JP2000323798A

JP2000323798A - 半導体発光装置および半導体レ−ザ

Info

Publication number: JP2000323798A
Application number: JP11127378A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Horie; 秀善堀江
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】広い温度範囲および広い出力範囲にわたって
波長が安定している半導体発光装置を提供すること。【解決手段】ＧａＡｓ基板上に構成元素としてＩｎ、
ＧａおよびＡｓを含む活性層構造を有する半導体レー
ザ、および該半導体レーザの光の出射方向に外部共振器
を有する半導体発光装置であって、前記活性層構造が光
ガイドまたはバリアとして機能する層および活性層を有
しており、かつ前記活性層構造の少なくとも一部がｎ型
の不純物を含むことを特徴とする半導体発光装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光装置お
よび該半導体発光装置を構成する半導体レーザに関する
ものである。本発明は、光ファイバー増幅器用励起光源
等のように発振波長が安定していることが求められる場
合に好適に利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】近年における光情報処理技術、光通信技
術の進展には目ざましいものがある。例えば、光ファイ
バーネットワークによる双方向通信などはその代表例で
ある。たとえば、双方向通信を、高速に、しかも画像情
報の様な情報量の大きい伝送において実現するには大容
量の光ファイバー伝送路とともに、その伝送方式に対す
る柔軟性を持つ信号増幅用のアンプが不可欠である。こ
の代表例として、Ｅｒ ³⁺等の希土類をドープした光ファ
イバー増幅器（ＥＤＦＡ）の研究が各方面で盛んに行な
われている。そして、ＥＤＦＡのコンポーネントとして
不可欠な要素である、優れた励起光源用の半導体レーザ
の開発が待たれている。

【０００３】ＥＤＦＡ応用に供することのできる励起光
源の発振波長は、原理的に８００ｎｍ、９８０ｎｍ、１
４８０ｎｍの３種類存在する。このうち増幅器の特性か
ら見れば９８０ｎｍでの励起が、利得やノイズ特性等を
考慮すると最も望ましいことが知られている。このよう
な９８０ｎｍ帯の発振波長を有するレーザは、おもにＧ
ａＡｓ基板上にＩｎＧａＡＳを活性層として用いること
で実現されており、高出力でありながら長寿命であると
いう相反する要求を満たす必要がある。さらにこの近傍
の波長、例えば８９０〜１１５０ｎｍにおいてはＳＨＧ
光源等の要求もあり、その他種々の応用面においても優
れた特性を有するレーザの開発が待たれている。さら
に、情報処理分野では高密度記録を目的として半導体レ
ーザの短波長化が進んでいる。特に最近の青色レーザの
進展は目覚しく、ＡｌＯｘ等の基板上に成長されたＧａ
Ｎ系材料では、その信頼性も上昇しており、さらなる研
究が続いている。

【０００４】たとえばＧａＡｓ基板上の９８０ｎｍ帯の
レーザに求められる特性としては、前記のような高出力
特性や高信頼性の他に、発振波長の安定性もある。波長
安定性が重要視されるのは石英ファイバー中にドープさ
れたＥｒ³⁺の９８０ｎｍ近傍の吸収帯が他の１４８０ｎ
ｍ帯等に比較して、狭いため、この帯域から外れた光が
増幅器のゲインに寄与しなくなることを避けるためであ
る。ところが、半導体レーザは一般に光出力によって、
また環境温度によってその発振波長が変化するため、発
振波長の安定化を外部共振器によって実現しようとする
試みが各種成されている。

【０００５】この中には、石英ファイバー中の領域の一
部に屈折率の異なる部分を作り込み、反射する波長に対
して波長選択性を持たせたグレーティングとして機能さ
せるファイバーグレーティング等をレーザと結合させる
方法がある。この場合の半導体レーザとしては、外部共
振器との安定した結合が実現できる点が重要となる。し
かし、例えば９８０ｎｍ近傍のレーザは従来からＧａＡ
ｓ基板上にＩｎＧａＡｓ活性層を形成した構造により実
現されているが、ＧａＡｓ基板が活性層から放出される
光に対して透明であるために、外部共振器との安定な結
合、すなわち波長安定性が確保できないという問題があ
った（Journal of quantum electronics, vol.33 No.1
0,pp1801-1809 Octrber,1997）。

