JP3748654B2 - 分布帰還形半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光応用計測、ホログラム等の光源として用いられる分布帰還形半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還形半導体レーザは、従来の劈開面反射構造のファブリペロー型レーザと異なり、光導波路の共振器長方向に回折格子を成す周期的な凹凸部を設け、これら回折格子によるBragg散乱を利用して光のフィードバックを行うレーザ発振素子（装置）である。発振波長は、これら回折格子の波長選択性により単一の縦モードに安定に固定することができる。従って、より高いコヒーレンシーが求められる動的単一モード動作において有用である。この分布帰還形半導体レーザは、光通信、光応用計測、ホログラム等の種々の分野に応用されることが有望視されているが、近年では、石英系光ファイバの分散のある波長帯域での長距離無中継通信を実現するために、InGaAsP/InP系の半導体レーザにこの分布帰還形構造を採用している。
【０００３】
分布帰還形半導体レーザでは、上述したBragg散乱を生じさせるために、微細な回折格子を形成する必要がある。従来は、活性層（光導波路を兼ねる）内に周期構造を形成した構造の分布帰還形半導体レーザが案出されているが、この構造では、活性層にダメージを与え内部量子効率が減少する等の問題がある。このため、活性層内に回折格子を形成するのではなく、活性層の上部に形成されたクラッド層に回折格子を形成して、活性層における共振器長手方向の実効屈折率を周期的に変化させることによって回折格子を形成した構造の分布帰還形レーザが案出されている。例えば、同出願人により特開平８−１６７７５９号公報に開示された技術がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報に開示された分布帰還形レーザに形成される回折格子は、深さが０．５〜１μｍ程度、幅が０．１μｍ程度の平面長方形状の複数の凹部を共振器長手方向に多数形成して実現される。
分布型半導体レーザの発光効率を向上させるためには、上記回折格子を活性層の近傍に形成しなければならない。なぜならば、回折格子が活性層に近いほど共振器長手方向の屈折率分布の差が大きくなり、活性層中を伝搬する前進波と後進波との結合係数が大きくなるためである。つまり、必然的に上記凹部の形状を高アスペクト比（凹部の高さと幅との比）を有するよう形成する必要がある。
【０００５】
回折格子は塩素系又はメタン系の反応成ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチング又は組成がＨＣｌ：ＣＨ3ＣＯＯＨ＝１：４であるエッチング溶液を用いたウェットエッチングによって形成される。通常、ドライエッチングは加工箇所に対するダメージが大きいため、加工する箇所への加工変質ダメージが低いウェットエッチングによって回折格子が形成される。
【０００６】
しかしながら、ウェットエッチングでは、使用する基板材料やエッチング溶液の種類によって基板が異方的にエッチングされる。つまり、基板材料にあわせて適切なエッチング溶液を選択しないと凹部の断面形状が台形状に又は逆台形状に形成されてしまう。凹部の形状が台形状に又は逆台形状に形成されたものがあると、回折格子による結合係数のばらつきが生ずる。尚、ここでいう結合係数は、前述した結合係数と同じ意味であり、活性層中を伝搬する前進波と後進波とが回折格子によって結合される割合の程度を示すものである。
【０００７】
図８は回折格子の形状と結合係数との関係を示す説明図である。図８（ａ）に示されたように、凹部２０の幅をＢ、凸部２１の幅をＡとすると、図８（ｂ）に示されたように幅Ａと幅Ｂとの比を変化させると結合係数が変化する。尚、図８（ｂ）は横軸を幅Ａと幅Ｂとの比に設定し、縦軸をＡ：Ｂ＝１：１としたときの結合係数を基準として規格化した結合係数に設定している。
【０００８】
図８（ｂ）に示されたように、凹部２０の幅Ｂと凸部２１の幅Ａとが等しい場合に結合係数が最大となり、幅Ｂに対する幅Ａの値が小さくなるにつれ結合係数が小さくなる。
上記結合係数が大きいと、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合が大きくなって共振器内に単位時間に蓄えられる光パワーが増加するため、レーザ発振に必要な閾電流の値が小さくなるため、低電力化には、結合係数が大きいほうが好ましい。
【０００９】
ところで、回折格子の形状が変化すると結合係数が変化し、その結果、活性層中で帰還される光パワーが変化するためにレーザ発振閾値が変化する問題があった。つまり、各分布帰還形半導体レーザに形成される回折格子の形状を正確に制御できないと、個々の分布帰還形半導体レーザ毎に閾電流の値が変化してしまい、発振特性が一定な分布帰還形半導体レーザを作成できないという問題があった。
さらに、凸部２１が逆台形状となった場合、凹部２０の底部の幅が広くなって凸部２１の底部の幅が狭くなるため、形成された凸部２１が倒れやすくなって回折格子が壊れやくすなり、その結果として製造歩留まりが低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ発振の閾電流値を一定とする形状であって、かつ壊れにくい回折格子が形成された分布帰還形半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体基板上に、第１のクラッド層と、活性層と、第２のクラッド層と、コンタクト層と、電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電極層とを順次積層し、前記電極層から前記第２のクラッド層にわたって断面が台形状である複数の凹部をそれぞれ一定間隔あけて前記ストライプ溝方向に並設した分布帰還形半導体レーザであって、前記凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する隣合う前記凹部の間に位置する凸部を成す第２のクラッド層における凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合が０.７以上、２以下であり、前記第２のクラッド層における前記凸部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する該凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１を越えて２.２以下であり、前記第２のクラッド層における前記凹部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する該凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合が０.５以上、１未満であることを特徴とする。
本発明は前記凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２に対する凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１〜７の範囲であることを特徴とする。
本発明は、前記クラッド層を構成する材料がＩｎＰであり、前記溝部長手方向と[１１０]方向のなす角が±１.５度以内で０を除く値とされたことを特徴とする。
