JP4010325B2 - 光学装置及び光学装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、新規な光結合素子であるＣＬＣ（コンフォーカル・レーザ・カプラ）素子、或は面発光型レーザ装置等の光学装置、及びこの光学装置の製造方法に関する。

従来の光学装置、例えばコンパクトディスク（ＣＤ）や光磁気ディスク等のいわゆる光ディスクに対する光ピックアップ部では、グレーティングやビームスプリッタ等の各光学部品を個別に組み立てるため、装置全体の構成が複雑且つ大きくなり、また、基板上にハイブリットで組み立てる場合に光学的な配置設定に際して厳しいアライメント精度を必要とする。

また、光ピックアップ部における光学系では、発光素子に必ず光が戻るため、戻り光を検出するには、光をビームスプリッタやホログラムなどで分割する必要がある。そのため、受光素子が受ける光量が減少するという不都合が生じる。

一方、本出願人は、上述した光ディスクに対する光ピックアップ部の構成の簡素化、全体の小型化、高精度化、信頼性の向上等を可能にした光結合素子であるＣＬＣ（コンフォーカル・レーザ・カプラ）素子を提案した。このＣＬＣ素子は、半導体レーザからなる発光素子とフォトダイオードからなる受光素子が近接したモノリシックに形成される。

図１０〜図１２を用いて、この光結合素子であるＣＬＣ素子について説明する。同図において、１は光結合素子、２は被照射部、３は収束手段即ち集光光学レンズを示す。

光結合素子１は、発光素子４と受光素子５が共通の半導体基板６上に一体化されて成り、発光素子４からの出射光Ｌ_Fが被照射部２に収束照射し、この被照射部２から反射された戻り光Ｌ_Rが収束手段３によって集光され、収束手段３の共焦点位置（厳密には共焦点位置近傍）に配置された受光素子５に受光されるように構成される。この構成では発光素子からの光が、被照射部２において反射される前及び後において、その光軸を鎖線ａで示すように、互いに同軸の径路を通過して受光素子５において受光される構成とする。

この光結合素子１では、図１１の拡大図で示すように、発光素子４が水平共振器を有する半導体レーザＬＤ（但し９はそのストライプ電極）と反射鏡７で構成され、受光素子５がフォトダイオード（ＰＤ）で構成される。半導体レーザＬＤは、これからの出射光Ｌ_Fを反射鏡７によって反射させて被照射部２に向かう径路に一致させている。

そして、受光素子５に向かう戻り光Ｌ_Rは、光回折限界（即ちレンズの回折限界）近傍まで収束させるものであり、受光素子５はその少なくとも一部の受光面が、この光回折限界内、すなわち発光素子４からの出射光の波長λ、収束手段３の開口数をＮＡとするとき、受光面の配置基準面Ｓを横切る発光素子４からの出射光の光軸ａからの距離が１．２２λ／ＮＡ以内の位置に設けられるようにする。

また、この場合、図１０及び図１２に示すように、受光素子５の受光面の配置基準面Ｓで発光素子４の出射光Ｌ_Fの直径Φｓを、上記光回折限界の直径Φｄより小とし、受光素子５の有効受光面は、発光の直径Φｓ外に位置するようにする。ここで、発光素子として半導体レーザを用いると、その出射光の直径Φｓは、約１〜２μｍ程度とすることができる。一方、収束手段３の開口数ＮＡが光結合素子１側を例えば０．０９〜０．１、出射光の波長λが７８０ｎｍ程度の場合、回折限界すなわちΦｄは１．２２λ／ＮＡ≒１０μｍ程度となる。

そして、収束手段３の１の焦点位置に発光素子４を配置し、共焦点位置に被照射部（例えば光ディスク）２を配置する。発光素子４の半導体レーザＬＤから出射されたレーザ光は反射鏡７で概略垂直方向へ反射され、収束手段３を通して被照射部２に照射される。合焦時に、被照射部２から反射された戻り光、すなわち、被照射部２における記録情報を含んで反射した戻り光Ｌ_Rは、同じ光路を逆戻りし、再び収束手段３によって集光され、共焦点位置近傍に配置された受光素子５のフォトダイオードに入射し、この戻り光Ｌ_Rが受光素子５で受光検出されるようになる。即ち、電気信号に変換され再生信号として取り出される。

図１３〜図１４は光結合素子１の製造方法の一例を示す。この場合、選択的ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法によって製造することができる。

図１３Ａに示すように、第１導電型例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板１１上に、半導体レーザを構成する各半導体層をエピタキシャル成長する。すなわち、例えば順次基板１１と同導電型のＡｌＧａＡｓよりなる第１のクラッド層１２、例えばＧａＡｓよりなる活性層１３、第１のクラッド層１２と異なる第２導電型例えばｐ型の第２のクラッド層１４とを順次ＭＯＣＶＤ等によってエピタキシーした積層半導体層を形成する。

