(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓの井戸層とＩｎＧａＡｓの障壁層からなる量子井戸構造を成長させる工程と、
前記量子井戸構造の上層にキャップ層を積層する工程と、
前記キャップ層の一部を薄くする工程と、
前記キャップ層を薄くした表面と、前記キャップ層を薄くしていない表面の一部とに誘電体膜を形成する工程と、
前記量子井戸構造を前記キャップ層及び前記誘電体膜と共に熱処理することにより、前記誘電体膜下部の前記量子井戸構造を無秩序化した他の量子井戸構造を形成する工程とを有し、
無秩序化により、前記他の量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長を、前記量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長より短波長化する半導体素子の製造方法。
【請求項２】
ＩｎＰ基板上に複数の波長の光を発する発光層を有する半導体素子であって、
前記発光層が、ＩｎＡｓの井戸層とＩｎＧａＡｓの障壁層からなる量子井戸構造と、当該量子井戸構造の一部を無秩序化した他の量子井戸構造とからなり、
請求項１の製造方法によって作られたことを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体素子を用いた多波長半導体レーザであって、
前記量子井戸構造からなる発光層の単一モード発振波長と、前記他の量子井戸構造からなる発光層の各々の単一モード発振波長を、各々異なるガスの吸収線と一致させたことを特徴とする多波長半導体レーザ。
【請求項４】
請求項３に記載の多波長半導体レーザを搭載し、出射光軸を１つにしたことを特徴とする多波長半導体レーザモジュール。
【請求項５】
請求項３に記載の多波長半導体レーザ又は請求項４に記載の多波長半導体レーザモジュールを光源として用いたことを特徴とするガスセンシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的にガスを検知するための光源として使用される半導体素子、多波長半導体レーザ、多波長半導体レーザモジュール、ガスセンシングシステム及び半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定波長のレーザ光がある種の気体に吸収され易いこと（吸収されやすい特定波長のことを吸収線と呼ぶ）を利用して気体の有無を検出できることが知られており、この原理を応用した光センシング技術が工業計測、公害監視などで広く用いられている。このようなレーザ分光に基づく検出技術は、分子選択性に優れる、高速検出が可能である、などの特長がある。更に、半導体レーザを光源とする吸収分光法は、小型軽量である、保守が容易である、比較的安価である、などの実用的な特長をも備えている。
【０００３】
レーザ光の波長を変化させてガスの吸収線を検出する場合、レーザ光には、ガスの吸収線よりも狭い線幅が求められる。半導体レーザにおいては、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）構造や分布反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）構造などを採用することにより、単一縦モード発振が可能となり、吸収線よりも狭い線幅を容易に実現することができる。
【０００４】
又、高感度にガスを検出するためには、波長の選択も重要である。ガスの吸収線は、その分子構造に起因して、中赤外領域で吸収が大きいことが知られている。しかしながら、３μｍ以上の波長域では、室温動作する半導体レーザ（光源）、受光器の実現が困難であり、実用的とは言えない。それに対し、３μｍ以下の波長域では、光通信用ＩｎＰ系半導体デバイスの技術をベースとした室温動作する半導体レーザや受光器を用いることが可能である。例えば、２μｍ波長帯（２．０〜２．８μｍ）に発振波長を持つ、ＩｎＡｓを量子井戸層に用いた半導体レーザが特許文献１に記載されている。又、図１に示すように、２μｍ波長帯には多数のガスの吸収線が存在している。つまり、実用性や高感度化の観点から、吸収分光法によるガスセンシングには２μｍ波長帯を用いることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０５９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
吸収分光法によるガス検出は、分子選択性に優れることから、多種類のガスが混在している状況下でも所望のガスのみを高感度に検出できる利点がある。そのため、多種類のガスの中から、同時に複数のガスを検出することも可能である。しかしながら、吸収分光法では、ガス種に固有の吸収線を用いるため、ガス毎に発振波長の異なる半導体レーザが必要となる。例えば、同一箇所を測定する場合においても、３種類のガスを検出するためには、発振波長の異なる３つの半導体レーザモジュールが必要となる。更に、それぞれのレーザ光を別々の光路で用いる場合には、それに準じた数の受光器も必要となる。又、複数のレーザ光を１つの受光器で受光する場合においても、複数のレーザ光を合波する機構が必要となる。
【０００７】
又、発振波長が異なる複数の半導体レーザチップを１つのモジュール内に搭載する場合においても、レンズ配置などの光学系の複雑化を避けることはできない。
【０００８】
つまり、従来の技術では、複数のガスを吸収分光法で検出する場合、半導体レーザや受光器などの部品点数の増加や装置構造の複雑化により、システムが大型かつ高価になってしまうという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み提案されたもので、その目的とするところは、多種類のガスの吸収線に一致した、２μｍ波長帯の複数の波長で発振可能な半導体素子、多波長半導体レーザ、多波長半導体レーザモジュール、ガスセンシングシステム及び半導体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】
【００１０】
上記課題を解決する第１の発明に係る半導体素子の製造方法は、
ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓの井戸層とＩｎＧａＡｓの障壁層からなる量子井戸構造を成長させる工程と、
前記量子井戸構造の上層にキャップ層を積層する工程と、
前記キャップ層の一部を薄くする工程と、
前記キャップ層を薄くした表面と、前記キャップ層を薄くしていない表面の一部とに誘電体膜を形成する工程と、
前記量子井戸構造を前記キャップ層及び前記誘電体膜と共に熱処理することにより、前記誘電体膜下部の前記量子井戸構造を無秩序化した他の量子井戸構造を形成する工程とを有し、
無秩序化により、前記他の量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長を、前記量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長より短波長化することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第２の発明に係る半導体素子は、
ＩｎＰ基板上に複数の波長の光を発する発光層を有する半導体素子であって、
前記発光層が、ＩｎＡｓの井戸層とＩｎＧａＡｓの障壁層からなる量子井戸構造と、当該量子井戸構造の一部を無秩序化した他の量子井戸構造とからなり、
第１の発明の製造方法によって作られたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第３の発明にかかる多波長半導体レーザは、
上記第２の発明に記載の半導体素子を用いた多波長半導体レーザであって、
前記量子井戸構造からなる発光層の単一モード発振波長と、前記他の量子井戸構造からなる発光層の各々の単一モード発振波長を、各々異なるガスの吸収線と一致させたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第４の発明に係る多波長半導体レーザモジュールは、
上記第３の発明に記載の多波長半導体レーザを搭載し、出射光軸を１つにしたことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第５の発明に係るガスセンシングシステムは、
上記第３の発明に記載の多波長半導体レーザ又は上記第４の発明に記載の多波長半導体レーザモジュールを光源として用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガスセンシングに適した２μｍ波長帯において、１つのレーザ素子から複数の波長で発振可能な半導体レーザを容易に提供することができ、吸収分光法を用いたガス検出システムの小型化、低価格化に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】多数のガスの吸収線の波長を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例の製造工程を説明する断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例の製造工程を説明する断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例の量子井戸構造の無秩序化前後のＸ線回折測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施例において、無秩序化前、無秩序化後及び無秩序化無しの場合のＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図６】ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造の無秩序化前後のＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図７】ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸構造の無秩序化前後のＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施例において、熱処理温度を変化させた際のＰＬピーク発光波長を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施例において、キャップ層の厚さを変化させた際のＰＬピーク発光波長を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施例の適用例として、２本のストライプを有するリッジ型ＦＰレーザの作製手順を説明する断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施例の適用例として、２本のストライプを有するリッジ型ＦＰレーザを示す斜視図である。
【図１２】本発明の第１の実施例の他の適用例として、２本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザの作製手順を説明する断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施例の他の適用例として、２本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザを示す斜視図である。
【図１４】本発明の第２の実施例として、１本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザを示す斜視図である。
【図１５】本発明の第３の実施例として、３本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザの作製手順を説明する断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施例として、３本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザの作製手順を説明する断面図である。
【図１７】従来のレーザモジュールを示す概略構成図である。
【図１８】本発明の第５の実施例として、レーザモジュールを示す概略構成図である。
【図１９】本発明の第６の実施例として、ガスセンシングシステムを示す概略構成図である。
