JP3696154B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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の光源として用いられる半導体レーザ装置に関する。
【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。しかしながら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。
【０００３】
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ー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（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ 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ーすることで、上記のＡＰＣを構成可能であるが、モニター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、モニター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）の一部をモニターする必要が生じ、この制御方式をフロントＡＰＣ（以下、ＦＡＰＣと記す）と呼ぶ。
【０００４】
ＦＡＰＣ方式で、半導体レーザを使用する際の構成例を図４に示す。１は半導体レーザ、２５は出射光分割手段で例えばハーフミラーなどで構成される。２はモニター用受光素子で、一部に受光部７が形成されている。半導体レーザ１から出射した光は分割手段２５で分割され一部は、出力光となり例えば光ディスクへ出射される。残りの一部は、光出力モニター用の受光素子に入力しＡＰＣ用のモニター光電流を出力する。この構成を、集積化しかつ短波長の光にも適用可能な方式として、図５に示す構成がある（特開２００１−１５８４９号公報）。図５で、１は半導体レーザ素子である。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と、さらに低濃度層２２上にｐ型電動型の高濃度層２４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。該凹部の斜面２３上の一部には、誘電体多層膜や薄い金属からなる半透過膜２５が形成されている。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き出し電極であり、一部が高濃度層２４とコンタクトしている以外は、絶縁層２７で電気的に絶縁される。引き出し電極２６と裏面電極２８（＝ｎ電極）との間に逆バイアス電圧をかけてほぼ低濃度層２２全体に広がる空乏層を受光部として用いられる。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６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。この電流を、ＡＰＣ回路に入力することで、半導体レーザ素子の出力光が制御される。通常、ＡＰＣ回路の帯域は数十〜数百Ｈｚと低く設定されており、半導体レーザの出力光変動の遅い成分を識別して制御するように設計される。
これは、半導体レーザ光の大きな変動要因が温度変化にあるためである。
【０００５】
一方、光ディスク応用などを考慮した場合、出力光は光ディスク表面で反射され、途中に挿入されたホログラム素子などで分岐されて信号受光素子などに入力される。しかしながら、ホログラム素子での分岐は回折を利用しており、光ディスク媒体の複屈折率の違いなどで、反射光の１００％が回折できず、光源に戻ってくる戻り光がある。そのため、半導体レーザ側では、信号周波数よりも高い周波数で一定の変調をかけ続ける高周波重畳技術により、半導体レーザの戻り光雑音低減を図っている。図４においては、戻り光を３１、そのうち受光部７に入射する光を３２で示している。図５において、戻り光３１は半透過膜２５で大部分が反射されるが、一部はモニター用のフォトダイオードの受光部、すなわち低濃度層２２付近に広がる空乏層に入射し、本来の半導体レーザ出射光１４による光電流に付加されて、ＡＰＣ回路へ入力され雑音となる。光ディスクからの戻り光に含まれる信号光の周波数は、通常数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚと高い周波数であり、低域しかゲインの無いＡＰＣ回路では、平均値のみが検出され、微小なオフセットが生じるだけである。これは、ほぼ一定の微小な値になるため、ＡＰＣ回路のゲイン調整でキャンセル可能である。
【０００６】
しかし、ＲＡＭ応用では、書き込み時の光パルスを精密に制御するために、高速のＡＰＣを用いることが有効であることが報告されており（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥｖｏｌ．1499，pp.324-329）、書き込み光パルス強度制御と戻り光雑音低減のために、高速のＡＰＣが有効である。
