JP2009508330A - 高い製造能力を持つ多重ストライプ・レーザ・ダイオードの設計 - Google Patents

Abstract

本発明は、他の単一モード・レーザ装置に比べ製造歩留まりの向上した新しいレーザ発振装置を提供することを目的とするものである。特に、半導体レーザ発振装置は、共通の基板上に形成した、少なくとも２つのレーザ発振装置から構成される。レーザ発振装置は、使用時は好適なる方のレーザ発振装置が動作し、残りのレーザ発振装置は余剰となるように構成される。レーザ発振装置の１つだけが正しく機能することが必要となり、他の装置は不使用であるので、この冗長度は製造歩留まりを改善するものである。

Description

本発明は、半導体レーザ装置とレーザ装置を作製するための方法に関する。

単一モード、単一素片、端面放射型のレーザ・ダイオードの製造歩留まりは、リッジ導波路型でファブリ・ペロー型のレーザに比べてはるかに低い。これに対しては２つの主な理由がある。それは、このような装置の全般的な信頼性と、製造するために必要な製作許容度である。

アイルランド特許第Ｓ８３６２２号明細書

これら単一モード装置の信頼性が乏しい理由は、これら装置の製作には通常、何回かのエピタキシャル成長工程を必要とするという事実である。第１のエピタキシャル成長の後で、ウェーハの表面上にリソグラフィ技術を用いて回折格子が形成される。このことは、第２のウェーハ成長ステップは、欠陥を持った、凹凸のある結晶面上で開始されるということを意味する。その結果、このようにして製作されたレーザは、比較的高い欠陥密度を持ち、それ故、単一のエピタキシャル成長ステップで製作される装置よりも本質的に信頼性に乏しい。

これらの装置がファブリ・ペロー型レーザに比べて製造歩留まりが低い第２の理由は十分な精度でウェーハをレーザ・バーに劈開することが出来ないからである。このことは装置の大部分では劈開面が装置内の波長選択性フィルタ（ＤＦＢの場合は回折格子）に関して正しい位置にないことを意味する。この位置の不正確さは、今度は、隣接モード抑制比が満足できる程度に大きくはない、或は、用いる温度範囲の全体では単一縦モード動作は出来ないような装置が多くなるという結果になる。

レーザ装置の製作工程において、このような影響を軽減することが利益になるであろう。

本発明は、単一ストライプ型レーザ・ダイオードでは活性領域のほんのわずかの部分だけしか発光目的に用いられていないこと、および、従って、複数のレーザ装置を含むためのスペースがあり、続くステップを用いて最良のレーザ装置を選択することができることを用いている。いくつかの単一モード、単一素片装置は必ずしも２回の再成長ステップを必要とせず、以下に記述するように本出願書はこのような装置にも適用可能であるということは注目すべきである。

従って、本発明は、半導体材料の素片上に製作されるレーザ装置を提供するものであって、レーザ装置は、少なくとも第１のレーザ発振装置と第２のレーザ発振装置を備え、該レーザ発振装置の少なくとも１つは、意図的に余剰なものとすることを特徴としている。

図１に示すように、本発明は、一片の半導体材料上に製作されたレーザ装置１であって、このレーザ装置は、少なくとも第１のレーザ発振装置と第２のレーザ発振装置とを備え、このレーザ発振装置の少なくとも１つは、余剰であるように意図されたものであるレーザ装置を提供するものである。作製工程或は続く測定と校正の工程の中で、好適なるレーザ発振装置が選択され、余剰なレーザ発振装置が不作動化あるいは非活性化される。フォトリソグラフィ或は電子ビーム・リソグラフィを用いて、隣接リッジ導波路７、９上に区画されたブラッグ回折格子或は他の任意のタイプの波長選択フィルタ３、５は、相互に４分の１波長だけずれている。上記の条件が整えば、お互いに光学的に分離した２つ以上のレーザ・ストライプを含んでいるレーザ・ダイオード・チップを構築することが可能である。これらのストライプのそれぞれの上にお互いにずれた波長選択フィルタ７、９を区画することによって、これらフィルタの少なくとも１つは、端面に対して正しい位置に遥かになりやすくなる。一般的には、これら２つの装置のなかのより良いほうだけを用い、残りの装置を余剰とすることは理解できるであろう。例えば、２つの装置ともテストされ、良いほうの装置がボンディング・ワイヤによって外部に接続され、劣っている残りの装置は未接続のままに、すなわち実質的に不作動状態におかれる。劣っている装置は接続されないので、テスト終了後は用いられることはなく、これ以後は余剰である。以下は、レーザ端面に対する波長選択フィルタの位置決めに影響を与えるいくつかの要素について記述し、多重ストライプ装置の歩留まりを最適化する方法を議論する。本明細書を通じて「波長選択フィルタ」という用語は、例えば特許文献１において論じられている形の、エッチングされたスロット（細長溝）という特徴をもつパターンか、その他の波長選択構造の事を指し、一般にスロット型のものならどのようなものでも本発明に組み込むことができる。以下の議論の結論は、半導体中にフォトリソグラフィあるいは電子ビーム・リソグラフィによって形成されるいかなる波長選択フィルタにも同様に適用できるものであることは、更に注意すべきである。

