(57)【要約】【課題】短波長半導体レーザにおいて、導波路内を水平方向に光が進むことにより高い出力が得られ、２次元配列が可能な可視領域波長の傾斜面集積型レーザを接合面下向き組み立てにより実装可能とする。【解決手段】半導体基板の一主面上に設けた薄膜結晶により形成され、その一主面に垂直な半導体基板方向に光を放射する機能を有する半導体発光素子と、半導体基板の他主面より一主面に向かって薄膜結晶に到達する、もしくは光が透過するに十分な厚みの半導体基板を残して近接する孔部を形成し、該孔部より光を出射する半導体素子であって、この孔部に対向する基板表面には発光素子の通電を必要としない構成部分が形成されていることを特徴とする。【選択図】図６
2009177058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一主面上に設けた結晶薄膜と、
前記結晶薄膜に設けられた前記一主面に対して垂直方向で前記一主面に対向する他主面の方向に光を放射する手段を有する半導体発光素子と、
前記他主面より前記一主面に向かって前記半導体基板を貫通して設けられた孔部、
もしくは前記半導体基板に前記結晶薄膜まで到達しない溝が設けられ、前記溝と前記結晶薄膜との間に光が透過するのに十分な厚みを有する薄膜領域を残して設けられた孔部と、を有し、
前記半導体発光素子から発光された光が、前記孔部より前記他主面を通過して外部へ出射され、
前記孔部に対向する前記半導体基板の表面には、前記半導体発光素子への通電を必要としない領域が設けられ、前記半導体発光素子への通電を必要とする領域に対向する前記半導体基板の他主面側には前記孔部が設けられていないことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体発光素子は、光利得を発生する利得導波路領域と、前記利得導波路領域で発生する光に対し光吸収を持たない透明導波路領域と、前記発生した光を前記半導体基板方向に反射する反射ミラーとを少なくとも有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記孔部は、光を透過する充填材により充填されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記一主面上に、前記充填材または前記充填材と力学的属性が略同等の材料が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記半導体基板に設けられた延在する方向が異なる複数の溝状パタンを有し、
前記孔部は、それぞれの溝状パタンの交点に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記孔部に設けられている活性層は、前記半導体発光素子への通電をしない状態でもレーザ光を透過する材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記半導体基板の他主面側で前記孔部が設けられた領域の上方に、前記半導体発光素子から発光され前記孔部を通過した光を集光して放射するレンズ部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記孔部の前記結晶薄膜側に、前記半導体発光素子から発光された光を反射する反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記反射膜は、二酸化珪素と窒化珪素の薄膜を交互に堆積してなる多層膜で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームプリンタ、レーザディスプレーなどの光源に使用される半導体レーザ装置に係り、特に発光するレーザ光に対し使用する半導体基板が光吸収を持つ材料系に適用される半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のインターネットやコンピュータ技術の発展に伴い、印刷装置、ディスプレー装置などの出力装置の高度化への要求も急速に高まっている。これらの出力装置の光源として使用される可視領域のレーザ光を放射するレーザダイオードの重要性が高まっており、特に複数光源を高密度に集積する技術が求められている。
【０００３】
半導体レーザは、代表的には、端面発光型と面発光型に二分される。端面発光型は、基板に平行に比較的長い光導波路が形成されるので、大出力が得やすい。一方、面発光型は、基板に垂直に光導波路が形成されるので、基板の裏面からレーザが発射され、集積化しやすい特徴がある。いずれも、通電により光利得を発生する活性層を内包する光導波路の両端を反射鏡で挟んで光共振器を構成することによりレーザ発振を得る。
【０００４】
一般に、端面発光型の半導体チップは、エピタキャル成長後の基板を適当な厚みにラッピング（研磨）した後に、両面劈開によってチップの切り出しと共振器端面の形成とを同時に行なうことによって得られる。両面劈開は、メスや剃刀、或いは劈開器を用いて行なわれる。しかしながら、両面劈開を行なうことから、端面発光型半導体レーザの形状はヘキ開面の間を直線的に結ぶ形態に限られ、発光位置はヘキ開面上に直線状に並ぶのみであった。このため、面発光レーザに比べると光出力が大きくできる反面、単一の光学系でレーザビームを集光する場合は一定の空間内にチャネルを配置する必要があるため、アレイ数が増加するに伴い極端にチャネル間隔が狭くなるという問題点があった。
