JP2004087615A - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高密度かつ均一な量子ドットを形成でき、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザの製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ半導体基板上にＡｌＧａＡｓクラッド層５２を形成し、その上にｉ型ＧａＡｓ層５３を形成する。次に、フォトリソグラフィ法により、ＧａＡｓ層５３にストライプ状の溝５４を形成した後、ＭＢＥ法によりＩｎＡｓ層を形成する。このとき、基板温度の上昇に伴い、凸部の縁がなだらかに変形して平坦な部分が殆どなくなる。そして、凸部の傾斜面にはＩｎＡｓが殆ど堆積せず、溝５４の底部にＩｎＡｓがＳ−Ｋモード成長して、相互に離隔したＩｎＡｓ島が形成される。このＩｎＡｓ島をｉ型ＧａＡｓで覆うと量子ドットが形成される。このようにして、溝５４を用いて量子ドットの周期構造を形成する。
【選択図】 図５
【解決手段】ＧａＡｓ半導体基板上にＡｌＧａＡｓクラッド層５２を形成し、その上にｉ型ＧａＡｓ層５３を形成する。次に、フォトリソグラフィ法により、ＧａＡｓ層５３にストライプ状の溝５４を形成した後、ＭＢＥ法によりＩｎＡｓ層を形成する。このとき、基板温度の上昇に伴い、凸部の縁がなだらかに変形して平坦な部分が殆どなくなる。そして、凸部の傾斜面にはＩｎＡｓが殆ど堆積せず、溝５４の底部にＩｎＡｓがＳ−Ｋモード成長して、相互に離隔したＩｎＡｓ島が形成される。このＩｎＡｓ島をｉ型ＧａＡｓで覆うと量子ドットが形成される。このようにして、溝５４を用いて量子ドットの周期構造を形成する。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層に量子ドット構造を有する半導体レーザの製造方法に関し、特に、高速長距離光ファイバ通信やアクセス系光ファイバ通信の光源として好適な半導体レーザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気信号を光信号に変換する方法には、変調信号の変化に応じて半導体レーザから出力される光を直接変調する直接変調方式と、半導体レーザの出力光に対し外部から変調を加える外部変調方式とがある。
【０００３】
一般的に、大容量光ファイバ通信システムでは外部変調方式が使用されており、光信号を発生する送信装置は、連続光を発生する量子井戸分布帰還形半導体レーザと、レーザから出力された光に信号を乗せる外部光変調器とから構成されている。仮に、量子井戸分布帰還形半導体レーザを高速で直接変調動作させると、半導体レーザの活性層に用いられている構造が量子井戸であるため注入キャリア密度の変動に起因して活性層の屈折率が変動し、発振波長のシフトが起きて伝送距離を制限するチャーピングと呼ばれる現象が発生する。
【０００４】
このため、商用の大容量光ファイバ通信システムでは、前述の如く、外部変調方式が一般化されている。連続発振単一モード半導体レーザと高速光変調器との組み合わせにより、１０Ｇｂｉｔ／ｓ を超える超高速・大容量光ファイバ通信の実験も行われている。
【０００５】
ところで、チャーピングを議論する上で重要なパラメータの一つに、線幅増大係数がある。線幅増大係数αは、下記（１）式で定義される。
【０００６】
【数１】
【０００７】
ここで、χ（Ｎ）は活性層の複素感受率で、ＲｅとＩｍはχ（Ｎ）の実部と虚部、Ｎはキャリア密度である。χ（Ｎ）の実部と虚部は、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係式で結ばれていることと、χ（Ｎ）の虚部は利得ｇに比例することを用いると、線幅増大係数αを定義する（１）式は、下記（２）式のように書き表すことができる。
【０００８】
【数２】
【０００９】
ここで、Ｅ’及びＥはエネルギー、ＰはＣａｕｃｈｙの主値積分を表わす。
【００１０】
バルク構造を半導体レーザの活性層として用いる場合、線幅増大係数は発振波長近傍で４〜６程度の値である。量子井戸構造を活性層に用いることで、線幅増大係数を２程度まで低減することができる。量子井戸の材料や組成及びレーザ構造を調整し、ＤＦＢ（分布帰還形）構造によって発振波長を微分利得スペクトルのピーク方向へずらすことで、線幅増大係数を１．４〜１．８という小さな値にできることが報告されている。しかし、これを更に小さくすることは、量子井戸構造では困難である。それは、線幅増大係数は活性層の微分利得スペクトルのピークで０となるが、量子井戸構造では通常、微分利得スペクトルのピーク位置は利得スペクトルの吸収領域にあり、利得スペクトルのピーク位置とずれているためである。
【００１１】
量子井戸構造半導体レーザよりも更に線幅増大係数の低減が期待されるものとして、活性層に量子ドット構造を有する量子ドット分布帰還形半導体レーザが提案されている。
【００１２】
図１は、従来の量子ドット分布帰還形型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【００１３】
ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１１の上にはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２が形成されており、このＡｌＧａＡｓクラッド層１２上にはｉ型ＧａＡｓＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込め）層１３が形成されている。ＧａＡｓＳＣＨ層１３には、量子ドット１４が３次元方向に配列した領域と、量子ドットが形成されていない領域とが一定の周期で設けられている。このｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層１３が半導体レーザの活性層である。
【００１４】
ＧａＡｓＳＣＨ層１３の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５が形成されており、ＡｌＧａＡｓクラッド層１５の上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層１６が形成されている。
【００１５】
ＧａＡｓ半導体基板１１の下及びＧａＡｓキャップ層１６の上にはそれぞれ電極１７ａ，１７ｂが形成されている。また、ＧａＡｓＳＣＨ層１３の一方の端面側には高反射率ミラー１８が形成され、他方の端面側には低反射率ミラー１９が形成され、低反射率ミラー１９を通って光が出射するようになっている。
【００１６】
量子ドットは、一般的に、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するＳ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード成長を利用することにより形成される（例えば、特開平９−３２６５０６号参照）。
【００１７】
以下、図１〜図３を参照して、従来の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を説明する。
【００１８】
まず、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法又はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法により、ＧａＡｓ半導体基板１１の（１００）面上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２を約１４００ｎｍの厚さに形成する。次に、チャンバ内にＴＥＧａ（トリエチルガリウム）及びＡｓＨ３ を供給して、図２（ａ）に示すように、ＡｌＧａＡｓクラッド層１２の上に、ｉ型ＧａＡｓ層２１を約２０ｎｍの厚さに形成する。このときの基板温度は、例えば６２０℃とする。
【００１９】
その後、図２（ｂ）に示すように、Ｇａの供給を遮断して基板温度を約５００℃まで下げ、チャンバ内にＩｎの分子ビームを導入して、厚さが１〜数分子層分のｉ型ＩｎＡｓ層を堆積する。このとき、ＩｎＡｓ層の格子定数がＧａＡｓ層２１の格子定数と若干異なるため、Ｓ−Ｋモード成長により、図２（ｃ）に示すように、ＧａＡｓ層２１の上に相互に離隔した多数のＩｎＡｓ島２２が発生する。
