JPH01121803A - 光アイソレータ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光アイソレータ装置の製造方法に係り、特に光
アイソレータと半導体レーザとを一体化させた光アイソ
レータ装置に関する。

［従来技術］ 近年、光技術の進歩により、半導体レーザを用いた光学
デバイスが数多く用いられるようになってきた。その中
で光アイソレータは、ファイバー端面やディスク面等で
反射してきた光が、光源たる半導体レーザーの活性層に
戻ることで発振が不安定になることを防ぐものであり、
光技術を支える重要な光学素子の一つであり、０ＥＩＣ
（光電集積回路）を実現するために不可欠なものである
。

この光アイソレータには大きく分けて、バルク型、厚膜
型、導波型の三つの方式がある。このなかで、導波型は
小型化、集積化に優れており、最も重要な方式と考えら
れる。

この導波型光アイソレータとして、現在研究もしくは、
試作されている方式は大別して次の２つがある。

（１）レンズによる端面詰合法 この方法は半導体レーザ光をレンズで集束して光アイソ
レータ部の導波層に入射するものである。

第４図はレンズによる端面詰合法を説明するための概略
的構成図である。

同図に示すように、半導体レーザの活性層ｌから出射し
たレーザ光は、コリメータレンズ３ａおよび集光レンズ
３ｂによって、光アイソレータの導波路となる磁性ガー
ネッ）１１２の端面に集束される。

ここで導波路はＧＧＧ　（Ｇ　ｄ３Ｇ　ａｓ　０１２）
等の単結晶基板上にエピタキシャル成長させた磁性ガー
ネット薄膜（Ｙ３　Ｆｅｓ　０１２等）が用いられ、面
内磁化膜である。導波路を通過したレーザ光は他の端面
から出射し、コリメータレンズ３Ｃを通って平行光とさ
れ、ファイバー等の端面へ導かれる。

しかしながら、この方法は、レンズで集光したレーザ光
を数＃Ｌｍ厚の導波路部へ入射させるために精密な位置
合わせが必要である。また、マルチ化するためには、各
レーザーに対応したレンズが必要となり、レンズの大き
さのために集積化することが困難である。更にレンズ等
の光学部品を多数必要とするためにコスト高となる。

（２）直接結合法 第５図は直接結合法を説明するための概略的構成図であ
る。

第５図に示すように、この方法は、レーザーの活性層と
アイソレータの導波層を直接カップリングさせるもので
ある。半導体レーザの活性層ｌを出射した光は直接光ア
イソレータの導波層となる磁性ガーネットＩＩ！２へ入
射する。この方法は前記レンズによる端面結合法に比較
して部品点数も少なく高集積化が図れるというメリット
を持つ。

しかしながら、この方法においても、やはりそれぞれ数
ＩＬｍ以下の厚さであるレーザ活性層と導波層を精密に
位置合せする必要があり、コスト高になるのは避けられ
ない。

また、マルチ化を図る場合には２つの層を厳密に平行に
する必要があり、やはり技術的に非常に難しい。

［発明が解決しようとする問題点］ 前述した２つの方法における問題点は、半導体レーザと
光アイソレータが分離して個々に作製されることから生
ずるものであり、同一基板上に画素子を作製せんとする
試みがなされている。

しかしながら、同一基板上に半導体レーザと光アイソレ
ータとを作製するには次のような問題点を有していた。

すなわち、半導体レーザの結晶は、ＧａＡｓ。

ＧａＡｌＡｓ等であるのに対し、光アイソレータ用結晶
はＧ　ｄ３　Ｇ　ａ５０ｉ２　（ＧＧＧ）やＹ３Ｆ　ｅ
ｓ　０１２　（Ｙ　Ｉ　Ｇ）等のガーネット結晶である
。したがって、例えばＧＧＧの単結晶基板上にＧａＡｓ
の単結晶膜をエピタキシャルに成長させることは結晶形
の違い等によって困難である。

ＧａＡｓ基板上へＧＧＧ等を成長させる場合でも同様で
ある。

このように半導体基板上のエピタキシャル成長では基板
の単結晶材料とエピタキシャル成長層との間に格子定数
と′熱膨張係数との整合を取る必要があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、半導体レーザと光
アイソレータを一体化することのｏＴ＠な光アイソレー
タ装置の製造方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の光アイソレータ装置の製造方法は、基体面上の
一部にファラデー幼葉を有する磁性膜を形成して光アイ
ソレータを作製する工程と、前記磁性膜を形成する領域
以外の基体面上の少なくとも一部に核形成密度の小さい
非核形成面と、単一核のみ結晶成長するに充分小さい面
桔を有し前記非核形成面の核形成密度より大きい核形成
密度を有する核形成面とを隣接して形成し、結晶形成処
理を施して、前記磁性膜に隣接するように単一核より半
導体単結晶を成長させ、この半導体単結晶に前記磁性膜
と並設するように半導体レーザを作製する工程とを有す
ることを特徴とする。

