(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、前記半導体基板の法線方向に光を射出する、２次元配置された複数の面発光型の半導体発光部と、光を外部に射出することのない複数の半導体温度検出部とを備え、
前記半導体発光部および半導体温度検出部は共に、互いに同一の積層構造を有し、さらに、前記半導体基板を成長基板として形成されたものであり、
前記積層構造は前記半導体基板の法線方向に、第１多層膜反射鏡、活性層、および第２多層膜反射鏡をこの順に含むＰＩＮ接合の積層構造であり、
複数の前記半導体温度検出部は、複数の面発光型の前記半導体発光部との関係で、対称に配置されている
半導体発光装置。
【請求項２】
前記半導体温度検出部は、上面に低反射率層を有する
請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記半導体温度検出部は、上面全体に金属層を有する
請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記半導体温度検出部から出力される検出電圧のオフセットを調整する回路をさらに備えた
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上面に光の射出領域を有する面発光型の半導体発光部を備えた半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型の半導体レーザは、従来のファブリペロー共振器型の半導体レーザとは異なり、基板に対して直交する方向に光を射出するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の共振器構造を配列することが可能である。そのため、近年、面発光型の半導体レーザは、データ通信やプリンタなどの技術分野で注目されている。
【０００３】
面発光型の半導体レーザは、一般に、基板上に、下部ＤＢＲ層、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、電流狭窄層、上部ＤＢＲ層およびコンタクト層をこの順に積層してなるメサ形状の共振器構造を備えている。このような半導体レーザでは、発振波長は共振器構造の実効的な共振器長によって決定され、光出力の大きさは活性層のバンドギャップに相当する発光波長において最も大きくなる。そのため、通常は、共振器構造の実効的な共振器長と活性層の発光波長とが互いに等しくなるように、共振器構造および活性層が構成されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０６１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、面発光型の半導体レーザでは、共振器構造が微小である。そのため、電流注入による活性層の温度上昇が大きく、その温度上昇に伴って光出力が低下する「ドループ」と呼ばれる現象が生じることがある。また、素子温度を積極的に変化させて、共振器構造の実効的な共振器長と活性層の発光波長との差（波長デチューニングΔλ）を変化させ、それにより閾値電流を変動させる場合があるが、その場合に、光出力の波形が電流パルス波形と比べて鈍ってしまうことがある。
【０００６】
これらの問題を解決するためには、基板温度または周囲温度を正確に計測するとともに、素子温度（特に、活性層温度）を正確に見積もる必要があるが、基板温度または周囲温度の計測では、サーミスタを用いることが一般的である。しかし、サーミスタの素子サイズは大きく、レーザ素子の表面上に実装することは極めて難しい。そのため、サーミスタは、通常、レーザ素子が実装されているサブマウント（図示せず）などの上に配置されることになるので、素子温度を正確に見積もることが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、素子温度を正確に見積もることの可能な半導体発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による半導体発光装置は、半導体基板上に、半導体基板の法線方向に光を射出する、２次元配置された複数の面発光型の半導体発光部と、光を外部に射出することのない複数の半導体温度検出部とを備えたものである。半導体発光部および半導体温度検出部は共に、互いに同一の積層構造を有し、さらに、半導体基板を成長基板として形成されたものである。積層構造は半導体基板の法線方向に、第１多層膜反射鏡、活性層、および第２多層膜反射鏡をこの順に含むＰＩＮ接合の積層構造である。複数の半導体温度検出部は、複数の面発光型の半導体発光部との関係で、対称に配置されている。