【０００５】
これに対し、基板面に垂直な方向に共振器を形成し、垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型構成の面発光レーザでは、共振器が垂直方向に構成されるため、基板面内で２次元的に配列できるためチャネル数を増やすことは比較的容易に可能であるが、逆に、利得領域となる共振器の長さを長くすることが困難であり、従って充分な利得を得ることができず、高い光出力が得られないのが現状である。
【０００６】
水平方向の導波路を持ちながら基板面に垂直な方向にレーザ光を出射する半導体レーザ構造として図２２に示す、半導体結晶に形成した傾斜面２０でレーザ光路１３中を導波される光を基板７１の裏面に導き、基板１裏面に多層コート膜１４を設けた構造の半導体レーザが特許文献１に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−９７５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体レーザの集積度や素子全体の光出力が増加するに伴い素子の放熱性が重要な課題となっており、良好な放熱性が得られる接合面下向きでの組立ては重要な技術である。このような接合面下向き組立ては端面発光型の半導体レーザでは一般的に行われている技術であり、光通信用の素子である前記従来素子では基板であるＩｎＰがレーザ光に対し透明であるため、接合面した向きにレーザチップを固定して基板を通してレーザ光を放射することに特に困難はない。
【０００９】
一方で、本発明が目的とする印刷装置やディスプレー用となどで必要とされる短波長半導体レーザにおいては半導体レーザを形成する半導体基板がレーザ光の光子エネルギーよりも禁制帯幅が狭い、あるいは導電性基板を得るために必要な不純物添加が強い自由キャリア損失をまねくなど基板を透過しての光放射には大きな課題があった。
【００１０】
レーザ光が本発明と同様の基板面に垂直な方向となる面発光レーザでは、放熱性の改善などを意図して薄膜のエピタキシャル成長膜を残して光吸収のある基板を除去して基板孔からレーザ光を出射させる方式が試みられているが、半導体結晶内での熱の広がりが薄膜部分のみとなる上、薄膜部分の熱容量が小さいため十分な熱抵抗の低減は得られないため、接合面上向きで組み立てられるものが一般的であった
本発明の目的は以上のような従来技術の課題を解決し、導波路内を水平方向に光が進むことにより高い出力が得られ、２次元配列が可能な可視領域波長の傾斜面集積型レーザを接合面下向き組み立てにより実装可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の半導体光素子は、例えば、図４Ａ，Ｂに示すように、半導体基板の一主面上に設けた薄膜結晶により形成され、該主面に垂直に該半導体基板方向に光を放射する機能を有する半導体発光素子と該半導体基板の他主面より該一主面に向かって該薄膜結晶に到達する、もしくは光が透過するに十分な厚みの半導体基板をのこして近接する孔を形成し、該孔部より光を出射する半導体素子であって、前記孔に対向する基板表面には概発光素子の通電を必要としない構成部分のみが形成されている構造とした。
このような発光素子は光利得を発生する利得導波路領域と該利得導波路領域で発生する光に対し光吸収を持たない透明導波路領域及び光を基板方向に反射する反射ミラーから構成されている。
【００１２】
また、孔部は光を透過する充填材により充填することにより力学的な強度を強化することが可能である。また、一主面上にも前記充填材と同一または力学的に同等の材料が設置することにより両者の熱膨張による応力がつりあいより安定な状態が実現できる。
このような基板孔は延在する方向が異なる複数の溝状パタンの交点に形成することにより孔形状の制御性を改善することが可能であった。
【００１３】
上記の状態を実現するために孔部分の活性層は通電しない状態でもレーザ光を透過する状態に改質するか、通電しない状態でもレーザ光を透過する物体に置換されていることが必要であった。スペックルノイズの低減にも有効であった。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、可視から近赤外領域のレーザ光を基板面に垂直に放射でき、かつ接合面下向き組立てが可能で放熱性が良好な半導体レーザが実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る半導体光素子及びそれを用いた光送受信装置を幾つかの図面に示した実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
＜実施例１＞
半導体光素子を波長６９０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザとして構成した第１の実施例を素子の作製手順に従い述べる。
