JPS5923479B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体レーザ等の半導体発光装置の製造方法に
関するものである。

先ず半導体レーザについて以下説明する。

通常の半導体レーザは発振が行なわれる層、いわゆる活
性層の厚味は０．２〜０．３μｍと薄いため、出射ビー
ムは半値角４００〜６００と広がり指向性が弱いのが普
通である。この光を受光角１００の低損失光ファイバー
に導入する場合には高々２５％しか有効に導入できない
。よつて出射ビームの指向性を鋭くすることはこれと光
学的に結合すべきレンズ系や光ファイバとの効率の良い
結合を得るには大変重要なことである。従来知られてい
る出射ビームの出射角を狭める例の１つとしてはジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａ
ｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）第４７巻、第３
５３３頁、１９７６年に見られるように３００λと非常
に薄い活性層を用い、光を活性層から充分あふれ出させ
てビーム径を大きくし、これによつて回折の効果を減じ
て出射角を２０〜３００に狭めた例を挙げることができ
る。

しかし、この方式では、光ファイバとの結合効率を考え
た場合まだ充分な指向性とは言い難い上活性層の厚味制
御と、この活性層の両側に来る層の屈折率制御が実際製
作する上では大変難しく、実用的でない。この他、アプ
ライド゜フィジックス・レタース（Ａｐｐｌｉｅｄｐｈ
ｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）第２７巻、２９５頁、１９
７５年には、活性層内又は、それに隣接した層に、発振
波長の１／２の整数倍の周期を持つコルゲーシヨン（Ｃ
ｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ）を設ければ、これによる回折光
を探出することができ、ここで述べられている例では出
射ビーム出射角は０．６５べＸ１０いと小さくなる旨述
べられている。

さらに同じアプライド・フイジツクス・レタース（Ａｐ
ｐｌｌｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）第２５巻、
２０３頁、１９７４年にも同じく０．３５ｒの出射ビー
ム角が発表されている。これらの出射ビームの出射角は
、光フアイバの入射許容角より充分小さく、通常考えら
れる半導体レーザの用途には充分な値を得ていると言え
る。しかしこの方式は、例えば光フアイバとの結合効率
としてこのコルゲーシヨンにより外部へ取り出された光
量と光フアイバのコア内に入射伝播可能な光量との比で
定義すれば、９０％以上の結合効率を達成することも可
能と思われるが、このコルゲーシヨンによつて所望の方
向へ出射する割合は非常に低く、通常数％〜１０％程度
である。この為、半導体レーザチツプに供給される電力
が４００ｍｗであつても、光フアイバ内に採入れる光電
力は０．１ｍｗ程度で非常に低く、効率が悪い。また、
このようなコルゲーシヨンの製法は、一口で言えば半導
体レーザ用の結晶成長工程中に、写真製版工程を入れ、
この写真製版工程でコルゲーシヨンを作製するのである
。このコルゲーシヨンの周期が数４オングストロームと
小さい為、写真製版でコルゲーシヨンを作製すること自
身が大変に難しい。さらにこのコルゲーシヨン上に、主
に液相成長法により結晶成長する必要があるが、これも
コルゲーシヨンを損わずに、厚味や組成を正確に制御し
て行うのは容易でない。ことに、一度空気にさらした結
晶上に、エツチングせずに結晶成長するのは、困難であ
る。以上の様に、半導体レーザチツプ内に、コルゲーシ
ヨンを設けて出射角を狭める方式は、得られる効率にも
限度がある上、製法が難し過ぎて実用的でない。この発
明は、従来構造の様に結晶に加工するという難しい工程
等を用いることなく製作することができ、しかも出射ビ
ームの放射角の狭い半導体発光装置およびその製法を提
供するものである。

この発明の中心は、一口で言えば、半導体レーザの発光
端面に直接微少な球形レンズを接着して、このレンズの
効果で、出射角を狭めることにある。第１図は、この発
明の一実施例である。図において１０１はＴＪＳ（Ｔｒ
ａｎｓｖｅｒｓｅＪｕｎｃ−ＴｉＯｎＳｔｒｉｐｅ）レ
ーザのチツプである。１０２はＴＪＳレーザのチツプ１
０１中の発光部である。

ＴＪＳレーザの発光部１０２は、約２．５μｍの巾と約
０．３μｍの厚味を持つ、大変微少な領域である。１０
３はＴＪＳレーザのチツプ１０１を半田付けする基板で
ある。

この基板１０３の端面と、ＴＪＳレーザのチツブ１０１
の一方の端面とは相前後することなく、いわゆる面一に
半田付けされている。１０４は高屈折率ガラス製で直径
５０μｍの球形レンズである。

