JP5307300B2 - 光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュール - Google Patents

光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュール Download PDF

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Description

本発明は、光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュールに関するものである。
従来、リッジ型半導体レーザの光出力を増加させると、素子端面における光吸収に起因する発熱で、当該素子端面が溶融してレーザ機能が停止する瞬時光学損傷（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）が生じることが知られていた。このようなＣＯＤを生じさせるリッジ型半導体レーザの光出力限界をより高くするために、レーザ素子の光出力端面に絶縁膜を形成して電流非注入領域にする方法が知られていた（例えば、特許文献１および２参照）。
特開２００２−２６１３８０号公報 特開２００９−２９５７６１号公報
しかしながら、レーザ素子の光出力端面に電流非注入領域を絶縁膜によって形成する場合、リッジ側壁には絶縁膜が形成されにくいので、絶縁膜の被覆不足が生じてしまい、電流非注入領域を形成しにくいという問題があった。また、リッジ側壁は他の領域に比べて絶縁膜が薄く形成されるので、半導体レーザ素子の上面を一旦絶縁膜で覆ってから、電流非注入領域以外の領域をエッチングで除去して電流非注入領域を形成する場合、当該リッジ側壁に形成された絶縁膜が他の部分に比べて速くエッチングされ、絶縁膜がオーバーエッチングされて被覆不足が生じてしまうこともあった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、絶縁膜の被覆不足が抑制された光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光デバイスは、基板上に形成されたリッジ型半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子のリッジ構造の側壁部分を覆う第１絶縁膜と、前記リッジ構造の端部領域において、前記第１絶縁膜の上から前記リッジ構造を覆う、前記第１絶縁膜よりも低密度な第２絶縁膜と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る光デバイス製造方法は、基板上にリッジ構造を有するリッジ型半導体レーザ素子を形成するレーザ素子形成工程と、前記リッジ型半導体レーザ素子の前記リッジ構造の側壁部分を覆う第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、前記リッジ構造の端部領域において、前記第１絶縁膜の上から第２絶縁膜を形成する第２絶縁膜形成工程と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るレーザモジュールは、上記発明の光デバイスと、前記光デバイスが出力するレーザ光を伝送する光ファイバと、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、絶縁膜の被覆不足が抑制されるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施形態に係る光デバイスの斜視図である。 図２は、本実施形態に係る光デバイスの上面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。 図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 図５は、本実施形態に係る光デバイスを形成するフローの一例を示す図である。 図６は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上にレジストを形成した段階の断面図である。 図７は、本実施形態に係る半導体レーザ基板をエッチングしてリッジ構造を形成した段階の断面図である。 図８は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上に第１絶縁膜を形成した段階の断面図である。 図９は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上のレジストを除去した段階の断面図である。 図１０は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上に第２絶縁膜および電極を形成した段階の断面図である。 図１１は、本実施形態に係る半導体レーザ基板を光デバイスに分離した段階の、電流非注入領域の断面図である。 図１２は、本実施形態に係る半導体レーザ基板を光デバイスに分離した段階の、電流注入領域の断面図である。 図１３は、本実施形態に係るレーザモジュールの構成例を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
図１は、本発明の実施形態に係る光デバイスの斜視図を示す。なお、図１では電極は記載を省略してある。光デバイス１００は、リッジ型半導体レーザ素子の出力端部において、絶縁膜の上に該絶縁膜よりも低密度な絶縁膜を形成した構造を採る。これにより、光デバイス１００のリッジ構造の被覆不足を防止して電流非注入領域を形成することができ、レーザ出力を高出力化させることができる。光デバイス１００は、高反射膜２０と、低反射膜３０と、光出力端面１０４と、リッジ構造１１０と、を備える。
高反射膜２０は、レーザ光を反射させる。高反射膜２０は、光デバイス１００の外部の反射部と光共振器を形成して、当該光共振器内でレーザ光を増幅する。高反射膜２０は、ウエハを劈開して形成した端面に、複数の誘電体膜を積層することにより形成される。
