JP5034275B2

JP5034275B2 - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP5034275B2
Application number: JP2006063084A
Authority: JP
Inventors: 倫太郎幸田; 孝博荒木田; 義則山内; 典彦山口; 勇志増井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: JP2007242884A

Description

本発明は、光変調器を内蔵する面発光型の半導体レーザ装置に関する。

光ファイバ通信技術の発展に伴い、光源である面発光型の半導体レーザにも多機能化や高性能化が求められている。その一つとして、例えば、変調機能を持たせた半導体レーザがある。この種の半導体レーザでは、当初、駆動電流を直接変調することにより変調機能を実現していたが、この直接変調方式では、原理上、応答速度が遅いため、最高でも動作帯域で２０Ｇｂｐｓしか得られない。そこで、レーザの駆動電流を直接変調する代わりに、その共振器の一部に光変調器を設け、その光変調器に印加されるバイアス電圧を変調する方式が提案されている（非特許文献１）。

図１３は、非特許文献１に記載の面発光型の半導体レーザ１００の断面構成を表すものである。この半導体レーザ１００は、ｐ型半導体基板１１０上に、ｐ型ＤＢＲ層１１１、ｐ型クラッド層１１２、電流狭窄層１１３、活性層１１４、ｎ型クラッド層１１５、第１ｎ型ＤＢＲ層１１６、ｎ型コンタクト層１１７、第２ｎ型ＤＢＲ層１１８、光変調層１１９およびｐ型コンタクト層１２０をこの順に積層したのち、ｐ型コンタクト層１１８から第２ｎ型ＤＢＲ層１１８までを選択的にエッチングすることにより円柱状のメサ形状に加工されたものである。ここで、ｐ型ＤＢＲ層１１１、ｐ型クラッド層１１２、電流狭窄層１１３、活性層１１４、ｎ型クラッド層１１５、第１ｎ型ＤＢＲ層１１６、ｎ型コンタクト層１１７および第２ｎ型ＤＢＲ層１１８がレーザ発振用の共振器を構成し、ｎ型コンタクト層１１７、第２ｎ型ＤＢＲ層１１８、光変調層１１９およびｐ型コンタクト層１２０が光変調器を構成する。つまり、この半導体レーザ１００は、レーザ発振用の共振器と、光変調器とを一回の結晶成長で一括して形成したものである。また、選択的エッチングにより露出したｎ型コンタクト層１１７の表面にレーザ発振および光変調の双方に用いられるｎ側共通電極１２１が、ｐ型半導体基板１１０の裏面にレーザ発振用のｐ側電極１２２が、ｐ型コンタクト層１１８の表面に光変調用のｐ側電極１２３がそれぞれ形成されている。

この半導体レーザ１００では、ｎ側共通電極１２１およびｐ側電極１２２を介して共振器にＤＣ電流を注入することにより、光変調器を介して積層方向にレーザ光が射出される。このとき、ｎ側共通電極１２１およびｐ側電極１２３を介して光変調器に印加されるバイアス電圧を変調することにより、外部に射出されるレーザ光が変調される。

ＣＬＥＯ２００４ｖｏｌ１，"ＶＣＳＥＬｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｍｏｄｕｌａｔｏｒ" Ｄ．Ｋ．Ｓｅｒｋｌａｎｄ

このように、従来の半導体レーザ１００は、共振器と光変調器とを一回の結晶成長で一括して形成したものであることから、光変調器側に向かう光はｎ型コンタクト層１１７を通過しないと外部に射出されない構造となっている。ところが、このｎ型コンタクト層１１７は、ｎ側共通電極１２１とオーミック接触させるために高濃度の不純物がドープされたものであり、光変調器側に向かう光に損失を与える性質を有する。そのため、光変調器側に向かう光の透過性を良くするためにはｎ型コンタクト層１１７をできるだけ薄くすることが好ましい。一方で、このｎ型コンタクト層１１７は、ｎ側共通電極１２１との接触面（露出面）を確保することが必要である。この接触面は、例えば、上記したように、ｐ型コンタクト層１１８から第２ｎ型ＤＢＲ層１１８までを選択的にエッチングすることにより形成することができる。このとき、光の透過性を良くするためにｎ型コンタクト層１１７を薄く形成すると、ｎ型コンタクト層１１７の厚さがエッチング深さに比べて極めて薄くなるので、エッチングをし過ぎてｎ型コンタクト層１１７を全て削ってしまったり、ｎ型コンタクト層１１７に達する前にエッチングを止めてしまう虞がある。そのため、エッチングによりｎ側共通電極１２１との接触面を形成する場合には、エッチングによる誤差を考慮してｎ型コンタクト層１１７を厚くすることが必要となり、光変調器側に向かう光に対する損失が大きくなってしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光変調器側に向かう光の損失を低減しつつ、光変調を行うことの可能な半導体レーザ装置を提供することにある。

