JP2011210885A - 半導体レーザアレイ及び半導体レーザアレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力で安定した半導体レーザアレイ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザアレイ１００は、レーザ光の出射方向と平行に長尺な凹状の段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを主面に有する基板１０１と、積層構造体と、段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃと平行に形成された複数の光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃとを備え、複数の光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃのうちの少なくとも１の光導波路の幅方向の中心から段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの幅方向の中心までの距離は、複数の光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃのうちの他の光導波路の幅方向の中心から段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの幅方向の中心までの距離と異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザアレイの構造及びその製造方法に関する。

ＧａＮ系半導体レーザは、紫外光域から緑色まで広い範囲に渡る波長を得るために必要不可欠なデバイスである。この材料によるデバイスは、光ディスク装置の読み出し・書き込み用光源にすでに応用されている。この場合、レーザ光として必要な光出力は数百ｍＷ程度である。

さらに応用範囲を拡げて、レーザディスプレイ、レーザ加工装置、薄膜のレーザアニール装置などに利用するためには、レーザの光出力をＷクラスに増大させる必要がある。そのための有力な方法として、複数のレーザ素子のアレイ化が挙げられる。

半導体レーザアレイは、同一の基板に形成され、１チップとして集積化されたものが望ましい。単一のレーザ素子を複数個並べて組み立てる方法も考えられるが、各発光点の間隔の制御が難しい。また、発光点を近接させることも不可能である。したがって、一つの光源として利用するためには複数の光ファイバーでそれぞれの各発光点からレーザ光を取り出し、これらを合波させる必要がある。

このような技術は、コスト的にも光源の大きさの観点からも不利である。半導体レーザ素子をアレイとして同一基板に集積させることができれば、発光点間隔を近接させることができ、光学系を簡素にすることができる。

さて、ファブリペロー共振器を用いた端面発光型の半導体レーザでは、発振波長はおよそ活性層のエネルギーバンドギャップの大きさによって決まる。集積型の半導体レーザアレイでは、アレイを構成する各レーザ素子は共通の活性層をもっているため、基本的にほぼ同一の波長で発振する。発振波長が同一であれば、半導体レーザアレイ全体として得られるビームには干渉の影響が及ぼされる。

例えば、同一波長で発振する２個のレーザ素子が隣接して、二つのレーザ光の位相差が１８０度であれば、ビームの重なり合う部分は干渉のために打ち消しあって光強度が低下する。このような影響があると、得られるビームパターンは、干渉縞を含んだものになる。

また、光通信の分野では、波長多重通信の光源として、発振波長の異なるレーザ素子をアレイ化する技術が必要とされる。この場合、発振波長を厳密に制御する必要がある。

レーザ発振波長を制御する方法としては、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザや分布帰還型（ＤＦＢ）レーザが考案されている。これらは回折格子を光導波路に形成し、その回折格子の間隔によって決まる波長でレーザ発振を得る仕組みである。ここで、光導波路とは、レーザ発振に寄与する光を横方向に閉じ込める構造のことを指す。

アレイを構成する各レーザ素子に周期の異なる回折格子を形成すれば、各レーザ素子の発振波長はそれぞれ異なる。このような試みは古くから考案されている（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１では、６個のＤＦＢレーザを集積し、それぞれの回折格子の間隔を変えて波長多重を実現している。

その他に最近の例では、基板に幅の異なる溝を複数形成し、その溝に活性層を含むレーザ構造を結晶成長する技術が公開されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、溝の幅によって結晶成長後にできあがる層構造の厚さや組成が異なる現象を利用している。

特開２００５−１９１４８８号公報

Ｋ．Ａｉｋｉ，ｅｔ ａｌ．，"Ａ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｍｕｐｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｗｉｔｈ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ"， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１３，ｐ．２２０−２２３（１９７７）．