次に、図１３Ｂに示すように、これらエピタキシャル成長した半導体層１４，１３および１２の一部を半導体レーザＬＤとして残して少なくとも最終的に反射鏡７を形成する部分をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等によってエッチングする。そして、このエッチング面による半導体層の両端面を半導体レーザＬＤの両共振器端面１６Ａ，１６Ｂとし、両端面１６Ａ及び１６Ｂ間に半導体レーザの水平共振器を形成する。この場合、図示しないが、不純物のイオン注入等によって電流阻止層を形成する。

次に、図１３Ｃに示すように、基板１１上に残された半導体レーザＬＤの構成部を覆って、選択的ＭＯＣＶＤのマスク層１７、例えばＳｉＯ₂，ＳｉＮ等の例えば絶縁膜を被着形成する。

次に、図１４Ｄに示すようにマスク層１７によって覆われていない基板１１上に第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層１８を選択的にＭＯＣＶＤによって形成し、続いて第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層１９を選択的にＭＯＣＶＤによって形成し、第１及び第２の半導体層１８及び１９によってフォトダイオードＰＤを形成する。

次に、図１４Ｅに示すように、マスク層１７をエッチング除去し、半導体レーザＬＤ上と第２半導体層１９上の一部とに、半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤの各一方の電極２１及び２を夫々オーミックに被着し、基板１１の裏面に共通の電極２３をオーミックに被着する。

この場合、図１４Ｄの基板１１上に選択的にエピタキシャル成長された半導体層、この例では第１及び第２の半導体層１８及び１９の、共振器端面１６Ａと対向する面が特定された結晶面となる。例えば、半導体レーザの水平共振の共振器方向即ち図１４Ｄの矢印ｂで示す方向を、[０１１]結晶軸方向とするときは対向面は｛１１１｝Ａ結晶面による斜面として生じモフォロジーの良い斜面が形成される。このようにして形成された特定された結晶面による斜面を図１４Ｅに示すように、半導体レーザの水平共振器の端面１６Ａからの出射光を反射させて所定方向に向ける反射鏡７とすることができる。

この構成によれば、反射鏡７が、結晶面によって形成されることから、鏡面性にすぐれ、またその傾きの設定が正確に行われる。

ところで、上述した光結合素子１のように、発光素子である半導体レーザＬＤと受光素子であるフォトダイオードＰＤが近接してモノシリックに形成されている場合、半導体レーザＬＤの駆動電流が一部リークしてフォトダイオードＰＤに流れるようになり、フォトダイオードＰＤで発生した光電流がリーク電流以下であれば、信号が得られなくなりＳＮが低下する懼れが生ずる。

光結合素子１において、半導体レーザＬＤと、反射鏡７側のフォトダイオードＰＤとの距離はミクロンオーダ（〜μｍ）と極めて隣接し、しかもそれぞれはモノリシックに形成されている。この光結合素子１の等価回路を図１７Ａ，Ｂに示すが、１つのｐｎｐトランジスタで表わされることになる。すなわち、コレクタ電流が半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤとの間のクロストーク電流となる。

前述したように、反射鏡７側のフォトダイオードＰＤの接合を結晶成長で作製した場合、反射鏡７の面が｛１１１｝Ａ結晶面であると、この第１の半導体層１８の｛１１１｝Ａ結晶面上にも第２の半導体層１９の結晶成長が起こるため、図１５の矢印Ｂ₁で示すように、半導体レーザＬＤとＧａＡｓ基板１１の付け根が近くなり、即ちフォトダイオードＰＤのｐｎ接合ｊが半導体レーザＬＤ側に近くなることがわかる。

また、図１６に示すように、選択的ＭＯＣＶＤによって第１の半導体層１８を形成した後、Ｚｎ拡散によってｐ型拡散層２５を形成してｐｎ接合を形成した場合においても、矢印Ｂ₂で示すように図１５と同様に、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合ｊが、半導体レーザＬＤ側に近くなり、このためリーク電流が発生し易い。

半導体レーザ側にフォトダイオードＰＤのｐｎ接合が近づくということは、図１７Ａ，Ｂの等価回路によるとｐｎｐトランジスタのベース領域が狭く、ｐｎｐトランジスタの利得が大きくなり、コレクタ電流が多く流れることで、結果として、半導体レーザＬＤ−フォトダイオードＰＤ間のクロストーク電流、即ちリーク電流が大きくなる。

上述の問題は、ＣＬＣ素子以外の例えば水平共振器による半導体レーザからのレーザ光を反射鏡で反射させて上方に出射させるいわゆる面発光型の半導体レーザと、之に近接して設けたモニタ用フォトダイオードを備えた光学装置においても同様である。

本発明は、上述の点に鑑み、発光素子と受光素子が近接して形成された光学装置において、その発光素子と受光素子間の電気的クロストークを低減できる光学装置、及びこの光学装置の製造方法を提供するものである。

本発明に係る光学装置は、｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を[０−１１]結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により近接して形成され、フォトダイオードが｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するように連続的に結晶成長された導電型の異なる第１の半導体層及び第２の半導体層からなり、ｐｎ接合が｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみに形成され、｛１１１｝Ｂ結晶面が、半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡となり、半導体レーザとフォトダイオードとの間に高濃度不純物領域によるリーク電流阻止層が設けられた構成とする。

