JP2007088285A - 半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】
簡便な方法により、エピタキシャル層に生じる結晶悪化の影響を排除することができるためスループットが向上するとともに、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定した半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板表面または半導体基板上の膜表面に回折格子を形成する工程と、前記回折格子表面にエピタキシャル層を形成して多層膜を形成する工程と、を含む半導体レーザ素子の製造方法である。前記回折格子を形成する前記工程は、半導体レーザ素子の共振器方向に直交する方向における前記回折格子の幅を、メサ幅＋３０μｍ以上となるように前記回折格子を形成する工程である。
【選択図】 図５

Description

本発明は、回折格子が素子内に形成された半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子に関する。
光ファイバ通信において、主に中長距離用の光源として、単一軸モードで発振可能な分布帰還型半導体レーザ素子または分布ブラッグ反射型半導体レーザ素子が用いられる。これらの半導体レーザ素子は、回折格子が形成された領域を有しており、この回折格子領域により、ある特定の波長のレーザ光を放出することができる。
回折格子を形成する方法としては、干渉露光法が挙げられる。干渉露光法は、まず、半導体基板上にレジストを塗布し、２つの光路に分かれたレーザ光の干渉パターンで露光する。このとき、レーザの入射角を変えて回折格子の周期を調整することができる。次いで、現像することにより回折格子パターンを有するレジスト膜を形成する。さらに、このレジスト膜をマスクとして、ウェットエッチングあるいはドライエッチングにより半導体基板上に回折格子パターンを転写することにより行われる。
特許文献１に記載された、干渉露光法により形成された回折格子を図１１に示す。図１１に示すように、回折格子１０４は、基板１０２全面に渡って形成されている。
特許文献１に記載の干渉露光法は、半導体基板上の広い領域に渡って瞬時にレジストを感光できるため、かかる方法による回折格子の形成はスループット向上の観点で有効な手法である。しかしながら、回折格子周期および位相シフト量の精密な制御が難しく、近年、光ファイバ通信の領域で求められている高い波長制御性および単一モード性を高歩留まりで実現することが困難であった。
一方、回折格子を形成する別の方法としては、高解像度な電子線露光法が挙げられる。電子線露光法は、干渉露光法で発生する波長制御性および単一モード性を向上させることができる。
しかしながら、電子線露光法において、半導体基板上に形成されたエピタキシャル層に転位等が発生することによって結晶性が悪化したり、結晶組成および結晶層厚の変調によって結晶性が悪化することがあった。このような結晶性が悪化した領域は、エッチングプロセスにおいて、半導体基板上の回折格子が形成された領域と、未形成領域との境界部（以降、回折格子境界部ともいう）に形成された段差の影響により生成される。
このような結晶悪化領域がレーザ素子内に存在する場合、しきい値電流の増加や、スロープ効率の低下や、素子寿命の低下等の特性悪化が生じる。特に回折格子上に活性層を形成する場合には、波長制御性が低下することがあった。
また、エッチング時に回折格子境界部で生じる半導体の段差を起因とした結晶性の悪化を回避する方法としては、干渉露光法と同様、電子線露光法で半導体全面に渡って回折格子を形成する方法があるが、露光に要する時間が非常に多くなり、スループット効率が著しく低下する。
さらに、電子線露光法における結晶性の悪化を防止する方法としては、特許文献２に記載の方法がある。特許文献２には、回折格子パターンを電子ビーム露光で形成し、回折格子を形成しない領域をさらにＤｅｅｐＵＶ露光する方法が記載されている。この方法によれば、回折格子を形成する領域と、そうでない領域との段差が軽減されると記載されている。
特開平７−１７００１８号公報（第１２頁、図１４、図１５） 特開２０００−１３８４１３号公報
しかしながら、特許文献２に記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
第１に、回折格子パターンを形成した後、回折格子を形成しない領域をさらにＤｅｅｐＵＶ露光する必要があり、工程が複雑になるだけでなく、露光に要する時間が多くなり、スループットが低下することがある。
第２に、回折格子を形成しない領域にのみ、ＤｅｅｐＵＶ露光を制御性よく行うのは困難な場合があり、回折格子を形成する領域と、そうでない領域との間に段差が生じ、しきい値電流の増加や、スロープ効率の低下や、素子寿命の低下等の特性悪化が生じる可能性がある。
