(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザダイオードであって、
ａ）半導体基板と、
ｂ）前記半導体基板上のレーザ層と、
ｃ）前記レーザ層上のエッチングにより形成され、導波路リッジ部と当該導波路リッジ部に隣接した両側平坦部とを含む半導体表面と、
ｄ）前記導波路リッジ部に隣接した両側平坦部に形成され複数のストライプ部を有するグレーティング構造を含む少なくとも１つの相互作用領域であって、前記複数のストライプ部は可変屈折率を有し、且つ前記導波路リッジ部に導かれる光と当該複数のストライプ部を有するグレーティング構造との間に結合係数が３０ｃｍ−１より小さい結合のみが存在するように配置されているものである、前記少なくとも１つの相互作用領域と、
ｅ）前記導波路リッジ部に導かれる光を増幅するための少なくとも１つのゲイン領域であって、前記少なくとも１つの相互作用領域とは独立して配置され、且つ前記導波路リッジ部に隣接した両側平坦部に形成された前記グレーティング構造を有さないものである、前記少なくとも１つのゲイン領域と、
ｆ）前記半導体レーザダイオードの前記相互作用領域および前記ゲイン領域を個別にポンプするための少なくとも１つの電流駆動電極と
を有し、
ｇ）単一縦モードのレーザ光を生成するものである
半導体レーザダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの相互作用領域のうちの少なくとも１つは分布ブラッグ反射器である半導体レーザダイオード。
【請求項３】
請求項２記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの分布ブラッグ反射器の前記結合係数は１０ｃｍ−１よりも小さいものである半導体レーザダイオード。
【請求項４】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は利得結合型グレーティング構造である半導体レーザダイオード。
【請求項５】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は複合型グレーティング構造である半導体レーザダイオード。
【請求項６】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は前記基板と同じ物質を有するものである半導体レーザダイオード。
【請求項７】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は、りん化インジウムである半導体レーザダイオード。
【請求項８】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は金属を有するものである半導体レーザダイオード。
【請求項９】
請求項８記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記金属はクロムまたはクロム合金である半導体レーザダイオード。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、１つの相互作用領域は当該半導体レーザダイオードの一端部に配置され、且つ１つのゲイン領域は前記１つの相互作用領域とは独立して配置されているものである半導体レーザダイオード。
【請求項１１】
請求項２記載の半導体レーザダイオードにおいて、１つの相互作用領域は当該半導体レーザダイオードの一端部に配置され、且つ１つのゲイン領域は前記１つの相互作用領域とは独立して配置されているものでである半導体レーザダイオード。
【請求項１２】
請求項１０記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記１つの相互作用領域および前記１つのゲイン領域は互いに隣接して配置されるものである半導体レーザダイオード。
【請求項１３】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、この半導体レーザダイオードは２つの相互作用領域と１つのゲイン領域とを有し、当該２つの相互作用領域は当該半導体レーザダイオードの両端部に配置されているものである半導体レーザダイオード。
【請求項１４】
請求項２記載の半導体レーザダイオードにおいて、この半導体レーザダイオードは２つの相互作用領域と１つのゲイン領域とを有し、当該２つの相互作用領域は当該半導体レーザダイオードの両端部に配置されているものである半導体レーザダイオード。
【請求項１５】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの電流駆動電極は、前記少なくとも１つのゲイン領域上にのみ配置されるものである半導体レーザダイオード。
