(57)【要約】【課題】動作モード制御性に優れる半導体レーザの作製方法を提供する。【解決手段】光の伝播方向において活性層領域Ａと制御層領域Ｂとが交互に接続する半導体レーザの作製方法において、活性層領域Ａの上側ＳＣＨ層１３又は制御層領域Ｂの上側ＳＣＨ層１７のうちいずれか一方の上層に半導体犠牲層１８を形成し、活性層領域Ａ及び制御層領域Ｂの表面に回折格子を形成し、活性層領域Ａ及び制御層領域Ｂの上層に半導体犠牲層１８と同一材料の半導体層２０を形成する際、半導体犠牲層１８の厚さを厚くして、活性層領域Ａの回折格子の深さ又は制御層領域Ｂの回折格子の深さのうちいずれか一方を浅く形成する。【選択図】図２
2012033975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の伝播方向において活性層領域と該活性層領域以外の領域である制御層領域とが交互に接続する半導体レーザの作製方法において、
半導体基板上に下側ＳＣＨ層、活性層及び上側ＳＣＨ層の順に積層された積層構造の表面にマスクを形成し、当該マスクの下層を前記活性層領域とする工程と、
前記積層構造の前記マスクが形成されていない部分の下側ＳＣＨ層、活性層及び上側ＳＣＨ層を除去する工程と、
除去した部分に下側ＳＣＨ層、制御層及び上側ＳＣＨ層を順に再成長して前記制御層領域を形成する工程と、
前記活性層領域の前記上側ＳＣＨ層又は前記制御層領域の前記上側ＳＣＨ層のうちいずれか一方の上層に半導体犠牲層を形成する工程と、
前記活性層領域及び前記制御層領域の表面に回折格子を形成する工程と、
前記活性層領域及び前記制御層領域の上層に前記半導体犠牲層と同一材料の半導体層を形成する工程と
を備え、
前記活性層領域の長さをＬa、前記制御層領域の長さをＬtとし、前記活性層領域の回折格子の結合係数をκa、前記制御層領域の回折格子の結合係数をκtとするとき、
Ｌa＜Ｌtの場合、
【数１】
2012033975.tif 000020
かつ、
【数２】
2012033975.tif 000021
を満たし、
Ｌa＞Ｌtの場合、
【数３】
2012033975.tif 000022
かつ、
【数４】
2012033975.tif 000023
を満たすように、前記半導体犠牲層の厚さを厚くして、前記活性層領域の回折格子の深さ又は前記制御層領域の回折格子の深さのうちいずれか一方を浅く形成する
ことを特徴とする半導体レーザの作製方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザの作製方法において、
前記半導体犠牲層の厚さを前記回折格子の深さより厚くして、前記活性層領域又は前記制御層領域のいずれか一方にのみ前記回折格子を残す
ことを特徴とする半導体レーザの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信情報量の増大に対して、光波長（周波数）多重通信システムの研究が行われているが、送信用光源及び同期検波用可同調光源として広範囲な波長調整機能が要求されており、また、光計測の分野からも広域波長帯をカバーする波長可変光源の実現が望まれている。
【０００３】
これまでに、種々の可変波長光源が研究されてきたが、それらを大別すると、１つの発振モードで連続的に波長が変わるものと、モード跳びを伴って不連続に波長が変わるものとに分けることができる。実際のシステムヘの応用を考えた場合、制御性の面から、連続的に波長が変わるものの方が好ましい。また、波長変化を制御するために、温度を変化させて屈折率を制御するものと、電流注入による屈折率変化を用いるものの二つが主に使われているが、波長変化速度を考えると、電流注入による屈折率変化を用いた方が速い波長切り替えが可能である。
【０００４】
電流注入による屈折率変化を用いて連続的に発振波長を変化させることができる半導体レーザとしては、分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や二重導波路レーザ（ＴＴＧレーザ）等が研究されており、連続波長可変幅としてＤＢＲレーザでは４．４ｎｍ、ＴＴＧレーザでは７ｎｍという値が報告されている。そして、近年、ＤＢＲレーザのモード跳びを抑えるために、活性導波路層領域を短くした、いわゆる短共振器ＤＢＲレーザも研究されている。
【０００５】
モード跳びをともなった不連続な波長可変幅としては、ＤＢＲレーザで１０ｎｍという値が得られている。また、不連続ではあるが広い波長可変幅が得られる半導体レーザとして、Ｙ分岐レーザ、超周期構造回折格子レーザ等が試作され、５０〜１００ｎｍの波長可変幅が得られている。
【０００６】
しかしながら、上記従来技術においては次のような問題があった。ＴＴＧレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層に電流注入してレーザ発振動作を生じさせ、この活性導波路層のすぐ近くに形成される波長制御用非活性導波路層に独立に電流注入することにより、発振波長を変化させる。ここで、回折格子の周期をΛ、導波路の等価屈折率をｎとすれば、ブラッグ波長λbは、
【数１】
2012033975.tif 000003
と表される。ＴＴＧレーザはこのブラッグ波長近傍の１つの共振縦モードで発振動作する。
【０００７】
非活性導波路層に電流注入を行うと、導波路の等価屈折率が変化し、式（１）より、ブラッグ波長もそれに比例して変化する。ここで、ブラッグ波長の変化の割合Δλb／λbは、
【数２】
2012033975.tif 000004
となり、等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎと等しくなる。
【０００８】
また、電流注入による等価屈折率の変化に伴い、共振縦モード波長も変化する。ＴＴＧレーザの場合、共振器全体の等価屈折率が一様に変化するので、共振縦モード波長の変化の割合Δλr／λrは等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎに等しくなる。すなわち、
【数３】
2012033975.tif 000005
となる。
【０００９】
式（２），式（３）より、ＴＴＧレーザでは、ブラッグ波長の変化と共振縦モードの変化が等しくなるので、最初に発振したモードが保たれたまま連続的に発振波長が変化するという大きな特徴を有する。
【００１０】
しかしながら、単一横モード発振動作をさせるためには二重導波路の幅は１〜２μｍにする必要があり、更に、活性層と波長制御層との間に形成されるｎ型スペーサ層の厚さを１μｍ以下まで薄くする必要があるため、通常の半導体レーザで用いられている埋め込み構造にすることができず、それぞれの導波路層に効率良く電流を注入するための構造にすることが、製作上非常に困難であるという問題があった。また、通常の半導体レーザ構造と異なるため、半導体光増幅器等との集積化が困難であり、多機能な集積デバイスを構成できないという問題があった。
【００１１】
それに対して、ＤＢＲレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層と非活性導波路層とが直列に接続されている構造なので、通常の半導体レーザと同様に電流狭窄を行うための埋め込みストライプ構造を用いることができ、更に、各々の導波路層に独立に電流注入を行うことは、各々の導波路層の上方に形成される電極を分離することにより容易に実現することができる。
【００１２】
非活性導波路層への電流注入により、等価屈折率を変えてブラッグ波長を変化させる機構はＴＴＧレーザと同様であるが、等価屈折率の変化する領域が共振器の一部に限られているために、ブラッグ波長の変化量と共振縦モード波長の変化量とは一致しない。共振縦モード波長の変化の割合Δλr／λrは、全共振器長さＬtに対する分布反射器の実効長Ｌeの割合分だけ等価屈折率の変化の割合Δｎ／ｎよりも少なくなり、
【数４】
2012033975.tif 000006
となる。
【００１３】
したがって、式（２），式（４）より、ＤＢＲレーザでは波長制御電流を注入するにつれてブラッグ波長と共振縦モード波長とが相対的に離れていくため、モード跳びを生じてしまうという欠点を持っていた。モード跳びを生じさせないためには、回折格子が形成されていない位相調整領域を設けて、そこへの電流注入により共振縦モードの変化量とブラッグ波長の変化量とを一致させる必要がある。
【００１４】
