JP6705554B1 - 半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

ＩｎＰ基板の上に、下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が積層した積層構造をメサストライプ構造を有する形状で形成することと、該積層構造の上にスパッタ法で第１絶縁膜を形成することと、該第１絶縁膜を形成したときよりも高い成膜温度のプラズマＣＶＤ法で該第１絶縁膜の上に該第１絶縁膜より薄い第２絶縁膜を形成することと、該上部クラッド層の上に第１電極を形成し、該ＩｎＰ基板の裏面に第２電極を形成することと、を備えたことを特徴とする。

Description

この発明は、半導体レーザ装置の製造方法と半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ装置は、大容量データを通信するための超高速かつ高効率な光ネットワークのキーデバイスとなっており、その信頼性はますます重要になってきている。例えば通信用のリッジ型半導体レーザ装置では、活性層の近傍に絶縁膜が配置されている。これはリッジとその両側との屈折率差を利用して光を導波路に閉じ込めるためである。活性層で発生した光は絶縁膜まで染み出し、一部が絶縁膜上の電極にまで漏れて、吸収され、効率が低下する。これを防ぐには絶縁膜を厚くすればよいが、そうすると活性層に印加されるストレスが増大し、特性の変化又は結晶欠陥が発生する。また、絶縁膜をプラズマで形成すると、活性層にダメージを与えるため信頼性を確保できない問題があった。

特許文献１では、上記のような問題を解決するために絶縁膜を２層構造とし、第１層目として成膜温度６００℃前後の熱ＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍのＳｉＮ膜を形成し、第２層目として成膜温度３００℃前後のプラズマＣＶＤ法により、膜厚１００ｎｍのＳｉＮ膜を形成している。特許文献１には、第２層目のＳｉＮ膜の成膜温度を第１層目のＳｉＮ膜の成膜温度よりも低くすることで、第２層目のＳｉＮ膜を厚くしても半導体層に印加されるストレスが低くなるため信頼性を確保できることが記載されている。さらに、特許文献１には、第２層目のＳｉＮ膜のプラズマＣＶＤ法による成膜時に、第１層目のＳｉＮ膜が有るため、プラズマが半導体層に直接に当たらず、プラズマダメージによる信頼性の低下を防ぐこともできることも記載されている。

日本特開２０１０−１６２８１号公報

例えばＩｎＰ系の通信用半導体レーザでは、熱ＣＶＤのような６００℃前後の高温成膜によって絶縁膜を形成すると、半導体材料が熱分解してしまう問題があった。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、活性層へのストレス及びダメージを低減させて信頼性を向上させることができる半導体レーザ装置の製造方法と半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本願の発明にかかる半導体レーザ装置の製造方法は、ＩｎＰ基板の上に、下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が積層した積層構造をメサストライプ構造を有する形状で形成することと、該メサストライプ構造の側面と、該メサストライプ構造の左右の該メサストライプ構造より低い低地部分とに、スパッタ法で第１絶縁膜を形成することと、該第１絶縁膜を形成したときよりも高い成膜温度のプラズマＣＶＤ法で該第１絶縁膜の上に該第１絶縁膜より薄い第２絶縁膜を形成することと、該メサストライプ構造の上面に第１電極を形成し、該ＩｎＰ基板の裏面に第２電極を形成することと、を備えたことを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

この発明によれば、例えば、最初にスパッタ法で第１絶縁膜を形成し、その後、第１絶縁膜を形成したときよりも高い成膜温度のプラズマＣＶＤ法で第１絶縁膜の上に第１絶縁膜より薄い第２絶縁膜を形成することで、活性層へのストレス及びダメージを低減させて半導体レーザ装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１、２に係る半導体レーザ装置の断面図である。 製造途中の半導体レーザ装置の断面図である。 製造途中の半導体レーザ装置の断面図である。 製造途中の半導体レーザ装置の断面図である。 実施の形態３に係る製造途中の半導体レーザ装置の断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置の断面図である。

実施の形態に係る半導体レーザ装置の製造方法と半導体レーザ装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面図である。この半導体レーザ装置はｎ型のＩｎＰで形成されたＩｎＰ基板１１を備えている。ＩｎＰ基板１１の上にはｎ型の下部クラッド層１２が形成されている。下部クラッド層１２の上には活性層１３が形成されている。活性層１３の上にはｐ型の第１上部クラッド層１４とｐ型の第２上部クラッド層１５がこの順に形成されている。第１上部クラッド層１４と第２上部クラッド層１５は、別々に形成された２つの層である。しかし、形状を維持しつつこれらの層を１つの層に集約してもよい。第２上部クラッド層１５の上には、ｐ型のコンタクト層１６が形成されている。

