JP2010045385A - Surface emitting laser element and method of manufacturing the same, surface emitting laser array and wavelength multiplexing transmission system - Google Patents

Surface emitting laser element and method of manufacturing the same, surface emitting laser array and wavelength multiplexing transmission system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface emitting laser element which is easy to obtain the oscillation light of a single mode, oscillates at a low threshold current, and reduces a wavelength shift and the deterioration of an element caused by the distortion of an active layer. <P>SOLUTION: The surface emitting layer element includes a drive base and a surface emitting laser lower base. The drive base includes a first mirror layer 1, a deflection film 2 on which the first mirror layer 1 is arranged, a support substrate 4 arranged oppositely to the first mirror layer 1 on the deflection film 2 through a first air gap 3, and a pair of displacement control electrodes 5a, 5b provided on the deflection film 2 and the support substrate 4 in order to control a deflection amount. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、面発光レーザ素子およびその作製方法および面発光レーザアレイおよび波長多重伝送システムに関する。   The present invention relates to a surface emitting laser element, a manufacturing method thereof, a surface emitting laser array, and a wavelength multiplexing transmission system.

半導体基板表面に対し垂直に光を取り出せる面発光レーザは、従来の端面発光レーザと比べて、次のような利点をもっている。すなわち、活性層体積を小さくできることから、低いしきい値電流、低い消費電力で駆動できる。また、共振器のモード体積が小さいため数十GHzの変調が可能であり高速伝送に向いている。また、出射光の広がり角が小さく光ファイバへの結合が容易である。さらに、面発光レーザは、作製にへき開を必要とせず、素子面積も小さいので、並列化及び2次元高密度アレイ化が可能である。   A surface emitting laser that can extract light perpendicular to the surface of a semiconductor substrate has the following advantages over a conventional edge emitting laser. That is, since the volume of the active layer can be reduced, it can be driven with a low threshold current and low power consumption. Further, since the mode volume of the resonator is small, modulation of several tens of GHz is possible, which is suitable for high-speed transmission. In addition, the spread angle of the emitted light is small and coupling to the optical fiber is easy. Further, the surface emitting laser does not require cleavage for production and has a small element area, and thus can be parallelized and formed into a two-dimensional high-density array.

これらの利点のため、伝送速度と伝送容量の急激な増大が必要となっている光通信システムや、コンピューター間,チップ間,チップ内の光インターコネクションや、光コンピューティングにおいて、面発光レーザはキーデバイスとして盛んに研究開発されている。   Because of these advantages, surface-emitting lasers are key in optical communication systems that require rapid increases in transmission speed and transmission capacity, optical interconnections between computers, chips, chips, and optical computing. It is actively researched and developed as a device.

この面発光レーザの発振波長を可変または安定化できれば、波長多重方式などを利用し、より高スループットで大容量伝送が可能になる。面発光レーザの波長制御方法としては、次のような方法が提案されている。すなわち、第1の方法として、活性層の温度を変えること、また、第2の方法として、キャリアを注入しプラズマ効果により屈折率を変えること、また、第3の方法として、量子閉じ込めシュタルク効果により屈折率を変えること、また、第4の方法として、外部ミラーの位置を変化させ共振器長を変えることが提案されている。   If the oscillation wavelength of this surface-emitting laser can be varied or stabilized, a large-capacity transmission with higher throughput becomes possible using a wavelength multiplexing method or the like. The following method has been proposed as a method for controlling the wavelength of a surface emitting laser. That is, the first method is to change the temperature of the active layer, the second method is to inject carriers and change the refractive index by the plasma effect, and the third method is to use the quantum confined Stark effect. It has been proposed to change the refractive index and, as a fourth method, to change the resonator length by changing the position of the external mirror.

しかしながら、第1の方法は、温度制御機構のほかに、閾値電流のドリフトに対処する電子回路が必要になり、構成が複雑となってしまう。また、第2,第3の方法は、可変波長範囲が10nm以下と小さいという問題がある。これに対し、第4の方法は、可変波長範囲を数十nmと広くできる。   However, the first method requires an electronic circuit for coping with the drift of the threshold current in addition to the temperature control mechanism, and the configuration becomes complicated. Further, the second and third methods have a problem that the variable wavelength range is as small as 10 nm or less. In contrast, the fourth method can widen the variable wavelength range to several tens of nm.

第4の方法を用いた従来例として、特許文献1、特許文献2、特許文献3が知られている。   As a conventional example using the fourth method, Patent Literature 1, Patent Literature 2, and Patent Literature 3 are known.

特許文献1では、電流を流す導電性膜が積層されていて外部ミラーを兼ねる両持ち梁(ブリッジ)を、外部から印加した磁場中におき、発生するローレンツ力により動かすようにしている。   In Patent Document 1, a doubly-supported beam (bridge) that also serves as an external mirror and is laminated with a conductive film through which current flows is placed in a magnetic field applied from the outside, and is moved by the generated Lorentz force.

しかしながら、この特許文献1では、磁場の印加が必要であり、素子が大型化するという問題がある。また、駆動用ストライプ膜に流す電流が発熱源となってレーザ素子の温度が上昇し、レーザ特性が低下するという問題がある。   However, in Patent Document 1, it is necessary to apply a magnetic field, and there is a problem that the element becomes large. Further, there is a problem that the current flowing through the driving stripe film becomes a heat generation source, the temperature of the laser element rises, and the laser characteristics deteriorate.

また、特許文献2では、外部ミラーを兼ねるカンチレバー(片持ち梁)を静電力や圧電効果により動かすようにしている。   In Patent Document 2, a cantilever (cantilever beam) also serving as an external mirror is moved by electrostatic force or a piezoelectric effect.

しかしながら、カンチレバーの主体となる層は、繰り返し加えられるひずみに対し高い耐久性をもつ必要があるため、高い均質性が必要であるが、成膜法により作製されるこれらの多層膜に十分な均質性をもたせるのは困難であるという問題がある。また、カンチレバー全体としては厚くなり、ひずみにくくなるという問題がある。さらに、初期状態のそりを小さくするため、この多層膜の内部応力を小さくする必要があり、作製上の課題が大きい。   However, the layer that is the main component of the cantilever needs to have high durability against repeated applied strains, and thus high homogeneity is necessary. There is a problem that it is difficult to give it sex. Moreover, there exists a problem that it becomes thick as the whole cantilever and becomes difficult to distort. Furthermore, in order to reduce the warpage in the initial state, it is necessary to reduce the internal stress of the multilayer film, and the manufacturing problems are great.

また、特許文献3では、活性層と活性層の片側に設けたミラー層を設けた面発光レーザ本体をたわみ膜(ひずみ誘電体膜)上に設け、シリコン基板上に誘電体多層膜からなる外部ミラーを設け、この外部ミラーとたわみ膜との間に所定の間隔の空隙をもたせ、静電力により共振器長を変え、発振波長を変化させるようにしている。   Further, in Patent Document 3, a surface emitting laser body provided with an active layer and a mirror layer provided on one side of the active layer is provided on a flexible film (strained dielectric film), and an external layer composed of a dielectric multilayer film on a silicon substrate. A mirror is provided, a gap having a predetermined interval is provided between the external mirror and the flexible film, and the resonator length is changed by electrostatic force to change the oscillation wavelength.

しかしながら、特許文献3では、レーザ発振の共振領域にたわみ膜を含むので、共振器長がこの膜厚(数μm)以上になり、これによって、多モード発振しやすくなり、しきい値電流も大きくなるという問題がある。また、たわみ膜に面発光レーザ基体が接続されているので、活性層が歪み、発振波長がシフトするという問題もある。また、素子が劣化しやすくなるという問題もある。   However, in Patent Document 3, since a flexible film is included in the resonance region of laser oscillation, the resonator length becomes equal to or greater than this film thickness (several μm), which facilitates multimode oscillation and increases the threshold current. There is a problem of becoming. Further, since the surface emitting laser substrate is connected to the flexible film, there is a problem that the active layer is distorted and the oscillation wavelength is shifted. There is also a problem that the element is likely to deteriorate.

本発明は、単一モードの発振光を得やすく、低いしきい値電流で発振し、活性層の歪みによる波長シフトと素子の劣化を低減させることの可能な面発光レーザ素子およびその作製方法および面発光レーザアレイおよび波長多重伝送システムを提供することを目的としている。   The present invention relates to a surface emitting laser element capable of easily obtaining single-mode oscillation light, oscillating at a low threshold current, and capable of reducing wavelength shift and element degradation due to distortion of an active layer, and a method for manufacturing the same. An object of the present invention is to provide a surface emitting laser array and a wavelength division multiplexing transmission system.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層と、第1のミラー層が配置されているたわみ膜と、たわみ膜の第1のミラー層とは反対の側に第1の空隙を介して配置されている支持基板と、たわみ量を制御するためにたわみ膜と支持基板とに設けられている一対の変位制御電極とを有し、また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層とが積層されて、積層構造として形成されており、面発光レーザ下部基体と駆動基体とは、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と前記第1のミラー層の表面とが第2の空隙を有するように対向して配置されていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes a driving base and a surface emitting laser lower base, and the driving base includes a first mirror layer and a first mirror layer. A flexible film, a support substrate disposed on a side opposite to the first mirror layer of the flexible film via a first gap, and a flexible film and a support substrate for controlling a deflection amount. A surface-emitting laser lower base body on a semiconductor substrate, a second mirror layer made of a semiconductor multilayer reflector, a first spacer layer, an active layer, The second spacer layer and the current injection layer are laminated to form a laminated structure, and the surface emitting laser lower substrate and the drive substrate are formed of the surface of the laminated structure of the surface emitting laser lower substrate and the first structure. The surface of the mirror layer is arranged so as to face the second gap. It is characterized in that it is.

また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記たわみ膜は、シリコンまたは酸化ケイ素で形成されていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the first aspect, the flexible film is formed of silicon or silicon oxide.

また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記支持基板は、シリコンまたは酸化ケイ素ガラスで形成されていることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the first aspect, the support substrate is formed of silicon or silicon oxide glass.

また、請求項4記載の発明は、請求項1記載の面発光レーザ素子において、第1のミラー層は、誘電体多層膜反射鏡であることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to the first aspect, the first mirror layer is a dielectric multilayer film reflecting mirror.

また、請求項5記載の発明は、請求項1記載の面発光レーザ素子において、たわみ膜に第1の空隙を介して対向する支持基板表面に変位制御用導電膜が設けられ、該変位制御用導電膜は、一対の変位制御電極のうちの一方の変位制御電極と電気的に接続されていることを特徴としている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the first aspect, a displacement control conductive film is provided on the surface of the support substrate facing the flexible film through the first gap, and the displacement control conductive film is provided. The conductive film is characterized in that it is electrically connected to one displacement control electrode of the pair of displacement control electrodes.

また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、支持基板のたわみ膜が設けられている側とは反対の面のレーザ光の経路上に、光学素子が設けられていることを特徴としている。   According to a sixth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to any one of the first to fifth aspects, the laser beam on the surface opposite to the side on which the flexible film of the support substrate is provided. An optical element is provided on this path.

また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記活性層は、GaInAs系またはGaInNAs系材料で形成されていることを特徴としている。   According to a seventh aspect of the present invention, in the surface-emitting laser element according to any one of the first to sixth aspects, the active layer is formed of a GaInAs-based or GaInNAs-based material. It is said.

また、請求項8記載の発明は、駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層と、第1のミラー層が配置されているたわみ膜と、たわみ膜の第1のミラー層とは反対の側に第1の空隙を介して配置されている支持基板と、たわみ量を制御するためにたわみ膜と支持基板とに設けられている一対の変位制御電極とを有し、また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層とが積層されて、積層構造として形成されている面発光レーザ素子の作製方法であって、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と前記第1のミラー層の表面とが第2の空隙を有するように対向して配置されるように、前記面発光レーザ下部基体と前記駆動基体とを直接接合法により接続することを特徴としている。   The invention according to claim 8 has a drive base and a surface emitting laser lower base, wherein the drive base includes a first mirror layer, a flexible film in which the first mirror layer is disposed, and a flexure. A support substrate disposed on the opposite side of the film from the first mirror layer via a first gap, and a pair of displacement controls provided on the deflection film and the support substrate to control the amount of deflection The surface emitting laser lower substrate includes a second mirror layer made of a semiconductor multilayer reflector, a first spacer layer, an active layer, and a second spacer layer on a semiconductor substrate. And a current injection layer are laminated to form a surface emitting laser element formed as a layered structure, wherein the surface of the layered structure of the surface emitting laser lower substrate and the surface of the first mirror layer are So as to have the second gap so as to be opposed to each other. It is characterized in that connected by a laser lower substrate and the driving substrate direct bonding method.

また、請求項9記載の発明は、請求項8記載の面発光レーザ素子の作製方法において、第1のミラー層が誘電体多層膜反射鏡であり、該誘電体多層膜反射鏡を前記たわみ膜上に成膜法により形成することを特徴としている。   According to a ninth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a surface emitting laser element according to the eighth aspect, the first mirror layer is a dielectric multilayer film reflecting mirror, and the dielectric multilayer film reflecting mirror is the flexible film. It is characterized in that it is formed by a film forming method.

また、請求項10記載の発明は、半導体基板上に、少なくとも、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層と、第2の空隙を形成するための犠牲層と、第1のミラー層とを積層して積層構造を形成する工程と、前記積層構造を、レーザ発振部の領域と駆動基体との接合部領域とを残して、犠牲層の深さ以上までエッチングにより除去し、面発光レーザ下部基体を形成する工程と、たわみ膜上に第1の空隙を介し支持基板を配置して駆動基体を作製する工程と、前記たわみ膜表面とエッチングされずに残った前記第1のミラー層表面とを接合して、前記面発光レーザ下部基体と前記駆動基体とを接合する工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去し第2の空隙を形成する工程とを有していることを特徴としている。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided at least a second mirror layer made of a semiconductor multilayer reflector, a first spacer layer, an active layer, a second spacer layer, and a current on a semiconductor substrate. A step of laminating an injection layer, a sacrificial layer for forming a second gap, and a first mirror layer to form a laminated structure; and The step of forming a surface emitting laser lower substrate by etching up to the depth of the sacrificial layer, leaving the junction region, and a driving substrate by disposing a support substrate over the flexible film via a first gap A step of manufacturing, a step of bonding the surface of the flexible film and the surface of the first mirror layer left unetched, bonding the surface emitting laser lower substrate and the driving substrate, and the sacrificial layer Remove by etching to form second void It is characterized by having a step.

