JP2014017347A

JP2014017347A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2014017347A
Application number: JP2012153338A
Authority: JP
Inventors: Manabu Matsuda; 松田　　学
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: JP5929571B2

Abstract

【課題】半導体レーザに関し、位相シフト領域を設けることなく発振モードを安定にして、光取り出し効率を向上する。
【解決手段】一定の周期の回折格子を備えた分布帰還型半導体レーザ領域の少なくとも一方の端面側に、実効的な回折格子周期及び結合係数が共振器方向に沿って変化している回折格子を備えた分布反射鏡領域を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザに関するものであり、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザと分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とを組み合わせた半導体レーザに関する。

近年のインターネット需要の爆発的な増加に伴い、光通信／光伝送において超高速化と大容量化への取り組みが活発化している。なかでも、４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光ファイバ伝送システムやデータコム、例えば、２５Ｇｂ／ｓの信号を波長多重で４波長束ねた１００ギガビット・イーサネット（登録商標）向けに２５Ｇｂ／ｓ以上の直接変調が可能な半導体レーザが求められている。この高速な直接変調が可能な半導体レーザとして分布帰還型（ＤＦＢ）レーザが期待されている。

基本的に、半導体レーザにおいては、活性層の体積をできるだけ小さくすることによって緩和振動周波数の値が大きくなり、直接変調可能なビット・レートが上昇する。実際、ＮａｋａｈａｒａらはＤＦＢレーザの共振器長を１００μｍと短くすることで室温にて４０Ｇｂ／ｓ変調が可能となることを示している（例えば、非特許文献１参照）。

図５７は、従来のＤＦＢレーザの概念的断面図であり、ｎ型基板５０１の表面に回折格子５０２を形成し、この回折格子５０２を埋め込むように埋込層５０３を形成し、その上に活性層５０４、ｐ型クラッド層５０５及びｐ型コンタクト層５０６を堆積する。ｐ型コンタクト層５０６にｐ側電極５０７を形成するとともに、ｎ型基板５０１の裏面にｎ側電極５０８を形成する。また、前端面には反射防止膜５０９を形成するとともに、後端面には反射率が９０％程度の高反射膜５１０を形成する。

しかしながら、このＤＦＢレーザの共振器構造は位相シフトのない回折格子を用いているため、その単一縦モード発振歩留まりは、後端面での回折格子５０２の位相に強く依存する。そして、回折格子５０２の周期が約２００ｎｍと微細であり、レーザを素子に劈開するときの端面の位置を精密に制御することはほぼ不可能であるため、後端面での位相はランダムにならざるを得ない。したがって、良好な単一縦モード発振が得られる素子の歩留まりを高くすることができない。

この問題を解決する手段として、後端面の反射鏡を高反射膜ではなく、活性領域の回折格子と同じ周期で位相が同期した回折格子を装荷し、電流を注入しない分布反射鏡を用いて活性領域への光帰還を行なうことが提案されている。また、同時に、回折格子にλ／４位相シフトを配置することで単一縦モード発振歩留まりを向上させた分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザがある（特許文献１或いは特許文献２参照）。

図５８は、従来の分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの概念的断面図であり、ｎ型基板５１１に位相シフト領域５１３を備えた回折格子５１２を形成し、この回折格子５１２を埋込層５１４で埋め込む。ＤＦＢ部を形成する活性領域には活性層５１５を形成するとともに、ＤＢＲ部には光ガイド層５１６を形成し、その上に、ｐ型クラッド層５１７を形成し、ＤＦＢ部にはｐ型コンタクト層５１８を形成する。

ｐ型コンタクト層５１８にｐ側電極５１９を形成するとともに、ｎ型基板５１１の裏面にｎ側電極５２０を形成し、両方の端面に反射防止膜５２１，５２２を形成する。この場合、位相シフト領域５１３は、ＤＦＢ部とＤＢＲ部の境界に形成されている。

特公平０７−０７０７８５号公報特開２００２−３５３５５９号公報

ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ，２００６講演番号ＯＷＣ５

そこで、本発明者は、図５８に示す構造と同等の分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザを作製して特性を検討した。図５９は、本発明者が作製した構造と同等の分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの概念的断面図であり、図５８の分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザとの違いは、位相シフト領域５１３の位置をＤＦＢ部側に設けた点である。

図６０は、作製した分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの発振特性の説明図であり、しきい値近傍でマルチモード発振するとともに、電流注入を増加していくとマルチモード発振、或いはモード跳びが生じてしまうという現象が見られた。そこで、この単一縦モード発振歩留まりの劣化の原因について鋭意検討した。

図６１は、しきい値近傍でのモードホップの説明図である。図６１（ａ）に示すように、注入電流なしの状態では、ブラッグ波長がＤＢＲ部の反射スペクトルの範囲内にあるとする。図６１（ｂ）に示すように、活性領域への電子の注入に伴うプラズマ効果のため活性領域の屈折率が低下し活性領域のブラッグ波長は短波側にシフトする。しかし、ＤＢＲ領域には電流が注入されないので反射スペクトル（反射波長帯域）は変化せず、ブラッグ波長がＤＢＲの有効反射帯域から外れる。

その結果、ブラッグモードの発振しきい値が増大し、一方、活性領域のストップバンドの長波側のモードがＤＢＲの有効反射帯域に侵入して発振しきい値が低下し、マルチモード発振が生じてしまうことが判った。

図６２は、注入電流をしきい値からさらに増加させた場合のモードホップの説明図である。図６２（ａ）に示すように、発振しきい値において活性領域のストップバンドの長波側のモードで発振しているとする。図６２（ｂ）に示すように、活性領域への電流注入に伴い活性領域の温度が上昇するので活性領域のブラッグ波長は長波側にシフトする。しかし、ＤＢＲ領域には電流が注入されないので反射スペクトルは変化せず、ブラッグ波長がＤＢＲの有効反射帯域から外れる。

その結果、ブラッグモードの発振しきい値が増大し、一方、活性領域のストップバンドの短波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振しきい値が低下し、マルチモード発振が生じてしまうことが判った。

したがって、単一縦モード発振歩留まりの向上のためには、活性領域への電流注入に伴う活性領域の屈折率の低下が生じたとしても、副モードの発振しきい値が低下して発振に至らないようにする必要がある。また、さらに、活性領域への電流注入に伴う活性領域の温度上昇による活性領域のブラッグ波長の長波化が生じてもＤＢＲの有効反射帯域から外れない、即ち、ＤＢＲの有効反射帯域を拡大する必要がある。

