JP5501802B2 - 分布帰還型半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）の製造方法に関する。

ファブリペロー共振器を用いたファブリペローレーザ（ＦＰレーザ）は、共振器の両端面間に光を閉じ込めて発振をさせ、共振器の一方の端面からレーザ光を出射する構造を有している。しかしながら、ＦＰレーザは、発振波長が不安定であり、定常状態において駆動電流や温度に応じて発振波長が変化し、高速変調時にはマルチモードで動作する。一方、ＤＦＢ半導体レーザは、共振器内部に回折格子を有しており、特定の波長のレーザ光を選択的に増幅するため、シングルモードで発振を行うことができる。従来のＤＦＢ半導体レーザは、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１では、活性層に流れ込む電流密度を増加させるため、活性層の上部に電流狭窄層を有している。

特開２００３−０６９１４５号公報

しかしながら、構造が複雑化して半導体層数が多くなると、電流狭窄層形成前のエッチングとして、イオン種の異なるドライエッチングを行う必要があり、製造コストが増加するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電流狭窄構造を有するＤＦＢ半導体レーザを製造する際に、製造コストの増加を抑制可能なＤＦＢ半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るＤＦＢ半導体レーザの製造方法は、活性層上に、光ガイド層、上部第１クラッド層、エッチストップ層、及び上部第２クラッド層を順次積層する工程と、前記上部第２クラッド層上に、回折格子を形成する工程と、前記回折格子上に、上部第３クラッド層を形成する工程と、前記第３クラッド層上に、コンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上に、共振長方向に延びたパターンを形成し、このパターンをマスクとして、前記コンタクト層、前記上部第３クラッド層、前記回折格子及び前記上部第２クラッド層をエッチングし、前記コンタクト層、前記上部第３クラッド層、前記回折格子及び前記上部第２クラッド層の側面と前記エッチストップ層の表面を露出させる工程と、前記エッチストップ層上の露出領域上に、電流狭窄層を形成し、この電流狭窄層によって、前記コンタクト層、前記上部第３クラッド層、前記回折格子及び前記上部第２クラッド層の露出した側面を覆う工程と、を備え、前記上部第２クラッド層、前記回折格子、前記上部第３クラッド層、及び、前記コンタクト層は、いずれもＧａ及びＡｓを含有しており、前記エッチングは、同一のエッチング液によって行われ、前記活性層は、ＡｌＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる量子井戸構造を有しており、前記光ガイド層、前記上部第１クラッド層、前記エッチストップ層、前記上部第２クラッド層、前記回折格子、及び、前記上部第３クラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなり、前記回折格子の屈折率は、前記上部第１クラッド層及び前記上部第２クラッド層よりも高いことを特徴とする。

この構造の場合、単一のエッチング液を用いてウエット・エッチングを行うことが可能であるため、製造コストを低減させることが可能となる。

特に、前記上部第２クラッド層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.４３±０.０１）からなり、前記回折格子はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.３０±０.０１）からなり、前記上部第３クラッド層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.４３±０.０１）からなり、前記コンタクト層はＧａＡｓからなり、前記エッチストップ層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.７０±０.０１）からなる場合には、エッチング液としてクエン酸系エッチャントを用いてエッチングを行うことができる。

また、この製造方法は、上記光ガイド層を上部光ガイド層とし、下部光ガイド層上に前記活性層を形成する工程を更に備え、前記下部光ガイド層と前記上部光ガイド層の合計厚みが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように、前記下部及び上部光ガイド層を成長させることを特徴とする。このような複雑な構造の場合には、ＤＦＢ半導体レーザの性能を著しく向上させることができ、このような複雑な構造も、同種の材料を用いて各層を形成することができるので製造工程を簡略化することができ、上述の製造方法を用いることで、更に製造コストを低下させることができる。