本発明の光学装置においては、｛１００｝結晶面を主面とする同一半導体基板上に、共振器長方向を[０−１１]結晶軸方向として発光素子である半導体レーザと、これに近接する受光素子であるフォトダイオードが結晶成長により形成されるので、フォトダイオードを構成する半導体層側では半導体レーザと対向する面（反射鏡）が｛１１１｝Ｂ結晶面となる。この｛１１１｝Ｂ結晶面上には結晶成長が起こらないので、フォトダイオードのｐｎ接合は、第１の半導体層の上面にのみ形成される。従って、半導体レーザより離れた位置でフォトダイオードのｐｎ接合が形成されることになり、半導体レーザとフォトダイオード間でのリーク電流（いわゆる電気的クロストーク）が低減される。
更に半導体レーザとフォトダイオードとの間に高濃度不純物領域によるリーク電流阻止層を設けることにより、オーバーフローしたキャリアが高濃度不純物領域で消滅し、半導体レーザとフォトダイオード間のリーク電流が更に低減される。

本発明に係る光学装置は、｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を[０−１１]結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により近接して形成され、フォトダイオードが｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するように連続的に結晶成長された導電型の異なる第１の半導体層及び第２の半導体層からなり、ｐｎ接合が｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみに形成され、｛１１１｝Ｂ結晶面が、半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡となり、半導体レーザ又はフォトダイオードと半導体基板との間に、半導体レーザ又はフォトダイオード側の半導体領域とは反対導電型の半導体層が形成された構成とする。

本発明の光学装置においては、上述と同様に、フォトダイオードを構成する半導体側では半導体レーザと対向する面（反射鏡）が｛１１１｝Ｂ結晶面となり、フォトダイオードのｐｎ接合が、第１の半導体層の上面にのみ形成されて、半導体レーザより離れた位置に形成されることになり、半導体レーザとフォトダイオード間でのリーク電流が低減される。
さらに、半導体レーザ又はフォトダイオードと半導体基板との間に、半導体レーザ又はフォトダイオード側の半導体領域とは反対導電型の半導体層を形成することにより、この反対導電型半導体層によるｐｎ接合でリーク電流が阻止され、半導体レーザとフォトダイオード間のリーク電流が更に低減される。

本発明に係る光学装置は、｛１００｝結晶面を主面とする半絶縁性ＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を[０−１１]結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により近接して形成され、フォトダイオードが｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するように連続的に結晶成長された導電型の異なる第１の半導体層及び第２の半導体層からなり、ｐｎ接合が｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみに形成され、｛１１１｝Ｂ結晶面が、半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡である構成とする。

本発明に係る光学装置においては、上述と同様に、フォトダイオードを構成する半導体側では半導体レーザと対向する面（反射鏡）が｛１１１｝Ｂ結晶面となり、フォトダイオードのｐｎ接合が、第１の半導体層の上面にのみ形成されて、半導体レーザより離れた位置に形成されることになり、半導体レーザとフォトダイオード間でのリーク電流が低減される。
さらに、半導体基板を半絶縁性基板で形成することにより、この半絶縁性の半導体基板でリーク電流が阻止され、半導体レーザとフォトダイード間のリーク電流が更に低減される。

本発明に係る光学装置の製造方法は、｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡａの半導体基板上に共振器長方向を[０−１１]結晶軸方向としてＧａＡｓ系のエピタキシャル成長により、半導体レーザを形成する工程と、半導体レーザをマスク層で被覆する工程と、マスクで被覆されない半導体基板上に、半導体レーザに近接して導電型が異なり｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するＧａＡｓの第１及び第２の半導体層を連続的にエピタキシャル成長し、｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみにｐｎ接合が形成されたフォトダイオードを形成する工程とを有し、｛１１１｝Ｂ結晶面を半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡とする。

本発明の光学装置の製造方法においては、｛１００｝結晶面を主面とする半導体基板上に共振器長方向を｛０−１１｝結晶軸方向としてエピタキシャル成長により、半導体レーザを形成する。この半導体レーザをマスク層で被覆して、半導体基板上にフォトダイオードを構成する第１及び第２の半導体層を連続的にエピタキシャル成長することにより、半導体レーザに対向する面が｛１１１｝Ｂ結晶面となる。このとき、第２の半導体層は、第１の半導体層の｛１１１｝Ｂ結晶面上には形成されず、第１の半導体層の上面のみに形成される。従って、ｐｎ接合は、半導体レーザから離れた第１の半導体層の上面のみに形成される。

本発明によれば、｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を[０−１１]結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により形成されるので、フォトダイオードを構成する半導体層側に｛１１１｝Ｂ結晶面の反射鏡が形成される。この半導体層側の反射鏡が結晶成長面である｛１１１｝Ｂ結晶面であるので、フォトダイオードのｐｎ接合を形成するための第２の半導体層は反射鏡に結晶成長せず、第１の半導体層の上面のみに成長する。従って、フォトダイオードのｐｎ接合が半導体レーザより離れた半導体層の上面のみに形成されることになり、半導体レーザとフォトダイオード間の電気的クロストーク（即ちリーク電流）を低減でき、フォトダイオードの高いＳＮを得ることができる。

