JP5184804B2 - 半導体レーザ、それを備えたレーザモジュールおよび半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体レーザおよびそれを備えたレーザモジュールに関し、特に、高次モードを抑制可能な半導体レーザおよびそれを備えたレーザモジュールに関するものである。

光通信用光源および光ファイバ増幅器用励起光源に使用される半導体レーザは、リッジストライプ型レーザまたは埋め込みヘテロ型ストライプレーザである。通信システムの安定動作を行なうためには、少なくとも半導体レーザが横モード単一動作を行なうことが要求される。これを実現するために、高次モードのカットオフ条件を満足するか、あるいは、高次モードと基本モードとの間に発振するための利得差をつけて、高次モードの発振を抑制するように半導体レーザの活性層の幅が決定されている。

特に、エルビウムドープファイバ増幅器などの光ファイバ増幅器用励起光源では、より高い出力の励起光源が要求されるが、高出力化のために活性層の幅を広げることは、高次の横モードを誘発し、光−電流特性に不連続点（キンク）が生じる。そして、このキンクは、半導体レーザの安定動作を困難なものにし、光ファイバ増幅器の利得等のシステム性能を制限する要因になる。従って、活性層の幅を広げて高出力化を実現するためには、ある値よりも大きい活性層幅を適用できないという課題がある。

一方、半導体ドライエッチングを用いた曲面ミラーを持つＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料の半導体レーザにおいて、１００μｍ程度の広い活性層幅を有し、単一横モードを実現した半導体レーザが知られている（非特許文献１，２）。
M. L. Tilton他 IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 27, No.9, p.2098, 1991. S.A. Biellak他 IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 33, No.2, p.219, 1997.

しかし、非特許文献１，２に開示された半導体レーザにおいては、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいるため、Ａｌの酸化による非発光再結合成分の増加および光出射端面近傍における光学損傷が問題になる。特に、ドライエッチングによって曲面ミラーを形成した後は、エッチング端面が空気に触れた状態になるため、エッチング端面が通常のへき開ミラーの半導体レーザと比較して、表面酸化の影響が大きくなり、信頼性が問題となる。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高次モードを抑制し、かつ、信頼性が高い半導体レーザを提供することである。

また、この発明の別の目的は、高次モードを抑制し、かつ、信頼性が高い半導体レーザを備えるレーザモジュールを提供することである。

この発明によれば、半導体レーザは、活性層と、窓部材とを備える。活性層は、基板上に形成され、レーザ光を出射する。窓部材は、レーザ光の活性層における出射面に接して配置されるとともに、レーザ光の波長に相当するエネルギーギャップよりも大きいエネルギーギャップを有する半導体材料からなり、出射面に接した側と反対側に曲面を有する。

好ましくは、活性層および窓部材は、基板の面内方向に配置される。

好ましくは、曲面は、活性層に向かって凸になっている。

好ましくは、活性層の出射面と反対側の面は、平坦面からなる。

好ましくは、半導体レーザは、低反射膜を更に備える。低反射膜は、平坦面に形成され、基準値よりも低い反射率を有する。

好ましくは、半導体レーザは、高反射膜を更に備える。高反射膜は、曲面に形成され、基準値よりも高い反射率を有する。

また、この発明によれば、レーザモジュールは、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体レーザを備える。

この発明による半導体レーザにおいては、活性層で発振するレーザ光の波長に相当するバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窓部材は、活性層の出射面側と反対側に曲面を有する。その結果、窓部材は、活性層で発振されたレーザ光の高次の横モードを抑制する。また、窓部材の曲面が酸化されても、その酸化が半導体レーザの特性に及ぼす影響は小さい。

従って、この発明によれば、レーザ光の高次の横モードを抑制できるとともに、半導体レーザの信頼性を向上できる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による半導体レーザの斜視図である。この発明の実施の形態による半導体レーザ１０は、基板１と、バッファ層２と、クラッド層３，７と、光閉じ込め層４，６と、活性層５と、コンタクト層８と、絶縁膜９と、窓部材１１と、正極電極１２と、負極電極１３とを備える。

基板１は、例えば、（１００）の面方位を有するｎ型ＧａＡｓからなる。バッファ層２は、基板１の一主面上に形成され、例えば、ｎ型ＧａＡｓからなる。そして、バッファ層２は、０．３μｍの膜厚および１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア密度を有する。

クラッド層３は、バッファ層２上に形成され、例えば、ｎ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓからなる。そして、クラッド層３は、３μｍの膜厚および１×１０^１７ｃｍ^−３のキャリア密度を有する。