本発明のＤＦＢ半導体レーザの製造方法によれば、製造コストを低減させることが可能となる。

ＤＦＢ半導体レーザ１００の斜視図である。 図１に示したＤＦＢ半導体レーザ１００のＩＩ−ＩＩ矢印線断面図である。 ＤＦＢ半導体レーザの正面図である。 半導体層の物性を示す図表である。 回折格子近傍の断面図である。 ビーム形状を示す図である。 光ガイド層の厚さＴ_Ｇと放射角θと光閉じ込め係数ΓＱＷの関係を示すグラフである。 光ガイド層の厚さＴ_Ｇと、放射角θ、光閉じ込め係数ΓＱＷ及び性能指数ＦＯＭの関係を示すグラフである。 駆動電流Ｉｆ（ｍＡ）に対する光出力Ｐｏ（ｍＷ）、光出力微分値ＳＥ（Ｗ／Ａ）、電極間電圧Ｖｆ（Ｖ）、電極間抵抗Ｒｄ（ｏｈｍ）を示すグラフである。 放射角θ（ｄｅｇ）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである。 図８のグラフのデータを示す図表である。 垂直方向の放射角θ（ｄｅｇ）（実線）と水平方向の放射角θ（ｄｅｇ）（点線）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである。 比較例に係るＤＦＢレーザの垂直方向の放射角θ（ｄｅｇ）（実線）と水平方向の放射角θ（ｄｅｇ）（点線）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 ＤＦＢ半導体レーザの温度特性を示すグラフである。 ＤＦＢ半導体レーザの駆動電流Ｉｆ（ｍＡ）と光出力Ｐｏ（ｍＷ）の関係を示すグラフである。 実施例に係るレーザの波長依存性を示すものであり、横軸は波長λ（ｎｍ）、縦軸は光出力Ｐｏ（ｍＷ）（対数）を示している。 実施例（Ｙ_Ｇ＝９０ｎｍ）の場合のＦＦＰにおける放射角θ（ｄｅｇ）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである。 Ｂの比較例の場合の動電流Ｉｆ（ｍＡ）に対する光出力Ｐｏ（ｍＷ）、光出力微分値ＳＥ（Ｗ／Ａ）を示すグラフである。 図１２及び図１３のグラフのデータを示す図表である。 図１２及び図１３のグラフのデータを示す図表である。

以下、実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）について説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、ＤＦＢ半導体レーザ１００の斜視図、図２は図１に示したＤＦＢ半導体レーザ１００のＩＩ−ＩＩ矢印線断面図、図３はＤＦＢ半導体レーザの正面図である。また、各要素の具体的な材料、Ａｌ組成比Ｘ、厚み、屈折率、エネルギーバンドギャップ、導電型、不純物濃度は、図４の表に示す通りである。なお、導電型のＩ型は真性半導体を意味するが、現実的には極めて低い不純物濃度１×１０^１５ｃｍ^−３以下のＰ型半導体であることを意味している。

ＤＦＢ半導体レーザ１００は、化合物半導体からなるものであり、半導体基板１上に、下部クラッド層２、下部光ガイド層３、半絶縁性の活性層４、上部光ガイド層５、上部第１クラッド層６、光ブロック層（エッチストップ層）７、上部第２クラッド層８、回折格子（層）９、上部第３クラッド層１０、コンタクト層（キャップ層）１１を順次形成したものである。クラッド層の屈折率は、活性層４の平均屈折率よりも低く、光閉じ込め層として機能している。全てのクラッド層２，６，８，１０のＡｌ組成比は同一であり、エネルギーバンドギャップも等しいが、多少の相違があってもよい。また、クラッド層の屈折率は、隣接する光ガイド層３，５の屈折率よりも低い。光ガイド層３，５は、量子井戸構造の活性層４を構成する井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、大きなエネルギーバンドギャップを有し、かつ井戸層よりも低い屈折率を有している。

上部電極Ｅ１は、コンタクト層１１に接触しており、Ｚ軸方向に沿って延びている。また、下部電極Ｅ２は、半導体基板１の裏面の全面に接触している。なお、電極と半導体との界面では、これらの良好なオーミック接触がとれるように、界面における半導体の不純物濃度を高めておくことができる。電極材料としては、金（Ａｕ）を用いることができる。Ｚ軸方向は、レーザの共振長（Ｌ：図２）の方向に一致している。同図では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系が示されている。共振長の方向をＺ軸とすると、各半導体層の積層方向はＹ軸方向であり、これらの双方の軸に垂直な方向（幅方向）がＸ軸方向となる。このＤＦＢ半導体レーザにおいては、活性層４のＺ軸に垂直な端面からレーザ光ＬＢが出射される。活性層４の光出射面とは逆側の端面には、反射防止（ＡＲ）膜または高反射（ＨＲ）膜などの端面膜Ｒが形成されている。

なお、コンタクト層１１のＸ軸方向に沿った外側の領域の上部第３クラッド層１０、回折格子９、上部第２クラッド層８は、エッチングされており、これらはメサ型に加工され、コンタクト層１１の直下の領域に電流通過領域が制限され、電流狭窄構造が形成されている。エッチングされた領域には、エッチストップ層７上に電流狭窄層（埋め込み層）１２（１２Ａ，１２Ｂ）が形成されており、電流狭窄層１２の屈折率はクラッド層よりも低いため、光の漏れが抑制されている。電流狭窄層１２Ａ，１２Ｂ間のＸ軸方向の開口幅Ｗは本例では５μｍに設定されている。なお、本例の共振長Ｌは、１.０ｍｍである。

クラッド層等のエッチングは、光ブロック層（エッチストップ層）７によって停止しており、上部第１クラッド層６はエッチングされずに残留している。エッチストップ層７は、Ａｌの組成比をクラッド層８，１０よりも高めることで、エッチング液に対する耐性を向上させたものである。なお、Ａｌ含有量が多いほど低屈折率で高抵抗となるが、エネルギーバンドギャップは大きくなる。

