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JP2009117551A - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2009117551A
JP2009117551A JP2007287752A JP2007287752A JP2009117551A JP 2009117551 A JP2009117551 A JP 2009117551A JP 2007287752 A JP2007287752 A JP 2007287752A JP 2007287752 A JP2007287752 A JP 2007287752A JP 2009117551 A JP2009117551 A JP 2009117551A
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JP
Japan
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semiconductor
active layer
layer
light absorption
iii
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Application number
JP2007287752A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Yagi
英樹 八木
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体を活性層とする半導体レーザ素子において、活性層を加工することなく利得結合型DFB構造を得ることができる半導体レーザ素子及びその作製方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子10は、III−V族化合物半導体を含むn型半導体基板21と、半導体基板21上に設けられたn型クラッド層11と、活性層15を有しn型クラッド層11上に設けられた半導体積層部12と、半導体積層部12上に設けられたp型クラッド層13とを備える。半導体積層部12は、所定波長に応じた周期で活性層15に沿って配列されており活性層15が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域18を有する。活性層15は、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体からなる。複数の光吸収領域18は、実質的にAlを含まないIII−V族化合物半導体からなる。
【選択図】図1
In a semiconductor laser device having a semiconductor whose active layer has a large influence on the laser characteristics due to oxidation as an active layer, a semiconductor laser device capable of obtaining a gain-coupled DFB structure without processing the active layer and a manufacturing method thereof are provided. .
A semiconductor laser device includes an n-type semiconductor substrate including a III-V compound semiconductor, an n-type cladding layer provided on the semiconductor substrate, and an active layer. 11 includes a semiconductor laminated portion 12 provided on the semiconductor laminated portion 12 and a p-type cladding layer 13 provided on the semiconductor laminated portion 12. The semiconductor stacked unit 12 includes a plurality of light absorption regions 18 that are arranged along the active layer 15 in a cycle corresponding to a predetermined wavelength and absorb light having a wavelength emitted from the active layer 15. The active layer 15 is made of a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition. The plurality of light absorption regions 18 are made of a group III-V compound semiconductor that does not substantially contain Al.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその作製方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor laser device and a manufacturing method thereof.

特許文献1には、分布帰還型(DFB)レーザ素子において、活性層に形成された回折格子の凹部をクラッド層より屈折率が大きい埋込層によって埋め込み、活性層の回折格子の凸部および埋込層をクラッド層で覆う技術が記載されている。これにより、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に同相で生じさせている。
特開2004−55797号公報
In Patent Document 1, in a distributed feedback (DFB) laser element, a concave portion of a diffraction grating formed in an active layer is filled with a buried layer having a refractive index higher than that of a cladding layer, and the convex portion of the active layer and the buried portion of the diffraction grating are buried. A technique for covering the buried layer with a cladding layer is described. Thereby, the refractive index coupling component and the gain coupling component are generated in phase in the light guiding direction.
JP 2004-55797 A

特許文献1に記載されたDFBレーザ素子では、活性層をエッチングすることにより回折格子を形成している。この場合、回折格子を形成する工程において活性層が露出し、活性層表面が酸化し易くなる。酸化によるレーザ特性への影響が少ない半導体(例えばGaInAsP)を活性層とする場合には問題ないが、酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体(例えばAlGaInAs)を活性層とする場合には、特許文献1に記載された構成を採用できない。更に、回折格子を形成する際にエッチングによる微細加工を活性層に施す必要があるので、この微細加工により活性層がダメージを受け、非発光再結合が増加してレーザ特性が劣化するおそれがある。   In the DFB laser element described in Patent Document 1, a diffraction grating is formed by etching an active layer. In this case, the active layer is exposed in the step of forming the diffraction grating, and the active layer surface is easily oxidized. There is no problem when the active layer is a semiconductor (for example, GaInAsP) that has little influence on the laser characteristics due to oxidation, but there is a patent when the semiconductor (for example, AlGaInAs) that has a large influence on the laser characteristics due to oxidation is the active layer. The configuration described in Document 1 cannot be adopted. Further, since it is necessary to perform fine processing by etching on the active layer when forming the diffraction grating, there is a possibility that the active layer is damaged by this fine processing, non-radiative recombination increases, and laser characteristics are deteriorated. .

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体を活性層とする半導体レーザ素子において、活性層を加工することなく利得結合型DFB構造を得ることができる半導体レーザ素子及びその作製方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and in a semiconductor laser device using a semiconductor whose active layer has a large influence on the laser characteristics due to oxidation as an active layer, a gain-coupled DFB structure is formed without processing the active layer. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device that can be obtained and a manufacturing method thereof.

上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、III−V族化合物半導体を含む第1導電型の半導体基板と、半導体基板上に設けられた第1導電型クラッド層と、活性層を有し第1導電型クラッド層上に設けられた半導体積層部と、半導体積層部上に設けられた第2導電型クラッド層とを備え、半導体積層部が、所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列されており活性層が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域を更に有し、活性層が、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体からなり、複数の光吸収領域が、実質的にAlを含まないIII−V族化合物半導体からなることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor laser device that outputs laser light having a predetermined wavelength, and includes a semiconductor substrate of a first conductivity type including a III-V compound semiconductor, and a semiconductor. A first conductivity type cladding layer provided on the substrate; a semiconductor laminated portion having an active layer and provided on the first conductivity type clad layer; a second conductivity type cladding layer provided on the semiconductor laminate portion; The semiconductor laminated portion is arranged along the active layer in a cycle corresponding to a predetermined wavelength, and further includes a plurality of light absorption regions that absorb light having a wavelength emitted by the active layer, and the active layer is in the composition And a plurality of light absorption regions are made of a group III-V compound semiconductor that does not substantially contain Al.

上記した半導体レーザ素子の活性層は組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体からなり、酸化によるレーザ特性への影響が大きい。上記した半導体レーザ素子では、活性層が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域が、出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列されている。これにより、光導波方向における光吸収特性が周期的に変化する。その結果、利得も周期的に変化し、利得結合型DFBレーザ素子を好適に実現できる。また、このような光吸収領域を形成する際には、活性層の加工を必要としない。すなわち、この半導体レーザ素子によれば、活性層を加工することなく利得結合型DFB構造を容易に得ることができる。   The active layer of the semiconductor laser element described above is made of a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition, and the influence of the oxidation on the laser characteristics is great. In the semiconductor laser device described above, a plurality of light absorption regions that absorb light having a wavelength emitted from the active layer are arranged along the active layer at a period corresponding to a predetermined wavelength to be output. Thereby, the light absorption characteristic in the optical waveguide direction periodically changes. As a result, the gain also changes periodically, and a gain-coupled DFB laser device can be suitably realized. Further, when forming such a light absorption region, it is not necessary to process the active layer. That is, according to this semiconductor laser device, a gain-coupled DFB structure can be easily obtained without processing the active layer.

また、半導体レーザ素子は、複数の光吸収領域の間に、該複数の光吸収領域より低屈折率の中間半導体領域を更に備えることを特徴としてもよい。複数の光吸収領域の間が該光吸収領域より低屈折率の半導体によって埋め込まれることにより、活性層に沿う方向に周期的な屈折率分布を形成できる。これにより、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に生じさせ、これらの相乗効果(複素結合)によってより安定した単一モード動作、低しきい値電流動作を実現できる。   The semiconductor laser element may further include an intermediate semiconductor region having a lower refractive index than the plurality of light absorption regions between the plurality of light absorption regions. By filling the space between the plurality of light absorption regions with a semiconductor having a lower refractive index than the light absorption region, a periodic refractive index distribution can be formed in the direction along the active layer. Thereby, a refractive index coupling component and a gain coupling component are generated in the light guiding direction, and a more stable single mode operation and low threshold current operation can be realized by their synergistic effect (complex coupling).

