JPH0349286A - 半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気光変換素子として利用する半導体レーザ装
置およびその製造方法に関する。

本発明は、光通信装置、光情報処理装置、光記録装置、
光応用計測装置、その地元電子装置の光源として利用す
るに適する。

〔ヰ既要〕

本発明は、活性層に回折格子を設け、光分布帰還によっ
てその活性層で電子と正孔の再結合による誘導放出光を
発生させる分布帰還型半導体レーザ装置において、 活性層の一部を、前記回折格子に相応する周期にしたが
って取り除くことにより、 活性層そのものに回折格子を形成することを可能とし、
これにより誘起される利得係数の周期的摂動を主因とす
る光分布帰還を施し、完全に単一波長の縦モード発振を
得るものである。

〔従来の技術〕

半導体レーザの活性層近傍に回折格子を形成し、この回
折格子により光分布帰還を施して活性層に誘導放出光を
発生させる分布帰還型半導体レーザ装置の技術が広く知
られている。分布帰還型半導体レーザ装置は、比較的簡
単に発振スペクトル特性の優れた誘導放出光が得られる
とともに、回折格子のピッチにより発振波長を制御でき
るので、単一モード光ファイバを利用するあるいは光波
長多重を行う長距離大容量光通信装置その地元電子装置
の光源としてその有用性が期待されている。

このための従来例レーザ装置は、活性層にきわめて近接
して透明な導波路層を作り、この導波路層の活性層より
遠い側の面に断面形状がおおむね三角波状である凹凸形
状を形成して、導波路層のみかけの屈折率を周期的に変
化させて光分布帰還を施すものである。この構造は広く
知られたものであって、−船釣なハンドブックであるオ
ーム社：電子情報通信ハンドブック、１９８８年９８４
−９８５頁 にも記載がある。この構造の半導体レーザ装置は、先導
波路層の層厚変化の周期に対応して生じるブラッグ波長
の光に対して、光位相についての適正な帰還が行われな
いので、このブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じる
。すなわち、従来例装置では、ブラッグ波長の上下にほ
ぼ対称に離隔した二つの波長の縦モード発振が生じる現
象がある。

さまざまな実験的検討から、この二つの波長の縦モード
発振の一方のみが生じるように設定すること、さらにそ
の一方のみを予め設定することは、実用的な半導体レー
ザ装置を設計および製作するうえで困難であることが経
験されている。このため、製造歩留りを高くすることが
できない。

これを解決するために、回折格子をそのほぼ中央で４分
の１波長分だけ位相シフトさせる構造が提案され実施さ
れた。これにより二つの波長の縦モードの利得差が大き
くなり、発振モードを一つに設定することができるよう
になる。しかし、この構造は回折格子の形成が複雑であ
るため特別の製造工程が必要であり、さらにレーザ素子
端面に反射防止膜を形成する必要があるなど複雑であり
、製造工数が大きく高価である。この構造の半導体レー
ザ装置についても上記ハンドブックに記載がある。

一方、上述のように屈折率結合により光分布帰還を行う
とブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じるが、利得係
数の周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行
うとすれば、発振阻止帯域は現れず完全に単一波長の縦
モード発振が得られるはずであるとの原理的な理論が、 コゲルニック他「分布帰還レーザの結合波理論（Ｃｏｕ
ｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋｌａｓｅｒｓ）　Ｊ米
国雑誌、アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　１９７２　
ＶＯＩ、４３ｐｐ　２３２７−２３３５） によって示された。この論文はあくまでも原理的な検討
結果であって、上記の利得結合を実現するための半導体
レーザ装置の構造やその製造方法についてはなんら記述
がない。

本願発明者の一部は、上記コゲルニック他の基礎理論を
適用した新しい半導体レーザ装置として、特許出願（特
願昭６３−１８９５９３号）昭和６３年７月３０日出願
、本願出願時において未公開（以下「先願」という） を出願した。この先願に記載された技術は、活性層の近
傍に半導体の不透明層を設け、その不透明層に回折格子
を形成し、その不透明層の利得係数または損失係数に周
期的摂動に基づく分布帰還を施すものである。

