JP5919682B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

次世代の光通信用の半導体光源には、２５Ｇｂｐｓ〜１００Ｇｂｐｓの高速動作と同時に小型化・低消費電力化が望まれている。外部変調器を持たず、活性層への注入電流を直接変調することでデータ送信を行う直接変調レーザは、小型・低消費電力の観点で有利であり、これを例えば２５Ｇｂｐｓ以上で高速動作させるための研究・開発が進められている。

直接変調レーザで高速動作を実現するには、素子容量を抑制して電気的な応答速度を向上させると共に、共振器内の光子寿命と利得とに依存する緩和振動周波数を増大して光強度変化の応答速度を向上させることが望ましい。このためには、共振器長を短くしつつ発振閾値利得を上げることが求められる。

上記の目的に好適な半導体レーザ構造として、分布帰還（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）半導体レーザに分布ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）構造を組み合わせた分布反射（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＲ）レーザが提案されている（例えば特許文献１および２参照）。

特開平５−４８２１４号公報 特開２００２−３５３５５９号公報

本発明の一目的は、新規な構造の分布反射レーザ装置である半導体レーザ装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、第１半導体層と、前記第１半導体層上の第１領域に形成された活性層と、前記第１半導体層上の第２領域に形成され、前記活性層から放出された光を導波する光導波層と、前記活性層および前記光導波層の近傍に配置され、前記活性層および前記光導波層を伝わる光を導波方向に反射させる回折格子と、前記活性層上および前記光導波層上に形成された第２半導体層と、前記光導波層上方で、前記第２半導体層上に形成された絶縁層と、前記第２半導体層上方に形成され、前記活性層上方から前記光導波層上方に延在し、前記活性層上方では前記第２半導体層に電気的に接続し、前記光導波層上方では前記第２半導体層との間に前記絶縁層が介在する第１電極層と、前記活性層上方に形成された第２電極層との積層構造を有し、前記光導波層側にパッドを備えた電極と、を有する半導体レーザ装置が提供される。

活性層への電流注入と同時に、光導波層上方の電極部分の発熱により光導波層を加熱することができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、比較例によるＤＲレーザ装置の概略断面図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、比較例によるＤＲレーザ装置について、断面図と、ＤＦＢレーザ部の利得スペクトルおよびＤＢＲ部の反射スペクトルを示す。 図３Ａ〜図３Ｃは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図である。 図３Ｄ〜図３Ｆは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図である。 図３Ｇ〜図３Ｉは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図および概略上面図である。 図３Ｊ〜図３Ｍは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図である。 図３Ｎ〜図３Ｑは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図である。 図３Ｒ〜図３Ｕは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図および概略上面図である。 図４は、第１実施例によるＤＲレーザ装置の動作時を示す概略断面図である。 図５は、電極材料例とそれらの電気抵抗率をまとめた表である。 図６Ａ〜図６Ｃは、第１実施例の変形例による電極形状を示す概略上面図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、第２実施例によるＤＲレーザ装置の概略断面図および概略上面図である。

本発明の実施例による分布反射（ＤＲ）レーザ装置について説明する前に、まず、比較例によるＤＲレーザ装置について説明する。

図１Ａは、比較例のＤＲレーザ装置の概略断面図である。ｎ型半導体基板１０１の上面が、回折格子パターンにエッチングされて、回折格子１０２が形成されている。回折格子１０２を覆ってｎ型半導体基板１０１上に、ｎ型半導体層１０３が形成されている。

ｎ型半導体層１０３上の一部領域に活性層１０４が形成され、ｎ型半導体層１０３上の他の領域に、活性層１０４に隣接して光ガイド層１０５が形成されている。活性層１０４および光ガイド層１０５上に、ｐ型半導体層１０６が形成されている。活性層１０４上方部分の、ｐ型半導体層１０６上方に、ｐ側電極１０７が形成されている。ｎ型半導体基板１０１の裏面上に、ｎ側電極１０８が形成されている。活性層１０４側端面上と、光ガイド層１０５側端面上に、それぞれ、反射防止膜１０９が形成されている。

活性層１０４の形成部分が、分布帰還（ＤＦＢ）レーザ１１０を形成し、光ガイド層１０５の形成部分が、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１１１を形成し、ＤＦＢレーザ１１０にＤＢＲ１１１が組み合わされたＤＲレーザ構造が形成されている。

ＤＦＢレーザ部１１０は、活性層１０４への電流注入により利得を持たせる領域である。ＤＢＲ部１１１は、発振波長の光に対して透明で発光させない（受動的な）層である光ガイド層１０５を有する領域である。回折格子１０２は、ＤＦＢレーザ部１１０とＤＢＲ部１１１の双方に亘って設けられ、活性層１０４から放出されて活性層１０４および光ガイド層１０５を伝わる光を、導波方向に反射させる。ＤＦＢレーザ構造は単独でもレーザ発振器を形成できるが、ＤＲレーザ装置では、反射鏡としてＤＢＲが設けられている。

