JP2012151157A - 水平共振器垂直出射レーザとその製造方法及び受光素子、並びに水平共振器垂直出射レーザアレイ - Google Patents

水平共振器垂直出射レーザとその製造方法及び受光素子、並びに水平共振器垂直出射レーザアレイ Download PDF

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Abstract

【課題】レンズが高密度に集積されていて且つ、作製歩留まりのよい水平共振器垂直出射レーザを提供する。
【解決手段】半導体基板上に第１導電型クラッド層と活性層と第２導電型クラッド層が積層された積層構造を含み活性層で発生した光を反射もしくは共振させる共振器構造部と、半導体基板の一部に設けられ活性層からの光を導波する光導波路層と、該光を反射させ半導体基板の裏面から出射するための光導波路層に設けられた反射鏡と、半導体基板の裏面に設けられ反射鏡で反射された光を集光する集光レンズとを備え、半導体基板の裏面には集光レンズが設けられた溝部と、半導体基板のヘキカイ方向に沿って設けられたテラス状部とを有し、該テラス状部は共振器構造の下方に配置され、ヘキカイ方向を長手方向とするテラス形状を有することを特徴とする水平共振器垂直出射レーザ。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、光通信に用いられる半導体レーザ素子に関し、例えば、水平共振器垂直出射レーザ及びその製造方法、並びに受光素子に関する。
情報技術の発展に伴い、光ファイバ通信を用いたデータ伝送が急速に発展している。これまで、光ファイバ通信技術は、主として、陸上の幹線や海底光通信に代表される長距離の高速データ伝送、ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）に代表されるアクセス通信網、幹線とアクセス通信網をつなぐメトロ網に用いられてきた。近年、インターネットの普及に伴う伝送容量増大伴い、ストレージ用ネットワーク（ＳＡＮ）や局舎内の高速ネットワーク装置間をつなぐイーサネット（登録商標）（ＬＡＮ）などにも光ファイバ通信が広がっている。次世代光ＬＡＮの例として、２０１０年の６月に１００ギガビットを伝送するための１００ギガビットイーサネットの通信規格が策定された。
また、近年、幹線網で用いられるハイエンドルータの装置当りスループットは１Ｔｂｐｓに達しており、今後更なる容量拡大が予測されている。これに伴い、これら伝送装置間（数ｍ〜数百ｍ）或いは装置内（数ｃｍ〜数十ｃｍ）といった極めて近距離のデータ伝送においても大容量データを効率的に処理するために、配線の光化が有望視されている。このように光を用いてシステムの大容量化が進められる一方で、これらを用いたデータ伝送をより安価に提供するために、低コスト技術が益々重要な課題となる。
このような背景の元、信号を送受信する半導体光素子では高速性能の向上と並び、簡易・高密度実装性が重要な課題となる。この理由としては以下のように説明される。システムの高速・大容量化が進む一方で、光素子単体の高速化は物理的限界に直面しつつある。このため、従来１チャンネルの信号を用いていた伝送を複数チャンネルで行う必要が生じる。例えば、次世代の１０Ｔｂｐｓ級のルータではボード当りのスループットとして、チャンネル当り２５Ｇｂｐｓで４０チャンネルを使用し１Ｔｂｐｓを伝送する構成などが想定されている。従って、高密度且つ簡易実装性に優れる高速半導体光素子は今後の大容量システムにおいてキーデバイスの一つとなる。
このような光素子の有力な候補として、複数チャンネルをモノリシック集積したアレイ型素子が上げられる。アレイ素子では単一チャンネルの素子を独立に実装する場合と比較して実装面積や作業工数の点で有利である。また、アレイ素子の隣接素子間隔は半導体プロセスの精度で制御可能であることから、単一チャンネルを独立に実装する場合の限界を超える狭ピッチ化が可能である。ピッチ間隔の目安としては、例えば、製品化されているリボンファイバでは隣接するファイバのコア間隔は２５０μｍである。また、近年、盛んに開発されている有機物ポリマー導波路は各チャンネルのコア間隔は１２０μｍ程度以下が可能であるとされている。
また、狭ピッチ化は素子幅を縮小することと等価であるため、ウェハの単位面積当り利用効率を増大させることができる。このため、素子の量産性の観点からも有利であると言える。
この信号送信光源である半導体レーザ素子は、その共振器方向（垂直共振、水平共振）とレーザ光が出射する面（端面出射、面出射）の組み合わせ方により三種類に分類される。第１のタイプは水平共振器端面出射レーザ素子であり、第２のタイプは垂直共振器面出射レーザ素子、第３のタイプは水平共振器面出射レーザ素子である。
第１の水平共振器端面出射レーザは基板面内水平な方向に光導波路が形成されており、基板をへき開により分割した端面からレーザ光を出射するものである。このレーザ構造では共振器長を数百μｍまで長く取ることができるために、高温下においても数十ｍＷの高出力が得られる。しかし、レーザ光を受光するための光学部材を実装基板面内でレーザ素子に隣接して設置する必要があり、多チャンネルの高密度実装やモジュール全体の小型化には不向きである。
次に、第２の垂直共振器面出射レーザは、共振器を半導体基板に垂直な方向に形成した構造を持つレーザである。このため、受光部材を素子上面に設置する配置が可能であり、実装基板面内での高密度化に有利である。しかしながら、本構造の場合は、共振器長が結晶成長膜厚で決まるために非常に短く、高い光出力を得ることが本質的に困難であるという問題がある。
