JPH01270284A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は波長の異なるレーザ光を発光する半導体レーザ
部を複数有するレーザアレイ型半導体レーザ素子に関し
、特に光通信用の光源として利用して有効な技術に関す
る。

〔従来の技術〕

半導体レーザ（半導体レーザ素子）は、ディジタルオー
ディオディスク、ビデオディスク、光デイスクファイル
、レーザビームプリンタ等の情報処理装置用光源として
、あるいは光通信用光源として広く使用されている。

可視光半導体レーザ素子や長波長半導体レーザ素子につ
いては、たとえば、株式会社プレスジャーナル発行「月
刊セミコンダクター　ワールド（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ　　Ｗｏｒｌｄ）」１９８４年７．月号、昭和５
９年６月１５日発行、Ｐ４７〜Ｐ５２に記載されている
。また、この文献には、光通信用半導体レーザ素子の一
つとして、単一な半導体レーザ素子（チップ）から波長
の異なるレーザ光を発光する分布帰還形（Ｄｉｓｔ−ｒ
ｉｂｕｔｅｄ　　Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザが
紹介されている。このレーザアレイ型構造の分布帰還形
半導体レーザは、１本の光ファイバで、波長の異なる光
にそれぞれ信号を乗せて伝送できる結果、゛波長分割多
重通信が可能な発光源となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

光通信においては、大容量通信の必要性から波長分割多
重通信に適したレーザアレイ型半導体レーザ素子の開発
が望まれている。

従来のこの種の半導体レーザ素子は、単位発光部が分布
帰還型半導体レーザとなる単位発光部の回折格子の周期
を、他の単位発光部の回折格子の周期とは異なるように
することによって発振波長（発光波長）を変化させてい
る。

しかし、周期の異なる回折格子を同一基板上に形成する
には、高度な技術が必要とされる。すなわち、従来、同
一基板上に周期（ピッチ）が異なる回折格子を形成する
場合、干渉露光法が考えられるが、この方法では、レー
ザアレイのレーザとレーザの間隔を狭くすることが難し
いとともに、工数が多くなる。また、多重露光による回
折格子形成の際に毎回均一な形成が困難等々の問題も考
えられる。

本発明の目的は、周期の均一な回折格子を有する基板構
造でも、個々の半導体レーザ部から発振波長が異なるレ
ーザ光を発光することができる半導体レーザ素子および
その製造技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子は
、主面に均一な回折格子を有する単一の半導体基板上に
形成された分布帰還形構造からなる３本の半導体レーザ
部を平行に有する構造となっているが、これら各半導体
レーザ部における共振器を構成する活性層、光ガイド層
、アンチメルトバック層は、その幅が、たとえば、０．
９μｍ。

１・　０μｍ、１．１μｍとなっている。

〔作用〕

上記した手段によれば、本発明のレーザアレイ型半導体
レーザ素子は、それぞれが分布帰還形半導体レーザで構
成される半導体レーザ部を平行に３本配設した構造とな
っているが、これら３本の半導体レーザ部の共振器の幅
は、０．　９μｍ、１゜０μｍ、　　１゜１μｍとなっ
ている。このため、各半導体レーザ部の回折格子は同一
であっても共振器の実効屈折率が異なるため、共振器幅
が０．９μｍの半導体レーザ部からは１５５２ｎｍのレ
ーザ光を、共振器幅が１．０μｍの半導体レーザ部から
は１５５５ｎｍのレーザ光を、共振器幅が１゜１μｍの
半導体レーザ部からは１５５８ｎｍのレーザ光を発光さ
せることができる。したがって、光通信における波長分
割多重通信の発光源として用いることができる。

また、前記各半導体レーザ部の共振器の幅はホトエツチ
ング時のマスクパターンの設定で自由に選択できる。ま
た、ホトエツチング技術は確立された技術であることか
ら、前記共振器の幅は高精度かつ再現性良く形成できる
。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の一実施例について説明する
。

第１図は本発明の一実施例によるレーザアレイ型半導体
レーザ素子を示す断面図、第２図〜第５図は本発明のレ
ーザアレイ型半導体レーザ素子の製造方法を示す図であ
って、第２図はチップ製造に使用される多層成長層が形
成されたウェハを示す断面図、第３図はメサエッチング
が施されたウェハの断面図、第４図は埋め込み成長処理
が施されたウェハの断面図、第５図は電極形成が形成さ
れたウェハの一部を示す拡大断面図である。

