JPH1117285A - 波長可変型面発光レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広範囲に亘って発振波長を安定に可変可能な
波長可変型面発光レーザ装置とその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 化合物半導体基板上にミラー層および活
性層を順に成長させて面発光レーザ本体を形成した後、
前記活性層の上面に第１のシリコン基板を誘電体膜を介
して接合する。その後、化合物半導体基板を除去し、第
１のシリコン基板を選択エッチングして開口部を形成す
る。一方、第２のシリコン基板上に誘電体多層膜からな
るミラーを形成し、このミラーを開口部に位置付けて面
発光レーザ本体に対向させ、この状態で第１のシリコン
基板と第２のシリコン基板とを接合する。そしてシリコ
ン基板に電圧を印加することで面発光レーザ本体とミラ
ーとの間隙を変化させる構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振波長を広範囲
に可変制御可能な波長可変型面発光レーザ装置およびそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】近時、半導体基板と垂直にレーザ
光を出射する面発光レーザ装置が、二次元アレイ化が容
易で面内配置の自由度が大きく、しかも他のデバイスと
の結合が容易である等の特徴を持ち、大規模光集積回路
を実現する上での基礎デバイスとして注目されている。

【０００３】この種の面発光レーザ装置の発振波長を変
化させる技術として、従来より代表的には半導体レーザ
本体の外部にミラーを取り付けて、その共振波長を変化
させる手法、温度制御によって半導体レーザ本体におけ
る活性層のバンドギャップ・エネルギを変化させる手
法、更には半導体レーザ本体における量子閉じ込めシュ
タルク効果やプラズマ効果、或いは熱効果を利用してそ
の波長可変領域を制御する手法が提唱されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、例えばヒート
シンクの温度を変えて半導体レーザ本体の温度を制御し
ようとすると、温度上昇に伴って半導体レーザ本体の発
振閾値自体が上昇すると言う問題がある。また量子閉じ
込めシュタルク効果等を利用してその波長可変領域を制
御しても、その波長可変範囲が数ｎｍ程度と狭く、実用
には供し得ないと言う問題がある。

【０００５】これに対して外部ミラーを用いる場合、発
振波長を数十ｎｍと広い範囲に亘って可変制御すること
が可能であるが、大型の外部ミラーを必要とし、レーザ
装置の小型化を図る上で問題があった。ちなみにマイク
ロ・マシンニングの手法を用いてカンチレバー型の小型
のミラーを集積する手法が提唱されているが、半導体レ
ーザ本体に対してミラーを平行に配置することが困難で
ある等の技術的な問題があった。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、数十ｎｍ以上の広範囲に亘って
発振波長を可変制御することのできる波長可変型面発光
レーザ装置およびその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る波長可変型面発光レーザ装置は、例え
ば化合物半導体基板上にミラー層および活性層を順に成
長させた素子構造の面発光レーザ本体と、この面発光レ
ーザ本体の上記ミラー層とは反対側の面に誘電体膜を介
して接合されるシリコン基板と、このシリコン基板に穿
いた凹部に設けられて前記面発光レーザ本体に対して所
定の間隙を隔てて対向配置される、例えば誘電体多層膜
からなるミラーとからなり、更に前記シリコン基板に電
圧を印加して前記活性層とミラーとの間隙長を可変する
波長制御用電極を設けたことを特徴としている。

【０００８】即ち、本発明に係る波長可変型面発光レー
ザ装置は、化合物半導体基板上に素子形成された面発光
レーザ本体と、凹部に誘電体多層膜からなるミラーを形
成したシリコン基板とを誘電体膜を介する所謂異種基板
接着法により接合一体化して面発光レーザ本体と前記ミ
ラーとの間に所定の間隙を形成した素子構造を有し、シ
リコン基板に印加する電圧によって前記面発光レーザ本
体とミラーとの間隙長を静電的に変化させて、その発振
波長を可変する構造としたことを特徴としている。

