JP2011181638A - Method of manufacturing distributed feedback semiconductor laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a DFB semiconductor laser that can suppress an increase in manufacturing cost when the DFB semiconductor laser having a current constriction structure is manufactured. <P>SOLUTION: The DFB semiconductor laser 100 is composed of a compound semiconductor, and has a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3, a semi-insulating active layer 4, an upper light guide layer 5, an upper first clad layer 6, an optical block layer (etch stop layer) 7, an upper second clad layer 8, a diffraction grating (layer) 9, an upper third clad layer 10, and a contact layer (cap layer) 11 formed in order on a semiconductor substrate 1. Any of the upper second clad layer 8, diffraction grating 9, upper third clad layer 10, and contact layer 11 contains Ga and As, and etching is carried out using the same etchant. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、分布帰還型半導体レーザ(DFB半導体レーザ)の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser (DFB semiconductor laser).

ファブリペロー共振器を用いたファブリペローレーザ(FPレーザ)は、共振器の両端面間に光を閉じ込めて発振をさせ、共振器の一方の端面からレーザ光を出射する構造を有している。しかしながら、FPレーザは、発振波長が不安定であり、定常状態において駆動電流や温度に応じて発振波長が変化し、高速変調時にはマルチモードで動作する。一方、DFB半導体レーザは、共振器内部に回折格子を有しており、特定の波長のレーザ光を選択的に増幅するため、シングルモードで発振を行うことができる。従来のDFB半導体レーザは、例えば、特許文献1に記載されている。特許文献1では、活性層に流れ込む電流密度を増加させるため、活性層の上部に電流狭窄層を有している。   A Fabry-Perot laser (FP laser) using a Fabry-Perot resonator has a structure in which light is confined between both end faces of the resonator to oscillate, and laser light is emitted from one end face of the resonator. However, the FP laser has an unstable oscillation wavelength, the oscillation wavelength changes according to the drive current and temperature in a steady state, and operates in multimode during high-speed modulation. On the other hand, since the DFB semiconductor laser has a diffraction grating inside the resonator and selectively amplifies laser light having a specific wavelength, it can oscillate in a single mode. A conventional DFB semiconductor laser is described in Patent Document 1, for example. In Patent Document 1, a current confinement layer is provided above the active layer in order to increase the current density flowing into the active layer.

特開2003−069145号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-069145

しかしながら、構造が複雑化して半導体層数が多くなると、電流狭窄層形成前のエッチングとして、イオン種の異なるドライエッチングを行う必要があり、製造コストが増加するという問題があった。   However, when the structure is complicated and the number of semiconductor layers is increased, it is necessary to perform dry etching with different ionic species as etching before forming the current confinement layer, resulting in an increase in manufacturing cost.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電流狭窄構造を有するDFB半導体レーザを製造する際に、製造コストの増加を抑制可能なDFB半導体レーザの製造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 problems, and provides a method for manufacturing a DFB semiconductor laser capable of suppressing an increase in manufacturing cost when manufacturing a DFB semiconductor laser having a current confinement structure. Objective.

上述の課題を解決するため、本発明に係るDFB半導体レーザの製造方法は、活性層上に、光ガイド層、上部第1クラッド層、エッチストップ層、及び上部第2クラッド層を順次積層する工程と、前記上部第2クラッド層上に、回折格子を形成する工程と、前記回折格子上に、上部第3クラッド層を形成する工程と、前記第3クラッド層上に、コンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上に、共振長方向に延びたパターンを形成し、このパターンをマスクとして、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層をエッチングし、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の側面と前記エッチストップ層の表面を露出させる工程と、前記エッチストップ層上の露出領域上に、電流狭窄層を形成し、この電流狭窄層によって、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の露出した側面を覆う工程と、を備え、前記上部第2クラッド層、前記回折格子、前記上部第3クラッド層、及び、前記コンタクト層は、いずれもGa及びAsを含有しており、前記エッチングは、同一のエッチング液によって行われることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a DFB semiconductor laser according to the present invention includes a step of sequentially laminating an optical guide layer, an upper first cladding layer, an etch stop layer, and an upper second cladding layer on an active layer. Forming a diffraction grating on the upper second cladding layer; forming an upper third cladding layer on the diffraction grating; and forming a contact layer on the third cladding layer. A pattern extending in the resonance length direction is formed on the contact layer, and the contact layer, the upper third cladding layer, the diffraction grating, and the upper second cladding layer are etched using the pattern as a mask, Exposing the side surfaces of the contact layer, the upper third cladding layer, the diffraction grating, and the upper second cladding layer and the surface of the etch stop layer; A current confinement layer is formed on the exposed region on the top layer, and the current confinement layer covers the exposed side surfaces of the contact layer, the upper third cladding layer, the diffraction grating, and the upper second cladding layer. The upper second cladding layer, the diffraction grating, the upper third cladding layer, and the contact layer all contain Ga and As, and the etching is performed using the same etching solution. It is characterized by being performed by.

この構造の場合、単一のエッチング液を用いてウエット・エッチングを行うことが可能であるため、製造コストを低減させることが可能となる。   In the case of this structure, since it is possible to perform wet etching using a single etching solution, manufacturing cost can be reduced.

特に、前記上部第2クラッド層はAlGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、前記回折格子はAlGa1−XAs(X=0.30±0.01)からなり、前記上部第3クラッド層はAlGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、前記コンタクト層はGaAsからなり、前記エッチストップ層はAlGa1−XAs(X=0.70±0.01)からなる場合には、エッチング液としてクエン酸系エッチャントを用いてエッチングを行うことができる。 In particular, the upper second cladding layer is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.43 ± 0.01), and the diffraction grating is Al X Ga 1-X As (X = 0.30 ± 0.0. 01), the upper third cladding layer is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.43 ± 0.01), the contact layer is made of GaAs, and the etch stop layer is made of Al X Ga 1. In the case of -XAs (X = 0.70 ± 0.01), etching can be performed using a citric acid-based etchant as an etchant.

また、この製造方法は、上記光ガイド層を上部光ガイド層とし、下部光ガイド層上に前記活性層を形成する工程を更に備え、前記下部光ガイド層と前記上部光ガイド層の合計厚みが50nm以上200nm以下となるように、前記下部及び上部光ガイド層を成長させることを特徴とする。このような複雑な構造の場合には、DFB半導体レーザの性能を著しく向上させることができ、このような複雑な構造も、同種の材料を用いて各層を形成することができるので製造工程を簡略化することができ、上述の製造方法を用いることで、更に製造コストを低下させることができる。   The manufacturing method further includes a step of forming the light guide layer as an upper light guide layer and forming the active layer on the lower light guide layer, and the total thickness of the lower light guide layer and the upper light guide layer is The lower and upper light guide layers are grown so as to have a thickness of 50 nm to 200 nm. In the case of such a complicated structure, the performance of the DFB semiconductor laser can be remarkably improved. Since such a complicated structure can also form each layer using the same kind of material, the manufacturing process is simplified. The manufacturing cost can be further reduced by using the above-described manufacturing method.

本発明のDFB半導体レーザの製造方法によれば、製造コストを低減させることが可能となる。   According to the method for manufacturing a DFB semiconductor laser of the present invention, manufacturing costs can be reduced.

