JP2001057456A

JP2001057456A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2001057456A
Application number: JP11230682A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Komori; 正明古森; Masahiro Aoki; 雅博青木; Akira Oya; 彰大家; Tsutomu Sudo; 剣須藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-27
Anticipated expiration: 2019-08-17
Also published as: JP3927341B2

Abstract

(57)【要約】【課題】単一モード発振半導体レーザ装置の設計の自
由度を拡大し、素子特性の高性能化を図った半導体レー
ザ装置を提供する。【解決手段】単一モード発振半導体レーザ装置の歪多
重量子井戸光導波路層の側壁に位置する光閉じ込め層或
いは、電流狭窄層には、屈折率が周期的に変化した構
造、或いは半導体レーザ装置の利得を周期的に変化させ
る構造が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、単一モード発振
の半導体レーザ装置に関するものである。本願発明の半
導体レーザ装置は光通信用に用いて有用である。

【０００２】

【従来の技術】将来、高速大容量な情報を伝送できる光
通信網は、従来の幹線系通信から各家庭にまで深く浸透
する。さらに、インターネットの普及及び発展に伴い、
家庭への送受信データのさらなる大容量化は必須であ
る。特に、伝送容量の増大に伴い発振波長の高精度制御
は不可欠である。従って、これまでの単一モード発振半
導体レーザ装置を安価かつ高性能に作製することが、今
後の素子開発の鍵となる。

【０００３】そして、現在、この半導体レーザ装置の単
一モード発振を実現するために、半導体レーザ装置の光
導波路層（例えば、活性層）に回折格子を用いる。この
半導体レーザ装置の内部に埋め込まれた回折格子は、導
波路中の伝播光に影響する。この結果として、半導体レ
ーザ装置の発振波長は、所望の単一モード波長に選択さ
れる。この時、形成する回折格子の周期性は、導波波長
を屈折率で割った半分の値に設定する。これにより、単
一モード発振の半導体レーザ装置の発振波長に対応した
回折格子のブラック波長が決定できる。

【０００４】現在までに、この単一モード発振の半導体
レーザ装置の素子特性を向上させるために、次のような
半導体レーザ装置の提案がなされている。即ち、それら
は、均一回折格子型分布帰還半導体レーザ装置や、マル
チ位相シフト型、ピッチ変調λ／４シフト型などの位相
シフト型分布帰還半導体レーザ装置等である。

【０００５】尚、こうした回折格子を用いたレーザ装置
での結晶成長に関しては、例えばＳ．Ｌｏｕｒｄｕｄｏ
ｓｓｅｔａｌ．、ＪｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒ
ｏｗｔｈ、ｖｏｌ．１５４、ｐｐ４１０、１９９５、
“ＩｒｏｎｄｏｐｅｄＧａＩｎＰｆｏｒｓｅｌ
ｅｃｔｉｖｅｒｅｇｒｏｗｔｈａｒｏｕｎｄＧａ
Ａｓｍｅｓａｓ”などに見られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、単一縦モ
ード発振の半導体レーザ装置における素子設計の自由度
を拡大し、且つ従来の検討で用いられてきた位相シフト
型の回折格子と同等あるいはそれ以上の効果が得られる
構造を提案せんとするものである。更には、本願発明で
は作製スループットの高い均一回折格子構造を用いるも
のである。

【０００７】本願発明は、光通信用送信光源に用いる発
振波長が１.３μｍ帯及び１.５５μｍ帯の単一モード発
振半導体レーザ装置の高性能化を実現することが出来
る。

【０００８】一般的な単一モード発振半導体レーザ装置
の諸難点を以下に列挙する。

【０００９】その第１は、回折格子を用いることによっ
て発生する２モード発振の抑制と、端面での回折格子の
乱れに基づく発振波長の不確定性である。

【００１０】第２は、前記発振波長の不確定性を回避す
るために用いる、いわゆるλ／４シフト型半導体レーザ
装置の製造工程の複雑さと、これに基づく製造上のスル
ープットの低下である。

【００１１】第３は、上述したそれぞれの問題を回避す
るために、例えばｋＬなどの素子パラメータを調整した
単一モード発振半導体レーザ装置の提案があるが、こう
した素子設計の複雑さと設計の自由度の狭いことであ
る。

