JP3690572B2 - 分布帰還型半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型（Distributed FeedBack:DFB）半導体レーザ素子の製造方法及び分布帰還型半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子は、光ＣＡＴＶ等の光通信システムや、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を用いた短波長レーザ、又は小型固体レーザのポンプ光源や、光計測分野等に応用され得る素子として知られている。
図１は、従来の分布帰還型半導体レーザ素子を示した図である。ｎ+ -InPからなる基板１上には、ｎ-InPからなる下部クラッド層２及びそれぞれ組成の異なるInGaAsPからなる下部ガイド層３、活性層４、上部ガイド層５が積層している。さらに上部ガイド層５の上には、リッジを一部に有するｐ-InPからなる上部クラッド層６が配されている。この上部クラッド層６のリッジの両側平坦部にはグレーティングに加工されたグレーティング層6aが設けられており、また、リッジの頂部には、InGaAsPからなるコンタクト層７が配されている。グレーティング層6a上には、水ガラスなどのケイ素化合物からなる無機保護層８が配されている。また、コンタクト層７の上及び基板１の下部にはそれぞれ電極20及び21が形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の分布帰還型半導体レーザ素子では、発生した光を三次元的に閉じ込めるためにリッジを形成していた。しかしながら、かかるリッジの形成工程及びリッジの頂部に電極を設けるための窓を高精度にアライメントを取りながら開ける工程は、非常に煩雑であって、コストを上昇させる原因となっていた。
【０００４】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な工程によって容易に製造することのできる分布帰還型半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による分布帰還型半導体レーザ素子は、導波層を挟持する下部クラッド層及び上部クラッド層を含むレーザ基板の前記上部クラッド層上に、半導体からなるグレーティング層と、絶縁層と、電極層とをこの順で積層した分布帰還型半導体レーザ素子であって、前記絶縁層は、前記レーザ素子の共振器形成方向に沿って前記グレーティング層に達する貫通溝を有し、前記電極層は、前記グレーティング層及び前記上部クラッド層に接しており、前記上部クラッド層の厚さが０．５μｍ以下であることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明による分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法は、少なくとも導波層とクラッド層とを含むレーザ基板を形成する工程と、前記レーザ基板の前記クラッド層上にコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層の一部をリソグラフィー法によって除去してレーザ素子の共振器形成方向に沿って周期的に並ぶ複数の互いに平行なリッジを形成するグレーティング層形成工程と、前記グレーティング層の上にレーザ素子の共振器形成方向に沿って前記グレーティング層に達する貫通溝を有する絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上から前記グレーティング層及び前記クラッド層に接するように高屈折材料からなる電極層を形成する工程と、前記レーザ基板の底面に電極層を形成する工程と、からなることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図２から図８に基づいて説明する。
図２に示すように、ｎ+ -InPからなる基板１上にｎ-InPからなる下部クラッド層２、それぞれ組成の異なるInGaAsPからなる下部ガイド層３、活性層４、上部ガイド層５（以下、この３層をまとめて導波層と称する。）、ｐ-InPからなる上部クラッド層６がこの順で積層されている。上部クラッド層６の上には、InGaAsからなるコンタクト層７がグレーティング層7aを形成し、このグレーティング層７aは、断面略矩形状の複数のリッジが、レーザの共振器を形成する方向に周期構造を有している。ここで、上部クラッド層６の一部にもグレーティングを形成して、コンタクト層７へ連続的にグレーティングが形成されていてもよい。さらにグレーティング層7aの上には、共振器の形成方向と平行にストライプ状に水ガラスなどのケイ素化合物からなる２本の無機保護層８がグレーティング層7aに達する貫通溝を有して配されている。さらに、無機保護層８上及び無機保護層８の貫通溝部分のグレーティング層7a上には、TiやCrといった高い屈折率を有する金属からなるｐ側電極層20が配されている。貫通溝部分では、グレーティング層7aを介して電極層20を構成する金属材料が進入して、上部クラッド層６に電極層20の一部が接している。また、基板１の底面にはｎ側電極層21が形成されている。
【０００８】