第３の水平共振器垂直面出射レーザは上記２つのレーザの優れた点を兼ね備えたレーザ構造であるということができる。本構造は、共振器が基板面内水平な方向に形成されており、これに、レーザ光を基板表面あるいは裏面から出射させるために４５°に傾斜した反射ミラーが集積形成された構造を持つ。
本発明はこの第３の水平共振器面出射レーザに関する。このような従来の水平共振器面発光レーザの例としては、１０乃至１００μｍの活性領域と、分布ブラッグ反射鏡と、斜めミラーを有する水平共振器型面発光レーザが、特許文献１に公開されている。また、特許文献１では、光出射面にレンズを集積した例も開示されている。
更に、レンズを集積した水平共振器垂直出射レーザの小型モジュールの構成が特許文献２に開示されている。本公知例では、レンズ及びミラー部分の形状を工夫することで、モニタＰＤとレーザの３次元的配置を可能としており、コンパクトなモジュールが可能であるとしている。第３の公知例としては、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓＰ活性層を含んだ光導波路と、光導波路の端部に４５°の角度をもって形成された反射鏡と、ＩｎＰ基板裏面上の４５°反射鏡と対向する位置に形成された円形レンズとを備えた水平共振器型面出射レーザの室温連続発振特性が非特許文献１に報告されている。
これらの文献で開示されているように特に光を基板面から出射する水平共振器垂直出射レーザでは、比較的容易に光出射面にレンズをモノリシック集積できる。素子にレンズを一体集積することで、外部レンズやこれを支持するための部材といった、部品の点数を削減することができ、加えてこれら部材を配置する面積も削減することができる。従って、光素子と受光部を繋ぐ光学系の小型化が可能であり高密度実装に好適な構造であると言える。また、レンズと光出射位置は半導体プロセスの精度で制御可能なことからアライメント精度の点でも有利である。
更に、このようなレンズ集積型の水平共振器垂直出射レーザをアレイ型とすることで簡易、且つ小型なモジュール構成が可能となり更なる高密度化が可能となる。従って、レンズを集積した狭ピッチアレイ型の水平共振器垂直出射レーザは伝送容量とコスト両方の観点において、次世代の光通信に好適な素子であると言える。
しかしながら、上記のいずれの文献にもレンズ集積型の水平共振器垂直出射レーザのアレイ化に関する記述は開示されていない。
特開２００７−５５９４号公報 特開２０１０−１４７１９７号公報
IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.3, NO.9, 1991、pp.776-778
水平共振器型垂直出射型レーザへのレンズ集積構造の例としては、特許文献１、２に開示されているようなレンズと同心円状の円形の窪み(凹部)の底部に集積した構造或いは、非特許文献１に開示されているレンズが基板面に対して突出している構造のいずれかが考えられる。しかしながら、非特許文献１に開示されている構造では、半導体プロセス中及び素子をモジュールに実装する際に突出したレンズが物に当たるなどして破損する恐れがあり素子作製、モジュール組立ての両方で歩留まりが低下するなどの課題がある。これに対して、特許文献１，２に開示されているような構造ではレンズ周辺の基板面がレンズを保護するためにこのような課題は生じない。したがって、特許文献１，２に開示されている構造がより好適である。特許文献１，２に開示されているような従来の水平共振器垂直面発光レーザの構造例を図１Ａ，Ｂを用いて説明する。以下本素子の構造を説明する。
図１Ａは、素子の光軸方向断面である。本素子はｎ型ＩｎＰ基板１００１上に形成されている。光は該基板１００１の裏面のｎ電極１００６と該基板１の表面のｐ電極１００５からＩｎＧａＡｓＰ活性層１００２に電流が注入されて発生する。発生した光は屈折率が周期的に変化する回折格子１００３が形成された導波路中を伝播する。光がこの回折格子で帰還されることでレーザ発振が起こる。本レーザは所謂分布帰還形（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザである。こうして発生したレーザ光は導波路の一端をエッチング加工することで形成された４５°反射鏡１００８で全反射し、基板裏面方向に導かれ、基板裏面の出射面に集積されたレンズ１０１０から出射される。素子はチップ化された後、図示していないがレーザサブマウント上に、ｐ電極１００５のある面を接着面としてＡｕＳｎはんだでダイボンドされる。一方、ｎ電極は５０μ径の金ワイヤ１０１２を用いて、図示していないが、グランドと接続される。尚、本例では金ワイヤを用いて実装する構造を示したが、フリップチップ実装構造でも可能である。
図１Ｂは素子の実装平面図である。このような構造を持つ水平共振器面発光レーザでは、共振器を基板面内に形成するので、共振器長を長く取ることができ、高出力可が容易である。また、基板面に垂直に光を出射するので、受光部材を素子の上面に配置することができ、高密度実装にも有利である。また、出射面に比較的容易に集積レンズを形成することが可能であるため、光受光系との高効率な光結合が可能であり、省電力化やモジュールの部品点数削減・小型化にも優れた素子といえる。
しかしながら、図１Ａから分かるように、このような特許文献１，２に開示されている構造ではレンズが集積されている凹部１０１５が基板上の他の部位よりも薄くなる。このため、高密度実装に好適な狭ピッチのアレイ型にした場合、以下に説明するような作製上の課題が生じる。
特許文献１，２に開示されている従来のレンズ集積型水平共振器垂直出射レーザでは、狭ピッチのアレイ構造とした場合、即ち各素子幅を縮小すると、隣接するレンズ間隔が小さくなり、図１Ｃに示されているようにレンズが形成されている凹部の間隔も密になる。つまり、ウェハの厚さが薄い部分が列状に且つヘキカイ方向と並行方向（図１ｃのａａ，ｂｂ，ｃｃ，ｄｄ，ｅｅ方向）に密に配置されることになる。このため、所望のヘキカイ位置であるａａでは割れずに、ｂｂ、ｃｃ、ｄｄ、ｅｅなどのウェハ厚が薄い部位に沿って割れてしまい、素子の作製歩留まりが著しく低下するという課題があった。
