２次元光素子アレイ
【課題】半導体光素子にキャリアを注入することによって発生した熱の排熱効率を高くして、半導体光素子における、キャリアの再結合によるエネルギーから光への変換効率を高くする。
【解決手段】基板と、基板上の、第１の軸線、および、第１の軸線と所定の角度で交差する第２の軸線のいずれに対しても、所定の周期Ｔ１を有する位置に２次元的に配置され、キャリアが注入されて発光する活性層を有する複数の半導体光素子を備え、当該位置の少なくとも一つは、複数の半導体光素子のいずれもが形成されていない非光素子位置である、２次元光素子アレイを提供する。
【解決手段】基板と、基板上の、第１の軸線、および、第１の軸線と所定の角度で交差する第２の軸線のいずれに対しても、所定の周期Ｔ１を有する位置に２次元的に配置され、キャリアが注入されて発光する活性層を有する複数の半導体光素子を備え、当該位置の少なくとも一つは、複数の半導体光素子のいずれもが形成されていない非光素子位置である、２次元光素子アレイを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元光素子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを備える光素子において、半導体レーザの上面に熱伝導率が高い層を形成することが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１ 特開昭６２−２７４６８２号公報
特許文献２ 特開２００８−２４４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体レーザでは、注入されたキャリアが、活性層で再結合することによって光を発する。このとき、キャリアが再結合したことによるエネルギーの一部は熱になるので、活性層において熱が発生する。しかし、活性層の温度が高くなると、キャリアの再結合によるエネルギーが光に変換される変換効率が低くなる。そこで、活性層からの排熱効率を高くして、光への変換効率を高くすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、基板と、基板上の、第１の軸線、および、第１の軸線と所定の角度で交差する第２の軸線のいずれに対しても、所定の周期Ｔ１を有する位置に２次元的に配置され、キャリアが注入されて発光する活性層を有する複数の半導体光素子を備え、当該位置の少なくとも一つは、複数の半導体光素子のいずれもが形成されていない非光素子位置である、２次元光素子アレイを提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光素子アレイの模式的な上視図である。
【図２】第１の実施形態に係る光素子アレイの模式的な断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る光素子アレイにおける熱の伝達を模式的に示す図である。
【図４】熱伝導度のシミュレーション結果である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光素子アレイの模式的な上視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る光素子アレイの模式的な上視図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る光素子の模式的な上視図である。
【図８】第４の実施形態に係る光素子の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光素子アレイ１００の模式的な上視図である。光素子アレイ１００は、複数の半導体光素子１０２、及び、熱伝導部１０４を備える。複数の半導体光素子１０２は、Ｘ軸及びＸ軸と所定の角度で交差するＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ１）を有する位置に、２次元的に形成される。図１に示した光素子アレイ１００においては、Ｘ軸とＹ軸とは、互いに６０度で交差する。Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても所定の周期（Ｔ１）を有する位置の少なくとも一つは、半導体光素子１０２が形成されていない、非光素子位置である。
【０００９】
非光素子位置は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。非光素子位置が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。
【００１０】
非光素子位置には、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。熱伝導部１０４が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。一例として、ｎは３であり、ｍは８である。
【００１１】
図１に示した光素子アレイ１００では、正六角形の頂点及び中心の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、２次元最密充填構造の格子点の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。
【００１２】
熱伝導部１０４は、複数の開口部１４０を有する。熱伝導部１０４は、正六角形の頂点及び中心に配置された７つの開口部１４０を有する。当該７つの開口部１４０は、互いに同じ大きさである。すなわち、当該７つの開口部１４０は、上端が１０μｍ×１０μｍの正方形を有する。正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と３０度の角度を形成する。熱伝導部１０４においては、開口部１４０の内壁が露出されるので、表面積が大きくなり、放熱効率が高くなる。
【００１３】
当該７つの開口部１４０は、同じ大きさではなく、互いに異なる大きさでもよい。例えば、当該７つの開口部１４０は、正六角形の中心に配置された開口部１４０が、正六角形の頂点に配置された開口部１４０より大きくてもよく、あるいは、小さくてもよい。また、正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と平行であってもよい。さらに、熱伝導部１０４に配置される開口部１４０の数は７つに限られず、また、開口部１４０の配置は正六角形に限られない。
【００１４】
図１に示した光素子アレイ１００においては、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）が７０μｍであり、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）が２１０μｍである。すなわち、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）は、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）の３倍（Ｔ２＝Ｔ１×３）である。つまり、格子点の間隔が２１０μｍの２次元最密充填構造に、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成される。
【００１５】
図１に示した光素子アレイ１００においては、一つの熱伝導部１０４、当該一つの熱伝導部１０４からＸ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４、及び、当該一つの熱伝導部１０４からＹ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４で形成される正三角形の中心に、半導体光素子１０２が一つ形成され、当該正三角形の三辺上に、それぞれ、半導体光素子１０２が二つずつ形成される。これにより、熱伝導部１０４は、互いに隣接せず、半導体光素子１０２に隣接して形成される。
【００１６】
光素子アレイ１００の外周部を除いて、半導体光素子１０２の３／４（７５％）が熱伝導部１０４に隣接する。光素子アレイ１００の外周部より外側には、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成されないので、光素子アレイ１００の外周部においては、熱伝導部１０４に隣接する半導体光素子１０２の比率が異なりうる。このとき、熱伝導部１０４を形成せずに、半導体光素子１０２をすべての格子点に形成する場合より、半導体光素子１０２の数が１１％減少する。しかし、熱伝導部１０４を形成したことにより、半導体光素子１０２で発する熱の排熱効率が高くなるので、それぞれの半導体光素子１０２における光への変換効率が１１％以上高くなる。したがって、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より、高くなる。
【００１７】
図２は、第１の実施形態に係る光素子アレイ１００の、図１のＡ−Ａ'における、模式的な断面図である。半導体光素子１０２は、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４、ｎ型コンタクト層１１６、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、ｐ型コンタクト層１２８、絶縁層１３０、ｐ側電極１３２、ｎ側電極１３４、誘電体層１３６、及び、上部ＤＢＲ層１３８を備える。基板１１０は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板で形成され、（１００）表面を有する。
【００１８】
下部ＤＢＲ層１１２は、基板１１０上に化合物半導体で形成される。下部ＤＢＲ層１１２は、高屈折率の化合物半導体及び低屈折率の化合物半導体を積層して形成される。下部ＤＢＲ層１１２は、例えば、ＧａＡｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とのペアを、３４ペア繰り返し積層して形成される。下部ＤＢＲ層１１２は、例えば、５μｍの厚さである。バッファ層１１４は、下部ＤＢＲ層１１２上に形成される。バッファ層１１４は、例えば、アンドープのＧａＡｓで形成される。アンドープとは、半導体に導電性を与える不純物を意図的に添加されていないことをいう。
【００１９】
ｎ型コンタクト層１１６は、バッファ層１１４上に、ｎ型の導電性を有する化合物半導体で形成される。ｎ型コンタクト層１１６は、一例としてｎ型ＧａＡｓで形成される。ｎ型コンタクト層１１６は、ｎ側電極１３４との間でオーミック接合を形成して、ｎ側電極１３４から注入されたキャリアを、活性層１１８に効率よく注入する。
【００２０】
活性層１１８は、ｎ型コンタクト層１１６上に、化合物半導体で形成される。活性層１１８は、例えば、ｎ型コンタクト層１１６上にＧａＡｓで形成された障壁層と、障壁層上にＩｎＧａＡｓで形成された量子井戸層とが、交互に積層されて、形成される。このとき、活性層１１８は、３層の量子井戸層と、４層の障壁層を有し、活性層１１８の最上層が障壁層である。ｎ側電極１３４及びｐ側電極１３２から注入されたキャリアが、活性層１１８で再結合して光を発する。
【００２１】
活性層１１８上に電流狭窄層１２０が形成される。電流狭窄層１２０は、絶縁体で形成された電流狭窄部１２４及び導電性を有する半導体で形成された電流注入部１２２を有する。電流注入部１２２の外周を取り囲んで、電流狭窄部１２４が形成される。例えば、上面から見て、電流注入部１２２は活性層１１８の中心を含む円形に形成され、電流狭窄部１２４は電流注入部１２２の外側に接して円形に形成される。一例として、電流注入部１２２がＡｌＡｓで形成され、電流狭窄部１２４がＡｌ２Ｏ３で形成される。電流注入部１２２が形成された領域の下方の活性層１１８には、ｐ側電極１３２からキャリアが注入され、電流狭窄部１２４が形成された領域の下方の活性層１１８には、ｐ側電極１３２からキャリアが注入されない。ｐ側電極１３２から活性層１１８にキャリアが注入される領域は、電流狭窄層１２０によって調整される。
【００２２】
