JP2982422B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は光ファイバ通信の光源
等に用いられる半導体レーザおよびその製造方法に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】図３は、 Y.Itaya et.al.,Electron.Let
t.,Vol.18,No.23 p.1006(1982)に示された分布帰還型
（ＤＢＦ）半導体レーザ（以下、単に半導体レーザと呼
ぶ）を示す断面図であり、図において、１はｎ−ＩｎＰ
基板、２はｎ−ＩｎＰクラッド層、３はＩｎＧａＡｓＰ
活性層、５０はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、６０は
回折格子、７はｐ−ＩｎＰクラッド層、８はｐ+ −Ｉｎ
ＧａＡｓＰコンタクト層、９はｐ電極、１０はｎ電極、
であり、回折格子層５０のクラッド層７側に凹凸を形成
して回折格子層５０の膜厚を周期的に変化させている。
図４は図３に示す半導体レーザの共振器内光強度の分布
を示す特性図である。
【０００３】次に動作について説明する。従来の半導体
レーザは上記のような構造であり、ｐ電極９とｎ電極１
０の間に順方向バイアスを加えると、ｐ電極９から正孔
が、ｎ電極１０からは電子が注入され、活性層３で再結
合がおこり、発光する。この半導体レーザは屈折率の大
きな活性層３や回折格子層５０を、屈折率の小さなｎ−
ＩｎＰクラッド層２とｐ−ＩｎＰクラッド層７ではさん
だ導波路構造になっているため、発光した光は活性層３
と回折格子層５０内およびその近傍を活性層３に平行な
方向に伝搬する。また回折格子層５０の上に回折格子６
０を形成しているため、回折格子６０の方向に実効的な
屈折率の周期的な変化が生じている。この回折格子６０
の周期を発光した光がブラッグ反射を受ける周期にして
おけば、そのブラッグ反射条件を満たす波長の光のみが
導波路構造のなかで反射を繰返して、レーザ発振する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザは
以上のように構成されているので、光が分布帰還を受け
る割合を示す結合定数が共振器方向に一様であり、共振
器内の光強度分布は図４に示すように中心付近で光強度
がかなり増大した形になり、高出力時にいわゆる軸方向
空間的ホールバーニングが生じ、発振モードが不安定に
なり、狭スペクトル線幅特性が得られない等の問題点が
あった。この発明は、上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、高出力時にも発振モードが安定し
た狭スペクトル線幅の半導体レーザを得ることを目的と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体レ
ーザは、回折格子層を、活性層近傍の活性層より禁制帯
幅の大きい片側クラッド層中に、ストライプ状の凸部が
周期的に平行に並んだ構成にするとともに、この回折格
子層の凸部を半導体多層膜とし、かつ共振器方向で層数
が異なるようにしたものである。さらにこの発明の製造
方法は回折格子層を互いに選択的エッチングができる半
導体層で構成し、一部の半導体層を選択的に除去した
後、所定周期の並列ストライプ溝を形成するものであ
る。
【０００６】
【作用】この発明における半導体レーザは、回折格子が
上述のように形成されているので、共振器方向に結合定
数を変えることができるので、空間的ホールバーニング
を抑制することができる。また、この発明の製造方法で
は、選択的に回折格子多層膜をエッチングするので、所
定の層数の回折格子層を得るのが容易となり、また回折
格子の均一性、再現性も向上する。
【０００７】
【実施例】実施例１．以下この発明の実施例を図によっ
て説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の一
実施例による半導体レーザの製造過程を説明するための
断面図、同図（ｄ）は同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の工
程を経て完成した本発明による半導体レーザの断面図で
ある。図において上述の図３と同一符号は同一または相
当部分を示すものであり、４はｐ−ＩｎＰバリア層であ
りクラッド層７と同一組成の半導体層である。５ａ、５
ｃはｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、５ｂはｐ−ＩｎＰ層であ
り、回折格子層５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５ａ、ｐ−Ｉ
ｎＰ層５ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５ｃの各半導体層か
らなっている。６は回折格子である。図２はこの発明に
よる半導体レーザの共振器内光強度の分布を示す特性図
であり、図４に示した従来の半導体レーザにおける共振
器内光強度の分布を併せて示している。
【０００８】以下、その製造過程を述べることによって
この発明による半導体レーザの構造を説明する。まず、
ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧ
ａＡｓＰ活性層３、ｐ−ＩｎＰバリア層４、ｐ−ＩｎＧ
ａＡｓ層５ａ、ｐ−ＩｎＰ層５ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層
５ｃを順次成長させる。なお、図１（ａ）に示すように
バリア層４の膜厚をｌb 、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５ａ、
５ｃおよびｐ−ＩｎＰ層５ｂの膜厚をそれぞれｌw1、ｌ
