JP3914350B2

JP3914350B2 - Semiconductor laser device

Info

Publication number: JP3914350B2
Application number: JP11893499A
Authority: JP
Inventors: 和彦細見; 正敬白井; 俊夫勝山
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: JP2000312055A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料からなるレーザ装置及び当該装置を用いた光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの光源に発光波長が１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の半導体レーザ装置（以下単に「半導体レーザ」という）が広くに用いられる。現在実用化されているそのような波長帯の半導体レーザは、ＩnＧaＡsＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体によって形成されるのが普通である。光通信システムで用いられる通常の光ケーブルは、１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯で損失が最も低くなる特性を有しているが、前記化合物半導体は、その波長帯に対応するバンドギャップを持つ直接遷移半導体である。
【０００３】
なお、半導体レーザは、基本的には、活性層と当該活性層で発光した光を閉じ込めるためのｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層とを有し、その代表例として、基板面に垂直な２個の反射面でそれらを挟んで共振器を形成する端面反射型と、基板面に平行な２個の反射鏡でそれらを挟んで共振器を形成する面発光型とがある。通常、ｎ型クラッド層が下部に（基板側に）配置され、ｐ型クラッド層が上部に配置される。
【０００４】
光通信システムを代表する光通信網は、高速大容量化が進み、幹線系の発展が著しいが、今後の構想として、光通信網を家庭にまで浸透させることを狙い、加入者系に光通信を導入しようとする動きが浮上しつつある。
【０００５】
さて、インターネットの普及及び発展に伴い、家庭への送受信データは、将来ますます大容量化されると予想されるが、光通信導入の光加入者系は、そのような動きに応えるものとなる。光加入者系の基本要素となる半導体レーザ及びこれを用いた光伝送装置は、家庭用を指向するため、特にその低コスト化・高性能化が厳しく追及され、今後の素子開発に必須の技術課題がとなっている。
【０００６】
光伝送装置の低コスト化、高性能化の追及の一つとして、光デバイスと電気信号回路との集積化が盛んに研究されている。そのような集積化が進めば、単にサイズの小型化に止まらず、部品の削減や信頼性の向上などの効果により、低価格化、堅牢化、高信頼化、低電力化、高性能化が実現されることになる。
【０００７】
Ｓi基板上に電気信号回路を集積化する技術は高度に成熟している。従って、そのＳi基板上にＧaＡs系半導体レーザを搭載する技術（例えば「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス〔Japanese journal of Applied Physics)」（１９９１年１２月発行）第３０巻第１２Ｂ号第３８７６頁〜第３８７８頁参照〕が集積化光伝送装置を実現するためのポイントとなる。しかし、ＧaＡs系等のIII−Ｖ族化合物半導体とＳiとは、結晶構造が大きく異なるため、Ｓi基板と半導体レーザとの間に格子不整合による歪を緩和するための層の介在が必要になる。介在する層の構造は、複雑であり、また多くの製造工程を必要とし、目的とする低コスト化を実現することが困難という問題点があった。
【０００８】
また、実用化が期待されている集積化の別の技術として、平面光回路（PLC:Planer Lightwave Circuit）を用いたハイブリッド光集積回路がある。これは、従来光ファイバを用いていた光デバイス間接続を基板上に形成されたＳiＯ₂等の光導波路で置き換えることにより小型化を図るものである。
【０００９】
しかしながら、III−Ｖ族化合物半導体を材料に用いた半導体レーザがＳiやＳiＯ₂と屈折率や熱膨張係数等が大きく異なるため、半導体レーザと光導波路との間に結合損失が生じることが避けられず、また位置合わせが厳しくなるという問題点があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記従来技術の前者の問題点を解決し、Ｓi基板に容易に形成可能な半導体レーザ及びそれを用いた光伝送装置を提供することにある。
【００１１】
【発明を解決するための手段】
本発明の前記課題は、半導体レーザの活性層をベータ鉄シリサイド（β−ＦeＳi₂）によって形成し、更に、上部及び下部クラッド層をＳi系材料によって形成することにより、効果的に解決することが可能である。そのような手段を採用すれば、全体がＳi系材料で形成される結果、Ｓi基板との間に格子不整合を生ずることがなく、Ｓi基板上に容易に半導体レーザを形成することができるからである。面発光型の場合、反射鏡もＳi系材料の採用が可能となる。
【００１２】
もっとも、ベータ鉄シリサイドが直接遷移半導体であることを示し、これを活性層に利用した発光波長が１．５μｍの発光ダイオードが開示されている〔例えば英国雑誌「ネーチャ(nature)」（１９９７年６月発行）第３８７巻第６８６頁〜第６８８頁参照〕。
【００１３】
本発明は、直接遷移半導体であるベータ鉄シリサイドのバンドギャップが０．８〜０．９５ｅＶで発光波長が１．３μｍ〜１．５５μｍ帯になることから、これを半導体レーザの活性層に用い、かつ、全体をＳi系材料で形成することにより、加入者系等の一般向け光通信に好適な半導体レーザを提案するものである。
【００１４】