そして、半導体レーザとフォトダイオードとの間に高濃度不純物領域によるリーク電流阻止層を設けることにより、オーバーフローしたキャリアが高濃度不純物領域で消滅し、更に半導体レーザとフォトダイオード間のリーク電流を低減でき、フォトダイオードの高いＳＮを得ることができる。

あるいは、半導体レーザ又はフォトダイオードと半導体基板との間に、半導体レーザ又はフォトダイオード側の半導体領域とは反対導電型の半導体層を形成することにより、この反対導電型半導体層によるｐｎ接合でリーク電流が阻止され、更に半導体レーザとフォトダイオード間のリーク電流を低減でき、フォトダイオードの高いＳＮを得ることができる。

あるいは、半導体基板を半絶縁性ＧａＡｓ基板で形成することにより、この半絶縁性の半導体基板でリーク電流が阻止され、更に半導体レーザとフォトダイオード間のリーク電流を低減でき、フォトダイオードの高いＳＮを得ることができる

本発明の光学装置の製造方法によれば、半導体基板上に半導体レーザとこれに近接して半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡とフォトダイオードが形成され、半導体レーザとフォトダイオード間でのリーク電流が低減された光学装置を製造することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る光学装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る光学装置である光結合素子（即ちＣＬＣ素子）の基本的な構成を示す。本例の光結合素子３１は、発光素子である水平共振器の半導体レーザＬＤと、この半導体レーザＬＤからの前方出射光Ｌ_Fを立ち上げるための反射鏡３３と、出射光Ｌ_Fの被照射部からの戻り光Ｌ_R（図示せず）を共焦点位置近傍で受光検出するための受光素子であるフォトダイオードＰＤを同一半導体基板３２上にモノリシックに形成し、その際、反射鏡３３の面を｛１１１｝Ｂ結晶面で形成する。

即ち、この光結合素子３１は、前述の図１３及び図１４の製法と同様にして第１導電型例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板３２上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長した例えばＡｌＧａＡｓ（又はＧａＡｓ）によるｎ型の第１のクラッド層３５、例えばＧａＡｓ（又はＡｌＧａＡｓ）による活性層３６、例えばＡｌＧａＡｓ（又はＧａＡｓ）によるｐ型の第２のクラッド層３７からなり、両共振器端面３８Ａ，３８Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成すると共に、この同一のｎ型ＧａＡｓ基板３２上の半導体レーザＬＤの前方出射光Ｌ_F側の共振器端面３８Ａと対向した位置に、選択的ＭＯＣＶＤによって第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０及び第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４１を順次結晶成長して反射鏡３３と共に、ｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードＰＤを形成する。

そして本例では、特に、反射鏡３３及びフォトダイオードＰＤを形成するための選択的ＭＯＣＶＤにおいて、半導体レーザＬＤの水平共振器の共振器長方向、すなわち図１中の矢印ｂで示す方向を〔０−１１〕結晶軸方向として結晶成長し、｛１１１｝Ｂ結晶面の反射鏡３３を形成する。このときの反射鏡３３は基板３２の板面となす角が５４．７°となる。

かかる光結合素子３１によれば、反射鏡３３の面を｛１１１｝Ｂ結晶面とすることにより、選択的ＭＯＣＶＤにより、ｎ型の第１の半導体層４０上に続けてｐ型の第２の半導体層４１を結晶成長させたときに、第１の半導体層４０の｛１１１｝Ｂ結晶面上には結晶成長が起こらず、第１の半導体層４０の上面にのみ結晶成長する。これによって、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合ｊは半導体レーザＬＤから遠く離れた位置に形成されることになる。

この結果、この光結合素子３１においては、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合ｊが半導体レーザＬＤから離れた位置にあることによって、半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤで構成される等価回路のｐｎｐトランジスタのベース層が厚くなり利得が小さくなって、コレクタ電流が小さくなり、即ちリーク電流が小さくなる。即ち、半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間の電気的クロストークを低減でき、フォトダイオードＰＤの高いＳＮを得ることができる。