この技術がもたらす製造歩留まりの改善について定量的議論を試みる前に、波長選択フィルタに対する劈開面の位置の精度に影響を与える多くの要因について論じる。このことに影響を与える２つの主要な要因は、劈開器そのものの精度（通常は±２μｍ）とリソグラフィ・パターンがウェーハに位置合わせするときの回転の精度（これは通常は接触リソグラフィでは±０．００５°より良好であり、光学ステッパーでは±０．０４°より良好である。）である。長さ１５ｍｍの単一ストライプのレーザ・ダイオード装置のバー（ｂａｒ）を例として考える。バーは３００μｍ幅の装置を５０個含んでいて、どれも同一であるものとする。マスク・パターンと結晶軸が完全に位置合わせされると、異なる装置上の対応する特徴形状は各結晶端面から等距離になる。しかし、そうでない場合は、異なる装置上の対応する特徴形状の一方の結晶端面からの垂直距離は、図２に示すように、１つの装置から隣の装置に直線的（または、劈開が異なる結晶面にジャンプするときは非線形的に）に変化する。１５ｍｍ長のバーに亘って±０．０４°までの軸ずれがあると、描画された特徴形状と一方の端面の間の距離には１０．５μｍまでの変化が生ずることになる。上記の誤差の合計は共振器中の光の波長よりもはるかに大きくなり、それ故に、波長選択フィルタを正しく位置合わせできる可能性は小さいように見える。しかしながら、事は見かけほどには悪くはない。装置の端面に対して最適な位置に合っている多くのエッチングされたスロットの特徴形状を持つレーザ・ダイオードを考える。もしこのパターンが選択された光の材料内の波長の半分に対応する距離だけ一方の方向に移動したとすると、それは尚、端面に関して最適な位置に在ることになる。図３は、同一のスロット・パターンを持つ３つのレーザ・ダイオードを示しており、全てが共振器内で最適な位置に合わされている。また、装置のスペクトル特性の本出願書の関心事項に適している範囲が、このような最適な位置のそれぞれの周りのある範囲に存在する。この範囲を「Ｘ」で示す（図４参照）。

例えば、単一ストライプ装置において、ランダムな位置にある波長選択フィルタが端面に関して正しく位置決めされる確率をＰ_fとすると、このフィルタが端面に関して正しく位置決めされない確率は１−Ｐ_fである。Ｎ個のストライプを持つ装置では少なくとも１つの波長フィルタが劈開面に正しく位置決めされる確率は
１−（１−Ｐ_f）^N
で与えられる。

しかし、よりよくするために、図５の構成を考える。この図には、双対ストライプ型レーザを示す。同一リッジ上の隣接するスロット間の距離はｄ＝λ_m／２であり（通常はスロット間の距離はこの長さに大きな整数をかけた値である。）、更にスロット・パターンはお互いにｄ≒λ_m／４だけずれている。ここで注意しておくべきことは、材料中の波長λ_mはλ／ｎ_effに等しい（ここでｎ_effは該モードの実効屈折率である）。この事情は、少なくとも１つのレーザ・ストライプが本発明の規定条件を満たす機会を多く提供するものである。Ｘ≧λ_m／４の場合は、この手法は１００％の歩留まりを提供するはずである。通常のように、それぞれのリッジ上でのスロット間の距離がλ_m／２に大きな整数をかけた値である場合でも、このことは当てはまる。しかしながら、この方法がうまく働くためには、１つのリッジ上の描画された特徴形状の端面に対する位置の、他のリッジ上の特徴形状の位置との誤差がほぼλ_m／４０の程度となるべく、２つのリッジ導波路がお互いに十分に接近して位置づけられる必要がある。図６に、この条件を達成することが出来る１チップの配置を示す。大きな誤差は歩留まりの低下を招く。また、レーザの劈開端面の両方は平行であるので、相対距離に影響を与えるものは唯一、マスクと結晶軸の軸ずれである。上記のように最大０．０５°の角度軸ずれ時には、上記の束縛条件を満たすためには２つのリッジはお互いに約２０μｍ以内の距離に在らねばならない。テストの後に、テスト工程から決定された最良の装置のボンディング・パッドにボンディング線が融着される。図７は上記の事情を示している。

