JPH10242500A

JPH10242500A - モノリシック受発光素子およびそれを用いた光ピックアップ

Info

Publication number: JPH10242500A
Application number: JP9044397A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Kitamura; 昇二郎北村; Katsumi Mori; 克己森
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】発光部でのレーザ発振特性と、受光部での光
−電流変換効率とをともに良好に確保できるモノリシッ
ク受発光素子を提供すること。【解決手段】高抵抗の半導体基板１０１上の少なくと
も２つの領域に、発光部１００Ａと受光部１００Ｂを形
成する。発光部１００Ａは垂直共振器型面発光レーザ１
００Ａ１とＰＩＮ型フォトダイオード１００Ａ２からな
り、１００Ａ２で１００Ａ１の出射光量をモニタする。
受光部１００Ｂは共振器構造を持つＰＩＮ型フォトダイ
オードからなり、その共振器長は室温において１００Ａ
１の出射光の波長に対して共振するように構成されてい
る。また、１００Ａ２の部分の下部ミラーはこの部分と
半導体基板１０１の部分に穴部１２０を形成することに
より除去されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子と受光素
子を同一の半導体基板上に集積したモノリシック受発光
素子およびそれを用いた光ピックアップに関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトダイオード等の受光部と半導体レ
ーザ等の発光部とを一対で使用するものとして、例えば
光を用いて情報を記録再生する光ピックアップが知られ
ている。これは、半導体レーザからのレーザ光を記録媒
体に入射させ、その反射光を受光部にて検出して、情報
の記録、再生を行うものである。

【０００３】近年、この光ピックアップの小型化、簡素
化をはかるために様々な研究がなされているが、その一
つに発光素子と受光素子を同一の半導体基板上に集積す
ることが検討されている。なかでも、光源を半導体基板
の垂直方向にレーザ光を出射するようにこの半導体基板
に垂直な方向に共振器を形成した垂直共振器型面発光レ
ーザ（以下、ＶＣＳＥＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉ
ｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒと
記す）とし、受光素子をＶＣＳＥＬの共振器と同一の構
造である共振器構造を持つフォトダイオードとして光源
と受光素子をモノリシック化したモノリシック受発光素
子は、その作成の容易さ、受発光素子のレイアウトの自
由度の大きさ等から特に注目されている。このモノリシ
ック受発光素子としては、例えば、Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ
ｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ２０ｔｈＪｕｎｅ１９９
６Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１３ｐｐ．１２０５〜１２
０７において開示されたものが知られている。これは図
１１に示すように、半導体基板上３０１に下部分布反射
型多層膜ミラー３０２、クラッド層に挟まれた多重量子
井戸活性層からなる活性領域３０３、上部分布反射型多
層膜ミラー３０４を順次成長させ、その後、受光素子を
形成する部分３００Ｂの上部分布反射型多層膜ミラー３
０４の一部を化学的エッチングで取り除くことによって
フォトダイオードの受光感度の最適化を行っている。

【０００４】このように、受光部と発光部を同一基板上
で同時に結晶成長させて形成しているため、受光部と発
光部との位置関係は、フォトリソグラフィー工程でのパ
ターニング精度で定まり、高い位置精度を確保できる。
また、受光部を共振器構造を持つフォトダイオードとす
ることにより、受光感度が向上するのみならず、その受
光感度の波長帯域を狭くすることができ、例えば外光等
のノイズを低減できるというメリットを持つ。

【０００５】しかし、本発明者らの検討によれば、発光
部と受光部とでは、同一の結晶成長層ににて求められる
最適条件が異なっており、一方の素子特性に合ったプロ
セス条件にて結晶成長層を形成すると、他方の素子特性
が劣化するという問題点があった。特に、発光部の素子
特性に合ったプロセス条件にて結晶成長を行うと、受光
部の感度が劣化し、受光部にて微弱な強度の光を精度良
く検出することができなかった。

【０００６】この課題を解決するために、本発明者らは
特願平７−１９８２０３において、ＰＮ型のフォトダイ
オードの上にＶＣＳＥＬ積層する構造の受光部を備えた
面発光型半導体レーザを開示した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構
造では、フォトダイオードが共振器構造をとらないた
め、高い受光感度を得ることができず、共振器構造をと
ることによるノイズに強くなるメリットを持たない。さ
らに、ＰＮ型のフォトダイオードであるため、高速変調
された光に対する応答速度に限界があるという課題を有
していた。

【０００８】本発明はこのような課題を解決するもので
あり、その目的とするところは、同一基板上に発光部お
よび受光部を形成しながらも、良好な発光部でのレーザ
発振特性と、高い感度特性を持ち、外光などのノイズを
低減でき、さらに応答速度の速い受光部を持つモノリシ
ック受発光素子およびそれを用いた光ピックアップを提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１のモノリシ
ック化受発光素子は、高抵抗の半導体基板上の少なくと
も２つの領域に、第１導電型半導体層と、第２導電型半
導体層とがそれぞれ複数積層して形成され、一方の領域
には、前記第１、第２導電型半導体層にて第１のＰＩＮ
型フォトダイオードと、垂直共振器型面発光レーザがこ
の順に積層されて形成され、他方の領域には、前記第
１、第２導電型半導体層にて共振器構造を持つ第２のＰ
ＩＮ型フォトダイオードが形成され、前記第１のＰＩＮ
型フォトダイオードと前記第２のＰＩＮ型フォトダイオ
ードが同一の半導体層で形成されることを特徴とする。

【００１０】また本発明の第２のモノリシック受発光素
子は、前記第１のＰＩＮ型フォトダイオードは前記垂直
共振器型面発光レーザの出射光を検出し、前記第２のＰ
ＩＮ型フォトダイオードは前記垂直共振器型面発光レー
ザの出射光の外部反射光、あるいは他の発光素子からの
光を検出することを特徴とする。

