JPH05327131A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体レーザからの出射光をフォトディテク
タ基板法線方向に出射するとともに、半導体レーザとフ
ォトディテクタを同一平面上に配置することにより組立
精度を向上することを目的とする。 【構成】 〈１１０〉方向を軸とし、１〜１１°のオフ
アングルを有する（５１１）面シリコン基板１０、ある
いは４〜１４°のオフアングルを有する（１００）面シ
リコン基板１０に、（１１１）面の斜面をもつ段差１１
あるいは４つの斜面に囲まれた四角錐台状凹部を形成
し、４つの斜面のうち４５°に近い方の斜面を反射ミラ
ー面１２とし、この面１２に対向する位置で凹部底面上
に半導体レーザチップ１３の前端面がほぼ平行になるよ
うに配置し、レーザ出射光が反射面で反射されてシリコ
ン基板主面法線方向に出射されるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理，光計測，
光通信等に用いる半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体レーザ装置を図１０に示し
た断面図を参照して説明する。

【０００３】この構造は、素子固定台１の一側面の上方
にヒートシンク２を固定し、この上に半導体レーザチッ
プ（以後レーザチップと記す）３を固定し、レーザチッ
プ３の発光面とヒートシンク２の側面および素子固定台
１の上面を揃えるとともに、レーザチップ３の発光面と
は反対側にレーザ出力光検出用フォトダイオード４が載
置され、素子固定台１の上面に信号検出用フォトダイオ
ード５が載置されたものである。

【０００４】次に、この構造の動作を説明する。レーザ
チップ３から図面の上方に出射された出射光６は、対象
物に反射されて反射光７として信号検出用フォトダイオ
ード５に入力され、信号処理される。一方、レーザチッ
プ３の出射光面の反対側から出射されるレーザ光は、レ
ーザ出力光検出用フォトダイオード４に入力され、レー
ザ光の強弱に対応した電流信号に変換される。この信号
をレーザチップ駆動回路にフィードバックさせてレーザ
光の出力を安定に制御する。

【０００５】この従来の構成では、信号検出用フォトダ
イオード５とレーザ出力光検出用フォトダイオード４は
素子固定台１に対して水平と水平に近い面内に固定させ
るのに対して、レーザチップ３は垂直面内に固定しなけ
ればならないので、組立作業効率が悪く、位置合わせ精
度に大きな問題があった。

【０００６】この問題を解決する構造として、図１１の
断面図に示すような半導体半導体レーザ装置がある。

【０００７】この構造は、（１００）面のシリコン基板
８に、両側の斜面が（１１１）面により形成されるＶ状
の溝が形成され、その溝の斜面のうち一方の面をレーザ
出射光を反射させる反射ミラー面９とし、これに対向す
る面側のシリコン基板８の主面を他方の主面に対して低
くし、低くしたシリコン基板８の主面とＶ状の溝の斜面
とが交わる稜線にレーザチップ３のレーザ光が出射され
る前方端面が平行になるようにレーザチップ３が固定さ
れたものである。

【０００８】この構造によれば、レーザチップ３より水
平方向に出射された出射光を反射ミラー面９で反射させ
て、ほぼ上方へ取り出すことができる。これにより、信
号検出用フォトダイオード（図示せず）やレーザ出力検
出用フォトダイオード（図示せず）をシリコン基板８の
主面に形成することができ、フォトリソグラフィ技術に
より精度良く作り込むことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の構成
では、例えば図１０の構成の場合、信号検出用フォトダ
イオード５とレーザ出力光検出用フォトダイオード４は
素子固定台１に対して水平と水平に近い面内に固定させ
るのに対して、レーザチップ３は垂直面内に固定しなけ
ればならないので、組立工程が煩雑になり、組立作業効
率が悪く、位置合わせ精度が良くないという大きな問題
であった。

【００１０】また、図１１に示される構成では（１０
０）面のシリコン基板８に、斜面が（１１１）面により
形成されるＶ状の溝を形成した場合、溝の反射ミラー面
９とシリコン基板８の表面に対する傾きθが約５４°と
なるため、出射光の中心軸はシリコン基板主面の垂直方
向より約１８°傾いてしまうという課題があった。

