JPS62269385A - 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〕 本発明は複数個の半導体レーザがモノリシックに形成さ
れた半導体レーザ装置に関する。

〔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（Ｌ　Ｅ　Ｄ　
）を複数個用いて光走査装置を設計する場合、第３図に
示すように発光体からの光の出射方向が一点Ｐ。

て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１２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。３１ａ、　　３１ｂは半導体レーザであ
り、各レーザはマウント３２の」二にその光束発生面が
マウント３２の端面と平行になるように配されている。

半導体レーザ３１ａ、３１ｂが設けられているマウント
３２の端面３２ａ、３２ｂは各レーザ３１ａ、　３１ｂ
からの発散光束の中心光線ｈａ、　　ｈｂが同一の点Ｐ
。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（３１ａ、３１ｂ）が設けられる位置で、端
面３２ａと３２ｂ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３２ａと３２ｂ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ｈａ、ｈｂ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。」二記Ｐ。点と偏向器の偏向反射
面３３の所定の近傍の点Ｐとは、結像レンズ３４にＪ：
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、」二犯例に示したようにマウン］・」二に
位置合せをしてハイブリッドに構成する必要があった。

以下便宜上、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Ｌ　Ｅ　Ｄ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１３図に示す。

第１３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。４１は５つの
発光部（４１ａ、　　４１ｂ、　４．ｌｃ、　４１ｄ、
　４１ｅ）を有する半導体アレーレーザであり、４２は
プリズムである。鴇光部４１ａからの光束の中心光線ｈ
ａは傾斜面４２ａ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４１ｂからの中心
光線ｈｂは傾斜面４２ｂにより、４１ｄからの中心光線
ｈｄは傾斜面４２ｄにより、４１ｅからの中心光線ｈｅ
は傾斜面４２ｅにより、それぞれあたかもＰｏを通過し
て来たかのように曲げられる。なお４１ｃからの中心光
線ｈｃは平面４２ｃ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４２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４２の微細加工精度及び方
法、プリズム４２とアレーレーザ４１との位置合せ及び
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、１００１１ｍ以下ではほぼ不可
能である。

一方、第１４図は光学系即ちリレー光学系５３で同様の
効果を持たせようとしたもので、アレーレーザ５］ａ、
　　５１ｂ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５２とシリンドリカルレンズ５５との間に
リレー光学系５３を介在させてポリゴン面５４に結像し
た例であり、良好な結像状態で被走査面（不図示）上に
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長くなってしまう。

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５９−２４０４１８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レーザ装置は複数個の半導体レーザ
がモノリシックに形成されている半導体装置において、
上述の半導体レーザのそれぞれの共振面から射出される
時点でそれぞれの光出射方向が異なっていることを特徴
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１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く、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ヤ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。

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各々の半導体レー
ザの活性層を多重量子井戸構造を持つものとし、レーザ
光出射端面を無秩序化して、発光特性を改善するもので
ある。即ち、以下の実施例で述べるように上記構造を採
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
温度が低くなる。

（２）温度特性が良好で、高嵩動作でも光の出力変動が
少ない。

（３）近接素子間の性能のバラツキが小さく、複数の出
力端から均質な出力が得られる。

（４）多重量子井戸構造を無秩序化する事により、バン
ドギャップは大きくなり、吸収が少ない端面保護膜とな
る。

（５）他の保護膜と違い、非常に密着性が良い。

（６）保護膜中への半導体材料のしみ出しもない。

以」二の複合効果により、本発明のように高密度に集積
化された斜め出射アレーレーザにおいて、発光履歴によ
らず良好な発光特性が得られるものである。

〔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図は本発明による半導体装置の一実施例を概略的に
示した図である。１１．、　１２．　１３の部分はそれ
ぞれ単一レーザに相当する発光部で、これらによりアレ
ーレーザ１４が形成されている。１５は反射率を増すと
ともにアレーレーザ１４の一方の端面１６を保護するた
めのコーティング４５（以下、多層膜反射層と称する。

