JPH0350531A - 半導体集光装置 - 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】 〔概要〕 光学的レンズとして光を集束或いは偏光する作用をなし
、しかも、その光集束位置を電気的に変えることができ
る半導体集光装置に関し、光集束位置を高速且つ高精度
で制御することが可能であり、しかも、小型であると共
に軽量であり、大量生産に適し、低価格で供給すること
ができる半導体集光装置を提供することを目的とし、少
なくとも一つのｐｎ接合を生威する為に積層した一導電
型半導体基板（或いは層）並びに反対導電型半導体層と
、該反対導電型半導体層表面にキャリヤ拡散長を越える
間隔を置いて線対称に形成された電極と、前記一導電型
半導体基板裏面にキャリヤ拡散長を越える間隔を置いて
線対称に且つ該表面側の電極にそれぞれ対応して形成さ
れた電極とを備えてなるよう構或するか、或いは、その
ような構戒に於ける前記表面側電極及び裏面側電極が、
前記反対導電型半導体層表面にキャリヤ拡散長を越える
半径の内径をもって形成されたドーナツ状表面側電極及
び前記一導電型半導体基板裏面にキャリヤ拡散長を越え
る半径の内径をもち且つ該表面側の電極に対応して形成
されたドーナツ状裏面側電極であるよう構或する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光学的レンズとして光を集束或いは偏光する
作用をなし、しか′も、その光集束位置を電気的に変え
ることができる半導体集光装置に関する． 光情報処理など多くの分野で、光を集束させ、しかも、
その光集束位置を制御することが行われている。例えば
、光ディスク装置に於ける光ビックアップでは、高速で
回転するディスクの表面に常に光を集束させなければな
らず、また、レーザ・プリンタなどでは、感光ドラムの
表面に光を集束させることが必要である。然しなから、
これ等の装置では、ディスクの反り、回転軸の偏心など
が僅かではあるが存在するので、これ等の補正をする為
に常に光集束位置を制御している。現在、比較的高速で
光集束位置を制御し得る装置が提供されてはいるが、光
情報処理装置の高速化、記録情報の高密度化などに伴っ
て、更に精密に、そして、更に高速に光集束位置を制御
できる集光装置の実現が期待されている。

〔従来の技術〕

従来、光集束位置を制御することができる集光装置とし
て、光を集束する光学素子にガラスなどで作られた凸レ
ンズを用い、その凸レンズにソレノイドを主体とする電
磁気的な微動装置（前者）、或いは、圧電結晶を利用し
た微動装置（後者）を機械的に結合し、それに依って凸
レンズを機械的且つ空間的に移動して光集束位置を制、
御するものが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記〔従来の技術〕の項で説明した前者は、焦点方向の
光集束位置を制御する際の応答が遅い旨の欠点があり、
また、同じく　〔従来の技術〕の項で説明した後者は、
同じ制御に対する応答が比較的速い。ところが、光ディ
スクでは、その直径方向にピックアップを動かして情報
の読み取り、及び、書き込みを行う必要があり、従って
、ピンクアップを移動させる場合には、凸レンズと機械
的に結合された質量が大きい微動装置も同時に移動させ
ることが必要であり、その結果、前記光ディスクの直径
方向に於ける応答は前者も後者も遅くなる旨の欠点があ
る． 現在、光情報処理装置では、記録媒体の回転速度を高め
ることで処理の高速化を実現する傾向にあり、その為に
は、より速い光集束位置の制御が必要であり、また、所
定情報を記録するのに必要な面積を小さくして高密度化
を実現させるには、より精密な光集束位置の制御が必要
である．本発明は、光集束位置を高速且つ高精度で制御
することが可能であり、しかも、小型であると共に軽量
であり、大量生産に適し、低価格で供給することかでき
る半導体集光装置を提供する。

〔諜題を解決するための手段〕

本発明者は、半導体の特性について種々考察した結果、
ｐｎ接合に電流を注入することで屈折率の分布を変化さ
せ、それを光学的レンズとして利用することを着想した
． その際に於ける考察及び実験について記述すると次の通
りである。尚、この記述は、本発明の原理と考えても良
い． （１１　　半導体のｐｎ接合に電流を注入すると、ｐｎ
接合を通して少数キャリヤが注入される。その注入され
た少数キャリヤは多数キャリヤと結合し、注入点（接合
或いは注入される領域が狭い領域に限定される場合には
その領域）から離れるにつれ、その濃度が指数関数的に
低下する。

