JP2002151790A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リッジ部の傾斜面における角度が異なる場合
でも、光出力分布の偏りを抑制すること。 【解決手段】 本発明は、第１のクラッド層１０と、第
１のクラッド層１０上に形成される活性層３０と、活性
層３０上に形成されリッジ部を有する第２のクラッド層
４０とを備える半導体レーザ１であり、第２のクラッド
層４０におけるリッジ部の２つの傾斜面Ｇ，Ｓの長さが
各々異なるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クラッド層にリッ
ジ構造を有する半導体レーザおよびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザとして、埋め込みリ
ッジ導波型という構造が多く適用されている。図７は、
埋め込みリッジ導波型の半導体レーザを説明する概略構
成図である。この半導体レーザは、基板１０上に形成さ
れた第２導電型のクラッド層２０と、その上に形成され
た活性層３０と、さらにその上に形成された第１導電型
のクラッド層４０と、キャップ層６０とを備えている。
また、クラッド層４０はリッジ構造を有しており、その
両側に埋め込み層５０が形成されている。

【０００３】図８は、従来の半導体レーザの製造方法を
説明する概略断面図である。先ず、基板１０上に第２導
電型のクラッド層２０、活性層３０、第１導電型のクラ
ッド層４０、キャップ層６０を順に結晶成長する（図８
（ａ）参照）。なお、第１導電型のクラッド層４０の成
長中に、エッチングストップ層４１を成長させておく場
合もある。このエッチングストップ層４１は、後述する
リッジ構造形成の際に利用する層である。

【０００４】次に、キャップ層６０の表面にマスク７０
を形成し、そのマスク７０の両脇を例えばウェットエッ
チングにて除去する。このエッチングの際、第１導電型
のクラッド層４０の結晶学的な溶けやすさから、ある特
定の結晶面（傾斜面）が作られる（図８（ｂ）、（ｃ）
参照）。

【０００５】ここで使用する基板の表面の法線が（０
０ １）面の法線と同じであるような基板（以下、「ジ
ャスト基板」と言う。）であれば、この傾斜面の角度は
左右対称となり、最も出やすい結晶面は（１ １ １）
面、（１ −１ −１）面である。

【０００６】図９は、リッジ部の拡大図である。基板と
して（０ ０ １）面ジャスト基板を用いた場合、リッ
ジ角度θg＝θｓ＝５５°となる。

【０００７】上記エッチングを、エッチング終端面から
活性層３０までの距離がレーザ発振に適用な距離になる
まで行う。この距離の制御性を高める場合には、先ほど
のエッチングストップ層４１を用い、第１導電型のクラ
ッド層４０を溶かしてエッチングストップ層４１は溶か
さないような選択性を有するエッチャントを用いてエッ
チングを行う。

【０００８】エッチング後は、例えばＧａＡｓから成る
埋め込み層５０を成長し、埋め込み５０として残したい
リッジ両脇部にマスク７１を形成する（図８（ｄ）参
照）。そして、リッジ上部の埋め込み層５０を除去し、
図８（ｅ）に示すような埋め込みリッジ導波型の半導体
レーザが完成する。

【０００９】次に、このような埋め込みリッジ導波型の
半導体レーザにおける発振動作を説明する。図１０は、
半導体レーザの概略断面図であり、（ａ）はジャスト基
板、（ｂ）はオフ基板を用いた例である。このようなリ
ッジ構造を採用することで、電流はクラッド層４０のリ
ッジ部を通り、活性層３０に注入される（図中矢印参
照）。

【００１０】活性層３０のバンドギャップは、その上下
のクラッド層２０、４０のそれより大きく、注入された
電流（キャリア）は縦方向（各層に垂直な方向）で活性
層３０内に閉じ込められ、発光に有効に寄与するように
なっている。

【００１１】また、横方向の広がり具合は活性層３０−
埋め込み層５０間の距離ｄに依存し、この距離ｄが小さ
くなればなるほど広がりは抑制され、逆に大きくなれば
広がりは大きくなる。

【００１２】一方、光の閉じ込め具合を考えると、縦方
向にはクラッド層２０、４０の屈折率が、活性層３０の
それに比べて小さくなるような材料で構成する。こうす
れば、発生した光は縦方向で活性層３０付近に閉じ込め
られる。

【００１３】これに対して、横方向については、このよ
うな埋め込みリッジ導波型構造の場合、活性層３０が直
接異なる材料で挟まれていないので、基本的には電流広
がりできまるキャリアの供給領域が発光領域となる。

