JP3981257B2

JP3981257B2 - 面発光型半導体レーザ

Info

Publication number: JP3981257B2
Application number: JP2001325392A
Authority: JP
Inventors: 寛展齋; 淳市原
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2021-10-23
Also published as: US6856635B2; JP2003133641A; US20030076864A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップやレーザビームプリンタなどの光源に用いられる面発光型半導体レーザに関する。さらに詳しくは、その出力を正確にモニターすることができる構造の面発光型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザは、積層された半導体層の表面側から垂直方向にレーザビームを出射することができるため、レーザチップを横向けてマウントする必要がなく、簡単で、しかも正確に位置出しをしやすいなど、使用勝手がよい。従来の面発光型半導体レーザとしては、たとえば図５に示されるような構造が知られている。すなわち、たとえばＧａＡｓからなる半導体基板４１上に、ＤＢＲ（Distributed Brag Reflector）と呼ばれる屈折率の異なる半導体層の積層構造からなり、特定の周波数帯の光を反射させる下部多層反射膜４２が積層され、その上に図示しない下部スペーサー層、活性層、上部スペーサー層の積層構造からなる発光層形成部４６、ＤＢＲからなる上部多層反射膜４８が形成され、発光領域とする電流注入領域Ａ以外の部分にプロトンなどをイオン注入することにより絶縁領域４７が形成されている。この表面および半導体基板の裏面に、図示しない上部および下部の電極が設けられ、反射率を若干小さくされた上部多層反射膜４８を通して、上面電極に設けられる図示しない直径が数μｍφ程度の小さな出射口からレーザビーム光が出射されるようになっている。
【０００３】
また、最近では、図６に示されるように、プロトンなどのイオン注入による絶縁化に代えて、発光層形成部４６と上部多層反射膜４８との間に、たとえばＡｌＡｓなどからなる水蒸気などにより容易に酸化し易い選択酸化用半導体層を介在させ、電流注入領域およびその外周の一定領域がメサ状に残存するように外周部をエッチングしてから、水蒸気雰囲気の下で選択酸化用半導体層を外周の露出部から選択的に酸化させ、電流注入領域Ａの部分だけ酸化させないように酸化処理をすることにより、電流制限層４９を形成し、所望の範囲に電流注入領域Ａを形成する構造の半導体レーザも考えられている。
【０００４】
上記いずれの構造の半導体レーザでも、製造上の対称性の観点などから電流注入領域およびレーザビームの出射口はチップの中心部に形成されている。一方、この種の面発光型半導体レーザも、ピックアップの光源などに用いるには、端面出射型の半導体レーザと同様に、半導体レーザの出力をモニターして発光量が一定になるように自動制御する必要がある。しかし、前述の構造における面発光型半導体レーザの下部多層反射膜４２は、その反射率が９９.９％以上の高い反射率になるように形成されているため、半導体基板４１の裏面側には殆ど光は漏れず、端面発光の半導体レーザのように、出射面と反対側、すなわち裏面側から漏れる出力により発光量をモニターすることができない。そのため、図７に示されるように、受光素子１３上に面発光型半導体レーザチップ１２をマウントし、図示しないキャップなどの透過窓に設けられる透明体２６により反射する反射光を受光素子１３により検出してモニターすることが試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、面発光型半導体レーザをピックアップなどの光源に用いる場合、その発光量をモニターするのに、光ビームの出射面側と反対側に漏れる光を利用することが殆どできないため、出射面側に対向して設けられる透過窓の透明体などにより若干反射する光をモニター用として利用することが考えられている。しかし、透明体などにより反射する光は、１０％程度と非常に小さい上、面発光型半導体レーザチップの大きさは、２００〜３００μｍ角程度で、レーザビームの出射口１０ａは、直径が数μｍφ程度であり、レーザチップ１２の表面と透明体２６との距離Ｌが小さくなると、受光素子表面に当る反射光の面積（投影面積）が非常に小さくなり、レーザビームの広がり角ω（図７参照）が１６°程度であると、Ｌが１ｍｍ以下では殆どレーザチップの面積程度となり、透明体２６により反射する反射光は、大部分がレーザチップ１２の面に戻り、受光素子１３により検出されず、正確にモニターすることができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、面発光型のレーザチップをピックアップなどの光源などに用いる場合にも、一定の発光量が常に得られるように、発光量を正確にモニターして、自動的に制御し得る面発光型の半