光閉じ込め層４は、クラッド層３上に形成され、例えば、ノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる。そして、光閉じ込め層４は、５０ｎｍの膜厚を有する。活性層５は、光閉じ込め層４上に形成され、歪量子井戸構造からなる。歪量子井戸構造は、例えば、Ｇａ_０．８２Ｉｎ_０．１８Ａｓからなる井戸層と、ＧａＡｓからなる障壁層とによって構成される二重量子井戸構造からなる。そして、井戸層は、例えば、５ｎｍの膜厚を有し、障壁層は、例えば、１０ｎｍの膜厚を有する。

光閉じ込め層６は、活性層５上に形成され、例えば、ノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる。そして、光閉じ込め層６は、５０ｎｍの膜厚を有する。クラッド層７は、光閉じ込め層６上に形成され、例えば、ｐ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓからなる。そして、クラッド層７は、２μｍの膜厚および１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア密度を有する。

コンタクト層８は、ストライプ形状からなり、クラッド層７上に形成される。そして、コンタクト層８は、例えば、ｐ^＋ＧａＡｓからなり、０．５μｍの膜厚および２×１０^１９ｃｍ^−３のキャリア密度を有する。

絶縁膜９は、コンタクト層８の両側に配置され、クラッド層７上に形成される。そして、絶縁膜９は、例えば、ＳｉＮ_ｘからなる。窓部材１１は、基板１の面内方向ＤＲ１において、クラッド層３の一部、光閉じ込め層４，６、活性層５およびクラッド層７の一部に接して形成される。そして、窓部材１１は、例えば、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６およびクラッド層７の一部をシリコン（Ｓｉ）によって混晶化したものからなり、半導体レーザ１０が発振するレーザ光の波長に相当するエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する。また、窓部材１１は、活性層５と接する側と反対側に曲面１１Ａを有する。

正極電極１２は、コンタクト層８および絶縁膜９上に形成される。そして、正極電極１２は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる。負極電極１３は、基板１の裏面に形成される。そして、負極電極１３は、例えば、Ｃｒ／Ａｕからなる。

半導体レーザ１０は、長さＬおよび幅Ｗを有する。そして、長さＬは、例えば、１４００μｍであり、幅Ｗは、例えば、７μｍまたは５０μｍである。この７μｍまたは５０μｍの幅Ｗは、窓部材１１が曲面１１Ａを有しない場合、高次の横モードが誘発される幅である。

図２は、図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間の半導体レーザ１０の断面図である。半導体レーザ１０は、絶縁膜１４を更に備える。絶縁膜１４は、クラッド層７の一部、コンタクト層８および正極電極１２の側面に接して形成されるとともに、窓部材１１の上面に接して形成される。そして、絶縁膜１４は、例えば、ＳｉＮ_ｘからなる。

図３は、図１に示す正極電極１２側から見た半導体レーザ１０の平面図である。なお、図３においては、絶縁膜１４は、省略されている。正極電極１２は、絶縁膜９の周辺部を除き、コンタクト層８および絶縁膜９のほぼ全面に形成される。そして、窓部材１１は、正極電極１２が形成された領域に隣接して形成され、正極電極１２が形成された領域側と反対側に円弧状の曲面１１Ａを有する。

図４から図６は、それぞれ、図１に示す半導体レーザ１０の作製工程を示す第１から第３の工程図である。なお、図４から図６においては、図１に示すストライプ状のコンタクト層８を含む断面図を示す。

半導体レーザ１０の作製が開始されると、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いてバッファ層２、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６、クラッド層７およびコンタクト層８となるｐ^＋ＧａＡｓが基板１上に順次形成される（図４の（ａ）参照）。

この場合、バッファ層２を構成するｎ型ＧａＡｓは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ_３）およびセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を原料として形成され、クラッド層３を構成するｎ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ_３）およびモノシラン（ＳｉＨ_４）を原料として形成される。

また、光閉じ込め層４を構成するノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ_３）を原料として形成され、活性層５を構成するＧａ_０．８２Ｉｎ_０．１８Ａｓ／ＧａＡｓは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびアルシン（ＡｓＨ_３）を原料として形成される。

更に、光閉じ込め層６を構成するノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ_３）を原料として形成され、クラッド層７を構成するｐ型Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ａｓは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ_３）および四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を原料として形成される。

更に、コンタクト層８となるｐ^＋ＧａＡｓは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ_３）および四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を原料として形成される。

バッファ層２、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６、クラッド層７およびコンタクト層８となるｐ^＋ＧａＡｓが基板１上に順次形成されると、コンタクト層８となるｐ^＋ＧａＡｓ上にレジストが塗布され、その塗布されたレジストがストライプ状にパターンニングされる。そして、パターンニングされたストライプ状のレジストをマスクとしてｐ^＋ＧａＡｓがエッチングされ、コンタクト層８が形成される。

