JP2008258270A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然放出光を選択的に反射することにより、半導体光検出素子による自然放出光の検出レベルを低減し、もって光検出精度をより向上させることの可能な半導体発光装置を提供する。
【解決手段】発光型半導体レーザ素子３の光が主として外部に射出される側とは反対側に、多層膜フィルタ２および半導体光検出素子１が面発光型半導体レーザ素子３側からこの順に配置されている。多層膜フィルタ２は、厚さがλ_１／（４×ｎ_１）（λ_１は多層膜フィルタ２の中心波長、λ_１＜λ_０、λ_０は発振波長、ｎ_１は屈折率）である低屈折率層２１と、厚さがλ_１／（４×ｎ_２）（ｎ_２＞ｎ_１、ｎ_２は屈折率）である高屈折率層２２とを交互に積層して形成されている。これにより、自然放出光のうち波長λ_０より短い波長帯の光は多層膜フィルタ２によって反射され発光型半導体レーザ素子３に戻される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光光を検出するための光検出素子を有する半導体発光装置に係り、特に、光検出精度が高度に要求される用途で好適に適用可能な半導体発光装置に関する。

従来から、光ファイバや、光ディスクなどの用途の半導体発光装置には、これに組み込まれた半導体発光素子の光出力レベルを一定にする目的の一環として、光検出機構により半導体発光素子の発光光を検出することが行われている。この光検出機構は、例えば、発光光の一部を分岐させる反射板と、この分岐した発光光を検出する半導体光検出素子とにより構成することが可能である。ところが、このようにすると、部品点数が多くなるだけでなく、反射板や、半導体光検出素子を半導体発光素子に対して高精度に配置しなければならないという問題がある。そこで、そのような問題を解決する方策の１つとして、半導体発光素子と半導体光検出素子とを一体に形成することが考えられる。

しかし、これらを一体に形成すると、半導体光検出素子が、本来検出すべき誘導放出光だけでなく、自然放出光までも検出する可能性がある。そのような場合には、半導体光検出素子によって検出された光に基づいて計測される半導体発光素子の光出力レベルには、自然放出光の分だけ誤差が含まれていることとなる。よって、この方法も光出力レベルを高精度に制御することが要求される用途には適さない。

そこで、特許文献１では、半導体光検出素子内に制御層を設け、半導体発光素子から入力される自然放出光の一部を半導体光検出素子が検出する前に遮断する技術が提案されている。

特許２８７７７８５号

ところで、上記の制御層は、半導体光検出素子を構成する半導体物質の一部を酸化することにより形成されるものである。しかし、酸化された半導体物質は自然放出光を選択的に反射させることができないので、自然放出光を多少透過してしまう。また、制御層のうち酸化されていない部分は自然放出光をほとんど減衰することなく透過してしまう。そのため、特許文献１の技術では、半導体光検出素子による自然放出光の検出レベルを十分に低減することができず、光検出精度を十分に向上させることができないという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、自然放出光を選択的に反射することにより、半導体光検出素子による自然放出光の検出レベルを低減し、もって光検出精度をより向上させることの可能な半導体発光装置を提供することにある。

本発明の第１の半導体発光装置は、半導体発光素子、多層膜フィルタおよび半導体光検出素子を備えたものである。半導体発光素子は、波長λ_０の誘導放出光と、波長λ_０を含む波長帯の自然放出光とを含む光を発するようになっている。多層膜フィルタは、厚さがλ_１／（４×ｎ_ａ）（λ_１＜λ_０、ｎ_ａは屈折率）である低屈折率層と、厚さがλ_１／（４×ｎ_ｂ）（ｎ_ｂ＞ｎ_ａ、ｎ_ｂは屈折率）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有している。半導体光検出素子は、多層膜フィルタを透過した光の一部を吸収する光吸収層を有している。

本発明の第１の半導体発光装置では、半導体発光素子内で誘導放出が繰り返された結果、所定の波長λ_０を含む光が半導体発光素子から出力される。半導体発光素子から出力される光には、誘導放出による光だけでなく、自然放出による光も含まれている。誘導放出光は波長λ_０の光であり、その光の帯域幅は極めて狭い。一方、自然放出光は波長λ_０を含む光であり、その光の帯域幅は誘導放出光のそれよりも極めて広い。ここで、多層膜フィルタは、厚さがλ_１／（４×ｎ_ａ）である低屈折率層と、厚さがλ_１／（４×ｎ_ｂ）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有しているので、半導体発光素子から出力された光のうち誘導放出光は多層膜フィルタを透過して半導体光検出素子の光吸収層に入射し、他方、自然放出光のうち波長λ_０より短い波長帯の光は多層膜フィルタによって反射され半導体発光素子に戻される。これにより、多層膜フィルタを透過する自然放出光の光量が多層膜フィルタを透過する誘導放出光の光量と比べて極めて小さくなる。