低反射膜３０は、レーザ光に対する反射率が高反射膜２０より低く、共振器内で共振するレーザ光の一部を出射光１０として外部に出射させる。低反射膜３０は、ウエハを劈開して形成した端面に、複数の誘電体膜を積層することにより形成される。光出力端面１０４は、低反射膜３０が形成され、出射光１０を出射する端面である。
リッジ構造１１０は、基板から突出した凸部が、光デバイス１００の高反射膜２０側の端面から光出力端面１０４まで延伸する構造を採る。光デバイス１００は、この凸部を通じてレーザ出力のための電流が注入される。リッジ構造１１０は、光デバイス１００に注入する電流を共振器方向に沿ってストライプ状に狭窄する。
リッジ構造１１０は、２つの側壁部１１２を有する。リッジ構造１１０は、基板の厚さ方向に離れるにつれてリッジ幅が小さくなる順メサ型である。これに代えて、リッジ構造１１０は、基板の厚さ方向に離れるにつれてリッジ幅が大きくなる逆メサ型であってよい。
図２は、本実施形態に係る光デバイスの上面図を示す。図２は、光デバイス１００の上部電極が形成される前の段階の上面図である。光デバイス１００は、基板上に形成されたリッジ型半導体レーザ素子上に、第１絶縁膜２１０と、第２絶縁膜２２０と、素子分離領域２３０と、開口部２４０と、を備える。
第１絶縁膜２１０は、半導体レーザ素子のリッジ構造１１０の側壁部１１２を覆う。第１絶縁膜は、窒化シリコン（ＳｉＮ）を含む。これに代えて、第１絶縁膜２１０は、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、または酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでよい。本実施形態において、第１絶縁膜２１０は、ＳｉＮで形成される例を説明する。ＳｉＮの密度は、低密度に形成した場合はたとえば２．６９ｇ／ｃｍ３であり、高密度に形成した場合はたとえば２．７９ｇ／ｃｍ３である。この低密度に形成した場合のＳｉＮの屈折率は１．９であり、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）に対するエッチングレートは５０ｎｍ／ｍｉｎである。一方、この高密度に形成した場合のＳｉＮの屈折率は２．０であり、ＢＨＦに対するエッチングレートは２５ｎｍ／ｍｉｎである。
第２絶縁膜２２０は、リッジ構造１１０の端部領域において、第１絶縁膜２１０の上からリッジ構造１１０を覆う。第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０よりも低密度な材質で形成される。また、第２絶縁膜２２０は、屈折率が第１絶縁膜２１０より小さい材質で形成されてよい。また、第２絶縁膜２２０は、エッチングレートが第１絶縁膜２１０より高い材質で形成されてよい。
第２絶縁膜２２０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含む。これに代えて、第２絶縁膜２２０は、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、または酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでよい。ここで、第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０は、同種の物質で、かつ、異なる組成で形成されてよい。本実施形態において、第２絶縁膜２２０は、ＳｉＯ２で形成される例を説明する。ＳｉＯ２の密度は、たとえば２．２０ｇ／ｃｍ３である。ＳｉＯ２の屈折率は１．４である。ＢＨＦに対するＳｉＯ２のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎである。
素子分離領域２３０は、図中のＣ−Ｃ境界より左側の、共振器とは垂直方向の一方の端部までの領域、およびＤ−Ｄ境界より右側の、共振器とは垂直方向の他方の端部までの領域である。素子分離領域２３０は、半導体レーザ素子の製造段階において、劈開して個別のデバイス素子に分離するべく、半導体表面上にスクライブラインが形成される。
開口部２４０は、リッジ構造１１０の頭頂部において第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０が形成されない領域である。開口部２４０には、開口部２４０上に形成される電極部から電流が注入される。
本実施形態の光デバイス１００は、開口部２４０を除く基板上の領域が第１絶縁膜２１０により覆われ、第１絶縁膜２１０が露出している部分および開口部２４０を除く領域は、更に第２絶縁膜２２０により覆われた構造を採る。即ち、第１絶縁膜２１０は、側壁部１１２から基板のスクライブラインが形成されて半導体レーザ素子として分離された端部よりも側壁部１１２に近い境界までの範囲で、側壁部１１２および基板を覆う。また、第２絶縁膜２２０は、素子分離領域２３０である半導体レーザ素子として分離された端部から境界までの範囲で、基板を覆う。
また、第２絶縁膜２２０は、半導体レーザ素子のレーザ出射端面である光出力端面１０４側、および光出力端面１０４と対向する高反射膜２０が形成された反射端面側の端部領域を覆う。ここで、端部領域は、光出力端面１０４側、および反射端面側の端部から、予め定められた長さの範囲である。これによって、光デバイス１００は、光出力端面１０４側および反射端面側の端部領域において、光デバイス１００を駆動する電流が注入されない電流非注入領域を形成する。
図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示す。当該Ａ−Ａ断面は、光デバイス１００の電流非注入領域の断面図である。光デバイス１００は、当該電流非注入領域において、半導体レーザ素子３００の上面に第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０で覆われて形成される。また、一例として、下部電極３２０および上部電極３３０は、図中の点線で示したように、光デバイス１００の下面および上面にそれぞれ形成される。