【請求項１６】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの電流駆動電極は、前記少なくとも１つのゲイン領域上および前記少なくとも１つの相互作用領域上に配置された共通電流駆動電極であり、当該少なくとも１つのゲイン領域および当該少なくとも１つの相互作用領域に電流を同時に供給するものである半導体レーザダイオード。
【請求項１７】
請求項１６記載の半導体レーザダイオードにおいて、この半導体レーザダイオードは、さらに、
前記少なくとも１つの相互作用領域のうちの少なくとも１つの上に配置された絶縁層を有し、この絶縁層により、前記少なくとも１つの電流駆動電極から前記少なくとも１つの相互作用領域への前記電流の供給を防ぎ、且つ前記少なくとも１つのゲイン領域にのみ電流を供給することが可能となるものである半導体レーザダイオード。
【請求項１８】
請求項１０記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの電流駆動電極は、前記少なくとも１つのゲイン領域上および前記少なくとも１つの相互作用領域上に配置され、これにより、当該少なくとも１つのゲイン領域および前記少なくとも１つの相互作用領域の双方に同時に電流を供給するものである半導体レーザダイオード。
【請求項１９】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの相互作用領域内の前記グレーティング構造は前記導波路リッジ部に隣接した両側平坦部の両端部に配置され、且つ前記レーザ層より上方に、当該レーザ層と一定の距離を置いて配置されるものである半導体レーザダイオード。
【請求項２０】
請求項１９記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は金属を有するものである半導体レーザダイオード。
【請求項２１】
請求項１９記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記導波路リッジ部の両側面は、前記グレーティング構造の平面と実質的に直角である半導体レーザダイオード。
【請求項２２】
請求項１９記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記グレーティング構造は、前記導波路リッジ部の端部に隣接して配置されているものである半導体レーザダイオード。
【請求項２３】
請求項１記載の半導体レーザダイオードにおいて、前記少なくとも１つの相互作用領域内の前記グレーティング構造は、前記導波路リッジ部に隣接した両側平坦部の一端部に配置され、且つ前記レーザ層より上方に、当該レーザ層と一定の距離を置いて配置されるものである半導体レーザダイオード。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１つに記載の半導体レーザダイオードを製造するための方法であって、
ａ）エピタキシャル法により、基板上に堆積した光学活性レーザ層と、キャップ層とを有する完全な半導体レーザ構造を製造する工程と、
ｂ）前記完全な半導体レーザ構造から物質を除去して導波路リッジ部を形成することにより、当該導波路リッジ部の両側に平坦部を形成する工程と、
ｃ）前記両側平坦部上に複数のストライプ部を有する少なくとも１つのグレーティング構造を形成することにより、１若しくはそれ以上の相互作用領域を形成する工程と
を有する方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の方法において、この方法は、さらに、
請求項２４記載の方法の工程ｃ）の次に、
ｄ）前記１若しくはそれ以上の相互作用領域に絶縁層を形成する工程を有するものである。
【請求項２６】
請求項２４記載の方法において、前記少なくとも１つのグレーティング構造のうちの少なくとも１つは描画法で形成され、次に金属被覆されるものである。
【請求項２７】
請求項２４記載の方法において、前記少なくとも１つのグレーティング構造のうちの少なくとも１つはイオン注入によって形成されるものである。
【請求項２８】
請求項２７記載の方法において、この方法は、さらに、
イオン注入の後に熱焼きなまし工程を有するものである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板と、半導体基板上に配置されたレーザ層と、少なくとも一部がレーザ層に近接して配置された導波路層と、ストライプ状のグレーティング構造とを有する発光用半導体レーザに関する。また、この発明はこのような半導体層の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去数年の間に、レーザダイオードの利用は種々の技術分野に亘るさらに多くの適用対象に広がってきている。主要な適用分野は電気通信の分野であり、この場合レーザダイオードは電話やデータの伝送に使用される。レーザダイオードから発振された光線は光ファイバーを通して受信者に伝送される。ファイバー上の光伝送を利用することによって伝送品質が高くなり、非常に速い伝送速度を得ることができる。当初はファイバー伝送に単一の波長のみが使用されていたが（単一波長を持つ単一のダイオードの光線のみが伝送されていた）、最近ではより多くの波長を同時に光ファイバー上の伝送に用い、より多くの波長が同時に伝送に寄与する方式がより一般的になっている（波長多重化）。より多くの波長を同時に使用することによって、あきらかに単一の光ファイバー上の送信効率を上げることができる。
