(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層を順次積層してなる構造を有し、
前記構造を含んで共振器を構成する半導体レーザ装置において、
前記活性層は、ベータ鉄シリサイドによって形成され、
前記上部及び下部クラッド層は、シリコン系材料によって形成され、
前記共振器が基板面に垂直な２個の反射鏡を有し、前記２個の反射鏡によって前記構造が挟まれた面発光型であり、
前記２個の反射鏡は、３次元ブラッグ反射鏡であり、この３次元ブラッグ反射鏡はＳｉとＳｉ化合物とからなるストライプが互いに井桁状に重ねたものであり、この井桁構造の周期は前記活性層の発光波長の光の伝播を禁止するように設定されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記ＳｉとＳｉ化合物の層の厚さ及び前記ストライプの幅は、０．１〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記Ｓｉ化合物は、ＳｉＯ２、ＳｉＧｅ、Ｓｉ３Ｎ４からなる群から選択された化合物であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料からなるレーザ装置及び当該装置を用いた光伝送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの光源に発光波長が１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の半導体レーザ装置（以下単に「半導体レーザ」という）が広くに用いられる。現在実用化されているそのような波長帯の半導体レーザは、ＩnＧaＡsＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体によって形成されるのが普通である。光通信システムで用いられる通常の光ケーブルは、１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯で損失が最も低くなる特性を有しているが、前記化合物半導体は、その波長帯に対応するバンドギャップを持つ直接遷移半導体である。
【０００３】
なお、半導体レーザは、基本的には、活性層と当該活性層で発光した光を閉じ込めるためのｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層とを有し、その代表例として、基板面に垂直な２個の反射面でそれらを挟んで共振器を形成する端面反射型と、基板面に平行な２個の反射鏡でそれらを挟んで共振器を形成する面発光型とがある。通常、ｎ型クラッド層が下部に（基板側に）配置され、ｐ型クラッド層が上部に配置される。
【０００４】
光通信システムを代表する光通信網は、高速大容量化が進み、幹線系の発展が著しいが、今後の構想として、光通信網を家庭にまで浸透させることを狙い、加入者系に光通信を導入しようとする動きが浮上しつつある。
【０００５】
さて、インターネットの普及及び発展に伴い、家庭への送受信データは、将来ますます大容量化されると予想されるが、光通信導入の光加入者系は、そのような動きに応えるものとなる。光加入者系の基本要素となる半導体レーザ及びこれを用いた光伝送装置は、家庭用を指向するため、特にその低コスト化・高性能化が厳しく追及され、今後の素子開発に必須の技術課題がとなっている。
【０００６】
光伝送装置の低コスト化、高性能化の追及の一つとして、光デバイスと電気信号回路との集積化が盛んに研究されている。そのような集積化が進めば、単にサイズの小型化に止まらず、部品の削減や信頼性の向上などの効果により、低価格化、堅牢化、高信頼化、低電力化、高性能化が実現されることになる。
【０００７】
Ｓi基板上に電気信号回路を集積化する技術は高度に成熟している。従って、そのＳi基板上にＧaＡs系半導体レーザを搭載する技術（例えば「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス〔Japanese journal of Applied Physics)」（１９９１年１２月発行）第３０巻第１２Ｂ号第３８７６頁〜第３８７８頁参照〕が集積化光伝送装置を実現するためのポイントとなる。しかし、ＧaＡs系等のIII−Ｖ族化合物半導体とＳiとは、結晶構造が大きく異なるため、Ｓi基板と半導体レーザとの間に格子不整合による歪を緩和するための層の介在が必要になる。介在する層の構造は、複雑であり、また多くの製造工程を必要とし、目的とする低コスト化を実現することが困難という問題点があった。
【０００８】