半導体レーザ素子３００は、一例として、第１導電型の半導体基板３０２と、第１導電型のバッファ層３０４と、第１導電型の第１クラッド層３０６と、第１導電型の第１ガイド層３０８と、活性層３１０と、第２導電型の第２ガイド層３１２と、第２導電型の第２クラッド層３１４と、第２クラッド層３１４の上に堆積されたコンタクト層３１６と、下部電極３２０とを備える。本実施形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明するが、これに限定されず、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型であってもよい。
第１導電型の半導体基板３０２は、ｎ型ＧａＡｓ基板であってよい。半導体基板３０２の表面には、ｎ型のバッファ層３０４、ｎ型の第１クラッド層３０６、ｎ型の第１ガイド層３０８、活性層３１０、ｐ型の第２ガイド層３１２、ｐ型の第２クラッド層３１４、ｐ型のコンタクト層３１６が積層されて形成される。下部電極３２０は、半導体基板３０２の裏面に形成される。
本実施形態において、半導体レーザ素子３００は、ｐ型の第２クラッド層３１４の上部の層とコンタクト層３１６の幅が、半導体基板３０２から離れるに従って狭くなるメサ形状に加工されたストライプ状のリッジ構造１１０を有する。半導体レーザ素子３００は、リッジ構造１１０により、活性層３１０に注入される電流を狭窄する。
ｎ型のバッファ層３０４は、半導体基板３０２の上に結晶性の良いエピタキシャル層を積層するための緩衝層として機能する。バッファ層３０４は、半導体基板３０２と、第１クラッド層３０６との間の格子定数を有してよい。ｎ型のバッファ層３０４は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。
ｎ型の第１クラッド層３０６およびｎ型の第１ガイド層３０８は、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。第１クラッド層３０６の屈折率は、第１ガイド層３０８の屈折率より小さい。ｎ型の第１クラッド層３０６およびｎ型の第１ガイド層３０８は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。この場合、ｎ型の第１クラッド層３０６のＡｌ組成をｎ型の第１ガイド層３０８のＡｌ組成に比べ大きくすることでｎ型の第１クラッド層３０６の屈折率をｎ型の第１ガイド層３０８の屈折率より小さくできる。ｎ型の第１クラッド層３０６の膜厚は約３μｍであってよく、ｎ型の第１ガイド層３０８の膜厚は約４００ｎｍであってよい。
活性層３１０は、下部バリア層３１０ａ、量子井戸層３１０ｂ、および上部バリア層３１０ｃを有してよい。下部バリア層３１０ａ及び上部バリア層３１０ｃは、量子井戸層３１０ｂにキャリアを閉じこめる。下部バリア層３１０ａおよび上部バリア層３１０ｃは、不純物をドープしないＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層３１０ｂは不純物をドープしないＩｎＧａＡｓ層を含んでよい。
下部バリア層３１０ａ、量子井戸層３１０ｂ、および上部バリア層３１０ｃのそれぞれの組成比と膜厚は、量子井戸層３１０ｂに閉じ込められるキャリアの再結合エネルギーを決める要因となる。この要因と、活性層３１０の周囲温度によって、当該再結合エネルギー、即ち、発光波長が、ほぼ決定される。活性層３１０は、このような単一の量子井戸構造（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）に限定されず、複数のバリア層および複数の量子井戸層を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）であってよい。
ｐ型の第２ガイド層３１２およびｐ型の第２クラッド層３１４は、上述したｎ型の第１ガイド層３０８およびｎ型の第１クラッド層３０６と対となって、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。ｐ型の第２ガイド層３１２およびｐ型の第２クラッド層３１４は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。
例えば、ｐ型の第２クラッド層３１４のＡｌ組成をｐ型の第２ガイド層３１２のＡｌ組成に比べて大きくすることで、ｐ型の第２クラッド層３１４の屈折率をｐ型の第２ガイド層３１２の屈折率より小さくする。ここで、ｐ型の第２ガイド層３１２の膜厚は約４００ｎｍであってよく、ｐ型の第２クラッド層３１４の膜厚は約１μｍ〜２μｍであってよい。
電流非注入領域におけるコンタクト層３１６は、第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０に覆われる。これによって、コンタクト層３１６は、電流非注入領域では活性層３１０へ電流を注入しないので、活性層３１０における発光再結合をほとんど発生させない。
このような半導体レーザ素子３００の上部において、第１絶縁膜２１０は、リッジ構造１１０の側壁部１１２と、ｐ型の第２クラッド層３１４の表面上に形成される。また、第１絶縁膜２１０は、素子分離領域２３０内の第２クラッド層３１４の表面上には形成されない。
第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０および半導体レーザ素子３００の上面を覆うように形成される。このように、電流非注入領域の光デバイス１００は、リッジ構造１１０の側壁部１１２と第２クラッド層３１４の表面上に第１絶縁膜２１０であるＳｉＮが形成され、第１絶縁膜２１０と第１絶縁膜２１０が形成されない半導体レーザ素子３００の表面上に第１絶縁膜２１０よりも低密度の材質として第２絶縁膜２２０であるＳｉＯ２が形成される。
図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面を示す。当該Ｂ−Ｂ断面は、光デバイス１００の電流注入領域の断面図である。光デバイス１００は、当該電流注入領域において、半導体レーザ素子３００の上面に第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０で覆われて形成される。ここで、半導体レーザ素子３００は、図３で説明した構成と略同一であるので説明は省略する。
