JPS6022392A - 半導体レ−ザ及びその製造方法 - 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】 （力技術分野 この発明は分布帰還型半曽体レーザ及びその製造方法に
関する。

半導体レーザは、小型、高い効率、電流、による直接発
振と変調、波長選択の容易さなとの利慨を持っている。

半導体レーザは、光通信、光情報処理、光計測なとの分
野に於て、種々の応用の途かひらｉＪつつある。

半導体レーザの材料は、 （１）　＃長０．７５〜０．９　ｔｔｍ用としてＧａΔ
ｊ７Ａｓ（２）　波長口９〜１．６７ｚｍ用としてＩｎ
ＧａＡｓＰ（３）波長口８〜１．７μｍ用としてＧａΔ
ｌ！Ａｓ５ｂなど、波長に応じて材料の組合せも変わる
。

最も良く用いられるものは（１）　、　（２）のレーザ
である。

（イ）従来技術とその問題点 半導体レーザは、基本的にストライプ電極のダフルへテ
ロ構造を持っているものが多い。

例えばｎ型基板の上にｎ型クラッド、活性層、Ｐ型クラ
ッド、ストライプ電極などを設ける。

骨間面をミラーとして使う半導体レーザの他に分布帰還
形（ＤＦＢ　）レーザも作られている。これは、導波層
に回折格子を内蔵するレー、ザで、回折格子によって光
が反射するので、骨間面によって共振器を構成する必要
がない。また波長選択性も強くなる。骨間面を使わない
から、光集積回路中の素子として最適である。

半導体レーザは、活性層が極めて薄いので、気、体レー
ザ゛、固体レーザなどに比して出射ビームの拡り角が大
きい。しかも、拡り角は、レーザ接合面に対し平行な方
向と垂直な方向に於て、大きく異なる。このため、光フ
ァイバなどの光学系へ結合する際、特に工夫を要する。

第７図は半導体レーザの端面から出射される光の拡りを
説明するための斜視図である。

活性層の接合面に平行な方向、接合面に垂直な方向の寸
法をそれぞれＤｌ、　Ｄｚとする。Ｉ）ｔを幅、１）２
を厚みということにする。半導体レーザの典型的な例で
、Ｄｌは５１１ｍ程度、Ｄｚは０２μ？ｎ程度である。

一般に波長λの光を発する寸法Ｉ〕の発光体からの光の
拡りはλ／Ｄのオーターである。波長か帆８〜２μ７ｎ
程度とすると、λとＤとは同程度となり、ビーム拡りが
大きい。接合面に平行な方向の拡り角を０１、直角な方
向の拡り角を０２とすると、Ｄｚ　：＞　Ｄｚであるの
で、Ｏｌ＜０２である。

特に、０２が大きい。ビーム拡り角か等方向でないので
、例えば円柱レンズを用いて、拡り角を縦横同一にしよ
うとする場合もある。第８図は円柱レンズによって、ビ
ーム拡りを等方向にしたものを説明する斜視図である。

このように、ビーム拡りか非軸対称である、という事の
他に、今ひとつ光ファイバとの結合効率を下ける要因が
ある。

半導体レーザの活性層の断面形状は矩形（例えは０．２
μｍＸ５μｔｎ　）てあり、活性層は導波路を兼ねてい
るので、ここを伝搬する光のモードは矩形モー　）’　
Ｅｔｘ　又ハＥｌ、ニ近イ。

一方、光ファイバは円柱状のコアの中を光か伝搬するよ
うになっているから、導波モードは円形（ＩＩ　Ｅｔｌ
）　モードである。

半導体レーザと光ファイバの中の光の伝搬モードが異な
り、モード不整合による結合損−失かともなう。

（つ）発明の目的 この発明は、半導体レーザと、光ファイバとの結合にお
いて、結合損失が小さくなるような、ビーム拡がり角が
小さく円形モードに近い出射、ビームモードを有する構
造の半導体レーザ及びその製造方法を与えることを目的
とする。

江）１本発明の半導体レーザの製造方法本発明の半導体
レーザは、結晶の骨間面を共振器として用いるのではな
く、周期的１’ｒｉ′）Ｊ告のグレーティングを導波層
に設けて、グレーティングによる反射を利用した分布帰
還型の半導体レーザに属する。