本発明は、前記凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１と、前記第２のクラッド層における前記凸部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ３との割合を１とした場合に、第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２に対する凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１を越えて７以下の範囲であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、凹部の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対して、隣合う凹部の間に位置する凸部の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合を０.７以上、２以下とし、凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する凸部部分の頂部でのストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合を１を越えて２.２以下の範囲とし、長さｌ１に対する第２のクラッド層の頂部における凹部のストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合は０.５以上、１未満の範囲としたので、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定なレーザを提供することができるという効果がある。
また、本発明によれば、壊れにくい回折格子を有する半導体レーザを提供することができるという効果がある。従って、製造プロセスにおいて、容易に回折格子が壊れることがないため、製造歩留まりを向上させることができるという効果がある。
さらにまた、前記第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記長さｌ２に対する長さｌ４の割合を１を越えて７以下の範囲とすることで、エッチングにより望ましい深さの凹部を形成する場合に長さｌ２に対する長さｌ４の割合とすることができ、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定であり、外部からの衝撃に対して壊れにくい回折格子を有する分布帰還形半導体レーザを提供することができる効果がある。特にこの効果は前記長さｌ１に対する長さｌ３の割合を１とした場合に確実となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図２は本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの上方斜視図であり、図１は図２中ａ−ａ線の断面図である。まず、図１及び図２を参照してこの半導体レーザの全体的な構造について説明する。
この半導体レーザは、基板１２の下面に電極層１１が形成されている。基板１２の上には、下部クラッド層１３、活性層１４、上部クラッド層１５が積層され、上部クラッド層１５の上面全域にコンタクト層１６が形成されている。上記上部クラッド層１５は下部側の第１の上部クラッド層１５Ａと上部側の第２の上部クラッド層１５Ｂとからなり、第１の上部クラッド層１５Ａと第２の上部クラッド層１５Ｂとの間にエッチングストップ層１０が介挿されている。
【００１４】
更に、コンタクト層１６の上には絶縁層１７が形成されており、絶縁層１７の中央には所定幅寸法の絶縁層のストライプ溝１９が開口されている。また、絶縁層１７の上面および絶縁層１７のストライプ溝１９内のコンタクト層１６の上面には電極層１８が形成されている。電極層１８から電流を注入した場合、この絶縁層１７のストライプ溝１９の幅寸法内の上記活性層１４において、レーザ発振が行われる。
【００１５】
上記の構造において基板１２は、この例ではｎ型InPからなり、下部クラッド層１３はｎ型InPからなり、活性層１４はInGaAsPからなり、上部クラッド層１５はｐ型のInPからなり、コンタクト層１６はInGaAsもしくはInGaAsPから構成されている。従って、この構成の半導体レーザは、クラッド層をInPから形成し、活性層をInGaAsPから形成しているので、基本的には発振波長が赤外波長帯となるが、発振波長が可視赤外帯の場合は、クラッド層をInGaAlPから、活性層をInGaPから形成することになる。また、エッチングストップ層１０は、InGaAsもしくはInGaAsPからなる。
【００１６】
上記各層からなる半導体エピタキシャル基板は、ＭＯＣＶＤ装置を用いるなどしたエピタキシャル結晶成長により後述の如く製作される。
この半導体エピタキシャル基板において、コンタクト層１６からクラッド層１５にかけて規則的な凹部２０・・・が形成されている。凹部２０・・・の中間は相対的な凸部２１となり、凹部２０・・・と凸部２１・・・により、回折格子が形成されている。この回折格子は、絶縁層のストライプ溝１９が形成されていない部分で、かつ、活性層１４の近傍に形成されるものであり、図１，２の形態では、絶縁層のストライプ溝１９の両側部に回折格子が２列に形成されている。なお、本発明構造において回折格子が絶縁層のストライプ溝１９の一方の側部に１列のみ形成されていてもよいのは勿論である。
また、上記各凹部２０の各底部はエッチングストップ層１０に到達されてエッチングストップ層１０で止められており、各凹部２０の底部は均一な深さにされているとともに、各凹部２０の底部にも絶縁層２２が設けられている。
【００１７】
また、図１，２に示す形態では、凹部２０・・・がコンタクト層１６と上部クラッド層１５とに形成され、各凹部２０の底部が活性層１４から離れているが、各凹部２０の底部が活性層１４内まで延びていても良い。また、凹部２０…は、積層が完了したエピタキシャル基板に対し、ドライエッチングとウエットエッチングとの組み合せにより後述の如く加工される。
【００１８】
以上、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの全体構成について説明したが、次に前述した凹部２０・・・と凸部２１・・・により形成される回折格子について詳述する。尚、以下の説明においては、凹部２０・・・及び凸部２１の断面がが矩形状に形成された場合に凹部２０のストライプ溝１９方向の長さと凸部２１のストライプ溝１９方向の長さとが等しいことを前提に説明する。
図１に示されたように、本実施形態においては、凹部２０，…の断面形状は逆台形状であり、凸部２１，…の断面形状は台形状である。前述したように、回折格子はウェットエッチングによって形成されるが、基板材料やエッチング溶液の種類によって異方的にエッチングされる。
【００１９】
また、凹部２０長手方向と基板の［１１０］結晶方位とのなす角θによっても凹部２０の断面形状が異なる。ここで、凸部２１の斜面２１ａが、他の斜面２１ｂを介して凹部２０の底面となす角をメサ角γと定義する。凹部２０長手方向と基板の［１１０］結晶方位とのなす角θが０度のときにメサ角γが最も９０度に近接するようにエッチングされ、角θが０度からずれるに従ってメサ角γは９０度以上になるようエッチングされる。
【００２０】
前述したように、上部クラッド層１５は材料としてInPを用いているためウェットエッチングを行う際に凸部２１を垂直に形成することは困難である。通常、クラッド層１５をエッチングした場合、上記メサ角度γは９５度以上になってしまう。従って、所望のメサ角γを有する凸部２１を形成する際には、凹部２０の長手方向と、［１１０］結晶方向のなす角を正確に調整する必要がある。実際に半導体レーザを製造する場合には、製造装置の分解能等によって調整のための精度に限界があるが、メサ角γを９５度以内とするためには、角θがおよそ±１．５度以内であればよい。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの回折格子の詳細構造を示す断面図であり、図１及び図２に示された部分と同一の部分に対しては同一の符号が付してある。図３に示されたように、凹部２０は電極層１８から絶縁層１７、コンタクト層１６を、第２の上部クラッド層１５Ｂに至るにつれその幅が除々に広くなり、逆に凸部２１はその幅が狭くなる。
【００２２】
図３に示されたように、凹部２０の底面におけるストライプ溝方向幅の長さをｌ1、第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凹部２０のストライプ溝方向幅の長さをｌ2と定義する。また、凸部２１の底面部におけるストライプ溝方向幅の長さをｌ3、第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凸部２１のストライプ溝方向幅の長さをｌ4と定義する。
