JP2008177623A - リッジ導波路型分布帰還レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の埋め込み成長にともなうシリコンのパイルアップによるレーザ抵抗の増大を防止する。
【解決手段】リッジ導波路に設けられたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層およびこのｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層とｐ型のコンタクト層との間に設けられたｐ型のＩｎＰ層を備えたリッジ導波路型分布帰還レーザであって、該ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層と該ｐ型のＩｎＰ層のｐ型ドーパントがＺｎであり、
該ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３とし、該ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度は該ｐ型のＩｎＰ層のキャリア濃度より高いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、リッジ導波路内に回折格子を有するリッジ導波路型分布帰還（ＤＦＢ）レーザに関するものである。

ｎ型の半導体基板を用いたこの種のリッジ導波路型分布帰還（ＤＦＢ）レーザは、ｎ型の半導体基板上にｎ型の第１クラッド層、ｎ型の第２クラッド層、ｎ型の光閉じ込め層、量子井戸活性層、ｐ型の光閉じ込め層、ｐ型のクラッド層を順次形成し、このｐ型のクラッド層の上にリッジ導波路を形成したものである。リッジ導波路は、例えばｐ型のＩｎＰ層の上に、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層を形成し、その上にｐ型のＩｎＰ層を形成している。

この従来のリッジ導波路型分布帰還レーザの電流値と直列抵抗との関係を図１２に示す。この電流値は、発振領域へ流れる発振電流であり、直列抵抗は、発振電流に対して直列に存在する抵抗である。この従来のレーザは、電流値２０ｍＡにおいて１４Ωの高い直列抵抗を持っている。その理由について説明する。

この従来のリッジ導波路型分布帰還レーザにおいて、リッジ導波路は、ｐ型のＩｎＰ層を形成し、その上にｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層を形成した後、P型のＩｎＰ層を埋め込み成長して形成される。しかし、この埋め込み成長時に、その再成長界面にシリコンＳｉがパイルアップ（堆積）する。このシリコンは大気中または水分中に含まれるシリコンに由来するもので、ｐ型の半導体層内ではｎ型のドーパントとして振舞う。従って、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層およびその上下のｐ型のＩｎＰ層の途中にシリコンのパイルアップによるｎ型層が存在すると、ｐｎｐ接合が形成されてしまい、抵抗が高くなる。通常は、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層およびその上下のｐ型のＩｎＰ層中のｐ型のドーパントである亜鉛Ｚｎが拡散してきて、シリコンと結合してシリコンが補償され、ｎ型のドーパントとして振舞わなくなる。

ところが、このレーザの構造において、再成長界面の直下にはｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層が存在しており、しかも従来のこのレーザでは、このｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３以下と低い。従ってこのＩｎＧａＡｓＰはＩｎＰより、亜鉛Ｚｎの固溶度が高いため、亜鉛Ｚｎはｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の上のｐ型のＩｎＰ層からｐ型のＩｎＰＧａＡｓＰ回折格子層へ拡散してきて、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の直上の亜鉛Ｚｎの濃度が低減する。その結果、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の直上のシリコンパイルアップ物が亜鉛Ｚｎにより補償されずに、ｎ型層が残存し、レーザの抵抗が高くなる。

この発明は、この問題を改善し、回折格子層直上のシリコンのパイルアップを亜鉛Ｚｎにより補償して、より抵抗を低くできるリッジ導波路型分布帰還レーザを提案するものである。

この発明によるリッジ導波路型分布帰還レーザは、リッジ導波路に設けられたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層およびこのｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層とｐ型のコンタクト層との間に設けられたｐ型のＩｎＰ層を備えたリッジ導波路型分布帰還レーザに関する。そして該ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層と該ｐ型のＩｎＰ層のｐ型ドーパントがＺｎであり、該ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３とし、該ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度は該ｐ型のＩｎＰ層のキャリア濃度より高いことを特徴とする。