【０００６】すなわち、活性層から、特にその下側に放
出された自然放出光は基板に吸収されることなく基板中
に導波される。このため、基板由来の導波モードが存在
するようになる。特にその高次モードは、基板上に作り
込んだレーザ構造中を導波される通常のモードと結合す
るようになる。基板は一般に１００〜１５０μｍ程度の
厚みを有するが、この結果、発振スペクトルの構造中に
２〜３ｎｍ程度の波長間隔で、強度変調されるようにな
る。すなわち、９８０ｎｍのレーザでは本来単一波長で
発振することが望まれるのにも拘わらず、２〜３ｎｍ間
隔でいくつかの発振波長が競合するという問題が生じて
しまう。さらに、このような基板が発振波長に対して透
明な従来のレーザでは、周囲の温度が変化した際、また
出力を変動させた際に、モードホッピングを起こす。こ
のため、例えばファイバーグレーティングと結合させて
いる場合でも、９８０ｎｍレーザの場合に見られるよう
に、ある特定の狭い温度範囲、また限られた出力範囲を
超えると、ファイバー出力で見た際に単一波長発振が実
現できないという問題があった。すなわち、従来の半導
体レーザでは、その利得領域の温度、光出力によるシフ
トの問題、９８０ｎｍ帯のレーザに見られる様な発振波
長に対して基板が透明なことによるモード競合の問題等
によって、たとえグレーティングファイバーの様な外部
共振器と半導体レーザを組み合わせて動作させた際で
も、系全体として単一波長動作する温度、または光出力
領域はさほど広くなくという問題があった。このため、
これらの問題を解決したより実用性が高い半導体発光装
置が求められていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来技
術の問題点を解決することを課題とした。具体的には、
本発明は、優れた外部共振器との結合を実現できる半導
体レーザを提供し、さらに該半導体レーザを用いて、波
長が広い温度範囲と広い出力範囲で安定している半導体
発光装置を提供することを解決すべき課題とした。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために鋭意検討を進めた結果、半導体レーザの
活性層構造の少なくとも一部にｎ型の不純物を含ませる
ことによって、半導体レーザの利得特性を効果的に広帯
域化することができることを検証し、本発明に到達し
た。すなわち本発明は、ＧａＡｓ基板上に構成元素とし
てＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む活性層構造を有する半導
体レーザ、および該半導体レーザの光の出射方向に外部
共振器を有する半導体発光装置であって、前記活性層構
造が光ガイドまたはバリアとして機能する層および活性
層を有しており、かつ前記活性層構造の少なくとも一部
がｎ型の不純物を含むことを特徴とする半導体発光装置
を提供するものである。

【０００９】本発明の半導体レーザの好ましい態様とし
て、前記活性層が量子井戸活性層である態様；前記ｎ型
不純物が量子井戸活性層に含まれている態様；前記ｎ型
不純物が光ガイドとして機能する層に含まれている態
様；前記光ガイドとして機能する層におけるｎ型不純物
の濃度が活性層に近づくにつれ減少している態様；前記
ｎ型不純物がバリアとして機能する層に含まれている態
様；前記光ガイドまたはバリアとして機能する層が、活
性層との接面において前記ｎ型不純物を含まない態様；
前記活性層構造が、光ガイド層、歪量子井戸活性層、光
ガイド層をこの順に有する態様；前記活性層構造が、光
ガイド層、歪量子井戸活性層とバリア層からなる１以上
の構造部分、歪量子井戸活性層、光ガイド層をこの順に
有する態様；前記半導体レーザの発振波長に対して前記
基板が透明である態様を挙げることができる。

【００１０】また、本発明の半導体レーザの別の好まし
い態様として、前記外部共振器がファイバーグレーティ
ングである態様；前記ファイバーグレーティングのレー
ザ側への光の反射率がレーザの発振波長において２〜１
５％であり、かつ、その反射帯域が中心波長に対して
０．１〜５．０ｎｍである態様；単一波長のみで発振す
る態様；前記半導体レーザの前端面の反射率が１０％以
下に制御され、また後端面の反射率が８０％以上に制御
されている態様；発振波長が９００〜１０１５ｎｍであ
る態様；前記半導体レーザが基本横モードで発振する態
様；前記光ガイド層とバリア層がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ
＝１〜０）からなる態様；ｎ型の不純物濃度が各層内で
一様に１ｘ１０¹⁷〜１ｘ１０¹⁹である態様；ｎ型の不純
物濃度が各層内で変化しており、濃度が高い部分が１ｘ
１０¹⁷〜１ｘ１０¹⁹である態様；ｎ型の不純物がＳｉ、
Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ，ＧｅおよびＴｅからなる群から選択さ
れる１以上である態様を挙げることができる。

【００１１】また本発明は、ＧａＡｓ基板上に構成元素
としてＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む活性層構造を有して
おり、前記活性層構造が光ガイドまたはバリアとして機
能する層および活性層を有しており、かつ前記活性層構
造の少なくとも一部がｎ型の不純物を含むことを特徴と
する半導体レーザであって、該半導体レーザの光の出射
方向に外部共振器を組み合わせることによって半導体発
光装置を製造するための半導体レーザも提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下において、本発明の半導体発
光装置および半導体レーザについて詳細に説明する。本
発明の半導体発光装置は、ＧａＡｓ基板上に構成元素と
してＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む活性層構造を有する半
導体レーザ、および該半導体レーザの光の出射方向に外
部共振器から少なくとも構成される。本発明の特徴は、
その半導体レーザの活性層構造が光ガイドまたはバリア
として機能する層および活性層を有しており、かつ活性
層構造の少なくとも一部がｎ型の不純物を含む点にあ
る。本発明の半導体レーザは、このような条件を満たす
ものであれば特にその構造の詳細や製造方法は制限され
ない。

【００１３】以下において、本発明の半導体レーザの好
ましい構成例およびその製造法について具体的に説明す
る。本発明の半導体レーザの構成としては、例えば屈折
率導波構造を有し、第２導電型クラッド層が二層に分か
れ、第２導電型第２クラッド層と電流ブロック層とで電
流注入領域を形成し、さらに電極との接触抵抗を下げる
ためのコンタクト層を有する。これに関して、例えば特
開平８−１３０３４４号公報を参考にすることができ
る。この種のレーザは光通信に用いられる光ファイバー
増幅器用の光源等に用いられ、層構成や使用材料等を適
宜選択することによってさらに様々な用途へ応用するこ
ともできる。

