JP3192693B2 - 分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法Info
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1228—DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は利得結合を利用した分布
帰還型半導体レーザに関する。
帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】利得結合を利用した分布帰還型半導体レ
ーザ、すなわち活性層の利得が回折格子の周期で変化し
た構造の半導体レーザの一つとして、本願発明者らは、
特願平２−２６９４６５（以下「先の出願」という）に
おいて、周期的な凹凸形状を部分的に埋めるように形成
された薄い緩衝層（バッファ層）により活性層の一方の
面に凹凸形状を残した構造を提案した。この構造によ
り、活性層の下面に利得結合を得るために必要な凹凸形
状を形成することができ、さらに、活性層に形成された
凹凸による屈折率結合成分を薄い緩衝層によって打ち消
すことができた。
ーザ、すなわち活性層の利得が回折格子の周期で変化し
た構造の半導体レーザの一つとして、本願発明者らは、
特願平２−２６９４６５（以下「先の出願」という）に
おいて、周期的な凹凸形状を部分的に埋めるように形成
された薄い緩衝層（バッファ層）により活性層の一方の
面に凹凸形状を残した構造を提案した。この構造によ
り、活性層の下面に利得結合を得るために必要な凹凸形
状を形成することができ、さらに、活性層に形成された
凹凸による屈折率結合成分を薄い緩衝層によって打ち消
すことができた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この先の出願に示した
構造でさらに大きな利得結合を得るには、薄い緩衝層お
よび活性層を成長させるための基台となる半導体層の凹
凸形状を深くすることが考えられる。深い凹凸形状を得
るには、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチン
グを用いるとよい。しかし、このような異方性エッチン
グでは凹凸が矩形状となり、その凸部の上端が平坦であ
るため、その上にも活性層が成長してしまう傾向があ
る。このため、活性層上端を平らにするには、活性層の
平坦部分の厚さ、すなわち半導体層の凸部（活性層にと
っては凹部）に対応する緩衝層の上端から活性層の上端
までの厚さを大きくしなければならない。このような厚
さが増えると、利得結合の大きさはあまり大きくならな
い。また、基台となる半導体層の凹凸形状を大きくする
と、薄い緩衝層だけでは屈折率結合成分を打ち消すこと
が困難となる。
構造でさらに大きな利得結合を得るには、薄い緩衝層お
よび活性層を成長させるための基台となる半導体層の凹
凸形状を深くすることが考えられる。深い凹凸形状を得
るには、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチン
グを用いるとよい。しかし、このような異方性エッチン
グでは凹凸が矩形状となり、その凸部の上端が平坦であ
るため、その上にも活性層が成長してしまう傾向があ
る。このため、活性層上端を平らにするには、活性層の
平坦部分の厚さ、すなわち半導体層の凸部（活性層にと
っては凹部）に対応する緩衝層の上端から活性層の上端
までの厚さを大きくしなければならない。このような厚
さが増えると、利得結合の大きさはあまり大きくならな
い。また、基台となる半導体層の凹凸形状を大きくする
と、薄い緩衝層だけでは屈折率結合成分を打ち消すこと
が困難となる。
【０００４】本発明は、このような課題を解決し、利得
結合が大きく、しかも屈折率結合成分を打ち消すことの
できる構造の分布帰還型半導体レーザを提供することを
目的とする。
結合が大きく、しかも屈折率結合成分を打ち消すことの
できる構造の分布帰還型半導体レーザを提供することを
目的とする。
【０００５】本発明の第一の観点は分布帰還型半導体レ
ーザであり、周期的な凹凸形状が設けられた半導体層
と、この半導体層の上にバッファ層を介してエピタキシ
ャルに形成された活性層とを備えた分布帰還型半導体レ
ーザにおいて、半導体層の凹凸形状はその凸部の上端が
平坦な形状であり、バッファ層は前記凹凸形状に沿って
上端がほぼ平坦となるように薄く形成され、活性層には
その両面に凹凸形状が形成され、半導体層の凹凸形状の
凸部に対する部分が部分が薄く、凹部に対応する部分が
厚く形成されたことを特徴とする。
