JP4967463B2 - 面発光型半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される面発光型半導体レーザ装置に関し、特に、レーザ素子の温度特性を補償する技術に関する
光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。
ＶＣＳＥＬは、定電流駆動されるとき、温度変化によって出力を変動する特性を持つことが知られている。ＶＣＳＥＬの温度が上昇すると、光出力が低下し、温度が低下すると、光出力が増加する。ＶＣＳＥＬを通信分野等の光源に用いる場合、通信エラー等を抑制するためには一定以上の光出力が必要であり、その反面、高周波特性やアイセーフ等の観点から光出力を一定以下に抑える必要がある。そこで、ＶＣＳＥＬの温度変化に伴う光出力の変動は、レーザに注入する電流をオートパワーコントロール（ＡＰＣ）回路により制御して抑えている。ＡＰＣ回路は、ＶＣＳＥＬの光出力をモニターし、光出力が一定となるように駆動電流をフィードバック制御する。
発光素子の温度補償は、ＡＰＣ駆動以外にも、他の方法が提案されている。特許文献１の発光装置は、ＬＥＤの発光部位近傍に抵抗体を付設し、抵抗体をＬＥＤと直列に接続する。これにより、抵抗体の温度変化に伴う抵抗値変動で、ＬＥＤに注入する電流値の変動を補償し、ＬＥＤの温度による光量変動を抑える。
特許文献２の発光素子の駆動回路は、温度変動による出力変動を制御するためにサーミスタを温度依存性の抵抗部に用い、これを発光素子に直列に接続し、電流値制御で光量変動を抑制するものである。
特許文献３の発光素子モジュールは、特許文献２と同様に、発光素子と直列にサーミスタを接続し、温度補償機能を与えるものである。特許文献４の光モジュールは、半導体レーザの温度をモニターするための温度センサを含み、温度センサの出力に応じて半導体レーザの温度制御をものである。
特開平６−１５１９５７号 特開平１１−１２１８５２号 特開２００２−２０４０１８号 特開平９−８３０８８号
ＶＣＳＥＬの低温時における光出力増をＡＰＣ駆動により電流を減らして抑制すると、高周波特性の良い電流値範囲を下回り、高速応答性が劣化する。そこで、通信用レーザでは、上記特許文献に開示されるように、レーザに温調機を取り付け、レーザの温度変動自体を抑制する方式をとる。ところが、この温調装置は、温度を検出する温度センサ、ピエゾ素子、ピエゾ素子に印加する電圧制御装置を必要とし、発光素子モジュールが高価になってしまうという課題がある。
本発明は、このような従来の課題に鑑み、温度変動を自己補償して光出力変動を抑える機能を有するとともに、これらの機能を簡単な構成で具現化することができる面発光型半導体レーザ装置およびそのモジュールを提供することを目的とする。
ＶＣＳＥＬは、温度によりその出力が変動する。その温度特性を利用してＶＣＳＥＬ自体を温度センサとし、ＶＣＳＥＬから放出されたレーザ光を光吸収熱変換領域で熱に変換させてＶＣＳＥＬの温度を制御する。例えば、ＶＣＳＥＬの素子温度が低くなると、光出力が増大する。光出力が増大すると、そのレーザ光が当たる光吸収熱変換領域では発熱量が増大し、素子温度を上昇させる。逆に、ＶＣＳＥＬの素子温度が高くなると、光出力が低下する。光出力が低下すると、光吸収熱変換領域で発熱量が減少し、素子温度が下降する。このように、ＶＣＳＥＬのレーザ光が照射されている光吸収熱変換領域では、ＶＣＳＥＬの温度変化を補償するように発熱量が変動する。
基本構成は、ＶＣＳＥＬとそれが形成されている半導体基板上にモノリシックに光吸収熱変換領域を形成したことを特徴とし、ＶＣＳＥＬから放射されるレーザ光を、反射ミラー等により光吸収熱変換領域に照射させるレーザモジュールとすることができる。また、ＶＣＳＥＬとは別の照射用半導体レーザ（面発光レーザでも良い）素子を、ＶＣＳＥＬが形成された基板と対向するように配置させ、照射用半導体レーザ素子のレーザ光がＶＣＳＥＬ側の光吸収熱変換領域に照射される構成レーザモジュールであっても良い。さらに、レーザモジュールの温度補償範囲の拡大、また、発熱効率の向上させる手段として、（１）ＶＣＳＥＬと照射用半導体レーザ素子の間に集光レンズを設置する、（２）照射用半導体レーザ素子にサーミスタを並列に接続させる、（３）照射用面半導体レーザ素子に抵抗体を直列に接続させる手法を採ることができる。
ＶＣＳＥＬのレーザ光の一部を、ＶＣＳＥＬが形成された基板上の光吸収熱変換領域に照射させることで、上記で説明したようにＶＣＳＥＬの温度変動を補償する機能が現出し、光出力変動を抑える効果がある。温度による光レーザ光量、および半導体レーザ光量の変化を直接、熱発生量に回帰することができるので、中途に演算処理等装置を含む発熱制御装置が不要であることから、安価で温度特性の良い面発光レーザモジュールの提供が可能となる。