また、本発明による半導体レーザ素子の作製方法は、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子を作製する方法であって、III−V族化合物半導体を含む第1導電型の半導体基板上に第1導電型クラッド層を形成する第1のクラッド層形成工程と、活性層を有する半導体積層部を第1導電型クラッド層上に形成する積層部形成工程と、第2導電型クラッド層を半導体積層部上に形成する第2のクラッド層形成工程とを備え、積層部形成工程が、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を成長させて活性層を形成する活性層形成工程と、活性層が発する波長の光を吸収し且つ実質的にAlを含まないIII−V族化合物半導体を成長させたのち、該III−V族化合物半導体上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて該III−V族化合物半導体をエッチングすることにより、所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列された複数の光吸収領域を形成する光吸収領域形成工程とを含むことを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor laser device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor laser device that outputs laser light of a predetermined wavelength, and is formed on a first conductivity type semiconductor substrate containing a III-V group compound semiconductor. A first clad layer forming step for forming a one-conductivity-type clad layer; a laminate-unit forming step for forming a semiconductor laminate having an active layer on the first-conductivity-type clad layer; and a second conductive-type clad layer as a semiconductor laminate A second clad layer forming step formed on the portion, and the laminated portion forming step includes forming an active layer by growing a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition, and an active layer forming step A III-V group compound semiconductor that absorbs light having a wavelength emitted from the layer and that does not substantially contain Al is grown, and then has a plurality of mask patterns periodically arranged on the group III-V compound semiconductor. Using a mask A light absorption region forming step of forming a plurality of light absorption regions arranged along the active layer at a period corresponding to a predetermined wavelength by etching the III-V compound semiconductor.

上記した半導体レーザ素子の作製方法では、活性層形成工程において組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を成長させて活性層を形成する。したがって、この活性層は酸化によるレーザ特性への影響が大きい。上記した作製方法では、光吸収領域形成工程において、出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層に沿って配列された複数の光吸収領域を形成する。これにより、作製された半導体レーザ素子において光導波方向における光吸収特性が周期的に変化する。その結果、利得も周期的に変化し、利得結合型DFBレーザ素子を好適に作製できる。また、光吸収領域形成工程では活性層の加工を必要としない。すなわち、この半導体レーザ素子の作製方法によれば、活性層を加工することなく利得結合型DFB構造を容易に得ることができる。   In the semiconductor laser device manufacturing method described above, an active layer is formed by growing a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition in the active layer forming step. Therefore, this active layer has a great influence on the laser characteristics due to oxidation. In the manufacturing method described above, in the light absorption region forming step, a plurality of light absorption regions arranged along the active layer are formed at a period corresponding to a predetermined wavelength to be output. As a result, the light absorption characteristics in the optical waveguide direction periodically change in the manufactured semiconductor laser device. As a result, the gain also changes periodically, and a gain-coupled DFB laser device can be suitably manufactured. Further, the active layer is not required to be processed in the light absorption region forming step. That is, according to this method of manufacturing a semiconductor laser device, a gain coupled DFB structure can be easily obtained without processing the active layer.

また、半導体レーザ素子の作製方法は、積層部形成工程が、複数の光吸収領域同士の隙間を該複数の光吸収領域より低屈折率の半導体により埋め込む埋込工程を更に含むことを特徴としてもよい。複数の光吸収領域同士の隙間が該光吸収領域より低屈折率の半導体によって埋め込まれることにより、活性層に沿う方向に周期的な屈折率分布を形成できる。これにより、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に生じさせ、これらの相乗効果(複素結合)によってより安定した単一モード動作、低しきい値電流動作を容易に実現できる。   The method for manufacturing a semiconductor laser device may be characterized in that the layered portion forming step further includes an embedding step of filling a gap between the plurality of light absorption regions with a semiconductor having a lower refractive index than the plurality of light absorption regions. Good. A gap between the plurality of light absorption regions is filled with a semiconductor having a lower refractive index than that of the light absorption region, whereby a periodic refractive index distribution can be formed in a direction along the active layer. As a result, a refractive index coupling component and a gain coupling component are generated in the light guiding direction, and by these synergistic effects (complex coupling), more stable single mode operation and low threshold current operation can be easily realized. .

また、半導体レーザ素子の作製方法は、積層部形成工程が、複数の光吸収領域同士の隙間を半導体により埋め込む埋込工程と、複数の光吸収領域上および埋込工程において埋め込まれた半導体上に、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を成長させる工程とを更に含むことを特徴としてもよい。例えばリッジ導波路型のレーザ素子等を作製する際には、第2導電型クラッド層を半導体積層部が露出するまでエッチングすることによりストライプ状のリッジ構造を形成することがある。このような場合、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を、複数の光吸収領域上および埋込工程において埋め込まれた半導体上に成長させ、その上に第2導電型クラッド層を形成することによって、Alを含むIII−V族化合物半導体からなる層が、第2導電型クラッド層をエッチングする際のエッチストップ層として機能する。したがって、第2導電型クラッド層にストライプ状のリッジ構造を容易に形成することができる。   Also, in the method of manufacturing the semiconductor laser device, the stacking portion forming step includes a step of filling a gap between a plurality of light absorption regions with a semiconductor, a plurality of light absorption regions, and a semiconductor embedded in the step of filling. And a step of growing a group III-V compound semiconductor containing Al in the composition. For example, when a ridge waveguide type laser element or the like is manufactured, a stripe-shaped ridge structure may be formed by etching the second conductivity type cladding layer until the semiconductor laminated portion is exposed. In such a case, a group III-V compound semiconductor containing Al in the composition is grown on the plurality of light absorption regions and the semiconductor buried in the embedding step, and a second conductivity type cladding layer is formed thereon. Thus, the layer made of a III-V group compound semiconductor containing Al functions as an etch stop layer when the second conductivity type cladding layer is etched. Therefore, a striped ridge structure can be easily formed in the second conductivity type cladding layer.

また、半導体レーザ素子の作製方法は、積層部形成工程が、活性層形成工程と光吸収領域形成工程との間に、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を活性層上に成長させる工程を更に含むことを特徴としてもよい。これにより、光吸収領域形成工程においてIII−V族化合物半導体をエッチングする際に、活性層上に形成されたAlを含むIII−V族化合物半導体からなる層がエッチストップ層として機能する。したがって、光吸収領域形成工程の際に活性層までエッチングが達してしまうことを防止できる。   Further, in the method for manufacturing a semiconductor laser device, the layered portion forming step grows a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition on the active layer between the active layer forming step and the light absorption region forming step. The method may further include a step. Thus, when the III-V group compound semiconductor is etched in the light absorption region forming step, the layer made of the III-V group compound semiconductor containing Al formed on the active layer functions as an etch stop layer. Therefore, it is possible to prevent the etching from reaching the active layer during the light absorption region forming step.

本発明に係る半導体レーザ素子及びその作製方法によれば、酸化によるレーザ特性への影響が大きい半導体を活性層とする半導体レーザ素子において、活性層を加工することなく利得結合型DFB構造を得ることができる。   According to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the present invention, a gain-coupled DFB structure can be obtained without processing an active layer in a semiconductor laser device having an active layer of a semiconductor having a large influence on laser characteristics due to oxidation. Can do.