【００１２】第４は、近年の活性層への歪の導入と、こ
れに伴う回折格子の製造上の難点である。

【００１３】こうした、諸難点に対する更に詳細な説明
は、本願発明の効用と共に後述される。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願発明の主な形態を以
下に列挙する。

【００１５】本願発明の第１の形態は、活性層と、当該
活性層の側面に形成された光閉じ込め領域または電流狭
窄領域とを有し、且つ前記光閉じ込め領域または電流狭
窄領域が屈折率が周期的に変化した構造、或いはレーザ
の利得を周期的に変化した構造を有することを特徴とす
る半導体レーザ装置である。

【００１６】本願発明の第２の形態は、歪多重量子井戸
活性層と、当該歪多重量子井戸活性層の側面に形成され
た光閉じ込め領域または電流狭窄領域とを有し、且つ前
記光閉じ込め領域または電流狭窄領域が回折格子領域を
有することを特徴とする半導体レーザ装置である。ある
いは、それは、歪多重量子井戸活性層と、当該歪多重量
子井戸活性層の側面に形成された光閉じ込め領域または
電流狭窄領域とを有し、且つ前記光閉じ込め領域または
電流狭窄領域が屈折率が周期的に変化した構造、或いは
レーザの利得を周期的に変化した構造を有する半導体レ
ーザ装置である。

【００１７】本願発明の第３の形態は、歪多重量子井戸
活性層と、当該歪多重量子井戸活性層の側面に形成され
た光閉じ込め領域または電流狭窄領域とを有し、且つ前
記光閉じ込め領域または電流狭窄領域が屈折率が周期的
に変化した構造、或いはレーザの利得を周期的に変化し
た構造を有し、単一縦モードで発振することを特徴とす
る半導体レーザ装置である。前記光閉じ込め領域または
電流狭窄領域の屈折率が周期的に変化した構造、或いは
レーザの利得を周期的に変化した構造がいわゆる回折格
子を構成するのが、実際的構造である。

【００１８】本願発明の第４の形態は、歪多重量子井戸
活性層と、当該歪多重量子井戸活性層の側面に形成され
た光閉じ込め領域または電流狭窄領域とを有し、前記歪
多重量子井戸活性層の有する歪量子井戸層は圧縮歪量が
１.０％〜１.７％であり、且つ前記光閉じ込め領域また
は電流狭窄領域が屈折率が周期的に変化した構造、或い
はレーザの利得を周期的に変化した構造を有することを
特徴とする半導体レーザ装置である。前記光閉じ込め領
域または電流狭窄領域の屈折率が周期的に変化した構
造、或いはレーザの利得を周期的に変化した構造がいわ
ゆる回折格子を構成するのが、実際的構造であることは
前述した形態の場合と同様である。又、このことは以下
に例示する形態においても同様である。

【００１９】尚、本願に係わる歪多重量子井戸活性層に
ついては、後述される。

【００２０】本願発明の第５の形態は、歪多重量子井戸
活性層と、当該歪多重量子井戸活性層の側面に形成され
た光閉じ込め領域または電流狭窄領域とを有し、前記歪
多重量子井戸活性層の有する歪量子井戸層は圧縮歪量が
１.０％〜１.７％であり、前記歪多重量子井戸活性層の
障壁層の引っ張り歪量が０％〜０.５％であり、且つ前
記光閉じ込め領域または電流狭窄領域が屈折率が周期的
に変化した構造、或いはレーザの利得を周期的に変化し
た構造を有することを特徴とする半導体レーザ装置であ
る。

【００２１】本願発明の第６の形態は、前述の半導体レ
ーザ装置において、活性層幅は０.５μｍ〜２.７μｍで
あることを特徴とする半導体レーザ装置である。当該活
性層幅は極めて実際的な形態である。

【００２２】以下に例示する形態は、本願発明の半導体
レーザ装置の活性層の側面に形成する周期的構造の諸形
態の主なものを列挙するものである。

【００２３】本願発明の第７の形態は、前述の半導体レ
ーザ装置において、活性層の側面に形成される回折格子
は、周期的な導電率の変化領域あることを特徴とする半
導体レーザ装置である。界面無秩序化は、鉄、シリコ
ン、ベリリウムなどのイオンを注入することによるのが
実際的である。

