JPH01189183A - 集積型半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 皮亙欠Ｉ 本発明は、集積型半導体発光素子に関する。

従来技術 従来、例えばレーザダイオード、あるいは発光ダイオー
ド等の端面発光型半導体デバイスで発光した光出力を光
ファイバや光導波路に結合する場合、デバイスの発光層
からの光出力のビー　ムの広がり角が発光層に対して水
平方向と垂直方向とで異なるため、シリンドリカルレン
ズで修正を行い、その後に集光レンズを使用して所望の
光導波路に結合していた。したがって、光出力を光導波
路に結合するまでに使用されるレンズ系の数が多くなる
ため、光軸の調整が複雑になり、その調整のための微動
装置が必要となっていた。また、レンズ系の数が多くな
ることから、外部からの振動に対して弱いという欠点が
あった。さらに、レンズ系の配置により、レンズと導波
路において空気との境界面が多数存在することになるた
め、その境界面での反射損失を無視することができなく
なるという問題があった。

これらの問題を解決するため、導波路の端面にレーザダ
イオードを接近させるという提案がされているが、この
場合には位置合せが困難となり、光の結合効率が数％以
下になるという問題が生じていた。

目　　　的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、光源と導
波路を一体構造にすることにより、高効率の光結合を得
ることができる集積型半導体発光素子を提供することを
目的とする６ 構　　成 本発明は上記の目的を達成させるため、基板の上に複数
の半導体層が積層された集積型半導体発光素子において
、この素子は、半導体基板の主表面の第１の領域に、基
板に対して平行な方向に形成された発光領域を含み、発
光領域の一部が露出した光出力面を有する発光手段が形
成され、半導体基板の主表面の第２の領域には、発光領
域で発光した光を所望の方向に伝搬する石英系材料から
なる導波手段が形成され、導波手段が発光手段の光出力
面に接着して形成されていることを特徴としたものであ
る。以下、本発明の一実施例に基づいて具体的に説明す
る。

第１図には、本発明による集積型半導体発光素子の一実
施例の上面図が示されている。また第２図および第３図
には、第１図の素子を２１０面側からみた正面図、およ
び第１図の素子を　工〜■で切断した断面図が示されて
いる。

第３図の断面図かられかるように、この実施例の構造は
、基板１０１のＡ部に発光部２００が形成され、エツチ
ングによる底面２１１の基板１０１のＢ部には導波層２
５１が形成され、導波層２５１の一部が発光部２００の
積層部の上面の一部を覆うように形成されている。発光
部２００は、発光層１０３を含み、本実施例においては
通常のタプルへテロ構造を有している０発光部２００の
導波層２５】側の端面は、エツチングによって発光領域
が露出されており、発光出力面２１２を形成している。

なお、発光出力面２１２の形成は、例えば化学エツチン
グ、反応性イオンエツチング、あるいは反応性イオンビ
ームエツチングなど種々のエツチング方法によって行う
ことができる。

導波層２５１は、例えば酸化シリコン、あるいは窒化シ
リコンなどの石英系の材料によって形成されている。し
たがって、エツチングによる底面２１１の基板１０１の
一部、および発光出力面２１２の一部は、上記の石英系
の材料によって被覆されていることになる。

以上の構造を有することにより、発光部２００の発光層
１０３で発光した光は、発光出力面２１２を通り、導波
層２５１に直接結合される。このように本実施例の構造
では、発光層１０３と導波層２５１の間に空気との界面
が１面も存在しないため、出力光を高効率で導波層２５
１に伝搬させることができ　Ｉる。また、従来のように
出力光を光導波路に結合するまでに使用されるレンズ系
を必要としないため、光軸の調整の必要もなく、その調
整機構がないため、発光部２００の配置を約数１０〜Ｊ
ａ１００ｗ１１に近接させることが可能となり、しかも
外部からの振動に強い。

第４図には、本実施例を適用した集積型半導体発光素子
の他の例が示されている。この例では、光出力を有効に
利用するため、第１図〜第３図に示されている素子（以
下、第１の実施例の素子と称する）における発光部２０
０の導波層２５１が形成されている面と反対側の面、つ
まり発光出力面２１２と反対側の面２２０全体に高い反
射率を有するコーティング２７１（以下、高反射率コー
ティング２７１と称する）が施されている。