ここで、多層膜フィルタが、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造をさらに備えている場合には、自然放出光のうち波長λ_０より短い波長帯の光、および自然放出光のうち波長λ_０より長い波長帯の光が多層膜フィルタによって反射され半導体発光素子に戻される。これにより、多層膜フィルタを透過する自然放出光の光量が多層膜フィルタを透過する誘導放出光の光量と比べて極めて小さくなる。

本発明の第２の半導体発光装置は、半導体発光素子、多層膜フィルタおよび半導体光検出素子を備えたものである。半導体発光素子は、波長λ_０の誘導放出光と、波長λ_０を含む波長帯の自然放出光とを含む光を発するようになっている。多層膜フィルタは、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）（λ_２＞λ_０、ｎ_ｃは屈折率）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）（ｎ_ｄ＞ｎ_ｃ、ｎ_ｄは屈折率）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有している。半導体光検出素子は、多層膜フィルタを透過した光の一部を吸収する光吸収層を有している。

本発明の第２の半導体発光装置では、半導体発光素子内で誘導放出が繰り返された結果、所定の波長λ_０を含む光が半導体発光素子から出力される。半導体発光素子から出力される光には、誘導放出による光だけでなく、自然放出による光も含まれている。誘導放出光は波長λ_０の光であり、その光の帯域幅は極めて狭い。一方、自然放出光は波長λ_０を含む光であり、その光の帯域幅は誘導放出光のそれよりも極めて広い。ここで、多層膜フィルタは、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有しているので、半導体発光素子から出力された光のうち誘導放出光は多層膜フィルタを透過して半導体光検出素子の光吸収層に入射し、他方、自然放出光のうち波長λ_０より長い波長帯の光は多層膜フィルタによって反射され半導体発光素子に戻される。これにより、多層膜フィルタを透過する自然放出光の光量が多層膜フィルタを透過する誘導放出光の光量と比べて極めて小さくなる。

本発明の第１の半導体発光装置によれば、多層膜フィルタは、厚さがλ_１／（４×ｎ_ａ）である低屈折率層と、厚さがλ_１／（４×ｎ_ｂ）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有する多層膜フィルタを半導体発光素子と半導体光検出素子との間に設けるようにしたので、自然放出光が多層膜フィルタによって選択的に反射され、自然放出光の半導体光検出素子への入射が効果的に抑制される。その結果、半導体光検出素子による自然放出光の検出レベルを低減することができるので、光検出精度をより向上させることができる。

ここで、多層膜フィルタが、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造をさらに有している場合には、自然放出光が多層膜フィルタによって選択的に反射され、自然放出光の半導体光検出素子への入射が効果的に遮断される。その結果、半導体光検出素子による自然放出光の検出レベルをさらに低減することができるので、光検出精度を顕著に向上させることができる。

本発明の第２の半導体発光装置によれば、多層膜フィルタは、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有する多層膜フィルタを半導体発光素子と半導体光検出素子との間に設けるようにしたので、自然放出光が多層膜フィルタによって選択的に反射され、自然放出光の半導体光検出素子への入射が効果的に抑制される。その結果、半導体光検出素子による自然放出光の検出レベルを低減することができるので、光検出精度をより向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の断面構成を表すものである。なお、図１は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。この半導体発光装置は、半導体光検出素子１上に、多層膜フィルタ２（第１の多層膜フィルタ）と、面発光型半導体レーザ素子３とをこの順に配置すると共に、これら半導体光検出素子１、多層膜フィルタ２および面発光型半導体レーザ素子３を一体に形成して構成したものである。

この半導体発光装置は、面発光型半導体レーザ素子３の光が開口部４１Ａ（後述）から外部に射出されると共に、多層膜フィルタ２を介して半導体光検出素子３にわずかに出力されるようになっている。すなわち、この半導体発光装置では、面発光型半導体レーザ素子３の光が主として外部に射出される側とは反対側に、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１とが面発光型半導体レーザ３側からこの順に配置されており、半導体光検出素子１側に漏れ出した光の出力レベルに応じた電気信号（フォトカレント）が半導体光検出素子１から出力されるようになっている。

（面発光型半導体レーザ素子３）
面発光型半導体レーザ素子３は、多層膜フィルタ２上に、例えば、ｐ型コンタクト層３１、ｐ型ＤＢＲ層３２、酸化狭窄層３３、ｐ型クラッド層３４、活性層３５、ｎ型クラッド層３６、ｎ型ＤＢＲ層３７、ｎ型コンタクト層３８を多層膜フィルタ２側からこの順に積層した積層構造を備えている。この積層構造は、例えば、ｐ型ＤＢＲ層３２の側面と、ｐ型ＤＢＲ層３２およびｐ型コンタクト層３１の境界付近の側面とに段差を有するメサ形状となっている。

