JP4534449B2 - Ｍｍｉ型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基本モード導波路および多モード導波路を含むＭＭＩ型半導体レーザおよびその製造方法に関する。

光通信等に用いられる導波型半導体レーザは、基本モード条件を満たすように、あるいは、擬似的に基本モードとなるように、その導波路構造を設計するのが一般的である。信号光を多モードとすると多モード分散の影響を受けることとなり、また、ファイバーなどの他の光導波路やレンズに信号光を効率良く接続することが困難になるためである。

ところが、このような基本モードを満たす設計を行うと、半導体レーザの活性層の幅や厚さが規定されるため、レーザの高出力化に一定の限界が生じることとなる。

こうした課題を解決する素子構造として、ＭＭＩ（Multi Mode Interference）型構造が採用されることがある。特許文献１には、ＭＭＩ型半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いた半導体レーザであり、基本モード導波路と、該基本モード導波路よりも広い導波路幅を有する多モード導波路を前記基本モード導波路に接続した構成を有している。導波路幅を広くした多モード導波路を基本モード導波路に接続することにより、基本モード導波路の一部の導波路幅を広げたのと同じ効果を発揮し、基本モード条件を変えることなく利得飽和レベル（飽和出力レベル）を改善し、レーザの高出力化を図ることが可能となる。
特開２０００−３２３７８１号公報

ところが、こうした従来のＭＭＩ型半導体レーザでは、多モード導波路において、大きな光損失が発生したり、電流リークが生じたりすることがあった。また、光損失や電流リークの程度が素子によって変動し、素子性能のばらつきが生じることがしばしばあった。本発明はこうした課題を解決し、光損失や電流リークの少ない高効率のＭＭＩ型半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような光損失や電流リークの起こる原因について検討し、ＭＭＩ型半導体レーザのメサ側面において、周囲に配置されるＩｎＰ埋め込み層が異常成長を起こすことが原因となっていることを見い出した。

図９は、従来のＭＭＩ型半導体レーザの概観図である。ＩｎＰからなる基板１００上に導波路を構成するメサ１０１が形成されている。メサ１０１は、中央部の多モード導波路と、その両端に接続する基本モード導波路とからなる。ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いた半導体レーザでは、通常、図示したように＜１１０＞方向を導波路方向とし、この方向と平行な側面および垂直な側面を有し（１１０）劈開面が光出射面となる半導体レーザ構造が採用される。ところが、このような半導体レーザ構造からなるメサの周囲にＩｎＰ埋め込み層を形成する際、多モード導波路側面の（１１０）面において、半導体層の異常成長を起こしやすい。こうした異常成長が起こると、多モード導波路の端面近傍に異常形状のＩｎＰ埋め込み層が形成される。図１０は、こうしたＩｎＰ埋め込み層の異常形状を示す図である。基板１００上に下部クラッド層１０６、活性層１０８および上部クラッド層１１０が積層したメサの上部にマスク１１２が設けられている。このマスク１１２を用いて、メサ側壁に、ｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６からなる積層膜が形成される。なお、ｎ-ＩｎＰ層１１６上部のｐ-ＩｎＰ層１１８およびｐ-ＩｎＧａＡｓ１２０は記載を省略している。図示したように、ｎ-ＩｎＰ層１１６がマスク１１２を覆うように異常成長している。ｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６からなる積層膜は大きく盛り上がる。

本発明は、こうした半導体層の異常成長を抑制し、優れた素子特性を安定に得る技術を提供するものである。

本発明によれば、閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体からなる活性層およびクラッド層がこの順で積層した導波路を備え、前記導波路は、導波光に対して基本モードを提供する基本モード導波路と、前記基本モード導波路よりも広い幅を有し、導波光に対して多モードを含むモードを提供する多モード導波路とを含み、前記多モード導波路は、（１００）面と等価な面またはこれらの面に対し基板面の垂線に対して傾いており、基板面内方向に７度以内のオフ角を有する面により構成された側面を含み、前記多モード導波路が半導体層で埋め込まれていることを特徴とするＭＭＩ型半導体レーザが提供される。

また、本発明によれば、基板上に、活性層およびクラッド層を含む積層膜を形成する工程と、前記クラッド層および活性層を選択的に除去して、基本モード導波路および多モード導波路を含むメサ部を形成する工程と、前記メサ部の周囲を埋め込むように半導体層を形成する工程と、を含み、前記多モード導波路の端面が、（１００）面と等価な面またはこれらの面に対し基板面の垂線に対して傾いており、基板面内方向に７度以内のオフ角を有する面を含む形態となるように前記メサ部を形成することを特徴とするＭＭＩ型半導体レーザの製造方法が提供される。