以上のようにこの発明によるリッジ導波路型半導体レーザは、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のｐ型キャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３、特に２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３としたものであり、このｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の埋め込み成長にともなうシリコンのパイルアップによる抵抗の増大を防止し、レーザの直列抵抗の増大を防止して、その温度特性、高速動作特性をも改善できる。

また、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層と併せて、この回折格子層とｐ型のコンタクト層との間に設けられたｐ型のＩｎＰ層、回折格子層と量子井戸活性層との間に設けられたＩｎＰ層のｐ型キャリア濃度を、１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３、特に２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３としたものでは、さらに確実にシリコンのパイルアップによる抵抗の増大を防止し、レーザの直列抵抗の増大を防止できる。

実施の形態１．
図１はこの発明によるリッジ導波路型分布帰還（ＤＦＢ）レーザの実施の形態１を示す一部断面の斜視図である。図２はその中央部分の断面図である。

このリッジ導波路型分布帰還レーザは、ｎ型の半導体基板、例えばＩｎＰ基板１を用いて構成される。このｎ型のＩｎＰ基板１は方形の基板であり、その上面の全面にｎ型の第１クラッド層２が形成されている。このｎ型の第１クラッド層２は、例えばＩｎＰ層であり、厚さが１μｍ、ｎ型キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である。ｎ型の第１クラッド層２の上面の全面には、ｎ型の第２クラッド層３が形成されている。このｎ型の第２クラッド層３は、例えばＡｌＩｎＡｓ層であり、厚さが０．１μｍ、ｎ型キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である。このｎ型の第２クラッド層３の上面の全面には、ｎ型の光閉じ込め層４が形成されている。このｎ型の光閉じ込め層４は、例えばｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ層であり、厚さが０．１μｍ、ｎ型のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である。

ｎ型の光閉じ込め層４の上面の全面には、量子井戸活性層５が形成されている。この量子井戸活性層５は例えばＡｌＧａＩｎＡｓ層である。この量子井戸活性層６の上面の全面には、ｐ型の光閉じ込め層６が形成されている。このｐ型の光閉じ込め層６は、例えば厚さが０．１μｍ、ｐ型のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である。ｐ型の光閉じ込め層６の上面の全面には、ｐ型のクラッド層７が形成されている。このｐ型のクラッド層７は、例えばｐ型のＡｌＩｎＡｓ層であり、厚さが０．１μｍ、ｐ型のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である。

ｐ型のクラッド層７の上面には、互いに平行な３つの突条が形成されており、中央の突条がリッジ導波路ＲＷを形成している。隣接する２つの突条の相互間には、ストライプ状溝ＳＤが形成されている。

各リッジ導波路ＲＷを含む各突条の最下層はｐ型の下ＩｎＰ層８であり、これはｐ型のクラッド層７の上面に形成されている。この各下ＩｎＰ層８の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層１０が形成され、これはリッジ導波路ＲＷではｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９として構成されている。これらのｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層９、１０の厚さは例えば０．０６μｍ、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のｐ型キャリア濃度は、１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、またｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層１０のｐ型キャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３である。ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のキャリア濃度は、特に２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３とするのが適当であり、実施の形態１では、具体的には、２．５×１０^１８ｃｍ^−３とした。

ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層９、１０の上面には、ｐ型の上ＩｎＰ層１１が形成されている。この上ＩｎＰ層１１の厚さは、例えば１．５μｍ、ｐ型キャリア濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３である。この上ＩｎＰ層１１の上面には、ｐ型のコンタクト層１２が形成されている。このｐ型のコンタクト層１２は、例えばｐ型のＩｎＧａＡｓ層であり、厚さが０．１μｍ、ｐ型キャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３である。

３つの各突状およびストライプ状溝ＳＤはＳｉＯ２絶縁膜１３によって覆われており、リッジ導波路ＲＷの上面ではこのＳｉＯ２絶縁膜１３にコンタクトホールが形成されている。ＳｉＯ２絶縁膜１３の上面にはレーザのｐ型電極１４が形成されており、リッジ導波路ＲＷの上面では、前記コンタクトホールを介してコンタクト層１２にオーミックコンタクトしている。このｐ型電極１４は、例えばチタンＴｉ／金Ａｕである。ｎ型基板１の下面には、ｎ型電極１５が形成され、ｎ型基板１にオーミックコンタクトしている。ｎ型電極１５は、例えば金Ａｕ／ゲルマニウムＧｅ／ニッケルＮｉ／金Ａｕである。

