JPH0477477B2 - - Google Patents
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Description
(ア) 技術分野
この発明は、分布反射型半導体レーザ及びその
製造方法に関する。 BIG−DBR型と呼ばれる分布反射形半導体レ
ーザは、その優れた性能により、現在、有望視さ
れている半導体レーザのひとつである。 これは、東盛他：JaPanese JournaI of
AppIied Physics voI.24，No.６，1985，PPL399
〜401に提案されている。本発明は、この改良に
関する。 (イ) 従来技術 長距離大容量光通信を実現するための、波長
1.55μm帯の光源として、単一縦モードが安定で
ある事、他の機能素子とのモノリシツク集積が容
易である事などが要求される。 この要求に副うものとして、動的単一モードレ
ーザが適している。 動的単一モードレーザには、分布帰還形レーザ
（DFB）、分布反射形レーザ（DBR）、複合共振器
レーザなどがある。 この中でも、分布反射形レーザが、特に有望視
されている。 分布反射形レーザは、回折格子を導波路上に形
成し、これを分布ブラツグ反射器として用いるも
のである。 高速変調時に安定な単一縦モード動作を維持し
やすい、他の機能素子とのモノリシツク集積が容
易である、レーザ共振器の短共振化が可能である
こと、などの利点をもつている。 分布反射形レーザには、集積二重導波路構造を
持つDBR−ITG形レーザと、直接結合構造をも
つDBR−BJB形レーザがある。 前者はDistributed Bragg Reflection
Integral twin−guideを略記したものであり、２
つの導波路を有するレーザである。外部導波路は
外部へ延びてゆく導波路である。この上にバツフ
ア層を介して、活性導波路がある。分布ブラツグ
反射面は外部導波路上に設けられている。 このレーザは、活性導波路と外部導波路の間
で、光が、一部であるが、反射する問題点があつ
た。つまり、活性導波路が外部導波路の上にあつ
て、両者の結合が良好でなく、結合部に於ける反
射損失が大きいという問題があつた。 DBR−BJB形レーザは、活性導波路と外部導
波路とが、ほぼ直線的に配置されたものである。
上下に存在するのではなく同一面上に両導波路が
ある。そのため結合部の損失が少なくなる。 ところが、実際には、導波路の境界で段差が生
じやすく、段差に於て、活性導波路と外部導波路
の接続が不連続になる、光が段差に於て反射され
る、という事があつた。 このような反射損失があるので、導波路間の結
合効率が低い。このため従来のDBR型レーザは、
多モード発振が起りやすく、発振効率が上りにく
い、という問題があつた。 そこで、末松、荒井、東盛らによつて、BIG−
DBR型と略称される分布反射形半導体レーザが
発明された。これは特許出願もなされている（特
願昭60−12181、特開昭61−171190，S60.1.25出
願、S61.8.1公開）。 このレーザは、活性導波路を外部導波路によつ
て包みこんだような導波路構造をしている。 中央部に於ては活性導波路の上に外部導波路が
あり（ITGの場合と逆）、側方に於ては、活性導
波路の延長面上に外部導波路が存在する。このた
め、活性導波路と外部導波路の結合が、上下方向
と、水平面方向の２方向になつて、結合効率が向
上する。 ところが、実際には歩留りに於て深刻な問題が
あつた。 これを図面によつて説明する。第８図〜第１１
図は製作工程を示す断面図である。 （100）面を持つｎ型InP基板１１の上に、
InGaAsP活性導波路１２及びInP保護層１３を、
液相エピタキシヤル法によつて、順に形成する。 次に、InP保護層１３とInGaAsP活性導波路層
１２とを、中央部を残してエツチングする。この
とき、InP基板１１の上面の一部もエツチングさ
れる。 そして、露出したInP基板１１の上面にグレー
テイング１６を形成する。第８図はここまでの工
程によつて形成したものの断面図である。 この図で分るとおり、InP保護層１３の端面Ｕ
と、InGaAsP活性導波路１２の端面Ｗとは、面
一（つらいち）になつている。これは劈開面
（110）に平行か、或はわずかに傾きをもつている
面であろう。 さらに、この上にInGaAsP外部導波路層１４
を液相エピタキシヤル法で形成する。 これがInP基板１１の上面と、InP保護層１３
の上面とを均一に覆うように形成されるのが良
い。 (ウ) 発明が解決すべき問題点 ところが、外部導波路層１４が、活性導波路層
１２、保護層１３に密着するように形成されな
い、という問題がある。 第９図にこれを示す。 外部導波路１４は、InP基板１１の上にはエピ
タキシヤル成長する。またInP保護層１３の上に
もエピタキシヤル成長してゆく。 しかし、保護層の端面Ｕ、活性導波路の端面Ｗ
の近傍では、エピタキシヤル成長が行なわれにく
く、空〓部Ｇが残る。 第１０図も同様の状態の断面図を示している。
保護層の端面Ｕと、活性導波路の端面Ｗがやや傾
斜している。（111）方向に近い。実際には、Ｕ，
Ｗ面が（110）か（111）方向かは分からないが、
いずれにしても、この端面Ｗ，Ｕに対して外部導
波路層が密接に接合して成長しない。 第１１図は第９図の特殊な例であるが外部導波
路層１４が端面Ｕ，Ｗで切断されずに連続して形
成されてる事が有る。連続してといつても、窪み
１８が残る。 しかし、とにかく、このように、外部導波路層
１４が、保護層１３と基板１１の上に連続して形
成されている。このような場合、活性導波路と外
部導波路とが端面Ｗに於て連続している。従つて
両導波路の間に結合が生じ、活性導波路の光が外
部導波路へ移つてゆくことができるが窪みの影響