まず、図１に示すようにｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓに格子整合する厚さ４分の１波長の光学長を有するブラッグ反射器１０２を結晶成長によって形成する。ブラッグ反射器１０２は、ｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ１０３とｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ１０４の積層膜からなり、反射率が６０％である。以上のようにブラッグ反射器を形成した後、結晶成長を継続し、ＧａＡｓに格子整合したｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５(Ｓｉドープ７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）、(Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０６(アンドープ、厚さ０.０６μｍ）、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ歪量子井戸層１０７、(Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０８によって構成される歪量子井戸活性層１０９、ｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０(Ｍｇドープ７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）、及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１１(Ｚｎドープ７ｘ１０１８ｃｍ−３、厚さ０.５μｍ）の各層をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による結晶成長により順次形成する。
次に、図２に示す窓領域１１２に酸化亜鉛を拡散源とした亜鉛拡散を行い歪量子井戸活性層１０９を混晶化した。
【００１６】
次に、絶縁膜をマスクに図３Ａ，Ｂに示す傾斜ミラーを形成した。傾斜ミラーの形成は誘導結合型プラズマエッチング技術を用い、基板に垂直な方向から４５度傾斜した方向にプラズマが入射するように行った。これにより、基板面にたいし４５°の角度をなす第１の傾斜面１１３と１３５度の角度をなす第２の傾斜面１１４が同時に形成される。このときのエッチングはｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５の途中まで到達する深さとした。形成した反射面に二酸化硅素膜１１５を形成し、表面保護構造としたうえでポリイミド樹脂１１６により充填してウエハ表面を平坦化した。
【００１７】
次に、絶縁膜などをマスクにし、ホトエッチング工程により図４Ａ，Ｂに示すような幅２μｍのリッジ１１７を形成する。このときのエッチングは方法を問わないので，ホトエッチングの他に、湿式法、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）、ＲＩＢＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ ＩｏｎＢｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンミリング等が可能である。エッチングは歪量子井戸活性層１０９に達しないようにｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０の途中で止まるようにする。
【００１８】
図５Ａ、Ｂに示すように、このような状態のウエハの表面を二酸化硅素膜１１８で覆い、窓構造を設けた領域以外のリッジ形状の上面のみ二酸化珪素膜１１８を除去してコンタクト孔１１９を形成した。その後、コンタクト層１１１の上面にｐ側オーミック電極１２０を、基板１０１の裏面にｎ側オーミック電極１２１を形成する。第１の傾斜面１１３と対向するウエハ表面と第２の傾斜面１１４と対向する基板１０１の裏面の位置に予め酸化物によりマスクをし、リフトオフによりｎ側オーミック電極１２１を除去する。 
第１の傾斜面１１３と対向するウエハ表面には二酸化珪素と窒化珪素の８層膜よりなる絶縁物高反射膜１２２（反射率９８％）が設けてある。
【００１９】
以上のように形成したウエハの第一の主面を下向きに保持用基板に貼り付けた後、リソグラフ技術を用いて基板裏面に図６に示すようなｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５の基板との界面まで到達する基板孔１２３を形成した。基板孔１２３の形成はホトリソグラフ技術と硫酸系のエッチング液を用いた化学エッチングにより行った。基板孔１２３の大きさは基板裏面で約６０μｍ、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５の裏面で約２０μｍとなっている。