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子およびその作製方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Embodiments of a semiconductor laser device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す斜視断面図である。また、図2は、図1のII−II断面を示す側面断面図である。本実施形態の半導体レーザ素子10は、所定波長のレーザ光を出力する。図1及び図2を参照すると、半導体レーザ素子10は、主面21aを有するn型(第1導電型)半導体基板21を備えている。n型半導体基板21はIII−V族化合物半導体を主に含み、一実施例としてはn型InPからなる。   FIG. 1 is a perspective sectional view showing the structure of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. 2 is a side cross-sectional view showing a II-II cross section of FIG. The semiconductor laser device 10 of this embodiment outputs laser light having a predetermined wavelength. 1 and 2, the semiconductor laser device 10 includes an n-type (first conductivity type) semiconductor substrate 21 having a main surface 21a. The n-type semiconductor substrate 21 mainly contains a III-V group compound semiconductor, and is made of n-type InP as an example.

また、半導体レーザ素子10は、n型クラッド層11、半導体積層部12、p型クラッド層13、およびp型コンタクト層27を備えている。n型クラッド層11はn型半導体基板21の主面21a上に設けられており、III−V族化合物半導体を主に含む。一実施例としては、n型クラッド層11はn型InPからなる。n型クラッド層11の層厚は例えば2.0[μm]である。   In addition, the semiconductor laser element 10 includes an n-type cladding layer 11, a semiconductor stacked portion 12, a p-type cladding layer 13, and a p-type contact layer 27. The n-type cladding layer 11 is provided on the main surface 21a of the n-type semiconductor substrate 21 and mainly contains a III-V group compound semiconductor. As an example, the n-type cladding layer 11 is made of n-type InP. The layer thickness of the n-type cladding layer 11 is, for example, 2.0 [μm].

半導体積層部12は、第1光閉じ込め層14、活性層15、第2光閉じ込め層16、および回折格子層17を有しており、n型クラッド層11上に設けられている。第1光閉じ込め層14は、n型クラッド層11上に設けられており、n型クラッド層11よりバンドギャップが狭いn型のIII−V族化合物半導体を主に含む。一実施例では、第1光閉じ込め層14はn型AlGaInAsからなる。第1光閉じ込め層14の層厚は例えば70[nm]である。   The semiconductor stacked portion 12 includes a first light confinement layer 14, an active layer 15, a second light confinement layer 16, and a diffraction grating layer 17, and is provided on the n-type cladding layer 11. The first optical confinement layer 14 is provided on the n-type cladding layer 11 and mainly includes an n-type III-V group compound semiconductor having a narrower band gap than the n-type cladding layer 11. In one embodiment, the first optical confinement layer 14 is made of n-type AlGaInAs. The layer thickness of the first optical confinement layer 14 is, for example, 70 [nm].

活性層15は、第1光閉じ込め層14上に設けられており、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体からなる。一実施例としては、活性層15は多重量子井戸構造を有しており、アンドープ(すなわち、不純物がドープされていない)AlGaInAsからなる障壁層(バリア層)15aおよび井戸層15bが交互に積層されて成る。障壁層15aの層厚は例えば9[nm]、井戸層15bの層厚は例えば6[nm]である。第2光閉じ込め層16は、活性層15上に設けられており、p型クラッド層13よりバンドギャップが狭いp型のIII−V族化合物半導体を主に含む。一実施例では、第2光閉じ込め層16はp型AlGaInAsからなる。第2光閉じ込め層16の層厚は例えば30[nm]である。   The active layer 15 is provided on the first optical confinement layer 14 and is made of a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition. As an example, the active layer 15 has a multiple quantum well structure, and barrier layers (barrier layers) 15a and well layers 15b made of undoped (that is, not doped with impurities) AlGaInAs are alternately stacked. It consists of The thickness of the barrier layer 15a is, for example, 9 [nm], and the thickness of the well layer 15b is, for example, 6 [nm]. The second optical confinement layer 16 is provided on the active layer 15 and mainly includes a p-type III-V group compound semiconductor having a narrower band gap than the p-type cladding layer 13. In one embodiment, the second optical confinement layer 16 is made of p-type AlGaInAs. The layer thickness of the second optical confinement layer 16 is, for example, 30 [nm].

回折格子層17は、第2光閉じ込め層16上に設けられている。回折格子層17は、活性層15に沿って配列された複数の光吸収領域18と、複数の光吸収領域18の上面、下面、および側面を埋め込むように形成されたキャリアストップ領域19とを含んで構成されている。   The diffraction grating layer 17 is provided on the second optical confinement layer 16. The diffraction grating layer 17 includes a plurality of light absorption regions 18 arranged along the active layer 15 and a carrier stop region 19 formed so as to embed the upper surface, the lower surface, and the side surfaces of the plurality of light absorption regions 18. It consists of

複数の光吸収領域18は、半導体レーザ素子10が出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層15に沿って配列されている。各光吸収領域18は、活性層15のフォトルミネッセンス(PL)波長と略同じPL波長となる組成のIII−V族化合物半導体からなり、活性層15が発する波長の光を吸収する。但し、光吸収領域18の組成は実質的にAlを含んでおらず、その点で活性層15の組成とは異なっている。一実施例では、光吸収領域18はGaInAsPからなる。また、活性層15へ流れるキャリアを光吸収領域18が吸収して発光しないように、光吸収領域18にはFe及びRuのうち少なくとも一方がドープされて半絶縁性となっている。Ruをドープする場合、その好適な濃度は例えば2×1018[cm-3]である。また、Feをドープする場合、p型ドーパントであるZnとの相互拡散を抑えるため、その好適な濃度はRuをドープする場合より小さく、例えば6×1016[cm-3]である。 The plurality of light absorption regions 18 are arranged along the active layer 15 with a period corresponding to a predetermined wavelength to be output by the semiconductor laser element 10. Each light absorption region 18 is made of a III-V group compound semiconductor having a composition having substantially the same PL wavelength as the photoluminescence (PL) wavelength of the active layer 15, and absorbs light having a wavelength emitted by the active layer 15. However, the composition of the light absorption region 18 does not substantially contain Al and is different from the composition of the active layer 15 in that respect. In one embodiment, the light absorption region 18 is made of GaInAsP. Further, the light absorption region 18 is doped with at least one of Fe and Ru so as to be semi-insulating so that the light absorption region 18 does not emit light due to absorption of carriers flowing to the active layer 15. When Ru is doped, a suitable concentration is, for example, 2 × 10 18 [cm −3 ]. In addition, when Fe is doped, in order to suppress interdiffusion with Zn as a p-type dopant, the preferred concentration is smaller than that when Ru is doped, for example, 6 × 10 16 [cm −3 ].

本実施形態の複数の光吸収領域18は、第2光閉じ込め層16上において光導波方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、光導波方向に周期的に配列されている。光吸収領域18の周期Λ(図2参照)は、出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が1550[nm]である場合には240[nm]に設定され、レーザ光の波長が1300[nm]である場合には200[nm]に設定される。各光吸収領域18の層厚は例えば30[nm]である。   The plurality of light absorption regions 18 of the present embodiment are formed on the second optical confinement layer 16 with the direction perpendicular to the optical waveguide direction as the longitudinal direction, and are periodically arranged in the optical waveguide direction. The period Λ (see FIG. 2) of the light absorption region 18 is set according to the wavelength of the laser beam to be output. For example, when the wavelength of the laser beam is 1550 [nm], it is set to 240 [nm]. When the wavelength of the laser beam is 1300 [nm], it is set to 200 [nm]. The layer thickness of each light absorption region 18 is, for example, 30 [nm].