本発明によれば、多モード導波路の側面の少なくとも一部が、（１００）面と等価な面またはこれらの面に対し基板面の垂線に対して傾いており、基板面内方向に７度以内のオフ角を有する面により構成されている。（１００）面と等価な面とは、（１００）面、（０１０）面、（−１００）面および（０−１０）面をいう。本発明で採用する面は、半導体層の異常成長が顕著に抑制される性質を有する上、埋め込み層の盛り上がりを安定的に低減することができる。これにより、多モード導波路端面における電流リークや光損失を効果的に低減することができる。上記面のこうした特性については、実施例にて後述する。

本発明においては、多モード導波路の端面がすべて上記の特定の面により構成されていることが好ましいが、端面の一部が光導波方向と垂直な面により構成されていてもよい。

多モード導波路の側面における活性層やクラッド層の端面形状は、様々な態様をとり得る。

たとえば、上記側面におけるクラッド層の端面は、＜００１＞方向に対して５度以内のオフ角を有する面とすることができる。すなわち、（００１）面に対して実質的に垂直な面とすることができる。このようにすれば、半導体層の盛り上がりの程度を均一にし、素子間のばらつきを低減することが可能となる。

また、上記側面における活性層の端面は、＜００１＞方向に対して５度以内のオフ角を有する面とし、（００１）面に対して実質的に垂直な面とすることができる。このようにすれば、半導体層の盛り上がりの素子間ばらつきを低減することが可能となる。

さらに、前記側面において、前記活性層の端面が、前記クラッド層の端面よりも後退している構成とすることができる。このようすれば、コア層がクラッド層に対して後退して形成されるため、この後退部分に一定程度の半導体材料が収容されることとなり、多モード導波路端面における半導体層の盛り上がりをより一層低減することができる。

なお、活性層を構成する材料としては、たとえば
Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（ｘおよびｙは０以上１以下の数）
が例示される。

本発明における多モード導波路は、入力ポートおよび出力ポートを備える構成とすることができ、それぞれ単数または複数とすることができる。

本発明の製造方法において、メサ周辺を埋め込む前記半導体層を、ハロゲンガスを含有する成長ガスを用いたエピタキシャル成長により形成するようにしてもよい。こうすることにより、半導体層の盛り上がり量およびそのばらつきを効果的に低減することができる。

以上説明したように本発明によれば、多モード導波路の側面を特定の面で構成しているため、方向光損失や電流リークの少ない高効率のＭＭＩ型半導体レーザが安定的に提供される。

（第一の実施の形態）
図１〜図３、図８は、本実施形態に係るＭＭＩ型半導体レーザの構造を示す図である。本実施形態に係る半導体レーザは、１．４８μｍ帯の埋め込み型レーザである。図１は、本実施形態に係る半導体レーザの平面図を示す。図２は図１に示す半導体レーザのＡ−Ａ’断面図である。また、図３は図１のＢ−Ｂ’断面図である。さらに図８は、本実施形態に係る半導体レーザの導波構造を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態に係る半導体レーザは、多モード導波路１０４の両端に基本モード導波路１０２が接続された構成となっている。基本モード導波路１０２は、導波路に対して基本モードを提供する領域である。多モード導波路１０４は、基本モード導波路１０２よりも広い幅を有し、導波路に対して多モードを含むモードを提供する領域である。このレーザを構成する導波路は、１入力および１出力型のマルチモード干渉型導波路（１×１‐ＭＭＩ）である。この半導体レーザの全長はたとえば０．５〜３ｍｍ程度とする。

図１におけるａ１〜ａ４は、いずれも（１００）面の等価面（以下、適宜｛１００｝面という）またはこれらの面から傾斜した面である。傾斜面とする場合は、半導体層の積層方向に向かって導波路領域が広がる方向に傾斜した面とする。傾斜面とする場合は、半導体層の積層方向に向かって導波路領域が広がる方向に傾斜した面とする。本実施形態では、以下の面を採用する。
ａ１：（０−１０）面
ａ２：（１００）面
ａ３：（０１０）面
ａ４：（−１００）面
図１中、ｂは光出射面であり、導波路を構成する半導体層の（１１０）面が露出している。

