(57)【要約】【課題】本発明は、高効率で低価格な半導体リッジレーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本願発明に係る半導体リッジレーザ素子は、半導体リッジレーザと半導体リッジ導波路と備え、接合面での半導体リッジレーザ活性層と半導体リッジ導波路コア層のバンドギャップは不連続に変化させ、半導体リッジ導波路コア層の組成波長は、半導体リッジレーザの発振波長より短い。半導体リッジ導波路ではリッジ上の半導体コンタクト層と金属電極を除去し、半導体コア層のｐ型半導体であるクラッド層側にノンドープ層を配置する。また、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法では、通常の光半導体製造設備を用いる。【選択図】図１２
2016115853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体リッジレーザと、
前記半導体リッジレーザと接合面で接合され、前記接合面から入射された前記半導体リッジレーザのレーザ光を他端から出力する半導体リッジ導波路と、
を備える半導体リッジレーザ素子であって、
前記半導体リッジ導波路は、前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップより大きいバンドギャップの半導体コア層を有し、
前記接合面において、前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸と前記半導体リッジ導波路の前記半導体コア層のバンドギャップが不連続である、
半導体リッジレーザ素子。
【請求項２】
前記半導体リッジレーザは、リッジ上面に金属電極及び半導体コンタクト層が配置され、
前記半導体リッジ導波路は、前記半導体コア層のｐ型半導体であるクラッド層側にノンドープ層が配置され、リッジ上面に金属電極及び半導体コンタクト層のいずれも配置されていない、
請求項１に記載の半導体リッジレーザ素子。
【請求項３】
前記半導体リッジ導波路の前記ノンドープ層の厚さが、前記接合面から前記他端に向って増厚している、
請求項２に記載の半導体リッジレーザ素子。
【請求項４】
前記半導体リッジ導波路のリッジ幅が、
前記接合面においては前記半導体リッジレーザのリッジ幅と等しく、前記接合面から前記他端に向って拡幅している、
請求項１から３に記載の半導体リッジレーザ素子。
【請求項５】
前記半導体リッジ導波路の前記半導体コア層の厚さが、前記接合面から前記他端に向って減厚している、
請求項１から４のいずれかに記載の半導体リッジレーザ素子。
【請求項６】
前記半導体リッジ導波路の前記半導体コア層のバンドギャップが、前記接合面から前記他端に向って大きくなっている、
請求項１から５のいずれかに記載の半導体リッジレーザ素子。
【請求項７】
前記半導体リッジレーザと前記半導体リッジ導波路との間に、前記半導体リッジレーザからのレーザ光を変調して前記半導体リッジ導波路へ出力する半導体リッジ変調器を、
さらに備える、
請求項１から６のいずれかに記載の半導体リッジレーザ素子。
【請求項８】
半導体リッジレーザ、及び、前記半導体リッジレーザと接合面で接合された半導体リッジ導波路を備えた半導体リッジレーザ素子を作製する製造方法であって、
前記半導体リッジレーザの活性層を形成する半導体リッジレーザ活性層形成手順と、
前記半導体リッジレーザと前記半導体リッジ導波路の前記接合面において、前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップと前記半導体リッジ導波路の半導体コア層のバンドギャップとが不連続であり、かつ、前記半導体コア層のバンドギャップが前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップより大きくなるように、前記半導体リッジ導波路の半導体コア層を形成する半導体コア層形成手順と、
前記半導体リッジレーザ活性層形成手順及び前記半導体コア層形成手順の後に、前記半導体リッジ導波路のリッジを形成するリッジ形成手順と、
を有する半導体リッジレーザ素子の製造方法。
【請求項９】
前記半導体コア層形成手順において、
前記半導体コア層の厚さを前記接合面から他端に向って減厚させる、或いは、
前記半導体コア層のバンドギャップを前記接合面から前記他端に向って大きくする、或いは、
前記半導体リッジ導波路のノンドープ層の厚さを、前記接合面から前記他端に向って増厚させる、或いは、
前記リッジ形成手順において、
前記半導体リッジ導波路のリッジ幅を、前記接合面から前記半導体リッジ導波路の前記他端に向って拡幅させる、或いは、
前記半導体リッジ導波路のノンドープ層の厚さを、前記接合面から前記他端に向って増厚させる、
請求項８に記載の半導体リッジレーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体リッジレーザ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、半導体リッジレーザの出力光のスポットサイズよりも、光ファイバのスポットサイズの方が大きい。そのため、半導体レーザから光ファイバへの光結合は小さく、半導体レーザから光ファイバへの光の伝達は容易ではない。ここで、半導体レーザの出力光のスポットサイズ半径は、通常、１μｍ以下であり、光ファイバのスポットサイズ半径は、多くの場合で４μｍ以上である。そのため、半導体レーザの出力光のスポットサイズを拡大できれば、半導体レーザから光ファイバへの光結合を大きくすることができる。そこで、半導体レーザの出力光のスポットサイズと光ファイバのスポットサイズの大きさの差を補正するために、スポットサイズ拡大器付き半導体レーザ素子が開発されている。
【０００３】
しかし、従来のスポットサイズ拡大器付き半導体リッジレーザ素子では、スポットサイズ拡大器となる半導体リッジ導波路の半導体コア層は、半導体リッジレーザの活性層の多重量子井戸と一括して成長し、「Ｓｉ−ｓｈａｄｏｗ  ｍａｓｋｅｄ  ｇｒｏｗｔｈ」技術を用いて形成しているため（非特許文献２）、半導体レーザの活性層と半導体導波路の半導体コア層の接合面では半導体組成が連続している。
【０００４】
図１は、従来のスポットサイズ拡大器付き半導体レーザ素子のレーザ部とリッジ導波路部との接合部分での光軸を含む、基板に垂直な断面である。ここで、３１は半導体リッジ導波路、３２は半導体リッジレーザ、１１ａと１１ｂはＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層、１２ａはバリア層、１２ｂは量子井戸層である。複数のバリア層１２ａ及び複数の量子井戸層１２ｂは、多重量子井戸１２を構成する。多重量子井戸１２は、半導体リッジレーザ３２の活性層として機能し、光を出力する。
【０００５】
図２は、図１の断面の量子井戸のバンド構造とレーザ動作時のキャリア分布の模式図を示している。ここで、３１ｂと３２ｂとはそれぞれ半導体リッジ導波路３１と半導体リッジレーザ３２の量子井戸のバンド図であり、３３ｃは伝導帯下端、３３ｖは価電子帯上端、３３ｅは電子、３３ｈはホールを示している。
【０００６】
従来のスポットサイズ拡大器付き半導体レーザ素子は、図２のような連続するバンド構造を有するため、レーザ動作時に半導体リッジレーザ３２に注入したキャリアが半導体リッジ導波路３１に流入してしまう。このため、注入電流の損失、流入キャリアによる光吸収が発生し、レーザの光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）が悪化し、閾値電流の増加や光出力が低下する問題があった。
【０００７】
半導体リッジレーザ３２から半導体リッジ導波路３１へのキャリア流入を防ぐ方法として、リッジ導波路部の出力端側のリッジにプロトン・インプランテーションにより電流ブロック領域を形成する方法も提案されている（非特許文献２）。しかし、このプロトン・インプランテーションでは半導体リッジレーザの活性層の量子井戸から半導体リッジ導波路の半導体コア層の量子井戸へのキャリア流入は防げない。さらに、プロトン・インプランテーションには専用の設備が必要であるため、製造される素子の低価格化が困難になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２００１９８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｈ．  Ｃ．  Ｃａｓｅｙ，  Ｊｒ．  ａｎｄ  Ｐ．  Ｌ．  Ｃａｒｔｅｒ，  “Ｖａｒｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｖａｌｅｎｃｅ  ｂａｎｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｈｏｌｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｐ−ｔｙｐｅ  ＩｎＰ”，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．４４，  ｎｏ．  １，  ｐ．  ８２  （１９８４）．
