JP2003234541A - 分布帰還型半導体レーザ素子 - Google Patents
分布帰還型半導体レーザ素子Info
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- H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching
- H01S5/2277—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching double channel planar buried heterostructure [DCPBH] laser
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- H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ｎ型半導体基板上に設けられた積層構造内に
活性層及び活性層上に設けられた回折格子を有し、しき
い値電流及び素子抵抗の双方が小さい分布帰還型半導体
レーザ素子を提供する。 【解決手段】 本実施形態例のＤＦＢレーザ４０は、共
振器長が３００μｍの埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザ
であって、厚さ１２０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板４２上
に、ｎ−ＩｎＰバッファ層４４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
４６、厚さが約２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層４
８、回折格子５０、回折格子５０を埋め込んだｐ−Ｉｎ
Ｐ埋め込み層５２、及びｐ−ＩｎＰ上クラッド層５４の
積層構造を有する。ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６の活性層
のバンドギャップは、波長に換算して１５６０ｎｍであ
る。また、回折格子５０は、回折格子層の厚さが約２０
ｎｍで、回折格子５０の周期が約２４０ｎｍ、ｄｕｔｙ
比が３０％程度である。回折格子５０及びｐ−ＩｎＰ埋
め込み層５２のキャリア密度は、１×１０18〔ｃｍ-3〕
になるように調節されている。
活性層及び活性層上に設けられた回折格子を有し、しき
い値電流及び素子抵抗の双方が小さい分布帰還型半導体
レーザ素子を提供する。 【解決手段】 本実施形態例のＤＦＢレーザ４０は、共
振器長が３００μｍの埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザ
であって、厚さ１２０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板４２上
に、ｎ−ＩｎＰバッファ層４４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
４６、厚さが約２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層４
８、回折格子５０、回折格子５０を埋め込んだｐ−Ｉｎ
Ｐ埋め込み層５２、及びｐ−ＩｎＰ上クラッド層５４の
積層構造を有する。ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６の活性層
のバンドギャップは、波長に換算して１５６０ｎｍであ
る。また、回折格子５０は、回折格子層の厚さが約２０
ｎｍで、回折格子５０の周期が約２４０ｎｍ、ｄｕｔｙ
比が３０％程度である。回折格子５０及びｐ−ＩｎＰ埋
め込み層５２のキャリア密度は、１×１０18〔ｃｍ-3〕
になるように調節されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、分布帰還型半導体
レーザ素子に関し、更に詳細には、ｎ型半導体基板上に
設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設けられ
た回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子であっ
て、しきい値電流が小さく、初期スロープ効率が高く、
しかも素子抵抗が小さい分布帰還型半導体レーザ素子に
関するものである。
レーザ素子に関し、更に詳細には、ｎ型半導体基板上に
設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設けられ
た回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子であっ
て、しきい値電流が小さく、初期スロープ効率が高く、
しかも素子抵抗が小さい分布帰還型半導体レーザ素子に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】波長分割多重（以下、ＷＤＭと言う）光
伝送システムは、一本の光ファイバーで異なる波長の光
信号を伝送することにより、光通信容量を大幅に拡大で
きるシステムとして注目されている。その光源には、単
一波長性に優れた分布帰還型半導体レーザ素子（以下、
ＤＦＢレーザと言う）が、一般に、用いられている。
伝送システムは、一本の光ファイバーで異なる波長の光
信号を伝送することにより、光通信容量を大幅に拡大で
きるシステムとして注目されている。その光源には、単
一波長性に優れた分布帰還型半導体レーザ素子（以下、
ＤＦＢレーザと言う）が、一般に、用いられている。
【０００３】比較的短距離の都市幹線系及び加入者系に
用いられる直接変調可能なＤＦＢレーザとして、素子の
温度制御を行わない、つまり素子冷却部品で冷却しな
い、低コスト化を図った非冷却型ＤＦＢレーザ（Uncool
ed DFBレーザ）がある。非冷却型ＤＦＢレーザでは、素
子冷却部品として通常設けられているペルチェ冷却素子
が設けられていない。非冷却型ＤＦＢレーザは、温度制
御されない環境下で使用できるように、例えば−４０℃
から＋８５℃などの広い温度範囲で持続的に動作するこ
と、更には電流注入による発熱を抑えるために、素子抵
抗を極力低くすることが求められている。
用いられる直接変調可能なＤＦＢレーザとして、素子の
温度制御を行わない、つまり素子冷却部品で冷却しな
い、低コスト化を図った非冷却型ＤＦＢレーザ（Uncool
ed DFBレーザ）がある。非冷却型ＤＦＢレーザでは、素
子冷却部品として通常設けられているペルチェ冷却素子
が設けられていない。非冷却型ＤＦＢレーザは、温度制
御されない環境下で使用できるように、例えば−４０℃
から＋８５℃などの広い温度範囲で持続的に動作するこ
と、更には電流注入による発熱を抑えるために、素子抵
抗を極力低くすることが求められている。
【０００４】ＤＦＢレーザは、共振器内部に屈折率の実
部または虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子
と言う）を有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるよ
うにして波長選択性を持たせている。ＤＦＢレーザの発
振波長λDFBは、活性層の利得ピーク波長λPLとは独立
に設定することができ、回折格子の周期をΛ、導波路の
等価屈折率をｎeffとすると、λDFB＝２・Λ・ｎeffで表
される。尚、活性層の利得ピーク波長λPLはフォトルミ
ネッセンス波長に相当する。良好なレーザ発振特性を得
るためには、利得ピーク波長λPLと発振波長λDFBとの
差Δλ＝λDFB−λPLをある範囲内に厳密に制御するこ
とが必要である。Δλは、デチューニング量と呼ばれて
いる。
部または虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子
と言う）を有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるよ
うにして波長選択性を持たせている。ＤＦＢレーザの発
振波長λDFBは、活性層の利得ピーク波長λPLとは独立
に設定することができ、回折格子の周期をΛ、導波路の
等価屈折率をｎeffとすると、λDFB＝２・Λ・ｎeffで表
される。尚、活性層の利得ピーク波長λPLはフォトルミ
ネッセンス波長に相当する。良好なレーザ発振特性を得
るためには、利得ピーク波長λPLと発振波長λDFBとの
差Δλ＝λDFB−λPLをある範囲内に厳密に制御するこ
とが必要である。Δλは、デチューニング量と呼ばれて
いる。
【０００５】半導体レーザ素子は、基板の導電型によっ
て、ｐ型半導体基板上に活性層を有する積層構造を形成
した半導体レーザ素子と、ｎ型半導体基板上に活性層を
有する積層構造を形成した半導体レーザ素子とに分けら
れるが、駆動回路の制御の都合上、ｐ型半導体基板上に
活性層を形成することが多い。しかし、活性層を有する
積層構造をｐ型半導体基板上に形成した場合、発光強度
が弱く、そのために、ＤＦＢレーザで厳密なデチューニ
ング制御のために必要な、フォトルミネッセンス波長λ
PLの測定が難しい。一方、ｎ型半導体基板上に活性層を
形成する場合には、フォトルミネッセンス波長λPLの測
定に十分な発光強度が得られるので、ＤＦＢレーザで
は、フォトルミネッセンス波長λPLの評価が容易なよう
に、ｎ型半導体基板上に活性層を有する積層構造を形成
することが多い。
て、ｐ型半導体基板上に活性層を有する積層構造を形成
した半導体レーザ素子と、ｎ型半導体基板上に活性層を
有する積層構造を形成した半導体レーザ素子とに分けら
れるが、駆動回路の制御の都合上、ｐ型半導体基板上に
活性層を形成することが多い。しかし、活性層を有する
積層構造をｐ型半導体基板上に形成した場合、発光強度
が弱く、そのために、ＤＦＢレーザで厳密なデチューニ
ング制御のために必要な、フォトルミネッセンス波長λ
PLの測定が難しい。一方、ｎ型半導体基板上に活性層を
形成する場合には、フォトルミネッセンス波長λPLの測
定に十分な発光強度が得られるので、ＤＦＢレーザで
は、フォトルミネッセンス波長λPLの評価が容易なよう
に、ｎ型半導体基板上に活性層を有する積層構造を形成
することが多い。
【０００６】さらに、ＤＦＢレーザの構造には、回折格
子を活性層の上側に、つまり基板とは反対の活性層側に
形成する構造（以下、上方回折格子型と言う）と、基板