本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、基板上に、第一導電型の多層膜反射鏡、活性層、および第二導電型の多層膜反射鏡とを含むレーザ素子部が形成され、さらに、基板上の前記レーザ素子部と熱的に結合された位置に、光を吸収し発熱する光吸収熱変換領域を有する。光吸収熱変換領域は、照射された光を熱に変換することで、レーザ素子部の光出力の温度特性を自己補償する。好ましくは、面発光型半導体レーザ装置はさらに、レーザ素子部から発せられたレーザ光の一部を前記光吸収熱変換領域に照射する光学部品を有する。光学部品は、例えばレーザ光の一部を透過し、一部を反射するハーフミラー等を用いることができる。
好ましくは面発光型半導体レーザ装置は、光吸収熱変換領域にレーザ光を出射する照射用レーザ素子を含む。照射用レーザ素子は、レーザ素子部と別個に設けられるものであってもよいし、レーザ素子部と同一の基板上に形成されるものであってもよい。同一基板上に形成される場合には、レーザ素子部と同様の面発光型半導体レーザ素子であることが望ましい。また、照射用レーザ素子の光出力は、レーザ素子部の光出力と比較して大きくしてもよいし、あるいは小さくてもよい。
好ましくは光吸収熱変換領域は、光を吸収して熱に変換する化合物を含む。化合物は、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金、Ｓｂ金属、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ合金、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｖ合金、ニオブ酸リチウム、またはメチルニトロアニリンのいずれか１つを含む。化合物は、光の進入長から５０乃至１００ｎｍの膜厚が望ましい。
好ましくは光吸収熱変換領域は、基板上の半導体層を除去して形成されたビアを含み、当該ビアは、前記レーザ素子部に隣接して形成されている。ビアは、基板に至るまでの深さを有し、基板または基板上の絶縁膜を露出させてもよいし、あるいはレーザ素子部の活性層とほぼ等しい位置の深さであってもよい。好ましくは基板は、ＧａＡｓ半導体基板からなり、ＧａＡｓ基板は、光の吸収を良くするために、プロトン等によってイオン打ち込みされる。これにより、ＧａＡｓ基板内に結晶欠陥が生じ、または一部がアモルファス化される。ＧａＡｓ基板を用いるとき、第一導電型の多層膜反射鏡および第二導電型の多層膜反射鏡は、ＡｌＧａＡｓの半導体層を含み、レーザ素子部または照射用レーザ素子は、約８５０ｎｍの波長のレーザ光を出射する。
本発明によれば、レーザ素子部と熱的に結合された位置に光吸収熱変換領域をモノリシックに設けたことにより、簡単な構成でレーザ素子部の温度変動を補償することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。面発光型半導体レーザ装置１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板２０の裏面にｎ側（カソード）電極２２を有し、さらに基板表面に、ｎ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡２４、活性層２６、ｐ型の電流狭窄層（図示省略）、およびｐ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡２８、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層３０の半導体層を積層している。コンタクト層３０から活性層２４に至る深さまで、プロトンイオン注入によりリング状の絶縁部３２が形成され、この絶縁部３２により周囲を電気的に絶縁されたレーザ素子部３４が規定されている。コンタクト層３０上には、上部ｐ側（アノード）電極３６が形成され、上部電極３６の中央に円形状の出射窓３８が形成されている。上部電極３６は、引き出し配線４０を介して電極パッド４２に接続され、引き出し配線４０および電極パッド４２は、コンタクト層３０上の図示しない絶縁膜上に形成されている。
