JPS62269375A - 半導体装置 - 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〕 本発明は複数個の半導体発光素子がモノリシックに形成
された半導体装置に関する。

〔従来技術〕

従来、例えば特開昭５９−１２６に開示されているよう
に、半導体レーザまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を複
数個用いて光走査装置を設計する場合、第５図に示すよ
うに発光体からの光の出射方向が一点Ｐ。

で交わるように光源を配置し、複数の走査スポットを良
好な結像状態を保ちながら被走査面（不図示）に対して
走査できるよう工夫されていた。

第５図はその典型的な従来例を示したものであり、光源
と偏向器の間の光学系を偏向走査面と垂直な方向から見
た図である。５１ａ、５１ｂは半導体レーザであり、各
レーザはマウント５２の上にその光束発生面がマウント
５２の端面と平行になるように配されている。半導体レ
ーザ５１ａ、５１ｂが設けられているマウント５２の端
面５２ａ、５２ｂは、各レーザ５１ａ。

５１ｂからの発散光束の中心光線ｈａ、ｈｂが同一の点
Ｐｏを通過して来たかの如く設定される。換言すれば、
半導体レーザ（５１ａ、５１ｂ）が設けられている位置
で、端面５２ａと５２ｂに各々法線をたてると、各々の
法線がＰ。を通過するように、端面５２ａと５２ｂは設
定されている。更に、偏向走査面と平行な方向から見れ
ば、各々の半導体レーザの中心光線ｈ　ａ　＋ｈ　ｂの
Ｐ。点を通過する位置が、偏向走査面と直交する方向に
わずかに変位するように、マウント３２上に設けられる
半導体レーザの位置は設定される。

上記Ｐ。点と偏向器の偏向反射面５３の所定の近傍の点
Ｐとは、結像レンズ５４により光学的共役な関係に保た
れている。

このように、複数個の半導体発光素子（例えば半導体レ
ーザ）をそれぞれの光の出射方向が異なるように配置す
るためには、」二記例に示したようにマウント−１−に
位置合せをしてハイブリッドに構成する必要があった。

以下便宜」二、複数個の半導体発光素子としてアレーレ
ーザという言葉を使用するが、原理的にはＬＥＤアレー
のような発光体にも当てはまる。

また、モノリシックに形成されたアレーレーザを使用す
る場合には、アレーレーザの前面に何らかの光学系を設
置する必要がある。特開昭５８−２１１７３５に開示さ
れている例としては、プリズムがアレーレーザの前面に
配置されている。これを第６図に示す。

第６図は半導体アレーレーザが５つの発光部を有する場
合のプリズムの断面を示すものである。６１は５つの発
光部（６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ）を有
する半導体アレーレーザであり、６２はプリズムである
。発光部６］ａからの光束の中心光線ｈａは傾斜面６２
ａにより屈折され、あたかもＰ。を通過して来たかのよ
うに曲げられる。同じく６１ｂからの中心光線ｈｂは傾
斜面６２により、６１ｄからの中心光線ｈｄは傾斜面６
２ｄにより、６１ｅからの中心光線ｈｅは傾斜面６２ｅ
により、それぞれあたかもＰ。

を通過して来たかのように曲げられる。なお６１ｃから
の中心光線ｈｅは平面６２ｃを垂直に通過して行き、こ
の中心光線ｈｃの延長線上にＰ。が存在する。

このように各発光部に対応して傾斜角を定めた傾斜平面
が設けられ、プリズム６２を出射後の各光束の中心光線
は、あたかもＰ。から出射したかのようにその方向を制
御されている。このＰ。は前述したように偏向反射面の
近傍の所望の位置Ｐ（不図示）と光学系を介して共役に
保たれる。

この場合の問題点はプリズム６２の微細加工精度および
方法、プリズム６２とアレーレーザ６１との位置合せお
よび接合方法などであり、アレーレーザのピッチが小さ
くなる程難しくなる。実際、１００μｍ以下ではほぼ不
可能である。

一方、第７図は光学系即ちリレー光学系７３で同様の効
果を持たせようとしたもので、アレーレーザ７］ａ、７
１ｂから出射した光を平行化して結像させるコリメータ
レンズ７２とシリンドリカルレンズ７５との間にリレー
光学系７３を介在させてポリゴン面７４に結像した例で
あり、良好な結像状態で被走査面（不図示）」二に結像
される。

この場合の問題点は光路長であり、リレー系自体で約２
０ｃｍ長（なってしまう。

一方、上記の如き問題点を解決するため、本出願人は特
願昭５９−２４０／１１８号、特願昭６０−４２４号等
で、複数個の半導体レーザがモノリシックに形成され、
かつ、各々の半導体レーザの出射方向が異なっている半
導体装置を既に提案している。

