WO2011065517A1 - 表面出射型レーザ - Google Patents

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光一朗 足立
康信 松岡
俊樹 菅原
和典 篠田
辻　伸二
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株式会社日立製作所
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    • H01S5/4031—Edge-emitting structures

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser element used for optical communication, an optical disk, a medical sensor, and the like, and an optical module using them.
  • the semiconductor laser element which is this signal transmission light source is classified into three types according to the combination of the resonator direction (vertical resonance, horizontal resonance) and the surface from which the laser light is emitted (end surface emission, surface emission).
  • the first type is a horizontal cavity surface emitting laser element
  • the second type is a vertical cavity surface emitting laser element
  • the third type is a horizontal cavity surface emitting laser element.
  • the first horizontal resonator end-face emission laser has an optical waveguide formed in a horizontal direction within the substrate surface, and emits laser light from an end face obtained by cleaving the substrate.
  • the cavity length can be increased to several hundreds of ⁇ m, a high output of several tens mW can be obtained even at a high temperature.
  • the second vertical cavity surface emitting laser is a laser having a structure in which the resonator is formed in a direction perpendicular to the semiconductor substrate. Therefore, it is possible to arrange the light receiving member on the upper surface of the element, which is advantageous for increasing the density in the mounting substrate surface.
  • the resonator length is determined by the crystal growth film thickness, there is a problem that it is very short and it is essentially difficult to obtain a high light output.
  • the third horizontal cavity vertical surface emitting laser has a laser structure that combines the advantages of the above two lasers.
  • This structure has a structure in which the resonator is formed in a horizontal direction in the substrate surface, and reflection mirrors inclined at 45 ° are integratedly formed in order to emit laser light from the front surface or the back surface of the substrate.
  • Patent Document 1 discloses a horizontal cavity surface emitting laser having an active region of 10 to 100 ⁇ m, a distributed Bragg reflector, and an oblique mirror. Yes.
  • Non-Patent Document 1 reports room temperature continuous oscillation characteristics of a horizontal cavity surface emitting laser including a circular lens formed at a position facing a reflecting mirror.
  • Non-Patent Document 2 discloses a type of horizontal resonance in which both electrodes p and n and a light emitting surface are provided on the upper surface of a substrate. A surface emitting laser is disclosed. In this laser, the substrate surface side of the chip is bonded to the mounting substrate using AuSn or Ag epoxy, and then the p and n electrodes are connected to the p and n poles on the mounting substrate using gold wires.
  • a gold wire is required for mounting.
  • a wire length of about 1 mm is required.
  • the signal strength of a high-frequency signal of 25 Gbps or more is significantly attenuated due to the influence of the inductance of the wire.
  • these elements are disadvantageous for high-speed operation.
  • it is necessary to stretch a gold wire to each element in multi-channel mounting, not only the mounting cost increases, but also there is a limit to high-density mounting in order to secure a region where the gold wire is stretched.
  • the electrode area of the surface bonded to the laser submount is reduced as much as possible in order to reduce the parasitic capacitance accompanying the mounting. It needs to be small.
  • the p-electrode portion needs to be large from the viewpoint of heat dissipation. Therefore, it has been difficult to achieve both capacity reduction and heat dissipation in an element having a conventional structure.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a horizontal cavity surface emitting laser excellent in high speed and excellent in heat dissipation characteristics, and an optical module using the same.
  • the horizontal cavity surface emitting laser of the present invention includes a laminated structure in which a first conductive type cladding layer, an active layer for generating light, and a second conductive type cladding layer are laminated in this order on a semiconductor substrate, and the light is faced.
  • a resonator structure that reflects or resonates inward, a waveguide layer that guides light generated from the active layer in the resonator structure on the semiconductor substrate and in its extension region, and an optical waveguide layer A semiconductor provided along a side surface of the resonator structure portion and the reflection portion, the reflection portion being provided in a part and including a reflection portion that changes the optical path of the laser light emitted from the resonance structure portion and emits the laser light from the back surface of the semiconductor substrate
  • the shape of the electrode (2) is characterized by having different widths in at least two places.
  • the n-type electrode width of the side part of the resonator is widened to the optical resonator side than the n-type electrode width of the side part of the reflector, the distance between the p and n-type electrodes can be shortened. The resistance of the element is reduced. Accordingly, excellent high speed can be obtained.
  • the flag-shaped dent is formed in the plane, the above-described simplicity of alignment and the effect of improving the alignment accuracy are obtained.
  • the first electrode is directly formed on the first conductive layer laminated on the substrate, and does not include a pn junction immediately below the first conductive layer. For this reason, it is possible to keep the increase in the parasitic capacitance when the electrode area is enlarged extremely small. For this reason, it is possible to greatly improve the heat dissipation characteristics without increasing the parasitic capacitance by making a mounting structure in which a support member such as a metal member is brought into contact with the first electrode portion to form a heat dissipation path. is there. In addition, since the contact area between the electrode and the semiconductor can be increased, it is advantageous for reducing the contact resistance, and the resistance of the element can be reduced.
  • the element can be flip-chip mounted on the optical element mounting board provided with the electric line, the high-frequency signal attenuation due to the inductance can be reduced as compared with the case where the gold wire is used.
  • impedance matching can be designed by patterning the electric line, the degree of freedom in electrical design is greatly increased, which is advantageous for speeding up.
  • FIG. 6 is a mounting plan view of a conventional horizontal cavity vertical emission laser.
  • 1 is a bird's eye view of a surface of a horizontal resonator vertical emission laser according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a bird's eye view of the back surface of the horizontal resonator vertical emission laser according to the first embodiment of the present invention.
  • 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the horizontal resonator vertical-emission laser device of Example 1.
  • FIG. 1 is a detailed mounting diagram of a horizontal resonator vertical emission laser according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a detailed mounting diagram of a horizontal resonator vertical emission laser according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a bird's-eye view of mounting a horizontal resonator vertical-emission laser according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view of a horizontal resonator vertical emission laser according to a first embodiment of the present invention mounted in a direction perpendicular to the optical axis. It is a bird's-eye view of the surface of the horizontal resonator vertical emission type laser which is the 2nd example of the present invention. It is a bird's-eye view of the back surface of the horizontal resonator vertical emission type laser which is the 2nd example of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a horizontal resonator vertical emission type laser according to a second embodiment of the present invention mounted in a direction perpendicular to the optical axis.
  • FIG. 10 is a mounting bird's-eye view of an array type vertical cavity vertical emitting laser according to a third embodiment of the present invention. It is a bird's-eye view of the horizontal resonator vertical emission type laser which is the 4th example of the present invention. It is a bird's-eye view of the horizontal resonator vertical emission type laser which is the 5th example of the present invention.
  • FIGS. 1A and 1B A structural example of a conventional horizontal cavity vertical surface emitting laser will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. The structure of this element will be described below.
  • FIG. 1A is a cross section in the optical axis direction of the element.
  • This element is formed on the n-type InP substrate 1.
  • Light is generated by injecting current from the n-electrode 6 on the back surface of the substrate 1 and the p-electrode 5 on the surface of the substrate 1 to the InGaAsP active layer 2.
  • the generated light propagates through the waveguide in which the diffraction grating 3 whose refractive index changes periodically is formed.
  • Laser oscillation occurs when light is fed back by the diffraction grating.
  • This laser is a so-called distributed feedback (DFB) laser.
  • DFB distributed feedback
  • the laser light thus generated is totally reflected by a 45 ° reflecting mirror 8 formed by etching one end of the waveguide, guided toward the back surface of the substrate, and emitted from the exit surface 9 on the back surface of the substrate.
  • the device is die-bonded on the laser submount 11 with AuSn solder using the surface with the p-electrode 5 as an adhesive surface.
  • the n-electrode is connected to the ground using a 50 ⁇ diameter gold wire 10 (not shown).
  • FIG. 1B is a mounting plan view of the element.
  • the element surface excluding the p electrode 13, the extraction pad 15, and the 45 ° reflecting mirror 14 is covered with a protective film of the SiO 2 insulating film 12.
  • the cavity is formed in the substrate surface, so that the cavity length can be increased and high output is easy.
  • the light receiving member can be disposed on the upper surface of the element, which is advantageous for high-density mounting.
  • highly efficient optical coupling with the light receiving system is possible, which also saves power, reduces the number of parts in the module, and reduces the size. It can be said that it is an excellent element.
  • FIGS. 2A, 2B, 3A-F, and 4A-C The structure of the horizontal resonator vertical emission laser of Example 1 will be described with reference to FIGS. 2A, 2B, 3A-F, and 4A-C.
  • This embodiment is an example in which the present invention is applied to a horizontal resonator vertical emission laser having an element width of 250 ⁇ m.
  • FIG. 2A is a bird's-eye view of the surface of the laser element
  • FIG. 2B is a light emission surface of the laser element.
  • an n-type semiconductor layer 21, an active layer 22, and a p-type semiconductor layer 23 are sequentially stacked on an Fe-doped semi-insulating semiconductor substrate 20 and are not shown.