エッチストップ層７は、屈折率が低いため、活性層４から回折格子９に至る光を抑制する光ブロック層として機能している。すなわち、回折格子９の屈折率はクラッド層６，８よりも高く、屈折率が高い半導体層には光が吸い込まれる傾向がある。したがって、かかる場合には、本来、活性層４に集中させる光パワーの一部が、回折格子９に大きく移動してしまい、レーザ光強度が低下する。エッチストップ層７は、低屈折率の光ブロック層として機能することで、必要以上に光パワーが回折格子９内に入ることを抑制し、レーザ光強度の低下を防止している。

活性層４は、ＡｌＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる量子井戸構造を有しており、井戸層が１つの場合にはシングル量子井戸構造、井戸層が２つの場合にはダブル量子井戸構造を構成している。井戸層の数は３以上であってもよい。バリア層のエネルギーバンドギャップは、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きい。多重量子井戸構造を用いた場合、高出力のレーザ光を得ることができるが、井戸数の増加に伴ってＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）が増加する場合がある。

各半導体層のＡｌの組成比Ｘは、誤差等を考慮すると、少なくとも以下の範囲をとることができる。

下部クラッド層２における組成比Ｘ：０.４３±０.０１
下部光ガイド層３における組成比Ｘ：０.３６±０.０１
半絶縁性の活性層４における組成比Ｘ：０.１５±０.０１
上部光ガイド層５における組成比Ｘ：０.３６±０.０１
上部第１クラッド層６における組成比Ｘ：０.４３±０.０１
光ブロック層７における組成比Ｘ：０.７０±０.０１
上部第２クラッド層８における組成比Ｘ：０.４３±０.０１
回折格子（層）９における組成比Ｘ：０.３０±０.０１
上部第３クラッド層１０における組成比Ｘ：０.４３±０.０１

回折格子４の形状としては種々のものが考えられる。低屈折率のクラッド層内に周期的に埋設された高屈折率の半導体層は、Ｘ軸方向に沿って延びたストライプ状の半導体領域からなり、これらの半導体領域間の間隔Ｚｐ（回折格子の周期：図２参照）によって、レーザ光の波長が決定される。すなわち、回折格子４が含まれる導波路の有効屈折率をｎ、回折格子４の次数をｍとすると、ブラッグ波長λ_Ｂは概ね２ｎＺｐ／ｍで与えられ、この波長が選択的に増幅され、レーザ光として出射される。

もちろん、ＹＺ断面における表面形状は、図５に示すように、三角波形状であってもよい。すなわち、クラッド層８の表面をＹＸ断面内において三角波形状にエッチングにて加工し、この上に、高屈折率の回折格子（層）９を形成し、更に、回折格子層９をクラッド層１０で埋め込む構造とすることができる。なお、５０ｎｍ厚の膜厚の場合、単なる凸凹では膜厚を正確に制御することが難しいため、回折格子はストライプ状に形成する方が好ましい。

なお、回折格子層９を第３のクラッド層１０に埋め込む理由は、発振波長を変えた場合、活性層から回折格子層までの距離が変わるが、そのような場合であっても、回折格子層の埋め込み位置を変更するだけで対応可能であるため、設計変更の際の汎用性が高いという利点があるからである。

図６は、レーザビームＬＢのＸＹ平面内における形状を示している。（Ａ）は遠視野パターン（ＦＦＰ）を示しており、（Ｂ）は近視野パターン（ＮＦＰ）を示している。各パターンの境界線は半値幅を与える位置で示されている。すなわち、光強度ピークは中心位置（原点）に位置しているが、この位置における光強度の半分の強度となる位置までの距離を半値幅とし、この位置がビームパターンの外縁として示されている。

ＮＦＰにおいて、垂直方向の距離（Ｙ_ＮＦＰ）を半値幅σ_ＹＮとし、この位置がビームパターンの外縁として示されているが、半値幅σ_ＹＮの２倍の距離２σ_ＹＮは半値全幅（ＦＷＨＭ）である。同様に、原点における強度の水平方向の半値幅σ_ＸＮの２倍の距離２σ_ＸＮは半値全幅（ＦＷＨＭ）である。ＦＦＰにおいても、垂直方向の距離（Ｙ_ＦＦＰ）を半値幅σ_ＹＦとし、この位置がビームパターンの外縁として示されているが、半値幅σ_ＹＦの２倍の距離２σ_ＹＦは半値全幅（ＦＷＨＭ）である。同様に、原点における強度の水平方向の半値幅σ_ＸＦの２倍の距離２σ_ＸＦは半値全幅（ＦＷＨＭ）である。