に関し活性層の下側に、つまり基板と活性層との間に回
折格子を形成する構造（以下、下方回折格子型と言う）
の２通りがある。ｎ型半導体基板を用い、かつ上方回折
格子型の構造では、初めに活性層を形成し、活性層のフ
ォトルミネセンス波長λPLを測定した後で、回折格子の
周期Λの設計が可能であるから、デチューニングの制御
性が良い。一方、下方回折格子型の構造では、回折格子
形成後の埋め込み成長と活性層の成長を同時に行えるの
で、上方回折格子型の構造より、成長回数を一回減らす
ことができるというメリットがある。しかし、デチュー
ニングの制御のために、活性層のバンドギャップ波長を
厳密に制御することが必要となり、技術的な困難性が伴
う。
子を活性層の上側に、つまり基板とは反対の活性層側に
形成する構造（以下、上方回折格子型と言う）と、基板
に関し活性層の下側に、つまり基板と活性層との間に回
折格子を形成する構造（以下、下方回折格子型と言う）
の２通りがある。ｎ型半導体基板を用い、かつ上方回折
格子型の構造では、初めに活性層を形成し、活性層のフ
ォトルミネセンス波長λPLを測定した後で、回折格子の
周期Λの設計が可能であるから、デチューニングの制御
性が良い。一方、下方回折格子型の構造では、回折格子
形成後の埋め込み成長と活性層の成長を同時に行えるの
で、上方回折格子型の構造より、成長回数を一回減らす
ことができるというメリットがある。しかし、デチュー
ニングの制御のために、活性層のバンドギャップ波長を
厳密に制御することが必要となり、技術的な困難性が伴
う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、デチューニン
グ制御にとって最も有利な構造と評価できる、ｎ型半導
体基板上に活性層を形成し、活性層の上側に回折格子を
設ける上方回折格子型の構造では、ｐ型クラッド層中に
回折格子を形成することになり、素子抵抗が大きくなり
易い。なぜなら、半導体レーザ素子で素子抵抗に寄与す
る要因は、主に、ｐ型半導体層の素子抵抗であり、ｐ型
半導体層内に回折格子層のような組成の異なる層を設け
ることは、注入キャリアが感じるエネルギー障壁を増加
させることになり、素子抵抗が上昇するからである。
グ制御にとって最も有利な構造と評価できる、ｎ型半導
体基板上に活性層を形成し、活性層の上側に回折格子を
設ける上方回折格子型の構造では、ｐ型クラッド層中に
回折格子を形成することになり、素子抵抗が大きくなり
易い。なぜなら、半導体レーザ素子で素子抵抗に寄与す
る要因は、主に、ｐ型半導体層の素子抵抗であり、ｐ型
半導体層内に回折格子層のような組成の異なる層を設け
ることは、注入キャリアが感じるエネルギー障壁を増加
させることになり、素子抵抗が上昇するからである。
【０００８】また、ｎ型半導体基板と上方回折格子型の
構造の組み合わせでは、微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）が、し
きい値電流より高電流注入側でクランプされにくいとい
う問題がある。この結果、半導体レーザ素子の変調時の
周波数特性が劣化し、変調周波数の上限を決める３ｄＢ
帯域での遮断周波数の低下等の性能低下が起きるという
問題もあった。
構造の組み合わせでは、微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）が、し
きい値電流より高電流注入側でクランプされにくいとい
う問題がある。この結果、半導体レーザ素子の変調時の
周波数特性が劣化し、変調周波数の上限を決める３ｄＢ
帯域での遮断周波数の低下等の性能低下が起きるという
問題もあった。
【０００９】そこで、本発明の目的は、ｎ型半導体基板
上に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設け
られた回折格子を有するＤＦＢレーザであって、しきい
値電流及び素子抵抗の双方が小さく、かつ良好な周波数
特性を有するＤＦＢレーザを提供することである。
上に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設け
られた回折格子を有するＤＦＢレーザであって、しきい
値電流及び素子抵抗の双方が小さく、かつ良好な周波数
特性を有するＤＦＢレーザを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決する研究の過程で、以下のように考えた。つまり、
素子抵抗を下げるためには、ｐ型半導体層のキャリア密
度、特に回折格子を構成する化合物半導体層（以下、回
折格子層と言うこともある）および回折格子の埋め込み
層のキャリア密度を上げることが効果的であるが、キャ
リア濃度が高くなり過ぎると光損失が増加するため、し
きい値電流、初期スロープ効率などの性能の低下といっ
た問題が起きる。ここで、初期スロープ効率とは、光出
力１０ｍＷ程度時における光出力−注入電流カーブの傾
きである。そこで、本発明者は、素子抵抗、しきい値電
流、及び初期スロープ効率の全てを満足できる、回折格
子層およびその埋め込み層のキャリア密度の範囲がある
のではないか、考え、しきい値及び素子抵抗のキャリア
密度依存性を調べる以下の実験を行った。
解決する研究の過程で、以下のように考えた。つまり、
素子抵抗を下げるためには、ｐ型半導体層のキャリア密
度、特に回折格子を構成する化合物半導体層（以下、回
折格子層と言うこともある）および回折格子の埋め込み
層のキャリア密度を上げることが効果的であるが、キャ
リア濃度が高くなり過ぎると光損失が増加するため、し
きい値電流、初期スロープ効率などの性能の低下といっ
た問題が起きる。ここで、初期スロープ効率とは、光出
力１０ｍＷ程度時における光出力−注入電流カーブの傾
きである。そこで、本発明者は、素子抵抗、しきい値電
流、及び初期スロープ効率の全てを満足できる、回折格
子層およびその埋め込み層のキャリア密度の範囲がある
のではないか、考え、しきい値及び素子抵抗のキャリア
密度依存性を調べる以下の実験を行った。
【００１１】先ず、図１、図２、図３及び図４を参照し
て、実験の試料に供したＤＦＢレーザの構成を説明す
る。図１は実験に供したＤＦＢレーザの構成を示す部分
破断斜視図、図２は図１の矢視Ｉ−ＩのＤＦＢレーザの
断面図、図３は図１のＤＦＢレーザの回折格子附近を拡
大した断面図、及び図４は図１のＤＦＢレーザの共振器
方向に垂直な断面の中央部を示す断面図である。
て、実験の試料に供したＤＦＢレーザの構成を説明す
る。図１は実験に供したＤＦＢレーザの構成を示す部分
破断斜視図、図２は図１の矢視Ｉ−ＩのＤＦＢレーザの
断面図、図３は図１のＤＦＢレーザの回折格子附近を拡
大した断面図、及び図４は図１のＤＦＢレーザの共振器
方向に垂直な断面の中央部を示す断面図である。
【００１２】実験に供したＤＦＢレーザ１０は、発振波
長を１５５０ｎｍに設定した、共振器長が３００μｍの
埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザであって、図１に示す
ように、厚さ１２０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板１２上
に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１６、厚さが約２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層１
８、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子２０、回折格子２
０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２、及びｐ−Ｉ
ｎＰ上クラッド層２４の積層構造を有する。ＭＱＷ−Ｓ
ＣＨ活性層１６の活性層のバンドギャップは、波長に換
算して１５６０ｎｍである。また、回折格子２０は、回
折格子層の厚さが約２０ｎｍで、図３に示すように、回
折格子２０の周期が約２４０ｎｍ、ｄｕｔｙ比が３０％
程度である。
長を１５５０ｎｍに設定した、共振器長が３００μｍの
埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザであって、図１に示す
ように、厚さ１２０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板１２上
に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１６、厚さが約２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層１
８、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子２０、回折格子２
０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２、及びｐ−Ｉ
ｎＰ上クラッド層２４の積層構造を有する。ＭＱＷ−Ｓ
ＣＨ活性層１６の活性層のバンドギャップは、波長に換
算して１５６０ｎｍである。また、回折格子２０は、回
折格子層の厚さが約２０ｎｍで、図３に示すように、回
折格子２０の周期が約２４０ｎｍ、ｄｕｔｙ比が３０％
程度である。
【００１３】積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
２４、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２、ＩｎＧａＡｓＰ回折
格子層２０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、ＭＱＷ−ＳＣ
Ｈ活性層１６、及びｎ−ＩｎＰバッファ層１４の上部層
は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６が約１．５μｍの幅を有
するように、メサストライプ状に加工されている。そし
て、メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層３０とｎ−
ＩｎＰ層３２との積層構造からなる電流ブロック層で埋
め込まれている。共振器内部の光の導波路構造は、ＢＨ
（Buried Hetero ）構造に限定する必要はないが、回折
格子の存在する領域が必ず電流経路となるＢＨ構造にお
いてのキャリア濃度最適化が特に有効である。