【００２４】本願発明の第８の形態は、前記第７の形態
の半導体レーザ装置において、活性層の側面に形成され
る回折格子は、超格子層構造であり、界面無秩序化を行
なった周期的な屈折率の変化領域であることを特徴とす
る半導体レーザ装置である。界面無秩序化は、鉄、シリ
コン、ベリリウムなどのイオンを注入することによるの
が実際的である。

【００２５】本願発明の第９の形態は、前述の半導体レ
ーザ装置において、活性層の側面へ形成した回折格子
を、再成長することにより埋め込む多元素化合物の半導
体材料は、基板面内での材料組成が、部分的に異なって
いることを特徴とする半導体レーザ装置である。

【００２６】本願発明の第１０の形態は、前述の半導体
レーザ装置において、活性層の側壁へ形成した回折格子
領域は、基板面内で歪多重量子井戸活性層に対し平行方
向に接しており、かつ歪多重量子井戸構造に対し垂直方
向の長さが連続的に異なっていることを特徴とする半導
体レーザ装置である。

【００２７】以下に上述した本願発明の骨子について説
明する。

【００２８】本願発明は、均一回折格子構造を有する単
一モード発振レーザ装置構造である。

【００２９】本願発明の構造の基本思想は、従来の埋め
込み型半導体レーザ装置の活性層の横に位置する電流狭
窄層及び光閉じ込め層に、回折格子、わけても均一回折
格子を形成するものである。この位置に回折格子を形成
することによって、キャリアの注入経路に、回折格子は
存在しない。従って、例えばマルチカンタムバリアなど
キャリアの注入及びオーバフローに対し有効となるガイ
ド層構造を、容易に設けることができる。すなわち、回
折格子の存在を考慮せずに、効果的にガイド層及びクラ
ッド層の構造が設計できる。また、活性層の下側に回折
格子を形成する必要がないため、歪多重量子井戸活性層
には、結晶性を損わず効果的に、臨界膜厚がゆるす範囲
内で最大の歪量が導入できる。

【００３０】図１は、本願発明の代表的な原理図であ
る。活性層５０の側面５１、５２に、回折格子５３、５
４を有する光閉じ込め層５５、５６を作成する。この回
折格子５３、５４により形成される周期的な屈折率変調
は、活性層５０の側壁からの光の漏れ５５を周期的に変
化させる。図中５６は当該半導体レーザ装置の導波光を
示す。図１の下段は、これらの回折格子とこれに伴う光
強度の分布５７を模式的に示したものである。こうした
構成によって、単一モード発振が可能となる。即ち、本
構造によって、従来の単一モード発振半導体レーザ装置
と同様の効果が得られるからである。

【００３１】次に均一回折格子型で問題となる２モード
発振では、この均一回折格子を埋め込む際、面内組成、
或いは回折格子領域の面積を制御し、活性層側壁からの
光の漏れ量を面内で変化させる。この光の漏れ量の分布
が、共振器長の方向で変化することによって、側面回折
波と端面反射波により形成される定在波は固定される。

【００３２】さらに、端面での回折格子位相よる発振波
長の不確定性は、回折格子領域における光の漏れ量を、
出射端に向かい連続的に増加させることにより低減でき
る。

【００３３】光の漏れ量の増加は、回折格子の効果が消
滅する方向にある。これによって、端面での回折格子位
相の影響は低減する。特に、高反射化に伴うばらつきの
抑制には効果的である。また、連続的に変化する光の漏
れ量が、最小となる位置を光の出射端側の近傍に設定す
ることにより、効果的に光を取り出すことができる。こ
れは、共振器内部で形成される光強度分布のすそのが高
い段階で、光を放射できるためである。

【００３４】特に本構造では、単一モード発振半導体レ
ーザ装置の内部に２領域の回折格子領域が存在する。す
なわち、一方の回折格子領域により形成される光強度分
布と独立して、他方の回折格子領域の光強度分布が制御
できる。これにより、上記の光強度分布形状と分布のす
そのを容易に設定できる。従って、位相シフト型に見ら
れる縦方向空間的ホールバーニングの対策は容易とな
る。

【００３５】一般的な屈折率変調の構造において、光共
振器の光学特性は戻り光に対する耐性は弱い。これに対
し本構造では、この欠点を補うことができる。以下、そ
の詳細を説明する。

