JPH0526359B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は共振器として機能する一対の劈開面を
有することなく、共振器としての反射機能が光放
射方向に平行な方向に一定の規則的間隔をもつて
幾何学的に分布して設けられた分布帰還型半導体
レーザの製造方法に関する。特に、上記の幾何学
的に分布して設けられた反射機能が、導波層と閉
じ込め層との界面に設けられた周期的凹凸によつ
て実現された屈折率の周期的な変化に依存してな
る分布帰還型半導体レーザの製造方法の改良に関
する。

(2) 技術の背景 半導体レーザには、劈開面等によつて実現され
る一対の反射鏡等よりなる共振器を有する、いわ
ゆる、フアブリー・ペロー型半導体レーザの他
に、光の反射方向に平行して活性層、導波層及び
これらを挾むように閉じ込め層を持つ多層構造型
半導体レーザがある。この多層構造型半導体レー
ザには、導波層と閉じ込め層との界面の一方又は
双方に、反射機能を分布して設けた分布帰還型半
導体レーザと呼ばれるものがある。

この分布帰還型半導体レーザは、光の周波数と
一定の数量関係のある幾何学的間隔をもつて反射
機能が分布しており、この反射機能として(イ)利得
の変化を利用する、あるいは、(ロ)屈折率の差を利
用する、のいずれかによつて更に２種類に分類さ
れる。

本発明は、上記の(ロ)の手段、すなわち、半導体
の組成を変えることにより実現された屈折率の差
を利用してなる分布帰還型半導体レーザの改良で
ある。

(3) 従来技術と問題点 第１図は例えば、インジウムガリウムヒ素リン
（InGaAsP）／インジウムリン（InP）よりなる
分布帰還型半導体レーザの基本構造の一例を示す
基板断面図である。図において、１はｎ型インジ
ウムリン（ｎ−InP）よりなる基板兼下部閉じ込
め層であり、２はｎ型インジウムガリウムヒ素リ
ン（ｎ−InGaAsP）よりなる下部導波層であり、
３はアンドープのインジウムガリウムヒ素リン
（InGaAsP）よりなる活性層であり、４はｐ型イ
ンジウムガリウムヒ素リン（ｐ−InGaAsP）よ
りなる上部導波層であり、５はｐ型インジウムリ
ン（ｐ−InP）よりなる上部閉じ込め層であり、
６はｐ型インジウムガリウムヒ素リン（ｐ−
InGaAsP）よりなる電極コンタクト層であり、
７，８は、夫々、正電極及び負電極である。図よ
り明らかなとおり、上部導波層４と上部閉じ込め
層５との界面には周期的凹凸が形成されており、
これによつて屈折率の周期的な変化が実現されて
いる。この周期的凹凸をもつて分布した反射機能
を実現するためには、凹凸の側面が光の放射方向
に正確に垂直な平面であることが望ましいとは言
うまでもない。

ところで、従来技術において、上記の構造を実
現する手法としては、液相エピタキシヤル成長法
（以下、LPE法という。）を使用して、上部導波
層４までの積層体を基板１上に連続的に形成し、
この上部導波層４の表面にレジスト膜を形成した
後、フオトリソグラフイー法を使用してパターニ
ングして周期的凹凸に対応するパターンを有する
レジストマスクを形成し、このレジストマスクを
使用して上部導波層４の上層部のエツチングを行
ない、レジストを除去したのち再びLPE法を使
用して閉じ込め層５、コンタクト層６を順次形成
する方法が主として使用されていた。しかし、こ
の方法にあつては、レジストマスクの耐エツチン
グ性が低く、上部導波層４に所期の凹部を正確に
形成することが容易でなく、又、上部閉じ込め層
５の成長時に、導波層４の特に凸部Ｂのメルトバ
ツクが発生し、面Ａが光放射方向に対し垂直でな
くなつたり、はなはだしい場合には周期的凹凸が
平坦化され、反射機能が減殺される。

そこで、マスク材をレジストに換えて上部導波
層４を構成する半導体との選択エツチング性を有
する半導体とし、この半導体層をもつてマスクを
形成してこのマスクを使用して導波層４に周期的
凹凸を形成する方法も使用されており、この方法
によれば耐エツチング性は向上するが、上記の方
法と同様、メルトバツクに対しては何の効果も認
められない。すなわち、周期的凹凸の側面が光の
放射方向に対し正確に垂直な平面とはなりにく
く、満足すべき反射機能を有しないこととなり、
分布帰還型半導体レーザとして所期の機能を発揮
せず、効果的に、しきい値電流が上昇する等の欠
点を有する。