【００２０】
このようにして第１層目のＩｎＡｓ島２２が形成された後、図２（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ層２１の上に厚さが２〜３ｎｍのｉ型ＧａＡｓからなる中間層２３を堆積する。これにより、ＩｎＡｓ島２２がバンドギャップの大きいＧａＡｓに囲まれて、キャリアを３次元的に閉じ込める量子ドット１４が形成される。
【００２１】
その後、ＩｎＡｓ島２２の形成とｉ型ＧａＡｓ中間層２３の堆積を数回繰り返し、図３（ａ）に示すように、量子ドット１４が３次元方向に配列した積層量子ドット構造の層２４形成する。
【００２２】
次に、フォトリソグラフィ法により層２４をエッチングして、図３（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＡｓクラッド層１２に到達するストライプ状の溝２５を形成する。その後、図３（ｃ）に示すように、全面にｉ型ＧａＡｓ層を堆積して溝２５を埋め、表面を平坦化する。このようにして、ＧａＡｓＳＣＨ層１３が形成される。ＧａＡｓＳＣＨ層１３には、量子ドット１４が３次元方向に整列した領域と、量子ドット１４が設けられていない領域とが一定の周期で並んでいる。
【００２３】
次いで、図１に示すように、ＧａＡｓＳＣＨ層１３の上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１６を形成する。その後、電極１７ａ，１７ｂ、高反射率ミラー１８及び低反射率ミラー１９を形成する。これにより、量子ドット分布帰還形半導体レーザが完成する。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、大容量光ファイバ通信システムでは一般的に、半導体レーザと光変調器とを集積して送信機を構成している。しかし、この方式は、半導体レーザ単体の直接変調と比べると構成が複雑であり、製作にかかるコストが増大するという欠点がある。
【００２５】
量子ドット構造の半導体レーザは、量子井戸構造の半導体レーザに比べて線幅増大係数が小さく、直接変調してもチャーピングが発生しにくいという利点がある。しかし、超高速・大容量光ファイバ通信システムに利用するために、量子ドットがより一層高密度かつ均一であり、利得の大きい半導体レーザが望まれている。
【００２６】
以上から、本発明は、高密度かつ均一な量子ドットを形成でき、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、基板上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層に周期的な凹凸を形成する工程と、前記半導体層の凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記凹部の内側にのみ量子ドットが３次元方向に並んだ活性層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法により解決する。
【００２８】
また、上記した課題は、基板の上に第１の半導体からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層に周期的なストライプ状の溝を形成する工程と、前記第１の層を前記基板とともに加熱して、前記第１の層の溝間の平坦な面を溝の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記溝の内側に第２の半導体を堆積し、格子定数の差を利用して前記溝の底部にのみ量子ドットを形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法により解決する。
【００２９】
本発明においては、第１の半導体からなる半導体層に周期的な凹凸（又は、溝）を形成する。凹凸の周期は例えば量子ドットの管内波長の２分の１の自然数倍と同程度に設定する。
【００３０】
次に、凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる。例えば、凸部の幅を十分小さくしておくと、基板温度を上昇する過程で凸部の断面形状がなだらかになり、凸部の平坦な面をなくすことができる。
【００３１】
その後、例えば分子線エピタキシー法により半導体層の上に第２の半導体を堆積する。この場合に、第２の半導体は凸部の傾斜面には殆ど堆積せず、主に凹部の底面に堆積する。そして、凹部の底面でＳ−Ｋモード成長し、量子ドットを形成する。
【００３２】
このように、本発明では、凹部（又は、溝）の底部にのみ量子ドットが自己形成されるので、高密度かつ均一な量子ドットが得られる。これにより、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザを製造することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図４〜図７は本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図である。
【００３５】
まず、図４（ａ）に示すように、ＭＢＥ法により、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板５１の（１００）面上にｎ型Ａｌ０．４ Ｇａ０．６ Ａｓからなるクラッド層５２を約１４００ｎｍの厚さに形成する。このとき、基板温度は、例えば６２０℃とする。なお、ＧａＡｓ半導体基板に替えて、ＩｎＧａＡｓ半導体基板又はＩｎＰ半導体基板を使用してもよい。
【００３６】
次に、チャンバ内にＴＥＧａ（トリエチルガリウム）及びＡｓＨ３ を供給して、図４（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＡｓクラッド層５２の上にｉ型ＧａＡｓ層５３を約６００ｎｍの厚さに形成する。
【００３７】
次に、ＭＢＥ装置のチャンバから基板５１を取り出して、ｉ型ＧａＡｓ層５３の表面にフォトレジストを塗布する。そして、電子ビーム露光によりフォトレジストに回折パターンを描画し、その後現像処理を施して、幅が約５０ｎｍ、ピッチが一定のストライプ状のレジストマスク（図示せず）を形成する。
【００３８】
次に、マスクに覆われていない部分のｉ型ＧａＡｓ層５１をドライエッチングして、図５（ａ）に示すように、深さが約４００ｎｍの溝５４を形成する。この場合に、ドライエッチングでは基板５１に対し垂直方向にエッチングが進むため、図５（ａ）のように溝５４の断面はほぼ矩形となり、溝と溝との間の部分（以下、「テラス」と呼ぶ）は平坦である。
【００３９】
なお、溝５４のピッチは発振波長に応じて設定する。本実施の形態では、後述するように各溝５４内に量子ドットを形成して周期構造を構成するので、量子ドットの周期構造が管内波長の１／２の自然数倍と同程度となるように溝５４のピッチを決定する。例えば、発振波長を１．３μｍとする場合は溝５４のピッチを２００ｎｍとし、発振波長を１．５５μｍとする場合は溝５４のピッチを２４０ｎｍとする。但し、発振波長は量子ドットの周期だけでなく、量子ドットの組成や大きさにも関係する。
【００４０】
次に、基板５１をＭＢＥ装置のチャンバ内に戻し、約５００℃まで加熱する。この加熱により、図５（ｂ）に示すように、溝５４の縁部がなだらかな曲面になり、テラスの平坦な部分が殆どなくなる。
【００４１】
次に、図５（ｃ）に示すように、チャンバ内にＩｎ及びＡｓの分子ビームを導入して、ｉ型ＩｎＡｓ層を形成する。このとき、ＩｎＡｓ分子は凸部の傾斜面には殆ど堆積せず、主に溝５４の底部に堆積する。そして、溝５４の底部にｉ型ＩｎＡｓ層がある程度堆積すると、図６（ａ）に示すように、Ｓ−Ｋモード成長により相互に離隔した多数のＩｎＡｓ島５５が発生する。
【００４２】
このようにして第１層目のＩｎＡｓ島５５を形成した後、図６（ｂ）に示すように、全面にｉ型ＧａＡｓ中間層５６を約２〜３ｎｍの厚さに形成して、ＩｎＡｓ島５５をｉ型ＧａＡｓ中間層５６で覆う。これにより、ＩｎＡｓ島５５の周囲がバンドギャップの大きいＧａＡｓに囲まれ、キャリアを３次元的に閉じ込める量子ドット５７が形成される。