【０００９】
本発明による半導体発光装置では、半導体温度検出部が、半導体発光部と共に半導体基板上に設けられている。これにより、半導体温度検出部は、半導体発光部のごく近傍で素子の基板温度または周囲温度を検出することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による半導体発光装置によれば、半導体発光部のごく近傍で素子の基板温度または周囲温度を検出することができるようにしたので、素子温度を正確に見積もることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による一実施の形態に係る半導体レーザアレイの構成の一例を表す上面図および断面図である。
【図２】図１の半導体レーザアレイの構成の他の例を表す上面図である。
【図３】図１のレーザ構造部の構成の一例を表す断面図である。
【図４】図１の温度検出部の構成の一例を表す断面図である。
【図５】図１の温度検出部における温度と出力電圧との関係の一例を表す図である。
【図６】図１の温度検出部から出力される検出電圧のオフセットを調整する構成の一例を表す図である。
【図７】図４の温度検出部の構成の他の例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
構成
動作
効果
２．変形例
【００１３】
［構成］
図１（Ａ）は、本発明による一実施の形態に係る半導体レーザアレイ１の上面構成の一例を表したものである。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の半導体レーザアレイ１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成の一例を表したものである。半導体レーザアレイ１は、例えば、図１（Ａ），（Ｂ）に示したように、半導体基板１０の上面に、複数のレーザ構造部２０と、１つの温度検出部３０とを備えたものである。各レーザ構造部２０は、半導体基板１０の法線方向に光を射出する面発光型の半導体レーザである。一方、温度検出部３０は、光を外部に射出することのない面発光型の半導体レーザである。各レーザ構造部２０および温度検出部３０は、引出配線３２を介してパッド電極３１と電気的に接続されている。なお、半導体発光装置が本発明の「半導体レーザアレイ１」の一具体例に相当する。また、レーザ構造部２０が本発明の「半導体発光部」の一具体例に相当し、温度検出部３０が本発明の「半導体温度検出部」の一具体例に相当する。
【００１４】
図１（Ａ）には、１２個のレーザ構造部２０が半導体基板１０の上面に２次元配置されている場合が例示されているが、レーザ構造部２０の数は、特に限定されるものではない。また、図１（Ａ）には、１つの温度検出部３０が半導体基板１０の上面に設けられている場合が例示されているが、複数の温度検出部３０が半導体基板１０の上面に設けられていてもよい。例えば、図２に示したように、２つの温度検出部３０が半導体基板１０の上面に設けられていてもよい。このとき、例えば、２つの温度検出部３０が複数のレーザ構造部２０との関係で、対称に配置されていてもよい。
【００１５】
図３は、半導体レーザアレイ１のうち、１つのレーザ構造部２０を含む部分α（図１（Ｂ）参照）の断面構成の一例を拡大して表したものである。図４は、半導体レーザアレイ１のうち、１つの温度検出部３０を含む部分β（図１（Ｂ）参照）の断面構成の一例を拡大して表したものである。本実施の形態では、レーザ構造部２０および温度検出部３０は共に、半導体基板１０を成長基板として形成されたものであり、例えば、図３、図４に示したように、互いに同一の積層構造を有している。
【００１６】
具体的には、レーザ構造部２０および温度検出部３０は共に、例えば、図３、図４に示したように、下部ＤＢＲ層２１、下部スペーサ層２２、活性層２３、上部スペーサ層２４、上部ＤＢＲ層２５およびコンタクト層２６が、半導体基板１０側から順に積層して構成されたものである。つまり、レーザ構造部２０および温度検出部３０では、下部ＤＢＲ層２１からコンタクト層２６までの積層部分（ＰＩＮ接合部分）が互いに同一の積層構造となっている。なお、下部ＤＢＲ層２１が本発明の「第１多層膜反射鏡」の一具体例に相当し、上部ＤＢＲ層２５が本発明の「第２多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。
【００１７】
また、レーザ構造部２０および温度検出部３０は、例えば、上部ＤＢＲ層２５の一部に電流狭窄層２５Ａを備えている。さらに、下部ＤＢＲ層２１の上部、下部スペーサ層２２、活性層２３、上部スペーサ層２４、上部ＤＢＲ層２５およびコンタクト層２６が、柱状となっている。コンタクト層２６は、例えば、図３、図４に示したように、上部ＤＢＲ層２５の上面のうち外縁部分にだけ形成されている。なお、コンタクト層２６が、上部ＤＢＲ層２５の上面全体に形成されていてもよい。