【０００３】
従来技術において、いくつかの波長を使う伝送は通常、いくつかのレーザダイオードからの発振光線を適当な装置で合成し、この光線をガラスファイバーのスパン上に伝達することによって達成される。単一のレーザはそれぞれ異なる波長の光線を発振する。データ伝送の高品質及び高スループットを達成するには、それぞれの単一のレーザダイオードが目標波長の光線のみを発振する必要がある。実際上は、レーザが発光する光線の一部が他の波長で発振されることを避けることはできない。レーザダイオードの品質に関して最も重要なパラメータはいわゆるモノモード安定性とサイドモード圧縮比である。モノモード安定性は、異なる操作条件下（温度、給与電圧等）での発振光線の波長のずれを表現する。あと一つの重要な要因は使用時間経過に伴うレーザ波長の変化である。サイドモード圧縮比は、二番目に強い発振波長と比較したときの、最も強い発振波長の光の強度の割合を特定する。サイドモード圧縮比が大きいほど、望ましくない周波数範囲で発振される光線が少ないことになる。
【０００４】
公知のレーザダイオードは、光波が誘発放出によって増幅される活性ゲイン層を含む。半導体レーザにおいては特にこの増幅はあまり選択的でなく、増幅が広範囲の周波数で起こる。従って、基本的にある一定の波長でのみの光線発振を達成するために、周波数に選択性を持たせるための工程を追加する必要がある。これは通常周期グレーティング構造によって得られる。周期グレーティング構造と波長の間の干渉効果が、目標波長と異なる波長を強く抑制し、光放出は主に目標波長で増幅及び発振されるようになる。
【０００５】
現在、レーザ波長の卓越した選択、よって高いサイドモード抑制は、光波と周期グレーティング構造の間の非常に強い結合を使ってのみ達成され得るものと一般に仮定されている。この仮定はいくつかの理論モデル及び実験研究によって支持されている。結合の強さはいわゆる結合係数κで示され、これは普通κ＝１００ｃｍ−１からκ＝３００ｃｍ−１の間、又はそれ以上の範囲で選ばれる。例えば、日本応用物理学誌（Ｊａｐａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第１４巻、１９７５年、第１１号、１８５９ページ記載の理論研究論文であるオクダマサヒロ他の「波形導波路における光損失を持つ分布ブラッグ反射レーザのモード選択性（Ｍｏｄｅ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ−Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｏｓｓｉｎ  Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）」によれば、結合係数の増加が結果としてサイドモード抑制の増加となった。
【０００６】
この分野における実験研究もまたこの仮定の妥当性に基づいている。例えば、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒ、第１２巻、第１号、２０００年１月、１６ページ記載のロー他による論文「ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓリッジ導波路分布ブラッグ反射レーザの単一及びチューナブル二重波長動作（Ｓｉｎｇｌｅ  ａｎｄ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｄｕａｌ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  Ｉｎ−ＧａＡｓ  Ｒｉｄｇｅ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ）」によれば、記述されたレーザダイオードの高いサイドモード圧縮比は比較的高い結合係数κの値によるものとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、従来の半導体レーザに比べてより改良された装置性能、特に製造及び操作の費用有効性が高いと同時にサイドモード圧縮比及び単一モード安定性の改良を示す半導体レーザを提案することである。