【００４３】
なお、本実施の形態では量子ドット５７をＩｎＡｓにより形成しているが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＮＡｓ等により形成してもよい。
【００４４】
次に、ＩｎＡｓ島５５の形成とｉ型ＧａＡｓ中間層５６の堆積を数回繰り返し、図６（ｃ）に示すように、溝５４の内側に量子ドット５７が３次元方向に並んだ量子ドット構造を形成する。
【００４５】
その後、溝５４が埋まるまでｉ型ＧａＡｓを堆積し、表面を平坦化する。これにより、図７（ａ）に示すように、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層（活性層）５８が形成される。ＧａＡｓＳＣＨ層５８には、量子ドット５７が３次元方向に配列した領域と、量子ドット５７が設けられていない領域とが周期的に並んでいる。
【００４６】
次いで、図７（ｂ）に示すように、ＧａＡｓＳＣＨ層５８の上にｐ型Ａｌ０．４ Ｇａ０．６ Ａｓからなるクラッド層５９を約１４００ｎｍの厚さに形成し、更にその上にｐ型ＧａＡｓキャップ層６０を約４００ｎｍの厚さに形成する。そして、ＧａＡｓＳＣＨ層５８の一方の端面側に高反射率ミラー６２を形成し、他方の端面側に低反射率ミラー６３を形成する。また、基板５１の下側に電極６１ａを形成し、ｐ型ＧａＡｓキャップ層５９の上に電極６１ｂを形成する。これにより、量子ドット分布帰還形半導体レーザが完成する。
【００４７】
本実施の形態によれば、図５（ｃ）に示すように、凸部の傾斜面に到達したＩｎ分子及びＡｓ分子は溝５４の底部の平面へ移動して量子ドットを形成するため、平板状の基板の上へ量子ドットを形成する場合（図１〜図３参照）に比べて量子ドットを高密度かつ均一に形成することができる。その結果、定在波の腹部分に量子ドットが高密度に局在することによって、利得が増大するという効果が得られる。従って、本実施の形態により製造された半導体レーザは、直接変調してもチャーピングが発生しにくく、超高速・大容量光ファイバ通信システムに適用できる。
【００４８】
なお、本願発明者等は、半導体基板上に周期的な凹凸を設け、凹部の底面（谷部）及び凸部の上面（山部）にそれぞれ量子ドットを形成した半導体レーザを提案している（特開２００１−３２６４２１号）。この半導体レーザに比べて、本発明の半導体レーザは溝の底部のみに量子ドットを形成するので、量子ドットの密度及び均一性が向上し、利得がより一層大きくなるという利点がある。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザの製造方法を示す断面図である。なお、本実施の形態は、本発明をリッジ（ｒｉｄｇｅ ）メサ型の半導体レーザの製造に適用した例を示している。
【００５０】
まず、ＭＢＥ法により、ｎ型半導体基板７１の（１００）面上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７２を形成し、その上に量子ドットの周期構造を有するｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層７３を形成する。ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層７３は、第１の実施の形態と同様の方法により形成する（図５，図６参照）。
【００５１】
その後、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層７３上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７４を形成し、更にその上にｐ型ＧａＡｓキャップ層７５を形成する。
【００５２】
次に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７５の上に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７２の厚さ方向の途中までエッチングして、リッジメサ構造を形成する。なお、予めＧａＡｓ半導体基板７１とＡｌＧａＡｓクラッド層７２との間にｎ型ＧａＡｓバッファ層を形成しておき、ＧａＡｓバッファ層が露出するまでエッチングを行ってもよい。
【００５３】
次に、半導体基板７１の上側全面に例えばＳｉＮ等の絶縁膜７６を形成する。そして、フォトリソグラフィ法により絶縁膜７６を選択的にエッチングして、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７２が露出する開口部と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７５が露出する開口部を形成する。その後、半導体基板７１の上側全面に金属膜を形成し、フォトリソグラフィ法により金属膜をパターニングして、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層に接続する電極７７ａと、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７５に接続する電極７７ｂとを形成する。これにより、リッジメサ型の半導体レーザが完成する。
【００５４】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ｉ型ＧａＡｓ層にストライプ状に溝を形成し、熱によりテラスの平坦部分を殆どなくした後、ＭＢＥ法によりＩｎＡｓ量子ドットを形成する。これにより、溝の底部に量子ドットが高密度かつ均一に形成され、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザが得られる。
【００５５】
（その他の実施の形態）
上述した第１及び第２の実施の形態ではいずれも本発明を端面発光半導体レーザの製造に適用した場合について説明したが、本発明は面発光半導体レーザの製造に適用することもできる。図９は、面発光半導体レーザの一例を示す断面図である。
【００５６】
ｎ型半導体基板８１上にはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８２が形成されている。このｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８２はメサ型に形成されており、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８２のメサ部の上にはミラー層８３が形成されている。このミラー層８３は、例えば交互に積層されたＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とにより構成される。
【００５７】
ミラー層８３の上には、量子ドットの周期構造を有するｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層８４が形成されている。このｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層８４の上には、ミラー層８５が形成されている。このミラー層８５も、例えば交互に積層されたＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とにより構成されている。但し、ミラー層８５はミラー層８３よりも積層数を少なくして、ある程度増幅された光がミラー層８５を通過するようにしている。
【００５８】
ミラー層８５の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８６が形成されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８６の上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層８７が形成されている。
【００５９】