ーザであり、周期的な凹凸形状が設けられた半導体層
と、この半導体層の上にバッファ層を介してエピタキシ
ャルに形成された活性層とを備えた分布帰還型半導体レ
ーザにおいて、半導体層の凹凸形状はその凸部の上端が
平坦な形状であり、バッファ層は前記凹凸形状に沿って
上端がほぼ平坦となるように薄く形成され、活性層には
その両面に凹凸形状が形成され、半導体層の凹凸形状の
凸部に対する部分が部分が薄く、凹部に対応する部分が
厚く形成されたことを特徴とする。
【０００６】本明細書において「上」とは、結晶成長の
方向、すなわち基板から遠ざかる方向をいう。
方向、すなわち基板から遠ざかる方向をいう。
【０００７】半導体層と活性層との屈折率差がこの活性
層とその上の層との屈折率差に比べて小さくなるように
各層の材料が設定されることが望ましい。また、半導体
層の凹凸形状の凸部に活性層へのキャリア注入密度を低
下させる層を設けることもできる。
層とその上の層との屈折率差に比べて小さくなるように
各層の材料が設定されることが望ましい。また、半導体
層の凹凸形状の凸部に活性層へのキャリア注入密度を低
下させる層を設けることもできる。
【０００８】本発明の第二の観点は上述の半導体レーザ
を製造する方法であり、半導体結晶基板上にエピタキシ
ャルに形成された半導体層に凹凸形状を形成し、この凹
凸形状に接して欠陥の発生を防止するためのバッファ層
を結晶成長させ、さらにこのバッファ層に接して活性層
を結晶成長させる分布帰還型半導体レーザの製造方法に
おいて、凹凸形状を異方性エッチングにより形成し、バ
ッファ層を前記凹凸形状に沿って上端がほぼ平坦となる
ように薄く形成しその凹凸形状の凹部に凸部への成長速
度より早い速度で活性層を成長させることを特徴とす
る。
を製造する方法であり、半導体結晶基板上にエピタキシ
ャルに形成された半導体層に凹凸形状を形成し、この凹
凸形状に接して欠陥の発生を防止するためのバッファ層
を結晶成長させ、さらにこのバッファ層に接して活性層
を結晶成長させる分布帰還型半導体レーザの製造方法に
おいて、凹凸形状を異方性エッチングにより形成し、バ
ッファ層を前記凹凸形状に沿って上端がほぼ平坦となる
ように薄く形成しその凹凸形状の凹部に凸部への成長速
度より早い速度で活性層を成長させることを特徴とす
る。
【０００９】
【作用】凹凸形状が設けられた半導体層の上にバッファ
層を介して活性層を成長させると、凸部の頂上への活性
層の成長速度に比べ凹部への成長が速いため、凹部の方
が活性層が厚くなる。これを利用して膜厚に周期変化を
形成し、利得結合を得る。また、基台となる半導体層と
活性層の屈折率差を、活性層の上のガイト層は活性層と
の屈折率差に比べて小さくしておけば、活性層の上面と
下面とで生じる屈折率結合を互いに相殺できる。
層を介して活性層を成長させると、凸部の頂上への活性
層の成長速度に比べ凹部への成長が速いため、凹部の方
が活性層が厚くなる。これを利用して膜厚に周期変化を
形成し、利得結合を得る。また、基台となる半導体層と
活性層の屈折率差を、活性層の上のガイト層は活性層と
の屈折率差に比べて小さくしておけば、活性層の上面と
下面とで生じる屈折率結合を互いに相殺できる。
【００１０】基台となる半導体層の表面の導電性を反転
または高抵抗化しておくと、凸部から活性層に注入さる
キャリア密度を低下させることができ、キャリア密度の
分布に基づく利得結合の効果を併せて利用できる。
または高抵抗化しておくと、凸部から活性層に注入さる
キャリア密度を低下させることができ、キャリア密度の
分布に基づく利得結合の効果を併せて利用できる。
【００１１】
【実施例】図１は本発明第一実施例の分布帰還型半導体
レーザを示す図であり、ストライプに平行な方向の断面
構造を示す。
レーザを示す図であり、ストライプに平行な方向の断面
構造を示す。
【００１２】この分布帰還型半導体レーザは、基板１上
にクラッド層３を備え、さらにその上に周期的な凹凸形
状５が設けられた半導体層４を備え、この半導体層４の
上に薄いバッファ層６を介してエピタキシャルに形成さ
れた活性層７を備える。活性層７の上にはさらに、ガイ
ド層１３、クラッド層８、コンタクト層９を備え、基板
１の裏面とコンタクト層９とにはそれぞれ電極１０、１
２が接続される。
にクラッド層３を備え、さらにその上に周期的な凹凸形
状５が設けられた半導体層４を備え、この半導体層４の
上に薄いバッファ層６を介してエピタキシャルに形成さ
れた活性層７を備える。活性層７の上にはさらに、ガイ
ド層１３、クラッド層８、コンタクト層９を備え、基板
１の裏面とコンタクト層９とにはそれぞれ電極１０、１
２が接続される。