まず、第１図によって、分布帰還型半睨体レーザの構造
を説明する。この構造は公知である。

ＩｎＧａＡｓＰ　／　ＩｎＰ系の半導体レーザを説明す
るが、ＧａＡｊ５Ａ’ｓ　／　ＧａＡｓ系、ＧａＡｊ’
ＳＩ〕／　ＧａＳｂ系などの半導体レーザにも適用する
ことかできる。

第１図は半導体レーザの手前の部分を縦１１１ｒＬ、て
内部構造を示す斜視図である。斜線の入っている部分は
断面であり、斜線のない部分は外表面を示す。長手方向
の構造はグレーティングを除き一様である。

ストライプ状に電流の流れる領域を制限するため、半導
体レーザは種々のストライプ構造を採用する。この例は
埋込みへテロ構造（Ｄ　Ｉ−］　）を示すが、ストライ
プに関しては、ＣＳ　Ｐ　（ｃｌｌａｎｎｃｌｅｄ−５
ｕｂｓｔｒａｔｅ　ｐｌａｎａｒ　）構造、ＴＪ　Ｓ　
（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｊｕｎｃｔｉｏｎ　５Ｌｒｉｐ
ｃ　）構造、Ｔ　Ｓ　（ｔｅｒｒａｃｅｄ　−５ｕｂｓ
ｔｒａｔｅ　）構造、Ｚｎ拡散構造などでも良い。

第１図に示す分布帰還型（Ｄｐｎ）埋込みへテロ（Ｂ　
Ｉ−１）半導体レーザの層状構造は上がら順に、１、ｎ
側電極（ＡｕＺｎ　）　１ ２、ｐ　−１ｎＧａＡｓＩ’　：Ｉンタクト層２３、ｐ
−１ｎＰアンチメルトバック層３４、ＩｎＧａＡｓＰ活
性層４ ５、ｎ−−Ｉ　ｎＧａ　Ａ　ｓ　Ｐ導波層５０、ｎ−Ｉ
ｎｐ基板６ ７　ｎ側電極（ＡｕＧｅＮｉ　）　７ か層状に形成されている。埋込みへテロ構造とするため
、２〜５の層の両側には、 ８、ｎ−Ｉｎｐ埋メ込ミ層８ ９、ｐ−１ｎＰ埋め込み層９ が形成されている。

曳開面で共振器を構成する半導体レーザと異なる点は、
電子、正孔か再結合し発光する活イイし層と、光が伝搬
する導波層とか別になっていることと、導波層に周期的
構造を持つクレーティングか形成されている事である。

クレーティングの繰返し周期の２倍と、媒質内での光の
波長の整数倍か、はぼ゛等しいものだζノ、クレーティ
ングｌこよって反身ｊされる。そのような波長の光に対
し、グレーティングは共振器として機能する。

本発明の半導体レーザの製造方法は、第１図の分布帰還
型半辞体し−サの製造プロセスと、電］φμ形成を除く
２〜６，８．９の層の形成については同一である。この
後直ちに、ｎ側電極７．１〕側電極１を付けるのではな
く、ウェハープロセスに於て、レーザ素子の半ばから略
円錐部分をエツチング除去し、除去した部分に埋め込み
拡開導波路を設け、分布帰還部のみに１）側電極１を付
ける。

より詳しく説明する。

Ｐ側電極１が伺けられる前であるから、レーザ素子の上
面（（１００）面）に、Ｐ型コンタクト層２と、ｎ型埋
め込み層８か露われでいる。

第２図に示すように、レーザ素子の中心線の半ばから一
端に向って漸次拡開するくさひ形の開放部１６を残して
、レーザ素子上面をマスク１５する。マスクは、レジス
ト、５ｉｎ２．　Ｔｉなと適当な材料を選ぶ。

開放部１６の幅は端面に於て最も広く（Ｗ）、レーザ素
子の長平方向に沿って内奥へゆくに従い狭くなる（Ｗ）
。最小幅Ｗは、埋め込みストライプ層（活性層４、導波
層５）の幅とほぼ同程度で、かつ埋め込みストライプ層
の直上に開放部１６の始端か重なるようにする。