電流狭窄層１２０上に、ｐ型の導電性を有する化合物半導体で、ｐ型スペーサ層１２６が形成される。ｐ型スペーサ層１２６上に、ｐ型の導電性を有する化合物半導体で、ｐ型コンタクト層１２８が形成される。ｐ型コンタクト層１２８におけるドーパントの濃度は、ｐ型スペーサ層１２６におけるドーパントの濃度より高い。ｐ型スペーサ層１２６及びｐ型コンタクト層１２８は、一例として、炭素を添加したＧａＡｓで形成される。例えば、ｐ型スペーサ層１２６におけるドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上で、２×１０１９ｃｍ−３より小さく、ｐ型コンタクト層１２８におけるドーパントの濃度は２×１０１９ｃｍ−３以上である。ｐ型コンタクト層１２８及びｐ型スペーサ層１２６は、ｐ側電極１３２との間でオーミック接合を形成して、ｐ側電極１３２から注入されたキャリアを、活性層１１８に効率よく注入する。
【００２３】
活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８は、上面から見て円形のメサ構造を有する。活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８のメサ構造を、上面から見たときの直径は、例えば、４０μｍである。また、ｎ型コンタクト層１１６は、上面から見て、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８より、大きい直径を有するメサ構造を有する。すなわち、ｎ型コンタクト層１１６のメサ構造の側面は、活性層１１８のメサ構造の側面の外側に形成される。
【００２４】
ｎ型コンタクト層１１６、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８を覆って絶縁層１３０が形成される。すなわち、絶縁層１３０は、ｐ型コンタクト層１２８の上面及び側面、ｐ型スペーサ層１２６の側面、電流狭窄層１２０の側面、活性層１１８の側面、並びに、ｎ型コンタクト層１１６の上面及び側面上に形成される。
【００２５】
絶縁層１３０上であって、電流注入部１２２の上方で、絶縁層１３０が除去されている。絶縁層１３０は、例えば、窒化ケイ素で形成される。絶縁層１３０が除去されている領域は、電流注入部１２２の上方を含み、かつ、電流注入部１２２より大きい。絶縁層１３０が除去された領域であって、ｐ型コンタクト層１２８上に誘電体層１３６が形成される。誘電体層１３６は、電流注入部１２２の上方に形成される。誘電体層１３６は、電流注入部１２２より大きい領域に形成される。
【００２６】
ｐ型コンタクト層１２８上の絶縁層１３０が除去された領域で、誘電体層１３６の外側にｐ側電極１３２が形成される。ｐ側電極１３２は、一部がｐ型コンタクト層１２８に接する。また、ｐ側電極１３２は、絶縁層１３０上から、絶縁層１３０上に連続して形成される。また、ｐ側電極１３２は、ｎ側電極１３４が形成されていない領域で、ｐ型コンタクト層１２８、ｐ型スペーサ層１２６、電流狭窄層１２０、及び、活性層１１８の側面に形成された絶縁層１３０上に形成され、さらに、ｎ型コンタクト層１１６上の絶縁層１３０上に連続して形成される。ｐ側電極１３２は、ｎ型コンタクト層１１６の側面を超えて絶縁層１３０上に形成される。これにより、ｐ側電極１３２への配線が容易になる。
【００２７】
誘電体層１３６及びｐ側電極１３２上に、上部ＤＢＲ層１３８が形成される。上部ＤＢＲ層１３８は、高屈折率の誘電体層及び低屈折率の誘電体層を積層して形成される。上部ＤＢＲ層１３８は、一例として、窒化ケイ素及び酸化ケイ素が、交互に、それぞれ１０層〜１２層積層されて形成される。上部ＤＢＲ層１３８は、ｐ側電極１３２より小さく形成され、ｐ側電極１３２の一部が上部ＤＢＲ層１３８から露出する。
【００２８】
ｎ型コンタクト層１１６上の一部で絶縁層１３０が除去される。絶縁層１３０が除去された領域で、ｎ型コンタクト層１１６上にｎ側電極１３４が形成される。ｎ側電極１３４及びｐ側電極１３２から注入されたキャリアは、活性層１１８で再結合する。活性層１１８は、下部ＤＢＲ層１１２及び上部ＤＢＲ層１３８に挟まれるので、活性層１１８におけるキャリアの再結合で発した光は、下部ＤＢＲ層１１２と、誘電体層１３６を含む上部ＤＢＲ層１３８との間で反射を繰り返し、半導体光素子１０２がレーザ発振する。
【００２９】
熱伝導部１０４は、開口部１４０及び金属層１４２を有する。開口部１４０が形成される領域には、半導体光素子１０２が形成されていない。すなわち、熱伝導部１０４が形成される領域では、基板１１０上に下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４、及び、絶縁層１３０が形成される。
【００３０】
開口部１４０は、絶縁層１３０、バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２を貫通して、基板１１０の一部を除去して形成される。開口部１４０は、テーパー形状を有する。開口部１４０の側面は、例えば、光素子アレイ１００の断面における垂直方向に対して、５度〜５０度の角度を有する。
【００３１】
開口部１４０の内壁に、金属層１４２が金属で形成される。金属層１４２を形成する金属は、熱伝導度が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。これにより、金属層１４２は、絶縁層１３０、バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２の側面上に形成される。また、金属層１４２は、基板１１０の一部が除去された領域で、基板１１０の表面上に形成される。金属層１４２は、一例として、銀で形成される。金属層１４２の厚さは、例えば０．４μｍである。開口部１４０の上端は、一例として、上面から見て、１０μｍ×１０μｍの四角形である。開口部１４０の深さは、例えば、１μｍ以上、２０μｍ以下である。金属層１４２は、厚さ０．４μｍと比較的薄くても、十分な放熱性が得られる。金属層１４２が厚さ０．４μｍと比較的薄いと、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料に対して、金属層１４２が及ぼす歪が小さくなり、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料中に結晶欠陥が発生しにくい。これにより、光素子アレイ１００の信頼性が高くなる。
【００３２】
開口部１４０は、例えば以下のようにして、エッチングで形成される。絶縁層１３０上にフォトリソグラフィーでドライエッチング用のレジストが形成される。次に、絶縁層１３０がＲＩＥエッチングで除去される。ドライエッチング用のレジストが除去され、ウェットエッチング用のレジストが、絶縁層１３０が除去されていない領域で、絶縁層１３０上に、フォトリソグラフィーによって形成される。バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２、並びに、基板１１０の一部が、ウェットエッチングで除去される。ウェットエッチングは、リン酸及び過酸化水素水で行われる。さらに、水酸化アンモニウム及び過酸化水素水でウェットエッチングが行われて、開口部１４０がテーパー形状にされる。次に銀が蒸着されて、開口部１４０が形成される。ウェットエッチング用のレジストが除去される。
【００３３】
活性層１１８でキャリアが再結合するときに、再結合により放出されたエネルギーの一部は熱になる。また、電流狭窄層１２０付近は、比較的電気抵抗が大きくジュール熱が発生する。このように活性層１１８及び電流狭窄層１２０付近で発した熱は、活性層１１８の周辺へと伝達される。このとき、活性層１１８から周辺への熱の伝達が早いほど、活性層１１８の温度が低くなる。活性層１１８の温度が低いほど、キャリアの再結合によって放出されたエネルギーが光に変換される変換効率が高くなる。光素子アレイ１００においては、熱伝導部１０４により、半導体光素子１０２で発生する熱の排熱効率が高くなり、半導体光素子１０２の活性層１１８の温度上昇を抑えることができる。これにより、一部の半導体光素子１０２が熱伝導部１０４で置き換えられて、半導体光素子１０２の総数が減少しても、熱伝導部１０４の寄与により、ここの半導体光素子１０２の光変換効率が上昇し、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より高くなる。
【００３４】
熱伝導部１０４を備える光素子アレイ１００は、個々の半導体光素子１０２の光変換効率が上昇している。これにより、熱伝導部を設けない光素子アレイに比べ、同じ光出力密度を得るのに必要な投入電力が小さい。したがって、個々の半導体光素子１０２の活性層１１８の温度が低いという特徴を有する。光素子アレイ１００を長期間にわたり駆動すると、活性層１１８などの半導体材料中に結晶欠陥が発生し、遂には発光を停止するという劣化が生じることがある。そして、結晶欠陥の発生は、温度が高いほど促進される。したがって、熱伝導部１０４を設けた光素子アレイ１００は、熱伝導部１０４を設けない光素子アレイに比べ、劣化が抑えられ、長寿命である。
【００３５】
図３は、第１の実施形態に係る光素子アレイ１００における熱の伝達を、模式的に示す断面図である。図３においては、半導体光素子１０２と、その間に形成された熱伝導部１０４を示した。また、図３では、半導体光素子１０２を簡略化して、下部ＤＢＲ層１１２、絶縁層１３０、及び、電流注入部１２２のみを示して、他の構成要素を省略した。
【００３６】
電流注入部１２２の下方で、活性層１１８に注入されたキャリアが再結合し、光と熱が放出される。放出された熱は、半導体光素子１０２の上方向、側面方向、及び、下方向に伝達されて放熱される。最も放熱効率が高いのは、下方向及び斜め下方向である。これは、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４、ｎ型コンタクト層１１６が化合物半導体で結成され、化合物半導体は、空気より熱伝導率が大きいからである。したがって、半導体光素子１０２で発生した熱により、半導体光素子１０２からｎ型コンタクト層１１６、バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２まで、下方向及び斜め下方向に、図３の矢印のように、温度勾配ができる。これは、図３の矢印の方向に放熱されることを意味する。また、基板１１０では、下方向に温度勾配ができ、放熱される。これは、基板１１０では半導体光素子１０２で発生した熱が、断面における横方向には、拡散しなくなるからである。
【００３７】
半導体光素子１０２同士が隣接せず、熱伝導部１０４が設けられた領域では、半導体光素子１０２同士が隣接する領域より、半導体光素子１０２で発生した熱が、断面における横方向に拡散しやすいので、排熱効率が高くなる。さらに、熱伝導部１０４の熱伝導率は、半導体又は絶縁体で形成された領域の熱伝導率より高いので、熱伝導部１０４によって、半導体光素子１０２で発生した熱の、断面における横方向への拡散が促進される。これにより、半導体光素子１０２の活性層１１８の温度が低くなり、光への変換効率が高くなる。
【００３８】
図４は、半導体光素子１０２において発熱する発熱領域１５０から、熱伝導部１０４の上端より１００μｍ下側の領域までの、熱伝導度のシミュレーション結果を示す。図４のグラフには、熱伝導部１０４に開口部１４０及び金属層１４２のいずれも形成されない場合の熱伝導度を破線で示し、金属層１４２の熱抵抗を一点鎖線で示した。図４のグラフに示した熱伝導度は、発熱領域１５０から基板１１０の表面に平行に熱伝導部１０４に向かって熱拡散し、金属層１４２が設けられている場合には金属層１４２を介して熱拡散して、その後、熱伝導部１０４から基板の表面に垂直に、基板の裏面に向かって熱拡散する経路の熱伝導度である。図４の上側に、熱伝導度のシミュレーションに用いた熱拡散の経路を模式的に示した。
【００３９】
開口部１４０は直径１０μｍ、深さ１０μｍの穴形状とした。半導体光素子１０２において発熱する領域の直径を１０μｍ、当該発熱する領域の側面と、熱伝導部１０４の側面との距離を３０μｍとした。図４に示すグラフの横軸が金属層１４２の厚さを示し、縦軸は熱伝導度を示す。ｎ型コンタクト層１１６、バッファ層１１４、下部ＤＢＲ層１１２及び基板１１０の熱伝導度を５０Ｗ／Ｋとし、また、金属層１４２は銀で形成された場合を想定し、金属層１４２の熱伝導度を４００Ｗ／Ｋとした。