尚、本課題は主として、ＧａＡｓ基板及びＩｎＰ基板を用いた光デバイスに特有のものである。他の光デバイスに使用される代表的な基板として、サファイア基板を例に挙げると、この基板はその結晶的性質から、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどと比較して硬く割れにくい。このため、凹凸構造の有無に関わらず、元来結晶面を発生させるヘキカイが困難である。また、シリコンを用いるデバイスでは基板の厚さが６００μｍ程度以上とＧａＡｓやＩｎＰを用いるデバイスの１００〜２００μｍに対して厚く割れにくい。更にヘキカイによる結晶面を利用するデバイスはほとんど皆無であり、一般的にはダイシングによりチップ分割が実施されている。
これに対して、本発明での課題は、ＧａＡｓやＩｎＰ基板上にレンズを密に集積することでウェハ上に割れやすい箇所が新たに発生し、このため、結晶面を発生させたいヘキカイ位置でのヘキカイが困難になるというものである。つまり、サファイアやシリコンで発生している割れにくさの課題は元々の基板が持つ硬いという性質に起因しているものであり、構造を設けたがゆえに所定位置での割れにくさが発生している本発明での課題とは本質的に且つ構造的に異なるものである。
以上のように、本発明が解決する課題はサファイアやシリコン基板を用いるデバイスでは本質的に発生しないものであるから、本発明は主として、ＧａＡｓ或いはＩｎＰ基板を用いる光デバイスに関する。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、作製歩留まりが高く、高密度簡易実装性に優れた水平共振器面出射型レーザを提供することである。
上記目的を達成するための代表的な手段を以下に示す。
本発明の水平共振器垂直出射レーザは、半導体基板上に第１導電型クラッド層と光を発生する活性層と第２導電型クラッド層がこの順に積層された積層構造を含み活性層で発生した光を面内方向に反射もしくは共振させる共振器構造部と、半導体基板の少なくとも一部に設けられ活性層から発生した光を導波する光導波路層と、共振構造部から放射される光を反射させ半導体基板の裏面から出射するための光導波路層の一部に設けられた反射鏡と、半導体基板の裏面であって該光が出射される光出射領域に設けられ反射鏡で反射された光を集光する集光レンズとを備え、半導体基板の裏面には、その底部に集光レンズが設けられた溝部と、半導体基板のヘキカイ方向に沿って設けられたテラス状部とを有し、テラス状部は、共振器構造の形成領域を下方に延長してなる範囲内に配置され、半導体基板のヘキカイにより形成された結晶面を有する側端側に開放端を持ち、該開放端に対向する側に側壁を持ち、ヘキカイ方向を長手方向とするテラス形状を有することを特徴とする。
このような構成とすることにより、狭ピッチに配置されたレンズを有する水平共振器垂直出射レーザにおいても歩留まり良くヘキカイすることが可能である。さらに、素子幅を小さくすることができるために、面積あたりのウェハ利用効率も向上させることが可能なため、作製コストの低減も可能である。また、前記ヘキカイ位置指定領域に形成する前記溝はレンズと同時に形成することが可能であるため、新たな工程を増やすことなく、簡易に歩留まりを向上することが可能である。
本発明によれば、所望のヘキカイ位置の直下に予め溝を設け、この位置でのウェハ厚さを薄くすることによって、素子間隔の狭ピッチ化に伴い発生する列状に密に配置された凹領域よりも、前記所望のヘキカイ位置でウェハが割れやすい構造としている。このため、所望の位置でのヘキカイを容易に発生させることができ、素子の作製歩留まりを向上させることができる。更に、狭ピッチ化した場合でも歩留まりが確保できることから、面積あたりのウェハ利用効率も向上させることが可能である。
従来構造の水平共振器垂直出射型レーザの光軸方向の断面図である。 従来構造の水平共振器垂直出射型レーザの平面図である。 従来構造の狭ピッチの水平共振器垂直出射レーザの平面図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの表面鳥瞰図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの裏面鳥瞰図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す平面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザアレイの鳥瞰図である。 本発明の第２の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの表面鳥瞰図である。 本発明の第２の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの裏面鳥瞰図である。 本発明の第３の実施例である水平共振器垂直出射型レーザアレイモジュールの光軸平行方向実装断面図である。 本発明の第３の実施例である水平共振器垂直出射型レーザアレイモジュールの平面図である。 本発明の第４の実施例である面入射導波路型受光素子の表面鳥瞰図である。 本発明の第４の実施例である面入射導波路型受光素子の裏面鳥瞰図である。
以下に、図面を用いて実施例を詳細に説明する。
