JP2010199219A - 分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧の上昇、出力特性のバラつき、これらを同時に抑制した、分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】活性層の端面からレーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザにおいて、活性層上に形成された化合物半導体からなる光ガイド層と、光ガイド層上に形成された化合物半導体からなるクラッド層４とを備えている。クラッド層４は、第１クラッド層４Ａ、第２クラッド層４Ｂ、及び第３クラッド層４Ｃを光ガイド層上に順次積層してなり、第１クラッド層４Ａの表面は周期的な凹凸面を有しており、回折格子が形成されている。ここで、第２クラッド層４Ｂの屈折率は、第１クラッド層４Ａ及び第３クラッド層４Ｃの屈折率のいずれよりも小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法に関するものである。

半導体レーザは、半導体に注入されたキャリアの再結合発光と共振を利用した発光素子であり、その構成元素によって出射光帯域が異なる。通常の半導体レーザは、劈開面を利用したファブリペロー共振器を有している。半導体レーザにおいて、単一縦モードの発振をさせるためには、回折格子を共振器内に組み込み、ブラッグ波長で発振させればよい。かかるタイプの半導体レーザを分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザという。多くの回折格子は、一定の周期Ｔで形成された凹凸構造を有している。この凹凸構造が含まれる導波路の有効屈折率をｎ、回折格子の次数をｍとすると、ブラッグ波長λ_Ｂは２ｎＴ／ｍで与えられる。

特許文献１に記載のＤＦＢ半導体レーザにおいては、活性層上に化合物半導体からなる光導波路層（光ガイド層）が設けられて半絶縁性活性層を構成し、この光ガイド層上に化合物半導体からなるクラッド層が形成されている。光ガイド層とクラッド層との界面には回折格子が形成されている。界面の回折格子と活性層との間の領域には、高抵抗の光ガイド層のみが存在している。

一般的に、Ａｌを含む化合物半導体の積層体に、回折格子を形成する場合、回折格子形成用のエッチング後において、化合物半導体表面が大気に晒される。これにより、化合物半導体の表面に酸化膜が形成されてしまう。この酸化膜は、注入キャリアに対して非発光再結合中心として働き、キャリアの空間的な不均一化を引き起こす。一方、半絶縁性活性層を構成する光ガイド層は、不純物濃度が極めて低く、高い抵抗率を有している。したがって、特許文献１に記載の構造の場合、酸化膜と高抵抗光ガイド層が連続となっているため、注入されたキャリアは、回折格子上の酸化膜によって空間的に不均一となり、均一化されないまま活性層に注入されることとなり、光出力特性が劣化する。このようなキャリアの空間的不均一性を改善するためには、酸化膜と高抵抗光ガイド層の間に抵抗の低い層を導入し、キャリアの再分配を生じさせることが望ましい。

特許文献２〜４に記載のＤＦＢ半導体レーザは、クラッド層内に回折格子を備えている。このクラッド層は、屈折率の大きな下部クラッド層及び屈折率の小さな上部クラッド層を積層して構成され、下部クラッドと上部クラッド層との界面に回折格子が形成されている。この構造の場合、回折格子と活性層との間に、抵抗の低い下部クラッド層を介在させることで、上記従来技術よりもキャリアの空間的不均一性を改善し光出力特性を改善することが可能である。

特許文献５は、屈折率の大きな上下のクラッド層間に、屈折率の小さな中間クラッド層を介在させ、中間クラッド層の形状をエッチングして回折格子を形成したＤＦＢ半導体レーザを開示している。

特許３２９５５７０号公報 特開平２−１１４５８９号公報 特開平１１−７４６０７号公報 特開２００７−２９９７９１号公報 特開平８−１０７２５３号公報

しかしながら、特許文献２〜４に記載の構造の場合、上部クラッド層の屈折率は小さく、エネルギーバンドギャップが大きいため、この層の電気抵抗が大きくなり、動作電圧が増加してしまう。もちろん、上部クラッド層を薄くすれば、抵抗値は減少するが、この場合には、クラッド層本来の光閉じ込め作用が小さくなり、光出力特性が劣化する。

クラッド層全体の厚さを確保するために、下部クラッド層を厚くし、上部クラッド層を薄くすることも考えられるが、この場合には、活性層と回折格子との間隔が大きくなるために、回折格子の効果が低下し、波長選択性が悪化してしまう。

また、上記特許文献５に記載の構造の場合、中間クラッド層に回折格子を形成することとなるが、エッチング毎のエッチング条件のバラツキにより、エッチング速度がバラつき、エッチングが下部クラッド層に及ぶ場合がある。従ってエッチング毎に作製される回折格子構造の再現性、均一性が劣化する。これにより、製品毎の構造及び素子内での当該構造の差異が生じ、波長選択性などの出力特性のバラつきが大きくなる。また中間クラッド層をエッチングし過ぎると、回折格子が形成されず、ＤＦＢ半導体レーザとして機能しなくなってしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、動作電圧の上昇、出力特性のバラつき、これらを同時に抑制した、分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る分布帰還型半導体レーザは、活性層の端面からレーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザにおいて、活性層上に形成された化合物半導体からなる光ガイド層と、光ガイド層上に形成された化合物半導体からなるクラッド層とを備え、このクラッド層は、第１クラッド層、第２クラッド層、及び第３クラッド層を光ガイド層上に順次積層してなり、第１クラッド層の表面が周期的な凹凸面を有することで回折格子が形成され、第２クラッド層の屈折率は、第１クラッド層及び第３クラッド層の屈折率のいずれよりも小さいことを特徴とする。また、第２クラッド層の厚みは、第１クラッド層及び第３クラッド層の厚みのいずれよりも小さいことが好ましい。

