JP2021068820A - 半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法 Download PDF

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友樹 伊藤
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Abstract

【課題】光変調部の消光比を大きくできる半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、活性層を含むレーザ部と、前記半導体基板上に設けられ、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部と、を備える。前記光吸収層は、第１光吸収層と第２光吸収層とを備える。前記活性層、前記第１光吸収層及び前記第２光吸収層は、光導波方向に順に配置されている。前記第１光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長を有する。前記第２光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第２波長を有する。前記第２波長が前記第１波長よりも大きい。【選択図】図２

Description

本開示は、半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法に関する。
特許文献１は、レーザ部と電界吸収型の光変調部とを備える半導体レーザ素子を開示する。
特開２０１１−１５５１５７号公報 特開２０１３−５１３１９号公報
上記半導体レーザ素子では、光変調部に電圧が印加されないとき、レーザ部から出射されたレーザ光が、光変調部の入射端に入射し、光変調部を通って光変調部の出射端から外部に出射される（ＯＮ状態）。光変調部に電圧が印加されると、レーザ光は光変調部の光吸収層によって吸収されるため、レーザ光の大部分は外部に出射されない（ＯＦＦ状態）。上記半導体レーザ素子では、レーザ光の強度は、光変調部の入射端から出射端に向かって指数関数的に減少する。そのため、光変調部の出射端では、レーザ光の強度を十分に低くできない。すなわち、ＯＮ状態とＯＦＦ状態のレーザ光の強度の比である消光比を大きくできない。
本開示は、光変調部の消光比を大きくできる半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
本開示の一側面に係る半導体レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、活性層を含むレーザ部と、前記半導体基板上に設けられ、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部と、を備え、前記光吸収層は、第１光吸収層と第２光吸収層とを備え、前記活性層、前記第１光吸収層及び前記第２光吸収層は、光導波方向に順に配置されており、前記第１光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長を有し、前記第２光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第２波長を有し、前記第２波長が前記第１波長よりも大きい。
本開示の一側面に係る半導体レーザ素子の製造方法は、活性層を含むレーザ部と、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部とを備える半導体レーザ素子の製造方法であって、第１方向に順に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含む主面を有する半導体基板の前記主面上に、前記活性層のための第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層のうち前記第１領域上に位置する第１部分上に、前記活性層のための第１マスクパターンを形成し、前記第１半導体層のうち前記第３領域上に位置する第２部分上に、第２マスクパターンを形成する工程と、前記第１マスクパターン及び前記第２マスクパターンを用いて、前記第１半導体層のうち前記第２領域上に位置する第３部分をエッチングする工程と、前記第３部分をエッチングした後、前記第１マスクパターン及び前記第２マスクパターンを用いて、前記第２領域上に、前記光吸収層のための第２半導体層を成長する工程と、を含む。
本開示によれば、光変調部の消光比を大きくできる半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法が提供され得る。
図１は、一実施形態に係る半導体レーザ素子を模式的に示す斜視図である。 図２の（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図であり、（ｃ）は、図１のＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿った断面図である。 図３は、光導波方向に沿ったフォトルミネッセンス波長（ＰＬ波長）及び光強度のプロファイルの例を示す図である。 図４は、光導波方向に沿って変化するＰＬ波長の一実施例を示すグラフである。 図５は、波長と光吸収量との間の関係の一例を示すグラフである。 図６の（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線に沿った断面図である。 図７の（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線に沿った断面図である。 図８の（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿った断面図である。 図９の（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿った断面図である。 図１０は、第１方向に沿ったＰＬ波長のプロファイルを示すグラフである。 図１１の（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿った断面図である。 図１２の（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線に沿った断面図である。
