JP2006203204A - 半導体レーザー及び半導体レーザーの製造方法 - Google Patents

半導体レーザー及び半導体レーザーの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 多重量子井戸層の結晶において損傷発生を抑制してモード変換領域を容易に形成できる半導体レーザーの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による半導体レーザーの製造方法は、半導体基板２１０上に、下部クラッド２４１、下部導波路２３１、多重量子井戸層２２０を順次に成長させる過程と、多重量子井戸層２２０上に対称形態の少なくとも二つ以上のマスクを形成する過程と、多重量子井戸層２２０上に選択的領域成長により上部導波路２３２及び上部クラッド２４２を順次に成長させる過程と、前記上部クラッド２４２から前記下部クラッド２４１までメッサエッチングする過程と、電流遮断層２５０を前記上部クラッド２４２と同一な高さで前記半導体基板２１０上に成長させる過程と、を含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体レーザーに関し、特に、モード変換領域を含む半導体レーザーの製造方法に関する。
近来、光通信網は、主として個人加入者を対象として普及されている。かかる技術分野では、個人加入者に安定的な光通信サービスを提供するために、温度変化などのような周辺の環境的要因下でさえも、安定的な動作及び高速の変調特性を有する半導体レーザーが要求されている。
ＩｎＰ系列の化合物からなる半導体素子は、ＩｎＧａＡｓＰ及びＡｌＧａＩｎＡｓなどの４元系物質とともに格子整合を成すようになるので、これらの大部分が、光通信用半導体レーザーなどのような通信用能動素子として使用されている。そして、上述のような光通信網の普及及び需要要求を満たすために、主にＡｌＧａＩｎＡｓＰ系列の物質からなる半導体レーザーが広く使用されている。
ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系列の物質は、ＩｎＧａＡｓＰ系列の物質とは対照的に、多量のアルミニウムを含んでいるので、一般大気中に露出される場合に自然酸化膜が形成され、この自然酸化膜により再成長が困難になる、という問題を有している。すなわち、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系列の物質を使用した半導体レーザーは、製造自体が難しいので、それにより製造コストが上昇するという問題を有している。上述したＡｌＧａＩｎＡｓＰ系列の問題を解決するための方法としては、アルミニウムの添加比率を低くするなどの方法が提案されている。
光通信網に使用される半導体レーザーは、温度と高速動作の特性だけではなく、高い光結合効率も要求されている。この光結合効率を向上させる手段として、スポットサイズ(Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ)を変換させるためのモード変換領域が集積された半導体レーザーが提案されている。
このモード変換領域は、半導体レーザーの光が出力される開口(Ａｐｅｒｔｕｒｅ)部分に、垂直及び水平テーパー(Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔａｐｅｒ、Ｌａｔｅｒａｌ Ｔａｐｅｒ)を有するように形成され、出力される光の発散角(divergence angle)を最小限にする機能を有する。
モード変換領域が集積された従来の半導体レーザーでは、選択的領域成長法(ＳＡＧ : Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｇｒｏｗｔｈ)によって多重量子井戸層(Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ)が形成される。
図１Ａ乃至図１Ｄは、従来の製造方法による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示す図である。図１Ａは、半導体基板１１０上に一対のマスク１０１，１０２が、予め定められた距離により一定の間隔で離隔されるように、相互対称構造として形成された状態を示している。図１Ｂは、半導体基板１１０上に、下部クラッド１２０、多重量子井戸層１３０、上部クラッド１４０を順次に積層し、マスク１０１，１０２が除外された状態を示している。従来の半導体レーザーは、下部クラッド１２０上に下部導波路(図示せず)が成長され、多重量子井戸層１３０上に上部導波路(図示せず)が成長された構造で適用することができる。
図１Ｃは、図１Ｂで成長された下部クラッド１２０、多重量子井戸層１３０、上部クラッド１４０をメッサ(Ｍｅｓａ)エッチングした状態を示している。また、図１Ｃは、メッサエッチングされた上部クラッド１４０上にストライプマスク(Ｓｔｒｉｐｅ ｍａｓｋ)１５０が形成された状態を示している。そして、図１Ｄは、図１Ｃでメッサエッチングされた半導体レーザー上に電流遮断層１６０，１７０，１８０を成長させた後、電流遮断層１８０上にキャップ層１９０を成長させた状態を示している。
すなわち、図１Ａ乃至図１Ｄに示したように、従来技術では、多重量子井戸層１３０の成長時から選択的領域成長法(Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ａｒｅａ Ｇｒｏｗｔｈ)を用いることによって、スポットサイズ変換の効果を極大化させていた。