この半導体レーザによれば、回折格子が抵抗の低いクラッド層内に存在しているため、クラッド層に注入されたキャリアが活性層に到達するまでに、再分配され、光出力特性の劣化が抑制される。回折格子に必要な屈折率差は第１及び第２クラッド層によって得ることができる。また、第２クラッド層は屈折率が小さく、厚さも薄いため、第２クラッド層は、活性層側からの光の閉じ込め作用には殆ど寄与しない。また、抵抗値も小さくなるため、製造誤差などによりその位置が変動したとしても、光伝播特性と動作電圧に与える影響も軽微であるという利点がある。

また、本発明に係る分布帰還型半導体レーザの製造方法は、活性層の端面からレーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザの製造方法において、（Ａ）活性層上に化合物半導体からなる光ガイド層を形成する工程と、（Ｂ）し、光ガイド層上に単一材料の化合物半導体からなる第１クラッド層を形成する工程と、（Ｃ）第１クラッド層の表面に周期的な凹凸面を形成することで回折格子を形成する工程と、（Ｄ）回折格子が形成された第１クラッド層上に化合物半導体からなる第２クラッド層を形成する工程と、（Ｅ）第２クラッド層上に化合物半導体からなる第３クラッド層を形成する工程とを備え、第２クラッド層の屈折率は、第１クラッド層及び第３クラッド層の屈折率のいずれよりも小さいことを特徴とする。また、第２クラッド層の厚みは、第１クラッド層及び第３クラッド層の厚みのいずれよりも小さいことが好ましい。

この製造方法によって製造された半導体レーザによれば、回折格子がクラッド層内に存在しているため、クラッド層に注入されたキャリアが活性層に到達するまでに再分配され、光出力特性が改善する。また、第１クラッド層は単一材料の化合物半導体からなるため、その形成時の均質性が高く、凹凸面を容易に安定して形成することができる。したがって、高精度な凹凸面を形成することができる。また、この凹凸面の形成工程に多少の揺らぎが生じ、これによって第２クラッド層の位置が変動しても、第２クラッド層は、屈折率が小さく、厚みが薄いため、活性層側からの光の閉じ込めには実質的に寄与せず、また、厚みの薄さに伴って抵抗値も小さくなるので、出力特性や動作電圧に与える影響は小さくなる。なお、光閉じ込め効果は、相対的に厚みの大きな第１及び第３クラッド層によって達成することができる。

第２クラッド層の屈折率が小さい場合には、エネルギーバンドギャップが大きくなり、したがって、抵抗値が高くなる傾向があるが、第２クラッド層は薄いため、抵抗値がさほど高くならず、動作電圧の増加を抑制することができる。

また、上記工程（Ｃ）は、第１クラッド層の表面上に周期的に形成された複数の開口を有するマスクを形成する工程と、マスクを介して第１クラッド層をエッチングし、エッチングされた領域間を、複数の突起部として残留させる工程とを備えることを特徴とする。

この場合、第１クラッド層はエッチングによって容易に形成することができる。エッチングに多少の揺らぎが生じ、第２クラッド層の位置が若干変動しても、上述のように、光出力特性への影響を抑制することができ、また、動作電圧の増加を抑制することができる。

また、上記工程（Ｃ）は、第１クラッド層の表面上に周期的に形成された複数の開口を有するマスクを形成する工程と、マスクを設けた状態で、第１クラッド層の表面から複数の突起部を成長させる工程とを備えることを特徴とする。

この場合、結晶成長によって形成された突起部の側面には、清浄化された結晶面が現れるため、この面上に更に良好な結晶性の第２クラッド層及び第３クラッド層を形成することができるため、抵抗値を低くなり、動作電圧の増加を抑制することができる。

また、上記工程（Ｃ）は、第１クラッド層の表面に集束イオンビームを照射することで、当該表面を加工し、周期的に形成された複数の突起部を形成する工程を備えることを特徴とする。

この場合、第１クラッド層の加工の際に、第１クラッド層を大気に晒す必要がないため、第１クラッド層の表面酸化を抑制することができ、したがって、酸化膜に起因する抵抗値の増加、これに伴う動作電圧の増加を抑制することができる。

本発明の分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法によれば、動作電圧の上昇、出力特性のバラつきを抑制することができる。

分布帰還型半導体レーザの斜視図である。 図１に示した分布帰還型半導体レーザのＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。 半絶縁性活性層３の拡大図である。 クラッド層の拡大図である。 ＭＱＷ層３Ｂの拡大図である。 比較例１に係る分布帰還型半導体レーザの縦断面図である。 比較例２に係る分布帰還型半導体レーザの縦断面図である。 各半導体レーザに流れる電流（Ａ）と光出力（Ｗ）との関係を示すグラフである。 各半導体レーザに流れる電流（Ａ）と波長（ｎｍ）との関係を示すグラフである。 各半導体レーザに流れる電流（Ａ）と電気光変換効率（％）との関係を示すグラフである。 別の実施形態に係るクラッド層の拡大図である。 更に別の実施形態に係るクラッド層の拡大図である。 変形例に係る第１クラッド層の拡大図である。 回折格子の形成方法について説明するための図である。 分布帰還型半導体レーザの製造方法について説明するための図である。

以下、実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）及びその製造方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１はＤＦＢ半導体レーザの斜視図、図２は図１に示したＤＦＢ半導体レーザのＩＩ−ＩＩ矢印断面図である。

このＤＦＢ半導体レーザは、基板１上に下部クラッド層（光閉じ込め層）２、半絶縁性活性層（光ガイド層含む）３、上部クラッド層（光閉じ込め層）４、コンタクト層５を順次形成し、コンタクト層５上に上部電極Ｅ１、基板１の裏面側に下部電極Ｅ２を形成したものである。上部電極Ｅ１は、上部クラッド層４上に形成された絶縁層６に設けられたスリット状の開口を介して、コンタクト層５に接触している。このスリットの長手方向はＺ軸方向であって、レーザの共振長方向に一致する。また、上部クラッド層４は、半絶縁性活性層３上に順次形成された第１クラッド層４Ａ、第２クラッド層４Ｂ、及び第３クラッド層４Ｃを備えている。