  • a diffraction grating layer is formed immediately above the active layer 22.
  • the n-type semiconductor layer 21 uses n-doped InP
  • the p-type semiconductor layer 23 uses p-doped InP
  • the active layer 22 uses, for example, an InGaAlAs strained quantum well structure
  • the diffraction grating layer uses GaInAsP. Etc. are used.
  • it has the reflective mirror 29 which etched the semiconductor embedding layer.
  • the semiconductor embedded layer may be made of the same semiconductor material as the semi-insulating Fe-doped InP or p-type cladding layer.
  • a concave step is formed on the semi-insulating semiconductor substrate 20, and an integrated lens 30 formed by etching the semi-insulating semiconductor substrate 20 is integrated at the bottom of the step.
  • the surface is provided with a non-reflective coating made of, for example, an alumina thin film.
  • a p-type electrode 25 is formed on the resonator. Separately, the p-type semiconductor layer 23 and the active layer 22 were dug until reaching the n-type semiconductor layer 21, and an n-type electrode 27 was formed on the n-type semiconductor layer 21. At this time, as shown in FIG.
  • the n-type electrode 27 is formed so as to surround the reflecting mirror 29 and the resonator portion, and the side portion of the reflecting mirror and the side portion of the resonator are separated.
  • the electrodes are formed to have different widths.
  • the distance between the p-type electrode 24 and the n-type electrode 27 can be reduced by changing the electrode width so that the resonator side portion of the n-type electrode 27 is recessed toward the resonator side. It is possible to reduce element resistance by shortening.
  • FIGS. 3A to 3F are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the horizontal resonator vertical-emission laser device shown in the first embodiment. Note that the cross section is a cross section between AA shown in FIG. 2A.
  • FIGS. 3A to 3F in the 1.3 ⁇ m wavelength InGaAlAs quantum well type horizontal cavity surface emitting laser element of this example, a semiconductor heterostructure processed in a stripe shape is embedded with a semi-insulating layer. It has a buried hetero structure (BH: Buried Hetero).
  • BH Buried Hetero
  • the periphery of the stripe-shaped optical waveguide portion in the buried hetero structure is buried with a high-resistance semi-insulating layer 87 in which Fe (iron) is doped with InP.
  • the n-type semiconductor is doped with sulfur (Sulfur: element symbol S), and the p-type semiconductor is doped with zinc (Zinc: element symbol Zn).
  • FIG. 3A shows a cross-sectional view of the laminated structure in this example.
  • the semi-insulating semiconductor substrate 80 an Fe-doped InP semiconductor substrate is used.
  • an n-type semiconductor layer 81 and an active layer 82 are used on the semi-insulating semiconductor substrate.
  • this active layer 82 is composed of undoped InGaAlAs between the n-side optical confinement layer composed of n-type InGaAlAs and the p-type optical confinement layer composed of p-type InGaAlAs, and has a thickness of 7 nm. It has a multiple quantum well structure in which a well layer WL and a barrier layer BL having a thickness of 8 nm are stacked for five periods.
  • Such a multiple quantum well structure is designed so as to realize sufficient characteristics as a laser.
  • a diffraction grating layer 83 made of an InGaAsP-based material is embedded in a p-type semiconductor layer 84 made of p-type InP functioning as a cladding layer. Further, a contact layer 85 made of p-type InP is disposed thereon.
  • the structures of the active layer 82 and the diffraction grating layer 83 were formed so that the oscillation wavelength of the DFB laser at room temperature was 1310 nm.
  • the optical waveguide function is generated by sandwiching the active layer 82 with a clad layer having a lower refractive index, and the optical waveguide function is realized by a laminated structure of clad layer / active layer / cladding layer.
  • a light confinement layer is provided with a quantum well layer interposed therebetween.
  • the refractive index of the cladding layer is lower than the refractive index of the optical confinement layer.
  • the n-type semiconductor layer 81 provided on the semi-insulating semiconductor substrate 80 plays this role as the first semiconductor layer functioning as the cladding layer.
  • the polarity of the diffraction grating layer 83 was p-type. Such a structure is called a refractive index coupled DFB laser because only the refractive index periodically changes in the light propagation direction.
  • the diffraction grating 83 is uniformly formed in the entire region of the DFB laser. However, a so-called phase in which the phase of the diffraction grating is shifted to a part of the region as necessary is described.
  • a shift structure may be provided. In this embodiment, the DFB laser is used, but a DBR laser may be used.
  • an n-type semiconductor substrate 81 (cladding layer) composed of an n-type InP substrate is grown on a semi-insulating substrate 80 in order to form a laser part structure, and then n-type.
  • An active layer 82 composed of InGaAlAs is formed, which includes an optical confinement layer composed of InGaAlAs, a strained multiple quantum well layer composed of InGaAlAs, and an optical confinement layer composed of p-type InGaAlAs.
  • a semiconductor multilayer body including a diffraction grating layer 83 made of InGaAsP is formed thereon. Further, a p-type semiconductor layer 84 (cladding layer) made of p-type InP is formed thereon, and then a contact layer 85 made of p-type InGaAs is formed.
  • the carrier concentration by doping was set to 10 18 cm ⁇ 3 for both n-type and p-type.
  • a silicon dioxide film is coated on the InP wafer having this multilayer structure to form a protective mask.
  • the contact layer, the p-type cladding layer 84, the diffraction grating layer 83, the active layer 82, and a part of the n-type semiconductor layer 81 are etched to form an optical waveguide.
  • etching for example, dry etching such as reactive ion etching (RIE) using chlorine-based gas, wet etching using bromine-based solution, or the like, or a combination of both methods may be used.
  • RIE reactive ion etching
  • a patterning mask was formed using a silicon oxide film 86 in a region where burying growth is performed.
  • the semiconductor is not grown during the burying growth. Therefore, by using this patterning mask, it is possible to arbitrarily create a portion where the buried layer is not grown and a portion where the buried layer is not grown. This time, this patterning film was formed into a shape for forming an n-electrode, and a buried layer was grown so that an n-type semiconductor layer 81 was exposed in a region where an n-electrode was formed later.
  • this sample was loaded into a crystal growth furnace, and a semi-insulating layer 87 composed of InP doped with Fe was grown at 600 ° C. using the MOVPE method.
  • a buried heterostructure was formed by this etching step and a process of regrowing the buried layer.
  • the buried heterostructure is a structure in which both sides of the optical waveguide in the light traveling direction are buried with a material capable of confining light.
  • the material used for confinement is typically a high resistance material.
  • a semi-insulating layer 87 made of high resistance InP doped with Fe is used.
  • both the left and right sides with respect to the light traveling direction of the optical waveguide are embedded, and at the same time, the light emitting end of the optical waveguide is also embedded with the semi-insulating layer 87.
  • the reason why the tip of the optical waveguide is embedded with InP is that the portion where the 45 ° tilt mirror is etched can be made of only InP material (Fe-InP) and is formed by etching. This is because it becomes easy to process the mirror completely smoothly.
  • the silicon dioxide film 86 used as a selective growth mask for buried growth is removed to form a silicon nitride film (not shown) for an etching mask, and an inclination angle of 45 °.
  • the reflective mirror 100 was formed by etching the semi-insulating layer 87 made of InP doped with Fe.
  • CAIBE chemical assisted ion beam etching
  • 45 ° etching is realized by etching the wafer at an angle of 45 °. did.
  • etching method using CAIBE reactive ion beam etching (RIBE: Reactive ⁇ Ion ⁇ Beam Etching) of chlorine-based gas or wet etching may be used.
  • the cross-sectional shape of the reflecting mirror 100 in the optical axis direction is a kale “re” shape, but it can also be a V shape or a structure consisting only of a slope.
  • a groove for electrically separating elements from each other is formed on the wafer.
  • the n-type electrode 102 was deposited on the digging portion 89 of the n-type semiconductor layer 81, and an alloy process was performed at 370 ° C. Thereafter, a p-electrode 101 (p-type electrode) was deposited on the p-type InGaAs contact layer 85. Furthermore, after the back surface of the substrate was polished to a thickness of 130 ⁇ m, a silicon nitride mask 90 was formed on the back surface of the substrate.
  • etching was performed into a circular shape having a diameter of 125 ⁇ m and a depth of 20 ⁇ m by reactive ion etching using a mixed gas of methane and hydrogen.
  • the silicon nitride mask 90 is placed so that the center position of the circular circle on the cylindrical shape intersects with the perpendicular ( ⁇ ) drawn immediately below from the intersection of the extension line ( ⁇ ) of the active layer 82 and the 45 ° tilt mirror. Forming. Note that the shape of the circle may be elliptical depending on the application.
  • the silicon nitride mask 90 was removed, the silicon nitride mask above the columnar portion 91 surrounded by the portion dug into a donut shape was removed, and wet etching was performed. As a result, a corner was formed by etching from the surface of the columnar part, and the back surface InP lens 93 was formed. Note that the surface of the lens is covered with an antireflective film 92 in a later step. Since the convex lens is formed on the beam exit surface, it is possible to obtain a highly parallel beam with a narrow radiation angle.
