JPH10505433A

JPH10505433A - パッケージした光デバイス

Info

Publication number: JPH10505433A
Application number: JP8502953A
Authority: JP
Inventors: コリンズ、ジョン・ビンセント; ペイネ、ロジャー・アリン; サーロウ、アドリアン・リチャード; リールマン、イアン・フランシス; フィディメント、フィリップ・ジョン
Original assignee: ブリテイッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1998-05-26
Also published as: CA2193095A1; DE69514358T2; KR970704168A; EP0767923B1; EP0767923A1; CA2193095C; US5852696A; DE69514358D1; WO1996000918A1

Abstract

(57)【要約】光デバイスパッケージはセラミックのフェルール（60）によって光ファイバ（260）と光学的に接続された関係で保持されている光デバイス（10）で成る。光デバイス（10）はヒートシンク（50）上にマウントされ、ヒートシンク（50）はフェルール（60）上にマウントされている。光ファイバ（10）はフェルール（60）の縁に関係して精密にマウントされ、フェルール内に光ファイバ（260）を挿入することにより、活性整列技術を必要とすることなく光ファイバを光デバイスと光学的に接続された関係へ導くようにしている。使用上、光デバイス（10）はシリコンの密閉剤（40）内にカプセルされて、デバイスが汚染の影響から被覆されるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】パッケージした光デバイスこの発明は光ファイバと整列した光デバイスのパッケージに関する。光ファイバを光デバイス内の他の部品と正確に整列することの重要性はよく知られている。伝送器や受信機といった光電子デバイスでは、光エネルギーの最適結合を得るのに、例えば光ファイバとレーザあるいは受信機チップとの整列が必要である。これは、とくに送信機に対して言えることであり、そこでは、例えば適切な光接続によって最小電力を用いてレーザを動作することができ、こうしてレーザ作用中に生ずる熱を低減させ、かつ、レーザの寿命を延ばす。また、レーザから熱を伝送する際に生まれる熱膨張問題を最小化し、ある種の応用では、熱電冷却器の必要性を除去することを通してパッケージコストを削減することもできる。組立では、光接続のためにファイバを３軸方向に整列しなければならないだけでなく、固定あるいは後続の処理のときに収縮力によって変化しないようにしなければならない。例えば、単一モードファイバでは、ファイバの半径方向に±1/ 2ミクロン、軸方向に１〜２ミクロンの範囲内で最終整列が行われなければならない。従来、レーザのような環境に敏感な部品を組み入れたパッケージは、例えばハーメチック・シールされ、部品に閉じていてしかも保護された環境を提供する。通例では、適切なフィードスルー接続を介して通信光ファイバにこの種のパッケージを導入する。組立では、ファイバは最初にフィードスルーに挿入され、フィードスルーはパッケージに固定される。次にパッケージ内部のファイバの一部がレーザ、又は他の部品と整列され、別個に正しい位置に固定される。例えば、ＵＳ４６１４０３１はこのような組立技術の一例を開示しており、そこでは、整列を固定するのにパッケージ内部のファイバ上で溶接されたアンカー式クランプが使用される。光ファイバのパッケージに対する類似のやり方が欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０２８６３１９に記載されている。ここでは、光ファイバがフィードスルーチューブ内でハーメチック・シールされ、フィードスルーチューブはパッケージの壁の孔を通ってレーザと整列されている。フィードスルーチューブはパッケージの内側の表面上に取り付けられた２つの支持点を有し、ここでチューブは光ファイバと整列するようにされる。レーザのパワーを高め、かつ、レーザと関係するファイバの一部が変化するときファイバに沿って通る光のレベルを監視することによって、チューブ内のファイバは能動的に光学的にレーザと整列する。最適整列が達成されると、チューブはレーザと固定の関係で保持される。このやり方を用いると、パッケージ及びパッケージの壁は温度変化によって変形することがなく、そうでなければファイバ及び光デバイスが光整列の外へ出てゆくこともある。光デバイスのパッケージコストは、ＦＴＴＨ（fibre to the home）電気通信網の発展に対する主要な経済障壁の１つとなっている。それは、デバイスが加入者の家屋内に設置される装置のコストの極めて大きな部分の責任を負っているからである。中でも、例えばパッケージされた半導体レーザなどの光電子部品及びアセンブルのコストがとくに顕著である。例えばパッケージされた半導体レーザのコストの最大の構成要素はレーザ自体のコストではなく、デバイスのパッケージングにかかるコストである。パッケージングの主要コストの１つはレーザを入れるために必要な特殊なパッケー又は箱、そして、湿気その他の汚染物質の影響からレーザを保護するためにそのパッケージや箱と関係するハーメチック・シーリングの必要性である。パッケージコストの別の要因は能動ファイバ整列技術（すなわち、整列処理中にファイバ内に発射されるレーザ光を能動的に監視することが求められる技術）を使用して光ファイバを半導体レーザと整列させる必要があることである。説明の簡素化のため、以下ではレーザと光ファイバとの整列の特殊な場合について述べる。しかし、当業者には、この発明が光ファイバと他の光デバイスとの整列に対しても等しく応用できることが理解されよう。