JP4347547B2

JP4347547B2 - 半導体光源装置

Info

Publication number: JP4347547B2
Application number: JP2002204463A
Authority: JP
Inventors: 義磨郎藤井; 洋小栗; 浩二岡本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004047808A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光源装置に関し、特に半導体レーザダイオード等の半導体発光素子と、半導体発光素子から出射されるモニタ光を受光するホトダイオードを備え、ホトダイオードのモニタ出力に基づいて、半導体発光素子から出射する出力光の強度を制御する半導体光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術として、特開平４−１４７６９０号公報がある。この公報に記載された半導体光源装置は、半導体レーザダイオードのモニタ用レーザ光出射面から下方に出射されるモニタ用レーザ光を、ステム上に固定されたホトダイオードに受光する。そして、ホトダイオードによるモニタ出力に基づいて、上記のモニタ用レーザ光出射面と対向するレーザ光出射面から上方に出射するレーザ光の出力を制御している。また、この半導体光源装置においては、モニタ用レーザ光の光軸とホトダイオードの表面が直交しないようにホトダイオードをステム上に固定することで、ホトダイオード表面から反射されるモニタ用レーザ光がレーザ光出射面から出射されるレーザ光と重ならないようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体光源装置に備えるホトダイオードは、温度変化に伴って受光感度が大きく変動するという問題点を有しており、その結果、半導体レーザダイオードの出力の精密制御が困難なものとなっていた。
【０００４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、温度変化に対しても安定した受光感度を得ることが可能なホトダイオードを備え、半導体発光素子から安定した出力光を出射することが可能な半導体光源装置を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明の発明者らは、従来の半導体光源装置においてホトダイオードの受光感度が温度変化によって大きく変動する原因について以下の知見を得た。すなわち、従来の半導体光源装置に備えるホトダイオードは、第１導電型半導体層の表層において、その周縁部の内側に選択的に形成された第２導電型半導体層を有する領域が光感応領域（入射光に感応してホール／電子からなるキャリアを生成する領域）であり、この光感応領域を囲む第２導電型半導体層が形成されていない領域（以下、「変動領域」と呼ぶ）に、モニタ用レーザ光が入射すると、その受光感度が温度変化に伴って大きく変動するという知見を得た。
【０００６】
そこで、このような知見に基づいて上記課題を解決するため、本発明の半導体光源装置は、半導体発光素子と、上記半導体発光素子から出射されるモニタ光を受光するホトダイオードとを備え、上記ホトダイオードのモニタ出力に基づいて、上記半導体発光素子から出射する出力光の強度を制御する半導体光源装置において、上記半導体発光素子は、上記ホトダイオードの受光面の中心から偏位した領域に上記モニタ光の出射光軸が位置するように配置され、上記ホトダイオードは、その周縁部の内側において選択的に形成された光感応領域を有し、当該光感応領域を囲む領域のうち、少なくとも上記モニタ光が入射する領域を含む部分がチップ側面の少なくとも一部を含めて遮光部材によって覆われたことを特徴としている。ホトダイオードは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、を有している。第２導電型半導体層は、ホトダイオードの周縁部の内側であって第１導電型半導体層の表層部に、選択的に形成されている。遮光部材は、モニタ光が入射する領域において第１導電型半導体層の表層と第２導電型半導体層の表層の一部を被覆している。
【０００７】
この発明によれば、半導体光源装置に備えるホトダイオードは、その周縁部の内側において選択的に形成された光感応領域を有し、この光感応領域を囲む領域、すなわち上記した変動領域のうち、少なくともモニタ光が入射する領域を含む部分がチップ側面の少なくとも一部を含めて遮光部材によって被覆されている。したがって、この遮光部材によりチップ周縁の変動領域にモニタ光が入射することを防止できるので、ホトダイオードの受光感度を温度変化に対して安定にすることができる。その結果、この半導体光源装置は、半導体発光素子から安定した出力光を出射することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の半導体光源装置においては、上記半導体発光素子は、ステム上面に固定された上記ホトダイオードの受光面の中心から偏位した領域に上記モニタ光の出射光軸が位置し、上記出射光軸と上記ホトダイオードの表面に対する法線とが所定角度傾くように、上記ステム上面に固定された支持体の側面に固着されたことを特徴とすることが好適である。