このように、ＩｎＰ基板１１の上に、下部クラッド層１２、活性層１３、第１第２上部クラッド層１４、１５及びコンタクト層１６が積層した積層構造が形成されている。この積層構造は、メサストライプ構造を有する形状で形成されている。図１の例では、第１上部クラッド層１４の上に、第２上部クラッド層１５とコンタクト層１６を有するメサストライプ構造が形成されている。積層構造の中でどの層をメサストライプ構造にするかは任意である。例えば、積層構造を構成する全ての層でメサストライプ構造を形成してもよい。この積層構造は、例えばＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料で形成することができる。

積層構造の上に第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８の２層の絶縁膜が形成されている。第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８は、コンタクト層１６の上面を露出させつつ、メサストライプ構造を覆う。第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８から露出したコンタクト層１６には第１電極１９が形成されている。第１電極１９はｐ側電極として機能する。ＩｎＰ基板１１の裏面には第２電極２０が形成されている。第２電極２０はｎ側電極として機能する。半導体レーザ装置の動作時には、第１電極１９と第２電極２０の間に電圧を印加し、図１の紙面手前方向又は紙面奥行き方向にレーザ光を放出させる。

次に、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する。まず、ＩｎＰ基板１１の上に、下部クラッド層１２、活性層１３、第１第２上部クラッド層１４、１５及びコンタクト層１６が積層した積層構造を形成する。この積層構造に対しフォトリソグラフィ及びドライエッチングを施すことで、積層構造をメサストライプ構造を有する形状とする。図２は、ＩｎＰ基板１１の上にメサストライプ構造を有する積層構造が形成されたことを示す半導体レーザ装置の断面図である。

次いで、第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８を形成する。図３は、第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８が形成された半導体レーザ装置の断面図である。第１絶縁膜１７は、積層構造の上にスパッタ法で形成する。第１絶縁膜１７の成膜温度は１５０℃前後とすることができる。第１絶縁膜１７の成膜温度は例えば１４０−１６０℃の範囲である。第１絶縁膜１７の膜厚は例えば３００−７００ｎｍである。第１絶縁膜１７の材料は、絶縁膜であれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ膜などの酸化膜である。

第２絶縁膜１８は、第１絶縁膜１７を形成したときよりも高い成膜温度のプラズマＣＶＤ法で第１絶縁膜１７の上に形成する。第２絶縁膜１８の成膜温度は３００℃前後とすることができる。第２絶縁膜１８の成膜温度は例えば２９０−３１０℃の範囲である。第２絶縁膜１８は第１絶縁膜１７より薄い。第２絶縁膜１８の膜厚は例えば１００ｎｍ以下である。第２絶縁膜１８の材料は、絶縁膜であれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ膜などの酸化膜である。

次いで、コンタクト層１６を露出させる。図４は、コンタクト層１６の上面が露出した半導体レーザ装置の断面図である。この工程では、第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８のうち、メサストライプ構造の上に形成された部分を除去して、コンタクト層１６の上面を露出させる。

次いで、第１電極１９と第２電極２０を形成する。図１は、第１電極１９と第２電極２０が形成された半導体レーザ装置の断面図である。ｐ側電極として機能する第１電極１９は第２上部クラッド層１５の上にコンタクト層１６と接して形成されるとともに、第２絶縁膜１８の全体を覆う。第１電極１９の膜厚は例えば４００ｎｍ−５００ｎｍの範囲とすることができる。第１電極１９の表面にＡｕメッキを形成してもよい。その後、ＩｎＰ基板１１を薄板化し、ＩｎＰ基板１１の裏面に直接又は導電層を介して第２電極２０を形成する。こうして、リッジが形成された半導体層が絶縁膜で覆われたＩｎＰ系の半導体レーザ装置が製造される。この半導体レーザ装置は例えば通信用途に用いることができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法では、第１絶縁膜１７をスパッタ法で形成し、第１絶縁膜１７より薄い第２絶縁膜１８をプラズマＣＶＤ法で形成した。スパッタ法を採用することで、低い成膜温度でストレスの小さい第１絶縁膜１７を形成することができる。他方、成膜温度が高くストレスの大きいプラズマＣＶＤ法で形成される第２絶縁膜１８を第１絶縁膜１７より薄くする。上述の例では、第１絶縁膜１７の膜厚を３００−７００ｎｍとし、第２絶縁膜１８の膜厚を１００ｎｍ以下とした。これにより、第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８を形成することによる活性層１３へのストレスを低減できる。