半導体レーザを形成する基板をＳiとすることにより、当該基板に通常の半導体集積回路技術によって多数の電気信号回路を集積化することが可能となり、それによって同一Ｓi基板上に光デバイスと電気信号回路とを集積化した光伝送装置を実現することができる。本発明の光伝送装置には、半導体集積回路で培われた円熟した技術が利用可能であり、従って、コストの大幅な削減を実現することができる。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザをＳiＯ₂等の導波路を形成してなるＳi基板に形成することにより、結合損失の少ないハイブリッド光集積回路を実現することができる。半導体レーザがＳi系材料によってなるので、その屈折率や熱膨張係数等が光導波路と合致するからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体レーザ及びそれを用いた光伝送装置を図面を用いた幾つかの実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。なお、図１〜図９における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。
【００１７】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明による面発光半導体レーザの実施例を図１に示す。図１は、当該半導体レーザの断面構造を示し、101はｎ型Ｓi基板、102は、ｎ型Ｓi基板101上に形成したＳi／ＳiＯ₂多層膜からなる下部反射鏡、103は、下部反射鏡102上に形成した不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³のｎ型Ｓiクラッド層（下部クラッド層）、104は、ｎ型クラッド層103上に形成したベータ鉄シリサイドによる活性層、105は、活性層104上に形成した不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³のｐ型Ｓiクラッド層（上部クラッド層）、106は、ｐ型クラッド層105の上に形成したＳi／ＳiＯ₂多層膜からなる上部反射鏡、107，108は、ｎ型クラッド層103及びｐ型クラッド層105に電気的に接続されたそれぞれｎ型電極、ｐ型電極である。活性層104で生起した光がクラッド層103，105によって閉じ込められかつ下部及び上部反射鏡102，106で反射して共振し、レーザ光となる。下部及び上部反射鏡102，106に挟まれた構造が共振器となる。レーザ光の波長は、１．５５μｍである。
【００１８】
以上の本面発光半導体レーザの作製方法を図２及び図３を用いて以下に説明する。まず、図２に示すように、Ｓi基板101上に熱酸化とウエハ融着により、１０周期のＳi／ＳiＯ₂多層膜からなる下部反射鏡102を形成する。即ち、最初にＳi基板101を熱酸化してＳiＯ₂膜110を形成する（図２ａ）。次に、形成したＳiＯ₂膜110の表面と、別のＳi基板111の表面とを密着させ、真空中で加重を掛けながら、５００℃で３０分アニールして融着させる（図２ｂ）。続いて、ＳiＯ₂膜110上に融着したＳi基板111を研磨により所定の厚さを残して除去する（図２ｃ)。以上の工程により、一周期の反射鏡が形成される。
【００１９】
この工程を繰返すことにより、図２ｄに示す任意の周期の反射鏡が得られる。本実施例では、１０周期としたが、周期数は、任意に選択可能であることは言うまでもない。なお、次にエピタキシャル成長工程があることを考慮して、反射鏡の最上部層は、Ｓi層とする。
【００２０】
下部反射鏡102を形成した後の工程を図３に示す。まず、反射鏡102の上に分子線エピタキシー法により、ｎ型Ｓiクラッド層103、不純物を含まないアンドープＳi層112、ｐ型Ｓiクラッド層105を順にエピタキシャル成長させる（図３ａ）。このとき、ｎ型の不純物（ドーパント）にＢを用い、ｐ型の不純物にＳbを用いる。
【００２１】
次に、ベータ鉄シリサイド活性層104を形成するためにＦeのイオン打ち込みを行なう（図３ｂ)。Ｆeイオンの打ち込みエネルギーは１００ｋＶ、ドーズ量は１×１０¹⁷ions／ｃｍ²とする。イオン打ち込みの後、Ａr雰囲気中で９００℃で２４時間のアニールを行なう。このイオン打ち込みとそれに続くアニールにより、アンドープＳi層112は、膜厚０．１５μｍのβ−ＦeＳi₂活性層104となる（図３ｃ）。以上の工程でｐ型クラッド層105までが形成される。
【００２２】
以上の工程とは別に、図２に示した工程を用いてＳi／ＳiＯ₂多層膜からなる上部反射鏡106を形成したＳi基板を用意する。この別途用意したＳi基板を反射鏡側を下にしてｐ型クラッド層105に融着し、余分な部分を研磨により削り落す（図３ｄ）。融着の条件は、図２ｂに示した工程の場合と同じとする。
【００２３】
続いて、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、下部反射鏡106を所定の形状にすると共に、ｎ型クラッド層103及びｐ型クラッド層105を露出させる（図３ｅ）。最後に、それらの層の上にＡl蒸着により、それぞれｎ型電極107、ｐ型電極108を形成する（図３ｆ）。
【００２４】
本実施例の面発光半導体レーザは、活性層104にβ−ＦeＳi₂を用いることにより、反射鏡102，106にＳi／ＳiＯ₂多層膜の採用が可能となり、更に、活性層104及び反射鏡102，106にＳi系材料を用いることから、半導体レーザをＳi基板上に形成することが可能となる。
【００２５】
Ｓi／ＳiＯ₂多層膜においては、Ｓiが屈折率３．２４、ＳiＯ₂が屈折率１．４６であることから、大きな屈折率差が得られ、これによって高い反射率の反射鏡を少ない層数で形成することが可能となる。従来のＩnＰ系の材料では、この屈折率差が小さいため、層数を多くしても十分な反射率を得ることが困難である。本実施例は、ＩnＰ系材料では作製が困難であった１．５５μｍ帯の面発光半導体レーザを提供するものである。なお、本発明では、この波長に限らず、活性層104のベータ鉄シリサイドの組成比を変えることによってバンドギャプを変え、１．３μｍ帯とすることが可能である。
【００２６】