【００３６】本構造では、活性層と回折格子領域は独立
している。すなわち、利得結合型のように、半導体レー
ザ装置中の電流経路に、導電率の周期的な変調領域は存
在しない。この為、レーザ発光に必要なキャリアを効果
的に活性層へ注入できる。つまり、単一モード発振設計
に必要な利得結合部の設計、及びレーザ特性向上に必要
な光ガイド層構造設計は、独立し、かつ設計の自由度は
拡大する。

【００３７】これを実現するために、例えば、上記の回
折格子領域に、半絶縁性の元素、或いはドーパント元素
をイオン注入する。半導体レーザ装置中のキャリアは、
周期的にイオンを打ち込まれた微少領域のうち導電率の
高い領域のみを介し、活性層側壁から活性層内部に注入
される。これにより、活性層へのキャリア注入分布は周
期的に変調される。また、この電流狭窄領域を超格子層
とすることにより、界面無秩序化を促し発光波長を制御
できる。界面無秩序化では、結晶成長した歪多重量子井
戸層に、イオンを注入する。この時、歪多重量子井戸層
内には、結晶欠陥が誘起される。その後、熱処理を施し
結晶性の回復を図る。この過程で、歪量子井戸層と障壁
層の界面原子が移動し、バンドギャップ波長は短波長化
する。すなわち、誘起される結晶欠陥の量により波長変
化量は制御される。これにより、周期的な導電率と屈折
率の変化領域が作製でき、利得結合と屈折率結合の両方
の効果を単一モード発振半導体レーザ装置に導入するこ
とができる。そして、この利得結合の効果は、戻り光に
対する耐性の強化を促す。

【００３８】更に、本願発明の構造は、分布帰還型の半
導体レーザ装置でありながら、分布反射型のメリットを
有している。例えば、最も大きな点は、回折格子領域と
活性層領域が独立した構造である。この結果、波長可変
型の半導体レーザ装置を作製する際に有効である。

【００３９】また上記効果は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料の
みならず、Ａｌ元素などの他元素を含む場合など他の化
合物半導体材料にも、有効であることはいうまでもな
い。このように、本願発明はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
材料、あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料を用いた
半導体レーザ装置に適用可能である。

【００４０】更に、半導体レーザ装置において、とりわ
け単一モードで発振する均一回折格子分布帰還型の光通
信用半導体レーザにおいて、歪多重量子井戸活性層を用
いることが多用される。より、実際的には、圧縮歪量が
１．０％〜１．７％である歪量子井戸層と障壁層が交互
に周期積層された歪量子井戸構造が有用である。

【００４１】そして、この場合、圧縮歪量が１.０％〜
１.７％である歪量子井戸層と引っ張り歪量が０％〜０.
５％である障壁層からなり、該歪多重量子井戸活性層の
側面に形成された光閉じ込め領域または電流狭窄領域
は、屈折率が周期的に変化した構造、或いは半導体レー
ザ装置の利得を周期的に変化させる構造を用いるのが実
用上、有用である。通例、前記歪量子井戸層と障壁層と
は、交互に５周期〜１０周期程度積層されている。

【００４２】近年、レーザの低しきい値化、高出力化及
び高温動作特性の改善を目的とし、多数の研究機関にお
いて、活性層（光導波路）のバンドエンジニアリングが
検討されている。特に、活性層への歪導入は、半導体光
素子の製品設計において欠かせない技術である。活性層
への歪導入は、オージェ再結合の低減や発光半値幅の狭
幅化に寄与する。これにより、半導体レーザのしきい値
は低減する。さらにこれは、光学利得の向上から高出力
化に寄与する。導波路への歪導入の効果は、半導体レー
ザに限らない。例えば、光変調器に注目すると、歪量の
増加は周波数特性及び波長吸収プロファイルの狭幅化に
よる消光特性の向上に寄与する。また、歪を導入するこ
とにより、状態密度が低減することから、吸収端の影響
が抑制できる。これにより、光導波路の光損失が抑制さ
れる。その他、光アンプの場合においても、光導波路の
歪導入は、光学利得の向上及び光損失の低減から高性能
化を促す。