レーザ光の放射角は、ＮＦＰの外縁位置から、これに対応するＦＦＰの外縁位置に延びるベクトルと、Ｚ軸となす角度の２倍で与えられ、光強度分布のＦＷＨＭに対応する。垂直方向であれば、＋Ｙ_ＮＦＰの位置から＋Ｙ_ＦＦＰの位置に延びるベクトルが、Ｚ軸となす角度の２倍が放射角θとなる。レーザ光の強度分布はガウス分布であって、中心位置に対して対称であるため、換言すれば、放射角θは、＋Ｙ_ＮＦＰの位置から＋Ｙ_ＦＦＰの位置に延びるベクトルと、−Ｙ_ＮＦＰの位置から−Ｙ_ＦＦＰの位置に延びるベクトルとのなす角に等しい。

同様に、水平方向であれば、＋Ｘ_ＮＦＰの位置から＋Ｘ_ＦＦＰの位置に延びるベクトルが、Ｚ軸となす角度の２倍が水平方向の放射角となる。なお、放射角で特に問題となるのは、角度の大きな方の放射角、すなわち、垂直方向の放射角θである。

図７は、光ガイド層３，５の合計厚みＹ_Ｇ（ｎｍ）と、垂直方向の放射角θ（ｄｅｇ）、光閉じ込め係数ΓＷＱ（％）の関係を示すグラフである。なお、このグラフはシミュレーションによって求めたものである。

同グラフにおいて、７６０−ＳＱＷ−ＦＦＰは、レーザ光の中心波長が７６０ｎｍであり、活性層の構造がＳＱＷ（シングル量子井戸構造）における、ＦＦＰにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。同様に、７６０−ＤＱＷ−ＦＦＰは、レーザ光の中心波長が７６０ｎｍであり、活性層の構造がＤＱＷ（ダブル量子井戸構造）における、ＦＦＰにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。８３０−ＳＱＷ−ＦＦＰは、レーザ光の中心波長が８３０ｎｍであり、活性層の構造がＳＱＷにおける、ＦＦＰにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。８３０−ＤＱＷ−ＦＦＰは、レーザ光の中心波長が８３０ｎｍであり、活性層の構造がＤＱＷにおける、ＦＦＰにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。９８０−ＳＱＷ−ＦＦＰは、レーザ光の中心波長が９８０ｎｍであり、活性層の構造がＳＱＷにおける、ＦＦＰにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。なお、波長７６０ｎｍと８３０ｎｍでは図４の表に示した値を用いたが、９８０ｎｍ帯では、光ガイド層としてＡｌ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓ、クラッド層としてＡｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓを用いた点のみが異なる。

同グラフにおいて、７６０−ＳＱＷ−Γは、レーザ光の中心波長が７６０ｎｍであり、活性層の構造がＳＱＷにおける、光閉じ込め係数ΓＱＷのデータを示している。同様に、７６０−ＤＱＷ−Γは、レーザ光の中心波長が７６０ｎｍであり、活性層の構造がＤＱＷにおける、光閉じ込め係数ΓＱＷのデータを示している。８３０−ＳＱＷ−Γは、レーザ光の中心波長が８３０ｎｍであり、活性層の構造がＳＱＷにおける、光閉じ込め係数ΓＱＷのデータを示している。８３０−ＤＱＷ−Γは、レーザ光の中心波長が８３０ｎｍであり、活性層の構造がＤＱＷにおける、光閉じ込め係数ΓＱＷのデータを示している。９８０−ＳＱＷ−Γは、レーザ光の中心波長が９８０ｎｍであり、活性層の構造がＳＱＷにおける、光閉じ込め係数ΓＱＷのデータを示している。

光ガイド層厚が１０００ｎｍ（１μｍ）前後から２０００ｎｍ至る領域では、従来のように、光ガイド層の厚みを大きくすることで、垂直方向の放射角は小さくなることが判明したが、本願発明者らは、光ガイド層が極端に薄くなってきた場合、すなわち、少なくとも２００ｎｍ以下になると、放射角が小さくなり、且つ、発振閾値も低下するという臨界的な厚み範囲（Ｒ_ＰＥＡＫ）が存在することを見出した。もちろん、光ガイド層の厚みが極端に低下した場合には、発振閾値は上昇してしまうが、少なくとも５０ｎｍ以上であれば、発振閾値を十分に低くすることができる厚み範囲が存在することを発見した。

遠視野像における垂直方向の放射角θは小さい方が好ましく、発振閾値（電流）も小さい方が好ましいが、発振閾値は、概ね、光閉じ込め係数ΓＱＷの逆数に比例するため、光閉じ込め係数は大きい方が好ましいということになる。すなわち、このＤＦＢ半導体レーザの性能指数（Ｆｉｇｕｒｅ Ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）ＦＯＭを、ＦＯＭ＝（ΓＱＷ／θ）^２と定義すると、ＦＯＭは光ガイド層の厚みが５０ｎｍ〜２００ｎｍの間に、ピークを有するのである。