上述したような回折格子を利用した波長制御技術は非常に有効であるが、ＧａＮ系の材料に関すると、回折格子を形成する適当なウェットエッチングが困難である。そのため、塩素系ガスを用いたドライエッチングが必要となる。ドライエッチングは結晶にダメージを与えるため、通電領域にこのようなダメージがあると、レーザ素子の出力が不安定になり信頼性低下につながる。

また、特許文献１に示したような技術では、層構造の厚さや幅が異なるために、導波光の横モード制御が困難になるおそれがある。例えば、アレイを構成する各レーザ素子の横モード、特に水平横モードを基本モード（０次モード）に維持したい場合には、横方向に適当な屈折率差を設ける必要がある。リッジ型導波路の場合、リッジの底部と活性層との距離は実効屈折率差に大きく影響する。特許文献１に記載された技術では、各レーザ素子の層厚がそれぞれ変わっているので、一回のリッジ形成プロセスでは、各レーザ素子間に実効屈折率差のばらつきが生じ、一部のレーザ素子では横モードが高次モードで導波することが起こりえる。したがって、レーザ素子の出力が不安定になったり、高出力化を達成することが難しくなったりする。

上記課題を解決するために、本発明は、高出力で安定した半導体レーザアレイを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の一形態における半導体レーザアレイは、レーザ光の出射方向と平行に長尺な凹状の段差部を主面に有する基板と、前記基板の主面に形成された、活性層及び前記活性層の上方に積層された導電型クラッド層を含む積層構造体と、前記導電型クラッド層をパターニングすることにより、前記段差部と平行に形成された複数の光導波路とを備え、前記複数の光導波路のうちの少なくとも１の光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離は、前記複数の光導波路のうちの他の光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離と異なる。

本願発明者らは、ＧａＮ系の材料において、段差部を設けた基板上に活性層を含むレーザ構造（積層構造体）を結晶成長すると、段差部の近傍で発光波長が変化する現象を見出した。すなわち、段差部の近傍では活性層のエネルギーバンドギャップが大きくなるという知見を得た。エネルギーバンドギャップの大きさは段差部の端からの距離に依存して変化する。したがって、半導体レーザアレイを構成するレーザ素子の光導波路の位置を段差部からの距離が異なるように配置すれば、それぞれのレーザ素子の活性層は異なるエネルギーバンドギャップをもち、異なる波長でレーザ発振する。ここで、光導波路とは、レーザ発振に寄与する光を横方向に閉じ込める構造のことを指す。

したがって、この構成によれば、複数のレーザ素子の発振波長を制御することが可能となる。すなわち、それぞれの段差部と光導波路の距離は互いに異なっているので、半導体レーザアレイを構成する各レーザ素子が互いに異なる波長で発振する。これにより、レーザ素子のビームの干渉を抑制して、高出力で安定した半導体レーザアレイを提供することができる。

ここで、前記半導体レーザアレイは、前記段差部を含み、前記複数の光導波路のそれぞれに対応して形成された複数の段差部を有し、前記複数の光導波路と対応する前記段差部とにより、レーザ素子が複数構成され、少なくとも１の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離は、他の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離と異なることが好ましい。

この構成によれば、１の段差部と１の光導波路からなるレーザ素子のそれぞれに個別にパッド電極を形成し、それぞれのパッド電極に独立にワイヤボンディングを実施することができる。これにより、それぞれのレーザ素子を独立して駆動及び制御することができる。

ここで、前記複数の光導波路は、凸状のリッジストライプ型の光導波路であることが好ましい。

ここで、前記活性層は、インジウム、ガリウム及び窒素を含むことが好ましい。
この構成によれば、活性層は、インジウム、ガリウム及び窒素を含む材料により形成される。これにより、この材料を選択することにより、活性層のエネルギーバンドギャップの大きさを制御することが可能となる。

ここで、前記基板の主面は、｛０００１｝面に概ね平行であり、前記少なくとも１の段差部及び前記複数の光導波路は、＜１−１００＞方向に概ね平行に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、層構造を形成する主面が｛０００１｝面に概ね平行であるので、この面方位を選択することにより、半導体レーザアレイの共振器端面をへき開によって形成することができる。また、光導波路が＜１−１００＞方向に概ね平行に形成されているので、＜１−１００＞方向に沿って形成された光導波路直下の活性層のエネルギーバンドギャップの大きさを制御することができる。

