半導体レーザ素子の製造方法
【課題】所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体レーザ素子の製造方法では、発振波長が異なる複数のサンプル１に同一の反射防止膜１１を成膜することにより、製品となる半導体レーザ素子に形成した反射防止膜の反射率を直接測定する従来の場合とは異なり、数十ｎｍにわたる広い波長範囲において反射防止膜１１の波長依存性を求めることが可能となる。したがって、波長依存性から決定される反射防止膜１１の膜構造と設計時の膜構造とを比較し、製品となる分布帰還型半導体レーザ素子への反射防止膜１１の成膜条件を補正することにより、所望の反射特性を有する反射防止膜１１を効率良く形成できる。
【解決手段】この半導体レーザ素子の製造方法では、発振波長が異なる複数のサンプル１に同一の反射防止膜１１を成膜することにより、製品となる半導体レーザ素子に形成した反射防止膜の反射率を直接測定する従来の場合とは異なり、数十ｎｍにわたる広い波長範囲において反射防止膜１１の波長依存性を求めることが可能となる。したがって、波長依存性から決定される反射防止膜１１の膜構造と設計時の膜構造とを比較し、製品となる分布帰還型半導体レーザ素子への反射防止膜１１の成膜条件を補正することにより、所望の反射特性を有する反射防止膜１１を効率良く形成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、端面コーティング膜を有する半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子におけるレーザ光の出射端面には、例えば反射防止膜のような端面コーティング膜が形成される。長距離伝送で用いられるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ等では、発振波長に対する反射率が０．０５％以下となるような反射防止膜が必要とされている。
【０００３】
所望の反射特性を有する端面コーティング膜を形成するための技術として、半導体レーザ素子のファブリ・ペロー共振モードのリップル深さを利用したものがある。ファブリ・ペロー共振モードのリップル深さは、半導体レーザ素子の利得と素子端面の反射率とによって関係付けられる（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
この関係を利用し、例えば特許文献１に記載のコーティング反射率の調整方法では、半導体増幅器におけるリップル深さをモニタリングしながら、レーザアブレーションによって端面コーティング膜を局所的にエッチングしている。そして、リップル深さが極小となるようにエッチング量を調整することで、発振波長における端面コーティング膜の反射率を設計値に近づけている。
【特許文献１】特開２００５−４５１２８号公報
【非特許文献１】J.Appl.Phys.,vol.46,p.1299 (1975)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の方法では、端面コーティング膜をエッチングするレーザアブレーション装置を別途設ける必要があった。また、個々の素子の反射率の調整は可能であるが、複数の素子の端面コーティング膜の反射率を調整するのが困難であり、生産性の点で改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のため、本願発明者は、鋭意研究を重ねる過程で、端面コーティング膜の反射率の波長依存性に着目した。そして、反射率の波長依存性と端面コーティング膜の膜構造とは１対１に対応付けられるものであり、反射率の波長依存性を把握すれば、端面コーティング膜の膜構造を特定できることに着目した。
【０００８】
ところで、端面コーティング膜の反射率は、広い波長範囲にわたって緩やかに変化する。そのため、発振波長近傍における反射率の波長依存性を把握するには、少なくとも数十ｎｍ程度の波長範囲で反射率の測定を行う必要があると考えられる。
【０００９】
しかしながら、リップル深さに基づく反射率測定では、個々の半導体レーザ素子の端面コーティング膜の反射率を十分な精度で測定できる波長範囲が数ｎｍ程度の狭い範囲に制限されるという問題があった。この制限は、測定を閾値電流以下で行う必要があり、半導体レーザ素子の発振波長付近の狭い波長範囲でしか十分な強度の光を検出できない点、及び半導体レーザ素子の利得を一定と仮定できる波長範囲が狭い点に起因するものである。
【００１０】
これに対し、本願発明者は、更なる研究を重ねる過程で、発振波長が異なる複数のサンプルを利用し、端面コーティング膜における反射率の測定波長範囲を拡張する手法に想到した。そして、得られた波長依存性から求まる端面コーティング膜の膜構造と設計値とを比較し、製品となる半導体レーザ素子に端面コーティング膜を成膜する際の成膜条件を補正することで、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
【００１１】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、レーザ素体の端面に端面コーティング膜を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ素子のサンプルを複数作製するサンプル作製工程と、発振波長が異なる複数のサンプルの端面に、同一の膜設計による端面コーティング膜を所定の成膜条件で形成する第１成膜工程と、端面コーティング膜が形成された各サンプルに所定の電流を注入し、ファブリ・ペローモードのリップル深さに基づいて、発振波長ごとの端面コーティング膜の反射率を測定する反射率測定工程と、端面コーティング膜の反射率の波長依存性に基づいて、端面コーティング膜の膜構造を算出する膜構造算出工程と、膜構造算出工程で算出された膜構造と設計時の膜構造との比較に基づいて補正された成膜条件で、レーザ素体の端面に端面コーティング膜を形成する第２成膜工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１２】
