JP5842520B2

JP5842520B2 - 半導体レーザ及びその製造方法

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Publication number: JP5842520B2
Application number: JP2011217475A
Authority: JP
Inventors: 尚往島田; 多田　仁史; 仁史多田; 善平川津; 健一小野; 拓人丸山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP2013077744A

Description

この発明は、光ディスク、光通信、センサ等に用いられる半導体レーザ、特に分布ブラッグ反射型半導体レーザに関する。

半導体レーザ(ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ)は、光ディスクの記録再生用の光源や光通信用として実用化され、その応用範囲は加工用、医療用、ディスプレイ用、センサ用などに拡大している。これらの用途では、Ｓｉフォトダイオードの感度が高く、人の目に見えない赤外の波長帯(８３０ｎｍ帯)で発振すること、発振波長が安定であること、高出力で長寿命であることを同時に求められることがある。

赤外の波長帯で安定な発振波長を有する半導体レーザとして、ＡｌＧａＡｓ系の分布反射型レーザが知られている（たとえば、特許文献１）。この例では、一旦、全ての層をエピタキシャル成長した後、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）を形成する領域をエッチングにより露出させ，回折格子を形成した後，再度エピタキシャル成長を行う。

特開平７−２６３８０２号公報（段落００１３〜００１８、図１）

しかし、従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザでは、新たな用途に対して、十分に高出力で長寿命なデバイスを得ることが難しかった。高出力が得られない原因のひとつは、ＡｌＧａＡｓ系活性層からＡｌＧａＡｓ系クラッド層へのオーバーフローである。オーバーフローを抑制するため、ＡｌＧａＡｓよりバンドギャップの大きいＡｌＧａＩｎＰをクラッド層に用いることが考えられるが、この材料系を用いた場合に、分布ブラッグ反射領域を精度よく形成することが難しかった。

この発明は上述のような問題を解決するもので、ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層とＡｌＧａＡｓ系活性層を有する分布ブラッグ反射型半導体レーザにおいて、分布ブラッグ反射領域を精度よく形成することを目的とする。

この発明の半導体レーザは、レーザ発振領域と発振波長を調整する分布ブラッグ反射領
域とを備えた半導体レーザであって、レーザ発振領域は、半導体基板の上に形成された第
１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系の第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成されたＡｌ
ＧａＡｓ系の活性層と、活性層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系の第２ク
ラッド層と、第２クラッド層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓ系の回折格子層
と、回折格子層の上に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系の第３クラッド層とを有
し、分布ブラッグ反射領域は、レーザ発振領域と第１クラッド層、活性層、第２クラッド
層、回折格子層を共有し、分布ブラッグ反射領域における回折格子層は、厚み方向に回折
格子層が残るように凹凸が形成されるとともに、凹凸部が回折格子層のＡｌ組成より小さいＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ系の回折格子埋め込み層により埋め込まれ、回折格子埋め込み層の上に、ＡｌＧａＩｎＰ系の第４クラッド層を有する。

この発明の半導体レーザにおいては、分布ブラッグ反射領域を精度よく形成できるので、発振波長が安定で、高出力の半導体レーザが得られる。

この発明の実施の形態１における半導体レーザを示す断面図である。この発明の実施の形態２における半導体レーザを示す断面図である。この発明の実施の形態１における半導体レーザの製造方法を示す図である。この発明の実施の形態１における半導体レーザの上面図である。

実施の形態１
図１は、この発明実施の形態１における半導体レーザを示す断面図である。図１において、１はｎ型のＧａＡｓ基板、２はｎ型の(Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−ｎクラッド層、３はＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ−ＳＣＨ層（分離閉じ込めヘテロ構造) 、４はＧａＡｓ量子井戸(ＱＷ)層、５はＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ−ＳＣＨ層、６はｐ型の(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−下側ｐクラッド層、７はｐ型のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ回折格子層、８と２２はｐ型の(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−上側ｐクラッド層、９と２３はｐ型のＧａＡｓコンタクト層、２１はｐ型のＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ回折格子埋め込み層である。