しかし、この方法では２電極への波長制御電流を制御するための外部回路が必要になり、装置構造及び制御が複雑になるという問題があった。モード跳びを生じさせないもう一つの方法として、共振器長を短くして縦モード間隔を広げる短共振器ＤＢＲレーザが考えられるが、活性層を短くする必要があるため、大きな出力を得るのが困難であるという問題があった。
【００１５】
ＴＴＧレーザ及びＤＢＲレーザにおける連続波長可変幅は、波長制御層の屈折率変化量に制限され、その値は４〜７ｎｍ程度に留まっている。波長可変幅を更に広くするには、モード跳びを許容し、波長フィルタの波長変化量が屈折率変化量よりも大きくなるような手段を用いる必要がある。
【００１６】
Ｙ分岐レーザや、超周期構造回折格子レーザは、いずれも屈折率変化量よりもフィルタ波長変化量が大きくなる手段を用いている。これらの半導体レーザでは、フィルタ波長を大きく変化させ、なおかつ十分な波長選択性を得るために、２つの電極に流す電流を制御する必要があり、更に共振縦モード波長を制御するための電極も必要となる。その結果、発振波長を調整するのに３つの電極への注入電流を制御しなければならず、制御が非常に複雑になってしまうという問題があった。
【００１７】
これらの課題を解決するべく、１電極への注入電流制御により連続的に４〜７ｎｍ程度発振波長を変化させることができ、なおかつ活性導波路層及び非活性導波路層への電流注入も効率良く行える半導体レーザを得ることと、モード跳びを伴うものの、２つの電極への注入電流制御により、５０〜１００ｎｍ程度の範囲にわたって発振波長を変化させることができる半導体レーザが開発されている。下記非特許文献１及び下記特許文献１には、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造が開示されている。この従来の分布活性ＤＦＢレーザの構造によれば、活性層体積も十分確保できるため、高出力化を図ることが可能である。
【００１８】
図１３は、従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本構造を示した図である。なお、図１３は、光の導波方向に沿った断面図を示している。
図１３に示すように、活性導波路層領域Ｌaの活性導波路層１３０と非活性導波路層領域Ｌtの非活性導波路層（波長制御層）１３１が交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層１３０及び非活性導波路層１３１の上には上部クラッド層１３２が形成されており、上部クラッド層１３２の上には上部電流Ｉaを注入する電極１３３と電流Ｉtを注入する上部電極１３４が形成されている。
【００１９】
また、活性導波路層１３０及び非活性導波路層１３１の下には下部クラッド層１３５が形成されており、下部クラッド層１３５の下には接地された下部電極１３６が形成されている。活性導波路層１３０への電流Ｉａ注入により発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路には凹凸、すなわち回折格子が形成されており、回折格子周期に応じた波長のみ選択的に反射されレーザ発振が起こる。
【００２０】
一方、非活性導波路層１３１への電流Ｉt注入によりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路層１３１の回折格子の光学的な周期は変化する。非活性導波路層１３１の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御層領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。繰り返し構造の１周期の長さをＬt、波長制御領域長をＬpとすれば、共振縦モード波長の変化の割合は、
【数５】
2012033975.tif 000007
となる。
【００２１】
また、一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合Δλs／λsは、
【数６】
2012033975.tif 000008
となる。
【００２２】
式（５），式（６）より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。したがって、この分布活性ＤＦＢレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。
【００２３】
図１４は、回折格子を一部のみに形成した従来の分布活性ＤＦＢレーザの構造を示した図、図１５は、周期を変えて２つ縦続接続した従来の分布活性ＤＦＢレーザの構造を示した図である。なお、図１４及び図１５は、光の導波方向に沿った断面図を示しており、符号については図１３で用いたものと同じものを用いるものとする。
【００２４】
図１４では回折格子を活性導波路層１３０の一部にのみ形成しているが、図１３の基本構造と同じように連続的に波長が変化する（下記特許文献１参照）。
また、図１４に示す従来の分布活性ＤＦＢレーザの構造を図１５に示すように、Ｌ1とＬ2とで周期を変えて２つ縦続接続した構造が開示されている。このため、電流Ｉt1を注入するための上部電極１３７と、電流Ｉt2を注入するための上部電極１３８とを備えている（下記特許文献１参照）。
【００２５】
また、図１５の構造は、活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１の繰り返し周期の異なる図１４の構造の縦続接続であるが、活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１の繰り返し周期の異なる図１３の構造を縦続接続した構造も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特許３２３７７３３号公報
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献１】Ｈｉｒｏｙｕｋｉ  Ｉｓｈｉｉ、Ｙａｓｕｈｉｒｏ  Ｋｏｎｄｏ、Ｆｕｍｉｙｏｓｈｉ  Ｋａｎｏ、Ｙｕｚｏ  Ｙｏｓｈｉｋｕｎｉ、”Ａ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ＤＦＢ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）”、ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ、１９９８年１月、ＶＯＬ．１０、ＮＯ．１、ｐ．３０−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかしながら、上述の分布活性ＤＦＢレーザにおいては、図１３に示す基本構造では、電流注入による波長変化量が増加するにしたがい、活性導波路１３０と非活性導波路１３１との周期変調が生じるために副モードが増大し、単一モード特性が劣化するという現象が生じる。
【００２９】
図１６は、図１３に示す従来の分布活性ＤＦＢレーザの反射特性を示した図である。ここで、図１６（ａ）は、活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１が同じ屈折率を有した状態の反射特性を示した図であり、図１６（ｂ）は、非活性導波路層１３１に電流を注入して活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１の屈折率に差が生じた状態の反射特性を示した図であり、図１６（ｃ）は、図１６（ｂ）よりも更に屈折率差が大きくなった状態の反射特性を示した図である。そして、図１６より、非活性導波路層１３１への電流注入により主ピークは短波長側にシフトしていくが、それに応じて副モードが増大していくことが分かる。
【００３０】
また、図１４に示すように、初めから回折格子を限定して周期的（サンプル周期）に製作することにより、最初から図１６（ｃ）のような副モードが生じた状態を作り出している。その上で、図１５に示すように、活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１との繰返し周期の異なる２つの領域を縦続接続した構造とすることにより二つの領域の副モード間隔を変え、副モードの増大を防ぐとともに、２つの領域の非活性導波路層１３１への電流注入量を変化させることで、共振させる反射ピークを変えて、広範囲での波長可変を可能としている。
【００３１】
しかしながら、この方法を用いた場合、回折格子を製作する領域を限定しているため複雑になり、パターンを製作するために一括で回折格子の露光が行える二束干渉露光等の方法ではなく、電子ビーム（ＥＢ）描画を用いる必要があるという問題がある。
