JP2005116926A - 半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光の高出力化と製造プロセスの簡素化を同時に実現することができる半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体レーザの構成として、基板面に対して傾斜した傾斜面７Ｂ，７Ｃとその下部で基板面と平行をなす凹底面７Ａとからなる段差部を有する半導体基板１と、凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃとを覆う状態で半導体基板１上に形成された第１導電型のバッファ層２と、このバッファ層２上に形成された第１導電型の第１クラッド層３と、この第１クラッド層３上に形成された活性層４と、この活性層４上に形成された第２導電型の第２クラッド層５とを備える水平共振器構造をなし、活性層４から共振器軸方向に沿って出射されるレーザ光の進路上に、傾斜面７Ｂに沿うバッファ層２の傾斜部を配置するとともに、半導体基板１の傾斜面７Ｂ上におけるバッファ層２の厚み寸法と凹底面７Ａ上におけるバッファ層２の厚み寸法とを互いに異なる寸法とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザとその製造方法に関し、特に、半導体基板の基板面と垂直な方向にレーザ光を出射する半導体レーザ（面発光レーザ）とその製造方法に適用して好適なものである。

並列光情報処理や光インターコネクションなどの新しい応用を目指す面発光レーザは、特にギガビットクラスの光ＬＡＮ(Local Area Network)用の光源として急速に実用化が進められている。実際８５０〜８９０ｎｍ，９６０〜９８０μｍ，１．３μｍ，１．５μｍ帯については実用デバイスができつつある。

面発光レーザは、その共振器構造の違いから、垂直共振器型、水平共振器型及び曲がり共振器型の三種類に大別される。このうち、垂直共振器型は、レーザ光の取り出し方向に対応して基板面と垂直に共振器を形成したもので、面発光レーザの共振器構造として多用されている。１９９０年初頭までは水平共振器構造（回折格子や４５度反射鏡を用いる構造）や曲がり共振器構造（曲がり導波路や４５度反射鏡を用いる構造）も提案されている。現在では、４５度の反射鏡を用いた水平共振器型の面発光レーザとして、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。

また現状では、上述した応用の観点から、モノリシックが可能であること、極低電流動作が可能であることなどの理由で、専ら垂直共振器型の面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL)が一般的になっている。

特開平９−３３１０９９号公報

しかしながら、従来の垂直共振器型の面発光レーザは、発光部面積が非常に小さいため、出力がせいぜいｍＷ（ミリワット）クラスであり、それ以上の高出力化を図ることは困難な状況になっている。また、従来の水平共振器型の面発光レーザや曲がり共振器型の面発光レーザは、レーザ素子構造とは別に４５度の反射鏡や回折格子を形成する必要があるため、製造プロセスが複雑になってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発光の高出力化と製造プロセスの簡素化を同時に実現することができる半導体レーザとその製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体レーザは、基板面に対して傾斜した第１の面と当該第１の面の下部で基板面と平行をなす第２の面を有する半導体基板と、第１の面と第２の面とを覆う状態で半導体基板上に形成された第１導電型のバッファ層と、このバッファ層上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２導電型の第２クラッド層とを備える水平共振器構造をなし、活性層から共振器軸方向に沿って出射されるレーザ光の進路上に、第１の面に沿うバッファ層の傾斜部を配置するとともに、半導体基板の第１の面上におけるバッファ層の厚み寸法と第２の面上におけるバッファ層の厚み寸法とを互いに異なる寸法としてなるものである。

本発明の半導体レーザにおいては、第１の面と第２の面とを覆う状態で半導体基板上に形成された第１導電型のバッファ層の厚み寸法を、第１の面上と第２の面上で異なる寸法とすることにより、厚み寸法が異なるバッファ層の各部に異なる光学的特性（反射率特性）を持たせることが可能となる。これにより、半導体基板上で第１の面上のバッファ層の厚み寸法を適宜設定することにより、このバッファ層部分に入射する光を基板面と垂直方向に反射させることが可能となる。また、バッファ層は、第１の面と第２の面とを覆う状態で半導体基板上に形成されるため、従来のように発光素子構造（レーザ素子構造等）と別に反射鏡や回折格子を形成する必要がなくなる。

本発明に係る半導体レーザの製造方法は、半導体基板上に当該基板面に対して傾斜した第１の面と当該第１の面の下部で基板面と平行をなす第２の面とを形成する工程と、第１の面と第２の面とを覆う状態で半導体基板上に、第１導電型のバッファ層、第１導電型の第１クラッド層、活性層及び第２導電型の第２クラッド層を有機金属気相成長法により順に積層して形成する工程と、共振器軸方向において第１の面に沿うバッファ層の傾斜部と向かい合う位置で活性層の端面が露出するように第２クラッド層及び活性層をエッチングする工程とを含むものである。