また、上記課題を解決するために本発明の一形態における半導体レーザアレイの製造方法は、基板の主面に、レーザ光の出射方向と平行に長尺な凹状の段差部を形成する工程と、前記基板の主面に、活性層及び前記活性層の上方に積層された導電型クラッド層を含む積層構造体を形成する工程と、前記導電型クラッド層をパターニングすることにより、前記段差部と平行に、複数の光導波路を形成する工程とを含み、前記複数の光導波路のうちの少なくとも１の光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離は、前記複数の光導波路のうちの他の光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離と異なる。

この構成によれば、複数のレーザ素子の発振波長を制御することが可能となる。すなわち、それぞれの段差部と光導波路の距離は互いに異なっているので、半導体レーザアレイを構成する各レーザ素子が互いに異なる波長で発振する。これにより、レーザ素子のビームの干渉を抑制して、高出力で安定した半導体レーザアレイの製造方法を提供することができる。

ここで、前記半導体レーザアレイは、前記段差部を含み、前記複数の光導波路のそれぞれに対応して形成された複数の段差部を有し、前記複数の光導波路と対応する前記段差部とにより、レーザ素子が複数構成され、少なくとも１の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離は、他の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心から前記段差部の幅方向の中心までの距離と異なることが好ましい。

この構成によれば、１の段差部と１の光導波路からなるレーザ素子のそれぞれに個別にパッド電極を形成し、それぞれのパッド電極に独立にワイヤボンディングを実施することができる。これにより、それぞれのレーザ素子を独立して駆動及び制御することができる。

ここで、前記複数の光導波路は、凸状のリッジストライプ型の光導波路であることが好ましい。

ここで、前記基板の主面は、｛０００１｝面に概ね平行であり、前記光導波路は、＜１−１００＞方向に概ね平行に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、層構造を形成する主面が｛０００１｝面に概ね平行であるので、この面方位を選択することにより、半導体レーザアレイの共振器端面をへき開によって形成することができる。また、光導波路が＜１−１００＞方向に概ね平行に形成されているので、＜１−１００＞方向に沿って形成された光導波路直下の活性層のエネルギーバンドギャップの大きさを制御することができる。

本発明によれば、高出力で安定した半導体レーザアレイ及びその製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における半導体レーザアレイの概略図である。 図１に示した半導体レーザアレイの構造を示す断面図である。 図１に示した半導体レーザアレイの構造を示す上面図である。 本発明に係る半導体レーザアレイの製造工程を示すフローチャートである。 段差部周辺におけるエネルギーバンドギャップの測定結果である。 半導体レーザアレイの段差部を示す写真である。 図５Ａに示した段差部を有する半導体レーザアレイにおけるＣＬピークエネルギーを示す図である。 本発明の第２の実施形態における半導体レーザアレイの概略図である。 図６に示した半導体レーザアレイの構造を示す上面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明について、以下の実施形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザアレイは、レーザ光の出射方向と平行に長尺な凹状の段差部を主面に有する基板と、基板の主面に形成された、活性層及び活性層の上方に積層された導電型クラッド層を含む積層構造体と、導電型クラッド層をパターニングすることにより、段差部と平行に形成された複数の光導波路とを備え、複数の光導波路のうちの少なくとも１の光導波路の幅方向の中心から段差部の幅方向の中心までの距離は、複数の光導波路のうちの他の光導波路の幅方向の中心から段差部の幅方向の中心までの距離と異なる。このような構成により、高出力で安定した半導体レーザアレイを提供することができる。

