JP2004296560A - 半導体レーザの製造方法および集積光回路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】今後光通信においては波長多重伝送が主流になると予想されているが、主要部品である波長フィルタは高価で低コスト化の障害になっている。他方、２次元フォトニック結晶を用いれば導波路や波長フィルタ等を容易に作製できるが、光源となる一体形成可能なレーザの実用化は未だ遠い。
【解決手段】１０１−ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２−活性部分のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１０５−ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ活性層、１０６−活性部分のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１０７−ｐ型ＧａＡｓ電極コンタクト層、１０８−ｐ側電極、１０９−ｎ側電極、１１２−反射鏡部分のＧａＡｓコア層、１１３−２次元フォトニック結晶を構成する穴（空気）、１１４−反射鏡部分のＡｌ_２Ｏ_３クラッド層により、２次元フォトニック結晶内に作製される光導波路と一体形成可能な半導体レーザを構成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザの作製方法に関し、特に２次元フォトニック結晶内に作製される光導波路と一体形成が可能な半導体レーザの作製方法に関する。また、上記半導体レーザが集積された集積光回路の作製方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のインターネット人口の爆発的増大により情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。
しかし、光通信において各々の素子の高速化には限界が見え始めており、今後は異なる波長の光を幾つも使って情報を伝送する波長多重伝送が主流になると予想されている。波長多重伝送用光モジュールにおいても、性能面での要求に加えて低コストで提供することが重要であり、特に伝送距離の短いアクセス系、ＬＡＮ系光リンクでは低コスト化が必須である。
しかし、主要部品である波長フィルタは高価で、光源の半導体レーザとほぼ同価格である。従って、低コスト化の障害になっている。
【０００３】
他方、媒質中での光の波長と同程度のサブミクロン周期の屈折率周期構造である所謂フォトニック結晶を用いれば、導波路や波長フィルタ等を容易に、従って安価に作製できる。因って、波長多重伝送用光モジュールへの適用が期待されている。
特に、２次元フォトニック結晶は、リソグラフィー技術とドライエッチング技術の適用で、導波路や波長フィルタを一度に簡単に作製できる。図５に、２次元フォトニック結晶を用いた波長多重伝送用アド／ドロップ超小型集積光回路の概念図を示す。この集積光回路は、微小共振器波長フィルタ５０１、微小共振器光変調器５０２、極微小無閾値レーザ５０３、直角曲げ導波路５０４、結合欠陥分散補償器５０５、および微小方向性結合器５０６から構成され、異なる複数の波長λ_１・・・λ_ｎ５１０が一端から入力され、次段の受光素子５２０へ出力される。
【０００４】
現在、導波路、波長フィルタ、フォトダイオードなどのパッシブデバイスに関しては、研究開発が進み設計及び作製技術がほぼ確立してきている。しかし、アクティブデバイスの電流注入型半導体レーザで２次元フォトニック結晶内に作製されるものの研究開発はあまり進んでいない。特に、２次元フォトニック結晶の面内方向に光を出射し光導波路と光結合可能なものに関しては殆ど報告がない。
【０００５】
光源となるレーザを作製する場合、光を発生させる活性領域には大きな利得が得られる直接遷移型半導体を用いる必要がある。また、２次元フォトニック結晶を用いる集積光回路では、光が導波されるコア層とその上下のクラッド層には大きな屈折率差が必要である。従って、クラッド層には通常、低屈折率の空気もしくはＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁体が使用されている。Ｈｗａｎｇ等は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌， ２０００年， ｖｏｌ． ７６， ｐｐ．２９８２−２９８４において、ＩｎＧａＡｓＰ半導体より成る２次元フォトニック結晶をコア層に、上部クラッド層を空気、下部クラッド層をＡｌ_２Ｏ_３とする構造体を光励起することにより２次元フォトニック結晶の面内方向に光を出射するレーザ発振を報告している。しかし、この構造体ではクラッド層の空気およびＳｉＯ_２が絶縁体なので、半導体の活性領域へ電流を注入できなく、電流注入型半導体レーザを実現できない。従って、このレーザは上述の２次元フォトニック結晶を用いる集積光回路に適用できない。尚、本報告のレーザは共振器が六角形でレーザの出射方向を自由に選択できない課題もある。
【０００６】