このように発光部２００の面２２０全体に高反射率コー
ティング２７１が施されていることから、発光層１０３
で発光した光の面２２０からの光出力を導波層２５１側
の発光出力面２１２から取り出すことができるため、高
い出力動作が可能となる。また、例えば発光部２００が
レーザダイオードの場合には、導波層２５１側の端面の
反射率が導波層の材料により低下し、しきい値電流が上
昇する恐れがあるが、高反射率コーティング２７１が形
成されることによって、しきい値電流の上昇を抑制させ
ることができる。

なお、高反射率コーティング２７１は、例えばＡｕ、　
ＡＩなどの金属反射鏡や、ＭｇＦ２とＺｎＳ、あるいは
ａ−ＳｉとＡｌ２Ｏ３などの組み合わせからなる誘電体
多層膜鏡などを使用することができる。

第５図には、本実施例を適用した集積型半導体発光素子
の他の例が示されている。この例では、第１の実施例の
素子の導波層２５１が屈折率の異なる３層によって形成
されている。導波層２５１は、屈折率の大きい石英系の
導波材料か″らなる層２５２が、層２５２の屈折率に比
べて小さい屈折率を有する石英系の導波材料からなる層
２５３に挟み込まれるように形成されている。

この例の構造によれば、屈折率の高い層２５２に光の強
度のピークを存在させることが可能となる。つまり、層
２５２が光の導波層となり、基板面２１４と、導波層２
５１の上面２１３では光の強度が弱くなるため、光の散
乱損失を少なくすることができ、安定した導波を実現さ
せることができる。

したがって、例えば第４図に示した装置では、光源から
の光が基板面２１４と、導波層２５１の上面２１３で散
乱が起こり、伝搬につれて生じる光の減衰が大きくなる
可能性があることから、素子の使用用途が限られるとい
った問題点を残すが、この例の構造ではこのような問題
が解決される。

第６図には１本実施例を適用した集積型半導体発光素子
の他の例が示されている。この例では。

第１の実施例の素子５００がマウント１７５の主表面に
固着され、導波層２５１を含む一方の端面に耐摩耗性の
窓材料２７０が接着されている。

この例の構造によれば、例えばこの素子を印字用の光源
に使用した場合には、光源を印字する用紙に直接接触さ
せることが可能となる。

なお、窓材料２７０は光源からの光に対して十分に透明
であることが必要であり、例えば厚さが約１１００ｕＬ
程度の硬化ガラスなどの材料を使用することができる。

第７図には、第１の実施例の素子をプリンタ用ヘンドに
応用した例が示されている。この例では図からも明らか
なように、第１の実施例の素子５００がアレー状に配置
されている。この構造では、素子５００のアレー幅をプ
リンタ用紙の幅にすることにより、可動部分のないプリ
ンタヘッドを実現させることが可能となる。また、発光
部２００からの光が導波層２５１によって導かれるーた
め、発光部２００の配置の自由度が増し、例えば導波層
２５１のバターニングにより、同一の発光部アレーから
異ったピッチの出力端面を得ることができる。なお、こ
の例の素子５００は、第１の実施例の素子だけでなく、
本発明の他の実施例の素子を適用できることはいうまで
もない。

第８Ａ図〜第８Ｄ図には、第１の実施例の素子の製造工
程の一例が示されている。

まず、半導体基板１０１の上に発光部２００を構成する
半導体積層体２４０を成長させる（第８Ａ図）。

次に、フォトリングラフィとエツチング技術によって、
導波層形成部２５４と発光部２００とを形成させる（第
８Ｂ図）。

導波層形成部２５４である基板面、および発光部２００
の上面に、例えば電子ビーム蒸着法やプラズマＧＶＤ法
などの方法により、前述した石英系の導波材料を堆積さ
せる（第８Ｃ図）。

次に１発光部２００の上面に形成された石英系の導波材
料を図中の０部についてエツチングを行い、除去する（
第８Ｄ図）、このエツチングにより、発光部２００への
電流注入が可能になる。なお、このエツチングは、）Ｉ
Ｆ系のエンチャントを使用することができる。上記エツ
チングの後、第８Ｄ図に示したＩＩ−ＩＩによって切断
することによって、第１の実施例の素子を得ることがで
きる。

なお、第１の実施例の素子の製造工程は、第８Ａ図〜第
８Ｄ図に示した製造工程だけでなく、他の製造方法、あ
るいは他の製造の順番によって行うことができることは
いうまでもない。