この半導体レーザ素子の製造方法では、発振波長が異なる複数のサンプルに同一の端面コーティング膜を成膜することにより、製品となる半導体レーザ素子に形成した端面コーティング膜の反射率を直接測定する場合とは異なり、十分に広い波長範囲において端面コーティング膜の反射率の波長依存性を求めることが可能となる。したがって、反射率の波長依存性から決定される端面コーティング膜の膜構造と設計時の膜構造とを比較し、製品となる半導体レーザ素子への端面コーティング膜の成膜条件を補正することにより、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる。
【００１３】
また、各サンプルの端面がへき開面の状態で、予め各サンプルの閾値電流を測定する閾値電流測定工程を更に備え、反射率測定工程において、閾値電流を各サンプルに注入することが好ましい。この場合、リップル深さから反射率を測定する際のパラメータ数を低減できるので、反射率測定がより簡便なものとなる。
【００１４】
また、サンプルの実効屈折率が略同一となる波長範囲の中からサンプルの発振波長を選択することが好ましい。発振波長が異なる複数のサンプルの実効屈折率を略同一と近似できることにより、反射率測定の精度を向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。本実施形態では、発振波長が１３０５ｎｍの位相シフト型分布帰還型半導体レーザ素子の端面に、発振波長における反射率が０．０２％以下の反射防止膜を形成する場合を例示する。
【００１８】
図１に示すように、この半導体レーザ素子の製造方法では、まず、半導体レーザ素子のサンプルを作製する（ステップＳ０１：サンプル作製工程）。ここで作製するサンプルは、製品である分布帰還型半導体レーザ素子と同様の構成を有するものであってもよいが、ファブリ・ペロー共振器を有するものであれば、より簡素な構成の素子であってもよい。
【００１９】
サンプルの例を図２に示す。図２（ａ）に示すように、サンプル１は、基板２と、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層４と、活性層４を挟むように形成されたクラッド層３，５と、クラッド層５の表面に形成されたコンタクト層６と、一対の電極７，８とからなるレーザ素体１０を備えている。活性層４とクラッド層３，５とは、光導波路構造を形成している。
【００２０】
レーザ素体１０における活性層４の長手方向の両端面１０ａ，１０ｂは、サンプル１のチップ化の際に、半導体ウェハをへき開して得られるへき開面となっている。サンプル１のファブリ・ペロー共振器は、この両端面１０ａ，１０ｂによって構成され、活性層４で発生した光は、両端面１０ａ，１０ｂを繰り返し反射することによって増幅する。
【００２１】
サンプル作製工程では、多重量子井戸を構成する半導体層の組成を調整することにより、発振波長が異なる複数のサンプル１を作製する。ここで、活性層４を含む光導波路構造の実効屈折率は、多重量子井戸を構成する半導体層の組成を調整することで変化し、サンプル１に形成する端面コーティング膜の反射率に影響を与える。
そこで、多重量子井戸を構成する半導体層の組成を調整することで互いに異なるように設定されるサンプル１の発振波長は、各サンプル１の実効屈折率が略同一とみなせる波長範囲内で選択される。各サンプル１の発振波長は、５ｎｍ以上離れていることが好ましい。
本実施形態では、発振波長が１２７５ｎｍ、１２９０ｎｍ、１２９７ｎｍ、１３０５ｎｍ、及び１３２０ｎｍの５種類のサンプル１を作製する。この波長範囲内であれば、５種類のサンプル１における多重量子井戸の半導体組成は、互いにわずかに異なっているものの、発振波長に対する各サンプル１の実効屈折率は、略同一とみなすことができる。
【００２２】
次に、作製した５種類のサンプル１のぞれぞれについて、閾値電流を測定する（ステップＳ０２：閾値電流測定工程）。閾値電流は、サンプル１がレーザ発振するために必要な電流の最小値である。閾値電流の測定は、図２（ａ）に示したように、サンプル１におけるレーザ素体１０の両端面１０ａ，１０ｂがいずれもへき開面の状態で行う。
【００２３】
閾値電流を測定した後、図２（ｂ）に示すように、サンプル１の一方の端面１０ａに対して反射防止膜（端面コーティング膜）１１の成膜を行う（ステップＳ０３：第１成膜工程）。反射防止膜１１は、ステップＳ０１で作製した全てのサンプル１について、同一の膜設計によるものが成膜される。
【００２４】
本実施形態では、反射防止膜１１は３層の誘電体多層膜からなり、設計値では、端面１０ａ側から見て、１層目が厚さ１２９ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ１０．６ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１０ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。なお、この膜設計では、波長１３０５ｎｍにおける誘電体膜の屈折率ｎ及び減衰係数ｋとして、Ａｌ２Ｏ３（ｎ，ｋ）＝（１．５８，０）、ａ−Ｓｉ（ｎ，ｋ）＝（３．７５，０．０５）を用いた。図３は、上記の膜構造を有する反射防止膜１１の反射率の波長依存性を示す図である。同図に示すように、反射防止膜１１の反射率は、目標である波長１３０５ｎｍにおいて極小となり、計算上は０％となっている。
