JPS6218785A - Semiconductor element - Google Patents
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- JPS6218785A JPS6218785A JP15866885A JP15866885A JPS6218785A JP S6218785 A JPS6218785 A JP S6218785A JP 15866885 A JP15866885 A JP 15866885A JP 15866885 A JP15866885 A JP 15866885A JP S6218785 A JPS6218785 A JP S6218785A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の分野〕
本発明は、同一基板上に半導体レーザと、この半導体レ
ーザの出力光を検知するフォトディテクタとをモノリシ
ックに形成した半導体素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor laser and a photodetector for detecting output light of the semiconductor laser are monolithically formed on the same substrate.
近年、レーザビームプリンタ、光デイスク装置等の光源
として、半導体レーザの需要が高まってきている。とこ
ろでこのような機器に半導体レーザを用いる場合には、
常に安定な出力が得られるように出力制御される必要が
あり、半導体レーザの出力光を検知するフォトディテク
タと対で用いられるのが普通である。ここで、半導体レ
ーザとフォトディテクタとは別々に形成され、同一パッ
ケージ内に組み込まれるものであるが、更に組立・調整
を容易にする為、これらを同一基板上にモノリシックに
形成した半導体素子も提案されている。In recent years, demand for semiconductor lasers has been increasing as light sources for laser beam printers, optical disk devices, and the like. By the way, when using a semiconductor laser in such equipment,
The output must be controlled so that a stable output is always obtained, and it is usually used in conjunction with a photodetector that detects the output light of the semiconductor laser. Here, the semiconductor laser and photodetector are formed separately and integrated into the same package, but in order to further facilitate assembly and adjustment, semiconductor devices in which they are formed monolithically on the same substrate have also been proposed. ing.
例えば、
1)レーザ構造の半導体f!I!体の一部をそのままフ
ォトディテクタとして利用したもの
2)レーザを形成する半導体層を基板上に成長させた後
、この半導体積層体の一部を削除して、フォトディテク
タを形成する半導体層を再成長させたもの
等である。For example, 1) Semiconductor f! of laser structure! I! 2) After growing the semiconductor layer that forms the laser on the substrate, part of the semiconductor stack is removed and the semiconductor layer that forms the photodetector is regrown. etc.
しかしながら、前記1.)の素子ではフォトディテクタ
の出力及び感度が不十分であった。これは、一般に出力
光のエネノVギーがレーザを構成している半導体のバン
ドギャップのエネルギーより小さく(例えば、GaAs
のDH構造ではその差が約25meV)、レーザと同一
構成のフォトディテクタ内で出力光が有効に電子−正孔
対を生成出来ないためである。また前記2)の素子では
レーザ構造を削除するプロセスで基板表面が汚染或いは
酸化され易く、再成長が難しいという欠点があった。However, the above 1. ) had insufficient photodetector output and sensitivity. This is because the energy of the output light is generally smaller than the energy of the band gap of the semiconductor that makes up the laser (for example, GaAs
In the DH structure, the difference is about 25 meV), and this is because the output light cannot effectively generate electron-hole pairs within the photodetector having the same configuration as the laser. Furthermore, the device of 2) has the disadvantage that the substrate surface is easily contaminated or oxidized during the process of removing the laser structure, making regrowth difficult.
本発明の目的は、高出力・高感度のフォトディテクタを
有し、作製の容易な半導体素子を提供することにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor element that has a high-output, high-sensitivity photodetector and is easy to manufacture.
本発明の上記目的は、基板上に半導体層を積層すること
によって、半導体レーザとフォトディテクタとがモノリ
シックに形成された半導体素子において、前記半導体レ
ーザ及びフォトディテクタのいずれか一方を、他方と同
一構成の半導体積層体上に形成することによって達成さ
れる。The above object of the present invention is to provide a semiconductor element in which a semiconductor laser and a photodetector are monolithically formed by stacking semiconductor layers on a substrate, in which one of the semiconductor laser and the photodetector is formed by a semiconductor having the same structure as the other. This is achieved by forming it on a laminate.