次に、同一のＳi基板上に面発光半導体レーザと電気信号回路とを形成して集積化した光伝送装置の実施例を図４に示す。図４において、150は、Ｓi基板101上に上記の方法によって形成した面発光半導体レーザ、152は、面発光半導体レーザ150に伝送すべき送信信号を供給するための駆動回路、153は、駆動回路152に供給する送信信号を生成する送信回路である。駆動回路152及び送信回路153が電気信号回路151となるが、この電気信号回路と、半導体レーザ150、駆動回路152及び送信回路153を電気的に相互に接続するための配線154とが通常の半導体集積回路技術によって形成される。
【００２７】
本実施例の光伝送装置は、面発光半導体レーザと電気信号回路とを同一基板上に形成することによって著しく小型化され、低価格かつ高信頼の装置となる。
【００２８】
＜実施例２＞
上部及び下部反射鏡に３次元ブラッグ（Bragg）反射器を用いた別の面発光半導体レーザの実施例を図５に示す。図５において、201はｎ型Ｓi基板、202，206は、Ｓi／ＳiＯ₂からなる３次元ブラッグ（Bragg）反射器によるそれぞれ下部反射鏡及び上部反射鏡、213は、下部反射鏡202及び上部反射鏡206で挟んだ光閉じ込め層、204は、光閉じ込め層213の中央部に形成した活性層を示す。なお、本実施例の場合は、ｎ型電極207が基板201の裏面に形成され、ｐ型電極208が上部反射鏡206の上に形成される。レーザ光の波長は、実施例１の場合と同様１．５５μｍである。
【００２９】
ここで用いる３次元ブラッグ反射器は、ＳiとＳiＯ₂からなるストライプが互いに井桁状に重なったものである。ＳiＯ₂は、この井桁構造の周期、即ち、Ｓi：ＳiＯ₂の充填率は、活性層204の発光波長（１．５５μｍ）の光の伝播を禁止するように設定される。通常、各層の厚さ及ストライプの幅は、０．１〜１μｍである。
【００３０】
一方、光閉じ込め層213は、基板201の水平方向にのみ周期構造を持つ。このような３次元構造の層213と同じく３次元構造の下部及び上部反射鏡202，206とにより、自然放出光はレーザの出射方向のみに制限される。これにより、レーザ光の共振モードへの結合効率が増大し、従って、閾値電流が低減するという好ましい結果を得ることができる。なお、下部及び上部反射鏡202，206のＳiは、それぞれｎ型Ｓi、ｐ型Ｓiを用いて形成されており、反射鏡202，206のＳi部分が導電層を兼ねている。
【００３１】
以上の本面発光レーザの作製方法を図６及び図７を用いて以下に説明する。最初に、ｎ型Ｓi基板201の上に電子線リソグラフィによってレジストパターン214を形成する（図６ａ）。これを熱酸化することにより、レジストパターン214が塗布されない部分にＳiＯ₂のストライプパターン215が形成される（図６ｂ）。
【００３２】
次に、この上に別のｎ型Ｓi基板216を融着し、一層分の厚さまで研磨する（図６ｃ）。その後、電子線リソグラフィを用いて先に形成したストライプと直交する方向にレジストパターンを形成する。これを熱酸化することにより、レジストパターン214が塗布されない部分にＳiＯ₂の一組の直交するストライプパターンが形成される（図６ｄ）。この図６ａ〜図６ｄの工程を繰返すことにより、任意の周期の構造を得ることができる。
【００３３】
このようにして１０周期積み重ねの構造を形成した後、その上に光閉じ込め層213を形成する。即ち、図６ｃに示したのと同様の方法でアンドープＳi基板を１０周期構造の上に融着し、研磨する。研磨後残す層厚は、完成時の光閉じ込め層213の厚さ（３層分）と同じにする。続いて、研磨面にレジストパターン214を形成し、熱酸化を行なう（図６ｅ）。更に、これと直交する方向に同様の工程を行なう。その結果、図６ｆに示した田の字型のパターンが形成される。ここでは、精度を上げるため、二段階の工程を採用したが、初めからレジストパターンを田の字型としてもよい。
【００３４】
その後、Ｆeのイオン注入と、アニールを行ない、光閉じ込め層213の中央部分にβ−ＦeＳi₂活性層204を形成する。注入及びアニールの条件は、実施例１の場合と同じである。光閉じ込め層213は、活性層204とその上下の層の３層構造になるが、その上の層が上部クラッド層、下の層が下部クラッド層になる。
【００３５】
活性層204の形成の後、光閉じ込め層213の上に上部反射鏡206を形成する。上部反射鏡206は、基板にｐ型Ｓi基板を採用して図６ａ〜図６ｄと同様の方法を用いて形成する。最後に、Ａl蒸着により、上記各層を形成したＳi基板201の表面にｐ型電極208、裏面にｎ型電極207を形成する。
【００３６】
本実施例の面発光半導体レーザは、前記した閾値電流を低減することができる効果に加え、実施例１の場合と同様、Ｓi基板上に形成することが可能という効果を有する。
【００３７】
なお、上記のブラッグ反射器202，206及び光閉じ込め層213のＳi化合物にＳiＯ₂を採用したが、本発明は、これに限らず、屈折率の低い他のＳi化合物、例えばＳiＧeやＳi₃Ｎ₄等を採用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
＜実施例３＞
本発明による端面反射型のリッジ型半導体レーザの実施例を図８に示す。図８は、当該半導体レーザの断面構造を示し、301はｎ型Ｓi基板、303は、ｎ型Ｓi基板301の上に形成した不純物濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³のｎ型Ｓiクラッド層（下部クラッド層）、304はｎ型Ｓiクラッド層303上に形成したベータ鉄シリサイドによる活性層、305は、活性層304上に形成した不純物濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³のｐ型Ｓiクラッド層（上部クラッド層）、307は、基板301の裏面に形成したｎ型電極、308は、クラッド層305に接して形成したｐ型電極である。
【００３９】
以上の本半導体レーザの作製方法を以下に記す。ｎ型Ｓi基板301上に、ｎ型Ｓiクラッド層303、アンドープＳi層、ｐ型Ｓiクラッド層305を分子線エピタキシー法によって形成する。各層の膜厚は、クラッド層303，305を各々１μｍ、アンドープＳi層を０．１μｍとする。このとき、ｎ型の不純物にＢを用い、ｐ型の不純物にＳbを用いる。なお、不純物は、これに限らず、それぞれの導電性を与える他の不純物を使用することができる。
【００４０】