また、実用化が期待されている集積化の別の技術として、平面光回路（PLC:Planer Lightwave Circuit）を用いたハイブリッド光集積回路がある。これは、従来光ファイバを用いていた光デバイス間接続を基板上に形成されたＳiＯ2等の光導波路で置き換えることにより小型化を図るものである。
【０００９】
しかしながら、III−Ｖ族化合物半導体を材料に用いた半導体レーザがＳiやＳiＯ2と屈折率や熱膨張係数等が大きく異なるため、半導体レーザと光導波路との間に結合損失が生じることが避けられず、また位置合わせが厳しくなるという問題点があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記従来技術の前者の問題点を解決し、Ｓi基板に容易に形成可能な半導体レーザ及びそれを用いた光伝送装置を提供することにある。
【００１１】
【発明を解決するための手段】
本発明の前記課題は、半導体レーザの活性層をベータ鉄シリサイド（β−ＦeＳi2）によって形成し、更に、上部及び下部クラッド層をＳi系材料によって形成することにより、効果的に解決することが可能である。そのような手段を採用すれば、全体がＳi系材料で形成される結果、Ｓi基板との間に格子不整合を生ずることがなく、Ｓi基板上に容易に半導体レーザを形成することができるからである。面発光型の場合、反射鏡もＳi系材料の採用が可能となる。
【００１２】
もっとも、ベータ鉄シリサイドが直接遷移半導体であることを示し、これを活性層に利用した発光波長が１．５μｍの発光ダイオードが開示されている〔例えば英国雑誌「ネーチャ(nature)」（１９９７年６月発行）第３８７巻第６８６頁〜第６８８頁参照〕。
【００１３】
本発明は、直接遷移半導体であるベータ鉄シリサイドのバンドギャップが０．８〜０．９５ｅＶで発光波長が１．３μｍ〜１．５５μｍ帯になることから、これを半導体レーザの活性層に用い、かつ、全体をＳi系材料で形成することにより、加入者系等の一般向け光通信に好適な半導体レーザを提案するものである。
【００１４】
半導体レーザを形成する基板をＳiとすることにより、当該基板に通常の半導体集積回路技術によって多数の電気信号回路を集積化することが可能となり、それによって同一Ｓi基板上に光デバイスと電気信号回路とを集積化した光伝送装置を実現することができる。本発明の光伝送装置には、半導体集積回路で培われた円熟した技術が利用可能であり、従って、コストの大幅な削減を実現することができる。
【００１５】
また、本発明の半導体レーザをＳiＯ2等の導波路を形成してなるＳi基板に形成することにより、結合損失の少ないハイブリッド光集積回路を実現することができる。半導体レーザがＳi系材料によってなるので、その屈折率や熱膨張係数等が光導波路と合致するからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体レーザ及びそれを用いた光伝送装置を図面を用いた幾つかの実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。なお、図１〜図９における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。
【００１７】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明による面発光半導体レーザの実施例を図１に示す。図１は、当該半導体レーザの断面構造を示し、101はｎ型Ｓi基板、102は、ｎ型Ｓi基板101上に形成したＳi／ＳiＯ2多層膜からなる下部反射鏡、103は、下部反射鏡102上に形成した不純物濃度１×１０18／ｃｍ3のｎ型Ｓiクラッド層（下部クラッド層）、104は、ｎ型クラッド層103上に形成したベータ鉄シリサイドによる活性層、105は、活性層104上に形成した不純物濃度１×１０18／ｃｍ3のｐ型Ｓiクラッド層（上部クラッド層）、106は、ｐ型クラッド層105の上に形成したＳi／ＳiＯ2多層膜からなる上部反射鏡、107，108は、ｎ型クラッド層103及びｐ型クラッド層105に電気的に接続されたそれぞれｎ型電極、ｐ型電極である。活性層104で生起した光がクラッド層103，105によって閉じ込められかつ下部及び上部反射鏡102，106で反射して共振し、レーザ光となる。下部及び上部反射鏡102，106に挟まれた構造が共振器となる。レーザ光の波長は、１．５５μｍである。
【００１８】
以上の本面発光半導体レーザの作製方法を図２及び図３を用いて以下に説明する。まず、図２に示すように、Ｓi基板101上に熱酸化とウエハ融着により、１０周期のＳi／ＳiＯ2多層膜からなる下部反射鏡102を形成する。即ち、最初にＳi基板101を熱酸化してＳiＯ2膜110を形成する（図２ａ）。次に、形成したＳiＯ2膜110の表面と、別のＳi基板111の表面とを密着させ、真空中で加重を掛けながら、５００℃で３０分アニールして融着させる（図２ｂ）。続いて、ＳiＯ2膜110上に融着したＳi基板111を研磨により所定の厚さを残して除去する（図２ｃ)。以上の工程により、一周期の反射鏡が形成される。
