JP6657537B2 - 半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
特許文献１には、回折格子を備える半導体レーザ素子が開示されている。
特開平５−２９７０３号公報
回折格子を形成する方法として、電子ビーム露光法が知られている。電子ビーム露光法を用いて回折格子をウェハ上に形成する場合、回折格子の光導波方向において隣り合う回折格子間には、回折格子を描画しない部分を設ける。これは、劈開位置によって、実効的なκ（結合効率）が変化するためである。しかし、このように回折格子間に回折格子を描画しない部分を設ける場合、回折格子を形成した後のエピタキシャル成長時に、回折格子端を起点として結晶欠陥が生ずることがある。このような、回折格子に起因する結晶欠陥が生じた場合、該欠陥が活性領域に入り込むことにより、半導体レーザ素子の発光効率が低下するという問題が生ずる。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、回折格子に起因する欠陥が活性領域に入り込む現象を抑える半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一形態にかかる半導体レーザ素子は、基板上に形成される第１回折格子と、第１回折格子の光導波方向における少なくとも片端に接続され、第１回折格子の周期の１．０５倍以上又は０．９５倍以下の周期を有する第２回折格子と、第１回折格子の上に形成される活性層とを備える。
本発明による半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法によれば、回折格子に起因するエピタキシャル層の欠陥が活性領域に入り込むのを抑えることができる。
本実施形態に係る半導体レーザ素子１の光導波方向に垂直な断面を示す図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 半導体レーザ素子１の製造工程を示す図である。 比較例にかかる半導体レーザ素子１８の断面図である。 レーザ発振波長が１．５００μｍとなるように設計されたＭＱＷ構造のゲイン波長と、１．３００μｍのブラッグ波長を示す図である。 第２実施形態にかかる半導体レーザ素子２０の断面図である。 第３実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程のうち、ウェハ１６の上に回折格子を形成する工程において、ウェハ１６の主面に垂直な方向からウェハ１６を見た図である。 図１７に示すウェハ１６のうち、半導体素子になるべき部分の１つを拡大した図である。 図１９は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子１の光導波方向に垂直な断面を示す図である。 図２０は、第４実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程のうち、ウェハ１６の上に回折格子を形成する工程において、ウェハ１６の主面に垂直な方向からウェハ１６を見た図である。 図２１は、図２０に示すウェハ１６のうち、後に半導体素子になる部分の１つを拡大した図である。 図２２は、比較例に係る第１回折格子の一部を拡大した図面である。 図２３は、第５実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程のうち、ウェハ１６の上に回折格子を形成する工程において、ウェハ１６の主面に垂直な方向からウェハ１６を見た図である。 図２４は、図２３に示すウェハ１６のうち、後に半導体素子になる部分の１つを拡大した図である。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の一形態にかかる半導体レーザ素子は、基板上に形成される第１回折格子と、第１回折格子の光導波方向における少なくとも片端に接続され、第１回折格子の周期の１．０５倍以上又は０．９５倍以下の周期を有する第２回折格子と、第１回折格子の上に形成される活性層と、を備える。
この半導体レーザ素子によれば、第１回折格子の少なくとも片端に第２回折格子が接続されているので、回折格子の形成後のエピタキシャル成長において、第１回折格子の端から成長するエピタキシャル層に結晶欠陥が生じない。したがって、該欠陥が活性領域に入り込む現象を抑えることができる。また、第２回折格子の周期を、第１回折格子の周期の１．０５倍以上又は０．９５倍以下にすることにより、第２回折格子が半導体レーザ素子のレーザ発振に及ぼす影響を抑えることができる。
また、上述した半導体レーザ素子は、活性層において発生した光を変調する変調領域を、第２回折格子上に更に備えてもよい。
上述した課題を解決するために、本発明の一形態にかかる半導体レーザ素子の製造方法は、互いに周期の異なる第１回折格子と第２回折格子とを交互に、電子ビーム露光法を用いて連続して、ウェハ上に形成する第１工程と、第１回折格子及び第２回折格子の上に活性層を形成する第２工程とを含む。
この方法を用いることにより、第１回折格子の両端に連続して第２回折格子が形成されるので、回折格子の形成後のエピタキシャル成長において、第１回折格子の両端から成長するエピタキシャル層に結晶欠陥が生じない。したがって、該欠陥が活性領域に入り込む現象を抑えることができる。
また、上述した半導体レーザ素子の製造方法において、第２回折格子の周期は、第１回折格子の周期の１．０５倍以上もしくは０．９５倍以下であってもよい。これにより、第２回折格子が半導体レーザ素子のレーザ発振に及ぼす影響を抑えることができる。