この発明のさらなる目的はそのような半導体レーザの非常に有利性及び費用有効性の高い製造方法を提示することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の特徴及び請求項２４記載の方法を持つ半導体レーザがこれらの課題を解決する。課題解決は、レーザ層、導波領域及びグレーティング構造が、光波とグレーティング構造の間に弱い結合のみがあるように配置され、よって光波と相互作用をするグレーティング要素の数がより多いことになる、本発明による半導体レーザによって達成される。従来の比較的強い光波とグレーティング構造の間の結合に反して、この発明で提示されるレーザの設計は明らかに光波とグレーティング構造の間に弱い結合をもたらすものである。この弱い結合によって、光波の干渉効果はより多い数のグレーティング構造要素により起こることになる。従来のレーザダイオードと比べて、これによってサイドモード圧縮比がより高くなる。
【０００９】
またこの発明によるレーザは、モノモード安定性の改良、より高い出力電気、より低いしきい電流及びより長い寿命を提示する。さらに改良された装置特性を達成することもできる。ある特定のパラメータに改良が見られなかったとしても、この発明による装置の性能は従来の半導体レーザの性能と同等のものである。
【００１０】
この発明による光波とグレーティング構造の間の結合係数の性格な値は広範囲に及び調整可能で、特定の適用要求に合わせることができる。結合係数がκ≦３０ｃｍ−１、好ましくはκ≦１０−１であれば有利であることが示されている。結合係数は普通従来の半導体レーザよりも大きさが一オーダー小さい。すべての場合において、結合係数を適宜の半導体レーザの設計によってその適用要求に合わせて選ぶことができる。グレーティング構造のグレーティング要素としては適宜の形態を選ぶ事ができ、特に公知の線形グレーティング要素を使うことができる。後者の場合、グレーティング構造の要素はグレーティング線と呼ばれる。
【００１１】
レーザ導波路には、グレーティング構造から距離をおいて設けられた光波増幅のためのゲイン領域が少なくとも一つあり、また光波とグレーティング構造の相互作用が起こるグレーティング構造を持つ領域が少なくとも一つある時、特に有利である。このようにゲイン領域と相互作用領域が分離していると、装置特性のより一層の改良を達成することができる。この発明による半導体レーザはゲイン領域と一緒に相互領域を持つこの技術分野で分布帰還形レーザ（ＤＦＢレーザ）として知られる装置とは異なる。事実、この技術分野で分布ブラッグ反射レーザ（ＤＢＲレーザ）として知られる装置との類似点がある。ゲイン領域と相互作用領域を分離する事によって、半導体レーザの他の領域の状態を気にする必要がないので、グレーティングとゲイン領域の独立した最適化がずっと簡単になる。ゲイン領域の最適化は例えば低いしきい電流密度とより良い電流注入による高い出力効率を達成する可能性を提供する。
【００１２】
一方、電流注入や物質のゲインに影響を及ぼさずにグレーティング特性を最適化することによってレーザ発振のスペクトルのより簡単でより良い制御を達成する事ができる。また、他の領域を気にせずに特定の領域の大きさを選ぶ事ができる。例えば相互作用領域を特にゲイン領域と比較して大きく選択することができる。低い結合係数と共に長い相互作用領域があれば特に多数のグレーティング線との光線の相互作用が起こり、特に良い波長選択の達成に役立ち、結果として非常に大きなサイドモード抑制を達成できる。
【００１３】
グレーティング構造の実施は、例えばいわゆる指標結合グレーティング又はゲイン結合グレーティングのように適宜に行えるが、グレーティング構造が複合結合構造であると特に有利であることが示されている。この場合、グレーティング構造は屈折率の実及び虚の部分を変調する。グレーティング構造はよってレーザを通して伝播する光線の反射の損失及び強度を定期的に変調する。このようなグレーティング構造を持つレーザダイオードはレーザに発振されて戻る光線への不感受性が高く、よって、例えば光ファイバ伝達のような応用分野において光アイソレーターなしで使うことができる。
【００１４】
ゲイン領域の幾何学的配置を定義する特に効率的な方法は、導波路領域と金属コンタクトの間に電気的コンタクトを設けることである。このような場合、レーザ層が半導体レーザのベース領域全体の上に延長でき、それにもかかわらず、ゲイン領域とゲインのない相互作用領域をも持つ事ができる。半導体レーザのベース全体の上に延長するレーザ層は設計の簡単さにおいて特に有利である。レーザ層を基板物質の上にパターンなしのエピタキシャル法で成長することができ、特に費用効率が高くなる。電圧を給与した時の半導体レーザのポンピングは、金属コンタクトに電気コンタクトが形成される導波路領域でのみ起こる。この部分でのみ、ポンピング効果よって光源のゲインが半導体レーザ内において達成される。
【００１５】
