(57)【要約】【課題】従来の多波長半導体レーザの製造方法とは異なる多波長半導体レーザの製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１２上に、先ず、第１の半導体レーザ素子１８を形成し、次いで第１の半導体レーザ素子の発振波長帯域とは異なる発振波長帯域を有する第２の面発光半導体レーザ素子の積層構造２２を形成し、エッチングして、第２の半導体レーザ素子２４を形成する。第１及び第２の半導体レーザ素子の発振波長帯域とは異なる発振波長帯域を有する第３の面発光半導体レーザ素子の積層構造２８を形成し、エッチングして、第３の半導体レーザ素子３０を形成する。必要に応じて、第４、第５の面発光半導体レーザ素子、・・を形成する。これにより、発振波長帯域が相互に異なる多数個の半導体レーザ素子を備えた多波長半導体レーザ１０を製造することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の発振波長帯域を持つ第１の半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層からなる第１の積層構造を半導体基板上に形成する工程と、
第１の積層構造をエッチングして、半導体基板の所定領域上に第１の半導体レーザ素子を形成すると共に、第１の半導体レーザ素子の形成領域以外の領域の半導体基板を露出させる工程と、
第１の発振波長帯域とは異なる第２の発振波長帯域を持つ第２の半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層からなる第２の積層構造を基板全面に形成する工程と、
第２の積層構造をエッチングして、第１の半導体レーザ素子の形成領域以外の半導体基板の所定領域上に第２の半導体レーザ素子を形成すると共に、第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子の形成領域以外の領域の半導体基板を露出させる工程と、
必要に応じて、以下、同様にして、第１及び第２の発振波長帯域とは異なると共に相互に異なる第３、第４、・・の発振波長帯域を持つ第３、第４、・・の半導体レーザ素子を半導体基板上に形成する工程と
を有することを特徴とする多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項２】
第１、第２、第３、第４、・・の半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層の積層構造を形成する際、活性層の最適成長温度の高低の順序に従って、活性層の最適成長温度の高い半導体レーザ素子から低い半導体レーザ素子の順序で各半導体レーザ素子を形成することを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項３】
活性層の最適成長温度が同じときには、クラッド層の最適成長温度の高低の順序に従って、クラッド層の最適成長温度の高い半導体レーザ素子から低い半導体レーザ素子の順序で各半導体レーザ素子を形成することを特徴とする請求項２に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項４】
基板の結晶構造がジンクブレンド構造である基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項５】
半導体基板として、｛１００｝面に対してオフ角が０°を超え、かつ２°以下の角度で、｛０−１−１｝面（Ａ面）方向にオフさせた半導体基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項６】
半導体基板として、｛１００｝面に対してオフ角が２°以上３０°以下の角度で、｛０−１−１｝面（Ａ面）方向にオフさせた半導体基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
半導体基板として、III −Ｖ族の化合物半導体からなる半導体基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
半導体基板として、ＧａＡｓ基板又はＩｎＰ基板を用いることを特徴とする請求項７に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちの少なくとも２元素以上を組み合わせた材料で、第１、第２、第３、第４、・・の半導体レーザ素子の活性層を成長させることを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】
第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子として、劈開端面発光型半導体レーザ素子を形成することを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項１１】
第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子として、垂直共振器面発光型半導体レーザ素子を形成することを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項１２】
