(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体活性層と、前記半導体活性層上に突出して形成されかつ互いに積層されたクラッド層及びコンタクト層からなるリッジと、前記リッジの両側面から前記半導体活性層上に延在する複数のグレーティング溝からなり前記リッジの伸長方向において周期構造を有するグレーティングと、を有する分布帰還リッジ型半導体レーザであって、隣接する前記グレーティング溝に励起光を吸収する吸収層を有し、前記吸収層が金属を分散させたスピンオングラスからなることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記リッジの側面と前記グレーティング溝の各々とを結合しかつ前記リッジのクラッド層の上部から前記グレーティング溝の上部まで伸長する傾斜面を有するブラケット状グレーティング部分を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記活性層がＩｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy（但し、０≦ｘ＜１，０≦ｙ≦１）を主成分とするバルク層又は単一量子井戸若しくは多量子井戸層であり、前記クラッド層がＩｎＰであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記コンタクト層がＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請求項３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、分布帰還（Distributed Feedback:DFB）半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布ブラッグ反射型半導体レーザとともにDFB半導体レーザは、周期構造すなわち回折格子（グレーティング）を励起された光の導波方向に沿って設けて、前進波及び後進波の結合を利用し、光帰還による波長選択性を持たせたレーザとして知られている。DFB半導体レーザは、光ディスクから信号を読み出し／書き込む光学式情報記録再生装置における光ピックアップ装置の光源に用いられる他に、光ＣＡＴＶなどの光通信システム、光計測分野などに応用されている。
【０００３】
DFB半導体レーザの製造では、光結合を大きくするために活性層近傍に周期構造を作り込む必要があるので、通常、例えば、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)により、活性層を含むレーザ構造を成長させ、エッチングなどにより周期構造を作り、ふたたびレーザ構造を再成長させる、という再成長工程が必要となる。再成長工程の煩雑さを回避するために、再成長工程が必要ないリッジ型半導体レーザの一例として、非対称クラッディング導波路構造を有する利得結合ＤＦＢレーザが提案されている（M.L. Osowski, J.S. Hughes, R.M. Lammert, and J.J. Coleman "An Asymmetric Cladding Gain-Coupled DFB Laser with Oxide Defined Metal Surface Grating by MOCVD" IEEE Photonics Technology Letters, Vol.9, No.11, November 1997 P1460-P1462)。
この利得結合ＤＦＢレーザは、図１に示すように、リッジのある上部クラッド層３上に、周期的に設けられたＳｉＯ2の複数の絶縁部６及びこれら全体を囲むＴｉ−Ｐｔ−Ａｕの金属電極７で構成されるグレーティングを有し、活性層２を挟む上部クラッド層３及び下部クラッド層１の内、上部クラッド層３を薄くする（光強度分布が導波路伸長方向の垂直方向に対して非対称する）ことに特徴がある。このリッジ型利得結合ＤＦＢレーザでは、グレーティング領域の上部クラッド層３が薄く、トップ層の吸収が小さいＧａＡｓ系レーザであるため、クラッド３層上部表面まで発振光がしみ出る。したがって、発振光はクラッド３層上部表面のグレーティングの金属電極７により変調を受け、単一軸モードでレーザ発振する。
【０００４】
この表面グレーティング利得結合ＤＦＢレーザをＩｎＧａＡｓＰ系で作製しようとすると、トップ層すなわちコンタクト層の吸収が大きすぎてスロープ効率などにおいて満足な特性が得られない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、グレーティングと導波光の結合は、屈折率結合と利得結合の複合結合のＤＦＢ半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザは、半導体活性層と、前記半導体活性層上に突出して形成されかつ互いに積層されたクラッド層及びコンタクト層からなるリッジと、前記リッジの両側面から前記半導体活性層上に延在する複数のグレーティング溝からなり前記リッジの伸長方向において周期構造を有するグレーティングと、を有する分布帰還リッジ型半導体レーザであって、隣接する前記グレーティング溝に励起光を吸収する吸収層を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体レーザにおいては、前記吸収層は、前記グレーティング溝に接する第１絶縁層と前記絶縁層上に積層された金属層と前記金属層上に積層された第２絶縁層とからなることを特徴とする。
