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WO2018134950A1 - 半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法 Download PDF

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WO2018134950A1
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resonator
semiconductor substrate
end surface
semiconductor laser
forming
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PCT/JP2017/001769
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歩 淵田
奥貫　雄一郎
剛 境野
哲也 上辻
直幹 中村
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三菱電機株式会社
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    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser element and a method for manufacturing the semiconductor laser element.
  • a semiconductor laser element that emits light from the end face of the waveguide is called an edge emitting semiconductor laser.
  • the edge emitting semiconductor laser has a waveguide structure in which an active layer is sandwiched between upper and lower cladding layers.
  • One of the cladding layers is doped n-type and the other is doped p-type. Holes are injected from the p-type cladding layer into the active layer, electrons are injected from the n-type cladding layer into the active layer, and the holes and electrons recombine in the active layer to emit light. Light is amplified with gain while propagating through the waveguide.
  • a distributed feedback semiconductor laser which is one of edge emitting semiconductor lasers, has a resonator formed by a reflecting mirror composed of an interface between an end face of a semiconductor laser element and air as an emission medium, and a diffraction grating. Part of the light propagating in the waveguide is emitted to the outside at the semiconductor end face, resulting in a mirror loss. The remaining light is reflected by the end face and propagates again in the waveguide. As these steps are repeated, only a specific wavelength having a standing wave in the resonator resonates. When the sum of the internal loss during propagation through the waveguide and the mirror loss during reflection at the end face becomes equal to the gain obtained during propagation, laser oscillation occurs and coherent light is emitted from the end face.
  • DFB-LD distributed feedback semiconductor laser
  • Patent Documents 1 and 2 As means for shortening the resonator length while maintaining the chip size, integration of transparent waveguides, emission end face formation technology by dry etching, and effective current injection only to a part of the active layer A laser element with a shortened resonator length has been proposed. Further, as a prior art example, a horizontal cavity surface emitting laser element that uses a crystal plane composed of (111) plane as a reflecting mirror and emits light toward a chip surface or a substrate has been proposed.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor laser device that can be easily handled and cleaved, and that can reduce the length of the resonator portion, and a method for manufacturing the semiconductor laser device. Objective.
  • a semiconductor laser device includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, a diffraction grating formed on or below the active layer, a front end surface of a reverse mesa slope, and a rear surface.
  • a resonator part having an end face; an antireflection coating film formed on the front end face; a reflective film formed on the rear end face; an upper electrode formed on the resonator part; and the semiconductor substrate
  • a length of the resonator portion in the resonator direction is shorter than a length of the semiconductor substrate in the resonator direction, and laser light is emitted from the front end surface.
  • Another semiconductor laser device includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, a diffraction grating formed on or below the active layer, and a front end face of a forward mesa slope.
  • a resonator portion having a length in the resonator direction shorter than the length in the resonator direction of the semiconductor substrate, an antireflection coating film formed on the front end surface, and a rear end surface.
  • a method of manufacturing a semiconductor laser device includes a step of forming a mask on a semiconductor substrate, and a semiconductor layer is selectively grown on a portion of the semiconductor substrate that is not covered with the mask, thereby forming a front end that becomes a slope.
  • Another method of manufacturing a semiconductor laser device includes a step of growing a semiconductor layer on a semiconductor substrate to form a resonator portion, a step of forming a mask on a part of the resonator portion, An anisotropic etching with an etchant is performed on a portion of the resonator portion that is not covered by the mask, and a front end surface of the resonator portion is formed as a slope, and an upper electrode is formed on the upper surface of the resonator portion.
  • the length in the resonator direction of the semiconductor substrate is shorter than the length of the semiconductor substrate in the resonator direction.
  • the resonator length of the resonator section is shortened while maintaining the length of the semiconductor substrate, handling and cleavage are easy.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser element according to a first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser element according to a first embodiment. It is a figure which shows a mask.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor laser element according to a second embodiment. It is a figure which shows a mask.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor laser element according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method of manufacturing a semiconductor laser element according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method of manufacturing a semiconductor laser element according to a fourth embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor laser element according to a fourth embodiment. It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor laser element which concerns on a modification. It is sectional drawing of the semiconductor laser element which concerns on a modification.
  • a semiconductor laser device and a method for manufacturing the semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and repeated description may be omitted.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
  • This semiconductor laser element includes a semiconductor substrate 1.
  • the semiconductor substrate 1 is a substrate whose principal surface is a (100) plane doped p-type or n-type.
  • the material of the semiconductor substrate 1 is, for example, InP.
  • a substrate formed of InP or the like and a layer formed thereon may be used as the semiconductor substrate 1. That is, the semiconductor substrate 1 may be configured by a single substrate, but the substrate and the layers formed thereon may be combined into the semiconductor substrate 1.
  • the resonator unit 10 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1.
  • the resonator unit 10 is formed on the first cladding layer 3, the diffraction grating 2 formed in the first cladding layer 3, the active layer 4 formed on the first cladding layer 3, and the active layer 4.
  • the second cladding layer 5, the front end surface 12 of the reverse mesa slope, and the rear end surface 14 are provided.
  • the first cladding layer 3 is made of, for example, InP.
  • the diffraction grating 2 is made of, for example, an InGaAsP semiconductor.
  • the diffraction grating 2 may be formed on the active layer 4 or below the active layer 4.
  • the diffraction grating 2 may be formed in the second cladding layer 5.
