JP2918881B1 - 半導体発光装置とその製造方法並びに光導波路装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 従来技術に比較してより容易にＤＢＲ多層膜
を有する半導体発光装置とその製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体活性層１４を２つの電極１１，１
２により挟設し、電極１１，１２間に直流電圧を印加す
ることにより、キャリアを注入して半導体活性層におけ
るキャリアの再結合により発光する半導体発光装置１０
である。ここで、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法
を用いて、半導体活性層１４において所定の間隔で互い
に対向する位置をそれぞれ、所定の微細間隔で周期的に
酸化することにより、互いに対向してそれぞれ周期的な
屈折率変化を有する少なくとも１組の多層反射膜４１，
４２を形成して、これら多層反射膜４１，４２を共振器
用ミラーとして用いてレーザ発振させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体レー
ザ装置などの半導体発光装置とその製造方法、並びに、
例えば光導波路などの光導波路装置とその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ装置などの半導体発光装置
において、共振器のための鏡として素子内部に分布ブラ
ッグ反射（Distributed Bragg Reflection；以下、ＤＢ
Ｒという。）多層膜を作製する方法が提案され、この方
法を用いて半導体レーザ装置において、所定の間隔でＤ
ＢＲ多層膜を形成することにより共振器を形成して、レ
ーザ発振させることが知られている。ここで、ＤＢＲ多
層膜とは光屈折率分布を周期構造にして高い反射率を得
るもので、１周期の長さが発光波長の１／４となる微細
構造である。

【０００３】一方、ＤＢＲ多層膜を１次元方向のみでは
なく２次元、あるいは３次元方向にも形成する光の閉じ
込め構造、いわゆるフォトニック結晶が提案されてお
り、自然放出光の完全制御や、極低消費電力素子の実現
が期待されている。しかしながら、フォトニック結晶に
ついては理論検討が中心で素子の作製及び動作はまだ確
認されていない。

【０００４】また、グレーティング（回折格子）光導波
路は従来、表面露光処理あるいは化学的エッチング法な
どによって作製されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＤＢＲ多層膜を分子線
エピタキシャル結晶成長法（以下、ＭＢＥ結晶成長法と
いう。）によって形成する場合、１μｍの成長に約１時
間を要する。通信用の発光素子であれば発光波長が１．
５μｍであるから、成長に長時間必要としない。しかし
ながら、近年の量子カスケードレーザの提案により２μ
ｍから３００μｍ以上の長波長レーザの実現可能性が出
てきた。このような長波長レーザのＤＢＲ多層膜をＭＢ
Ｅ結晶成長法によって形成すると大変長時間の作業時間
を要するために、制作コストが膨大になってしまうとい
う問題点があった。

【０００６】一方、フォトニック結晶については理論検
討が中心で素子の作製方法がまだ完成されていない。す
なわち微細な３次元閉じ込め構造を精度よく作製する技
術はまだ確立されていない。

【０００７】また、グレーティング光導波路を形成する
方法の表面露光処理あるいは化学的エッチング法など
は、その分解能はマイクロメートルオーダであるため微
細構造を作製することは現状では不可能となっている。
グレーティング光導波路の反射及び透過特性は１周期の
長さに大きく依存するため、従来技術では反射及び透過
特性を微調整することができないという問題点があっ
た。

【０００８】本発明の目的は以上の問題点を解決し、従
来技術に比較してより容易にＤＢＲ多層膜又は３次元光
閉じ込め構造を有する半導体発光装置とその製造方法、
並びに、光導波路装置とその製造方法を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体発光
装置は、半導体活性層を２つの電極により挟設し、上記
２つの電極間に直流電圧を印加することにより、キャリ
アを注入して上記半導体活性層におけるキャリアの再結
合により発光する半導体発光装置において、原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半導体活性層
において所定の間隔で互いに対向する位置をそれぞれ、
所定の微細間隔で周期的に酸化することにより、互いに
対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有する少なくと
も１組の多層反射膜を形成して、上記少なくとも１組の
多層反射膜を共振器用ミラーとして用いてレーザ発振さ
せることを特徴とする。

【００１０】また、上記半導体発光装置において、好ま
しくは、少なくとも３組の上記多層反射膜を形成して、
発光する光を閉じ込める構造を有してレーザ発振させ
る。

【００１１】本発明に係る半導体発光装置の製造方法
は、半導体活性層を２つの電極により挟設し、上記２つ
の電極間に直流電圧を印加することにより、キャリアを
注入して上記半導体活性層におけるキャリアの再結合に
より発光する半導体発光装置の製造方法において、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半導体
活性層において所定の間隔で互いに対向する位置をそれ
ぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することにより、
互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有する少
なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを含み、
上記少なくとも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとし
て用いてレーザ発振させることを特徴とする。

【００１２】本発明に係る半導体発光装置は、半導体活
性層に励起光を入射して上記半導体活性層を光励起する
ことにより生成されたキャリアの再結合により発光する
半導体発光装置において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微
細加工法を用いて、上記半導体活性層において所定の間
隔で互いに対向する位置をそれぞれ、所定の微細間隔で
周期的に酸化することにより、互いに対向してそれぞれ
周期的な屈折率変化を有する少なくとも１組の多層反射
膜を形成して、上記少なくとも１組の多層反射膜を共振
器用ミラーとして用いてレーザ発振させることを特徴と
する。