（２）半導体は、キャリヤ濃度が高くなるにつれ、屈折
率は低くなる旨の性質を持っている。

（３》　　第１図乃至第３図は実験に用いた半導体集光
装置の要部平面図、第１図に見られる線Ｘ−Ｘに沿う要
部切断側面図、要部裏面図をそれぞれ表している。

図に於いて、１はｎ型半導体基板、２はｎ型（或いはｐ
型）半導体層、３はｐ型半導体層、４及び５は表面側電
極、６及び７は裏面側電極をそれぞれ示している。

ここで、表面側電極４及び５からそれぞれ等量の電流を
裏面側電極６及び７に流した場合、図示の半導体集光装
置内にはキャリヤ濃度分布を生じる。

第４図は半導体集光装置内に発生するキャリヤ濃度分布
を説明する為の線図であり、縦軸にはキャリヤ濃度を、
また、横軸には横方向の位置をそれぞれ採ってあり、第
１図乃至第３図に於いて用いた記号と同記号は同部分を
示すか或いは同じ意味を持つものとする。

図示されたようなキャリヤ濃度分布になる理由は、電極
６及び７の直下の部分に電流が最も高密度に注入される
ことから最も高いキャリヤ濃度となり、電極６及び７か
ら離れるにつれて電流密度は低下するので、電流注入に
依って生威されるキャリヤよりも、再結合して消滅する
キャリヤの方が多くなり、従って、キャリヤ密度も電極
６及び７から離れるにつれて低下することに依る。

（４）前記したように、半導体集光装置内にキャリヤ濃
度分布が存在すると屈折率分布を生ずることになる。

第５図は半導体集光装置内に発生する屈折率分布を説明
する為の線図であり、縦軸には屈折率を、また、横軸に
は横方向の位置をそれぞれ採ってあり、第１図乃至第４
図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは
同し意味を持つものとする。

図に於いて、ｎ１はｐｎ接合に電流を流さない場合の屈
折率分布の特性線、ｎ２はｐｎ接合に電流を流した場合
の屈折率分布の特性線をそれぞれ示している。

（５）図から明らかなように、電極６及び７が位！する
部分では屈折率が低くなり、従って、相対的に中央部分
の屈折率は高くなる。

屈折率が低い部分に於いては、光を屈折率が高い側、即
ち、中央部分の方向に曲げる作用があり、従って、周辺
より屈折率が高い部分ＬＳでは凸レンズと同し作用をす
る。

（６）第１図乃至第３図について説明した半導体集光装
置に電流を流すと、電極６及び７に挟まれた部分が凸レ
ンズとして働くことが理解されよう。但し、図示された
電極６及び７の形状から明らかなように、第１図に見ら
れる６１　ｘ　−　ｘに同一平面上で直交する方向では
屈折率の分布が均一であることから、この方向では集光
作用が得られない。従って、図示の半導体集光装置は、
正確には、シリンドリカル型凸レンズと考えればよい。

この半導体集光装置に於いて、球面型凸レンズを生戒さ
せることは簡単であり、１ｔ極をドーナツ型にすれば良
い。このようにすると、ドーナツ型電極で囲まれた中央
部分の屈折率が最大εなり、ドーナツ型電極の直下の部
分の屈折率が最低となる同心円状の屈折率分布が得られ
ることになる。

《刀　前記したレンズは、ｐｎ接合に電流を流した場合
のみ作用し、そして、ｐｎ接合に注入する電流の密度を
変化させると、第５図に見られる屈折率分布の特性線ｎ
２に於ける高低差が電流密度に関連して変化するので、
レンズの集光特性、即ち、焦点距離が変化する。従って
、この半導体集光装置は、、流す電流の如何に依って焦
点距離を変化させることが可能なレンズとして機能する
。

第１図乃至第５図について説明した半導体集光装置では
、ｎ型半゛導体基板工を含め、半導体層は三層になって
いるが、これを二層にしてｐｎ接合を生威させ、所謂、
ホモ接合にしても良く、また、屈折率分布を生成させる
もとになるキャリヤの濃度及びキャリヤ濃度の中心と周
辺との差を大きくシタイ場合には、半導体層を三層以上
とし、例えば・三層の場合、上下から挟まれた半導体層
のエネルギ・バンド・ギャンブを上下の層に比較して小
さくなるようにし、所謂、ダブル・ヘテロ構造（ｄｏｕ
ｂｌｅ　　　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＤＨ）
とすれば、エネルギ・バンド・ギャップが小さい層には
キャリヤを閉・じ込めることができるから、その層に於
けるキャリヤ濃度及びキャリヤ濃度勾配をホモ接合の場
合に比較して高くすることができる。