【００１４】ここで、活性層３０−埋め込み層５０の間
隔ｄを発光領域が近づくように小さくすると、光は埋め
込み層５０の屈折率の影響を受けるようになる。この埋
め込み層５０の屈折率が発光領域の屈折率に比べて小さ
いと、発光領域は横方向に狭くなり、光は横方向に閉じ
込められるようになる。

【００１５】以上のように、レーザ発振の横方向光閉じ
込めの安定性、すなわち横モード安定性は、埋め込み層
５０−活性層３０の距離ｄと、埋め込み層５０および発
光領域の屈折率（または両者の屈折率差）に依存する。

【００１６】次に、オフ基板について説明する。近年、
光ディスクの記録密度向上、消費電力低減、信頼性向
上、動作環境温度の上昇などといった要求に対して、基
板に「オフ基板」と呼ばれるものが用いられるようにな
ってきている。

【００１７】このオフ基板とは、基板表面の法線が（１
０ ０）面から［０ １ １］方向（もしくは［０
−１ −１］方向）に傾斜した基板のことである。この
ようなオフ基板を用いることで、発振レーザ光の短波長
化、低しきい値電流化、温度特性の向上が実現される
（例えば、特開平１１−３４０５８５号公報参照）。

【００１８】オフ基板を用いる際には、光の導波ロス、
ミラーロスを低減させるため、基板オフ方向とストライ
プ方向とが垂直になるよう光共振器を構成する。これに
より、図１０（ｂ）に示すように、ジャスト基板を用い
た場合は左右対称だったリッジ部結晶面（傾斜面）の角
度が左右非対称となる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】このため、電流広がり
はリッジ部の傾斜角の緩い方（図１０（ｂ）に示すＧ
側）に広がり、発光領域が左右非対称となり、さらには
発光光密度分布（Far Field Pattern:FFP）も左右非対
称となってしまう。これにより、光ディスク等、情報処
理用レーザとして用いる場合に要求される単一横モード
が得にくいという問題が生じる。併せて、電流−光出力
特性には、図１１に示すようなディップ（キンク）が発
生してしまう。

【００２０】このように、従来のリッジ導波型半導体レ
ーザにオフ基板を用いると、リッジ形状が非対称にな
り、光の横モードが不安定になり、レーザ高出力時にキ
ンクが発生し、ＦＦＰが左右非対称となって応用上の問
題となっている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成されたものである。すなわち、本
発明は、第１クラッド層と、第１クラッド層上に形成さ
れる活性層と、活性層上に形成されリッジ部を有する第
２クラッド層とを備える半導体レーザであり、第２クラ
ッド層におけるリッジ部の２つの傾斜面の長さが各々異
なるものである。

【００２２】このような本発明では、第２クラッド層に
おけるリッジ部の２つの傾斜面の長さが各々異なること
から、第２クラッド層と活性層との距離がリッジ部の一
方側と他方側とで異なり、活性層が受ける第２クラッド
層の屈折率の影響に差を設けることができる。これによ
り、リッジ部の２つの傾斜面の角度が異なっていても、
発光領域での横方向分布を調整できるようになる。

【００２３】また、本発明は、第１クラッド層と、第１
クラッド層上に形成される活性層と、活性層上に形成さ
れリッジ部を有する第２クラッド層と、第２クラッド層
のリッジ部を中心として両側に形成される埋め込み層と
を備える半導体レーザにおいて、リッジ部を中心とした
埋め込み層の一方側と他方側との屈折率が各々異なるも
のでもある。

【００２４】このような本発明では、第２クラッド層の
リッジ部を中心とした埋め込み層の一方側と他方側との
屈折率が各々異なることから、リッジ部の両側で活性層
が受ける第２クラッド層の屈折率の影響に差を設けるこ
とができる。これにより、リッジ部の２つの傾斜面の角
度が異なっていても、発光領域での横方向分布を調整で
きるようになる。

【００２５】また、本発明は、基板上に第１クラッド層
を形成する工程と、第１クラッド層上に活性層を形成す
る工程と、活性層上に、第２クラッド層における最下
層、第２エッチングストップ層、第２クラッド層におけ
る中間層、第１エッチングストップ層、第２クラッド層
における最上層の順に形成する工程と、第２クラッド層
の一部を第１エッチングストップ層までエッチングして
リッジ構造の一方側傾斜面の途中まで形成する工程と、
リッジ構造の一方側傾斜面に続く第２クラッド層を第２
エッチングストップ層までエッチングして一方側傾斜面
を完成させるとともに、リッジ構造の他方側傾斜面に対
応する第２クラッド層を第１エッチングストップ層まで
エッチングして他方側傾斜面を完成させる工程と備える
半導体レーザの製造方法でもある。

