JPS616889A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法Info
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- JPS616889A JPS616889A JP59127910A JP12791084A JPS616889A JP S616889 A JPS616889 A JP S616889A JP 59127910 A JP59127910 A JP 59127910A JP 12791084 A JP12791084 A JP 12791084A JP S616889 A JPS616889 A JP S616889A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
- H01S5/18388—Lenses
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
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- Optics & Photonics (AREA)
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は出射光の拡が９角の小さな半導体発光素子に関
する。
する。
従来例の構成とその問題点
半導体レーザは、光通信、光ディスク、レーザ、プリン
タなどの光源として注目されている。しかし、従来の半
導体レーザは光の出射角が２ｏ 〜３０ と、気体レー
ザの出射角０．５° に比べてはるかに大きく、レンズ
等を用いて出射光を平行光にする必要があった。半導体
レーザからビーム拡がり角の小さな出射光を得るだめの
試みはり、Ｒ。
タなどの光源として注目されている。しかし、従来の半
導体レーザは光の出射角が２ｏ 〜３０ と、気体レー
ザの出射角０．５° に比べてはるかに大きく、レンズ
等を用いて出射光を平行光にする必要があった。半導体
レーザからビーム拡がり角の小さな出射光を得るだめの
試みはり、Ｒ。
５ｃｉｆｒｅＳ 等によって行なわれている（ Ａｐ
ｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ 、 ｖ
ｏｇ 、 ２６ 、 ｎｏ 、 ２ 、 Ｊａｎｕａｒ
ｙ１９７５ ｐｐ、４８〜５０）。第１図に彼等が提案
した半導体レーザの構造を示す。１はＰ形Ｇ−ａＡｓ基
板、２はＰ 影Ｇａ ｏ４ｋｌ ｏ６Ａｓ層、３はＰ形
（、ａＡｓ層、４はｎ Ｙｔ ＧａＡＢ層である。回折
格子はＰ形Ｇａ ｏ、４ｋｌ ｏ６Ａｓ層２とＰ形Ｇａ
Ａｓ層３との境界に形成されており、回折格子のピッチ
は４６９３Ａ’である。この回折格子によって回折され
た２次の回折光がＢで示すように扇形に拡がって出射す
る。
ｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ 、 ｖ
ｏｇ 、 ２６ 、 ｎｏ 、 ２ 、 Ｊａｎｕａｒ
ｙ１９７５ ｐｐ、４８〜５０）。第１図に彼等が提案
した半導体レーザの構造を示す。１はＰ形Ｇ−ａＡｓ基
板、２はＰ 影Ｇａ ｏ４ｋｌ ｏ６Ａｓ層、３はＰ形
（、ａＡｓ層、４はｎ Ｙｔ ＧａＡＢ層である。回折
格子はＰ形Ｇａ ｏ、４ｋｌ ｏ６Ａｓ層２とＰ形Ｇａ
Ａｓ層３との境界に形成されており、回折格子のピッチ
は４６９３Ａ’である。この回折格子によって回折され
た２次の回折光がＢで示すように扇形に拡がって出射す
る。
図中θ、はビープのストライプ方向に平行な方向。ビー
、拡がり角、θ２はレーザのストライプ方向に垂直な方
向のビーム拡がり角である。このレーザにおいて、θ１
はｏ、３５° と小さな値を示しているがθ２は１ｏ０
と太きい出射光しか得られなかった。
、拡がり角、θ２はレーザのストライプ方向に垂直な方
向のビーム拡がり角である。このレーザにおいて、θ１
はｏ、３５° と小さな値を示しているがθ２は１ｏ０
と太きい出射光しか得られなかった。
発明の目的
本発明はこのような従来の半導体レーザの問題点に鑑み
てなされたもので、出射光のビーム拡がり角の小さな半
導体レーザを提供するものである。
てなされたもので、出射光のビーム拡がり角の小さな半
導体レーザを提供するものである。
発明の構成
発明者らは、半導体基板の表側に設けた回折格子から回
折する光を、回折格子の形状を最適化することにより半