また、回折格子が均等でないため露光量に分布が生じるので、描画領域の端の部分の露光量を調整するのが難しいという問題や、エッチングを均等に行うことが難しいという問題がある。
【００３２】
さらに、図１４に示すように、活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１との繰り返し周期の異なる２つの領域を縦続接続した構造の場合には、回折格子のサンプル周期も、活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１との繰り返し周期に応じて異なるものとする必要があるため、パターンが非常に複雑となるという問題がある。
【００３３】
また、回折格子は、導波路の上部にあっても下部にあっても素子の動作原理は変わらない。導波路の上部に形成する場合と、下部に形成する場合があるが、どちらにしてもサンプル回折格子を作製するには、パターンが非常に複雑となるという問題がある。
【００３４】
ところで、式（６）から明らかなように、波長変化量を大きくするためには、共振器長に対する非活性導波路の割合を大きくすればよい。ここで、回折格子の結合係数をκ、回折格子長をＬとすると回折格子の反射率Ｒは、
【数７】
2012033975.tif 000009
となる。
【００３５】
このため、例えば図１３に示す従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本構造において、活性導波路と非活性導波路が同じ回折格子を備えているとすると、活性導波路と非活性導波路の割合を１：２とした場合、非活性導波路における反射の割合が高くなる。これは、非活性導波路に電流を注入すると屈折率が下がり、非活性導波路の回折格子の反射帯域は短波長側に移動するためであり、反射スペクトルは非活性導波路への電流注入により図１６に示すように変化する。
【００３６】
このため、短波長側の副モードの反射強度は、長波長側の副モードの反射強度よりも大きくなる。すなわち、主モードの反射強度と短波長側の副モードの反射強度の反射強度比が小さくなるため、従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本構造において単に共振器長に対する非活性導波路の割合を大きくするだけでは、半導体レーザの単一モード性が悪くなり、さらに、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が劣化するという問題がある。
【００３７】
以上のことから、本発明は、動作モード制御性に優れる半導体レーザの作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体レーザの作製方法は、
光の伝播方向において活性層領域と該活性層領域以外の領域である制御層領域とが交互に接続する半導体レーザの作製方法において、
半導体基板上に下側ＳＣＨ層、活性層及び上側ＳＣＨ層の順に積層された積層構造の表面にマスクを形成し、当該マスクの下層を前記活性層領域とする工程と、
前記積層構造の前記マスクが形成されていない部分の下側ＳＣＨ層、活性層及び上側ＳＣＨ層を除去する工程と、
除去した部分に下側ＳＣＨ層、制御層及び上側ＳＣＨ層を順に再成長して前記制御層領域を形成する工程と、
前記活性層領域の前記上側ＳＣＨ層又は前記制御層領域の前記上側ＳＣＨ層のうちいずれか一方の上層に半導体犠牲層を形成する工程と、
前記活性層領域及び前記制御層領域の表面に回折格子を形成する工程と、
前記活性層領域及び前記制御層領域の上層に前記半導体犠牲層と同一材料の半導体層を形成する工程と
を備え、
前記活性層領域の長さをＬa、前記制御層領域の長さをＬtとし、前記活性層領域の回折格子の結合係数をκa、前記制御層領域の回折格子の結合係数をκtとするとき、
Ｌa＜Ｌtの場合、
【数８】
2012033975.tif 000010
かつ、
【数９】
2012033975.tif 000011
を満たし、
Ｌa＞Ｌtの場合、
【数１０】
2012033975.tif 000012
かつ、
【数１１】
2012033975.tif 000013
を満たすように、前記半導体犠牲層の厚さを厚くして、前記活性層領域の回折格子の深さ又は前記制御層領域の回折格子の深さのうちいずれか一方を浅く形成する
ことを特徴とする。
【００３９】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る半導体レーザの作製方法は、
第１の発明に記載の半導体レーザの作製方法において、
前記半導体犠牲層の厚さを前記回折格子の深さより厚くして、前記活性層領域又は前記制御層領域のいずれか一方にのみ前記回折格子を残す
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、動作モード制御性に優れる半導体レーザの作製方法を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図３】本発明の第１の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図４】本発明の第２の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図５】本発明の第３の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図６】本発明の第４の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図７】本発明の第５の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
【図８】図１５に示す半導体レーザの活性層領域の部分の導波路に垂直な断面を示した図である。
【図９】活性層領域と制御層領域に同じ結合係数を有する回折格子を形成した場合の半導体レーザの反射特性を示した図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る活性層領域と制御層領域に異なる結合係数を有する回折格子を形成した場合の半導体レーザの反射特性を示した図である。
【図１１】一般的な導波路上部への回折格子の形成方法を示した図である。
【図１２】一般的な導波路下部への回折格子の形成方法を示した図である。
【図１３】従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本構造を示した図である。
【図１４】回折格子を一部のみに形成した従来の分布活性ＤＦＢレーザの構造を示した図である。
【図１５】周期を変えて２つ縦続接続した従来の分布活性ＤＦＢレーザの構造を示した図である。
【図１６】図１３に示す従来の分布活性ＤＦＢレーザの反射特性を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法の実施形態、参考形態について、図を用いて説明する。
以下に、一般的な導波路上部への回折格子の形成方法について説明する。
図１１は、一般的な導波路上部への回折格子の形成方法を示した図である。なお、図１１は、光の導波方向に沿った断面図を示している。
【００４３】
図１１に示すように、半導体レーザを作製するための元基板構造として、ＩｎＰ基板１１０上に活性層１１２の上下を上側ＳＣＨ層１１３及び下側ＳＣＨ層１１１で挟んだ構造（分離閉じ込めヘテロ構造層）を考える。ここで、活性層１１２は、ＩｎＰとは異なる材料、例えばＧａＩｎＡｓＰ等の層を考える。下側ＳＣＨ層１１１及び上側ＳＣＨ層１１３は、活性層１１２よりもバンドギャップ波長の短いＧａＩｎＡｓＰ層を用いている。
【００４４】
すなわち、活性層１１２、上側ＳＣＨ層１１３及び下側ＳＣＨ層１１１がＩｎＰに比べて屈折率が高いため、光導波路層となっている。また、活性層１１２にて利得を得るために、活性層１１２よりも屈折率が低い上側ＳＣＨ層１３、下側ＳＣＨ層１１１、ＩｎＰ基板１１０及びＩｎＰ上部クラッド層１１５により光を活性層１１２に閉じ込める構造となっている。
【００４５】
はじめに、図１１（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１０上にレジストパターン１１４を塗布し、二束干渉露光やＥＢ露光等により露光し、現像を行うことで、ＩｎＰ基板１１０を加工するための回折格子のマスクを作製する。半導体レーザの発振波長が、光通信でよく用いられている１．５５μｍ程度の場合、回折格子の周期は２４０ｎｍ程度となる。
【００４６】