本発明の半導体レーザの製造方法においては、基板面に対して傾斜した第１の面と当該第１の面の下部で基板面と平行をなす第２の面とを覆う状態で、半導体基板上に第１導電型のバッファ層を有機金属気相成長法により形成する際に、第１の面上と第２の面上で結晶成長方向が異なるものとなる。これにより、半導体基板上に形成されたバッファ層の厚み寸法が、第１の面上と第２の面上で異なる寸法となる。したがって、半導体基板上で第１の面上のバッファ層の厚み寸法を適宜設定することにより、このバッファ層部分に入射する光を基板面と垂直方向に反射させることが可能となる。また、バッファ層は、第１の面と第２の面とを覆う状態で半導体基板上に形成されるため、従来のように発光素子構造（レーザ素子構造等）と別に反射鏡や回折格子を形成する必要がなくなる。

本発明によれば、発光素子構造に含まれるバッファ層の部分的な厚み寸法の違いを利用して、活性層の端面から出射した光をバッファ層で反射させることにより、半導体基板の基板面と垂直な方向に光を取り出す水平共振器構造の半導体レーザを提供することができる。これにより、発光の高出力化と製造プロセスの簡素化を同時に実現することが可能となる。

以下、本発明に係る半導体レーザの具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る半導体レーザの構成例を示す断面図であり、図２はその斜視図である。図示した半導体レーザにおいては、第１導電型となるｎ型の半導体基板１上に、ｎ型のバッファ層２と、ｎ型のクラッド層（第１クラッド層）３と、活性層４と、第２導電型となるｐ型のクラッド層（第２クラッド層）５と、ｐ型のコンタクト層６とが順に積層した状態で形成されている。

半導体基板１は、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）化合物半導体基板からなるもので、一方の面上に略凹状の段差部（凹み部）を有している。半導体基板１の段差部は、当該半導体基板１の基板面と平行な凹底面７Ａと、この凹底面７Ａの両側から斜めに立ち上がった傾斜面７Ｂ，７Ｃとによって形成されている。各々の傾斜面７Ｂ，７Ｃは、半導体基板１の基板面に対して斜めに傾斜した状態で形成されている。このうち、傾斜面７Ｂは、半導体基板１の基板面に対して傾斜した第１の面に相当し、凹底面７Ａは、第１の面の下部で基板面と平行をなす第２の面に相当する。

バッファ層２は、例えば、ｎ型Ａｌ（アルミニウム）_0.4Ｇａ_0.6Ｎの半導体膜（低屈折率の半導体膜）とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの半導体膜（高屈折率の半導体膜）をペアとして、これを交互に１５ペア積層した超格子構造をなす半導体多層膜からなるものである。このバッファ層２は、上記凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃとを一様に覆う状態で半導体基板１上に形成されている。

クラッド層３は、例えば、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.09Ｎ層からなるものである。このクラッド層３は、バッファ層２の全面を覆う状態で当該バッファ層２上に形成されている。

活性層４は、例えば、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_00.98Ｎ量子井戸（ＱＷ）層からなるものである。この活性層４は、半導体基板１の凹底面７Ａ上に位置してクラッド層３上に形成されている。また、活性層４は、レーザ光の出射側となる端面（図１の左側の端面）が共振器軸方向（図１の左右方向）でバッファ層２の傾斜部と向かい合うように形成（配置）されている。また、活性層４で発生した光は共振器軸方向に往復移動しつつレーザ発振し、これによって生成されたレーザ光が共振軸方向に沿って一方（図１の左側）のレーザ端面から出射される。ちなみに、バッファ層２の傾斜部とは、基板１の傾斜面（第１の面）７Ｂに沿って傾斜したバッファ層２部分をいう。また、活性層４の端面とバッファ層２の傾斜部の位置関係として「共振器軸方向で向かい合う」状態とは、活性層４と平行な面上において、レーザ端面から出射されるレーザ光の進路上にバッファ層２の傾斜部が位置する状態をいう。

クラッド層５は、例えば、厚さ０．５μｍのｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85ＮとＧａＮの多層膜からなるものである。このクラッド層５は、半導体基板１の凹底面７Ａ上に位置して活性層４上に形成されている。

