JP3710524B2 - リッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
リッジ導波路型半導体レーザは、ストライプ状リッジ構造により電流の閉じ込め及び光の閉じ込めが可能であり、レーザ動作の横モードを精密に制御できる半導体レーザである。リッジ導波路型半導体レーザでは、ストライプ状リッジ構造部の幅(リッジ幅)及びストライプ状リッジ構造部外の活性層からリッジ構造の底面までの厚さ(リッジ残し厚)により光の閉じ込まれ方(拡がり)及び電流の閉じ込まれ方(拡がり)が決まり、素子の特性が決まる。従って、リッジ幅及びリッジ残し厚を精度よく制御することにより素子の再現性が向上し、作製歩留まりを向上させることができる。また、リッジ幅及びリッジ残し厚とレーザ素子のしきい値電流との関係を調べたところ、しきい値電流を±5%に制御するためには、リッジ幅は±0.1μm以下、リッジ残し厚は±0.01μm以下に制御する必要があることがわかった。
【0003】
ストライプ状リッジ構造は、リッジ構造部外をエッチングして形成するため、このエッチングの深さでリッジ残し厚が決まる。しかしこのリッジ形成のエッチングを時間制御により行うと、エッチングによるリッジ残し厚の制御が難しく特性の再現性が悪くなる。このため、エッチングストップ面によりエッチングを停止し、エッチングによるリッジ残し厚を精度良く制御する方法が取られており、例えば特開昭63−38279に開示されている。
【0004】
一方、分布帰還半導体レーザ(DFB−LD)は、単一軸モードで動作する波長可変、波長安定のコヒーレント光源として利用され、光計測、光通信/伝送、光記録、レーザビームプリンタなどに対する要求が高まっている。DFB−LDでは、活性層またはガイド層に回折格子が設けられており、この回折格子によって光が分布帰還されることによりレーザ発振動作が行われる。このようなDFB−LDに上述のリッジ導波路構造を適用することにより、レーザ動作の横モードが精密に制御でき、再現性の良いDFB−LDを歩留まり良く作製することは、産業上利用価値が高い。
【0005】
DFB−LDの回折格子としては、一般に凹凸形状のグレーティングが用いられている。DFB−LDにおいてリッジ導波路を形成する場合、まずグレーティングを形成し、グレーティング上に結晶成長を行い、その後エッチングによりリッジ構造の形成を行う方法が特開平5−235463に開示されている。このようにして作製された分布帰還半導体レーザ装置の構造を図5に示す。
【0006】
図5では、まずn−GaAs基板50上にn−Al0.6Ga0.4Asクラッド層51、Al0.15Ga0.85As活性層52、p−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層53、p−Al0.25Ga0.75Asガイド層54、p−GaAs光吸収層55を有機金属気相成長(MOCVD)法により順次形成する。続いて、成長層の最上層に通常の二光束干渉露光技術とウェットエッチング技術を用いて120nmピッチの回折格子を印刻する。この回折格子の深さは30nmである。その後、p−Al0.75Ga0.25Asクラッド層57、p−GaAsコンタクト層58を基板温度750℃、気相中でのV/III比=120、成長速度=25nm/min、成長圧力76Torrの条件にてMOCVD法により再成長して形成する。
【0007】
続いて光導波路ストライプ外のGaAsコンタクト層58を除去し、Alの高混晶層を選択的にエッチングするHF系エッチャントを用いてクラッド層57を除去し、3μm幅のストライプ状リッジ構造を形成する。その後、リッジ上部及び基板裏面に電極を蒸着し、最後にへき開してこの半導体レーザ素子を完成させる。リッジを形成する際エッチングは、HF系エッチャントではエッチングが進まないAl低混晶であり、グレーティングが形成されているp−Al0.25Ga0.75Asガイド層54/p−GaAs光吸収層55で停止している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
DFB−LDのリッジ形状を形成する場合、上記のごとくグレーティングを形成し、グレーティング上に結晶成長を行い、その後リッジの形成を行うが、前記従来例ではリッジ形成のエッチングの停止は、グレーティング形状を有する面をエッチングストップ面とし、p−Al0.75Ga0.25Asクラッド層57を選択的にエッチングすることにより行っている。しかしながら、グレーティングなど凹凸形状上に結晶成長を行うと、凹凸形状の各々の面から成長が進行し、面と面がつながる部分、すなわちグレーティングの谷部、山部では、各々の面からの成長層が重なり合い、この重なりあった部分から歪が生じる。成長層に歪がかかると結晶性が低下し、結晶性が低下した層では同じ組成の無歪の連続成長層に比べてエッチングレートが増大する。