である。
【００１２】
ミラー領域は、典型的な層２０及び２１からなる交互層から形成される。これらの層は、互いに屈折率が異なっている。各層の厚さは、光の波長の１／４になるように選択されている。このスタックが、ブラッグ・ミラーを形成する。スタックは、一般に、ＡｌＡｓ及びＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓの交互層から構成される。所望の反射率を得るには、一般に、２０〜３０対の層が必要になる。上部ミラー領域１８の層は、一般に、ｐ形半導体になるようにドープされており、下部ミラー領域１９の層は、ｎ形半導体になるようにドープされている。下部電極２７は、ｎ形オーム接触が望ましい。しかし、ｎ−ｉ−ｐダイオード構造は、ｐ形基板またはｐ形層を被着させた半絶縁基板に構造を成長させることによって形成することも可能である。
【００１３】
領域２５及び２６に注入をおこなって、該領域を高抵抗率領域に変換することにより、電極２２と２７の間の電流を領域２４に閉じ込める。これは、一般に、水素イオンの注入によって実施される。
【００１４】
留意すべきは、図１において、ＶＣＳＥＬ１０は一様倍率で示されていないという点である。すなわち、ミラー領域及び活性領域は、図面が分かりやすいように拡大されている。実際には、領域１２の厚さは、ミラー領域及び活性領域の約１０μｍと比較すると１５０μｍが普通である。上部電極２２のウィンドウ３０は、直径が約１０μｍであり、一方、下部電極２７は、基板の下部を被っている。
【００１５】
本発明は、単軸圧縮応力によって、応力軸に沿ってアライメントのとれる偏向の光学利得が増大するという観測結果に基づくものである。実際、バルク活性領域の場合、［１００］方向に沿って圧縮応力を加えると、応力軸に沿った偏向の光学利得が、直交する偏向方向の場合の光学利得に対して約１ｃｍ-1［Ｎ／ｍｍ2］も増加する。本発明の場合、応力は、所定の方向に、応力軸に沿った偏向方向を完全にロックするのに十分な大きさで、外部から導入される。実験によって明らかになったところでは、ＶＣＳＥＬを上にして、長く薄い半導体チップを押し下げると、チップ表面に対して、ＶＣＳＥＬの偏向を応力軸にロックするのに十分な圧縮応力が加えられる。偏向をロックするのに必要とされる、加えられる［１１０］の方向の応力は、１０〜１００Ｎ／ｍｍ2ほどであり、結晶中における対応する歪みは、０．００１〜０．０５％ほどであると推定される。
【００１６】
このレベルの応力は、ボンディングプロセス後、ＶＣＳＥＬよりも大きく収縮する材料で、チップを表面にボンディングする手段によって導入することが可能である。例としては、ハンダ、導電性エポキシ、金メッキ、及び、均一な誘電体薄膜がある。単軸応力を得るには、チップの反りを１つの軸に制限しなければならない。本発明の望ましい実施例の場合、これは、チップが製作されるウェーハの一部を除去することによって実施される。
【００１７】
次に、ウェーハ５２にＶＣＳＥＬ５１が形成されたチップ５０の透視図である図２を参照すると、ウェーハ５２の下部側を部分的に切り欠いて、それに沿って応力を誘発すべき軸を備えるスロット５３が形成されている。本発明の望ましい実施例の場合、スロット５３の深さは、一般に、７５μｍであり、チップの厚さは、一般に、１５０μｍである。スロットは、ウェーハを切断してチップにする前に、ウェーハの背面にチャネルをエッチングすることによって形成するのが望ましい。このスロットによって、チップは、１つの方向においてよりフレキシブルになる。ボンディング剤が収縮すると、チップは、スロット軸によって決まる方向に押し曲げられる。
【００１８】
次に、ハンダ接続１１４によってＶＣＳＥＬ１１１がヘッダ１１３に取り付けられているチップ１１２の断面図である図３を参照する。ハンダ接続をおこなう場合、一般に２７５゜Ｃの温度で、ハンダを溶融させる。ハンダが冷却し、固化すると、ハンダ接続が収縮し、この結果、チップに矢印１１５で示す方向の力が加えられる。ハンダによって、ヘッダ１１３とＶＣＳＥＬ１１１の下部電極との電気的接触部も得られる。金・錫によるハンダが望ましい。結果生じる応力パターンによって、偏向のロックを施すのに必要な１０〜１００Ｎ／ｍｍ2を大幅に上回る、チャネルに対して垂直な最大応力が生じることになる。実験によって明らかになったところでは、上述の本発明の望ましい実施例を利用すれば、１００：１を超える偏向比を得ることが可能である。
【００１９】
代わりに、導電性エポキシ接続によって、ＶＣＳＥＬをヘッダに取り付けることも可能である。例えば、銀エポキシを用いることが可能である。接続を施した後、一般に１２０゜Ｃの温度で、約３０分間にわたってデバイスのベーキングを施して、エポキシ接続部の硬化が行われる。エポキシ接続部は、硬化すると、収縮し、上述と同様に、チップに力が加えられる。
【００２０】
本発明の望ましい実施例の場合、図１に示す電極２７及び基板１２は、チップ１１２に組み込まれている。チップ１１２は、ｎ形半導体から製作し、導電性になるようにするのが望ましい。チップ１１２は、図１に示す基板１２を代替する。次に、下部層にチャネルのエッチングを施した後、チップ１１２の下部表面に金属層１１７が付着させられる。この金属層は、電極２７の機能を果たす。