第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子として、少なくとも一つの劈開端面発光型半導体レーザ素子と、残りの垂直共振器面発光型半導体レーザ素子とを形成することを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子に加えて、第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子の発振波長帯域の少なくとも一つに対応する受光素子を半導体基板上に形成することを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モノリシック多波長半導体レーザの製造方法に関し、更に詳細には、共通の半導体基板上に、発振波長帯域が相互に異なる複数個の半導体レーザ素子を備えたモノリシック多波長半導体レーザを簡易なプロセスで容易に製造できる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは、その加工技術の進歩に伴い、様々な高機能化が求められるようになって来ている。そして、半導体レーザ素子単体の高機能化が進んでいる一方、ＣＤ＆ＤＶＤ再生用の２波長レーザ、高速レーザビームプリンタ用のマルチビームレーザなどの、単体レーザではない多波長半導体レーザが注目されている。
これらは、複数個の半導体レーザ素子を１パッケージとしてパッケージ化したものであって、同じ波長の複数個の半導体レーザ素子、或いは異なる波長帯域の複数個の半導体レーザ素子を独立駆動させて、光源の高集積化を図ったものである。
【０００３】
例えば、特開２００１−７７４５７号公報は、７８０ｎｍ帯の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子と、６５０ｎｍ帯の波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子とを備え、反射率の変動を小さくするために活性層の端面に誘電体膜を設けた半導体レーザ及びその製造方法を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−７７４５７号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光通信分野でも、このような高集積化技術を光通信用長波長レーザの分野に活かした特徴ある半導体レーザ素子が求められている。
そこで、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯などの次世代光通信用長波長レーザの分野では、大容量通信を可能にする波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術が開発されつつあるものの、同一半導体材料を用いた半導体レーザのアレイ化や高機能化が専らであって、しかも、そのほとんどが基幹系で用いられるような光源用半導体レーザ素子が中心である。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、従来の多波長半導体レーザの製造方法とは異なる多波長半導体レーザ、特に次世代光通信用長波長レーザとして最適な多波長半導体レーザの製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、課題を解決するに当たり、異なる材料系を活性層に用いた多波長半導体レーザを独立駆動させるという、上述したＣＤ＆ＤＶＤ再生用２波長レーザや、高速レーザビームプリンタ用マルチビームレーザなどの民生用のデバイス技術で培った高集積化技術を更に光通信用長波長レーザにも応用することを考えた。
【０００８】
即ち、本発明者は、発振波長帯域の大きく異なる、つまり材料系の異なる複数個の光通信用長波長レーザを同一基板上に混載した多波長半導体レーザを製造する方法を研究した。
そして、光ディスク用２波長レーザと同様に、多波長半導体レーザの異なる波長の半導体レーザ素子を選択的に動作させたり、或いは光ディスク用２波長レーザとは異なり、多波長半導体レーザの異なる波長の半導体レーザ素子を同時に動作させることにより、今後予想される民生用、例えば家庭内短距離通信用の高機能光通信素子を実現することを考えた。
本発明者は、そのような目的に最適の多波長半導体レーザの製造方法を開発して、本発明方法を発明するに到った。
【０００９】
また、劈開端面発光型半導体レーザ素子と垂直共振器面発光型半導体レーザ素子とを同一基板上で組み合わせ、更に受光素子（ＰＤ：PhotoDiode）とも組み合わせることによって、光出射方向の異なる新しい光通信用マルチタスク多波長デバイスの作製を可能とする、多波長半導体レーザの製造方法を開発した。
【００１０】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る多波長半導体レーザの製造方法は、第１の発振波長帯域を持つ第１の半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層からなる第１の積層構造を半導体基板上に形成する工程と、
第１の積層構造をエッチングして、半導体基板の所定領域上に第１の半導体レーザ素子を形成すると共に、第１の半導体レーザ素子の形成領域以外の領域の半導体基板を露出させる工程と、
第１の発振波長帯域とは異なる第２の発振波長帯域を持つ第２の半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層からなる第２の積層構造を基板全面に形成する工程と、
