JP2008198654A - Semiconductor laser, and process for fabricating semiconductor laser - Google Patents

Semiconductor laser, and process for fabricating semiconductor laser Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser having such a structure that stabilities of threshold current and oscillation wavelength are enhanced not only in the vicinity of room temperature but also at a higher temperature. <P>SOLUTION: In a light-emitting region 17 provided between a first conductivity type clad region 13 and a second conductivity type clad region 15, quantum wires 19a-19e are arranged at a cycle Λ and the intermediate semiconductor region 21 is located between the quantum wires 19. The semiconductor laser 11 having a complex distribution return structure includes each quantum wire 19a-19e having a gain responsive to current application and the intermediate semiconductor region 21 not having a gain and has a comparatively wide stop band. The peak of edge on the long wavelength side of the stop band corresponds to the oscillation wavelengths λ<SB>1</SB>-λ<SB>4</SB>of a DFB resonator. Since the quantum wires 19a-19e in the light-emitting region 17 have various widths (Wa-We), the gain spectrum of whole light-emitting region becomes wider than the gain spectrum of each individual quantum wire 19a-19e. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体レーザ、および半導体レーザを作製する方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser and a method for manufacturing the semiconductor laser.

非特許文献1には、多重量子細線活性領域を有する分布帰還型半導体レーザが記載されている。この半導体レーザでは、最小しきい値電流は摂氏−90度において得られており、また摂氏−120度から摂氏−20度の範囲において良好なしきい値電流の温度依存性が得られている。   Non-Patent Document 1 describes a distributed feedback semiconductor laser having a multiple quantum wire active region. In this semiconductor laser, the minimum threshold current is obtained at −90 degrees Celsius, and good temperature dependence of the threshold current is obtained in the range of −120 degrees Celsius to −20 degrees Celsius.

非特許文献2には、分布帰還型半導体レーザが記載されている。この分布帰還型半導体レーザは、FeドープInPの埋め込みと埋め込み領域のトレンチ構造とを用いており、また半導体レーザでは、摂氏100度において10Gb/sの直接変調が達成されている。
H. Yagi et al.: Appl. Phys. Lett., 87 (2005) pp.223120-1 1. J. K. White et al. ECOC2002, Lasers 5.3.3 (2002)
Non-Patent Document 2 describes a distributed feedback semiconductor laser. This distributed feedback semiconductor laser uses a Fe-doped InP buried and a trench structure in the buried region, and the semiconductor laser achieves a direct modulation of 10 Gb / s at 100 degrees Celsius.
H. Yagi et al .: Appl. Phys. Lett., 87 (2005) pp.223120-1 1. JK White et al. ECOC2002, Lasers 5.3.3 (2002)

しかしながら、非特許文献1に記載された半導体レーザでは、室温以上の温度においてしきい値電流の急激な上昇が見られる。この上昇は、温度上昇に伴う利得スペクトルの広がりに起因すると考えられる。   However, in the semiconductor laser described in Non-Patent Document 1, a rapid increase in threshold current is observed at a temperature of room temperature or higher. This increase is considered to be due to the spread of the gain spectrum accompanying the temperature increase.

また、非特許文献2に記載された半導体レーザでは、ウェットエッチングを用いて多層量子井戸構造の上部の3層程度を除いて、複素結合型分布帰還構造を形成している。上記のように、高温域においても高速直接変調動作が得られるけれども、しきい値電流には良好な温度特性が得られていない。   Further, in the semiconductor laser described in Non-Patent Document 2, a complex coupled distributed feedback structure is formed using wet etching, except for the upper three layers of the multilayer quantum well structure. As described above, although a high-speed direct modulation operation can be obtained even in a high temperature region, good temperature characteristics are not obtained for the threshold current.

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、室温付近だけでなく更により高い温度も含む広い温度範囲において、しきい値電流および発振波長の安定性を向上可能な構造を有する半導体レーザを提供することを目的とし、また、この半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has a structure capable of improving the stability of threshold current and oscillation wavelength in a wide temperature range including not only around room temperature but also higher temperatures. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser having a semiconductor laser, and to provide a method for manufacturing the semiconductor laser.

本発明の一側面によれば、半導体レーザは、第1導電型クラッド領域と、第2導電型クラッド領域と、発光領域とを備える。前記発光領域は、前記第1導電型クラッド領域と前記第2導電型クラッド領域との間に設けられており、前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、 前記量子細線は所定の軸に沿って周期的に配置されており、前記量子細線の各々は、前記所定の軸方向に規定された量子細線幅を有し、前記複数の量子細線のうちの一量子細線の量子細線幅は、前記複数の量子細線のうちの別の量子細線の量子細線幅と異なる。   According to one aspect of the present invention, a semiconductor laser includes a first conductivity type cladding region, a second conductivity type cladding region, and a light emitting region. The light emitting region is provided between the first conductivity type cladding region and the second conductivity type cladding region, and the light emitting region is an intermediate semiconductor provided between the plurality of quantum wires and the quantum wires. Each of the quantum wires has a quantum well structure including a barrier layer and a well layer, the quantum wires are periodically arranged along a predetermined axis, and each of the quantum wires Has a quantum wire width defined in the predetermined axial direction, and a quantum wire width of one quantum wire of the plurality of quantum wires is a quantum wire of another quantum wire of the plurality of quantum wires. Different from width.

この半導体レーザでは、各量子細線は半導体レーザへの電流の印加に応答した利得を持つと共に中間半導体領域は利得を持たない。このため、複数の量子細線および中間半導体領域の配置は分布帰還構造を提供する。この分布帰還構造は、比較的広いストップバンドを有しており、ストップバンドのエッジの一方には、分布帰還構造のスペクトルのピークが位置している。また、発光領域の量子細線のうちの一量子細線の量子細線幅が、発光領域の量子細線のうちの別の量子細線の量子細線幅と異なるので、発光領域全体の利得スペクトルは、個々の量子細線の利得スペクトルよりも広くなる。温度変化により、利得スペクトルのピーク波長と分布帰還構造のスペクトルのピーク波長との相対的な位置関係が変化するけれども、広い温度範囲で、利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの整合が得られる。   In this semiconductor laser, each quantum wire has a gain in response to application of current to the semiconductor laser and the intermediate semiconductor region has no gain. For this reason, the arrangement of the plurality of quantum wires and the intermediate semiconductor region provides a distributed feedback structure. This distributed feedback structure has a relatively wide stop band, and a spectrum peak of the distributed feedback structure is located on one of the edges of the stop band. Also, since the quantum wire width of one quantum wire in the light emitting region is different from the quantum wire width of another quantum wire in the light emitting region, the gain spectrum of the entire light emitting region is It becomes wider than the gain spectrum of the thin line. Although the relative positional relationship between the peak wavelength of the gain spectrum and the peak wavelength of the distributed feedback structure changes due to the temperature change, the gain spectrum and the spectrum of the distributed feedback structure can be matched over a wide temperature range.