半導体レーザ１０１は、回折格子のないレーザ発振領域１０２と、回折格子のある分布ブラッグ反射領域１０３を備える。ＧａＡｓ基板１の裏面側にはｎ電極１０が形成され、回折格子のないレーザ発振領域１０２のＧａＡｓコンタクト層９の上にはｐ電極１１が形成される。

次に、図３を用いて、この発明の一実施の形態の半導体レーザ１０１の製造方法を説明する。まず、図３（ａ）に示すようにＧａＡｓ基板１上に、ｎクラッド層２、ＳＣＨ層３、量子井戸層４、ＳＣＨ層５、下側ｐクラッド層６、回折格子層７、上側ｐクラッド層８、コンタクト層９を、この順にエピタキシャル成長する。

次に、図３（ｂ）のように分布ブラッグ反射領域１０３において、回折格子層７の上まで正確にエッチングを行い，回折格子層７を露出させる。本実施の形態では、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ回折格子層７のV族元素はＡｓであり、その上の(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−上側ｐクラッド層８のＶ族元素はＰである。二つの層のＶ族元素が異なるため、特別にエッチングストップ層を形成しなくとも、塩酸によるウェットエッチングによってV族がＰの上側ｐクラッド層８のみを選択的にエッチングすることができ、正確かつ平坦に回折格子層７を露出させることができる。

続いて、図３（ｃ）のように分布ブラッグ反射領域１０３の回折格子層７に、電子ビーム描画とエッチングにより、回折格子の凹凸を形成する。電子ビーム描画の代わりに干渉露光法を用いて回折格子パターンを形成しても良い。そして，分布ブラッグ反射領域１０３に図１のように、回折格子埋め込み層２１、上側ｐクラッド層２２、コンタクト層２３を、エピタキシャル成長する。上記の例では２回目の成長層にｐドーピングを施しているが、ドーピングをしなくても良い。

この例では、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ回折格子層７を、厚み方向に回折格子層が残るようにエッチングして凹凸を形成した。その後、その上を覆うように、薄いＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ回折格子埋め込み層２１をエピタキシャル成長し、続いて、厚い(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−上側ｐクラッド層２２を成長した。
これは、２回目のエピタキシャル成長が、凹凸のある層への埋め込み成長で、表面状態の良い成長が難しいためである。Ｖ族がＡｓの層の上に比較的容易に成長できるＶ族がＡｓのＡｌＧａＡｓを成長することにより、界面の表面状態が向上し、続いて成長する上側ｐクラッド層２２の結晶性が向上し、良好な分布ブラッグ反射領域１０３を得ることができる。さらに回折格子層７に比べ、回折格子埋め込み層２１のＡｌ組成を小さくすることで、界面の表面状態を、より向上させることができる。

［比較例］前述の特許文献１では、ＧａＩｎＰ層の回折格子層の上に、厚いＡｌＧａＡｓクラッド層を形成している。この構成を適用した場合、回折格子層７の上に、直接、上側ｐクラッド層２２を厚く形成することになる。この構成に比べ、実施の形態１の構成では、上側ｐクラッド層２２の結晶性が向上し、良好な分布ブラッグ反射領域１０３を得ることができる。

なお、回折格子に必要な屈折率差は、回折格子層７よりも回折格子埋め込み層２１の屈折率を大きくすること、つまりＡｌ組成を下げたＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓの層を回折格子埋め込み層２１として採用することで得た。

以上のように加工した半導体ウェハの表面側にｐ側電極１１を形成し、続いてウェハが所定の厚さになるよう裏面側を研削・研磨し、n側電極１０を形成する。その後、劈開によりウェハからレーザバーを形成し、電子ビーム蒸着により、劈開面にコーティング膜を形成する。図４は、半導体レーザ１０１を上から見た図である。この例では、分布ブラッグ反射領域１０３側の劈開面に無反射(AR)コーティング膜１０４、回折格子のないレーザ発振領域１０２側に高反射(HR)コーティング膜１０５を形成した。コーティング膜の作成方法は電子ビーム蒸着でなくとも、例えばスパッタリングでも良い。
その後、レーザストライプ部分をレーザチップとして切り出し、ＡｕＳｎハンダを用いてＡｌＮサブマウントにダイボンドし、Φ５．６のＣＡＮパッケージに実装し、半導体レーザ１０１を完成させる。