１０５は、紫外線硬化性の透明接着剤、１０６はリード
線である。

第２図は、この構造を製作する工程の１例を示す。第１
の工程（同図ａ参照）において然るべき、金属あるいは
、セラミツク又は、半導体基板１０３上にＴＪＳレーザ
チツプ１０１を半田付けし、リード線１０６をつけて発
光可能な構造となつた半導体レーザ１０７に紫外線を照
射すると固化するが、照射前には液状で透明な接着剤１
０５光硬化性アクリル酸樹脂、例えばウレタン・アクリ
レートを、半導体レーザ１０７の発光端面へ塗付する。
第２の工程（同図ｂ参照）ではこの状態で、上記半導体
レーザ１０７に電源１０８を接続し順方向電流を流して
発光せしめ、先端に球形レンズ１１０を接着した光フア
イバ１１１の先端をこの発光部へ近づける。この光フア
イバ１１１の他端には受光素子１１２および光量メータ
１１３を配して、この光フアイバ１１１への入力光量を
計測する。発光部と上記球形レンズ１１０との位置を相
互に変化せしめて光フアイバ１１１内光量を最大にする
位置を見つける。第３の工程（同図ｃ参照）では、上記
、球形レンズ１１０つき光フアイバ１１１の球形レンズ
１１０を先に塗布した例えばウレタン・アクリレートに
接触せしめて、再度、光フアイバ１１１内光量の最大位
置を捜す。この最適位置のまま、紫外線を例えば高圧水
銀灯１１４により照射して上記ウレタン・アクリレート
樹脂を硬化せしめる。集光法にもよるが普通１００Ｗの
高圧水銀灯を用い、上記ウレタン・アクリレート？μｍ
の層を硬化せしめるに約２〜３分を要する。第４の工程
（同図ｄ参照）では、静かにこの球形レンズ１１０付光
フアイバ１１１を半導体レーザ発光面よりはなす。これ
に依つて、半導体レーザ１０７の端面に球形レンズ１１
０の曲率を持つた凹部１０９がウレタン・アクリレート
樹脂で形成される。第５の工程（同図ｅ参照）では、上
記までの工程とは別に用意した直径３０〜５０μｍの球
形の高屈折率ガラス製レンズ１０４を１個第４の工程で
形成したウレタン・アクリレート樹脂製凹部１０９へ挿
入し再度水銀灯で紫外線を照射する。

勿論第４の工程後、接着用樹脂を追加し、あるいは変更
しても構わない。水銀灯の紫外線を照射することが本質
的でない事も当然である。上記実施例では、強いてこれ
ら接着用樹脂の追加等を示さなかつたが、これは、用い
ているウレタン・アクリレート樹脂は嫌気性が強く、第
３〜４の工程法にも表面附近の樹脂は固化せずに液体の
まま残つて、凹部へ浅く溜つている為追加の要がない場
合が多いからである。例えばエポキシ系の接着剤を薄く
塗布して球形レンズを固め、これを透して、紫外線を照
射し残留ウレタン・アクリレートを硬化すればより完全
である。紫外線照射時間も上記実施例では２〜３分と記
したが、これは、レンズ等による紫外線の集光度及び光
源の輝度、あるいは雰囲気等により大きく異なる。本実
施例に示した製法によつて、通常外見的には知り得ない
半導体レーザの発光部に±１μｍ以下の精度で機械的凹
部を一部形成することができる。

第３図は、本実施例による構造の作用を示す図である。

１０２は半導体レーザチツプ１０１中の発光部、１０４
は球形レンズ、１０５は球形レンズ１０４と半導体レー
ザチツプ１０１とを接ぐ接着剤、１１５は、出射光線の
うち、球形レンズ１０４の中心を通る光線、１１６は、
出射光線のうち、中心から傾いた方向へ出射している光
線を示す。

図に明らかな様に、放射指向性が鋭くなる方向に球形レ
ンズ１０４による屈折を受ける。第４図は、本実施例に
依つて得られた半導体レーザ装置の発振時に於ける指向
特性で、一般に遠視野像と呼ばれるものの測定結果であ
る。ＴＪＳ形半導体レーザでは、球状レンズを付けなけ
れば、出射ビームの半値角は、広い方が４０〜５０れ、
狭い方が１０〜１５はであるが、本実施例によると第４
図に示す通り、共に７が以下となつている。球形レンズ
と半導体レーザとの間隙に依るが、通常１０〜２０μｍ
程度に発光部の像が拡大される。ＮＡ：：０．１８、６
０μｍψのコアを持つ光フアイバとの結合効率は約８５
％と球形レンズを用いず直結する場合の約４倍と高い。
一般に、光フアイバと半導体レーザとの光学的結合に関
しては、１光フアイバの先端を球状にする、テーパ状に
する等工夫して、等価的に光フアイバの許容受光角を広
げる方法、２発光部側に工夫して出射ビームを狭くする
方法の２通り考えられる。