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザは、ステムの一面側に設けられる受光素子と、該受光素子の表面にマウントされる面発光型のレーザチップと、中心部に透明体からなる光の透過窓を備え、該透過窓が前記レーザチップの表面と平行になり、かつ、前記レーザチップを被覆するように設けられるキャップとを有し、前記レーザチップが電流注入領域と基板中心部とを偏芯させたレーザチップからなり、該レーザチップのレーザビーム出射口が前記受光素子の中心部に位置するように前記レーザチップが設けられることにより、前記透過窓の中心部の真下に前記レーザチップの出射口が位置すると共に、該出射口の近傍に前記受光素子が露出して、前記レーザチップからの出射光の一部が前記透過窓により反射する光を前記出射口の近傍で露出する前記受光素子の部分で受光し得る構造に形成されている。
【０００８】
この構造にすることにより、レーザチップの出射口がレーザチップ（基板）の中心から偏芯しているため、出射口を中心として分布する透明体からの反射光の分布は、偏芯させた側ではレーザチップから外れて受光素子上に戻り、受光素子と透明体との距離が近く、投影面積が小さくなっても受光素子により充分に検出される。すなわち、後述するように、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、受光素子表面での反射光の範囲のうち、レーザビーム出射口から、３０μｍ以上の範囲（図２のｄより大きい範囲）が半分程度受光素子表面に直接形成されれば、モニター出力として必要な受光量を検出することができることを見出し、レーザビーム出射口をレーザチップ中心から一辺側に２０μｍ以上、すなわち一辺の１／９以上離せば、レーザチップと透明体との距離が１ｍｍ程度と近くなっても、充分なモニター出力が得られるこを見出した。
【０００９】
前記レーザチップが四角形状に形成され、前記レーザチップの出射口が該レーザチップの１つの角部側に偏芯して形成されていることが、反射光の直接受光素子面にかかる範囲が、出射口周囲のほぼ２７０°の方向になるため、偏芯量が少なくてもモニター出力が多くなるため好ましい。
【００１０】
前記レーザチップの出射口が、前記１つの角部を挟む端面からそれぞれ２０〜７０μｍの範囲に形成されていることがさらに好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明による面発光型の半導体レーザについて説明をする。本発明による半導体レーザのチップ構造は、図１にその平面説明図およびそのＢ−Ｂ断面の説明図がそれぞれ示されるように、基板１上に下部多層反射膜２、発光層形成部６、および上部多層反射膜８が順次設けられ半導体積層部９が形成され、その半導体積層部９の一部に、その中心部の表面側から光を出射し得るように電流注入領域Ａが形成されている。そして、本発明では、その電流注入領域Ａが基板１の中心部と偏芯するように形成されていることに特徴がある。
【００１２】
前述のように、面発光型半導体レーザの発光量をモニターする場合、レーザチップを受光素子表面にマウントし、レーザチップ表面に対向して設けられる透過窓の透明体などにより反射する反射光を利用して、受光素子により発光量を検出することが試みられている。しかし、この方法では、レーザチップとその表面に対向して設けられる透明体との距離が小さい場合には、透明体により反射する光が殆どレーザチップ上に戻り、受光素子により検出することができないという問題がある。そこで、本発明者らは、この問題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、レーザビーム出射口を、レーザチップ中心から一辺側に２０μｍ以上、すなわち一辺の１／９〜１／８以上離せば、レーザチップと透明体との距離が１ｍｍ程度と近くなっても、充分なモニター出力が得られるこを見出した。
【００１３】
すなわち、透明体による反射光の強度分布を調べた結果、図２に反射光の強度分布が示されるように、レーザチップの発振特性によって、中心部での光強度分布は若干バラツキ（中心部が低くその周囲にピークが生じるものなど）があるものの、中心部から離れた部分では、ほぼ一定でガウス分布をしており、レーザチップと透明体との距離が近ければ、図２のＰが上に上がり、遠くなればＰが下に下がるのに相当する。レーザチップと透明体との距離は、近くても、１ｍｍ程度はあり、そのときの反射光の分布範囲（直径Ｄ）は、２８０μｍ程度になるが、Ｐが上に上がるほど光強度は強くなるため、中心から１００μｍ（直径ｄが２００μｍ）以上の部分が受光素子に当れば、レーザチップ出力反射光の７０％程度に当る０.０７ｍＷ程度を検出することができ、充分に正確に発光量をモニターすることができることを見出した。
【００１４】