以上、記述したところから、本発明に依る半導体集光装
置に於いては、少なくとも一つのｐｎ接合を生成する為
に積層した一導電型半導体基板或いは層（例えばｎ型１
ｎＰ基板１或いはｎ型ＩｎＧａＡｓ　Ｐ活性！２）並び
に反対′４電型半導体層（例えばｐ型１ｎＰＨ３）と、
該反対ｉｔ型半導体層表面にキャリヤ拡散長を越える間
隔を置いて線対称に形成された電極（例えば電極４及び
５）と、前記一導電型半導体基板裏面にキャリヤ拡散長
を越える間隔を置いて線対称に且つ該表面側の電極にそ
れぞれ対応して形成された電極（例えば電極６及び７）
とを備えるか、或いは、少なくとも一つのｐｎ接合を生
成する為に積層した一導電型半導体基板或いは層並びに
反対導電型半導体層と、該反対導電型半導体層表面にキ
ャリヤ拡散長を越える半径の内径をもって形成されたド
ーナツ型電極（例えばドーナツ状表面側電極１４）と、
前記一導電型半導体基板裏面にキャリヤ拡散長を越える
半径の内径をもち且つ該表面側の電極に対応して形成さ
れたドーナツ型電極（例えばドーナツ状裏面側電極１５
）とを備える。

〔作用〕

前記手段を採ることに依り、電流注入に依ってキャリヤ
濃度の分布を生じ、それに依って、レンズ状の屈折率分
布が生威され、そして、そのレンズ状の屈折率分布の高
低差は、注入電流密度に比例するので、注入電流が大で
あれば焦点距離が短くなり、注入電流が小であれば焦点
距離が長くなる。極端な場合、注入電流が零であれば焦
点距離は無限大であり、そのような焦点距離の変化を利
用して焦点方向の光集光位置の制御を行うものである。

〔実施例〕

第ｌ図乃至第５図について説明した半導体集光装置に於
ける各部分を以下に記述するような条件にして製造した
。

（１）ｎ型半導体基板ｌについて 材料：ｎ型ＩｎＰ 厚さ：１００（μｍ〕 （２）ｎ型或いはｐ型半導体層２について材料＝ｎ型或
いはｐ型１ｎＧａＡｓＰ 厚さ：２　Ｃμｍ〕 （３）ｐ型半導体層３について 材料：ｐ型１ｎＰ 厚さ：２　〔μｍ〕 （４）表面側電極４及び５について 材料：Ａｕ 厚さ：１　〔μｍ〕 寸法＝　５０　Ｃμｍ）ｘ２００　（μｍ）電極間隔＝
４０〔μｍ〕 （５）裏面側電極６及び７について 材料：Ａｕ 厚さ＝１　〔μｍ〕 寸法：電極間隔を除き全面 電極間隔：４０〔μｍ〕 本実施例は、表面側或いは裏面側から光を入射して透過
光を集束させるものであり、光集束位置は電流の量で制
御し、シリンドリヵル型凸レンズとして作用する。

前記作用は、表面側電極４及び５に等量の電流を流した
際に得られるものであり、その電流量が異なる場合、透
過光は電流量が少ない方に偏光される。その理由は、注
入電流が少ない側のキャリヤ濃度が低くなり、屈折率の
低下が小さくなることに依る．第ｌ図乃至第３図に見ら
れる半導体集光装置に於いて、例えば、表面側電極４と
裏面側ｔ極６との間にのみ電流を流した場合、第５図に
於いて、向かって左側が破線で示した屈折率分布の特性
線Ｎｌに、また、向かって右側が実線で示した屈折率分
布の特性線ｎ２になって、中心を透過する光は、屈折率
が高い側、即ち、左側へ偏光する。従って、この場合は
、偏光動作素子として機能することになる。

第６図は球面型凸レンズとして動作する実施例の要部切
断側面図を表している。

図に於いて、１１はｎ型ＩｎＰ基板、ｌ２はｎ型１ｎＧ
ａＡｓＰ活性層、１３はｐ型ＩｎＰヘテロ接合形戒用層
、１４はＡｕからなるドーナツ状表面側電極、１５はＡ
ｕからなるドーナツ状裏面側電極、Ｄは実効的光入射面
或いは光出射面の直径を示している。

これ等各部分の主要データを例示すると、（１）基手反
１ｌについて 厚さ：１００（μｍ〕 不純物濃度：　ｌ　Ｘ　Ｉ　Ｑ１８［ｃｍ−３）（２）
活性層１２について 厚さ：２　〔μｍ〕 不純物濃度：　５　Ｘ　１　０Ｉ７（ａｍ−’）（３）
へテロ接合形成用層１３について厚さ：２　〔μｍ〕 不純物濃度：　Ｉ　Ｘ　１　０　”　　（Ｃｍ−’）で
あり、また、直径Ｄは４０〔μｍ〕である。