【０００７】
ＡＰＣ回路の帯域が信号周波数と同等あるいはそれ以上の周波数になってくると、前述の戻り光によるモニター雑音は、全て雑音として増幅され、ひいてはＡＰＣが不可能になることさえあるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上で詳述した通り、フロントＡＰＣ用の受光素子の表面を半透鏡として利用した半導体レーザ装置において、戻り光がフロントモニタＰＤに入射しこの部分で吸収されることにより、ＡＰＣ回路の雑音となるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記従来の問題を解決した新規な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、側面の少なくとも一部が傾斜面である半導体層を備えた半導体基板と、
光出射端面が前記傾斜面と対向するように前記半導体基板上に配置された半導体レーザ素子と、
前記半導体層の一部を受光部とする受光素子と、
前記傾斜面上に形成された半透過膜と、
前記半透過膜と前記受光素子の受光部との間の前記半導体層中の一部に形成された多孔質半導体領域とを具備し、
前記半透過膜は、前記半導体レーザ素子の出力光ビームの一部が反射されて外部に出力され、残りの一部が前記多孔質半導体領域を介して前記受光素子の受光部に入射されるよう配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置を提供する。
【００１１】
また、本発明は、凹部が形成され、この凹部の側面の少なくとも一部が傾斜面である半導体層を備えた半導体基板と、
光出射端面が前記傾斜面と対向するように前記半導体基板上に配置された半導体レーザ素子と、
前記半導体層の一部を受光部とする受光素子と、
前記傾斜面上に形成された半透過膜と、
前記半透過膜と前記受光素子の受光部との間の前記半導体層中の一部に形成された多孔質半導体領域とを具備し、
前記半透過膜は、前記半導体レーザ素子の出力光ビームの一部が反射されて外部に出力され、残りの一部が前記多孔質半導体領域を介して前記受光素子の受光部に入射されるよう配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置を提供する。
【００１２】
これらのとき、前記多孔質半導体領域は前記半導体層の一部を多孔質化してなる領域であることが好ましい。
【００１３】
また、前記半導体層がｎ型半導体層、ｉ型半導体層及びｐ型半導体層の積層構造であり、前記多孔質半導体領域は前記ｉ型半導体層に形成されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の半導体レーザ装置は、戻り光は、半透過膜を透過しても、半透過膜と受光素子の受光部との間に形成された多孔質半導体領域に入射されることになる。多孔質半導体領域は、半導体レーザ素子の照射するレーザ光、戻り光に対して大きなバンドギャップを有するので戻り光を透過する。即ち、かかる構成によれば受光素子の受光部に直接戻り光が入射されないことになる。従来戻り光が受光部に入射されることによって生じていた雑音を大幅に低減することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態を示す断面図である。
【００１７】
図１で、１は半導体レーザ素子である。２は半導体からなる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ｉ型伝導型の層２２および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斜面２３を有する凹部が形成されている。斜面２３の一部には、半導体レーザ１の出射光に対して透明な多孔質半導体からなる透明層４が形成されている。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き出し電極であり、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６により凹部底面に形成された引き出し電極５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多孔質シリコンからなる透明層４を透過して直接光ビーム３２となり、この直接光ビーム３２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。
【００１８】
戻り光３１の一部は、半透過膜２５、多孔質シリコンからなる透明層４を通過して戻り光ビーム３３となる。この戻り光ビーム３３は、多孔質シリコンからなる透明層４で吸収されること無くサブマウント基板２１で吸収されてフォノンとなる。そのため、受光素子の受光領域２２に戻り光３３が入射されることがなく、戻り光による雑音を低減することができる。
【００１９】