レーザ素子部３４から隣接する位置に光吸収熱変換領域５０が形成されている。光吸収熱変換領域５０は、照射された光を吸収しこれを熱に変換する領域である。光吸収熱変換領域５０は、ＧａＡｓ半導体基板２０や他の半導体層を通じてレーザ素子部３４に熱的に結合される。光吸収熱変換領域５０が一定以上の発熱量となることでレーザ素子部３４の温度が上昇し、光吸収熱変換領域５０が一定以下の発熱量となることでレーザ素子部３４の温度が低下し、レーザ素子部３４の温度変化に伴う光出力の変動を抑制する。
光吸収熱変換領域５０は、その形状、大きさ、位置、材質等を特に制限されるものではないが、後に詳細に説明するように、好ましくは光吸収機能が向上させるため、光を吸収して熱に変換する機能を有する化合物を用いたり、あるいは、イオン注入などにより結晶欠陥やアモルファス化を導入したり、あるいは、照射された光の反射率を低下させるように混晶化される。さらに、光吸収変熱変換領域５０は、レーザ素子部３４と実質的に同じ高さであっても良いし、半導体層を除去したトレンチまたはビアのような溝であってもよい。
また、図１の面発光型半導体レーザ装置において、レーザ素子部３４は、プロトン注入による絶縁部３２により規定される例を示したが、レーザ素子部３４をポストまたはメサ構造により規定してもよい。この場合、ポスト内に電流狭窄層を形成するようにしてもよい。さらに、図１の面発光型半導体レーザ装置は、単一のレーザ素子部を有するシングルスポット型のＶＣＳＥＬを示したが、これに限らず、基板上に複数のレーザ素子部を有するマルチスポット型のＶＣＳＥＬであってもよい。この場合、少なくとも１つのレーザ素子部と熱的に結合される少なくとも１つの光吸収熱変換領域を形成するようにする。好ましくは、すべてのレーザ素子部と光吸収熱変換領域が熱的に結合するようにする。
次に、本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な断面図を図２に示す。面発光型半導体レーザ装置は、レーザ素子部３４から出射されたレーザ光（波長は約８５０ｎｍ）の一部を透過し、一部を光吸収熱変換領域５０へ向けて反射する反射ミラー６０を備えている。反射ミラー６０は、レーザ光の一部、例えば５０％を光吸収熱変換領域５０へ照射させる。また、図２（ｂ）に示すように、レーザ光を効率良く光吸収熱変換領域５０へ導くためレンズ６２を介在させるようにしてもよい。
レーザ素子部３４を定電流駆動した場合、素子温度が上がると光出力が下がる。それに伴い、光吸収熱変換領域５０に当たる光量も減るため、発熱量が減少し、素子温度が下がる。素子温度が下がると、光出力が増える。逆に、素子温度が下がると、光出力が増加する。それに伴い、光吸収熱変換領域５０に当たる光量が上がり、発熱量が増加し、素子温度が上昇する。素子温度が上がると、光出力が低下する。
次に、本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザを図３に示す。第３の実施例では、レーザ素子部３４とは別個に、照射用半導体レーザ７０を用い、このレーザ光を光吸収熱変換領域５０に照射する。レーザ光の照射効率を上げるため、集光レンズ７２を用いるようにしてもよい。さらに、図３（ｂ）に示すように、同一基板上に、照射用レーザ素子部７４を形成するようにしてもよい。この場合、照射用レーザ素子部７４は、レーザ素子部３４と同一構成とし、照射用レーザ素子部７４から発せられたレーザ光は、反射鏡７６により光吸収熱変換領域５０に反射される。
照射用半導体レーザ７０、またはレーザ素子部７４は、定電流駆動され、レーザ光を光吸収熱変換領域５０に照射する。このため、レーザ素子部３４の光出力とは独立に、光吸収熱変換領域５０に照射されるレーザ光量を設定することができる。第２の実施例のように、レーザ素子部３４のレーザ光の一部を反射させるよりもレーザ光量を大きく取れるため、光吸収熱変換領域５０の発熱量も大きくなり、温度変動の補償範囲を大きくすることができる。集光レンズ７２を入れた場合、さらに光吸収熱変換領域５０に効率よく光が当たり、発熱量も増えて温度変動の補償範囲が大きくなる。
次に、本発明の第４の実施例を図４に示す。第４の実施例は、第３の実施例の照射用半導体レーザ７０にサーミスタ８０を並列接続させたものである。導電性のマウンタ８２上に照射用半導体レーザ７０とサーミスタ８０が取り付けられている。照射用半導体レーザ７０のｎ側基板２２ａとサーミスタ８０のカソードがマウンタ８２を介して定電流源８４の負極に電気的に接続され、定電流源８４の正極がｐ側電極３６ａとサーミスタ８０のアノードに接続されている。
照射用半導体レーザ７０を定電流駆動させるとき、照射用半導体レーザ７０の温度に伴う光量変動を増幅させることができる。具体的には、素子温度が上がると、照射用半導体レーザ７０の光量が下がるが、同時に、サーミスタ８０の抵抗も下がり、照射用半導体レーザ７０に流れる電流が減少し、光量が大幅に下がる。これにより、レーザ素子部３４の温度が下がり、レーザ素子部３４からの光出力が増加する。