【０００９】また本発明に係る波長可変型面発光レーザ
装置の製造方法は、化合物半導体基板上にミラー層およ
び活性層を順に成長させて面発光レーザ本体を形成した
後、上記面発光レーザ本体の前記活性層の上面に第１の
シリコン基板を誘電体膜を介して接合する。その後、前
記化合物半導体基板を除去すると共に、前記第１のシリ
コン基板の前記面発光レーザ本体に対向する部位を選択
エッチングして開口部を形成する。一方、第２のシリコ
ン基板上に誘電体多層膜からなるミラーを形成し、この
ミラーを前記第１のシリコン基板の上記開口部に位置付
けて前記面発光レーザ本体に対向させ、この状態で前記
第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とを接合する
ことを特徴としている。

【００１０】つまり化合物半導体基板上に形成した面発
光レーザ本体と、第２のシリコン基板上に形成したミラ
ーとを、前記面発光レーザ本体との対向部位に開口部を
有する第１のシリコン基板を介して接合することで、面
発光レーザ本体に所定の間隙を隔てて対向配置されたミ
ラーを備えた素子構造の波長可変型面発光レーザ装置を
製造することを特徴としている。

【００１１】ここで面発光レーザ本体の大きさを開口部
の面積より十分に小さくしておくことで前記ミラーとの
間隙の十分な変位が確保できる。またこのとき誘電体膜
に設けた電極は、面発光レーザ本体に触れさせてはいけ
ないが、開口部に展出させておく必要がある。この際、
その展出量を多くしておけば、ミラーとの間隙の十分な
変位が期待できる。

【００１２】また誘電体膜はレーザ波長を透過する透過
性が必要であり、面発光レーザ本体を保持機械的強度
と、伝場により屈曲可能な柔軟性が求められるが、その
材質は特にとらわれない。例えばＳiＯ₂やＳiＮ等の有
機物膜でも良く、また単層であっても多層であっても良
い。製造上の観点からはＳiＯ₂が好適であるが、この場
合には、機械的強度と柔軟性を満足させるために、その
膜厚を１〜１０μｍ、好ましくは２〜４μｍ程度に設定
することが好ましい。

【００１３】更に前記シリコン基板は、波長制御用電極
間に伝場を発生させる必要性から絶縁性である必要があ
るが、例えば後述する実施形態において述べるようにシ
リコン基板を第１のシリコン基板２ａと第２のシリコン
基板２ｂとを接着して形成する場合、第１のシリコン基
板２ａのみが絶縁性を有すれば良く、第２のシリコン基
板２ｂについては導電性であっても良い。

【００１４】更には波長制御用電極については、凹部を
挟む位置に設けられておれば良く、後述する実施形態に
おいては誘電体膜の上に電極を設けた構造としている
が、誘電体膜の下側に設けるようにしても良い。また他
方の電極についても第２のシリコン基板２ｂの上面側に
設けることも可能である。即ち、本発明は、波長制御用
電極間に電圧を印加することで、面発光レーザ本体とシ
リコン基板に設けたミラーとの間隙を可変することを特
徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る波長可変型面発光レーザ装置と、その製
造方法について説明する。図１は波長可変型面発光レー
ザ装置の概略的な素子構造を模式的に示す断面図であ
り、図２はその平面構成図である。この面発光レーザ装
置は、ＧaＡs基板等の化合物半導体基板上に有機金属気
相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によって結晶成長させて形成
された面発光レーザ本体１と、この面発光レーザ本体１
に対して異種基板接着法により接合されたシリコン基板
２、そしてこのシリコン基板２に穿たれた開口凹部３に
形成されて前記面発光レーザ本体１に対して所定の間隙
長を隔てて対向配置された、例えば誘電体多層膜からな
るミラー４とを備えている。更にこの面発光レーザ装置
は、前記シリコン基板２の両面間に電圧を印加して前記
開口凹部３がなす前記ミラー４と面発光レーザ本体１と
の間隙長（空隙の幅）を静電的に可変する波長制御用電
極５とを備えて構成される。

【００１６】特に前記シリコン基板２は、面発光レーザ
本体１にＳiＯ₂膜６を介して異種基板接着法により接合
一体化される第１のシリコン基板２ａと、多層膜誘電体
からなるミラー４を形成してなり、前記第１のシリコン
基板２ａに穿たれた開口凹部３に位置して前記ミラー４
を面発光レーザ本体１に対向させて前記第１のシリコン
基板２ａに接合一体化される第２のシリコン基板２ｂと
からなる。