また、ウェハを、第２回折格子が存する部分において劈開することにより、劈開面を形成する第３工程をさらに含んでもよい。
ところで、電子ビームにより複数回露光された回折格子には、異常成長が発生することがある。この回折格子における異常成長の発生により、半導体レーザ素子の発光効率が低下するおそれがある。このような異常成長の発生の低減を図るために、第１工程において、連続して設けられる第１回折格子及び第２回折格子を少なくとも一ずつ含む複数の被露光領域を、光導波方向に沿ってそれぞれ離間するように設定し、複数の被露光領域のそれぞれに対して、電子ビームによって露光してもよい。この場合、光導波方向において被露光領域同士が重ならないので、第１回折格子及び第２回折格子において電子ビームにより複数回露光される箇所がなくなる。これにより、第１回折格子及び第２回折格子における異常成長の発生が低減するので、良好な発光効率を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
また、回折格子における異常成長の影響を低減するために、第１の幅を有するストライプ状の第１回折格子と、第２回折格子と、活性層とをエッチングすることにより、第１の幅以下のストライプ幅を有するメサストライプ構造を形成する第４工程をさらに含み、第１工程では、連続して設けられる第１回折格子及び第２回折格子を少なくとも一ずつ含む複数の被露光領域を、光導波方向に沿ってそれぞれ連結するように設定し、複数の被露光領域の連結部を第２回折格子に重ねるように設定し、第２回折格子において連結部と重なる部分の幅は、第１の幅よりも大きくてもよい。電子ビームにより複数回露光される回折格子の主に隅側には、異常成長が発生しやすい。このため、電子ビームにより少なくとも２回露光される被露光領域同士の連結部を、第２回折格子において第１回折格子の第１の幅よりも大きい幅の部分に重ねるように設定する。これにより、回折格子における異常成長した部分は、メサストライプ構造の幅方向において、当該メサストライプ構造よりも外側に偏在する。そしてこの偏在した異常成長部分は、メサストライプ構造の形成時にエッチングによって除去される。したがって、当該異常成長部分によるメサストライプ構造の特性の低下が抑制され、良好な発光効率を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
上述した課題を解決するために、本発明の他の形態にかかる半導体レーザ素子の製造方法は、ストライプ状に形成される第３回折格子と、第３回折格子のストライプ幅より広い幅を有する第４回折格子と、を電子ビーム露光法を用いて連続して、ウェハ上に形成する工程と、第３回折格子及び第４回折格子の上に活性層を形成する工程と、第３回折格子、第４回折格子及び活性層をエッチングすることにより、第３回折格子のストライプ幅以下のストライプ幅を有するストライプ状のメサ部を形成する工程と、を含む。
この方法を用いることにより、回折格子の形成後のエピタキシャル成長において、第２回折格子の光導波方向における終端部から成長するエピタキシャル層に結晶欠陥が生じた場合であっても、該欠陥は該終端部の隅側に偏在する。該欠陥の多くは、エッチングによって該終端部の隅側を除去することによって取り除かれる。したがって、該欠陥が活性領域に入り込む現象を抑えることができる。
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。したがって、以下の実施形態の説明において他の実施形態と重複する記載は省略する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１の光導波方向に垂直な断面を示す図である。図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。半導体レーザ素子１は、ｎ型ＩｎＰ基板２、ｎ型ＩｎＰクラッド層３、活性層４、ｐ型ＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＩｎＰブロック層６、ｎ型ＩｎＰブロック層７、ｐ型ＩｎＰ層８、コンタクト層９、保護膜１０、ｐ型電極１１、及び、ｎ型電極１２を備えている。
ｎ型ＩｎＰクラッド層３、活性層４及びｐ型ＩｎＰクラッド層５は、ｎ型ＩｎＰ基板２の上に順に積層されている。また、これらのｎ型ＩｎＰクラッド層３、活性層４及びｐ型ＩｎＰクラッド層５は、メサストライプ構造を有している。このメサストライプ構造の高さは、例えば、２．０μｍである。メサストライプ構造は、ｎ型ＩｎＰ基板２の光導波方向に垂直な横方向における中央部分に形成されている。
ｎ型ＩｎＰ基板２は、例えば、１．０×１０18／ｃｍ３のＳｉ（シリコン）がドープされたｎ型ＩｎＰ基板である。ｎ型ＩｎＰクラッド層３は、例えば、１．０×１０18／ｃｍ３のＳｉ（シリコン）がドープされたＩｎＰ層である。ｎ型ＩｎＰクラッド層３の厚さは、例えば０．５μｍである。活性層４は、例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓを含む層の積層体から形成される多重量子井戸（MQW：Multi Quantum Well）構造を有する。ｐ型ＩｎＰクラッド層５は、例えば、１．０×１０18／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＰ層である。ｐ型ＩｎＰクラッド層５の厚さは、例えば０．２μｍである。