【００２３】
図３に示された本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザは、ストライプ溝方向幅の長さｌ1に対するストライプ溝方向幅の長さｌ3の割合が１に設定されているが、この割合を０．７以上に変更することは任意であり、さらにこの割合を１〜２に限定してもよい。
また、凸部２１の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ3に対する第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凸部２１のストライプ溝方向幅の長さｌ4の割合は１〜２．２の範囲内で任意に変更可能である。
さらに、凹部２０の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ1に対する第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凹部２０のストライプ溝方向幅の長さｌ2の割合は０．５〜１の範囲内で任意に変更可能である。
【００２４】
このように、上部クラッド層１５をエッチングする際には、メサ角γが９０度以上になり、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ は、頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ に比べて短くなり、外部からの衝撃に対して回折格子が壊れやすくなる。回折格子の破壊を防止するためには、凸部２１の底部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ と、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ とをほぼ等しくする必要がある。
【００２５】
凸部２１の底部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ と、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ とをほぼ等しくするためには、凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ と、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ とを等しくしても、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ は、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ に比べて当然ながら長くなる。
【００２６】
つまり、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ との割合は、凹部２０を形成する前に決定しなければならない。即ち、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ とを所望の割合にするためには、コンタクト層１６及び上部クラッド層１５の上に形成され、エッチングの際に用いられるマスクの形状が重要となる。
【００２７】
図４は凹部２０を形成する際の簡略化したプロセスを示す図であり、（ａ）はコンタクト層１６及び上部クラッド層１５の上にマスクを形成する工程を示し、（ｂ）はマスクの所定箇所に金属膜を斜方蒸着する工程を示し、（ｃ）はコンタクト層１６及び上部クラッド層１５をエッチングする工程を示す。尚、図４においては、図１及び図２の各部に対応する箇所には同一の符号を付してある。次に、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの製造手順について説明する。
【００２８】
まず、基板上に、下部クラッド層１３、活性層１４、第１の上部クラッド層１５Ａ、エッチングストップ層１０、第２の上部クラッド層１５Ｂ、及びコンタクト層１６を順にＭＯＣＶＤ等によってエピタキシャル成長する。次に、コンタクト層１６の上にレジストを塗布してスピンコータでレジスト膜を形成し、二光束干渉露光装置によってレジスト膜を露光する。二光束干渉露光装置によってレジスト膜を露光する際には、、二光束干渉光の長手方向と、基板の結晶方位［１１０］とのなす角をおよそ±１．５度以内に調整する必要がある。
【００２９】
二光束干渉露光装置によって露光された膜は、図４（ａ）に示されたように、波形形状に現像される。次に、現像後のレジスト３０に金属膜を形成する工程が行われる。この金属膜は、第２の上部クラッド層１５Ｂ及びコンタクト層１６をエッチングする際のマスクとなるものであり、前述した形状の回折格子を形成するためには、斜方蒸着による金属膜の形成が極めて重要である。つまり、上記レジスト３０の凹凸の長手方向と基板の結晶方位［１１０］とは二光束干渉露光装置による露光時に決定されており、前述した凸部２１のメサ角γの値は、この関係が決定されると後に変更が不可となるためである。
【００３０】
従って、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ と凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ との割合を所望の割合にするためには、メサ角γを考慮して上記金属膜が付加された箇所と付加されない箇所とを設計する必要がある。図４（ｂ）に示されるように、斜方蒸着は、エッチングストップ層１０と第２の上部クラッド層１５Ｂとの接合面や第２の上部クラッド層１５Ｂとコンタクト層１６との接合面に対して、所定の角φをもって、基板斜め上方から金属が蒸着される。蒸着する金属はＮｉ又はＣｒ、或いはこれらの合金が用いられ、真空蒸着装置等によって蒸着される。
【００３１】
図５は、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ との割合を１にする場合に、エッチング深さと、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合（マーク／スペース比）との関係を示す図である。図示されたように、形成するエッチング深さが大きくなるに従って開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合が大きくなる。つまり、この図は、凸部２１がメサ角γを有するために、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ との割合を１にするためには、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合を大きくしなければならないことを示している。
【００３２】
第２の上部クラッド層１５Ｂにおける凹部２０の深さは約０．５μｍ程度必要である。図５に示されたように、０．５μｍの深さを有する凹部２０を形成するためには、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合が約１〜７である必要があるが、この割合が７の場合が最も好適である。
【００３３】
図６は斜方蒸着時の様子を示す図である。この図に示されたように、レジスト３０は波形形状を有するため、斜方蒸着を行うと金属が蒸着されてなる金属レジスト３０ａとレジスト３０の波形形状のために蒸着されない箇所３０ｂとが現れる。角φが９０度である場合には、金属が図中真上から蒸着されることになって、レジスト３０の陰になる部分はないが、角φが小さくなるに従い、蒸着されない面積が増加する。
【００３４】
つまり、角φを変化させることによってマスクの形状を変化させることができる。エッチングを行った際には、金属が蒸着される箇所は凸部２１が形成され、金属が蒸着されない箇所は凹部２０が形成される。従って、レジスト３０に形成された波形形状１周期ｄ1に対して金属が蒸着される箇所の長さｄ2を調整することによって、前述したように凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合を７に設定することができる。