次に、Ｆeのイオン打ち込みを行なう。打ち込みエネルギーは１．４ＭｅＶ、ドーズ量は１×１０¹⁷ions／ｃｍ²とする。この打ち込みエネルギーは、Ｆeイオンがクラッド層305を通過し、アンドープＳi層に丁度届くように設定されたものである。クラッド層305の厚さを変えた場合は、打ち込みエネルギーはそれに準じた値になる。続いて、Ａr雰囲気中において、９００℃で２４時間のアニールを行なう。このアニールによりアンドープＳi層がβ−ＦeＳi₂の活性層304となる。
【００４１】
以上の工程によって積層構造が作製され、次にリッジの形成と電極形成の工程に移る。フォトリソグラフィによって幅２μｍ、長さが少なくとも６００μｍのレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクにしてマイクロ波プラズマエッチングにより、約１．５μｍエッチングを行なう。このドライエッチングによってストライプ構造を形成した後、パッシベーション層309となるポリイミドを塗布し、表面を平坦化する。続いて、上記各層を形成してなる基板301の表面にＡlを蒸着してｐ型電極308を形成する。更に、基板301の裏面を研磨した後、研磨面にＡlを蒸着してｎ型電極307を形成する。最後に、前記ストライプの両端で、ストライプに対して垂直な方向に基板301を劈開して反射面を形成する。
【００４２】
本実施例の半導体レーザは全体がＳi系材料によって形成されるので、ＳiＯ₂などのＳi化合物による光導波路と屈折率や熱膨張係数等が合致し、それによって半導体レーザと光導波路とを低損失で結合することが可能となるほか、両者の位置合わせ精度を緩和することができる。
【００４３】
本実施例の半導体レーザを搭載したハイブリッド光集積回路による光伝送装置を図９に示す。図９において、321はＳi基板、322は、上記方法によって作製した半導体レーザ（ＬＤ）、323は、Ｓi基板321上に形成したＳiＯ₂による光導波路、325はＳi系材料によって作製したフォトダイオード（ＰＤ）、324は、半導体レーザ322及びフォトダイオード325に接続する電気信号回路である。
【００４４】
電気信号回路324は、伝送する信号を生成する送信回路、同信号を半導体レーザ322に供給する駆動回路及びフォトダイオード325からの電気信号を受けて受信信号を生成する受信回路からなり、１個の集積回路として構成される。
【００４５】
本発明の半導体レーザを採用することにより、半導体レーザ322と光導波路323との結合が容易となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓi基板上に容易に形成可能なＳi系材料による半導体レーザを実現することができる。そのため、同一Ｓi基板上に半導体レーザと電気信号回路とを集積化することが可能となり、従って、光伝送装置を１個の光集積回路で構成することができ、光伝送装置の小型化、低価格化、信頼性向上を達成することができる。それにより光通信システムの大幅なコストダウン、信頼性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザの第１の実施例を説明するための断面図。
【図２】図１の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図３】図１の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図４】図１の半導体レーザを用いた光伝送装置を説明するための平面図。
【図５】本発明の半導体レーザの第２の実施例を説明するための断面図。
【図６】図５の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図７】図５の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図８】本発明の半導体レーザの第３の実施例を説明するための断面図。
【図９】図８の半導体レーザを用いた光伝送装置を説明するための平面図。
【符号の説明】
101，111，201，301…Ｓi基板、102，202…下部反射鏡、103，303…下部クラッド層、104，204，304…β−ＦeＳi₂活性層、105，305…上部クラッド層、106，206…上部反射鏡、107，207，307…ｎ型電極、108，208，308…ｐ型電極、110…ＳiＯ₂膜、112…アンドープＳi層、213…光閉じ込め層、150…半導体レーザ、151…電気信号回路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device made of a semiconductor material and an optical transmission device using the device.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor laser devices (hereinafter simply referred to as “semiconductor lasers”) having emission wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm are widely used as light sources in optical communication systems. A semiconductor laser having such a wavelength band that is currently in practical use is generally formed of a III-V group compound semiconductor such as InGaAsP. A normal optical cable used in an optical communication system has a characteristic that the loss is lowest in the 1.3 μm band and the 1.55 μm band, but the compound semiconductor has a band gap corresponding to the wavelength band. Transition semiconductor.