【図２０】図１９に示したガスセンシングシステムを用いて測定した二酸化炭素のスペクトルである。
【図２１】図１９に示したガスセンシングシステムを用いて測定した一酸化炭素のスペクトルである。
【図２２】波長変調分光法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の好適な実施例を以下に説明する。
【００２１】
［実施例１］
本発明の第１の実施例として、２μｍ波長帯の複数波長で発振可能な半導体レーザについて説明する。ここでは、図２乃至図１３を参照して説明するが、まず、図２及び図３を参照して本実施例の製造工程を説明する。
【００２２】
本発明では、結晶成長として、反応炉を５０Ｔｏｒｒに減圧したＭＯＶＰＥ法を用いた。III族原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、Ｖ族原料としてはホスフィン（ＰＨ3）、アルシン（ＡｓＨ3）を使用した。ｐ型不純物となるＺｎの原料には、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、ｎ型不純物となるＳｉの原料には、モノシラン（ＳｉＨ4）を用いた。試料の構造的特性の評価にはPhilips社製のエックス線回折装置を用いた。光学的特性の評価には波長５３２ｎｍのレーザを光源としたフォトルミネセンス（ＰＬ：photoluminescence）測定を室温（２５℃）で行った。
【００２３】
図２に、作製したレーザの活性層（発光層）となる分離閉じ込め型多重量子井戸構造を示す。ｎ型ＩｎＰ（１００）基板１１上に、Ｓｉを１×１０18ｃｍ3の濃度にドーピングしたｎ型ＩｎＰクラッド層１２（膜厚：５００ｎｍ）を成長し、続いて、ノンドープのバンドギャップ波長λｇ＝１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３（膜厚：１００ｎｍ）、６層のＩｎＡｓ井戸層（膜厚：５ｎｍ）と７層のＩｎＧａＡｓ障壁層（膜厚：２０ｎｍ）からなるＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）１４ａ、ノンドープのバンドギャップ波長λｇ＝１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５（膜厚：１００ｎｍ）、ノンドープのバンドギャップ波長λｇ＝１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６（膜厚：１００ｎｍ）、Ｚｎを５×１０17ｃｍ3の濃度にドーピングしたｐ型ＩｎＰキャップ層１７（膜厚：５０ｎｍ）を、順次、結晶成長により形成する。
【００２４】
上記層構造を結晶成長した後、ＭＯＶＰＥ成長炉から取出し、室温の硫酸に１分間浸してｐ型ＩｎＰキャップ層１７の表面を洗浄してから、スパッタ（８００Ｗ）により３００ｎｍのＳｉＯ2層１８をウエハ全面に形成する。その後、図３に示すように、フォトリソグラフィを用いてＳｉＯ2層１８のパターニングを行う。ＳｉＯ2層１８のパターニング後、再度、室温の硫酸に１分間浸してｐ型ＩｎＰキャップ層１７の表面を洗浄した後、ＭＯＶＰＥ成長炉に導入し、ＰＨ3雰囲気中で６８０℃、１時間の熱処理を行う。これにより、ＳｉＯ2層１８が形成されている箇所の下方の多重量子井戸構造１４ｂの無秩序化が起こり、発光波長が短波長化する。
【００２５】
図４に無秩序化前後の量子井戸構造のＸ線回折測定結果を示す。無秩序化前の量子井戸構造においては、量子井戸層の圧縮歪量は３．２％であり、量子井戸層がＩｎＡｓであることを示している。それに対し、無秩序化された量子井戸構造においては、量子井戸層の圧縮歪量が１．９％まで減少している。これは、量子井戸構造の井戸層と障壁層間でIII族原子（具体的にはＧａ原子）の相互拡散が生じ、ＩｎＡｓ井戸層内にＧａが拡散することにより、歪量が小さくなったことを示している。この井戸層と障壁層間においてIII族原子の相互拡散が起こり、量子井戸構造の特性が変化することを無秩序化と呼ぶ。ＳｉＯ2層１８を形成して熱処理することにより無秩序化が起こるメカニズムについて説明する。ＳｉＯ2層１８を半導体上に形成する際に、ＳｉＯ2層１８と半導体の界面に結晶欠陥であるIII族空孔が発生する。このIII族空孔が熱処理によって量子井戸構造まで拡散し、井戸層／障壁層間のIII族原子の相互拡散を引き起こすのである。
【００２６】
本実施例では、ＩｎＰ表面からのリン抜けに起因した結晶欠陥によるレーザ特性の劣化を防ぐために、ＰＨ3雰囲気であるＭＯＶＰＥ成長炉内で熱処理を行ったが、熱処理としては、ラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）を用いることも可能である。
【００２７】
図５に、ＳｉＯ2層１８を形成して熱処理した箇所とＳｉＯ2層１８を除去して熱処理した箇所のＰＬスペクトルを示す。参考までに、結晶成長直後（熱処理前）のウエハのＰＬスペクトルも併記する。ＳｉＯ2層１８を除去した箇所、つまり、多重量子井戸構造１４ａの領域のＰＬピーク波長は２３５０ｎｍであり、熱処理前とほとんど変化していない。それに対し、ＳｉＯ2層１８を形成して熱処理した箇所、つまり、多重量子井戸構造１４ｂの領域のＰＬピーク波長は２０５０ｎｍであり、３００ｎｍ短波長化していることがわかる。
【００２８】
比較のため、材料が異なる多重量子井戸構造に対する無秩序化前後の変化を図６、図７に示す。ここで、図６は、ＩｎＰ基板上に作製された圧縮歪量１％のＩｎＧａＡｓＰ井戸層と無歪のＩｎＧａＡｓＰ障壁層からなる多重量子井戸構造（バンドギャップ波長：１５３２ｎｍ、ＩｎＰキャップ層膜厚：１００ｎｍ）に、上記と同様の処理（ＳｉＯ2を形成して熱処理）を行った結果である。又、図７は、ＩｎＰ基板上に作製された圧縮歪量１％のＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層と無歪のＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層からなる多重量子井戸構造（バンドギャップ波長１５１９ｎｍ、ＩｎＰキャップ層膜厚：１００ｎｍ）に、上記と同様の処理（ＳｉＯ2を形成して熱処理）を行った結果である。図６、図７に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸構造の波長シフト量は、それぞれ２０ｎｍ、４ｎｍであり、１００ｎｍ以上に大きく波長シフトしないことを示している。
