JP3084042B2 - 半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体レーザ素子とその製造方法に関し、特
に、回折格子構造を備え、単一縦モードでレーザ光を発
振させることのできる半導体レーザ素子とその製造方法
に関する。

（従来の技術） 分布帰還（DFB）型及び分布反射（DBR）型半導体レー
ザ素子は活性層及び該活性層に隣接する層のどちらか一
方の層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期の周期
構造を有する凹凸部分が形成された回折格子構造を備
え、活性層内で発生した光を、その回折格子構造により
ブラッグ反射させることにより、単一の縦モードでレー
ザ光を発振させることのできる半導体レーザ素子であ
る。

このような半導体レーザ素子は、高速長距離のための
光通信用光源として、また、光計測用光源として、期待
されている。これは、このような半導体レーザ素子が単
一縦モードの安定したレーザ光を出射することができる
からである。

特に、レーザ光の出射方向（共振器の軸方向）に関し
て半導体レーザ素子の中央付近となる位置で、回折格子
構造の位相が、発振波長の４分の１周期ずれた位相シフ
トDFB型半導体レーザ素子は、単一波長性に優れている
ため、積極的に開発されている。回折格子構造の周期構
造の位相がずれる部分を境界として、その境界から一方
の共振器端面側領域の光導波路と、その境界から他方の
共振器端面側領域の光導波路とは、ほぼ対称な構造を有
している。

このようなDFB型半導体レーザ素子は、回折格子のピ
ッチ及び等価屈折率等によて定まるブラッグ波長に一致
した波長を有するレーザ光を安定に発振することができ
る。

他に、DFB型半導体レーザ素子の一対の共振器端面の
内の一方の端面上に、AR（Anti−Reflection）コートが
施され、他方の端面に高反射率膜が形成された半導体レ
ーザ素子がある。

このような半導体レーザ素子によれば、ARコートが施
された端面の反射率が低いので、該端面から高出力のレ
ーザ光を取り出すことが可能である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述の従来技術においては、以下に述
べる問題点があった。

位相シフトDFB型半導体レーザ素子に於いては、回折
格子構造の位相がずれる部分を境界として、その境界か
ら一方の共振器端面側領域の光導波路と、その境界から
他方の共振器端面側領域の光導波路とが、対称な構造で
あるため、上記の一対の共振器端面から放射されるレー
ザ光の出力は、互いに等しくなってしまう。

半導体レーザ素子が高出力で動作させる場合、また
は、半導体レーザ素子を光通信用光源として使用する場
合、レーザ光は、半導体レーザ素子の一対の共振器端面
の内の一方から取り出される。他方から放射されるレー
ザ光は、レーザ光出力をモニタするために利用されるだ
けであるので、他方から放射されるレーザ光の出力は、
高出力である必要はない。従って、２つの端面からほぼ
等しい出力のレーザ光を放射させることは、効率が悪
い。このような半導体レーザ素子は、高出力のレーザ光
を得るためには不適当である。

また、一対の共振器端面の内の一方の端面上にARコー
トが施され、他方の端面に高反射率膜が形成された半導
体レーザ素子には、端面の反射率の制御、特にARコート
の制御が困難であるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので
あり、その目的とするところは、単一縦モードで安定に
レーザ光を発振することができ、しかも高出力のレーザ
光を効率よく放射することのできる半導体レーザ素子と
その製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ素子は、活性層の近傍に周期凹
凸構造を有する半導体層を備えた半導体レーザ素子であ
って、該周期構造を有する該半導体層が、レーザ光の出
射方向に沿って直列に配置された第１領域と、第２領域
とを有し、該第１領域における該周期凹凸構造と該第２
領域における該周期構造は、その断面形状が、サイン波
形状、三角波形状、矩形波形状ののいずれかから選択さ
れた互いに異なる２種であると共に、その等価屈折率が
略等しいことにより、上記の目的を達成される。

また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、活性
層または該活性層に隣接する層のどちらか一方の層に、
レーザ光の出射方向に沿って一定周期の周期構造を有す
る凹凸部分が形成され、前記凹凸部分が形成された層が
第１領域と第２領域とに区分され、該第１領域と第２領
域がレーザ光の出射方向に沿って直列に配された半導体
レーザ素子の製造方法において、前記凹凸部が形成され
るべき層の前記第１領域の表面については、ウエットエ
ッチング法を用いて前記層をエッチングすることにより
前記凹凸部分を形成する工程と、前記凹凸部分が形成さ
れるべき層の第２領域の表面については、ドライエッチ
ング法を用いて前記層をエッチングすることにより前記
凹凸部分を形成する工程と、を有しており、そのことに
より上記目的が達成される。