本発明によれば、半導体基板表面または半導体基板上の膜表面に回折格子を形成する工程と、前記回折格子表面にエピタキシャル層を形成して多層膜を形成する工程と、を含む半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記回折格子を形成する前記工程が、半導体レーザ素子の共振器方向に直交する方向における前記回折格子の幅を、メサ幅＋３０μｍ以上となるように前記回折格子を形成する工程である、半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
このような半導体レーザ素子の製造方法によれば、簡単な方法により、エピタキシャル層に生じる結晶悪化の影響を排除することができるので、スループットが向上するとともに、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定した半導体レーザ素子を提供することができる。
また、本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板上にエピタキシャル結晶成長法により形成された、活性層を含む多層膜と、前記半導体基板表面または前記多層膜中に形成された回折格子と、を備える半導体レーザ素子であって、
前記回折格子は、前記半導体レーザ素子の共振器方向に直交する方向において部分的に形成されており、かつ前記回折格子の幅がメサ幅＋３０μｍ以上である、半導体レーザ素子が提供される。
このような半導体レーザ素子によれば、エピタキシャル層に生じる結晶悪化の影響を排除することができるので、スループットが向上するとともに、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定する。
本発明によれば、簡単な方法により、エピタキシャル層に生じる結晶悪化の影響を排除することができるのでスループットが向上するとともに、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定した半導体レーザ素子の製造方法および半導体レーザ素子が提供される。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第1の実施形態における分布帰還型半導体レーザ素子の斜視図である。
図１に示すように、半導体レーザ素子１０は、半導体基板（ｎ型ＩｎＰ基板１２）上に、活性層１４を含んだ光導波路層となるメサ形状の活性層メサ１６、および、キャリアブロック耐圧を向上させるための一対の再結合層１８を有している。活性層メサ１６は、メサ下部がｎ型、メサ上部がｐ型に形成されている。
活性層メサ１６は、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層の表面に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる第１のＳＣＨ層、ノンドープＭＱＷ活性層５層１４、ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる第２のＳＣＨ層、およびｐ型ＩｎＰクラッド層を、順に積層してなる。なお、再結合層１８も、同様の積層構造を有している。
第１の実施形態の半導体レーザ素子１０は、さらに、活性層メサ１６の脇から、再結合層１８の上部にわたって、ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層２０と、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２２とが順に形成されている。活性層メサ１６およびｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２２を覆うように、ｐ型ＩｎＰクラッド層２４およびｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２６が順に積層されている。
本実施形態では、活性層メサ１６内および一対の再結合層１８内において、活性層１４の下に回折格子１３を有している。回折格子１３の幅は、メサ幅（活性層メサ１６の幅）＋３０μｍ以上である。ここで、本実施形態における回折格子１３の幅は、一方の再結合層１８内に存在する回折格子１３の端部から、他方の再結合層１８内に存在する回折格子１３の端部までの幅を意味する。回折格子１３の幅がこのような範囲であることにより、活性層メサ１６を構成する結晶の内部には、結晶欠陥や、結晶組成および結晶層厚に変調をきたした結晶悪化領域を有しない。そのため、本実施形態の半導体レーザ素子によれば、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定する。さらに、回折格子１３の幅を４０μｍ以上とすることにより、活性層メサ１６内において結晶悪化領域がほとんど存在することがない。そのため、上記効果に特に優れる。
一方、再結合層１８には結晶性悪化領域が含まれる。しかしながら、本領域はｐ型ＩｎＰ電流ブロック層２０と、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２２とに蓄積されたキャリアを逃がす場所として機能すればよく、素子動作に本質的な影響を与えない。