【００１４】図１は、本発明の半導体レーザにおけるエ
ピタキシャル構造の一例としてグルーブ型の半導体レー
ザの構成を示した概略断面図である。基板（１）として
は、所望の発振波長、格子整合性、意図的に活性層等に
導入される歪、ガイド層等に用いられる活性層の歪み補
償等の点から、ＧａＡｓの単結晶基板が使用される。Ｇ
ａＡｓは、Ｖ族としてＡｓ、Ｐ等を含むＩＩＩ−Ｖ族半
導体レーザに対する格子整合性の観点から望ましい。な
お、本明細書において元素の＜族＞の記述はアラビア数
字で記載されているものはＩＵＰＡＣの記述にしたが
い、ローマ数字で記載されているものは旧来の表現方法
にしたがっている。

【００１５】基板はいわゆるジャスト基板だけではな
く、エピタキシャル成長の際の結晶性を向上させる観点
から、いわゆるオフ基板（miss oriented substrate）
の使用も可能である。オフ基板は、ステップフローモー
ドでの良好な結晶成長を促進する効果を有しており、広
く使用されている。オフ基板は０．５〜２度程度の傾斜
を持つものが広く用いられるが、活性層構造（量子井戸
構造を含む）を構成する材料系によっては傾斜を１０度
前後にすることもある。基板には、ＭＢＥあるいはＭＯ
ＣＶＤ等の結晶成長技術を利用して半導体レーザを製造
するために、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施
しておいてもよい。

【００１６】バッファ層（２）は、基板バルク結晶の不
完全性を緩和し、結晶軸を同一にしたエピタキシャル薄
膜の形成を容易にするために設けることが好ましい。バ
ッファ層（２）は、基板（１）と同一の化合物で構成す
るのが好ましく、基板がＧａＡｓであるので通常はＧａ
Ａｓが使用される。しかし、超格子層をバッファ層に使
用することも広く行われており、同一の化合物で形成さ
れない場合もある。一方、誘電体基板を用いた場合には
必ずしも基板と同一の物質ではなく、その所望の発光波
長、デバイス全体の構造から、適宜、基板と異なった材
料が選ばれる場合もある。

【００１７】第１導電型クラッド層（４）は一般的には
活性層構造（５）の平均的屈折率より小さな屈折率を有
する材料で構成され、所望の発振波長を実現するために
準備される基板（１）、バッファ層（２）、活性層構造
（５）等により適宜材料が規定される。例えば基板
（１）としてＧａＡｓが使用され、バッファ層（２）に
もＧａＡｓが使用されているときには、第１導電型クラ
ッド層（４）としてＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ
系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＩｎＧａＰ系材料等が
用いられる。また場合によっては、クラッド層全体また
はその一部に、反射ミラーを内在させることもできる。
本明細書において「反射ミラー」とは、活性層からの光
を反射する機能を有する領域を指し、ここでいう「反
射」とは、光を少なくとも０．０５％以上、好ましくは
１％以上、より好ましくは５％以上、さらにより好まし
くは２０％以上、特に好ましくは３０％以上反射するこ
とを意味する。反射ミラーは、光を活性層側に反射する
ことによって、発振波長に対して透明であり、その部分
での導波が不必要に本来の発振スペクトラムに対して強
度変調等の悪影響を与える基板等への光の進入を低減す
る。反射ミラーはこのような機能を有するものであれ
ば、その構造や材料は特に制限されない。

【００１８】活性層構造（５）は、本発明の特有の効果
をもたらす特徴的な構成を有する。すなわち、活性層構
造（５）の少なくとも一部にはｎ型の不純物が含まれて
いる。これによって、本発明の効果、すなわち、広い温
度範囲、さらには広い光出力領域で安定に外部共振器と
結合し、その結果、単一縦モード発振の領域が拡大され
る。このような本発明の効果がもたらされるのは、半導
体レーザの利得特性が従来の半導体レーザに比べて広帯
域化するためである。

【００１９】いかなる理論にも拘泥するものではない
が、理論的には、Japanese Journal of Applied physic
s Vol. 29, No. 1, Jan., 1990, pp81-87に示されてい
るとおり、多重量子井戸構造のバリア層にｐ型またはｎ
型の不純物を導入することによって、そのバンド構造が
変化する。この結果、活性層が透明となる注入電子密度
が変化し、また微分利得も変化させることができるもの
と考えられる。特にｎ型の不純物を導入した際には伝導
帯の電子の状態密度が小さいために多数キャリアである
電子がさまざまなエネルギーをとるようになり、その結
果、半導体レーザそのものの利得特性が広帯域するもの
と考えられる。

【００２０】本発明の半導体レーザの活性層構造は、少
なくとも光ガイドまたはバリアとして機能する層と活性
層を有していて、活性層構造の一部にｎ型の不純物を含
むものである限り、その詳細は特に制限されない。した
がって、光ガイド層、バリア層、活性層の数と順序はそ
れぞれの層の機能を発揮しうるように任意に組み合わせ
ることが可能であり、また、ｎ型の不純物を含有させる
部分についても任意に選択することが可能である。