【００３５】
図７は斜方蒸着時の角度と、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合を示す図である。図示されたように、斜方蒸着を行う角φが大きくなるに従って、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合が大きくなる。これは、角φが大きくなると金属が蒸着されてなる金属レジスト（図６中の３０ａ）の面積が大きくなるためである。前述したように、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合は７であることが好ましいが、図７からこの割合を７とする為には斜方蒸着を行う角φが約６５度であることが必要である。
【００３６】
従って、図４（ｂ）に示された斜め方向蒸着を行う工程で、角φを約６５度に設定して斜方蒸着を行うとエッチングの工程が行われる。
レジスト、絶縁層（図示省略）、及びコンタクト層１６は、ＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonance）を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やＲＩＢＥ（Reactive Ion Beam Etching）等によってドライエッチングを行う。ドライエッチングによってコンタクト層１６までエッチングが終了すると、ＨＣｌ：ＣＨ3ＣＯＯＨ＝１：４であるエッチング溶液を用いたウェットエッチングによって第２の上部クラッド層１５Ｂのエッチングを行う。
【００３７】
このエッチング溶液は、第２の上部クラッド層１５Ｂの材料であるInPに適合したエッチング溶液であるため、InGaAsPで形成されたエッチングストップ層１０はエッチングされにくく、このエッチングストップ層１０でエッチングが止まる。以上の工程が終了すると、図４（ｃ）に示したような回折格子が形成される。 エッチング工程を終えると回折格子を保護する絶縁膜を形成し、この絶縁膜に電流を注入するためにエッチングによってストライプ窓を形成して電極層１８（図１，２参照）を蒸着する。次に、基板１２の裏面を研磨して裏面に電極層を蒸着し、劈開を行うと図１に示された分布帰還形半導体レーザが形成される。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザについて説明したが、本発明は、上記実施形態に制限されず本発明の範囲内で変更が任意である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する隣合う凹部の間に位置する凸部を成す第２のクラッド層における凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合を０.７以上、２以下とし、凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する凸部部分の頂部でのストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合を１を越えて２.２以下の範囲とし、さらに、長さｌ１に対する第２のクラッド層の頂部における凹部のストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合を０.５以上、１未満の範囲としたので、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定なレーザを提供することができるという効果がある。また、本発明によれば、壊れにくい回折格子を有する分布帰還形半導体レーザを提供することができるという効果がある。従って、製造プロセスにおいて、容易に回折格子が壊れることがないため、製造歩留まりを向上させることができるという効果がある。
さらにまた、前記第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記長さｌ２に対する長さｌ４の割合を１を越えて７以下の範囲とすることで、エッチングにより望ましい深さの凹部を形成する場合に長さｌ２に対する長さｌ４の割合とすることができ、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定であり、外部からの衝撃に対して壊れにくい回折格子を有する分布帰還形半導体レーザを提供することができる効果がある。特にこの効果は前記長さｌ１に対する長さｌ３の割合を１とした場合に確実となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの断面図である。
【図２】 同実施形態による分布帰還形半導体レーザの上方斜視図である。
【図３】 同実施形態による分布帰還形半導体レーザの回折格子の詳細な構造を示す断面図である。
【図４】 凹部２０を形成する際の簡略化したプロセスを示す図である。
【図５】 エッチング深さと、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合との関係を示す図である。
【図６】 斜方蒸着時の様子を示す図である。
【図７】 斜方蒸着時の角度と、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合を示す図である。
【図８】 回折格子の形状と結合係数との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１２ 基板（半導体基板）
１３ 下部クラッド層（第１のクラッド層）
１４ 活性層
１５ 上部クラッド層（第２のクラッド層）
１６ コンタクト層
１７ 絶縁層（電流ストップ層）
１８ 電極層
１９ ストライプ溝
２０ 凹部
２１ 凸部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光応用計測、ホログラム等の光源として用いられる分布帰還形半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還形半導体レーザは、従来の劈開面反射構造のファブリペロー型レーザと異なり、光導波路の共振器長方向に回折格子を成す周期的な凹凸部を設け、これら回折格子によるBragg散乱を利用して光のフィードバックを行うレーザ発振素子（装置）である。発振波長は、これら回折格子の波長選択性により単一の縦モードに安定に固定することができる。従って、より高いコヒーレンシーが求められる動的単一モード動作において有用である。この分布帰還形半導体レーザは、光通信、光応用計測、ホログラム等の種々の分野に応用されることが有望視されているが、近年では、石英系光ファイバの分散のある波長帯域での長距離無中継通信を実現するために、InGaAsP/InP系の半導体レーザにこの分布帰還形構造を採用している。
【０００３】
分布帰還形半導体レーザでは、上述したBragg散乱を生じさせるために、微細な回折格子を形成する必要がある。従来は、活性層（光導波路を兼ねる）内に周期構造を形成した構造の分布帰還形半導体レーザが案出されているが、この構造では、活性層にダメージを与え内部量子効率が減少する等の問題がある。このため、活性層内に回折格子を形成するのではなく、活性層の上部に形成されたクラッド層に回折格子を形成して、活性層における共振器長手方向の実効屈折率を周期的に変化させることによって回折格子を形成した構造の分布帰還形レーザが案出されている。例えば、同出願人により特開平８−１６７７５９号公報に開示された技術がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記公報に開示された分布帰還形レーザに形成される回折格子は、深さが０．５〜１μｍ程度、幅が０．１μｍ程度の平面長方形状の複数の凹部を共振器長手方向に多数形成して実現される。