この発明の第１の特徴によると、半導体レーザと、光ファイバと、支持部材とで成るパッケージされた半導体レーザが提供される。レーザは支持部材によって支持され、光ファイバは支持部材によってレーザと光学的に接続された関係で保持され、レーザデバイスは支持部材の外部に取り付けられる。好ましくは、光ファイバは屈折率整合接着剤、例えばエポキシをベースとした接着剤でレーザファセットに接着される。ファイバはレーザファセットに直接接着でき、その場合、ファイバとレーザファセットとの間には接着剤の薄層があるだけである。代わって、ファイバとレーザファセットとの間に、例えばレンズや他の光伝送手段を接着することによって、ファイバをレーザファセットに間接的に接着することができる。ファイバがファセットと直接的又は間接的に接触することによって、ファセットとファイバとの間の不要な反射を削減することができる。代わって、既知の方法でファセットと光ファイバとの間の反射を最小化することができる。例えば、光ファイバの端にレンズを形成したり、ファイバの端に抗反射コーティングを施したり、ファイバ端のある角度を磨いたりといったような方法である。好ましくは、レーザファセットと光ファイバとの間の接合効率はＮＡファイバ、例えば0.25よりも大きいＮＡを有するファイバを用いることにより（ＮＡが約 0.1の標準ファイバと比較して）増大される。代わって、整列許容値、従ってレーザファセットと光ファイバとの間の接合効率は大きいスポットサイズのレーザを用いることにより増大される（1994年２月 14日出願の共に未決済の欧州特許出願Ｎｏ．９４３０１３０９．４に記載）。これは大きいスポットサイズの出力放射ビームを有し、標準単一モードの電気通信光ファイバのスポットサイズに一層厳密に整合する(標準単一モードの電気通信光ファイバのスポットサイズは波長1.55μｍで約10μｍ、これに対し典型的な二重ヘテロ構造の半導体レーザの出力ファセットは1.5μｍで約1.0μｍである)。大きいスポットサイズの半導体レーザは導波路構造とともに組み立てられる。この導波路構造は、一般に標準の半導体レーザよりも大きくかつ放散性の少ない出力を提供するように変形されている。大きなＮＡ値のファイバ及び大きいスポットサイズのレーザはともに組み合わせて使用することができるが、発明者は、大きいスポットサイズのレーザを標準の電気通信光ファイバとともに用いることによって、この発明では66％までという極めて良好な接合効率がもたらされることを示している。支持部材の１つの目的は光ファイバをレーザとの精密な光整列内に保持することである。幾つかの方法でこれを達成することができる。例えば、支持部材に基板を備え、この基板の一表面に精密なＶ溝基準面を形成することである。好ましくは、精密なＶ溝はエッチング、とくに単結晶基板のエッチングによって形成される。光ファイバはＶ溝内に固定されて光ファイバの整列を維持する。さらに、ファイバ上に別のＶ溝基板を反転することによってこの組立を強化することができる。レーザは、支持部材の第２の基準面に対して光ファイバとの光接続関係を保つ。代わって、支持部材を精密なフェルールとし、その中へ光ファイバを受け入れてその整列を保持することもできる。フェルール・ボア（孔）の内部表面は光ファイバに対して基準面を提供する。光ファイバを保持する他の方法は、この発明の開示の見解から明らかであろう。この発明の好ましい実施例では、支持部材はセラミックのフェルールであり、レーザへの基礎としての役割を果たすとともに、フェルール・ボア内に基準面を提供してフェルール・ボアが光ファイバを正しく支持するのに十分正確な寸法とする。フェルールの縁はレーザと光ファイバとを整列させるための基準面として使用される。代わって、支持部材をシリコン基板内のマイクロマシン機工とすることができ、ここでは、リソグラフ用マスク及びエッチング技術を用いて基準面上に整列バンプ（一般にはＳｉＯ₂で成る）を構築することにより支持部材上でのレーザの整列が達成され、これが、支持部材に支持されているファイバ端に対するレーザの位置取りを誘導する。マイクロマシン機工の基板はフェルールのような構造を提供して光ファイバを受け入れるか、あるいは例えばＶ溝構造とすることもできる。従来、半導体レーザは動作中に発生する熱を放散するためにヒートシンクを必要とする。好ましくは、支持部材自体が適切なヒートシンクの役割を果たす。代わって、レーザをデバイスのマウント上に取り付け、それ自体を支持部材と接触させて、デバイスのマウントが単独でもしくは支持部材との組合せでヒートシンクの役割をするようにすることもできる。デバイスマウントのヒートシンクは一般に、例えば金をコーティングしたダイヤモンドで成り、その上にレーザを取り付けるといったような従来型のものである。しかし、一般的には、ダイヤモンドの代わりに例えばダイヤモンドをコーティングした基板とか、窒化アルミニウムなどの化合物又は類似の熱伝導素材を用いることによりコストは削減される。好ましくは、支持部材と一体となった部品として半導体レーザ用の電気的接触部が用意される。また好ましくは、接触部はＰＣＢボードピンと接続され、パッケージされたデバイス全体を標準ＰＣＢ構成に容易に取り付けることができるようにする。実用では、レーザを湿度その他の汚染物から保護するためにレーザは数種類の低コストの保護キャップを備える。この発明の好ましい実施例では、レーザはシリコンシール用ゲルで被覆され、これがこのキャップの役割を果たしている。驚くべきことに、シリコンシール用ゲルは寿命要求が厳しい電気通信応用でも十分にレーザを湿度その他の汚染物から保護することができるため、レーザをハーメチック・シールされた箱の中に収納する必要がなく、従って、既知のパッケージ製造における主要なパッケージコストの費用を削減することができる。