【非特許文献２】Ｈ．  Ｓａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｉｎ  ａ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ−Ｔａｐｅｒｅｄ  １．３−μｍ  Ｂｅａｍ−Ｅｘｐａｎｄｅｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｒｉｄｇｅ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｌａｓｅｒ”，  ＩＥＥＥ  ＰＴＬ，  ｖｏｌ．  １０，  ｎｏ．  ４，  ｐ．  ４８４，  １９９８
【非特許文献３】Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ  ｒｅｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｂｕｔｔ−ｊｏｉｎｔ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉ−ｓｅｃｔｉｏｎ  ＤＢＲ  ｌａｓｅｒｓ  Ｏｒｉｇｉｎａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｒｔｉｃｌｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｖｏｌｕｍｅ  １２４，  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９２，  Ｐａｇｅｓ  ７４１−７４６  Ｊ．  Ｗａｌｌｉｎ，  Ｇ．  Ｌａｎｄｇｒｅｎ，  Ｋ．  Ｓｔｒｅｕｂｅｌ，  Ｓ．  Ｎｉｌｓｓｏｎ，  Ｍ．  Ｏｂｅｒｇ．
【非特許文献４】Ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ＯＭＶＰＥ  ｏｆ  （Ｇａ，Ｉｎ）／（Ａｓ，Ｐ）  Ｏｒｉｇｉｎａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ａｒｔｉｃｌｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｖｏｌｕｍｅ  １２４，  １  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９２，  Ｐａｇｅｓ  ２４３−２４８  Ｃ．  Ｃａｎｅａｕ，  Ｒ．  Ｂｈａｔ，  Ｍ．Ｒ．  Ｆｒｅｉ，  Ｃ．Ｃ．  Ｃｈａｎｇ，  Ｒ．Ｊ．  Ｄｅｒｉ，  Ｍ．Ａ．  Ｋｏｚａ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記課題を解決するために、本願発明は、注入電流の損失防止、出力光量の低下防止、そして発振閾値電流の増加防止を実現した低価格なスポットサイズ拡大器付き半導体リッジレーザ素子及びその製造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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子は半導体リッジレーザと半導体リッジ導波路とを備え、半導体リッジ導波路は、半導体リッジレーザの発振波長より短波の組成波長を有する半導体コア層を備える。また、本発明に係る半導体リッジレーザの活性層の量子井戸の組成波長と半導体リッジ導波路の半導体コア層の組成波長は、半導体リッジレーザと半導体リッジ導波路の接合面で不連続に変化させる。本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、プロトン・インプランテーション設備を用いずに、半導体リッジレーザから半導体リッジ導波路の半導体コア層へのキャリア流入を防止する半導体リッジレーザ素子を形成する。
【００１２】
具体的には、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子は、半導体リッジレーザと、前記半導体リッジレーザと接合面で接合され、前記接合面から入射された前記半導体リッジレーザのレーザ光を他端から出力する半導体リッジ導波路と、を備える半導体リッジレーザ素子であって、前記半導体リッジ導波路は、前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップより大きいバンドギャップの半導体コア層を有し、前記接合面において、前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸と前記半導体リッジ導波路の前記半導体コア層のバンドギャップが不連続である。
【００１３】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子は、半導体リッジレーザと半導体リッジ導波路とを備える。本願発明に係る半導体リッジ導波路の半導体コア層のバンドギャップは半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップより大きいので、活性層より半導体コア層の屈折率が低い為、半導体リッジレーザに比べ半導体リッジ導波路の光閉じ込めが弱く、スポットサイズの拡大に寄与する。
【００１４】
本願発明に係る半導体リッジ導波路は次の３つの特徴の内の少なくとも一つを有することにより、さらにスポットサイズを拡大することができる。
（１）半導体リッジ導波路のリッジ幅は、半導体リッジレーザとの接合面では半導体リッジレーザのリッジ幅と等しく、半導体リッジレーザとの接合面から半導体リッジ導波路の他端に向けて拡幅している。その為、出力光のスポットサイズを拡大することができる。
（２）半導体リッジ導波路の半導体コア層の厚さが、半導体リッジレーザとの接合面から他端に向って減厚している。その為、他端に向って光閉じ込めが弱くなり、スポットサイズを拡大できる。
（３）半導体リッジ導波路の半導体コア層のバンドギャップが半導体リッジレーザとの接合面から他端に向って大きくなっている。その為、半導体コア層の屈折率は他端に向って低くなるので、他端に向って光閉じ込めが弱くなり、スポットサイズを拡大することができる。これらのスポットサイズ拡大により出力光の光ファイバへの光結合をより増加できる。
【００１５】
また、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子では、半導体リッジレーザの活性層の量子井戸と半導体リッジ導波路の半導体コア層のエネルギーバンドギャップは接合面で不連続に変化するため、半導体リッジレーザから半導体リッジ導波路の半導体コア層へのキャリアの流入を防止することができる。これにより、注入電流の損失を防止することができる。このように、本発明は、半導体リッジレーザ素子と光ファイバの光結合が大きくなり、かつ、注入電流の損失が防止できるため、注入電流を増加した時に効果的に光出力を増加できる。また、発振閾値電流の増加を防止することができる。半導体リッジ導波路の半導体コア層へのキャリアの流入が無い為、半導体コア層での光吸収損失が低減され、半導体リッジ導波路を付加した事による光出力の減少が抑制される。
【００１６】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子では、前記半導体リッジ導波路は、半導体コア層のｐ型半導体であるクラッド層側にノンドープ層が配置されている。このノンドープ層は２つの働きをする。この働きをクラッド層がクラッド層に使用されることが多いｐ−ＩｎＰの場合に、ノンドープ層としてノンドープＩｎＰを、半導体コア層としてＩｎＧａＡｓＰを使用した場合を例として説明する。一つ目は光吸収損失の低減である。ｐ−ＩｎＰは光吸収損失が大きい（非特許文献１）。ノンドープＩｎＰ層が光強度の高い半導体コア層からｐ−ＩｎＰを遠ざけることにより、伝搬する光の減少を抑制する。二つ目はｐ−ＩｎＰから半導体コア層へのキャリア流入の抑止である。ノンドープＩｎＰはｐ−ＩｎＰから半導体コア層へのホール流入阻止層として働く。図３はその模様を模式的に示したバンド図である。図３において２０８はノンドープＩｎＰ層である。価電子帯においてｐ−ＩｎＰクラッド層２０４から流れてくるホールをノンドープＩｎＰ層２０８が阻止し、ＩｎＧａＡｓＰ半導体コア層２０５へのホールの流入を防いでいる。ＩｎＧａＡｓＰ半導体コア層２０５へのキャリアの流入を防ぐと注入電流の損失と光出力の損失を抑止できる。