本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ、光制御層および光変調器をこの順に重ね合わせて一体に形成されたものである。半導体レーザは、第１多層膜反射鏡、発光領域を有する活性層、第２多層膜反射鏡およびコンタクト層をこの順に含んで構成されている。光制御層は、活性層の発光領域に対応して光透過部を有すると共に、発光領域の周辺領域に対応して金属部を有し、コンタクト層に接して設けられている。光変調器は、光制御層の光透過部を透過した光を変調するようになっている。金属部は、半導体レーザに接する第１金属部と、光変調器に接する第２金属部とを互いに直接貼り合わせることにより形成されたものである。光透過部は、半導体レーザに接する第１光透過部と、光変調器に接する第２光透過部とを互いに直接貼り合わせることにより形成されたものである。

本発明の半導体レーザ装置では、発光領域において生じた発光光により半導体レーザ内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長で発振が生じ、その所定の波長の光が積層方向に射出される。このとき、光透過部および金属部を有する光制御層が半導体レーザと光変調器との間に設けられているので、この光透過部を透過した光が光変調器に入射する。光変調器に入射した光は、光変調器に印加されるバイアス電圧の変調周期に応じて変調されたのち、外部に射出される。

ここで、半導体レーザおよび光変調器は、光透過部および金属部を有する光制御層を介して配置されていることから、共通の半導体基板上に一回の結晶成長で一括して形成されたものではなく、別個独立の半導体基板上にそれぞれ形成されたものである。このように、半導体レーザおよび光変調器を別個独立の半導体基板上にそれぞれ形成する場合には、第２多層膜反射鏡上にコンタクト層を結晶成長させるだけでコンタクト層の露出面を形成することができるので、エッチング深さの制御が容易でない選択的エッチングを行ってコンタクト層を露出させる必要がない。従って、コンタクト層の厚さにマージンを持たせる必要がないので、コンタクト層を薄くすることができる。また、第２多層膜反射鏡上にコンタクト層を結晶成長させたのちに、コンタクト層のうち光変調器側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去することも可能である。

本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザと、光透過部および金属部を有する光制御層と、光変調器とをこの順に重ね合わせて一体に形成するようにしたので、第２多層膜反射鏡上にコンタクト層を結晶成長させるだけでコンタクト層の露出面を形成することができる。これにより、コンタクト層の厚さにマージンを持たせる必要がなくなるので、コンタクト層を薄くしたり、コンタクト層のうち光変調器側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去することができる。その結果、光変調器側に出力された光を、ほとんど損失の無い状態で光変調器に入射させることができるので、光変調器側に向かう光の損失を低減しつつ、光変調を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を表すものである。この半導体レーザ装置は、半導体レーザ１上に、光透過部３Ａおよび金属部３Ｂを有する光制御層３と、光変調器２とをこの順に配置すると共に、これら半導体レーザ１、光制御層３および光変調器２を一体に形成して構成したものである。この半導体レーザ装置は、半導体レーザ１の発光光が光透過部３Ａを介して光変調器２に入射したのち、光変調器２に印加されるバイアス電圧の変調周期に応じて変調されて、外部に射出されるようになっている。すなわち、この半導体レーザ装置は、変調機能を備えた発光装置である。なお、図１は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

（半導体レーザ１）
半導体レーザ１は、基板１０の一面側に半導体積層構造１１を備える。この半導体積層構造１１は、基板１０上に、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１７をこの順に積層して構成される。ここで、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５およびｐ型ＤＢＲ層１６がレーザ発振用の共振器を構成する。なお、ｎ型ＤＢＲ層１２は本発明の「第１多層膜反射鏡」の一例に相当し、ｐ型ＤＢＲ層１６は本発明の「第２多層膜反射鏡」の一例に相当し、ｐ型コンタクト層１７は本発明の「コンタクト層」の一例に相当する。

基板１０および半導体積層構造１１は、例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）系の化合物半導体によりそれぞれ構成される。なお、ＧａＡｓ系化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうち少なくともガリウム（Ｇａ）と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうち少なくともヒ素（Ａｓ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ型ＤＢＲ層１２は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₁（λは発振波長、ｎ₁は屈折率）のｎ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０＜ｘ１≦１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₂（ｎ₂は屈折率）のｎ型Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）によりそれぞれ形成されている。なお、ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

