JP5466712B2 - 表面出射型レーザ - Google Patents

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Description

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、光を前記活性層の長手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共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、
    前記導波路層の一端に設けられ、前記共振器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、
    前記共振器構造部の一側面と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垂直に交わる方向であって、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な方向であって、前記共振器構造部の少なくとも一側面と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し、前記共振器構造部の一側面に設けられた前記電極（２）の一辺が、前記共振器構造部側に突出していることを特徴とする水平共振器面出射型レーザ。
  2. 前記反射部の側面及び前記共振器構造部の一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、前記反射部の他側面、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の側面にのみ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、前記反射部の他側面、および前記共振器構造部の一側面と共に、前記共振器構造部の他側面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、前記反射部の他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一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の半導体層上に形成されていることを特徴とする請求項７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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