本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子（チップ）は
、分布帰還形半導体レーザによって構成され、実施例で
は、３本（３個）の単位半導体レーザ部を平行に配した
構造となっている。

ここで、本発明の思想について説明する。

分布帰還型半導体レーザの発振波長（発光波長）λは、
共振器の実効屈折率（有効屈折率）をｎ、内部に設けた
回折格子（グレーティング）の周期（ピッチ）を八とす
ると、（１）で表される。

λ−２ｎΔ　　　・・・　（１） したがって、レーザの発振波長を変えるためには、グレ
ーティングのピッチΔあるいは実効屈折率ｎのいずれを
変えても良い。

そこで、本発明者は、共振器の実効屈折率ｎを変化させ
ることによって、発振波長の異なるレーザ光を複数発光
するレーザアレイ型半導体レーザ素子を製造することに
した。

分布帰還形半導体レーザにおいて、実質的に共振器を構
成する活性層、光ガイド層、アンチメルトバック層の屈
折率はクラッド層の屈折率より大きい、一方、共振器中
の光はクラッド層にも滲み出しており、活性層、光ガイ
ド層、アンチメルトバック層の幅または厚さを変えるこ
とによって、クラッド層中への光の滲み出し量が変化し
、実効屈折率ｎが変化する。したがって、回折格子の周
期へが一定でも、ｎを変化させ発振波長を変えることが
可能である。

この実施例のレーザアレイ型半導体レーザ素子（以下単
にチップとも称する。）１は、第１図に示されるような
構造となっている。すなわち、このチップ１は、ｎ形Ｉ
ｎＰからなる基板２の主面（上面）に多層成長層３から
なるストライプ４が３本手行に延在している。前記基板
２の主面には、干渉露光方法とホトリソグラフィ技術に
よって、周期２４０ｎｍの回折格子が形成されている。

また、前記多層成長層３は下層から上層にｎ形ＩｎＧａ
Ａｓからなる光ガイド層５．ＩｎＧａＡｓＰからなる活
性層６．Ｐ形１ｎＧａＡｓＰからなるアンチメルトバッ
クＪＷ７．ｐ形１ｎＰからなるクラッド層８．Ｐ形Ｉ　
ｎＧａＡｓ　Ｐからなるキャップ層９が順次積層された
構造となっている。そして、前記基板２は作用的には下
部クラッド層となっている。

この実施例では、前記光ガイド層５．活性層６゜アンチ
メルトバック層７のバンドギャップ波長が、それぞれ１
．２５μｍ、１．５５μｍ、１．２５μｍとなり、かつ
ＩｎＰからなる基板２と格子整合がとれるように４元の
混晶比が調整されている。

また、前記光ガイド層５．活性層６．アンチメルトバッ
ク層７の厚さは、それぞれ０．１μｍ、０゜１５μｍ、
０．１μｍとなり、前記クラッド層８の厚さは３．５μ
ｍとなっている。また、これら３本のストライプ４は、
その製造におけるエツチングにおいて、その結晶性から
前記活性層６部分の幅が最も細くなる逆メサ構造となっ
ている。

一方、各ストライプ４における活性層６部分は、その幅
が’Ｌ　＝０．９μｍ、Ｗｚ　＝１．０μｍ。

Ｗ３＝１．１μｍと相互に異なっている。また、前記各
ストライプ４の間の基板２が露出する領域には、エピタ
キシャル成長法によって、ｐ形ＩｎＰからなるフ゛ロン
クＮＩＯ，ｎ形１ｎＰからなる埋込層１１．キャップ層
１２が設けられ、エツチングによる富みを埋めた状態と
なっている。また、各ストライプ４の最上層のキャップ
層９上には、アノード電極１３がそれぞれ設けられてい
る。また、前記基板２の裏面全域にはカソード電極１４
が設けられている。これにより、各ストライプ４の光ガ
イド層５．活性層６．アンチメルトバック層７によって
、それぞれ単位半導体レーザ部（半導体レーザ部）１５
が構成されている。

このようなレーザアレイ型半導体レーザ素子ｌにあって
は、前記カソード電極１４と所望のアノード電極１３と
の間に所定の電圧を印加すれば、それぞれのストライプ
４における半導体レーザ部１５からレーザ光を発光する
。したがって、３つのアノード電極１３に同時に所定の
電圧を印加すれば、３つの半導体レーザ部１５からそれ
ぞれ波長の異なるレーザ光を発光することになる。すな
わち、活性層６の幅Ｗｌが０．　９μｍの半導体レーザ
部１５からは１５５２ｎｍの発振波長のレーザ光を、活
性層６の幅Ｗ２が１．０μｍの半導体レーザ部１５から
は１５５５ｎｍの発振波長のレーザ光を、活性層６の幅
Ｗ、が１．１７７ｍの半導体レーザ部１５からは１５５
８ｎｍの発振波長のレーザ光をそれぞれ発光する。

