JP2007048813A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この半導体レーザ装置は、n−GaAs基板12上に順次配設された第1n型クラッド層、量子井戸層を含む第1活性層18、この第1活性層18の上に配設された第1p型クラッド層20、この第1p型クラッド層20の上に配設され第1p型クラッド層20と同じ構成元素を有するp型のシグナル層22、およびこのシグナル層22の上にストライプメサ状に配設され、シグナル層22と同じ構成元素を有しそのうちの相補関係にある二つの構成元素の組成比がシグナル層22と異なるp型のリッジ導波路24を有する第1LD構造14と、を備えたものである。
【選択図】 図1
Description
まずn型GaAs基板(以下“n型”を“n−”にて、またp型”を“p−”にて、また不純物添加のないものを“i−”にて表記する。)上にn−AlGaInPクラッド層、バリア層およびウエル層からなる多重量子井戸(Multiple Quantum Well、以下“MQW”と表記する。)活性層、第1p−AlGaInPクラッド層、例えばGa0.58In0.42Pの第1エッチング停止層(以下、「エッチング停止層」を「ESL層」という)および第2p−AlGaInPクラッド層を、MOCVD法やMBE法により順次エピタキシャル成長を行って積層する。このあと第2p−AlGaInPクラッド層の上をストライプ状に覆うレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてn−AlGaInPクラッド層、MQW活性層、第1p−AlGaInPクラッド層、第1ESL層および第2p−AlGaInPクラッド層が第1メサ状積層構造として残るように、n−GaAs基板が露呈するまで選択的にエッチングする。この第1メサ状積層構造によりCD装置用の半導体レーザが形成される。
次に、第1メサ状積層構造、および第2メサ状積層構造それぞれの第2p−AlGaInPクラッド層の表面にリッジ導波路を形成するためのレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、第1ESL層、および第2ESL層でそれぞれエッチングが停止するまで個別にドライエッチングを行い、第1メサ状積層構造および第2メサ状積層構造それぞれにリッジ導波路を形成する。
このリッジ導波路の加工の制御性は、形成されるリッジ導波路のエッチング深さの寸法精度に影響を及ぼす。このリッジ導波路の寸法精度はレーザ光の横方向の広がり角度であるFFPx(“FFP”は“Far Field Pattern”である)に大きな影響を及ぼし、レーザ素子の発光特性に大きな影響を及ぼすので、このエッチング工程は重要な工程である。従ってリッジ導波路の加工に際しては、エピタキシャル成長層にエッチングストッパ層を設けることによりエッチングの制御性を高めている。
しかしながら、ドライエッチングにおける時間制御ではエッチング深さの精度が不十分である。
またウエットエッチングの際に使用するESL層は被エッチング層と材料組成が大きく異なる。このために半導体レーザ素子にESL層が残ると、半導体レーザ素子の電気的・光学的特性を損なう場合があった。
特にモノリシック型2波長LDにおいて、DVD用LDにESL層が残ると、光吸収による発振効率が低下し、高出力化が阻害される要因の一つになる場合があった。
またドライエッチングにおいてエッチング終了検出層を設けドライエッチングの停止を行う場合でも、半導体レーザ素子にエッチング終了検出層が残ると、半導体レーザ素子の電気的・光学的特性を損なう場合があった。このためにエッチング終了検出層が半導体レーザ素子に残ったとしてもできるだけ、半導体レーザ素子の電気的・光学的特性に影響を及ぼさない構成にする必要がった。
またエッチング終了検出層を使用する場合でも、特にモノリシック型2波長LDにおいて、DVD用LDにエッチング終了検出層が残ると、光吸収による発振効率が低下し、高出力化の阻害要因になる場合があった。
図1はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。以下の図において同じ符号は、同じものか相当のものであることを示す。
図1において、半導体レーザ10は、発光波長が780nm帯のリッジ導波路型のLDである。半導体レーザ10は、第1導電型の基板としてのn−GaAs基板12と第1の半導体構造としての780nm帯の第1LD構造14とから構成されている。
この第1LD構造14はn−GaAs基板12上に順次配設された、例えば層厚が3μmのn−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pで形成された、第1の第1クラッド層としての第1n型クラッド層16、発光波長が780nmに調整されたInvGa1−vAsの量子井戸層を含む層厚が50nmの、第1の活性層としての第1活性層18、例えばp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pで形成された第1の第2クラッド層としての第1p型クラッド層20、例えば層厚が30nmでp−(Al0.3Ga0.7)0.51In0.49Pで形成されたエッチング終了検出層としてのシグナル層22、およびこのシグナル層22の表面上に、例えば層厚が1.5μmのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pにより形成されたストライプリッジ状の、第1の第3クラッド層としてのリッジ導波路24から形成されている。