同図では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系が示されている。共振長の方向をＺ軸とすると、各半導体層の積層方向はＹ軸方向であり、これらの双方の軸に垂直な方向がＸ軸方向となる。このＤＦＢ半導体レーザにおいては、半絶縁性活性層３のＺ軸に垂直な端面からレーザ光ＬＢが出射される。

なお、コンタクト層５のＸ軸方向に沿った外側の領域の上部クラッド層４は、エッチングされており、クラッド層４はメサ型に加工され、コンタクト層５の直下の領域に電流通過領域が制限されている。なお、このメサ型の加工の深さは、活性層３にまで及んでいてもよい。また、第１クラッド層４Ａの上面、及び第２クラッド層４Ｂの少なくとも下面は、Ｘ軸に沿った複数の溝を有する凹凸面を有している。なお、基板１、下部クラッド層２、光ガイド層３Ａ、３Ｃ（図３参照）、活性層３Ｂ（図３参照）、上部クラッド層４、コンタクト層５は、化合物半導体からなる。なお、クラッド層２，４の屈折率は、それぞれ隣接する光ガイド層３Ａ，３Ｃの屈折率よりも低い。

図３は、半絶縁性活性層３の拡大図である。

絶縁性活性層３は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層（ＭＱＷ層）３Ｂを、両サイドの光ガイド層３Ａ，３Ｃで挟んだ構造を有している。すなわち、光ガイド層３Ａ上に、ＭＱＷ層３Ｂ及び光ガイド層３Ｃが順次形成され、その上に上部クラッド層４が形成されている。

各層の具体的な構成要素、導電型、材料、厚さ、屈折率、エネルギーバンドギャップは、以下の表に示す通りである。

ここで、屈折率とエネルギーバンドギャップは以下の関係を満たしている。なお、屈折率が小さいほど、エネルギーバンドギャップが大きく、抵抗値が高くなる傾向がある。また、屈折率はＡｌの組成比率で決定され、Ａｌ含有量が多いほど低屈折率で高抵抗となる。
・ｎ５＞ｎ４Ｃ、（Ｅｇ５＜Ｅｇ４Ｃ）
・ｎ４Ｃ＝ｎ４Ａ、（Ｅｇ４Ｃ＝Ｅｇ４Ａ）
・ｎ４Ｂ＜ｎ４Ｃ、（Ｅｇ４Ｂ＞Ｅｇ４Ｃ）
・ｎ４Ｂ＜ｎ４Ａ、（Ｅｇ４Ｂ＞Ｅｇ４Ａ）
・ｎ４Ａ＜ｎ３Ｃ、（Ｅｇ４Ａ＞Ｅｇ３Ｃ）
・ｎ４Ａ＜ｎ３Ｂ、（Ｅｇ４Ａ＞Ｅｇ３Ｂ２）
・ｎ４Ａ＜ｎ３Ａ、（Ｅｇ４Ａ＞Ｅｇ３Ａ）
・ｎ２＜ｎ３Ｃ、（Ｅｇ２＞Ｅｇ３Ｃ）
・ｎ２＜ｎ３Ｂ、（Ｅｇ２＞Ｅｇ３Ｂ）
・ｎ２＜ｎ３Ａ、（Ｅｇ２＞Ｅｇ３Ａ）
・ｎ１＞ｎ２、（Ｅｇ１＜Ｅｇ２）
上述のように、第２クラッド層４Ｂの屈折率ｎ４Ｂは、第１クラッド層４Ａ及び第３クラッド層４Ｃの屈折率ｎ４Ａ，ｎ４Ｂのいずれよりも小さい。また、第２クラッド層４Ｂの厚みは、第１クラッド層４Ａ及び第３クラッド層４Ｃの厚みのいずれよりも小さい。Ｐ型の上部クラッド層４と、Ｎ型の下部クラッド層２の間に、不純物添加されていない高抵抗の半絶縁性活性層３が介在している。また、Ｐ型の上部クラッド層４をアノードとし、Ｎ型の下部クラッド層２をカソードとするダイオードが構成されている。駆動電流は、ダイオードの順方向、すなわち、図２に示した上部電極Ｅ１から下部電極Ｅ２に向けて流れる。

図４は、クラッド層の拡大図である。

上部クラッド層４は、第１クラッド層４Ａ、第２クラッド層４Ｂ、及び第３クラッド層４Ｃを光ガイド層３Ｃ（図３参照）上に順次積層してなり、第１クラッド層４Ａの表面が周期的な凹凸面を有し、これに第２クラッド層４Ｂが接触することで回折格子が形成されている。第１クラッド層４Ａの平均の厚みをＤＡ，第２クラッド層２Ｂの厚み（平均値）をＤＢ、第３クラッド層４Ｃの平均の厚みをＤＣとすると、ＤＢ＜ＤＡ，ＤＢ＜ＤＣの関係を満たしている。なお、本例では、ＤＣ＞ＤＡであるとする。第１クラッド層４Ａには、複数の突起部４Ａｐが形成されており、突起部４Ａｐの高さＤは、第１クラッド層４Ａに形成された溝の深さに一致する。この溝の間隔（突起部４Ａｐの間隔）Ｔは、回折格子の周期であり、この凹凸構造が含まれる導波路の有効屈折率をｎ、回折格子の次数をｍとすると、ブラッグ波長λ_Ｂは概ね２ｎＴ／ｍで与えられ、この波長が選択的に増幅され、レーザ光として出射される。なお、第１クラッド層４Ａの厚さＤＡは、回折格子凹凸深さよりも大きい。

上述の半導体レーザによれば、回折格子（４Ａ，４Ｂ）がクラッド層４内に存在しているため、駆動電流の供給によって、クラッド層４に注入されたキャリアが活性層３Ｂに到達するまでにクラッド層４Ａと光ガイド層３Ｃを通ることで、再分配され、光出力特性が改善する。横方向に沿って屈折率が変化する回折格子に必要な屈折率差は、第１クラッド層４Ａ及び第２クラッド層４Ｂ（或いは第３クラッド層４Ｃ）によって得ることができるが、第２クラッド層４Ｂの屈折率は低いため、第２クラッド層４Ｂ内に光は閉じ込められず、また、第２クラッド層４Ｂの厚みＤＢが薄いため、第２クラッド層４Ｂ内による活性層側からの光の閉じ込め作用はあまり機能せず、また、薄さに起因して第２クラッド層４Ｂの抵抗値も小さくなるため、製造誤差などによりその位置が変動したとしても、光伝播特性と動作電圧に与える影響は軽微なものとなる。