第２の積層構造をエッチングして、第１の半導体レーザ素子の形成領域以外の半導体基板の所定領域上に第２の半導体レーザ素子を形成すると共に、第１の半導体レーザ素子及び第２の半導体レーザ素子の形成領域以外の領域の半導体基板を露出させる工程と、
必要に応じて、以下、同様にして、第１及び第２の発振波長帯域とは異なると共に相互に異なる第３、第４、・・の発振波長帯域を持つ第３、第４、・・の半導体レーザ素子を半導体基板上に形成する工程と
を有することを特徴としている。
【００１１】
本発明方法で、積層構造を構成する各化合物半導体層の成膜方法には、制約無く、例えばＭＯＣＶＤ法を好適に使用することができる。
本発明方法は、ＣＤとＤＶＤとを１つの光学式ピックアップで再生可能にする目的で開発された、全く異なる２つの波長帯域の半導体レーザ素子を同一基板上に搭載した２波長レーザの製造方法を更に発展させて、多波長半導体レーザの製造に応用したものである。
本発明方法は、構成する半導体レーザ素子の数に制約されることなく、発振波長帯域が相互に異なる複数個の半導体レーザ素子を備えたモノリシック多波長半導体レーザを容易に製造することができる。
【００１２】
本発明方法の好適な実施態様では、第１、第２、第３、第４、・・の半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層の積層構造を形成する際、活性層の最適成長温度の高低の順序に従って、活性層の最適成長温度の高い半導体レーザ素子から低い半導体レーザ素子の順序で各半導体レーザ素子を形成する。
また、活性層の最適成長温度が同じときには、クラッド層の最適成長温度の高低の順序に従って、クラッド層の最適成長温度の高い半導体レーザ素子から低い半導体レーザ素子の順序で各半導体レーザ素子を形成する。
【００１３】
本発明の好適な実施態様では、基板の結晶構造がジンクブレンド構造である基板を用いる。ジンクブレンド構造の基板を用いることにより、従来の半導体レーザ素子や半導体装置の製造で用いられているへき開や加工などプロセスを適用でき、材料基板のデバイス化が容易になる効果がある。ここで、ジンクブレンド構造とは、閃亜鉛鉱（ＺｎＳ）型の結晶構造のことであり、III −Ｖ族、II−Ｖ族、或いはＩ−III −VI族の半導体に存在する代表的な結晶構造である。
また、半導体基板として、｛１００｝面に対してオフ角が０°を超え、２°以下の角度で、｛０−１−１｝面（Ａ面）方向にオフさせた半導体基板を用いたり、｛１００｝面に対してオフ角が２°以上３０°以下の角度で、｛０−１−１｝面（Ａ面）方向にオフさせた半導体基板を用いる。
【００１４】
多波長半導体レーザの製造プロセスは、エッチングや異なる半導体材料による結晶成長が何度も繰り返し行われるので、結晶成長膜の表面モフォロジーの悪化や、表面モフォロジー悪化による後続プロセスの加工精度の低下などのデバイスの品質や歩留まりに関わる不都合が起こり易いこともある。
そこで、本発明方法では、活性層の最適結晶成長温度の高低に基づいて、各半導体レーザ素子のＤＨ構造の成長順番を決定することにより、結晶性の劣化を防止して品質を高め、またオフ基板を採用することにより、結晶成長膜の表面モフォロジーの悪化を抑制することができる。
【００１５】
本発明方法は、半導体基板の組成に制約なく、また、半導体レーザ素子を構成する化合物半導体層の組成に制約なく適用できるものの、好適には、半導体基板として、III −Ｖ族の化合物半導体からなる半導体基板を用いる。具体的には、半導体基板として、ＧａＡｓ基板又はＩｎＰ基板を用いる。特に、ＧａＡｓ基板は、ＧａＩｎＮ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ系の化合物半導体層と格子整合性が高いので望ましい。
また、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのうちの少なくとも２元素以上を組み合わせた材料で、第１、第２、第３、第４、・・の半導体レーザ素子の活性層を成長させる。
これにより、４００ｎｍ帯以上の発振波長帯域を持つ多波長半導体レーザ、更には６５０ｎｍ帯、７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、１. ０μｍ帯、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯のうち少なくとも２波長帯以上の発振波長を有する多波長半導体レーザを製造することができる。
【００１６】
本発明方法では、第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子として、劈開端面発光型半導体レーザ素子を形成することもできるし、垂直共振器面発光型半導体レーザ素子を形成することもできる。また、第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子として、少なくとも一つの劈開端面発光型半導体レーザ素子と、残りの垂直共振器面発光型半導体レーザ素子とを形成することもできる。
【００１７】
半導体レーザ素子の開発分野では、光通信用の半導体レーザ素子が注目されるものの、現段階では、大容量光通信（幹線系）向けの光通信用半導体レーザ素子が主として開発されつつある。
今後、次第に、ＬＡＮ（Local AreaNetwork ）、ＳＡＮ（Storage AreaNetwork ）などの一般消費者向けの光通信用レーザの需要が増加することが予想される。最近では、垂直共振器面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）の製品化が試みられている。ＶＣＳＥＬの特長は、光ファイバーとのカップリング効率が高いことであり、基板間光通信用素子として将来有望である。
