JP4935090B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

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。

従来より、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器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、半導体光検出器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器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、半導体光検出器が、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、半導体光検出器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、半導体光検出器内に制御層を設け、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器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、半導体光検出器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反射率があまり高くなく、自然放出光を多少透過してしまうので、半導体光検出器による自然放出光の検出レベルを十分に低減することは困難である。そのため、特許文献１の技術では、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、自然放出光を高反射率で反射することにより、半導体光検出器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、半導体光検出器および光制御層を備えたものである。半導体発光素子は、第１半導体基板と、発光領域を含む第１半導体積層構造とを有する。半導体光検出器は、発光領域を含む領域と対応する領域に孔を有する第２半導体基板と、入射した光の一部を吸収する光吸収層を有する第２半導体積層構造とを有する。光制御層は、第１半導体積層構造のうち発光領域の周辺領域と対応する領域に形成されており、発光領域と対応する領域に開口部を有する。光制御層および半導体光検出器は、半導体発光素子の第１半導体積層構造側にこの順に重ね合わせて半導体発光素子と共に一体に形成されている。

本発明の第２の半導体発光装置は、半導体発光素子、半導体光検出器および光制御層を備えたものである。半導体発光素子は、発光領域を含む第１半導体積層構造と、発光領域を含む領域と対応する領域に孔を有する第１半導体基板とを有する。半導体光検出器は、第２半導体基板と、入射した光の一部を吸収する光吸収層を有する第２半導体積層構造とを有する。光制御層は、第１半導体積層構造のうち発光領域の周辺領域と対応する領域に形成されており、発光領域と対応する領域に開口部を有する。光制御層および半導体光検出器は、半導体発光素子の第１半導体積基板側にこの順に重ね合わせて半導体発光素子と共に一体に形成されている。

本発明の第１および第２の半導体発光装置では、発光領域において生じた発光光には、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が、この発光光により第１半導体積層構造内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長で発振が生じ、その所定の波長の光が積層方向に射出される。

ここで、半導体光検出器が半導体発光素子の第１半導体積層構造側に配置されている場合には、積層方向に射出された光の一部は第２半導体基板に設けられた孔を介して半導体光検出器に入射し、他方、半導体光検出器が半導体発光素子の第１半導体基板側に配置されている場合には、積層方向に射出された光の一部は第１半導体基板に設けられた孔を介して半導体光検出器に入射する。ただし、開口部を有する光制御層が半導体発光素子と半導体光検出器との間に設けられているので、この開口部を透過した光が半導体光検出器の光吸収層に入射する。光吸収層に入射した光の一部は、光吸収層に吸収され、吸収された光の光量に応じた電気信号（フォトカレント）が生成される。これにより、この電気信号を利用して積層方向に射出される光の出力レベルを計測することを可能にする。

ここで、光制御層の開口部は発光領域と対応する領域に設けられているので、発光領域で発生した発光光のうち半導体光検出器側へ放出された誘導放出光のほとんどは開口部を透過して半導体光検出器に入射する。一方、その発光光のうち半導体光検出器側へ放出された自然放出光のほとんどは光制御層で半導体発光素子側に反射され、半導体光検出器への入射が遮断される。これは、誘導放出光が指向性を有しており、光制御層のうち開口部以外の領域へ放出されることがほとんど無いからであり、一方、自然放出光は指向性を有しておらず、そのほとんどが光制御層のうち開口部以外の領域へ放出されるからである。これにより、開口部を透過する自然放出光の光量を、開口部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。また、光制御層は通常、反射率が極めて高いので、光制御層のうち開口部以外の領域を透過する自然放出光の光量は、開口部を透過する自然放出光の光量と比べてほとんど無視することができる。

本発明の半導体発光装置によれば、開口部を有する光制御層を半導体発光素子と半導体光検出器との間に設けるようにしたので、開口部以外の領域に放出された自然放出光の半導体光検出器への入射がほとんど遮断される。その結果、半導体光検出器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。この半導体発光装置は、面発光型半導体レーザ１上に、開口部３Ａを有する光制御層３と、半導体光検出器２とをこの順に配置すると共に、これら面発光型半導体レーザ１、光制御層３および半導体光検出器２を一体に形成して構成したものである。なお、面発光型半導体レーザ１は本発明の「半導体発光素子」の一例に相当する。