で、十分な結合が得られにくい。 実際に作製してみると、第９図、第１０図のよ
うに、外部導波路が活性導波路の両側で切れてし
まい、空〓が残る。これが殆んどである。結合効
率が０であるから、このようなものはレーザとし
て機能しない。低い歩留りで第１１図の様なもの
が得られる事は有るが、歩留りは数％程度であつ
て、レーザとして使えるものを作るのは難しい。 なぜ、外部導波路が、活性導波路、保護層から
切れるのか？という事は明らかではない。 ひとつの可能性は、保護層、活性導波路の端面
Ｕ，Ｗが（111）面のメサ方向面になつている、
という事である。第１０図に示すような、傾斜面
になつている可能性がある。 液相エピタキシーに於て、InPのメサ方向面
（111）には結晶成長が起こりにくいという事があ
る。 (エ) 目的 活性導波路の上を外部導波路が覆い、側方に於
て活性導波路と同一面上に外部導波路が存在する
BIG−DBR型のレーザに於て、活性導波路の端
面に於て外部導波路が離間なく結合しているレー
ザを歩留りよく製造する方法を提供する事が本発
明の目的のひとつである。 活性導波路と外部導波路の結合効率の高いBIG
−DBRレーザを提供する事が本発明の第２の目
的である。 (オ) 本発明の方法 本発明者は、活性導波路層と外部導波路層の水
平方向の結合を確実にするためにどのようにすれ
ばよいのか試行錯誤を重ねた。 そして、次のようにすれば、両導波路の結合を
確実にできる、という事を見出した。 それは保護層の端面Ｕを両側に延ばして外部導
波路層の端面Ｗよりも両側に突出させる事であ
る。 第１図に本発明の分布反射形レーザの基本形の
縦断面図を示す。これは原理図であつて、実際に
は他にも半導体層が積層される。 原理図で構成を説明する。 InP基板１の上に、InGaAsP活性導波路層３と
InP保護層４をエピタキシヤル成長させる点は従
来の第８図〜第１１図のものと同様である。 ところが、エツチングによつて、活性導波路層
３と保護層４の側方を除去するとき、選択エツチ
ングにより下方の活性導波路層３の端面をより深
くエツチングする。 つまり、下方の活性導波路層３の端面Ｗが奥ま
つたところに位置し、上方の保護層４の端面Ｕの
方が突き出ているのである。 このような構造物を建築の分野でオーバーハン
グといつている。そこで本発明者は、活性導波路
層３と保護層４のこのような構造のことをオーバ
ーハングと呼ぶ。 端面Ｕが端面Ｗから突出している長さＬをオー
バーハング長と呼ぶ。オーバーハング長は0.2μm
〜1.0μm程度である。 このようなオーバーハング構造にすると、活性
導波路層３と、保護層４とが端面面一（つらい
ち）にはならない。保護層４の裏面Ｒ、活性導波
路層３の端面Ｗ、基板１の上面Ｑによつて三方を
囲まれる矩形状の空間Σが生ずる。 この空間Σが存在する事により、液相エピタキ
シヤル法で外部導波路層７を形成した時に、活性
導波路層３との間に空〓が生じないようになる。 このように、入りくんだ空間Σの中へ、液相エ
ピタキシヤル法により、InGaAsP外部導波路７
の材料である溶液が入つてゆき、ここにエピタキ
シヤル成長する、というのは不思議なことのよう
に見える。第８図〜第１１図に示すような活性導
波路層３が外部へ露出している形状の方が、
InGaAsPエピタキシヤル層が成長してゆきやす
いように思える。しかし、一般的に、エピタキシ
ヤル成長のメカニズムは、ステツプとキンクを供
給することによつて二次元的に成長が進むとい
う、いわゆるKosselモデルで説明される。 第１図のように、活性導波路層３が入りくんで
いる方で、これがステツプ（成長核）を供給する
ことにより溶液が活性導波路層の端面Ｗに接触
し、ここから横方向への、二次元的なエピタキシ
ーが著しく起こりやすくなる。結果として外部導
波層をなめらかに成長する事が可能となる。 オーバーハング長は、先述のように0.2μm〜
1.0μm程度である。0.2μm以下であると、従来例
と同じく、活性導波路層３と外部導波路層７との
間に空〓Ｇが生ずる。1.0μm以上であると、保護
層４の先端突出部が折れてしまう。保護層４は例
えば0.1μm〜0.3μm程度の薄い層であるから、
1.0μm以上にすると、折れる。折れてしまうと、
効果がない。 第２図〜第８図によつて本発明の分布反射型半
導体レーザの製造方法を説明する。 （） Ｐ型InP基板１の上に、液相エピタキシ
ー又は気相エピタキシーによつてＰ型InPバツ
フア層２、InGaAsP活性導波路層（ノンドー
プ）３、Ｎ型InP保護層４を順次成長させる。
これが１回目のエピタキシーである。第２図に
示す。 活性導波路層３と保護層４の間に、界面を円
滑にするため、InGaAsPアンチメルトバツク
層を挿入してもよい。 Ｐ型InPバツフア層２は回折格子を作る部分
である。厚みは1μm〜4μmである。 ノンドープInGaAsP活性導波路層３は、こ
こで電流励起によつて発光する部分である。
0.1μm〜0.4μm程度の薄い層である。 Ｎ型InP保護層４は活性導波路層３を保護す
るものであるが、オーバーハング構造とするた
めに薄さが制限される。0.05〜0.3μm程度であ
る。オーバーハングが十分な強度を持つために
は0.1μm以上であることが望ましいが、導波路
どおしの結合効率を上げるためには薄い方がよ
い。 InGaAsPとここで略記しているが、これは、
InとGaの混合比とAsとＰの混合比がパラメー
タになつた混晶である。InPと格子整合しなけ
ればならないから、２つのパラメータが自由に
設定できるわけではない。自由度は１である。 自由度がひとつ残つているので、混合比を変
えてバンドギヤツプなどを或る程度選択するこ
とができる。 また混合比ｘ，ｙなどをサフイツクスとして
付けるのは煩雑であるからこれを略している。 （） 次にＮ型InP保護層４の上にストライプ