図１Ａは、ＤＦＢレーザ１１０の片側にＤＢＲ１１１が配置された構造例のＤＲレーザ装置を示す。図１Ｂは、他の比較例として、ＤＦＢレーザ１１０の両側にＤＢＲ１１１が配置された構造例のＤＲレーザ装置を示す。

ＤＲレーザ構造の最大の利点は、共振器長の小さなレーザが簡便かつ歩留まり良く作製可能な点にある。端面出射型の半導体レーザは、端面での光散乱を防ぐために、結晶面で劈開することで端面を形成する。一般に素子長が１５０μｍ以下の試料を劈開で作製するのは困難であるため、単純なＤＦＢレーザを用いて共振器長の小さな素子を作製するのは難しい。

ＤＲレーザは、回折格子の光結合係数の調整によりＤＢＲ部の反射率を上げ、ほぼＤＦＢレーザ部のみに共振器長を設定することができるため、素子長自体は長く（例えば３００μｍ程度）しつつ、共振器長を非常に短く（例えば１０μｍ〜１００μｍ程度）にできるため、容易に共振器長の小さな素子を形成できる。

また、単純なＤＦＢレーザの場合、回折格子の端面位相ばらつきが単一モード歩留まりの劣化を引き起こす。回折格子の格子間隔Λは、次式（１）で与えられる。

・・・（１）
ここでｍは回折の次数、λは真空中の波長、ｎ_ｒは導波路の有効屈折率である。ここでは高速変調用の短共振器レーザを考えている。短素子長で十分な回折効率を得るには１次の回折が使われる（すなわちｍ＝１）。

ごく一般的な、通信用の光波長１．５５μｍ帯レーザをＩｎＰ基板上に形成する場合を考えると、ｎ_ｒは３．２前後となるので、Λは２４０ｎｍ程度となる。劈開の位置精度は一般に数μｍ程度であり、よって素子端面に回折格子の山の部分が当たるか谷の部分が当たるかは制御困難である。この端面位相のばらつきは ＤＦＢレーザの発振スペクトルに影響を与え、発振モードが設計と異なってしまったり、注入電流量の変化によってモード飛びが発生したりする原因となる。この端面位相ばらつきの影響を抑制するために、端面への反射防止膜形成が行われるが、単純なＤＦＢレーザでこれを行った場合には（特に短い素子では）、共振器としてのフィードバックが不十分になり発振が難しくなる。

これに対してＤＲレーザであれば、素子が分布反射鏡を備えた構造であるから、端面に反射防止膜を形成しても十分なフィードバックを確保可能であり、端面位相ばらつきの影響を低減した高歩留まりの短共振器レーザが実現される。

続いて、比較例のＤＲレーザ装置において生じる課題について説明する。

図２Ａおよび図２Ｂは、比較例のＤＲレーザ装置について、模式的に、その断面図と、ＤＦＢレーザ部の利得強度スペクトルおよびＤＢＲ部の反射強度スペクトルとを示したものである。ここに示すＤＲレーザ装置は、ＤＦＢレーザの片側にＤＢＲを配置し、ＤＦＢレーザ部中央付近の回折格子に位相シフトを有する。

図２Ａは、発振閾値近傍の電流注入時を示す。この状況では、電流注入に伴う活性層１０４の温度上昇がまだ生じておらず、ＤＦＢレーザ部１１０の活性層１０４の温度と、ＤＢＲ部１１１の光ガイド層１０５の温度とが同程度である。ＤＦＢレーザ部１１０ではブラッグモードで選択的に高い利得が得られ、これがＤＢＲ部１１１の高反射波長域と重なることで高いフィードバックが生じ、レーザ発振が起こる。

図２Ｂは、高電流注入時を示す。注入電流の増加に伴って、活性層１０４では発熱により屈折率が変化し、ＤＦＢレーザ部１１０の利得スペクトルが全体的に長波長側へ変移する。断面図に示すように、活性層１０４および光ガイド層１０５を伝わる光１２０の波長が、図２Ａに示す場合よりも長波長化している。

ところが、電流注入を受けないＤＢＲ部１１１では、光ガイド層１０５の温度が上昇せずに屈折率変化が起こらず、反射スペクトルが変化しないため、ブラッグモードが、ＤＢＲ部１１１の高反射波長域から外れることになる。この状態が進行すると、光強度の低下が起こるのはもちろん、ついにはブラッグモードの発振が止まり別モードでの発振が起こるモード飛びなどが発生する。電流変調によって強度変調を行う直接変調レーザにおいて、高注入時の光強度減少は消光比劣化をもたらすし、モード飛びはデータ伝送用レーザとしては望ましくない現象である。

次に、第１実施例によるＤＲレーザ装置について説明する。まず、第１実施例のＤＲレーザ装置の製造方法について説明する。図３Ａ〜図３Ｕは、第１実施例によるＤＲレーザ装置の製造方法における主要工程を示す概略断面図および概略上面図である。図３Ａ〜図３Ｆ、図３Ｊ、図３Ｋ、図３Ｍ、および図３Ｓは、レーザ装置側面から見た断面図であり、図３Ｇ、図３Ｉ、図３Ｌ、図３Ｎ〜図３Ｑ、図３Ｒ、および図３Ｕは、レーザ装置前面から見た断面図であり、図３Ｈおよび図３Ｔは、上面図である。