キャリアストップ領域19は、第2光閉じ込め層16と複数の光吸収領域18との間に設けられた下層半導体領域19a、複数の光吸収領域18同士の隙間に設けられた中間半導体領域19b、および複数の光吸収領域18とp型クラッド層13との間に設けられた上層半導体領域19cを含む。下層半導体領域19aおよび上層半導体領域19cは、組成中にAlを含むp型のIII−V族化合物半導体からなる。また、中間半導体領域19bは、光吸収領域18より低屈折率のp型III−V族化合物半導体からなる。下層半導体領域19a、中間半導体領域19bおよび上層半導体領域19cは同一組成のIII−V族化合物半導体によって構成されても良く、一実施例では、これらの半導体領域19a〜19cはp型AlInAsからなる。下層半導体領域19aの層厚は例えば20[nm]であり、中間半導体領域19bの層厚は光吸収領域18と同じ(例えば30[nm])であり、上層半導体領域19cの層厚は例えば20[nm]である。   The carrier stop region 19 includes a lower semiconductor region 19a provided between the second light confinement layer 16 and the plurality of light absorption regions 18, an intermediate semiconductor region 19b provided in a gap between the plurality of light absorption regions 18, and An upper semiconductor region 19 c provided between the plurality of light absorption regions 18 and the p-type cladding layer 13 is included. The lower semiconductor region 19a and the upper semiconductor region 19c are made of a p-type III-V group compound semiconductor containing Al in the composition. The intermediate semiconductor region 19b is made of a p-type III-V group compound semiconductor having a lower refractive index than the light absorption region 18. The lower semiconductor region 19a, the intermediate semiconductor region 19b, and the upper semiconductor region 19c may be made of III-V compound semiconductors having the same composition. In one embodiment, these semiconductor regions 19a to 19c are made of p-type AlInAs. The layer thickness of the lower semiconductor region 19a is, for example, 20 [nm], the layer thickness of the intermediate semiconductor region 19b is the same as that of the light absorption region 18 (for example, 30 [nm]), and the layer thickness of the upper semiconductor region 19c is, for example, 20 [Nm].

p型クラッド層13は、半導体積層部12上(具体的にはキャリアストップ領域19の上層半導体領域19c上)に設けられており、ストライプ状のリッジ構造を有している。すなわち、p型クラッド層13はリッジ部13aを有しており、このリッジ部13aは光導波方向に沿って延びている。半導体レーザ素子10においては、このリッジ部13aへの電流注入により生じる活性層15内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。p型クラッド層13は、p型のIII−V族化合物半導体を主に含む。一実施例としては、p型クラッド層13はp型InPからなる。p型クラッド層13の層厚は例えば2.0[μm]である。   The p-type cladding layer 13 is provided on the semiconductor stacked portion 12 (specifically, on the upper semiconductor region 19c of the carrier stop region 19), and has a stripe-shaped ridge structure. That is, the p-type cladding layer 13 has a ridge portion 13a, and this ridge portion 13a extends along the optical waveguide direction. In the semiconductor laser device 10, a refractive index type waveguide is formed by an effective refractive index distribution inside the active layer 15 generated by current injection into the ridge portion 13a. The p-type cladding layer 13 mainly includes a p-type III-V compound semiconductor. As an example, the p-type cladding layer 13 is made of p-type InP. The layer thickness of the p-type cladding layer 13 is, for example, 2.0 [μm].

リッジ部13aの両側面は、ベンゾシクロブテン(BCB)樹脂等の非導電性材料からなる埋込領域24によって埋め込まれている。また、埋込領域24とリッジ部13aの両側面との間には、SiOからなる絶縁膜25が設けられている。本実施形態の絶縁膜25は、リッジ部13aの両側面のほか、p型クラッド層13のリッジ部13aと他の部分との間から露出する上層半導体領域19cの表面にも接している。更に、埋込領域24および絶縁膜25は、p型クラッド層13の他の部分も覆っている。 Both side surfaces of the ridge portion 13a are buried with buried regions 24 made of a nonconductive material such as benzocyclobutene (BCB) resin. An insulating film 25 made of SiO 2 is provided between the buried region 24 and both side surfaces of the ridge portion 13a. The insulating film 25 of the present embodiment is in contact with the surface of the upper semiconductor region 19c exposed from between the ridge portion 13a and other portions of the p-type cladding layer 13 in addition to both side surfaces of the ridge portion 13a. Further, the buried region 24 and the insulating film 25 also cover other parts of the p-type cladding layer 13.

p型コンタクト層27は、p型クラッド層13のリッジ部13a上に設けられており、高濃度のp型III−V族化合物半導体を主に含む。一実施例としては、p型コンタクト層27はp型GaInAsからなる。p型クラッド層13の層厚は例えば500[nm]である。   The p-type contact layer 27 is provided on the ridge portion 13a of the p-type cladding layer 13, and mainly includes a high-concentration p-type III-V group compound semiconductor. As an example, the p-type contact layer 27 is made of p-type GaInAs. The layer thickness of the p-type cladding layer 13 is, for example, 500 [nm].

なお、リッジ部13a上に設けられたp型コンタクト層27の上には、図示しないアノード電極膜が設けられている。そして、このアノード電極膜とp型コンタクト層27とがオーミック接触を成している。また、n型半導体基板21の主面21aとは反対側の裏面には、図示しないカソード電極膜が設けられている。そして、このカソード電極膜とn型半導体基板21とがオーミック接触を成している。   An anode electrode film (not shown) is provided on the p-type contact layer 27 provided on the ridge portion 13a. The anode electrode film and the p-type contact layer 27 are in ohmic contact. A cathode electrode film (not shown) is provided on the back surface of the n-type semiconductor substrate 21 opposite to the main surface 21a. The cathode electrode film and the n-type semiconductor substrate 21 are in ohmic contact.

続いて、図3〜図13を参照しながら、本実施形態に係る半導体レーザ素子を作製する方法における主要な工程について説明する。なお、図3〜図10は光導波方向に沿った側面断面を示しており、図11〜図13は光導波方向と直交する断面を示している。   Subsequently, main steps in the method of manufacturing the semiconductor laser device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 10 show side cross sections along the optical waveguide direction, and FIGS. 11 to 13 show cross sections orthogonal to the optical waveguide direction.

[第1のクラッド層形成工程]
まず、図3に示すように、III−V族化合物半導体を主に含むn型半導体基板51上にn型クラッド層52を形成する。n型クラッド層52の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、n型半導体基板51およびn型クラッド層52はn型InPからなる。
[First cladding layer forming step]
First, as shown in FIG. 3, an n-type cladding layer 52 is formed on an n-type semiconductor substrate 51 mainly including a III-V group compound semiconductor. The growth of the n-type cladding layer 52 is performed using, for example, a metal organic vapor phase growth furnace. As an example, the n-type semiconductor substrate 51 and the n-type cladding layer 52 are made of n-type InP.

[積層部形成工程]
次いで、n型クラッド層52上に、活性層を有する半導体積層部を形成する。まず、図4に示すように、n型クラッド層52上に、n型のIII−V族化合物半導体を主に含む第1光閉じ込め層53を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、第1光閉じ込め層53はn型AlGaInAsからなる。このn型AlGaInAsの組成比は、そのPL波長が活性層54(後述)のPL波長より小さくなるように決定される。一例としては、活性層54のPL波長が1.3[μm]である場合に、このn型AlGaInAsのPL波長が1.1[μm]となるような組成比に決定される。
[Laminated part forming step]
Next, a semiconductor stacked portion having an active layer is formed on the n-type cladding layer 52. First, as shown in FIG. 4, a first optical confinement layer 53 mainly including an n-type III-V compound semiconductor is grown on the n-type cladding layer 52. This growth is performed using, for example, a metal organic chemical vapor deposition furnace. As an example, the first optical confinement layer 53 is made of n-type AlGaInAs. The composition ratio of the n-type AlGaInAs is determined so that the PL wavelength is smaller than the PL wavelength of the active layer 54 (described later). As an example, when the PL wavelength of the active layer 54 is 1.3 [μm], the composition ratio is determined such that the PL wavelength of the n-type AlGaInAs is 1.1 [μm].