つぎに、レーザアレイ型半導体レーザ素子（チップ）１
の製造について説明する。

チップ１の製造に際しては、最初に第２図に示されるよ
うに、化合物半導体薄板（ウェハ）１６が用意される。

このウェハ１６はｎ形１ｎＰｃ７）ｉ板２によって形成
され、その主面の（１００）結晶面上には多層成長層３
が形成されている。前記基板２の主面は、干渉露光方法
とホトリソグラフィ技術によって、周期２３８ｎｍの回
折格子が形成されている。前記多層成長層３は、液相エ
ピタキシャル成長法によって形成され、ｎ形１　ｎＧａ
Ａｓの光ガイド層５．ＩｎＧａＡｓＰの活性層６゜ｐ形
１ｎＧａＡｓＰのアンチメルトバック層７゜ｐ形１ｎＰ
のクラッドＪｉ８．ｐ形１　ｎＧａＡｓ　Ｐのキャップ
層９が順次積層された構造となっている。この実施例で
は、前記光ガイド層５．活性層６、アンチメルトバック
層７のバンドギャップ波長が、それぞれ１．２５μｍ、
１．５５μｍ、１゜２５μｍとなり、かつＩｎＰからな
る基板２と格子整合がとれるように４元の混晶比が調整
されている。また、前記光ガイド層５．活性層６．アン
チメルトバック層７の厚さは、それぞれ０．１μｍ、０
．１５μｍ、０．１μｍとなり、前記クラッド層８の厚
さは３．５μｍとなっている。

つぎに、第３図に示されるように、常用のＣＶＤ法やホ
トリソグラフィによって、ろエバ１６の主面にＳｉＯ□
膜等からなる絶縁膜が、＜１１０〉軸の襞間方向に沿っ
てストライプ状に並んで形成される。これらストライプ
状の絶縁膜はマスク１７として使用されてウェハ１６の
主面はエツチングされる。このエツチングは、活性層６
および光ガイド層５を越えて基板２の表層部にまで達す
る。このエツチングにあって、前記マスク１７に被われ
た活性層６から上方部分は異方性エツチングの結果、そ
の断面が逆三角形となる逆メサ部となり結晶の＜１１０
＞方向に沿ってストライプ状に残留し、かつ、活性層６
から下方は放物線を描くような順メサ部となっている。

また、前記活性層６は略最も幅の狭い箇所に位置してい
る。

ところで、このエツチングにおいて、前記多層成長層３
がストライプ状にエツチングされるため、逆メサ状のス
トライプ４が形成される。これらストライプ４は平行に
並ぶ３本が一つのチップ１内に設けられるようになる。

したがって、第３図の二点鎖線間が１チツプを構成する
領域となる。また、この１チツプ形成領域にあって、前
記マスク１７の幅は、それぞれり、　、　　ｔ、ｚ、　
　Ｌ：ｌ　　（Ｌ、＋　＜Ｌ、＜１．、）と異なるよう
に形成される。そして、このエツチングによって形成さ
れた各ストライプ４の活性層６における幅はそれぞれＷ
、、Ｗ、。

Ｗ、と、左側から右側に向かうにつれて活性層６の幅が
広く形成される。たとえば、幅Ｗｌは０゜９μｍ、Ｗｚ
は１　、０．１７　ｍ、　Ｗ３は１．１ａｍに形成され
る。

つぎに、第４図に示されるように、エツチングによって
窪んだ部分にはエピタキシャル成長法によって、ｐ形１
ｎＰからなるブロック層１０．ｎ形１ｎＰからなる埋込
層１１．キャップ層１２が設けられ、エツチングによる
窪みが埋められる。

つぎに、ウェハ１６上のマスク１７は除去される。その
後、第５図に示されるように、前記ウェハ１６の主面に
は金糸電極材料からなるアノード電極１３が、裏面には
金糸電極材料からなるカソード電極１４がそれぞれ設け
られる。前記アノード電極１３は、部分的に除去されて
前記ストライプ４の上の部分に形成される。また、カソ
ード電極１４はウェハ１６の裏面全域に設けられる。