本発明に係る半導体レーザは、第1導電型クラッド領域と、第2導電型クラッド領域と、発光領域とを備える。前記発光領域は、前記第1導電型クラッド領域と前記第2導電型クラッド領域との間に設けられており、前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、前記複数の量子細線と前記中間半導体領域は、前記発光領域が複素結合型分布帰還構造を構成するように配置されおり、前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、前記複数の量子細線の利得スペクトルは、前記発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなるように分布している。   The semiconductor laser according to the present invention includes a first conductivity type cladding region, a second conductivity type cladding region, and a light emitting region. The light emitting region is provided between the first conductivity type cladding region and the second conductivity type cladding region, and the light emitting region is an intermediate semiconductor provided between the plurality of quantum wires and the quantum wires. The plurality of quantum wires and the intermediate semiconductor region are arranged such that the light emitting region forms a complex coupled distributed feedback structure, and each of the quantum wires includes a barrier layer and a well layer. The gain spectrum of the plurality of quantum wires is distributed such that the width of the gain spectrum of the entire light emitting region is larger than the width of the gain spectrum of each quantum wire.

この半導体レーザでは、発光領域が複素結合型分布帰還構造を構成するように
屈折率が比較的大きい材料から成る量子細線と屈折率が比較的小さい材料から成る中間半導体領域とが配置されるので、この分布帰還構造は、これらの大きな屈折率差に起因して、比較的広いストップバンドを有する。複数の量子細線の利得スペクトルが、発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなるように分布しているので、広い温度範囲で、ストップバンドのエッジの一方に位置する分布帰還構造のスペクトルのピークが発光領域全体の利得スペクトルと整合する。
In this semiconductor laser, a quantum wire made of a material having a relatively high refractive index and an intermediate semiconductor region made of a material having a relatively low refractive index are arranged so that the light emitting region forms a complex coupled distributed feedback structure. This distributed feedback structure has a relatively wide stop band due to these large refractive index differences. The gain spectrum of multiple quantum wires is distributed so that the width of the gain spectrum of the entire light-emitting region is larger than the width of the gain spectrum of each quantum wire, so it is located at one of the stopband edges in a wide temperature range. The peak of the distributed feedback structure spectrum matches the gain spectrum of the entire light emitting region.

本発明に係る半導体レーザでは、前記量子細線の量子細線幅の平均値は30ナノメートル以下であることが好ましい。量子細線幅が30nmを越えると、量子細線特有のキャリアの横方向閉じ込めが得られず、所望する特性が得られなくなる。また、本発明に係る半導体発光素子では、前記量子細線の量子細線幅の最大値は前記平均値の1.1倍よりも大きく、前記量子細線の量子細線幅の最小値は前記平均値の0.9倍よりも小さいことが好ましい。この程度の値に量子細線幅が分布すれば、発光領域全体の利得スペクトル幅が好適である。   In the semiconductor laser according to the present invention, it is preferable that an average value of the quantum wire width of the quantum wires is 30 nanometers or less. If the quantum wire width exceeds 30 nm, the lateral confinement of carriers peculiar to the quantum wires cannot be obtained, and desired characteristics cannot be obtained. In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the maximum value of the quantum wire width of the quantum wire is larger than 1.1 times the average value, and the minimum value of the quantum wire width of the quantum wire is 0 of the average value. It is preferably less than 9 times. If the quantum wire width is distributed in such a value, the gain spectrum width of the entire light emitting region is suitable.

本発明に係る半導体レーザでは、前記量子井戸構造は歪み補償されていることができる。この半導体レーザにおいて井戸層に圧縮歪を与えると共に、障壁層に引張り歪を与える歪補償量子井戸構造とすることにより、製造プロセス中に生じる3軸性歪の影響を抑制でき、また再成長界面における非発光再結合電流成分を低減できる。   In the semiconductor laser according to the present invention, the quantum well structure may be strain compensated. In this semiconductor laser, the strain compensation quantum well structure in which compressive strain is applied to the well layer and tensile strain is applied to the barrier layer, thereby suppressing the influence of triaxial strain generated during the manufacturing process, and at the regrowth interface. Non-radiative recombination current components can be reduced.

本発明に係る半導体レーザの一例では、前記井戸層はGaInAsP半導体からなり、前記中間半導体領域はInP半導体からなることができる。   In an example of the semiconductor laser according to the present invention, the well layer may be made of a GaInAsP semiconductor, and the intermediate semiconductor region may be made of an InP semiconductor.

本発明の別の側面は、半導体レーザを作製する方法に係る。この方法は、(a)量子井戸構造のための半導体積層を第1導電型クラッド層上に形成する工程と、(b)前記半導体積層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前記半導体積層をエッチングし、複数の量子細線を形成する工程と、(c)前記複数の量子細線を半導体で埋め込む工程とを備え、前記マスクパターンうちの一のマスクパターンの幅は、量子細線幅の分布を成すように、前記マスクパターンうちの別のマスクパターンの幅と意図的に変更されている。   Another aspect of the present invention relates to a method for fabricating a semiconductor laser. This method includes (a) a step of forming a semiconductor stack for a quantum well structure on a first conductivity type cladding layer, and (b) a mask having a plurality of mask patterns periodically arranged on the semiconductor stack. And etching the semiconductor stack to form a plurality of quantum wires, and (c) embedding the plurality of quantum wires with a semiconductor, and the width of one of the mask patterns is: Of the mask patterns, the width of another mask pattern is intentionally changed to form a quantum wire width distribution.

半導体積層をエッチングし複数の量子細線を形成すると共に、複数の量子細線を半導体で埋め込むので、量子細線の各々からなる周期的に配列された利得領域が提供され、これによって複素結合型分布帰還構造を構成する発光領域が形成される。また、複数の量子細線を形成するためのマスクパターンうちの一のマスクパターンの幅は別のマスクパターンの幅と意図的に変更されているので、発光領域の量子細線の幅が分布するようになり、発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなる。   Etching a semiconductor stack to form a plurality of quantum wires and embedding a plurality of quantum wires with a semiconductor provides a periodically arranged gain region comprising each of the quantum wires, thereby providing a complex coupled distributed feedback structure Is formed. Also, the width of one of the mask patterns for forming a plurality of quantum wires is intentionally changed from the width of another mask pattern, so that the width of the quantum wires in the light emitting region is distributed. Thus, the width of the gain spectrum of the entire light emitting region becomes larger than the width of the gain spectrum of each quantum wire.

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。   The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以上説明したように、本発明によれば、室温付近だけでなく更により高い温度において、しきい値電流および発振波長の安定性を向上可能な構造を有する半導体レーザが提供され、また、本発明によれば、この半導体レーザを作製する方法が提供される。   As described above, according to the present invention, there is provided a semiconductor laser having a structure capable of improving the stability of the threshold current and the oscillation wavelength not only near room temperature but also at a higher temperature. Provides a method for fabricating this semiconductor laser.

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体レーザ、および半導体レーザを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。   The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the semiconductor laser of the present invention and the method for manufacturing the semiconductor laser will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図1(a)は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す斜視図である。半導体レーザ11は、第1導電型クラッド領域13と、第2導電型クラッド領域15と、発光領域17とを備える。発光領域17は、第1導電型クラッド領域13と第2導電型クラッド領域15との間に設けられている。発光領域17は、複数の量子細線19a、19b、19c、19d、19eおよび中間半導体領域21を含む。第1導電型クラッド領域13、第2導電型クラッド領域15および発光領域17は、所定の軸に沿って延びる半導体メサ25を構成する。   FIG. 1A is a perspective view showing the structure of the semiconductor laser according to the present embodiment. The semiconductor laser 11 includes a first conductivity type cladding region 13, a second conductivity type cladding region 15, and a light emitting region 17. The light emitting region 17 is provided between the first conductivity type cladding region 13 and the second conductivity type cladding region 15. The light emitting region 17 includes a plurality of quantum wires 19 a, 19 b, 19 c, 19 d, 19 e and an intermediate semiconductor region 21. The first conductivity type cladding region 13, the second conductivity type cladding region 15 and the light emitting region 17 constitute a semiconductor mesa 25 extending along a predetermined axis.