本発明の半導体レーザにおいては、前記吸収層は、絶縁材料に金属を分散させた絶縁層からなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の半導体レーザにおいては、前記リッジの側面と前記グレーティング溝の各々とを結合しかつ前記リッジのクラッド層の上部から前記グレーティング溝の上部まで伸長する傾斜面を有するブラケット状グレーティング部分を有することを特徴とする。
本発明の半導体レーザにおいては、前記活性層がＩｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy（但し、０≦ｘ＜１，０≦ｙ≦１）を主成分とするバルク層又は単一量子井戸若しくは多量子井戸層であり、前記クラッド層がＩｎＰであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体レーザにおいては、前記コンタクト層がＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｓであることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による分布帰還リッジ型半導体レーザについて実施の形態の一例を図面を用いて説明する。
図２は、横結合分布帰還リッジ型半導体レーザの断面図を示す。かかる半導体レーザは、半導体活性層１０と、半導体活性層１０上に突出して形成されかつ互いに積層されたクラッド層１１及びコンタクト層１３からなるリッジ１５と、を有している。また、半導体レーザは、リッジ１５の両横側の側面のみから半導体活性層上に延在するクラッド層の材料からなる複数のグレーティング溝２０からなりリッジ１５の伸長方向において周期構造を有するグレーティングを備える。
【００１１】
さらに、半導体レーザは、図３に示すように、グレーティングにおける隣接する各々のグレーティング溝２０の間に励起光を吸収する吸収層４０を有する。吸収層４０は、グレーティング溝２０に接する第１絶縁層４０ａと、その上に積層された金属層４０ｂと、その上に積層された第２絶縁層４０ｃとからなる。
また、他の例では、図４に示すように、吸収層は、絶縁材料に金属を分散させた絶縁層２１としてもよい。
【００１２】
さらに、半導体レーザでは、リッジ１５の側面とグレーティング溝２０の各々とを結合しかつリッジ１５のクラッド層１１の上部からグレーティング溝２０で画定されるランド部の上部まで伸長する傾斜面２０ｂを有するブラケット状グレーティング部分２０ａを備えている。
このＤＦＢ半導体レーザ構造においては、グレーティングと導波光との結合は、主に、屈折率結合を生じるように機能しているが、その一方で、周期的に設けられた吸収層により変調されているため、光の吸収すなわち損失が変調されることとなる。よって、その結果、利得も変調されることになるため利得結合も併せて機能する。
したがって、本発明における横結合ＤＦＢ半導体レーザでは、デバイスとしてのグレーティングと導波光の結合は、屈折率結合と利得結合の複合結合となる。
以下に、実施の形態のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系のＤＦＢリッジ型半導体レーザを製造する方法を説明する。
【００１３】
１．基板成膜
まず、図５に示すように、所定面方位面例えば（１００）のｎ−ＩｎＰ結晶基板９のウエハを用意し、化学エッチングで表面を清浄し、MOCVDにより、それぞれＩｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy（但し、０≦ｘ＜１，０≦ｙ≦１）のガイド層、活性層及びガイド層を順に形成してＳＣＨ(Separate Confinement Heterostracture)構造の活性層領域１０を積層して半導体層構造を基板上に作製する。すなわち、活性層がＩｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy（但し、０≦ｘ＜１，０≦ｙ≦１）を主成分とするバルク層又は単一量子井戸若しくは多量子井戸層である。
【００１４】
次に、この活性層１０上にリッジ材料例えばｐ−ＩｎＰでクラッド層１１ａを積層する。
次に、このクラッド層１１ａの次に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ又はｐ−ＩｎＧａＡｓのウエットエッチング用エッチング停止層１２が設けられる。
その後、ｐ−ＩｎＰのクラッド層１１ｂを再度積層して、最後にｐ−ＩｎＧａＡｓ又はｐ−ＩｎＧａＡｓＰのコンタクト層１３を形成する。