前記従来例では、エッチングストップを行った面はグレーティング形状を有するため、p−Al0.75Ga0.25Asクラッド層57のエッチングストップ面近傍はエッチングレートが連続成長層に比べて極端に速くなっており、エッチングストップ面近傍のみ過剰にエッチングされ、エッチングストップ面でサイドエッチが入り、所望のストライプリッジ形状が得られなくなっている。その結果、素子の再現性が低下し、作製歩留まりが低下するという問題点がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置は、回折格子と、該回折格子上に形成され、回折格子の凹凸形状を徐々に軽減し表面で凹凸が緩和されている半導体層と、該半導体層上にストライプ状リッジ構造と、を有することを特徴とする。また、前記回折格子上に形成した半導体層は、回折格子の形状を反映した上面の凹凸の深さが15nm以下であることを特徴とする。
【0010】
また、本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法では、半導体ウェハ表面に回折格子を形成する工程と、該回折格子上に回折格子の凹凸形状を軽減し、表面で凹凸が緩和されている少なくとも1層の半導体層を形成する工程と、該半導体層上にストライプ状リッジ構造を形成するためのクラッド層及びコンタクト層を形成し、前記半導体層をエッチングストップ面として、前記クラッド層及びコンタクト層を選択エッチングすることによりストライプ状リッジ構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【0011】
本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置によれば、グレーティングの凹凸形状上に結晶成長を行う際、成長表面での原料のマイグレーションを大きくすることにより、原料は凹凸形状の凹部に集中し易い傾向があり、凹部の成長速度が増加するため、凹凸形状を反映しつつ凹部が徐々に埋め込まれていき、成長層は平坦化されていく。成長層が平坦化されていくに伴い、成長表面での原料のマイグレーションのしかたは均一になり成長速度が均一になることから、成長層に生じる歪が軽減され、成長層の結晶性が向上する。そして、ストライプ状リッジ構造を形成するための選択エッチングを行うエッチングストップ面としてこの平坦化された面を用いることにより、被エッチング層のエッチングストップ面との界面近傍においてもエッチングレートが同組成の無歪の連続成長層のエッチングレートの値に近づくことから、リッジ底部でのサイドエッチが抑制でき、リッジ形状の制御性を向上させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の第1の実施例を示す図であり、図2はその製造過程を示した図である。
【0013】
第1の実施例では、まず図2(a)のごとく、n−GaAs基板10上にn−Al0.6Ga0.4Asクラッド層11、Al0.15Ga0.85As活性層12、p−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層13、p−Al0.25Ga0.75Asガイド層14、p−GaAs光吸層15をMOCVD法により順次形成する。続いて、図2(b)のごとく、成長層の最上層に二光束干渉露光法を用いて120nmピッチの回折格子を印刻する。この回折格子は、深さ30nmのグレーティング形状よりなる。その後図2(c)のごとく、グレーティング山(凸部)からの厚さが20nmのp−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16、p−Al0.75Ga0.25Asクラッド層17、p−GaAsコンタクト層18をMOCVD法により再度結晶成長して形成する。このとき、p−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16はグレーティング形状の凹凸を軽減してほぼ平坦に埋め込まれるため、それ以降の成長層も平坦な成長層となる。
【0014】
その後図2(d)のごとく、光導波路ストライプ外のGaAsコンタクト層を除去した後、Alの高混晶層を選択的にエッチングするHF系エッチャントを用いてクラッド層を除去し、3μm幅のストライプ状リッジ構造を形成する。この際エッチングは、第2回目の結晶成長でグレーティングの凹凸形状を埋め込んだp−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16で停止している。その後、リッジ上部及び基板裏面に電極を蒸着し、最後にへき開してこの半導体レーザ素子を完成させる。
【0015】