  • the active layer 4 is formed of, for example, an AlGaInAs-based or InGaAsP-based semiconductor.
  • the active layer 4 may include a quantum well structure.
  • the second cladding layer 5 is made of, for example, InP.
  • the semiconductor substrate 1 is p-type doped
  • the first cladding layer 3 is doped p-type and the second cladding layer 5 is doped n-type.
  • the semiconductor substrate 1 is n-type doped
  • the first cladding layer 3 is doped n-type and the second cladding layer 5 is doped p-type.
  • the front end face 12 is a reverse mesa slope.
  • An inverted mesa is a mesa whose width is narrow at the lower part and wider at the upper part. Therefore, the reverse mesa slope is a slope with the upper part protruding outward than the lower part.
  • the front end face 12 according to the first embodiment is a downward (111) B face.
  • the front end surface 12 is a surface having an inclination of 54.7 ° with respect to the (100) surface which is the main surface of the semiconductor substrate 1. In other words, the angle formed by the front end surface 12 and the main surface of the semiconductor substrate 1 is 54.7 °.
  • the rear end face 14 is a plane parallel to the (011) plane.
  • the rear end face 14 is a cleavage plane formed by cleavage.
  • An antireflection coating film 12 ⁇ / b> A is formed on the front end surface 12.
  • the material of the antireflection coating film 12A is, for example, at least one of Si, SiO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , and SiN.
  • the antireflection coating film 12A may be a single layer or a multilayer.
  • a reflective film 14 ⁇ / b> A is formed on the rear end surface 14.
  • the reflective film 14A may be referred to as a high reflectance coating film. Material of the reflective film 14A, for example Si, SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, SiN of at least one.
  • the reflective film 14A may be a single layer or a multilayer.
  • the upper electrode 20 is formed on the resonator unit 10.
  • a lower electrode 22 is formed under the semiconductor substrate 1.
  • the material of the upper electrode 20 and the lower electrode 22 can be a metal such as Au, Ge, Zn, Pt, Ti, for example.
  • FIG. 1 shows the length L1 of the resonator unit 10 in the resonator direction.
  • the resonator direction is a direction parallel to the direction from the front end face 12 toward the rear end face 14.
  • the resonator direction in the present embodiment is the [011] direction. Therefore, the length of the resonator unit 10 in the resonator direction is the length from the front end surface 12 to the rear end surface 14.
  • FIG. 1 also shows the length L2 of the semiconductor substrate 1 in the resonator direction.
  • the length L1 of the resonator unit 10 in the resonator direction is shorter than the length L2 of the semiconductor substrate 1 in the resonator direction. That is, L1 ⁇ L2.
  • L1 is, for example, 50 to 200 ⁇ m
  • L2 is, for example, 200 to 400 ⁇ m.
  • the semiconductor laser device emits laser light from the front end face 12.
  • An arrow extending from the front end face 12 in FIG. 1 indicates a laser beam emission direction. Since the antireflection coating film 12A is formed on the front end face 12, the light oscillated by the resonator unit 10 is emitted from the front end face 12 to the outside as it is.
  • the angle formed by the front end surface 12 and the main surface of the semiconductor substrate 1 is 54.7 °, the refractive index of the semiconductor of the resonator unit 10 is about 3.2, and the refractive index of external air is about 1, so that the laser beam is The light is emitted obliquely upward from the front end face 12. Since the laser light is emitted obliquely upward from the front end face 12, the laser light is not blocked by the semiconductor substrate 1. That is, there is no vignetting due to the semiconductor substrate 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device in a plane perpendicular to the resonator direction.
  • the active layer 4 is buried with a buried structure 30.
  • the buried structure 30 is, for example, an InP layer doped with a semi-insulator material such as Fe or Ru.
  • the width W of the active layer 4 is, for example, 0.8 to 1.6 ⁇ m.
  • a structure such as a current block buried layer using a thyristor structure made of p-type InP and n-type InP, or a ridge laser not buried by a semiconductor may be adopted.
  • a semiconductor layer is selectively grown on a portion of the semiconductor substrate 1 that is not covered with the mask 40 to form the resonator unit 10 having the front end face 12 that becomes a slope.
  • the selective growth is performed by, for example, the MOCVD method.
  • the resonator part 10 which has the front end surface 12 used as a reverse mesa slope can be formed.
  • the upper electrode 20 is formed on the upper surface of the resonator unit 10
  • the lower electrode 22 is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 1
  • the antireflection coating film 12 ⁇ / b> A is formed on the front end surface 12
  • the rear end surface of the resonator unit 10 A reflective film 14 ⁇ / b> A is formed on 14.
  • the front end face 12 is a crystal face formed by selective growth.
  • the crystal plane formed by selective growth is a very smooth plane. Therefore, light scattering loss can be suppressed.
  • the length L1 of the resonator unit 10 in the resonator direction is shorter than the length L2 of the semiconductor substrate 1 in the resonator direction. Therefore, since the semiconductor laser element as a whole has a relatively long length L2, it is easy to handle and cleave the semiconductor laser element.
  • the length L2 can be the same as that of the conventional low-speed modulation DFB-LD.
  • the resonator unit 10 has a relatively short length L1, the relaxation oscillation frequency becomes high, which is suitable for high-speed modulation.