【００４０】
図４に示されるように、金属層１４２の厚さを０．３μｍ以上とすると、熱伝導部１０４に開口部１４０及び金属層１４２のいずれもが形成されない場合より、熱伝導部１０４に開口部１４０及び金属層１４２を形成した場合の方が、熱伝導度が高い。したがって、金属層１４２の厚さが０．３μｍ以上であれば、熱伝導部１０４の表面の温度が低くなる。これにより、発熱領域１５０から基板１１０の裏面に向かう熱の拡散経路が、基板の表面に垂直な直線に対してなす角度が大きくなる。したがって、金属層１４２の厚さは０．３μｍ以上が好ましい。また、金属層１４２は、厚さ０．４μｍと比較的薄くても、十分な放熱性が得られる。金属層１４２の厚さが０．４μｍ以下であれば、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料に対して、金属層１４２が及ぼす歪が小さくなり、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料中に結晶欠陥が発生しにくく、光素子アレイ１００の信頼性が高くなる。したがって、金属層１４２の厚さは０．４μｍ以下が好ましい。
【００４１】
金属層１４２が開口部１４０の内壁に形成された例を説明したが、金属層１４２はこれに限られない。例えば、金属層１４２は、開口部１４０全体に埋め込まれて形成されてもよい。これにより、熱伝導部１０４の放熱効率が高くなる。
【００４２】
以上、熱伝導部１０４が形成される例を説明したが、熱伝導部１０４は形成されなくてもよい。すなわち、光素子アレイ１００の、予め定められた周期の位置の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４のいずれもが形成されなくてもよい。半導体光素子１０２が形成されていない部分では、半導体光素子１０２同士の間隔が広くなるので、活性層１１８で発生した熱が、当該部分に半導体光素子１０２が形成される場合より、効率よく排熱される。
【００４３】
以上、半導体光素子１０２が、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、同じ周期Ｔ１で形成された例を示したが、これに限られない。例えば、半導体光素子１０２が形成される位置は、Ｘ軸及びＹ軸に対して、それぞれ異なる周期を有してもよい。また、非光素子位置及び熱伝導部１０４が、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、同じ周期Ｔ２で形成された例を示したが、これに限られない。例えば、非光素子位置及び熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸に対して、それぞれ異なる周期で設けられてもよい。
【００４４】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光素子アレイ２００の模式的な上視図である。図５において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有する。光素子アレイ２００は、複数の半導体光素子１０２、及び、熱伝導部１０４を備える。図５のＡ−Ａ'断面は、図２に示した構造を有する。すなわち、熱伝導部１０４は、開口部１４０を有し、開口部１４０の内壁に金属層１４２が形成される。複数の半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４の配置は、図１に示した光素子アレイ１００における配置と同様である。
【００４５】
複数の半導体光素子１０２は、Ｘ軸及びＸ軸と所定の角度で交差するＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ１）を有する位置に形成される。図１に示した光素子アレイ１００においては、Ｘ軸とＹ軸とは、互いに６０度で交差する。Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても所定の周期（Ｔ１）を有する位置の少なくとも一つは、半導体光素子１０２が形成されていない、非光素子位置である。非光素子位置は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。非光素子位置が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。非光素子位置には、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。熱伝導部１０４が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。一例として、ｎは３であり、ｍは８である。
【００４６】
図５に示した光素子アレイ２００では、正六角形の頂点及び中心の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、２次元最密充填構造の格子点の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。
【００４７】
熱伝導部１０４は、上面から見て、半導体光素子１０２の直径以上の大きさの開口部１４０を有する。ここで半導体光素子１０２の直径とは、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８のメサ構造上の、上面から見た直径をいう。熱伝導部１０４は、上面から見て六角形であり、当該六角形の対抗する辺の距離が、半導体光素子１０２の直径以上である。
【００４８】
図５に示した光素子アレイ２００においては、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）が７０μｍであり、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）が２１０μｍである。すなわち、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）は、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）の３倍（Ｔ２＝Ｔ１×３）である。つまり、格子点の間隔が２１０μｍの２次元最密充填構造に、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成される。
【００４９】
図５に示した光素子アレイ２００においては、一つの熱伝導部１０４、当該一つの熱伝導部１０４からＸ軸方向Ｔ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４、及び、当該一つの熱伝導部１０４からＹ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４で形成される正三角形の中心に、半導体光素子１０２が一つ形成され、当該正三角形の三辺上に、それぞれ、半導体光素子１０２が二つずつ形成される。これにより、熱伝導部１０４は、互いに隣接せず、半導体光素子１０２に隣接して形成される。
【００５０】
光素子アレイ１００の外周部を除いて、半導体光素子１０２の３／４（７５％）が熱伝導部１０４に隣接する。光素子アレイ１００の外周部より外側には、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成されないので、光素子アレイ１００の外周部においては、熱伝導部１０４に隣接する半導体光素子１０２の比率が異なりうる。このとき、熱伝導部１０４を形成せずに、半導体光素子１０２をすべての格子点に形成する場合より、半導体光素子１０２の数が１１％減少する。しかし、熱伝導部１０４を形成したことにより、半導体光素子１０２で発する熱の排熱効率が高くなるので、それぞれの半導体光素子１０２における光への変換効率が１１％以上高くなる。したがって、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より、高くなる。
【００５１】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る光素子アレイ３００の模式的な上視図である。図６において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有する。図６のＡ−Ａ'断面は、図２に示した構造を有する。複数の半導体光素子１０２は、Ｘ軸及びＸ軸と所定の角度で交差するＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ１）を有する位置に形成される。図６に示した光素子アレイ３００においては、Ｘ軸とＹ軸とは、互いに６０度で交差する。Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても所定の周期（Ｔ１）を有する位置の少なくとも一つは、半導体光素子１０２が形成されていない、非光素子位置である。非光素子位置は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。非光素子位置が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。非光素子位置には、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。熱伝導部１０４が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。一例として、ｎは３であり、ｍは２である。
【００５２】
図６に示した光素子アレイ３００では、正六角形の頂点及び中心の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、２次元最密充填構造の格子点の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。
【００５３】
熱伝導部１０４は、複数の開口部１４０を有する。熱伝導部１０４は、正六角形の頂点及び中心に配置された７つの開口部１４０を有する。当該７つの開口部１４０は、上端が１０μｍ×１０μｍの正方形を有する。正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と３０度の角度を形成する。熱伝導部１０４においては、開口部１４０の内壁が露出されるので、表面積が大きくなり、放熱効率が高くなる。
【００５４】
当該７つの開口部１４０は、同じ大きさではなく、正六角形の中心に配置された開口部１４０が、正六角形の頂点に配置された開口部１４０より大きくてもよく、あるいは、小さくてもよい。また、正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と平行であってもよい。さらに、熱伝導部１０４に配置される開口部１４０の数は７つに限られず、また、開口部１４０の配置は正六角形に限られない。
【００５５】
図６に示した光素子アレイ３００においては、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）が７０μｍであり、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）が２１０μｍである。すなわち、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）は、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）の３倍（Ｔ２＝Ｔ１×３）である。つまり、格子点の間隔が２１０μｍの２次元最密充填構造に、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成される。
【００５６】