【００１１】また本発明の第３のモノリシック受発光素
子は、前記高抵抗の半導体基板上に、第１導電型の第１
の半導体多層膜ミラーと、第１導電型の第１のコンタク
ト層と、吸収層と、第２導電型の第２のコンタクト層
と、第２導電型の第２の半導体多層膜ミラーと、第２導
電型の第１のクラッド層と、量子井戸構造の活性層と、
第１導電型の第２のクラッド層と、第１導電型の第３の
半導体多層膜ミラーと、第１導電型の第３のコンタクト
層がこの順に積層され、前記一方の領域は、該領域の前
記高抵抗の半導体基板および前記第１の半導体ミラーを
除去し、前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、前
記第２のコンタクト層にて前記第１のＰＩＮ型フォトダ
イオードと、前記第２の半導体多層膜ミラーと、前記第
１のクラッド層と、前記活性層と、前記第２のクラッド
層と、前記第３の半導体多層膜ミラーと、前記第３のコ
ンタクト層にて前記垂直共振器型面発光レーザが形成さ
れ、前記他方の領域は、前記第１の半導体多層膜ミラー
と、前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、前記第
２のコンタクト層と、前記第２の半導体多層膜ミラーの
一部にて共振器構造を持つ前記第２のＰＩＮ型フォトダ
イオードが形成されていることを特徴とする。

【００１２】また本発明の第４のモノリシック受発光素
子は、前記高抵抗の半導体基板上に、前記第１の半導体
多層膜ミラーと、前記第１のコンタクト層と、前記吸収
層と、前記第２のコンタクト層と、前記第２の半導体多
層膜ミラーと、前記第１のクラッド層と、前記活性層
と、前記第２のクラッド層と、前記第３のコンタクト層
と、誘電体多層膜ミラーがこの順に積層され、前記一方
の領域は、該領域の前記高抵抗の半導体基板および前記
第１の半導体ミラーを除去し、前記第１のコンタクト層
と、前記吸収層と、前記第２のコンタクト層にて前記第
１のＰＩＮ型フォトダイオードと、前記第２の半導体多
層膜ミラーと、前記第１のクラッド層と、前記活性層
と、前記第２のクラッド層と、前記第３のコンタクト層
と、前記誘電体多層膜ミラーにて前記垂直共振器型面発
光レーザが形成され、前記他方の領域は、前記第１の半
導体多層膜ミラーと、前記第１のコンタクト層と、前記
吸収層と、前記第２のコンタクト層と、前記第２の半導
体多層膜ミラーの一部にて共振器構造を持つ前記第２の
ＰＩＮ型フォトダイオードが形成されていることを特徴
とする。

【００１３】また本発明の第５のモノリシック受発光素
子は、前記垂直共振器型面発光レーザで室温において共
振する波長は、前記第２のＰＩＮ型フォトダイオードで
室温において共振する波長よりも短波長となるように、
各半導体層の膜厚を決めたことを特徴とする。

【００１４】また本発明の第６のモノリシック受発光素
子は、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト
層と前記第３のコンタクト層をそれぞれ露出させ、その
露出させた部分にそれぞれ第１の電極と第２の電極と第
３の電極を形成し、前記一方の領域では、前記第２の電
極と前記第３の電極にて前記垂直共振器型面発光レーザ
に電流を注入し、前記第１の電極と第２の電極にて前記
第１のＰＩＮ型フォトダイオードに流れる電流を検出
し、前記他方の領域では、前記第１の電極と前記第２の
電極にて共振器構造を持つ前記第２のＰＩＮ型フォトダ
イオードに流れる電流を検出することを特徴とする。

【００１５】また本発明の第７のモノリシック受発光素
子は、前記一方の領域の各半導体層と前記他方の領域の
各半導体層との間とが、それぞれ電気的に絶縁されてい
ることを特徴とする。

【００１６】また本発明の第１の光ピックアップは、前
記モノリシック化受発光素子を有し、前記垂直共振器型
面発光レーザから出射されたレーザ光を、光ディスクに
照射し、該光ディスクからの反射光を共振器構造を持つ
第２のＰＩＮ型フォトダイオードにて受光して、前記光
ディスクに対してデータを記録再生することを特徴とす
る。

【００１７】また本発明の第２の光ピックアップは、一
方の面上に対物レンズを、他方の面上に回折格子をそれ
ぞれ形成した透明基板と、前記モノリシック受発光素子
とを、前記透明基板の前記回折格子が形成された面と、
前記モノリシック受発光素子の前記垂直共振器型面発光
レーザの光を出射する面とが対向し、前記透明基板上の
前記対物レンズの光軸と、前記垂直共振器型面発光レー
ザの発光部の中心とが略一致するように、位置合わせし
て貼り合わせることによって形成し、浮上スライダに搭
載することを特徴とする。

【００１８】また本発明の第３の光ピックアップは、前
記対物レンズが前記透明基板上に形成した鋸歯形状を持
つブレーズ化グレーティングレンズであることを特徴と
する。

【００１９】また本発明の第４の光ピックアップは、前
記対物レンズが前記透明基板上に円形開口を持つマスク
を形成した後、イオン交換処理によって前記透明基板中
に屈折率分布を付けることによって作成したマイクロ平
板レンズであることを特徴とする。

【００２０】また本発明の第５の光ピックアップは、前
記モノリシック受発光素子は前記第２のＰＩＮ型フォト
ダイオードからなる２つの受光部を有し、前記回折格子
は前記光ディスクの記録トラックに平行な直線で２つの
領域で分割され、前記光ディスクからの反射光のうち、
前記回折格子の一方の領域による回折光が、前記一方の
受光部に入射し、前記回折格子の他方の領域による回折
光が、前記他方の受光部に入射して、双方の前記受光部
の差をとることによりトラックエラー信号を、双方の前
記受光部の和をとることにより前記データを再生するこ
とを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を用いて説明する。