【００４３】これまで、本願発明の諸形態を列挙、説明
してきたが、以下に本願発明が解決し得る諸問題をまと
めて説明する。

【００４４】単一モード発振半導体レーザ装置を均一回
折格子構造により作製した場合、発振した半導体レーザ
装置の内部では、端面反射と回折格子の反射が存在す
る。従って、レーザ装置の両端面が対称的な無反射膜で
ある場合、半導体レーザ装置はブラックピーク波長を挟
む２モードで発振する。これを抑制するために、非対称
反射膜をレーザ装置端面に形成する。但し、非対称反射
膜を形成した場合、端面での回折格子の位相が制御でき
ないため、発振波長に不確定性が生じる。

【００４５】この不確定性に対し、両端面を無反射と
し、位相シフト量を制御したλ／４シフト型半導体レー
ザ装置が有効である。ただし、位相シフト領域の存在に
より、共振器内部で注入キャリア分布は不均一化する。
この不均一化により、軸方向での空間的ホールバーニン
グが生じる。空間的ホールバーニングが発生した際、ブ
ラック波長は、光強度分布に応じ空間的に変調される。
結果として、位相シフト量は空間的に変化し、さらに動
的単一モード動作の劣化やしきい値は上昇する。また、
この位相シフト型のレーザ装置では、均一回折格子構造
を用いた半導体レーザ装置の作製工程に比べ、作製スル
ープットは低減する。

【００４６】これまでに、単一モード発振半導体レーザ
装置の素子設計では、上記に記述したそれぞれの問題を
回避するために、例えばｋＬなどの素子パラメータを調
整していた。一方で、ｋＬ等は単一モード発振半導体レ
ーザ装置の特性を決定づける重要なパラメータである。
つまり、単一モード発振半導体レーザ装置の素子設計で
は、回折波と端面反射波との相互作用を考慮した設計パ
ラメータのトレードオフが存在する。このトレードオフ
は、単一モード発振半導体レーザ装置の素子特性を効果
的かつ最大限にまで向上させるための妨げとなる。さら
に、このトレードオフは、素子歩留まりにまで影響す
る。これは、単一モード発振半導体レーザ装置の歩留ま
りが、作製方法と素子構成に大きく依存するためであ
る。言い換えると、上記のトレードオフは、素子設計を
複雑化させ、素子設計の自由度を狭めている。

【００４７】また単一モード発振以外の半導体レーザ装
置の基本性能は、活性層周辺の構造に大きく依存する。
分布帰還型半導体レーザ装置において、導波光のブラッ
ク反射を促す回折格子構造は、キャリアの注入経路に存
在し、さらに活性層に極めて接近する。これは、キャリ
アの注入効率及び光の閉じ込め係数を決定付ける光ガイ
ド層構造の設計に対し障害となる。特に回折格子構造
が、正孔キャリアの注入側に存在する場合、この影響は
顕著である。

【００４８】また近年では、レーザ装置の低しきい値
化、高出力化及び高温動作特性の改善を目的とし、多数
の研究機関において、活性層のバンドエンジニアリング
が検討されている。特に、活性層への歪導入は、半導体
光素子の製品設計において欠かせない技術である。活性
層への歪導入は、オージェ再結合の低減や発光半値幅の
狭幅化に寄与する。これにより、半導体レーザ装置のし
きい値は低減する。さらに微分利得の向上など、周波数
特性の改善にも寄与する。一方、活性層の下側に回折格
子を形成する際、凹凸形状を有する表面上に活性層結晶
を成長しなければならない。この回折格子上に成長した
活性層の結晶性は、従来の平面上へ成長した活性層に比
べ劣る（回折格子表面では、表面原子レベルで凹凸が激
しく、結晶成長において理想的な２次元成長が困難とな
る）。これに伴い、回折格子上への歪系活性層の成長に
おいて、歪の印加は困難となる。これは、回折格子上に
成長した結晶に内在する欠陥核が、臨界膜厚超過時に発
生する点欠陥となりやすくなるためである。前述のとお
り、活性層への歪結晶の導入は、半導体光素子の製品設
計において欠かせない技術である。しかし上記の理由に
より、多重量子井戸層に導入する歪量は、下側回折格子
の存在により制約される。この歪量の低下は、光素子特
性の向上に対し大きな障害となる。

【００４９】本願発明はこうした諸問題に対応すること
が可能なのである。

【００５０】

【発明の実施の形態】実施の形態１本願発明による単一モード発振半導体レーザ装置の代表
的な例を図２に示す。図２はその斜視図である。

【００５１】ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³)基板１上に、ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０¹⁸
／ｃｍ³)バッファ層２を０.１５μｍ成長した。その
後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、
キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³)の下側ガイド層３を、
厚さ１００ｎｍで成長する。