次に、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を第1光閉じ込め層53上に成長させることにより、活性層54を形成する(活性層形成工程)。活性層54は、多重量子井戸構造を含み、交互に積層された複数の井戸層及び障壁層を有する。井戸層及び障壁層は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。一実施例としては、井戸層及び障壁層はアンドープAlGaInAsからなる。井戸層のアンドープAlGaInAsの組成比は、当該半導体レーザ素子が出力しようとする所定波長付近にそのPL波長が存在するように決定される。一例としては、そのPL波長が1.3[μm]となるように決定される。   Next, an active layer 54 is formed by growing a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition on the first optical confinement layer 53 (active layer forming step). The active layer 54 includes a multiple quantum well structure and has a plurality of well layers and barrier layers that are alternately stacked. The well layer and the barrier layer are grown using, for example, a metal organic chemical vapor deposition reactor. As an example, the well layer and the barrier layer are made of undoped AlGaInAs. The composition ratio of the undoped AlGaInAs in the well layer is determined so that the PL wavelength exists in the vicinity of a predetermined wavelength to be output by the semiconductor laser element. As an example, the PL wavelength is determined to be 1.3 [μm].

その後、活性層54上に、p型のIII−V族化合物半導体を主に含む第2光閉じ込め層55を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、第2光閉じ込め層55はp型AlGaInAsからなる。このp型AlGaInAsの組成比は、前述した第1光閉じ込め層53と同様に決定される。   Thereafter, a second optical confinement layer 55 mainly including a p-type III-V compound semiconductor is grown on the active layer 54. This growth is performed using, for example, a metal organic chemical vapor deposition furnace. As an example, the second optical confinement layer 55 is made of p-type AlGaInAs. The composition ratio of the p-type AlGaInAs is determined in the same manner as the first optical confinement layer 53 described above.

続いて、回折格子層を形成する。まず、図5に示すように、III−V族化合物半導体を活性層54上(本実施形態では第2光閉じ込め層55上)に成長させることにより、下層半導体領域56を形成する。このIII−V族化合物半導体は、組成中にAlを含むことが好ましい。一実施例としては、下層半導体領域56はp型AlInAsからなる。   Subsequently, a diffraction grating layer is formed. First, as shown in FIG. 5, a lower semiconductor region 56 is formed by growing a III-V compound semiconductor on the active layer 54 (on the second optical confinement layer 55 in this embodiment). This III-V compound semiconductor preferably contains Al in the composition. As an example, the lower semiconductor region 56 is made of p-type AlInAs.

次に、複数の光吸収領域を形成する(光吸収領域形成工程)。下層半導体領域56上に、実質的にAlを含まないIII−V族化合物半導体を成長させることにより、半導体層57を形成する。一実施例としては、半導体層57はRu及びFeの少なくとも一方がドープされた半絶縁性のGaInAsPからなる。このGaInAsPの組成比は、活性層54が発する波長の光を吸収するように、すなわちそのPL波長が活性層54のPL波長とほぼ一致するように決定される。一例としては、活性層54のPL波長が1.3[μm]である場合に、このGaInAsPのPL波長が1.3[μm]となるような組成比に決定される。なお、下層半導体領域56及び半導体層57の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。   Next, a plurality of light absorption regions are formed (light absorption region formation step). A semiconductor layer 57 is formed on the lower semiconductor region 56 by growing a group III-V compound semiconductor that does not substantially contain Al. As an example, the semiconductor layer 57 is made of semi-insulating GaInAsP doped with at least one of Ru and Fe. The composition ratio of GaInAsP is determined so as to absorb light having a wavelength emitted from the active layer 54, that is, the PL wavelength thereof substantially matches the PL wavelength of the active layer 54. As an example, when the PL wavelength of the active layer 54 is 1.3 [μm], the composition ratio is determined so that the PL wavelength of this GaInAsP is 1.3 [μm]. The lower semiconductor region 56 and the semiconductor layer 57 are grown using, for example, a metal organic vapor phase growth furnace.

続いて、複数の光吸収領域を形成するためのマスクを次のようにして半導体層57上に形成する。まず、シリコン系無機化合物膜(例えばSiO)からなる絶縁膜58を半導体層57上に堆積する。この堆積は、例えば化学的気相成長法によって行われる。そして、このシリコン系無機化合物膜上にレジスト59を塗布する。その後、周期的に配列された複数のパターンをレジスト59に転写することにより、図6に示すレジストマスク60を形成する。この工程において、レジストマスク60は、図1および図2に示した複数の光吸収領域18に対応するパターンを有するように形成される。レジストマスク60の形成は、例えば、電子ビーム露光法、またはナノインプリント等のリソグラフィー技術を用いて行われる。 Subsequently, a mask for forming a plurality of light absorption regions is formed on the semiconductor layer 57 as follows. First, an insulating film 58 made of a silicon-based inorganic compound film (for example, SiO 2 ) is deposited on the semiconductor layer 57. This deposition is performed by, for example, chemical vapor deposition. Then, a resist 59 is applied on the silicon-based inorganic compound film. Thereafter, a plurality of periodically arranged patterns are transferred to the resist 59 to form a resist mask 60 shown in FIG. In this step, the resist mask 60 is formed so as to have a pattern corresponding to the plurality of light absorption regions 18 shown in FIGS. The resist mask 60 is formed using, for example, an electron beam exposure method or a lithography technique such as nanoimprint.

続いて、レジストマスク60を用いて絶縁膜58をエッチングする。このエッチングは、例えば、CFガスを用いた反応性イオンエッチング等を用いることができる。なお、この工程においてレジストマスク60と絶縁膜58との選択比を確保するために、先の工程において絶縁膜58の膜厚を20[nm]程度とすることが好ましい。エッチングの後に、例えばOアッシングによってレジストマスク60を除去すると、図7に示すように光吸収領域を形成するための複数のマスクパターン61が形成される。マスクパターン61の配列周期は、図2に示した光吸収領域18の周期Λと等しく設定される。すなわち、マスクパターン61の配列周期は出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が1550[nm]である場合には240[nm]に設定され、レーザ光の波長が1300[nm]である場合には200[nm]に設定される。 Subsequently, the insulating film 58 is etched using the resist mask 60. For this etching, for example, reactive ion etching using CF 4 gas can be used. In this step, in order to secure a selection ratio between the resist mask 60 and the insulating film 58, it is preferable that the thickness of the insulating film 58 is set to about 20 [nm] in the previous step. When the resist mask 60 is removed by, for example, O 2 ashing after the etching, a plurality of mask patterns 61 for forming a light absorption region are formed as shown in FIG. The arrangement period of the mask pattern 61 is set equal to the period Λ of the light absorption region 18 shown in FIG. That is, the arrangement period of the mask pattern 61 is set according to the wavelength of the laser beam to be output. For example, when the wavelength of the laser beam is 1550 [nm], it is set to 240 [nm]. Is 1300 [nm], it is set to 200 [nm].

続いて、マスクパターン61を用いて半導体層57をエッチングする。このエッチングの一例では、CH/H混合ガスを用いたRIEが用いられる。この工程では、GaInAsPからなる半導体層57を貫通するまでエッチングを行うが、GaInAsPとAlInAsではエッチングレートに大きな差異があるため、AlInAsからなる下層半導体領域56は殆どエッチングされない。すなわち、下層半導体領域56は半導体層57に対するエッチストップ層として機能する。この工程により、図8に示すように複数の光吸収領域62が形成される。その後、RIEによる損傷層を除去ために、ウェットエッチングを行う。このウェットエッチングには、例えば硫酸系のエッチャントが用いられる。そして、マスクパターン61を除去する。例えば、シリコン酸化物からなるマスクパターン61はバッファードフッ酸を用いて除去される。 Subsequently, the semiconductor layer 57 is etched using the mask pattern 61. In this example of etching, RIE using a CH 4 / H 2 mixed gas is used. In this step, etching is performed until the semiconductor layer 57 made of GaInAsP is penetrated. However, since there is a large difference in etching rate between GaInAsP and AlInAs, the lower semiconductor region 56 made of AlInAs is hardly etched. That is, the lower semiconductor region 56 functions as an etch stop layer for the semiconductor layer 57. By this step, a plurality of light absorption regions 62 are formed as shown in FIG. Thereafter, wet etching is performed to remove the damaged layer by RIE. For this wet etching, for example, a sulfuric acid-based etchant is used. Then, the mask pattern 61 is removed. For example, the mask pattern 61 made of silicon oxide is removed using buffered hydrofluoric acid.