【００２２】（実施例１）図１は本発明の一実施例にお
けるモノリシック受発光素子１００の発光部と受光部の
断面を模式的に示す図であり、図２はその概略斜視図で
ある。

【００２３】図１、図２に示すモノリシック受発光素子
１００は、高抵抗の半導体基板１０１上の異なる領域
に、それぞれ発光部１００Ａと受光部１００Ｂとが形成
されている。本実施例では、発光部１００Ａが垂直共振
器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ１００Ａ１）とその出射
光量をモニタするＰＩＮ型フォトダイオード１００Ａ２
で、受光部１００Ｂが共振器構造を持つＰＩＮ型フォト
ダイオードでそれぞれ形成されている。この発光部１０
０Ａ、受光部１００Ｂの平面的レイアウトとしては、図
２に示すように、例えば発光部１００Ａの両側の２ヶ所
に、受光部１００Ｂを形成している。このモノリシック
受発光素子１００の発光部１００Ａ、受光部１００Ｂの
数は、図２に示す数に限定されるものではなく、複数の
発光部と複数の受光部を平面的にレイアウトすることが
可能である。

【００２４】まず、発光部１００Ａの構造について説明
すると、ＧａＡｓからなる半導体基板１０１上には、ｐ
型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とｐ型ＡｌＡｓ層を
この順に交互に３０ペア積層し例えば波長７８０ｎｍ付
近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ分布反射型
多層膜ミラー（第１のｐ型ＤＢＲミラー１０２）、ｐ型
Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層（第１のｐ型コンタク
ト層１０３）、ＧａＡｓ層（吸収層１０４）、ｎ型Ａｌ
_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層（ｎ型コンタクト層１０
５）が形成される。そしてその上には１層のｎ型ＡｌＡ
ｓ層を積層し、さらにｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａ
ｓ層とｎ型ＡｌＡｓ層をこの順に交互に３０ペア積層し
た、波長７８０ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反
射率を持つ分布反射型多層膜ミラー（ｎ型ＤＢＲミラー
１０６Ａ）が形成されている。そしてさらにその上に
は、ｎ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層（ｎ型クラッド層
１０７）、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層とＧａＡ
ｓ量子井戸層からなり量子井戸層が５層で構成される多
重量子井戸構造の活性層１０８、ｐ型Ａｌ_０．５Ｇａ
_０．５Ａｓ層（ｐ型クラッド層１０９）、ｐ型ＡｌＡｓ
層とｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層をこの順に交
互に１３ペア積層し波長７８０ｎｍ付近の光に対し９
８．５％〜９９％の反射率を持つの分布反射型多層膜ミ
ラー（第２のｐ型ＤＢＲミラー１１０）、ｐ型Ａｌ
_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層（第２のｐ型コンタクト層
１１１）が形成されている。そして、第１のｐ型ＤＢＲ
ミラー１０２および半導体基板１０１は発光部１００Ａ
の直下の部分で除去されている。したがって、発光部１
００Ａは、ｎ型ＤＢＲミラー１０６Ａとこれより上に積
層された部分でＶＣＳＥＬ１００Ａ１を、第１のｐ型コ
ンタクト層１０３と吸収層１０４およびｎ型コンタクト
層１０５でＶＣＳＥＬの出射光量をモニタするＰＩＮ型
フォトダイオード１００Ａ２をそれぞれ形成する。そし
て、ｐ型オーミック電極１１６とｎ型オーミック電極１
１７ＡによりＶＣＳＥＬ１００Ａ１に電流を注入する。
また、ｐ型オーミック電極１１８Ａとｎ型オーミック電
極１１７Ａにより第１のｐ型ＤＢＲミラー１０２からの
ＶＣＳＥＬの出射光量に応じた電流を検出する。ここ
で、１００Ａ２はＰＩＮ型フォトダイオードであるため
応答速度が速く、高速変調されたＶＣＳＥＬからの出射
光に対して十分な応答速度を持つことができる。

【００２５】ここで、活性層１０８は多重量子井戸構造
をとっているが、この構造をとることにより周知のごと
く、（ａ）低しきい電流が可能である、（ｂ）量子井戸
の幅を狭くすることにより発振波長を短波長化すること
ができる、（ｃ）しきい電流の温度依存性が小さい、
（ｄ）高速変調特性が優れているという特徴を持つ。こ
こで、上記の特徴（ｂ）において、量子井戸の幅によっ
て決まる発振波長をλ_１とし、ｎ型クラッド層１０７、
活性層１０８、ｐ型クラッド層１０９で構成される共振
器の長さによって決まる共振波長をλ_２とすると、λ_１
とλ_２は電流注入時に発光部１００Ａの共振器の部分が
局部的に発熱するために、注入電流を増加するに従って
長波長側にシフトするが、λ_１のシフト量の方がλ_２の
シフト量よりも大きい。したがって、ＶＣＳＥＬを連続
発振させるためには、室温でのλ_１をλ_２よりも短波長
になるように量子井戸の幅を決めなければならない。本
実施例では、７８０ｎｍ付近の波長で連続発振するよう
に、量子井戸の幅および共振器長を決めた。

