JPH01183184A - 半導体レーザーとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信に適した光を出射する半導体レーザーお
よびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

現在、光通信技術は高速、大容量通信を目標に開発され
ている。高速、大容量通信をする場合、信号源となる光
源には主に次の条件、即ち１）発振波長幅が狭いこと、 ２）外部からの影響（温度、湿度など）を受けにくいこ
と、 が必要とされている。

光が伝搬する光ファイバは、第７図（ａ）に示すように
、ＰやＧｅを含んだ石英ガラスをコア２としコアの周辺
はＢまたはＦを含んだ５ｊ０２またはプラスチックなど
のクラッド層１．３で通常覆われている。

単一モードファイバーを例にとると、光は主にコア内に
閉じ込められて伝送される。このとき光源から発振する
光の波長幅が広いと、コアには屈折率の波長依存性があ
るため、一定距離を伝送した場合波長の相違により伝送
時間が異なることになる。このため、出力のパルス幅は
人力パルス幅に比べ時間的な広がりを持つ。これを通常
、屈折率分散あるいは波長分散と呼び、光通信の伝送速
度を決定する一つの要因となっている。すなわち、第７
図（ａ）　、　（ｂ）に示したように光フアイバー内に
パルス６が人力すると、このパルス６の信号を伝搬する
光は波長幅を持ち、波長λ１の光５と波長λ２の光４に
分けられる。パルス６の立上がりにおける波長λ１の光
５、波長λ２の光４は屈折率分散によりそれぞれ出力側
で位置８と位置９に広がる。通常、屈折率分散がなけれ
ばパルス６はパルス６と同波形であるパルス１０になる
が、屈折率分散があると、以上、述べたように、パルス
６はパルス７になり時間的に広がる。このため、光源に
強く要求される仕様としては、発振波長幅が狭いことが
まず第１である。

光源は、発振波長幅が狭いだけではいけない。

即ち、光源には外部からの影響（温度、湿度など）によ
り特性が変化しないということがもう一つの要因として
次のような理由から、要求される。通常、光通信の光源
としては、発振波長幅の狭さなどから、半導体レーザー
が用いられる。しかし、−数的な半導体レーザーの特性
は、特に温度に依存しやすく温度が上昇するにつれ発振
波長は２〜３人／ｄｅｇ程度、長くなる。このように、
レーザーの発振波長が不安定であると信号の伝送速度が
変化したり、不安定な要因が入ってしまう。発振波長が
比較的安定で、光通信に適する光源を提供する半導体レ
ーザーとして開発されているのが、第８図（ａ）に示す
ＤＦＢレーザーである。

このＤＦＢレーザーについては、“Ｓ、Ｎｏｄａ、　Ｋ
。

Ｋｏｊｉｍａ、　Ｋ、Ｍｉｔｓｕｎａｇａ、　Ｋ、にｙ
ｕｍａ、　Ｋ、Ｉｌａｍａｎａｋａ。

ａｎｄ　Ｔ、Ｎａｋａｙａｍａ、Ａｐｐｌ、　ｐｈｙｓ
、　Ｌｅｔｔ、　４８．　Ｉ’７６７頁（１９８６）”
等に記載されている。

第８図（ａ）、第８図（ｂ）を参照してＤＦＢレーザー
の一般的製作方法の一例について説明する。

ｎ−ＧａＡｓ基板１１上にｎ−Ｇ’ａＡｓバッファ層１
２を厚さ０．２μ’ｍ　、　ｎ−ＡＩｏ４Ｇａｏ、　、
、Ａｓクラッド層１３を厚さ　１．５μｍ、活性層１４
を順次積層する。なお、活性層１４はｎｏｎｄｏｐｅｄ
−Ａｌｏ２Ｇａｏ、　６Ａｓバリア層（厚さ３５人）の
５層と、ｎｃ＋ｎｄｏｐｅｄ−ＧａＡｓウェル層（厚さ
１２０人）の６層とが交互に積層して構成されている。

さらにこの上にＰ−Ａ］４２．Ｇａ、、　、３Ａｓバリ
ア層１５を厚さ０．０２μｍ　、　’Ｐ−ＡＩ。＋３Ｇ
ａｏ、　ａ７Ａｓガイド層１６を厚さ０．２μ田はど形
成する。この後、干渉露光により周期２５３５人の回折
格子をＰ−Ａｌｏ、　ｒｓＧａｏ、　６７ＡＳガイド層
１６上に形成する。回折格子形成のためのエツチング液
は、Ｈ２ＳＯ４：１（２０２：Ｈ２Ｏ系を使用する。以
上の工程で作製されたウェハは第８図（ａ）に示すよう
になる。この後、さらに２回目の膜成長を行なう。２回
目の膜成長の工程では、回折格子が形成されたｌ”Ａｌ
ｏ、　＋３ｃａＯ，８ＴＡＳガイド層１６上にＰ−Ａ１
．３Ｇａ０．　、Ａｓサブクラディング層１８を厚さ０
．２９μｍ　、　Ｐ−Ａ１．４Ｇａｏ６Ａｓクラッド層
１９を厚さ　１．２μｍ　、　Ｐ”−ＧａＡｓ、　コン
タクト層２０を厚さ０．ｊ４ｚｍ　。

