(57)【要約】  高信頼な半導体レーザ素子または集積光デバイスを提供するために、深堀ＤＢＲミラーを共振器ミラーとする水平共振器型半導体レーザまたは光モジュールにおいて、深堀ＤＢＲミラーを、基板と格子整合のとれた、活性層から出射される光を吸収しないバンドギャップ幅の材料を用いて形成する。
2011096040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、活性層とクラッド層を有し、少なくとも一部がストライプ状にメサが形成された半導体積層体と、
前記メサの延伸方向の少なくとも一方の前記半導体基板上に設けられた反射器と、を有し、
前記反射器は、前記活性層から出射される光の進行方向における厚みおよび間隔が前記光の１／４光学波長の整数倍で並んでいる部材を複数備え、
前記部材の少なくとも前記光を反射する部分は、前記光を吸収しない幅のバンドギャップを持っていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、活性層を含む半導体層を有するストライプ状のメサと、
前記メサの延伸方向の少なくとも一方の前記半導体基板上に前記メサの延伸方向に対し垂直な反射面を有し、少なくとも前記活性層から出射された光を反射する部分は前記光を吸収しない幅のバンドギャップを持つ材料で形成された部材が間隔をあけて複数並び、前記部材の前記光の進行方向における間隔および厚みは前記光の１／４光学波長の整数倍になっている反射器と、を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記部材のうち、前記活性層から出射した光を反射する部分は光学的に滑らかであることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記部材は、半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記部材は、半絶縁性の材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記メサにおいて、前記一方の前記活性層端部は前記活性層と格子整合のとれた材料で埋め込まれていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記メサの前記一方に、光を前記半導体基板に対し垂直に出射させるための前記基板面に対して斜めの反射面を備えたミラーを有することを特徴とした請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記半導体基板は、前記斜めのミラーで反射された光が出射する出射口にレンズが設けられていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記部材同士の間は、前記部材とは屈折率の異なる材料で埋められていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記メサは前記活性層上にクラッド層とコンタクト層を有し、
前記部材の高さは、前記クラッド層の上面よりも高いことを特徴とする請求項２に記載の半導体光レーザ素子。
【請求項１１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に設けられた請求項２に記載の半導体レーザ素子と、
前記ヒートシンク上に、前記半導体レーザ素子から出射される光のうち片方を受光できる位置に設けられたフォトダイオードと、
前記半導体レーザ素子から出射される光の進行方向上に設けられた光学レンズと、を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項１２】
半導体基板上に、第１の半導体層、活性層、第２の半導体層を順に積層し、
前記第１の半導体層までを含んだメサストライプが形成されるように、前記第１の半導体層もしくは前記半導体基板を露出させ、
露出した前記第１の半導体層もしくは前記半導体基板の上の、前記メサストライプの延伸方向上に前記活性層を含まない半導体層を再成長させ、
前記再成長させた半導体層に、前記活性層から出射される光の１／４光学波長の整数倍間隔で、前記活性層との間には前記成長させた半導体層が残るように溝を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記半導体層に形成された溝を、前記半導体層とは屈折率の異なる材料で埋めることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子およびそれを用いた光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光情報記録用の光源として用いられる半導体レーザでは、誘導放出によって増幅された光をフィードバックしてレーザ発振を得るために、共振器ミラーを用いている。半導体レーザの共振器ミラーとして用いられる構造体には様々なものがある。【０００３】