【００２１】また、活性層は量子井戸活性層であっても
構わない。本明細書において、「活性層」という場合は
このような量子井戸活性層を含む。また、レーザの特性
改善のために歪量子井戸構造をとっていてもよい。さら
に活性層全体としては歪みが打ち消される様に、光ガイ
ド層の材料等を量子井戸層の有する歪みと逆の歪みを持
つ様に選択してもよい。光ガイド層の材料としてはＡｌ
ＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系、
ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＡｌＩｎＧａＡｓ系材料、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ系材料、ＧａＡｓＰ系材料等、活性層にあわ
せて選択することができる。また、光ガイド層は前記材
料を組み合わせた超格子とすることも可能である。さら
に、量子井戸と光ガイド層の間に意図的にバンドギャッ
プの大きな材料を挿入して、温度特性の改善を行うこと
も可能である。

【００２２】活性層構造の具体例として、光ガイド層、
活性層からなるもの；光ガイド層、活性層、光ガイド層
からなるもの；光ガイド層、活性層、バリア層、活性層
からなるもの；光ガイド層、活性層、バリア層、活性
層、光ガイド層からなるものなどを例示することができ
る。多層構造のものは一般化すれば、光ガイド層、活性
層とバリア層からなる１以上の繰り返し構造部分、活性
層からなるもの；ないし、光ガイド層、活性層とバリア
層からなる１以上の繰り返し構造部分、活性層、光ガイ
ド層からなるものと表現することが可能である。

【００２３】ｎ型の不純物は、光ガイド層、バリア層、
活性層のいずれに含まれていてもよい。１層のみならず
２層以上に含まれていても構わない。具体的には、光ガ
イド層に含まれているもの；バリア層に含まれているも
の；活性層に含まれているもの；光ガイド層、活性層、
光ガイド層からなる活性層構造においてｎ型不純物が２
層の光ガイド層に含まれているもの；光ガイド層、活性
層、バリア層、活性層、光ガイド層からなる活性層構造
においてｎ型の不純物が光ガイド層とバリア層の少なく
とも１層に含まれているもの；光ガイド層、活性層、バ
リア層、活性層、光ガイド層からなる活性層構造におい
てｎ型の不純物が光ガイド層とバリア層の少なくとも１
層に含まれているもの；光ガイド層、活性層、バリア
層、活性層、バリア層、活性層、光ガイド層からなる活
性層構造においてｎ型の不純物が２層の光ガイド層と２
番目の活性層に含まれているものを例示することができ
る。

【００２４】ｎ型の不純物は特定の層の全体にわたって
均一に存在していてもよいし、一部のみに存在していて
もよい。また、層内の不純物濃度は一様でなくても構わ
ない。特に、光ガイド層にｎ型の不純物が含まれている
場合は、活性層に近づくにつれて濃度が低くなるように
することができる。また、光ガイド層やバリア層では、
活性層に接する面には不純物が存在せず、中央部にのみ
不純物が存在するようにしてもよい。

【００２５】本発明の効果は、活性層構造（５）の材料
等の如何によらず認められる。材料選択の観点からは、
活性層構造（５）はＩｎを含む系であるのが好ましい。
最も好ましいのはＩｎＧａＡｓを含む系またはＩｎＧａ
Ｎを含む系である。これは、一般に使用している基板、
すなわちＩｎＧａＡｓの場合にはＧａＡｓ基板が、また
ＩｎＧａＮの場合にはＡｌ₂Ｏ₃が、それぞれの発振波長
に対して透明であるからである。

【００２６】第２導電型第１クラッド層（６）および第
２導電型第２クラッド層（７）は、第１導電型クラッド
層（４）と同様に一般的には活性層構造（５）の平均的
屈折率より小さな屈折率を有する材料で構成され、基板
（１）、バッファ層（２）、活性層構造（５）等により
適宜材料が規定される。例えば基板（１）としてＧａＡ
ｓが使用され、バッファ層（２）にもＧａＡｓが使用さ
れているときには、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ
系材料、ＩｎＧａＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＡｌＩ
ｎＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓＰ系材料、ＧａＡｓＰ
系材料等が用いられる。これらの層の全体または一部
を、後述のコンタクト層への光の染み出しを低減させる
目的で反射ミラー層とすることもできる。

【００２７】電流ブロック層（８）は、文字通り電流を
ブロックして実質的に流さないようにすることが要求さ
れるので、その導電型は第１導電型クラッド層（４）と
同一かあるいはアンドープとすることが好ましい。ま
た、例えばＡｌＧａＡｓ系で電流ブロック層（８）を形
成する場合であれば、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）
からなる第２導電型第２クラッド層（７）より屈折率が
小さいことが好ましい。すなわち、電流ブロック層
（８）がＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｚ≦１）であれば、混
晶比としてはｚ＞ｙになることが好ましい。また、ｙと
ｚの関係において、本発明は、おもに半導体レーザ、特
にレーザ構造自体よる導波が基本モードのみであるもの
に好適に利用されるが、この観点では、電流ブロック層
（８）と第２導電型第２クラッド層（７）の屈折率差に
よって主に規定される横方向の有効屈折率差は１０^-3の
オーダであることが望ましい。