[0003]
The semiconductor laser basically has an active layer and an n-type cladding layer and a p-type cladding layer for confining light emitted from the active layer. There are an end face reflection type in which a resonator is formed by sandwiching them between a plurality of reflecting surfaces, and a surface emitting type in which a resonator is formed by sandwiching them between two reflecting mirrors parallel to the substrate surface. Usually, the n-type cladding layer is disposed on the lower part (on the substrate side), and the p-type cladding layer is disposed on the upper part.
[0004]
The optical communication network that represents the optical communication system has been increasing in speed and capacity, and the development of the trunk line system is remarkable. However, as a future concept, the optical communication network is used for the subscriber system with the aim of penetrating the optical communication network to the home. The movement to introduce is emerging.
[0005]
Now, with the spread and development of the Internet, it is expected that the volume of transmitted and received data to the home will increase further in the future, but the optical subscriber line that introduces optical communication will respond to such movement. . Semiconductor lasers that are basic elements of optical subscriber systems and optical transmission devices using the same are aimed at home use, and in particular, their low cost and high performance have been sought rigorously. Essential technologies for future device development There are challenges.
[0006]
As one of the pursuit of cost reduction and high performance of an optical transmission apparatus, integration of an optical device and an electric signal circuit has been actively studied. Such integration will not only reduce the size, but also reduce costs, increase robustness, increase reliability, reduce power, and increase performance due to the effects of reducing parts and improving reliability. Will be realized.
[0007]
The technology for integrating electric signal circuits on Si substrates is highly mature. Therefore, a technology for mounting a GaAs-based semiconductor laser on the Si substrate (for example, “Japanese journal of Applied Physics” (issued December 1991) Vol. 30 No. 12B No. 3876 Page to page 3878] is a point for realizing an integrated optical transmission apparatus. However, since the crystal structure of the Group III-V compound semiconductor such as GaAs is greatly different from that of Si, a layer for relaxing strain due to lattice mismatch is required between the Si substrate and the semiconductor laser. . The structure of the intervening layer is complicated, requires many manufacturing steps, and there is a problem that it is difficult to achieve the target cost reduction.
[0008]
As another technique of integration of practical use is expected, the planar lightwave circuit: it is a hybrid optical integrated circuit using the (PLC P laner L ightwave C ircuit ). This is intended to reduce the size by replacing the connection between optical devices, which conventionally uses an optical fiber, with an optical waveguide such as SiO ₂ formed on a substrate.
[0009]
However, since a semiconductor laser using a III-V group compound semiconductor as a material differs greatly from Si or SiO ₂ in refractive index, thermal expansion coefficient, etc., it is unavoidable that a coupling loss occurs between the semiconductor laser and the optical waveguide. In addition, there is a problem that the alignment becomes severe.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the former problem of the prior art and provide a semiconductor laser that can be easily formed on a Si substrate and an optical transmission device using the same.
[0011]
[Means for Solving the Invention]
The above-mentioned problem of the present invention can be effectively solved by forming the active layer of the semiconductor laser by beta iron silicide (β-FeSi ₂ ) and further forming the upper and lower cladding layers by Si-based material. Is possible. By adopting such a means, the whole is formed of a Si-based material. As a result, no lattice mismatch occurs between the Si substrate and a semiconductor laser can be easily formed on the Si substrate. It is. In the case of the surface emitting type, it is possible to adopt a Si-based material for the reflecting mirror.
[0012]
However, it is shown that beta iron silicide is a direct transition semiconductor, and a light emitting diode having an emission wavelength of 1.5 μm using this as an active layer has been disclosed [for example, the British magazine “nature” (1997 June Monthly issue) 387, pp. 686-688].
[0013]
In the present invention, since the band gap of beta iron silicide, which is a direct transition semiconductor, is 0.8 to 0.95 eV and the emission wavelength is 1.3 μm to 1.55 μm, this is used for an active layer of a semiconductor laser. In addition, the present invention proposes a semiconductor laser suitable for optical communication for general use such as a subscriber system by forming the whole with Si-based material.
[0014]
By making the substrate on which the semiconductor laser is formed Si, a large number of electric signal circuits can be integrated on the substrate by a normal semiconductor integrated circuit technology, whereby an optical device and an electric signal circuit are integrated on the same Si substrate. Can be realized. The optical transmission apparatus according to the present invention can use the mature technology cultivated in the semiconductor integrated circuit, and can therefore realize a significant cost reduction.
[0015]
Further, by forming the semiconductor laser of the present invention on a Si substrate formed with a waveguide such as SiO ₂ , a hybrid optical integrated circuit with little coupling loss can be realized. This is because the semiconductor laser is made of an Si-based material, so that its refractive index, thermal expansion coefficient, and the like match that of the optical waveguide.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor laser and an optical transmission device using the semiconductor laser according to the present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention according to some examples using the drawings. In addition, the same symbol in FIGS. 1-9 shall display the same thing or a similar thing.