【００２５】
反射防止膜１１の成膜には、例えばＥＣＲスパッタ装置が用いられる。成膜に先立って、まず、ＥＣＲスパッタ装置における成膜レートを測定する。成膜レートの測定では、例えばＳｉ基板上にＡｌ２Ｏ３及びａ−Ｓｉの単層膜をそれぞれ一定時間成膜し、その膜厚・屈折率・減衰係数を波長６３３ｎｍのエリプソメータで測定する。
【００２６】
次に、エリプソメータで測定した膜厚を成膜時間で除算して成膜レートを算出する。算出された成膜レートは、例えばＡｌ２Ｏ３が１０ｎｍ／分、ａ−Ｓｉが８．５ｎｍ／分であった。反射防止膜１１における上記の各誘電体膜の成膜時間は、この成膜レートに基づいて決定される。なお、波長６３３ｎｍにおける誘電体膜の屈折率ｎ及び減衰係数ｋは、例えばＡｌ２Ｏ３（ｎ，ｋ）＝（１．６１，０）、ａ−Ｓｉ（ｎ，ｋ）＝（４．５６，０．５）であった。
【００２７】
成膜時間を決定した後、各サンプル１を治具にセットしてＥＣＲ装置に導入する。これにより、発振波長が異なる５種類のサンプル１の端面１０ａに、同一の膜構造を有する反射防止膜１１を同時に成膜する。
【００２８】
続いて、成膜した反射防止膜１１の反射率測定をサンプル１ごとに行う（ステップＳ０４：反射率測定工程）。図４は、反射率測定の測定系の一例を示す図である。図４に示すように、この測定系Ｓは、一対のレンズ２１，２２と、光ファイバ２３と、光スペクトルアナライザ２４とによって構成されている。
【００２９】
サンプル１に閾値電流を付与すると、サンプル１からの出射光は、レンズ２１，２２によって平行光束化された後、光ファイバ２３に結合する。光スペクトルアナライザ２４は、サンプル１の発振波長を中心として、例えば±２ｎｍの範囲の光スペクトルを波長０．０１ｎｍ間隔で検出する。
【００３０】
図５は、光スペクトルアナライザ２４で検出される光スペクトル波形の一例を示す図である。図５（ａ）は、発振波長が１３０５ｎｍのサンプル１の光スペクトル波形を波長１２９０ｎｍ〜１３３０ｎｍの範囲で示したものである。光スペクトルの強度は、発振波長においてピークとなり、発振波長の両側では緩やかに減少する。また、光スペクトル波形には、ファブリ・ペローモードのリップルが出現する。
【００３１】
ファブリ・ペローモードのリップル深さから反射率Ｒを求める式は、以下の通りである。
Ｒ＝（ａｉ／ｇｊ）２×ＲＣＬ …（１）
ａｉ＝｛１−（１−ｍｉ２）０．５｝／ｍｉ …（２）
ｍｉ＝（ＰＭＡＸｉ−ＰＭＩＮｉ）／（ＰＭＡＸｉ＋ＰＭＩＮｉ） …（３）
ＰＭＡＸｉ＝（Ｐｉ＋Ｐｉ＋１）／２ …（４）
ＰＭＩＮｉ＝Ｖｉ …（５）
【００３２】
上記の式（１）〜式（５）において、ｇｊはサンプルの周回利得（ただし、閾値電流を用いているので、ｇｊ＝１が成り立つ）であり、ＲＣＬはへき開面における反射率である。ＲＣＬは、例えば０．３２である。また、Ｐｉ，Ｐｉ＋１はリップルにおける隣り合うピークでの光強度であり、ＶｉはＰｉ，Ｐｉ＋１の間のボトムでの光強度である（図５（ｂ）参照）。Ｐｉ，Ｐｉ＋１は、例えば発振波長に最も近い２つのピークを選択する。
【００３３】
発振波長が異なる各サンプル１について反射防止膜１１の反射率の測定を行った後、反射率を波長に対してプロットし、反射防止膜１１の波長依存性を算出する。図６は、サンプルに形成した反射防止膜１１の反射率の測定結果をプロットした図である。同図に示す例では、波長が長波長側にシフトするに伴って反射防止膜１１の反射率が徐々に低下し、目標とする波長１３０５ｎｍにおいて、反射率は約０．０４％となっている。
【００３４】
次に、ステップＳ０４で算出した反射防止膜１１の波長依存性に基づいて、反射防止膜１１の膜構造を算出する（ステップＳ０５：膜構造算出工程）。膜構造の算出は、公知の膜設計ソフトによるデータフィッティングを用いて実行する。図７は、データフィッティング結果の一例を示した図である。Ａｌ２Ｏ３及びａ−Ｓｉによる３層構造の反射防止膜において、波長１３０５ｎｍおける反射率が０．０４％となるものは、例えばグラフＡ〜Ｃの３種類が存在する。このうち、図６に示した反射防止膜１１の反射率の測定結果に最もフィットするのは、グラフＣとなっている。
【００３５】
グラフＡに係る反射防止膜の膜構造は、１層目が厚さ１３４ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ９．０ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１３ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。グラフＢに係る反射防止膜の膜構造は、１層目が厚さ１３０．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ９．０ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１３ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。また、グラフＣに係る反射防止膜の膜構造は、１層目が厚さ１２９ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ１０．５ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１２．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。
【００３６】
