JP2019201189A - 半導体レーザ素子の製造方法及びその半導体レーザ装置並びにガス分析装置 - Google Patents

半導体レーザ素子の製造方法及びその半導体レーザ装置並びにガス分析装置 Download PDF

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Abstract

【課題】導波路の後端面に従来よりも簡単に反射膜を形成できるようにする。【解決手段】基板２上に形成された積層構造体をエッチングにより格子状に区画してなる複数の導波路３Ｌを形成し、導波路３Ｌ内の光を反射する反射膜４を当該導波路３Ｌの表面に形成するようにした。【選択図】図８

Description

本発明は、半導体レーザ素子の製造方法及びその半導体レーザ装置並びにガス分析装置に関するものである。
導波路を有する半導体レーザ素子の製造において、より多くの光を取り出すべく、光射出面とは反対の後端面に反射膜を形成して、光を逃さないようにすることがある。
従来、このような反射膜の形成において、特許文献１に示すような治具が用いられている。具体的には、基板に複数の半導体層を積層してなる多層構造を形成し、この多層構造を所定の長さに劈開して光射出面や後端面を形成した後、これを上記の治具を用いて支持した状態で後端面に成膜する。
しかしながら、特許文献１に記載されているように、治具を用いた作業は精度が必要な繊細な作業であるうえ、端面に傷や汚れが生じるとレーザ特性が変わってしまい、正常な動作が得られない場合には、その半導体レーザ素子は不良品となる。
特開２００１−９４１９４号公報
そこで本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、導波路の後端面に従来よりも簡単に反射膜を形成できるようにすることをその主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に形成された積層構造体から半導体レーザ素子を製造する方法であって、前記積層構造体をエッチングにより格子状に区画してなる複数の導波路を形成するエッチング工程と、前記導波路内の光を反射する反射膜を当該導波路の表面に形成する反射膜形成工程とを備えることを特徴とする方法である。
このような半導体レーザ素子の製造方法であれば、格子状に区画された導波路の長手方向と交差する端面を、後に形成する光射出面とは反対側の後端面とすることで、後端面への反射膜の形成を、劈開により半導体レーザ素子部を形成する前に行うことができる。これにより、劈開の後に成膜する場合に必要な治具を不要にすることができ、後端面に従来よりも簡単に反射膜を形成することが可能となる。
さらに、導波路の後端面をエッチングにより形成しているので、後端面を劈開により形成する場合に比べて、後端面の位置決めを精密にすることができる。これにより、導波路の長さ、つまり光路長を精度良く所望の長さにすることができ、ばらつきの少ない光電気特性を得ることが可能となる。
加えて、一度の反射膜形成工程において導波路の長手方向に沿った側面及び導波路の長手方向と交差する端面に反射膜を一挙に形成することができ、これらの面に反射膜を別々に形成する場合に比べて、工程を減らすことができる。
より具体的には、前記エッチング工程において、前記導波路の長手方向に沿った側面及び前記導波路の長手方向と交差する端面を形成し、前記反射膜形成工程において、前記導波路の上面、前記長手方向に沿った側面、及び前記長手方向と交差する端面に前記反射膜を形成することが好ましい。
これならば、導波路の上面、側面、及び後端面に反射膜を一挙に形成することができ、反射膜を形成する工程の簡素化を図れる。
前記反射膜が形成された前記導波路を、前記長手方向と交差する方向に沿って劈開することで、前記導波路内の光を射出する光射出面を形成する劈開工程を備えることが好ましい。
このようにエッチング工程の後に光射出面を形成すれば、光射出面には反射膜が形成されず、光射出面から十分な光量の光を射出させることができる。
光射出面から射出される光の光量をさらに向上させるためには、前記導波路を通過して前記光射出面から射出される光の反射を防止する反射防止膜を、前記光射出面に形成する反射防止膜形成工程を備えることが好ましい。
ところで、上述したように後端面に反射膜を形成したとしても、この後端面からレーザ光が漏れる場合がある。そうすると、そのレーザ光が例えば半導体レーザ素子部を収容するケーシング内で乱反射して、ケーシングに形成された光射出窓に導かれ、ノイズが生じる恐れがある。
そこで、前記劈開工程において、前記格子状に区画された導波路を前記長手方向と交差する方向に劈開することで、前記長手方向に隣り合う一方の導波路の一部が、他方の導波路に対応する残存部として形成されることが好ましい。