これらの材料構成のうちAlとGaの組成比が相補的関係にある。そしてこの実施の形態ではシグナル層20のGaの組成比がリッジ導波路24のGaの組成比よりも大きく、(1-x2)−(1-x3)>0.2程度となっている。そしてこれは同時にx3−x2>0.2程度となっていることであって、Gaの組成比が大きくなるに伴ってAlの組成比が小さくなっていることが、リッジ導波路24のドライエッチングの際の終了時期を検出するために大切となる。
リッジ導波路24の表面上にはp電極26がまたn−GaAs基板12の裏面側にはn電極28が設けられている。
図2はこの発明に係る半導体レーザのドライエッチング装置の模式図である。
ドライエッチングの方法は、ECR方式でもICP方式でもよいが、ここではICP方式のエッチング装置について説明する。
図2において、ドライエッチング装置34の反応室36はエッチングガスの供給口38とエッチングガスの排出口40を備えている。エッチングガスは供給口38から供給される(供給口38の矢印はガスの流入を示す)。処理を終わったエッチングガスは真空排気装置(図示せず)により排出口40から外部に排出される(排出口40の矢印はガスの流出を示す)。
反応室36の中央部にはステージ42が設けられ、この上にエッチングを行うウエハ44が載置される。ステージ42は接地端との間でFR電源46が接続され、ステージ42に高周波電圧が印加される。
またステージ42の上部のベルジャ47が設けられ、このベルジャ47を取り巻いてICP(Inductor Coupled Plasma)コイル48が設けられ、このICPコイル48にRF電源50が接続されている。このRF電源50によりICPコイル48に高周波電圧が印加され、反応室36の内部に高密度のプラズマを発生させる。
反応室36にはまた観測窓52が設けられている。この観測窓52に受光部53が設置され、この受光部53によってドライエッチング中のプラズマからの発光が検出される。受光部53によって検出されたプラズマからの光は光ファイバ54を経由してプラズマ発光モニターシステム56に取り込まれる。プラズマ発光モニターシステム56においてあらかじめ設定しておいたシグナル層22の発光種が検出されると、プラズマ発光モニターシステム56からの信号により、ドライエッチング装置34のドライエッチングが停止される。
図3に示すように、まずn−GaAs基板12の上に、第1n型クラッド層16としてのn−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層、InvGa1−vAsの量子井戸層を含む第1活性層18、第1p型クラッド層20としてのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層、シグナル層22としてのp−(Al0.3Ga0.7)0.51In0.49P層、およびリッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層が、MOCVD法やMBE法により順次エピタキシャル成長を行って積層される。
次に図4に示すように、リッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層の表面上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりこのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層の表面の第1LD構造14を形成する部分にストライプ状のレジストを残すレジストパターン60を形成しする。次いでこのレジストパターン60をマスクとしてドライエッチングによりn−GaAs基板12が露呈するまでエッチングを行ない第1の半導体積層としての第1メサ状積層構造62を形成する。第1メサ状積層構造62には第1n型クラッド層16としてのn−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層、InvGa1−vAsの量子井戸層を含む第1活性層18、第1p型クラッド層20としてのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層、シグナル層22としてのp−(Al0.3Ga0.7)0.51In0.49P層、およびリッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層が含まれる。
第1p型クラッド層20としてのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層とリッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層は、このように材料組成が同じ構成で、かつ同じ組成比を有する材料により構成されている。そしてシグナル層22としてのp−(Al0.3Ga0.7)0.51In0.49P層は、第1p型クラッド層20とリッジ導波路24とを構成する材料と同じ材料組成であるが、二つの相補関係にある元素であるAlとGaの組成比が異なり、シグナル層22を構成する材料は第1p型クラッド層20とリッジ導波路24とを構成する材料に比べGaの組成比が大きく、Alの組成比が小さくなっている。