参考のため、レーザダイオードからの光を導波路に結合
する従来の機構の一例が第９図に示されている。図をみ
るとわかるように、この従来例ではレーザダイオード１
、シリンドリカルレ〉・ズ２、集光レンズ４、および導
波路５で構成され、図に示されているように配置されて
いる。この装置の場合、光源であるレーザダイオード１
の発光層２で発光した光は、そのビームの広がり角が発
光層に対して水平方向と垂直方向とで異なるため、シリ
ンドリカルレンズ３で修正を行い、その後に集光レンズ
４を通すことによって所望の光導波路に結合していた。

このように従来の素子を使用する場合には、光出力を先
導波路に結合するまでに使用されるレンズ系の数が多く
なるため、光軸の調整が複雑になり、その調整のための
微動、装置が必要となっていた。また、レンズ系の数が
多くなることから、外部からの振動に対して弱いという
欠点があった。さらに、レンズ系の配置により、レンズ
と導波路において空気との境界面が多数存在することに
なるため、その境界面での反射損失を無視することがで
きなくなるという問題があった。

しかし、第１図〜第８図に示された本発明による素子に
よれば、石英系の材料からなる導波層２５１が発光部２
００の発光出力面２１２に直接接合されているため、発
光部２００の発光層１０３で発光した光は、発光出力面
２１２を通り、導波層２５１に直接結合される。したが
って、発光層１０３と導波層２５＋の間に空気との界面
が１面も存在しないため、出力光を高効率で導波層２５
１に伝搬させることができる。また、従来のように出力
光を先導波路に結合するまでに使用されるレンズ系を必
要としないため、光軸の調整の必要もなく、その調整機
構がないため、発光部２００の配ごを数１０〜数１ＯＯ
ｕＬ１１に近接させることが可能となり、しかも外部か
らの振動に強い。さらに、本発明の素子をアレー状に配
置し、例えばプリンタヘッドに適用した場合には、出力
端面でのピッチの自由度が増加し、プリンタの用紙に直
接接触させて印字することができるプリンタヘッドを実
現させることができる。

なお、本発明における構造は、すべての化合物半導体発
光材料を使用することが可能であり、また本実施例に示
された素子以外の従来の端面発光型発光ダイオード、あ
るいはレーザダイオードの構造に適用できることはいう
までもない。

肱−ヌ 本発明によれば、発光領域を含む発光部と、発光部の発
光領域で発光した光を伝搬させる導波路が同一基板上に
形成され、発光部の発光領域と、導波路とが接着して形
成されているため、発光領域で発光した光を導波層２５
１に直接結合させることができ、しかも発光領域と導波
層の間に空気との界面が１面も存在しないことから、出
力光を高効率で導波層に伝搬させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による集積型半導体発光素子の一実施
例を示す上面図、 第２図は、第１図に示された集積型半導体発光素子の一
方の面の正面図、 第３図は、第１図に示された集積型半導体発光素子を　
１−１で切断した断面図、 第４図〜第６図は、本発明による集積型半導体発光素子
の他の例を示す断面図、 第７図は、第１図に示された集積型半導体発光素子をプ
リンタヘッドに適用した場合の上面図、第８Ａ図〜第８
Ｄ図は、第１図に示された集積型半導体発光素子の製造
工程を示す断面図。 第９図は、レーザダイオードからの光を導波路に結合す
る従来の機構の一例を示す概略図である。 要部　の符号の説明 １０１　、　、　、基板 １０３　、　、　、発光層 ２００　、　、　、発光部 ２５１　、　、　、導波層 一一一 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８Ａ図 −一一上−一、−一一一辷一一、 第８Ｃ図 第８Ｄ図 ―■ 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板の上に複数の半導体層が積層された集積型半導
   体発光素子において、 該素子は、前記半導体基板の主表面の第１の領域に、該
   基板に対して平行な方向に形成された発光領域を含み、
   該発光領域の一部が露出した光出力面を有する発光手段
   が形成され、 前記半導体基板の主表面の第２の領域には、該発光領域
   で発光した光を所望の方向に伝搬する石英系材料からな
   る導波手段が形成され、 該導波手段が前記発光手段の光出力面に接着して形成さ
   れていることを特徴とする集積型半導体発光素子。