図３Ａを参照する。ｎ型ＩｎＰ基板１上にフォトレジストを塗布した後、フォトレジストに電子線（ＥＢ）露光装置で回折格子パターンを露光し、レジストパターンＲＰ１を形成する。レジストパターンＲＰ１をマスクとしｎ型ＩｎＰ基板１をドライエッチングして、ｎ型ＩｎＰ基板１に回折格子２を形成する。その後、レジストパターンＲＰ１を除去する。

図３Ｂを参照する。回折格子２を覆ってｎ型ＩｎＰ基板１上に、有機金属気相エピタキシ （ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）により、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３を例えば厚さ１００ｎｍ成長させる。以下、実施例による半導体層の成長方法としてＭＯＶＰＥを用いる。ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３上に、ｎ型ＩｎＰ層４を例えば厚さ６０ｎｍを成長させる。

図３Ｃを参照する。ｎ型ＩｎＰ層４上に、ｉ型多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５を例えば厚さ１６０ｎｍ成長させる。活性層５上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層６を例えば厚さ１００ｎｍ成長させる。ＭＱＷ活性層５は、例えば以下のように形成される。障壁層は、バンド間遷移波長が１１００ｎｍとなる組成で、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層とし、井戸層は、バンド間遷移波長が１５５０ｎｍとなる組成で、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層とする。障壁層１１層と井戸層１０層とを交互に積層し、合計１６０ｎｍの厚みとする。

図３Ｄを参照する。ｐ型ＩｎＰクラッド層６上に、化学気相堆積（ＣＶＤ）によりＳｉＯ_２膜を堆積する。フォトリソグラフィーによって形成したレジストパターンの形状をウエットエッチングでＳｉＯ_２膜に転写して、マスク膜７を形成する。マスク膜７は、ＤＦＢレーザ部を覆い、ＤＢＲ部を露出させる。マスク膜７をマスクとしたエッチングにより、ＤＢＲ部のｐ型ＩｎＰクラッド層６および活性層５を除去する。

図３Ｅを参照する。マスク膜７を形成した状態で、ｎ型ＩｎＰ層４上の活性層５の隣接領域に（つまりＤＢＲ部に）、ＭＯＶＰＥによりｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層を厚さ１６０ｎｍ成長させて、光ガイド層（光導波層）８を形成する。マスク膜７で被覆されたＤＦＢレーザ部は、半導体層の成長が起こらない。光ガイド層８上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層６を厚さ１００ｎｍ成長させる。その後、マスク膜７を、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）により除去する。

図３Ｆを参照する。ｐ型ＩｎＰクラッド層６の全面上に、ｐ型ＩｎＰ層を例えば厚さ１．４μｍ成長させて、ｐ型ＩｎＰクラッド層６を厚くする。ｐ型ＩｎＰクラッド層６上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９を例えば厚さ３００ｎｍ成長させる。

図３Ｇおよび図３Ｈを参照する。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上に、ＣＶＤによりＳｉＯ_２膜を堆積する。フォトリソグラフィーによって形成したレジストパターンの形状をウエットエッチングでＳｉＯ_２膜に転写して、メサストライプ形状のマスク膜１０を形成する。マスク膜１０をマスクとしたエッチングにより、メサストライプを形成する。エッチング深さは例えば２．５μｍとし、ｎ型ＩｎＰ基板１の表層部までが削られるようにする。メサストライプの幅は例えば１．５μｍとする。

図３Ｉを参照する。マスク膜１０を形成した状態でＭＯＶＰＥにより半絶縁性のＩｎＰを成長させて、メサストライプ脇を半絶縁性ＩｎＰ層１１で埋め込む。すなわち、ここではＳｅｍｉ-Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＳＩ-ＢＨ）構造型のレーザ装置を形成している。その後、マスク膜１０を、例えばＢＨＦにより除去する。

図３Ｊを参照する。フォトリソグラフィーにより、ＤＦＢレーザ部を覆いＤＢＲ部を露出するレジストパターンＲＰ２を形成する。レジストパターンＲＰ２をマスクとして、ウエットエッチングによりＤＢＲ部のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９を除去する。その後、レジストパターンＲＰ２を除去する。

図３Ｋを参照する。ウエハ全面に、ＣＶＤによりＳｉＯ_２を例えば厚さ５００ｎｍ堆積して、絶縁層１２を形成する。

図３Ｌおよび図３Ｍを参照する。絶縁層１２上に、フォトリソグラフィーによりレジストパターンＲＰ３を形成する。レジストパターンＲＰ３は、活性層４の上方部分で開口し、他の領域を覆う。レジストパターンＲＰ３をマスクとしたエッチングにより絶縁層１２を除去して、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９を露出させる。

図３Ｎを参照する。レジストパターンＲＰ３を形成した状態で、全面に真空蒸着によりＡｕ/Ｚｎ/Ａｕ膜を形成して、導電膜１３を形成する。

図３Ｏを参照する。レジストパターンＲＰ３を除去するリフトオフによって余分な導電膜１３を除き、ＤＦＢレーザ部のメサ上のみに、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９に接続する電極１３を残す。