図５は、ＭＱＷ層３Ｂの拡大図である。

ＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓからなるＭＱＷ層３Ｂは、バリア層３Ｂ１と井戸層３Ｂ２を交互に積層してなる。バリア層３Ｂ１のエネルギーバンドギャップは、井戸層３Ｂ２のエネルギーバンドギャップよりも大きく、井戸数は例えば３に設定される。このようなＭＱＷ層３Ｂを用いた場合、単一層の活性層を用いたレーザ素子よりも高出力のレーザ光を得ることができる。

次に、上述のＤＦＢ半導体レーザの優位性について比較検討を行った。図１〜図５に示した実施形態に係るＤＦＢ半導体レーザにおいて、第１クラッド層４Ａの突起部４Ａｐをウェットエッチングによって製造したものを実施例とする。実施例では、第１クラッド層に形成される凹凸面は、干渉露光によってフォトレジストの周期パターンを作製し、次に、周期パターンの開口部をエッチングして複数の溝を作製し、その後、フォトレジストを除去することで形成する。なお、回折格子の周期Ｔ＝２８６ｎｍ、エッチング溝の深さＤ＝６０ｎｍである。なお、いずれの実施例及び比較例においても、化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて形成し、エッチング液としてはリン酸系溶液を用いているものとする。
（比較例１）
図６は、比較例１に係るＤＦＢ半導体レーザの縦断面図である。

比較例１に係るＤＦＢ半導体レーザは、実施例のものと比較して、上部クラッド層が第１クラッド層４Ａのみからなる点が異なる。その他の構成は、実施例のものと同一である。比較例１のＤＦＢ半導体レーザでは、半絶縁性活性層３の上層に位置する光ガイド層とクラッド層４Ａとの間の屈折率差を利用し、その境界面に回折格子を作製している。
（比較例２）
図７は、比較例２に係る分布帰還型半導体レーザの縦断面図である。

比較例２に係るＤＦＢ半導体レーザは、上記実施例のＤＦＢ半導体レーザと比較して、第１クラッド層４Ａは加工されず、第２クラッド層４Ｂがエッチングにより直接加工されることで、回折格子が形成されている点が異なる。その他の構成は、実施例のものと同一である。すなわち、比較例２では、屈折率の異なる２層以上の第１クラッド層４Ａ及び第２クラッド層４Ｂを順次堆積した後、第２クラッド層４Ｂをエッチングして、第２クラッド層４Ｂの表面に周期的凹凸構造を作製し、続いて、第３クラッド層４Ｃを第２クラッド層２Ｂ上に結晶成長させている。

図８は、各ＤＦＢ半導体レーザに流れる電流（Ａ）と光出力（Ｗ）との関係を示すグラフである。実施例に係るＤＦＢ半導体レーザから出射されたレーザ光の光強度である光出力（Ｗ）は、電流（Ａ）が同一である場合には、比較例１，２のいずれの光出力よりも高く、１６０Ａを超える電流領域まで、光出力（Ｗ）は電流（Ａ）に対して線形性を保持している。このように、実施例に係るＤＦＢ半導体レーザは、光出力特性において顕著な優位性を有している。

図９は、各ＤＦＢ半導体レーザに流れる電流（Ａ）と出射されるレーザ光の波長（ｎｍ）との関係を示すグラフである。実施例における電流（Ａ）に対する波長（ｎｍ）の変化率は、比較例１，２のいずれの変化率よりも小さい。すなわち、実施例では、駆動電流に対して波長変化の少ない安定したレーザ光が得られている。なお、比較例２では、電流（Ａ）が１００Ａを超えた位置において、波長特性が大きく変化しており、実施例では、このような大きな変化はなく、比較例２に対して顕著に優れた効果を奏している。

図１０は、各ＤＦＢ半導体レーザに流れる電流（Ａ）と電気光変換効率（％）との関係を示すグラフである。実施例の電気光変換効率（％）は、電流（Ａ）が同一である場合には、比較例１，２の電気光変換効率（％）のいずれよりも高い。比較例２においては、電流が８０Ａを超える電気光変換効率（％）が５５％を下回るのに対して、実施例では、電流が４０Ａから１００Ａの範囲において、電気光変換効率（％）が常に５５％以上である。このように、実施例に係るＤＦＢ半導体レーザは、電気光変換効率においても顕著な優位性を有している。

また、一般的に屈折率の小さい第２クラッド層４Ｂが存在すると、抵抗が高くなるが、第２クラッド層４Ｂの厚さは極めて薄いため、第２クラッド層４Ｂの存在による素子全体の抵抗上昇は少なくて済み、結果として第２クラッド層４Ｂが存在しない、つまり回折格子が存在しない通常のレーザーダイオードと電気光変換効率はあまり変わらなくなる。

ところで、光出力１Ｗ、発光幅１００μｍを超える、高出力の半導体レーザでは、放熱性を高めるため、共振器長を１ｍｍ以上にすることが望ましい。また、動作電流値を低く保つため、導波路構造の内部損失を減らす必要がある。内部損失を大きくする要因の一つに、導波路構成層内に添加された不純物による光吸収がある。従って、高出力の半導体レーザでは、導波する光の９０％以上が分布する光ガイド層には、不純物を添加しない事が望ましい。