導体基板の裏側から効率良く取り出せることを知り、半
導体基板の裏面を焦点が回折格子の位置になるように円
筒レンズ状に形成することにより、基板の裏面より光を
出射し、しかも出射光ビームの拡がり角の小さい半導体
レーザを得るに至った。
折する光を、回折格子の形状を最適化することにより半
導体基板の裏側から効率良く取り出せることを知り、半
導体基板の裏面を焦点が回折格子の位置になるように円
筒レンズ状に形成することにより、基板の裏面より光を
出射し、しかも出射光ビームの拡がり角の小さい半導体
レーザを得るに至った。
実施例の説明
本発明の実施例としてレーザ発振光に対して基板が透明
なＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザについて説明す
る。第２図に本発明の第１の実施例を示す。
なＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザについて説明す
る。第２図に本発明の第１の実施例を示す。
第２図において、１１はたとえばＰ形ＩｎＰ基板で裏面
は円筒レンズ状になっている。１２はノくンドギャノプ
がたとえば０．９５６Ｖ（λｔｉ ＝１．３μｍ）のＩ
ｎＧａＡｓＰ活性層、１３はバンドギャップがたとえば
１．２６Ｖ（λ７＝１．Ｑμｍ）のＩｎＧａＡｓＰ光導
波層。
は円筒レンズ状になっている。１２はノくンドギャノプ
がたとえば０．９５６Ｖ（λｔｉ ＝１．３μｍ）のＩ
ｎＧａＡｓＰ活性層、１３はバンドギャップがたとえば
１．２６Ｖ（λ７＝１．Ｑμｍ）のＩｎＧａＡｓＰ光導
波層。
１４はたとえば５１０２膜で電流注入領域がストライブ
状に開口されている。１６および１６はたとえば、それ
ぞれＡｕ−３ｎおよびＡｕ−Ｚｎの電極でちる。出を取
り出すだめの回折格子Ｇは光導波層１３に設けられてお
り、たとえばピッチを３９０ＯＡ’とすると１次の回折
光が光導波路層１３に対して垂直な方向に上下に出射す
る。Ｃは基板側に出射したレーザ光を示す。分布帰還形
レーザの場合は、２次の回折光がレーザ発掘に寄与する
。
状に開口されている。１６および１６はたとえば、それ
ぞれＡｕ−３ｎおよびＡｕ−Ｚｎの電極でちる。出を取
り出すだめの回折格子Ｇは光導波層１３に設けられてお
り、たとえばピッチを３９０ＯＡ’とすると１次の回折
光が光導波路層１３に対して垂直な方向に上下に出射す
る。Ｃは基板側に出射したレーザ光を示す。分布帰還形
レーザの場合は、２次の回折光がレーザ発掘に寄与する
。
第３図に回折格子の上下方向への回折効率の回折格子の
深さに対する依存性の計算結果を示す。
深さに対する依存性の計算結果を示す。
第３図においてα＋およびα−はそれぞれ基板表面およ
び裏面方向への回折効率を示す。計算において、活性層
１４の厚さ０．１μｍ、光導波層１３の厚さ０．７μｍ
を仮定した。まだ、回折格子のグレーティング形状は第
３図に示すように（１００）基板表面に対し、（１１１
）Ａ面の選択エッチャントたとえばＨＢｒプＨ２Ｏ２シ
Ｈ２０＝１；１；２０の混合液でエツチングした三角波
状の形状を仮定した。第３図より、三角波状のグレーテ
ィング形状の場合、基板裏面への回折効率α−のほうが
表面への回折効率α＋よりも大きくなることがわかる。
び裏面方向への回折効率を示す。計算において、活性層
１４の厚さ０．１μｍ、光導波層１３の厚さ０．７μｍ
を仮定した。まだ、回折格子のグレーティング形状は第
３図に示すように（１００）基板表面に対し、（１１１
）Ａ面の選択エッチャントたとえばＨＢｒプＨ２Ｏ２シ
Ｈ２０＝１；１；２０の混合液でエツチングした三角波
状の形状を仮定した。第３図より、三角波状のグレーテ
ィング形状の場合、基板裏面への回折効率α−のほうが
表面への回折効率α＋よりも大きくなることがわかる。
捷だ、その比率α−／α＋は回折格子Ｇの深さｇが０．
１４／１ｍのとき最大となり、α−は科の約６倍となる
。このように、回折格子Ｇの深さを最適値に設定するこ
とにより、基板の裏面方向へ効率良く光を回折させるこ
とができる。
１４／１ｍのとき最大となり、α−は科の約６倍となる
。このように、回折格子Ｇの深さを最適値に設定するこ
とにより、基板の裏面方向へ効率良く光を回折させるこ
とができる。
第４図に発明者らが製作した半導体レーザの出射光の遠
視野像を示す。製作したレーザの回折格子Ｇの深さは０
．１μｍである。第４図において、Ｐ＋およびＰ−はそ
れぞれ半導体基板の表面および裏面からの出射光の相対