第７図は第６図に見られる実施例の電極ｌ４及び１５間
に約１　０　（ＫＡ／ＣＩｌ１”　）の電流を流した場
合に於けるキャリヤ濃度分布を表す線図であり、縦軸に
キャリヤ濃度ｎを、また、横軸に横方向の距離Ｘをそれ
ぞれ採ってある。

図示のようなキャリヤ濃度分布を生ずる理由は、電極１
４から注入された電流に起因するキャリヤが指数関数的
に濃度を減少しながら拡散することに依る。

或る距離Ｘに於けるキャリヤ濃度をＮ　（Ｘ）とすると
、 Ｎ　（Ｘ）＝Ａ　（ＥＸＰ　（　（−Ｘ＝Ｒ）／Ｌ）＋
ＥＸＰ　（　（Ｘ−Ｒ）／Ｌ）　） Ａ：比例定数 Ｒ：中心から電極までの距離 Ｌ：キャリヤの拡散長 で表される。尚、第７図に見られる実施例では、Ｒ＝２
０　Ｃμｍ）　、Ｌ＝１　０　Ｃμｍ）である。

本実施例に於いて、活性層１２に電流の注入がない場合
、その屈折率は約３．６であり、そして、図示のような
キャリヤ濃度勾配に依る屈折率の勾配は約０．５　〔％
〕程度である。

第８図は前記のような場合の屈折率の変化を表す線図で
あり、縦軸に屈折率ｎを、また、横軸に横方向の距離Ｘ
をそれぞれ採ってある。尚、第７図に於いて用いた記号
と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものと
する。

図から明らかなように、活性層１２に電流の注入がない
場合の屈折率ｎは約３．６００，また゛、電流の注入が
あった場合の屈折率ｎは約３，６１８であって、その屈
折率差Δｎは０．０１８であるから、前記したように、
屈折率の勾配は０．　　５〔％〕になるものである。図
の特性線を見て判るように、屈折率の変化は略円弧状で
あって、凸レンズの働きをすることが明らかである。

第９図は第６図の実施例に於ける活性層１２を透過した
光の等位相面を説明する為の要部説明図を表し、第６図
乃至第８図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表す
か或いは同じ意味を持つものとする。

図に於いて、ＰＥは活性層１２を透過した光の等位相面
、ｆは焦点距離、Ａは活性層ｌ２の中心点、Ｂは活性層
１２の周辺点、Ｃは光集束点、ΔＸは周辺に於ける活性
層１２と等位相面ＰＥとの距離をそれぞれ示す。尚、Δ
ｘ＝ｎ・Δｎ−ｄで表され、ｄは活性層１２の厚さであ
る。

第８図について説明したように、この実施例では、中心
の屈折率が大きく、周辺の屈折率が小さいので、活性］
Ｗ１２を透過した光の等位相面ＰＥは第９図に見られる
ようになる。これは、中心を通る光の速度が、周辺を通
る光の速度に比較して遅くなることに依る。

ここで、前記と同様、キャリヤの拡散長をｌＯ〔μｍ〕
、点Ａと点Ｂに於ける屈折率差を０．　　５〔％〕とし
、等位相面ＰＥＯ曲率をもとに焦点距離ｆを求めると２
１１０　（μｍ）＃２０００　　Ｃｐｍ）　＝　２　Ｃ
ｍｍ）であり、このレンズは焦点距離が約２〔ｎ〕のレ
ンズとなる。

ところで、偏光動作素子、即ち、第１図乃至第３図につ
いて説明した半導体集光装置の例えば表面側電極４（或
いは５）と裏面側電極６　（或いは７）との間にのみ電
流を流して動作させるものを二つ直交させて重ね合わせ
、それに、第６図乃至第９図について説明した球面型凸
レンズとして作用する半導体集光装置を重ね合わせると
、偏光動作素子で光軸に垂直な面内の光の走査を行うこ
とができ、そして、球面型凸レンズ素子で焦点方向の光
集光位置の制御を行い得ることから、全空間的方向に互
って光集束位置を制御することが可能になる。