本発明方法を適用することにより、同一基板上の発振波長帯域の多様化を目的とするだけでなく、光出射方向が９０°異なるモノリシック多波長半導体レーザを容易に製造することができる。
【００１８】
更には、第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子に加えて、第１、第２、第３、第４、・・・の半導体レーザ素子の発振波長帯域の少なくとも一つに対応する受光素子を半導体基板上に形成することもできる。これにより、本発明方法は、単に相互に異なる発振波長帯域の半導体レーザ素子を製造するだけでなく、現在、注目されている次世代光通信用半導体レーザの多波長化も意識した多波長受発光高集積デバイスを実現することができる。
本発明方法により、受光素子や、簡単な配線パターンを搭載することで、高集積マルチタスク受発光ＩＣ（Integrated Circuit）を容易に製造することができる。また、光ディスク用、光有線通信（光有線伝送）用、光無線通信（光無線伝送）用などの目的に応じた種類のＤＨ構造を同一基板上に形成することによって、デバイス部品点数と基板寸法を大幅に削減し、光学セット商品用の新機能デバイスとしての要求を満たす光デバイスを容易に製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る多波長半導体レーザの製造方法の実施形態の一例である。図１（ａ）から（ｃ）及び図２（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って多波長半導体レーザを製造する際の工程毎の基板断面図である。
本実施形態例では、発振波長が相互に異なる第１の半導体レーザ素子１８、第２の半導体レーザ素子２４、及び第３の半導体レーザ素子３０、更に必要に応じて第４、・・・の半導体レーザ素子を共通半導体基板１２上に備えた多波長半導体レーザ１０を形成する。
【００２０】
先ず、半導体基板１２上に、従来の単体の半導体レーザ素子の製造方法と同様にしてＭＯＣＶＤ法等により所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、図１（ａ）に示すように、活性層１４を有し、第１の発振波長帯域のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子を構成する積層構造、つまりＤＨ（ダブルヘテロ接合）構造１６を形成する。
【００２１】
次に、半導体基板１２上のＤＨ構造１６をエッチングして、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１２の所定領域上に、活性層１４を有するＤＨ構造１６を備え、第１の発振波長域のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子１８を形成すると共に、第１の半導体レーザ素子１８を形成した領域以外の領域の半導体基板１２の表面を露出させる。
次いで、図１（ｃ）に示すように、第１の半導体レーザ素子１８の材料系とは異なる材料系の所要の化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により基板全面にエピタキシャル成長させて、活性層２０を有し、第１の半導体レーザ素子１８とは異なる第２の発振波長帯域のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子を構成するＤＨ構造２２を半導体基板１２上に形成する。
【００２２】
次に、半導体基板１２上のＤＨ構造２２をエッチングして、図２（ｄ）に示すように、第１の半導体レーザ素子１８の形成領域以外の半導体基板１２の所定領域上に、活性層２０を有するＤＨ構造２２を備え、第２の発振波長域のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子２４を形成する。それと共に、同時に、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４を形成した領域以外の領域の半導体基板１２の表面を露出させる。
次いで、図２（ｅ）に示すように、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４の材料系とは異なる材料系の所要の化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により基板全面にエピタキシャル成長させて、活性層２６を有し、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２２とは異なる第３の発振波長帯域を持つ第３の半導体レーザ素子を構成するＤＨ構造２８を半導体基板１２上に形成する。
【００２３】
続いて、図２（ｆ）に示すように、半導体基板１２上のＤＨ構造２８をエッチングして、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４の形成領域以外の半導体基板１２の所定領域上に、活性層２６を有するＤＨ構造２８を備え、第３の発振波長域のレーザ光を出射する第３の半導体レーザ素子３０を形成する。
それと共に、第１の半導体レーザ素子１８、第２の半導体レーザ素子２２、及び第３の半導体レーザ素子２６を形成した領域以外の領域の半導体基板１２の表面を露出させる。