コンタクト層６は、例えば、高不純物濃度のｐ型ＧａＮ層からなるものである。このコンタクト層６は、半導体基板１の凹底面７Ａ上に位置してクラッド層５上に形成されている。なお、図示はしないが、コンタクト層６は電流狭窄層によってストライプ状に形成されている。

また、コンタクト層６上には第１電極８が形成され、この第１電極８と反対側となる半導体基板１の裏面に第２電極９が形成されている。ｐ側の第１電極８は例えばＰｄ（パラジウム）とＰｔとＡｕの積層構造からなるもので、ｎ側の第２電極９は例えばＴｉ（チタン）とＰｔ（プラチナ）とＡｕの積層構造からなるものである。第１電極８は、電流狭窄構造による半導体レーザのストライプ状動作領域に対応する部分（通常はストライプ状動作領域の直上部分）に共振器軸方向に沿ってストライプ状に形成される。

この半導体レーザは、レーザ光を生成する活性層４と、この活性層４を間に挟み込んで光やキャリア（電子、ホール）を閉じ込める役目を果たす２つのクラッド層３，５とが異なる半導体材料で構成されたダブルヘテロ構造となっている。また、半導体レーザは、活性層４と平行な方向に共振器が形成された水平共振器構造となっている。

ここで、半導体基板１の第１の面となる傾斜面７Ｂと第２の面となる凹底面７Ａでは、それぞれの面上に形成（積層）されたバッファ層２の厚み寸法が互いに異なる寸法となっている。具体的には、図３に示すように、傾斜面７Ｂと垂直な方向において、傾斜面７Ｂ上のバッファ層２の厚み寸法は、当該傾斜面７Ｂの最上部から最下部に向かって徐々に（連続的に）大きくなっている（Ｔb1＜Ｔb2）。また、基板面上や凹底面７Ａ上のバッファ層２の厚み寸法Ｔb3との比較では、厚み寸法Ｔb1からＴb2に至るバッファ層２の形成領域のうち、レーザ光が照射される部分の厚み寸法Ｔb4（ただし、Ｔb2＞Ｔb4＞Ｔb1）が、上記厚み寸法Ｔb3と異なる関係、つまりＴb3＞Ｔb4又はＴb3＜Ｔb4に設定されている。上記厚み寸法Ｔb4は、例えば５００Å〜７００Åの範囲内で設定される。

このように半導体基板１上でバッファ層２の厚み寸法に部分的に差をつけることにより、厚み寸法が異なるバッファ層２の各部にそれぞれ異なる光学的特性（反射率特性）を持たせることができる。この場合、傾斜面７Ｂ上でレーザ光が照射される部分（厚み寸法Ｔb4の部分）については、これに照射されるレーザ光を高い反射率で反射するミラー（理想的には全反射ミラー）として機能するように、傾斜面７Ｂ上のバッファ層２の厚み寸法Ｔb4が設定される。

これにより、活性層４の一方の端面から共振器方向の沿って出射したレーザ光は、図４に示すように、光に対して透明なクラッド層３を透過して傾斜面７Ｂ上のバッファ層２の一部（傾斜部）に入射し、そこで超格子構造をなす半導体多層膜ミラーにより、半導体基板１の基板面と垂直方向（上方）に反射されるようになる。この場合、傾斜面７Ｂ上のバッファ層２部分を覆うクラッド層３が光取り出し用の開口窓となる。これにより、水平共振器構造の面発光レーザが実現される。

なお、本実施形態においては、バッファ層２の傾斜部でレーザ光を半導体基板１の基板面と垂直方向に反射するものとしているが、最終的なレーザ光の取り出し方向（バッファ層２で反射されるレーザ光の進行方向）は、半導体基板１の傾斜面７Ｂの傾斜角度（図５に示す角度θ）を変えることで任意に変更可能である。

一方、凹底面７Ａ上のバッファ層２部分には、傾斜面７Ｂに沿うバッファ層２の傾斜部との厚み寸法差を利用してその上層のクラッド層３と同様に光やキャリアを閉じ込める閉じ込め層としての機能をもたせたり、バッファ層２よりも上層の半導体層（クラッド層３、活性層４など）の形成（気相成長）を容易にするための下地層としての機能をもたせたりすることができる。

図５及び図６は本発明の実施形態に係る半導体レーザの製造プロセスの一例を示す図である。

先ず、図５（Ａ）に示すように、ｎ型の半導体基板１上に例えばドライエッチング法により、凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃからなる凹状の段差部を形成する。このとき、半導体基板１の基板面に対する傾斜面７Ｂの傾斜角度θは、レーザ光の最終的な取り出し方向（出射方向）に合わせて適宜設定する。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃとを覆う状態で半導体基板１上に、例えば成長温度を１０００℃に設定した有機金属気相成長法により、ｎ型のバッファ層２と、ｎ型のクラッド層３と、活性層４と、ｐ型のクラッド層５と、ｐ型のコンタクト層６とを順に積層して形成する。