つぎに、このようなウェハ１６は襞間３分断が行われ、
第１図に示されるようなチップ１が多数形成される。

（１）本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子は、分
布帰還形半導体レーザ構造からなる３本の単位半導体レ
ーザ部を有しているが、これら３本の半導体レーザ部は
共振器を構成する光ガイド層。

活性層、アンチメルトバック層の幅が、Ｗ、　、　Ｗよ
、Ｗ、と異なるため、それぞれ発振波長の異なるレーザ
光を発光させることができるという効果が得られる。

（２）上記（１）により、本発明のレーザアレイ型半導
体レーザ素子は、発振波長の異なるレーザ光を複数発光
することから、光通信における波長分割多重通信の発光
源として用いることができるという効果が得られる。

（３）本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子は、発
振波長の異なるレーザ光を発光する構造となっているが
、発振波長の異なるレーザ光を発光する共振器部分は、
多層成長層をストライプ状にエンチングする際のエツチ
ングマスクの幅を変えてやるだけで良い、また、このエ
ツチングマスク形成にあっては、エツチングマスク形成
用のレティクルのパターンを単に変えるだけで良いこと
から、特に新たな技術を必要とするものではなく簡単に
実行できるという効果が得られる。

（４）上記（３）により、本発明のレーザアレイ型半導
体レーザ素子は、その製造に際して、従来確立されたホ
トリソグラフィによって形成できるため、高精度かつ再
現性良く製造でき、歩留りが向上するという効果が得ら
れる。

（５）本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子は、発
振波長が異なる複数の共振器をエツチングマスクのパタ
ーン変更によって形成できることから、各共振器を近接
させることができ、レーザアレイの小型化が達成できる
という効果が得られる。

（６）上記（１）〜（５）により、本発明によれば、複
数の発振波長を発光できるモノリシックな分布帰還形レ
ーザアレイを安価に製造することができるという相乗効
果が得られる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。たとえば、前記実施例で
は、共振器を構成する光ガイド層、活性層、アンチメル
トバンク層全体の幅を変化させたが、発振波長を変える
ためには、これら三層のうちのいずれか一つの層の幅を
変えることによっても達成できる。また、結晶成長の条
件や材料系、所望する波長帯によりアンチメルトバック
層は必ずしも必要ではない、また、前記実施例では半導
体レーザ部の数は３本で説明したが、本発明では半導体
レーザ部は３本に限定されないことは言うまでもない、
さらに前記実施例では、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系の波長
１．５５μｍ帯の半導体レーザを用いて説明したが、他
の材料系を用いても当然良い。

第６図〜第８図は本発明の他の実施例を示す。

第６図は他の構造によるレーザアレイ型半導体レーザ素
子を示す正面図であり、第７図および第８図は同じく各
半導体レーザ部１５における共振器の厚さを異にする製
造方法を示す図である。

この実施例では、３本の単位半導体レーザ部１５におけ
る共振器の厚さを変化させることによって、各共振器に
おける実効屈折率を相互に異にさせた例である。この例
では、３本の単位半導体レーザ部１５における共振器の
幅、代表的には活性層６の幅は、前記実施例とは異なり
、一定の幅となっているが、前記共振器を構成する光ガ
イド層５、活性層６．アンチメルトバック層７を形成す
る際、すなわち、ウェハ１６上に液層エピタキシャル成
長で多層成長層３を形成する際、第８図に示されるよう
に、ウェハ１６を載置した基板ホルダ２０を所定の角度
（θ）傾斜させることによって得られる。すなわち、前
記基板ホルダ２０上には溶液ホルダ２１が載置される。

この溶液ホルダ２１には、その移動方向に沿って各室２
２が設けられ、各室２２に収容されたｉｔ＆２３に基づ
いて、前記ウェハ１６の主面には所望の組成のエピタキ
シャル層が形成されることになる。この例では、各室２
２は５室設けられているため、ウェハ１６の主面には順
次、光ガイド層５．活性層６．アンチメルトバンク層７
．クラッド層８．キャップ層９が形成されることになる
。

このように、多層成長層３の形成において、たとえば、
基板ホルダ２０を４度〜６度の間で傾斜させると、各半
導体レーザ部１５の共振器の厚さは、ｔ、＝０．３４５
μｍ、ｔｚ　＝０．３５０μｍ、ｔ３　＝０．３５５μ
ｍとなる。そして、１゜の半導体レーザ部１５からは１
５５３ｎｍのレーザ光が発光され、ｔ２の半導体レーザ
部１５からは１５５５ｎｍのレーザ光が発光され、ｔ、
の半導体レーザ部１５からは１５５７ｎｍのレーザ光が
発光される。