［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る半導体レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、活性層を含むレーザ部と、前記半導体基板上に設けられ、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部と、を備え、前記光吸収層は、第１光吸収層と第２光吸収層とを備え、前記活性層、前記第１光吸収層及び前記第２光吸収層は、光導波方向に順に配置されており、前記第１光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長を有し、前記第２光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第２波長を有し、前記第２波長が前記第１波長よりも大きい。
上記半導体レーザ素子によれば、レーザ部から出射されたレーザ光が、第１光吸収層の入射端に入射し、第１光吸収層及び第２光吸収層を通って第２光吸収層の出射端に到達する。光吸収層は電圧印加されることによりレーザ光を吸収する。上記半導体レーザ素子では、第２光吸収層が、第１波長よりも大きい第２波長を有しているので、光吸収層全体が第１波長を有する場合に比べて、光吸収層における光吸収量が大きくなる。よって、第２光吸収層の出射端におけるレーザ光の強度を低くすることができ、光変調部の消光比を大きくすることができる。
前記第２波長が、前記光導波方向において前記第２光吸収層の入射端から出射端まで単調増加してもよい。この場合、第２光吸収層の出射端におけるレーザ光の強度をより低くすることができる。
前記光導波方向における前記第１光吸収層の長さをＬ１、前記光導波方向における前記第２光吸収層の長さをＬ２とした場合、Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の値が０．０５以上であってもよい。この場合、第２光吸収層の出射端におけるレーザ光の強度をより低くすることができる。
前記光導波方向における前記第２光吸収層の出射端が、前記半導体レーザ素子の出射端となってもよい。この場合、第２光吸収層の出射端からレーザ光が外部に直接出射される。
一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、活性層を含むレーザ部と、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部とを備える半導体レーザ素子の製造方法であって、第１方向に順に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含む主面を有する半導体基板の前記主面上に、前記活性層のための第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層のうち前記第１領域上に位置する第１部分上に、前記活性層のための第１マスクパターンを形成し、前記第１半導体層のうち前記第３領域上に位置する第２部分上に、第２マスクパターンを形成する工程と、前記第１マスクパターン及び前記第２マスクパターンを用いて、前記第１半導体層のうち前記第２領域上に位置する第３部分をエッチングする工程と、前記第３部分をエッチングした後、前記第１マスクパターン及び前記第２マスクパターンを用いて、前記第２領域上に、前記光吸収層のための第２半導体層を成長する工程と、を含む。
上記半導体レーザ素子の製造方法によれば、第２半導体層を成長する際に、第２マスクパターンから離れた第１光吸収層がフォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長を有し、第２半導体層のうち第２マスクパターンに近い第２光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られ第１波長よりも大きい第２波長を有する。よって、得られる半導体レーザ素子の光変調部は、第１波長を有する第１光吸収層と、第１波長よりも大きい第２波長を有する第２光吸収層とを備えることになる。したがって、得られる半導体レーザ素子では、第２光吸収層が、第１波長よりも大きい第２波長を有しているので、光吸収層全体が第１波長を有する場合に比べて、第２光吸収層における光吸収量が大きくなる。よって、第２光吸収層の出射端におけるレーザ光の強度を低くすることができ、光変調部の消光比を大きくできる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。
図１は、一実施形態に係る半導体レーザ素子を模式的に示す斜視図である。図１にはＸＹＺ直交座標系が示される。図２の（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線に沿った断面図であり、（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図であり、（ｃ）は、図１のＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿った断面図である。図１に示される半導体レーザ素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板１０上に設けられたレーザ部２０と、半導体基板１０上に設けられ、レーザ部２０からのレーザ光Ｌを変調する光変調部３０とを備える。半導体基板１０はＸＹ平面に沿って延在している。半導体レーザ素子１００は、半導体基板１０上に設けられ、レーザ部２０と光変調部３０との間に配置される導波路部４０を更に備え得る。レーザ部２０、導波路部４０及び光変調部３０は、半導体レーザ素子１００の光導波方向Ａｘ（Ｘ軸方向）に沿って順に配列される。レーザ部２０から出射されたレーザ光Ｌは、光導波方向Ａｘに沿って進み、導波路部４０及び光変調部３０を通って半導体レーザ素子１００の外部に出射される。光導波方向Ａｘに沿った半導体レーザ素子１００の長さは、例えば４００〜８００μｍである。光導波方向Ａｘに直交する半導体レーザ素子１００の幅（Ｙ軸方向の長さ）は、例えば２００〜３００μｍである。