その後、試料の全面にレジストが塗布され、その塗布されたレジストをパターンニングしてＳｉの拡散を行なわない領域上にのみレジストを残す。そして、Ｓｉの拡散源となるＳｉ薄膜を電子線ビーム蒸着法によって試料の全面に形成する。この場合、Ｓｉ薄膜の膜厚は、例えば、２０ｎｍである。

Ｓｉ薄膜の形成後、アセトンによってレジストパターンを除去することによってレジストパターン上のＳｉ薄膜を除去し（リフトオフ）、所定の領域上のみにＳｉ薄膜２０を残す（図４の（ｂ）参照）。

その後、プラズマＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて試料の全面にＳｉＯ_２膜３０を形成する（図４の（ｃ）参照）。そして、試料全体を窒素雰囲気中で８５０℃、８時間の熱処理を行なう。この熱処理によって、Ｓｉ薄膜２０からＳｉがコンタクト層８、クラッド層７、光閉じ込め層６、活性層５、光閉じ込め層４、およびクラッド層３の一部へ拡散し、コンタクト層８、クラッド層７、光閉じ込め層６、活性層５、光閉じ込め層４、およびクラッド層３の一部が混晶化し、混晶化領域４０が形成される（図４の（ｄ）参照）。

ここで、Ｓｉ薄膜２０が形成されていない領域のフォトルミネッセンスの発光波長が９８０ｎｍであるのに対し、混晶化領域４０のフォトルミネッセンスの発光波長は、９３０ｎｍ程度である。従って、混晶化領域４０は、Ｓｉの拡散によってバンドギャップが大きくなっていることが確認された。

混晶化領域４０以外の領域のＳｉＯ_２膜上にフォトレジスト５０を塗布し、フォトレジスト５０を塗布していない領域のＳｉＯ_２膜をＣＦ_４ガスを用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって除去する（図５の（ｅ）参照）。

その後、フォトレジスト５０をマスクとしてＳｉ薄膜２０と、コンタクト層８およびクラッド層７の一部に相当する混晶化領域４０とを塩素ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−ＲＩＥ）によってエッチングし、混晶化領域４１を形成する（図５の（ｆ）参照）。

この場合、ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング条件は、Ｃｌ_２の流量が６．２ｓｃｃｍであり、Ａｒガスの流量が２．５ｓｃｃｍであり、ＲＦ出力のうち、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）の出力が１３０Ｗであり、バイアス出力が７０Ｗであり、エッチング圧力は、０．６Ｐａである。そして、エッチング深さは、２μｍ程度である。

その後、酸素ガスを用いたＲＩＥによってフォトレジスト５０を除去し、ＣＦ_４ガスを用いたＲＩＥによってＳｉＯ_２膜３０を除去する。そして、プラズマＣＶＤ法等によって試料全体にＳｉＮ_ｘ膜６０を形成し、その形成したＳｉＮ_ｘ膜６０上にフォトレジストを塗布する。引き続いて、フォトリソグラフィによってフォトレジストをパターンニングし、曲面７０Ａを有するフォトレジスト７０をＳｉＮ_ｘ膜６０上に形成する（図５の（ｇ）参照）。

その後、フォトレジスト７０をマスクとしてＳｉＮ_ｘ膜６０をエッチングし、曲面６１Ａを有すＳｉＮ_ｘ膜６１を形成する（図５の（ｈ）参照）。そして、ＳｉＮ_ｘ膜６１をマスクとして塩素ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥによって混晶化領域４１および基板１の一部をエッチングし、窓部材１１を形成する（図６の（ｉ）参照）。この場合、低加工損傷でほぼ垂直なエッチング（９０°±３°程度）を行なうために、ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング条件は、Ｃｌ_２の流量が６．２ｓｃｃｍであり、Ａｒガスの流量が２．５ｓｃｃｍであり、ＲＦ出力のうち、誘導結合プラズマの出力が１３０Ｗであり、バイアス出力が７０Ｗであり、エッチング圧力は、０．６Ｐａである。また、エッチング深さは、５μｍ程度であり、曲面１１Ａの曲率は、１０００μｍである。

引き続いて、試料の全面にフォトレジスト８０を塗布し、その塗布したフォトレジスト８０をフォトリソグラフィおよびエッチングによってパターンニングし、ＳｉＮ_ｘ膜６１にストライプ状の開口部６１１を形成する（図６の（ｊ）参照）。

そして、電子ビーム蒸着法によってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを試料全面に蒸着し、フォトレジスト８０を除去することによって不要な部分に蒸着されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを除去する。これによって、正極電極１２が形成されるとともに、コンタクト層８の両側に絶縁膜９，１４が形成される（図６の（ｋ）参照）。