【００１３】また、上記半導体発光装置において、好ま
しくは、少なくとも３組の上記多層反射膜を形成して、
発光する光を閉じ込める構造を有してレーザ発振させ
る。

【００１４】本発明に係る半導体発光装置の製造方法
は、半導体活性層に励起光を入射して上記半導体活性層
を光励起することにより生成されたキャリアの再結合に
より発光する半導体発光装置の製造方法において、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半導体
活性層において所定の間隔で互いに対向する位置をそれ
ぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することにより、
互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有する少
なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを含み、
上記少なくとも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとし
て用いてレーザ発振させることを特徴とする。

【００１５】本発明に係る光導波路装置は、光導波路基
板にグレーティング光導波路を備えた光導波路装置にお
いて、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、
上記光導波路基板の所定の位置を、所定の微細間隔で周
期的に酸化することにより、それぞれ周期的な屈折率変
化を有する少なくとも１組の多層反射膜を形成し、上記
少なくとも１組の多層反射膜をグレーティング光導波路
のミラーとして用いることを特徴とする。

【００１６】また、上記光導波路装置において、好まし
くは、上記光導波路基板上で上記多層反射膜を略リング
形状で形成し、上記多層反射膜の一部を貫通するように
形成された少なくとも１個の光入射孔と、上記多層反射
膜の他の一部を貫通するように形成された少なくとも１
個の光出射孔とを備え、上記光入射孔を介して光を入射
した後、入射した光を上記多層反射膜により反射させた
後、上記光出射孔を介して出射させることを特徴とす
る。

【００１７】本発明に係る光導波路装置の製造方法は、
光導波路基板にグレーティング光導波路を備えた光導波
路装置の製造方法において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
微細加工法を用いて、上記光導波路基板の所定の位置
を、所定の微細間隔で周期的に酸化することにより、そ
れぞれ周期的な屈折率変化を有する少なくとも１組の多
層反射膜を形成するステップを含み、上記少なくとも１
組の多層反射膜をグレーティング光導波路のミラーとし
て用いることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。

【００１９】図１は、本発明に係る第１の実施形態であ
る半導体発光装置１０の構造を示す縦断面図である。こ
の実施形態の半導体発光装置１０は、図１に示すよう
に、半導体活性層１４を２つの電極１１，１２により挟
設し、上記２つの電極１１，１２間に可変電圧直流電源
（以下、直流電源という。）３０から直流電圧を印加す
ることにより、キャリアを注入して上記半導体活性層１
４におけるキャリアの再結合により発光する半導体発光
装置であり、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscop
e;以下、ＡＦＭという。）微細加工法を用いて、上記半
導体活性層１４において所定の間隔で互いに対向する位
置をそれぞれ、所定の微細間隔ｄ２で周期的に酸化する
ことにより、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変
化を有する１組の多層反射膜４１，４２を形成して、こ
れら多層反射膜４１，４２を共振器用ミラーとして用い
てレーザ発振させることを特徴としている。

【００２０】図１において、本実施形態の発光素子であ
る半導体発光装置１０は、２つの電極１１，１２間に、
真性半導体ｉ層である半導体活性層１４をｐ型キャップ
層１５とｎ型バッファ層１３を介して挟設することによ
り形成されたｐ−ｉ−ｎ型ダイオード発光素子を備えて
いる。ここで、ｐ型キャップ層１５側より半導体基板２
０の一部をも酸化するように、ＡＦＭ微細加工法による
酸化処理により所定の微細間隔ｄ２で周期的に酸化し
て、複数の反射膜２１からなるＤＢＲ多層反射膜４１
と、複数の反射膜２２からなるＤＢＲ多層反射膜４２と
を、それぞれ互いに対向するように形成する。ここで、
多層反射膜４１，４２はそれぞれ周期的な屈折率変化を
有する。そして、半導体活性層１４を多層反射膜４１，
４２により挟設することにより、多層反射膜４１，４２
を共振器用ミラーとして用いて、レーザ発振用共振器を
構成する。さらに、電極１１，１２間に直流電源３０に
よって直流電圧を印加することにより、真性半導体ｉ層
である半導体活性層１４に対してキャリアを注入してそ
のキャリアの再結合により発光を得る。

【００２１】以下、当該半導体発光装置１０の製造方法
について説明する。本実施形態の半導体発光装置１０
は、図１に示すように、裏面に平板形状のＡｕからなる
電極１２が形成され、Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが
例えば注入量１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡ
ｓにてなる厚さ３００μｍのｎ型半導体基板２０上に、
以下の各層が順次、ｎ型半導体基板２０から近接した側
から積層されて形成される。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量１
０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ
２００ｎｍのｎ型バッファ層１３； （ｂ）厚さ約６００ｎｍの真性半導体ｉ層であるＧａＡ
ｓからなる半導体活性層１４； （ｃ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量１
０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚さ
１１０ｎｍのｐ型キャップ層１５；並びに、 （ｄ）Ａｕからなる電極１１。