膜構造の算出の後、ＥＣＲスパッタ装置における成膜条件の補正を行う（ステップＳ０６）。上述の例では、各サンプル１に形成された反射防止膜１１は、３層目の誘電体膜の厚さが設計値に対して２．５ｎｍ程度厚くなっている。この結果から、反射防止膜１１の膜構造を設計値に近づけるためには、ＥＣＲスパッタ装置における反射防止膜１１の３層目の成膜時間を、第１成膜工程に比べて約０．８倍に短縮すればよいことがわかる。設計値とのずれが一定以下である場合には、成膜条件の補正は不要である。
【００３７】
成膜条件の補正の後、製品となる位相シフト型分布帰還型半導体レーザ素子の端面に反射防止膜１１の成膜を行う（ステップＳ０７：第２成膜工程）。反射防止膜１１の成膜は、第１成膜工程と同様にＥＣＲスパッタ装置を用いる。上記の例によれば、反射防止膜１１の３層目の成膜時間を第１成膜工程よりも０．８倍に短縮することにより、設計値と同様の膜構造を有する反射防止膜１１が分布帰還型半導体レーザ素子の端面にされる。
【００３８】
最後に、反射防止膜１１を形成した分布帰還型半導体レーザ素子の製品検査を行う（ステップＳ０８）。この製品検査では、例えば分布帰還型半導体レーザ素子のサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を測定する。良品選別を行った後、製造工程が終了する。
【００３９】
以上説明したように、この半導体レーザ素子の製造方法では、発振波長が異なる複数のサンプル１に同一の反射防止膜１１を成膜することにより、製品となる半導体レーザ素子に形成した反射防止膜の反射率を直接測定する従来の場合とは異なり、数十ｎｍにわたる広い波長範囲において反射防止膜１１の波長依存性を求めることが可能となる。したがって、波長依存性から決定される反射防止膜１１の膜構造と設計時の膜構造とを比較し、製品となる分布帰還型半導体レーザ素子への反射防止膜１１の成膜条件を補正することにより、所望の反射特性を有する反射防止膜１１を効率良く形成することができる。
【００４０】
また、この半導体レーザ素子の製造方法では、各サンプル１の端面１０ａ，１０ｂがへき開面の状態で予め各サンプル１の閾値電流を測定し、反射率測定工程において、その閾値電流を各サンプル１に注入している。このように、レーザ発振に必要な最小限の電流をサンプル１に注入することで、反射率の計算に用いる式（１）中の周回利得ｇｊを１とみなすことができる。このため、リップル深さから反射率を測定する際のパラメータ数が低減され、反射率測定がより簡便なものとなる。
【００４１】
また、各サンプル１の発振波長は、各サンプル１の実効屈折率が略同一となる波長範囲の中から選択されている。この波長範囲内では、サンプルである半導体レーザ素子の実効屈折率は略同一となるので、反射率測定において、上記式（１）におけるＲＣＬがサンプルによらず一定となる。したがって、各発振波長に対する反射防止膜１１の反射率は、反射防止膜１１の屈折率のみをパラメータとして決定することができるので、工程の簡素化が図られる。
一方、サンプル１の実効屈折率が略同一とみなせない範囲まで各サンプル１の発振波長を拡張すると、上記式（１）におけるＲＣＬの差がサンプルごとに無視できなくなり、反射率測定における誤差が増大する。この場合、サンプル１の実効屈折率を別途求める必要が生じ、工程が複雑となる。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、端面コーティング膜として反射防止膜を例示したが、本発明は、高反射膜といった他の端面コーティング膜についても適用できる。また、製品である半導体レーザ素子は、ＥＡ変調器が集積された分布帰還型半導体レーザ素子などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図２】ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ素子のサンプルの一例を示す図である。
【図３】反射防止膜の波長依存性の設計値を示した図である。
【図４】反射率測定の測定系を示した図である。
【図５】光スペクトルアナライザで検出される光スペクトル波形の一例を示す図である。
【図６】サンプルに形成した反射防止膜１１の反射率の測定結果をプロットした図である。
【図７】データフィッティング結果の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…サンプル、１０ａ…端面、１１…反射防止膜（端面コーティング膜）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、端面コーティング膜を有する半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子におけるレーザ光の出射端面には、例えば反射防止膜のような端面コーティング膜が形成される。長距離伝送で用いられるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ等では、発振波長に対する反射率が０．０５％以下となるような反射防止膜が必要とされている。
【０００３】
所望の反射特性を有する端面コーティング膜を形成するための技術として、半導体レーザ素子のファブリ・ペロー共振モードのリップル深さを利用したものがある。ファブリ・ペロー共振モードのリップル深さは、半導体レーザ素子の利得と素子端面の反射率とによって関係付けられる（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
この関係を利用し、例えば特許文献１に記載のコーティング反射率の調整方法では、半導体増幅器におけるリップル深さをモニタリングしながら、レーザアブレーションによって端面コーティング膜を局所的にエッチングしている。そして、リップル深さが極小となるようにエッチング量を調整することで、発振波長における端面コーティング膜の反射率を設計値に近づけている。