その後、厚みが１５０μｍ程度になるように基板１の裏面を研磨し、基板１の裏面に電子線ビーム蒸着法によってＣｒ／Ａｕを蒸着し、負極電極１３を形成する（図６の（ｌ）参照）。これによって、半導体レーザ１０が完成する。

半導体レーザ１０の正極電極１２および負極電極１３間に所定の電圧を印加し、活性層５に閾値以上の電流を注入すると、半導体レーザ１０は、９８０ｎｍのレーザ光を発振する。そして、半導体レーザ１０は、出射面５Ａ（図２参照）からレーザ光を窓部材１１へ出射するとともに、反対側の出射面５Ｂからもレーザ光を出射する。

半導体レーザ１０の活性層幅Ｗは、７μｍまたは５０μｍであり、曲面１１Ａが無ければ高次の横モードが誘発される幅である。窓部材１１は、曲面１１Ａを有するため、基本モードと高次モードとの利得差が大きくなるため、高次の横モードが抑制され、単一横モードからなるレーザ光の一部を活性層５へ放射し、残りを素子の外部へ放射する。この場合、窓部材１１は、隣接するクラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６およびクラッド層７よりも大きいバンドギャップを有するため、９８０ｎｍの光は、吸収されない。

窓部材１１から活性層５中へ放射されたレーザ光は、誘導放出によって更に増幅され、端面５Ｂ（図２参照）から外部へ放射される。

また、半導体レーザ１０は、活性層５の出射面５Ａと反対側に曲面１１Ａを備えるので、曲面１１Ａの表面が酸化されても、その表面酸化の影響が低減される。従って、半導体レーザ１０の信頼性を向上できる。

図７は、この発明の実施の形態による半導体レーザの他の斜視図である。また、図８は、図７に示す正極電極１２側から見た半導体レーザ１０Ａの平面図である。

この発明の実施の形態による半導体レーザは、図７および図８に示す半導体レーザ１０Ａであってもよい。半導体レーザ１０Ａは、図１に示す半導体レーザ１０に多層反射膜１５および低反射膜１６を追加したものであり、その他は、半導体レーザ１０と同じである。

多層反射膜１５は、窓部材１１の曲面１１Ａに接してプラズマＣＶＤ法によって形成される。そして、多層反射膜１５は、例えば、波長が９８０ｎｍの光に対して９９％の反射率を有し、活性層５から窓部材１１中へ放射され、かつ、窓部材１１中を伝搬するレーザ光を反射する。

低反射膜１６は、バッファ層２、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６、クラッド層７、コンタクト層８および絶縁膜９の窓部材１１側と反対側の端面にスパッタ法によって形成される。そして、低反射膜１６は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３からなり、活性層５で発振したレーザ光の波長の４分の１の膜厚を有する。その結果、低反射膜１６は、２％の反射率を有する。

図９は、図７および図８に示す多層反射膜１５の断面図である。多層反射膜１５は、ＳｉＯ_２膜１５１，１５３，１５５と、アモルファスＳｉ膜１５２，１５４，１５６，１５８とを含む。ＳｉＯ_２膜１５１，１５３，１５５およびアモルファスＳｉ膜１５２，１５４，１５６，１５８は、基板１の面内方向、即ち、曲面１１Ａに垂直な方向に交互に積層される。そして、ＳｉＯ_２膜１５１，１５３，１５５およびアモルファスＳｉ膜１５２，１５４，１５６，１５８は、例えば、７層、積層される。また、ＳｉＯ_２膜１５１，１５３，１５５およびアモルファスＳｉ膜１５２，１５４，１５６，１５８の各々は、活性層５で発振したレーザ光の波長の４分の１の膜厚を有する。

半導体レーザ１０Ａにおいては、活性層５で発振された９８０ｎｍのレーザ光は、出射面５Ａから窓部材１１中へ放射される。そして、レーザ光は、吸収されずに窓部材１１中を伝搬し、多層反射膜１５が形成された曲面１１Ａで高次の横モードが抑制された単一横モードの光が反射される。

曲面１１Ａで反射された単一横モードのレーザ光は、窓部材１１から活性層５中へ放射され、活性層５において誘導放出によって更に増幅され、端面５Ｂおよび低反射膜１６を介して外部へ放射される。

なお、半導体レーザ１０Ａにおいては、多層反射膜１５は、広い波長範囲に亘って高反射率を実現できるため、曲面１１Ａに接して形成した方が、素子の製造上、特性ばらつきを低く抑えることができる。