２４、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２、ＩｎＧａＡｓＰ回折
格子層２０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、ＭＱＷ−ＳＣ
Ｈ活性層１６、及びｎ−ＩｎＰバッファ層１４の上部層
は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６が約１．５μｍの幅を有
するように、メサストライプ状に加工されている。そし
て、メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層３０とｎ−
ＩｎＰ層３２との積層構造からなる電流ブロック層で埋
め込まれている。共振器内部の光の導波路構造は、ＢＨ
（Buried Hetero ）構造に限定する必要はないが、回折
格子の存在する領域が必ず電流経路となるＢＨ構造にお
いてのキャリア濃度最適化が特に有効である。
【００１４】ｐ−ＩｎＰクラッド層２４及びその両側の
ｎ−ＩｎＰ層３２上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰク
ラッド層２６及び高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層２
８が、順次、積層されている。また、ドープＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層２８上には、ｐ側電極３４を設けた領域
を除いて絶縁膜３６が形成されている。ｐ側電極３４
は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜である。ｎ−ＩｎＰ基
板１２の裏面には、ｎ側電極３８としてＡｕＧｅＮｉ膜
が設けてある。また、寄生容量低減のために、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層２８、ｐ−ＩｎＰクラッド層２
６、及びｐ−ＩｎＰ層３０とｎ−ＩｎＰ層３２との電流
ブロック層を貫通するように、溝３３が形成されてい
る。更に、ＤＦＢレーザ１０の前端面（出射端面）には
無反射コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反
射コーティング膜（図示せず）が、それぞれ、成膜され
ている。
ｎ−ＩｎＰ層３２上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰク
ラッド層２６及び高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層２
８が、順次、積層されている。また、ドープＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層２８上には、ｐ側電極３４を設けた領域
を除いて絶縁膜３６が形成されている。ｐ側電極３４
は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜である。ｎ−ＩｎＰ基
板１２の裏面には、ｎ側電極３８としてＡｕＧｅＮｉ膜
が設けてある。また、寄生容量低減のために、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層２８、ｐ−ＩｎＰクラッド層２
６、及びｐ−ＩｎＰ層３０とｎ−ＩｎＰ層３２との電流
ブロック層を貫通するように、溝３３が形成されてい
る。更に、ＤＦＢレーザ１０の前端面（出射端面）には
無反射コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反
射コーティング膜（図示せず）が、それぞれ、成膜され
ている。
【００１５】上述の試料ＤＦＢレーザ１０の作製に当っ
ては、先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使って、成長温度６００
℃で、ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層
１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、ｐ−ＩｎＰスペーサ
層１８、回折格子２０の形成層を成長させた。次いで、
回折格子２０の形成層上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レ
ジストを約１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置を
使って、周期が約２４０ｎｍの回折格子パターンを有す
るレジスト膜を形成した。続いて、ドライエッチング装
置を使ってレジスト膜上からＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
２０を貫通するようにエッチングして、ＩｎＧａＡｓＰ
からなる回折格子２０を形成した。
ては、先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使って、成長温度６００
℃で、ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層
１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、ｐ−ＩｎＰスペーサ
層１８、回折格子２０の形成層を成長させた。次いで、
回折格子２０の形成層上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レ
ジストを約１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置を
使って、周期が約２４０ｎｍの回折格子パターンを有す
るレジスト膜を形成した。続いて、ドライエッチング装
置を使ってレジスト膜上からＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
２０を貫通するようにエッチングして、ＩｎＧａＡｓＰ
からなる回折格子２０を形成した。
【００１６】次いで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０が熱
により変形することを防ぐため、成長温度を５２０℃程
度に下げて、ＭＯＣＶＤ装置を使って、図３に示すよう
に、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２及びｐ−ＩｎＰクラッド
層２４を成長させ、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０の埋め
込み再成長を行った。
により変形することを防ぐため、成長温度を５２０℃程
度に下げて、ＭＯＣＶＤ装置を使って、図３に示すよう
に、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２及びｐ−ＩｎＰクラッド
層２４を成長させ、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０の埋め
込み再成長を行った。
【００１７】次に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、基板
全面にＳｉＮX膜を成膜し、フォトリソグラフィと反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）
法により、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０の周期方向に延
びる幅４μｍのストライプ状にＳｉＮX膜をエッチング
して、ＳｉＮX膜マスク（図示せず）を形成した。続い
て、ストライプ状のＳｉＮX膜マスクをエッチングマス
クとして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＩｎＰ埋め
込み層２２、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０、ｐ−ＩｎＰ
スペーサ層１８、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、及びｎ−
ＩｎＰバッファ層１４の上部をエッチングして、ＭＱＷ
−ＳＣＨ活性層１６が約１.５μｍの幅を有するメサス
トライプ状に加工した。
全面にＳｉＮX膜を成膜し、フォトリソグラフィと反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）
法により、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０の周期方向に延
びる幅４μｍのストライプ状にＳｉＮX膜をエッチング
して、ＳｉＮX膜マスク（図示せず）を形成した。続い
て、ストライプ状のＳｉＮX膜マスクをエッチングマス
クとして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＩｎＰ埋め
込み層２２、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子２０、ｐ−ＩｎＰ
スペーサ層１８、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、及びｎ−
ＩｎＰバッファ層１４の上部をエッチングして、ＭＱＷ
−ＳＣＨ活性層１６が約１.５μｍの幅を有するメサス
トライプ状に加工した。
【００１８】次いで、ＳｉＮX膜マスクを選択成長マス
クとして使い、ｐ−ＩｎＰ層３０及びｎ−ＩｎＰ層３２
を、順次、選択成長させて、メサストライプの両脇を埋
め込み、電流（キャリア）ブロック層とした。ＳｉＮX
膜マスクを除去した後、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラ
ッド層２６及び高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層２８
を成長させた。
クとして使い、ｐ−ＩｎＰ層３０及びｎ−ＩｎＰ層３２
を、順次、選択成長させて、メサストライプの両脇を埋
め込み、電流（キャリア）ブロック層とした。ＳｉＮX
膜マスクを除去した後、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラ
ッド層２６及び高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層２８
を成長させた。
【００１９】次いで、ｎ−ＩｎＰ層３２、及びｐ−Ｉｎ
Ｐ層３２をエッチングして溝３３を形成し、続いて全面
に絶縁膜３６を成膜した。次いで、絶縁膜３６の一部を
窓開けして、高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層２８上
に、ｐ側電極３４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜を
パッド形状に設けた。また、基板厚が１２０μｍ程度に
なるように、ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面を研磨し、ｎ−
ＩｎＰ基板１２の裏面には、ｎ側電極３８としてＡｕＧ
ｅＮｉ膜を設けた。更に、ＤＦＢレーザ１０の前端面に
は無反射コーティング膜を、後端面には高反射コーティ
ング膜を成膜した後、チップ化してボンディングした。
Ｐ層３２をエッチングして溝３３を形成し、続いて全面
に絶縁膜３６を成膜した。次いで、絶縁膜３６の一部を
窓開けして、高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層２８上
に、ｐ側電極３４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜を
パッド形状に設けた。また、基板厚が１２０μｍ程度に
なるように、ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面を研磨し、ｎ−
ＩｎＰ基板１２の裏面には、ｎ側電極３８としてＡｕＧ
ｅＮｉ膜を設けた。更に、ＤＦＢレーザ１０の前端面に
は無反射コーティング膜を、後端面には高反射コーティ
ング膜を成膜した後、チップ化してボンディングした。
【００２０】本実験では、上述の構成を備え、ｐ型ドー
パントの材料ガス流量を制御することにより、ＩｎＧａ
ＡｓＰ回折格子２０および回折格子の周囲を埋め込むｐ
−ＩｎＰ埋め込み層２２のキャリア密度を２×１０17か
ら５×１０18〔ｃｍ-3〕の範囲で種々の値に変えた多数
個の試料ＤＦＢレーザを上述の方法により作製して、キ
ャリア密度としきい値Ｉth及び素子抵抗Ｒを測定した。
素子抵抗Ｒとは、ｐ側電極とｎ側電極との間の電気抵抗
である。その測定結果として、図５に示すように、しき
い値Ｉth及び素子抵抗Ｒとキャリア密度との関係を得
た。
パントの材料ガス流量を制御することにより、ＩｎＧａ
ＡｓＰ回折格子２０および回折格子の周囲を埋め込むｐ
−ＩｎＰ埋め込み層２２のキャリア密度を２×１０17か
ら５×１０18〔ｃｍ-3〕の範囲で種々の値に変えた多数
個の試料ＤＦＢレーザを上述の方法により作製して、キ
ャリア密度としきい値Ｉth及び素子抵抗Ｒを測定した。
素子抵抗Ｒとは、ｐ側電極とｎ側電極との間の電気抵抗
である。その測定結果として、図５に示すように、しき
い値Ｉth及び素子抵抗Ｒとキャリア密度との関係を得
た。
【００２１】図５から判るように、しきい値電流Ｉth
は、キャリア密度が２×１０17から２×１０18〔ｃ
ｍ-3〕ではほぼ安定し、２×１０18〔ｃｍ-3〕を超える
と大きく上昇している。また、素子抵抗Ｒはキャリア密
度が２×１０17から７×１０17〔ｃｍ-3〕ではキャリア
密度の増大と共に減少し、７×１０17から５×１０
18〔ｃｍ -3〕ではほぼ安定している。図６は、上述の実
験結果を模式的に示した概念図である。キャリア密度を
７×１０17から２×１０18〔ｃｍ-3〕の範囲に制御すれ
ば、素子抵抗Ｒ及びしきい値電流Ｉthを小さくすること
ができ、１×１０18〔ｃｍ-3〕付近がベストモードであ
る。
は、キャリア密度が２×１０17から２×１０18〔ｃ
ｍ-3〕ではほぼ安定し、２×１０18〔ｃｍ-3〕を超える
と大きく上昇している。また、素子抵抗Ｒはキャリア密
度が２×１０17から７×１０17〔ｃｍ-3〕ではキャリア
密度の増大と共に減少し、７×１０17から５×１０
18〔ｃｍ -3〕ではほぼ安定している。図６は、上述の実
験結果を模式的に示した概念図である。キャリア密度を
７×１０17から２×１０18〔ｃｍ-3〕の範囲に制御すれ
ば、素子抵抗Ｒ及びしきい値電流Ｉthを小さくすること
ができ、１×１０18〔ｃｍ-3〕付近がベストモードであ
る。
【００２２】上記目的を達成するために、上述の知見及
び実験結果に基づいて、本発明に係る分布帰還型半導体
レーザ装置（以下、第１の発明と言う）は、ｎ型半導体
基板上に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に
設けられた回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素
子において、素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共振器長Ｌ〔ｍ〕との
積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕が、２．５×１０-3〔Ω・ｍ〕以下
であることを特徴としている。
び実験結果に基づいて、本発明に係る分布帰還型半導体
レーザ装置（以下、第１の発明と言う）は、ｎ型半導体
基板上に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に
設けられた回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素
子において、素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共振器長Ｌ〔ｍ〕との
積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕が、２．５×１０-3〔Ω・ｍ〕以下
であることを特徴としている。
【００２３】本発明で、素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共振器長Ｌ
〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕を２．５×１０-3〔Ω・
ｍ〕以下としているのは、２．５×１０-3〔Ω・ｍ〕を
越えると、周波数応答特性や高温度条件下でのレーザ発
振特性が劣化するからである。
〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕を２．５×１０-3〔Ω・
ｍ〕以下としているのは、２．５×１０-3〔Ω・ｍ〕を
越えると、周波数応答特性や高温度条件下でのレーザ発
振特性が劣化するからである。
【００２４】本発明に係る別の分布帰還型半導体レーザ
素子（以下、第２の発明と言う）は、ｎ型半導体基板上
に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設けら
れた回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子にお
いて、注入電流がしきい値（Ｉth）＋１０ｍＡのときの
微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍＡ）と、注
入電流が２００ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕
（＠２００ｍＡ）の差が、注入電流がしきい値（Ｉth）
＋１０ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth
＋１０ｍＡ）の２０％以内であることを特徴としてい
る。
素子（以下、第２の発明と言う）は、ｎ型半導体基板上
に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設けら
れた回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子にお
いて、注入電流がしきい値（Ｉth）＋１０ｍＡのときの
微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍＡ）と、注
入電流が２００ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕
（＠２００ｍＡ）の差が、注入電流がしきい値（Ｉth）
＋１０ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth
＋１０ｍＡ）の２０％以内であることを特徴としてい
る。
【００２５】本発明に係る更に別の分布帰還型半導体レ
ーザ素子（以下、第３の発明と言う）は、ｎ型半導体基
板上に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設
けられた回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子
において、回折格子を構成している化合物半導体層、及
び回折格子の埋め込み層の少なくともいずれか一方のキ
ャリア密度が、７×１０17〔ｃｍ-3〕以上２×１０
18〔ｃｍ-3〕以下であることを特徴としている。
ーザ素子（以下、第３の発明と言う）は、ｎ型半導体基
板上に設けられた積層構造内に活性層及び活性層上に設
けられた回折格子を有する分布帰還型半導体レーザ素子
において、回折格子を構成している化合物半導体層、及
び回折格子の埋め込み層の少なくともいずれか一方のキ
ャリア密度が、７×１０17〔ｃｍ-3〕以上２×１０
18〔ｃｍ-3〕以下であることを特徴としている。
【００２６】回折格子を構成している化合物半導体層又
は回折格子の周囲の埋め込み層のキャリア密度が、７×
１０17〔ｃｍ-3〕未満になると、素子抵抗Ｒが増大し、
２×１０18〔ｃｍ-3〕を越えると、しきい値電流Ｉthが
増大するからである。好適には、回折格子を構成してい
る化合物半導体層および回折格子の埋め込み層の少なく
ともいずれか一方のキャリア密度が、９×１０17〔ｃｍ
-3〕以上１×１０18〔ｃｍ-3〕以下である。図５に示す
ように、回折格子を構成している化合物半導体層又は回
折格子の埋め込み層のキャリア密度が、９×１０17〔ｃ
ｍ-3〕未満になると、素子抵抗Ｒが多少増大し、１×１
０18〔ｃｍ-3〕を超えると、しきい値電流Ｉthが多少増