【００１７】尚、面発光レーザ本体１は、シリコン基板
２に穿たれた開口凹部３上に位置するように設けられ
る。この場合、面発光レーザ本体１の大きさＬ1と、開
口凹部３の大きさＬ2との関係を［１：２］以上に設定
することが好ましい。また波長制御用電極５（５ａ,５
ｂ）は、上記面発光レーザ本体１の周囲に位置して前記
ＳiＯ₂膜６の上面と第２のシリコン基板２ｂの裏面とに
それぞれ形成される。これらの波長制御用電極５を介し
てシリコン基板２の表裏面間に印加される電圧により、
前記開口凹部３に静電力が生起されてその空隙長ｄが可
変され、前記開口凹部３に形成されたミラー４と面発光
レーザ本体１との間隙長が変化する。

【００１８】次に図３を参照して上記素子構造の波長可
変型面発光レーザ装置の製造方法を説明しながら、その
具体的構造について今少し詳しく説明する。この波長可
変型面発光レーザ装置は先ず図３(ａ)に示すように、例
えばｐ-ＧaＡs基板１１上にＭＯＣＶＤ法により、ｐ-Ｇ
aＡs／ＡlＡsまたはｐ-ＧaＡs／ＧaＡlＡsからなるミラ
ー層１２を成長させ、その上にｐ-ＡlＡs層１３，ｐ-Ｇ
aＡLクラッド層１４を介してＩnＧaＡsからなる歪量子
井戸活性層１５を成長させ、更にこの上にｎ-ＧaＡクラ
ッド層１６を成長させる。即ち、ｐ-ＧaＡs基板１１上
にミラー層１２と歪量子井戸活性層１５を順に成長させ
た素子構造のレーザ素子の母体を形成する（第１の工
程）。

【００１９】次いで図３(ｂ)に示すように所定厚の第１
のシリコン基板２ａ上にＳiＯ₂膜６を形成する。そして
図３(ａ)に示すレーザ素子の母体を裏返しにしてそのｎ
-ＧaＡlクラッド層１６を前記第１のシリコン基板２ａ
に形成したＳiＯ₂膜６上に載置し、これらを異種基板接
着法（wafer fusion）により接合一体化する。しかる
後、前記ｐ-ＧaＡs基板１１を選択エッチングにより除
去する（第２の工程）。

【００２０】この状態において図３(ｃ)に示すように、
前記素子構造のレーザ素子の母体をｎ-ＧaＡクラッド層
１６の途中までエッチングして、例えば一辺９０μｍの
矩形状のメサを形成する。その後、メサ側面から前記ｐ
-ＡlＡs層１３を途中まで酸化させてＡl₂Ｏ₃からなる電
流狭窄部１７を形成する。次いで図３(ｄ)に示すよう
に、前記メサの周囲の前記ｎ-ＧaＡクラッド層１６上に
所定幅のｎ電極１８を蒸着形成すると共に、前記ミラー
層１２上にリング状のｐ電極１９を蒸着形成した後、前
記ｎ電極１８の周囲のｎ-ＧaＡクラッド層１６を選択エ
ッチングにより除去する。

【００２１】以上の工程によって活性層１５の片側（上
面側）にミラー層１２を備えた化合物半導体からなる面
発光レーザ本体１が、第１のシリコン基板２ａ上に異種
基板接着により接合一体化されて実現される。しかしこ
の面発光レーザ本体１は、機能的には未完成状態にあ
る。そこでこの面発光レーザ本体１に他方のミラー４を
設けて面発光レーザ装置を完成させるべく、次の処理が
行われる。

【００２２】即ち、図３(ｄ)に示すように、面発光レー
ザ本体１を形成してなる第１のシリコン基板２ａの前記
面発光レーザ本体１に対向する部位を、その裏面側から
選択的にエッチング除去し、開口部３を形成する（第３
の工程）。この開口部３は、前記面発光レーザ本体１よ
りも大きくなるように、例えば一辺１２０μｍの矩形状
をなすように形成される。またこの際、前記面発光レー
ザ本体１の仕様（発振波長）に応じて前記第１のシリコ
ン基板２ａの厚みが、例えば数μｍ程度に設定される。

