JPH10200191A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板上部に形成される複数のマイクロ
劈開端面構造の半導体レーザ素子の加工精度を向上さ
せ、各半導体レーザ素子を特性を揃える。 【解決手段】 半導体基板上に半導体単結晶からなるス
ペーサ層とこれよりエッチングされやすい選択エッチン
グ層を形成し、この上部に活性層を形成するヘテロ接合
を含む半導体の積層構造をエピタキシャル成長させる。
この積層構造は選択エッチング層上において幅を狭くし
た結晶柱として形成され、この結晶柱は上記選択エッチ
ング層を除去した後、劈開によりスペーサ層上の積層構
造から取り除かれる。これにより、スペーサ層上の積層
構造にはレーザ発振用のミラー面が形成される。 【効果】 マイクロ劈開の加工精度が著しく向上したの
で特性ばらつきが小さくなって歩留まりが向上し、低コ
スト化できるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは高性能、長寿命の光源の
ため家電、情報および通信などの広い産業分野に大量に
利用されている。これらの半導体レーザはチップの側面
から光を取り出す構造が主流であり、光の共振器となる
両面のミラー端面は劈開やエッチングで作成されてい
る。従来の半導体レーザはウエーハを分割してチップに
分離する工程で、理想的なミラー端面構造が得られる劈
開技術が用いられ、エッチングでは劈開に勝るミラーが
得られていないため、これが主流となっている。

【０００３】しかし、この主流技術では素子はウエーハ
から分割されて初めてできあがるもので、ウエーハ上に
任意の素子を集積する場合や、製造工程の途中でウエー
ハ形状のまま素子特性を評価する目的には適さない欠点
があった。このために従来技術では図7に示すように周
囲が空気で囲まれた結晶横柱77（結晶柱と略す）を形成
し、このX-X'線を劈開によって分離してマイクロ劈開ミ
ラーを形成する構造がAppl.Phys.Lett.40(4)、15、 Fe
b.1982、 pp289-pp290によって述べられている。このカ
ンチレバー（片持ち梁）型の結晶柱77は選択的にウエッ
トエッチングされる組成の成長層73（選択エッチング層
と略す）を結晶基板71上にエピタキシャル成長させ形成
している。

【０００４】しかし、上記選択エッチング層73は通常速
い速度で溶解するため結晶柱77の長さが制御できず、レ
ーザ素子のマイクロ劈開ミラー端面近傍の外観形状がば
らつき易い問題があり、素子特性や信頼性がばらつくた
め、歩留まりが悪い問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のマイ
クロ劈開ミラー端面を有する半導体レーザ素子の製造工
程において、ウエーハ形態（即ち、個々の素子のチップ
にスクライブする前の段階）のうちに当該半導体レーザ
素子の劈開ミラー端面を形成て個々のチップにレーザ光
発振のための共振器構造を形成し、形状の揃った複数の
半導体レーザ素子構造を製造する技術と、この製造技術
に特徴づけられる素子構成を提供することを目的にして
いる。これによって１葉のウエハから得られる複数の半
導体レーザ素子の特性の均一性が向上し、大量生産や集
積化を容易にする。

【０００６】即ち、本発明は、従来のマイクロ劈開ミラ
ー構造で問題があったばらつきを素子構造に改良を加え
て抑制し、制御性に優れた形成技術を提供することを目
的とする（半導体レーザ素子構造の観点での目的）。

【０００７】さらに本発明のレーザ素子を光通信等のシ
ステムを構築する光源として用いるために、素子からの
光出力を光ファイバや光導波路に効率良く伝達する構造
を提供することも重要な課題である。この課題を解決す
ることは、本発明の（システム応用の観点での目的であ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】マイクロ劈開ミラー構造
を作製するためには、レーザ光発振動作を行う活性層に
電流を集中させるストライプメサを形成し、このストラ
イプメサの素子領域の外れた部分にカンチレバー構造か
エアーブリッジ構造の「結晶柱」を形成し、これを劈開
する必要がある。