【特許文献１】特開２００５−４５１２８号公報
【非特許文献１】J.Appl.Phys.,vol.46,p.1299 (1975)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の方法では、端面コーティング膜をエッチングするレーザアブレーション装置を別途設ける必要があった。また、個々の素子の反射率の調整は可能であるが、複数の素子の端面コーティング膜の反射率を調整するのが困難であり、生産性の点で改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のため、本願発明者は、鋭意研究を重ねる過程で、端面コーティング膜の反射率の波長依存性に着目した。そして、反射率の波長依存性と端面コーティング膜の膜構造とは１対１に対応付けられるものであり、反射率の波長依存性を把握すれば、端面コーティング膜の膜構造を特定できることに着目した。
【０００８】
ところで、端面コーティング膜の反射率は、広い波長範囲にわたって緩やかに変化する。そのため、発振波長近傍における反射率の波長依存性を把握するには、少なくとも数十ｎｍ程度の波長範囲で反射率の測定を行う必要があると考えられる。
【０００９】
しかしながら、リップル深さに基づく反射率測定では、個々の半導体レーザ素子の端面コーティング膜の反射率を十分な精度で測定できる波長範囲が数ｎｍ程度の狭い範囲に制限されるという問題があった。この制限は、測定を閾値電流以下で行う必要があり、半導体レーザ素子の発振波長付近の狭い波長範囲でしか十分な強度の光を検出できない点、及び半導体レーザ素子の利得を一定と仮定できる波長範囲が狭い点に起因するものである。
【００１０】
これに対し、本願発明者は、更なる研究を重ねる過程で、発振波長が異なる複数のサンプルを利用し、端面コーティング膜における反射率の測定波長範囲を拡張する手法に想到した。そして、得られた波長依存性から求まる端面コーティング膜の膜構造と設計値とを比較し、製品となる半導体レーザ素子に端面コーティング膜を成膜する際の成膜条件を補正することで、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
【００１１】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、レーザ素体の端面に端面コーティング膜を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ素子のサンプルを複数作製するサンプル作製工程と、発振波長が異なる複数のサンプルの端面に、同一の膜設計による端面コーティング膜を所定の成膜条件で形成する第１成膜工程と、端面コーティング膜が形成された各サンプルに所定の電流を注入し、ファブリ・ペローモードのリップル深さに基づいて、発振波長ごとの端面コーティング膜の反射率を測定する反射率測定工程と、端面コーティング膜の反射率の波長依存性に基づいて、端面コーティング膜の膜構造を算出する膜構造算出工程と、膜構造算出工程で算出された膜構造と設計時の膜構造との比較に基づいて補正された成膜条件で、レーザ素体の端面に端面コーティング膜を形成する第２成膜工程と、を備えたことを特徴としている。
【００１２】
この半導体レーザ素子の製造方法では、発振波長が異なる複数のサンプルに同一の端面コーティング膜を成膜することにより、製品となる半導体レーザ素子に形成した端面コーティング膜の反射率を直接測定する場合とは異なり、十分に広い波長範囲において端面コーティング膜の反射率の波長依存性を求めることが可能となる。したがって、反射率の波長依存性から決定される端面コーティング膜の膜構造と設計時の膜構造とを比較し、製品となる半導体レーザ素子への端面コーティング膜の成膜条件を補正することにより、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる。
【００１３】
また、各サンプルの端面がへき開面の状態で、予め各サンプルの閾値電流を測定する閾値電流測定工程を更に備え、反射率測定工程において、閾値電流を各サンプルに注入することが好ましい。この場合、リップル深さから反射率を測定する際のパラメータ数を低減できるので、反射率測定がより簡便なものとなる。
【００１４】
また、サンプルの実効屈折率が略同一となる波長範囲の中からサンプルの発振波長を選択することが好ましい。発振波長が異なる複数のサンプルの実効屈折率を略同一と近似できることにより、反射率測定の精度を向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、所望の反射特性を有する端面コーティング膜を効率良く形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。本実施形態では、発振波長が１３０５ｎｍの位相シフト型分布帰還型半導体レーザ素子の端面に、発振波長における反射率が０．０２％以下の反射防止膜を形成する場合を例示する。
【００１８】
図１に示すように、この半導体レーザ素子の製造方法では、まず、半導体レーザ素子のサンプルを作製する（ステップＳ０１：サンプル作製工程）。ここで作製するサンプルは、製品である分布帰還型半導体レーザ素子と同様の構成を有するものであってもよいが、ファブリ・ペロー共振器を有するものであれば、より簡素な構成の素子であってもよい。
【００１９】