半導体基板１０は、例えばｎ−ＩｎＰ基板等の第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板である。
レーザ部２０は、半導体基板１０上に順に設けられた、回折格子層２１、下部クラッド層２３、活性層２５、上部クラッド層２７、コンタクト層２９及び第１電極Ｅ１を備え得る。回折格子層２１、下部クラッド層２３、活性層２５、上部クラッド層２７及びコンタクト層２９は、光導波方向Ａｘに延びる半導体メサＭ２０を構成する。半導体メサＭ２０の幅（Ｙ軸方向の長さ）は、例えば１〜２μｍである。半導体メサＭ２０は、半絶縁性半導体埋込領域６０によって埋め込まれる。半絶縁性半導体埋込領域６０上には絶縁層７０が配置される。絶縁層７０上には第１電極Ｅ１が配置される。絶縁層７０は、コンタクト層２９上に位置する開口７０ａ（図２参照）を有する。開口７０ａにおいて、第１電極Ｅ１はコンタクト層２９に接触する。半導体基板１０の裏面には第３電極Ｅ３が設けられる。光導波方向Ａｘに沿ったレーザ部２０の長さは、例えば３００〜６００μｍである。
回折格子層２１は、例えばｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層等の第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。回折格子層２１は、光導波方向Ａｘに沿って配列された複数の溝部２１ａを有する。各溝部２１ａは、光導波方向Ａｘに交差する方向（Ｙ軸方向）に延在している。複数の溝部２１ａによって回折格子が形成される。
下部クラッド層２３は、例えばｎ−ＩｎＰ層等の第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。下部クラッド層２３は、回折格子層２１の複数の溝部２１ａを埋め込む。
活性層２５は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層２５では、複数の井戸層及び複数の障壁層が、交互に配列される。活性層２５は、例えばＧａＩｎＡｓＰ系又はＡｌＩｎＧａＡｓ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。活性層２５は、第１電極Ｅ１と第３電極Ｅ３との間の順バイアスの印加電圧に応じてレーザ光Ｌを生成することができる。レーザ光Ｌの発振波長は例えば１３００ｎｍであってもよいし、１５５０ｎｍであってもよい。
上部クラッド層２７は、例えばｐ−ＩｎＰ層等の第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。下部クラッド層２３及び上部クラッド層２７によってコア層である活性層２５内にレーザ光Ｌが閉じ込められる。
コンタクト層２９は、例えばｐ−ＧａＩｎＡｓ層等の第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。
半絶縁性半導体埋込領域６０は、例えば半絶縁性ＩｎＰ領域である。絶縁層７０は、例えばＳｉＯ２層等の無機絶縁層である。第１電極Ｅ１及び第３電極Ｅ３は、それぞれ金を含む金属層である。
光変調部３０は、電界吸収型の光変調部である。光変調部３０は、半導体基板１０上に順に設けられた、半導体層３１、下部クラッド層３３、光吸収層３５、上部クラッド層３７、コンタクト層３９及び第２電極Ｅ２を備え得る。半導体層３１、下部クラッド層３３、光吸収層３５、上部クラッド層３７及びコンタクト層３９は、光導波方向Ａｘに延びる半導体メサＭ３０を構成する。半導体メサＭ３０の幅（Ｙ軸方向の長さ）は、例えば１〜２μｍである。図１に示されるように、半絶縁性半導体埋込領域６０は、半導体メサＭ３０の両側面を覆う被覆層を有している。半導体メサＭ３０及び半絶縁性半導体埋込領域６０の被覆層は、絶縁性樹脂埋込領域５０によって埋め込まれる。絶縁性樹脂埋込領域５０は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂領域である。絶縁性樹脂埋込領域５０と半絶縁性半導体埋込領域６０との間には、絶縁層７０が介在している。絶縁層７０は、絶縁性樹脂埋込領域５０と半導体基板１０との間にも介在している。半導体メサＭ３０上には、絶縁層７０の開口７０ｂを介して第２電極Ｅ２が配置される。開口７０ｂにおいて、第２電極Ｅ２はコンタクト層３９に接触する。光導波方向Ａｘに沿った光変調部３０の長さは、例えば５０〜２００μｍである。
半導体層３１、下部クラッド層３３、上部クラッド層３７及びコンタクト層３９は、回折格子層２１、下部クラッド層２３、上部クラッド層２７及びコンタクト層２９とそれぞれ同じ半導体材料を含む。第２電極Ｅ２は金を含む金属層である。
光吸収層３５は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。光吸収層３５では、複数の井戸層及び複数の障壁層が、交互に配列される。光吸収層３５は、例えばＧａＩｎＡｓＰ系又はＡｌＧａＡｓＰ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む。光吸収層３５は、第２電極Ｅ２と第３電極Ｅ３との間の印加電圧に応じてレーザ光Ｌを吸収及び変調することができる。具体的には、第２電極Ｅ２と第３電極Ｅ３との間に逆バイアスの電圧が印加されると、光吸収層３５はレーザ光Ｌを吸収する。第２電極Ｅ２と第３電極Ｅ３との間に電圧が印加されていないと（ＯＮ状態）、光吸収層３５はレーザ光Ｌを透過する。