ｐ型コンタクト層３１は、例えばｐ型Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１≦１）により構成されている。なお、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

ｐ型ＤＢＲ層３２は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を交互に積層して形成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ_０／４ｎ_１ （λ_０は発振波長、ｎ_１ は屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０＜ｘ２≦１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ_０／４ｎ_２(ｎ_２ は屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ（０≦ｘ３＜ｘ２）によりそれぞれ構成されている。

電流狭窄層３３は、その外縁領域に電流狭窄領域３３Ｂを有し、その中央領域に電流注入領域３３Ａを有している。電流注入領域３３Ａは、例えばｐ型Ａｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ａｓ（０＜ｘ４≦１）からなる。電流狭窄領域３３Ｂは、例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成され、後述するように、側面から電流狭窄層３３Ｄに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られるものである。従って、電流狭窄層３３は電流を狭窄する機能を有している。

ｐ型クラッド層３４は、例えばｐ型Ａｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ａｓ（０≦ｘ５≦１）により構成されている。活性層３５は、例えばアンドープのＡｌ_ｘ６Ｇａ_１−ｘ６Ａｓ（０≦ｘ６≦１）により構成されている。この活性層３５では、電流注入領域３３Ａと対向する領域が発光領域３５Ａとなっている。ｎ型クラッド層３６は、例えばｎ型Ａｌ_ｘ７Ｇａ_１−ｘ７Ａｓ（０≦ｘ７≦１）により構成されている。なお、ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

ｎ型ＤＢＲ層３７は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を交互に積層して形成されている。低屈折率層は、例えば厚さがλ_０／４ｎ_３（ｎ_３は屈折率）のｎ型Ａｌ_ｘ８Ｇａ_１−ｘ８Ａｓ（０＜ｘ８≦１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ_０／４ｎ_４（ｎ_４は屈折率）のｎ型Ａｌ_ｘ９Ｇａ_１−ｘ９Ａｓ（０≦ｘ９＜ｘ８）によりそれぞれ構成されている。

ｎ型コンタクト層３８は、例えばｎ型Ａｌ_ｘ１０Ｇａ_{１−ｘ１０}Ａｓ（０≦ｘ１０≦１）により構成されている。このｎ型コンタクト層３８は、例えば、発光領域３５Ａに対応して開口を有しており、ドーナツ形状となっている。

この面発光型半導体レーザ１はまた、ｐ型コンタクト層３１の表面のうちｐ型ＤＢＲ層３２と接触していない部分にｐ側電極４０を有しており、ｎ型コンタクト層３８上にｎ側電極４１を有している。

ここで、ｐ側電極４０は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をｐ型コンタクト層３１側からこの順に積層した構造を有しており、ｐ型コンタクト層３１と電気的に接続されている。

また、ｎ側電極４１は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とをｎ型コンタクト層３８側からこの順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層３８と電気的に接続されている。このｎ側電極４１は、例えば、発光領域３５Ａに対応して開口部４１Ａを有しており、ドーナツ形状となっている。

（半導体光検出素子１）
半導体光検出素子１は、基板１０上に、光吸収層１１、ｐ型コンタクト層１２およびｐ側電極１３を基板１０側からこの順に有しており、基板１０の裏面に、ｎ側電極１４を有している。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成されている。光吸収層１１は、例えばアンドープのＡｌ_ｘ１１Ｇａ_{１−ｘ１１}Ａｓ（０≦ｘ１１≦１）により構成され、発光領域３５Ａから出力される光の一部を吸収すると共に、吸収した光を電気信号に変換するようになっている。この電気信号は、半導体光検出素子１に接続された光出力演算回路（図示せず）に光出力モニタ信号として入力され、光出力演算回路において多層膜フィルタ２を透過した光の出力レベルを計測するために用いられる。ｐ型コンタクト層１２は、例えばｐ型Ａｌ_ｘ１２Ｇａ_{１−ｘ１２}Ａｓ（０≦ｘ１２≦１）により構成されている。このｐ型コンタクト層１２の表面上には、多層膜フィルタ２およびｐ側電極１３が設けられている。

ｐ側電極１３は、例えばＴｉ，ＰｔおよびＡｕをｐ型コンタクト層１２側からこの順に積層した構造を有しており、ｐ型コンタクト層１２と電気的に接続されている。ｎ側電極１４は、例えばＡｕＧｅ合金，ＮｉおよびＡｕを基板１０側からこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

（多層膜フィルタ２）
多層膜フィルタ２は、面発光型半導体レーザ素子３から半導体光検出素子１側に出力される光に含まれる誘導放出光を透過すると共に、面発光型半導体レーザ素子３から半導体光検出素子１側に出力される光に含まれる自然放出光を面発光型半導体レーザ素子３側に選択的に反射するためのものである。この多層膜フィルタ２は、面発光型半導体レーザ素子３の底部（ｐ型コンタクト層３１）と、半導体光検出素子１の上部（ｐ型コンタクト層１２）との間に設けられており、低屈折率層２１および高屈折率層２２を交互に積層して形成されている。