これらのＡｌＧａＡｓクラッド層８２、ミラー層８３、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層８４、ミラー層８５、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８６及びｐ型ＧａＡｓキャップ層８７の上面又は側面は絶縁膜８８に覆われている。一方の電極８９ａは絶縁膜８８に設けられた開口部をＡｌＧａＡｓクラッド層８２に接続され、他方の電極８９ｂはリング状に形成されて、絶縁膜８８に設けられた開口部を介してｐ型ＧａＡｓキャップ層８７に接続されている。また、電極８９ｂの内側には、反射防止膜９０が形成されている。
【００６０】
このような構成の面発光半導体レーザにおいて、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層を第１の実施の形態で説明した方法により形成する。すなわち、ｉ型ＧａＡｓ層にストライプ状に溝を形成し、熱によりテラスの平坦部分を殆どなくした後、ＭＢＥ法によりＩｎＡｓ量子ドットを形成する。但し、面発光半導体レーザでは、垂直方向の量子ドットの周期が管内波長の１／２の自然数倍と同程度になるようにする。
【００６１】
（付記１）基板上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層に周期的な凹凸を形成する工程と、前記半導体層の凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記凹部の内側にのみ量子ドットが３次元方向に並んだ活性層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【００６２】
（付記２）前記凹凸を、光の伝播方向に沿って周期的に且つ前記量子ドットの管内波長の２分の１の自然数倍と同程度の周期で形成することを特徴とする付記１に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６３】
（付記３）前記量子ドットが自己形成的に形成されることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６４】
（付記４）基板の上に第１の半導体からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層に周期的なストライプ状の溝を形成する工程と、前記第１の層を前記基板とともに加熱して、前記第１の層の溝間の平坦な面を溝の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記溝の内側に第２の半導体を堆積し、格子定数の差を利用して前記溝の底部にのみ量子ドットを形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【００６５】
（付記５）前記第２の半導体の堆積は分子線エピタキシー法により実施することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６６】
（付記６）前記溝の幅を、溝間の平坦部分の幅よりも広くすることを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６７】
（付記７）前記溝の内側に量子ドットを積層して形成することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６８】
（付記８）前記基板として、ＧｓＡｓ半導体基板、ＩｎＧａＡｓ半導体基板及びＩｎＰ半導体基板のうちのいずれかの基板を使用することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６９】
（付記９）前記量子ドットを、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ及びＧａＩｎＮＡｓのうちのいずれかにより形成することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００７０】
（付記１０）前記第１の層がＧａＡｓからなることを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００７１】
（付記１１）前記溝を、管内波長の２分の１の自然数倍と同程度の周期で形成することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００７２】
（付記１２）出力光の波長が１．３μｍとなるように前記溝のピッチを設定することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【００７３】
（付記１３）出力光の波長が１．５５μｍとなるように前記溝のピッチを設定することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の半導体からなる半導体層に周期的な凹凸（又は、溝）を形成し、凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる。そして、例えば分子線エピタキシー法により半導体層の上に第２の半導体を堆積する。これにより、第２の半導体は凸部の傾斜面には殆ど堆積せず、主に凹部の底部に堆積してＳ−Ｋモード成長し、量子ドットが自己形成される。
【００７５】
このようにして、本実施の形態では凹部の底部に量子ドットを自己形成するので、高密度かつ均一な量子ドットが得られる。これにより、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の量子ドット分布帰還形型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を説明する図（その１）である。
【図３】図３は、従来の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を説明する図（その２）である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その１）である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その２）である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その３）である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その４）である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図９】図９は、面発光半導体レーザの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１，５１，７１，８１…ｎ型ＧａＡｓ半導体基板、
１２，５２，７２，８２…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、
１３，５８，７３，８４…ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層、
１４，５７…量子ドット、
１５，５９，７４，８６…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、
１６，６０，７５，８７…ｐ型ＧａＡｓキャップ層、
１７ａ，１７ｂ，６１ａ，６１ｂ，７７ａ，７７ｂ，８９ａ，８９ｂ…電極、
１８，６２…高反射率ミラー、
１９，６３…低反射率ミラー、
２１，５３…ｉ型ＧａＡｓ層、
２２，５５…ＩｎＡｓ島、
２３，５６…ｉ型ＧａＡｓ中間層、
５４…溝、
８３，８５…ミラー層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層に量子ドット構造を有する半導体レーザの製造方法に関し、特に、高速長距離光ファイバ通信やアクセス系光ファイバ通信の光源として好適な半導体レーザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気信号を光信号に変換する方法には、変調信号の変化に応じて半導体レーザから出力される光を直接変調する直接変調方式と、半導体レーザの出力光に対し外部から変調を加える外部変調方式とがある。
【０００３】