【００２８】第２導電型第２クラッド層（７）の屈折率
は、通常、活性層構造（５）の屈折率以下である。ま
た、第２導電型第２クラッド層（７）は通常第１導電型
クラッド層（４）および第２導電型第１クラッド層
（６）と同一の屈折率とされる。またこれらの層の一部
または全部を反射ミラー層とする際にはそれぞれの層の
平均屈折率は同一になるようにするのが望ましい。第２
導電型第２クラッド層（７）の上には、後述のコンタク
ト層（１１）への光の染み出しを抑制する目的で、反射
ミラー層を設けることもできる。

【００２９】第２導電型第２クラッド層（７）の上に
は、電極（１２）との接触抵抗率を下げるため等の目的
で、コンタクト層（１１）を設けるのが好ましい。コン
タクト層（１１）は、通常、ＧａＡｓ材料にて構成され
る。この層は、通常電極との接触抵抗率を低くするため
にキャリア濃度を他の層より高くする。

【００３０】半導体レーザを構成する各層の厚さは、そ
れぞれの層の機能を効果的に奏する範囲内で適宜選択さ
れる。通常、バッファ層（２）の厚さは０．１〜３μ
ｍ、第１導電型クラッド層（４）の厚さは０．５〜５μ
ｍ、活性層構造（５）の厚さは量子井戸構造の場合１層
当たり０．０００５〜０．０２μｍ、第２導電型第１ク
ラッド層（６）の厚さは０．０５〜０．３μｍ、第２導
電型第２クラッド層（７）の厚さは０．５〜５μｍ、電
流ブロック層（８）の厚さは０．３〜２μｍ、キャップ
層（９）の厚さは０．００５〜０．５μｍ、コンタクト
層（１１）の厚さは１〜１０μｍの範囲から選択され
る。

【００３１】図１に示す半導体レーザは、さらに電極
（１２）および（１３）を形成することにより作製され
る。エピタキシャル層側電極（１２）は、ｐ型の場合、
コンタクト層（１１）表面に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを
順次に蒸着した後、合金化処理することによって形成さ
れる。一方、基板側電極（１３）は基板（１）の表面に
形成され、ｎ型電極の場合、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕを基板表面に順に蒸着した後、合金化処理することに
よって形成される。

【００３２】製造した半導体ウエハーには、光の出射面
である端面を形成する。端面は共振器を構成する鏡とな
る。好ましくは、劈開により端面を形成する。劈開は広
く用いられる方法であり、劈開によって形成される端面
は使用する基板の方位によって異なる。例えば、好適に
利用されるnominally（１００）と結晶学的に等価な面
をもつ基板を使用して端面発光型レーザ等の素子を形成
する際には、（１１０）もしくはこれと結晶学的に等価
な面が共振器を形成する面となる。一方、オフ基板を使
用するときには、傾斜させた方向と共振器方向の関係に
よっては端面が共振器方向と９０度にならない場合もあ
る。例えば（１００）基板から、（１−１０）方向に向
けて角度を２度傾けた基板を使用した場合には端面も２
度傾くことになる。

【００３３】本発明では、露出した半導体端面上に、誘
電体、または誘電体および半導体の組合せからなるコー
ティング層（１５）および（１６）を形成するのが好ま
しい（図３）。コーティング層は、主に半導体レーザか
らの光の取り出し効率を上げる目的と、端面の保護する
という２つの目的のために形成する。また、後述の外部
共振器との結合を高めるために、発振波長に対して低反
射率（反射率１０％以下）のコーティング層を前端面に
施し、発振波長に対して高反射率（例えば８０％以上）
のコーティング層を後端面に施す非対称コーティングを
行うのが望ましい。これはさらなる波長安定化のために
使用される外部共振器から戻ってくる光を積極的にレー
ザ内部に取り込み、波長の安定化を促進する点で非常に
重要である。特にこの目的のためには前端面の反射率は
５％、より望ましくは２．５％以下であることが好まし
い。

【００３４】コーティング層（１５）および（１６）に
は、さまざまな材料を用いることができる。例えば、Ａ
ｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉおよびＺｎ
Ｓからなる群から選ばれる１種または２種以上の組合せ
を用いることが好ましい。低反射率のコーティング層と
してはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等が、また高反射
率のコーティング層としてはＡｌＯｘ／Ｓｉの多層膜、
ＴｉＯｘ／ＳｉＯｘの多層膜等が用いられる。それぞれ
の膜厚を調節することによって、所望の反射率を実現す
ることができる。しかし、一般に低反射率のコーティン
グ層とするＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等の膜厚は、
その波長λでの屈折率の実数部分をｎとしてλ／４ｎ近
傍になるように調整するのが一般的である。また、高反
射多層膜の場合も、膜を構成する各材料がλ／４ｎ近傍
になるように調整するのが一般的である。