【００１９】
この工程を繰返すことにより、図２ｄに示す任意の周期の反射鏡が得られる。本実施例では、１０周期としたが、周期数は、任意に選択可能であることは言うまでもない。なお、次にエピタキシャル成長工程があることを考慮して、反射鏡の最上部層は、Ｓi層とする。
【００２０】
下部反射鏡102を形成した後の工程を図３に示す。まず、反射鏡102の上に分子線エピタキシー法により、ｎ型Ｓiクラッド層103、不純物を含まないアンドープＳi層112、ｐ型Ｓiクラッド層105を順にエピタキシャル成長させる（図３ａ）。このとき、ｎ型の不純物（ドーパント）にＢを用い、ｐ型の不純物にＳbを用いる。
【００２１】
次に、ベータ鉄シリサイド活性層104を形成するためにＦeのイオン打ち込みを行なう（図３ｂ)。Ｆeイオンの打ち込みエネルギーは１００ｋＶ、ドーズ量は１×１０17ions／ｃｍ2とする。イオン打ち込みの後、Ａr雰囲気中で９００℃で２４時間のアニールを行なう。このイオン打ち込みとそれに続くアニールにより、アンドープＳi層112は、膜厚０．１５μｍのβ−ＦeＳi2活性層104となる（図３ｃ）。以上の工程でｐ型クラッド層105までが形成される。
【００２２】
以上の工程とは別に、図２に示した工程を用いてＳi／ＳiＯ2多層膜からなる上部反射鏡106を形成したＳi基板を用意する。この別途用意したＳi基板を反射鏡側を下にしてｐ型クラッド層105に融着し、余分な部分を研磨により削り落す（図３ｄ）。融着の条件は、図２ｂに示した工程の場合と同じとする。
【００２３】
続いて、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、下部反射鏡106を所定の形状にすると共に、ｎ型クラッド層103及びｐ型クラッド層105を露出させる（図３ｅ）。最後に、それらの層の上にＡl蒸着により、それぞれｎ型電極107、ｐ型電極108を形成する（図３ｆ）。
【００２４】
本実施例の面発光半導体レーザは、活性層104にβ−ＦeＳi2を用いることにより、反射鏡102，106にＳi／ＳiＯ2多層膜の採用が可能となり、更に、活性層104及び反射鏡102，106にＳi系材料を用いることから、半導体レーザをＳi基板上に形成することが可能となる。
【００２５】
Ｓi／ＳiＯ2多層膜においては、Ｓiが屈折率３．２４、ＳiＯ2が屈折率１．４６であることから、大きな屈折率差が得られ、これによって高い反射率の反射鏡を少ない層数で形成することが可能となる。従来のＩnＰ系の材料では、この屈折率差が小さいため、層数を多くしても十分な反射率を得ることが困難である。本実施例は、ＩnＰ系材料では作製が困難であった１．５５μｍ帯の面発光半導体レーザを提供するものである。なお、本発明では、この波長に限らず、活性層104のベータ鉄シリサイドの組成比を変えることによってバンドギャプを変え、１．３μｍ帯とすることが可能である。
【００２６】
次に、同一のＳi基板上に面発光半導体レーザと電気信号回路とを形成して集積化した光伝送装置の実施例を図４に示す。図４において、150は、Ｓi基板101上に上記の方法によって形成した面発光半導体レーザ、152は、面発光半導体レーザ150に伝送すべき送信信号を供給するための駆動回路、153は、駆動回路152に供給する送信信号を生成する送信回路である。駆動回路152及び送信回路153が電気信号回路151となるが、この電気信号回路と、半導体レーザ150、駆動回路152及び送信回路153を電気的に相互に接続するための配線154とが通常の半導体集積回路技術によって形成される。
【００２７】
本実施例の光伝送装置は、面発光半導体レーザと電気信号回路とを同一基板上に形成することによって著しく小型化され、低価格かつ高信頼の装置となる。
【００２８】
＜実施例２＞
上部及び下部反射鏡に３次元ブラッグ（Bragg）反射器を用いた別の面発光半導体レーザの実施例を図５に示す。図５において、201はｎ型Ｓi基板、202，206は、Ｓi／ＳiＯ2からなる３次元ブラッグ（Bragg）反射器によるそれぞれ下部反射鏡及び上部反射鏡、213は、下部反射鏡202及び上部反射鏡206で挟んだ光閉じ込め層、204は、光閉じ込め層213の中央部に形成した活性層を示す。なお、本実施例の場合は、ｎ型電極207が基板201の裏面に形成され、ｐ型電極208が上部反射鏡206の上に形成される。レーザ光の波長は、実施例１の場合と同様１．５５μｍである。