このようにして、図５に示すように、レーザ構造を有するレーザ基板を形成する。レーザ構造は、MOCVDの他に、液相成長法、分子線成長法などののエピタキシャル成長方法でも形成できる。
【００１５】
２．リッジ形成
次に、図６に示すように、ＳｉＯ2膜を形成して、フォトレジストを用いたリソグラフィによって、パターニングし、ＳｉＯ2パターンを用いて半導体のリッジを形成する。まず、リッジの長手方向を結晶方位、例えば、＜０−１１＞に伸長するようにＳｉＯ2等からなる所定幅のリッジマスク１４を、コンタクト層１３上に形成して、ドライエッチングを用いて、コンタクト層１３をエッチングする。
【００１６】
次に、ウエットエッチングを用いて、リッジ材料のクラッド層１１ｂをエッチングして、図６に示すように、両側平坦部Ｆと、これから突出する平坦上面部Ｔを有するリッジ１５とを形成する。ウエットエッチングによりリッジ構造を形成し、結晶面（１１１）及びエッチング条件で決定する０〜５５°程度の緩やかな傾斜角を有するリッジ側面２０ｂを画定する。
【００１７】
３．電子線（ＥＢ）描画によるグレーティングマスクパターン形成
次に、図７に示すように、クラッド層の両側平坦部Ｆ及びリッジ平坦上面部Ｔ上にわたって、グレーティング加工用のＳｉＯ2等のエッチングマスク１６をスパッタリングなどで成膜する。
次に、両側平坦部並びにリッジの平坦上面部及び傾斜側面にわたって、ＥＢ描画用レジストをスピンコーティング後、ベークしてレジスト層を形成する。
【００１８】
その後、図８に示すように、リッジ上面部をも含め、所望のレーザ発振波長に合わせた周期で、ラインを所定結晶方位に沿ってＥＢ描画し、レジスト層１７上に、リッジの伸長方向に交差し周期Λで変化する周期構造を有するグレーティングマスクの潜像を形成する。
この後、グレーティングマスクの潜像を現像して、グレーティングマスクを形成する。
【００１９】
４．グレーティング形成
次に、グレーティング形成工程として、グレーティングマスクを介して、ＣＦ4ガスを用いたドライエッチングでＳｉＯ2の保護膜１６にグレーティングを形成する。これにより、リッジの両横側の側面のみから延在するクラッド層の材料からなる複数のグレーティング溝２０からなるグレーティングを選択的に形成する。このように、両側平坦部からグレーティングを形成するとともにリッジの根本部分を画定する。
【００２０】
その後、塩酸系エッチャントでウエットエッチングを行い保護膜１６を除去して、図９に示す構造、すなわちリッジ１５の両横側の側面のみから半導体活性層上に延在するクラッド層の材料からなる複数のグレーティング溝２０からなりリッジ１５の伸長方向において周期構造を有するグレーティングと、リッジ１５の側面とグレーティング溝２０の各々とを結合しかつリッジ１５のクラッド層１１の上部からグレーティング溝２０を画定するランド部の上部まで伸長する傾斜面２０ｂを有するブラケット状グレーティング部分２０ａとを備えた構造が得られる。
【００２１】
このドライエッチングにおいて、リッジ平坦上面部Ｔのリッジマスク１４及び保護膜１６の合計積層と両側平坦部Ｆの保護膜１６とのリッジマスク１４に相当する膜厚差があるために、リッジ平坦上面部のコンタクト層１３がドライエッチングから免れ、それ以外の露出しているリッジ側面２０ｂ及び両側平坦部Ｆのクラッド層が食刻される。
【００２２】
このように、ドライエッチングによりクラッド層両側平坦部並びにリッジの側面にてグレーティングの溝を掘り込んで、さらにウェットエッチングするので、リッジ側面においては鉛直側面の結晶面（０１１）が現れ、グレーティング部の凸部側面においては鉛直側面の結晶面（０１−１）が現れ、リッジのほぼ垂直な側面Ｖとグレーティング溝２０のランド部各々とを結合しかつリッジ１５の平坦上面部からグレーティング溝２０のランド部平坦上面部まで傾斜面を有するブラケット状グレーティング部分２０ａが形成される。リッジ側面から非常に深いグレーティングが形成でき、光結合係数を大きく取れることになる。
【００２３】
５．絶縁膜埋め込み及び電極形成
次に、リッジ平坦上面部のコンタクト層１３上のみを保護膜で被覆して、グレーティングにおける隣接する各々のグレーティング溝２０に積層されるように、図１０に示すように、グレーティング溝２０に接する第１絶縁層４０ａをスパッタ法などにより形成する。
【００２４】
その後、図１１に示すように、第１絶縁層４０ａの上に金属層４０ｂをスパッタ法などにより形成する。金属層４０ｂの材料は励起する光に対応する吸収係数を有する材料から選択される。
その後、図１２に示すように、リッジ１５及びグレーティング溝２０のある全面に水ガラス（Spin On Glass）などの珪素化合物又はポリイミドなどの樹脂を塗布し、これを硬化させて第２絶縁層４０ｃを形成する。この電流ブロック用保護膜である第２絶縁層４０ｃは、リッジ１５の平面上部ではグレーティングの上部よりも薄い膜厚で形成される。第２絶縁層４０ｃは、レーザ光に対して吸収のない誘電体や樹脂を用いる。
【００２５】
図１０〜図１２では吸収材料としては金属／誘電体多層膜を用いているが、他の例では、金属を適量ドープし分散した水ガラスすなわち上記の第２絶縁層４０ｃだけからも構成できる。