状のsin膜５を形成する。 HC系のエツチング液によつてＮ型InP保
護層４のsin膜５で覆われていない部分をエツ
チングする。 ついで、H2SO4系のエツチング液によつて
ノンドープInGaAsP活性導波路３のsin膜５で
覆われていない部分をエツチングする。 これは選択エツチングである。H2SO4系の
エツチング液はＮ型InP保護層４には作用しな
い。HC系のエツチング液はノンドープ
InGaAsP活性導波路３には作用しない。 このエツチングによつて、活性導波路層３と
保護層４の端面Ｗ，Ｕは面一になる。第３図は
この工程までを示している。ストライプの幅は
200〜400μm程度である。 （） 干渉露光法を用いて、露出したＰ型InP
バツフア層２上に、分布ブラツグ反射器６とな
る回折格子を作製する。これが第４図に示す状
態である。 sin膜５，InP保護層４、活性導波路層３の端
面に面一になつている。活性導波路層３の端面
から左右に連続して分布ブラツグ反射器６が形
成されている。 分布ブラツグ反射器６の格子間隔は、レーザ
発光波長によつてきまる。 （） 次に、H2SO4系エツチング液を用いて、
InP保護層４をマスクとし、InGaAsP活性導波
路層３を端面から内奥へ向つてエツチングし
た。H2SO4系エツチング液はH2SO4，H2O2，
H2Ｏよりなるが、InP保護層４に対してはエツ
チング作用がないので、このようなエツチング
が可能になる。エツチング液の配合比を変える
事により、エツチング速度を制御できる。たと
えば0.1μm／分程度のエツチング速度とする。
一般に0.02μm／分〜0.2μm／分程度とする。 横方向のエツチング深さが、オーバーハング
長Ｌである。これは前述のように0.2μm〜
1.0μm程度とする。 この状態を第５図に示している。 （） 次いで、これらの上面に、液相エピタキ
シー又は気相エピタキシーによつて、Ｎ型
InGaAsP外部導波路層７を成長させる。 オーバーハング構造となつている空間Σの中
にInGaAsPの材料が効率よく廻りこんで、
InGaAsP活性導波路層３の端面Ｗから連続し
て結晶成長してゆく。 空間Σは、奥ゆきが0.2〜1.0μm、高さが
0.1μm〜0.4μmの横長の狭い空間であるが、溶
液又は気流がよく廻りこんで、端面Ｗから、空
〓を残さずエピタキシヤル成長してゆく。 こうして、InGaAsP外部導波路層７は、保
護層４と、分布ブラツグ反射器６とを覆い、連
続的に延びる層となる。外部導波路層７の保護
層４の上面に於ける厚みは0.1〜0.4μm程度であ
る。 さらに、この上面にＮ型InPクラツド層８を
液相エピタキシー又は気相エピタキシーによつ
て成長させた。 InPクラツド層８の厚みは1.0〜3μm程度であ
る。 第６図はここまでの工程によつて作られたも
のを示している。 外部導波路層７の禁制帯幅が、活性導波路層
３の禁制帯幅に比べて大きくなるようにする。
これは、InGaAsPの混晶比が、ひとつの自由
パラメータをもつので、混晶比を変えて禁制帯
幅を調整する事ができるのである。 活性導波路層３で生じた光が、外部導波路層
７で吸収されないように、上記のような禁制帯
幅の関係を与える。 （） さらに、InP基板１の下にＰ側電極９、
InPクラツド層８の上にＮ側電極１０を設け
る。電流分布を制限するためＮ側電極１０はス
トライプ状の電極となつている。 こうして、本発明の分布反射型半導体レーザ
ができる。 この後は、ウエハをストライブし、個々の素
子チツプにして、パツケージにマウントする。
PN電極間に電流を流すと、活性導波路層７で
誘導放出により光が生ずる。この光は同一平面
内にある外部導波路層７へ進み、一部分は分布
ブラツグ反射器６の作用で反射される。反射を
繰返しながらパワーを高めてゆく。一部の光
は、矢印のように、外部導波路層７から外部へ
取り出される。 以上のようにして作製された分布反射型半導
体レーザは、活性導波路層３と外部導波路層７
とが滑らかに結合している。導波路の整合性が
良好である。 以上は基本形のレーザとその製造方法の説明
である。 ここに説明したものは、Ｐ型InP基板の上
に、Ｎ型保護層、Ｎ型の外部導波路層、Ｎ型の
クラツド層をエピタキシヤル成長するものであ
つた。 これらの電気的特性を逆にして、Ｎ型InP基
板の上にＰ型保護層、Ｐ型の外部導波路層、Ｐ
型のクラツド層をエピタキシヤル成長させても
よい。 バツフア層２は回折格子を形成するための層
である。バツフア層を除いて、基板面に回折格
子を形成するようにしてもよい。 本発明の分布反射型半導体レーザの構造は、
一般に用いられる埋込構造（例えば、朝日他；
JournaI of AppIied Physics55（３），1984，
PP656〜659）と併用する事も可能である。 以上の説明は、InP基板の上に形成した
InGaAsP系の分布反射型レーザであるが、
GaAs基板の上に形成したGaAsAs系のレーザ
に対しても、本発明を適用する事ができる。 （カ） 実施例 本発明の分布反射型半導体レーザの製造方法を
実施例によつて、再びより具体的に説明する。 （） 液相エピタキシーにより、Ｐ型InP基板
の上に、第２図のように、 Ｐ型InPバツフア層２ 2μm ノンドープInGaAsP活性導波 路層３ 0.15μm Ｎ型InP保護層４ 0.1μm を成長させた。 （） 幅300μmのsin膜パターン５をストライ
プ状に形状した。ストライプパターンは、（０
11）面と平行に形成した。 HC系エツチング液で保護層４を、H2SO4
系エツチング液で活性導波路層３を選択的に除
去し、第３図のようにした。 （） 干渉露光法によつて、露出したＰ型InP
バツフア層２の上に分布ブラツグ反射器６を形
成した。第４図のようになる。 （） sin膜５を除去する。InP保護層４をマス