図８は、光ガイド層３，５の合計厚みＹ_Ｇ（ｎｍ）と、規格化（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）されたＦＯＭ（ａ．ｕ．）、垂直方向の放射角θ（ｄｅｇ）及び光閉じ込め係数ΓＷＱ×１０（％）の関係を示すグラフである。ＦＯＭは、５０ｎｍ〜２００ｎｍの間に、ピークを有しているのが分かる。図１１は、このグラフデータを示す図表である。

このグラフは、８３０ｎｍ−ＤＱＷの構造の放射角θを光閉じ込め係数ΓＱＷで除した値の２乗をＦＯＭとして示している。ΓＱＷは誤差を含んでいるので、７６０ｎｍ帯（ＳＱＷとＤＱＷ）及び８３０ｎｍ帯（ＳＱＷとＤＱＷ）の計４つのデータを平均化して演算に用いたが、これは単独の値を用いてもＦＯＭは５０ｎｍ〜２００ｎｍの間にピークが存在し、また、他の波長帯の放射角θに関しても同様にＦＯＭのピークをＹ_Ｇ＝５０ｎｍ〜２００ｎｍに有することができる。もちろん、Ｙ_Ｇ＝８０ｎｍ〜１４０ｎｍが更に好ましく、Ｙ_Ｇ＝１００ｎｍ〜１２０ｎｍが更に好ましい。なお、結晶構造の各層を形成するＡｌＧａＡｓ材料は、成長装置の精度でＡｌ組成±１％程度の誤差が生じ、これに伴う屈折率変化が生じる。ΓＱＷの値はこの屈折率変化の影響を受けるため、ΓＱＷにおいても±０．５％程度の誤差があるが、結論における範囲Ｒ_ＰＥＡＫの優位性は変わらない。

なお、光閉じ込めが良好に実現しない場合、ΓＱＷが０．５％を下回る。これは、利得領域における光量が足りないことを意味し、発振特性が得られない。８３０ｎｍ帯においてガイド幅Ｔ_Ｇを８０ｎｍ〜１４０ｎｍに２０ｎｍ刻みで変化させたとき、垂直放射角は１５度〜２０度となる。なお、量子井戸数を３以上にすると、そこだけで５０ｎｍ程度の幅を占有するため、設計の自由度が低下する。したがって、井戸数は１又は２が望ましい。ガイド幅Ｔ_Ｇが５０ｎｍ以下となると、ΓＱＷが下がりすぎてしまうため、良好な発振特性が得られなくなる。また、２００ｎｍ以上となると、垂直放射角の拡大が誘発される。

図９は、Ｙ_Ｇ＝８０ｎｍ〜１４０ｎｍの場合の駆動電流Ｉｆ（ｍＡ）に対する光出力Ｐｏ（ｍＷ）、光出力微分値ＳＥ（Ｗ／Ａ）、電極間電圧Ｖｆ（Ｖ）、電極間抵抗Ｒｄ（ｏｈｍ）を示すグラフである（実験値）。Ｙ_Ｇの増加に伴って発振の閾値は低下していることがわかる。

図１０は、Ｙ_Ｇ＝８０ｎｍ〜１４０ｎｍの場合のＦＦＰにおける放射角θ（ｄｅｇ）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである（実験値）。同グラフにおけるＦＦＰ−Ｈは水平方向の光強度分布を示し、ＦＦＰ−Ｖは垂直方向の光強度分布を示している。垂直方向の光強度分布のＦＷＨＭを与える放射角θは、Ｙ_Ｇ＝８０ｎｍの場合には１６．１（ｄｅｇ）、Ｙ_Ｇ＝１００ｎｍの場合には１８．３（ｄｅｇ）、Ｙ_Ｇ＝１２０ｎｍの場合には２０．２（ｄｅｇ）、Ｙ_Ｇ＝１４０ｎｍの場合には２１．８（ｄｅｇ）である。

図１２は、Ｙ_Ｇ＝８０ｎｍ〜１４０ｎｍの場合のＦＦＰにおける垂直方向の放射角θ（ｄｅｇ）（実線）と水平方向の放射角θ（ｄｅｇ）（点線）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである（計算値）。また、図１３は、比較例に係るＤＦＢレーザのデータを示すグラフであり、ＦＦＰにおける垂直方向の放射角θ（ｄｅｇ）（実線）と水平方向の放射角θ（ｄｅｇ）（点線）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係が示されている（計算値）。図２６及び図２７は、それぞれ図１２及び図１３のデータを得るための元データを示す図表であり、それぞれ規格化前のデータ及び規格化後のデータを示している。なお、表内のＦＦＰ−Ｈは水平方向のデータを示し、ＦＦＰ−Ｖは垂直方向のデータを示している。