【００１３】ここで本実施例の特徴とするところは、半
導体層４の凹凸形状５はその凸部の上端が平坦な形状で
あり、活性層７は、その両面に凹凸形状が形成され、半
導体層４の凹凸形状５の凸部に対応する部分が薄く、凹
部に対応する部分が厚く形成されたことにある。
導体層４の凹凸形状５はその凸部の上端が平坦な形状で
あり、活性層７は、その両面に凹凸形状が形成され、半
導体層４の凹凸形状５の凸部に対応する部分が薄く、凹
部に対応する部分が厚く形成されたことにある。
【００１４】この半導体レーザを製造するには、まず、
基板１の上にクラッド層３および半導体層４を結晶成長
させ、その表面に周期的な凹凸形状５を形成する。この
とき、凹凸形状５の凸部表面に平坦な部分が残るように
する。このような加工は、反応性イオンエッチンングな
どの異方性エッチングを利用して実現できる。凹凸形状
５の周期は、発振波長に対応する周期とする。
基板１の上にクラッド層３および半導体層４を結晶成長
させ、その表面に周期的な凹凸形状５を形成する。この
とき、凹凸形状５の凸部表面に平坦な部分が残るように
する。このような加工は、反応性イオンエッチンングな
どの異方性エッチングを利用して実現できる。凹凸形状
５の周期は、発振波長に対応する周期とする。
【００１５】次に、２回目の結晶成長でバッファ層６、
活性層７、ガイド層１３、クラッド層８およびコンタク
ト層９を形成する。ここで、バッファ層６は活性層７に
欠陥を生じさせないようにするためのもので、組成とし
ては半導体層４と同じ屈折率をもつものが望ましく、凹
凸形状５の形状をできるだけ保つように薄く成長させる
か、凹凸形状５の形状を保存できる結晶成長の条件によ
って成長させることが望ましい。活性層７については、
凹部の成長が凸部の上の成長より速い条件を用い、上端
に凹凸が残るような厚さに成長させる。
活性層７、ガイド層１３、クラッド層８およびコンタク
ト層９を形成する。ここで、バッファ層６は活性層７に
欠陥を生じさせないようにするためのもので、組成とし
ては半導体層４と同じ屈折率をもつものが望ましく、凹
凸形状５の形状をできるだけ保つように薄く成長させる
か、凹凸形状５の形状を保存できる結晶成長の条件によ
って成長させることが望ましい。活性層７については、
凹部の成長が凸部の上の成長より速い条件を用い、上端
に凹凸が残るような厚さに成長させる。
【００１６】活性層７は半導体層４の凹部に成長した部
分が最も厚くなるので、利得係数の周期的分布を生じ、
利得結合による光分布帰還が実現される。
分が最も厚くなるので、利得係数の周期的分布を生じ、
利得結合による光分布帰還が実現される。
【００１７】ガイド層１３の組成については、屈折率が
半導体層４より低く、クラッド層８と同じまたは高くな
るように選ぶ。半導体層４とバッファ層６とで屈折率が
等しい場合には、半導体層４と活性層７との屈折率の違
いによる屈折率変動によって、活性層７とガイド層１３
とで生じる屈折率の変動が打ち消される。バッファ層６
の屈折率が半導体層４と異なる場合には、バッファ層６
と半導体層４とにより生じる屈折率変動と、活性層７と
バッファ層６とにより生じる屈折率変動とを加えて、全
体として屈折率変動が打ち消されるようにする。これに
より、屈折率結合の成分を抑制することができ、実質的
に利得結合のみによる分布帰還を実現できる。
半導体層４より低く、クラッド層８と同じまたは高くな
るように選ぶ。半導体層４とバッファ層６とで屈折率が
等しい場合には、半導体層４と活性層７との屈折率の違
いによる屈折率変動によって、活性層７とガイド層１３
とで生じる屈折率の変動が打ち消される。バッファ層６
の屈折率が半導体層４と異なる場合には、バッファ層６
と半導体層４とにより生じる屈折率変動と、活性層７と
バッファ層６とにより生じる屈折率変動とを加えて、全
体として屈折率変動が打ち消されるようにする。これに
より、屈折率結合の成分を抑制することができ、実質的
に利得結合のみによる分布帰還を実現できる。
【００１８】各層の導電性、組成、膜厚および成長条件
の例として、ＩｎＰ系の場合の例を表１、表２に示す。
また、ここで示した値で実際に作成した半導体レーザの
ストライプに沿った断面のＳＥＭ像写真を図２に示す。
ただし、膜厚および成長速度はモニタ用の平坦基板に同
時に成長させたときの厚さおよび成長速度で表す。
の例として、ＩｎＰ系の場合の例を表１、表２に示す。
また、ここで示した値で実際に作成した半導体レーザの
ストライプに沿った断面のＳＥＭ像写真を図２に示す。
ただし、膜厚および成長速度はモニタ用の平坦基板に同
時に成長させたときの厚さおよび成長速度で表す。