図１０は、この発明の実施の形態による半導体レーザの更に他の斜視図である。また、図１１は、図１０に示す正極電極１２側から見た半導体レーザ１０Ｂの平面図である。

この発明の実施の形態による半導体レーザは、図１０および図１１に示す半導体レーザ１０Ｂであってもよい。半導体レーザ１０Ｂは、図１に示す半導体レーザ１０に窓部材１７を追加したものであり、その他は、半導体レーザ１０と同じである。

窓部材１７は、クラッド層３の一部、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６およびクラッド層７の一部に接して窓部材１１と反対側に形成される。そして、窓部材１７は、窓部材１１と同じように、クラッド層３、光導波路４、活性層５、光導波路６およびクラッド層７を構成する半導体材料をＳｉによって混晶化した混晶材料からなる。従って、窓部材１７は、半導体レーザ１０Ｂが発振するレーザ光の波長に相当するエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有し、活性層５から放射されたレーザ光を殆ど吸収せずに端面１７Ａから外部へ放射する。

半導体レーザ１０Ｂは、半導体レーザ１０の作製工程において、窓部材１１と同時に窓部材１７を作製することによって作製される。

半導体レーザ１０Ｂにおいては、活性層５の両側に窓部材１１，１７を備えるので、表面酸化される面は、活性層５から遠くなり、端面の光学損傷（ＣＯＤ）による素子劣化を抑制することができる。従って、半導体レーザ１０Ｂの信頼性を半導体レーザ１０よりも高くできる。

なお、半導体レーザ１０Ｂにおいては、図８に示す多層反射膜１５および低反射膜１６を更に備えるようにしてもよい。この場合、低反射膜１６は、窓部材１７の端面１７Ａに接するように形成される。

図１２は、この発明の実施の形態による半導体レーザの更に他の斜視図である。また、図１３は、図１２に示す正極電極１２側から見た半導体レーザ１０Ｃの平面図である。

この発明の実施の形態による半導体レーザは、図１２および図１３に示す半導体レーザ１０Ｃであってもよい。半導体レーザ１０Ｃは、図１に示す半導体レーザ１０に窓部材１８を追加したものであり、その他は、半導体レーザ１０と同じである。

窓部材１８は、クラッド層３の一部、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６およびクラッド層７の一部に接して窓部材１１と反対側に形成される。そして、窓部材１８は、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６およびクラッド層７側と反対側に窓部材１１の曲面１１Ａと同じ曲率を有する曲面１８Ａを有する。また、窓部材１８は、窓部材１１と同じように、クラッド層３、光導波路４、活性層５、光導波路６およびクラッド層７を構成する半導体材料をＳｉによって混晶化した混晶材料からなる。従って、窓部材１８は、半導体レーザ１０Ｃが発振するレーザ光の波長に相当するエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有し、活性層５から放射されたレーザ光を殆ど吸収せずに曲面１８Ａから外部へ放射する。

半導体レーザ１０Ｃは、半導体レーザ１０の作製工程において、窓部材１１と同時に窓部材１８を作製することによって作製される。

半導体レーザ１０Ｃにおいては、活性層５の両側に窓部材１１，１８を備えるので、活性層５で発振したレーザ光の高次の横モードを更に抑制できる。また、半導体レーザ１０Ｃにおいては、表面酸化される面は、活性層５から遠くなる。従って、半導体レーザ１０Ｃの信頼性を半導体レーザ１０よりも高くできる。

なお、半導体レーザ１０Ｃにおいては、図８に示す多層反射膜１５および低反射膜１６を更に備えるようにしてもよい。この場合、低反射膜１６は、窓部材１８の曲面１８Ａに接するように形成される。

図１４は、図１に示す半導体レーザ１０を備えたバタフライ型モジュールの平面図である。バタフライ型モジュール２００は、半導体レーザ２１０と、フォトダイオード２２０と、キャリア２３０と、光ファイバ２４０と、レンズ２５０と、バタフライパッケージ２６０と、ベース２７０と、外部端子２８０Ａ，２８０Ｂとを備える。

半導体レーザ２１０、フォトダイオード２２０、キャリア２３０、レンズ２５０およびベース２７０は、バタフライパッケージ２６０内に配置される。ベース２７０は、バタフライパッケージ２６０の底面に配置される。キャリア２３０およびレンズ２５０は、ベース２７０上に配置される。

半導体レーザ２１０は、図１に示す半導体レーザ１０からなり、端面５Ｂがレンズ２５０の方を向くようにキャリア２３０上に配置される。フォトダイオード２２０は、半導体レーザ２１０の曲面１１Ａに対向するようにキャリア２３０上に配置される。