絶縁層をゲイン領域の外で金属コンタクトと半導体レーザの隣接する領域の間に形成すると、設計をより一層簡単にすることができる。この場合、金属コンタクトはゲイン領域における導波路のようにパターンを必要としない。特に、明らかに大きなコンタクト領域を形成する事ができ、例えばワイヤを使ってレーザに簡単なコンタクトを形成することができる。クランプを使って半導体レーザの横から電流注入をすることもできる。ゲイン領域と相互作用領域が相互に隣接していると、機能のない（相互作用もなくゲインもない）領域を避けることができ、半導体レーザの装置特性が改善される。上記の特性の結果の一つは半導体レーザの大きさが小さくなる事である。さらに無機能の領域を通しての光の伝播による減衰効果も減少し、装置性能もまた改良されることになる。「隣接」とは、特に相互干渉や近接効果を回避したり半導体レーザの簡単な製造のために、二つの領域の間に小さな距離をおくことも意味し得る。
【００１６】
グレーティング構造がレーザ層に並行する平面に配置されると有利である。このような場合、グレーティング構造はゲイン領域で増幅される光波の方向に配置される。さらに、エピタキシーや描画法又はエッチング法のような従来の物質処理工程を使ってのグレーティング構造の形成や処理が特に簡単になる。相互作用領域が半導体基板の一端にのみあることも可能である。このような場合、半導体レーザの一方のみからの光線の抽出が特に簡単にできる。
【００１７】
また、グレーティング領域が半導体レーザの両端に形成されていることも可能である。この形において装置は例えばより改良されたサイドモード抑制を獲得できる。また、少なくとも一つの相互作用領域において導波路領域と電気接触を持つ金属コンタクトを適用すると有利に成り得る。この設計によれば、相互作用領域における光波の光ゲインをゲイン領域とは独立して得る事ができる。これを通して特に高い出力電気や発振レーザ光線のチューニングを得る事ができる。当然、相互作用領域における異なる金属コンタクトは異なる構造を持つ事ができる。その上、一つの相互作用領域においてその相互作用領域の独立した金属コンタクトを一つ以上適用することもある。
【００１８】
グレーティング構造の形成に金属、例えばクロムを使えば、前述の有利な点は特に実現しやすくなる。グレーティング構造の形成に使われる物質に無関係に、グレーティング構造は物質を追加することばかりでなく物質の除去によっても実現できる。グレーティング構造が基板物質自身によって形成されることも有り得る。この場合セルフアラインされたグレーティングの形成が可能である。りん化インジウム（ＩｎＰ）の基板は特に有利であると確証されている。この物質はこの発明による半導体レーザの形成に特に適している。
【００１９】
光波とグレーティング構造の間に小さな結合を実現するためには、少なくとも一つの相互作用領域内のグレーティング構造が導波路領域の両側の二つの構造によって実現していると有利である。要素の大きさに従って、光波とグレーティング構造の間の異なる結合が簡単に実現できる。例えばより広いリッジの導波路領域を選ぶ事によって光波とグレーティング構造の間の重なりが小さくでき、結果としてより小さな相互作用となる。両側に構造領域を形成することによって対称性が達成され、装置特性に特に有利となる。
【００２０】
少なくとも一つの相互作用領域内のグレーティング構造が導波路領域の片側にのみ形成されることも可能である。このような設計においては結合が導波路領域の片側のみで起こり、よって結果としての結合は半分に減る。どのような場合においてもグレーティング構造のパターン領域が導波路領域の端に沿って形成されると有利である。そうするとレーザ光線とグレーティング構造の間の結合特性の微同調が簡単になる。グレーティング構造の断面幾何学配置を適宜に選ぶ事によって結合特性を調節できる。「隣接」とはまたグレーティング構造と導波路領域の間の小さなギャップも意味する。結合特性はギャップの大きさの変化によって調節する事ができる。簡単な製造法及びその方法で達成できる精度の最大化に関して、導波路領域の側面はグレーティング構造の平面に垂直にアラインされることが望ましい。
【００２１】
この発明による方法は請求項１８の基準を示す。提示された方法によれば、半導体基板に基づいて、エピタキシャル法による完全な半導体構造の製造が起こり、ついで導波路領域に沿った支持領域の形成のための物質除去法による導波路領域の製造が起こり、ついで結果として相互作用領域内の支持領域上におけるグレーティング構造の形成が起こる。このようにする事によって又単一の支持層のみがそれぞれの半導体レーザに帰することができる。支持領域、及び特に相互作用領域においてグレーティング構造の形成の後に絶縁層が形成されると、グレーティング構造の保護が達成され、相互作用領域においてゲイン効果を起こし得る電流の流れを効率よく抑制することができる。
【００２２】