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第1図は1本発明に基づく半導体素子の第1実施例の構
成を示す斜視図である0図中、3は段差を有するn型G
aAs基板で、この上に半導体層が積層されることによ
って半導体レーザ部l及びフォトディテクタ部2がモノ
リシックに形成されている。半導体レーザ部1は基板3
の上段に結晶成長されたn型GaAsバッファ層4.n
型AlGaAsクラッド層5.GaAs+、z−ザ活性
層6a、p型GaAsクラッド層7a、p型GaAsキ
ャップ層8aから成る。ここでレーザ活性層6aは量子
効果を利用して、実質上のバンドギャップが、GaAs
の通常のバンドギャップより25meV以上大きく形成
されている。また、フォトディテクタ部2は、基板3の
下段に成長された半導体レーザ部1と同一構成の半導体
積層体(バッファ層4.クラッド層5.GaAs層6b
、p型GaAS層7b及びp型GaAs層8b)上に形
成されており、前記p型GaAS層8bと、この上に成
長された高低抗GaAs層9、n型GaAs層10とで
、PINフォトダイオードを構成している。そして、半
導体レーザ部lとフォトディテクタ部2との間には、こ
れらを分離し、また半導体レーザ部1の共振面を形成す
る為に溝が形成されている。更に、キャップ層8a上及
び基板3底面には各々半導体レーザ部1のp型ストライ
プ電極11及びn型電極12が形成され、フォトディテ
クタ部2のn型GaAS層10上及びエツチングによっ
て露出されたp型GaAS層8上にも各々n型電極13
.p型電極14が形成されている。FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. In FIG.
A semiconductor laser section 1 and a photodetector section 2 are monolithically formed by stacking a semiconductor layer on an aAs substrate. The semiconductor laser section 1 is a substrate 3
An n-type GaAs buffer layer crystal-grown on the upper layer 4. n
type AlGaAs cladding layer5. It consists of a GaAs+, z- active layer 6a, a p-type GaAs cladding layer 7a, and a p-type GaAs cap layer 8a. Here, the laser active layer 6a uses the quantum effect to change the substantial band gap to GaAs.
The bandgap is 25 meV or more larger than the normal bandgap. The photodetector section 2 also includes a semiconductor stack (buffer layer 4, cladding layer 5, GaAs layer 6b,
, p-type GaAS layer 7b and p-type GaAs layer 8b), and the p-type GaAS layer 8b, the high-low anti-GaAs layer 9 and the n-type GaAs layer 10 grown thereon form a PIN photosensitive layer. It constitutes a diode. A groove is formed between the semiconductor laser section 1 and the photodetector section 2 in order to separate them and to form a resonant surface of the semiconductor laser section 1. Furthermore, a p-type stripe electrode 11 and an n-type electrode 12 of the semiconductor laser section 1 are formed on the cap layer 8a and the bottom surface of the substrate 3, respectively, and on the n-type GaAS layer 10 of the photodetector section 2 and the p-type stripe electrode 12 exposed by etching. Also on the GaAS layer 8 are n-type electrodes 13.
.. A p-type electrode 14 is formed.
次に、前述の実施例の動作を説明する。第2図は第1図
示の半導体素子を用いた回路の一例を示す図である。こ
こでは半導体素子を模式的に示した。半導体レーザ部1
の電極11及び12には電流源15が接続され、順バイ
アス電流17が流れてレーザ発振を起こす、そして出射
されたレーザ光の一部19はフォトディテクタ部2の高
低抗GaAs層9を中心に受光される。そして、レーザ
光によって励起された電子−正孔対は、電極13.14
間に逆バイアス状態に接続された電圧源16によって加
速され、電流18を生じる。この電流18はレーザ光1
9の強弱を反映するので、電流18を検出することによ
ってレーザ光19の出力を検知でき、半導体レーザ部1
の出力制御に用いることが出来る。Next, the operation of the above embodiment will be explained. FIG. 2 is a diagram showing an example of a circuit using the semiconductor element shown in FIG. 1. Here, a semiconductor element is schematically shown. Semiconductor laser section 1
A current source 15 is connected to the electrodes 11 and 12, and a forward bias current 17 flows to cause laser oscillation, and a portion 19 of the emitted laser light is received mainly by the high-low anti-GaAs layer 9 of the photodetector section 2. be done. Then, the electron-hole pair excited by the laser beam is transferred to the electrode 13.14.
The current 18 is accelerated by a voltage source 16 which is connected in a reverse biased state in between. This current 18 is the laser beam 1
Since the output of the laser beam 19 can be detected by detecting the current 18, the output of the laser beam 19 can be detected by detecting the current 18.
It can be used for output control.
ここで、上記レーザ光のエネルギーは、第1図活性層6
aの実質上のバンドギャップエネルギーより約25me
V低下している。しかし、前述のように活性層6aの実
質上のバンドギャップエネルギーは量子効果によって2
5meV以上向上しており、レーザ光のエネルギーは高
低抗GaAs層9のバンドギャップエネルギーより大き
い。Here, the energy of the laser beam is equal to the energy of the active layer 6 in FIG.