【００２９】
図８に、上記ＩｎＡｓ井戸層からなる量子井戸構造の試料を用いて、熱処理温度を変化させた際のＰＬピーク発光波長をプロットしたグラフを示す。熱処理温度を高くすることにより、発光波長のシフト量が大きくなっていることがわかる。熱処理温度６２０℃では１５０ｎｍ、６８０℃では３００ｎｍ、７２０℃では４００ｎｍ、８００℃では４７０ｎｍの波長シフトが得られる。しかしながら、８００℃を超える温度では、発光が得られない。このことから、熱処理温度としては、６００℃から８００℃の範囲内が有効であると言える。
【００３０】
図９に、熱処理条件を同一（６８０℃、１時間）とし、上記層構造のｐ型ＩｎＰキャップ層１７の厚さを変化させた場合のＰＬピーク発光波長をプロットしたグラフを示す。ＩｎＰキャップ層１７の厚さを薄くすることにより発光波長のシフト量が大きくなっていることがわかる。大きな波長シフト量を得る場合には、ＩｎＰキャップ層１７は薄い方が望ましい。しかしながら、３００ｎｍ以下であれば十分な波長シフト量を得ることが可能である。
【００３１】
又、ＳｉＯ2層１８の厚さを変化させた場合については、発光波長のシフト量に大きな差は見られない。そのため、ＳｉＯ2層１８の厚さは３００ｎｍに限定されるものではなく、ＳｉＯ2層１８としての強度を保ち、かつ、パターニングの精度が保たれる５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲としても問題はない。
【００３２】
又、本実施例ではＳｉＯ2層１８を量子井戸無秩序化のマスクとして用いたが、ＳｉＮxやＴｉＯ2などの誘電体膜を用いることも可能である。
【００３３】
又、本実施例では、誘電体膜となるＳｉＯ2層１８の形成にスパッタを用いたが、プラズマＣＶＤなど、そのほかの方法で形成しても問題ない。
【００３４】
従来、光通信に用いられる１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の歪量の少ない半導体レーザにおいては、量子井戸無秩序化によって発光波長を３００ｎｍ以上の広範囲にわたって制御するためには、８００℃程度の高温で熱処理を行う必要があった。そのため、ｐ型ドーパントであるＺｎ原子が量子井戸構造まで拡散し、オージェ再結合や価電子帯間吸収を引き起こし、レーザ特性を劣化させる要因となる。図６、図７に示すように、Ｚｎ拡散を抑制できる６８０℃という低温（７００℃以下）の熱処理では、発振波長を制御（シフト）できない。
【００３５】
しかしながら、本発明においては、量子井戸層に圧縮歪量の大きいＩｎＡｓを用いていることで、７００℃以下の熱処理温度で３００ｎｍ以上の広範囲での波長制御を可能としている。そのため、従来問題となるＺｎの拡散を抑制することが可能である。オージェ再結合や価電子帯間吸収は、発光波長が長いほど大きくなるため、２μｍ波長帯半導体レーザにおいて、Ｚｎの拡散を抑制することは、レーザ特性の劣化を防ぐ上で非常に重要である。
【００３６】
又、本実施例では、活性層に５ｎｍ厚のＩｎＡｓ量子井戸層を用いたため、熱処理前の波長は２３５０ｎｍであったが、波長を長くするためには、ＩｎＡｓ量子井戸層の厚さを厚くすれば良い。ＩｎＡｓ量子井戸層の厚さを７ｎｍとすると２．５μｍ、１０ｎｍとすると２．７μｍでの発光を得ることができる。又、量子井戸無秩序化による波長シフト量は量子井戸層の膜厚に依らないため、量子井戸層厚を変化させても、図８と図９と同様の傾向を持つことは明らかである。
【００３７】
（適用例１）
量子井戸無秩序化を用いて、半導体レーザのチップ内に２μｍ波長帯で異なる発光波長を有する活性層（発光層）を作製し、リッジ型ファブリペロー（ＦＰ）レーザを作製する。一例として、図１０を用いて波長２３５０ｎｍと波長２０５０ｎｍの２波長で発振するリッジ型ＦＰレーザの作製手順を説明する。活性層及び光閉じ込め層は上述したものと同様の構造を用いており、同様の構造には同じ符号を付している。
【００３８】
まず、図２に示した多重量子井戸構造と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造１４ａ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７を、順次、結晶成長により形成する（図１０（ａ））。
【００３９】
次に、レーザ光の出射方向に対して平行に、チップとなる領域の半分、例えば、チップ幅８００μｍであれば４００μｍの領域にＳｉＯ2層１８を形成する（図１０（ｂ））。その後、熱処理による量子井戸無秩序化により量子井戸構造１４ｂの発光波長を短波長化させる（図１０（ｃ））。このときのｐ型ＩｎＰキャップ層１７は５０ｎｍとし、熱処理条件は６８０℃、１時間とした。このとき、ＳｉＯ2層１８の無い領域のＰＬピーク波長は２３４６ｎｍ、ＳｉＯ2層１８を形成した領域のＰＬピーク波長は２０５３ｎｍであった。その後、ＳｉＯ2層１８をフッ酸により除去する（図１０（ｄ））。
【００４０】
その後、ＭＯＶＰＥ成長炉に導入して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０を順次、結晶成長により形成する（図１０（ｅ））。その後、ＳｉＯ2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、２３４６ｎｍの領域（ストライプ１）と２０５３ｎｍの領域（ストライプ２）にそれぞれ１本ずつ２．０μｍ幅のメサストライプ構造を作製する（図１０（ｆ））。２本のストライプ間隔は４００μｍとした。その後、ストライプ脇にＳｉＯ2膜２１を形成し、それぞれｐ型電極２２を蒸着する。裏面のｎ型電極２３は、２つのレーザで共通とした（図１０（ｇ）〜（ｈ））。その後、共振器長９００μｍに劈開することで、図１１に示すような、それぞれ発振波長の異なる２本のストライプを有するリッジ型ＦＰレーザ構造が作製される。
【００４１】
図１１に示すレーザは、室温連続動作において、ストライプ１では波長２３４４ｎｍ、ストライプ２では波長２０５２ｎｍでのマルチモード発振が得られ、しきい値電流は、いずれも３０ｍＡ程度であり、光出力は５ｍＷ程度である。