［作用］ 本発明の光アイソレータ装置の製造方法は、核形成面の
み単一核が形成され、非核形成面上には単一核が生成さ
れないので、単一核のみを中心として半導体単結晶を成
長させ、この半導体単結晶に半導体レーザを作製するこ
とができ、結晶性等の違い等から従来ファラデー効果を
有する磁性膜と半導体単結晶とが同−基体上に形成出来
なかった基体面にも、ファラデー効果を有する磁性膜と
単結晶ウェハ上に形成された半導体レーザとほぼ同等な
特性の半導体レーザを作製することができる。

また、半導体単結晶の位置が核形成面の位置精度で決め
られるので、所望の位置に半導体レーザを高精度に作製
することができ、さらに半導体単結晶と光アイソレータ
とを通常の半導体製造プロセスで製造することができる
ので、簡易な工程で半導体レーザと光アイソレータの一
体化が可能となり、集積化を行なうことも可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

本発明の説明に先だって、本発明に用いる結晶の形成方
法をより理解しやすくするために、堆積面上に選択的に
堆積膜を形成する選択堆積法について述べる。ここで選
択堆積法とは、表面エネルギー、付着係数、脱離係数、
表面拡散速度等という薄膜形成過程での核形成を左右す
る因子の材料間での差を利用して、基板上に選択的にＩ
ｉ［を形成する方法である。

第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図である
。

まず同図（＾）に示すように、基板１６上に、基板１６
と上記因子の異なる材料から成る薄膜１７を所望部分に
形成する。そして、適当な堆積条件によって適当な材料
から成る薄膜の堆積を行うと、同図（Ｂ）に示すように
、ｆ１膜１８は薄膜１７上にのみ成長し、基板１６上に
は成長しないという現象を生じさせることができる。こ
の現象を利用することで、自己整合的に成形された薄膜
１８を成長させることができ、従来のようなレジストを
用いたリングラフィ工程の省略が可能となる。

なお、このように選択に薄膜を形成させる要因としては
１種々の成膜条件の影響をうけるが特に核形成密度の影
響は大きい。ここで、核形成密度とは、単位面積当りに
形成される核の数をいう（核とは、飛来する原子等が脱
離、付着の不安定状態から一定の安定した大きさになっ
たものをいう）。

本発明に用いる結晶の形成方法は、このような核形成密
度の差を利用し、堆積面（非核形成面）の形成材料より
核形成密度の十分大きい異種材料からなる核形成面を単
一の核だけが成長するように十分微細に形成することに
よって、その微細な面積を有する異種材料からなる核形
成面の存在する箇所だけに単結晶を選択的に成長させる
ものである。

この核形成密度差を得る他の方法としては、後述するよ
うに、５ｉ０２上に局所的にイオン注入して過剰にイオ
ンを有する領域を形成してもよい。

結晶形成処理方法としては、化学気相蒸着法、スパッタ
リング法、電子ビーム法、イオンクラスタービーム法、
分子線エピタキシー法等を用いることができる。

なお、単結晶の選択的成長は、堆積面表面の電子状態、
特にダングリングボンドの状態によって決定されるため
に、核形成密度の低い材料（たとえば、５ｉ０２）はバ
ルク材料である必要はなく、任意の材料や基板等の表面
のみに形成されて上記堆積面を成していればよい。

本発明の光アイソレータ装置は、上述したような結晶の
形成方法を用いて、結晶性等の違い等から従来ファラデ
ー効果を有する磁性膜と単結晶とが形成出来なかった基
体面に、ファラデー効果を有する磁性膜と単結晶ウェハ
上に形成された半導体レーザとほぼ同等な特性の半導体
レーザを作製することを可１＠とするものである。

以下、本発明の光アインレータ装置の製造方法について
図面を用いて詳細に説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｇ）は、本発明の光アイソレータ装置
の製造方法を示す工程図である。

まず、第１図（Ａ）に示すように、ＧＧＧ等の単結晶基
板４上に磁性ガーネット膜（Ｙ３Ｆｅ５０ｘｚｉ）２を
エピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長法とし
ては、液相法もしくは気相法を用いることができる。

ここで、磁性ガーネット膜２は面内磁化膜であり、ファ
ラデー効果によって入射レーザ光をモード変換させるこ
とによりアイソレータ機能を持つものである。

次に、第１図（Ｂ）に示すように、ガーネットＭ２およ
び単結晶基板４をイオンミリング等の手段によりエツチ
ングし、段差を形成する０次にこのエツチング部分、す
なわち凹部の底面部分に選択堆積を可能にする核形成密
度の小さい５ｔｏ２等の薄膜５を形成する。更にその上
に核形成密度の大きいＳｉ３Ｎ４等の核形成面形成材料
を薄く堆積させ、リングラフィ等によってパターニング
することで核形成面６を数Ｌｍ以下に形成する。

なお、核形成面とは、上述したように、ＳｉやＮ等をＳ
膜５にイオン注入して形成される過剰にＳｆやＮ等を有
する変質領域も含めるものとする。

次に、第１図（Ｃ）に示すように、気相成長法等の手段
によって、適当な堆積条件にで核形成面だけに堆積材料
たるＧａＡｓの単一の核が形成される。すなわち、核形
成面６は、単一の核のみが形成される程度に十分微細に
形成する必要がある。更に、核は単結晶構造を保ちなが
ら成長し。

