JP5803313B2 - レーザ素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、民生用機器などに用いられるレーザ素子に関する。

特許文献１には、波長選択性を得るために活性層の上方の層に回折格子を形成したレーザ素子が開示されている。

特開昭６３−１６６９０号公報

回折格子を有するレーザ素子では、回折格子が形成された領域と回折格子が形成されない領域の境界において光密度が増大することがある。この光密度の増大によりＣＯＤ（光学損傷）に至ることがある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回折格子が形成された領域と回折格子が形成されない領域の境界において光密度を低減できるレーザ素子とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ素子は、基板と、該基板の上に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の上に形成され、共振器端面に接しない部分に無秩序化された無秩序部を有する活性層と、該活性層の上に形成された上部クラッド層と、該活性層の上方の層又は下方の層の一部に形成された回折格子と、を備える。そして、該無秩序部は、該回折格子が形成された領域である回折格子部と該回折格子が形成されない領域であるバルク部との境界を横断するように形成されたことを特徴とする。

本発明に係るレーザ素子の製造方法は、基板の上に活性層を形成する工程と、該活性層の上方の層又は下方の層の一部に回折格子を形成する工程と、該活性層のうち、該回折格子が形成される領域である回折格子部と該回折格子が形成されない領域であるバルク部との境界を横断する部分を、共振器端面に接しないように無秩序化する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、回折格子が形成された回折格子部と回折格子が形成されないバルク部の境界を横断するように無秩序部が形成されるため、当該境界において光密度を低減できる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の断面図である。 基板上に活性層を形成したことを示す断面図である。 回折格子を形成したことを示す断面図である。 コンタクト層を形成したことを示す断面図である。 ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。 ＺｎＯ膜のＺｎを拡散させることを示す断面図である。 ＺｎＯ膜を除去したことを示す断面図である。 電極を形成したことを示す断面図である。 比較例のレーザ素子を示す図である。 光ガイド層に回折格子を形成したレーザ素子を示す断面図である。 活性層の下方の光ガイド層に回折格子を形成したレーザ素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係るレーザ素子の断面図である。 ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。 ＺｎＯ膜のＺｎを拡散させることを示す断面図である。 共振器の後端面にも端部無秩序部を形成したレーザ素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係るレーザ素子を示す断面図である。 ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。 ＺｎＯ膜のＺｎを拡散させることを示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係るレーザ素子を示す断面図である。 マスク膜を形成したことを示す断面図である。 Ｓｉイオンの注入を示す断面図である。 Ｓｉイオンの注入により、共振器端部に無秩序部を形成したことを示す断面図である。 Ｓｉイオンの注入により、回折格子下無秩序部を形成したことを示す断面図である。 基板上に活性層を形成したことを示す断面図である。 ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。 Ｚｎ拡散領域を形成したことを示す断面図である。 ＺｎＯ膜を除去したことを示す断面図である。 回折格子を形成したことを示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の断面図である。本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０は、基板１２を備えている。基板１２はｎ型のＧａＡｓで形成されている。基板１２の上には下部クラッド層１４が形成されている。下部クラッド層１４は、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されている。下部クラッド層１４の上には活性層１６が形成されている。活性層１６は、多重量子井戸構造で形成されている。活性層１６は、共振器端面に接しない部分に無秩序化された無秩序部１６ａを有している。無秩序部１６ａは無秩序化されていない部分１６ｂに挟まれている。

活性層１６の上には、上部クラッド層１８が形成されている。上部クラッド層１８は、ｐ型ＡｌＧａＡｓで形成されている。上部クラッド層１８の一部には回折格子１８ａが形成されている。共振器のうち回折格子１８ａが形成された領域を回折格子部２０と称する。また、共振器のうち回折格子１８ａが形成されていない領域をバルク部２２と称する。前述の無秩序部１６ａは、回折格子部２０とバルク部２２との境界を横断するように形成されている。

上部クラッド層１８の上には、コンタクト層２４が形成されている。コンタクト層２４は、ｐ型ＡｌＧａＡｓで形成されている。回折格子部２０とバルク部２２の境界では、コンタクト層２４、上部クラッド層１８、及び活性層１６を貫き、下部クラッド層１４に至るようにＺｎ拡散領域２６が形成されている。Ｚｎ拡散領域２６はＺｎが拡散した領域である。Ｚｎ拡散領域２６における活性層１６は、Ｚｎにより無秩序化されて無秩序部１６ａとなっている。

コンタクト層２４の上には電極３０が形成されている。また、基板１２の裏面には電極３２が形成されている。共振器の前端面には端面コーティング３４が施されている。共振器の後端面には端面コーティング３６が施されている。

続いて、レーザ素子１０の製造方法について説明する。まず、基板の上に活性層１６を形成する。図２は、基板上に活性層を形成したことを示す断面図である。活性層１６は下部クラッド層１４と上部クラッド層１８に挟まれるように形成する。