次に、図１１（ｂ）に示すように、レジストパターン１１４をマスクとしてウエットエッチング又はドライエッチングもしくはその両方を用いてＩｎＰ基板１１０をエッチングする。
次に、図１１（ｃ）に示すように、レジストパターン１１４を除去した後、ＩｎＰ上部クラッド層１１５により回折格子を埋め込み再成長する。これにより、ＩｎＰ上部クラッド層１１５下部に凹凸のあるＧａＩｎＡｓＰの上部ＳＣＨ層１１３が形成される。ＧａＩｎＡｓＰの上部ＳＣＨ層１１３は、ＩｎＰ上部クラッド層１１５よりも屈折率が高いため、導波路方向に沿って屈折率が周期的に変化する。
以上が一般的な導波路上部への回折格子の形成方法である。
【００４７】
以下に、一般的な導波路下部への回折格子の形成方法について説明する。
図１２は、一般的な導波路下部への回折格子の形成方法を示した図である。なお、図１２は、光の導波方向に沿った断面図を示している。
【００４８】
図１２（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１２０上にレジストパターン１２１を塗布し、二束干渉露光やＥＢ露光等により露光し、現像を行うことで、ＩｎＰ基板１２０を加工するための回折格子のマスクを作製する。半導体レーザの発振波長が、光通信でよく用いられている１．５５μｍ程度の場合、回折格子の周期は２４０ｎｍ程度となる。
【００４９】
次に、図１２（ｂ）に示すように、レジストパターン１２１をマスクとしてウエットエッチング又はドライエッチングもしくはその両方を用いてＩｎＰ基板１２０をエッチングする。
【００５０】
次に、図１２（ｃ）に示すように、レジストパターン１２１を除去した後、下側ＳＣＨ層１２２により回折格子を埋め込み再成長する。これにより、ＩｎＰ基板１２０上に凹凸のあるＧａＩｎＡｓＰの下側ＳＣＨ層１１２が形成される。ＧａＩｎＡｓＰの下側ＳＣＨ層１１２は、ＩｎＰ基板１２０よりも屈折率が高いため、導波路方向に沿って屈折率が周期的に変化する。
【００５１】
次に、ＧａＩｎＡｓＰの活性層１２３、ＧａＩｎＡｓＰの上側ＳＣＨ層１２４、ＩｎＰのクラッド層１２５を順次成長する。これにより、導波路は、ＩｎＰ基板１２０上に活性層１２３の上下を上側ＳＣＨ層１２４及び下側ＳＣＨ層１２２で挟んだ構造（分離閉じ込めヘテロ構造層）となる。ここで、活性層１２３は、ＩｎＰとは異なる材料、例えばＧａＩｎＡｓＰ等の層としている。
【００５２】
下側ＳＣＨ層１２２及び上側ＳＣＨ層１２４には、活性層１２３よりもバンドギャップ波長の短いＧａＩｎＡｓＰを用いている。すなわち、活性層１２３、下側ＳＣＨ層１２２及び上側ＳＣＨ層１２４がＩｎＰに比べて屈折率が高いため、光導波路層となっている。また、活性層１２３にて利得を得るために、活性層１２３よりも屈折率が低い下側ＳＣＨ層１２２及び上側ＳＣＨ層１２４、ＩｎＰ基板１２０及びＩｎＰクラッド層１２５により、光を活性層１２３に閉じ込める構造となっている。
以上が一般的な導波路下部への回折格子の形成方法である。
【００５３】
〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
分布活性ＤＦＢレーザにおいて、特性向上のためには、図１５に示すように、部分的かつ周期的に回折格子を形成した構造が必要である。
【００５４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
図１に示すように、ＩｎＰ基板１０上に活性層１２の上下を上側ＳＣＨ層１３及び下側ＳＣＨ層１１で挟んだ構造（この構造をレーザ元基板とする）を考える。ここで、活性層１２は、ＩｎＰとは異なる材料、例えばＧａＩｎＡｓＰ等の層を考える。下側ＳＣＨ層１２及び上側ＳＣＨ層１３は、活性層１２よりもバンドギャップ波長の短いＧａＩｎＡｓＰ層を用いている。
【００５５】
はじめに、図１（ａ）に示すように、活性層１２と後述する制御層１６の繰り返し構造を作製するために、レーザ元基板における上側ＳＣＨ層１３上にエッチングマスク１４を作製する。エッチングマスク１４には、ＳｉＯ2やＳｉＮ等を用いればよい。ここで、活性層１２と制御層１６の繰り返し周期は６６μｍとし、活性層１２と制御層１６の比率は１：１とし、両者とも３３μｍとした。
【００５６】
次に、図１（ｂ）に示すように、エッチングマスク１４を用いてドライエッチング又はウエットエッチングもしくはその両方により活性層１２、上側ＳＣＨ層１３及び下側ＳＣＨ層１１をエッチングする。
【００５７】
次に、図１（ｃ）示すように、選択成長により、活性層１２、上側ＳＣＨ層１３及び下側ＳＣＨ層１１を除去した制御層領域Ｂに制御層１６を成長する。選択成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線ビームエピタキシ（ＭＢＥ）等の通常用いられる結晶成長法を用いることができる。
【００５８】
制御層領域Ｂには、活性層１２よりもバンドギャップ波長が短いＧａＩｎＡｓＰよりなる制御層１６（コア層）と、さらにバンドギャップ波長が短いＧａＩｎＡｓＰ層よりなる上側ＳＣＨ層１７及び下側ＳＣＨ層１５よりなる。このとき、上側ＳＣＨ層１７の更に上部にＩｎＰの半導体犠牲層１８を成長する。このＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さは、回折格子のエッチング深さよりも厚くなるようにする。本実施形態では、回折格子の深さを４０ｎｍとするため、ＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さを８０ｎｍとした。
【００５９】
次に、図１（ｄ）に示すように、上側ＳＣＨ層１３及び半導体犠牲層１８上に回折格子形成のためのレジストパターン１９を形成する。露光は二束干渉露光でもＥＢ露光でもよい。
【００６０】
次に、図１（ｅ）に示すように、レジストパターン１９をマスクとして、ウエットエッチング又はドライエッチング等により上側ＳＣＨ層１３及び半導体犠牲層１８をエッチングする。このとき、凹凸は、活性層領域Ａは、上側ＳＣＨ層１３に形成される。しかし、制御層領域Ｂは、上側ＳＣＨ層１７の上に、さらにＩｎＰの半導体犠牲層１８があるため、ＩｎＰの半導体犠牲層１８に凹凸が形成される。
【００６１】
最後に、図１（ｆ）に示すように、レジストパターン１９を除去し、上側ＳＣＨ層１３及び半導体犠牲層１８に形成された凹凸をＩｎＰの上部クラッド層２０で埋め込み再成長する。この埋め込み再成長も、結晶成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線ビームエピタキシ（ＭＢＥ）等の通常用いられる結晶成長法を用いることができる。
【００６２】
本実施形態に係る半導体レーザの作製方法により、活性層領域Ａの上側ＳＣＨ層１３の上部は凹凸に加工されＩｎＰの上部クラッド層２０で埋め込まれているために、屈折率にも分布が生じ、回折格子として機能する。これに対し、制御層領域Ｂでは、凹凸を作製した層がＩｎＰの半導体犠牲層１８であるために、ＩｎＰの上部クラッド層２０で埋め込みを行うと凹凸が無くなり、屈折率の分布は生じないため、回折格子として機能しない。したがって、活性層領域Ａのみに回折格子があるサンプル周期６６μｍのサンプル回折格子となる。
【００６３】
分布活性ＤＦＢレーザでは、活性層１２と制御層１６を周期的に交互に配置するが、回折格子のサンプル周期も活性層１２と制御層１６の繰り返し周期と同じである必要がある。この方法であれば、自動的に活性層１２と制御層１６の繰り返し周期と、回折格子のサンプル周期は同一となる。
【００６４】
このため、図１５に示すような位相シフトを挟んだ左右で活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１（制御層）の繰り返し周期が異なる分布活性ＤＦＢレーザであっても、回折格子の描画は全面に行えばよく、自動的に回折格子のサンプル周期は、活性導波路層１３０と１３１（制御層）の繰り返し周期と同じになるため、左右のサンプル周期も自動で活性導波路層１３０と１３１（制御層）の繰り返し周期と一致するように変えることが可能となる。
【００６５】
活性層１２及び制御層１６は、バルク構造又は量子井戸構造もしくはその多層構造でも良く、更に量子細線や量子ドット等の低次元量子井戸構造等でもよい。また、活性層１２及び制御層１６に用いる半導体材料は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組合せに限定されるものではなく、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等や、その他の半導体でもよい。上部ＳＣＨ層１３はあっても無くてもよく、上部ＳＣＨ層１３が無い場合には、活性層１２に直接回折格子を形成してもよい。