このように構成された第1メサ状積層構造62のリッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層の表面にレジストパターン64を形成し、このレジストパターン64をマスクとして、図3に示したようなドライエッチング装置34を使用してドライエッチングを行うと、エッチング中のプラズマからの発光が観測窓52を介して受光部53により検出され、プラズマ発光モニターシステム56に取り込まれる。
そしてエッチング中のGaの発光スペクトルの強度が増加すると、エッチングがシグナル層22に達したと判定できるため、プラズマ発光モニターシステム56からエッチング停止の信号がドライエッチング装置34に送られる。
さらに、シグナル層22がリッジ導波路24と第1p型クラッド層20との間に残留するために、半導体レーザ10の発光特性や電気的特性を大幅に低下させる要因にならないことが大切である。
これらの条件を勘案し、この半導体レーザ10では、第1p型クラッド層20とリッジ導波路24とを構成する材料を同じにし、この材料とシグナル層22を構成する材料は同じ材料組成としながらも、二つの相補関係にある元素であるAlとGaとの組成比が少し異なるようにして、できるだけ発光特性や電気的特性の低下を抑制している。
リッジ導波路24を形成するためのエッチングでは、波長400nm付近にGa、In,およびAlの強いスペクトルが観測された。従ってここではGaからの発光スペクトルに特定し、Gaの発光スペクトルの中でも、Gaの417.2nmスペクトルをエッチング終点検出の波長として選定している。
リッジ導波路24を構成する材料とシグナル層22を構成する材料との間でスペクトル強度の変化をより鋭敏に把握するための工夫として次の点を考慮している。
すなわち、Gaの組成比が0.5から0.7に増加することによるGaのスペクトル強度の増加のみに頼らずに、Alの組成比が0.5から0.3に減少していることに伴うAlのスペクトル強度の減少をも考慮し、リッジ導波路24を構成する材料のAlスペクトル強度に対するシグナル層22を構成する材料のAlスペクトル強度の比であるAlスペクトル強度比を求め、これと同様にリッジ導波路24を構成する材料のGaスペクトル強度に対するシグナル層22を構成する材料のGaスペクトル強度の比であるGaスペクトル強度比を求め、Alスペクトル強度比に対するGaスペクトル強度比の比を求めることにより、Gaの組成比の変化がより鋭敏に把握される。
なお、ドライエッチングの際に、例えば検出層の膜厚を10nmとしたとき、一方の材料と検出層において、互いに相補関係にある二つの元素の組成比が、その一方の材料と検出層の材料との間で、一方の元素の組成比が0.2増で相補的な他方の元素の組成比が0.2減程度あれば、上記のような発光スペクトルの検出を行うことにより一方の材料から検出層にエッチングが移行したことを識別することができる。
加えて、シグナル層22を構成する材料が第1p型クラッド層20とリッジ導波路24とを構成する材料に近い材料構成とすることができ、かつ層厚も薄くすることができるので、半導体レーザ10にシグナル層22が残っても光吸収による発振効率の低下をできるだけ抑制することができる。延いては電気的・光学的特性の優れた半導体レーザを構成することができる。
また、半導体レーザ10においては、第1p型クラッド層20とリッジ導波路24とを構成する材料を同じにし、この材料とシグナル層22を構成する材料は同じ材料組成で二つの相補関係にある元素であるAlの組成比を小さくGaの組成比を大きくしているので、リッジ導波路24のドライエッチングの際にGaの発光スペクトル強度の変化を正確に把握することができ、エッチングの停止を正確に行うことができる。このため上に述べた簡単な工程を含むことにより、リッジ導波路24のエッチング深さが正確に制御されて、リッジ導波路24の寸法精度が高くなり、レーザ光の横方向の広がり角度のバラツキが少なくなる。延いては電気的・光学的特性の優れ、これらの特性のバラツキの少ない半導体レーザを簡単な工程で製造することができる。
図6はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。
図6に示されたのはモノリシック型多波長レーザで、この実施の形態2では、例えばモノリシック型2波長LDを例にして説明している。
モノリシック型2波長LD70は、実施の形態1で述べたCD装置用の発光波長が780nm帯のリッジ導波路型のLDである半導体レーザ10とDVD装置用の発光波長が650nm近辺のリッジ導波路型のLDである半導体レーザ72とを同じn−GaAs基板12上にモノリシックに形成したものである。
モノリシック型2波長LD70において、半導体レーザ10の部分は実施の形態1で既に説明したように、n−GaAs基板12上に第1LD構造14を形成したものである。
半導体レーザ72の部分はn−GaAs基板12上に設けた第1LD構造14に隣接して、これとは独立に同一のn−GaAs基板12上に第2の半導体構造としての650nm帯の第2LD構造74を設けたものである。
リッジ導波路80aの表面上にはp電極82が設けられている。
図7、図8、図9及び図10はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの製造方法の一工程における半導体レーザの断面図である。