図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。図示するように、本実施形態に係る半導体レーザは、基板１００上に下部クラッド層１０６、ＭＱＷ構造の活性層１０８および上部クラッド層１１０が積層され、その両脇にｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６からなる積層膜が設けられた構造を有している。ｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６からなる積層膜は電流狭窄構造が構成している。図に示すように、活性層１０８を含むメサの側壁にはｐ-ＩｎＰ層１１４が接するように形成されている。また、ｐ-ＩｎＰ層１１８にはｎ-ＩｎＰ層１１６が接するように形成されている。さらに、これらの上に、ｐ-ＩｎＰ層１１８およびｐ-ＩｎＧａＡｓ１２０が積層した構成となっている。活性層１０８はＩｎＧａＡｓＰにより構成されている。なお、活性層１０８および下部クラッド層１０６、上部クラッド層１１０の積層方向は、＜００１＞方向となっている。なお、本実施形態では、基板１００に凸部が形成されているが、凸部のない平坦形状としてもよい。

図３は図１のＢ‐Ｂ’断面図である。多モード導波路１０４の側壁近傍では、図示したような積層構造となっている。すなわち、基板１００上に下部クラッド層１０６、活性層１０８および上部クラッド層１１０が積層したメサの側壁に、ｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６からなる積層膜が形成されている。なお、ｎ-ＩｎＰ層１１６上部のｐ-ＩｎＰ層１１８およびｐ-ＩｎＧａＡｓ１２０は記載を省略している。

図３において、ｐ-ＩｎＰ層１１４はメサに接するように形成され、その上部にｎ-ＩｎＰ層１１６が形成されている。従来技術においては、このｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６が図１１に示したように異常成長を起こし、ｎ-ＩｎＰ層１１６が上部クラッド層１１０を覆うような形態で形成されることが多かった。そのような形状になると、電流狭窄構造が好適に形成されず電流リークが大きくなる。また、当該側面で反射点が発生することによる光損失の程度も大きくなる。

これに対し本実施形態では、メサの側壁を｛１００｝面またはこれらの面に対し＜００１＞方向、すなわち活性層、クラッド層の積層方向に対して斜めに傾いた面であって基板面内方向に５度以内のオフ角を有する面としているため、そのような半導体層の異常成長が抑制され、図３に示すような正常な形状の積層構造が得られる。図に示すように、ｎ-ＩｎＰ層１１６の上面は上部クラッド層１１０の上面よりもわずかに高い位置にあり、平坦な面として形成されている。なお、クラッド層の積層方向に対する傾斜角度は４５度以内とすることが好ましい。

次に、図１から図３に示したＭＭＩ型半導体レーザの製造方法について、図４から図６を参照して説明する。始めに、図４に示すように、基板１００上に下部クラッド層１０６、活性層１０８および上部クラッド層１１０を形成する。これらは、例えばＭＯＶＰＥ法等により形成することができる。各層の層厚は、例えば、下部クラッド層１０６は約１００ｎｍ、活性層１０８は約２００ｎｍ、上部クラッド層１１０は約６００ｎｍにそれぞれ設定することができる。

次に、図５に示すように、フォトリソグラフィー技術およびウエットエッチングを利用して、上部クラッド層１１０上にマスク１１２を設ける。マスク１１２は、例えば酸化シリコンなどにより形成する。

続いて、反応性イオンエッチング法により、上部クラッド層１１０、活性層１０８および下部クラッド層１０６を選択的にエッチングし、図５の状態とする。エッチングガスとしては、塩素を含む混合ガスを用いることができる。この時、基板１００の一部がエッチングされ、基板１００は凸形状となる。メサを形成する各層をいずれもドライエッチングにより加工するため、多モード導波路側面における各層の端面は、基板に対して実質的に垂直な面となる。すなわち、＜００１＞方向に対して５度以内のオフ角を有する面となる。これにより、半導体層の盛り上がりの程度を均一にすることができる。

次に図６に示すように、活性層１０８を含むメサの両脇に、ｐ-ＩｎＰ層１１４およびｎ-ＩｎＰ層１１６を順次成長させる。成長方法としては、ＭＯＶＰＥ法を用いることができる。ここで、ハロゲンガスを含有する成長ガスを用いたエピタキシャル成長により上記半導体層を形成してもよい。こうすることにより、異常成長をより効果的に抑制することができる。

ここで、前記メサにはｐ-ＩｎＰ層１１４のみが接しており、ｎ-ＩｎＰ層１１６は接していない。そして、図６においてｐ-ＩｎＰ層１１４はその上面が露出しておらずｎ-ＩｎＰ層１１６に覆われた形態となっている。このような形態となるように、成長条件を調整する。

その後、マスク１１２をバッファードフッ酸等で除去し、続いてｐ-ＩｎＰ層１１８およびｐ-ＩｎＧａＡｓ１２０を順次形成することにより、図１および図２に示す半導体レーザが形成される。なお、図１における基本モード導波路１０２の出射面は低反射（ＡＲ）コーティングを施し、その反対側の端面には、高反射（ＨＲ）コーティングを施す。