ＤＢＲの有効反射帯域はほぼＤＢＲ領域の長さに反比例するため、ＤＢＲ領域長を短くすれば有効反射帯域は拡大する。しかし、図６３に示すように、ＤＢＲ領域の長さを半分にすると反射率が半分以下に低下するため、レーザの発振しきい値の上昇を招くことになる。

この問題を解決するために、本発明者は図６４に示す構造を特許出願している。図６４は、本発明者の先行発明による分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの概念的断面図であり、図５９に示した分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザに比べてＤＢＲ領域における回折格子５２３の周期を共振器方向に沿って変化させている。即ち、チャープしている回折格子５２３を用いている。

図６５は、先行発明の発振特性の説明図である。図６５（ａ）はＤＢＲ部の反射スペクトルの説明図であり、チャープ回折格子を用いることにより、回折格子周期以外は従来の回折格子構造を用いたままで、大幅な反射率の低下なしに分布反射鏡領域の有効反射帯域を拡大することが可能となる。

図６５（ｂ）は発振モードの説明図であり、活性領域への電流注入に伴う活性領域の温度上昇による活性領域のブラッグ波長の長波化やしきい値までのプラズマ効果による活性領域のブラッグ波長の短波化が生じても分布反射鏡の有効反射帯域から外れない。その結果、マルチモード発振およびモード跳びを抑制し良好な単一縦モード発振を維持することが可能となる。

しかしながら、活性領域の中央付近に位相シフト領域５２４が存在することで共振器内を伝搬する光が位相シフト領域５２４の周囲に集中することになる。より高速な動作を目指して活性領域の長さを短くして行くと、活性領域長が短くなるほど同一駆動電流時の電流密度が大きくなる。その結果、キャリア密度上昇に伴う軸方向ホールバーニングの影響により主副モード発振しきい値利得差が減少し単一モード性が劣化する確率が高くなる。

また、活性領域の長さを短くして行くことによるしきい値上昇を抑制するために、光取り出し側の前側分布反射鏡領域を長くすると、活性領域への光帰還量は大きくなるが、このことにより光取り出し効率が低下するという問題がある。

また、位相シフト領域があることは共振器内を伝搬する光が位相シフト領域の周囲に集中し端面からの光取り出し効率が減少することをも意味し、光ファイバ伝送に必要な光出力が得られにくくなるという欠点がある。

したがって、半導体レーザにおいて、位相シフト領域を設けることなく発振モードを安定にして、光取り出し効率を向上することを目的とする。

開示する一観点からは、一定の周期の回折格子を備えた分布帰還型半導体レーザ領域と前記分布帰還型半導体レーザ領域の少なくとも一方の端面側に設けられ、実効的な回折格子周期及び結合係数が共振器方向に沿って変化している回折格子を備えた分布反射鏡領域とを有することを特徴とする半導体レーザが提供される。

開示の半導体レーザによれば、位相シフト領域を設けることなく発振モードを安定にして、光取り出し効率を向上することが可能になる。

本発明の実施の形態の半導体レーザの説明図である。本発明の実施の形態の半導体レーザの分布反射鏡領域の反射特性の説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図４以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図７以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図８以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図９以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図１０以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図１１以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図１２以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの製造工程の図１３以降の説明図である。本発明の実施例１の半導体レーザの特性の説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図１６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図１７以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図１８以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図１９以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２０以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２１以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２２以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２４以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの製造工程の図２７以降の説明図である。本発明の実施例２の半導体レーザの特性の説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３０以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３１以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３２以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３４以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３７以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３８以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図３９以降の途中までの説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの製造工程の図４０以降の説明図である。本発明の実施例３の半導体レーザの特性の説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４４以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４７以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４８以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図４９以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図５０以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図５１以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図５２以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図５３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの製造工程の図５４以降の説明図である。本発明の実施例４の半導体レーザの特性の説明図である。従来のＤＦＢレーザの概念的断面図である。従来の分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの概念的断面図である。本発明者が作製した構造と同等の分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの概念的断面図である。作製した分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの発振特性の説明図である。しきい値近傍でのモードホップの説明図である。注入電流をしきい値からさらに増加させた場合のモードホップの説明図である。ＤＢＲの有効反射帯域の説明図である。本発明者の先行発明による分布反射鏡集積型分布帰還型半導体レーザの概念的断面図である。先行発明の発振特性の説明図である。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の半導体レーザを説明する。図１は、本発明の実施の形態の半導体レーザの説明図であり、図１（ａ）は概念的断面図であり、図１（ｂ）は回折格子周期の分布の説明図であり、図１（ｃ）は回折格子の結合係数の分布の説明図である。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施の形態の半導体レーザは、第１導電型の半導体基板１１に一定の周期の回折格子１２と周期が共振器方向に沿って変化している、即ち、チャープしている回折格子１３を設ける。この場合のチャープしている回折格子１３は、物理的に周期を変化させたものでも良いし、実効的に周期が変化したものでも良い。実効的に周期を変化させる場合には、回折格子１３を設ける半導体層の屈折率を徐々に変化させても良いし、或いは、一定に周期の回折格子に対して屈曲した導波路を用いても良い。

この回折格子を埋め込むように、埋込層１４を設けた後、一定周期の回折格子１２の上に活性層１５を設けるとともに、チャープしている回折格子１３の上に光ガイド層１６を設ける。次いで、全面に反対導電型のクラッド層１７を設け、活性層１５に対応する領域にのみ反対導電型のコンタクト層１８を設け、コンタクト層１８に一方の極性の電極１９を形成するとともに、半導体基板の裏面に逆極性の電極２０を形成する。また、両方の出射端面には無反射コーティング２１，２２を設ける。

この場合、一定の周期の回折格子１２を設けた領域が分布帰還型半導体レーザ領域となり、チャープした回折格子１３を設けた領域が分布反射鏡領域となり、分布反射鏡領域には電流が流れない構造となる。

図１（ｂ）に示すように、回折格子の周期は分布帰還型半導体レーザ領域では一定の周期となり、分布反射鏡領域では、チャープした周期になっている。なお、ここでは、直線的な変化ではなく、分布帰還型半導体レーザ領域と分布反射鏡領域との界面からの距離の平方根的な変化をするように形成している。

図１（ｃ）に示すように、回折格子の結合係数は、分布帰還型半導体レーザ領域では一定となり、分布反射鏡領域では、分布帰還型半導体レーザ領域と分布反射鏡領域との界面からの距離の平方根的な変化をするように形成している。このような関数形を採用することにより、計算的に非対称構造にすることが容易であり、マージンを大きくすることができる。