〔発明の効果〕

本発明に依る半導体集光装置では、少なくとも一つのｐ
ｎ接合を生威する為に積層した一導電型半導体基板（或
いは層）並びに反対導電型半導体層と、該反対導電型半
導体層表面にキャリヤ拡散長を越える間隔を置いて線対
称に形成された電極と、前記一導電型半導体基板裏面に
キャリヤ拡散長を越える間隔を置いて線対称に且つ該表
面側の電極にそれぞれ対応して形成された電極とを備え
るか、或いは、そのような構或に於け萎前記表面側の電
極及び裏面側の電極が、前記反対導電型半導体層表面に
キャリヤ拡散長を越える半径の内径をもって形成された
ドーナツ状表面側電極及び前記一導電型半導体基板裏面
にキャリヤ拡散長を越える半径の内径をもち且つ該表面
側の電極に対応して形成されたドーナツ状裏面側電極で
あるようにする。

前記構戒を採ることに依って得られる効果を列挙すると
次の通りである。

（１）　　電流を流すのみで焦点距離を変えることがで
きるので、その電流量を選択することで精密な光集束点
の制御が可能である。

（２）従来のガラスなどで構成されているレンズを用い
た光学系のように、光集束位置の制御を行う為の機械的
可動機構は不要であるから信頼性は向上し、また、取り
扱いは容易である。

（３）前記機械的可動機構を用いるものと比較して光集
束位置の制御を高速で実施することができる。

（４）従来のガラスなどで構戒されたレンズでは、製造
段階で焦点距離が決まってしまうから、多種類の焦点距
離が必要である場合には、それぞれの焦点距離に対応す
る多種類のレンズを設計し、且つ、製造しなければなら
ず、それには長い期間と高い費用を要するが、半導体集
光装置に流す電流を制御する手段は、簡単且つ低価格で
ある。

（５）半導体集光装置の厚さを１００　〔μｍ〕以下と
することは容易であり、そして、厚さ以外の諸寸法を小
さくできるので、小型化及び軽量化には卓効があり、ま
た、薄ければ多層化して焦点距離を更に短くすることが
でき、更にまた、必要あれば、従来と同様な機械的可動
機構と組み合わせることもできるが、軽量であることか
ら、高速の制御が可能になる。

（６）製造するには、半導体装置の製造プロセスをその
まま利用することができ、従って、容易に大量生産が可
能であり、安価に供給することができる。

前記したようなことから、本発明の半導体集光装置を例
えば光ディスクに対する光ビックアップとして用いた場
合、光ディスク面の凹凸に高速に追従して光を正確に表
面に集光させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する為の半導体集光装置の
要部平面図、第２図は第１図に見られる線Ｘ−Ｘに沿う
要部切断側面図、第３図は第１図及び第２図に見られる
半導体集光装置の要部裏面図、第４図は半導体集光装置
内に発生するキャリヤ濃度分布を説明する為の線図、第
５図は半導体集光装置内に発生する屈折率分布を説明す
る為の線図、第６図は球面型凸レンズとして動作する実
施例の要部切断側面図、第７図は第６図に見られる実施
例の電極１４及び１５間に約１０（ＫＡ／０２〕の電流
を流した場合に於けるキャリヤ濃度分布を表す線図、第
８図は前記のような場合の屈折率の変化を表す線図、第
９図は第６図の実施例に於ける活性層１２を透過した光
の等位相面を説明する為の要部説明図をそれぞれ表して
いる。 図に於いて、１はｎ型半導体基板、２はｎ型或いはｐ型
半導体層、３はｐ型半導体層、４並びに５は表面側電極
、６並びに７は裏面側電極、１１はｎ型ＩｎＰ基板、１
２はｎ型１ｎＧａＡｓＰ活性層、１３はｐ型ＩｎＰダブ
ル・ヘテロ接合形成用層、１４はＡｕからなるドーナツ
状表面側電掩、１５はＡｕからなるドーナツ状裏面側電
極、Ｄは実効的光入射面或いは光出射面の直径をそれぞ
れ示している。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも一つのｐｎ接合を生成する為に積層し
   た一導電型半導体基板（或いは層）並びに反対導電型半
   導体層と、 該反対導電型半導体層表面にキャリヤ拡散長を越える間
   隔を置いて線対称に形成された電極と、 前記一導電型半導体基板裏面にキャリヤ拡散長を越える
   間隔を置いて線対称に且つ該表面側の電極にそれぞれ対
   応して形成された電極とを備えてなることを特徴とする
   半導体集光装置。
2. （２）少なくとも一つのｐｎ接合を生成する為に積層し
   た一導電型半導体基板（或いは層）並びに反対導電型半
   導体層と、 該反対導電型半導体層表面にキャリヤ拡散長を越える半
   径の内径をもって形成されたドーナツ状表面側電極と、 前記一導電型半導体基板裏面にキャリヤ拡散長を越える
   半径の内径をもち且つ該表面側の電極に対応して形成さ
   れたドーナツ状裏面側電極と を備えてなることを特徴とする半導体集光装置。