DFB半導体レーザ100の斜視図である。1 is a perspective view of a DFB semiconductor laser 100. FIG. 図1に示したDFB半導体レーザ100のII−II矢印線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the DFB semiconductor laser 100 shown in FIG. DFB半導体レーザの正面図である。It is a front view of a DFB semiconductor laser. 半導体層の物性を示す図表である。It is a graph which shows the physical property of a semiconductor layer. 回折格子近傍の断面図である。It is sectional drawing of the diffraction grating vicinity. ビーム形状を示す図である。It is a figure which shows a beam shape. 光ガイド層の厚さTと放射角θと光閉じ込め係数ΓQWの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between thickness TG of a light guide layer, radiation angle (theta), and optical confinement coefficient (GAMMA) QW. 光ガイド層の厚さTと、放射角θ、光閉じ込め係数ΓQW及び性能指数FOMの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the thickness TG of a light guide layer, the radiation angle (theta), the optical confinement coefficient (GAMMA) QW, and the figure of merit FOM. 駆動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)、電極間電圧Vf(V)、電極間抵抗Rd(ohm)を示すグラフである。It is a graph which shows optical output Po (mW) with respect to drive current If (mA), optical output differential value SE (W / A), voltage Vf (V) between electrodes, and resistance Rd (ohm) between electrodes. 放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the laser beam intensity | strength I (au) (normalization) with respect to radiation angle (theta) (deg). 図8のグラフのデータを示す図表である。It is a chart which shows the data of the graph of FIG. 垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of laser beam intensity | strength I (au) (normalization) with respect to the radiation angle (theta) (deg) (solid line) of a perpendicular direction, and the radiation angle (theta) (deg) (dotted line) of a horizontal direction. 比較例に係るDFBレーザの垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。The relationship between the laser beam intensity I (au) (normalized) with respect to the vertical radiation angle θ (deg) (solid line) and the horizontal radiation angle θ (deg) (dotted line) of the DFB laser according to the comparative example. It is a graph to show. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the manufacturing method of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの温度特性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature characteristic of a DFB semiconductor laser. DFB半導体レーザの駆動電流If(mA)と光出力Po(mW)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drive current If (mA) of DFB semiconductor laser, and optical output Po (mW). 実施例に係るレーザの波長依存性を示すものであり、横軸は波長λ(nm)、縦軸は光出力Po(mW)(対数)を示している。The wavelength dependence of the laser which concerns on an Example is shown, The horizontal axis shows wavelength (lambda) (nm) and the vertical axis | shaft has shown optical output Po (mW) (logarithm). 実施例(Y=90nm)の場合のFFPにおける放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。Example (Y G = 90 nm) of the laser beam intensity to the emission angle theta (deg) in the FFP where I (A.U.) Is a graph showing the relationship between the (normalized). Bの比較例の場合の動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)を示すグラフである。It is a graph which shows optical output Po (mW) with respect to dynamic current If (mA) in the case of the comparative example of B, and optical output differential value SE (W / A). 図12及び図13のグラフのデータを示す図表である。14 is a chart showing data of the graphs of FIGS. 12 and 13. 図12及び図13のグラフのデータを示す図表である。14 is a chart showing data of the graphs of FIGS. 12 and 13.

以下、実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザ(DFB半導体レーザ)について説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   The distributed feedback semiconductor laser (DFB semiconductor laser) according to the embodiment will be described below. In the description, the same reference numerals are used for the same elements, and duplicate descriptions are omitted.

図1は、DFB半導体レーザ100の斜視図、図2は図1に示したDFB半導体レーザ100のII−II矢印線断面図、図3はDFB半導体レーザの正面図である。また、各要素の具体的な材料、Al組成比X、厚み、屈折率、エネルギーバンドギャップ、導電型、不純物濃度は、図4の表に示す通りである。なお、導電型のI型は真性半導体を意味するが、現実的には極めて低い不純物濃度1×1015cm−3以下のP型半導体であることを意味している。 1 is a perspective view of the DFB semiconductor laser 100, FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of the DFB semiconductor laser 100 shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a front view of the DFB semiconductor laser. Further, specific materials, Al composition ratio X, thickness, refractive index, energy band gap, conductivity type, and impurity concentration of each element are as shown in the table of FIG. In addition, although the conductivity type I means an intrinsic semiconductor, it actually means a P-type semiconductor having an extremely low impurity concentration of 1 × 10 15 cm −3 or less.

DFB半導体レーザ100は、化合物半導体からなるものであり、半導体基板1上に、下部クラッド層2、下部光ガイド層3、半絶縁性の活性層4、上部光ガイド層5、上部第1クラッド層6、光ブロック層(エッチストップ層)7、上部第2クラッド層8、回折格子(層)9、上部第3クラッド層10、コンタクト層(キャップ層)11を順次形成したものである。クラッド層の屈折率は、活性層4の平均屈折率よりも低く、光閉じ込め層として機能している。全てのクラッド層2,6,8,10のAl組成比は同一であり、エネルギーバンドギャップも等しいが、多少の相違があってもよい。また、クラッド層の屈折率は、隣接する光ガイド層3,5の屈折率よりも低い。光ガイド層3,5は、量子井戸構造の活性層4を構成する井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、大きなエネルギーバンドギャップを有し、かつ井戸層よりも低い屈折率を有している。   The DFB semiconductor laser 100 is made of a compound semiconductor, and has a lower cladding layer 2, a lower light guide layer 3, a semi-insulating active layer 4, an upper light guide layer 5, and an upper first cladding layer on a semiconductor substrate 1. 6, an optical block layer (etch stop layer) 7, an upper second cladding layer 8, a diffraction grating (layer) 9, an upper third cladding layer 10, and a contact layer (cap layer) 11 are sequentially formed. The refractive index of the cladding layer is lower than the average refractive index of the active layer 4 and functions as an optical confinement layer. All the cladding layers 2, 6, 8, and 10 have the same Al composition ratio and the same energy band gap, but there may be some difference. Further, the refractive index of the cladding layer is lower than the refractive indexes of the adjacent light guide layers 3 and 5. The light guide layers 3 and 5 have an energy band gap larger than that of the well layer constituting the active layer 4 having the quantum well structure, and have a refractive index lower than that of the well layer.

上部電極E1は、コンタクト層11に接触しており、Z軸方向に沿って延びている。また、下部電極E2は、半導体基板1の裏面の全面に接触している。なお、電極と半導体との界面では、これらの良好なオーミック接触がとれるように、界面における半導体の不純物濃度を高めておくことができる。電極材料としては、金(Au)を用いることができる。Z軸方向は、レーザの共振長(L:図2)の方向に一致している。同図では、X軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系が示されている。共振長の方向をZ軸とすると、各半導体層の積層方向はY軸方向であり、これらの双方の軸に垂直な方向(幅方向)がX軸方向となる。このDFB半導体レーザにおいては、活性層4のZ軸に垂直な端面からレーザ光LBが出射される。活性層4の光出射面とは逆側の端面には、反射防止(AR)膜または高反射(HR)膜などの端面膜Rが形成されている。   The upper electrode E1 is in contact with the contact layer 11 and extends along the Z-axis direction. Further, the lower electrode E2 is in contact with the entire back surface of the semiconductor substrate 1. Note that the impurity concentration of the semiconductor at the interface can be increased at the interface between the electrode and the semiconductor so that these good ohmic contacts can be obtained. Gold (Au) can be used as the electrode material. The Z-axis direction coincides with the direction of the laser resonance length (L: FIG. 2). In the figure, an orthogonal coordinate system including an X axis, a Y axis, and a Z axis is shown. Assuming that the direction of the resonance length is the Z axis, the stacking direction of the semiconductor layers is the Y axis direction, and the direction (width direction) perpendicular to both of these axes is the X axis direction. In this DFB semiconductor laser, a laser beam LB is emitted from an end surface perpendicular to the Z axis of the active layer 4. An end face film R such as an antireflection (AR) film or a high reflection (HR) film is formed on the end face opposite to the light emitting face of the active layer 4.

なお、コンタクト層11のX軸方向に沿った外側の領域の上部第3クラッド層10、回折格子9、上部第2クラッド層8は、エッチングされており、これらはメサ型に加工され、コンタクト層11の直下の領域に電流通過領域が制限され、電流狭窄構造が形成されている。エッチングされた領域には、エッチストップ層7上に電流狭窄層(埋め込み層)12(12A,12B)が形成されており、電流狭窄層12の屈折率はクラッド層よりも低いため、光の漏れが抑制されている。電流狭窄層12A,12B間のX軸方向の開口幅Wは本例では5μmに設定されている。なお、本例の共振長Lは、1.0mmである。   The upper third cladding layer 10, the diffraction grating 9, and the upper second cladding layer 8 in the outer region along the X-axis direction of the contact layer 11 are etched and processed into a mesa shape. The current passing region is limited to the region immediately below 11, and a current confinement structure is formed. In the etched region, a current confinement layer (buried layer) 12 (12A, 12B) is formed on the etch stop layer 7, and the refractive index of the current confinement layer 12 is lower than that of the clad layer. Is suppressed. The opening width W in the X-axis direction between the current confinement layers 12A and 12B is set to 5 μm in this example. In addition, the resonance length L of this example is 1.0 mm.