したがって、直径ｄ以上の範囲がレーザチップ外になるようにすればよい訳であるが、ボンディングパッドの確保や取扱上の容易さなどからレーザチップを余り小さくすることができず、レーザチップの出射口を偏芯させるこにより、同様の効果を得るべくさらに検討を進めた。そして、レーザビームの出射口がレーザチップの端面から７０μｍ以内、さらに好ましくは４０μｍ以内の位置にあれば（半円側は受光素子上に反射光がくるが、残りの半分はレーザチップ上にくるため、前述の半分の受光量になる）、支障なく充分にモニターすることができ、レーザチップと透明体との距離が遠くなれば、必ずこれより受光量が多くなり、支障なくモニターすることができることを見出した。また、レーザビーム出射口の位置を、レーザチップの角部側に偏芯させれば反射ビーム径の半分ではなく、３／４相当がチップからはみ出やすいため、さらに中心側に出射口が入ってもよい。
【００１５】
これらの点から、本発明者らが検討した結果、レーザチップ端部からの距離Ｆ（図１参照）が７０μｍ以内、さらに好ましくは４０μｍ以内の位置に出射口が形成されるように、電流注入領域Ａを形成することにより、支障なくモニターすることができた。ただし、電流注入領域Ａ（一辺Ｅが３０μｍ程度）は確保する必要があり、また、ダイシングの際の公差を考慮する必要があり、端面から１０〜２０μｍ以上は離すことが好ましい。これらの点から、レーザビーム出射口の位置をレーザチップ端面から２０〜７０μｍ、さらに好ましくは、２０〜４０μｍの範囲になるように電流注入領域を形成することにより、レーザチップと透過窓との距離に拘わらず、正確にモニターすることができた。
【００１６】
半導体積層部９は、たとえばｎ形ＧａＡｓ基板１に、下部多層反射膜２、発光層形成部６、上部多層反射膜８が順次積層されることにより形成されている。下部多層反射膜２および上部多層反射膜８は、たとえばＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓのように、屈折率の異なる層を、λ／４の厚さ（λは活性層で発光する光の波長）で交互に積層することにより、Brag反射を利用したＤＢＲ（Distributed Brag Reflection）として形成されている。この多層反射膜２、８は、２層の屈折率差が大きければ、少ない数の積層により大きな反射率が得られ、屈折率差が小さいと、より多くの組を積層することにより大きな反射率が得られる。たとえば下部多層反射膜２は、前述の組成の層を３３組程度で、反射率が９９．９９９％以上程度になるように形成され、上部多層反射膜７は、２３組程度で、下部多層反射膜２より反射率を低くして９８〜９９％程度に形成され、その一部を出射することができるようになっている。
【００１７】
発光層形成部６は、たとえば活性層４よりバンドギャップの大きい材料であるＡｌ_0.6Ｇａ_0.4ＡｓなどのＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなり、キャリアを活性層４に閉じ込める下部および上部のスペーサー層３、５により活性層４を挟持する構造に形成されている。活性層４は、所望の発光波長になるバンドギャップの材料が用いられ、バルク構造または単一もしくは多重の量子井戸構造に形成される。この活性層４は、ストライプ構造の半導体レーザと同様に、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）にすることにより、低しきい値となり好ましい。多重量子井戸構造にする場合、たとえばウェル層をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓで７ｎｍ程度、バリア層をＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓにより１０ｎｍ程度として、ウェル層が３層程度になるように交互に積層されるＭＱＷ構造のものが用いられる。
【００１８】
この半導体積層部９の表面から、電流注入領域Ａとする部分以外の場所に、たとえばプロトンなどを打ち込むことにより絶縁領域Ｃが形成されている。この際、電流注入領域Ａが、前述のように、チップの端部側に偏芯するように絶縁化が行われている。なお、実際には、大きなウェハに多数個のレーザチップ分の半導体層を積層してから、ダイシングにより各チップに分割されるため、ウェハの状態では従来と同様に行われ、ダイシングの際に電流注入領域Ａが偏芯するように分割すればよい。この偏芯の程度は前述の通りである。
【００１９】
そして、表面側にＡｕ／Ｔｉなどの金属を蒸着などにより設けてパターニングすることにより、また、半導体基板１の裏面側にＡｕ／Ａｕ-Ｇｅ-Ｎｉなどの金属を蒸着などにより設けることにより、上部電極１０および下部電極１１が形成されている。なお、上部電極１０のパターニングは、電流注入領域Ａ上に設けられると共に、その中心部に直径が数μｍφ程度の出射口１０ａが形成されている。１０ｂは、ボンディング部を示している。
【００２０】
前述の例は、電流注入領域を周囲の絶縁化により形成する例であったが、面発光型レーザは、図１に示される構造に限定されるものではなく、たとえば図３に示されるような電流制限層を半導体積層部中に埋め込む構造のものでも良い。図３で、多層反射膜２、８や発光層形成部６は図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略するが、この例では、発光層形成部６と上部多層反射膜８との間に、たとえばＡｌＡｓからなる選択的に酸化し易い半導体層を介在させ、半導体積層部９の積層後に電流注入領域およびその周辺部を残してエッチングをし、メサ状にしてから、水蒸気雰囲気中などで酸化処理を行うことにより、酸化しやすいＡｌＡｓ層がとくに外周部の露出部から酸化し、図３に示されるように中心部の酸化させない領域を電流注入領域Ａとする電流制限層７を形成する構造のものでもよい。なお、電流制限層の形成法は、選択酸化によらなくても、従来のストライプタイプのように、電流注入領域のみを除去した異なる導電形半導体層または絶縁層を介在させる構造のものでもよい。