【００１８】
半導体基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板である。下部ＤＢＲ層２１は、図示しないが、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して構成されたものである。ここで、低屈折率層は例えば光学厚さがλ／４（λは発振波長）のｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓからなり、高屈折率層は例えば光学厚さがλ／４のｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（ｘ１＞ｘ２）からなる。なお、ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。
【００１９】
下部スペーサ層２２は、例えばアンドープＡｌＧａＡｓからなる。活性層２３は、例えばアンドープＧａＡｓ系材料からなる。この活性層２３では、後述の電流注入領域２５Ｂと対向する領域が発光領域となる。上部スペーサ層２４は、例えばアンドープＡｌＧａＡｓからなる。
【００２０】
上部ＤＢＲ層２５は、図示しないが、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して構成されたものである。ここで、低屈折率層は例えば光学厚さがλ／４のｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ａｓからなり、高屈折率層は例えば光学厚さがλ／４のｐ型Ａｌx4Ｇａ1-x4Ａｓ（ｘ３＞ｘ４）からなる。コンタクト層２６は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成されている。なお、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。
【００２１】
電流狭窄層２５Ａは、その外縁領域に電流狭窄領域２５Ｃを有し、その中央領域に電流注入領域２５Ｂを有している。電流注入領域２５Ｂは、例えばｐ型ＡｌＧａＡｓまたはｐ型ＡｌＡｓからなる。電流狭窄領域２５Ｃは、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）を含んで構成され、製造過程において、側面からＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られるものである。従って、電流狭窄層２５Ａは電流を狭窄する機能を有している。
【００２２】
また、レーザ構造部２０および温度検出部３０において、コンタクト層２６の上面に、上記の電流注入領域２５Ｂに対応する領域に開口を有する環状の上部電極２７が形成されている。上部電極２７は、引出配線３２に接続されている。また、半導体基板１０の裏面には下部電極２８が形成されている。下部電極２８は、各レーザ構造部２０および温度検出部３０の共通電極として機能する。さらに、レーザ構造部２０および温度検出部３０の表面（側面および上面）には絶縁層２９が形成されている。絶縁層２９は、レーザ構造部２０および温度検出部３０の柱状部分の側面および上面を覆うように形成されている。
【００２３】
ここで、上部電極２７および電極パッド３１は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものであり、コンタクト層２６と電気的に接続されている。引出電極３２は、例えば、半田によって構成されている。下部電極２９は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とを半導体基板１０の側から順に積層した構造を有しており、半導体基板１０と電気的に接続されている。
【００２４】
また、レーザ構造部２０の上面、具体的には、レーザ構造部２０の半導体部分の上面と絶縁層２９との間に、位相調整層４１が形成されている。この位相調整層４１は、レーザ光の射出される領域の中央領域（すなわち主に基本横モード発振が生じる領域）に形成されている。ここで、絶縁層２９のうち位相調整層４１との対向部分と、位相調整層４１とにより構成される積層部分が高反射率領域４２となっており、絶縁層２９のうち位相調整層４１との非対向部分であって、かつレーザ光の射出される領域の外縁部分（すなわち主に高次横モード発振が生じる領域）が低反射率領域４３となっている。
【００２５】