他方、素子温度が下がると、照射用半導体レーザ７０の光量が上がるが、同時に、サーミスタ８０の抵抗も上がり、照射用半導体レーザ７０に流れる電流が増え、光量が大幅に増大する。これにより、レーザ素子部３４の温度が上がり、レーザ素子部３４からの光出力が減少する。こうして、温度変化に伴う光出力変動を抑制する機能が具現化される。
次に、本発明の第５の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置を図５に示す。第５の実施例は、第３の実施例の照射用半導体レーザ７０に直列に抵抗体９０を接続させたものである。抵抗体９０のアノードがｐ側電極３６ａに接続され、カソードが定電圧源の正極に接続されている。照射用半導体レーザ７０を定電圧駆動させると、照射用半導体レーザ７０の温度変動に伴う光量変動を増幅させることができる。具体的には、温度が上がると、照射用半導体レーザ７０の光量が下がるが、同時に、抵抗体９０の抵抗は上がって、照射用半導体レーザ７０に流れる電流が減少し、光量が大幅に下がる。他方、温度が下がると、照射用半導体レーザ７０の光量が上がるが、同時に、抵抗体９０の抵抗も下がり、照射用半導体レーザ７０に流れる電流が増え、光量が大幅に増大する。
次に、本実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
（１）ＶＣＳＥＬ基板の成膜
先ず、図６に示すように、GaAs等のIII-V族化合物半導体のバルク結晶を基板として、有機金属気層成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:ＭＯＰＶＥ)法により、III-V族化合物（GaAs、AlGaAs）半導体薄膜を順次エピタキシャル成長させ積層してゆく。積層する薄膜の構造は、前述したように、少なくとも、活性層、スペーサ層、半導体多層膜ＤＢＲ反射鏡ミラー、コンタクト層を有する。具体的には、Siドープ(Nd=1×1018cm-3)のｎ型GaAs半導体基板２０１上に、Siドープ(Nd=1×1018cm-3)のｎ型GaAsバッファ層２０２、４０．５周期のSiドープ(Nd=1×1018cm-3)のｎ型Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)２０３、アンドープλ Al0.6Ga0.4Asスペーサ層２０８、3重量子井戸Al0.11Ga0.89As/Al0.3Ga0.7As活性層２０４、Znドープ(Na=7×1017cm-3)のｐ型AlAs層２０５、３０．５周期のZnドープ(Na=7×1017cm-3)のｐ型 Al0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1AsＤＢＲ層２０６、Znドープ(Na=1×1019cm-3)のｐ型GaAs層２０７の各層を順次成膜する。ｐ型のAl0.3Ga0.7As/Al0.9Ga0.1As分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層）の各層界面には、デバイスの直列抵抗を下げるために、Al0.3Ga0.7AsとAl0.9Ga0.1Asの間の組成のバンド障壁緩衝層を挿入しても良い。
（２）開口部を有するｐ側コンタクト電極の形成
次に、図６（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ装置で作製したＶＣＳＥＬ基板の最表面に、レーザ出射用の開口部２１０を有するコンタクト電極２０９を作製する。コンタクト電極２０９の作製方法は、基板表面に通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、TiとAuを順次着膜してから、レジストを剥離して電極形成するリフトオフ法が好ましい。あるいは、あらかじめTiとAuを着膜しておいて、Auの上で通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成しTiとAuをエッチングしてパターンニングする方法でも良い。P側電極材料は、TiとAuの他に、AuZn/Au、Ti/Pt/Auなどを用いても良い。
（３）保護膜の形成
次に、図６（ｃ）に示すように、コンタクト電極２０９を含むＶＣＳＥＬ基板表面全面に、ＣＶＤ装置やスパッタ装置などによりSiON、または、SiO2の絶縁膜を着膜し、通常のフォトリソグラフィーとエッチングにより前記SiON、またはSiO2をパターンニングして保護膜２１１を形成する。エッチングは、バッファードフッ酸（BHF）か、フッ素系エッチャントガスによるドライエッチングでも良い。