（実施例） 以下に、本発明を実施例について説明する。

まず、第１図に、第１の実施例の方法により作製され
た半導体レーザ素子の共振器軸方向に沿った断面図を示
す。

この半導体レーザ素子は、DBR型半導体レーザ素子で
ある。

第１図からわかるように、半導体基板１の上面に、光
導波路層５が形成されている。

光導波路層５上の所定領域（図中、Ｃで示す）には、
第１のクラッド層２、活性層３、及び第２クラッド層６
が、この順番で、基板１の側から積層された積層構造12
が設けられている。

上記積層構造12が設けられていない２つの領域（図
中、Ａ及びＢで示す）の光導波路層５上には、一定周期
の周期構造を有する凹凸部分が形成され、第１の回折格
子構造13及び第２の回折格子構造14を構成している。

第１の回折格子構造13は、その断面形状がサイン波形
状の周期構造となるように形成されている。第２の回折
格子構造14は、その断面形状が矩形波形状の周期構造と
なるように形成されている。

回折格子構造13、14の高さは、何れも800Åとした。
このとき、デューティ比を50とすると、第１の回折格子
構造13の結合効率は、100cm^-1となり、また、第２の回
折格子構造14の結合効率は、50cm^-1となる。結合効率の
高い第１の回折格子構造13の実効的な反射率は高く、結
合効率の低い第２の回折格子構造14の実効的な反射率は
低い。このため、積層構造12内で発生した光は、第１の
回折格子構造13のある側の端面からは、ほとんど出射さ
れず、第２の回折格子構造14のある側の端面から、高出
力で放射されることになる。

次に、第５図を参照しながら、第１図の半導体レーザ
素子を製造する方法を説明する。

まず、半導体基板１の上面全面に、光導波路層５、第
１のクラッド層２、活性層３、第２クラッド層６を、こ
の順番で、基板１の側から積層した。

次に、通常のフォトエッチング技術により、活性領域
として機能する積層構造12となる部分を残して、一対の
共振器端面の各々に近い領域Ａ及びＢに於ける第２クラ
ッド層６及び活性層３を、エッチングした。

上記エッチングが行われた２つの領域Ａ、Ｂの第１ク
ラッド層２の上、及び積層構造12の第２クラッド層６の
上に、回折格子構造形成のためのSi₃N₄からなるエッチ
ングマスク９を形成した。

この後、領域Ａの第１クラッド層２と第２クラッド層
６との上に、第１のレジスト10を形成した（第５図
（ａ））。

次に、アルゴンイオンンビームを用いたIBE（Ion Be
am Etching）法により、領域Ｂの第１クラッド層２に
対するエッチングを行った（第５図（ｂ））。こうし
て、領域Ｂに、ほぼ垂直の側面を有し、断面形状が矩形
波形状の回折格子構造を形成した。IBE法以外に、他の
ドライエッチング法、例えば、プラズマを利用したドラ
イエッチング法を用いてもよい。

このようなドライエッチング法は、ウェットエッチン
グ法に比較して、形状加工の制御性に優れている。ドラ
イエッチング法によれば、断面形状が、三角形状、矩形
状、台形状等の直線的な辺から構成される形状を、凹凸
部分が形成されるべき半導体層の面方位に関係なく、制
御性よく形成できる。

次に、第１のレジスト10を除去した（第５図（ｃ））
後、領域Ｂの第１クラッド層２の上と第２クラッド層６
の上とに、第２のレジスト11を形成した（第５図
（ｄ））。

この後、ウェットエッチング法により、領域Ａの第１
クラッド層２をエッチングした。こうして、領域Ａに、
断面形状がサイン波形状の凹凸部分を有する回折格子構
造を形成した（第５図（ｅ））。

次に、第２のレジスト11を除去した後、Si₃N₄からな
るエッチングマスク９を除去し（第５図（ｆ））、第１
図に示す半導体レーザ素子を得た。なお、エッチングマ
スク９の材料は、Si₃N₄に限定されず、エッチングに用
いるエッチャントに応じて適切なものを用いればよい。

上記実施例の製造方法では、第１の回折格子構造13と
第２の回折格子構造14とを、各々、異なるエッチング技
術により形成した。異なるエッチング原理に基づいたエ
ッチング技術により、第１の回折格子構造13と第２の回
折格子構造14の断面形状を変化させることができた。こ
のようにして、第１の回折格子構造13と第２の回折格子
構造14の断面形状を変化させることにより、各々の回折
格子構造のピッチを変化させることなく、回折格子構造
の結合効率を互いに異なるものとすることができた。