また、本実施形態においては、上記ｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型に置き換えた半導体レーザ素子であってもよい。
このような半導体レーザ素子１０は、共振器方向に直交する方向における素子幅２５０μｍ程度、共振器方向における素子長６００μｍ程度である。
なお、図１に示す第1の実施形態の半導体レーザ素子においては、基板の下面およびｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２６の上面に形成される電極や、共振器方向の端面に形成される無反射コーティングおよび高反射コーティング等の図示を省略する。
次に、図２乃至図７を参照して第１の実施形態における半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層に電子線露光用のポジ型レジストを塗布し、電子線露光法により描画幅１３ａがメサ幅＋３０μｍ以上となるように回折格子パターン３２をレジスト膜３０に形成する。描画幅１３ａの上限値は特に限定されないが、露光に要する時間や、スループット効率の観点から１００μｍとすることができる。本実施形態においては、描画幅１３ａが４０μｍの回折格子パターン３２を形成した例によって説明する。
次いで、ウェットエッチングあるいはドライエッチングにより、レジスト膜３０に形成された回折格子パターン３２をｎ型ＩｎＰバッファ層に転写する。さらに、レジスト膜を除去することにより、回折格子１３がｎ型ＩｎＰバッファ層の表面に形成される（図２（ｂ））。
ここで、回折格子１３は、発振波長を選択するために周期０．２４３μｍ程度で形成し、また、回折格子１３には、レーザ光の共振器内定在波に対する４分の1波長、即ち、回折格子周期の２分の１周期にあたる位相変化を与えるλ／４位相シフト３４が形成され、単一モード選択性を向上させる。なお、λ／４位相シフト３４は、信号光が出射される光出力の大きい側をレーザ素子前方側（レーザ素子内位置０）とした時、共振器長３６が６００μｍのレーザ素子内３６０μｍ程度の位置に形成される。
図４は、図２（ｂ）のｎ型ＩｎＰ基板１２を、共振器方向と垂直な面で切ったａ−ａ'線部分断面図である。図４に示すように、回折格子１３が形成された領域３８と未形成領域４０との回折格子境界部４２ａ，４２ｂにおいて、段差が形成されている。
このような段差は、以下のようなメカニズムにより形成される。
例えば、露光時にポジレジストを使用する場合、現像後のｎ型ＩｎＰバッファ層上には、回折格子１３の未形成領域の全面にレジスト膜３０が残っている。そのため、エッチング時に拡散律速のエッチャントを使用する場合、この領域におけるレジスト膜でエッチャントの消費はなく、回折格子境界部に大きな段差が形成される。一方、露光時にネガレジストを使用する場合や、エッチングにドライエッチングを使用する場合や、もしくは、回折格子形成領域以外のレジストを除去してエッチングした場合のいずれの場合においても、回折格子境界部には必ず段差が形成されることになる。
次に、回折格子１３が形成されたｎ型ＩｎＰバッファ層上に、エピタキシャル結晶成長法により所定のエピタキシャル層を形成し、活性層１４を含む半導体多層膜４４を形成する。さらに、所定のパターンにエッチングされたＳｉＯ２等の酸化膜４６を半導体多層膜４４表面に形成する（図３（ｃ））。酸化膜４６は、例えば熱ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、さらに弗酸によるエッチングにより作製される。
半導体多層膜４４は、光導波路層として機能する。半導体多層膜４４は、具体的には、ｎ型ＩｎＰバッファ層上に、以下の層を順に積層して構成されている。
（１）ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層（波長組成１．１μｍ,厚さ０．１μｍ程度,ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３）
（２）ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる第１のＳＣＨ層（波長組成１．１μｍ，厚さ５０ｎｍ程度）
（３）ノンドープＭＱＷ活性層５層（ウェル層：波長組成１．５μｍ，厚さ５ｎｍ程度，バリア層：波長組成１．２μｍ，厚さ１０ｎｍ程度）
（４）ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる第２のＳＣＨ層（波長組成１．１μｍ，厚さ５０ｎｍ程度）
（５）ｐ型ＩｎＰクラッド層（厚さ０．１μｍ程度，ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３）
次いで、酸化膜４６をマスクとしてドライエッチングを行う。また、酸化膜４６に変えて、レジスト膜をマスクとしたウェットエッチングを行うこともできる。