しかしながら、選択領域成長法により成長された多重量子井戸層の結晶は、分子が誘電体マスクの表面を滑りながら成長が行われるので、高品質の結晶を形成することが難しいという問題がある。このため、従来の方法により成長された多重量子井戸層を含む半導体レーザーは、寿命及び信頼性が低下される問題点があった。
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、多重量子井戸層の結晶において損傷発生を抑制し、モード変換領域を容易に形成することが可能な半導体レーザー及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明による半導体レーザーの製造方法の主たる構成は、下部クラッド及び下部導波路が順次に成長された半導体基板上に、多重量子井戸層を成長させる過程と、前記多重量子井戸層上に、選択的領域成長によって上部導波路及びクラッドを順次に成長させる過程と、を含む。
また、本発明による半導体レーザーの製造方法の他の主たる構成は、半導体基板上に、下部クラッド、下部導波路、多重量子井戸層を順次に成長させる過程と、前記多重量子井戸層上に、対称形態の少なくとも二つのマスクを形成する過程と、前記多重量子井戸層上に、選択的領域成長により上部導波路及び上部クラッドを順次に成長させる過程と、前記上部クラッドから前記下部クラッドまでメッサエッチングする過程と、電流遮断層を前記上部クラッドと同一の高さになるように、前記半導体基板上に成長させる過程と、を含む。
また、本発明は、半導体基板上に順次に成長された下部クラッド、下部導波路、多重量子井戸層、上部導波路、及び上部クラッドを含む半導体レーザーであって、前記上部導波路及び上部クラッドは、選択的領域成長法によって前記多重量子井戸層上に成長され、前記上部導波路及びクラッドの一部分は、前記多重量子井戸層からの高さが徐々に低くなるテーパー構造に成長されることを特徴とする。
本発明によれば、多重量子井戸層の結晶において損傷発生を抑制し、モード変換領域を容易に形成することが可能な半導体レーザー及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の望ましい実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、同一の構成要素については可能な限り同一の参照番号及び参照符号を使用する。また、明瞭性と簡潔性の観点より、本発明に関連した公知機能や構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
図９は、本発明の望ましい実施形態によるモード変換領域を含む半導体レーザーを示す側断面図である。図９を参照すると、本実施形態の半導体レーザー２００は、レーザー発振された光を生成するための発振領域２００ａと、発振領域２００ａで生成された光のスポットサイズ(Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ)を変換させるためのモード変換領域２００ｂと、からなる。
半導体レーザー２００は、半導体基板２１０上に順次に成長された下部クラッド２４１と、下部導波路２３１と、多重量子井戸層２２０と、上部導波路２３２と、上部クラッド２４２と、を含む。このうち、上部導波路２３２及び上部クラッド２４２は、選択的領域成長法により、モード変換領域２００ｂで多重量子井戸層２２０からの成長厚さが減少するようなテーパー(Ｔａｐｅｒ)構造に成長される。
発振領域２００ａが一定の利得を有するレーザー光を発振させると、上部モード変換領域２００ｂの多重量子井戸層２２０からの成長厚さによって、上部導波路２３１及び下部導波路２３２が導波させることができる光の発散角(divergence angle)が変化する。
上述のモード変換領域２００ｂでの光フィールド(Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｆｉｅｌｄ)と、発振領域２００ａでの光フィールドとは、相異なる。すなわち、モード変換領域２００ｂは、発振領域２００ａから発振された光のニアフィールド(Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ)を増加させることにより、半導体レーザー２００から出射される光の発散角を最小化させる。
図２乃至図８は、本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図であり、図９に示された半導体レーザーを製造するための方法の各段階の過程を説明する図である。
図２乃至図８を参照すると、本発明による半導体レーザーの製造方法は、半導体基板２１０上に下部クラッド２４１と、下部導波路２３１と、多重量子井戸層２２０と、を順次に成長させる過程と、多重量子井戸層２２０上にマスク２０１，２０２を対称的に形成する過程と、選択的領域成長により上部導波路２３２及び上部クラッド２４２を順次に成長させる過程と、上部クラッド２４２から下部クラッド２４１までメッサエッチングする過程と、電流遮断層２５０を成長させる過程と、電流遮断層２５０上にキャップ層２６０を形成する過程と、を含む。上述した過程により製造された半導体レーザーは、電流遮断層２５０上に上部電極(図示せず)を形成し、半導体基板２１０の下面に下部電極(図示せず)をさらに形成する。