〔発明の概要〕

本発明は、簡単に製造でき、レンズ等と組み合せて光路
長の短い光学系を構成出来る半導体レーザ装置を提供す
ることを目的とし、更に実際の使用状態に対応して、上
記既提案の装置の性能をより向上させるものである。

本発明による半導体装置は、上記目的を達成する為に、
複数個の半導体発光素子がモノリシックに形成されてい
る半導体装置において、」二連の半導体発光素子のそれ
ぞれに対応し、これら半導体発光素子とモノリシックに
導波路を形成する際、半導体発光素子の活性層に多重量
子井戸構造を持ち、導波路部分の多重量子井戸構造を無
秩序化する事により導波路から射出される時点で、それ
ぞれの光出射方向が異なっている事を特徴とする。

なお、以下の記載において用いられる［それぞれのレー
ザからの光の出射方向が異なる」という表現は同一方向
に出射するものが１組もないという意味ではな（、広義
には出射方向の異なるものが１組以上存在するという意
味である。

多数の半導体レーザを高密度に集積する場合の問題点と
して発振のためのキャリア注入にともなう発熱と温度上
昇によって発光効率が低下し、一定の注入電流によって
、もはや一定の光出力が得られなくなる。

これは半導体レーザを光記録装置の光源として使用する
場合は深刻であり、記録のエラーや記録品位の低下を招
く。

更に通常、ＧａＡｓ／ＧａＡＡ！Ａｓ系半導体レーザの
活性層はＧ　ａ　Ａ　ｓもしくはＧａＡｊ？Ａｓ層で、
この活性層部分を先導波路部分として用いる場合、活性
層に平行な面に対して光は広がる為、不純物の拡散等に
より屈折率分布を生じさせて光を閉じ込める様な工夫を
している。しかし、この場合導波路の屈折率差が非常に
小さい為、光は充分に閉じこもらず、導波路内での損失
が大きくなる。この様な導波路を用いると、導波路出射
端面でのｐｏｗｅｒが小さくなり、光記録装置の光源部
分として用いる事は出来ない。

本発明において提示する具体的な解決法は上記の様な発
光効率の低下を半導体レーザの構造にＵ　Ｓ　Ｐ　３　
。

９８２．２０７に開示されている多重量子井戸構造を採
用して発光の温度特性を改善し、光導波路部分の多重量
子井戸構造において、多重量子井戸を無秩序化する事に
より、より大きな屈折率の差を達成するものである。

即ち、以下の実施例で述べるように」１記構造を採用す
る事により、 （１）発光に要する注入電流が減少し、同程度の光出力
を得る為の発熱量が少なくなり、動作温度が低（なる。

（２）ＭＱＷ構造では一定温度の変化に対する先の出力
変化が少ない。

（３）無秩序化する事により、屈折率差が大きくできる
ので充分な光閉じ込め効果が期待できる。

（１）（２）（３）の複合効果により本発明のように高
密度に集積化された光導波路をもちいた斜め出射アレー
レーザにおいても良好な発光特性が達成された。

多重量子井戸構造は電荷の注入や電界の印加により吸収
特性が変化する事を利用しての光変調器としての用途、
量子効果により実効バンドギャップが変化する事を利用
した短波長レーザ発振双安定光素子等に利用されている
が、本発明の様に発光効率が良いこと、温度特性の良好
な点、更に無秩序化により、屈折率を大きく変化できる
点に注目して高密度斜出レーザとしてデバイス化した例
はなく、使用形態での適合化を追及する中で本発明に到
達したものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図は本発明の一実施例で、以下、ＧａＡｓ。

Ｇ　ａ　Ａ　１２　Ａ　ｓをもちいて製造プロセスを説
明する。

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板Ｉｌｌ上に順次、バッファ層と
してｎ型ＧａＡｓ１１２を１μｍ１クラツド層としてｎ
型Ａ　ｌ　Ｏ，４Ｇ　ａ　ｏ、ａ　Ａ　ｓ　ｌ　］　３
を２　ｐ　ｍ　、活性層としてノンドープＧａＡｓ１０
０人、　Ａｎ！ｏ、２Ｇａｏ、５Ａｓ３０人を４回（り
返し最後にＧ　’ａ　Ａ　ｓ　１００人種層した。