この酸化膜４６をマスクとしたドライエッチングにより、半導体多層膜４４に幅２．０μｍ、深さ２．０μｍ程度の活性層メサ１６を形成し、さらに、活性層メサ１６から５μｍ程度離間して、一対の再結合層１８を形成する（図３（ｄ））。なお、ｎ型ＩｎＰ基板１２の（００１）面に回折格子１３を形成し、このドライエッチング工程において、ｎ型ＩｎＰ基板１２表面を除去して、活性層メサ１６と一対の再結合層１８とを形成することもできる。また、再結合層１８を形成しない態様とすることもできる。
次に、一対の再結合層１８上部のみの酸化膜４６を除去し、活性層メサ１６上部に酸化膜４６を残す。この酸化膜４６をマスクとして、選択ＭＯＶＰＥ成長を行い、０．８μｍ程度のｐ型ＩｎＰ電流ブロック層２０と、０．８μｍ程度のｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２２とを順次形成する。
続いて、活性層メサ１６上部の酸化膜４６を完全に除去し、活性層メサ１６上部およびｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２２を覆うように、３μｍ程度のｐ型ＩｎＰクラッド層２４と、０．３μｍ程度のｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２６とを順次形成する。
そして、両面にＴｉＡｕからなるｐ電極とｎ電極とを形成後、４３０℃で電極アロイを行い素子が完成させる。続いて、素子長が６００μｍ、素子幅が２５０μｍとなるよう素子を切り出し、前方端面（光出射面）に反射率０．１％以下の無反射（ＡＲ）コーティング、後方端面に反射率７５％の高反射（ＨＲ）コーティングを行う。
このような製造方法により、半導体レーザ素子が得られる。
以下に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、回折格子を形成する際に、半導体レーザ素子の共振器方向に直交する方向における回折格子の幅をメサ幅＋３０μｍ以上とするだけで、結晶悪化の影響を排除することができる。そのため、スループットが向上するとともに、さらに、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定した半導体レーザ素子を容易に得ることができる。
このような効果が得られるのは、半導体多層膜４４において、活性層メサ１６が形成される領域に結晶悪化領域が存在しないことによる。この点を、以下に説明する。
本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法において、回折格子１３付きｎ型ＩｎＰバッファ層表面に、エピタキシャル結晶成長法によりエピタキシャル層を成長させた場合の半導体多層膜４４の部分断面図を図５に示す。
図５に示すように、回折格子境界部４２ａ，４２ｂ上の半導体多層膜４４において、結晶性の悪化した領域（以下、結晶悪化領域）５０が形成される。この結晶悪化領域５０は、段差部を中心に半導体多層膜４４の表面に向かって幅３０μｍ程度に渡って伝播する。この結晶悪化領域５０と、描画幅１３ａとの関係を、図６に示す。
図６は、回折格子上のＭＱＷをマイクロＰＬ評価装置によりスキャンし、ＰＬ強度およびＰＬ波長の場所依存性をパラメータにプロットしたものである。ここで、ＰＬ強度０のうち横軸の位置０は、図５の回折格子境界部４２ａを示し、もう一方のＰＬ強度０の位置は、そこから各描画幅だけ離れた回折格子境界部４２ｂである。描画幅１３ａを、２０μｍ，３０μｍ，４０μｍ，７０μｍとして、回折格子１３を作成し、測定を行った。
その結果、どの描画幅１３ａにおいても回折格子境界部でＰＬ強度が最も低下し、かつ、ＰＬ波長が最も短波化している。描画幅１３ａが３０μｍ以下においては、回折格子形成領域の中央部のＰＬ強度およびＰＬ波長が、回折格子境界部から十分に離れた回折格子形成領域外のレベルにまで回復しておらず、境界部を起点として発生する結晶欠陥、結晶組成および結晶膜厚の変調領域が残存している。
第１の実施形態では描画幅１３ａをメサ幅＋３０μｍ以上としているため、中央部には結晶性の悪化した領域を全く含んでいない結晶領域５２が存在している。そのため、この結晶領域５２に活性層メサ１６を形成することにより、活性層メサ１６には結晶悪化領域が存在しない。さらに、描画幅を大きくし、７０μｍとすると、結晶領域５２が大きくなる。
このように、回折格子１３の幅を、活性層メサ１６の幅＋３０μｍ以上となるように回折格子１３を形成することにより、活性層メサ１６を構成する結晶の内部には、結晶欠陥や、結晶組成および結晶層厚に変調をきたした結晶悪化領域を有しない。そのため、本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定した半導体レーザ素子を得ることができる。
つまり、上記形態で作製された分布帰還型半導体レーザ素子内の主たる機能領域内には（再結合層１８がエッチングで除去された場合は素子全体に）、回折格子境界部を起点として延びた結晶性の悪化した領域が全く存在しないため、波長制御性を含む良好な発振特性を高い再現性、均一性で実現することができ、また、素子の長寿命化を達成することができる。
