JP2013051319A

JP2013051319A - 光半導体レーザ素子の製造方法

Info

Publication number: JP2013051319A
Application number: JP2011188748A
Authority: JP
Inventors: Naoki Fujiwara; 直樹藤原; Masaki Kamitoku; 正樹神徳; Nobuhiro Kawaguchi; 悦弘川口
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】バットジョイント再成長工程において変調器層を再成長させることによる、選択成長マスク近傍の波長ずれを低減する。
【解決手段】バットジョイント再成長工程において変調器層を再成長させるとき、成長圧力条件を５０Ｔｏｒｒ以下にすることで、組成ずれや膜厚ずれを抑えられ、その結果波長ずれを低減することができる。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、光通信において光源として用いられる変調器機能付き半導体レーザ素子の製造方法に関する。

光通信の光源として用いられる変調器機能付き半導体レーザは、１０ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、４０ＧＨｚといった高速の光強度変調機能がある。

変調器機能付き半導体レーザ素子の作製では、まず、ＩｎＰに代表されるIII‐V族半導体基板上に、レーザとして駆動できる半導体層（以後、レーザ層と称する）を結晶成長し、このうち、レーザ層及び当該層以外に使用する領域を残して、その他の結晶成長した領域をドライエッチング及びウェットエッチングにより除去する。

エッチングに用いるエッチングマスクはＳｉＯ₂やＳｉＮｘ等のガラス質の膜を用いるが、当該膜はエッチング後に除去することなく、そのまま変調器となる層（以後、変調器層と称する）を結晶再成長する。その際、エッチングマスクはそのまま選択成長マスク（成長阻止マスクとも呼ばれる）となり、当該マスク以外の部分に選択的に変調器層が突き合わせ形で接合される。この結晶再成長方法をバットジョイント（Ｂｕｔｔ‐ｊｏｉｎｔ）再成長と呼び、バットジョイント再成長によって形成された層をバットジョイント層と呼ぶ。

このように作製された変調器機能付き半導体レーザ素子は、装荷型と呼ばれる積層構造のデバイスに比べ電気から光への変換効率が高く、高出力と消光特性が両立できる。

特開平２‐１７４１８０号公報特開２０００‐０４９１０２号公報特許第２９６７７３７号公報特許第２９００８２４号公報

通常、光通信用の変調器機能付き半導体レーザ素子の結晶成長は、ＭＯＶＰＥ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｅｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法、またはＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学蒸着）法によって行われるが、バットジョイント層として結晶再成長させた変調器層は、選択成長マスクに近づくにつれて、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐの混晶比（組成）が設計値からずれ、膜厚もずれることにより結晶品質が低下する。

さらに、組成ずれと膜厚ずれは共に波長のずれに寄与する。特に波長が長波長にシフトすることで光損失が増加、光出力が低下し、同時に変調効率も低下する。

ちなみに膜厚ずれの原因は、ＭＯＶＰＥまたはＭＯＣＶＤを行う際、選択成長マスク上ではＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐは結晶化せず、選択成長マスク上に飛来した当該原子は、当該マスクから移動し、バットジョイント層として結晶再成長させた変調器層に付着するが、このとき、当該原子は当該層全体に均一に拡散するのではなく、当該層の選択成長マスク近傍の部分に集中してしまうことによる。

また組成ずれの原因は、上記の選択成長マスク近傍のバットジョイント層（変調器層）部において、選択成長マスクから移動してきたＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐの、各原子の移動度に依存するマイグレーション長がそれぞれ異なることによる。

このため、通常は特に選択成長マスクの付近で組成ずれや膜厚ずれが発生し、結晶品質の低下や光学的な導波損失の増大が発生する。

ちなみに、波長ずれの程度はＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：フォトルミネッセンス）波長による測定にて確認することができる。

上述の問題の解決手段として、選択成長マスクパタンの面積を低減させ、結晶組成を安定させる方法（特許文献１参照）や、当該マスクパタンの形状を変化させることにより結晶混晶比を調整する方法（特許文献２〜４参照）等がある。

本発明は、上述のように選択成長マスクパタンを変化させるのではなく、変調器層再成長時の成長圧力条件をコントロールすることによって上述の問題を解決する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る変調器機能付き半導体レーザ素子の製造方法は、
バットジョイント再成長工程において変調器層を再成長させるとき、成長圧力条件を５０Ｔｏｒｒ以下にすることで、選択成長マスク近傍の波長ずれを低減することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る変調器機能付き半導体レーザ素子の製造方法は、
上記第１の発明に記載の変調器機能付き半導体レーザ素子の製造方法において、
前記成長圧力条件を３０Ｔｏｒｒ以下にすることで、選択成長マスク近傍の波長ずれを低減することを特徴とする。

本発明によれば、選択成長マスク近傍の組成ずれと膜厚ずれを抑えることができ、結果として光学的な導波損失の増大を低減することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施例１に係るバットジョイントマスクが装着された半導体レーザ素子を上から見た平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）中の一点鎖線で囲まれた部分ａの拡大図である。本発明の実施例１に係る半導体レーザ素子内のバットジョイント層のＰＬ波長測定結果のグラフである。従来技術による半導体レーザ素子内のバットジョイント層のＰＬ波長測定結果のグラフである。