クとし、H2SO4系エツチング液によつて
InGaAsP活性導波路層３の端面を、内奥に向
けて、0.3μmの深さにエツチングした。 エツチ度が0.1μm／分となるように、H2
SO4，H2O2，H2Ｏの配合比を調整した。 エツチング時の攪拌は、ストライプ方向と平
行な方向に行なつた（第５図）。 （） 液相エピタキシーによつて、その上に、 Ｎ型InGaAsP外部導波路層７ （保護層上で） 0.2μm Ｎ型InPクラツド層８ 1.5μm を成長させた。禁制帯幅については、 InGaAsP外部導波路層の禁制帯幅 1.0eV InGaAsP活性導波路層の禁制帯幅 0.8eV とした。第６図に対応する。 （） 次に、Ｐ側電極９とＮ側電極１０とを設
ける。 （キ） 効果 （） 活性導波路層の端面に、保護層の端面よ
りも内奥へ引き込ませたオーバーハング形状と
しているので、外部導波路層をエピタキシヤル
成長させた時に、活性導波路層端面Ｗと外部導
波路層の間に空〓が残らない。 （） 空〓が残らず、活性導波路層と外部導波
路層とが密接に接合するので、製品の歩留りが
高い。本発明の方法で半導体レーザを作製し、
導波路同士の結合の良否で歩留りを評価する
と、90％以上の歩留りとなる。 ところが、第８図〜第１１図の端面が面一の
ものであると、歩留りは殆ど０に近い。０％〜
数％である。 著しく製品歩留りを上げる事ができる。歩留
りが高いというのは重要な事である。 （） 結合効率が高いので、半導体レーザとし
て使用するとき、発光効率が極めて高くなる。 （） InP系半導体レーザだけでなくGaAs系
半導体レーザにも適用する事ができる。 （） DBRレーザであるので、他の機能素子
とのモノリシツク集積化が容易である。 なお、本発明は、半導体レーザに限らず、光
IC等の他のデバイスにも適用が可能である。
製造方法に関する。 BIG−DBR型と呼ばれる分布反射形半導体レ
ーザは、その優れた性能により、現在、有望視さ
れている半導体レーザのひとつである。 これは、東盛他：JaPanese JournaI of
AppIied Physics voI.24，No.６，1985，PPL399
〜401に提案されている。本発明は、この改良に
関する。 (イ) 従来技術 長距離大容量光通信を実現するための、波長
1.55μm帯の光源として、単一縦モードが安定で
ある事、他の機能素子とのモノリシツク集積が容
易である事などが要求される。 この要求に副うものとして、動的単一モードレ
ーザが適している。 動的単一モードレーザには、分布帰還形レーザ
（DFB）、分布反射形レーザ（DBR）、複合共振器
レーザなどがある。 この中でも、分布反射形レーザが、特に有望視
されている。 分布反射形レーザは、回折格子を導波路上に形
成し、これを分布ブラツグ反射器として用いるも
のである。 高速変調時に安定な単一縦モード動作を維持し
やすい、他の機能素子とのモノリシツク集積が容
易である、レーザ共振器の短共振化が可能である
こと、などの利点をもつている。 分布反射形レーザには、集積二重導波路構造を
持つDBR−ITG形レーザと、直接結合構造をも
つDBR−BJB形レーザがある。 前者はDistributed Bragg Reflection
Integral twin−guideを略記したものであり、２
つの導波路を有するレーザである。外部導波路は
外部へ延びてゆく導波路である。この上にバツフ
ア層を介して、活性導波路がある。分布ブラツグ
反射面は外部導波路上に設けられている。 このレーザは、活性導波路と外部導波路の間
で、光が、一部であるが、反射する問題点があつ
た。つまり、活性導波路が外部導波路の上にあつ
て、両者の結合が良好でなく、結合部に於ける反
射損失が大きいという問題があつた。 DBR−BJB形レーザは、活性導波路と外部導
波路とが、ほぼ直線的に配置されたものである。
上下に存在するのではなく同一面上に両導波路が
ある。そのため結合部の損失が少なくなる。 ところが、実際には、導波路の境界で段差が生
じやすく、段差に於て、活性導波路と外部導波路
の接続が不連続になる、光が段差に於て反射され
る、という事があつた。 このような反射損失があるので、導波路間の結
合効率が低い。このため従来のDBR型レーザは、
多モード発振が起りやすく、発振効率が上りにく
い、という問題があつた。 そこで、末松、荒井、東盛らによつて、BIG−
DBR型と略称される分布反射形半導体レーザが
発明された。これは特許出願もなされている（特
願昭60−12181、特開昭61−171190，S60.1.25出
願、S61.8.1公開）。 このレーザは、活性導波路を外部導波路によつ
て包みこんだような導波路構造をしている。 中央部に於ては活性導波路の上に外部導波路が
あり（ITGの場合と逆）、側方に於ては、活性導
波路の延長面上に外部導波路が存在する。このた
め、活性導波路と外部導波路の結合が、上下方向
と、水平面方向の２方向になつて、結合効率が向
上する。 ところが、実際には歩留りに於て深刻な問題が
あつた。 これを図面によつて説明する。第８図〜第１１
図は製作工程を示す断面図である。 （100）面を持つｎ型InP基板１１の上に、
InGaAsP活性導波路１２及びInP保護層１３を、
液相エピタキシヤル法によつて、順に形成する。 次に、InP保護層１３とInGaAsP活性導波路層
１２とを、中央部を残してエツチングする。この
とき、InP基板１１の上面の一部もエツチングさ
れる。 そして、露出したInP基板１１の上面にグレー
テイング１６を形成する。第８図はここまでの工
程によつて形成したものの断面図である。 この図で分るとおり、InP保護層１３の端面Ｕ
と、InGaAsP活性導波路１２の端面Ｗとは、面
一（つらいち）になつている。これは劈開面
（110）に平行か、或はわずかに傾きをもつている