【００２６】またここで、第１のｐ型ＤＢＲミラー１０
２を部分的に除去したのは以下の２つの理由による。す
なわち、第１の理由は、ｐ型ＤＢＲミラー１０２はＶＣ
ＳＥＬに対して外部共振器を構成するため、ＶＣＳＥＬ
の安定したレーザ発振に対して影響を与えるのを避ける
ためである。また第２の理由は、第１のｐ型ＤＢＲミラ
ー１０２がこの部分にあると、ＰＩＮ型フォトダイオー
ドは、第１のｐ型ＤＢＲミラー１０２とｎ型ＤＢＲミラ
ー１０６Ａによって挟まれた共振器構造になる。このＰ
ＩＮ型フォトダイオードの共振器長は、後述するよう
に、室温でＶＣＳＥＬの発振波長（７８０ｎｍ）付近に
対して共振するように設計されているが、ＶＣＳＥＬの
直下にあるため、ＶＣＳＥＬのレーザ発振時には室温よ
りも高温になり、共振器長が長くなる。すなわち、この
部分における共振器構造による共振波長が長波長側にシ
フトし、ＶＣＳＥＬの出射光の波長からずれるためであ
る。

【００２７】一方、受光部１００Ｂの構造について説明
すると、半導体基板１０１上には、第１のｐ型ＤＢＲミ
ラー１０２が形成され、さらにその上には第１のｐ型コ
ンタクト層１０３、吸収層１０４、ｎ型コンタクト層１
０５が形成され、またさらにその上にはｎ型ＡｌＡｓ層
とｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層をこの順に交互
に積層し、波長７８０ｎｍ付近の光に対し約８２％の反
射率を持つ５ペアの分布反射型多層膜ミラー（ｎ型ＤＢ
Ｒミラー１０６Ｂ）が形成されている。したがって、受
光部１００Ｂは、第１のｐ型ＤＢＲミラー１０２とｎ型
ＤＢＲミラー１０６Ｂとによって挟まれた、共振器構造
を持つＰＩＮ型フォトダイオードを形成する。そして、
ｐ型オーミック電極１１８Ｂとｎ型オーミック電極１１
７Ｂにより第２のｐ型ＤＢＲミラー１１１からのＶＣＳ
ＥＬの出射光のうち図示しない測定対象物からの反射光
量に応じた電流を検出する。ここで、受光部１００Ｂは
ＰＩＮ型フォトダイオードであるため応答速度が速く、
高速変調された光に対して十分な応答速度を持つことが
できる。

【００２８】ここで、受光部１００Ｂは、発光部１００
Ａに比べて流れる電流は非常に少なく、発光部１００Ａ
からも離れているため、ＶＣＳＥＬ１００Ａ１のレーザ
発振時においてもほぼ発光部の温度はほぼ室温と等し
い。したがって、受光部１００Ｂの共振器長は室温でＶ
ＣＳＥＬ１００Ａ１の発振波長と共振する長さとした。

【００２９】またここで、ｎ型ＤＢＲミラー１０６Ｂの
ペア数を５ペアとした理由について以下に説明する。

【００３０】受光部を共振器構造としたとき、Ｊ．Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．７８（２），１５Ｊｕｌｙ１９９５
ｐｐ．６０８〜６１０に示されるように、この受光素
子の量子効率を吸収層で吸収される光量と受光素子に入
射する光量の比で表すと、次式で示される。

【００３１】

【数１】

【００３２】ただし、λは波長、Ｒ_１はｎ型ＤＢＲミラ
ー１０６Ｂの反射率、Ｒ_２は第１のｐ型ＤＢＲミラー１
０２の反射率、αは吸収層１０４の吸収係数とし、第１
のｐ型コンタクト層１０３、吸収層１０４、ｎ型コンタ
クト層１０５の屈折率および厚さをそれぞれｎ_１および
ｄ_１、ｎ_２およびｄ_２、ｎ_３およびｄ_３とした。また、
吸収層１０４以外の各層における吸収は無視した。

【００３３】ここで、λを発光部１００Ａからの出射光
の波長（本実施例では７８０ｎｍ）とし、Ｒ_１を変化さ
せたときの量子効率の変化を図３に示す。図中、実線は
上式による計算値を示す。また、黒丸の点はｎ型ＤＢＲ
ミラー１０６Ｂのペア数を変化させたときの量子効率の
値を示し、各点に添えられた数字はそれぞれｎ型ＤＢＲ
ミラー１０６Ｂのペア数を示す。この図から、ｎ型ＤＢ
Ｒミラー１０６Ｂのペア数を最も高い量子効率が得られ
る５ペア（Ｒ_１＝０．８２）とした。また、上式におい
てＲ_１を０．８２とし、波長λを変化させたときの、量
子効率を計算した結果を図４に示す。図４から受光部１
００Ｂは量子効率に波長帯域を持つことがわかる。した
がって、受光部１００Ｂは発光部Ａからの出射光の波長
付近以外の光に対しては量子効率が低下するため、外光
などによるノイズを低減することができる。

【００３４】以下、本実施例に係わるモノリシック受発
光素子１００の構成および製造工程について、図５〜図
９にしたがって説明する。

【００３５】まず、半導体基板１０１上に第１のｐ型Ｄ
ＢＲミラー１０２、第１のｐ型コンタクト層１０３、吸
収層１０４、ｎ型コンタクト層１０５、ｎ型ＤＢＲミラ
ー１０６、ｎ型クラッド層１０７、活性層１０８、ｐ型
クラッド層１０９、第２のｐ型ＤＢＲミラー１１０、第
２のｐ型コンタクト層１１１を順次、ＭＯＣＶＤ法でエ
ピタキシャル成長させる（図５（ａ））。このとき、本
実施例では、成長温度を７００℃とし、成長圧力を１５
０Ｔｏｒｒとし、III族原料としてはＴＭＧａ（トリメ
チルガリウム）およびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウ
ム）の有機金属を、V族原料としてはＡｓＨ_３を、ｎ型
ドーパントとしてはＨ_２Ｓｅを、ｐ型ドーパントとして
はＤＥＺｎ（ジエチルジンク）をそれぞれ用いる。ここ
で、ドーピングを行う層のドーピング量は、第１のｐ型
ＤＢＲミラー１０２の各層、ｎ型ＤＢＲミラー１０６の
各層、ｎ型クラッド層１０７、ｐ型クラッド層１０９、
第２のｐ型ＤＢＲミラー１１０の各層を２×１０
^１８（ｃｍ^−３）とし、第１のｐ型コンタクト層１０
３、ｎ型コンタクト層１０５、第２のｐ型コンタクト層
１１１を１×１０^１９（ｃｍ^−３）とした。なお、本実
施例においては、ＭＯＣＶＤ法で各層をエピタキシャル
成長させたが、ＭＢＥ法によってエピタキシャル成長さ
せてもよい。