【００２３】一方、第２のシリコン基板２ｂを準備し、
図３(ｅ)に示すように該第２のシリコン基板２ｂ上に、
例えばＳi／ＳiＯ₂からなる誘電体多層膜ミラー４を蒸
着形成する。次いでこの誘電体多層膜ミラー４を前記面
発光レーザ本体１の形状に合わせてエッチングし、ミラ
ー４のメサを生成する（第４の工程）。その後、このミ
ラー４を前記第１のシリコン基板２ａの開口部３に位置
付け、前記面発光レーザ本体１に対向させて図１に示す
ように前記第１のシリコン基板２ａと第２のシリコン基
板２ｂとを同種基板接着法により接合一体化する（第５
の工程）。そして前記面発光レーザ本体１の周囲の前記
ＳiＯ₂膜６上に波長制御用電極５ａを蒸着形成すると共
に、この波長制御用電極５ａに対向させて前記第２のシ
リコン基板２ｂの裏面に波長制御用電極５ｂを蒸着形成
する。

【００２４】以上のようにして面発光レーザ本体１と、
シリコン基板２に形成した誘電体多層膜ミラー４とを接
合一体化することにより、シリコン基板２（第１のシリ
コン基板２ａ）に設けられた開口部３からなす空間を介
して、前記誘電体多層膜ミラー４が所定の間隙を隔てて
面発光レーザ本体１に対向配置され、これによって面発
光レーザ装置が完成される。しかして前記ｐ電極１９と
ｎ電極１８との間に所定の電圧を加えることにより量子
井戸活性層１５が励起され、前述したｐ-ＧaＡs／ＡlＡ
sまたはｐ-ＧaＡs／ＧaＡlＡsからなるミラー層１２と
誘電体多層膜ミラー４との間で共振してレーザ光を発振
出力し、ミラー層１２を介して面方向に出射する。

【００２５】この際、前記波長制御用電極５（５ａ,５
ｂ）間に電圧を印加すると、シリコン基板２に静電力が
作用して前記開口部３の空隙長ｄが変化し、誘電体多層
膜ミラー４と面発光レーザ本体１の活性層１５との距離
が変化する。この結果、面発光レーザ本体１の共振路長
が変わり、その発振波長が変化する。例えば開口部３の
幅Ｌ2が１２０μｍであって、前記面発光レーザ本体１
が９８０ｎｍ帯のレーザ光を発振出力する場合、シリコ
ン基板２への１０Ｖの電圧印加により、その発振波長を
２０ｎｍ程度変化させることができる。この場合、例え
ば第１のシリコン基板２ａの厚み（開口部３の深さ）は
４０μｍ、第２のシリコン基板２ｂの厚みは４００μ
ｍ、更には誘電体多層膜ミラー４の厚みは１０μｍ程度
に設定される。

【００２６】従って本発明によれば、異種基板接着の技
術と、マイクロマシニングの技術とを有効に用いて、化
合物半導体基板上に成長させた面発光レーザ本体１と、
シリコン基板２上に形成した誘電体多層膜からなるミラ
ー４とを所定の空隙を隔てて効果的に接合一体化するこ
とで、発振波長を広範囲に可変可能な面発光レーザ装置
を実現することができる。

【００２７】特にシリコン基板２に形成した開口部３
（空間幅ｄ）を静電力により変化させ、これによって面
発光レーザ本体１に対するミラー４の位置を変位させて
その発振波長を変化させるので、簡易にして安定に、し
かも広範囲に亘って発振波長を可変制御することができ
る。またその製造工程も比較的簡単であり、量産性に優
れている等の効果が奏せられる。