半導体レーザ11では、量子細線19a〜19eは、所定の軸方向に周期Λ(ラムダ)で配置されている。中間半導体領域21は、量子細線19の間に設けられている。   In the semiconductor laser 11, the quantum wires 19a to 19e are arranged with a period Λ (lambda) in a predetermined axial direction. The intermediate semiconductor region 21 is provided between the quantum wires 19.

図1(b)は、量子細線19a〜19eの層構造を示すための代表としての量子細線19を示す。量子細線19は量子井戸構造23を有しており、量子井戸構造23は障壁層23aと井戸層23bとを含む。量子細線19a〜19eに関して、量子細線幅Lは所定の軸方向に規定される。発光領域17内の量子細線19a〜19eのうちの一量子細線(例えば、量子細線19a)の量子細線幅は、別の量子細線(例えば、量子細線19b、19c、19d、19eの少なくともいずれか一の量子細線)の量子細線幅と異なる。 FIG.1 (b) shows the quantum wire 19 as a representative for showing the layer structure of quantum wire 19a-19e. The quantum wire 19 has a quantum well structure 23, and the quantum well structure 23 includes a barrier layer 23a and a well layer 23b. Respect quantum wire 19a to 19e, a quantum wire width L W is defined in a predetermined axial direction. The quantum wire width of one quantum wire (for example, quantum wire 19a) among the quantum wires 19a to 19e in the light emitting region 17 is at least one of other quantum wires (for example, quantum wires 19b, 19c, 19d, and 19e). Quantum wire width) is different.

半導体レーザ11では、量子細線19a〜19eおよび中間半導体領域21は、発光領域17が複素結合型分布帰還構造を構成するように配置されており、また、量子細線19a〜19e各々の利得スペクトルは、発光領域17全体の利得スペクトルの幅が量子細線19a〜19eの各々における利得スペクトルの幅より大きくなるように分布している。   In the semiconductor laser 11, the quantum wires 19a to 19e and the intermediate semiconductor region 21 are arranged so that the light emitting region 17 forms a complex coupled distributed feedback structure, and the gain spectrum of each of the quantum wires 19a to 19e is The width of the gain spectrum of the entire light emitting region 17 is distributed so as to be larger than the width of the gain spectrum in each of the quantum wires 19a to 19e.

図2(a)は、半導体メサの発光領域の屈折率分布および利得分布を示す図面であり、図2(b)はDFB構造のスペクトルの一例を示す図面である。この半導体レーザでは、図2(a)に示されるように、各量子細線19a〜19eは半導体レーザへの電流の印加に応答した利得を持つと共に、中間半導体領域21は、各量子細線19a〜19eの利得より十分小さいか或いは利得を持たない。このため、複数の量子細線19a、19b、19c、19d、19eおよび中間半導体領域21の配置(例えば、図2(a)に示される配置)は複素型分布帰還構造を提供する。この分布帰還構造は、図2(b)に示されるように、複数の量子細線19a〜19eと中間半導体領域21との大きな屈折率差に起因して、比較的広いストップバンドを有しており、またストップバンドのエッジの一方には分布帰還構造のスペクトルのピークが位置している。   FIG. 2A is a diagram illustrating a refractive index distribution and a gain distribution of a light emitting region of a semiconductor mesa, and FIG. 2B is a diagram illustrating an example of a spectrum of a DFB structure. In this semiconductor laser, as shown in FIG. 2A, each quantum wire 19a to 19e has a gain in response to application of current to the semiconductor laser, and the intermediate semiconductor region 21 includes each quantum wire 19a to 19e. Less than or no gain. Therefore, the arrangement of the plurality of quantum wires 19a, 19b, 19c, 19d, 19e and the intermediate semiconductor region 21 (for example, the arrangement shown in FIG. 2A) provides a complex distributed feedback structure. This distributed feedback structure has a relatively wide stop band due to a large refractive index difference between the plurality of quantum wires 19a to 19e and the intermediate semiconductor region 21, as shown in FIG. In addition, a spectrum peak of the distributed feedback structure is located at one of the edges of the stop band.

また、発光領域17の量子細線19a〜19eが様々な幅(例えば、図2(a)に示される幅Wa、Wb、Wc、Wd、We)を有するので、発光領域全体の利得スペクトルは、個々の量子細線19a〜19eの利得スペクトルよりも広くなる。利得スペクトルのピーク波長と分布帰還構造のスペクトルのピーク波長との相対的な位置関係が温度変化により変化するけれども、広い温度範囲で、利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの整合が得られる。   Further, since the quantum wires 19a to 19e of the light emitting region 17 have various widths (for example, the widths Wa, Wb, Wc, Wd, We shown in FIG. 2A), the gain spectrum of the entire light emitting region is It becomes wider than the gain spectrum of the quantum wires 19a to 19e. Although the relative positional relationship between the peak wavelength of the gain spectrum and the peak wavelength of the spectrum of the distributed feedback structure changes due to temperature change, the gain spectrum and the spectrum of the distributed feedback structure can be matched over a wide temperature range.

引き続き、半導体レーザ11について説明する。半導体レーザ11は、第1および第2の光閉じ込め層27、29を含むことができる。第1の光閉じ込め層27は、第1導電型クラッド領域13と発光領域17との間に位置しており、第2の光閉じ込め層29は第2導電型クラッド領域15と発光領域17との間に位置している。半導体メサ25は、第1導電型クラッド領域13、第1の光閉じ込め層27、発光領域17、第2の光閉じ込め層29および第2導電型クラッド領域15を含むことができる。また、半導体メサ25は、埋め込み領域31によって埋め込まれている。埋め込み領域31は、例えばFe添加InPから成ることができる。半導体メサ25および埋め込み領域31上には、第2導電型クラッド領域33が設けられている。第2導電型クラッド領域33上には、コンタクト層35が設けられている。コンタクト層35には、第1の電極(例えば、アノード)39aがオーミック接触を成す。半導体メサ25および埋め込み領域31は半導体基板37の主面37a上に搭載されており、また、裏面37bには第2の電極(例えば、カソード)39bがオーミック接触を成す。   Next, the semiconductor laser 11 will be described. The semiconductor laser 11 can include first and second optical confinement layers 27 and 29. The first light confinement layer 27 is located between the first conductivity type cladding region 13 and the light emitting region 17, and the second light confinement layer 29 is formed between the second conductivity type cladding region 15 and the light emitting region 17. Located between. The semiconductor mesa 25 can include a first conductivity type cladding region 13, a first light confinement layer 27, a light emitting region 17, a second light confinement layer 29, and a second conductivity type cladding region 15. Further, the semiconductor mesa 25 is embedded by the embedded region 31. The buried region 31 can be made of, for example, Fe-doped InP. A second conductivity type cladding region 33 is provided on the semiconductor mesa 25 and the buried region 31. A contact layer 35 is provided on the second conductivity type cladding region 33. The contact layer 35 is in ohmic contact with a first electrode (for example, an anode) 39a. The semiconductor mesa 25 and the buried region 31 are mounted on the main surface 37a of the semiconductor substrate 37, and the second electrode (for example, cathode) 39b is in ohmic contact with the back surface 37b.