サンプルの例を図２に示す。図２（ａ）に示すように、サンプル１は、基板２と、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層４と、活性層４を挟むように形成されたクラッド層３，５と、クラッド層５の表面に形成されたコンタクト層６と、一対の電極７，８とからなるレーザ素体１０を備えている。活性層４とクラッド層３，５とは、光導波路構造を形成している。
【００２０】
レーザ素体１０における活性層４の長手方向の両端面１０ａ，１０ｂは、サンプル１のチップ化の際に、半導体ウェハをへき開して得られるへき開面となっている。サンプル１のファブリ・ペロー共振器は、この両端面１０ａ，１０ｂによって構成され、活性層４で発生した光は、両端面１０ａ，１０ｂを繰り返し反射することによって増幅する。
【００２１】
サンプル作製工程では、多重量子井戸を構成する半導体層の組成を調整することにより、発振波長が異なる複数のサンプル１を作製する。ここで、活性層４を含む光導波路構造の実効屈折率は、多重量子井戸を構成する半導体層の組成を調整することで変化し、サンプル１に形成する端面コーティング膜の反射率に影響を与える。
そこで、多重量子井戸を構成する半導体層の組成を調整することで互いに異なるように設定されるサンプル１の発振波長は、各サンプル１の実効屈折率が略同一とみなせる波長範囲内で選択される。各サンプル１の発振波長は、５ｎｍ以上離れていることが好ましい。
本実施形態では、発振波長が１２７５ｎｍ、１２９０ｎｍ、１２９７ｎｍ、１３０５ｎｍ、及び１３２０ｎｍの５種類のサンプル１を作製する。この波長範囲内であれば、５種類のサンプル１における多重量子井戸の半導体組成は、互いにわずかに異なっているものの、発振波長に対する各サンプル１の実効屈折率は、略同一とみなすことができる。
【００２２】
次に、作製した５種類のサンプル１のぞれぞれについて、閾値電流を測定する（ステップＳ０２：閾値電流測定工程）。閾値電流は、サンプル１がレーザ発振するために必要な電流の最小値である。閾値電流の測定は、図２（ａ）に示したように、サンプル１におけるレーザ素体１０の両端面１０ａ，１０ｂがいずれもへき開面の状態で行う。
【００２３】
閾値電流を測定した後、図２（ｂ）に示すように、サンプル１の一方の端面１０ａに対して反射防止膜（端面コーティング膜）１１の成膜を行う（ステップＳ０３：第１成膜工程）。反射防止膜１１は、ステップＳ０１で作製した全てのサンプル１について、同一の膜設計によるものが成膜される。
【００２４】
本実施形態では、反射防止膜１１は３層の誘電体多層膜からなり、設計値では、端面１０ａ側から見て、１層目が厚さ１２９ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ１０．６ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１０ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。なお、この膜設計では、波長１３０５ｎｍにおける誘電体膜の屈折率ｎ及び減衰係数ｋとして、Ａｌ２Ｏ３（ｎ，ｋ）＝（１．５８，０）、ａ−Ｓｉ（ｎ，ｋ）＝（３．７５，０．０５）を用いた。図３は、上記の膜構造を有する反射防止膜１１の反射率の波長依存性を示す図である。同図に示すように、反射防止膜１１の反射率は、目標である波長１３０５ｎｍにおいて極小となり、計算上は０％となっている。
【００２５】
反射防止膜１１の成膜には、例えばＥＣＲスパッタ装置が用いられる。成膜に先立って、まず、ＥＣＲスパッタ装置における成膜レートを測定する。成膜レートの測定では、例えばＳｉ基板上にＡｌ２Ｏ３及びａ−Ｓｉの単層膜をそれぞれ一定時間成膜し、その膜厚・屈折率・減衰係数を波長６３３ｎｍのエリプソメータで測定する。
【００２６】
次に、エリプソメータで測定した膜厚を成膜時間で除算して成膜レートを算出する。算出された成膜レートは、例えばＡｌ２Ｏ３が１０ｎｍ／分、ａ−Ｓｉが８．５ｎｍ／分であった。反射防止膜１１における上記の各誘電体膜の成膜時間は、この成膜レートに基づいて決定される。なお、波長６３３ｎｍにおける誘電体膜の屈折率ｎ及び減衰係数ｋは、例えばＡｌ２Ｏ３（ｎ，ｋ）＝（１．６１，０）、ａ−Ｓｉ（ｎ，ｋ）＝（４．５６，０．５）であった。
【００２７】
成膜時間を決定した後、各サンプル１を治具にセットしてＥＣＲ装置に導入する。これにより、発振波長が異なる５種類のサンプル１の端面１０ａに、同一の膜構造を有する反射防止膜１１を同時に成膜する。
【００２８】
続いて、成膜した反射防止膜１１の反射率測定をサンプル１ごとに行う（ステップＳ０４：反射率測定工程）。図４は、反射率測定の測定系の一例を示す図である。図４に示すように、この測定系Ｓは、一対のレンズ２１，２２と、光ファイバ２３と、光スペクトルアナライザ２４とによって構成されている。
【００２９】
サンプル１に閾値電流を付与すると、サンプル１からの出射光は、レンズ２１，２２によって平行光束化された後、光ファイバ２３に結合する。光スペクトルアナライザ２４は、サンプル１の発振波長を中心として、例えば±２ｎｍの範囲の光スペクトルを波長０．０１ｎｍ間隔で検出する。
【００３０】
図５は、光スペクトルアナライザ２４で検出される光スペクトル波形の一例を示す図である。図５（ａ）は、発振波長が１３０５ｎｍのサンプル１の光スペクトル波形を波長１２９０ｎｍ〜１３３０ｎｍの範囲で示したものである。光スペクトルの強度は、発振波長においてピークとなり、発振波長の両側では緩やかに減少する。また、光スペクトル波形には、ファブリ・ペローモードのリップルが出現する。
【００３１】
ファブリ・ペローモードのリップル深さから反射率Ｒを求める式は、以下の通りである。
Ｒ＝（ａｉ／ｇｊ）２×ＲＣＬ …（１）
ａｉ＝｛１−（１−ｍｉ２）０．５｝／ｍｉ …（２）
ｍｉ＝（ＰＭＡＸｉ−ＰＭＩＮｉ）／（ＰＭＡＸｉ＋ＰＭＩＮｉ） …（３）