一般的に、大容量光ファイバ通信システムでは外部変調方式が使用されており、光信号を発生する送信装置は、連続光を発生する量子井戸分布帰還形半導体レーザと、レーザから出力された光に信号を乗せる外部光変調器とから構成されている。仮に、量子井戸分布帰還形半導体レーザを高速で直接変調動作させると、半導体レーザの活性層に用いられている構造が量子井戸であるため注入キャリア密度の変動に起因して活性層の屈折率が変動し、発振波長のシフトが起きて伝送距離を制限するチャーピングと呼ばれる現象が発生する。
【０００４】
このため、商用の大容量光ファイバ通信システムでは、前述の如く、外部変調方式が一般化されている。連続発振単一モード半導体レーザと高速光変調器との組み合わせにより、１０Ｇｂｉｔ／ｓ を超える超高速・大容量光ファイバ通信の実験も行われている。
【０００５】
ところで、チャーピングを議論する上で重要なパラメータの一つに、線幅増大係数がある。線幅増大係数αは、下記（１）式で定義される。
【０００６】
【数１】
ここで、χ（Ｎ）は活性層の複素感受率で、ＲｅとＩｍはχ（Ｎ）の実部と虚部、Ｎはキャリア密度である。χ（Ｎ）の実部と虚部は、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係式で結ばれていることと、χ（Ｎ）の虚部は利得ｇに比例することを用いると、線幅増大係数αを定義する（１）式は、下記（２）式のように書き表すことができる。
【０００８】
【数２】
ここで、Ｅ’及びＥはエネルギー、ＰはＣａｕｃｈｙの主値積分を表わす。
【００１０】
バルク構造を半導体レーザの活性層として用いる場合、線幅増大係数は発振波長近傍で４〜６程度の値である。量子井戸構造を活性層に用いることで、線幅増大係数を２程度まで低減することができる。量子井戸の材料や組成及びレーザ構造を調整し、ＤＦＢ（分布帰還形）構造によって発振波長を微分利得スペクトルのピーク方向へずらすことで、線幅増大係数を１．４〜１．８という小さな値にできることが報告されている。しかし、これを更に小さくすることは、量子井戸構造では困難である。それは、線幅増大係数は活性層の微分利得スペクトルのピークで０となるが、量子井戸構造では通常、微分利得スペクトルのピーク位置は利得スペクトルの吸収領域にあり、利得スペクトルのピーク位置とずれているためである。
【００１１】
量子井戸構造半導体レーザよりも更に線幅増大係数の低減が期待されるものとして、活性層に量子ドット構造を有する量子ドット分布帰還形半導体レーザが提案されている。
【００１２】
図１は、従来の量子ドット分布帰還形型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【００１３】
ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１１の上にはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２が形成されており、このＡｌＧａＡｓクラッド層１２上にはｉ型ＧａＡｓＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込め）層１３が形成されている。ＧａＡｓＳＣＨ層１３には、量子ドット１４が３次元方向に配列した領域と、量子ドットが形成されていない領域とが一定の周期で設けられている。このｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層１３が半導体レーザの活性層である。
【００１４】
ＧａＡｓＳＣＨ層１３の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５が形成されており、ＡｌＧａＡｓクラッド層１５の上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層１６が形成されている。
【００１５】
ＧａＡｓ半導体基板１１の下及びＧａＡｓキャップ層１６の上にはそれぞれ電極１７ａ，１７ｂが形成されている。また、ＧａＡｓＳＣＨ層１３の一方の端面側には高反射率ミラー１８が形成され、他方の端面側には低反射率ミラー１９が形成され、低反射率ミラー１９を通って光が出射するようになっている。
【００１６】
量子ドットは、一般的に、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するＳ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード成長を利用することにより形成される（例えば、特開平９−３２６５０６号参照）。
【００１７】
以下、図１〜図３を参照して、従来の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を説明する。
【００１８】
まず、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法又はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法により、ＧａＡｓ半導体基板１１の（１００）面上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２を約１４００ｎｍの厚さに形成する。次に、チャンバ内にＴＥＧａ（トリエチルガリウム）及びＡｓＨ３ を供給して、図２（ａ）に示すように、ＡｌＧａＡｓクラッド層１２の上に、ｉ型ＧａＡｓ層２１を約２０ｎｍの厚さに形成する。このときの基板温度は、例えば６２０℃とする。
【００１９】
その後、図２（ｂ）に示すように、Ｇａの供給を遮断して基板温度を約５００℃まで下げ、チャンバ内にＩｎの分子ビームを導入して、厚さが１〜数分子層分のｉ型ＩｎＡｓ層を堆積する。このとき、ＩｎＡｓ層の格子定数がＧａＡｓ層２１の格子定数と若干異なるため、Ｓ−Ｋモード成長により、図２（ｃ）に示すように、ＧａＡｓ層２１の上に相互に離隔した多数のＩｎＡｓ島２２が発生する。
【００２０】
このようにして第１層目のＩｎＡｓ島２２が形成された後、図２（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ層２１の上に厚さが２〜３ｎｍのｉ型ＧａＡｓからなる中間層２３を堆積する。これにより、ＩｎＡｓ島２２がバンドギャップの大きいＧａＡｓに囲まれて、キャリアを３次元的に閉じ込める量子ドット１４が形成される。
【００２１】
その後、ＩｎＡｓ島２２の形成とｉ型ＧａＡｓ中間層２３の堆積を数回繰り返し、図３（ａ）に示すように、量子ドット１４が３次元方向に配列した積層量子ドット構造の層２４形成する。
【００２２】
次に、フォトリソグラフィ法により層２４をエッチングして、図３（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＡｓクラッド層１２に到達するストライプ状の溝２５を形成する。その後、図３（ｃ）に示すように、全面にｉ型ＧａＡｓ層を堆積して溝２５を埋め、表面を平坦化する。このようにして、ＧａＡｓＳＣＨ層１３が形成される。ＧａＡｓＳＣＨ層１３には、量子ドット１４が３次元方向に整列した領域と、量子ドット１４が設けられていない領域とが一定の周期で並んでいる。
【００２３】
次いで、図１に示すように、ＧａＡｓＳＣＨ層１３の上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１６を形成する。その後、電極１７ａ，１７ｂ、高反射率ミラー１８及び低反射率ミラー１９を形成する。これにより、量子ドット分布帰還形半導体レーザが完成する。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、大容量光ファイバ通信システムでは一般的に、半導体レーザと光変調器とを集積して送信機を構成している。しかし、この方式は、半導体レーザ単体の直接変調と比べると構成が複雑であり、製作にかかるコストが増大するという欠点がある。
【００２５】
量子ドット構造の半導体レーザは、量子井戸構造の半導体レーザに比べて線幅増大係数が小さく、直接変調してもチャーピングが発生しにくいという利点がある。しかし、超高速・大容量光ファイバ通信システムに利用するために、量子ドットがより一層高密度かつ均一であり、利得の大きい半導体レーザが望まれている。