【００１９】 表１ 各層の導電性、組成および膜厚 コンタクト層９ ： ｐ+ −ＩｎＧａＡｓ ２００ｎｍ クラッド層８、ガイド層１３： ｐ−ＩｎＰ １２００ｎｍ 活性層７ ： ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ １００ｎｍ （λg ＝１．５５μｍ） バッファ層６ ： ｎ−ＩｎＰ １０ｎｍ 半導体層４ ： ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ ２００ｎｍ （λg ＝１．３μｍ）（エッチング前） クラッド層３ ： ｎ−ＩｎＰ ４５０ｎｍ 基板１ ：（１００）ｎ+ −ＩｎＰ ここで、凹凸形状の深さは１４０ｎｍである。また、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓの混晶比はＩｎＰに格子整
合するようにした。活性層７の組成は、バンドギャップ
が発振波長λg ＝１．５５μｍに相当するように選択し
た。
ｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓの混晶比はＩｎＰに格子整
合するようにした。活性層７の組成は、バンドギャップ
が発振波長λg ＝１．５５μｍに相当するように選択し
た。
【００２０】 表２ 有機金属気相成長法における結晶成長条件 反応圧力 ： ７６Ｔｏｒｒ 全流量 ： ６ｓｌｍ 材料ガス ： アルシン、ホスフィン、トリエチルガリウム、 トリエチルインジウム ドーピングガス ： 硫化水素、ジメチル亜鉛 基板温度 ： ６５０℃ 成長速度 ： ２０ ｎｍ／ｍｉｎ（バッファ層、クラッド層） ５．７ｎｍ／ｍｉｎ（活性層）
【００２１】図３は本発明第二実施例の分布帰還型半導
体レーザを示す図であり、ストライプに平行な方向の断
面構造を示す。
体レーザを示す図であり、ストライプに平行な方向の断
面構造を示す。
【００２２】この実施例は、凹凸形状５の凸部に高抵抗
層１４を設けたことが第一実施例と異なる。この構造に
より、凸部から活性層７に注入されるキャリア密度を低
下させることができ、利得の周期的変化による利得結合
に加えて、キャリア密度の分布に基づく利得結合の効果
を利用できる。高抵抗層１４に代えて導電型が半導体層
４と逆の層を設けてもよい。
層１４を設けたことが第一実施例と異なる。この構造に
より、凸部から活性層７に注入されるキャリア密度を低
下させることができ、利得の周期的変化による利得結合
に加えて、キャリア密度の分布に基づく利得結合の効果
を利用できる。高抵抗層１４に代えて導電型が半導体層
４と逆の層を設けてもよい。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の分布帰還
型半導体レーザは、活性層の厚さの周期的変化に基づく
利得結合分布帰還型レーザを実現できる。特に、従来の
活性層の一方の面のみ凹凸を形成したものに比べて活性
層の厚さの変化を大きくできるので、利得結合係数を大
きくできる。また、屈折率結合成分についても相殺で
き、従来の相殺条件より設計の自由度が大きくなる。
型半導体レーザは、活性層の厚さの周期的変化に基づく
利得結合分布帰還型レーザを実現できる。特に、従来の
活性層の一方の面のみ凹凸を形成したものに比べて活性
層の厚さの変化を大きくできるので、利得結合係数を大
きくできる。また、屈折率結合成分についても相殺で
き、従来の相殺条件より設計の自由度が大きくなる。
【００２４】さらに、凹凸形状の凸部に高抵抗層あるい
は導電性が反転した層を設けることにより、定在波の腹
の部分にあたる活性層の大きなところに電流を効率よく
注入でき、しきい値の低減を見込めるだけでなく、活性
層内のキャリア密度の周期的変化に基づく利得結合も得
られるようになるので、さらに大きな利得結合係数を実
現できる。
は導電性が反転した層を設けることにより、定在波の腹
の部分にあたる活性層の大きなところに電流を効率よく
注入でき、しきい値の低減を見込めるだけでなく、活性
層内のキャリア密度の周期的変化に基づく利得結合も得
られるようになるので、さらに大きな利得結合係数を実
現できる。
【００２５】このように、優れた単一縦モード性や反射
戻り光特性を有する利得結合半導体分布帰還型レーザの
利点をより強く引き出すことができる。
戻り光特性を有する利得結合半導体分布帰還型レーザの
利点をより強く引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一実施例の分布帰還型半導体レーザを
示す図であり、ストライプに平行な方向の断面構造を示
す図。
示す図であり、ストライプに平行な方向の断面構造を示
す図。