この構造により上記コゲルニック他の理論を満たす装置
を実現できた。しかし、この構造では活性層の近傍に不
透明層を設けてこの不透明層により帰還を施すものであ
るから、この不透明層にエネルギの吸収損失があり、誘
導放出光を発生させるために供給するエネルギが大きく
なる欠点がある。

上述のコゲルニック他の理論に基づき利得係数の周期的
摂動を与えるように分布帰還を施すには、活性層の一方
の面に回折格子を形成し、活性層の厚さそのものを回折
格子の凹凸に応じて光波の進行方向にそって変化させる
ことが最適である。ところで、利得結合を実現する目的
とは別であるが、半導体レーザ装置の活性層に直接に回
折格子を印刻する実験結果が 中村性「ガリウム・ヒ素−ガリウム・アルミニウム・ヒ
素ダブルへテロ構造分布帰還型半導体レーザＪ　（Ｇａ
Ａｓ−Ｇａ八へＡｓ　Ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏ　５ｔ
ｒｕｃシｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａ
ｃｋ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａ５ｅｒｓ）米国雑誌アプライド
・フィジックス・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　１９７４　ＶＯＩ、　２５ρ
ｐ　４８７−４８８）に報告されている。しかし、活性
層に直接に回折格子として凹凸を印刻すると、凹凸を形
成するための成長中断、印刻加工、再成長などの一連の
操作により活性層の半導体結晶に欠陥が発生してしまう
。この半導体結晶の欠陥により、非発光再結合が増加し
て誘導放出光が大きく減少し、半導体レーザ装置として
は効率の悪い装置となり実用的な装置が得られないこと
がわかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、このような背景に行われたものであって、上
述の発振阻止帯域を生じる屈折率結合による光分布帰還
ではなく、上述のコゲルニック他による理論にしたがい
主として利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により
光分布帰還を行う半導体レーザ装置の実現を目指すもの
である。しかも、上記先願に記載されたもののように不
透明層を設けてエネルギ吸収損失を生じさせることなく
、また、活性層に回折格子を形成しても半導体結晶構造
に欠陥を生じさせることがないように、これを実現しよ
うとするものである。

すなわち本発明は、２モ一ド発振を起こすことなく発振
モードが単一モードでありかつ安定であり、その発振モ
ードを予め設定することが可能であり、構造が簡単であ
り、製造工程が簡単であり、良好な製造歩留りが期待さ
れ、したがって安価であり、しかも、上記先願発明の欠
点を除いてエネルギ吸収損失がなく、さらに活性層に回
折格子を形成しても活性層となる半導体結晶構造に欠陥
を引き起こすことがなく誘導放出光を効率的に発生させ
る半導体レーザ装置およ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〕

本発明は、活性層の一部を回折格子に相応する周期で除
去することにより実質的に活性層そのものに回折格子を
形成することを特徴とする。

すなわち本発明の第一の観点は半導体レーザ装置であり
、その構造は、誘導放出光を発生させる活性層と、この
活性層に設けられこの活性層に光分布帰還を施す回折格
子とを備えた半導体レーザ装置において、前記活性層（
７）は、前記回折格子の周期に従って除去されたことを
特徴とする。

本発明の第二の観点は半導体レーザ装置を製造する製造
方法であって、第一のクラッド層（３）を成長させる第
一工程と、この第一のクラッド層の上に活性層（７）を
成長させる第二工程と、この活性層の上に第二のクラッ
ド層（８）を成長させる第三工程とを含み、この第二工
程は、活性層およびこの活性層の保護層を形成する工程
を含む製造方法において、前記第二工程と前記第三工程
との間に、回折格子の周期にしたがって前記活性層（７
）の上にマスク（１５）を設ける工程と、このマスクに
覆われない前記活性層の部分を気相エツチングにより取
り除（工程と、この気相エツチングにより取り除かれた
部分に分離層（１６）を選択成長させる工程と、この選
択成長させる工程の後に前記マスク（１５）を除く工程
とを含むことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の半導体レーザ装置は、活性層の一部が光波の進
行方向にそって、回折格子の周期にしたがって除去され
ているから、上述のコゲルニック他による理論における
利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰
還を行う。したがって、特定の波長領域に発振阻止帯域
が生じるようなことがなく、その特定の波長領域の上下
に二つの波長の縦モード発振が生じることもなく、回折
格子の周期により定まる安定な一つのモードの発振を行
う。この安定な一つのモードの発振波長はブラッグ波長
に対応するからこれを予め設定し設計製造することがで
きる。