以下、本実施形態では、リッジストライプ型の形状に形成された光導波路を有する半導体レーザアレイを例として説明する。

図１は、第１の実施形態に係る半導体レーザアレイ１００の概略図である。簡略化のため電極や詳細な層構造は図示していない。さらに、同図中では、代表的な結晶面方位をｃ、ａ、及びｍなる記号で表している。ｃは｛０００１｝面と等価な面またはその法線ベクトルを、ａは｛１１−２０｝面と等価な面またはその法線ベクトルを、ｍは｛１−１００｝面と等価な面またはその法線ベクトルをそれぞれ示す。

図１に示すように、半導体レーザアレイ１００は、ｎ−ＧａＮ基板１０１を備え、ｎ−ＧａＮ基板１０１の表面には、幅３０μｍ、深さ２μｍの段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃがｍ軸方向に沿って形成されている。段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは、レーザの照射方向と平行に長尺な凹状の形状となっている。このｎ−ＧａＮ基板１０１の上に、多重量子井戸活性層１０５を含むレーザ構造（積層構造体）が結晶成長により形成されている。段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは、積層構造体が形成されて溝１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを構成している。また、３個の凸状のリッジストライプ型の光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃが、それぞれ溝１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの中心、つまり、段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの中心から距離Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃だけ隔てて形成されている。そして、溝１０２ａ及び光導波路１１３ａにより一つのレーザ素子１００ａが形成されている。同様に、溝１０２ｂ及び光導波路１１３ｂにより一つのレーザ素子１００ｂが形成されている。また、溝１０２ｃ及び光導波路１１３ｃにより一つのレーザ素子１００ｃが形成されている。

ここで、光導波路とは、レーザ発振に寄与する光を横方向に閉じ込める構造のことを指す。また、距離Ｘ₁は、詳細には、光導波路１１３ａの幅方向の中心から段差部１０１ａの幅方向の中心までをいう。同様に、距離Ｘ₂は、光導波路１１３ｂの幅方向の中心から段差部１０１ｂの幅方向の中心までをいう。距離Ｘ₃は、光導波路１１３ｃの幅方向の中心から段差部１０１ｃの幅方向の中心までをいう。

この距離Ｘ₁〜Ｘ₃を、後述するように適切に形成することにより、異なる発振波長をもつレーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃを備えた半導体レーザアレイを実現できる。

図２Ａ及び図２Ｂは、半導体レーザアレイ１００を構成する一つのレーザ素子１００ａを詳細に説明する図である。図２Ａはレーザ素子１００ａのチップ端面の断面図、図２Ｂはレーザ素子１００ａのチップの上面図である。

図２Ａに示すように、レーザ素子１００ａは、段差部１０１ａが形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１上に、積層構造体として、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０３）クラッド層１０３と、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．００３）光ガイド層１０４と、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．０２）の障壁層及びＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．１２）の井戸層からなる多重量子井戸活性層１０５と、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１０６と、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０３）クラッド層１０７と、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８と、光閉じ込め絶縁膜１０９と、ｐ−オーミック電極１１０ａと、ｎ−オーミック電極１１２とを備えている。また、多重量子井戸活性層１０５は、溝１０２ａの近傍に、エネルギーバンドギャップが大きくなっている領域１０５ａを有している。

なお、レーザ素子１００ｂ、１００ｃは、レーザ素子１００ａと同様、段差部１０１ｂ、１０１ｃ、光導波路１１３ｂ、１１３ｃを備えている。また、レーザ素子１００ｂ、１００ｃにおいて、光導波路１１３ｂ、１１３ｃは、それぞれｐ−オーミック電極１１０ｂ、１１０ｃを備えている。

また、図２Ｂに示すように、レーザ素子１００ａの上方には、溝１０２ａ及び光導波路１１３ａを覆うようにパッド電極１１１ａが形成されている。同様に、レーザ素子１００ｂの上方には、溝１０２ｂ及び光導波路１１３ｂを覆うようにパッド電極１１１ｂが形成されている。レーザ素子１００ｃの上方には、溝１０２ｃ及び光導波路１１３ｃを覆うようにパッド電極１１１ｃが形成されている。なお、図２Ｂにおいて、溝１０２ａ及び光導波路１１３ａのｐ−オーミック電極１１０ａには、ハッチングを付して示している。