例えば、ウェハプロセスのみで半導体レーザの反射鏡を半導体基板上に作りこむ手法の一つとしては、深堀り多層膜ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）技術があげられる。深堀り多層膜ＤＢＲ技術とは共振器の端の部分にエッチング技術を用いて複数の深い溝を掘り、活性領域の延伸部分に半導体と空気からなる多層膜状のＤＢＲミラーを形成する技術である。この技術を用いれば、ウェハプロセスのみで共振器ミラーを形成できるので、量産性、集積性、共振器長の設計自由度の点で優れたレーザ製造工程を実現できる。【０００４】
なお、ＤＢＲと呼ばれる共振器ミラー構造には大きく２つのタイプがある。第一のタイプは、水平共振器型レーザの、活性層を含む導波路の延伸方向に、電流を注入しない導波路構造を形成し、その電流を注入しない導波路構造の一部あるいは上部あるいは下部に回折格子を作りこむ構造である。ここではこのようなＤＢＲを導波路型ＤＢＲと呼ぶ。第二のタイプは本発明に関わるものであり、多層膜ＤＢＲと呼ばれる構造である。多層膜ＤＢＲとは４分の１波長（あるいは４分の３波長などでもよい）の光学的膜厚を有する２種類の膜を交互に積層したタイプのＤＢＲであり、光導波路の光出射方向の延伸部分の全体を覆うように面状の周期構造形成したことを特徴とするＤＢＲである。このタイプのＤＢＲを垂直共振器面発光レーザの共振器ミラーとして用いる場合には、２種類の膜を交互にウェハ面を覆うように積層した構成とする。半導体多層膜反射鏡や誘電体多層膜反射鏡などがその例である。一方、多層膜ＤＢＲを水平共振器レーザの共振器ミラーとして用いる場合には、一般にエッチング技術を用いて半導体ウェハに深い溝を形成し、垂直に切り立った膜状の半導体と溝とからなる周期構造を形成する場合が多い。このような形状のＤＢＲをここでは深堀り多層膜ＤＢＲと呼ぶ。深堀り多層膜ＤＢＲは、その形状の特徴から垂直多重反射鏡と呼ばれる場合や、半導体／空気ブラッグ反射鏡と呼ばれる場合もある。【０００５】
深堀り多層膜ＤＢＲを用いた半導体レーザの公知例としては、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）描画法と反応性イオンビームエッチング技術を用いて形成した半導体と空気の多層膜ＤＢＲを共振器ミラーとして用いたＧａＡｓ基板上の０．９８ミクロン波長帯ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ短共振器レーザならびにＩｎＰ基板上の１．５５ミクロン波長帯ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ短共振器レーザの動作特性が非特許文献１に公開されている。また、ＥＢ描画法と反応性イオンエッチング技術を用いて形成した半導体と空気のＤＢＲの空気の溝部分にＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）ポリマーを充填した多層膜ＤＢＲを共振器ミラーとして用いたＩｎＰ基板上の１．５ミクロン波長帯ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザの光出力の電流依存性が非特許文献２に公開されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、パート１、３５巻、２Ｂ号、１３９０頁、１９９６年発行
【非特許文献２】エレクトロニクス・レターズ、３５巻、１６号、１３３６頁、１９９９年発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の深堀り多層膜ＤＢＲ技術を用いて共振器ミラーを形成した場合には、高い反射率の共振器ミラーを実現することが難しいという問題点があった。従来の深堀り多層膜ＤＢＲ技術で高い反射率の共振器ミラーを実現することが難しい理由を図１（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、深堀り多層膜ＤＢＲを共振器ミラーに用いた従来の半導体レーザの製造工程の例を示す図である。ここでは、ＩｎＰ基板上に作製したＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）活性層を有する１．３ミクロン波長帯レーザを例にとって説明する。各図はレーザ素子の光軸方向に沿った断面図である。【０００８】
本製造工程では、まずｎ型ＩｎＰ基板１１上にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ活性層１２を形成し、その上部にｐ型ＩｎＰクラッド層１３およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を形成した後、図示はしないが通常のメサエッチングと埋込み成長を行うことにより所謂埋込みヘテロ構造（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する基板を準備する（図１（ａ））。次に通常の熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法とＥＢ描画法を用いて、１／４光学波長に対応する幅の二酸化ケイ素マスクパターン１５を作製する（図１（ｂ））。