[0017]
【Example】
<Example 1>
An embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the present invention is shown in FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser, 101 is an n-type Si substrate, 102 is a lower reflecting mirror made of a Si / SiO ₂ multilayer film formed on the n-type Si substrate 101, and 103 is a lower reflecting mirror. An n-type Si cladding layer (lower cladding layer) having an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ formed on 102, 104 is an active layer made of beta iron silicide formed on the n-type cladding layer 103, and 105 is an active layer A p-type Si clad layer (upper clad layer) 106 having an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ formed on 104, an upper reflector made of a Si / SiO ₂ multilayer film formed on the p-type clad layer 105. 107 and 108 are an n-type electrode and a p-type electrode, respectively, electrically connected to the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105. The light generated in the active layer 104 is confined by the clad layers 103 and 105, reflected by the lower and upper reflecting mirrors 102 and 106, and resonated to become laser light. A structure sandwiched between the lower and upper reflecting mirrors 102 and 106 is a resonator. The wavelength of the laser light is 1.55 μm.
[0018]
A method for manufacturing the above main surface emitting semiconductor laser will be described below with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, a lower reflecting mirror 102 composed of a 10-cycle Si / SiO ₂ multilayer film is formed on an Si substrate 101 by thermal oxidation and wafer fusion. That is, first, the Si substrate 101 is thermally oxidized to form the SiO ₂ film 110 (FIG. 2a). Next, the surface of the formed SiO ₂ film 110 and the surface of another Si substrate 111 are brought into close contact with each other and annealed at 500 ° C. for 30 minutes while being applied with a load in a vacuum (FIG. 2b). Subsequently, the Si substrate 111 fused on the SiO ₂ film 110 is removed by polishing, leaving a predetermined thickness (FIG. 2c). Through the above steps, a one-cycle reflecting mirror is formed.
[0019]
By repeating this process, a reflector having an arbitrary period shown in FIG. 2D is obtained. In this embodiment, the number of periods is 10. However, it goes without saying that the number of periods can be arbitrarily selected. In consideration of the next epitaxial growth step, the uppermost layer of the reflecting mirror is an Si layer.
[0020]
The process after forming the lower reflecting mirror 102 is shown in FIG. First, an n-type Si cladding layer 103, an undoped Si layer 112 containing no impurities, and a p-type Si cladding layer 105 are epitaxially grown in this order on the reflecting mirror 102 by molecular beam epitaxy (FIG. 3a). At this time, B is used as an n-type impurity (dopant), and Sb is used as a p-type impurity.
[0021]
Next, Fe ions are implanted to form the beta iron silicide active layer 104 (FIG. 3b). The ion implantation energy of Fe ions is 100 kV, and the dose is 1 × 10 ¹⁷ ions / cm ² . After ion implantation, annealing is performed at 900 ° C. for 24 hours in an Ar atmosphere. By this ion implantation and subsequent annealing, the undoped Si layer 112 becomes a β-FeSi ₂ active layer 104 having a thickness of 0.15 μm (FIG. 3c). Up to the p-type cladding layer 105 is formed through the above steps.
[0022]
Separately from the above steps, an Si substrate is prepared on which an upper reflecting mirror 106 made of a Si / SiO ₂ multilayer film is formed using the steps shown in FIG. This separately prepared Si substrate is fused to the p-type cladding layer 105 with the reflecting mirror side down, and the excess portion is scraped off by polishing (FIG. 3d). The fusing conditions are the same as in the process shown in FIG.
[0023]
Subsequently, the lower reflecting mirror 106 is formed into a predetermined shape by photolithography and dry etching, and the n-type cladding layer 103 and the p-type cladding layer 105 are exposed (FIG. 3e). Finally, an n-type electrode 107 and a p-type electrode 108 are formed on these layers by Al vapor deposition, respectively (FIG. 3f).
[0024]
In the surface emitting semiconductor laser of this embodiment, by using β-FeSi ₂ for the active layer 104, it is possible to adopt a Si / SiO ₂ multilayer film for the reflecting mirrors 102 and 106. Furthermore, the active layer 104 and the reflecting mirror 102 can be used. , 106 using a Si-based material, a semiconductor laser can be formed on the Si substrate.
[0025]
In the Si / SiO ₂ multilayer film, since Si has a refractive index of 3.24 and SiO ₂ has a refractive index of 1.46, a large difference in refractive index can be obtained. Can be formed. In the conventional InP-based material, since this difference in refractive index is small, it is difficult to obtain a sufficient reflectance even if the number of layers is increased. This example provides a surface emitting semiconductor laser in the 1.55 μm band, which was difficult to produce with an InP-based material. In the present invention, not only this wavelength but also the band gap can be changed by changing the composition ratio of the beta iron silicide of the active layer 104 to be the 1.3 μm band.
[0026]
Next, FIG. 4 shows an embodiment of an optical transmission apparatus in which a surface emitting semiconductor laser and an electric signal circuit are integrated on the same Si substrate. In FIG. 4, 150 is a surface emitting semiconductor laser formed on the Si substrate 101 by the above method, 152 is a driving circuit for supplying a transmission signal to be transmitted to the surface emitting semiconductor laser 150, and 153 is a driving circuit. This is a transmission circuit that generates a transmission signal to be supplied to 152. The drive circuit 152 and the transmission circuit 153 serve as an electrical signal circuit 151. The electrical signal circuit and the wiring 154 for electrically connecting the semiconductor laser 150, the drive circuit 152, and the transmission circuit 153 to each other are ordinary semiconductors. Formed by integrated circuit technology.
[0027]
The optical transmission device of this embodiment is remarkably miniaturized by forming the surface emitting semiconductor laser and the electric signal circuit on the same substrate, and becomes a low-cost and highly reliable device.