実施例１の水平共振器垂直出射型レーザの構造を図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ−Ｆ、図４を用いて説明する。本実施例は本発明を素子幅(レンズ間隔)が製品化されているリボンファイバのピッチと同じ値である２５０μｍの水平共振器垂直出射型レーザに適用した例である。図２Ａはレーザ素子の表面の鳥瞰図であり、図２Ｂはレーザ素子の光出射面である。尚、図２Ａ，Ｂでは単１チャンネル素子を切り出したチップを図示しているが、アレイ構造も可能である。当該実施例の水平共振器垂直出射型レーザはｎ型ＩｎＰ基板２０００上に、活性層２００１、ｐ型半導体層２００２、ｐ型コンタクト層２００４が順に積層成長され、更に図示しないが、活性層２００１の直上には回折格子層が形成されている。ｐ型半導体層２００２にはｐドープのＩｎＰが、活性層２００１には、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓの歪み量子井戸構造などが用いられ、回折格子層としてはＧａＩｎＡｓＰなどが用いられる。また、半導体埋め込み層をエッチングした反射鏡２００６を有する。この時、半導体埋め込み層には半絶縁性のＦｅドープＩｎＰを用いた。
また、ｎ型ＩｎＰ基板２０００には凹形状段差が形成され、更にその段差の底部にはｎ型ＩｎＰ基板２０００をエッチングして形成した集積レンズ２００９が集積されており、この集積レンズ２００９の表面には例えばアルミナの薄膜からなる無反射コーティングが施されている。この時、また、共振器の上部にはｐ型電極２００５が形成されている。また、ｐ型電極２００５に対向する位置のｎ型ＩｎＰ基板上にｎ型電極２００８を形成した。また、ｎ型ＩｎＰ基板のヘキカイ端面には、本発明を適用してヘキカイを行ったため、テラス２００７が形成されている。
次に、図３Ａ−Ｆを用いて、本発明を適用した水平共振器垂直出射型レーザの詳細な作製方法を説明する。図３Ａ−Ｆは、実施例１で示す水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。なお、当該断面は、図２Ａで示すＡ−Ａ間の断面である。
図３Ａ−Ｆに示すように、本実施例の波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型水平共振器面発光レーザ素子は、ストライプ状に加工された半導体のヘテロ構造が半絶縁層で埋め込まれた埋込みヘテロ型（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ）構造を有する。この例では、埋込みへテロ構造におけるストライプ状の光導波路部分の周囲は、Ｆｅ（鉄）をＩｎＰにドープした高抵抗の半絶縁層３００７で埋め込まれている。ｎ型半導体は硫黄（Ｓｕｌｆｕｒ：元素記号Ｓ）をドープし、ｐ型半導体は亜鉛（Ｚｉｎｃ：元素記号Ｚｎ）をドープするものとする。
図３Ａは、本実施例における積層構造の断面図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板３００１の上に、活性層３００２がある。図示しないが、この活性層３００２は、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたｎ側光閉じ込め層、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたｐ型光閉じ込め層の間に、アンドープなＩｎＧａＡｌＡｓで構成され、厚さ７ｎｍのウェル層ＷＬと厚さ８ｎｍのバリア層ＢＬを５周期積層した多重量子井戸構造を備えている。このような多重量子井戸構造は、レーザとして十分な特性を実現できるように設計される。活性層３００２の上には、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層３００３がクラッド層として機能するｐ型ＩｎＰで構成されたｐ型半導体層３００４に埋め込まれている。さらに、その上には、ｐ型ＩｎＰで構成されたコンタクト層３００５が配置されている。活性層３００２および回折格子層３００３の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成した。
光導波機能は活性層３００２を、これより屈折率の低いクラッド層で挟み込むことによって生じるものであり、クラッド層／活性層／クラッド層の積層構造により光導波機能が実現されるものである。しかし、具体的形態では、活性層における光閉じ込めを強化するため、量子井戸層を挟んで光閉じ込め層を設けている。当然、クラッド層の屈折率は光閉じ込め層の屈折率より低い値である。尚、本実施例ではクラッド層として機能する第１半導体層はｎ型ＩｎＰ基板３００１がこの役割を担っている。
回折格子層３００３の極性はｐ型とした。このような構造は、光の伝播方向に屈折率のみが周期的に変化するので屈折率結合型ＤＦＢレーザと呼ばれる。なお、本実施例では、回折格子３００３がＤＦＢレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、領域の一部に回折格子の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。また、本実施例では、ＤＦＢレーザで構成したが、ＤＢＲレーザでも構わない。
次に、本実施例の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造プロセスを、図３Ａ−Ｆを用いて説明する。
まず、図３Ａに示すように、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板上３００１にｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓで構成された光閉じ込め層からなるＩｎＧａＡｌＡｓで構成された活性層３００２を形成する。