(4) 発明の目的 本発明の目的は、この欠点を解消することにあ
り、共振器として機能する一対の劈開面を有する
ことなく、共振器としての反射機能が光放射方向
に平行な方向に一定の規則的間隔をもつて幾何学
的に分布して設けられ、かつ、この反射機能が導
波層と閉じ込め層との界面に設けられた周期的凹
凸によつて実現された屈折率の周期的な変化に依
存してなる分布帰還型半導体レーザのLPE法を
使用してなす製造方法において、上記の周期的凹
凸、特に凸部のメルトバツクを防止でき、満足す
べき反射機能を有する周期的凹凸の形状及び寸法
を実現でき、光帰還量の増大及び低しきい値電流
が図れる分布帰還型半導体レーザの製造方法を提
供することにある。

(5) 発明の構成 本発明に係る半導体レーザの製造方法は、活性
層と、該活性層を挾んで設けられた導波層と、更
に該導波層を挾んで設けられた閉じ込め層とを有
し、前記導波層と閉じ込め層との界面に周期的な
凹凸を有する分布帰還型半導体レーザの製造方法
において、前記導波層（前記閉じ込め層）表面
に、前記閉じ込め層（前記導波層）と同一の半導
体よりなる補助層を形成し、該補助層に周期的な
開口パターンをもつて選択的に形成し、次いで該
パターニングされた補助層をエツチングマスクと
して前記導波層（前記閉じ込め層）を選択的にエ
ツチングして前記導波層（前記閉じ込め層）表面
に周期的な凹凸を形成し、前記補助層前記導波層
（前記閉じ込め層）上に、前記閉じ込め層（前記
導波層）を形成する工程を含むことにより実現さ
れる。

従来技術にあつては、導波層の上面に周期的凹
凸を形成した後、閉じ込め層を形成するにあた
り、上記の周期的凹凸の形成に使用したレジスト
マスクはもちろんのこと、半導体よりなるマスク
も除去していた。ところが、このために閉じ込め
層成長時に導波層がメルトバツクされて、周期的
凹凸の形状が不整になつてしまう点に問題があつ
た。そこで、本発明の発明者は、このような現象
を防止するためには上記の凸部が閉じ込め層を形
成するための成長溶液と接触する必要のない方法
を採用すれば有効であるとの着想を得た。そこ
で、閉じ込め層と同一の半導体をもつて形成した
マスクを使用して導波層のエツチングを行なつた
後、このマスクを除去することなく、そのまま、
むしろ、このマスクをもつて導波層の凸部をメル
トバツクから保護しながら閉じ込め層を成長させ
れば、上記の凸部上にはマスクが残留しているた
め、凸部が成長溶液と接することはなく、したが
つてメルトバツクも発生せず、所期の周期的凹凸
を形成しうることを実験的に確認して本発明を完
成した。

以下、上記の工程を更に詳しく述べる。まず、
基板上に、LEP法をもつて下部導波層と、活性
層と、上部導波層となる半導体層と、更に、閉じ
込め層と同一の半導体よりなるマスクとして機能
する補助層とを１工程をもつて連続的に形成し、
この補助層上にレジスト膜を形成したのち、これ
をパターニングして上部導波層に周期的凹凸を形
成するために使用するレジストマスクを形成し、
このレジストマスクを使用して上記の補助層をエ
ツチングし、上記と同一のパターン、すなわち、
周期的開口を補助層に形成し、これをエツチング
マスクとする。このエツチングマスクを使用し
て、上部導波層の上層を約半分程度の深さまでエ
ツチングして周期的開口を形成する。このとき、
周期的開口の側面は光放射方向に垂直な平面とな
る。次に、閉じ込め層の成長を行なうが、有効な
２種類の方法を各々説明する。第１の方法は閉じ
込め層と同一の半導体をもつて形成された補助層
よりなるエツチングマスクを除去することなく、
再びLPE法を使用して閉じ込め層を成長させる
ものである。このとき、エツチングマスクの材料
と閉じ込め層の材料とは同一の材料であるから、
エツチングマスクが除去されることなく残留する
ことは何の不利益ともならず、閉じ込め層の形成
にあたつては、この残留したエツチングマスクが
メルトバツクからの保護膜として機能するので、
導波層の凹凸部、特に、凸部がメルトバツクされ
て、周期的凹凸の状態が悪化することはなく、こ
の周期的凹凸の側面は光放射方向に垂直な平面と
して保存されるため、十分な光帰還量が確保さ
れ、しきい値電流が十分に低減される。次に第２
の方法は、閉じ込め層と同一の半導体をもつて形
成された補助層よりなるエツチングマスクを第１
の方法と同様に除去することなく熱処理を加え
る。熱処理により補助層の凸部が熱変形をうけ、
上部導波層の凹部を埋めることができる。前記の
熱変形は凸部及び凹部における半導体構成元素の
蒸気圧差、凸部から凹部への表面拡散などを利用
した現象である。従つて熱変形は補助層凸部の角
で顕著であり補助層を厚くし、熱処理時間を長く
とることにより、効率的に上部導波層の凹部を埋
めることができる。上部導波層の凸部は補助層に
保護されている層構成から熱変形を被らず、周期
的凹凸の状態は前記第１の方法と同様、悪化する
ことはなく、十分な光帰還量が確保され、しきい
値電流を十分に低減することができる。