図３Ｐを参照する。ウエハ全面に、スパッタリングによりチタン=タングステン（ＴｉＷ）を例えば厚さ２００ｎｍ堆積して、導電膜１４を形成する。

図３Ｑを参照する。フォトリソグラフィーによりレジストパターンＲＰ４を形成する。レジストパターンＲＰ４は、電極１５に対応する形状の開口部を有する。メッキにより、レジストパターンＲＰ４の開口内にＡｕを例えば厚さ１μｍ堆積して、電極１５を形成する。その後、レジストパターンＲＰ４を除去する。

図３Ｒを参照する。再度レジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンＲＰ５を形成する。レジストパターンＲＰ５をマスクとするドライエッチングにより、余分な部分のＴｉＷ膜１４を除去し、電極１４を残す。その後、レジストパターンＲＰ５を除去する。

図３Ｓおよび図３Ｔは、レジストパターンＲＰ５除去後の構造を示す。ＴｉＷ電極１４は、活性層５上方（ＤＦＢレーザ部１６上）から光ガイド層８上方（ＤＢＲ部１７上）に延在して形成されている。ＤＢＲ部１７上のＴｉＷ電極１４の幅は例えば６μｍとする。

Ａｕ電極１５は、活性層５上方（ＤＦＢレーザ部１６上）に形成されている電流注入電極部１５ａと、パッド電極部１５ｂとを有する。電流注入電極部１５ａの幅は例えば５μｍとする。

パッド電極部１５ｂは、外部の電源と接続される主部１５ｂ１と、主部１５ｂ１からメサ上に延在する接続部１５ｂ２とを有する。なお、ＴｉＷ電極１４は、パッド電極部１５ｂ下方にも形成されている。主部１５ｂ１は、メサ外側の広い領域に配置されている。接続部１５ｂ２のメサ上の端部は、ＴｉＷ電極１４のＤＢＲ部１７側端部上に配置されている。

ＤＦＢレーザ部１６の長さは例えば１５０μｍとし、ＤＢＲ部１７の長さは例えば１００μｍとする。すなわち素子長は例えば２５０μｍであり、この程度の長さであれば劈開は容易である。ＤＢＲ部１７上に配置されたＴｉＷ電極１４のうち、Ａｕ電極１５の接続部１５ｂ２が重なる端部の幅は、例えば２０μｍとする。すなわち、メサ上でＴｉＷ電極１４のみに覆われる部分（Ａｕ電極１５に覆われない部分）の長さは、例えば、ＤＢＲ部１７の長さ１００μｍのうちの８０μｍである。

図３Ｕを参照する。その後、例えば厚さ１００μｍ程度になるまで裏面から基板１を研磨し、裏面全面にＡｕＧｅ/Ａｕ膜１８を蒸着し、さらにＡｕメッキを行ってＡｕ膜１９を形成する。最後に劈開や切断によって、各素子を分離する。素子分離後、両端面に反射防止膜が形成される。このようにして、第１実施例のＤＲレーザ装置が形成される。

形成されたＤＲレーザは、金ワイヤ等の手段によってパッド電極の主部１５ｂ１に外部電源を電気的に接続し、電流を注入して動作させる。注入された電流は、光ガイド層８上方に延在するＴｉＷ電極１４を経由して、活性層５上方に形成されているＡｕ電極１５ａへ至り、ここから活性層５へ注入される。

次に、第１実施例によるＤＲレーザ装置の動作について、さらに説明する。

図４は、第１実施例によるＤＲレーザ装置の動作時を示す概略断面図である。矢印は、電流経路を示す。ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３とｎ型ＩｎＰ層４とをまとめて、ｎ型半導体層２１と呼ぶ。ｐ型ＩｎＰクラッド層６とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９とをまとめて、ｐ型半導体層２２と呼ぶ。Ａｕ/Ｚｎ/Ａｕ電極１３、ＴｉＷ電極１４、およびＡｕ電極１５をまとめて、ｐ側電極２３と呼ぶ。ＡｕＧｅ/Ａｕ電極１８とＡｕ電極１９とをまとめて、ｎ側電極２４と呼ぶ。ＤＦＢレーザ部１６側とＤＢＲ１７側の両端面に、反射防止膜２５が形成されている。

ＴｉＷ電極１４を、Ａｕ電極１５に対して高抵抗電極と呼び、Ａｕ電極１５を、ＴｉＷ電極１４に対して低抵抗電極と呼ぶ。ＴｉＷの電気抵抗率は６．５×１０^−５Ωｃｍであり、Ａｕの電気抵抗率は２．２１×１０^−６Ωｃｍである。

ｐ側電極２３とｎ側電極２４との間に駆動電圧が印加される。ｐ側電極２３において、外部電源がパッド電極部１５ｂに接続され、高抵抗電極１４のＤＢＲ側端部に電圧が印加される。ＤＢＲ部１７では、つまり光ガイド層８の上方では、高抵抗電極１４とｐ型半導体層２２との間に絶縁層１２が配置されている。これにより、ＤＢＲ部１７では、厚さ方向に電流が流れない。