このようにして作製した半導体レーザ１０１のｐ電極１１とｎ電極間１０に順方向に電圧を印加し、レーザ発振領域１０２に電流を流すと、この領域で発光がおこる。光は回折格子のある分布ブラッグ反射領域１０３で一部が反射され、レーザ発振領域１０２に戻り増幅され、レーザ発振がおこる。回折格子が反射するのは単一の波長の光だけなので、レーザ光の発振波長は一定になり、無反射コーティング１０４を施した端面から出射される。

この実施の形態では、回折格子層のＶ族元素をＡｓとし、その上のクラッド層のＶ族元素をＰとすることにより、クラッド層を選択的にエッチングして正確かつ平坦に回折格子層を露出する。露出した回折格子層を厚み方向に回折格子層が残るようにエッチングし、その上を覆うように回折格子埋め込み層を成長し、続いて上側クラッド層を形成する。これにより、ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層とＡｌＧａＡｓ系活性層を有する半導体レーザに、分布ブラッグ反射領域を精度よく形成でき、発振波長が安定で、高出力の半導体レーザが得られる効果がある。

実施の形態２
実施の形態１で説明したように、ＡｌＧａＡｓはＡｌ組成が小さいほど屈折率が大きくなる。一方、レーザストライプに沿って伝搬するレーザ発振光は、レーザ発振領域１０２と分布ブラッグ反射領域１０３を往復伝搬するため，レーザ発振モードの電界分布が、両領域で同一形状に近いことが望ましい。これにより結合部での反射が無くなり、単一モード発振が安定に得られる。
図２は、レーザ発振領域２０２と分布ブラッグ反射領域２０３の電界分布を、同一形状
に近づける半導体レーザの構造を示す図である。レーザ発振領域２０２において、回折格子層７と上側ｐクラッド層８の間に、ｐ型の(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐバッファ層３２とｐ型のＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ電界整合層３３を形成する。Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ電界整合層３３は、分布ブラッグ反射領域２０３とレーザ発振領域２０２で、レーザ発振モードの電界分布がより整合するように厚さと位置を設定する。その他の構成は、実施の形態１の図１と同一である。

実施の形態２の半導体レーザ２０１を作製するには、実施の形態１と同様、ＧａＡｓ基板１上に、ｎクラッド層２を３５００ｎｍ、ＳＣＨ層３を２０ｎｍ、量子井戸層４を８ｎｍ、ＳＣＨ層５を２０ｎｍ、下側ｐクラッド層６を１００ｎｍ、回折格子層７を５０ｎｍ、バッファ層３２を１０ｎｍ、電界整合層３３を８０ｎｍ、上側ｐクラッド層８を１５００ｎｍ、コンタクト層９を２００ｎｍ、順にエピタキシャル成長する。

次に、分布ブラッグ反射領域１０３において、回折格子層７の上まで正確にエッチングを行い，回折格子層７を露出させる。回折格子層７はＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ、その上のバッファ層３２/電界整合層３３/上側ｐクラッド層８は、(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ/Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ/(Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐであり、Ｖ族がＡｓの層とＶ族がＰの層の組合せとなるので、実施の形態１と同様、Ｖ族がＰの層のみを選択的にエッチングして、正確かつ平坦に回折格子層７を露出させることができる。

続いて、分布ブラッグ反射領域１０３の回折格子層７に、電子ビーム描画とエッチングにより、深さ３５ｎｍの回折格子の凹凸を形成する。そして、分布ブラッグ反射領域１０３に、回折格子埋め込み層２１を４０ｎｍ、上側ｐクラッド層２２を１５６８ｎｍ、コンタクト層２３を２００ｎｍ、エピタキシャル成長する。
その後の工程は、実施の形態１と同様に行い、半導体レーザ２０１を作製することができる。