説明の便宜のため、レーザ素子の長手方向にＺ軸を、上
面に平行な方向にＸ軸を、上面に直角な方向にｙ軸を取
る。第２図に於て、レーザ素子の端面をＺ＝ＺＯ，Ｚ２
とし、開放部１６の一始端をＺ＝７．１とする。

埋め込みストライプ層（活性層）の幅かＤｌであるから
、活性層、導波層は の領域にある。

開放部１６は、その幅Ｕが、ＷからＷへ単調に増大する
。ようなくさび型であると１−る。ＷとＩ）ｌとはほぼ
同程度である。

くさひ型の開放部１６を残してマスク１５したものをエ
ツチングする。エツチング液は、例えは臭化メチル系の
エッチセントを用いると良い。

マスク１５て覆われていない開放部１Ｇの部分がエツチ
ングされ、除かれてゆくから、くさび型の凹部ができる
。深さ方向（ｙ方向）のエツチング速度は同一ではない
。開放部１Ｇの幅Ｕが広い部分は、深さ方向のエツチン
グ速度が速く、幅Ｕの狭い部分は、深さ方向のエツチン
グ速度か遅い。

従って、開放部１Ｇの始端Ｚ＝Ｚ１附近でのエツチング
の進行は遅く、終端Ｚ　＝７２附近でのエツチングの進
行は速い。

エツチングの進行によって、開放部１６は、ＺｌからＺ
２に向ってより深くなるような円ＧＵ：ｔＲになる。時
間とともに溝がより大きくなってゆく。

エツチングがより進行すると、マスク１６の端より下に
廻りこんで、鋭角をなすようにレーザ素子材料をエツチ
ングしてゆく。残った部分は逆メサ形状になる。

第３図はこのような状態のレーザ素子の（２−ＺＩｌｌ
）断面図である。第４図は斜視図である。

エツチングされた空洞部は、Ｚｌから７２にかけて漸次
拡径する円錐面の一部になる。エツチング時間が充分あ
れば、空洞部が円錐面になる、というのは重要な性質で
、本発明は、この性質を利用している。

しかも、この円錐面は、深い円錐面である。

Ｚｌ　＜　Ｚｍ　＜　２２の任意のＺｍに対しＺ−Ｚｍ
の平面で切った空洞部の端面の曲線は、第３図に示すよ
うに、中心角が１８００以上の円弧に近似する。つまり
、空洞部の断面の円弧は優弧（中心角〉１８０°）であ
る。これが重要である。

くさび型の開放部１Ｇをエツチングしてゆくと、時間が
充分あれば、 （１）　エツチングされててきた空洞部の曲面は、円錐
面の一部になること、 （２）長手方向（２方向）に垂直な而で切った１す１面
は円弧状であるか、優弧であること、という性、質が重
要である。

このように、空洞部Ｖが生じた後、エツチングを中止し
、マスク１５を除去する。

次に、Ｉ　ｎＧａＡ　ｓ　Ｐをエピタキシャル成長させ
、空洞部■を埋める。

次に分布帰還部の上にＰ側電極１を形成する。

第５図はこうして製作された半導体レーザの一部縦断斜
視図であり、第６図は第５図の中央縦断面図である。

１０が後で埋込んだＩｎＧａＡｓＰの埋込み拡開祉、を
波路である。埋込み拡開導波路は、レーザ光を拡径しな
から、伝搬させＺ２端がら出則さぜるものである。リー
ク電流が埋込み拡開導波路１０１こ流れてはならないし
、ここに於てキャリヤによる光吸収が起らない方が良い
ので、不純物をドープしない。真性半導体とするのが望
ましい。

電極１は、埋込み拡開導波路１ｏの上ｌこは設けない。

分布帰還部の上だけに設ける。

こうして、半導体レーザチップか作製される。

この後、通常のデバイスプロセスと同様、これをスクラ
イブして、チップを分離し、適当なパッケージに収納さ
れ、電極をつけれは半導体レーザとなる。

埋込み拡開導波路１０の屈折率は、ｎ−１ｎＰ埋め込み
層８、ｐ−１ｎＰ埋め込み層９、ｎ−１ｎＩ’基板６の
屈折率より高いので、光をこの導波路１０内へ閉じこめ
ることができる。