ここで、低屈折率層２１は、例えば厚さがλ_１／４ｎ_５ （λ_１は多層膜フィルタ２の中心波長、ｎ_５は屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ１３ Ｇａ_{１−ｘ１３} Ａｓ（０＜ｘ１３≦１）、高屈折率層２２は、例えば厚さがλ_１／４ｎ_６ （ｎ_６は屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ１４ Ｇａ_{１−ｘ１４} Ａｓ（０≦ｘ１４＜ｘ１３）によりそれぞれ構成されている。なお、図１には、半導体光検出素子１上に、低屈折率層２１および高屈折率層２２をそれぞれ２層ずつ積層した場合が例示されているが、低屈折率層２１および高屈折率層２２をそれぞれ３層ずつ以上積層してもよい。

このような構成を有する半導体発光装置は、例えば、次のようにして製造することができる。

図２（Ａ），（Ｂ）〜図４（Ａ），（Ｂ）はその製造方法を工程順に表したものである。半導体発光装置を製造するためには、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０上に、ＧａＡｓ系化合物半導体を、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法などのエピタキシャル結晶成長法により一括に形成する。この際、ＧａＡｓ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン (ＡｓＨ3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、基板１０上に、光吸収層１１、ｐ型コンタクト層１２、多層膜フィルタ２、ｐ型コンタクト層３１、ｐ型ＤＢＲ層３２、酸化狭窄層３３Ｄ、ｐ型クラッド層３４、活性層３５、ｎ型クラッド層３６、ｎ型ＤＢＲ層３７、ｎ型コンタクト層３８を基板１０側からこの順に積層する（図２（Ａ））。

次に、ｎ型コンタクト層３８の表面のうち所定の領域にマスク（図示せず）を形成したのち、例えばドライエッチング法によりｎ型コンタクト層３８、ｎ型ＤＢＲ層３７、ｎ型クラッド層３６、活性層３５、ｐ型クラッド層３４、酸化狭窄層３３Ｄ、ｐ型ＤＢＲ層３２の一部までを選択的に除去してメサ形状を形成し、その後、マスクを除去する（図２（Ｂ））。このとき、ｐ型ＤＢＲ層３２の一部が露出する。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサの側面から酸化狭窄層３３Ｄを選択的に酸化する。これにより酸化狭窄層３３Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、外縁領域に電流狭窄領域３３Ｂが形成され、その中央領域が電流注入領域３３Ａとなる。このようにして、電流狭窄層３３が形成される（図３（Ａ））。

続いて、上記と同様にして、ｐ型ＤＢＲ層１６の露出部分の一部を選択的に除去する（図３（Ｂ））。これにより、ｐ型ＤＢＲ層１６の中途に段差を有するメサ形状が形成されると共に、ｐ型コンタクト層３１の一部が露出する。さらに、上記と同様にして、ｐ型コンタクト層３１の露出部分の一部および多層膜フィルタ２を選択的に除去してメサ形状を形成し、その後、マスクを除去する（図４（Ａ））。続いて、メサの上面のうち中央部分に開口を有するマスク（図示せず）を形成したのち、例えばウエットエッチング法によりｎ型コンタクト層３８に開口を形成し、その後、マスクを除去する（図４（Ｂ））。

次に、例えば蒸着法により、ｐ型コンタクト層３１の露出部分にｐ側電極４０を形成し、
ｐ型コンタクト層１２の露出部分にｐ側電極１３を形成する（図１）。さらに、ｎ型コンタクト層３８の表面に、開口部４１Ａを有するｎ側電極４１を形成し、さらに、基板１０の裏面にｎ側電極４２を形成する（図１）。このようにして、本実施の形態の半導体発光装置が製造される。

本実施の形態の半導体発光装置では、ｐ側電極４０とｎ側電極４１との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層３３により電流狭窄された電流が活性層３５の利得領域である発光領域３５Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光には誘導放出によって生じた光だけでなく、自然放出によって生じた光も含まれているが、素子内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長λ_０でレーザ発振が生じ、波長λ_０を含む光Ｌが外部および半導体光検出素子１側に出力される（図５）。

このとき、半導体光検出素子１の光吸収層１１が発光領域３５Ａに対応して配置されているので、面発光型半導体レーザ１から出力された光は多層膜フィルタ２を透過したのち、光吸収層１１に入射する。光吸収層１１に入射した光の一部は、光吸収層１１に吸収され、吸収された光の出力レベルに応じた電気信号（フォトカレント）に変換される。これにより、この電気信号は多層膜フィルタ２を透過した光の出力レベルに応じた大きさを有する。この電流信号はｐ側電極１３およびｎ側電極４２に電気的に接続されたワイヤ（図示せず）を介して光出力演算回路（図示せず）に出力されたのち、光出力演算回路において光出力モニタ信号として受信される。これにより、多層膜フィルタ２を透過した光の出力レベルが計測される。