【００１１】本発明は上記課題を解決するもので、レー
ザ光の出射方向の位置合わせが簡単で、組立時の角度補
正、組立工程の容易な半導体レーザ装置を提供すること
を目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の半導体レーザ装置は、〈１１０〉方向を軸と
して１〜１１°のオフアングルを有する（５１１）面の
シリコン基板上に、〈１１０〉方向を稜線方向として
（１１１）面を斜面とする段差が形成され、この（１１
１）斜面をレーザ光を反射する反射ミラー面とし、上記
段差の底面上で前記反射ミラー面に対向する位置に、上
記段差の稜線に対して半導体レーザチップの前方端面が
ほぼ平行になるように上記半導体レーザチップが配置さ
れた構成を採用する。また、上記反射ミラー面内のシリ
コン基板上もしくは上記半導体レーザチップの後方の上
記シリコン基板上にレーザ出力光検出用フォトダイオー
ドが形成された構成や、上記シリコン基板上に信号検出
用フォトダイオード，レーザ駆動回路，増幅回路および
光信号処理回路のうち１以上が形成された構成を採用す
る。

【００１３】

【作用】この構成によれば、シリコン基板の主面が（１
００）面より４〜１４°オフアングルを設けた面、ある
いは（５１１）面より１〜１１°のオフアングルを設け
た面になっているため、（１１１）面により形成された
段差斜面はシリコン基板主面との角度θを４０°≦θ≦
５０°の範囲にすることができ、半導体レーザチップか
ら出射されて反射ミラー面で反射された後のレーザ光の
中心軸をシリコン基板主面に対してほぼ垂直方向にする
ことができる。

【００１４】また、半導体レーザチップを載置するヒー
トシンク用のシリコン基板内に、レーザ出力光検出用フ
ォトダイオード，信号検出用フォトダイオード，レーザ
駆動回路，増幅回路および光信号処理回路が形成されて
いるため、これらを個別に配置する構成に比べて部品点
数を削減できるとともに組立時の角度補正や組立工程の
複雑さをなくすることができるため、低コスト化を図る
ことができる。

【００１５】

【実施例】本発明の第１の実施例である半導体レーザ装
置を図１（ａ），（ｂ）に示した斜視図と断面図を参照
して説明する。

【００１６】これは、〈１１０〉方向を回転軸として約
９°のオフアングルを持たせた（１００）面シリコン基
板１０上に、稜線が〈１１０〉方向に平行であり斜面が
（１１１）面により形成される段差１１が形成されてお
り、この段差斜面を反射ミラー面１２とし、この反射ミ
ラー面１２に対向する位置で段差底面上に半導体レーザ
チップ１３の前方端面が平行になるようにレーザチップ
１３を固定した構造である。この構造において、稜線が
〈１１０〉方向に平行な（１１１）面はシリコン基板１
０の場合基板表面に対して約４５°と約６３°の２種類
が考えられるが、ここでは約４５°の（１１１）面が斜
面として形成されている段差を示している。この様な
（１１１）斜面を有する段差１１は、シリコン基板１０
に酸化膜エッチングマスクを形成し、水酸化カリウム水
溶液やエチレンジアミンなどの異方性エッチング溶液で
エッチングすることにより容易に実現することができ
る。

【００１７】なお、反射ミラー面１２の表面には３００
０〜５０００Åの金薄膜１４が形成されており、ミラー
の反射率は９０％以上になっている。この構造により、
レーザチップ１３から水平方向に出射されたレーザ光の
うち主要部分は光路５に示すように反射ミラーで反射さ
れて垂直あるいは垂直方向に近い方向へ進み、出力光と
して取り出される。

【００１８】なお、この実施例においてはレーザチップ
１３は結晶成長面側（発光部側）が上側になるようには
んだ材で固定されているが、レーザチップ１３自身の厚
みは作製ばらつきが±２０μｍと大きいため、この構造
では発光点位置のばらつきがその分だけ大きくなる。従
って図２に示すようにレーザチップ１３を結晶成長面側
を下側にして固定すれば発光位置ばらつきがレーザチッ
プ１３の結晶成長薄膜ばらつき（±２μｍ程度）に抑え
られ、より効果的である。このことは以後記述する実施
例についても同様である。

【００１９】また、シリコン基板１０の表面として〈１
１０〉方向を軸として約９°のオフアングルを持たせた
（１００）面を使用したが、実際使用上４〜１４°のオ
フアングルを持たせた（１００）面を使用したが、実際
使用上４〜１４°のオフアングルを有する（１００）面
のものでも、反射ミラー面１２のシリコン基板１０の表
面に対する傾きθを４０°≦θ≦５０°の範囲におさえ
ることができ、ほぼ４５°に近い反射ミラー面１２が得
られるため、同様の効果が得られる。また、このシリコ
ン基板１０と等価なシリコン基板として〈１１０〉方向
を軸として１〜１１°のオフアングルを有する（５１
１）基板や、その他の結晶面から適当なオフアングルを
設定して等価な基板を採用することにより同様の効果が
得られる。このことは後に述べる他の実施例においても
同じことが言える。