Approximately 25 me from the effective bandgap energy of a
V is decreasing. However, as mentioned above, the effective band gap energy of the active layer 6a is 2 due to the quantum effect.
The energy of the laser beam is higher than the bandgap energy of the high-low anti-GaAs layer 9.
従って、フォトディテクタ部2に入射したレーザ光は、
電子−正孔対を有効に生成し、半導体レーザ部1の出力
を高出力、高感度に測定出来る。また、フォトディテク
タ部2を構成するPINフォトダイオードは、高電圧の
逆バイアス状態で使用される為、検出電流はレーザ光の
変化に対して高速に応答する。Therefore, the laser light incident on the photodetector section 2 is
Electron-hole pairs are effectively generated, and the output of the semiconductor laser section 1 can be measured with high output and high sensitivity. Further, since the PIN photodiode constituting the photodetector section 2 is used in a high voltage reverse bias state, the detection current responds quickly to changes in the laser light.
第3図(A)〜第3図(C)は、前述の第1実施例の作
成工程を説明する略断面図である。FIGS. 3(A) to 3(C) are schematic cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the first embodiment described above.
まず第3図(A)のような3pLmの段差を持つn型G
aAs基板3上に、分子線エピタキシー(MBE)或い
は気相エピタキシー(VPE)等の方法でn型GaAs
層を0.5pmの厚さに結晶成長させ、バッファ層4を
形成する。続けて同様の方法で、n型A又GaAsクラ
ッド層5゜G a A s 96 、 p型GaAs層
7.p型GaAs層8.高抵抗GaAs9.n型GaA
s層10を各々1.5pm、1.5gm、lpm、lp
m及び0.5pmの厚さに結晶成長させ、第3図CB)
のような半導体積層体を形成する9次に基板3の底面に
半導体レーザのn型電極12を形成した後、フォトディ
テクタ部2の一部をフォトレジストでマスクして、残り
の部分をGaA s層6に達するまでエツチング除去す
る。そして、半導体レーザ部l及びフォトディテクタ部
2の露出したGaAs層6上に各々p型電極11及び1
4を設ける。更に、フォトディテクタ部2の前記マスク
を取り除いた後の部分にn型電極13を設ける。I&後
に、半導体レーザ部1の共振面を形成し、また出射され
るレーザ光85及び86の一部を直接フォトディテクタ
部2に導く為に、中央の@19を形成した後、素子を骨
間によって切り出して第3図(C)に示す半導体素子を
作成する。First, an n-type G with a step of 3 pLm as shown in Figure 3 (A).
N-type GaAs is deposited on the aAs substrate 3 by a method such as molecular beam epitaxy (MBE) or vapor phase epitaxy (VPE).
The buffer layer 4 is formed by crystal-growing the layer to a thickness of 0.5 pm. Subsequently, in the same manner, an n-type A or GaAs cladding layer 5°GaAs 96 and a p-type GaAs layer 7. p-type GaAs layer8. High resistance GaAs9. n-type GaA
The thickness of the S layer 10 is 1.5 pm, 1.5 gm, lpm, and lp, respectively.
The crystals were grown to a thickness of m and 0.5 pm (Figure 3 CB).
After forming the n-type electrode 12 of the semiconductor laser on the bottom surface of the substrate 3, a part of the photodetector part 2 is masked with a photoresist, and the remaining part is covered with a GaAs layer. Etch and remove until it reaches 6. Then, p-type electrodes 11 and 1 are placed on the exposed GaAs layer 6 of the semiconductor laser section 1 and the photodetector section 2, respectively.
4 will be provided. Furthermore, an n-type electrode 13 is provided in the portion of the photodetector section 2 after the mask is removed. After forming the resonant surface of the semiconductor laser section 1 and forming the center @19 in order to directly guide a portion of the emitted laser beams 85 and 86 to the photodetector section 2, the element is inserted between the bones. The semiconductor element shown in FIG. 3(C) is then cut out.