面であろう。 さらに、この上にInGaAsP外部導波路層１４
を液相エピタキシヤル法で形成する。 これがInP基板１１の上面と、InP保護層１３
の上面とを均一に覆うように形成されるのが良
い。 (ウ) 発明が解決すべき問題点 ところが、外部導波路層１４が、活性導波路層
１２、保護層１３に密着するように形成されな
い、という問題がある。 第９図にこれを示す。 外部導波路１４は、InP基板１１の上にはエピ
タキシヤル成長する。またInP保護層１３の上に
もエピタキシヤル成長してゆく。 しかし、保護層の端面Ｕ、活性導波路の端面Ｗ
の近傍では、エピタキシヤル成長が行なわれにく
く、空〓部Ｇが残る。 第１０図も同様の状態の断面図を示している。
保護層の端面Ｕと、活性導波路の端面Ｗがやや傾
斜している。（111）方向に近い。実際には、Ｕ，
Ｗ面が（110）か（111）方向かは分からないが、
いずれにしても、この端面Ｗ，Ｕに対して外部導
波路層が密接に接合して成長しない。 第１１図は第９図の特殊な例であるが外部導波
路層１４が端面Ｕ，Ｗで切断されずに連続して形
成されてる事が有る。連続してといつても、窪み
１８が残る。 しかし、とにかく、このように、外部導波路層
１４が、保護層１３と基板１１の上に連続して形
成されている。このような場合、活性導波路と外
部導波路とが端面Ｗに於て連続している。従つて
両導波路の間に結合が生じ、活性導波路の光が外
部導波路へ移つてゆくことができるが窪みの影響
で、十分な結合が得られにくい。 実際に作製してみると、第９図、第１０図のよ
うに、外部導波路が活性導波路の両側で切れてし
まい、空〓が残る。これが殆んどである。結合効
率が０であるから、このようなものはレーザとし
て機能しない。低い歩留りで第１１図の様なもの
が得られる事は有るが、歩留りは数％程度であつ
て、レーザとして使えるものを作るのは難しい。 なぜ、外部導波路が、活性導波路、保護層から
切れるのか？という事は明らかではない。 ひとつの可能性は、保護層、活性導波路の端面
Ｕ，Ｗが（111）面のメサ方向面になつている、
という事である。第１０図に示すような、傾斜面
になつている可能性がある。 液相エピタキシーに於て、InPのメサ方向面
（111）には結晶成長が起こりにくいという事があ
る。 (エ) 目的 活性導波路の上を外部導波路が覆い、側方に於
て活性導波路と同一面上に外部導波路が存在する
BIG−DBR型のレーザに於て、活性導波路の端
面に於て外部導波路が離間なく結合しているレー
ザを歩留りよく製造する方法を提供する事が本発
明の目的のひとつである。 活性導波路と外部導波路の結合効率の高いBIG
−DBRレーザを提供する事が本発明の第２の目
的である。 (オ) 本発明の方法 本発明者は、活性導波路層と外部導波路層の水
平方向の結合を確実にするためにどのようにすれ
ばよいのか試行錯誤を重ねた。 そして、次のようにすれば、両導波路の結合を
確実にできる、という事を見出した。 それは保護層の端面Ｕを両側に延ばして外部導
波路層の端面Ｗよりも両側に突出させる事であ
る。 第１図に本発明の分布反射形レーザの基本形の
縦断面図を示す。これは原理図であつて、実際に
は他にも半導体層が積層される。 原理図で構成を説明する。 InP基板１の上に、InGaAsP活性導波路層３と
InP保護層４をエピタキシヤル成長させる点は従
来の第８図〜第１１図のものと同様である。 ところが、エツチングによつて、活性導波路層
３と保護層４の側方を除去するとき、選択エツチ
ングにより下方の活性導波路層３の端面をより深
くエツチングする。 つまり、下方の活性導波路層３の端面Ｗが奥ま
つたところに位置し、上方の保護層４の端面Ｕの
方が突き出ているのである。 このような構造物を建築の分野でオーバーハン
グといつている。そこで本発明者は、活性導波路
層３と保護層４のこのような構造のことをオーバ
ーハングと呼ぶ。 端面Ｕが端面Ｗから突出している長さＬをオー
バーハング長と呼ぶ。オーバーハング長は0.2μm
〜1.0μm程度である。 このようなオーバーハング構造にすると、活性
導波路層３と、保護層４とが端面面一（つらい
ち）にはならない。保護層４の裏面Ｒ、活性導波
路層３の端面Ｗ、基板１の上面Ｑによつて三方を
囲まれる矩形状の空間Σが生ずる。 この空間Σが存在する事により、液相エピタキ
シヤル法で外部導波路層７を形成した時に、活性
導波路層３との間に空〓が生じないようになる。 このように、入りくんだ空間Σの中へ、液相エ
ピタキシヤル法により、InGaAsP外部導波路７
の材料である溶液が入つてゆき、ここにエピタキ
シヤル成長する、というのは不思議なことのよう
に見える。第８図〜第１１図に示すような活性導
波路層３が外部へ露出している形状の方が、
InGaAsPエピタキシヤル層が成長してゆきやす
いように思える。しかし、一般的に、エピタキシ
ヤル成長のメカニズムは、ステツプとキンクを供
給することによつて二次元的に成長が進むとい
う、いわゆるKosselモデルで説明される。 第１図のように、活性導波路層３が入りくんで
いる方で、これがステツプ（成長核）を供給する
ことにより溶液が活性導波路層の端面Ｗに接触
し、ここから横方向への、二次元的なエピタキシ
ーが著しく起こりやすくなる。結果として外部導
波層をなめらかに成長する事が可能となる。 オーバーハング長は、先述のように0.2μm〜
1.0μm程度である。0.2μm以下であると、従来例
と同じく、活性導波路層３と外部導波路層７との
間に空〓Ｇが生ずる。1.0μm以上であると、保護
層４の先端突出部が折れてしまう。保護層４は例
えば0.1μm〜0.3μm程度の薄い層であるから、
1.0μm以上にすると、折れる。折れてしまうと、
効果がない。 第２図〜第８図によつて本発明の分布反射型半