ｎ型ＩｎＰクラッド層３の内部には、第１回折格子１４及び第２回折格子１５が形成されている。第１回折格子１４及び第２回折格子１５は、例えばＡｌＩｎＧａＡｓ等を含んでおり、第１回折格子１４及び第２回折格子１５の屈折率は、ｎ型ＩｎＰクラッド層３の屈折率と異なっている。第２回折格子１５は、第１回折格子１４の光導波方向における両端に接続されている。つまり、第２回折格子１５は、第１回折格子１４の光導波方向における両端にそれぞれ設けられている。第２回折格子１５の端のうち第１回折格子１４と接続する側の端とは反対側の端は、劈開面（出射面）１３に達している。また、第２回折格子１５の周期（ピッチ）は、第１回折格子１４の周期の１．０５倍以上又は０．９５倍以下である。好ましくは、第２回折格子１５の周期が、第１回折格子１４の周期の０．８倍以下であるか、１．２倍以上であるとなおよい。例えば、レーザ発振波長が１．５００μｍとなるように設計された第１回折格子１４の周期は、０．２４μｍである。したがって、第２回折格子の周期は、０．２２８μｍ以下、又は、０．２５２μｍ以上であるとよい。好ましくは、第２回折格子１５の周期は０．１９２μｍ以下、又は、０．２８８μｍ以上であるとなおよい。図２では、第１回折格子１４及び第２回折格子１５の上に活性層４が形成されている例を示しているが、第２回折格子１５の上には、活性層４において発生した光を導波する導波路層が形成されてもよい。この導波路層は、活性層４とは異なる利得を与えない層であれば、MQW構造であってもよいし、バルク構造であってもよい。
ｐ型ＩｎＰブロック層６及びｎ型ＩｎＰブロック層７は、メサストライプ構造の両側（メサストライプ構造の幅方向における両側面）を埋め込むように、ｎ型ＩｎＰ基板２の上に順に積層されている。ｐ型ＩｎＰブロック層６は、例えば、４．０×１０17／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＰ層である。ｐ型ＩｎＰブロック層６の厚さは、例えば３．０μｍである。ｎ型ＩｎＰブロック層７は、例えば、１．０×１０19／ｃｍ3のＳｉがドープされたＩｎＰ層である。ｎ型ＩｎＰブロック層７の厚さは、例えば０．４μｍである。
ｐ型ＩｎＰ層８及びコンタクト層９は、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びｐ型ＩｎＰブロック層７上を覆うように設けられている。ｐ型ＩｎＰ層８及びコンタクト層９は、順に積層されている。ｐ型ＩｎＰ層８は、例えば、１．２×１０18／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＰ層である。ｐ型ＩｎＰ層８の厚さは、例えば２．０μｍである。コンタクト層９は、例えば１．２×１０19／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層９の厚さは、例えば０．５μｍである。コンタクト層９のバンドギャップは、ｐ型ＩｎＰ層８のバンドギャップよりも小さい。なお、ｐ型ＩｎＰ層８は、ｐ型ＩｎＰクラッド層５の一部として機能する。
保護膜１０は、コンタクト層９の上に積層されている。保護膜１０は、少なくともコンタクト層９におけるメサストライプ構造よりも上方の領域には設けられていない。保護膜１０は絶縁膜であり、例えばＳｉＯ２等を含む。ｐ型電極１１は、コンタクト層９が保護膜１０から露出した領域、及び保護膜１０を覆うように設けられている。ｐ型電極１１は、例えば、Ｔｉ層とＰｔ層とＡｕ層との積層体である。ｎ型電極１２は、ｎ型ＩｎＰ基板２の下面に形成されている。ｎ型電極１２は、例えば、Ａｕ層とＧｅ層とＮｉ層との積層体である。
次に、本実施形態にかかる半導体レーザ素子１の製造方法を説明する。
図３から図１３は、半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。図３、図４、図７及び図８は、製造途中の半導体レーザ素子の光導波方向における断面図である。図５及び図６は、製造途中の半導体レーザ素子を、光導波方向に垂直な上方向から見た外観図である。図９〜図１３は、製造途中の半導体レーザ素子の、光導波方向に垂直な断面図である。ウェハ１６が劈開されて半導体レーザ素子１の一部になった後、当該ウェハ１６をｎ型ＩｎＰ基板２と呼ぶ。
図３に示すように、まずウェハ１６の主面上に、回折格子層３０を成長させる。その後、図４に示すように、電子ビーム露光装置を用いて、第１回折格子１４及び第２回折格子１５を形成する。図５は、図４に示されるウェハ１６を、ウェハ１６の主面に垂直な方向から見た図である。図６は、図５に示すウェハ１６のうち、半導体レーザ素子１になるべき部分の１つを拡大した図である。図７は、図６に示される製造途中の半導体レーザ素子を、光導波方向に垂直な横方向から見た図である。
図４〜図７に示すように、隣り合う第１回折格子１４の間には、第１回折格子１４と連続して、周期の異なる第２回折格子１５が形成されている。第１回折格子１４と第２回折格子１５とのそれぞれの周期は、以下の通り設定される。すなわち、第２回折格子１５の周期は、第１回折格子１４の周期の０．９５倍以下であるか、１．０５倍以上である。好ましくは、第２回折格子１５の周期が、第１回折格子１４の周期の０．８倍以下であるか、１．２倍以上であるとなおよい。例えば、レーザ発振波長が１．５００μｍとなるように設計された第１回折格子１４の周期は、０．２４μｍである。したがって、第２回折格子の周期は、０．２２８μｍ以下、又は、０．２５２μｍ以上であるとよい。好ましくは、第２回折格子１５の周期は０．１９２μｍ以下、又は、０．２８８μｍ以上であるとなおよい。