【００２１】
このようにして形成されたレーザチップ１２は、たとえば図４（ａ）に示されるように、たとえば縦×横が１ｍｍ×０.８ｍｍ程度の大きさのシリコンなどからからなる受光素子１３のほぼ中央部にマウントされる。なお、１４はレーザチップ１２の下部電極と、受光素子の一方の電極との共通電極パッド、１５はレーザチップの上部電極とをワイヤで接続する電極パッド、１６は受光素子の他方の電極と接続する電極パッドをそれぞれ示している。このレーザチップ１２がマウントされた受光素子１３は、キャンタイプ型の半導体レーザにする場合、たとえば図４（ｂ）に示されるように、ステム２１のヒートシンク２７上にマウントされる。そして、前述の受光素子１３に設けられた各電極パッドがステム２１に取り付けられたリード２２、２３、２４とそれぞれ図示しない金線などによりワイヤボンディングされ、その周囲がキャップ２５により被覆されている。キャップ２５の頂部中心部には、光を透過できるように貫通孔２５ａが形成され、ガラスなどの透明体２６が貼着されることにより透過窓が形成され、この透明体２６を介して、レーザビームが出射される構造になっている。
【００２２】
本発明の半導体レーザでは、図４（ａ）〜（ｂ）に示されるように、レーザチップ１２のビーム出射口１０ａが受光素子１３のほぼ中心部になるようにレーザチップ１２が受光素子１３上にマウントされ、そのレーザチップ１２の出射口１０ａが貫通孔２５ａ（透過窓）のほぼ中心になるようにステム２１に組み立てられている。その結果、透明体２６で反射する反射光は、図４（ａ）にＲで示されるように、出射口１０ａを中心とした円形状でレーザチップ１２および受光素子１３上に戻り、その大部分は受光素子１３により検出される。すなわち、レーザチップ１２と透明体２６との距離が近く、反射光の投影面積が小さくなっても、そのほぼ半分（一辺側のみに偏芯させた場合）または３／４（隣接する２辺側、すなわち角部側に偏芯させた場合）が受光素子上に投影されるため、感度よく検出することができ、正確にモニターすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の面発光型半導体レーザによれば、レーザビームの出射口がレーザチップの中央部ではなく、端部側に偏芯するように形成されているため、受光素子上にマウントして、反射光によりレーザチップの発光量をモニターする場合に、レーザチップと透明体などの反射面との距離が近く、反射光の投影面積が小さくなっても、確実にその半分程度は受光素子に投影され、確実にモニターすることができる。その結果、動作温度などによりレーザチップの発光量が変化しても、その都度自動制御装置によりその駆動電圧などが調整され、一定の出力を有する光源とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザチップの平面および断面の説明図である。
【図２】レーザチップから出射されるビームの反射光の強度分布を示す図である。
【図３】本発明による半導体レーザチップの他の構造例を示す断面説明図である。
【図４】本発明による半導体レーザのチップを受光素子上にマウントした例の平面説明図およびキャンタイプの半導体レーザを構成する例の断面説明図である。
【図５】従来の面発光レーザの一例を示す断面説明図である。
【図６】従来の面発光レーザにおける他の構造例を示す断面説明図である。
【図７】面発光レーザを用いて発光量をモニターする場合の説明図である。
【符号の説明】
２下部多層反射膜
６発光層形成部
８上部多層反射膜
９半導体積層部
１０ａ出射口
１２レーザチップ
１３受光素子
Ａ電流注入領域

Claims

ステムの一面側に設けられる受光素子と、該受光素子の表面にマウントされる面発光型のレーザチップと、中心部に透明体からなる光の透過窓を備え、該透過窓が前記レーザチップの表面と平行になり、かつ、前記レーザチップを被覆するように設けられるキャップとを有し、前記レーザチップが電流注入領域と基板中心部とを偏芯させたレーザチップからなり、該レーザチップのレーザビーム出射口が前記受光素子の中心部に位置するように前記レーザチップが設けられることにより、前記透過窓の中心部の真下に前記レーザチップの出射口が位置すると共に、該出射口の近傍に前記受光素子が露出して、前記レーザチップからの出射光の一部が前記透過窓により反射する光を前記出射口の近傍で露出する前記受光素子の部分で受光し得る構造である半導体レーザ。
前記レーザチップが四角形状に形成され、前記レーザチップの出射口が該レーザチップの１つの角部側に偏芯して形成されてなる請求項１記載の半導体レーザ。
前記レーザチップの出射口が、前記１つの角部を挟む端面からそれぞれ２０〜７０μｍの範囲に形成されてなる請求項２記載の半導体レーザ。