【００２６】このような本発明では、第２クラッド層に
形成した２つのエッチングストップ層により、第２クラ
ッド層をエッチングしてリッジ部を形成する際、リッジ
部の２つの傾斜面の長さを各々異ならせることができ、
リッジ部の２つの傾斜面の角度が異なっていても、発光
領域での横方向分布を調整できるようになる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る半導体レ
ーザを説明する概略断面図である。すなわち、本実施形
態の半導体レーザ１は、オフ基板を利用した埋め込みリ
ッジ導波型から成り、基板１０上に形成された第２導電
型のクラッド層２０と、その上に形成された活性層３０
と、さらにその上に形成されリッジ構造を有する第１導
電型のクラッド層４０と、キャップ層６０と、リッジ構
造の両側に設けられた埋め込み層５０とを備えるもの
で、特に、リッジ構造の２つの傾斜面Ｇ，Ｓの長さが各
々異なる点に特徴がある。

【００２８】リッジ構造の傾斜面Ｇ，Ｓの長さとして
は、リッジ角の小さい方、すなわちリッジ部の傾斜が緩
やかな方（Ｇ側）が長くなっている。これによって、活
性層３０−埋め込み層５０間の距離ｄｇ、ｄｓは傾斜面
Ｇ側の方（距離ｄｇ）が小さくなる。

【００２９】図２は、本実施形態の半導体レーザにおけ
る発振動作を説明する図である。すなわち、このような
リッジ構造を採用することで、電流はクラッド層４０の
リッジ部を通り、活性層３０に注入される（図中矢印参
照）。

【００３０】活性層３０のバンドギャップは、その上下
のクラッド層２０、４０のそれより小さく、注入された
電流（キャリア）は縦方向（各層に垂直な方向）で活性
層３０内に閉じ込められ、発光に有効に寄与するように
なっている。

【００３１】また、横方向の広がり具合は活性層３０−
埋め込み層５０間の距離ｄｇ、ｄｓ（図１参照）に依存
する。特に、埋め込み総０の屈折率が活性層３０および
クラッド層４０のそれより小さい場合は、この距離ｄ
ｇ、ｄｓが小さくなればなるほど広がりは抑制され、逆
に大きくなれば広がりは大きくなる。

【００３２】ここで、リッジ部の傾斜面Ｇ側に対応する
活性層３０−埋め込み層５０の間隔ｄｇを発光領域が近
づくように小さくすると、光は傾斜面Ｇ側に対応する埋
め込み層５０の屈折率の影響を強く受けるようになる。
これにより、リッジ部の２つの傾斜面Ｇ，Ｓの角度が異
なっていても、発光領域での横方向分布を調整できるよ
うになる。

【００３３】本実施形態の半導体レーザ１では、電流注
入領域（図中破線楕円参照）に対して、発光領域（図中
実践楕円参照）が中央に寄っており、電流注入領域に対
応した発光領域の偏りを抑制できるようになる。

【００３４】図３は、活性層に沿った屈折率（埋め込み
層の屈折率の影響を考慮したもの）分布（Ａ）と光分布
（Ｂ）とを示す図である。なお、この図で（ａ）はジャ
スト基板を用いた左右対称リッジ構造（図４（ａ）参
照）、（ｂ）はオフ基板を用いた左右非対称リッジ構造
（図４（ｂ）参照）、（ｃ）は本実施形態のリッジ構造
（図４（ｃ）参照）のものを示している。

【００３５】ジャスト基板を用いた左右対称リッジ構造
の屈折率分布および光分布（（ａ）参照）に対してオフ
基板を用いた左右非対称リッジ構造の屈折率分布および
光分布（（ｂ）参照）は、リッジ角の小さい傾斜面Ｇ側
に偏っているのが分かる。

【００３６】これに対し、本実施形態のリッジ構造で
は、リッジ角の小さい傾斜面Ｇ側がリッジ角の大きい傾
斜面Ｓ側より長いため、リッジ角の違いと両傾斜面の長
さの違いによる活性層３０への屈折率の影響が相殺し合
い、屈折率分布および光分布（（ｃ）参照）に偏りが発
生しなくなる。