図７は、第１の実施形態の製造方法で作製された分布帰還型半導体レーザ素子（再結合層１８有り）において、しきい値電流およびスロープ効率と、電子線露光法による描画幅との関係を示したものである。なお、回折格子１３の描画幅１３ａを、２０μｍ乃至９０μｍの範囲内において１０μｍ間隔で形成した。その結果、回折格子境界部の影響が残る描画幅１３ａが３０μｍ以下では、しきい値電流は高く、さらにスロープ効率も低下し、素子特性は大きく悪化する。これに対し、描画幅１３ａが４０μｍ以上では、しきい値電流は低く、さらにスロープ効率も向上し、結晶悪化領域の影響は認められない。
このように、描画幅１３ａを４０μｍ以上とすれば、所望の活性層メサ１６を形成することができるとともに、結晶領域５２を確実に確保することができる。そのため、本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定した半導体レーザ素子を得ることができる。
特許文献２に記載の電子線露光法においては、結晶性の悪化を防止するために、回折格子パターンを電子ビーム露光で形成し、回折格子を形成しない領域をさらにＤｅｅｐＵＶ露光する方法が記載されている。しかしながら、この方法は、工程が複雑になるだけでなく、露光に要する時間が多くなり、スループットが低下することがある。さらに、依然として、しきい値電流の増加や、スロープ効率の低下や、素子寿命の低下等の特性悪化が生じる可能性がある。
このように、従来の半導体レーザ素子の製造方法においては、回折格子境界部の段差に起因して結晶性が悪化することは明らかになっていたものの、その発生メカニズムは解明されていなかった。そのため、回折格子境界部の段差自体を無くし、その影響を軽減する方法が行われていた。
このような状況において、本願発明者は鋭意研究したところ、回折格子の描画幅をメサ幅＋３０μｍ以上とすれば、回折格子境界部の段差が存在していても、結晶性悪化の影響が排除されることを見出した。つまり、エピタキシャル層における結晶性悪化は、回折格子境界部の段差を起点として発生し、その結晶性の悪化が伝播していき、エピタキシャル層の上層に行くに従って横方向に拡大していく。さらに、半導体レーザ素子の特性上、半導体多層膜４４の膜厚は０．３μｍ乃至０．５μｍ程度であることから、結晶性悪化領域の影響を排除しうるためには、回折格子の描画幅を所定の値以上とすればよい。
本発明はそのような新規な知見に基づいてなされたものであり、半導体レーザ素子の製造方法において、回折格子の描画幅をメサ幅＋３０μｍ以上となるように形成すれば、結晶性悪化領域を含まない領域を充分な範囲で形成することができる。そのため、そのような領域に、光導波路層を形成すれば、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定された半導体レーザ素子を容易に得ることができる。さらに、このような簡便な方法により結晶悪化の影響を排除することができるため、スループットが向上する。
(第２の実施形態)
第２の実施形態の半導体レーザ素子は、クラッド部にメサを形成し、メサの周囲を結晶層で埋め込まないリッジタイプのレーザ構造である。
図８に、第２の実施形態としての分布帰還型半導体レーザ素子の斜視図を示す。
図８に示すように、半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１２の（００１）面に、回折格子１３を有し、さらにｎ型ＩｎＰ基板１２上に活性層１４を含んだ光導波路層となる半導体多層膜を有している。なお、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層の表面に回折格子を形成してもよい。本実施形態では、活性層１４の下方に回折格子１３を有する構成となっている。
回折格子１３の描画幅は、メサ幅（リッジ部５４ａの幅ａ）＋３０μｍ以上とすることができる。回折格子１３の描画幅１３ａを上記範囲とすると、２箇所の回折格子境界部４２ａ，４２ｂから各々内方向に１５μｍの部分を除く略中央の結晶領域は、境界部４２ａ，４２ｂで生じる結晶性の悪化が伝搬していない領域となる。そのため、本実施形態の半導体レーザ素子によれば、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定する。さらに、描画幅１３ａを４０μｍ以上とすれば、所望の活性層メサを形成することができるとともに、結晶悪化領域を含まない結晶領域をメサの下部に確実に確保することができる。そのため、上記効果に特に優れる。本実施形態においては、描画幅を８０μｍとして作成した例によって説明する。
半導体多層膜４４は、第１の実施形態の半導体レーザ素子における構成と同一であるが、ｐ型ＩｎＰクラッド層５４の構造が異なる。ｐ型ＩｎＰクラッド層５４は、断面略凸形状であり、半導体レーザ素子の共振器方向に延在したメサ構造のリッジ部５４ａを有する。リッジ部５４ａは、幅ａを２μｍ程度、高さｂを２μｍ程度として形成される。リッジ部５４ａは、結晶悪化領域が存在しない回折格子１３の略中央部５０μｍ幅の直上に形成されている。