続いて、図9に示すように、複数の光吸収領域62同士の隙間を光吸収領域62より低屈折率の半導体により埋め込むことによって、中間半導体領域63を形成する(埋込工程)。この埋込工程においては、複数の光吸収領域62同士の隙間を、例えば下層半導体領域56と同じ組成のIII−V族化合物半導体(一例ではp型AlInAs)で埋め込むことにより、中間半導体領域63を形成するとよい。この埋め込み再成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。その後、複数の光吸収領域62上および中間半導体領域63上に、III−V族化合物半導体を更に成長させることにより、上層半導体領域64を形成する。このIII−V族化合物半導体は、組成中にAlを含むことが好ましい。一実施例としては、上層半導体領域64は中間半導体領域63と同じ組成のIII−V族化合物半導体(一例ではp型AlInAs)からなり、その場合、上層半導体領域64の成長を中間半導体領域63の埋め込み再成長に引き続き連続して行うことができる。   Subsequently, as shown in FIG. 9, an intermediate semiconductor region 63 is formed by embedding gaps between the plurality of light absorption regions 62 with a semiconductor having a lower refractive index than the light absorption region 62 (embedding step). In this embedding step, the intermediate semiconductor region 63 is formed by embedding gaps between the plurality of light absorption regions 62 with, for example, a group III-V compound semiconductor (for example, p-type AlInAs) having the same composition as the lower semiconductor region 56. It is good to form. This buried regrowth is performed using, for example, a metal organic vapor phase growth furnace. Thereafter, an III-V group compound semiconductor is further grown on the plurality of light absorption regions 62 and the intermediate semiconductor region 63 to form the upper semiconductor region 64. This III-V compound semiconductor preferably contains Al in the composition. As an example, the upper semiconductor region 64 is made of a III-V group compound semiconductor (in the example, p-type AlInAs) having the same composition as the intermediate semiconductor region 63, and in this case, the upper semiconductor region 64 is grown in the intermediate semiconductor region 63. Subsequent to burying regrowth can be performed continuously.

以上の工程により、下層半導体領域56、中間半導体領域63、および上層半導体領域64を含むキャリアストップ領域65が形成される。これにより、キャリアストップ領域65および複数の光吸収領域62を有する回折格子層66が形成され、第1光閉じ込め層53、活性層54、第2光閉じ込め層55、および回折格子層66を含む半導体積層部67が完成する。   Through the above steps, the carrier stop region 65 including the lower semiconductor region 56, the intermediate semiconductor region 63, and the upper semiconductor region 64 is formed. As a result, a diffraction grating layer 66 having a carrier stop region 65 and a plurality of light absorption regions 62 is formed, and a semiconductor including the first light confinement layer 53, the active layer 54, the second light confinement layer 55, and the diffraction grating layer 66. The stacked portion 67 is completed.

[第2のクラッド層形成工程]
続いて、図10に示すように、半導体積層部67上にp型のIII−V族化合物半導体を成長させることにより、p型クラッド層68およびp型コンタクト層69を形成する。p型クラッド層68およびp型コンタクト層69の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、p型クラッド層68はp型InPからなり、p型コンタクト層69は高濃度p型GaInAsからなる。
[Second clad layer forming step]
Subsequently, as shown in FIG. 10, a p-type cladding layer 68 and a p-type contact layer 69 are formed by growing a p-type III-V group compound semiconductor on the semiconductor stacked portion 67. The p-type cladding layer 68 and the p-type contact layer 69 are grown using, for example, a metal organic chemical vapor deposition furnace. As an example, the p-type cladding layer 68 is made of p-type InP, and the p-type contact layer 69 is made of high-concentration p-type GaInAs.

続いて、図11に示すように、p型クラッド層68およびp型コンタクト層69にエッチングを施してストライプ状のリッジ構造を形成する。その方法の一例としては、まずSiOやSiNといった絶縁膜を化学気相成長法によりp型コンタクト層69上に堆積したのち、フォトリソグラフィー技術等によって絶縁膜上にストライプ状のマスクパターンを形成し、そのマスクパターンを用いて絶縁膜をエッチングする。その後、絶縁膜をエッチングマスクとしてCH/H混合ガスを用いたドライエッチングをp型クラッド層68およびp型コンタクト層69に施すことにより、図11に示すリッジ構造を形成できる。 Subsequently, as shown in FIG. 11, the p-type cladding layer 68 and the p-type contact layer 69 are etched to form a striped ridge structure. As an example of the method, first, an insulating film such as SiO 2 or SiN is deposited on the p-type contact layer 69 by chemical vapor deposition, and then a striped mask pattern is formed on the insulating film by a photolithography technique or the like. Then, the insulating film is etched using the mask pattern. Thereafter, dry etching using a CH 4 / H 2 mixed gas is performed on the p-type cladding layer 68 and the p-type contact layer 69 using the insulating film as an etching mask, whereby the ridge structure shown in FIG. 11 can be formed.

そして、ドライエッチングにより生じた損傷層を除去するため、塩酸および酢酸の溶液を用いてウェットエッチングを施す。その際、InPからなるp型クラッド層68が好適にエッチングされるが、p型クラッド層68をエッチングにより貫通した後に上層半導体領域64が露出しても、AlInAsからなる上層半導体領域64は殆どエッチングされない。すなわち、上層半導体領域64はp型クラッド層68をエッチングする際のエッチストップ層として機能する。この工程により、図12に示すように上層半導体領域64が露出し、図1に示したリッジ部13aに相当する部分(リッジ部68a)が形成される。   Then, wet etching is performed using a solution of hydrochloric acid and acetic acid in order to remove a damaged layer caused by dry etching. At this time, the p-type cladding layer 68 made of InP is preferably etched, but even if the upper semiconductor region 64 is exposed after passing through the p-type cladding layer 68 by etching, the upper semiconductor region 64 made of AlInAs is almost etched. Not. That is, the upper semiconductor region 64 functions as an etch stop layer when the p-type cladding layer 68 is etched. By this step, the upper semiconductor region 64 is exposed as shown in FIG. 12, and a portion (ridge portion 68a) corresponding to the ridge portion 13a shown in FIG. 1 is formed.

その後、図13に示すように、p型コンタクト層69の表面やリッジ部68aの側面、上層半導体領域64の露出面等を覆うようにSiOからなる絶縁膜70を堆積し、その上にBCB樹脂71を塗布して平坦化したのち、リッジ部68aの上方に位置するBCB樹脂71、及び絶縁膜70に開口を形成する。そして、該開口を介してp型コンタクト層69と接するアノード電極膜72を蒸着し、更にカソード電極膜73を半導体基板51の裏面に蒸着することにより、本実施形態による半導体レーザ素子が完成する。 Thereafter, as shown in FIG. 13, an insulating film 70 made of SiO 2 is deposited so as to cover the surface of the p-type contact layer 69, the side surface of the ridge portion 68a, the exposed surface of the upper semiconductor region 64, and the like. After the resin 71 is applied and planarized, openings are formed in the BCB resin 71 and the insulating film 70 located above the ridge portion 68a. Then, the anode electrode film 72 in contact with the p-type contact layer 69 is vapor-deposited through the opening, and the cathode electrode film 73 is vapor-deposited on the back surface of the semiconductor substrate 51, thereby completing the semiconductor laser device according to the present embodiment.