大するからである。また、本発明の効果を奏する上で、
回折格子を構成している化合物半導体層及び回折格子の
埋め込み層の双方のキャリア密度が、本発明で特定した
範囲にあることが望ましい。
は回折格子の周囲の埋め込み層のキャリア密度が、７×
１０17〔ｃｍ-3〕未満になると、素子抵抗Ｒが増大し、
２×１０18〔ｃｍ-3〕を越えると、しきい値電流Ｉthが
増大するからである。好適には、回折格子を構成してい
る化合物半導体層および回折格子の埋め込み層の少なく
ともいずれか一方のキャリア密度が、９×１０17〔ｃｍ
-3〕以上１×１０18〔ｃｍ-3〕以下である。図５に示す
ように、回折格子を構成している化合物半導体層又は回
折格子の埋め込み層のキャリア密度が、９×１０17〔ｃ
ｍ-3〕未満になると、素子抵抗Ｒが多少増大し、１×１
０18〔ｃｍ-3〕を超えると、しきい値電流Ｉthが多少増
大するからである。また、本発明の効果を奏する上で、
回折格子を構成している化合物半導体層及び回折格子の
埋め込み層の双方のキャリア密度が、本発明で特定した
範囲にあることが望ましい。
【００２７】また、２×１０18〔ｃｍ-3〕を超えるよう
な高密度にキャリア密度を高くした場合、活性層へのキ
ャリアの拡散を起き難くするために回折格子を活性層か
ら離す必要があるものの、低しきい値電流特性を得るた
めには適度な回折格子強度を保たなくてはならない。そ
のため、回折格子を構成している化合物半導体層と回折
格子の周囲の埋め込み層との屈折率差（バンドギャップ
波長差）を大きくとり、回折格子による適度な分布帰還
を得る必要がある。図９から判るように、少なくとも、
屈折率差が０．１５以上、バンドギャップ波長差が０．
２μｍ以上あることが望ましい。図９は、回折格子を構
成している化合物半導体層と回折格子の埋め込み層との
屈折率差Δｎと、発振しきい値電流Ｉth〔ｍＡ〕との関
係を示すグラフであって、屈折率差Δｎが０．１５未満
になると、発振しきい値電流Ｉthが急激に増大すること
を示している。
な高密度にキャリア密度を高くした場合、活性層へのキ
ャリアの拡散を起き難くするために回折格子を活性層か
ら離す必要があるものの、低しきい値電流特性を得るた
めには適度な回折格子強度を保たなくてはならない。そ
のため、回折格子を構成している化合物半導体層と回折
格子の周囲の埋め込み層との屈折率差（バンドギャップ
波長差）を大きくとり、回折格子による適度な分布帰還
を得る必要がある。図９から判るように、少なくとも、
屈折率差が０．１５以上、バンドギャップ波長差が０．
２μｍ以上あることが望ましい。図９は、回折格子を構
成している化合物半導体層と回折格子の埋め込み層との
屈折率差Δｎと、発振しきい値電流Ｉth〔ｍＡ〕との関
係を示すグラフであって、屈折率差Δｎが０．１５未満
になると、発振しきい値電流Ｉthが急激に増大すること
を示している。
【００２８】第１及び第２の発明の好適な実施態様で
は、回折格子の埋め込み層のキャリア密度が、７×１０
17〔ｃｍ-3〕以上２×１０18〔ｃｍ-3〕以下である。こ
れにより、素子抵抗Ｒ及びしきい値電流Ｉthが小さい分
布帰還型半導体レーザ素子を実現することできる。第１
から第３の発明によれば、以上の構成を備えることによ
り、周波数応答特性の３ｄＢ帯域が−４０℃から＋８５
℃の全温度範囲において８ＧＨｚ以上になる。
は、回折格子の埋め込み層のキャリア密度が、７×１０
17〔ｃｍ-3〕以上２×１０18〔ｃｍ-3〕以下である。こ
れにより、素子抵抗Ｒ及びしきい値電流Ｉthが小さい分
布帰還型半導体レーザ素子を実現することできる。第１
から第３の発明によれば、以上の構成を備えることによ
り、周波数応答特性の３ｄＢ帯域が−４０℃から＋８５
℃の全温度範囲において８ＧＨｚ以上になる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、本発
明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。本実施形
態例は、第１から第３の発明に係る分布帰還型半導体レ
ーザ素子の一体的な実施形態例であって、図７は本実施
形態例の構成を示す断面図である。本実施形態例の分布
帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザと言う）４０
は、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５０を埋め込んだｐ−Ｉ
ｎＰ埋め込み層５２のキャリア密度が１×１０18〔ｃｍ
-3〕であることを除いて、前述した供試ＤＦＢレーザ１
０と同じ構成を備えている。
明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。本実施形
態例は、第１から第３の発明に係る分布帰還型半導体レ
ーザ素子の一体的な実施形態例であって、図７は本実施
形態例の構成を示す断面図である。本実施形態例の分布
帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザと言う）４０
は、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５０を埋め込んだｐ−Ｉ
ｎＰ埋め込み層５２のキャリア密度が１×１０18〔ｃｍ
-3〕であることを除いて、前述した供試ＤＦＢレーザ１
０と同じ構成を備えている。
【００３０】即ち、本実施形態例のＤＦＢレーザ４０
は、発振波長を１５５０ｎｍに設定した、共振器長Ｌが
３００μｍの埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザであっ
て、図７に示すように、厚さ１２０μｍ程度のｎ−Ｉｎ
Ｐ基板４２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層４４、ＭＱＷ−
ＳＣＨ活性層４６、厚さが約２００ｎｍのｐ−ＩｎＰス
ペーサ層４８、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子５０、
ＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋
め込み層５２、及びｐ−ＩｎＰ上クラッド層５４の積層
構造を有する。
は、発振波長を１５５０ｎｍに設定した、共振器長Ｌが
３００μｍの埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザであっ
て、図７に示すように、厚さ１２０μｍ程度のｎ−Ｉｎ
Ｐ基板４２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層４４、ＭＱＷ−
ＳＣＨ活性層４６、厚さが約２００ｎｍのｐ−ＩｎＰス
ペーサ層４８、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子５０、
ＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋
め込み層５２、及びｐ−ＩｎＰ上クラッド層５４の積層
構造を有する。
【００３１】ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６の活性層のバン
ドギャップは、波長に換算して１５６０ｎｍである。ま
た、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０は、回折格子層の厚さ
が約２０ｎｍで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０の周期が
約２４０ｎｍ、ｄｕｔｙ比が３０％程度である。回折格
子５０を構成するＩｎＧａＡｓＰ層のキャリア密度は、
１×１０18〔ｃｍ-3〕になるように調節されている。エ
ッチングされたＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０の間を埋め
込むｐ−ＩｎＰ埋め込み層５２のキャリア密度も、１×
１０18〔ｃｍ-3〕になるように調節されている。
ドギャップは、波長に換算して１５６０ｎｍである。ま
た、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０は、回折格子層の厚さ
が約２０ｎｍで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０の周期が
約２４０ｎｍ、ｄｕｔｙ比が３０％程度である。回折格
子５０を構成するＩｎＧａＡｓＰ層のキャリア密度は、
１×１０18〔ｃｍ-3〕になるように調節されている。エ
ッチングされたＩｎＧａＡｓＰ回折格子５０の間を埋め
込むｐ−ＩｎＰ埋め込み層５２のキャリア密度も、１×
１０18〔ｃｍ-3〕になるように調節されている。
【００３２】積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
５４、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層５２、ＩｎＧａＡｓＰ回折
格子５０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、ＭＱＷ−ＳＣＨ
活性層４６、及びｎ−ＩｎＰバッファ層４４の上部層
は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６が約１．５μｍの幅を有
するように、メサストライプ状に加工されている。そし
て、メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層６０とｎ−
ＩｎＰ層６２との積層構造からなる電流（キャリア）ブ
ロック層で埋め込まれている。
５４、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層５２、ＩｎＧａＡｓＰ回折
格子５０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、ＭＱＷ−ＳＣＨ
活性層４６、及びｎ−ＩｎＰバッファ層４４の上部層
は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６が約１．５μｍの幅を有
するように、メサストライプ状に加工されている。そし
て、メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層６０とｎ−
