JPH0430490A - 半導体レーザ素子とその製造方法 - 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） 本発明は半導体レーザ素子の製造方法に関し、特に、回
折格子構造を備え、単一縦モードでレ−ザ光を発振させ
ることのできる半導体レーザ素子の製造方法に関する。

（従来の技術） 分布帰還（ＤＦＢ）型及び分布反射（ＤＢＲ）型半導体
レーザ素子は、活性層及び該活性層に隣接する層のどち
らか一方の層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期
の周期構造を有する凹凸部分が形成された回折格子構造
を備え、活性層内で発生した光を、その回折格子構造に
よりブラッグ反射させることにより、単一の縦モードで
レーザ光を発振させることのできる半導体レーザ素子で
ある。

このような半導体レーザ素子は、高速長距離のための光
通信用光源として、また、光計測用光源として、期待さ
れている。これは、このような半導体レーザ素子が単一
縦モードの安定したレーザ光を８射することができるか
らである。

特に、レーザ光の出射方向（共振器の軸方向）に関して
半導体レーザ素子の中央付近となる位置で、回折格子構
造の位相が、発振波長の４分の１周期ずれた位相シフト
ＤＦＢ型半導体レーザ素子は、単一波長性に優れている
ため、積極的に開発されている。回折格子構造の周期構
造の位相がずれる部分を境界として、その境界から一方
の共振器端面側領域の先導波路と、その境界から他方の
共振器端面側領域の先導波路とは、はぼ対称な構造を有
している。

このようなりＦＢ型半導体レーザ素子は、回折格子のピ
ッチ及び等偏屈折率等によって定まるブラッグ波長に一
致した波長を有するレーザ光を安定に発振することがで
きる。

他に、ＤＦＢ型半導体レーザ素子の一対の共振器端面の
内の一方の端面上に、ＡＲ（Ａｎ　ｔ　ｉ　−Ｒｅｆｌ
ｅｃｔｉｏｎ）コートが施され、他方の端面に高反射率
膜が形成された半導体レーザ素子がある。

このような半導体レーザ素子によれば、ＡＲコートが施
された端面の反射率が低いので、該端面から高出力のレ
ーザ光を取り出すことが可能である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述の従来技術においては、以下に述べ
る問題点があった。

位相シフ）ＤＦＢ型半導体レーザ素子に於いては、回折
格子構造の位相がずれる部分を境界として、その境界か
ら一方の共振器端面側領域の先導波路と、その境界から
他方の共振器端面側領域の先導波路とが、対称な構造で
あるため、上記の一対の共振器端面から放射されるレー
ザ光の出力は、互いに等しくなってしまう。

半導体レーザ素子を高出力で動作させる場合、または、
半導体レーザ素子を光通信用光源として使用する場合、
レーザ光は、半導体レーザ素子の一対の共振器端面の内
の一方から取り出される。

他方から放射されるレーザ光は、レーザ光出力をモニタ
するために利用されるだけであるので、他方から放射さ
れるレーザ光の出力は、高出力である必要はない。従っ
て、２つの端面からほぼ等しい出力のレーザ光を放射さ
せることは、効率が悪い。このような半導体レーザ素子
は、高８力のし一ザ光を得るためには不適当である。

また、一対の共振器端面の内の一方の端面上にＡＲコー
トが施され、他方の端面に高反射率膜が形成された半導
体レーザ素子には、端面の反射率の制御、特にＡＲコー
トの制御が困難であるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであ
り、その目的とするところは、単一縦モードで安定にレ
ーザ光を発振することができ、しかも、高出力のレーザ
光を効率よく放射することのできる半導体レーザ素子の
製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、活性層及び該活性層に隣接する層のどちらか
一方の層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期の周
期構造を有する凹凸部分が形成され、該凹凸部分が形成
された層が第１の領域と第２の領域とに区分され、該第
１の領域と該第２の領域が、レーザ光の出射方向に沿っ
て直列に配された半導体レーザ素子の製造方法に於いて
、該凹白部分が形成されるべき層の該第１の領域の表面
については、ウェットエツチング法を用いて該層をエツ
チングすることにより該凹凸部分を形成し、該凹凸部分
が形成されるべき層の該第２の領域の表面については、
ドライエツチング法を用いて該層をエツチングすること
により該凹凸部分を形成し、そのことにより上記目的が
達成される。