したがって、この半導体レーザ装置では、直接光ビーム３２のみの光電流を測定することが可能となり、半藤多レーザ装置１の出力を正確に把握することが可能となる。
【００２０】
受光領域は、ほぼ低濃度層２２と同じ位置に形成される空乏層であるから、半導体レーザ１の実装されている凹部の深さを調整することで半導体レーザ１の出射光１４の高さを調整して直接光が受光素子に入力し、且つ戻り光が基板側に抜けるように調整することができる。凹部の深さは、基板の異方性エッチング時間のコントロールによって制御することが可能である。
【００２１】
また、半導体レーザ１の出射光１４の高さは、接着剤６の厚み等によっても調整可能である。
【００２２】
なお、図１では、凹部の底面と反射面となる斜面２３との間に溝２９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。
【００２３】
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および高濃度層２４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などの異方性のエッチング溶液で底部が基板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２９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。例えば、（１００）面を表面にもつSi基板を１０〜４０重量％程度のＫＯＨ水溶液でエッチングした場合、（１００）面は０．２〜１．５μｍ／分程度のエッチング速度でエッチングが進むのに対して、（１１１）面のエッチング速度は、その約１０〜１００分の１程度の速度であるため、エッチングしたのちの形状は、（１１１）面を斜面とし、（１００）面を底面とする凹部となる。
【００２４】
さらに、酸化膜などで全面を覆ったのち、フッ化水素酸などでパターニングし窓を開けて、いわゆる陽極化成を行い、所望の深さまで斜面を多孔質化する。この陽極化成は、エッチャントとしてフッ酸系及びメタノール等の混合液を用いて、基板と電極をエッチャントに沈めてこれらに電圧を印加して行う。
【００２５】
多孔質化された層は、バルクの半導体に比較してバンドギャップが広がるため、適正に設計することで使用する半導体レーザ素子１の出力光波長に対して透明となるように設定可能となる。
【００２６】
たとえばシリコンの場合のバンドギャップ変化を図２に示す。図２において、ＰＳは多孔質シリコン（ポーラスシリコン）を示し、ｃ−Ｓｉは単結晶シリコン（クリスタルシリコン）を示す。この場合、たとえばＤＶＤで用いられる赤色（６５０ｎｍ）の光に対しては透明となる。
【００２７】
陽極化成終了後のシリコン表面には多くの穴が存在する。そこで、ごく弱い（４００℃程度のドライ）酸化後に表面のみＨＦ溶液で酸化膜を剥離し、１１００℃、３０分程度の水素雰囲気中で加熱すると、シリコンがマイグレーションを起こして、表面が平坦化される。その、表面荒さは数ｎｍ程度と波長の１００分の１以下となって非常に平坦な面を得ることができる。
【００２８】
その後、多孔質シリコン内に多孔質化されずに残ったシリコンのバルク成分を減少させるために、１１００℃３０分程度の熱酸化を行う。こうすることで、上述の平坦性を保持したまま、より透明な層を得ることが可能である。同時にこの工程により、パッシベーション膜である酸化膜２７を形成可能である。
【００２９】
その後、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。
【００３０】
上記実施の形態によれば、半導体レーザのサブマウントにミラー付きの受光素子を集積化しつつ戻り光によるＡＰＣ雑音の低減が可能となり、小型で量産性の良い集積化半導体装置の実現が可能である。
一方、陽極化成は、ドーパント種やその濃度差によるエッチング後のポーラス径やエッチングスピードなどが大きく変化するため、ドーパントの違いはもとより濃度の差が大きくなればなるほど、エッチング後の深さやポーラス径などの構造の違いが大きくなる。このため、ポーラス層の厚さを所望の範囲に抑えるためには好ましくない。
【００３１】
このため、図１においては、多孔質層からなる透明層４は、低濃度層２２のみに形成されている。即ち、透明層４が異なる種類の層にまたがらないので、半導体の陽極化成時に、ドーパント種及び濃度の違いを考慮する必要がなく、条件を単純化することができるという効果がある。
【００３２】
一方、光ビーム入射面である斜面に接する低濃度層２２のみを、厳密にすべて陽極化成することは現実問題としては困難であるため、斜面直下の低濃度層２２の一部に多孔質でない部分が残る可能性が有り、わずかに戻り光雑音が残存するが、微弱なため実用上は問題となりにくい。
【００３３】
しかし、戻り光ビーム３３の光軸が出射光１４とずれた場合（ディスクチルトなどによる）、わずかに残った吸収層による雑音が問題となる可能性がある。
【００３４】