【００２０】
ダイシングにより素子分離を行ない、共振器長約４００μｍの半導体レーザ素子を得る。その後、第１の主面を下にして、ＡｌＮ製ヒートシンク上にボンディングする。  
本実施例の半導体レーザは、電極１２０，１２２間に電圧が印加されると、歪量子井戸活性層１０９で発光が起こる。発光ビームは、４５°反射鏡で反射し、ブラッグ反射器１０４と絶縁物高反射膜１２２の間で共振して、レーザ光となる。ブラッグ反射器１０４の方が反射率が低いため、レーザ光の一部がブラッグ反射器１０４を抜けて基板孔１２３から上方に出射する。このときレーザ発振に必要な通電は窓構造の設けられていない領域のみに流れるため窓領域には通電が行われないが、量子井戸の混晶化により活性層の禁制帯幅幅が大きくなっているためレーザ光に対する損失は発生しない。しかも、このような窓構造は基板孔１２３上の機械的な固定をされておらず放熱性の悪い領域に設けられており、この領域への通電を不必要とするため素子の熱特性を改善するために有効であった。
【００２１】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約６９０ｎｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力３０ｍＷは熱飽和により制限された。更に、３０個の半導体レーザについて環境温度８０℃の条件下で１５ｍＷ一定で光出力連続駆動させたところ、全ての素子で端面劣化することなく１万時間以上安定に動作した。
【００２２】
＜実施例２＞
本発明第２の実施例として、基板側反射構造として絶縁膜多層膜を用いた例を示す。
まず、図７に示すようにｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓバッファ層２０１、ＧａＡｓに格子整合したｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５(Ｓｉドープ７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）、(Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０６(アンドープ、厚さ０.５μｍ）、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ歪量子井戸層１０７、(Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０８によって構成される歪量子井戸活性層１０９、ｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０(Ｍｇドープ７ｘ１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）、及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１１(Ｚｎドープ７ｘ１０１８ｃｍ−３、厚さ０.５μｍ）の各層をＭＯＣＶＤ法による結晶成長により順次形成する。
次に、図２と同様に窓領域１１２に酸化亜鉛を拡散源とした亜鉛拡散を行い歪量子井戸活性層１０９を混晶化した。
【００２３】
次に、絶縁膜をマスクに図３Ａ，Ｂと同様の傾斜ミラーを形成した。傾斜ミラーの形成は誘導結合型プラズマエッチング技術を用い、基板に垂直な方向から４５度傾斜した方向にプラズマが入射するように行った。これにより、基板面にたいし４５°の角度をなす第１の傾斜面１１３と１３５度の角度をなす第２の傾斜面１１４が同時に形成される。このときのエッチングはｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５の途中まで到達する深さとした。形成した反射面に二酸化硅素膜１１５を形成し、表面保護構造としたうえでポリイミド樹脂１１６により充填してウエハ表面を平坦化した。
【００２４】
次に、絶縁膜などをマスクにし、ホトエッチング工程により図４Ａ，Ｂと同様のリッジ１１７を形成する。エッチングは歪量子井戸活性層１０９に達しないようにｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０の途中で止まるようにする。
【００２５】
図５Ａ、Ｂと同様に、このような状態のウエハの表面を二酸化硅素膜１１８で覆い、窓構造を設けた領域以外のリッジ形状の上面のみ二酸化珪素膜１１８を除去してコンタクト孔１１９を形成した。その後、コンタクト層１１１の上面にｐ側オーミック電極１２０を、基板１０１の裏面にｎ側オーミック電極１２１を形成する。第１の傾斜面１１３と対向するウエハ表面と第２の傾斜面１１３と対向する基板１０１の裏面の位置に予め酸化物によりマスクをし、リフトオフによりｎ側オーミック電極１２１を除去する。
第１の傾斜面１１３と対向するウエハ表面には二酸化珪素と窒化珪素の８層膜よりなる絶縁物高反射膜１２２（反射率９８％）が設けてある。
【００２６】