  • the semiconductor laser element according to Embodiment 1 does not have a transparent waveguide. Therefore, the number of times of crystal growth can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, in the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention, the front end face 12 is formed by selective growth, so the front end face 12 becomes a smooth crystal plane. Therefore, light scattering loss can be suppressed as compared with the element of Non-Patent Document 2 or the like in which a resonator is formed using the dry etching end face as a reflecting mirror.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which an end face of an inverted mesa slope is used as a reflecting mirror and laser light is emitted upward in the plane direction.
  • the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention takes out light with the front end face 12 of the reverse mesa slope as the emission end face, and thus does not have the above-described disadvantages.
  • the semiconductor laser device and the method for manufacturing the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention can be modified within a range not losing its characteristics. For example, as long as the above-described effects can be obtained, the crystal plane or direction specified in the semiconductor laser device of the first embodiment can be changed.
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • a resonator unit 50 is formed on the semiconductor substrate 1.
  • the resonator unit 50 is formed on the first cladding layer 3, the diffraction grating 2 formed in the first cladding layer 3, the active layer 4 formed on the first cladding layer 3, and the active layer 4.
  • the second cladding layer 5, the front end face 52 of the forward mesa slope, and the rear end face 14 are provided. Since the diffraction grating 2 may be formed above or below the active layer 4, it may be formed at a place other than the first cladding layer 3.
  • An antireflection coating film 52 ⁇ / b> A is formed on the front end surface 52.
  • Material of the antireflection coating film 52A for example, Si, SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, SiN of at least one.
  • the antireflection coating film 52A may be a single layer or a multilayer.
  • a reflective film 14 ⁇ / b> A is formed on the rear end surface 14. By adjusting the film thickness of the antireflection coating film 52A and the reflection film 14A, a predetermined reflectance is realized.
  • the upper electrode 20 is formed on the resonator unit 50.
  • a lower electrode 22 is formed under the semiconductor substrate 1. By applying a voltage to the upper electrode 20 and the lower electrode 22, a current flows in the semiconductor laser element, and a current is injected into the active layer 4 to obtain light emission from the active layer 4.
  • a metal mirror 54 is provided on the upper surface of the semiconductor substrate 1 where the resonator unit 50 is not formed.
  • the metal mirror 54 is made of a metal such as Au, Ge, Pt, or Ti and reflects light.
  • the semiconductor laser device emits laser light from the front end face 52.
  • An arrow extending from the front end face 52 in FIG. 4 indicates the emission direction of the laser light. Since the antireflection coating film 52A is formed on the front end face 52, the laser-oscillated light is emitted from the front end face 52 to the outside as it is.
  • the angle formed by the front end face 52 and the main surface of the semiconductor substrate 1 is 125.3 °, the refractive index of the semiconductor of the resonator unit 50 is about 3.2, and the refractive index of the external air is about 1, so that the laser light is The light is emitted obliquely downward from the front end face 52.
  • the laser beam emitted from the front end face 52 is reflected by the metal mirror 54 and goes straight upward in an oblique direction. Thereby, vignetting of light by the semiconductor substrate 1 can be prevented.
  • FIG. 5 shows a mask 60 formed on the semiconductor substrate 1.
  • the main surface of the semiconductor substrate 1 is a (100) plane.
  • the mask 60 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1 so that the edges are parallel to the [011] direction.
  • Material of the mask 60 is, for example, SiO 2.
  • a semiconductor layer is selectively grown on a portion of the main surface of the semiconductor substrate 1 that is not covered with the mask 60 to form a resonator unit 50 having a front end surface 52 that becomes a forward mesa slope.
  • the selective growth is performed by, for example, the MOCVD method.
  • the upper electrode 20 is formed on the upper surface of the resonator unit 50
  • the lower electrode 22 is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 1
  • an antireflection coating film 52 ⁇ / b> A is formed on the front end surface 52
  • the rear end surface of the resonator unit 50 A reflective film 14A is formed.
  • a metal mirror 54 is formed between the front end face 52 and the chip front end face 15.
  • the front end face 52 was a crystal face formed by selective growth.
  • the crystal plane formed by selective growth is a very smooth plane. Therefore, light scattering loss can be suppressed as compared with the case where the front end face is formed by etching.
  • the length L ⁇ b> 1 of the resonator unit 50 in the resonator direction is shorter than the length L ⁇ b> 2 of the semiconductor substrate 1 in the resonator direction. Therefore, since the semiconductor laser element as a whole has a relatively long length L2, it is easy to handle and cleave the semiconductor laser element. Moreover, since the resonator unit 50 has a relatively short length L1, the relaxation oscillation frequency becomes high, which is suitable for high-speed modulation. In addition, the same effects as those of the semiconductor laser device of the first embodiment and the method for manufacturing the semiconductor laser device can be obtained.
  • FIG. FIG. 6 is a sectional view of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • a dielectric 70 is provided on a portion of the upper surface of the semiconductor substrate 1 where the resonator unit 10 is not formed.
  • the dielectric 70 fills a step between a portion of the upper surface of the semiconductor substrate 1 where the resonator unit 10 is not formed and the upper surface of the resonator unit 10.
  • the material of the dielectric 70 is, for example, a polymer.
  • the top surface of the dielectric 70 is preferably the same height as the top surface of the resonator unit 10.
  • the transfer process including resist coating or resist pattern exposure can be facilitated by filling the step between the main surface of the semiconductor substrate 1 and the upper surface of the resonator unit 10 with the dielectric 70.
  • the transfer process is a process used for forming the upper electrode 20, for example.
  • the dielectric 70 is used as a waveguide. That is, the laser light emitted from the front end surface 12 propagates through the dielectric 70.