この半導体発光装置は、面発光型半導体レーザ１の発光光が開口部３Ａおよび半導体光検出器２を介して開口部Ｗ１（後述）から外部に射出されると共に、開口部３Ａから射出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）が半導体光検出器２から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は、面発光型半導体レーザ１の発光光が外部に射出される側に、光制御層３と、半導体光検出器２とをこの順に配置して構成したものである。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。

（面発光型半導体レーザ１）
面発光型半導体レーザ１は、基板１０の一面側に半導体積層構造１１を備える。この半導体積層構造１１は、基板１０上に、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１７をこの順に積層して構成される。この半導体積層構造１１は、ｐ型コンタクト層１７からｎ型ＤＢＲ層１２の一部までを選択的にエッチングすることにより形成された円柱状のメサ部Ｍを有する。なお、基板１０は本発明の「第１半導体基板」の一例に相当し、半導体積層構造１１は本発明の「第１半導体積層構造」の一例に相当する。

基板１０および半導体積層構造１１は、例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）系の化合物半導体によりそれぞれ構成される。なお、ＧａＡｓ系化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうち少なくともガリウム（Ｇａ）と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうち少なくともヒ素（Ａｓ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ型ＤＢＲ層１２は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₁ （λは発振波長、ｎ₁ は屈折率）のｎ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０＜ｘ１≦１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₂ （ｎ₂ は屈折率）のｎ型Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）によりそれぞれ形成されている。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型クラッド層１３は、例えばＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０≦ｘ３≦１）により構成される。活性層１４は、例えばＡｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ（０≦ｘ４≦１）により構成され、後述の電流注入領域１６Ｃ−１と対向する領域に発光領域１４Ａを有する。ｐ型クラッド層１５は、例えばＡｌ_x5Ｇａ_1-x5Ａｓ（０≦ｘ５≦１）により構成される。このｎ型クラッド層１３、活性層１４およびｐ型クラッド層１５は、不純物が含まれていないことが望ましいが、ｐ型またはｎ型不純物が含まれていてもよい。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１６は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₃ （λは発振波長、ｎ₃ は屈折率）のｐ型Ａｌ_x6Ｇａ_1-x6Ａｓ（０＜ｘ６≦１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₄(ｎ₄ は屈折率）のｐ型Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ（０≦ｘ７＜ｘ６）によりそれぞれ形成されている。

ただし、ｐ型ＤＢＲ層１６において、活性層１４側から数えて数組離れた低屈折率層の部位には、低屈折率層の代わりに、電流狭窄層１６Ｃが形成されている。なお、図１では、活性層１４側から数えて１組離れた低屈折率層の部位に電流狭窄層１６Ｃが形成されている場合が例示されている。この電流狭窄層１６Ｃにおいて、その中央領域が電流注入領域１６Ｃ−１であり、この電流注入領域１６Ｃ−１を取り囲む周辺領域が電流狭窄領域１６Ｃ−２となっている。電流注入領域１６Ｃ−１は、例えば、Ａｌ_x8Ｇａ_1-x8Ａｓ（ｘ６＜ｘ８≦１）により構成され、積層方向から見て例えば円形状となっている。電流狭窄領域１６Ｃ−２は、半導体積層構造１１の側面側からこれを酸化することにより得られたＡｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成され、積層方向から見て例えばドーナツ形状となっている。これにより、電流狭窄層１６Ｃは、ｐ側電極として機能する金属部３２（後述）と、ｎ側電極１８とから注入された電流を狭窄する機能を有する。

ｐ型コンタクト層１７は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成され、上記の電流注入領域１６Ｃ−１と対向する領域に、例えば円形状の光射出窓１７Ａを有する。ｎ側電極１８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）とを基板１０の側から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。

（半導体光検出器２）
半導体光検出器２は、半導体積層構造２１と、ｎ側電極２４と、金属層２５とを有する。この半導体積層構造２１は、基板２０（図２（Ａ）参照）上に、光吸収層２２およびｎ型コンタクト層２３をこの順に積層して構成される。なお、半導体光検出器２は、本発明の「半導体光検出器」の一例に相当し、基板２０は本発明の「第２半導体基板」の一例に相当し、半導体積層構造２１は本発明の「第２半導体積層構造」の一例に相当し、光吸収層２２は本発明の「光吸収層」の一例に相当する。