【００３６】その後、常圧熱ＣＶＤ法によってエピタキ
シャル層上に２５０オングストローム程度のＳｉＯ_２層
からなる保護層Ｉ１を形成する。この保護層Ｉ１が積層
された半導体層を覆うことにより、プロセス中の表面汚
染を防いでいる。

【００３７】次に、柱状部１１２の周囲のレジストパタ
ーンＲ１で覆われていない部分を、反応性イオンビーム
エッチング法（以下、ＲＩＢＥ法と記す）により、ｐ型
クラッド層１０９の途中までエッチングを行う。この
際、本実施例ではエッチングガスとしては塩素とアルゴ
ンの混合ガスを用い、ガス圧を１×１０^−３Ｔｏｒｒ、
引出し電圧を４００Ｖとした。ここで、ｐ型クラッド層
１０９の途中までしかエッチングしないのは、活性層の
水平方向の注入キャリアと光を閉じ込めるための構造
を、リブ導波路型の屈折率導波構造とするためである。
そしてさらに発光部１００Ａの発光中心付近の注入電流
密度を上げるための電流狭窄部１１３を形成するため
に、第２のｐ型ＤＢＲミラー１１０のＡｌＡｓ層の一部
を選択的に酸化する（図５（ｂ））。この電流狭窄部１
１３を形成するために、ｐ型クラッド層１０９と第２の
ｐ型ＤＢＲミラー１１０のどちらか一方あるいは両方
に、例えばイオン注入により不純物例えばプロトンまた
は酸素イオンなどを導入して絶縁してもよい。

【００３８】この後、レジストパターンＲ１を取り除
き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１０００オングストロー
ム程度のＳｉＯ_２絶縁膜１１４を形成する。この際のプ
ロセス条件としては、基板温度を４５０℃、原料として
ＳｉＨ_４（モノシラン）と酸素を使用し、キャリアガス
には窒素を用いた。さらにこの上にスピンコート法を用
いてＳＯＧ（ＳｐｉｎｏｎＧｒａｓｓ）膜１１５を
塗布し、その後例えば、８０℃で１分間、１５０℃で２
分間、さらに３００℃で３０分間、窒素雰囲気中でベー
キングする（図６（ａ））。

【００３９】次に、ＳＯＧ膜１１５とＳｉＯ_２膜１１４
をエッチングバックして、露出したｐ型コンタクト層１
１１の表面と面一になるように平坦化させた（図６
（ｂ））。エッチングには平行平板電極を用いた反応性
イオンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとし
て、ＳＦ_６、ＣＨＦ_３およびＡｒを組み合わせて使用し
た。

【００４０】次に、発光部１００Ａを柱状に残してその
周囲と、受光部１００Ｂの部分を、受光部１００Ｂの受
光面の反射率が光検出に最適になるようにｎ型ＤＢＲミ
ラー１０６を５ペア残してエッチングする。このエッチ
ングのために、保護膜Ｉ２（例えばＳｉＯ_２）を形成
し、エッチングされるべきでない発光部１００Ａと対抗
する領域に、レジストパターンＲ２を形成している（図
７（ａ））。

【００４１】次に、後でｎ型オーミック電極１１７Ａ、
Ｂを形成するために、発光部１００Ａと受光部１００Ｂ
の周囲を、ｎ型コンタクト層１０５の表面が露出するま
でエッチングする。このエッチングのために、レジスト
パターンＲ２を除去した後、保護膜Ｉ３（例えばＳｉＯ
_２）を形成し、エッチングされるべきでない発光部１０
０Ａおよび受光部１００Ｂと対抗する領域に、レジスト
パターンＲ３を形成している（図７（ｂ））。

【００４２】次に、後でｐ型オーミック電極１１８Ａ、
Ｂを形成するために、上でｎ型コンタクト層１０５の表
面を露出させた部分の周囲を、第１のｐ型コンタクト層
１０３が露出するまでエッチングする。このエッチング
のために、レジストパターンＲ３を除去した後、保護膜
Ｉ４（例えばＳｉＯ_２）を形成し、エッチングされるべ
きでない発光部１００Ａおよび受光部１００Ｂ対抗する
領域と、ｎ型コンタクト層１０５の表面を露出させた部
分と対抗する領域に、レジストパターンＲ４を形成して
いる（図８（ａ））。

【００４３】さらに、レジストパターンＲ４を除去し、
保護膜Ｉ５（例えばＳｉＯ_２）を形成した後、発光部１
００Ａおよび受光部１００Ｂの第１のｐ型コンタクト層
１０３同士と、発光部１００Ａおよび受光部１００Ｂの
ｎ型コンタクト層１０５同士とを電気的に絶縁させるた
めに、両者の境界部分を半導体基板１０１の途中まで例
えばエッチングにより除去して、分離溝１１９を形成す
る。この分離溝１１９の形成にあたり、ドライエッチン
グを用いることが好ましいが、この分離溝１１９におけ
る界面は発光および受光に影響がないため、ウエットエ
ッチング、あるいはダイシングソーにより形成すること
もできる。また、分離溝１１９による絶縁に代えて、上
記境界部分に例えばイオン注入により不純物例えばプロ
トンまたは酸素イオンなどを導入して絶縁してもよい。
そしてさらに、発光部１００Ａの部分の第１のｐ型ＤＢ
Ｒミラー１０２を除去するために、例えばウエットエッ
チングにより、穴部１２０を形成した（図８（ｂ））。