従来は１の方法が主に検討されて来ているがこの１の方
法では光フアイバと半導体レーザ相互の位置合せが高精
度を要する。この高精度も数分〜１０分程度は容易に保
持できるが、数時間以上に渡る精度保持は容易でなく、
組立法まで考慮すると、事実上実用的なものは製作不可
能と言える。一方２の方式は、発光部側ヘエ夫する事自
体難しい上、強い力を加えたりすれば半導体レーザの信
頼性を著しく損う事がある為、殆ど試みられて来ていな
かつた。半導体レーザチツプに直接接触してはいないが
、同一基板上にレンズをマウントする方式は公知である
。しかし、この方式は、上記１，２の方法の中間に位置
し、実効的な効果は２の方式に近くなる。しかし、この
レンズをマウントする際には、高精度に加工された基板
と高精度な組立技術が必要で、実用的でなかつた。本発
明は２の方法に属している。この為、この球状レンズの
付いた半導体レーザと、光フアイバとの結合は効率が高
くなるばかりでなく、位置合せの精度が広く許容され、
組付け作業も容易になる。本発明で一番精度を要する工
程は、先の実施例での第３工程である。１μｍ程度以下
の高精度が必要であるが、これは紫外線を照射してウレ
タン・アクリレート樹脂を固化せしめるに要する数分間
だけ保たれればよい。

これは比較的容易に実現可能である。第５の工程に於け
る球形レンズの接着も、凹部が形成されている為、未固
化の樹脂の表面張力と、重力とで、凹部に入れてやりさ
えすれば、すぐに自動的に中心が凹部の底の中心に一致
し、特別の高精度位置合せ機械は必要としない。更に、
本発明の如く半導体レーザの発光面に直接球形レンズを
装着する方式では信頼性が問題となるが、接着剤量も少
なく、かつ球形レンズも微小な為、応力も小さく全く半
導体レーザの信頼性そのものに影響しない。ポリアクリ
レート樹脂の半導体レーザに及ぼす化学的影響も現在見
当らないが、半導体レーザ端面をＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３
あるいはＳｉ２Ｎ４膜で保護すれば、尚更良い結果が期
待できる。これまでの実施例では、片面のみに球形レン
ズを付けたが同様の工程を他面に施して両面に球形レン
ズを接着することも可能である。

また球形レンズの直径ももつと大きな１００〜２００Ｉ
ｔｍ１もつと小さな１０μｍ程度であつても効果は同様
に期待できる。以上の説明では、半導体レーザチツプと
して、ＴＪＳ形を用いて説明したが埋込みヘテロ形（Ｂ
Ｈ）や溝付基板形（ＣＳＰ）、あるいは他の一般形スト
ライブ形レーザのチツブであつても良い。

また必ずしも端面が共振器を形成する半導体レーザであ
る必要もなく、分布ブラック反射形（ＤＢＲ）や分布帰
環形（ＤＦＢ）等であつても良い。これまでの説明では
半導体レーザについて述べたが、いわゆる端面放射形の
発光ダイオードや、発光部が小さい面発光形の発光ダイ
オードであつても同論である。本発明は、発光素子に特
に効果が上る方式であるが、受光素子や、光増巾器、光
１Ｃの光フアイバとの結合にも有効である。

本発明に依れば、光フアイバのうちでも従来光学的結合
が難しかつた集束形光フアイバや、単一モードフアイバ
へ、発光素子の光を効率良く導き光学的結合効率を高く
することが可能となる。

また、本発明に依れば、出射ビームの広がりが小さい上
球形レンズの近傍では、ビームのスポツト径が、球形レ
ンズ程度、あるいはそれ以下なので、第５図に示す如く
、球形レンズ１０４のついた半導体レーザ１０７として
１つのパツケージ１１７中に入れ、透明な平板ガラス又
は、サファイア板１１９で気密封止して、この外部に結
合すべき光フアイバ１１８を配しても殆ど結合効率を損
う事なく結合できるという従来にない大きな特徴を有す
る。以上のように本発明によれば光フアイバとの結合に
高精度を要することなく高い結合効率が得られ、かつ製
作工程が比較的簡単で再現性が良く信頼性が高い等効果
がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は本発
明の製造方法を示す工程図、第３図は本発明による半導
体発光装置の動作を説明する説明図、第４図は本発明に
よる半導体発光装置の指向特性を示す特性曲線図、第５
図は本発明による半導体発光装置の応用例を示す断面図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体発光素子チップの発光ビームが出射される少
   なくとも一方の端面に紫外線照射により固化する透明接
   着剤を塗布する工程と、上記半導体発光素子チップに順
   電流を流して発光を生ぜしめ該発光を先端に球状のレン
   ズ部を有する光ファイバで受光してその受光量が最大と
   なる上記レンズ部の位置を捜す工程と、上記球状のレン
   ズ部を上記受光量が最大となる位置で上記透明接着剤に
   当接させたまま紫外線を照射し上記接着剤を固化せしめ
   上記球状レンズ部の外形に応じた凹部を形成する工程と
   、上記透明接着剤の凹部にその形状に適合する球形レン
   ズを固着する工程とを備えたことを特徴とする半導体発
   光装置の製造方法。