[0028]
<Example 2>
FIG. 5 shows another embodiment of a surface emitting semiconductor laser using three-dimensional Bragg reflectors for the upper and lower reflecting mirrors. In FIG. 5, 201 denotes an n-type Si substrate, 202 and 206 denote a lower reflecting mirror and an upper reflecting mirror by a three-dimensional Bragg reflector made of Si / SiO _2, respectively, and 213 denotes a lower reflecting mirror 202 and an upper reflecting mirror. An optical confinement layer 204 sandwiched between the mirrors 206 indicates an active layer formed at the center of the optical confinement layer 213. In this embodiment, the n-type electrode 207 is formed on the back surface of the substrate 201, and the p-type electrode 208 is formed on the upper reflecting mirror 206. The wavelength of the laser beam is 1.55 μm as in the case of the first embodiment.
[0029]
The three-dimensional Bragg reflector used here is one in which stripes made of Si and SiO ₂ overlap each other in a grid pattern. For SiO ₂ , the period of this girder structure, that is, the filling rate of Si: SiO ₂ , is set so as to inhibit the propagation of light of the emission wavelength (1.55 μm) of the active layer 204. Usually, the thickness of each layer and the width of the stripe are 0.1 to 1 μm.
[0030]
On the other hand, the light confinement layer 213 has a periodic structure only in the horizontal direction of the substrate 201. The spontaneous emission light is limited only in the laser emission direction by the lower and upper reflecting mirrors 202 and 206 having the three-dimensional structure as well as the layer 213 having the three-dimensional structure. As a result, it is possible to obtain a favorable result that the coupling efficiency of the laser light into the resonance mode is increased, and therefore the threshold current is reduced. Si of the lower and upper reflecting mirrors 202 and 206 is formed using n-type Si and p-type Si, respectively, and the Si portion of the reflecting mirrors 202 and 206 also serves as a conductive layer.
[0031]
A method for manufacturing the above-described surface emitting laser will be described below with reference to FIGS. First, a resist pattern 214 is formed on the n-type Si substrate 201 by electron beam lithography (FIG. 6a). By thermally oxidizing this, a stripe pattern 215 of SiO ₂ is formed in a portion where the resist pattern 214 is not applied (FIG. 6b).
[0032]
Next, another n-type Si substrate 216 is fused thereon and polished to a thickness of one layer (FIG. 6c). Thereafter, a resist pattern is formed in a direction orthogonal to the previously formed stripe using electron beam lithography. By thermally oxidizing this, a set of orthogonal stripe patterns of SiO ₂ is formed in the portion where the resist pattern 214 is not applied (FIG. 6d). By repeating the steps of FIGS. 6a to 6d, a structure having an arbitrary period can be obtained.
[0033]
After forming a 10-cycle stacked structure in this way, an optical confinement layer 213 is formed thereon. That is, the undoped Si substrate is fused on the 10-period structure and polished by the same method as shown in FIG. 6c. The layer thickness remaining after polishing is the same as the thickness (three layers) of the optical confinement layer 213 at the time of completion. Subsequently, a resist pattern 214 is formed on the polished surface, and thermal oxidation is performed (FIG. 6e). Further, the same process is performed in a direction orthogonal to this. As a result, the rice pad pattern shown in FIG. 6f is formed. Here, in order to increase accuracy, a two-stage process is adopted, but the resist pattern may be a square shape from the beginning.
[0034]
Thereafter, Fe ion implantation and annealing are performed to form a β-FeSi ₂ active layer 204 in the central portion of the optical confinement layer 213. Implantation and annealing conditions are the same as in the first embodiment. The optical confinement layer 213 has a three-layer structure of the active layer 204 and the upper and lower layers, with the upper layer being an upper clad layer and the lower layer being a lower clad layer.
[0035]
After the formation of the active layer 204, the upper reflecting mirror 206 is formed on the light confinement layer 213. The upper reflecting mirror 206 is formed using a p-type Si substrate as the substrate and using the same method as in FIGS. 6a to 6d. Finally, a p-type electrode 208 is formed on the surface of the Si substrate 201 on which the above layers are formed, and an n-type electrode 207 is formed on the back surface by Al vapor deposition.
[0036]
In addition to the effect of reducing the threshold current described above, the surface emitting semiconductor laser of this example has an effect that it can be formed on a Si substrate as in the case of Example 1.
[0037]
Incidentally, the Si compound of the Bragg reflectors 202 and 206 and the light confinement layer 213 is adopted SiO _2, the present invention is not limited to this, other less Si compound refractive index, for example, SiGe or Si ₃ N ₄ etc. can be adopted, and the same effect can be obtained.
[0038]
<Example 3>
An embodiment of an edge reflection type ridge type semiconductor laser according to the present invention is shown in FIG. FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser, 301 is an n-type Si substrate, 303 is an n-type Si clad layer formed on the n-type Si substrate 301 and having an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ ( (Lower cladding layer) 304, an active layer made of beta iron silicide formed on the n-type Si cladding layer 303, and 305, a p-type Si cladding layer formed on the active layer 304 with an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ (Upper cladding layer) 307 is an n-type electrode formed on the back surface of the substrate 301, and 308 is a p-type electrode formed in contact with the cladding layer 305.
[0039]
A method for manufacturing the above semiconductor laser will be described below. On the n-type Si substrate 301, an n-type Si cladding layer 303, an undoped Si layer, and a p-type Si cladding layer 305 are formed by molecular beam epitaxy. The thickness of each layer is 1 μm for the clad layers 303 and 305 and 0.1 μm for the undoped Si layer. At this time, B is used as an n-type impurity, and Sb is used as a p-type impurity. Note that the impurity is not limited to this, and other impurities imparting the respective conductivity can be used.