分布型半導体レーザの発光効率を向上させるためには、上記回折格子を活性層の近傍に形成しなければならない。なぜならば、回折格子が活性層に近いほど共振器長手方向の屈折率分布の差が大きくなり、活性層中を伝搬する前進波と後進波との結合係数が大きくなるためである。つまり、必然的に上記凹部の形状を高アスペクト比（凹部の高さと幅との比）を有するよう形成する必要がある。
【０００５】
回折格子は塩素系又はメタン系の反応成ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチング又は組成がＨＣｌ：ＣＨ3ＣＯＯＨ＝１：４であるエッチング溶液を用いたウェットエッチングによって形成される。通常、ドライエッチングは加工箇所に対するダメージが大きいため、加工する箇所への加工変質ダメージが低いウェットエッチングによって回折格子が形成される。
【０００６】
しかしながら、ウェットエッチングでは、使用する基板材料やエッチング溶液の種類によって基板が異方的にエッチングされる。つまり、基板材料にあわせて適切なエッチング溶液を選択しないと凹部の断面形状が台形状に又は逆台形状に形成されてしまう。凹部の形状が台形状に又は逆台形状に形成されたものがあると、回折格子による結合係数のばらつきが生ずる。尚、ここでいう結合係数は、前述した結合係数と同じ意味であり、活性層中を伝搬する前進波と後進波とが回折格子によって結合される割合の程度を示すものである。
【０００７】
図８は回折格子の形状と結合係数との関係を示す説明図である。図８（ａ）に示されたように、凹部２０の幅をＢ、凸部２１の幅をＡとすると、図８（ｂ）に示されたように幅Ａと幅Ｂとの比を変化させると結合係数が変化する。尚、図８（ｂ）は横軸を幅Ａと幅Ｂとの比に設定し、縦軸をＡ：Ｂ＝１：１としたときの結合係数を基準として規格化した結合係数に設定している。
【０００８】
図８（ｂ）に示されたように、凹部２０の幅Ｂと凸部２１の幅Ａとが等しい場合に結合係数が最大となり、幅Ｂに対する幅Ａの値が小さくなるにつれ結合係数が小さくなる。
上記結合係数が大きいと、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合が大きくなって共振器内に単位時間に蓄えられる光パワーが増加するため、レーザ発振に必要な閾電流の値が小さくなるため、低電力化には、結合係数が大きいほうが好ましい。
【０００９】
ところで、回折格子の形状が変化すると結合係数が変化し、その結果、活性層中で帰還される光パワーが変化するためにレーザ発振閾値が変化する問題があった。つまり、各分布帰還形半導体レーザに形成される回折格子の形状を正確に制御できないと、個々の分布帰還形半導体レーザ毎に閾電流の値が変化してしまい、発振特性が一定な分布帰還形半導体レーザを作成できないという問題があった。
さらに、凸部２１が逆台形状となった場合、凹部２０の底部の幅が広くなって凸部２１の底部の幅が狭くなるため、形成された凸部２１が倒れやすくなって回折格子が壊れやくすなり、その結果として製造歩留まりが低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ発振の閾電流値を一定とする形状であって、かつ壊れにくい回折格子が形成された分布帰還形半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体基板上に、第１のクラッド層と、活性層と、第２のクラッド層と、コンタクト層と、電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電極層とを順次積層し、前記電極層から前記第２のクラッド層にわたって断面が台形状である複数の凹部をそれぞれ一定間隔あけて前記ストライプ溝方向に並設した分布帰還形半導体レーザであって、前記凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する隣合う前記凹部の間に位置する凸部を成す第２のクラッド層における凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合が０.７以上、２以下であり、前記第２のクラッド層における前記凸部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する該凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１を越えて２.２以下であり、前記第２のクラッド層における前記凹部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する該凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合が０.５以上、１未満であることを特徴とする。
本発明は前記凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２に対する凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１〜７の範囲であることを特徴とする。
本発明は、前記クラッド層を構成する材料がＩｎＰであり、前記溝部長手方向と[１１０]方向のなす角が±１.５度以内で０を除く値とされたことを特徴とする。
本発明は、前記凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１と、前記第２のクラッド層における前記凸部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ３との割合を１とした場合に、第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２に対する凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１を越えて７以下の範囲であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、凹部の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対して、隣合う凹部の間に位置する凸部の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合を０.７以上、２以下とし、凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する凸部部分の頂部でのストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合を１を越えて２.２以下の範囲とし、長さｌ１に対する第２のクラッド層の頂部における凹部のストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合は０.５以上、１未満の範囲としたので、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定なレーザを提供することができるという効果がある。
また、本発明によれば、壊れにくい回折格子を有する半導体レーザを提供することができるという効果がある。従って、製造プロセスにおいて、容易に回折格子が壊れることがないため、製造歩留まりを向上させることができるという効果がある。
さらにまた、前記第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記長さｌ２に対する長さｌ４の割合を１を越えて７以下の範囲とすることで、エッチングにより望ましい深さの凹部を形成する場合に長さｌ２に対する長さｌ４の割合とすることができ、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定であり、外部からの衝撃に対して壊れにくい回折格子を有する分布帰還形半導体レーザを提供することができる効果がある。特にこの効果は前記長さｌ１に対する長さｌ３の割合を１とした場合に確実となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図２は本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの上方斜視図であり、図１は図２中ａ−ａ線の断面図である。まず、図１及び図２を参照してこの半導体レーザの全体的な構造について説明する。