【図２】実際に作成した半導体レーザのストライプに沿
った断面のＳＥＭ像であり、基板上に形成された微細な
パタンを表す写真。
った断面のＳＥＭ像であり、基板上に形成された微細な
パタンを表す写真。
【図３】本発明第二実施例の分布帰還型半導体レーザを
示す図であり、ストライプに平行な方向の断面構造を示
す図。
示す図であり、ストライプに平行な方向の断面構造を示
す図。
Claims (4)
- 【請求項１】 周期的な凹凸形状が設けられた半導体層
（４）と、 この半導体層の上にバッファ層（６）を介してエピタキ
シャルに形成された活性層（７）とを備えた分布帰還型
半導体レーザにおいて、 前記半導体層の凹凸形状はその凸部の上端が平坦な形状
であり、前記バッファ層は前記凹凸形状に沿って上端がほぼ平坦
となるように薄く形成され、 前記活性層は、その両面に凹凸形状が形成され、前記半
導体層の凹凸形状の凹部に対応する部分が厚く形成され
たことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。 - 【請求項２】 半導体層と活性層との屈折率差がこの活
性層とその上の層との屈折率差に比べて小さくなるよう
に各層の材料が設定された請求項１記載の分布帰還型半
導体レーザ。 - 【請求項３】 半導体層の凹凸形状の凸部に活性層への
キャリア注入密度を低下させる層（１４）を備えた請求
項１記載の分布帰還型半導体レーザ。 - 【請求項４】 半導体結晶基板上にエピタキシャルに形
成された半導体層に凹凸形状を形成し、 この凹凸形状に接して欠陥の発生を防止するためのバッ
ファ層を結晶成長させ、 さらにこのバッファ層に接して活性層を結晶成長させる
分布帰還型半導体レーザの製造方法において、 前記凹凸形状を異方性エッチングにより形成し、前記バッファ層を前記凹凸形状に沿って上端がほぼ平坦
となるように薄く形成し その凹凸形状の凹部に凸部への
成長速度より早い速度で前記活性層を成長させることを
特徴とする分布帰還型半導体レーザの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21744191A JP3192693B2 (ja) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | 分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21744191A JP3192693B2 (ja) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | 分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05136527A JPH05136527A (ja) | 1993-06-01 |
| JP3192693B2 true JP3192693B2 (ja) | 2001-07-30 |
Family
ID=16704284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21744191A Expired - Fee Related JP3192693B2 (ja) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | 分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3192693B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0661571A (ja) * | 1992-08-05 | 1994-03-04 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 分布光反射器及びそれを用いた半導体レーザ |
| DE60138691D1 (de) | 2000-03-13 | 2009-06-25 | Sharp Kk | Dfb-halbleiterlaserbauelement mit verstärkungs-kopplung und verfahren zu seiner herstellung |
-
1991
- 1991-08-28 JP JP21744191A patent/JP3192693B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05136527A (ja) | 1993-06-01 |
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