電流注入領域におけるコンタクト層３１６は、上面に形成される上部電極３３０と電気的に接続されるべく、上部において不純物がドープされる。コンタクト層３１６は、ｐ型ＧａＡｓ層であってよく、ドープされる不純物は、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはベリリウム（Ｂｅ）であってよい。コンタクト層３１６の上部は、一例として、上部電極３３０とのオーミック接触を確保するために、Ｚｎが約１×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ ）の高濃度でドープされてよい。
電流注入領域において、第１絶縁膜２１０は、電流非注入領域と同様に、リッジ構造１１０の側壁部１１２と、ｐ型の第２クラッド層３１４の表面上に形成される。また、第１絶縁膜２１０は、素子分離領域２３０内の第２クラッド層３１４の表面上には形成されない。一方、第２絶縁膜２２０は、素子分離領域２３０内の第２クラッド層３１４の表面上に形成される。
このような半導体レーザ素子３００の上部は、第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０のいずれにも覆われない開口部２４０が形成される。コンタクト層３１６は、開口部２４０を介して上部電極３３０とオーミック接触する。電流注入領域における光デバイス１００は、上部電極３３０と下部電極３２０に外部から順バイアスが印加され、電流が供給されることによって、コンタクト層３１６から活性層３１０へと電流が注入され、活性層３１０で発光再結合が生じる。
以上の本実施形態の光デバイス１００によれば、リッジ構造１１０の端部領域において、第２絶縁膜２２０が第１絶縁膜２１０の上からリッジ構造１１０を覆うので、レーザ素子の光出力端面１０４に電流非注入領域を形成することができる。このように電流非注入領域を第２絶縁膜２２０で形成する場合、第１絶縁膜２１０を形成した後に、一旦、半導体レーザ素子３００の上部を第２絶縁膜２２０で覆うように形成させる。そして、当該電流非注入領域および素子分離領域２３０を覆う第２絶縁膜２２０を残して、これら以外の領域の第１絶縁膜２１０および開口部２４０を覆う第２絶縁膜２２０をエッチング等によって除去する。
ここで、第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０の成膜方向は、半導体レーザ素子３００の積層方向と略同一であり、即ち、図３の縦方向である。この絶縁膜の成膜方向に対して、リッジ構造１１０の側壁部１１２は傾斜しているので、側壁部１１２に形成される絶縁膜の膜厚は、側壁部１１２以外に成膜される絶縁膜の膜厚に比べて薄くなる。
したがって、従来は、第２絶縁膜２２０をエッチングする場合、側壁部１１２に形成された第２絶縁膜２２０は、側壁部１１２以外に形成された第２絶縁膜２２０に比べて速く除去されるので、側壁部１１２の第１絶縁膜２１０をオーバーエッチングしていた。このように、側壁部１１２を覆う第１絶縁膜２１０がエッチングされると、リッジ構造１１０は、被覆不足となって電流を狭窄する機能を失うので、レーザ出力の低下等が生じることがある。また、このようなリッジ構造１１０は、被覆不足の部分から電流が流れ込み、電流非注入領域へと電流が浸入してしまうこともあった。
これに対して、本実施形態の光デバイス１００によれば、第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０より低密度な材質で形成されるので、第１絶縁膜２１０に比べてエッチングされやすく、エッチングレートが高くなる。したがって、第２絶縁膜２２０をエッチングする場合においても、側壁部１１２の第１絶縁膜２１０は、第２絶縁膜２２０よりもエッチングされにくく、リッジ構造１１０が被覆不足となることを防止できる。
また、仮に第１絶縁膜２１０がオーバーエッチングされたとしても、第２絶縁膜２２０が除去されてエッチングが終了するまでに、リッジ構造１１０が被覆不足となる厚さに第１絶縁膜２１０が除去されることを防ぐことができる。したがって、光デバイス１００は、リッジ構造１１０の被覆不足を防止して、電流非注入領域を形成させ、高出力なレーザ出力を得ることができる。
以上の本実施形態は、第２絶縁膜２２０が、第１絶縁膜２１０より低密度な材質で形成されることを説明したが、これに代えて、第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０より屈折率が小さい材質で形成されても同様にリッジ構造１１０の被覆不足を防止できる。これに代えて、第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０と同種の物質で、かつ、異なる組成で形成され、第１絶縁膜２１０に比べてエッチングレートが高い材質で形成されてもよい。たとえば、第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０がいずれもＳｉＮで形成され、かつ第２絶縁膜２２０が第１絶縁膜２１０より低密度に形成されてもよい。
また、これに代えて、第１絶縁膜２１０は、第２絶縁膜２２０よりも膜厚が大きくてもよい。例えば、第１絶縁膜２１０は、半導体レーザ素子３００上の側壁部１１２以外の平坦部において、第２絶縁膜２２０よりも厚く形成される。ここで、当該平坦部における第２絶縁膜２２０の厚さは、側壁部１１２に形成される第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０の厚さの和に比べて、小さく形成される。
これによって、平坦部の第２絶縁膜２２０を除去するまでエッチングを進めても、当該平坦部における第１絶縁膜２１０が除去されて半導体レーザ素子３００が露出することを防ぐことができる。また、平坦部の第２絶縁膜２２０を除去するまでエッチングを進めることで、側壁部１１２における第１絶縁膜２１０がオーバーエッチングされたとしても、側壁部１１２における第１絶縁膜２１０が除去されて半導体レーザ素子３００が露出することを防ぐことができる。
