JPS59229891A - 半導体レ−ザの製造方法 - 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】 （！）　　発明の技術分野 本発明は共振器として機能する一対の臂開血を有するこ
となく、共振器としての反射機能が光放射方向に平行な
方向に一定の規則的間隔をもって幾何学的（二分布して
設けられた分布帰還型半導体レーザの製造方法に関する
。特に、上記の幾何学的に分布して設けられた反射機能
が、導波層と閉じ込め層との界面に設けられた周期的凹
凸によって実現された屈折率の周期的な変化に依存して
なる分布帰還型半導体レーザの製造方法の改良に関する
。

（２）　　技術の背景 半導体レーザには、臂開面等によって実現される一対の
反射鏡等よりなる共振器を有する、いわゆる、ファブリ
ー・ペロー型半導体レーザあ他に、光の放射方向に平行
して活性層、導波層及びこれらを挾むように閉じ込め層
を持つ多層構造型半導体レーザがある。この多層構造型
半導体レーザには、導波層と閉じ込め層との界面の一方
又は双方に、反射機能を分布して設けた分布帰還型半導
体レーザと呼ばれるものがある。

この分布帰還型半導体レーザは、光の周波数と一定の数
量関係のある幾何学的間隔をもって反射機能が分布して
おり、この反射機能として（イ）利得の変化を利用する
、あるいは、（ロ）屈折率の差を利用する、のいずれか
によって更に２種類に分類される。

本発明は、上記の（ロ）の手段、すなわち、半導体の組
成を変えることにより実現された屈折率の差を利用［て
なる分布帰還型半導体レーザの改良である。

（３）　　従来技術と問題点 第１図は例えば、インジウムガリウムヒ素リン（工ｎＧ
ａＡｓｐ）／インジウムリン（工ｎＰ）よりなる分布帰
還型半導体レーザの基本構造の一例を示す基板断面図で
ある。図において、ｌはｎ型インジウムリン（ｎ−工ｎ
Ｐ）よりなる基板兼下部閉じ込め層であり、２はｎ型イ
ンジウムガリウムヒ素リン（ｎ−工ｎＧａＡｓＰ　）よ
りなる下部導波層であり、３はアンドープのインジウム
ガリウムヒ素リン（工ｎＧａＡｓＰ）よりなる活性層〒
あ１１，４はｐ型インジウムガリウムヒ素リン（ｐ−工
ｎＧａＡｓＰ）　　よりなる上部導波層ｆあり、５はｐ
型インジウムリン（ｐ−ＩｎＰ）よりなる上部閉じ込め
層であり、６はｐ型インジウムガリウムヒ素リン（ｐ−
工ｎＧａＡｓＰ）よりなる電極コンタクト層であり、７
．８は、夫々、正電極及び角型４担１ある。因より明ら
かなとおり、上部導波層４と上部閉じ込め層５との界面
には周期的凹凸が形成されてお【）、これによって屈折
率の周期的な変化が実現されている。この周期的凹凸を
もって分布し、た反射機能を実現するためには、凹凸の
側面が光の放射方向に正確に垂直な平面であることが望
ましいことは言うまフもない。

ところで、従来技術において、上記の構造を実現する手
法としては、液相エピタキシャル成長法（以下、ＬＰＥ
法という。）を使用して、上部導波層４までの積層体を
基板ｌ上に連続的に形成し、この上部導波層４の表面に
レジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィー法を使
用してノぞターニングして周期的凹凸に対応するノぞタ
ーンを有するレジストマスクを形成し、このレジストマ
スクな使用して上部導波層４の上１一部のエツチングを
行ない、レジストを除去したのち再びＬＰＥ法を使用し
て閉じ込め層５、コンタクト層６を順次形成する方法が
主として使用されていた。し、か［２、この方法にあっ
ては、レジストマスクの耐エツチング性が低く、上部導
波層４に所期の凹部な正確に形成することが容易１なく
、又、上部閉じ込め）＠５の成長時に、導波層４の特に
凸部Ｂのメルトノ々ツクが発生し、面Ａが光放射方向に
対し垂直でなくなったり、はなはだしい場合には周期的
凹凸が平坦化され、反射機能が減殺される。