この半導体レーザは、基板１２の下面に電極層１１が形成されている。基板１２の上には、下部クラッド層１３、活性層１４、上部クラッド層１５が積層され、上部クラッド層１５の上面全域にコンタクト層１６が形成されている。上記上部クラッド層１５は下部側の第１の上部クラッド層１５Ａと上部側の第２の上部クラッド層１５Ｂとからなり、第１の上部クラッド層１５Ａと第２の上部クラッド層１５Ｂとの間にエッチングストップ層１０が介挿されている。
【００１４】
更に、コンタクト層１６の上には絶縁層１７が形成されており、絶縁層１７の中央には所定幅寸法の絶縁層のストライプ溝１９が開口されている。また、絶縁層１７の上面および絶縁層１７のストライプ溝１９内のコンタクト層１６の上面には電極層１８が形成されている。電極層１８から電流を注入した場合、この絶縁層１７のストライプ溝１９の幅寸法内の上記活性層１４において、レーザ発振が行われる。
【００１５】
上記の構造において基板１２は、この例ではｎ型InPからなり、下部クラッド層１３はｎ型InPからなり、活性層１４はInGaAsPからなり、上部クラッド層１５はｐ型のInPからなり、コンタクト層１６はInGaAsもしくはInGaAsPから構成されている。従って、この構成の半導体レーザは、クラッド層をInPから形成し、活性層をInGaAsPから形成しているので、基本的には発振波長が赤外波長帯となるが、発振波長が可視赤外帯の場合は、クラッド層をInGaAlPから、活性層をInGaPから形成することになる。また、エッチングストップ層１０は、InGaAsもしくはInGaAsPからなる。
【００１６】
上記各層からなる半導体エピタキシャル基板は、ＭＯＣＶＤ装置を用いるなどしたエピタキシャル結晶成長により後述の如く製作される。
この半導体エピタキシャル基板において、コンタクト層１６からクラッド層１５にかけて規則的な凹部２０・・・が形成されている。凹部２０・・・の中間は相対的な凸部２１となり、凹部２０・・・と凸部２１・・・により、回折格子が形成されている。この回折格子は、絶縁層のストライプ溝１９が形成されていない部分で、かつ、活性層１４の近傍に形成されるものであり、図１，２の形態では、絶縁層のストライプ溝１９の両側部に回折格子が２列に形成されている。なお、本発明構造において回折格子が絶縁層のストライプ溝１９の一方の側部に１列のみ形成されていてもよいのは勿論である。
また、上記各凹部２０の各底部はエッチングストップ層１０に到達されてエッチングストップ層１０で止められており、各凹部２０の底部は均一な深さにされているとともに、各凹部２０の底部にも絶縁層２２が設けられている。
【００１７】
また、図１，２に示す形態では、凹部２０・・・がコンタクト層１６と上部クラッド層１５とに形成され、各凹部２０の底部が活性層１４から離れているが、各凹部２０の底部が活性層１４内まで延びていても良い。また、凹部２０…は、積層が完了したエピタキシャル基板に対し、ドライエッチングとウエットエッチングとの組み合せにより後述の如く加工される。
【００１８】
以上、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの全体構成について説明したが、次に前述した凹部２０・・・と凸部２１・・・により形成される回折格子について詳述する。尚、以下の説明においては、凹部２０・・・及び凸部２１の断面がが矩形状に形成された場合に凹部２０のストライプ溝１９方向の長さと凸部２１のストライプ溝１９方向の長さとが等しいことを前提に説明する。
図１に示されたように、本実施形態においては、凹部２０，…の断面形状は逆台形状であり、凸部２１，…の断面形状は台形状である。前述したように、回折格子はウェットエッチングによって形成されるが、基板材料やエッチング溶液の種類によって異方的にエッチングされる。
【００１９】
また、凹部２０長手方向と基板の［１１０］結晶方位とのなす角θによっても凹部２０の断面形状が異なる。ここで、凸部２１の斜面２１ａが、他の斜面２１ｂを介して凹部２０の底面となす角をメサ角γと定義する。凹部２０長手方向と基板の［１１０］結晶方位とのなす角θが０度のときにメサ角γが最も９０度に近接するようにエッチングされ、角θが０度からずれるに従ってメサ角γは９０度以上になるようエッチングされる。
【００２０】
前述したように、上部クラッド層１５は材料としてInPを用いているためウェットエッチングを行う際に凸部２１を垂直に形成することは困難である。通常、クラッド層１５をエッチングした場合、上記メサ角度γは９５度以上になってしまう。従って、所望のメサ角γを有する凸部２１を形成する際には、凹部２０の長手方向と、［１１０］結晶方向のなす角を正確に調整する必要がある。実際に半導体レーザを製造する場合には、製造装置の分解能等によって調整のための精度に限界があるが、メサ角γを９５度以内とするためには、角θがおよそ±１．５度以内であればよい。
【００２１】
図３は、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの回折格子の詳細構造を示す断面図であり、図１及び図２に示された部分と同一の部分に対しては同一の符号が付してある。図３に示されたように、凹部２０は電極層１８から絶縁層１７、コンタクト層１６を、第２の上部クラッド層１５Ｂに至るにつれその幅が除々に広くなり、逆に凸部２１はその幅が狭くなる。
【００２２】
図３に示されたように、凹部２０の底面におけるストライプ溝方向幅の長さをｌ1、第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凹部２０のストライプ溝方向幅の長さをｌ2と定義する。また、凸部２１の底面部におけるストライプ溝方向幅の長さをｌ3、第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凸部２１のストライプ溝方向幅の長さをｌ4と定義する。
【００２３】
図３に示された本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザは、ストライプ溝方向幅の長さｌ1に対するストライプ溝方向幅の長さｌ3の割合が１に設定されているが、この割合を０．７以上に変更することは任意であり、さらにこの割合を１〜２に限定してもよい。
また、凸部２１の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ3に対する第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凸部２１のストライプ溝方向幅の長さｌ4の割合は１〜２．２の範囲内で任意に変更可能である。
さらに、凹部２０の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ1に対する第２の上部クラッド層１５Ｂの頂部における凹部２０のストライプ溝方向幅の長さｌ2の割合は０．５〜１の範囲内で任意に変更可能である。
【００２４】
このように、上部クラッド層１５をエッチングする際には、メサ角γが９０度以上になり、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ は、頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ に比べて短くなり、外部からの衝撃に対して回折格子が壊れやすくなる。回折格子の破壊を防止するためには、凸部２１の底部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ と、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ とをほぼ等しくする必要がある。
【００２５】