なお、図１はリッジ導波路ＲＷを構成する中央の突条の右半分とその右側の突条とその下部の手前半分を一部断面して示している。

実施の形態１の製造方法について工程順に説明する。この製造工程は、図３（ａ）の第１工程、図３（ｂ）の第２工程、図４（ａ）の第３工程、図４（ｂ）の第４工程、図４（ｃ）の第５工程、図５（ａ）の第６工程、図５（ｂ）と図５（ｃ）の第７工程、図６（ａ）の第８工程、図６（ｂ）の第９工程、図７（ａ）の第１０工程、図７（ｂ）の第１１工程、図８（ａ）の第１２工程、図８（ｂ）の第１３工程、図９（ａ）の第１４工程、図９（ｂ）の第１５工程および図１０の第１６工程の計１６の工程を含む。

先ず図３（ａ）の第１工程では、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ型基板１の上に、順次ｎ型のＩｎＰ第１クラッド層２、ｎ型のＡｌＩｎＡｓ第２クラッド層３、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層４、ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層５、ｐ型のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層６、ｐ型のＡｌＩｎＡｓクラッド層７、ｐ型の下ＩｎＰ層８、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層１０およびｐ型のＩｎＰ層２１を積層成長する。このウエハに、写真製版の位置合わせ用に、マーカーをエッチングにて形成しておく。

図３（ｂ）の第２工程では、ｐ型のＩｎＰ層２１の上面の全面に、ＳｉＯ２絶縁膜２２を形成し、その上にレジスト膜２３を形成する。

図４（ａ）の第３工程では、レジスト膜２３に対し、回折格子形成のためのパターニングを行う。このパターンは、リッジ導波路ＲＷの延長方向に約２０００Åのピッチで形成され、そのリッジ導波路ＲＷの延長方向と直角な方向の幅は１０μｍである。図４（ａ）の右側図は、リッジ導波路ＲＷの延長方向における断面であり、その左側図は、その上面図である。レジスト２３の残っている部分２３ｂと、レジスト２３が除去された部分２３ａが形成される。リッジ導波路ＲＷの延長方向と直角な方向の幅を１０μｍとしたが、これを数μｍと狭くすれば、パターンにムラが発生して、正確なパターニングができないためである。

図４（ｂ）の第４工程では、パターニングしたレジスト膜２３をマスクとして用いて、ＳｉＯ２絶縁膜２２をドライエッチングする。そのエッチングガスは例えば、ＣＨＦ３／Ｏ２ガスである。

図４（ｃ）の第５工程では、レジスト膜２３が除去され、ＳｉＯ２絶縁膜２２において、ＳｉＯ２絶縁膜２２が残っている部分２２ｂと、ＳｉＯ２絶縁膜２２が除去された部分２２ａが現れる。

図５（ａ）の第６工程では、ＳｉＯ２膜絶縁２２を覆うように、レジスト膜２４を塗布し、最初に形成したマーカーを基準にして、ステッパーによる写真製版を行い、レジスト膜２４に溝２４ａを形成する。溝２４ａは、リッジ導波路ＲＷの幅と等しくされる。リッジ導波路ＲＷの延長方向と直角な方向の幅は１．８μｍと狭く、溝２４ａをこれと同じ１．８μｍとする。溝２４ａの中心は、ＳｉＯ２膜２２が除去された部分２２ａの幅の中心に合わされる。図６（ａ）の右側図はリッジ導波路ＲＷの延長方向における断面図であり、その左側図はその上面図である。