このように、本実施形態の光デバイス１００は、リッジ構造１１０の被覆不足を防止できるので、コンタクト層３１６と上部電極３３０との電気的接続を容易に制御することができ、簡便な製造工程で電流注入領域と電流非注入領域を容易に形成することができる。また、光デバイス１００は、側壁部１１２の第１絶縁膜２１０を第２絶縁膜２２０に比べてエッチングされにくい材質で形成するので、被覆不足の防止の目的で第１絶縁膜２１０の膜厚を厚く形成させなくてもよい。これによって、光デバイス１００は、絶縁膜による放熱性の低下を防止することができる。
また、第１絶縁膜２１０および第２絶縁膜２２０は、応力の向きが逆であってよい。例えば、第１絶縁膜２１０をＳｉＮで形成し、第２絶縁膜２２０をＳｉＯ２で形成した場合、それぞれの膜に発生する応力の向きが互いに逆となる。したがって、半導体レーザ素子３００上面にかかる応力が一方向に集中することを防ぐことができ、光デバイス１００は、衝撃等の外力が加わっても破壊されにくく、信頼性を向上させることができる。
以上の本実施形態の光デバイス１００は、第２絶縁膜２２０を第１絶縁膜２１０よりも低密度な材質で形成して、リッジ構造１１０の被覆不足を防止することを説明した。しかしながら、このような第１絶縁膜２１０を素子分離領域２３０に形成した光デバイス１００は、半導体レーザ素子の製造段階において形成されるスクライブラインの深さを、劈開して分離できる深さに形成することが困難になる場合があり、素子分離段階で不良が発生することがあった。
このようなスクライブラインの形成不良を防止する目的で、素子分離領域２３０の第１絶縁膜２１０を除去して半導体レーザ素子３００の表面を露出させた場合、半導体レーザ素子３００は、当該露出面上に上部電極３３０が直接形成されることになる。このように、電極と半導体が直接接触した場合、電流リークが発生して、活性層３１０に電流を供給してしまい、光デバイス１００は、電流を狭窄する機能の低下等によってレーザ特性を悪化させることがあった。
これに対して、本実施形態の光デバイス１００は、半導体レーザ素子として分離される端部から側壁部１１２に近い境界までの素子分離領域２３０を、第１絶縁膜２１０よりも低密度な材質の第２絶縁膜２２０で覆う。これによって、光デバイス１００は、素子分離領域２３０にスクライブラインの深さを、劈開して分離できる深さに形成することを容易にすることができる。したがって、光デバイス１００は、半導体レーザ素子３００への電流リークを低下させつつ、スクライブライン形成不良の発生を防止することができる。
図５は、本実施形態に係る光デバイスを形成するフローの一例を示す。また、図６から図１１は、本実施形態に係る光デバイスが形成される過程の断面図を示す。
まず、半導体基板上にバッファ層３０４と、第１クラッド層３０６と、第１ガイド層３０８と、活性層３１０と、第２ガイド層３１２と、第２クラッド層３１４と、コンタクト層３１６とを積層させて、半導体レーザ基板６００を形成する（ステップＳ４００）。それぞれの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または分子線成長（ＭＢＥ）法等のエピタキシャル成長法によって順次積層される。半導体レーザ基板６００は、劈開して素子分離することによって、半導体レーザ素子３００となる素子領域６０５を複数備え、複数の光デバイス１００が形成される。
次に、半導体レーザ基板６００上にエッチングマスクとしてのレジスト６１０を形成する（ステップＳ４１０）。ここで、レジスト６１０は、半導体レーザ基板６００の半導体レーザ素子３００が形成される素子領域６０５毎に、形成した半導体レーザ素子３００の表面上に形成される。レジスト６１０は、フォトリソグラフィ法等によって形成されてよい。図６は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上にレジストを形成した段階の断面図を示す。
次に、半導体レーザ基板６００をエッチングしてリッジ構造１１０を形成する（ステップＳ４２０）。ここで、半導体レーザ基板６００は、レジスト６１０を残したままエッチングすることにより、素子領域６０５毎に形成した半導体レーザ素子３００にリッジ構造１１０を設けられる。以上により、半導体基板３０２上にメサ型のリッジ構造１１０を有するリッジ型の半導体レーザ素子３００を形成することができる。図７は、本実施形態に係る半導体レーザ基板をエッチングしてリッジ構造を形成した段階の断面図を示す。
次に、半導体レーザ基板６００上に第１絶縁膜２１０を形成する（ステップＳ４３０）。第１絶縁膜２１０は、レジスト６１０を残したままリッジ構造１１０およびリッジ構造１１０の側壁部１１２に形成され、リッジ型の半導体レーザ素子３００のリッジ構造１１０の側壁部１１２を覆う。第１絶縁膜２１０は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって形成されてよい。図８は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上に第１絶縁膜を形成した段階の断面図を示す。
次に、半導体レーザ基板６００上のレジスト６１０を除去する（ステップＳ４４０）。半導体レーザ素子３００は、レジスト６１０が除去されることにより、当該レジスト６１０上に形成された第１絶縁膜２１０の一部も除去され、開口部２４０を形成する。レジスト６１０は、リフトオフ法によって除去されてよい。ここで、半導体レーザ基板６００は、半導体レーザ素子３００上にスクライブラインが形成される素子分離領域２３０に形成された第１絶縁膜２１０が除去される。
例えば、半導体レーザ基板６００に、複数の素子領域６０５が隣接して形成される場合、素子分離領域６２０上に形成された第１絶縁膜２１０が除去される。素子分離領域６２０上に形成された第１絶縁膜２１０は、フォトリソグラフィ法、エッチング、およびリフトオフ法等によって除去されてよい。図９は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上のレジストを除去した段階の断面図を示す。