【００２６】
以上から、本発明は、高密度かつ均一な量子ドットを形成でき、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、基板上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層に周期的な凹凸を形成する工程と、前記半導体層の凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記凹部の内側にのみ量子ドットが３次元方向に並んだ活性層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法により解決する。
【００２８】
また、上記した課題は、基板の上に第１の半導体からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層に周期的なストライプ状の溝を形成する工程と、前記第１の層を前記基板とともに加熱して、前記第１の層の溝間の平坦な面を溝の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記溝の内側に第２の半導体を堆積し、格子定数の差を利用して前記溝の底部にのみ量子ドットを形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法により解決する。
【００２９】
本発明においては、第１の半導体からなる半導体層に周期的な凹凸（又は、溝）を形成する。凹凸の周期は例えば量子ドットの管内波長の２分の１の自然数倍と同程度に設定する。
【００３０】
次に、凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる。例えば、凸部の幅を十分小さくしておくと、基板温度を上昇する過程で凸部の断面形状がなだらかになり、凸部の平坦な面をなくすことができる。
【００３１】
その後、例えば分子線エピタキシー法により半導体層の上に第２の半導体を堆積する。この場合に、第２の半導体は凸部の傾斜面には殆ど堆積せず、主に凹部の底面に堆積する。そして、凹部の底面でＳ−Ｋモード成長し、量子ドットを形成する。
【００３２】
このように、本発明では、凹部（又は、溝）の底部にのみ量子ドットが自己形成されるので、高密度かつ均一な量子ドットが得られる。これにより、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザを製造することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図４〜図７は本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図である。
【００３５】
まず、図４（ａ）に示すように、ＭＢＥ法により、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板５１の（１００）面上にｎ型Ａｌ０．４ Ｇａ０．６ Ａｓからなるクラッド層５２を約１４００ｎｍの厚さに形成する。このとき、基板温度は、例えば６２０℃とする。なお、ＧａＡｓ半導体基板に替えて、ＩｎＧａＡｓ半導体基板又はＩｎＰ半導体基板を使用してもよい。
【００３６】
次に、チャンバ内にＴＥＧａ（トリエチルガリウム）及びＡｓＨ３ を供給して、図４（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＡｓクラッド層５２の上にｉ型ＧａＡｓ層５３を約６００ｎｍの厚さに形成する。
【００３７】
次に、ＭＢＥ装置のチャンバから基板５１を取り出して、ｉ型ＧａＡｓ層５３の表面にフォトレジストを塗布する。そして、電子ビーム露光によりフォトレジストに回折パターンを描画し、その後現像処理を施して、幅が約５０ｎｍ、ピッチが一定のストライプ状のレジストマスク（図示せず）を形成する。
【００３８】
次に、マスクに覆われていない部分のｉ型ＧａＡｓ層５１をドライエッチングして、図５（ａ）に示すように、深さが約４００ｎｍの溝５４を形成する。この場合に、ドライエッチングでは基板５１に対し垂直方向にエッチングが進むため、図５（ａ）のように溝５４の断面はほぼ矩形となり、溝と溝との間の部分（以下、「テラス」と呼ぶ）は平坦である。
【００３９】
なお、溝５４のピッチは発振波長に応じて設定する。本実施の形態では、後述するように各溝５４内に量子ドットを形成して周期構造を構成するので、量子ドットの周期構造が管内波長の１／２の自然数倍と同程度となるように溝５４のピッチを決定する。例えば、発振波長を１．３μｍとする場合は溝５４のピッチを２００ｎｍとし、発振波長を１．５５μｍとする場合は溝５４のピッチを２４０ｎｍとする。但し、発振波長は量子ドットの周期だけでなく、量子ドットの組成や大きさにも関係する。
【００４０】
次に、基板５１をＭＢＥ装置のチャンバ内に戻し、約５００℃まで加熱する。この加熱により、図５（ｂ）に示すように、溝５４の縁部がなだらかな曲面になり、テラスの平坦な部分が殆どなくなる。
【００４１】
次に、図５（ｃ）に示すように、チャンバ内にＩｎ及びＡｓの分子ビームを導入して、ｉ型ＩｎＡｓ層を形成する。このとき、ＩｎＡｓ分子は凸部の傾斜面には殆ど堆積せず、主に溝５４の底部に堆積する。そして、溝５４の底部にｉ型ＩｎＡｓ層がある程度堆積すると、図６（ａ）に示すように、Ｓ−Ｋモード成長により相互に離隔した多数のＩｎＡｓ島５５が発生する。
【００４２】
このようにして第１層目のＩｎＡｓ島５５を形成した後、図６（ｂ）に示すように、全面にｉ型ＧａＡｓ中間層５６を約２〜３ｎｍの厚さに形成して、ＩｎＡｓ島５５をｉ型ＧａＡｓ中間層５６で覆う。これにより、ＩｎＡｓ島５５の周囲がバンドギャップの大きいＧａＡｓに囲まれ、キャリアを３次元的に閉じ込める量子ドット５７が形成される。
【００４３】
なお、本実施の形態では量子ドット５７をＩｎＡｓにより形成しているが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＮＡｓ等により形成してもよい。
【００４４】
次に、ＩｎＡｓ島５５の形成とｉ型ＧａＡｓ中間層５６の堆積を数回繰り返し、図６（ｃ）に示すように、溝５４の内側に量子ドット５７が３次元方向に並んだ量子ドット構造を形成する。
【００４５】
その後、溝５４が埋まるまでｉ型ＧａＡｓを堆積し、表面を平坦化する。これにより、図７（ａ）に示すように、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層（活性層）５８が形成される。ＧａＡｓＳＣＨ層５８には、量子ドット５７が３次元方向に配列した領域と、量子ドット５７が設けられていない領域とが周期的に並んでいる。
【００４６】
次いで、図７（ｂ）に示すように、ＧａＡｓＳＣＨ層５８の上にｐ型Ａｌ０．４ Ｇａ０．６ Ａｓからなるクラッド層５９を約１４００ｎｍの厚さに形成し、更にその上にｐ型ＧａＡｓキャップ層６０を約４００ｎｍの厚さに形成する。そして、ＧａＡｓＳＣＨ層５８の一方の端面側に高反射率ミラー６２を形成し、他方の端面側に低反射率ミラー６３を形成する。また、基板５１の下側に電極６１ａを形成し、ｐ型ＧａＡｓキャップ層５９の上に電極６１ｂを形成する。これにより、量子ドット分布帰還形半導体レーザが完成する。
【００４７】
本実施の形態によれば、図５（ｃ）に示すように、凸部の傾斜面に到達したＩｎ分子及びＡｓ分子は溝５４の底部の平面へ移動して量子ドットを形成するため、平板状の基板の上へ量子ドットを形成する場合（図１〜図３参照）に比べて量子ドットを高密度かつ均一に形成することができる。その結果、定在波の腹部分に量子ドットが高密度に局在することによって、利得が増大するという効果が得られる。従って、本実施の形態により製造された半導体レーザは、直接変調してもチャーピングが発生しにくく、超高速・大容量光ファイバ通信システムに適用できる。
【００４８】