【０００９】ここで本発明の特徴を明らかにするため、
従来のマイクロ劈開ミラー構造の半導体レーザ素子につ
いて説明を加える。マイクロ劈開ミラー構造を有する半
導体レーザ素子は、通常の半導体基板主面の上部に半導
体結晶を逐次積層し、積層される半導体結晶層間にヘテ
ロ接合を形成して発光に係るキャリア再結合が生じる半
導体層（所謂、活性層）を設ける半導体レーザ素子の製
造工程に対し、基板主面と活性層間に位置する少なくと
も一の半導体結晶層（スペーサ層）を部分的に除去し、
当該活性層と基板主面との間に空隙を設ける工程を含め
て製造される。このため、製造過程の一時にて活性層は
スペーサ層上部から空隙上部に迫り出す形態を呈する
（これが上述のカンチレバー構造又はエアーブリッジ構
造と呼ばれる所以である）。活性層の迫り出し部に力を
加えると、迫り出し部は劈開によりスペーサ層状部の活
性層から除去され、後者の活性層にはレーザ共振器のミ
ラー（出射又は反射端面）が空隙部の縁に沿うように形
成される。この迫り出し部の活性層幅（空隙部の縁に沿
った寸法）をスペーサ層状部の活性層幅より狭くし、レ
ーザ共振器の端面の「一部」に上述のミラー面を劈開に
より形成するところにマイクロ劈開ミラー構造なる名称
は由来する。このように狭い幅で形成される上述の迫り
出し部は、その構成上の特徴に基づき以下の説明にて
「結晶柱」なる言葉で表現する。

【００１０】本発明の第１の主旨とするところは、上述
のマイクロ劈開ミラー構造を有する半導体レーザ素子に
おいて上記結晶柱を再現性良く、高精度で作る技術を提
供することで本発明の課題を解決するものである。上記
課題を解決する手段を図1の本発明の素子構造の一例で
説明する。これはマイクロ劈開でミラー構造を形成する
製造工程のうち、結晶柱を劈開する直前の素子主要部の
構造を示したものである。結晶柱７の下側に凹み部（上
述の空隙部を構成するスペーサ層の切り欠き部）４を所
定の寸法に形成することが本発明の特徴である。このた
め、凹み部４は所定の寸法で設けた選択エッチング層３
（直接図示しないが、図１に至る過程で凹み部内に存
在）をウエットエッチングで選択的に除去することによ
って得られる。凹み部４を形成する前の工程では選択エ
ッチング層３と単結晶からなるスペーサ層２がウエーハ
結晶基板１の同一面上にあり、両者の高さはほぼ等しい
構成である。結晶柱７を形成するために選択エッチング
層３を除去すると所定の寸法の凹み部４ができ、結晶柱
７を劈開するためには凹み部４の深さを1μｍ以上とす
ることが望ましい。

【００１１】本発明の第２の主旨は、上述の半導体レー
ザ素子の製造方法に好適且つ特徴づけられる半導体レー
ザ素子の構成を提供し、本発明の目的を上述の半導体レ
ーザ素子の観点のみならず、システム応用の観点からも
達成せんとするものである。本発明の半導体レーザ素子
構造、即ち当該素子を構成する結晶構造はウエーハ結晶
基板１の同一面上にスペーサ層２と選択エッチング層３
があり、この両表面上にレーザ活性層を含む積層の結晶
成長層があることを特徴としている。スペーサ層２は、
上記劈開用ばかりでなくレーザ端面からの光出力を光フ
ァイバや光導波路に効率よく結合する目的のために機能
し、スペーサ層２の厚さと選択エッチング層３の寸法は
これを実装するモジュールの最適設計で決められる。

【００１２】上述の結晶構造の特徴を半導体レーザ素子
の完成時のイメージに即して述べれば、半導体基板１の
主面上部に半導体結晶からなる第１半導体領域（スペー
サ層２）が形成された部分（以下、第１領域）を有し、
さらに第１半導体領域上部にレーザ光発振用の共振器構
造を持つ第２半導体領域が形成された部分を有する。ま
た当該半導体基板主面上部の上述の第２半導体領域に形
成される共振器の少なくとも一方の端面（レーザ光を発
振する方向に略直交する第２半導体領域の側壁）に面し
た部分に第１半導体領域が形成されない部分（第２領
域）を有する。第２領域は、少なくともこれが面する共
振器端面に形成されたミラー面（レーザ光の出射又は反
射を行う鏡面）に対向していればよい。