【００５２】次に、１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ(組成波
長１.１５μｍ、無歪)障壁層と６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ
(組成波長１.７６μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸
層が６周期構造である歪多重量子井戸導波路構造４を成
長する。さらにＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、
無歪)上側ガイド層５を５０ｎｍ成長し、Ｐ型ＩｎＰ(キ
ャリア濃度４×１０¹⁷／ｃｍ³)層６を１００ｎｍ成長し
た。その後、幅１.２μｍのＳＩＮ（Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｎｉｔｒｉｄ）膜をストライプ状に蒸着する。このＳＩ
Ｎ膜をマスク領域として、下側ガイド層まで、すべて選
択エッチングにより除去する。この後に、再成長により
アンドープＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無
歪)光閉じ込め層７を選択的に、１５０ｎｍの厚さで再
成長する。さらに、この光閉じ込め領域７のみに、周知
の２光束干渉露光法により、回折格子構造を加工する。
この上に、再成長により鉄ドープを行った半絶縁性のＩ
ｎＰ層８を膜厚０.３μｍに成長する。

【００５３】この後、活性層となるメサ上に蒸着されて
いるＳＩＮ膜のマスクを除去し、厚さ１.３μｍのベリ
リウムドープのＰ型ＩｎＰ(キャリア濃度２×１０¹⁸／
ｃｍ³)クラッド層９を再成長する。その後、高濃度Ｐ型
ＩｎＧａＡｓ(ドーピング量１.５×１０¹⁹／ｃｍ³)コン
タクト層１０を厚さ０.２μｍ成長する。その後、電極
１１形成を行い、共振器長２５０μｍにへき開した後、
前方及び後方に反射膜を蒸着した。

【００５４】作製した単一モード発振レーザ装置のしき
い値は４ｍＡであった。さらに副モード抑圧比は、３２
ｄＢであった。

【００５５】実施の形態２本願発明による単一モード発振半導体レーザ装置の例を
図３に示す。図３はその斜視図である。本例では回折格
子１７の形成方法が前述の例と異にし、更に半絶縁性を
持たせた半導体材料領域２０の形成をプロトン打ち込み
を用いた例である。

【００５６】ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³)基板１２上に、ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０
¹⁸／ｃｍ³)バッファ層１３を０.１５μｍ成長した。そ
の後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μ、無歪、
キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³)下側ガイド層１４を、
厚さ１００ｎｍで成長する。次に、１０ｎｍのｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰ(キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³、組成波長
１.１５μｍ、無歪)障壁層と６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ
(組成波長１.７６μｍ、圧縮歪量１.２％)歪量子井戸層
が６周期構造である歪多重量子井戸導波路構造１５を成
長する。さらにアンドープＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.
１５μｍ、無歪)よりなる上側のガイド層１６を５０ｎ
ｍ成長し、アンドープＩｎＰ(キャリア濃度４×１０¹⁷
／ｃｍ³)キャップ層を１００ｎｍ成長した。

【００５７】その後、こうして準備した半導体積層体の
上部に、幅１.２μｍのＳｉＯ₂膜をストライプ状に蒸着
する。さらに、２光束干渉露光法により、回折格子領域
１７となる幅２３５ｎｍのＳｉＯ₂を［１、-１、０］方
向に、２３５ｎｍ間隔で形成する。この後、加速電圧３
０Ｖ及びドーズ量４×１０¹³／ｃｍ²の鉄イオンを注入
し、アニールにより結晶性回復を行った。次に、アンド
ープＩｎＰキャップ層及びＳｉＯ₂膜をエッチングによ
り除去した。その後、厚さ１.５μｍのベリリウムドー
プのＰ型ＩｎＰ(キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³)クラ
ッド層１８、及び厚さ０.２μｍの高濃度Ｐ型ＩｎＧａ
Ａｓ(ドーピング量１.５×１０¹⁹／ｃｍ³)コンタクト層
１９を成長する。さらに、活性層直上に位置する幅３μ
ｍの領域にストライプ状のマスクを施し、プロトンイオ
ン２０を注入した。その後、電極２１を形成し、共振器
長２５０μｍとなるように、へき開した。この後、前方
及び後方に反射膜を蒸着した。

