JPH07123175B2 - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

半導体レ−ザ装置

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JPH07123175B2
JPH07123175B2 JP21707986A JP21707986A JPH07123175B2 JP H07123175 B2 JPH07123175 B2 JP H07123175B2 JP 21707986 A JP21707986 A JP 21707986A JP 21707986 A JP21707986 A JP 21707986A JP H07123175 B2 JPH07123175 B2 JP H07123175B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は半導体レーザ装置に関し、特に発光した光を基
板に対して垂直な方向に取り出すことができ、二次元ま
たは三次元光集積回路に適用できる半導体レーザ装置に
関する。
従来技術 従来、基板の主表面に対して垂直方向に出力光を取り出
す半導体レーザ装置は、2次元あるいは3次元の光集積
回路を構成する場合に有用であり、また、平面基板と半
導体レーザからの発散性の出力光との干渉を回避する意
味からも有用とされている。
このような半導体レーザ装置としては、面発光レーザ装
置があるが、短共振器であるため、利得が十分に取れな
いという問題があり、実用化されていない。
また、他の半導体レーザ装置として、Appl.Phys.Lett.4
6(2),15 January,1985第115頁〜第117頁掲載の技術
がある。この技術は、エッチドキャビティレーザ光を基
板に垂直に取り出すようにしたものであるが、製造工程
が複雑になるという問題があった。
以上の問題を解決するために、以下のような半導体レー
ザ装置が考えられる。
すなわち、基板の一部がマスク層のパターンに対応して
異方性エッチングされ、その全体が略凹型になってお
り、エッチングされた略凹型の底部の基板上に半導体レ
ーザチップが装着された構成である。
半導体レーザチップから発光したレーザ光は、基板のエ
ッチング斜面で反射し、基板に対し垂直な方向に取り出
されるようになっている。
しかし、この基板に対し垂直な方向に取り出されたレー
ザ光を利用する場合、任意の光束を得るためには通常、
コリメータレンズを用いて平行光にしたり、他のレンズ
を用いて絞ることにより利用しなければならないため、
光源が小さい場合においても、これらのレンズにより従
来の光学系と同様にその光学系全体が大きなものになっ
てしまうという欠点があった。
目的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、発光した
レーザ光を基板に対して垂直に取り出すことができ、し
かも光学系が小型にできる半導体レーザ装置を提供する
ことを目的とする。
構成 本発明は上記の目的を達成させるため、基板と、基板の
一方の主表面に装着された半導体レーザチップとを有
し、基板に対してほぼ垂直方向にレーザ光を出力させる
ようにした半導体レーザ装置において、装置は、基板の
主表面上に積層され、突出部を含むパターンを有するマ
スク層と、マスク層のパターンに従いエッチングされて
形成された凹部と、凹部上に突出するマスク層の突出部
に形成されたレンズとを有し、半導体レーザチップで発
光し、半導体レーザチップの一方の端面から出力された
レーザ光を特定の角度でエッチングされた凹部のエッチ
ング面の一部で反射させ、さらにレンズを通すことによ
り、任意の光束として取り出せることを特徴としたもの
である。
以下、本発明の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装置を適用したレンズ集積化半
導体レーザ装置の一実施例の断面構造が示されている。
SiまたはGaAs等の単結晶材料からなる基板1の一方の主
表面上にマスク層2が積層され、マスク層2は、その一
部が除去され、本装置の機能に必要なパターンが形成さ
れている。
マスク層2のパターンに従い、異方性エッチングにより
基板1の一部が除去され、基板1には平坦な底部10と底
部10から上表面へ延在する一定角度θ=54.74°の斜面1
1および12により凹部13が形成されている。
更に、異方性エッチングにより除去された基板1の底部
10には、エピタキシャル成長により作成された半導体レ
ーザチップ3が装着されている。
また基板1のエッチング時のアンダーカットによりマス
ク層2の一部が凹部の斜面11上部に張り出した突出部21
が形成されており、突出部21の表面にはグレーティング
レンズ21aが形成されている。
半導体レーザチップ3において発光し、基板1の斜面11
に対向する半導体レーザチップ3の端面3aから出力した
レザー光は、斜面11によって基板1の主表面に対して垂
直な方向に反射され、マスク層2の突出部21の表面に形
成されたグレーティングレンズ21aを通ることにより、
任意の光束として取り出される。
本実施例によれば、基板1が異方性エッチングにより一
定角度θ=54.74°の斜面11を形成しているから、半導
体レーザチップ3で発光したレーザ光を斜面11で反射さ
せることにより、基板1の主表面に対して垂直に取り出
すことができる。
しかもアンダーカットされた基板1の上部に配置された