続いてドライエッチングまたはドライエッチングとウェットエッチングの組み合わせを用いて半導体層を活性層部分の下まで掘りこむことで半導体と空気からなる多層膜ＤＢＲを形成する（図１（ｃ））。最後に、二酸化ケイ素マスク１５を除去し、ｐ電極１６とｎ電極１７を通常の抵抗加熱蒸着法により形成することで素子が完成する（図１（ｄ））。しかしながら図１（ｃ）に示すエッチング工程において、エッチングを行う半導体層が単一の材料からなるものではなく、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ層、ＩｎＰ層という異なる材料が複数重なりあった構造であるために、溝の側壁部分の形状が完全に垂直平滑な形状にはならず、横方向エッチング速度の材料組成依存性を反映した凸凹形状になってしまう。このため、側壁に凹凸のある溝形状を多層膜ＤＢＲとして用いることとなり、凹凸部分で光の散乱損失が生じて高い反射率を得ることが難しい。また、図１（ｄ）に示す半導体レーザの完成形態では、多層膜ＤＢＲ部分には電極を形成せず電流を注入しないが、この場合、多層膜ＤＢＲ部分に残っている活性層部分は吸収体として作用してしまうため、さらに多層膜ＤＢＲ部分の反射率が低下するという問題が生じる。【０００９】
他にも、図１（ｄ）に示すように活性層が露出して空気や誘電体と接している場合には、活性層の端の部分で結晶欠陥が発生するためレーザの寿命に関わる信頼性が低下するという問題が生じる。【００１０】
このように従来の深堀り多層膜ＤＢＲでは、ＤＢＲ部分の半導体が活性層からなる導波路を掘りこんで形成されているために高い反射率の共振器ミラーが得られず、レーザの信頼性が低いという課題があった。【００１１】
本発明の目的は、高信頼な半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的を達成する手段のうち、代表的なものを列挙すると以下の通りである。
半導体基板と、
前記半導体基板上に、半導体層、活性層、クラッド層およびコンタクト層からなるメサストライプと、
前記半導体基板上のメサストライプの延伸方向の少なくとも一方に、多層膜からなる反射器とを有し、
前記多層膜は、前記活性層から出射される光の１／４光学波長の整数倍の間隔で並んでおり、前記多層膜のバンドギャップ波長は、前記活性層のバンドギャップ波長よりも短いことを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体レーザの高信頼化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は従来の半導体レーザの製造工程を示す素子断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は実施例１の半導体レーザの製造工程を示す素子断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は実施例１の変形例の半導体レーザの製造工程を示す素子断面図である。
【図４】実施例２のレーザ素子の一部を破断して示す斜視図である。
【図５】実施例２のレーザ素子の光軸方向に沿った断面図である。
【図６】実施例２のレーザ素子の下面図である。
【図７】実施例２のレーザ素子の光軸に垂直な方向に沿った断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｇ）は実施例２のレーザ素子の製造方法を示す断面図である。
【図９】実施例３の光送信モジュールの構造を示す図である。
【図１０】実施例３のキャンモジュールの構造を示す図である。
【図１１】実施例４の光送受信モジュールの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００１６】
なお、本明細書では「光学的に滑らか」という表現を、「平らな面が光を規則正しく反射する性質を持つこと」という意味で用いている。
【実施例１】
【００１７】
実施例１について、図２を用いて説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、深堀り多層膜ＤＢＲを共振器ミラーに用いた本発明の半導体レーザの作製プロセスフローである。【００１８】
本実施例ではＩｎＰ基板上に作製したＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ活性層を有する１．３μｍ波長帯レーザを例にとっている。各図はレーザ素子の光軸方向に沿った断面図を示している。【００１９】
本プロセスフローでは、まずｎ型ＩｎＰ基板１１上にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ活性層１２を、ｐ型半導体層として、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を形成する（図２（ａ））。なお、ここで、活性層を挟んで設けられた光閉じ込め層は、活性層の光閉じ込めを強化するための層である。光導波機能はコア領域を、これよりも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。その目的より、クラッド層の屈折率は前記光閉じ込め層の屈折率よりも低い値とする。本実施の形態では、基板側のクラッド層はＩｎＰ基板１１がその役割を担っているが、もちろんＩｎＰ基板１１上に基板側クラッド層を別途設けることも可能である。【００２０】