続いて、本実施の形態の特徴部分の一つである多層膜フィルタ２について主に説明する。

図６（Ａ）は面発光型半導体レーザ素子３から出力される光の強度分布の一例を、図６（Ｂ）は多層膜フィルタ２の反射スペクトルの一例をそれぞれ表している。なお、図６（Ｂ）は、厚さがλ_１／４ｎ_５のｐ型Ａｌ_０．９ Ｇａ_０．１ Ａｓからなる低屈折率層２１と、厚さがλ_１／４ｎ_６のｐ型Ａｌ_０．３ Ｇａ_０．７ Ａｓからなる高屈折率層２２とがそれぞれ３０層ずつ積層された多層膜フィルタ２の反射スペクトルである。

図６（Ａ）から、面発光型半導体レーザ素子３から出力された光Ｌには、誘導放出光Ｌ１だけでなく、自然放出光Ｌ２も含まれていることがわかる。ここで、誘導放出光Ｌ１は波長λ_０の光であり、その光の波長帯域の幅Ｄ１は極めて狭い。一方、自然放出光Ｌ２は波長λ_０を含む光であり、その光の波長帯域の幅Ｄ２は誘導放出光Ｌ１のそれよりも極めて広い。また、自然放出光Ｌ２の波長に対する強度分布は波長λ_０よりも短波長側に偏っており、さらに、自然放出光Ｌ２の短波長側の波長帯域の幅をＤ３、自然放出光Ｌ２の長波長側の波長帯域の幅をＤ４とすると、Ｄ３はＤ４よりも大きくなっている。

また、図６（Ａ），（Ｂ）から、多層膜フィルタ２における反射率の最も大きな帯域Ｗが自然放出光Ｌ２の短波長側の波長帯域と等しいか、またはその波長帯域を包含していることがわかる。ただし、帯域Ｗは、波長λ_０を含んでいない。

なお、相対波長ｇをλ_０／λとすると、波長帯域の幅Δｇは、例えば以下のようにして求めることができる。ここで、以下の式中のｎ_Ｈは高屈折率層の屈折率を示し、ｎ_Ｌは低屈折率層の屈折率を示している。
波長帯域の幅Δｇ＝（４／π）×ｓｉｎ^−１（（ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ）／（ｎ_Ｈ＋ｎ_Ｌ））

このように、多層膜フィルタ２の帯域Ｗは自然放出光Ｌ２の短波長側の波長帯域と等しいか、またはその波長帯域を包含しており、かつ、波長λ_０を含んでいないので、面発光型半導体レーザ素子３から半導体光検出素子１側に出力された光に含まれる誘導放出光Ｌ１が多層膜フィルタ２を透過して半導体発光素子１の光吸収層１１に入射し、他方、面発光型半導体レーザ素子３から半導体光検出素子１側に出力された光に含まれる自然放出光Ｌ２のうち波長λ_０よりも短波長側の光が多層膜フィルタ２によって反射され面発光型半導体レーザ素子３側に戻される。つまり、多層膜フィルタ２は自然放出光を選択的に反射する機能を有するので、多層膜フィルタ２を透過する自然放出光の光量を、多層膜フィルタ２を透過する誘導放出光の光量と比べて極めて小さくすることができる。これにより、自然放出光の半導体光検出素子１への入射を効果的に抑制することができるので、半導体光検出素子２による自然放出光の検出レベルを低減することができ、その結果、誘導放出光の光検出精度をより向上させることができる。

ところで、ＭＯＣＶＤなどの結晶成長法を用いて多層膜フィルタ２を形成した場合には、例えば特許文献１のように、制御性の容易でない酸化工程を用いて半導体層の一部を酸化することにより自然放出光の透過を妨げる酸化層を形成した場合と比べて、その形状や大きさなどを高精度に形成することができる。これにより、半導体発光装置ごとの特性のばらつきを極めて小さくすることができる。

また、自然放出光を除去するために、例えば特許文献１のように、半導体層の酸化などの体積収縮が生じる工程を用いる必要がない。これにより、多層膜フィルタ２において体積収縮による剥離が生じる虞はないので、半導体層の酸化などの体積収縮が生じる工程を用いて自然放出光を除去する層を形成した場合と比べて、歩留りや信頼性が極めて高い。

また、光吸収層１１からｎ型コンタクト層３８までをエピタキシャル結晶成長法により形成することができる。これにより、多層膜フィルタ２を他の方法を用いて形成する場合と比べて製造工程を簡略化することができ、製造に要する時間を短縮することができる。