位相調整層４１は、膜厚が（２ａ−１）λ／４ｎ1（ａは１以上の整数，ｎ1は屈折率）で、屈折率ｎ1 がレーザ構造部２０の半導体部分の上面の屈折率より低い物質、例えばＳｉＯ2（酸化シリコン）などの誘電体により構成されている。絶縁層２９のうち位相調整層４１との対向部分は、膜厚が（２ｂ−１）λ／４ｎ2（ｂは１以上の整数，ｎ2は屈折率）で、屈折率ｎ2が位相調整層４１の屈折率ｎ1より高い材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体により構成されている。絶縁層２９のうち位相調整層４１との非対向部分であって、かつレーザ光の射出される領域の外縁部分は、膜厚が（２ｃ−１）λ／４ｎ3（ｃは１以上の整数，ｎ3は屈折率）で、屈折率ｎ3が位相調整層４１の屈折率ｎ1より低い材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体により構成されている。
【００２６】
ここで、高反射率領域４２の反射率をＲ1、低反射率領域４３の反射率をＲ2、レーザ光の射出される領域に絶縁層２９および位相調整層４１を設けなかった場合の反射率をＲ3とすると、以下の式の関係を満たすようにそれぞれの屈折率が調節されていることが好ましい。これにより、基本横モードの光出力を低減することなく、高次横モード発振のみが抑制される。
Ｒ1≧Ｒ3＞Ｒ2
【００２７】
なお、必要に応じて、位相調整層４１が省略されていてもよい。ただし、その場合には、絶縁層２９が、レーザ光の射出される領域において反射率が低下するこのとのないような厚さとなっていることが好ましい。
【００２８】
一方、温度検出部３０において、絶縁層２９のうちレーザ光の射出される部分が低反射率層４０として機能している。低反射率層４０は、レーザ構造部２０および温度検出部３０に対して同一の電流を流したときに、レーザ構造部２０だけがレーザ発振し、温度検出部３０がレーザ発振しない程度の反射率となるような厚さおよび屈折率に設定されている。具体的には、低反射率層４０は、膜厚が（２ｄ−１）λ／４ｎ4（ｄは１以上の整数，ｎ4は屈折率）で、屈折率ｎ4が温度検出部３０の半導体部分の上面の屈折率より高い材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体により構成されている。
【００２９】
ところで、面発光型の半導体レーザは、通常、３ｍＡ程度の電流でレーザ発振するようになっており、上述のレーザ構造部２０も、位相調整層４１の有無にかかわらず３ｍＡ程度の電流でレーザ発振するようになっている。一方、温度検出部３０は、半導体部分においてレーザ構造部２０の半導体部分と同一の構造となっているが、温度検出部３０の上面の低反射率層４０によって、３ｍＡ程度の電流ではレーザ発振しないようになっている。これにより、温度検出部３０は、３ｍＡ程度の電流が流れている場合であっても、非発振状態を維持するので、温度検出部３０の抵抗値は、発振時よりも高い値で安定する。従って、半導体基板１０の温度または半導体レーザアレイ１の周囲温度が変化し、それに伴って温度検出部３０の電圧も変化したときに、その電圧変化も安定する。
【００３０】
温度検出部３０に３ｍＡ程度の定電流を流しているときに、半導体基板１０の温度または半導体レーザアレイ１の周囲温度が変化すると、温度検出部３０には、例えば、図５に示したような電圧変化が生じる。この電圧変化の傾きは、個々の温度検出部３０でばらつくことはほとんどなく、ほぼ一定である。ただし、電圧値そのものは、個々の温度検出部３０でばらつくことがある。そこで、そのような場合には、半導体基板１０の温度または半導体レーザアレイ１の周囲温度がある値となっているときに、温度検出部３０から得られる電圧値が所定の値となるよう、温度検出部３０から得られた電圧値を補正することが好ましい。
【００３１】
例えば、図６に示したように、温度検出部３０の電圧を増幅する増幅部５０と、増幅部５０から出力される検出電圧（Ｖmon）のオフセットを調整するオフセット調整部６０とが半導体レーザアレイ１に付属されていることが好ましい。オフセット調整部６０は、例えば、可変抵抗を含んで構成されている。このようにした場合には、例えば、温度検出部３０に定電流Ｉｓを流している間に、半導体基板１０の温度または半導体レーザアレイ１の周囲温度がある値となり、そのときに増幅部５０から出力された電圧（Ｖmon）の値が、所定の値から大きく外れていたときには、例えば、オフセット調整部６０内の可変抵抗の値を調整することにより、増幅部５０から出力された電圧（Ｖmon）の値を所定の値に補正することができる。
【００３２】
［動作］