【００２２】電極１１は直流バイアス電圧Ｖｂの可変直
流電源３０の負極及び正極を介して電極１２に接続され
る。これによって、半導体発光装置１０の電極１１，１
２間に所定の直流電界が印加されることになる。

【００２３】ＤＢＲ多層反射膜４１と４２のそれぞれの
酸化部分の幅間隔ｄ１及び酸化されない部分の幅間隔ｄ
２は、発光波長ｋ及びそれぞれの光屈折率をｎ₁，ｎ₂と
して次式を満たすようにＡＦＭ微細加工法を用いて酸化
処理を行う。

【００２４】

【数１】ｄ１＝ｋ／（４ｎ₁）

【数２】ｄ２＝ｋ／（４ｎ₂）

【００２５】また、多層反射膜４１と４２との間隔ｈ
は、レーザ発振させる発光波長に依存して決定される。

【００２６】ＡＦＭ微細加工法を用いて酸化処理におい
ては、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の探針、あるい
は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバーを化学反応
を生じさせる超微小な電極として用い、ナノスケールの
微小酸化細線を形成することができる。ここで、ＡＦＭ
のカンチレバーに正の直流バイアス電圧を印加しかつ基
板に負の直流バイアス電圧を印加すると、カンチレバー
と、大気中の水分が吸着した基板表面間にはトンネル電
流と、水を介したファラデー（Faraday）電流が流れ、
酸化反応が生じる。この反応を利用して探針直下のみの
基板を酸化させ微小酸化細線を形成することができる。
この微小酸化細線は、電子に対してエネルギーバリアと
して働くため、電子デバイスを形成できる。本実施形態
では、酸化された部分は母体となるＧａＡｓとは異なる
屈折率をもつ材料に変化するため、周期的な屈折率分布
を持つＤＢＲ多層反射膜４１と４２が形成される。

【００２７】以上のように構成された半導体発光装置１
０において、半導体発光装置１０の両端の電極１１，１
２に直流電源３０から所定の直流バイアス電圧を印加す
ると、電極１１，１２によりキャリアが注入されて、真
性半導体ｉ層である半導体活性層１４に流れ込み、キャ
リアの再結合により発光する。発光する光は対向する１
組のＤＢＲ多層反射膜４１，４２により構成される共振
器に閉じ込められ、共振器内部の多重反射の後、光出力
として例えば半導体発光装置１０の横方向から取り出さ
れる。

【００２８】以上詳述したように本実施形態に係る半導
体発光装置１０によれば、半導体活性層１４を有する半
導体発光装置１０にそれぞれＡＦＭ微細加工法による酸
化処理によってＤＢＲ多層反射膜４１，４２を形成し
て、半導体活性層１４を多層反射膜４１，４２により挟
設してなる共振器を形成したので、量子カスケードレー
ザのような長波長の発光素子では従来困難であったＭＢ
Ｅ結晶成長法によるＤＢＲ多層反射膜の形成を、従来技
術に比較して比較的短時間でかつ低コストで行うことが
できる。また、ＡＦＭ微細加工法を用いる表面酸化処理
の分解能は数ナノメートルであるため、従来の方法より
優れた微細加工能力を備えている。

【００２９】以上の実施形態において、真性半導体ｉ層
である半導体活性層１４は、所望の発光波長を得るよう
に設計された多重量子井戸構造又は超格子構造を有する
半導体活性層であってもよい。

【００３０】＜第１の実施形態の変形例＞以上の実施形
態においては、ＡＦＭ微細加工法による酸化処理によっ
て１組のＤＢＲ多重反射膜４１，４２を備えた共振器を
有するｐ−ｉ−ｎ型ダイオード素子である半導体発光装
置１０について述べているが、本発明はこれに限らず、
表１及び表２に示すｎ−ｉ−ｎ型発光素子又はｎ⁺−ｎ^-
−ｎ⁺型発光素子であってもよい。

【００３１】

【表１】 ｎ−ｉ−ｎ型発光素子 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 層又は基板 組成 厚さ 不純物のドープ量 （／ｃｍ³），不純物 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― キャップ層１５ ｎ−ＧａＡｓ １１０ｎｍ ２×１０¹⁸，Ｓｉ 半導体活性層１４ ＧａＡｓ ６００ｎｍ バッファ層１３ ｎ−ＧａＡｓ ２００ｎｍ １０¹⁸，Ｓｉ 半導体基板２０ ｎ−ＧａＡｓ ３００μｍ １０¹⁸ ―――――――――――――――――――――――――――――――――――

【００３２】

【表２】 ｎ⁺−ｎ^-−ｎ⁺型発光素子 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 層又は基板 組成 厚さ 不純物のドープ量 （／ｃｍ³），不純物 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― キャップ層１５ ｎ⁺−ＧａＡｓ １１０ｎｍ ５×１０¹⁸，Ｓｉ 半導体活性層１４ ｎ^-−ＧａＡｓ ６００ｎｍ １×１０¹⁷，Ｓｉ バッファ層１３ ｎ⁺−ＧａＡｓ ２００ｎｍ １０¹⁸，Ｓｉ 半導体基板２０ ｎ⁺−ＧａＡｓ ３００μｍ １０¹⁸，Ｓｉ ―――――――――――――――――――――――――――――――――――