本発明では、有機金属気相成長時の成長圧力を下げることにより、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐの各原子のマイグレーション長を増加（移動度を増加）させ、選択成長マスク近傍に集中していた当該原子を広範囲に拡散させることで、当該マスク近傍の局所的な組成ずれと膜厚ずれの両方を抑え、その結果波長ずれを低減することができる（但し、本発明はＭＯＶＰＥとＭＯＣＶＤのいずれにも適用可能である）。

以下、本発明に係る変調器機能付き半導体レーザ素子製造方法を、実施例により図面を用いて詳細に説明する。

本発明の実施例１に係る方法を以下に詳述する。図１（ａ）は半導体基板１を上から見た平面図である。半導体基板１上にエッチングマスク兼選択成長マスク（以後、バットジョイントマスクと称する）２が一定の間隔を空けて６×４０個並んでおり、図１（ａ）ではそれぞれの行と列に番号が振られている。このうち、１列目、２０列目、４０列目をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃと置く。有機金属気相成長法装置において、ＩｎＧａＡｌＡｓ混晶により構成されるレーザ層を成長した後、上述のバットジョイントマスク２を図１（ａ）に示すようにパターニングした。

バットジョイントマスク２で覆われた部分以外の不要なレーザ層は、ＣＨ₄及びＨ₂の混合ガスでドライエッチングし、ドライエッチングで除去できない当該レーザ層は、硫酸と過酸化水素水の混合溶液によりウェットエッチングで除去した。

その後、ＩｎＧａＡｌＡｓ混晶により構成される変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ‐ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡ変調器）層をバットジョイント層として再成長させたが、その際にバットジョイントマスクパタン幅は２７μｍ、長さは４００μｍで共通とした。

ここで、有機金属気相成長室の成長圧力条件として、従来の７０Ｔｏｒｒから３０Ｔｏｒｒに圧力を下げた。また、比較例として従来の７０Ｔｏｒｒでも同様の試験を行った。

図１（ｂ）はバットジョイントマスクとその周辺の領域ａの拡大図である。上述のように組成ずれや膜厚ずれによる波長ずれは主にバットジョイントマスク２近傍で起きるため、３０Ｔｏｒｒと７０Ｔｏｒｒのそれぞれの条件で成長させた試料に関し、図１（ｂ）のように、それぞれバットジョイントマスク２端からの距離を０μｍ〜２００μｍの間で複数箇所取り、それぞれＰＬ波長測定を行った。

０μｍと１００μｍの比較結果を表１に示す。表１に示すように、０μｍと１００μｍのＰＬ波長差は、従来の成長圧力条件７０Ｔｏｒｒでは１８ｎｍだったが、本実施例の成長圧力条件３０Ｔｏｒｒでは１０ｎｍとなり、ＰＬ波長のシフト量を約半分に抑えることが出来た。

ちなみに、バットジョイントマスク２端からの距離が０μｍと１００μｍのＰＬ波長差が１５ｎｍであるとき、０．５ｄＢの光学的過剰損失が生じ、これを超えると実用上問題となるので、上記ＰＬ波長差１５ｎｍを限度として規定する。ＰＬ波長差が１５ｎｍより大きければ光学損失は０．５ｄＢより大きくなり、また、１５ｎｍ以下なら光学損失は無視できるレベルとなる。

よって、成長圧力条件が７０Ｔｏｒｒのときは規定レベルを超えているが、３０Ｔｏｒｒのときは規定レベルを下回っていることがわかる。

また、図２ａ、図２ｂにバットジョイントマスク２端から０〜２００μｍの距離の間のＰＬ波長の距離依存性を示す。横軸の距離の取り方は、図１（ｂ）の目盛りに対応している。図１（ａ）における４‐Ａ、４‐Ｂ、４‐Ｃの各位置に設置された３つのバットジョイントマスク２につき、同様の試験を行った。従来の成長圧力７０Ｔｏｒｒでは、マスク近傍で局所的な長波長化が見られるが、本実施例の成長圧力３０Ｔｏｒｒでは、局所的な長波長化を低減できた。これは各原子のマイグレーション長が増加（移動度が増加）したためと考えられる。

これらの素子を用いて変調器機能付き半導体レーザ装置を作製した結果、ＥＡ変調器層の長波長シフトを抑制した本実施例による素子では、導波路損失が減少し、出力が約４０パーセント向上できた。

尚、本実施例では成長圧力条件を３０Ｔｏｒｒとして試験を行っているが、５０Ｔｏｒｒでも成長を行った結果、ＰＬ波長差が１５ｎｍの規定レベルに抑えることができ、光学損失の少ないバットジョイントマスクができた。

本発明は、光通信及び各種の光信号処理に用いられる半導体光レーザ素子の製造方法として好適である。

１半導体基板
２バットジョイントマスク
ａバットジョイントマスクとその周辺の領域

Claims

バットジョイント再成長工程において変調器層を再成長させるとき、成長圧力条件を５０Ｔｏｒｒ以下にすることで、選択成長マスク近傍の波長ずれを低減することを特徴とする変調器機能付き半導体レーザ素子の製造方法。
前記成長圧力条件を３０Ｔｏｒｒ以下にすることで、選択成長マスク近傍の波長ずれを低減することを特徴とする請求項１に記載の変調器機能付き半導体レーザ素子の製造方法。