凸部２１の底部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ と、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ とをほぼ等しくするためには、凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ と、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ とを等しくしても、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ は、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ に比べて当然ながら長くなる。
【００２６】
つまり、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ との割合は、凹部２０を形成する前に決定しなければならない。即ち、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ とを所望の割合にするためには、コンタクト層１６及び上部クラッド層１５の上に形成され、エッチングの際に用いられるマスクの形状が重要となる。
【００２７】
図４は凹部２０を形成する際の簡略化したプロセスを示す図であり、（ａ）はコンタクト層１６及び上部クラッド層１５の上にマスクを形成する工程を示し、（ｂ）はマスクの所定箇所に金属膜を斜方蒸着する工程を示し、（ｃ）はコンタクト層１６及び上部クラッド層１５をエッチングする工程を示す。尚、図４においては、図１及び図２の各部に対応する箇所には同一の符号を付してある。次に、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの製造手順について説明する。
【００２８】
まず、基板上に、下部クラッド層１３、活性層１４、第１の上部クラッド層１５Ａ、エッチングストップ層１０、第２の上部クラッド層１５Ｂ、及びコンタクト層１６を順にＭＯＣＶＤ等によってエピタキシャル成長する。次に、コンタクト層１６の上にレジストを塗布してスピンコータでレジスト膜を形成し、二光束干渉露光装置によってレジスト膜を露光する。二光束干渉露光装置によってレジスト膜を露光する際には、、二光束干渉光の長手方向と、基板の結晶方位［１１０］とのなす角をおよそ±１．５度以内に調整する必要がある。
【００２９】
二光束干渉露光装置によって露光された膜は、図４（ａ）に示されたように、波形形状に現像される。次に、現像後のレジスト３０に金属膜を形成する工程が行われる。この金属膜は、第２の上部クラッド層１５Ｂ及びコンタクト層１６をエッチングする際のマスクとなるものであり、前述した形状の回折格子を形成するためには、斜方蒸着による金属膜の形成が極めて重要である。つまり、上記レジスト３０の凹凸の長手方向と基板の結晶方位［１１０］とは二光束干渉露光装置による露光時に決定されており、前述した凸部２１のメサ角γの値は、この関係が決定されると後に変更が不可となるためである。
【００３０】
従って、凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ と凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ との割合を所望の割合にするためには、メサ角γを考慮して上記金属膜が付加された箇所と付加されない箇所とを設計する必要がある。図４（ｂ）に示されるように、斜方蒸着は、エッチングストップ層１０と第２の上部クラッド層１５Ｂとの接合面や第２の上部クラッド層１５Ｂとコンタクト層１６との接合面に対して、所定の角φをもって、基板斜め上方から金属が蒸着される。蒸着する金属はＮｉ又はＣｒ、或いはこれらの合金が用いられ、真空蒸着装置等によって蒸着される。
【００３１】
図５は、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ３ との割合を１にする場合に、エッチング深さと、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合（マーク／スペース比）との関係を示す図である。図示されたように、形成するエッチング深さが大きくなるに従って開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合が大きくなる。つまり、この図は、凸部２１がメサ角γを有するために、凹部２０の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ と凸部２１の底面部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ １ との割合を１にするためには、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合を大きくしなければならないことを示している。
【００３２】
第２の上部クラッド層１５Ｂにおける凹部２０の深さは約０．５μｍ程度必要である。図５に示されたように、０．５μｍの深さを有する凹部２０を形成するためには、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ２ に対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さｌ ４ の割合が約１〜７である必要があるが、この割合が７の場合が最も好適である。
【００３３】
図６は斜方蒸着時の様子を示す図である。この図に示されたように、レジスト３０は波形形状を有するため、斜方蒸着を行うと金属が蒸着されてなる金属レジスト３０ａとレジスト３０の波形形状のために蒸着されない箇所３０ｂとが現れる。角φが９０度である場合には、金属が図中真上から蒸着されることになって、レジスト３０の陰になる部分はないが、角φが小さくなるに従い、蒸着されない面積が増加する。
【００３４】
つまり、角φを変化させることによってマスクの形状を変化させることができる。エッチングを行った際には、金属が蒸着される箇所は凸部２１が形成され、金属が蒸着されない箇所は凹部２０が形成される。従って、レジスト３０に形成された波形形状１周期ｄ1に対して金属が蒸着される箇所の長さｄ2を調整することによって、前述したように凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合を７に設定することができる。
【００３５】
図７は斜方蒸着時の角度と、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合を示す図である。図示されたように、斜方蒸着を行う角φが大きくなるに従って、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合が大きくなる。これは、角φが大きくなると金属が蒸着されてなる金属レジスト（図６中の３０ａ）の面積が大きくなるためである。前述したように、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合は７であることが好ましいが、図７からこの割合を７とする為には斜方蒸着を行う角φが約６５度であることが必要である。
【００３６】
従って、図４（ｂ）に示された斜め方向蒸着を行う工程で、角φを約６５度に設定して斜方蒸着を行うとエッチングの工程が行われる。
レジスト、絶縁層（図示省略）、及びコンタクト層１６は、ＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonance）を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やＲＩＢＥ（Reactive Ion Beam Etching）等によってドライエッチングを行う。ドライエッチングによってコンタクト層１６までエッチングが終了すると、ＨＣｌ：ＣＨ3ＣＯＯＨ＝１：４であるエッチング溶液を用いたウェットエッチングによって第２の上部クラッド層１５Ｂのエッチングを行う。
【００３７】