金属グレーティング構造の形成のために、描画法及びそれに続く描画構造のメタライゼーションを使うことができる。このグレーティングの形成のための方法は本質的に物質系に無関係であり、種々の半導体系に適用できる。また、フィードバック特性のためにそれぞれの吸収の屈折率に十分に高いコントラストがある限り、グレーティングを異なる物質を使って実現することができる。描画法はマスク又は集束発振を使うフォトレジスト又は電子ビームレジストによって定義することができ、金属層にトランスファされる（例：リフトオフ工程又は追加的エッチング工程によって）。
【００２３】
しかし、グレーティング構造の形成にイオン注入法を使う事も可能である。この方法は、集束イオンビームを使ってマスクなしで、又は均一なビームとマスクを使って実施できる。りん化インジウム系においては、ガリウムイオンビーム（Ｇａ＋）が特定されている。いずれにしても注入法によって基板物質中に結晶欠陥が起こる。
【００２４】
結晶欠陥が注入法によって起こる場合、特に基板物質の深い所の結晶欠陥のとき、その欠陥を焼きなまし工程で少なくとも部分的に焼きなますと有利である。この焼きなまし工程によって活性領域の選択的混合が起こり、注入領域内のバンドギャップ領域における吸収が減少し、結果として被変調ゲイン結合グレーティング構造が得られる。いわゆる「チャネリング」のために、イオンは結晶グレーティングの中に非常に深く浸透することができ、焼きなまし工程はまた他の部分での装置性能にも有利であるかもしれない。
【００２５】
また、注入工程でできた表面に近い部分の結晶欠陥、特にかなり混乱した結晶欠陥は物質除去工程、特にエッチング工程で除去することができる。表面近くの結晶欠陥は一般に特に顕著であり、選択的エッチング工程で除去できる。特に焼きなまし工程とそれに続く物質除去工程の組み合せによって、両方のグレーティング（相互混合によって形成されるグレーティングとエッチングで形成されるグレーティング）がセルフアラインした複合結合グレーティングを簡単な方法で実現することができる。両工程の組み合せはりん化インジウム（ＩｎＰ）において特に確立されているが、原則的に他の物質系にも適用できる。
【００２６】
経済的な観点から特に有利な製造方法の一つは、異なる特性を持つ数多くの種類の半導体レーザを製造するために、まず半導体基板上にエピタキシー構造を適用して半導体ウエハを製造し、次にウエハスケール上に個々のレーザダイオードの導波路領域を製造、つまり並行な導波路領域とその間の支持領域を持つ半導体レーザウエハの表面にリッジ導波路構造を製造する事によって可能である。その後初めて、選択された数のレーザダイオードの表面上の対応する構造パラメータを持つグレーティング構造の形成又は注入によって個々のレーザダイオードの特性の正確な形成が起こる一方、個々の半導体レーザチップユニットにおける半導体ウエハの分割が起こる。
【００２７】
よって、複合ウエハ上に製造されすでに導波路リッジ部を持つレーザダイオードを、導波路リッジ部を持つ基本のレーザダイオード又は「未完成」レーザダイオードとして使い、形成された電気的及び光学的特性を持つ基本のレーザダイオード又は「未完成」レーザダイオードとして使い、そのゆえに、この同一に形成された基本のレーザダイオードのプールの中から必要な数のレーザダイオードをその後選択し、そして形成されたグレーティング構造の適用又は実施によって精密に形成された光学的及び電気的特性を持つモノモードのレーザダイオードを好ましい数だけ実質的に不良品なしで製造することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体レーザダイオードの設計、及び製造法の実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、半導体レーザ（図１ｅ）の製造法の基本となるベースレーザダイオード１０を示す概略透視図である。ベースレーザダイオード１０は、基板１１を有し、この基板はこの例の場合りん化インジウム（ＩｎＰ）である。しかし、他の半導体物質も採用可能である。基板１１上にはエピタキシャル構造１２が公知の方法で堆積されている。エピタキシャル構造１２は本質的に光学的に活性のレーザ層１３とこの例の場合前記基板１１と同じ物質（りん化インジウム）からなるキャップ層１４からなる。
【００２９】
ベースレーザダイオード１０に基づいて最初に図１ｂに示す導波路ダイオード１５のトランジションモデルが製造される。このために、キャップ層１４（図１ａに示す）の特定の領域が部分的に物質除去法で除去される。物質除去法は選択的に側面１９及び２０の領域で活動する。導波路ダイオード１５の中央に導波路領域が残り、このモデルにおいてはリッジ導波路１８として形成される。側端１６及び１７は対応する導波路ダイオード１５の側面領域１９及び２０に本質的に直角に結合する。図１ｂに明らかに示されるように、物質除去法は、キャップ層１４（図１ａ）が薄くなるが完全には除去されないように制御されている。すなわち、導波路リッジ部１８また側面領域１９及び２０の間のレーザ層２１及び２２及びレーザ層１３は同じ物質からなり、この場合りん化インジウムである。物質除去法は適宜に選択する事ができる。例えば、公知の方法（例：ドライエッチング法、ウェットエッチング法等）を使う事ができる。