）で、本実施例ではα（アモルファス）　−３ｉとＳ　
ｉ　０２を使用し、反射率が８０％になるようにした。

１７はアレーレーザ１４の出射端面を示しており（以下
、斜出端という。）両側において角度θの傾斜をもつよ
うに加工しである。なお、図では角度を誇張して描いで
ある。この斜出端１７は、アレーレーザ１４の光出射方
向１１ａ、　　１２ａ、　　１３ａ、の相互間に所望の
角度φを持たせている。１８は不純物拡散（例えば亜鉛
）による無秩序化部を示している。

なお、発光部１１〜１３の相互間隔、すなわちアレー間
隔ｌについては、本実施例では２０μｍとしたが、５０
μｍ、１００μｍでも可能である。この場合θを１０’
程度に保持するためには、発光部】１゜１３の先端部近
傍の数μｍのみ傾斜をもたせ、残りの部分は端面１６に
平行にすると良い。

次に、第２図（ａ）、　　（ｂ）に基づき本実施例を更
に詳しく説明する。第２図（ａ）、（ｂ）は斜出端が２
種類の角度θｌ、θ２の傾斜を有して加工された例を示
しているが、原理的には第１図と全く同じである。以下
、製造プロセスを説明する。

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に、分子線エピタキシ法
によりｎ型ＧａＡｓ層２２を１μｍ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ
層２３を２μｍ、活性層としてノンドープＧａＡｓ１０
０人、　　Ａ７！ｏ２Ｇａｏ、ａ　　Ａｓ　　３０人を
５回くり返し、最後にＧａＡｓ１００人積層した。人種
量子井戸構造の活性領域２４を形成した。Ｐ型ＡｌＧａ
Ａｓ層２５を１．５　μｍ、Ｐ＋ＧａＡｓ層２６を０．
１５μｍ順次成長させた。

次にプラズマＣＶＤによりＳｉ３　Ｎ４を１２００人形
成した。

次に無秩序化を行なう。無秩序化は第４−２図に示す様
に５ｉ７Ｎ４を除去した後、不純物の拡散を行ない、混
晶とする。

次に電流注入部２０を形成するため、Ｐ＋ＧａＡｓ層２
６まで残りのＳｉ３Ｎ４をエツチングした。更に、オー
ミック電極２８としてＣｒ−Ａｕを蒸着し、第２図（ａ
）に示すように分離のためのエツチングを行い、Ｓｉ３
Ｎ４の電流注入部２０の近傍のみ残した。

第２図（ａ）において、１９は非注入領域を示す。

この領域を設けないと、第２図（ｂ）で示されている電
極２８が無秩序部にかかり、電流注入が活性層に行なわ
れな（なってしまうので必要である。

次に裏面のｎ型用オーミック電極２９を形成して熱処理
した。又θ１．θ２の角度をもつ共振面Ｒはリアクティ
ブイオンエツチングにより垂直加工をする。エツチング
深さはｎ形ＧａＡｓ層２２の途中位まで掘り下げた。リ
アクティブイオンエツチングの条件を表１に示す。

表１ 次にもう一方の共振面Ｒ′　を通常のベキカイ法により
作成し、端面保護と反射率増加の為に、’ａ−８ｉ。

５１０２の誘電体多層反射コーティング４５を施こし反
射率を８０％にした。

尚、各部の寸法としては、キャビティ長ＬＣは３００μ
ｍ、ピッチＩｌ＝５（Ｊｐｍ、傾斜角θ、　＝３．５°
、θ２−７°、長さＷは約２０μｍである。そして、そ
れぞれの光出射方向は全て一点Ｐ。から出射したかのよ
うに偏光された。