  • the dielectric 70 may be removed after the transfer process is complete.
  • a dielectric may be provided on the semiconductor substrate of the semiconductor laser device having the front end face 52 of the forward mesa slope shown in FIG. Such a dielectric is provided on the metal mirror 54.
  • the front end face 56 of the resonator unit 10 can be a slope.
  • the resonator unit 10 having the front end face 56 of the forward mesa slope shown in FIG. 9 is formed.
  • an antireflection coating film 56 ⁇ / b> A is formed on the front end surface 56, and the rear end surface of the resonator unit 50 A reflective film 14 ⁇ / b> A is formed on 14.
  • a metal mirror 54 is formed. In this way, the semiconductor laser device having the front end face 56 composed of the (111) A face shown in FIG. 9 is completed.
  • the length L1 of the resonator unit 50 in the resonator direction is shorter than the length L2 of the semiconductor substrate 1 in the resonator direction.
  • Embodiment 4 since the front end face 56 is formed by anisotropic etching using an etchant, a smooth front end face 56 can be obtained as compared with the case where the front end face is formed by dry etching. Therefore, light scattering loss can be suppressed.
  • the front end face of the forward mesa slope is formed by anisotropic etching, but the front end face of the reverse mesa slope may be formed by anisotropic etching.
  • a process for forming the front end face of the reverse mesa slope will be described.
  • a mask 82 is formed on the resonator unit 10a so that the edges are parallel to the [011] direction.
  • the resonator unit 10a is anisotropically etched using an etchant such as HBr, sulfuric acid, or tartaric acid. If it does so, the front-end surface of a resonator part can be made into a slope.
  • the resonator unit 10 having the front end face 16 of the reverse mesa slope shown in FIG. 11 is formed.
  • the front end face 16 is a crystal plane composed of a (111) A plane.
  • an antireflection coating film 16 ⁇ / b> A is formed on the front end surface 16, and the rear end surface of the resonator unit 10 A reflective film 14 ⁇ / b> A is formed on 14.
  • the semiconductor laser device shown in FIG. 11 is completed.

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Abstract

半導体基板と、半導体基板の上に形成され、活性層と、逆メサ斜面の前端面と、後端面とを有する共振器部と、該前端面に形成された反射防止コーティング膜と、該後端面に形成された反射膜と、該活性層の上又は下に形成された回折格子と、該共振器部の上に形成された上部電極と、該半導体基板の下に形成された下部電極と、を備え、該共振器部の共振器方向の長さは該半導体基板の該共振器方向の長さより短く、該前端面からレーザ光が出射することを特徴とする。

Description

半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法
　この発明は、半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法に関する。
　導波路端面から光を出射する半導体レーザ素子は端面発光半導体レーザと呼ばれている。端面発光半導体レーザは活性層を上下のクラッド層で挟んだ導波路構造を有する。クラッド層の一方はｎ型にドーピングされ、もう一方はｐ型にドーピングされている。ｐ型クラッド層から活性層にホールが注入され、ｎ型クラッド層から活性層に電子が注入され、ホールと電子が活性層内で再結合し発光する。光はこの導波路内を伝搬する間に利得を得て増幅される。