ＩｎＰ層６２との積層構造からなる電流（キャリア）ブ
ロック層で埋め込まれている。
【００３３】ｐ−ＩｎＰクラッド層５４及びその両側の
ｎ−ＩｎＰ層６２上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰク
ラッド層５６及び高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層５
８が、順次、積層されている。また、ドープＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層５８上には、ｐ側電極としてのＴｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕ多層金属膜６４を設けた領域を除いて絶縁膜６
６が形成されている。ｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面には、
ｎ側電極６８としてＡｕＧｅＮｉ膜が設けてある。
ｎ−ＩｎＰ層６２上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰク
ラッド層５６及び高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層５
８が、順次、積層されている。また、ドープＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層５８上には、ｐ側電極としてのＴｉ／Ｐ
ｔ／Ａｕ多層金属膜６４を設けた領域を除いて絶縁膜６
６が形成されている。ｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面には、
ｎ側電極６８としてＡｕＧｅＮｉ膜が設けてある。
【００３４】また、寄生容量低減のために、ｐ−ＩｎＰ
層６０とｎ−ＩｎＰ層６２との電流（キャリア）ブロッ
ク層を貫通するように、溝６３が形成されている。更
に、ＤＦＢレーザ４０の前端面（出射端面）には無反射
コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反射コー
ティング膜（図示せず）が、それぞれ、成膜されてい
る。本実施形態例のＤＦＢレーザ４０は、実験に供した
ＤＦＢレーザ１０と同様にして作製することができる。
層６０とｎ−ＩｎＰ層６２との電流（キャリア）ブロッ
ク層を貫通するように、溝６３が形成されている。更
に、ＤＦＢレーザ４０の前端面（出射端面）には無反射
コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反射コー
ティング膜（図示せず）が、それぞれ、成膜されてい
る。本実施形態例のＤＦＢレーザ４０は、実験に供した
ＤＦＢレーザ１０と同様にして作製することができる。
【００３５】本実施形態例のＤＦＢレーザ４０の性能を
評価するために、ＤＦＢレーザ４０を１００個試作し、
種々の測定を行った。素子抵抗Ｒは、標準偏差０.３２
Ω、平均５Ωであった。よって、素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共
振器長Ｌ〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕は、５×３００
×１０-6＝１．５×１０-3〔Ω・ｍ〕で、２．５×１０
-3〔Ω・ｍ〕以下である。また、しきい値電流は、標準
偏差０.６５ｍＡ、平均８.５ｍＡであり、従来の９ｍＡ
と同等であった。
評価するために、ＤＦＢレーザ４０を１００個試作し、
種々の測定を行った。素子抵抗Ｒは、標準偏差０.３２
Ω、平均５Ωであった。よって、素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共
振器長Ｌ〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕は、５×３００
×１０-6＝１．５×１０-3〔Ω・ｍ〕で、２．５×１０
-3〔Ω・ｍ〕以下である。また、しきい値電流は、標準
偏差０.６５ｍＡ、平均８.５ｍＡであり、従来の９ｍＡ
と同等であった。
【００３６】注入電流がしきい値電流Ｉth＋１０ｍＡの
ときの微分抵抗の値ｄＶ／ｄＩ（＠Ｉth＋１０ｍＡ）は
５Ωで、注入電流が２００ｍＡのときの微分抵抗の値ｄ
Ｖ／ｄＩ（＠２００ｍＡ）は４.６Ωであった。従っ
て、両者の差は、注入電流がしきい値電流Ｉth＋１０ｍ
Ａのときの微分抵抗の値ｄＶ／ｄＩ（＠Ｉth＋１０ｍ
Ａ）の１０％以内で小さかった。初期スロープ効率は、
０.４２ｍＷ／ｍＡであり、これは、従来の平均値であ
る０．４０ｍＷ／ｍＡと同等であった。また、周波数応
答特性の３ｄＢ帯域は−４０℃から＋８５℃の全温度範
囲において８ＧＨｚ以上であった。つまり、本実施形態
例のＤＦＢレーザ４０は、ＷＤＭ光伝送システム使用さ
れる非冷却型ＤＦＢレーザに必要とされる性能につい
て、良好な値が得られたと評価できる。
ときの微分抵抗の値ｄＶ／ｄＩ（＠Ｉth＋１０ｍＡ）は
５Ωで、注入電流が２００ｍＡのときの微分抵抗の値ｄ
Ｖ／ｄＩ（＠２００ｍＡ）は４.６Ωであった。従っ
て、両者の差は、注入電流がしきい値電流Ｉth＋１０ｍ
Ａのときの微分抵抗の値ｄＶ／ｄＩ（＠Ｉth＋１０ｍ
Ａ）の１０％以内で小さかった。初期スロープ効率は、
０.４２ｍＷ／ｍＡであり、これは、従来の平均値であ
る０．４０ｍＷ／ｍＡと同等であった。また、周波数応
答特性の３ｄＢ帯域は−４０℃から＋８５℃の全温度範
囲において８ＧＨｚ以上であった。つまり、本実施形態
例のＤＦＢレーザ４０は、ＷＤＭ光伝送システム使用さ
れる非冷却型ＤＦＢレーザに必要とされる性能につい
て、良好な値が得られたと評価できる。
【００３７】実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る実施形態の一例であっ
て、図８は本実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す斜
視図である。本実施形態例２のＤＦＢレーザは、発振波
長が１３１０ｎｍに設定され、共振器長が３００μｍで
あり、光の導波路構造がリッジ導波路型のＤＦＢレーザ
であることを除いて、前述した実施形態例ＤＦＢレーザ
４０と同じ構造を備えている。すなわち、図８に示すよ
うに、厚さ３５０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板上に、ｎ−
ＩｎＰバッファ層６９、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層（ＩｎＧ
ａＡｓＰ）７０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層７１、回折格子
７２、回折格子７２を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋め込み
層、及びｐ−ＩｎＰクラッド層７３、７４の積層構造を
有する。ここで、活性層の材料は、ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＰ系に限る必要はなく、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ／Ｉ
ｎＰ系等を用いてもよい。
て、図８は本実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す斜
視図である。本実施形態例２のＤＦＢレーザは、発振波
長が１３１０ｎｍに設定され、共振器長が３００μｍで
あり、光の導波路構造がリッジ導波路型のＤＦＢレーザ
であることを除いて、前述した実施形態例ＤＦＢレーザ
４０と同じ構造を備えている。すなわち、図８に示すよ
うに、厚さ３５０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板上に、ｎ−
ＩｎＰバッファ層６９、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層（ＩｎＧ
ａＡｓＰ）７０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層７１、回折格子
７２、回折格子７２を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋め込み
層、及びｐ−ＩｎＰクラッド層７３、７４の積層構造を
有する。ここで、活性層の材料は、ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＰ系に限る必要はなく、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ／Ｉ
ｎＰ系等を用いてもよい。
【００３８】ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層７０のバンドギャッ
プは、波長に換算して１３３５ｎｍである。また回折格
子７２は、その周期が約２００ｎｍ、ｄｕｔｙ比が約３
０％である。回折格子７２を構成する化合物半導体層お
よび回折格子７２の埋め込み層のキャリア密度は、１×
１０18〔ｃｍ-3〕になるように調節されている。
プは、波長に換算して１３３５ｎｍである。また回折格
子７２は、その周期が約２００ｎｍ、ｄｕｔｙ比が約３
０％である。回折格子７２を構成する化合物半導体層お
よび回折格子７２の埋め込み層のキャリア密度は、１×
１０18〔ｃｍ-3〕になるように調節されている。
【００３９】積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰクラッド層７
４は、約２μｍの幅を有するように、メサストライプ状
に加工されている。そしてメサストライプ上には、ｐ側
電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜７６を設けた領
域を除いて絶縁膜７５が形成されている。ｎ−ＩｎＰ基
板６９の裏面には、ｎ側電極７７としてＡｕＧｅＮｉ膜
が設けてある。
４は、約２μｍの幅を有するように、メサストライプ状
に加工されている。そしてメサストライプ上には、ｐ側
電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜７６を設けた領
域を除いて絶縁膜７５が形成されている。ｎ−ＩｎＰ基