【００３３】以上の実施形態においては、ＧａＡｓの材
料を用いているが、本発明はこれに限らず、その材料は
ＧａＡｓに限定されずＡＦＭにより酸化が可能な発光材
料であれば何でもよい。その材料は、例えば、ＩｎＧａ
Ａｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＮであればよい。

【００３４】＜第２の実施形態＞図２は、本発明に係る
第２の実施形態である半導体発光装置５０の構造を示す
部分分解斜視図であり、ＡＦＭ微細加工法による酸化処
理によって形成された３次元光閉じ込め構造、すなわち
フォトニクス結晶の構造を有する半導体発光装置５０を
示す。

【００３５】本実施形態の半導体発光装置５０は、図２
のｚ方向に関しては２つの電極１１，１２間に、真性半
導体層ｉ層である半導体活性層５３を、それぞれ真性半
導体層ｉ層である超格子半導体層５２，５４により挟設
し、さらには、ｐ型キャップ層５５とｎ型バッファ層５
１により挟設し、ここで、半導体活性層５３を、ＤＢＲ
多層反射膜として動作する超格子半導体層５２，５４に
より挟設することにより形成された共振器を備えたｐ−
ｉ−ｎ型ダイオード発光素子を構成している。

【００３６】一方、図２のｘ方向に関しては、キャップ
層５５の表面側から半導体基板２０の一部をも酸化する
ようにｚ方向で、ＡＦＭ微細加工法による酸化処理によ
り所定の微細間隔ｄ２で周期的に酸化して、複数の反射
膜２３からなるＤＢＲ多層反射膜４３と、複数の反射膜
２４からなるＤＢＲ多層反射膜４４とを、それぞれ互い
に対向するように形成する。また、図２のｙ方向に関し
ては、キャップ層５５の表面側から半導体基板２０の一
部をも酸化するようにｚ方向で、ＡＦＭ微細加工法によ
る酸化処理により所定の微細間隔ｄ２で周期的に酸化し
て、複数の反射膜２５からなるＤＢＲ多層反射膜４５
と、複数の反射膜２６からなるＤＢＲ多層反射膜４６と
を、それぞれ互いに対向するように形成する。ここで、
多層反射膜４３，４４，４５，４６はそれぞれ周期的な
屈折率変化を有する。そして、半導体活性層５３を多層
反射膜４３，４４，４５，４６により挟設することによ
り、多層反射膜４３，４４，４５，４６を共振器用ミラ
ーとして用いて、レーザ発振用共振器を構成する。さら
に、電極１１，１２間に直流電源３０によって直流電圧
を印加することにより、真性半導体ｉ層である半導体活
性層５３に対してキャリアを注入してそのキャリアの再
結合により発光を得る。

【００３７】以下、第２の実施形態の半導体発光装置５
０の製造方法について説明する。本実施形態の半導体発
光装置５０は、図１に示すように、裏面に平板形状のＡ
ｕからなる電極１２が形成され、Ｓｉにてなるｎ型不純
物イオンが例えば注入量１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入された
ｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ３００μｍのｎ型半導体基板
２０の上に、以下の各層が順次、ｎ型半導体基板２０か
ら近接した側から積層されて形成される。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量１
０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる厚さ
２００ｎｍのｎ型バッファ層５１； （ｂ）超格子構造を有する厚さ約６００ｎｍの真性半導
体ｉ層（ｉ−ＳＬ）である超格子半導体層５２、ここ
で、超格子構造は、５０周期のＧａＡｓ／ＡｌＡｓから
なる； （ｃ）厚さ約６００ｎｍの真性半導体ｉ層であるＧａＡ
ｓからなる半導体活性層５３； （ｄ）超格子構造を有する厚さ約６００ｎｍの真性半導
体ｉ層（ｉ−ＳＬ）５４、ここで、超格子構造は、５０
周期のＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる； （ｅ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量１
０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる厚さ
１１０ｎｍのｐ型キャップ層５５；並びに、 （ｆ）略中央部に厚さ方向に貫通する円形状の光出射孔
１１ｈが形成されたＡｕからなる電極５１。

【００３８】電極１２はバイアス電圧Ｖｂの可変電圧直
流電源３０の負極及び正極を介して電極１１に接続され
る。これによって、半導体発光装置５０の電極１１，１
２間に所定の直流電解が印加されることになる。ＤＢＲ
多層反射膜４３，４４，４５，４６のそれぞれの酸化部
分の幅間隔ｄ１及び酸化されない部分の幅間隔ｄ２は、
発光波長ｋ及びそれぞれの光屈折率をｎ₁，ｎ₂として次
式を満たすように周期ｄ１，ｄ２を定める。

【００３９】

【数３】ｄ１＝ｋ／（４ｎ₁）

【数４】ｄ２＝ｋ／（４ｎ₂）

【００４０】また、多層反射膜４３と４４との間隔ｈ
１、多層反射膜４５と４６との間隔ｈ２、及び多層反射
膜として動作する超格子半導体層５２と５４との間隔ｈ
３とは、レーザ発振させる発光波長に依存して決定され
る。なお、上記超格子半導体層５２，５４は、例えば量
子井戸層がＧａＡｓにてなり障壁層がＡｌＡｓにてなる
超格子構造を有し、その周期は所望の発光波長によって
決定される。

