JP2002289969A

JP2002289969A - 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

Info

Publication number: JP2002289969A
Application number: JP2001090154A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ito; 彰浩伊藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-04
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP4437376B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】第４の方法を用いた従来例として、特開平
１０−２７９４３号（以下、従来技術１と称す）、特開
平９−２７０５５６号（以下、従来技術２と称す）、特
開平１１−１７２８５号（以下、従来技術３と称す）が
知られている。

【０００７】従来技術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。

【０００８】しかしながら、この従来技術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。

【０００９】また、従来技術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。

【００１０】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。

【００１１】また、従来技術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。

【００１２】しかしながら、従来技術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。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００１４】

【課題を解決するための手段】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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ＧａＩｎ
ＮＡｓ系材料で形成されていることを特徴としている。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】

【発明の実施の形態】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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、
ＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂，ＭｇＯ／ＳｉＯ₂，ＭｇＯ／Ｓｉ，
Ａｌ₂Ｏ₃／ＭｇＦ₂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，ＡｌＧ
ａＡｓ／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，Ｐ
ｔ，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。

【００３２】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，Ｓ
ｉ，Ｇｅなどを用いることができる。

【００３３】また、活性層１５は、ＧａＩｎＡｓ系また
はＧａＩｎＮＡｓ系材料で形成されている。

【００３４】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。

【００３５】これに対し、ＧａＩｎＡｓ系またはＧａＩ
ｎＮＡｓ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、ＧａＩｎＡ
ｓ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（Ｇ
ａ）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。

【００３６】ＧａＩｎＡｓ系またはＧａＩｎＮＡｓ系の
材料として、ＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＧａＩ
ｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧ
ａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＳｂＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮ
Ａｓ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧ
ａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＮＡｓＰ、
ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどが挙げられる。

【００３７】より具体的に、活性層１５には、ＧａＩｎ
ＡｓＰ／ＩｎＰ（１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯）、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ（１．３μｍ帯，１．５５μｍ
帯）、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ（０．９８μｍ帯）、Ｇ
ａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ（０．８５μｍ帯）、ＡｌＧａＩ
ｎＰ／ＧａＡｓ（０．６５μｍ帯）などを用いることが
できる。

【００３８】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、Ｇａ
ＩｎＡｓ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ＧａＩｎＮ
Ａｓ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。

【００３９】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，Ｇ
ａＰ，ＧａＮＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどで形成される場合
に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，Ａ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧ
ａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎ
Ａｓ／ＩｎＰなどの多層膜を用いて形成される。

【００４０】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，Ｇ
ａＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰなどから選択
される。

【００４１】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。

【００４２】また、面発光レーザ下部基体は、活性層１
５の近傍に、Ａｌ_xＯ_y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。

【００４３】なお、面発光レーザ下部基体は、ＭＯＣＶ
Ｄ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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】具体的に、たわみ膜２上に、第１のミラー
層１として、ＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂，ＭｇＯ／ＳｉＯ₂，Ｍ
ｇＯ／Ｓｉ，Ａｌ₂Ｏ₃／ＭｇＦ₂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。

【００４８】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））。

【００４９】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））。

【００５０】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））。

【００５１】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。

【００５２】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，ＳｉＯ₂は、Ｇａ
Ａｓ，ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＡｌＦ₃，Ｓ
ｒＦ₂，Ｓｉ，ＳｉＮ，ＳｉＯＮと比較してエッチング
速度が格段に大きい。ＡｌＡｓ，ＳｉＯ₂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
₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＡｌＦ₃，ＳｒＦ₂，Ｓｉ，ＳｉＮ，Ｓ
ｉＯＮ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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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，Ｍ
ｏ，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，ＳｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ
₅，Ａｌ₂Ｏ₃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。

【００５６】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。

【００５７】図１（または図２）の構成は、前述した従
来技術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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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、ＳｉＯ₂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，Ｉｎ₂Ｏ₃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。

【００６２】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ＳｉＯ₂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））。