  • the horizontal cavity surface emitting laser element of this example had a beam divergence angle of 2 °, and obtained a narrow emission beam that became a circular beam spot with a diameter of 120 ⁇ m at a position of 100 ⁇ m from the laser back surface.
  • FIGS. 4A to 4C show an example of an optical module package to which the present invention is applied.
  • FIG. 4A is a detailed mounting diagram of the horizontal cavity vertical emitting laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a mounting bird's-eye view of the horizontal resonator vertical emission laser.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view of the horizontal resonator vertical emission type laser mounted in the vertical direction of the optical axis.
  • an optical element mounting substrate 1008 and a photodiode 1004 on which a laser diode 1003 is junction-down mounted are mounted on a stem 1001.
  • the diode 1003 is a horizontal resonator vertical emission laser.
  • the laser diode 1003 is flip-chip mounted on the optical element mounting substrate.
  • the submount was mounted on the stem 1001 by junction down mounting, and the laser submount on which the horizontal cavity surface emitting laser element LD was mounted was mounted on the stem 1001 with Ag epoxy.
  • a quartz single mode optical fiber corresponding to 1.3 ⁇ m band light was used as the optical fiber 1009 to complete the alignment.
  • the optical fiber support part 1006 and the cap 1007 were mounted, and the optical fiber was fixed.
  • FIGS. 4B and 4C Details of the mounting are shown in FIGS. 4B and 4C.
  • Electric lines 2001 and 2002 are formed on the optical element so as to satisfy desired impedance matching. This time, the 50 ⁇ system was used.
  • a support portion 2004 formed in the laser diode 1003 is provided so as to fit into the shape of the digging groove 2006 on which the n-electrode is deposited. At the time of mounting, this support portion is fitted into the digging groove 2006 so that the positioning can be performed easily.
  • FIG. 4C shows a cross-sectional view in the direction perpendicular to the optical axis of the mounted element. As shown in the figure, the fitting support portion is made of solder 2014 and is designed to contact the n-type electrode.
  • the fitting support portion may be formed of a metal material having good thermal conductivity such as copper or an alloy of copper and tungsten.
  • the portion where the support portion contacts does not include a pn junction.
  • the parasitic capacitance does not increase even if the area of the n electrode in contact with the support portion is enlarged. Therefore, by adopting such a structure, it is possible to improve heat dissipation without increasing the parasitic capacitance.
  • the distance between the p and n electrodes can be shortened by increasing the width of the n electrode on the side of the resonator to the optical resonator side than the width of the n electrode on the side of the reflector. Reduction is realized.
  • a flag-shaped dent region 27 in FIG.
  • the short side length of one rectangle is the short side of the other rectangle.
  • the shape is longer than the side length, this is hereinafter referred to as a flag shape.
  • the present invention is applied to an InGaAlAs quantum well type laser having a wavelength band of 1.3 ⁇ m formed on an InP substrate, but the substrate material, active layer material, and oscillation wavelength are limited to this example. It is not a thing.
  • the present invention can be similarly applied to other material systems such as a 1.55 ⁇ m band InGaAsP laser.
  • the embodiment of the BH structure has been shown.
  • the present invention can also be applied to a ridge wave guide (RWG) type structure.
  • Example 2 is an example in which the present invention is applied to a horizontal cavity surface emitting laser having an RWG structure and an element width of 250 ⁇ m.
  • FIG. 5A is a bird's-eye view of the surface of the laser element
  • FIG. 5B is a light emission surface.
  • FIG. 5C is a mounting cross-sectional view of the laser element in the direction perpendicular to the optical axis. The structure of the laser element will be described in detail with reference to FIGS. 5A and 5B.
  • an n-type semiconductor layer 4001, an active layer 4002, and a p-type semiconductor layer 4003 are sequentially grown on a Fe-doped semi-insulating semiconductor substrate 4000, and are not shown, but are directly on the active layer 4002.
  • the n-type semiconductor layer 4001 uses n-doped InP
  • the p-type semiconductor layer 4003 uses p-doped InP
  • the active layer 4002 uses, for example, a strained quantum well structure of InGaAlAs
  • the diffraction grating layer uses GaInAsP. Etc. are used.
  • a reflection mirror 4009 obtained by etching the semiconductor buried layer is provided.
  • the p-type semiconductor layer 4003 immediately above the resonator has a ridge shape etched into a convex stripe shape.
  • a p-type electrode 4004 is formed on the ridge shape.
  • the p-type semiconductor layer 4003 and the active layer 4002 were dug until reaching the n-type semiconductor layer 4001, and an n-type electrode 4007 was formed on the n-type semiconductor layer 4001.
  • the n-type electrode 4007 is formed so as to surround the reflecting mirror 4009 and the resonator, and the side portion of the reflecting mirror 4009 and the side portion of the resonator are electrodes. Are formed to have different widths.
  • a lens having the same shape as in Example 1 was formed on the back surface of the semi-insulating semiconductor substrate 4000.
  • an active layer, a diffraction grating, and a p-type semiconductor layer 4003 having the same specifications as those in Example 1 were sequentially grown on the semi-insulating semiconductor substrate 4000 by using the MOCVD method. Although not shown in FIG. 5, a contact layer having the same specifications as in Example 1 was also formed.
  • the active layer, the diffraction grating layer, and the p-type semiconductor layer 4003 are partially etched using a normal photolithography process and wet etching, and then a semi-insulating semiconductor in which Fe is doped in a portion where a reflecting mirror is formed later The layer was grown as a waveguide layer.
  • the waveguide portion may be a semi-insulating semiconductor doped with another heavy element or the same semiconductor as the p-type semiconductor layer 4003. Subsequently, a normal photolithography was combined with dry and wet etching to form a ridge portion. At this time, a portion for later forming an n-type electrode was also formed at the same time. Thereafter, in the same manner as in Example 1, a reflecting mirror 4009, an electrical separation groove 4008, an n-type electrode 4007, a p-type electrode 4004, and a lens 4010 were formed.
  • 25 Gbit / s operation at 100 ° C. reflects the highly efficient current injection by the ridge structure and the effect of the present invention, which is an improvement in heat dissipation and a reduction in device capacity. Realized.
  • FIG. 6 shows a third embodiment in which the present invention is applied to a horizontal cavity vertical emission laser.
  • FIG. 6 is a bird's-eye view of the laser element.
  • This embodiment is an array type laser in which a plurality of horizontal resonator vertical emission lasers are formed on the same substrate.
  • a four-channel parallel structure is adopted.
  • the RWG type and the BH type structure are possible, but in this embodiment, the RWG type is used.
  • the laser elements 3003 forming the 4-channel array are electrically separated from each other by an electrical separation groove 4008 shown as a single laser element in FIG.
  • the manufacturing method is the same as in Example 2.
  • the substrate is a semi-insulating semiconductor substrate, but a laminated substrate having a semi-insulating semiconductor layer and a conductive semiconductor layer may be used.
  • a multilayer structure substrate can reduce the etch pit density causing the lattice defect as compared with a normal semi-insulating substrate, and thus can improve manufacturing reliability and yield.
  • the element width L1 in the direction perpendicular to the resonator of this element is 250 ⁇ m. That is, the interval between the lenses from which light is emitted is also 250 ⁇ m, and this pitch width is equal to the pitch interval of the ready-made ribbon fiber. That is, by using this element, an optical module having a plurality of channels can be easily produced.
  • the cross-sectional view of the optical module is the same as that shown in FIG. 4A.
  • the fiber is a four-channel ribbon fiber, and four channels are arranged in the direction perpendicular to the paper surface.
  • the optical element mounting machine plate similarly to Example 2, has a support portion for fitting, so that the alignment of the elements can be easily performed.
  • a multi-channel optical module capable of transmitting data at a total of 100 Gbps at 25 Gbps per channel and having an excellent production cost can be produced.
  • FIG. 7 shows a fourth example in which the present invention is applied to a horizontal cavity vertical emission laser having an element width L2 of 500 ⁇ m.
  • the details of the structure of this element are as follows.
  • this laser is a DFB type laser in which a diffraction grating layer is provided inside the p-type semiconductor layer 63.
  • the RWG type laser is used, but the BH type is also possible.
  • the n-electrode pad 65 can be formed on the stud portion provided on the side of the region where the resonator and the mirror are formed. For this reason, the entire mirror front can be used as the n electrode formation region, and the area of the n electrode can be greatly increased. For this reason, by using this structure, a reduction in element resistance and an improvement in heat dissipation are achieved, and the optical output at 85 ° C. is improved by a factor of about 2 with respect to a conventional horizontal resonator vertical emission laser. I was able to.
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment in which the present invention is applied to a horizontal resonator vertical emission laser.
  • This laser is a horizontal resonator vertical emission laser having an element width L3 of 500 ⁇ m, which is the same as the structure of the third embodiment.