第１回折格子１４及び第２回折格子１５のパターンを形成する過程を具体的に説明すると、次にようになる。レジスト塗布前に回折格子層３０が形成されたウェハ１６をベークする（以下「塗布前ベーク」という。）。塗布前ベーク後、回折格子層３０上にレジストを塗布し、ウェハ１６及びレジストをベークする（以下「プリベーク」という。）。このとき、塗布前ベークの温度は、例えば１８０℃であるとよく、レジスト塗布の厚さは、例えば１５００Åであるとよい。プリベークの温度は、例えば１４０℃であればよく、プリベークの時間は、例えば３分間であるとよい。次に、電子ビーム露光装置のプローブ電流を用いて、第１回折格子１４及び第２回折格子１５を形成するためのレジストに微細パターンを描画する。このとき、プローブ電流は、例えば０．１〜１．０ｎＡ（ナノアンペア）であるとよい。次に、レジストが設けられたウェハ１６を現像液に浸す。このとき、ウェハ１６を現像液に浸す時間は、例えば３０秒であるとよい。次に、現像液から取り出したウェハ１６をベークする（以下「ポストベーク」という。）。ポストベークの温度は、例えば１４０℃であればよく、ポストベークの時間は、例えば３分間であるとよい。これにより、ストライプ状にパターン化されたレジストを、ウェハ１６上に形成する。パターン化されたレジストは、第１の周期を有するストライプ、及び第２の周期を有するストライプから構成される。次に、パターン化されたレジストをマスクとして、回折格子層３０の一部にエッチング処理を施した後、残存するレジストを除去することによって、互いに異なる周期を有する第１回折格子１４及び第２回折格子１５を形成する。なお、第１回折格子１４及び第２回折格子１５の形成に際しては、電子ビーム露光方法の代わりに、ナノインプリント方法を用いてもよい。
第１回折格子１４及び第２回折格子１５を形成した後、図８に示すように、ウェハ１６の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３、活性層４、及びｐ型ＩｎＰクラッド層５を、順に成長させる。このとき、ｎ型ＩｎＰクラッド層３によって、第１回折格子１４及び第２回折格子１５を埋め込む。ｎ型ＩｎＰクラッド層３は、例えば、１．０×１０18／ｃｍ３のＳｉ（シリコン）がドープされたＩｎＰ層である。ｎ型ＩｎＰクラッド層３の厚さは、例えば０．５μｍである。活性層４は、例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓを含む層の積層体から形成される多重量子井戸（MQW：Multi Quantum Well）構造を有する。ｐ型ＩｎＰクラッド層５は、例えば、１．０×１０18／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＰ層である。ｐ型ＩｎＰクラッド層５の厚さは、例えば０．２μｍである。
次に、図９に示すように、ｐ型ＩｎＰクラッド層５の上にマスク１７を形成する。マスク１７は、第１回折格子１４及び第２回折格子１５を含むｎ型ＩｎＰクラッド層３、活性層４、及びｐ型ＩｎＰクラッド層５から構成されるメサストライプ構造を形成する領域上に、ストライプ状に形成される。このとき、第１回折格子１４の幅は、例えば１０μｍである。また、第１回折格子１４の幅より狭い幅であるマスク１７は、例えば、幅３．０μｍ、厚さ０．５μｍのＳｉＯ２膜である。
次に、図１０に示すように、マスク１７をエッチングマスクとして用いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層５、活性層４、ｎ型ＩｎＰクラッド層３、及びウェハ１６の一部に対して、ドライエッチング処理を施す。これにより、ウェハ１６上に、メサストライプ構造が形成される。ドライエッチング処理として、例えばＳｉＣｌ４を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いることができる。マスク１７を除去することによって得られたメサストライプ構造の厚さは、例えば、２．０μｍ、幅は、例えば、１．５μｍである。
次に、図１１に示すように、メサストライプ構造の両側（メサストライプ構造の幅方向における両側面）を埋め込むように、ｐ型ＩｎＰブロック層６及びｎ型ＩｎＰブロック層７を、ＩｎＰ基板２上から順に成長させる。ｐ型ＩｎＰブロック層６は、例えば、４．０×１０17／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＰ層である。ｐ型ＩｎＰブロック層６の厚さは、例えば３．０μｍである。ｎ型ＩｎＰブロック層７は、例えば、１．０×１０19／ｃｍ3のＳｉがドープされたＩｎＰ層である。ｎ型ＩｎＰブロック層７の厚さは、例えば０．４μｍである。
次に、図１２に示すように、ＨＦ（フッ酸）等を用いてマスク１７を除去する。次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びｎ型ＩｎＰブロック層７の上面が覆われるように、ｐ型ＩｎＰ層８を成長させる。成長したｐ型ＩｎＰ層８は、ｐ型ＩｎＰクラッド層５と一体化する。これにより、ｐ型ＩｎＰクラッド層５は、ｐ型ＩｎＰ層８の一部として機能する。ｐ型ＩｎＰ層８は、例えば、１．２×１０18／ｃｍ３のＺｎがドープされたＩｎＰ層である。ｐ型ＩｎＰ層８の厚さは、例えば２．０μｍである。