そこ受、マスク材をレジストに換えて上部導波層４をＩ
ｌ［する半導体との選択エツチング性を有する半導体と
し、この半導体層をもってマスクを形成してこのマスク
を使用して導波層４に周期的凹凸を形成する方法も使用
されており、この方法によれば耐エツチング性は向上す
るが、上記の方法と同僚、メルトノｚツクに対しては何
の効果も認められない。すなわち、周期的凹凸の側面が
光の放射方向に対し正確に垂直な平面とはな＆）にくく
、満足すべき反射機能を有しないこととなり、分布帰還
型半導体レーザとして所期の機能を発揮せず、結果的に
、しきい値電流が上昇する等の欠点を有する。

（４）発明の目的 本発明の目的は、この欠点を解消することにあり、共振
器として機能する一対の臂開面を有することなく、共振
器としての反射機能が光放射方向に平行な方向に一定の
規則的間隔をもりて幾何学的に分布して設けられ、かつ
、この反射機能が導波層と閉じ込め層との界面に設けら
れた周期的凹凸によって実現された屈折率の周期的な変
化に依存してなる分布帰還型半導体レーザのＬＰＥ法を
使用してなす製造方法において、上記の周期的凹凸、特
に凸部のメルト・々ツクを防止でき、満足すべき反射機
能を有する周期的凹凸の形状及び寸法を実現でき、光帰
還量の増大及び低しきい値電流が図れる分布帰還型半導
体レーザの製造方法を提供することにある。

（５）　　発明の構成 本発明に係る半導体レーザの製造方法は、活性層と、該
活性層を挾んｔ設けられた導波層と、更に該導波層を挾
んで設けられた閉じ込め層とを有し、前記導波層と閉じ
込め層との界面に周期的な凹凸を有する分布帰還型半導
体レーザの製造方法において、前記導波層（前記閉じ込
め層）表面に、前記閉じ込め層（前記導波層）と同一の
半導体よりなる補助層を形成し、該補助層に周期的な開
ロバターンをもって選択的に形成し、次い↑該ｉＲター
ニングされた補助層をエツチングマスクとして前記導波
層（前記閉じ込め層）を選択的にエツチングして前記導
波層（前記閉じ込め層）表面に周期的な凹凸を形成し、
前記補助層前記導波層（前記閉じ込め層）上に、前記閉
じ込め層（前記導波層）を形成する工程を含むことによ
り実現される。

従来技術にあっては、導波層の上面に周期的凹凸を形成
した後、閉じ込め層を形成するにあたり、上記の周期的
凹凸の形成に使用したレジストマスクはもちろんのこと
、半導体よりなるマスクも除去していた。ところが、こ
のために閉じ込め層成長時に導波層がメルトノ々ツクさ
れて、周期的凹凸の形状が不整になってしまう点に問題
があった。

そこで、本発明の発明者は、このような現象を防止する
ためには上記の凸部が閉じ込め層を形成するための成長
溶液と接触する必要のない方法を採用すれば有効ｔある
との看想を得た０そこ↑、閉じ込め層と同一の半導体を
もって形成したマスクを１吏用して導波層のエツチング
を行なった後、このマスクを除去することなく、そのま
ま、むしろ、このマスクをもって導波層の凸部をメルト
バックから保護しながら閉じ込め層を成長させれば、上
記の凸部上にはマスクが残留しているため、凸部が成長
溶液と接することはなく、したがってメルトノ々ツクも
発生せず、所期の周期的凹凸を形成しうろことを実験的
に確認し、て本発明を完成した。