また、請求項11記載の発明は、同一の支持基板に、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子が複数個設けられている面発光レーザアレイである。   The invention according to claim 11 is a surface emitting laser array in which a plurality of surface emitting laser elements according to any one of claims 1 to 7 are provided on the same support substrate.

また、請求項12記載の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または請求項11記載の面発光レーザアレイが用いられている波長多重伝送システムである。   The invention described in claim 12 is a wavelength division multiplex transmission system in which the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 7 or the surface emitting laser array according to claim 11 is used. is there.

請求項1乃至請求項7記載の発明によれば、駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層と、第1のミラー層が配置されているたわみ膜と、たわみ膜の第1のミラー層とは反対の側に第1の空隙を介して配置されている支持基板と、たわみ量を制御するためにたわみ膜と支持基板とに設けられている一対の変位制御電極とを有し、また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層とが積層されて、積層構造として形成されており、面発光レーザ下部基体と駆動基体とは、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と前記第1のミラー層の表面とが第2の空隙を有するように対向して配置されているので、次のような効果(第1,第2の効果)が得られる。   According to the first to seventh aspects of the present invention, the driving base includes the surface emitting laser lower base, and the driving base is a deflection in which the first mirror layer and the first mirror layer are disposed. The film, the support substrate disposed on the opposite side of the flexible film to the first mirror layer via the first gap, and the flexible film and the support substrate for controlling the amount of deflection are provided. The surface-emitting laser lower base body has a pair of displacement control electrodes, and a surface-emitting laser lower base on a semiconductor substrate, a second mirror layer made of a semiconductor multilayer reflector, a first spacer layer, an active layer, Two spacer layers and a current injection layer are laminated to form a laminated structure. The surface emitting laser lower base and the driving base are formed by the surface of the surface emitting laser lower base and the first mirror. The surface of the layer is disposed so as to face the second gap. Since, the following effects (first, second effect) is obtained.

すなわち、第1の効果として、2つのミラー層間にたわみ膜を含まないので、極短の共振器構造が可能となる。これにより、単一共振モード発光が得やすくなり(すなわち、発振光の波長ピークのスプリットがなくなり)、光伝送が容易になる。また、光の閉じ込めが良くなり、低いしきい値電流で発振するので、レーザ駆動が容易になる。   That is, as a first effect, since a flexible film is not included between the two mirror layers, an extremely short resonator structure is possible. This makes it easy to obtain single resonance mode light emission (that is, there is no split of the wavelength peak of the oscillation light) and facilitates optical transmission. In addition, light confinement is improved and oscillation is performed with a low threshold current, which facilitates laser driving.

また、第2の効果として、面発光レーザ下部基体がほとんどたわまないので、活性層のひずみによる波長シフトを生じさせないようにすることができる。また、素子の劣化が少なくなる。   Further, as a second effect, since the surface emitting laser lower substrate is hardly bent, wavelength shift due to distortion of the active layer can be prevented. Further, the deterioration of the element is reduced.

このように、請求項1乃至請求項7記載の発明によれば、単一モードの発振光を得やすく、低いしきい値電流で発振し、活性層の歪みによる波長シフトと素子の劣化を低減させることの可能な面発光レーザ素子を提供することができる。   As described above, according to the first to seventh aspects of the invention, it is easy to obtain single-mode oscillation light, oscillation is performed with a low threshold current, and wavelength shift and element degradation due to active layer distortion are reduced. It is possible to provide a surface emitting laser element that can be made to operate.

特に、請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記たわみ膜は、シリコンまたは酸化ケイ素で形成されており、シリコン及び酸化ケイ素は高品質なので、成膜したひずみ膜と異なり、高信頼性のたわみ膜が得られ、且つ、面発光レーザ素子を歩留り良く作製することができる。   In particular, according to the invention described in claim 2, in the surface-emitting laser device according to claim 1, the flexible film is formed of silicon or silicon oxide, and silicon and silicon oxide are formed with high quality, so that the film is formed. Unlike a strained film, a highly reliable flexible film can be obtained, and a surface emitting laser element can be manufactured with a high yield.

また、請求項3記載の発明によれば、請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記支持基板は、シリコンまたは酸化ケイ素ガラスで形成されており、シリコンとシリコン間、及び、酸化ケイ素膜を介してシリコンとシリコン間は、直接接合ができるので、容易に精度よく駆動基体を形成することができる。また、シリコン及び酸化ケイ素ガラスは均質なので、精密な加工が可能であり、信頼性の高い駆動基体を形成することができる。   According to a third aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the first aspect, the support substrate is formed of silicon or silicon oxide glass, and the silicon oxide film is formed between silicon and silicon. Since silicon and silicon can be directly bonded to each other, a drive base can be easily formed with high accuracy. In addition, since silicon and silicon oxide glass are homogeneous, precise processing is possible, and a highly reliable drive base can be formed.

また、請求項5記載の発明によれば、請求項1記載の面発光レーザ素子において、たわみ膜に第1の空隙を介して対向する支持基板表面に変位制御用導電膜が設けられ、該変位制御用導電膜は、一対の変位制御電極のうちの一方の変位制御電極と電気的に接続されているので、静電力を発生する導電性領域間の静電容量を小さくでき、高速の変位制御(高速動作)が可能になる。また、素子ごとに個別に変位制御電圧を印加できることにより、素子のアレイ化が可能になる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the surface emitting laser element according to the first aspect, the displacement control conductive film is provided on the surface of the support substrate facing the flexible film through the first gap, and the displacement Since the control conductive film is electrically connected to one displacement control electrode of the pair of displacement control electrodes, the capacitance between the conductive regions that generate electrostatic force can be reduced, and high-speed displacement control can be performed. (High speed operation) becomes possible. In addition, since the displacement control voltage can be individually applied to each element, the elements can be arrayed.

また、請求項6記載の発明によれば、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、支持基板のたわみ膜が設けられている側とは反対の面のレーザ光の経路上に、光学素子が設けられており、支持基板表面にマイクロレンズ,回折レンズ,ミラー及び導波路等の光学素子を設けることにより、素子の高機能化,多機能化が容易になる。   According to the invention described in claim 6, in the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5, the surface of the support substrate opposite to the side where the flexible film is provided. An optical element is provided on the path of the laser beam. By providing optical elements such as a microlens, a diffractive lens, a mirror, and a waveguide on the surface of the support substrate, it is easy to increase the functionality and functionality of the element. Become.

また、請求項7記載の発明によれば、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記活性層は、GaInAs系またはGaInNAs系材料で形成されており、GaInAs系又はGaInNAs系の面発光レーザは、温度が変化してもレーザ特性の変動が小さいので、さらに波長制御が容易になる。また、GaInAs系又はGaInNAs系の面発光レーザは、少ない層数の半導体多層膜反射鏡を持つので、低コストで作製することができる。また、GaInAs系及びGaInNAs系の面発光レーザは、レーザ光がシリコンを透過するので、シリコン支持基板上に設ける光学素子との結合により、素子の高機能化,多機能化が容易になる。   According to the invention of claim 7, in the surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 6, the active layer is formed of a GaInAs-based or GaInNAs-based material, Since the GaInAs-based or GaInNAs-based surface emitting laser has a small variation in laser characteristics even when the temperature changes, wavelength control is further facilitated. In addition, since a GaInAs-based or GaInNAs-based surface emitting laser has a semiconductor multilayer film reflecting mirror with a small number of layers, it can be manufactured at low cost. In addition, since the GaInAs-based and GaInNAs-based surface emitting lasers transmit laser light through silicon, it is easy to increase the functionality and functionality of the device by coupling with an optical device provided on a silicon support substrate.

また、請求項8,請求項9記載の発明によれば、駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層と、第1のミラー層が配置されているたわみ膜と、たわみ膜の第1のミラー層とは反対の側に第1の空隙を介して配置されている支持基板と、たわみ量を制御するためにたわみ膜と支持基板とに設けられている一対の変位制御電極とを有し、また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層とが積層されて、積層構造として形成されている面発光レーザ素子の作製方法であって、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と前記第1のミラー層の表面とが第2の空隙を有するように対向して配置されるように、前記面発光レーザ下部基体と前記駆動基体とを直接接合法により接続するので、容易に精度よく第1のミラー層と面発光レーザ下部基体との空隙を所定の間隔を有するように形成することができる。   According to the inventions of claims 8 and 9, the driving substrate and the surface emitting laser lower substrate are provided, and the driving substrate is provided with the first mirror layer and the first mirror layer. A flexible film, a support substrate disposed on a side opposite to the first mirror layer of the flexible film via a first gap, and a flexible film and a support substrate for controlling a deflection amount. A surface-emitting laser lower base body on a semiconductor substrate, a second mirror layer made of a semiconductor multilayer reflector, a first spacer layer, an active layer, A method of manufacturing a surface-emitting laser element in which a second spacer layer and a current injection layer are stacked to form a stacked structure, wherein the surface of the stacked structure of the surface-emitting laser lower substrate and the first The mirror layer is disposed so as to face the surface of the mirror layer so as to have the second gap. As described above, since the surface emitting laser lower substrate and the drive substrate are connected by a direct bonding method, the gap between the first mirror layer and the surface emitting laser lower substrate is easily formed with a predetermined interval. be able to.

特に、請求項9記載の発明によれば、請求項8記載の面発光レーザ素子の作製方法において、第1のミラー層が誘電体多層膜反射鏡であり、該誘電体多層膜反射鏡を前記たわみ膜上に成膜法により形成するようにしており、第1のミラー層がたわみ膜と強固に接続されるので、たわみに対して耐久性の高い第1のミラー層を得ることができる。   In particular, according to the invention described in claim 9, in the method for manufacturing the surface emitting laser element according to claim 8, the first mirror layer is a dielectric multilayer reflector, and the dielectric multilayer reflector is The first mirror layer is formed on the flexible film by a film forming method, and the first mirror layer is firmly connected to the flexible film, so that the first mirror layer having high durability against the deflection can be obtained.

また、請求項10記載の発明によれば、半導体基板上に、少なくとも、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層と、第2の空隙を形成するための犠牲層と、第1のミラー層とを積層して積層構造を形成する工程と、前記積層構造を、レーザ発振部の領域と駆動基体との接合部領域とを残して、犠牲層の深さ以上までエッチングにより除去し、面発光レーザ基体を形成する工程と、たわみ膜上に第1の空隙を介し支持基板を配置して駆動基体を作製する工程と、前記たわみ膜表面とエッチングされずに残った前記第1のミラー層表面とを接合して、前記面発光レーザ基体と前記駆動基体とを接合する工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去し第2の空隙を形成する工程とを有しており、第1のミラー層を含め面発光レーザ下部基体を駆動基体と接合した後、犠牲層を除去するので、積層構造表面と第1のミラー層表面との空隙の間隔をより精密に設定できる。よって、面発光レーザ素子の作製がより容易になる。   According to a tenth aspect of the present invention, on the semiconductor substrate, at least a second mirror layer composed of a semiconductor multilayer mirror, a first spacer layer, an active layer, and a second spacer layer are provided. A step of laminating a current injection layer, a sacrificial layer for forming a second gap, and a first mirror layer to form a laminated structure, and the laminated structure is divided into a region of a laser oscillation unit and a driving substrate. And a step of forming a surface emitting laser substrate by etching to a depth equal to or greater than the depth of the sacrificial layer, and a driving substrate by disposing a support substrate on the flexible film via a first gap. Bonding the surface of the flexible film and the surface of the first mirror layer left unetched to bond the surface-emitting laser substrate and the driving substrate; and Remove by etching to form a second void Since the sacrificial layer is removed after the surface emitting laser lower substrate including the first mirror layer is bonded to the driving substrate, the gap between the surface of the laminated structure and the surface of the first mirror layer is removed. Can be set more precisely. Therefore, it becomes easier to manufacture the surface emitting laser element.

また、請求項11記載の発明によれば、同一の支持基板に、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子が複数個設けられていることを特徴とする面発光レーザアレイであり、各面発光レーザ素子は、各発振波長が安定しているので、信頼性の高い高密度大容量の光伝送システムの構築が容易となる。   According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a surface in which a plurality of the surface emitting laser elements according to any one of the first to seventh aspects are provided on the same support substrate. Since each surface emitting laser element is a light emitting laser array and each oscillation wavelength is stable, it is easy to construct a highly reliable high density and large capacity optical transmission system.

また、請求項12記載の発明によれば、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または請求項11記載の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする波長多重伝送システムであり、各面発光レーザ素子は、各発振波長が安定しているので、高い信頼性で高密度大容量の波長多重伝送が可能となる。   According to a twelfth aspect of the present invention, the surface-emitting laser element according to any one of the first to seventh aspects or the surface-emitting laser array according to the eleventh aspect is used. Since each surface emitting laser element has a stable oscillation wavelength, high-density and large-capacity wavelength multiplex transmission is possible with high reliability.