次に、半導体レーザ基板６００上に第２絶縁膜２２０を形成する（ステップＳ４５０）。第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０の上から形成される。また、第２絶縁膜２２０は、第１絶縁膜２１０が除去された素子分離領域６２０に形成される。また、第２絶縁膜２２０は、半導体レーザ素子３００のレーザ出射端面側、およびレーザ出射端面と対向する反射端面側の端部領域において、第１絶縁膜２１０の上から形成される。これによって、半導体レーザ素子３００のレーザ出射端面側、およびレーザ出射端面と対向する反射端面側の端部領域に電流非注入領域を形成することができる。第２絶縁膜２２０は、ＣＶＤ法等によって形成されてよい。
次に、半導体レーザ基板６００上の第２絶縁膜２２０の一部を除去する（ステップＳ４６０）。即ち、電流非注入領域および素子分離領域６２０を覆う第２絶縁膜２２０を残して、これら以外の領域の第１絶縁膜２１０および開口部２４０を覆う第２絶縁膜２２０をエッチング等によって除去する。図２は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上に第２絶縁膜形成した後に、当該第２絶縁膜の一部を除去した段階の上面図を示す。
次に、半導体レーザ基板６００の上面および下面に、電極を形成する（ステップＳ４７０）。半導体レーザ基板６００は、下面に下部電極３２０が、上面に上部電極３３０が形成される。図１０は、本実施形態に係る半導体レーザ基板上に第２絶縁膜および電極を形成した段階の、電流非注入領域の断面図を示す。
次に、半導体レーザ基板６００をスクライブラインで劈開して光デバイス１００に分離する（ステップＳ４８０）。一例として、半導体レーザ基板６００は、図１０における符号Ｅおよび符号Ｆで示した部分にスクライブラインが形成される。図１１は、本実施形態に係る半導体レーザ基板を光デバイスに分離した段階の、電流非注入領域の断面図を示す。また、図１２は、本実施形態に係る半導体レーザ基板を光デバイスに分離した段階の、電流注入領域の断面図を示す。以上のように、本実施形態に係る光デバイス１００を形成することができる。
以上の本実施形態に係る光デバイス１００を形成するフローは、リッジ構造１１０を形成するマスク材料として、半導体レーザ基板６００上にレジスト６１０を形成する例を説明した。レジスト６１０に代えて、例えばＳｉＯ２またはＳｉＮといった、酸化膜または窒化膜等の誘電体膜をマスク材料として用いてよい。
また、本実施形態に係る光デバイス１００を形成するフローは、レジスト６１０を残したままリッジ構造１１０およびリッジ構造１１０の側壁部１１２に第１絶縁膜２１０を形成し、当該レジスト６１０を除去するリフトオフ法により、開口部２４０を形成する例を説明した。これに代えて、開口部２４０は、レジスト６１０を除去してから第１絶縁膜２１０が形成され、当該第１絶縁膜２１０の一部をエッチング等によって除去することで形成されてよい。即ち、本実施形態に係る光デバイス１００は、第２絶縁膜２２０によって電流非注入領域を形成する前に、第１絶縁膜２１０による開口部２４０が形成される。
これによって、電流非注入領域を形成する場合に、第２絶縁膜２２０の境界近傍でバリまたは剥がれ等が生じる場合があっても、開口部２４０の形成に影響を及ぼすことを防止する。したがって、製造フローにおいて、まず、ウエハ上のリッジ構造に均一な開口部２４０を形成することができ、リッジ構造１１０の被覆不足等を防止できる。
図１３は、本実施形態に係るレーザモジュールの構成例を示す。図１３は、半導体レーザモジュール５００の筐体５０２を切り欠いて示した側面図の一例である。レーザモジュール５００は、本実施形態に係る光デバイス１００を搭載し、光デバイス１００の周囲温度を一定に保ちつつ、光デバイス１００が出力するレーザ光を光ファイバ５３０から出力させる。レーザモジュール５００は、筐体５０２と、底板部５０４と、筒状孔部５０６と、温度調節部５１０と、ベース部５２０と、マウント部５２２と、ファイバ固定部５２４と、光ファイバ５３０と、スリーブ部５４０と、受光部５５０とを備える。
筐体５０２、底板部５０４、および筒状孔部５０６は、金属で形成される。筐体５０２、底板部５０４、および筒状孔部５０６は、一例として、アルミニウム（Ａｌ）で形成され、内部を密封する。筐体５０２、底板部５０４、および筒状孔部５０６は、バタフライ型のパッケージを形成してよい。
温度調節部５１０は、底板部５０４上に載置され、温度調節部５１０の上面の温度を一定に保つ。温度調節部５１０は、ペルチエ素子等を用いた電子冷却装置であってよい。ベース部５２０は、温度調節部５１０の上面に載置され、ベース部５２０の上面に温度調節部５１０が一定に保つ温度を伝達する。ベース部５２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、銅タングステン（ＣｕＷ）、Ｓｉ、またはダイヤモンドを含む材料から形成されてよい。
マウント部５２２は、ベース部５２０の上面に載置され、光デバイス１００を固定する。マウント部５２２は、温度調節部５１０が一定に保つ温度を光デバイス１００に伝達して、光デバイス１００の周囲温度を一定に保つ。マウント部５２２は、ベース部５２０と同じ材料で形成されてよい。
ファイバ固定部５２４は、ベース部５２０の上面に載置され、光ファイバ５３０を固定する。ファイバ固定部５２４は、樹脂、低融点ガラス、または接着剤等を用いて光ファイバ５３０を固定してよい。
光ファイバ５３０は、筐体５０２の外部より筒状孔部５０６を介して筐体５０２内に挿入される。光ファイバ５３０は、図中のＬで示した一端が非球面状に加工されて集光レンズを形成したレンズドファイバでよく、当該一端が光デバイス１００の光出力端面１０４の近傍に固定されて光デバイス１００の光出力を集光する。これによって、光ファイバ５３０は、光デバイス１００の光出力を、筐体５０２の外部へと伝送することができる。
スリーブ部５４０は、筐体５０２と光ファイバ５３０の間に設けられ、光ファイバ５３０を筐体５０２に固定する。スリーブ部５４０は、樹脂、低融点ガラス、または接着剤等を用いて光ファイバ５３０を固定してよい。
受光部５５０は、光デバイス１００の光出力を受光して、光デバイス１００の光出力をモニタする。受光部５５０は、光デバイス１００の高反射膜２０側に設けられてよい。受光部５５０は、フォトダイオードでよい。以上の本実施形態に係るレーザモジュール５００によれば、リッジ構造１１０の被覆不足を防止して、電流非注入領域を形成させた光デバイス１００を搭載し、当該光デバイス１００の周囲温度を一定に保って安定かつ高出力なレーザ出力を得ることができる。