図２は、本発明の実施の形態の半導体レーザの分布反射鏡領域の反射特性の説明図であり、図２（ａ）は、本発明の実施の形態の半導体レーザの分布反射鏡領域の反射特性であり、図２（ｂ）は先行発明の分布反射鏡領域の反射特性である。図２（ａ）に示すように、本発明の実施の形態においては、常に長波長側のモードがより大きな反射を受ける。その結果、活性領域に位相シフトがない場合においても、活性領域への電流注入に伴う活性領域の温度上昇による活性領域のブラッグ波長の長波化が生じても常にストップバンドの長波側のモードが大きな反射帰還を得ることになる。よって、マルチモード発振およびモードホップを抑制し良好な単一縦モード発振を維持することが可能となる。一方、図２（ｂ）に示した先行発明の場合にはチャープ回折格子により反射スペクトルの帯域は広がるが反射率がほぼ同じであるので、モードが競合することになる。

また、同様に、しきい値までのプラズマ効果による短波化が生じても長波側のモードが常に大きな反射帰還を得るため、良好な単一縦モード発振を維持することが可能となる。さらに、位相シフトがある場合に比べて活性領域を短くして活性領域内のキャリア密度が増大しても軸方向ホールバーニングが生じにくいため、発振モード安定性が確保される。また、位相シフトがある場合に比べて光取り出し効率が増大するため、伝送距離の延伸を図ることができる。

次に、図３乃至図１５を参照して、本発明の実施例１の半導体レーザを説明する。図３（ａ）に示すように、まず（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが１２０ｎｍのＳｉＯ_２膜１０２を堆積したのち、全面に電子ビームレジスト（日本ゼオン製商品型番ＺＥＰ５２０）を塗布する。次いで、電子ビーム露光法により回折格子パターンを露光し、現像することによってレジストパターン１０３を形成する。

この回折格子パターンにおいては、個々の素子の活性領域長は７５μｍで、それに連続して前端面側に領域長５０μｍ、後端面側に領域長１２５μｍの分布反射鏡領域の回折格子がパターニングされている。ここで、活性領域と前側分布反射鏡領域の回折格子周期は１９９．０ｎｍで一定である。一方、後側分布反射鏡領域の回折格子周期は活性領域との界面で１９９．０ｎｍ、後端面では回折格子周期が２０１．８７ｎｍの値をとるように、活性領域との界面からの距離の平方根に比例して回折格子周期が変化している。

次いで、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン１０３をマスクとしてＣＦ_４ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングを行うことにより、ＳｉＯ_２膜１０２に回折格子パターンを転写する。次いで、図４（ｃ）に示すように、レジストパターン１０３を除去するとＳｉＯ_２パターン１０４が表われる。

次いで、図４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２パターン１０４をマスクとしてエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングを行うことによって、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面に回折格子パターンを転写して回折格子１０５を形成する。この時の回折格子１０５の深さは１１８ｎｍである。

次いで、図５（ｅ）に示すように、全面にポジ型のフォトレジスト（東京応化製商品型番ＯＦＰＲ８６００）１０６_１を厚さが７００ｎｍになるように塗布する。次いで、図５（ｆ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側の１２．５μｍ幅に亘って回折格子１０５と平行に開口部１０７_１を形成する。

次いで、図６（ｇ）に示すように、露出したＳｉＯ_２パターン１０４をマスクとしてエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）を行うことによって、回折格子１０５を追加で４.５ｎｍエッチングして掘り下げる。次いで、図６（ｈ）に示すように、フォトレジスト１０６_１を除去することによって再びＳｉＯ_２パターン１０４が表われる。

次いで、図７（ｉ）に示すように、再び、全面にポジ型のフォトレジスト（東京応化製商品型番ＯＦＰＲ８６００）１０６_２を厚さが７００ｎｍになるように塗布する。次いで、図７（ｊ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側の２５μｍ幅に亘って回折格子１０５と平行に開口部１０７_２を形成する。

次いで、図８（ｋ）に示すように、露出したＳｉＯ_２パターン１０４をマスクとしてエタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチングを行うことによって、露出している回折格子１０５を追加で４.５ｎｍエッチングして掘り下げる。次いで、図８（ｌ）に示すように、フォトレジスト１０６_２を除去することによって再びＳｉＯ_２パターン１０４が表われる。

次いで、図９（ｍ）に示すように、図５（ｅ）乃至図６（ｈ）の工程を、開口部の幅が随時１２．５μm づつ広くなるように繰り返し行う。この時、活性領域との境界から後端面側に向かって、回折格子１０５の深さが活性領域との境界からの距離の平方根に比例して深くなるように形成する。なお、図８（ｋ）までとそれに続く２回の計４回の追加エッチング深さは夫々４．５ｎｍで、それ以降の追加エッチング深さは２ｎｍとする。そして、ＳｉＯ_２パターン１０４を除去することによって、図９（ｎ）に示す構造が得られる。

次いで、図１０（ｏ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、組成波長１．２０μｍ、厚さ２００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層１０８を堆積する。引き続いて、厚さが２０ｎｍのｎ型ＩｎＰ層１０９、量子井戸活性層１１０及び厚さが２５０ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層１１１を順次堆積する。この場合の量子井戸活性層１１０は、厚さ６ｎｍ、圧縮歪量１．２％のｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と組成波長１．０５μｍ、厚さが１０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層をｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層の層数が１５層になるように交互に堆積する。

これらの井戸層／バリア層は波長１．０５μｍ、厚さが２０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓＳＣＨ（ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層で挟まれており、その発光波長は１３１０ｎｍである。

次いで、図１０（ｐ）に示すように、通常の化学気相堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、全面に厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜１１２を堆積する。

次いで、図１１（ｑ）に示すように、通常のフォトリソグラフィを用いて、活性領域となるべき部分を覆うようにエッチングしてＳｉＯ_２マスク１１３を形成する。次いで、図１１（ｒ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１１３をマスクとして、エッチングによりｐ型ＩｎＰクラッド層１１１及び量子井戸活性層１１０を除去してｎ型ＩｎＰ層１０９を露出させる。

次いで、図１２（ｓ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１１３を選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．２μｍ、厚さが２４０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層１１４及び厚さが２５０ｎｍのｉ型ＩｎＰ層１１５を順次堆積する。

次いで、図１２（ｔ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１１３を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて全面に、厚さが２．５μｍでＺｎドープのｐ型ＩｎＰクラッド層１１６及び厚さが３００ｎｍでＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１７を堆積する。