かかる構成において、導波層中で発生した光は、上部クラッド層６に接して存在する高屈折率の電極層20によって、この方向に閉じ込められるのである。故に、上部クラッド層６の厚さは、導波層で発生した光が上部クラッド層６を間に挟んで電極層20と相互作用を有し得る程度に薄くなければならず、この厚さは0.5μm以下であることが好ましい。
【０００９】
次に、本発明のレーザ素子の製造方法について説明する。
図３及び４に示すように、(100)面方位を有するInP結晶基板のウェハを用意する。この表面を化学エッチングによって清浄した後に、エピタキシャル成長法、液相成長法、有機金属気相成長法、分子線成長法などでＳＣＨ(Separate Confinement Hetero-stracture)構造活性層領域、クラッド層、コンタクト層などを形成する。例えば、ｎ+-InP基板１の(100)面上にｎ-InPからなる下部クラッド層２を任意厚さだけ成膜し、この上に組成の異なるIn1-xGaxAs1-yPyからなる下部ガイド層３、活性層４、上部ガイド層５を３層あわせた厚さが0.2μmとなるように成膜する。さらに、ｐ-InPからなる上部クラッド層６を成膜する。前述のように、上部クラッド層６の厚さは、導波層中で発生した光が上部クラッド層６上の高屈折率の電極層20と相互作用をなすための厚さ以下でなければならず、0.5μm以下であることが好ましい。さらに、クラッド層６上には、ｐ-InGaAsP又はｐ+-InGaAsからなるコンタクト層７を成膜して、レーザ構造を有する多層構造基板を形成する。
【００１０】
さらに、この多層構造基板の上からSiO2からなる保護膜11を形成する。保護膜11は、多層構造基板内のＰ脱離の防止及びエッチングマスク用である。また、保護膜11は、次工程の高温ベークが必要な高解像度ＥＢレジストの均一な膜を得るためにも有用である。次に、保護膜11上にＥＢ描画用レジストをコーティングして、その後、ベークしてレジスト層12を形成する。
【００１１】
ここで、ＥＢ描画は、レーザ発振波長に合わせた周期で、ラインを基板１の結晶方位の[0 1 1]方向に沿って描画し、レジスト層12上において基板１の[0 -1 1]方向に周期Λで変化する周期構造を有するグレーティングの潜像を形成する。ＤＦＢ半導体レーザでは、一般にレーザ光が伝搬する方向に周期Λで変化する周期構造が形成され、そのため屈折率も周期的に変化し、周期的に反射されてくる光の位相が一致する波長で反射率が高くなり（ブラッグ反射）、レーザ発振が起こる。よって分布帰還半導体レーザの発振波長は周期構造の周期Λによって決まり、一般にΛ＝ｍλ／２ｎを満たす条件において単一縦モードが得られる。なおｍは整数、λは真空中における発振波長及びｎはレーザ媒体の実効屈折率を示す。ここにおいて、該レーザは、活性層４、クラッド層２及び６の屈折率、膜厚、アスペクト比、更に共振器（劈開面）の反射率、更には横方向の光結合率をも勘案して、周期Λは決定される。
【００１２】
グレーティング層7aの形成工程として、CF4ドライエッチングによってSiO2保護膜11上にレジスト層12のグレーティングを転写し、ｐ+-InGaAsからなるコンタクト層７をCl2ドライエッチングによって、断面略矩形状のグレーティング層7aを形成する。さらに、保護膜11を除去する。グレーティング層7aの形成は、フォトリソグラフィー法の他、電子線リソグラフィー法であっても良い。
【００１３】
次に、図５及び６に示すように、グレーティング層7aの上に珪素化合物などを塗布し、これを硬化させて無機保護層８を形成する。さらに、この上から、InP結晶基板１の[0 1 1]方向に沿って間隔をあけてストライプ状にSiO2、TiO2等からなるレジストマスク13を付与する。該間隔は、貫通溝の横幅を規定するが、これは導波層で発生した光をこの横方向に閉じ込めるのに関連している。グレーティング層7aの表面が露出するまで無機保護層８をエッチングした後、レジストマスク13を除去すると、無機保護層８には貫通溝が形成される。
【００１４】
次に、図７に示すように、無機保護層８及びグレーティング層7a上に高屈折率を有するTi／Auからなるｐ側電極層20を蒸着する。さらに、基板１であって、導波層等を形成した面と反対側の底面を研磨してTi／Auからなるｎ側電極層21を蒸着してバルクを得る。
次に、図８に示すように、上述のようにして形成されたバルクの端部に、レーザ波長に対応した長さでスクライブ14を入れ、このスクライブ14を起点にバー状体15に小割りする。さらに、共振器を形成する方向の端面16及び17にＡＲコーティング及びＨＲコーティングを付与して、さらに所定の形状にへき開して分布帰還型半導体レーザ素子18を得る。
【００１５】
図９は、以上のようにして得られた半導体レーザ素子の共振器形成方向に垂直な面におけるパワー分布を示した図である。ここでは導波層の中心を原点としている。また、上部クラッド層６、コンタクト層７、無機保護層８の厚さ及び貫通溝の横幅は、それぞれ0.4μm、0.05μm、0.5μm、4μmである。発生したレーザ光は、絶縁層の貫通溝部分の下部において三次元的に閉じ込められていることがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、リッジを形成しなくても発生した光の三次元閉じ込めを達成することができる。故に、リッジを形成する煩雑な工程等を必要としないため生産効率が上がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の分布帰還型半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】本発明による分布帰還型半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図３】本発明による製造方法におけるグレーティング層を形成する工程でのレーザ基板の斜視図である。