マスク層2の突出部21の表面にグレーティングレンズ21
aが形成されているため、基板の主表面に対して垂直に
反射されたレーザ光を任意の光束として取り出すことが
できる。
本実施例においては、グレーティングレンズ21aがマス
ク層2の突出部21に形成されているから基板1、マスク
層2から離れた位置にレンズを配設する必要がないため
光学系を小型化することができる。
なお、マスク層2のパターンとしては本実施例の他に、
例えば第4図のようなパターンも可能である。
また、マスク層2の突出部21に形成されるレンズまた
は、上記のグレーティングレンズ21aの他に球面レンズ
または非球面レンズ、フレネルレンズ等を使用すること
ができる。
第2図には、マスク層2の突出部21に形成されるレンズ
に非球面レンズ21bを形成した例が示されている。非球
面レンズ21bの材料としては、ガラス等の誘電体を使用
し、スパッタ、蒸着、化学的気相成長法(CVD)等の成
膜手段によりマスク層2の表面に堆積させて形成する。
第3図には、マスク層2の突出部21にフレネルレンズ21
cを形成した例が示されている。フレネルレンズ21cは、
ホトリソグラフィ技術によりマスク層2を直接エッチン
グすることにより形成することができる。
また、第1図のグレーティングレンズ21aおよび第3図
のフレネルレンズ21cは、マスク層2とは別に誘電体層
をマスク層2上に成膜し、成膜した誘電体層をエッチン
グして形成することもできる。
第5図から第7図(各図(a)は断面図、各図(b)は
表面図)には、第1図のレンズ集積化半導体レーザ装置
の製造方法が示されている。
まず、Si基板1の一方の主表面上にるSi3N4のマスク層
2をスパッタリングにより形成する。
なお、Si基板1の主表面としては、例えば<100>面の
結晶面を用いる。
次に、ホトリソグラフィ技術により、マスク層2の一部
を除去する(第5図(a)および第5図(b))。これ
によりマスク層2にリード状の突出部21が形成される。
次に、マスク層2の突出部21に半導体レーザ光を任意の
光束にするためのグレーティングレンズ21aを形成する
(第6図(a)および第6図(b))。
グレーティングレンズ21aは、マスク層2の突出部21の
表面にホトレジストを塗布し、2光束干渉光による露
光、パターンマスクによるUV露光、電子ビーム描画等の
露光手段で露光し、現像後にマスク層2の表面をエッチ
ングしてホトレジストを除去するホトリソグラフィ技術
により形成することができる。
なお、Si3N4のマスク層2のエッチングには、フッ酸と
フッ化アンモニウムとの混合液を使用するとSi基板1は
エッチングされず、Si3N4のマスク層2だけをエッチン
グすることができる。
次に、異方性エッチングの手法によりSi基板1をエッチ
ングする(第7図(a)および第7図(b))。
このエッチングの場合、基板1の<111>面に対しては
エッチングの速度が遅く、<100>面に対しては速くな
る。
したがって、<111>面に沿ってエッチングが進行する
ため、凹部13の側壁は<111>面からなる斜面11および1
2が形成される。また、この<111>面と<100>面と
は、一定の角度(θ=54.74°)になるように形成され
る。
このエッチングの際、マスク層2のリード状の部分であ
る突出部21の下部に形成されていた基板1は、アンダー
カットされ、その結果、グレーティングレンズ21aが形
成されている突出部21だけが凹部13の上部に張り出す構
成となる。
なお、基板1のエッチングに用いるエッチング液として
は、KOH、イソプロピルアルコール、H2Oの混合液が適当
である。
次に、別の工程で作成された半導体レーザチップ3をレ
ーザ光を出力する端面が基板1の主表面と垂直になるよ
うに凹部13の底部10に装着する。これにより、半導体レ
ーザチップ3の端面3aから出力されるレーザ光はエッチ
ングされた基板1の斜面11で<100>面に対して一定角
度の方向に反射され、突出部21に形成されているグレー
ティングレンズ21aを通るようにされる。
以上の製造方法により、第1図に示した実施例のレンズ
集積化半導体レーザ装置を製造することができる。
第2図、第3図に示す装置も、レンズの形成を除き、同
様の工程により製造することができる。なお、マスク層
2としては、Si3N4の他にSiO2、ガラス等の誘電体薄膜
を使用することができる。
また、基板1のエッチングに用いるエッチング液として
は、上述の他に、エチルジアン、パイロカテコール、H2
Oの混合液を使用することができる。
第8図には、本発明による装置に波長安定化手段を用い
た実施例が示されている。この実施例の装置は、第9図
に示したようなパターンをもつマスク層2を使用し、第
5図から第7図に示した製造方法と同様の工程により、
形成される。
この実施例においては、グレーティングレンズ21aが形
成されている突出部21と反対側のマスク層2にも突出部
22が形成されている。
半導体レーザチップ3において発光し、基板1のグレー
ティングレンズ21aが形成されている側の端面3aから出
力したレーザ光は、基板1の斜面11によって基板1に対
し一定の方向に反射され、マスク層2の突出部21の表面
に形成されたグレーティングレンズ21aを通ることによ
り、任意な光束として取り出される。
一方、半導体レーザチップ3の反対側の端面3bから出力
したレーザ光は、基板1の斜面12によって反射され、基
板1がアンダーカットされたことにより構成されたマス
ク層2の突出部22で反射して、再度斜面12によって反射
