JP2008258415A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチモード干渉（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＭＭＩ）半導体レーザにおいて小チップサイズ化と高効率化を両立させること。
【解決手段】
第１のシングルモード導波路とマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路と第２のシングルモード導波路とがこの順に接続されてなる導波路を備えた半導体レーザにおいて、実効屈折率差Δｎが、前記両シングルモード導波路よりも前記ＭＭＩ導波路において大きくなるようにする。例えば、前記シングルモード導波路と前記ＭＭＩ導波路との間で、メサストライプのエッチング深さが異なり（図１(ａ)）、及び／又は、メサストライプの両側面に接する材料の屈折率が異なるようにする（図１（ｂ））。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に高効率で小チップサイズの高出力半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザにおいて、より高い光出力に対応させるために、共振器長を長くする方法が採用されている。なぜなら、動作電流密度及び動作温度が低下し、光の導波モードが安定化することにより、電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性におけるキンク及び熱飽和が抑制され、線形性が向上するからである。

しかし、共振器長を長くすると、素子面積が増大するため、素子のウェハ当たりの収量が減るという問題がある。そこで、共振器長の増加割合に応じて、共振器方向に対して垂直な方向の寸法を短くする方法も考えられるが、チップが細長くなるため、機械的強度が低下してしまう。したがって、従来の半導体レーザは、高出力化とともに素子面積を大きくせざるを得なかった。

高出力化に伴う素子面積の増大を防ぐため、特許文献１において、マルチモード干渉（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ、ＭＭＩ）半導体レーザが提案されている。

図１０（ａ）は従来のストレート導波路の平面図を示し、図１０（ｂ）は１ｘ１−ＭＭＩ導波路を含む導波路の平面図を示す。ＭＭＩ半導体レーザにおける導波路は、共振器の両端部においてシングルモード導波路を備え、共振器の中央部に複数の高次モードが同時に伝播し得るＭＭＩ導波路を備える。１ｘ１−ＭＭＩ導波路は、マルチモードの導波路でありながら、両端部においてはシングルモード光のみが伝搬する導波路である。

シングルモード導波路は、ストレート導波路の半導体レーザとほぼ同じ幅に設定され、基本モードのみを許容して高次モードはカットオフする。ＭＭＩ導波路は高次モードを許容するために、シングルモード導波路よりも導波路幅を広げた構造となっている。ＭＭＩ半導体レーザにおいては、ＭＭＩ導波路の横幅（導波方向に垂直な方向の幅）を広げることにより、上述の長共振器化と同様の効果が得られる。また、ＭＭＩ導波路の横幅を広げた場合であっても、その寸法はμｍオーダであり、素子の横幅は通常１００μｍオーダであることから、チップの横幅自体を変更する必要はない。

つまり、ＭＭＩ半導体レーザでは、従来のストレート導波路を備えた半導体レーザと比較してより短い共振器長で同等の光出力を得る設計も可能となるため、高出力化とチップサイズの減少を両立させることができる。

しかし、ストレート導波路を備えた半導体レーザと比較した場合、ＭＭＩ半導体レーザには不利な点もある。シングルモード導波路とＭＭＩ導波路の接続点では、シングルモードとマルチモードとの間でモード変換が行われるため、モード間の結合損失が生じる。また、ＭＭＩ導波路では、複数の高次モードを完全には閉じ込めることができず、光が導波路から漏れ出すことによる光損失も発生する。

すなわち、ストレート導波路と比較して、ＭＭＩ導波路では光損失が多く、素子の効率が低下するという問題がある。ＭＭＩ半導体レーザでは、ＭＭＩ導波路特有の光損失を抑制し、かつ、低抵抗でキンク及び熱飽和に強いＭＭＩの利点を活かす設計を行うことが重要である。非特許文献１において、ストレート導波路を備えた半導体レーザに比べ、高出力のＭＭＩ半導体レーザを実現した例が示されている。

なお、特許文献２において、エッチングの深さを変えることによって、複数の導波特性を有する導波路を備えた半導体レーザ素子を製造する方法が開示されている。

特許第３２４４１１５号公報 特開２００５−０２００３７号公報 ２００４ アイ・トリプル・イー １９回 インターナショナル・セミコンダクター・レーザー・カンファレンス・ダイジェスト （ＩＥＥＥ １９ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｉｇｅｓｔ）、ｐｐ．２４−２５、Ｋ． Ｈａｍａｍｏｔｏなど

