JP3934828B2

JP3934828B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP3934828B2
Application number: JP18655299A
Authority: JP
Inventors: 浩史濱崎; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP2001015849A; US6449296B1

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。
【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。
【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／ｅ^２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。
【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（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ：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１３００ｎｍ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、１×１０^２０ｃｍ^−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２０１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。
【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。
【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。
【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１×１０^７ｃｍ／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。
【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。
【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。
【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。
【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２０４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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【符号の説明】
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

第１導電型の基板と、
この基板上に形成されたｉ層と、
このｉ層上に形成された第１導電型のバッファ層と、
前記バッファ層から前記基板まで達する凹部と、
この凹部の一面に形成され前記ｉ層及び前記バッファ層それぞれの側面を含む斜面と、
前記凹部底面ｉ層にビームを照射する半導体レーザ素子と、
前記斜面において前記バッファ層の側面から前記ｉ層の側面に達する第２導電型領域と、
前記斜面において前記ｉ層の側面から前記バッファ層の側面に延在する光半透過性反射膜と、
前記第２導電型領域に接続された電極とを具備することを特徴とする半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子と前記基板間には、前記ｉ層より小なる厚さのｉ層が形成され、前記小なる厚さのｉ層に前記基板に達する第１導電型領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記第２導電型領域は、前記バッファ層の上面に達し、前記電極は前記バッファ層の上面に設けられていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の半導体レーザ装置。