  • the n-electrode wrap around the side of the reflecting mirror and the optical resonator is formed only on one side of the reflecting mirror and the resonator, whereas in this structure, the reflecting mirror and the resonator are provided. It is formed on both sides of the side part.
  • n-electrodes on the side portions of the reflector and the resonator that do not have the p-electrode pad are made to have a flag-shaped recess (in the area indicated by reference numeral 77 in the figure).
  • flag shapes Two types of rectangular combined shapes are referred to as flag shapes as defined in the first embodiment.
  • the n-electrode digging grooves are formed on both sides of the reflector and the resonator, it is necessary to reduce the pad area of the p electrode and there is a concern that the mounting strength on the p side may be reduced.
  • the parasitic capacitance of the element can be reduced by reducing the area.
  • the n electrode area can be enlarged, the heat dissipation characteristics can be further improved.
  • the RWG type laser is used, but the BH type is also possible.
  • a horizontal cavity surface emitting laser including a reflecting mirror provided at a part of the optical waveguide layer for emitting from the back surface of the first conductive layer;
  • a first electrode is provided on the first conductivity type cladding layer on the bottom surface of the groove-shaped portion, and the first electrode is separated from the first electrode;
  • a horizontal cavity surface emitting laser is fitted to at least a part of the groove-like portion where the first electrode is formed, wherein a second electrode is provided on the second conductive type cladding layer.
  • Flip chip mounting on an optical element mounting board having a supporting member shaped to fit the supporting member and the groove-shaped portion, and so that at least a part of the supporting member and the first electrode are in contact with each other An optical module.
  • the indicator member is made of the same material as a member for adhering an element on the optical element substrate.
  • the indicating member is a conductive material that is a member that adheres an element onto the optical element substrate.
  • the side portions of the reflecting mirror and the resonator structure of the first electrode are formed only on either the left or right side of the reflecting mirror and the resonator portion.
  • (6) The optical module according to any one of (1) to (5), wherein the horizontal cavity surface emitting laser has the semiconductor substrate formed of a semi-insulating semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate has a laminated structure of a semi-insulating semiconductor layer and a conductive semiconductor layer, and a laser portion is formed on the semi-insulating layer.
  • the horizontal resonator surface-emitting laser is formed by arranging at least two horizontal resonator surface-emitting lasers according to (6) or (7) above on the same semiconductor substrate. 8.
  • the horizontal resonator surface-emitting laser has an integrated lens formed by processing a substrate on a light-emitting surface on the back surface of the semiconductor substrate.
  • the optical module according to crab. The optical module according to (8), wherein the horizontal cavity surface emitting laser has an element width of 250 ⁇ m.
  • n-type electrode 1001 ... stem, 1002 ... Lead pin, 1003, 2005 ... Light emitting element, 1004 ... Light receiving element, 1005 ... Package lens, 1006 ... Ferrule, 1007 ... Cap, 1008, 2000, 3000, 4017 ... Optical element mounting substrate, 1009 ... Optical fiber, 2004 ... support member for fitting, 2001, 2002, 2007, 2008, 3001, 3002, 4015, 4016 ... electric lines, 2014, 4014 ... solder, 3003 ... Array type light emitting element, 25,4005 ... p-type electrode pad.

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Abstract

　本発明の目的は、実装寄生容量が小さく高速性に優れ、かつ、放熱特性に優れた水平共振器面出射型レーザ及びこれを用いた光モジュールを提供することである。すなわち、半導体基板上に、第１導電型クラッド層と活性層と第２導電型クラッド層の順に積層された共振器構造部と、活性層から発生した光を導波する導波路層と、共振構造部から放射されるレーザ光を裏面から出射させる反射部とを備え、共振器構造部および反射部の側面に沿った半導体基板上に設けられた第１電極と、共振器構造部の主表面上に設けられた第２電極とを有し、第１電極は、導波路層を導波される光の進行方向と交わる反射部の一側面に沿って設けられた電極（１）と、導波路層を導波される光の進行方向に平行する共振器構造部の一側面および反射部の他側面に沿って設けられた電極（２）とを含み、電極（２）の形状は、少なくとも２箇所で異なる幅を有する。

Description

表面出射型レーザ
　本発明は、光通信や光ディスク及び医療用センサー等に用いられる半導体レーザ素子並びにそれらを用いた光モジュールに関する。
　情報技術の発展に伴い、光を用いて大容量のデータを高速でやり取りする通信トラフィックの整備が急速に行われつつある。特に、従来の通信ネットワーク（テレコム）だけでなく、ストレージ用ネットワーク（SAN）やイーサネット（登録商標）（LAN）等のデータコムにおけるデータ容量の増加は著しく、光を用いた高速化が盛んに進められている。例えば、次世代光LANにおいては、１００ギガビットを伝送するための１００ギガビットイーサネットの通信規格が策定されつつある。