図６に示した光素子アレイ３００においては、一つの熱伝導部１０４、当該一つの熱伝導部１０４からＸ軸方向Ｔ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４、及び、当該一つの熱伝導部１０４からＹ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４で形成される正三角形の中心に、熱伝導部１０４が形成され、当該正三角形の三辺上に、それぞれ、半導体光素子１０２が二つずつ形成される。これにより、熱伝導部１０４は、互いに隣接せず、半導体光素子１０２に隣接して形成される。
【００５７】
図６に示した光素子アレイ３００において、２次元最密充填構造の格子点に半導体光素子１０２と熱伝導部１０４とが、交互に形成される。すなわち、正六角形の頂点に半導体光素子１０２が配置され、中心に熱伝導部１０４が配置される。このとき、一つの熱伝導部１０４は、６つの半導体光素子１０２に隣接する。また、一つの半導体光素子１０２は、三つの熱伝導部１０４、及び、三つの半導体光素子１０２に隣接する。
【００５８】
半導体光素子１０２の３／４（７５％）の全部が熱伝導部１０４に隣接する。このとき、熱伝導部１０４を形成せずに、半導体光素子１０２をすべての格子点に形成する場合より、半導体光素子１０２の数が１／３だけ減少する。しかし、熱伝導部１０４を形成したことにより、半導体光素子１０２で発する熱の排熱効率が高くなるので、それぞれの半導体光素子１０２における光への変換効率が５０％以上高くなる。したがって、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より、高くなる。
【００５９】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る光素子４００の模式的な上視図である。図７において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有する。光素子４００は、半導体光素子４０２及び熱伝導部１０４を備える。半導体光素子４０２は、ストライプ導波路型レーザである。この場合、熱伝導部１０４は、半導体光素子４０２の両側に、半導体光素子４０２の導波路に沿って、複数形成される。
【００６０】
熱伝導部１０４を上面から見たときの中心から、半導体光素子４０２の導波路の側面までの距離は、例えば、１５μｍである。また、隣接する熱伝導部１０４同士の、上面から見たときの中心同士の距離は、例えば、１５μｍである。開口部１４０は、例えば、上面から見て一辺が１０μｍの正方形である。
【００６１】
図８は、第４の実施形態に係る光素子４００の、図７のＢ−Ｂ'における、模式的な断面図である。図８において図２と同一の符号を付した要素は、図２において説明した要素と同一の機能および構成を有する。半導体光素子４０２は、基板１１０、下部クラッド層４１２、活性層１１８、上部クラッド層４１４、ｐ型コンタクト層１２８、ｐ側電極１３２、ｎ側電極１３４、埋め込み層４１６、電流阻止層４１８、及び、絶縁層１３０を備える。熱伝導部１０４は、開口部１４０及び金属層１４２を備える。
【００６２】
開口部１４０は、絶縁層１３０、電流阻止層４１８、埋め込み層４１６、及び、下部クラッド層４１２を貫通し、かつ、基板１１０の一部が除去されて形成される。金属層１４２は、絶縁層１３０、電流阻止層４１８、埋め込み層４１６、下部クラッド層４１２、及び、基板１１０の側面上、並びに、開口部１４０における基板１１０の上面に形成される。
【００６３】
半導体光素子４０２は、下部クラッド層４１２の一部、活性層１１８、及び、上部クラッド層４１４がストライプ状のメサ構造を有し、埋め込み層４１６及び電流阻止層４１８に埋め込まれている。すなわち、活性層１１８および上部クラッド層４１４は、光素子４００において、ｐ側電極１３２の下側の領域以外で除去されている。また、活性層１１８及び上部クラッド層４１４が除去された領域で、下部クラッド層４１２は、厚さ方向に一部が除去されて、他の領域より膜厚が薄い。
【００６４】
下部クラッド層４１２の一部、活性層１１８、及び、上部クラッド層４１４が除去された領域では、下部クラッド層４１２上に埋め込み層４１６が形成されている。埋め込み層４１６は、下部クラッド層４１２、活性層１１８及び上部クラッド層４１４の側面を覆って形成される。すなわち、埋め込み層４１６の厚さは、活性層１１８および上部クラッド層４１４と接する領域において、活性層１１８の厚さ、上部クラッド層４１４の厚さ、及び、除去された下部クラッド層４１２の深さの合計と等しい。
【００６５】
埋め込み層４１６の厚さは、活性層１１８および上部クラッド層４１４と接する領域以外の領域で、活性層１１８の厚さ、上部クラッド層４１４の厚さ、及び、除去された下部クラッド層４１２の深さの合計より薄い。したがって、埋め込み層４１６の上面は、活性層１１８および上部クラッド層４１４と接する領域の近傍で、傾斜した面を有する。電流阻止層４１８は、埋め込み層４１６上に形成され、電流阻止層４１８の上面は、上部クラッド層４１４の上面と同一の平面内にある。
【００６６】
例えば、第４の実施形態に係る光素子４００において、基板１１０は、面方位が（１００）のｎ−ＩｎＰ基板を使用する。基板１１０上に、下部クラッド層４１２は、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰで形成される。活性層１１８は、下部クラッド層４１２上に形成された障壁層と、障壁層上に形成された量子井戸層とが交互に積層されて形成される。障壁層は、例えば、下部クラッド層４１２及び上部クラッド層４１４とは異なる組成を有するＩｎＧａＡｓＰで形成される。量子井戸層は、下部クラッド層４１２、上部クラッド層４１４及び障壁層とは異なる組成を有するＩｎＧａＡｓＰで、形成される。このとき、活性層１１８は、７層の量子井戸層と、８層の障壁層を有し、活性層１１８の最上層が障壁層である。
【００６７】
活性層１１８上に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰで上部クラッド層４１４が形成される。上部クラッド層４１４上に、ｐ型コンタクト層１２８は、ｐ−ＩｎＧａＡｓで形成される。下部クラッド層４１２と活性層１１８の間、および、活性層１１８と上部クラッド層４１４の間に単層または複数層のＩｎＧａＡｓＰで構成される導波層が形成されてもよい。導波層のＩｎＧａＡｓＰの組成は、光閉じ込めの設計に合わせて適宜調整される。埋め込み層４１６はｐ−ＩｎＰで形成される。電流阻止層４１８は、例えば、ｎ−ＩｎＰで形成される。半導体光素子４０２において、ｐ型コンタクト層１２８は、上部クラッド層４１４上、及び、電流阻止層４１８上に形成される。ｐ型コンタクト層１２８上であって、埋め込み層４１６及び電流阻止層４１８の上方の領域で、絶縁層１３０が形成される。基板１１０の裏面にｎ側電極１３４が形成され、ｐ型コンタクト層１２８の一部に接してｐ側電極１３２が形成される。ｎ側電極１３４及びｐ側電極１３２から注入されたキャリアが、活性層１１８で再結合して光を発する。ストライプ状の導波路の両端部は、へき開によりミラーとして形成され、両端のミラー間で光が反射を繰り返し、半導体光素子４０２はレーザ発振する。
【００６８】
ｐ型コンタクト層１２８上の、絶縁層１３０が形成されていない領域にｐ側電極１３２が形成される。すなわち、ｐ側電極１３２は、活性層１１８及び上部クラッド層４１４が形成された領域の上方に形成される。ｐ側電極１３２は、絶縁層１３０が形成されていない領域を超えて、絶縁層１３０の端部の一部上に形成される。ｐ側電極１３２の幅は、活性層１１８及び上部クラッド層４１４の幅より広い。ここで幅とは、活性層１１８における光路の方向、及び、活性層１１８の厚さ方向に垂直な方向の長さをいう。埋め込み構造により、ｐ側電極１３２およびｎ側電極１３４から活性層１１８にキャリアが効率よく注入される。
【００６９】
ｐ側電極１３２及びｎ側電極１３４から注入されたキャリアが活性層１１８で再結合して発光するときに、熱が発生する。熱伝導部１０４に形成された金属層は、第１の実施形態、第２の実施形態、または、第３の実施形態と同様の構成であり、下部クラッド層４１２に比べ熱伝導に優れている。したがって、活性層１１８で発生した熱は、熱伝導部１０４により効率よく放熱されるので、半導体光素子４０２が発振しているときの、活性層１１８の温度は、熱伝導部１０４が形成されない場合より低い。これにより、半導体光素子４０２の光変換効率が高くなる。これらの半導体光素子４０２を長期間にわたり駆動すると、活性層１１８などの半導体材料中に結晶欠陥が発生し、遂には発光を停止するという劣化が生じることがある。そして、結晶欠陥の発生は、温度が高い程、促進される。したがって、熱伝導部１０４を備える半導体光素子４０２は、熱伝導部１０４を備えない半導体光素子に比べ、劣化が抑えられ、長寿命である。
【００７０】
以上、複数の熱伝導部１０４が、半導体光素子４０２の両側に、半導体光素子４０２の導波路に沿って、形成された例を説明したが、熱伝導部１０４はこれに限られない。例えば、熱伝導部１０４、半導体光素子４０２の両側に形成された、半導体光素子４０２の導波路に平行な溝であってもよい。
【００７１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７２】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 光素子アレイ、１０２ 半導体光素子、１０４ 熱伝導部、１１０ 基板、１１２ 下部ＤＢＲ層、１１４ バッファ層、１１６ ｎ型コンタクト層、１１８ 活性層、１２０ 電流狭窄層、１２２ 電流注入部、１２４ 電流狭窄部、１２６ ｐ型スペーサ層、１２８ ｐ型コンタクト層、１３０ 絶縁層、１３２ ｐ側電極、１３４ ｎ側電極、１３６ 誘電体層、１３８ 上部ＤＢＲ層、１４０ 開口部、１４２ 金属層、１５０ 発熱領域、２００ 光素子アレイ、３００ 光素子アレイ、４００ 光素子、４０２ 半導体光素子、４１２ 下部クラッド層、４１４ 上部クラッド層、４１６ 埋め込み層、４１８ 電流阻止層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元光素子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを備える光素子において、半導体レーザの上面に熱伝導率が高い層を形成することが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
特許文献１ 特開昭６２−２７４６８２号公報
特許文献２ 特開２００８−２４４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体レーザでは、注入されたキャリアが、活性層で再結合することによって光を発する。このとき、キャリアが再結合したことによるエネルギーの一部は熱になるので、活性層において熱が発生する。しかし、活性層の温度が高くなると、キャリアの再結合によるエネルギーが光に変換される変換効率が低くなる。そこで、活性層からの排熱効率を高くして、光への変換効率を高くすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、基板と、基板上の、第１の軸線、および、第１の軸線と所定の角度で交差する第２の軸線のいずれに対しても、所定の周期Ｔ１を有する位置に２次元的に配置され、キャリアが注入されて発光する活性層を有する複数の半導体光素子を備え、当該位置の少なくとも一つは、複数の半導体光素子のいずれもが形成されていない非光素子位置である、２次元光素子アレイを提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光素子アレイの模式的な上視図である。
【図２】第１の実施形態に係る光素子アレイの模式的な断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る光素子アレイにおける熱の伝達を模式的に示す図である。