次いで、図１３（ｕ）に示すように、通常のＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させた後、通常のフォトリソグラフィを用いて幅が１.３μｍのストライプ状のＳｉＯ_２マスク１１８を形成する。

次いで、図１３（ｖ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１１８をマスクとして、ドライエッチング法を用いて半導体表面をエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板１０１を０．７μｍだけ掘り込んでストライプ状メサを形成する。

次いで、図１４（ｗ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１１８を選択成長マスクとして用いて、ＭＯＶＰＥ法によってストライプ状メサの両脇に、Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層１１９を形成する。

次いで、図１４（ｘ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１１８をふっ酸で除去したのち、活性領域となる領域以外のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１７を通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて除去する。次いで、ＳｉＯ_２膜からなるパッシベーション膜１２０を形成し、活性領域のコンタクト層の部分のみに窓を開けるように通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて開口部を形成する。

次いで、開口部を覆うようにｐ側電極１２１を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の裏面にｎ側電極１２２を形成する。最後に、素子の両端面に無反射コート１２３，１２４を形成することで、本発明の実施例１の半導体レーザが完成する。

図１５は、本発明の実施例１の半導体レーザの特性の説明図であり、図１５（ａ）は、図１４（ｘ）におけるＡ―Ａ’およびＢ―Ｂ’に沿った断面図である。図１５（ｂ）は、共振器方向の回折格子周期ならびに結合係数の説明図であり、図１５（ｃ）は後側分布反射領域の反射スペクトルの説明図である。

図１５（ｂ）に示すように、回折格子周期は大きくなるにしたがって、結合係数が大きくなっている。また、図１５（ｃ）に示すように、波長が１３０３ｎｍから１３１５ｎｍに亘って長波になるほど反射率が高くなっていることがわかる。

この本発明の実施例１の半導体レーザにおいては、しきい値でのモード跳びもなく、安定した単一縦モード動作が可能になる。

次に、図１６乃至図２９を参照して、本発明の実施例２の半導体レーザを説明する。図１６（ａ）に示すように、まず（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて組成波長１．３０５μｍ、厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_１を堆積する。次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて基板全面に厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜２０３_１を堆積する。

次いで、図１６（ｂ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側９０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜２０３_１を除去してＳｉＯ_２マスク２０４_１を形成する。次いで、図１７（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_１をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_１の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板２０１を露出させる。

次いで、図１７（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_１を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３２μｍ、厚さが１００ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_２を堆積する。

次いで、図１８（ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_１を除去したのち、再び基板表面全面にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、４００ｎｍのＳｉＯ_２膜２０３_２を堆積する。次いで、図１８（ｆ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側８０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜２０３_２を除去してＳｉＯ_２マスク２０４_２を形成する。

次いで、図１９（ｇ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_２をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_２の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板２０１を露出させる。次いで、図１９（ｈ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_２を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３３３μｍ、厚さが１００ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_３を堆積する。

次いで、図２０（ｉ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_２を除去したのち、再び基板表面全面にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、４００ｎｍのＳｉＯ_２膜２０３_３を堆積する。次いで、図２０（ｊ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側７０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜２０３_３を除去してＳｉＯ_２マスク２０４_３を形成する。

次いで、図２１（ｋ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_３をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_３の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板２０１を露出させる。次いで、図２１（ｌ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２０４_３を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３４５μｍ、厚さが１００ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_４を堆積する。

これらの工程を除去部の幅を１０μｍづつ狭め、且つ、選択成長で埋め込まれるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_５〜２０２_１０の組成波長を順次長波化することで図２２（ｍ）に示す構造が得られる。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_５〜２０２_１０の組成波長はそれぞれ１．３５８μｍ、１．３６５μｍ、１．３７２μｍ、１．３７８μｍ、１．３８４μｍ及び１．３９２μｍである。

次いで、図２２（ｎ）に示すように、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて、全面に厚さが２０ｎｍのｎ型ＩｎＰ層２０５を堆積する。次いで、全面に電子ビームレジスト（日本ゼオン製商品型番ＺＥＰ５２０）を塗布し、電子ビーム露光法により回折格子パターンを露光したのち、現像することによってレジストパターン２０６を形成する。

この回折格子においては、個々の素子の活性領域長は１２５μｍで、それに連続して前端面となる位置側には領域長２５μｍの分布反射鏡領域の回折格子が、後端面となる位置側には領域長１００μｍの分布反射鏡領域の回折格子がパターニングされている。ここで、活性領域と前端面側の分布反射領域の回折格子周期は２３９．０ｎｍで一定である。一方、後側の分布反射鏡領域の回折格子周期は活性領域との界面からの距離の平方根に比例する形で活性領域との界面で２３９．０ｎｍ、後端面では回折格子周期が２４２．５８ｎｍの値をとるように回折格子周期が変化している。

次いで、図２３（ｐ）に示すように、レジストパターン２０６をマスクとしてエタン／水素混合ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層２０２_１〜２０２_１０を貫通し、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の表面を１５ｎｍ掘る深さまで回折格子パターンを転写する。このときのトータルのエッチングの深さは１３５ｎｍとなる。

次いで、レジストパターン２０６を除去することによって、図２４（ｑ）に示す回折格子２０７が表われる。次いで、図２４（ｒ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ型ＩｎＰ層２０８によって回折格子２０７を被覆する。引き続いて、量子井戸活性層２０９及び厚さが２５０ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２１０を順次堆積する。この場合の量子井戸活性層２０９は、厚さ５.１ｎｍ、圧縮歪量１．２％のｉ型ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と組成波長１．２０μｍ、厚さが１０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰバリア層をｉ型ＩｎＧａＡｓＰ井戸層の層数が１５層になるように交互に堆積する。

これらの井戸層／バリア層は波長１．１５μｍ、厚さが２０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰＳＣＨ層で挟まれており、その発光波長は１５５０ｎｍである。次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面に厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜２１１を堆積する。

次いで、図２５（ｓ）に示すように、通常のフォトリソグラフィを用いて、活性領域となるべき部分を覆うようにエッチングしてＳｉＯ_２マスク２１２を形成する。次いで、図２５（ｔ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２１２をマスクとして、エッチングによりｐ型ＩｎＰクラッド層２１０及び量子井戸活性層２０９を除去してｎ型ＩｎＰ層２０８を露出させる。

次いで、図２６（ｕ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２１２を選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３５μｍ、厚さが２３０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層２１３及び厚さが２５０ｎｍのｉ型ＩｎＰ層２１４を順次堆積する。

