JP2001015849A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- H01S5/022—Mountings; Housings
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 小型で他の受信用フォトダイオードなどとも
集積化可能な受光効率の高い半導体レーザ装置を提供す
る。 【解決手段】 半導体レーザ素子１を実装するサブマウ
ント２の半透膜ミラー２５を形成する斜面上にｐｉｎ型
のフォトダイオードを形成し、かつ、ｉ層２２を斜面表
面上に形成することで、光ビームが拡散層２４を透過せ
ずに受光領域（ｉ層）に入力するようにして上記課題を
解決する。
集積化可能な受光効率の高い半導体レーザ装置を提供す
る。 【解決手段】 半導体レーザ素子１を実装するサブマウ
ント２の半透膜ミラー２５を形成する斜面上にｐｉｎ型
のフォトダイオードを形成し、かつ、ｉ層２２を斜面表
面上に形成することで、光ビームが拡散層２４を透過せ
ずに受光領域（ｉ層）に入力するようにして上記課題を
解決する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光伝送技
術および光情報記録技術における光源に関する。
術および光情報記録技術における光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、光通信や光伝送および光情報記録
などの分野では出射光のコヒーレンシーや高速動作が可
能であること、あるいは非常に小型であることから光源
として半導体レーザが広く用いられている。半導体レー
ザは、外部から電流を注入することにより誘導放出光を
出力することと、熱変動に対して光強度が敏感に変化す
るため放熱路を確保するなどの理由により、リードフレ
ームやメタルブロックなどの金属部材に実装されている
が、金属と半導体レーザを構成する半導体材料との熱膨
張係数の違いを緩和するために、ＳｉやＡｌＮなどから
なるサブマウントと呼ばれる基材に実装された後、金属
部材に実装される。また、半導体レーザは、複数の反射
鏡から成る共振器中に増幅率１以上の媒質を挟み込むこ
とにより実現されているが、共振器の反射鏡に結晶のへ
きかい面を利用でき、増幅媒質を通過する距離を長く取
れる、端面出射型の半導体レーザの開発が主流に成って
いる。一部には、半導体や誘電体多層膜等を用いて高反
射鏡を作り基板の法線方向に出射光を出す面発光レーザ
も実用化されているが、実用化の技術が十分ではなく、
材料つまり出射光波長によってはいまだ研究段階のレベ
ルに有る物が多いなど課題が多い。このことから、製品
に用いられているほとんどの半導体レーザ光源は端面出
射型が用いられている。
などの分野では出射光のコヒーレンシーや高速動作が可
能であること、あるいは非常に小型であることから光源
として半導体レーザが広く用いられている。半導体レー
ザは、外部から電流を注入することにより誘導放出光を
出力することと、熱変動に対して光強度が敏感に変化す
るため放熱路を確保するなどの理由により、リードフレ
ームやメタルブロックなどの金属部材に実装されている
が、金属と半導体レーザを構成する半導体材料との熱膨
張係数の違いを緩和するために、ＳｉやＡｌＮなどから
なるサブマウントと呼ばれる基材に実装された後、金属
部材に実装される。また、半導体レーザは、複数の反射
鏡から成る共振器中に増幅率１以上の媒質を挟み込むこ
とにより実現されているが、共振器の反射鏡に結晶のへ
きかい面を利用でき、増幅媒質を通過する距離を長く取
れる、端面出射型の半導体レーザの開発が主流に成って
いる。一部には、半導体や誘電体多層膜等を用いて高反
射鏡を作り基板の法線方向に出射光を出す面発光レーザ
も実用化されているが、実用化の技術が十分ではなく、
材料つまり出射光波長によってはいまだ研究段階のレベ
ルに有る物が多いなど課題が多い。このことから、製品
に用いられているほとんどの半導体レーザ光源は端面出
射型が用いられている。
【０００３】しかしながら、端面出射型の半導体レーザ
をサブマウントに実装した場合、次のような問題が生じ
る。半導体レーザは、増幅の効率を上げるために活性領
域を微少な断面を持つ導波路構造として光が増幅領域か
ら漏れて損失となることを防いでいるが、そのために、
端面から出射された光ビームは大きく回折し広がる。一
般に、素子基板に垂直な方向には、結晶成長技術などに
より波長オーダーの薄い領域を形成可能であるため、波
長オーダーの領域への光閉じ込めが行われる。一方、平
行な方向は、平面構造により閉じ込め領域が形成される
ため、波長オーダーに閉じ込めることは困難であるとと
もに、素子抵抗の上昇を防ぐ意味でも、波長に比較して
広い領域で閉じ込めが行われる。このため、回折角は平
行方向に比較して、垂直方向に大きく広がる。たとえ
ば、光ビームの広がり角は、光軸上の光強度の１／ｅ２
になる方向は光軸に対して約１０°程度に対して垂直方
向に約３０°程度となる。平坦なサブマウント上に実装
した場合光のビームは素子近傍（例えば発光部が実装面
より１００μｍの高さに有るとすると、２００μｍの距
離）で実装面に達し、実装面上で反射・散乱・吸収など
が起こり光ビームの一部がいわゆる蹴られを生じビーム
形状が変化してしまう。これにより、光ビームを用いる
光ピックアップや光ファイバーへの結合などの際に悪影
響を及ぼす。したがって、実装の際にはサブマウントの
辺縁近傍にマウントし蹴られを無くするなどの工夫が必
要となる。そのため、半導体レーザと実装面との位置関
係に制限を持たせる必要が有り、実装の自由度が低下す
る。
をサブマウントに実装した場合、次のような問題が生じ
る。半導体レーザは、増幅の効率を上げるために活性領
域を微少な断面を持つ導波路構造として光が増幅領域か