同グラフによれば、実施例（Ａ）〜（Ｄ）の数値では、ＦＷＨＭにおける放射角θは狭くなっている。また、実施例のアスペクト比（水平方向の放射角と垂直方向の放射角の比率）も小さくなっており、ビーム形状が真円に近くなるため、デバイスへの応用が容易となっている。

上述の構造に係るＤＦＢ半導体レーザでは、Ｐ型の上部クラッド層をアノードとし、Ｎ型の下部クラッド層をカソードとするダイオードが構成されている。駆動電流は、ダイオードの順方向、すなわち、上部電極Ｅ１から下部電極Ｅ２に向けて流れ、この際に活性層４内におけるキャリア再結合により発生した光は、一部分が光ブロック層７を超えて、回折格子９に至り、活性層４の端面から出射されるレーザ光ＬＢの波長を単一の値に固定する。回折格子９と活性層４との間の距離は、クラッド層６，８の製造時間と、垂直方向の光伝播における損失を低減するため、可能な限り近づけた方が好ましいが、これらの距離を近づけた場合に、光ブロック層７がない場合には、多くの光が回折格子９において吸収され、レーザ光出力が低下してしまう。

すなわち、このＤＦＢ半導体レーザは、光ブロック層７を備えているので、回折格子９を活性層４に近づけた場合においても、高効率の発光をすることができる。換言すれば、活性層４から回折格子９までの距離（ｔ５＋ｔ６＋ｔ７＋ｔ８）を、３００ｎｍ〜７００ｎｍにした場合に、この構造は特に有効である。また、同様の理由から、回折格子層９の下端位置は、リッジ部分（突き出した部分）のトータル厚さ（ｔ８＋ｔ９＋ｔ１０＋ｔ１１）に対して、エッチストップ層上端から１／３以内に位置することが好ましい。また、光ブロック層７は、埋め込み型の電流狭窄構造を形成する場合のエッチストップ層としても機能しているため、製造プロセスの観点からも有用である。なお、光ブロック層７は、活性層４からコンタクト層１１に至る光も抑制しているので、コンタクト層１１を光吸収に起因する劣化から抑制することもできる。

図１４〜図２０は、上述のＤＦＢ半導体レーザの製造方法を説明するための図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図を示している。

まず、図１４に示すように、基板１上に、各層２，３，４，５，６，７，８，９を順次積層する。すなわち、半導体基板１上に、下部クラッド層２、光ガイド層３、活性層４上には、光ガイド層５、上部第１クラッド層６、エッチストップ層７、及び上部第２クラッド層８が順次積層され、更に、その上に回折格子９となる高屈折率の化合物半導体層（９）が形成される。なお、この積層工程における結晶成長には、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いる。製造時のＡｌ原料としてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ原料としてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓ原料としてはアルシン（ＡｓＨ_３）を用いることができ、成長温度は６００℃〜７５０℃を採用することができる。各層１〜９の成長後、基板を結晶成長炉から取り出す。

次に、図１５に示すように、最表面のＰ型のＡｌＧａＡｓ（Ａｌの組成比Ｘ＝０．３０）にホトレジストＰＲ１を塗布し、干渉露光により、回折格子の周期Ｚｐが２５０ｎｍ程度となるように露光し、ホトレジストＰＲ１からなる回折格子を形成する。

次に、図１６に示すように、ホトレジストＰＲ１にて形成された回折格子をマスクとして回折格子層９のエッチングを行い、ホトレジストＰＲ１を除去する。これにより、上部第２クラッド層８上に回折格子９が形成される。このエッチングには、ウエット・エッチングを用いることができる。ウエット・エッチングの場合のエッチング液としては、Ｂｒ系エッチャントを用いることができる。

次に、図１７に示すように、基板をＭＯＣＶＤ結晶成長炉に導入し、回折格子９上に、Ｐ型のＡｌＧａＡｓ（Ａｌの組成比Ｘ＝０．４３）クラッド層１０と、Ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１を順次成長する。成長時の原料と温度は上述の通りである。すなわち、この製造方法は、回折格子９上に、上部第３クラッド層１０を形成する工程と、上部第３クラッド層１０上に、コンタクト層１１を形成する工程とを備えている。

次に、図１８に示すように、コンタクト層１１の表眼に窒化珪素（ＳｉＮ_Ｘ）層１３を蒸着し、続いて、この上にホトレジストＰＲ２の塗布を行い、ホトレジストＰＲ２を露光と現像によるリソグラフィによって加工することで、幅Ｗ（図３参照）が５ｍｍ程度のレジストパターンを形成すする。パターニングされたホトレジストＰＲ２を用いて、窒化珪素層１３の露出領域をＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いて除去する。