このような方法であれば、後端面となる導波路の長手方向と交差する端面と対向する位置に残存部が形成されるので、この残存部により、後端面から漏れたレーザ光をカットすることができ、漏れたレーザ光が光射出窓に向かって乱反射してしまうことを防ぐことができる。
上述した残存部は、導波路と同じ層構成を有しているので、残存部の利用方法の一例としては、前記残存部が、前記半導体レーザ素子の温度を検出するための温度センサとして用いても良い。
これならば、半導体レーザ素子部を精度良く温度制御することができる。
前記エッチング工程において、前記基板上には、前記複数の導波路を格子状に区画する露出面が形成され、前記長手方向と交差する方向に隣り合う前記導波路を、前記長手方向に沿った前記露出面で分離する分離工程をさらに備えることが好ましい。
これならば、分離工程において複数の半導体素子を得ることができる。
また、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板と、前記基板上に設けられた半導体レーザ素子とを備える半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザ素子が、前記基板上に形成された積層構造体の一部からなる導波路と、前記導波路の長手方向に沿った側面及び当該長手方向と交差する端面に連続して一体的に形成され、前記導波路内の光を反射する反射膜とを有することを特徴とするものである。
さらに、本発明に係るガス分析装置は、ガスに含まれる測定対象成分を分析するガス分析装置であって、前記ガスが導入される測定セルと、前記測定セルにレーザ光を照射する上述の半導体レーザ装置と、前記測定セルを通過したレーザ光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出信号を用いて前記測定対象成分を分析する分析部とを有することを特徴とするものである。
このような構成であれば、劈開により半導体レーザ素子部を形成する前に成膜することができるので、上述した半導体レーザ装置の製造方法と同様、治具を不用にすることができ、後端面に従来よりも簡単に反射膜を形成することが可能となる。
このように構成した本発明によれば、半導体素子部の後端面に従来よりも簡単に反射膜を形成することができる。
本実施形態に係る半導体レーザ装置が用いられる排ガス分析装置の全体模式図。 同実施形態に係る半導体レーザ装置の全体模式図。 同実施形態に係る半導体レーザ装置の配置を模式的に示す平面図。 同実施形態に係る半導体レーザ素子部の光導波方向に直交する断面図。 同実施形態に係る半導体レーザ素子部のＡ−Ａ線断面図。 量子カスケードレーザの発光原理を示す図。 同実施形態に係る半導体レーザ素子部の製造プロセスの前段を示す模式図。 同実施形態に係る半導体レーザ素子部の製造プロセスの後段を示す模式図。 同実施形態に係る劈開位置示す模式図。 その他の実施形態に係る劈開位置示す模式図。
以下、本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体レーザ装置１００は、図１に示すように、例えば内燃機関から排出される排ガス中の測定対象成分を分析する排ガス分析装置１０に用いられるものである。ここで、排ガス分析装置１０は、排ガスが導入される多重反射型の測定セル１１と、測定セル１１にレーザ光を照射する半導体レーザ装置１００と、測定セル１１を通過したレーザ光を検出する光検出器１２と、光検出器１２の検出信号を用いて測定対象成分を分析する分析部１３とを有している。
具体的に半導体レーザ装置１００は、測定対象成分の吸収波長に対して±１ｃｍ−１の発振波長のレーザ光を射出するものであり、図２及び図３に示すように、ＩｎＰ基板などの半導体基板２と、当該半導体基板２上に形成された半導体レーザ素子部３とを有している。
なお、半導体レーザ素子部３が設けられた半導体基板２は、バタフライパッケージ等の気密容器５内に収容されている。この気密容器５において半導体レーザ素子部３の光出射面３ｘに対向する部位には、レーザ光を外部に導出するための光導出部５１が形成されている。当該光導出部５１には、光学窓部材６が設けられており、当該光学窓部材６は、光学窓部材６で反射したレーザ光が再度半導体レーザ素子部３に戻らないように、若干（例えば２度）傾斜している。その他、半導体レーザ素子部３を冷却するための冷却モジュール７なども気密容器５に収容されている。
半導体レーザ素子部３は、図４及び図５に示すように、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ：Distributed Feedback Laser）であり、半導体基板２上に設けられたクラッド層とコア層とから構成される導波路３Ｌを備えている。この導波路３Ｌにおいてクラッド層の屈折率とコア層の屈折率との違いにより光がコア層を通過する。
