(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、下部クラッド層と、活性層と、上部クラッド層と、コンタクト層と、電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電極層とが順次積層され、前記上部クラッド層に至る断面四角形状の複数の凹部をそれぞれ所定間隔あけて前記ストライプ溝方向に回折格子が並設され、前記複数の凹部の各開口を覆う補強膜が設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記補強膜が絶縁膜からなり、電流ストップ層を兼ねることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関するものであり、特に安定な縦単一モード発振を可能にした分布帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの応用分野として、光メモリ、光通信、光応用計測、ホログラムスキャナなどが知られている。そして、これら応用分野の中においても光通信の分野では、光ファイバの導波特性との関係で赤外波長帯の半導体レーザが好ましい。
このような背景から、従来の半導体レーザはファブリ−ペロ型が一般的に使用されているが、モードホッピングによる発振波長λ１の変動があり、さらに使用温度によって発振波長が変動するという欠点を有し、高速変調時に縦単一モードの発振が不可能なものとなっている。そこで、分布帰還型半導体レーザが注目されている。
【０００３】
図９は、従来の分布帰還型半導体レーザを示す斜視図であり、図１０は図９のｂ−ｂ線に沿う断面矢視図である。
図９と図１０に示す分布帰還型半導体レーザ２は、基板１１２の下面に電極層１１１が形成され、基板１１２の上に下部クラッド層１１３、活性層１１４、上部クラッド層１１５が順次積層され、上部クラッド層１１５の上面にコンタクト層１１６が形成されている。コンタクト層１１６の上には、絶縁層１１７が形成され、絶縁層１１７の中央には所定幅寸法のストライプ溝１１９が開口されている。
【０００４】
また、絶縁層１１７の上面およびストライプ溝１１９内のコンタクト層１１６の上面には電極層１１８が形成されている。また、コンタクト層１１６から上部クラッド層１１５にかけて規則的な凹部１２０、１２０…が形成され、凹部１２０、１２０…の中間部分は相対的な凸部１２１、１２１…とされ、凹部１２０、１２０…と凸部１２１、１２１…とによって分布帰還型半導体レーザ２の表面部分に回折格子３が形成されている。
【０００５】
図９と図１０に示す分布帰還型半導体レーザ２にあっては、前記ストライプ溝１１９の幅寸法内の前記活性層１１４において発振が行われる。この発振領域、すなわち共振（帰還）領域を図９に符号（イ）で示している。
また、この例の構造において回折格子はストライプ溝１１９が形成されていない部分（発振領域（イ）以外の部分）であって、活性層１１４の近傍に形成されるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
分布帰還型半導体レーザの回折格子においては、その凹部のピッチにより発振するレーザ光の波長を変えるものである。従来の半導体レーザにおいてある波長を設定したときの寸法の一例を挙げると、回折格子の凹部１２０および凸部１２１の幅は約０．１１μｍ、凹部１２０の深さ（凸部１２１の高さ）は、約０．５μｍ程度であった。
【０００７】
このように、凸部１２１の高さに対して凸部１２１の幅が約５分の１と小さくなっているので、凸部１２１の強度が不足してしまい、外部から力が加わるなどした場合、凸部１２１が倒れて破損してしまう可能性があった。もし凸部１２１が破損してしまえば、その部分は共振できないので分布帰還型半導体レーザの性能が低下してしまうことになる。
上記の点に鑑み、本発明は回折格子の凸部の強度を向上させ破損を防止し、安定な縦単一モード発振を可能にした半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザは、半導体基板上に、下部クラッド層と、活性層と、上部クラッド層と、コンタクト層と、電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電極層とが順次積層され、前記上部クラッド層に至る断面四角形状の複数の凹部をそれぞれ所定間隔あけて前記ストライプ溝方向に回折格子が並設され、前記複数の凹部の各開口を覆う補強膜が設けられていることを特徴とする。
すなわち、回折格子を有する半導体レーザにおいて、補強膜によって回折格子の複数の凹部の各開口を覆うことで、凸部の先端同士を補強膜でつなぎ合わせて凸部の強度を高めることができ、外部から力が加わっても凸部が破損しにくくなっている。