クラッド層等のエッチングは、光ブロック層(エッチストップ層)7によって停止しており、上部第1クラッド層6はエッチングされずに残留している。エッチストップ層7は、Alの組成比をクラッド層8,10よりも高めることで、エッチング液に対する耐性を向上させたものである。なお、Al含有量が多いほど低屈折率で高抵抗となるが、エネルギーバンドギャップは大きくなる。   Etching of the cladding layer or the like is stopped by the optical block layer (etch stop layer) 7 and the upper first cladding layer 6 remains without being etched. The etch stop layer 7 has improved resistance to the etching solution by increasing the Al composition ratio more than the cladding layers 8 and 10. Note that the higher the Al content, the higher the resistance and the lower the refractive index, but the larger the energy band gap.

エッチストップ層7は、屈折率が低いため、活性層4から回折格子9に至る光を抑制する光ブロック層として機能している。すなわち、回折格子9の屈折率はクラッド層6,8よりも高く、屈折率が高い半導体層には光が吸い込まれる傾向がある。したがって、かかる場合には、本来、活性層4に集中させる光パワーの一部が、回折格子9に大きく移動してしまい、レーザ光強度が低下する。エッチストップ層7は、低屈折率の光ブロック層として機能することで、必要以上に光パワーが回折格子9内に入ることを抑制し、レーザ光強度の低下を防止している。   Since the etch stop layer 7 has a low refractive index, it functions as an optical block layer that suppresses light from the active layer 4 to the diffraction grating 9. That is, the refractive index of the diffraction grating 9 is higher than that of the cladding layers 6 and 8, and light tends to be absorbed into the semiconductor layer having a high refractive index. Therefore, in such a case, part of the optical power that is originally concentrated on the active layer 4 is largely moved to the diffraction grating 9, and the laser light intensity is reduced. The etch stop layer 7 functions as an optical block layer with a low refractive index, thereby suppressing the optical power from entering the diffraction grating 9 more than necessary and preventing the laser light intensity from decreasing.

活性層4は、AlInGaAsとAlGaAsからなる量子井戸構造を有しており、井戸層が1つの場合にはシングル量子井戸構造、井戸層が2つの場合にはダブル量子井戸構造を構成している。井戸層の数は3以上であってもよい。バリア層のエネルギーバンドギャップは、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きい。多重量子井戸構造を用いた場合、高出力のレーザ光を得ることができるが、井戸数の増加に伴ってCOD(Catastrophic Optical Damage)が増加する場合がある。   The active layer 4 has a quantum well structure composed of AlInGaAs and AlGaAs, and has a single quantum well structure when there is one well layer and a double quantum well structure when there are two well layers. The number of well layers may be 3 or more. The energy band gap of the barrier layer is larger than the energy band gap of the well layer. When a multi-quantum well structure is used, a high-power laser beam can be obtained, but COD (catalytic optical damage) may increase as the number of wells increases.

各半導体層のAlの組成比Xは、誤差等を考慮すると、少なくとも以下の範囲をとることができる。   The Al composition ratio X of each semiconductor layer can take at least the following ranges in consideration of errors and the like.

下部クラッド層2における組成比X:0.43±0.01
下部光ガイド層3における組成比X:0.36±0.01
半絶縁性の活性層4における組成比X:0.15±0.01
上部光ガイド層5における組成比X:0.36±0.01
上部第1クラッド層6における組成比X:0.43±0.01
光ブロック層7における組成比X:0.70±0.01
上部第2クラッド層8における組成比X:0.43±0.01
回折格子(層)9における組成比X:0.30±0.01
上部第3クラッド層10における組成比X:0.43±0.01
Composition ratio X in the lower clad layer 2: 0.43 ± 0.01
Composition ratio X in the lower light guide layer 3: 0.36 ± 0.01
Composition ratio X in the semi-insulating active layer 4: 0.15 ± 0.01
Composition ratio X in the upper light guide layer 5: 0.36 ± 0.01
Composition ratio X in upper first cladding layer 6: 0.43 ± 0.01
Composition ratio X in the light blocking layer 7: 0.70 ± 0.01
Composition ratio X in upper second cladding layer 8: 0.43 ± 0.01
Composition ratio X in the diffraction grating (layer) 9: 0.30 ± 0.01
Composition ratio X in upper third cladding layer 10: 0.43 ± 0.01

回折格子4の形状としては種々のものが考えられる。低屈折率のクラッド層内に周期的に埋設された高屈折率の半導体層は、X軸方向に沿って延びたストライプ状の半導体領域からなり、これらの半導体領域間の間隔Zp(回折格子の周期:図2参照)によって、レーザ光の波長が決定される。すなわち、回折格子4が含まれる導波路の有効屈折率をn、回折格子4の次数をmとすると、ブラッグ波長λは概ね2nZp/mで与えられ、この波長が選択的に増幅され、レーザ光として出射される。 Various shapes of the diffraction grating 4 are conceivable. The high-refractive-index semiconductor layer periodically embedded in the low-refractive-index clad layer is composed of stripe-shaped semiconductor regions extending along the X-axis direction, and an interval Zp between these semiconductor regions (of the diffraction grating) The wavelength of the laser light is determined by the period: see FIG. That is, assuming that the effective refractive index of the waveguide including the diffraction grating 4 is n and the order of the diffraction grating 4 is m, the Bragg wavelength λ B is approximately given by 2nZp / m, and this wavelength is selectively amplified, and the laser It is emitted as light.

もちろん、YZ断面における表面形状は、図5に示すように、三角波形状であってもよい。すなわち、クラッド層8の表面をYX断面内において三角波形状にエッチングにて加工し、この上に、高屈折率の回折格子(層)9を形成し、更に、回折格子層9をクラッド層10で埋め込む構造とすることができる。なお、50nm厚の膜厚の場合、単なる凸凹では膜厚を正確に制御することが難しいため、回折格子はストライプ状に形成する方が好ましい。   Of course, the surface shape in the YZ section may be a triangular wave shape as shown in FIG. That is, the surface of the cladding layer 8 is processed into a triangular wave shape in the YX cross section by etching, and a diffraction grating (layer) 9 having a high refractive index is formed thereon, and the diffraction grating layer 9 is further formed by the cladding layer 10. The structure can be embedded. In the case of a film thickness of 50 nm, it is difficult to accurately control the film thickness by simple unevenness, so it is preferable to form the diffraction grating in a stripe shape.

なお、回折格子層9を第3のクラッド層10に埋め込む理由は、発振波長を変えた場合、活性層から回折格子層までの距離が変わるが、そのような場合であっても、回折格子層の埋め込み位置を変更するだけで対応可能であるため、設計変更の際の汎用性が高いという利点があるからである。   The reason why the diffraction grating layer 9 is embedded in the third cladding layer 10 is that the distance from the active layer to the diffraction grating layer changes when the oscillation wavelength is changed, but even in such a case, the diffraction grating layer This is because it is possible to cope with the problem by simply changing the embedding position, so that there is an advantage of high versatility when changing the design.

図6は、レーザビームLBのXY平面内における形状を示している。(A)は遠視野パターン(FFP)を示しており、(B)は近視野パターン(NFP)を示している。各パターンの境界線は半値幅を与える位置で示されている。すなわち、光強度ピークは中心位置(原点)に位置しているが、この位置における光強度の半分の強度となる位置までの距離を半値幅とし、この位置がビームパターンの外縁として示されている。   FIG. 6 shows the shape of the laser beam LB in the XY plane. (A) shows the far-field pattern (FFP), and (B) shows the near-field pattern (NFP). The boundary line of each pattern is shown at a position giving a half width. That is, the light intensity peak is located at the center position (origin), but the distance to a position that is half the light intensity at this position is the half width, and this position is shown as the outer edge of the beam pattern. .