本実施形態にかかる半導体レーザは、ＭＭＩ構造を有するため、高出力化が可能である。そして、レーザの端面を（１００）面およびその等価面で構成しているため、埋め込み層が異常形状となることを抑制でき、光損失や電流リークの少ない高効率で性能安定性に優れた半導体レーザが得られる。
また、多モード導波路１０４の側面を略垂直にした場合、活性層における横方向の光閉じ込めが確実になり、また、電流狭窄構造における電流リークを低減することができる。
本実施形態においては、多モード導波路１０４の側面を上記のような特定の面としている結果、従来の矩形状の多モード導波路１０４に対して角部が削除された形状となっている。この角部の領域は光密度が存在せず、発光に寄与しない領域であるため、この部分を削除することによって余計な電流を流さなくて済むようになり、素子の省電力化が図られるという利点も得られる。

（第二の実施形態）
第一の実施形態では、図５の工程において、上部クラッド層１１０、活性層１０８および下部クラッド層１０６をいずれもドライエッチングにより選択エッチングした。これに対し本実施形態では、上部クラッド層１１０をドライエッチングにより選択エッチングした後、マスク１１２をつけたまま、硫酸系を含むエッチング液を用いて活性層１０８および下部クラッド層１０６をウエットエッチングにより選択エッチングする。こうすることにより、活性層１０８の端面が、上部クラッド層１１０の端面よりも後退した形態とすることができる。この後退部分に一定程度の半導体材料が収容されることとなり、多モード導波路端面における半導体層の盛り上がりをより一層低減することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、上記実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体層を用いて導波路を構成したが、閃亜鉛鉱型結晶構造の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。たとえば、ＩＩＩ族原子がＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌのいずれかを含み、Ｖ族がＮ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉのいずれかを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることもできる。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＰＳｂ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＴｌＧａＩｎＡｓ、ＴｌＧａＩｎＡｓＮ、ＴｌＧａＩｎＰＮ等を例示することができる。

また、上記実施の形態では、活性層として１．４８μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層を用いたが、発光波長は適宜選択することができる。また、活性層の構造として、たとえばＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＰ層を交互に積層した量子井戸構造の活性層とすることもできる。なお、半導体層の組成は目的・用途に応じて適宜設定することができる。

また、上記実施の形態では、多モード導波路の側面は｛１１０｝面をまったく含まない構成としたが、素子性能に悪影響をおよぼさない範囲で｛１１０｝面を含むようにしてもよい。
さらに、上記実施の形態では、電流狭窄構造をｐ型半導体およびｎ型半導体の積層構造で実現したが、たとえばＦｅドープＩｎＰを用いてもよい。

第一の実施の形態で述べた方法により、図８に示す構造のＭＭＩ型半導体レーザを作製した。半導体レーザの断面構造は、第一の実施形態で述べた図２、図３の構造と同様である。

図７中のθ_２を変化させ、領域Ｇにおける断面構造を走査型顕微鏡により観察した。結果を表１に示す。図１２は、実施例で評価した層構造を示す図である。表１に示すＤ，Ｌは、図１２中に示した箇所の寸法である。
表１に示すように、４５度すなわち（１００）面にした場合、盛り上がりのばらつき（Ｄ／ｄ）およびマスク上への張り出し（Ｌ）とも抑制することができ、ばらつきについても十分少ない値を得た。

表１の結果から、端面の角度を光導波方向に対して垂直とした場合、すなわち、θ_２を０度として端面を（１１０）面とした場合、端面の異常成長の程度（Ｄ／ｄ）が顕著に大きくなることが明らかになった。また、θ_２を０より大きな値として端面を光導波方向に対し斜めに設けた場合、異常成長の程度は軽減されるが、θ_２を３０度、６０度とした場合は、異常成長の軽減効果は充分でなく、４５度とした場合、すなわち、端面を（１００）面とした場合に顕著にＤ／ｄが小さくなることがわかる。

また、Ｄ／ｄの値のばらつきについては、上記（１００）面としたとき、他の面を採用したときに比べて顕著に小さくなることが明らかになった。この理由については以下のように推察される。

図１２は、多モード導波路端面の様子を拡大して表した上面図である。図７におけるθ_２を４５度としたとき、領域Ｇの端面は（１００）面となり、端面はひとつの平坦な原子面で構成される（図１１において左端から右端に水平に延びる面）。ところが、θ_２を４５度からずらした値としたとき、端面は、（１００）等価面が１原子層の整数倍の高さの階段（ステップ）で繋がった凹凸面で構成されることとなる（図１１における階段状の面）。ここで、端面内において、ステップの高さや間隔（テラスの幅）は不均一である。図１１では基板面内方向におけるステップおよびテラスの大きさのばらつきを示したが、このばらつきは、＜００１＞方向においても同様に生じる。こうしたステップやテラスの大きさのばらつきが原因となって、端面近傍における半導体層の成長速度のばらつきが生じ、半導体層の盛り上がりの程度がばらつくものと考えられる。