ｎ型クラッド層１３は、例えばＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０≦ｘ３≦１）により構成される。活性層１４は、例えばＡｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ（０≦ｘ４≦１）により構成され、後述の電流注入領域１６Ｃ−１と対向する領域に発光領域１４Ａを有する。ｐ型クラッド層１５は、例えばＡｌ_x5Ｇａ_1-x5Ａｓ（０≦ｘ５≦１）により構成される。このｎ型クラッド層１３、活性層１４およびｐ型クラッド層１５は、不純物が含まれていないことが望ましいが、ｐ型またはｎ型不純物が含まれていてもよい。なお、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

ｐ型ＤＢＲ層１６は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₃（λは発振波長、ｎ₃は屈折率）のｐ型Ａｌ_x6Ｇａ_1-x6Ａｓ（０＜ｘ６≦１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ₄(ｎ₄は屈折率）のｐ型Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ（０≦ｘ７＜ｘ６）によりそれぞれ形成されている。

ただし、ｐ型ＤＢＲ層１６において、活性層１４側から数えて数組離れた低屈折率層の部位には、低屈折率層の代わりに、電流狭窄層１６Ｃが形成されている。なお、図１では、活性層１４側から数えて１組離れた低屈折率層の部位に電流狭窄層１６Ｃが形成されている場合が例示されている。この電流狭窄層１６Ｃにおいて、その中央領域が電流注入領域１６Ｃ−１であり、この電流注入領域１６Ｃ−１を取り囲む周辺領域が電流狭窄領域１６Ｃ−２となっている。電流注入領域１６Ｃ−１は、例えば、Ａｌ_x8Ｇａ_1-x8Ａｓ（ｘ６＜ｘ８≦１）により構成され、積層方向から見て例えば円形状となっている。電流狭窄領域１６Ｃ−２は、半導体積層構造１１の側面側からこれを酸化することにより得られたＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）を含んで構成され、積層方向から見て例えばドーナツ形状となっている。これにより、電流狭窄層１６Ｃは、ｐ側電極として機能する金属部３２（後述）と、ｎ側電極１８とから注入された電流を狭窄する機能を有する。

ｐ型コンタクト層１７は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ側電極１８は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とを基板１０の側から順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

（光変調器２）
光変調器２は、半導体積層構造２１と、ｎ側電極２５とを有する。この半導体積層構造２１は、例えば、基板２０（図２参照）上に、ｎ型コンタクト層２２、光変調層２３、ｐ型コンタクト層２４をこの順に積層したのち、基板２０を除去してｎ型コンタクト層２２を露出させると共に、その露出したｎ型コンタクト層２２のうち発光領域１４Ａと対抗する領域を除去することにより形成されたものである。

基板２０および半導体積層構造２１は、例えば、上記した基板１０および半導体積層構造１１と同様、ＧａＡｓ系の化合物半導体によりそれぞれ構成される。

基板２０および半導体積層構造２１は、例えば、上記した基板１０および半導体積層構造１１と同様、ＧａＡｓ系の化合物半導体によりそれぞれ構成される。基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ型コンタクト層２２は、例えば、ｎ型Ａｌ_x9Ｇａ_1-x9Ａｓ（０≦ｘ９≦１）により構成され、発光領域１４Ａと対抗する領域に開口を有する。

光変調層２３は、例えば、量子井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を有しており、アンドープのＧａＡｓからなる量子井戸層と、アンドープのＡｌ_x10Ｇａ_1-x10Ａｓ（０≦ｘ１０≦１）からなる障壁層とを一組として、それを複数組積層して構成される。この光変調層２３は、光変調器２に印加されるバイアス電圧の変調周期に応じてエネルギーバンドギャップが広がったり、狭まったりするようになっており、これにより発光領域１４Ａからの発光光を吸収したり、しなくなったりするようになっている。

ｐ型コンタクト層２４は、例えば、ｐ型Ａｌ_x11Ｇａ_1-x11Ａｓ（０≦ｘ１１≦１）により構成され、光変調層２３と電気的に接続されている。ｎ側電極２５は、例えば、ＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをｎ型コンタクト層２３上にこの順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層２２と電気的に接続されている。このｎ側電極２５は、ｎ型コンタクト層２２上に形成されたものであり、ｎ型コンタクト層２２と同様、発光領域１４Ａと対抗する領域に開口を有する。これにより、ｎ型コンタクト層２２およびｎ側電極２５に形成されたそれぞれの開口が１つの開口部Ｗ１を構成する。

（光制御層３）
光制御層３は、半導体レーザ１の半導体積層構造１１と、光変調器２の半導体積層構造２１との間に設けられている。この光制御層３は、上記したように、光透過部３Ａおよび金属部３Ｂを有しており、光透過部３Ａが半導体積層構造１１の発光領域１４Ａの外周領域に対応して設けられ、金属部３Ｂが発光領域１４Ａに対応して設けられている。