多重量子井戸構造の活領域１１４を形成した。１次にク
ラッドとしてＰ型Ａｆｏ４Ｇａｏ、ａＡｓ１１５を１．
５μｍ、キャップ層としてＰ形ＧａＡｓ１１６を０．５
μｍ分子線エピタキシ法によって形成した。

続いてプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜１２０を
形成する。次に第２図に示すようなマスクパターン１２
１を上記ウェハー１１９上に転写し、不純物拡散用マス
クとする。転写されたウェハー１１９はＺｎＡｓ２１３
１と一緒に第３図のアンプル１３０中に真空封じされ、
約６００°Ｃ１Ｏ分加熱する事により、第４図に示す如
く、ＭＯＷ構造は不純物により無秩序化されて光導波路
１４０を形成する無秩序化部分を斜線の１４１とする。

続いて、電流注入域を形成する為、第５図に示す如く窒
化シリコン膜１２０に幅３μｍ、長さ５００μｍの窓１
５１を開ける。次に上部電極としてＣｒ、Ａｕオーミッ
ク電極１６１を形成し、電極として必要な部分以外はエ
ツチングをして第６図の如くになる。第７図にチップ化
した時の斜視図を示す。導波路部とレーザ部を分離する
為の溝１７１を基板１１１とバッファ層１１２の境界付
近までエツチングにより作成する。次にレーザ部の共振
器ミラーのうち、一方は溝１７１のレーザ部壁面により
得られ、もう一方は溝と反対側の面をヘギカイする事に
より得られる。又導波路の端面は入射面は溝１７１の壁
面により得られ、もう一方はヘキカイする事により得ら
れる。

尚、１７２，１７３，１７４はそれぞれ光出射方向を示
す。各構成要素の寸法は、電極間隔１００μｍ、キャビ
ティ長３００μｍ、溝１７１の幅は１〜数１１０７ｚ。

その深さは３〜５μｍで導波路］　７５　ａ　−ｃの長
さは数］、００７ｚｍ、各導波路の巾は数μｍで出射方
向の広がり角θは数度である。

第７図に示した実施例では、各導波路１７５　ａ　−ｃ
が予めある角度θを有して直線状に形成されているが、
形成態様は直線に限定されない。すなわち、最終的に同
波路から光が出射される時点において放射状に光が広が
れば良く、例えば第団８図に示すように曲りだ導波路も
可能である。

第８図は本発明の変形例を示し、破線で示した導波路＋
　８５　ａ　−ｃは、溝１７１の近傍では直線的である
が、光が出射される端面に近づ（につれて徐々に放射状
に曲っている。

これらの装置では、電流注入によりアレーレーザを発振
させると３本の平行なレーザビームが得られる。これら
の平行なビームは溝１７１を通して放射状の導波路１７
５ａ〜Ｃまたは１８５ａ〜Ｃ内に入り、それぞれ放射状
のレーザビームとして取り出される。したがって、３本
のビームが１個所から出射されたものとして取扱うこと
ができるため、アレーレーザ光の集束を容易に行なうこ
とができる。

」１記説明では導波路部の形成方法として、不純物の拡
散によって導波路と導波路以外の部分との間に屈折率の
差を持たせたが、この他に、イオン注入を利用すること
も可能である。

第７図および第８図に示したようなファブリペロ−共振
器を持つレーザを用いる場合には、共振器を形成するた
めにレーザ光を空気中または屈折率の異なる媒質中（溝
１７１に相当する）を通過させた後、導波路内へそのレ
ーザ光を導く。そのために、レーザ光の広がりや溝１７
１側の導波路端面での光の反射が生じて、導波路内に入
射する光の割合が減少したり、あるいはクロスト−りが
発生することがある。

これに対する改善策としては、溝１７１を屈折率の大き
い物質で充填すればよい。この場合の屈折率の大きさは
、前述した導波路部における導波路１７５　ａ　−ｃ　
、あるいは１８５　ａ　−ｃ以外の部分の屈折率の大き
さより小さく選定される。

第９図（ａ）、（ｂ）はＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ
ｄ　ＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　）レーザを用い
た例であり、それぞれ断面図、平面図を示す。

まず、基板１９１上に順次、クラッド層１９２．ＭＱＷ
構造の活性層１９３．クラッド層１９４を作成する。

次に、プラグ反射（ＤＢＲ）部並びにＤＢＲおよび導波
路部に対応するクラッド層１９４を厚さ数百ｎｍまでエ
ツチング除去し、この上に干渉露光により周期数百ｎｍ
の回折格子１９５を作成する。さらに、活性部に対応す
るクラッド層１９４の上面に電極１９６ａ、１９６ｂ、
１９６ｃを形成する。