また、本実施の形態では、面発光型半導体レーザ素子３の光が主として外部に射出される側とは反対側に、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１とを面発光型半導体レーザ３側からこの順に配置したので、面発光型半導体レーザ素子３の半導体光検出素子１側の電極（ｐ側電極４０）を設けるスペースが電流狭窄層３３の酸化狭窄径によって制限されない。これにより、面発光型半導体レーザ素子３の半導体光検出素子１側の電極（ｐ側電極４０）を設けるスペースを、面発光型半導体レーザ素子３の光が主として外部に射出される側に、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１とを面発光型半導体レーザ３側からこの順に配置した場合よりも大きくすることができるので、面発光型半導体レーザ素子３の抵抗を低減することができる。

［第１の実施の形態の変形例］
上記実施の形態では、多層膜フィルタ２が、面発光型半導体レーザ素子３から半導体光検出素子１側に出力された光に含まれる自然放出光Ｌ２のうち波長λ_０よりも短波長側の光を反射する場合を例示して説明したが、面発光型半導体レーザ素子３から半導体光検出素子１側に出力された光に含まれる自然放出光Ｌ２のうち波長λ_０よりも短波長側の光だけでなく、波長λ_０よりも長波長側の光も反射するようにしてもよい。

この場合には、多層膜フィルタ２が、図７に示したように、例えば、厚さがλ_１／４ｎ_５のｐ型Ａｌ_ｘ１３ Ｇａ_{１−ｘ１３} Ａｓからなる低屈折率層２１と、例えば厚さがλ_１／４ｎ_６のｐ型Ａｌ_ｘ１４ Ｇａ_{１−ｘ１４} Ａｓからなる高屈折率層２２とを交互に積層した積層構造の他に、さらに、厚さがλ_２／４ｎ_７（λ_２＞λ_０、ｎ_７は屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ１５ Ｇａ_{１−ｘ１５} Ａｓ（０＜ｘ１５≦１）からなる低屈折率層２３と、例えば厚さがλ_２／４ｎ_８（ｎ_８＞ｎ_７、ｎ_８は屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ１６ Ｇａ_{１−ｘ１６} Ａｓ（０≦ｘ１６＜ｘ１５）からなる高屈折率層２４とを交互に積層した積層構造を上記積層構造の上または下に有していればよい。

これにより、自然放出光の半導体光検出素子１への入射が効果的に遮断される。その結果、半導体光検出素子１による自然放出光の検出レベルをさらに低減することができるので、誘導放出光の光検出精度を顕著に向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置の構造を表すものである。なお、図８は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。また、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。また、以下では、上記実施の形態と異なる構成、作用、効果について主に説明し、上記実施の形態と共通の構成、作用、効果についての記載を適宜省略する。

この半導体発光装置は、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のいずれか一方の上に形成された多層膜フィルタ２を、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のうち多層膜フィルタ２の形成されていない方と貼り合わせて形成されたものである。

この半導体発光装置は、半導体光検出素子１上に、接合層４２および面発光型半導体レーザ素子３をこの順に積層して形成されたものである。

接合層４２は、同一面内に光透過部４３および金属部４４を有している。光透過部４３は面発光型半導体レーザ素子３の発光領域３５Ａとの対向領域の全部または一部に設けられており、金属部４４は光透過部４３の周囲に設けられている。

ここで、光透過部４３は、発光領域３５Ａから射出された光を透過することの可能な物質、例えばＳｉＮや、ＳｉＯ_２ 、空気などの絶縁物質により構成されており、発光領域３５Ａから射出された光のうち半導体光検出素子１側へ放出された光を透過するようになっている。一方、金属部４４は、反射率の高い金属、例えば金（Ａｕ）などにより構成され、半導体光検出素子１側へ放出された光のうち光透過部４３以外の領域に放出された光を面発光型半導体レーザ素子３側に反射して、半導体光検出素子１への入射を遮断するようになっている。つまり、この接合層４２は、半導体光検出素子１と、面発光型半導体レーザ素子３とを互いに接合する機能の他に、半導体光検出素子１への光の入射領域を制限する機能も有している。また、金属部４４は、面発光型半導体レーザ素子３のｐ型コンタクト層３１に電気的に接続されており、面発光型半導体レーザ素子３のｐ側電極としても機能するようになっている。

なお、この接合層４２は、例えば、後述の製造方法の説明において例示したように、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のいずれか一方と重ね合わせる際に、多層膜フィルタ２の表面に形成された、光透過部４３Ａおよび金属部４４Ａを有する接合層４２Ａと、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のいずれか一方の表面に形成された、光透過部４３Ｂおよび金属部４４Ｂを有する接合層４２Ｂとを互いに貼り合わせることにより形成されることが好ましい。