NFPにおいて、垂直方向の距離(YNFP)を半値幅σYNとし、この位置がビームパターンの外縁として示されているが、半値幅σYNの2倍の距離2σYNは半値全幅(FWHM)である。同様に、原点における強度の水平方向の半値幅σXNの2倍の距離2σXNは半値全幅(FWHM)である。FFPにおいても、垂直方向の距離(YFFP)を半値幅σYFとし、この位置がビームパターンの外縁として示されているが、半値幅σYFの2倍の距離2σYFは半値全幅(FWHM)である。同様に、原点における強度の水平方向の半値幅σXFの2倍の距離2σXFは半値全幅(FWHM)である。 In NFP, the vertical distance (Y NFP ) is the half width σ YN, and this position is shown as the outer edge of the beam pattern. The distance 2σ YN, which is twice the half width σ YN , is the full width at half maximum (FWHM). is there. Similarly, the distance 2σ XN which is twice the half width σ XN in the horizontal direction of the intensity at the origin is the full width at half maximum (FWHM). Also in the FFP, the vertical distance (Y FFP ) is the half width σ YF, and this position is shown as the outer edge of the beam pattern. The distance 2σ YF, which is twice the half width σ YF , is the full width at half maximum (FWHM). It is. Similarly, the distance 2σ XF which is twice the horizontal half-value width σ XF of the intensity at the origin is the full width at half maximum (FWHM).

レーザ光の放射角は、NFPの外縁位置から、これに対応するFFPの外縁位置に延びるベクトルと、Z軸となす角度の2倍で与えられ、光強度分布のFWHMに対応する。垂直方向であれば、+YNFPの位置から+YFFPの位置に延びるベクトルが、Z軸となす角度の2倍が放射角θとなる。レーザ光の強度分布はガウス分布であって、中心位置に対して対称であるため、換言すれば、放射角θは、+YNFPの位置から+YFFPの位置に延びるベクトルと、−YNFPの位置から−YFFPの位置に延びるベクトルとのなす角に等しい。 The radiation angle of the laser light is given by a vector extending from the outer edge position of the NFP to the corresponding outer edge position of the FFP and the angle formed with the Z axis, and corresponds to the FWHM of the light intensity distribution. In the vertical direction, a vector extending from the position of + Y NFP to the position of + Y FFP has twice the angle formed with the Z axis as the radiation angle θ. Since the intensity distribution of the laser beam is a Gaussian distribution and is symmetric with respect to the center position, in other words, the radiation angle θ is a vector extending from the position of + Y NFP to the position of + Y FFP and the position of −Y NFP . Is equal to the angle formed by the vector extending from to -Y FFP .

同様に、水平方向であれば、+XNFPの位置から+XFFPの位置に延びるベクトルが、Z軸となす角度の2倍が水平方向の放射角となる。なお、放射角で特に問題となるのは、角度の大きな方の放射角、すなわち、垂直方向の放射角θである。 Similarly, in the horizontal direction, a vector extending from the position of + X NFP to the position of + X FFP has twice the angle formed with the Z axis as the horizontal radiation angle. Note that the radiation angle is particularly problematic in the radiation angle having the larger angle, that is, the radiation angle θ in the vertical direction.

図7は、光ガイド層3,5の合計厚みY(nm)と、垂直方向の放射角θ(deg)、光閉じ込め係数ΓWQ(%)の関係を示すグラフである。なお、このグラフはシミュレーションによって求めたものである。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the total thickness Y G (nm) of the light guide layers 3 and 5, the vertical radiation angle θ (deg), and the optical confinement coefficient ΓWQ (%). This graph is obtained by simulation.

同グラフにおいて、760−SQW−FFPは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がSQW(シングル量子井戸構造)における、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。同様に、760−DQW−FFPは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がDQW(ダブル量子井戸構造)における、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。830−SQW−FFPは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がSQWにおける、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。830−DQW−FFPは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がDQWにおける、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。980−SQW−FFPは、レーザ光の中心波長が980nmであり、活性層の構造がSQWにおける、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。なお、波長760nmと830nmでは図4の表に示した値を用いたが、980nm帯では、光ガイド層としてAl0.22Ga0.78As、クラッド層としてAl0.35Ga0.65Asを用いた点のみが異なる。 In the graph, 760-SQW-FFP shows data of the vertical radiation angle θ in the FFP when the center wavelength of the laser light is 760 nm and the structure of the active layer is SQW (single quantum well structure). Similarly, 760-DQW-FFP shows data of the vertical radiation angle θ in the FFP when the center wavelength of the laser beam is 760 nm and the structure of the active layer is DQW (double quantum well structure). 830-SQW-FFP shows data of the radiation angle θ in the vertical direction in the FFP when the center wavelength of the laser beam is 830 nm and the structure of the active layer is SQW. 830-DQW-FFP shows data of the vertical emission angle θ in the FFP when the center wavelength of the laser beam is 830 nm and the structure of the active layer is DQW. 980-SQW-FFP shows data of the vertical emission angle θ in the FFP when the center wavelength of the laser beam is 980 nm and the structure of the active layer is SQW. The values shown in the table of FIG. 4 were used at wavelengths of 760 nm and 830 nm, but in the 980 nm band, Al 0.22 Ga 0.78 As as the light guide layer and Al 0.35 Ga 0.65 As as the cladding layer. Only the point using is different.

同グラフにおいて、760−SQW−Γは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がSQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。同様に、760−DQW−Γは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がDQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。830−SQW−Γは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がSQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。830−DQW−Γは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がDQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。980−SQW−Γは、レーザ光の中心波長が980nmであり、活性層の構造がSQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。   In the graph, 760-SQW-Γ indicates data of the optical confinement coefficient ΓQW when the center wavelength of the laser beam is 760 nm and the structure of the active layer is SQW. Similarly, 760-DQW-Γ shows data on the optical confinement coefficient ΓQW when the center wavelength of the laser beam is 760 nm and the structure of the active layer is DQW. 830-SQW-Γ indicates data of the optical confinement coefficient ΓQW when the center wavelength of the laser beam is 830 nm and the structure of the active layer is SQW. 830-DQW-Γ shows data of the optical confinement coefficient ΓQW when the center wavelength of the laser beam is 830 nm and the structure of the active layer is DQW. 980-SQW-Γ shows data of the optical confinement factor ΓQW when the center wavelength of the laser beam is 980 nm and the structure of the active layer is SQW.

光ガイド層厚が1000nm(1μm)前後から2000nm至る領域では、従来のように、光ガイド層の厚みを大きくすることで、垂直方向の放射角は小さくなることが判明したが、本願発明者らは、光ガイド層が極端に薄くなってきた場合、すなわち、少なくとも200nm以下になると、放射角が小さくなり、且つ、発振閾値も低下するという臨界的な厚み範囲(RPEAK)が存在することを見出した。もちろん、光ガイド層の厚みが極端に低下した場合には、発振閾値は上昇してしまうが、少なくとも50nm以上であれば、発振閾値を十分に低くすることができる厚み範囲が存在することを発見した。 In the region where the thickness of the light guide layer ranges from about 1000 nm (1 μm) to 2000 nm, it has been found that the emission angle in the vertical direction is reduced by increasing the thickness of the light guide layer as in the prior art. When the light guide layer becomes extremely thin, that is, at least 200 nm or less, there is a critical thickness range (R PEAK ) in which the radiation angle decreases and the oscillation threshold decreases. I found it. Of course, when the thickness of the light guide layer is extremely reduced, the oscillation threshold value rises. However, when the thickness is at least 50 nm or more, there is a thickness range in which the oscillation threshold value can be sufficiently lowered. did.