本実施例の結晶成長条件(成長温度750℃、V/III=120、GR=25nm/min、成長圧力76Torr)では、AlGaAsのAl高混晶層の成長は成長表面での原料のマイグレーションが小さく、成長表面の形状に関係なく均一に成長するため、成長表面の形状をそのまま引き継いで成長が進んでいくが、Al低混晶層の成長では原料のマイグレーションが大きく、成長表面に凹凸形状を有している場合、成長表面上で原料は凹凸形状の凹部(谷部)に集中し、凹部での成長速度が増加し、凹凸形状を反映しつつ徐々に凹部が埋め込まれていくため、成長面は平坦化されていく。具体的には、約30nmの深さのグレーティング形状の上に、グレーティング山(凸部)からの厚さ20nmのp−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16を採用することにより、この層は凹凸グレーティング形状の凹部(谷部)から埋め込まれていき、グレーティング形状の凹凸の深さは徐々に軽減され、p−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16上面ではほぼ平坦な形状となった。これにより、p−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16上の成長層では成長表面での原料のマイグレーションのしかたが均一になり、成長速度が均一になることから、元のグレーティングの凹凸形状を反映した各々の面からの成長層が重なり合うことが無く、成長層に生じる歪は軽減され、良好な結晶性が得られた。そして、p−Al0.75Ga0.25Asクラッド層17のp−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16との界面付近でのフッ酸系エッチャントに対するエッチングレートは、連続成長のAl0.75Ga0.25As層のエッチングレートと同程度となり、ストライプ状リッジ構造形成時にp−Al0.75Ga0.25Asクラッド層17を選択的にエッチングし、p−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16上でエッチングを停止したとき、リッジ底部にサイドエッチが入ることのない所望のリッジ形状が得られた。
【0016】
このように、ストライプ状リッジ構造の制御性が向上したことにより光及び電流の閉じこめが各素子ごとに同様に設計通りに行われるため、素子の再現性が向上し、作製歩留まりが向上した。
【0017】
ここで、グレーティングの凹凸の深さを軽減するために、埋め込むp−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層16の層厚を変えてこの層の上面での元のグレーティングの凹凸形状を反映した凹凸の深さを測定し、リッジ形成時のエッチングストップ面の凹凸の深さ(図3(c))と選択エッチング時のリッジ底部のサイドエッチ量(図3(b))との関係を調べた。その結果、図3(a)に示すように、凹凸の深さが15nm以下になるとサイドエッチ量は0.1μm以下となり、前述のようにリッジ幅を±0.1μmの精度で制御することが可能となることがわかった。このため、エッチングストップ層表面の凹凸の深さを15nm以下にすることにより、素子特性の再現性が向上し、作製歩留まりが向上した。
【0018】
図4は、本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の第2の実施例を示す図である。本実施例では、まずp−GaAs基板40上にp−Al0.5Ga0.5Asクラッド層41、Al0.15Ga0.85As活性層42、n−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層43、n−Al0.25Ga0.75Asガイド層44をMOCVD法により順次形成する。次に、成長層の最上層に二光束干渉露光法を用いて360nmピッチの回折格子を印刻する。この回折格子は深さ100nmのグレーティングよりなる。
【0019】
続いて、グレーティング山(凸部)からの厚さ100nmのn−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46、n−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層47、n−Al0.25Ga0.75As層48、n−GaAsコンタクト層49をMOCVD法により再度結晶成長して順次形成する。このとき、n−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46はグレーティング形状の凹凸を軽減してほぼ平坦に埋め込まれ、それ以降の成長層も平坦な成長層となる。
【0020】
その後、n−Al0.25Ga0.75As層48の光導波路ストライプ外を、Alの低混晶層を選択的にエッチングするアンモニア系エッチャントを用いて除去し、3μm幅のストライプ状リッジ構造を形成する。この際エッチングは、第2回目の結晶成長でグレーティング形状をほぼ平坦に埋め込んだn−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層47で停止した。その後、リッジ上部及び基板裏面に電極を蒸着し、最後にへき開してこの半導体レーザ素子を完成させる。
【0021】