これにより、発振波長が相互に異なる第１の半導体レーザ素子１８、第２の半導体レーザ素子２４、及び第３の半導体レーザ素子３０を共通半導体基板１２上に備えた多波長半導体レーザ１０を形成することができる。
【００２４】
以下、同様にして、必要に応じて、第４の半導体レーザ素子、第５の半導体レーザ素子、・・を半導体基板１２上に形成した多波長半導体レーザを製造することができる。
本実施形態例の方法によれば、相互に異なる材料系で形成され、相互に異なる発振波長帯域の複数個の半導体レーザ素子を備えたモノリシック多波長半導体レーザを容易に製造することができる。
【００２５】
実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る多波長半導体レーザの製造方法の実施形態の別の例である。図３（ａ）から（ｃ）及び図４（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って多波長半導体レーザを製造する際の工程毎の基板断面図である。図３及び図４に示す部位のうち図１及び図２に示すものと同じものには同じ符号を付している。
本実施形態例では、実施形態例１の第１の半導体レーザ素子１８、第２の半導体レーザ素子２４、及び第３の半導体レーザ素子３０の半導体基板１２上の配列と異なる配列で、第１から第３の半導体レーザ素子１８、２４、３０を半導体基板１２上に形成している。
【００２６】
実施形態例１と同様に、先ず、半導体基板１２上に、従来の半導体レーザ素子単体の製造方法と同様にしてＭＯＣＶＤ法等により所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、図３（ａ）に示すように、活性層１４を有し、第１の発振波長帯域のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子を構成するＤＨ（ダブルヘテロ接合）構造１６を形成する。
次に、半導体基板１２上のＤＨ構造１６をエッチングして、図３（ｂ）に示すように、実施形態例１と同じ半導体基板１２の所定領域上に、活性層１４を有するＤＨ構造１６を備え、第１の発振波長域のレーザ光を出射する第１の半導体レーザ素子１８を形成する。それと共に、第１の半導体レーザ素子１８を形成した領域以外の領域の半導体基板１２の表面を露出させる。
【００２７】
次いで、図３（ｃ）に示すように、第１の半導体レーザ素子１８の材料系とは異なる材料系の所要の化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により基板全面にエピタキシャル成長させて、活性層２０を有し、第１の半導体レーザ素子１８とは異なる第２の発振波長帯域のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子を構成するＤＨ構造２２を半導体基板１２上に形成する。
【００２８】
次に、本実施形態例では、実施形態例１と異なるマスクパターンを有するエッチングマスクを基板上に形成し、実施形態例１とはエッチング領域を変えて、半導体基板１２上のＤＨ構造２２をエッチングして、図４（ｄ）に示すように、実施形態例１とは異なる半導体基板１２の所定領域上に、活性層２０を有するＤＨ構造２２を備え、第２の発振波長域のレーザ光を出射する第２の半導体レーザ素子２４を半導体基板１２上に形成する。
それと共に、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４を形成した領域以外の領域の半導体基板１２の表面を露出させる。
【００２９】
次いで、図４（ｅ）に示すように、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４の材料系とは異なる材料系の所要の化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法等により基板全面にエピタキシャル成長させて、活性層２６を有し、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４とは異なる第３の発振波長帯域を持つ第３の半導体レーザ素子を構成するＤＨ構造２８を半導体基板１２上に形成する。
【００３０】
続いて、実施形態例１と異なるマスクパターンを有するエッチングマスクを基板上に形成し、実施形態例１とはエッチング領域を変えて、半導体基板１２上のＤＨ構造２８をエッチングして、図４（ｆ）に示すように、第１の半導体レーザ素子１８及び第２の半導体レーザ素子２４の形成領域以外の半導体基板１２の所定領域上に、活性層２６を有するＤＨ構造２８を備え、第３の発振波長域のレーザ光を出射する第３の半導体レーザ素子３０を半導体基板１２上に形成する。
それと共に、第１の半導体レーザ素子１８、第２の半導体レーザ素子２２、及び第３の半導体レーザ素子２６を形成した領域以外の領域の半導体基板１２の表面を露出させる。
【００３１】
以上の工程を経て、実施形態例１の第１の半導体レーザ素子１８、第２の半導体レーザ素子２４、及び第３の半導体レーザ素子３０の半導体基板１２上の配列と異なる配列で、第１から第３の半導体レーザ素子を半導体基板１２上に形成した多波長半導体レーザ３１を製造することができる。
【００３２】
実施形態例１及び２の例から判るように、本発明方法によれば、材料系に応じて、半導体基板１２の凹凸表面のエッチングレートの面内分布を均一にするように、半導体レーザ素子の位置を最適化することが可能になる。
【００３３】