なお、上記の構成において、補助層エツチング
工程には、導波層はエツチせず、補助層のみを選
択的にエツチするエツチヤントを使用してなすウ
エツトエツチング法が適しており、導波層のエツ
チング工程には、逆に、補助層はエツチせず、導
波層のみを選択的にエツチするエツチヤントを使
用してなすウエツトエツチング法が適している。

(6) 発明の実施例 以下図面を参照しつつ、本発明の一実施例に係
る半導体レーザの製造方法について説明し、本発
明の構成と特有の効果とを明らかにする。

一例として、基礎吸収端波長が1.3〔μｍ〕であ
るインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）を
活性層とし、基礎吸収端波長が1.15〔μｍ〕であ
るインジウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）を
上下の導波層とし、インジウムリン（InP）を閉
じ込め層とする、酸化膜ストライプ構造の分布帰
還型半導体レーザの製造工程について述べる。

第２図、第３図参照 ｎ型不純物を10¹⁸〔cm^-3〕程度含むｎ型インジ
ウムリン（ｎ−InP）よりなる基板兼下部閉じ込
め層１１に、LPE法を使用して、(イ)ｎ型不純物
を10¹⁷〔cm^-3〕程度含み、基礎吸収端波長が1.15
〔μｍ〕程度であるｎ型インジウムガリウムヒ素
リン（ｎ−InGaAsP）よりなり厚さが0.2〔μｍ〕
程度である下部導波層１２、(ロ)基礎吸収端波長が
1.3〔μｍ〕程度であるアンドープのインジウムカ
リウムヒ素リン（InGaAsP）より厚さが0.1〔μ
ｍ〕程度である活性層１３、(ハ)ｐ型不純物を10¹⁷
〔cm^-3〕程度含み、基礎吸収端波長が1.15〔μｍ〕
程度であるｐ型インジウムガリウムヒ素リン（ｐ
−InGaAsP）よりなり厚さが0.1〔μｍ〕程度であ
る、上部導波層となる層１４′、(ニ)ｐ型不純物を
10¹⁸〔cm^-3〕程度を含むｐ型インジウムリン（ｐ
−InP）よりなり厚さが0.1〔μｍ〕程度である補
助層２０′よりなる積層体を１工程をもつて形成
する。

続いて、レジスト（例えばAZ）を厚さ0.05〔μ
ｍ〕程度に塗布してレジスト膜を形成した後、ヘ
リウム（He）−カドミウム（Cd）レーザを光源
とする二光束干渉露光法を使用して、約0.19〔μ
ｍ〕のピツチを有する干渉縞を形成させてこの干
渉縞のパターンに露光し、レジストを現像して複
数個の縞状開口２１′を有するレジストマスク２
１を形成する。次に、このレジストマスク２１を
使用し、臭化水素酸（HBr）をエツチング液と
してなすウエツトエツチング法を用いて、補助層
２０′をエツチングし、第３図に示される如き、
上記と同様の縞状開口２０″を形成し、導波層と
なる層１４′に周期的凹凸を形成するためのエツ
チングマスク２０を形成する。