次に、その上方にＩｎＧａＡｓＰで構成された回折格子層３００３を含む半導体多層体を形成する。さらに、その上方にｐ型ＩｎＰで構成されたｐ型半導体層３００４（クラッド層）を形成し、次にｐ型ＩｎＧａＡｓで構成されたコンタクト層３００５を形成する。ドーピングによるキャリア濃度はｎ型ｐ型ともに１０の１８乗ｃｍ−３にした。この多層構造を有するＩｎＰウェハ上に、二酸化珪素膜を被覆して保護マスクとする。この二酸化珪素マスクを用いて、図示していないが、コンタクト層、ｐ型クラッド層３００４、回折格子層３００３、活性層３００２、そしてｎ型ＩｎＰ基板３００１の一部までをエッチングすることにより、光導波路を形成する（図３Ｂを参照）。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。
次に、図３Ｂに示すように、埋め込み成長を行う領域に酸化シリコン膜３００６を用いて、パターニングマスクを形成した。酸化シリコン膜３００６に覆われた領域は埋め込み成長時に半導体が成長されない。従って、このパターニングマスクを用いて、任意に埋め込み層を成長する部分としない部分を作成することができる。今回、このパターニング膜は導波路層を形成しない部位を覆うように形成した。
次に、図３Ｃに示すように、本試料を結晶成長炉に搬入してＭＯＶＰＥ法を用いて６００℃にてＦｅをドープしたＩｎＰで構成された半絶縁層３００７を埋め込み成長した。このエッチング工程と埋込み層を再成長させるプロセスにより、埋込みヘテロ構造を形成した。埋込みへテロ構造は、光導波路の光進行方向の両側を、光を閉じ込め得る材料で埋め込んだ構造である。閉じ込めに用いる材料は、通例、高抵抗の材料とする。本例では、Ｆｅをドープした高抵抗のＩｎＰで構成した半絶縁層３００７を用いた。なお、この埋込み構造形成工程においては光導波路の光進行方向に対して左右両側を埋め込むと同時に、光導波路の光出射側の端も半絶縁層３００７で埋め込んだ。光導波路の先端をＩｎＰで埋め込んだ理由は、こうすることにより４５°傾斜ミラーをエッチング加工する部分がＩｎＰ材料（Ｆｅ−ＩｎＰ）だけで構成されるようにすることができて、エッチングで形成するミラーを完全に平滑に加工することが容易になるからである。
その後、図３Ｄに示すように、埋込み成長のための選択成長マスクとして用いた二酸化珪素膜３００６を除去して、エッチングマスク用の窒化珪素膜（図示せず）を形成し、４５°の傾斜角度にＦｅがドープされたＩｎＰで構成された半絶縁層３００７をエッチングし、反射鏡３００９を形成した。この傾斜エッチングには、塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、ウェハを４５°の角度に傾斜させてエッチングすることにより４５°のエッチングを実現した。なお、本実施例ではＣＡＩＢＥを用いたエッチング方法について記載したが、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）や、ウェットエッチングを用いても良い。反射鏡３００９の光軸方向断面形状は、カタカナの“れ”の字型としたが、Ｖ型でも可能であり、また、斜面のみからなる構造でも可能である。
次に、窒化珪素膜を除去した後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３００５の上部にｐ電極３００８（ｐ型電極）を蒸着した。さらに、基板裏面を１５０μｍの厚みまで研磨した後、基板裏面に窒化珪素マスク３０１０を形成した。
続いて、図３Ｅに示すように、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、直径１２５μｍ深さ３０μｍの円形状にエッチングした。この時、円柱形上の円の中心位置が、活性層３００２の延長線（α）と４５度傾斜ミラーの交差する点から直下に降ろした垂線(β)と交わるように上記窒化珪素マスク３０１０を形成している。なお円の形状は用途によって楕円形状の場合もある。また、この時、同時に図３Ｅに示すようにヘキカイ端面を形成する位置のｎ型ＩｎＰ基板にヘキカイ方向（即ち、光軸と直交する方向に）溝３０１１を形成した。この時溝３０１１の幅（光軸方向長さ）は６０μｍとし、深さは前記円柱形上と同じ３０μｍとした。
引き続いて、図３Ｆに示すように、窒化珪素マスク３０１０を除去し、ドーナツ状に掘りこんだ部分に囲まれた柱状部分９０の上部の窒化珪素マスクを除去し、ウェットエッチングを行った。これにより柱状の部分表面から食刻されて角が取れ、裏面ＩｎＰレンズ３０１２が形成された。なお、該レンズの表面は、後の工程で、無反射膜３０１３で覆われる。ビーム出射面において凸レンズが形成されているので、放射角の狭い平行性の高いビームを得ることが可能である。
次に、ｎ型ＩｎＰ基板上にレジストでパターニングを行い、ｎ型電極３０１４を蒸着した。図３Ｇにはここまでの工程で出来上がった水平共振器垂直出射レーザの光軸方向に隣接する２素子を図示している。本実施例では、図３Ｈに示すように、後にヘキカイ端面を形成する位置ｆ−ｆを共有するように素子を配置した。
次に溝３０１１に沿った、所定のヘキカイ領域ｆ−ｆでヘキカイを行い、素子が光軸直交方向に並んだバー状形成体を作製した。この時、ヘキカイに形成された端面はＩｎＰの（１００）結晶面であるようにした。この時のバー状形成体の光軸方向の断面図を図３Ｉに示す。本発明を適用したことによって、バー状形成体のヘキカイ位置のｎ型ＩｎＰ基板上には、テラス３０１５が形成されている。また、本発明を適用することによって、素子幅を２５０μｍと狭ピッチ化した構造において、ヘキカイ時にレンズを形成した凹部で割れることなく、歩留まり高くバー状形成体を作製することができた。また、ウェハの面積当り素子取得数も従来の約１．６倍程度に向上することができ、コストの低減にも効果的な素子を作製することができた。