【００１７】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子では、前記半導体リッジレーザは、リッジ上面に金属電極及び半導体コンタクト層が配置され、前記半導体リッジ導波路は、前記半導体コア層のｐ型半導体であるクラッド層側にノンドープ層が配置され、リッジ上面に金属電極及び半導体コンタクト層のいずれも配置されていない。
【００１８】
この金属電極と半導体コンタクト層除去は２つの働きをする。一つ目は光吸収損失の低減である。金属電極と半導体コンタクト層は高い吸収損失を有する為、半導体リッジ導波路で伝搬光のスポットサイズが拡がり金属電極と半導体コンタクト層に触れると伝搬光が減少する。金属電極と半導体コンタクト層の除去はこの減少を回避させる。もう一つはリッジ部へのキャリア注入の抑制である。これは半導体コア層へのキャリア流入の抑止に寄与する。
【００１９】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子では、前記半導体リッジ導波路のリッジ幅が、
前記接合面においては前記半導体リッジレーザのリッジ幅と等しく、前記接合面から前記他端に向って拡幅していてもよい。
【００２０】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子では、前記半導体リッジ導波路の前記ノンドープ層の厚さを、前記接合面から前記他端に向って増厚し、或いは、前記半導体リッジ導波路の前記半導体コア層の厚さを、前記接合面から前記他端に向って減厚し、或いは、前記半導体リッジ導波路の前記半導体コア層のバンドギャップを、前記接合面から前記他端に向って大きくしていてもよい。
【００２１】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子では、前記半導体リッジレーザと前記半導体リッジ導波路との間に、前記半導体リッジレーザからのレーザ光を変調して前記半導体リッジ導波路へ出力する半導体リッジ変調器を、さらに備えてもよい。
【００２２】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、半導体リッジレーザ、及び、前記半導体リッジレーザと接合面で接合された半導体リッジ導波路を備えた半導体リッジレーザ素子を作製する製造方法であって、前記半導体リッジレーザの活性層を形成する半導体リッジレーザ活性層形成手順と、前記半導体リッジレーザと前記半導体リッジ導波路の前記接合面において、前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップと前記半導体リッジ導波路の半導体コア層のバンドギャップとが不連続であり、かつ、前記半導体コア層のバンドギャップが前記半導体リッジレーザの活性層の量子井戸のバンドギャップより大きくなるように、前記半導体リッジ導波路の半導体コア層を形成する半導体コア層形成手順と、前記半導体リッジレーザ活性層形成手順及び前記半導体コア層形成手順の後に、前記半導体リッジ導波路のリッジを形成するリッジ形成手順と、を有する。
【００２３】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法では、半導体リッジレーザ活性層形成手順とは別途に半導体リッジ導波路の半導体コア層形成手順を有するので、半導体リッジレーザの活性層の量子井戸と半導体リッジ導波路の半導体コア層の前記接合面でのバンドギャップを不連続に変化させることができる。そのため、半導体リッジレーザにおける活性層の量子井戸から半導体リッジ導波路における半導体コア層へのキャリアの流入を防止することができる。したがって、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、注入電流の損失防止及び発振閾値電流の増加防止を実現した半導体リッジレーザ素子を提供することができる。
【００２４】
半導体コア層形成手順においては、半導体コア層のバンドギャップが半導体レーザ活性層量子井戸のバンドギャップより大きくなるようにコア層を形成しているが、さらに、コア層の厚さについて半導体リッジレーザとの接合面での厚さに比べ半導体リッジ導波路の他端の厚さを薄くすることができる。或いは、半導体コア層の組成について半導体リッジレーザとの接合面でのバンドギャップに比べ半導体リッジ導波路の他端のバンドギャップを大きくすることができる。
【００２５】
また、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、前記リッジ形成手順を有するので、半導体リッジレーザとの接合面でのリッジ幅は半導体リッジレーザのリッジ幅に等しく、その接合面から半導体リッジ導波路の他端にかけてリッジ幅を拡幅するようにできる。それらにより、出力レーザ光のスポットサイズを拡大する半導体リッジ導波路を形成することができる。そのため、本発明に係る半導体リッジレーザ素子は出力レーザ光のスポットサイズを拡大することができる。したがって、半導体リッジレーザ素子と光ファイバの光結合を大きくすることができる。そのため、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、光ファイバに光結合した時の光ファイバからの出力光量の低下防止を実現した半導体リッジレーザ素子を提供することができる。
【００２６】
また、半導体コア層形成手順及びリッジ形成手順は、通常の光半導体素子製造技術と装置を用いることができる。そのため、本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、プロトン・インプランテーション設備を用いずに半導体リッジレーザ素子を形成できるので、製造する素子の低価格化を実現することができる。
【００２７】
本願発明に係る半導体リッジレーザ素子の製造方法は、前記半導体コア層形成手順において、前記半導体コア層の厚さを前記接合面から前記他端に向って減厚させる、或いは、前記半導体コア層のバンドギャップを前記接合面から前記他端に向って大きくする、或いは、前記リッジ形成手順において、前記半導体リッジ導波路のリッジ幅は、前記接合面においては前記半導体リッジレーザのリッジ幅と等しく、前記接合面から前記半導体リッジ導波路の前記他端に向って拡幅させてもよい。
また、前記半導体リッジ導波路のノンドープ層の厚さを、前記接合面から前記他端に向って増厚させてもよく、或いは、前記半導体リッジ導波路のリッジ高さを、前記接合面においては前記半導体リッジレーザのリッジ高さと等しく、前記接合面から前記半導体リッジ導波路の前記に向って高くしてもよい。
【００２８】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本願発明によれば、注入電流の損失防止、出力光量の低下防止、そして発振閾値電流の増加防止を実現した低価格なスポットサイズ拡大器付き半導体リッジレーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に関連する半導体リッジレーザ素子の半導体リッジレーザ多重量子井戸と半導体リッジ導波路の半導体コア層の接合部分の断面の模式図であり、（ａ）は断面の全体図を示し、（ｂ）は多重量子井戸及びＳＣＨ層の拡大図を示す。
【図２】本発明に関連する半導体リッジレーザ素子の半導体リッジレーザと半導体リッジ導波路の接合部分のバンド図とキャリア分布の模式図を示す。
【図３】ノンドープＩｎＰ層が半導体コア層へのキャリア流入阻止層として働く状況を模式的に示したバンド図を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の模式図を示す。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の断面模式図であり、（ａ）は断面の全体図を示し、（ｂ）は多重量子井戸１２及びＳＣＨ層１１ａ及び１１ｂの拡大図を示す。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の半導体リッジレーザ部の光軸に垂直な断面模式図を示す。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の半導体リッジ導波路部の光軸に垂直な断面模式図を示す。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０における半導体リッジ導波路４１と半導体リッジレーザ４２の接合部分４０ｚの断面の拡大図であり、（ａ）は断面拡大図の全体図を示し、（ｂ）は、多重量子井戸及びＳＣＨ層の拡大図を示す。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０における半導体リッジ導波路４１と半導体リッジレーザ４２の接合部分４０ｚでのバンド図とキャリア分布の模式図を示す。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係るＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の模式図を示す。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の断面模式図を示す。