本実施例においてn−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46は、TMGa, TMAl及びAsH3を交互に供給するALE法( Atomic Layer Epitaxy )により成長を行っており、AlGaAsのAl高混晶層の成長に対しても成長表面での原料のマイグレーションが大きくなり、凹凸形状を有している成長表面上で原料は凹凸形状の凹部(谷部)に集中し、凹部での成長速度が増加するため、n−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46は元の凹凸形状を反映しつつ徐々に平坦化し、上面で成長面はほぼ平坦な面となった。
【0022】
n−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46上のn−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層47もほぼ平坦な形状が保たれており、この上の成長層では成長表面での原料のマイグレーションのしかたが均一になり、成長速度が面内で均一になることから、グレーティングの凹凸形状を反映したそれぞれの面からの成長層が重なり合うことが無く、成長層に生じる歪は軽減され、良好な結晶性が得られた。そのため、n−Al0.25Ga0.75As層48の、n−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層47との界面付近におけるアンモニア系エッチャントに対するエッチングレートは、連続成長のAl0.25Ga0.75As層のエッチングレートと同程度となる。ストライプ状リッジ構造形成時にはn−Al0.25Ga0.75As層48を選択的にエッチングし、n−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層47上でエッチングを停止しているため、リッジ底部にサイドエッチが入っていない所望のリッジ形状が得られた。
【0023】
このように、ストライプ状リッジ構造の制御性が向上したことにより、光及び電流の閉じこめが各素子ごとに同様に設計通り行われるため、素子の再現性が向上し、作製歩留まりが向上した。
【0024】
一方、同様の構造の素子を作製するに当たり、n−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46の結晶成長条件として、成長基板温度を780℃〜850℃と高めに、気相中でのV/III比=70〜20と低めに、成長速度を15〜5nm/minと遅くすると共に、成長圧力50〜10Torrと低くするという結晶成長条件の範囲で通常のMOCVD法により結晶成長を行っても、ピッチ360nm、深さ100nmのグレーティング上に成長したn−Al0.5Ga0.5As埋め込み層46の成長面はほぼ平坦に埋め込まれ、リッジ形状、素子特性とも同様な良好な結果が得られた。
【0025】
またここでは、MOCVD成長のみ記述したが、液相成長(LPE)、分子線エピタキシ成長(MBE)など他の成長方法による結晶成長を行っても、マイグレーションを大きくする成長条件を選ぶことにより凹凸形状は軽減され、ほぼ平坦に埋め込まれ、同様な効果が得られた。
【0026】
また、リッジ形成時のエッチングストップ面となるn−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層47の上面でのグレーティングの凹凸形状を反映した凹凸の深さと選択エッチング時のリッジ底部のサイドエッチ量との関係は、図3に示した第1の実施例の結果とほぼ同じ関係が得られ、凹凸の深さが15nm以下になるとサイドエッチ量は0.1μm以下となり、前述のようにリッジ幅を±0.1μmの精度で制御することが可能となった。このため、エッチングストップ層表面の凹凸の深さを15nm以下にすることにより、素子特性の再現性は向上し、作製歩留まりが向上した。
【0027】
【発明の効果】
リッジ導波路型分布帰還半導体レーザにおいて、グレーティングの凹凸形状を埋め込み、ほぼ平坦な結晶成長面とすることによって成長層の歪が軽減され、成長層の結晶性が向上する。従って、ストライプ状リッジ構造を形成するための選択エッチングを行うエッチングストップ面としてこのほぼ平坦化された面を用いることにより、このほぼ平坦面上の被エッチング層のエッチングレートは、エッチングストップ面との界面近傍においても同組成の無歪の連続成長層のエッチングレートの値に近づくことから、リッジ底部でのサイドエッチが抑制され、リッジ形状の制御性が向上する。
【0028】
このように、グレーティングを有するDFB−LDにおいてもほぼ平坦となったエッチングストップ面とストライプ状リッジ構造の底面とが一致した構造であれば、リッジ底部でサイドエッチの無いリッジ形状となり、リッジ幅及びリッジの残し厚を精度よく再現よく制御できるため、光及び電流の閉じ込めが各素子ごとに同様に設計通り行われるため、素子の再現性が向上し、作製歩留まりが向上する。
【0029】