ここで、溝19の幅は、基板3の段差の傾きに依存して
決定する最適値となるように形成される。この溝19が
広すぎれば、レーザ光16のフォトディテクタ部2への
入射光量は減少してしまう、また、半導体レーザ部1の
活性層6aとフォトディテクタ部2の高抵抗G a A
S R9との厚み方向の位置は、レーザ光36の厚み
方向の広がり角が大きい(300〜40°)ので、必ず
しも一致していなくても良いが、一致していれば、更に
効率良くレーザ光を光電変換することが出来る。Here, the width of the groove 19 is formed to have an optimum value determined depending on the inclination of the step of the substrate 3. If this groove 19 is too wide, the amount of laser light 16 incident on the photodetector section 2 will be reduced, and the high resistance G a of the active layer 6a of the semiconductor laser section 1 and the photodetector section 2 will be reduced.
Since the spread angle of the laser beam 36 in the thickness direction is large (300 to 40 degrees), the position in the thickness direction with S R9 does not necessarily have to match, but if they match, the laser beam will be more efficient. can be photoelectrically converted.
第4図は、本発明の第2実施例の概略を示す斜視図であ
る。ここで、第1図と同一の部材には同一の符号を付し
、詳細な説明は省略する0本実施例は、半導体レーザ部
1を、フォトディテクタ部2と同一構成の半導体積層体
上に形成したもので、GaAs基板20には、フォトデ
ィテクタ部2側が高い段差をもったものが用いられる。FIG. 4 is a perspective view schematically showing a second embodiment of the present invention. Here, the same reference numerals are given to the same members as in FIG. 1, and detailed explanations are omitted. Therefore, the GaAs substrate 20 used has a high step on the photodetector portion 2 side.
また、半導体レーザ部1のn型電極12は、フォトディ
テクタ部2と溝21によって分離されたn型GaAs層
4上に形成され、フォトディテクタ部2のP型電極14
は基板18の底面に設けられる。そして電極11.12
間に電流を注入することによって半導体レーザ部1を発
光させ、このレーザ光によって電極13.14間に励起
される光電流を検出してレーザ出力を測定する。Further, the n-type electrode 12 of the semiconductor laser section 1 is formed on the n-type GaAs layer 4 separated from the photodetector section 2 by the groove 21, and the p-type electrode 12 of the photodetector section 2
is provided on the bottom surface of the substrate 18. and electrodes 11.12
A current is injected between the electrodes 13 and 14 to cause the semiconductor laser section 1 to emit light, and a photocurrent excited between the electrodes 13 and 14 by this laser light is detected to measure the laser output.
第5図は、段差のない平坦なn型GaAs基板22を用
いた本発明の第3実施例を示す略断面図で、 第111
と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略
する。木実施例において、半導体レーザ部1から出射し
たレーザ光23の一部は、直接或いは溝24の底部で反
射されてフォトディテクタ部2で検出される。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention using a flat n-type GaAs substrate 22 without steps.
The same members are given the same reference numerals, and detailed explanations will be omitted. In the wooden embodiment, a part of the laser beam 23 emitted from the semiconductor laser section 1 is detected by the photodetector section 2 either directly or after being reflected at the bottom of the groove 24 .
第6図及び第7図は、フォトディテクタ部2を半導体レ
ーザ部lと並列に(レーザの共振方向と平行に)配置し
た本発明の更なる実施例を示す斜視図であり1両図にお
いて第1図と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な
説明は省略する。第6図に示す実施例では、半導体レー
ザ部lとフォトディテクタ部2とは、溝26によって分
離されている。レーザ光25は半導体レーザ部1の共振
面から出射し、活性層6aからの漏れ光27が溝26を
横切ってフォトディテクタ部2に入射し、レーザ出力が
検出される。また第7図のように基板3の段差部の傾き
を急峻なものにすると、共振面から出射するレーザ光2
8とは別に、活性層6aから共振方向と異なる方向に漏
れた光29が、段差部の薄い半導体層を透過してフォト
ディテクタ部2に入射し、溝を形成しなくても出力検出
が可能である。6 and 7 are perspective views showing further embodiments of the present invention in which the photodetector section 2 is arranged in parallel with the semiconductor laser section 1 (parallel to the resonance direction of the laser). The same members as in the figures are given the same reference numerals, and detailed explanations will be omitted. In the embodiment shown in FIG. 6, the semiconductor laser section 1 and the photodetector section 2 are separated by a groove 26. In the embodiment shown in FIG. Laser light 25 is emitted from the resonant surface of semiconductor laser section 1, and leakage light 27 from active layer 6a crosses groove 26 and enters photodetector section 2, where the laser output is detected. Furthermore, if the slope of the stepped portion of the substrate 3 is made steep as shown in FIG. 7, the laser beam 2 emitted from the resonant surface
Apart from 8, light 29 leaking from the active layer 6a in a direction different from the resonance direction passes through the thin semiconductor layer in the stepped portion and enters the photodetector portion 2, making it possible to detect the output without forming a groove. be.