なお、図８に示す第２の実施形態の半導体レーザ素子１０においては、ｐ型ＩｎＰ基板１２の下面およびリッジ部５４ａの上面に形成される電極や、共振器方向の端面に形成される無反射コーティングおよび高反射コーティング等の図示を省略する。
上記形態で作製された分布帰還型半導体レーザ素子内には、回折格子境界部を起点として延びた結晶性の悪化した領域は存在する。しかしながら、実際にキャリアが流れる領域は結晶性の悪化が伝搬していない幅５０μｍの結晶領域の一部であり、結晶の悪化した領域はレーザの動作に全く寄与しない位置に存在するだけである。
また、例えば、インナークラッド層５４ｂの層厚や、ドーピング濃度が変われば、インナークラッド層５４ｂ内のキャリアの横広がり量は変化する。しかしながら、それに見合った電子線露光の描画幅を適宜設定することで、上記と同様の形態を実現することができる。これにより、第１の実施形態と同様に、波長制御性を含む良好な発振特性を高い再現性、均一性で実現でき、また、素子の長寿命化を達成することができる。
次に、第２の実施形態における半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
まず、第１の実施形態と同様にして、ｎ型ＩｎＰ基板１２の(００１)面に回折格子１３を形成する。回折格子１３の描画幅１３ａは、メサ幅＋３０μｍ以上とすることができる。回折格子１３の描画幅１３ａを上記範囲とすると、２箇所の回折格子境界部４２ａ，４２ｂから各々内方向に１５μｍの部分を除く略中央の結晶領域は、境界部４２ａ，４２ｂで生じる結晶性の悪化が伝搬していない領域となる。本実施形態の半導体レーザ素子１０によれば、結晶性の悪化が伝搬していない領域の直上に、リッジ部５４ａが形成されているため、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定する。さらに、描画幅１３ａを４０μｍ以上とすれば、所望の活性層メサを形成することができるとともに、結晶悪化領域を含まない結晶領域をメサの下部に確実に確保することができる。そのため、上記効果に特に優れる。
次いで、回折格子１３付きｐ型ＩｎＰ基板１２上に、活性層１４を含む半導体多層膜４４をエピタキシャル成長させる。半導体多層膜４４は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる第１のＳＣＨ層、ノンドープＭＱＷ活性層５層、ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる第２のＳＣＨ層、およびｐ型ＩｎＰクラッド層を、順に積層されてなる。
続いて、例えば熱ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、さらに弗酸によるエッチングにより、ｐ型ＩｎＰクラッド層５４上に、所定のパターンを有する酸化膜を作製する。そして、この酸化膜をマスクとして、ドライエッチングを行う。また、レジストをマスクとしたウェットエッチングを行ってもよく、また、これらを併用してもよい。これにより、ｐ型ＩｎＰクラッド層５４に幅ａが２μｍ程度、高さｂが２μｍ程度のリッジ部５４ａを形成する。その後、リッジ部５４ａの上部にのみ幅１．８μｍ程度の開口部を有する酸化膜を、熱ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、弗酸によるエッチングでｐ型ＩｎＰクラッド層５４上に形成する。
続いて、開口部の底部に露出したリッジ部５４ａの上面に、ＴｉＡｕからなる電極を作成し、さらに半導体基板の下面に電極を作成する。その後、４３０℃で電極アロイを行い素子が完成する。続いて、素子長が６００μｍ、素子幅が２５０μｍとなるよう素子を切り出し、前方端面（光出射面）に反射率０．１％以下の無反射（ＡＲ）コーティング、後方端面に反射率７５％の高反射（ＨＲ）コーティングを行う。
このような製造方法により、本実施形態の半導体レーザ素子が得られる。
第２実施形態の半導体レーザ素子１０によれば、第１の実施形態と同様に、エピタキシャル層に生じる結晶悪化の影響を排除することができるので、スループットが向上するとともに、しきい値電流、スロープ効率、および素子寿命等の特性が安定する。
また、第２実施形態の半導体レーザ素子の製造方法においては、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに再結合層を形成する必要がないため、より簡便な方法により結晶悪化の影響を排除することができ、スループットが向上する。
(第３の実施形態)
第３の実施形態の製造方法により得られた半導体レーザ素子は、図９に示すように活性層１４の上方に回折格子１３が形成されている。
図９に示すように、半導体レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、第１のＳＣＨ層、ＭＱＷ活性層１４、第２のＳＣＨ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、およびｐ型ＩｎＰクラッド層からなる活性層メサ１６と、一対の再結合層１８とを有している。さらに、このｐ型ＩｎＰクラッド層５４中に、回折格子１３が形成されている。