この発明の実施例では、保護キャップ、例えばシリコンシール用ゲルが光デバイスと光ファイバとの間の屈折率整合であり、ファイバをデバイスに接着するための屈折率整合接着剤の代わりとして機能する。この発明の第２の特徴によると、半導体レーザをパッケージする方法が提供され、この方法は、半導体レーザを支持部材上に位置決めし、かつ取り付けること、及び光ファイバの一端を支持部材に固定することで成り、半導体レーザは支持部材の外部に位置決めされ、かつ光ファイバとは光接合関係にあることを特徴とする。好ましくは、この方法はさらに屈折率整合接着剤を用いて光ファイバの端をレーザのファセットに接着する段階を有する。また、接着剤は加熱を必要とすることなく修正可能な接着剤、例えばＵＶ光（紫外線）で硬化する接着剤などであることが好ましい。半導体レーザの場合、能動的整列を使用して、レーザをオンに切換えかつレーザビームを用いて、例えば光ファイバの支持部材のボアの中央に相対的に部品を位置決めすることによって半導体レーザとデバイスマウントとを正確に整列させることができ、例えば、レーザビームは、正しい位置決めが達成されると光センサに衝突する。代わって、機械的整列システムによってレーザを受動的に整列させ、正しい位置に接着することができる。精密な位置取りを得るために、レーザは整列特性、例えば１又は複数の溝（グルーブ）、エッジ、ショルダー、バンプなどと対向して支持部材上に接着されることが好ましい。受動的配列技術の欠点は、レーザ本体の整列エッジからレーザメサの位置までの距離がレーザと光ファイバとの整列に重大な影響を与えることである。例えば、整列エッジと活性領域との間の距離がミクロン単位の精度でしか定義できない場合、光ファイバ及びレーザ活性領域を受動的整列技術によって十分な精度をもつて整列させることは、とくに光ファイバが単一モードの場合は不可能である。従来、正確な寸法のレーザチップを組み立てるための技術は１ミクロンまでの精度しかもたない。一般に、基板の寸法はレーザチップの寸法を定義する。これらの寸法はバルク基板から劈開した単一レーザ用の劈開平面により定義される。従って、既知のレーザの寸法は劈開処理がいかに正確であるかによって決まる。この発明の別の特徴によると、半導体基板と、その上に堆積された複数のエピタキシャル層を備えた半導体レーザが提供され、少なくともエピタキシャル層の１つがレーザの整列エッジを定義するエッジを有することを特徴とする。好ましくは、各エピタキシャル層の整列エッジはリソグラフ用マスク及びエッチング工程により定義され、これらは一般に0.25μｍまでの精度を有している。好ましい実施例では、整列エッジが基板のエッジと分離されており、後者はクリーブによって定義される。従って、劈開した基板の寸法が正確であるか否かに拘わらず、そのエピタキシャル層又は各エピタキシャル層により定義された整列エッジによってレーザの寸法がサブミクロンの精度で定義される。好ましくは、レーザ上の整列エッジは、そのレーザが取り付けられている支持部材上の整列特性を備える。整列特性は、例えば１又は複数のバンプあるいはリッジの形をとって支持部材の基準面上にあり、これに対してレーザの整列エッジはレーザを支持部材と関連して必要な整列内に維持する。好ましくは、支持部材上の整列特性はレーザ上の整列エッジのマスクと同一のマスクを用いて類似の標準リソグラフ用マスク及びエッチング工程によって定義され、支持部材上で終了した整列エッジとレーザ上の整列エッジとの間のサブミクロン整列を確実とする。この発明の別な特徴によると、半導体レーザを組み立てる方法が提供される。レーザは、半導体基板とその上に堆積された複数のエピタキシャル成長層、及び整列エッジとを備え、この方法は、レーザの整列エッジの位置取りを決めるエッジを有する少なくとも１つのエピタキシャル層を形成する段階を備える。エピタキシャル層のエッジは整列エッジを定義するもので、エピタキシャル層のエッジの位置をサブミクロン精度で決めるのに適した標準リソグラフ用マスクとエッチング工程とを用いて形成される。好ましくは、整列エッジを決めるエピタキシャル層は半導体基板と分離されており、基板のエッジは一般に劈開平面により定義される。半導体レーザについての前述の論及は、必要な変更を加えて他の半導体光デバイス、例えば検出器、変調器、増幅器、フィルタなどにも当てはまることが理解されよう。次に、添付の図面を参照してこの発明の実施例を一例としてより詳細に記述する。図１はこの発明の第１の実施例を示す。図２及び３はそれぞれこの発明の第２の実施例の正面図及び分解図を示す。図４ａないし４ｉは第２の実施例で使用するための半導体レーザチップの組み立て過程に含まれる段階を示す。図５は図４ａないし４ｉで組み立てられた劈開したレーザチップの正面図である。図６は図４ａないし４ｉで示した段階の組立設計図である。図７は第２の実施例をより詳細に示す。図８は第２の実施例によるパッケージで達成された接合結果のグラフである。図９はこの発明の第２の実施例のヒートシンク性能と標準ダイヤモンドのヒートシンクとを比較したグラフである。図１において、ファセット15をもつ半導体10がヒートシンク50に固定されており、ヒートシンク50はファイバ支持チューブ20に固定されている。固定手段は熱伝導性の接着剤で成る。この接着剤が使われるのは、はんだ接合や熱圧着法のようにデバイスを加熱してボンドを形成する必要がないからである。支持チューブ20は光ファイバ30を収納し、光ファイバがレーザ10のファセット15と光接合整列されているようにする。光ファイバ30は屈折率整合ＵＶ硬化接着剤90で支持チューブ内に固定されている。チューブ20上に電気的接触部60及び70が備えられ、電気的接続65及びヒートシンク50をそれぞれ介してレーザ10へ電気を供給し易いようにしている。電気的接触部60及び70はＰＣＢボードピン80及び85にそれぞれ接続され、ＰＣＢボードピン80及び85はレーザパッケージをＰＣＢへ単純接続できるようにしている（図示せず）。