(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を有する半導体レーザ部と光導波路部が同一半導体基板上に設けられた集積型半導体レーザ素子において、
前記光導波路部は半導体からなる壁面で囲まれた中空構造であり、
前記光導波路部が前記半導体レーザ部のレーザ光の出射端面に直接形成されていることを特徴とする集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記光導波路部の中空構造の内面が、金属で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記光導波路部の中空構造が、屈折率が光導波路の壁面の半導体の屈折率以下である材料で埋めこまれていることを特徴とする請求項２に記載の集積型半導体レーザ素子。
【請求項４】
活性層を有する半導体レーザ部を形成する半導体を積層する工程と、
積層された半導体の一部をエッチングして光導波路部の中空構造を形成する工程と、
前記エッチングによって形成された略垂直凹部の上面に半導体からなる基板を載置する工程とを含むことを特徴とする集積型半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項５】
前記半導体を積層する工程が、基板上にエッチングストップ層を形成し、その上に活性層を有する半導体レーザ部を形成する半導体を積層する工程であり、
前記中空構造を形成する工程は、エッチングストッパ層の深さまでエッチングする工程であることを特徴とする請求項４に記載の集積型半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項６】
前記活性層が前記光導波路部の中空構造のほぼ中心に位置するように前記半導体レーザ部を形成する半導体を積層することを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に利用できる集積型半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、光導波路と一体形成された集積型半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、集積型半導体レーザ素子では、モノリシックな光集積回路を実現するときに半導体レーザ素子と低損失光導波路を一体形成することは、結合効率から見ても素子製造の歩留りを考えても重要である。従来の集積型半導体レーザ素子として、１９８９年、Ｒ．ＡｚｏｕｌａｙらによってＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．５４、ｐｐ１８５７〜１８５８で示されているように、一体成形されたものが提案されている。図９に、従来のつき合わせ結合一体型半導体レーザ素子の一例の断面図を示す。段差を有する基板３００の上に光導波路３１０、ｎ型クラッド層３２０、活性層３３０、Ｐ型クラッド層３４０の順に積層する。
【０００３】
このように基板の段差を利用して、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により活性層３３０と光導波路３１０がモノリシックに構成されているのが特徴である。図８において活性層３３０で発生したレーザ光は光導波路３１０へと伝播される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例は下記の欠点を有している。
【０００５】
段差部分において、活性層３３０と光導波路３１０の間にｎ型クラッド層３２０（約２μｍ）が存在するために、光が伝播する際、光がｎ型クラッド層３２０に吸収されて１ｄＢ程度の光の導波損失が発生する。
【０００６】
また、ＭＯＣＶＤ法により活性層３３０と光導波路３１０の高さを正確に合わせることは、実際の半導体レーザ素子の製造において困難であり、結合効率の劣化が避けられない。例えば活性層３３０と光導波路３１０との高さが±０．２μｍのずれることによって、約１．５ｄＢの光導波損失が生じていた。
【０００７】
また、一回目の成長で活性層を含む半導体レーザを形成し、２回目の成長で半導体からなる光導波路を別々に形成することによって、一体成型型の集積型半導体レーザ素子を形成する方法も考えられる。しかし、このような再成長による場合には、１回目の成長条件と２回目の再成長条件とが必ずしも同じにならない。そのため、光導波路の膜厚が設計値からずれ、活性層が光導波路の高さに合わなくなることがある。従って、結合効率の劣化が生じる問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、半導体レーザ素子のレーザ出射位置と光導波路との高さ合わせを容易にすることができ、高い結合効率を有する集積型半導体レーザ素子を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の活性層を有する半導体レーザ部と光導波路部が同一半導体基板上に設けられた集積型半導体レーザ素子では、前記光導波路部は半導体からなる壁面で囲まれた中空構造であり、前記光導波路部が前記半導体レーザ部のレーザ光の出射端面に直接形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記光導波路部の中空構造の内面が、金属で覆われていることを特徴とする。