他方、Ｈａｐｐ等は、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ誌， ２００１年， ｖｏｌ． １９， ｐｐ．２７５６−２７７８において、通常の半導体レーザの反射鏡に２次元フォトニック結晶を適用する例を報告している。この場合、コア層とクラッド層の材料は共に半導体なので大きな屈折率差を実現することができない。従って、このレーザも２次元フォトニック結晶を用いる集積光回路には適用できない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
２次元フォトニック結晶内に作製される光導波路と一体形成が可能な電流注入型半導体レーザを作製するためには、光を発生させる活性部分のクラッド層には電流が流れる半導体を用いること、２次元フォトニック結晶を用いる反射鏡部分のクラッド層にはコア層と大きな屈折率差をもつ低屈折率の絶縁体を用いることが必須である。従って、光を発生させる活性部分と発生した光からレーザ光を得るための反射鏡部分を異なる材料で構成する必要がある。
【０００８】
波長多重伝送用光モジュールに向けた集積光回路を安価に作製する為には、２次元フォトニック結晶内に作製される光導波路と２次元フォトニック結晶を用いる半導体レーザの反射鏡部分とは同一材料であることが必須である。従って、光導波路のコア層、つまり半導体レーザの反射鏡部分のコア層と、活性部分のコア層とを、光結合が可能なように精密に位置合わせをする必要がある。この位置合わせは、半導体レーザのコストを増加させないように非常に簡便でなくてはならない。
【０００９】
本発明の第１の目的は、材料が異なる半導体レーザの反射鏡部分と活性部分が自己整合的に位置合わせされる方法を考案することにより、２次元フォトニック結晶中に作製された導波路と一体形成可能な半導体レーザの作製方法を提供することにある。
【００１０】
さらに、第２の目的は、波長多重伝送用光モジュールを安価に作製できる集積光回路の作製方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、クラッド層の材料をＡｌを含む半導体とし半導体レーザの反射鏡部分と活性部分を同一基板結晶上にエピタキシャル成長することで、反射鏡部分のコア層と活性部分のコア層は自己整合的に位置合わせされる。また、反射鏡部分のクラッド層のみを選択的に酸化させて低屈折率の絶縁体に変化させることにより、活性部分と反射鏡部分を異なる材料で構成することができる。よって、２次元フォトニック結晶内に作製される光導波路と一体形成が可能な電流注入型半導体レーザの作製が可能となる。上記、Ａｌを含む半導体としては、ＡｌＧａＡｓやＡｌＩｎＡｓが適用できる。特にＡｌＧａＡｓは、全Ａｌ組成でＧａＡｓ基板結晶上にエピタキシャル成長でき、Ａｌ組成を０．８以上に高くできるので選択酸化の速度が速くて好適である。本レーザは、波長多重伝送用光モジュールへの適用が期待されるので、発振波長は光通信で通常用いられる１．３μｍから１．６μｍが好ましい。上記、ＡｌＧａＡｓクラッド層との組み合わせを鑑みると、活性層の材料としてはＧａＡｓ基板結晶上にエピタキシャル成長できるＧａＩｎＮＡｓが好ましい。図６に、三角格子２次元フォトニック結晶の３周期の例を示す。白地の部分が高屈折率の半導体で、黒丸で示す部分が穴であり低屈折率の空気で満たされる。格子間隔つまり穴の間隔は０．５μｍ、穴の直径は０．４μｍである。図７には、波長１．３μｍにおける反射率と周期の関係を示す。同図に示される通り、半導体レーザの反射鏡部分の反射率は２次元フォトニック結晶の周期を変えることでを変化させることができる。活性部分をとり囲む面の反射率を設計することでレーザ発振する共振器を任意に選択できるので、レーザ光の出射する方向を自由に設定でる。従って、２次元フォトニック結晶中に作製された導波路と効率良く光結合できる。
【００１２】
上記第２の目的は、集積光回路と半導体レーザのクラッド層の材料を共にＡｌを含む半導体とし、同一基板結晶上にエピタキシャル成長することで、集積光回路のコア層および半導体レーザの反射鏡部分のコア層と活性部分のコア層は自己整合的に位置合わせされる。また、集積光回路のクラッド層および半導体レーザの反射鏡部分のクラッド層を選択的に酸化させて低屈折率の絶縁体に変化させることで、半導体レーザの活性部分とは異なる材料で構成することができる。本発明の半導体レーザの発振波長は、共振器長つまり反射鏡間の距離を１０μｍ以下とすることで単一縦モードとなるので、共振器長の変化に比例して変化する。また、レーザの活性部分に、レーザ発振用の電極の他に電流注入により屈折率を変化させる電極を設けることで、レーザの発振波長を可変させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
本実施例では、光導波路と光結合する発光波長が１．３μｍの半導体レーザを作製した。