第４図参照 このエツチングマスク２０を使用し、硫酸
（H₂SO₄）、過酸化水素水（H₂O₂）、水（H₂O）が
３：１：１の割合で混合されてなる混合溶液を使
用してなすウエツトエツチング法を用いて、上部
導波層となる層１４′を半分程度の深さ、すなわ
ち、0.05〔μｍ〕程度の深さにエツチングし、新
たな開口２０を形成する。この工程により、上
層部に周期的凹凸を有する上部導波層１４が形成
される。この様にして形成された周期的開口の側
面は光放射方向に垂直な平面となる。

第５図、第６図参照 上記のエツチングマスク２０を除去することな
く、再び、LPE法を使用してｐ型不純物を10¹⁸
〔cm^-3〕程度含むｐ型インジウムリン（pInP）よ
りなりる上部閉じ込め層１５を1.5〔μｍ〕程度の
厚さに形成する。尚、このｐ−InP閉じ込め層１
５の成長温度は550〔℃〕である。言うまでもな
く、エツチングマスク２０と閉じ込め層１５の材
料は同一であるから、エツチングマスク２０が残
留することは不利益とならず、むしろ、上部閉じ
め層１５の形成にあたり、このエツチングマスク
２０がメルトバツクからの保護膜として機能する
ので、上部導波層１４の、特に凸部がメルトバツ
クされて周期的凹凸が不整となることを有効に防
止し、この周期的凹凸の側面は光放射方向に垂直
な平面として保存されるため、十分な光帰還量が
確保され、一方、しきい値電流も低減される。

続いて、同様にLPE法を使用して、ｐ型不純
物を10¹⁹〔cm^-3〕程度含むｐ型インジウムガリウ
ムヒ素リン（pInGaAsP）よりなり厚さが0.5〔μ
ｍ〕程度の電極コンタクト層１６を形成したの
ち、スパツタ成長法を使用して二酸化シリコン
（SiO₂）層２２を形成する。

第６図は第５図に示される積層体のＣ−Ｃ断面
図であり、以下、この図をもつて最終工程を説明
する。上記の二酸化シリコン（SiO₂）層２２上
に、電極コンタクト層１６に達する幅５〔μｍ〕
程度のストライプ状の開口を公知の方法を使用し
て形成したのちその上に電子ビーム蒸着法を使用
して、夫々、厚さ0.05〔μｍ〕／0.1〔μｍ〕／１
〔μｍ〕程度のチタン（Ti）／白金（Pt）／金
（Au）の三重層よりなる正電極１７を形成する。
ここで、基板１１を裏面から研磨して厚さ100〔μ
ｍ〕程度とし、抵抗加熱蒸着法を使用して基板１
１下面に厚さ0.4〔μｍ〕程度の金・ゲルマニウム
（Au・Ge）／厚さ0.01〔μｍ〕程度のニツケル
（Ni）の二重層よりなる負電極１８を形成する。
最後にフアブリー・ペローモード発振を抑制する
為、光放射面は劈開、他面は粗面となし本実施例
の製造工程を完了する。

次に本発明の第２の効果（熱変形）を用いた第
２の実施例に係る半導体レーザの製造方法につい
て説明する。この方法においても補助層のエツチ
ングマスク２０を使用して、ウエツトエツチング
法を用いて上部導波層となる層１４′に半分程度
の深さ（〜0.05〔μｍ〕）のエツチングをして上部
導波層に周期的凹凸を形成する工程まで、補助層
２０の厚さを0.3〔μｍ〕程度と厚くする以外は前
記第１の実施例と全く同一である。

第７図、第８図参照 次にエツチングマスク２０を除去することな
く、650〔℃〕程度の温度で待機させる。この熱処
理工程において凸部ではＰが熱処理雰囲気中へ気
化する割合が凹部に比べて大きく、平衡蒸気圧の
差などに因り、凸部凹部へのInの拡散、凹部で再
成長が生ずる。最終的には補助層２０′は、凹
部を完全に埋め、導波層１４を保護した状態にな
る。この工程において、上部導波層１４の凸部と
接する補助層界面は何ら影響をうけず、導波層の
周期的凹凸の側面も熱変形から保護されている。
続いて、第１の実施例同様にLPE法を使用して
ｐ型不純物を10¹⁹〔cm^-3〕程度を含むｐ型インジ
ウムリン（ｐ−InP）よりなる上部閉じ込め層１
５を1.5〔μｍ〕の厚さ形成する。この上部閉じ込
め層１５は熱変形した補助層２０′と同一材料
であり、補助層で保護された導波層１４の凹凸に
悪影響を与えることなく、熱変形で生じた補助層
の凹凸を埋めて、平坦な成長層を形成する。続い
て同様にLEP法を使用して、ｐ型不純物を10¹⁹
〔cm^-3〕程度含むｐ型インジウムガリウムヒ素リ
ン（ｐ−InGaAsP）そりなり厚さが0.5〔μｍ〕程
度の電極コンタクト層１６を形成したのち、スパ
ツタ成長法を使用して二酸化シリコン（SiO₂）
層２２を形成する。以下の工程は第１の実施例と
同様の処理を行ない、本実施例の製造工程を完了
する。