図3および図4を参照しながら、利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係をさらに説明する。一例の半導体レーザでは、GaInAsP井戸層およびGaInAsP障壁層からなる量子井戸構造の量子細線と、この量子細線間に位置するInP半導体とを含む。このため、複素結合型DFBレーザは、屈折率結合型DFBレーザとは比べて、屈折率差が大きい回折格子を発光領域に有する。つまり、GaInAsP量子細線と、該量子細線間に埋め込まれるInPとの間に大きな屈折率差が生じる。その結果、複素結合型DFBレーザの屈折率結合係数(ki)の値が、屈折率結合型DFBレーザと比べて、一桁程度大きい値(例えば200cm−1程度)になるので、DFB構造のスペクトル特性に、比較的広いストップバンドが現れる。 The relationship between the gain spectrum and the spectrum of the distributed feedback structure will be further described with reference to FIGS. 3 and 4. An example semiconductor laser includes a quantum well structure quantum wire composed of a GaInAsP well layer and a GaInAsP barrier layer, and an InP semiconductor located between the quantum wires. For this reason, the complex coupled DFB laser has a diffraction grating having a large refractive index difference in the light emitting region as compared with the refractive index coupled DFB laser. That is, a large refractive index difference occurs between the GaInAsP quantum wires and the InP buried between the quantum wires. As a result, the value of the refractive index coupling coefficient (ki) of the complex coupled DFB laser is about an order of magnitude larger than that of the refractive index coupled DFB laser (for example, about 200 cm −1 ). A relatively wide stop band appears in the characteristics.

図3(a)および図3(b)は、発光領域の量子細線が均一な幅を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。図3(a)に示される関係は、室温(例えば摂氏25度)における位置関係であり、図3(b)に示される関係は、高温(例えば摂氏100度)における位置関係である。   FIG. 3A and FIG. 3B show the relationship between the gain spectrum of a semiconductor laser having a uniform width of quantum wires in the light emitting region and the spectrum of the distributed feedback structure. The relationship shown in FIG. 3A is a positional relationship at room temperature (for example, 25 degrees Celsius), and the relationship shown in FIG. 3B is a positional relationship at a high temperature (for example, 100 degrees Celsius).

量子細線の利得スペクトルは、例えば約0.5nm/度の温度係数を示し、DFB構造のブラッグ波長は、例えば約0.1nm/度の温度係数を示す。このため、室温において、図3(a)に示されるように、分布帰還構造のスペクトルSDFB1における発振波長λと利得スペクトルGT1との重なりが十分にあり、レーザ発振が可能であっても、温度が上昇すると、この温度係数の差によりこの重なりが小さくなり、閾値電流が上昇する。さらに高温では、図3(b)に示されるように、スペクトルSDFB2における発振波長λと利得スペクトルGT2との重なりが無くなり、単一モード発振しなくなり、DFBレーザとしての動作では無く、ファブリペローレーザとしての動作になる。 The gain spectrum of the quantum wire shows a temperature coefficient of about 0.5 nm / degree, for example, and the Bragg wavelength of the DFB structure shows a temperature coefficient of about 0.1 nm / degree, for example. Therefore, at room temperature, as shown in Fig. 3 (a), there overlap sufficiently with the oscillation wavelength lambda 1 and the gain spectrum G T1 in the spectrum S DFB1 of distributed feedback structure, it is capable of lasing When the temperature rises, the overlap becomes smaller due to the difference in temperature coefficient, and the threshold current rises. In yet a high temperature, as shown in FIG. 3 (b), there is no overlap between the oscillation wavelength lambda 2 and the gain spectrum G T2 in the spectrum S DFB2, no longer single-mode oscillation, rather than operating as a DFB laser, a Fabry Operation as a Perot laser.

つまり、量子細線の幅が均一である場合、温度係数の差により、量子細線の利得スペクトルとDFB共振器の発振波長とが整合する温度範囲(例えば、高温域)を超えると、単一モード発振が得られなくなる。   That is, when the width of the quantum wire is uniform, if the gain spectrum of the quantum wire and the oscillation wavelength of the DFB resonator exceed a temperature range (for example, a high temperature region) due to a difference in temperature coefficient, single mode oscillation Cannot be obtained.

図4(a)および図4(b)は、本実施の形態のように、発光領域の量子細線の幅に分布を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。図4(a)に示される関係は、室温(例えば摂氏25度)における位置関係であり、図4(b)に示される関係は、高温(例えば摂氏100度)における位置関係である。   4A and 4B show the relationship between the gain spectrum of a semiconductor laser having a distribution in the width of the quantum wire in the light emitting region and the spectrum of the distributed feedback structure, as in this embodiment. The relationship shown in FIG. 4A is a positional relationship at room temperature (for example, 25 degrees Celsius), and the relationship shown in FIG. 4B is a positional relationship at a high temperature (for example, 100 degrees Celsius).

様々な値を有するような分布(例えば実質的に単一のピークを有するような分布D)を量子細線の幅に与えれば、室温において、図4(a)に示されるように、分布帰還構造のスペクトルSDFB3における発振波長λと利得スペクトルDT1との重なりが十分にあり、単一モード発振が可能である。温度が上昇しても、図4(b)に示されるように、上記の温度係数の差が存在してもスペクトルSDFB4における発振波長λと利得スペクトルDT2との重なりが十分にあり、高温でも単一モード発振が可能である。 If a distribution having various values (for example, a distribution D having a substantially single peak) is given to the width of the quantum wire, a distributed feedback structure is formed at room temperature as shown in FIG. In the spectrum S DFB3, the oscillation wavelength λ 3 and the gain spectrum D T1 are sufficiently overlapped, and single mode oscillation is possible. Even if the temperature rises, as shown in FIG. 4 (b), even if there is a difference in the above temperature coefficient, there is a sufficient overlap between the oscillation wavelength λ 4 and the gain spectrum D T2 in the spectrum S DFB4 , Single mode oscillation is possible even at high temperatures.

量子細線の幅がこのように不均一である場合、量子細線幅の分布により、DFB共振器の発振波長及び利得スペクトルにおいて温度係数に差があっても、サイズ分布に起因して利得スペクトルが広がり、DFB共振器の発振波長及び利得スペクトルが高温域においても整合し、結果として、単一モード発振が得られる。   When the width of the quantum wire is not uniform, the gain spectrum spreads due to the size distribution even if there is a difference in the temperature coefficient between the oscillation wavelength and gain spectrum of the DFB resonator due to the distribution of the quantum wire width. The oscillation wavelength and gain spectrum of the DFB resonator are matched even in a high temperature range, and as a result, single mode oscillation is obtained.