電流は、高抵抗電極１４中を面内方向に、ＤＢＲ側からＤＦＢレーザ側に流れる。ＤＦＢレーザ部１６では、つまり活性層５の上方では、高抵抗電極１４に低抵抗電極１５（電流注入電極部１５ａ）が積層されている。ＤＦＢレーザ部１６に到達した電流は、低抵抗の電流注入電極部１５ａ中を流れ、電流注入電極部１５ａから厚さ方向に流れる。これにより、活性層５に電流が注入されて、レーザ発振が生じる。

また同時に、ＤＢＲ部１７において高抵抗電極１４を流れる電流により、発熱が生じる。この熱が厚さ方向に伝播して、光ガイド層８を加熱する。これにより、比較例のＤＲレーザ装置について図２Ｂを参照して説明したような、活性層と光ガイド層との温度差を補償することができる。従って、活性層５と光ガイド層８との温度差に起因する光強度劣化やモード飛び等を抑制することができる。

ｐ側電極２３を全体として捉えると、ｐ側電極２３は、活性層５上方から光ガイド層８上方に延在して形成されており、光ガイド層８側の電極部分に電圧が印加されている。このような構造により、ｐ側電極２３の光ガイド層８上方部分を通って電流が流れるので、ｐ側電極２３の活性層５上方部分が活性層５への電流注入電極として働くとともに、ｐ側電極２３の光ガイド層８上方部分がヒータとして働く。ｐ側電極２３の光ガイド層８上方部分がヒータとして働くことにより、光ガイド層８を加熱することができる。

ｐ側電極２３の光ガイド層８上方部分（ヒータ部２３Ｈ）は、発熱量を高める観点からは、高抵抗に形成されることが好ましい。一方、ｐ側電極２３の活性層５上方部分（電流注入電極部２３Ｉ）は、電流注入電極であり発熱させなくてよいので、低抵抗に形成されることが好ましい。

本実施例では、ヒータ部２３Ｈに、電流注入電極部２３Ｉに比べて電気抵抗率の大きい材料を用いている。ヒータ部２３Ｈの材料として、電流注入電極部２３Ｉの材料に比べ電気抵抗率の大きいものを用いれば、ヒータ部２３Ｈを相対的に高抵抗にすることが容易となる。なお、ヒータ部２３Ｈと電流注入電極部２３Ｉとに異なる材料を用いることは、必須でない。例えば、同じ材料を使っても、ヒータ部２３Ｈは薄く幅狭に加工し、電流注入電極部２３Ｉは厚く幅広に加工することにより、ヒータ部２３Ｈを相対的に高抵抗とし、電流注入電極部２３Ｉを相対的に低抵抗とすることができる。

なお、本実施例の構造では、ＤＦＢレーザ部１６において、低抵抗電極１５下方に高抵抗電極１４が形成されているが、高抵抗電極１４が存在していても、電流は低抵抗電極１５内を優先的に流れることになるため、高抵抗電極１４による発熱は無視することができる。

なお、本実施例の構造では、通常の半導体レーザが示すダイオードとしての抵抗に加え、高抵抗電極の抵抗が直列接続されるため、抵抗増加に伴う消費電力量増加や高速応答特性劣化が懸念される。だが実際には、以下に記す理由により特に問題とはならない。

現在一般に用いられている高周波電流源は５０Ω程度のインピーダンスを有するのに対し、端面出射型半導体レーザ自体の抵抗は高々１０Ω程度であるため、通常はインピーダンス整合のためにキャリア上へ４０Ω程度のチップ抵抗を付与して直列接続する形の実装が行われている。よって、このチップ抵抗の代わりにヒータ電極部の抵抗が接続されていると考えれば、特性の劣化は生じないわけである。むしろ、キャリア上にチップ抵抗の必要が無くなる点において、従来のＤＲレーザに比べて有利であると言える。

図５は、電極に使用可能と考えられる材料例と、それらの電気抵抗率をまとめた表である。これらの金属のうち、例えば、抵抗率３×１０^−６Ωｃｍ以下のＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、およびＡｌを抵抗率の小さい材料と捉え、抵抗率５×１０^−６Ωｃｍ以上のＷ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、およびＴｉＷを抵抗率の大きい材料と捉えることができる。抵抗率の大きい材料は、抵抗率１×１０^−５Ωｃｍ以上であることがさらに好ましい。なお、ＴｉとＰｔをこの順に積層した材料も用いることができる。

第１実施例のＤＲレーザ装置における熱伝達についてさらに考察する。ＤＢＲ部１７上でＡｕ電極１５に覆われていない部分のＴｉＷ電極１４を、発熱体（ヒータ部２３Ｈ）と捉えることができる。この部分を、ＴｉＷ電極発熱部とも呼ぶこととする。一般に、導電部材の抵抗Ｒは、抵抗率をρ、長さをＬ、断面積をＳとして、次式（２）により表される。