具体的に半導体レーザ素子部３は、半導体基板２の上面にバッファ層３１、コア層３２、上部クラッド層３３及びキャップ層３４がこの順に形成されたものである。また、これらの層３１〜３４はいずれも同一方向に延在している。
バッファ層３１及び上部クラッド層３３はいずれもＩｎＰからなる層である。なお、バッファ層３１とコア層３２との間にＩｎＰからなる下部クラッド層を設けても良いし、バッファ層３１をクラッド層として機能させてもよい。
キャップ層３４はＩｎＧａＡｓからなる層であり、その上面の一部（幅方向中央部）は、上部電極９１により覆われている。
コア層３２は、ＩｎＧａＡｓからなる下部ガイド層３２１と、電流が注入されることにより光を発する活性層３２２と、ＩｎＧａＡｓからなる上部ガイド層３２３とを有している。
活性層３２２は、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造からなるものであり、発光領域となる半導体層と、注入領域となる半導体層とが所定数交互に積層されて構成されている。なお、発光領域となる半導体層は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとが交互に積層して構成されており、注入領域となる半導体層は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとが交互に積層して構成されている。
このように構成された半導体レーザ素子部は、図６に示すように、複数の井戸層が多段接続されており、それら量子井戸中に形成されるサブバンド間の光学遷移により光を発する量子カスケードレーザである。
この半導体レーザ素子部３においてコア層３２と上部クラッド層３３との間、つまり、上部ガイド層３２３上に回折格子３Ｍが形成されている（図５参照）。この回折格子３Ｍは、上部ガイド層３２３に交互に形成された凹部及び凸部により構成されており、凹部及び凸部は上部ガイド層３２３の幅方向に延びている。この回折格子３Ｍにより所定の発振波長の光が強め合って選択的に増幅される。なお、所定の発振波長は、回折格子３Ｍのピッチにより規定される。
半導体基板２の下面において半導体レーザ素子部３の下方に位置する部分には下部電極９２が設けられている。そして、上部電極９１及び下部電極９２にレーザ発振用の電流（又は電圧）を与えることによって、回折格子３Ｍにより規定された所定の発振波長が射出される。レーザ発振用の上部電極９１及び下部電極９２には電流源（又は電圧源）が接続されており、レーザ制御装置８がその電流源（又は電圧源）を制御する（図２参照）。
そして、上述した半導体レーザ素子部３には、導波路３Ｌを覆うように光を反射する反射膜４が設けられている。ここでは、この反射膜４の形成方法が特徴的であるので、以下に図７〜図９を参照しながら半導体レーザ装置１００の製造方法について詳述する。
＜半導体レーザ装置の製造方法＞
まず、図７に示すように、半導体基板２を準備し、その半導体基板２の上面に、バッファ層３１となるＩｎＰ層、下部ガイド層３２１となるＩｎＧａＡｓ層、活性層３２２となるＩｎＧａＡｓ層及びＩｎＡｌＡｓ層及び上部ガイド層３２３となるＩｎＧａＡｓ層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により結晶成長させて積層する。
次に、上部ガイド層３２３の上面に、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより回折格子３Ｍを形成する。そして、上部ガイド層３２３の上部に上部クラッド層３３となるＩｎＰ層及びキャップ層３４となるＩｎＧａＡｓ層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により結晶成長させて積層する。
このように形成された積層構造体に対して、図８及び図９に示すように、ウェットエッチング又はドライエッチングを行って導波路３Ｌを形成する。
具体的にこのエッチング工程では、上述の積層構造体をエッチングすることで格子状に区画してなる複数の導波路３Ｌを形成する。つまり、複数の導波路３Ｌは、基板２表面に形成された露出面２１により格子状に区画されている。このエッチングにより、導波路３Ｌの長手方向に沿った側面３ａそれぞれと、導波路３Ｌの長手方向と交差する端面３ｃとが形成される。この端面３ｃは、後に形成される光射出面３ｘの反対側の面となり、導波路３Ｌの後端面３ｃである。
このように導波路３Ｌの長手方向に沿った側面３ａ及び長手方向と交差する後端面３ｃを形成した後、導波路３Ｌを覆うように導波路３Ｌの表面に反射膜４を形成する。具体的には、スパッタ、蒸着、ＰＣＶＤなどによる成膜装置を用いて、導波路３Ｌの幅方向の側面３ａ及び上面３ｂの一部（幅方向両側）に反射膜４を成膜する。