w2、ｌs とする。
【０００９】次に、図１（ｂ）に示すように通常のフォ
トリソグラフィー等により共振器中心付近の領域ＩＩに
窓があいたパターンを形成し、領域ＩＩのｐ−ＩｎＧａ
ＡｓＰ層５ｃを、硫酸、過酸化水素水、水からなるエッ
チング液で除去する。このエッチング液はＩｎＰ層をほ
とんどエッチングしないので、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５
ｃのみを再現性よく除去できる。なお、ＩｎＰ層のみを
エッチングする場合は燐酸、塩酸からなるエッチング液
で選択的に除去することができる。
【００１０】さらに、２光束干渉露光法等によって回折
格子パターンを形成後、図１（ｃ）に示すようにＩｎＧ
ａＡｓＰとＩｎＰで選択性のあまりない化学エッチング
等によって深さが（ｌw1＋ｌw2＋ｌs ）以上、（ｌw1＋
ｌs＋ｌb）以下になるようにエッチングを行い分布帰還
用の回折格子６を形成する。
【００１１】さらに、ｐ−ＩｎＰクラッド層７、ｐ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰコンタクト層８を成長させる。このように
すると、ｐ−ＩｎＰバリア層４とｐ−ＩｎＰクラッド層
７は同じ組成であるので、回折格子層５の並列ストライ
プがｐ−ＩｎＰ層中に周期的に並んでおり、領域Ｉでは
回折格子層５すなわち回折格子層５の凸部がｐ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ層５ａ、５ｃおよびｐ−ＩｎＰ層５ｂの３層の
半導体層よりなり、領域ＩＩの回折格子層５すなわち回
折格子層５の凸部はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５ａとｐ−Ｉ
ｎＰ層５ｂの２層からなる。なお本実施例においてはｐ
−ＩｎＰ層５ｂとｐ−ＩｎＰクラッド層７が同一組成で
あるため、領域ＩＩではｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層５ａ１層
だけであるともいえる。しかし、ｐ−ＩｎＰ層５ｂとｐ
−ＩｎＰクラッド層７は一般的には同一組成である必要
はない。さらにｐ電極９、ｎ電極１０を形成することに
より図１（ｄ）に示すように半導体レーザが完成する。
【００１２】次に、動作について説明する。上記のよう
に構成された半導体レーザにおいては、従来の半導体レ
ーザと同様に、ｐ電極９とｎ電極１０の間に順方向バイ
アスを加えると、活性層３にキャリアが注入され再結合
がおこり発光する。この実施例の半導体レーザも従来の
半導体レーザと同様に導波路構造になっているため、発
光した光は活性層３に平行な方向に伝搬する。また光が
回折格子層５まで充分しみだすようにバリア層４の膜厚
ｌb を薄くしておくと、周期的に存在する回折格子層５
のため、光は等価屈折率の周期的変化を感じてブラッグ
反射し、やがてレーザ発振する。ここで、光が分布帰還
を受ける割合を示す結合定数は、主に活性層３と回折格
子６の間の距離と、回折格子６の振幅によって決るが、
この実施例の半導体レーザにおける活性層３と回折格子
６の間の距離はバリア層４の膜厚で決り、領域Ｉ、領域
ＩＩのいずれにおいてもｌb となる。一方、回折格子６
の振幅は回折格子層５すなわち回折格子層５の凸部の多
層膜構成およびその層数で決り、領域ＩではＩｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰの３層構造、領域ＩＩで
はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰの２層構造となっており、領
域Ｉでは結合定数が大きく、領域ＩＩでは結合定数が小
さい構造が得られる。
【００１３】この様な構造にすると、共振器内での光強
度分布が図２の破線で示すようになる。従来の半導体レ
ーザにおいては図２の実線で示すように共振器の中央付
近で光強度がかなり増大しており、高出力時に軸方向空
間的ホールバーニングによるモード不安定性が現れるな
どの問題があった。これを避けるためには、結合定数を
小さくする方法があるが、結合定数を小さくすると分布
帰還を受ける光が少なくなり、発振閾値電流が大きくな
る。一方、この発明による半導体レーザにおいては、光
強度の小さい端面付近では結合定数を大きく、光強度の
大きい中心付近では結合定数を小さくしているので、全
体の分布帰還を受ける光の量は減少させず、かつ中心付
近の光強度の増大を防ぎながら光強度が共振器内で均一
に近くなるようにすることができる。
【００１４】通常、回折格子の周期は０．２μｍ程度、
深さは０．１μｍ程度以下と非常に微細なものであり、
従来の半導体レーザの構造では回折格子の深さを変える
のは非常に困難である。この発明の半導体レーザにおい
ては回折格子のエッチング時には特に何の細工も必要と
せず、一様な深さにエッチングすればよい。
【００１５】実施例２． なお上記実施例においては、回折格子層５の凸部として
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰの３層構造の
ものを示したが、もっと層数を増やした多層膜としても
よい。
【００１６】実施例３． 上記実施例では、結合定数の値を２つの領域で異なるよ
うにしているが、回折格子層５の凸部の層数の制限範囲
内で多数の領域に分割しそれぞれの領域内でそれぞれ異
なる結合定数の値をとるように構成してもよい。
【００１７】実施例４． 上記実施例では、位相の一様な回折格子を用いたものを
示したが、共振器の中央付近で位相を４分の１波長シフ
トした回折格子を用いることによって、いわゆるλ／４
シフト分布帰還型半導体レーザとすることができる。λ
／４シフト分布帰還型半導体レーザでは通常のＤＢＦレ