次いで、図２６（ｖ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２１２を除去したのち、ＭＯＶＰＥ法を用いて全面に、厚さが２．５μｍのＺｎドープのｐ型ＩｎＰクラッド層２１５及び厚さが３００ｎｍのＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１６を堆積する。次いで、再び、通常のＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させた後、通常のフォトリソグラフィを用いて幅が１．３μｍのストライプ状のＳｉＯ_２マスク２１７を形成する。

次いで、図２７（ｗ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２１７をマスクとして、ドライエッチング法を用いて半導体表面をエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板２０１を０．７μｍだけ掘り込んでストライプ状メサを形成する。

次いで、図２７（ｘ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２１７を選択成長マスクとして用いて、ＭＯＶＰＥ法によってストライプ状メサの両脇に、Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層２１８を形成する。

次いで、図２８（ｙ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２１７をふっ酸で除去したのち、活性領域となる領域以外のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１６を通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて除去する。次いで、ＳｉＯ_２膜からなるパッシベーション膜２１９を形成し、活性領域のコンタクト層の部分のみに窓を開けるように通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて開口部を形成する。

次いで、開口部を覆うようにｐ側電極２２０を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の裏面にｎ側電極２２１を形成する。最後に、素子の両端面に無反射コート２２２，２２３を形成することで、本発明の実施例２の半導体レーザが完成する。

図２９は、本発明の実施例２の半導体レーザの特性の説明図であり、図２９（ａ）は、図２８（ｙ）におけるＡ―Ａ’およびＢ―Ｂ’に沿った断面図である。図２９（ｂ）は、共振器方向の回折格子周期ならびに結合係数の説明図であり、図２９（ｃ）は後側分布反射領域の反射スペクトルの説明図である。

図２９（ｂ）に示すように、回折格子周期は大きくなるにしたがって、結合係数が大きくなっている。また、図２９（ｃ）に示すように、波長が１５４３ｎｍから１５５５ｎｍに亘って長波になるほど反射率が高くなっていることがわかる。

この本発明の実施例２の半導体レーザにおいては、しきい値でのモード跳びもなく、安定した単一縦モード動作が可能になる。

次に、図３０乃至図４２を参照して、本発明の実施例３の半導体レーザを説明する。図３０（ａ）に示すように、まず（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板３０１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて組成波長１．１５μｍ、厚さ１５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_１を堆積する。次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて基板全面に厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜３０３_１を堆積する。

次いで、図３０（ｂ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側９０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜３０３_１を除去してＳｉＯ_２マスク３０４_１を形成する。次いで、図３１（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_１をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_１の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板３０１を露出させる。

次いで、図３１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_１を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．１５５μｍ、厚さが１５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_２を堆積する。

次いで、図３２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_１を除去したのち、再び基板表面全面にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、４００ｎｍのＳｉＯ_２膜３０３_２を堆積する。次いで、図３２（ｆ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側８０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜３０３_２を除去してＳｉＯ_２マスク３０４_２を形成する。

次いで、図３３（ｇ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_２をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_２の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板３０１を露出させる。次いで、図３３（ｈ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_２を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．１６μｍ、厚さが１５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_３を堆積する。

次いで、図３４（ｉ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_２を除去したのち、再び基板表面全面にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さが、１２０ｎｍのＳｉＯ_２膜３０３_３を堆積する。次いで、図３４（ｊ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側７０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜３０３_３を除去してＳｉＯ_２マスク３０４_３を形成する。

次いで、図３５（ｋ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_３をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_３の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板３０１を露出させる。次いで、図３５（ｌ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３０４_３を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．１６５μｍ、厚さが１５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_４を堆積する。

これらの工程を除去部の幅を１０μｍづつ狭め、且つ、選択成長で埋め込まれるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_５〜３０２_１０の組成波長を順次長波化することで図３６（ｍ）に示す構造が得られる。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_５〜３０２_１０の組成波長はそれぞれ１．１７μｍ、１．１７３μｍ、１．１７６μｍ、１．１７９μｍ、１．１８２μｍ及び１．１８５μｍである。

次いで、図３６（ｎ）に示すように、全面に電子ビームレジスト（日本ゼオン製商品型番ＺＥＰ５２０）を塗布し、電子ビーム露光法により回折格子パターンを露光したのち、現像することによってレジストパターン３０５を形成する。

この回折格子においては、個々の素子の活性領域長は１２５μｍで、それに連続して前端面となる位置側には領域長２５μｍの分布反射鏡領域の回折格子が、後端面となる位置側には領域長１００μｍの分布反射鏡領域の回折格子がパターニングされている。ここで、活性領域と前端面側の分布反射領域の回折格子周期は１９９．０ｎｍで一定である。一方、後側の分布反射鏡領域の回折格子周期は活性領域との界面からの距離の平方根に比例する形で活性領域との界面で１９９．０ｎｍ、後端面では回折格子周期が２０１．８７ｎｍの値をとるように回折格子周期が変化している。

次いで、図３７（ｏ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとしてエタン／水素混合ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層３０２_１〜３０２_１０を１２５ｎｍ掘る深さまで回折格子パターンを転写する。

次いで、図３７（ｐ）に示すように、レジストパターン３０５を除去したのち、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ型ＩｎＰ層３０７によって回折格子３０６を被覆する。引き続いて、量子井戸活性層３０８及び厚さが２５０ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０９を順次堆積する。この場合の量子井戸活性層３０８は、厚さ４．８ｎｍ、圧縮歪量１．２％のｉ型ＩｎＧａＡｓＰ井戸層と組成波長１．１０μｍ、厚さが１０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰバリア層をｉ型ＩｎＧａＡｓＰ井戸層の層数が１２層になるように交互に堆積する。

これらの井戸層／バリア層は波長１．１μｍ、厚さが２０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰＳＣＨ層で挟まれており、その発光波長は１３０５ｎｍである。次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面に厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜３１０を堆積する。

次いで、図３８（ｑ）に示すように、通常のフォトリソグラフィを用いて、活性領域となるべき部分を覆うようにエッチングしてＳｉＯ_２マスク３１１を形成する。次いで、図３８（ｒ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３１１をマスクとして、エッチングによりｐ型ＩｎＰクラッド層３０９及び量子井戸活性層３０８を除去してｎ型ＩｎＰ層３０７を露出させる。

次いで、図３９（ｓ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３１１を選択成長マスクとして、ＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．１５μｍ、厚さが２００ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層３１２及び厚さが２００ｎｍのｉ型ＩｎＰ層３１３を順次堆積する。