ここで、光透過部３Ａは、発光領域１４Ａから射出された発光光を透過することの可能な物質、例えばＳｉＮや、ＳｉＯ₂、空気などの絶縁物質により構成される。この光透過部３Ａは、発光領域１４Ａから射出された発光光のうち光変調器２側へ放出された光を透過するようになっている。一方、金属部３Ｂは、反射率の高い金属、例えば金（Ａｕ）などにより構成され、光変調器２側へ放出された光のうち光透過部３Ａ以外の領域に放出された光を半導体レーザ１側に反射して、光変調器２への入射を遮断するようになっている。つまり、この光制御層３は、光変調器２への光の入射領域を制限するようになっている。また、光制御層３の金属部３Ｂは、ｐ型コンタクト層１７，２４に電気的に接続されており、そのため、半導体レーザ１および光変調器２のそれぞれのｐ側電極としても機能するようになっている。

なお、この光制御層３は、例えば、後述の製造方法の説明において例示したように、半導体レーザ１および光変調器２を重ね合わせる際に、半導体積層構造１１の表面に形成された，光透過部３１Ａおよび金属部３１Ｂを有する光制御層３１と、半導体積層構造２１の表面に形成された，光透過部３２Ａおよび金属部３２Ｂを有する光制御層３２とを互いに貼り合わせることにより形成されることが好ましい。ただし、この場合は、光透過部３１Ａおよび光透過部３２Ａを互いに貼り合わせることにより光透過部３Ａが形成され、金属部３１Ｂおよび金属部３２Ｂを互いに貼り合わせることにより金属部３Ｂが形成されることとなる。また、この光制御層３は、例えば、半導体レーザ１および光変調器２を重ね合わせる際に、半導体積層構造１１および半導体積層構造２１のいずれか一方の表面にあらかじめ形成されていてもよい。

このような構成を有する半導体レーザ装置は、例えば、次のようにして製造することができる。

図２ないし図５はその製造方法を工程順に表したものである。半導体発光素子を製造するためには、ＧａＡｓからなる基板１０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造１１や、ＧａＡｓからなる基板２０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造２１を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により形成する。この際、ＧａＡｓ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、基板１０上に、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１７をこの順に積層すると共に、基板２０上に、ｎ型コンタクト層２２、光変調層２３、ｐ型コンタクト層２４をこの順に積層する。

次に、ｐ型コンタクト層１７およびｐ型コンタクト層２４上にＳｉＯ₂などの絶縁物質を堆積させたのち、その堆積させた絶縁物質の表面のうち発光領域１４Ａと対応する領域にフォトレジスト（図示せず）を形成する。続いて、このフォトレジストをマスクとして、例えばフッ酸系エッチング液によるウエットエッチング法により絶縁物質を選択的に除去して光透過部３１Ａ，３２Ａを形成する。その後、例えば金（Ａｕ）などの金属を真空蒸着法にて形成したのち、フォトレジストを除去して金属部３１Ｂ，３２Ｂを形成する。これにより、光制御層３１，３２が形成される。

次に、光制御層３１，３２をそれぞれ互いに対向させると共に高温にした状態で、基板１０および基板２０側から圧力Ｆを加えて、光制御層３１，３２を互いに貼り合わせる（図２）。これにより、光透過部３Ａおよび金属部３Ｂを有する光制御層３が形成され、その結果、基板１０、半導体積層構造１１、光制御層３、半導体積層構造２１および基板２０をこの順に重ね合されると共に一体に形成することができる。その後、例えばウエットエッチングにより基板２０を除去する（図３）。

このように、光透過部３ＡにＳｉＯ₂などの絶縁物質を用いると共に、光制御層３に金属を用いるようにしたので、パターニングにより光透過部３Ａおよび金属部３Ｂを有する光制御層３を形成することが可能となる。これにより、光制御層３と同等の機能を有する層を、例えば光変調器２を構成する半導体積層構造２１の一部を酸化することにより形成するような場合と比べて、精密に形成することができる。このように、本実施の形態では、制御性の極めてよい方法を用いることができるので、半導体レーザ装置ごとの特性のばらつきを極めて小さくすることができる。

また、光透過部３ＡにＳｉＯ₂などの絶縁物質を用いると共に、金属部３ＢにＡｕなどの金属を用いるようにしたので、光制御層３と同等の機能を有する層を製造する際に、半導体層の酸化などの体積収縮が生じる工程を用いる必要がない。これにより、体積収縮による剥離が生じる虞はないので、酸化などの体積収縮が生じる工程を用いる場合と比べて、歩留りや信頼性が極めて高い。