従来のＭＭＩ導波路を備えた半導体レーザの平面図及び導波方向に垂直な断面図を図１１に示す（特許文献１）。Ａ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図はそれぞれＭＭＩ導波路及びシングルモード導波路における断面図である。従来の導波路は、シングルモード導波路とＭＭＩ導波路との間で、導波路幅は異なるものの、実効屈折率差Δｎは同一である。実効屈折率差Δｎは、シングルモード導波路において高次モードをカットオフする条件に設定され、半導体レーザの種類に依存するものの、一般に１０^−３オーダの小さな値をとる。このような小さい値のΔｎをＭＭＩ導波路にも適用した場合、複数の高次モードに対して、図１１の断面図の横方向について十分な光閉じ込め効果が得られない。したがって、導波損失が大きくなり、素子の効率が低下する。

また、特許文献２に開示された技術は、導波特性の異なる複数のシングルモード導波路領域を備えた半導体レーザに係る技術であって、ＭＭＩ導波路を対象としていない。

したがって、実効屈折率差Δｎの小さい導波路を備えたＭＭＩ半導体レーザにおいて、小チップサイズ化と高効率化を両立させることが課題となる。

本発明の第１の視点に係る半導体レーザは、第１のシングルモード導波路とマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路と第２のシングルモード導波路とがこの順に接続されてなる導波路を備えた半導体レーザであって、実効屈折率差Δｎが、前記両シングルモード導波路よりも前記ＭＭＩ導波路において大きいことを特徴とする。

本発明により、実効屈折率差Δｎの小さいＭＭＩ半導体レーザの導波損失を低下させることができるため、高効率化と小チップサイズ化を両立させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザは、シングルモード導波路とＭＭＩ導波路とを直列に接続した導波路を備えた半導体レーザであって、実効屈折率差Δｎが、前記シングルモード導波路よりも前記ＭＭＩ導波路において大きいことを特徴とする。

また、前記ＭＭＩ導波路が、１ｘ１−ＭＭＩ導波路であっても良い。

さらに、前記シングルモード導波路と前記ＭＭＩ導波路との間で、メサストライプのエッチング深さが異なり、及び／又は、メサストライプの両側面に接する材料の特性が異なるようにしても良い。

なお、同一チップ内にモノリシック集積された多波長の半導体レーザであって、前記半導体レーザに備えた導波路をいずれかの発光部に備えても良い。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザに備えたＭＭＩ導波路の平面図及び断面図である。断面図には、マルチモード導波路の断面図（Ａ−Ａ’断面図）及びシングルモード導波路の断面図（Ｂ−Ｂ’断面図）を示した。断面図の各部は、ｐ型クラッド層１、活性層２、ｎ型クラッド層３、誘電体（又は半導体）膜４、誘電体膜４とは異なる材料の誘電体（又は半導体）膜５である。

図１（ａ）のように、メサストライプを形成するエッチングの際、シングルモード導波路及びマルチモード導波路それぞれにおけるエッチング深さを変えることによって、実効屈折率差を独立に制御することができる。図１(ａ)では、マルチモード導波路のエッチング深さをシングルモード導波路のエッチング深さに比べて深くした構造を示した。この構造は、メサストライプのエッチングを２段階に分けることにより、製造することができる。

また、図１（ｂ）のようにシングルモード導波路領域とマルチモード導波路領域で、メサストライプ脇の材料又はその分布を変更することによって、実効屈折率差を独立に制御することもできる。例えば、メサストライプの埋め込み成長による半導体の層構造の材料、又は、メサストライプ脇に堆積される誘電体膜の材料を変更する方法等が考えられる。

さらに、上記の２つの手法を組み合わせて、マルチモード導波路とシングルモード導波路との間で、エッチングの深さを変えるとともに、誘電体（又は半導体）膜の材料を変更しても良い。

本発明の第１の実施例に係る半導体レーザは、ＤＶＤレコーダ用６６０ｎｍ帯の高出力半導体レーザである。

図２ないし図５は、第１の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す。

図２のように、ｎ型ＧａＡｓ基板６上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰ層及びＧａＩｎＰ層からなる量子井戸活性層８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０を順次ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、有機金属気相成長法）等により結晶成長した後、誘電体膜１１を堆積させる。

次に、メサストライプの形成を行う。ここで、シングルモード導波路とＭＭＩ導波路との間で、Δｎを変更するために、メサのエッチングを２段階に分けて行う。

まず、フォトリソグラフィー工程とエッチングにより、誘電体膜１１をＭＭＩ導波路の幅に相当するストライプパターン状にする（図３の平面図参照）。その後、図３の断面図のように、誘電体膜１１をマスクにして、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９の一部をドライエッチングする。

続けて、図４のように、共振器の両端部付近の誘電体膜が、シングルモード導波路領域の幅になるようにフォトリソグラフィー工程とエッチングにより誘電体膜１１の一部を取り除く。