半導体レーザ11では、上記のように、複数の量子細線(活性領域)が周期的に配置されており、半導体レーザ11は、複素結合型DFBレーザに特有の比較的広いストップバンドと、発光領域の量子細線の幅を均一ではないように形成して得られた広帯域な利得スペクトルとを有している。このため、広い温度範囲で、DFB共振器の発振波長(ストップバンドの長波長側の端の波長)と利得スペクトルとの整合が得られる。また、しきい値電流、発振波長、副モード抑圧比(SMSR)の温度依存性が安定する。発光領域の量子細線の幅を均一ではないように意図的に形成するので、利得スペクトル幅が広がる。利得スペクトル幅が広がると、最大利得値が低下してレーザ特性に影響する可能性がある。しかしながら、複素結合型DFBレーザでは、屈折率結合係数(κi)が非常に大きい。換言すれば、複素結合型DFBレーザでは、高い内部反射が得られる(反射鏡損失が非常に小さい)。その結果、低いしきい値が得られる。故に、複素結合型DFBレーザでは、利得スペクトル幅が広がることによる影響はほとんど生じない。   In the semiconductor laser 11, as described above, a plurality of quantum wires (active regions) are periodically arranged. The semiconductor laser 11 has a relatively wide stop band unique to the complex coupled DFB laser and a light emitting region. And a wide-band gain spectrum obtained by forming the quantum wires so that the widths thereof are not uniform. For this reason, in the wide temperature range, matching between the oscillation wavelength of the DFB resonator (the wavelength at the end of the long wavelength side of the stop band) and the gain spectrum can be obtained. Further, the temperature dependency of the threshold current, the oscillation wavelength, and the submode suppression ratio (SMSR) is stabilized. Since the width of the quantum wire in the light emitting region is intentionally formed so as not to be uniform, the gain spectrum width is widened. When the gain spectrum width is widened, there is a possibility that the maximum gain value is lowered to affect the laser characteristics. However, the complex coupling type DFB laser has a very large refractive index coupling coefficient (κi). In other words, in the complex coupled DFB laser, high internal reflection can be obtained (reflector loss is very small). As a result, a low threshold is obtained. Therefore, in the complex coupled DFB laser, there is almost no influence due to the widening of the gain spectrum width.

さらに、室温付近の温度から高い温度の領域にわたって安定したレーザ特性を得るために、DFB周期をデチューニングする。具体的には、利得スペクトル(例えば、単位温度当たり0.5nmの温度係数)とブラッグ波長(例えば、単位温度当たり0.1nmの温度係数)の温度変化の異差を利用して、利得スペクトルとブラッグ波長とが、室温より高い温度(例えば、摂氏100度)を含む温度範囲で整合するようにデチューニングを行う。   Further, the DFB cycle is detuned in order to obtain stable laser characteristics over a range from a temperature near room temperature to a high temperature. Specifically, the gain spectrum (for example, the temperature coefficient of 0.5 nm per unit temperature) and the difference in temperature change between the Bragg wavelength (for example, the temperature coefficient of 0.1 nm per unit temperature) are used to calculate the gain spectrum and Detuning is performed so that the Bragg wavelength matches in a temperature range including a temperature higher than room temperature (for example, 100 degrees Celsius).

半導体レーザにおいて、量子薄膜、量子細線というように活性層の量子構造の次元を低くするにつれて、キャリヤは量子構造に強く閉じ込められ、光学利得スペクトルは鋭くなる。つまり、少ないキャリヤでレーザ発振が可能になる。このため、低しきい値電流/高効率の半導体レーザが実現される。また、発振波長に対応するあるエネルギに利得が集中するので、低波長チャープ特性の半導体レーザが実現される。   In a semiconductor laser, as the dimension of the quantum structure of the active layer, such as a quantum thin film and a quantum wire, is lowered, carriers are tightly confined in the quantum structure and the optical gain spectrum becomes sharper. That is, laser oscillation is possible with a small number of carriers. For this reason, a low threshold current / high efficiency semiconductor laser is realized. In addition, since the gain is concentrated at a certain energy corresponding to the oscillation wavelength, a semiconductor laser having a low wavelength chirp characteristic is realized.

図5は、量子細線(QWIRE)と量子薄膜(QFILM)の最大利得のキャリヤ密度依存性を示す。図5は、Ga0.22In0.78As0.810.19を用いる量子井戸構造、摂氏27度の温度におけるキャリヤ密度依存性であり、0.1psecのバンド内緩和時間(τin)を有する。この図から理解されるように、量子細線の幅(W)を大きくする(10nm、20nm、30nm、40nm)につれて、量子細線(QWIRE)の最大利得特性は量子薄膜(QFILM)の最大利得特性に近づき、最大利得特性において両者の差異は小さくなる。最大利得特性において量子細線の優位性を得るためには、量子細線の幅Wは40nm未満でなければならず、量子細線の幅Wが30nm以下であることが好ましい。 FIG. 5 shows the carrier density dependence of the maximum gain of the quantum wire (Q WIRE ) and the quantum thin film (Q FILM ). FIG. 5 shows a quantum well structure using Ga 0.22 In 0.78 As 0.81 P 0.19 , carrier density dependence at a temperature of 27 degrees Celsius, and an in-band relaxation time (τ in) of 0.1 psec. ). As understood from this figure, as the width (W) of the quantum wire is increased (10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm), the maximum gain characteristic of the quantum wire (Q WIRE ) becomes the maximum gain of the quantum thin film (Q FILM ). As the characteristics approach, the difference between the two becomes smaller in the maximum gain characteristics. In order to obtain the advantage of the quantum wire in the maximum gain characteristic, the width W of the quantum wire must be less than 40 nm, and the width W of the quantum wire is preferably 30 nm or less.

図5の特性から理解されるように、量子細線幅が分布する半導体レーザ11では、量子細線の幅の平均値は30nm以下であることが好ましい。量子細線幅が30nmを越えると、キャリア閉じ込め、ならびにレーザ特性に関して所望の値が得にくい。   As understood from the characteristics of FIG. 5, in the semiconductor laser 11 in which the quantum wire width is distributed, the average value of the quantum wire width is preferably 30 nm or less. When the quantum wire width exceeds 30 nm, it is difficult to obtain desired values for carrier confinement and laser characteristics.

また、半導体レーザ11では、量子細線の量子細線幅の最大値は平均値の1.1倍よりも大きく、量子細線の量子細線幅の最小値は平均値の0.9倍よりも小さいことが好ましい。この程度の値に量子細線幅が分布すれば、発光領域全体の利得スペクトル幅が好適である。   In the semiconductor laser 11, the maximum value of the quantum wire width of the quantum wire is larger than 1.1 times the average value, and the minimum value of the quantum wire width of the quantum wire is smaller than 0.9 times the average value. preferable. If the quantum wire width is distributed in such a value, the gain spectrum width of the entire light emitting region is suitable.

半導体レーザ11では、量子井戸構造は歪み補償されていることができる。この半導体レーザにおいて井戸層に圧縮歪を与えると共に、障壁層に引張り歪を与える歪補償量子井戸構造によれば、製造プロセス中に生じる3軸性歪の影響を抑制でき、また再成長界面における非発光再結合電流成分を低減できる。   In the semiconductor laser 11, the quantum well structure can be strain compensated. According to the strain compensated quantum well structure in which compressive strain is applied to the well layer and tensile strain is applied to the barrier layer in this semiconductor laser, the influence of triaxial strain generated during the manufacturing process can be suppressed, and non-reproduction at the regrowth interface can be suppressed. The light emission recombination current component can be reduced.

半導体レーザ11の一例では、井戸層および障壁層は、組成の異なるGaInAsP半導体からなることができる。中間半導体領域はInP半導体からなることができる。これらの材料の組み合わせによれば、加工が比較的容易となる。なお、半導体レーザ11の実現は、上記の半導体材料に限定されるものではない。   In an example of the semiconductor laser 11, the well layer and the barrier layer can be made of GaInAsP semiconductors having different compositions. The intermediate semiconductor region can be made of an InP semiconductor. According to the combination of these materials, processing becomes relatively easy. The realization of the semiconductor laser 11 is not limited to the semiconductor material described above.

図6および図7を参照しながら、上記の実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を説明する。   With reference to FIGS. 6 and 7, the main steps in the method of manufacturing the semiconductor laser according to the above embodiment will be described.