なお、本実施形態の反射膜４は、無機膜であり、例えばＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＳｉ３Ｎ４等の組み合わせからなる誘電体膜であっても良いし、Ａｕ膜等の金属膜であっても良いし、誘電体膜及び金属膜を重ね合わせたものであっても良い。
そして、この成膜工程において、図８及び図９に示すように、半導体レーザ素子部３の後端面３ｃにも反射膜４が成膜される。これにより、反射膜４は、導波路３Ｌの側面３ａ、上面３ｂ及び後端面３ｃに一体的に連続して形成されたものとなる。なお、この反射膜４は、上述した半導体基板２の露出面２１にも一体的に連続して形成される。
その後、導波路３Ｌを劈開して光射出面３ｘを形成する。具体的には、上述した後端面３ｃから光射出側に導波路３Ｌの長手方向に沿って所定長さ離れた劈開位置Ｐで導波路３Ｌを長手方向と交差する方向（幅方向）に劈開する。これにより、光射出面３ｘが形成されるとともに導波路３Ｌが所望の長さとなる。
本実施形態の劈開位置Ｐは、図９に示すように、長手方向に隣り合った２つの導波路３Ｌに着目すれば、これらの導波路３Ｌの光射出面３ｘを形成するための劈開位置Ｐは、これらの半導体素子部３の間に形成された露出面２１を跨ぐように設定されている。これにより、図８に示すように、導波路３Ｌの後端面３ｃよりもさらに後方には、この半導体レーザ素子部３と隣り合う半導体レーザ素子部の一部が取り残されてなる残存部Ｚが形成される。言い換えれば、上述の劈開により、長手方向に隣り合った一方の導波路３Ｌの一部が、他方の導波路３Ｌに対応する残存部として形成される。なお、図８に示すように、この残存部Ｚの後端面３ｃと対向する対向面Ｚａには、上述した反射膜４が形成されている。
その後、光射出面３ｘから射出される光の光量を向上させるべく、光射出面３ｘに反射防止膜ＡＲをコーティングする。
そして、図９に示すように、導波路３Ｌの長手方向と交差する方向に隣り合う導波路３Ｌを、長手方向に沿った露出面２１で分離する。具体的な分離方法としては、半導体基板２を長手方向に沿った露出面２１でダイシング（切断）しても良いし、劈開しても良いし、割っても良い。これにより、基板上に半導体レーザ素子部３と残存部Ｚとが形成された１つの半導体レーザ素子が得られる。
このように形成された半導体レーザ素子部３に対して上部電極９１及び下部電極９２を形成し、この半導体レーザ素子を、冷却モジュール７に搭載された状態で気密容器５内に配置する。
＜本実施形態の効果＞
このような半導体レーザ装置１００の製造方法であれば、導波路３Ｌの後端面３ｃをエッチングにより形成した後、導波路３Ｌの側面３ａや上面３ｂに反射膜４を成膜するので、その反射膜４が後端面３ｃにも連続して一体的に形成される。これにより、後端面３ｃに反射膜４を形成するための特別な治具は不要であり、従来よりも簡単に後端面３ｃに反射膜４を形成することが可能となる。
さらに、後端面３ｃをエッチングにより形成しているので、後端面３ｃを劈開により形成する場合に比べて、後端面３ｃの位置決めを精密にすることができる。これにより、導波路３Ｌの長さ、つまり光路長を精度良く所望の長さにすることができ、ばらつきの少ない光電気特性を得ることが可能となる。
そのうえ、半導体レーザ素子部３の光射出面３ｘを形成する劈開工程において、長手方向に隣り合う導波路３Ｌを切り離すことができるので、工程の簡素化を図れる。
加えて、導波路３Ｌの後端面３ｃの後方に残存部Ｚを設けることにより、この後端面３ｃから光が漏れたとしても、その光を残存部Ｚによってカットすることができる。これにより、後端面３ｃから漏れた光が気密容器５内で光学窓部材６に向かって乱反射することを防ぐことができ、ノイズの発生を抑えることができる。
＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態で形成された残存部Ｚを用いて半導体レーザ素子部３の温度を検出できるようにしても良い。
具体的には、半導体レーザ素子部３と同様に、残存部Ｚに上部電極及び下部電極を設け、これらの電極に温度検出用の電流（又は電圧）を与える。そして、残存部Ｚの抵抗値を算出することで、算出された抵抗値と、例えば所定の抵抗値−温度換算式とを用いて残存部Ｚの温度を算出することができる。
このように残存部Ｚの温度を算出すれば、半導体レーザ素子部３と残存部Ｚとが同じ層構成を有しているので、残存部３の温度を半導体レーザ素子部３の温度とみなすことができ、半導体レーザ素子部３を精度良く温度制御することができる。
前記実施形態では、劈開位置Ｐを後端面３ｃよりも光射出側であって、露出面２１よりは後側に設定していたが、図１０の上段に示すように、劈開位置Ｐは露出面２１内に設定されていても良い。
これならば、残存部Ｚが発生しないので、レーザ素子部３を効率良く製造することができる。
また、別の態様としては、図１０の下段に示すように、劈開位置Ｐが、劈開前の積層構造体の長手方向中央部を通るように設定されている態様が挙げられる。