　また、近年、バックボーン系で用いられるハイエンドルータのスループットは１Tbspに達しており、今後更なる容量拡大が予測されている。これに伴い、これら伝送装置間（数ｍ～数百ｍ）或いは装置内（数ｃｍ～数十ｃｍ）といった極めて近距離のデータ伝送においても大容量データを効率的に処理するために、配線の光化が有望視されている。このように光を用いてシステムの大容量化が進められる一方で、これらを用いたデータ伝送をより安価に提供するために、低コスト技術が益々重要な課題となる。
　このような背景の元、信号を送受信する半導体光素子には高速性能の向上と並び、簡易・高密度実装性が重要な課題となる。この理由としては以下のように説明される。システムの高速・大容量化が進むと共に、光素子単体の高速化はいずれ物理的限界に直面する。
このため、従来1チャンネルの信号を用いていた伝送を複数チャンネルで行う必要が生じる。例えば、先述した、ハイエンドルータ内ではチャンネル当り２５Gbpsで４０チャンネルを使用する構成などが想定されている。従って、高密度且つ簡易実装性に優れる高速半導体光素子は今後の大容量システムにおいてキーデバイスの一つとなる。
　この信号送信光源である半導体レーザ素子は、その共振器方向（垂直共振、水平共振）とレーザ光が出射する面（端面出射、面出射）の組み合わせ方により三種類に分類される。第１のタイプは水平共振器端面出射レーザ素子であり、第２のタイプは垂直共振器面出射レーザ素子、第３のタイプは水平共振器面出射レーザ素子である。
　第１の水平共振器端面出射レーザは基板面内水平な方向に光導波路が形成されており、基板をへき開により分割した端面からレーザ光を出射するものである。このレーザ構造では共振器長を数百μｍまで長く取ることができるために、高温下においても数十mWの高出力が得られる。しかし、レーザ光を受光するための光学部材を実装基板面内でレーザ素子に隣接して設置する必要があり、多チャンネルの高密度実装やモジュール全体の小型化には不向きである。
　次に、第２の垂直共振器面出射レーザは、共振器を半導体基板に垂直な方向に形成した構造を持つレーザである。このため、受光部材を素子上面に設置する配置が可能であり、実装基板面内での高密度化に有利である。しかしながら、本構造の場合は、共振器長が結晶成長膜厚で決まるために非常に短く、高い光出力を得ることが本質的に困難であるという問題がある。
　第３の水平共振器垂直面出射レーザは上記２つのレーザの優れた点を兼ね備えたレーザ構造であるということができる。本構造は、共振器が基板面内水平な方向に形成されており、これに、レーザ光を基板表面あるいは裏面から出射させるために４５°に傾斜した反射ミラーが集積形成された構造を持つ。
　本発明はこの第３の水平共振器面出射レーザに関する。このような従来の水平共振器面発光レーザの例としては、１０乃至１００μｍの活性領域と、分布ブラッグ反射鏡と、斜めミラーを有する水平共振器型面発光レーザが、特許文献１に公開されている。また、第２の公知例としては、InP基板上に形成したInGaAsP活性層を含んだ光導波路と、光導波路の端部に４５°の角度をもって形成された反射鏡と、InP基板裏面上の４５°反射鏡と対向する位置に形成された円形レンズとを備えた水平共振器型面出射レーザの室温連続発振特性が非特許文献１に報告されている。
　また、これらとは構造及び、実装形態の異なる水平共振器型面出射レーザとして、非特許文献２には、ｐ、ｎ両方の電極及び光出射面が基板の上面に設けられたタイプの水平共振器面発光レーザが開示されている。このレーザではチップの基板面側を実装基板上にAuSnまたはAgエポキシなどを用いてボンディングした後、ｐ、ｎそれぞれの電極と実装基板上のｐ、ｎ極とを金ワイヤを用いて接続する。
特開2007-5594号公報
IEEE　PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.3, NO.9, 1991、pp.776-778 Prof. of SPIE、 vol.6352 63520U-1
　特許文献１、および非特許文献１に記載されているような水平共振器面出射レーザでは、実装に金ワイヤを必要とする。安定した実装にはワイヤ長１mm程度が必要であるが、この場合、２５Gbps以上の高周波信号は、ワイヤの持つインダクタンスの影響により信号強度が著しく減衰してしまう。このため、これらの素子は高速動作には不利である。また、素子一つ一つに金ワイヤを張る必要があるため、多チャンネル実装において、実装コストが増大するだけでなく、金ワイヤを張る領域を確保するために、高密度実装に限界が生じる。
　また、特許文献１、及び非特許文献１に記載されているような水平共振器面出射レーザでは、実装に伴う寄生容量低減のためにレーザサブマウントに接着される面の電極面積を可能な限り小さく取る必要がある。一方で、素子からサブマウントへの放熱は主としてp電極部分を介して行われるため、放熱性の観点からはｐ電極部を大きく取る必要がある。
従って、従来構造の素子では容量低減と放熱性を両立することが困難であった。
　非特許文献２に記載されているような構造は、素子の基板を直接レーザサブマウントに接着するため、素子の基板裏面全面が放熱パスとなるため、特許文献１や非特許文献１の構造に比べて放熱性は良い。
　しかしながら、ｐ,ｎ両方の電極に金ワイヤを接続するため、高速性と簡易・高密度実装の点において、不利な構造である。
　そこで、本発明が解決しようとする課題は、高速性に優れ、かつ放熱特性に優れた水平共振器面出射型レーザ及びこれを用いた光モジュールを提供することである。
　上記目的を達成するための代表的な手段を以下に示す。
本発明の水平共振器表面出射型レーザにおいて、半導体基板上に、第１導電型クラッド層と光を発生する活性層と第２導電型クラッド層の順に積層された積層構造を含み、光を面内方向に反射もしくは共振させる共振器構造部と、半導体基板上の共振器構造部内およびその延在領域に設けられた、活性層から発生した光を導波する導波路層と、光導波路層の一部に設けられ、共振構造部から放射されるレーザ光の光路を変えて半導体基板の裏面から該レーザ光を出射させる反射部とを備え、共振器構造部および反射部の側面に沿った半導体基板上に設けられた第１電極と、共振器構造部の主表面上に設けられた第２電極とを有し、第１電極は、導波路層を導波される光の進行方向と交わる方向に位置する反射部の一側面に沿って設けられた電極（１）と、導波路層を導波される光の進行方向に平行する方向に位置する共振器構造部の一側面および反射部の他側面に沿って設けられた電極（２）とを含み、電極（２）の形状は、少なくとも２箇所で異なる幅を有することを特徴とする。
　このような構成とすることにより、寄生容量を増やさずに放熱性を向上させることが可能である。さらに、共振器側方部のｎ型電極幅を、反射鏡側方部のｎ型電極幅よりも光共振器側に広げることにより、ｐ,ｎ型電極間距離を短縮することができるため、素子の抵抗低減が実現される。それに伴い、優れた高速性を得ることができる。加えて、平面内で、旗型の凹みを形成されるため、先述した位置合わせの簡易性と、位置合わせ精度を向上させる効果もある。
　本発明によれば、上記第１電極は基板上に積層された第１導電層に上に直接形成されており、その直下にはｐｎ接合を含まない。このため、電極面積を拡大したときの寄生容量の増加が著しく少なく保つことが可能である。このため、この第１電極部に金属部材等の支持部材を接触させ、放熱パスを形成するような実装構造とすることで、寄生容量を増やさずに放熱特性を大幅に向上させることが可能である。また、電極と半導体の接触面積を増加させることができるため、接触抵抗を低減させるのに有利であり、素子の抵抗を低減させることが可能である。
　また、電気線路が設けられた光素子搭載基盤上へ素子をフリップチップ実装できるため、金ワイヤを用いた場合に比べて、インダクタンスによる高周波信号減衰を低減できる。
また、電気線路のパターニングによりインピーダンスマッチングの設計が可能であるため、電気的な設計の自由度が大幅にあがるため高速化に有利である。
従来構造の水平共振器垂直出射型レーザの光軸方向の断面図である。 従来構造の水平共振器垂直出射型レーザの実装平面図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの表面鳥瞰図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの裏面鳥瞰図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 実施例１の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの実装詳細図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの実装鳥瞰図である。 本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの光軸垂直方向実装断面図である。 本発明の第２の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの表面鳥瞰図である。 本発明の第２の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの裏面鳥瞰図である。 本発明の第２の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの光軸垂直方向実装断面図である。 本発明の第３の実施例であるアレイ型の垂直共振器垂直出射型レーザの実装鳥瞰図である。 本発明の第４の実施例である水平共振器垂直出射型レーザ鳥瞰図である。 本発明の第５の実施例である水平共振器垂直出射型レーザ鳥瞰図である。
　以下に、図面を用いて実施例を詳細に説明する。
　従来の水平共振器垂直面発光レーザの構造例を図１Ａ，Ｂを用いて説明する。以下本素子の構造を説明する。
　図１Ａは、素子の光軸方向断面である。本素子はｎ型InP基板１上に形成されている。