次に、図１３に示すように、ｐ型ＩｎＰ層８の上に、コンタクト層９を成長させる。コンタクト層９は、例えば１．２×１０19／ｃｍ３のＺｎがドープされたｐ型のＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層９の厚さは、例えば０．５μｍである。次に、少なくともメサストライプ構造の上方の領域以外のコンタクト層９上に保護膜１０を形成する。そして、コンタクト層９において保護膜１０から露出した領域及び保護膜１０を覆うように、ｐ型電極１１を形成する。また、ウェハ１６の下面にｎ型電極１２を形成する。保護膜１０は絶縁膜であり、例えばＳｉＯ２等を含む。ｐ型電極１１は、例えば、Ｔｉ層とＰｔ層とＡｕ層との積層体である。ｎ型電極１２は、例えば、Ａｕ層とＧｅ層とＮｉ層との積層体である。これにより、図１に示される半導体レーザ素子１に相当する素子がウェハ１６に複数形成される。次に、半導体レーザ素子１を製造する場合、ウェハ１６を劈開する際、第２回折格子１５の領域においてウェハ１６を劈開する。これによって、複数の半導体レーザ素子１が形成される。
以上の工程により、半導体レーザ素子１が完成する。本実施形態にかかる半導体レーザ素子１の作用効果について、比較例と比較しながら説明する。
図１４は、比較例にかかる半導体レーザ素子１８の断面図である。半導体レーザ素子１８は、第１回折格子１４の両端に回折格子が形成されていない部分１９を有する。半導体レーザ素子１８のその他の構成は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１と同様である。比較例にかかる半導体レーザ素子１８を製造する場合、ウェハ１６を劈開する際、回折格子が形成されていない部分１９が劈開される（すなわち、当該部分１９をウェハ１６の劈開位置とする）。このような部分１９が予め形成されている場合、エピタキシャル成長時に、第１回折格子１４の光導波方向における両端において成長状態に変化が生じる。これにより、第１回折格子１４の上記両端を起点としたエピタキシャル層の結晶欠陥の発生、及び終端の形状に乱れが生じる。その結果、上記結晶欠陥が活性層４内における活性領域に入り込み、比較例にかかる半導体レーザ素子１８のレーザ発振効率が低下するという問題が生じる。他方、本実施形態にかかる半導体レーザ素子１では、第１回折格子１４と第２回折格子１５とが光導波方向に沿って連続して並んでいる。このため、エピタキシャル成長時に、第１回折格子１４の光導波方向における両端において成長状態は変化しない。したがって、第１回折格子１４の両端から成長するエピタキシャル層の結晶欠陥の発生を抑え、該結晶欠陥が活性層４内における活性領域に入り込む現象を抑えることができる。その結果、レーザ発振効率への影響を抑えることできる。
なお、上記成長状態の変化とは、ｎ型ＩｎＰクラッド層３等をエピタキシャル成長する際において、第１回折格子１４の両端近傍の領域の成長状態と、それ以外の領域の成長状態との違いを示す。また、結晶欠陥は、第１回折格子１４の両端を起点として少なくともｎ型ＩｎＰクラッド層３に発生するものであり、必ずしも上記両端内に発生することのみを示さない。
もっとも、回折格子は、その有する周期に応じて、特定の波長を有するレーザ光を除いてレーザ光を弱める作用を及ぼす。よって、第２回折格子１５が、ゲイン波長を有するレーザ光を残す周期を有する場合、第１回折格子により発振させたい波長以外の波長においてレーザ発振が生じてしまう。かかるレーザ発振を防ぐために、第２回折格子１５の周期は、第２回折格子が、ゲイン波長を有するレーザ光を残す作用を奏さない範囲であるとよい。具体的には、第２回折格子１５の周期は、第１回折格子１４の周期の０．９５倍以下、又は、１．０５倍以上（好ましくは第１回折格子１４の周期の０．８倍以下、又は、１．２倍以上）であるとよい。第２回折格子１５の周期がこの範囲に収まっている場合、第２回折格子１５はゲイン波長を有する光を残す作用をほとんど奏さない。したがって、第２回折格子１５を、その周期が上記範囲内に収まるように設計することにより、第２回折格子１５がレーザ発振に及ぼす影響を抑えることができる。
図１５は、レーザ発振波長が１．５００μｍとなるように設計されたＭＱＷ構造のゲイン波長Ｇ１と、１．３００μｍのブラッグ波長Ｇ２を示す図である。図１５が示すように、レーザ発振波長が１．５００μｍとなるようにＭＱＷ構造が設計されている場合、ゲイン波長はおよそ１．５００μｍから１．７００μｍの範囲内に収まっている。したがって、この場合、第２回折格子１５が１．３００μｍ以下の波長を有する光を発振させる作用を奏するとしても、１．３００μｍ以下の波長を有する光はほとんど存在しない。この場合、第２回折格子１５がレーザの発振に及ぼす影響は極めて小さい。
レーザ発振波長が１．５００μｍとなるように設計された第１回折格子１４の周期は０．２４μｍであって、その０．８倍は０．１９２μｍである。この値（０．１９２μｍ）は、レーザ発振波長が１．３００μｍとなるように設計された第１回折格子１４の周期である０．２０μｍよりも小さい。したがって、第２回折格子１５の周期を０．１９２μｍにすれば、第２回折格子１５は、１．３００μｍよりもさらに短い波長を有する光のみに作用する。上記波長帯にゲインを有しない本実施形態においては、第２回折格子１５がレーザ発振に与える影響は極めて小さい。
（第２実施形態）