レーザ10はシリコン・ゲル・キャップ40、例えばWacker（manufacturer）905で完全に被覆され、湿度その他の汚染物からレーザを保護している。ファイバ支持チューブ20は精密製造されたセラミックフェルール、例えば京セラ（日本）から入手可能なフェルールで、１ミクロンの誤差範囲内で製造されている。フェルール20はその精密さによってレーザパッケージ全体の基板としての役割をすることができる。従って、半導体レーザ10及びヒートシンク50をフェルール20に相対して正確に位置決めすると、単純にフェルール内に光ファイバを挿入することによって光ファイバ30とレーザファセット15とを光学的結合した整列状態へと導くことができる。このやり方では、光ファイバ30とファセット15とを整列させるのに能動的整列を必要としない。この構成を用いたテストを実行し、その結果を表１に示した。これらのテストでは、光ファイバ30をＵＶ硬化接着剤90でフェルール20に挿入した。レーザ10と光ファイバ30とは能動的整列を用いて整列され、レーザはこの中でパワーを高められて標準整列ベンチ上でファイバ30と整列された。一度整列されると、ヒートシンク50が加わってレーザ10を支持し、ヒートシンク50は、この装置をＵＶ光にさらしてＵＶ硬化した接着剤を用いてフェルール20に接着された。表１に示すように、各デバイスの製造の各段階において光結合効率の測定を行った。表１において、‘レーザ番号’はテスト対象のレーザを識別し、‘プレ・フィックス’は能動的整列による最初の結合効率である。‘ヒートシンク固定’は、ヒートシンクを加えたときの結合効率であり、‘エキポシ硬化’はデバイスが硬化された後の結合効率である。表１の結果では、理論上の最大効率が66％である大きいスポットサイズのレーザを用いると、平均結合効率がほぼ45％であることが示されている。次のテストは論理上の最大効率76％をもつ非常に大きいスポットサイズのレーザを使って実行した。このテストでは、62％を超える結合効率が達成された。出願人は、製造過程を微細に調整することにより、レーザデバイスの論理上の上限に近い結合効率が可能であると考えている。図２はこの発明のパッケージされた半導体レーザの第２の実施例を示し、図３にはこの分解図が示されている。図には、シリコンの支持部材、すなわちサブマウント200が示されており、サブマウント200はＳｉＯ₂整列リッジ210を含み、ＳｉＯ₂整列リッジ210に対向してレーザチップ220が整列されている。サブマウント200にシリコンを使う利点は、その非等方性性質の利点を利用して、正確なエッチングで正確な各エッチング深さとエッチング角度とを提供できることである。サブマウント200上にはソルダ・パッド230がつけられ、この上にはレーザチップ220が取り付けられている。ソルダ・パッド230はレーザチップ220に対して熱及び電気的接触を提供するとともに、チップを固定して適切な場所に保持する。レーザチップ220は精密整列エッジ240を有し、これがＳｉＯ₂整列リッジ210に向かって突出して、レーザチップ220がサブマウント200に相対して確実に正確な整列をとるようにする。サブマウント200内には精密Ｖ溝250がエッチングされていて、サブマウント200の一端からレーザチップ220の一端まで延びている。Ｖ溝250の深さは、Ｖ溝内に受け入れた光ファイバ260がレーザチップ22 0と光学的に整列するようにされている。Ｖ溝250は既知のマスキング及び非等方性エッチング技術を用いて形成される。光ファイバ260は屈折率整合ＵＶ硬化接着剤もしくは他の既知の接着剤を用いてＶ溝内に接着される。前に示したように、能動的整列よりも受動的整列を採用できる方が望ましい。受動的整列技術は上記の特定の実施例、すなわち、レーザファセット又はメサの光放射領域からのレーザチップ整列エッジの距離が正確に定義されているような実施例で使用することができる。従来、精密な寸法のレーザチップを組み立てるための技術は１ミクロンまでの精度しかもっていない。しかし、発明者はサブミクロン寸法の精度でレーザチップを組み立てる技術を開発した。この方法は、この発明で使用するためのレーザを組み立てるときには特定の応用に対して使用されているが、もっと一般的な応用にも使用することができる。図４ａないし４ｉを参照して、サブミクロン精度のｐｎダイオードレーザチップを組み立てるプロセスが一例として記述されている。図４ａはＩｎＰ基板400 を２つのエピタキシャル成長表面層402及び404と酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の層とともに示し、基板400はエッチングされてレーザチップを組み立てるアウトラインを形成している。明瞭のために、図４ａから４ｉでは層402及び404（図４ａ及び４ｂに挿入図を示す）は単一の陰なしの層で表示する。基板400は一般に3×10¹⁸ｃｍ^-3から1×10¹⁹ｃｍ^-3の範囲内のレベルにＳドープされている。層は、一般に厚さ0.15μｍのＩｎ_wＧａ_xＡｓ_yＰ_z４元活性層402 で成り、これが厚さ50μｍ、5×10¹⁷ｃｍ^-3のレベルでＺｎドープされた保護ＩｎＰ層404で覆われている。レーザチップが最終的に発するレーザ作用の波長はＱ活性層内の素子の量の割合により決定される。一般には、1300ｎｍでレーザ作用をするには、素子の割合ｗ：ｘ：ｙ：ｚは0.74:0.26:0.56:0.44となり、1550 ｎｍの場合は、0.61:0.39:0.83:0.17となる。標準フォトリソグラフ及びエッチング工程を用いてエッチングが行われる。基板をＳｉＯ₂410内で被覆し、ＳｉＯ₂ は標準の正のフォトレジスト（一般にクロムを被覆した石英ガラス）で覆われて、埋設ヘテロ構造（ＢＨ）レーザメサ420（幅〜3.5μｍ）及びＶ溝の孔430（幅〜 5.0μｍ）についてアウトライン領域を定義する。