JP4951267B2 - 半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ素子およびその製造技術に関し、特に、光伝送用、情報記憶用装置等に用いる分布帰還型または分布反射型の半導体レーザ素子とその製造方法に適用して有効な技術に関する。
例えば、光伝送装置や情報記憶装置に用いる光源として、スペクトルが狭く単一モード発振が可能である屈折率変調型の回折格子を利用した分布帰還（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）型レーザが主に採用されている。ＤＦＢ型レーザでは、導波路方向へ回折した光の結合係数κと共振器長Ｌの積κＬにより、光出力や変調特性が大きく変化するため、レーザ素子の設計及び製造においては、κＬを所望の値に設定することが肝要である。ここで結合係数κは、回折格子の高さ、活性層からの距離、回折格子層と埋め込み層（クラッド層）の屈折率差で決定され、中でも特に回折格子の高さに大きく依存する。
従来の回折格子形成工程について以下に説明する。ｎ−ＩｎＰ基板上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの結晶成長法によりｎ−ＩｎＰ第１クラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第１光ガイド層、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第２光ガイド層、ｐ−ＩｎＰスペーサ層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、ｐ−ＩｎＰキャップ層を形成する。ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層は、キャリアの閉じ込め効果を上げるためＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層、ＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層を周期構造に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を備えている。
さらに、ｐ−ＩｎＰキャップ層上に、二酸化珪素（ＳｉＯ2）膜または窒化珪素（ＳｉＮ）膜などの絶縁膜を形成し、フォトリソグラフィ技術と干渉露光法またはＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）露光法により、導波路に対して垂直方向にストライプ状にパターンを形成する。レジストパターンをマスクに、上記絶縁膜をフッ素系ガスによるドライエッチングまたはフッ酸系溶液によるウェットエッチングで除去し、その後、溶剤によりレジストパターンを除去する。絶縁膜をマスクとし、ｐ−ＩｎＰキャップ層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層をドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去し、矩形状の回折格子を形成する。次に、ＭＯＣＶＤ法などによりｐ−ＩｎＰ第２クラッド層を再成長する。
ところで、近年、情報系の半導体レーザ素子のみならず、光伝送用においてもレーザのアンクールド動作を見据えた高出力化が望まれており、長共振器化、それに伴うκの低減が技術課題として挙げられている。
前述した通り、κは回折格子の高さに依存するため、κを低減するためには、回折格子高さを低くする必要がある。しかし、回折格子高さが低すぎた場合、回折格子層のエッチング制御性の劣化、埋め込み再成長での昇温時の熱分解による消失などの問題により、素子の特性歩留まりに大きなバラツキが発生する。従来のプロセスを用いた場合、このような問題を回避するために回折格子エッチング後の高さは１５ｎｍ以上が必要であった。この回折格子高さの製造上の制約を満たしたままκ低減を可能とするためには、エッチング後の回折格子層の高さをプロセス制御性にマージンのある２０〜３０ｎｍと充分残しておき、埋め込み再成長での直前に回折格子高さを低減することが必要である。この手段として、昇温時の熱分解を積極的に利用して高さを低減することが考えられるが、この場合、熱分解した層が回折格子溝部にマストランスポートすることにより反応生成物が形成し、これらは結晶性が悪く、レーザ素子特性が劣化する懸念があった。
また、κＬの理論値は、回折格子形状が矩形と正弦波状の場合で異なり、正弦波状の回折格子の方がκを低減することが可能である。図５に、回折格子の形状の違いによる回折格子高さとκＬの関係のシミュレーション結果について示した。ただし、κＬは相対値である。ここでは、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の組成波長（λ）は１．１５μｍであり、共振器長（Ｌ）は５００μｍとした。回折格子の導波路方向への断面形状を周期波形とし、フーリエ変換したときの第１次成分がκＬの大きさに寄与するため、このような現象が起こる。これによると、回折格子を正弦波形状にすることにより、矩形形状に対してκＬを２１．５％（π／４）低減することが可能である。回折格子は、通常、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成するが、この場合、回折格子は矩形状となり、エッチングにより正弦波形状を形成することは困難である。この正弦波形状は、埋め込み再成長での昇温時に熱分解させることにより形成可能であるが、この場合、マストランスポートにより前述した問題が発生する。
以上のように、従来の半導体レーザ素子の製造技術においては、回折格子形成プロセスの制約から回折格子高さの下限が決定され、κ低減が困難であり、また、回折格子埋め込み再成長時の昇温過程に回折格子側面及び溝部に反応生成物が形成され、素子の発振閾値、光出力効率が低下するという問題がある。