【００４２】
（適用例２）
レーザ光の波長を変化させてガスの吸収線を検出する場合、レーザ光には、ガスの吸収線よりも狭い線幅が求められる。半導体レーザにおいては、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）構造や分布反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）構造などを採用することにより、単一縦モード発振が可能となり、吸収線よりも狭い線幅を容易に実現することができる。そこで、量子井戸無秩序化を用いて、半導体レーザのチップ内に２μｍ波長帯で異なる発光波長を有する活性層（発光層）を作製し、単一モード発振するリッジ型ＤＦＢレーザを作製する。一例として、図１２を用いて波長２３５０ｎｍと波長２０５０ｎｍの２波長で発振するリッジ型ＤＦＢレーザの作製手順を説明する。活性層及び光閉じ込め層は上述したものと同様の構造を用いており、同様の構造には同じ符号を付している。
【００４３】
まず、図２に示した多重量子井戸構造と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造１４ａ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７を、順次、結晶成長により形成する（図１２（ａ））。
【００４４】
次に、レーザ光の出射方向に対して平行に、チップとなる領域の半分、例えば、チップ幅８００μｍであれば４００μｍの領域にＳｉＯ2層１８を形成する（図１２（ｂ））。その後、熱処理による量子井戸無秩序化により量子井戸構造１４ｂの発光波長を短波長化させる（図１２（ｃ））。このときのｐ型ＩｎＰキャップ層１７は５０ｎｍとし、熱処理条件は６８０℃、１時間とした。このとき、ＳｉＯ2層１８の無い領域のＰＬピーク波長は２３４６ｎｍ、ＳｉＯ2層１８を形成した領域のＰＬピーク波長は２０５３ｎｍであった。その後、ＳｉＯ2層１８をフッ酸により除去する（図１２（ｄ））。
【００４５】
更に、全面のｐ型ＩｎＰキャップ層１７も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去する。その後、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて回折格子２４を形成する（図１２（ｅ））。このとき、無秩序化を行った場所と行わない場所で、回折格子２４の周期を変えており、それぞれ３１８ｎｍ、３６６ｎｍの周期とした。
【００４６】
その後、ＭＯＶＰＥ成長炉に導入して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９（キャリア濃度：５×１０17ｃｍ3）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０（１×１０19ｃｍ3）を順次、結晶成長により形成する（図１２（ｆ））。その後、ＳｉＯ2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、２３４６ｎｍの領域（ストライプ１）と２０５３ｎｍの領域（ストライプ２）にそれぞれ１本ずつ２．０μｍ幅のメサストライプ構造を作製する（図１２（ｇ））。２本のストライプ間隔は４００μｍとした。その後、ストライプ脇にＳｉＯ2膜２１を形成し、それぞれｐ型電極２２を蒸着する。裏面のｎ型電極２３は、２つのレーザで共通とした（図１２（ｈ）〜（ｉ））。その後、共振器長９００μｍに劈開することで、図１３に示すような、それぞれ発振波長の異なる２本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザ構造が作製される。
【００４７】
図１３に示すレーザにおいて、その室温連続動作における単一モード発振波長は、ストライプ１では２３３７ｎｍ、ストライプ２では２０５２ｎｍであり、線幅はガスの吸収線よりも狭く、しきい値電流はいずれも３０ｍＡ程度、光出力はいずれも５ｍＷ程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ１０ｎｍ以上の波長変化が可能である。これらの２波長は、それぞれ一酸化炭素と二酸化炭素の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。
【００４８】
本実施例の２波長レーザの発振波長は、２３５０ｎｍと２０５０ｎｍ近傍であるが、ＩｎＡｓ量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、１９００ｎｍから２７００ｎｍの任意の波長を実現できることは明らかである。
【００４９】
本実施例のチップ内メサストライプ間隔は４００μｍであるが、量子井戸無秩序化しない領域と無秩序化される領域との界面近傍５μｍの領域は量子井戸構造の組成が均一にならないため活性層に用いることが困難であるものの、その界面から５μｍ以上離れた領域では均一な組成となるため、メサストライプ間隔は無秩序化しない領域と無秩序化される領域の界面から５μｍ以上離れていれば、任意の間隔とすることができる。又、ＳｉＯ2層１８の幅は、ＳｉＯ2層１８両端５μｍ幅の組成の不均一領域を避けるために、１０μｍ以上の幅とすることが望ましい。
【００５０】
ここでは、リッジ構造のＤＦＢレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、ｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰで交互に埋め込んだｐｎ埋め込み構造や、半絶縁性ＩｎＰで埋め込んだ埋め込み構造ＤＦＢレーザでも適用できることは明らかである。又、本実施例では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路や別途導波路層を設けて合波器（カプラ）により、単一の出射端（１つの出射光軸）とする構造でも適用できることは明らかである。
【００５１】
［実施例２］