【００６６】
導波路構造は、活性層１２又は制御層１６を導波路コアとして、活性層１２又は制御層１６のコア層より屈折率が低い上側ＳＣＨ層１３，１７、上側ＳＣＨ層１１，１５、ＩｎＰ基板１０及びＩｎＰの上部クラッド層２０により光をコア層に閉じ込める構造となっているが、上側ＳＣＨ層１３，１７及び上側ＳＣＨ層１１，１５が無い場合には、ＩｎＰ基板１０及びＩｎＰの上部クラッド層２０のみにより光をコア層に閉じ込める構造となる。
【００６７】
本発明に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法において重要なのは、回折格子を残さない領域には、予め再成長する材料と同じ材料の層を半導体犠牲層１８として設けておくことである。したがって、埋め込み再成長を行う材料がＩｎＰ以外の材料である場合には、制御層１６の上部に予め設ける層はＩｎＰ以外の材料とすればよい。
【００６８】
活性層１２と制御層１６の繰り返し周期や比率は、６６μｍ、１：１に限定する必要はなく、必要なレーザの特性に応じて自由に設計可能である。本実施形態に係る半導体レーザの作製方法の場合、分布活性ＤＦＢレーザの活性層１２と制御層１６の比率が、自動的に回折格子の有無の比率になる。したがって、活性層１２と制御層１６の比率に応じて、回折格子の結合係数などの設計を行えばよい。
【００６９】
本実施形態では、活性層領域Ａに回折格子を形成する方法を説明したが、制御層領域Ｂに回折格子を形成したい場合には、レーザ元基板における活性層領域Ａの上側ＳＣＨ層１３の上部にＩｎＰの半導体犠牲層を設けておけばよい。また、本実施形態では、活性層１２を先に形成し、制御層１６を後から選択成長しているが、逆に制御層１６を最初に成長し、後から活性層１２を選択成長してもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、活性層１２と制御層１６の繰り返し周期が６６μｍの場合のみを記述したが、図１５に示す構造のように活性導波路層１３０と非活性導波路層１３１（制御層）の繰り返し周期が異なる２つのレーザを直列に接続した構造にも適用可能であり、その場合であってもサンプル回折格子のサンプル周期を活性導波路層１３０と１３１（制御層）の繰返し周期に自動的に一致させることができる。また、さらに３つ以上の活性導波路層１３０と１３１（制御層）の繰り返し周期が異なるレーザを直列に接続する場合も同様である。
【００７１】
また、本発明に係る半導体レーザの構造は、半導体レーザの導波構造によらず適用可能である。例えば、埋め込みヘテロ構造や、リッジ構造、メサ（ハイメサ）構造などの構造であるが、いずれも回折格子形成後に作製する構造であるため、どのような構造にも適用可能である。
【００７２】
このうち、埋め込みヘテロ構造について説明する。
図８は、図１５に示す半導体レーザの活性層領域の部分の導波路に垂直な断面を示した図である。
図８（ａ）は、下部電極８００上にｎ型のＩｎＰで下部クラッド層８０１を形成し、下部クラッド層８０１の上に活性層８０２を形成して、活性層９０２の両側をエッチングし、ｐ型のＩｎＰ層８０３とｎ型のＩｎＰ層８０４を交互に成長することで電流ブロック層とする一般的な埋め込みヘテロ構造である。
【００７３】
また、活性層８０２及びｎ型のＩｎＰ８０４上にｐ型のＩｎＰで上部クラッド層８０５を形成する。上部クラッド層８０５上にはコンタクト層８０６と絶縁層８０７が形成される。コンタクト層８０６上には活性層電極８０８が形成され、絶縁層８０７上には波長制御電極８０９が形成される。
【００７４】
一方、図８（ｂ）は、下部電極８１０上にｎ型のＩｎＰで下部クラッド層８１１を形成し、下部クラッド層８１１の上に活性層８１２を形成して、活性層８１２の両側をエッチングした後、Ｒｕをドーピングした半絶縁体のＩｎＰ（ＲｕドープＩｎＰ層）８１３で再成長した埋め込みヘテロ構造である。なお、制御層領域についても制御層の両側をエッチングした後、ＲｕドープＩｎＰ層（半絶縁性半導体層）で埋め込んでいる。
【００７５】
また、活性層８１２上にはｐ型のＩｎＰ８１４を形成する。活性層８１２及びＲｕドープＩｎＰ層８１３上にはコンタクト層８１５が形成され、コンタクト層８１５上には活性層電極８１６が形成される。更に、ＲｕドープＩｎＰ層８１３上には絶縁膜８１７が形成され、絶縁膜８１７上には波長制御電極８１８が形成される。
【００７６】
このように、半絶縁体の材料で電流ブロックをすることにより、ｐ型ｎ型の積層構造の場合よりも素子容量を低減できるため、波長可変レーザの場合に高速な波長切り替えが可能となる。また、半絶縁体は、Ｆｅをドーピングしてもよいが、Ｆｅドーピングの場合には、ｐ型ドーパントのＺｎとの相互拡散により素子が劣化する問題が生じる可能性があるため、Ｒｕが望ましい。
【００７７】
上述のように、本発明に係る半導体レーザの作製方法を用いることにより、回折格子作製のためのレジストパターンは、通常用いられている回折格子の作製と同様に、素子全面に亘って形成すればよく、サンプル回折格子のパターンを描画する必要がない。
【００７８】
また、プロセス工程上は、選択成長時に制御層領域の最上層にＩｎＰを成長しておくだけでよく、分布活性ＤＦＢレーザのその他の工程を変更、追加する必要がない。その上、回折格子のサンプル周期を容易に自動的に分布活性ＤＦＢレーザの活性層と制御層の繰り返し周期に一致させることができる。
【００７９】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
図２（ａ）に示すように、半導体レーザの構造及び各層の構成材料は第１の実施形態で説明したものと同様であるが、本実施形態では、選択成長する制御層領域ＢのＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さのみを変更した。すなわち、第１の実施形態では、選択成長で成長する制御層領域Ｂの最上層のＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さを８０ｎｍとし、回折格子のエッチング深さを４０ｎｍとしたのに対し、本実施形態では、ＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さを３０ｎｍとした。
【００８０】
次に、図２（ｂ）に示すように、回折格子のエッチングを制御層領域Ｂの最上層のＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さよりも深い５０ｎｍとした。
最後に、図２（ｃ）に示すように、回折格子をＩｎＰの上部クラッド層２０で埋め込むことにより、活性層領域Ａの回折格子の深さと制御層領域Ｂの回折格子の深さの異なる回折格子を同時に作製することができる。
【００８１】
活性層領域Ａと制御層領域Ｂの回折格子の深さが異なると、回折格子の結合係数が異なり、単位長さ辺りの反射率も変化する。また、ＩｎＰの半導体犠牲層１８の厚さと回折格子のエッチング深さは自由に設計することができる。これにより、本実施形態に係る半導体レーザの作製方法によれば、周期的に結合係数を変えた回折格子を容易に作製することが可能となるため、分布活性ＤＦＢレーザの設計の自由度を向上させることができる。
【００８２】
レーザ共振器の反射率は活性層領域Ａの反射率と制御層領域Ｂの反射率の重ね合わせで決定される。また、反射率は回折格子の結合係数と回折格子の長さの積により決定され、この値が大きいほど反射率は高くなる。一方、反射帯域は式（１）によって決まるブラッグ波長を中心とした帯域となり、屈折率が変化すると反射帯域は変化する。制御層１６は、電流注入によるキャリアの蓄積によってキャリアプラズマ効果などにより屈折率が変化する。
【００８３】
したがって、第１の実施形態の場合には、制御層１６の屈折率変化により発振波長が変化した場合に、反射率は活性層１２の回折格子と回折格子間の位相によって決定されるが、本実施形態の場合には、反射率は活性層１２の回折格子の反射帯域と制御層１６の回折格子の反射帯域の位相も含めた重ね合わせに影響される。
【００８４】
すなわち、波長変化に伴って、活性層１２の反射帯域と制御層１６の反射帯域の重なりが変化し、反射率が変化する。本実施形態の方法を用いて制御層１６の結合係数を適切に制御すれば、波長変化時の反射率の変化を設計することが可能となる。
【００８５】
〔第１の参考形態〕