【０００９】
この発明によれば、半導体発光素子をステム上に固定された支持体側面に固着すると共に、ホトダイオードをステム上に固定することによって、上述した半導体発光素子とホトダイオードとの位置関係を安定に保つことができる。
【００１０】
また、本発明の半導体光源装置においては、上記半導体発光素子は、波長５５０ｎｍ以下の光を出射することを特徴とすることが好適である。
【００１１】
この発明によれば、半導体光源装置に備えるホトダイオードは、上記のようにチップ周縁の変動領域が遮光部材で被覆されたことによって、従来のホトダイオードでは、波長５５０ｎｍ以下の短波長において、温度変化に伴って特に大きく変動していた受光感度を、安定にすることができる。したがって、従来の半導体光源装置に比べ、この半導体光源装置は、特にこの波長帯域において安定した出力光を出射することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態にかかる半導体光源装置１０について添付の図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態に関する説明においては、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を附し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１３】
図１は半導体光源装置１０を説明する説明図である。本実施形態にかかる半導体光源装置１０は、円板上のステム１１上に固定された柱上の支持体２０の側面に固定された半導体レーザダイオード１２と、この半導体レーザダイオード１２のモニタ用レーザ光出射面１５から出射されるモニタ用レーザ光１６の光軸１７がその中心から外れた領域に入射するホトダイオード１８を備えて構成されている。この半導体レーザダイオード１２は、窒化物系の材料により構成されており、波長４０９ｎｍの紫色レーザ光を出射する。そして、ホトダイオード１８は、その表面に対する法線１９が、半導体レーザダイオード１２のモニタ用レーザ光出射面１５から出射されるモニタ用レーザ光１６の光軸１７に対して所定角度傾けられている。このような構成とすることで、ホトダイオード１８の表面で反射されたモニタ用レーザ光１６が、戻り光としてモニタ用レーザ光出射面１５に入射するのを防止すると同時に、モニタ用レーザ光出射面１５と対向するレーザ光出射端面１３から出射されるレーザ光１４と重なることを避けるようにしている。そして、ホトダイオード１８に入射したモニタ用レーザ光１６によるモニタ出力に基づいて、半導体レーザダイオード１２から出射するレーザ光１４を制御している。
【００１４】
次に、ホトダイオード１８について図２及び図３を参照して説明する。図２はホトダイオード１８の平面図である。図２に示すように、このホトダイオード１８は、平面形状が正方形状であり、０．６８×０．６８ｍｍのチップ面積を有する。そして、チップ周縁部の内側において選択的に形成された正方形状のｐ型半導体層１８ｐを有し、このｐ型半導体層１８ｐの周辺の領域、すなわち変動領域からｐ型半導体層１８ｐの一部にかけて遮光部１８ｒが被覆されている。この遮光部１８ｒには、黒色の染料や絶縁処理したカーボンブラック等の顔料を混入させた黒色ホトレジストやポリイミド等を用いることができる。そして遮光部１８ｒによって囲まれた正方形状の光感応領域１８ａの角部に近い位置に、０．１３ｍｍ×０．１３ｍｍの正方形状でアルミニウムからなる上面電極ｅｕが設けられている。すなわち、この上面電極ｅｕは、ホトダイオード１８の光感応領域１８ａの中心からみて、モニタ用レーザ光１６が入射する領域と逆側の角部に近い位置に、形成されている。
【００１５】
次に、このホトダイオード１８の断面図を図３に示す。図３は、図２に示すホトダイオード１８のIII−III断面における断面構造を示している。図３に示すように、ホトダイオード１８は、０．００２Ω・ｃｍの抵抗をもつ低抵抗シリコンからなる厚さ２４０μｍのｎ型の半導体基板１８ｓを有する。この半導体基板１８ｓ上には、１ｋΩ・ｃｍの抵抗をもつ厚さ３０μｍのｎ型半導体層１８ｎが形成されている。そして、このｎ型半導体層１８ｎ上にフォトリソグラフィー技術を用いてマスクパターンを形成した後、ｎ型半導体層１８ｎの表層部にｐ型不純物（ボロン）を拡散によって添加し、この表層部の導電型を反転させた厚さ０．３５μｍで１００Ω／□のシート抵抗をもつｐ型半導体層１８ｐが形成されている。このようにチップ周縁部の内側において選択的に形成されたｐ型半導体層１８ｐの周囲の領域が、変動領域となる。
【００１６】