【００３０】
側面領域１９及び２０のグレーティング構造の形成によって、ＤＢＲ原レーザダイオードは別のトランジション形として始まる。図１ｃに示されるように、第一の相互作用領域２４及び第二の相互作用領域２６における導波路リッジ部１８の両側にストライプ形のグレーティング２４が形成される。この単純化した例では、それぞれのグレーティング２４は３本のグレーティング線２８からなる。この数は幾何学の説明図を提供するために選ばれたもので、実際の装置に使われるグレーティングは何百、何千というグレーティング線からなる。グレーティング構造のグレーティング線２８は同じスペースで、お互いにそれぞれ導波路リッジ部１８の両側において整列するように方向づけられている。両相互作用領域２５及び２６はＤＢＲ原レーザダイオード２３の両端に、長さ方向が導波路リッジ部１８で定義されて位置する。ゲイン領域２７は両相互作用領域２５及び２６の間に延び、この領域において最終ＤＢＲレーザダイオード３２の中でレーザ光線の増幅が起こり、さらにこの領域にはグレーティング構造が形成されていない。
【００３１】
この特定の例において、グレーティング構造２４は金属グレーティング構造として形成される。これは、導波路レーザダイオード１５の側面領域１９及び２０に金属、例えばクロムを付着させて実現できる（図１ｂ）。その後、グレーティング構造は付着した金属層にフォトレジストや電子レジストを使い、その後光や促進電子に露出して形成される。その後、除去すべき層が物質除去法、例えばエッチング法で除去される。最初にレジスト層を露出し、その後金属層を付着しても金属グレーティング構造を形成する事ができる。レジスト層はその後レジスト上に付着した金属と共に除去され、レジストの露出した領域内の側面領域１９及び２０に付着した金属がグレーティング構造を形成する。
【００３２】
この特定な例に示されていないあと一つの可能性は、集束イオンビームを使い、レーザ層２１及び２２（図１ｂ）内に直接グレーティング構造を形成することである。この場合、レジスト層は必要ない。当然非集束イオンビームをマスクと組み合わせて使う事もできる。いずれにしても、結晶グレーティング内の欠陥はレーザ層２１及び２２内のイオン注入をされた領域に起こる。次に続く熱焼きなまし工程において、この結果活性領域の選択的混合が起こる。また、表面近くのかなり混乱した領域は選択的エッチング工程によって除去することができる。このようにして、複雑グレーティングが形成され、一方、グレーティングの両方の部分（つまり相互混合によって形成されるグレーティング及びエッチングによるグレーティング）はお互いにセルフアラインされる。
【００３３】
ここで説明されているりん化インジウム系においては、１００ｋｅＶでの注入のためのＧａ＋イオンは十分に確立している。半導体の温度が６０秒間に７５０℃に上げられる焼なまし工程を適用した。エッチング工程は、１０％ＨＦ溶液に８０℃で１０分間浸すことで実施される。物質の堆積又は除去工程に無関係に、図１ｃに示される構造又は類似した構造のＤＢＲ原レーザダイオード２３が結果としてトランジションの形で起こる。
【００３４】
あと一つの追加的工程において、ＤＢＲ原レーザダイオード２３の表面がその後絶縁層２９によって被覆される（図１ｄ参照）。二つの相互作用領域２５及び２６において、絶縁層２９は対応する側面領域（図１ｂ）、これらの領域上に形成されたグレーティング構造、また導波路リッジ部１８（図１ｂ）を被覆する。ゲイン領域２７では、絶縁層は側面領域１９及び２０のみを被覆する。この領域内で導波路リッジ部１８は絶縁層で被覆されておらず、よって開口３０経由で外からアクセスすることができる。最終工程として、絶縁層２９内の開口３０の上に金属コンタクトが形成される。最終的なＤＢＲレーザダイオード３２（図１ｅ）はするとワイヤで電流源と結合できるが、これは図には示されていない。これ以外のコンタクト、特にレーザ層１３へのコンタクトは、鮮明性を重視するために単純化したこの図には示されていない。
【００３５】
図２には弱結合レーザダイオード用の第二の可能な設計が示される。レーザダイオードの設計を描写するためにスケッチに単純化がいくらか施されているが、もちろん実際の装置はこのように単純ではない。レーザダイオードは非対称レーザダイオード３３として設計されている。片側に一つの相互作用領域３４を含むのみである。この非対称レーザダイオード３３の他端はゲイン領域３５として機能する。成長は基板３６上で起こる。この基板上にレーザ層３７が形成され、非対称ＤＢＲレーザダイオード３３の全領域を被覆する。レーザダイオード３７上にはエッチングを施した、基板３６と同じ物質からなる半導体表面が堆積する。相互作用領域のグレーティング構造３９は複雑結合グレーティングとして設計され、上述のようにイオン注入に続く焼きなましと物質除去工程によって製造されたものである。