アウトラインは第１にＳiＯ₂ にエッチングされ、一般には、標準のリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）（例えば10ｍＴ，150ＷのＣＦ₄プラズマ）、あるいはＨＦベースのエッチング剤での湿式エッチング（例えば10：１バッファされたＨＦ（イソクリーン・グレード20℃））が使われる。残りのＳiＯ₂は次にマスクとして使用されて、適切な結晶学的エッチング剤を用いて下部にある半導体400を深さ約1.0μｍにエッチングする。例えば、ＤｌＨ₂Ｏ：（17:１ＨＢｒ：Ｂｒ₂）:ＨＢｒが14：１：９の５℃での結晶学的湿式エッチング、あるいは70ｍＴ，200ＷでのＣＨ₄／Ｈ２のＲＩＥがある。残りのフォトレジストは、一般にアセトンと濃硫酸を使って除去される。この段階で、中央のレーザメサ420からＶ溝のエッジ430までの距離が精密なフォトリソグラフ工程により定義される。これは一般に±0.25μｍの範囲内の精度である。図４ｂは組立の第２段階を示し、レーザメサ420が適切な保護レジスタ450（一般にはクロム被覆の石英ガラス）で保護されると同時に、第１段階のフォトリソグラフの後に残されたプラト領域460から残りのＳｉＯ₂410がＣＦ₄を用いて除去され、露光されたＩｎＰキャップ層が残る。図４ｃ及び４ｄに示すのは第１及び第２段階が成長したもので、従来のブロッキング構造470と接触層480とが構造上でそれぞれエピタキシャル成長されている。ブロッキング層は２層で成り、１つはｐ−ＩｎＰ472で、一般に厚さ0.5μｍで 5×10¹⁷のレベルでＺｎドープされ、もう１つはｎ−ＩｎＰ474で、一般に厚さ0. 4μｍで1-2×10¹⁸のレベルでＳドープされている。ブロッキング層はｎ型及びｐ型のｐｎダイオードレーザチップの層と逆バイアスに配置されている。接触層480は２層で成り、１つはＺｎドープのｐ−ＩｎＰ482である（実際には２層、すなわち、厚さ0.7μｍで5×10¹⁷のレベルでドープされた下層と、は厚さ 0.7μｍで1-2×10¹⁸のレベルでドープされた上層とで成る）。もう１つの接触層 484は厚さ0.1μｍ、4×10¹⁹未満のレベルでドープされたＩｎＧａＡＳの層であり、電気接続のためのｐ＋＋表面層を備えている。次に層484はリソグラフ式にパターンを作られて、電流経路を縮小し、接触層のエッチング領域によるキャパシタンス効果を最小化する。これは、ＳiＯ₂マスクを用いて、Ｈ₂ＳＯ₄（１部）、Ｈ₂Ｏ₂（１部）、及びＨ₂Ｏ（25部）で成る湿式エッチングでＩｎＧａＡＳをエッチングして達成される。実際には、パターン作りでIｎＧａＡＳ層484を除く全てを除去し、一般に15μ ｍ幅の領域がメサ420上に残される。図４ｆに示すように、次の段階はトレンチング（溝掘り）で、レーザメサ420 のどちらかの側でトレンチ（溝）490がエッチングされる。これには、適切なマスク492（一般にはＳiＯ₂）とエッチング剤（例えばＨ₃ＰＯ₄（４部）及びＨＣＬ（１部）で成る湿式エッチング）とを用いる。ＢＨ半導体レーザの動作速度は多くの要素に依存しているが、その中でも重要なものの１つがブロッキング構造のキャパシタンスである。トレンチは、メサ420をブロッキング構造470全体に起因するキャパシタンス効果から絶縁するので、このキャパシタンス効果がないため高速なレーザ動作が可能となる。トレンチング段階の後、マスクのＳiＯ₂492が分層から取り除かれ、分層は新しい層ＳiＯ₂502で再被覆される。次にレーザメサ上で幅〜10μｍの接触窓が開かれてレーザへの電気的接触が成立される。このプロセスの間、Ｖ溝口430上の窓は再度開かれる。図４ｇは、電気的接触窓500のｐ側接触メタライゼーション（金属化）（ＴｉＡｕ）と１層のレジスト510（例えばHoechst AZ5214Eのような標準の能動フォトレジスト）を有する窓の保護との構成を示す。Ａｕ層はＫｌをベースとした湿式エッチング剤中でエッチングされ、Ｔｉは標準の状態でＣＦ₄プラズマ中でＲＩＥによりエッチングされる。標準の湿式エッチング剤（Ｂｒ／メタノール）を用いて分層が〜90μｍまで薄くなってしまうと、同じメタライゼーションが分層（図示せず）の底に設定されてｎ側の接触を形成する。注意：ＨＢｒを用いてＶ溝をエッチングしているとき（以下に記述）、ｐ金属のパターン付けに使用されたレジストマスクは金属上に残されて保護層の役割をし、Ｖ溝のエッチングが終了すると除去される。図４ｈは、Ｑ層402ではなくＩｎＰ基板を腐食させるＨＢｒを用いてさらにＶ溝520をエッチングする方法を示す。Ｖ溝520の孔の口430、及びＶ溝のエッジとメサ420との間の距離は、第１段階（図４ａ）で定義された精密エッチングされたＱ層402により１μｍ範囲内で精密に定義される。＜１１０＞ＩｎＰ結晶方向にエッチングしたときのＨＢｒの結晶学的エッチング特性に起因して、Ｖ溝52 0のプロフィルはダイヤモンド形となる。図４ｉはＶ溝520の底で定義された劈開面530の結果的構造を示す。図５に示すように、一度劈開されるとこの構造はレーザチップのために２つの可能な整列メカニズムを用意する。第１はＱエッジ240で、中央のレーザメサとＱエッジ240との間でサブミクロン精度を提供することが可能である。第２はＶ溝520の底から発散される劈開面530で、精度は１ミクロン範囲内である。劈開レーザチップに対して使用される代替の劈開構成は、事実として劈開メカニズムがもはや整列プロセスの必須特徴ではないという利点を享受することができる。次に、図６はもっと広い溝口435（幅〜50μｍ）を示す。これは半導体上に容易に作ることができる。この場合、レーザチップはダイヤモンド彫込みツール55 0を用いて従来の方法で劈開することによって分離されているが、次に実際の整列プロセスに使用されるのは劈開されていない精密な整列エッジである。