次に、二酸化ケイ素からなる長方形のマスクパターン２１を用いてＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ活性層１２の下までエッチングしてストライプ形状のメサを形成する（図２（ｂ））。本実施例では活性層の下までエッチングをするメサ型の構造を適用しているが、活性層の上の半導体積層体半ばまでしかエッチングをしないリッジ構造にももちろん適用可能である。続いてメサ形状の周囲の露出した半導体基板上に鉄ドープ半絶縁性ＩｎＰ２２を成長させ、ＢＨ構造を形成する（図２（ｃ））。次に、マスクパターン２１を除去したのちに、通常の熱ＣＶＤ法とＥＢ描画法を用いて、活性層１２で発生する光の３／４光学波長の幅と間隔の二酸化ケイ素マスクパターン１５を作製する（図２（ｄ））。続いてドライエッチングを用いて、メサストライプの延伸方向にある半導体層を、活性層部分の下に対応する深さまで、基板とメサの延伸方向に対して垂直に溝を複数掘りこむことで、メサストライプに垂直な反射面を有する反射器を形成する。本実施例における反射器は、半導体で形成された部材と空気の層からなる多層膜ＤＢＲミラーで構成されている（図２（ｅ））。最後に、二酸化ケイ素マスクパターン１５を除去し、ｐ電極１６、ｎ電極１７を通常の抵抗加熱蒸着法で形成してレーザ素子が完成する。【００２１】
本実施例では、多層膜ＤＢＲ部分にあたる半導体部材には活性層が存在せず、活性層から出射される光を吸収しない幅のバンドギャップを持つ材料を用いているので、多層膜ＤＢＲ部分での光の吸収が減り、反射率の低下が起こりにくい。また、多層膜ＤＢＲの活性層の延伸方向にあたる部分、すなわち活性層から出た光が当たって反射する部分は単一の半導体層、本実施例では半導体層はＩｎＰ系の材料のみからなるため、半導体部材表面すなわち光を反射する部分の形状は、材料組成が均一である。そのため、垂直で光学的に滑らかな形状が得られるので、光散乱の少ない多層膜ＤＢＲを得ることが出来る。このとき、半導体部材の高さは、活性層の上のクラッド層の上面部分まで形成されている。クラッド層は活性層の光閉じ込めを強化するための層であるので、光導波のコア領域は光の染み出しを考慮に入れたとしても、クラッド層の上面よりは下の部分になる。したがって、反射率をより一層向上させるためには、反射器の半導体部材はクラッド層の上面よりも高い位置まで形成されていることが望ましい。【００２２】
ドライエッチングの後に、ドライエッチング損傷層を除去するためにウェットエッチングを行った場合でも、半導体部材の材料組成が均一なために、材料組成に起因した凹凸が生じることがない。本実施例では光を反射する部分の半導体層は基板とドーパント以外の組成が同じＩｎＰを用いたが、材料組成が均一であれば他の半導体材料でも構わない。【００２３】
また、本実施例の変形例として、溝を形成するエッチングの位置を変更し、溝の側壁と活性層の間には、成長させた半導体層、ここでは鉄ドープ半絶縁性ＩｎＰ２２を残した構造、いわゆる窓構造（図３（ｅ））としてもよい。この変形例だと、活性層の端部は、活性層と格子整合のとれた半導体中に埋め込まれており、空気や誘電体表面と接していないので、活性層の端部分で結晶欠陥が発生しがたく、レーザの信頼性を向上させることが出来る。【００２４】
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系レーザに適用した例を説明したが、基板材料、活性層材料、ならびに発振波長は、本実施例で示した例に限定されるものではない。本発明は、例えば１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザなど、他の材料系で構成されるレーザ素子にも同様に適用可能である。また、本実施例では、本発明を水平共振器型の通常の端面発光レーザに適用した例を説明したが、レーザ構造は本実施例で示した例に限定されるものではない。本発明は、例えば水平共振器面出射型レーザに用いることも可能であるし、水平共振器型の通常の端面発光レーザを電界吸収型変調器とモノリシック集積した、電界吸収型変調器集積レーザなどの集積素子にも適用可能である。また、本実施例では、本発明を４分の３波長に対応する光学的長さで構成したＤＢＲに適用した例について述べたが、本発明は４分の１波長の整数倍に対応する光学的長さで構成した低次、高次のＤＢＲにも適用可能である。また、本実施例では、半導体と空気の多層膜ＤＢＲに適用した例について述べたが、本発明は空気の部分をポリイミドなどの半導体部材とは屈折率の異なる誘電体で埋めて、半導体と誘電体の多層膜ＤＢＲとすることも可能である。
【実施例２】
【００２５】