・・・（２）
ＴｉＷの抵抗率は６．５×１０^−５Ωｃｍ（０．６５Ωμｍ）である。ＴｉＷ電極発熱部の長さを８０μｍとし、厚さと幅をそれぞれ０．２μｍ、６μｍとすると、ＴｉＷ電極発熱部の抵抗Ｒは、Ｒ＝０．６５×８０÷（０．２×６）＝４３Ωとなる。

ＤＦＢレーザ部のダイオードとしての抵抗は、印加電圧で変化するが、動作時に約５〜１０Ωであるので、当該素子は全体として約５０Ωの抵抗を有し、インピーダンス５０Ωの高周波電源系で駆動するのに好適である。ＴｉＷ電極発熱部での発熱量は、例えば１００ｍＡの電流注入時に０．４３Ｗａｔｔとなる。

上記の発熱が光ガイド層８の温度上昇に寄与することは、以下の通り確認することができる。実際の素子設計の際には熱拡散方程式による３次元のシミュレーションを行うことになるが、ここでは単純化したモデルを用いて考察する。単位時間に単位面積を流れる熱流束Ｊは、次式（３）で表される。

・・・（３）
ここで、λは熱伝導率、ｇｒａｄＴは温度勾配である。ここでは１次元の単純モデルで考えることにし、大まかな見積もりを得るために、次式（４）のように、ｇｒａｄＴを近似する。

・・・（４）
熱流束を伝える導体の面積をＳとすれば、伝わる熱量Ｑは、式（３）および式（４）を用いて次式（５）のように表される。

・・・（５）
すなわち、熱源から伝わる熱量Ｑは、導体の熱伝導率λ、断面積Ｓ、および温度差ΔＴに比例し、熱源からの距離Δｘに反比例する。このモデルに従い、ＴｉＷ電極発熱部で発生した熱が、ＤＦＢレーザ部上のＡｕ電流注入電極１５ａへ伝導する割合と、ＤＢＲ部の半導体部材へ伝導する割合とを比較する。Ａｕ電流注入電極へ伝導した熱は、その下方に接する半導体部材に速やかに伝導されるとみなせるので、この両者の比較が、ＤＢＲ部の半導体部材への熱伝播と、ＤＦＢレーザ部の半導体部材への熱伝播との比較とみなせる。

Ａｕの熱伝導率は３１７Ｗ／ｍＫ（３．１７×１０^−４Ｗ／μｍＫ）である。Ａｕ電流注入電極の断面積は、厚さと幅をそれぞれ１μｍ、５μｍとして、５（μｍ）^２となる。ＤＦＢレーザ部中央までを伝導距離として考えると、ＤＦＢレーザ部の長さを１５０μｍとして、伝導距離は７５μｍとなる。従って、Ａｕ電流注入電極へ伝わる熱量Ｑ_１は、次式（６）で表される（以下ではΔＴを正の値に変換して負号を省略する）。

・・・（６）
一方、ＤＢＲ部の半導体部材へは、厚さ５００ｎｍのＳｉＯ_２絶縁層１２を介して熱が伝播する。ＳｉＯ_２の熱伝導率は約１．１Ｗ／ｍＫ（１．１×１０^−６Ｗ／μｍＫ）である。ＴｉＷ電極発熱部下方の絶縁層１２の面積は、長さと幅をそれぞれ８０μｍ、６μｍとして、４８０（μｍ）^２となる。従って、ＤＢＲ部の半導体部材へ伝導する熱量Ｑ_２は、次式（７）で表される。

・・・（７）
式（６）および式（７）より、ＴｉＷ電極発熱部で生じた熱のうちＤＦＢレーザ部側に伝わる熱量は２％以下に過ぎず、ほとんどがＤＢＲ部側に伝わることが分かる。発熱がＤＢＲ部の光ガイド層に有効に伝わることは、概略的には以下のように理解される。

ＴｉＷ電極発熱部から光ガイド層までの距離は、高々数μｍ（例えば２μｍ程度）であるのに対し、ＤＦＢレーザ部（の中心）までは、１００μｍ近い（例えば７５μｍ程度の）距離がある。熱伝導の断面積を比較すると、ＴｉＷ電極発熱部が下方側に接している面積（例えば長さ８０μｍで幅６μｍとして４８０（μｍ）^２）に対し、Ａｕ電流注入電極の断面積（例えば厚さ１μｍで幅５μｍとして５（μｍ）^２）は小さい。

このように、ＤＢＲ部側（の光ガイド層）への熱伝達の方が、伝達距離が短く熱伝導の断面積が広いので、（絶縁層１２の熱伝導率が低くともそれを補って、）ＤＦＢレーザ部側への熱伝達よりも大きくなる。

なお、絶縁層１２の材料として、第１実施例ではＳｉＯ_２を用いたが、その他例えばＳｉＮ等を用いることもできる。式（７）より、絶縁層１２の熱伝導率が高いほど、光ガイド層８の加熱性能が高まることがわかる。