そこで、本発明の目的は、前述した課題を克服し、製造上の制約を満たした状態でκＬを低減することができる半導体レーザ素子の製造技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明は、導波路方向と垂直にストライプ状に形成された回折格子を有する、分布帰還型または分布反射型の半導体レーザ素子とその製造方法に適用され、回折格子は、それぞれの側壁が少なくとも２つ以上の結晶面を有し、かつ（１００）面に平行な底辺に対する上辺の導波路方向における長さの比が０〜０．３であることを特徴とする。
さらに、回折格子は、少なくとも、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐの元素を１つ含むIII−Ｖ族化
合物半導体層からなることを特徴とする。
合物半導体層からなることを特徴とする。
また、回折格子を埋め込み再成長する直前には、反応炉内にハロゲン系ガスを導入し、前記のような形状となるように回折格子のエッチングを行い、かつ再成長の昇温時に回折格子の側面および回折格子のストライプ間の溝部に形成する反応生成物を除去することを特徴とする。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、回折格子を有した半導体レーザ素子は、製造上の制約を満たした状態でκＬ低減が可能であり、さらに再成長表面の結晶性の劣化した反応生成物が除去される効果により、半導体レーザ素子の光出力効率の向上、発振閾値の低減を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
（実施の形態の概念）
本実施の形態では、κを低減するため、第一の手段として、第２クラッド層の再成長後の回折格子の形状を正弦波形状とする。正弦波形状は、完全なサインカーブが理想であるが、現実的にはある程度の矩形形状を残した状態となる。
本実施の形態では、κを低減するため、第一の手段として、第２クラッド層の再成長後の回折格子の形状を正弦波形状とする。正弦波形状は、完全なサインカーブが理想であるが、現実的にはある程度の矩形形状を残した状態となる。
ここで、正弦波形状を表すパラメータとして、図１に示すように、光導波路方向と垂直にストライプ状に形成された回折格子（回折格子層１０７）のそれぞれの側壁が少なくとも２つ以上の結晶面を有し、かつ（１００）面に平行な底辺（Ｌ0）に対する上辺（Ｌ1）の割合（Ｌ1／Ｌ0）を定義する。Ｌ1／Ｌ0が１のときは方形、０のときは三角形を表し、Ｌ1／Ｌ0が０．３以下のとき、ほぼ正弦波として近似できる。従って、正弦波形状とは、Ｌ1／Ｌ0が０〜０．３であることとして良い。
この第一の手段を実現するために、回折格子のドライ及びウェットエッチング後の高さをプロセス制御性の充分ある２０〜３０ｎｍと設定し、クラッド層の再成長温度まで昇温後、ハロゲン系のガスを反応炉に導入するｉｎ−ｓｉｔｕ気相エッチング法を用いる。
図２に示すように、ドライ及びウェットエッチングで回折格子を形成した場合、正弦波形状が得られるＬ1／Ｌ0を０．３以下とするためには３５〜４０ｎｍの回折格子層高さが必要であり、この高さに伴いκＬが増加してしまう。この関係は、異方性ウェットエッチングにより１つの結晶面のみ現れるため、回折格子層高さと底辺長により一義的に決定されることに起因している。
これに対し、気相エッチングを適用した場合、回折格子層の側壁をエッチングすることにより２つ以上の結晶面が現れ、高さ１５〜３０ｎｍにおいてもＬ1／Ｌ0が０．３以下を満たす。この方法により、埋め込み再成長後の回折格子厚さを従来のプロセスでは困難である１５ｎｍ以下まで低減し、さらに正弦波形状を容易に得ることが可能である。
また、昇温時のマストランスポートにより形成される反応生成物もハロゲン系ガスにより除去されるため、再成長界面のクリーニング効果もあり、κ低減による光出力向上のみならず、発振閾値電流や素子信頼性も向上することが可能である。
第２の手段として、回折格子は、上記気相エッチングを容易とするため、少なくとも、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐの元素を１つ含むIII−Ｖ族化合物半導体層で形成する。
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１である半導体レーザ素子の製造方法における作製工程図を示す。
図３は、本発明の実施の形態１である半導体レーザ素子の製造方法における作製工程図を示す。
ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰ第１クラッド層１０２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第１光ガイド層１０３、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第２光ガイド層１０５、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１０７、ｐ−ＩｎＰキャップ層１０８を積層する（図３（ａ））。ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１０４は、キャリアの閉じ込め効果を上げるため、ＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層、ＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層からなるＭＱＷ構造とした。また、回折格子形成プロセスの制御性を考慮し、回折格子層の膜厚は２５ｎｍとした。
次に、ＣＶＤ法により、二酸化珪素（ＳｉＯ2）膜、窒化珪素（ＳｉＮ）膜などの絶縁膜１０９を形成し、レジスト膜１１０を塗布後、ＥＢ露光法、または干渉露光法を用いて、約２００ｎｍ周期で導波路と垂直方向にストライプを形成する。このレジスト膜１１０をマスクに開口部の絶縁膜１０９を化学エッチングにより除去する。化学エッチングは、フッ酸系混合液を用いたウェットエッチング、フッ素系ガスを用いたドライエッチングのいずれでも良い（図３（ｂ））。