ら漏れて損失となることを防いでいるが、そのために、
端面から出射された光ビームは大きく回折し広がる。一
般に、素子基板に垂直な方向には、結晶成長技術などに
より波長オーダーの薄い領域を形成可能であるため、波
長オーダーの領域への光閉じ込めが行われる。一方、平
行な方向は、平面構造により閉じ込め領域が形成される
ため、波長オーダーに閉じ込めることは困難であるとと
もに、素子抵抗の上昇を防ぐ意味でも、波長に比較して
広い領域で閉じ込めが行われる。このため、回折角は平
行方向に比較して、垂直方向に大きく広がる。たとえ
ば、光ビームの広がり角は、光軸上の光強度の１／ｅ２
になる方向は光軸に対して約１０°程度に対して垂直方
向に約３０°程度となる。平坦なサブマウント上に実装
した場合光のビームは素子近傍（例えば発光部が実装面
より１００μｍの高さに有るとすると、２００μｍの距
離）で実装面に達し、実装面上で反射・散乱・吸収など
が起こり光ビームの一部がいわゆる蹴られを生じビーム
形状が変化してしまう。これにより、光ビームを用いる
光ピックアップや光ファイバーへの結合などの際に悪影
響を及ぼす。したがって、実装の際にはサブマウントの
辺縁近傍にマウントし蹴られを無くするなどの工夫が必
要となる。そのため、半導体レーザと実装面との位置関
係に制限を持たせる必要が有り、実装の自由度が低下す
る。
【０００４】この問題を解決する方法の一つとして、以
下のような提案（例えば、特開平０５−３１５７００
等）がされている。半導体レーザ素子をサブマウントで
あるシリコン基板に形成した凹部に実装し、凹部の壁面
で反射させて情報に光ビームを取出す構成である。この
構成によれば出力光は、半導体レーザ素子の近傍でつま
り、大きく広がる前に上方に反射されるため、特別に実
装面との位置関係を考慮せずとも、実装面での蹴られは
少なく、ビーム形状もほぼ保たれたまま出力光を取出す
ことが出来る。
下のような提案（例えば、特開平０５−３１５７００
等）がされている。半導体レーザ素子をサブマウントで
あるシリコン基板に形成した凹部に実装し、凹部の壁面
で反射させて情報に光ビームを取出す構成である。この
構成によれば出力光は、半導体レーザ素子の近傍でつま
り、大きく広がる前に上方に反射されるため、特別に実
装面との位置関係を考慮せずとも、実装面での蹴られは
少なく、ビーム形状もほぼ保たれたまま出力光を取出す
ことが出来る。
【０００５】一方、半導体レーザは、環境温度変化によ
り敏感に光出力が変動する。そのため、半導体レーザお
よび実装基板の両方を一括して温度制御可能な素子、例
えばペルチェ素子などの上に実装される。しかし、実装
基板やサブマウントにも小さいながらも熱容量が有るた
め、精密な光出力制御が必要な場合、実際の出力光をモ
ニタして駆動電流回路にフィードバック制御を行わせる
方法が取られる。これを自動光出力制御（Ａｕｔｏｍａ
ｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＰＣ）と呼
ぶ。端面出射型の半導体レーザはへきかい面などで形成
される両端面を共振器ミラーとして用いているが、端面
の反射率を特別に制御しない限りは前後方向に対称に出
力光が出射される。この後方より出力した光を受光素子
などでモニタすることで、上記のＡＰＣを構成可能であ
るが、モニタされた光は信号としては寄与しないため、
光の利用効率は下がる。そのため、高出力化や高効率化
が必要なシステムにおいては、後方の端面の反射率を誘
電体多層膜などで高めることで出来るだけ光の利用効率
を上げる方法が取られる。このような場合には、モニタ
に利用できる後方からの出射光は、小さくなりＳＮ比が
劣化して精密なＡＰＣがかけられなくなる。そのため、
前方からの光（＝信号光）の一部をモニタする必要が生
じ、この制御方式をフロントＡＰＣ（以下、ＦＡＰＣと
記す）と呼ぶ。ただし、ビーム内の一部を面積的に分割
して取出すと、前述のような蹴られと同様、ビーム形状
が変化してしまう。これを回避するため、前述の特開平
０５−３１５７００では次のような構成を提案してい
る。すなわち、図９のように、サブマウントに形成した
ミラーを半透膜とし、その後方に拡散によってｐｎ接合
を形成し受光素子とする構成である。この方法であれ
ば、半透膜で反射されたビームは強度は減るが光ビーム
の形状はほぼ保たれたままで出射される。また、サブマ
ウントに受光素子を形成することで別の受光素子を付加
する必要が無く部品点数が少ないことで、受光素子にか
かるコスト低減と位置合わせにかかる実装コスト低減の
両方が見込まれ、低コスト小型化が可能となる。さら
に、平坦部に別の受信用の受光素子を設けることによ
り、送受信可能な光ヘッドの集積化が可能である。この
場合、光の入出力方向をほぼ同じにすれば、光伝送経路
との入出力系の構成が簡単になるため、表面入射型のフ
ォトダイオードを形成することが望ましい。
り敏感に光出力が変動する。そのため、半導体レーザお
よび実装基板の両方を一括して温度制御可能な素子、例
えばペルチェ素子などの上に実装される。しかし、実装
基板やサブマウントにも小さいながらも熱容量が有るた
め、精密な光出力制御が必要な場合、実際の出力光をモ
ニタして駆動電流回路にフィードバック制御を行わせる
方法が取られる。これを自動光出力制御（Ａｕｔｏｍａ
ｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＰＣ）と呼
ぶ。端面出射型の半導体レーザはへきかい面などで形成
される両端面を共振器ミラーとして用いているが、端面
の反射率を特別に制御しない限りは前後方向に対称に出
力光が出射される。この後方より出力した光を受光素子
などでモニタすることで、上記のＡＰＣを構成可能であ
るが、モニタされた光は信号としては寄与しないため、
光の利用効率は下がる。そのため、高出力化や高効率化