【００２０】次に、本発明の第２の実施例である半導体
レーザ装置について図３に示した斜視図を参照して説明
する。

【００２１】これは、図１で説明したオフアングルを設
けた（１００）面のシリコン基板１０の上に４つの（１
１１）面に囲まれた四角錐台状の凹部１６が形成され、
前記４つの（１１１）面のうちシリコン基板１０の表面
に対する傾き４５°に一番近い方の面をレーザ光を反射
させる反射ミラー面１７とし、この面に対向する位置で
四角錐台状の凹部１６の底面上に、反射ミラー面１７の
上端稜線１８に対してレーザチップ１３の前方端面が平
行になるようにレーザチップ１３が固定された構造であ
る。なお、反射ミラー面１７やレーザチップ１３の構造
は図１で説明した通りである。

【００２２】この構造により、レーザチップ１３から水
平方向に出射されたレーザ光のうち主要部分は光路１９
に示すように反射ミラー面１７で反射されて垂直あるい
は垂直に近い方向へ進み、出力光として取り出される。

【００２３】次に、本発明の第３の実施例である半導体
レーザ装置について図４に示した断面図を参照して説明
する。

【００２４】これは、〈１１０〉方向を回転軸として約
９°のオフアングルを持たせた（１００）面のｐ型シリ
コン基板２０上に、図１で示した段差あるいは図３で示
した四角錐台状凹部が形成され、この段差あるいは凹部
のシリコン基板２０の表面に対する傾きが４５°に一番
近い方の面をレーザ光を反射させる反射ミラー面２１と
し、この面のｐ型シリコン基板２０側にｎ型の拡散領域
２２が形成され、反射ミラー面２１の上に絶縁用の酸化
シリコン膜２３と金薄膜２４が積層され、反射ミラー面
２１の上端稜線に対してレーザチップ１３の前方端面が
平行になるようにレーザチップ１３がシリコン基板２０
の段差あるいは凹部の底面上に固定された構造である。

【００２５】なお、金薄膜２４の膜厚を２００〜１００
０Åとして半透過膜とし、レーザ光の一部がｐ型シリコ
ン基板２０とｎ型拡散領域２３とで構成されたフォトダ
イオードに入射されるようになっている。

【００２６】この構造により、レーザチップ１３から水
平方向に出射されたレーザ光は、一部は金薄膜２４で形
成された半透過膜を通過してフォトダイオードに入射さ
れ、残りは半透過膜で反射されて光路２５に示すように
垂直あるいは垂直に近い方向に進み、出力光として取り
出される。

【００２７】なお、フォトダイオードに入射された光
は、その光強度に応じて電流信号に変化され、この電流
信号がレーザチップ駆動回路に帰還されてレーザ光の出
力を一定にさせるのに使用される。また、ｐ型シリコン
基板２０と拡散領域２２の導電型を反転しても同様の効
果が得られる。

【００２８】次に本発明の第４の実施例である半導体レ
ーザ装置について図５に示した断面図を参照して説明す
る。

【００２９】これは、〈１１０〉方向を回転軸として約
９°のオフアングルを持たせた（１００）面のｐ型シリ
コン基板２０上に、図１で示した段差あるいは図３で示
した四角錐台状凹部が形成され、この段差あるいは凹部
のシリコン基板２０の表面に対する傾きが４５°に一番
近い方の面をレーザ光を反射させる反射ミラー面２１と
し、この反射ミラー面２１の上端稜線に対してレーザチ
ップ１３の前方端面が平行になるようにレーザチップ１
３がシリコン基板２０の段差あるいは凹部の底面上に固
定され、レーザチップ１３の後方のｐ型シリコン基板２
０上にｎ型拡散領域２６が形成された構造である。

【００３０】ｐ型シリコン基板２０とｎ型拡散領域２６
で形成されるフォトダイオードは、レーザチップ１３の
後端面から出射されたレーザ光を受光し、その光強度に
応じて変化した電流信号を発生させる。この電流信号を
レーザチップ駆動回路に帰還させて、レーザチップ１３
の前端面から出射されるレーザ光の強度を一定にさせる
モニタ用として利用される。この効果はシリコン基板と
拡散領域の導電型を反転しても同様である。

