JP4599432B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
端面保護膜に酸化アルミニウムを用いる場合、酸化アルミニウム膜に酸素欠損による欠陥があると膜の耐湿性に問題が生じるため、酸化アルミニウム膜表面に水分子を付着し、欠陥を補償することにより耐湿性改善が図れることが特許文献2に開示されている。
更に、特許文献3にレーザ素子の端面コーティング膜の内部応力低減により半導体レーザの信頼性が向上することが開示されている。
更に、端面に形成される反射膜は所望の反射率が得られるように多層構造を有することが多い。各層のそれぞれの内部応力は小さくても多層構造であるために半導体にかかる総応力は大きくなる。このため半導体結晶に生じる歪量が大きくなるので界面に酸素が拡散しやすくなり、端面の劣化を抑制するのは困難となる。
<実施例1>
本発明の第1の実施例を図2及び3を用いて説明する。本実施例は、光ディスクや光磁気ディスクの書き込み用として用いられる0.65μm帯高出力半導体レーザに適用したものである。図2(a)は、断面構造を、図2(b)は活性層の拡大図を、図3は平面構造を示している。次に、素子作製方法について述べる。n-GaAs基板201上にGaAsバッファ層202、GaAsに格子整合したn-(AlxGa1-x)InPクラッド層(x = 0.7)203、GaAsに格子整合した(AlyGa1-y)InP障壁層(y = 0.45、障壁層厚4 nm)204とInzGa1-zP歪量子井戸層(z = 0.58、井戸層厚8 nm)205、及び(AlsGa1-s)InP SCH(Separate Confinmente Heterostructure)層(s = 0.55、障壁層厚4 nm)206とから構成される歪量子井戸活性層207、GaAsに格子整合したp-(AltGa1-t)InPクラッド層(t = 0.7)208、GaAsに格子整合したp-InGaPエッチストップ層209、GaAsに格子整合したp-(AluGa1-u)InPクラッド層(u = 0.7)210、p-AlvGa1-vAsキャップ層(v = 0.7)211をMOVPE法、CBE法、またはMBE法により順次形成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチング工程により図2(a)に示すようなリッジを形成する。このときのエッチングはウエット、RIE、RIBE、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングはp-InGaPエッチストップ層209で止め歪量子井戸活性層207に達しないようにする。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、図2(a)に示すようにn-GaAs電流狭窄層212をMOVPE法により選択成長する。その後成長炉からウエハを取りだし、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、p-GaAsコンタクト層213をMOVPE法またはMBE法により形成する。p側オーミック電極214、n側オーミック電極215を形成した後、劈開法により共振器長約600 μmのレーザ素子を得た。この後ヘリコン波プラズマ励起反応性蒸着法を用いて図3に示すように、素子の前面(z = L)にλ/4(λ:発振波長)の厚さの3.3%酸素欠乏状態の酸化アルミニウム(Al2O2.9)膜を形成して低反射膜216を、素子の後面(z = 0)に5%酸素欠乏状態の酸化アルミニウム(Al2O2.85)膜と酸化チタン膜の3周期膜からなる高反射膜217を形成した。なお、酸化アルミニウムは、反応性スパッタ法若しくはイオンビームスパッタ法を用いて成膜した。ここで、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用いて、プラズマ若しくはイオン線を金属アルミニウムターゲットに照射することにより成膜を行っている。
<実施例2>
本発明の第2の実施例を図4、5を用いて説明する。本実施例は、本発明を光伝送システムで中継器あるいは受信器に用いられる希土類添加光ファイバ増幅器励起用0.98μm 帯高出力半導体レーザに適用したものである。図4はファブリ・ペロー型共振器を有する半導体レーザの平面構造を、図5(a)は断面構造を、図5(b)は活性層の拡大図を示している。次に、素子の作製方法について述べる。n-GaAs基板501上にGaAsバッファ層502、GaAsに格子整合したn-InGaPクラッド層503、In1-xGaxAsyP1-y障壁層(x = 0.82, y = 0.63, 障壁層厚35 nm)504とInzGa1-zAs歪量子井戸層(z = 0.16, 井戸層厚7 nm)505から構成される歪量子井戸活性層506、GaAs基板に格子整合したp-InGaPクラッド層507、p-GaAs光導波路層508、GaAsに格子整合したp-InGaPクラッド層509、p-GaAsキャップ層510をMOVPE法、またはガスソースMBE法、またはCBE法により順次形成する。