【図４】本発明による製造方法におけるグレーティング層を形成した状態での基板の斜視図である。
【図５】本発明による製造方法における絶縁層の貫通溝を形成する工程でのレーザ基板の斜視図である。
【図６】本発明による製造方法における絶縁層の貫通溝を形成した状態でのレーザ基板の斜視図である。
【図７】本発明による製造方法における電極を蒸着した状態でのレーザ基板の斜視図である。
【図８】本発明による製造方法において、レーザ基板上にグレーティング層、絶縁層及び電極層を積層して得られたバルクを小割して最終製品である半導体レーザ素子を得る工程を示す斜視図である。
【図９】本発明の半導体レーザ素子のパワー分布を示す図である。
【主要部分の符号の説明】
１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 下部ガイド層
４ 活性層
５ 上部ガイド層
６ 上部クラッド層
７ コンタクト層
6a、7a グレーティング層
８ 無機保護層
11 SiO2保護膜
12 レジスト
18 半導体レーザ素子
20、21 電極層
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型（Distributed FeedBack:DFB）半導体レーザ素子の製造方法及び分布帰還型半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子は、光ＣＡＴＶ等の光通信システムや、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を用いた短波長レーザ、又は小型固体レーザのポンプ光源や、光計測分野等に応用され得る素子として知られている。
図１は、従来の分布帰還型半導体レーザ素子を示した図である。ｎ+ -InPからなる基板１上には、ｎ-InPからなる下部クラッド層２及びそれぞれ組成の異なるInGaAsPからなる下部ガイド層３、活性層４、上部ガイド層５が積層している。さらに上部ガイド層５の上には、リッジを一部に有するｐ-InPからなる上部クラッド層６が配されている。この上部クラッド層６のリッジの両側平坦部にはグレーティングに加工されたグレーティング層6aが設けられており、また、リッジの頂部には、InGaAsPからなるコンタクト層７が配されている。グレーティング層6a上には、水ガラスなどのケイ素化合物からなる無機保護層８が配されている。また、コンタクト層７の上及び基板１の下部にはそれぞれ電極20及び21が形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の分布帰還型半導体レーザ素子では、発生した光を三次元的に閉じ込めるためにリッジを形成していた。しかしながら、かかるリッジの形成工程及びリッジの頂部に電極を設けるための窓を高精度にアライメントを取りながら開ける工程は、非常に煩雑であって、コストを上昇させる原因となっていた。
【０００４】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な工程によって容易に製造することのできる分布帰還型半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による分布帰還型半導体レーザ素子は、導波層を挟持する下部クラッド層及び上部クラッド層を含むレーザ基板の前記上部クラッド層上に、半導体からなるグレーティング層と、絶縁層と、電極層とをこの順で積層した分布帰還型半導体レーザ素子であって、前記絶縁層は、前記レーザ素子の共振器形成方向に沿って前記グレーティング層に達する貫通溝を有し、前記電極層は、前記グレーティング層及び前記上部クラッド層に接しており、前記上部クラッド層の厚さが０．５μｍ以下であることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明による分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法は、少なくとも導波層とクラッド層とを含むレーザ基板を形成する工程と、前記レーザ基板の前記クラッド層上にコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層の一部をリソグラフィー法によって除去してレーザ素子の共振器形成方向に沿って周期的に並ぶ複数の互いに平行なリッジを形成するグレーティング層形成工程と、前記グレーティング層の上にレーザ素子の共振器形成方向に沿って前記グレーティング層に達する貫通溝を有する絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上から前記グレーティング層及び前記クラッド層に接するように高屈折材料からなる電極層を形成する工程と、前記レーザ基板の底面に電極層を形成する工程と、からなることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図２から図８に基づいて説明する。