【００５８】作製した単一モード発振レーザ装置は、し
きい値が３ｍＡであった。また、副モード抑圧比は３４
ｄＢと良好な単一モード動作を得た。

【００５９】実施の形態３本願発明による単一モード発振半導体レーザ装置の例を
図４に示す。図４はその斜視図である。本例は、特に、
活性層の出射端に向かい回折格子が消滅するように構成
されている。

【００６０】ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³)基板２２上に、ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０
¹⁸／ｃｍ³)バッファ層２３を０.１５μｍ成長した。そ
の後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無
歪、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³)下側ガイド層２４
を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、１０ｎｍのＩｎ
ＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪)障壁層と６ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.７６μｍ、圧縮歪量
１.２％)歪量子井戸層が６周期構造である歪多重量子井
戸導波路構造２５を成長する。

【００６１】さらにＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μ
ｍ、無歪)よりなる上側のガイド層２６を１０ｎｍ成長
した。その後、幅１.２μｍのＳｉＯ₂膜をストライプ状
に蒸着する。この後、ＳｉＯ₂膜をマスクとして、下側
ガイド層２４まですべて選択エッチングにより除去す
る。この後に、再成長により鉄ドープＩｎＰ光閉じ込め
層２７を選択的に、１５０ｎｍの厚さで再成長する。さ
らに、活性層の出射端に向かい回折格子が消滅するよう
に、ＳｉＯ₂膜を蒸着する。このマスク領域は、回折格
子が形成されない領域２８である。この後、２光束干渉
露光法により、回折格子を形成する。そして、基板表面
に蒸着されているＳｉＯ₂膜のマスクを除去し、厚さ０.
１μｍのベリリウムドープのＰ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成
波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃ
ｍ³)ガイド層２９を再成長し、さらに厚さ１.５μｍの
ベリリウムドープのＰ型ＩｎＰ(キャリア濃度２×１０
¹⁸／ｃｍ³)クラッド層３０を成長する。最後に、厚さ
０.２μｍで高濃度ＩｎＧａＡｓ(ドーピング量１.５×
１０¹⁹／ｃｍ³)コンタクト層３１を成長する。その後、
活性層直上に位置する幅３μｍの領域にストライプ状の
マスクを施し、プロトンイオン３２を注入した。そし
て、電極３３形成を行い、共振器長２５０μｍにへき開
した。この後、前方及び後方に反射膜を蒸着した。

【００６２】作製した単一モード発振レーザ装置は、し
きい値が４ｍＡであった。副モード抑圧比は、３５ｄＢ
であった。

【００６３】実施の形態４本願発明による単一モード発振半導体レーザ装置の例を
図５に示す。図５はその斜視図である。本例は、特に、
組成変調を有して回折格子が形成された例である。

【００６４】ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³)基板３４上に、ｎ型ＩｎＰ(キャリア濃度１×１０
¹⁸／ｃｍ³)バッファ層３５を０.１５μｍ成長した。そ
の後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無
歪、キャリア濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³)下側ガイド層３６
を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、１０ｎｍのＩｎ
ＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪)障壁層と６ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.７６μｍ、圧縮歪量
１.２％)歪量子井戸層が６周期構造である歪多重量子井
戸導波路構造３７を成長する。

【００６５】さらにＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μ
ｍ、無歪)よりなる上側のガイド層３８を５０ｎｍ成長
し、アンドープＩｎＰキャップ層を１００ｎｍの厚さで
成長した。その後、幅１.２μｍのＳｉＯ₂膜をストライ
プ状に蒸着する。この後、ＳｉＯ₂膜をマスクとして、
下側ガイド層まで選択エッチングにより除去する。この
後に、再成長により鉄ドープＩｎＰ光閉じ込め層３９を
選択的に、１５０ｎｍの厚さで再成長する。この後、２
光束干渉露光法により、回折構造を形成する。この表面
に選択成長効果により組成変調を可能とするＳｉＯ₂膜
を蒸着する。この上に、再成長により鉄ドープを行った
半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無
歪)クラッド層４０を成長する。この後、活性層となる
メサ上に蒸着されているＳｉＯ₂膜のマスク及びアンド
ープＩｎＰキャップ層を除去し、厚さ１.３μｍのベリ
リウムドープのＰ型ＩｎＰ(キャリア濃度２×１０¹⁸／
ｃｍ³)層４１を再成長する。その後、厚さ０.２μｍで
高濃度Ｐ型ＩｎＧａＡｓ(ドーピング量１.５×１０¹⁹／
ｃｍ³)コンタクト層４２を成長する。その後、電極４３
形成を行い、共振器長２５０μｍにへき開した。この
後、前方及び後方に反射膜を蒸着する。