【００１３】第２領域は共振器端面から遠ざかるように
（共振器とは反対の方向に）延伸して形成される点で本
発明の素子構造は従来のマイクロ劈開ミラー構造の半導
体レーザ素子に準じるが、本発明では第２領域の延伸方
向の両側に上述の第１半導体領域が形成されている点は
異なる。この特徴的な形状は、上述のとおり凹み部４の
形状を選択エッチング層３により規定した結果として現
れる痕跡であり、例えば第２領域は３方を第１半導体領
域で囲まれることになる。このため、第２領域の少なく
とも共振器端面側の寸法は、半導体基板主面上部に形成
される第１半導体領域の形状により決められるともいえ
よう。さらに、第２領域の延伸方向の両側に位置する第
１半導体領域の第２領域に面する側壁を共振器端面に略
直交するように形成すると、共振器端面に光ファイバを
光学的に結合させるときの光ファイバ治具として機能さ
せることができる。この場合、第２領域の幅（共振器端
面に平行な寸法）と第２領域側方に形成される第１半導
体領域の厚み（半導体基板主面に直交する方向の寸法）
とは上述の素子製造プロセスで制御できるため、光ファ
イバと共振器端面（特に第２半導体領域の活性層）との
アラインメントを考慮して素子製造プロセス条件を設定
すれば、光結合効率の高い光信号送信モジュールを実現
できる。

【００１４】なお、以上の説明で用いた「半導体領域」
なる表現の根拠は、当該半導体領域の実施態様が単一の
半導体層でも複数の半導体層（例えば、積層構造）でも
よいことにあり、また上述の活性層は、単一の半導体層
に限らず、例えば禁制帯幅の異なる井戸層と障壁層とを
組み合わせた量子井戸構造として実施されてもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以上に述べた本発明の具体的な実
施態様に関し、以下の実施例１乃至５と関連図面を参照
して説明する。

【００１６】＜実施例１＞本発明の一実施例である半導
体レーザ素子の構造を図１と図４と図８に示す。図１は
マイクロ劈開でミラー構造を形成する製造工程の内、結
晶柱を劈開する直前の素子主要部の構造を示したもので
ある。ウエーハ形態の結晶基板１上にはレーザストライ
プ５と上部電極６および結晶柱７からなる構造が形成さ
れている。次の工程で結晶柱７をX-X'で劈開により分離
してミラー端面を形成する。凹み部４の側面はスペーサ
層２と呼ぶ結晶層で囲まれている。

【００１７】このようにマイクロ劈開するための結晶柱
は所定の寸法の選択エッチング層をエッチングして形成
するので、加工精度が著しく向上した。図１を上面から
みたウエーハ形態の素子構造を図４に示す。同図のレー
ザストライプ45と上部電極４６がおよその素子領域４９
で、結晶柱47と凹み部44の中央部で素子に分離される。
この図でスペーサ層42と選択エッチング層43の面積比率
がわかる。

【００１８】このようにして作ったレーザ素子のストラ
イプ方向の側断面構造図を図８(a)に示す。結晶基板81
上にはスペーサ層82、レーザ関連層83、上部電極層84、
端面反射調整膜85、86がある。結晶基板81の裏面には下
部電極87があり、端子T-T'に順電流を流し一端面85から
レーザビーム(LB)を取り出す。LBの高さHはスペーサ層8
2の厚さによって任意に設計できる。このスペーサ層82
の厚さは図１で示した凹み部４の深さに対応して、おお
よそ両者は等しいものとする。

【００１９】図８(b)は本発明のレーザ素子を光ファイ
バ89と結合した構造例を示したものである。スペーサ層
82の役割は上記光ファイバ89の端末部にLBを高精度に位
置合わせすることであり、このために凹みの高さと形状
88が設計される。本発明の素子構造で光出力の結合特性
の優れたモジュールが容易に得られる特徴がある。