【００２１】
代替案として、チップ１１２の上部表面に電極２７を設けて、ＶＣＳＥＬを製作することも可能である。この場合、電極２７に対する接続は、チップ１１２の表面における金属導体によって行うことが可能であり、従って、チップ１１２は、非導電性基板から製作することが可能である。
【００２２】
次に、ＶＣＳＥＬ２０１が製作されたチップ２００の透視図である図４を参照する。ＶＣＳＥＬの両側において、２０２及び２０３で示された２つのトレンチがエッチングされる。トレンチの配向によって、ＶＣＳＥＬ２０１にかかる応力パターンの配向が決まる。トレンチには、熱膨張率が基板とは異なる材料を充填することができる。例えば、トレンチには、ハンダ、金、または、誘電体の充填が可能である。充填材料は、ＶＣＳＥＬの動作温度をかなり超える温度で充填される。充填材料が冷却すると、ＶＣＳＥＬの発光領域に力が加えられる。力の方向は、充填材料の熱膨張率が基板の熱膨張率を超えるか、あるいは、それ未満かによって決まる。
【００２３】
トレンチが充填されていない実施例でも、うまく偏向をロックする働きをすることが分かっている。これらの実施例の場合、幅が１〜１０μｍ、長さがＶＣＳＥＬの幅の約２倍、深さがほぼ上部ミラー領域の厚さに等しいトレンチは、偏向をロックすることが分かっている。より深いトレンチでも、所望の偏向ロックが可能である。トレンチは、ＶＣＳＥＬから１〜１０μｍでのエッチングがよい。
【００２４】
上述の実施例は、ＶＣＳＥＬが、１方向の偏向が望ましいやり方で、製作されなかったものと仮定している。しかし、留意すべきは、不完全な偏向ロックを施すシステムに関連して、本発明を利用することによって、ＶＣＳＥＬの偏向ロックを極めて高度なものにすることができるという点である。例えば、既知のように、ＶＣＳＥＬを配向のずれた基板に製作することによって、ＶＣＳＥＬに部分的な偏向ロックを施すことが可能である。こうしたＶＣＳＥＬによって観測される偏向は、基板の配向によって決まる傾向があるが、この方法には、製作及びパッケージング工程の全てが完了した後、ＶＣＳＥＬの全てが同じ偏向方向を備えることを保証するのに十分な信頼性がない。しかし、配向のずれた基板構成及びＶＣＳＥＬに沿ったトレンチを組み合わせることによって、信頼できる偏向ロックが得られる。
【００２５】
当該技術者には、以上の説明及び添付の図面から本発明に対するさまざまな修正が明らかになるであろう。従って、本発明は、付属の請求の範囲による制限だけしか受けないものとするが、本発明の広範な実施に役立ついくつかの実施態様を以下に例示する。
【００２６】
（実施態様１）
垂直空洞面発光レーザ（以下ＶＣＳＥＬと呼称する。）アセンブリ［５０］であって、
上部ミラー領域［１８］、下部ミラー領域［１９］、前記上部ミラー領域と下部ミラー領域間の発光領域［１４］、導電性基板［１２］、及び、下部電極［２７］を備え、前記下部ミラー領域［１９］が、前記導電性基板［１２］と前記発光領域［１４］の間に挟まれており、前記導電性基板［１２］が、前記下部電極［２７］と前記下部ミラー領域［１９］の間に挟まれている、ＶＣＳＥＬ［１１１］と；
第１の軸に沿って前記発光領域に歪みを誘発する歪み誘発手段［１１４］と、が含まれている、ＶＣＳＥＬアセンブリ。
【００２７】
（実施態様２）
さらに、上部表面と下部表面を備える取り付け基板［１１２］が含まれ、前記ＶＣＳＥＬ［１１１］が、前記取り付け基板［１１２］と機械的に結合され、前記取り付け基板に、前記第１の軸を定義するための手段が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
（実施態様３）
前記歪み誘発手段に、前記第１の軸によって定義される軸を備える前記上部ミラー領域［１８］内のトレンチ［２０２、２０３］が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
【００２８】
（実施態様４）
前記トレンチ［２０２，２０３］に、前記上部ミラー領域とは熱膨張率の異なる材料が充填されていることを特徴とする、実施態様３に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
（実施態様５）
前記歪み誘発手段に、前記第１の軸まわりで前記取り付け基板［１１２］を曲げ、これによって、前記発光領域［１４］に歪みを誘発する手段［１１４］が含まれていることを特徴とする、実施態様２に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
【００２９】
（実施態様６）
第１の軸を定義するための前記手段に、前記第１の軸と平行な軸を備える前記取り付け基板内のチャネル［５１］が含まれていることを特徴とする、実施態様５に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
（実施態様７）
前記取り付け基板［１１２］を曲げる前記手段［１１］に、前記取り付け基板［１１２］と取り付け表面の間に付着した接着層が含まれ、前記接着層が、前記取り付け基板［１１２］とは異なる熱膨張率を有していることを特徴とする、実施態様６に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