まず実施の形態1の図3に示したように、n−GaAs基板12の上に、第1n型クラッド層としてのn−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層、InvGa1−vAsの量子井戸層を含む第1活性層18、第1p型クラッド層20としてのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層、シグナル層22としてのp−(Al0.3Ga0.7)0.51In0.49P層、およびリッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層が、MOCVD法やMBE法により順次エピタキシャル成長を行って積層される。
次に図7に示すように、半導体レーザ10の第1メサ状積層構造62を形成するために、リッジ導波路24を形成するためのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層の表面上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりこのp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層の表面の第1LD構造14を形成する部分にストライプ状のレジストを残すレジストパターン60を形成しする。次いでこのレジストパターン60をマスクとしてドライエッチングによりn−GaAs基板12が露呈するまでエッチングを行い第1メサ状積層構造62を形成する。
すなわち、第1メサ状積層構造62を含めn−GaAs基板12上に、第2n型クラッド層76としてのn−(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P層、(AlwGa1-w)uIn1-uPの量子井戸層を含む第2活性層78、および第2p型クラッド層80としてのp−(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P層を順次エピタキシャル成長により積層する。このエピタキシャル成長はMOCVD法やMBE法により行われる。
この後、第2p型クラッド層80としてのp−(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P層の表面上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより第1メサ状積層構造62に隣接して第2LD構造74を形成する部分にストライプ状のレジストを残したレジストパターン82を形成する。
次に図10に示すように、第1メサ状積層構造62および第2メサ状積層構造84を含むn−GaAs基板12上に改めてレジストを塗布する。次いで第1メサ状積層構造62の最上層にあるp−(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P層の表面上にリッジ導波路24を形成するためのストライプ状のレジスト部分と第2メサ状積層構造84の第2p型クラッド層80表面上にリッジ導波路80aを形成するためのストライプ状のレジスト部分とが残ったレジストパターン86をフォトリソグラフィにより形成する。
次にレジストパターン86をマスクとして同一工程のドライエッチングによりリッジ導波路24の形成とリッジ導波路80aの形成とを行い、第1メサ状積層構造62のシグナル層22のエッチングが明確に認められるまでエッチングを行い、エッチングを停止する。すなわちリッジ導波路80aを形成するためのドライエッチングも第1メサ状積層構造62のシグナル層22のエッチングが明確に認められることを判定基準として停止される。この後、レジストパターン86を除去し、リッジ導波路24の表面上にp電極26が、またリッジ導波路80aの表面上にp電極82がそれぞれ形成され、n−GaAs基板12の裏面側にはn電極28が形成され、半導体レーザ70が形成される。
第1メサ状積層構造62のシグナル層22のエッチングが明確に認められることを判定基準として停止する方法は実施の形態1で記載したのと同様である。
この実施の形態2においてはモノリシック型2波長LDについて説明したが、同一の基板にさらに多くの半導体レーザ構造を形成することによりさらに多くの発光波長のレーザ光を発光できるモノリシック型多波長LDを構成することが出来る。
しかしながらリッジ導波路80aは第1LD構造14のリッジ導波路24と同じ材料構成を有し、同一工程のドライエッチングによりリッジ形成が行われる。このドライエッチングは第1LD構造14のシグナル層22により正確に停止される。このためにリッジ導波路80aのエッチング深さは正確に制御されリッジ導波路80aは所望の寸法に正確に形成される。
このためにモノリシック型2波長LD70は総体として高効率で高出力のモノリシック型2波長LDを構成することが出来る。
またリッジ導波路24およびリッジ導波路80aはともに第1LD構造14のシグナル層22により正確にエッチングが停止されるので、リッジ導波路24およびリッジ導波路80aの寸法精度が高く、所望の横方向の広がり角を有するレーザ光が発振され優れた発光特性を有するとともに、製品のバラツキが少ないモノリシック型2波長LDを提供することが出来る。