最適成長温度に基づく半導体レーザ素子の形成順序
ところで、活性層に用いられている半導体材料は、それぞれ固有の最適結晶成長温度を持っているので、半導体レーザ素子の発振波長を規定するＤＨ構造を形成する際、最適結晶成長温度を超える温度でエピタキシャル成長させると、化合物半導体層の結晶を劣化させるおそれがある。従って、各ＤＨ構造の結晶成長の順番は、デバイスの品質を左右する重要な要素である。
そこで、同一基板上に成膜する各ＤＨ構造の発光層（活性層）に用いる半導体材料の最適結晶成長温度が異なるときには、活性層の最適成長温度の高低の順序に従って、活性層の最適成長温度の高い半導体レーザ素子から低い半導体レーザ素子の順序で各半導体レーザ素子を形成することが必要である。
【００３４】
そこで、実施形態例１及び２では、活性層２６、２０、１４の順序で最適結晶成長温度が高くなるので、活性層１４、活性層２０、及び活性層２６の順序で成長させることにより、最初に成長した活性層１４が、次に成長した活性層２０、更には活性層２６の成長温度により熱履歴の影響を受けるのを最小限に抑制することが可能になる。
逆に、活性層１４の最適結晶成長温度よりも最適結晶成長温度が低い活性層２０を先に成長させたときには、活性層１４を成長させる際、活性層２０が高い活性層１４の成長温度の影響を受け、活性層２０を構成する元素が脱離したり、その他の化合物半導体層、例えばガイド層やクラッド層を構成する元素と相互拡散したり、結晶性に問題を引き起こす確率や程度が大きくなる。
【００３５】
また、ＤＨ構造は、クラッド層や、ガイド層、活性層などから構成されている。そのため、１つのＤＨ構造を形成する各層の最適結晶成長温度が異なる場合、活性層以外の層、特に、クラッド層が共通なＤＨ構造同士でまとめ、活性層の最適結晶成長温度を比較することにより、熱履歴の影響が最も抑制されるような各ＤＨ構造の成長順を決定することも可能である。
特に、ＤＨ構造を構成する各化合物半導体層のなかで、最も成長時間が長くなるのはクラッド層であるから、クラッド層の成長温度と成長時間に着目して、成長する各ＤＨ構造の順番を決定するのが望ましい。
【００３６】
好ましい半導体基板
光通信用光源を含む各種用途の多波長半導体レーザ用の半導体基板材料としては、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板が好ましい。
半導体基板材料のなかでも、特に、ＧａＡｓ基板は、ＧａＩｎＮ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ系の化合物半導体層と格子整合性が高い。従って、ＧａＡｓ基板は、ストレージ用光源として使用される４００ｎｍ帯（青：Cubic 、ＧａＩｎＮ系）、６５０ｎｍ帯（赤：ＡｌＧａＩｎＰ系）、及び７８０ｎｍＤＨ構造帯（近赤外：ＡｌＧａＡｓ系）、また、光通信用光源として使用される８５０ｎｍ〜１. ０μｍ帯（近赤外：ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系）、１．３μｍ〜１．５５μｍ帯（赤外：ＡｌＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ系）などの広い波長帯域をカバーする多波長半導体レーザの半導体基板として最適である。
つまり、現段階での結晶成長技術の中では、ＧａＡｓ基板が多波長半導体レーザの基板として最も好ましい基板であると評価できる。
【００３７】
本発明方法により、ＧａＡｓ基板及びＩｎＰ基板上に多波長半導体レーザを形成する際に、多波長半導体レーザ用の各ＤＨ構造の発振波長帯域とそれに必要な材料の種類、更にその材料の最適結晶成長温度との関係を簡単に纏めた表を図５に示す。
図５から分かるように、同じ発振波長帯域、つまり同じ活性層材料であっても、長波長になるほど、クラッド層の成長温度が、活性層の成長温度よりも高くなる。従って、クラッド層の成長温度をできる限り活性層の成長温度に近づけるような成長条件を用いるのが好ましい。
【００３８】
そのためには、例えばＭＯＣＶＤ法を適用する際、従来よりも低温で分解する半導体材料ガス、例えば全て有機金属ガスとして導入できるＴＢＡｓ（ターシャリー・ブチル・アルシン）、ＴＢＰ（ターシャリー・ブチル・ホスフィン）などのターシャリーブチル基を保有する有機金属材料ガスをIII 族、及びＶ族用半導体材料源として採用することによって解決できる。
以上の有機金属材料ガスを使用して、活性層とクラッド層の結晶成長温度をほぼ同じ温度に統一することにより、多波長半導体レーザ用ＤＨ構造成長の各順番を容易に決定することが可能になる。また、以上の有機金属材料ガスを使用することにより、既に成長済みのＤＨ構造に対する熱履歴を最小限に抑制した高品質なデバイス膜の成長を行うことが可能になる。
【００３９】
実施形態例３
本実施形態例は本発明に係る多波長半導体レーザの製造方法の実施形態の更に別の例であって、図示しないが、半導体基板１２としてオフ角が（１００）２°Ａオフ〜（１００）１５°Ａオフの基板を使用することを除いて、実施形態例１又は実施形態例２と同じである。
本発明方法の適用に際し、実施形態例１及び２から判る通り、相互に異なる構成の各ＤＨ構造を作製するプロセスでは、再エッチングと再結晶成長との繰り返しが多くなる。
そして、エッチングの繰り返しにより、基板表面が損傷を受け、結晶成長後の表面モフォロジーが悪化するおそれもある。
【００４０】