次いで、活性層の上方の層である上部クラッド層１８の一部に回折格子を形成する。図３は、回折格子を形成したことを示す断面図である。回折格子１８ａは、共振器内の特定の波長の光に利得を持たせるように光を反射するものである。

次いで、上部クラッド層１８の上方にコンタクト層２４を形成する。図４は、コンタクト層２４を形成したことを示す断面図である。回折格子１８ａは、コンタクト層２４により埋め込まれる。次いで、コンタクト層の上にＺｎＯ膜を形成する。図５は、ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。ＺｎＯ膜４０は、回折格子１８ａが形成された回折格子部２０と回折格子が形成されていないバルク部２２との境界の上方に形成する。

次いで、レーザ素子に熱処理を施してＺｎＯ膜４０内のＺｎを共振器に拡散させる。図６は、ＺｎＯ膜のＺｎを拡散させることを示す断面図である。Ｚｎは図６の矢印方向に拡散し、活性層１６に至る。Ｚｎが拡散した領域は拡散領域２６である。拡散したＺｎにより活性層１６の一部が無秩序化されて、無秩序部１６ａが形成される。無秩序部１６ａは、回折格子が形成された回折格子部２０と回折格子が形成されないバルク部２２との境界を横断する部分に形成される。無秩序部１６ａは、無秩序化されていない部分１６ｂよりもエネルギーバンドギャップが大きい。つまり、無秩序部１６ａは窓構造となっている。

次いで、ＺｎＯ膜４０を除去する。図７は、ＺｎＯ膜を除去したことを示す断面図である。次いで、電極３０、及び３２を形成する。図８は、電極を形成したことを示す断面図である。コンタクト層２４の上に電極３０を形成する。また、基板１２の裏面に電極３２を形成する。

次いで、共振器の両端面にコーティングを施す。共振器の前端面に端面コーティング３４を形成する。また、共振器の後端面に端面コーティング３６を形成する。こうして図１に示すレーザ素子１０が完成する。

以下、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０の理解を容易にするため、比較例について説明する。図９は、比較例のレーザ素子を示す図である。図９Ａに示すように、比較例のレーザ素子が備える活性層には無秩序部は形成されていない。比較例のレーザ素子では、回折格子１８ａにおける光の反射により、回折格子部２０とバルク部２２の境界において光密度が最大となる。図９Ｂに、回折格子部２０とバルク部２２の境界において光密度が最大となることを示す。比較例のレーザ素子では、当該境界で光密度が高くなり、ＣＯＤに至ることがある。特にレーザ素子を高出力で用いる場合には、ＣＯＤの懸念が高まる。

ところが、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０によれば、回折格子部２０とバルク部２２の境界を横断するように無秩序部１６ａが形成されているので、この部分での光吸収を抑制できる。つまり、回折格子部２０とバルク部２２との境界における光密度を低減できる。よって、レーザ素子１０のＣＯＤレベルを向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ素子は、回折格子１８ａが形成された回折格子部２０と回折格子が形成されていないバルク部２２との境界を横断するように無秩序部１６ａを形成することが特徴である。本発明の実施の形態１に係るレーザ素子は、この特徴を失わない限りにおいて様々な変形をなしうる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ素子１０は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料で形成したが、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系材料やＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系材料などの材料で形成してもよい。

上記の説明では本発明を分かりやすく説明するため、活性層構造等の詳細なエピ構造を記述しなかったが、活性層の構造は、量子井戸構造のＳＱＷ（シングルカンタムウエル）、ＭＱＷ（マルチカンタムウエル）構造でも良い。また、クラッド層とコンタクト層の間のバンドギャップ緩和のために、これらの間にバンド不連続緩和層を形成しても良い。

また、回折格子１８ａは、上部クラッド層１８以外の層に形成されていてもよい。例えば、レーザ素子に光ガイド層を形成し、光ガイド層に回折格子を形成してもよい。図１０は、光ガイド層に回折格子を形成したレーザ素子を示す断面図である。このレーザ素子は、活性層１６と上部クラッド層１８の間に第１光ガイド層１７ａ、及び第２光ガイド層１７ｂを備えている。そして、第２光ガイド層１７ｂに回折格子１７ｃが形成されている。この場合は、上部クラッド層１８に回折格子を形成する必要はない。

回折格子は、活性層の上方の層に限定されず、活性層の下方の層の一部に形成してもよい。図１１は、活性層の下方の光ガイド層に回折格子を形成したレーザ素子を示す断面図である。このレーザ素子は、活性層１６と下部クラッド層１４の間に第１光ガイド層１５ａ、及び第２光ガイド層１５ｃを備えている。そして、第１光ガイド層１５ａに回折格子１５ｂが形成されている。この場合は、上部クラッド層１８に回折格子を形成する必要はない。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２に係るレーザ素子の断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。レーザ素子の前端面にはＺｎ拡散領域５０が形成されている。Ｚｎ拡散領域５０における活性層１６は無秩序化されて端部無秩序部１６ｃとなっている。端部無秩序部１６ｃは、活性層１６のうち共振器前端面に接する部分に形成されている。