　端面発光半導体レーザの一つである分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ－ＬＤ）は半導体レーザ素子の端面と出射媒質である空気の界面からなる反射鏡、および回折格子により共振器を形成している。導波路内を伝搬した光の一部が半導体端面で外部に出射しミラー損失となる。残りの光は端面で反射し再び導波路内を伝搬する。これらを繰り返すうちに共振器内に定常波をもつ特定の波長のみが共振する。導波路伝搬時の内部損失および端面反射時のミラー損失の和が伝搬中に得る利得と等しくなったときにレーザ発振し、端面からコヒーレント光が出射する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　このようにレーザ素子の共振器長を短くするとｆｒが高くなるのであるが、共振器長を短くするとチップハンドリング及びへき開等が困難になるという問題が生じる。そのため、例えば特許文献１、２と非特許文献１、２に開示される様々な技術が提案されている。具体的には、チップサイズを維持したまま共振器長を短くする手段として、透明導波路の集積、ドライエッチングによる出射端面形成技術、活性層の一部にのみ電流注入を行うことで実効的な共振器長を短くしたレーザ素子などが提案されている。また、先行技術例として(１１１)面からなる結晶面を反射鏡として利用し、光をチップ表面もしくは基板方向に出射させる水平共振器型面発光レーザ素子も提案されている。
日本特開２０１１－１１９３１１号公報 日本特開２００９－１３００３０号公報
N. Nakamura et.al., Optical Fiber Communication Conference2015 S. Matsuo et.al., J. Lightwave Technol. 33, No.6, 2015
　高速動作可能な共振器長の短い半導体レーザ素子を実現するために、上記のとおりいくつかの方法が提案されている。これらの提案は、チップサイズを小さくするパターンと、外部に透明導波路を集積するなどのパターンに大別される。前者は前述のとおり組立工程などにおけるハンドリングの問題とへき開が難しくなる問題がある。後者については例えば透明導波路の集積を行うと結晶成長回数が増えるためコストが増加する問題がある。
　本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、ハンドリングとへき開が容易であり、しかも共振器部の長さを短くできる半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。
　本願の発明にかかる半導体レーザ素子は、半導体基板と、半導体基板の上に形成され、活性層と、該活性層の上又は下に形成された回折格子と、逆メサ斜面の前端面と、後端面とを有する共振器部と、該前端面に形成された反射防止コーティング膜と、該後端面に形成された反射膜と、該共振器部の上に形成された上部電極と、該半導体基板の下に形成された下部電極と、を備え、該共振器部の共振器方向の長さは該半導体基板の該共振器方向の長さより短く、該前端面からレーザ光が出射することを特徴とする。
　本願の発明に係る他の半導体レーザ素子は、半導体基板と、半導体基板の上に形成され、活性層と、該活性層の上又は下に形成された回折格子と、順メサ斜面の前端面と、後端面とを有し、共振器方向の長さが、該半導体基板の該共振器方向の長さより短い共振器部と、該前端面に形成された反射防止コーティング膜と、該後端面に形成された反射膜と、該半導体基板の上に設けられたメタルミラーと、該共振器部の上に形成された上部電極と、該半導体基板の下に形成された下部電極と、を備え、該前端面から出射したレーザ光が該メタルミラーによって反射されることを特徴とする。
　本願の発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板の上にマスクを形成する工程と、該半導体基板のうち該マスクで覆われていない部分に半導体層を選択成長させ、斜面となる前端面を有する共振器部を形成する工程と、該共振器部の上面に上部電極を形成し、該半導体基板の下面に下部電極を形成する工程と、該前端面に反射防止コーティング膜を形成し、該共振器部の後端面に反射膜を形成する工程と、を備え、該共振器部の共振器方向の長さは該半導体基板の該共振器方向の長さより短いことを特徴とする。
　本願の発明に係る他の半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板の上に半導体層を成長させ共振器部を形成する工程と、該共振器部の一部にマスクを形成する工程と、該共振器部の該マスクに覆われていない部分に対し、エッチャントによる異方性エッチングを施し、該共振器部の前端面を斜面とする工程と、該共振器部の上面に上部電極を形成し、該半導体基板の下面に下部電極を形成する工程と、該前端面に反射防止コーティング膜を形成し、該共振器部の後端面に反射膜を形成する工程と、を備え、該共振器部の共振器方向の長さは該半導体基板の該共振器方向の長さより短いことを特徴とする。
　本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
　この発明によれば、半導体基板の長さを維持しつつ共振器部の共振器長を短くするのでハンドリングとへき開が容易である。
実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。 マスクを示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の断面図である。 マスクを示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の断面図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。 実施の形態４に係る半導体レーザ素子の断面図である。 変形例に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。 変形例に係る半導体レーザ素子の断面図である。
　本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。この半導体レーザ素子は半導体基板１を備えている。半導体基板１はｐ型あるいはｎ型にドーピングされた(１００)面を主面とする基板である。半導体基板１の材料は例えばＩｎＰである。ＩｎＰなどで形成された基板とその上に形成された層を半導体基板１としてもよい。つまり、１枚の基板で半導体基板１を構成してもよいが、基板とその上に形成された層をまとめて半導体基板１としてもよい。
　半導体基板１の主面に共振器部１０が形成されている。共振器部１０は、第１クラッド層３、第１クラッド層３の中に形成された回折格子２、第１クラッド層３の上に形成された活性層４、活性層４の上に形成された第２クラッド層５、逆メサ斜面の前端面１２、および後端面１４を備えている。第１クラッド層３は例えばＩｎＰで形成されている。回折格子２は例えばＩｎＧａＡｓＰ系半導体で形成されている。回折格子２は、活性層４の上に形成されてもよいし活性層４の下に形成されてもよい。例えば回折格子２を第２クラッド層５に形成してもよい。活性層４は例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系あるいはＩｎＧａＡｓＰ系半導体で形成する。活性層４は量子井戸構造を含んでもよい。