次に、図１９に示すように、ホトレジストＰＲ２を除去し、窒化珪素層１３をマスクとして、クエン酸系のエッチング液（クエン酸水溶液）を用い、光ブロック層（エッチストップ層）７まで、クラッド層及び回折格子層のエッチングを行い、リッジ構造を形成する。

詳説すれば、この製造方法は、コンタクト層１１上に、共振長方向に延びたパターン（窒化珪素層１３）を形成し、このパターンをマスクとして、コンタクト層１１、上部第３クラッド層１０、回折格子９及び上部第２クラッド層８をエッチングする。これにより、コンタクト層１１、上部第３クラッド層１０、回折格子９及び上部第２クラッド層８の側面が露出し、また、エッチストップ層７の表面も露出する。この構造の場合、単一のエッチング液を用いてウエット・エッチングを行うことが可能であるため、製造コストを低減させることが可能となる。

次に、図２０に示すように、リッジ構造が形成された基板をＭＯＣＶＤ結晶成長炉に導入し、選択埋め込み成長を行い、電流狭窄層１２を形成する。電流狭窄層１２の材料はｎ型のＡｌＧａＡｓ（Ａｌの組成比Ｘ＝０．５０）とする。すなわち、エッチストップ層７上の露出領域上に、電流狭窄層１２を形成し、この電流狭窄層１２によって、コンタクト層１１、上部第３クラッド層１０、回折格子９及び上部第２クラッド層８の露出した側面を覆う。なお、上部第２クラッド層８、回折格子９、上部第３クラッド層１０、及び、コンタクト層１１は、いずれもＧａ及びＡｓを含有しており、エッチングは、同一のエッチング液によって行われる。このエッチングは、Ａｌの組成比Ｘが上述の範囲にある場合には、好適に行うことができる。

最後に、電極Ｅ１，Ｅ１を蒸着により形成し、レーザの背面側に端面膜Ｒを形成することで、図１〜図３に示したＤＦＢ半導体レーザ１００が完成する。

なお、上述の化合物半導体層の形成において、Ｎ型の不純物としてはＳｉを用い、Ｐ型の不純物としてはＺｎを用いることができる。

図２１は、上述のＤＦＢ半導体レーザの温度特性を示すグラフである。横軸は温度Ｔ（℃）、縦軸は光出力Ｐｏ（ｍＷ）と、レーザ光の波長λ（ｎｍ）を示している。実線は光出力のデータ、点線は波長のデータを示しており、Ａは図４に示した実施例（但し、下部クラッド層の厚みは３μｍ）、Ｂは比較例のデータを示している。実施例の駆動電流は２５０ｍＡ、比較例の駆動電流は２２０ｍＡである。

この比較例では、光ガイド層の厚みを増加させており、下部光ガイド層は５００ｎｍ、上部光ガイド層は１５０ｎｍの厚みを有している。この比較例における下部クラッド層の厚みは１．５μｍ、組成Ｘは０．４３、屈折率ｎは３．３２７０であり、下部および上部光ガイド層の組成比Ｘは０．３８７、屈折率は３．３５３３であり、エッチストップ層上にもクラッド層８に代えて光ガイド層（組成Ｘ＝０．３８７、厚み３５０ｎｍ）を挿入し、上部第３クラッド層として厚さ１．０５μｍ、組成比Ｘ＝０．４３のクラッド層を導入したものである。垂直方向の放射角θは、計算によれば２３．５（ｄｅｇ）、実験によれば２３．７±０．２（ｄｅｇ）であった。

実施例の温度特性は、光出力の変化率が比較例よりも小さいという優位性を有している。また、実施例の垂直方向の放射角θは１８（ｄｅｇ）であり、実施例及び比較例における波長の変化率は、それぞれ１℃あたり測定範囲の平均で＋０．０７ｎｍ（両方共通）であった。また、実施例及び比較例における光出力の温度変化率は、測定範囲の平均で、それぞれ１℃あたり０.６ｍＷおよび２．８ｍＷであった。なお、実施例では２０℃から７０℃の温度を変化させ、比較例では０℃から５０℃の温度を変化させている。

なお、Ｂの比較例において、光ガイド層のＡｌの組成比を３８．２％にした場合、垂直方向の放射角θは２４．４（ｄｅｇ）（計算）、２４．７±０．２（ｄｅｇ）（実験）が得られた。

図２２は、上述の実施例に係るＤＦＢ半導体レーザの駆動電流Ｉｆ（ｍＡ）と光出力Ｐｏ（ｍＷ）の関係を示すグラフである。光出力の微分値ＳＥは０．８〜１．０（Ｗ／Ａ）である。温度を上昇させるにしたがって、閾値電流が高くなっていることが分かる。