光吸収層３５は、第１光吸収層３５ａと第２光吸収層３５ｂとを備える。レーザ部２０の活性層２５、第１光吸収層３５ａ及び第２光吸収層３５ｂは、光導波方向Ａｘに沿って順に配置されている。第１光吸収層３５ａは、光導波方向Ａｘにおいて、入射端３５ａ１と出射端３５ａ２とを有する。第２光吸収層３５ｂは、光導波方向Ａｘにおいて、入射端３５ｂ１と出射端３５ｂ２とを有する。第１光吸収層３５ａの出射端３５ｂ２は、第２光吸収層３５ｂの入射端３５ｂ１と接続される。第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２は、半導体レーザ素子１００の出射端となってもよい。第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２に反射防止膜が設けられてもよい。
光導波方向Ａｘにおける第１光吸収層３５ａの長さをＬ１、光導波方向Ａｘにおける第２光吸収層３５ｂの長さをＬ２とした場合、Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の値は０．０５以上であってもよいし、０．２以上であってもよい。Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の値は１．０以下であってもよいし、０．５以下であってもよい。Ｌ２は、例えば１０〜１００μｍである。Ｌ１＋Ｌ２は、例えば５０〜２００μｍである。
導波路部４０は、半導体基板１０上に順に設けられた、半導体層４１、下部クラッド層４３、導波路層４５及び上部クラッド層４７を備え得る。半導体層４１、下部クラッド層４３、導波路層４５及び上部クラッド層４７は、半導体メサＭ４０を構成する。半導体メサＭ４０は、半導体メサＭ２０と半導体メサＭ３０との間に位置する。半絶縁性半導体埋込領域６０は、半導体メサＭ４０の両側面を覆う被覆層を有する。半導体メサＭ４０及び半絶縁性半導体埋込領域６０の被覆層は、絶縁性樹脂埋込領域５０によって埋め込まれる。絶縁性樹脂埋込領域５０と半絶縁性半導体埋込領域６０との間には、絶縁層７０が介在している。光導波方向Ａｘに沿った導波路部４０の長さは、例えば２０〜１５０μｍである。導波路層４５は、例えばＧａＩｎＡｓＰバルク層である。半導体層４１、下部クラッド層４３及び上部クラッド層４７は、回折格子層２１、下部クラッド層２３及び上部クラッド層２７とそれぞれ同じ半導体材料を含む。
図３は、光導波方向に沿ったＰＬ波長及び光変調部３０に電圧が印加された状態（ＯＦＦ状態）における光強度のプロファイルの例を示す図である。横軸は、光導波方向Ａｘに沿った位置を示す。縦軸は、フォトルミネッセンス測定によって得られる波長（ＰＬ波長）及び光強度Ｉを示す。図３には、フォトルミネッセンス測定によって得られるＰＬ波長のプロファイルＰ１と、レーザ光Ｌの光強度ＩのプロファイルＰ２とが示されている。
プロファイルＰ１に着目すると、第１光吸収層３５ａは、フォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長λＥＡ１を有する。第２光吸収層３５ｂは、フォトルミネッセンス測定によって得られる第２波長λＥＡ２を有する。第２波長λＥＡ２は第１波長λＥＡ１よりも大きい。第２波長λＥＡ２と第１波長λＥＡ１との差分は例えば１０〜２０ｎｍである。第２波長λＥＡ２が第１波長λＥＡ１よりも大きくなるのは、第１光吸収層３５ａと第２光吸収層３５ｂとの間で膜厚及び組成（例えばＧａＩｎＡｓＰ系又はＡｌＧａＡｓＰ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成）が異なるためと考えられる。第２波長λＥＡ２を測定する際のフォトルミネッセンス測定は、第１波長λＥＡ１を測定する際のフォトルミネッセンス測定と同一条件で行われる。フォトルミネッセンス測定は、第１光吸収層３５ａ及び第２光吸収層３５ｂの上に上部クラッド層３７の一部が形成された状態で行われる。第１波長λＥＡ１は、光導波方向Ａｘに沿った任意の位置で測定されてもよい。本実施例において、第１波長λＥＡ１は、第１光吸収層３５ａの出射端３５ａ２において測定される。第１波長λＥＡ１は、例えば、光導波方向Ａｘにおいて第１光吸収層３５ａの入射端３５ａ１から出射端３５ａ２まで一定である。第２波長λＥＡ２は、光導波方向Ａｘに沿った任意の位置で測定されてもよい。本実施例において、第２波長λＥＡ２は、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２において測定される。第２波長ＥＡ２は、例えば、光導波方向Ａｘにおいて第２光吸収層３５ｂの入射端３５ｂ１から出射端３５ｂ２まで単調増加している。第２波長ＥＡ２が光導波方向Ａｘにおける位置によって変化するのは、第２光吸収層３５ｂの膜厚及び組成（例えばＧａＩｎＡｓＰ系又はＡｌＧａＩｎＡｓ系のＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成）が光導波方向Ａｘの位置によって変化するためと考えられる。本実施例において、導波路層４５は、第１波長λＥＡ１よりも小さい波長λＷＧを有する。波長λＷＧは、例えば、光導波方向Ａｘにおける導波路層４５の長さにわたって一定である。本実施例において、活性層２５は、第２波長λＥＡ２よりも大きい波長λＬＤを有する。波長λＬＤは、例えば、光導波方向Ａｘにおいて活性層２５の長さにわたって一定である。
プロファイルＰ２に着目すると、本実施例において、活性層２５と導波路層４５との境界においてレーザ光Ｌの光強度ＩはＩ０である。導波路層４５はレーザ光Ｌを吸収しない。光変調部３０に電圧が印加されている場合、第１光吸収層３５ａの入射端３５ａ１から出射端３５ａ２まで、光強度Ｉは指数関数的に減少する。第１光吸収層３５ａの光吸収係数をα１、光導波方向Ａｘにおける位置をｘとすると、光強度Ｉは、ｅｘｐ（−α１ｘ）に比例する。第２光吸収層３５ｂにおいても、入射端３５ｂ１から出射端３５ｂ２まで、光強度Ｉは指数関数的に減少する。第２光吸収層３５ｂの光吸収係数をα２、光導波方向Ａｘにおける位置をｘとすると、光強度Ｉは、ｅｘｐ（−α２ｘ）に比例する。ただし、α２は、ｘの関数となる。α２はα１よりも大きい。第２光吸収層３５ｂは、第１波長λＥＡ１よりも大きい第２波長λＥＡ２を有しているので、第２光吸収層３５ｂにおいてＯＦＦ状態における光強度Ｉをより低くできる。これにより、光変調部３０の消光比を大きくできる。