【００２９】
ここで用いる３次元ブラッグ反射器は、ＳiとＳiＯ2からなるストライプが互いに井桁状に重なったものである。ＳiＯ2は、この井桁構造の周期、即ち、Ｓi：ＳiＯ2の充填率は、活性層204の発光波長（１．５５μｍ）の光の伝播を禁止するように設定される。通常、各層の厚さ及ストライプの幅は、０．１〜１μｍである。
【００３０】
一方、光閉じ込め層213は、基板201の水平方向にのみ周期構造を持つ。このような３次元構造の層213と同じく３次元構造の下部及び上部反射鏡202，206とにより、自然放出光はレーザの出射方向のみに制限される。これにより、レーザ光の共振モードへの結合効率が増大し、従って、閾値電流が低減するという好ましい結果を得ることができる。なお、下部及び上部反射鏡202，206のＳiは、それぞれｎ型Ｓi、ｐ型Ｓiを用いて形成されており、反射鏡202，206のＳi部分が導電層を兼ねている。
【００３１】
以上の本面発光レーザの作製方法を図６及び図７を用いて以下に説明する。最初に、ｎ型Ｓi基板201の上に電子線リソグラフィによってレジストパターン214を形成する（図６ａ）。これを熱酸化することにより、レジストパターン214が塗布されない部分にＳiＯ2のストライプパターン215が形成される（図６ｂ）。
【００３２】
次に、この上に別のｎ型Ｓi基板216を融着し、一層分の厚さまで研磨する（図６ｃ）。その後、電子線リソグラフィを用いて先に形成したストライプと直交する方向にレジストパターンを形成する。これを熱酸化することにより、レジストパターン214が塗布されない部分にＳiＯ2の一組の直交するストライプパターンが形成される（図６ｄ）。この図６ａ〜図６ｄの工程を繰返すことにより、任意の周期の構造を得ることができる。
【００３３】
このようにして１０周期積み重ねの構造を形成した後、その上に光閉じ込め層213を形成する。即ち、図６ｃに示したのと同様の方法でアンドープＳi基板を１０周期構造の上に融着し、研磨する。研磨後残す層厚は、完成時の光閉じ込め層213の厚さ（３層分）と同じにする。続いて、研磨面にレジストパターン214を形成し、熱酸化を行なう（図６ｅ）。更に、これと直交する方向に同様の工程を行なう。その結果、図６ｆに示した田の字型のパターンが形成される。ここでは、精度を上げるため、二段階の工程を採用したが、初めからレジストパターンを田の字型としてもよい。
【００３４】
その後、Ｆeのイオン注入と、アニールを行ない、光閉じ込め層213の中央部分にβ−ＦeＳi2活性層204を形成する。注入及びアニールの条件は、実施例１の場合と同じである。光閉じ込め層213は、活性層204とその上下の層の３層構造になるが、その上の層が上部クラッド層、下の層が下部クラッド層になる。
【００３５】
活性層204の形成の後、光閉じ込め層213の上に上部反射鏡206を形成する。上部反射鏡206は、基板にｐ型Ｓi基板を採用して図６ａ〜図６ｄと同様の方法を用いて形成する。最後に、Ａl蒸着により、上記各層を形成したＳi基板201の表面にｐ型電極208、裏面にｎ型電極207を形成する。
【００３６】
本実施例の面発光半導体レーザは、前記した閾値電流を低減することができる効果に加え、実施例１の場合と同様、Ｓi基板上に形成することが可能という効果を有する。
【００３７】
なお、上記のブラッグ反射器202，206及び光閉じ込め層213のＳi化合物にＳiＯ2を採用したが、本発明は、これに限らず、屈折率の低い他のＳi化合物、例えばＳiＧeやＳi3Ｎ4等を採用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
＜実施例３＞
本発明による端面反射型のリッジ型半導体レーザの実施例を図８に示す。図８は、当該半導体レーザの断面構造を示し、301はｎ型Ｓi基板、303は、ｎ型Ｓi基板301の上に形成した不純物濃度が１×１０18／ｃｍ3のｎ型Ｓiクラッド層（下部クラッド層）、304はｎ型Ｓiクラッド層303上に形成したベータ鉄シリサイドによる活性層、305は、活性層304上に形成した不純物濃度が１×１０18／ｃｍ3のｐ型Ｓiクラッド層（上部クラッド層）、307は、基板301の裏面に形成したｎ型電極、308は、クラッド層305に接して形成したｐ型電極である。
【００３９】
以上の本半導体レーザの作製方法を以下に記す。ｎ型Ｓi基板301上に、ｎ型Ｓiクラッド層303、アンドープＳi層、ｐ型Ｓiクラッド層305を分子線エピタキシー法によって形成する。各層の膜厚は、クラッド層303，305を各々１μｍ、アンドープＳi層を０．１μｍとする。このとき、ｎ型の不純物にＢを用い、ｐ型の不純物にＳbを用いる。なお、不純物は、これに限らず、それぞれの導電性を与える他の不純物を使用することができる。