ーザに比べて共振器中央部における光強度が特に増大し
易い傾向にあり、軸方向空間的ホールバーニングの影響
を受け易いので、本発明の構成を適用することは非常に
有効である。
【００１８】実施例５． 上記実施例では、光強度の小さい端面付近では結合定数
を大きく、光強度の大きい中心付近では結合定数を小さ
くしているが、２つの端面付近の結合定数に差をもたせ
ることによって、結合定数の小さい端面からの光出力を
結合定数の大きい端面からの光出力より大きくすること
ができる。このように結合定数を共振器内で自由に制御
することができるので、半導体レーザの設計自由度が増
大する。
【００１９】実施例６．上記実施例では、半導体レーザ
の結合定数を共振器内で変化させる場合について説明し
たが、同一の半導体ウェハ内の異なる半導体レーザ間で
結合定数が異なるようにすることが可能であり、多品種
を同一工程で製造することができる。
【００２０】実施例７．上記実施例では、活性層３とし
てＩｎＧａＡｓＰ１層のものについて示したが、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層などの多層膜構
造よりなるものについても同様の効果が得られることは
いうまでもない。
【００２１】実施例８．上記実施例では、ＤＢＦレーザ
の場合について説明したが、分布ブラッグ反射型半導体
レーザ、導波路型グレーティングフィルタ、反射型グレ
ーティング偏向素子、などの他の回折格子を用いた素子
に本発明の原理を用いてもよく、上記実施例と同様の効
果が得られる。
【００２２】実施例９．上記実施例では、導電型ｎ−Ｉ
ｎＰ基板を用いた半導体レーザについて説明したが、半
絶縁性ＩｎＰ基板あるいはｐ−ＩｎＰ基板を用いた素子
に適用してもよい。そのほか、ＡｌＧａＩｎＡｓや、Ａ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料など他の材料を使用した素
子に適用できることはいうまでもない。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、回折
格子層を、活性層近傍の活性層より禁制帯幅の大きい片
側のクラッド層中にストライプ状の凸部が周期的に平行
に並んだ構造とするとともに、回折格子層の凸部の少な
くとも一部を半導体多層膜とし、かつ共振器方向で層数
が異なるようにしたので、高出力で狭スペクトル線幅特
性が得られる効果がある。
【００２４】さらに、この発明の製造方法によれば、回
折格子層を互いに選択的にエッチングできる半導体層で
構成し、一部の半導体層を選択的にエッチングしたので
再現性および均一性よく素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザの製造過程を説明す
るための断面図である。
【図２】この発明による半導体レーザの共振器内光強度
分布を示す特性図である。
【図３】従来の分布帰還型半導体レーザの断面図であ
る。
【図４】従来の分布帰還型半導体レーザの共振器内光強
度分布を示す特性図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ３ ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ４ ｐ−ＩｎＰバリア層 ５ 回折格子層 ５ａ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層 ５ｂ ｐ−ＩｎＰ層 ５ｃ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層 ６ 回折格子 ７ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ８ ｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層 ９ ｐ電極 １０ ｎ電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 活性層と、この活性層の一方の側には上
    記活性層より禁制帯幅が大きい第１のクラッド層が設け
    られ、上記活性層の他の側には上記第１のクラッド層と
    ともに上記活性層を挟むように上記活性層より禁制帯幅
    が大きい第２のクラッド層が設けられ、この第２のクラ
    ッド層内部の上記活性層近傍に、ストライプ状の凸部が
    光の伝搬する方向に周期的に平行に並んだ回折格子層が
    配置され、この回折格子層は上記第２のクラッド層と同
    じ導電性をもち、上記凸部の禁制帯幅は上記活性層より
    実効的に大きく、かつ上記凸部は少なくとも一部が多層
    構造を有し、なおかつ上記凸部が、光の伝搬する方向の
    場所により層数が異なるように構成したことを特徴とす
    る半導体レーザ。
  2. 【請求項２】 第１の導電型をもつ第１のクラッド層上
    に、この第１のクラッド層より禁制帯幅が小さい活性層
    と、この活性層より禁制帯幅が大きく第２の導電型をも
    つバリア層と、このバリア層と同じ導電型の互いに選択
    性エッチングができる２種類の半導体層の多層膜からな
    りこの多層膜の実効的な禁制帯幅が上記活性層の禁制帯
    幅より大きな回折格子層とを順次成長させた後、上記回
    折格子層の一部を選択性エッチング液を用いて半導体多
    層膜の何層かを除去し、その表面全面に上記バリア層ま
    で到達する所定周期の並列ストライプ溝を形成し、その
    後上記バリア層と同一組成で同一導電型の第２のクラッ
    ド層を形成することを特徴とする半導体レーザの製造方
    法。
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