順次形成する。この後、電流注入の効率化のためのリッ
ジを形成する。その方法としては、通常のホトリソ技術
を用いて回折格子に直交するようにレジストをストライ
ブ状に形成し、に３Ｈ４（叶）　（ＣＯＯＨ）３：Ｈ２
０□＝５：ｌのエツチング液を用いて、室温でＰ−ＡＩ
’０．１３Ｇａ０．８７ＡＳガイド層１６上までエツチ
ングする。さらに、リッジ以外の部分に電流が注入され
ないように、５ｉｎ２層１７をリッジの上部以外の部分
に形成し、最後に、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の下面、５ｊ
０２層１７の上面にそれぞれＡｕ／Ｃｒ、八ｕＧｅ／Ｎ
ｉ／Ａｕを蒸着し、下部電極２２、上部電極２１を設け
る。

上記工程に従って実際に作製した半導体レーザーでは、
活性層１４の発振光は活性層１４の上下層へも広がり、
ガイド層１６の回折格子の影響を受け、発振光の波長が
安定になる。この半導体レーザーの閾値電流は２８ｍＡ
、外部微分量子効率は４８％であり、さらに縦モードは
単一であり、波長の温度依存性も０．７６人／ｄｅｇで
あった。このように、光通信用の光源の条件である１）
発振波長幅が狭い、　２）温度依存性が小さいことを満
たすもので、ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記従来例の半導体レーザーの作製では、
２回に分けた膜成長の過程が必要であり、 １）工程が複雑 ２）膜再成長させるためにレーザーを構成する層の組成
が限定されてしまう。

という欠点がある。１）の工程が複雑というのは、−皮
膜成長を止め、加工し、さらに、膜成長を行なうため、
ＤＦＢレーザー以外の半導体レーザーの作製に利用する
連続的な膜成長により工程が複雑となり、成長膜にダメ
ージも入りやすいことを意味する。２）の膜を再成長さ
せるためにレーザーを構成する層の組成が限定されて来
るというのは、次のようなことを意味する。再成長の場
合、多量にＡＩを含む（Ｘ≧０．４）膜上へのＰ−ＡＩ
ＧａＡｓの成長は不可能である。そこで、第８図（ａ）
に示す例も回折格子を形成する層は、Ｘの小さい、例え
ばｘ　＝　０．１３のＰ−ＡＩＧａＡｓを用いることが
必要となり、層の組成が限定されて来るわけである。

〔課題を解決するための手段〕

基板上に、少なくとも活性層、ＰＮ接合を含む一層以上
の半導体層が積層され、該半導体層に順方向電流を通電
する電極が設けられている半導体レーザーにおいて、 前記活性層と前記活性層の下部に存在する層が共振器方
向に伸びる凸部を有し、かつ該凸部の側面上に周期的な
回折格子が形成されていることを特徴とする半導体レー
ザーと、 基板に凸部を形成する工程と、前記凸部の側面上に周期
的な回折格子を形成する工程と、前記基板上に層を前記
基板の形をほぼ保つように形成する工程を含むことを特
徴とする半導体レーザーの製造方法である。

〔作用〕

本発明は、あらかじめ基板に凸部を形成し、該凸部の側
面上に回折格子を形成して該基板に膜成長させるもので
ある。これにより、これらの膜は基板の形状を反映して
形成されることになり、リッジにおける活性層の側面上
に回折格子が形成される。これにより、第６図に示すよ
うに、回折格子のピッチをｄ、光の入射角をθとすると
発振光の波長λは次式を満たすものである。

ｍλ＝２ｄｃｏｓθ（ｍ＝　１．２，３．、、、　）こ
こでθはほとんど０°であるから上式は０λ＝２ｄとな
る。したがって、レーザーは回折格子のピッチｄに対応
した波長において発振することになり、従来の半導体レ
ーザーにおける外的影響（温度、湿度、注入電流等）に
よる波長不安定化を改善できるとともに、ピッチｄが非
常に小さいため、モード間隔は広くなり、モード間隔遷
移はほとんどなくなる。