実用では、サブマウント及びレーザチップ基板のエッチングには同一マスクの等価部分が使用され、レーザチップがサブマウントと精密に整列するように整合される。図８は、図２及び３に関連して上述したこの発明の一例をさらに詳細に示したものである。1550ｎｍのファブリー・ペローレーザ220がシリコンオプティカルベンチ200上にマウントされている。レーザ220は大きいスポットサイズのレーザで、８井戸の圧縮ひずみを受けた活性層をもち、平面設計は出願人の先行特許出願Ｎｏ．９４３０１３０９．４で既に発表されている。第１段階のレーザのフォトリソグラフ技術を用いて、大きいスポットサイズのレーザの受動ガイド（図示せず）と、彫込レーン435を定義するデバイスのエッジのチャンネルとを定義する。彫込レーン435は共通の基板上に作られた複数のレーザを分離することができる。彫込レーンの精密劈開されたエッジ240はこの方法により約0.2μｍの精度に定義される。この実施例では、続く組立段階で別の層によって覆われる彫込レーン435が露出していて、４：１のＨ₃ＰＯ₄：ＨＣＬを用いてエッチングされる。このエッチングの結果、深さ約20μｍ、幅５μｍの実質的にＵ形のチャンネルが提供され、精密劈開エッジ240もしくはその一番上の角が1.1μｍの４元のレーザの受動ガイドにより定義される。組み立てられたデバイスは基板から幅300μｍ、長さ1.1ｍｍ（彫込レーンによって定義される）のデバイスへ切断される。デバイスの長さには、340μｍのテーパのない活性領域、460μｍのテーパ付き領域、及び300μ ｍの受動領域が含まれる。多数のデバイスの最適化された接合寸法は上述の方法に従って作られて、従来形式のヘッダ上にマウントされ、端を劈開された単一モード光ファイバに対して６２％までの接合効率をもたらす。図８では、レーザデバイス220ははんだボンドパッド230を挟んでシリコンオプティカルベンチ200上にマウントされている。はんだボンドパッド230はレーザ22 0とシリコンオプティカルベンチ200との間に熱及び電気的接触を提供する。レーザ220はシリカの整列ストップ210に向かって精密４元エッジ240を突き合わせることにより整列される。以下に記述するが、このストップは事前にベンチ上に形成されているものである。シリコンマイクロマシン技術を用いて、レーザ220が受動的に整列されるシリコンオプティカルベンチ200を作る。シリコンオプティカルベンチ200の主たる特徴は、ファイバを接着するためのＶ溝250と、レーザチップ220の精密劈開端240 が整列されるのを妨げるシリカストップ210である。シリカストップ210は高さ15 μｍで、プラズマ強化の化学気相成長技術により形成され、リアクティブ・イオン・エッチングと湿式化学エッチングとの組合せによりエッチングされる。はんだボンドパッド230は、50ｎｍのチタン、200ｎｍのプラチナ、及び200ｎｍの金をｅビーム蒸着することにより形成され、リフトオフを用いてパターン付けがされる。次に３μｍの金はんだは金属ボンドパッド230上に熱的に蒸着され、リフトオフを用いてパターン付けがされる。シリコン窒化物マスクを用いて、エチレンジアミン及びピロカテコールを用いて＜１００＞シリコンウェハの非等方性エッチングによってファイバＶ溝250が形成される。ファイバＶ溝250は、適切な単一モード光ファイバ260が実質的に光学的にレーザと整列するような深さを有する。Ｖ溝250の実際の精密な深さは、エッチング剤、シリコン基板及び光ファイバ260を用いた実験によって決定される。溝710はＶ溝250に対し垂直にエッチングされ、ファイバ260がファイバの下を自由に流れるよう適切な場所に固定するために使う接着剤となるようにする。また、レーザ220と隣接するＶ溝250の端に浅い切込み700を入れてＶ溝の端表面の汚れを除去し、この切込みはＶ溝がエッチングされた後もそのまま残される。これによりファイバ260をレーザ220のファセットに近づけることができる。パッケージの組立は次の通りである。従来のレーザ・ダイ・ボンダを用いて、シリコンベンチ200上でシリカ整列ストップ210にレーザ220が接着される。次に、光ベンチ200上のＶ溝250内に劈開された単一モード光ファイバ260が据え付けられ、ＵＶ硬化接着剤で適所に接着される。さらに、ファイバ260の上にはエッチングされたＶ溝を有するシリコン片で作られたフタ（図示せず）がかぶせられてファイバを適所へしっかりと留付け、精密さを提供するようにする。上述のように図７による多数のパッケージされたレーザデバイスが製造されている。また、同じウェハから多数のレーザチップが分離され、性能比較の目的で既知のヘッダのダイヤモンド上に接合側を下にして接着された。ダイヤモンドを取り付けたこれらの構成はきわめて一貫した特性を有することが分かった。これらの出力電圧は50ｍＡ，20度で５−６ｍＷの範囲であることが分かった。シリコン光ベンチ上のデバイスの接合効率は、50ｍＡ，20度での単一モードファイバ内の出力電圧との比較により見積られ、平均値5.5ｍＷであった。この技術を用いると、55％という高い接合効率が計算されている。図８に示すように、この発明によるパッケージされたデバイスの再現歩留まりは30％を越える接合効率をもつと論証されているが、実質的な歩留まりは50％の効率を越える。図９から分がるように、好ましくはシリコンベンチ上のレーザの熱特性はダイヤモンド上にマウントされた試験デバイスと比較される。ダイヤモンドマウントと比較してシリコンベンチの軌跡が大きいことは、シリコンの熱伝導の方が少ないのを補償していることを示唆している。この発明によるデバイスの変更能力の最初の評価は、デバイスが300Ｍｂｉｔ／秒を超えるレートで変更できることを示すバック・トウ・バックのエラービットレートを示している。当業者は、この発明によるパッケージされたレーザの低コストパッケージ、高い接合効率及びバンドギャップの組み合わせによって、これが目に見えるファイバ・トウ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）技術であることが示されていることを理解するであろう。