一方、回折格子の作製時におけるエッチング工程において、基板を大気中に晒すと、回折格子表面には酸化膜が形成される。この酸化膜の一部は、その後の結晶成長時においても剥離できず、比較例１の構造においては、導波路内部に残留する。この導波路構造を用いてＤＦＢ半導体レーザを作製すると、注入されたキャリアが、残留酸化膜において非発光再結合を引き起こし、空間的に不均一に分布する。すなわち、比較例１のように、不均一にキャリアが分布する層の電気抵抗が高い場合、キャリアが再分布されないまま、活性層にキャリアが注入されるため、光出力特性が劣化している（図８参照）。

また、ＤＦＢ半導体レーザを横一列にアレイ状に並べた半導体レーザアレイでは、光出力特性の発光点ごとのばらつきは、発光点の輝度ムラにつながり、好ましくない。つまり、比較例１のように、回折格子位置が光ガイド層とクラッド層の界面に存在し、かつ光ガイド層が高抵抗の半絶縁性である場合は、残留酸化膜による光出力への影響は顕著となる。

従って、光出力１Ｗ、発光幅１００μｍを超える、ＤＦＢ半導体レーザ及びこれを用いたＤＦＢ半導体レーザアレイを作製する上で、良好な光出力特性を得るには、回折格子位置は、光ガイド層とクラッド層との界面ではなく、上述の実施例のように、注入キャリアの不均一分布を抑制するドーピング層であるクラッド層内部に設けることが望ましい。これにより、光出力特性が良好な状態となる（図８参照）。

また、比較例２の構造の場合、第２クラッド層４Ｂのエッチング条件がバラつくと、エッチング速度が製品毎に異なることとなる。また、第２クラッド層４Ｂが深さ方向にエッチングされ、第１クラッド層４Ａの表面が露出すると、第１クラッド層４Ａがエッチングされてしまう。この場合、第１クラッド層４Ａの深さ方向のエッチング速度と、第２クラッド層４Ｂの横方向のエッチング速度が異なり、第２クラッド層４Ｂの周期的凹凸形状が製品毎にバラつくこととなる。この場合、ＤＦＢ半導体レーザの光出力特性にバラつきが生じやすくなる。また、エッチング速度が大きすぎる場合、第２クラッド層４Ｂが全てエッチングされてしまい、第１クラッド層４Ａのみに凹凸構造が作製され、屈折率差が出来ないため、ＤＦＢ半導体レーザとして機能しなくなってしまう。

一方、実施例では、このような不具合は生じないため、製品毎の構造及び素子内での当該構造の差異が生じにくい。すなわち、作製毎にエッチング条件が変動しても、毎回特性の揃った高出力ＤＦＢ半導体レーザを作製することができる。また、このようなＤＦＢ半導体レーザをアレイ化してなる半導体レーザアレイは、発光点毎の特性が同一となるため、波長の均一化が得やすいという利点がある。

また、比較例２において、１回目の結晶成長工程で、第１クラッド層４Ａを作製し、回折格子作成工程において、エピタキシャル結晶成長装置により、第２クラッド層４Ｂを選択成長することで、突起部を作製することも可能であるが、この場合には、製造工程数が増加する。一方、実施例のように、エッチングによって、突起部を形成した場合、工程数は少なくなるため、光出力特性のバラつきを更に抑制することができる。

また、実施例においては、第１クラッド層４Ａの結晶成長後に、その表面に周期的凹凸を作成している。エッチングする第１クラッド層４Ａは１種類の材料からなるため、エッチング方向によってエッチング速度が異なることがない。従って、エッチング速度が速すぎても、全体が均等にエッチングされるため、凹凸構造の形状が変化しないという利点がある。

次に、別の構造のクラッド層について説明する。

図１１は、別の実施形態に係るクラッド層の拡大図である。

上述の実施形態では、第１クラッド層４Ａの突起部４Ａｐの縦断面形状は三角波形状であったが、本例では矩形波形状であり、その他の構成は上述の実施形態と同一である。すなわち、第１クラッド層４Ａの表面に形成される溝の最深部は平坦であり、側面は平坦部に対して垂直である。このような形状は、第１クラッド層４Ａの表面の加工工程において、ドライエッチングを用いて、上述の形状の溝を形成することで得ることができる。各突起部４Ａｐの重心位置間の距離Ｔは、回折格子の周期を規定している。なお、本形態では、第２クラッド層４Ｂの厚みは、第１クラッド層４Ａの表面に形成された溝の深さよりも小さい。この構造の場合においても、上記実施形態と同様の作用効果を生じることができる。

図１２は、更に別の実施形態に係るクラッド層の拡大図である。

このクラッド層は、図１１に示したクラッド層において第２クラッド層４Ｂの厚みを変更したものであり、その他の構成は図１１に示したものと同一である。すなわち、本実施形態では、第２クラッド層４Ｂの厚み（＝Ｄ＋ΔＤ）は、第１クラッド層４Ａの表面に形成された溝の深さ（＝Ｄ）よりも大きく、第２クラッド層４Ｂの表面は平坦になっている。
第２クラッド層４Ｂの結晶成長工程では、エッチング深さ（＝Ｄ）と略同程度の厚さ（＝ＤＢ＝Ｄ＋ΔＤ）の第２クラッド層４Ｂが積層されているが、もちろん、他の実施形態のように、ＤＢ＜Ｄを満たしていれば、第２クラッド層４Ｂの抵抗による影響は更に低減される。すなわち、図１２では第２クラッド層４Ｂは、上側が平坦な形状をしているが、これは図１に示したように、回折格子作成過程で作成した第１クラッド層４Ａの凹凸形状に沿った凹凸形状としても機能する。

図１３は、変形例に係る第１クラッド層の拡大図である。

本例では、第１クラッド層４Ａと半絶縁性活性層３との間に、付加的なクラッド層４ＡＸ，４ＡＹが介在している。すなわち、半絶縁性活性層３上に、順次、クラッド層４ＡＹ，４ＡＸが形成され、その上に第１クラッド層４Ａが形成されている。付加的なクラッド層４ＡＹ，４ＡＸの屈折率は、第１クラッド層４Ａに近づくほど、徐々に低くなり、エネルギーバンドギャップは徐々に大きくなる。