【００２０】＜実施例２＞本発明の一実施例である半導
体レーザ素子の製造方法を図２(a)から(e)に示す。GaAs
基板結晶１にAl_xGa_(1-x)As（x=0.3）のスペーサ層２を2
0μmの厚さに成長し、絶縁膜からなる例えばSiN層21を
マスクに孔9を形成する(a)。続いてSiN層21をマスクに
して上記孔9の部分だけにAl_xGa_(1-x)As（x=0.8）の結晶
を20μmの厚さに成長する。この結晶成長ではSiN層21上
には結晶が成長せずに上記孔９の部分は成長層でほぼ平
坦に埋められた構造がえられ、これが選択エッチング層
３になる(b)。上記SiN層21を除去後、ウエーハ全面にGa
Asバッファ層22、クラッド層23、活性層24、クラッド層
25、低抵抗層26を順次エピタキシャル成長する(c)。レ
ーザストライプ形成後、BH（Buried Heterostructure)
層でこのストライプメサを埋め込み、この上にホトレジ
ストパターン27を設ける(d)。これをマスクにH₂SO₄：H₂
O₂：H₂Oのエッチング液で上記GaAsバッファ層22、クラ
ッド層23、活性層24、クラッド層25、低抵抗層26のエピ
タキシャル成長層を除去29し、HClのエッチング液で選
択エッチング層３のみを除去する(e)。HClのエッチング
液は他の組成層を削らないので、この工程後、凹み部４
上に結晶柱17が形成される。この後、超音波洗浄の振動
エネルギによって、上記結晶柱17を劈開し洗浄する。続
いて、両劈開面に端面反射調整膜をそれぞれ形成する。
これはウエーハを傾けて配置し、方向性の強い蒸着法で
各端面に絶縁膜を成膜する方法で成される。上部電極パ
ターンを形成して個々のレーザ素子をウエーハ上に設け
る。GaAs基板結晶１の裏面を削って薄くして、下部電極
をつける。この工程後、ウエーハ上のレーザ素子をパル
ス測定によって性能をチェックし選別することができ
る。このウエーハを劈開しまたはカッターによってチッ
プに分離し組立られる。

【００２１】＜実施例３＞本発明の他の実施例である半
導体レーザ素子の製造方法を述べる。実施例２の製造工
程と異なった部分だけを図３で説明し、その他の同じ部
分は省略する。GaAs基板結晶１に選択エッチング層３の
Al_xGa_(1-x)As（x=0.8）の結晶を成長した後、SiN層31を
マスクにこれを加工する(a)。続いてSiN層31をマスクに
して上記選択エッチング層３を囲む如く、Al_xGa_(1-x)As
（x=0.3）のスペーサ層２を同じ高さに成長する(b)。上
記SiN層31を除去後、ウエーハ全面にGaAsバッファ層3
2、クラッド層33、活性層34、クラッド層35、低抵抗層3
6をエピタキシャル成長する(c)。

【００２２】＜実施例４＞本発明の他の実施例である複
数個の半導体レーザ素子の構造をウエーハの上面からみ
た図５で説明する。実施例１の図４と同じくレーザスト
ライプ55と上部電極56と結晶柱57とスペーサ層52からな
る構造であるが、選択エッチング層53は縦方向の帯状に
形成してあり、これを選択的に除去して形成した凹み部
54は上記選択エッチング層53の一部で、形状は矩型であ
る。

【００２３】＜実施例５＞本発明の他の実施例である複
数個の半導体レーザ素子の構造をウエーハの上面からみ
た図６で説明する。実施例１や４と同じくレーザストラ
イプ65と上部電極66と結晶柱67とスペーサ層62からなる
構造は同じであるが、同一ウエーハ上に共振器長の異な
る種々の寸法のレーザ素子を形成する点が異なる。帯状
の選択エッチング層63はレーザストライプ65と直角の縦
方向に、密度を高めて形成し、スペーサ層62との平坦度
を高めている。選択エッチング層63は素子内にダミーと
して残るが結晶格子が整合しているので特性上問題がな
い。。色々な寸法のレーザ素子（共振器長）を、同じウ
エーハの中で形成するには、ホトマスクで任意の選択エ
ッチング層63を開口し、これを除去して凹み部64と結晶
柱67を形成する。