その後、ヘキカイにより形成された結晶面に図示しないが、アモルファスシリコンとアルミナの積層構造からなる高反射膜を形成した。その後、所定のチャンネルごとにチップ化を行った。以上の工程により作製された４チャンネルアレイ型のレンズ集積水平共振器垂直出射レーザの鳥瞰図を図４に示す。
本実施例の水平共振器面発光レーザ素子は、レンズ集積の効果により、ビーム拡がり角は２°であり、レーザ裏面から１００μｍの位置で直径１２０μｍの円形なビームスポットとなる狭出射ビームを得た。以上より、高密度集積に好適な狭ピッチ且つ、ビーム広がり角の狭いアレイレーザを歩留まり良く作製することができた。
なお、本実施例ではＩｎＰ基板上に形成された波長帯１．３μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型レーザに適用した例を示したが、基板材料や活性層材料、そして発振波長はこの例に限定されるものではない。本発明は例えば１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザ等のその他の材料系にも同様に適用可能である。
また、以上においては、ＢＨ構造の実施例を示したが、本発明は、リッジ・ウェーブ・ガイド（ＲＷＧ：Ｒｉｄｇｅ Ｗａｖｅ Ｇｕｉｄｅ）型構造にも適用が可能である。
本実施例は本発明を素子幅が２５０μｍのＲＷＧ型のフリップチップ実装構造を有する１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型水平共振器面出射型レーザに適用した例である。図５Ａはレーザ素子の表面の鳥瞰図であり、図５Ｂはレーザ素子の光出射面である。当該実施例の水平共振器垂直出射型レーザはＦｅドープの半絶縁性半導体基板４０００上にｎ型半導体層４００１、活性層４００２、ｐ型半導体層４００３、コンタクト層４００４が順に積層成長され、更に図示しないが、その上に活性層４００２の直上には回折格子層が形成されている。ｎ型半導体層４００１にはｎドープＩｎＰが、ｐ型半導体層４００３にはｐドープのＩｎＰが、活性層４００２には、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓの歪み量子井戸構造などが用いられ、回折格子層としてはＧａＩｎＡｓＰなどが用いられる。また、半導体埋め込み層をエッチングした反射鏡４００９を有する。この時、素子間の電気分離層４００８を同時に形成した。本実施例はＲＷＧ型であるため、図５Ａに示すように、共振器直上のｐ型半導体層４００３が凸型のストライプ状にエッチングされたリッジ形状を有する。
このリッジ形状の上部にはｐ型電極４００５が形成されている。また、これとは別に、ｐ型半導体層４００３、及び活性層４００２をｎ型半導体層４００１に達するまで掘り込み、露出したｎ型半導体層をｎ型のコンタクト層４００７としてｎ型電極４００６を形成した。また、図５Ｂに示すように半絶縁性半導体基板４０００の裏面には、実施例１と同様なレンズを形成した。この時、実施例１と同様に、ヘキカイ位置を含む半絶縁性基板４０００上に光軸と直交する方向に溝を形成した。その後、作製した溝に沿ってヘキカイを行い形成された結晶面に実施例１と同様に、図示しないが高反射膜を形成した。尚、図５Ａ、Ｂではチップ化により単一チャンネル素子とした場合を図示しているが、もちろんアレイ構造も可能である。以上の工程により、フリップチップ実装構造のレンズ集積型、水平共振器垂直出射型レーザを狭ピッチ化（素子幅短縮）した場合においても、ヘキカイ歩留まり良く、素子を作製することができた。
ＲＷＧ型レーザでは上記リッジ形状部分を介して、活性層の共振器垂直方向断面において局所的に効率的に電流注入が可能である。また、光は電流注入された部分のみから発生するため、共振器垂直方向断面における光の閉じ込めも同時に達成される。更に、高温下において、ＢＨ構造で顕著に見られるような活性層側方部への電流リークも起こらないため、広温度範囲での動作が可能である。
本実施例は本発明を適用して作製した、アレイ型のレンズ集積水平共振器垂直出射型レーザを小型モジュールに適用した場合の構成例である。
図６Ａはモジュールの素子光軸方向に沿った断面図であり、図６Ｂはモジュールの上面図を示している。本実施例のモジュールはストリップ線路を有するパッケージ基板６００１上に、多層配線セラミック基板６００２が金バンプ６００９によって実装されており、更に多層配線セラミック基板６００３上には、レーザを駆動するための集積回路６００３及び、本発明を適用して作製したフリップチップ実装構造を有する４チャンネルのレンズ集積型の水平共振器垂直出射レーザアレイ６００４が金バンプにより電気的接続を取りながら実装されている。更に、レーザアレイ６００４の上方には支柱部材６００８によって、レンズアレイ６００６が実装されたファイバアレイコネクタ６００５が最適な光結合を有する位置に実装されている。ファイバアレイコネクタに接続されているリボンファイバ６００７のピッチ間隔は２５０μｍとした。また、これに合わせるためにレーザアレイの各チャンネル間隔も２５０μｍとした。この時、レーザアレイ６００４の光出射面に集積されているレンズは実施例１の場合と同様に、レンズと同心円をなす凹部の底部に集積されている。
また、光結合の観点から凹部の直径が２００μｍ、レンズ直径を１００μｍとした。この場合、隣接する凹部の間隔は５０μｍと極めて小さくなるが、本発明を適用することで、歩留まり良く素子を作製することができた。
また、このように作製した素子を用いることで、４チャンネル同時に高効率な光結合を実現できた。
本モジュールを用いることによって、チャンネル当り２５Ｇｂｐｓ、合計１００Ｇｂｐｓの信号を伝送することができた。以上により、本発明を適用したレーザアレイを用いることで、ルータ装置内用として好適な小型な光モジュールを作製できた。