基板２０および半導体積層構造２１は、例えば、上記した基板１０および半導体積層構造１１と同様、ＧａＡｓ系の化合物半導体によりそれぞれ構成される。

基板２０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。この基板２０は、面発光型半導体レーザ１の発光領域１４Ａを含む領域と対応する領域に孔２０Ａを有する。この孔２０Ａは、面発光型半導体レーザ１のメサ部Ｍを納めることができる程度の径と深さを有しており、メサ部Ｍの外壁と孔２０Ａの内壁との間に空隙が形成されるようになっている。なお、基板２０が面発光型半導体レーザ１の発光光を吸収しやすい材料により構成されている場合には、孔２０Ａは基板２０を貫通して形成されていることが好ましい。

光吸収層２２は、例えば、ｎ型Ａｌ_x9Ｇａ_1-x9Ａｓ（０≦ｘ９≦１）により構成され、発光領域１４Ａから射出されてきた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、半導体光検出器２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開口部３Ａから射出されるレーザ光の出力レベルを計測するために用いられる。

ｎ型コンタクト層２３は、例えば、ｎ型Ａｌ_x10 Ｇａ_1-x10 Ａｓ（０≦ｘ１０≦１）により構成され、光吸収層２２と電気的に接続されている。このｎ型コンタクト層２３は、基板２０の孔２０Ａと対応する領域に開口を有しており、ドーナツ形状となっている。

ｎ側電極２４は、例えば、ＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをｎ型コンタクト層２３上にこの順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層２３と電気的に接続されている。このｎ側電極２４は、ｎ型コンタクト層２３上に形成されているので、ｎ型コンタクト層２２と同様、基板２０の孔２０Ａと対応する領域に開口を有しており、ドーナツ形状となっている。従って、ｎ型コンタクト層２２およびｎ側電極２５に形成されたそれぞれの開口により、開口部Ｗ１が形成されている。

金属層２５は、例えば、金（Ａｕ）などにより構成され、基板２０と電気的に接続されている。従って、金属層２５は、半導体光検出器２のｐ側電極としての機能を有するが、後述するように金属同士を張り合わせるための専用機を用いて金属層２５と光制御層３とを接合することが可能であることから、半導体光検出器２を光制御層３を介して面発光型半導体レーザ１に固定する機能も有する。

（光制御層３）
光制御層３は、面発光型半導体レーザ１の半導体積層構造１１と、半導体光検出器２の基板２０との間に設けられている。この光制御層３は半導体積層構造１１のうち発光領域１４Ａの外周領域と対応する領域に設けられており、その結果、発光領域１４Ａと対応する領域が開口部３Ａとなっている。

ここで、開口部３Ａは、図１では単なる空隙となっているが、発光領域１４Ａから射出された発光光を透過することの可能な絶縁物質、例えばＳｉＮや、ＳｉＯ₂ 、半導体などにより構成されていてもよい。この開口部３Ａは、発光領域１４Ａから射出された発光光のうち半導体光検出器２側へ放出された光（誘導放出光および自然放出光）を透過するようになっている。一方、この光制御層３は、例えば、反射率の高い金属、例えば金（Ａｕ）などにより構成され、発光領域１４Ａから射出された発光光のうち半導体光検出器２側へ放出された光（誘導放出光および自然放出光）を面発光型半導体レーザ１側に反射して、半導体光検出器２への入射を遮断するようになっている。また、光制御層３は、ｐ型コンタクト層１７および金属層２５に電気的に接続されており、そのため、面発光型半導体レーザ１および半導体光検出器２のそれぞれのｐ側電極としても機能するようになっている。

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）〜（Ｃ）、図３（Ａ）〜（Ｃ）および図４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、ＧａＡｓからなる基板１０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造１１や、ＧａＡｓからなる基板２０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造２１を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により形成する。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１０Ｄ上に、ｎ型ＤＢＲ層１２Ｄ、ｎ型クラッド層１３Ｄ、活性層１４Ｄ、ｐ型クラッド層１５Ｄ、ＡｌＡｓ層１６Ａを最下層に含むｐ型ＤＢＲ層１６Ｄ、ｐ型コンタクト層１７Ｄをこの順に積層する（図２（Ａ））と共に、基板２０Ｄ上に、光吸収層２２Ｄ、ｎ型コンタクト層２３Ｄをこの順に積層する（図３（Ａ））。なお、符号の末尾の「Ｄ」はエッチングやダイシングなどにより成型加工が施される前の状態であることを意味する。