なお、図６Ａ〜図６Ｃに例示するように、電極１４のヒータ部２３Ｈの抵抗は、ＤＢＲ部の長さや導波路メサ幅等に応じて、形状的に調整することもできる。具体的には、ヒータ部２３Ｈの膜厚、幅、長さにより、抵抗を調整することができる。

図６Ａは、ヒータ部２３Ｈで電極１４の幅を絞り断面積を狭くして抵抗を高めた構造である。図６Ｂは、電極１４の長さの変化により抵抗を調整した構造で、ここに示したものは、電極を短くして抵抗を低くした例である。用いる電極材料やＤＢＲ部の長さによって、抵抗が高くなりすぎる場合には、抵抗を低くするように調整することもできる。図６Ｃは、ヒータ部２３Ｈで電極１４を蛇行させ長さを延ばして抵抗を高めた構造である。

次に、第２実施例によるＤＲレーザ装置について説明する。

図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、第２実施例のＤＲレーザ装置の、側方から見た概略断面図および概略上面図である。第１実施例では、ＤＦＢレーザ部１６の片側のみにＤＢＲ部１７を形成した。第２実施例では、ＤＦＢレーザ部１６の両側にＤＢＲ部１７を形成している。

高抵抗電極１４は両側の光ガイド層８上方に延在して形成され、高抵抗電極１４の両端上にパッド電極１５ｂが形成され、両方のＤＢＲ部１７側から外部電源が印加される。両側のパッド電極部１５ｂと電流注入電極部１５ａとの間に配置された部分の高抵抗電極１４が、ヒータ部２３Ｈを形成し、両側のＤＢＲ部１７で、光ガイド層８を加熱することができる。

なお、第２実施例のように、両側にＤＢＲ部を形成する場合、つまり活性層５の両側に光ガイド層８を形成する場合、光ガイド層８上方の電極は、片側のみに（少なくとも片側に）形成する構造とすることもできる。

以上説明したように、ＤＲレーザ装置において、活性層上方から光ガイド層上方に延在する電極を形成し、光ガイド層側の電極部分から電圧を印加することにより、電極の光ガイド層上方部分をヒータとして働かせることができる。活性層へ電流注入するとともに光ガイド層を加熱することができ、活性層と光ガイド層との温度差を補償することができる。光ガイド層上方のヒータ部の抵抗を、活性層上方の電流注入電極部の抵抗よりも高くすることにより、ヒータ性能を高めることが容易になる。

なお、上記実施例ではプロセスを簡略化するために、電流注入電極部の金メッキ下にあって金の半導体への拡散を防ぐバリアメタル層と、ヒータとして作用する低抵抗金属層とを同一材料で形成しているが、これらを異なる材料を用いて作製することも可能である。例えば、ヒータ部の電極材料にＴｉＷを用い、電流注入電極部の金メッキの下にはＴｉ／Ｐｔを用いてもよい。

なお、回折格子の形成態様は、上記実施例に限定されない。回折格子は、活性層及び光ガイド層を伝播する光の波動関数が及ぶ範囲に（活性層及び光ガイド層の近傍に）配置することができる。例えば、回折格子を活性層及び光ガイド層の上方に形成すること等もできる。

なお、上記実施例では、ｎ型半導体層を基板側に形成しｐ型半導体層を上面側に形成したが、必要に応じ、導電型を反転させることもできる。

なお、上記実施例では、導電性半導体基板を用い、ｐ側電極及びｎ側電極の一方の電極を上面側から取り、他方の電極を基板裏面側から取る構造とした。基板として高抵抗半導体基板を用いることもでき、この場合は、電極形成のため半導体層の一部領域を掘り込んで、ｐ側電極とｎ側電極の両方を上面側から取ることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