図6(a)に示されるように、p型InP基板51上にp型InPクラッド層53を成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。次いで、p型InPクラッド層53上に、量子井戸構造のための半導体積層55を形成する。半導体積層55は、例えば第1のアンドープGaInAsP光閉じ込め層57、GaInAsPからなる多重量子井戸構造59および第2のアンドープGaInAsP光閉じ込め層61を含むことができる。半導体積層55内の半導体膜は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。GaInAsP多重量子井戸構造59は複数の井戸層および障壁層を有する。半導体積層55の一例では、圧縮歪の井戸層および引張り歪のバリア層を含む歪補償量子井戸構造とすることが好ましい。また、量子細線構造とすることに伴う活性層体積の減少による実効利得の低下を補うために、井戸層の層数は4以上であることが好ましい。   As shown in FIG. 6A, a p-type InP clad layer 53 is grown on the p-type InP substrate 51. This growth is performed using, for example, a metal organic vapor phase growth furnace. Next, a semiconductor stack 55 for a quantum well structure is formed on the p-type InP cladding layer 53. The semiconductor stack 55 can include, for example, a first undoped GaInAsP light confinement layer 57, a multiple quantum well structure 59 made of GaInAsP, and a second undoped GaInAsP light confinement layer 61. The semiconductor film in the semiconductor stack 55 is grown using, for example, a metal organic chemical vapor deposition furnace. The GaInAsP multiple quantum well structure 59 has a plurality of well layers and barrier layers. In one example of the semiconductor stack 55, a strain compensated quantum well structure including a compressive strain well layer and a tensile strain barrier layer is preferable. In order to compensate for a decrease in effective gain due to a decrease in active layer volume accompanying the quantum wire structure, the number of well layers is preferably four or more.

図6(b)に示されるように、量子細線のためのマスクを半導体積層55上に形成する。マスクのために絶縁膜63、例えばシリコン酸化膜といったシリコン系無機化合物膜を堆積する。この堆積は、例えば化学的気相成長法で行われる。この絶縁膜63に、周期的に配列された複数のパターンを転写するためのレジストマスク65を形成する。レジストマスク65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ことができる。   As shown in FIG. 6B, a mask for quantum wires is formed on the semiconductor stack 55. An insulating film 63, for example, a silicon-based inorganic compound film such as a silicon oxide film is deposited for the mask. This deposition is performed by, for example, chemical vapor deposition. A resist mask 65 for transferring a plurality of periodically arranged patterns is formed on the insulating film 63. The formation of the resist mask 65 can be performed using, for example, an electron beam exposure method or a lithography technique such as nanoimprint.

適切な温度特性(つまり、改善された温度特性)を得るために、DFB周期をデチューニングする。例えば、ブラッグ波長(例えば、1550ナノメートル波長帯)を摂氏80度の温度上昇に対応させる場合は、ブラッグ波長の温度変化係数を単位温度当たり0.1nmと仮定して、周期(LAMBDA)を240nmから246.25nmに変更する。   To obtain the appropriate temperature characteristics (ie improved temperature characteristics), the DFB period is detuned. For example, when a Bragg wavelength (for example, 1550 nanometer wavelength band) is made to correspond to a temperature increase of 80 degrees Celsius, the period (LAMBDA) is set to 240 nm assuming that the temperature change coefficient of the Bragg wavelength is 0.1 nm per unit temperature. To 246.25 nm.

さらに、安定したしきい値電流密度の温度依存性を実現するために、量子細線(活性層)からなる発光領域の利得スペクトルを広帯域化する。つまり、屈折率結合係数、利得特性への影響を考慮して、量子細線の細線幅(W)の平均値を中心にして−10%〜+10%程度の分布を細線幅に与える。例えば、細線幅30nmの平均値に対しては、量子細線の細線幅を標準偏差3nmで分布させる。この分布形成は、マスクパターン67により実現される。   Furthermore, in order to realize the temperature dependence of the stable threshold current density, the gain spectrum of the light emitting region composed of quantum wires (active layer) is widened. That is, in consideration of the influence on the refractive index coupling coefficient and the gain characteristics, a distribution of about −10% to + 10% is given to the thin line width around the average value of the thin line width (W) of the quantum thin line. For example, for the average value of the fine line width of 30 nm, the fine line width of the quantum fine line is distributed with a standard deviation of 3 nm. This distribution formation is realized by the mask pattern 67.

図6(c)に示されるように、レジストマスク65を用いてシリコン酸化膜をエッチングする。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。一例では、レジストとシリコン酸化膜(例えばSiO)との選択比を確保するために、20nm程度以上の膜厚のシリコン酸化膜を用いることが好ましい。エッチングの後に、レジストマスク65を除去すると、量子細線のDFBパターンためのマスクパターン67が形成される。マスクパターン67の各マスク67a、67b、67c、67d、67eは、量子細線の幅の分布に対応して、それぞれ幅W、W、W、W、Wを有する。マスク67a〜67eは、周期LAMBDAで配列されている。 As shown in FIG. 6C, the silicon oxide film is etched using the resist mask 65. For this etching, for example, reactive ion etching using CF 4 gas can be used. In one example, it is preferable to use a silicon oxide film having a thickness of about 20 nm or more in order to secure a selection ratio between a resist and a silicon oxide film (for example, SiO 2 ). When the resist mask 65 is removed after the etching, a mask pattern 67 for the DFB pattern of the quantum wire is formed. Each mask 67a of the mask pattern 67, 67b, 67c, 67d, 67e has to correspond to the distribution of the width of the quantum wire, respectively the width W A, W B, W C , W D, W E. The masks 67a to 67e are arranged with a period LAMBDA.

図7(a)に示されるように、マスクパターン67を用いて半導体積層55をエッチングし、複数の量子細線を形成する。この工程において、半導体積層55の光閉じ込め層61および多重量子井戸構造59がエッチングされる。このエッチングの一例では、CH/Hを用いたRIEが用いられる。例えば、CH/Hを用いたRIEエッチングとこのエッチング中に半導体表面に堆積する炭素重合物を除去するためのOアッシングとを繰り返すことにより、垂直性に優れた多層量子細線構造を形成できる。このエッチングの結果、光閉じ込め層57上には、半導体細線69a〜69eの配列が形成される。半導体細線69a、69b、69c、69d、69eは、それぞれ、光閉じ込め層61a、61b、61c、61d、61eと多重量子井戸構造59a、59b、59c、59d、59eとを含む。半導体細線69a〜69eは周期的に配列されており、半導体細線69a〜69eの細線幅は、マスクパターン67の応じて分布している。 As shown in FIG. 7A, the semiconductor stack 55 is etched using the mask pattern 67 to form a plurality of quantum wires. In this step, the optical confinement layer 61 and the multiple quantum well structure 59 of the semiconductor stack 55 are etched. In this example of etching, RIE using CH 4 / H 2 is used. For example, by repeating RIE etching using CH 4 / H 2 and O 2 ashing for removing carbon polymer deposited on the semiconductor surface during this etching, a multilayer quantum wire structure with excellent perpendicularity is formed. it can. As a result of this etching, an array of semiconductor thin wires 69 a to 69 e is formed on the optical confinement layer 57. The semiconductor thin wires 69a, 69b, 69c, 69d, and 69e include optical confinement layers 61a, 61b, 61c, 61d, and 61e and multiple quantum well structures 59a, 59b, 59c, 59d, and 59e, respectively. The semiconductor thin wires 69 a to 69 e are periodically arranged, and the thin wire widths of the semiconductor thin wires 69 a to 69 e are distributed according to the mask pattern 67.