図２を参照すると、半導体基板２１０上に、下部クラッド２４１と、下部導波路２３１と、多重量子井戸層２２０と、が順次に成長される。ここで、下部クラッド２４１は、ＩｎＰ材質の半導体基板２１０上に成長される。また、多重量子井戸層２２０は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系列の物質を使用して成長することができる。
図３を参照すると、多重量子井戸層２２０上には、一対のマスク２０１，２０２が、互いに対称な構造（形状）を有するように形成される。各マスク２０１，２０２は、その幅が一定である第１の領域と、第１の領域から延長され、その幅が徐々に減少する第２の領域とからなる。マスク２０１，２０２は、予め定められた距離により一定の間隔で相互に離隔されるように形成される。マスク２０１，２０２は、誘電体媒質などを使用することができ、ＳｉＯ２などのような物質を使用して形成することができる。
図４は、上部導波路２３２及び上部クラッド２４２が、多重量子井戸層２２０上に選択的領域成長によって成長された状態を示す。また、図４は、マスク２０１，２０２を利用して上部導波路２３２及び上部クラッド２４２を成長させた後に、マスク２０１，２０２を除去した状態を示している。ここで、上部導波路２３２及び上部クラッド２４２は、多重量子井戸層２２０上のマスク２０１，２０２が形成されない部分に成長される。本実施形態では、上部導波路２３２及び上部クラッド２４２は、多重量子井戸層２２０上で各マスク２０１，２０２の隔離された部分に、各マスク２０１，２０２の内側に隣接するように形成される。そして、上部導波路２３２及び上部クラッド２４２は、マスク２０１，２０２の上記第１の領域の間では、多重量子井戸層２２０からの高さが一定になるように形成され、上述した発振領域（２００ａ）となる。一方、マスク２０１，２０２の上記第２の領域の間に位置する上部導波路２３２及び上部クラッド２４２の一端部は、マスク２０１，２０２の第２の領域の存在により、多重量子井戸層２２０からの高さが徐々に減少するテーパー構造に成長され、上述したモード変換領域（２００ｂ）となる。上部導波路２３２及び上部クラッド２４２の多重量子井戸層２２０からの成長高さは、同一の成長条件であると仮定すれば、マスク２０１，２０２の幅変化に比例して変化することができる。
図５は、下部クラッド２４１から上部クラッド２４２までを、埋め込みヘテロ構造(Ｂｕｒｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｒｅ)にエッチングさせた状態を示している。図６は、半導体基板２１０上の埋め込みヘテロ構造の両側に、（埋め込みヘテロ構造にエッチングされた）下部クラッド２４１から上部クラッド２４２と同一の高さまで、電流遮断層２５０を形成した状態を示している。
図７は、電流遮断層２５０上にキャップ層２６０が成長された状態を示している。図８は、図７に示された電流遮断層２５０とキャップ層２６０の一部を除去して示した斜視図である。
図１０Ａ乃至図１０Ｃは、相異なる条件で製造された半導体レーザーから出射された光のプロファイルをモデリング(Ｂｅａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ)して得られたグラフである。図１０Ａは、従来の一般的な埋め込みヘテロ(ＢＨ)構造を有する半導体レーザーから出射された光のプロファイルを示す。図１０Ａに示した光は、２４.４×３０度(Ｄｅｇ)の発散角で出射することができるプロファイル(Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｆｉｌｅ)を示す。
図１０Ｂは、従来の多重量子井戸層に選択的領域成長法を適用して水平テーパー(Ｌａｔｅｒａｌ Ｔａｐｅｒ)構造のモード変換領域を形成した半導体レーザーから出射された光のプロファイルを示す。図１０Ｂに示した光の発散角は、１２.６８７×１６.８６０８度(Ｄｅｇ)であり、図１０Ａに示された光のプロファイルより多少減少することが分かる。
図１０Ｃは、本実施形態の製造方法により製造された半導体レーザーから生成された光のプロファイルを示す。すなわち、図１０Ｃに示される半導体レーザーは、上部導波路及び上部クラッドを選択的領域成長により成長させて、多重モード領域が形成されたものである。図１０Ｃに示した光のプロファイルは、発散角が８.７×１４.４度(Ｄｅｇ)であり、図１０Ａ及び図１０Ｂと比較すると、発散角が著しく減少することが分かる。
以上説明したように、本発明によれば、選択的領域成長を、多重量子井戸層の形成工程では使用せず、多重量子井戸層を形成した後の工程で使用することにより、多重量子井戸層の結晶において損傷発生を抑制し、モード変換領域を容易に形成することが可能な半導体レーザー及びその製造方法を提供することができる。