（実施態様８）
前記接着層に、前記チャネル［５１］を充填するハンダ層が含まれることを特徴とする、実施態様７に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
（実施態様９）
前記導電性基板が、前記取り付け基板［１１２］の一部であることを特徴とする、実施態様２に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］。
【００３０】
（実施態様１０）
ＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］を製造するための方法であって、上部ミラー領域［１８］、下部ミラー領域［１９］、前記上部ミラー領域と下部ミラー領域の間の発光領域［１４］、導電性基板［１２］、及び、下部電極［２７］から成り、前記下部ミラー領域［１９］が、前記導電性基板［１２］と前記発光領域［１４］の間に挟まれており、前記導電性基板［１２］が、前記下部電極［２７］と前記下部ミラー領域［１９］の間に挟まれている、ＶＣＳＥＬ［１１１］を形成するステップと；第１の軸に沿って前記発光領域［１４］に歪みを誘発するステップが含まれている、ＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
（実施態様１１）
前記歪みの誘発ステップに、上部表面と下部表面を備えた取り付け表面［１１２］に前記ＶＣＳＥＬ［１１１］を取り付けることが含まれ、前記ＶＣＳＥＬ［１１１］が前記取り付け表面［１１２］に機械的に結合され、前記取り付け基板［１１２］に、前記第１の軸を定義するための手段が含まれていることを特徴とする、実施態様１０に記載の方法。
【００３１】
（実施態様１２）
前記歪みの誘発ステップに、前記上部ミラー領域［１８］にトレンチ［２０３、２０４］をエッチングすることが含まれ、前記トレンチ［２０３、２０４］が前記第１の軸によって決まる方向を備えていることを特徴とする、実施態様１０に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
（実施態様１３）
さらに、前記上部ミラー領域［１８］とは異なる熱膨張率の材料で前記トレンチ［２０３、２０４］を充填することが含まれることを特徴とする、実施態様１２に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
（実施態様１４）
前記歪みの誘発ステップに、前記第１の軸まわりで前記取り付け基板［１１２］を曲げるステップが含まれることを特徴とする、実施態様１１に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
【００３２】
（実施態様１５）
前記第１の軸の定義手段に、前記第１の軸と平行な軸を備える、前記取り付け基板［１１２］内のチャネル［５３］が含まれることを特徴とする、実施態様１４に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
（実施態様１６）
前記取り付け基板［１１２］を曲げる前記ステップに、前記取り付け基板［１１２］と取り付け表面の間に接着層を付着させることが含まれ、前記接着層が、前記取り付け基板［１１２］とは異なる熱膨張率を備えていることを特徴とする、実施態様１５に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
（実施態様１７）
前記接着層を付着させる前記ステップに、前記チャネル［５３］を充填する溶融ハンダ層を付着させることが含まれ、前記ハンダ層が、前記取り付け基板［１１２］と前記ハンダが接着する表面との間に挟まれることを特徴とする、実施態様１６に記載のＶＣＳＥＬアセンブリ［５０］の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＶＣＳＥＬの断面図である。
【図２】ウェーハの下部側を部分的に切り欠いて、それに沿って応力を誘発しなければならない軸を備えたスロットが形成されている、ウェーハにＶＣＳＥＬが製作されたチップの透視図である。
【図３】ハンダ接続によってＶＣＳＥＬがヘッダに取り付けられているチップの断面図である。
【図４】本発明によるＶＣＳＥＬのもう１つの実施例を含むチップの透視図である。
【符号の説明】
１０    ＶＣＳＥＬ
１２    基板
１４    発光領域
１５    スペーサ
１６    スペーサ
１８    上部ミラー領域
１９    下部ミラー領域
２２    電極
２７    電極
５１    ＶＣＳＥＬ
５２    ウェーハ
５３    スロット
１１１  ＶＣＳＥＬ
１１２  チップ
１１３  ヘッダ
１１４  ハンダ接続
１１７  金属層
２００  チップ
２０１  ＶＣＳＥＬ
２０２  トレンチ
２０３  トレンチ
【図１】
0004359354.tif 000002
【図２】
0004359354.tif 000003
【図３】
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【図４】
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