強度である。第４図よシＰ−Ｐ＋の約１．３倍となるこ
とがわかる。回折格子Ｇで基板の裏面方向に回折し、た
光は基板の裏面で反則される。裏面における反射率Ｒは
ＩｎＰ基板１１の屈折率をｎとすると、Ｒ＝ （ｎ−１
）”／（ｎ−Ｈ）２で表わされ、ｎ ＝ ３．２とする
とＲ＝ ０．２８となる。
視野像を示す。製作したレーザの回折格子Ｇの深さは０
．１μｍである。第４図において、Ｐ＋およびＰ−はそ
れぞれ半導体基板の表面および裏面からの出射光の相対
強度である。第４図よシＰ−Ｐ＋の約１．３倍となるこ
とがわかる。回折格子Ｇで基板の裏面方向に回折し、た
光は基板の裏面で反則される。裏面における反射率Ｒは
ＩｎＰ基板１１の屈折率をｎとすると、Ｒ＝ （ｎ−１
）”／（ｎ−Ｈ）２で表わされ、ｎ ＝ ３．２とする
とＲ＝ ０．２８となる。
この基板裏面における反射率を考慮すると、第４図の測
定結果より、回折格子で回折される光強度は第４図に点
線で示すように見積ることができる。
定結果より、回折格子で回折される光強度は第４図に点
線で示すように見積ることができる。
この結果より、回折格子の裏面への回折効率に苅する表
面への回折効率の比率は２．６となる。この比率は計算
値（α−／αや＝６）よりも小さくなっているが、これ
は製作した素子の裏面の研磨をアルミナの粉末で行なっ
たことにより裏面に損傷が残っていて、回折光がこの損
傷により吸収あるいは散乱されたものであると考えられ
る。この損傷は裏面を化学研磨することにより取り除く
ことができ、本質的には回折光を基板の裏面から効率良
く取り出すことができることがわかる。
面への回折効率の比率は２．６となる。この比率は計算
値（α−／αや＝６）よりも小さくなっているが、これ
は製作した素子の裏面の研磨をアルミナの粉末で行なっ
たことにより裏面に損傷が残っていて、回折光がこの損
傷により吸収あるいは散乱されたものであると考えられ
る。この損傷は裏面を化学研磨することにより取り除く
ことができ、本質的には回折光を基板の裏面から効率良
く取り出すことができることがわかる。
本発明の特徴とするところは、上述のように基板の裏面
に高効率で回折した光を、第２図に示すように、基板１
１の裏面を円筒レンズ状に加工することにより、矢印Ｃ
で示すようなビーム拡がり角の小さな平行光が得られる
ことである。出射光Ｃを平行光にするために、この裏面
の円筒レンズの焦点は光導波路１３に設けられた回折格
子のところに来るように形成される。たとえば基板１１
の厚さを３ｏ○μｍ とすると、裏面の円筒レンズの曲
率半径を１５０μｍとすることにより、焦点を回折格子
のところに形成することができる。
に高効率で回折した光を、第２図に示すように、基板１
１の裏面を円筒レンズ状に加工することにより、矢印Ｃ
で示すようなビーム拡がり角の小さな平行光が得られる
ことである。出射光Ｃを平行光にするために、この裏面
の円筒レンズの焦点は光導波路１３に設けられた回折格
子のところに来るように形成される。たとえば基板１１
の厚さを３ｏ○μｍ とすると、裏面の円筒レンズの曲
率半径を１５０μｍとすることにより、焦点を回折格子
のところに形成することができる。
以上の説明からもわかるように本発明は、従来では第１
図Ｂに示すように扇形に拡がっていた出射光のＯ２を小
さくするだめ、基板の裏面方向に回折格子より光を回折
させ、しかも裏面を円筒レンズ状に加工することにより
、完全に平行な出射光を得るものである。
図Ｂに示すように扇形に拡がっていた出射光のＯ２を小
さくするだめ、基板の裏面方向に回折格子より光を回折
させ、しかも裏面を円筒レンズ状に加工することにより
、完全に平行な出射光を得るものである。
第５図は基板裏面の加工方法の一実施例を示す。
第５図は、レーザのストライプに垂直な方向の断面図を
示し、１１〜１６は第２図と同じである。
示し、１１〜１６は第２図と同じである。
’ｂｉｏ２膜１４の中央の開口部がレーザの電流注入ス
トライプである。！、ず第６図（＆）に示すように、基
板１１の裏面の電流注入ストライプに対応、する位置に
基板１１の選択エツチングのだめのマスク１７を形成す
る。１７はたとえば６００μｍの幅のＳｉＯ２膜である
。次に第６図（ｂ）に示すように、５１ｏ２膜１７をマ
スクとして、基板１１の裏面をたとえばＨＣｌで深さ１
５０μｍにエツチングする。
トライプである。！、ず第６図（＆）に示すように、基
板１１の裏面の電流注入ストライプに対応、する位置に
基板１１の選択エツチングのだめのマスク１７を形成す