以上のように形成したウエハの第一の主面を下向きに保持用基板に貼り付けた後、リソグラフ技術を用いて基板裏面に図８に示すようなｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５とｎーＧａＡｓパッファ層２０１の界面まで到達する基板孔１２３を形成した。基板孔１２３の形成はＧａＡｓ基板をリアクティブイオンエッチングを用いてＧａＡｓを５μｍ残してエッチングし、残りの５μｍを化学エッチングにより除去した。この基板孔１２３の底面にイオンアシストスパッタ法により二酸化珪素と窒化珪素の６層膜からなる高反射膜２０２を蒸着した。
【００２７】
ダイシングにより素子分離を行ない、共振器長約４００μｍの半導体レーザ素子を得る。その後、第１の主面を下にして、ＡｌＮ製ヒートシンク上にボンディングする。
本実施例の半導体レーザは、電極１２０，１２２間に電圧が印加されると、歪量子井戸活性層１０９で発光が起こる。発光ビームは、４５°反射鏡で反射し、絶縁物高反射膜１２２、２０２の間で共振して、レーザ光となる。絶縁物高反射膜２０２の方が反射率が低いため、レーザ光の一部が絶縁物高反射膜２０２を抜けて基板孔１２３から上方に出射する。
【００２８】
このときレーザ発振に必要な通電は窓構造の設けられていない領域のみに流れるため窓領域には通電が行われないが、量子井戸の混晶化により活性層の禁制帯幅幅が大きくなっているためレーザ光に対する損失は発生しない。しかも、このような窓構造は基板孔１２３上の機械的な固定をされておらず放熱性の悪い領域に設けられており、この領域への通電を不必要とするため素子の熱特性を改善するために有効であった。
【００２９】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約６６０ｎｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力３０ｍＷは熱飽和により制限された。更に、３０個の半導体レーザについて環境温度８０℃の条件下で１５ｍＷ一定で光出力連続駆動させたところ、全ての素子で端面劣化することなく１万時間以上安定に動作した。
＜実施例３＞
本発明第３の実施例として、レーザ共振器を形成するための反射鏡を絶縁膜や半導体の多層膜を用いたものから導波路に設けた周期的な屈折率の偏重によって行った例を示す。
まず、図７と同様にｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓバッファ層２０１、ＧａＡｓに格子整合したｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５、(Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層１０６、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ歪量子井戸層１０７、(Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０８によって構成される歪量子井戸活性層１０９、ｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０、及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１１の各層をＭＯＣＶＤ法による結晶成長により順次形成する。
次に、図９に示すような窓領域１１２に酸化亜鉛を拡散源とした亜鉛拡散を行い歪量子井戸活性層１０９を混晶化した。
【００３０】
次に、絶縁膜をマスクに図１０のような傾斜ミラーを形成した。傾斜ミラーの形成は誘導結合型プラズマエッチング技術を用い、基板に垂直な方向から４５度傾斜した方向にプラズマが入射するように行った。これにより、基板面にたいし４５°の角度をなす第１の傾斜面１１３と１３５度の角度をなす第２の傾斜面１１４が同時に形成される。このときのエッチングはｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５の途中まで到達する深さとした。形成した反射面に二酸化硅素膜１１５を形成し、表面保護構造としたうえでポリイミド樹脂１１６により充填してウエハ表面を平坦化した。
【００３１】
次に、絶縁膜などをマスクにし、電子ビームリソグラフ技術とドライエッチング工程により図１１Ａに示すリッジ１１７を形成する。本実施例において形成するリッジ形状は窓領域に設けられる領域においては一定幅のリッジ形状とはなっておらず幅の変調度が１μｍでピッチが０.１μｍの周期構造３０１となっている。エッチングは歪量子井戸活性層１０９に達しないようにｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１１０の途中で止まるようにする。
【００３２】
図１２のように、このような状態のウエハの表面を二酸化硅素膜１１８で覆い、窓構造を設けた領域以外のリッジ形状の上面のみ二酸化珪素膜１１８を除去してコンタクト孔１１９を形成した。その後、コンタクト層１１１の上面にｐ側オーミック電極１２０を、基板１０１の裏面にｎ側オーミック電極１２１を形成する。第１の傾斜面１１３と対向するウエハ表面と第２の傾斜面１１３と対向する基板１０１の裏面の位置に予め酸化物によりマスクをし、リフトオフによりｎ側オーミック電極１２１を除去する。 