本発明に係る面発光レーザ素子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the surface emitting laser element which concerns on this invention. 本発明に係る面発光レーザ素子の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the surface emitting laser element which concerns on this invention. 図1の面発光レーザ素子の作製工程例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process of the surface emitting laser element of FIG. 本発明の面発光レーザ素子の作製工程例を示す図である。It is a figure which shows the example of a manufacturing process of the surface emitting laser element of this invention. 本発明の面発光レーザ素子の他の作製工程例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a manufacturing process of the surface emitting laser element of this invention. 本発明の面発光レーザ素子の他の作製工程例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a manufacturing process of the surface emitting laser element of this invention. 本発明に係る面発光レーザ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the surface emitting laser element which concerns on this invention. 本発明に係る面発光レーザ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the surface emitting laser element which concerns on this invention. 本発明に係る面発光レーザ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the surface emitting laser element which concerns on this invention. 本発明の面発光レーザアレイと石英系ファイバとを結合した並列伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the parallel transmission system which couple | bonded the surface emitting laser array of this invention, and the silica-type fiber. 本発明の面発光レーザアレイと石英系ファイバとを結合した並列伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the parallel transmission system which couple | bonded the surface emitting laser array of this invention, and the silica-type fiber. 本発明の面発光レーザアレイを用いた波長多重伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength multiplexing transmission system using the surface emitting laser array of this invention. 実施例1の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of a surface emitting laser element according to Example 1. FIG. 実施例1の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of a surface emitting laser element according to Example 1. FIG. 実施例1の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of a surface emitting laser element according to Example 1. FIG. 実施例2の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration example of a surface emitting laser element according to Example 2. FIG. 実施例3の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration example of a surface emitting laser element according to Example 3. FIG. 実施例4の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。6 is a diagram illustrating a configuration example of a surface emitting laser element according to Example 4. FIG. 実施例4の面発光レーザアレイを用いた波長多重光伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength multiplexing optical transmission system using the surface emitting laser array of Example 4. FIG. 実施例4の面発光レーザアレイを用いた波長多重光伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength multiplexing optical transmission system using the surface emitting laser array of Example 4. FIG.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る面発光レーザ素子の構成例を示す図である。図1を参照すると、この面発光レーザ素子は、駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層1と、第1のミラー層1が配置されているたわみ膜2と、たわみ膜2の第1のミラー層1とは反対の側に第1の空隙3を介して配置されている支持基板4と、たわみ量を制御するために、たわみ膜2と支持基板4とに設けられている一対の変位制御電極5a,5bとを有している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a surface emitting laser element according to the present invention. Referring to FIG. 1, this surface emitting laser element has a driving base and a surface emitting laser lower base, and a first mirror layer 1 and a first mirror layer 1 are arranged on the driving base. A flexible substrate 2, a support substrate 4 disposed on the opposite side of the flexible membrane 2 from the first mirror layer 1 via a first gap 3, and a flexible membrane 2 for controlling the amount of deflection A pair of displacement control electrodes 5 a and 5 b provided on the support substrate 4 are provided.

また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板11上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層12と、第1のスペーサ層14と、活性層15と、第2のスペーサ層16と、電流注入層17とが積層されて、積層構造として形成されている。   The surface emitting laser lower substrate is formed on a semiconductor substrate 11 with a second mirror layer 12 made of a semiconductor multilayer mirror, a first spacer layer 14, an active layer 15, and a second spacer layer 16. The current injection layer 17 is laminated to form a laminated structure.

そして、面発光レーザ下部基体と駆動基体とは、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と第1のミラー層1の表面とが第2の空隙19を有するように対向して配置されている。   The surface emitting laser lower substrate and the drive substrate are disposed so as to face each other so that the surface of the laminated structure of the surface emitting laser lower substrate and the surface of the first mirror layer 1 have the second gap 19. .

ここで、駆動基体は、例えば、支持基板4,たわみ膜2が導電性のものである場合、一対の変位制御電極5a,5b間に電圧を印加するときにたわみ膜2と支持基板4との間に電界が生じ、これによるたわみ膜2と支持基板4との間の静電力によってたわみ膜2をたわませる(歪ませる)機能を有している。たわみ膜2の形状としては、広い面である場合もあり、両持ち梁(ブリッジ)やカンチレバー(片持ち梁)の構造をとる場合もある。また、上述の例では、たわみ膜2,支持基板4に導電性をもたせているが、たわみ膜2や支持基板4が絶縁性の材料で形成されている場合には、たわみ膜2,支持基板4に、それぞれ、変位制御用導電膜を付着させ、各変位制御用導電膜を、それぞれ、変位制御電極5a,5bに接続し、変位制御用導電膜間で静電力を発生させることで、たわみ膜2を支持基板4に対してたわませることができる。   Here, when the driving substrate is, for example, the support substrate 4 and the flexible film 2 are conductive, when the voltage is applied between the pair of displacement control electrodes 5a and 5b, the flexible substrate 2 and the support substrate 4 An electric field is generated between them, and it has a function of deflecting (distorting) the flexible film 2 by the electrostatic force between the flexible film 2 and the support substrate 4. The shape of the flexible film 2 may be a wide surface or may have a double-supported beam (bridge) or cantilever (cantilever) structure. In the above-described example, the flexible film 2 and the support substrate 4 are made conductive. However, when the flexible film 2 and the support substrate 4 are made of an insulating material, the flexible film 2 and the support substrate are used. 4, each of the displacement control conductive films is attached to each other, and each displacement control conductive film is connected to each of the displacement control electrodes 5a and 5b to generate an electrostatic force between the displacement control conductive films. The membrane 2 can be deflected with respect to the support substrate 4.

図2には、支持基板4は導電性のものであるが、たわみ膜2が絶縁性のものである場合(また、たわみ膜2がカンチレバーの構造である場合)、たわみ膜2の先端に変位制御用導電膜20を設け、この変位制御用導電膜20をたわみ膜2に設けられている変位制御電極5bに電気的に接続した場合が示されており、この場合には、一対の変位制御電極5a,5bに電圧を印加すると、導電性の支持基板4と絶縁性のたわみ膜2の先端に設けられている変位制御用導電膜20との間に静電力が発生し、たわみ膜2をたわませることができる。すなわち、一対の変位制御電極5a,5bに印加される電圧によって、たわみ膜2のたわみ量を制御することができるようになっている。   In FIG. 2, the support substrate 4 is conductive, but when the flexible film 2 is insulative (and when the flexible film 2 has a cantilever structure), the support substrate 4 is displaced to the tip of the flexible film 2. A case is shown in which a control conductive film 20 is provided and this displacement control conductive film 20 is electrically connected to a displacement control electrode 5b provided in the flexible film 2. In this case, a pair of displacement controls is shown. When a voltage is applied to the electrodes 5 a and 5 b, an electrostatic force is generated between the conductive support substrate 4 and the displacement control conductive film 20 provided at the tip of the insulating flexible film 2. Can bend. That is, the deflection amount of the flexible film 2 can be controlled by the voltage applied to the pair of displacement control electrodes 5a and 5b.

また、図1(あるいは図2)において、第1のミラー層1は、高反射率の誘電体多層膜反射鏡、あるいは、半導体多層膜反射鏡、あるいは、金属反射鏡、あるいは、これらを複合させた多層膜反射鏡などで構成されている。誘電体多層膜反射鏡で構成する場合には、ZrO/SiO,MgO/SiO,MgO/Si,Al/MgFなどにより第1のミラー層1を構成できる。また半導体多層膜反射鏡で構成する場合には、AlAs/GaAs,AlGaAs/GaAs,AlGaAs/GaAs,GaInP/GaAs,AlGaN/GaN,GaInAsP/InP,AlGaInAs/InPなどにより第1のミラー層1を構成できる。また、金属反射鏡で構成する場合には、Au,Al,Pt,Pd,Ag,Ni,Cr,Tiやそれらの合金などにより第1のミラー層1を構成できる。 In FIG. 1 (or FIG. 2), the first mirror layer 1 is a high-reflectivity dielectric multilayer reflector, a semiconductor multilayer reflector, a metal reflector, or a combination thereof. It is composed of a multilayer film reflecting mirror. In the case of a dielectric multilayer reflector, the first mirror layer 1 can be composed of ZrO 2 / SiO 2 , MgO / SiO 2 , MgO / Si, Al 2 O 3 / MgF 2 or the like. When the semiconductor multilayer mirror is used, the first mirror layer 1 is made of AlAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, GaInP / GaAs, AlGaN / GaN, GaInAsP / InP, AlGaInAs / InP, or the like. it can. In the case where the first mirror layer 1 is composed of a metal reflecting mirror, the first mirror layer 1 can be composed of Au, Al, Pt, Pd, Ag, Ni, Cr, Ti, or an alloy thereof.

また、面発光レーザ下部基体の半導体基板11には、GaAs,InP,GaP,GaNAs,Si,Geなどを用いることができる。   Further, GaAs, InP, GaP, GaNAs, Si, Ge, or the like can be used for the semiconductor substrate 11 of the surface emitting laser lower base.

また、活性層15は、GaInAs系またはGaInNAs系材料で形成されている。   The active layer 15 is formed of a GaInAs-based or GaInNAs-based material.

GaInAs系またはGaInNAs系の材料を活性層15に用いた面発光レーザ素子は、発振波長が0.9μm以上の長波長帯なので、1.3μm帯または1.5μm帯で伝送損失の最も小さい石英系ファイバとの整合性が高い。従来これらの波長帯用のレーザとしては、InP基板上に形成するGaInAsPを活性層とする端面発光レーザが用いられているが、活性層におけるキャリアの閉じ込めが弱く温度特性が悪い。さらに、このInP基板上にGaInAsPを活性層とする面発光レーザを形成しようとすると、InP基板上では最良の半導体多層膜反射鏡の構成であるGaInAsP/InPは屈折率差が小さく、高い反射率を得るには多くの層数を必要とする。   Since the surface emitting laser element using a GaInAs-based or GaInNAs-based material for the active layer 15 is a long wavelength band having an oscillation wavelength of 0.9 μm or more, it is a quartz-based one having the smallest transmission loss in the 1.3 μm band or 1.5 μm band High consistency with fiber. Conventionally, as these lasers for wavelength bands, edge emitting lasers using GaInAsP formed on an InP substrate as an active layer are used, but the confinement of carriers in the active layer is weak and the temperature characteristics are poor. Furthermore, when a surface emitting laser having GaInAsP as an active layer is formed on this InP substrate, GaInAsP / InP, which is the best semiconductor multilayer reflector structure on the InP substrate, has a small refractive index difference and a high reflectance. It takes a lot of layers to get

これに対し、GaInAs系またはGaInNAs系の材料を活性層15に用いた面発光レーザは、GaAs基板上に形成できるので、スペーサ層等の活性層の周りの層にワイドバンドギャップ材料を選択できる。よって、キャリアの閉じ込めが良好になり温度特性が良好な面発光レーザが得られる。また、GaInAs系またはGaInNAs系の材料を活性層15に用いた面発光レーザは、GaAs基板上に形成できるので、GaAs基板上に形成できる屈折率差の大きいAl(Ga)As/GaAs半導体多層膜反射鏡をミラー層として利用できる。よって、少ない層数の半導体多層膜反射鏡をもつ面発光レーザが得られる。   On the other hand, since a surface emitting laser using a GaInAs-based or GaInNAs-based material for the active layer 15 can be formed on a GaAs substrate, a wide band gap material can be selected as a layer around the active layer such as a spacer layer. Thus, a surface emitting laser with good carrier confinement and good temperature characteristics can be obtained. Further, since a surface emitting laser using a GaInAs-based or GaInNAs-based material for the active layer 15 can be formed on a GaAs substrate, an Al (Ga) As / GaAs semiconductor multilayer film having a large refractive index difference that can be formed on the GaAs substrate. A reflector can be used as a mirror layer. Therefore, a surface emitting laser having a semiconductor multilayer mirror having a small number of layers can be obtained.

GaInAs系またはGaInNAs系の材料として、GaInAs,AlGaInAs,GaInAsP,AlGaInAsP,AlGaAs,AlGaAsP、GaInAsSb GaInNAs,GaNAs,AlGaInNAs,GaInNAsP,AlGaInNAsP,AlGaNAs,AlGaNAsP、GaInNAsSbなどが挙げられる。   Examples of the GaInAs-based or GaInNAs-based materials include GaInAs, AlGaInAs, GaInAsP, AlGaInAsP, AlGaAs, AlGaAsP, GaInAsSb GaInNAs, GaNAs, AlGaInNAs, GaInNAsP, AlGaInNAsP, AlGaNAs, AlGaNAsP, and GaInNASb.

より具体的に、活性層15には、GaInAsP/InP(1.3μm帯,1.55μm帯)、GaInNAs/GaAs(1.3μm帯,1.55μm帯)、GaInAs/GaAs(0.98μm帯)、GaAlAs/GaAs(0.85μm帯)、AlGaInP/GaAs(0.65μm帯)などを用いることができる。   More specifically, the active layer 15 includes GaInAsP / InP (1.3 μm band, 1.55 μm band), GaInNAs / GaAs (1.3 μm band, 1.55 μm band), GaInAs / GaAs (0.98 μm band). GaAlAs / GaAs (0.85 μm band), AlGaInP / GaAs (0.65 μm band), and the like can be used.

GaInAs系またはGaInNAs系の面発光レーザは、温度が変化してもレーザ特性の変動が小さいので、さらに波長制御が容易になる。また、GaInAs系またはGaInNAs系の面発光レーザは、少ない層数の半導体多層膜反射鏡を持つので、低コストで作製できる。また、GaInAs系またはGaInNAs系の面発光レーザは、レーザ光がSiを透過するので、Si支持基板上に設ける光学素子との結合により素子の高機能化,多機能化が容易になる。   Since the GaInAs-based or GaInNAs-based surface emitting laser has a small fluctuation in laser characteristics even when the temperature changes, wavelength control is further facilitated. Further, a GaInAs-based or GaInNAs-based surface emitting laser has a semiconductor multilayer film reflecting mirror with a small number of layers, and can be manufactured at low cost. In addition, since a GaInAs-based or GaInNAs-based surface emitting laser transmits laser light through Si, it is easy to increase the functionality and functionality of the device by coupling with an optical device provided on a Si support substrate.

また、第2のミラー層12である半導体多層膜反射鏡は、半導体基板11がGaAs,InP,GaP,GaNAs,Si,Geなどで形成される場合に、AlAs/GaAs,AlGaAs/GaAs,AlGaAs/GaAs,GaInP/GaAs,AlGaN/GaN,GaInAsP/InP,AlGaInAs/InPなどの多層膜を用いて形成される。   In addition, the semiconductor multilayer reflector as the second mirror layer 12 is formed of AlAs / GaAs, AlGaAs / GaAs, AlGaAs / when the semiconductor substrate 11 is formed of GaAs, InP, GaP, GaNAs, Si, Ge, or the like. It is formed using a multilayer film such as GaAs, GaInP / GaAs, AlGaN / GaN, GaInAsP / InP, or AlGaInAs / InP.