【００４１】以上のように構成された半導体発光装置５
０において、半導体発光装置５０の両端の電極１１，１
２に直流バイアス電圧を印加すると、電極１１，１２か
らキャリアが注入されて真性半導体ｉ層である半導体活
性層５３に流れ込み、キャリアの再結合により発光す
る。ここで、発光する光は、ｚ方向にはＤＢＲ多層反射
膜として動作する超格子半導体層５２，５４によって、
ｘ方向にはＤＢＲ多層反射膜４３，４４によって、ｙ方
向にはＤＢＲ多層反射膜４５，４６によって、３方向す
べてに構成された共振器によって閉じ込められ，共振器
内部の多重反射の後、光出力として光出射孔１１ｈを介
して取り出される。

【００４２】以上詳述したように本実施形態に係る半導
体発光装置５０によれば、半導体活性層５３を有する半
導体発光装置５０にそれぞれＡＦＭ微細加工法による酸
化処理によってＤＢＲ多層反射膜４３，４４，４５，４
６を形成するとともに、ＤＢＲ多層反射膜として動作す
る超格子半導体層５２，５４を形成することにより、半
導体活性層５３を３次元で挟設して閉じ込める３次元閉
じ込め構造を有する共振器を形成したので、量子カスケ
ードレーザのような長波長の発光素子では従来困難であ
ったＭＢＥ結晶成長法によるＤＢＲ多層反射膜の形成
を、従来技術に比較して比較的短時間でかつ低コストで
行うことができる。また、ＡＦＭ微細加工法を用いる表
面酸化処理の分解能は数ナノメートルであるため、従来
の方法より優れた微細加工能力を備えている。さらに、
３次元閉じ込め構造を有する共振器を形成したので、よ
り効率的に発光する光を閉じ込めてより大きな強度を有
するレーザ発振光を出力させることができる。

【００４３】以上の実施形態においては、ｚ方向の反射
膜を結晶成長による超格子構造にて作製したが、本発明
はこれに限らず、バルクの結晶成長を行った後その側面
からＡＦＭ微細加工法による酸化処理によってｚ方向の
ＤＢＲ多層反射膜を形成することも可能である。

【００４４】＜第３の実施形態＞図３は、本発明に係る
第３の実施形態である光導波路装置６０の構造を示す平
面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ’線についての断面
を示す断面図である。本実施形態の光導波路装置６０
は、図３及び図４に示すように、光導波路基板であるＩ
ｎＰ基板６１上にコア層６２とＩｎＰ層６３を形成して
なる光導波路装置において、ＩｎＰ層６３を形成する前
に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、コ
ア層６２の所定の位置を、所定の微細間隔ｄ２で周期的
に酸化することにより、それぞれ周期的な屈折率変化を
有する複数の反射膜７０にてなる多層反射膜７１を形成
し、多層反射膜７１をグレーティング光導波路のミラー
として用いる。ここで、本実施形態では、多層反射膜７
１を略リング形状で形成し、上記多層反射膜７１の一部
を貫通するように形成された光入射孔７２と、上記多層
反射膜の他の一部を貫通するように形成された光出射孔
７３，７４，７５とを備える。

【００４５】以下、本実施形態の光導波路装置６０の製
造方法について説明する。クラッド層となるＩｎＰ基板
６１上に、コア層６２となる厚さ１μｍのＩｎＧａＡｓ
ＰをＭＢＥ結晶成長法により形成する。コア層６２とな
るＩｎＧａＡｓＰの一部をＡＦＭ微細加工法による酸化
処理によりグレーティング構造とし、その上からＭＢＥ
結晶成長法により厚さ１μｍのＩｎＰ層６３を積層す
る。コア層６２は二つのＩｎＰ層６１，６３に挟まれた
スラブ導波路として機能する。ＡＦＭ微細加工法による
酸化処理によるグレーティング構造部分はＤＢＲ多層反
射膜と同様に任意の波長に対してミラーの働きを有し、
その酸化部分７０の幅間隔ｄ１及び酸化されない部分の
幅間隔ｄ２はそれぞれの屈折率ｎ₁，ｎ₂及び反射される
光の波長λより次式の関係で定まる。

【００４６】

【数５】ｄ１＝λ／（４ｎ₁）

【数６】ｄ２＝λ／（４ｎ₂）

【００４７】多層反射膜７１の酸化パターンは幅間隔ｄ
１，ｄ２の繰り返し周期構造となる。図３の実施形態で
は酸化パターンはリング形状を有しており、そのリング
は４つの切れ目である光入出射孔７２，７３，７４，７
５を有する。いま、波長１．５μｍの半導体レーザ装置
のレーザダイオード１１０からレーザ光を、光ファイバ
ケーブル１２０、集光レンズ１３０及び光入射孔７２を
介して１００で示すようにリング内部に入射する。多層
反射膜７１のリングは波長１．５μｍのレーザ光を繰り
返し多重反射するような酸化パターンを有する。従っ
て、光入射孔７２を介して入射したレーザ光はリング内
部を多重反射するのでリング内部に閉じ込められる。や
がてリングの切れ目である光出射孔７３，７４，７５よ
り出力光として取り出される。