本実施例は本発明を面入射型の導波路型フォトダイオードに適用した例である。
図７Ａは素子の表面鳥瞰図であり、図７Ｂは光入射面である。本実施例の導波路型フォトダイオードの作製方法を以下に説明する。
最初に、ｎ型ＩｎＰ基板７０００上に有機金属気相成長法を用いて、図示しないが、ＩｎＡｌＡｓから成る第一クラッド層、ＩｎＧａＡｌＡｓから成る第一コア層、及び、ＩｎＧａＡｓから成る吸収層７００１、図示しないが、ＩｎＧａＡｌＡｓから成る第二コア層、ＩｎＡｌＡｓから成る第二クラッド層、ＩｎＧａＡｓから成るコンタクト層をこの順に成長する。次に、第一クラッド層、第一コア層、吸収層、第二コア層、第二クラッド層、コンタクト層、ｎ型ＩｎＰ基板の一部までをエッチングし、長さ１００μｍ、幅１０μｍのリッジ形状を形成した。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。続いて、リッジ形状の周辺部をＦｅドープのＩｎＰから成る埋め込み半絶縁層７００３により埋め込んだ。その後、リッジ形状の先端部分前方にエッチングにより反射鏡７００６を形成した。その後、図示しないが、ＳｉＮから成る保護膜７００５をウェハ表面に形成し、リッジ形状上部の一部のＳｉＮを除去した。その後、ｐ電極７００４をリッジストライプ上に形成した。この時、実装時の傾き防止のためスタッド用のｐ電極７００２を同時に形成した。次に、ｎ型ＩｎＰ基板７０００レンズ７００９を形成した。
また、図７Ｂに示すように半絶縁性半導体基板７０００の裏面には、実施例１と同様なレンズを形成した。この時、実施例１と同様に、ヘキカイ位置を含む半絶縁性基板７０００上に光軸と直交する方向に溝を形成した。続いて、ｎ型電極７００８を形成し、最後に図示していないが、レンズ７００９上へアルミナ単層膜からなる無反射コートを施した。その後、作製した溝に沿ってヘキカイを行った。ヘキカイ後のチップには本発明を用いたことによりテラス７００７が形成されている。
尚、図７Ａ、Ｂではチップ化により単一チャンネル素子とした場合を図示しているが、もちろんアレイ構造も可能である。以上の工程により、フリップチップ実装構造のレンズ集積型、水平共振器垂直出射型レーザを狭ピッチ化（素子幅短縮）した場合においても、ヘキカイ歩留まり良く、素子を作製することができた。
以上のように作製された導波路型フォトダイオードは、ｎ型ＩｎＰ基板７０００に垂直方向にレンズ７００９を介して入射した光が反射鏡７００６により基板面内方向へ９０°光路変換され、ストライプ状の吸収層へと導かれる。以上の手順にて作製された導波路型のフォトダイオードは変換効率０．８Ｗ／Ａ、変調帯域は３０ＧＨｚであり、２５Ｇｂｐｓでの動作を達成した。
１００１,２０００,３００１,７０００…ｎ型ＩｎＰ基板、
２００１,３００２…ＩｎＧａＡｓＰ活性層、
７００１…ＩｎＧａＡｓ吸収層、
１００３,３００３…回折格子、
１００４,２００２,３００４…ｐ型ＩｎＰクラッド、
１００５,２００５,３００８,４００４,２００９,７００２,７００４…ｐ型電極、
１００６,１０１３,２００８,３０１４,４００６,２０１０,７００８…ｎ型電極、
７００５…ＳｉＮ保護膜、
１００８,２００６,３００９,４００９,７００６…反射鏡、
１０１２…金ワイヤ、
４０００…半絶縁性半導体基板、
４００１…ｎ型半導体層、
１００２、４００２…活性層、
４００３…ｐ型半導体層、
４００８…電気分離溝、
１０１０,２００９,３０１２,４０１０,７００９…集積レンズ、
２００４,３００５,４００５,４００７…コンタクト層、
３００６…酸化シリコン、
１００７,２００３,３００７,７００３…埋め込み半絶縁層、
９０…柱状部、
１０１１,３０１３…無反射膜、
３０１１…溝部、
１０１５…レンズ形成凹部、
２００７,３０１５,４０１１,７００７…テラス、
６００１…パッケージ基板、
６００２…多層配線セラミック基板、
６００３…集積回路、
６００４…面出射型レーザアレイ、
６００５…ファイバコネクタ、
６００６…レンズアレイ
６００７…リボンファイバ、
６００８…支持部材、
６００９…金バンプ。

Claims (19)

  1. 半導体基板上に第１導電型クラッド層と光を発生する活性層と第２導電型クラッド層がこの順に積層された積層構造を含み、前記活性層で発生した光を面内方向に反射もしくは共振させる共振器構造部と、
    前記半導体基板の少なくとも一部に設けられ、前記活性層から発生した光を導波する光導波路層と、
    前記共振構造部から放射される光を反射させ、前記半導体基板の裏面から出射するための前記光導波路層の一部に設けられた反射鏡と、
    前記半導体基板の裏面であって該光が出射される光出射領域に設けられ前記反射鏡で反射された光を集光する集光レンズと、を備え、
    前記半導体基板の裏面には、その底部に前記集光レンズが設けられた溝部と、前記半導体基板のヘキカイ方向に沿って設けられたテラス状部とを有し、
    前記テラス状部は、前記共振器構造の形成領域を下方に延長してなる範囲内に配置され、前記半導体基板のヘキカイにより形成された結晶面を有する側端側に開放端を持ち、該開放端に対向する側に側壁を持ち、前記ヘキカイ方向を長手方向とするテラス形状を有することを特徴とする水平共振器垂直出射レーザ。
  2. 前記溝部は、前記光出射領域の周辺部を囲むように設けられた凹形状を有し、
    該溝内部の底部に前記集光レンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザ。
  3. 前記テラス状部の深さが、前記溝部の深さより深いことを特徴とする請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザ。