　第２クラッド層５は例えばＩｎＰで形成されている。半導体基板１がｐ型ドーピングされている場合は、第１クラッド層３はｐ型にドーピングされ、第２クラッド層５はｎ型にドーピングされる。他方、半導体基板１がｎ型ドーピングされている場合は、第１クラッド層３はｎ型にドーピングされ、第２クラッド層５はｐ型にドーピングされる。
　前述のとおり前端面１２は逆メサ斜面となっている。逆メサというのは、下の部分で幅が狭く上の部分で幅が広くなるメサのことである。したがって、逆メサ斜面は、下部よりも上部の方が外側に出っ張る斜面である。実施の形態１に係る前端面１２は下向きの(１１１)Ｂ面である。この前端面１２は、半導体基板１の主面である（１００）面に対して５４．７°の傾きを持つ面である。言い換えれば、前端面１２と半導体基板１の主面のなす角は５４．７°である。後端面１４は（０１１）面と平行な面である。後端面１４は、へき開によって形成されたへき開面である。
　前端面１２に反射防止コーティング膜１２Ａが形成されている。反射防止コーティング膜１２Ａの材料は例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮの少なくとも１つである。反射防止コーティング膜１２Ａは単層でも多層でもよい。後端面１４には反射膜１４Ａが形成されている。反射膜１４Ａは高反射率コーティング膜と呼ばれることもある。反射膜１４Ａの材料は例えばＳｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮの少なくとも１つである。反射膜１４Ａは単層でも多層でもよい。反射防止コーティング膜１２Ａと反射膜１４Ａの膜厚を調整することで、予め定められた反射率を実現する。
　共振器部１０の上に上部電極２０が形成されている。半導体基板１の下には下部電極２２が形成されている。上部電極２０と下部電極２２の材料は、例えばＡｕ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｔｉ等の金属とすることができる。上部電極２０と下部電極２２に電圧を印加することで、半導体レーザ素子の中に電流が流れ活性層４に電流を注入して活性層４からの発光を得る。
　図１には、共振器部１０の共振器方向の長さＬ１が示されている。共振器方向とは、前端面１２から後端面１４へ向かう方向と平行な方向である。本実施形態における共振器方向は［０１１］方向である。したがって共振器部１０の共振器方向の長さとは、前端面１２から後端面１４までの長さである。図１には、半導体基板１の共振器方向の長さＬ２も示されている。共振器部１０の共振器方向の長さＬ１は、半導体基板１の共振器方向の長さＬ２より短くなっている。つまり、Ｌ１＜Ｌ２となっている。なお、高速変調用ＤＦＢレーザ素子である本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子では、Ｌ１は例えば５０～２００μｍであり、Ｌ２は例えば２００～４００μｍである。
　実施の形態１に係る半導体レーザ素子は前端面１２からレーザ光が出射するものである。図１の前端面１２から伸びる矢印はレーザ光の出射方向を示す。前端面１２には反射防止コーティング膜１２Ａが形成されているため、共振器部１０でレーザ発振した光は前端面１２からそのまま外部に放出される。前端面１２と半導体基板１の主面がなす角は５４．７°であり、共振器部１０の半導体の屈折率は３．２程度、外部の空気の屈折率は１程度なので、レーザ光は前端面１２から斜め上方に出射される。レーザ光は前端面１２から斜め上向きに出射するので、レーザ光が半導体基板１に遮断されることはない。すなわち、半導体基板１によるケラレはない。
　図２は、共振器方向と垂直な面における半導体レーザ素子の断面図である。活性層４は埋め込み構造３０によって埋め込まれている。埋め込み構造３０は、例えば、Ｆｅ又はＲｕなどの半絶縁体材料をドーピングしたＩｎＰ層である。埋め込み構造３０を活性層４の左右に設けることで、電流狭窄を行い、電流が効率よく活性層４に注入されるようにする。活性層４の幅Ｗは、例えば０．８～１．６μｍである。埋め込み構造３０に代えて、ｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰからなるサイリスタ構造を用いた電流ブロック埋め込み層、又は半導体による埋め込みを行わないリッジレーザといった構造を採用してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　次いで、半導体基板１のうちマスク４０で覆われていない部分に半導体層を選択成長させ、斜面となる前端面１２を有する共振器部１０を形成する。選択成長は例えばＭＯＣＶＤ法などにより行う。これにより、逆メサ斜面となる前端面１２を有する共振器部１０を形成することができる。
　次いで、共振器部１０の上面に上部電極２０を形成し、半導体基板１の下面に下部電極２２を形成した後、前端面１２に反射防止コーティング膜１２Ａを形成し、共振器部１０の後端面１４に反射膜１４Ａを形成する。こうして、図１の半導体レーザ素子が完成する。
　ところで、出射端面になる前端面と反射鏡となる後端面をドライエッチングで形成した場合、へき開面に比べて端面の凹凸が大幅に大きくなり、光の散乱損失が大きくなってしまう。そこで、本発明の実施の形態１では前端面１２は選択成長により形成された結晶面とした。選択成長により形成された結晶面は非常に平滑な面である。したがって、光の散乱損出を抑制できる。
（特徴）
　本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法の特徴について説明する。図１を参照しつつ説明したとおり、共振器部１０の共振器方向の長さＬ１は、半導体基板１の共振器方向の長さＬ２より短くなっている。そのため、半導体レーザ素子は全体としては比較的長い長さＬ２であるので半導体レーザ素子のハンドリングとへき開が容易である。長さＬ２は従来の低速変調用ＤＦＢ－ＬＤと同等の長さとすることができる。しかも共振器部１０は比較的短い長さＬ１であるので、緩和振動周波数が高くなり、高速変調に好適である。
　また実施の形態１に係る半導体レーザ素子は、非特許文献１の素子とは異なり、透明導波路を有さない。そのため結晶成長の回数が少なくて済み、製造コストの低減を図ることが出来る。さらに、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法では、選択成長により前端面１２を形成するので前端面１２は平滑な結晶面となる。よって、ドライエッチング端面を反射鏡として共振器を形成した非特許文献２等の素子よりも光の散乱損失を抑えることができる。
　活性層の一部にのみ電流注入を行う構造では、実効的な共振器の外にも電流の一部が回り込むために、レーザ発振に寄与しない電流が多くなり消費電力が増大する。これに対し、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子では、活性層４の全体に電流注入されるので、活性層の一部にしか電流注入しない特許文献１の場合よりも、レーザ発振に寄与する電流の割合を増加させることができる。