【００４８】ここで、光出射孔７３を介して出力される
レーザ光は、１０１で示すように、集光レンズ１４１及
び光ファイバケーブル１４２を介して光検出器１４３に
入力された後、光電変換されて検出される。また、光出
射孔７４を介して出力されるレーザ光は、１０２で示す
ように、集光レンズ１５１及び光ファイバケーブル１５
２を介して光検出器１５３に入力された後、光電変換さ
れて検出される。さらに、光出射孔７５を介して出力さ
れるレーザ光は、１０３で示すように、集光レンズ１６
１及び光ファイバケーブル１６２を介して光検出器１６
３に入力された後、光電変換されて検出される。すなわ
ち、ひとつのレーザ光を分配して任意の出射方向が得ら
れるようにＡＦＭによる酸化パターンが設計されてお
り、当該光導波路装置６０は光分配器を構成している。

【００４９】以上詳述したように本実施形態に係る光導
波路装置６０によれば、光導波路基板上にそれぞれＡＦ
Ｍ微細加工法による酸化処理によってリング形状の多層
反射膜７１を形成することにより、光分配器を構成し
た。ここで、ＡＦＭ微細加工法を用いる表面酸化処理の
分解能は数ナノメートルであるため、従来の方法より優
れた微細加工能力を備えており、より微細な光導波路部
品を形成することができる。

【００５０】＜第３の実施形態の変形例＞図５は、第３
の実施形態の変形例である光導波路装置６０ａの構造を
示す平面図である。この変形例では、図５に示すよう
に、光導波路基板のコア層６２に、互いに平行な複数の
反射膜７６にてなる多層反射膜７７を形成することによ
り、光反射ミラーを構成している。

【００５１】図５において、形成された多層反射膜７７
はグレーティング光導波路を形成しており、コア層６２
の表面にＡＦＭ微細加工法による酸化処理により編模様
の酸化パターンを形成し、多層反射膜７７のサンプルの
側面からレーザ光（ここでは、波長１．５μｍの半導体
レーザ）を入射させる。酸化パターンの間隔ｄ２はレー
ザ光を反射させることができるように定める。ここで
は、多層反射膜７７の酸化パターンに対してレーザ光は
垂直ではなく、１０４で示すように斜めに入射させるこ
とにより光反射を起こして１０５で示すように出射させ
ることにより、レーザビームの伝搬方向を変化させるこ
とができる。ここで、レーザ光が酸化パターンに対し垂
直に入射すれば１８０度の反射となる。

【００５２】以上詳述したように本変形例に係る光導波
路装置６０ａによれば、光導波路基板上にそれぞれＡＦ
Ｍ微細加工法による酸化処理によって多層反射膜７７を
形成することにより、光反射ミラーを構成した。ここ
で、ＡＦＭ微細加工法を用いる表面酸化処理の分解能は
数ナノメートルであるため、従来の方法より優れた微細
加工能力を備えており、より微細な光導波路部品を形成
することができる。

【００５３】＜別の変形例＞以上の第１と第２の実施形
態においては、半導体活性層を挟設する電極に直流電圧
を印加することにより、キャリアを注入して半導体活性
層におけるキャリアの再結合により発光するように構成
しているが、本発明はこれに限らず、電極を形成せず、
半導体活性層に所定の波長の励起光を入射して半導体活
性層を光励起して、それにより生成されたキャリアの再
結合により発光するように構成してもよい。この場合、
活性層１４としては、ＧａＡｓを用いる。また、他の材
料としては、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＮ
を用いる。

【００５４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る半導体
発光装置によれば、半導体活性層を２つの電極により挟
設し、上記２つの電極間に直流電圧を印加することによ
り、キャリアを注入して上記半導体活性層におけるキャ
リアの再結合により発光する半導体発光装置において、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
る少なくとも１組の多層反射膜を形成して、上記少なく
とも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとして用いてレ
ーザ発振させる。従って、量子カスケードレーザのよう
な長波長の発光素子では従来困難であったＭＢＥ結晶成
長法によるＤＢＲ多層反射膜の形成を、従来技術に比較
して比較的短時間でかつ低コストで行うことができる。
また、ＡＦＭ微細加工法を用いる表面酸化処理の分解能
は数ナノメートルであるため、従来の方法より優れた微
細加工能力を備えている。

【００５５】また、上記半導体発光装置において、好ま
しくは、少なくとも３組の上記多層反射膜を形成して、
発光する光を閉じ込める構造を有してレーザ発振させ
る。従って、より効率的に発光する光を閉じ込めてより
大きな強度を有するレーザ発振光を出力させることがで
きる。