本発明は、以上の実施例に限らず種々の応用が可能であ
る0例えば、実施例ではレーザ活性層とフォトディテク
タを同じ材料のGaAsで形成したが、フォトディテク
タをGaAsより25meV以上バンドギャップエネル
ギーが小さい半導体で作成すれば、実施例のように量子
効果を用いず1通常のダブルへテロ構造でも光検出を有
効に行うことが出来る。また、フォトディテクタ部をシ
リコンやゲルマニウムのような間接半導体で作成しても
良い。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments and can be applied in various ways. For example, in the embodiments, the laser active layer and the photodetector are made of the same material, GaAs, but the photodetector is made of GaAs, which has a band gap energy that is 25 meV or more smaller than that of GaAs. If it is made of semiconductor, it is possible to effectively detect light even with a normal double heterostructure without using quantum effects as in the embodiment. Further, the photodetector section may be made of an indirect semiconductor such as silicon or germanium.
以上説明したように、本発明は半導体レーザ及びフォト
ディテクタのいずれか一方を、他方と同一構成の半導体
積層体上に形成したので、半導体レーザ及びフォトディ
テクタを1回の成長で容易に作成出来、かつ高出力、高
感度、高速応答特性のフォトディテクタを実現すること
が可能になった。また、フォトディテクタの高出力、高
感度化によって、フォトディテクタに入射させるレーザ
光が少量で充分になり、利用可能なレーザ出力を増加さ
せることが出来た。As explained above, in the present invention, one of the semiconductor laser and the photodetector is formed on a semiconductor stack having the same structure as the other, so the semiconductor laser and the photodetector can be easily produced by one growth, and the semiconductor laser and the photodetector can be easily produced with a single growth. It has become possible to create a photodetector with high output, high sensitivity, and fast response characteristics. Furthermore, by increasing the output and sensitivity of photodetectors, it has become sufficient to make a small amount of laser light incident on the photodetector, increasing the usable laser output.
第1図は本発明の半導体素子の一実施例を示す斜視図、
第2図は第1図示の素子を用いた回路の構成例を示す図
、第3図(A)乃至第3図(C)は夫々第1図示の素子
の作成工程を説明する略断面図、第4図乃至第7図は夫
々本発明の他の実施例を示す図である。
1−−m=半導体レーザ部、
2−一一−フォトディテクタ部。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the semiconductor device of the present invention;
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a circuit using the element shown in FIG. FIGS. 4 to 7 are diagrams showing other embodiments of the present invention. 1--m=semiconductor laser section, 2-11-photodetector section.
Claims (1)
体レーザとフォトディテクタとがモノリシックに形成さ
れた半導体素子において、前記半導体レーザ及びフォト
ディテクタのいずれか一方が、他方と同一構成の半導体
積層体上に形成されたことを特徴とする半導体素子。(1) In a semiconductor device in which a semiconductor laser and a photodetector are monolithically formed by stacking semiconductor layers on a substrate, one of the semiconductor laser and the photodetector is formed on a semiconductor stack having the same structure as the other. A semiconductor element characterized by being formed.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15866885A JPS6218785A (en) | 1985-07-17 | 1985-07-17 | Semiconductor element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15866885A JPS6218785A (en) | 1985-07-17 | 1985-07-17 | Semiconductor element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6218785A true JPS6218785A (en) | 1987-01-27 |
Family
ID=15676743
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15866885A Pending JPS6218785A (en) | 1985-07-17 | 1985-07-17 | Semiconductor element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6218785A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5049522A (en) * | 1990-02-09 | 1991-09-17 | Hughes Aircraft Company | Semiconductive arrangement having dissimilar, laterally spaced layer structures, and process for fabricating the same |
US5848088A (en) * | 1995-07-11 | 1998-12-08 | Seiko Epson Corporation | Surface emission type semiconductor for laser with optical detector, method of manufacturing thereof, and sensor using the same |
JP2019192712A (en) * | 2018-04-20 | 2019-10-31 | 浜松ホトニクス株式会社 | Optical semiconductor element and method for manufacturing optical semiconductor element |
-
1985
- 1985-07-17 JP JP15866885A patent/JPS6218785A/en active Pending
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---|---|---|---|---|
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JP2019192712A (en) * | 2018-04-20 | 2019-10-31 | 浜松ホトニクス株式会社 | Optical semiconductor element and method for manufacturing optical semiconductor element |
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