また、活性層及び該活性層に隣接する層のどちらか一方
の層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期の周期構
造を有する凹凸部分が形成され、該凹凸部分が形成され
た層が第１の領域と第２の領域とに区分され、該第１の
領域と該第２の領域が、レーザ光の出射方向に沿って直
列に配された半導体レーザ素子の製造方法に於いて、該
凹凸部分が形成されるべき層の該第１の領域の表面を、
ドライエツチング法によりエツチングする工程と、該第
１の領域に対しＣ行う該エツチング工程のエツチング時
間とは異なるエツチング時間で、該凹凸部分が形成され
るべき層の該第２の領域の表面を、ドライエツチング法
によりエツチングする工程と、を包含していてもよい。

（実施例） 以下に、本発明を実施例について説明する。

まず、第１図に、第１の実施例の方法により作製された
半導体レーザ素子の共振器軸方向に沿った断面図を示す
。

この半導体レーザ素子は、ＤＢＲ型半導体レーザ素子で
ある。

第１図かられかるように、半導体基板１の上面に、先導
波路層５が形成されている。

先導波路層５上の所定領域（図中、Ｃで示す）には、第
１のクラッド層２、活性層３、及び第２クラッド層６が
、この順番で、基板１の側から積層された積層構造１２
が設けられている。

上記積層構造１２が設けられていない２つの領域（図中
、Ａ及びＢで示す）の先導波路層５上には、一定周期の
周期構造を有する凹凸部分が形成され、第１の回折格子
構造１３及び第２の回折格子構造１４を構成している。

第１の回折格子構造１３は、その断面形状がサイン波形
状の周期構造となるように形成されている。第２の回折
格子構造１４は、その断面形状が矩形波形状の周期構造
となるように形成されている。

回折格子構造１３．１４の高さは、何れも８００人とし
た。このとき、デユーティ比を５０とすると、第１の回
折格子構造１３の結合効率は、１００　ｃｍ７１となり
、また、第２の回折格子構造１４の結合効率は、５０ｃ
ｍ−’となる。結合効率の高い第１の回折格子構造１３
の実効的な反射率は高く、結合効率の低い第２の回折格
子構造１４の実効的な反射率は低い。このため、積層構
造１２内で発生した光は、第１の回折格子構造１３のあ
る側の端面からは、はとんど出射されず、第２の回折格
子構造１４のある側の端面から、高出力で放射されるこ
とになる。

次に、第５図を参照しながら、第１図の半導体レーザ素
子を製造する方法を説明する。

まず、半導体基板１の上面全面に、先導波路層５、第１
のクラッド層２、活性層３、第２クラツド眉６を、この
順番で、基板１の側から積層した。

次に、通常のフォトエツチング技術により１、活性領域
として機能する積層構造１２となる部分を残して、一対
の共振器端面の各々に近い領域Ａ及びＢに於ける第２ク
ラッド層６及び活性層３を、エツチングした。

上記エツチングが行われた２つの領域Ａ、　　Ｂの第１
クラッド層２の上、及び積層構造１２の第２クラッド層
６の上に、回折格子構造形成のためのＳｉ３Ｎ４からな
るエツチングマスク９を形成した。