この回折格子１３は、次のように形成する。まず、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層表面に、薄膜のｐ型ＩｎＰクラッド膜を形成する。次いで、この薄膜のクラッド膜の表面に、上述の電子線露光法およびエッチング等により、深さ３０ｎｍ、幅４０μｍの略帯状の回折格子１３を、半導体レーザ素子の共振器方向に形成する。その後、回折格子１３が形成されたｐ型ＩｎＰクラッド膜表面にｐ型ＩｎＰクラッド膜を積層し、回折格子１３をｐ型ＩｎＰクラッド層中に埋め込む。
その後、埋め込みタイプの半導体レーザ素子の場合は第１の実施形態と同様にして素子を作製し、リッジメサタイプの半導体レーザ素子の場合は、第２の実施形態と同様にして素子を作製する。
第３の実施形態の分布帰還型半導体レーザ素子において、埋め込みタイプの半導体レーザ素子とする場合は、活性層メサ形成時に結晶性悪化領域が除去され、リッジメサタイプの半導体レーザ素子とする場合は、リッジメサ形成時に結晶性悪化領域が除去される。
第３実施形態の半導体レーザ素子の製造方法においては、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに回折格子１３の位置を活性層１４の上方に形成することができ、自由な設計が可能となる。
(第４の実施形態)
第４の実施形態の製造方法により得られる半導体レーザ素子は、図１０（ａ）に示すように活性領域６０の両側に分布ブラッグ反射器６２を集積したＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)レーザ構造を有する。なお、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の半導体レーザ素子のｂ−ｂ'線断面図である。また、分布ブラッグ反射器６２は、回折格子１３を有する受動光導波路である。
第４実施形態の半導体レーザ素子の製造方法を以下に述べる。
まず、回折格子が形成されていないｎ型ＩｎＰ基板１２全面に、第１のＳＣＨ層、ＭＱＷ活性層１４、第２のＳＣＨ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、およびｐ型ＩｎＰクラッド層を、順にエピタキシャル結晶成長法により形成する。
その後、活性領域６０両側に位置する、分布ブラッグ反射器６２が形成される予定の結晶領域を、ＳｉＯ２等の酸化膜あるいはレジストをマスクとしたドライエッチングあるいはウェットエッチングにより除去する。次いで、バットジョイント技術により、分布ブラッグ反射器６２となる受動光導波路がエピタキシャル成長により形成される。ここで、受動光導波路は、活性層１４よりもエネルギーバンドギャップの大きなコア層６４とその上下に形成されるＳＣＨ層、ＩｎＧａＡｓガイド層、およびＩｎＰクラッド層からなる。受動光導波路への回折格子１３の形成方法は、第３の実施形態と同様にして行われる。なお、回折格子１３がｎ型ＩｎＰ基板１２表面に形成される場合は、第２の実施形態と同様に形成することができ、また、回折格子１３が活性層の下方に形成される場合は、第１の実施形態と同様に形成することができる。
また、埋め込みタイプの半導体レーザ素子の場合は第１の実施形態と同様にして素子を作製し、リッジメサタイプのレーザの場合は、第２の実施形態と同様にして素子を作製する。
上記形態で作製された分布反射型半導体レーザ素子において、埋め込みタイプのレーザの場合は、活性層メサ形成時に結晶性悪化領域が除去され、リッジメサタイプのレーザの場合は、リッジメサ形成時に結晶性悪化領域の影響が排除される。
第４実施形態の半導体レーザ素子の製造方法においては、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに、その方法により得られる半導体レーザ素子をＤＢＲレーザ構造とすることができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、本実施形態では、半導体レーザ素子と変調器が集積された電界吸収型変調器集積半導体レーザ素子等の光集積素子においても適用することができる。
また、上記実施例では、ＭＱＷをＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料により構成しているが、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系材料、ＧａＮ系材料、ＺｎＳｅ系材料、その他化合物半導体材料を使用したものであってもよい。