実施の形態２では、レーザ発振領域２０２と、分布ブラッグ反射領域２０３の結合部での反射が低減され、単一モード発振が安定に得られる効果がある。

上記の例では、クラッド層、電界整合層を(Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ等としたが、ＡｌＧａＩｎＰ系であれば、目的に合わせて組成を選ぶことができる。ここで、ＡｌＧａＩｎＰ系とは、ＧａＡｓ基板と格子整合する(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）を意味する。
また、量子井戸をＧａＡｓ、ＳＣＨ層をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓとしたが、ＡｌＧａＡｓ系であれば、発振波長や光閉込など、目的に合わせて組成を選ぶことができ、単一井戸でなく多重量子井戸とすることもできる。ここで、ＡｌＧａＡｓ系とは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）を意味する。
また、回折格子層をＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ、回折格子埋め込み層をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓとしたが、ＡｌＧａＡｓ系であれば、選択エッチング、選択成長、回折格子としての屈折率等を考慮して、目的に合わせて組成を選ぶことができる。
図１〜３では、回折格子の凹凸として矩形形状のものを示したが、三角形ののこぎり形状や滑らかな波型形状でもよい。

１ＧａＡｓ基板
２ (Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−ｎクラッド層、
３Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ−ＳＣＨ層
４ＧａＡｓ量子井戸(ＱＷ)層
５Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ−ＳＣＨ層
６ (Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−下側ｐクラッド層、
７Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ回折格子層、
８、２２ (Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75)_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ−上側ｐクラッド層、
９、２３ＧａＡｓコンタクト層、
１０ｎ電極
２１Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ回折格子埋め込み層
１１ｐ電極
１０１半導体レーザ
１０２レーザ発振領域
１０３分布ブラッグ反射領域

Claims

半導体基板上に、レーザ発振領域と発振波長を調整する分布ブラッグ反射領域と、
を備えた半導体レーザであって、
前記レーザ発振領域は、前記半導体基板の上に形成された第１導電型の
(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に形成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘAｓ（０≦ｘ≦１）の活性層と、
前記活性層の上に形成された第２導電型の
(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第２クラッド層と、
前記第２クラッド層の上に形成された第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘAｓ（０≦ｘ≦１）
の回折格子層と、
前記回折格子層の上に形成された第２導電型の
(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第３クラッド層と、
を有し、
前記分布ブラッグ反射領域は、前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層、
前記回折格子層を共有し、
前記分布ブラッグ反射領域における回折格子層は、厚み方向に回折格子層が残るように凹
凸が形成されるとともに、前記凹凸部が、前記回折格子層のＡｌ組成より小さいＡｌ組成を有するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘAｓ（０≦ｘ≦１）の回折格子埋め込み層により埋め込まれ、
前記回折格子埋め込み層の上に、
(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第４クラッド層を
有する半導体レーザ。
前記レーザ発振領域において、前記回折格子層と前記第３クラッド層の間に、
(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の電界整合層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
半導体基板上に、レーザ発振領域と発振波長を調整する分布ブラッグ反射領域と、
を備えた半導体レーザの製造方法であって、
前記半導体基板の上に、
第１導電型の(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第１クラッド
層、
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘAｓ（０≦ｘ≦１）の活性層、
第２導電型の(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第２クラッド
層、
第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘAｓ（０≦ｘ≦１）の回折格子層、
第２導電型の(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第３クラッド
層を、この順番に形成する工程と、
前記分布ブラッグ反射領域における前記第３クラッド層を、
前記回折格子層に達するまでエッチングして除去する工程と、
前記回折格子層を厚み方向に回折格子層が残るようにエッチングして凹凸を形成する工程
と、
前記凹凸が形成された回折格子層を、前記回折格子層のＡｌ組成より小さいＡｌ組成を
有するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘAｓ（０≦ｘ≦１）の回折格子埋め込み層により埋め込む工程と、
前記回折格子埋め込み層の上に
(Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ)_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０≦ｘ≦１）の第４クラッド層を形成する
工程と、
を有する半導体レーザの製造方法。