【００３６】
リッジ導波路の反対側に対応するグレーティング構造３９もまた存在するが、この図面のために選ばれた見方の角度では見ることができない。リッジ導波路４０に隣接する両側には絶縁層４１が非対称レーザダイオード３３の全長に沿って堆積し、リッジ導波路４０だけが被覆されていない。非対称ＤＢＲレーザダイオード３３の表面には二つのコンタクトパッド４２及び４３が付着し、スリット状のギャップ４４によってお互いから分離されている。第一のコンタクト４２を通して電流注入すると、ゲイン領域３５がポンプされ、結果として光増幅が起こる。相互作用領域３４は、グレーティング構造３９内の対応するグレーティング線の間の距離に依存する光の波長選択をする。両方のコンタクトパッド４２及び４３はリッジ導波路４０の対応する領域に電気的に接続している。
【００３７】
第一のコンタクトに電圧を給与する正常な動作モードに加えて、しかし無関係に、描写された非対称ＤＢＲレーザダイオード３３の第二の金属コンタクト４３もまた電圧でバイアスすることができる。これによって、ゲイン領域３５内における増幅に加えて相互作用領域３４内の光の増幅が起こる。普通、このことはやや低いサイドモード圧縮比を意味する。しかし、一方では、より高い電気出力を生成することができる。従って、比対称ＤＢＲレーザダイオード３３は異なる目的のために柔軟に使うことができる。
【００３８】
レーザダイオードの両端に二つの相互作用領域を持つ半導体レーザの場合、相互作用領域に位置する単一又は多数のコンタクトパッドを両方の相互作用領域に適用することができ、よってそれらを独立してアドレス可能にする。この事はレーザダイオードをアドレスするための色々な可能性を意味し、よってレーザダイオードの放出特性を変える複数の可能性を意味する。
【００３９】
例として、図３は光波４７、４７ａ及びグレーティング構造４６、４６ａの間の、異なった大きさのグレーティング構造４６、４６ａ及びリッジ導波路４５、４５ａによる結合の整合を示す。図３ａは光波力４６の主要な部分がリッジ導波路４５内にある状況を示す。しかし光波とグレーティング構造４６の重なりは非常に小さく、よって光波とグレーティング構造の間には無視できる結合しかない。従って、光波とグレーティング構造４６の間の相互作用は多数のグレーティング線上で起こり、よって周波数選択は従来のレーザダイオードと比べてずっと改良されるかも知れない。もちろん、このためにはレーザダイオード上に十分な数のグレーティング線が必要である。また、リッジ導波路４５とグレーティング構造４６の間に、光波とグレーティング構造の間の小さな結合に対応して小さなギャップが形成さることも考えられる。さらに、リッジ導波路４５の片側のみに適用されるグレーティング構造４６は光波４７とグレーティング構造４６の間により一層縮小した結合を導くであろうことが明らかである。
【００４０】
比較例として、図３ｂは光波４７ａとグレーティング構造４６ａの間の強結合の場合を描写する。ここでは、光波４７ａとグレーティング構造４６ａの間に大きな重なりがあり、よって結果として光波４７ａとグレーティング構造４６ａの間に強い結合ができる。説明を完全にするために付け加えると、従来のレーザにある光波とグレーティング構造の間の強い結合はまた他の構成設計によっても実施されている。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】光波とグレーティング構造の間に弱結合を持つＤＢＲレーザの第一の実施例の製造における異なる工程を示す図。
【図１ｂ】光波とグレーティング構造の間に弱結合を持つＤＢＲレーザの第一の実施例の製造における異なる工程を示す図。
【図１ｃ】光波とグレーティング構造の間に弱結合を持つＤＢＲレーザの第一の実施例の製造における異なる工程を示す図。
【図１ｄ】光波とグレーティング構造の間に弱結合を持つＤＢＲレーザの第一の実施例の製造における異なる工程を示す図。
【図１ｅ】光波とグレーティング構造の間に弱結合を持つＤＢＲレーザの第一の実施例の製造における異なる工程を示す図。
【図２】光波とグレーティング構造の間に弱結合を持つＤＢＲレーザの第二の実施例を示す概略図。
【図３ａ】光波とグレーティング構造の間の二つの異なる結合係数のためのレーザダイオードの相互作用領域内の光波の輝度分布を示す図。
【図３ｂ】光波とグレーティング構造の間の二つの異なる結合係数のためのレーザダイオードの相互作用領域内の光波の輝度分布を示す図。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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