ただし、この場合には、光透過部４３Ａおよび光透過部４３Ｂを互いに貼り合わせることにより光透過部４３が形成され、金属部４４Ａおよび金属部４４Ｂを互いに貼り合わせることにより金属部４４が形成されることとなる。また、この接合層４２は、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のいずれか一方と重ね合わせる際に、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のいずれか一方の表面、または多層膜フィルタ２の表面にあらかじめ形成されていてもよい。

このような構成を有する半導体発光装置は、例えば、次のようにして製造することができる。図９（Ａ），（Ｂ）ないし図１２はその製造方法を工程順に表したものである。

具体的には、まず、基板１０上に、光吸収層１１、ｐ型コンタクト層１２、多層膜フィルタ２をこの順に積層する（図９（Ａ））と共に、例えばｎ型ＧａＡｓからなる基板４５上に、ｎ型コンタクト層３８、ｎ型ＤＢＲ層３７、ｎ型クラッド層３６、活性層３５、ｐ型クラッド層３４、酸化狭窄層３３Ｄ、ｐ型ＤＢＲ層３２、ｐ型コンタクト層３１をこの順に積層する（図９（Ｂ））。

次に、ｐ型コンタクト層１７およびｐ型コンタクト層２４上にＳｉＯ_２などの絶縁物質を堆積させたのち、その堆積させた絶縁物質の表面のうち発光領域３５Ａと対応する領域や、半導体光検出素子１のｐ側電極１３が形成されることとなる領域と対応する領域にフォトレジスト（図示せず）を形成する。続いて、このフォトレジストをマスクとして、例えばフッ酸系エッチング液によるウエットエッチング法により絶縁物質を選択的に除去して光透過部４３Ａ，４３Ｂを形成する。その後、例えば金（Ａｕ）などの金属を真空蒸着法にて形成したのち、フォトレジストを除去して金属部４４Ａ，４４Ｂを形成する。これにより、接合層４２Ａ，４２Ｂが形成される（図１０（Ａ），（Ｂ））。

次に、接合層４２Ａ，４２Ｂをそれぞれ互いに対向させると共に高温にした状態で、基板１０および基板４５側から圧力Ｆを加えて、接合層４２Ａ，４２Ｂを互いに貼り合わせる（図１１）。これにより、接合層４２が形成され、その結果、半導体光検出素子１、多層膜フィルタ２および面発光型半導体レーザ素子３が一体に形成される。その後、例えばウエットエッチングにより基板４５を除去する。この後は、上記と同様の工程を経ることにより、本実施の形態の半導体発光装置が形成される。

このように、本実施の形態では、光透過部４３にＳｉＯ_２などの絶縁物質を用いると共に、金属部４４にＡｕなどの金属を用いるようにしたので、パターニングにより光透過部４３および金属部４４を有する接合層４２を形成することが可能である。これにより、接合層４２と同等の機能（半導体光検出素子１への光の入射領域を制限する機能）を有する層を、例えば酸化処理により形成した場合と比べて、精密に形成することができる。このように、本実施の形態では、制御性の極めてよい方法を用いることができるので、半導体発光装置ごとの特性のばらつきを極めて小さくすることができる。

また、接合層４２と同等の機能（半導体光検出素子１への光の入射領域を制限する機能）を有する層を製造する際に、酸化処理を用いる必要がない。これにより、接合層４２において体積収縮による剥離が生じる虞はないので、酸化処理などの体積収縮が生じる工程を用いる場合と比べて、歩留りや信頼性が極めて高い。

また、金属部４４Ａ，４４Ｂ同士を互いに貼り合わせるようにしたので、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１および面発光型半導体レーザ素子３のいずれか一方との密着性を高めることができる。これにより、貼り合わせた部分が剥離する虞はないので、貼り合わせによって歩留りや信頼性が低下する虞はない。

また、半導体光検出素子１と面発光型半導体レーザ素子３とを別個の基板上に結晶成長させるようにしたので、これらを一括形成した場合と比べて、より高品質に結晶成長させることが可能である。これにより、デバイス特性や信頼性がより向上する。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、多層膜フィルタ２を、ＩＩＩ族元素としてアルミニウム（Ａｌ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成した場合について説明したが、上記第２の実施の形態では、多層膜フィルタ２を、屈折率の互いに異なる絶縁性材料を交互に積層した積層構造としてもよい。例えば、厚さがλ_１／４ｎ_７（ｎ_７は屈折率）のＳｉＯ_２からなる低屈折率層と、厚さがλ_１／４ｎ_８の（ｎ_８は屈折率）ＳｉＮからなる高屈折率層とをそれぞれ１０層ずつ積層して形成することが可能である。このように、屈折率の互いに異なる絶縁性材料を交互に積層した場合には、上記実施の形態の場合と比べて、これらの屈折率差を大きくすることができる。これにより、上記実施の形態の場合よりも少ない積層数で多層膜フィルタ２を形成することができる。