なお、この例でも共振器を構成する光ガイド層５、活性
層６．アンチメルトバック層７のうち、いずれかの層の
厚さを変えることによって発振波長も変化する。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野であるレーザアレイ型半導
体レーザ素子単体の製造技術に適用した場合について説
明したが、それに限定されるものではなく、分布帰還形
半導体レーザ部を有する光集積回路の製造技術にも適用
できる。

本発明は少なくとも分布帰還形半導体レーザ部を有する
半導体レーザ素子の製造技術に適用できる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子は主面に一定
の周動の回折格子を有する基板上にそれぞれ３本の分布
帰還形半導体レーザからなる半導体レーザ部を有してい
るが、各半導体レーザ部の共振器の実効屈折率は、共振
器の幅または厚さをそれぞれ異にする構造となっている
ことから、３本の半導体レーザ部から相互に異なった発
振波長のレーザ光を発光させることができる。この結果
、本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子は、波長分
割多重光通信の発光源として充分使用できることになる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるレーザアレイ型半導体
レーザ素子を示す断面図、 第２図は本発明のレーザアレイ型半導体レーザ素子の製
造方法におけるチップ製造に使用される多層成長層が形
成されたウェハを示す断面図、第３図は同じくメサエッ
チングが施されたウェハの断面図、 第４図は同じく埋め込み成長処理が施されたウェハの断
面図、 第５図は同じ＜７４Ｎ形成が形成されたウェハの一部を
示す拡大断面図、 第６図は本発明の他の実施例によるレーザアレイ型半導
体レーザ素子を示す断面図、 第７図は同じく液層エピタキシャル成長方法を示す模式
的断面図、 第８回は同じく断面図である。 １・・・レーザアレイ型半導体レーザ素子（チップ）、
２・・・基板、３・・・多層成長層、４・・・ストライ
ブ、５・・・光ガイド層、６・・・活性層、７・・・ア
ンチメルトバンク層、８・・・クラッド層、９・・・キ
ャンプ層、１０・・・ブロック層、１１・・・埋込層、
１２・・・キャップ層、１３・・・アノード電極、１４
・・・カソード電極、１５・・・半導体レーザ部、１６
・・・ウェハ、１７・・・マスク、２０・・・基手反ホ
ルダ、２１・・・ン容ン夜ホルダ、２２・・・各室、２
３・・・溶液。 第　　１　　図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単位半導体レーザ部が分布帰還型半導体レーザで形
   成されたモノリシックなレーザアレイ型半導体レーザ素
   子であって、前記単位半導体レーザ部の共振器の実効屈
   折率が他の単位半導体レーザ部の共振器の実効屈折率と
   異なっていることを特徴とする半導体レーザ素子。 ２、前記単位半導体レーザ部の共振器の幅が他の半導体
   レーザ部の共振器の幅と異なっていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ素子。 ３、前記共振器を構成する活性層、光ガイド層、アンチ
   メルトバック層の少なくとも１つの層の幅が他の単位半
   導体レーザ部の共振器と異なっていることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の半導体レーザ素子。 ４、前記単位半導体レーザ部の共振器の厚さが他の半導
   体レーザ部の共振器の厚さと異なっていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ素子。 ５、前記共振器を構成する活性層、光ガイド層、アンチ
   メルトバック層の少なくとも１つの層の厚さが他の単位
   半導体レーザ部の共振器と異なっていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項記載の半導体レーザ素子。 ６、半導体基板主面に回折格子を設ける工程と、この基
   板の主面に順次エピタキシャル成長によって共振器を構
   成する層を含む多層成長層を形成する工程と、前記多層
   成長層を数条に亘ってエッチング除去して多層成長層か
   らなる複数のストライプを形成する工程と、前記ストラ
   イプ間をエピタキシャル成長層によって埋め込み複数の
   単位半導体レーザ部を形成する工程とを有するレーザア
   レイ型半導体レーザ素子の製造方法であって、前記多層
   成長層形成におけるエピタキシャル成長時、前記基板主
   面を傾斜させて、少なくとも共振器を構成する層の厚さ
   を連続的に変化させ、各ストライプにおける共振器の厚
   さを段階的に変化させることを特徴とする半導体レーザ
   素子の製造方法。