次に、ｎ型コンタクト層２３Ｄの表面のうち開口を形成する領域以外の領域にマスク（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２３Ｄの表面に開口を形成すると共に、基板２０Ｄのうちメサ部Ｍを含む領域と対向する領域に孔２０Ａを形成する（図２（Ｂ））。同様にして、例えばドライエッチング法によりｐ型コンタクト層１７Ｄからｎ型ＤＢＲ層１２Ｄの一部までを選択的に除去してメサ部Ｍを形成する（図３（Ｂ））。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部Ｍの外側からＡｌＡｓ層１６ＡのＡｌを選択的に酸化する。これによりＡｌＡｓ層１６Ａの周辺領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、周辺領域に電流狭窄領域１６Ｃ−２が形成され、その中央領域が電流注入領域１６Ｃ−１となる。このようにして、電流狭窄層１６Ｃが形成される（図３（Ｂ））。

次に、例えば蒸着法によりｎ型コンタクト層２３Ｄ上にｎ側電極２４Ｄを形成して、開口部Ｗ１を形成する（図２（Ｃ））。また、基板２０Ｄのうち孔２０Ａ以外の領域に金属層２５Ｄを、基板１０Ｄの裏面にｎ側電極１８Ｄを、メサ部Ｍの表面のうち発光領域１４Ａと対向する領域以外の領域からメサ部Ｍの周辺領域に渡って光制御層３Ｄをそれぞれ形成する（図３（Ｃ））。

次に、孔２０Ａとメサ部Ｍとを互いに対向させると共に高温にした状態で、基板１０Ｄおよび基板２０Ｄに圧力Ｆを加えて、孔２０Ａ内にメサ部Ｍを挿入すると共に、金属層２５Ｄと、光制御層３Ｄのうちメサ部Ｍの周辺領域と対応する領域の一部とを貼り合わせる（図４）。その後、ダイシングによりチップ状に成型する。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。

このように、本実施の形態では、半導体光検出器２側へ向かう光を反射して、半導体光検出器への入射を遮断するための層（光制御層３）に金属を用いるようにしたので、この層をパターニングにより形成することが可能となる。これにより、このような機能を有する層を、例えば特許文献１のように、半導体光検出器２を構成する半導体積層構造２１の一部を酸化することにより形成する場合と比べて、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、本実施の形態では、半導体光検出器２側へ向かう光を反射して、半導体光検出器への入射を遮断するための層（光制御層３）に金属を用いるようにしたので、半導体層の酸化などの体積収縮が生じる工程を用いる必要がない。これにより、特許文献１のような体積収縮による剥離が生じる虞はないので、酸化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、本実施の形態では、金属層２５と、光制御層３のうちメサ部Ｍの周辺領域と対応する領域の一部を互いに貼り合わせるようにしたので、基板１０側の半導体積層構造１１と、基板２０側の半導体積層構造２１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、本実施の形態では、基板２０に孔２０Ａを設けるようにしたので、基板２０全体を除去する必要がなくなる。これにより、基板２０全体を除去する際に用いられる保持用の基板を用意する必要がなくなる。また、基板２０全体を除去すると半導体積層構造２１が反ったり、割れるなどの不具合が生じやすくなるが、基板２０に孔２０Ａを設けるだけなので、そのような不具合が生じる虞はない。

以下、本実施の形態の半導体発光装置の作用について説明する。

この半導体発光装置では、光制御層３とｎ側電極１８との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、電流狭窄層１６Ｃにより電流狭窄された電流が活性層１４の利得領域である発光領域１４Ａ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。この発光光には、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、この発光光により半導体積層構造１１内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光Ｌ１がビームとして開口部３Ａから射出される（図５）。

このとき、面発光型半導体レーザ１では、半導体光検出器２の光吸収層２２が開口部３Ａ上に空隙を介して配置されているので、開口部３Ａから射出された光Ｌ１は、孔２０Ａ内の空隙を透過したのち、光吸収層２２に入射する。光吸収層２２に入射した光Ｌ１の一部は、光吸収層２２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、開口部３Ａから射出された光の出力レベルに応じた大きさを有する。この電流信号は金属層２５およびｎ側電極２４に電気的に接続されたワイヤ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、開口部３Ａから射出されるレーザ光の出力レベルが計測される。