また、半導体層である積層構造に接する絶縁膜としてスパッタ法で第１絶縁膜１７を形成することで、第１絶縁膜をプラズマＣＶＤ法で形成する場合と比べて、半導体層へのダメージを低減できる。一方で、スパッタ法ではカバレッジが悪いため、絶縁層を第１絶縁膜だけとしてしまうと、電極と半導体層の接触による特性劣化が起こりえる。そこで、カバレッジのよい成膜方法であるプラズマＣＶＤ法で第２絶縁膜１８を形成することで電極と半導体層の接触を抑制している。そのため、半導体レーザ装置の信頼性を高めることができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法と半導体レーザ装置は様々な変形が可能である。例えば、半導体レーザ装置の各層の導電型を反転させることができる。コンタクト層１６を省略した積層構造を採用してもよい。実施の形態１で言及した変形は以下の実施の形態に係る半導体レーザ装置の製造方法と半導体レーザ装置にも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る半導体レーザ装置の製造方法と半導体レーザ装置は、実施の形態１との共通点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体レーザ装置の製造方法では、メサストライプ構造を有する形状で積層構造を形成し、図２の構成を得る点は実施の形態１と同じである。しかしながら、実施の形態２の第１絶縁膜１７は、積層構造の上にＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する。第１絶縁膜１７の成膜温度は１５０℃前後とすることができる。第１絶縁膜１７の成膜温度は例えば１４０−１６０℃の範囲である。第１絶縁膜１７の膜厚は例えば１００ｎｍ以下である。第１絶縁膜１７の材料は、絶縁膜であれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ膜などの酸化膜である。

実施の形態２では、スパッタ法で第１絶縁膜１７の上に第１絶縁膜１７より厚い第２絶縁膜１８を形成する。第２絶縁膜１８の成膜温度は１５０℃前後とすることができる。第２絶縁膜１８の成膜温度は例えば１４０−１６０℃の範囲である。第２絶縁膜１８の膜厚は例えば３００−７００ｎｍである。第２絶縁膜１８の材料は、絶縁膜であれば特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ膜などの酸化膜である。

次いで、図４に示されるように、コンタクト層１６の上の第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８を除去してコンタクト層１６の上面を露出させる。その後、第１電極１９と第２電極２０を形成し、図１の構成を得る点は実施の形態１と同じである。すなわち、第２上部クラッド層１５の上にコンタクト層１６と接するように第１電極１９を形成し、ＩｎＰ基板１１の裏面に直接又は導電層を介して第２電極２０を形成する。

実施の形態２に係る半導体レーザ装置の製造方法では、第１絶縁膜１７をＡＬＤ法で形成し、第１絶縁膜１７より厚い第２絶縁膜１８をスパッタ法で形成した。ＡＬＤ法を採用することで、カバレッジ性に優れ、成膜温度が低く、ストレスの小さい第１絶縁膜１７を形成することができる。さらに、スパッタ法を採用することで、成膜温度が低く、ストレスの小さい第２絶縁膜１８を形成することができる。実施の形態２の第１絶縁膜１７と第２絶縁膜１８は、これらが両方ともプラズマＣＶＤ法で形成された膜より低ストレスであるため、活性層１３へのストレス及びダメージを低減させて半導体レーザ装置の信頼性を向上させることができる。また、成膜レートが小さいＡＬＤ法で形成する第１絶縁膜１７を薄くし、成膜レートが大きいスパッタ法で形成する第２絶縁膜１８を第１絶縁膜１７より厚くすることで、成膜に要する時間を短くすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る半導体レーザ装置の製造方法では、メサストライプ構造を有する形状で積層構造を形成し、図２の構成を得る点は実施の形態１と同じである。図２の構成を形成した後に第１絶縁膜１７を形成する。例えば図３の第１絶縁膜１７と同じ形状の第１絶縁膜が形成される。第１絶縁膜１７の成膜方法、成膜温度、膜厚は例えば実施の形態１の第１絶縁膜１７と同じである。