【００６３】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））。

【００６４】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））。

【００６５】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。

【００６６】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ＳｉＯ₂
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Ｓ
ｉＯ₂熱酸化膜４４の面とで、直接接合させる（図５
（ａ））。

【００６７】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ＳｉＯ₂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））。

【００６８】しかる後、ＳｉＯ₂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））。

【００６９】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。

【００７０】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（登録商標）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））。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００８１】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。

【００８２】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／ｃｍ³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（ＳｉＯ₂
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−Ｓ
ｉ接合スペーサ層）６３を形成する。

【００８３】次に、ＣＦ₄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Ｚｒ
Ｏ₂／ＳｉＯ₂の７ペアからなる第１のミラー層６５をＥ
Ｂ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。

【００８４】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−ＧａＡ
ｓ（１００）基板６６上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡ
ｓの２５ペアからなる第２のミラー層６７、第１のＧａ
Ａｓスペーサ層６８、３層のＧａＩｎＡｓと２層のＧａ
Ａｓ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。

【００８５】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ＳｉＯ₂酸化膜を除去する。

【００８６】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。

【００８７】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、０．４５
０μｍ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。

【００８８】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、Ｇ
ａＩｎＡｓ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。

【００８９】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／ｃｍ³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（ＳｉＯ₂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、ＫＯ
Ｈ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。

【００９０】次に、ＣＦ₄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。

【００９１】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−ＧａＡ
ｓ（１００）基板８５上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡ
ｓの２５ペアからなる第２のミラー層８６、第１のＧａ
Ａｓスペーサ層８７、３層のＧａＩｎＮＡｓと２層のＧ
ａＡｓからなる多重量子井戸活性層８８、第２のＧａＡ
ｓスペーサ層８９、ｐ⁺−ＧａＡｓ電流注入層９０、ｐ
−ＡｌＡｓ犠牲層９１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡ
ｓ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。

【００９２】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ＳｉＯ₂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。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】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ＣＦ₄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Ｃｌ₂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１０
５をＥＢ蒸着で成膜し、研磨によりホウ珪酸ガラス１０
５を凸部から１μｍまで除去する。

【００９７】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／ｃｍ³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。

【００９８】次に、ＣＦ₄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）１０
４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。

【００９９】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。

【０１００】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、１．１
５〜１．３０μｍに変化する。発振光スペクトルは単一
ピークである。

【０１０１】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、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ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。

【０１０２】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ＣＦ₄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。

【０１０３】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、１．１５，１．２０，１．２
５，１．３０μｍ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。

【０１０４】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９２，８
６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、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ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。

【０１０５】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。

【０１０６】

【発明の効果】以上に説明したように、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。

【０１０７】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。

【０１０８】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。

【０１０９】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。

【０１１０】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。

【０１１１】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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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Ｇ
ａＩｎＮＡｓ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。

【０１１５】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。

【０１１６】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。

【０１１７】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。

【０１１８】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。

【０１１９】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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】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。

【図３】図１の面発光レーザ素子の作製工程例を示す図
である。

【図４】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。

【図５】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。

【図６】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。

【図７】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。

【図８】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。

【図９】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。

【図１０】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。

【図１１】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。

【図１２】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。

【図１３】実施例１の面発光レーザ素子の構成例を示す
図である。

【図１４】実施例１の面発光レーザ素子の構成例を示す
図である。

【図１５】実施例１の面発光レーザ素子の構成例を示す
図である。

【図１６】実施例２の面発光レーザ素子の構成例を示す
図である。

【図１７】実施例３の面発光レーザ素子の構成例を示す
図である。

【図１８】実施例４の面発光レーザ素子の構成例を示す
図である。

【図１９】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。

【図２０】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。

【符号の説明】

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６６ＧａＡｓ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８５ＧａＡｓ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１０２ＳｉＮ絶縁膜１０３変位制御導電膜１０４たわみ膜１２０マイクロレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】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。
【請求項３】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。
【請求項４】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。
【請求項５】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。
【請求項６】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。
【請求項７】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、Ｇａ
ＩｎＡｓ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。
【請求項８】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。
【請求項９】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。
【請求項１０】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。
【請求項１１】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。
【請求項１２】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。