尚、本実施例では、上部導波層１４と上部閉じ
込め層１５との界面に凹凸を形成する方法を述べ
たが、同様な方法を用いて下部閉じ込め層１１と
下部導波層１２との界面に凹凸を形成してもよ
い。この場合、補助層は下部導波層１２と同一材
料からなり、閉じ込め層１１の表面を周期的凹凸
を有する補助層をマスクとしてエツチング除去す
ることになる。

以上の工程により、導波層と閉じ込め層との界
面に形成された周期的凹凸によるブラツグ反射を
利用した共振器が形成され、しかも、この周期的
凹凸の側面は光放射方向に対し正確に垂直な面と
なつているため、光帰還量が大きく、しきい値電
流の小さい分布帰還型レーザが実現できる。

(7) 発明の効果 以上説明せるとおり、本発明によれば、共振器
として機能する一対の劈開面を有することなく、
共振器としての反射機能が光放射方向に平行な方
向に一定の規則的間隔をもつて幾何学的に分布し
て設けられ、かつ、この反射機能が導波層と閉じ
込め層との界面に設けられた周期的凹凸によつて
実現された屈折率の周期的な変化に依存してなる
分布帰還型半導体レーザのLPE法を使用してな
す製造方法において、上記の周期的凹凸、特に凸
部のメルトバツクを防止でき、且つ、満足すべき
反射機能を有する周期的凹凸の形状及び寸法を実
現可能として、光帰還量の増大及び低しきい値電
流を可能とする、分布帰還型半導体レーザの製造
方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、分布帰還型半導体レーザの基本構造
の一例を示す基板断面図であり、第２図乃至第６
図は本発明の一実施例に係る酸化膜ストライプ構
造の分布帰還型半導体レーザの製造方法における
各主要工程完了後の基板断面図である。なお、第
１図乃至第５図は光放射方向に直交する方向から
視た図であり、第６図は光放射方向から視た図、
第７図及び第８図は光放射方向に直交する方向か
ら視た断面図である。 １，１１……基板兼下部閉じ込め層（ｎ−
InP）、２，１２……下部導波層（ｎ−
InGaAsP）、３，１３……活性層（InGaAsP）、
４，１４……上部導波層（ｐ−InGaAsP）、１
４′……上部導波層となる層（ｐ−InGaAsP）、
５，１５……上部閉じ込め層（ｐ−InP）、６，
１６……電極コンタクト層（ｐ−InGaAsP）、
７，１７……正電極（Ti／Pt／Au三重層）、８，
１８……負電極（Au・Ge／Ni二重層）、２０…
…エツチングマスク（pInP）、２０′……エツチ
ングマスクとなる補助層（ｐ−InP）、２０″……
エツチングマスクに設けられた縞状開口、２０
……上部導波層となる層に設けられた縞状開口、
２０′……熱変形した補助層（pInP）、２１…
…レジストマスク、２１′……レジストに設けら
れた縞状開口、２２……二酸化シリコン（SiO₂）
層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 活性層と、該活性層を挾んで設けられた導波
   層と、更に該導波層を挾んで設けられた閉じ込め
   層とを有し、前記導波層と閉じ込め層との界面に
   周期的な凹凸を有する分布帰還型半導体レーザの
   製造方法において、前記導波層（前記閉じ込め
   層）表面に、前記閉じ込め層（前記導波層）と同
   一の半導体よりなる補助層を周期的な開口パター
   ンをもつて選択的に形成し、次いで、該パターニ
   ングされた補助層をエツチングマスクとして前記
   導波層（前記閉じ込め層）を選択的にエツチング
   して前記導波層（前記閉じ込め層）表面に周期的
   な凹凸を形成し、前記導波層（前記閉じ込め層）
   上に、前記閉じ込め層（前記導波層）を形成する
   工程を含むことを特徴とする、半導体レーザの製
   造方法。