図１の光結合素子３１の製造方法を前述の図１３及び図１４を参照して説明する。まず、第１導電型例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板３２上に、共振器長方向ｂ（図１参照）を[０−１１]結晶軸方向として半導体レーザを構成する各半導体層をエピタキシャル成長する。即ち、例えば順次基板３２と導電型のＡｌＧａＡｓよりなる第１のクラッド層３５、例えばＧａＡｓよりなる活性層３６、第１のクラッド層３５と異なる第２導電型例えばｐ型の第２クラッド層３７とを順次ＭＯＣＶＤなどによってエピタキシーした積層半導体層を形成する（図１３Ａの工程参照）。
次にエピタキシャル成長した半導体層３５、３６及び３７の一部を半導体レーザＬＤとして残してＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などによってエッチング除去する。このエッチング面による半導体層の両端面を共振器端面３８Ａ、３８Ｂとし、両共振器端面３８Ａ及び３８Ｂ間に半導体レーザＬＤの水平共振器を形成する。この半導体レーザＬＤの共振器長方向ｂ（図１参照）が[０−１１]結晶軸方向となる。この場合、不純物のイオン注入によって、電流阻止層を形成する（図１３Ｂの工程参照）。
次に基板上３２上に残された半導体レーザＬＤの構成部を覆って選択的ＭＯＣＶＤのマスク層となる例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮなどの絶縁膜を被着形成する（図１３Ｃの工程参照）。
次にマスク層によって覆われてない基板３２上に第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０を選択的にＭＯＣＶＤによって形成し、続いて第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４１を選択的にＭＯＣＶＤによって形成し、第１及び第２の半導体層４０及び４１によってフォトダイオードＰＤを形成する（図14Ｄの工程参照）。
この選択的ＭＯＣＶＤでは、主面を｛１００｝面とし且つ共振器長方向ｂを[０−１１]結晶軸方向としているので、半導体レーザＰＤの共振器端面３８Ａに対向する面が｛１１１｝Ｂ結晶面となるように第１及び第２の半導体層４０及び４１が結晶成長する。第２の半導体層４１は、第１の半導体層４０の｛１１１｝Ｂ結晶面上には結晶成長せず第１の半導体層４０の上面にのみ結晶成長する。従って、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合は、第１の半導体層４０の上面と第２の半導体層４１との間に形成される。本例では、｛１１１｝Ｂ結晶面を半導体レーザＬＤからの出射光を反射鏡とする。
次にマスク層をエッチング除去し、半導体レーザＬＤ上と第２の半導体層４１上の一部に、半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤの各一方の電極を夫々オーミックに被着し、基板３２の裏面に共通の電極をオーミックに被着し（図１４ＥＤの工程参照）目的の光結合素子３１を得る。

図２〜図４は夫々本発明に係る光学装置である光結合素子の実施の形態を示す。この各実施の形態は、光結合素子における半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤの間に、ｎ型の高濃度不純物領域を形成してここにおいてキャリアを消滅させて実質的なリーク電流（いわゆるクロストーク電流）を低減するようにしている。

即ち、図２に示す光結合素子４７は、リーク電流阻止層となる基板、例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とする高濃度例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物濃度のＧａＡｓ基板４８上に、上例と同様にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長したｎ型の第１のクラッド層３５，活性層３６，ｐ型の第２のクラッド層３７からなり、両共振器端面３８Ａ，３８Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。

そして、基板４８の反射鏡３３及びフォトダイオードＰＤを形成すべき部分の主面を一部深さ方向に選択エッチングして除去し、選択エッチング後の基板４８の底面４８ａから選択的ＭＯＣＶＤによって第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０及び第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４９を順次結晶成長して｛１１１｝Ｂ結晶面の反射鏡３３と共にｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードＰＤを形成する。

なお、反射鏡３３の面を｛１１１｝Ｂ結晶面とした場合であるが、その他｛１１１｝Ａ結晶面、あるいは｛１１０｝結晶面であってもかまわない。

かかる構成の光結合素子４７によれば、ｎ型の基板４８が高濃度不純物領域で形成され、この基板４８を挟んで半導体レーザＬＤ及びフォトダイオードＰＤが形成されたかたちになるので、オーバーフローしたキャリアがこの高濃度の基板４８において消滅し、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合が半導体レーザから離れた第１の半導体層４０の上面のみに形成される構成と相俟って、更に半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間のリーク電流を低減することができ、フォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

図３に示す光結合素子５１は、例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板３２上に、上例と同様にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長したｎ型の第１のクラッド層３５，活性層３６，ｐ型の第２のクラッド層３７からなり、両共振器端面３８Ａ，３８Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。

そして、基板３２の反射鏡３３及びフォトダイオードＰＤを形成すべき部分の主面にリーク電流阻止層となる基板３２より高濃度、例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のｎ型の高濃度不純物層５２を例えばイオン注入によって形成し、このｎ型の高濃度不純物層５２上に選択的ＭＯＣＶＤによって第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０及び第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４９を順次結晶成長して反射鏡３３と共に、ｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードＰＤを形成する。５３はｎ型の高濃度不純物領域５２を形成するときのイオン注入用マスクで、選択的ＭＯＣＶＤのマスクともなる。フォトダイオードＰＤの構成は図２で説明したと同様の構成を採り得る。

かかる構成の光結合素子５１においても、ｎ型の高濃度不純物領域５２によってオーバーフローしたキャリアは消滅し、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合が半導体レーザから離れた第１の半導体層４０の上面のみに形成される構成と相俟って、更に半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間のリーク電流を低減することができ、フォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

なお、図３ではｎ型の高濃度不純物領域５２をフォトダイオードＰＤ側に設けたが、その他、図示せざるも半導体レーザ側の基板３２の表面に形成しても同様の効果が得られる。

図４に示す光結合素子５５は、第１導電型例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板３２上に、図３に示すイオン注入によるｎ型の高濃度不純物領域５２に代えてＭＯＣＶＤ法によりリーク電流阻止層となる基板３２と同導電型の高濃度のｎ型半導体領域、例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のｎ型のＧａＡｓによる半導体領域５６を結晶成長し、この高濃度の半導体領域５６上に続けてエピタキシャル成長した上例と同様のｎ型の第１のクラッド層３５，活性層３６，ｐ型の第２のクラッド層３７からなり、両共振器端面３８Ａ，３８Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。