さらに、本発明では、あらかじめ加工された半導体基板
上に積層される半導体層はその加工形状を保つように形
成されるので成長の中断をすることなく簡単な工程で半
導体レーザーを作製出来る。したがって、ＤＦＢレーザ
ーに比べ長寿命化が可能となる。さらに特性的にも欠陥
の減少から閾値電流の改善、微分量子効率の改善が図れ
る。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の半導体レーザーの一実施例を示す模式
斜視図、第２図は第１図の基板３１の斜視図、第３図（
ａ）〜第３図（ｅ）は第２図の基板３１の作製方法を示
す模式図である。

本実施例では、中央部に共振器方向に伸びる凸部を有し
、かつ凸部の側面上および凸部両側の基板３１上に凸部
の長手方向に伸びる回折格子４４．４５が形成されたｎ
−ＧａＡｓ基板３１（厚さ３５０μｍ　）上に順次、ｎ
−ＧａＡｓバッファ層３２（同０．５μｍ　）、ｎ−Ａ
ｌｏ５Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層３３（同１．５μｍ
　）、活性層３４が積層されている。なお活性層３４は
ｎｏｎｄｏｐｅｎ−Ａｌｏ、　、、Ｇａｏ、　、Ａｓバ
リア層（厚さ　１００人）の４層と、　ｎｏｎｄｏｐｅ
ｄ−Ａ１．、　＋Ｇａｏ９八Ｓウェ八属ウェル層０人）
の５層とが交互に積層して構成されている。さらに、こ
の上に順次、　Ｐ−Ａ１．、５Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッ
ド層３５（同１．５μｍ　）　、Ｐ−ＧａＡｓｒンタク
ト層３６（同０．５μｍ　）　、電流狭窄用の５層０２
層３７（同３０００人）、が積層されている。ただし、
Ｓ　ｉ　’０２層３７はリッジ上部を覆わないように設
けられている。

さらに、ｎ＝ＧａＡｓ基板３１の下面、５ｉｎ２層３７
の上面にそれぞれＡｕＧｅ／Ｎｉ／八ｕ、　Ｃｒ／へｕ
が蒸着され、下部電極３９、上部電極３８が設けられて
いる。この半導体レーザーに電流４０を流すと活性層３
４の凸部の上面が発光する。この半導体レーザーはリッ
ジにおける各層の側面と底面に回折格子を有しているた
め外的影響に対する波長幅の安定化が図れる。さらに、
本発明の半導体レーザーはリッジ構造を有するため、電
流の注入が効率よく発光部に供給されることになり、波
長安定型レーザーに最も適した構成となっている。ｎ型
、ｐ型のドーパントは、本実施例ではＳｎとＢｅを用い
た。

本実施例では、膜成長法として、ＭＢＥ法を用いた。成
長条件は、基板温度４５０℃、ＧａとＡｓのフラックス
比はＣａ：　Ａｓ＝　１　：　２であり、基板を回転さ
せて膜成長を行った。ただし、本発明の方法はＭＢＥ法
のみに限定されるものではなく、ＭＯＣＶＤ法、ＬＰＥ
法で膜を形成することも可能である。また、本実施例の
ウェハーはＧａＡｓ系化合物で構成されているが、Ａｌ
Ｇａ１ｎＳ　、　ＩｎＧａＡｓＰ等のｍ−ｖ族化合物、
その他のＩＩ−Ｖｌ族化合物で構成されてもよい。

次に、第３図（ａ）〜第３図（ｅ）を参照して第２図の
基板の作製方法を説明する。

まず、ｎ−ＧａＡｓ基板３１上の中央部にＳ　ｉ０２マ
スク４１を幅５μｍ、厚さ２０００人形成したく第３図
（ａ））。

次に、この上に回折格子作製用のレジスト４２を塗布し
た（第３図（ｂ））。

次に、キシレンを含浸液として、基板入射角θ＝３７°
、波長４４１６人のＨｅ−Ｃｏｄレーザーテ二光束干渉
露光を行ない、周期２４００人の干渉縞４３を形成した
（第３図（Ｃ））。

次に、　Ｈ２ＳＯ４：　Ｈ２Ｏ２：　８２０　＝　７　
：　１　：　１のエツチング液を用い、液温１０℃で約
９０秒はどウェットエッチングしてリッジの側面、リッ
ジ底部のｎ−ＧａＡｓ基板３１にそれぞれ回折格子４５
．４４が形成された。エツチング深さを１μｍとすると
リッジ上部幅は、５ｉｎ２マスク４１よりも約２μｍ細
くなり、リッジ上部の幅は３μｍとなった（第３図（ｄ
））。次に、５ｊ０２マスク４１を取り除いた（第３図
（ｅ））。　以上の工程により、リッジ上面４６は平坦
となり、回折格子は、リッジの側面、リッジ底部のｎ−
ＧａＡｓ基板３１上に形成された。