が必要なシステムにおいては、後方の端面の反射率を誘
電体多層膜などで高めることで出来るだけ光の利用効率
を上げる方法が取られる。このような場合には、モニタ
に利用できる後方からの出射光は、小さくなりＳＮ比が
劣化して精密なＡＰＣがかけられなくなる。そのため、
前方からの光（＝信号光）の一部をモニタする必要が生
じ、この制御方式をフロントＡＰＣ（以下、ＦＡＰＣと
記す）と呼ぶ。ただし、ビーム内の一部を面積的に分割
して取出すと、前述のような蹴られと同様、ビーム形状
が変化してしまう。これを回避するため、前述の特開平
０５−３１５７００では次のような構成を提案してい
る。すなわち、図９のように、サブマウントに形成した
ミラーを半透膜とし、その後方に拡散によってｐｎ接合
を形成し受光素子とする構成である。この方法であれ
ば、半透膜で反射されたビームは強度は減るが光ビーム
の形状はほぼ保たれたままで出射される。また、サブマ
ウントに受光素子を形成することで別の受光素子を付加
する必要が無く部品点数が少ないことで、受光素子にか
かるコスト低減と位置合わせにかかる実装コスト低減の
両方が見込まれ、低コスト小型化が可能となる。さら
に、平坦部に別の受信用の受光素子を設けることによ
り、送受信可能な光ヘッドの集積化が可能である。この
場合、光の入出力方向をほぼ同じにすれば、光伝送経路
との入出力系の構成が簡単になるため、表面入射型のフ
ォトダイオードを形成することが望ましい。
【０００６】しかしながら、上記の従来例では以下のよ
うな問題が有る。すなわち、半導体レーザから出射した
光ビームの一部は、斜面に形成された半透膜を透過して
受光素子領域に入るが、まず拡散などにより形成した領
域（図９ではｎ型拡散領域２４−２）で一部が吸収さ
れ、電子正孔対が生じ、拡散長程度移動した後に再結合
して消滅する。更に吸収されずにＰＮ接合で生じた空乏
層に達した光によって励起された電子正孔対は、外部か
ら印可された逆バイアスによりそれぞれアノードカソー
ドにまで達して光電流となる。そのため、光−電流変換
効率を上げるためには拡散領域での光吸収を出来るだけ
小さくする必要が有る。このため、拡散深さの制御は受
光素子の性能を決定する重要なファクターとなる。しか
し、サブマウント基板材料が半導体レーザ光の波長で吸
収が大きい場合、例えば従来例のとおりサブマウントを
シリコンで形成した場合の４００ｎｍ程度の青色半導体
レーザの場合では、わずか０．１μｍで約５５％の光が
吸収されるため受光領域に入る光の量は半分以下に減っ
てしまい受光効率が低い。図１０（ａ）に、シリコンに
入射した波長６５０ｎｍおよび４００ｎｍの光の相対透
過光強度を、（ｂ）にＩｎＰに入射した波長１３００ｎ
ｍおよび７８０ｎｍの光の相対透過光強度を示す。この
図で、吸収が大きい波長では、相対透過光強度は透過長
に大きく依存することが分かる。すなわち、プロセス条
件などにより拡散深さがわずかにずれただけでも受光効
率に大きく影響するという問題が有る。特に、エッチン
グなどにより加工された斜面では、加工により生じた結
晶の欠陥等が種に成り異常拡散を起こしやすく、拡散深
さの厳密な制御はより困難である。
うな問題が有る。すなわち、半導体レーザから出射した
光ビームの一部は、斜面に形成された半透膜を透過して
受光素子領域に入るが、まず拡散などにより形成した領
域（図９ではｎ型拡散領域２４−２）で一部が吸収さ
れ、電子正孔対が生じ、拡散長程度移動した後に再結合
して消滅する。更に吸収されずにＰＮ接合で生じた空乏
層に達した光によって励起された電子正孔対は、外部か
ら印可された逆バイアスによりそれぞれアノードカソー
ドにまで達して光電流となる。そのため、光−電流変換
効率を上げるためには拡散領域での光吸収を出来るだけ
小さくする必要が有る。このため、拡散深さの制御は受
光素子の性能を決定する重要なファクターとなる。しか
し、サブマウント基板材料が半導体レーザ光の波長で吸
収が大きい場合、例えば従来例のとおりサブマウントを
シリコンで形成した場合の４００ｎｍ程度の青色半導体
レーザの場合では、わずか０．１μｍで約５５％の光が
吸収されるため受光領域に入る光の量は半分以下に減っ
てしまい受光効率が低い。図１０（ａ）に、シリコンに
入射した波長６５０ｎｍおよび４００ｎｍの光の相対透
過光強度を、（ｂ）にＩｎＰに入射した波長１３００ｎ
ｍおよび７８０ｎｍの光の相対透過光強度を示す。この
図で、吸収が大きい波長では、相対透過光強度は透過長
に大きく依存することが分かる。すなわち、プロセス条
件などにより拡散深さがわずかにずれただけでも受光効
率に大きく影響するという問題が有る。特に、エッチン
グなどにより加工された斜面では、加工により生じた結
晶の欠陥等が種に成り異常拡散を起こしやすく、拡散深
さの厳密な制御はより困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上で詳述
した通り、サブマウントに形成した斜面を反射鏡とし
て、実装面に対して垂直方向に光を出射する半導体レー
ザ装置において、半導体レーザとサブマウント基板の材
料の組み合わせによっては受光層（＝空乏層）に達する
前に吸収される光の量が拡散深さに大きく依存すること
を解決するものである。
した通り、サブマウントに形成した斜面を反射鏡とし
て、実装面に対して垂直方向に光を出射する半導体レー
ザ装置において、半導体レーザとサブマウント基板の材
料の組み合わせによっては受光層（＝空乏層）に達する
前に吸収される光の量が拡散深さに大きく依存すること
を解決するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体レーザ
素子を実装するサブマウントの半透膜ミラーを形成する
斜面上にｐｉｎ型のフォトダイオードを形成し、かつ、
ｉ層を斜面表面上に形成することで、光ビームが拡散層