そして、基板３２の反射鏡３３及びフォトダイオードＰＤを形成すべき部分上に、前述と同様の選択的ＭＯＣＶＤによって第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０及び第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４９を順次結晶成長して反射鏡３３と共にｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードＰＤを形成する。

このフォトダイオードＰＤの構成は図２で説明したと同様の構成を採り得る。

かかる構成の光結合素子５５においても、ｎ型の高濃度半導体領域５６によってオーバーフローしたキャリアは、この半導体領域５６で消滅し、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合が半導体レーザから離れた第１の半導体層４０の上面のみに形成される構成と相俟って、更に半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間のリーク電流を低減することができ、フォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

なお、図４では、ｎ型の高濃度半導体領域５６を半導体レーザＬＤ側に設けた構成としたが、その他、図示せざるも、このｎ型の高濃度半導体領域５６をフォトダイオードＰＤ側の第１の半導体層４０と基板３２間に設けるようにしても、同様の効果が得られる。

図５は、本発明に係る光学装置である光結合素子の他の実施の形態を示す。本実施の形態の光結合素子５８は、例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板３２上に、ＭＯＣＶＤ法によりリーク電流阻止層となる基板と異なる第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる半導体層５９を結晶成長し、このｐ型半導体層５９上に続けてエピタキシャル成長した上例と同様のｎ型の第１のクラッド層３５，活性層３６，ｐ型の第２のクラッド層３７からなり、両共振器端面３８Ａ，３８Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。

そして、基板３２の反射鏡３３及びフォトダイオードＰＤを形成すべき部分上に、前述と同様の選択的ＭＯＣＶＤによって第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０及び第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４９を順次結晶成長して反射鏡３３と共にｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードＰＤを形成する。

フォトダイオードＰＤの構成は図２で説明したと同様の構成を採り得る。

かかる構成の光結合素子５８によれば、フォトダイオードＰＤと半導体レーザＬＤ間にｐ型半導体層５９が形成されることによって、等価回路的には、いわゆるｐｎｐｎのサイリスタ構造が形成される。これによって、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合が半導体レーザから離れた第１の半導体層４０の上面のみに形成される構成と相俟って、更に半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間のリーク電流が阻止され、フォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

なお、図５ではｐ型半導体層５９を半導体レーザ側の基板３２と第１のクラッド層３５間に設けた構成としたが、その他、図示せざるも、フォトダイオードＰＤ側の基板３２と第１の半導体層４０との間に設けても、同様の効果が得られる。

図６は、本発明に係る光学装置である光結合素子の他の実施の形態を示す。本実施の形態の光結合素子６１は、リーク電流阻止層となる実質的な絶縁体、例えば｛１００｝結晶面を主面とする半絶縁性のＧａＡｓ基板６２上に、上側と同様のｎ型の第１クラッド層３５，活性層３６，ｐ型の第２のクラッド層３７からなり、両共振器端面３８Ａ，３８Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。

そして、基板６２の反射鏡３３及びフォトダイオードＰＤを形成すべき部分上に、前述と同様の選択的ＭＯＣＶＤによって例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層４０及び例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層４９を順次結晶成長して反射鏡３３と共にｐｎ接合ｊを有するフォトダイオードＰＤを形成する。

フォトダイオードＰＤの構成は、図２で説明したと同様の構成を採り得る。

この場合、フォトダイオードＰＤでは一部第１の半導体層４０が臨む除去部を設け、ｐ型の第２の半導体層４９及びｎ型の第１の半導体層４０上に夫々電極６３及び６４をオーミックに接続し、また半導体レーザＬＤでは一部ｎ型の第１のクラッド層３５が臨む欠除部を設け、ｐ型の第２のクラッド層３７及びｎ型の第１のクラッド層３５に夫々電極６５及び６６をオーミックに接続する。

かかる構成の光結合素子６１によれば、半絶縁性ＧａＡｓ基板６２上に半導体レーザＬＤ及びフォトダイオードＰＤを結晶成長で形成することにより、半絶縁性ＧａＡｓ基板６２がリーク電流阻止層として作用し、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合が半導体レーザから離れた第１の半導体層４０の上面のみに形成される構成と相俟って、更に半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間のリーク電流を低減することができる。従ってフォトダイオードＰＤの高いＳＮを得ることができる。

以上の各実施の形態は、光結合素子であるＣＬＣ素子に適用した場合であるが、半導体レーザとそのレーザの光出力をモニタする受光素子であるフォトダイオードをモノリシックに集積した光学装置の場合でも同様に本発明を適用できる。次にかかる光学装置に適用した実施の形態を図７〜図９に示す。