光ファイバ２４０の一方端側は、バタフライパッケージ２６０内に配置され、その一方端がレンズ２５０からのレーザ光を入射可能な位置に固定される。レンズ２５０は、半導体レーザ２１０から出射されたレーザ光を光ファイバ２４０に入射するように配置される。

外部端子２８０Ａ，２８０Ｂは、その一方端がバタフライパッケージ２６０の内部に挿入されるように側壁に固定される。

キャリア２３０は、それぞれ、ワイヤ２３１，２３２によって外部端子２８０Ａ，２８０Ｂに接続される。半導体レーザ２１０は、ワイヤ２１１によってキャリア２３０に接続される。これによって、半導体レーザ２１０は、キャリア２３０およびワイヤ２１１，２３２によって外部端子２８０Ｂに接続される。フォトダイオード２２０は、ワイヤ２２１によってキャリア２３０に接続される。これによって、フォトダイオード２２０は、キャリア２３０およびワイヤ２２１，２３１によって外部端子２８０Ａに接続される。

半導体レーザ２１０の発振閾値以上の電流が外部端子２８０Ａを介して半導体レーザ２１０へ注入されると、半導体レーザ２１０は、高次の横モードを抑制して単一横モードのレーザ光を発振し、その発振した単一横モードのレーザ光を端面５Ｂからレンズ２５０へ放射するとともに、単一横モードのレーザ光の一部を曲面１１Ａからフォトダイオード２２０へ放射する。

そして、フォトダイオード２２０は、半導体レーザ２１０の曲面１１Ａから放射された単一横モードのレーザ光の一部を受け、その受けたレーザ光の一部を電気信号に変換するとともに、その変換した電気信号を外部端子２８０Ａを介して外部へ出力する。

また、レンズ２５０は、半導体レーザ２１０の端面５Ｂから放射された単一横モードのレーザ光を受け、その受けたレーザ光を集光して光ファイバ２４０の一方端へ入射する。そして、光ファイバ２４０は、レンズ２５０から入射されたレーザ光を伝搬させる。

上述したように、半導体レーザ２１０は、レーザ光の高出力化が可能であり、かつ、高信頼性を有する半導体レーザ１０からなるので、バタフライ型モジュール２００から出射される単一横モードのレーザ光の出力を高くできるとともに、バタフライ型モジュール２００の信頼性を向上できる。

なお、バタフライ型モジュール２００の半導体レーザ２１０は、半導体レーザ１０に代えて半導体レーザ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかから構成されていてもよい。

図１５は、図１に示す半導体レーザ１０を備えたＣＡＮモジュールの断面図である。ＣＡＮモジュール３００は、支持台３１０と、固定部材３２０，３３０，３４０と、ＣＡＮパッケージ３５０と、半導体レーザ３６０と、レンズ３７０と、光ファイバ３８０とを備える。

固定部材３２０は、ＣＡＮパッケージ３５０を支持台３１０に固定する。固定部材３３０は、レンズ３７０を支持台３１０に固定する。固定部材３４０は、光ファイバ３８０を支持台３１０に固定する。

ＣＡＮパッケージ３５０は、半導体レーザ３６０を収納する。そして、ＣＡＮパッケージ３５０は、窓３５１を有する。半導体レーザ３６０は、図１に示す半導体レーザ１０からなり、端面５ＢがＣＡＮパッケージ３５０の窓３５１に対向するようにＣＡＮパッケージ３５０内に固定される。

レンズ３７０は、半導体レーザ３６０から出射されたレーザ光を窓３５１を介して入射可能な位置に配置される。光ファイバ３８０は、レンズ３７０によって集光されたレーザ光を入射可能な位置に配置される。

半導体レーザ３６０の発振閾値以上の電流が半導体レーザ３６０へ注入されると、半導体レーザ３６０は、高次の横モードを抑制して単一横モードのレーザ光を発振し、その発振した単一横モードのレーザ光を端面５Ｂから窓３５１を介してレンズ３７０へ放射する。

そして、レンズ３７０は、半導体レーザ３６０の端面５Ｂから放射された単一横モードのレーザ光を受け、その受けたレーザ光を集光して光ファイバ３８０の一方端へ入射する。そして、光ファイバ３８０は、レンズ３７０から入射されたレーザ光を伝搬させる。

上述したように、半導体レーザ３６０は、レーザ光の高出力化が可能であり、かつ、高信頼性を有する半導体レーザ１０からなるので、ＣＡＮモジュール３００から出射される単一横モードのレーザ光の出力を高くできるとともに、ＣＡＮモジュール３００の信頼性を向上できる。

この発明においては、９ｍｍφのＣＡＮにヒートシンクを介して半導体レーザ３６０をボンディングしてＣＡＮモジュール３００を作製した。この場合、半導体レーザ３６０の幅は、７μｍまたは５０μｍである。