【００３１】なお、レーザチップ１３の前端面から水平
方向に出射されたレーザ光は、金薄膜が被覆された反射
ミラー面２１で反射されて垂直あるいは垂直に近い方向
に進み、出力光として取り出される。

【００３２】なお、２７はレーザチップ１３後端面より
出射されたレーザ光の光路、２８はレーザチップ１３前
端面より出射されたレーザ光の光路を示す。

【００３３】次に、本発明の第５の実施例である半導体
レーザ装置について図６に示した斜視図を参照して説明
する。

【００３４】この構造は、〈１１０〉方向を回転軸とし
て約９°のオフアングルを持たせた（１００）面のｐ型
シリコン基板２０上に斜面が（１１１）面により形成さ
れる四角錐台状凹部１６が形成され、これらの斜面のう
ちシリコン基板２０の表面に対する傾きが４５°に近い
方の面を反射ミラー面１７とし、この面に対向する位置
で四角錐台状凹部底面上に、反射ミラー面１７の上端稜
線に対してレーザチップ１３の前方端面が平行になるよ
うにレーザチップ１３が固定され、レーザチップ１３の
後方にｎ型拡散領域を形成することによりレーザ出力光
検出用フォトダイオード２９が形成され、さらにシリコ
ン基板２０上に信号検出用フォトダイオード３０が形成
されたものである。

【００３５】この構成により、レーザチップ１３の前端
面から水平方向に出射されたレーザ光は、金薄膜が被覆
された反射ミラー面１７で反射されて光路１９に示すよ
うに垂直あるいは垂直に近い方向に進み、出力光として
取り出される。この出力光が対象物で反射された信号光
３１は、信号検出用フォトダイオード３０に入力され、
信号処理される。一方、レーザチップ１３の後端面より
出射されたレーザ光は、レーザ出力光検出用フォトダイ
オード２９に入力され、光強度に応じた電流信号に変換
される。この電流信号がレーザチップ駆動回路に帰還さ
れて、レーザチップ１３の前端面より出射されたレーザ
光の出力を一定にさせるのに利用される。

【００３６】この構造によれば、レーザ出力光検出用フ
ォトダイオード２９と信号検出用フォトダイオード３０
を同一シリコン基板２０上に形成しているので小型に集
積化することができる。

【００３７】なお、実施例ではレーザ出力光検出用と信
号検出用のフォトダイオード２９，３０を示したが、こ
れに限られることはなく、フォトダイオードから得られ
る信号の増幅回路、レーザチップ１３の駆動回路および
光信号処理回路等を同一シリコン基板２０上に形成する
ことができる。またこれらの効果はシリコン基板と拡散
領域の導電型を反転しても同様である。

【００３８】次に、本発明の第６の実施例である半導体
レーザ装置について図７に示した断面図を参照して説明
する。

【００３９】この実施例は、図６の実施例で示した半導
体レーザ装置をパッケージ３２に配置し、さらにパッケ
ージ３２上部にホログラム光学素子３３を配置すること
により、ホログラム光学素子３３をも一体化した半導体
レーザ装置である。ホログラム光学素子が近接配置され
ているので半導体レーザチップ１３およびフォトダイオ
ード２９，３０に対して位置合わせがしやすく、精度を
向上することができる。なお、図８に示すように、ホロ
グラム光学素子３３をシリコン基板２０に直接配置する
ことにより、より位置合わせが行いやすく効果的であ
る。また、ここではホログラム光学素子３３を例に挙げ
たが、図９に示すように対物レンズやプリズム、偏光板
等の光学素子３４を用いても同様の効果が得られる。

【００４０】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように本発明
の半導体レーザ装置は、〈１１０〉方向を軸として４〜
１４°のオフアングルを有する（１００）面のシリコン
基板、あるいは〈１１０〉方向を軸として１〜１１°の
オフアングルを有する（５１１）シリコン基板を用い
て、（１１１）面からなる斜面をもつ段差あるいは四角
錐台状の凹部を形成し、この（１１１）面のうち一つは
シリコン基板の表面に対する傾きが約４５°となり、こ
の面を反射ミラー面としているので、半導体レーザチッ
プから水平方向に出射されたレーザ光は反射ミラー面で
反射されて、ほぼ垂直方向に取り出すことができ、出射
方向の位置合わせが容易な半導体レーザ装置を提供でき
る。