【００４４】そして最後に、保護膜Ｉ２〜Ｉ５を除去し
て、第１のｐ型コンタクト層１０３の露出した部分に第
１のｐ型オーミック電極１１８Ａ、Ｂを、ｎ型コンタク
ト層１０５の露出した部分にｎ型オーミック電極１１７
Ａ、Ｂを、さらに第２のｐ型コンタクト層１１１の露出
した部分にリング状に接触する第２のｐ型オーミック電
極１１６を公知のリフトオフ法により形成し、Ｎ_２雰囲
気中で４００℃のアロイングを行う（図９）。

【００４５】以上の工程により、図１に示すモノリシッ
ク受発光素子１００が完成する。

【００４６】なお、上記の実施例において、各層におけ
るｐ型とｎ型を入れ替えて、極性を逆にしたモノリシッ
ク受発光素子としても本発明の趣旨を逸脱するものでは
ない。また、上記の実施例では、ＡｌＧａＡｓ系のＶＣ
ＳＥＬについて説明したが、その他のIII−V族系あるい
はII−VI族系のＶＣＳＥＬについても好適に適用でき、
特に活性層はＡｌの組成を変えることで発振波長を変更
することもできる。また、上記の実施例において、第２
のｐ型ＤＢＲミラー１１０を省いた構造とし、第２のｐ
型オーミック電極１１６を形成した後に、例えばＳｉＯ
_２層とＴａ_２Ｏ_５を交互に積層した誘電体多層膜ミラー
を発光部１００Ａのみに形成しても良い。

【００４７】以下、上で説明した本発明のモノリシック
受発光素子１００を、光ピックアップに適用した他の実
施例について説明する。

【００４８】（実施例２）図１０は、本発明の光ピック
アップ２００の構成を示す概略斜視図である。

【００４９】図中、ガラス等の透明基板２０１の一方の
表面上には、断面が鋸歯形状を持つブレーズ化グレーテ
ィングレンズからなるマイクロ対物レンズ２０２が形成
され、他方の表面には、マイクロ対物レンズ２０２の光
軸に直交する直線で２つの領域に分割された回折格子２
０３が形成されている。ここで、マイクロ対物レンズ２
０２はブレーズ化グレーティングレンズの代わりに、透
明基板上に円形開口を持つマスクを形成した後、イオン
交換処理によって透明基板中に屈折率分布を付けること
によって作成したマイクロ平板レンズを用いてもよい。

【００５０】光ピックアップ２００は、モノリシック受
発光素子１００を複数個２次元アレイ状に形成したもの
と、マイクロ対物レンズ２０２と回折格子２０３をそれ
ぞれ複数個２次元アレイ状に形成した透明基板２０１と
を一定の間隔をとった状態で貼り合わせたものを、個々
の素子ごとに切り出したものである。ここで、モノリシ
ック受発光素子１００と透明基板は、図に示すように、
モノリシック受発光素子１００のレーザ出射側と回折格
子２０３が対向し、さらにモノリシック受発光素子１０
０の発光部１００Ａからの出射光の光軸と、マイクロ対
物レンズ２０２の光軸が一致するように、そしてさらに
回折格子２０３の分割線と、モノリシック受発光素子１
００上の受光部１００ＢＲと１００ＢＬを結ぶ線が略平
行になるように位置合わせして張り合わされている。こ
こで、モノリシック受発光素子１００、マイクロ対物レ
ンズ２０２、回折格子２０３はそれぞれ２次元アレイ状
に複数形成することが容易であり、それぞれの素子の位
置はフォトリソグラフ技術により高精度に位置決め可能
であるため、大量の光ピックアップ２００を同時に作成
可能である。従来の光ピックアップが個々の素子を別々
に作成し、高精度な組立調整が必要であったため小型化
が困難であり高コストであったのに対して、本発明の光
ピックアップ２００は非常に小型にもかかわらず、同時
に大量に作成することが容易であるという大きなメリッ
トを持つ。

【００５１】この光ピックアップ２００は図示しない浮
上スライダに固定され、光ディスク２０１の回転時に、
光ディスク２０１の記録面に対して常にマイクロ対物レ
ンズ２０２の焦点を結ぶように光ディスク２０１から一
定の距離を隔てて浮上している。このため、本実施例の
光ピックアップ２００はフォーカスサーボを行う必要が
なく、構成を非常に簡略化することができる。また、光
ピックアップ２００は浮上スライダに搭載されているた
めディスクチルトが発生せず、高精度なトラッキングを
行うことができる。

【００５２】ここで、この光ピックアップ２００は、回
折格子２０３の２つの領域の分割線が、光ディスクのト
ラック方向に平行になるように設置される。そして、光
ディスクからの反射光の内、領域２０３Ｒでの回折光が
ほぼすべて受光部１００ＢＲに入射するように、領域２
０３Ｌでの回折光がほぼすべて受光部１００ＢＬに入射
するように、回折格子２０３の形状が決められている。
本実施例では領域２０３Ｒの回折光がほぼ＋１次回折光
のみに、領域２０３Ｌの回折光がほぼ−１次回折光のみ
になるように、この回折格子２０３のそれぞれの領域を
逆の極性にブレーズ化している。