【００２４】以上、本発明の実施例を述べたが、本発明
の主旨からして以下の組み合わせて本発明が達成できる
ことは云うに及ばない。

【００２５】（1）選択エッチング層の材料はAlAs等沢
山の混晶が利用できる。

【００２６】（2）選択エッチング層のウエーハ上の形
成模様は、矩型、縦帯のほかT型、十字のパターンや縦
ー横帯であってもよい。

【００２７】（3）結晶柱の形状は、折れ易いようにノ
ッチ入でもよい。

【００２８】（4）劈開法は上から機械的に押したり、
テープにつけて引き裂いたりしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明の効果を以下に纏める。

【００３０】（1）マイクロ劈開するための結晶柱を所
定の寸法の選択エッチング層をエッチングして形成する
ので、加工精度が著しく向上した。

【００３１】（2）上記、結晶柱を劈開して、形成され
たレーザ素子は大量生産しやすく、特性ばらつきが小さ
くなって歩留まりが向上し、低コスト化できるようにな
った。

【００３２】（3）結晶柱を支持するためにスペーサ層
の構成を取り入れたことによって、出力光の位置をスペ
ーサ層の厚みで調整できるようになり、外部に効率良く
光を取り出せるようになった。

【００３３】（4）上記、構造のレーザ素子は光通信シ
ステムを構成する光モジュールに使用し、光ファイバと
の結合が容易になり組立の簡略化によって低コスト化で
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に用いる基本的な構造を示す
半導体レーザ素子の主要構造図。

【図２】本発明の実施例２に用いる半導体レーザ素子の
製造方法を示す図。

【図３】本発明の実施例３に用いる半導体レーザ素子の
製造方法を示す図。

【図４】本発明の実施例１に用いるウエーハ形態の素子
構造の上面図。

【図５】本発明の実施例４に用いるウエーハ形態の素子
構造の上面図。

【図６】本発明の実施例５に用いるウエーハ形態の素子
構造の上面図。

【図７】従来構造の半導体レーザ素子の主要構造図。

【図８】本発明の実施例1に用いる完成した半導体レー
ザ素子のストライプ方向の側断面構造図と同レーザ素子
を光ファイバ89と結合した構成図。

【符号の説明】

1、71、81…結晶基板、2、42、52、62、82…スペーサ
層、3、43、53、63…選択エッチング層、4、44、54、64
…凹み部、5、45、55、65…レーザストライプ、6、46、
56、66…上部電極、7、47、57、67…結晶柱、22、32…G
aAsバッファ層、23、33…クラッド層、24、34…活性
層、25、35…クラッド層、26、36…低抵抗層、83…レー
ザ関連層、85、86…端面反射調整膜、89…光ファイバ8
9。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ劈開端面の半導体レーザ素子にお
   いて、レーザストライプ層の下面に単結晶からなるスペ
   ーサ層を有し且つ該スペーサ層の厚さによってレーザ光
   出力の調整をすることを特徴とした半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】上記レーザストライプ層の下面には、さら
   に選択エッチング層が形成されていることを特徴とする
   請求項1記載の半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子
   を用い、該半導体レーザ素子の光出力を光ファイバ又は
   光導波路に伝達して用いてなる光伝送システム。
4. 【請求項４】半導体レーザ用結晶成長層において、結晶
   基板の同一面上に単結晶のスペーサ層と単結晶の選択エ
   ッチング層を設ける工程と、同両層上にレーザ発振用の
   結晶成長層を形成する工程で作られたエピタキシャルウ
   エーハを用いて製作された半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】半導体レーザ素子の製造工程において、基
   板結晶上に単結晶からなるスペーサ層を成長する工程
   と、絶縁膜の層をマスクとして上記スペーサ層に孔を形
   成する工程と、絶縁膜の層をマスクにして上記孔の部分
   だけに選択エッチング層を成長する工程と、上記絶縁膜
   を除去後ウエーハ全面にレーザ発振用の半導体層をエピ
   タキシャル成長する工程と、上記半導体層にレーザスト
   ライプを形成した後BH（Buried Heterostructure)層で
   該レーザストライプを埋め込む工程と、ホトレジストパ
   ターンをマスクに上記レーザ用のエピタキシャル成長層
   とBH層を除去する工程と、エッチング液で選択エッチン
   グ層のみを除去して凹み部と結晶柱を形成する工程と、
   上記結晶柱を劈開する工程とを含むことを特徴とする半
   導体レーザ素子の製造方法。