光導波路１０と、分布帰還部（活性層４、導波層５）と
の境界面は、エツチングの際、斜めｌこ形成されるので
、雑音の原因となるファプリーペローモードは抑制され
る。

以上の説明はＩｎＧａＡｓ１）／　ＩｎＰの半導体レー
ザに関する。同様の方法てＧａＡｊ？Ａｓ　／　ＧａＡ
ｓ系の半導体レーザを製造することができる。

この場合、埋込み拡開導波路１０は、ＧａＡｊ’Ａｓよ
りも屈折率の高いＧ　ａ　Ａ　ｓをエピタキシャル成長
させて作る。エッチャントは、同様に臭化メチル（Ｂｒ
ｚ　：　ＣＨ３０Ｈ）を使うことができる。

例えばＢｒｚが３重量％のＢｒｚ　：　ＣＨ３０１１系
をエッチャントに選ぶ。

オ）本発明の半導体レーザ 本発明の半導体レーザは、活性層と、周期的（１ｖ。

造のグレーティングを備えた導波層とをイＪする分布帰
還型半導体レーザの、導波層、活性層の中１１４１部か
ら、一方の出射端に至る部分に漸次拡開する円錐形状の
埋め込み拡開導波路を設けたものである。電極は、導波
層、活性層か残一つでいる部分たけに設ければよい。も
ちろん絶縁膜を埋め込み拡開導波路１０やｎ型埋め込み
層８の上に付はカは、全面に電極を形成しても良い。

（力）作　用 本発明の半導体レーザは、分布帰還型レーザと、発光の
原理は同一であり、光か出射端から出てゆく際の作用が
異なる。

Ｐ側電極１とｎ側電極７の間に順方向電流を流す。活性
層４へ正孔、電子か注入され、ここで再結合して発光す
る。屈折率は、活性層４と導波層５に於て高いので光は
、この部分に閉しこめられる。導波層５には一定周期の
クレーティングが形成しであるので、この繰返し波長に
ほぼ等しい波長の光は、グレーティングによって反射さ
れる。

グレーティングによって光が繰り返えし反射される。光
は導波層の中を主に伝搬し、電子、正孔の再結合は活性
層の中で起る。導波層と活性層とは充分薄く、厚みは光
の波長以下であるので、導波層を伝わる光と活性層のキ
ャリヤとは相互作用することができる。このため、注入
電流が閾値をこえると、誘棉放出が始まり、レーザ発振
する。

このようなレーザ発振はＺ　＝ＺｏとＺｌの間て起る。

この部分を分布帰還部と呼ぶことにする。分布帰還部で
発振増幅された光は、Ｚｌを超えて、端面へ向って伝搬
する。ここには、分布帰還部から連続して、漸次拡開す
る略円錐形の埋め込み拡開導波路１０が設けである。レ
ーザ光は、この導波路１０に入る。

分布帰還部と埋め込み拡開導波路１０の境界（ＺｍＺｒ
）に於ては、光の分布は極めて狭く局在している。しか
し拡開導波路１０の中へ入ると、導波路１０の拡りとと
もに、レーザ光の分布も拡がる。しかも、接合面に対し
、平行な方向にも、垂直な方向にも一様に拡る。レーザ
光は拡りなから、導波路１０の内部を伝わり、出射端１
１より出射される。拡開導波路１０の接合面と平行な方
向の寸法をＷｒ　、垂直な方向の寸法をＷ２とする。

これらは、もとの活性層、導波層の縦横の寸法Ｄ２　、
　Ｄｔより大きく、光の波長よりも大きい。従ってλ／
Ｗて決まるビーム拡り角は著しく狭くなる。

分布帰還型でなければならない理由は、レーザの光の出
射端の一方を埋め込み拡開導波路とするので、出射端１
１の骨間面を共振器の一方のミラーとして利用できなく
なるからである。

（キ）効　果 （１）光ファイバへ半導体レーザを結合する際モード不
整合による損失が小さくなる。

この半導体レーザが有する埋め込み拡開導波路１０の断
面形状、従って屈折率の高い部分の分布が円形に近いた
め、光ファイバの導波モード（Ｉ−Ｉ　Ｅｌｌモード）
に近い出射ビームモードを有するからである。