また、ｐ型半導体層１８ｐ及びｎ型半導体層１８ｎの表層部にはＳｉＯ₂からなる絶縁層ＩＬＴが形成されている。さらに、ｐ型半導体層１８ｐ上の絶縁層ＩＬＴの所定位置をエッチングした後に形成された厚さ１．１μｍのアルミニウム層からなる上面電極ｅｕを有し、また、半導体基板１８ｓの底面から順次形成された厚さ１．１μｍのアルミニウム層１８ｃ、及びＮｉ−Ａｕからなる厚さ５μｍの下面電極ｅｌを有する。
【００１７】
そして、ホトダイオード１８の端部において絶縁層ＩＬＴから半導体基板１８ｓの一部にかかる部分と、ホトダイオード１８の表層において、絶縁膜ＩＬＴがｎ型半導体層１８ｎと接する部分からｐ型半導体層１８ｐの一部にかかる部分とを遮光部１８ｒで被覆している。このように、遮光部１８ｒを形成することで、変動領域が遮光されるので、ホトダイオード１８は、温度変化に対して安定した受光感度を得ることができる。
【００１８】
次に、ホトダイオード１８の製造方法について説明する。図４は、ホトダイオード１８の製造方法を説明する断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、厚さ２４０μｍの半導体基板１８ｓを用意する。次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板１８ｓ上にエピタキシャル成長法を用いて、厚さ３０μｍのｎ型半導体層１８ｎを形成する。
【００１９】
次に、フォトリソグラフィー技術を用いてｎ型半導体層１８ｎ上にマスクパターンを形成し、マスクパターンの開口部からｎ型半導体層１８ｎの表層部にｐ型不純物（ボロン）を拡散によって添加し、この表層部の導電型を反転させて、図４（ｃ）に示すように厚さ０．３５μｍのｐ型半導体層１８ｐを形成する。
【００２０】
次に、表層部に露出したｎ型半導体層１８ｎ及びｐ型半導体層１８ｐの表層部に、図４（ｄ）に示すように絶縁層ＩＬＴを堆積する。この堆積法としては、ＣＶＤ（化学的気相成長）法やスパッタ法などを用いることができる。
【００２１】
次に、図４（ｅ）に示すように、厚さ１．１μｍのＡｌよりなる上面電極ｅｕ及びアルミニウム層１８ｃをスパッタ法又は蒸着法により形成し、更に無電解めっき法により厚さ５μｍの下面電極ｅｌ（Ｎｉ−Ａｕ）を形成する。
【００２２】
次に、ここまでに形成されたチップに対して、上述した黒色ホトレジスト等の材料をスピンコートによって塗布した後、変動領域を覆う部分を露光し、図４（ｆ）に示すように、厚さ１μｍの遮光部１８ｒを形成する。以上のような製造方法によって、ホトダイオード１８が形成される。
【００２３】
ここで、ホトダイオード１８に、波長４０９ｎｍのレーザ光を照射したときの温度変化に対する受光感度の特性を表すグラフを図５に示す。また、参考のため、図８に従来の半導体光源装置に用いられていたホトダイオードの同様の特性を示す。図５及び図８において、横軸はホトダイオードの温度であり、縦軸は光電流比、すなわち温度２５℃の光電流を基準とした他の温度における光電流の変動比率［％］を表す。また、図５及び図８において、黒塗りの正方形状のプロットを結ぶ線は、ｐｎ接合上面すなわち光感応領域のみにレーザ光を照射したときの、温度変化に対する受光感度を示している。また、黒塗りの円形状のプロットを結ぶ線は、図５においては、ホトダイオード１８のチップ端にレーザ光を照射したときの同様の特性を示し、図８においては光感応領域の周辺の変動領域にもレーザ光を照射したときの同様の特性を示す。図８に示すように、従来の半導体光源装置に用いられていたホトダイオードでは、光感応領域のみにレーザ光を照射した場合に比べて、変動領域にもレーザ光を照射した場合に、光電流比すなわち受光感度が温度変化によって大きく変動していることがわかる。このように従来の半導体光源装置に用いられていたホトダイオードにおいては、変動領域にもレーザ光を照射した場合の温度係数、すなわち１℃の温度変化に伴う光電流比の変化量は−０．３５［％／℃］と大きい。一方、図５に示すようにホトダイオード１８においてはチップ端にレーザ光を照射しても、温度係数が−０．０８［％／℃］と、温度変化に対して安定した受光感度が得られることが確認できる。
【００２４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では波長４０９ｎｍ（紫色）のレーザ光を発する半導体レーザダイオード１２を用いているが、赤色等の他の波長帯域のレーザ光を発する半導体レーザダイオードを用いても良い。本実施形態にかかるホトダイオード１８は波長５５０ｎｍ以下の短波長のレーザ光に対する受光感度特性が特に優れるが、赤色等の他の波長帯域のレーザ光に対しても良好な受光感度特性を示す。
【００２５】
また、本実施形態においては、ホトダイオード１８においては、ｎ型半導体層１８ｎが光吸収層として機能するが、ｐ型半導体層１８ｐ及びｎ型半導体層１８ｎの導電型を反転させても良い。この場合には、ｐ型半導体層１８ｐが光吸収層として機能する。
【００２６】