図１に示した実施形態の場合、半絶縁性活性層３の上部に位置した第２光ガイド層（３Ｃ：図３参照）はＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなり、上部第１クラッド層４ＡはＡｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓからなっており、Ｇａ組成比が徐々に減少している。一方、本形態では、付加的なクラッド層４ＡＹ，４ＡＸは、Ｇａ組成比が０．８０よりも小さく０．６５よりも大きい範囲内で、第１クラッド層４Ａに近づくほど徐々に小さくなっている。このような付加的なクラッド層の数は、３層以上であってもよい。この構成の場合、厚み方向の格子定数変化が緩やかであるため、各半導体層の結晶性が向上し、光出力特性が改善する。

図１４は、回折格子の形成方法について説明するための図である。

上記実施形態では、第１クラッド層４Ａの突起部４Ａｐを形成し、その上に第２クラッド層４Ｂ及び第３クラッド層４Ｃを堆積することで、回折格子を形成した。ここでは、第１クラッド層４Ａの突起部４Ａｐの形成方法について説明する。

まず、エッチングによる形成方法について説明する。図１４（Ａ１）に示すように、第１クラッド層４Ａの表面上に、レジストからなるマスクＲを形成し、このマスクＲを付けた状態で、第１クラッド層４Ａのマスク開口内の領域を選択的にエッチングする。マスクＲは周期的に配列された複数の開口を有しており、この開口内の第１クラッド層４Ａの表面に、ウェットエッチングの場合にはエッチング液Ｅが接触し、ドライエッチングの場合には反応性ガスが接触して、図１４（Ａ２）に示すように、内部に溝が形成され、隣接する溝の間に突起部４Ａｐが残留して形成される。同図ではウェットエッチングの場合が示されており、溝の斜面は外側に開くように傾斜しているが、ドライエッチングの場合には、溝の斜面は底面に対して垂直とすることもできる。なお、エッチングの終了後には、マスクＲを除去する。

なお、上記マスクＲのパターニング方法は、以下の通りである。すなわち、本例では、干渉露光、フォトマスクを使用した部分露光、又は電子線描画装置などにより、レジストなどを感光・現像することで、所望の周期パターンを持ったマスクＲを、第１クラッド層４Ａの表面上に形成している。

以上のように、この突起部形成工程は、第１クラッド層４Ａの表面上に周期的に形成された複数の開口を有するマスクＲを形成する工程と、マスクＲを介して第１クラッド層４Ａをエッチングし、エッチングされた領域間を、複数の突起部４Ａｐとして残留させる工程とを備えている。この場合、第１クラッド層４Ａはエッチングによって容易に形成することができる。エッチングに多少の揺らぎが生じ、第２クラッド層の位置が若干変動しても、上述の理由から、光出力特性への影響を抑制することができ、また、動作電圧の増加を抑制することができる。

次に、結晶成長による形成方法について説明する。図１４（Ｂ１）に示すように、第１クラッド層４Ａの表面上に、ＳｉＮ_Ｘなどの無機絶縁層などからなり周期的に配列した複数の開口を有するマスクＲを形成し、このマスクＲを付けた状態で、図１４（Ｂ２）に示すように、第１クラッド層４Ａの突起部４Ａｐをその表面からエピタキシャル成長させる。突起部４Ａｐは、第１クラッド層４Ａの初期表面と格子整合する材料を選択成長させて形成する。すなわち、これらの材料は同一である。

この成長は、第１クラッド層４Ａの原料をマスクＲの開口内に供給することで行う。すなわち、公知のエピタキシャル結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法によって、ＡｌＧａＡｓなどを成長させる。突起部４Ａｐの形状は横に倒した三角柱状であり、三角柱の２側面がそれぞれ隣接するマスクＲとの境界から延びて、三角形の頂点位置で交差している。換言すれば、突起部４Ａｐの縦断面形状は三角形である。

しかる後、マスクＲをエッチングにより除去し、複数の突起部４Ａｐが周期的に形成された第１クラッド層４Ａが形成される。

本例におけるマスクＲは、無機絶縁層であるが、このマスクＲのパターニング方法について説明する。すなわち、第１クラッド層４Ａの表面（導波路構造部表面）に予めＳｉＮ_Ｘなどの薄膜を形成しておき、この薄膜上にレジストを塗布した後、このレジストに周期的パターンを形成する。レジストのパターニング方法は上記パターニング方法と同じである。このエッチングにより、周期的パターンを有しＳｉＮ_Ｘ薄膜など無機絶縁層からなるマスクＲが作製される。このレジストは、無機絶縁層からなるマスクＲのパターニング後に除去する。なお、結晶成長による突起部の形成方法よりも、エッチングによる突起部の形成方法の方が、工程数が少ないという利点がある。

以上のように、この突起部形成工程は、第１クラッド層４Ａの表面上に周期的に形成された複数の開口を有するマスクＲを形成する工程と、マスクＲを設けた状態で、第１クラッド層４Ａの表面から複数の突起部４Ａｐを成長させる工程とを備えている。この場合、結晶成長によって形成された突起部４Ａｐの側面には、清浄化された結晶面が現れるため、この面上に更に良好な結晶性の第２クラッド層４Ｂ（図１参照）及び第３クラッド層４Ｃ（図１参照）を形成することができるため、抵抗値が低くなり、動作電圧の増加を抑制することができる。

次に、ＦＩＢ（集束イオンビーム）による形成方法について説明する。図１４（Ｃ１）に示すように、集束イオンビームＦＩＢを、第１クラッド層４Ａの表面に照射し、第１クラッド層４Ａを直接的にビームでエッチングし、周期的に配列された複数の溝からなる周期パターンを形成する。これらの溝の間に、突起部４Ａｐが残留する。ＦＩＢ装置に用いられるイオンとしてはＧａイオンなどが知られている。