また、スペーサ層14,16は、キャリアを活性層15まで輸送し共振器長を調節するために設けられており、発光する光に対して透明である必要がある。具体的に、スペーサ層14,16は、活性層15の材料に応じて、GaAs,InP,GaInAsP,GaAlAs,AlGaInP,GaInPなどから選択される。   The spacer layers 14 and 16 are provided for transporting carriers to the active layer 15 and adjusting the resonator length, and are required to be transparent to the emitted light. Specifically, the spacer layers 14 and 16 are selected from GaAs, InP, GaInAsP, GaAlAs, AlGaInP, GaInP, and the like according to the material of the active layer 15.

また、電流注入層17は、面発光レーザ下部基体の積層構造表面の全域または発光領域を除いた領域に設けられ、電流注入層17には、高導電性の半導体層/金属膜や金属膜などを用いることができる。   The current injection layer 17 is provided on the entire surface of the laminated structure of the surface emitting laser lower substrate or in a region excluding the light emitting region. The current injection layer 17 includes a highly conductive semiconductor layer / metal film, metal film, or the like. Can be used.

また、面発光レーザ下部基体は、活性層15の近傍に、Alなどからなる絶縁層やプロトンを注入した高抵抗領域を設けて、電流狭窄構造をとることが望ましい。 Further, it is desirable that the lower substrate of the surface emitting laser has a current confinement structure by providing an insulating layer made of Al x O y or the like and a high resistance region into which protons are implanted in the vicinity of the active layer 15.

なお、面発光レーザ下部基体は、MOCVD法,MBE法などの成膜法及びこれらの手法により作製した試料を接合する方法で作製することができる。また、接合前に、両基体の一部をエッチングしたりスペーサ層を設けて第1の空隙3の間隔を調節する場合や、両基体を研磨し表面の平滑性を改善する場合もある。   The surface emitting laser lower substrate can be manufactured by a film forming method such as MOCVD method or MBE method and a method of joining samples prepared by these methods. In some cases, a part of both substrates is etched or a spacer layer is provided to adjust the distance between the first gaps 3 before bonding, or both substrates are polished to improve surface smoothness.

また、駆動基体と面発光レーザ下部基体とは、たわみ膜2のたわみ領域以外の部分で、ろう接,融接,圧接(固相接合)−常温界面接合,陽極接合,直接接合,拡散接合などにより接続される。これらの接合法の詳細は、例えば文献「江刺正喜 他 著「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス」培風館」などに述べられている。   Further, the drive substrate and the surface emitting laser lower substrate are portions other than the deflection region of the flexible film 2, such as brazing, fusion, pressure welding (solid phase bonding) -room temperature interface bonding, anodic bonding, direct bonding, diffusion bonding, etc. Connected by Details of these joining methods are described in, for example, the literature “Masaki Esashi et al.,“ Micromachining and Micromechatronics ”Baifukan”.

面発光レーザ下部基体と前記駆動基体とを直接接合法により接続する場合について説明する。直接接合は、平滑な基板同士を大気雰囲気下で重ね合わせ、界面の原子間力で結合を生じさせるもので、重ね合わせた後、加温して界面の結合をより強固にするのが好ましい。GaAs,GaAlAs,InPなどの化合物半導体の基板や膜同士、シリコンの基板や膜同士、化合物半導体の基板や膜とシリコンの基板や膜との接合が可能である(例えば文献「Appl.Phys.Lett.,56(1990)11」を参照)。なお、ミラー間の距離を調節するため、面発光レーザ下部基体と駆動基体の接合部に化合物半導体膜やシリコン膜や酸化ケイ素膜からなる接合スペーサ層を設ける場合もある。直接接合の場合、界面にできるバインダ層は10nm以下であるので、容易に精度良く第1のミラー層1と面発光レーザ下部基体との空隙を所定の間隔を有するように形成できる。   The case where the surface emitting laser lower substrate and the driving substrate are connected by a direct bonding method will be described. In direct bonding, smooth substrates are overlapped with each other in an air atmosphere, and bonding is generated by atomic force at the interface. After overlapping, heating is preferably performed to further strengthen the bonding at the interface. Bonding of a compound semiconductor substrate or film such as GaAs, GaAlAs, InP, or the like, a silicon substrate or film, a compound semiconductor substrate or film, and a silicon substrate or film is possible (for example, the document “Appl. Phys. Lett. ., 56 (1990) 11 "). In order to adjust the distance between the mirrors, a bonding spacer layer made of a compound semiconductor film, a silicon film, or a silicon oxide film may be provided at the bonding portion between the surface emitting laser lower substrate and the driving substrate. In the case of direct bonding, since the binder layer that can be formed at the interface is 10 nm or less, the gap between the first mirror layer 1 and the surface emitting laser lower substrate can be easily formed with a predetermined interval.

また、本発明の面発光レーザ素子の作製方法として、第1のミラー層1が誘電体多層膜反射鏡である場合に、この誘電体多層膜反射鏡をたわみ膜2上に成膜法により形成して、第1のミラー層1を形成することができる。   Further, as a method for manufacturing the surface emitting laser element of the present invention, when the first mirror layer 1 is a dielectric multilayer film reflector, the dielectric multilayer film reflector is formed on the flexible film 2 by a film forming method. Thus, the first mirror layer 1 can be formed.

具体的に、たわみ膜2上に、第1のミラー層1として、ZrO/SiO,MgO/SiO,MgO/Si,Al/MgFなどの誘電体多層膜反射鏡を電子線蒸着法,抵抗加熱蒸着法,スパッタリング法などで形成することができる。この方法では、第1のミラー層1がたわみ膜2と強固に接着されるので、たわみ(歪み)に対して耐久性の高いミラー層1が得られる。 Specifically, a dielectric multilayer film reflecting mirror such as ZrO 2 / SiO 2 , MgO / SiO 2 , MgO / Si, Al 2 O 3 / MgF 2 or the like is formed on the flexible film 2 as the first mirror layer 1. It can be formed by a wire vapor deposition method, a resistance heating vapor deposition method, a sputtering method, or the like. In this method, since the first mirror layer 1 is firmly bonded to the flexure film 2, the mirror layer 1 having high durability against flexure (distortion) can be obtained.

図3は本発明の面発光レーザ素子の作製工程例を示す図である。なお、図3(a)乃至(d)は縦断面図として示されている。図3を参照すると、先ず、半導体基板11上に、少なくとも、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層12と、第1のスペーサ層14と、活性層15と、第2のスペーサ層16と、電流注入層17と、空隙形成用の犠牲層18と、第1のミラー層1とを積層し、積層構造とする(図3(a))。   FIG. 3 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the surface emitting laser element of the present invention. 3A to 3D are shown as longitudinal sectional views. Referring to FIG. 3, first, at least a second mirror layer 12 made of a semiconductor multilayer reflector, a first spacer layer 14, an active layer 15, and a second spacer layer 16 are formed on a semiconductor substrate 11. Then, the current injection layer 17, the gap forming sacrificial layer 18, and the first mirror layer 1 are laminated to form a laminated structure (FIG. 3A).

次に、この積層構造を、レーザ発振部の領域と駆動基体との接合部領域を残して、犠牲層18の深さ以上までエッチングにより除去し、面発光レーザ下部基体を形成する(図3(b))。   Next, this stacked structure is removed by etching to a depth greater than or equal to the depth of the sacrificial layer 18, leaving the region of the laser oscillation portion and the drive substrate, thereby forming a surface emitting laser lower substrate (FIG. 3 ( b)).

次いで、たわみ膜2とこのたわみ膜2の表面上に所定の間隔を隔てて支持基板4を配置して駆動基体を作製する。しかる後、面発光レーザ下部基体と駆動基体とを、たわみ膜2の表面とエッチングされずに残った第1のミラー層1の表面とを接合することで、接続する(図3(c))。   Next, the support substrate 4 is arranged at a predetermined interval on the flexible film 2 and the surface of the flexible film 2 to produce a drive base. Thereafter, the surface emitting laser lower substrate and the driving substrate are connected by bonding the surface of the flexible film 2 and the surface of the first mirror layer 1 remaining without being etched (FIG. 3C). .

次に、犠牲層18をエッチングにより除去し、第2の空隙19を形成する(図3(d))。これにより、図1の面発光レーザ素子を作製することができる。   Next, the sacrificial layer 18 is removed by etching to form a second gap 19 (FIG. 3D). Thereby, the surface emitting laser element of FIG. 1 can be produced.

図3の作製工程例において、エッチングにHF水溶液を用いた場合、AlAs,SiOは、GaAs,AlGaAs,Al,TiO,AlF,SrF,Si,SiN,SiONと比較してエッチング速度が格段に大きい。AlAs,SiOを犠牲層18の材料としHF水溶液をエッチング液とした場合、エッチング液が触れる部分をGaAs,AlGaAs,Al,TiO,AlF,SrF,Si,SiN,SiONなどの材料で構成すれば、積層構造の表面と第1のミラー層1の表面との間に第2の空隙19の間隔を形成できる。 In the manufacturing process example of FIG. 3, when HF aqueous solution is used for etching, AlAs and SiO 2 are compared with GaAs, AlGaAs, Al 2 O 3 , TiO 2 , AlF 3 , SrF 2 , Si, SiN, and SiON. The etching rate is much higher. When AlAs and SiO 2 are used as the material for the sacrificial layer 18 and an aqueous HF solution is used as an etching solution, the portion that comes into contact with the etching solution is GaAs, AlGaAs, Al 2 O 3 , TiO 2 , AlF 3 , SrF 2 , Si, SiN, SiON, or the like. If it comprises with the material of this, the space | interval of the 2nd space | gap 19 can be formed between the surface of a laminated structure and the surface of the 1st mirror layer 1. FIG.

図3の作製工程例では、第1のミラー層1を含め面発光レーザ下部基体を駆動基体と接合した後、犠牲層18を除去するので、積層構造の表面と第1のミラー層1の表面との間の第2の空隙19の間隔をより精密に設定できる。よって、面発光レーザ素子の製造がより容易になる。   In the example of the manufacturing process of FIG. 3, since the sacrificial layer 18 is removed after the surface emitting laser lower substrate including the first mirror layer 1 is bonded to the driving substrate, the surface of the laminated structure and the surface of the first mirror layer 1 are removed. The space | interval of the 2nd space | gap 19 between these can be set more precisely. Therefore, it becomes easier to manufacture the surface emitting laser element.

また、支持基板4が例えば絶縁性のものである場合、たわみ膜2に空隙を介して対向する支持基板4の表面に変位制御用導電膜を設け、この変位制御用導電膜を一方の変位制御電極,例えば5aと電気的に接続することができる。   When the support substrate 4 is, for example, insulative, a displacement control conductive film is provided on the surface of the support substrate 4 facing the flexible film 2 with a gap, and this displacement control conductive film is used as one displacement control. It can be electrically connected to an electrode, for example 5a.

具体的には、シリコンやケイ酸ガラスからなる支持基板4の表面に、多結晶シリコン,Ti,Mo,W,Ta及びそれらの窒化物、Al,Cu,Au,Pt,Pdなどからなる変位制御用導電膜を設けることができる。また、支持基板4が導電性の場合には、この導電膜と支持基板4との間にSiN,SiO,Ta,Alなどの絶縁層を設けることもできる。このような構成では、レーザ光が駆動基体側に出射される場合、この導電膜の出射ビームが通る個所に孔を開けるのが好ましい。静電力を発生する導電性領域間の静電容量を小さくでき、高速の変位制御が可能になる。また、素子ごとに個別に変位制御電圧を印加できることにより素子のアレイ化が可能になる。 Specifically, displacement control made of polycrystalline silicon, Ti, Mo, W, Ta and nitrides thereof, Al, Cu, Au, Pt, Pd or the like is provided on the surface of the support substrate 4 made of silicon or silicate glass. A conductive film can be provided. When the support substrate 4 is conductive, an insulating layer such as SiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 can be provided between the conductive film and the support substrate 4. In such a configuration, when the laser beam is emitted to the driving substrate side, it is preferable to make a hole at a position where the emission beam of the conductive film passes. Capacitance between conductive regions that generate electrostatic force can be reduced, and high-speed displacement control is possible. In addition, since the displacement control voltage can be individually applied to each element, the elements can be arrayed.

図1(または図2)の面発光レーザ素子では、第1のミラー層1と第2のミラー層12とで共振器が構成され、レーザ発振する。この場合、第1のミラー層1と第2のミラー層12との間の距離によって発振波長が変化する。すなわち、図1(または図2)の面発光レーザ素子では、一対の変位制御電極5a,5b間に印加する電圧を調節することにより、たわみ膜2のたわみ量が変化し、これにより、ミラー層1,12間の距離が変化して、発振波長が変わる。なお、レーザ光は支持基板4側から出射させる場合もあるし、半導体基板11側から出射させる場合もある。   In the surface emitting laser element shown in FIG. 1 (or FIG. 2), the first mirror layer 1 and the second mirror layer 12 form a resonator, and laser oscillation occurs. In this case, the oscillation wavelength varies depending on the distance between the first mirror layer 1 and the second mirror layer 12. That is, in the surface emitting laser element of FIG. 1 (or FIG. 2), the amount of deflection of the flexure film 2 is changed by adjusting the voltage applied between the pair of displacement control electrodes 5a and 5b. As the distance between 1 and 12 changes, the oscillation wavelength changes. The laser light may be emitted from the support substrate 4 side or may be emitted from the semiconductor substrate 11 side.

図1(または図2)の構成は、前述した特許文献3(特開平11−17285号)の構成と異なり、2つのミラー層1,12間にたわみ膜を含まない構成なので、極短の共振器構造が可能になる。このため、縦モードの単一共振モードが得やすくなる。よって、発振光の波長ピークのスプリットがなくなり光伝送が容易になる。また、共振器長に対する活性層厚の割合が高まるので、光の閉じ込めが良くなり、低いしきい値電流で発振するので、レーザ駆動が容易になる。   The configuration of FIG. 1 (or FIG. 2) is different from the configuration of Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-17285) described above, and does not include a flexible film between the two mirror layers 1 and 12, and therefore has an extremely short resonance. A vessel structure becomes possible. For this reason, it becomes easy to obtain a single resonance mode of the longitudinal mode. Therefore, there is no splitting of the wavelength peak of the oscillation light, and optical transmission is facilitated. In addition, since the ratio of the active layer thickness to the resonator length is increased, light confinement is improved and oscillation is performed with a low threshold current, which facilitates laser driving.