次に、本実施の形態の半導体レーザアレイ１の動作の一例について説明する。本実施の形体の半導体レーザアレイ１では、各レーザ構造部２０に対してパルス電流が別個に印加され、各レーザ構造部２０からパルス状のレーザ光が出力される。このとき、温度検出部３０には定電流Ｉｓが流され、温度検出部３０の電圧値が常にモニタされており、そのモニタ値を利用して、各レーザ構造部２０に印加するパルス電流の波形が、光出力の波形が矩形状となるように補正される。
【００３３】
光出力の波形の鈍りは、例えば、素子温度が上昇したり、波長デチューニングΔλを大きく設定したりした場合に生じることが多い。本実施の形態では、上述したような要因によって光出力の波形が鈍り得る場合であっても、温度検出部３０から得られた電圧値を利用して、光出力の波形の鈍りが補正される。
【００３４】
［効果］
ところで、本実施の形態では、温度検出部３０は、各レーザ構造部２０と共に半導体基板１０上に設けられている。これにより、温度検出部３０は、各レーザ構造部２０のごく近傍で、半導体基板１０の温度または半導体レーザアレイ１の周囲温度を検出することができる。その結果、素子温度を正確に見積もることが可能となる。従って、本実施の形態では、各レーザ構造部２０に印加するパルス電流の波形を、光出力の波形が矩形状となるように精度良く補正することができる。
【００３５】
また、本実施の形態では、サーミスタを必要とせず、しかも、各レーザ構造部２０の製造過程で温度検出部３０を一緒に形成することができるので、従来ようなサーミスタを用いていた場合と比べて、部品コストを低減することができる。
【００３６】
また、本実施の形態において、複数の温度検出部３０が設けられている場合には、例えば、各温度検出部３０から得られた電圧値の平均値を、パルス電流の波形の補正に利用するようにしてもよい。このようにした場合には、より誤差の少ない、より安定した補正が可能となる。
【００３７】
＜変形例＞
上記実施の形態では、レーザ構造部２０にだけ位相調整層４１が設けられていたが、温度検出部３０にも位相調整層４１が設けられていてもよい。ただし、その場合には、温度検出部３０においてレーザ発振が生じ、レーザ光が外部に出力されてしまうので、例えば、図７に示したように、温度検出部３０の上面全体に渡って、金属層４４を設け、レーザ光が外部に漏れないようにしてもよい。また、図示しないが、図３に示した温度検出部３０の上面全体に渡って、金属層４４を設けるようにしてもよい。このようにした場合には、ＬＥＤ発光レベルの小さな光も金属層４４によって遮断される。従って、低ノイズの光出力が要求される用途においては、金属層４４を設けることが好ましい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、温度検出部３０は、半導体基板１０を成長基板として形成されたものであったが、半導体基板１０とは異なる基板を成長基板として形成されたものであってもよい。ただし、その場合には、温度検出部３０を半導体基板１０上に実装することにより、半導体レーザアレイ１を形成することが可能である。
【００３９】
また、上記実施の形態およびその変形例では、レーザ構造部２０は、半導体基板１０を成長基板として形成されたものであったが、半導体基板１０とは異なる基板を成長基板として形成されたものであってもよい。ただし、その場合には、レーザ構造部２０を半導体基板１０上に実装することにより、半導体レーザアレイ１を形成することが可能である。
【００４０】
また、上記実施の形態およびその変形例では、複数のレーザ構造部２０を設けた場合について説明されていたが、レーザ構造部２０の数は常に複数である必要はなく、１つであってもよい。
【００４１】
また、上記実施の形態およびその変形例では、本発明を半導体レーザアレイに適用した場合について説明されていたが、例えば、ＬＥＤアレイに適用することも可能である。この場合には、半導体発光部および半導体温度検出部は、ＬＥＤ構造を共通に有しており、かつＰＮ接合およびＰＩＮ接合のいずれか一方の構造を共通に有している。
【符号の説明】
【００４２】
１…半導体レーザアレイ、１０…基板、２０…レーザ構造部、２１…下部ＤＢＲ層、２２…下部スペーサ層、２３…活性層、２４…上部スペーサ層、２５…上部ＤＢＲ層、２５Ａ…電流狭窄層、２５Ｂ…電流注入領域、２５Ｃ…電流狭窄領域、２６…コンタクト層、２７…上部電極、２８…下部電極、２９…絶縁層、３０…温度検出部、３１…パッド電極、３２…引出電極、４０…低反射率層、４１…位相調整層、４２…高反射率領域、４３…低反射率領域、４４…金属層、５０…増幅部、６０…オフセット調整部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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