本実施形態例では、（１００）２°Ａオフ〜（１００）１５°Ａオフのオフ角のオフ基板を半導体基板１２として使用する。これにより、図６に示すように、（１００）ジャスト基板で生じる結晶成長後の表面モフォロジーの悪化を著しく改善することができる。
図６（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、（１００）ジャスト基板、２°Ａオフ基板、４°Ａオフ基板、１０°Ａオフ基板、及び１５°Ａオフ基板の表面モフォロジーの光学顕微鏡写真の写しである。尚、図６（ａ）と（ｄ）に示す表面モフォロジーの光学顕微鏡写真は、参考写真として本明細書と同時に特許庁に提出している。
【００４１】
上述のように、繰り返しエッチングした基板上にＤＨ構造の結晶成長を行うと、結晶成長後の基板表面モフォロジーが悪化するおそれがある。
そこで、本実施形態例では、｛１００｝面に対して｛０−１−１｝方向にオフさせた半導体基板、例えばオフ角が（１００）２°Ａオフ〜（１００）１５°Ａオフの基板を半導体基板１２として使用し、表面モフォロジーの悪化を抑制し、良好な結晶性の積層構造を形成している。
特に、ジンクブレンド型結晶構造の基板を使用するときには、オフ基板が好ましい。
【００４２】
これに類似した技術を用いた例として、特開平２００２−１６６５２４号公報に開示されているように、ＧａＡｓリッジ（凹凸）構造基板を用いて、いわゆるＳＤＨ（Separated Double Heterostructure）半導体レーザ素子を製造する方法がある。
ＳＤＨ半導体レーザ素子の製造では、オフ構造基板を採用することによりレーザの結晶成長後の表面モフォロジーの悪化を解決している。これは、オフ基板上のステップ成長により、規則正しい原子配列が促進され、複雑なプロセスを経るために悪化する半導体デバイスの表面モフォロジーを改善することが可能になるからである。
【００４３】
また、ＳＤＨレーザ以外の半導体レーザ素子でオフ基板を用いた例として、特開平２００１−７７４５７号公報に、ＡｌＧａＩｎＰ系ＤＨ構造（赤色レーザ）とＡｌＧａＡｓ系ＤＨ構造（近赤外レーザ）とを組み合わせた２波長レーザが報告されている。
前掲公報の発明で、オフ基板を用いているのは、赤色レーザを構成している材料であるＡｌＧａＩｎＰ系結晶の原子配列が自然超格子構造化することを配慮し、これを抑制するためである。
【００４４】
また、前掲公報の発明では、２波長レーザの製造に際し、再エッチングと再成長との繰り返しプロセスを複数回繰り返しているにも関わらず、多波長半導体レーザの結晶成長後の表面モフォロジーがひどく荒れることはない。
それは、ＡｌＧａＩｎＰ系ＤＨ構造とＡｌＧａＡｓ系ＤＨ構造とを最適結晶成長温度の観点で比較した結果、最初に結晶成長する必要のあるＡｌＧａＡｓ系ＤＨ構造（近赤外レーザ）に対してオフ基板を使用しているからである。
結果的に、もともと今までの実績からオフ基板を用いる必要がないＡｌＧａＡｓ系ＤＨ構造に対しても２波長レーザ用の下地としてオフ基板を採用していたのである。
【００４５】
オフ基板を使用して、表面モフォロジーを改善しているＳＤＨ半導体レーザ素子の製造の事例、及びＡｌＧａＩｎＰ系ＤＨ構造（赤色レーザ）とＡｌＧａＡｓ系ＤＨ構造（近赤外レーザ）とを組み合わせた２波長レーザの事例と同様に、本発明方法により多波長半導体レーザを製造する際にも、オフ角が（１００）２°Ａオフ〜（１００）１５°Ａオフの基板を半導体基板１２として使用することにより、結晶成長後の表面モフォロジーを改善することができる。
【００４６】
実施形態例４
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の実施形態の更に例の例であって、図７は本実施形態例の製造方法により製造した多波長半導体レーザの構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例は、実施形態例１から３とは異なり、劈開端面発光半導体レーザ素子に代えて、図７に示すように、共通の半導体基板３２上に、発振波長の相互に異なる複数個の第１から第３の垂直共振器面発光型半導体レーザ素子３４、４６、３８を備えた多波長半導体レーザ４０を製造する方法である。
【００４７】
通信用レーザの高機能化によって、近年、垂直共振器面発光型半導体レーザ素子の研究開発報告や、製品発表が活発になってきている。
本発明方法は、６５０ｎｍ帯や７８０ｎｍ帯の劈開端面発光型半導体レーザ素子を備えた多波長半導体レーザの製造のみならず、波長の異なる複数個の垂直共振器面発光型半導体レーザ素子を備えた多波長半導体レーザの製造にも適用できる。
【００４８】
垂直共振器面発光型半導体レーザ素子のＤＨ構造の形成では、活性層の前後に多層反射層（ＤＢＲミラー：Distributed Bragg Reflector ）を設けることが、劈開端面発光型半導体レーザ素子のＤＨ構造の形成と異なるだけである。
本発明方法では、基本的には、エッチングプロセスで使用するマスクパターンを変えることにより多波長構造化を行っているので、垂直共振器面発光型半導体レーザ素子の形成に際しては、エッチング時のマスクパターンを劈開端面共振器用から垂直共振器用に適切に切り替えることによって、垂直共振器面発光型半導体レーザ素子を形成することができる。
【００４９】
よって、本実施形態例では、実施形態例１及び２と同様に、半導体基板３２上に、先ず、ＤＨ構造及びＤＢＲミラーを有する第１の面発光半導体レーザ素子３４を形成し、次いで第２の面発光半導体レーザ素子３６のＤＨ構造及びＤＢＲミラーを構成する化合物半導体積層構造を形成し、エッチングして、第２の面発光半導体レーザ素子３６を形成する。