分布帰還部てレーザ発振、増幅してし）る光のモードは
、矩形モードに近いが、導波層５から埋め込み拡開導波
路１０に入射すると、自然にモード変換が起り、円形モ
ードＣと近くなる。

（２）　開口数の小さい光ファイノくとの結合におし）
でもその結合効率は高い。

埋め込み拡開導波路１０の端面シこ於ける断面サイズが
、発振波長λより大きし）。このため、出射ビームの拡
がり角は、比較的小さくなる。しかも、接合面に平行な
方向の波力（す０１、垂直な方向の拡がり０２はほぼ同
程度となる。拡かり角が狭くて、円形ビームに近し）の
で、開口数の小さい光ファイノくべも効率良く入射させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は埋め込みダブルへテロ分布帰還型半導体レーザ
の公知の一例を示す一部縦断斜視図。 第２図は分布帰還半導体レーザのウエノλプロセスに於
て電極を付ける前に、くさひ形の開放部をのこして、素
子の上面をマスクした本発明の製造一工程を、示す平面
図。 第３図はマスクしたレーザ素子をエツチングした後の縦
断面図（Ｚ　＝　Ｚｍ　）。 第４図はマスクしたレーザ素子をエツチングしたことに
より、開放部に円錐形に近い空洞部か生ずることを示す
レーザ素子の斜視図。 第５図は本発明の分布帰還型半導体レーザ素子チップの
一部縦断斜視図。第４図の状態から、空洞部に埋み込み
拡開導波路をエピタキシャル成長させて形成し、空洞部
を埋め、上下の電極を設けたものである。 第６図は第５図と同じものの中央縦断面図。 第７図は従来の半導体レーザの出射光のビーム拡がりと
活性層の寸法比との関係を説明するだめの斜視図。 第８図は円柱レンズを用いて、接合面と直角な方向のビ
ーム拡り角を減少させて等方向な出射ビームを得る従来
例を説明する斜視図。 １・・・・・・Ｐ側電極 ２・・・・ｌ）　−１ｎＧａＡ　ｓ　Ｐコンタクト層３
　・・・・１）−ＩｎＰアンチメルトバック層４・・・
・・・ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ５　・・−・−ｎ−−１ｎＧａＡｓｌ’導波層６・・・
・ｎ−１ｎＰ基板 γ・・・・・ｎ側電極 ８・・・・・ｎ−１ｎＰ埋め込み層 ９　・・・１）−１ｎＰ埋め込み層 １０・・・・・埋め込み拡開導波路 １１・・・・・出射側端面 １５・・・・・・マ　ス　り １６・・・・開放部 Ｕ・・・・開放部の横幅 ■・・・・空　洞　部 発　明　者　笹　谷　幸　裕 西　脇　中　和 松　岡　春　冶

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）　活性層４と周期的構造のグレーティングを備え
   た導波層５とを有する分布帰還型半導体レーザの、導波
   層５、活性層４の中間部から一方の出射端１１に至る部
   分に漸次拡開する略円錐形状の埋め込み拡開導波路１０
   を設けた事を特徴とする半導体レーザ。
2. （２）結晶材料が１ｎＧａΔｓＰ　／　ＩｎＰであッテ
   、埋め込み拡開導波路１０がＩｎＧａＡｓＰである特許
   請求の範囲第（１）項記載の半導体レーザ。
3. （３）結晶材料がＧａＡ７Ａｓ　／　ＧａＡｓであッテ
   、埋め込み拡開導波路１０がＧａＡｓである特許請求の
   範囲第（１）項記載の半導体レーザ。
4. （４）分布帰還型半導体レーザの製造プロセスに於て、
   半導体基板の士にグレーティングを含む導波層、活性層
   及び必要なりラッド層、埋め込み層などを設けた後、く
   さひ形の開放部１６を残してレーザ素子上面をマスク１
   ５して、エツチングし、略円錐形の内面を有する空洞、
   部■を作り、この空洞部へ、周囲材料より屈折率の高い
   材料をエピタキシャル成長させて空洞部を埋めて埋め込
   み拡開導波路１０を設ける事を特徴とする半導体レーザ
   の製造方法。
5. （５）　エツチング液として臭化メチル系のエツチング
   液を用いる特許請求の範囲第（４）］ｊＢ記載の半導体
   レーザの製造方法。