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
以上のように、本発明に係る光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュールは、半導体レーザおよびそのモジュールに適用して好適なものである。
１０ 出射光
２０ 高反射膜
３０ 低反射膜
１００ 光デバイス
１０４ 光出力端面
１１０ リッジ構造
１１２ 側壁部
２１０ 第１絶縁膜
２２０ 第２絶縁膜
２３０ 素子分離領域
２４０ 開口部
３００ 半導体レーザ素子
３０２ 半導体基板
３０４ バッファ層
３０６ 第１クラッド層
３０８ 第１ガイド層
３１０ 活性層
３１０ａ 下部バリア層
３１０ｂ 量子井戸層
３１０ｃ 上部バリア層
３１２ 第２ガイド層
３１４ 第２クラッド層
３１６ コンタクト層
３２０ 下部電極
３３０ 上部電極
５００ レーザモジュール
５０２ 筐体
５０４ 底板部
５０６ 筒状孔部
５１０ 温度調節部
５２０ ベース部
５２２ マウント部
５２４ ファイバ固定部
５３０ 光ファイバ
５４０ スリーブ部
５５０ 受光部
６００ 半導体レーザ基板
６０５ 素子領域
６１０ レジスト
６２０ 素子分離領域

Claims (31)

  1. 基板上に形成されたリッジ型半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子のリッジ構造の側壁部分を前記半導体レーザ素子と接するように覆う第１絶縁膜と、
    前記リッジ構造の前記半導体レーザ素子のレーザ出射端面側、および前記レーザ出射端面と対向する反射端面側の端部領域において、前記リッジ構造の頭頂部を前記半導体レーザ素子と接するように覆う、前記第１絶縁膜よりも低密度な第２絶縁膜と、
    を備え、
    前記端部領域以外の前記リッジ構造の頭頂部は、絶縁膜が形成されていない開口部であることを特徴とする光デバイス。
  2. 前記端部領域以外の領域において、前記リッジ構造の側壁部分を覆う絶縁膜は、前記第１絶縁膜のみであることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  3. 前記端部領域において、前記第１絶縁膜の前記リッジ構造の頭頂部側の端部は、前記第２絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光デバイス。
  4. 前記第２絶縁膜は、屈折率が前記第１絶縁膜より小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光デバイス。
  5. 前記第２絶縁膜は、エッチングレートが前記第１絶縁膜より高いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
  6. 前記第１絶縁膜は、前記側壁部分から前記基板のスクライブラインが形成されて前記半導体レーザ素子として分離された端部よりも前記側壁部分に近い境界までの範囲で、前記側壁部分および前記基板を覆うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光デバイス。
  7. 前記第２絶縁膜は、前記半導体レーザ素子として分離された前記端部から前記境界までの範囲で、前記基板を覆うことを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。
  8. 前記リッジ構造は、前記基板の厚さ方向に離れるにつれてリッジ幅が小さくなる順メサ型であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光デバイス。
  9. 前記リッジ構造は、前記基板の厚さ方向に離れるにつれてリッジ幅が大きくなる逆メサ型であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光デバイス。
  10. 前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、応力の向きが逆であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光デバイス。
  11. 前記第１絶縁膜は、窒化シリコンを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光デバイス。
  12. 前記第２絶縁膜は、酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の光デバイス。
  13. 前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜は、同種の物質で、かつ、異なる組成で形成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光デバイス。
  14. 前記第１絶縁膜は、前記第２絶縁膜よりも膜厚が大きいことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の光デバイス。
  15. 基板上に形成されたリッジ型半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子のリッジ構造の側壁部分を前記半導体レーザ素子と接するように覆う第１絶縁膜と、
    前記リッジ構造の前記半導体レーザ素子のレーザ出射端面側、および前記レーザ出射端面と対向する反射端面側の端部領域において、前記リッジ構造の頭頂部を前記半導体レーザ素子と接するように覆う、屈折率が前記第１絶縁膜より小さい第２絶縁膜と、
    を備え、
    前記端部領域以外の前記リッジ構造の頭頂部は、絶縁膜が形成されていない開口部であることを特徴とする光デバイス。