【００１１】
さらには、前記光導波路部の中空構造が、屈折率が光導波路の壁面の半導体の屈折率以下である材料で埋めこまれていることを特徴とする。
【００１２】
また、集積型半導体レーザ素子の作製方法では、活性層を有する半導体レーザ部を形成する半導体を積層する工程と、積層された半導体の一部をエッチングして光導波路部の中空構造を形成する工程と、前記エッチングによって形成された略垂直凹部の上面に半導体からなる基板を載置する工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
さらには、前記半導体を積層する工程が、基板上にエッチングストップ層を形成し、その上に活性層を有する半導体レーザ部を形成する半導体を積層する工程であり、前記中空構造を形成する工程は、エッチングストッパ層の深さまでエッチングする工程であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記活性層が前記光導波路部の中空構造のほぼ中心に位置するように前記半導体レーザ部を形成する半導体を積層することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明を光通信用集積型半導体レーザ素子に用いた場合の一例で、より具体的にはＦｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ（ＦＴＴＨ）のための送信用集積型半導体レーザ素子の斜視図である。半導体レーザ部では、（１００）面ｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、ｎ−ＡlＡｓエッチストップ層１０８、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０１、ＡlＧａＡｓ活性層１０２、p−ＡlＧａＡｓ第１クラッド層１０３を積層し、その上にｐ−ＡlＧａＡｓガイド層１０４、p−ＧａＡｓ吸収層１０５から回折格子を形成している。その上にｐ−ＡlＧａＡｓ第２クラッド層１０６と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０７が積層されている。
【００１６】
光導波路部とは、底面がｎ−ＧａＡｓ基板１００とｎ−ＡlＡｓエッチストップ層１０８からなり、側面は半導体の積層構造、上面はＧａＡｓ基板１４１からなる壁面で構成された中空構造の光導波路である。
【００１７】
本発明の集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザ部と光導波路部が直接結合された構造になっている。また、活性層と光導波路の高さが合うように、つまり光導波路のほぼ中心に位置するように設計されている。光導波路の大きさは材料・屈折率など設計条件で適宜選択されて形成される。ここでは、光導波路の大きさは深さ１μｍ、幅４μｍ、長さ１００μｍである。
【００１８】
次に、本発明の集積型半導体レーザ素子の製造工程について説明する。まず、（１００）面ｎ−ＧａＡｓ基板１００上にＭＯＣＶＤ法により０．１ｎｍ厚のｎ−ＡlＡｓエッチストップ層１０８、１．０μｍ厚のｎ−ＡlＧａＡｓクラッド層１０１、０．０８μｍ厚のＡlＧａＡｓ活性層１０２、０．２μｍ厚のｐ−ＡlＧａＡｓ第１クラッド層１０３、０．１５μｍ厚のｐ−ＡlＧａＡｓガイド層１０４、０．０６μｍ厚のｐ−ＧａＡｓ吸収層１０５を連続的に結晶成長させる。このように形成した工程後の斜視図を図２（ａ）に示す。
【００１９】
次に、このウェハーに通常の２光束干渉露光法とウェットエッチング法を利用し、周期約０．３６ｎｍ、深さ約０．１８μｍの回折格子１２０を印刻する。この回折格子１２０は波長７８０ｎｍのレーザ光に対して３次の回折格子として働く。このように形成した工程後の斜視図を図２（ｂ）に示す。
【００２０】
続いて、この回折格子１２０を有したウェハー上にＭＯＣＶＤ法を利用して、０．３９μｍ厚のｐ−ＡlＧａＡｓ第２クラッド層１０６と、０．３μｍ厚のｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０７を成長させる。このように形成した工程後の斜視図を図２（ｃ）に示す。
【００２１】