を透過せずに受光領域（ｉ層）に入力するようにして上
記課題を解決する。
素子を実装するサブマウントの半透膜ミラーを形成する
斜面上にｐｉｎ型のフォトダイオードを形成し、かつ、
ｉ層を斜面表面上に形成することで、光ビームが拡散層
を透過せずに受光領域（ｉ層）に入力するようにして上
記課題を解決する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して説明する。
照して説明する。
【００１０】図１は、本発明の第１の実施例を示す断面
図である。図１で、１は半導体レーザ素子であり、図で
左右方向に共振器を持ち端面１１から光が出射される端
面発光型である。２はサブマウント基板で例えばＳｉ等
からなり、高濃度に不純物ドープされたｎ型伝導型の基
板２１上に不純物濃度が低い層２２がエピタキシャル成
長などで形成された基板に、異方性エッチングなどによ
り凹部が形成されている。凹部の斜面２３の一部には、
拡散やイオン注入などの手段により高濃度に不純物がド
ーピングされたｐ型伝導型領域２４が形成されており、
２４，２２，２１の各層でｐｉｎ型フォトダイオードを
構成する。２６は、フォトダイオード引出しｐ電極であ
り、裏面電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧
をかけて用いられる。半導体レーザ素子１は、半田など
からなる導電性の接着剤３により凹部に実装されてお
り、その出射光１４は、斜面２３上に形成された誘電体
膜などからなる半透過膜２５で一部は反射され基板上方
に出力され、透過した一部の光は低濃度層２２内に広が
った空乏層に入り吸収されて光電流となる。図１では、
凹部の底面の反射面となる斜面２３側に溝２７が形成さ
れており、半導体レーザ素子１の光出射部（すなわち活
性層）が凹部底面に比較的近い位置にある場合にも、出
力光ビームが凹部底面で蹴られないようにしている。
図である。図１で、１は半導体レーザ素子であり、図で
左右方向に共振器を持ち端面１１から光が出射される端
面発光型である。２はサブマウント基板で例えばＳｉ等
からなり、高濃度に不純物ドープされたｎ型伝導型の基
板２１上に不純物濃度が低い層２２がエピタキシャル成
長などで形成された基板に、異方性エッチングなどによ
り凹部が形成されている。凹部の斜面２３の一部には、
拡散やイオン注入などの手段により高濃度に不純物がド
ーピングされたｐ型伝導型領域２４が形成されており、
２４，２２，２１の各層でｐｉｎ型フォトダイオードを
構成する。２６は、フォトダイオード引出しｐ電極であ
り、裏面電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧
をかけて用いられる。半導体レーザ素子１は、半田など
からなる導電性の接着剤３により凹部に実装されてお
り、その出射光１４は、斜面２３上に形成された誘電体
膜などからなる半透過膜２５で一部は反射され基板上方
に出力され、透過した一部の光は低濃度層２２内に広が
った空乏層に入り吸収されて光電流となる。図１では、
凹部の底面の反射面となる斜面２３側に溝２７が形成さ
れており、半導体レーザ素子１の光出射部（すなわち活
性層）が凹部底面に比較的近い位置にある場合にも、出
力光ビームが凹部底面で蹴られないようにしている。
【００１１】この構造は、次のようにして実現される。
まず、高濃度基板２１上にエピタキシャル成長などによ
り低濃度層２２が形成されたウェハを、熱酸化膜や窒化
膜などをフォトリソグラフィーの手法等を用いてパター
ニングし、これらの膜をマスクとしてＫＯＨなどの溶液
で底部が基板２１に到達するまで凹部をエッチングす
る。更に同様の手法で底部の一部にパターニング、エッ
チングを行い溝２７を形成できる。この場合、ＫＯＨな
どの異方性エッチング溶液を用いることにより凹部の斜
面は特定の結晶面を出す事が出来、平坦な面を得ること
が出来る。この後、斜面の一部にイオン注入あるいは熱
拡散などにより高濃度領域２４を形成する。この後に、
半透過ミラーとして膜２５を誘電体膜で形成後、フォト
ダイオードの取出し電極２６および裏面電極２８を形成
しダイシング等によりチップに切り出す。
まず、高濃度基板２１上にエピタキシャル成長などによ
り低濃度層２２が形成されたウェハを、熱酸化膜や窒化
膜などをフォトリソグラフィーの手法等を用いてパター
ニングし、これらの膜をマスクとしてＫＯＨなどの溶液
で底部が基板２１に到達するまで凹部をエッチングす
る。更に同様の手法で底部の一部にパターニング、エッ
チングを行い溝２７を形成できる。この場合、ＫＯＨな
どの異方性エッチング溶液を用いることにより凹部の斜
面は特定の結晶面を出す事が出来、平坦な面を得ること
が出来る。この後、斜面の一部にイオン注入あるいは熱
拡散などにより高濃度領域２４を形成する。この後に、
半透過ミラーとして膜２５を誘電体膜で形成後、フォト
ダイオードの取出し電極２６および裏面電極２８を形成
しダイシング等によりチップに切り出す。
【００１２】この構造によれば、高濃度拡散層であるｐ
型伝導型領域２４を透過せずに光吸収層である空乏層に
直接透過光が入射するので不要な光吸収を招くこと無く
受光効率をあげることが出来る。
型伝導型領域２４を透過せずに光吸収層である空乏層に
直接透過光が入射するので不要な光吸収を招くこと無く
受光効率をあげることが出来る。
【００１３】本実施例では、基板はｎ型伝導型としたが
もちろんｐ型伝導型を用いた場合、伝導型を逆にすれば
同様の構成が得られる。特に、凹部形成時には、ｐ型不
純物としてボロンを用いた場合、１×１０２０ｃｍ−３
を超えるような高濃度に成るとＫＯＨによるエッチング
レートが遅くなるため、エッチングストップ層として機
能させることでより平坦な凹部底面を得ることが出来
る。
もちろんｐ型伝導型を用いた場合、伝導型を逆にすれば