この後、領域Ａの第１クラツド屓２と第２クラッド層６
との上に、第１のレジスト１０を形成したく第５図（ａ
））。

次に、アルゴンイオンビームを用いたＩＢＥ（Ｉｏｎ　
　Ｂｅａｍ　　Ｅｔｃｈｆｎｇ）法により、領域Ｂの第
１クラッド層２に対するエツチングを行った（第５図（
ｂ））。こうして、領域Ｂに、はぼ垂直の側面を有し、
断面形状が矩形波形状の回折格子構造を形成した。ＩＢ
Ｅ法以外に、他のドライエツチング法、例えば、プラズ
マを利用したドライエツチング法を用いてもよい。

このようなドライエツチング法は、ウェットエツチング
法に比較して、形状加工の制御性に優れている。ドライ
エツチング法によれば、断面形状が、三角形状、矩形状
、台形状等の直線的な辺から構成される形状を、凹凸部
分が形成されるべき半導体層の面方位に関係なく、制御
性よく形成できる。

次に、第１のレジスト１０を除去した（第５図（Ｃ））
後、領域Ｂの第１クラッド層２の上と第２クラッド層６
の上とに、第２のレジスト１１を形成した（第５図（ｄ
））。

この後、ウェットエツチング法により、領域Ａの第１ク
ラッド層２をエツチングした。こうして、領域Ａに、断
面形状がサイン波形状の凹凸部分を有する回折格子構造
を形成した（第５図（ｅ））。

次に、第２のレジスト１１を除去した後、５Ｌ３Ｎ４か
らなるエツチングマスク９を除去しく第５図（ｆ））、
第１図に示す半導体レーザ素子を得た。なお、エツチン
グマスク９の材料は、Ｓｉ３Ｎ４に限定されず、エツチ
ングに用いるエッチャントに応じて適切なものを用いれ
ばよい。

上記実施例の製造方法では、第１の回折格子構造１３と
第２の回折格子構造１４とを、各々、異なるエツチング
技術により形成した。異なるエツチング原理に基づいた
エツチング技術により、第１の回折格子構造１３と第２
の回折格子構造１４の断面形状を変化させることができ
た。このようにして、第１の回折格子構造１３と第２の
回折格子構造１４の断面形状を変化させることにより、
各々の回折格子構造のピッチを変化させることなく、回
折格子構造の結合効率を互いに異なるものとすることが
できた。

このように、異なるエツチング方法を用いて、２種類の
回折格子構造を形成することにより、異なる結合効率を
示す２種類の回折格子構造を備えた半導体レーザ素子を
、再現性良（量産することが可能となる。

このようにして作製された半導体レーザ素子は、結合効
率の互いに異なる第１の回折格子構造１３と第２の回折
格子構造１４とを有しているが、この第１の回折格子構
造１３と第２の回折格子構造１４とは、ともに、等しい
回折格子構造ピッチと等偏屈折率を有している。このた
め、第１の回折格子構造１３によって決まるブラッグ波
長と第２の回折格子構造１４によって決まるブラッグ波
長とは、一致する。従って、この半導体レーザ素子は、
ブラッグ波長に等しい波長を有するレーザ光を、単一の
縦モードで安定に発振することができる。

この半導体レーザ素子によれば、結合効率の高い側の端
面からのレーザ光の放射を押え、結合効率の低い側の端
面から高出力のレーザ光を効率よく取り出すことができ
る。

なお、上記半導体レーザ素子では、第１の回折格子構造
１３のデユーティ比と第１の回折格子構造１４のデユー
ティ比とを等しくしたが、適当な結合効率を得るように
、互いに異なるデユーティ比としてもよい。

第２図に、第２の実施例の方法により作製された半導体
レーザ素子の共振器軸方間に沿った断面図を示す。

この半導体レーザ素子は、ＤＦＢ型半導体レーザ素子で
ある。

第２図かられかるように、半導体基板１の上面に、第１
のクラッド層２、活性層３、キャリアバリア層４、先導
波路層５、第２クラッド層６、及びコンタクト層７が、
この順番で、基板１の側から積層されている。