次に、通常のフォトリソグラフィ技術で誘電体膜１３０をマスクに加工し、この誘電体膜１３０をマスクとして反応性イオンエッチング技術を用いてエッチストップ層１０８までエッチングする。
【００２２】
このエッチングにより光導波路の深さが均一に形成される。このウェハーの一部に深さ１μｍ、幅４μｍの大きさを有する略垂直凹部１３１を形成する。この工程で、活性層が自動的に略垂直凹部１３１の深さ方向の中心に位置する。このように形成した工程後の斜視図を図３（ｄ）に示す。
【００２３】
次に、誘電体膜１３０を除去する。誘電体膜１３３をつけ、通常のフォトリソグラフィ技術と誘電体膜１３３をマスクとして利用した反応性イオンエッチング技術を用いて、レーザ部分１３２のリッジ部分と半田材溜め１３５を形成する。このように形成した工程後の斜視図を図３（ｅ）に示す。
【００２４】
次に、誘電体膜１３３を除去する。このように形成した工程後の斜視図を図４（ｆ）に示す。次に、ＧａＡｓ基板１４１をコンタクト層１０７と対向するよう重ね合わせ、半田材溜め１３５の中に注入したＡｕＳｎ半田材により半田付けし、最後に基板をへき開法によりチップ状に分割して、半導体レーザ素子を得る。このとき、余分な半田材は半田材溜め１３５に設けられた溝により流出し、ＧａＡｓ基板１４１とコンタクト層１０７は密着して接合し、高さずれが生じない。このように形成した工程後の斜視図を図４（ｇ）に示す。
【００２５】
本実施の形態の集積型半導体レーザは、０．０８μｍの活性層を持つレーザの出射端面から直接に中空光導波路に結合されていることにより、活性層と光導波路間に不要な層が無く、かつ、高さについてのずれがほとんどないため、その影響による結合損失が生じない。つまり、従来例に比べて活性層と光導波路間に層（約２μｍ）が無いことにより１ｄＢの損失を、更に、高さずれ（約±０．２μｍ）がないことにより１．５ｄＢの損失が免れる。
【００２６】
本発明の集積型半導体レーザ素子の特徴は、素子を作製する工程において、レーザ部と光導波路部が直接接合しているため結合性が良く、また、光導波路と活性層の高さがずれなく、中空光導波路を採用しているため、光導波路部での光の分岐および合波が行ないやすい。
【００２７】
（実施例２）
次に、光導波路の内部に金属の蒸着膜がある場合の光通信用集積型半導体レーザ素子の作製方法について述べる。まず、実施例１での図３（ｅ）の工程まで同様に作製する。次に、Ａｕの蒸着を防ぐためにＧａＡｓ基板等の遮蔽物を用いて半導体レーザ部１３２を覆い、かつ、レーザ出射面にＡｕが蒸着しないように略垂直凹部の面に斜め真空蒸着法によりＡｕを蒸着し、略垂直凹部の内面を覆う厚さ１００ｎｍのＡｕ蒸着膜１４０を形成する。このように形成した工程後の斜視図を図５（ａ）に示す。
【００２８】
図７は略垂直凹部の詳細な斜視図である。この図を用いて、蒸着するときの角度を簡単に説明する。活性層４３０の出射端面からの光の広がり方向４５０が、少なくとも光導波路の内面に照射される領域に金属が蒸着されていればよい。
【００２９】
このことから、光の広がり角４２０（この角度をαとする）と蒸着角４１０（この角度をβとする）の間に成立する関係式は、
ｔａｎα×ｔａｎβ＝１／２
となる。光の広がり角は半導体レーザの構造によって決まるものであるから、一般的には、０からβを満たす範囲、即ち、０より大きく、ｔａｎ-1（１／（２×ｔａｎα））以下の方向で蒸着を行う。本実施例ではα＝４５度であるので、蒸着方向４４０は蒸着角４４０を４５度以下として行う。
【００３０】
次に、ＧａＡｓ基板１４１上にＡｕを蒸着して、厚さ１００ｎｍのＡｕ蒸着膜１４２を形成する。ただし、蒸着する物質はＡｕに限らない。この工程での斜視図を図５（ｂ）に示す。
【００３１】
そして、集積型半導体レーザ素子のＡｕ蒸着膜１４０上にＧａＡｓ基板１４１を両基板表面のＡｕ蒸着膜１４０及びＡｕ蒸着膜１４２が対向するよう重ね合わせ、半田材溜め１３５の中に注入したＡｕＳｎ半田材により半田付けし、最後に上記両基板をへき開法によりチップ状に分割して、集積型半導体レーザ素子を得る。この工程後の斜視図を図６（ｃ）に示す。このとき、余分な半田材は半田材溜め１３５に設けられた溝により流出し、上記Ａｕ蒸着膜１４０とＡｕ蒸着膜１４２は密着して接合し、高さずれが生じない。
【００３２】
また、実施例１と同様にレーザの出射端面から直接光導波路に結合されていることにより結合損失が生じない。さらにＡｕ蒸着膜を形成しているために、使用する材料の屈折率にもよるが本実施例のようにＡｕを用いた場合の金属クラッド光導波路の伝搬損失は、半導体クラッド光導波路の伝搬損失の場合の１／１００程度である。本実施例では、Ａｕ蒸着膜を形成したが他の金属を用いても構わない。
【００３３】
（実施例３）
図８は、実施例２のような集積型半導体レーザ素子と同様の構成で、中空構造部分の光導波路に材料を埋め込んだ場合の光通信用集積型半導体レーザ素子の斜視図である。