【００５６】本発明に係る半導体発光装置の製造方法に
よれば、半導体活性層を２つの電極により挟設し、上記
２つの電極間に直流電圧を印加することにより、キャリ
アを注入して上記半導体活性層におけるキャリアの再結
合により発光する半導体発光装置の製造方法において、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
る少なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを含
み、上記少なくとも１組の多層反射膜を共振器用ミラー
として用いてレーザ発振させる。従って、量子カスケー
ドレーザのような長波長の発光素子では従来困難であっ
たＭＢＥ結晶成長法によるＤＢＲ多層反射膜の形成を、
従来技術に比較して比較的短時間でかつ低コストで行う
ことができる。また、ＡＦＭ微細加工法を用いる表面酸
化処理の分解能は数ナノメートルであるため、従来の方
法より優れた微細加工能力を備えている。

【００５７】本発明に係る半導体発光装置によれば、半
導体活性層に励起光を入射して上記半導体活性層を光励
起することにより生成されたキャリアの再結合により発
光する半導体発光装置において、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）微細加工法を用いて、上記半導体活性層において所
定の間隔で互いに対向する位置をそれぞれ、所定の微細
間隔で周期的に酸化することにより、互いに対向してそ
れぞれ周期的な屈折率変化を有する少なくとも１組の多
層反射膜を形成して、上記少なくとも１組の多層反射膜
を共振器用ミラーとして用いてレーザ発振させる。従っ
て、量子カスケードレーザのような長波長の発光素子で
は従来困難であったＭＢＥ結晶成長法によるＤＢＲ多層
反射膜の形成を、従来技術に比較して比較的短時間でか
つ低コストで行うことができる。また、ＡＦＭ微細加工
法を用いる表面酸化処理の分解能は数ナノメートルであ
るため、従来の方法より優れた微細加工能力を備えてい
る。

【００５８】また、上記半導体発光装置において、好ま
しくは、少なくとも３組の上記多層反射膜を形成して、
発光する光を閉じ込める構造を有してレーザ発振させ
る。従って、より効率的に発光する光を閉じ込めてより
大きな強度を有するレーザ発振光を出力させることがで
きる。

【００５９】本発明に係る半導体発光装置の製造方法に
よれば、半導体活性層に励起光を入射して上記半導体活
性層を光励起することにより生成されたキャリアの再結
合により発光する半導体発光装置の製造方法において、
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
る少なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを含
み、上記少なくとも１組の多層反射膜を共振器用ミラー
として用いてレーザ発振させる。従って、量子カスケー
ドレーザのような長波長の発光素子では従来困難であっ
たＭＢＥ結晶成長法によるＤＢＲ多層反射膜の形成を、
従来技術に比較して比較的短時間でかつ低コストで行う
ことができる。また、ＡＦＭ微細加工法を用いる表面酸
化処理の分解能は数ナノメートルであるため、従来の方
法より優れた微細加工能力を備えている。

【００６０】本発明に係る光導波路装置によれば、光導
波路基板にグレーティング光導波路を備えた光導波路装
置において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用
いて、上記光導波路基板の所定の位置を、所定の微細間
隔で周期的に酸化することにより、それぞれ周期的な屈
折率変化を有する少なくとも１組の多層反射膜を形成
し、上記少なくとも１組の多層反射膜をグレーティング
光導波路のミラーとして用いる。従って、ＡＦＭ微細加
工法を用いる表面酸化処理の分解能は数ナノメートルで
あるため、従来の方法より優れた微細加工能力を備えて
おり、より微細な光導波路部品を形成することができ
る。

【００６１】また、上記光導波路装置において、好まし
くは、上記光導波路基板上で上記多層反射膜を略リング
形状で形成し、上記多層反射膜の一部を貫通するように
形成された少なくとも１個の光入射孔と、上記多層反射
膜の他の一部を貫通するように形成された少なくとも１
個の光出射孔とを備え、上記光入射孔を介して光を入射
した後、入射した光を上記多層反射膜により反射させた
後、上記光出射孔を介して出射させる。従って、光導波
路で光分配器を構成することができ、ここで、ＡＦＭ微
細加工法を用いる表面酸化処理の分解能は数ナノメート
ルであるため、従来の方法より優れた微細加工能力を備
えており、より微細な光導波路部品を形成することがで
きる。

【００６２】本発明に係る光導波路装置の製造方法によ
れば、光導波路基板にグレーティング光導波路を備えた
光導波路装置の製造方法において、原子間力顕微鏡（Ａ
ＦＭ）微細加工法を用いて、上記光導波路基板の所定の
位置を、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
り、それぞれ周期的な屈折率変化を有する少なくとも１
組の多層反射膜を形成するステップを含み、上記少なく
とも１組の多層反射膜をグレーティング光導波路のミラ
ーとして用いる。従って、ＡＦＭ微細加工法を用いる表
面酸化処理の分解能は数ナノメートルであるため、従来
の方法より優れた微細加工能力を備えており、より微細
な光導波路部品を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の実施形態である半導体発
光装置１０の構造を示す縦断面図である。