図２３は、実施例に係るレーザの波長依存性を示すものであり、横軸は波長λ（ｎｍ）、縦軸は光出力Ｐｏ（ｍＷ）（対数）を示している。光出力５０ｍＷのときの、中心波長λは８３５．５２ｎｍ、ＦＷＨＭは０．１１４（ｎｍ）、光出力１００ｍＷのときの、中心波長λは８５５．６８ｎｍ、ＦＷＨＭは０．１１（ｎｍ）、光出力１５０ｍＷのときの、中心波長λは８３５．８４ｎｍ、ＦＷＨＭは０．１４８（ｎｍ）、光出力２００ｍＷのときの、中心波長λは８３６．３２ｎｍ、ＦＷＨＭは０．１０４（ｎｍ）、光出力２５０ｍＷのときの、中心波長λは８３６．４８ｎｍ、ＦＷＨＭは０．１６２（ｎｍ）、光出力３００ｍＷのときの、中心波長λは８３６．８８ｎｍ、ＦＷＨＭは０．１４４（ｎｍ）であり、波長変動が少ないことが分かる。

図２４は、上記実施例（Ｙ_Ｇ＝９０ｎｍ）の場合のＦＦＰにおける放射角θ（ｄｅｇ）に対するレーザ光強度Ｉ（ａ．ｕ．）（規格化）の関係を示すグラフである（実験値）。同グラフにおけるＦＦＰ−Ｈは水平方向の光強度分布を示し、ＦＦＰ−Ｖは垂直方向の光強度分布を示している。垂直方向の光強度分布のＦＷＨＭを与える放射角θは、１８．２（ｄｅｇ）、水平方向の放射角θは５．１（ｄｅｇ）であり、光出力Ｐｏは１００ｍＷである。

図２５は、上記Ｂの比較例の場合の駆動電流Ｉｆ（ｍＡ）に対する光出力Ｐｏ（ｍＷ）、光出力微分値ＳＥ（Ｗ／Ａ）を示すグラフである（実験値）。図９に示した本発明のものよりも閾値が高くなっている。すなわち、本発明は、比較例よりも発振閾値が低い（４５ｍＡよりも低い）という優位性を有している。なお、点線は、冷却型のパッケージ内に素子を入れた場合の特性を示しており、直線性が向上することがわかる。なお。実線の比較例のデータは、直径９ｍｍの金属パッケージ内に素子を収納した状態で計測したものである。

１・・・半導体基板、２・・・下部クラッド層、３・・・下部光ガイド層、４・・・活性層、５・・・上部光ガイド層、６・・・上部第１クラッド層、７・・・光ブロック層（エッチストップ層）、８・・・上部第２クラッド層、９・・・回折格子、１０・・・上部第３クラッド層、１１・・・コンタクト層（キャップ層）。

Claims (3)

1. 分布帰還型半導体レーザの製造方法において、
   活性層上に、光ガイド層、上部第１クラッド層、エッチストップ層、及び上部第２クラッド層を順次積層する工程と、
   前記上部第２クラッド層上に、回折格子を形成する工程と、
   前記回折格子上に、上部第３クラッド層を形成する工程と、
   前記上部第３クラッド層上に、コンタクト層を形成する工程と、
   前記コンタクト層上に、共振長方向に延びたパターンを形成し、このパターンをマスクとして、前記コンタクト層、前記上部第３クラッド層、前記回折格子及び前記上部第２クラッド層をエッチングし、前記コンタクト層、前記上部第３クラッド層、前記回折格子及び前記上部第２クラッド層の側面と前記エッチストップ層の表面を露出させる工程と、
   前記エッチストップ層上の露出領域上に、電流狭窄層を形成し、この電流狭窄層によって、前記コンタクト層、前記上部第３クラッド層、前記回折格子及び前記上部第２クラッド層の露出した側面を覆う工程と、
   を備え、
   前記上部第２クラッド層、前記回折格子、前記上部第３クラッド層、及び、前記コンタクト層は、いずれもＧａ及びＡｓを含有しており、前記エッチングは、同一のエッチング液によって行われ、
   前記活性層は、ＡｌＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなる量子井戸構造を有しており、
   前記光ガイド層、前記上部第１クラッド層、前記エッチストップ層、前記上部第２クラッド層、前記回折格子、及び、前記上部第３クラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなり、
   前記回折格子の屈折率は、前記上部第１クラッド層及び前記上部第２クラッド層よりも高い、
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザの製造方法。
2. 前記上部第２クラッド層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.４３±０.０１）からなり、
   前記回折格子はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.３０±０.０１）からなり、
   前記上部第３クラッド層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.４３±０.０１）からなり、
   前記コンタクト層はＧａＡｓからなり、
   前記エッチストップ層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０.７０±０.０１）からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
3. 前記光ガイド層を上部光ガイド層とし、
   下部光ガイド層上に前記活性層を形成する工程を更に備え、
   前記下部光ガイド層と前記上部光ガイド層の合計厚みが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように、前記下部及び上部光ガイド層を成長させることを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。

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