（４）ポストエッチング用兼ビアエッチング用マスクの形成
次に、図７（ｄ）に示すように、柱状のポスト構造を作製するために、エッチングマスク２１２を形成する。エッチングマスク２１２は、ＣＶＤ装置やスパッタ装置などによりSiON、SiNxの絶縁膜を着膜し、フォトリソグラフィー、およびエッチングによりパターニングを行う。エッチングは、バッファードフッ酸（BHF）か、フッ素系エッチャントガスによるドライエッチングでも良い。
（５）ポストおよびビアの形成
次に、図７（ｅ）に示すように、マスク２１２以外の部分を、塩素系ガスを用いたドライエッチング装置にて数ミクロン〜10数ミクロンの深さまでドライエッチングし、ポスト２１４とビア２１３を同時に形成する。このとき、エッチングの深さは、少なくともポスト側面にＶＣＳＥＬ基板の積層膜の断面が露出し、AlAs層２０５の端部が露出する深さとする。また、ビア２１３はトレンチ（溝）形状であっても良い。
（６）AlAs酸化層の形成
次に、図７（ｆ）に示すように、ポスト２１４を作製したら、直ちにアニール炉内に挿入し、水蒸気を導入してポスト側面からAlAs層２０５の選択酸化を行う。その時のアニール温度は、300〜400℃程度。また、水蒸気は、熱水タンク内の70〜100℃の熱水を窒素キャリアガスでバブリングして炉内に輸送する。水蒸気酸化を行うと、Al組成の高いAlGaAsとAlAs層がアルミ酸化物（AlxOy）に変化するが、AlAsの方がAlGaAsに比べて酸化速度が大きいため、AlAsのみが選択的にポスト側壁端部からポスト中心部へ向っての酸化が進行し酸化層２１５が形成される。アニール時間を制御することで、ポスト中央部にAlAs層２０５を所望サイズだけ残すことができる。酸化層（AlxOy層）２１５は、電気伝導度が極度に小さく、AlAs層２０５は電気伝導度が大きいため、ポスト構造の中心部に残されたAlAs層２０５のみに電流が流れる構造、すなわち電流狭窄構造を形成することができる。
（７）層間絶縁膜着膜
次に、図８（ｇ）に示すように、AlAs酸化を行った後でポスト全体をSiO2、SiON、SiNx等の層間絶縁膜２１６で被覆する。これは、AlAs層のほとんどが酸化によってポーラス状のAlxOy膜となったことによるポスト自体の強度低下を、絶縁膜着膜により補強する効果がある。また、酸化層（AlxOy層）２１５がポスト側壁端部から自然酸化し変質することを防ぐ効果もある。
（８）コンタクトホールの形成
次に、図８（ｈ）に示すように、ポスト上部の保護膜２１１および層間絶縁膜２１６の下層にあるコンタクト電極２０９にp配線電極を接地させるためのコンタクトホール２１７を開ける。コンタクトホール２１７は、フォトリソグラフィーでパターニングを行い、バッファードフッ酸（BHF)等の薬液によるエッチングやドライエッチングにて行う。
（９）ｐ配線電極形成
次に、図８（ｉ）に示すように、p配線電極２１８を形成する。ｐ配線電極２１８の作製方法は、通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、TiとAuを順次着膜してから、レジストを剥離して電極形成するリフトオフ法が好ましい。あるいは、あらかじめTiとAuを着膜しておいて、Auの上で通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成しTiとAuをエッチングしてパターンニングする方法でも良い。p電極材料は、TiとAuの他に、AuZn/Au、Ti/Pt/Auなどを用いても良い。
（１０）裏面ｎ電極の形成
次に、図８（ｊ）に示すように、ｎ電極２２１をGaAs基板２０１の裏面に蒸着装置にて着膜する。ｎ電極の材料としては、AuGe/Au、AuGe/Ni/Auがあげられる。電極を低抵抗オーミック電極とするために、350〜400℃の温度の窒素雰囲気で数分アニールする。
（１１）光吸収熱変換領域の形成
図９（ｋ）に示すように、ビア２１３の底部には、光を吸収して発熱する物質、光吸収熱変換物質２１９を着膜する。光吸収熱変換物質としては、光を吸収して熱に変換する機能をもつものであればどのようなものを用いてもよい。このような材料としては、例えば、ＤＶＤ−ＲＡＭの記録層として用いられているＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５のようなＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金、Ｓｂ金属、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ合金、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｖ合金、ニオブ酸リチウム、メチルニトロアニリンのような化合物がある。上記の合金、化合物を蒸着、または、スパッタ等により着膜し、フォトレジストのリフトオフ法によりパタンニングする。前記光吸収熱変換物質の厚みは、上記化合物の光の侵入長から50nm〜100nm程度が好ましい。