図２に示すように、ｎ+ -InPからなる基板１上にｎ-InPからなる下部クラッド層２、それぞれ組成の異なるInGaAsPからなる下部ガイド層３、活性層４、上部ガイド層５（以下、この３層をまとめて導波層と称する。）、ｐ-InPからなる上部クラッド層６がこの順で積層されている。上部クラッド層６の上には、InGaAsからなるコンタクト層７がグレーティング層7aを形成し、このグレーティング層７aは、断面略矩形状の複数のリッジが、レーザの共振器を形成する方向に周期構造を有している。ここで、上部クラッド層６の一部にもグレーティングを形成して、コンタクト層７へ連続的にグレーティングが形成されていてもよい。さらにグレーティング層7aの上には、共振器の形成方向と平行にストライプ状に水ガラスなどのケイ素化合物からなる２本の無機保護層８がグレーティング層7aに達する貫通溝を有して配されている。さらに、無機保護層８上及び無機保護層８の貫通溝部分のグレーティング層7a上には、TiやCrといった高い屈折率を有する金属からなるｐ側電極層20が配されている。貫通溝部分では、グレーティング層7aを介して電極層20を構成する金属材料が進入して、上部クラッド層６に電極層20の一部が接している。また、基板１の底面にはｎ側電極層21が形成されている。
【０００８】
かかる構成において、導波層中で発生した光は、上部クラッド層６に接して存在する高屈折率の電極層20によって、この方向に閉じ込められるのである。故に、上部クラッド層６の厚さは、導波層で発生した光が上部クラッド層６を間に挟んで電極層20と相互作用を有し得る程度に薄くなければならず、この厚さは0.5μm以下であることが好ましい。
【０００９】
次に、本発明のレーザ素子の製造方法について説明する。
図３及び４に示すように、(100)面方位を有するInP結晶基板のウェハを用意する。この表面を化学エッチングによって清浄した後に、エピタキシャル成長法、液相成長法、有機金属気相成長法、分子線成長法などでＳＣＨ(Separate Confinement Hetero-stracture)構造活性層領域、クラッド層、コンタクト層などを形成する。例えば、ｎ+-InP基板１の(100)面上にｎ-InPからなる下部クラッド層２を任意厚さだけ成膜し、この上に組成の異なるIn1-xGaxAs1-yPyからなる下部ガイド層３、活性層４、上部ガイド層５を３層あわせた厚さが0.2μmとなるように成膜する。さらに、ｐ-InPからなる上部クラッド層６を成膜する。前述のように、上部クラッド層６の厚さは、導波層中で発生した光が上部クラッド層６上の高屈折率の電極層20と相互作用をなすための厚さ以下でなければならず、0.5μm以下であることが好ましい。さらに、クラッド層６上には、ｐ-InGaAsP又はｐ+-InGaAsからなるコンタクト層７を成膜して、レーザ構造を有する多層構造基板を形成する。
【００１０】
さらに、この多層構造基板の上からSiO2からなる保護膜11を形成する。保護膜11は、多層構造基板内のＰ脱離の防止及びエッチングマスク用である。また、保護膜11は、次工程の高温ベークが必要な高解像度ＥＢレジストの均一な膜を得るためにも有用である。次に、保護膜11上にＥＢ描画用レジストをコーティングして、その後、ベークしてレジスト層12を形成する。
【００１１】
ここで、ＥＢ描画は、レーザ発振波長に合わせた周期で、ラインを基板１の結晶方位の[0 1 1]方向に沿って描画し、レジスト層12上において基板１の[0 -1 1]方向に周期Λで変化する周期構造を有するグレーティングの潜像を形成する。ＤＦＢ半導体レーザでは、一般にレーザ光が伝搬する方向に周期Λで変化する周期構造が形成され、そのため屈折率も周期的に変化し、周期的に反射されてくる光の位相が一致する波長で反射率が高くなり（ブラッグ反射）、レーザ発振が起こる。よって分布帰還半導体レーザの発振波長は周期構造の周期Λによって決まり、一般にΛ＝ｍλ／２ｎを満たす条件において単一縦モードが得られる。なおｍは整数、λは真空中における発振波長及びｎはレーザ媒体の実効屈折率を示す。ここにおいて、該レーザは、活性層４、クラッド層２及び６の屈折率、膜厚、アスペクト比、更に共振器（劈開面）の反射率、更には横方向の光結合率をも勘案して、周期Λは決定される。
【００１２】
グレーティング層7aの形成工程として、CF4ドライエッチングによってSiO2保護膜11上にレジスト層12のグレーティングを転写し、ｐ+-InGaAsからなるコンタクト層７をCl2ドライエッチングによって、断面略矩形状のグレーティング層7aを形成する。さらに、保護膜11を除去する。グレーティング層7aの形成は、フォトリソグラフィー法の他、電子線リソグラフィー法であっても良い。
【００１３】
次に、図５及び６に示すように、グレーティング層7aの上に珪素化合物などを塗布し、これを硬化させて無機保護層８を形成する。さらに、この上から、InP結晶基板１の[0 1 1]方向に沿って間隔をあけてストライプ状にSiO2、TiO2等からなるレジストマスク13を付与する。該間隔は、貫通溝の横幅を規定するが、これは導波層で発生した光をこの横方向に閉じ込めるのに関連している。グレーティング層7aの表面が露出するまで無機保護層８をエッチングした後、レジストマスク13を除去すると、無機保護層８には貫通溝が形成される。