【００３５】本発明の半導体レーザに対して波長安定化
をはかるためにレーザ外部に波長選択性のある鏡を準備
し、外部共振器と本発明のレーザを結合させることが望
ましい。特にファイバーグレーティングを用いて外部共
振器を形成させること望ましい。ファイバーグレーティ
ングはその目的に応じて中心波長、反射あるいは透過帯
域、ファイバーグレーティングが有するレーザ側への光
の反射率等を適宜選択可能である。特に前記ファイバー
グレーティングのレーザ側への光の反射率がレーザの発
振波長において２〜１５％、好ましくは５〜１０％であ
り、かつ、その反射帯域が中心波長に対して０．１〜
５．０ｎｍ、好ましくは０．５〜１．５ｎｍであること
が望ましい。

【００３６】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的
に説明する。以下の実施例に示す材料、濃度、厚さ、操
作手順等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更
することができる。したがって、本発明の範囲は以下の
実施例に示す具体例に制限されるものではない。

【００３７】（実施例１）図１および図２のグルーブ型
の半導体レーザを以下の手順にしたがって製造した。キ
ャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ基板（１）
の（１００）面上に、ＭＢＥ法にて、バッファ層（２）
として厚さ１μｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ
型ＧａＡｓ層；第１導電型クラッド層（４）として厚さ
１．５μｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型Ａｌ
_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ層；次いで、厚さ３５ｎｍのキャリア
濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型のＧａＡｓ光ガイド層上
に、厚さ６ｎｍのアンドープＩｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量
子井戸層、さらにその上に厚さ３５ｎｍのキャリア濃度
１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ光ガイド層を有する歪
単一量子井戸活性層（５）；第２導電型第１クラッド層
（６）として厚さ０．１μｍでキャリア濃度１×１０¹⁸
ｃｍ^-3のｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ層；電流ブロック層
（８）として厚さ０．５μｍでキャリア濃度５×１０¹⁷
ｃｍ^-3のｎ型Ａｌ_0. ₃₉Ｇａ_0.61Ａｓ層；キャップ層
（９）として厚さ１０ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。ここでｎ型の不
純物としてはＳｉをｐ型の不純物としてはＢｅを用い
た。

【００３８】最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒
化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコン
マスクの開口部の幅は１．５μｍとした。ついで硫酸
（９８重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）およ
び水を体積比で１：１：５で混合した混合液を用いて、
２５℃でキャップ層と電流ブロック層のエッチングを２
７秒間、第２導電型第１クラッド層に到達するまで行っ
た。次いでＨＦ（４９％）とＮＨ₄Ｆ（４０％）を１：
６で混合した混合液に２分３０秒浸漬して窒化シリコン
層を除去した。

【００３９】その後、ＭＯＣＶＤ法にて第２導電型第２
クラッド層（７）として、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ
^-3のｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ層を埋め込み部分（電流
注入領域部分）の厚さが１．５μｍになるように成長さ
せた。さらに、電極との良好な接触を保つためのコンタ
クト層（１１）として、キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ ^-3
のｐ型ＧａＡｓ層を厚さ５μｍになるように成長させ
た。ここでのｐ型不純物はＺｎを用いた。電流注入領域
の幅Ｗ（第２導電型第１クラッド層との界面における第
２導電型第２クラッド層の幅）は２．２μｍであった。

【００４０】電流ブロック層（８）と第２導電型第２ク
ラッド層（７）の屈折率の差、およびＷの幅は、導波モ
ードが基本モードのみになるように設計し、クラッド
層、電流ブロック層等のＡｌ混晶比を決定した。また、
さらに、基板側電極（１３）であるｎ型電極としてＡｕ
ＧｅＮｉ／Ａｕを、またエピタキシャル層側電極（１
２）であるｐ型電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着させ
４００℃で合金化を５分間行って半導体ウエハーを完成
させた。

【００４１】続いて、大気中で、共振器長７００μｍの
レーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ
た。次いで、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて
前端面の反射率が２．５％になるように真空中で１６５
ｎｍ製膜し、コーティング層（１５）を形成した。さら
に後端面側の処理を行うために、一度レーザバーを真空
層から取り出した。後端面側には、厚さ１７０ｎｍのＡ
ｌＯｘ層／厚さ６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚さ１
７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚さ６０ｎｍのアモルファスＳ
ｉ層の４層からなるコーティング層（１６）を形成し、
反射率９２％の後端面を作製した。作製された半導体レ
ーザの電流光出力特性は図４に示すとおりであった。

【００４２】さらにレーザ前端面に９８１ｎｍでの反射
率が６．５％、反射帯域が１ｎｍのグレーティングファ
イバーを図５に示すようにレンズを介して配置して半導
体レーザモジュールを作製した。半導体レーザの環境温
度、および半導体レーザからの光出力を変化させて外部
共振器との結合の状態をスペクトラム安定性の観点から
観測した。この半導体レーザモジュールのファイバー出
力の電流光出力特性を図６に示す。発振スペクトルは図
７に示すとおりであり、単一波長発振を実現できること
が確認された。さらに、温度範囲０〜７０℃、ファイバ
ー出力１０〜２００ｍＷの範囲内で、中心波長９８１ｎ
ｍ±０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的
に実現する範囲を確認した結果を図８に示す。図８から
明らかなように、温度範囲０〜６０℃、ファイバー出力
１０〜１８０ｍＷの範囲にわたって波長が安定している
ことが確認された。