ドライエッチングによる損傷層を除去するために、ウェットエッチングを行う。このエッチングは、例えば硫酸系の溶液を用いる。ウェットエッチングの後、マスクパターン67を除去する。例えば、シリコン酸化物からなるパターンはバッファードフッ酸で除去される。   In order to remove the damaged layer by dry etching, wet etching is performed. For this etching, for example, a sulfuric acid-based solution is used. After the wet etching, the mask pattern 67 is removed. For example, a pattern made of silicon oxide is removed with buffered hydrofluoric acid.

次いで、図7(b)に示されるように、半導体細線69a〜69eを埋め込むための半導体71の再成長を行う。この埋め込みは、アンドープInPで行われる。また、埋め込み用のInP成長速度は、平坦な再成長界面を得るために、250nm/h程度の低速であることが望ましい。埋め込み工程において、各半導体細線により提供される利得領域と利得の無い中間半導体領域とが所定の軸の方向に交互に配列された周期構造を形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, the semiconductor 71 for burying the semiconductor thin wires 69a to 69e is regrown. This embedding is performed with undoped InP. Further, it is desirable that the growth rate of InP for filling is as low as about 250 nm / h in order to obtain a flat regrowth interface. In the embedding process, a periodic structure is formed in which a gain region provided by each semiconductor thin wire and an intermediate semiconductor region without gain are alternately arranged in a predetermined axis direction.

図7(c)に示されるように、n型GaInAsP光閉じ込め層73、n型InPクラッド層75、およびn型GaInAsコンタクト層77を再成長する。これらの成長速度は、通常の成長速度、例えば1μm/h程度である。この後に、必要な場合には、埋め込みヘテロ構造といった屈折率導波構造を形成する。   As shown in FIG. 7C, the n-type GaInAsP optical confinement layer 73, the n-type InP cladding layer 75, and the n-type GaInAs contact layer 77 are regrown. These growth rates are a normal growth rate, for example, about 1 μm / h. Thereafter, if necessary, a refractive index waveguide structure such as a buried heterostructure is formed.

この作製方法では、マスクパターン67のうち一のマスクの幅(例えばマスク67a)は、残りにマスク67b、67c、67d、67eの内の一のマスク(例えば、マスク67b)の幅と意図的に変更されている。これにより量子細線幅の分布が形成される。   In this manufacturing method, the width of one mask (for example, mask 67a) of the mask pattern 67 is intentionally the same as the width of one of the masks 67b, 67c, 67d, and 67e (for example, mask 67b). has been edited. As a result, a quantum wire width distribution is formed.

リソグラフィー、及び現像の量子細線にサイズ分布を与える例を説明する。
量子細線幅の平均値:30nm
分布の標準偏差:3nm(平均値の10%)
とする。ガウス分布式は、
exp(−(W―W/(2×DW))/(sqrt(2×pi)×DW)
DW:標準偏差
:細線幅の平均値
W:量子細線幅
pi:円周率
exp:指数関数(自然対数)の記号
で表される。これを用いて相対度数は以下のように求められる。
W=30nmのとき0.133、
W=31nm、29nmのとき0.126、
W=32nm、28nmのとき0.107、
W=33nm、27nmのとき0.081、
となる。よって、これらの相対度数を反映させて、細線幅にサイズ分布を与える。具体例としては、
共振器長:240μm、
DFB周期:240nm
ブラッグ波長:1550nm
とすると、1000本の量子細線を形成できる。故に、W=30nm幅の量子細線は133本、W=31、29nm幅の量子細線はそれぞれ126本、といったように分布させることになる。また、これらの量子細線の配置は、ランダム分布を用いることができるが、これに限定されるものではない。
An example will be described in which a size distribution is given to the quantum wires for lithography and development.
Average quantum wire width: 30 nm
Standard deviation of distribution: 3 nm (10% of average value)
And The Gaussian distribution formula is
exp (− (W−W 0 ) 2 / (2 × DW 2 )) / (sqrt (2 × pi) × DW)
DW: Standard deviation W 0 : Average value of fine line width W: Quantum fine line width pi: Circumferential ratio exp: Expressed by symbol of exponential function (natural logarithm). Using this, the relative frequency is obtained as follows.
0.133 when W = 30 nm
0.126 when W = 31 nm, 29 nm
0.107 when W = 32 nm, 28 nm
0.081 when W = 33 nm, 27 nm,
It becomes. Therefore, a size distribution is given to the thin line width by reflecting these relative frequencies. As a specific example,
Resonator length: 240 μm,
DFB cycle: 240 nm
Bragg wavelength: 1550nm
Then, 1000 quantum wires can be formed. Therefore, 133 quantum wires having a width of W = 30 nm and 126 quantum wires having a width of W = 31 and 29 nm are respectively distributed. The arrangement of these quantum wires can use a random distribution, but is not limited to this.

また、ブラッグ波長1550nmの場合、量子細線の配列の周期(DFB周期)は240nmである。既に説明した事項から理解されるように、温度特性改善のためには、ブラッグ波長をデチューニングすることが好ましい。例えば、DFB周期のデチューニング量は6.25nm以上であることが好ましい。広帯域の利得スペクトルを得るために、上記のように10%程度のサイズ分布を量子細線に与えて、ブラッグ波長(ストップバンド)と利得ピークとの整合を広い温度範囲で得る。   When the Bragg wavelength is 1550 nm, the period of the quantum wire array (DFB period) is 240 nm. As understood from the matters already described, it is preferable to detune the Bragg wavelength in order to improve the temperature characteristics. For example, the detuning amount of the DFB cycle is preferably 6.25 nm or more. In order to obtain a wideband gain spectrum, a size distribution of about 10% is given to the quantum wire as described above, and matching between the Bragg wavelength (stop band) and the gain peak is obtained in a wide temperature range.

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

図1(a)は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す斜視図である。図1(b)は、量子細線の層構造を示す図面である。FIG. 1A is a perspective view showing the structure of the semiconductor laser according to the present embodiment. FIG.1 (b) is drawing which shows the layer structure of a quantum wire. 図2(a)は、半導体メサの発光領域の屈折率分布および利得分布を示す図面であり、図2(b)はDFB構造のスペクトルの一例を示す図面である。FIG. 2A is a diagram illustrating a refractive index distribution and a gain distribution of a light emitting region of a semiconductor mesa, and FIG. 2B is a diagram illustrating an example of a spectrum of a DFB structure. 図3(a)および図3(b)は、発光領域の量子細線が均一な幅を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。FIG. 3A and FIG. 3B show the relationship between the gain spectrum of a semiconductor laser having a uniform width of quantum wires in the light emitting region and the spectrum of the distributed feedback structure. 図4(a)および図4(b)は、本実施の形態のように、発光領域の量子細線の幅に分布を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。4A and 4B show the relationship between the gain spectrum of a semiconductor laser having a distribution in the width of the quantum wire in the light emitting region and the spectrum of the distributed feedback structure, as in this embodiment. 図5は、量子細線(QWIRE)と量子薄膜(QFILM)の最大利得のキャリヤ密度依存性を示す図面である。FIG. 5 is a diagram showing the carrier density dependence of the maximum gain of the quantum wire (Q WIRE ) and the quantum thin film (Q FILM ). 図6は、本実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。FIG. 6 is a drawing showing main steps in the method of manufacturing the semiconductor laser according to the present embodiment. 図7は、本実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。FIG. 7 is a drawing showing main steps in the method of manufacturing the semiconductor laser according to the present embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