これならば、劈開位置Ｐで劈開することで、劈開位置Ｐの前後においてほぼ同じ長さの半導体レーザ素子部３を形成することができるので、残存部Ｚが発生せず、レーザ素子部３を効率良く製造することができる。
前記実施形態では、半導体レーザ素子部３の側面３ａ及び後端面３ｃを同じエッチング工程で形成していたが、側面３ａ及び後端面３ｃを別々のエッチングによって形成しても良い。
前記実施形態では、量子カスケードレーザ素子を有する半導体レーザ装置について説明したが、その他の半導体レーザ素子（例えば分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ））を有するものであっても良い。
半導体レーザ素子部３の駆動方式としては、連続発振（ＣＷ）方式であっても良いし、疑似連続発振（疑似ＣＷ）方式であっても良いし、パルス発振方式であっても良い。
前記実施形態では、半導体レーザ装置をガス分析装置に適用した例を説明したが、その他の光学分析装置に適用しても良いし、光通信用途に用いられるものであっても良い。
また、分析対象は、排ガスに限らず、大気などの種々の気体であっても良いし、液体であっても構わない。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・半導体レーザ装置
２ ・・・半導体基板
３ ・・・半導体レーザ素子部
３ｘ ・・・光射出面
３ａ ・・・側面
３ｂ ・・・上面
３ｃ ・・・後端面
４ ・・・反射膜
ＡＲ ・・・反射防止膜

Claims (9)

  1. 基板上に形成された積層構造体から半導体レーザ素子を製造する方法であって、
    前記積層構造体をエッチングにより格子状に区画してなる複数の導波路を形成するエッチング工程と、
    前記導波路内の光を反射する反射膜を当該導波路の表面に形成する反射膜形成工程とを備える、半導体レーザ素子の製造方法。
  2. 前記エッチング工程において、前記導波路の長手方向に沿った側面及び前記導波路の長手方向と交差する端面を形成し、
    前記反射膜形成工程において、前記導波路の上面、前記長手方向に沿った側面、及び前記長手方向と交差する端面に前記反射膜を形成する、請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  3. 前記反射膜が形成された前記導波路を、前記長手方向と交差する方向に沿って劈開することで、前記導波路内の光を射出する光射出面を形成する劈開工程を備える、請求項１又は２記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  4. 前記導波路を通過して前記光射出面から射出される光の反射を防止する反射防止膜を、前記光射出面に形成する反射防止膜形成工程を備える、請求項３記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  5. 前記劈開工程において、前記格子状に区画された導波路を前記長手方向と交差する方向に劈開することで、前記長手方向に隣り合う一方の導波路の一部が、他方の導波路に対応する残存部として形成される、請求項３又は４記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  6. 前記残存部は、前記半導体レーザ素子の温度を検出するための温度センサとなる、請求項５記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  7. 前記エッチング工程において、前記基板上には、前記複数の導波路を格子状に区画する露出面が形成され、
    前記長手方向と交差する方向に隣り合う前記導波路を、前記長手方向に沿った前記露出面で分離する分離工程をさらに備える、請求項１乃至６の記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  8. 基板と、前記基板上に設けられた半導体レーザ素子とを備える半導体レーザ装置であって、
    前記半導体レーザ素子が、
    前記基板上に形成された積層構造体の一部からなる導波路と、
    前記導波路の長手方向に沿った側面及び当該長手方向と交差する端面に連続して一体的に形成され、前記導波路内の光を反射する反射膜とを有する、半導体レーザ装置。
  9. ガスに含まれる測定対象成分を分析するガス分析装置であって、
    前記ガスが導入される測定セルと、
    前記測定セルにレーザ光を照射する請求項８記載の半導体レーザ装置と、
    前記測定セルを通過したレーザ光を検出する光検出器と、
    前記光検出器の検出信号を用いて前記測定対象成分を分析する分析部とを有する、ガス分析装置。
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