図４は、光導波方向Ａｘに沿って変化するＰＬ波長の一実施例を示すグラフである。横軸は、光導波方向Ａｘに沿った位置を示す。位置０が第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２の位置に対応する。横軸の数値が大きくなるほど光吸収層３５内において出射端３５ｂ２から離れる。縦軸は、フォトルミネッセンス測定によって得られる第２波長λＥＡ２と第１波長λＥＡ１との差分Δλを示す。図４に示されるように、本実施例では、第２波長λＥＡ２と第１波長λＥＡ１との差分は、１５ｎｍ程度である。光導波方向Ａｘにおける第２光吸収層３５ｂの長さＬ２は、８０〜９０μｍ程度である。本実施例において、第１光吸収層３５ａの第１波長λＥＡ１は１２５０ｎｍであり、活性層２５の波長λＬＤは１３００ｎｍである。本実施例のフォトルミネッセンス測定は、以下のように行われる。フォトルミネッセンス測定に供されるサンプルは、半導体基板１０上に、光吸収層３５のＭＱＷ構造と上部クラッド層３７の一部とをバットジョイント成長させたものである。このサンプルにおける上部クラッド層３７の厚さは１００〜２００ｎｍである。バットジョイント成長させた層の合計の厚さは約４００ｎｍである。図４の横軸のｘ＝０は、バットジョイント成長に用いたマスクの端の位置に相当する。フォトルミネッセンス測定は、サンプルの表面に励起レーザを照射して行う。測定において、励起レーザの波長が５３２ｎｍ、励起レーザのパワーが１．５ｍＷ、励起レーザの照射スポット径が１０μｍ、露光時間が０．０２秒である。ＩｎＧａＡｓ近赤外検出器を用いてフォトルミネッセンス光を検出する。
図５は、波長と光吸収量との間の関係の一例を示すグラフである。横軸は、波長を示す。縦軸は、光吸収量を示す。ただし、波長λＬＤにおけるピークの縦軸は光強度を示す。図５には、第２電極Ｅ２を用いて光変調部３０に電圧が印加されている状態（ＯＮ状態）における第１光吸収層３５ａの光吸収スペクトルＡ１ＯＮ及び第２光吸収層３５ｂの光吸収スペクトルＡ２ＯＮと、光変調部３０に電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ状態）における第１光吸収層３５ａの光吸収スペクトルＡ１ＯＦＦ及び第２光吸収層３５ｂの光吸収スペクトルＡ２ＯＦＦとが示されている。ＯＦＦ状態の光吸収スペクトルＡ１ＯＦＦ及びＡ２ＯＦＦのピーク波長がそれぞれ第１波長λＥＡ１及び第２波長λＥＡ２の近傍に位置する。ＯＦＦ状態においては、波長λＬＤが光吸収スペクトルＡ１ＯＦＦ及びＡ２ＯＦＦと重なっていないため、レーザ光Ｌが光変調部３０を透過して出射される。一方、ＯＮ状態においては、波長λＬＤが光吸収スペクトルＡ１ＯＮ及びＡ２ＯＮと重なっているため、レーザ光Ｌが光変調部３０によって吸収される。その結果、レーザ光Ｌが出射されない。ＯＮ状態では、波長λＬＤにおいて、光吸収スペクトルＡ１ＯＮよりも光吸収スペクトルＡ２ＯＮの方が大きい。これは、光吸収係数α１を有する第１光吸収層３５ａに比べて、光吸収係数α１よりも大きい光吸収係数α２を有する第２光吸収層３５ｂの光吸収量が大きくなることを示している。光吸収係数α１とα２の差が大きいほど、光変調部３０の消光比は大きい。
半導体レーザ素子１００によれば、レーザ部２０から出射されたレーザ光Ｌが、第１光吸収層３５ａの入射端３５ａ１に入射し、第１光吸収層３５ａ及び第２光吸収層３５ｂを通って第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２に到達する。図３及び図５に示されるように、半導体レーザ素子１００では、第２光吸収層３５ｂが、第１波長λＥＡ１よりも大きい第２波長λＥＡ２を有しているので、光吸収層全体が第１波長λＥＡ１を有する場合に比べて、光吸収層３５における光吸収量が大きくなる。よって、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２におけるレーザ光Ｌの強度を低くすることができる。すなわち、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２におけるレーザ光Ｌの光吸収量を大きくできる。したがって、半導体レーザ素子１００の消光比を向上させることができる。一例において、消光比を１〜２ｄＢ程度向上させることができる。あるいは、半導体レーザ素子１００の消光比を維持したまま、光導波方向Ａｘに沿った光変調部３０の長さを短くすることができる。この場合、光変調部３０の素子容量を低減できるので、光変調部３０の高速化を実現できる。
第２波長λＥＡ２が、光導波方向Ａｘにおいて第２光吸収層３５ｂの入射端３５ｂ１から出射端３５ｂ２まで単調増加していると、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２におけるレーザ光Ｌの強度をより低くすることができる。通常、光吸収層中においてレーザ光は指数関数的に減少するため、光吸収層の出射端においてレーザ光Ｌの強度をゼロに近づけることは難しい。これに対して、第２波長λＥＡ２が、光導波方向Ａｘにおいて第２光吸収層３５ｂの入射端３５ｂ１から出射端３５ｂ２まで単調増加していると、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２におけるレーザ光Ｌの強度をゼロに近づけることができる。
光導波方向Ａｘにおける第１光吸収層３５ａの長さをＬ１、光導波方向Ａｘにおける第２光吸収層３５ｂの長さをＬ２とした場合、Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の値は０．０５以上であってもよい。この場合、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２におけるレーザ光Ｌの強度をより低くすることができる。