また、面発光レーザ下部基体がほとんどたわまない構成なので、活性層15のひずみによる波長シフトが生ぜず、また、素子の劣化が少なくなる。   Further, since the lower substrate of the surface emitting laser is hardly bent, the wavelength shift due to the distortion of the active layer 15 does not occur, and the deterioration of the element is reduced.

なお、図1(または図2)の面発光レーザ素子において、たわみ膜2には、シリコンまたは酸化ケイ素などを用いることができる。たわみ膜2にシリコンを用いる場合、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの膜が欠陥が少ないので望ましい。また、たわみ膜に酸化ケイ素を用いる場合、単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンを熱酸化した膜や高温で気相成長させた膜が欠陥が少ないので望ましい。   In the surface emitting laser element of FIG. 1 (or FIG. 2), silicon, silicon oxide, or the like can be used for the flexible film 2. When silicon is used for the flexible film 2, a single crystal silicon or polycrystalline silicon film is desirable because it has few defects. In addition, when silicon oxide is used for the flexible film, a film obtained by thermally oxidizing single crystal silicon or polycrystalline silicon or a film obtained by vapor phase growth at a high temperature is preferable because there are few defects.

また、支持基板4には、シリコンまたは酸化ケイ素ガラスなどを用いることができる。支持基板4にシリコンを用いる場合、単結晶シリコンあるいは多結晶シリコンの膜が均質性が良く、加工も容易なので望ましい。また、支持基板4に酸化ケイ素ガラスを用いる場合、ホウ珪酸ガラス,アルカリガラス,石英ガラスが均質性が良く、加工も容易なので望ましい。   The support substrate 4 can be made of silicon or silicon oxide glass. When silicon is used for the support substrate 4, a single crystal silicon or polycrystalline silicon film is desirable because it has good homogeneity and is easy to process. Further, when silicon oxide glass is used for the support substrate 4, borosilicate glass, alkali glass, and quartz glass are desirable because they have good homogeneity and are easy to process.

たわみ膜2にシリコンまたは酸化ケイ素などを用いること、また、支持基板4にシリコンまたは酸化ケイ素ガラスなどを用いることについて、さらに説明する。シリコンまたは酸化ケイ素は、マイクロマシニング技術で中心材料として用いられる材料であり、エッチング,気相堆積,研磨,接合などで、安定した微細加工技術が蓄積されている。例えば、接合技術では次のようなものがある。すなわち、シリコンとシリコンとは、また、SiO層を介してシリコンとシリコンとは、直接接合できる。また、アルカリやアルカリ土類イオンを含むホウ珪酸ガラス,アルカリガラスは、シリコンと陽極接合できる。また、石英ガラスは、表面にホウ珪酸ガラス,アルカリガラス,Inなどのバインダ層を付着させれば、シリコンと陽極接合できる。 The use of silicon or silicon oxide for the flexible film 2 and the use of silicon or silicon oxide glass for the support substrate 4 will be further described. Silicon or silicon oxide is a material used as a central material in micromachining technology, and stable microfabrication technology has been accumulated through etching, vapor deposition, polishing, bonding, and the like. For example, there are the following bonding techniques. That is, silicon and silicon can be directly bonded to each other via the SiO 2 layer. Further, borosilicate glass or alkali glass containing alkali or alkaline earth ions can be anodically bonded to silicon. Quartz glass can be anodic bonded to silicon if a binder layer such as borosilicate glass, alkali glass, or In 2 O 3 is attached to the surface.

図4には、これらの材料を使用した駆動基体を用いた面発光レーザ素子の作製工程例が表示されている。なお、図4(a)乃至(e)は縦断面図として示されている。図4を参照すると、先ず、第1のシリコンウェハ(除去用)31に高濃度のボロンを拡散させてボロン拡散シリコン領域32を形成し、また、第2のシリコンウェハ支持基板33の表面にSiO熱酸化膜34を形成し、第1のシリコンウェハ31と第2のシリコンウェハ支持基板33とを、ボロン拡散シリコン領域32の面と熱酸化膜34の面とで、直接接合させる(図4(a))。この後、KOHなどの異方性エッチング液を用い第1のシリコンウェハ31でボロン拡散シリコン領域32だけを残しシリコンを除去する(図4(b))。 FIG. 4 shows a manufacturing process example of a surface emitting laser element using a driving base using these materials. FIGS. 4A to 4E are shown as vertical cross-sectional views. Referring to FIG. 4, first, boron-diffused silicon regions 32 are formed by diffusing high-concentration boron in the first silicon wafer (for removal) 31, and SiO 2 is formed on the surface of the second silicon wafer support substrate 33. A two- thermal oxide film 34 is formed, and the first silicon wafer 31 and the second silicon wafer support substrate 33 are directly bonded to each other at the surface of the boron diffusion silicon region 32 and the surface of the thermal oxide film 34 (FIG. 4). (A)). Thereafter, silicon is removed using an anisotropic etching solution such as KOH, leaving only the boron diffusion silicon region 32 on the first silicon wafer 31 (FIG. 4B).

しかる後、ボロン拡散シリコン領域32の一部の領域に第1のミラー層35を形成し、次いで、ボロン拡散シリコン領域32をエッチング加工し、これをたわみ膜32として形成する(図4(c))。   Thereafter, the first mirror layer 35 is formed in a partial region of the boron diffusion silicon region 32, and then the boron diffusion silicon region 32 is etched to form a flexible film 32 (FIG. 4C). ).

しかる後、面発光レーザ下部基体36を接合する(図4(d))。次に、ボロン拡散シリコン領域(たわみ膜)32に接触している熱酸化膜34の一部をHF液により除去し、第1の空隙37を形成する(図4(e))。   Thereafter, the surface emitting laser lower base 36 is bonded (FIG. 4D). Next, a part of the thermal oxide film 34 in contact with the boron diffusion silicon region (flexible film) 32 is removed with HF liquid, thereby forming a first gap 37 (FIG. 4E).

これにより、本発明の面発光レーザ素子を作製できる。この面発光レーザ素子では、ボロン拡散シリコン領域(たわみ膜)32と第2のシリコンウェハ(支持基板)33との間に電界を印加して共振器長を変化させることができる。   Thereby, the surface emitting laser element of this invention is producible. In this surface emitting laser element, the resonator length can be changed by applying an electric field between the boron diffusion silicon region (flexible film) 32 and the second silicon wafer (support substrate) 33.

また、図5には、本発明の面発光レーザ素子の他の作製工程例が示されている。図5を参照すると、先ず、第2のシリコンウェハ(支持基板)41の表面に凹部42をドライエッチングにより形成し、また、第1のシリコンウェハ(除去用)43の表面にSiO熱酸化膜44を形成し、第1のシリコンウェハ43と第2のシリコンウェハ41とを、凹部42を有する面とSiO熱酸化膜44の面とで、直接接合させる(図5(a))。 FIG. 5 shows another example of the manufacturing process of the surface emitting laser element of the present invention. Referring to FIG. 5, first, a recess 42 is formed on the surface of a second silicon wafer (support substrate) 41 by dry etching, and a SiO 2 thermal oxide film is formed on the surface of the first silicon wafer (for removal) 43. 44 is formed, and the first silicon wafer 43 and the second silicon wafer 41 are directly bonded to each other at the surface having the recess 42 and the surface of the SiO 2 thermal oxide film 44 (FIG. 5A).

次に、第1のシリコンウェハ43のシリコンをKOHによりすべて除去し、表面に出たSiO熱酸化膜44の一部の領域に第1のミラー層45を形成し、第1のミラー層45の周辺に一方の変位制御用導電膜46を形成する(図5(b))。 Next, all the silicon of the first silicon wafer 43 is removed by KOH, the first mirror layer 45 is formed in a partial region of the SiO 2 thermal oxide film 44 exposed on the surface, and the first mirror layer 45 One displacement control conductive film 46 is formed in the vicinity of the substrate (FIG. 5B).

しかる後、SiO熱酸化膜44をエッチング加工して、たわみ膜44を形成し、次に、面発光レーザ下部基体47を接合する(図5(c))。 Thereafter, the SiO 2 thermal oxide film 44 is etched to form a flexible film 44, and then the surface emitting laser lower base body 47 is joined (FIG. 5C).

これにより、本発明の面発光レーザ素子を作製できる。この面発光レーザ素子では、変位制御導電膜46と第2のシリコンウェハ(支持基板)41との間に電界を印加して共振器長を変化させることができる。   Thereby, the surface emitting laser element of this invention is producible. In this surface emitting laser element, the resonator length can be changed by applying an electric field between the displacement control conductive film 46 and the second silicon wafer (supporting substrate) 41.

また、図6には、本発明の面発光レーザ素子の他の作製工程例が示されている。なお、図6(a)乃至(c)は縦断面図として示されている。図6を参照すると、先ず、パイレックス板(支持基板)51の表面に凹部52をドライエッチングにより形成し、シリコンウェハ(除去用)53に高濃度のボロンを拡散させてボロン拡散シリコン領域54を形成し、パイレックス板51とシリコンウェハ53とを、凹部52を設けた面とボロン拡散シリコン領域54の面とで、陽極接合する(図6(a))。この後、KOHなどの異方性エッチング液を用いシリコンウェハ53のボロン拡散シリコン領域54を残してシリコンを除去し、パイレックス板51の裏面に変位制御用導電膜55を設け、また、ボロン拡散シリコン領域54の一部の領域に第1のミラー層56を形成する(図6(b))。しかる後、ボロン拡散シリコン領域54をエッチング加工し、これをたわみ膜54として形成し、次いで、面発光レーザ下部基体57を接合する(図6(c))。   FIG. 6 shows another example of manufacturing steps of the surface emitting laser element of the present invention. FIGS. 6A to 6C are shown as longitudinal sectional views. Referring to FIG. 6, first, a recess 52 is formed on the surface of a Pyrex plate (support substrate) 51 by dry etching, and a high-concentration boron is diffused in a silicon wafer (for removal) 53 to form a boron diffusion silicon region 54. Then, the Pyrex plate 51 and the silicon wafer 53 are anodically bonded with the surface provided with the recess 52 and the surface of the boron diffusion silicon region 54 (FIG. 6A). Thereafter, silicon is removed using an anisotropic etching solution such as KOH, leaving the boron diffusion silicon region 54 of the silicon wafer 53, a displacement control conductive film 55 is provided on the back surface of the Pyrex plate 51, and boron diffusion silicon is provided. The first mirror layer 56 is formed in a part of the region 54 (FIG. 6B). Thereafter, the boron diffusion silicon region 54 is etched to form it as a flexible film 54, and then the surface emitting laser lower substrate 57 is bonded (FIG. 6C).

これにより、本発明の面発光レーザ素子を作製できる。この面発光レーザ素子では、ボロン拡散シリコン領域(たわみ膜)54と変位制御用導電膜55との間に電界を印加し、共振器長を変化させることができる。   Thereby, the surface emitting laser element of this invention is producible. In this surface emitting laser element, the resonator length can be changed by applying an electric field between the boron diffusion silicon region (flexible film) 54 and the displacement control conductive film 55.

シリコン及び酸化ケイ素は高品質なので、成膜したたわみ膜と異なり、高信頼性のたわみ膜が得られ、且つ、歩留り良く製造できる。シリコンとシリコンとの間は、また、酸化ケイ素膜を介してシリコンとシリコンとの間は、直接接合ができるので、容易に精度良く駆動基体を形成できる。また、シリコン及び酸化ケイ素ガラスは均質なので、精密な加工が可能であり、信頼性の高い駆動基体を形成できる。   Since silicon and silicon oxide are of high quality, unlike the formed flexible film, a highly reliable flexible film can be obtained and can be manufactured with high yield. Since the silicon and the silicon can be directly bonded to each other through the silicon oxide film, the driving base can be easily formed with high accuracy. In addition, since silicon and silicon oxide glass are homogeneous, precise processing is possible and a highly reliable drive base can be formed.

また、図7は本発明の面発光レーザ素子の変形例を示す図である。図7の例の面発光レーザ素子は、支持基板4のたわみ膜2が接合されている面とは反対側の面のレーザ光の経路上に、光学素子22が設けられている。なお、図7の例では、光学素子22はマイクロレンズとなっているが、光学素子22としては、図8のように回折レンズでも良いし、あるいは、図9のように、ミラー及び導波路でも良い。   FIG. 7 is a view showing a modification of the surface emitting laser element of the present invention. In the surface emitting laser element of the example of FIG. 7, an optical element 22 is provided on the laser beam path on the surface opposite to the surface to which the flexible film 2 of the support substrate 4 is bonded. In the example of FIG. 7, the optical element 22 is a microlens. However, the optical element 22 may be a diffractive lens as shown in FIG. 8, or may be a mirror and a waveguide as shown in FIG. good.

図7,図8あるいは図9の面発光レーザ素子では、支持基板4を加工して、または、支持基板4と一体で、マイクロレンズ、回折レンズ、あるいは、ミラー及び導波路等の光学素子22を形成することができる。これらの光学素子22は、前述のマイクロマシニング技術により容易に作製できる。支持基板4の表面にこれらの光学素子22を設けることにより、面発光レーザ素子の高機能化,多機能化が容易になる。   In the surface emitting laser element shown in FIG. 7, FIG. 8, or FIG. Can be formed. These optical elements 22 can be easily manufactured by the above-described micromachining technology. By providing these optical elements 22 on the surface of the support substrate 4, it becomes easy to make the surface emitting laser element highly functional and multifunctional.

また、同一の支持基板に、上述した本発明の面発光レーザ素子を複数個設けて面発光レーザアレイを構成することができる。   In addition, a surface emitting laser array can be configured by providing a plurality of the surface emitting laser elements of the present invention described above on the same support substrate.