ＰＭＡＸｉ＝（Ｐｉ＋Ｐｉ＋１）／２ …（４）
ＰＭＩＮｉ＝Ｖｉ …（５）
【００３２】
上記の式（１）〜式（５）において、ｇｊはサンプルの周回利得（ただし、閾値電流を用いているので、ｇｊ＝１が成り立つ）であり、ＲＣＬはへき開面における反射率である。ＲＣＬは、例えば０．３２である。また、Ｐｉ，Ｐｉ＋１はリップルにおける隣り合うピークでの光強度であり、ＶｉはＰｉ，Ｐｉ＋１の間のボトムでの光強度である（図５（ｂ）参照）。Ｐｉ，Ｐｉ＋１は、例えば発振波長に最も近い２つのピークを選択する。
【００３３】
発振波長が異なる各サンプル１について反射防止膜１１の反射率の測定を行った後、反射率を波長に対してプロットし、反射防止膜１１の波長依存性を算出する。図６は、サンプルに形成した反射防止膜１１の反射率の測定結果をプロットした図である。同図に示す例では、波長が長波長側にシフトするに伴って反射防止膜１１の反射率が徐々に低下し、目標とする波長１３０５ｎｍにおいて、反射率は約０．０４％となっている。
【００３４】
次に、ステップＳ０４で算出した反射防止膜１１の波長依存性に基づいて、反射防止膜１１の膜構造を算出する（ステップＳ０５：膜構造算出工程）。膜構造の算出は、公知の膜設計ソフトによるデータフィッティングを用いて実行する。図７は、データフィッティング結果の一例を示した図である。Ａｌ２Ｏ３及びａ−Ｓｉによる３層構造の反射防止膜において、波長１３０５ｎｍおける反射率が０．０４％となるものは、例えばグラフＡ〜Ｃの３種類が存在する。このうち、図６に示した反射防止膜１１の反射率の測定結果に最もフィットするのは、グラフＣとなっている。
【００３５】
グラフＡに係る反射防止膜の膜構造は、１層目が厚さ１３４ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ９．０ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１３ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。グラフＢに係る反射防止膜の膜構造は、１層目が厚さ１３０．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ９．０ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１３ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。また、グラフＣに係る反射防止膜の膜構造は、１層目が厚さ１２９ｎｍのＡｌ２Ｏ３、２層目が厚さ１０．５ｎｍのａ−Ｓｉ、３層目が厚さ１２．５ｎｍのＡｌ２Ｏ３である。
【００３６】
膜構造の算出の後、ＥＣＲスパッタ装置における成膜条件の補正を行う（ステップＳ０６）。上述の例では、各サンプル１に形成された反射防止膜１１は、３層目の誘電体膜の厚さが設計値に対して２．５ｎｍ程度厚くなっている。この結果から、反射防止膜１１の膜構造を設計値に近づけるためには、ＥＣＲスパッタ装置における反射防止膜１１の３層目の成膜時間を、第１成膜工程に比べて約０．８倍に短縮すればよいことがわかる。設計値とのずれが一定以下である場合には、成膜条件の補正は不要である。
【００３７】
成膜条件の補正の後、製品となる位相シフト型分布帰還型半導体レーザ素子の端面に反射防止膜１１の成膜を行う（ステップＳ０７：第２成膜工程）。反射防止膜１１の成膜は、第１成膜工程と同様にＥＣＲスパッタ装置を用いる。上記の例によれば、反射防止膜１１の３層目の成膜時間を第１成膜工程よりも０．８倍に短縮することにより、設計値と同様の膜構造を有する反射防止膜１１が分布帰還型半導体レーザ素子の端面にされる。
【００３８】
最後に、反射防止膜１１を形成した分布帰還型半導体レーザ素子の製品検査を行う（ステップＳ０８）。この製品検査では、例えば分布帰還型半導体レーザ素子のサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を測定する。良品選別を行った後、製造工程が終了する。
【００３９】
以上説明したように、この半導体レーザ素子の製造方法では、発振波長が異なる複数のサンプル１に同一の反射防止膜１１を成膜することにより、製品となる半導体レーザ素子に形成した反射防止膜の反射率を直接測定する従来の場合とは異なり、数十ｎｍにわたる広い波長範囲において反射防止膜１１の波長依存性を求めることが可能となる。したがって、波長依存性から決定される反射防止膜１１の膜構造と設計時の膜構造とを比較し、製品となる分布帰還型半導体レーザ素子への反射防止膜１１の成膜条件を補正することにより、所望の反射特性を有する反射防止膜１１を効率良く形成することができる。
【００４０】
また、この半導体レーザ素子の製造方法では、各サンプル１の端面１０ａ，１０ｂがへき開面の状態で予め各サンプル１の閾値電流を測定し、反射率測定工程において、その閾値電流を各サンプル１に注入している。このように、レーザ発振に必要な最小限の電流をサンプル１に注入することで、反射率の計算に用いる式（１）中の周回利得ｇｊを１とみなすことができる。このため、リップル深さから反射率を測定する際のパラメータ数が低減され、反射率測定がより簡便なものとなる。
【００４１】
また、各サンプル１の発振波長は、各サンプル１の実効屈折率が略同一となる波長範囲の中から選択されている。この波長範囲内では、サンプルである半導体レーザ素子の実効屈折率は略同一となるので、反射率測定において、上記式（１）におけるＲＣＬがサンプルによらず一定となる。したがって、各発振波長に対する反射防止膜１１の反射率は、反射防止膜１１の屈折率のみをパラメータとして決定することができるので、工程の簡素化が図られる。