遠視野像における垂直方向の放射角θは小さい方が好ましく、発振閾値(電流)も小さい方が好ましいが、発振閾値は、概ね、光閉じ込め係数ΓQWの逆数に比例するため、光閉じ込め係数は大きい方が好ましいということになる。すなわち、このDFB半導体レーザの性能指数(Figure Of Merit)FOMを、FOM=(ΓQW/θ)と定義すると、FOMは光ガイド層の厚みが50nm〜200nmの間に、ピークを有するのである。 The vertical radiation angle θ in the far-field image is preferably small and the oscillation threshold (current) is preferably small, but the oscillation threshold is generally proportional to the inverse of the optical confinement factor ΓQW, and thus the optical confinement factor is large. This is preferable. That is, if the figure of merit FOM of this DFB semiconductor laser is defined as FOM = (ΓQW / θ) 2 , the FOM has a peak when the thickness of the light guide layer is 50 nm to 200 nm.

図8は、光ガイド層3,5の合計厚みY(nm)と、規格化(normalized)されたFOM(a.u.)、垂直方向の放射角θ(deg)及び光閉じ込め係数ΓWQ×10(%)の関係を示すグラフである。FOMは、50nm〜200nmの間に、ピークを有しているのが分かる。図11は、このグラフデータを示す図表である。 FIG. 8 shows the total thickness Y G (nm) of the light guide layers 3, 5, normalized FOM (au), vertical radiation angle θ (deg), and optical confinement factor ΓWQ × It is a graph which shows the relationship of 10 (%). It can be seen that the FOM has a peak between 50 nm and 200 nm. FIG. 11 is a chart showing the graph data.

このグラフは、830nm−DQWの構造の放射角θを光閉じ込め係数ΓQWで除した値の2乗をFOMとして示している。ΓQWは誤差を含んでいるので、760nm帯(SQWとDQW)及び830nm帯(SQWとDQW)の計4つのデータを平均化して演算に用いたが、これは単独の値を用いてもFOMは50nm〜200nmの間にピークが存在し、また、他の波長帯の放射角θに関しても同様にFOMのピークをY=50nm〜200nmに有することができる。もちろん、Y=80nm〜140nmが更に好ましく、Y=100nm〜120nmが更に好ましい。なお、結晶構造の各層を形成するAlGaAs材料は、成長装置の精度でAl組成±1%程度の誤差が生じ、これに伴う屈折率変化が生じる。ΓQWの値はこの屈折率変化の影響を受けるため、ΓQWにおいても±0.5%程度の誤差があるが、結論における範囲RPEAKの優位性は変わらない。 In this graph, the square of the value obtained by dividing the radiation angle θ of the 830 nm-DQW structure by the optical confinement coefficient ΓQW is shown as FOM. Since ΓQW includes an error, a total of four data in the 760 nm band (SQW and DQW) and 830 nm band (SQW and DQW) were averaged and used for the calculation. There is a peak between 50 nm and 200 nm, and the FOM peak can be similarly set to Y G = 50 nm to 200 nm with respect to the radiation angle θ in other wavelength bands. Of course, Y G = 80 nm to 140 nm is more preferable, and Y G = 100 nm to 120 nm is more preferable. In addition, the AlGaAs material forming each layer of the crystal structure has an error of about Al of Al composition ± 1% with the accuracy of the growth apparatus, and a refractive index change accompanying this. Since the value of ΓQW is affected by this refractive index change, there is an error of about ± 0.5% in ΓQW, but the superiority of the range R PEAK in the conclusion does not change.

なお、光閉じ込めが良好に実現しない場合、ΓQWが0.5%を下回る。これは、利得領域における光量が足りないことを意味し、発振特性が得られない。830nm帯においてガイド幅Tを80nm〜140nmに20nm刻みで変化させたとき、垂直放射角は15度〜20度となる。なお、量子井戸数を3以上にすると、そこだけで50nm程度の幅を占有するため、設計の自由度が低下する。したがって、井戸数は1又は2が望ましい。ガイド幅Tが50nm以下となると、ΓQWが下がりすぎてしまうため、良好な発振特性が得られなくなる。また、200nm以上となると、垂直放射角の拡大が誘発される。 If optical confinement is not realized well, ΓQW is less than 0.5%. This means that the amount of light in the gain region is insufficient, and oscillation characteristics cannot be obtained. When the guide width T G was changed in 20nm increments to 80nm~140nm at 830nm band, the vertical radiation angle becomes 15 degrees to 20 degrees. If the number of quantum wells is 3 or more, the width of about 50 nm is occupied by itself, so that the degree of freedom in design is reduced. Therefore, the number of wells is preferably 1 or 2. If the guide width TG is 50 nm or less, ΓQW will be too low, and good oscillation characteristics cannot be obtained. Moreover, when it becomes 200 nm or more, the expansion of the vertical radiation angle is induced.

図9は、Y=80nm〜140nmの場合の駆動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)、電極間電圧Vf(V)、電極間抵抗Rd(ohm)を示すグラフである(実験値)。Yの増加に伴って発振の閾値は低下していることがわかる。 FIG. 9 shows the optical output Po (mW), the optical output differential value SE (W / A), the interelectrode voltage Vf (V), and the interelectrode resistance Rd with respect to the drive current If (mA) when Y G = 80 nm to 140 nm. It is a graph which shows (ohm) (experimental value). Threshold of oscillation with increasing Y G is seen to decrease.

図10は、Y=80nm〜140nmの場合のFFPにおける放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである(実験値)。同グラフにおけるFFP−Hは水平方向の光強度分布を示し、FFP−Vは垂直方向の光強度分布を示している。垂直方向の光強度分布のFWHMを与える放射角θは、Y=80nmの場合には16.1(deg)、Y=100nmの場合には18.3(deg)、Y=120nmの場合には20.2(deg)、Y=140nmの場合には21.8(deg)である。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the laser beam intensity I (au) (normalized) and the radiation angle θ (deg) in the FFP when Y G = 80 nm to 140 nm (experimental value). In the graph, FFP-H represents the light intensity distribution in the horizontal direction, and FFP-V represents the light intensity distribution in the vertical direction. The radiation angle θ giving the FWHM of the light intensity distribution in the vertical direction is 16.1 (deg) when Y G = 80 nm, 18.3 (deg) when Y G = 100 nm, and Y G = 120 nm. In this case, it is 20.2 (deg), and in the case of Y G = 140 nm, it is 21.8 (deg).

図12は、Y=80nm〜140nmの場合のFFPにおける垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである(計算値)。また、図13は、比較例に係るDFBレーザのデータを示すグラフであり、FFPにおける垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係が示されている(計算値)。図26及び図27は、それぞれ図12及び図13のデータを得るための元データを示す図表であり、それぞれ規格化前のデータ及び規格化後のデータを示している。なお、表内のFFP−Hは水平方向のデータを示し、FFP−Vは垂直方向のデータを示している。 FIG. 12 shows the laser light intensity I (au) with respect to the vertical radiation angle θ (deg) (solid line) and the horizontal radiation angle θ (deg) (dotted line) in the FFP when Y G = 80 nm to 140 nm. ) (Normalization) is a graph showing the relationship (calculated value). FIG. 13 is a graph showing data of the DFB laser according to the comparative example. Laser light with respect to the vertical radiation angle θ (deg) (solid line) and the horizontal radiation angle θ (deg) (dotted line) in the FFP. The relationship of intensity I (au) (normalized) is shown (calculated value). 26 and 27 are tables showing original data for obtaining the data of FIGS. 12 and 13, respectively, and show data before normalization and data after normalization, respectively. Note that FFP-H in the table indicates data in the horizontal direction, and FFP-V indicates data in the vertical direction.

同グラフによれば、実施例(A)〜(D)の数値では、FWHMにおける放射角θは狭くなっている。また、実施例のアスペクト比(水平方向の放射角と垂直方向の放射角の比率)も小さくなっており、ビーム形状が真円に近くなるため、デバイスへの応用が容易となっている。   According to the graph, in the numerical values of the examples (A) to (D), the radiation angle θ in the FWHM is narrow. In addition, the aspect ratio (ratio of the radiation angle in the horizontal direction and the radiation angle in the vertical direction) of the embodiment is small, and the beam shape is close to a perfect circle, so that application to a device is easy.