次に、本発明の第１の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
図３は、本発明の第１の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
図３（ａ）に示すように、半導体レーザの構造及び各層の材料等は第１の実施形態及び第２の実施形態と同様であるが、本参考形態では、活性層領域Ａの上部と制御層領域Ｂの上部の両方に１００ｎｍのＩｎＰの半導体犠牲層１８，２１を設けている。制御層１６の選択成長が終わった後で、さらに半導体犠牲層２１をエッチングするためのマスク２２をＳｉＯ2等で形成する。本参考形態では、回折格子を形成したい場所である活性層領域Ａの中央部の１１μｍ以外の場所をマスク２２で覆った。
【００８６】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＩｎＰの半導体犠牲層２１のみをウエットエッチング等によりエッチングする。ここで、上側ＳＣＨ層１３などを構成しているＧａＩｎＡｓＰ等はエッチングせずにＩｎＰの半導体犠牲層２１のみを選択的にエッチングする。例えば、塩酸系のウエットエッチャントを用いれば容易にＩｎＰの半導体犠牲層２１のみをエッチングすることができる。そして、マスク２２を除去し、導波路全面に回折格子を形成するためのレジストパターン２３を形成する。
【００８７】
次に、図３（ｃ）に示すように、ウエットエッチングにより半導体犠牲層１８，２１及び上側ＳＣＨ層１３に深さ７０ｎｍの凹凸を形成する。
最後に、図３（ｄ）に示すように、レジストパターン２３を除去し、ＩｎＰの上部クラッド層２０により埋め込み再成長を行う。これにより、所望の場所にのみ回折格子を容易に形成することができる。
【００８８】
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法は、第１の実施形態及び第２の実施形態の作製手順より工程が増えてしまうが、これにより、サンプル回折格子の回折格子の長さを容易に変更することができるため、さらに設計の自由度が向上する。本参考形態に係る半導体レーザの作製方法によれば、ＥＢ露光などで複雑なパターンを形成する必要は無く、ＩｎＰの半導体犠牲層２１を除去するためのマスクパターンであれば数μｍのサイズであるから、通常のフォトリソグラフィーなどで簡単に形成できる。
【００８９】
また、第１の実施形態及び第２の実施形態は、活性層１２と制御層１６の周期構造を利用して回折格子をサンプリングしているが、本参考形態では、回折格子を作製する場所は、ＩｎＰの半導体犠牲層２１を除去する領域により決定することができるので、原理的には、分布活性ＤＦＢレーザ以外へも応用することが可能である。
【００９０】
〔第２の参考形態〕
次に、本発明の第２の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
第１の参考形態に係る半導体レーザの作製方法を応用すれば、分布活性ＤＦＢレーザに限らず、広く一般的な光素子に対して、サンプル回折格子の作製を容易に行うことができる。本参考形態に係る半導体レーザは、分布活性ＤＦＢレーザのような活性層領域と制御層領域の繰り返しが無い通常の光デバイスである。
【００９１】
図４は、本発明の第２の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
図４（ａ）に示すように、レーザ元基板における上側ＳＣＨ層１３の上部に１３０ｎｍの厚さのＩｎＰの半導体犠牲層２１を設けておき、回折格子を形成する領域以外の部分にマスク２２をする。本参考形態では、回折格子を形成する領域を８μｍとして、それ以外の部分をＳｉＯ2のマスク２２で覆った。
【００９２】
次に、図４（ｂ）に示すように、ＩｎＰの半導体犠牲層２１のみをウエットエッチング等によりエッチングする。ここで、上側ＳＣＨ層１３等を構成しているＧａＩｎＡｓＰ等はエッチングせずにＩｎＰの半導体犠牲層２１のみを選択的にエッチングする。例えば、塩酸系のウエットエッチャントを用いれば容易にＩｎＰの半導体犠牲層２１のみをエッチングすることができる。そして、マスク２２を除去し、導波路全面に回折格子を形成するためのレジストパターン２３を形成する。
【００９３】
次に、図４（ｃ）に示すように、ウエットエッチングにより半導体犠牲層２１及び上側ＳＣＨ層１３に深さ１００ｎｍの凹凸を形成する。
最後に、図４（ｄ）に示すように、レジストパターン２３を除去し、ＩｎＰの上部クラッド２０により埋め込み再成長を行う。これにより、所望の場所のみに回折格子を容易に形成することができる。本参考形態では、活性層１２を持つ導波路構造を示したが、利得を持たない導波路の場合でも同様に適用することが可能である。
【００９４】
〔第３の参考形態〕
次に、本発明の第３の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法では、予めＩｎＰ基板上に作製した凹凸を、選択成長による導波路の突合せ結合を作製する際にエッチングすることによりサンプル回折格子を作製する。
【００９５】
図５は、本発明の第３の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
はじめに、図５（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板５０に凹凸を形成し、下側ＳＣＨ層５１、活性層５２、上側ＳＣＨ層５３を再成長し、活性層領域Ａとする場所にエッチングマスク５４を形成する。なお、エッチングマスク５４には、ＳｉＯ2やＳｉＮ等を用いることができる。
【００９６】
次に、図５（ｂ）に示すように、制御層領域Ｂを形成する箇所をエッチングする。
次に、図５（ｃ）に示すように、制御層領域Ｂのエッチング底面に出現したＩｎＰ基板５０の凹凸をエッチングする。最初にＩｎＰ基板５０の凹凸を形成した時のように回折格子パターンのマスクが無いので、一般的に凹凸が平坦化されるようにエッチングされる。更に、エッチングすれば、完全に平坦化させることも可能である。
【００９７】
最後に、図５（ｄ）に示すように、制御層領域Ｂの下側ＳＣＨ層５５、制御層５６、上側ＳＣＨ層５７を選択成長し、エッチングマスク５４を除去した後、ＩｎＰの上部クラッド層５８を成長する。
【００９８】
本参考形態では、制御層領域Ｂを形成する際、ドライエッチングにより上側ＳＣＨ層５３、活性層５２、下側ＳＣＨ層５１の途中までをエッチングし、硫酸と過酸化水素及び水の混合溶液等によるウエットエッチャントを用いて活性層５２、上側ＳＣＨ層５３及び下側ＳＣＨ層５１を構成するＧａＩｎＡｓＰのみを選択的にエッチングしてＩｎＰ基板５０を露出させた後、塩酸とリン酸の混合溶液によるエッチャントを用いてＩｎＰ基板５０の凹凸をエッチングしたが、その他のエッチャントを用いてもよい。
【００９９】
その場合、例えば、図５（ｂ），図５（ｃ）のように選択エッチャントを用いてＩｎＰ基板５０の凹凸を露出させてから凹凸のエッチングを行わなくともよい。なお、ＧａＩｎＡｓＰとＩｎＰの両方をエッチングするメタノールにブロムを混合したＢｒメタノールなどを用いれば、ＧａＩｎＡｓＰをエッチングしつつ、ＩｎＰもエッチングすることができ、図５（ｂ）の状態を経由することなく、図５（ｃ）の状態にすることができる。
【０１００】
このように、本参考形態においては、活性層領域Ａの表面にエッチング耐性を有する層（エッチングマスク５４）を積層した上でエッチングを施し、エッチングマスク５４を積層しなかった制御層領域Ｂの回折格子の深さを浅く（凹凸を平坦化）した。この場合、活性層領域Ａの回折格子の深さが深くなるので、活性層領域Ａの結合係数と制御層領域Ｂの結合係数は異なるものとなる。
【０１０１】
なお、本参考形態では、活性層領域Ａの表面にエッチングマスク５４を積層したが、制御層領域Ｂの表面にエッチングマスクを積層することにより、制御層領域Ｂの回折格子の深さを深くして活性層領域Ａの結合係数と制御層領域Ｂの結合係数を異なるものとすることもできる。
【０１０２】
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法によれば、選択成長による導波路の突合せ結合を行う際に露出する回折格子を物理的にエッチングすることにより同様の効果を得ることができる。これにより、活性層５２と制御層５６の繰り返し周期に一致した周期で、サンプル回折格子や活性層領域Ａと制御層領域Ｂで結合係数の異なる回折格子を容易に形成することができる。
【０１０３】
〔第４の参考形態〕