このため、図３に示したように、高濃度層２４および高濃度基板２１にまたがるように多孔質半導体からなる透明層４を形成することにより、残存吸収部を無くすることができる。このため、戻り光ビーム３１の光軸のずれなどによって、戻り光雑音が増加することを抑制できる。ただし、各層のドーパントや濃度の差により、プロセス条件が異なるため、複数回の陽極化成を行うなどの工夫が必要となる。
【００３５】
また、前述までの実施の形態では、受光素子構造として高速なＰＩＮ構造を示したが、通常のＰＮ型の受光素子を用いても同様な効果が得られる。その場合、低濃度層２２は不要であるが、ｐ型高濃度層とｎ型高濃度層の境界付近に空乏層が形成され受光部となる。この場合、基板の価格が低いという特徴をもつが、ＰＩＮ構造に比較すると同じバイアスで、空乏層厚が大きく取れないため、感度が低く周波数応答が低いといった点に注意が必要となる。
【００３６】
また、基板２は２層のエピタキシャル層で形成されているが、低濃度層２２のみの基板を用いて外形を作成した後、熱拡散などであとからｐ層２４を形成しても良い。さらに、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。
【００３７】
また、この例では主にシリコンについてのみ言及したが、他の半導体（たとえばＧｅなど）でも同様に、バンドギャップが広がる効果を利用して、構成可能である。ただし、この場合、ミラーの表面粗さを両立する必要があることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
半透過膜を透過した光ビームのうち、直接光ビームの光軸中心部のほとんどは受光素子内の受光部に入力し、かつ、戻り光ビームの多くは受光部を通過しない位置に受光部を配置することが可能であり、半導体レーザの出力光強度制御（ＡＰＣ）回路に混入する戻り光雑音の低減が可能となる。
【００３９】
したがって、半導体レーザの出力光強度を精度良く、高速に制御することが可能となり、光ディスクの書き込みなどの光源に有効であるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる第１の実施の形態にかかる半導体レーザ装置の断面図。
【図２】 本発明にかかる透明膜を作製する際の陽極酸化の電流密度とエネルギーの関係を説明するための図。
【図３】 本発明にかかる第２の実施の形態にかかる半導体レーザ装置の断面図。
【図４】 従来の半導体レーザ装置の断面図。
【図５】 従来の半導体レーザ装置の断面図。
【符号の説明】
１・・・半導体レーザ素子
２・・・サブマウント基板（受光素子）
４・・・多孔質半導体からなる透明層
５・・・引き出し電極
６・・・導電性接着剤
１４・・・出力光ビーム
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
２５・・・半透過膜
２６・・・受光素子引き出し電極
２７・・・絶縁層
２８・・・サブマウント裏面電極
２９・・・蹴られ防止溝
３１・・・戻り光
３２・・・半透過膜を透過した直接光ビーム
３３・・・半透過膜を透過した戻り光ビーム

Claims (4)

1. 側面の少なくとも一部が傾斜面である半導体層を備えた半導体基板と、
   光出射端面が前記傾斜面と対向するように前記半導体基板上に配置された半導体レーザ素子と、
   前記半導体層の一部を受光部とする受光素子と、
   前記傾斜面上に形成された半透過膜と、
   前記半透過膜と前記受光素子の受光部との間の前記半導体層中の一部に形成された多孔質半導体領域とを具備し、
   前記半透過膜は、前記半導体レーザ素子の出力光ビームの一部が反射されて外部に出力され、残りの一部が前記多孔質半導体領域を介して前記受光素子の受光部に入射されるよう配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 凹部が形成され、この凹部の側面の少なくとも一部が傾斜面である半導体層を備えた半導体基板と、
   光出射端面が前記傾斜面と対向するように前記半導体基板上に配置された半導体レーザ素子と、
   前記半導体層の一部を受光部とする受光素子と、
   前記傾斜面上に形成された半透過膜と、
   前記半透過膜と前記受光素子の受光部との間の前記半導体層中の一部に形成された多孔質半導体領域とを具備し、
   前記半透過膜は、前記半導体レーザ素子の出力光ビームの一部が反射されて外部に出力され、残りの一部が前記多孔質半導体領域を介して前記受光素子の受光部に入射されるよう配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 前記多孔質半導体領域は前記半導体層の一部を多孔質化してなる領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記半導体層がｎ型半導体層、ｉ型半導体層及びｐ型半導体層の積層構造であり、前記多孔質半導体領域は前記ｉ型半導体層に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。

Images