このように、異なるエッチング方法を用いて、２種類
の回折格子構造を形成することにより、異なる結合効率
を示す２種類の回折格子構造を備えた半導体レーザ素子
を、再現性良く量産することが可能となる。

このようにして作製された半導体レーザ素子は、結合
効率の互いに異なる第１の回折格子構造13と第２の回折
格子構造14とを有しているが、この第１の回折格子構造
13と第２の回折格子構造14とは、ともに、等しい回折格
子構造ピッチと等価屈折率を有している。このため、第
１の回折格子構造13によって決まるブラッグ波長と第２
の回折格子構造14によって決まるブラッグ波長とは、一
致する。従って、この半導体レーザ素子は、ブラッグ波
長に等しい波長を有するレーザ光を、単一の縦モードで
安定に発振することができる。

この半導体レーザ素子によれば、結合効率の高い側の
端面からのレーザ光の放射を押え、結合効率の低い側の
端面から高出力のレーザ光を効率よく取り出すことがで
きる。

なお、上記半導体レーザ素子では、第１の回折格子構
造13のデューティ比と第１の回折格子構造14のデューテ
ィ比とを等しくしたが、適当な結合効率を得るように、
互いに異なるデューティ比としてもよい。

第２図に、第２の実施例の方法により作製された半導
体レーザ素子の共振器軸方向に沿った断面図を示す。

この半導体レーザ素子は、DFB型半導体レーザ素子で
ある。

第２図からわかるように、半導体基板１の上面に、第
１のクラッド層２、活性層３、キャリアバリア層４、光
導波路層５、第２クラッド層６、及びコンタクト層７
が、この順番で、基板１の側から積層されている。

光導波路層５は、２つの領域（図中Ｄ及びＥで示す）
に分かれており、各々の領域に、第１の回折格子構造1
5、第２の回折格子構造16が形成されている。

第１の回折格子構造15は、その断面形状がサイン波形
状の周期構造となるように、ウェットエッチング法を用
いて形成され、第２の回折格子構造16は、その断面形状
が三角形波状の周期構造となるように、ドライエッチン
グ法を用いて形成されている。第１の回折格子構造15の
周期の位相と第２の回折格子構造16の周期の位相とは、
互いに４分の１周期ずれている。

回折格子構造の高さは、何れも800Åとした。このと
き、デューティ比を50とすると、第１の回折格子構造15
の結合効率は、100cm^-1となり、また、第２の回折格子
構造16の結合効率は、50cm^-1となる。

上述のように、この半導体レーザ素子の第１の回折格
子構造15と第２の回折格子構造16とは、第１の実施例の
方法と同様に、各々、異なるエッチング技術を用いるこ
とにより形成された。

この半導体レーザ素子も、結合効率の互いに異なる第
１の回折格子構造15と第２の回折格子構造16とを有して
いるが、この第１の回折格子構造15と第２の回折格子構
造16とは、ともに、等しい回折格子構造ピッチと等価屈
折率を有している。従って、この半導体レーザ素子も、
ブラッグ波長に等しい波長を有するレーザ光を、単一の
縦モードで安定に発振することができる。

また、この半導体レーザ素子によれば、結合効率の低
い側の端面から、高出力のレーザ光を効率よく取り出す
ことができる。

第１図及び第２図の半導体レーザ素子は、第１の回折
格子構造13、15と第２の回折格子構造14、16とを、異な
るエッチング技術を用いることにより作製した。そうす
ることにより、第１の回折格子構造13、15の断面形状と
第２の回折格子構造14、16の断面形状と変化させた。こ
の方法によれば、断面形状及び結合率を高精度に制御す
ることできるので、半導体レーザ素子の製造歩留りが向
上する。

一方、同じエッチング技術を用いても、第１の回折格
子及び第２の回折格子に対するエッチング時間を互いに
異ならせれば、格子の凹凸部の深さを互いに変化させる
ことなく、凹凸部の断面形状を変えることにより、結合
効率を互いに大きく異なるようにすることができる。

以下に、第３図を参照しながら、エッチング時間を変
化させることにより回折格子構造の断面形状を変化させ
る技術を説明する。

第３図は、半導体層に、［011］方向に沿った回折格
子構造を印刻した場合の半導体層の断面形状の変化を模
式的に示している。第３図（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）
は、各々、エッチング時間ｔがT1、T2、及びT3の場合の
回折格子構造の断面形状を示す。ここで、T1＜T2＜T3、
Ｗは回折格子構造の凸部の幅、Ｐはピッチである。