また、光制御層３１の金属部３１Ｂおよび光制御層３２の金属部３２Ｂ同士を互いに貼り合わせるようにしたので、基板１０側の半導体積層構造１１と、基板２０側の半導体積層構造２１との密着性を高めることができる。これにより、貼り合わせた部分が剥離する虞はないので、貼り合わせによって歩留りや信頼性が低下する虞はない。

次に、ｎ型コンタクト層２２のうち発光領域１４Ａを含む領域と対応する領域にマスクを形成したのち、例えばドライエッチング法によりｎ型コンタクト層２２、光吸収層２３、ｐ型コンタクト層２４を選択的に除去すると共に、光制御層３の一部を露出させる（図４）。これにより、ｐ側電極としても機能する光制御層３にワイヤボンディングするための領域が形成される。その後、上記と同様にして、ｐ型コンタクト層２４のうち発光領域１４Ａと対応する領域を選択的に除去して開口を形成する（図５）。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、活性層１４側から数えて１組離れた低屈折率層の部位に高濃度に含まれるＡｌを選択的に酸化する。これによりその部位のうち中央領域以外の領域（周辺領域）が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、周辺領域に電流狭窄領域１６Ｃ−２が形成され、中央領域に電流注入領域１６Ｃ−１が形成される（図５）。

次に、ｎ型コンタクト層２２側の表面のうちｎ型コンタクト層２２以外の領域にマスクを形成する。続いて、例えば蒸着法を用いてＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをこの順に積層する。その後、そのマスクを除去する。これにより、ｎ側電極２５が形成されると共に、開口部Ｗ１が形成される（図１）。その後、上記と同様にして、基板１０の裏面側にＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをこの順に積層することにより、ｎ側電極１８が形成される（図１）。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ装置が製造される。

以下、本実施の形態の半導体レーザ装置の作用について説明する。

この半導体発光素子では、光制御層３の金属部３Ｂとｎ側電極１８との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、電流狭窄層１６Ｃにより電流狭窄された電流が活性層１４の利得領域である発光領域１４Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この発光光により共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光Ｌ１がビームとして光透過部３Ａから射出される（図６）。

このとき、半導体レーザ１では、光変調器２が光透過部３Ａ上に配置されているので、光透過部３Ａを透過した光Ｌ１は光変調層２３に入射する。ところが、光制御層３の金属部３Ｂおよびｎ側電極２５を介して光変調器２に印加されるバイアス電圧の変調周期に応じて光変調層２３のエネルギーバンドギャップが広がったり、狭まったりする。そのため、光変調層２３に入射した光Ｌ１は、光変調層２３のエネルギーバンドギャップが広がったときには光変調層２３を透過して開口部Ｗ１から外部に射出され、光変調層２３のエネルギーバンドギャップが狭まったときには光変調層２３を透過できずに一部吸収され、光変調層２３のエネルギーバンドギャップが広がったときよりも強度の弱い光が開口部Ｗ１から外部に射出される。このように、光変調層２３に入射した光Ｌ１は、光変調層２３によって変調されて外部に射出される。

ここで、半導体レーザ１および光変調器２は、光透過部３Ａおよび金属部３Ｂを有する光制御層３を介して配置されていることから、上記の製造方法で詳述したように、共通の半導体基板上に一回の結晶成長で一括して形成されたものではなく、別個独立の半導体基板（基板１０，基板２０）上にそれぞれ形成されたものである。このように、半導体レーザ１および光変調器２を別個独立の半導体基板上にそれぞれ形成する場合には、ｐ型ＤＢＲ層１６上にｐ型コンタクト層１７を結晶成長させるだけでｐ型コンタクト層１７の露出面を形成することができ、同様に、光変調層２３上にｐ型コンタクト層２４を結晶成長させるだけでｐ型コンタクト層２４の露出面を形成することができる。これにより、エッチング深さの制御が容易でない選択的エッチングを行ってｐ型コンタクト層１７，２４を露出させる必要がない。従って、ｐ型コンタクト層１７，２４の厚さにマージンを持たせる必要がないので、ｐ型コンタクト層１７，２４を薄くすることができる。また、ｐ型ＤＢＲ層１６上にｐ型コンタクト層１７を結晶成長させたのちに、ｐ型コンタクト層１７のうち光変調器２側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去したり、光変調層２３上にｐ型コンタクト層２４を結晶成長させたのちに、ｐ型コンタクト層２４のうち光変調器２側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去することも可能である。