実施例１では、レーザ光の出射方向に対して並列に複数のストライプを作製したが、本実施例では、一本のストライプを用いて直列にレーザを接続することを特徴とする。本実施例では、レーザ素子そのものの出射端が単一、つまり、１つの出射光軸となっている。
【００５２】
以下、図１４を用いて本実施例で作製したレーザについて説明する。活性層及び光閉じ込め層は実施例１に記載したものと同様の構造を用いており、同様の構造には同じ符号を付している。
【００５３】
まず、図２に示した多重量子井戸構造と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造１４ａ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７を、順次、結晶成長により形成する。
【００５４】
次に、チップとなる領域において、レーザ光出射側の領域にＳｉＯ2層１８（図３、図１０、図１２参照）を形成し、その後、熱処理による量子井戸無秩序化により量子井戸構造１４ｂの発光波長を短波長化させる。このときのｐ型ＩｎＰキャップ層１７（図２、図１０、図１２参照）は５０ｎｍとし、熱処理条件は６８０℃、１時間とした。このとき、ＳｉＯ2層１８の無い領域のＰＬピーク波長は２３４９ｎｍ、ＳｉＯ2層１８を形成した領域のＰＬピーク波長は２０５１ｎｍであった。その後、ＳｉＯ2層１８をフッ酸により除去する。
【００５５】
更に、全面のｐ型ＩｎＰキャップ層１７も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去する。その後、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いてλ／４シフト回折格子２４を形成する。このとき、ＰＬピーク波長の異なる領域で、回折格子２４の周期を変えている。回折格子２４の周期は、無秩序化を行った場所と行わない場所で、それぞれ３１８ｎｍ、３６６ｎｍとした。
【００５６】
その後、ＭＯＶＰＥ成長炉に導入して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０を順次、結晶成長により形成する。その後、ＳｉＯ2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、２３４９ｎｍの領域と２０５１ｎｍの領域を跨ぐように、２．０μｍ幅のメサストライプ構造を作製する。その後、ストライプ脇にＳｉＯ2膜２１を形成し、２３４９ｎｍの領域と２０５１ｎｍの領域にそれぞれｐ型電極２２を蒸着する。裏面のｎ型電極２３は、共通とした。その後、全長１２００μｍに劈開する。このとき、２３４９ｎｍの領域と２０５１ｎｍの領域は６００μｍずつ等しくなるように設計した。劈開後、両端面に無反射膜コーティングを施した。以上で、図１４に示すような、発振波長の異なるレーザが集積された１本のストライプからなるリッジ型ＤＦＢレーザ構造が作製される。
【００５７】
本実施例のレーザにおいて、室温連続動作における単一モード発振波長は、レーザ光の出射側を動作させると２０４９ｎｍであり、もう一方側を動作させると２３４０ｎｍである。又、発振波長２３５０ｎｍでのＤＦＢレーザのしきい値電流は、３０ｍＡ程度、２０５０ｎｍでは、５０ｍＡ程度である。光出力は、いずれも５ｍＷ程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ６ｎｍ以上の波長変化が可能である。これらの２波長は、それぞれ一酸化炭素と二酸化炭素の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。
【００５８】
本実施例では、発振波長を２３５０ｎｍ、２０５０ｎｍとしたが、ＩｎＡｓ量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、１９００ｎｍから２７００ｎｍの任意の波長を実現できることは明らかである。
【００５９】
［実施例３］
本実施例では、１つの素子で３つの波長で発振可能な多波長レーザについて、図１５を用いて説明する。
【００６０】
活性層及び光閉じ込め層は実施例１に記載したものと同様の構造であり、同様の構造には同じ符号を付している。
【００６１】
まず、図２に示した多重量子井戸構造と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造１４ａ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７を、順次、結晶成長により形成する（図１５（ａ））。ここで、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７の厚さは３００ｎｍである。
【００６２】
次に、チップとなる領域の一部（ここではチップ幅の１／３程度の領域）のｐ型ＩｎＰキャップ層１７上にＳｉＯ2などからなるマスク２５を形成し、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７をウェットエッチングにより５０ｎｍまで薄膜化する（図１５（ｂ））。ｐ型ＩｎＰキャップ層１７の薄い領域と、薄くしていない領域の一部にＳｉＯ2層１８ａ、１８ｂを形成する（図１５（ｃ））。その後、ＭＯＶＰＥ装置内で、６８０℃、１時間の熱処理を行う。このような構造で熱処理を行うことにより、量子井戸構造１４ｂ、１４ｃの発光波長を短波長化すると共に、図９のグラフに示したように、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７が薄い領域の量子井戸構造１４ｂが最も発光波長が短波長化する。その結果、発光波長が異なる３つの領域を同一素子内に作製することができる。本実施例で作製した３つの領域の発光波長は、２０５０ｎｍ、２２００ｎｍ、２３５０ｎｍである。その後、ＳｉＯ2層１８ａ、１８ｂをフッ酸により除去する（図１５（ｄ））。
【００６３】
更に、全面のｐ型ＩｎＰキャップ層１７も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去し、その後、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて回折格子２４を形成する（図１５（ｅ））。このとき、回折格子２４の周期は、発光波長２０５０ｎｍ、２２００ｎｍ、２３５０ｎｍの領域で、それぞれ３１８ｎｍ、３４３ｎｍ、３６６ｎｍの周期とした。