次に、酸化膜をマスクに、ホトエッチング工程により図5(a)に示すようなリッジを形成する。このときのエッチングはウエット、RIE、RIBE、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングはP-GaAs光導波路層508を完全に除去し、且つ歪量子井戸活性層506に達しないようにp-InGaPクラッド層507の途中で止まるようにする。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、図5(a)に示すようにn-InGaP電流狭窄層511をMOVPE法により選択成長する。その後成長炉からウエハを取りだし、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。その後、p-GaAsコンタクト層512をMOVPE法またはMBE法により形成する。p側オーミック電極513、n側オーミック電極514を形成した後、劈開法により共振器長約900μmのレーザ素子を得る。この後、素子の前面(z = L)にスパッタリング法により、厚さλ/4(λ:発振波長)の5%酸素欠乏乏状態の酸化アルミニウム(Al2O2.85)からなる低反射膜401を、素子の後面(z = 0)に6.7%酸素欠乏状態の酸化アルミニウム(Al2O2.8)膜と非晶質硅素(a-Si)薄膜とからなる6層膜による高反射膜402を形成した。その後、素子を接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディングした。試作した素子は、しきい値電流約10mA で室温連続発振し、その発振波長は約0.98μmであった。また、素子は700mWまで安定に横単一モード発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力800mWは熱飽和により制限された。また、30素子について環境温度80℃の条件下で500mW定光出力連続駆動させたところ、初期駆動電流は約400mAであり、全ての素子で10万時間以上安定に動作した。
<実施例3>
本発明を適用した第3の実施例を図6、7を用いて説明する。本実施例は、本発明を加入者用光伝送システムで光源に用いられる1.3μm帯半導体レーザに適用したものである。図6は半導体レーザの斜視構造を、図7は断面構造を示している。次に、素子の作製方法について述べる。n-InP基板601,701上にn-InPバッファ層702を成長した後、InPに格子整合したn型InAlAsクラッド層703とn-InGaAlAs 下側SCH層704、InGaAlAs歪障壁層(バンドギャップ1.32eV, 障壁層厚8nm)とInGaAlAs歪量子井戸層(バンドギャップ0.87eV, 井戸層厚6nm)から構成される歪量子井戸活性層705、InP基板に格子整合したp-InGaAlAs 上側SCH層706、p型InAlAs第1クラッド層707、p型InP第2クラッド層708、p-InGaAsキャップ層709、p-InGaAsコンタクト層710をMOVPE法、またはガスソースMBE法、またはCBE法により順次形成する。次に、絶縁膜などをマスクに、ホトエッチング工程により図2に示すようなリッジを形成する。このときのエッチングは湿式法、RIE、RIBE、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングは歪量子井戸活性層705に達しないようにp-InP第2クラッド層708の途中で止まるようにする。次にp型InGaAsコンタクト層710表面以外の領域はプラズマCVD法により形成した酸化シリコン膜(図示せず)により覆われている。その上にp側電極711として厚さ100nmのチタン、厚さ100nmの白金,厚さ600nmの金を順に蒸着し、リッジ上面と配線用パッド(図示せず)が残るように形状加工する。次に,n型InP基板701の下面を研磨して120μmに薄くした後,金−ゲルマニウム,ニッケル,金を蒸着してn側電極712を形成する。この半導体レーザウエハを劈開し、一対のレーザ共振器端面を形成する。その後、前方、後方の両端面にスパッタ法を用いて、5%酸素欠乏状態の酸化アルミニウム(Al2O2.85)膜からなる端面保護膜713を形成し、更にその上層に非晶質珪素膜、酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜などからなる反射膜714、715を形成して端面の反射率が40%と75%となるように調整する。この半導体レーザ素子601をシリコンサブマウントにジャンクションアップ法でハンダ材により接続し,素子電極とパッケージ電極リードとを金ワイヤで接続する(図示せず)。酸化アルミニウムの形成には、金属アルミニウムをターゲットとし、アルゴンと酸素の混合ガスを導入してプラズマを形成し、ターゲット表面からスパッタされたアルミニウムと酸素を反応させて酸化膜を形成した。酸素分圧を制御することにより酸化アルミニウム膜の組成を制御することが可能である。本実施例ではアルゴン流量40 sccm、酸素流量8 sccmとしてAl2O2.85の酸化アルミニウム膜を得た。前方反射膜714の総応力は50 Pa・m、後方反射715の総応力はPa・mであった。試作した素子は、しきい値電流約6 mA で室温連続発振し、その発振波長は約1.3μmであった。また、素子は最大光出力80 mWまで安定に横単一モード発振した。また、光出力を増加させても端面劣化は起こらず、最大光出力80mWは熱飽和により制限された。また、30素子について環境温度80℃の条件下で15mW定光出力連続駆動させたところ、全ての素子で端面劣化することなく1万時間以上安定に動作した。