第１の傾斜面１１３と対向するウエハ表面には二酸化珪素と窒化珪素の８層膜よりなる絶縁物高反射膜１２２（反射率９８％）が設けてある。
【００３３】
以上のように形成したウエハの第一の主面を下向きに保持用基板に貼り付けた後、リソグラフ技術を用いて基板裏面に図１３に示すようなｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５とｎ−ＧａＡｓパッファ層２０１の界面まで到達する孔１２３を形成した。この孔１２３の底面にイオンアシストスパッタ法により二酸化珪素と窒化珪素の６層膜からなる高反射膜２０２を蒸着した。
【００３４】
ダイシングにより素子分離を行ない、共振器長約４００μｍの半導体レーザ素子を得る。その後、第１の主面を下にして、ＡｌＮ製ヒートシンク上にボンディングする。
本実施例の半導体レーザは、電極１２０，１２２間に電圧が印加されると、歪量子井戸活性層１０９で発光が起こる。発光ビームは、４５°反射鏡で反射し、絶縁物高反射膜１２２と分布帰還形反射鏡として機能する周期構造３０１の間で共振して、レーザ光となる。
【００３５】
絶縁物高反射膜２０２の方が反射率が低いため、レーザ光の一部が第２の傾斜面１１４で基板に垂直な方向に反射して基板孔から上方に出射する。このときレーザ発振に必要な通電は窓構造の設けられていない領域のみに流れるため窓領域には通電が行われないが、量子井戸の混晶化により活性層の禁制帯幅幅が大きくなっているためレーザ光に対する損失は発生しない。しかも、このような窓構造は基板孔１２３上の機械的な固定をされておらず放熱性の悪い領域に設けられており、この領域への通電を不必要とするため素子の熱特性を改善するために有効であった。また、本実施例においては分布帰還を得るための周期構造１２３が窓領域に設けられているが、一般に窓領域においては活性層の光閉じ込めが弱まり光の広がりが大きくなるため、周期構造１２３による反射モードへの結合係数が大きくでき、５０μｍ程度の比較的短い周期構造領域で良好な特性を得ることが可能であった。
【００３６】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約６６０ｎｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力３０ｍＷは熱飽和により制限された。更に、３０個の半導体レーザについて環境温度８０℃の条件下で１５ｍＷ一定で光出力連続駆動させたところ、全ての素子で端面劣化することなく１万時間以上安定に動作した。
＜実施例４＞
本発明第４の実施例として、実施例３と同様の構造のウエハに基板孔を設ける工程を交差する２本のストライプ状パタンを用いて行った例を示す。実施例３と同様に作製したウエハの第一の主面を下向きに保持用基板に貼り付けた後、リソグラフ技術を用いて基板裏面にから図１４に示すような結晶方位（１１０）方向に延在するストライプ状の溝４０１を深さ約５０μｍまでリアクティブイオンエッチングによりエッチングする。次に、ストライプ状の溝４０１と直行する（１-１０）方向に延在する第２のストライプ状パタン４０２をホトリソグラフ技術及び硫酸系の化学エッチングを用いて形成する。二本の溝の交点では溝の深さの和に相当する深さまでエッチングが進むためｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５に達する基板孔４０３が形成される。
【００３７】
図１５Ａ、Ｂに示すように、この孔１２３の底面にイオンアシストスパッタ法により二酸化珪素膜を設けた上で基板孔４０１，４０２，４０３をポリイミド樹脂４０４により充填する。この結果、基板孔４０３の下のエピタキシャル成長膜はポリイミド樹脂４０４と１１６により挟まれる形となっており、薄膜部分への応力集中によるレーザ特性の異常や信頼性の劣化を防止することができた。
【００３８】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約６６０ｎｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力３０ｍＷは熱飽和により制限された。更に、３０個の半導体レーザについて環境温度８０℃の条件下で１５ｍＷ一定で光出力連続駆動させたところ、全ての素子で端面劣化することなく１万時間以上安定に動作した。
【００３９】
以上の実施例においては、２本のストライプ状の溝は（１１０）及び（１−１０）方向に延在する例を説明したが、図１６（ｂ）のように溝がヘキ開面である（１１０）方向からずれて延在することにより、結晶の強度を保つこともかのうであった。さらに、図１６（ｃ）のように交差する溝を３本とすれば、１本の溝あたりのエッチング量が少なくてすみ、より微小な孔を制御性よく形成することが可能であった。