【０００９】
また、本発明に係る半導体レーザにおいては、前記補強膜が絶縁膜からなり、電流ストップ層を兼ねることが好ましい。
具体的には、補強膜となる絶縁膜にはＳｉＯ２などの材料を用いることができる。製造工程において、上部クラッド層に凹部を形成した後、上部クラッド層上にＳｉＯ２などの絶縁膜をスパッタ法により成膜すると、スパッタ法は凸部の角部に回り込むように膜が形成されるという特性を持っているため、自ずと隣接する凸部の先端同士がつながり、凹部の開口を覆うように絶縁膜が形成される。
上記構成とすることで、補強膜を成膜する工程を新たに追加する必要がなく、従って工程数が増加することはない。
【００１０】
ここで、前記絶縁膜の成膜過程を図８を用いて詳細に説明する。
図８（Ａ）は、絶縁膜の成膜を開始する前の状態を示す拡大断面図である。この状態から絶縁膜６０のスパッタ法による成膜を開始すると、図８（Ｂ）に示すように、凹部６１、６１…の底部および凸部６２、６２…の先端部に絶縁膜６０が形成されるのみならず、凸部６２、６２…の側面部にも徐々に絶縁膜６０が形成されていく。これは、スパッタ法が凸部の角部に回り込むように膜を形成するという特性を持っているためである。さらに絶縁膜６０の形成が進行すると、図８（Ｃ）に示すように、隣接した凸部６２、６２の先端部からせりだしてきた絶縁膜６０が、自ずと凹部６１の開口を覆うようにして密着し、一枚の膜状になる。このようにして絶縁膜６０により、凹部６１、６１…の開口が覆われ、凸部６２、６２…の先端部がつなぎ合わされる。
また、スパッタ法においては、凸部６２の側面部に形成される絶縁膜６０の厚さは、凸部６２の上面部に形成される絶縁膜の厚さｔのほぼ半分になるため、凹部６１の幅をｗとすると、ｗ≦ｔの関係を満たすように絶縁膜６０を形成しさえすれば、凹部６１の開口が塞がれた状態となる。なお、前記ｗは通常０．０５５ないし０．３３μｍ、ｔは０．１５μｍ以上程度の範囲をとるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態例のみに限定されるものではない。
図１は本発明の半導体レーザの一実施形態例を示す斜視図、図２は図１のａ−ａ線矢視断面図である。
図１と図２に示すように、本実施の形態の分布帰還型半導体レーザ１は、半導体基板１２の下面に下部電極層１１が形成されている。また、半導体基板１２の上面には、下部クラッド層１３、活性層１４、上部クラッド層１５が積層され、上部クラッド層１５の上にはコンタクト層１６が形成されている。
【００１２】
さらに、コンタクト層１６の上には例えばＳｉＯ２などの絶縁層からなる電流ストップ層１７（補強膜）が形成されており、電流ストップ層１７の中央部には所定幅寸法のストライプ溝１９が開口されている。また、電流ストップ層１７およびストライプ溝１９の上面には、コンタクト層１６に接するように上部電極層１８が形成されている。
上記各層からなる半導体エピタキシャル基板は、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いるなどしたエピタキシャル結晶成長により製作することができる。
【００１３】
この半導体エピタキシャル基板において、上部クラッド層１５に至る断面四角形状の多数の凹部２０がそれぞれ所定間隔をあけてストライプ溝方向に並設されている。隣接する凹部２０、２０…間は凸部２１、２１…となり、これら凹部２０とこれら凸部２１により回折格子が構成されている。この回折格子は、図１の形態ではストライプ溝１９の両側に２列形成されている。
図２に示すように、凹部２０の各開口は電流ストップ層１７で覆われている。すなわち、凸部２１の先端のみが電流ストップ層１７によりつなぎ合わされた形状になっている。また、凹部２０の各底部には、電流ストップ層１７形成時に同時に形成された絶縁層２２が設けられている。
【００１４】
本例では、半導体基板１２はｎ型ＩｎＰ、下部クラッド層１３はｎ型ＩｎＰ、活性層１４はＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層１５はｐ型ＩｎＰ、コンタクト層１６はＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰから構成されている。従って、この構成の半導体レーザ１は、クラッド層をＩｎＰ、活性層をＩｎＧａＡｓＰから形成しているので、基本的には発振波長が赤外波長帯となる。
このストライプ溝１９の幅寸法内の活性層１４において上部電極層１８と下部電極層１１に対して所定周波数の交流駆動電圧が与えられると、活性層１４の発振領域では、凹部２０と凸部２１とからなる回折格子が共振器となって共振（帰還）が発生し、共振波長λ１の縦単一モードのレーザ光が発生される。
【００１５】
次に図１と図２に示す構造の分布帰還型半導体レーザ１の製造方法の一例について説明する。