その後、図１３に示すように、リッジ上面部Ｔが露出するまで第２絶縁層４０ｃを除去する。リッジ１５の平面上部とグレーティング溝２０のランド部上部との第２絶縁層４０ｃの膜厚差が生じた状態で、ドライエッチングすることによって、リッジ１５の平面上部Ｔだけを露出させることができる。これはいわゆるセルフアライン法による電極窓形成である。
【００２６】
次に、図１４に示すように、露出したリッジ上面部Ｔのコンタクト層上に電極３０を形成する。この際、リッジ上面部Ｔにはグレーティングがなく平坦になっているので接触不良のない電極を形成することができる。そして、ｎ−ＩｎＰの基板９の対向面にも対向電極３１を形成する。電極には整流性を有しないオーミック接触の金属が選択される。一般にｎ側にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ｐ側にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが真空蒸着により形成される。このように、n側、ｐ側両方に電極を形成して横結合分布帰還リッジ型半導体レーザが完成する。
【００２７】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、横結合型ＤＦＢレーザは、予め形成した半導体リッジ導波路の横にグレーティングを設け、このグレーティングと、導波光のエバネセント波を光学的に結合させ単一波長発振を実現している。このときグレーティングと光の結合は屈折率結合及び利得（損失）結合が達成できる。
【００２８】
屈折率結合のみのＤＦＢレーザに比べ、利得（損失）結合のＤＦＢレーザは、その単一モード歩留まりや雑音の原因となるファイバーからの戻り光に対して耐性が優れている。本発明では、吸収材料の吸収層によるグレーティングを適用することにより、損失性グレーティングとなり、導波路に沿って、光学損失が変調され、損失結合型ＤＦＢレーザが実現される。本発明によれば、確実な横光結合が達成されたグレーティング構造を形成でき、高歩留り、低コストな、横結合型の利得（損失）結合ＤＦＢレーザが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＤＦＢ半導体レーザの部分切欠斜視図。
【図２】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの部分切欠斜視図。
【図３】  図２の線ＡＡにおける部分拡大断面図。
【図４】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの部分拡大断面図。
【図５】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略斜視図。
【図６】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略部分拡大斜視図。
【図７】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略斜視図。
【図８】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略部分拡大斜視図。
【図９】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略斜視図。
【図１０】  図９の線ＡＡにおける部分拡大断面図。
【図１１】  図９の線ＡＡにおける部分拡大断面図。
【図１２】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略斜視図。
【図１３】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略斜視図。
【図１４】  本発明による実施例のＤＦＢ半導体レーザの製造工程中におけるレーザ基板の概略斜視図。
【符号の説明】
９  基板
１０  活性層領域
１１  クラッド層
１２  ウエットエッチング停止層
１３  コンタクト層
１４  リッジマスク
１５  リッジ
１６  保護膜
１７  レジスト層
２０  グレーティング溝又はランド部
２０ａ  ブラケット状グレーティング部分
２０ｂ  リッジ側面
３０  電極
３１  対向電極
Ｆ  両側平坦部
Ｔ  リッジ平坦上面部
【図１】
0004008180.tif 000002
【図２】
0004008180.tif 000003
【図３】
0004008180.tif 000004
【図４】
0004008180.tif 000005
【図５】
0004008180.tif 000006
【図６】
0004008180.tif 000007
【図７】
0004008180.tif 000008
【図８】
0004008180.tif 000009
【図９】
0004008180.tif 000010
【図１０】
0004008180.tif 000011
【図１１】
0004008180.tif 000012
【図１２】
0004008180.tif 000013
【図１３】
0004008180.tif 000014
【図１４】
0004008180.tif 000015