ここで、発光領域１４Ａで発生した発光光のうち半導体光検出器２側へ放出された誘導放出光（光Ｌ１）のほとんどは開口部３Ａおよび孔２０Ａ内の空隙を透過して半導体光検出器２に入射する。一方、その発光光のうち半導体光検出器２側へ放出された自然放出光（光Ｌ２）のほとんどは光制御層３で面発光型半導体レーザ１側に反射され、半導体光検出器２への入射が遮断される。これは、誘導放出光は指向性を有しており、光制御層３のうち開口部３Ａ以外の領域へ放出されることがほとんど無いからであり、一方、自然放出光は指向性を有しておらず、そのほとんどが光制御層３のうち開口部３Ａ以外の領域へ放出されるからである。これにより、開口部３Ａを透過する自然放出光の光量を、開口部３Ａ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。また、光制御層３は通常、反射率が極めて高いので、光制御層３のうち開口部３Ａ以外の領域を透過する自然放出光の光量は、開口部３Ａを透過する自然放出光の光量と比べてほとんど無視することができる。

本実施の形態の半導体発光装置では、開口部３Ａを有する光制御層３を面発光型半導体レーザ１と半導体光検出器２との間に設けるようにしたので、光制御層３側に放出された自然放出光の半導体光検出器２への入射がほとんど遮断される。その結果、半導体光検出器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るので、光検出精度をより向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図６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６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。

この半導体発光装置は、半導体光検出器５上に、開口部６Ａを有する光制御層６と、面発光型半導体レーザ４とをこの順に配置すると共に、これら半導体光検出器５、光制御層６および面発光型半導体レーザ４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４の発光光が開口部Ｗ２（後述）から外部に射出されると共に、開口部６Ａおよび基板４０の孔４０Ａ（後述）を介して半導体光検出器５にわずかに射出されるようになっている。さらに、半導体光検出器５に入射した光の出力レベルに応じた電気信号が半導体光検出器５から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は、面発光型半導体レーザ４の発光光が主として外部に射出される側とは反対側に、光制御層６および半導体光検出器５をこの順に配置すると共に、面発光型半導体レーザ４の基板４０に孔４０Ａを設けたものであり、上記実施の形態と対比すると、光制御層および半導体光検出器の面発光型半導体レーザに対する位置と、孔が設けられた基板の帰属（面発光型半導体レーザ側の基板か、または半導体光検出器側の基板か）との点で主に相違する。そこで、以下、主として上記相違点について詳細に説明し、上記実施の形態と同様の構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。

（面発光型半導体レーザ４）
面発光型半導体レーザ４は、基板４０と、半導体積層構造１１と、ｐ側電極４１とを備える。基板４０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。この基板４０は、面発光型半導体レーザ４の発光領域１４Ａを含む領域と対応する領域に孔４０Ａを有する。なお、基板４０が面発光型半導体レーザ４の発光光を吸収しやすい材料により構成されている場合には、孔４０Ａは基板４０を貫通して形成されていることが好ましい。ｐ側電極４１は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものであり、半導体積層構造１１の最上層のｐ型コンタクト層１７と電気的に接続されている。このｐ側電極４１は、半導体積層構造１１のうち発光領域１４の外周領域に設けられており、発光領域１４と対応する領域に開口部Ｗ２を有する。なお、面発光型半導体レーザ４は本発明の「半導体発光素子」の一例に相当し、基板４０は本発明の「第１半導体基板」の一例に相当する。

（半導体光検出器５）
半導体光検出器５は、基板５０と、半導体積層構造２１と、金属層５１と、ｐ側電極５２とを有する。基板５０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。金属層５１は、上記実施の形態のｎ側電極２４と同様、例えば、ＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをｎ型コンタクト層２３上にこの順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層２３と電気的に接続されている。このｎ側電極２４は、ｎ型コンタクト層２３と同様、基板４０の孔４０Ａと対応する領域に開口を有しており、ドーナツ形状となっている。従って、ｎ型コンタクト層２３の開口と金属層５１の開口とにより、開口部５３を構成する。ｐ側電極５２は、例えば、Ｔｉ，ＰｔおよびＡｕをこの順に積層して構成されたものであり、基板５０と電気的に接続されている。なお、半導体光検出器５が本発明の「半導体光検出器」の一例に相当し、基板５０が、本発明の「第２半導体基板」の一例に相当する。

（光制御層６）
光制御層６は、面発光型半導体レーザ４の基板４０と、半導体光検出器５の金属層５１との間に設けられている。この光制御層６は半導体積層構造１１のうち発光領域１４Ａの外周領域と対応する領域に設けられており、その結果、発光領域１４Ａと対応する領域が開口部６Ａとなっている。ここで、開口部６Ａは、光吸収層２２の表面のうち発光領域１４と対応する領域に設けられていてもよいが、自然放出光をより選択的に面発光型半導体レーザ４側に反射するためには、図６に例示したように、孔４０Ａの底面のうち発光領域１４と対応する領域に形成されていることが好ましい。