【図１３】本発明の第２の実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０と比較するために作製した半導体リッジレーザ素子６０の断面模式図を示す。
【図１５】本発明の第２の実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０の断面模式図を示す。
【図１７】本発明の第３の実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子８０の断面模式図を示す。
【図１９】本発明の第４の実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１００の模式図を示す。
【図２１】本発明の第５の実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【図２２】本発明の第６の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１１０の模式図を示す。
【図２３】本発明の第６の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１１０の断面模式図を示す。
【図２４】本発明の第６の実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００３２】
（第１の実施形態）
図４に本発明の第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の模式図を示す。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０は、半導体リッジレーザ４２と、半導体リッジ導波路４１とを備える。図５に、図４でのＡ−Ａ’断面の一例を示す。半導体リッジレーザの活性層は多重量子井戸１２である。図４では多重量子井戸１２とＳＣＨ層１１を纏めてレーザ活性層及びＳＣＨ層２６として示した。半導体リッジレーザ４２の発振波長は１．３μｍである。
【００３３】
半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１は、それぞれの上部にリッジ構造のリッジ４２Ｒとリッジ４１Ｒを備える。半導体リッジ導波路４１と半導体リッジレーザ４２は、接合面４３にて接合されている。半導体リッジレーザ４２のリッジ幅Ｗ４２Ｒは一定であるが、半導体リッジ導波路４１のリッジ幅Ｗ４１Ｒは、接合面４３から他端であり、出力端として機能する端面４１ｂに向って拡幅している。半導体リッジ導波路４１のリッジ幅Ｗ４１Ｒは、接合面４３から端面４１ｂにかけて直線的に広がっている。半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１は接合され構造的には一体であるが、半導体リッジレーザ４２の活性層の量子井戸層１２ｂと半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３の組成は接合面で不連続である。半導体リッジレーザ４２で発振した光は、半導体リッジ導波路４１内を透過しながらスポットサイズが拡大し端面４１ｂから出力される。
【００３４】
半導体リッジレーザ４２の長さＬ４２は、例えば３００μｍであり、半導体リッジ導波路４１の長さＬ４１は、例えば２００μｍである。半導体リッジレーザ４２のリッジ幅Ｗ４２Ｒは、例えば２μｍである。リッジ幅Ｗ４２Ｒは、１μｍから３μｍの範囲に有ることが望ましい。また、リッジ４１Ｒの幅Ｗ４１Ｒは、接合面４３ではＷ４２Ｒと等しい２μｍであり、端面４１ｂでは例えば６μｍである。Ｌ４１は５０〜５００μｍの範囲にあることが好ましい。端面４１ｂでのリッジ幅Ｗ４１Ｒは３μｍから１２μｍの範囲にあることが好ましい。
【００３５】
図５に、図４でのＡ−Ａ’断面の一例を示す。図６に、半導体リッジレーザ４２の光軸に垂直な断面模式図を示す。図７に、半導体リッジ導波路４１の光軸に垂直な断面模式図を示す。半導体リッジレーザ４２は、下から順に、下部金属電極８と、基板９と、下部クラッド層１０と、ＳＣＨ層１１ａと、多重量子井戸１２と、ＳＣＨ層１１ｂと、上部クラッド層１３と、半導体コンタクト層１４と、上部金属電極１６と、が配置される。回折格子２２は、ＳＣＨ層１１ｂと上部クラッド層１３の間に形成される。半導体リッジ導波路４１は、下から順に、下部金属電極８と、基板９と、下部クラッド層１０と、半導体コア層２３と、ノンドープ層２４と、上部クラッド層１３と、絶縁膜１５と、が配置される。
【００３６】
上部金属電極１６は、電極パッド１７を備える。電極パッド１７にはワイヤが接続される。端面４２ｂに、ＨＲ（Ｈｉｇｈ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）コーティング膜２０が配置される。下部金属電極８は、ＡｕＧｅオーミック電極とＴｉＰｔＡｕ補強電極を有する電極である。基板９は、上面が（１００）面のｎ−ＩｎＰ基板である。下部クラッド層１０は、ｎ−ＩｎＰ層である。
【００３７】
ＳＣＨ層１１ａ及びＳＣＨ層１１ｂは、多重量子井戸１２と接する側はＩｎＧａＡｌＡｓ層、多重量子井戸１２と反対側はＩｎＧａＡｓＰ層としたＳＣＨ層であり、或いは、ＩｎＧａＡｓＰ層を用いたＳＣＨ層である。多重量子井戸１２のうち、バリア層１２ａがＳＣＨ層１１ａ或いは１１ｂに接するように配置する。バリア層１２ａと量子井戸層１２ｂはＩｎＡｌＧａＡｓ層である。バリア層１２ａと量子井戸層１２ｂをともにＩｎＧａＡｓＰ層としても良い。多重量子井戸１２が備える量子井戸層１２ｂ及びバリア層１２ａの層数は任意である。
【００３８】
ＳＣＨ層１１ｂは上部クラッド層１３と接する部分に、回折格子２２を備える。回折格子２２により、半導体リッジレーザ４２はＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザとして動作する。上部クラッド層１３及び半導体コンタクト層１４がリッジ４２Ｒを構成する。上部金属電極１６は、リッジ４２Ｒの上面に配置され、ＡｕＺｎオーミック電極とＴｉＰｔＡｕ配線電極を有する電極である。半導体コンタクト層１４は、半導体オーミックコンタクト層であり、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層である。
【００３９】
ノンドープ層２４はノンドープＩｎＰである。上部クラッド層１３はｐ−ＩｎＰである。ノンドープ層２４と上部クラッド層１３がリッジ４１Ｒを構成する。半導体リッジ導波路４１では、リッジ４１Ｒの上面に上部金属電極１６及び半導体コンタクト層１４のいずれも配置しない。端面４１ｂに、ＡＲ（Ａｎｔｉ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング膜２１が配置される。本実施形態では上部クラッド層１３がｐ−ＩｎＰなので、ノンドープ層２４は半導体コア層２３と上部クラッド層１３との間に配置される。
【００４０】
本実施形態では、上部クラッド層１３がｐ−ＩｎＰである場合を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上部クラッド層１３がｎ−ＩｎＰであり、下部クラッド層１０がｐ−ＩｎＰであり、基板９としてｐ−ＩｎＰを用いてもよい。この場合、ノンドープ層２４は、半導体コア層２３と下部クラッド層１０との間に配置される。
【００４１】
半導体コア層２３は、ＩｎＧａＡｓＰ層であり、厚さＨ２３は３００ｎｍで一定で、ＳＣＨ層１１ａ、ＳＣＨ層１１ｂ、及び多重量子井戸１２と接合面４３で接する。半導体コア層２３の最適な厚さＨ２３は、半導体リッジレーザ４２のレーザ活性層及びＳＣＨ層２６の厚さＨ２６に依存するが、概ね１５０〜３５０ｎｍが好ましい。
【００４２】
半導体コア層２３の組成波長は、半導体リッジレーザ４２の発振波長より短波である。本実施形態のレーザ発振波長は１．３μｍであり、半導体コア層２３の組成波長は一定であり、１．０５μｍである。レーザ発振波長が１．３μｍの場合には、半導体コア層２３の組成波長は、０．９６〜１．２５μｍの範囲が好ましく、１．０〜１．１μｍの範囲がさらに好ましい。
【００４３】