従来の製造方法による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 従来の製造方法による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 従来の製造方法による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 従来の製造方法による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 本発明の好ましい実施形態による半導体レーザーの製造段階毎の構造を示した図である。 図８に示された半導体レーザーを示す側断面図である。 相異なる条件で製造された半導体レーザーから出射された光のプロファイルをモデリングしたグラフである。 相異なる条件で製造された半導体レーザーから出射された光のプロファイルをモデリングしたグラフである。 相異なる条件で製造された半導体レーザーから出射された光のプロファイルをモデリングしたグラフである。
符号の説明
２００ 半導体レーザー
２１０ 半導体基板
２４１ 下部クラッド
２３１ 下部導波路
２２０ 多重量子井戸層
２３２ 上部導波路
２４２ 上部クラッド
２０１，２０２ マスク
２５０ 電流遮断層

Claims (14)

  1. 下部クラッド及び下部導波路が順次に成長された半導体基板上に、多重量子井戸層を成長させる過程と、
    前記多重量子井戸層上に、選択的領域成長によって上部導波路及びクラッドを順次に成長させる過程と、を含むこと
    を特徴とする半導体レーザーの製造方法。
  2. 半導体基板上に、下部クラッド、下部導波路、多重量子井戸層を順次に成長させる過程と、
    前記多重量子井戸層上に、対称形態の少なくとも二つのマスクを形成する過程と、
    前記多重量子井戸層上に、選択的領域成長により上部導波路及び上部クラッドを順次に成長させる過程と、
    前記上部クラッドから前記下部クラッドまでメッサエッチングする過程と、
    電流遮断層を前記上部クラッドと同一の高さになるように、前記半導体基板上に成長させる過程と、を含むこと
    を特徴とする半導体レーザーの製造方法。
  3. 前記少なくとも二つのマスクは、幅が一定である第１の領域と、前記第１の領域から延長され、幅が徐々に減少する第２の領域と、を含むように形成されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  4. 前記電流遮断層上にキャップ層を形成する過程をさらに含むこと
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  5. 前記上部導波路及び上部クラッドは、前記多重量子井戸層上の前記マスクが形成されない部分に成長されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  6. 前記上部導波路及び上部クラッドの多重量子井戸層からの高さは、前記マスクの幅に比例すること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  7. 前記下部クラッドは、ＩｎＰ材質の半導体基板上に成長されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  8. 前記多重量子井戸層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系列の物質を使用して成長されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  9. 前記上部導波路及び上部クラッドは、前記マスクの第１の領域の間では、前記多重量子井戸層からの高さが一定になるように成長されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  10. 前記上部導波路及び上部クラッドは、前記マスクの第２の領域の間では、前記半導体基板からの高さが減少するテーパー構造に成長されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  11. 前記マスクは、一定の間隔で互いに離隔されるように、前記多重量子井戸層上に形成されること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  12. 前記上部クラッドから前記下部クラッドまでメッサエッチングする過程は、埋め込みヘテロ構造に形成すること
    を特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーの製造方法。
  13. 半導体基板上に順次に成長された下部クラッド、下部導波路、多重量子井戸層、上部導波路、及び上部クラッドを含む半導体レーザーであって、
    前記上部導波路及び上部クラッドは、選択的領域成長法によって前記多重量子井戸層上に成長され、前記上部導波路及びクラッドの一部分は、前記多重量子井戸層からの高さが徐々に低くなるテーパー構造に成長されること
    を特徴とする半導体レーザー。
  14. 前記半導体レーザーは、前記多重量子井戸層からの高さが一定に成長された前記上部導波路及び上部クラッドを含み、レーザー光を発振させるための発振領域と、
    前記発振領域から延長され、テーパー構造に成長された前記上部導波路及び上部クラッドを含み、前記光のスポットサイズを変換させるためのモード変換領域と、からなること
    を特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザー。
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