以上より、本実施の形態の半導体レーザ装置では、半導体レーザ１、光透過部３Ａおよび金属部３Ｂを有する光制御層３および光変調器２をこの順に重ね合わせて一体に形成するようにしたので、ｐ型ＤＢＲ層１６または光変調層２３上にｐ型コンタクト層１７またはｐ型コンタクト層２４を結晶成長させるだけでｐ型コンタクト層１７，２４の露出面を形成することができる。これにより、ｐ型コンタクト層１７，２４の厚さにマージンを持たせる必要がなくなるので、ｐ型コンタクト層１７，２４を薄くしたり、ｐ型コンタクト層１７，２４のうち光変調器２側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去することができる。その結果、光変調器２側に出力された光を、ほとんど損失の無い状態で光変調器２に入射させることができるので、光変調器２側に向かう光の損失を低減しつつ、光変調を行うことができる。

また、本実施の形態では、半導体レーザ１および光変調器２を別個独立に形成することができるので、これらを一回の結晶成長で一括して形成した場合のような設計上の制限がなく、それぞれにとっての最適な設計を行うことができる。これにより、それぞれのデバイス特性や信頼性を容易に向上させることができる。

また、本実施の形態では、半導体レーザ１上に、光制御層３および半導体光検出器２をこの順に積層している関係上、必然的にｐ型コンタクト層１７と金属部３との接触面積が大きくなる。これにより、半導体レーザ装置の直列抵抗を低くすることができる。

また、本実施の形態では、半導体レーザ１上に、光制御層３および半導体光検出器２をこの順に積層している関係上、上側に配置された光変調器２の径を小さくすることができるので、そのようにした場合は、寄生容量を低減することができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を表すものである。なお、図７は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。また、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。

この半導体レーザ装置は、光変調器５上に、光透過部６Ａおよび金属部６Ｂを有する光制御層６と、半導体レーザ４とをこの順に配置すると共に、これら光変調器５、光制御層６および半導体レーザ４を一体に形成して構成したものである。この半導体レーザ装置は、半導体レーザ４の発光光が光透過部６Ａを介して光変調器５に入射したのち、光変調器５に印加されるバイアス電圧の変調周期に応じて変調されて、外部に射出されるようになっている。すなわち、この半導体レーザ装置は、半導体レーザと光変調器との上下関係が逆になっている点で上記実施の形態と異なる。そこで、以下、主として上記相違点について詳細に説明し、上記実施の形態と同様の構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。なお、図１は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

（半導体レーザ４）
半導体レーザ４は、半導体積層構造４１と、ｎ側電極４３とを備える。この半導体積層構造４１は、例えば、基板１０上に、ｎ型コンタクト層４２、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１７をこの順に積層したのち、基板１０を除去してｎ型コンタクト層４２を露出させると共に、その露出したｎ型コンタクト層４２上にｎ側電極４３を形成したものである。

ｎ型コンタクト層４２は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ側電極４３は、例えば、ＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをｎ型コンタクト層４２上にこの順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層４２と電気的に接続されている。

（光変調器５）
半導体光検出器５は、基板２０と、半導体積層構造５１と、ｎ側電極５２とを有する。この基板２０は、半導体レーザ４からの発光光に対して損失の少ない材料により構成されており、例えば、発光光の波長が９８０μｍのときはＧａＡｓにより構成される。半導体積層構造５１は、基板２０上に光変調層２３およびｐ型コンタクト層２４をこの順に結晶成長させることにより形成されたものである。ｎ側電極５２は、例えば、例えば、ＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕを基板２０上にこの順に積層したのち、発光領域１４Ａと対向する領域を除去して開口部Ｗ２を形成したものである。このｎ側電極５２は、基板２０と電気的に接続されている。

（光制御層６）
光制御層６は、半導体レーザ４のｐ型コンタクト層１７と、光変調器５のｐ型コンタクト層２４との間に設けられている。この光制御層６は、上記したように、光透過部６Ａおよび金属部６Ｂを有しており、光透過部６Ａは発光領域１４Ａに対応して設けられ、他方、金属部６Ｂは反射率の高い金属、例えば金（Ａｕ）などにより構成され、発光領域１４Ａの外周領域に対応して設けられている。

なお、この光透過部６Ａを有する光制御層６は、上記実施の形態と同様、例えば、半導体レーザ４および半導体光検出器５を重ね合わせる際に、半導体積層構造４１の表面に形成された、光透過部６１Ａおよび金属部６１Ｂを有する光制御層６１と、半導体積層構造５１の表面に形成された、光透過部６２Ａおよび金属部６２Ｂを有する光制御層６２とを互いに貼り合わせることにより形成されることが好ましい。また、光透過部６Ａおよび金属部６Ｂを有する光制御層６は、例えば、半導体レーザ４および半導体光検出器５を重ね合わせる際に、半導体積層構造４１および半導体積層構造５１のいずれか一方の表面にあらかじめ形成されていてもよい（図８参照）。