以下、上記の工程を更に詳しく述べる。まず、基板上に
、ＬＰＥ法をもって下部導波層と、活性層と、上部導波
層となる半導体層と、更に、閉じ込め層と同一の半導体
よりなりマスクとして機能する補助層とを１工程をもっ
て連続的に形成し、この補助層上にレジスト膜を形成し
たのち、これをパターニングして上部導波層に周期的凹
凸を形成するために使用するし）ストマスクを形成し、
このレジストマスクを使用して上記の補助層をエツチン
グし、上記と同一のパターン、すなわち、周期的開口を
補助層に形成して、これをエツチングマスクとする。こ
のエツチングマスクを使用して、上部導波層の上層を約
半分程度の探さまでエツチングして周期的開口を形成す
る。このとき、周期的開口の側面は光放射方向に垂直な
平面となる。

次に、閉じ込め層の成長を行なうが、有効な２種類の方
法を各々説明する。第１の方法は閉じ込め層と同一の半
導体をもって形成された補助ノーよりなるエツチングマ
スクを除去することなく、再びＬＰＥ法を使用して閉じ
込め層を成長させるもの！ある＾このとき、エツチング
マスクの材料と閉じ込めノーの材料とは則−の材料であ
るから、エツチングマスクが除去されることなく残留す
ることは＋”Ｊの不利益ともならず、閉じ込め層の形成
にあたっては、この残留したエツチングマスクがメルト
ノ々ツクからの保護膜として機能するので、導波層の凹
凸部、特に、凸部がメルトバックされて、周期的凹凸の
状態が悪化することはなく、この周期的凹凸の側面は光
放射方向に垂直な平面として保存されるため、十分な光
帰還量が確保され、しきい値電流が十分に低減される。

次に第２の方法は、閉じ込め層と同一の半導体をもって
形成された補助層よりなるエツチングマスクを第１の方
法と同様に除去することなく熱処理を加える。熱処理に
より補助ノーの凸部が熱変形をうけ、上部導波層の凹部
な埋めることができる。前記の熱変形は凸部及び凹部に
おける半導体構成元素の蒸気圧差、凸部から四部への表
面拡散などを利用した現象である。従って熱変形は補助
層凸部の角フ顕著であり補助層を厚くし、熱処理時間を
長くとることにより、効率的に上部導波層の四部を埋め
ることができる。下部導波層の凸部は補助層に保護され
ている層構成から熱変形を被らず、周期的凹凸の状態は
前記第１の方法と同様、悪化することはなく、十分な光
帰還量が確保され、しきい値電流を十分に低減すること
ができる〇 なお、上記の構成において、補助層のエツチング工程に
は、導波層はエッチせず、補助層のみを選択的にエッチ
するエッチャントを使用してなすウェットエツチング法
が適しており、導波層のエツチング工程には、逆に、補
助層はエッチせず、導波層のみを選択的にエッチするエ
ッチャントを使用してなすウェットエツチング法が適し
ている。

（６）　　発明の実施例 以下図面を参照しつつ、本発明の一実施例に係る半導体
レーザの製造方法について説明し、本発明の構成と特有
の効果とを明らかにする。

−例として、基礎吸収端波長が１．３〔μｍ〕であるイ
ンジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）を活性層
とし、基礎吸収端波長が１．１５Ｃμｍ〕であるインジ
ウムガリウムヒ累リン（工ｎＧａＡｓＰ）を上下の導波
層とし、インジウムリン（工ｎＰ）を閉じ込め層とする
、酸化膜ストライプ構造の分布帰還型半導体レーザノ製
造工程について述べる。