図１６は、第２実施形態にかかる半導体レーザ素子２０の断面図である。半導体レーザ素子２０は、第１実施形態の半導体レーザ素子１の構成に加えて、変調領域２１を更に備える。変調領域２１は、第２回折格子１５上に形成されており、光導波路２２と、ｐ型ＩｎＰクラッド層５上に設けられたコンタクト層２３と、コンタクト層２３上に設けられたｐ型電極２４とを有する。光導波路２２は、量子井戸構造を有する半導体積層体である。なお、変調領域２１内のｎ型ＩｎＰ基板２、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びｎ型電極１２のそれぞれは、活性層４の上方又は下方に設けられたｎ型ＩｎＰ基板２、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びｎ型電極１２の一部である。この半導体レーザ素子２０では、ｐ型電極２４とｎ型電極１２との間に変調電圧が印加されることにより、活性層４において発生したレーザ光が光導波路２２を通過する際に変調される。なお、光導波路２２は例えば以下の手法によって形成される。具体的には、最初に図８等に示される活性層４において、第２回折格子１５上の該活性層４を選択的にエッチングする。そして、活性層４がエッチングされた領域に選択的に光導波路２２となる積層体を形成する。光導波路２２を形成した後の工程は、第１実施形態と同じである。本実施形態では変調領域２１を形成するための導波路の製造方法を説明したが、変調領域２１以外の用途の導波路の形成方法も、本実施形態と同様の方法で形成することができる。
本実施形態の半導体レーザ素子２０においても、第１実施形態と同様に、第１回折格子１４と第２回折格子１５とが連続して並んでいる。このため、エピタキシャル成長時に、第１回折格子１４の光導波方向における両端において成長状態は変化しない。したがって、第１回折格子１４の両端から成長するエピタキシャル層の結晶欠陥の発生を抑えることができる。
（第３実施形態）
図１７は、第３実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程のうち、ウェハ１６の上に回折格子を形成する工程において、ウェハ１６の主面に垂直な方向からウェハ１６を見た図である。図１８は、図１７に示すウェハ１６のうち、半導体素子になるべき部分の１つを拡大した図である。
図１７及び図１８には、ウェハ１６と、第３回折格子２５と、第４回折格子２６とが示されている。第３回折格子２５と第４回折格子２６とが有する周期は同じであって、これらの周期は、例えば第１実施形態の１４と同一である。第３回折格子２５はストライプ状に形成されている。第４回折格子２６は、ウェハ１６の主面に垂直な方向から見てテーパを付けて広がっている。したがって、第４回折格子２６の光導波方向における端のうち、第３回折格子２５と連続する側の端と反対側の端（以下「終端２７」という。）について、光導波方向と垂直な方向における終端２７の横幅の長さは、光導波方向と垂直な方向における第３回折格子２５の横幅の長さの２〜３倍程度である。なお、第３回折格子２５の幅Ｗ１は、例えば、１０μｍ、第４回折格子２６の幅Ｗ２は、例えば、２０μｍである。
ここで、上述した横幅及び縦幅について説明する。第３回折格子２５及び第４回折格子２６を構成するパターン（端及び終端２７を含む）において、ウェハ１６の主面に垂直な方向から見て、光導波方向に沿った方向の長さを縦幅とし、光導波方向と垂直な方向の長さを横幅とする。また、ストライプ状の第３回折格子２５は、第３回折格子２５を構成するパターンが光導波方向に沿って直線状に配列した集合体に相当する。第３回折格子２５を構成するパターンの横幅は均一又は略均一である。また、ストライプ状の第３回折格子２５のストライプ幅は、当該第３回折格子２５を構成するパターンの横幅に相当する。第４回折格子２６を構成するパターンの横幅は、ウェハ１６の主面に垂直な方向から見て、隣接する第３回折格子２５側から当該第３回折格子２５の反対側に向かって徐々に大きくなっている。したがって、第４回折格子２６を構成するパターンの一部である終端２７の横幅は、第３回折格子２５のストライプ幅よりも大きい。
図１９は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子１の光導波方向に垂直な断面を示す図である。図１９に示されるように、第３回折格子２５の幅Ｗ１は、メサストライプ構造のストライプ幅Ｗ以下となっている。このメサストライプ構造２９は、第３回折格子２５及び第４回折格子２６上にｎ型ＩｎＰクラッド層３、活性層４、及びｐ型ＩｎＰクラッド層５を形成してエッチングすることにより形成される。第３回折格子２５及び第４回折格子２６は、同じ周期を有しているため、波長に影響を与えない。
なお、本実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程は、第１実施形態において図４〜図６に示した回折格子形成工程を除いて、すべて第１実施形態に係る半導体レーザ素子１の製造工程と同じである。すなわち、第１実施形態においては、図４〜図６に示す回折格子形成工程において、第１回折格子１４及び第２回折格子１５を生成するが、本実施形態においては、第１回折格子１４及び第２回折格子１５を生成する代わりに、第３回折格子２５及び第４回折格子２６を生成する。