以下、同様に、第３の面発光半導体レーザ素子３８を形成し、必要に応じて、第４、第５の面発光半導体レーザ素子、・・を形成する。
これにより、共通の半導体基板３２上に、発振波長の相互に異なる複数個の第１から第３の垂直共振器面発光型半導体レーザ素子３４、４６、３８を備えた多波長半導体レーザ４０を製造することができる。
【００５０】
実施形態例５
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の実施形態の更に例の例であって、図８は本実施形態例の製造方法により製造した多波長半導体レーザの構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例では、図８に示すように、共通の半導体基板４２上に、劈開端面発光型半導体レーザ素子４４、劈開端面発光型半導体レーザ素子４４と発振波長が相互に異なる垂直共振器面発光型半導体レーザ素子４６、及び受光素子としてフォトダイオード４８を備え、基板間光通信も目的としたマルチタスク光集積デバイス５０を製造する。
本発明方法を適用して、劈開端面発光型半導体レーザ素子４４を形成し、次いで垂直共振器面発光型半導体レーザ素子４６を形成し、次にフォトダイオード４８を形成することにより、上述のマルチタスク光集積デバイス５０を容易に製造することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明方法によれば、半導体基板上に、先ず、第１の半導体レーザ素子を形成し、次いで第１の半導体レーザ素子の発振波長帯域とは異なる発振波長帯域を有する第２の面発光半導体レーザ素子の積層構造を形成し、エッチングして、第２の半導体レーザ素子を形成する。以下、同様に、第３の面発光半導体レーザ素子を形成し、必要に応じて、第４、第５の面発光半導体レーザ素子、・・を形成する。
これにより、発振波長が相互に異なる複数個の半導体レーザ素子を有するモノリシック多波長半導体レーザを従来の簡易なプロセスによって容易に製造することができる。
【００５２】
また、多波長半導体レーザの製造プロセスでは、異なる半導体材料による結晶成長及びエッチングが何度も繰り返し行われるので、結晶成長膜の表面モフォロジーの悪化や、表面モフォロジー悪化による後続プロセスの加工精度の低下などのデバイスの品質や歩留まりに関わる不都合が起き易いこともある。
そこで、本発明方法では、活性層の最適結晶成長温度の高低に基づいて、各半導体レーザ素子の積層構造の形成順序を決定することにより、活性層の結晶性の劣化を防止して品質を高め、またオフ基板を採用することにより、結晶成長膜の表面モフォロジーの悪化を抑制して、良好な特性の多波長半導体レーザを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の方法に従って多波長半導体レーザを製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図２】図２（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図１（ｃ）に続いて、実施形態例１の方法に従って多波長半導体レーザを製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の方法に従って多波長半導体レーザを製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図４】図４（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図３（ｃ）に続いて、実施形態例２の方法に従って多波長半導体レーザを製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図５】化合物半導体層の最適結晶成長温度を示す表である。
【図６】図６（ａ）から（ｅ）は、それぞれ、（１００）ジャスト基板、２°Ａオフ基板、４°Ａオフ基板、１０°Ａオフ基板、及び１５°Ａオフ基板の表面モフォロジーの光学顕微鏡写真の写しである。
【図７】実施形態例４の製造方法により製造した多波長半導体レーザの構成を示す模式的断面図である。
【図８】実施形態例５の製造方法により製造した多波長半導体レーザの構成を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１０……多波長半導体レーザ、１２……半導体基板、１４……活性層、１６……ＤＨ構造、１８……第１の半導体レーザ素子、２０……活性層、２２……ＤＨ構造、２４……第２の半導体レーザ素子、２６……活性層、２８……ＤＨ構造、３０……第３の半導体レーザ素子、３１……実施形態例２の方法により製造した多波長半導体レーザ、３２……半導体基板、３４……第１の垂直共振器面発光型半導体レーザ素子、３６……第２の垂直共振器面発光型半導体レーザ素子、３８……垂直共振器面発光型半導体レーザ素子、４０……実施形態例５の方法により製造した多波長半導体レーザ、４２……半導体基板、４４……劈開端面発光型半導体レーザ素子、４６……垂直共振器型面発光半導体レーザ素子、４８……フォトダイオード、５０……マルチタスク光集積デバイス。
【図１】
2004207588.tif 000003
【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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