島状の半導体単結晶粒７ａとなる。島状の半導体単結晶
粒７ａが形成されるためには、すでに述べたように、ｆ
ｓＳＳ上で全く核形成が起こらないように条件を決める
ことが必要である。

島状の半導体単結晶粒７ａは単結晶構造を保ちながら核
形成面６を中心して更に成長し、薄膜５全体を覆って半
導体単結晶となる。

次に、第１図（ロ）に示すように、エツチング又は研磨
によって半導体単結晶を平坦化し、半導体単結晶層７が
薄１１５ｊ５上に形成される。

次に、第１図（Ｅ）に示すように、ＧａＡｓの半導体単
結晶層上にｎ−ＡｌＧａＡｓ層８゜ｎ−ＧａＡｓ活性層
９、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層１０、ｎ−ＧａＡｓ層１１を順
次成長させる。このとき、ｎ−ＧａＡｓ活性ＦＪ９の中
心が導波層たる磁性ガーネット膜２の膜厚中心と一致す
るようにおよびｎ−ＡｌＧａＡｓ層８、ｐ−ＡｌＧａＡ
ｓ層１０の層厚等を調整する。

次に、第１図（Ｆ）に示すように、ｐ十拡散領域１２お
よびＰ拡ｒ＆債域１３を形成する。

次に、第１図ＣＧ）に示すように、ガーネット膜２とｎ
−ＧａＡｓ活性層９との間を分離するように、半導体レ
ーザ部と光アイソレータ部との境界をエツチングする。

更に、電極１４を形成したのち、反応性イオンエツチン
グ等の手段によって反射面１５を一対形成する。

以上述べたように、半導体レーザと導波層とが、わずか
な間隙（例えば２０＃Ｌｍ以内）を介して隣り合ってい
るため、レーザ光は容易に光アイソレータ部へと入射す
ることができる。

第２図は、本発明を用いた光マルチチャネル型アイソレ
ータ装置の概略的構成図である。

同図に示すように、本発明の製造方法によれば、単結晶
基板４上に磁性ガーネッ）ｇｉ２および半導体単結晶層
７を高精度に並設して作製することができ、との半導体
単結晶層７上に前述したようにｎ−ａｔｃａＡｓ層８、
ｎ−ＧａＡｓ活性層９、ｐ−ＡｌＧａＡｓ＆ｔｌＯ１ｎ
−ＧａＡｓ層１１を順次形成して半導体レーザ部１９を
作製し、この半導体レーザ部１９と磁性ガーネット膜２
で構成される光アイソレータ部２０とで、容易にマルチ
チャネル型アイソレータを形成することができる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明による光アイソレー
タ装置の製造方法は次のような効果を生じさせるもので
ある。

（１）結晶性等の違い等から従来ファラデー効果を有す
る磁性膜と単結晶とが形成出来なかった基体面にも、フ
ァラデー効果を有する磁性膜と単結晶ウェハ上に形成さ
れた半導体レーザとほぼ同等な特性の半導体レーザを作
製することができる。

（２）半導体単結晶の位置が核形成面の位置精度で決め
られるので、所望の位置に半導体レーザを高精度に作製
することができ、光アイソレータも通常の半導体製造プ
ロセスで製造することができるので、簡易な工程で高精
度に半導体レーザと光アイソレータの一体化が可能とな
り、集積化を行なうことも可能となる。その結果光マル
チチャネル型アイソレータ装置を容易に作製することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｇ）は、本発明の光アイソレータ装置
の製造方法を示す工程図である。 第２図は、本発明を用いたマルチチャネル型アイソレー
タの概略的構成図である。 第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図である
。 第４図はレンズによる端面詰合法を説明するための概略
的構成図である。 第５図は直接結合法を説明するための概略的構成図であ
る。 ２：磁性ガーネット膜、４：単結晶基板、５：ｆ１ｉ膜
、６：核形成面、 ７ａ：半導体単結晶粒、７：半導体単結晶層８：ｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ、ｌ。 ９：ｎ−ＧａＡｓ活性層、 １０：　ｐ−ＡｌＧａＡｓ層、 １１：ｎ−ＧａＡｓ層、 １２二ｐ十拡散領域、１３：Ｐ拡散領域、１４：電極、
１５：反射面、 １９：半導体レーザ部、 ２０：光アイソレータ部。 代理人　　弁理士　山　下　積　平 第２図 第３図 （Ａ） 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体面上の一部にファラデー効果を有する磁性膜
   を形成して光アイソレータを作製する工程と、 前記磁性膜を形成する領域以外の基体面上の少なくとも
   一部に核形成密度の小さい非核形成面と、単一核のみ結
   晶成長するに充分小さい面積を有し前記非核形成面の核
   形成密度より大きい核形成密度を有する核形成面とを隣
   接して形成し、結晶形成処理を施して、前記磁性膜に隣
   接するように単一核より半導体単結晶を成長させ、この
   半導体単結晶に前記磁性膜と並設するように半導体レー
   ザを作製する工程とを有する光アイソレータ装置の製造
   方法。