次に、本発明の第４の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法では、予め形成したＩｎＰ基板上の凹凸にＳｉＯ2等のエッチングマスクを周期的に形成し、マスク以外の場所をエッチングすることによって、サンプル回折格子を作製する。
【０１０４】
図６は、本発明の第４の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
はじめに、図６（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板５０上に凹凸を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、回折格子を残す場所のみにＳｉＯ2やＳｉＮ等のマスク６０を形成する。これは、ＣＶＤ法やスパッタ法等で基板上にＳｉＯ2（又はＳｉＮ等）膜を堆積させた後に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーや投影露光法等によりレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしてＳｉＯ2をエッチングすることで形成することができる。
【０１０５】
次に、図６（ｃ）に示すように、マスク６０以外の場所の回折格子の凹凸が滑らかになるようにウエットエッチングする。
次に、図６（ｄ）に示すように下側ＳＣＨ層５１、活性層５２及び上側ＳＣＨ層５３を成長する。これによりサンプル回折格子が形成できる。さらに、分布活性ＤＦＢレーザを作製する場合には、活性層５２と制御層５６を周期的に交互に配置する必要があるので、周期的にエッチングマスク５４を形成する。
【０１０６】
次に、図６（ｅ）に示すように下側ＳＣＨ層５１、活性層５２及び上側ＳＣＨ層５３をエッチングする。
最後に、図６（ｆ）に示すように、下側ＳＣＨ層５５、制御層５６及び上側ＳＣＨ層５７を再成長し、ＩｎＰの上部クラッド層５８を成長する。
【０１０７】
本参考形態では、回折格子を残す領域を活性層領域Ａと制御層領域Ｂの長さによらずに独立に設定できるため、設計の自由度が向上する。回折格子自体の凹凸の周期は波長１．５５μｍ帯では２４０ｎｍ程度であり、直接サンプル回折格子を形成しようとすると、ＥＢ露光などの分解能の高い露光方法を用いる必要があるが、本参考形態に係る半導体レーザの作製方法を用いれば、全体に回折格子を形成した後に、サンプル周期でマスクを形成している。サンプル周期は通常数μｍから数十μｍ以上であるので、フォトリソグラフィー等の簡便な方法で形成することができる。
【０１０８】
このように、本参考形態においては、活性層領域Ａの一部にエッチング耐性を有する層（エッチングマスク５４）を積層した上でエッチングを施し、エッチングマスク５４を積層しなかった領域の回折格子の深さを浅く（凹凸を平坦化）した。その後、活性層領域Ａに下側ＳＣＨ層５１、活性層５２及び上側ＳＣＨ層５３を積層し、制御層領域Ｂに下側ＳＣＨ層５５、制御層５６及び上側ＳＣＨ層５７をそれぞれ積層した。この場合、活性層領域Ａの一部の回折格子の深さが深くなるため、活性層領域Ａ全体の結合係数と制御層領域Ｂの結合係数は異なるものとなる。
【０１０９】
なお、本参考形態では、活性層領域Ａの一部にエッチングマスク５４を積層したが、制御層領域Ｂの一部にエッチングマスクを積層することにより、制御層領域Ｂの一部の回折格子の深さを深くして活性層領域Ａの結合係数と制御層領域Ｂ全体の結合係数を異なるものとすることもできる。
【０１１０】
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法によれば、分布活性ＤＦＢレーザのように活性層５２と制御層５６の繰り返し構造を持った半導体レーザだけでなく、その他の半導体レーザや光素子に適用することが可能である。例えば、図６（ｄ）の後に、活性層５２と制御層５６の繰り返し構造を作製しないで、ＩｎＰの上部クラッド層５８を成長し、レーザ構造を作製して電極等を形成すれば、活性層５２と制御層５６の繰り返し構造の無い半導体レーザを作製することができる。
【０１１１】
更には、図６（ｃ）で、回折格子の凹凸をエッチングする際に、エッチング量をコントロールすることで、結合係数を変化させることができる。すなわち、凹凸を完全に平坦化すれば、サンプル回折格子になるが、一方、凹凸を完全に平坦化せずに、少し凹凸を残すようにエッチングすれば、当初の回折格子より結合係数の小さい回折格子を形成することができる。
【０１１２】
〔第５の参考形態〕
次に、本発明の第５の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法では、不純物ドーピング濃度の異なるＩｎＰの半導体犠牲層を用いて、回折格子部の屈折率差に変化をもたせる。
【０１１３】
半導体でダイオード構造を作製する場合は、ｐ型又はｎ型等の電導型を形成するために不純物をドーピングする。本参考形態に係る半導体レーザの作製方法では、基板側をＳｉをドーピングしたｎ型のＩｎＰとして、活性層を挟み上部をＺｎをドーピングしたｐ型のＩｎＰとしている。また、一般的にドーピングする不純物の濃度によって半導体の屈折率は異なる。
【０１１４】
図７は、本発明の第５の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法を示した図である。
はじめに、図７（ａ）に示すように、ｎ‐ＩｎＰ基板７０上に凹凸を形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、ｎ‐ＩｎＰよりなる半導体犠牲層８０、ＧａＩｎＡｓＰよりなる下側ＳＣＨ層７１、活性層７２、上側ＳＣＨ層７３を成長する。ここで、凹凸を形成したｎ‐ＩｎＰ基板７０側のＩｎＰのドーピング濃度は２×１０18ｃｍ-3とし、後から成長するｎ‐ＩｎＰのドーピング濃度は１×１０18ｃｍ-3とした。
【０１１５】
次に、図７（ｃ）に示すように、分布活性構造を作製するために、ＳｉＯ2又はＳｉＮ等を用いて周期的にエッチングマスク７４を形成し、ｎ‐ＩｎＰ基板７０、ｎ‐ＩｎＰの半導体犠牲層８０、下側ＳＣＨ層７１、活性層７２及び上側ＳＣＨ層７３をエッチングする。
【０１１６】
次に、図７（ｄ）に示すように、選択成長により、ｎ‐ＩｎＰ基板７０、ｎ‐ＩｎＰの半導体犠牲層８０、下側ＳＣＨ層７１、活性層７２及び上側ＳＣＨ層７３をエッチングした部分に、積極的にドーピングを行わないｉ‐ＩｎＰよりなる半導体犠牲層８１、ＧａＩｎＡｓＰよりなる下側ＳＣＨ層７５、制御層７６（コア層）及び上側ＳＣＨ層７７を成長する。
【０１１７】
最後に、図７（ｅ）に示すように、エッチングマスク７４を除去した後、活性層領域Ａと制御層領域Ｂの両方に共通するｐ‐ＩｎＰよりなる上部クラッド層７８を再成長する。上記方法により、活性層領域Ａの凹凸はドーピング濃度差の小さいｎ‐ＩｎＰの半導体犠牲層８０で埋め込まれている。
【０１１８】
これに対し、制御層領域Ｂの凹凸はドーピング濃度差の大きいｉ‐ＩｎＰの半導体犠牲層８１で埋め込まれるため、深さや周期などの同一な凹凸を埋め込んでいても屈折率差が異なり、回折格子の結合係数に違いが生じる。すなわち、活性層７２と制御層７６の繰り返し周期と同一の繰り返し周期で結合係数を変化させた回折格子の形成が可能であり、これにより、波長変化時における反射率の変化も設計することが可能となる。
【０１１９】
本参考形態に係る半導体レーザの作製方法によれば、凹凸を埋め込むために、ｎ‐ＩｎＰの半導体犠牲層８０とｉ‐ＩｎＰの半導体犠牲層８１を用い、さらに、凹凸を形成するｎ‐ＩｎＰ基板７０のドーピング濃度を全て異ならせることにより、周期的に回折格子の結合係数を変調した回折格子としているが、ｎ‐ＩｎＰ基板７０側のＩｎＰのドーピング濃度と、活性層領域Ａ又は制御層領域ＢのＩｎＰのドーピング濃度と同一とした場合には、サンプル回折格子を形成することもできる。
【０１２０】
また、本参考形態に係る半導体レーザの作製方法によれば、選択成長する制御層領域Ｂの半導体犠牲層８１を積極的にドーピングしないｉ‐ＩｎＰ層としたが、５×１０17ｃｍ-3の濃度のドーピングを施したｎ‐ＩｎＰ等としても、活性層領域Ａのｎ‐ＩｎＰとは不純物濃度が異なるので本発明を実現することができる。
【０１２１】
なお、ドーピングする元素は、ＳｉやＺｎに限らず、Ｓｎなどの他の元素でも良い。本参考形態に係る半導体レーザの作製方法の特徴は、ドーピング濃度の異なるＩｎＰ層を用いて回折格子の結合係数を周期的に変調することであるから、ドーピング濃度は本参考形態で示したドーピング濃度に限らず、最初に凹凸を形成する基板側ＩｎＰのドーピング濃度と、後から成長する活性層領域ＡのＩｎＰ層のドーピング濃度、又は、選択成長するＩｎＰ層のドーピング濃度を異ならせればよい。