【図４】熱伝導度のシミュレーション結果である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光素子アレイの模式的な上視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る光素子アレイの模式的な上視図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る光素子の模式的な上視図である。
【図８】第４の実施形態に係る光素子の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光素子アレイ１００の模式的な上視図である。光素子アレイ１００は、複数の半導体光素子１０２、及び、熱伝導部１０４を備える。複数の半導体光素子１０２は、Ｘ軸及びＸ軸と所定の角度で交差するＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ１）を有する位置に、２次元的に形成される。図１に示した光素子アレイ１００においては、Ｘ軸とＹ軸とは、互いに６０度で交差する。Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても所定の周期（Ｔ１）を有する位置の少なくとも一つは、半導体光素子１０２が形成されていない、非光素子位置である。
【０００９】
非光素子位置は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。非光素子位置が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。
【００１０】
非光素子位置には、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。熱伝導部１０４が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。一例として、ｎは３であり、ｍは８である。
【００１１】
図１に示した光素子アレイ１００では、正六角形の頂点及び中心の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、２次元最密充填構造の格子点の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。
【００１２】
熱伝導部１０４は、複数の開口部１４０を有する。熱伝導部１０４は、正六角形の頂点及び中心に配置された７つの開口部１４０を有する。当該７つの開口部１４０は、互いに同じ大きさである。すなわち、当該７つの開口部１４０は、上端が１０μｍ×１０μｍの正方形を有する。正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と３０度の角度を形成する。熱伝導部１０４においては、開口部１４０の内壁が露出されるので、表面積が大きくなり、放熱効率が高くなる。
【００１３】
当該７つの開口部１４０は、同じ大きさではなく、互いに異なる大きさでもよい。例えば、当該７つの開口部１４０は、正六角形の中心に配置された開口部１４０が、正六角形の頂点に配置された開口部１４０より大きくてもよく、あるいは、小さくてもよい。また、正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と平行であってもよい。さらに、熱伝導部１０４に配置される開口部１４０の数は７つに限られず、また、開口部１４０の配置は正六角形に限られない。
【００１４】
図１に示した光素子アレイ１００においては、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）が７０μｍであり、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）が２１０μｍである。すなわち、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）は、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）の３倍（Ｔ２＝Ｔ１×３）である。つまり、格子点の間隔が２１０μｍの２次元最密充填構造に、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成される。
【００１５】
図１に示した光素子アレイ１００においては、一つの熱伝導部１０４、当該一つの熱伝導部１０４からＸ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４、及び、当該一つの熱伝導部１０４からＹ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４で形成される正三角形の中心に、半導体光素子１０２が一つ形成され、当該正三角形の三辺上に、それぞれ、半導体光素子１０２が二つずつ形成される。これにより、熱伝導部１０４は、互いに隣接せず、半導体光素子１０２に隣接して形成される。
【００１６】
光素子アレイ１００の外周部を除いて、半導体光素子１０２の３／４（７５％）が熱伝導部１０４に隣接する。光素子アレイ１００の外周部より外側には、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成されないので、光素子アレイ１００の外周部においては、熱伝導部１０４に隣接する半導体光素子１０２の比率が異なりうる。このとき、熱伝導部１０４を形成せずに、半導体光素子１０２をすべての格子点に形成する場合より、半導体光素子１０２の数が１１％減少する。しかし、熱伝導部１０４を形成したことにより、半導体光素子１０２で発する熱の排熱効率が高くなるので、それぞれの半導体光素子１０２における光への変換効率が１１％以上高くなる。したがって、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より、高くなる。
【００１７】
図２は、第１の実施形態に係る光素子アレイ１００の、図１のＡ−Ａ'における、模式的な断面図である。半導体光素子１０２は、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４、ｎ型コンタクト層１１６、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、ｐ型コンタクト層１２８、絶縁層１３０、ｐ側電極１３２、ｎ側電極１３４、誘電体層１３６、及び、上部ＤＢＲ層１３８を備える。基板１１０は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板で形成され、（１００）表面を有する。
【００１８】
下部ＤＢＲ層１１２は、基板１１０上に化合物半導体で形成される。下部ＤＢＲ層１１２は、高屈折率の化合物半導体及び低屈折率の化合物半導体を積層して形成される。下部ＤＢＲ層１１２は、例えば、ＧａＡｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とのペアを、３４ペア繰り返し積層して形成される。下部ＤＢＲ層１１２は、例えば、５μｍの厚さである。バッファ層１１４は、下部ＤＢＲ層１１２上に形成される。バッファ層１１４は、例えば、アンドープのＧａＡｓで形成される。アンドープとは、半導体に導電性を与える不純物を意図的に添加されていないことをいう。
【００１９】
ｎ型コンタクト層１１６は、バッファ層１１４上に、ｎ型の導電性を有する化合物半導体で形成される。ｎ型コンタクト層１１６は、一例としてｎ型ＧａＡｓで形成される。ｎ型コンタクト層１１６は、ｎ側電極１３４との間でオーミック接合を形成して、ｎ側電極１３４から注入されたキャリアを、活性層１１８に効率よく注入する。
【００２０】
活性層１１８は、ｎ型コンタクト層１１６上に、化合物半導体で形成される。活性層１１８は、例えば、ｎ型コンタクト層１１６上にＧａＡｓで形成された障壁層と、障壁層上にＩｎＧａＡｓで形成された量子井戸層とが、交互に積層されて、形成される。このとき、活性層１１８は、３層の量子井戸層と、４層の障壁層を有し、活性層１１８の最上層が障壁層である。ｎ側電極１３４及びｐ側電極１３２から注入されたキャリアが、活性層１１８で再結合して光を発する。
【００２１】
活性層１１８上に電流狭窄層１２０が形成される。電流狭窄層１２０は、絶縁体で形成された電流狭窄部１２４及び導電性を有する半導体で形成された電流注入部１２２を有する。電流注入部１２２の外周を取り囲んで、電流狭窄部１２４が形成される。例えば、上面から見て、電流注入部１２２は活性層１１８の中心を含む円形に形成され、電流狭窄部１２４は電流注入部１２２の外側に接して円形に形成される。一例として、電流注入部１２２がＡｌＡｓで形成され、電流狭窄部１２４がＡｌ２Ｏ３で形成される。電流注入部１２２が形成された領域の下方の活性層１１８には、ｐ側電極１３２からキャリアが注入され、電流狭窄部１２４が形成された領域の下方の活性層１１８には、ｐ側電極１３２からキャリアが注入されない。ｐ側電極１３２から活性層１１８にキャリアが注入される領域は、電流狭窄層１２０によって調整される。
【００２２】
電流狭窄層１２０上に、ｐ型の導電性を有する化合物半導体で、ｐ型スペーサ層１２６が形成される。ｐ型スペーサ層１２６上に、ｐ型の導電性を有する化合物半導体で、ｐ型コンタクト層１２８が形成される。ｐ型コンタクト層１２８におけるドーパントの濃度は、ｐ型スペーサ層１２６におけるドーパントの濃度より高い。ｐ型スペーサ層１２６及びｐ型コンタクト層１２８は、一例として、炭素を添加したＧａＡｓで形成される。例えば、ｐ型スペーサ層１２６におけるドーパントの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上で、２×１０１９ｃｍ−３より小さく、ｐ型コンタクト層１２８におけるドーパントの濃度は２×１０１９ｃｍ−３以上である。ｐ型コンタクト層１２８及びｐ型スペーサ層１２６は、ｐ側電極１３２との間でオーミック接合を形成して、ｐ側電極１３２から注入されたキャリアを、活性層１１８に効率よく注入する。
【００２３】
活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８は、上面から見て円形のメサ構造を有する。活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８のメサ構造を、上面から見たときの直径は、例えば、４０μｍである。また、ｎ型コンタクト層１１６は、上面から見て、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８より、大きい直径を有するメサ構造を有する。すなわち、ｎ型コンタクト層１１６のメサ構造の側面は、活性層１１８のメサ構造の側面の外側に形成される。
【００２４】
ｎ型コンタクト層１１６、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８を覆って絶縁層１３０が形成される。すなわち、絶縁層１３０は、ｐ型コンタクト層１２８の上面及び側面、ｐ型スペーサ層１２６の側面、電流狭窄層１２０の側面、活性層１１８の側面、並びに、ｎ型コンタクト層１１６の上面及び側面上に形成される。
【００２５】
絶縁層１３０上であって、電流注入部１２２の上方で、絶縁層１３０が除去されている。絶縁層１３０は、例えば、窒化ケイ素で形成される。絶縁層１３０が除去されている領域は、電流注入部１２２の上方を含み、かつ、電流注入部１２２より大きい。絶縁層１３０が除去された領域であって、ｐ型コンタクト層１２８上に誘電体層１３６が形成される。誘電体層１３６は、電流注入部１２２の上方に形成される。誘電体層１３６は、電流注入部１２２より大きい領域に形成される。
【００２６】
ｐ型コンタクト層１２８上の絶縁層１３０が除去された領域で、誘電体層１３６の外側にｐ側電極１３２が形成される。ｐ側電極１３２は、一部がｐ型コンタクト層１２８に接する。また、ｐ側電極１３２は、絶縁層１３０上から、絶縁層１３０上に連続して形成される。また、ｐ側電極１３２は、ｎ側電極１３４が形成されていない領域で、ｐ型コンタクト層１２８、ｐ型スペーサ層１２６、電流狭窄層１２０、及び、活性層１１８の側面に形成された絶縁層１３０上に形成され、さらに、ｎ型コンタクト層１１６上の絶縁層１３０上に連続して形成される。ｐ側電極１３２は、ｎ型コンタクト層１１６の側面を超えて絶縁層１３０上に形成される。これにより、ｐ側電極１３２への配線が容易になる。