本発明の半導体レーザ装置では、実質的に活性層そのも
のに回折格子を形成することになる。上記先願に記載の
技術は、コゲルニック他による理論における利得係数の
周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行うも
のであっても、活性層に近接して不透明半導体層を設け
、この不透明半導体層にふける回折格子により光分布帰
還を施すものであるから、活性層そのものに回折格子を
形成する本発明とは本質的に異なる。上記先願記載の技
術では、この不透明半導体層に光エネルギの吸収があっ
たが、本発明の半導体レーザ装置はこの不透明層に相当
するものはもとよりなく、光エネルギの吸収もないので
、励起エネルギの効率が高くなる特徴がある。

本発明では一つのマスクは気相エツチングと選択成長の
両方に使用する。気相エツチングはＭＯＣＶＤ装置内で
行うもので、エツチング用のガスを停止した後にひきつ
づいて結晶成長を可能にする。また、選択成長の工程で
はマスクの上には付着物ができず、マスクのない部分に
単結晶の成長ができる。

活性層をエツチング後に大気中にさらすと、界面が劣化
して発光効率が低下するが、本発明の方法ではエツチン
グとそれにつづく半導体成長を連続的に行うこきができ
るから、界面の劣化がなく発光効率が高く維持できる。

これにより、活性層の構造およびキャリア密度にレーザ
共振器軸方向に沿って所望のとおりの摂動が生じ、これ
らの総合効果として共振器軸方向に伝搬する光波に対す
る利得係数が回折格子の周期に一致する周期で変化する
ことになり、利得結合による分布帰還が実現される。

本発明の構造では、共振器中の定在波位置が利得係数変
化の周期に一致して固定されるから、レーザ素子端面の
反射の影響を受けにくくなり、単−縦モード発振を得る
ために、必ずしも反射防止措置を必要としない。したが
って、上記従来例で説明した４分の１波長分だけ回折格
子の位相をシフトさせる構造のものに比べて、その構造
はいちじるしく単純になり製造工数が小さくなり、この
ため製造歩留りが向上する。

〔実施例〕

以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。第１図は本発明第一実施例半導体レーザ装置の製
造工程を示す図である。図示の構造においては、高濃度
ｎ型砒化ガリウム（ｎ　”−ＧａＡｓ）基板ｌ上に量子
井戸構造の半導体レーザ素子の各層をエピタキシャル装
置により、二段階に分けて連続的に有機金属気相成長さ
せる。

すなわち第一段階では、第１図（ａ）に示すように、基
板１の上にｎ型クラッド層３を成長させ、その上に活性
層７を成長させる。すなわち、砒化アルミニウム混晶比
が０．６から０．３まで滑らかに変化するようにｎ型砒
化アルミニウムガリウム傾斜屈折率層７Ｇを平均厚さ０
．１５μｍに成長させ、その上に、きわめて薄い砒化ガ
リウム量子井戸７Ｗを平均厚さｌＱｎｍに成長させ、さ
らにその上に、砒化アルミニウム混晶比が０３から０．
６まで滑らかに変化するようにｐ型化化アルミニウムガ
リウム傾斜屈折率層７Ｇ’を平均厚さ０．１５μｍに成
長させる。