上述の構造に係るDFB半導体レーザでは、P型の上部クラッド層をアノードとし、N型の下部クラッド層をカソードとするダイオードが構成されている。駆動電流は、ダイオードの順方向、すなわち、上部電極E1から下部電極E2に向けて流れ、この際に活性層4内におけるキャリア再結合により発生した光は、一部分が光ブロック層7を超えて、回折格子9に至り、活性層4の端面から出射されるレーザ光LBの波長を単一の値に固定する。回折格子9と活性層4との間の距離は、クラッド層6,8の製造時間と、垂直方向の光伝播における損失を低減するため、可能な限り近づけた方が好ましいが、これらの距離を近づけた場合に、光ブロック層7がない場合には、多くの光が回折格子9において吸収され、レーザ光出力が低下してしまう。   In the DFB semiconductor laser having the above-described structure, a diode having a P-type upper cladding layer as an anode and an N-type lower cladding layer as a cathode is configured. The drive current flows in the forward direction of the diode, that is, from the upper electrode E1 to the lower electrode E2, and at this time, a part of the light generated by carrier recombination in the active layer 4 exceeds the light blocking layer 7, The wavelength of the laser beam LB that reaches the diffraction grating 9 and is emitted from the end face of the active layer 4 is fixed to a single value. The distance between the diffraction grating 9 and the active layer 4 is preferably as close as possible in order to reduce the manufacturing time of the cladding layers 6 and 8 and the loss in light propagation in the vertical direction. If the light blocking layer 7 is not provided, a large amount of light is absorbed by the diffraction grating 9 and the laser light output is reduced.

すなわち、このDFB半導体レーザは、光ブロック層7を備えているので、回折格子9を活性層4に近づけた場合においても、高効率の発光をすることができる。換言すれば、活性層4から回折格子9までの距離(t5+t6+t7+t8)を、300nm〜700nmにした場合に、この構造は特に有効である。また、同様の理由から、回折格子層9の下端位置は、リッジ部分(突き出した部分)のトータル厚さ(t8+t9+t10+t11)に対して、エッチストップ層上端から1/3以内に位置することが好ましい。また、光ブロック層7は、埋め込み型の電流狭窄構造を形成する場合のエッチストップ層としても機能しているため、製造プロセスの観点からも有用である。なお、光ブロック層7は、活性層4からコンタクト層11に至る光も抑制しているので、コンタクト層11を光吸収に起因する劣化から抑制することもできる。   That is, since the DFB semiconductor laser includes the optical block layer 7, even when the diffraction grating 9 is brought close to the active layer 4, light can be emitted with high efficiency. In other words, this structure is particularly effective when the distance (t5 + t6 + t7 + t8) from the active layer 4 to the diffraction grating 9 is set to 300 nm to 700 nm. For the same reason, the lower end position of the diffraction grating layer 9 is preferably located within 1/3 from the upper end of the etch stop layer with respect to the total thickness (t8 + t9 + t10 + t11) of the ridge portion (protruded portion). In addition, the optical block layer 7 also functions as an etch stop layer when forming a buried type current confinement structure, and thus is useful from the viewpoint of the manufacturing process. Since the light blocking layer 7 also suppresses light from the active layer 4 to the contact layer 11, the contact layer 11 can be suppressed from deterioration due to light absorption.

図14〜図20は、上述のDFB半導体レーザの製造方法を説明するための図であり、(A)は正面図、(B)は側面図を示している。   14 to 20 are views for explaining the above-described method for manufacturing the DFB semiconductor laser, in which (A) is a front view and (B) is a side view.

まず、図14に示すように、基板1上に、各層2,3,4,5,6,7,8,9を順次積層する。すなわち、半導体基板1上に、下部クラッド層2、光ガイド層3、活性層4上には、光ガイド層5、上部第1クラッド層6、エッチストップ層7、及び上部第2クラッド層8が順次積層され、更に、その上に回折格子9となる高屈折率の化合物半導体層(9)が形成される。なお、この積層工程における結晶成長には、MOCVD(有機金属気相成長)装置を用いる。製造時のAl原料としてはTMA(トリメチルアルミニウム)、Ga原料としてはTMG(トリメチルガリウム)、As原料としてはアルシン(AsH)を用いることができ、成長温度は600℃〜750℃を採用することができる。各層1〜9の成長後、基板を結晶成長炉から取り出す。 First, as shown in FIG. 14, the layers 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, and 9 are sequentially stacked on the substrate 1. That is, the light guide layer 5, the upper first clad layer 6, the etch stop layer 7, and the upper second clad layer 8 are formed on the semiconductor substrate 1 on the lower clad layer 2, the light guide layer 3, and the active layer 4. A compound semiconductor layer (9) having a high refractive index to be a diffraction grating 9 is further formed thereon, and a high refractive index compound semiconductor layer (9) is formed thereon. Note that an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus is used for crystal growth in this stacking step. TMA (trimethylaluminum) can be used as the Al raw material during production, TMG (trimethylgallium) can be used as the Ga raw material, and arsine (AsH 3 ) can be used as the As raw material, and the growth temperature is 600 ° C. to 750 ° C. Can do. After the growth of each layer 1-9, the substrate is removed from the crystal growth furnace.

次に、図15に示すように、最表面のP型のAlGaAs(Alの組成比X=0.30)にホトレジストPR1を塗布し、干渉露光により、回折格子の周期Zpが250nm程度となるように露光し、ホトレジストPR1からなる回折格子を形成する。   Next, as shown in FIG. 15, a photoresist PR1 is applied to P-type AlGaAs (Al composition ratio X = 0.30) on the outermost surface, and the period Zp of the diffraction grating is set to about 250 nm by interference exposure. To form a diffraction grating made of photoresist PR1.

次に、図16に示すように、ホトレジストPR1にて形成された回折格子をマスクとして回折格子層9のエッチングを行い、ホトレジストPR1を除去する。これにより、上部第2クラッド層8上に回折格子9が形成される。このエッチングには、ウエット・エッチングを用いることができる。ウエット・エッチングの場合のエッチング液としては、Br系エッチャントを用いることができる。   Next, as shown in FIG. 16, the diffraction grating layer 9 is etched using the diffraction grating formed of the photoresist PR1 as a mask to remove the photoresist PR1. Thereby, the diffraction grating 9 is formed on the upper second cladding layer 8. For this etching, wet etching can be used. As an etchant in the case of wet etching, a Br-based etchant can be used.

次に、図17に示すように、基板をMOCVD結晶成長炉に導入し、回折格子9上に、P型のAlGaAs(Alの組成比X=0.43)クラッド層10と、P型のGaAsコンタクト層11を順次成長する。成長時の原料と温度は上述の通りである。すなわち、この製造方法は、回折格子9上に、上部第3クラッド層10を形成する工程と、上部第3クラッド層10上に、コンタクト層11を形成する工程とを備えている。   Next, as shown in FIG. 17, the substrate is introduced into an MOCVD crystal growth furnace, and a P-type AlGaAs (Al composition ratio X = 0.43) clad layer 10 and a P-type GaAs are formed on the diffraction grating 9. The contact layer 11 is grown sequentially. The raw materials and temperature during growth are as described above. That is, this manufacturing method includes a step of forming the upper third cladding layer 10 on the diffraction grating 9 and a step of forming the contact layer 11 on the upper third cladding layer 10.

次に、図18に示すように、コンタクト層11の表眼に窒化珪素(SiN)層13を蒸着し、続いて、この上にホトレジストPR2の塗布を行い、ホトレジストPR2を露光と現像によるリソグラフィによって加工することで、幅W(図3参照)が5mm程度のレジストパターンを形成すする。パターニングされたホトレジストPR2を用いて、窒化珪素層13の露出領域をRIE(ReactiveIon Etching)装置を用いて除去する。 Next, as shown in FIG. 18, a silicon nitride (SiN x ) layer 13 is vapor-deposited on the eye of the contact layer 11, and subsequently, a photoresist PR2 is applied thereon, and the photoresist PR2 is subjected to lithography by exposure and development. The resist pattern having a width W (see FIG. 3) of about 5 mm is formed. Using the patterned photoresist PR2, the exposed region of the silicon nitride layer 13 is removed using a RIE (Reactive Ion Etching) apparatus.