光導波路層５は、２つの領域（図中、Ｄ及びＥで示す）
に分かれており、各々の領域に、第１の回折格子構造１
５、第２の回折格子構造１６が形成されている。

第１の回折格子構造１５は、その断面形状がサイン波形
状の周期構造となるように、ウェットエツチング法を用
いて形成され、第２の回折格子構造１６は、その断面形
状が三角形波形状の周期構造となるように、ドライエツ
チング法を用いて形成されている。　第１の回折格子構
造１５の周期の位相と第２の回折格子構造１６の周期の
位相とは、互いに４分の１周期ずれている。

回折格子構造の高さは、何れも８００人とした。

このとき、デニーティ比を５０とすると、第１の回折格
子構造１５の結合効率は、１００　ａｍ””となり、ま
た、第２の回折格子構造１６の結合効率は、５０　ｃｍ
−１となる。

上述のように、この半導体レーザ素子の第１の回折格子
構造１５と第２の回折格子構造１６とは、第１の実施例
の方法と同様に、各々、異なるエツチング技術を用いる
ことにより形成された。

この半導体レーザ素子も、結合効率の互いに異なる第１
の回折格子構造１５と第２の回折格子構造１６とを有し
ているが、この第１の回折格子構造工５と第２の回折格
子構造１６とは、ともに、等しい回折格子構造ピッチと
等偏屈折率を有している。従って、この半導体レーザ素
子も、ブラッグ波長に等しい波長を有するレーザ光を、
単一の縦モードで安定に発振することができる。

また、この半導体レーザ素子によれば、結合効率の低い
側の端面から、高出力のレーザ光を効率よく取り出すこ
とができる。

第１図及び第２図の半導体レーザ素子は、第１の回折格
子構造１３．１５と第２の回折格子構造工４．１６とを
、異なるエツチング技術を用いることにより作製した。

そうすることにより、第１の回折格子構造１３．１５の
断面形状と第２の回折格子構造１４．１６の断面形状と
変化させた。

この方法によれば、断面形状及び結合効率を高精度に制
御することできるので、半導体レーザ素子の製造歩留り
が向上する。

一方、同じエツチング技術を用いても、第１の回折格子
及び第２の回折格子に対するエツチング時間を互いに異
ならせれば、格子の凹凸部の深さを互いに変化させるこ
となく、凹凸部の断面形状を変えることにより、結合効
率を互いに大きく異なるようにすることができる。

以下に、第３図を参照しながら、エツチング時間を変化
させることにより回折格子構造の断面形状を変化させる
技術を説明する。

第３図は、半導体層に、　［０１１］方向に沿つた回折
格子構造を印刻した場合の半導体層の断面形状の変化を
模式的に示している。第３図（ａ）、（ｂ）、及び（Ｃ
）は、各々、エツチング時間ｔがＴ１、Ｔ２、及びＴ３
の場合の回折格子構造の断面形状を示す。ここで、Ｔｌ
＜Ｔ２＜Ｔ３、Ｗは回折格子構造の凸部の幅、Ｐはピッ
チである。

エツチング時間を増加させると、Ｗ／Ｐ比は小さくなる
。

第６図は、エツチングマスク幅ｄ＝２０００Ａ、回折格
子構造周期ピッチＰ＝３５００人としたときの、回折格
子構造の形状及び結合効率のエツチング時間依存性を示
すグラフである。グラフ中の曲線は、計算にによって求
められたものである。

このグラフを基に、第１の回折格子構造及び第２の回折
格子構造を、各々異なるエツチング時間にてエツチング
することにより、所望の結合効率を有する回折格子構造
を形成することができる。

第４図に、第３の実施例の方法により作製された半導体
レーザ素子を示す。この半導体レーザ素子は、第１の回
折格子１７及び第２の回折格子１８の何れもが、ドライ
エツチング法により形成されてる点が、第１の実施例の
半導体レーザ素子の構成と異なっている。ただし、第１
の回折格子１７及び第２の回折格子１８を形成するとき
のエツチング時間は、各々異なっている。