【００３４】
次に、簡単に集積型半導体レーザ素子の作製方法について述べる。まず、実施例１と同様に図３（ｄ）の工程まで行うことによって略垂直凹部１３１を形成して、次に、光導波路の内部にＡｕを蒸着させる。次に、略垂直凹部１３１をポリイミド２０９で埋め込み、余分に付着したポリイミドのみをアッシングで除去し、高さを合わせる。このように形成した工程後の斜視図を図８（ａ）に示す。
【００３５】
そして、上面にＡｕ蒸着膜２０８を蒸着することにより光導波路を形成する。このように形成した工程後の斜視図を図８（ｂ）に示す。
【００３６】
後は、実施例１、２と同様にへき開法により集積型半導体レーザ素子を切り出す。この場合、中空構造部分にポリイミド（屈折率ｎ＝１．６）が存在するために切りくずが光導波路に侵入しない。
【００３７】
実施例３では、実施例１、２と同様にレーザの出射端面から直接光導波路に結合されていることにより、従来例に比べて高さについてのずれがないため、１．５ｄＢの損失が免れ、かつ、光導波路と活性層の間の不用な層が無いので１ｄＢの損失が免れる。また、光導波路部にポリイミドを埋め込んでいるため、クラッドとの反射率が向上し、光導波路中の導波損失を２分の１以下に抑さえることができ、さらに、半田材溜めの作製が不要のために素子の作製が実施例２より容易である。
【００３８】
なお、埋め込む物質はポリイミドに限定されるものではなく、さらに高い屈折率の材料で埋め込むと伝搬損失が低減できる。例えば、屈折率ｎ＝３程度の材料で埋め込まれた光導波路では、中空構造（屈折率ｎ＝１）である光導波路の場合に比べて、伝搬損失が１／１０に減少できる。また、光導波路の側壁に用いられる半導体より屈折率の小さく、発光波長に対して吸収のない物質でもあれば他のものでも構わない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、集積型半導体レーザ素子を作製する工程において、レーザ部と光導波路部が直接接合しているため結合性が良い集積型半導体レーザ素子が得られる。作製の工程における高さずれによるレーザ部分と光導波路の間の光の損失はない。これにより、光導波層と活性層の高さずれが生じたときの結合損失が抑制できる。
【００４０】
また、光導波路の中空構造の内面に金属蒸着膜を使用しているために、金属クラッド光導波路の伝搬損失は、半導体クラッド光導波路の伝搬損失よりも大幅に低減できる。
【００４１】
さらに、中空構造の埋め込み材料を用いることによって、埋め込み材料と金属クラッドとの間の反射率が向上するため、光導波路中の導波損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の集積型半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】本発明の実施例１の作製順工程を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の作製順工程を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の作製順工程を示す図である。
【図５】本発明の実施例２の作製順工程を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の作製順工程を示す図である。
【図７】発明の実施例２のＡｕ蒸着角を説明するための図である。
【図８】発明の実施例３の作成順工程を示す図である。
【図９】従来の集積型半導体レーザ素子を示す図である。
【符号の説明】
１００、２００  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０１、２０１  ｎ−ＡlＧａＡｓクラッド層
１０２、２０２  ＡlＧａＡｓ活性層
１０３、２０３  ｐ−ＡlＧａＡｓ第１クラッド層
１０４、２０４  ｐ−ＡlＧａＡｓガイド層
１０５、２０５  ｐ−ＧａＡｓ吸収層
１０６、２０６  ｐ−ＡlＧａＡｓ第２クラッド層
１０７、２０７  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０８、２１０  ｎ−ＡlＡｓエッチストップ層
１２０  回折格子
１３０、１３３  誘電体膜
１３１  略垂直凹部
１３２  半導体レーザ部
１３５  半田材溜め
１４０、１４２、２０８  Ａｕ蒸着膜
１４１  ＧａＡｓ基板
２０９  ポリイミド
４１０  蒸着角
４２０  光の広がり角
４３０  活性層
４４０  蒸着方向
４５０  光の広がり方向
【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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