【００６４】
その後、ＭＯＶＰＥ成長炉に導入して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９（キャリア濃度：５×１０17ｃｍ3）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０（１×１０19ｃｍ3）を順次、結晶成長により形成する（図１５（ｆ））。その後、ＳｉＯ2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、２０５０ｎｍの領域（ストライプ１）、２２００ｎｍの領域（ストライプ２）、２３５０ｎｍの領域（ストライプ３）にそれぞれ１本ずつ２．０μｍ幅のメサストライプ構造を作製する（図１５（ｇ））。ストライプ間隔は２００μｍとした。その後、ストライプ脇にＳｉＯ2膜２１を形成し、それぞれｐ型電極２２を蒸着する。裏面のｎ型電極２３は、３つのレーザで共通とした（図１５（ｈ）〜（ｉ））。その後、共振器長９００μｍに劈開することで、それぞれ発振波長の異なる３本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザ構造が作製される。
【００６５】
本実施例のレーザにおいて、その室温連続動作における単一モード発振波長は、ストライプ１では２０５９ｎｍ、ストライプ２では２２０３ｎｍ、ストライプ３では２３３５ｎｍであり、しきい値電流はいずれも３０ｍＡ程度、光出力はいずれも５ｍＷ程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ１０ｎｍ以上の波長変化が可能である。これらの３波長は、それぞれ二酸化炭素（ＣＯ2）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）と一酸化炭素（ＣＯ）の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。
【００６６】
本実施例では、３波長レーザについて説明したが、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７の膜厚が異なる領域を所望の数だけ作製することで、４波長以上の発振波長を有するレーザを作製できることは明らかである。
【００６７】
本実施例の３波長レーザの発振波長は、２０５０ｎｍ、２２００ｎｍ、２３５０ｎｍ近傍であるが、ＩｎＡｓ量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、１９００ｎｍから２７００ｎｍの任意の波長を実現できることは明らかである。
【００６８】
本実施例では、リッジ構造のＤＦＢレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、ｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰで交互に埋め込んだｐｎ埋め込み構造や、半絶縁性ＩｎＰで埋め込んだ埋め込み構造ＤＦＢレーザでも適用できることは明らかである。又、本実施例では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路や別途導波路層を設けて合波器（カプラ）により、単一の出射端（１つの出射光軸）とする構造でも適用できることは明らかである。
【００６９】
［実施例４］
本実施例では、１つの素子で３つの波長で発振可能であって、実施例３とは無秩序化のための製造方法が異なる多波長レーザについて、図１６を用いて説明する。
【００７０】
活性層及び光閉じ込め層は実施例１に記載したものと同様の構造であり、同様の構造には同じ符号を付している。
【００７１】
まず、図２に示した多重量子井戸構造と同様に、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造１４ａ、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７を、順次、結晶成長により形成する（図１６（ａ））。ここで、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７の厚さは５０ｎｍである。
【００７２】
次に、チップ幅を複数の領域に分割し（ここでは３分割）、３分割した領域のうちの２つの領域のｐ型ＩｎＰキャップ層１７上に、各々、ＳｉＯ2層１８、ＳｉＮx層２６を形成する（図１６（ｂ））。その後、ＭＯＶＰＥ装置内で、６８０℃、１時間の熱処理を行う。このような構造で熱処理を行うことにより、量子井戸構造１４ｂ、１４ｃの発光波長を短波長化すると共に、誘電体膜（ＳｉＯ2層１８、ＳｉＮx層２６）の種類によって、半導体層との応力が異なることに起因して、波長シフト量が異なるため、発光波長が異なる３つの領域を同一素子内に作製することができる。本実施例で作製した３つの領域の発光波長は、２０５０ｎｍ、２１００ｎｍ、２３５０ｎｍである。その後、誘電体膜（ＳｉＯ2層１８、ＳｉＮx層２６）を除去する（図１６（ｃ））。
【００７３】
更に、全面のｐ型ＩｎＰキャップ層１７も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去し、その後、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて回折格子２４を形成する（図１６（ｄ））。このとき、回折格子２４の周期は、発光波長２０５０ｎｍ、２１００ｎｍ、２３５０ｎｍの領域で、それぞれ３１８ｎｍ、３２６ｎｍ、３６６ｎｍの周期とした。
【００７４】