まず、図３（Ａ）に示すようなｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１２上に、ｎ型ＩｎＰからなる１μｍ厚の下部クラッド層１３と、ＩｎＧａＡｓＰからなる０．２μｍ厚の活性層１４と、Ｐ型ＩｎＰからなる０．７μｍ厚の上部クラッド層１５と、Ｐ型ＩｎＧａＡｓからなる０．２μｍ厚のコンタクト層１６とを積層した素基板を製造する。この素基板は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いるなどしたエピタキシャル結晶成長技術により半導体基板１２上に各層を成膜することにより製造できる。
次に、スパッタなどの成膜法により素基板の上面に図３（Ｂ）に示すように、スピンコータなどの塗布装置を用いてレジスト３２を塗布した後にクリーンオーブンなどの加熱装置を用いてプリベークしてレジスト３２を硬化させる。
【００１６】
次に、図３（Ｃ）に示すようにマスク３３を介してレジスト３２の表面の回折格子形成領域以外の部分を露光する。
次に、図４（Ｄ）に示すように２光束干渉露光法によりレジスト３２の回折格子形成領域を露光した後に、このレジスト３２を現像し、加熱装置でポストベークして水分を飛ばすことで図４（Ｄ）に示すような波形レジスト３２’を形成する。
さらに、前記波型レジスト３２’の上に真空斜方蒸着法などの成膜法でＮｉＣｒ膜、Ｎｉ膜などの厚さ３０ｎｍの金属膜４８を斜方蒸着する。この斜方蒸着により金属膜４８は、図４（Ｅ）に示すように間欠的に波型レジスト３２’の各凸部の片面側にそれぞれ形成される。
【００１７】
続いて図５（Ｆ）に示すように、この金属膜４８をマスクとして、金属膜４８に覆われていないレジスト３２の一部を酸素ガスによる反応性イオンエッチング（ドライエッチング）により除去する。
続いて図５（Ｇ）に示すように、塩素またはメタン系ガスによる反応性イオンエッチング（ドライエッチング）を行い、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１６を金属膜４８とレジスト層３２のエッチング残留部分をマスクとしてエッチングして、コンタクト層１６に凹部４９を多数形成し、凹部４９、４９…に隣接する凸部５０、５０…を形成する。この反応性イオンエッチング（ドライエッチング）によれば、ガス圧、エッチング装置の高周波パワーの制御条件などでエッチングレートが変化し、また面内のエッチングレートの分布もあるので、凹部４９の深さは少しばらつくが、サイドエッチングはほとんど生じないので、凹部４９、４９…の穴幅の大きさを厳密に形成できる。
【００１８】
次に、図６（Ｈ）に示すように、前記凸部５０、５０…をマスクとして塩酸と酢酸の混合酸（ＨＣｌ：ＣＨ３ＣＯＯＨ＝１：４のもの、あるいは、ＨＣｌ：ＣＨ３ＣＯＯＨ：Ｈ２Ｏ＝１：４：０．５のものなど）を用いたウェットエッチングにより上部クラッド層１５をエッチングし、上部クラッド層１５に凹部５２、５２…を形成する。このウェットエッチングにおいて前記混合酸は上部クラッド層１５を構成するＩｎＰをエッチングすることは容易にできるが、その下にあるＩｎＧａＡｓＰの活性層１４をエッチングする速度は極めて遅いので、このエッチングは活性層１４で止まり、凹部５２、５２…の深さは均一になる。
【００１９】
次に、図６（Ｉ）に示すように、レジスト３２の残留部分をアセトンで除去すると、凸部５３、５３…およびそれらに隣接して存在する凹部５２、５２…が得られる。
次いで、図６（Ｊ）に示すように、スパッタなどの成膜手段でＳｉＯ２からなる厚１５００Å以上の絶縁層５６を、凹部５２、５２…を覆い、凸部５３、５３…をつなぎ合わせるように成膜する。これと同時に図２に示した凹部２０の底部の絶縁層２２も形成される。
【００２０】
絶縁層５６を成膜した後、図７に示すように、ストライプ溝１９を形成するため、この溝形状に合わせた穴５７ａを中央部に有するレジスト５７を絶縁層５６の上面に形成し、加熱装置でプリベークし、露光し現像する。そして、バッファードフッ酸（森田化学工業社製、商品名１：１０バッファードフッ酸）でエッチングして絶縁層５６の上記穴部分を除去することにより、図１に示したストライプ溝１９を形成するとともに、その溝の両側に位置する絶縁膜５６が電流ストップ層１７となる。その後、有機溶剤、例えばアセトンなどによりレジスト５７を除去する。
【００２１】
さらに、基板１２の底面を必要厚さ機械研磨と化学研磨して基板１２の厚さを調節し、Ａｕを主体とした共通電極層１１を形成する。
そして、レジスト５７を除去した絶縁層５６における電流ストップ層１７上に真空蒸着によりＡｕを主体とした上部電極層１８を形成する。
その後、ストライプ溝１９の長手方向の両端部分を切断することにより、図１および図２に示した半導体レーザ１が得られる。