る。１７はたとえば６００μｍの幅のＳｉＯ２膜である
。次に第６図（ｂ）に示すように、５１ｏ２膜１７をマ
スクとして、基板１１の裏面をたとえばＨＣｌで深さ１
５０μｍにエツチングする。
次にＳｉＯ２膜１７全１７したのち、表面が柔軟な研磨
板の上で、たとえばアルミナの粉末を研磨剤として裏面
を研磨することにょ９裏面の突起部の角が丸く削られ、
第６図（ｃ）に示すような円筒レンズ状をした裏面形状
が得られる。
板の上で、たとえばアルミナの粉末を研磨剤として裏面
を研磨することにょ９裏面の突起部の角が丸く削られ、
第６図（ｃ）に示すような円筒レンズ状をした裏面形状
が得られる。
上述の説明では研磨による円筒レンズ状の裏面形状の形
成方法を述べたが、他の方法たとえばイオンビームエツ
チングなどによって加工することも可能である。
成方法を述べたが、他の方法たとえばイオンビームエツ
チングなどによって加工することも可能である。
第６図に上述の本発明の一実施例に従って製作した半導
体レーザの、裏面からの出射光のストライプに垂直な方
向の遠視野像を示す。出射光の拡がり角θ２は約１°
と小さく寿っていることがわかる。参考までに、点線は
裏面を円筒レンズ状に加工しない場合である。円筒レン
ズにより出射ビームが絞られている様子がわかる。
体レーザの、裏面からの出射光のストライプに垂直な方
向の遠視野像を示す。出射光の拡がり角θ２は約１°
と小さく寿っていることがわかる。参考までに、点線は
裏面を円筒レンズ状に加工しない場合である。円筒レン
ズにより出射ビームが絞られている様子がわかる。
第７図は本発明の、他の実施例である。裏面をフレネル
レンズ状に加工しである。このような構造においても、
裏面からビーム拡がり角の小さな出射光が得られること
は明らかである。
レンズ状に加工しである。このような構造においても、
裏面からビーム拡がり角の小さな出射光が得られること
は明らかである。
なお、本発明の一実施例および他の実施例にお ・い
ては本発明を酸化膜ストライプレーザに応用した場合に
ついて述べたが、他のレーザたとえば埋め込みへテロ構
造レーザなどにも応用可能である。
ては本発明を酸化膜ストライプレーザに応用した場合に
ついて述べたが、他のレーザたとえば埋め込みへテロ構
造レーザなどにも応用可能である。
また本発明はレーザに限るととなく、発光ダイオードな
どであっても回折格子により出射光を取り出すことがで
きる光源であれば適用可能であることはいう壕でもない
。
どであっても回折格子により出射光を取り出すことがで
きる光源であれば適用可能であることはいう壕でもない
。
発明の詳細
な説明したように、本発明は基板の裏面を円筒レンズ状
にすることによりビーム拡がり角の小さな出射光が得ら
れる発光素子を提供するものであり、従来の半導体レー
ザの本質的な欠点を解決するものである。従って従来の
ように外部に出射光を平行光にするだめのレンズを必要
としないので、たとえば光通信用の光源として光ファイ
バとの結合が容易になるなどの効果があり、従来の半導
体レーザの出射光の拡が９角が大きいために障害となっ
ていたレーザプリンタなどへの応用も可能であり、本発
明の工業的な価値は高い。
にすることによりビーム拡がり角の小さな出射光が得ら
れる発光素子を提供するものであり、従来の半導体レー
ザの本質的な欠点を解決するものである。従って従来の
ように外部に出射光を平行光にするだめのレンズを必要
としないので、たとえば光通信用の光源として光ファイ
バとの結合が容易になるなどの効果があり、従来の半導
体レーザの出射光の拡が９角が大きいために障害となっ
ていたレーザプリンタなどへの応用も可能であり、本発
明の工業的な価値は高い。
第１図は従来のビーム拡がり角を小さくした半導体レー
ザの構造図、第２図（ａ） 、 （ｂ）は本発明の一実
施例の半導体レーザのストライプに垂直な方向の断面図
およびＡ−Ａ’線断面図、第３図は回折格子の回折効率
の回折格子の深さに対する依存性を示す図、第４図は第
３図の結果を実証するだめの実験結果を示す図、第６図
（＆）〜（Ｃ）は裏面を円筒レンズ状に加工するだめの
工程図、第６図は本発明の一実施例の実験結果を示す図
、第７図は本発明の他の実施例の素子の断面図である。 １１・・・：・・ＩｎＰ基板、 Ｃ・・・・・・出射光
、Ｇ・・・・・・回折格子。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか１名第１