次に、この様な構造の半導体装置（特に第２図に示した
装置）を作成する方法の一例について説明する。

まず第４−８図の如く、活性層に多重量子井戸構造をも
つダブルへテロレーザウェハー４０上にプラズマＣＶＤ
により５ｉ３Ｎ４４４の絶縁膜を蒸着する。

次にフォトリソ技術によりＳｉ３Ｎ４膜４４に不純物の
拡散をする為のパターンニングを行なう。

これは、通常のフォトリソ技術で第６図（ａ）のマスク
をパターンニングし、拡散したい部分の　５ｉ３Ｎ４４
４をＩ−Ｉ　Ｆ　十Ｈ２０のエツチング液で除去する。

続いて、」二記フ第１・レジストマスクを除去した後、
第４−１図に示す様な石英アンプル１１１にＺｎ　Ａｓ
２１１０と共にＳａｍｐｌｅｌ１２真空封じして、６０
０°Ｃ１Ｏｍ　ｉ　ｎ加熱する。加熱後、第４−２図に
示す断面図の様に活性層２４は無秩序化されてＧａＡｌ
　Ａｓの混晶２７となる。この場合活性層のバンドギャ
ップは大体１，４０ｅＶで無秩序化後は１．４７４ｅＶ
となり、無秩序化部での吸収は小さくなる。又、第４−
２図のＡ−Ａ’　線でのバンドギャップの深さ方向への
分布を第４−３図（ａ）にＢ−Ｂ’　線でのバンドギャ
ップの深さ方向への分布を第４−３図（ｂ）を示す。第
４−３図（ａ）、　　（ｂ）は縦軸がバンドギャップを
示し、横軸は成長層を示す。第４−３図（ａ）において
、ｃｌａｄ層２５．２３が拡散前箱１０３　（ｂ）の２
５．２３の１．９２３ｅＶより小さくなっているのは不
純物の拡散により結晶中に不純物準位が形成され、Ｇａ
Ａ　Ｉ！　Ａｓ層のバンドギャップも小さくなっている
からである。

第４−４図に拡散後のウェハーを示す。次にこのウェハ
ー４０に電極注入領域を形成する為、５ｉ３Ｎ４２６を
ストライプ状にエツチングする。これを第４−５図に示
す。１５１は、ストライプ状である。

このウェハーにＰ形電極としてＣｒ−Ａｕを連続蒸着す
る。その後、拡散部及び非注入領域部及び各レーザ間の
Ｃｒ−Ａｕをエツチングする。

Ａｕ　　ＫＩ　＋　１２　＋Ｈ２０＝　ｌ　：　ｌ　：
　１００Ｃｒ　　　Ｈ３ＰＯ４＋Ｈ２０２＋Ｚｎこの状
態を第４−６図に示す。１６１は電極を示す。

この後、ｎ形電極としてＡ　ｕ−Ｇ　ｅ　／　Ａ　ｕを
蒸着した。

更に第４−７図に示すフォトマスクを設いて、エツチン
グ端面を形成する。上記第４−６図に示したウェハー上
にＡｚ１３５０を塗布し、更にその上を金属Ｔｉを蒸着
し、このＴｉの上にＡｚ１３５０を塗布し第４−７図の
マスクを転写する。転写後、上層のＡｚ１３５０を除去
し、Ｔｉをマスクとして下層のＡｚ１３５０をエツチン
グし、第６図（ｂ）に示す様な形態にした後、端面を形
成する為ドライエツチングを行なう。

６０はＴｉ＋Ａｚ１３５０の二層マスクで６３はイオン
の入射方向を示す。端面形成後、ＴｉとＡｚ１３５０を
それぞれ、ＣＦ４＋０□のプラズマエツチングで除去す
る。

最後に後方端面をヘキカイして完成する。

次に本発明の変形例について説明する。

第３図は本発明の他の実施例を示す図である。この実施
例において、３１〜３３は各電極を示しており、３１ａ
〜３３ａはレーザ光の出射方向を示す。３４は無秩序化
部で３５は非注入領域である。本例の特徴はアレーレー
ザからの光を一点に集光する事ができる。

（１）前述した実施例では３つの方向に光を出射させる
装置を示したが、光出射方向の数は任意で、例えば、第
７図のようにすれば５つの方向に光を出射させることが
できる。この例では、斜出端７８は凹面状に加工されて
いる。なお、７１〜７５は発光部で、７６はアレーレー
ザ、７７は多層膜反射層、７９は無秩序化層、７１ａ〜
７５ａはそれぞれ発光部７１〜７５からの光の出射方向
を示す。