第１の実施形態に係る製造方法により得られた半導体レーザを模式的に示した斜視図である。 第１の実施形態に係る製造方法の工程を模式的に示した斜視図である。 第１の実施形態に係る製造方法の工程を模式的に示した斜視図である。 図２（ｂ）におけるａ−ａ'線断面図である。 第１の実施形態に係る製造方法における、半導体多層膜中の結晶悪化領域の形成を模式的に示した断面図である。 回折格子の描画幅と、ＰＬ強度およびＰＬ波長との関係を示すグラフである。 回折格子の描画幅と、しきい値電流およびスロープ効率との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る半導体レーザを模式的に示した斜視図である。 第３の実施形態に係る製造方法により得られた半導体レーザを模式的に示した斜視図である。 図１０（ａ）は、第４の実施形態に係る製造方法により得られた半導体レーザを模式的に示した斜視図であり、図１０（ｂ）は、半導体レーザのｂ−ｂ'線断面図である。 従来の干渉露光法により得られた回折格子を示す斜視図である。
符号の説明
１０ 半導体レーザ素子
１２ ｐ型ＩｎＰ基板
１３ 回折格子
１３ａ 描画幅
１４ 活性層
１６ 活性層メサ
１８ 再結合層
２０ ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層
２２ ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
２４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２６ ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
３０ レジスト膜
３２ 回折格子パターン
３４ 位相シフト
３６ 共振器長
３８ 領域
４０ 未形成領域
４２ａ ，４２ｂ 回折格子境界部
４４ 半導体多層膜
４６ 酸化膜
５０ 結晶悪化領域
５２ 結晶領域
５４ ｐ型ＩｎＰクラッド層
５４ａ リッジ部
５４ｂ インナークラッド層
６０ 活性領域
６２ 分布ブラッグ反射器
６４ コア層
１０２ 基板
１０４ 回折格子

Claims (12)

  1. 半導体基板表面または前記半導体基板上の膜表面に回折格子を形成する工程と、
    前記回折格子表面にエピタキシャル層を形成して多層膜を形成する工程と、を含む半導体レーザ素子の製造方法であって、
    前記回折格子を形成する前記工程は、前記半導体レーザ素子の共振器方向に直交する方向における前記回折格子の幅を、メサ幅＋３０μｍ以上となるように前記回折格子を形成する工程である、半導体レーザ素子の製造方法。
  2. 請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    前記回折格子の幅が４０μｍ以上である、半導体レーザ素子の製造方法。
  3. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    前記多層膜を形成する前記工程は、前記回折格子上に活性層を形成する工程を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
  4. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    前記回折格子を形成する前記工程は、
    前記半導体基板上に形成された活性層を有する前記膜表面に、電子線露光法によって前記回折格子を形成する工程である、半導体レーザ素子の製造方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    前記多層膜を形成する前記工程の後に、少なくとも前記回折格子の略中央部を残すように前記多層膜を除去して、共振器方向に平行な光導波路層を形成する工程を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
  6. 半導体基板と、
    前記半導体基板上にエピタキシャル結晶成長法により形成された、活性層を含む多層膜と、
    前記半導体基板表面または前記多層膜中に形成された回折格子と、を備える半導体レーザ素子であって、
    前記回折格子は、前記半導体レーザ素子の共振器方向に直交する方向において部分的に形成されており、かつ前記回折格子の幅がメサ幅＋３０μｍ以上である、半導体レーザ素子。
  7. 請求項６に記載の半導体レーザ素子において、
    前記回折格子の幅が４０μｍ以上である、半導体レーザ素子。
  8. 請求項６または７に記載の半導体レーザ素子において、
    前記回折格子が前記活性層の下部に形成されている、半導体レーザ素子。
  9. 請求項６または７に記載の半導体レーザ素子において、
    前記回折格子が前記活性層の上部に形成されている、半導体レーザ素子。
  10. 請求項６乃至９のいずれかに記載の半導体レーザ素子において、
    分布帰還型半導体レーザ素子である、半導体レーザ素子。
  11. 請求項６乃至９のいずれかに記載の半導体レーザ素子において、
    分布反射型半導体レーザ素子である、半導体レーザ素子。
  12. 請求項６乃至１１のいずれかに記載の半導体レーザ素子を備えることを特徴とする半導体光集積素子。
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