続いて、溶剤によりレジスト膜１１０を除去後、絶縁膜１０９をマスクに開口部のｐ−ＩｎＰキャップ層１０８、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１０７をドライエッチングにより除去する。ドライエッチングを用いることによりウェットエッチングに対して深さ方向の制御性が良く、さらに絶縁膜のマスク端から垂直形状にエッチングされるため、回折格子のＤｕｔｙ比の制御性も向上し、κの制御性が向上する。この後、フッ酸系混合液で絶縁膜１０９を除去した。ここまでの工程により、導波路となる活性層上にｐ−ＩｎＰキャップ層を備えた矩形状の回折格子が形成される（図３（ｃ））。
次に、硫酸系混合液で回折格子形成基板の表面処理を行い、ＭＯＣＶＤ法により、前記基板上に、ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層１１１、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ第１コンタクト層１１２、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層１１３を再成長する。このとき、ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層１１１の再成長開始直前に、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを反応炉に供給し、ｐ−ＩｎＰキャップ層１０８及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１０７の表面のｉｎ−ｓｉｔｕ気相エッチングを行った（図３（ｄ））。エッチング時の基板表面温度は５００℃とし、エッチング時間は回折格子高さが１３ｎｍとなるように設定した。
この気相エッチングにより、昇温過程でｐ−ＩｎＰキャップ層１０８からマストランスポートすることにより回折格子側面及び溝部に形成される結晶性の劣化した反応生成物を除去することが可能であり、これにより反応生成物に起因したリーク電流を抑制し、半導体レーザ素子の発振閾値の低減が可能である。さらに、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１０７を一部エッチングすることにより回折格子高さを低減し、かつ正弦波形状を得ることが可能であり、これによりκを低減し、光出力効率の向上を実現することができる。
なお、本実施の形態では、上記回折格子形成基板のエッチングにＨＣｌを使用したが、他にも塩化メチル（ＣＨ3Ｃｌ）や四塩化炭素（ＣＣｌ4）、四臭化炭素（ＣＢｒ4）のようなハロゲン元素を含有するハロゲン系ガスを用いることが可能である。
回折格子形成基板への埋め込み再成長後は、以下に述べる公知の技術を用いてチップ化まで行い、半導体レーザ素子を作製した。
まず、絶縁膜により約２μｍのストライプを形成し、絶縁膜をマスクに前記再成長層をウェットエッチング及びドライエッチングにより除去し、光導波路を形成する。ストライプ状の絶縁膜を除去した後、全面に再び絶縁膜を形成し、光導波路の電流注入部のみをフォトリソグラフィとエッチングにより開口し、ＥＢ蒸着及び加熱処理を施し、ｐ側の電極を形成する。基板裏面を１００μｍ厚まで研磨処理した後、裏面にｎ側の電極を蒸着する。この後、共振器長（Ｌ）が５００μｍとなるようにウエハをバー状に劈開し、スパッタリング法により端面に反射膜をコーティングした。最後に、素子幅２００μｍにチップ化し、ＤＦＢ型半導体レーザ素子を作製することができた。
本実施の形態による、ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層１１１の再成長直前のハロゲン系ガスを用いたｉｎ−ｓｉｔｕ気相エッチングにより、回折格子の溝部に再成長の昇温時にマストランスポートで形成された結晶性の劣化した反応生成物を除去し、さらに回折格子の高さを低減した状態で正弦波形状を得ることが可能となった。これにより、再成長界面のクリーニング効果が得られ、また半導体レーザ素子のκＬ低減を実現したことにより、３ｍＡの発振閾値が低減し、従来の素子特性歩留まり７０％が本実施の形態により９０％まで向上した。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２である半導体レーザ素子の製造方法における作製工程図を示す。本実施の形態では、回折格子を活性層の下側に配置した半導体レーザ素子の製造方法について示す。
図４は、本発明の実施の形態２である半導体レーザ素子の製造方法における作製工程図を示す。本実施の形態では、回折格子を活性層の下側に配置した半導体レーザ素子の製造方法について示す。
ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰ第１クラッド層２０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２０３、ｎ−ＩｎＰキャップ層２０４を積層する（図４（ａ））。このとき、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２０３は、前記実施の形態１と同様の膜厚である２５ｎｍとした。
次に、ＣＶＤ法により絶縁膜を形成し、前記実施の形態１と同様のプロセスを用いて回折格子を形成する（図４（ｂ））。
この後、ＭＯＣＶＤ法により、回折格子の埋め込み再成長を行うが、その再成長直前に、前記実施の形態１と同様にハロゲン系ガスを供給することにより回折格子側面及び回折格子溝部をエッチングし、続いて、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層２０５、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第１光ガイド層２０６、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層２０７、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第２光ガイド層２０８、ｐ−ＩｎＰ第３クラッド層２０９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ第１コンタクト層２１０、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層２１１を連続で堆積する（図４（ｃ））。