　ところで、特許文献２には、逆メサ斜面の端面を反射鏡として利用し、面方向である上方向にレーザ光を出射させる構造が開示されている。この構造では、逆メサ斜面で反射した光が結晶成長層および基板を通過するので、光損失の増加およびビーム形状の乱れが生じ光ファイバとの結合効率が低下するおそれがある。これに対し、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子は、逆メサ斜面の前端面１２を出射端面として光を取り出しているので、上述の弊害はない。
（変形）
　本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法はその特徴を失わない範囲において変形することができる。例えば、上述の効果を得ることができる限り、実施の形態１の半導体レーザ素子において特定した結晶面又は方向は変更することができる。
　上述した変形例は、以下の実施の形態に係る半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法にも応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法は、実施の形態１との類似点が多いので実施の形態１との相違点を中心に説明する。
実施の形態２．
　図４は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の断面図である。半導体基板１の上に共振器部５０が形成されている。共振器部５０は、第１クラッド層３、第１クラッド層３の中に形成された回折格子２、第１クラッド層３の上に形成された活性層４、活性層４の上に形成された第２クラッド層５、順メサ斜面の前端面５２、および後端面１４を備えている。回折格子２は、活性層４の上又は下に形成されればよいので、第１クラッド層３以外の場所に形成してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　前端面５２に反射防止コーティング膜５２Ａが形成されている。反射防止コーティング膜５２Ａの材料は例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮの少なくとも１つである。反射防止コーティング膜５２Ａは単層でも多層でもよい。後端面１４には反射膜１４Ａが形成されている。反射防止コーティング膜５２Ａと反射膜１４Ａの膜厚を調整することで、予め定められた反射率を実現する。共振器部５０の上に上部電極２０が形成されている。半導体基板１の下には下部電極２２が形成されている。上部電極２０と下部電極２２に電圧を印加することで、半導体レーザ素子の中に電流が流れ、活性層４に電流を注入して活性層４からの発光を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　半導体基板１の上面のうち共振器部５０が形成されていない部分には、メタルミラー５４が設けられている。メタルミラー５４はＡｕ、Ｇｅ、Ｐｔ又はＴｉなどの金属で形成されており、光を反射する。
　実施の形態２に係る半導体レーザ素子は前端面５２からレーザ光が出射するものである。図４の前端面５２から伸びる矢印はレーザ光の出射方向を示す。前端面５２には反射防止コーティング膜５２Ａが形成されているため、レーザ発振した光は前端面５２からそのまま外部に放出される。前端面５２と半導体基板１の主面がなす角は１２５．３°であり、共振器部５０の半導体の屈折率は３．２程度、外部の空気の屈折率は１程度なので、レーザ光は前端面５２から斜め下方に出射される。前端面５２から出射したレーザ光はメタルミラー５４で反射し、斜め上向きに直進する。これにより半導体基板１による光のケラレを防ぐことができる。
（製造方法について）
　実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず、半導体基板の上にマスクを形成する。図５には、半導体基板１の上に形成されたマスク６０が示されている。半導体基板１の主面は（１００）面である。マスク６０は、半導体基板１の主面に、エッジが［０１１］方向に平行になるように形成される。マスク６０の材料は例えばＳｉＯ２である。
　次いで、半導体基板１の主面のうちマスク６０で覆われていない部分に半導体層を選択成長させ、順メサ斜面となる前端面５２を有する共振器部５０を形成する。選択成長は例えばＭＯＣＶＤ法などにより行う。
　次いで、共振器部５０の上面に上部電極２０を形成し、半導体基板１の下面に下部電極２２を形成した後、前端面５２に反射防止コーティング膜５２Ａを形成し、共振器部５０の後端面に反射膜１４Ａを形成する。また、前端面５２とチップ前端面１５の間にメタルミラー５４を形成する。こうして、図４の半導体レーザ素子が完成する。
　前端面５２は選択成長により形成された結晶面とした。選択成長により形成された結晶面は非常に平滑な面である。したがって、エッチングにより前端面を形成した場合と比べて光の散乱損出を抑制できる。
（特徴）
　図４を参照しつつ説明したとおり、共振器部５０の共振器方向の長さＬ１は、半導体基板１の共振器方向の長さＬ２より短くなっている。そのため、半導体レーザ素子は全体としては比較的長い長さＬ２であるので半導体レーザ素子のハンドリングとへき開が容易である。しかも、共振器部５０は比較的短い長さＬ１であるので、緩和振動周波数が高くなり、高速変調に好適である。その他、実施の形態１の半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法と同じ効果を得ることができる。
実施の形態３．
　図６は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子の断面図である。半導体基板１の上面のうち共振器部１０が形成されていない部分に誘電体７０が設けられている。誘電体７０は、半導体基板１の上面のうち共振器部１０が形成されていない部分と、共振器部１０の上面との段差を埋める。誘電体７０の材料は例えばポリマーである。誘電体７０の上面は、共振器部１０の上面と同じ高さであることが好ましい。
　半導体基板１の主面と共振器部１０の上面の段差を誘電体７０で埋めることで、レジスト塗布又はレジストパターン露光などを含む転写プロセスを容易にすることができる。転写プロセスは例えば上部電極２０の形成に用いるプロセスである。完成品に誘電体７０を残す場合は誘電体７０を導波路として利用する。すなわち、前端面１２を出射したレーザ光が誘電体７０を伝搬する。転写プロセス完了後に誘電体７０を除去してもよい。なお、図４に示される順メサ斜面の前端面５２を有する半導体レーザ素子の半導体基板の上に誘電体を設けてもよい。そのような誘電体はメタルミラー５４の上に設けられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　次いで、共振器部１０ａのマスク８０に覆われていない部分に対し、エッチャントによる異方性エッチングを施す。エッチャントとしてＨＢｒ、硫酸又は酒石酸などを用いて共振器部１０ａを異方性エッチングすることで、共振器部１０の前端面５６を斜面とすることができる。この場合は、図９に示す順メサ斜面の前端面５６を有する共振器部１０が形成される。