一方、サンプル１の実効屈折率が略同一とみなせない範囲まで各サンプル１の発振波長を拡張すると、上記式（１）におけるＲＣＬの差がサンプルごとに無視できなくなり、反射率測定における誤差が増大する。この場合、サンプル１の実効屈折率を別途求める必要が生じ、工程が複雑となる。
【００４２】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、端面コーティング膜として反射防止膜を例示したが、本発明は、高反射膜といった他の端面コーティング膜についても適用できる。また、製品である半導体レーザ素子は、ＥＡ変調器が集積された分布帰還型半導体レーザ素子などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図２】ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ素子のサンプルの一例を示す図である。
【図３】反射防止膜の波長依存性の設計値を示した図である。
【図４】反射率測定の測定系を示した図である。
【図５】光スペクトルアナライザで検出される光スペクトル波形の一例を示す図である。
【図６】サンプルに形成した反射防止膜１１の反射率の測定結果をプロットした図である。
【図７】データフィッティング結果の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…サンプル、１０ａ…端面、１１…反射防止膜（端面コーティング膜）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ素体の端面に端面コーティング膜を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、
ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ素子のサンプルを複数作製するサンプル作製工程と、
発振波長が異なる複数の前記サンプルの端面に、同一の膜設計による端面コーティング膜を所定の成膜条件で形成する第１成膜工程と、
前記端面コーティング膜が形成された前記各サンプルに所定の電流を注入し、ファブリ・ペローモードのリップル深さに基づいて、前記発振波長ごとの前記端面コーティング膜の反射率を測定する反射率測定工程と、
前記端面コーティング膜の反射率の波長依存性に基づいて、前記端面コーティング膜の膜構造を算出する膜構造算出工程と、
前記膜構造算出工程で算出された前記膜構造と設計時の膜構造との比較に基づいて補正された成膜条件で、前記レーザ素体の端面に端面コーティング膜を形成する第２成膜工程と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記各サンプルの前記端面がへき開面の状態で、予め前記各サンプルの閾値電流を測定する閾値電流測定工程を更に備え、
前記反射率測定工程において、前記閾値電流を前記各サンプルに注入することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記サンプルの実効屈折率が略同一となる波長範囲の中から前記サンプルの発振波長を選択することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１】
レーザ素体の端面に端面コーティング膜を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、
ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ素子のサンプルを複数作製するサンプル作製工程と、
発振波長が異なる複数の前記サンプルの端面に、同一の膜設計による端面コーティング膜を所定の成膜条件で形成する第１成膜工程と、
前記端面コーティング膜が形成された前記各サンプルに所定の電流を注入し、ファブリ・ペローモードのリップル深さに基づいて、前記発振波長ごとの前記端面コーティング膜の反射率を測定する反射率測定工程と、
前記端面コーティング膜の反射率の波長依存性に基づいて、前記端面コーティング膜の膜構造を算出する膜構造算出工程と、
前記膜構造算出工程で算出された前記膜構造と設計時の膜構造との比較に基づいて補正された成膜条件で、前記レーザ素体の端面に端面コーティング膜を形成する第２成膜工程と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記各サンプルの前記端面がへき開面の状態で、予め前記各サンプルの閾値電流を測定する閾値電流測定工程を更に備え、
前記反射率測定工程において、前記閾値電流を前記各サンプルに注入することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記サンプルの実効屈折率が略同一となる波長範囲の中から前記サンプルの発振波長を選択することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２２４４９７（Ｐ２００９−２２４４９７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６６３２４（Ｐ２００８−６６３２４）
【出願日】平成２０年３月１４日（２００８．３．１４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１４日（２００８．３．１４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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