本実施形態による半導体レーザ素子10およびその作製方法によって得られる作用効果について説明する。本実施形態の半導体レーザ素子10のように活性層が組成中にAlを含む場合、活性層をエッチングすることは好ましくない。活性層をエッチングする際に活性層が酸化し、レーザ特性に影響してしまうからである。また、回折格子を形成する際の微細加工により活性層がダメージを受け、非発光再結合が増加してレーザ特性が劣化するおそれもある。   The operational effects obtained by the semiconductor laser device 10 according to the present embodiment and the manufacturing method thereof will be described. When the active layer contains Al in the composition as in the semiconductor laser device 10 of this embodiment, it is not preferable to etch the active layer. This is because when the active layer is etched, the active layer is oxidized and affects the laser characteristics. Further, the active layer may be damaged by microfabrication when forming the diffraction grating, non-radiative recombination may increase, and laser characteristics may deteriorate.

本実施形態の半導体レーザ素子10およびその作製方法では、活性層15が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域18(62)が、出力しようとする所定波長に応じた周期で活性層15(54)に沿って配列される。これにより、光導波方向における光吸収特性が周期的に変化する。その結果、利得も周期的に変化し、利得結合型DFBレーザ素子を好適に実現できる。そして、このような光吸収領域18(62)を形成する際には、活性層15(54)の加工を必要としない。したがって、本実施形態の半導体レーザ素子10およびその作製方法によれば、活性層15(54)を加工することなく利得結合型DFB構造を容易に得ることができる。また、屈折率結合型のDFBレーザでは安定した単一モード特性を得るために位相シフトを設ける必要があるが、本実施形態の半導体レーザ素子10ではこのような位相シフトも不要である。   In the semiconductor laser device 10 and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the plurality of light absorption regions 18 (62) that absorb the light having the wavelength emitted by the active layer 15 has a period corresponding to the predetermined wavelength to be output at the active layer 15. (54). Thereby, the light absorption characteristic in the optical waveguide direction periodically changes. As a result, the gain also changes periodically, and a gain-coupled DFB laser device can be suitably realized. And when forming such a light absorption area | region 18 (62), the process of the active layer 15 (54) is not required. Therefore, according to the semiconductor laser device 10 and the manufacturing method thereof of the present embodiment, a gain coupled DFB structure can be easily obtained without processing the active layer 15 (54). Further, in order to obtain a stable single mode characteristic in the refractive index coupled DFB laser, it is necessary to provide a phase shift, but in the semiconductor laser device 10 of the present embodiment, such a phase shift is unnecessary.

また、半導体レーザ素子10およびその作製方法では、複数の光吸収領域18(62)の間に、複数の光吸収領域18(62)より低屈折率の中間半導体領域19b(63)を設けている。これにより、活性層15(54)に沿う方向に周期的な屈折率分布を形成できる。したがって、屈折率結合成分と利得結合成分とを光の導波方向に生じさせ、これらの相乗効果(複素結合)によってより安定した単一モード動作、低しきい値電流動作を実現できる。特に、本実施形態のように光吸収領域18(62)をGaInAsPにより形成し、中間半導体領域19b(63)をAlInAsにより形成すれば、両者間の大きな屈折率差によってより効果的な屈折率結合作用を得ることができる。   In the semiconductor laser device 10 and the manufacturing method thereof, the intermediate semiconductor region 19b (63) having a lower refractive index than the plurality of light absorption regions 18 (62) is provided between the plurality of light absorption regions 18 (62). . Thereby, a periodic refractive index distribution can be formed in the direction along the active layer 15 (54). Therefore, a refractive index coupling component and a gain coupling component are generated in the light guiding direction, and a more stable single mode operation and low threshold current operation can be realized by their synergistic effect (complex coupling). In particular, if the light absorption region 18 (62) is formed of GaInAsP and the intermediate semiconductor region 19b (63) is formed of AlInAs as in the present embodiment, more effective refractive index coupling due to a large refractive index difference between the two. The effect can be obtained.

また、本実施形態のように、リッジ導波路型の半導体レーザ素子を作製する際には、p型クラッド層68を半導体積層部67が露出するまでエッチングすることによりストライプ状のリッジ構造(リッジ部68a)を形成することがある。このような場合、組成中にAlを含む上層半導体領域64を複数の光吸収領域62上および中間半導体領域63上に成長させ、その上にp型クラッド層68を形成することによって、Alを含む上層半導体領域64が、p型クラッド層68をエッチング(特に、損傷層除去の為の塩酸および酢酸の溶液によるウェットエッチング)する際のエッチストップ層として機能する。したがって、p型クラッド層68にストライプ状のリッジ構造を容易に形成することができる。   Further, when a ridge waveguide type semiconductor laser device is manufactured as in the present embodiment, the p-type cladding layer 68 is etched until the semiconductor stacked portion 67 is exposed, thereby forming a stripe-shaped ridge structure (ridge portion). 68a) may be formed. In such a case, an upper semiconductor region 64 containing Al in the composition is grown on the plurality of light absorption regions 62 and the intermediate semiconductor region 63, and a p-type cladding layer 68 is formed thereon, thereby including Al. The upper semiconductor region 64 functions as an etch stop layer when the p-type cladding layer 68 is etched (particularly, wet etching using a hydrochloric acid and acetic acid solution for removing a damaged layer). Therefore, a striped ridge structure can be easily formed in the p-type cladding layer 68.

また、本実施形態のように、積層部形成工程は、活性層形成工程と光吸収領域形成工程との間に、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体(下層半導体領域56)を活性層54上に成長させる工程を含むとよい。これにより、複数の光吸収領域62を形成する際に下層半導体領域56がエッチストップ層として機能する。したがって、光吸収領域62を形成する際に活性層54までエッチングが達してしまうことを防止できる。   Further, as in the present embodiment, in the stacked portion forming step, the III-V group compound semiconductor (lower semiconductor region 56) containing Al in the composition is activated between the active layer forming step and the light absorption region forming step. A step of growing on the layer 54 may be included. Thereby, the lower semiconductor region 56 functions as an etch stop layer when the plurality of light absorption regions 62 are formed. Therefore, it is possible to prevent the etching from reaching the active layer 54 when the light absorption region 62 is formed.

本発明による半導体レーザ素子およびその作製方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では組成中にAlを含む活性層の組成としてAlGaInAsを、実質的にAlを含まない光吸収領域の組成としてGaInAsPを、組成中にAlを含む下層半導体領域および上層半導体領域の組成としてAlInAsをそれぞれ例示したが、各層の組成はこれらに限られるものではなく、Alを含む(或いは含まない)III−V族化合物半導体であれば様々な組成を適用できる。   The semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, AlGaInAs is used as the composition of the active layer containing Al in the composition, GaInAsP is used as the composition of the light absorption region substantially not containing Al, and the lower and upper semiconductor regions containing Al in the composition are used. Although AlInAs is illustrated as the composition, the composition of each layer is not limited to these, and various compositions can be applied as long as they are III-V group compound semiconductors containing (or not containing) Al.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す斜視断面図である。FIG. 1 is a perspective sectional view showing the structure of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1のII−II断面を示す側面断面図であるFIG. 2 is a side cross-sectional view showing the II-II cross section of FIG. 半導体レーザ素子を作製する方法における第1のクラッド層形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the 1st clad layer formation process in the method of producing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、活性層形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the active layer formation process among the lamination part formation processes in the method of producing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the light absorption area | region formation process among the lamination | stacking part formation processes in the method of producing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the light absorption area | region formation process among the lamination | stacking part formation processes in the method of producing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the light absorption area | region formation process among the lamination | stacking part formation processes in the method of producing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、光吸収領域形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the light absorption area | region formation process among the lamination | stacking part formation processes in the method of producing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における積層部形成工程のうち、埋込工程について説明する図である。It is a figure explaining the embedding process among the lamination part formation processes in the method of manufacturing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における第2のクラッド層形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the 2nd clad layer formation process in the method of manufacturing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における第2のクラッド層形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the 2nd clad layer formation process in the method of manufacturing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における第2のクラッド層形成工程について説明する図である。It is a figure explaining the 2nd clad layer formation process in the method of manufacturing a semiconductor laser element. 半導体レーザ素子を作製する方法における他の工程について説明する図である。It is a figure explaining the other process in the method of manufacturing a semiconductor laser element.