本実施形態にかかる半導体レーザ素子を製造する過程では、エピタキシャル成長時において、第４回折格子２６の終端２７から成長するエピタキシャル層の結晶欠陥が生ずる。もっとも、該結晶欠陥は、終端２７のうち、光導波方向に垂直な方向の端側（以下「終端隅側２８」という。）に偏在する。したがって、図９に示されるマスク１７を積層方向において終端隅側２８に重ならないように形成した後、図１０に示されるエッチングによって終端隅側２８を除去することにより、該結晶欠陥の多くは除去されることになる。よって、該結晶欠陥が活性層４の中の活性領域に入り込む現象を抑えることができる。
（第４実施形態）
図２０は、第４実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程のうち、ウェハ１６の上に回折格子を形成する工程において、ウェハ１６の主面に垂直な方向からウェハ１６を見た図である。図２１は、図２０に示すウェハ１６のうち、後に半導体素子になる部分の１つを拡大した図である。
図２０及び図２１に示されるように、ウェハ１６上には、連続して設けられる第１回折格子１４及び第２回折格子１５を少なくとも一ずつ含む複数の領域４１が、光導波方向に沿ってそれぞれ離間するように設定されている。第１回折格子１４及び第２回折格子１５を形成する際には、電子ビーム露光装置を用いて、これらの領域４１のそれぞれに電子ビームが照射される。したがって、領域４１は、電子ビームにより露光される被露光領域とも呼称される。
図２２は、比較例に係る第１回折格子の一部を拡大した図面である。図２２に示されるように、比較例に係る半導体レーザ素子には、第２回折格子１５が設けられていない。また、電子ビームにより露光される複数の領域１４１は、光導波方向に沿って互いに連結するように設定されている。この場合、複数の領域１４１を同時に露光することができないため、少なくとも２回照射される。このとき、領域１４１同士の連結部１４２においては、アライメントの誤差により、電子ビームが２回照射される。これは、パターンがずれた状態で露光されるため、所望のパターンを得ることができない。したがって、ウェハ１６の主面に垂直な方向において連結部１４２に重なる第１回折格子１４が異常成長しやすくなる（特に、当該第１回折格子１４の隅側１４ａが異常成長しやすくなる）。この異常成長した部分が第１回折格子１４に設けられる場合、当該第１回折格子１４を含むメサストライプ構造の特性が劣化し、半導体レーザ素子の発光効率が低下することがある。
これに対して、本実施形態においては、連続して設けられる第１回折格子１４及び第２回折格子１５を少なくとも一ずつ含む複数の領域４１が、光導波方向に沿ってそれぞれ離間するように設定されている。このため、光導波方向において領域４１同士が重ならないので、第１回折格子１４及び第２回折格子１５において電子ビームにより複数回露光される箇所がなくなる。これにより、第１回折格子１４及び第２回折格子１５における異常成長の発生が低減するので、良好な発光効率を有する半導体レーザ素子を得ることができる。また、本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態と同様の作用効果が奏される。
（第５実施形態）
図２３は、第５実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造工程のうち、ウェハ１６の上に回折格子を形成する工程において、ウェハ１６の主面に垂直な方向からウェハ１６を見た図である。図２４は、図２３に示すウェハ１６のうち、後に半導体素子になる部分の１つを拡大した図である。
図２３及び図２４に示されるように、第４実施形態と同様にウェハ１６上には、連続して設けられる第１回折格子１４及び第２回折格子１５を少なくとも一ずつ含む複数の領域４１が設定されている。本実施形態では、複数の領域４１は、光導波方向にそってそれぞれ連結している。当該領域４１同士が連結する連結部４２は、複数の第２回折格子１５の内の一部である回折格子１５ａに対して、ウェハ１６の主面に垂直な方向において重なるように設定される。複数の第２回折格子１５の内の一部である回折格子１５ａは、光導波方向に沿ってストライプ状に形成される第１回折格子１４の幅（第１の幅）Ｗ３よりも大きい幅Ｗ４を有する。よって、連結部４２は、第１回折格子１４の幅Ｗ３よりも大きい幅Ｗ４を有する回折格子１５ａが、別の領域４１の回折格子１５ａと重なるように設定されている。この場合、複数の領域４１を同時に露光することができないため、少なくとも２回照射される。このとき、領域４１同士の連結部４２においては、アライメントの誤差により、電子ビームが２回照射される。これは、パターンがずれた状態で露光されるため、所望のパターンを得ることができない。したがって、ウェハ１６の主面に垂直な方向において連結部４２に重なる第２回折格子１５の内の一部である回折格子１５ａが異常成長しやすくなる。
本実施形態においては、第３実施形態と同様に、第１回折格子１４、第２回折格子１５、及び活性層４をエッチングすることによって、第１回折格子１４の幅Ｗ３以下のストライプ幅を有するメサストライプ構造が形成される。この際、メサストライプ構造の幅方向において、当該メサストライプ構造よりも外側の第１回折格子１４、第２回折格子１５、及び活性層４は除去される。