図１に半導体レーザ部分の構造断面図を示す。１０１はｎ型ＧａＡｓ基板（ｎ＝１ｘ１０^１８ｃｍ^−３、ｄ＝３００μｍ）、１０２はｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓクラッド層（ｎ＝１ｘ１０^１８ｃｍ^−３、ｄ＝１．５μｍ）、１０３はｎ型ＧａＡｓ光ガイド層（ｎ＝５ｘ１０^１７ｃｍ^−３、ｄ＝０．１５μｍ ）、１０４は実効的に０．９５ｅＶ（波長：１．３μｍ）のバンドギャップを持つノンドープＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸活性層（ｄ＝０．０１μｍ ）、１０５はｐ型ＧａＡｓ光ガイド層（ｐ＝５ｘ１０^１７ｃｍ^−３、ｄ＝０．１５μｍ）、１０６はｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓクラッド層（ｐ＝１ｘ１０^１８ｃｍ^−３、ｄ＝１．５μｍ）、１０７はｐ型ＧａＡｓ電極コンタクト層（ｐ＝１ｘ１０^１９ｃｍ^−３、ｄ＝０．３μｍ）、１０８はｐ側電極、１０９はｎ側電極である。活性部分のコア層１１０は、ｎ型ＧａＡｓ光ガイド層１０３、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸活性層１０４、およびｐ型ＧａＡｓ光ガイド層１０５の３層で形成されている。層１０２から１０７は結晶成長により基板１０１上に形成した。尚、ｐ型ＧａＡｓ光ガイド層１０５は再成長界面１１１を経て２回に分けて結晶成長した。これは、反射鏡部分の再成長界面１１２に示されている様に、１回目の成長後に活性部分以外を約３０ ｎｍ程エッチングし、反射鏡部分のコア層１１３（ＧａＡｓ）にＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸活性層１０４を含まない様にするためであり、反射鏡部分および光結合する光導波路におけるレーザ光の吸収を防いでいる。反射鏡部分には、２回目の成長後に活性部分以外のｐ型ＧａＡｓ電極コンタクト層１０７をエッチングオフし、リソグラフ工程及びドライエッチング工程により０．５μｍの周期で直径０．４μｍの穴１１４をｎ型ＧａＡｓ基板１０１の上部まで空けて三角格子状の２次元フォトニック結晶を作製した。上記ウエハを４００℃の水蒸気中に配置して、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓクラッド層を穴１１４から距離約０．５μｍ分だけ選択酸化した。Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓは屈折率が約１．６の低屈折率Ａｌ_２Ｏ_３に変化した。これにより、反射鏡部分のクラッド層１１５は、Ａｌ_２Ｏ_３よりなる。一方、活性部分のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓクラッド層はｐ型ＧａＡｓ電極コンタクト層１０６で覆われているので極周辺部を除いて酸化されず、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓのまま残り電流を導通できる。本レーザが光結合する光導波路も、上記反射鏡部分と同じ層構造をしているのでＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓクラッド層が低屈折率Ａｌ_２Ｏ_３クラッド層に変化し、ＧａＡｓコア層に対して集積光回路に適用できる屈折率差を設けることができた。
【００１４】
図２には、本レーザと光結合する光導波路の俯瞰図を示す。本レーザの活性部分の寸法は、幅２μｍ、長さ５μｍである。活性部分は、反射鏡Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤに囲まれている。それぞれの周期は５、４、３及び３なので、反射率は９８％、９４％及び７４％である。対向する反射鏡対の中で反射率の積が最も高いもが損失が最も低くなるので、反射鏡Ａ及びＢの間で共振がおこりレーザ発振する。同図に示す様に反射鏡Ａ及びＢの間でレーザ光は定在波として存在する。反射鏡Ａ及びＢの距離つまり光共振器の長さを変えるとそれに応じて定在波の波長も変わるので、反射鏡Ａ及びＢの間の距離を設計することで発振波長を設定できる。特に、反射鏡Ａ及びＢの間の距離が１０μｍ以下の場合、縦モードが単一となり長距離の光通信に好適である。発振しているレーザ光は、反射率が低い反射鏡Ｂから出射される。レーザ部分と光導波路部分の中心軸は、同一のリソグラフ工程及びドライエッチング工程により作製されるので特段の位置合わせは不要である。
【００１５】
本レーザの閾電流は１００μＡであり、１０ ｍＡの動作電流において導波路端から１ ｍＷの出力が得られた。発振波長は、１３１０ ｎｍであった。
【００１６】
尚、本発明では、所望の特性を満たせば、材料が本実施例のものに限定されるものではない。例えば、基板結晶にＩｎＰ、結晶成長されるクラッド層にＡｌＩｎＡｓ、活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いても良い。
［実施例２］
本実施例では、２次元フォトニック結晶を用いる集積光回路で電流注入型レーザを集積するものを作製した。
【００１７】
図３は、集積光回路の俯瞰図を示す。本光回路には、２次元フォトニック結晶３０１の中に上記レーザ３０２が４個集積され、各々が導波路３０３に光結合され、１つの導波路に合さる。レーザの発振波長は、それぞれ、１２８０ ｎｍ， １２９０ ｎｍ， １３００ ｎｍ， １３１０ ｎｍである。
【００１８】
次に、レーザ３０２について説明する。断面構造および作製方法は第１実施例とほぼ同様である。図４に本レーザの俯瞰図を示す。本レーザの活性部分の寸法は、幅３μｍ、長さ５０μｍである。活性部分の上部にレーザ発振用の電極４０１（長さ：３０μｍ）の他に発振波長を変化させる電極４０２（長さ：２０μｍ）を設けた。電極４０２の下に位置する活性部分は電流注入を変化させることにより屈折率が変化するので、実効的に共振器長が変化し発振波長を可変させることができる。従って、本集積光回路は、波長多重光伝送システム用光モジュールに適用できる。