その後、ＭＯＶＰＥ成長炉に導入して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９（キャリア濃度：５×１０17ｃｍ3）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０（１×１０19ｃｍ3）を順次、結晶成長により形成する（図１６（ｅ））。その後、ＳｉＯ2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、２０５０ｎｍの領域（ストライプ１）、２１００ｎｍの領域（ストライプ２）、２３５０ｎｍの領域（ストライプ３）にそれぞれ１本ずつ２．０μｍ幅のメサストライプ構造を作製する（図１６（ｆ））。ストライプ間隔は２００μｍとした。その後、ストライプ脇にＳｉＯ2膜２１を形成し、それぞれｐ型電極２２を蒸着する。裏面のｎ型電極２３は、２つのレーザで共通とした（図１６（ｇ）〜（ｈ））。その後、共振器長９００μｍに劈開することで、それぞれ発振波長の異なる３本のストライプを有するリッジ型ＤＦＢレーザ構造が作製される。
【００７５】
本実施例のレーザおいて、その室温連続動作における単一モード発振波長は、ストライプ１では２０５９ｎｍ、ストライプ２では２１０３ｎｍ、ストライプ３では２３３５ｎｍであり、しきい値電流はいずれも３０ｍＡ程度、光出力はいずれも５ｍＷ程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ１０ｎｍ以上の波長変化が可能である。これらの３波長は、それぞれ二酸化炭素（ＣＯ2）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）と一酸化炭素（ＣＯ）の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。
【００７６】
本実施例では、３波長レーザについて説明したが、誘電体膜の形成する領域を所望の数だけ作製することで、４波長以上の発振波長を有するレーザを作製できることは明らかである。又、実施例３に示した製造方法と組み合わせ、ｐ型ＩｎＰキャップ層１７の膜厚を変更すると共に誘電体膜の種類も変更して、所望の波長数に応じた多波長レーザを作成してもよい。
【００７７】
本実施例の３波長レーザの発振波長は、２０５０ｎｍ、２２００ｎｍ、２３５０ｎｍ近傍であるが、ＩｎＡｓ量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、１９００ｎｍから２７００ｎｍの任意の波長を実現できることは明らかである。
【００７８】
本実施例では、リッジ構造のＤＦＢレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、ｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰで交互に埋め込んだｐｎ埋め込み構造や、半絶縁性ＩｎＰで埋め込んだ埋め込み構造ＤＦＢレーザでも適用できることは明らかである。又、本実施例では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路や別途導波路層を設けて合波器（カプラ）により、単一の出射端（１つの出射光軸）とする構造でも適用できることは明らかである。
【００７９】
［実施例５］
本実施例では、実施例１〜実施例４で説明した多波長半導体レーザのモジュールについて説明する。
【００８０】
従来、多種類のガスをセンシングする光源として用いるためには、検出したいガスの数と同数の単一波長レーザ及び同数のレーザ光を平行光にするためのレンズをモジュール内に組み込む必要があった。例えば、検出したいガスの数が２種類の場合には、図１７に示すように、２つの単一波長レーザ３１ａ、３２ｂ及び１つのレンズ３２ａ、３２ｂをモジュール３０内に組み込む必要があった。
【００８１】
これに対し、実施例１〜実施例４で説明した多波長半導体レーザを用いる場合には、図１８に示すように、１つのレーザ素子４１から複数のレーザ光が出射されるため、レーザ光を平行光にするためのレンズ４２は１つで済む。更に、レーザ素子４１とレンズ４２のアライメント（光軸合わせ）が一度で済むため、モジュール４０の作製も容易となる。
【００８２】
本発明により、レーザモジュール４０を作製するための部材数を低減し、更に、作製工程を簡略化できる。
【００８３】
［実施例６］
本実施例では、実施例５で説明した多波長レーザモジュールを用いたガスセンサシステムについて説明する。
【００８４】
発振波長２０５０ｎｍと２３４０ｎｍの２波長のレーザモジュールを用いて、一酸化炭素と二酸化炭素を同時に検出するシステムについて、図１９を用いて説明する。
【００８５】
レーザモジュール４０から出射されるレーザ光を、一酸化炭素と二酸化炭素が含まれたガスセル５１内を通して、受光器５３で受光する。まず、２０５０ｎｍのレーザを動作させ、制御装置５２により動作温度を変化させて発振波長を操作する。その結果、モニタ５４には、図２０のような透過スペクトルを得ることができる。透過率の小さい波長が二酸化炭素の吸収線と一致しているため、二酸化炭素を検出することができることを示している。その後、２３４０ｎｍのレーザを同様に動作させることで、図２１のような一酸化炭素の吸収線を検出することができる。透過率の小さい波長が一酸化炭素の吸収線と一致する。これより、本発明のシステムにより、複数のガスを容易に検出することができる。
【００８６】
更に、本モジュールを用いて、ガスの検出感度向上が可能な波長変調分光法を用いることもできる。波長変調分光法について、図２２を用いて説明する。波長変調分光法は、ガスによる微弱な吸収を高感度に検出するために用いられる。この方法において、半導体レーザは注入電流により発振波長が変調される。波長変調により吸収率の変化を透過光強度の変化に変換することができるので、変調周波数を参照信号として受光器出力についてロックイン検波することにより、高感度な吸収スペクトル測定が可能となる。又、波長変調の中心を吸収スペクトルの中心に安定化しておけば、変調周波数ｆの２倍高調波を参照波として得られる信号（２ｆ信号）が、吸収ピーク値に比例するので、微弱な吸収を高速高感度に検出できる（２ｆ検波法）。
【００８７】
本発明は、半導体レーザを光源とする吸収分光法に好適である。
【符号の説明】
【００８８】
１１  ＩｎＰ基板
１４ａ  多重量子井戸層
１４ｂ、１４ｃ  無秩序化した多重量子井戸層
１７  キャップ層
１８、１８ａ、１８ｂ  ＳｉＯ2層
２５  ＳｉＮx層
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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