【００４１】また、半導体レーザチップを載置するヒー
トシンク用のシリコン基板上に、レーザ出力光検出用フ
ォトダイオード，信号検出用フォトダイオード，レーザ
駆動回路，増幅回路および光信号処理回路のうち１つ以
上が形成されているため、集積化されるとともに組立時
の角度補正や組立工程の複雑さをなくすことができ、低
価格の半導体レーザ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例における半導体
レーザ装置の斜視図 （ｂ）は（ａ）の半導体レーザ装置の断面図

【図２】図１の半導体チップを結晶成長面側を下側にし
て固定した半導体レーザ装置の断面図

【図３】本発明の第２の実施例における半導体レーザ装
置の斜視図

【図４】本発明の第３の実施例における半導体レーザ装
置の断面図

【図５】本発明の第４の実施例における半導体レーザ装
置の断面図

【図６】本発明の第５の他の実施例における半導体レー
ザ装置の斜視図

【図７】本発明の第６の実施例における半導体レーザ装
置の断面図

【図８】図７のホログラム光学素子をシリコン基板に直
接配置した半導体レーザ装置の断面図

【図９】図８のホログラム光学素子の代りに対物レン
ズ，プリズムまたは偏光板等の光学素子を配置した半導
体レーザ装置の断面図

【図１０】従来の半導体レーザ装置の断面図

【図１１】従来の他の半導体レーザ装置の断面図

【符号の説明】

１０ シリコン基板 １１ 段差 １２，１７，２１ 反射ミラー面 １３ 半導体レーザチップ １４，２４ 金薄膜 １５，１９，２５ 光路 １６ 四角錐台状凹部 １８ 反射ミラー面の上端稜線 ２０ ｐ型シリコン基板 ２２，２６ ｎ型拡散領域 ２３ 酸化シリコン膜 ２７ レーザチップ後端面より出射されたレーザ光の光
路 ２８ レーザチップ前端面より出射されたレーザ光の光
路 ２９ レーザ出力光検出用フォトダイオード ３０ 信号検出用フォトダイオード ３１ 信号光 ３２ パッケージ ３３ ホログラム光学素子 ３４ 偏光板の光学素子

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 〈１１０〉方向を軸として４〜１４°の
   オフアングルを有する（１００）面のシリコン基板と、
   そのシリコン基板上の所定部に形成された〈１１０〉方
   向を稜線方向として（１１１）面を斜面とする段差部
   と、その段差部の底面上で前記（１１１）面からなる反
   射ミラー面に対向する位置に前記段差部の稜線に対して
   前方端面がほぼ平行になるように配置された半導体レー
   ザチップとを有することを特徴とする半導体レーザ装
   置。
2. 【請求項２】 〈１１０〉方向を軸として４〜１４°の
   オフアングルを有する（１００）面のシリコン基板に代
   えて、〈１１０〉方向を軸として１〜１１°のオフアン
   グルを有する（５１１）面のシリコン基板としたことを
   特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 （１１１）面を斜面とする段差部が、４
   つの（１１１）面からなる斜面に囲まれた四角錐台状の
   凹部であり、反射ミラー面が前記４つの（１１１）面の
   うちシリコン基板表面に対する傾きが４５°に近い（１
   １１）面であり、段差部の底面上が四角錐台状の凹部の
   底面上で段差部の稜線が反射ミラー面上端稜線であるこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装
   置。
4. 【請求項４】 半導体レーザチップが結晶成長面側を接
   着面としてシリコン基板に配置されていることを特徴と
   する請求項１，２または３記載の半導体レーザ装置。
5. 【請求項５】 反射ミラー面にレーザ光の反射率を高め
   るコーティング膜が施されていることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 反射ミラー面側のシリコン基板の表面に
   レーザ出力検出用フォトダイオードが形成されているこ
   とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半
   導体レーザ装置。
7. 【請求項７】 半導体レーザチップ後方のシリコン基板
   の表面にレーザ出力光検出用フォトダイオードが形成さ
   れていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
   に記載の半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】 半導体レーザチップが固定されたシリコ
   ン基板上にレーザの駆動回路，信号検出用フォトダイオ
   ード、前記フォトダイオードから得られる信号の増幅回
   路および光信号処理回路のうち少なくとも一つが形成さ
   れていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項
   に記載の半導体レーザ装置。
9. 【請求項９】 ホログラム光学素子を追加配置したこと
   を特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導
   体レーザ装置。
10. 【請求項１０】 光学素子を追加配置したことを特徴と
    する請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ
    装置。