同様の構成が得られる。特に、凹部形成時には、ｐ型不
純物としてボロンを用いた場合、１×１０２０ｃｍ−３
を超えるような高濃度に成るとＫＯＨによるエッチング
レートが遅くなるため、エッチングストップ層として機
能させることでより平坦な凹部底面を得ることが出来
る。
【００１４】また、本実施例では半透膜２５は電極２６
と基板２の絶縁膜と兼用しているが、図２に示すよう
に、別に金属薄膜あるいは誘電膜からなる半透過膜２０
１を別個に設けて多層構成とし、反射率を制御して半透
膜とすることも可能である。この場合、半透膜の制御を
別に行えるため、電極の電気容量と反射率をそれぞれ最
適値に設定することが出来る。
と基板２の絶縁膜と兼用しているが、図２に示すよう
に、別に金属薄膜あるいは誘電膜からなる半透過膜２０
１を別個に設けて多層構成とし、反射率を制御して半透
膜とすることも可能である。この場合、半透膜の制御を
別に行えるため、電極の電気容量と反射率をそれぞれ最
適値に設定することが出来る。
【００１５】さらに、本実施例では凹部の底面を高濃度
ｎ型伝導型基板２１に達しているが、図３に示すように
ｉ層２２で止める構造も可能である。この場合、凹部底
面が不純物の少ない層であるため、結晶欠陥などを比較
的少なくすることが出来、より平坦な底部を形成するこ
とが出来る。この場合、半導体レーザ素子１をそのまま
ｉ層２２に実装すると、実装面が高抵抗となりサブマウ
ント基板２自体を半導体レーザ素子１の一方の電極とし
て用いることは実質不可能になる。そこで、図３で示す
高濃度ｎ型伝導型領域２０２を形成し低抵抗化すること
でサブマウント基板２を一方の電極とすることも可能で
ある。これにより、市販の半導体レーザのような半導体
レーザ基板の上下面を両極とする素子を搭載する場合、
サブマウント基板２を電気的な共通接地面とすることが
出来、不要な電気容量を付加せずに搭載可能となる。ま
た、導電率が高い領域は本質的に熱伝導率も高くするこ
とが可能であるので、半導体レーザ素子１で発生した熱
をサブマウント基板２へ有効に放熱することが出来る。
なお、基板２１がｐ型伝導型である場合には、高濃度領
域２０２の導電型もｐ型として不要なｐｎ接合を形成し
ないようにすることが望ましいのは言うまでもない。
ｎ型伝導型基板２１に達しているが、図３に示すように
ｉ層２２で止める構造も可能である。この場合、凹部底
面が不純物の少ない層であるため、結晶欠陥などを比較
的少なくすることが出来、より平坦な底部を形成するこ
とが出来る。この場合、半導体レーザ素子１をそのまま
ｉ層２２に実装すると、実装面が高抵抗となりサブマウ
ント基板２自体を半導体レーザ素子１の一方の電極とし
て用いることは実質不可能になる。そこで、図３で示す
高濃度ｎ型伝導型領域２０２を形成し低抵抗化すること
でサブマウント基板２を一方の電極とすることも可能で
ある。これにより、市販の半導体レーザのような半導体
レーザ基板の上下面を両極とする素子を搭載する場合、
サブマウント基板２を電気的な共通接地面とすることが
出来、不要な電気容量を付加せずに搭載可能となる。ま
た、導電率が高い領域は本質的に熱伝導率も高くするこ
とが可能であるので、半導体レーザ素子１で発生した熱
をサブマウント基板２へ有効に放熱することが出来る。
なお、基板２１がｐ型伝導型である場合には、高濃度領
域２０２の導電型もｐ型として不要なｐｎ接合を形成し
ないようにすることが望ましいのは言うまでもない。
【００１６】これまで示した図１から３の実施例では、
高濃度ｐ型伝導型領域２４は斜面上に形成されている
が、図４に示すように基板２の表面に形成しても良い。
この場合、平坦面への形成であるので、ＶＬＳＩなどに
用いられている拡散やイオン注入の条件をほぼそのまま
適用可能であり、作成が容易になる。また、必ずしも図
１から３のように凹部を先に作成する必要もなく、プロ
セス選択の自由度が増すなどの利点が有る。ただし、こ
の場合ｐｉｎ構造に所定のバイアス電圧がかけられたと
きに広がる空乏層が斜面２３にまで達する事が望まし
く、達していない場合には半透膜２０１を透過した光が
ｉ層２２中の空乏層外に入射することになり、不要な吸
収を招くことに成ることは注意しなければ成らない。
高濃度ｐ型伝導型領域２４は斜面上に形成されている
が、図４に示すように基板２の表面に形成しても良い。
この場合、平坦面への形成であるので、ＶＬＳＩなどに
用いられている拡散やイオン注入の条件をほぼそのまま
適用可能であり、作成が容易になる。また、必ずしも図
１から３のように凹部を先に作成する必要もなく、プロ
セス選択の自由度が増すなどの利点が有る。ただし、こ
の場合ｐｉｎ構造に所定のバイアス電圧がかけられたと
きに広がる空乏層が斜面２３にまで達する事が望まし
く、達していない場合には半透膜２０１を透過した光が
ｉ層２２中の空乏層外に入射することになり、不要な吸
収を招くことに成ることは注意しなければ成らない。
【００１７】また、図５は第二の実施例を示す図であ
る。サブマウント基板２は高濃度のｎ型伝導型基板２１
上にエピタキシャル成長などで低濃度層（ｉ層）２２を
形成し、その上にエピタキシャル成長などでｎ型伝導型
のバッファ層２０３を形成してある。第一の実施例同
様、凹部を形成したあと表面から斜面にかけて、拡散や
イオン注入などの手段により高濃度に不純物がドーピン
グされたｐ型伝導型領域２４を形成する。
る。サブマウント基板２は高濃度のｎ型伝導型基板２１
上にエピタキシャル成長などで低濃度層（ｉ層）２２を
形成し、その上にエピタキシャル成長などでｎ型伝導型
のバッファ層２０３を形成してある。第一の実施例同
様、凹部を形成したあと表面から斜面にかけて、拡散や
イオン注入などの手段により高濃度に不純物がドーピン
グされたｐ型伝導型領域２４を形成する。
【００１８】ｉ層２２で吸収された光は電子正孔対を生