なお、レジスト４２としてはシブレイ社製のレジスト（
商品名：マイクロポジットＭＰ１３００−１’７　）を
用いた。

上記のようにして作製された基板は（１００）の結晶表
面を有し凸部は［０１１］方向に延在している。

また、［０１１］方向に凸部を延在することにより［０
１１］方向の場合と同様な効果が得られる。ただし、こ
の場合、基板をウェットエツチングする時、Ｂｒ２−Ｃ
Ｈ３０Ｈ系のエツチング液を用いる必要がある。さらに
、凸部を例えば［０１１］方向に沿って延在させる場合
、その精度は［０１１］軸から上下左右に±１５°以内
であることが必要であり、［０１１，］方向の場合も同
様である。

第４図（ａ）〜第４図（ｅ）は基板の作製方法の第２の
例を示す模式図である。

第３図（ａ）〜第３図（ｅ）の場合と異なるのは、凸部
の上面にも回折格子を設けたことにある。

まず、厚さ３５０μｍのｎ−ＧａＡｓ基板：ｎｖ７ｃに
厚さ２０００人のレジスト４２を形成したく第４図（ａ
））。

次に、キシレンを含浸液として、基板入射角θ＝４６°
、波長４８８０人のＡｒレーザーで三光束干渉露光を行
ない、周期２２６０人の干渉縞４３を形成した（第４図
（ｂ））。

次に、　Ｈ２ＳＯ，：　Ｈ２Ｏ２：　Ｈ２Ｏ＝　１　：
　１　：　１００）、：ｃッチング液を用い、液温１０
℃で約２０秒はどウェットエツチングして回折格子４４
を形成した（第４図（Ｃ））。

さらに、この上のリッジに対応する部分に幅５μｍ、厚
さ２０００人の５ｉｎ２マスク４１を形成した（第４図
（ｄ））。

次に、これをウェットエツチング（例えば）＋２ｓＯＪ
　系）でエツチングし、回折格子４５．４７を形成する
。この結果、回折格子４４の高さは低くなり、ゆるやか
な形状となる（第４図（ｅ））。

上記のように加工された基板の凸部の上面にも回折格子
４７が形成されているので、この基板を用いて作製され
る半導体レーザーのリッジ上部にも回折格子が形成され
ることになる。したがって、さらに発振波長の安定化が
図れる。

なお、第３図に示した構成もドライエツチング法を用い
ても形成出来ることは明らかである。また実施例では、
ｎ型基板を用いたが、ｐ型基板を用いてもよく、同様の
効果を得ることは容易である。この場合、第１図におい
て積層する層のｐ。

ｎ極性を反対にする必要がある。なお、基板をドライエ
ツチングする場合には基板に対する入射ビームの方向を
調整してリッジ側面とリッジ底面となす角度は、任意に
することができる。

以上、単一のレーザー構造について述べたが本発明の方
法によればレーザー構造を１回のホトリソブラフイエ程
により、レーザー構造を複数個、並べることができるの
で、アレイレーザーも作製できる。

第５図（ａ）〜第５図（ｅ）は基板の作製方法の第３の
具体例を示す模式図である。

本例では、ウェットエツチングではなくドライエツチン
グにより回折格子を基板に形成した例である。

まず、（１００）面のＧａＡｓ基板３１上の中央部にス
トライブ幅３μｍのパターンを［０１１］軸に沿って形
成した。このパターンは厚さ２０００人のレジスト５１
、厚さ５００人のＴｉ層５２、厚さ２０００人のレジス
ト５３の積層構成である（第５図（ａ））。

このウェハの上に回折格子形成用のレジストパターンを
形成した。このレジストパターンは厚さ２０００人のレ
ジスト５４、厚さ５００人のＴｉ層５５、厚さ２０００
人のレジスト５６の積層構成である（第５図（ｂ））。

次に、レジスト５６を干渉露光し、２４５０人周期でレ
ジスト５６に干渉縞５７を形成した（第５図（Ｃ））。

さらにＴｉ層５５をＣＦ４でドライエツチングし、さら
にレジスト５４を０２アツシングしてマスクを形成した
。このマスクを利用しＣＩ２又はＡｒのドライエツチン
グにて回折格子４４．４５とリッジを形成した。この回
折格子４４．４５はそれぞれリッジ底部の基板３１上、
リッジ側面に形成された（第５図（ｄ））。最後にレジ
スト５１，５３　、Ｔｉ層５２を除去した（第５図（ｅ
））。

