JP2010045385A - 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 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】 図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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１の面発光レーザ素子の作製工程例を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 実施例１の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。 実施例１の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。 実施例１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の構成例を示す図である。 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４の面発光レーザ素子の構成例を示す図である。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２／ＳｉＯ_２，ＭｇＯ／ＳｉＯ_２，ＭｇＯ／Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＦ_２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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、面発光レーザ下部基体は、活性層１５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。

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。

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。

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。

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。

具体的に、たわみ膜２上に、第１のミラー層１として、ＺｒＯ_２／ＳｉＯ_２，ＭｇＯ／ＳｉＯ_２，ＭｇＯ／Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＦ_２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。

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））。

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））。

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））。

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。

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_２は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＡｌＦ_３，ＳｒＦ_２，Ｓｉ，ＳｉＮ，ＳｉＯＮと比較してエッチング速度が格段に大きい。ＡｌＡｓ，ＳｉＯ_２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_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２，ＡｌＦ_３，ＳｒＦ_２，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。

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。

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。

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_２，Ｔａ_２Ｏ_５，Ａｌ_２Ｏ_３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_２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_２Ｏ_３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。

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_２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））。

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））。

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））。

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。

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_２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_２熱酸化膜４４の面とで、直接接合させる（図５（ａ））。

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_２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））。

しかる後、ＳｉＯ_２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））。

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。

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））。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、本発明の実施例について説明する。

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。

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１×１０^２０／ｃｍ^３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_２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。

次に、ＣＦ_４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_２／ＳｉＯ_２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。

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。

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_２酸化膜を除去する。

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。

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。

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。

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１×１０^２０／ｃｍ^３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_２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。

次に、ＣＦ_４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。

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。

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_２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。

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。

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。

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。

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_４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_２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。

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１×１０^２０／ｃｍ^３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。

次に、ＣＦ_４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。

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。

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。

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。

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_４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。

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。

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。

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。

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。

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

特開平１０−２７９４３号公報 特開平９−２７０５５６号公報 特開平１１−１７２８５号公報

Claims (12)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。

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