【０１２２】
また、本参考形態ではｎ型のＩｎＰ基板を用いているが、ｐ型のＩｎＰ基板を用いた場合には、ｎ型とｐ型を入れ替えて考えればよい。
また、ここで用いる半導体材料は、他の実施形態、他の参考形態と同様に、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組合せに限ることなく、ドーピング濃度の違いにより屈折率を異ならせることのできる他の半導体を用いることができる。
【０１２３】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法について説明する。
第２の実施形態，第３〜第５の参考形態で活性層領域と制御層領域とで異なる結合係数の回折格子を形成できる方法について説明した。本実施形態では、活性層領域と制御層領域の結合係数を異ならせた半導体レーザについて説明する。
【０１２４】
図９は、活性層領域と制御層領域に同じ結合係数を有する回折格子を形成した場合の半導体レーザの反射特性を示した図である。ここでは、半導体レーザ構造を図１３に示す構造として、活性層領域と制御層領域の比率を１：２とした。具体的には活性領域長２０μｍに対して、制御層領域長４０μｍである。
【０１２５】
この場合、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、活性層領域と制御層領域に同じ結合係数を有する回折格子を形成すると、領域長が長い制御層領域の反射率が強くなる。このため、制御層への電流注入によって制御層の屈折率が低下し、制御層の反射帯域が短波側に動くと、図９に示すように、短波長側の副モードの強度が強くなる。なお、図９に係る半導体レーザは、結合係数を活性層領域と制御層領域共に３０ｃｍ-1としており、活性層領域と制御層領域の屈折率差は０．０２５としている。
【０１２６】
これに対し、本実施形態では、短波長側の副モードと長波長側の副モードの反射率差があまり生じないように、活性層領域と制御層領域の回折格子の結合係数を異ならせた。回折格子の反射率は、上述のように、式（７）で表される。活性層領域の結合係数をκa、制御層領域の結合係数をκt、活性層領域の長さＬa、制御層領域の長さＬtとすると、一領域辺りの活性層領域の反射率Ｒaと制御層領域の反射率Ｒtは、
【数１２】
2012033975.tif 000014
と表される。
【０１２７】
なお、これは反射帯域のピーク（ブラッグ波長）の反射率であるが、実際には、得られる反射スペクトルは、制御層領域と活性層領域の反射帯域全体での重ねあわせとなる。また、回折格子長が短いほど反射帯域は広くなるため、長さが短い領域の方がより遠くの波長に影響を及ぼす。したがって、本実施形態の場合、活性層領域の回折格子の方がより広い波長範囲に影響を及ぼすことになるため、単純に、
【数１３】
2012033975.tif 000015
とすると、活性層領域の回折格子の影響が強く出てしまい、電流注入による波長変化時には、逆に長波長側の副モードの強度が強くなってしまう。
【０１２８】
以上のことから、Ｌa＜Ｌtの場合の回折格子の結合係数は、
【数１４】
2012033975.tif 000016
かつ、
【数１５】
2012033975.tif 000017
の範囲内で決定すればよいことになる。
【０１２９】
また、本実施形態とは逆に、Ｌa＞Ｌtとした場合の回折格子の結合係数は、
【数１６】
2012033975.tif 000018
かつ、
【数１７】
2012033975.tif 000019
の範囲内で決定すればよいことになる。
【０１３０】
本実施形態では、上記条件を満たす値として、活性層領域の長さを２０μｍ、結合係数を３５ｃｍ-1、制御層領域の長さを４０μｍ、結合係数を２８ｃｍ-1としており、活性層領域と制御層領域の屈折率差は０．０２５としている。
【０１３１】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る活性層領域と制御層領域に異なる結合係数を有する回折格子を形成した場合の半導体レーザの反射特性を示した図である。
図１０に示す反射特性は、図９に示す反射特性に比べて、主モードの短波長側の副モードの反射率と主モードの長波長側の副モードの反射率の比が改善されていることがわかる。また、図１０に示す反射特性と図９に示す反射特性の主モードのピーク反射率は同程度であるが、図１０に示す反射特性は図９に示す反射特性に比べ、副モードのピーク反射率が抑えられている。このため、本実施形態に係る半導体レーザは、主モードと副モードの反射率比を大きくとることができるため、ＳＭＳＲを向上させることができる。
【０１３２】
なお、本実施形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法は、図１３に示す基本構造の半導体レーザのみならず、活性層領域と制御層領域の繰り返し周期を変えた２つ以上の図１３に示す基本構造の半導体レーザを従属接続した構造等においても適用することが可能である。すなわち、半導体レーザが複数個縦続接続され、そのうち少なくとも一つの半導体レーザの繰返し周期が、その他の半導体レーザの繰り返し周期と異なるようにしてもよい。
【０１３３】
以上、本発明の第３〜第５の参考形態に係る半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法においては、基板上に回折格子を形成したが、基板上にバッファ層を積層した後、バッファ層の表面に回折格子を形成しても良い。この場合、非活性領域の形成時に積層される半導体犠牲層がバッファ層と同一の材料であればよい。なお、バッファ層はその上に積層されるＳＣＨ層よりも屈折率が低いことが望まれ、基板と格子整合することが望まれる。例えば、ＩｎＰ基板の場合、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌ（Ｇａ）Ａｓ等であり、ＧａＡｓ基板の場合、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ等である。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、例えば、光ファイバ通信用光源及び光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザ、特に、光通信における光波長（周波数）多重システム用光源及び広帯域波長帯をカバーする光計測用光源となる半導体レーザの作製方法に利用することが可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１０  ＩｎＰ基板
１１  下側ＳＣＨ層
１２  活性層
１３  上側ＳＣＨ層
１４  エッチングマスク
１５  下側ＳＣＨ層
１６  制御層
１７  上側ＳＣＨ層
１８  半導体犠牲層
１９  レジストパターン
２０  上部クラッド層
２１  半導体犠牲層
２２  マスク
２３  レジストパターン
５０  ＩｎＰ基板
５１  下側ＳＣＨ層
５２  活性層
５３  上側ＳＣＨ層
５４  エッチングマスク
５５  下側ＳＣＨ層
５６  制御層
５７  上側ＳＣＨ層
５８  上部クラッド層
６０  マスク
７０  ｎ‐ＩｎＰ基板
７１  下側ＳＣＨ層
７２  活性層
７３  上側ＳＣＨ層
７４  エッチングマスク
７５  下側ＳＣＨ層
７６  制御層
７７  上側ＳＣＨ層
７８  上部クラッド層
８０  ｎ‐ＩｎＰの半導体犠牲層
８１  ｉ‐ＩｎＰの半導体犠牲層
【図１】
2012033975.tif 000024
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2012033975.tif 000028
【図６】
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【図７】
2012033975.tif 000030
【図８】
2012033975.tif 000031
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2012033975.tif 000035
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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