最後に、導波路部において活性層１９３と平行な面内で
導波路１９７ａ、１９７ｂ、１９７ｃが形成される。

この場合、導波路の形状は直線状でもあるいは放射状で
もよいが、いずれの場合にも光が出射される時点におい
ては、ある角度θを有して光が出射されるように形成さ
れる必要がある。

このようなりＢＲレレーを用いた場合には、レーザ光が
伝わってい（媒質が、レーザ部と導波路部で変化しない
ため、レーザ光の広がりや導波路端面での光の反射はほ
とんど生じないという利点がある。

同様な効果は、ＤＦＢ　（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　　
ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザを用いた場合にも期待できる
。

■　前記実施例ではレーザ部はＧａＡｓ系を用いた利得
導波形の電極ストライプ構造を例にとって述べたが、Ｂ
Ｈ構造、ｃｓｐ構造電流、光の為の狭すクの吸収層を活
性層近傍に設けた構造等の屈折率導波形のレーザに対し
ても有効である。

■　前記実施例では光導波路部を形成した後、レーザ部
を作成したか、レーザ部も光導波路部と同様に不純物拡
散による電流、光の狭すクを行なう事で、光導波路、レ
ーザ部を同時に作成する事が出来る。

なお、各レーザからの光出射方向の異なり角θ（度）の
値はアレーの間隔（ｊｌ’　ｍ　ｍとする）と用いる光
学系の焦点距離とに依存するが、通常用いられる焦点距
離２０　ｍ　ｍ程度のものでは１゜≦θ／Ｉ！≦５０ぐ
らいが適当である。例えば第１２図の試作例ではｌ　＝
１００　μｍ、Ｐ、）＝１３ｍｍ、　　θ＝１．２度で
良好な結果を得た。

また、光走査の方法を第５図に示されるような偏向反射
面５３を用いた系に限定する必要がないのは言うまでも
ない。例えば結像レンズ５４の背後に回折格子のような
ものを設置して変更することも可能である。

さらに、予め設定された光出射方向の異なり角θは一定
値ずつシフトしているのが一般的であるが、例えばθ１
．θ２．θ３・・・・・・・・・というように必要に応
じて異なった値をとってもよい。そして、このような光
出射方向の異なるアレーレーザは走査光学系を有する装
置にのみ適用されるものでないことは言うまでもない。

すなわち、本発明による半導体装置におけるアレーレー
ザは、単一レンズにより異なった発光点からのレーザを
ほぼ同じ方向へ平行化させるような操作に対して極めて
有利である。

以上、各実施例あるいは変形例において主としてアレー
レーザを例にとって述べたが、ＬＥＤなどの他の半導体
発光素子についても同様の効果が期待される。更に、材
料もＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓに限定されるわけではな（
、■−■族化合物半導体のＩｎＰ。

Ｉ　ｕ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ系やＡｊＮｎＧａＰ系等に
も適用できる。

〔発明の効果〕

本発明は以上述べたように、複数個の半導体発光素子を
単一基板上に形成する際半導体発光素子のそれぞれから
の光の出射方向を異ならせるような導波路を設ける際に
活性層にＭＱＷ構造を用いる事により、出力のリレキの
如何によらず出力変動を小さくできるばかりでな（、導
波路形成においても、ＭＱＷ構造を無秩序化する事で容
易に屈折率差を大きくする事が可能となり光閉じ込め効
果の大きい導波路を形成する事ができた。上記の様な簡
単な工夫で、多数の点からのレーザ光の平行化を容易に
し、走査光学系を用いて媒体上に結像、走査するような
光学装置（例えばレーザビームプリンタなど）の光源と
して極めて有効となる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は本発明の詳細な説明する図、第１０図
はレーザがハイブリッドに配置された従来例を示す図、
第１１図は出射方向一定のアレーレーザとプリズムを合
体して出射方向を異ならせた従来例を示す図、−第１２
図は出射方向一定のアレーレーザを光学系で補正しよう
とした場合の従来例を示す図である。 １７５　ａ　、　１７５　ｂ　、　ｌ　７５　ｃ　−−
−−−−＝−導波路、１７２．１７３，１７４・・・・
・・・・・・・・・・・光出射方向。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の半導体発光素子と導波路をモノリシック
   に形成し、導波路を通して出射方向が異なるようにレー
   ザ光が放出される半導体装置であって、前記半導体発光
   素子の活性層が多重量子井戸構造を持ち、且つ導波路部
   分が多重量子井戸構造の無秩序化により形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. （２）前記半導体発光素子と導波路がIII−Ｖ族化合物
   半導体である特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。