この第１絶縁膜１７を形成した後、第２絶縁膜１８を形成する前に、第１絶縁膜の一部をエッチングして第１絶縁膜１７をメサストライプ構造の根元部分に残す。具体的には、第１絶縁膜１７にレジストを形成し、フォトリソグラフィおよびドライエッチング処理により、メサスストライプ構造のボトム近傍のみに第１絶縁膜１７Ａを残す。図５には、エッチングによりメサストライプ構造の根元部分に残った第１絶縁膜１７Ａが示されている。図５の例では、第１絶縁膜１７Ａは、メサストライプ構造の側面下部と、第１上部クラッド層１４の上に残っている。第１絶縁膜１７Ａは、例えばメサストライプ構造の側面上部を避けて、メサストライプ構造の根元部分に形成されている。

こうして、第１絶縁膜１７の一部をエッチングで除去した後に、第２絶縁膜１８を形成する。図５には第２絶縁膜１８が示されている。第２絶縁膜１８は、実施の形態１の第２絶縁膜１８と同じ成膜方法、成膜温度、膜厚で形成することができる。

次いで、メサストライプ構造の上面の第２絶縁膜１８を除去してコンタクト層１６を露出させる。これにより、第２絶縁膜１８は、第１絶縁膜１７と積層構造を、第２上部クラッド層１５の上方を露出させつつ覆う。次いで、ｐ側電極として機能し第２上部クラッド層１５と電気的に接続された第１電極１９をコンタクト層１６と接するように形成する。次いで、ＩｎＰ基板１１を薄板化し、ＩｎＰ基板１１の裏面側に第２電極２０を形成し、図６に示す半導体レーザ装置が製造される。

第１絶縁膜１７Ａはスパッタ膜であるのでカバレッジが不十分となり得る。実施の形態３では、第１絶縁膜１７Ａをメサストライプ構造の根元部分のみに配置している。これにより、カバレッジ性が不十分な第１絶縁膜１７Ａが原因で、電極と半導体層が接触する可能性を低減し、特性劣化を防ぐことができる。また、第２絶縁膜１８はプラズマＣＶＤ法で形成される成膜温度が高くストレスの大きい膜である。そこで、この第２絶縁膜１８を例えば１００ｎｍ以下とすることで第１絶縁膜１７Ａより薄くして、活性層１３へのストレスの印加を低減した。他方、絶縁膜全体で十分な厚さを確保するために、成膜温度が低くストレスの小さいスパッタ膜である第１絶縁膜１７Ａは第２絶縁膜１８より厚くした。スパッタ膜を第１絶縁膜１７Ａとすることで活性層１３へのダメージを低減できる。

１１ ＩｎＰ基板、 １２ 下部クラッド層、 １３ 活性層、 １４ 第１上部クラッド層、 １５ 第２上部クラッド層、 １６ コンタクト層、 １７ 第１絶縁膜、 １８ 第２絶縁膜、 １９ 第１電極、 ２０ 第２電極

Claims (4)

1. ＩｎＰ基板の上に、下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が積層した積層構造をメサストライプ構造を有する形状で形成することと、
   前記メサストライプ構造の側面と、前記メサストライプ構造の左右の前記メサストライプ構造より低い低地部分とに、スパッタ法で第１絶縁膜を形成することと、
   前記第１絶縁膜を形成したときよりも高い成膜温度のプラズマＣＶＤ法で前記第１絶縁膜の上に前記第１絶縁膜より薄い第２絶縁膜を形成することと、
   前記メサストライプ構造の上面に第１電極を形成し、前記ＩｎＰ基板の裏面に第２電極を形成することと、を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
2. 前記第１絶縁膜の成膜温度は１４０−１６０℃であり、前記第２絶縁膜の成膜温度は２９０−３１０℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
3. 前記第１絶縁膜の膜厚は３００−７００ｎｍであり、前記第２絶縁膜の膜厚は１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
4. 前記第１絶縁膜を形成した後、前記第２絶縁膜を形成する前に、前記第１絶縁膜の一部をエッチングして前記第１絶縁膜を前記メサストライプ構造の側面下部と、前記メサストライプ構造の根元近傍の前記低地部分に残すこと、を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置の製造方法。

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