第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２が、半導体レーザ素子１００の出射端となっていると、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２からレーザ光Ｌが外部に直接出射される。
上述の半導体レーザ素子１００は、例えば以下の方法によって製造され得る。図６〜図９及び図１１〜図１２の各（ａ）は、一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法における一工程を模式的に示す平面図である。図６の（ｂ）は、（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線に沿った断面図である。図７の（ｂ）は、（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線に沿った断面図である。図８の（ｂ）は、（ａ）のＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿った断面図である。図９の（ｂ）は、（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿った断面図である。図１１の（ｂ）は、（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿った断面図である。図１２の（ｂ）は、（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線に沿った断面図である。
（第１半導体層を形成する工程）
まず、図６に示されるように、光導波方向Ａｘとなる第１方向Ａｘ１に順に配列された第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３を含む主面１０ｓを有する半導体基板１０の主面１０ｓ上に、活性層２５のための第１半導体層１２５を形成する。第１半導体層１２５は、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３上にそれぞれ位置する第１部分１２５ａ、第３部分１２５ｂ及び第２部分１２５ｃを有する。
第１半導体層１２５を形成する前に、主面１０ｓ上に、回折格子層２１のための半導体層１２１と、下部クラッド層２３のための半導体層１２３とが順に形成される。例えばフォトリソグラフィー及びドライエッチング等を用いて、回折格子層２１の溝部２１ａとなる溝部１２１ａが半導体層１２１に形成される。溝部１２１ａは第１領域Ｒ１上に位置する。第１半導体層１２５を形成した後、上部クラッド層２７のための半導体層１２７を形成する。半導体層１２１、半導体層１２３、第１半導体層１２５及び半導体層１２７は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）によりそれぞれ成長される。回折格子層２１のための半導体層１２１と主面１０ｓとの間に、半導体基板１０と同じ組成を有するバッファ層が成長されてもよい。
（第１マスクパターン及び第２マスクパターンを形成する工程）
次に、図７に示されるように、第１半導体層１２５の第１部分１２５ａ上に、活性層２５のための第１マスクパターンＭ１を形成し、第１半導体層１２５の第２部分１２５ｃ上に、第２マスクパターンＭ２を形成する。第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２は、例えばＳｉＯ２層等の無機層である。第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２は、例えばフォトリソグラフィーを用いて形成される。第１方向Ａｘ１に沿った第１マスクパターンＭ１と第２マスクパターンＭ２との離間距離は例えば７０〜３５０μｍである。第１方向Ａｘ１に沿った第１マスクパターンＭ１の長さは例えば３００〜６００μｍである。第１方向Ａｘ１に直交する第１マスクパターンＭ１の幅は例えば１０〜２０μｍである。
（エッチングする工程）
次に、図８に示されるように、第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２を用いて、例えばドライエッチングにより、第１半導体層１２５の第３部分１２５ｂをエッチングする。第３部分１２５ｂをエッチングする前に、半導体層１２７のうち第３部分１２５ｂ上に位置する部分もエッチングされる。
（第２半導体層を成長する工程）
次に、図９に示されるように、第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２を用いて、第２領域Ｒ２上に、光吸収層３５のための第２半導体層１３５をバットジョイント成長する。第２半導体層１３５をバットジョイント成長した後、上部クラッド層３７のための半導体層１３７を成長する。第２半導体層１３５及び半導体層１３７は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）によりそれぞれ成長される。第１半導体層１２５と第２半導体層１３５との間には、バットジョイント接合界面が形成される。バットジョイント接合界面近傍では、マスクを用いた選択成長の効果によりＰＬ波長が長くなる。よって、第２半導体層１３５は、第１光吸収層３５ａと、バットジョイント接合界面近傍に設けられた第２光吸収層３５ｂとを有する。第２光吸収層３５ｂは、第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２のそれぞれの近傍に形成される。
図１０は、第１方向に沿ったＰＬ波長のプロファイルを示すグラフである。横軸は、第２半導体層１３５における第１方向Ａｘ１に沿った位置を示す。縦軸はＰＬ波長を示す。図１０には、第２半導体層１３５を高圧で成長させた場合におけるＰＬ波長のプロファイルＰＨＰと、第２半導体層１３５を低圧で成長させた場合におけるＰＬ波長のプロファイルＰＬＰとが示されている。