このような構成を有する半導体発光装置は、例えば、次のようにして製造することができる。

図８ないし図１１はその製造方法を工程順に表したものである。半導体発光装置を製造するためには、ＧａＡｓからなる基板１０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造４１や、ＧａＡｓからなる基板２０上にＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体積層構造５１を、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。

具体的には、まず、基板１０上に、ｎ型コンタクト層４２、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１７をこの順に積層すると共に、基板２０上に、光吸収層２３、ｐ型コンタクト層２４をこの順に積層する。

次に、上記実施の形態と同様にして、光透過部６１Ａおよび金属部６１Ｂを有する光制御層６１と、光透過部６２Ａおよび金属部６２Ｂを有する光制御層６２を形成したのち、光制御層６１，６２を互いに対向させると共に高温にした状態で、基板１０および基板２０側から圧力Ｆを加えて、光制御層６１，６２を貼り合わせる（図８）。これにより、光透過部６Ａおよび金属部６Ｂを有する光制御層６が形成され、その結果、基板１０、半導体積層構造４１、光制御層６、半導体積層構造５１、ならびに基板２０がこの順に重ね合されると共に一体に形成される。その後、例えばウエットエッチングにより基板１０を除去する（図９）。

次に、ｎ型コンタクト層４２のうち発光領域１４Ａを含む領域と対応する領域にマスクを形成したのち、例えばドライエッチング法によりｎ型コンタクト層４２、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１７を選択的に除去すると共に、光制御層６の金属部６Ｂの一部を露出させる（図１０）。これにより、ｐ側電極としても機能する光制御層６の金属部６Ｂにワイヤボンディングするための領域が形成される。次に、マスクを除去したのち、ｎ型コンタクト層４２のうち発光領域１４Ａを含む領域と対応する領域であって先のマスクよりも小さな面積のマスクを形成する。続いて、例えばドライエッチング法によりｎ型コンタクト層４２、ｎ型ＤＢＲ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型ＤＢＲ層１６の一部を選択的に除去する（図１０）。その後、マスクを除去する。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、活性層１４側から数えて１組離れた低屈折率層の部位に高濃度に含まれるＡｌを選択的に酸化する。これによりその部位のうち中央領域以外の領域（周辺領域）が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、周辺領域に電流狭窄領域１６Ｃ−２が形成され、中心領域に電流注入領域１６Ｃ−１が形成される（図１１）。

次に、ｎ型コンタクト層４２上および基板２０に、例えば蒸着法を用いてＡｕＧｅ，ＮｉおよびＡｕをこの順に積層してｎ側電極４３，５２を形成する。その後、ｎ側電極５２のうち発光領域１４Ａと対向する領域に開口部Ｗ２を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体発光装置が製造される（図７）。

以下、本実施の形態の半導体発光素子の作用について説明する。

この半導体発光装置では、光制御層６の金属部６Ｂとｎ側電極４３との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、電流狭窄層１６Ｃにより電流狭窄された電流が活性層１４の利得領域である発光領域１４Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この発光光により半導体積層構造４１内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光Ｌ２がビームとして光透過部６Ａから射出される（図１２）。

このとき、半導体レーザ１では、光変調器５が光透過部６Ａの下に配置されているので、光透過部６Ａを透過した光Ｌ２は光変調層２３に入射する。ところが、光制御層６の金属部６Ｂおよびｎ側電極５２を介して光変調器５に印加されるバイアス電圧の変調周期に応じて光変調層２３のエネルギーバンドギャップが広がったり、狭まったりする。そのため、光変調層２３に入射した光Ｌ２は、光変調層２３のエネルギーバンドギャップが広がったときには光変調層２３を透過して開口部Ｗ２から外部に射出され、光変調層２３のエネルギーバンドギャップが狭まったときには光変調層２３を透過できずに一部吸収され、光変調層２３のエネルギーバンドギャップが広がったときよりも強度の弱い光が開口部Ｗ２から外部に射出される。このように、光変調層２３に入射した光Ｌ２は、光変調層２３によって変調されて外部に射出される。