【００２８】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば８００ｎｍ帯の面発光レーザ本
体１を形成する場合にも同様に適用することができ、ま
た化合物半導体基板としてＩnＰを用いて１.３〜１.６
μｍ帯の面発光レーザ装置を実現する場合にも同様に適
用することができる。また第１および第２のシリコン基
板２ａ,２ｂの厚さは、発振波長やその波長可変幅等に
応じて定めれば良いものであり、更には誘電体多層膜ミ
ラー４の構成もその仕様に応じて定めれば十分である。
要するに、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る波長可
変型面発光レーザ装置は、化合物半導体基板上に成長さ
せた面発光レーザ本体と、ミラーを形成したシリコン基
板とを誘電体膜を介して接合一体化して、上記ミラーを
所定の間隙を隔てて面発光レーザ本体に対向配置し、シ
リコン基板に静電力を与えることで前記ミラーと面発光
レーザ本体の間隙長を変化させる構造をなすので、シリ
コン基板に加える電圧の制御だけで、その発振波長を簡
易にして安定に、しかも広範囲に可変することができ
る。

【００３０】また本発明に係る波長可変型面発光レーザ
装置の製造方法は、化合物半導体基板上に面発光レーザ
本体を形成した後、この面発光レーザ本体に第１のシリ
コン基板を異種基板接着法により接合し、その後、化合
物半導体基板を除去すると共に、前記第１のシリコン基
板を選択エッチングして開口部を形成する。そしてミラ
ーを形成した第２のシリコン基板を第２のシリコン基板
に接合することで、前記ミラーを所定の間隙を隔てて面
発光レーザ本体に対向配置するので、異種基板接着の技
術とマイクロマシニングの技術とを有効に用いて、簡単
に且つ精度良く波長可変型面発光レーザ装置の製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る波長可変型面発光レ
ーザ装置の概略的な素子構造を模式的に示す断面図。

【図２】図１に示す波長可変型面発光レーザ装置の平面
構成図。

【図３】本発明の一実施例に係る波長可変型面発光レー
ザ装置の製造工程を模式的に示す図。

【符号の説明】 １ 面発光レーザ本体 ２ シリコン基板 ２ａ 第１のシリコン基板 ２ｂ 第２のシリコン基板 ３ 開口凹部（開口部） ４ ミラー ５ 電極 ６ ＳiＯ₂膜 １１ ｐ-ＧaＡs基板（化合物半導体基板） １２ ミラー層（ｐ-ＧaＡs／ＡlＡsまたはｐ-ＧaＡs／
ＧaＡlＡs）からなる １３ ｐ-ＡlＡs層 １４ ｐ-ＧaＡLクラッド層 １５ 歪量子井戸活性層（ＩnＧaＡs） １６ ｎ-ＧaＡクラッド層 １７ 電流狭窄部（Ａl₂Ｏ₃） １８ ｎ電極 １９ ｐ電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の電極、および活性層の片側に設け
   たミラー層を有する面発光レーザ本体と、この面発光レ
   ーザ本体の前記ミラー層とは反対側の面に誘電体膜を介
   して接合されたシリコン基板と、このシリコン基板に穿
   たれた凹部に設けられて前記面発光レーザ本体に対して
   所定の間隙を隔てて対向配置されたミラーと、前記誘電
   体膜およびシリコン基板にそれぞれ設けられた前記一対
   の電極とは独立な波長制御用電極とを具備したことを特
   徴とする波長可変型面発光レーザ装置。
2. 【請求項２】 化合物半導体基板上にミラー層および活
   性層を順に成長させて面発光レーザ本体を形成する第１
   の工程と、上記面発光レーザ本体の前記活性層の上面に
   第１のシリコン基板を誘電体膜を介して接合した後、前
   記化合物半導体基板を除去する第２の工程と、前記第１
   のシリコン基板の前記面発光レーザ本体に対向する部位
   を選択エッチングして開口部を形成する第３の工程と、
   第２のシリコン基板上に誘電体多層膜からなるミラーを
   形成する第４の工程と、前記ミラーを前記開口部に位置
   付けて前記面発光レーザ本体に対向させ、前記第１のシ
   リコン基板と第２のシリコン基板とを接合する第５の工
   程とを具備したことを特徴とする波長可変型面発光レー
   ザ装置の製造方法。