【００２７】
誘電体層１３６及びｐ側電極１３２上に、上部ＤＢＲ層１３８が形成される。上部ＤＢＲ層１３８は、高屈折率の誘電体層及び低屈折率の誘電体層を積層して形成される。上部ＤＢＲ層１３８は、一例として、窒化ケイ素及び酸化ケイ素が、交互に、それぞれ１０層〜１２層積層されて形成される。上部ＤＢＲ層１３８は、ｐ側電極１３２より小さく形成され、ｐ側電極１３２の一部が上部ＤＢＲ層１３８から露出する。
【００２８】
ｎ型コンタクト層１１６上の一部で絶縁層１３０が除去される。絶縁層１３０が除去された領域で、ｎ型コンタクト層１１６上にｎ側電極１３４が形成される。ｎ側電極１３４及びｐ側電極１３２から注入されたキャリアは、活性層１１８で再結合する。活性層１１８は、下部ＤＢＲ層１１２及び上部ＤＢＲ層１３８に挟まれるので、活性層１１８におけるキャリアの再結合で発した光は、下部ＤＢＲ層１１２と、誘電体層１３６を含む上部ＤＢＲ層１３８との間で反射を繰り返し、半導体光素子１０２がレーザ発振する。
【００２９】
熱伝導部１０４は、開口部１４０及び金属層１４２を有する。開口部１４０が形成される領域には、半導体光素子１０２が形成されていない。すなわち、熱伝導部１０４が形成される領域では、基板１１０上に下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４、及び、絶縁層１３０が形成される。
【００３０】
開口部１４０は、絶縁層１３０、バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２を貫通して、基板１１０の一部を除去して形成される。開口部１４０は、テーパー形状を有する。開口部１４０の側面は、例えば、光素子アレイ１００の断面における垂直方向に対して、５度〜５０度の角度を有する。
【００３１】
開口部１４０の内壁に、金属層１４２が金属で形成される。金属層１４２を形成する金属は、熱伝導度が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。これにより、金属層１４２は、絶縁層１３０、バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２の側面上に形成される。また、金属層１４２は、基板１１０の一部が除去された領域で、基板１１０の表面上に形成される。金属層１４２は、一例として、銀で形成される。金属層１４２の厚さは、例えば０．４μｍである。開口部１４０の上端は、一例として、上面から見て、１０μｍ×１０μｍの四角形である。開口部１４０の深さは、例えば、１μｍ以上、２０μｍ以下である。金属層１４２は、厚さ０．４μｍと比較的薄くても、十分な放熱性が得られる。金属層１４２が厚さ０．４μｍと比較的薄いと、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料に対して、金属層１４２が及ぼす歪が小さくなり、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料中に結晶欠陥が発生しにくい。これにより、光素子アレイ１００の信頼性が高くなる。
【００３２】
開口部１４０は、例えば以下のようにして、エッチングで形成される。絶縁層１３０上にフォトリソグラフィーでドライエッチング用のレジストが形成される。次に、絶縁層１３０がＲＩＥエッチングで除去される。ドライエッチング用のレジストが除去され、ウェットエッチング用のレジストが、絶縁層１３０が除去されていない領域で、絶縁層１３０上に、フォトリソグラフィーによって形成される。バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２、並びに、基板１１０の一部が、ウェットエッチングで除去される。ウェットエッチングは、リン酸及び過酸化水素水で行われる。さらに、水酸化アンモニウム及び過酸化水素水でウェットエッチングが行われて、開口部１４０がテーパー形状にされる。次に銀が蒸着されて、開口部１４０が形成される。ウェットエッチング用のレジストが除去される。
【００３３】
活性層１１８でキャリアが再結合するときに、再結合により放出されたエネルギーの一部は熱になる。また、電流狭窄層１２０付近は、比較的電気抵抗が大きくジュール熱が発生する。このように活性層１１８及び電流狭窄層１２０付近で発した熱は、活性層１１８の周辺へと伝達される。このとき、活性層１１８から周辺への熱の伝達が早いほど、活性層１１８の温度が低くなる。活性層１１８の温度が低いほど、キャリアの再結合によって放出されたエネルギーが光に変換される変換効率が高くなる。光素子アレイ１００においては、熱伝導部１０４により、半導体光素子１０２で発生する熱の排熱効率が高くなり、半導体光素子１０２の活性層１１８の温度上昇を抑えることができる。これにより、一部の半導体光素子１０２が熱伝導部１０４で置き換えられて、半導体光素子１０２の総数が減少しても、熱伝導部１０４の寄与により、ここの半導体光素子１０２の光変換効率が上昇し、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より高くなる。
【００３４】
熱伝導部１０４を備える光素子アレイ１００は、個々の半導体光素子１０２の光変換効率が上昇している。これにより、熱伝導部を設けない光素子アレイに比べ、同じ光出力密度を得るのに必要な投入電力が小さい。したがって、個々の半導体光素子１０２の活性層１１８の温度が低いという特徴を有する。光素子アレイ１００を長期間にわたり駆動すると、活性層１１８などの半導体材料中に結晶欠陥が発生し、遂には発光を停止するという劣化が生じることがある。そして、結晶欠陥の発生は、温度が高いほど促進される。したがって、熱伝導部１０４を設けた光素子アレイ１００は、熱伝導部１０４を設けない光素子アレイに比べ、劣化が抑えられ、長寿命である。
【００３５】
図３は、第１の実施形態に係る光素子アレイ１００における熱の伝達を、模式的に示す断面図である。図３においては、半導体光素子１０２と、その間に形成された熱伝導部１０４を示した。また、図３では、半導体光素子１０２を簡略化して、下部ＤＢＲ層１１２、絶縁層１３０、及び、電流注入部１２２のみを示して、他の構成要素を省略した。
【００３６】
電流注入部１２２の下方で、活性層１１８に注入されたキャリアが再結合し、光と熱が放出される。放出された熱は、半導体光素子１０２の上方向、側面方向、及び、下方向に伝達されて放熱される。最も放熱効率が高いのは、下方向及び斜め下方向である。これは、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４、ｎ型コンタクト層１１６が化合物半導体で結成され、化合物半導体は、空気より熱伝導率が大きいからである。したがって、半導体光素子１０２で発生した熱により、半導体光素子１０２からｎ型コンタクト層１１６、バッファ層１１４、及び、下部ＤＢＲ層１１２まで、下方向及び斜め下方向に、図３の矢印のように、温度勾配ができる。これは、図３の矢印の方向に放熱されることを意味する。また、基板１１０では、下方向に温度勾配ができ、放熱される。これは、基板１１０では半導体光素子１０２で発生した熱が、断面における横方向には、拡散しなくなるからである。
【００３７】
半導体光素子１０２同士が隣接せず、熱伝導部１０４が設けられた領域では、半導体光素子１０２同士が隣接する領域より、半導体光素子１０２で発生した熱が、断面における横方向に拡散しやすいので、排熱効率が高くなる。さらに、熱伝導部１０４の熱伝導率は、半導体又は絶縁体で形成された領域の熱伝導率より高いので、熱伝導部１０４によって、半導体光素子１０２で発生した熱の、断面における横方向への拡散が促進される。これにより、半導体光素子１０２の活性層１１８の温度が低くなり、光への変換効率が高くなる。
【００３８】
図４は、半導体光素子１０２において発熱する発熱領域１５０から、熱伝導部１０４の上端より１００μｍ下側の領域までの、熱伝導度のシミュレーション結果を示す。図４のグラフには、熱伝導部１０４に開口部１４０及び金属層１４２のいずれも形成されない場合の熱伝導度を破線で示し、金属層１４２の熱抵抗を一点鎖線で示した。図４のグラフに示した熱伝導度は、発熱領域１５０から基板１１０の表面に平行に熱伝導部１０４に向かって熱拡散し、金属層１４２が設けられている場合には金属層１４２を介して熱拡散して、その後、熱伝導部１０４から基板の表面に垂直に、基板の裏面に向かって熱拡散する経路の熱伝導度である。図４の上側に、熱伝導度のシミュレーションに用いた熱拡散の経路を模式的に示した。
【００３９】
開口部１４０は直径１０μｍ、深さ１０μｍの穴形状とした。半導体光素子１０２において発熱する領域の直径を１０μｍ、当該発熱する領域の側面と、熱伝導部１０４の側面との距離を３０μｍとした。図４に示すグラフの横軸が金属層１４２の厚さを示し、縦軸は熱伝導度を示す。ｎ型コンタクト層１１６、バッファ層１１４、下部ＤＢＲ層１１２及び基板１１０の熱伝導度を５０Ｗ／Ｋとし、また、金属層１４２は銀で形成された場合を想定し、金属層１４２の熱伝導度を４００Ｗ／Ｋとした。
【００４０】
図４に示されるように、金属層１４２の厚さを０．３μｍ以上とすると、熱伝導部１０４に開口部１４０及び金属層１４２のいずれもが形成されない場合より、熱伝導部１０４に開口部１４０及び金属層１４２を形成した場合の方が、熱伝導度が高い。したがって、金属層１４２の厚さが０．３μｍ以上であれば、熱伝導部１０４の表面の温度が低くなる。これにより、発熱領域１５０から基板１１０の裏面に向かう熱の拡散経路が、基板の表面に垂直な直線に対してなす角度が大きくなる。したがって、金属層１４２の厚さは０．３μｍ以上が好ましい。また、金属層１４２は、厚さ０．４μｍと比較的薄くても、十分な放熱性が得られる。金属層１４２の厚さが０．４μｍ以下であれば、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料に対して、金属層１４２が及ぼす歪が小さくなり、基板１１０、下部ＤＢＲ層１１２、バッファ層１１４などの半導体材料中に結晶欠陥が発生しにくく、光素子アレイ１００の信頼性が高くなる。したがって、金属層１４２の厚さは０．４μｍ以下が好ましい。
【００４１】
金属層１４２が開口部１４０の内壁に形成された例を説明したが、金属層１４２はこれに限られない。例えば、金属層１４２は、開口部１４０全体に埋め込まれて形成されてもよい。これにより、熱伝導部１０４の放熱効率が高くなる。
【００４２】
以上、熱伝導部１０４が形成される例を説明したが、熱伝導部１０４は形成されなくてもよい。すなわち、光素子アレイ１００の、予め定められた周期の位置の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４のいずれもが形成されなくてもよい。半導体光素子１０２が形成されていない部分では、半導体光素子１０２同士の間隔が広くなるので、活性層１１８で発生した熱が、当該部分に半導体光素子１０２が形成される場合より、効率よく排熱される。
【００４３】
以上、半導体光素子１０２が、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、同じ周期Ｔ１で形成された例を示したが、これに限られない。例えば、半導体光素子１０２が形成される位置は、Ｘ軸及びＹ軸に対して、それぞれ異なる周期を有してもよい。また、非光素子位置及び熱伝導部１０４が、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、同じ周期Ｔ２で形成された例を示したが、これに限られない。例えば、非光素子位置及び熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸に対して、それぞれ異なる周期で設けられてもよい。