ノンドープ層２４は、ノンドープＩｎＰ層で、厚さＨ２４は３００ｎｍである。ノンドープ層２４と上部クラッド層１３がリッジ４１Ｒを構成する。図８に、図４に示す半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３と半導体リッジレーザ４２の活性層の接合部分４０ｚの拡大図を示す。図９に、接合部分４０ｚにおける図４に示すＡ−Ａ’断面での半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３及び半導体リッジレーザ４２の量子井戸層１２ｂのエネルギーバンドとレーザ動作時のキャリア分布の模式図を示す。伝導帯下端３３ｃは半導体リッジ導波路４１と半導体リッジレーザ４２の接合面４３で不連続となっている。価電子帯上端３３ｖも同様である。そのため、その境界に電子３３ｅとホール３３ｈの障壁ができることになり、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３への電子３３ｅとホール３３ｈの流入が阻止される。
【００４４】
このように、第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０では、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３への電子の流入が阻止されるため、注入電流の損失が防止でき、出力光の低下を防止することができる。半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３のバンドギャップは、半導体リッジレーザ４２の量子井戸層１２ｂのバンドギャップよりも大きいので、半導体コア層２３の組成波長は、半導体リッジレーザ４２の発振波長より短波である。
【００４５】
図１０に、本実施形態に係るＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｄ４０は半導体リッジレーザ素子４０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性であり、ＤＡは比較例として用いる半導体リッジ導波路を備えないレーザ素子を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性である。図１０の光出力は、レンズを用いずに比較例及び半導体リッジレーザ素子４０と光ファイバとを調芯して光結合し、光ファイバからの光出力を示している。比較例や半導体リッジレーザ素子４０の出力端面と光ファイバ端面の距離は５μｍである。
【００４６】
図１０に示すように、比較例と半導体リッジレーザ素子４０の発振閾値は同じである。これは、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０において、半導体リッジ導波路４１への電流の流入が十分阻止できるためである。また、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の方が比較例よりもＩ−Ｌ特性が優れている。つまり、半導体リッジレーザ素子４０は比較例よりも光出力効率が高い。これは、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０が備える構造は、注入電流の漏れがないばかりか、スポットサイズが拡大して光ファイバのスポットサイズに近づき、光ファイバとの良好な光結合が実現できているためである。
【００４７】
次に、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の製造方法は、半導体リッジレーザ活性層形成手順と、半導体コア層形成手順と、リッジ形成手順を順に有する。場合によっては、半導体コア層形成手順を半導体リッジレーザ活性層形成手順の前に有してもよい。
【００４８】
半導体リッジレーザ活性層形成手順では、半導体リッジレーザ４２となる部分にも半導体リッジ導波路４１となる部分にも、基板９、下部クラッド層１０、ＳＣＨ層１１ａ、多重量子井戸１２及びＳＣＨ層１１ｂを順に積層する。多重量子井戸１２は量子井戸層１２ｂと、量子井戸層１２ｂを挟むように形成したバリア層１２ａを備える。下部クラッド層１０、量子井戸層１２ｂ、バリア層１２ａ、ＳＣＨ層１１ａ、及びＳＣＨ層１１ｂの積層には、有機金属化学気相成長法を用いた。次に、ＳＣＨ層１２ｂの上面に回折格子２２を作製する。
【００４９】
半導体コア層形成手順では、半導体リッジレーザ活性層形成手順の後、半導体リッジ導波路４１を形成する部分のＳＣＨ層１１ｂ、多重量子井戸１２、ＳＣＨ層１１ａをエッチングして除去し、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３とノンドープ層２４をバットジョイント結晶成長により形成する（非特許文献３）。
【００５０】
以下、より具体的に半導体コア層形成手順について記載する。先ず、半導体リッジレーザ活性層形成手順にて作製したＳＣＨ層１１ｂの上面にマスク層を積層する。マスク層は、例えば、絶縁性酸化物層である。次に、半導体リッジ導波路４１を形成する部分をエッチングし、マスク層と、量子井戸層１２ｂと、バリア層１２ａと、ＳＣＨ層１１ａ、ＳＣＨ層１１ｂとを除去する。
【００５１】
続いて、エッチングで露出した下部クラッド層１０の上に、半導体コア層２３とノンドープ層２４を順次成長する。次に、半導体リッジレーザ４２のマスク層を、エッチングで除去する。
【００５２】
半導体リッジ導波路４１には、半導体リッジレーザ４２の量子井戸層１２ｂのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する半導体コア層２３が形成されるため、半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１の界面を境にバンドが不連続となる。
【００５３】
リッジ形成手順では、先ず、上部クラッド層１３と半導体コンタクト層１４を結晶成長する。次に、エッチングによりリッジ４２Ｒ及びリッジ４１Ｒを形成し、次に半導体リッジ導波路４１の部分の半導体コンタクト層１４を除去する。
【００５４】
半導体リッジ導波路４１では、リッジ幅Ｗ４１Ｒを、接合面４３においてはリッジ幅Ｗ４２Ｒと等しく、接合面４３から端面４１ｂにかけて拡幅するように形成する。
【００５５】
リッジ形成手順の終了後、絶縁膜、電極等を形成する。まず、素子表面全体に絶縁膜１５を形成する。次に半導体リッジレーザ４２のリッジ４２Ｒ上部の絶縁膜１５を除去する。その絶縁膜を除去した部分とその周辺に、図６に示されるように、上部金属電極１６を積層する。電極パッド１７は、上部金属電極１６の積層とともに形成される。次に、基板９を研磨により薄くし、下部金属電極８を作製する。次に、素子を劈開等によって切り出し、ＡＲコーティング膜２１及びＨＲコーティング膜２０を積層する。ＡＲコーティング膜２１及びＨＲコーティング膜２０の積層により、半導体リッジレーザ素子４０の製造工程は終了する。
【００５６】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の製造方法では、半導体リッジレーザ４２の多重量子井戸１２を作製した後に、それと別途に、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３を作製する。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の製造方法では、通常の光半導体素子製造技術及び装置により半導体リッジレーザ素子４０を作製することができる。そのため、プロトン・インプランテーションのような専用設備を必要とせず、デバイスの低コスト化を達成することができる。半導体コア層形成手順を半導体リッジレーザ活性層形成手順の前に有する場合には、まず、半導体コア層形成手順として半導体リッジレーザ４２となる部分にも半導体リッジ導波路４１となる部分にも、基板９、下部クラッド層１０、半導体コア層２３とノンドープ層２４を結晶成長する。その後、半導体リッジレーザ活性層形成手順として、バットジョイント結晶成長を用いて半導体リッジレーザ４２となる部分にのみＳＣＨ層１１ａ、多重量子井戸１２及びＳＣＨ層１１ｂを順に積層する。続いて、リッジ形成手順とそれに続く製造工程を行う。
【００５７】
（第２の実施形態）
図１１に本発明の第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の模式図を示す。図１２に、図１１のＡ−Ａ’断面を示す。半導体リッジレーザ４２の構造は第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の半導体リッジレーザ４２と同じである。
【００５８】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０では、半導体リッジレーザ４２のリッジ幅Ｗ４２Ｒは、２μｍである。また、半導体リッジ導波路４１のリッジ幅Ｗ４１Ｒは、接合面４３では２μｍであり、端面４１ｂでは、６μｍである。