化合物を形成する以外にも、他の方法によって光吸収熱変換領域を形成することができる。図９（ｌ）に示すように、下地のGaAs層をそのまま光熱変換層として用いることができる。この場合、光吸収熱変換層とする領域２２０にプロトンを打ち込むなどして結晶欠陥を導入したり、アモルファス化するなどして、GaAs結晶を変質させておくと、吸収された光が結晶中で電子とホールに一旦励起されるが、それらが再度再結合する際に光に変換されず、フォノンとなって熱になる確率が高まる。したがって、吸収された光を効率良く熱に変換させることができる。
さらに、図９（ｍ）に示すように、ビア２１３の深さを活性層２０４が露出する程度にあらかじめ浅くエッチングして形成しておけば、光吸収熱変換物質２１９を着膜する位置を活性層とほぼ同じ高さの位置に設置することができ、光吸収熱変換物質２１９が発光素子部の活性領域２０４と熱導電性の高い層で繋がる。したがって、光吸収熱変換物質２１９9で発生した熱が効率よくレーザ素子部の発光領域に結合し伝わる。この場合、ＤＢＲ層２０３に、Ｓｉ等の不純物を拡散させて、ＤＢＲ層を混晶化させ、反射率を下げて下地のＧａＡｓまで光が届くようにしてもよい。
こうして、ポスト構造のレーザ素子部と光吸収熱変換領域が基板上にモノリシックに形成される。光吸収熱変換領域へのレーザ光の照射は、図１ないし図５に示す態様によって行うことができる。
次に、図１に示す面発光型半導体レーザ装置のパッケージ（モジュール）化したときの概略断面を図１０に示す。パッケージ３００は、レーザ発光部および光吸収熱変換領域が形成されたチップ３１０を導電性のサブマウント３２０を介して金属ステム３３０上に搭載されている。金属ステム３３０には、導電性のリード３４０、３４２が図示しない貫通孔内に挿入され、一方のリード３４０は、サブマウント３２０を介してチップ３１０の裏面に形成されたｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の上面に形成されたｐ側の電極パッドにボンディングワイヤ等によって電気的に接続される。
金属ステム３３０には、キャップ３５０が取り付けられ、キャップ３５０の上面には出射窓３５２が形成されている。出射窓３５２を塞ぐようにミラー３６０が取り付けられる。ミラー３６０は、レーザ光の一部を光吸収熱変換領域に向けて反射させる。ミラー３６０の角度およびチップ３１０との距離は、反射光が光吸収熱変換領域に照射されるように調整される。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０からレーザ光が出射され、レーザ光は、ミラー３６０を介して外部へ出力され、光吸収熱変換領域による温度補償が行われる。
図１１は、図１０に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、金属ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。金属ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。
キャップ３５０の出射窓には、ミラー３６０が取り付けられ、さらに、ミラー３６０から離間してボールレンズ３６２が取り付けられている。ボールレンズ３６２は、レーザ素子部の光軸と一致し、レーザ素子部からのレーザ光がボールレンズ３６２を介してフェルール４３０に支持された光ファイバ４４０に入射されるようになっている。上記例ではボールレンズ３６２を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。また、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよく、さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
図１２は、図１０に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを用い、高出力を得るようにしてもよい。