【００１９】
本発明による集積光回路は小型で部品点数が少なくでる。また、素子作製時の歩留まりも高く、大幅な低コスト化を達成できた。さらに、集積光回路は、消費電力が低く発熱も少ないので、従来の光集積光回路と比較してより長時間に渡って安定な特性を提供することができた。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、２次元フォトニック結晶の面内方向に光を出射する電流注入型半導体レーザを作製できるので、２次元フォトニック結晶中に作製された導波路と一体形成可能になる。このレーザを２次元フォトニック結晶を用いた集積光回路内に複数作製し、光結合する導波路を互いに合流させることで、波長多重伝送用光モジュール、及び、波長多重光伝送システムを安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１のレーザ素子の断面図。
【図２】図２は、実施例１のレーザ素子の俯瞰図。
【図３】図３は、実施例２の集積光回路の俯瞰図。
【図４】図４は、実施例２のレーザ素子の俯瞰図。
【図５】図５は、２次元フォトニック結晶を用いた波長多重伝送用アド／ドロップ超小型集積光回路の概念図。
【図６】図６は、三角格子２次元フォトニック結晶の３周期の例。
【図７】図７は、波長１．３μｍにおける反射率と周期の関係。
【符号の説明】
１０１−ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２−活性部分のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１０−ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ活性（コア）層、１０６−活性部分のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１０７−ｐ型ＧａＡｓ電極コンタクト層、１０８−ｐ側電極、１０９−ｎ側電極、１１３−反射鏡部分のＧａＡｓコア層、１１４−２次元フォトニック結晶を構成する穴（空気）、１１５−反射鏡部分のＡｌ_２Ｏ_３クラッド層。

Claims (10)

1. 光を発生する活性部分と発生した光からレーザ光を得る為の１組以上の反射鏡部分を有する電流注入型半導体レーザであり、活性部分のクラッド層が半導体であり、反射鏡部分に所定の周期で配列することにより形成された屈折率周期構造を有する所謂２次元フォトニック結晶を有する半導体レーザの作製方法において、反射鏡部分と活性部分が同一基板結晶上にエピタキシャル成長され、エピタキシャル成長時のクラッド層の材料が同一のＡｌを含む半導体であり、反射鏡部分のクラッド層の少なくとも一部を選択酸化することにより絶縁体に変化させることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体レーザの作製方法において、前記Ａｌを含む半導体がＡｌＧａＡｓであることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体レーザの作製方法において、前記活性部分の少なくとも一部がＧａＩｎＮＡｓであることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
4. 請求項１に記載の半導体レーザの作製方法において、上記反射鏡間の距離が１０μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
5. 請求項１に記載の半導体レーザの作製方法において、上記反射鏡部分における屈折率周期構造の周期数が異なっていることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
6. 所定の周期で配列することにより形成された屈折率周期構造を有する所謂２次元フォトニック結晶内に形成された光導波路と光源の半導体レーザとが少なくとも集積された集積光回路の作製方法において、上記半導体レーザが光を発生する活性部分と発生した光からレーザ光を得る為の１組以上の反射鏡部分を有する電流注入型半導体レーザであり、活性部分のクラッド層が半導体であり、反射鏡部分に２次元フォトニック結晶を有する半導体レーザであり、光導波路と半導体レーザが同一基板結晶上にエピタキシャル成長され、エピタキシャル成長時のクラッド層の材料が同一のＡｌを含む半導体であり、光導波路のクラッド層およびレーザの反射鏡部分のクッド層の少なくとも一部を選択酸化することにより絶縁体に変化させることを特徴とする集積光回路の製造方法。
7. 請求項６に記載の集積光回路の作製方法において、前記Ａｌを含む半導体がＡｌＧａＡｓであることを特徴とする集積光回路の製造方法。
8. 請求項６に記載の集積光回路の作製方法において、前記半導体レーザの活性部分の少なくとも一部がＧａＩｎＮＡｓであることを特徴とする集積光回路の製造方法。
9. 請求項６に記載の集積光回路の作製方法において、上記レーザの反射鏡間の距離が１０μｍ以下であることを特徴とする集積光回路の作製方法。
10. 請求項６に記載の集積光回路の作製方法において、上記レーザの反射鏡部分における屈折率周期構造の周期数が異なっていることを特徴とする集積光回路の製造方法。

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