導体レーザの製造方法を説明する。 （） Ｐ型InP基板１の上に、液相エピタキシ
ー又は気相エピタキシーによつてＰ型InPバツ
フア層２、InGaAsP活性導波路層（ノンドー
プ）３、Ｎ型InP保護層４を順次成長させる。
これが１回目のエピタキシーである。第２図に
示す。 活性導波路層３と保護層４の間に、界面を円
滑にするため、InGaAsPアンチメルトバツク
層を挿入してもよい。 Ｐ型InPバツフア層２は回折格子を作る部分
である。厚みは1μm〜4μmである。 ノンドープInGaAsP活性導波路層３は、こ
こで電流励起によつて発光する部分である。
0.1μm〜0.4μm程度の薄い層である。 Ｎ型InP保護層４は活性導波路層３を保護す
るものであるが、オーバーハング構造とするた
めに薄さが制限される。0.05〜0.3μm程度であ
る。オーバーハングが十分な強度を持つために
は0.1μm以上であることが望ましいが、導波路
どおしの結合効率を上げるためには薄い方がよ
い。 InGaAsPとここで略記しているが、これは、
InとGaの混合比とAsとＰの混合比がパラメー
タになつた混晶である。InPと格子整合しなけ
ればならないから、２つのパラメータが自由に
設定できるわけではない。自由度は１である。 自由度がひとつ残つているので、混合比を変
えてバンドギヤツプなどを或る程度選択するこ
とができる。 また混合比ｘ，ｙなどをサフイツクスとして
付けるのは煩雑であるからこれを略している。 （） 次にＮ型InP保護層４の上にストライプ
状のsin膜５を形成する。 HC系のエツチング液によつてＮ型InP保
護層４のsin膜５で覆われていない部分をエツ
チングする。 ついで、H2SO4系のエツチング液によつて
ノンドープInGaAsP活性導波路３のsin膜５で
覆われていない部分をエツチングする。 これは選択エツチングである。H2SO4系の
エツチング液はＮ型InP保護層４には作用しな
い。HC系のエツチング液はノンドープ
InGaAsP活性導波路３には作用しない。 このエツチングによつて、活性導波路層３と
保護層４の端面Ｗ，Ｕは面一になる。第３図は
この工程までを示している。ストライプの幅は
200〜400μm程度である。 （） 干渉露光法を用いて、露出したＰ型InP
バツフア層２上に、分布ブラツグ反射器６とな
る回折格子を作製する。これが第４図に示す状
態である。 sin膜５，InP保護層４、活性導波路層３の端
面に面一になつている。活性導波路層３の端面
から左右に連続して分布ブラツグ反射器６が形
成されている。 分布ブラツグ反射器６の格子間隔は、レーザ
発光波長によつてきまる。 （） 次に、H2SO4系エツチング液を用いて、
InP保護層４をマスクとし、InGaAsP活性導波
路層３を端面から内奥へ向つてエツチングし
た。H2SO4系エツチング液はH2SO4，H2O2，
H2Ｏよりなるが、InP保護層４に対してはエツ
チング作用がないので、このようなエツチング
が可能になる。エツチング液の配合比を変える
事により、エツチング速度を制御できる。たと
えば0.1μm／分程度のエツチング速度とする。
一般に0.02μm／分〜0.2μm／分程度とする。 横方向のエツチング深さが、オーバーハング
長Ｌである。これは前述のように0.2μm〜
1.0μm程度とする。 この状態を第５図に示している。 （） 次いで、これらの上面に、液相エピタキ
シー又は気相エピタキシーによつて、Ｎ型
InGaAsP外部導波路層７を成長させる。 オーバーハング構造となつている空間Σの中
にInGaAsPの材料が効率よく廻りこんで、
InGaAsP活性導波路層３の端面Ｗから連続し
て結晶成長してゆく。 空間Σは、奥ゆきが0.2〜1.0μm、高さが
0.1μm〜0.4μmの横長の狭い空間であるが、溶
液又は気流がよく廻りこんで、端面Ｗから、空
〓を残さずエピタキシヤル成長してゆく。 こうして、InGaAsP外部導波路層７は、保
護層４と、分布ブラツグ反射器６とを覆い、連
続的に延びる層となる。外部導波路層７の保護
層４の上面に於ける厚みは0.1〜0.4μm程度であ
る。 さらに、この上面にＮ型InPクラツド層８を
液相エピタキシー又は気相エピタキシーによつ
て成長させた。 InPクラツド層８の厚みは1.0〜3μm程度であ
る。 第６図はここまでの工程によつて作られたも
のを示している。 外部導波路層７の禁制帯幅が、活性導波路層
３の禁制帯幅に比べて大きくなるようにする。
これは、InGaAsPの混晶比が、ひとつの自由
パラメータをもつので、混晶比を変えて禁制帯
幅を調整する事ができるのである。 活性導波路層３で生じた光が、外部導波路層
７で吸収されないように、上記のような禁制帯
幅の関係を与える。 （） さらに、InP基板１の下にＰ側電極９、
InPクラツド層８の上にＮ側電極１０を設け
る。電流分布を制限するためＮ側電極１０はス
トライプ状の電極となつている。 こうして、本発明の分布反射型半導体レーザ
ができる。 この後は、ウエハをストライブし、個々の素
子チツプにして、パツケージにマウントする。
PN電極間に電流を流すと、活性導波路層７で
誘導放出により光が生ずる。この光は同一平面
内にある外部導波路層７へ進み、一部分は分布
ブラツグ反射器６の作用で反射される。反射を
繰返しながらパワーを高めてゆく。一部の光
は、矢印のように、外部導波路層７から外部へ
取り出される。 以上のようにして作製された分布反射型半導
体レーザは、活性導波路層３と外部導波路層７
とが滑らかに結合している。導波路の整合性が
良好である。 以上は基本形のレーザとその製造方法の説明
である。 ここに説明したものは、Ｐ型InP基板の上
に、Ｎ型保護層、Ｎ型の外部導波路層、Ｎ型の
クラツド層をエピタキシヤル成長するものであ
つた。 これらの電気的特性を逆にして、Ｎ型InP基