再度、誘電体膜１１をマスクにして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９に対して、２回目のドライエッチングを行った状態を図５に示す。マルチモード導波路（Ａ−Ａ’断面）は、１回目と２回目のエッチングを合わせた深さのメサストライプとなり、シングルモード導波路（Ｂ−Ｂ’断面）は２回目のエッチングのみの深さのメサストライプとなる。

次に、電極を形成する工程を行う。誘電体膜１１を除去し、新たな誘電体膜をウェハ全面に堆積しなおす。メサストライプ上部の誘電体膜のみをフォトリソグラフィー工程とエッチング工程により除去し、ｐ側電極を蒸着あるいはスパッタリングする。その後、ウェハ裏面を適当な厚さに研磨し、裏面にｎ側電極を蒸着あるいはスパッタリングする。電極形成後、素子はウェハから切り出され、共振器の両端面が所定の反射率になるようにコーティングされ、ＭＭＩ半導体レーザ素子が完成する。

本発明の第２の実施例に係る半導体レーザは、メサの脇の構造を変更してΔｎが制御された、ＤＶＤレコーダ用６６０ｎｍ帯の高出力半導体レーザである。

図６ないし図９に、第２の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す。

実施例１と同様に、結晶成長を行い、図２に示す層構造を形成する。

その後、誘電体膜１１を、ＭＭＩ導波路の形状に合わせてフォトリソグラフィー工程とエッチングによってパターニングする。この誘電体膜１１をマスクにして、図６のように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９の一部をドライエッチングする。

続けて、ＭＯＣＶＤ等の手法により、ｎ型ＧａＡｓ層１２を埋め込み成長させる（図７参照）。

誘電体膜１１を除去した後、図８のようにフォトリソグラフィー工程によりマルチモード導波路幅に合わせた均一幅のレジストパターン１３を作製する。

レジストパターン１３をマスクとして、ｎ型ＧａＡｓ層１２を燐酸系エッチャントにより選択的にエッチングし、エッチング後にレジストパターン１３を除去する（図９参照）。

最後に、実施例１と同様に電極形成工程、素子の切り出し、共振器端面のコーティングを行うことで素子が完成する。

本実施例では、図９の断面図に示すように、シングルモード導波路におけるメサストライプのすぐ外側はｎ型ＧａＡｓ層１２であるのに対し、マルチモード導波路では電極形成工程時に堆積される誘電体膜である。これら材料（屈折率）の違いにより、シングルモード導波路とマルチモード導波路とでは、異なるΔｎに設定される。

なお、実施例１及び実施例２のいずれの場合にも、メサのエッチングにはドライエッチングを用いたが、ウェットエッチング又は両者の併用としても良い。また、共振器の端面付近において、局所的に活性層のバンドギャップを増加させる窓構造を、不純物拡散やイオン注入などの手法によって作製しても良い。さらに、高出力半導体レーザではよく用いられるように、端面付近には電流を注入しない構造を適用しても良い。

以上は、半導体レーザの発光部が一つだけであり、そのメサストライプにＭＭＩ導波路構造を用いた場合を述べた。一方、一つの素子に複数の発光部を持つモノリシック多波長半導体レーザであって、少なくとも１つの発光部に本発明のＭＭＩ半導体レーザを備えた構成も考えられる。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザの平面図及び断面図。 本発明の第１の実施に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの製造方法を示す図。 従来のストレート導波路及び１ｘ１−ＭＭＩ導波路の平面図。 従来のＭＭＩ導波路の平面図及び断面図。

符号の説明

１ ｐ型クラッド層
２ 活性層
３ ｎ型クラッド層
４ 誘電体（又は半導体）膜
５ ４とは異なる材質の誘電体（又は半導体）膜
６ ｎ型ＧａＡｓ基板
７ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
８ 量子井戸活性層
９ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１１ 誘電体膜
１２ ｎ型ＧａＡｓ層
１３ レジストパターン

Claims (4)

1. 第１のシングルモード導波路とマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路と第２のシングルモード導波路とがこの順に接続されてなる導波路を備えた半導体レーザであって、
   実効屈折率差Δｎが、前記両シングルモード導波路よりも前記ＭＭＩ導波路において大きいことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記ＭＭＩ導波路が、１ｘ１−ＭＭＩ導波路であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記両シングルモード導波路と前記ＭＭＩ導波路との間で、メサストライプのエッチング深さが異なり、及び／又は、
   前記両シングルモード導波路と前記ＭＭＩ導波路との間で、メサストライプの両側面に接する材料の屈折率が異なることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
4. 同一チップ内にモノリシック集積された多波長の半導体レーザであって、請求項１ないし３のいずれか一に記載の半導体レーザに備えた導波路をいずれかの発光部に備えたことを特徴とする半導体レーザ。

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