図１０に示されるように、プロファイルＰＨＰでは、第１光吸収層３５ａにおいて得られるＰＬ波長と第２光吸収層３５ｂにおいて得られるＰＬ波長との差分がΔλＨＰである。プロファイルＰＬＰでは、第１光吸収層３５ａにおいて得られるＰＬ波長と第２光吸収層３５ｂにおいて得られるＰＬ波長との差分は、ΔλＨＰよりも小さいΔλＬＰである。ΔλＨＰ及びΔλＬＰは、図４の差分Δλに対応する。また、プロファイルＰＨＰでは、第１方向Ａｘ１に沿った第２光吸収層３５ｂの長さがｄＨＰである。プロファイルＰＬＰでは、第１方向Ａｘ１に沿った第２光吸収層３５ｂの長さがｄＨＰよりも長いｄＬＰである。ｄＨＰ及びｄＬＰは、図２に示される第２光吸収層３５ｂの長さＬ２に対応する。したがって、第２半導体層１３５を成長させる際の圧力を調整することによって、第１光吸収層３５ａにおいて得られるＰＬ波長と第２光吸収層３５ｂにおいて得られるＰＬ波長との差分と、第１方向Ａｘ１に沿った第２光吸収層３５ｂの長さとを調整できる。さらに、第１方向Ａｘ１に直交する第２マスクパターンＭ２の幅Ｗ（図９参照）を大きくすると、第１光吸収層３５ａにおいて得られるＰＬ波長と第２光吸収層３５ｂにおいて得られるＰＬ波長との差分を大きくできる。よって、第２マスクパターンＭ２の幅Ｗを調整することによって、第１光吸収層３５ａにおいて得られるＰＬ波長と第２光吸収層３５ｂにおいて得られるＰＬ波長との差分を調整できる。
（導波路層を形成する工程）
次に、第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２を除去し、図１１に示されるように、第３マスクパターンＭ３及び第４マスクパターンＭ４を形成する。第３マスクパターンＭ３及び第４マスクパターンＭ４は、例えばＳｉＯ２層等の無機層である。第３マスクパターンＭ３及び第４マスクパターンＭ４は、例えばフォトリソグラフィーを用いて形成される。第３マスクパターンＭ３は、第１マスクパターンＭ１と同様に、第１領域Ｒ１上に形成される。第４マスクパターンＭ４は、第２領域Ｒ２の一部の上に形成される。第４マスクパターンＭ４の一端（第１方向Ａｘ１において第３マスクパターンＭ３から遠い方の端部）は、例えば、第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３の境界に位置する。第３マスクパターンＭ３と第４マスクパターンＭ４の他端（第１方向Ａｘ１において第３マスクパターンＭ３に近い方の端部）との間の距離は、第１光吸収層３５ａと活性層２５との間に位置する第２光吸収層３５ｂの第１方向Ａｘ１における長さに対応する。第４マスクパターンＭ４の一端の位置は、第２領域Ｒ２の内側に位置させてもよい。第４マスクパターンＲ４の一端の位置が第２領域Ｒ２の内側に位置すると、第２光吸収層３５ｂによって得られる最長のＰＬ波長（第２波長λＥＡ２）は短くなる。第４マスクパターンＭ４の位置を精度良く制御することによって、第２波長λＥＡ２を精度良く調整できる。
第３マスクパターンＭ３及び第４マスクパターンＭ４を用いて、第２半導体層１３５及び半導体層１３７をエッチングする。第３マスクパターンＭ３と第４マスクパターンＭ４との間においては第２光吸収層３５ｂがエッチングされる。また、第１半導体層１２５の第２部分１２５ｃ及びその上に位置する半導体層１２７もエッチングされる。
次に、第３マスクパターンＭ３及び第４マスクパターンＭ４を用いて、導波路層４５及び上部クラッド層４７を成長する。
（コンタクト層を形成する工程）
次に、第３マスクパターンＭ３及び第４マスクパターンＭ４を除去し、図１２に示されるように、コンタクト層２９及びコンタクト層３９のためのコンタクト層を形成する。
（半導体メサを形成する工程）
次に、例えば第１方向Ａｘ１に沿って延びるストライプ状のマスクを用いて、図１及び図２に示されるように、ドライエッチングにより半導体メサＭ２０，Ｍ３０及びＭ４０を形成する。
（半絶縁性半導体埋込領域を形成する工程）
次に、上記ストライプ状のマスクを用いて、半絶縁性半導体埋込領域６０のための半絶縁性半導体埋込領域を成長する。その結果、半導体メサＭ２０，Ｍ３０及びＭ４０が半絶縁性半導体埋込領域によって埋め込まれる。ストライプ状のマスクを除去した後、別のマスクを用いて、半絶縁性半導体埋込領域をエッチングする。別のマスクは、半導体メサＭ３０及びＭ４０の頂面を覆うストライプ部分と、第１領域上に位置する部分とを有する。その結果、半絶縁性半導体埋込領域６０が形成される。
（絶縁性樹脂埋込領域を形成する工程）
上記別のマスクを除去した後、例えばＣＶＤ法を用いて、絶縁層７０の一部となる第１絶縁層を全面に形成する。その後、絶縁性樹脂埋込領域５０となる樹脂を第１絶縁層上に塗布して硬化させる。その結果、半導体メサＭ３０及びＭ４０が樹脂によって埋め込まれる。続いて、樹脂をエッチングして除去（エッチバック）することによって、第１絶縁層を露出させる。その結果、絶縁性樹脂埋込領域５０が形成される。
（第１電極、第２電極及び第３電極を形成する工程）
次に、半導体メサＭ４０の一部を構成する上部クラッド層４７上において、フォトリソグラフィー及びエッチングにより、第１絶縁層に開口を形成し、コンタクト層のうち不要な部分を除去する。これにより、コンタクト層２９とコンタクト層３９とが電気的に分離される。その後、絶縁層７０の一部となる第２絶縁層を形成する。その結果、図１２に示されるように、上部クラッド層４７上には、コンタクト層ではなく絶縁層７０が位置する。
次に、絶縁層７０に開口７０ａ及び７０ｂを形成し、開口７０ａ及び７０ｂに第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２をそれぞれ形成する。さらに、半導体基板１０の裏面に第３電極Ｅ３を形成する。
（半導体基板を切断する工程）