  4. 前記テラス状部の深さが、前記活性層から放出された光が前記反射鏡で反射される反射点と、反射された光が入射する前記集光レンズ表面の入射点とを結ぶ経路長より短いことを特徴とする請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザ。
  5. 前記テラス状部の側壁が、前記半導体基板表面と概ね平行する方向に対して所定の角度を有するテーパ形状をなすように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザ。
  6. 前記テラス状部の断面形状がＶ字形状をなすことを特徴とする請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザ。
  7. 前記反射鏡の光共振方向の断面は、少なくとも前記共振構造部側にテーパ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザ。
  8. 請求項１に記載の水平共振器垂直出射レーザが、該レーザの光共振方向に対して垂直になる方向に少なくとも２つの該レーザが半導体基板上に並置されていることを特徴とする水平共振器垂直出射レーザアレイ。
  9. 請求項８に記載の水平共振器垂直出射レーザアレイにおいて、隣接する前記レーザに設けられた凹部の平面形状が円形の場合に、前記凹部同士の中心間間隔が前記凹部の直径以下であることを特徴とする水平共振器垂直出射レーザアレイ。
  10. 半導体基板上に設けられた第１導電型クラッド層と光を吸収する吸収層と第２導電型クラッド層がこの順に積層された積層構造を含み、
    前記半導体基板の少なくとも一部に設けられ、前記半導体基板に入射した光を導波する導波路層と、
    前記半導体基板の裏面から入射した光の光路を変更し前記吸収層へ入射させる反射鏡と、
    前記半導体基板の裏面であって該光が入射される光入射領域に設けられ、入射する光を集光する集光レンズと、を備え、
    前記半導体基板の裏面には、その底部に前記集光レンズが設けられた溝部と、前記半導体基板のヘキカイ方向に沿って設けられたテラス状部とを有し、
    前記テラス状部は、前記吸収層の形成領域を下方に延長してなる範囲内に配置され、前記半導体基板のヘキカイにより形成された結晶面を有する側端側に開放端を持ち、該開放端に対向する側に側壁を持ち、前記ヘキカイ方向を長手方向とするテラス形状を有することを特徴とする面入射導波路型受光素子。
  11. 前記溝部は、前記光入射領域の周辺部を囲むように設けられた凹形状を有し、
    該溝内部の底部に前記集光レンズが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子。
  12. 前記テラス状部の深さが、前記溝部の深さより深いことを特徴とする請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子。
  13. 前記テラス状部の深さが、該光が入射する前記集光レンズ表面の入射点と入射した光が前記反射鏡で反射される反射点とを結ぶ経路長より短いことを特徴とする請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子。
  14. 前記テラス状部の側壁が、前記半導体基板表面と概ね平行する方向に対して所定の角度を有するテーパ形状をなすように設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子。
  15. 前記テラス状部の断面形状がＶ字形状をなすことを特徴とする請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子。
  16. 前記反射鏡の光共振方向の断面は、少なくとも前記吸収層側にテーパ形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子。
  17. 請求項１０に記載の面入射導波路型受光素子が、該受光素子の光伝搬方向に対して垂直になる方向に少なくとも２つの該受光素子が半導体基板上に並置されていることを特徴とする面入射導波路型受光素子アレイ。
  18. 請求項１７に記載の面入射導波路型受光素子アレイにおいて、隣接する前記受光素子に設けられた凹部の平面形状が円形の場合に、前記凹部同士の中心間間隔が前記凹部の直径以下であることを特徴とする面入射導波路型受光素子アレイ。
  19. 半導体基板を準備する工程と、
    前記半導体基板上に第１導電型クラッド層と光を発生する活性層と第２導電型クラッド層とをこの順に積層し、前記活性層で発生した光を面内方向に反射もしくは共振させる共振器構造部を形成する工程と、
    前記半導体基板の少なくとも一部に、前記活性層から発生した光を導波する光導波路層を形成する工程と、
    前記共振構造部から放射される光を反射させ、前記半導体基板の裏面から出射するための反射鏡を前記光導波路層の一部に形成する工程と、
    前記半導体基板の裏面であって該光が出射される光出射領域に、前記反射鏡で反射された光を集光する集光レンズを形成する工程と、
    前記共振器構造の形成領域を下方に延長してなる範囲内に、前記半導体基板をヘキカイ可能な所定の方向を有するヘキカイ位置指定領域を含む範囲内にヘキカイ方向に沿って溝を設ける工程と、を備え、
    前記ヘキカイ位置指定領域においてヘキカイを行いことにより、前記半導体基板を少なくとも２つに分離し、分離された該半導体基板のそれぞれの側面に結晶面を形成することを特徴とする水平共振器垂直出射レーザの製造方法。
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