第２図、第３図参照 ｎ型不純物をｔｏ１８［眞１］程度含むｎ型インジウム
リン（ｎ−ＩｎＰ）よりなる基板兼下部閉じ込め層ｌｌ
上に、ＬＰＢ法を使用して、（イ）ｎ型不純物を１０１
７［ｃｍ−３）程度含み、基礎吸収端波長が１．１５（
μｍ）程度であるｎ型インジウムガリウムヒ素リン（ｎ
−工ｎＧａＡｓＰ）よりなり厚さが０．２〔μｍ〕程度
である下部導波層重２、（ロ）基礎吸収端波長が１．３
〔μｍ〕程度であるアンドープのインジウムガリウムヒ
素リン（工ｎＧａＡｓＰ）よりな１）厚さが０，１〔μ
ｍ〕程度ｔある活性層１３、（ハ）ｐ型不純物を１０１
７〔ｃｌｒＬ−３〕程度含み、基礎吸収端波長が１．１
５［μｍ］程度！あるｐ型インジウムガリウムヒ素リン
（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ）よりなを）厚さが０．１〔μｍ
）程度である、上部導波ノーとなる層１４′、に）ｐ型
不純物を１０”　［ｃＩＩＬ−３］程度含むｐ型インジ
ウムリン（ｐ−工ｎＰ）よりな番）淳さが０．１　〔μ
ｍ〕程度である補助層２０′よりなる積層体を１工程を
もって形成する。

続いて、レジスト（例えばＡＺ）を厚さＯ，ＯＳ（μｍ
〕程度に塗布してレジス）［を形成した後、ヘリウ、ム
（Ｈｅ）−カドミウム（Ｏｄ）レーザな光臨とする二光
束干渉露光法を使用して、約ｏ、１９．（μｍ〕のピン
チを有する干渉縞を形成させてこの干渉縞のパターンに
露光し、レジストを現像して複数個の縞状開口２１′を
有するレジストマスク２１を形成する。

次に、このレジストマスク２１を使用し、臭化水素酸（
ＨＢｒ　）をエツチング液としてなすウェットエツチン
グ法を用いて、補助層四′をエツチングし、第３図に示
される如き、上記と同様の縞状開口２０′を形成し、導
波層とｔ、ｒるＮ１４′に周期的凹凸を形成するための
エツチングマスク加を形成する。

第４図参照 このエツチングマスク２０を使用し、硫酸（Ｈ２ＢＯ３
）、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）、水（ａｚｏ）が３：１
：１の割合を混合されてなる混合溶液を使用してなすウ
ェットエツチング法を用いて、上部導波層となる層１４
′を手分程度の深さ、すなわち、Ｏ，ＯＳ（μｍ〕程度
の深さにエツチングし、新たな開口加を形成する。

この工程により、上層部に周期的凹凸を有する上部導波
層１４が形成される。この様にして形成された周期的開
口の（１１１１面は光放射方向に垂直な平面となる。

第５図、第６図参照 上記のエツチングマスク加を除去することなく、再び、
ＬＰＩ法を使用してｐ型不純物を１０１０１８（Ｃ３）
程度含むｐ型インジウムリン（ｐＩｎＰ）よりなる上部
閉じ込め層１５を１．５〔μｍ〕程度の厚さに形成する
。

尚、このｐ−工ｎＰ閉じ込め層重５の成長温度は５５０
〔℃）である。言うまでもなく、エツチングマスク２０
と閉じ込め層１５の材料は同一であるから、エツチング
マスク２ｏが残留することは不利益とならず、むしろ、
上部閉じ込め層１５の形成にあたり、このエツチングマ
スク加がメルトバックからの保護膜として機能するので
、上部導波層１４の、特に凸部がメルトバックされて周
期的凹凸が不整となることを有効に防止し、この周期的
凹凸の側面は光放射方向に垂直な平面として保存される
ため、十分な光帰還量が確保され、一方、しきい値゛磁
流も低減される。

続いて、同様にＬＰＢ法を使用して、ｐ型不純物を１０
１９（ｔｘ−３）程度含むｐ型インジウムガリウムヒ素
リン（ｐ工ｎＧａＡ８Ｐ）よ番ンなり厚さが０．５〔μ
ｍ〕程度の電極コンタクト層１６を形成したのち、スノ
ξツタ成長法を使用して二酸化シリコン（Ｓ１Ｏ２）層
２２を形成する。