　次いで、共振器部５０の上面に上部電極２０を形成し、半導体基板１の下面に下部電極２２を形成した後、前端面５６に反射防止コーティング膜５６Ａを形成し、共振器部５０の後端面１４に反射膜１４Ａを形成する。そしてメタルミラー５４を形成する。こうして、図９に示される（１１１）Ａ面からなる前端面５６を有する半導体レーザ素子が完成する。共振器部５０の共振器方向の長さＬ１は半導体基板１の共振器方向の長さＬ２より短い。
　実施の形態４ではエッチャントによる異方性エッチングで前端面５６を形成するので、ドライエッチングで前端面を形成した場合に比べて、平滑な前端面５６を得ることができる。よって、光の散乱損失を抑制できる。
　本発明の実施の形態４では、異方性エッチングで順メサ斜面の前端面を形成したが、異方性エッチングで逆メサ斜面の前端面を形成してもよい。逆メサ斜面の前端面を形成するプロセスを説明する。まず、図１０に示すように、共振器部１０ａの上に、エッジが［０１１］方向に平行になるようにマスク８２を形成する。次いで、マスク８２をマスクとして、ＨＢｒ、硫酸又は酒石酸などのエッチャントを用いて、共振器部１０ａを異方性エッチングする。そうすると、共振器部の前端面を斜面とすることができる。この場合は、図１１に示す、逆メサ斜面の前端面１６を有する共振器部１０が形成される。前端面１６は（１１１）Ａ面からなる結晶面である。次いで、共振器部１０の上面に上部電極２０を形成し、半導体基板１の下面に下部電極２２を形成した後に、前端面１６に反射防止コーティング膜１６Ａを形成し、共振器部１０の後端面１４に反射膜１４Ａを形成する。こうして、図１１に示される半導体レーザ素子が完成する。
　なお、上記の各実施の形態に係る半導体レーザ素子と半導体レーザ素子の製造方法の技術的特徴を組み合わせて本発明の効果を高めてもよい。
　１　半導体基板、　４　活性層、　１０　共振器部、　１２　前端面、　１２Ａ　反射防止コーティング膜、　１４　後端面、　１４Ａ　反射膜

Claims (12)

  1. 　半導体基板と、
    　半導体基板の上に形成され、活性層と、前記活性層の上又は下に形成された回折格子と、逆メサ斜面の前端面と、後端面とを有する共振器部と、
    　前記前端面に形成された反射防止コーティング膜と、
    　前記後端面に形成された反射膜と、
    　前記共振器部の上に形成された上部電極と、
    　前記半導体基板の下に形成された下部電極と、を備え、
    　前記共振器部の共振器方向の長さは前記半導体基板の前記共振器方向の長さより短く、
    　前記前端面からレーザ光が出射することを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 　前記半導体基板の主面は（１００）面であり、
    　前記共振器部は前記主面に形成され、
    　前記共振器方向は［０１１］方向であり、
    　前記前端面は（１１１）面であり、
    　前記後端面は（０１１）面と平行なへき開面であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 　半導体基板と、
    　半導体基板の上に形成され、活性層と、前記活性層の上又は下に形成された回折格子と、順メサ斜面の前端面と、後端面とを有し、共振器方向の長さが、前記半導体基板の前記共振器方向の長さより短い共振器部と、
    　前記前端面に形成された反射防止コーティング膜と、
    　前記後端面に形成された反射膜と、
    　前記半導体基板の上に設けられたメタルミラーと、
    　前記共振器部の上に形成された上部電極と、
    　前記半導体基板の下に形成された下部電極と、を備え、
    　前記前端面から出射したレーザ光が前記メタルミラーによって反射されることを特徴とする半導体レーザ素子。
  4. Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
  5. 　前記半導体基板の上面のうち前記共振器部が形成されていない部分に形成された誘電体を備えたことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記誘電体の上面は、前記共振器部の上面と同じ高さであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 　半導体基板の上にマスクを形成する工程と、
    　前記半導体基板のうち前記マスクで覆われていない部分に半導体層を選択成長させ、斜面となる前端面を有する共振器部を形成する工程と、
    　前記共振器部の上面に上部電極を形成し、前記半導体基板の下面に下部電極を形成する工程と、
    　前記前端面に反射防止コーティング膜を形成し、前記共振器部の後端面に反射膜を形成する工程と、を備え、
    　前記共振器部の共振器方向の長さは前記半導体基板の前記共振器方向の長さより短いことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  8. Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
  9. 　前記半導体基板の主面は（１００）面であり、
    　前記マスクは、前記主面に、エッジが［０１１］方向に平行になるように形成され、
    　前記前端面は順メサ斜面となることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  10. 　半導体基板の上に半導体層を成長させ共振器部を形成する工程と、
    　前記共振器部の一部にマスクを形成する工程と、
    　前記共振器部の前記マスクに覆われていない部分に対し、エッチャントによる異方性エッチングを施し、前記共振器部の前端面を斜面とする工程と、
    　前記共振器部の上面に上部電極を形成し、前記半導体基板の下面に下部電極を形成する工程と、
    　前記前端面に反射防止コーティング膜を形成し、前記共振器部の後端面に反射膜を形成する工程と、を備え、
    　前記共振器部の共振器方向の長さは前記半導体基板の前記共振器方向の長さより短いことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  11. Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
  12. 　前記半導体基板の主面は（１００）面であり、
    　前記マスクは、エッジが［０１１］方向に平行になるように形成され、
    　前記前端面は逆メサ斜面となることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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