【００５３】次に、この光ピックアップ２００の動作に
ついて説明する。

【００５４】まず、駆動回路２０５によって発光部１０
０ＡのＶＣＳＥＬがレーザ光を出射する。このとき、Ｖ
ＣＳＥＬの出射光量に応じて、発光部１００ＡのＰＩＮ
フォトダイオードに流れる電流をＩ−Ｖ変換器２０４で
検出し、駆動回路２０５にフィードバックをかけること
により、出射光量が一定になるようにＡＰＣ（オートパ
ワーコントロール）を行っている。

【００５５】発光部１００Ａから出射されたレーザ光は
回折格子２０３を通過し、マイクロ対物レンズ２０２に
よって光ディスクの記録面上に集光される。光ディスク
からの反射光はマイクロ対物レンズ２０２を通過し、回
折格子２０３によって回折され、分割線によって分離さ
れて受光部１００ＢＲと受光部１００ＢＬに入射する。
受光部１００ＢＲ、受光部１００ＢＬに流れる電流量を
それぞれＩ−Ｖ変換器２０６Ｒ、Ｉ−Ｖ変換器２０６Ｌ
で検出し、差動増幅器２０７でそれぞれの信号の差をと
ることによりプッシュプル法でトラックエラー信号（Ｔ
ＥＳ）を検出し、加算増幅器２０８でそれぞれの信号の
和をとることによりデータ信号（ＲＦＳ）を検出する。

【００５６】以上説明したように、本発明のモノリシッ
ク受発光素子を光ピックアップに適用することにより、
非常に小型の光ピックアップが、大量にかつ容易に作成
可能になる。

【００５７】

【発明の効果】本発明のモノリシック受発光素子は、同
一基板上に受光素子と発光素子を高い位置精度を確保し
ながら、集積化可能になる。さらに、受光素子をＰＩＮ
型フォトダイオードとしたことにより、高速変調された
光に対して応答速度を向上することができる。またさら
に、発光部のＶＣＳＥＬの出力をモニタする部分以外の
受光部を共振器構造をもつＰＩＮ型フォトダイオードと
したことにより、受光感度を向上することができ、か
つ、外光などのノイズを低減することができる。

【００５８】また、本発明のモノリシック受発光素子を
光ピックアップに適用することにより、作成容易な小型
の光ピックアップが実現可能となり、光ディスクにおけ
る記録、再生の高速化および装置全体の小型化、省電力
化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るモノリシック受発光素
子の断面を模式的に示す断面図である。

【図２】図１に示す装置の概略斜視図である。

【図３】（１）式においてＲ_１を変化させたとき、およ
び、図１においてｎ型ＤＢＲミラー１０６Ｂのペア数を
変化させたときの量子効率の変化の様子を示す図であ
る。

【図４】（１）式においてＲ_１をｎ型ＤＢＲミラー１０
６Ｂのペア数が５ペアである時の反射率とし、受光部１
００Ｂに入射する波長を変化させたときの量子効率の変
化の様子を示す図である。

【図５】（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ図１に示す装置の
製造プロセスを説明するための概略断面図である。

【図６】（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ図５に引き続き行
われる製造プロセスを説明するための概略断面図であ
る。

【図７】（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ図６に引き続き行
われる製造プロセスを説明するための概略断面図であ
る。

【図８】（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ図７に引き続き行
われる製造プロセスを説明するための概略断面図であ
る。