ここで、開口部６Ａは、図６では単なる空隙となっているが、発光領域１４Ａから射出された発光光を透過することの可能な絶縁物質、例えばＳｉＮや、ＳｉＯ₂ 、半導体などにより構成されていてもよい。この開口部６Ａは、発光領域１４Ａから射出された発光光のうち半導体光検出器５側へ放出された光（誘導放出光および自然放出光）を透過するようになっている。一方、この光制御層６は、例えば、反射率の高い金属、例えば金（Ａｕ）などにより構成され、発光領域１４Ａから射出された発光光のうち半導体光検出器５側へ放出された光（誘導放出光および自然放出光）を面発光型半導体レーザ４側に反射して、半導体光検出器５への入射を遮断するようになっている。また、光制御層６は、基板４０および金属層５１に電気的に接続されており、そのため、面発光型半導体レーザ４および半導体光検出器５のそれぞれのｎ側電極としても機能するようになっている。

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７（Ａ）〜（Ｃ），図８（Ａ）〜（Ｃ）および図９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、ＧａＡｓからなる基板１０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造１１や、ＧａＡｓからなる基板２０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造２１を、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。

具体的には、まず、基板４０Ｄ上に、ｎ型ＤＢＲ層１２Ｄ、ｎ型クラッド層１３Ｄ、活性層１４Ｄ、ｐ型クラッド層１５Ｄ、ＡｌＡｓ層１６Ａを最下層に含むｐ型ＤＢＲ層１６Ｄ、ｐ型コンタクト層１７Ｄをこの順に積層する（図７（Ａ））。

次に、ｐ型コンタクト層１７Ｄの表面のうちメサ部Ｍを形成する領域以外の領域にマスク（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ｐ型コンタクト層１７Ｄからｎ型ＤＢＲ層１２Ｄの一部までを選択的に除去してメサ部Ｍを形成する（図７（Ｂ））。同様にして、例えばウエットエッチング法により基板４０Ｄのうち発光領域１４Ａを含む領域と対向する領域に孔４０Ａを形成する（図７（Ｂ））。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部Ｍの外側からＡｌＡｓ層１６ＡのＡｌを選択的に酸化する。これによりＡｌＡｓ層１６Ａの周辺領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、周辺領域に電流狭窄領域１６Ｃ−２が形成され、その中央領域が電流注入領域１６Ｃ−１となる。このようにして、電流狭窄層１６Ｃが形成される（図７（Ｂ））。

次に、メサ部Ｍの表面のうち発光領域１４Ａと対向する領域以外の表面からメサ部Ｍの周辺領域に渡ってｐ側電極４１を形成する。これにより、メサ部Ｍの表面のうち発光領域１４Ａと対向する領域に開口部Ｗ２が形成される。続いて、基板４０Ｄ側の表面のうち発光領域１４Ａと対向する領域以外の表面に光制御層６Ｄを形成する。これにより、基板４０Ｄ側の表面のうち発光領域１４Ａと対向する領域に開口部６Ａが形成される（図７（Ｃ））。

他方では、基板５０Ｄ上に、光吸収層２２Ｄ、ｎ型コンタクト層２３Ｄをこの順に積層する（図８（Ａ））。続いて、ｎ型コンタクト層２３Ｄの表面に開口を形成した（図８（Ｂ））のち、例えば蒸着法によりｎ型コンタクト層２３Ｄ上に金属層５１Ｄを形成すると共に、基板５０Ｄの裏面にｐ側電極５２Ｄを形成する（図８（Ｃ））。これにより、ｎ型コンタクト層２３Ｄの開口と、金属層５１Ｄの開口とにより、開口部５３が形成される。

次に、孔４０Ａと開口部５３とを互いに対向させると共に高温にした状態で、基板４０Ｄおよび基板５０Ｄに圧力Ｆを加えて、金属層５１Ｄと、光制御層６Ｄのうち孔４０Ａの内壁と対向する領域以外の領域の一部とを貼り合わせる（図９）。その後、ダイシングによりチップ状に成型する。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。