そして、室温パルス動作時に幅が７μｍおよび５０μｍである２種類の半導体レーザ３６０（＝半導体レーザ１０）のしきい値電流を測定した結果、それぞれ、６０ｍＡおよび４９０ｍＡであった。

また、半導体レーザ３６０（＝半導体レーザ１０）の単一横モードの発振を確認するために、出射ビームの遠視野像を観測した。比較例として、両端面がへき開ミラーからなるファブリーペロー型の半導体レーザの出射ビームの遠視野像を観測した。

その結果、半導体レーザ３６０（＝半導体レーザ１０）においては、遠視野像の半値全幅が６．７°の単峰性のパターン（ピークが１個のパターン）であるのに対し、高次の横モードが誘発される比較例では、遠視野像の半値全幅が５．５°であり、単峰性は確認できなかった。

一方、半導体レーザ３６０（＝半導体レーザ１０）に関し、レーザ光の出力が５ｍＷである場合、遠視野像は、単峰性のパターンを示しおり、単一横モードの制御が行なわれていることが確認できた。この場合、幅が７μｍの半導体レーザ３６０（＝半導体レーザ１０）および幅が５０μｍの半導体レーザ３６０（＝半導体レーザ１０）の遠視野像の半値全幅は、それぞれ、９°および６．４°であった。

なお、ＣＡＮモジュール３００の半導体レーザ３６０は、半導体レーザ１０に代えて半導体レーザ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかから構成されていてもよい。

また、ＣＡＮモジュール３００は、半導体レーザ３６０の曲面１１Ａ側に半導体レーザ３６０から出射されたレーザ光をモニターするための受光素子を備えていてもよい。

上記においては、曲面１１Ａ，１８Ａは、活性層５に向かって凸になる形状を有すると説明したが、この発明においては、これに限らず、曲面１１Ａ，１８Ａは、活性層５に向かって凹になる形状であってもよい。そして、半導体レーザ１０Ｃにおいては、曲面１１Ａ，１８Ａは、異なる形状からなっていてもよい。

また、上記においては、多層反射膜１５は、９８０ｎｍにおいて９０％の反射率を有すると説明したが、この発明においては、これに限らず、多層反射膜１５は、基準値以上の反射率を有していればよく、反射率は、使用されるシステムの要求に応じて最適化される。そして、多層反射膜１５は、「高反射膜」を構成する。

更に、上記においては、低反射膜１６は、２％の反射率を有すると説明したが、この発明においては、これに限らず、低反射膜１６は、高反射膜と同様に要求仕様に応じて最適化される。

更に、上記においては、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、ＧａＡｓからなる基板上に形成されたＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、ＩｎＰからなる基板上に形成された（Ａｌ）ＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓからなる基板上に形成されたＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂまたはＡｌＧａＩｎＮを用いて形成されてもよい。

更に、上記においては、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成する半導体材料は、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成する半導体材料は、ガスソースまたは固体ソースの分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）または化学線エピタキシーを用いて形成されてもよい。

更に、上記においては、窓部材１１，１７，１８は、Ｓｉを拡散させて混晶化領域を作製することによって形成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、窓部材１１，１７，１８は、Ｓｉをイオン注入して混晶化領域を作製することによって形成されてもよい。

更に、窓部材１１，１７，１８は、バッドジョイント結晶成長によって形成されてもよい。このバッドジョイント結晶成長法は、次の方法からなる。バッファ層２、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６、クラッド層７およびコンタクト層８となるｐ^＋ＧａＡｓを基板１上に順次結晶成長した後、試料全面を絶縁膜で覆い、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの出射面５Ａが形成される領域の近傍に形成された絶縁膜を除去する。

そして、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって、露出した半導体層（＝バッファ層２、クラッド層３、光閉じ込め層４、活性層５、光閉じ込め層６、クラッド層７およびコンタクト層８となるｐ^＋ＧａＡｓ）を基板１に達する程度にエッチングする。

その後、ＭＯＣＶＤ法等を用いて発振波長に相当するエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する半導体材料を、エッチングした領域に再成長する。これによって、窓部材１１，１７，１８が活性層５に隣接して形成される。

発振波長に相当するエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する半導体材料は、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系の長波長帯の半導体レーザでは、ＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓＰからなる。

また、再成長する領域は、クラッド層とコア層からなる多層構造の導波路層であってもよい。

更に、再成長領域とレーザ発振領域とでは、屈折率が異なるため、界面での反射が生じる可能性がある。従って、これを抑制するために界面が半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの軸方向に対して傾斜していることが好ましい。