【図９】図８に引き続き行われる製造プロセスを説明す
るための概略断面図である。

【図１０】本発明の一実施例に係る光ピックアップを模
式的に示す概略斜視図である。

【図１１】従来例のモノリシック受発光素子の断面を模
式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１００Ａ発光部１００Ａ１ＶＣＳＥＬ１００Ａ２ＰＩＮ型フォトダイオード１００Ｂ、１００ＢＲ、１００ＢＬ受光部１０１高抵抗の半導体基板１０２第１のｐ型ＤＢＲミラー１０３第１のｐ型コンタクト層１０４吸収層１０５ｎ型コンタクト層１０６、１０６Ａ、１０６Ｂｎ型ＤＢＲミラー１０７ｎ型クラッド層１０８活性層１０９ｐ型クラッド層１１０第２のｐ型ＤＢＲミラー１１１第２のｐ型コンタクト層１１２柱状部１１３電流狭窄部１１４ＳｉＯ_２絶縁膜１１５ＳＯＧ膜１１６、１１８Ａ、１１８Ｂｐ型オーミック電極１１７Ａ、１１７Ｂｎ型オーミック電極１１９分離溝１２０穴部Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５保護膜Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４レジストパターン２０１光ディスク２０２マイクロ対物レンズ２０３、２０３Ｒ、２０３Ｌ回折格子２０４、２０６Ｒ、２０６ＬＩ−Ｖ変換器２０５駆動回路２０７差動増幅器２０８加算増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高抵抗の半導体基板上の少なくとも２つ
の領域に、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層
とがそれぞれ複数積層して形成され、一方の領域には、前記第１、第２導電型半導体層にて第
１のＰＩＮ型フォトダイオードと、垂直共振器型面発光レーザがこの順に積層されて形成さ
れ、他方の領域には、前記第１、第２導電型半導体層にて共
振器構造を持つ第２のＰＩＮ型フォトダイオードが形成
され、前記第１のＰＩＮ型フォトダイオードと前記第２のＰＩ
Ｎ型フォトダイオードが同一の半導体層で形成されるこ
とを特徴とするモノリシック受発光素子。
【請求項２】請求項１において、前記第１のＰＩＮ型フォトダイオードは前記垂直共振器
型面発光レーザの出射光を検出し、前記第２のＰＩＮ型フォトダイオードは前記垂直共振器
型面発光レーザの出射光の外部反射光、あるいは他の発
光素子からの光を検出することを特徴とするモノリシッ
ク受発光素子。
【請求項３】請求項１乃至２のいずれかにおいて、前記高抵抗の半導体基板上に、第１導電型の第１の半導
体多層膜ミラーと、第１導電型の第１のコンタクト層
と、吸収層と、第２導電型の第２のコンタクト層と、第
２導電型の第２の半導体多層膜ミラーと、第２導電型の
第１のクラッド層と、量子井戸構造の活性層と、第１導
電型の第２のクラッド層と、第１導電型の第３の半導体
多層膜ミラーと、第１導電型の第３のコンタクト層がこ
の順に積層され、前記一方の領域は、該領域の前記高抵抗の半導体基板お
よび前記第１の半導体ミラーを除去し、前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、前記第２の
コンタクト層にて前記第１のＰＩＮ型フォトダイオード
と、前記第２の半導体多層膜ミラーと、前記第１のクラッド
層と、前記活性層と、前記第２のクラッド層と、前記第
３の半導体多層膜ミラーと、前記第３のコンタクト層に
て前記垂直共振器型面発光レーザが形成され、前記他方の領域は、前記第１の半導体多層膜ミラーと、
前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、前記第２の
コンタクト層と、前記第２の半導体多層膜ミラーの一部
にて共振器構造を持つ前記第２のＰＩＮ型フォトダイオ
ードが形成されていることを特徴とするモノリシック受
発光素子。
【請求項４】請求項１乃至２のいずれかにおいて、前記高抵抗の半導体基板上に、前記第１の半導体多層膜
ミラーと、前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、
前記第２のコンタクト層と、前記第２の半導体多層膜ミ
ラーと、前記第１のクラッド層と、前記活性層と、前記
第２のクラッド層と、前記第３のコンタクト層と、誘電
体多層膜ミラーがこの順に積層され、前記一方の領域は、該領域の前記高抵抗の半導体基板お
よび前記第１の半導体ミラーを除去し、前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、前記第２の
コンタクト層にて前記第１のＰＩＮ型フォトダイオード
と、前記第２の半導体多層膜ミラーと、前記第１のクラッド
層と、前記活性層と、前記第２のクラッド層と、前記第
３のコンタクト層と、前記誘電体多層膜ミラーにて前記
垂直共振器型面発光レーザが形成され、前記他方の領域は、前記第１の半導体多層膜ミラーと、
前記第１のコンタクト層と、前記吸収層と、前記第２の
コンタクト層と、前記第２の半導体多層膜ミラーの一部
にて共振器構造を持つ前記第２のＰＩＮ型フォトダイオ
ードが形成されていることを特徴とするモノリシック受
発光素子。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記垂直共振器型面発光レーザで室温において共振する
波長は、前記第２のＰＩＮ型フォトダイオードで室温に
おいて共振する波長よりも短波長となるように、各半導
体層の膜厚を決めたことを特徴とするモノリシック受発
光素子。
【請求項６】請求項３乃至５のいずれかにおいて、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層と前
記第３のコンタクト層をそれぞれ露出させ、その露出さ
せた部分にそれぞれ第１の電極と第２の電極と第３の電
極を形成し、前記一方の領域では、前記第２の電極と前記第３の電極
にて前記垂直共振器型面発光レーザに電流を注入し、前
記第１の電極と第２の電極にて前記第１のＰＩＮ型フォ
トダイオードに流れる電流を検出し、前記他方の領域では、前記第１の電極と前記第２の電極
にて共振器構造を持つ前記第２のＰＩＮ型フォトダイオ
ードに流れる電流を検出することを特徴とするモノリシ
ック受発光素子。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記一方の領域の各半導体層と前記他方の領域の各半導
体層との間とが、それぞれ電気的に絶縁されていること
を特徴とするモノリシック受発光素子。
【請求項８】請求項７に記載のモノリシック化受発光
素子を有し、前記垂直共振器型面発光レーザから出射さ
れたレーザ光を光ディスクに照射し、該光ディスクから
の反射光を共振器構造を持つ第２のＰＩＮ型フォトダイ
オードにて受光して、前記光ディスクに対してデータを
記録再生することを特徴とする光ピックアップ。
【請求項９】請求項８において、一方の面上に対物レンズを、他方の面上に回折格子をそ
れぞれ形成した透明基板と、前記モノリシック受発光素
子とを、前記透明基板の前記回折格子が形成された面と、前記モ
ノリシック受発光素子の前記垂直共振器型面発光レーザ
の光を出射する面とが対向し、前記透明基板上の前記対物レンズの光軸と、前記垂直共
振器型面発光レーザの発光部の中心とが略一致するよう
に、位置合わせして貼り合わせることによって形成し、浮上スライダに搭載することを特徴とする光ピックアッ
プ。
【請求項１０】請求項９において、前記対物レンズが前記透明基板上に形成した鋸歯形状を
持つブレーズ化グレーティングレンズであることを特徴
とする光ピックアップ。
【請求項１１】請求項９において、前記対物レンズが前記透明基板上に円形開口を持つマス
クを形成した後、イオン交換処理によって前記透明基板
中に屈折率分布を付けることによって作成したマイクロ
平板レンズであることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項１２】請求項９乃至１１のいずれかにおい
て、前記モノリシック受発光素子は前記第２のＰＩＮ型フォ
トダイオードからなる２つの受光部を有し、前記回折格
子は前記光ディスクの記録トラックに平行な直線で２つ
の領域で分割され、前記光ディスクからの反射光のう
ち、前記回折格子の一方の領域による回折光が、前記一方の
受光部に入射し、前記回折格子の他方の領域による回折
光が、前記他方の受光部に入射して、双方の前記受光部の差をとることによりトラックエラー
信号を、双方の前記受光部の和をとることにより前記デ
ータを再生することを特徴とする光ピックアップ。