なお、本願発明者等は、半導体基板上に周期的な凹凸を設け、凹部の底面（谷部）及び凸部の上面（山部）にそれぞれ量子ドットを形成した半導体レーザを提案している（特開２００１−３２６４２１号）。この半導体レーザに比べて、本発明の半導体レーザは溝の底部のみに量子ドットを形成するので、量子ドットの密度及び均一性が向上し、利得がより一層大きくなるという利点がある。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザの製造方法を示す断面図である。なお、本実施の形態は、本発明をリッジ（ｒｉｄｇｅ ）メサ型の半導体レーザの製造に適用した例を示している。
【００５０】
まず、ＭＢＥ法により、ｎ型半導体基板７１の（１００）面上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７２を形成し、その上に量子ドットの周期構造を有するｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層７３を形成する。ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層７３は、第１の実施の形態と同様の方法により形成する（図５，図６参照）。
【００５１】
その後、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層７３上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７４を形成し、更にその上にｐ型ＧａＡｓキャップ層７５を形成する。
【００５２】
次に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７５の上に所定の形状のマスクを形成し、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７２の厚さ方向の途中までエッチングして、リッジメサ構造を形成する。なお、予めＧａＡｓ半導体基板７１とＡｌＧａＡｓクラッド層７２との間にｎ型ＧａＡｓバッファ層を形成しておき、ＧａＡｓバッファ層が露出するまでエッチングを行ってもよい。
【００５３】
次に、半導体基板７１の上側全面に例えばＳｉＮ等の絶縁膜７６を形成する。そして、フォトリソグラフィ法により絶縁膜７６を選択的にエッチングして、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７２が露出する開口部と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７５が露出する開口部を形成する。その後、半導体基板７１の上側全面に金属膜を形成し、フォトリソグラフィ法により金属膜をパターニングして、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層に接続する電極７７ａと、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７５に接続する電極７７ｂとを形成する。これにより、リッジメサ型の半導体レーザが完成する。
【００５４】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ｉ型ＧａＡｓ層にストライプ状に溝を形成し、熱によりテラスの平坦部分を殆どなくした後、ＭＢＥ法によりＩｎＡｓ量子ドットを形成する。これにより、溝の底部に量子ドットが高密度かつ均一に形成され、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザが得られる。
【００５５】
（その他の実施の形態）
上述した第１及び第２の実施の形態ではいずれも本発明を端面発光半導体レーザの製造に適用した場合について説明したが、本発明は面発光半導体レーザの製造に適用することもできる。図９は、面発光半導体レーザの一例を示す断面図である。
【００５６】
ｎ型半導体基板８１上にはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８２が形成されている。このｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８２はメサ型に形成されており、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８２のメサ部の上にはミラー層８３が形成されている。このミラー層８３は、例えば交互に積層されたＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とにより構成される。
【００５７】
ミラー層８３の上には、量子ドットの周期構造を有するｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層８４が形成されている。このｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層８４の上には、ミラー層８５が形成されている。このミラー層８５も、例えば交互に積層されたＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とにより構成されている。但し、ミラー層８５はミラー層８３よりも積層数を少なくして、ある程度増幅された光がミラー層８５を通過するようにしている。
【００５８】
ミラー層８５の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８６が形成されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８６の上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層８７が形成されている。
【００５９】
これらのＡｌＧａＡｓクラッド層８２、ミラー層８３、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層８４、ミラー層８５、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８６及びｐ型ＧａＡｓキャップ層８７の上面又は側面は絶縁膜８８に覆われている。一方の電極８９ａは絶縁膜８８に設けられた開口部をＡｌＧａＡｓクラッド層８２に接続され、他方の電極８９ｂはリング状に形成されて、絶縁膜８８に設けられた開口部を介してｐ型ＧａＡｓキャップ層８７に接続されている。また、電極８９ｂの内側には、反射防止膜９０が形成されている。
【００６０】
このような構成の面発光半導体レーザにおいて、ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層を第１の実施の形態で説明した方法により形成する。すなわち、ｉ型ＧａＡｓ層にストライプ状に溝を形成し、熱によりテラスの平坦部分を殆どなくした後、ＭＢＥ法によりＩｎＡｓ量子ドットを形成する。但し、面発光半導体レーザでは、垂直方向の量子ドットの周期が管内波長の１／２の自然数倍と同程度になるようにする。
【００６１】
（付記１）基板上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層に周期的な凹凸を形成する工程と、前記半導体層の凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記凹部の内側にのみ量子ドットが３次元方向に並んだ活性層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【００６２】
（付記２）前記凹凸を、光の伝播方向に沿って周期的に且つ前記量子ドットの管内波長の２分の１の自然数倍と同程度の周期で形成することを特徴とする付記１に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６３】
（付記３）前記量子ドットが自己形成的に形成されることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６４】