【００５９】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０では、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３はＩｎＧａＡｓＰであり、その厚さＨ２３が、接合面４３から端面４１ｂに向って減厚する。半導体コア層２３の厚さＨ２３は、接合面４３では、例えば３００ｎｍであり、端面４１ｂでは、例えば１００ｎｍである。ノンドープ層２４の厚さＨ２４は、接合面４３では、例えば３００ｎｍであり、出力側の端面４１ｂに向かって減厚し、出力端の端面４１ｂでは、例えば１００ｎｍである。半導体リッジ導波路４１の長さＬ４１は、例えば３００μｍである。
【００６０】
また、半導体リッジレーザ素子５０では、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３のバンドギャップが、接合面４３から端面４１ｂに向って大きくなっている。言い換えると半導体リッジ導波路４１における半導体コア層２３の組成波長は、半導体リッジレーザ４２との接合面４３で最も長波長であり接合面４３から端面４１ｂに向って短波長になる。半導体コア層２３の組成波長は、接合面４３から端面４１ｂに近づくとともに連続的に短波長になることが好ましい。半導体コア層２３の組成波長は、接合面４３では波長１．１５μｍであり、端面４１ｂでは波長１．０５μｍである。
【００６１】
半導体リッジレーザ４２の発振波長が１．３μｍの場合、半導体コア層２３の組成波長は、０．９６μｍから１．２５μｍの範囲とするのが好ましい。また、半導体リッジ導波路４１の長さＬ４１は、５０μｍから５００μｍの範囲が好ましい。半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３の適切な厚さＨ２３は、半導体リッジレーザ４２のレーザ活性層及びＳＣＨ層２６の厚さＨ２６にも依存する。半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１の接合面４３で、半導体コア層２３の厚さＨ２３は、概ね１５０ｎｍから３５０ｎｍが好ましく、出力端の端面４１ｂ側では、５０ｎｍから１５０ｎｍが好ましい。端面４１ｂでのリッジ幅Ｗ４１Ｒは３μｍから１２μｍの範囲に有ることが好ましい。
【００６２】
図１３に、本実施形態に係るＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ５０は、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。Ｉ−Ｌ特性ＤＡは、比較例のレーザ素子を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。本実施形態におけるＩ−Ｌ特性の測定条件は、第１の実施形態と同じである。比較例として用いたレーザ素子は、図１０で比較例として用いたレーザ素子と同じである。
【００６３】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０は半導体リッジ導波路４１を備えるが、比較例として用いたレーザ素子は半導体リッジ導波路を備えない。図１３に示すように、比較例のレーザ素子と半導体リッジレーザ素子５０の発振閾値は同じである。これは、半導体リッジ導波路４１を半導体リッジレーザ４２に接合している本実施形態の構造では、半導体リッジレーザ４２から半導体リッジ導波路４１への電流の流入を阻止できるためである。さらに、図１３より、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の方が、比較例のレーザ素子よりもＩ−Ｌ特性が優れている。これは、本実施形態の構造は、注入電流の漏れがないばかりか、スポットサイズが拡大して光ファイバのスポットサイズに近付き、光ファイバとの良好な光結合が実現できているためである。
【００６４】
また、図１０と図１３を比較すると、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０は、半導体リッジレーザ素子４０よりもＩ−Ｌ特性が優れている。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０は、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３の厚さＨ２３を接合面４３から端面４１ｂに向って減厚し、半導体コア層２３の組成波長を接合面４３から端面４１ｂに向って短波化することで、基板９に垂直方向のスポットサイズがより拡大し、光ファイバとのさらに良好な光結合が実現できるためである。
【００６５】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０のうち、半導体リッジ導波路４１は、上部クラッド層１３の上面に、半導体コンタクト層１４及び上部金属電極１６を有しない。これは、半導体リッジ導波路４１に半導体コンタクト層１４及び上部金属電極１６を配置すると、Ｉ−Ｌ特性が悪化するからである。
【００６６】
図１４に、半導体リッジレーザ素子５０の構成のうち、半導体リッジ導波路４１の上部クラッド層１３の上面に半導体コンタクト層１４及び上部金属電極１６を配置し、ノンドープ層２４を取り除いた半導体リッジレーザ素子６０のリッジが有る部分の光軸を含み基板に垂直な断面模式図を示す。
【００６７】
図１５に、本実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ６０は、半導体リッジレーザ素子６０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ５０は、半導体リッジレーザ素子５０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。半導体リッジレーザ素子６０では、半導体リッジレーザ素子５０よりも発振閾値電流が増加し、Ｉ−Ｌ特性が悪い。これは、半導体リッジレーザ素子６０の動作時にキャリアが半導体コア層２３に流入して電流損失が生じているからである。
【００６８】
半導体リッジレーザ素子６０での半導体コア層２３へのキャリア流入は、半導体リッジレーザ素子６０の半導体リッジ導波路４１が半導体コンタクト層１４及び上部金属電極１６を有し、ノンドープ層２４を有しない為に生じる。キャリア流入は、上部金属電極１６、半導体コンタクト層１４から半導体リッジ導波路の上部クラッド層１３のルートと、半導体リッジレーザ４２の上部クラッド層１３から半導体リッジ導波路の上部クラッド層１３へのルートが存在する。ノンドープ層２４は、それら２つのルートから上部クラッド層１３に流れ込むキャリアが半導体コア層２３に流入するのを阻止する働きをしている。
【００６９】
半導体リッジレーザ素子６０のＩ−Ｌ特性の悪化は、半導体コア層２３でのキャリアによる光損失と、ノンドープ層２４が無いことにより上部クラッド層１３での光閉じ込め係数が増加することによる上部クラッド層１３での光損失及び半導体コンタクト層１４と上部金属電極１６での光損失等が原因となっている。そのため、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０のように、半導体リッジ導波路４１に半導体コンタクト層１４と上部金属電極１６を設けず、ノンドープ層２４を設けることによって、半導体リッジレーザ素子の閾値電流を減少させ、Ｉ―Ｌ特性を向上させることができる。
【００７０】
次に、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の製造方法は、基本的には第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の製造方法と同じである。ただし、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０では、半導体コア層形成手順が第１の実施形態とは異なる。
【００７１】
本実施形態に係る半導体コア層形成手順では、本実施形態では、半導体リッジ導波路４１が備える半導体コア層２３の厚さＨ２３が、半導体リッジレーザ４２との接合面４３では厚く、端面４１ｂに近づくほど連続的に薄くなるように形成する。また、半導体コア層２３の組成波長は、接合面４３では長波長であり、端面４１ｂに近づくほど連続的に短波長となるように形成する。そのため、半導体コア層２３は、バットジョイント結晶成長の際に選択成長技術を併用する事により形成する（非特許文献４）。
【００７２】
（第３の実施形態）