実施例２について図４〜図８を用いて説明する。本実施例は、波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ活性層を有する水平共振器面出射型ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ素子に適用したものである。図４はこのレーザ素子の一部を破断して示す斜視図、図５はレーザ素子の光軸方向に沿った断面図、図６はレーザ素子の下面図、図６はレーザ素子の光軸に垂直な方向に沿った断面図、図８はレーザ素子の製造方法を示す断面図である。【００２６】
図４および図７に示すように、素子の光導波路部分はストライプ状に加工されたメサで、ＢＨ構造を有する。本実施例では活性層の下までエッチングをするメサ型の構造を適用しているが、活性層の上の半導体層半ばまでしかエッチングをしないリッジ構造にももちろん適用可能である。この例では、ＢＨ構造におけるメサストライプ状の光導波路部分の周囲は、鉄をドープした半絶縁性ＩｎＰ層２２で埋め込まれている。【００２７】
本レーザ素子はｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されている。活性層３１はｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層と、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる歪ＭＱＷ層と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層の積層構造で構成されている。活性領域となる量子井戸層は、厚さ７ｎｍのウェル層と厚さ８ｎｍのバリア層を５周期積層し、レーザとして十分な特性を実現できるように設計されている。これらの層の上には、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる回折格子層３２が形成されている。活性層３１および回折格子層３２の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成されている。また、素子の後端面には２周期のＩｎＰ／空気の深堀り多層膜ＤＢＲからなる高反射ミラー３３が、活性層から出射される光に対して垂直になるように形成されている。ＩｎＰ部分の厚みは１０２ｎｍ、空気部分の溝幅は３２８ｎｍであり、これらは活性層から出射される光の４分の１波長の光学的厚みに対応したものである。また、溝の深さは４ミクロンであり、活性層の下２ミクロンの深さに対応する深さである。また、レーザ光出射側には全反射ミラー３４がモノリシック集積されており、レーザ光は基板裏面側から出射する構成となっている。また、レーザ出射面にはレンズ３５がモノリシック集積されており、レンズ３５の表面には無反射コーティング３６が施されている。【００２８】
なお、ここで、量子井戸層を挟んで設けられた光閉じ込め層は、量子井戸層の光閉じ込めを強化するための層である。光導波機能はコア領域を、これよりも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／量子井戸層／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、量子井戸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。クラッド層の屈折率は前記光閉じ込め層の屈折率よりも低い値とする。本実施の形態では、基板側のクラッド層はＩｎＰ基板１１がその役割を担っているが、もちろんＩｎＰ基板１１上に基板側クラッド層を別途設けることも可能である。【００２９】
また、回折格子層３２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、本実施の形態では、回折格子が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よい。【００３０】
次に、本実施例の製造プロセスを図８（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。まず、図８（ａ）に示すように、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる光閉じ込め層を積層してなる活性層３１を形成する。次に、活性層３１の上部にＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層３２を含む多層構造を形成する。さらに、その上にｐ型ＩｎＰからなるクラッド層１３とｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１４を形成する。【００３１】
次に、図８（ｂ）に示すように、上記のような多層構造を有する基板上に二酸化珪素からなるマスクパターン２１を形成する。そして、このマスクパターン２１を用いてコンタクト層１４、ｐ型クラッド層１３、回折格子層３２、活性層３１、およびＩｎＰ基板１１の一部までをドライエッチングすることにより、メサストライプを形成する。このエッチングには、塩素ガスによる反応性イオンエッチング法を用いる。【００３２】