図７は、面発光型の半導体レーザとその光出力をフロントモニタするフォトダイオードとを備えた光学装置である半導体レーザ装置に適用した場合である。本実施の形態の半導体レーザ装置７１は、例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板７２上に、前述の図１３〜図１４の製法で説明したと同様に、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長した例えばＡｌＧａＡｓ（又はＧａＡｓ）によるｎ型の第１のクラッド層７３、例えばＧａＡｓ（又はＡｌＧａＡｓ）による活性層７４、例えばＡｌＧａＡｓ（又はＧａＡｓ）によるｐ型の第２のクラッド層７５からなり、両共振器端面７６Ａ，７６Ｂを有する水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。

そして、同一のｎ型のＧａＡｓ基板７２上の半導体レーザＬＤの前方出射光Ｌ_F側の共振器端面７６Ａと対向した位置に、選択的ＭＯＣＶＤによって第１導電型例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層７８及び第２導電型例えばｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層７９を順次結晶成長してフロントモニタ用のフォトダイオードＰＤを形成する。ここでフォトダイオードＰＤ側の斜面は出射光Ｌ_Fを立ち上げるための反射鏡８０となると共に、出射光Ｌ_Fの一部を透過してフォトダイオードＰＤに受光できる反射率及び透過率を有するものである。

そして、本例では、モニタ用のフォトダイオードＰＤを形成するための選択的ＭＯＣＶＤにおいて、図１で説明したと同様に反射鏡８０の面が｛１１１｝Ｂ結晶面となるように結晶成長する。

かかる構成の面発光型の半導体レーザ装置７１によれば、反射鏡８０の斜面を｛１１１｝Ｂ結晶面とすることにより、ｐ型の第２の半導体層７９の結晶成長時にｎ型の第１の半導体層７８の斜面に第２の半導体層７９は成長しない。従って、モニタ用のフォトダイオードＰＤのｐｎ接合が半導体レーザＬＤから遠く離れた位置に形成され半導体レーザＬＤの駆動電流のフォトダイオードＰＤ側へのリークを低減することができ、フォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

図８の面発光型の半導体レーザ装置８２は、図７と同様に、例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板７２上に、ｎ型の第１のクラッド層７３，活性層７４，第２のクラッド層７５からなる水平共振器の半導体レーザＬＤを形成すると共に、基板７２の一方の共振器端面７６Ａ及び他方の共振器端面７６Ｂに対向する部分上に、夫々選択的ＭＯＣＶＤによってｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層７８及びｐ型のＧａＡｓによる第２の半導体層７９を順次結晶成長する。

前方の第１及び第２の半導体層７８及び７９による積層半導体層８４及び後方の第１及び第２の半導体層７８及び７９による積層半導体層８５の斜面８０，８１は、夫々｛１１１｝Ｂ結晶面で形成する。

そして、前方の積層半導体層８４の斜面８０は半導体レーザＬＤからの前方出射光Ｌ_F1を立ち上げるための反射鏡となる。後方の積層半導体層８５を構成する第１及び第２の半導体層７８及び７９によって後方出射光Ｌ_F2を直接モニタするモニタ用のフォトダイオードＰＤが構成される。

この半導体レーザ装置８２では、半導体レーザＬＤからの前方出射光Ｌ_F1が反射鏡８０によって立ち上げられて出射され、後方出射光Ｌ_F2がフォトダイオードＰＤに受光されて前方出射光Ｌ_F1の出力がモニタされる。

かかる構成の半導体レーザ装置８２においても、フォトダイオードＰＤの斜面８１を｛１１１｝Ｂ結晶面とすることにより、この斜面８１上にｐ型の第２の半導体層７９の結晶成長が起こらない。従って、図７の場合と同様に半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間で生ずるリーク電流を低減することができ、フォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

図９の面発光型の半導体レーザ装置８７は、例えばｎ型の｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓ基板７２上に、図７と同様に例えばｎ型の第１のクラッド層７３，活性層７４，ｐ型の第２のクラッド層７５からなる水平共振器の半導体レーザＬＤを形成する。そして、基板７２の一方の共振器端面７６Ａに対向する部分上に選択的ＭＯＣＶＤによって例えばｎ型のＧａＡｓによる第１の半導体層７８を結晶成長して反射鏡８０を形成する。

また、他方の共振器端面７６Ｂから後の基板７２の面にわたって例えばＳｉＯ₂，ＳｉＮ等の絶縁膜８９を被着し、この絶縁膜８９をマスクに基板７２の面にＺｎの部分拡散を行って、ｐ型の部分拡散層９０を形成し、ここにリアモニタ用のフォトダイオードＰＤを形成する。

この半導体レーザ装置８７においては、半導体レーザＬＤからの前方出射光Ｌ_F1が反射鏡８０にて反射され上方に出射される。一方、後方出射光Ｌ_F2は基板７２の面上に部分拡散で形成したリアモニタ用のフォトダイオードＰＤに受光検出される。

かかる構成の半導体レーザ装置８７によれば、半導体レーザＬＤの後方の共振器端面７６Ｂから基板７２上の一部にわたって絶縁膜８９で覆い、Ｚｎの部分拡散を行ってｎ型の基板７２の上面にｐ型のＺｎ拡散層９０を形成してフォトダイオードＰＤを形成することにより、フォトダイオードＰＤのｐｎ接合ｊを半導体レーザＬＤから遠ざけることができる。従って、半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間で生ずるリーク電流を低減することができ、リアモニタ用のフォトダイオードＰＤのＳＮを向上することができる。