なお、ここで、ｐ型化化アルミニウムガリウム傾斜屈折
率層７Ｇ’　は活性層の表面の保護層としての機能を果
たしている。

ここで第１図ｂ）に示すように、形成された活性層７の
表面に５ｉｎ２を約５Ｑｎｍ厚さに形成したマスク１５
を形成する。このマスク１５は気相エツチングおよび選
択成長に耐える構造であり、回折格子の周期に一致させ
て形成する。この実施例では干渉露光法およびエンチン
グにより光の進行方向に対し２５５１ｍの周期で形成し
た。つぎに第１図（Ｃ）および（ｄ）に示すように、こ
の周期的にマスク１５て覆われた活性層７０表面から気
相エツチングを行う。

この結果第１図（ｄ）に示すように活性層７は量子井戸
層７Ｗまで除去される。この気相エツチング用ガスはＧ
ａＡｓ系の半導体層に対して反応するＨＣｌおよびＡＳ
Ｈ３の混合気体を利用する。この混合気体に対して５ｉ
ｎ２　により形成されたマスクは反応しない。

気相エツチングのあと大気にさらすことなくひきつづき
、第１図（ｅ）に示すように選択成長により分離層１６
を成長させる。この分離層１６は、１−Ａｌｏ、　。

Ｇａｏ、　７Ａｓで厚さは約０．１μｌである。この分
離層１６は高抵抗の層である。

この後、第１図（ｆ）に示すようにマスク１５を除去し
、さらに第１図（ｇ）に示すように、活性層７の上に、
クラッド層８およびコンタクト層９を成長させる。

すなわち、活性層７の上にクラッド層８として厚さ１．
５μｍのｐ型針化アルミニウムガリウム層を成長させ、
さらに、０．４μｍ厚のｐ型砒化ガリウムキャップ層９
を成長させる。このキャップ層９上および基板１に電極
を蒸着により形成する。

上述の傾斜屈折率層および量子井戸を含む活性層７の形
成方法については、パート他による論文、オランダ国雑
誌、ジャーナル・オブ・クリスタル・グｏ−ス（ＲＢｈ
ａｔ　ｅｔ　ａｌ：ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ　Ｑ［ＪＡＮＴ
ＵＭＷＥＬＬ　　ＨＥＴＥＲＯ３ＴＲＣＴＵＲ８Ｓ　　
ＧＲＯＷＮ　　ＢＹ　　０ＭＣＶＤ　　ＯＮ　　Ｎ０Ｎ
−ＰＬＡＮＡＲ５ＵＥＩＳＴＲＡＴＥＳ：ＡＰＰＩ、ｒ
ｃＡＴｒＯＮｓ　　ＴＯＥＸＴＲＥＭＥＬＹＮＡＲＲＯ
Ｗ　ＳＱＷ　ＬＡＳＥＲ３，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃ
ｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ９３（１９８ｇ）ｐｐ８５
０−８５６　Ａｍｓｔｅｒｄａｍ　）に詳しい記載があ
り、この記載にしたがって製造することができる。

また、量子井戸構造の半導体レーザ装置については、浅
田「量子井戸レーザの利得特性と高次元量子化による極
低しきい値化の可能性」雑誌応用物理第５７巻第５号（
１９８８年）に解説記事がある。

マスクを用いた気相エツチングについては、下山性によ
る論文、オランダ国雑誌、ジャーナル・オブ・クリスタ
ル・グロース（Ｋ　Ｓｈｉｍｏｙａｍａ　ｅｔａｌ：Ｔ
ＲＡＮｓＶεＲ３Ｅ　ＪＵＮＣＴＩＯＮ　ＢＵＲＩ６Ｄ
　ＨＥＴＥＲＯ３ＴＲＵＣＴＵＲεＬＡＳＥＲＤＩＯＤ
Ｅ　ＧＲＯＷＮ　ＢＹ　ＭＯＶＰε、　　Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ　９３（１９ｇ
９）ｐｐ８０３−８０８　Ａｍｓｔｅｒｄａｍ　）　に
詳しい記載がある。