さらに、このような半導体レーザを２次元アレイ状に配列した図１７のようなアレイ型半導体レーザ４０５を試作した。本素子の本構造の半導体レーザは反射面としてヘキ開面を必要としないため、基板面状の任意の位置に形成可能であった。本実施例においては共振器長２５０μｍのレーザを３０μｍ間隔で配置し、直径６００μｍの円内に６０チャネルの発光点を設けることが可能であった。
【００４０】
さらに、図１８の斜視図及び図１９の断面図のようなアレイ型半導体レーザ４０５の基板孔上にレンズアレイ４０６を設置することによりレーザ光４０７が素子パッケージ内でコリメートされて出射する素子を作製することも可能であった。また、このような２次元アレイ構造の素子において、周期構造３０１を発光点ごとに異なる周期とすることにより各発光点の発振波長を異なる値とすることが可能であり、レーザディスプレーなどのスペックルノイズの低減にも有効であった。
＜実施例５＞
本発明第５の実施例として、基板孔の直径をより小さくすることにより発光点の間隔を小さくでき、より高密度の２次元アレイを形成可能とした例を示す。
まず、実施例２と同様の半導体レーザ構造を形成したウエハの第一の主面を下向きに保持用基板に貼り付けた後、リソグラフ技術を用いて基板裏面に図２０に示すようなｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層１０５とｎーＧａＡｓパッファ層２０１の界面まで到達する基板孔１２３を形成した。実施例１〜４においては、レーザウエハが以後の工程で破損しない十分な機械的強度を保持するようにＧａＡｓ基板１０１の厚さは約１００μｍとしたが、この場合孔の形成により基板の強度が低下するため、孔の間隔は６０μｍ程度が限界であった。本実施例においてはＧａＡｓ基板１０１の厚さを１５μｍまで薄くし、レーザ光に対し透明な補強板を貼り付けることにより機械的強度を確保した。
【００４１】
基板孔１２３の形成はＧａＡｓ基板１０１をリアクティブイオンエッチングを用いてＧａＡｓを５μｍ残してエッチングし、残りの５μｍを化学エッチングにより除去した。ＧａＡｓ基板１０１が薄いため、本実施例の基板孔１２３は１０μｍ径に形成可能であり、３０μｍ間隔で孔を形成することが可能となった。この基板孔１２３の底面にイオンアシストスパッタ法により二酸化珪素と窒化珪素の６層膜からなる高反射膜２０２を蒸着した。
さらに、ＧａＡｓ基板１０１の基板孔１２３を形成した領域以外の領域に金メッキによる厚膜電極５０１を形成した。この状態のウエハは機械的強度が弱く、以後の工程やチップ化した後にも機械的に破損する可能性があるため、前記厚膜電極５０１にＧａＰ基板５０２をはりつけることにより補強をおこなった。
【００４２】
図２１に補強を行ったウエハを図示する。ＧａＰ基板５０２表面には金属融着のためＰｔ／Ａｕ／ＡｕＳｎ電極５０３が形成されており、Ｐｔ／Ａｕ／ＡｕＳｎ電極５０３の表面には光出射のための電極孔５０４が形成されている。基板孔１２３と電極孔５０４の位置をあわせて張り合わせ、約３００度で熱処理することによりウエハ全面が強固に融着することが可能となる。ＧａＰはレーザ光に対し透明なため、基板孔１２３から出射したレーザ光は電極孔５０３を通ってＧａＰ基板５０１の裏面に出射する。しかも、本構造によればＧａＡｓ基板の裏面に設けた厚幕電極５０２が熱の拡散を促進するため、素子の放熱性を改善する効果もあった。本実施例では透明基板材料としてＧａＰを用いたが、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣなどの半導体、ガラスなどレーザ光に対し透明な材料であれば他の物質を基板材料として使用することも可能である。
ダイシングにより素子分離を行ない、共振器長約３０μｍの半導体レーザ素子を得る。その後、第１の主面を下にして、ＡｌＮ製ヒートシンク上にボンディングして完成品とした。
【００４３】
試作した半導体レーザは、閾値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、発振波長は約６６０ｎｍであり、最大光出力３０ｍＷまで安定に横単一モードで発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力３０ｍＷは熱飽和により制限された。更に、３０個の半導体レーザについて環境温度８０℃の条件下で１５ｍＷ一定で光出力連続駆動させたところ、全ての素子で端面劣化することなく１万時間以上安定に動作した。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施例の基板の斜視図。
【図２】本発明の第１の実施例の基板の亜鉛拡散後の斜視図。
【図３Ａ】本発明の第１の実施例の基板の傾斜ミラー形成後の斜視図。
【図３Ｂ】図３Ａの部分拡大図。
【図４Ａ】本発明の第１の実施例の基板のリッジ形成後の斜視図。
【図４Ｂ】図４Ａの部分拡大図。
【図５Ａ】本発明の第１の実施例の基板のリッジ横断面。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施例の基板のリッジ縦断面図。
【図６】本発明の第１の実施例の基板孔形成後の斜視図。
【図７】本発明の第２の実施例の基板の斜視図。
【図８】本発明の第２の実施例の基板孔形成後の斜視図。