光は該基板１の裏面のｎ電極６と該基板１の表面のｐ電極５からInGaAsP活性層２に電流が注入されて発生する。発生した光は屈折率が周期的に変化する回折格子３が形成された導波路中を伝播する。光がこの回折格子で帰還されることでレーザ発振が起こる。本レーザは所謂分布帰還形（DFB:Distributed Feedback）レーザである。こうして発生したレーザ光は導波路の一端をエッチング加工することで形成された４５°反射鏡８で全反射し、基板裏面方向に導かれ、基板裏面の出射面９から出射される。素子はチップ化された後、レーザサブマウント１１上に、ｐ電極５のある面を接着面としてAuSnはんだでダイボンドされる。一方、ｎ電極は50μ径の金ワイヤ１０を用いて、図示していないが、グランドと接続される。
　図１Ｂは素子の実装平面図である。p電極１３、引出しパッド１５および４５°反射鏡１４部を除く素子表面はSiO2絶縁膜１２の保護膜で覆われている。このような構造を持つ水平共振器面発光レーザでは、共振器を基板面内に形成するので、共振器長を長く取ることができ、高出力可が容易である。また、基板面に垂直に光を出射するので、受光部材を素子の上面に配置することができ、高密度実装にも有利である。また、出射面に比較的容易に集積レンズを形成することが可能であるため、光受光系との高効率な光結合が可能であり、省電力化やモジュールの部品点数削減・小型化にも優れた素子といえる。
　実施例１の水平共振器垂直出射型レーザの構造を図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ－Ｆ、図４Ａ－Ｃを用いて説明する。本実施例は本発明を素子幅が２５０μｍの水平共振器垂直出射型レーザに適用した例である。図２Ａはレーザ素子の表面の鳥瞰図であり、図２Ｂはレーザ素子の光出射面である。当該実施例の水平共振器垂直出射型レーザはFeドープの半絶縁性半導体基板２０上にｎ型半導体層２１、活性層２２、ｐ型半導体層２３が順に積層成長され、更に図示しないが、その上に活性層２２の直上には回折格子層が形成されている。ｎ型半導体層２１にはｎドープInPが、ｐ型半導体層２３にはｐドープのInPが、活性層２２には、例えば、InGaAlAsの歪み量子井戸構造などが用いられ、回折格子層としてはGaInAsPなどが用いられる。また、半導体埋め込み層をエッチングした反射鏡２９を有する。この時、半導体埋め込み層には半絶縁性のFeドープInPやｐ型クラッド層と同じ半導体材料を用いてもよい。
　また、半絶縁性半導体基板２０には凹形状段差が形成され、更にその段差の底部には半絶縁性半導体基板２０をエッチングして形成した集積レンズ３０が集積されており、この集積レンズ３０の表面には例えばアルミナの薄膜からなる無反射コーティングが施されている。この時、また、共振器の上部にはｐ型電極２５が形成されている。また、これとは別に、ｐ型半導体層２３、及び活性層２２をｎ型半導体層２１に達するまで掘り込み、ｎ型半導体層２１上にｎ型電極２７を形成した。この時、ｎ型電極２７は図２Ａに示すように、反射鏡２９及び、共振器部分を囲むように形成されており、尚且つ、反射鏡の側方部と共振器の側方部とでは電極の幅が異なるように形成されている。このような、電極構造とすることで、電極面積を大きく取ることが可能であり、このため接触抵抗を低減することが可能である。
　また、ｎ型電極２７の共振器側方部を共振器側へ凹ませるように電極幅を変えることによって、ｐ型電極２４とｎ型電極２７の距離を小さくすることができ、キャリアの走行距離を短くすることで、素子抵抗の低減が可能である。
　次に、図３Ａ－Ｆを用いて本発明を適用した水平共振器垂直出射型レーザの詳細な作製方法を説明する。図３Ａ－Ｆは、実施例１で示す水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造工程を示す断面図である。なお、当該断面は、図２Ａで示すＡ－Ａ間の断面である。
図３Ａ－Ｆに示すように、本実施例の波長１．３μm帯のInGaAlAs量子井戸型水平共振器面発光レーザ素子は、ストライプ状に加工された半導体のヘテロ構造が半絶縁層で埋め込まれた埋込みヘテロ型（BH：Buried Hetero）構造を有する。この例では、埋込みへテロ構造におけるストライプ状の光導波路部分の周囲は、Fe（鉄）をInPにドープした高抵抗の半絶縁層８７で埋め込まれている。ｎ型半導体は硫黄(Sulfur：元素記号Ｓ)をドープし、ｐ型半導体は亜鉛(Zinc：元素記号Zn)をドープするものとする。
　図３Ａは、本実施例における積層構造の断面図を示す。半絶縁性半導体基板８０として、FeドープのInP半導体基板を用いる。この半絶縁性半導体基板の上に、ｎ型半導体層８１、活性層８２がある。図示しないが、この活性層８２は、ｎ型InGaAlAsで構成されたｎ側光閉じ込め層、ｐ型InGaAlAsで構成されたｐ型光閉じ込め層の間に、アンドープなInGaAlAsで構成され、厚さ７ｎｍのウェル層WLと厚さ８ｎｍのバリア層BLを５周期積層した多重量子井戸構造を備えている。このような多重量子井戸構造は、レーザとして十分な特性を実現できるように設計される。活性層８２の上には、InGaAsP系材料からなる回折格子層８３がクラッド層として機能するｐ型InPで構成されたｐ型半導体層８４に埋め込まれている。さらに、その上には、ｐ型InPで構成されたコンタクト層８５が配置されている。活性層８２および回折格子層８３の構造は、室温でのDFBレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成した。
　光導波機能は活性層８２を、これより屈折率の低いクラッド層で挟み込むことによって生じるものであり、クラッド層／活性層／クラッド層の積層構造により光導波機能が実現されるものであるが、具体的形態では、活性層における光閉じ込めを強化するため、量子井戸層、を挟んで光閉じ込め層を設けているのである。当然、クラッド層の屈折率は光閉じ込め層の屈折率より低い値である。尚、本実施例ではクラッド層として機能する第１半導体層は半絶縁性半導体基板８０上に設けられたｎ型半導体層８１がこの役割を担っている。
　回折格子層８３の極性はｐ型とした。このような構造は、光の伝播方向に屈折率のみが周期的に変化するので屈折率結合型DFBレーザと呼ばれる。なお、本実施例では、回折格子８３がDFBレーザの全領域で均一に形成されたものを説明したが、必要に応じて、領域の一部に回折格子の位相をずらして構成した、いわゆる位相シフト構造を設けても良い。
また、本実施例では、DFBレーザで構成したが、DBRレーザでも構わない。
　次に、本実施例の水平共振器垂直出射型レーザ素子の製造プロセスを、図３Ａ－Ｆを用いて説明する。
  まず、図３Ａに示すように、レーザ部分の構造を形成するために、半絶縁基板８０上にｎ型InP基板で構成されたｎ型半導体基板８１（クラッド層）を成長し、次にｎ型InGaAlAsで構成された光閉じ込め層、InGaAlAsで構成された歪多重量子井戸層、およびｐ型InGaAlAsで構成された光閉じ込め層からなるInGaAlAsで構成された活性層８２を形成する。
　次に、その上方にInGaAsＰで構成された回折格子層８３を含む半導体多層体を形成する。さらに、その上方にｐ型InPで構成されたｐ型半導体層８４（クラッド層）を形成し、次にｐ型InGaAsで構成されたコンタクト層８５を形成する。ドーピングによるキャリア濃度はｎ型ｐ型ともに１０の１８乗ｃｍ－３にした。この多層構造を有するInPウェハ上に、二酸化珪素膜を被覆して保護マスクとする。この二酸化珪素マスクを用いて、図示していないが、コンタクト層、ｐ型クラッド層８４、回折格子層８３、活性層８２、そしてｎ型半導体層８１の一部までをエッチングすることにより、光導波路を形成する（図３Ｂを参照）。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（RIE：Reactive Ion Etching）等のドライエッチング、あるいは臭素系溶液等によるウェットエッチング、さらには両者の併用、いずれの手法を用いても良い。
　次に、図３Ｂに示すように、埋め込み成長を行う領域に酸化シリコン膜８６を用いて、パターニングマスクを形成した。酸化シリコン膜８６に覆われた領域は埋め込み成長時に半導体が成長されない。従って、このパターニングマスクを用いて、任意に埋め込み層を成長する部分としない部分を作成することができる。今回、このパターニング膜はｎ電極を形成する形状に形成し、後にｎ電極を形成する領域はｎ型半導体層８１が出ているように埋め込み層を成長した。
　次に、図３Ｃに示すように、本試料を結晶成長炉に搬入してＭＯＶＰＥ法を用いて６００℃にてFeをドープしたInPで構成された半絶縁層８７を埋め込み成長した。このエッチング工程と埋込み層を再成長させるプロセスにより、埋込みヘテロ構造を形成した。埋込みへテロ構造は、光導波路の光進行方向の両側を、光を閉じ込め得る材料で埋め込んだ構造である。閉じ込めに用いる材料は、通例、高抵抗の材料とする。本例では、Feをドープした高抵抗のInPで構成した半絶縁層８７を用いた。なお、この埋込み構造形成工程においては光導波路の光進行方向に対して左右両側を埋め込むと同時に、光導波路の光出射側の端も半絶縁層８７で埋め込んだ。光導波路の先端をInPで埋め込んだ理由は、こうすることにより４５°傾斜ミラーをエッチング加工する部分がInP材料（Fe－InP）だけで構成されるようにすることができて、エッチングで形成するミラーを完全に平滑に加工することが容易になるからである。
　その後、図３Ｄに示すように、埋込み成長のための選択成長マスクとして用いた二酸化珪素膜８６を除去して、エッチングマスク用の窒化珪素膜（図示せず）を形成し、４５°の傾斜角度にFeがドープされたInPで構成された半絶縁層８７をエッチングし、反射鏡１００を形成した。この傾斜エッチングには、塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（CAIBE：Chemically Assisted Ion Beam Etching）を用い、ウェハを４５°の角度に傾斜させてエッチングすることにより４５°のエッチングを実現した。なお、本実施例ではＣＡＩＢＥを用いたエッチング方法について記載したが、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（RIBE：Reactive Ion Beam Etching）や、ウェットエッチングを用いても良い。反射鏡１００の光軸方向断面形状は、カタカナの“れ”の字型としたが、Ｖ型でも可能であり、また、斜面のみからなる構造でも可能である。また、この時のエッチングで同時に、ウェハ上で素子間を電気的に分離するための溝も形成している。