以上のように、この突起部形成工程では、第１クラッド層４Ａの表面にＦＩＢを照射することで、当該表面を加工し、周期的に形成された複数の突起部４Ａｐを形成している。この場合、第１クラッド層４Ａｐの加工の際に、第１クラッド層４Ａを大気に晒す必要がないため、第１クラッド層４Ａの表面酸化を抑制することができ、したがって、酸化膜に起因する抵抗値の増加、これに伴う動作電圧の増加を抑制することができる。

次に、上述の実施形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。

図１５は、ＤＦＢ半導体レーザの製造方法について説明するための図である。

まず、図１５（Ａ）に示すように、基板１上に下部クラッド層２、半絶縁性活性層３、及び第１クラッド層４Ａを順次形成する。化合物半導体の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いることができ、各層の構造と材料は表１に示した通りである。なお、半絶縁性活性層３の形成においては、まず、化合物半導体からなる光ガイド層３Ａを形成し（図３参照）、その上に活性層３Ｂを形成し、しかる後、活性層３Ｂ上に化合物半導体からなる光ガイド層３Ｃを形成する。第１クラッド層４Ａは、この光ガイド層３Ｃ上に形成される。なお、本実施形態では、第１クラッド層４Ａは、構成元素の組成比が一定の化合物半導体、すなわち単一材料の化合物半導体からなる。

次に、図１５（Ｂ）に示すように、第１クラッド層４Ａの表面に周期的な凹凸面を形成することで回折格子を形成する。凹凸面の形成方法は上述の通りである。この工程では、第１クラッド層４Ａの凹凸面は安定して形成することができるので、出力特性のバラつきが抑制される。

しかる後、図１５（Ｃ）に示すように、第１クラッド層４Ａ上に化合物半導体からなる第２クラッド層４Ｂを形成し、続いて、第２クラッド層４Ｂ上に化合物半導体からなる第３クラッド層４Ｃを形成する。

次に、図１に示したように、第３クラッド層４Ｃ上に、コンタクト層５を形成し、しかる後、コンタクト層５と第３クラッド層３Ｃの一部分をエッチングして電流狭窄構造を形成する。次に、これらの露出した表面上に、ＳｉＯ_２などの絶縁層６を形成し、コンタクト層５上の領域が開口するように、絶縁層６をパターニングした後、蒸着法やスパッタ法などで絶縁層６上に上部電極Ｅ１を形成する。最後に、蒸着法やスパッタ法で下部電極Ｅ１を基板１の裏面側に形成し、図１に示したＤＦＢ半導体レーザが完成する。

この製造方法によって製造された半導体レーザによれば、回折格子がクラッド層４内に存在しているため、クラッド層４に注入されたキャリアが活性層（３Ｂ）に到達するまでに再分配され、光出力特性が改善する。また、第１クラッド層４Ａは単一材料の化合物半導体からなるため、エッチングや結晶成長の均質性が高く、凹凸面を安定して容易に形成することができ、したがって、高精度な凹凸面を形成することができる。すなわち、工程毎（素子作製毎）における凹凸形状のばらつきが発生し難くなり、波長選択性の再現性が高くなり、歩留まりが向上する。

また、この凹凸面の形成工程に多少の揺らぎが生じ、これによって第２クラッド層の位置が変動しても、第２クラッド層４Ｂは、厚みが薄いため、光閉じ込めには実質的に寄与せず、また、厚みの薄さに伴って抵抗値も小さくなるので、光出力特性に与える影響は小さくなる。光閉じ込め効果は、光ガイド層よりも屈折率が小さく、相対的に厚みの大きな第１クラッド層４Ａ及び第３クラッド層４Ｂによって達成することができる。第２クラッド層４Ｂの屈折率が小さい場合には、エネルギーバンドギャップが大きくなり、したがって、抵抗値が高くなる傾向があるが、本例の第２クラッド層は薄いため、抵抗値がさほど高くならず、動作電圧の増加を抑制することができる。

また、上述のＤＦＢ半導体レーザを活性層の端面が一列上に位置するように複数配列して、半導体レーザアレイを構成することもできる。この半導体レーザアレイでは、各活性層からの光出力を重ね合わせた光出力が得られ、スペクトル分布は各活性層におけるスペクトルの平均値となる。したがって、上述のＤＦＢ半導体レーザは、波長選択性の再現性が高く、素子毎の製造バラつきが小さいため、これを半導体レーザアレイに用いた場合には、光出力を高くすることが可能である。特に、突起部４Ａｐをエッチングによって形成した場合には、製品毎のバラつきを更に抑制することができるため、発光点毎の特性を均一化することができ、出力波長の均一化を実現することができる。

また、上述の実施形態において、クラッド層２，４の材料として、ＡｌＧａＡｓを採用したが、これはＧａＡｓ基板に格子整合する他の化合物半導体を用いることもできる。例えば、第１クラッド層４Ａ及び第３クラッド層４ＣとしてＧａＩｎＰを用い、第２クラッド層４ＢとしてＧａＡｌＩｎＰを用いることもできる。このとき、ＭＱＷ層３Ｂと光ガイド層３Ａ，３Ｃは、ＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。

なお、第１クラッド層４Ａ及び第３クラッド層４Ｃとして、Ｘ，Ｙ，Ｚを組成比とし、（Ｇａ_１−ＸＡｌ_Ｘ）_ＺＩｎ_１−ＺＰを用い、第２クラッド層４Ｂとして（Ｇａ_１−ＹＡｌ_Ｙ）_ＺＩｎ_１−ＺＰを用いた場合、Ａｌの組成比はＹ＞Ｘの関係を満たし、この場合も屈折率はｎ４Ａ＞ｎ４Ｂ、ｎ４Ｃ＞ｎ４Ｂの関係（表１参照）を満たしている。