（２）前述した実施例では斜出端を凹面状に加工したが
、第８図に示すように凸面状、あるいは他の形状に加工
しても同様の効果が得られる。なお、８１〜８３は発光
部、８４はアレーレーザ、８５は多層膜反射層、８６は
斜出端、８１ｂ〜８３ｂは光出射方向を示す。

（３）前述した実施例では複数の方向にビームが出射す
るものの、それぞれの方向については１本のビームだっ
た。しかし、次のようにして、それぞれの方向に複数本
のビームを出射させるレーザを作ることもできる。これ
により、１方向当りの出射ビームのパワーが増す。例え
ば第１０図の様な斜出端３１０にする。無秩序化部は３
１１である。

（４）アレーレーザは半導体レーザでなく、例えば固体
レーザ等でもよい。

（５）斜出端の形状としては段差を持たせる必要はなく
、例えば第９図のように連続して徐々に変化させても同
様の効果が得られる。なお、９１〜９３は発光部、９４
はアレーレーザ、９５は多層膜反射層、９６は斜出端、
９９は無秩序層、９１ａ〜９３ａは光出射方向を示す。

（６）斜出端の反対の面を形成する際、ベキカイ法を用
いていたが、図６（ｂ）に示す様にこの状態のままでも
面は形成される。（両側エツチングキャビティレーザ） （７）他の変形例としては、第１１図（ａ）、　　（ｂ
）に示す様な斜出レーザ等でも良い。更に、導波路は直
線でなく、曲線の如くなっていても良い。

なお、各レーザ（発光素子）からの光出射方向の異なり
角φ（度）の値はアレーの間隔（Ｉｍｍ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２０ｍｍ程度のものでは１≦φ／Ｉ！≦５０ぐら
いが適当である。例えば第１４図の試作例ではＩ！　＝
ｌＯＯＩｔｍ、Ｐ（、＝１３ｍｍ。

φ−１，２度で良好な結果を得た。また、光走査の方法
を第１２図に示されるような偏向反射面１２３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１２４の背後に回折格子のようなものを設置し
て偏向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φ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φ１
．φ２．φ３．・・・というように必要に応じて異った
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。と同時に異種材料の組合せの端面保護膜でな
い為、長時間使用しても端面劣化が生じない等有利な点
が多い。

以」二、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。

〔発明の効果〕

本発明は以上述べた様に、複数個の半導体発光素子を単
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様に、共振面と共振方向のな
す角が異なり且つ共振面どうしのなす角が異なる半導体
装置において、一般のＬＤがヘキカイ端面を形成後、保
護膜をつけるのに対し、本発明ではＬＤ作成工程の一番
最初に不純物拡散による無秩序化層を形成し、これを保
護膜として用いるので一般ＬＤのベキカイ後の汚染等に
関する問題が全くなく、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
する様な光学装置（例えば、レーザビームプリンタ等）
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図は本発明による半導体装置の一実施例を概略的に
示した図、第２図（ａ）、　　（ｂ）は更に詳細に示し
た図で、それぞれ平面図、Ａ−Ａ’　　線からみた断面
図、第３図は第２図（ａ）に対応する変形例を示す図、
第４−１図乃至第４−８図、第５図、第６図（ａ）、　
　（ｂ）は本発明によって半導体装置を形成する方法の
一例を示した図、第７図、第８図、第ブリッドに配置さ
れた従来例を示す図、第１３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１４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
。 １４、　４．４．　７６、　８４．、　９４．　１０４
・・・アレーレーザ、１７、４７．　７８．８６ａ、　
８６ｂ、　　９６．　１０６−・−斜出端、１１ａ〜１
３ａ、７１ａ〜７５ａＩ８１ａ〜８３ａ、８１ｂ〜８３
ｂ。 ９１ａ　〜９３ａ　、　　１０１ａ　−１０３ａ−光出
射方向。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の半導体レーザがモノリシックに形成され
   た半導体レーザ装置において、前記半導体レーザのそれ
   ぞれからの光が共振面から射出された時点でそれぞれの
   光出射方向が異なっており、かつ、前記各々の半導体レ
   ーザの活性層が多重量子井戸構造を持ち、レーザ光出射
   端面が無秩序化されていることを特徴とする半導体レー
   ザ装置。