このエッチング溶液は、第２の上部クラッド層１５Ｂの材料であるInPに適合したエッチング溶液であるため、InGaAsPで形成されたエッチングストップ層１０はエッチングされにくく、このエッチングストップ層１０でエッチングが止まる。以上の工程が終了すると、図４（ｃ）に示したような回折格子が形成される。 エッチング工程を終えると回折格子を保護する絶縁膜を形成し、この絶縁膜に電流を注入するためにエッチングによってストライプ窓を形成して電極層１８（図１，２参照）を蒸着する。次に、基板１２の裏面を研磨して裏面に電極層を蒸着し、劈開を行うと図１に示された分布帰還形半導体レーザが形成される。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザについて説明したが、本発明は、上記実施形態に制限されず本発明の範囲内で変更が任意である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する隣合う凹部の間に位置する凸部を成す第２のクラッド層における凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合を０.７以上、２以下とし、凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する凸部部分の頂部でのストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合を１を越えて２.２以下の範囲とし、さらに、長さｌ１に対する第２のクラッド層の頂部における凹部のストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合を０.５以上、１未満の範囲としたので、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定なレーザを提供することができるという効果がある。また、本発明によれば、壊れにくい回折格子を有する分布帰還形半導体レーザを提供することができるという効果がある。従って、製造プロセスにおいて、容易に回折格子が壊れることがないため、製造歩留まりを向上させることができるという効果がある。
さらにまた、前記第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記長さｌ２に対する長さｌ４の割合を１を越えて７以下の範囲とすることで、エッチングにより望ましい深さの凹部を形成する場合に長さｌ２に対する長さｌ４の割合とすることができ、活性層内を伝搬する前進波と後進波との結合係数を低下させることがなく、かつレーザ発振の閾電流値が一定であり、外部からの衝撃に対して壊れにくい回折格子を有する分布帰還形半導体レーザを提供することができる効果がある。特にこの効果は前記長さｌ１に対する長さｌ３の割合を１とした場合に確実となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による分布帰還形半導体レーザの断面図である。
【図２】 同実施形態による分布帰還形半導体レーザの上方斜視図である。
【図３】 同実施形態による分布帰還形半導体レーザの回折格子の詳細な構造を示す断面図である。
【図４】 凹部２０を形成する際の簡略化したプロセスを示す図である。
【図５】 エッチング深さと、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合との関係を示す図である。
【図６】 斜方蒸着時の様子を示す図である。
【図７】 斜方蒸着時の角度と、凹部２０の開口端におけるストライプ溝１９方向の長さに対する凸部２１の頂部におけるストライプ溝１９方向の長さの割合を示す図である。
【図８】 回折格子の形状と結合係数との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１２ 基板（半導体基板）
１３ 下部クラッド層（第１のクラッド層）
１４ 活性層
１５ 上部クラッド層（第２のクラッド層）
１６ コンタクト層
１７ 絶縁層（電流ストップ層）
１８ 電極層
１９ ストライプ溝
２０ 凹部
２１ 凸部
Claims (4)
- 半導体基板上に、第１のクラッド層と、活性層と、第２のクラッド層と、コンタクト層と、電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電極層とを順次積層し、前記電極層から前記第２のクラッド層にわたって断面が台形状である複数の凹部をそれぞれ一定間隔あけて前記ストライプ溝方向に並設した分布帰還形半導体レーザであって、前記凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する隣合う前記凹部の間に位置する凸部を成す第２のクラッド層における凸部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ３の割合が０.７以上、２以下であり、
前記第２のクラッド層における前記凸部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ３に対する該凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１を越えて２.２以下であり、
前記第２のクラッド層における前記凹部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ１に対する該凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２の割合が０.５以上、１未満であることを特徴とする分布帰還形半導体レーザ。 - 前記凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２に対する凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１〜７の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
- 前記クラッド層を構成する材料がＩｎＰであり、前記溝部長手方向と[１１０]方向のなす角が±１.５度以内で０を除く値とされたことを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
- 前記凹部を成す第２のクラッド層における凹部部分の底面部でのストライプ溝方向幅の長さｌ１と、前記第２のクラッド層における前記凸部部分の底面部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ３との割合を１とした場合に、第２のクラッド層における凹部の深さが０.１〜０.５μｍの範囲であり、前記凹部部分開口端での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ２に対する凸部部分の頂部での前記ストライプ溝方向幅の長さｌ４の割合が１を越えて７以下の範囲であることを特徴とする請求項１又は３に記載の分布帰還型半導体レーザ。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP06696097A JP3748654B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 分布帰還形半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06696097A JP3748654B2 (ja) | 1997-03-19 | 1997-03-19 | 分布帰還形半導体レーザ |
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| JPH10261834A JPH10261834A (ja) | 1998-09-29 |
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1997
- 1997-03-19 JP JP06696097A patent/JP3748654B2/ja not_active Expired - Fee Related
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