じ、電界により加速されながら空乏層を走行して高濃度
層２４および２１に達するが、空乏層内での走行速度は
結晶格子の散乱などによりある程度で飽和する。例え
ば、サブマウント基板２がシリコンの場合、キャリアの
飽和速度は１×１０７ｃｍ／ｓｅｃ程度である。つまり
３０μｍの空乏層を走行するための時間（走行時間と呼
ばれる）は、０．３ｎｓｅｃ程度であり、非常に高い周
波数では、走行時間が帯域制限の主因となることが有
る。したがって、高速応答が必要な場合には、ｉ層の厚
さにも制限が生じる。
じ、電界により加速されながら空乏層を走行して高濃度
層２４および２１に達するが、空乏層内での走行速度は
結晶格子の散乱などによりある程度で飽和する。例え
ば、サブマウント基板２がシリコンの場合、キャリアの
飽和速度は１×１０７ｃｍ／ｓｅｃ程度である。つまり
３０μｍの空乏層を走行するための時間（走行時間と呼
ばれる）は、０．３ｎｓｅｃ程度であり、非常に高い周
波数では、走行時間が帯域制限の主因となることが有
る。したがって、高速応答が必要な場合には、ｉ層の厚
さにも制限が生じる。
【００１９】さらに、ＦＡＰＣ用のフォトダイオードは
半透膜で透過した光ビームを効率良く受光できることが
望ましいので、ビームスポットはｉ層の真中付近に設定
することが望ましい。つまり、ｉ層が例えば３０μｍに
制限された場合、光軸をｉ層の中心１５μｍ深さに設定
すると、半導体レーザ素子と斜面との距離をｄμｍ、斜
面と基板表面の法線となす角をθ１として、斜面で反射
できる光ビームの光軸からの角度θは、以下の式で制限
される。
半透膜で透過した光ビームを効率良く受光できることが
望ましいので、ビームスポットはｉ層の真中付近に設定
することが望ましい。つまり、ｉ層が例えば３０μｍに
制限された場合、光軸をｉ層の中心１５μｍ深さに設定
すると、半導体レーザ素子と斜面との距離をｄμｍ、斜
面と基板表面の法線となす角をθ１として、斜面で反射
できる光ビームの光軸からの角度θは、以下の式で制限
される。
【数１】 したがって、上方に広がった光ビームの一部は、斜面で
反射されずに迷光となる。
反射されずに迷光となる。
【００２０】これに対し、図５の構造では、バッファ層
を形成していることから、ｉ層より上方に広がった光ビ
ームをバッファ層上の反射膜で反射可能であり、周波数
特性を損なわずに半導体レーザ素子１からの出射光ビー
ムの反射面である斜面の面積を広げる事が出来、出力光
の利用効率が高くかつ集積化の可能な半導体レーザ装置
を提供することが可能となる。
を形成していることから、ｉ層より上方に広がった光ビ
ームをバッファ層上の反射膜で反射可能であり、周波数
特性を損なわずに半導体レーザ素子１からの出射光ビー
ムの反射面である斜面の面積を広げる事が出来、出力光
の利用効率が高くかつ集積化の可能な半導体レーザ装置
を提供することが可能となる。
【００２１】また、図５の構造を用いることで、従来の
技術でも述べたようなＦＡＰＣ用のフォトダイオード以
外に受信用の表面入射型のフォトダイオードを集積する
場合に有効である。すなわち、図６は、ＦＡＰＣ用のフ
ォトダイオード以外にも、受信用のフォトダイオードを
サブマウント内に集積化した例である。ここで、２０４
は高濃度のｐ型伝導型層、２０５は反射防止膜、２０６
は各受光素子の分離用に形成された高濃度のｎ型伝導型
領域である。２０６は、導電性と放熱性を向上させる目
的で形成された、ｎ型伝導型層２０２と同時に形成する
ことも可能である。
技術でも述べたようなＦＡＰＣ用のフォトダイオード以
外に受信用の表面入射型のフォトダイオードを集積する
場合に有効である。すなわち、図６は、ＦＡＰＣ用のフ
ォトダイオード以外にも、受信用のフォトダイオードを
サブマウント内に集積化した例である。ここで、２０４
は高濃度のｐ型伝導型層、２０５は反射防止膜、２０６
は各受光素子の分離用に形成された高濃度のｎ型伝導型
領域である。２０６は、導電性と放熱性を向上させる目
的で形成された、ｎ型伝導型層２０２と同時に形成する
ことも可能である。
【００２２】この場合、従来例で述べたように表面入射
型のフォトダイオードでは、高濃度のｐ型伝導型層２０
４を透過して空乏層に入った光のみが光電流になり信号
出力となるが、入力してくる光の波長がサブマウント基
板の吸収が大きい場合は大きな損失に成る。したがっ
て、なるべくｐ型層の厚さを薄くする必要が有る。図６
の例では、このｐ型層２０４の形成は、平坦面に作成さ
れた平面入射型のフォトダイオードのみが拡散深さに依
存するように実現しているため、制御性が向上し光吸収
による損失を低く抑えることが出来る構造を提供可能で
ある。
型のフォトダイオードでは、高濃度のｐ型伝導型層２０
４を透過して空乏層に入った光のみが光電流になり信号
出力となるが、入力してくる光の波長がサブマウント基
板の吸収が大きい場合は大きな損失に成る。したがっ
て、なるべくｐ型層の厚さを薄くする必要が有る。図６
の例では、このｐ型層２０４の形成は、平坦面に作成さ
れた平面入射型のフォトダイオードのみが拡散深さに依
存するように実現しているため、制御性が向上し光吸収
による損失を低く抑えることが出来る構造を提供可能で
ある。
【００２３】次に、図７は、第三の実施例を示す図であ
る。サブマウント基板２は第一の実施例と同様高濃度の
ｎ型伝導型基板２１上にエピタキシャル成長などで低濃
度層（ｉ層）２２を形成し、その上にエピタキシャル成
長などで高濃度のｐ型伝導型層２０７を形成してある。
フォトダイオードの電極は絶縁膜２５の一部に孔を形成
してｐ型層２０７に接触させることで形成する。この例
では、後からｐ型伝導型領域を拡散やイオン注入などで
形成する必要が無いため、工程が非常に簡単になるとい
う効果がある。
る。サブマウント基板２は第一の実施例と同様高濃度の
ｎ型伝導型基板２１上にエピタキシャル成長などで低濃