【００１４】
次に、図７に示すように、無機保護層８及びグレーティング層7a上に高屈折率を有するTi／Auからなるｐ側電極層20を蒸着する。さらに、基板１であって、導波層等を形成した面と反対側の底面を研磨してTi／Auからなるｎ側電極層21を蒸着してバルクを得る。
次に、図８に示すように、上述のようにして形成されたバルクの端部に、レーザ波長に対応した長さでスクライブ14を入れ、このスクライブ14を起点にバー状体15に小割りする。さらに、共振器を形成する方向の端面16及び17にＡＲコーティング及びＨＲコーティングを付与して、さらに所定の形状にへき開して分布帰還型半導体レーザ素子18を得る。
【００１５】
図９は、以上のようにして得られた半導体レーザ素子の共振器形成方向に垂直な面におけるパワー分布を示した図である。ここでは導波層の中心を原点としている。また、上部クラッド層６、コンタクト層７、無機保護層８の厚さ及び貫通溝の横幅は、それぞれ0.4μm、0.05μm、0.5μm、4μmである。発生したレーザ光は、絶縁層の貫通溝部分の下部において三次元的に閉じ込められていることがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、リッジを形成しなくても発生した光の三次元閉じ込めを達成することができる。故に、リッジを形成する煩雑な工程等を必要としないため生産効率が上がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の分布帰還型半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】本発明による分布帰還型半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図３】本発明による製造方法におけるグレーティング層を形成する工程でのレーザ基板の斜視図である。
【図４】本発明による製造方法におけるグレーティング層を形成した状態での基板の斜視図である。
【図５】本発明による製造方法における絶縁層の貫通溝を形成する工程でのレーザ基板の斜視図である。
【図６】本発明による製造方法における絶縁層の貫通溝を形成した状態でのレーザ基板の斜視図である。
【図７】本発明による製造方法における電極を蒸着した状態でのレーザ基板の斜視図である。
【図８】本発明による製造方法において、レーザ基板上にグレーティング層、絶縁層及び電極層を積層して得られたバルクを小割して最終製品である半導体レーザ素子を得る工程を示す斜視図である。
【図９】本発明の半導体レーザ素子のパワー分布を示す図である。
【主要部分の符号の説明】
１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 下部ガイド層
４ 活性層
５ 上部ガイド層
６ 上部クラッド層
７ コンタクト層
6a、7a グレーティング層
８ 無機保護層
11 SiO2保護膜
12 レジスト
18 半導体レーザ素子
20、21 電極層
Claims (4)
- 導波層を挟持する下部クラッド層及び上部クラッド層を含むレーザ基板の前記上部クラッド層上に、半導体からなるグレーティング層と、絶縁層と、電極層とをこの順で積層した分布帰還型半導体レーザ素子であって、前記絶縁層は、前記レーザ素子の共振器形成方向に沿って前記グレーティング層に達する貫通溝を有し、前記電極層は、前記グレーティング層及び前記上部クラッド層に接しており、前記上部クラッド層の厚さが０．５μｍ以下であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
- 前記導波層はＩｎＧａＡｓＰからなり、前記上部クラッド層はｐ−ＩｎＰからなり、前記グレーティング層はＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
- 前記電極層は、Ｔｉ又はＣｒからなることを特徴とする請求項１又は２記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
- 少なくとも導波層とクラッド層とを含むレーザ基板を形成する工程と、前記レーザ基板の前記クラッド層上にコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層の一部をリソグラフィー法によって除去してレーザ素子の共振器形成方向に沿って周期的に並ぶ複数の互いに平行なリッジを形成するグレーティング層形成工程と、前記グレーティング層の上にレーザ素子の共振器形成方向に沿って前記グレーティング層に達する貫通溝を有する絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上から前記グレーティング層及び前記クラッド層に接するように高屈折材料からなる電極層を形成する工程と、前記レーザ基板の底面に電極層を形成する工程と、からなることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法。
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