板の上にＰ型保護層、Ｐ型の外部導波路層、Ｐ
型のクラツド層をエピタキシヤル成長させても
よい。 バツフア層２は回折格子を形成するための層
である。バツフア層を除いて、基板面に回折格
子を形成するようにしてもよい。 本発明の分布反射型半導体レーザの構造は、
一般に用いられる埋込構造（例えば、朝日他；
JournaI of AppIied Physics55（３），1984，
PP656〜659）と併用する事も可能である。 以上の説明は、InP基板の上に形成した
InGaAsP系の分布反射型レーザであるが、
GaAs基板の上に形成したGaAsAs系のレーザ
に対しても、本発明を適用する事ができる。 （カ） 実施例 本発明の分布反射型半導体レーザの製造方法を
実施例によつて、再びより具体的に説明する。 （） 液相エピタキシーにより、Ｐ型InP基板
の上に、第２図のように、 Ｐ型InPバツフア層２ 2μm ノンドープInGaAsP活性導波 路層３ 0.15μm Ｎ型InP保護層４ 0.1μm を成長させた。 （） 幅300μmのsin膜パターン５をストライ
プ状に形状した。ストライプパターンは、（０
11）面と平行に形成した。 HC系エツチング液で保護層４を、H2SO4
系エツチング液で活性導波路層３を選択的に除
去し、第３図のようにした。 （） 干渉露光法によつて、露出したＰ型InP
バツフア層２の上に分布ブラツグ反射器６を形
成した。第４図のようになる。 （） sin膜５を除去する。InP保護層４をマス
クとし、H2SO4系エツチング液によつて
InGaAsP活性導波路層３の端面を、内奥に向
けて、0.3μmの深さにエツチングした。 エツチ度が0.1μm／分となるように、H2
SO4，H2O2，H2Ｏの配合比を調整した。 エツチング時の攪拌は、ストライプ方向と平
行な方向に行なつた（第５図）。 （） 液相エピタキシーによつて、その上に、 Ｎ型InGaAsP外部導波路層７ （保護層上で） 0.2μm Ｎ型InPクラツド層８ 1.5μm を成長させた。禁制帯幅については、 InGaAsP外部導波路層の禁制帯幅 1.0eV InGaAsP活性導波路層の禁制帯幅 0.8eV とした。第６図に対応する。 （） 次に、Ｐ側電極９とＮ側電極１０とを設
ける。 （キ） 効果 （） 活性導波路層の端面に、保護層の端面よ
りも内奥へ引き込ませたオーバーハング形状と
しているので、外部導波路層をエピタキシヤル
成長させた時に、活性導波路層端面Ｗと外部導
波路層の間に空〓が残らない。 （） 空〓が残らず、活性導波路層と外部導波
路層とが密接に接合するので、製品の歩留りが
高い。本発明の方法で半導体レーザを作製し、
導波路同士の結合の良否で歩留りを評価する
と、90％以上の歩留りとなる。 ところが、第８図〜第１１図の端面が面一の
ものであると、歩留りは殆ど０に近い。０％〜
数％である。 著しく製品歩留りを上げる事ができる。歩留
りが高いというのは重要な事である。 （） 結合効率が高いので、半導体レーザとし
て使用するとき、発光効率が極めて高くなる。 （） InP系半導体レーザだけでなくGaAs系
半導体レーザにも適用する事ができる。 （） DBRレーザであるので、他の機能素子
とのモノリシツク集積化が容易である。 なお、本発明は、半導体レーザに限らず、光
IC等の他のデバイスにも適用が可能である。
第１図は本発明の分布反射型半導体レーザの原
理図。第２図はInP基板の上に、バツフア層、活
性導波路層、保護層をエピタキシヤル成長させた
ものの断面図。第３図はsin膜をつけて、ストラ
イプ状に保護層と活性導波路層とをエツチングし
た後の断面図。第４図はバツフア層の上に分布ブ
ラツグ反射器を形成したものの断面図。第５図は
活性導波路層の端面を横方向に選択エツチングし
た後の断面図。第６図は外部導波路層とクラツド
層とをエピタキシヤル成長した後の断面図。第７
図はＰ側電極とＮ側電極とを形成したものの断面
図。第８図はBIG−DBRレーザの従来の製造方
法に於て、活性導波路層と保護層とを基板の上に
エピタキシヤル成長させ、ストライプ状に活性導
波路層と保護層とをエツチングした後の断面図。
第９図は従来のBIG−DBRレーザの製造方法に
於て、活性導波路層と保護層の上に外部導波路層
をエピタキシヤル成長させた時に、活性導波路層
と外部導波路層の間に空〓が生じ不連続になつた
例を示す断面図。第１０図は第９図と同じく活性
導波路層と外部導波路層との間に空〓が生じてい
るが、活性導波路層と保護層の端面が傾斜してい
る例を示す断面図。第１１図は従来のBIG−
DBRレーザの製作に於て活性導波路層と外部導
波路とが接続されてはいるが、間に窪みが生じて
いる事を示す断面図。 １……InP基板、２……InPバツフア層、３…
…InGaAsP活性導波路層、４……InP保護層、５
……siN膜、６……分布ブラツグ反射器、７……
InGaAsP外部導波路層、８……InPクラツド層、
９……Ｐ側電極、１０……Ｎ側電極、Ｗ……活性
導波路端面、Ｕ……保護層端面、Ｌ……オーバー
ハング長、Σ……矩形状空間。
理図。第２図はInP基板の上に、バツフア層、活
性導波路層、保護層をエピタキシヤル成長させた
ものの断面図。第３図はsin膜をつけて、ストラ
イプ状に保護層と活性導波路層とをエツチングし
た後の断面図。第４図はバツフア層の上に分布ブ
ラツグ反射器を形成したものの断面図。第５図は
活性導波路層の端面を横方向に選択エツチングし
た後の断面図。第６図は外部導波路層とクラツド
層とをエピタキシヤル成長した後の断面図。第７
図はＰ側電極とＮ側電極とを形成したものの断面
図。第８図はBIG−DBRレーザの従来の製造方
法に於て、活性導波路層と保護層とを基板の上に
エピタキシヤル成長させ、ストライプ状に活性導
波路層と保護層とをエツチングした後の断面図。
