JPS6373579A - 半導体レ−ザ装置 - 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】 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 ′４ｅ未、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す、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。

Ｐｈ５ｇ、　　Ｌｅｔｔ、　　４Ｂ　　（２）、　　１
５　　Ｊａｎｕａｙ７，１９８５　　第１１５頁〜第１
１７頁掲載の技術がある。この技術は、エツチドキャビ
ティレーザ光を基板に垂直に取りｍ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
異方性エツチングされ、その全体が略凹型になっており
、エツチングされた略凹型の底部の基板上に半導体レー
ザチップが装置された構成である。

半導体レーザチップから発光したレーザ光は、基板のエ
ツ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田すことができ、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ツチングされて形
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ツチングされた凹部のエツチン
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５Ｊ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ｌ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、異方性エツチングにより
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−５４．７
４°）の斜面１１および１２により凹部１３が形成され
ている。

更に、異方性エツチングにより除去された基板ｌ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のエツ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ｌの斜面１
１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が異方性エツチングにより一
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ｌ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
２１ａ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ｌ、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
２１ｃを形成した例が示されている。フレネルレンズ２
１ｃは、ホトリソグラフィ技術によりマスク層２を直接
エツ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ツ
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Ｃａ）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ｌ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２
１の表面にホトレジストを塗布し、　２光束干渉尤によ
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の表面をエツ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のエツチングには、フッ
酸とフッ化アンモニウムとの混合液を使用するとＳｉ５
板ｌはエツチングされず、　Ｓｉ３Ｎ４のマスク層２だ
けをエツチングすることができる。

次に、異方性エツチングの手法によりＳｉ基板１をエツ
チングする（第７図（ａ）および第７図（ｂ）　）　。

このエツチングの場合、基板ｌの（１１１）面に対して
はエツ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）面に沿ってエツチングが進行す
るため、凹部１３の側壁は（１１１）面からなる斜面１
１および１２が形成される。また、この＜１１１）面と
（１００）面とは、−足の角度（θ−５４．７４”　）
になるように形成される。

このエツチングの際、マスク層２のリード状の部分であ
る突出！２１の下部に形成されていた基板ｌ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ｌのエツチングに用いるエツチング液として
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ツチングされた基板１の斜面１１で
（１００）面に対して垂直な方向に反射され、突出部２
１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、？　スフＭ２としては、　５ｉ３Ｎ４（７）他ニ
Ｓ＋０２、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ｌのエツチングに用いるエツチング液として
は、上述の他に、エチルジアン、パイロカテコール、Ｈ
２Ｏ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ｙｒ！！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ｌ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
ら出方したレーザ光は、基板１の斜面１１によって基板
１に対して垂直な方向に反射され、マスク層２め突出ｆ
！＆２１の表面に形成されたグレーティングレンズ２１
ａを通ることにより、任意な光束として取り出される。

一万、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ｌの斜面１２によって反射され
、基板ｌ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、再度剥面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
振波長がモードジ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
装置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に装置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１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ｌの斜面１１および１２、そしてマスク層２の突
出部２１．２２の反射率を高めるために、ＡｕまたはＣ
ｕ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ザ装ｄは、
ｆｉＪ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、基板に異方性エツチングにより一足角
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。 Ｓ３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１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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、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、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、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、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。