次に、図１２に示されるように、例えばへき開又はダイシングにより、切断線Ｃに沿って半導体基板１０を切断する。これにより、図１に示される半導体レーザ素子１００が製造される。切断線Ｃは、第２領域Ｒ２又は第３領域Ｒ３を通る。図１２において、切断線Ｃは、第３領域Ｒ３を通っている。第３領域Ｒ３の導波路層４５はレーザ光Ｌを吸収しない。切断線Ｃが第３領域Ｒ３を通る場合は、切断線Ｃの位置が製造上ばらついたとしても、半導体レーザ素子１００から出射されるレーザ光の強度は変動しない。切断線Ｃは、第２光吸収層３５ｂを切断するように第１方向Ａｘ１にずらされてもよい。第１方向Ａｘ１における切断線Ｃの位置を変えることによって、第２光吸収層３５ｂの出射端３５ｂ２における第２波長λＥＡ２を調整できる。この場合、第２電極Ｅ２が切断線Ｃと重ならないように、第１方向Ａｘ１における第２電極Ｅ２の長さを短くすると、切断が容易になる。
上述の半導体レーザ素子１００の製造方法によれば、第２半導体層１３５を成長する際に、第１マスクパターンＭ１及び第２マスクパターンＭ２から離れた第１光吸収層３５ａがフォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長λＥＡ１を有し、第２半導体層１３５のうち第１マスクパターンＭ１又は第２マスクパターンＭ２に近い第２光吸収層３５ｂが、フォトルミネッセンス測定によって得られ第１波長λＥＡ１よりも大きい第２波長λＥＡ２を有する。よって、得られる半導体レーザ素子１００の光変調部３０は、第１波長λＥＡ１を有する第１光吸収層３５ａと、第１波長λＥＡ１よりも大きい第２波長λＥＡ２を有する第２光吸収層３５ｂとを備えることになる。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。
１０…半導体基板
１０ｓ…主面
２０…レーザ部
２１…回折格子層
２１ａ…溝部
２３…下部クラッド層
２５…活性層
２７…上部クラッド層
２９…コンタクト層
３０…光変調部
３１…半導体層
３３…下部クラッド層
３５…光吸収層
３５ａ…第１光吸収層
３５ａ１…入射端
３５ａ２…出射端
３５ｂ…第２光吸収層
３５ｂ１…入射端
３５ｂ２…出射端
３７…上部クラッド層
３９…コンタクト層
４０…導波路部
４１…半導体層
４３…下部クラッド層
４５…導波路層
４７…上部クラッド層
５０…絶縁性樹脂埋込領域
６０…半絶縁性半導体埋込領域
７０…絶縁層
７０ａ…開口
７０ｂ…開口
１００…半導体レーザ素子
１２１…半導体層
１２１ａ…溝部
１２３…半導体層
１２５…第１半導体層
１２５ａ…第１部分
１２５ｂ…第３部分
１２５ｃ…第２部分
１２７…半導体層
１３５…第２半導体層
１３７…半導体層
Ａ１ＯＦＦ…光吸収スペクトル
Ａ１ＯＮ…光吸収スペクトル
Ａ２ＯＦＦ…光吸収スペクトル
Ａ２ＯＮ…光吸収スペクトル
Ａｘ…光導波方向
Ａｘ１…第１方向
Ｃ…切断線
Ｅ１…第１電極
Ｅ２…第２電極
Ｅ３…第３電極
Ｌ…レーザ光
Ｍ１…第１マスクパターン
Ｍ２…第２マスクパターン
Ｍ３…第３マスクパターン
Ｍ４…第４マスクパターン
Ｍ２０…半導体メサ
Ｍ３０…半導体メサ
Ｍ４０…半導体メサ
ＰＨＰ…プロファイル
ＰＬＰ…プロファイル
Ｐ１…プロファイル
Ｐ２…プロファイル
Ｒ１…第１領域
Ｒ２…第２領域
Ｒ３…第３領域
Ｗ…幅

Claims (5)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられ、活性層を含むレーザ部と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部と、
    を備え、
    前記光吸収層は、第１光吸収層と第２光吸収層とを備え、
    前記活性層、前記第１光吸収層及び前記第２光吸収層は、光導波方向に順に配置されており、
    前記第１光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第１波長を有し、
    前記第２光吸収層が、フォトルミネッセンス測定によって得られる第２波長を有し、
    前記第２波長が前記第１波長よりも大きい、半導体レーザ素子。
  2. 前記第２波長が、前記光導波方向において前記第２光吸収層の入射端から出射端まで単調増加している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記光導波方向における前記第１光吸収層の長さをＬ１、前記光導波方向における前記第２光吸収層の長さをＬ２とした場合、Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）の値が０．０５以上である、請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記光導波方向における前記第２光吸収層の出射端が、前記半導体レーザ素子の出射端となっている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  5. 活性層を含むレーザ部と、前記レーザ部からのレーザ光を吸収する光吸収層を含む光変調部とを備える半導体レーザ素子の製造方法であって、
    第１方向に順に配列された第１領域、第２領域及び第３領域を含む主面を有する半導体基板の前記主面上に、前記活性層のための第１半導体層を形成する工程と、
    前記第１半導体層のうち前記第１領域上に位置する第１部分上に、前記活性層のための第１マスクパターンを形成し、前記第１半導体層のうち前記第３領域上に位置する第２部分上に、第２マスクパターンを形成する工程と、
    前記第１マスクパターン及び前記第２マスクパターンを用いて、前記第１半導体層のうち前記第２領域上に位置する第３部分をエッチングする工程と、
    前記第３部分をエッチングした後、前記第１マスクパターン及び前記第２マスクパターンを用いて、前記第２領域上に、前記光吸収層のための第２半導体層を成長する工程と、
    を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
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