【００２２】
このように、本実施の形態の半導体レーザ１は、半導体基板１２上に、下部クラッド層１３と、活性層１４と、上部クラッド層１５と、コンタクト層１６と、電流通路を成すストライプ溝１９を有する電流ストップ層１７と、電極層１８とが順次積層され、前記上部クラッド層１５に至る断面四角形状の複数の凹部２０をそれぞれ所定間隔あけて前記ストライプ溝方向に回折格子が並設され、前記複数の凹部２０の各開口を覆う電流ストップ層１７が設けられていることを特徴とするものであって、電流ストップ層１７によって回折格子の複数の凹部２０の各開口を覆うことで、凸部２１の先端同士を電流ストップ層１７でつなぎ合わせて凸部２１、２１…の強度を高めることができ、外部から力が加わっても凸部２１、２１…が破損しにくくなっている。従って、半導体レーザ１が発振しないといった不具合が生じるのを防止することができる。
また、電流ストップ層１７により凸部２１の先端同士をつなぎ合わせて強度を高めているので、補強用の膜を成膜する工程を新たに追加する必要がなく、従って工程数が増加することはない。
【００２３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば本実施の形態では、半導体基板１２および下部クラッド層１３はｎ型ＩｎＰ、活性層１４はＩｎＧａＡｓＰ、上部クラッド層１５はｐ型ＩｎＰ、エッチングストップ層１０およびコンタクト層１６はＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰから構成されているが、適用できる原材料はこれらに限るものではない。
また、本実施の形態で用いた各層の具体的な数値、各工程の具体的な処理方法や処理条件に関しては適宜変更が可能である。
【００２４】
【発明の効果】
上述のごとく、本発明の半導体レーザは、半導体基板上に、下部クラッド層と、活性層と、上部クラッド層と、コンタクト層と、電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電極層とが順次積層され、前記上部クラッド層に至る断面四角形状の複数の凹部をそれぞれ所定間隔あけて前記ストライプ溝方向に回折格子が並設され、前記複数の凹部の各開口を覆う補強膜が設けられていることを特徴とするものであって、補強膜によって回折格子の複数の凹部の各開口を覆うことで、凸部の先端同士を補強膜でつなぎ合わせて凸部の強度を高めることができ、外部から力が加わっても凸部が破損しにくくなっている。従って、半導体レーザが発振しないといった不具合が生じるのを防止することができる。
【００２５】
また、本発明に係る半導体レーザにおいては、前記補強膜を絶縁膜で構成し、電流ストップ層を兼ねるようにした場合、補強膜を成膜する工程を新たに追加する必要がなく、従って工程数が増加することはない。
従って、本発明の半導体レーザは、回折格子の凸部の強度を向上させ破損を防止しており、安定な縦単一モード発振を可能にした半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分布帰還型半導体レーザの一実施形態例を示す斜視図である。
【図２】図１の半導体レ−ザのａ−ａ線矢視断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザの製造方法を工程順をおって示すプロセスフロー図である。
【図４】同プロセスフロー図の続きである。
【図５】同プロセスフロー図の続きである。
【図６】同プロセスフロー図の続きである。
【図７】図１に示した半導体レーザの製造方法を示すためのもので、図６（Ｊ）に示した絶縁層上にレジスト膜を形成した状態を示す斜視図である。
【図８】絶縁膜の成膜過程を順をおって示すプロセスフロー図である。
【図９】従来の半導体レーザの一例を示す斜視図である。
【図１０】図９に示した半導体レーザのｂ−ｂ線に沿う断面矢視図である。
【符号の説明】
１１        下部電極層
１２        半導体基板
１３        下部クラッド層
１４        活性層
１５        上部クラッド層
１６        コンタクト層
１７        電流ストップ層
１８        上部電極層
１９        ストライプ溝
２０        凹部
２１        凸部
２２        絶縁層
【図１】
0003602305.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003602305.tif 000007
【図７】
0003602305.tif 000008
【図８】
0003602305.tif 000009
【図９】
0003602305.tif 000010
【図１０】
0003602305.tif 000011