その際、半導体基板１上に有機金属気相成長法でバッファ層２を形成すると、半導体基板１の基板面に平行な凹底面７Ａ上と基板面に対して傾斜する傾斜面７Ｂ，７Ｃ上では、有機金属気相成長法でバッファ層２を形成するときの結晶成長方向が異なるものとなる。例えば、半導体基板１の基板面に平行な凹底面７Ａでは（１００）面方向に結晶成長し、半導体基板１の基板面に対して傾斜した傾斜面７Ｂでは例えば（３１１），（５１１），（７１１）面などの方向に結晶成長する。したがって、凹底面７Ａと傾斜面７Ｂでは、結晶成長方向に応じて結晶成長速度も異なるものとなる。その結果、半導体基板１上には、上記図３に示したように凹底面７Ａ上と傾斜面７Ｂ上で厚み寸法が異なるバッファ層２が形成されることになる。

続いて、コンタクト層６上に図示しないマスクパターン（レジストパターン）を形成した状態で、例えばドライエッチング法によりコンタクト層６をエッチングすることにより、図５（Ｃ）に示すように、半導体基板１の凹底面７Ａ上にのみコンタクト層６を残す。

次いで、先に残したコンタクト層６の部分をマスクとして、クラッド層５及び活性層４をドライエッチングすることにより、図６（Ａ）に示すように、活性層４の両端面（出射端面、反射端面）を外部に露出させる。このとき、活性層４の両端面が完全に露出するように、クラッド層３の上層部も薄くエッチングする。これにより、共振器軸方向においては、傾斜面７Ｂに沿うバッファ層２の傾斜部に対し、これと向かい合う位置関係で活性層４の端面（出射端面）が露出した状態となる。この場合、活性層４の出射端面に例えば反射率１０％の低反射膜、それと反対側の端面（反射端面）に例えば反射率９５％の高反射膜を被着してもよい。

続いて、図６（Ｂ）に示すように、コンタクト層６上に例えば真空蒸着法によって電極材料（例えば、Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ）を順次被着することにより第１電極（オーミック電極）７を形成した後、半導体基板１の裏面（半導体膜が積層される面と反対側の面）を一様に研磨することにより、半導体基板１全体の厚み寸法を所望のレベルまで小さくする。

次いで、図６（Ｃ）に示すように、半導体基板１の裏面を必要に応じて平滑化した後、その基板裏面に例えば真空蒸着法によって電極材料（例えば、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ）を順に被着することにより第２電極（オーミック電極）９を形成する。

このようにして得られる半導体レーザにおいては、半導体基板１の基板面と平行な方向（水平方向）で光を共振させる水平共振器構造を採用しているため、従来の垂直共振器構造を採用した面発光レーザに比べて高出力のレーザ光が得られる。また、活性層４（共振器）の端面から出射されたレーザ光は、ｎ型のクラッド層３を透過して傾斜面７Ｂ上のバッファ層２部分に入射し、そこで基板面と垂直な方向に反射される。そのため、高出力の面発光レーザを実現することができる。また、レーザ光の反射は、半導体基板１の凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃを含む基板面全体を一様に覆うバッファ層２によって行われる。そのため、従来の水平共振器構造の面発光レーザのようにレーザ素子構造と別に４５度の反射鏡や回折格子を形成する必要がない。したがって、従来よりも簡単な製造プロセスによって高出力の面発光レーザを製造することができる。

なお、上記実施形態においては、ＡｌＧａＮ系の半導体レーザに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えばＡｌＧａＡｓ（砒素）系、ＡｌＧａＩｎ（インジウム）Ｐ（リン）系又はＩｎＰ系の半導体レーザにも適用可能である。

ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザに適用した場合の構成としては、第１導電型となるｎ型の単結晶ＧａＡｓ化合物からなる半導体基板１上に、これと同電型となるｎ型の例えばＡｌＡｓの半導体膜とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓの半導体膜をペアとして、これを１５ペア積層した超格子構造をなすバッファ層２と、同じくｎ型の例えば厚さ１μｍのＡｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ層からなるクラッド層３と、例えばＡｌ_0.12Ｇａ_0.88層からなる活性層４と、第２導電型となるｐ型の例えば厚さ１μｍのＡｌ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ層からなるクラッド層５と、これと導電型となるｐ型の高不純物濃度のＧａＡｓ層からなるコンタクト層６とが順に積層され、そのコンタクト層６上に例えばＴｉ、Ｐｔ（白金）、Ａｕの積層構造をなす第１電極８が形成されるとともに、これと反対側の基板面に例えばＡｕ、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｎｉ、Ａｕの積層構造をなす第２電極９が形成された構成となる。