更に、Ａｌを含んだＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系の半導体レーザの場合は、Ａｌの酸化によって半導体表面が酸化され、エピタキシャル成長が困難になることが懸念されるが、再成長前に結晶成長装置内でｉｎ−ｓｉｔｕのエッチングを行ない、酸素濃度の低い条件で再成長する。この場合、ＧａＡｓまたはＧａＩｎＰが再成長される。

更に、上記においては、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、ｎ型基板上に結晶成長された半導体材料を用いて作製されると説明したが、この発明においては、これに限らず、半導体レーザ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、ｐ型基板上に結晶成長された半導体材料を用いて作製されてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、高次モードを抑制し、かつ、信頼性が高い半導体レーザに適用される。また、この発明は、高次モードを抑制し、かつ、信頼性が高い半導体レーザを備えるレーザモジュールに適用される。

この発明の実施の形態による半導体レーザの斜視図である。 図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間の半導体レーザの断面図である。 図１に示す正極電極側から見た半導体レーザの平面図である。 図１に示す半導体レーザの作製工程を示す第１の工程図である。 図１に示す半導体レーザの作製工程を示す第２の工程図である。 図１に示す半導体レーザの作製工程を示す第３の工程図である。 この発明の実施の形態による半導体レーザの他の斜視図である。 図７に示す正極電極側から見た半導体レーザの平面図である。 図７および図８に示す多層反射膜の断面図である。 この発明の実施の形態による半導体レーザの更に他の斜視図である。 図１０に示す正極電極側から見た半導体レーザの平面図である。 この発明の実施の形態による半導体レーザの更に他の斜視図である。 図１２に示す正極電極側から見た半導体レーザの平面図である。 図１に示す半導体レーザを備えたバタフライ型モジュールの平面図である。 図１に示す半導体レーザを備えたＣＡＮモジュールの断面図である。

符号の説明

１ 基板、２ バッファ層、３，７ クラッド層、４，６ 光閉じ込め層、５ 活性層、５Ａ 出射面、５Ｂ，１７Ａ 端面、８ コンタクト層、９，１４ 絶縁膜、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２１０，３６０ 半導体レーザ、１１，１７，１８ 窓部材、１１Ａ，１８Ａ，６１Ａ，７０Ａ 曲面、１２ 正極電極、１３ 負極電極、１５ 多層反射膜、１６ 低反射膜、２０ Ｓｉ薄膜、３０，１５１，１５３，１５５，１５７，１５９，１６１，１６３ ＳｉＯ_２膜、４０，４１ 混晶領域、５０，７０，８０ フォトレジスト、６０，６１ ＳｉＮ_ｘ膜、１５２，１５４，１５６，１５８，１６０，１６２，１６４ アモルファスＳｉ膜、２００ バタフライ型モジュール、２１１，２２１，２３１，２３２ ワイヤ、２２０ フォトダイオード、２３０ キャリア、２４０，３８０ 光ファイバ、２５０，３７０ レンズ、２６０ バタフライパッケージ、２７０ ベース、２８０Ａ，２８０Ｂ 外部端子、３００ ＣＡＮモジュール、３１０ 支持台、３２０，３３０，３４０ 固定部材、３５０ ＣＡＮパッケージ、６１１ 開口部。

Claims (3)

1. 基板上に形成され、レーザ光を平坦面である出射面から出射する活性層と、
   前記基板の面内方向において前記出射面と反対側の前記活性層の端面に接して配置されるとともに、前記レーザ光の波長に相当するエネルギーギャップよりも大きいエネルギーギャップを有する半導体材料からなり、前記活性層に接した側と反対側に曲面を有する窓部材と、
   前記平坦面に形成された低反射膜と、
   前記曲面に形成された高反射膜とを備え、
   前記活性層および前記窓部材は、前記基板の面内方向に配置され、
   前記曲面は、ドライエッチングによって形成され、前記活性層に向かって凸になっている、半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の半導体レーザを備えるレーザモジュール。
3. レーザ光を平坦面である出射面から出射する活性層を基板上に形成する工程と、
   前記レーザ光の波長に相当するエネルギーギャップよりも大きいエネルギーギャップを有する半導体材料からなる混晶化領域を前記基板の面内方向における前記出射面と反対側の前記活性層の端面に接して形成する工程と、
   前記活性層へ向かって凸状の曲面が前記出射面と反対側の端面に形成されるように前記基板の面内方向における前記出射面と反対側の前記混晶化領域の端部をエッチングして前記半導体材料からなり、かつ、前記基板の面内方向における前記出射面と反対側に前記曲面を有する窓部材を形成する工程と、
   前記曲面に接して高反射膜を形成する工程と、
   前記出射面に接して低反射膜を形成する工程とを備える半導体レーザの製造方法。

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