【００４３】（実施例２）実施例１と同様に作成した半
導体レーザの前端面に、９７８ｎｍでの反射率が３．５
％、反射帯域が０．７ｎｍのグレーティングファイバー
をレンズを介して配置して半導体レーザモジュールを作
製した。半導体レーザの環境温度、および半導体レーザ
からの光出力を変化させて外部共振器との結合の状態を
スペクトラム安定性の観点から観測した。その結果、実
施例１と同様に、温度範囲０〜６０℃、ファイバー出力
１０〜１６０ｍＷの範囲で中心波長９７８ｎｍ±０．２
ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に実現する
ことが確認された。

【００４４】（実施例３）実施例１と同様に作成した半
導体レーザの前端面に、９７８ｎｍでの反射率が１２
％、反射帯域が１．５ｎｍのグレーティングファイバー
を図９のようなバタフライ型のパッケージを用いて、先
球レンズを介してレーザと結合させ半導体レーザモジュ
ールを作製した。半導体レーザの環境温度、および半導
体レーザからの光出力を変化させて外部共振器との結合
の状態をスペクトラム安定性の観点から観測した。その
結果、実施例１と同様に、温度範囲０〜６０℃、ファイ
バー出力１０〜１８０ｍＷの範囲で中心波長９７８ｎｍ
±０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に
実現することが確認された。

【００４５】（実施例４）活性層の構造として、厚さ３
０ｎｍのＧａＡｓ光ガイド層（この光ガイド層の中心２
８ｎｍにＳｉを２ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3ドーピングし、両端１
ｎｍずつはアンドープ）、厚さ６ｎｍのアンドープＩｎ
_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層、厚さ１０ｎｍのバリア
層（このバリア層の中心８ｎｍにＳｉを１ｘ１０¹⁸ｃｍ
^-3ドーピングし、両端１ｎｍずつはアンドープ）、厚さ
６ｎｍのアンドープＩｎ_0.16Ｇａ_0. ₈₄Ａｓ、厚さ３０ｎ
ｍのＧａＡｓ光ガイド層（この光ガイド層の中心２８ｎ
ｍにＳｉを２ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3ドーピングし、両端１ｎｍ
ずつはアンドープ）を持つ歪二重量子井戸活性層（５）
とした以外は実施例１と同様にして半導体レーザを作製
し、さらに実施例１と同様にレーザモジュールを作製し
た。半導体レーザの環境温度、および半導体レーザから
の光出力を変化させて外部共振器との結合の状態をスペ
クトラム安定性の観点から観測した。その結果、実施例
１と同様に、温度範囲０〜６０℃、ファイバー出力１０
〜１８０ｍＷの範囲で中心波長９８１ｎｍ±０．２ｎ
ｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に実現するこ
とが確認された。

【００４６】（実施例５）活性層の構造として、厚さ２
５ｎｍのＧａＡｓ光ガイド層（この光ガイド層の中心２
３ｎｍにＳｉを２ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3ドーピングし、両端１
ｎｍずつはアンドープ）、厚さ６ｎｍのアンドープＩｎ
_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層、厚さ８ｎｍのアンドー
プバリア層、厚さ６ｎｍのｎ型（Ｓｉを１ｘ１０¹⁷ｃｍ
^-3ドープ）Ｉｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層、厚さ８
ｎｍのアンドープバリア層、厚さ６ｎｍのアンドープＩ
ｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層、厚さ２５ｎｍのＧａ
Ａｓ光ガイド層（この光ガイド層の中心２３ｎｍにＳｉ
を２ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3ドーピングし、両端１ｎｍずつはア
ンドープ）を持つ歪三重量子井戸活性層（５）とした以
外は実施例１と同様にして半導体レーザを作製し、さら
に実施例１と同様にレーザモジュールを作製した。半導
体レーザの環境温度、および半導体レーザからの光出力
を変化させて外部共振器との結合の状態をスペクトラム
安定性の観点から観測した。その結果、実施例１と同様
に、温度範囲０〜５５℃、ファイバー出力１０〜１６０
ｍＷの範囲で中心波長９８１ｎｍ±０．２ｎｍ、サイド
モード抑圧比１０ｄｂを安定的に実現することが確認さ
れた。

【００４７】（実施例６）厚さ３０ｎｍのＧａＡｓ光ガ
イド層（この光ガイド層において活性層に向かって、Ｓ
ｉを３ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3から５ｘ１０¹⁷ｃｍ^-3に減少させ
ながらドーピング）、厚さ６ｎｍのアンドープＩｎ_0.16
Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層、厚さ１０ｎｍのバリア層
（このバリア層の中心８ｎｍにＳｉを５ｘ１０¹⁷ｃｍ^-3
ドーピングし、両端１ｎｍずつはアンドープ）、厚さ６
ｎｍのアンドープＩｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ、厚さ３０ｎｍ
のＧａＡｓ光ガイド層（この光ガイド層において活性層
から離れるにしたがって、Ｓｉを５ｘ１０¹⁷ｃｍ^-3から
３ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3に増加させながらドーピング）を持つ
歪二重量子井戸活性層（５）とした以外は実施例１と同
様にして半導体レーザを作製し、さらに実施例１と同様
にレーザモジュールを作製した。半導体レーザの環境温
度、および半導体レーザからの光出力を変化させて外部
共振器との結合の状態をスペクトラム安定性の観点から
観測した。その結果、実施例１と同様に、温度範囲０〜
６０℃、ファイバー出力１０〜１８０ｍＷの範囲で中心
波長９８１ｎｍ±０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１０
ｄｂを安定的に実現することが確認された。