【００４０】
次に、Ｆeのイオン打ち込みを行なう。打ち込みエネルギーは１．４ＭｅＶ、ドーズ量は１×１０17ions／ｃｍ2とする。この打ち込みエネルギーは、Ｆeイオンがクラッド層305を通過し、アンドープＳi層に丁度届くように設定されたものである。クラッド層305の厚さを変えた場合は、打ち込みエネルギーはそれに準じた値になる。続いて、Ａr雰囲気中において、９００℃で２４時間のアニールを行なう。このアニールによりアンドープＳi層がβ−ＦeＳi2の活性層304となる。
【００４１】
以上の工程によって積層構造が作製され、次にリッジの形成と電極形成の工程に移る。フォトリソグラフィによって幅２μｍ、長さが少なくとも６００μｍのレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクにしてマイクロ波プラズマエッチングにより、約１．５μｍエッチングを行なう。このドライエッチングによってストライプ構造を形成した後、パッシベーション層309となるポリイミドを塗布し、表面を平坦化する。続いて、上記各層を形成してなる基板301の表面にＡlを蒸着してｐ型電極308を形成する。更に、基板301の裏面を研磨した後、研磨面にＡlを蒸着してｎ型電極307を形成する。最後に、前記ストライプの両端で、ストライプに対して垂直な方向に基板301を劈開して反射面を形成する。
【００４２】
本実施例の半導体レーザは全体がＳi系材料によって形成されるので、ＳiＯ2などのＳi化合物による光導波路と屈折率や熱膨張係数等が合致し、それによって半導体レーザと光導波路とを低損失で結合することが可能となるほか、両者の位置合わせ精度を緩和することができる。
【００４３】
本実施例の半導体レーザを搭載したハイブリッド光集積回路による光伝送装置を図９に示す。図９において、321はＳi基板、322は、上記方法によって作製した半導体レーザ（ＬＤ）、323は、Ｓi基板321上に形成したＳiＯ2による光導波路、325はＳi系材料によって作製したフォトダイオード（ＰＤ）、324は、半導体レーザ322及びフォトダイオード325に接続する電気信号回路である。
【００４４】
電気信号回路324は、伝送する信号を生成する送信回路、同信号を半導体レーザ322に供給する駆動回路及びフォトダイオード325からの電気信号を受けて受信信号を生成する受信回路からなり、１個の集積回路として構成される。
【００４５】
本発明の半導体レーザを採用することにより、半導体レーザ322と光導波路323との結合が容易となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓi基板上に容易に形成可能なＳi系材料による半導体レーザを実現することができる。そのため、同一Ｓi基板上に半導体レーザと電気信号回路とを集積化することが可能となり、従って、光伝送装置を１個の光集積回路で構成することができ、光伝送装置の小型化、低価格化、信頼性向上を達成することができる。それにより光通信システムの大幅なコストダウン、信頼性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザの第１の実施例を説明するための断面図。
【図２】図１の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図３】図１の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図４】図１の半導体レーザを用いた光伝送装置を説明するための平面図。
【図５】本発明の半導体レーザの第２の実施例を説明するための断面図。
【図６】図５の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図７】図５の半導体レーザの作製方法を説明するための工程図。
【図８】本発明の半導体レーザの第３の実施例を説明するための断面図。
【図９】図８の半導体レーザを用いた光伝送装置を説明するための平面図。
【符号の説明】
101，111，201，301…Ｓi基板、102，202…下部反射鏡、103，303…下部クラッド層、104，204，304…β−ＦeＳi2活性層、105，305…上部クラッド層、106，206…上部反射鏡、107，207，307…ｎ型電極、108，208，308…ｐ型電極、110…ＳiＯ2膜、112…アンドープＳi層、213…光閉じ込め層、150…半導体レーザ、151…電気信号回路。
【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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