次に、この基板を結晶成長炉に搬入し、図８（ｃ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて６００℃で半絶縁性ＩｎＰ層２２を埋め込み成長することにより、埋込みヘテロ構造を形成する。埋込みへテロ構造は、光導波路の光の進行方向の両側を、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として、本例では、鉄をドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ２２を用いる。前記図７は、光の進行方向と交差する面に沿ったレーザ素子の断面図である。この図から埋込み構造が十分理解されるであろう。なお、この埋込み構造の形成工程においては、光導波路の光の進行方向の両側に半絶縁性ＩｎＰ２２層を成長させると同時に、メサストライプの光出射側の端にも半絶縁性ＩｎＰ２２層を埋め込み成長させる。【００３３】
次に、エッチングおよび選択成長のマスクとして用いた二酸化ケイ素膜２１を除去した後、図８（ｄ）に示すように、エッチングマスク用の窒化ケイ素膜７１を形成し、半絶縁性ＩｎＰ層２２を４５度の傾斜角度にドライエッチングする。この傾斜ドライエッチングには塩素とアルゴンを用いた反応性イオンビームエッチングを用いる。これにより、基板裏面からの垂直出射に適した、基板面に対して４５°の全反射ミラー３４が実現される。なお、基板裏面からの垂直出射が実現できる程度に斜めであれば、このミラーの角度は必ずしも４５°でなくても構わない。【００３４】
次に、窒化ケイ素膜７１を除去した後、図８（ｅ）に示すように、通常の熱ＣＶＤ法とＥＢ描画法、ならびにドライエッチング技術を用いて波長の１／４に対応する深堀り多層膜ＤＢＲ形成用の二酸化ケイ素マスクパターン１５を形成する。続いて図８（ｆ）に示すように、ドライエッチングを用いて、メサストライプの延伸方向にある半導体層を、基板とメサの延伸方向に対して垂直に、活性層端面との間に半導体層が残る形で溝を複数掘りこむことで、メサストライプに垂直な反射面を有する反射器を形成する。本実施例における反射器は、半導体で形成された部材と空気の層からなる多層膜ＤＢＲ３３となっている（図８（ｆ））。このとき、ドライエッチングには、エタンと水素と酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを用い、エッチングは活性層３１の位置より２ミクロン深い位置まで行う。ここで、深堀り多層膜ＤＢＲをＩｎＰのみからなる半導体層に形成した本実施例の効果により、ドライエッチングで形成した溝の形状として垂直で光学的に滑らかなものが得られた。また、ドライエッチング後にはドライエッチングによる損傷層を取り除くために、濃硫酸にて表層約１０ナノメートルをウェットエッチングしたが、ウェットエッチング後にも表面の凹凸は殆ど生成せず、垂直で光学的に滑らかなエッチング面が保たれた。さらに本実施例では、多層膜ＤＢＲ部分にあたる半導体部材には活性層部分が残っておらず、活性層から出射される光を吸収しない幅のバンドギャップを持つ材料を用いているので光の吸収が減り、反射率の低下が起こりにくい多層膜ＤＢＲが得られた。また、このとき、半導体部材の高さは、活性層の上のクラッド層の上面部分まで形成されている。クラッド層は活性層の光閉じ込めを強化するための層であるので、光導波のコア領域は光の染み出しを考慮に入れたとしても、クラッド層の上面よりは下の部分になる。したがって、反射率をより一層向上させるためには、反射器の半導体部材はクラッド層の上面よりも高い位置まで形成されていることが望ましい。【００３５】
次に図８（ｇ）に示すように、二酸化ケイ素マスク１５を除去した後に、コンタクト層１４の上部に通常のリフトオフ法によりｐ電極１６を蒸着形成し、裏面にレンズ３５、無反射コーティング３６、ならびにｎ電極１７を形成してレーザ素子が完成する。深堀りＤＢＲ近傍のｐ電極１６の端部分はｐ型コンタクト層１４の端と位置が合うように形成したが、端の位置が光軸方向に多少前後してもよい。なお、本実施の形態では深堀り多層膜ＤＢＲ３３を高反射ミラーとして利用したため、共振器長を短くしても素子長は短くならず、このため共振器長を１００ミクロンと短い長さに設計することができた。素子長は４００ミクロンと長いため、共振器長が１００ミクロンと短いにも関わらず素子のへき開やハンドリングは容易である。【００３６】
本実施例の水平共振器面発光レーザは、室温、連続条件におけるしきい値電流が２ｍＡ、スロープ効率が０．６Ｗ／Ａであり、短共振器構造と本発明の高反射率な後端面ミラーを反映して、低しきい値電流で高スロープ効率な発振特性を示した。一方、本発明の効果を示すために、深堀り多層膜ＤＢＲ部分をＩｎＰ窓領域ではなく、活性層構造を有する部分に直接掘りこむ形状に作製した比較用のレーザ素子では、しきい値電流が４ｍＡ、スロープ効率が０．３Ｗ／Ａと、本実施例の構造を有する素子と比較してしきい値電流が高く、またスロープ効率は低くなり、本実施例の優れた効果が確認された。また、本実施例のレーザ素子に対し、５０℃、５ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、推定寿命として１００万時間が得られ、活性層の端部が空気中に露出しない構造による本発明の効果を反映して、本実施例のレーザ素子が高い信頼性を有することも実証された。これに対し、活性層を直接掘りこむ形で深堀りＤＢＲを形成した比較用のレーザ素子の推定寿命は１万時間であった。また、レーザ作製工程の全てをウェハプロセスで行うことができるとともに、レーザ検査工程もウェハ状態で行うことができるため、従来のへき開面に高反射コーティングを施したタイプのレーザと比較して、低いコストで素子を製造することができた。【００３７】