また、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザに適用した場合の製造プロセスは次のようになる。先ず、ＧａＡｓ化合物半導体基板１上に例えば硫酸と過酸化水素水を用いたウェットエッチングにより、凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃからなる段差部を形成した後、凹底面７Ａと傾斜面７Ｂ，７Ｃとを覆う状態で半導体基板１上に、例えば成長温度を７８０℃に設定した有機金属気相成長法により、ｎ型のバッファ層２と、ｎ型のクラッド層３と、活性層４と、ｐ型のクラッド層５と、ｐ型のコンタクト層６とを順に積層して形成する。

次に、コンタクト層６上に図示しないマスクパターン（レジストパターン）を形成した状態で、例えば塩酸系の溶液を用いたウェットエッチングにより、半導体基板１の凹底面７Ａ上にのみコンタクト層６を残し、さらにこのコンタクト層６の部分をマスクとして、クラッド層５及び活性層４を硫酸系の溶液でウェットエッチングすることにより、活性層４の両端面を外部に露出させる。このとき、活性層４の両端面が完全に露出するように、クラッド層３の上層部も薄くエッチングする。これにより、共振器軸方向においては、傾斜面７Ｂに沿うバッファ層２の傾斜部に対し、これと向かい合う位置関係で活性層４の端面（出射端面）が露出した状態となる。この場合、活性層４の出射端面に例えば反射率１０％の低反射膜、それと反対側の端面（反射端面）に例えば反射率９５％の高反射膜を被着してもよい。

続いて、コンタクト層６上に例えば真空蒸着法によって電極材料（例えば、Ｔｉ，Ｐｔ、Ａｕ）を順次被着することにより第１電極（オーミック電極）７を形成した後、半導体基板１の裏面（半導体膜が積層される面と反対側の面）を一様に研磨することにより、半導体基板１全体の厚み寸法を所望のレベルまで小さくする。次いで、半導体基板１の裏面を必要に応じて平滑化した後、その基板裏面に例えば真空蒸着法によって電極材料（例えば、Ａｕ、Ｇｅ、Ｎｉ，Ａｕ）を順に被着することにより第２電極（オーミック電極）９を形成する。以上の製造プロセスによって上記図１に示す半導体レーザが得られる。

本発明の実施形態に係る半導体レーザの構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザの構成例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザの一部拡大図である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザの動作を説明する図である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明する図（その１）である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明する図（その２）である。

符号の説明

１…半導体基板、２…バッファ層、３…クラッド層（第１クラッド層）、４…活性層、５…クラッド層（第２クラッド層）、６…コンタクト層、７Ａ…凹底面（第２の面）、７Ｂ…傾斜面（第１の面）、８…第１電極、９…第２電極

Claims (4)

1. 基板面に対して傾斜した第１の面と当該第１の面の下部で前記基板面と平行をなす第２の面を有する半導体基板と、
   前記第１の面と前記第２の面とを覆う状態で前記半導体基板上に形成された第１導電型のバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された第２導電型の第２クラッド層とを備える水平共振器構造をなし、
   前記活性層から共振器軸方向に沿って出射されるレーザ光の進路上に、前記第１の面に沿う前記バッファ層の傾斜部を配置するとともに、前記半導体基板の前記第１の面上における前記バッファ層の厚み寸法と前記第２の面上における前記バッファ層の厚み寸法とを互いに異なる寸法としてなる
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記バッファ層は超格子構造をなす半導体多層膜からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記バッファ層の傾斜部で前記レーザ光を反射するように構成してなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
4. 半導体基板上に当該基板面に対して傾斜した第１の面と当該第１の面の下部で前記基板面と平行をなす第２の面とを形成する工程と、
   前記第１の面と前記第２の面とを覆う状態で前記半導体基板上に、第１導電型のバッファ層、第１導電型の第１クラッド層、活性層及び第２導電型の第２クラッド層を有機金属気相成長法により順に積層して形成する工程と、
   共振器軸方向において前記第１の面に沿う前記バッファ層の傾斜部と向かい合う位置で前記活性層の端面が露出するように前記第２クラッド層及び前記活性層をエッチングする工程と
   を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
   
   

Images