（付記４）基板の上に第１の半導体からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層に周期的なストライプ状の溝を形成する工程と、前記第１の層を前記基板とともに加熱して、前記第１の層の溝間の平坦な面を溝の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、前記溝の内側に第２の半導体を堆積し、格子定数の差を利用して前記溝の底部にのみ量子ドットを形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【００６５】
（付記５）前記第２の半導体の堆積は分子線エピタキシー法により実施することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６６】
（付記６）前記溝の幅を、溝間の平坦部分の幅よりも広くすることを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６７】
（付記７）前記溝の内側に量子ドットを積層して形成することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６８】
（付記８）前記基板として、ＧｓＡｓ半導体基板、ＩｎＧａＡｓ半導体基板及びＩｎＰ半導体基板のうちのいずれかの基板を使用することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００６９】
（付記９）前記量子ドットを、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ及びＧａＩｎＮＡｓのうちのいずれかにより形成することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００７０】
（付記１０）前記第１の層がＧａＡｓからなることを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００７１】
（付記１１）前記溝を、管内波長の２分の１の自然数倍と同程度の周期で形成することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザの製造方法。
【００７２】
（付記１２）出力光の波長が１．３μｍとなるように前記溝のピッチを設定することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【００７３】
（付記１３）出力光の波長が１．５５μｍとなるように前記溝のピッチを設定することを特徴とする付記４に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の半導体からなる半導体層に周期的な凹凸（又は、溝）を形成し、凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる。そして、例えば分子線エピタキシー法により半導体層の上に第２の半導体を堆積する。これにより、第２の半導体は凸部の傾斜面には殆ど堆積せず、主に凹部の底部に堆積してＳ−Ｋモード成長し、量子ドットが自己形成される。
【００７５】
このようにして、本実施の形態では凹部の底部に量子ドットを自己形成するので、高密度かつ均一な量子ドットが得られる。これにより、利得が大きく、直接変調してもチャーピングが発生しにくい半導体レーザを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の量子ドット分布帰還形型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を説明する図（その１）である。
【図３】図３は、従来の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を説明する図（その２）である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その１）である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その２）である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その３）である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット分布帰還形半導体レーザの製造方法を示す図（その４）である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図９】図９は、面発光半導体レーザの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１，５１，７１，８１…ｎ型ＧａＡｓ半導体基板、
１２，５２，７２，８２…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、
１３，５８，７３，８４…ｉ型ＧａＡｓＳＣＨ層、
１４，５７…量子ドット、
１５，５９，７４，８６…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、
１６，６０，７５，８７…ｐ型ＧａＡｓキャップ層、
１７ａ，１７ｂ，６１ａ，６１ｂ，７７ａ，７７ｂ，８９ａ，８９ｂ…電極、
１８，６２…高反射率ミラー、
１９，６３…低反射率ミラー、
２１，５３…ｉ型ＧａＡｓ層、
２２，５５…ＩｎＡｓ島、
２３，５６…ｉ型ＧａＡｓ中間層、
５４…溝、
８３，８５…ミラー層。
Claims (10)
- 基板上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に周期的な凹凸を形成する工程と、
前記半導体層の凸部の平坦な面を凹部の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、
前記凹部の内側にのみ量子ドットが３次元方向に並んだ活性層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 前記凹部を前記凸部よりも広い幅で形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記凹凸を、光の伝播方向に沿って周期的に且つ前記量子ドットの管内波長の２分の１の自然数倍と同程度の周期で形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記量子ドットが自己形成的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの製造方法。
- 基板の上に第１の半導体からなる第１の層を形成する工程と、
前記第１の層に周期的なストライプ状の溝を形成する工程と、
前記第１の層を前記基板とともに加熱して、前記第１の層の溝間の平坦な面を溝の底部に向って傾斜する面に変形させる工程と、
前記溝の内側に第２の半導体を堆積し、格子定数の差を利用して前記溝の底部にのみ量子ドットを形成する工程と
を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 前記第２の半導体の堆積は分子線エピタキシー法により実施することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記基板として、ＧｓＡｓ半導体基板、ＩｎＧａＡｓ半導体基板及びＩｎＰ半導体基板のうちのいずれかの基板を使用することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記量子ドットを、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ及びＧａＩｎＮＡｓのうちのいずれかにより形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザの製造方法。
- 出力光の波長が１．３μｍとなるように前記溝のピッチを設定することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 出力光の波長が１．５５μｍとなるように前記溝のピッチを設定することを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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