次に、図19に示すように、ホトレジストPR2を除去し、窒化珪素層13をマスクとして、クエン酸系のエッチング液(クエン酸水溶液)を用い、光ブロック層(エッチストップ層)7まで、クラッド層及び回折格子層のエッチングを行い、リッジ構造を形成する。   Next, as shown in FIG. 19, the photoresist PR2 is removed, and using the silicon nitride layer 13 as a mask, a citric acid-based etching solution (citric acid aqueous solution) is used, and the optical block layer (etch stop layer) 7 is clad. The layer and the diffraction grating layer are etched to form a ridge structure.

詳説すれば、この製造方法は、コンタクト層11上に、共振長方向に延びたパターン(窒化珪素層13)を形成し、このパターンをマスクとして、コンタクト層11、上部第3クラッド層10、回折格子9及び上部第2クラッド層8をエッチングする。これにより、コンタクト層11、上部第3クラッド層10、回折格子9及び上部第2クラッド層8の側面が露出し、また、エッチストップ層7の表面も露出する。この構造の場合、単一のエッチング液を用いてウエット・エッチングを行うことが可能であるため、製造コストを低減させることが可能となる。   More specifically, in this manufacturing method, a pattern (silicon nitride layer 13) extending in the resonance length direction is formed on the contact layer 11, and using this pattern as a mask, the contact layer 11, the upper third cladding layer 10, the diffraction The lattice 9 and the upper second cladding layer 8 are etched. As a result, the side surfaces of the contact layer 11, the upper third cladding layer 10, the diffraction grating 9, and the upper second cladding layer 8 are exposed, and the surface of the etch stop layer 7 is also exposed. In the case of this structure, since it is possible to perform wet etching using a single etching solution, manufacturing cost can be reduced.

次に、図20に示すように、リッジ構造が形成された基板をMOCVD結晶成長炉に導入し、選択埋め込み成長を行い、電流狭窄層12を形成する。電流狭窄層12の材料はn型のAlGaAs(Alの組成比X=0.50)とする。すなわち、エッチストップ層7上の露出領域上に、電流狭窄層12を形成し、この電流狭窄層12によって、コンタクト層11、上部第3クラッド層10、回折格子9及び上部第2クラッド層8の露出した側面を覆う。なお、上部第2クラッド層8、回折格子9、上部第3クラッド層10、及び、コンタクト層11は、いずれもGa及びAsを含有しており、エッチングは、同一のエッチング液によって行われる。このエッチングは、Alの組成比Xが上述の範囲にある場合には、好適に行うことができる。   Next, as shown in FIG. 20, the substrate on which the ridge structure is formed is introduced into an MOCVD crystal growth furnace, and selective burying growth is performed to form a current confinement layer 12. The material of the current confinement layer 12 is n-type AlGaAs (Al composition ratio X = 0.50). That is, the current confinement layer 12 is formed on the exposed region on the etch stop layer 7, and the current confinement layer 12 forms the contact layer 11, the upper third cladding layer 10, the diffraction grating 9, and the upper second cladding layer 8. Cover the exposed sides. The upper second cladding layer 8, the diffraction grating 9, the upper third cladding layer 10, and the contact layer 11 all contain Ga and As, and the etching is performed with the same etching solution. This etching can be suitably performed when the Al composition ratio X is in the above range.

最後に、電極E1,E1を蒸着により形成し、レーザの背面側に端面膜Rを形成することで、図1〜図3に示したDFB半導体レーザ100が完成する。   Finally, the electrodes E1 and E1 are formed by vapor deposition, and the end face film R is formed on the back side of the laser, whereby the DFB semiconductor laser 100 shown in FIGS. 1 to 3 is completed.

なお、上述の化合物半導体層の形成において、N型の不純物としてはSiを用い、P型の不純物としてはZnを用いることができる。   Note that in the formation of the above-described compound semiconductor layer, Si can be used as an N-type impurity and Zn can be used as a P-type impurity.

図21は、上述のDFB半導体レーザの温度特性を示すグラフである。横軸は温度T(℃)、縦軸は光出力Po(mW)と、レーザ光の波長λ(nm)を示している。実線は光出力のデータ、点線は波長のデータを示しており、Aは図4に示した実施例(但し、下部クラッド層の厚みは3μm)、Bは比較例のデータを示している。実施例の駆動電流は250mA、比較例の駆動電流は220mAである。   FIG. 21 is a graph showing temperature characteristics of the DFB semiconductor laser described above. The horizontal axis indicates the temperature T (° C.), and the vertical axis indicates the optical output Po (mW) and the wavelength λ (nm) of the laser beam. The solid line indicates the optical output data, the dotted line indicates the wavelength data, A indicates the example shown in FIG. 4 (where the thickness of the lower cladding layer is 3 μm), and B indicates the data of the comparative example. The driving current of the example is 250 mA, and the driving current of the comparative example is 220 mA.

この比較例では、光ガイド層の厚みを増加させており、下部光ガイド層は500nm、上部光ガイド層は150nmの厚みを有している。この比較例における下部クラッド層の厚みは1.5μm、組成Xは0.43、屈折率nは3.3270であり、下部および上部光ガイド層の組成比Xは0.387、屈折率は3.3533であり、エッチストップ層上にもクラッド層8に代えて光ガイド層(組成X=0.387、厚み350nm)を挿入し、上部第3クラッド層として厚さ1.05μm、組成比X=0.43のクラッド層を導入したものである。垂直方向の放射角θは、計算によれば23.5(deg)、実験によれば23.7±0.2(deg)であった。   In this comparative example, the thickness of the light guide layer is increased. The lower light guide layer has a thickness of 500 nm, and the upper light guide layer has a thickness of 150 nm. In this comparative example, the thickness of the lower cladding layer is 1.5 μm, the composition X is 0.43, the refractive index n is 3.3270, the composition ratio X of the lower and upper light guide layers is 0.387, and the refractive index is 3 3533, a light guide layer (composition X = 0.387, thickness 350 nm) is also inserted on the etch stop layer instead of the cladding layer 8, and the upper third cladding layer has a thickness of 1.05 μm and a composition ratio X = 0.43 cladding layer is introduced. The radiation angle θ in the vertical direction was 23.5 (deg) according to the calculation and 23.7 ± 0.2 (deg) according to the experiment.

実施例の温度特性は、光出力の変化率が比較例よりも小さいという優位性を有している。また、実施例の垂直方向の放射角θは18(deg)であり、実施例及び比較例における波長の変化率は、それぞれ1℃あたり測定範囲の平均で+0.07nm(両方共通)であった。また、実施例及び比較例における光出力の温度変化率は、測定範囲の平均で、それぞれ1℃あたり0.6mWおよび2.8mWであった。なお、実施例では20℃から70℃の温度を変化させ、比較例では0℃から50℃の温度を変化させている。   The temperature characteristic of the example has the advantage that the change rate of the light output is smaller than that of the comparative example. In addition, the vertical radiation angle θ of the example was 18 (deg), and the wavelength change rate in the example and the comparative example was +0.07 nm (common to both) on the average of the measurement range per 1 ° C., respectively. . Moreover, the temperature change rate of the optical output in an Example and a comparative example was 0.6 mW and 2.8 mW per 1 degreeC on the average of a measurement range, respectively. In the examples, the temperature from 20 ° C. to 70 ° C. is changed, and in the comparative example, the temperature from 0 ° C. to 50 ° C. is changed.

なお、Bの比較例において、光ガイド層のAlの組成比を38.2%にした場合、垂直方向の放射角θは24.4(deg)(計算)、24.7±0.2(deg)(実験)が得られた。   In the comparative example of B, when the Al composition ratio of the light guide layer is 38.2%, the radiation angle θ in the vertical direction is 24.4 (deg) (calculation), 24.7 ± 0.2 ( deg) (experiment).