なお実施の形態2の説明において、シグナル層を長波長側の半導体レーザに設けた例について説明したが、これに拘わらず短波長側の半導体レーザにシグナル層を設けてもかまわない。
Claims (8)
- 第1導電型の基板と、
この基板上に配設されるとともに上記基板上に順次配設された第1導電型の第1の第1クラッド層、この第1の第1クラッド層の上に配設された量子井戸層を含む第1の活性層、この第1の活性層の上に配設された第2導電型の第1の第2クラッド層、この第1の第2クラッド層の上に配設され上記第1の第2クラッド層と同じ構成元素を有する第2導電型のエッチング終了検出層、およびこのエッチング終了検出層の上にストライプメサ状に配設され、エッチング終了検出層と同じ構成元素を有しそのうちの相補関係にある二つの構成元素の組成比が上記エッチング終了検出層と異なる第2導電型の第1の第3クラッド層を有する第1の半導体レーザ構造と、
を備えた半導体レーザ装置。 - 第1の半導体レーザ構造が基板上の一部に配設されるとともに、
上記基板上の一部に上記第1の半導体レーザ構造と独立に配設され、上記基板上に順次配設された第1導電型の第2の第1クラッド層、この第2の第1クラッド層の上に配設され量子井戸層を含む第2の活性層、およびこの第2の活性層の上に配設され第1の第3クラッド層と同じ材料構成を有し層厚の一部がストライプメサ状に突出した第2導電型の第2の第2クラッド層、を有する第2の半導体レーザ構造をさらに備えた請求項1記載の半導体レーザ装置。 - 第1の第3クラッド層が(Alx1Ga1−x1)y1In1−y1Pで形成されるとともにエッチング終了検出層が上記第1の第3クラッド層よりもGa組成比が大きい(Alx2Ga1−x2)y2In1−y2Pで形成されたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体レーザ装置。
- 第1の活性層がInvGa1−vAsで形成された量子井戸層を含むことを特徴とした請求項3記載の半導体レーザ装置。
- 第1導電型の基板上に、第1導電型の第1の第1クラッド層、量子井戸層を含む第1の活性層、第2導電型の第1の第2クラッド層、第1の第2クラッド層と同じ構成元素を有する第2導電型のエッチング終了検出層、およびエッチング終了検出層と同じ構成元素を有しそのうちの相補関係にある二つの構成元素の組成比が上記エッチング終了検出層と異なる第2導電型の第1の第3クラッド層を順次形成する工程と、
第1の第3クラッド層の表面上にレジストを塗布し、第1の半導体レーザ積層として残す第1の第3クラッド層の一部表面にストライプ状のレジスト部分を残したレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、基板が露呈するまでエッチングし、レジストパターンを除去し第1の半導体レーザ積層を形成する工程と、
第1の半導体レーザ積層の表面上にリッジ導波路に対応したストライプ状のレジストを有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして第1の半導体レーザ積層の第1の第3クラッド層とエッチング終了検出層との組成比が異なる構成元素の発光スペクトルの強度に差が検出されるまで第1の半導体レーザ積層をエッチングしリッジ導波路を形成する工程と、
を含む半導体レーザ装置の製造方法。 - 第1の半導体レーザ構造を基板の一部に形成するとともに第1の半導体レーザ積層を形成する工程に続けて、
露呈した基板上に、第1導電型であるの第2の第1クラッド層、量子井戸層を含む第2の活性層、および第1の第3クラッド層と同じ材料構成を有し第2導電型の第2の第2クラッド層を順次形成し、第2の第2クラッド層の表面上にレジストを塗布し、第1の半導体レーザ積層に隣接する第2の半導体レーザ積層として残す第2の第2クラッド層の一部表面にレジストを残したレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、第1の半導体レーザ積層上の第1の第3クラッド層が露呈するまでエッチングし、第2の半導体レーザ積層を形成し、この第2の半導体レーザ積層の表面上に残されたレジストパターンを除去する工程をさらに加えるとともに、
リッジ導波路を形成する工程において、第1の半導体レーザ積層の表面上にリッジ導波路に対応したストライプ状のレジスト部分を有するレジストパターンを形成する際に、さらに第2の半導体レーザ積層の表面上にもリッジ導波路に対応したストライプ状のレジスト部分を有するレジストパターンを形成するとともに第1の半導体レーザ積層と第2の半導体レーザ積層とを同じ工程でエッチングすることを特徴とする請求項5記載の半導体レーザ装置の製造方法。 - 第1の第3クラッド層が(Alx1Ga1−x1)y1In1−y1Pで形成されるとともにエッチング終了検出層が上記第1の第3クラッド層よりもGa組成比が大きい(Alx2Ga1−x2)y2In1−y2Pで形成されたことを特徴とする請求項6記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 第1の活性層がInvGa1−vAsで形成された量子井戸層を含むことを特徴とした請求項7記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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