図３は、本発明に係る半導体レーザアレイ１００の製造工程を示すフローチャートである。以下に、同図を参照しながら、本発明に係る半導体レーザアレイ１００の製造方法を説明する。

まず、主面をｃ面とするウェハ状のｎ−ＧａＮ基板１０１を用意し、ｎ−ＧａＮ基板１０１の上に、エッチングマスクとしてＳｉＯ₂膜を厚さ６００ｎｍで形成する（ステップＳ１０）。ＳｉＯ₂の形成には熱化学気相堆積法（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下、熱ＣＶＤ法と略す）を用いる。

次に、フォトリソグラフィーとフッ酸（ＨＦ）によるウェットエッチングによって、このＳｉＯ₂膜にａ軸方向の幅が３０μｍでｍ軸方向に沿って平行なストライプ状の開口を周期２００μｍで複数形成する（ステップＳ１１）。

次に、エッチングガスとしてＣｌ₂を用いた誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）ドライエッチング装置により、ｎ−ＧａＮ基板１０１の表面に、段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを深さ２μｍで形成する（ステップＳ１２）。

その後、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ₂膜を、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去する（ステップＳ１３）。なお、図２Ａ及び図２Ｂでは、半導体レーザアレイ１００を構成する３個のレーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃのうち１個のレーザ素子１００ａの部分を拡大して図示しているので、段差部として段差部１０１ａ一つだけが図示されている。レーザ素子１００ｂ、１００ｃについても同様であり、それぞれ段差部１０１ｂ、１０１ｃが形成されている。

また、エッチングガスにＳｉＣｌ₄を用いてもかまわない。また、ドライエッチング装置は、容量結合型プラズマ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）を用いたドライエッチング装置、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマを用いたエッチング装置なども用いることができる。

次に、この段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１の上に、半導体レーザアレイ１００を構成する積層構造体の結晶成長を行う（ステップＳ１４）。結晶成長は、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）により行う。厚さ２μｍのｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０３）クラッド層１０３、厚さ０．１μｍのｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．００３）光ガイド層１０４、厚さ８ｎｍのＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．０２）の障壁層及び厚さ３ｎｍのＩｎ_yＧａ_1-yＮ（ｙ＝０．１２）の井戸層からなる多重量子井戸活性層１０５、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮ光ガイド層１０６、厚さ０．５μｍのｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０３）クラッド層１０７、厚さ６０ｎｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１０８を順次積層する。

なお、積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）等の、ＧａＮ系半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。また、ＭＯＣＶＤ法を用いた場合の原料としては、例えば、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を用いればよい。さらに、ｎ型不純物であるＳｉ原料にはシラン（ＳｉＨ₄）ガスを用い、ｐ型不純物であるＭｇ原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いればよい。

次に、熱ＣＶＤ法により、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の上に、膜厚が０．２μｍのＳｉＯ₂からなるマスク層（図示せず）を成膜する（ステップＳ１５）。リソグラフィ法及びエッチング法により、ＳｉＯ₂マスク膜を幅が１．５μｍのストライプ状で且つｍ軸方向と平行にパターニングする。

次に、エッチングガスにＣｌ₂を用いたＩＣＰドライエッチング装置により、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８とｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層１０７の一部をエッチングし、リッジストライプ型の光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを形成する（ステップＳ１６）。光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの幅方向の中心から段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの幅方向の中心までの距離は、前述したように３種類（Ｘ₁〜Ｘ₃）設定する。すなわち、段差部１０１ａの中心との距離がＸ₁の光導波路１１３ａ、段差部１０１ｂの中心との距離がＸ₂の光導波路１１３ｂ、段差部１０１ｃの中心との距離がＸ₃の光導波路１１３ｃが２００μｍ間隔で並び、これが繰り返されるように形成する。

次に、熱ＣＶＤ法により光閉じ込め絶縁膜１０９となるＳｉＯ₂膜を厚さ４００ｎｍで堆積する（ステップＳ１７）。つづいて、フォトリソグラフィーとウェットエッチング法により、先に形成した光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの頂上部を含む領域に、それぞれ光閉じ込め絶縁膜１０９の開口部を形成する。