【図２】 本発明に係る第２の実施形態である半導体発
光装置５０の構造を示す部分分解斜視図である。

【図３】 本発明に係る第３の実施形態である光導波路
装置６０の構造を示す平面図である。

【図４】 図３のＡ−Ａ’線についての断面を示す断面
図である。

【図５】 第３の実施形態の変形例である光導波路装置
６０ａの構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１０…半導体発光装置、 １１，１２…電極、 １１ｈ…光出射孔、 １３…バッファ層、 １４…半導体活性層、 １５…キャップ層、 ２０…半導体基板、 ２１，２２，２３，２４，２５，２６…反射膜、 ３０…可変電圧直流電源、 ４１，４２，４３，４４，４５，４６…多層反射膜、 ５０…半導体発光装置、 ５１…バッファ層、 ５２…超格子半導体層、 ５３…活性層、 ５４…超格子半導体層、 ５５…キャップ層、 ６０，６０ａ…光導波路装置、 ６１…ＩｎＰ基板、 ６２…コア層、 ６３…ＩｎＰ層、 ７０…反射膜、 ７１…多層反射膜、 ７２…光入射孔、 ７３，７４，７５…光出射孔、 ７６…反射膜、 ７７…多層反射膜、 １００，１０４…入射光、 １０１，１０２，１０３，１０５…出射光、 １１０…レーザダイオード、 １２０…光ファイバケーブル、 １３０，１４１，１５１，１６１…集光レンズ、 １４２，１５２，１６２…光ファイバケーブル、 １４３，１５３，１６３…光検出器。

フロントページの続き (72)発明者 堂本 千秋 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール環 境適応通信研究所内 (72)発明者 江上 典文 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール環 境適応通信研究所内 (56)参考文献 特開 平７−176832（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−251947（ＪＰ，Ａ) Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，Ｖｏｌ. 83，Ｎｏ．４，ｐ1844−1847，1998 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 G02B 6/12 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体活性層を２つの電極により挟設
   し、上記２つの電極間に直流電圧を印加することによ
   り、キャリアを注入して上記半導体活性層におけるキャ
   リアの再結合により発光する半導体発光装置において、 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
   導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
   それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
   り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
   る少なくとも１組の多層反射膜を形成して、上記少なく
   とも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとして用いてレ
   ーザ発振させることを特徴とする半導体発光装置。
2. 【請求項２】 少なくとも３組の上記多層反射膜を形成
   して、発光する光を閉じ込める構造を有してレーザ発振
   させることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装
   置。
3. 【請求項３】 半導体活性層を２つの電極により挟設
   し、上記２つの電極間に直流電圧を印加することによ
   り、キャリアを注入して上記半導体活性層におけるキャ
   リアの再結合により発光する半導体発光装置の製造方法
   において、 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
   導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
   それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
   り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
   る少なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを含
   み、 上記少なくとも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとし
   て用いてレーザ発振させることを特徴とする半導体発光
   装置の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体活性層に励起光を入射して上記半
   導体活性層を光励起することにより生成されたキャリア
   の再結合により発光する半導体発光装置において、 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
   導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
   それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
   り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
   る少なくとも１組の多層反射膜を形成して、上記少なく
   とも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとして用いてレ
   ーザ発振させることを特徴とする半導体発光装置。
5. 【請求項５】 少なくとも３組の上記多層反射膜を形成
   して、発光する光を閉じ込める構造を有してレーザ発振
   させることを特徴とする請求項４記載の半導体発光装
   置。
6. 【請求項６】 半導体活性層に励起光を入射して上記半
   導体活性層を光励起することにより生成されたキャリア
   の再結合により発光する半導体発光装置の製造方法にお
   いて、 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記半
   導体活性層において所定の間隔で互いに対向する位置を
   それぞれ、所定の微細間隔で周期的に酸化することによ
   り、互いに対向してそれぞれ周期的な屈折率変化を有す
   る少なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを含
   み、 上記少なくとも１組の多層反射膜を共振器用ミラーとし
   て用いてレーザ発振させることを特徴とする半導体発光
   装置の製造方法。
7. 【請求項７】 光導波路基板にグレーティング光導波路
   を備えた光導波路装置において、 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記光
   導波路基板の所定の位置を、所定の微細間隔で周期的に
   酸化することにより、それぞれ周期的な屈折率変化を有
   する少なくとも１組の多層反射膜を形成し、上記少なく
   とも１組の多層反射膜をグレーティング光導波路のミラ
   ーとして用いることを特徴とする光導波路装置。
8. 【請求項８】 上記光導波路基板上で上記多層反射膜を
   略リング形状で形成し、上記多層反射膜の一部を貫通す
   るように形成された少なくとも１個の光入射孔と、上記
   多層反射膜の他の一部を貫通するように形成された少な
   くとも１個の光出射孔とを備え、 上記光入射孔を介して光を入射した後、入射した光を上
   記多層反射膜により反射させた後、上記光出射孔を介し
   て出射させることを特徴とする請求項７記載の光導波路
   装置。
9. 【請求項９】 光導波路基板にグレーティング光導波路
   を備えた光導波路装置の製造方法において、 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）微細加工法を用いて、上記光
   導波路基板の所定の位置を、所定の微細間隔で周期的に
   酸化することにより、それぞれ周期的な屈折率変化を有
   する少なくとも１組の多層反射膜を形成するステップを
   含み、 上記少なくとも１組の多層反射膜をグレーティング光導
   波路のミラーとして用いることを特徴とする光導波路装
   置の製造方法。