板６９の裏面には、ｎ側電極７７としてＡｕＧｅＮｉ膜
が設けてある。
【００４０】本実施形態例２のＤＦＢレーザの性能を評
価するために、１００個のＤＦＢレーザ素子について、
種々の測定を行なった。素子抵抗Ｒは、標準偏差０．２
５Ω、平均で６．５Ωであった。よって、素子抵抗Ｒ
〔Ω〕と共振器長Ｌ〔ｍ〕の積は６．５×３００×１０
-6＝１．９５×１０-3〔Ω・ｍ〕で、２．５×１０
-3〔Ω・ｍ〕以下である。また、しきい値電流は、標準
偏差０．７２ｍＡ、平均５．３ｍＡであった。
価するために、１００個のＤＦＢレーザ素子について、
種々の測定を行なった。素子抵抗Ｒは、標準偏差０．２
５Ω、平均で６．５Ωであった。よって、素子抵抗Ｒ
〔Ω〕と共振器長Ｌ〔ｍ〕の積は６．５×３００×１０
-6＝１．９５×１０-3〔Ω・ｍ〕で、２．５×１０
-3〔Ω・ｍ〕以下である。また、しきい値電流は、標準
偏差０．７２ｍＡ、平均５．３ｍＡであった。
【００４１】周波数応答特性の３ｄＢ帯域は−４０℃か
ら＋８５℃の全ての温度範囲において１０ＧＨｚ以上を
示した。このように、ＤＦＢレーザにおいて、回折格子
を構成している化合物半導体層および回折格子の周囲の
埋め込み層のキャリア密度を最適化することにより、光
の導波路構造によらず、３ｄＢ帯域の高い変調特性を得
ることができる。
ら＋８５℃の全ての温度範囲において１０ＧＨｚ以上を
示した。このように、ＤＦＢレーザにおいて、回折格子
を構成している化合物半導体層および回折格子の周囲の
埋め込み層のキャリア密度を最適化することにより、光
の導波路構造によらず、３ｄＢ帯域の高い変調特性を得
ることができる。
【００４２】
【発明の効果】第１の発明によれば、素子抵抗Ｒ〔Ω〕
と共振器長Ｌ〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕を２．５×
１０-3〔Ω・ｍ〕以下にすることにより、周波数応答特
性における３ｄＢ帯域の向上および高温動作時における
レーザ発振特性の向上の効果を奏する分布帰還型半導体
レーザ素子を実現することができる。
と共振器長Ｌ〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕を２．５×
１０-3〔Ω・ｍ〕以下にすることにより、周波数応答特
性における３ｄＢ帯域の向上および高温動作時における
レーザ発振特性の向上の効果を奏する分布帰還型半導体
レーザ素子を実現することができる。
【００４３】第２の発明によれば、注入電流がしきい値
（Ｉth）＋１０ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕
（＠Ｉth＋１０ｍＡ）と、注入電流が２００ｍＡのとき
の微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠２００ｍＡ）の差を注
入電流がしきい値（Ｉth）＋１０ｍＡのときの微分抵抗
ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍＡ）の２０％以内に
することにより、周波数応答特性における３ｄＢ帯域の
向上の効果を奏する分布帰還型半導体レーザ素子を実現
することができる。
（Ｉth）＋１０ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕
（＠Ｉth＋１０ｍＡ）と、注入電流が２００ｍＡのとき
の微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠２００ｍＡ）の差を注
入電流がしきい値（Ｉth）＋１０ｍＡのときの微分抵抗
ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍＡ）の２０％以内に
することにより、周波数応答特性における３ｄＢ帯域の
向上の効果を奏する分布帰還型半導体レーザ素子を実現
することができる。
【００４４】第３の発明によれば、回折格子を構成して
いる化合物半導体層及び回折格子の埋め込み層の少なく
ともいずれか一方のキャリア密度を７×１０17から２×
１０ 18〔ｃｍ-3〕に制御することにより、しきい値電流
及び素子抵抗が低く、初期スロープ効率が高く、更に
は、３ｄＢ帯域での高い周波数応答特性を有する分布帰
還型半導体レーザ素子を実現することができる。
いる化合物半導体層及び回折格子の埋め込み層の少なく
ともいずれか一方のキャリア密度を７×１０17から２×
１０ 18〔ｃｍ-3〕に制御することにより、しきい値電流
及び素子抵抗が低く、初期スロープ効率が高く、更に
は、３ｄＢ帯域での高い周波数応答特性を有する分布帰
還型半導体レーザ素子を実現することができる。
【図１】実験に供したＤＦＢレーザの構成を示す部分破
断斜視図である。
断斜視図である。
【図２】図１の矢視Ｉ−ＩのＤＦＢレーザの断面図であ
る。
る。
【図３】図１のＤＦＢレーザの回折格子附近を拡大した
断面図である。
断面図である。
【図４】図１のＤＦＢレーザの共振器方向に垂直な中央
部断面を示す断面図である。
部断面を示す断面図である。
【図５】しきい値電流Ｉth、素子抵抗Ｒのキャリア密度
依存性を示すグラフである。
依存性を示すグラフである。
【図６】キャリア密度増減に伴う素子抵抗Ｒ上昇、しき
い値電流Ｉth上昇及び初期スロープ効率低下などの現象
と最適なキャリア密度との関係を示す概念図である。
い値電流Ｉth上昇及び初期スロープ効率低下などの現象
と最適なキャリア密度との関係を示す概念図である。
【図７】本実施形態例のＤＦＢレーザの構成を示す部分
破断斜視図である。
破断斜視図である。
【図８】本実施形態例２のＤＦＢレーザの構成を示す斜
視図である。
視図である。
【図９】回折格子を構成している化合物半導体層と回折
格子の周囲の埋め込み層との屈折率差Δｎによる発振し
きい値電流Ｉth〔ｍＡ〕の変化を示すグラフである。
格子の周囲の埋め込み層との屈折率差Δｎによる発振し
きい値電流Ｉth〔ｍＡ〕の変化を示すグラフである。
１０ 実験に供したＤＦＢレーザ
１２ ｎ−ＩｎＰ基板
１４ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１６ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１８ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
２０ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
２２ ＩｎＰ埋め込み層
２４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
２６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
２８ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３０ ｐ−ＩｎＰ層
３２ ｎ−ＩｎＰ層
３３ 溝
３４ ｐ側電極
３６ 絶縁膜
３８ ｎ側電極
４０ 実施形態例１のＤＦＢレーザ
４２ ｎ−ＩｎＰ基板
４４ ｎ−ＩｎＰバッファ層
４６ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
４８ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
５０ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
５２ ｐ−ＩｎＰ埋め込み層
５４ ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
５６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
５８ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６０ ｐ−ＩｎＰ層
６２ ｎ−ＩｎＰ層
６３ 溝
６４ ｐ側電極
６６ 絶縁膜
６８ ｎ側電極
８０ 実施形態例２のＤＦＢレーザ
６９ ｎ−ＩｎＰバッファ層
７０ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
７１ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
７２ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
７３ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７４ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７５ 絶縁膜
７６ ｐ側電極
７７ ｎ側電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5F073 AA22 AA45 AA51 AA64 AA74
AA89 BA02 CA12 CB11 DA05
DA25 EA14 EA23 EA29
Claims (10)
- 【請求項１】 ｎ型半導体基板上に設けられた積層構造
内に活性層及び活性層上に設けられた回折格子を有する
分布帰還型半導体レーザ素子において、 回折格子を構成している化合物半導体層、及び回折格子
の埋め込み層の少なくともいずれか一方のキャリア密度
が、７×１０17〔ｃｍ-3〕以上２×１０18〔ｃｍ-3〕以
下であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素
子。 - 【請求項２】 回折格子を構成している化合物半導体
層、及び回折格子の埋め込み層の少なくともいずれか一
方のキャリア密度が、９×１０17〔ｃｍ-3〕以上１×１
０18〔ｃｍ-3〕以下であることを特徴とする請求項１に
記載の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 ｎ型半導体基板上に設けられた積層構造
内に活性層及び活性層上に設けられた回折格子を有する
分布帰還型半導体レーザ素子において、 素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共振器長Ｌ〔ｍ〕との積Ｒ・Ｌ〔Ω
・ｍ〕が、２．５×１０-3〔Ω・ｍ〕以下であることを
特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 素子抵抗Ｒ〔Ω〕と共振器長Ｌ〔ｍ〕と