第６図は弗５図に示される積層体のａ−ａ断面図１あり
、以下、この図をもって最終工程を説明する。上記の二
酸化シリコン（Ｓｉｎ２）層２２上に、電極コンタクト
層１６に達する幅５〔μｍ〕程度のストライプ状の開口
を公知の方法を使用し、て形成したのちその上に電子ビ
ーム蒸着法を使用して、夫々、厚さｏ、ｏｓ（μｍ）／
旧〔μｍ）／１（μｍ〕程度のチタン（Ｔ１ン／白金（
ｐｔ）／金（Ａｕ）の三重層よりなる正電極１７を形成
する。ここで、基板１１を裏面から研磨して厚さ１００
〔μｍ〕程度とし、抵抗加熱蒸着法を使用して基板１１
下面に厚さ０．４〔μｍ〕程度の金・ゲルマニウム（Ａ
ｕ′Ｇｅ）／厚さ０．０１　（μｍ）程度のニンケル（
Ｎ１）の二重層よｌ）なる負電極１８を形成する。最後
にファプリー　ペローモード発振を抑制する為、光放射
面は弁開、他面は粗面となし本実施例の製造工程を完了
する。

次に本発明の第２の効果（熱変形）を用いた第２の実施
例に係る半導体レーザの製造方法について説明する０こ
の方法においても補助層のエツチングマスク２０を使用
して、ウェットエツチング法を用いて上部導波層となる
層１４’に手分程度の深さく〜０．０５Ｃμｍ）　）の
エツチングをして下部導波層に周期的凹凸を形成する工
程までは、補助層２０の厚さを０，３〔μｍ〕程度と厚
くする以外は前記第ｌの実施例と全く同−ｔある。

第７図、第８図参照 次にエツチングマスク加を除去することなく、６５０（
℃）程度の温度で待機させる。この熱処理工程において
凸部↑はＰが熱処理雰曲気中へ気化する割合が凹部に比
べて大きく、平衡蒸気圧の差などに因り、凸部から凹部
へのＩｎの拡散、凹ｓｆの再成長が生ずる。最終的には
補助層２０　　は、凹。

部を完全に埋め、導波層１４を保護した状態になる。

この工程において、上部導波層１４の凸部と接する補助
層界面は何ら影響をうけず、導波層の周期的凹凸の側面
も熱変形から保護されている。続いて、第１の実施例同
様にＬＰＢ法を使用してｐ型不純物を１０１１０１９（
３）程度含むｐ型インジウムリン１ｐ−ＩｎＰ）よりな
る上部閉じ込め層１５を１．５〔μｍ〕程度の厚さ形成
する。この上部閉じ込め層１５は熱変形した補助ｔｖｒ
　ｉ−と同一材料であり、補助層で保護された導波層１
４の凹凸に悪影響を与えることなく、熱変形で生じた補
助層の凹凸を埋めて、平坦な成長層を形成する。続いて
同様にＬ’ＰＫ法を使用して、ｐ型不純物を１０１１０
１９（３）程度含むｐ型インジウムガリウムヒ素リン（
ｐ−工ｎＧａＡａＰ）よりなり厚さが０．５〔μｍ〕程
度の電極コンタク）　）Ｗｔ　１６を形成したのち、ス
・ぐツタ成長法を使用して二酸化シリコン（Ｓ１０□）
Ｊ＠２２を形成する。以下の工程は第ｌの実施例と同様
の処理を行ない、本実施例の製造工程を完了する０ 尚、本実施例では、上部導波層１４と上部閉じ込め層１
５との界面に凹凸を形成する方法を述べたが、同様な方
法を用いて下部閉じ込め層１１と下部導波１−１２との
界面に凹凸を形成してもよい。この場合、補助層は下部
導波層１２と同一材料からなり、閉じ込め層１１の表面
を周期的凹凸を有する補助層をマスクとしてエツチング
除去することになる。