エッチング時間を増加させると、W/P比は小さくな
る。

第６図は、エッチングマスク幅ｄ＝2000Å、回折格子
構造周期ピッチＰ＝3500Åとしたときの、回折格子構造
の形状及び結合効率のエッチング時間依存性を示すグラ
フである。グラフ中の曲線は、計算によって求められた
ものである。このグラフを基に、第１の回折格子構造及
び第２の回折格子構造を、各々異なるエッチング時間に
てエッチングすることにより、所望の結合効率を有する
回折格子構造を形成することができる。

第４図に、第３の実施例の方法により作製された半導
体レーザ素子を示す。この半導体レーザ素子は、第１の
回折格子17及び第２の回折格子18の何れもが、ドライエ
ッチング法により形成されてる点が、第１の実施例の半
導体レーザ素子の構成と異なっている。ただし、第１の
回折格子17及び第２の回折格子18を形成するときのエッ
チング時間は、各々異なっている。

この半導体レーザ素子も、ブラッグ波長に等しい波長
を有するレーザ光を、単一の縦モードで安定に発振する
ことができる。

また、結合効率の高い側の端面からのレーザ光の放射
を押え、結合効率の低い側の端面から高出力のレーザ光
を効率よく取り出すことができる。

なお、回折格子の形状は、上記実施例の回折格子の形
状に限定されない。

また、一対の端面の内の一方の端面上に、ARコートを
施してもよい。このARコートにより、その端面の反射率
が低減され、ファブリ・ペローモードの発振が抑制され
る。

（発明の効果） このように、本発明によれば、２種類の形状からなる
回折格子構造を制御性良く形成することができるので、
異なる結合効率を示す２種類の回折格子構造を備えた半
導体レーザ素子を、再現性良く量産することができる。

従って、本発明によれば、結合効率の高い回折格子構
造が形成されている側の端面からのレーザ光の放射が抑
制され、結合効率の低い回折格子構造が形成されている
側の端面から、高出力のレーザ光が効率よく取り出され
る半導体レーザ素子を提供でき、その半導体レーザ素子
を歩留り良く製造することができる。

本発明の方法により製造された半導体レーザ素子は、
ブラッグ波長に等しい波長を有するレーザ光を、単一の
縦モードで安定に放射することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の製造方法により作製さ
れた半導体レーザ素子を示す断面図、第２図は第２の実
施例の製造方法により作製された半導体レーザ素子を示
す断面図、第３図（ａ）〜（ｃ）は回折格子構造の断面
形状のエッチング時間依存性を示す図、第４図は第３の
実施例の製造方法により作製された半導体レーザ素子を
示す断面図、第５図（ａ）〜（ｆ）は第１の実施例の製
造方法を説明するための断面図、第６図は回折格子構造
の断面形状及び結合効率のエッチング時間依存性を示す
グラフを示すである。 １……半導体基板、２……第１クラッド層、３……活性
層、４……キャリアバリア層、５……光導波路層、６…
…第２クラッド層、７……コンタクト層、８……回折格
子構造、９……Si₃N₄エッチングマスク、10……第１の
レジスト、11……第２のレジスト、13、15、17……第１
の回折格子、14、16、18……第２の回折格子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅原 聰 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−155584（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−52481（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性層の近傍に周期凹凸構造を有する半導
   体層を備えた半導体レーザ素子であって、 該周期構造を有する該半導体層が、レーザ光の出射方向
   に沿って直列に配置された第１領域と、第２領域とを有
   し、 該第１領域における該周期凹凸構造と該第２領域におけ
   る該周期構造は、その断面形状が、サイン波形状、三角
   波形状、矩形波形状のいずれかから選択された互いに異
   なる２種であると共に、その等価屈折率が略等しいこと
   を特徴とする半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】活性層または該活性層に隣接する層のどち
   らか一方の層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期
   の周期構造を有する凹凸部分が形成され、前記凹凸部分
   が形成された層が第１領域と第２領域とに区分され、該
   第１領域と第２領域がレーザ光の出射方向に沿って直列
   に配された半導体レーザ素子の製造方法において、 前記凹凸部が形成されるべき層の前記第１領域の表面に
   ついては、ウエットエッチング法を用いて前記層をエッ
   チングすることにより前記凹凸部分を形成する工程と、 前記凹凸部分が形成されるべき層の第２領域の表面につ
   いては、ドライエッチング法を用いて前記層をエッチン
   グすることにより前記凹凸部分を形成する工程と、を有
   することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。