このような面発光レーザアレイは、次のような方法によって作製できる。すなわち、シリコンウェハ,ケイ酸ガラス板上に複数の駆動基体を一括して形成し、別途、半導体基板ウェハ上に複数の面発光レーザ下部基体を形成する。次に、第1の例として、シリコンウェハ,ケイ酸ガラス板の駆動基体を設けた面と、半導体基板ウェハの面発光レーザ下部基体を設けた面とを接合して面発光レーザアレイを作製することができる。また、第2の例として、シリコンウェハ,ケイ酸ガラス板上の各駆動基体に個々に分離した面発光レーザ下部基体を接合して面発光レーザアレイを作製することができる。   Such a surface emitting laser array can be manufactured by the following method. That is, a plurality of driving bases are collectively formed on a silicon wafer and a silicate glass plate, and a plurality of surface emitting laser lower bases are separately formed on a semiconductor substrate wafer. Next, as a first example, a surface emitting laser array is manufactured by bonding a surface provided with a driving base of a silicon wafer or a silicate glass plate and a surface provided with a surface emitting laser lower base of a semiconductor substrate wafer. be able to. Further, as a second example, a surface emitting laser array can be manufactured by bonding individually separated surface emitting laser lower substrates to each driving substrate on a silicon wafer and a silicate glass plate.

図10,図11には、本発明の面発光レーザアレイと石英系ファイバとを結合した並列伝送システムの構成例が示されている。本発明の面発光レーザアレイは、単一モードで、且つ、各波長が安定しているので、複数の光源をもつ信頼性の高い伝送システムの構築が容易になる。   10 and 11 show configuration examples of a parallel transmission system in which the surface emitting laser array of the present invention and a silica fiber are coupled. Since the surface emitting laser array of the present invention is single mode and each wavelength is stable, it is easy to construct a highly reliable transmission system having a plurality of light sources.

また、上述した本発明の面発光レーザ素子、または、上述した本発明の面発光レーザアレイを用いて波長多重伝送システムを構築することができる。   A wavelength division multiplexing transmission system can be constructed using the above-described surface-emitting laser element of the present invention or the above-described surface-emitting laser array of the present invention.

図12には、本発明の面発光レーザアレイを用いた波長多重伝送システムの構成例が示されている。図12の波長多重伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光レーザ素子を配列して面発光レーザアレイを構成し、面発光レーザアレイの各面発光レーザ素子からの各発振光を合波器を通して1本の光ファイバに結合させるように構成されている。このような構成では、1本のファイバで、高スループットに大容量の信号伝送ができる。このように、本発明の面発光レーザアレイは、単一モードで、且つ、各発振波長が安定しているので、高い信頼性で高密度大容量の波長多重伝送が可能になる。   FIG. 12 shows a configuration example of a wavelength multiplexing transmission system using the surface emitting laser array of the present invention. In the wavelength division multiplexing transmission system of FIG. 12, a plurality of surface emitting laser elements having different oscillation wavelengths are arranged to form a surface emitting laser array, and each oscillation light from each surface emitting laser element of the surface emitting laser array is multiplexed. It is comprised so that it may couple | bond with one optical fiber through. In such a configuration, a large amount of signal can be transmitted with high throughput with a single fiber. As described above, the surface emitting laser array of the present invention is in a single mode and each oscillation wavelength is stable, so that it is possible to perform wavelength multiplexing multiplex transmission with high reliability and high density and large capacity.

次に、本発明の実施例について説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

実施例1
図13,図14,図15は実施例1の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図13は側面図であり、図14は正面図であり、図15は下面図である。
Example 1
13, FIG. 14, and FIG. 15 are diagrams showing a configuration example of the surface emitting laser element according to the first embodiment. 13 is a side view, FIG. 14 is a front view, and FIG. 15 is a bottom view.

実施例1の面発光レーザ素子は、次のように作製される。すなわち、先ず、駆動基体を作製する。駆動基体は、前述した例のように、先ず、第1のシリコンウェハ(図13乃至図15には図示せず)の表面から2μmの深さに固相拡散により1×1020/cmの濃度のボロンを拡散させる。また、第2のシリコンウェハ支持基板61の表面に厚さ1μmの熱酸化膜(SiO熱酸化膜)62を形成する。そして、第1のシリコンウェハと第2のシリコンウェハ支持基板61とをボロン拡散シリコン領域の面と熱酸化膜62の面とで大気中において直接接合させる。しかる後、1100℃に加熱する。そして、KOH水溶液を用い第1のシリコンウェハでボロン拡散シリコン領域を残しシリコンを除去する。次いで、ボロン拡散シリコン領域の上に3μmの厚さでCVD法でp型多結晶シリコン(poly−Si)を形成し、しかる後、60μm×200μmの領域の多結晶シリコン(poly−Si)をKOH水溶液で除去する。残った領域の多結晶シリコン(poly−Si)の表面を研磨し平滑にし、接合スペーサ層(poly−Si接合スペーサ層)63を形成する。 The surface emitting laser element of Example 1 is manufactured as follows. That is, first, a drive base is manufactured. As in the example described above, the driving substrate is first made 1 × 10 20 / cm 3 by solid phase diffusion to a depth of 2 μm from the surface of the first silicon wafer (not shown in FIGS. 13 to 15). Diffuse the concentration of boron. Further, a thermal oxide film (SiO 2 thermal oxide film) 62 having a thickness of 1 μm is formed on the surface of the second silicon wafer support substrate 61. Then, the first silicon wafer and the second silicon wafer support substrate 61 are directly bonded in the atmosphere between the surface of the boron diffusion silicon region and the surface of the thermal oxide film 62. Then, it is heated to 1100 ° C. Then, using a KOH aqueous solution, the silicon is removed while leaving the boron diffusion silicon region on the first silicon wafer. Next, p-type polycrystalline silicon (poly-Si) is formed on the boron diffusion silicon region by a CVD method at a thickness of 3 μm, and then polycrystalline silicon (poly-Si) in a region of 60 μm × 200 μm is KOH. Remove with aqueous solution. The surface of polycrystalline silicon (poly-Si) in the remaining region is polished and smoothed to form a bonding spacer layer (poly-Si bonding spacer layer) 63.

次に、CFを用いたドライエッチングにより60μm×200μmのボロン拡散シリコン領域の中央の30μm×200μmの領域を残すようにエッチングし、ボロン拡散シリコン領域の両持ち梁をたわみ膜(ひずみ膜)64として形成する。そして、この梁(たわみ膜)64の中央に20μm×20μmの広さのZrO/SiOの7ペアからなる第1のミラー層65をEB蒸着法により形成する。このようにして、駆動基体を作製できる。 Next, etching is performed by dry etching using CF 4 so as to leave a region of 30 μm × 200 μm at the center of the boron-diffused silicon region of 60 μm × 200 μm, and the double-supported beam of the boron-diffused silicon region is bent (strained film) 64. Form as. Then, a first mirror layer 65 composed of 7 pairs of ZrO 2 / SiO 2 having a width of 20 μm × 20 μm is formed at the center of the beam (flexible film) 64 by EB vapor deposition. In this way, a drive base can be produced.

次いで、面発光レーザ下部基体を作製する。すなわち、先ず、MOCVD法により、n−GaAs(100)基板66上に、n−AlAs/n−GaAsの25ペアからなる第2のミラー層67、第1のGaAsスペーサ層68、3層のGaInAsと2層のGaAsからなる多重量子井戸活性層69、第2のGaAsスペーサ層70、p−GaAs電流注入層71を形成する。次いで、プロトン注入により電流狭窄構造72を作製する。このようにして、面発光レーザ下部基体を作製する。 Next, a surface emitting laser lower substrate is fabricated. That is, first, a second mirror layer 67 composed of 25 pairs of n-AlAs / n-GaAs, a first GaAs spacer layer 68, and three layers of GaInAs are formed on an n-GaAs (100) substrate 66 by MOCVD. And a multi-quantum well active layer 69 composed of two layers of GaAs, a second GaAs spacer layer 70, and a p + -GaAs current injection layer 71. Next, a current confinement structure 72 is produced by proton injection. In this way, a surface emitting laser lower substrate is produced.

次いで、このように作製した駆動基体と面発光レーザ下部基体とを、発振光が通る部分と第1のミラー層65の位置とを整合させ、大気中で直接接合する。しかる後、200℃に加温する。次に、この試料をHF液に入れボロン拡散シリコン領域の両持ち梁周辺と下のSiO酸化膜を除去する。 Next, the drive substrate and the surface emitting laser lower substrate manufactured in this way are directly bonded in the atmosphere with the portion through which the oscillation light passes and the position of the first mirror layer 65 aligned. Then, heat to 200 ° C. Next, this sample is put in HF solution, and the periphery of the both ends of the boron diffusion silicon region and the underlying SiO 2 oxide film are removed.

次いで、駆動基体の変位制御電極(図示せず)を、第2のシリコンウェハ支持基板61の裏面に設ける。また、面発光レーザ素子の駆動電極(n側駆動電極)73を、n−GaAs基板66の裏面に形成する。また、p型多結晶シリコン(poly−Si)膜の接合領域の外周の一部に変位制御とレーザ駆動を兼ねる接地電極74を設ける。   Next, a displacement control electrode (not shown) of the drive base is provided on the back surface of the second silicon wafer support substrate 61. Further, a drive electrode (n-side drive electrode) 73 of the surface emitting laser element is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 66. Further, a ground electrode 74 serving both as displacement control and laser driving is provided on a part of the outer periphery of the junction region of the p-type polycrystalline silicon (poly-Si) film.

この実施例1では、第1のミラー層65とp−電流注入層71との間の空隙の長さは、0.450μmである。そして、ボロン拡散シリコン領域の両持ち梁(たわみ膜)64と第2のシリコンウェハ支持基板61との間に0〜8Vの電圧を印加すると、発振波長は、1.05〜1.22μmに変化する。発振光スペクトルは単一ピークである。 In Example 1, the length of the gap between the first mirror layer 65 and the p + -current injection layer 71 is 0.450 μm. When a voltage of 0 to 8 V is applied between the both-end supported beam (flexible film) 64 in the boron diffusion silicon region and the second silicon wafer support substrate 61, the oscillation wavelength changes from 1.05 to 1.22 μm. To do. The oscillation light spectrum has a single peak.

実施例1の面発光レーザ素子では、2つのミラー層65,67間にたわみ膜64を含まないので、極短の共振器構造が可能になり、また、単一共振モードの発光を得ることができる。また、駆動基体と面発光レーザ下部基体とを直接接合することにより、容易に精度良く第1のミラー層65と面発光レーザ下部基体との空隙を所定の間隔を有するように形成できる。また、シリコンとシリコンとの間、及び、シリコンと酸化ケイ素は直接接合ができるので、容易に精度よく駆動基体を形成できる。また、第1のミラー層65がたわみ膜(ひずみ膜)64と強固に接着されるので、たわみ(ひずみ)に対して耐久性の高いミラー層65が得られる。また、GaInAs系面発光レーザ素子は、温度が変化してもレーザ特性の変化が小さいので、さらに波長制御が容易になる。   In the surface emitting laser element of Example 1, since the flexible film 64 is not included between the two mirror layers 65 and 67, an extremely short resonator structure is possible, and light emission in a single resonance mode can be obtained. it can. Further, by directly bonding the driving substrate and the surface emitting laser lower substrate, the gap between the first mirror layer 65 and the surface emitting laser lower substrate can be easily formed with a predetermined interval. In addition, since the silicon and silicon oxide and silicon and silicon oxide can be directly bonded, the driving base can be easily formed with high accuracy. Further, since the first mirror layer 65 is firmly bonded to the flexure film (strain film) 64, the mirror layer 65 having high durability against the flexure (strain) can be obtained. In addition, since the GaInAs surface emitting laser element has a small change in laser characteristics even when the temperature changes, wavelength control is further facilitated.

実施例2
図16は実施例2の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。実施例2の面発光レーザ素子は、次のように作製される。すなわち、先ず、駆動基体を作製する。駆動基体は、前述した例のように、先ず、第1のシリコンウェハ(図16には図示せず)の表面から2μmの深さに固相拡散により1×1020/cmの濃度のボロンを拡散させる。また、第2のシリコンウェハ支持基板81の表面に厚さ1μmの熱酸化膜(SiO熱酸化膜)82を形成する。そして、第1のシリコンウェハと第2のシリコンウェハ支持基板81とをボロン拡散シリコン領域の面と熱酸化膜82の面とで大気中において直接接合させる。しかる後、1100℃に加熱する。そして、KOH水溶液を用い第1のシリコンウェハでボロン拡散シリコン領域を残しシリコンを除去する。
Example 2
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of the surface emitting laser element according to the second embodiment. The surface emitting laser element of Example 2 is manufactured as follows. That is, first, a drive base is manufactured. As in the example described above, the driving substrate is first boron having a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 by solid phase diffusion to a depth of 2 μm from the surface of the first silicon wafer (not shown in FIG. 16). To diffuse. Further, a thermal oxide film (SiO 2 thermal oxide film) 82 having a thickness of 1 μm is formed on the surface of the second silicon wafer support substrate 81. Then, the first silicon wafer and the second silicon wafer support substrate 81 are directly bonded in the atmosphere between the surface of the boron diffusion silicon region and the surface of the thermal oxide film 82. Then, it is heated to 1100 ° C. Then, using a KOH aqueous solution, the silicon is removed while leaving the boron diffusion silicon region on the first silicon wafer.

次に、CFを用いたドライエッチングにより60μm×200μmのボロン拡散シリコン領域の中に30μm×120μmの片持ち梁(たわみ膜)84を形成する。そして、ボロン拡散シリコン領域の表面を研磨し平滑にする。このようにして、駆動基体を作製できる。 Next, a 30 μm × 120 μm cantilever (flexible film) 84 is formed in a boron diffused silicon region of 60 μm × 200 μm by dry etching using CF 4 . Then, the surface of the boron diffusion silicon region is polished and smoothed. In this way, a drive base can be produced.