　次に、窒化珪素膜を除去した後、ｎ型半導体層８１の掘り込み部分８９にｎ型電極１０２を蒸着し、370℃でアロイ処理を行った。その後、ｐ型InGaAsコンタクト層８５の上部にｐ電極１０１（ｐ型電極）を蒸着した。さらに、基板裏面を１３０μｍの厚みまで研磨した後、基板裏面に窒化珪素マスク９０を形成した。
　続いて、図３Ｅに示すように、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、直径１２５μｍ深さ２０μｍの円形状にエッチングした。この時、円柱形上の円の中心位置が、活性層８２の延長線（α）と４５度傾斜ミラーの交差する点から直下に降ろした垂線(β)と交わるように上記窒化珪素マスク９０を形成している。なお円の形状は用途によって楕円形状の場合もある。引き続いて、図３Ｆに示すように、窒化珪素マスク９０を除去し、ドーナツ状に掘りこんだ部分に囲まれた柱状部分９１の上部の窒化珪素マスクを除去し、ウェットエッチングを行った。これにより柱状の部分表面から食刻されて角が取れ、裏面InPレンズ９３が形成された。なお、該レンズの表面は、後の工程で、無反射膜９２で覆われる。ビーム出射面において凸レンズが形成されているので、放射角の狭い平行性の高いビームを得ることが可能である。
　本実施例の水平共振器面発光レーザ素子は、ビーム拡がり角は２°であり、レーザ裏面から１００μｍの位置で直径１２０μｍの円形なビームスポットとなる狭出射ビームを得た。
　図４Ａ－Ｃに本発明を適用した光モジュールのパッケージの一例を示す。図４Ａは、本発明の第１の実施例である水平共振器垂直出射型レーザの実装詳細図である。図４Ｂは、その水平共振器垂直出射型レーザの実装鳥瞰図である。図４Ｃは、その水平共振器垂直出射型レーザの光軸垂直方向実装断面図である。
　先ず、図４Ａでは、ステム１００１上に、レーザダイオード１００３がジャンクションダウン実装された光素子実装基板１００８とフォトダイオード１００４が実装されている。当該実施例ではダイオード１００３が、水平共振器垂直出射型レーザである。この時、レーザダイオード１００３は光素子搭載基板上にフリップチップ実装されている。
　また、図４Ａに示すように、上述した図３Ａ－Ｆで示す工程で作製した水平共振器面発光レーザ素子を光素子実装基盤１００８に厚さ２００μｍのAlN基板上にAuSn半田がパターニングされたレーザ用サブマウント上を用い、ジャンクションダウン実装し、水平共振器面発光型のレーザ素子LDを搭載したレーザ用サブマウントをステム１００１上にAgエポキシにて実装した。そして、光ファイバ１００９には１．３μm帯の光に対応した石英シングルモード光ファイバを使用して、アライメントを完了した。その後、光ファイバ支持部１００６とキャップ１００７を実装し、光ファイバを固定した。
　次に、図４Ｂ、Ｃに実装の詳細を示す。光素子上には電気線路２００１、２００２が所望のインピーダンス整合を満たすように形成されている。今回は５０Ω系とした。また、レーザダイオード１００３に形成された、ｎ電極が蒸着されている、掘り込み溝２００６の形状に勘合するような支持部２００４が設けられている。
実装の際にはこの支持部が上記掘り込み溝２００６に勘合させることで簡易に位置合わせが可能である。また、図４Ｃには実装された素子の光軸垂直方向断面図を示す。同図に示すように、上記勘合用の支持部は、はんだ２０１４で形成されており、ｎ型電極に接触するように設計されている。このため、この支持部を通じて、素子から、光素子搭載基板への放熱パスが形成されるため、動作時の素子の放熱性が大幅に向上する。尚、上記勘合用の支持部は銅や銅とタングステンの合金などの熱伝導性のよい金属材料で形成しても良い。
　また、同図から分かるように支持部が接触する部分は、ｐｎ接合を含んでいない。このため、この支持部と接触するｎ電極の面積を拡大しても寄生容量は増加しない。従って、このような構造を取ることで、寄生容量を増やさずに放熱性を向上させることが可能である。さらに、共振器側方部のｎ電極幅を、反射鏡側方部のｎ電極幅よりも光共振器側に広げることにより、ｐ,ｎ電極間距離を短縮することができるため、素子の抵抗低減が実現される。加えて、平面内で、旗型の凹み（図２Ａの符号２７の領域は、２種類の長方形を短辺側で接合した形状からなり、一方の長方形の短辺長は、他方の長方形の短辺長より長い形状を有しているが、これを以下に旗型と呼ぶことにする。）が形成されるため、先述した位置合わせの簡易性と、位置合わせ精度を向上させる効果もある。
　なお、本実施例ではInP基板上に形成された波長帯１．３μｍのInGaAlAs量子井戸型レーザに適用した例を示したが、基板材料や活性層材料、そして発振波長はこの例に限定されるものではない。本発明は例えば１．５５μｍ帯InGaAsＰレーザ等のその他の材料系にも同様に適用可能である。
　また、以上においては、ＢＨ構造の実施例を示したが、本発明は、リッジ・ウェーブ・ガイド(ＲＷＧ：Ridge Wave Guide)型構造にも適用が可能である。
　実施例２は本発明をＲＷＧ型構造を有する素子幅２５０μｍの水平共振器面出射型レーザに適用した例である。図５Ａは当該レーザ素子の表面の鳥瞰図であり、図５Ｂは光出射面である。また、図５Ｃは当該レーザ素子の光軸垂直方向の実装断面図である。当該レーザ素子の構造を図５Ａ及び図５Ｂを用いて詳細に説明する。当該レーザ素子はFeドープの半絶縁性半導体基板４０００上にｎ型半導体層４００１、活性層４００２、ｐ型半導体層４００３が順に積層成長され、更に図示しないが、その上に活性層４００２の直上には回折格子層が形成されている。ｎ型半導体層４００１にはｎドープInPが、ｐ型半導体層４００３にはｐドープのInPが、活性層４００２には、例えば、InGaAlAsの歪み量子井戸構造などが用いられ、回折格子層としてはGaInAsPなどが用いられる。また、半導体埋め込み層をエッチングした反射鏡４００９を有する。
　また、図５Ａに示すように、共振器直上のｐ型半導体層４００３が凸型のストライプ状にエッチングされたリッジ形状を有する。このリッジ形状の上部にはｐ型電極４００４が形成されている。また、これとは別に、ｐ型半導体層４００３、及び活性層４００２をｎ型半導体層４００１に達するまで掘り込み、ｎ型半導体層４００１上にｎ型電極４００７を形成した。この時、図５Ａに示すようにｎ型電極４００７は反射鏡4009及び共振器を囲い込むように形成されており、尚且つ、反射鏡4009の側方部と共振器の側方部とでは電極の幅が異なるように形成されている。また、図５Ｂに示すように半絶縁性半導体基板４０００の裏面には、実施例１と同様な形状のレンズを形成した。
　次に当該レーザ素子の作製方法の概略を説明する。最初にＭＯＣＶＤ法を用いて、半絶縁性半導体基板４０００上に実施例１と同じ仕様の活性層、回折格子及びｐ型半導体層４００３を順次成長した。図５には図示しないが実施例１と同じ仕様のコンタクト層も形成した。次に、活性層、回折格子層、ｐ型半導体層４００３を通常のホトリソグラフィー工程とウェットエッチングを用いて部分的にエッチングした後、後に反射鏡を形成する部位にＦｅをドープした半絶縁性半導体層を導波路層として成長した。尚、この導波路部分は他の重元素をドープした半絶縁性半導体やｐ型半導体層４００３と同じ半導体でもよい。
続いて、通常のホトリソグラフィーとドライ及びウェットエッチングを組み合わせ、リッジ部分を形成した。この時、後にｎ型電極を形成する部分も同時に形成した。その後、実施例1と同様にして反射鏡４００９、電気分離溝４００８、ｎ型電極４００７、ｐ型電極４００４、及びレンズ４０１０を形成した。
　その後、共振器長が１５０μｍとなるようにチップ化を行い、実施例1と同様に支持部材を有するサブマウント上に完成した素子をジャンクションダウン型に実装した。
　このようにして作製した当該レーザ素子を評価した結果、リッジ構造による高効率な電流注入と本発明の効果である、放熱性改善及び素子容量低減を反映して、１００℃での２５Ｇｂｉｔ/s動作を実現した。
　図６は本発明を水平共振器垂直出射型レーザに適用した第３の実施例である。図６はレーザ素子の鳥瞰図である。本実施例は水平共振器垂直出射型レーザを同一基板上に複数形成した、アレイ型のレーザである。本実施例では４チャンネルの並列構造とした。また、ＲＷＧ型、ＢＨ型いずれの構造でも可能であるが、本実施例ではＲＷＧ型とした。この４チャネルのアレイを形成するそれぞれのレーザ素子３００３間は、図３の単体のレーザ素子で示す電気分離溝４００８によって、互いに電気的に分離されている。作製方法は実施例２と同様である。尚、本実施例では基板は半絶縁性半導体基板としたが、半絶縁性の半導体層と導電性の半導体層の積層構造基板を用いても良い。このような積層構造基板では通常の半絶縁基板よりも格子欠陥の原因となるエッチピット密度を低減することが可能であるため、製造上の信頼性や歩留まりを向上させることが可能である。
　ウェハ工程が終了した後に４チャンネルのアレイチップとなるようにチップ化を行った。本素子の共振器に垂直方向の素子幅Ｌ１は２５０μｍとしてある。即ち、光が出射するレンズの間隔も同様に２５０μｍになっており、このピッチ幅は既製品のリボンファイバのピッチ間隔に等しい。即ち、本素子を用いることで、容易に複数チャンネルの光モジュールを作成する事ができた。光モジュールの断面図は図４Ａと同様な構成であり、この時ファイバが４チャンネルのリボンファイバであり、紙面の垂直方向に４チャンネルが並んでいる。また、図６に示すように実施例２と同様に、光素子搭載機版には勘合用の支持部が形成されているため、素子の位置合わせも容易に実施できた。
　本素子を用いることによって、チャンネル当り、２５Gbpsで合計１００Gbpsのデータ伝送が可能で作製コストに優れた多チャンネル光モジュールを作成する事ができた。
　図７は本発明を素子幅Ｌ２が５００μｍの水平共振器垂直出射型レーザに適用した第４の例である。本素子の構造の詳細は以下に示す通りである。