図22は、上述の実施例に係るDFB半導体レーザの駆動電流If(mA)と光出力Po(mW)の関係を示すグラフである。光出力の微分値SEは0.8〜1.0(W/A)である。温度を上昇させるにしたがって、閾値電流が高くなっていることが分かる。   FIG. 22 is a graph showing the relationship between the drive current If (mA) and the optical output Po (mW) of the DFB semiconductor laser according to the above-described embodiment. The differential value SE of the light output is 0.8 to 1.0 (W / A). It can be seen that the threshold current increases as the temperature increases.

図23は、実施例に係るレーザの波長依存性を示すものであり、横軸は波長λ(nm)、縦軸は光出力Po(mW)(対数)を示している。光出力50mWのときの、中心波長λは835.52nm、FWHMは0.114(nm)、光出力100mWのときの、中心波長λは855.68nm、FWHMは0.11(nm)、光出力150mWのときの、中心波長λは835.84nm、FWHMは0.148(nm)、光出力200mWのときの、中心波長λは836.32nm、FWHMは0.104(nm)、光出力250mWのときの、中心波長λは836.48nm、FWHMは0.162(nm)、光出力300mWのときの、中心波長λは836.88nm、FWHMは0.144(nm)であり、波長変動が少ないことが分かる。   FIG. 23 shows the wavelength dependence of the laser according to the example, where the horizontal axis indicates the wavelength λ (nm) and the vertical axis indicates the optical output Po (mW) (logarithm). When the optical output is 50 mW, the central wavelength λ is 835.52 nm, FWHM is 0.114 (nm), and when the optical output is 100 mW, the central wavelength λ is 855.68 nm, FWHM is 0.11 (nm), and the optical output At 150 mW, the center wavelength λ is 835.84 nm, FWHM is 0.148 (nm), and when the optical output is 200 mW, the central wavelength λ is 836.32 nm, FWHM is 0.104 (nm), and the optical output is 250 mW. When the center wavelength λ is 836.48 nm, FWHM is 0.162 (nm), and the optical output is 300 mW, the center wavelength λ is 836.88 nm and FWHM is 0.144 (nm), and the wavelength variation is small. I understand that.

図24は、上記実施例(Y=90nm)の場合のFFPにおける放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである(実験値)。同グラフにおけるFFP−Hは水平方向の光強度分布を示し、FFP−Vは垂直方向の光強度分布を示している。垂直方向の光強度分布のFWHMを与える放射角θは、18.2(deg)、水平方向の放射角θは5.1(deg)であり、光出力Poは100mWである。 FIG. 24 is a graph showing the relationship between the laser beam intensity I (au) (normalized) and the radiation angle θ (deg) in the FFP in the case of the above-described embodiment (Y G = 90 nm) (experimental value). . In the graph, FFP-H represents the light intensity distribution in the horizontal direction, and FFP-V represents the light intensity distribution in the vertical direction. The radiation angle θ giving the FWHM of the light intensity distribution in the vertical direction is 18.2 (deg), the radiation angle θ in the horizontal direction is 5.1 (deg), and the light output Po is 100 mW.

図25は、上記Bの比較例の場合の駆動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)を示すグラフである(実験値)。図9に示した本発明のものよりも閾値が高くなっている。すなわち、本発明は、比較例よりも発振閾値が低い(45mAよりも低い)という優位性を有している。なお、点線は、冷却型のパッケージ内に素子を入れた場合の特性を示しており、直線性が向上することがわかる。なお。実線の比較例のデータは、直径9mmの金属パッケージ内に素子を収納した状態で計測したものである。   FIG. 25 is a graph showing the light output Po (mW) and the light output differential value SE (W / A) with respect to the drive current If (mA) in the comparative example B (experimental value). The threshold value is higher than that of the present invention shown in FIG. That is, the present invention has an advantage that the oscillation threshold is lower (lower than 45 mA) than the comparative example. The dotted line indicates the characteristics when the element is placed in a cooling type package, and it can be seen that the linearity is improved. Note that. The data of the comparative example of the solid line is measured in a state where the element is housed in a metal package having a diameter of 9 mm.

1・・・半導体基板、2・・・下部クラッド層、3・・・下部光ガイド層、4・・・活性層、5・・・上部光ガイド層、6・・・上部第1クラッド層、7・・・光ブロック層(エッチストップ層)、8・・・上部第2クラッド層、9・・・回折格子、10・・・上部第3クラッド層、11・・・コンタクト層(キャップ層)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Lower clad layer, 3 ... Lower light guide layer, 4 ... Active layer, 5 ... Upper light guide layer, 6 ... Upper 1st clad layer, 7 ... optical block layer (etch stop layer), 8 ... upper second cladding layer, 9 ... diffraction grating, 10 ... upper third cladding layer, 11 ... contact layer (cap layer) .

Claims (3)

分布帰還型半導体レーザの製造方法において、
活性層上に、光ガイド層、上部第1クラッド層、エッチストップ層、及び上部第2クラッド層を順次積層する工程と、
前記上部第2クラッド層上に、回折格子を形成する工程と、
前記回折格子上に、上部第3クラッド層を形成する工程と、
前記上部第3クラッド層上に、コンタクト層を形成する工程と、
前記コンタクト層上に、共振長方向に延びたパターンを形成し、このパターンをマスクとして、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層をエッチングし、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の側面と前記エッチストップ層の表面を露出させる工程と、
前記エッチストップ層上の露出領域上に、電流狭窄層を形成し、この電流狭窄層によって、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の露出した側面を覆う工程と、
を備え、
前記上部第2クラッド層、前記回折格子、前記上部第3クラッド層、及び、前記コンタクト層は、いずれもGa及びAsを含有しており、前記エッチングは、同一のエッチング液によって行われることを特徴とする分布帰還型半導体レーザの製造方法。
In the manufacturing method of the distributed feedback semiconductor laser,
A step of sequentially laminating a light guide layer, an upper first cladding layer, an etch stop layer, and an upper second cladding layer on the active layer;
Forming a diffraction grating on the upper second cladding layer;
Forming an upper third cladding layer on the diffraction grating;
Forming a contact layer on the upper third cladding layer;
A pattern extending in the resonance length direction is formed on the contact layer, and the contact layer, the upper third cladding layer, the diffraction grating, and the upper second cladding layer are etched using the pattern as a mask, and the contact Exposing a side surface of the layer, the upper third cladding layer, the diffraction grating and the upper second cladding layer and the surface of the etch stop layer;
A current confinement layer is formed on the exposed region on the etch stop layer, and the current confinement layer forms exposed side surfaces of the contact layer, the upper third clad layer, the diffraction grating, and the upper second clad layer. A covering step;
With
The upper second cladding layer, the diffraction grating, the upper third cladding layer, and the contact layer all contain Ga and As, and the etching is performed with the same etching solution. A method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser.
前記上部第2クラッド層はAlGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、
前記回折格子はAlGa1−XAs(X=0.30±0.01)からなり、
前記上部第3クラッド層はAlGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、
前記コンタクト層はGaAsからなり、
前記エッチストップ層はAlGa1−XAs(X=0.70±0.01)からなる、
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の製造方法。
The upper second cladding layer is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.43 ± 0.01),
The diffraction grating is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.30 ± 0.01),
The upper third cladding layer is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.43 ± 0.01),
The contact layer is made of GaAs;
The etch stop layer is made of Al X Ga 1-X As (X = 0.70 ± 0.01).
The method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to claim 1.
前記光ガイド層を上部光ガイド層とし、
下部光ガイド層上に前記活性層を形成する工程を更に備え、
前記下部光ガイド層と前記上部光ガイド層の合計厚みが50nm以上200nm以下となるように、前記下部及び上部光ガイド層を成長させることを特徴とする請求項1又は2に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
The light guide layer is an upper light guide layer,
Further comprising the step of forming the active layer on the lower light guide layer,
3. The distributed feedback type according to claim 1, wherein the lower and upper light guide layers are grown so that a total thickness of the lower light guide layer and the upper light guide layer is not less than 50 nm and not more than 200 nm. Semiconductor laser manufacturing method.
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