ここで、半導体レーザ４および光変調器５は、光透過部６Ａおよび金属部６Ｂを有する光制御層６を介して配置されていることから、上記の製造方法で詳述したように、共通の半導体基板上に一回の結晶成長で一括して形成されたものではなく、別個独立の半導体基板（基板１０，基板２０）上にそれぞれ形成されたものである。このように、半導体レーザ４および光変調器５を別個独立の半導体基板上にそれぞれ形成する場合には、ｐ型ＤＢＲ層１６または光変調層２３上にｐ型コンタクト層１７，２４を結晶成長させるだけでｐ型コンタクト層１７，２４の露出面を形成することができるので、エッチング深さの制御が容易でない選択的エッチングを行ってｐ型コンタクト層１７，２４を露出させる必要がない。従って、ｐ型コンタクト層１７，２４の厚さにマージンを持たせる必要がないので、ｐ型コンタクト層１７，２４を薄くすることができる。また、ｐ型ＤＢＲ層１６または光変調層２３上にｐ型コンタクト層１７，２４を結晶成長させたのちに、ｐ型コンタクト層１７，２４のうち光変調器２側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去することも可能である。

以上より、本実施の形態の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ４、光透過部６Ａおよび金属部６Ｂを有する光制御層６および光変調器５をこの順に重ね合わせて一体に形成するようにしたので、ｐ型ＤＢＲ層１６または光変調層２３上にｐ型コンタクト層１７，２４を結晶成長させるだけでｐ型コンタクト層１７，２４の露出面を形成することができる。これにより、ｐ型コンタクト層１７，２４の厚さにマージンを持たせる必要がなくなるので、ｐ型コンタクト層１７，２４を薄くしたり、ｐ型コンタクト層１７，２４のうち光変調器５側に向かう光が通過する部分をウエットエッチングなどで除去することができる。その結果、光変調器５側に出力された光を、ほとんど損失の無い状態で光変調器５に入射させることができるので、光変調器５側に向かう光の損失を低減しつつ、光変調を行うことができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、半導体材料をＧａＡｓ系化合物半導体により構成した場合について説明したが、他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系（赤系）材料またはＡｌＧａＡｓ系（赤外系）や、ＧａＮ系（青緑色系）などにより構成することも可能である。

また、本発明は、上記実施の形態で具体的に説明した製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法であってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面構成図である。半導体レーザ装置の製造工程を説明するための断面図である。図２に続く工程を表す断面図である。図３に続く工程を表す断面図である。図４に続く工程を表す断面図である。図１の半導体レーザ装置の作用を説明するための断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面構成図である。半導体レーザ装置の製造工程を説明するための断面図である。図８に続く工程を表す断面図である。図９に続く工程を表す断面図である。図１０に続く工程を表す断面図である。図７の半導体レーザ装置の作用を説明するための断面図である。従来の半導体レーザ装置の断面構成図である。

符号の説明

１，４…半導体レーザ、２，５…光変調器、３，３１，３２，６，６１，６２…光制御層、３Ａ，３１Ａ，３２Ａ，６Ａ，６１Ａ，６２Ａ…光透過部、３Ｂ，３１Ｂ，３２Ｂ，６Ｂ，６１Ｂ，６２Ｂ…金属部、１１，２１，４１，５１…半導体積層構造、１２…ｎ型ＤＢＲ層、１３…ｎ型クラッド層、１４…活性層、１４Ａ…発光領域、１５…ｐ型クラッド層、１６…ｐ型ＤＢＲ層、１６Ｃ…電流狭窄層、１６Ｃ−１…電流注入領域、１６Ｃ−２…電流狭窄領域、１７，２４…ｐ型コンタクト層、１８，２５，４３，５２…ｎ側電極、２２，４２…ｎ型コンタクト層、２３…光変調層、Ｆ…圧力、Ｌ１，Ｌ２…光、Ｗ１，Ｗ２…開口部。

Claims

第１多層膜反射鏡、発光領域を有する活性層、第２多層膜反射鏡およびコンタクト層をこの順に含んで構成された半導体レーザと、
前記活性層の発光領域に対応して光透過部を有すると共に、前記発光領域の周辺領域に対応して金属部を有し、前記コンタクト層に接して設けられた光制御層と、
前記光制御層の光透過部を透過した光を変調する光変調器と
を備え、
前記金属部は、前記半導体レーザに接する第１金属部と、前記光変調器に接する第２金属部とを互いに直接貼り合わせることにより形成されたものであり、
前記光透過部は、前記半導体レーザに接する第１光透過部と、前記光変調器に接する第２光透過部とを互いに直接貼り合わせることにより形成されたものである
半導体レーザ装置。
前記光透過部は、ウエットエッチング法により絶縁物質を選択的に除去することにより形成されたものである
請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記光変調器は、第２コンタクト層、および前記半導体レーザからの光を変調する光変調層を前記半導体レーザ側からこの順に含んで構成され、
前記第１金属部が、前記半導体レーザのコンタクト層に接しており、
前記第２金属部が、前記第２コンタクト層に接している
請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記金属部は、前記半導体レーザおよび光変調器の双方の電極として機能する
請求項３に記載の半導体レーザ装置。