半絶縁性基板６０上に、ｎ型半導体層６１と活性層６２とp型半導体層６３が順に積層されている。尚、図示しないが、本レーザはp型半導体層６３の内部に回折格子層が設けられDFB型レーザである。尚、本実施例ではＲＷＧ型のレーザとしたが、ＢＨ型でももちろん可能である。
　本レーザでは素子幅Ｌ２を５００μｍと広げることで、ｎ電極パッド６５を共振器及びミラーが形成されている領域の側方に設けられたスタッド部に形成することができる。このため、ミラー前方を全てｎ電極形成領域として、利用可能であり、ｎ電極の面積を大幅に拡大することが可能である。このため、本構造を用いることで、素子抵抗の低減と、放熱性の向上が達成され、従来の水平共振器垂直出射型レーザに対して、８５℃での光出力を２倍程度に向上させることができた。
　図８は本発明を水平共振器垂直出射型レーザに適用した第４の実施例である。本レーザは実施例３の構造と同じ素子幅Ｌ３が５００μｍの水平共振器垂直出射型レーザである。
実施例４では反射鏡及び光共振器の側方部へのｎ電極回りこみを反射鏡および、共振器の一方の側にのみ形成していたのに対して、本構造では反射鏡と共振器の側方部の両側に形成されている。この時、ｐ電極パッドの実装領域を確保するために、反射鏡及び共振器のｐ電極パッドが無い方の側方部のｎ電極のみを、旗型の凹み（図中の符号７７の領域における２種類の長方形の結合形状を、実施例１で定義したように、旗型と称する。）を有する形状としている。本構造では反射鏡と共振器の両側にｎ電極用の掘り込み溝を形成するため、ｐ電極のパッド面積を縮小する必要があり、ｐ側の実装強度が減少する懸念があるが、ｐパッドの面積を小さくする分、素子の寄生容量を低減することができる。尚且つ、ｎ電極面積を拡大することが可能であるために放熱特性を更に向上させることが可能である。尚、本実施例ではＲＷＧ型のレーザとしたが、ＢＨ型でももちろん可能である。
　以下に、本願発明の諸形態を整理し列挙する。
（１）半導体基板上に設けられた、第１導電型クラッド層と光を発生する活性層と第２導電型クラッド層の順に積相された積層構造を含み、光を面内方向に反射もしくは共振させる共振器構造部と、前記半導体基板の少なくとも一部に設けられた、前記活性層から発生した光を導波する導波路層と、前記共振構造部から放射されるレーザ光を前記半導体基板の裏面から出射するための前記光導波路層の一部に設けられた反射鏡とを備える、水平共振器面出射型レーザにおいて、前記共振器構造および前記反射鏡の周辺部を、前記第１導電型クラッド層に到達する深さに溝状に掘り込み、前記溝状部の底面の前記第１導電型クラッド層上に第一電極を設け、前記第１電極とは別に、前記第１電極と同じ面側に前記共振器構造の上方に位置するように前記第２導電型クラッド層上に第２電極が設けられていることを特徴とする、水平共振器面出射型レーザを前記第１電極が形成されている溝状部の少なくとも一部に勘合するような形状の支持部材を備えた光素子搭載基盤上に、前記支持部材と前記溝状部を勘合させ、且つ前記支持部材と前記第１電極の少なくとも一部が接触するようにフリップチップ実装することを特徴とする光モジュール。
（２）前記指示部材が前記光素子基板上に素子を接着する部材と同一の材料であることを特徴とする前項（１）に記載の光モジュール。
（３）前記指示部材が前記光素子基板上に素子を接着する部材とことなる導電性の材料であることを特徴とする前項（１）に記載の光モジュール。
（４）前記水平共振器面出射型レーザが前記第１電極のうち前記反射鏡および前記共振器構造の側方部分が、前記反射鏡および前記共振器部分の左右いずれか一方の側のみ形成されていることを特徴とする前項（１）乃至（３）のいずれかに記載の光モジュール。
（５）前記水平共振器面出射型レーザが前記第１電極の前記反射鏡側方部と前記共振器側方部とでは電極の幅が異なっていることを特徴とする前項（１）乃至（３）のいずれかに記載の光モジュール。
（６）前記水平共振器面出射型レーザが、前記半導体基板が半絶縁性の半導体基板で形成されていることを特徴とする前項（１）乃至（５）のいずれかに記載の光モジュール。
（７）前記水平共振器面出射型レーザが、前記半導体基板が半絶縁性の半導体層と導電性の半導体層の積層構造であり、レーザ部分が前記半絶縁性層上に形成されていることを特徴とする前項（１）乃至（５）のいずれかに記載の光モジュール。
（８）前記水平共振器面出射形レーザが、前項（６）または（７）に記載の水平共振器面出射型レーザを少なくとも２素子以上、同一の半導体基板上に並べて形成されており、各素子の間には半絶縁半導体層に達する深さの電気分離溝が形成されていることを特徴とする前項（６）または（７）に記載の光モジュール。
（９）前記水平共振器面出射形レーザが、前記半導体基板裏面の光出射面に基板を加工して集積レンズが形成されていることを特徴とする、前項（１）乃至（８）のいずれかに記載の光モジュール。
(１０)前記水平共振器面出射型レーザが、素子幅が２５０μｍであることを特徴とする、前項（８）に記載の光モジュール。
１…ｎ型InP基板、
２…InGaAsP活性層、
３、８３…回折格子、
４…ｐ型InPクラッド、
５,１３,２４，２５,６４,７４,２００９,４００４,４０１１…ｐ型電極、
６,２７，６６,６７,７６,７７,２０１０,４００７,４０１２…ｎ型電極、
２６,６５,７５,４００６…ｎ電極パッド、
６８…ダミーパッド、
７…InP窓部、
８,１４,２９，６９,７８,１００,４００９…反射鏡、
９…光出射面、
１０…金ワイヤ、
１１…レーザサブマウント、
１２…SiO2絶縁膜、
１５…引き出しパッド、
２０,６０,７０,８０,２０１１,４０００…半絶縁性半導体基板、
２１,６１,７１,８１,２０１２,４００１…ｎ型半導体層、
２２,６２,７２,８２,２０１３,４００２…活性層、
２３,６３,７３,８４,４００３…ｐ型半導体層、
２８，４００８…電気分離溝、
３０,４０１０…集積レンズ、
８５…コンタクト層、
８６…酸化シリコン、
３１,８７,２０１５…埋め込み半絶縁層、
８９,２００６,４０１３…掘り込み溝、
９０…窒化珪素マスク、
９１…柱状部、
９２…無反射膜、
９３…レンズ、
１０１…ｐ型電極、
１０２…ｎ型電極、
１００１…ステム、
１００２…リードピン、
１００３,２００５…発光素子、
１００４…受光素子、
１００５…パッケージレンズ、
１００６…フェルール、
１００７…キャップ、
１００８,２０００,３０００,４０１７…光素子搭載基板、
１００９…光ファイバ、
２００４…勘合用支持部材、
２００１,２００２,２００７,２００８,３００１,３００２，４０１５,４０１６…電気線路、
２０１４，４０１４…はんだ、
３００３…アレイ型発光素子、
２５,４００５…ｐ型電極パッド。

Claims (11)

  1. 　半導体基板上に、第１導電型クラッド層と光を発生する活性層と第２導電型クラッド層の順に積層された積層構造を含み、光を面内方向に反射もしくは共振させる共振器構造部と、
    　前記半導体基板上の前記振器構造部内およびその延在領域に設けられた、前記活性層から発生した光を導波する導波路層と、
    　前記光導波路層の一端に設けられ、前記共振構造部から放射されるレーザ光の光路を変えて前記半導体基板の裏面から該レーザ光を出射させる反射部とを備え、
    　前記共振器構造部および前記反射部の側面に沿って前記半導体基板上に設けられた第１電極と、前記共振器構造部の主表面上に設けられた第２電極と、を有し、
    　前記第１電極は、前記導波路層を導波される光の進行方向と交わる方向に位置する前記反射部の一側面に沿って設けられた電極（１）と、前記導波路層を導波される光の進行方向に平行する方向に位置する前記共振器構造部の一側面および前記反射部の他側面に沿って設けられた電極（２）とを含み、
    　前記電極（２）の形状は、少なくとも２箇所で異なる幅を有することを特徴とする水平共振器面出射型レーザ。
  2. 　前記反射部側面及び前記共振部側面の少なくとも一部を囲むように前記半導体基板上方に設けられ、底面を前記第１導電型クラッド層とする溝部を有し、
    　前記溝部に前記電極（１）および前記電極（２）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  3. 　前記電極（２）が、前記反射部および前記共振器構造部の一側面または他側面のいずれか一方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  4. 　前記電極（２）が、前記反射部および前記共振器構造部の一側面および他側面のいずれかにも設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  5. 　前記電極（２）の形状は、前記反射部の側面に沿って設けられた第１の短辺を有する方形と、前記共振器構造部の側面に沿って設けられた第２の短辺を有する方形とで構成され、該第１の短辺の幅と該第２の短辺の幅とが異なっていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  6. 　前記第１の短辺の幅が、前記第２の短辺の幅より短いことを特徴とする請求項５に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  7. 　前記半導体基板が半絶縁性の半導体層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  8. 　前記半導体基板が、半絶縁性の半導体層と導電性の半導体層の積層構造であり、前記共振器構造部が前記半絶縁性半導体層上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  9. 　前記半導体基板裏面の光出射面に、前記半導体基板を加工し形成された集積レンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水平共振器面出射型レーザ。
  10. 　請求項５又は６に記載の水平共振器面出射型レーザが少なくとも２素子以上、同一の半導体基板上に並べて設けられており、各素子の間には前記半絶縁半導体層に達する深さの電気分離溝が設けられていることを特徴とする水平共振器面出射型レーザ。
  11. 　前記素子の一辺の幅が、２５０μｍであることを特徴とする請求項１０に記載の水平共振器面出射型レーザ。
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