本実施形態では、電子ビームにより少なくとも２回露光される領域４１同士の連結部４２を第２回折格子１５に重ねるように設定している。また、第２回折格子１５において連結部４２と重なる回折格子１５ａの幅Ｗ４は、第１回折格子１４の幅Ｗ３よりも大きい。第１回折格子１４の幅Ｗ３は、例えば、１０μｍ、第２回折格子１５ａの幅Ｗ４は、例えば、２０μｍである。これにより、当該回折格子１５ａにおける異常成長した部分は、メサストライプ構造の幅方向（第１回折格子１４の幅方向）において、当該メサストライプ構造よりも外側（例えば隅側５１）に偏在する。そしてこの偏在した異常成長部分は、メサストライプ構造の形成時にエッチングによって除去される。したがって、当該異常成長部分によるメサストライプ構造の特性に対する影響が抑制され、良好な発光効率を有する半導体レーザ素子を得ることができる。また、本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態と同様の作用効果が奏される。
本発明による半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では第１回折格子の両端に第２回折格子が接続されているが、第１回折格子の片端に第２回折格子が接続されていてもよい。また、第１実施形態及び第２実施形態においても、第３実施形態等と同様に、メサストライプ構造のストライプ幅は、第１回折格子１４の幅Ｗ３以下であってもよい。また、技術的に可能な範囲において、実施形態（例えば第１実施形態）に他の実施形態（例えば第３実施形態）の記載を適宜用いてもよい。
１…半導体レーザ素子、２…ｎ型ＩｎＰ基板、３…ｎ型ＩｎＰクラッド層、４…活性層、５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、６…ｐ型ＩｎＰブロック層、７…ｎ型ＩｎＰブロック層、８…ｐ型ＩｎＰ層、９…コンタクト層、１０…保護膜、１１…ｐ型電極、１２…ｎ型電極、１３…劈開面（出射面）、１４…第１回折格子、１５…第２回折格子、１６…ウェハ。

Claims (7)

  1. ウェハ上に回折格子層を形成する第１工程と、
    前記回折格子層上に互いに周期の異なる第１レジストパターン及び第２レジストパターンを、電子ビーム露光法を用いて連続して形成する第２工程と、
    前記第１レジストパターン及び前記第２レジストパターンをマスクとし、前記回折格子層をエッチングすることによって、互いに周期の異なる第１回折格子及び第２回折格子を形成する第３工程と、
    前記第１回折格子上に利得を有する活性層、及び、前記第２回折格子上に利得を有さない導波路層を形成する第４工程と、
    を含み、
    前記第２工程では、前記第１レジストパターンの両側に前記第２レジストパターンを形成し、
    前記第２回折格子の周期は、前記第１回折格子の周期の１．０５倍以上もしくは０．９５倍以下であり、
    前記第２回折格子側に端面を形成する第５工程をさらに含む、半導体レーザ素子の製造方法。
  2. 前記ウェハを、前記第２回折格子が存する部分において劈開することにより、劈開面を形成する第５工程をさらに含む、請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  3. 前記第２工程では、
    連続して設けられる前記第１回折格子及び前記第２回折格子を少なくとも一ずつ含む複数の被露光領域を、光導波方向に沿ってそれぞれ離間するように設定し、
    前記複数の被露光領域のそれぞれに対して、前記電子ビームによって露光する、請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  4. 前記第１回折格子、前記第２回折格子及び前記活性層を同一幅のストライプマスクを用いてエッチングすることにより、前記第１回折格子のストライプ幅以下のストライプ幅を有し、前記第１回折格子、前記第２回折格子、及び前記活性層を含むストライプ状のメサ部を形成する第６工程をさらに含み、
    前記第６工程後、前記第１回折格子のストライプ幅は、前記第２回折格子のストライプ幅と同一である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  5. 第１の幅を有するストライプ状の前記第１回折格子と、前記第２回折格子と、前記活性層とをエッチングすることにより、前記第１の幅以下のストライプ幅を有するメサストライプ構造を形成する第６工程をさらに含み、
    前記第１工程では、
    連続して設けられる前記第１回折格子及び前記第２回折格子を少なくとも一ずつ含む複数の被露光領域を、光導波方向に沿ってそれぞれ連結するように設定し、
    前記複数の被露光領域の連結部を前記第２回折格子に重ねるように設定し、
    前記第２回折格子において前記連結部と重なる部分の幅は、前記第１の幅よりも大きい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  6. 基板上に形成される第１回折格子と、
    前記第１回折格子の光導波方向における少なくとも片端に接続され、前記第１回折格子の周期の１．０５倍以上又は０．９５倍以下の周期を有する第２回折格子と、
    前記第１回折格子の上に形成され、利得を有する活性層と、
    前記第２回折格子の上に形成され、利得を有さない導波路層と、
    を備え、
    前記第２回折格子は、前記第１回折格子よりも端面側に配置される、半導体レーザ素子。
  7. 前記第２回折格子は、前記光導波方向において前記第１回折格子の両側に配置される、請求項６に記載の半導体レーザ素子。
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