さらに、リフトオフ法を用いて、光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの頂上部に接するようにｐ−オーミック電極１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを形成する（ステップＳ１８）。ｐ−オーミック電極１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの構成は、Ｐｄ（４０ｎｍ）／Ｐｔ（３５ｎｍ）である。

その後、Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３５ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）からなるパッド電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃをリフトオフ法によって形成して、ｎ−ＧａＮ基板１０１の表面側の加工が終了する。

次に、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面側を研削・研磨して、ウェハ厚さを１００μｍ程度にする。そして、最後に研磨面に対してＴｉ（５ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）からなるｎ−オーミック電極１１２を形成し（ステップＳ１９）、ウェハプロセスを完了する。

その後、ウェハを短冊状のレーザバーにへき開する一次へき開工程を実施する。本実施形態では、共振器長が８００μｍとなるように、レーザバーの幅を８００μｍにへき開する。一次へき開面（共振器端面）に、反射率制御と端面保護の目的で行う端面コーティングを行う。

次に、レーザバーを個々のレーザチップに分割する二次へき開工程を行う。その際、光導波路１１３ａの幅方向の中心から段差部１０１ａの幅方向の中心までの距離がＸ₁のレーザ素子１００ａ、光導波路１１３ｂの幅方向の中心から段差部１０１ｂの幅方向の中心までの距離がＸ₂のレーザ素子１００ｂ、光導波路１１３ｃの幅方向の中心から段差部１０１ｃの幅方向の中心までの距離がＸ₃のレーザ素子１００ｃが１チップになるように、幅６００μｍで二次へき開工程を行う。

最後に、レーザチップをパッケージングする工程を経て、３個のレーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃがアレイ化されたデバイス（半導体レーザアレイ１００）が完成する（ステップＳ２０）。

図４は、その半導体レーザアレイ１００の上面図である。各レーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃには、個別にパッド電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが形成されている。したがって、それぞれのパッド電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃに独立にワイヤボンディングを実施することができる。この構成により、この半導体レーザアレイ１００では、各レーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃを独立に駆動及び制御できることになる。なお、図４において、溝１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ及び光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃには、ハッチングを付して示している。

次に、図５Ａ及び図５Ｂを用いて、光導波路の幅方向の中心から段差部の幅方向の中心までの距離Ｘを制御することにより、異なる発振波長が得られる現象について説明する。

図５Ａは、３０μｍ×３０μｍの正方形の段差部を深さ２μｍで形成し、レーザ構造の多重量子井戸活性層１０５までを結晶成長した試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。この試料について、カソードルミネッセンス（ＣＬ）測定を行い、ａ軸方向に沿ってＣＬスペクトルのピークエネルギーを測定した。その結果を図５Ｂに示す。

図５Ｂに示すように、ＣＬスペクトルのピークエネルギーが、多重量子井戸活性層のエネルギーバンドギャップにほぼ比例すると考えると、段差領域の近傍（Ｘ＝２０μｍ〜３０μｍ）でエネルギーバンドギャップが増大する領域があることがわかる。この領域は、図２Ａ中では、多重量子井戸活性層においてエネルギーバンドギャップが大きくなっている領域１０５ａとして示されている。この現象は、段差部の近傍で多重量子井戸活性層となるＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成量が少なくなっていることに起因していると推察される。これを利用すれば、レーザ素子の中心となる光導波路の形成位置を制御することで、光導波路中の多重量子井戸活性層のエネルギーバンドギャップを制御できる。