次いで、図３９（ｔ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３１１を除去したのち、ＭＯＶＰＥ法を用いて全面に、厚さが２．５μｍのＺｎドープのｐ型ＩｎＰクラッド層３１４及び厚さが３００ｎｍのＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３１５を堆積する。次いで、再び、通常のＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させた後、通常のフォトリソグラフィを用いて幅が１．３μｍのストライプ状のＳｉＯ_２マスク３１６を形成する。

次いで、図４０（ｕ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３１６をマスクとして、ドライエッチング法を用いて半導体表面をエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板３０１を０．７μｍだけ掘り込んでストライプ状メサを形成する。

次いで、図４０（ｖ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３１６を選択成長マスクとして用いて、ＭＯＶＰＥ法によってストライプ状メサの両脇に、Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層３１７を形成する。

次いで、図４１（ｗ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク３１６をふっ酸で除去したのち、活性領域となる領域以外のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３１５を通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて除去する。次いで、ＳｉＯ_２膜からなるパッシベーション膜３１８を形成し、活性領域のコンタクト層の部分のみに窓を開けるように通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて開口部を形成する。

次いで、開口部を覆うようにｐ側電極３１９を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板３０１の裏面にｎ側電極３２０を形成する。最後に、素子の両端面に無反射コート３２１，３２２を形成することで、本発明の実施例３の半導体レーザが完成する。

図４２は、本発明の実施例３の半導体レーザの特性の説明図であり、図４２（ａ）は、図４１（ｗ）におけるＡ―Ａ’およびＢ―Ｂ’に沿った断面図である。図４２（ｂ）は、共振器方向の回折格子周期ならびに結合係数の説明図であり、図４２（ｃ）は後側分布反射領域の反射スペクトルの説明図である。

図４２（ｂ）に示すように、回折格子周期が大きくなるにしたがって、結合係数は大きくなっている。また、図４２（ｃ）に示すように、波長が１３０３ｎｍから１３１５ｎｍに亘って長波になるほど反射率が高くなっていることがわかる。

この本発明の実施例３の半導体レーザにおいては、しきい値でのモード跳びもなく、安定した単一縦モード動作が可能になる。

次に、図４３乃至図５５を参照して、本発明の実施例４の半導体レーザを説明する。図４３（ａ）に示すように、まず（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板４０１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて量子井戸活性層４０２及び厚さが２０ｎｍのｐ型ＩｎＰ層４０３を順次堆積する。この場合の量子井戸活性層４０２は、厚さ５．１ｎｍ、圧縮歪量１．２％のｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と組成波長１．２０μｍ、厚さが１０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層をｉ型ＩｎＧａＡｓＰ井戸層の層数が１２層になるように交互に堆積する。

これらの井戸層／バリア層は波長１．１５μｍ、厚さが２０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓＳＣＨ層で挟まれており、その発光波長は１５５５ｎｍである。次いで、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面に厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜４０４を堆積する。

次いで、図４３（ｂ）に示すように、通常のフォトリソ工程により活性領域を覆うように、ＳｉＯ_２膜４０４を除去してＳｉＯ_２マスク４０５を形成する。次いで、図４４（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４０５をマスクとしてｐ型ＩｎＰ層４０３及び量子井戸活性層４０２の露出部をエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板４０１を露出させる。

次いで、図４４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４０５を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．３５μｍ、厚さが２００ｎｍのｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層４０６及び厚さが２０ｎｍのｉ型ＩｎＰ層４０７を順次堆積する。

次いで、図４５（ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４０５を除去したのち、再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．２５μｍ、厚さが１５０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_１を堆積する。次いで、通常のＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜４０９_１を堆積する。

次いで、図４５（ｆ）に示すように、通常のフォトリソ工程により後端面側９０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜４０９_１を除去してＳｉＯ_２マスク４１０_１を形成する。

次いで、図４６（ｇ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_１をマスクとしてｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_１の露出部をエッチングしてｉ型ＩｎＰ層４０７を露出させる。次いで、図４６（ｈ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_１を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．２６μｍ、厚さが１５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_２を堆積する。

次いで、図４７（ｉ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_１を除去したのち、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積し、通常のフォトリソ工程により後端面側８０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜を除去してＳｉＯ_２マスク４１０_２を形成する。

次いで、図４７（ｊ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_２をマスクとしてｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_２の露出部をエッチングしてｉ型ＩｎＰ層４０７を露出させる。次いで、図４８（ｋ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_２を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．２７μｍ、厚さが１５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_３を堆積する。

次いで、図４８（ｌ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_２を除去したのち、再び、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積し、通常のフォトリソ工程により後端面側７０μｍ幅に亘ってＳｉＯ_２膜を除去してＳｉＯ_２マスク４１０_３を形成する。

次いで、図４９（ｍ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_３をマスクとしてｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_３の露出部をエッチングしてｉ型ＩｎＰ層４０７を露出させる。次いで、図４９（ｎ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１０_３を選択成長マスクとして再びＭＯＶＰＥ法により、組成波長１．２８μｍ、厚さが１５０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_４を堆積する。

これらの工程を除去部の幅を１０μｍづつ狭め、且つ、選択成長で埋め込まれるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_５〜４０８_１０の組成波長を順次長波化することで図５０（ｏ）に示す構造が得られる。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_５〜４０８_１０の組成波長はそれぞれ１．２９μｍ、１．２９５μｍ、１．３μｍ、１．３０５μｍ、１．３１μｍ及び１．３１５μｍである。

次いで、図５０（ｐ）に示すように、全面に電子ビームレジスト（日本ゼオン製商品型番ＺＥＰ５２０）を塗布し、電子ビーム露光法により回折格子パターンを露光したのち、現像することによってレジストパターン４１１を形成する。回折格子パターンの周期は２３９．０ｎｍで一定である。

次いで、図５１（ｑ）に示すように、レジストパターン４１１をマスクとしてエタン／水素混合ガスによるＲＩＥ法を用いて、ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０８_１〜４０８_１０を１２５ｎｍ掘る深さまで回折格子パターンを転写する。

次いで、図５１（ｒ）に示すように、レジストパターン４１１を除去したのち、ＭＯＶＰＥ法を用いて、厚さが３μのＺｎドープのｐ型ＩｎＰクラッド層４１３で回折格子４１２を埋め込む。引き続いて、厚さが３００ｎｍのＺｎドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４１４を堆積する。

次いで、図５２（ｓ）に示すように、再び、通常のＣＶＤ法を用いて厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させた後、通常のフォトリソグラフィを用いて幅が１．５μｍのストライプ状の屈曲したＳｉＯ_２マスク４１５を形成する。