また、θ_２が４５度から離れるにしたがって、前記ステップの高さまたは密度が高く、テラス幅は狭くなるため、より成長速度がばらつきやすくなり、マスク上への張り出し具合も激しくばらつくことになると考えられる。具体的には、接合面を（０１０）として、θ_２が大きくなるにつれて、１分子層ステップあたりのテラスの幅は狭くなっていく。θ_２が５°のときテラスの幅はステップ高さの１１．４倍、７°のとき８．１倍、１０°のとき５．７倍、１５°のときは３．７３倍となる。このため、成長速度がばらつきやすくなり、マスク上への張り出し具合も激しくばらつくことになると考えられる。

実施形態に係るＭＭＩ型半導体レーザの平面図を示す図である。 図１に示したＭＭＩ型半導体レーザの断面構造を示す図である。 図１に示したＭＭＩ型半導体レーザの多モード導波路側面近傍の断面構造を示す図である。 図１に示したＭＭＩ型半導体レーザの製造方法を示す図である。 図１に示したＭＭＩ型半導体レーザの製造方法を示す図である。 図１に示したＭＭＩ型半導体レーザの製造方法を示す図である。 実施例に係るＭＭＩ型半導体レーザの平面図を示す図である。 実施形態に係るＭＭＩ型半導体レーザの構造を示す図である。 従来のＭＭＩ型半導体レーザの概観図である。 ＩｎＰ埋め込み層の異常形状を示す図である。 多モード導波路端面を拡大して表した上面図である。 実施例で評価した層構造を示す図である。

符号の説明

１００ 基板
１０１ メサ
１０２ 基本モード導波領域
１０４ 多モード導波領域
１０６ 下部クラッド層
１０８ 活性層
１１０ 上部クラッド層
１１２ マスク
１１４ ｐ−ＩｎＰ層
１１６ ｎ−ＩｎＰ層
１１８ ｐ−ＩｎＰ層
１２０ ｐ−ＩｎＧａＡｓ層

Claims (8)

1. 閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体からなる活性層およびクラッド層がこの順で積層した導波路を備え、
   前記導波路は、導波光に対して基本モードを提供する基本モード導波路と、前記基本モード導波路よりも広い幅を有し、導波光に対して多モードを含むモードを提供する多モード導波路とを含み、
   前記多モード導波路は、（１００）面と等価な面またはこれらの面に対し基板面の垂線に対して傾いており、基板面内方向に７度以内のオフ角を有する面により構成された側面を含み、前記多モード導波路が半導体層で埋め込まれていることを特徴とするＭＭＩ型半導体レーザ。
2. 前記側面に含まれる前記クラッド層の端面は、＜００１＞方向に対して５度以内のオフ角を有する面となっていることを特徴とする請求項１に記載のＭＭＩ型半導体レーザ。
3. 前記側面に含まれる前記活性層の端面は、＜００１＞方向に対して５度以内のオフ角を有する面となっていることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＭＩ型半導体レーザ。
4. 前記側面において、前記活性層の端面が、前記クラッド層の端面よりも後退していることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のＭＭＩ型半導体レーザ。
5. 前記活性層が、
   Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（ｘおよびｙは０以上１以下の数）
   からなることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のＭＭＩ型半導体レーザ。
6. 前記多モード導波路は、１入力かつ１出力型である１×１マルチモード干渉型導波路であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のＭＭＩ型半導体レーザ。
7. 基板上に、活性層およびクラッド層を含む積層膜を形成する工程と、
   前記クラッド層および活性層を選択的に除去して、基本モード導波路および多モード導波路を含むメサ部を形成する工程と、
   前記メサ部の周囲を埋め込むように半導体層を形成する工程と、
   を含み、
   前記多モード導波路の端面が、（１００）面と等価な面またはこれらの面に対し基板面の垂線に対して傾いており、基板面内方向に７度以内のオフ角を有する面を含む形態となるように前記メサ部を形成することを特徴とするＭＭＩ型半導体レーザの製造方法。
8. 前記半導体層を、ハロゲンガスを含有する成長ガスを用いたエピタキシャル成長により形成することを特徴とする請求項７に記載のＭＭＩ型半導体レーザの製造方法。

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