次いで、面発光レーザ下部基体を作製する。すなわち、先ず、MOCVD法により、n−GaAs(100)基板85上に、n−AlAs/n−GaAsの25ペアからなる第2のミラー層86、第1のGaAsスペーサ層87、3層のGaInNAsと2層のGaAsからなる多重量子井戸活性層88、第2のGaAsスペーサ層89、p−GaAs電流注入層90、p−AlAs犠牲層91、p−AlGaAs/p−GaAsの18ペアからなる第1のミラー層92を形成する。次に、この積層膜の60μm×200μmの領域をレーザ発振部がポスト形状に残るように、また、p−電流注入層90に達するようにドライエッチングする。次に、プロトン注入により電流狭窄構造93を作製する。このようにして、面発光レーザ下部基体を作製する。 Next, a surface emitting laser lower substrate is fabricated. That is, first, a second mirror layer 86 composed of 25 pairs of n-AlAs / n-GaAs, a first GaAs spacer layer 87, and three GaInNAs layers are formed on an n-GaAs (100) substrate 85 by MOCVD. And a multi-quantum well active layer 88 made of two layers of GaAs, a second GaAs spacer layer 89, a p + -GaAs current injection layer 90, a p-AlAs sacrificial layer 91, and 18 pairs of p-AlGaAs / p-GaAs. A first mirror layer 92 is formed. Next, dry etching is performed so that the region of 60 μm × 200 μm of the laminated film remains in the post shape and reaches the p + -current injection layer 90. Next, the current confinement structure 93 is produced by proton injection. In this way, a surface emitting laser lower substrate is produced.

次いで、このようにして作製した駆動基体と面発光レーザ下部基体とを、ポスト形状の積層膜と片持ち梁(たわみ膜)84の先端付近の位置とを整合させ、大気中で直接接合する。しかる後、400℃に加温する。次に、この試料をHF液に入れ、p−AlAs犠牲層91とボロン拡散シリコン領域の片持ち梁周辺と下のSiO酸化膜を除去する。なお、このとき接合部のp−AlAs層も20μmほど内部にエッチングされるが、レーザ特性に大きな影響はない。 Next, the drive substrate and the surface emitting laser lower substrate thus manufactured are directly joined in the atmosphere with the post-shaped laminated film and the position near the tip of the cantilever (flexible film) 84 aligned. Then, heat to 400 ° C. Next, this sample is put in HF solution, and the p-AlAs sacrificial layer 91 and the periphery of the boron diffusion silicon region in the cantilever and the underlying SiO 2 oxide film are removed. At this time, the p-AlAs layer at the junction is also etched to the inside by about 20 μm, but the laser characteristics are not greatly affected.

次いで、駆動基体の変位制御電極(図示せず)を、第2のシリコンウェハ支持基板81の裏面に設ける。また、面発光レーザ素子の駆動電極(n側駆動電極)94を、n−GaAs基板85の裏面に形成する。また、ボロン拡散シリコン領域の接合領域の外周の一部に変位制御用とレーザ駆動用の接地電極を設ける。   Next, a displacement control electrode (not shown) of the drive base is provided on the back surface of the second silicon wafer support substrate 81. Further, a drive electrode (n-side drive electrode) 94 of the surface emitting laser element is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 85. Further, a ground electrode for displacement control and laser driving is provided on a part of the outer periphery of the bonding region of the boron diffusion silicon region.

この実施例2では、第1のミラー層92とp−GaAs電流注入層90との間の空隙の長さは、0.4μmである。そして、ボロン拡散シリコン領域の片持ち梁(たわみ膜)84と第2のシリコンウェハ支持基板81との間に0〜4Vの電圧を印加すると、発振波長は、1.15〜1.30μmに変化する。発振光スペクトルは単一ピークである。 In Example 2, the length of the gap between the first mirror layer 92 and the p + -GaAs current injection layer 90 is 0.4 μm. When a voltage of 0 to 4 V is applied between the cantilever (flexible film) 84 in the boron diffusion silicon region and the second silicon wafer support substrate 81, the oscillation wavelength changes to 1.15 to 1.30 μm. To do. The oscillation light spectrum has a single peak.

実施例2の面発光レーザ素子では、2つのミラー層92,86間にたわみ膜84を含まないので、極短の共振器構造が可能になり、また、単一共振モードの発光を得ることができる。また、駆動基体と面発光レーザ下部基体とを直接接合することにより、容易に精度良く第1のミラー層92と面発光レーザ下部基体との空隙を所定の間隔を有するように形成できる。また、第1のミラー層92を含め面発光レーザ下部基体を駆動基体と接合した後で犠牲層91を除去するので、積層膜表面と第1のミラー層92表面との間の空隙の間隔をより精密に設定できる。よって、面発光レーザ素子の製造がより容易になる。また、シリコンとシリコンは直接接合ができるので、容易に精度良く駆動基体部を形成できる。また、GaInNAs系面発光レーザは、温度が変化してもレーザ特性の変化が小さいので、さらに波長制御が容易になる。   In the surface emitting laser element of Example 2, since the flexible film 84 is not included between the two mirror layers 92 and 86, an extremely short resonator structure is possible, and light emission in a single resonance mode can be obtained. it can. Further, by directly bonding the driving substrate and the surface emitting laser lower substrate, the gap between the first mirror layer 92 and the surface emitting laser lower substrate can be easily formed with a predetermined interval. In addition, since the sacrificial layer 91 is removed after the surface emitting laser lower substrate including the first mirror layer 92 is bonded to the driving substrate, the gap between the surface of the laminated film and the surface of the first mirror layer 92 is reduced. It can be set more precisely. Therefore, it becomes easier to manufacture the surface emitting laser element. Further, since silicon and silicon can be directly bonded, the drive base portion can be easily formed with high accuracy. In addition, since the GaInNAs-based surface emitting laser has a small change in laser characteristics even when the temperature changes, wavelength control is further facilitated.

実施例3
図17は実施例3の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。実施例3の面発光レーザ素子は、次のように作製される。すなわち、先ず、駆動基体を作製する。駆動基体は、前述した例のように、先ず、厚さ250μmの第2のシリコンウェハ支持基板101の表面に60μm×200μmの領域を深さ3μmまでCFでドライエッチングし凹部を形成する。エッチングされた凹部底面に、プラズマCVD法によりSiN絶縁膜102、スパッタリング法によりTi変位制御用導電膜103を形成し、これらの膜102,103の中央を円形にClを用いるドライエッチングで除去する。次に、第2のシリコンウェハ支持基板101の表面にホウ珪酸ガラス105をEB蒸着で成膜し、研磨によりホウ珪酸ガラス105を凸部から1μmまで除去する。
Example 3
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of the surface emitting laser element according to the third embodiment. The surface emitting laser element of Example 3 is manufactured as follows. That is, first, a drive base is manufactured. Drive substrate, as in the example described above, first, to form a recess by dry etching with CF 4 to the second silicon wafer depth 3μm an area of 60 [mu] m × 200 [mu] m on the surface of the supporting substrate 101 having a thickness of 250 [mu] m. A SiN insulating film 102 is formed on the etched bottom surface of the recess by plasma CVD, and a Ti displacement control conductive film 103 is formed by sputtering, and the center of these films 102 and 103 is removed by dry etching using Cl 2 in a circle. . Next, a borosilicate glass 105 is formed on the surface of the second silicon wafer support substrate 101 by EB vapor deposition, and the borosilicate glass 105 is removed from the convex portion to 1 μm by polishing.

また、第1のシリコンウェハ(図17には図示せず)の表面から2μmの深さに固相拡散により1×1020/cmの濃度のボロンを拡散させる。そして、第2のシリコンウェハ支持基板101と第1のシリコンウェハとをホウ珪酸ガラス105の面とボロン拡散シリコン領域の面とを合わせて400℃で陽極接合する。次いで、KOH水溶液を用い第1のシリコンウェハでボロン拡散シリコン領域を残しシリコンを除去する。 Further, boron having a concentration of 1 × 10 20 / cm 3 is diffused by solid phase diffusion to a depth of 2 μm from the surface of the first silicon wafer (not shown in FIG. 17). Then, the second silicon wafer supporting substrate 101 and the first silicon wafer are anodically bonded at 400 ° C. with the surface of the borosilicate glass 105 and the surface of the boron diffusion silicon region. Next, using a KOH aqueous solution, the silicon is removed while leaving the boron diffusion silicon region on the first silicon wafer.

次に、CFを用いたドライエッチングにより60μm×200μmのボロン拡散シリコン領域の中に30μm×120μmの片持ち梁(たわみ膜)104を形成する。そして、ボロン拡散シリコン領域の表面を研磨し平滑にする。このようにして、駆動基体を作製できる。 Next, a 30 μm × 120 μm cantilever (flexible film) 104 is formed in a boron diffused silicon region of 60 μm × 200 μm by dry etching using CF 4 . Then, the surface of the boron diffusion silicon region is polished and smoothed. In this way, a drive base can be produced.

面発光レーザ下部基体の作製工程については、実施例2と同様に行ない、後の工程も実施例2と同様に行なって、面発光レーザ素子を作製する。なお、図17において、面発光レーザ下部基体の各部分については、図16と同じ符号を付している。   The manufacturing process of the surface emitting laser lower substrate is performed in the same manner as in Example 2, and the subsequent processes are also performed in the same manner as in Example 2 to manufacture the surface emitting laser element. In FIG. 17, the same reference numerals as those in FIG. 16 are assigned to the respective portions of the surface emitting laser lower substrate.

このようにして作製した実施例3の面発光レーザ素子において、ボロン拡散シリコン領域の片持ち梁(たわみ膜)104とTi変位制御導電膜103との間に0〜4Vの電圧を印加すると、発振波長は、1.15〜1.30μmに変化する。発振光スペクトルは単一ピークである。   In the surface-emitting laser device of Example 3 manufactured in this way, when a voltage of 0 to 4 V is applied between the cantilever (flexible film) 104 in the boron diffusion silicon region and the Ti displacement control conductive film 103, oscillation occurs. The wavelength changes from 1.15 to 1.30 μm. The oscillation light spectrum has a single peak.

実施例3の面発光レーザ素子では、2つのミラー層92,86間にたわみ膜104を含まないので、極短の共振器構造が可能になり、また、単一共振モードの発光を得ることができる。また、駆動基体と面発光レーザ下部基体とを陽極接合することにより、容易に精度良く第1のミラー層92と面発光レーザ下部基体との空隙を所定の間隔を有するように形成できる。また、第1のミラー層92を含め面発光レーザ下部基体を駆動基体と接合した後で犠牲層91を除去するので、積層膜表面と第1のミラー層92表面との間の空隙の間隔をより精密に設定できる。よって、面発光レーザ素子の製造がより容易になる。また、シリコンとシリコンとの間、及び、シリコンと酸化ケイ素は、直接接合ができるので、容易に精度良く駆動基体部を形成できる。また、GaInNAs系面発光レーザ素子は温度が変化してもレーザ特性の変化が小さいので、さらに波長制御が容易になる。また、実施例3では、静電力を発生する導電性領域間の静電容量を小さくでき、高速の変位制御が可能になる。また、各面発光レーザ素子ごとに個別に変位制御電圧を印加できることにより、素子のアレイ化が可能になる。   In the surface emitting laser element according to the third embodiment, since the flexible film 104 is not included between the two mirror layers 92 and 86, an extremely short resonator structure is possible, and light emission in a single resonance mode can be obtained. it can. Further, by anodically bonding the driving substrate and the surface emitting laser lower substrate, the gap between the first mirror layer 92 and the surface emitting laser lower substrate can be easily formed with a predetermined interval. In addition, since the sacrificial layer 91 is removed after the surface emitting laser lower substrate including the first mirror layer 92 is bonded to the driving substrate, the gap between the surface of the laminated film and the surface of the first mirror layer 92 is reduced. It can be set more precisely. Therefore, it becomes easier to manufacture the surface emitting laser element. Further, since the silicon and silicon oxide and silicon and silicon oxide can be directly bonded, the drive base portion can be easily formed with high accuracy. In addition, since the GaInNAs surface emitting laser element has a small change in laser characteristics even when the temperature changes, wavelength control is further facilitated. Moreover, in Example 3, the electrostatic capacitance between the electroconductive area | regions which generate | occur | produces an electrostatic force can be made small, and high-speed displacement control becomes possible. In addition, since the displacement control voltage can be individually applied to each surface emitting laser element, the elements can be arrayed.

実施例4
図18は実施例4の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図18において、図17と同様の箇所には同じ符号を付している。実施例4の面発光レーザ素子は、KOH水溶液を用い第1のシリコンウェハでボロン拡散シリコン領域を残しシリコンを除去する工程の後に、第2のシリコンウェハ支持基板101の凹部を形成したのとは反対の面のレーザ光が出射する部位に、ホトマスクの厚さをかえたグラデーション法によるCFを用いたドライエッチングによりマイクロレンズ120を形成する工程を挿入する他は、実施例3と同一の工程で作製され、実施例4では、第2のシリコンウェハ支持基板101からなる駆動基体に1次元に300μmの間隔で並列に4つの面発光レーザ素子が並ぶ面発光レーザアレイを作製している。
Example 4
FIG. 18 is a diagram illustrating a configuration example of the surface emitting laser element according to the fourth embodiment. In FIG. 18, the same parts as those in FIG. In the surface emitting laser element of Example 4, the concave portion of the second silicon wafer support substrate 101 was formed after the step of removing the silicon while leaving the boron diffusion silicon region on the first silicon wafer using the KOH aqueous solution. The same process as in Example 3 except that a step of forming the microlens 120 by dry etching using CF 4 by a gradation method in which the thickness of the photomask is changed is inserted into a portion where the laser beam on the opposite surface is emitted. In Example 4, a surface-emitting laser array in which four surface-emitting laser elements are arrayed in parallel at intervals of 300 μm in a one-dimensional manner on the driving base made of the second silicon wafer support substrate 101 is manufactured.

実施例4の面発光レーザアレイでは、4つの面発光レーザ素子のボロン拡散シリコン領域の片持ち梁(たわみ膜)104とTi変位制御用導電膜103との間に0〜4Vの範囲で電圧を印加し、4つの面発光レーザ素子を、それぞれ、1.15,1.20,1.25,1.30μmの発振波長を持つように設定することができる。なお、各面発光レーザ素子の発振光スペクトルは単一ピークである。   In the surface emitting laser array of Example 4, a voltage is applied in the range of 0 to 4 V between the cantilever (flexible film) 104 in the boron diffusion silicon region of the four surface emitting laser elements and the Ti displacement control conductive film 103. When applied, the four surface emitting laser elements can be set to have oscillation wavelengths of 1.15, 1.20, 1.25, and 1.30 μm, respectively. The oscillation light spectrum of each surface emitting laser element has a single peak.