第９図は従来のBIG−DBRレーザの製造方法に
於て、活性導波路層と保護層の上に外部導波路層
をエピタキシヤル成長させた時に、活性導波路層
と外部導波路層の間に空〓が生じ不連続になつた
例を示す断面図。第１０図は第９図と同じく活性
導波路層と外部導波路層との間に空〓が生じてい
るが、活性導波路層と保護層の端面が傾斜してい
る例を示す断面図。第１１図は従来のBIG−
DBRレーザの製作に於て活性導波路層と外部導
波路とが接続されてはいるが、間に窪みが生じて
いる事を示す断面図。 １……InP基板、２……InPバツフア層、３…
…InGaAsP活性導波路層、４……InP保護層、５
……siN膜、６……分布ブラツグ反射器、７……
InGaAsP外部導波路層、８……InPクラツド層、
９……Ｐ側電極、１０……Ｎ側電極、Ｗ……活性
導波路端面、Ｕ……保護層端面、Ｌ……オーバー
ハング長、Σ……矩形状空間。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Ｐ型又はＮ型の半導体単結晶基板１と、バツ
フア層２を介して、或はバツフア層２を介さず基
板１の上面の中央部にエピタキシヤル成長法によ
つてストライプ状に形成されたノンドープ活性導
波路層３と、該活性導波路層３の上にエピタキシ
ヤル成長法によつて形成された基板と反対の電気
的特性を持つ保護層４と、バツフア層２の上面に
或は基板１の上面に形成された分布ブラツグ反射
器６と、保護層４の上面と端面Ｕ、活性導波路層
３の端面Ｗ及び分布ブラツグ反射器６の設けられ
たバツフア層２或は基板１の上面にエピタキシヤ
ル成長法によつて形成され基板１と反対の電気的
特性を持つ外部導波路層７と、外部導波路層７の
上にエピタキシヤル成長法によつて形成され基板
１と反対の電気的特性をもつクラツド層８と、ク
ラツド層８の上面に設けた電極１０と、基板１の
下面に設けた電極９とよりなり、保護層４の端面
Ｕが活性導波路層３の端面Ｗよりも側方へ突出し
ており、端面UWの距離Ｌが0.2μm〜1.0μmであ
る事を特徴とする分布反射型半導体レーザ。 ２ 基板１がＰ型InP単結晶、バツフア層２がＰ
型InP単結晶、活性導波路層３がノンドープ
InGaAsP混晶、保護層４がＮ型InP単結晶、外部
導波路層７がＮ型InGaAsP混晶、クラツド層８
がＮ型InP単結晶である事を特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の分布反射型半導体レーザ。 ３ 活性導波路層３の禁制帯幅が、外部導波路層
７の禁制帯幅より小さい事を特徴とする特許請求
の範囲第２項記載の分布反射型半導体レーザ。 ４ 活性導波路層３の禁制帯幅が0.8eVであつて
外部導波路層７の禁制帯幅が1.0eVである事を特
徴とする特許請求の範囲第３項記載の分布反射型
半導体レーザ。 ５ ノンドープ活性導波路層３の厚みが0.1μm〜
0.4μmである事を特徴とする特許請求の範囲第２
項記載の分布反射型半導体レーザ。 ６ 保護層４の厚みが0.05〜0.3μmである事を特
徴とする特許請求の範囲第５項記載の分布反射型
半導体レーザ。 ７ 外部導波路層７の保護層４の上面での厚みが
0.1〜0.4μmである事を特徴とする特許請求の範囲
第６項記載の分布反射型半導体レーザ。 ８ Ｐ型或はＮ型の半導体単結晶基板１の上に、
同じ電気的特性のバツフア層２をエピタキシヤル
成長によつて設け或はバツフア層を設けず、バツ
フア層２の上、或は基板１の上にノンドープ活性
導波路層３をエピタキシヤル成長させ、さらにそ
の上に基板１と反対の電気的特性を持つた保護層
４をエピタキシヤル成長させ、保護層４の上面中
央部にストライプ状の膜５を設け、保護層４と活
性導波路層３とを膜５で覆われた中央部を残して
エツチングし、残つた保護層４、活性導波路層３
の両側に露出されたバツフア層２或は基板１の上
面に干渉露光法を用いて回折格子である分布ブラ
ツグ反射器６を形成し、保護層４をマスクとして
活性導波路層３の端面を水平方向にエツチングし
て活性導波路層３の端面Ｗが保護層４の端面Ｕよ
りも、0.2〜1.0μm内方に位置するようにし、さら
に基板１と反対の電気的特性を持つた外部導波路
層７を分布ブラツグ反射器６の形成されたバツフ
ア層２或は基板１の上と保護層４の上にエピタキ
シヤル成長させ、該外部導波路層７の上に基板１
と反対の電気的特性をもつたクラツド層８をエピ
タキシヤル成長させ、基板１とクラツド層８に電
極９、電極１０を設ける事を特徴とする分布反射
型半導体レーザの製造方法。 ９ エピタキシヤル成長法が液相エピタキシヤル
成長法である事を特徴とする特許請求の範囲第８
項記載の分布反射型半導体レーザの製造方法。 １０ エピタキシヤル成長法が気相エピタキシヤ
ル成長法である事を特徴とする特許請求の範囲第
８項記載の分布反射型半導体レーザの製造方法。 １１ 基板１がＰ型InP単結晶、バツフア層２が
Ｐ型InP単結晶、活性導波路層３がノンドープ
InGaAsP混晶、保護層４がＮ型InP単結晶、外部
導波路層７がＮ型InGaAsP混晶、クラツド層が
Ｎ型InP単結晶である事を特徴とする特許請求の
範囲第９項又は第１０項に記載の分布反射型半導
体レーザの製造方法。 １２ 保護層４はHC系エツチング液により、
活性導波路層３はH2SO4系エツチング液により
選択的にエツチングする事を特徴とする特許請求
の範囲第１１項記載の分布反射型半導体レーザの
製造方法。 １３ 活性導波路層３の端面Ｗを横方向に向つて
エツチングする時のエツチング速度が0.02μm／
分〜0.2μm／分である事を特徴とする特許請求の
範囲第１２項記載の分布反射型半導体レーザの製
造方法。
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