図５（ｂ）（ｃ）の第７工程では、メタンガスと水素ガスプラズマを用いたドライエッチングを行い、レジスト２４とＳｉＯ２絶縁膜２２をマスクにして、レジスト２４とＳｉＯ２絶縁膜２２の両者の存在しない部分の下部のｐ型のＩｎＰ層２１とその下のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層１０とをエッチングする。これにより、幅がリッジ導波路ＲＷの幅に等しい回折格子層９が約２０００Åのピッチをもって形成される。図６（ｂ）の右側図はリッジ導波路ＲＷの延長方向における断面図、その左側図はその上面図である。図６（ｂ）右側図はその左側図のＡ−Ａ線断面図である。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の左側図のＢ−Ｂ線断面図である。

図６（ａ）の第８工程では、ウエハを硫酸系の液で前処理した後、回折格子９の上に、ｐ型の上ＩｎＰ層１１とｐ型のコンタクト層１２を埋め込み成長させる。この際、最初に形成した位置合わせ用のマーカーをＳｉＯ２膜でカバーしておく。このカバーにより、最後まで同一のマーカーを位置合わせに使用できるので、すべての写真製版工程の位置ずれを小さくできる。

図６（ｂ）の第９工程では、ウエハの上面全面に、ＳｉＯ２絶縁膜２５を形成した後、リッジ導波路ＲＷを形成するために、エッチングにより、ストライプ状溝ＳＤに相当する位置に開口２５ａを形成する。

図７（ａ）の第１０工程では、ドライエッチングにより、ＳｉＯ２絶縁膜２５をマスクにして、開口２５ａの下部のｐ型コンタクト層１２をその全厚さに亘ってエッチングし、さらにｐ型の上ＩｎＰ層１１をその厚さの途中までエッチングする。

図７（ｂ）の第１１工程では、ウエットエッチングにより、ｐ型の上ＩｎＰ層１１をその下面まで完全にエッチングし、このエッチングをｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層１０で止める。ウエットエッチング液として、例えば塩酸と燐酸の混合液（混合比は塩酸１：燐酸２）を用いれば、ＩｎＰ層１１に対するエッチングレートは大きいが、ＩｎＧａＡｓＰ層１０に対するエッチングレートは非常に小さいので、エッチングをｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層１０でうまく止めることができる。また、塩酸と燐酸の混合液によるウエットエッチングでは、下方向のみへのエッチングが進み、横方向は殆どエッチングされないので、垂直な側壁を持ったリッジ導波路ＲＷを形成することができる。

図８（ａ）の第１２工程では、ドライエッチングにより、ＳｉＯ２絶縁膜２５をマスクにして、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層１０をその厚さの全体に亘って完全にエッチングし、ｐ型の下ＩｎＰ層８の厚さの途中までエッチングを行う。

図８（ｂ）の第１３工程では、ウエットエッチングにより、ｐ型の下ＩｎＰ層８をその下面まで完全にエッチングし、このエッチングをｐ型のＡｌＩｎＡｓ層７で止める。このウエットエッチング液としては、例えば塩酸と燐酸の混合液を用いる。

図９（ａ）の第１４工程では、ＳｉＯ２絶縁膜２５をエッチング除去する。

図９（ｂ）の第１５工程では、ＳｉＯ２絶縁膜２６を新たに形成し、このＳｉＯ２絶縁膜２６により、各突条の上面と側面およびストライプ状溝ＳＤの底面を覆った後、写真製版により、リッジ導波路ＲＷの上面のＳｉＯ２絶縁膜２６にコンタクトホール２６ａを形成する。

図１０の第１６工程では、レーザのｐ型電極１３およびｎ型電極１４を形成する。

実施の形態１は、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のｐ型キャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３と高くしたことを特徴とする。このｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のｐ型キャリア濃度は、特に２×１０^１８ｃｍ^−３から３×１０^１８ｃｍ^−３の範囲にするのが適当であり、実施の形態１では、具体的には２．５×１０^１８ｃｍ^−３とした。従来のこの種のレーザにおけるｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度は１．０×１０^１８ｃｍ^−３以下と低い。

このようにｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のキャリア濃度を高くすると、ＩｎＧａＡｓＰの亜鉛Ｚｎの固溶度が高いにもかかわらず、亜鉛Ｚｎはｐ型のＩｎＰ層１１からｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９に余り拡散しない。従って、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９の直上の亜鉛Ｚｎの濃度が低減するのを防ぐことができ、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９の直上のシリコンＳｉのパイルアップを亜鉛Ｚｎにより補償することができ、その部分におけるｎ型層の残存をなくして、レーザ抵抗の増大を防ぐことが可能となる。なお、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のｐ型キャリア濃度を余り大きくすると、耐圧の低下が問題になるので、４．０×１０^１８ｃｍ^−３までの値に抑える必要がある。

図１１は、実施の形態１によるレーザ抵抗の電流値依存性を示す。横軸は電流、すなわち、発振領域に流れ込む電流（ｍＡ）であり、縦軸は、抵抗、すなわち、この電流に対して直列に存在する直列抵抗（Ω）である。図１１から明らかなように、直列抵抗の値は電流が１５（ｍＡ）から１００（ｍＡ）に至る広い範囲でほぼ６（Ω）の低い値となる。具体的には、電流が２０（ｍＡ）のときに、抵抗は６（Ω）と低くなり、レーザの温度特性および高速動作特性を改善できた。

実施の形態２．
実施の形態２は、p型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のｐ型キャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３、特に２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３とするとともに、上下のｐ型ＩｎＰ層８、１１のｐ型キャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３、特に２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３としたものである。このＩｎＰ層８、１１のキャリア濃度は、具体的には、２．５×１０^１８ｃｍ^−３とした。このＩｎＰ層８、１１のキャリア濃度の増大は、シリコンＳｉのパイルアップによる直列抵抗の増大を防止するのに有効であり、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層９のキャリア濃度の増大と相俟って、より確実にシリコンのパイルアップによるｎ型層の発生を防止できる。なお、ＩｎＰ層８、１１は、少なくともそのいずれか一方のキャリア濃度を前述の値まで増大させることによっても、同様な効果が得られる。

また、図３（ａ）の第１工程から図５（ｂ）（ｃ）の第７工程で使用されるｐ型ＩｎＰ層２１のキャリア濃度を、ＩｎＰ層８、１１と同様の値に増大することも有効である。

図１はこの発明によるリッジ導波路型半導体レーザの実施の形態１を示す一部断面の斜視図。 図２は実施の形態１の中央部分の断面図。 図３（ａ）（ｂ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図４（ａ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図と上面図であり、図４（ｂ）（ｃ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図５（ａ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図と上面図であり、図５（ｂ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図と上面図であり、図５（ｃ）はその断面図。 図６（ａ）（ｂ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図７（ａ）（ｂ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図８（ａ）（ｂ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図９（ａ）（ｂ）は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図１０は実施の形態１の製造工程を示す断面図。 図１１は実施の形態１による抵抗と電流値の関係を示す特性図。 図１２は従来のレーザの抵抗と電流値の関係を示す特性図。

符号の説明

９ ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、 ８，１１ ｐ型のＩｎＰ層、 ５ 量子井戸活性層、 １２ ｐ型のコンタクト層。

Claims (2)

1. リッジ導波路に設けられたｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層およびこのｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層とｐ型のコンタクト層との間に設けられたｐ型のＩｎＰ層を備えたリッジ導波路型分布帰還レーザであって、
   前記ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層と前記ｐ型のＩｎＰ層のｐ型ドーパントがＺｎであり、
   前記ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３から４．０×１０^１８ｃｍ^−３とし、
   前記ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度は前記ｐ型のＩｎＰ層のキャリア濃度より高いことを特徴とするリッジ導波路型分布帰還レーザ。
2. 前記ｐ型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のキャリア濃度を２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３とし、併せて前記ｐ型のＩｎＰ層のキャリア濃度を２．０×１０^１８ｃｍ^−３から３．０×１０^１８ｃｍ^−３としたことを特徴とする請求項１に記載のリッジ導波路型分布帰還レーザ。

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