【図９】本発明の第３の実施例の基板の亜鉛拡散後の斜視図。
【図１０】本発明の第３の実施例の基板の傾斜ミラー形成後の斜視図。
【図１１Ａ】本発明の第３の実施例の基板のリッジ形成後の斜視図。
【図１１Ｂ】図１１Ａの部分拡大図。
【図１２】本発明の第３の実施例の基板孔形成後の斜視図。
【図１３】本発明の第４の実施例の第１の基板溝形成後の斜視図。
【図１４】本発明の第４の実施例の基板孔形成後の斜視図。
【図１５Ａ】本発明の第４の実施例の基板孔ポリイミド充填後の斜視図。
【図１５Ｂ】図１５Ａの部分拡大図。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施例の基板孔形状説明図。
【図１７】本発明の第４の実施例の２次元アレイレーザの斜視図。
【図１８】本発明の第４の実施例のマイクロレンズ集積２次元アレイレーザの斜視図。
【図１９】本発明の第４の実施例のマイクロレンズ集積２次元アレイレーザの断面図。
【図２０】従来の傾斜ミラー集積型半導体レーザ。
【図２１】本発明の第５の実施例を説明する２次元アレイの斜視図。
【図２２】従来の半導体レーザ構造の一例を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１…基板、
１３…レーザ光路、
１４…多層コート膜、
２０…傾斜面、
１０１…ｎ−ＧａＡｓ基板、
１０２…ブラッグ反射器、
１０３…ｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ、
１０４…ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ、
１０５…ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層、
１０６…(Ａｌ0.4Ｇａ0.6)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層、
１０７…Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ歪量子井戸層、
１０８…(Ａｌ0.4Ｇａ0.6)0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層、
１０９…歪量子井戸活性層、
１１０…ｐ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層、
１１１…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、
１１２…窓領域、
１１３…第１の傾斜面、
１１４…第２の傾斜面、
１１５…ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層、
１１６…ポリイミド樹脂、
１１７…リッジ、
１１８…二酸化硅素膜、
１１９…コンタクト孔、
１２０…ｐ側オーミック電極、
１２１…ｎ側オーミック電極、
１２２…絶縁物高反射膜、
１２３…基板孔、
１２４…ダブルヘテロ、
２０１…ＧａＡｓバッファ層、
２０２…高反射膜、
３０１…周期構造
４０１…ストライプ状の溝、
４０２…第２のストライプ状パタン、
４０３…基板孔、
４０４…ポリイミド樹脂、
４０５…アレイ型半導体レーザ、
４０６…レンズアレイ、
４０７…レーザ光、
４０８…ＧａＮ基板。
【図１】
2009177058.tif 000003
【図２】
2009177058.tif 000004
【図３Ａ】
2009177058.tif 000005
【図３Ｂ】
2009177058.tif 000006
【図４Ａ】
2009177058.tif 000007
【図４Ｂ】
2009177058.tif 000008
【図５Ａ】
2009177058.tif 000009
【図５Ｂ】
2009177058.tif 000010
【図６】
2009177058.tif 000011
【図７】
2009177058.tif 000012
【図８】
2009177058.tif 000013
【図９】
2009177058.tif 000014
【図１０】
2009177058.tif 000015
【図１１Ａ】
2009177058.tif 000016
【図１１Ｂ】
2009177058.tif 000017
【図１２】
2009177058.tif 000018
【図１３】
2009177058.tif 000019
【図１４】
2009177058.tif 000020
【図１５Ａ】
2009177058.tif 000021
【図１５Ｂ】
2009177058.tif 000022
【図１６】
2009177058.tif 000023
【図１７】
2009177058.tif 000024
【図１８】
2009177058.tif 000025
【図１９】
2009177058.tif 000026
【図２０】
2009177058.tif 000027
【図２１】
2009177058.tif 000028
【図２２】
2009177058.tif 000029