【００４４】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光素子アレイ２００の模式的な上視図である。図５において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有する。光素子アレイ２００は、複数の半導体光素子１０２、及び、熱伝導部１０４を備える。図５のＡ−Ａ'断面は、図２に示した構造を有する。すなわち、熱伝導部１０４は、開口部１４０を有し、開口部１４０の内壁に金属層１４２が形成される。複数の半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４の配置は、図１に示した光素子アレイ１００における配置と同様である。
【００４５】
複数の半導体光素子１０２は、Ｘ軸及びＸ軸と所定の角度で交差するＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ１）を有する位置に形成される。図１に示した光素子アレイ１００においては、Ｘ軸とＹ軸とは、互いに６０度で交差する。Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても所定の周期（Ｔ１）を有する位置の少なくとも一つは、半導体光素子１０２が形成されていない、非光素子位置である。非光素子位置は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。非光素子位置が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。非光素子位置には、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。熱伝導部１０４が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。一例として、ｎは３であり、ｍは８である。
【００４６】
図５に示した光素子アレイ２００では、正六角形の頂点及び中心の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、２次元最密充填構造の格子点の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。
【００４７】
熱伝導部１０４は、上面から見て、半導体光素子１０２の直径以上の大きさの開口部１４０を有する。ここで半導体光素子１０２の直径とは、活性層１１８、電流狭窄層１２０、ｐ型スペーサ層１２６、及び、ｐ型コンタクト層１２８のメサ構造上の、上面から見た直径をいう。熱伝導部１０４は、上面から見て六角形であり、当該六角形の対抗する辺の距離が、半導体光素子１０２の直径以上である。
【００４８】
図５に示した光素子アレイ２００においては、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）が７０μｍであり、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）が２１０μｍである。すなわち、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）は、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）の３倍（Ｔ２＝Ｔ１×３）である。つまり、格子点の間隔が２１０μｍの２次元最密充填構造に、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成される。
【００４９】
図５に示した光素子アレイ２００においては、一つの熱伝導部１０４、当該一つの熱伝導部１０４からＸ軸方向Ｔ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４、及び、当該一つの熱伝導部１０４からＹ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４で形成される正三角形の中心に、半導体光素子１０２が一つ形成され、当該正三角形の三辺上に、それぞれ、半導体光素子１０２が二つずつ形成される。これにより、熱伝導部１０４は、互いに隣接せず、半導体光素子１０２に隣接して形成される。
【００５０】
光素子アレイ１００の外周部を除いて、半導体光素子１０２の３／４（７５％）が熱伝導部１０４に隣接する。光素子アレイ１００の外周部より外側には、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成されないので、光素子アレイ１００の外周部においては、熱伝導部１０４に隣接する半導体光素子１０２の比率が異なりうる。このとき、熱伝導部１０４を形成せずに、半導体光素子１０２をすべての格子点に形成する場合より、半導体光素子１０２の数が１１％減少する。しかし、熱伝導部１０４を形成したことにより、半導体光素子１０２で発する熱の排熱効率が高くなるので、それぞれの半導体光素子１０２における光への変換効率が１１％以上高くなる。したがって、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より、高くなる。
【００５１】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る光素子アレイ３００の模式的な上視図である。図６において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有する。図６のＡ−Ａ'断面は、図２に示した構造を有する。複数の半導体光素子１０２は、Ｘ軸及びＸ軸と所定の角度で交差するＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ１）を有する位置に形成される。図６に示した光素子アレイ３００においては、Ｘ軸とＹ軸とは、互いに６０度で交差する。Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても所定の周期（Ｔ１）を有する位置の少なくとも一つは、半導体光素子１０２が形成されていない、非光素子位置である。非光素子位置は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。非光素子位置が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。非光素子位置には、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、熱伝導部１０４は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれに対しても、所定の周期（Ｔ２）を有して、２次元的に配置される。熱伝導部１０４が配置される周期Ｔ２は、半導体光素子１０２が形成される周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である。すなわち、半導体光素子１０２と非光素子位置との数の比は、ｍ：１以上（ｍは正の整数）である。一例として、ｎは３であり、ｍは２である。
【００５２】
図６に示した光素子アレイ３００では、正六角形の頂点及び中心の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。すなわち、２次元最密充填構造の格子点の一部に半導体光素子１０２が形成され、他の一部には、半導体光素子１０２が形成されず、熱伝導部１０４が形成される。
【００５３】
熱伝導部１０４は、複数の開口部１４０を有する。熱伝導部１０４は、正六角形の頂点及び中心に配置された７つの開口部１４０を有する。当該７つの開口部１４０は、上端が１０μｍ×１０μｍの正方形を有する。正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と３０度の角度を形成する。熱伝導部１０４においては、開口部１４０の内壁が露出されるので、表面積が大きくなり、放熱効率が高くなる。
【００５４】
当該７つの開口部１４０は、同じ大きさではなく、正六角形の中心に配置された開口部１４０が、正六角形の頂点に配置された開口部１４０より大きくてもよく、あるいは、小さくてもよい。また、正六角形の中心に配置された開口部１４０と、正六角形の頂点の一つに配置された開口部１４０とを結ぶ直線は、Ｘ軸又はＹ軸と平行であってもよい。さらに、熱伝導部１０４に配置される開口部１４０の数は７つに限られず、また、開口部１４０の配置は正六角形に限られない。
【００５５】
図６に示した光素子アレイ３００においては、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）が７０μｍであり、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）が２１０μｍである。すなわち、熱伝導部１０４が形成される周期（Ｔ２）は、半導体光素子１０２が形成される周期（Ｔ１）の３倍（Ｔ２＝Ｔ１×３）である。つまり、格子点の間隔が２１０μｍの２次元最密充填構造に、半導体光素子１０２及び熱伝導部１０４が形成される。
【００５６】
図６に示した光素子アレイ３００においては、一つの熱伝導部１０４、当該一つの熱伝導部１０４からＸ軸方向Ｔ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４、及び、当該一つの熱伝導部１０４からＹ軸方向にＴ２だけ離れて形成された熱伝導部１０４で形成される正三角形の中心に、熱伝導部１０４が形成され、当該正三角形の三辺上に、それぞれ、半導体光素子１０２が二つずつ形成される。これにより、熱伝導部１０４は、互いに隣接せず、半導体光素子１０２に隣接して形成される。
【００５７】
図６に示した光素子アレイ３００において、２次元最密充填構造の格子点に半導体光素子１０２と熱伝導部１０４とが、交互に形成される。すなわち、正六角形の頂点に半導体光素子１０２が配置され、中心に熱伝導部１０４が配置される。このとき、一つの熱伝導部１０４は、６つの半導体光素子１０２に隣接する。また、一つの半導体光素子１０２は、三つの熱伝導部１０４、及び、三つの半導体光素子１０２に隣接する。
【００５８】
半導体光素子１０２の３／４（７５％）の全部が熱伝導部１０４に隣接する。このとき、熱伝導部１０４を形成せずに、半導体光素子１０２をすべての格子点に形成する場合より、半導体光素子１０２の数が１／３だけ減少する。しかし、熱伝導部１０４を形成したことにより、半導体光素子１０２で発する熱の排熱効率が高くなるので、それぞれの半導体光素子１０２における光への変換効率が５０％以上高くなる。したがって、光素子アレイ１００の発光効率は、熱伝導部１０４が形成されない場合より、高くなる。
【００５９】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る光素子４００の模式的な上視図である。図７において図１と同一の符号を付した要素は、図１において説明した要素と同一の機能および構成を有する。光素子４００は、半導体光素子４０２及び熱伝導部１０４を備える。半導体光素子４０２は、ストライプ導波路型レーザである。この場合、熱伝導部１０４は、半導体光素子４０２の両側に、半導体光素子４０２の導波路に沿って、複数形成される。
【００６０】
熱伝導部１０４を上面から見たときの中心から、半導体光素子４０２の導波路の側面までの距離は、例えば、１５μｍである。また、隣接する熱伝導部１０４同士の、上面から見たときの中心同士の距離は、例えば、１５μｍである。開口部１４０は、例えば、上面から見て一辺が１０μｍの正方形である。
【００６１】
図８は、第４の実施形態に係る光素子４００の、図７のＢ−Ｂ'における、模式的な断面図である。図８において図２と同一の符号を付した要素は、図２において説明した要素と同一の機能および構成を有する。半導体光素子４０２は、基板１１０、下部クラッド層４１２、活性層１１８、上部クラッド層４１４、ｐ型コンタクト層１２８、ｐ側電極１３２、ｎ側電極１３４、埋め込み層４１６、電流阻止層４１８、及び、絶縁層１３０を備える。熱伝導部１０４は、開口部１４０及び金属層１４２を備える。
【００６２】
開口部１４０は、絶縁層１３０、電流阻止層４１８、埋め込み層４１６、及び、下部クラッド層４１２を貫通し、かつ、基板１１０の一部が除去されて形成される。金属層１４２は、絶縁層１３０、電流阻止層４１８、埋め込み層４１６、下部クラッド層４１２、及び、基板１１０の側面上、並びに、開口部１４０における基板１１０の上面に形成される。