11…半導体レーザ、13…第1導電型クラッド領域、15…第2導電型クラッド領域、17…発光領域、19、19a、19b、19c、19d、19e…量子細線、21…中間半導体領域、23…量子井戸構造、23a…障壁層、23b…井戸層、25…半導体メサ、Wa、Wb、Wc、Wd、We…量子細線幅、27、29…光閉じ込め層、31…埋め込み領域、33…第2導電型クラッド領域、35…コンタクト層、37…半導体基板、39a、39b…電極、SDFB1、SDFB2、SDFB3、SDFB4…分布帰還構造のスペクトル、λ、λ、λ、λ…DFB共振器の発振波長、GT1、GT2、DT1、DT2…利得スペクトル、51…p型InP基板、53…p型InPクラッド層、55…半導体積層、57…アンドープGaInAsP光閉じ込め層、59…多重量子井戸構造、61…アンドープGaInAsP光閉じ込め層、63…マスク用絶縁膜、65…レジストマスク、67…マスクパターン、67a、67b、67c、67d、67e…マスクパターンのマスク、69a、69b、69c、69d、69e…半導体細線、61a、61b、61c、61d、61e…光閉じ込め層、59a、59b、59c、59d、59e…多重量子井戸構造、71…埋め込み半導体、73…n型GaInAsP光閉じ込め層、75…n型InPクラッド層、77…n型GaInAsコンタクト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor laser, 13 ... 1st conductivity type clad area | region, 15 ... 2nd conductivity type clad area | region, 17 ... Light emission area | region, 19, 19a, 19b, 19c, 19d, 19e ... Quantum wire, 21 ... Intermediate semiconductor area | region, 23 Quantum well structure, 23a ... barrier layer, 23b ... well layer, 25 ... semiconductor mesa, Wa, Wb, Wc, Wd, We ... quantum wire width, 27, 29 ... optical confinement layer, 31 ... buried region, 33 ... first 2-conductivity-type cladding region, 35 ... contact layer, 37 ... semiconductor substrate, 39a, 39b ... electrode, S DFB1 , S DFB2 , S DFB3 , S DFB4 ... spectrum of distributed feedback structure, λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 ... oscillation wavelength of the DFB resonator, G T1, G T2, D T1, D T2 ... gain spectrum, 51 ... p-type InP substrate, 53 ... p-type InP cladding layer, 55 ... semiconductor Lamination 57: Undoped GaInAsP light confinement layer 59 ... Multiple quantum well structure 61 ... Undoped GaInAsP light confinement layer 63 ... Mask insulating film 65 ... Resist mask 67 ... Mask pattern 67a 67b 67c 67d 67e ... Mask pattern mask, 69a, 69b, 69c, 69d, 69e ... Semiconductor thin wire, 61a, 61b, 61c, 61d, 61e ... Optical confinement layer, 59a, 59b, 59c, 59d, 59e ... Multiple quantum well structure, 71 ... Embedded semiconductor, 73 ... n-type GaInAsP optical confinement layer, 75 ... n-type InP cladding layer, 77 ... n-type GaInAs contact layer

Claims (6)

第1導電型クラッド領域と、
第2導電型クラッド領域と、
発光領域と
を備え、
前記発光領域は、前記第1導電型クラッド領域と前記第2導電型クラッド領域との間に設けられており、
前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、
前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、
前記量子細線は所定の軸に沿って周期的に配置されており、
前記量子細線の各々は、前記所定の軸方向に規定された量子細線幅を有し、
前記複数の量子細線のうちの一量子細線の量子細線幅は、前記複数の量子細線のうちの別の量子細線の量子細線幅と異なる、ことを特徴とする半導体レーザ。
A first conductivity type cladding region;
A second conductivity type cladding region;
With a light emitting area,
The light emitting region is provided between the first conductivity type cladding region and the second conductivity type cladding region,
Each of the quantum wires has a quantum well structure including a barrier layer and a well layer,
The light emitting region includes a plurality of quantum wires and an intermediate semiconductor region provided between the quantum wires,
The quantum wires are periodically arranged along a predetermined axis,
Each of the quantum wires has a quantum wire width defined in the predetermined axial direction,
A semiconductor laser characterized in that a quantum wire width of one quantum wire of the plurality of quantum wires is different from a quantum wire width of another quantum wire of the plurality of quantum wires.
第1導電型クラッド領域と、
第2導電型クラッド領域と、
発光領域と
を備え、
前記発光領域は、前記第1導電型クラッド領域と前記第2導電型クラッド領域との間に設けられており、
前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、
前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、
前記複数の量子細線と前記中間半導体領域は、前記発光領域が複素結合型分布帰還構造を構成するように配置されおり、
前記複数の量子細線の利得スペクトルは、前記発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなるように分布している、ことを特徴とする半導体レーザ。
A first conductivity type cladding region;
A second conductivity type cladding region;
With a light emitting area,
The light emitting region is provided between the first conductivity type cladding region and the second conductivity type cladding region,
Each of the quantum wires has a quantum well structure including a barrier layer and a well layer,
The light emitting region includes a plurality of quantum wires and an intermediate semiconductor region provided between the quantum wires,
The plurality of quantum wires and the intermediate semiconductor region are arranged such that the light emitting region forms a complex coupled distributed feedback structure,
The gain spectrum of the plurality of quantum wires is distributed such that the width of the gain spectrum of the entire light emitting region is larger than the width of the gain spectrum of each quantum wire.
前記量子細線の量子細線幅の平均値は30ナノメートル以下であり、
前記量子細線の量子細線幅の最大値は前記平均値の1.1倍よりも大きく、
前記量子細線の量子細線幅の最小値は前記平均値の0.9倍よりも小さい、ことを特徴とする請求項1に記載された半導体レーザ。
The average value of the quantum wire width of the quantum wires is 30 nanometers or less,
The maximum value of the quantum wire width of the quantum wires is greater than 1.1 times the average value,
2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the minimum value of the quantum wire width of the quantum wires is smaller than 0.9 times the average value.
前記量子井戸構造は歪み補償されている、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された半導体レーザ。   4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the quantum well structure is strain-compensated. 5. 前記井戸層はGaInAsP半導体からなり、
前記中間半導体領域はInP半導体からなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
The well layer is made of a GaInAsP semiconductor,
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the intermediate semiconductor region is made of an InP semiconductor.
半導体レーザを作製する方法であって、
量子井戸構造のための半導体積層を第1導電型クラッド層上に形成する工程と、
前記半導体積層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前記半導体積層をエッチングし、複数の量子細線を形成する工程と、
前記複数の量子細線を半導体で埋め込む工程と
を備え、
前記マスクパターンうちの一のマスクパターンの幅は、量子細線幅の分布を成すように、前記マスクパターンうちの別のマスクパターンの幅と意図的に変更されている、ことを特徴とする方法。
A method for fabricating a semiconductor laser, comprising:
Forming a semiconductor stack for the quantum well structure on the first conductivity type cladding layer;
Etching the semiconductor stack using a mask having a plurality of mask patterns periodically arranged on the semiconductor stack to form a plurality of quantum wires; and
Embedding the plurality of quantum wires with a semiconductor,
The width of one mask pattern of the mask patterns is intentionally changed from the width of another mask pattern of the mask patterns so as to form a distribution of quantum wire widths.
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