上記の議論では、隣接リッジ上のスロット・パターンを相互にずらすための１つの方法を記述した。これは（光リソグラフィにおいて）直接マスク版を設計することによって、或は、（電子ビーム・リソグラフィにおいて）ずれるようにパターンを照射することによってなされた。波長選択フィルタ（スロット・パターン）を光または電子ビーム・リソグラフィを用いて区画するときは、これはこれらフィルタを相互にずらすためのこれまでの最も直接的な方法である。しかし、導波路の一部分の実効屈折率を変えることによって、或は描画パターンを結晶軸に関して約０．４°わざわざ傾けることによって波長フィルタと端面の間の位相を変えることも可能である。これら最後の２つの方法はホログラフィックに区画した回折格子、或は光または電子ビーム・リソグラフィで区画した波長選択フィルタをもつ単一モード・レーザに適用できる。しかし、第１の方法は、ホログラフィックに区画した回折格子が共振器長の一部分にだけ伸びているような構造に対してのみ適用が出来る。

まず始めに、双対ストライプ型レーザの１つのストライプの一部分の実効屈折率を変えることの効果について説明する。図８に、双対ストライプ型レーザを示す。左側のストライプによって導波される光の実効屈折率は装置の長さに沿って一定である。しかしながら、右側のストライプの光の実効屈折率は２つの値のどちらか１つである。注意すべき重要なことは、右側の、波長選択フィルタを含んでいる部分は左側のストライプの実効屈折率と同じ値を持つべきである。そうでないと、各ストライプが実質的に異なる波長でレーザ発振することになる。

結晶軸に対してマスクをわざとずらすことによって、隣接するリッジ上の端面と波長選択フィルタとの間の位相差を変えることも可能である。この角度のずれは相互に直接ずれた波長フィルタと同じ効果を持つように選ばれ、０．０５°以下で結晶軸に対してずらせる。それ故、この新しい場合には角度ずれは０．５±０．０５の範囲のどこかである。角度合わせにおける誤差が小さければ小さいほど、実際に必要な角度ずれはより小さくてもよいことになる。大きな角度ずれによって装置の光学的な特性が影響されるので、角度ずれは出来るだけ小さくすべきである。これは隣接ストライプ間の距離を増加させることによって達成される。これは２つの装置のボンディング・パッドのうちの１つを２つの装置の間に配置することで（全体の装置のサイズを増加することなしに）達成される（図９を参照）。

装置の端面に対して波長選択フィルタを正確に位置決めすることに依存して、離散的モードを持つレーザは、いくつかのモードの中の１つでレーザ発振する。この効果は、劈開したバー上で隣接する双対の装置を多数（約５５個）調べることによって非常に容易に見ることができる。レーザ発振できる可能性のあるモードの数はスロットである特徴形状の適当なパターンを用いることによって規定することができるということは理解されよう。図１１に、（上記の）同一の離散的モードの双対レーザの発振波長がバー内の位置によってどの様に変わるかを示す。結果は、装置のそれぞれの左と右のストライプに対して別々に示されている。テストに用いた例示的装置では、各装置に対して右側のストライプ上のスロット・パターンは左のストライプ上のパターンに対してλ_m／４だけ移動してある。これが装置位置に関する発光波長の変化が左と右のストライプで同様であり、お互いに対しては移動している理由である。注目すべきは、波長分布のより中心の帯域が最良特性を示し、このために特性上の利益は明瞭である。左側のストライプが極端な波長の１つでレーザ発振するときに（例えば、第１１番の装置）、右側のストライプはより中心に近い波長の１つでレーザ発振する。右側のストライプの１つが極端な波長の１つでレーザ発振する場合（例えば、第３０番の装置）も事情は同じである。