各層の具体的な構成要素、導電型、材料、厚さ、屈折率、エネルギーバンドギャップは、以下の表に示す通りである。

屈折率とエネルギーバンドギャップの関係は、表１の場合と同様であり、以下の通りである。
・ｎ５＞ｎ４Ｃ、（Ｅｇ５＜Ｅｇ４Ｃ）
・ｎ４Ｃ＝ｎ４Ａ、（Ｅｇ４Ｃ＝Ｅｇ４Ａ）
・ｎ４Ｂ＜ｎ４Ｃ、（Ｅｇ４Ｂ＞Ｅｇ４Ｃ）
・ｎ４Ｂ＜ｎ４Ａ、（Ｅｇ４Ｂ＞Ｅｇ４Ａ）
・ｎ４Ａ＜ｎ３Ｃ、（Ｅｇ４Ａ＞Ｅｇ３Ｃ）
・ｎ４Ａ＜ｎ３Ｂ、（Ｅｇ４Ａ＞Ｅｇ３Ｂ）
・ｎ４Ａ＜ｎ３Ａ、（Ｅｇ４Ａ＞Ｅｇ３Ａ）
・ｎ２＜ｎ３Ｃ、（Ｅｇ２＞Ｅｇ３Ｃ）
・ｎ２＜ｎ３Ｂ、（Ｅｇ２＞Ｅｇ３Ｂ）
・ｎ２＜ｎ３Ａ、（Ｅｇ２＞Ｅｇ３Ａ）
・ｎ１＞ｎ２、（Ｅｇ１＜Ｅｇ２）
なお、屈折率が小さいほど、エネルギーバンドギャップが大きく、抵抗値が高くなる傾向がある。また、屈折率はＡｌの組成比率で決定され、Ａｌ含有量が多いほど低屈折率で高抵抗となる。

また上記実施形態において、活性層内の量子井戸層は量子井戸数が複数であるＭＱＷ構造を示したが、量子井戸を単一とするＳＱＷ構造を採用することも可能である。

以上、説明したように、上述の形態では、ＤＦＢ半導体レーザの材料に関して、ＧａＡｓ基板上に格子整合する結晶成長の容易なＡｌＧａＡｓ（もしくはＧａＡｌＩｎＰ）を、クラッド層として採用した場合、上部第１クラッド層４Ａの結晶成長工程ではＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ（もしくはＧａＡｌＩｎＰ）を成長し、第１クラッド層４Ａに回折格子を作製した後に、Ａｌ組成の高い第２クラッド層４Ｂを成長するため、再成長前の回折格子形成プロセス工程で大気にさらされ再成長表面層となるのは、Ａｌ組成の低い第１クラッド層４Ａとなり、再成長第２クラッド層４Ｂとの成長界面での酸化が抑制される。このため、２回目結晶成長での結晶不良、素子抵抗の上昇が生じにくく、再成長によるＤＦＢ半導体レーザの光出力特性の劣化が抑制される。

また、クラッド層４中にＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ（もしくはＧａＡｌＩｎＰ）層からなる第２クラッド層４Ｂを挿入されており、この層は低屈折率であるため、この部分に導波モードが存在する事は無く、安定な光出力特性が得られる。また、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザにおいては、一般的にＡｌ組成が０．３５程度のクラッド層が用いられるが、高Ａｌ組成の第２クラッド層４Ｂを用いた場合、単純に第２クラッド層４ＢのＡｌ組成を、０．３５〜１．０の広い範囲で変化させる事ができるため、クラッド層４Ａ，４Ｃとの屈折率差を広く取る事が可能であり、回折格子による導波路内での光帰還の強さ（結合係数κ）の制御が容易になるという利点もある。

本発明は、出力特性のバラつきが抑制された分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法に利用することができる。

４Ａ…第１クラッド層、４Ｂ…第２クラッド層、４Ｃ…第３クラッド層、３Ａ，３Ｃ…光ガイド層、３Ｂ…活性層。

Claims (7)

1. 活性層の端面からレーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザにおいて、
   前記活性層上に形成された化合物半導体からなる光ガイド層と、
   前記光ガイド層上に形成された化合物半導体からなるクラッド層と、
   を備え、
   前記クラッド層は、第１クラッド層、第２クラッド層、及び第３クラッド層を前記光ガイド層上に順次積層してなり、
   前記第１クラッド層の表面が周期的な凹凸面を有することで回折格子が形成され、
   前記第２クラッド層の屈折率は、前記第１クラッド層及び前記第３クラッド層の屈折率のいずれよりも小さい、
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
2. 前記第２クラッド層の厚みは、前記第１クラッド層及び前記第３クラッド層の厚みのいずれよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
3. 活性層の端面からレーザ光を出射する分布帰還型半導体レーザの製造方法において、
   （Ａ）前記活性層上に化合物半導体からなる光ガイド層を形成する工程と、
   （Ｂ）前記光ガイド層上に単一材料の化合物半導体からなる第１クラッド層を形成する工程と、
   （Ｃ）前記第１クラッド層の表面に周期的な凹凸面を形成することで回折格子を形成する工程と、
   （Ｄ）前記第１クラッド層上に化合物半導体からなる第２クラッド層を形成する工程と、
   （Ｅ）前記第２クラッド層上に化合物半導体からなる第３クラッド層を形成する工程と、
   を備え、
   前記第２クラッド層の屈折率は、前記第１クラッド層及び前記第３クラッド層の屈折率のいずれよりも小さい、
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザの製造方法。
4. 前記第２クラッド層の厚みは、前記第１クラッド層及び前記第３クラッド層の厚みのいずれよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項３に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
5. 前記工程（Ｃ）は、
   前記第１クラッド層の表面上に周期的に形成された複数の開口を有するマスクを形成する工程と、
   前記マスクを介して前記第１クラッド層をエッチングし、エッチングされた領域間を、複数の突起部として残留させる工程と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
6. 前記工程（Ｃ）は、
   前記第１クラッド層の表面上に周期的に形成された複数の開口を有するマスクを形成する工程と、
   前記マスクを設けた状態で、前記第１クラッド層の表面から複数の突起部を成長させる工程と、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
7. 前記工程（Ｃ）は、
   前記第１クラッド層の表面に集束イオンビームを照射することで、当該表面を加工し、周期的に形成された複数の突起部を形成する工程、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
   
   

Images