また、上記実施の形態では、面発光型半導体レーザ素子３の光が主として外部に射出される側とは反対側に、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１とを面発光型半導体レーザ３側からこの順に配置した場合について説明したが、例えば、面発光型半導体レーザ素子３の光が主として外部に射出される側に、多層膜フィルタ２と、半導体光検出素子１とを面発光型半導体レーザ３側からこの順に配置することも可能である。

また、上記実施の形態では、半導体材料をＧａＡｓ系化合物半導体により構成した場合について説明したが、他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系（赤系）材料またはＡｌＧａＡｓ系（赤外系）や、ＧａＮ系（青緑色系）などにより構成することも可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置の断面構成図である。 図１の半導体発光装置の製造工程を説明するための断面図である。 図２に続く工程を説明するための断面図である。 図３に続く工程を説明するための断面図である。 図１の半導体発光装置の作用を説明するための断面図である。 図１の面発光型半導体レーザから出力される光の、波長に対する強度スペクトラムを示す関係図、および図１の多層膜フィルタの、波長に対する反射スペクトラムを示す関係図である。 一変形例に係る半導体発光装置の断面構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置の断面構成図である。 図８の半導体発光装置の製造工程を説明するための断面図である。 図９に続く工程を説明するための断面図である。 図１０に続く工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１…面発光型半導体レーザ素子、２…多層膜フィルタ、３…半導体光検出素子、１０，４５…基板、１２，３１…ｐ型コンタクト層、１３，４０…ｐ側電極、１４，４１…ｎ側電極、２１，２３…低屈折率層、２２，２４…光屈折率層、３２…ｐ型ＤＢＲ層、３３…電流狭窄層、３３Ａ…電流注入領域、３３Ｂ…電流狭窄領域、３４…ｐ型クラッド層、３５…活性層、３５Ａ…発光領域、３６…ｎ型クラッド層、３７…ｎ型ＤＢＲ層、３８…ｎ型コンタクト層、４１Ａ…開口部、４２，４２Ａ，４２Ｂ…接合層、４３Ａ，４３Ｂ…光透過部、４４Ａ，４４Ｂ…金属部。

Claims (10)

1. 波長λ_０の誘導放出光と、波長λ_０を含む波長帯の自然放出光とを含む光を発する半導体発光素子と、
   厚さがλ_１／（４×ｎ_ａ）（λ_１＜λ_０、ｎ_ａは屈折率）である低屈折率層と、厚さがλ_１／（４×ｎ_ｂ）（ｎ_ｂ＞ｎ_ａ、ｎ_ｂは屈折率）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有する多層膜フィルタと、
   前記多層膜フィルタを透過した光の一部を吸収する光吸収層を有する半導体光検出素子と
   を備えることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記多層膜フィルタは、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）（λ_２＞λ_０、ｎ_ｃは屈折率）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）（ｎ_ｄ＞ｎ_ｃ、ｎ_ｄは屈折率）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 波長λ_０の誘導放出光と、波長λ_０を含む波長帯の自然放出光とを含む光を発する半導体発光素子と、
   厚さがλ_２／（４×ｎ_ｃ）（λ_２＞λ_０、ｎ_ｃは屈折率）である低屈折率層と、厚さがλ_２／（４×ｎ_ｄ）（ｎ_ｄ＞ｎ_ｃ、ｎ_ｄは屈折率）である高屈折率層とを交互に積層してなる積層構造を有する多層膜フィルタと、
   前記多層膜フィルタを透過した光の一部を吸収する光吸収層を有する半導体光検出素子と
   を備えることを特徴とする半導体発光装置。
4. 前記半導体発光素子は、第１多層膜反射鏡、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層および第２多層膜反射鏡をこの順に含む積層構造を有し、
   前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡はそれぞれ、厚さがλ_０／（４×ｎ_ｅ）（ｎ_ｅは屈折率）である低屈折率層と、厚さがλ_０／（４×ｎ_ｆ）（ｎ_ｆ＞ｎ_ｅ、ｎ_ｆは屈折率）である高屈折率層とを交互に積層して形成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
5. 前記低屈折率層および前記高屈折率層は化合物半導体からなる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
6. 前記低屈折率層および前記高屈折率層は、ＩＩＩ族元素としてアルミニウム（Ａｌ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
   前記低屈折率層のＡｌ組成比が前記高屈折率層のＡｌ組成比よりも大きい
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
7. 前記低屈折率層および前記高屈折率層は絶縁性材料からなる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
8. 前記低屈折率層はＳｉＯ_２からなり、
   前記高屈折率層はＳｉＮからなる
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光装置。
9. 前記半導体光検出素子、前記多層膜フィルタおよび前記半導体発光素子は、基板上にこの順にエピタキシャル結晶成長させることにより形成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
10. 前記多層膜フィルタは、前記半導体発光素子および前記半導体光検出素子のいずれか一方と、接合層を介して貼り合わされている
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。

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