図１６に、本発明の第３の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０のリッジが有る部分の光軸を含み基板に垂直な断面模式図を示す。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０は、第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の半導体リッジ導波路４１に、積み増しノンドープ層２５を追加した構造である。
【００７３】
積み増しノンドープ層２５は、ノンドープＩｎＰ層である。積み増しノンドープ層２５は、上部クラッド層１３による光閉じ込めを抑制する。積み増しノンドープ層２５は、接合面４３から端面４１ｂの方向にｄ２５だけ離れた位置から、端面４１ｂまでの範囲に配置する。接合面４３と積み増しノンドープ層２５の距離ｄ２５は、１００μｍである。積み増しノンドープ層２５の厚さＨ２５は、３００ｎｍである。
【００７４】
図１７に本実施形態に係るＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ７０は、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ５０は、第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。図１７に示したＩ−Ｌ特性の測定条件は、第１の実施形態と同じである。
【００７５】
図１７より、半導体リッジレーザ素子７０は、半導体リッジレーザ素子５０よりもＩ−Ｌ特性が優れている。これは、半導体リッジレーザ素子７０は積み増しノンドープ層２５を備えるため、半導体リッジレーザ素子５０よりも上部クラッド層１３における光閉じ込め係数が小さくなり、上部クラッド層１３での光損失が減少して光出力が増加するためである。
【００７６】
次に、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０の製造方法について説明する。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０の製造方法は、基本的には第２の実施形態に係る導体リッジレーザ素子５０の製造方法と同じである。ただし、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子７０では、半導体コア層形成手順が第２の実施形態とは異なる。
【００７７】
具体的には、本実施形態に係る半導体コア層形成手順のうち、半導体リッジ導波路４１の形成では、先ず、半導体コア層２３とノンドープ層２４を積層する。次に、マスク層を積層する。次に、積み増しノンドープ層２５を形成する部分のマスク層を除去する。次に、積み増しノンドープ層２５を積層する。次に、マスク層を除去する。次に上部クラッド層１３を積層する。なお、本実施形態においても、半導体コア層２３は、バットジョイント結晶成長の際に選択成長技術を併用する事により形成することが好ましい（非特許文献４）。
【００７８】
（第４の実施形態）
図１８に、本発明の第４の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子８０のリッジが有る部分の光軸を含み基板に垂直な断面模式図を示す。半導体リッジレーザ素子８０では、半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１との間に、半導体リッジ変調器４４を配置する。
【００７９】
半導体リッジ変調器４４は、下から順に、下部金属電極８と、基板９と、下部クラッド層１０と、変調器多重量子井戸層及びＳＣＨ層２７と、上部クラッド層１３と、半導体コンタクト層１４と、変調用電極２８とを備える。半導体リッジレーザ素子８０のうち、半導体リッジレーザ４２の構造と半導体リッジ導波路４１の構造は、第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０と同じである。ただし、図１８では、多重量子井戸１２とＳＣＨ層１１を纏めてレーザ活性層及びＳＣＨ層２６として示した。
【００８０】
半導体リッジレーザ４２から出力したレーザ光は、半導体リッジ変調器４４を通り、半導体リッジ導波路４１から出力される。半導体リッジ変調器４４は、半導体リッジレーザ４２から出力したレーザ光を変調して、半導体リッジ導波路４１に出力する。
【００８１】
図１９に本実施形態に係るＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ８０は、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子８０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ９０は、半導体リッジレーザ素子９０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。
【００８２】
ここで、半導体リッジレーザ素子９０は、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子８０から、半導体リッジ導波路４１を取り除いた半導体リッジレーザ素子である。本実施形態におけるＩ−Ｌ特性の測定条件は、第１の実施形態と同じであるが、半導体リッジレーザ素子８０の半導体リッジ変調器４４の変調用電極２８への印加電圧は０Ｖとした。半導体リッジレーザ素子９０よりも、半導体リッジレーザ素子８０の方が光ファイバに結合した光パワーが高く、良好なＩ−Ｌ特性を示した。また、変調用電極２８にバイアス電圧を加え、イーサネット（登録商標）規格に則って１０Ｇｂｐｓにてレーザ光を変調した場合にも、出力レーザ光は良好なアイ開口を示した。
【００８３】
（第５の実施形態）
図２０に本発明の第５の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１００の模式図を示す。半導体リッジレーザ素子１００は、半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１とを備える。本実施形態に係るＡ−Ａ’断面模式図は第２の実施形態の半導体リッジレーザ素子５０のＡ−Ａ’断面模式図である図１２と同一である。半導体リッジレーザ４２の構造は第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の半導体リッジレーザ４２と同じである。
【００８４】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１００では、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３の厚さＨ２３が、接合面４３から端面４１ｂに向って減厚する。半導体コア層２３の厚さＨ２３は、接合面４３では例えば２５０ｎｍであり、端面４１ｂでは、例えば１００ｎｍである。ノンドープ層２４の厚さＨ２４は、接合面４３では例えば３００ｎｍであり、出力側の端面４１ｂに向かって減厚し、出力端の端面４１ｂでは、例えば１２０ｎｍである。半導体リッジ導波路４１の長さＬ４１は、例えば２００μｍである。
【００８５】
また、半導体リッジレーザ素子１００では、半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３のバンドギャップが、接合面４３から端面４１ｂに向って大きくなっている。半導体コア層２３の組成波長は、接合面４３では例えば波長１．１５μｍであり、端面４１ｂでは例えば波長１．１μｍである。半導体リッジレーザ４２のリッジ幅Ｗ４２Ｒは、例えば２．０μｍである。また、リッジ幅Ｗ４１Ｒは、接合面４３ではＷ４２Ｒと等しく２．０μｍであり、端面４１ｂでは、２．０μｍである。本実施形態では半導体リッジ導波路４１のリッジ幅Ｗ４１Ｒは半導体リッジレーザ４２との接合面４３から半導体リッジ導波路４１の出力部にかけて等幅である。
【００８６】
半導体リッジレーザ４２の発振波長が１．３μｍの場合、半導体コア層２３の組成波長は、０．９６μｍから１．２５μｍの範囲とするのが好ましい。また、半導体リッジ導波路４１の長さＬ４１は、５０μｍから５００μｍの範囲が好ましい。半導体リッジ導波路４１の半導体コア層２３の適切な厚さＨ２３は、半導体リッジレーザ４２のレーザ活性層及びＳＣＨ層２６の厚さＨ２６にも依存する。半導体リッジレーザ４２と半導体リッジ導波路４１の接合面４３で、半導体コア層２３の厚さＨ２３は、概ね１５０ｎｍから３５０ｎｍが好ましく、出力端の端面４１ｂ側では、５０ｎｍから１５０ｎｍが好ましい。
【００８７】