ここで、ＳｉＯ_２マスク４１５の形状は、図５３（ｔ）乃至図５３（ｖ）に示すように活性領域と後ろ側分布反射領域の境界の位置から緩やかに曲線を描く。その接線角度をθとするとき、位置ｘにおける回折格子周期Λ（ｘ）は元々の回折格子周期Λ_０とθを用いて、等価的にΛ（ｘ）＝Λ_０／ｃｏｓθと表わされる。ここでは、位置ｘに対して２３９．０ｎｍから２４２．５８ｎｍへと、活性領域との境界位置からｘの増大に伴い（ｘ−１５０）^１／２にほぼ比例して変化するように導波路の曲率が設計されている。なお、図５３（ｕ）は、図５３（ｔ）に示す円内の拡大図であり、図５３（ｖ）は、光の導波方向に沿った回折格子の周期の分布の説明図である。

次いで、図５４（ｗ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１５をマスクとして、ドライエッチング法を用いて半導体表面をエッチングし、ｎ型ＩｎＰ基板４０１を０．７μｍだけ掘り込んでストライプ状メサを形成する。

次いで、図５４（ｘ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１５を選択成長マスクとして用いて、ＭＯＶＰＥ法によってストライプ状メサの両脇に、Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層４１６を形成する。

次いで、図５５（ｙ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク４１５をふっ酸で除去したのち、活性領域となる領域以外のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４１４を通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて除去する。次いで、ＳｉＯ_２膜からなるパッシベーション膜４１７を形成し、活性領域のコンタクト層の部分のみに窓を開けるように通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いて開口部を形成する。

次いで、開口部を覆うようにｐ側電極４１８を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板４０１の裏面にｎ側電極４１９を形成する。最後に、素子の両端面に無反射コート４２０，４２１を形成することで、本発明の実施例４の半導体レーザが完成する。

図５６は、本発明の実施例４の半導体レーザの特性の説明図であり、図５６（ａ）は、図５５（ｙ）におけるＡ―Ａ’およびＢ―Ｂ’に沿った断面図である。図５６（ｂ）は、共振器方向の回折格子周期ならびに結合係数の説明図であり、図５６（ｃ）は後側分布反射領域の反射スペクトルの説明図である。

図５５（ｂ）に示すように、回折格子周期が大きくなるにしたがって、結合係数は大きくなっている。また、図５５（ｃ）に示すように、波長が１５４３ｎｍから１５５５ｎｍに亘って長波になるほど反射率が高くなっていることがわかる。

この本発明の実施例４の半導体レーザにおいては、しきい値でのモード跳びもなく、安定した単一縦モード動作が可能になる。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は実施例に示した材料、形状、数値等の各種条件に限定されるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、上記の各実施例においては、量子井戸活性層を構成する材料系として、実施例１及び実施例４ではＡｌＧａＩｎＡｓ系を用い、実施例２及び実施例３ではＩｎＧａＡｓＰ系を用いているが、それぞれの実施例において互いに逆の材料系を用いても良い。

また、上記の各実施例においては、活性層を量子井戸活性層で形成しているが、バルク半導体で形成しても良い。また、上記の各実施例においては、ＤＦＢ領域の両側にＤＢＲ部を設けているが、図１（ａ）の実施の形態に示したように、前方端面側のＤＢＲ部はなくても良いものである。

また、上記の各実施例に示した回折格子周期や結合係数の値の光導波方向に沿った変化の度合は単なる一例であり、分布反射鏡の反射率が５０％以上となる波長領域において、５０％となる長短両方の波長の中心波長に対して、その反射率の変化が波長に対して非対称であるとともに、最大反射率をとる波長が長波側にあり、且つ、前記最大反射率をとる波長から短波側へと緩やかに反射率が小さくなる値をとるという条件を満たしていれば良い。

また、上記の各実施例においては、基板としてｎ型基板を用いているが、ｐ型基板を用いても良いものであり、その場合には、実施例で示した導電型を全て反転させれば良い。さらには、半絶縁性の基板、例えば、シリコン基板の上に貼り合わせの方法で作製したIII-Ｖ族化合物半導体基板を用いても良いものである。

また、上記の各実施例においては、素子構造としてＦｅドープ半絶縁性埋込層を用いた電流狭窄埋込構造を採用しているが、埋込層としてｐｎｐｎサイリスタ構造の電流狭窄構造を適用しても良い。さらには、電流狭窄構造は埋込構造に限られるものではなく、リッジ型導波路など、他の導波路構造を採用しても良い。

また、回折格子の構造に関しても実施例１、実施例２及び実施例４では表面回折格子構造を採用しているが、実施例２と同様に埋め込み型の回折格子構造を適用しても良いし、その逆でも構わない。また、さらに、実施例１乃至実施例３では活性層に対して基板側に回折格子構造を装荷しているが、実施例４のように基板と反対側に回折格子を装荷しても良いし、その逆の場合でも良い。

また、上記の各実施例においては、活性領域と分布反射鏡領域の結合係数の値は同じとしているが、素子設計によっては異なっていても何ら構わない。また、上記の各実施例においては、回折格子周期が変化している分布反射鏡領域の回折格子周期の活性領域側の回折格子周期は活性領域の回折格子の周期と同じ値から始まっているが、活性領域の回折格子周期よりも若干短いか長い値から始まっていても良い。但し、その場合には、若干発振しきい値が上昇することになる。

また、回折格子周期が変化している分布反射領域の実効的な回折格子周期の周期変化の関数については、素子の設計によっては実施例で示した関数形状と異なっていても、分布反射鏡の反射率が長波ほど高くなるような関数になっていれば何ら構わない。同様に、実施例４における導波路の曲率変化を示す関数の形状に設計上の自由度があることは明白である。また、実施例においては回折格子の山谷比が５０％の構造を示しているが、素子の設計によってはその山谷比が変化していても構わない。