上述のレーザチップ組立技術はこの発明によるパッケージされた半導体レーザを形成する方法において特別な応用を見出し、この技術が一般的な半導体デバイス組立及び整列の分野において重要な応用を見出すことは明白であろう。特に、この方法は上述したｐｎダイオードレーザを組み立てるための段階に限定されることはない。この方法は他の種類のレーザ、例えばＭＱＷレーザや大きいスポットサイズのレーザ、またサブミクロン整列を必要とする実際のどんな種類の半導体デバイスの組立にも応用できる。従って、層組成、ドーピング、厚さ及びデバイス全体の寸法の精密な詳細は例として挙げたものにすぎない。レーザであれ他の何であれ、この発明の特徴による他のデバイスは一般に上述のものとは非常に異なる特性を持つ。特に、劈開されていない整列エッジを提供する４元の層もまたデバイスの活性層を提供する。他のデバイスでは、同等の層は４元ではなく、おそらくは３元、２元又は他の構成であろう。さらには、劈開されていない整列エッジを提供する層はデバイスの活性層を提供する層とは別のものとすることもできる−実際、デバイスは用意に識別できる活性層を持たないこともある。しかしながら、この発明のこの特徴を適用することによって整列問題が容易になることは当業者には明白であろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９６年８月１２日【補正内容】請求の範囲１．光デバイスと、該光デバイスを支持する第１の支持部材と、孔を有して該孔内に光ファイバを受け入れる第２の支持部材とを備え、第２の支持部材は第１の支持部材を支持して光デバイスと光ファイバとが光学的に接続された関係となるようにし、さらに光デバイスを周囲の環境から封止するために光デバイスに添えられるカプセル材料を備えたことを特徴とする光デバイスパッケージ。２．第２の支持部材はフェルールであることを特徴とする請求項１に記載の光デバイスパッケージ。３．第２の支持部材はマイクロマシン機工の孔を有する基板を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイスパッケージ。４．光デバイスと、該光デバイスに光学的に接続された光ファイバと、光ファイバと光デバイスとを支持する手段と、光デバイスを周囲の環境から封止するために光デバイスに添えられるカプセル材料とを備えたことを特徴とする光デバイスパッケージ。５．カプセル材料がシリコンのシール材で成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。６．シール用コンパウンドが屈折率整合用であって、光デバイスのファセットと光ファイバの端との間でボンドを形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。７．光ファイバは0.25よりも大きいＮＡ値を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。８．光デバイスは、単一モード光ファイバの基本モードスポットサイズと実質的に整合する出力を提供するための導波路構造を有する半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。９．フェルールと、フェルールの孔内に受け入れられる光ファイバと、その一端でフェルールの縁に対向して支持される支持部材と、該支持部材によって該光ファイバと光学的に接続された関係で支持される光デバイスと、光デバイスを周囲の環境から封止するために光デバイスに添えられるカプセル材料とで成ることを特徴とする光デバイスパッケージ。１０．光デバイスをパッケージする方法であって、ａ）光ファイバ支持部材上又は光ファイバ支持部材内に光ファイバをマウントする段階と、ｂ）光デバイスを光フアイバと光学的に整列するように位置決めし、かつ、デバイスとファイバとを光学的に接続された関係で確保する段階と、ｄ）デバイスにカプセル材料を適用して実質的に気密シールを形成する段階と、で成ることを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，ＫＲ，ＳＧ，ＵＳ (72)発明者ペイネ、ロジャー・アリンイギリス国、アイピー10・０エックスエル、サフォーク、フェリックストウ、トリムリー・セント・メリー、ラングストンズ 27 (72)発明者サーロウ、アドリアン・リチャードイギリス国、アイピー３・０アールアール、サフォーク、イプスウィッチ、ウースター・ロード 47 (72)発明者リールマン、イアン・フランシスイギリス国、アイピー４・５ビーティー、サフォーク、イプスウィッチ、アップランド・ロード 82 (72)発明者フィディメント、フィリップ・ジョンイギリス国、アイピー５・７ティーエフ、サフォーク、イプスウィッチ、マートレスハム・ヒース、デンハム・コート１

Claims