【００３７】これにより、オフ基板を用いて左右非対称
のリッジ構造になっても、発光の横モードも安定し、Ｆ
ＦＰも左右対称にすることができるようになる。

【００３８】なお、ここでは、第１導電型のクラッド層
４０をＡｌＧａＩｎＰ（屈折率３．３５）、埋め込み層
５０をＧａＡｓ（屈折率３．８０）として活性層３０上
での屈折率分布を計算し、その最大・最小の差をΔｎ＝
４．０×１０^-3としている。

【００３９】次に、本実施形態に係る半導体レーザの製
造方法を説明する。図５は、本実施形態における半導体
レーザの製造方法を順に説明する概略断面図である。先
ず、図５（ａ）に示すように、基板１０上に、第２導電
型のクラッド層２０、活性層３０、第１導電型のクラッ
ド層４０のうち最下層４ａ、第２エッチングストップ層
４２、第１導電型のクラッド層４０のうち中間層４ｂ、
第１エッチングストップ層４３、第１導電型のクラッド
層４０のうち最上層４ｃ、キャップ層６０を順に積層す
る。

【００４０】ここで、基板１０としては、例えばＧａＡ
ｓオフ基板、第２導電型のクラッド層２０としては、例
えば（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（ｘ＝０．６５）、
活性層３０としては、例えばＧａＩｎＰ／Ａｌ_xＧａ_1-x
ＩｎＰのＭＱＷ（ｘ＝０．５）、第１導電型のクラッド
層４０としては、クラッド層２０と同じ例えば（Ａｌ _x
Ｇａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（ｘ＝０．６５）、エッチング
ストップ層４２，４３としてはＧａＩｎＰを用いる。

【００４１】次に、図５（ｂ）に示すように、キャップ
層６０の約半分をマスク７０で覆い、マスク７０のない
部分に対応したキャップ層６０、第１導電型のクラッド
層４０をエッチングによって除去する。このとき中間層
４ｂの一部である４ｄは、エッチングされずに残ること
になる。

【００４２】エッチャントとしては、キャップ層６０の
エッチングで例えばＨ₃ＰＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏを用い、
第１導電型のクラッド層４０のエッチングで例えばＨ₂
ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏを用いる。

【００４３】このエッチングでは、マスク７０のない部
分に対応するキャップ層６０と第１導電型のクラッド層
４０を第１エッチングストップ層４３まで（第１エッチ
ングストップ層４３からわずかに中間層４ｂまで）を除
去する。

【００４４】次に、図５（ｃ）に示すように、残したい
ストライプ幅だけマスク７０を残して他を除去し、今度
は第１導電型のクラッド層４０のみを溶かす選択性エッ
チャントでエッチングを行う。これにより、中間層の残
り４ｄと、これと反対側の最上層４ｃとがエッチングさ
れ、第１導電型のクラッド層４０に傾斜面の長さが異な
るリッジ構造が形成される。

【００４５】その後、マスク７０を除去し、図５（ｄ）
に示すように、リッジ部の周辺に埋め込み層を成長さ
せ、ストライプ上部の埋め込み層を除去して図５（ｅ）
に示すような半導体レーザ１が完成する。

【００４６】なお、上記の製造方法では、エッチングの
深さ制御をエッチングストップ層によって行ったが、エ
ッチングする時間によって制御することも可能である。

【００４７】次に、本実施形態の他の例を説明する。図
６は、他の実施形態を説明する概略断面図である。図６
（ａ）に示す半導体レーザ１の例は、リッジ部における
両傾斜面Ｇ，Ｓの長さが各々異なる点で先に説明した実
施形態と同じであるが、周辺に埋め込み層が形成されて
いない点で相違する。この場合、埋め込み層に対応する
部分の屈折率は、半導体レーザ１の周辺雰囲気（気体）
の屈折率となる。例えば、気体が空気の場合は屈折率が
ほぼ１であり、これはクラッド層４０や活性層３０の屈
折率（３〜４）より小さい値である。

【００４８】また、図６（ｂ）に示す半導体レーザ１の
例は、リッジ部における両傾斜面Ｇ，Ｓの長さが各々異
なる点で先に説明した実施形態と同じであるが、リッジ
部の周辺の埋め込み層５０として、ＳｉＯ₂のような誘
電体を用いた点で相違する。埋め込み層５０の屈折率は
１〜１．４５となり、活性層３０（発光領域）の屈折率
３〜４より小さくなる。