このように、本実施の形態では、半導体光検出器２側へ向かう光を反射して、半導体光検出器への入射を遮断するための層（光制御層６）に金属を用いるようにしたので、この層をパターニングにより形成することが可能となる。これにより、このような機能を有する層を、例えば特許文献１のように、半導体光検出器５を構成する半導体積層構造２１の一部を酸化することにより形成する場合と比べて、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、本実施の形態では、半導体光検出器５側へ向かう光を反射して、半導体光検出器への入射を遮断するための層（光制御層６）に金属を用いるようにしたので、半導体層の酸化などの体積収縮が生じる工程を用いる必要がない。これにより、特許文献１のような体積収縮による剥離が生じる虞はないので、酸化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、本実施の形態では、金属層５１と、光制御層６のうち孔４０Ａの内壁と対向する領域以外の領域の一部を互いに貼り合わせるようにしたので、基板４０側の半導体積層構造１１と、基板５０側の半導体積層構造２１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、本実施の形態では、基板４０に孔４０Ａを設けるようにしたので、基板４０全体を除去する必要がなくなる。これにより、基板４０全体を除去する際に用いられる保持用の基板を用意する必要がなくなる。また、基板４０全体を除去すると半導体積層構造１１が反ったり、割れるなどの不具合が生じやすくなるが、基板４０に孔４０Ａを設けるだけなので、そのような不具合が生じる虞はない。

以下、本実施の形態の半導体発光装置の作用について説明する。

この半導体発光装置では、光制御層６とｐ側電極４１との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、電流狭窄層１６Ｃにより電流狭窄された電流が活性層１４の利得領域である発光領域１４Ａ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。この発光光には、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、この発光光により半導体積層構造１１内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光Ｌ３がビームとして開口部Ｗ２から射出される（図１２）。

このとき、面発光型半導体レーザ４では、半導体光検出器５の光吸収層２２が開口部６Ａの下に空隙および開口部５３を介して配置されているので、開口部６Ａから射出された光Ｌ４は、孔６０Ａ内の空隙および開口部５３を透過したのち、光吸収層２２に入射する。光吸収層２２に入射した光Ｌ４の一部は、光吸収層２２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、開口部６Ａから射出された光の出力レベル、ひいては開口部Ｗ２から射出され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、金属層５１およびｐ側電極５２に電気的に接続されたワイヤ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る。これにより、開口部６Ａから射出されるレーザ光の出力レベルが計測される。

ここで、発光領域１４Ａで発生した発光光のうち半導体光検出器５側へ放出された誘導放出光（光Ｌ４）のほとんどは開口部６Ａ、孔２０Ａ内の空隙および開口部５３を透過して半導体光検出器５に入射する。一方、その発光光のうち半導体光検出器５側へ放出された自然放出光（光Ｌ５）のほとんどは光制御層６で面発光型半導体レーザ４側に反射され、半導体光検出器５への入射が遮断される。これは、誘導放出光は指向性を有しており、光制御層６のうち開口部６Ａ以外の領域へ放出されることがほとんど無いからであり、一方、自然放出光は指向性を有しておらず、そのほとんどが光制御層６のうち開口部６Ａ以外の領域へ放出されるからである。これにより、開口部６Ａを透過する自然放出光の光量を、開口部６Ａ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。また、光制御層６は通常、反射率が極めて高いので光制御層６のうち、開口部６Ａ以外の領域を透過する自然放出光の光量は、開口部６Ａを透過する自然放出光の光量と比べてほとんど無視することができる。

本実施の形態の半導体発光装置では、開口部６Ａを有する光制御層６を面発光型半導体レーザ４と半導体光検出器５との間に設けるようにしたので、光制御層６側に放出された自然放出光の半導体光検出器５への入射がほとんど遮断される。その結果、半導体光検出器５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、金属部２５Ｄ，５１Ｄと光制御層３Ｄ，６Ｄとを互いに接合することにより、面発光型半導体レーザ１，４と半導体光検出器２，５とを光制御層３，６を介して一体的に形成するようにしていたが、金属部２５Ｄ，５１Ｄを設けないで、直接、基板２０Ｄ，４０Ｄと光制御層３，６とを互いに接合するようにしてもよい。また、金属部２５Ｄ，５１Ｄを設ける代わりに、光制御層３Ｄ，６Ｄの一部を基板２０Ｄ，４０Ｄに設けて、光制御層３Ｄ，６Ｄの一部と、光制御層３Ｄ，６Ｄとを互いに接合するようにしてもよい。