された後半導体レーザチップ3の端面3bに入射する。
以上のようにマスク層2の突出部22が、半導体レーザチ
ップ3の外部共振器を構成する。
このような構成においては、半導体レーザチップ3の端
面3bからマスク層2の突出部22までの距離は比較的短
く、数十ミクロンないし数百ミクロンと設定することが
可能であり、したがって周囲温度が変化した場合の発振
波長がモードシャンプを起さない温度範囲を広く取るこ
とができる。
本実施例によれば、マスク層2の突出部22が基板1に装
着された半導体レーザチップ3の外部共振器を構成して
いるため、例えば、基板1に装着する半導体レーザチッ
プ3が周囲の温度変化やレーザ出力の変化に伴ない発振
波長が変化するようなファブリペロ型共振器を有してい
る場合、またはレーザの応用において波長変動を小さく
しなければならないような場合において波長を安定化す
ることができる。
DFB(分布帰還)レーザのように波長安定化したレーザ
もあるが、作成が困難であり、レーザチップの入手がむ
ずかしいという問題がある。したがって、低コストのレ
ーザチップを使用する場合には、本実施例のように外部
的に波長を安定化するのが有利である。
また、以上の実施例において、レーザ光を反射させる基
板1の斜面11および12、そしてマスク層2の突出部22の
反射率を高めるために、AuまたはCu等の金属を装着する
ことができ、効率よくレーザ光を利用することができ
る。
以上の本発明によるレンズ集積化半導体レーダ装置は、
薄膜光ピックアップ等に利用することができる。
効果 本発明によれば、基板に異方性エッチングにより一定角
度の斜面を有する凹部が形成され、しかも凹部に張り出
したマスク層の突出部にレンズが形成されているため、
半導体レーザチップで発光したレーザ光を、斜面により
基板の主表面に対して垂直に反射し、マスク層の突出部
に形成されたレンズにより任意な光束として取り出すこ
とができる。
しかも、レンズを半導体レーザ装置に集積化したことに
より光学系を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による半導体レーザ装置の一実施例の
側面図、 第2図は、本発明による半導体レーザ装置の他の実施例
を示す断面図、 第3図は、本発明による半導体レーザ装置の他の実施例
を示す断面図、 第4図は、第1図に示す半導体レーザ装置の製造に用い
るマスク層のパターンの他の例を示す正面図、第5図な
いし第7図は、第1図に示す半導体レーザ装置の製造工
程を示す断面図および正面図、 第8図は、本発明による半導体レーザ装置の他の実施例
を示す断面図、 第9図は、第8図に示す半導体レーザ装置のマスク層の
パターンを示す正面図である。 主要部分の符号の説明 1……基板 2……マスク層 3……半導体レーザチップ 11、12……基板1の斜面 21a……グレーティングレンズ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と、 該基板の一方の主表面に装着された半導体レーザチップ
    とを有し、該基板に対してほぼ垂直方向にレーザ光を出
    力させるようにした半導体レーザ装置において、 該装置は、前記基板の主表面上に積層され、突出部を含
    むパターンを有するマスク層と、 該マスク層のパターンに従いエッチングされて形成され
    た凹部と、 該凹部上に突出する前記マスク層の突出部に形成された
    レンズとを有し、 前記半導体レーザチップで発光し、該半導体レーザチッ
    プの一方の端面から出力されたレーザ光を特定の角度で
    エッチングされた前記凹部のエッチング面の一部で反射
    させ、さらに前記レンズを通すことにより、任意の光束
    として取り出せることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の装置におい
    て、該装置はさらに、前記マスク層が前記半導体レーザ
    チップの他方の端面に対向する突出部を有し、 前記半導体レーザチップで発光し、該半導体レーザチッ
    プの前記他方の端面から出力されたレーザ光が特定の角
    度でエッチングされた前記凹部のエッチング面の前記マ
    スク層の突出部および前記凹部のエッチング面で順次反
    射され、再度前記他方の端面から前記半導体レーザチッ
    プに入力する外部共振器を有していることを特徴とする
    半導体レーザ装置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項または第2項に記載
    の装置において、 前記突出部に形成される前記レンズがフルネルレンズで
    あることを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項または第2項に記載
    の装置において、 前記突出部に形成される前記レンズがグレーティングレ
    ンズであることを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第1項または第2項に記載
    の装置において、 前記突出部に形成される前記レンズが球面または非球面
    レンズであり、該球面または非球面レンズは前記突出部
    の表面に誘電体材料により形成されることを特徴とする
    半導体レーザ装置。
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