の積Ｒ・Ｌ〔Ω・ｍ〕が、２．５×１０-3〔Ω・ｍ〕以
下であることを特徴とする請求項１から４のうちのいず
れか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 【請求項５】 ｎ型半導体基板上に設けられた積層構造
内に活性層及び活性層上に設けられた回折格子を有する
分布帰還型半導体レーザ素子において、 注入電流がしきい値（Ｉth）＋１０ｍＡのときの微分抵
抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍＡ）と、注入電流
が２００ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠２
００ｍＡ）の差が、注入電流がしきい値（Ｉth）＋１０
ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０
ｍＡ）の２０％以内であることを特徴とする分布帰還型
半導体レーザ素子。 - 【請求項６】 注入電流がしきい値（Ｉth）＋１０ｍＡ
のときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍ
Ａ）と、注入電流が２００ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／
ｄＩ〔Ω〕（＠２００ｍＡ）の差が、注入電流がしきい
値（Ｉth）＋１０ｍＡのときの微分抵抗ｄＶ／ｄＩ
〔Ω〕（＠Ｉth＋１０ｍＡ）の２０％以内であることを
特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載
の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 【請求項７】 周波数応答特性の３ｄＢ帯域が５ＧＨｚ
以上であることを特徴とする請求項１から６のうちのい
ずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 【請求項８】 回折格子を構成する化合物半導体層と回
折格子の周囲の埋め込み層との屈折率差が０．１５以上
であることを特徴とする請求項１から７のうちのいずれ
か１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。 - 【請求項９】 回折格子を構成する化合物半導体層と回
折格子の周囲の埋め込み層とのバンドギャップ波長差が
０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１から８
のうちのいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ
素子。 - 【請求項１０】 導波路構造がＢＨ構造（ Buried Hete
ro Structure）であることを特徴とする請求項１から９
のうちいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素
子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002229894A JP2003234541A (ja) | 2001-12-07 | 2002-08-07 | 分布帰還型半導体レーザ素子 |
| US10/310,939 US7003013B2 (en) | 2001-12-07 | 2002-12-06 | Distributed feedback semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001374281 | 2001-12-07 | ||
| JP2001-374281 | 2001-12-07 | ||
| JP2002229894A JP2003234541A (ja) | 2001-12-07 | 2002-08-07 | 分布帰還型半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003234541A true JP2003234541A (ja) | 2003-08-22 |
Family
ID=26624935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002229894A Pending JP2003234541A (ja) | 2001-12-07 | 2002-08-07 | 分布帰還型半導体レーザ素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7003013B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003234541A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010272752A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体光素子を作製する方法 |
| JP2011071155A (ja) * | 2009-09-24 | 2011-04-07 | Oki Electric Industry Co Ltd | 半導体レーザの製造方法 |
| JP2011199040A (ja) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Fujitsu Ltd | 光半導体装置及びその製造方法 |
| KR101818034B1 (ko) * | 2014-02-20 | 2018-02-22 | 한국전자통신연구원 | 매립형 이종접합 레이저 다이오드 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100584333B1 (ko) * | 2004-01-08 | 2006-05-26 | 삼성전자주식회사 | 반도체 레이저 장치 및 그 제조방법 |
| JP2005229011A (ja) * | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Anritsu Corp | 波長可変半導体レーザ及びガス検知装置 |
| JP4917157B2 (ja) * | 2010-02-26 | 2012-04-18 | Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社 | リッジ型半導体レーザ及びリッジ型半導体レーザの製造方法 |
| JP2012089622A (ja) * | 2010-10-18 | 2012-05-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体レーザ素子 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8516853D0 (en) * | 1985-07-03 | 1985-08-07 | British Telecomm | Manufacture of semiconductor structures |
| FR2684805B1 (fr) * | 1991-12-04 | 1998-08-14 | France Telecom | Dispositif optoelectronique a tres faible resistance serie. |
| US5721751A (en) * | 1993-10-28 | 1998-02-24 | Nippon Telegraph & Telephone Corporation | Semiconductor laser |
| FR2715251B1 (fr) * | 1994-01-20 | 1996-04-05 | Christophe Kazmierski | Structure semiconductrice à réseau de diffraction virtuel. |
| KR100357787B1 (ko) * | 1994-01-31 | 2003-01-24 | 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼 | 도파로형광소자의제조방법 |
| JP4786024B2 (ja) * | 2000-11-20 | 2011-10-05 | 三菱電機株式会社 | 分布帰還型レーザおよびその製造方法 |
| JP4128790B2 (ja) * | 2002-03-26 | 2008-07-30 | 三菱電機株式会社 | リッジ導波路型分布帰還レーザの製造方法 |
-
2002
- 2002-08-07 JP JP2002229894A patent/JP2003234541A/ja active Pending
- 2002-12-06 US US10/310,939 patent/US7003013B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010272752A (ja) * | 2009-05-22 | 2010-12-02 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体光素子を作製する方法 |
| JP2011071155A (ja) * | 2009-09-24 | 2011-04-07 | Oki Electric Industry Co Ltd | 半導体レーザの製造方法 |
| JP2011199040A (ja) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Fujitsu Ltd | 光半導体装置及びその製造方法 |
| KR101818034B1 (ko) * | 2014-02-20 | 2018-02-22 | 한국전자통신연구원 | 매립형 이종접합 레이저 다이오드 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US7003013B2 (en) | 2006-02-21 |
| US20030138016A1 (en) | 2003-07-24 |
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