ここで、実施例１乃至実施例４を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）一定の周期の回折格子を備えた分布帰還型半導体レーザ領域と前記分布帰還型半導体レーザ領域の少なくとも一方の端面側に設けられ、実効的な回折格子周期及び結合係数が共振器方向に沿って変化している回折格子を備えた分布反射鏡領域とを有することを特徴とする半導体レーザ。
（付記２）前記分布反射鏡領域の実効的な回折格子周期が前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って長くなるように、且つ、前記回折格子の結合係数が前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記３）前記分布反射鏡領域の実効的な回折格子周期が、前記分布帰還型半導体レーザ領域に接している位置において前記分布帰還型半導体レーザ領域に設けた回折格子と同じ周期かそれより長い周期から始まっていることを特徴とする付記２に記載の半導体レーザ。
（付記４）前記分布反射鏡領域の回折格子周期が、共振器方向に沿って実際の周期が変化していることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記５）前記分布反射鏡領域の導波路が共振器方向に沿って湾曲していることで、前記分布反射鏡領域の回折格子周期が実効的に変化していることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記６）前記分布反射鏡領域の導波路の湾曲に伴う接線角度が、前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きく変化していることを特徴とする付記５に記載の半導体レーザ。
（付記７）前記分布反射鏡領域の反射率が５０％以上となる波長領域において、５０％となる長短両方の波長の中心波長に対して、その反射率の変化が波長に対して非対称であるとともに、最大反射率をとる波長が長波側にあり、且つ、前記最大反射率をとる波長から短波側へと緩やかに反射率が小さくなる値をとることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記８）前記分布反射鏡領域の回折格子形成層の屈折率が、前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記９）前記分布反射鏡領域の回折格子の高さが、前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って高くなるように変化していることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記１０）前記分布反射鏡領域の回折格子が埋込型回折格子であり、前記埋込型回折格子の屈折率が前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記１１）前記分布帰還型半導体レーザ領域の他方の端面側にも第２の分布反射鏡領域が設けられていることを特徴とする付記１乃至付記１０のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記１２）前記第２の分布反射鏡領域の回折格子の実効的な回折格子周期及び結合係数が共振器方向に沿って変化していることを特徴とする付記１２に記載の半導体レーザ。
（付記１３）
前記第２の分布反射鏡領域の回折格子の周期が、前記分布帰還型半導体レーザ領域に設けた回折格子の周期と同じであることを特徴とする付記１２に記載の半導体レーザ。
（付記１４）両側の出射端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする付記１乃至付記１３のいずれか１に記載の半導体レーザ。

１１半導体基板
１２，１３回折格子
１４埋込層
１５活性層
１６光ガイド層
１７クラッド層
１８コンタクト層
１９，２０電極
２１，２２無反射コーティング
１０１ｎ型ＩｎＰ基板
１０２ＳｉＯ_２膜
１０３レジストパターン
１０４ＳｉＯ_２パターン
１０５回折格子
１０６_１、１０６_２フォトレジスト
１０７_１，１０７_２開口部
１０８ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層
１０９ｎ型ＩｎＰ層
１１０量子井戸活性層
１１１ｐ型ＩｎＰクラッド層
１１２ＳｉＯ_２膜
１１３ＳｉＯ_２マスク
１１４ｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層
１１５ｉ型ＩｎＰ層
１１６ｐ型ＩｎＰクラッド層
１１７ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１８ＳｉＯ_２マスク
１１９Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層
１２０パッシベーション膜
１２１ｐ側電極
１２２ｎ側電極
１２３，１２４無反射コート
２０１ｎ型ＩｎＰ基板
２０２_１〜２０２_１０ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２０３_１〜２０３_３ＳｉＯ_２膜
２０４_１〜２０４_３ＳｉＯ_２マスク
２０５ｎ型ＩｎＰ層
２０６レジストパターン
２０７回折格子
２０８ｎ型ＩｎＰ層
２０９量子井戸活性層
２１０ｐ型ＩｎＰクラッド層
２１１ＳｉＯ_２膜
２１２ＳｉＯ_２マスク
２１３ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
２１４ｉ型ＩｎＰ層
２１５ｐ型ＩｎＰクラッド層
２１６ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２１７ＳｉＯ_２マスク
２１８Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層
２１９パッシベーション膜
２２０ｐ側電極
２２１ｎ側電極
２２２，２２３無反射コート
３０１ｎ型ＩｎＰ基板
３０２_１〜３０２_１０ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
３０３_１〜３０３_３ＳｉＯ_２膜
３０４_１〜３０４_３ＳｉＯ_２マスク
３０５レジストパターン
３０６回折格子
３０７ｎ型ＩｎＰ層
３０８量子井戸活性層
３０９ｐ型ＩｎＰクラッド層
３１０ＳｉＯ_２膜
３１１ＳｉＯ_２マスク
３１２ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ層
３１３ｉ型ＩｎＰ層
３１４ｐ型ＩｎＰクラッド層
３１５ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３１６ＳｉＯ_２マスク
３１７Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層
３１８パッシベーション膜
３１９ｐ側電極
３２０ｎ側電極
３２１，３２２無反射コート
４０１ｎ型ＩｎＰ基板
４０２量子井戸活性層
４０３ｐ型ＩｎＰ層
４０４ＳｉＯ_２膜
４０５ＳｉＯ_２マスク
４０６ｉ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層
４０７ｉ型ＩｎＰ層
４０８_１〜４０８_１０ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
４０９_１ＳｉＯ_２膜
４１０_１〜４１０_３ＳｉＯ_２マスク
４１１レジストパターン
４１２回折格子
４１３ｐ型ＩｎＰクラッド層
４１４ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４１５ＳｉＯ_２マスク
４１６Ｆｅドープｉ型ＩｎＰ埋込層
４１７パッシベーション膜
４１８ｐ側電極
４１９ｎ側電極
４２０，４２１無反射コート
５０１，５１１ｎ型基板
５０２，５１２，５２３回折格子
５０３，５１４埋込層
５０４，５１５活性層
５０５，５１７ｐ型クラッド層
５０６，５１８ｐ型コンタクト層
５０７，５１９ｐ側電極
５０８，５２０ｎ側電極
５０９，５２１，５２２反射防止膜
５１０高反射膜
５１３，５２４位相シフト領域
５１６光ガイド層

Claims

一定の周期の回折格子を備えた分布帰還型半導体レーザ領域と
前記分布帰還型半導体レーザ領域の少なくとも一方の端面側に設けられ、実効的な回折格子周期及び結合係数が共振器方向に沿って変化している回折格子を備えた分布反射鏡領域と
を有することを特徴とする半導体レーザ。
前記分布反射鏡領域の実効的な回折格子周期が前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って長くなるように、且つ、前記回折格子の結合係数が前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記分布反射鏡領域の導波路が共振器方向に沿って湾曲していることで、前記分布反射鏡領域の回折格子周期が実効的に変化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記分布反射鏡領域の回折格子形成層の屈折率が、前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記分布反射鏡領域の回折格子の高さが、前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って高くなるように変化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記分布反射鏡領域の回折格子が埋込型回折格子であり、前記埋込型回折格子の屈折率が前記分布帰還型半導体レーザ領域から遠ざかるに従って大きくなるように変化していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。