続いて、本発明の実施の形態２に係るレーザ素子の製造方法について、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の製造方法との相違点のみ説明する。図１３は、ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。ＺｎＯ膜５２は共振器前端面の上に形成されている。この状態でレーザ素子を加熱する。図１４は、ＺｎＯ膜のＺｎを拡散させることを示す断面図である。ＺｎＯ膜５２のＺｎが基板方向に拡散してＺｎ拡散領域５０を形成する。なお、実施の形態１と同様にＺｎ拡散領域２６も形成する。

本発明の実施の形態２に係るレーザ素子によれば、回折格子部２０とバルク部２２の境界を横断するように無秩序部１６ａを形成することに加えて、共振器前端面における活性層１６を無秩序化して端部無秩序部１６ｃを形成する。よって、回折格子部２０とバルク部２２の境界、及び共振器前端面におけるＣＯＤを抑制できる。

本発明の実施の形態２に係るレーザ素子では、共振器の前端面に端部無秩序部１６ｃを形成した。しかしながら、共振器の後端面においてＣＯＤが懸念される場合は共振器の後端面にも端部無秩序部を形成してもよい。図１５は、共振器の後端面にも端部無秩序部を形成したレーザ素子を示す断面図である。Ｚｎ拡散領域５１における活性層１６を無秩序化して端部無秩序部１６ｒを形成することができる。端部無秩序部１６ｒの形成工程は、端部無秩序部１６ｃの形成工程と共通化することができる。なお、本発明の実施の形態２に係るレーザ素子は少なくとも実施の形態１と同程度の変形は可能である。

実施の形態３．
図１６は、本発明の実施の形態３に係るレーザ素子を示す断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。回折格子部２０とバルク部２２の境界、及び回折格子部２０には、Ｚｎ拡散領域６０が形成されている。Ｚｎ拡散領域６０における活性層１６は無秩序化されて無秩序部１６ａと回折格子下無秩序部１６ｄとなっている。回折格子下無秩序部１６ｄは、回折格子１８ａの直下部分における活性層１６が無秩序化されたものである。

続いて、本発明の実施の形態３に係るレーザ素子の製造方法について、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の製造方法との相違点のみ説明する。図１７は、ＺｎＯ膜を形成したことを示す断面図である。ＺｎＯ膜６２は回折格子１８ａの直上及び、回折格子部２０とバルク部２２の境界上に形成されている。この状態でレーザ素子を加熱する。図１８は、ＺｎＯ膜のＺｎを拡散させることを示す断面図である。図１８に示すように、ＺｎＯ膜６２のＺｎを基板方向に拡散させてＺｎ拡散領域６０を形成する。

本発明の実施の形態３に係るレーザ素子によれば、回折格子部２０直下の活性層、及び回折格子部２０とバルク部２２の境界の活性層を無秩序化するので、これらの部分におけるＣＯＤを抑制できる。ところで、回折格子は活性層１６の下方の層に形成してもよい。この場合、回折格子部の直上の活性層を無秩序化する。なお、本発明の実施の形態３に係るレーザ素子は少なくともここまでの実施の形態と同程度の変形は可能である。

実施の形態４．
図１９は、本発明の実施の形態４に係るレーザ素子を示す断面図である。前述のレーザ素子１０との相違点のみ説明する。回折格子部２０とバルク部２２の境界では、コンタクト層２４、上部クラッド層１８、及び活性層１６を貫き下部クラッド層１４に至るように、Ｓｉ拡散領域７０が形成されている。無秩序部１６ａは、Ｓｉ拡散領域７０のＳｉによって無秩序化されたものである。

続いて、本発明の実施の形態４に係るレーザ素子の製造方法について、本発明の実施の形態１に係るレーザ素子の製造方法との相違点のみ説明する。図２０は、マスク膜を形成したことを示す断面図である。マスク膜７２、及び７４は、回折格子部２０とバルク部２２の境界を挟むようにコンタクト層２４上に形成されている。マスク膜７２、及び７４は、当該境界上には形成しない。

次いで、マスク膜７２、及び７４をマスクとしてＳｉイオン注入を実施する。図２１は、Ｓｉイオンの注入を示す断面図である。Ｓｉイオンが矢印の方向に注入されて、Ｓｉ拡散領域７０が形成される。当該領域内の活性層１６は無秩序部１６ａとなる。このように、Ｓｉイオン注入によって回折格子部２０とバルク部２２の境界を横断するように無秩序部１６ａを形成することができる。