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説明したが、基板材料、活性層材料、ならびに発振波長は、本実施例で示した例に限定されるものではない。本発明は、例えば１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザなど、他の材料系で構成されるレーザ素子にも同様に適用可能である。また、本実施例では、本発明を水平共振器面出射型の単体レーザに適用した例を説明したが、レーザ構造は本実施例で示した例に限定されるものではない。本発明は、例えば水平共振器型の通常の端面発光レーザに用いることも可能であるし、水平共振器型の通常の端面発光レーザを電界吸収型変調器とモノリシック集積した、電界吸収型変調器集積レーザなどの集積素子にも適用可能である。また、本実施例では、本発明を４分の１波長に対応する光学的長さで構成したＤＢＲに適用した例について述べたが、本発明は４分の３波長に対応する光学的長さで構成した高次のＤＢＲにも適用可能である。また、本実施例では、半導体と空気の多層膜ＤＢＲに適用した例について述べたが、本発明は空気の部分をポリイミドなどの半導体部材とは屈折率の異なる誘電体で埋めて、半導体と誘電体の多層膜ＤＢＲとすることも可能である。
【実施例３】
【００３８】
図９は実施例２のレーザ素子８１をヒートシンク８２上に実装した後、光学レンズ８３、後端面光出力モニタ用のフォトダイオード８４と光ファイバ８５とを一体化した光送信モジュールの構造図である。本実施例の反射率の高い高反射ミラーを反映して、室温、連続条件においてしきい値電流２ｍＡ、発振効率０．５Ｗ／Ａと良好な特性が得られた。また、本実施例の効果を反映して素子の大量生産は容易であり、低コストで光（送信）モジュールを製造することができた。【００３９】
また、図１０は本実施例のレーザ素子８１をキャンタイプのパッケージ９１に組み込んだキャンモジュールの例である。キャンモジュール筐体としては金型プレス成型で作製したパッケージを使用した。半導体レーザの動作電流が小さい本発明の効果を反映して、低い駆動電流で動作するキャンモジュールが得られた。
【実施例４】
【００４０】
実施例４を、図１１を用いて説明する。本実施例は、実施例３の光（送信）モジュールを用いた光（送受信）モジュールの例である。本実施例の光送受信モジュールは、光送受信モジュール筐体１０１、電気入出力ピン１０２、光ファイバ１０３、光コネクタ１０４、光受信モジュール１０５、光送信モジュール１０６、および信号処理制御部１０７から構成されており、受信した光信号を電気信号に変換して電気入出力ピン１０２を介して外部に出力する機能を有すると共に、電気入出力ピン１０２を介して外部から入力された電気信号を光信号に変換して送信する機能を有する。光ファイバ１０３は一方の端で光送受信モジュール筐体１０１に接続され、他端で光コネクタ１０４に接続される。光コネクタ１０４は外部の光伝送路から入力された受信光を光ファイバ１０３へ送出できる構造を有すると共に、光ファイバ１０３から入力された送信光を外部の光伝送路へ送出できる構造を有する。本発明のしきい値電流の小さい半導体レーザを搭載した効果を反映して、消費電力の小さい光送受信モジュールを製造することができた。
【符号の説明】
【００４１】
１１  ｎ型ＩｎＰ基板
１２  ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ活性層
１３  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１４  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１５  二酸化ケイ素マスクパターン
１６  ｐ電極
１７  ｎ電極
２１  マスクパターン
２２  半絶縁性ＩｎＰ
３１  活性層
３２  回折格子層
３３  深堀り多層膜ＤＢＲ
３４  全反射ミラー
３５  レンズ
３６  無反射コーティング
７１  窒化ケイ素膜
８１  レーザ素子
８２  ヒートシンク
８３  光学レンズ
８４  フォトダイオード
８５  光ファイバ
９１  キャンタイプパッケージ
１００  パッケージ
１０１  光送受信モジュール筐体
１０２  電気入出力ピン
１０３  光ファイバ
１０４  光コネクタ
１０５  光受信モジュール
１０６  光送信モジュール
１０７  信号処理制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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