度層（ｉ層）２２を形成し、その上にエピタキシャル成
長などで高濃度のｐ型伝導型層２０７を形成してある。
フォトダイオードの電極は絶縁膜２５の一部に孔を形成
してｐ型層２０７に接触させることで形成する。この例
では、後からｐ型伝導型領域を拡散やイオン注入などで
形成する必要が無いため、工程が非常に簡単になるとい
う効果がある。
【００２４】また、図８は、図７のｐ型層２０７上にさ
らにバッファ層としてｎ型伝導型層２０８を設け、フォ
トダイオードの電極は、バッファ層の一部を除去して形
成したものである。この場合、図７の場合に比較して、
高濃度のｐ型伝導型層２０７の厚さを、より薄くするこ
とが出来る。さらに、エピタキシャル成長を用いている
ことから、膜厚の制御がより厳密に可能となる。この場
合、図６のような別に表面入射型の受光素子を持つ場合
に有効であるとともに、この構造でも、前実施例と同
様、薄いｐ型伝導型層を形成しつつ、しかも高周波特性
を損なわずに半導体レーザ素子１からの出射光ビームの
反射面である斜面の面積を広げる事が出来るため、出力
光の利用効率が高くかつ集積化の可能な半導体レーザ装
置を提供することが可能となる。
らにバッファ層としてｎ型伝導型層２０８を設け、フォ
トダイオードの電極は、バッファ層の一部を除去して形
成したものである。この場合、図７の場合に比較して、
高濃度のｐ型伝導型層２０７の厚さを、より薄くするこ
とが出来る。さらに、エピタキシャル成長を用いている
ことから、膜厚の制御がより厳密に可能となる。この場
合、図６のような別に表面入射型の受光素子を持つ場合
に有効であるとともに、この構造でも、前実施例と同
様、薄いｐ型伝導型層を形成しつつ、しかも高周波特性
を損なわずに半導体レーザ素子１からの出射光ビームの
反射面である斜面の面積を広げる事が出来るため、出力
光の利用効率が高くかつ集積化の可能な半導体レーザ装
置を提供することが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】本発明は、半導体レーザ素子を実装する
サブマウントの半透膜ミラーを形成する斜面上にｐｉｎ
型のフォトダイオードを形成し、かつ、ｉ層を斜面表面
上に形成することで、光ビームが拡散層を透過せずに受
光領域（ｉ層）に入力するようにして光電流に寄与しな
い光吸収を減らし、また、拡散深さに依存しないよう
し、小型で他の受信用フォトダイオードなどとも集積化
可能な受光効率の高いＦＡＰＣ用モニターフォトダイオ
ード付き半導体レーザ装置を提供可能とする。
サブマウントの半透膜ミラーを形成する斜面上にｐｉｎ
型のフォトダイオードを形成し、かつ、ｉ層を斜面表面
上に形成することで、光ビームが拡散層を透過せずに受
光領域（ｉ層）に入力するようにして光電流に寄与しな
い光吸収を減らし、また、拡散深さに依存しないよう
し、小型で他の受信用フォトダイオードなどとも集積化
可能な受光効率の高いＦＡＰＣ用モニターフォトダイオ
ード付き半導体レーザ装置を提供可能とする。
【図１】本発明の第一の実施例を示す図。
【図２】第一の実施例の別の形態を示す図。
【図３】第一の実施例のさらに別の形態を示す図。
【図４】第一の実施例の第四の形態を示す図。
【図５】本発明の第二の実施例を示す図。
【図６】第二の実施例を説明するための集積化半導体装
置の図。
置の図。
【図７】第三の実施例を示す図。
【図８】第三の実施例の別の形態を示す図。
【図９】従来の半導体レーザ装置を示す図。
【図１０】結晶内に入射した光の到達深さ対透過光強度
を示す図。
を示す図。
１ 半導体レーザ素子 １１ へきかい端面 １４ 出力光ビーム ２ サブマウント基板 ２１ 高濃度ｎ型伝導型の基板 ２２ 低濃度ｎ型エピタキシャル層 ２３ 凹部斜面 ２４ 高濃度ｐ型拡散層 ２４−２ 高濃度ｎ型拡散層 ２５ 半透過膜 ２６ フォトダイオード電極 ２７ 溝 ２８ サブマウント裏面電極
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体レーザ素子と該半導体レーザ素子
を実装するサブマウント基板と両者を電気的に接続する
手段とを有し、該サブマウント基板に少なくとも一つ以
上の凹部が形成されており、該凹部の少なくとも一つの
面が斜面を有し、前記凹部の底面に実装された前記半導
体レーザ素子の出射光の一部が前記斜面で反射されて出
力され、残りの一部がサブマウント基板内に入射し前記
斜面側の基板表面に形成されたフォトダイオードで受光
される半導体レーザ装置において、前記フォトダイオー
ドがｐｉｎ型のフォトダイオードであり、該フォトダイ
オードのｉ層が前記斜面表面に形成されていることを特
徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 サブマウント基板の層構造が少なくとも
該サブマウント基板の表面より第一の導電型を持つバッ
ファ層、バッファ層と同一の導電型で低濃度に不純物拡
散された低濃度層、バッファ層と同一の導電型で高濃度
に不純物拡散された高濃度層の順に形成されており、第
二の導電型からなる高濃度に不純物拡散された領域が該
基板の表面から斜面にまたがるように、しかも、一部が
前記低濃度層内に形成されたことを特徴とする、請求項
１記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18655299A JP3934828B2 (ja) | 1999-06-30 | 1999-06-30 | 半導体レーザ装置 |
| US09/606,014 US6449296B1 (en) | 1999-06-30 | 2000-06-29 | Semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18655299A JP3934828B2 (ja) | 1999-06-30 | 1999-06-30 | 半導体レーザ装置 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001015849A true JP2001015849A (ja) | 2001-01-19 |