【００４９】また、図６（ｃ）に示す半導体レーザ１の
例は、リッジ部における両傾斜面Ｇ，Ｓの長さが同じで
あるものの、リッジ部を中心とした一方側の傾斜面Ｇに
対応する埋め込み層５０の屈折率と、他方側の傾斜面Ｓ
に対応する埋め込み層５１の屈折率とが各々異なってい
る。各屈折率は、リッジ角の小さい傾斜面Ｇに対応する
埋め込み層５０の屈折率を、リッジ角の大きい傾斜面Ｓ
に対応する埋め込み層５１の屈折率より小さくする。

【００５０】これによって、リッジ角の異なる両傾斜面
Ｇ，Ｓの長さは等しくても、活性層３０での屈折率分布
や光分布の偏りをなくすことが可能となる。

【００５１】また、図６（ｄ）に示す半導体レーザ１の
例は、リッジ部における両傾斜面Ｇ，Ｓの長さが異なる
とともに、リッジ部を中心とした一方側の傾斜面Ｇに対
応する埋め込み層５０の屈折率と、他方側の傾斜面Ｓに
対応する埋め込み層５１の屈折率とが各々異なってい
る。

【００５２】これにより、活性層３０−埋め込み層５
０，５１間の距離による制御に加え、埋め込み層５０，
５１の屈折率制御によって、活性層３０での光分布をよ
り細かく制御することが可能となる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。すなわち、リッジ構造における左
右の傾斜角が異なる場合であっても、光分布の偏りを抑
制して横モードの安定性を向上させることが可能とな
る。また、これによりレーザ光の出力特性におけるキン
クを解消できるようになる。また、このような半導体レ
ーザを用いることで、レーザ光に対する光学系の設計自
由度を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る半導体レーザを説明する概略
断面図である。

【図２】本実施形態の半導体レーザにおける発振動作を
説明する図である。

【図３】活性層に沿った屈折率分布と光分布とを示す図
である。

【図４】各リッジ構造を示す図である。

【図５】本実施形態における半導体レーザの製造方法を
順に説明する概略断面図である。

【図６】他の実施形態を説明する概略断面図である。

【図７】埋め込みリッジ導波型の半導体レーザを説明す
る概略構成図である。

【図８】従来の半導体レーザの製造方法を説明する概略
断面図である。

【図９】リッジ部の拡大図である。

【図１０】半導体レーザの概略断面図である。

【図１１】電流−光出力特性を示す図である。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、１０…基板、２０…クラッド層、３
０…活性層、４０…クラッド層、５０…埋め込み層、６
０…キャップ層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１クラッド層と、前記第１クラッド層
   上に形成される活性層と、前記活性層上に形成されリッ
   ジ部を有する第２クラッド層とを備える半導体レーザに
   おいて、 前記第２クラッド層におけるリッジ部の２つの傾斜面の
   長さが各々異なることを特徴とする半導体レーザ。
2. 【請求項２】 第１クラッド層と、前記第１クラッド層
   上に形成される活性層と、前記活性層上に形成されリッ
   ジ部を有する第２クラッド層と、前記第２クラッド層の
   リッジ部を中心として両側に形成される埋め込み層とを
   備える半導体レーザにおいて、 前記リッジ部を中心とした前記埋め込み層の一方側と他
   方側との屈折率が各々異なることを特徴とする半導体レ
   ーザ。
3. 【請求項３】 基板上に第１クラッド層を形成する工程
   と、 前記第１クラッド層上に活性層を形成する工程と、 前記活性層上に、第２クラッド層における最下層、第２
   エッチングストップ層、第２クラッド層における中間
   層、第１エッチングストップ層、第２クラッド層におけ
   る最上層の順に形成する工程と、 前記第２クラッド層の一部を前記第１エッチングストッ
   プ層までエッチングしてリッジ構造の一方側傾斜面の途
   中まで形成する工程と、 前記リッジ構造の一方側傾斜面に続く第２クラッド層を
   前記第２エッチングストップ層までエッチングして前記
   一方側傾斜面を完成させるとともに、前記リッジ構造の
   他方側傾斜面に対応する第２クラッド層を前記第１エッ
   チングストップ層までエッチングして前記他方側傾斜面
   を完成させる工程とを備えることを特徴とする半導体レ
   ーザの製造方法。
4. 【請求項４】 前記リッジ構造の一方側斜面および他方
   面側斜面を各々覆うように埋め込み層を形成する工程を
   備えることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザの
   製造方法。