尚、図７及び図８の半導体レーザ装置７１及び８２においては、フォトダイオードＰＤの斜面が｛１１１｝Ｂ結晶面となるように構成したが、その他、図示せざるも、前述の図２，図３，図４と同様の構成、即ち、半導体レーザＬＤとフォトダイオードＰＤ間に高濃度不純物領域を形成する構成とすることもでき、または、図５と同様のサイリスタ構造とすることもでき、さらには、図６の基板を半絶縁性ＧａＡｓで構成することもできる。

また、図８及び図９において、反射鏡８０側の半導体層８４及び７８を夫々戻り光の受光素子となるフォトダイオードを結晶成長で形成し、このフォトダイオードと半導体レーザ間でも、リアモニタ用のフォトダイオードと半導体レーザ間と同様の構成をとることによって、リアモニタとした光結合素子のＣＬＣ素子を構成できる。

本発明に係る光学装置である光結合素子の基本的構成を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である光結合素子の一実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である光結合素子の他の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である光結合素子の他の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である光結合素子の他の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である光結合素子の他の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である面発光型の半導体レーザ装置の構成図である。 本発明に係る光学装置である面発光型の半導体レーザの他の実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る光学装置である面発光型の半導体レーザの他の実施の形態を示す構成図である。 光結合素子の説明に供する構成図である。 光結合素子の要部の拡大斜視図である。 光結合素子の説明に供する要部の構成図である。 Ａ 光結合素子の製法の一例を示す製造工程図である。 Ｂ 光結合素子の製法の一例を示す製造工程図である。 Ｃ 光結合素子の製法の一例を示す製造工程図である。 Ｄ 光結合素子の製法の一例を示す製造工程図である。 Ｅ 光結合素子の製法の一例を示す製造工程図である。 光結合素子の問題点の説明図である。 光結合素子の問題点の説明図である。 Ａ 光結合素子の模式図である。 Ｂ 光結合素子の等価回路図である。

符号の説明

３１・・光結合素子、３２・・ｎ型ＧａＡｓ基板、３３・・反射鏡、３５，３７・・ クラッド層、３６・・活性層、ＬＤ・・半導体レーザ、３８Ａ，３８Ｂ・・共振器端面、４０，４１，４９・・半導体層、８９・・絶縁膜、４８・・高濃度のＧａＡｓ基板、５２，５６，５９，６２・・リーク電流阻止層、４５，９０・・部分拡散層

Claims (4)

1. ｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を［０−１１］結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により近接して形成され、
   前記フォトダイオードが｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するように連続的に結晶成長された導電型の異なる第１の半導体層及び第２の半導体層からなり、ｐｎ接合が前記｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみに形成され、
   前記｛１１１｝Ｂ結晶面が、前記半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡となり、
   前記半導体レーザと前記フォトダイオードとの間に高濃度不純物領域によるリーク電流阻止層が設けられて成る
   ことを特徴とする光学装置。
2. ｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を［０−１１］結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により近接して形成され、
   前記フォトダイオードが｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するように連続的に結晶成長された導電型の異なる第１の半導体層及び第２の半導体層からなり、ｐｎ接合が前記｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみに形成され、
   前記｛１１１｝Ｂ結晶面が、前記半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡となり、
   前記半導体レーザ又は前記フォトダイオードと前記半導体基板との間に、半導体レーザ又はフォトダイオード側の半導体領域とは反対導電型の半導体層が形成されて成る
   ことを特徴とする光学装置。
3. ｛１００｝結晶面を主面とする半絶縁性ＧａＡｓの同一半導体基板上に、共振器長方向を［０−１１］結晶軸方向として発光素子であるＧａＡｓ系の半導体レーザと、受光素子であるＧａＡｓのフォトダイオードが結晶成長により近接して形成され、
   前記フォトダイオードが｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するように連続的に結晶成長された導電型の異なる第１の半導体層及び第２の半導体層からなり、ｐｎ接合が前記｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみに形成され、
   前記｛１１１｝Ｂ結晶面が、前記半導体レーザからの出射光を反射する反射光である
   ことを特徴とする光学装置。
4. ｛１００｝結晶面を主面とするＧａＡｓの半導体基板上に共振器長方向を［０−１１］結晶軸方向としてＧａＡｓ系のエピタキシャル成長により、半導体レーザを形成する工程と、
   前記半導体レーザをマスク層で被覆する工程と、
   前記マスク層で被覆されない前記半導体基板上に、前記半導体レーザに近接して導電型が異なり｛１１１｝Ｂ結晶面の傾斜面を有するようにＧａＡｓの第１及び第２の半導体層を連続的にエピタキシャル成長し、｛１１１｝Ｂ結晶面を除く第１の半導体層の上面のみにｐｎ接合が形成されたフォトダイオードを形成する工程とを有し、
   前記｛１１１｝Ｂ結晶面を前記半導体レーザからの出射光を反射する反射鏡とする
   ことを特徴とする光学装置の製造方法。

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