また、図１３および図１４に示したように、金属部２５Ｄ，５１Ｄを設ける代わりに、接着層２７，５４を面発光型半導体レーザ１，４と半導体光検出器２，５との間に設けて、面発光型半導体レーザ１，４と半導体光検出器２，５とを光制御層３Ｄ，６Ｄを介して互いに接合するようにしてもよい。これら接着層２７，５４は発光光を吸収しにくい材料により構成されていることが好ましい。なお、金属部２５Ｄ，５１Ｄをなくすると一対の電極のうちの一方がなくなってしまうので、図１３に示したように光吸収層２２と接する領域にｐ側電極２６を新たに設けたり、また、図１４に示したようにｎ型ＤＢＲ層１２と接する領域にｎ側電極４２を新たに設けるなど、コプレーナ構造とすることが好ましい。

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。

また、本発明は、上記実施の形態で具体的に説明した製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法であってもよい。例えば、基板１０Ｄ，４０Ｄと、基板２０Ｄ，５０Ｄとを張り合わせる際に、上側の基板をあらかじめチップ化したのち、下側の基板に張り合わせ、一体化したのちに下側の基板をチップ化するようにしてもよい。

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。 面発光型半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。 半導体光検出器の製造工程を説明するための断面図である。 張り合わせ工程を説明するための断面図である。 半導体発光装置の作用を説明するための断面図である。 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。 面発光型半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。 半導体光検出器の製造工程を説明するための断面図である。 張り合わせ工程を説明するための断面図である。 半導体発光装置の作用を説明するための断面図である。 一変形例に係る半導体発光装置の断面構成図である。 他の変形例に係る半導体発光装置の断面構成図である。

符号の説明

１，４…面発光型半導体レーザ、２，５…半導体光検出器、３，６…光制御層、３Ａ，６Ａ，５３，Ｗ１，Ｗ２…開口部、１０，２０，４０，５０…基板、１１，２１…半導体積層構造、１２…ｎ型ＤＢＲ層、１３…ｎ型クラッド層、１４…活性層、１４Ａ…発光領域、１５…ｐ型クラッド層、１６…ｐ型ＤＢＲ層、１６Ａ…ＡｌＡｓ層、１６Ｃ…電流狭窄層、１６Ｃ−１…電流注入領域、１６Ｃ−２…電流狭窄領域、１７…ｐ型コンタクト層、１８，２４，４２，５２…ｎ側電極、２２…光吸収層、２３…ｎ型コンタクト層、２５，５１…金属部、２６，４１…ｐ側電極、２７，５４…接着層、Ｆ…圧力、Ｌ１〜Ｌ５…光、Ｍ…メサ部。

Claims (9)

1. 第１半導体基板、および発光領域を含む第１半導体積層構造を有する半導体発光素子と、
   前記第１半導体積層構造のうち前記発光領域の周辺領域と対応する領域に形成され、前記発光領域と対応する領域に開口部を有する光制御層と、
   第２半導体基板、および入射した光の一部を吸収する光吸収層を含む第２半導体積層構造を有する半導体光検出器と
   を備え、
   前記第２半導体基板は、前記発光領域を含む領域と対応する領域に孔を有し、
   前記光制御層および半導体光検出器は、前記半導体発光素子の前記第１半導体積層構造側にこの順に重ね合わせて前記半導体発光素子と共に一体に形成されている
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第１半導体積層構造は、前記孔と対応する領域内に円柱状のメサ部を有し、
   前記孔は、前記メサ部の高さよりも深い
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記孔は、前記第２半導体基板を貫通して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記光制御層は、前記半導体発光素子および半導体光検出器の少なくとも一方の電極として機能する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
5. 前記半導体発光素子および前記半導体光検出器は、接着材料で互いに固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
6. 第１半導体基板、および発光領域を含む第１半導体積層構造を有する半導体発光素子と、
   前記第１半導体積層構造のうち前記発光領域の周辺領域と対応する領域に形成され、前記発光領域と対応する領域に開口部を有する光制御層と、
   第２半導体基板、および入射した光の一部を吸収する光吸収層を含む第２半導体積層構造を有する半導体光検出器と
   を備え、
   前記第１半導体基板は、前記発光領域を含む領域と対応する領域に孔を有し、
   前記光制御層および半導体光検出器は、前記半導体発光素子の前記第１半導体基板側にこの順に重ね合わせて前記半導体発光素子と共に一体に形成されている
   ことを特徴とする半導体発光装置。
7. 前記孔は、前記第１半導体基板を貫通して形成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
8. 前記光制御層は、前記半導体発光素子および半導体光検出器の少なくとも一方の電極として機能する
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
9. 前記半導体発光素子および前記半導体光検出器は、接着材料で互いに固定されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
   

Images