これ以降のメサ形成プロセスからチップ化までは、前記実施の形態１と同様に行い、本実施の形態においても、従来６０％であった素子特性歩留まりが９０％まで向上した。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
本発明は、半導体レーザ素子およびその製造技術に関し、特に、光伝送用、情報記憶用装置等に用いる分布帰還型または分布反射型の半導体レーザ素子とその製造方法に適用して有効である。
１０１…ｎ−ＩｎＰ基板、１０２…ｎ−ＩｎＰ第１クラッド層、１０３…ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第１光ガイド層、１０４…ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層、１０５…ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第２光ガイド層、１０６…ｐ−ＩｎＰスペーサ層、１０７…ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、１０８…ｐ−ＩｎＰキャップ層、１０９…絶縁膜、１１０…レジスト膜、１１１…ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層、１１２…ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ第１コンタクト層、１１３…ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層、２０１…ｎ−ＩｎＰ基板、２０２…ｎ−ＩｎＰ第１クラッド層、２０３…ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、２０４…ｎ−ＩｎＰキャップ層、２０５…ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層、２０６…ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第１光ガイド層、２０７…ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層、２０８…ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ第２光ガイド層、２０９…ｐ−ＩｎＰ第３クラッド層、２１０…ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ第１コンタクト層、２１１…ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層。
Claims (4)
- 半導体基板上に、第１クラッド層、活性層、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層をエピタキシャル成長により積層する第１の工程と、
前記回折格子層のエッチング加工により回折格子を形成する第２の工程と、
前記回折格子を前記第１クラッド層と導電型の異なる第２クラッド層でエピタキシャル成長により埋め込み再成長する第３の工程を含み、
前記第３の工程の直前に、反応炉内にハロゲン系ガスを導入し、それぞれの側壁が少なくとも２つ以上の結晶面を有し、かつ（１００）面に平行な底辺に対する上辺の導波路方向における長さの比が０〜０．３となるように前記回折格子のエッチングを行い、かつ再成長の昇温時に前記回折格子の側面および前記回折格子のストライプ間の溝部に形成する反応生成物を除去することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
前記第１の工程は、さらに前記第１クラッド層と前記活性層の間に第１光ガイド層を形成し、前記活性層と前記回折格子層の間に第２光ガイド層とスペーサ層を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 半導体基板上に、第１クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層をエピタキシャル成長により積層する第１の工程と、
前記回折格子層のエッチング加工により回折格子を形成する第２の工程と、
前記回折格子を前記第１クラッド層と導電型の同じ第２クラッド層でエピタキシャル成長により埋め込み、活性層を再成長する第３の工程を含み、
前記第３の工程の直前に、反応炉内にハロゲン系ガスを導入し、それぞれの側壁が少なくとも２つ以上の結晶面を有し、かつ（１００）面に平行な底辺に対する上辺の導波路方向における長さの比が０〜０．３となるように前記回折格子のエッチングを行い、かつ再成長の昇温時に前記回折格子の側面および前記回折格子のストライプ間の溝部に形成する反応生成物を除去することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 請求項３記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
前記第３の工程は、さらに前記第２クラッド層と前記活性層の間に第１光ガイド層を形成し、前記活性層の上部に第２光ガイド層と第３クラッド層を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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