<実施例4>
図8は本発明を用いて別構造を有する波長1.3μm帯の分布帰還型半導体レーザを作製した例である。p型の基板801を用いる点および埋め込みヘテロ構造を採用している点が実施例3との主だった相違点である。p型基板801を用いることにより実施例3の素子に比べ、正孔の活性層への注入効率が改善される。
<実施例5>
図10は本発明による実施例3または4の半導体レーザ1001をヒートシンク1002上に実装した後、光学レンズ1003、後端面光出力モニタ用のフォトダイオード1004、光ファイバ1005とレーザ駆動用ドライバIC 1006とを一体化したモジュールの斜視図である。作製したモジュールは-40〜85℃の広い温度範囲において副モード抑圧比40dB以上の安定な単一モード動作を95%以上の高い作製歩留まりで実現した。また、動作速度10Gbit/sで消光比8dB以上の明瞭なアイ開口を得た。本レーザ素子では長期連続動作においても劣化がないのでモジュールの高信頼化と長寿命化に非常に有効であり、システム全体のトータルコストの低減にも非常に有効である。
Claims (10)
- 基板面に対し水平に共振器を有する水平共振器型半導体レーザにおいて、
半導体基板と、
前記半導体の内部に形成された活性層と、
前記半導体の端部に形成された共振器ミラーと、
前記共振器ミラーとなる半導体端面に接して形成された第1の絶縁膜および前記第1の絶縁膜上に積層された絶縁膜とからなる反射膜とを有し、
前記第1の絶縁膜が酸素欠乏状態の酸化アルミニウムからなり、前記酸化アルミニウムの組成がAl2O3-x(0.03≦x≦0.3)であり、
前記反射膜は、前記反射膜を構成する各層の膜厚と内部応力の積の総和で定義される総応力が150Pa・m以下であることを特徴とする半導体レーザ。 - 前記酸化アルミニウムの組成がAl2O3-x; 0.1≦x≦0.2であることを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ。
- 前記活性層は、アルミニウムを含む材料からなることを特徴とする請求項1若しくは2記載の半導体レーザ。
- 前記活性層のアルミニウム含有量は、III族元素に対する組成比が10at%以上であることを特徴とする請求項3記載の半導体レーザ。
- 前記半導体基板に、InP基板を用いることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記反射膜の総応力が100Pa・m以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 基板面に対し水平に共振器を有する水平共振器型半導体レーザの製造方法において、
半導体基板を準備する工程と、
前記半導体に活性層を形成する工程と、
前記半導体の端部に共振器ミラーを形成する工程と、
前記共振器ミラーとなる半導体端面に接して第1の絶縁膜を形成し、前記第1の絶縁膜上に絶縁膜を堆積してなる反射膜を形成する工程とを有し、
前記第1の絶縁膜は、酸素欠乏状態の酸化アルミニウムからなり、前記酸化アルミニウムの組成がAl2O3-x; 0.03≦x≦0.3であり、
前記反射膜は、前記反射膜を構成する各層の膜厚と内部応力の積の総和で定義される総応力が150Pa・m以下であることを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 前記共振器ミラーを形成する半導体端面に、その1層目に酸素欠乏の酸化アルミニウム膜を有する端面保護膜若しくは端面反射膜を形成する工程と、
アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを用いてプラズマ若しくはイオン線を金属アルミニウムターゲットに照射することにより成膜反応を生ぜしめる反応性スパッタ法若しくはイオンビームスパッタ法により、前記酸化アルミニウム膜を成膜する工程とを有することを特徴とする請求項7記載の半導体レーザの製造方法。 - 前記請求項7または8記載の半導体レーザの製造方法において、
前記酸化アルミニウム膜中に混入されるアルゴン組成が1at%以下となるように成膜することを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 少なくとも光を集光するための光学レンズと、光を外部に導く光ファイバと、請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体レーザとを一体化したことを特徴とする半導体レーザモジュール。
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