図２１に、本実施形態におけるＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ１００は、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１００を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。Ｉ−Ｌ特性ＤＡは、比較例のレーザ素子を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。本実施形態におけるＩ−Ｌ特性の測定条件は、第１の実施形態と同じである。比較例として用いたレーザ素子は、図１０で比較例として用いたレーザ素子と同じである。
【００８８】
本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１００は半導体リッジ導波路４１を備えるが、比較例として用いたレーザ素子は半導体リッジ導波路を備えない。図２１に示すように、比較例のレーザ素子と半導体リッジレーザ素子１００の発振閾値は同じである。これは、半導体リッジ導波路４１を半導体リッジレーザ４２に接合している本実施形態の構造では、半導体リッジレーザ４２から半導体リッジ導波路４１への電流の流入を阻止できるためである。さらに、図２１より、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１００の方が、比較例のレーザ素子よりもＩ−Ｌ特性が優れている。これは、本実施形態の構造は、注入電流の漏れがないばかりか、スポットサイズが拡大して光ファイバのスポットサイズに近付き、光ファイバとの良好な光結合が実現できているためである。
【００８９】
（第６の実施形態）
図２２に、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子の模式図を示す。本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１１０では、半導体リッジレーザ４２のリッジ高さＨ４２Ｒは、一定である。半導体リッジ導波路４１のリッジ高さＨ４１Ｒは、接合面４３ではリッジ高さＨ４２Ｒと同じであるが、接合面４３から端面４１ｂに向って高くなり、端面４１ｂではリッジ高さＨ４２Ｒよりも高くなっている。半導体リッジレーザ４２の構造は第１の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子４０の半導体リッジレーザ４２と同じである。
【００９０】
半導体リッジレーザ４２のリッジ幅Ｗ４２Ｒは一定で２μｍである。半導体リッジ導波路４１のリッジ幅Ｗ４１Ｒは接合面４３では２μｍであり、端面４１ｂに向って広がり、端面４１ｂでは６μｍである。図２３に本実施形態に係る図２２でのＡ−Ａ’断面図を示す。第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の半導体リッジ導波路４１のノンドープ層２４の厚さＨ２４が、接合面４３から端面４１ｂに向って増厚している構造である。そのため、リッジ高さＨ４１Ｒも接合面４３から端面４１ｂに向かって高くなっている。ノンドープ層２４の厚さＨ２４は、例えば、接合面４３では３００ｎｍであり、出力側の端面４１ｂに向って増厚し、出力端の端面４１ｂでは、例えば、８００ｎｍである。ノンドープ層２４の厚さＨ２４は、接合面４３から端面４１ｂに向って徐々に増厚することが好ましい。
【００９１】
図２４に本実施形態に係るＩ−Ｌ特性の一例を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ１１０は、半導体リッジレーザ素子１１０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。Ｉ−Ｌ特性Ｄ５０は、第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０を光ファイバに光結合させた場合の光ファイバの光出力のＩ−Ｌ特性を示す。図２４に示したＩ−Ｌ特性の測定条件は、第１の実施形態と同じである。
【００９２】
図２４より、半導体リッジレーザ素子１１０は、半導体リッジレーザ素子５０よりもＩ−Ｌ特性が優れている。これは、半導体リッジレーザ素子１１０は半導体リッジレーザ素子に比べ出力端の端面４１ｂ付近のノンドープ層２４が厚い為、上部クラッド層１３における光閉じ込め係数が小さくなり、上部クラッド層１３での光損失が減少して光出力が増加する為である。
【００９３】
次に、本実施形態に係る半導体リッジレーザ素子１１０の製造方法について説明する。半導体リッジレーザ素子１１０の製造方法は、基本的には第２の実施形態に係る半導体リッジレーザ素子５０の製造方法と同じである。ただし、半導体リッジレーザ素子１１０では、半導体コア層形成手順が第２の実施形態とは異なる。
【００９４】
具体的には、本実施形態に係る半導体コア層形成手順のうち、半導体リッジ導波路４１の形成では、先ず、エッチングで露出した下部クラッド層１０の上面に、半導体コア層２３を積層する。次に、半導体コア層２３の積層前に形成したマスク層を除去する。次に、ＳＣＨ層１１ｂの上面及び半導体コア層２３の上面にマスク層を形成する。次に、ノンドープ層２４を積層する部分のマスク層を除去する。続いて、選択成長技術を用いてノンドープ層２４を積層する。本実施形態ではノンドープ層２４の厚さＨ２４は接合面４３から端面４１ｂに近付くほど厚くなるように形成する。次に、マスク層を除去してリッジ形成手順を実施する。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明に係る半導体リッジレーザ素子とその製造方法は、光通信産業に適用することができる。本発明の実施形態は半導体リッジレーザが発振波長１．３μｍのＤＦＢレーザである場合を示したが、本発明はそれに限定されず、発振波長１．５５μｍのレーザにも適用でき、また、ＦＰ（Ｆａｂｒｙ  Ｐｅｒｏｔ）レーザにも適用可能である。
【符号の説明】
【００９６】
８：下部金属電極
９：基板
１０：下部クラッド層
１１ａ：ＳＣＨ層
１１ｂ：ＳＣＨ層
１２：多重量子井戸
１２ａ：バリア層
１２ｂ：量子井戸層
１３：上部クラッド層
１４：半導体コンタクト層
１５：絶縁膜
１６：上部金属電極
１７：電極パッド
２０：ＨＲコーティング膜
２１：ＡＲコーティング膜
２２：回折格子
２３：半導体コア層
２４：ノンドープ層
２５：積み増しノンドープ層
２６：レーザ活性層及びＳＣＨ層
２７：変調器多重量子井戸層及びＳＣＨ層
２８：変調用電極
３１：本発明に関連する素子での半導体導波路コア層の断面図
３２：本発明に関連する素子での半導体リッジレーザ活性層の断面図
３１ｂ：本発明に関連する素子での半導体導波路コア層量子井戸のバンド図
３２ｂ：本発明に関連する素子での半導体リッジレーザ活性層量子井戸のバンド図
３３ｃ：伝導体下端
３３ｅ：電子
３３ｈ：ホール
３３ｖ：価電子帯上端
４０：半導体リッジレーザ素子
４０ｚ：接合部分
４１：半導体リッジ導波路
４１ｂ：端面
４１Ｒ：半導体リッジ導波路のリッジ
４２：半導体リッジレーザ
４２ｂ：端面
４２Ｒ：半導体リッジレーザのリッジ
４３：接合面
４４：半導体リッジ変調器
５０：半導体リッジレーザ素子
６０：半導体リッジレーザ素子
７０：半導体リッジレーザ素子
８０：半導体リッジレーザ素子
９０：半導体リッジレーザ素子
１００：半導体リッジレーザ素子
１１０：半導体リッジレーザ素子
２０４：ｐ−ＩｎＰクラッド層
２０５：ＩｎＧａＡｓＰ半導体コア層
２０８：ノンドープＩｎＰ層
【図１】
2016115853.tif 000003
【図２】
2016115853.tif 000004
【図３】
2016115853.tif 000005
【図４】
2016115853.tif 000006
【図５】
2016115853.tif 000007
【図６】
2016115853.tif 000008
【図７】
2016115853.tif 000009
【図８】
2016115853.tif 000010
【図９】
2016115853.tif 000011
【図１０】
2016115853.tif 000012
【図１１】
2016115853.tif 000013
【図１２】
2016115853.tif 000014
【図１３】
2016115853.tif 000015
【図１４】
2016115853.tif 000016
【図１５】
2016115853.tif 000017
【図１６】
2016115853.tif 000018
【図１７】
2016115853.tif 000019
【図１８】
2016115853.tif 000020
【図１９】
2016115853.tif 000021
【図２０】
2016115853.tif 000022
【図２１】
2016115853.tif 000023
【図２２】
2016115853.tif 000024
【図２３】
2016115853.tif 000025
【図２４】
2016115853.tif 000026