本実施形態の半導体レーザアレイ１００では、距離Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃を、図５Ｂに示すＸ₁＝２０μｍ、Ｘ₂＝２５μｍ、Ｘ₃＝３０μｍと設定した。その結果、１６０ｍＷ、室温、直流駆動（ＣＷ発振）の条件下で、レーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃの光出力は、それぞれ発振波長が４１３ｎｍ、４２０ｎｍ、４２６ｎｍとなった。段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの作製プロセス、レーザ層構造（積層構造体）の結晶成長プロセスは全て共通である。段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの幅方向の中心と光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの幅方向の中心との距離Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃が異なるだけで、異なるレーザ発振波長をもつレーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃを有する半導体レーザアレイ１００が構成できる。基本プロセスは単一半導体レーザ作製用のものとほぼ同一のプロセスである。複雑な回折格子の作製プロセスも必要としないので、低コストで波長多重の半導体レーザアレイ１００を形成することが可能である。

また、回折格子を形成するためには、従来、二光束干渉露光装置やＥＢ露光装置など高額でスループットの低い装置が必要であり製造コストが増大していたが、上記した半導体レーザアレイ１００では、製造コストを低くすることができる。

なお、本実施形態では、距離Ｘ₁〜Ｘ₃の値をＸ₁＜Ｘ₂＜Ｘ₃となるように設定したが、この大小関係は互いに入れ替わってもかまわない。また、図１に示したように、本実施形態では、光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに対して＋ａ軸方向に形成したが、逆に光導波路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを段差部１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに対して−ａ軸方向に形成してもかまわない。

また、本実施形態では段差部及び光導波路をそれぞれ３本形成したが、これに限らず、２本でも良く、また４本や５本など３本より多くあってもよい。

また、本実施形態では複数形成されたレーザ素子において、段差部の幅方向の中心から光導波路の幅方向の中心まで距離がそれぞれ異なるようにしたが、必ずしも全て異なる必要はなく、異なる距離を有する光導波路が含まれてさえいれば、同じ距離を有するレーザ素子があってもよい。

また、本実施形態においては、光導波路について、リッジストライプ型の形状に形成された光導波路について説明したが、リッジストライプ型の導波路以外に、埋め込みストライプ型の光導波路を用いてもよい。この場合の効果は、リッジストライプ型の光導波路と変わらない。ただし、製造方法としてはリッジストライプ型の方がより簡便である。リッジストライプ型が１回の結晶成長で済むのに対して、埋め込みストライプ型の光導波路を用いる場合には２回以上の結晶成長を必要とするからである。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。第２の実施形態における半導体レーザアレイが第１の実施形態における半導体レーザアレイと異なる点は、本実施形態における半導体レーザアレイが共通のアノード、つまり共通のパッド電極をもつ点である。

前述の第１の実施形態では、レーザ素子１００ａ、１００ｂ、１００ｃを有し各レーザ素子を独立に駆動できる半導体レーザアレイ１００について述べた。レーザ素子の独立駆動を必要としない場合には、本実施形態に示す半導体レーザアレイ２００のように、さらに簡単な構成で半導体レーザアレイを実現することができる。以下、半導体レーザアレイ２００について説明する。

図６は、共通のアノードをもつ半導体レーザアレイ２００の概略図である。また、図７は、半導体レーザアレイ２００の上面図である。簡略化のため、層構造や電極構成は図示していない。なお、図７において、溝２０２及び光導波路２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃには、ハッチングを付して示している。

半導体レーザアレイ２００が第１の実施形態に示した半導体レーザアレイ１００と異なるのは、ｎ−ＧａＮ基板２０１の表面にｍ軸方向に沿って形成された一つの段差部２０１ａに対して、複数のリッジストライプ型の光導波路２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃが近接して形成されている点である。半導体レーザアレイ２００では、光導波路２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃの幅方向の中心から段差部２０１ａの幅方向の中心までの距離Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃をそれぞれＸ₁＝２０μｍ、Ｘ₂＝２５μｍ、Ｘ₃＝３０μｍと設定する。製造方法は、第１の実施形態で説明した方法と同じであるが、図７に示すように、光導波路２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃの間隔が狭いため、パッド電極２１１を共通化している。

半導体レーザアレイ２００では、段差部２０１ａ上に積層構造体が形成された溝２０２と光導波路２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃにより構成される各レーザ素子を独立に駆動することはできないが、発光点間隔を小さくすることができるので、半導体レーザアレイ２００を使用すると光学系デバイスの設計が容易になる利点がある。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。