図１３は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１４は、光伝送装置の外観構成を示している。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１５に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１２に示す光伝送装置を利用している。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
上記実施例では、電流狭窄層にＡｌＡｓ層を用いたが、これに限らず、ＡｌＧａＡｓ層を用いることもできる。さらに、上記実施例では、ＧａＡｓ系の化合物半導体レーザを示したが、これ以外にも窒化ガリウム系やガリウムインジウム系を用いた半導体レーザであってもよい。
本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、光情報処理や光高速データ通信の分野において利用することができる。
本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の模式的な構成を示す断面図である。 図６（ａ）ないし（ｃ）は、本発明の好ましい面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示す断面図である。 図７（ｄ）ないし（ｆ）は、本発明の好ましい面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示す断面図である。 図８（ｇ）ないし（ｊ）は、本発明の好ましい面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示す断面図である。 図９（ｋ）ないし（ｍ）は、光吸収熱変換領域の構成例を示す図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置のパッケージ例を示す概略断面図である。 図１０に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。 図１０に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１４の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。
符号の説明
１０：面発光型半導体レーザ装置 ２０：ＧａＡｓ基板
２２：ｎ側電極 ２４：ｎ型半導体多層膜反射鏡
２６：活性層 ２８：ｐ型半導体多層膜反射鏡
３０：コンタクト層 ３２：絶縁部
３４：レーザ素子部 ３６：上部ｐ側電極
３８：出射窓 ４０：引き出し配線
４２：電極パッド ５０：光吸収熱変換領域
６０：反射ミラー ６２：レンズ
７０：照射用半導体レーザ ７２：集光レンズ
７４：照射用レーザ素子部 ７６：反射鏡
８０：サーミスタ ９０：抵抗体
２０１：GaAs半導体基板 ２０３、２０６：ＤＢＲ層
２０４：活性層 ２０５：ｐ型ＡｌＡｓ層
２０９：コンタクト電極 ２１０：開口部
２１１：保護膜 ２１３：ビア
２１４：ポスト ２１５：酸化層
２１６：層間絶縁膜 ２１７：コンタクトホール
２１８：ｐ配線電極 ２１９：光吸収変換物質
２２０：光吸収変換層

Claims (21)

  1. 基板上に、第一導電型の多層膜反射鏡、活性層、および第二導電型の多層膜反射鏡とを含むレーザ素子部が形成された面発光型半導体レーザ装置であって、
    前記基板上の前記レーザ素子部と熱的に結合される位置に、光を吸収し発熱する光吸収熱変換領域と、前記レーザ素子部から発せられたレーザ光の一部を前記光吸収熱変換領域に照射する光学部品とを有する、面発光型半導体レーザ装置。
  2. 基板上に、第一導電型の多層膜反射鏡、活性層、および第二導電型の多層膜反射鏡とを含むレーザ素子部が形成された面発光型半導体レーザ装置であって、
    前記基板上の前記レーザ素子部と熱的に結合される位置に、光を吸収し発熱する光吸収熱変換領域と、前記光吸収熱変換領域にレーザ光を出射する照射用レーザ素子とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