〔発明の効果〕

以上説明したように、基板にあらかじめ凸部を形成し、
該凸部の側面上に回折格子を形成し、その上に膜成長す
ることにより、これらの膜は基板の形状を反映して形成
される。これによりリッジにおける活性層の側面上に回
折格子が形成され、外部影響を受けにくく、発振波長幅
も小さいという長所を保持した半導体レーザーの製造工
程が簡単化され、また、従来のＤＦＢレーザーの作製方
法のように膜成長を一時中断した後、回折格子を形成す
ることによる成長層へのダメージが減少し、層の組成の
限定がなくなる。このため、上記長所を有する半導体レ
ーザーの長寿命化が図れ、かつダメージの減少から閾値
電流の低下、微分量子効率の改善も図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザーの一実施例を示す模式
斜視図、第２図は第１図の半導体レーザーの基板の斜視
図、第３図（ａ）〜第３図（ｅ）は第１図の基板の加工
工程を示す図、第４図（ａ）〜第４図（ｅ）、第５図（
ａ）〜第５図（ｅ）はそれぞれ基板の加工工程を示す第
２．第３の例を示す図、第６図は回折格子による波長安
定化を示す図、第７図（ａ）、第７図（ｂ）は光フアイ
バー中の屈折率分散を示す図、第８図（ａ）は従来例の
半導体レーザーの斜視図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）
の半導体レーザーの製造工程の一過程を示す斜視図であ
る。 １．３・・・・・・・・クラッド層、 ２・・・・・・・・・・・・コア、 ４．５・・・・・・・・光、 ６、　７．１０・・・・パルス、 ８．９・・・・・・・・位置、 １１．３１・・・・−−−−ｎ−ＧａＡｓ基板、１２、
３２・・・・・・・・ｎ−ＧａＡｓバッファ層、１３・
・・・・・・・・・・・ｎ−Ａｌｏ、　４Ｇａｏ６八Ｓ
クラッド層、１４、３４・・・・・・・・活性層、 １５１＋＋＋＋＋＋＋＋”６＋ｐ−ＡＩｏ２７Ｇａｏ、
　７３ＡＳバリア層、１６・・・・”・・・・Ｐ−ＡＩ
。、　１３Ｇ８０．８７ＡＳガイド層、１７、３７・・
・・・・・・５ｉ０２層、１８”・・・・・・・・Ｐ−
ＡＩ（＋　　３Ｇａｏ　　７ＡＳサブクラディング層、 １９・・・・・・・・・・・・ｌ”ＡＩ。、　４Ｇａｏ
、　６ＡＳクラッド層、２０・・・・・・・・・・・・
Ｐ”−ＧａＡｓコンタクト層、２１、３８・・・・・・
・・上部電極、２２、３９・・・・・・・・下部電極、
３３、３５・＝ｎ−Ａｌｏ、５Ｇａｏ、、、Ａｓクラッ
ド層、３６・・・・＝・・・・・・・Ｐ−ＧａＡｓコン
タクト層、４０・・・・・・・・・・・・電流、 ４１・・・・・・・・・・・・５ｉ０２マスク、４２、
５１．５３．５４．５６・・・・レジスト、４３、５７
・・・・・・・・干渉縞、 ４４、４５．４７・・・・回折格子、 ４６・・・・・・・・・・・・リッジ上部、５２、５５
・・・・・・・・Ｔｉ層。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に、少なくとも活性層、ＰＮ接合を含む一層
   以上の半導体層が積層され、該半導体層に順方向電流を
   通電する電極が設けられている半導体レーザーにおいて
   、 前記活性層と前記活性層の下部に存在する層が共振器方
   向に伸びる凸部を有し、かつ該凸部の側面上に周期的な
   回折格子が形成されていることを特徴とする半導体レー
   ザー。 ２）前記基板上の層は前記基板の形をほぼ保つように形
   成される請求項１記載の半導体レーザー。 ３）前記凸部は（１００）表面を有する前記基板上にほ
   ぼ［０１１］軸にそって形成される請求項１記載の半導
   体レーザー。 ４）前記凸部は（１００）表面を有する前記基板上にほ
   ぼ［０１＠１＠］軸にそって形成される請求項１記載の
   半導体レーザー。 ５）基板に凸部を形成する工程と、前記凸部の側面上に
   周期的な回折格子を形成する工程と、前記基板上に層を
   前記基板の形をほぼ保つように形成する工程を含むこと
   を特徴とする半導体レーザーの製造方法。