また、本実施形態においてはホトダイオード１８の変動領域全体を被覆するように遮光部１８ｒを形成しているが、モニタ用レーザ光が入射する領域近辺の変動領域のみに遮光部１８ｒを形成しても良い。図６及び図７はそれぞれ、モニタ用レーザ光が入射する領域近辺の変動領域のみに遮光部１８ｒを形成した場合の、ホトダイオード１８の平面図及び断面図（図６におけるVII−VII断面の断面図）である。このように、モニタ用レーザ光が入射する領域近辺の変動領域のみに遮光部１８ｒを形成しても、変動領域にはモニタ用レーザ光が入射しないので、ホトダイオード１８は温度変化に対して受光感度が安定している。なお、図６及び図７に示したホトダイオード１８の製造方法と、図４に示したホトダイオード１８の製造方法とは、黒色ホトレジスト等の材料をスピンコートによって塗布した後に、露光するパターンが異なるだけである。すなわち、モニタ用レーザ光が入射する領域近辺の変動領域を覆う部分のみを露光して、遮光部材１８ｒを形成する以外は、図４に示した製造方法と異ならない。
【００２７】
また、遮光部１８ｒを、上面電極ｅｕやアルミニウム層１８ｃを形成するのと同時に、スパッタ法または蒸着法により、アルミニウムによって形成しても良い。このときの遮光部１８ｒは、図２及び図３、あるいは図６及び図７に示したパターンと同様に形成される。
【００２８】
また、本実施形態では最も好適な光源として半導体レーザダイオード１２を搭載する例を説明したが、光源としては発光ダイオード（ＬＥＤ）も適用可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ホトダイオードの周縁部の内側に選択的に形成された光感応領域を囲む領域、すなわち変動領域のうち、少なくともモニタ光が入射する領域を含む部分がチップ側面の少なくとも一部を含めて、遮光部材によって被覆されるので、変動領域にモニタ光が入射することを防止できる。よって、ホトダイオードの受光感度を温度変化に対して安定にすることができる結果、例えば半導体レーザダイオードのような半導体発光素子から安定した出力光を得ることが可能な半導体光源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる半導体光源装置の説明図である。
【図２】実施形態にかかる半導体光源装置に備えるホトダイオードの平面図である。
【図３】実施形態にかかる半導体光源装置に備えるホトダイオードの断面図である。
【図４】実施形態にかかる半導体光源装置に備えるホトダイオードの製造方法を説明する断面図である。
【図５】実施形態にかかる半導体光源装置に備えるホトダイオードの温度変化に対する受光感度特性を示す図である。
【図６】実施形態にかかる半導体光源装置に備えるホトダイオードの変形態様を示す平面図である。
【図７】実施形態にかかる半導体光源装置に備えるホトダイオードの変形態様を示す断面図である。
【図８】従来のホトダイオードの温度変化に対する受光感度特性を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・半導体光源装置、１１・・・ステム、１２・・・半導体レーザダイオード、１８・・・ホトダイオード、１８ａ・・・光感応領域、１８ｓ・・・半導体基板、１８ｎ・・・ｎ型半導体層、１８ｐ・・・ｐ型半導体層、１８ｒ・・・遮光部、ＩＬＴ・・・絶縁層、ｅｕ・・・上面電極、ｅｌ・・・下面電極

Claims

半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射されるモニタ光を受光するホトダイオードとを備え、前記ホトダイオードのモニタ出力に基づいて、前記半導体発光素子から出射する出力光の強度を制御する半導体光源装置において、
前記半導体発光素子は、前記ホトダイオードの受光面の中心から偏位した領域に前記モニタ光の出射光軸が位置するように配置され、
前記ホトダイオードは、その周縁部の内側において選択的に形成された光感応領域を有し、当該光感応領域を囲む領域のうち、少なくとも前記モニタ光が入射する領域を含む部分がチップ側面の少なくとも一部を含めて遮光部材によって覆われており、
前記ホトダイオードは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、を有しており、
前記第２導電型半導体層は、前記ホトダイオードの周縁部の内側であって前記第１導電型半導体層の表層部に、選択的に形成されており、
前記遮光部材は、前記モニタ光が入射する領域において前記第１導電型半導体層の表層と前記第２導電型半導体層の表層の一部を被覆している、
ことを特徴とする半導体光源装置。
前記半導体発光素子は、ステム上面に固定された前記ホトダイオードの前記受光面の中心から偏位した領域に前記モニタ光の出射光軸が位置し、前記出射光軸と前記ホトダイオードの表面に対する法線とが所定角度傾くように、前記ステム上面に固定された支持体の側面に固着されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光源装置。
前記半導体発光素子は、波長５５０ｎｍ以下の光を出射することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光源装置。