  3. 前記照射用レーザ素子は、前記レーザ素子部と同一の基板上に形成される、請求項２に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  4. 面発光型半導体レーザ装置はさらに、前記照射用レーザ素子からの光を前記光吸収熱変換領域に照射するための光学部品を有する、請求項２または３に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  5. 前記照射用レーザ素子は、サーミスタと並列に接続される、請求項２ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  6. 前記照射用レーザ素子は、抵抗体と直列に接続される、請求項２ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  7. 前記光学部品は反射鏡を含む、請求項１または４に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  8. 前記光学部品は集光レンズを含む、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  9. 前記光吸収熱変換領域は、光を吸収して熱に変換する化合物を含む、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  10. 前記化合物は、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金、Ｓｂ金属、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ合金、Ａｇ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｖ合金、ニオブ酸リチウム、またはメチルニトロアニリンのいずれか１つを含む、請求項９に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  11. 前記化合物は、５０乃至１００ｎｍの膜厚を有する、請求項９または１０に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  12. 前記光吸収熱変換領域は、基板または半導体層をイオン打ち込みによって変質させた領域である、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  13. 前記光吸収熱変換領域は、基板または半導体層を混晶化させた領域である、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  14. 前記光吸収熱変換領域は、基板上の半導体層を除去して形成された溝内に形成される、請求項１ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  15. 前記溝は、基板上の活性層に至るまでの深さを有する、請求項１４に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  16. 前記レーザ素子部は、基板上に形成されたポスト構造を有し、前記溝は、前記ポスト構造に隣接している、請求項１４または１５に記載の面発光型半導体レーザ装置。
  17. 前記基板は、ＧａＡｓ半導体から構成され、前記第一導電型の多層膜反射鏡および第二導電型の多層膜反射鏡は、ＡｌＧａＡｓの半導体層を含む、請求項１ないし１６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置。
  18. 請求項１ないし１７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置と、当該レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
  19. 請求項１ないし１７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置と、当該装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
  20. 請求項１ないし１７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置と、当該装置から発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
  21. 請求項１ないし１７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ装置と、当該装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
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