【００６６】作製した単一モード発振レーザ装置は、し
きい値が４ｍＡであった。副モード抑圧比は、３３ｄＢ
であった。

【００６７】本願発明により、分布帰還型半導体レーザ
装置の設計上の制約を回避し、高性能化を実現するとと
もに、２光束干渉露光法における高いスループット性を
維持しながら、位相シフト型単一モード発振レーザ装置
における長所を得ることができた。

【００６８】

【発明の効果】本願発明は、発振縦モードの安定した単
一縦モード発振レーザ装置を提供することが出来る。本
願発明は、分布帰還型半導体レーザ装置の設計上の制約
を回避が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本願発明の基本構造を説明するための図
である。

【図２】図２は本願発明の第１の実施の形態を示す斜視
図である。

【図３】図３は本願発明の第２の実施の形態を示す斜視
図である。

【図４】図４は本願発明の第３の実施の形態を示す斜視
図である。

【図５】図５は本願発明の第４の実施の形態を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１、１２、２２、３４…ｎ型ＩｎＰ基板、２、１３、２
３、３５…ｎ型ＩｎＰバッファー層、３、１４、２４、
３６…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層４、１５、２５、３７…歪多重量子井戸構造、５、１
６、２６、３８…ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、６、２
９…Ｐ型ＩｎＰ、７、２７、３９…光閉じ込め層８…鉄
ドープＩｎＰ埋め込み層、９、１８、３０、４１…Ｐ型
ＩｎＰクラッド層、１０、１９、３１、４２…Ｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層、１１、２１、３３、４３…電
極、１７、２８、４０…回折格子領域、２０、３２…プ
ロトン打ち込み領域である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大家彰東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者須藤剣東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 5F045 AB12 AB17 AB18 AB32 AB33 AF04 AF20 CA12 DA53 DA54 DA55 HA13 HA15 5F073 AA21 AA45 AA74 AA83 BA01 CA12 CB02 CB09 DA22 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層と、当該活性層の側面に形成され
た光閉じ込め領域または電流狭窄領域とを有し、且つ前
記光閉じ込め領域または電流狭窄領域が屈折率が周期的
に変化した構造、或いはレーザの利得を周期的に変化し
た構造を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】歪多重量子井戸活性層と、当該歪多重量
子井戸活性層の側面に形成された光閉じ込め領域または
電流狭窄領域とを有し、且つ前記光閉じ込め領域または
電流狭窄領域が屈折率が周期的に変化した構造、或いは
レーザの利得を周期的に変化した構造を有し、単一縦モ
ードで発振することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】歪多重量子井戸活性層と、当該歪多重量
子井戸活性層の側面に形成された光閉じ込め領域または
電流狭窄領域とを有し、前記歪多重量子井戸活性層の有
する歪量子井戸層は圧縮歪量が１.０％〜１.７％であ
り、且つ前記光閉じ込め領域または電流狭窄領域が屈折
率が周期的に変化した構造、或いはレーザの利得を周期
的に変化した構造を有することを特徴とする半導体レー
ザ装置。
【請求項４】前記回折格子が周期的な導電率の変化す
る領域を有して構成されることを特徴とする請求項２よ
り請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】前記回折格子が、超格子層構造を有し、
且つ界面無秩序化を行ない周期的な屈折率の変化する領
域を有して構成されることを特徴とする請求項２より請
求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】前記歪多重量子井戸活性層の側面へ形成
した回折格子を、再成長することにより埋め込む多元素
化合物の半導体材料は、基板面内での材料組成が、部分
的に異なっていることを特徴とする請求項１に記載の半
導体レーザ装置。
【請求項７】前記歪多重量子井戸活性層の側壁へ形成
した回折格子領域は、基板面内で歪多重量子井戸活性層
に対し平行方向に接しており、かつ歪多重量子井戸構造
に対し垂直方向の長さが連続的に異なっていることを特
徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。