以上説明した第１実施例および第２実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
第１半導体層と、
前記第１半導体層上の第１領域に形成された活性層と、
前記第１半導体層上の第２領域に形成され、前記活性層から放出された光を導波する光導波層と、
前記活性層および前記光導波層の近傍に配置され、前記活性層および前記光導波層を伝わる光を導波方向に反射させる回折格子と、
前記活性層上および前記光導波層上に形成された第２半導体層と、
前記光導波層上方で、前記第２半導体層上に形成された絶縁層と、
前記第２半導体層上方に形成され、前記活性層上方から前記光導波層上方に延在し、前記活性層上方では前記第２半導体層に電気的に接続し、前記光導波層上方では前記第２半導体層との間に前記絶縁層が介在し、前記光導波層側に延在した部分に電圧が印加される電極と
を有する半導体レーザ装置。
（付記２）
前記電極の前記光導波層上方に配置された部分は、前記電極の前記活性層上方に配置された部分よりも抵抗が大きい付記１に記載の半導体レーザ装置。
（付記３）
前記電極の前記光導波層上方に配置された部分を形成する第１材料として、前記電極の前記活性層上方に配置された部分を形成する第２材料よりも電気抵抗率の大きい材料が用いられる付記１または２に記載の半導体レーザ装置。
（付記４）
さらに、前記第１半導体層上の、前記第１領域を挟んで前記第２領域と反対側の第３領域に形成され、前記活性層から放出された光を導波する他の光導波層を有し、
前記第２半導体層は、前記他の光導波層上にも形成されている付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
（付記５）
前記絶縁層は、前記他の光導波層上方で、前記第２半導体層上にも形成され、
前記電極は、前記活性層上方から前記他の光導波層上方にも延在し、前記他の光導波層上方で前記第２半導体層との間に前記絶縁層が介在し、前記他の光導波層側に延在した部分にも電圧が印加される付記４に記載の半導体レーザ装置。
（付記６）
前記第１材料は、電気抵抗率５×１０^−６Ωｃｍ以上である付記３に記載の半導体レーザ装置。
（付記７）
前記第２材料は、電気抵抗率３×１０^−６Ωｃｍ以下である付記３または付記６に記載の半導体レーザ装置。
（付記８）
前記第１材料は、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、およびＴｉＷのうちのいずれかを含む付記３に記載の半導体レーザ装置。
（付記９）
前記第２材料は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、およびＡｌのうちのいずれかを含む付記３または付記６に記載の半導体レーザ装置。
（付記１０）
前記電極の前記光導波層上方に配置された部分は、前記電極の前記活性層上方に配置された部分よりも、幅が狭いかまたは薄く形成されている付記１〜９のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
（付記１１）
前記電極の前記光導波層上方に配置された部分は、蛇行する形状で形成されている付記１〜１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
（付記１２）
前記電極は、前記光導波層上方に配置された部分の、前記活性層上方に配置された部分と反対側の端部に電圧が印加される付記１〜１１のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
（付記１３）
前記電極は、前記活性層上方から前記光導波層上方に延在する第１電極と、前記活性層上方に形成され前記第１電極を形成する材料よりも電気抵抗率の小さい材料で形成された第２電極とを含む付記１〜１２のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
（付記１４）
前記電極は、前記光導波層上方に接続されたパッド電極部を含む付記１〜１３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。

１ ｎ型ＩｎＰ基板
２ 回折格子
３ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
４ ｎ型ＩｎＰ層
５ ｉ型多重量子井戸活性層
６ ｐ型ＩｎＰクラッド層
７、１０ マスク膜
８ 光ガイド層（光導波層）
９ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１ 半絶縁性ＩｎＰ層
１２ 絶縁層
１３ Ａｕ/Ｚｎ/Ａｕ電極
１４ ＴｉＷ電極
１５ Ａｕ電極
１５ａ 電流注入電極部
１５ｂ パッド電極部
１５ｂ１ 主部
１５ｂ２ 接続部
１６ ＤＦＢレーザ部
１７ ＤＢＲ部
１８ ＡｕＧｅ/Ａｕ電極
１９ Ａｕ電極
ＲＰ１〜ＲＰ５ レジストパターン
２１ ｎ型半導体層
２２ ｐ型半導体層
２３ ｐ側電極
２３Ｉ 電流注入電極部
２３Ｈ ヒータ部
２４ ｎ側電極
２５ 反射防止膜
１０１ ｎ型半導体基板
１０２ 回折格子
１０３ ｎ型半導体層
１０４ 活性層
１０５ 光ガイド層
１０６ ｐ型半導体層
１０７ ｐ側電極
１０８ ｎ側電極
１０９ 反射防止膜
１１０ ＤＦＢレーザ部
１１１ ＤＢＲ部

Claims (5)

1. 第１半導体層と、
   前記第１半導体層上の第１領域に形成された活性層と、
   前記第１半導体層上の第２領域に形成され、前記活性層から放出された光を導波する光導波層と、
   前記活性層および前記光導波層の近傍に配置され、前記活性層および前記光導波層を伝わる光を導波方向に反射させる回折格子と、
   前記活性層上および前記光導波層上に形成された第２半導体層と、
   前記光導波層上方で、前記第２半導体層上に形成された絶縁層と、
   前記第２半導体層上方に形成され、前記活性層上方から前記光導波層上方に延在し、前記活性層上方では前記第２半導体層に電気的に接続し、前記光導波層上方では前記第２半導体層との間に前記絶縁層が介在する第１電極層と、前記活性層上方に形成された第２電極層との積層構造を有し、前記光導波層側にパッドを備えた電極と、
   を有する半導体レーザ装置。
2. 前記電極の前記光導波層上方に配置された部分は、前記電極の前記活性層上方に配置された部分よりも抵抗が大きい請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第１電極層を形成する材料として、前記第２電極層を形成する材料よりも電気抵抗率の大きい材料が用いられる請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. さらに、前記第１半導体層上の、前記第１領域を挟んで前記第２領域と反対側の第３領域に形成され、前記活性層から放出された光を導波する他の光導波層を有し、
   前記第２半導体層は、前記他の光導波層上にも形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記絶縁層は、前記他の光導波層上方で、前記第２半導体層上にも形成され、
   前記電極は、前記活性層上方から前記他の光導波層上方にも延在し、前記他の光導波層上方で前記第２半導体層との間に前記絶縁層が介在し、前記他の光導波層側に延在した部分にも電圧が印加される請求項４に記載の半導体レーザ装置。