【特許請求の範囲】１．整列特性を組み入れた半導体デバイスであって、該デバイスは半導体基板とそこに堆積された１又は複数のデバイス層とで成り、少なくとも１つのデバイス層はフォトリソグラフ用マスク及びエッチング処理によって定義された境界を持ち、該境界は該整列特性を定義することを特徴とする半導体デバイス。２．１又は複数のデバイス層内に定義された活性領域を含み、前記整列特性が少なくとも同一もしくは複数の層により定義されることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。３．光デバイスパッケージであって、ａ）光ファイバと、ｂ）請求項１又は２に従って定義された整列特性を有する光デバイスと、ｃ）光ファイバ支持部材とを備え、該光ファイバ支持部材は、光デバイスの整列特性がデバイスと光ファイバとの間で効率的に整列されるよう位置決めするための基準面を提供することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。４．前記支持部材と前記光デバイスとが互いに熱接触をとり、支持部材が光デバイスのヒートシンクの役割をするようにしたことを特徴とする請求項３に記載の光デバイスパッケージ。５．前記支持部材が光ファイバを受け入れるための基準面を提供する支持Ｖ溝を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の光デバイスパッケージ。６．さらに、支持部材は強化用Ｖ溝を有する強化用部材を備え、強化用Ｖ溝は支持Ｖ溝上に施され、前記光ファイバを収納するための実質的に四角形の断面を持つ孔を形成することを特徴とする請求項５に記載の光デバイスパッケージ。７．光デバイスと、光ファイバと、支持部材であって孔を備えてその中に光ファイバを受け入れるようにした支持部材と、基準面であってこれと関係して該光デバイスが該孔に受け入れられた光ファイバの端と効率的に整列するようにマウントされるようにした基準面とを備えた光デバイスパッケージ。８．デバイスがヒートシンク上にマウントされ、ヒートシンクが前記基準面上にマウントされていることを特徴とする請求項７に記載の光デバイス。９．支持部材上に光デバイスにパワーを与えるための電気的接触が提供されることを特徴とする請求項７又は８に記載の光デバイスパッケージ。１０．さらに支持部材はそれぞれの電気的接触と電気的接触をとるＰＣＢピンを備えることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。１１．支持部材がフェルールを備えることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。１２．フェルールの縁が基準面を提供することを特徴とする請求項１１に記載の光デバイスパッケージ。１３．光ファイバはフェルールの孔に受け入れられ、この孔が光ファイバを光デバイスと光学的に接続した整列内に保持することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光デバイスパッケージ。１４．光ファイバがシリコンゲルのコーティングを有することを特徴とする請求項３乃至１３のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。１５．シリコンゲルは屈折率整合で、光デバイスのファセットと光ファイバの端との間でボンドを形成することを特徴とする請求項１４に記載の光デバイスパッケージ。１６．光ファイバの端は屈折率整合接着剤を用いて光デバイスのファセットに接着されていることを特徴とする請求項３乃至１４のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。１７．光ファイバは0.25よりも大きい開口数を有することを特徴とする請求項３乃至１６のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。１８．光デバイスは導波路構造を有する半導体レーザであり、該導波路構造は実質的に単一モード光ファイバの基本モードスポットサイズに適合する出力を提供するように変更されていることを特徴とする請求項３乃至１７のいずれか１項に記載の光デバイスパッケージ。１９．半導体デバイスを組み立てる方法であって、該デバイスのための整列特性を定義する段階を備え、該段階は、フォトリソグラフ用マスク及びエッチング工程によってデバイスの一部を形成する材料の１又は複数の層内の境界を定義することを含み、該境界が該整列特性を定義することを特徴とする方法。２０．デバイスの一部を形成する材料の１又は複数の層内で活性領域が定義され、前記整列特性は同じ１又は複数の層の少なくとも１つにより定義されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。２１．ａデバイスの第１の表面上に材料の層を形成する段階と、ｂ該材料の層をマスクし、かつマスクされない領域をエッチングにより除去して第１の表面よりも低い第２の表面を提供する段階とを含み、第２の表面の上にある第１の表面の端が前記境界を提供し、かつ前記整列特性を定義することを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。２２．材料の層の少なくとも幾つかがエピタキシャル成長によって堆積されていることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の方法。２３．光デバイスをパッケージする方法であって、ａ）支持部材上に光ファイバをマウントし、該支持部材が該光ファイバに対して基準面を提供するようにする段階と、ｂ）請求項１又は２に従って定義された支持部材上に整列特性を有する光デバイスをマウントし、該整列特性は、該支持部材上に用意された基準面に対して刺激を与えてデバイスと光ファイバとの間で効率的に整列を行うようにすることを特徴とする方法。２４．光ファイバはＵＶ硬化接着剤を用いて支持部材上に接着されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。２５．請求項１又は２に従って備えられた整列特性を有する光半導体デバイスをパッケージする方法であって、ａ）支持部材上に光ファイバをマウントし、支持部材が有する第１の基準面に対向して光ファイバが固定される段階と、ｂ）支持部材の第２の基準面に対向して光デバイスの整列特性を位置決めする段階と、ｃ）デバイスとファイバとを活性整列なしに光学的に接続された関係で確保する段階と、ｄ）デバイスをカプセルに入れて非ハーメチック・パッケージを提供する段階とを備えることを特徴とする方法。