また、ストライプ状リッジ構造を形成する際、エッチングストップ面のグレーティングの凹凸形状を反映した凹凸の深さを15nm以下とすることにより、リッジ底部でのサイドエッチ量はリッジ幅変動による素子の特性の変動に影響を与えない程度に減少し、素子の再現性が向上し、作製歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の第1の実施例を表す図である。
【図2】本発明の第1の実施例の製造過程を表す図である。
【図3】エッチングストップ面の凹凸の深さとストライプ状リッジ構造底部のサイドエッチ量との関係を示す図である。
【図4】本発明のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の第2の実施例を表す図である。
【図5】従来のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置を表す図である。
【符号の説明】
10,50 n−GaAs基板
11,51 n−Al0.6Ga0.4Asクラッド層
12,52 Al0.15Ga0.85As活性層
13,53 p−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層
14,54 p−Al0.25Ga0.75Asガイド層
15,55 p−GaAs光吸収層
16, p−Al0.25Ga0.75Asガイド埋め込み層
17,57 p−Al0.75Ga0.25Asクラッド層
18,58 p−GaAsコンタクト層
40 p−GaAs基板
41 p−Al0.5Ga0.5Asクラッド層
42 Al0.15Ga0.85As活性層
43 n−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層
44 n−Al0.25Ga0.75Asガイド層
46 n−Al0.5Ga0.5As埋め込み層
47 n−Al0.7Ga0.3Asエッチングストップ層
48 n−Al0.25Ga0.75As層
49 n−GaAsコンタクト層
Claims (5)
- GaAs基板上に、少なくともクラッド層、活性層、キャリアバリア層、第一のガイド層、光吸収層がこの順序で形成され、
さらに前記光吸収層に回折格子が形成され、
前記回折格子上には、回折格子の凹凸を埋め込んでその上面で凹凸が緩和されているエッチングストップ層を兼ねるAlGaAsガイド埋め込み層が設けられ、
当該AlGaAsガイド埋め込み層の上面に、ストライブ状リッジ構造が形成されてなることを特徴とするリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置。 - 前記AlGaAsガイド埋め込み層は、その上面の凹凸深さが15 nm 以下であることを特徴とする請求項1に記載のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置。
- 半導体ウェハ表面に回折格子を形成する工程と、
該回折格子上に回折格子の凹凸形状を軽減し、表面で凹凸が緩和されている少なくとも1層の半導体層を形成する工程と、
該半導体層上にストライプ状リッジ構造を形成するためのクラッド層及びコンタクト層を形成し、前記半導体層をエッチングストップ面として、前記クラッド層及びコンタクト層を選択エッチングすることによりストライプ状リッジ構造を形成する工程と、
を備え、
前記半導体層を形成する工程における前記半導体層の形成は、ALE法により行われることを特徴とするリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法。 - 半導体ウェハ表面に回折格子を形成する工程と、
該回折格子上に回折格子の凹凸形状を軽減し、表面で凹凸が緩和されている少なくとも1層の半導体層を形成する工程と、
該半導体層上にストライプ状リッジ構造を形成するためのクラッド層及びコンタクト層を形成し、前記半導体層をエッチングストップ面として、前記クラッド層及びコンタクト層を選択エッチングすることによりストライプ状リッジ構造を形成する工程と、
を備え、
前記半導体層を形成する工程における前記半導体層の形成は、結晶成長基板温度が780度〜850度、結晶成長雰囲気の気相中でのV/ III 比が20〜70、結晶成長速度が15〜5 nm / min 、結晶成長圧力が50〜10 torr の条件でMOCVD法により行われることを特徴とするリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法。 - 前記半導体層を形成する工程における前記半導体層の形成を、前記表面での凹凸深さが15 nm 以下となるまで行うことを特徴とする請求項3または4に記載のリッジ導波路型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法。
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