最後に、２つの異なるタイプの装置、例えばファブリ・ペロー型チップと単一周波数レーザ・ダイオードとを含む例示的装置を考える。例を参照して、これを考える動機は次のようなものである。すなわち、ファブリ・ペロー型装置の歩留まりはほぼ１００％であり、単一モード・レーザが正しく動作しなくてもこのチップが尚、有用である確率はほぼ１００％である。図１０はこの配置を示している。

お互いに４分の１波長だけずらした、隣接する２つのリッジ導波路を備えた構造を示す図である。 異なる装置上の対応する特徴形状の各端面からの垂直距離が隣接装置間でどのように変化するかを示す図である。 同一のスロット・パターンを持つ３つのレーザ・ダイオードを示す図である。 装置のスペクトル特性が本出願書の目指すところに適する範囲が、各最適点の周りの位置の範囲としてあることを示す図である。 双対ストライプ型レーザを示す図である。 典型的なチップの配置を示す図である。 利用すると有利な軸ずれ状態を示す図である。 典型的な双対ストライプ型レーザを示す図である。 典型的なボンド用パッドの配置を示す図である。 ２つの異なるタイプのレーザ発振装置を用いた典型的な構成を示す図である。 隣接する１対のレーザ発振装置が５０個以上を含む試料からの実験結果を示す図である。

Claims (22)

1. 共通の基板上に形成された少なくとも２つのレーザ発振装置を備え、前記レーザ発振装置が使用時は好適なる方のレーザ発振装置が動作し、残りのレーザ発振装置は余剰となるように構成されることを特徴とする半導体レーザ発振装置。
2. 各レーザ装置は波長選択構造を備え、前記少なくとも２つのレーザ装置の前記波長選択構造はそのそれぞれの端面に関してお互いにずれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ発振装置。
3. Ｎ個のレーザ装置があって、各レーザ装置間のずれは、ｍを奇数の整数として、実質的にｍλ／４ｎ_effであることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ発振装置。
4. Ｎが２であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ発振装置。
5. 前記少なくとも２つのレーザ装置は第１のレーザ装置と第２のレーザ装置とを備え、前記第１のレーザ装置と第２のレーザ装置とは異なるタイプのレーザ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発振装置。
6. 前記第１のレーザ装置は単一周波数レーザ・ダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ発振装置。
7. 前記第１のレーザ装置はファブリ・ペロー・ダイオードであることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ発振装置。
8. 外部接続は前記好適な方のレーザ発振装置になされ、残りのレーザ発振装置にはなされないことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ発振装置。
9. 前記外部接続はボンディング・ワイヤを備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. ａ．基板を備えるステップと、
    ｂ．前記基板上に少なくとも２つのレーザ発振装置を製作するステップと、
    ｃ．前記少なくとも２つのレーザ発振装置の中からから好適な方のレーザ発振装置を決定するステップと、
    ｄ．前記好適な方のレーザ発振装置が動作するために接続されて、残りの装置は余剰となるように前記レーザ発振装置を構成するステップと、
    を有することを特徴とする、レーザ発振装置の製造方法。
11. 前記方法が、前記少なくとも２つのレーザ発振装置のそれぞれに波長選択性をもつ特徴形状を製作するステップを有することを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記レーザ発振装置の前記波長選択性をもつ特徴形状がお互いに少しずつずらして配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
13. λを前記装置の波長、ｎを装置の数、ｍを奇数の整数として、前記配置の少しずつのずらしは距離ｍλ／４ｎ_effであることを特徴とする、請求項１２に記載の製造方法。
14. 隣接するリッジ間の距離が約２０ミクロン以下であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１つに記載の製造方法。
15. 前記少なくとも２つの装置はお互いに位相をずらして製作されていることを特徴とする請求項１０のいずれか１つに記載の製造方法。
16. 前記位相差は１つの装置の一部分の実効屈折率を変えることによって実現することを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
17. 前記位相差は結晶軸に関して描画パターンを軸ずれさせることによって実現することを特徴とする、請求項１５に記載の製造方法。
18. 前記軸ずれは約０．５°の程度であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 角度軸ずれが０．５±０．１であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記少なくとも２つのレーザ発振装置は、第１のレーザ発振装置と第２のレーザ発振装置とを備え、前記第１のレーザ発振装置は第１のタイプであり、第２のレーザ発振装置は第２のタイプであることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
21. 前記第２のタイプの装置はファブリ・ペロー型装置であることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
22. 前記第１のタイプの装置は単一周波数レーザ・ダイオードであることを特徴とする請求項２１に記載の製造方法。

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