【００６３】
半導体光素子４０２は、下部クラッド層４１２の一部、活性層１１８、及び、上部クラッド層４１４がストライプ状のメサ構造を有し、埋め込み層４１６及び電流阻止層４１８に埋め込まれている。すなわち、活性層１１８および上部クラッド層４１４は、光素子４００において、ｐ側電極１３２の下側の領域以外で除去されている。また、活性層１１８及び上部クラッド層４１４が除去された領域で、下部クラッド層４１２は、厚さ方向に一部が除去されて、他の領域より膜厚が薄い。
【００６４】
下部クラッド層４１２の一部、活性層１１８、及び、上部クラッド層４１４が除去された領域では、下部クラッド層４１２上に埋め込み層４１６が形成されている。埋め込み層４１６は、下部クラッド層４１２、活性層１１８及び上部クラッド層４１４の側面を覆って形成される。すなわち、埋め込み層４１６の厚さは、活性層１１８および上部クラッド層４１４と接する領域において、活性層１１８の厚さ、上部クラッド層４１４の厚さ、及び、除去された下部クラッド層４１２の深さの合計と等しい。
【００６５】
埋め込み層４１６の厚さは、活性層１１８および上部クラッド層４１４と接する領域以外の領域で、活性層１１８の厚さ、上部クラッド層４１４の厚さ、及び、除去された下部クラッド層４１２の深さの合計より薄い。したがって、埋め込み層４１６の上面は、活性層１１８および上部クラッド層４１４と接する領域の近傍で、傾斜した面を有する。電流阻止層４１８は、埋め込み層４１６上に形成され、電流阻止層４１８の上面は、上部クラッド層４１４の上面と同一の平面内にある。
【００６６】
例えば、第４の実施形態に係る光素子４００において、基板１１０は、面方位が（１００）のｎ−ＩｎＰ基板を使用する。基板１１０上に、下部クラッド層４１２は、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰで形成される。活性層１１８は、下部クラッド層４１２上に形成された障壁層と、障壁層上に形成された量子井戸層とが交互に積層されて形成される。障壁層は、例えば、下部クラッド層４１２及び上部クラッド層４１４とは異なる組成を有するＩｎＧａＡｓＰで形成される。量子井戸層は、下部クラッド層４１２、上部クラッド層４１４及び障壁層とは異なる組成を有するＩｎＧａＡｓＰで、形成される。このとき、活性層１１８は、７層の量子井戸層と、８層の障壁層を有し、活性層１１８の最上層が障壁層である。
【００６７】
活性層１１８上に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰで上部クラッド層４１４が形成される。上部クラッド層４１４上に、ｐ型コンタクト層１２８は、ｐ−ＩｎＧａＡｓで形成される。下部クラッド層４１２と活性層１１８の間、および、活性層１１８と上部クラッド層４１４の間に単層または複数層のＩｎＧａＡｓＰで構成される導波層が形成されてもよい。導波層のＩｎＧａＡｓＰの組成は、光閉じ込めの設計に合わせて適宜調整される。埋め込み層４１６はｐ−ＩｎＰで形成される。電流阻止層４１８は、例えば、ｎ−ＩｎＰで形成される。半導体光素子４０２において、ｐ型コンタクト層１２８は、上部クラッド層４１４上、及び、電流阻止層４１８上に形成される。ｐ型コンタクト層１２８上であって、埋め込み層４１６及び電流阻止層４１８の上方の領域で、絶縁層１３０が形成される。基板１１０の裏面にｎ側電極１３４が形成され、ｐ型コンタクト層１２８の一部に接してｐ側電極１３２が形成される。ｎ側電極１３４及びｐ側電極１３２から注入されたキャリアが、活性層１１８で再結合して光を発する。ストライプ状の導波路の両端部は、へき開によりミラーとして形成され、両端のミラー間で光が反射を繰り返し、半導体光素子４０２はレーザ発振する。
【００６８】
ｐ型コンタクト層１２８上の、絶縁層１３０が形成されていない領域にｐ側電極１３２が形成される。すなわち、ｐ側電極１３２は、活性層１１８及び上部クラッド層４１４が形成された領域の上方に形成される。ｐ側電極１３２は、絶縁層１３０が形成されていない領域を超えて、絶縁層１３０の端部の一部上に形成される。ｐ側電極１３２の幅は、活性層１１８及び上部クラッド層４１４の幅より広い。ここで幅とは、活性層１１８における光路の方向、及び、活性層１１８の厚さ方向に垂直な方向の長さをいう。埋め込み構造により、ｐ側電極１３２およびｎ側電極１３４から活性層１１８にキャリアが効率よく注入される。
【００６９】
ｐ側電極１３２及びｎ側電極１３４から注入されたキャリアが活性層１１８で再結合して発光するときに、熱が発生する。熱伝導部１０４に形成された金属層は、第１の実施形態、第２の実施形態、または、第３の実施形態と同様の構成であり、下部クラッド層４１２に比べ熱伝導に優れている。したがって、活性層１１８で発生した熱は、熱伝導部１０４により効率よく放熱されるので、半導体光素子４０２が発振しているときの、活性層１１８の温度は、熱伝導部１０４が形成されない場合より低い。これにより、半導体光素子４０２の光変換効率が高くなる。これらの半導体光素子４０２を長期間にわたり駆動すると、活性層１１８などの半導体材料中に結晶欠陥が発生し、遂には発光を停止するという劣化が生じることがある。そして、結晶欠陥の発生は、温度が高い程、促進される。したがって、熱伝導部１０４を備える半導体光素子４０２は、熱伝導部１０４を備えない半導体光素子に比べ、劣化が抑えられ、長寿命である。
【００７０】
以上、複数の熱伝導部１０４が、半導体光素子４０２の両側に、半導体光素子４０２の導波路に沿って、形成された例を説明したが、熱伝導部１０４はこれに限られない。例えば、熱伝導部１０４、半導体光素子４０２の両側に形成された、半導体光素子４０２の導波路に平行な溝であってもよい。
【００７１】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７２】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１００ 光素子アレイ、１０２ 半導体光素子、１０４ 熱伝導部、１１０ 基板、１１２ 下部ＤＢＲ層、１１４ バッファ層、１１６ ｎ型コンタクト層、１１８ 活性層、１２０ 電流狭窄層、１２２ 電流注入部、１２４ 電流狭窄部、１２６ ｐ型スペーサ層、１２８ ｐ型コンタクト層、１３０ 絶縁層、１３２ ｐ側電極、１３４ ｎ側電極、１３６ 誘電体層、１３８ 上部ＤＢＲ層、１４０ 開口部、１４２ 金属層、１５０ 発熱領域、２００ 光素子アレイ、３００ 光素子アレイ、４００ 光素子、４０２ 半導体光素子、４１２ 下部クラッド層、４１４ 上部クラッド層、４１６ 埋め込み層、４１８ 電流阻止層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の、第１の軸線、および、前記第１の軸線と所定の角度で交差する第２の軸線のいずれに対しても、所定の周期Ｔ１を有する位置に２次元的に配置され、キャリアが注入されて発光する活性層を有する複数の半導体光素子を備え、
前記位置の少なくとも一つは、前記複数の半導体光素子のいずれもが形成されていない非光素子位置である、２次元光素子アレイ。
【請求項２】
前記複数の半導体光素子は、前記活性層を挟む下ＤＢＲ層及び上ＤＢＲ層とをさらに有する面発光レーザ素子である、
請求項１に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項３】
前記非光素子位置に形成された、前記下ＤＢＲ層より熱伝導率が高い熱伝導部をさらに備える、
請求項２に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項４】
前記熱伝導部は所定の周期Ｔ２で形成される、
請求項３に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項５】
前記熱伝導部は、内壁が露出される複数の開口部を有する、
請求項３または４に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項６】
前記複数の開口部は、互いに同じ大きさである、
請求項５に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項７】
前記複数の開口部は、互いに異なる大きさである、
請求項５に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項８】
前記所定の周期Ｔ２は、前記所定の周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である、
請求項４から７のいずれか一項に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項９】
前記複数の半導体光素子と前記熱伝導部の数の比は、ｍ：１（ｍは正の整数）である、
請求項４から７のいずれか一項に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項１０】
前記複数の半導体光素子は、いずれも、前記非光素子位置に隣接するように形成される、
請求項１から８のいずれか一項に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項１】
基板と、
前記基板上の、第１の軸線、および、前記第１の軸線と所定の角度で交差する第２の軸線のいずれに対しても、所定の周期Ｔ１を有する位置に２次元的に配置され、キャリアが注入されて発光する活性層を有する複数の半導体光素子を備え、
前記位置の少なくとも一つは、前記複数の半導体光素子のいずれもが形成されていない非光素子位置である、２次元光素子アレイ。
【請求項２】
前記複数の半導体光素子は、前記活性層を挟む下ＤＢＲ層及び上ＤＢＲ層とをさらに有する面発光レーザ素子である、
請求項１に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項３】
前記非光素子位置に形成された、前記下ＤＢＲ層より熱伝導率が高い熱伝導部をさらに備える、
請求項２に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項４】
前記熱伝導部は所定の周期Ｔ２で形成される、
請求項３に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項５】
前記熱伝導部は、内壁が露出される複数の開口部を有する、
請求項３または４に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項６】
前記複数の開口部は、互いに同じ大きさである、
請求項５に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項７】
前記複数の開口部は、互いに異なる大きさである、
請求項５に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項８】
前記所定の周期Ｔ２は、前記所定の周期Ｔ１のｎ倍（ｎは正の整数）である、
請求項４から７のいずれか一項に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項９】
前記複数の半導体光素子と前記熱伝導部の数の比は、ｍ：１（ｍは正の整数）である、
請求項４から７のいずれか一項に記載の２次元光素子アレイ。
【請求項１０】
前記複数の半導体光素子は、いずれも、前記非光素子位置に隣接するように形成される、
請求項１から８のいずれか一項に記載の２次元光素子アレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−４５８５４（Ｐ２０１３−４５８５４Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１９５８（Ｐ２０１１−１８１９５８）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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