本発明の実施の形態４に係るレーザ素子は、様々な変形が可能である。例えば、共振器端部に無秩序部を形成してもよい。図２２は、Ｓｉイオンの注入により、共振器端部に無秩序部を形成したことを示す断面図である。マスク膜７４、及び７６をマスクとして共振器端部にＳｉイオンを注入してＳｉ拡散領域８０が形成される。Ｓｉ拡散領域８０内の活性層１６は端部無秩序部１６ｃとなる。

また、Ｓｉイオン注入により回折格子下無秩序部を形成してもよい。図２３は、Ｓｉイオンの注入により、回折格子下無秩序部を形成したことを示す断面図である。マスク膜８２をマスクとして回折格子部２０にＳｉイオンを注入して、Ｓｉ拡散領域８４が形成される。回折格子１８ａ下の活性層１６は回折格子下無秩序部１６ｄとなる。なお本発明の実施の形態４に係るレーザ素子は少なくともここまでの実施の形態と同程度の変形は可能である。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の製造方法は、活性層に無秩序部を形成した後に回折格子を形成することを特徴とする。以後、前述のレーザ素子１０の製造方法との相違点を中心に説明する。

図２４は、基板上に活性層を形成したことを示す断面図である。まず、基板１２の上に、活性層１６を形成する。活性層１６は下部クラッド層１４と上部クラッド層１８に挟まれるように形成する。

次いで、活性層１６の一部を無秩序化して無秩序部を形成する。この無秩序化は以下のように実施される。まず上部クラッド層１８の一部の上にＺｎＯ膜を形成する。図２５は、ＺｎＯ膜９０を形成したことを示す断面図である。次いで、レーザ素子を加熱してＺｎ拡散領域を形成する。図２６は、Ｚｎ拡散領域９２を形成したことを示す断面図である。Ｚｎ拡散領域９２内の活性層１６は無秩序部１６ａとなる。次いで、ＺｎＯ膜９０を除去する。図２７は、ＺｎＯ膜を除去したことを示す断面図である。

次いで、活性層の上方の層である上部クラッド層１８の一部に回折格子を形成する。図２８は、回折格子を形成したことを示す断面図である。回折格子１８ａは、回折格子１８ａが形成される回折格子部２０と回折格子１８ａが形成されないバルク部２２との境界を無秩序部１６ａが横断するように形成する。

本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の製造方法によれば、無秩序部１６ａの形成後に回折格子１８ａを形成するので、回折格子が無秩序部形成のための加熱の影響を受けない。よって、回折格子の形状を維持できる。

本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の製造方法は、無秩序部を形成するだけでなく、前述した端部無秩序部又は回折格子下無秩序部の形成に用いてもよい。また、実施の形態４で説明したＳｉイオン注入による無秩序部の形成を、回折格子の形成に先立って行ってもよい。なお、本発明の実施の形態５に係るレーザ素子の製造方法は少なくともここまでの実施の形態と同程度の変形は可能である。

１０ レーザ素子、 １２ 基板、 １４ 下部クラッド層、 １６ 活性層、 １６ａ 無秩序部、 １８ 上部クラッド層、 １８ａ 回折格子、 ２０ 回折格子部、 ２２ バルク部、 ２４ クラッド層、 ２６ Ｚｎ拡散領域、 ３０,３２ 電極、 ３４,３６ 端面コーティング、 ４０,５２,６２ ＺｎＯ膜

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層の上に形成され、共振器端面に接しない部分に無秩序化された無秩序部を有する活性層と、
   前記活性層の上に形成された上部クラッド層と、
   前記活性層の上方の層又は下方の層の一部に形成された回折格子と、を備え、
   前記無秩序部は、前記回折格子が形成された領域である回折格子部と前記回折格子が形成されない領域であるバルク部との境界を横断するように形成されたことを特徴とするレーザ素子。
2. 前記無秩序部との間に非無秩序部を残すように、前記活性層のうち前記共振器端面に接する部分は無秩序化されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ素子。
3. 前記上部クラッド層の上方に設けられたコンタクト層と、
   前記コンタクト層の上に設けられた電極と、を備え、
   前記電極から前記活性層の非無秩序部全体に電流注入されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ素子。
4. 前記無秩序部は、Ｚｎ拡散又はＳｉ拡散により無秩序化されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ素子。
5. 基板の上に活性層を形成する工程と、
   前記活性層の上方の層又は下方の層の一部に回折格子を形成する工程と、
   前記活性層のうち、前記回折格子が形成される領域である回折格子部と前記回折格子が形成されない領域であるバルク部との境界を横断する部分を、共振器端面に接しないように無秩序化する工程と、
   を備えたことを特徴とするレーザ素子の製造方法。

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