このように、実施例4の面発光レーザアレイ(面発光レーザ素子)では、2つのミラー層92,86間にたわみ膜104を含まないので、極短の共振器構造が可能になり、また、単一共振モードの発光を得ることができる。また、駆動基体と面発光レーザ下部基体とを陽極接合することにより、容易に精度良く第1のミラー層92と面発光レーザ下部基体との空隙を所定の間隔を有するように形成できる。また、第1のミラー層92を含め面発光レーザ下部基体を駆動基体と接合した後で犠牲層91を除去するので、積層膜表面と第1のミラー層92表面との間の空隙の間隔をより精密に設定できる。よって、面発光レーザ素子の製造がより容易になる。また、シリコンと酸化ケイ素は陽極接合ができるので、容易に精度良く駆動基体部を形成できる。また、GaInNAs系面発光レーザ素子は温度が変化してもレーザ特性の変化が小さいので、さらに波長制御が容易になる。また、実施例4では、各面発光レーザ素子ごとに個別に電圧制御電極を設けるので、電極の静電容量を小さくでき、高速の変位制御が可能になる。また、各面発光レーザ素子ごとに個別に変位制御電圧を印加できることにより素子のアレイ化が可能になる。また、支持基板101の表面にマイクロレンズ120を設けることにより、素子の高機能化,多機能化が容易になる。   Thus, in the surface emitting laser array (surface emitting laser element) of Example 4, since the flexible film 104 is not included between the two mirror layers 92 and 86, an extremely short resonator structure is possible, Single resonance mode light emission can be obtained. Further, by anodically bonding the driving substrate and the surface emitting laser lower substrate, the gap between the first mirror layer 92 and the surface emitting laser lower substrate can be easily formed with a predetermined interval. In addition, since the sacrificial layer 91 is removed after the surface emitting laser lower substrate including the first mirror layer 92 is bonded to the driving substrate, the gap between the surface of the laminated film and the surface of the first mirror layer 92 is reduced. It can be set more precisely. Therefore, it becomes easier to manufacture the surface emitting laser element. Further, since silicon and silicon oxide can be anodic bonded, the drive base portion can be easily formed with high accuracy. In addition, since the GaInNAs surface emitting laser element has a small change in laser characteristics even when the temperature changes, wavelength control is further facilitated. In Example 4, since the voltage control electrode is individually provided for each surface emitting laser element, the capacitance of the electrode can be reduced, and high-speed displacement control is possible. In addition, since the displacement control voltage can be individually applied to each surface emitting laser element, the elements can be arrayed. Further, by providing the microlens 120 on the surface of the support substrate 101, it becomes easy to increase the functionality and functionality of the element.

図19,図20は実施例4の面発光レーザアレイを用いた波長多重光伝送システムの構成例を示す図である。なお、図20は、図19における面発光レーザアレイの4つの面発光レーザ素子と光ファイバとの関係を示す図である。図19,図20のように、実施例4の面発光レーザアレイの4つの面発光レーザ素子からのレーザ光を、各面発光レーザ素子のマイクロレンズの先端で光ファイバ(マルチモードファイバ)と光結合させ、合波器を介して500mのシングルモードファイバに入れ波長多重伝送を行うと、1本のファイバながら2.5Gbps×4のスループットが得られる。   19 and 20 are diagrams showing a configuration example of a wavelength division multiplexing optical transmission system using the surface emitting laser array of the fourth embodiment. FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the four surface emitting laser elements of the surface emitting laser array in FIG. 19 and the optical fiber. As shown in FIGS. 19 and 20, the laser light from the four surface emitting laser elements of the surface emitting laser array of Example 4 is divided into an optical fiber (multimode fiber) and light at the tip of the microlens of each surface emitting laser element. When coupled and wavelength multiplexed using a single mode fiber of 500 m via a multiplexer, a throughput of 2.5 Gbps × 4 can be obtained with a single fiber.

本発明は、光通信システムや、コンピューター間,チップ間,チップ内の光インターコネクションや、光コンピューティングなどに利用可能である。
The present invention can be used for an optical communication system, between computers, between chips, in-chip optical interconnection, optical computing, and the like.

1 第1のミラー層
2 たわみ層
3 第1の空隙
4 支持基板
5a,5b 変位制御電極
11 半導体基板
12 第2のミラー層
14 第1のスペーサ層
15 活性層
16 第2のスペーサ層
17 電流注入層
18 犠牲層
19 第2の空隙
20 変位制御用導電膜
22 光学素子
31 第1のシリコンウェハ
32 ボロン拡散シリコン領域
33 第2のシリコンウェハ支持基板
34 熱酸化膜
35 第1のミラー層
36 面発光レーザ下部基体
41 第2のシリコンウェハ支持基板
43 第1のシリコンウェハ
44 熱酸化膜
45 第1のミラー層
46 変位制御用導電膜
47 面発光レーザ下部基体
51 パイレックス板
53 シリコンウェハ
54 ボロン拡散シリコン領域
55 変位制御用導電膜
56 第1のミラー層
57 面発光レーザ下部基体
61 第2のシリコンウェハ支持基板
62 熱酸化膜
63 接合スペーサ層
64 たわみ膜
65 第1のミラー層
66 GaAs基板
67 第2のミラー層
68 第1のスペーサ層
69 活性層
70 第2のスペーサ層
71 電流注入層
72 電流狭窄構造
73 駆動電極
74 接地電極
81 第2のシリコンウェハ支持基板
82 熱酸化膜
84 たわみ膜
92 第1のミラー層
85 GaAs基板
86 第2のミラー層
87 第1のスペーサ層
88 活性層
89 第2のスペーサ層
90 電流注入層
93 電流狭窄構造
91 犠牲層
94 駆動電極
101 第2のシリコンウェハ支持基板
102 SiN絶縁膜
103 変位制御導電膜
104 たわみ膜
120 マイクロレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st mirror layer 2 Deflection layer 3 1st space | gap 4 Support substrate 5a, 5b Displacement control electrode 11 Semiconductor substrate 12 2nd mirror layer 14 1st spacer layer 15 Active layer 16 2nd spacer layer 17 Current injection Layer 18 Sacrificial layer 19 Second gap 20 Displacement control conductive film 22 Optical element 31 First silicon wafer 32 Boron diffusion silicon region 33 Second silicon wafer support substrate 34 Thermal oxide film 35 First mirror layer 36 Surface emission Laser lower substrate 41 Second silicon wafer support substrate 43 First silicon wafer 44 Thermal oxide film 45 First mirror layer 46 Displacement control conductive film 47 Surface emitting laser lower substrate 51 Pyrex plate 53 Silicon wafer 54 Boron diffusion silicon region 55 Displacement control conductive film 56 First mirror layer 57 Surface emitting laser lower substrate 61 Second Silicon wafer support substrate 62 Thermal oxide film 63 Bonded spacer layer 64 Deflection film 65 First mirror layer 66 GaAs substrate 67 Second mirror layer 68 First spacer layer 69 Active layer 70 Second spacer layer 71 Current injection layer 72 Current confinement structure 73 Drive electrode 74 Ground electrode 81 Second silicon wafer support substrate 82 Thermal oxide film 84 Deflection film 92 First mirror layer 85 GaAs substrate 86 Second mirror layer 87 First spacer layer 88 Active layer 89 First Two spacer layers 90 Current injection layer 93 Current confinement structure 91 Sacrificial layer 94 Drive electrode 101 Second silicon wafer support substrate 102 SiN insulating film 103 Displacement control conductive film 104 Deflection film 120 Microlens

特開平10−27943号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-27943 特開平9−270556号公報JP-A-9-270556 特開平11−17285号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-17285

Claims (12)

駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層と、第1のミラー層が配置されているたわみ膜と、たわみ膜の第1のミラー層とは反対の側に第1の空隙を介して配置されている支持基板と、たわみ量を制御するためにたわみ膜と支持基板とに設けられている一対の変位制御電極とを有し、また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層とが積層されて、積層構造として形成されており、面発光レーザ下部基体と駆動基体とは、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と前記第1のミラー層の表面とが第2の空隙を有するように対向して配置されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 The driving substrate has a surface emitting laser lower substrate, and the driving substrate is opposite to the first mirror layer, the flexible film on which the first mirror layer is disposed, and the first mirror layer of the flexible film. And a pair of displacement control electrodes provided on the flexible film and the support substrate for controlling the amount of deflection, and surface emission. The laser lower base is formed by laminating a second mirror layer composed of a semiconductor multilayer mirror, a first spacer layer, an active layer, a second spacer layer, and a current injection layer on a semiconductor substrate. The surface emitting laser lower substrate and the drive substrate are opposed to each other so that the surface of the surface emitting laser lower substrate and the surface of the first mirror layer have a second gap. A surface emitting laser element characterized by being arranged as described above. 請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記たわみ膜は、シリコンまたは酸化ケイ素で形成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the flexible film is made of silicon or silicon oxide. 請求項1記載の面発光レーザ素子において、前記支持基板は、シリコンまたは酸化ケイ素ガラスで形成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the support substrate is made of silicon or silicon oxide glass. 請求項1記載の面発光レーザ素子において、第1のミラー層は、誘電体多層膜反射鏡であることを特徴とする面発光レーザ素子。 2. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the first mirror layer is a dielectric multilayer reflector. 請求項1記載の面発光レーザ素子において、たわみ膜に第1の空隙を介して対向する支持基板表面に変位制御用導電膜が設けられ、該変位制御用導電膜は、一対の変位制御電極のうちの一方の変位制御電極と電気的に接続されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 2. The surface-emitting laser element according to claim 1, wherein a displacement control conductive film is provided on the surface of the support substrate facing the flexible film with the first gap interposed therebetween, and the displacement control conductive film is formed of a pair of displacement control electrodes. A surface-emitting laser element characterized by being electrically connected to one of the displacement control electrodes. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、支持基板のたわみ膜が設けられている側とは反対の面のレーザ光の経路上に、光学素子が設けられていることを特徴とする面発光レーザ素子。 6. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein an optical element is provided on a path of laser light on a surface opposite to a side on which the flexible film of the support substrate is provided. A surface emitting laser element characterized by comprising: 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記活性層は、GaInAs系またはGaInNAs系材料で形成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 7. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the active layer is made of a GaInAs-based or GaInNAs-based material. 駆動基体と、面発光レーザ下部基体とを有し、駆動基体は、第1のミラー層と、第1のミラー層が配置されているたわみ膜と、たわみ膜の第1のミラー層とは反対の側に第1の空隙を介して配置されている支持基板と、たわみ量を制御するためにたわみ膜と支持基板とに設けられている一対の変位制御電極とを有し、また、面発光レーザ下部基体は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層とが積層されて、積層構造として形成されている面発光レーザ素子の作製方法であって、面発光レーザ下部基体の積層構造の表面と前記第1のミラー層の表面とが第2の空隙を有するように対向して配置されるように、前記面発光レーザ下部基体と前記駆動基体とを直接接合法により接続することを特徴とする面発光レーザ素子の作製方法。 The driving substrate has a surface emitting laser lower substrate, and the driving substrate is opposite to the first mirror layer, the flexible film on which the first mirror layer is disposed, and the first mirror layer of the flexible film. And a pair of displacement control electrodes provided on the flexible film and the support substrate for controlling the amount of deflection, and surface emission. The laser lower base is formed by laminating a second mirror layer composed of a semiconductor multilayer mirror, a first spacer layer, an active layer, a second spacer layer, and a current injection layer on a semiconductor substrate. A method of manufacturing a surface emitting laser element formed as a laminated structure, wherein the surface of the laminated structure of the surface emitting laser lower base and the surface of the first mirror layer are opposed to each other so as to have a second gap. The surface emitting laser lower base and the drive base The method for manufacturing a surface-emitting laser element, characterized in that to connect by preparative direct bonding method. 請求項8記載の面発光レーザ素子の作製方法において、第1のミラー層が誘電体多層膜反射鏡であり、該誘電体多層膜反射鏡を前記たわみ膜上に成膜法により形成することを特徴とする面発光レーザ素子の作製方法。 9. The method for manufacturing a surface emitting laser element according to claim 8, wherein the first mirror layer is a dielectric multilayer film reflecting mirror, and the dielectric multilayer film reflecting mirror is formed on the flexible film by a film forming method. A method for manufacturing a surface-emitting laser element, which is characterized. 半導体基板上に、少なくとも、半導体多層膜反射鏡からなる第2のミラー層と、第1のスペーサ層と、活性層と、第2のスペーサ層と、電流注入層と、第2の空隙を形成するための犠牲層と、第1のミラー層とを積層して積層構造を形成する工程と、前記積層構造を、レーザ発振部の領域と駆動基体との接合部領域とを残して、犠牲層の深さ以上までエッチングにより除去し、面発光レーザ下部基体を形成する工程と、たわみ膜上に第1の空隙を介し支持基板を配置して駆動基体を作製する工程と、前記たわみ膜表面とエッチングされずに残った前記第1のミラー層表面とを接合して、前記面発光レーザ下部基体と前記駆動基体とを接合する工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去し第2の空隙を形成する工程とを有していることを特徴とする面発光レーザ素子の作製方法。 On the semiconductor substrate, at least a second mirror layer made of a semiconductor multilayer mirror, a first spacer layer, an active layer, a second spacer layer, a current injection layer, and a second gap are formed. A step of laminating a sacrificial layer and a first mirror layer to form a laminated structure, and leaving the laminated structure in a sacrificial layer leaving a region of the laser oscillation portion and a junction region of the drive base Removing by etching to a depth equal to or greater than the depth of the surface, forming a surface emitting laser lower substrate, disposing a support substrate on the flexible film with a first gap interposed therebetween, producing a driving substrate, and the surface of the flexible film; A step of bonding the surface of the first mirror layer remaining without being etched to bond the surface emitting laser lower substrate and the driving substrate, and removing the sacrificial layer by etching to form a second gap. And having a process of The method for manufacturing a surface-emitting laser element. 同一の支持基板に、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子が複数個設けられていることを特徴とする面発光レーザアレイ。 A surface-emitting laser array, wherein a plurality of surface-emitting laser elements according to any one of claims 1 to 7 are provided on the same support substrate. 請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または請求項11記載の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする波長多重伝送システム。 A wavelength division multiplex transmission system, wherein the surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 7 or the surface-emitting laser array according to claim 11 is used.
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