符号の説明Explanation of symbols

10…半導体レーザ素子、11,52…n型クラッド層、12,67…半導体積層部、13,68…p型クラッド層、13a,68a…リッジ部、14,53…第1光閉じ込め層、15,54…活性層、16,55…第2光閉じ込め層、17,66…回折格子層、18,62…光吸収領域、19,65…キャリアストップ領域、19a,56…下層半導体領域、19b,63…中間半導体領域、19c,64…上層半導体領域、21,51…n型半導体基板、24…埋込領域、25,58,70…絶縁膜、27,69…p型コンタクト層、57…半導体層、59…レジスト、60…レジストマスク、61…マスクパターン、71…BCB樹脂、72…アノード電極膜、73…カソード電極膜。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor laser element 11, 52 ... N-type clad layer, 12, 67 ... Semiconductor laminated part, 13, 68 ... P-type clad layer, 13a, 68a ... Ridge part, 14, 53 ... First optical confinement layer, 15 , 54 ... Active layer, 16, 55 ... Second optical confinement layer, 17, 66 ... Diffraction grating layer, 18, 62 ... Light absorption region, 19, 65 ... Carrier stop region, 19a, 56 ... Lower semiconductor region, 19b, 63 ... Intermediate semiconductor region, 19c, 64 ... upper semiconductor region, 21,51 ... n-type semiconductor substrate, 24 ... buried region, 25, 58,70 ... insulating film, 27,69 ... p-type contact layer, 57 ... semiconductor Layer 59, resist, 60 ... resist mask, 61 ... mask pattern, 71 ... BCB resin, 72 ... anode electrode film, 73 ... cathode electrode film.

Claims (6)

所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、
III−V族化合物半導体を含む第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた第1導電型クラッド層と、
活性層を有し前記第1導電型クラッド層上に設けられた半導体積層部と、
前記半導体積層部上に設けられた第2導電型クラッド層と
を備え、
前記半導体積層部が、前記所定波長に応じた周期で前記活性層に沿って配列されており前記活性層が発する波長の光を吸収する複数の光吸収領域を更に有し、
前記活性層が、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体からなり、
前記複数の光吸収領域が、実質的にAlを含まないIII−V族化合物半導体からなることを特徴とする、半導体レーザ素子。
A semiconductor laser element that outputs laser light of a predetermined wavelength,
A first conductivity type semiconductor substrate containing a III-V compound semiconductor;
A first conductivity type cladding layer provided on the semiconductor substrate;
A semiconductor laminate having an active layer and provided on the first conductivity type cladding layer;
A second conductivity type cladding layer provided on the semiconductor laminate,
The semiconductor stacked portion further includes a plurality of light absorption regions arranged along the active layer at a period corresponding to the predetermined wavelength and absorbing light having a wavelength emitted from the active layer,
The active layer is made of a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition,
The semiconductor laser device, wherein the plurality of light absorption regions are made of a III-V group compound semiconductor substantially not containing Al.
前記複数の光吸収領域の間に、該複数の光吸収領域より低屈折率の中間半導体領域を更に備え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。   The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising an intermediate semiconductor region having a lower refractive index than the plurality of light absorption regions between the plurality of light absorption regions. 所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子を作製する方法であって、
III−V族化合物半導体を含む第1導電型の半導体基板上に第1導電型クラッド層を形成する第1のクラッド層形成工程と、
活性層を有する半導体積層部を第1導電型クラッド層上に形成する積層部形成工程と、
第2導電型クラッド層を前記半導体積層部上に形成する第2のクラッド層形成工程と
を備え、
前記積層部形成工程が、
組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を成長させて前記活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層が発する波長の光を吸収し且つ実質的にAlを含まないIII−V族化合物半導体を成長させたのち、該III−V族化合物半導体上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて該III−V族化合物半導体をエッチングすることにより、前記所定波長に応じた周期で前記活性層に沿って配列された複数の光吸収領域を形成する光吸収領域形成工程と
を含むことを特徴とする、半導体レーザ素子の作製方法。
A method for producing a semiconductor laser element that outputs laser light of a predetermined wavelength,
A first cladding layer forming step of forming a first conductivity type cladding layer on a first conductivity type semiconductor substrate containing a III-V group compound semiconductor;
A laminated portion forming step of forming a semiconductor laminated portion having an active layer on the first conductivity type cladding layer;
A second clad layer forming step of forming a second conductivity type clad layer on the semiconductor laminated portion,
The laminated part forming step includes
An active layer forming step of growing a group III-V compound semiconductor containing Al in the composition to form the active layer;
A plurality of mask patterns arranged on the group III-V compound semiconductor after growing a group III-V compound semiconductor that absorbs light having a wavelength emitted from the active layer and does not substantially contain Al A light absorption region forming step of forming a plurality of light absorption regions arranged along the active layer at a period corresponding to the predetermined wavelength by etching the III-V compound semiconductor using a mask having A method for manufacturing a semiconductor laser device, comprising:
前記積層部形成工程が、前記複数の光吸収領域同士の隙間を該複数の光吸収領域より低屈折率の半導体により埋め込む埋込工程を更に含むことを特徴とする、請求項3に記載の半導体レーザ素子の作製方法。   4. The semiconductor according to claim 3, wherein the stacked portion forming step further includes a filling step of filling a gap between the plurality of light absorption regions with a semiconductor having a lower refractive index than the plurality of light absorption regions. A method for manufacturing a laser element. 前記積層部形成工程が、
前記複数の光吸収領域同士の隙間を半導体により埋め込む埋込工程と、
前記複数の光吸収領域上および前記埋込工程において埋め込まれた前記半導体上に、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を成長させる工程と
を更に含むことを特徴とする、請求項3に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
The laminated part forming step includes
An embedding step of filling a gap between the plurality of light absorption regions with a semiconductor;
The method further comprises: growing a group III-V compound semiconductor containing Al in the composition on the plurality of light absorption regions and on the semiconductor buried in the embedding step. A manufacturing method of the semiconductor laser device described in 1.
前記積層部形成工程が、前記活性層形成工程と前記光吸収領域形成工程との間に、組成中にAlを含むIII−V族化合物半導体を前記活性層上に成長させる工程を更に含むことを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の作製方法。   The laminated portion forming step further includes a step of growing a III-V group compound semiconductor containing Al in the composition on the active layer between the active layer forming step and the light absorption region forming step. The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 3, wherein the method is characterized in that:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013502715A (en) * 2009-08-18 2013-01-24 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ Method for manufacturing a light emitting device based on a light emitting diode
CN116417906A (en) * 2021-12-31 2023-07-11 深圳市斑岩光子技术有限公司 Surface Etched Grating Semiconductor Laser with Periodically Pumped Structure

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