この半導体レーザ素子も、ブラッグ波長に等しい波長を
有するレーザ光を、単一の縦モードで安定に発振するこ
とができる。

また、結合効率の高い側の端面からのレーザ光の放射を
押え、結合効率の低い側の端面から高出力のレーザ光を
効率よく取り出すことができる。

なお、回折格子の形状は、上記実施例の回折格子の形状
に限定されない。

また、一対の端面の内の一方の端面上に、ＡＲコートを
施してもよい。このＡＲコートにより、その端面の反射
率が低減され、ファブリ・ペローモードの発振が抑制さ
れる。

（発明の効果） このように、本発明によれば、２種類の形状からなる回
折格子構造を制御性良く形成することができるので、異
なる結合効率を示す２種類の回折格子構造を備えた半導
体レーザ素子を、再現性良く量産することができる。

従って、本発明によれば、結合効率の高い回折格子構造
が形成されている側の端面からのレーザ光の放射が抑制
され、結合効率の低い回折格子構造が形成されている側
の端面から、高出力のレーザ光が効率よく取り出される
半導体レーザ素子を、歩留り良く製造することができる
。

本発明の方法により製造された半導体レーザ素子は、ブ
ラッグ波長に等しい波長を有するレーザ光を、単一の縦
モードで安定に放射することができる。

４、′　　の、　な！日 第１図は本発明の第１の実施例の製造方法により作製さ
れた半導体レーザ素子を示す断面図、第２図は第２の実
施例の製造方法により作製された半導体レーザ素子を示
す断面図、第３図（ａ）〜（ｃ）は回折格子構造の断面
形状のエツチング時間依存性を示す図、第４図は第３の
実施例の製造方法により作製された半導体レーザ素子を
示す断面図、第５図（ａ）〜（ｆ）は第１の実施例の製
造方法を説明するための断面図、第６図は回折格子構造
の断面形状及び結合効率のエツチング時間依存性を示す
グラフを示すである。

１・・・半導体基板、２・・・第１クラッド層、３・・
・活性層、４・・・キャリアバリア層、５・・・光導波
路層、６・・・第２クラッド層、７・・・フンタクト層
、８・・・回折格子構造、９・・・５ｉａＮａエツチン
グマスク、１０・・・第１のレジスト、１１・・・第２
のレジスト、１３．１５．１７・・・第１の回折格子、
１４．１６．１８・・・第２の回折格子。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、活性層及び該活性層に隣接する層のどちらか一方の
   層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期の周期構造
   を有する凹凸部分が形成され、該凹凸部分が形成された
   層が第１の領域と第２の領域とに区分され、該第１の領
   域と該第２の領域が、レーザ光の出射方向に沿って直列
   に配された半導体レーザ素子の製造方法に於いて、 該凹凸部分が形成されるべき層の該第１の領域の表面に
   ついては、ウェットエッチング法を用いて該層をエッチ
   ングすることにより該凹凸部分を形成し、 該凹凸部分が形成されるべき層の該第２の領域の表面に
   ついては、ドライエッチング法を用いて該層をエッチン
   グすることにより該凹凸部分を形成する、 半導体レーザ素子の製造方法。 ２、活性層及び該活性層に隣接する層のどちらか一方の
   層に、レーザ光の出射方向に沿って一定周期の周期構造
   を有する凹凸部分が形成され、該凹凸部分が形成された
   層が第１の領域と第２の領域とに区分され、該第１の領
   域と該第２の領域が、レーザ光の出射方向に沿って直列
   に配された半導体レーザ素子の製造方法に於いて、 該凹凸部分が形成されるべき層の該第１の領域の表面を
   、ドライエッチング法によりエッチングする工程と、 該第１の領域に対して行う該エッチング工程のエッチン
   グ時間とは異なるエッチング時間で、該凹凸部分が形成
   されるべき層の該第２の領域の表面を、ドライエッチン
   グ法によりエッチングする工程と、を包含する、 半導体レーザ素子の製造方法。