例えば、半導体の材料は、上記したＡｌ_xＧａ_1-xＮ、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮに限らず、その他の半導体材料であってもよい。

また、段差部や光導波路の長さ、幅、高さ等は、上記したものに限らず適宜変更してもよい。

また、エッチングガスやエッチング溶液は、上記したものに限らず適宜変更してもよい。

また、本発明に係る半導体レーザアレイには、上記実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る半導体レーザアレイを備えた各種デバイスなども本発明に含まれる。例えば、本発明に係る半導体レーザアレイを備えたレーザディスプレイも本発明に含まれる。

本発明に係る半導体レーザアレイは、レーザ加工やレーザディスプレイなどの比較的高い光出力が必要な装置の光源として有用である。

１００、２００ 半導体レーザアレイ
１０１ ｎ−ＧａＮ基板（基板）
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 段差部
１０３ ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層（積層構造体）
１０４ ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ光ガイド層（積層構造体）
１０５ 多重量子井戸活性層（積層構造体、活性層）
１０６ ｐ−ＧａＮ光ガイド層（積層構造体）
１０７ ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層（積層構造体、導電型クラッド層）
Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃ 距離

Claims (9)

1. レーザ光の出射方向と平行に長尺な凹状の段差部を主面に有する基板と、
   前記基板の主面に堆積された、活性層及び前記活性層の上方に積層された導電型クラッド層を含む積層構造体と、
   前記導電型クラッド層をパターニングすることにより、前記段差部と所定の距離を隔てて平行に形成された複数の光導波路とを備え、
   前記複数の光導波路のうちの少なくとも１の光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離は、前記複数の光導波路のうちの他の光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離と異なる
   半導体レーザアレイ。
2. 前記段差部は、前記複数の光導波路のそれぞれに対応して複数形成され、
   前記複数の光導波路と対応する前記段差部とにより、レーザ素子が複数構成され、
   少なくとも１の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離は、他の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離と異なる
   請求項１に記載の半導体レーザアレイ。
3. 前記複数の光導波路は、凸状のリッジストライプ型の光導波路である
   請求項１または２に記載の半導体レーザアレイ。
4. 前記活性層は、インジウム、ガリウム及び窒素を含む
   請求項1〜３のいずれかに記載の半導体レーザアレイ。
5. 前記基板の主面は、｛０００１｝面に概ね平行であり、
   前記少なくとも１の段差部及び前記複数の光導波路は、＜１−１００＞方向に概ね平行に形成されている
   請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザアレイ。
6. 基板の主面に、レーザ光の出射方向と平行に長尺な凹状の段差部を形成する工程と、
   前記基板の主面に、活性層及び前記活性層の上方に積層された導電型クラッド層を含む積層構造体を堆積する工程と、
   前記導電型クラッド層をパターニングすることにより、前記段差部と所定の距離を隔てて平行に、複数の光導波路を形成する工程とを含み、
   前記複数の光導波路のうちの少なくとも１の光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離は、前記複数の光導波路のうちの他の光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離と異なる
   半導体レーザアレイの製造方法。
7. 前記段差部は、前記複数の光導波路のそれぞれに対応して複数形成され、
   前記複数の光導波路と対応する前記段差部とにより、レーザ素子が複数構成され、
   少なくとも１の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離は、他の前記レーザ素子における前記光導波路の幅方向の中心軸から前記段差部の幅方向の中心軸までの距離と異なる
   請求項６に記載の半導体レーザアレイの製造方法。
8. 前記複数の光導波路は、凸状のリッジストライプ型の光導波路である
   請求項６または７に記載の半導体レーザアレイの製造方法。
9. 前記基板の主面は、｛０００１｝面に概ね平行であり、
   前記光導波路は、＜１−１００＞方向に概ね平行に形成されている
   請求項６〜８のいずれかに記載の半導体レーザアレイの製造方法。