【００４８】（比較例）活性層構造を、厚さ３５ｎｍの
アンドープＧａＡｓ光ガイド層上に、厚さ６ｎｍのアン
ドープＩｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層、さらにその
上に厚さ３５ｎｍのアンドープＧａＡｓ光ガイド層を有
する歪単一量子井戸活性層（５）とした以外は、実施例
１と同様にして半導体レーザを調製した。作製された半
導体レーザの電流光出力特性は図４に示すとおりであっ
た。さらに実施例１と同様に半導体レーザモジュール
を作製した。製造した半導体レーザモジュールの発振ス
ペクトルは図１０に示すとおりであり、単一波長発振を
実現することはできなかった。さらに、温度範囲０〜６
０℃、ファイバー出力１０〜２００ｍＷの範囲内で、中
心波長９８１ｎｍ±０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１
０ｄｂを安定的に実現する範囲を確認した結果を図８に
示した。図８から明らかなように、本発明の実施例１に
比べると波長の安定性が劣ることが確認された。

【００４９】

【発明の効果】本発明の半導体レーザは、外部共振器と
の優れた結合を実現することができる。このため、該半
導体レーザを用いた本発明の半導体発光装置は、波長が
広い温度範囲および広い出力範囲にわたって安定してい
る。したがって、本発明の半導体発光装置は、多大な工
業的利益を提供するものでありその応用範囲は極めて多
岐にわたる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザの一態様を示す断面図
である。

【図２】実施例１の半導体レーザの活性層構造を示す
断面図である。

【図３】本発明の半導体レーザの一態様を示す斜視図
である。

【図４】実施例１および比較例の半導体レーザの電流
と光出力の関係図である。

【図５】本発明の半導体発光装置の一態様を示す概略
図である。

【図６】実施例１の半導体レーザモジュールの電流と
ファイバー出力の関係図である。

【図７】実施例１の半導体レーザモジュールの発振ス
ペクトルである。

【図８】実施例１および比較例の半導体レーザモジュ
ールのサイドモード抑圧比１０ｄＢ以上の領域を示す図
である。

【図９】実施例３の半導体レーザモジュールの概略図
である。

【図１０】比較例の半導体レーザモジュールの発振ス
ペクトルである。

【符号の説明】

１：基板２：バッファ層４：第１導電型クラッド層５：活性層構造６：第２導電型第１クラッド層７：第２導電型第２クラッド層８：電流ブロック層９：キャップ層１１：コンタクト層１２：エピタキシャル層側電極１３：基板側電極１５：コーティング層１６：コーティング層１８：ＳｉドープＧａＡｓ１９：Ｉｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓ歪量子井戸層２１：半導体レーザ２２：レンズ２３：レンズ２４：光ファイバー２５：ファイバーグレーティング３１：ＬＤチップ３２：先球ファイバー３３：バタフライ型パッケージ３４：ファイバーグレーティング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＡｓ基板上に構成元素としてＩｎ、
ＧａおよびＡｓを含む活性層構造を有する半導体レー
ザ、および該半導体レーザの光の出射方向に外部共振器
を有する半導体発光装置であって、前記活性層構造が光ガイドまたはバリアとして機能する
層および活性層を有しており、かつ前記活性層構造の少
なくとも一部がｎ型の不純物を含むことを特徴とする半
導体発光装置。
【請求項２】前記活性層が量子井戸活性層である請求
項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】前記ｎ型不純物が量子井戸活性層に含ま
れていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光
装置。
【請求項４】前記ｎ型不純物が光ガイドとして機能す
る層に含まれていることを特徴とする請求項１〜３に記
載の半導体発光装置。
【請求項５】前記光ガイドとして機能する層における
ｎ型不純物の濃度が活性層に近づくにつれ減少している
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
【請求項６】前記ｎ型不純物がバリアとして機能する
層に含まれていることを特徴とする請求項１〜５のいず
れかに記載の半導体発光装置。
【請求項７】前記光ガイドまたはバリアとして機能す
る層が、活性層との接面において前記ｎ型不純物を含ま
ないことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の
半導体発光装置。
【請求項８】前記活性層構造が、光ガイド層、歪量子
井戸活性層、光ガイド層をこの順に有することを特徴と
する請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項９】前記活性層構造が、光ガイド層、歪量子
井戸活性層とバリア層からなる１以上の構造部分、歪量
子井戸活性層、光ガイド層をこの順に有することを特徴
とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光装
置。
【請求項１０】前記半導体レーザの発振波長に対して
前記基板が透明であることを特徴とする請求項１〜９の
いずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項１１】ＧａＡｓ基板上に構成元素としてＩ
ｎ、ＧａおよびＡｓを含む活性層構造を有しており、前
記活性層構造が光ガイドまたはバリアとして機能する層
および活性層を有しており、かつ前記活性層構造の少な
くとも一部がｎ型の不純物を含むことを特徴とする半導
体レーザであって、該半導体レーザの光の出射方向に外
部共振器を組み合わせることによって半導体発光装置を
製造するための半導体レーザ。