図 Ｂ 第２図 （Ｑ、ｌ （ｂ） 第３図 第４図 記打尤の槌灯汁文 第５図 第６図 第７図
ザの構造図、第２図（ａ） 、 （ｂ）は本発明の一実
施例の半導体レーザのストライプに垂直な方向の断面図
およびＡ−Ａ’線断面図、第３図は回折格子の回折効率
の回折格子の深さに対する依存性を示す図、第４図は第
３図の結果を実証するだめの実験結果を示す図、第６図
（＆）〜（Ｃ）は裏面を円筒レンズ状に加工するだめの
工程図、第６図は本発明の一実施例の実験結果を示す図
、第７図は本発明の他の実施例の素子の断面図である。 １１・・・：・・ＩｎＰ基板、 Ｃ・・・・・・出射光
、Ｇ・・・・・・回折格子。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか１名第１
図 Ｂ 第２図 （Ｑ、ｌ （ｂ） 第３図 第４図 記打尤の槌灯汁文 第５図 第６図 第７図
Claims (3)
- （１）半導体基板の表側に設けた回折格子から回折する
光を上記基板の裏側から取り出すとともに、焦点が上記
回折格子の位置にあるような円筒レンズ状をした上記基
板の裏面を有することを特徴とする半導体発光素子。 - （２）半導体基板の表側に設けた回折格子から回折する
光を上記基板の裏側から取り出すとともに、焦点が上記
回折格子の位置にあるようなフレネルレンズ状をした上
記基板の裏面を有することを特徴とする半導体発光素子
。 - （３）半導体基板の裏面をエッチングして、リブ状の突
起を形成する工程、上記裏面を研磨して上記リブ状の突
起を円筒レンズ状に加工する工程を有する半導体発光素
子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59127910A JPS616889A (ja) | 1984-06-21 | 1984-06-21 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59127910A JPS616889A (ja) | 1984-06-21 | 1984-06-21 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS616889A true JPS616889A (ja) | 1986-01-13 |
Family
ID=14971674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59127910A Pending JPS616889A (ja) | 1984-06-21 | 1984-06-21 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS616889A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998025170A1 (de) * | 1996-12-06 | 1998-06-11 | Deutsche Telekom Ag | Vorrichtung zur optischen kopplung eines festkörperlasers mit einem lichtwellenleiter und verfahren zu deren herstellung |
-
1984
- 1984-06-21 JP JP59127910A patent/JPS616889A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998025170A1 (de) * | 1996-12-06 | 1998-06-11 | Deutsche Telekom Ag | Vorrichtung zur optischen kopplung eines festkörperlasers mit einem lichtwellenleiter und verfahren zu deren herstellung |
| US6370298B2 (en) | 1996-12-06 | 2002-04-09 | Deutsche Telekom Ag | Device for optical coupling of a solid-state laser with an optical wave guide and a process for their production |
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