以上の工程により、導波層と閉じ込め層との界面に形成
された周期的凹凸によるゾラッグ反射を利用した共振器
が形成され、しかも、この周期的凹凸の側面は光放射方
向に対し正確に垂直な面となっているため、光帰還量が
大きく、しきい値電流の小さい分布帰還型レーザが実現
できる。

（７）発明の詳細 な説明せるとおり、本発明によれば、共振器として機能
する一対の弁開面を有することなく、共振器としての反
射機能が光放射方向に平行な方向に一定の規則的間隔を
もって幾何学的に分布して設けられ、かつ、この反射機
能が導波層と閉じ込め層との界面に設けられた周期的凹
凸によって実現された屈折率の周期的な変化に依存して
なる分布帰還型レーザレーザのＬＰＦｉ法を使用してな
す製造方法において、上記の周期的凹凸、特に凸部のメ
ルトノ々ツクを防止フき、且つ、満足すべき反射機能を
有する周期的凹凸の形状及び寸法を実現可能とし、光帰
還量の増大及び低しきい値電流を可能とする、分布帰還
型半纏体レーザの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、分布帰還型半導体レーザの基本枦造の一しリ
を示す基板断面図であり、第２図乃至第６図は本発明の
−′ＥＩＪｍ　ｒｕに係る酸化膜ストライプ構造の分布
帰還型半導体レーザの製造方法における各主要工程完了
後の基板断面図１ある０なお、第１図乃至第５図は光放
射方向に直交する方向から視た図であり、第６図は光放
射方向から視た図、第７図及び第８図は光放射方向に直
交する方向から視た断面図である。 １．１１・・・基板兼下部閉じ込め層（ｎ−工ｎＰ）、
２．１２−・・下部導波層（ｎ−工ｎＧａＡｓＰ）、３
．１３−＝活性ノー（ＩｎＧａＡａＰ）、４．１４　・
・・下部導波層（ｐ−工ｎＧａＡｅＰ）、１４’　・・
・上部導波ノーとなるノー（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ）、５
．１５−・・上部閉じ込め層（ｐ−工ｎＰ）、６．１６
・・パ嘔極コンタクト層（ｐ−工ｎＧａＡａＰ）、７．
１７−・・正電極（Ｔ　ｉ／ｐ　ｔ／Ａ　ｕ三！ｉ７ｍ
）、８．１８　・・・負電極（Ａｕ′Ｇｅ／Ｎｉ二重層
）、加・・・エツチングマスク（ｐ工ｎＰ）　、２０’
・・・エツチングマスクとなる補助層（ｐ−工ｎ　Ｐ　
）　、２０’・・・エツチングマスクに設けられた縞状
開口、２０”’・・・上部導波層となる層に設けられた
縞状開口、加″−・・熱変形した補助層（ｐ工ｎＰ）　
、２１・・・レジストマスク、２１′川レジストにＷ′
Ｉけられた縞状開口、２２・・・二酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ２）層。 第８図 ２２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層と、該活性層を挾ん１設けられた導波層と、更に
   該導波層を挾んで設けられた閉じ込め層とを有し、前記
   導波層と閉じ込め層との界面に周期的な凹凸を有する分
   布帰還型半導体レーザの製造方法において、前記導波層
   （前記閉じ込め層）表面に、前記閉じ込め層（前記導液
   層）と同一の半導体よりなる補助層を周期的な開口／ｅ
   ターンをもって選択的に形成し、次いで、該パターニン
   グされた補助層をエツチングマスクとして前記導波層（
   前記閉じ込め層）を選択的にエツチングして前記導液層
   （前記閉じ込め層）表向に周期的な凹凸を形成し、前記
   導波層（前記閉じ込め層）上に、前記閉じ込め層（前記
   導波層）を形成する工程を含むことを特徴とする、半導
   体レーザの製造方法０