| JP2001015849A5 JP2001015849A5 (ja) | 2005-03-03 |
| JP3934828B2 JP3934828B2 (ja) | 2007-06-20 |
Family
ID=16190523
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18655299A Expired - Fee Related JP3934828B2 (ja) | 1999-06-30 | 1999-06-30 | 半導体レーザ装置 |
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|---|---|
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| JP (1) | JP3934828B2 (ja) |
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| US6654393B2 (en) | 2001-03-06 | 2003-11-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor laser device |
| US6687272B2 (en) | 2001-09-18 | 2004-02-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor laser device |
| JP2007266314A (ja) * | 2006-03-28 | 2007-10-11 | Matsushita Electric Works Ltd | 発光装置 |
| US7736923B2 (en) | 2003-12-16 | 2010-06-15 | Panasonic Corporation | Optical semiconductor device and method for fabricating the same |
| JP2013115245A (ja) * | 2011-11-29 | 2013-06-10 | Kyocera Corp | 受発光素子 |
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| KR100412354B1 (ko) * | 2001-05-30 | 2003-12-31 | 삼성전자주식회사 | 이온주입장치 |
| US6907054B2 (en) * | 2001-06-29 | 2005-06-14 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| JP2003198032A (ja) * | 2001-12-27 | 2003-07-11 | Mitsubishi Electric Corp | 光素子、光素子モジュール及び光素子用キャリア |
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| DE10253907A1 (de) * | 2002-09-20 | 2004-04-01 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optischer Abtastkopf und Verfahren zur Herstellung desselben |
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| US20050196112A1 (en) * | 2004-03-08 | 2005-09-08 | Toshio Takagi | Transmitting optical subassembly capable of monitoring the front beam of the semiconductor laser diode |
| JP2006040933A (ja) * | 2004-07-22 | 2006-02-09 | Sharp Corp | 半導体レーザ装置 |
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| JP3032376B2 (ja) | 1992-05-11 | 2000-04-17 | 松下電子工業株式会社 | 半導体レーザ装置 |
| US5883913A (en) * | 1993-12-27 | 1999-03-16 | Sony Corporation | Optical device |
| JPH0818152A (ja) * | 1994-06-30 | 1996-01-19 | Sony Corp | 光半導体装置及びその製造方法 |
-
1999
- 1999-06-30 JP JP18655299A patent/JP3934828B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-06-29 US US09/606,014 patent/US6449296B1/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2013115245A (ja) * | 2011-11-29 | 2013-06-10 | Kyocera Corp | 受発光素子 |
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