この実施例の各層構造を表で示す。

表 第２図は本発明第二実施例装置の製造手順を示す断面図
である。この例は、半導体レーザ素子に連続して、導波
路を形成する例である。すなわち、第２図（ａ）に示す
ように、半導体成長により、基板１、クラッド層３およ
び量子井戸層７Ｗを含む活性層７を形成する。その後に
、第２図（ｂ）に示すようにマスク１５を回折格子の周
期にしたがって形成し、第２図（Ｃ）に示すように気相
エツチングを行う。

これにより活性層７はその量子井戸層７Ｗまで除去され
る。これにひきつづき分離層１６を成長させる。マスク
１５を除いてから第２図（ｄ）に示すように、ガイド層
１４、クラッド層８、コンタクト層９を順次成長させる
。

この第二実施例では、第２図（ｄ）に示すように半導体
レーザ装置の部分Ｌ２の両側に連接して、外部導波路部
分り、およびＬつが形成された構造になる。

この構造においても、活性層７の量子井戸層７Ｗが光波
の進行方向にそって、回折格子の周期にしたがって除去
されているから、上述のコゲルニツタ他による理論にお
ける利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により光分
布帰還を行う。

なお、量子井戸層７Ｗは、複数の量子井戸層および障壁
層を交互に積層した多重量子井戸層（ＭＱＷ）で構成す
ることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、コゲルニツタ他
による理論における利得係数の周期的摂動に基づく利得
結合により光分布帰還を行う半導体レーザ装置が実現さ
れた。しかも、上記先願に記載されたもののように不透
明層を設けてエネルギ吸収損失を生じさせることなく、
また、活性層に回折格子を形成しても半導体結晶構造に
欠陥を生じさせることがない。また、反射防止措置を必
要としない。

したがって、本発明の半導体レーザ装置では、２モ一ド
発振を起こすことなく発振モードが安定であり、これを
予め設計設定することができる。

本発明の半導体レーザ装置は、回折格子の形成が簡単で
あり、素子端面に反射防止膜を形成する必要もなく、そ
の構造が簡単であり、製造工程が簡単であり、良好な製
造歩留りが期待され、したがって安価である。しかも、
上記先願発明の欠点を除いてエネルギ吸収損失がなく、
さらに活性層に回折格子を形成しても活性層の半導体結
晶構造に欠陥を引き起こすことがないので、誘導放出光
を効率的に発生させることができる。

本発明の半導体レーザ装置は、その発振波長を予め設計
設定しそのとおりに製造することができ、しかも量産に
適するから、長距離光通信用、波長多重光通信用、光情
報処理装置、光情報記録装置、光応用計測装置その他各
種の光電子装置の光源としてきわめて有用である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明第一実施例装置の製造手順を示す構造断
面図。 第２図は本発明第一実施例装置の製造手順を示す構造断
面図。 １・・・基板、３・・・クラッド層、７・・・活性層、
８・・・クラッド層、９・・・コンタクト層、１４・・
・ガイド層、１５・・・マスク、１Ｇ・・・分離層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導放出光を発生させる活性層と、この活性層に設
   けられこの活性層に光分布帰還を施す回折格子とを備え
   た半導体レーザ装置において、前記活性層（７）は、前
   記回折格子の周期にしたがって除去された構造である ことを特徴とする半導体レーザ装置。 ２、第一のクラッド層（３）を成長させる第一工程と、 この第一のクラッド層の上に活性層（７）を成長させる
   第二工程と、 この活性層の上に第二のクラッド層（８）を成長させる
   第三工程と を含み、 前記第二工程は、活性層およびこの活性層の保護層を形
   成する工程を含む 半導体レーザ装置の製造方法において、 前記第二工程と前記第三工程との間に、 回折格子の周期にしたがって前記活性層（７）の上にマ
   スク（１５）を設ける工程と、 このマスクに覆われない前記活性層の部分を気相エッチ
   ングにより取り除く工程と、 この気相エッチングにより取り除かれた部分に分離層（
   １６）を選択成長させる工程と、この選択成長させる工
   程の後に前記マスク（１５）を除く工程と を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。