  16. 基板上に形成されたリッジ型半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子のリッジ構造の側壁部分を前記半導体レーザ素子と接するように覆う第１絶縁膜と、
    前記リッジ構造の前記半導体レーザ素子のレーザ出射端面側、および前記レーザ出射端面と対向する反射端面側の端部領域において、前記リッジ構造の頭頂部を前記半導体レーザ素子と接するように覆う、前記第１絶縁膜よりエッチングレートが高い第２絶縁膜と、
    を備え、
    前記端部領域以外の前記リッジ構造の頭頂部は、絶縁膜が形成されていない開口部であることを特徴とする光デバイス。
  17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の光デバイスと、
    前記光デバイスが出力するレーザ光を伝送する光ファイバと、
    を備えることを特徴とするレーザモジュール。
  18. 基板上にリッジ構造を有するリッジ型半導体レーザ素子を形成するレーザ素子形成工程と、
    前記リッジ型半導体レーザ素子の前記リッジ構造の側壁部分を前記半導体レーザ素子と接するように覆う第１絶縁膜を形成する第１絶縁膜形成工程と、
    前記リッジ構造の頭頂部全域に、表面が前記第１絶縁膜で覆われていない開口部を形成する第１の開口部形成工程と、
    前記リッジ構造の頭頂部において、前記半導体レーザ素子と接するように前記第１絶縁膜の上から前記第１絶縁膜に比べてエッチングレートが高い第２絶縁膜を形成する第２絶縁膜形成工程と、
    前記リッジ構造の前記半導体レーザ素子のレーザ出射端面側、および前記レーザ出射端面と対向する反射端面側の端部領域を除く領域において、前記リッジ構造に形成された前記第２絶縁膜の一部を除去して前記リッジ構造の頭頂部に開口部を形成する第２の開口部形成工程と、
    を備えることを特徴とする光デバイスの製造方法。
  19. 前記第１の開口部形成工程は、前記リッジ構造に形成された前記第１絶縁膜の一部を除去して前記リッジ構造の頭頂部の全域に開口部を形成することを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスの製造方法。
  20. 前記レーザ素子形成工程は、半導体レーザ素子を形成し、形成した前記半導体レーザ素子の表面上にレジストを形成してエッチングすることにより、前記半導体レーザ素子に前記リッジ構造を設け、
    前記第１絶縁膜形成工程は、前記レジストを残したまま前記リッジ構造および前記リッジ構造の側壁部分に前記第１絶縁膜を形成させ、
    前記第１の開口部形成工程は、前記レジストを除去することにより、当該レジスト上に形成された前記第１絶縁膜の一部を除去することを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスの製造方法。
  21. 前記第１絶縁膜形成工程は、前記リッジ型半導体レーザ素子上にスクライブラインが形成される素子分離領域に形成された前記第１絶縁膜を除去することを特徴とする請求項１８から２０のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  22. 前記第２絶縁膜形成工程は、前記第１絶縁膜が除去された前記素子分離領域に、前記第２絶縁膜を形成することを特徴とする請求項２１に記載の光デバイスの製造方法。
  23. 前記第２絶縁膜形成工程は、前記第１絶縁膜に比べて低密度な前記第２絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１８から２２のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  24. 前記第２絶縁膜形成工程は、前記第１絶縁膜に比べて屈折率が小さい前記第２絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１８から２２のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  25. 前記第２絶縁膜形成工程は、前記第１絶縁膜と同種の物質で、かつ、異なる組成で前記第２絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１８から２４のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  26. 前記リッジ構造は、前記基板の上方に前記基板から離れるにつれてリッジ幅が狭くなる順メサ型であることを特徴とする請求項１８から２５のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  27. 前記リッジ構造は、前記基板の上方に前記基板から離れるにつれてリッジ幅が広くなる逆メサ型であることを特徴とする請求項１８から２５のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  28. 前記第１絶縁膜形成工程は、前記第１絶縁膜として窒化シリコン膜を形成することを特徴とする請求項１８から２７のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  29. 前記第２絶縁膜形成工程は、前記第２絶縁膜として酸化シリコン膜を形成することを特徴とする請求項１８から２８のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  30. 前記第１絶縁膜形成工程は、前記第１絶縁膜の膜厚を前記第２絶縁膜の膜厚よりも厚く形成することを特徴とする請求項１８から２９のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
  31. 前記第１絶縁膜が形成されて発生する応力の方向と、前記第２絶縁膜が形成されて発生する応力の方向とは、互いに逆向きになることを特徴とする請求項１８から３０のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
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