[0040]
Next, Fe ion implantation is performed. The implantation energy is 1.4 MeV, and the dose is 1 × 10 ¹⁷ ions / cm ² . This implantation energy is set so that Fe ions pass through the cladding layer 305 and reach the undoped Si layer. When the thickness of the clad layer 305 is changed, the implantation energy becomes a value according to that. Subsequently, annealing is performed at 900 ° C. for 24 hours in an Ar atmosphere. By this annealing, the undoped Si layer becomes a β-FeSi ₂ active layer 304.
[0041]
The laminated structure is manufactured through the above steps, and then the process proceeds to the ridge formation and electrode formation steps. A resist pattern having a width of 2 μm and a length of at least 600 μm is formed by photolithography. About 1.5 μm is etched by microwave plasma etching using this resist pattern as a mask. After the stripe structure is formed by this dry etching, polyimide that becomes the passivation layer 309 is applied to flatten the surface. Subsequently, Al is vapor-deposited on the surface of the substrate 301 formed with the above layers to form a p-type electrode 308. Further, after polishing the back surface of the substrate 301, Al is vapor-deposited on the polished surface to form an n-type electrode 307. Finally, at both ends of the stripe, the substrate 301 is cleaved in a direction perpendicular to the stripe to form reflective surfaces.
[0042]
Since the entire semiconductor laser of this embodiment is formed of Si-based material, the optical waveguide made of Si compound such as SiO ₂ matches the refractive index, the thermal expansion coefficient, etc., thereby reducing the loss of the semiconductor laser and the optical waveguide. Can be combined with each other, and the alignment accuracy of the two can be relaxed.
[0043]
An optical transmission device using a hybrid optical integrated circuit on which the semiconductor laser of this embodiment is mounted is shown in FIG. In FIG. 9, reference numeral 321 denotes an Si substrate, 322 denotes a semiconductor laser (LD) manufactured by the above method, 323 denotes an optical waveguide made of SiO ₂ formed on the Si substrate 321, and 325 denotes a photodiode made of an Si-based material ( PD) 324 is an electric signal circuit connected to the semiconductor laser 322 and the photodiode 325.
[0044]
The electric signal circuit 324 includes a transmission circuit that generates a signal to be transmitted, a drive circuit that supplies the signal to the semiconductor laser 322, and a reception circuit that receives the electric signal from the photodiode 325 and generates a reception signal. Configured as an integrated circuit.
[0045]
By employing the semiconductor laser of the present invention, the coupling between the semiconductor laser 322 and the optical waveguide 323 is facilitated.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a semiconductor laser made of an Si-based material that can be easily formed on an Si substrate. Therefore, the semiconductor laser and the electric signal circuit can be integrated on the same Si substrate. Therefore, the optical transmission device can be constituted by one optical integrated circuit, and the optical transmission device can be downsized and reduced. Price and reliability can be improved. As a result, the cost of the optical communication system can be greatly reduced and the reliability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a first embodiment of a semiconductor laser according to the present invention.
2A to 2D are process diagrams for explaining a method for manufacturing the semiconductor laser in FIG.
3A to 3D are process diagrams for explaining a method for manufacturing the semiconductor laser in FIG.
4 is a plan view for explaining an optical transmission device using the semiconductor laser of FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the semiconductor laser of the present invention.
6 is a process diagram for describing a manufacturing method of the semiconductor laser of FIG. 5;
7 is a process diagram for describing a manufacturing method of the semiconductor laser of FIG. 5. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a third embodiment of the semiconductor laser of the present invention.
9 is a plan view for explaining an optical transmission device using the semiconductor laser of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
101,111,201,301 ... Si substrate, 102, 202 ... lower reflecting mirror, 103,303 ... lower cladding layer, 104, 204, 304 ... beta-FeSi ₂ active layers, 105 and 305 ... upper cladding layer, 106, 206 ... upper reflecting mirror, 107, 207, 307 ... n-type electrode, 108, 208, 308 ... p-type electrode, 110 ... SiO ₂ film, 112 ... undoped Si layer, 213 ... optical confinement layer, 150 ... semiconductor laser, 151 ... Electric signal circuit.

Claims

Having a structure in which a lower clad layer, an active layer and an upper clad layer are sequentially laminated on a silicon substrate;
In a semiconductor laser device including the structure and constituting a resonator,
The active layer is formed of beta iron silicide;
The upper and lower cladding layers are formed of a silicon-based material,
The resonator has two reflecting mirrors perpendicular to the substrate surface, and is a surface-emitting type in which the structure is sandwiched between the two reflecting mirrors.
The two reflecting mirrors are three-dimensional Bragg reflecting mirrors, and the three-dimensional Bragg reflecting mirror is formed by stacking stripes made of Si and Si compounds on each other in a grid pattern. A semiconductor laser device, wherein the semiconductor laser device is set so as to prohibit propagation of light having an emission wavelength of the layer .

2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a thickness of the Si and Si compound layer and a width of the stripe are 0.1 to 1 [mu] m .

The semiconductor laser device according to claim 1 , wherein the Si compound is a compound selected from the group consisting of SiO ₂ , SiGe, and Si ₃ N ₄ .