JP3536978B2 - Method of forming quantum wire or quantum well layer, and distributed feedback semiconductor laser using quantum wire or quantum well layer formed by the method - Google Patents

Method of forming quantum wire or quantum well layer, and distributed feedback semiconductor laser using quantum wire or quantum well layer formed by the method

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JP3536978B2
JP3536978B2 JP2000404645A JP2000404645A JP3536978B2 JP 3536978 B2 JP3536978 B2 JP 3536978B2 JP 2000404645 A JP2000404645 A JP 2000404645A JP 2000404645 A JP2000404645 A JP 2000404645A JP 3536978 B2 JP3536978 B2 JP 3536978B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば分布帰還半
導体レーザ(DFBレーザ)の活性層内に埋め込む形で
使用するに最適な量子細線または量子井戸層の形成方法
に関し、特に、表面において互いに平行なV溝を所定の
ピッチで複数本、平行に有するグレーティング基板上
に、例えば半導体レーザでは下部クラッド層となり得る
下地層を介し、当該V溝の各々の位置に整合させて互い
に平行な量子細線を形成するか、当該V溝上に量子井戸
層を形成する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a quantum wire or a quantum well layer which is most suitable for use, for example, embedded in an active layer of a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser). On a grating substrate having a plurality of parallel V-grooves at a predetermined pitch in parallel, for example, through a base layer that can be a lower cladding layer in a semiconductor laser, quantum wires parallel to each other are aligned with respective positions of the V-grooves. Forming a quantum well layer on the V-groove.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体レーザにおいて、導波路の進行方
向に屈折率や利得の周期構造を設けた分布帰還半導体レ
ーザは、発振波長を厳密に制御することが可能な点で、
また、ファブリー・ペロー・レーザのように劈開工程の
必要が無いので集積化が容易にもなる点で、今後の波長
多重通信において用いる素子として極めて重要な役割を
持つ。
2. Description of the Related Art In a semiconductor laser, a distributed feedback semiconductor laser having a periodic structure of a refractive index and a gain in a traveling direction of a waveguide is capable of strictly controlling an oscillation wavelength.
Further, unlike a Fabry-Perot laser, there is no need for a cleavage step, which facilitates integration, and plays an extremely important role as an element used in future wavelength division multiplexing communication.

【0003】こうした分布帰還半導体レーザに関し、ま
ず問題となるのがその製造工程の簡素化である。古く
は、基板から下部クラッド層、下部ガイド層、活性層お
よび上部ガイド層を第一回目の結晶成長工程で形成し、
ガイド層上に導波路内波長に対応したグレーティングを
形成した後、別途な工程群として第二回目の結晶成長を
行い、周期構造を有するガイド層上に上部クラッド層を
形成していた(例えば文献1(P.K.York,J.
C.Connolly他,「MOCVD regrow
th over GaAs/AlGaAs grati
ngs forhigh power long−li
ved InGaAs/AlGaAslasers」,
Journal of Crystal Growt
h 124(1992)709−715)。
[0003] The first problem with such distributed feedback semiconductor lasers is the simplification of the manufacturing process. In old times, the lower cladding layer, lower guide layer, active layer and upper guide layer were formed from the substrate in the first crystal growth step,
After forming a grating corresponding to the wavelength in the waveguide on the guide layer, a second crystal growth was performed as a separate process group to form an upper clad layer on the guide layer having a periodic structure (for example, 1 (P.K. York, J.M.
C. Connolly et al., “MOCVD regrow
th over GaAs / AlGaAs grati
ngs forhigh power long-li
ved InGaAs / AlGaAs lasers ",
Journal of Crystal Growth
h 124 (1992) 709-715).

【0004】さらに,こうした基本的工程群に加えて、
横方向の閉じこめ効果を得るためには、光導波路に沿っ
たストライプをSiO等をマスクにしてエッチングな
どで形成し、第三回目の成長によりその側面を埋め込む
と共に電流ブロック層を形成し、次に、選択成長に使用
したSiOマスクを除去して第四回目の成長を行うこ
とで、オーミックコンタクトの形成および基板の平滑化
を行っていた。
[0004] In addition to these basic steps,
In order to obtain the lateral confinement effect, stripes along the optical waveguide are formed by etching or the like using SiO 2 or the like as a mask, the side surfaces are buried by a third growth, and a current block layer is formed. Then, by removing the SiO 2 mask used for the selective growth and performing the fourth growth, an ohmic contact was formed and the substrate was smoothed.

【0005】このような、多数回のリソグラフィおよび
結晶成長は、製造コストの高騰を招き、産業への普及を
阻害する。また、再成長界面が活性層の近傍にあるため
に、再結合電流などが増加し、閾値電流の増大の原因と
もなる。従って、こうした手法は原理的に限界があり、
将来にも適用できる手法とはなり得ない。
[0005] Such a large number of times of lithography and crystal growth causes an increase in manufacturing cost and hinders the spread to industry. Further, since the regrowth interface is near the active layer, the recombination current and the like increase, which also causes an increase in the threshold current. Therefore, these methods are limited in principle,
It cannot be a technique that can be applied in the future.

【0006】そこで本発明者等は、これまでにも段階的
に別途な手法を模索してきた。ここでまず、少し特性的
な観点に立って言うと、活性層として量子細線のように
バンドギャップの狭い材料を電子のド・ブロイ波長に相
当する数nmの寸法でクラッド層となるバンドギャップ
の広い材料中に埋め込んだ量子ナノ構造は、特定のエネ
ルギ準位に電子系の状態密度が集中するために、高性能
な光デバイスの実現に適している。従って、製造工程の
問題をクリアするにしても、このそうな構造を実現する
ことをも目的とした方が合理的である。
Therefore, the present inventors have sought a separate method step by step. First, from a slightly characteristic point of view, a material having a narrow band gap, such as a quantum wire, is used as an active layer with a band gap of several nm corresponding to the de Broglie wavelength of electrons. The quantum nanostructure embedded in a wide material is suitable for realizing a high-performance optical device because the density of states of an electronic system is concentrated at a specific energy level. Therefore, even if the problem of the manufacturing process is cleared, it is more reasonable to aim at realizing such a structure.

【0007】つまり、均一かつ高密度に量子細線を特定
の法則性をもった位置関係に集積するに際し、一回の結
晶成長でこれが実現できればそれに越したことはなく、
これにより、波長制御された半導体レーザや、超高速固
体レーザの自励発振に必要な過飽和吸収体を合理的に実
現することができる。
That is, when quantum wires are uniformly and densely integrated in a positional relationship having a specific rule, if this can be realized by a single crystal growth, there is no difference.
This makes it possible to rationally realize a saturable absorber required for self-pulsation of a wavelength-controlled semiconductor laser or an ultrafast solid-state laser.

【0008】一般に、光を半導体導波路に閉じこめるた
めには、上下のクラッド層を少なくとも0.5〜1μm
程度の厚さには形成する必要がある。そこで、基板上に
グレーティングを形成し、そのような厚さの下部クラッ
ド層を成長した後にも、当該下部クラッド層の表面にお
いてグレーティングを満足な形状に保持することができ
れば、一回の結晶成長でクラッド層のグレーティングに
近接した活性層を形成することが可能となり、分布帰還
半導体レーザの製作工程を著しく簡素化し得ることにな
る。
Generally, in order to confine light in a semiconductor waveguide, the upper and lower cladding layers must be at least 0.5 to 1 μm.
It must be formed to a thickness of the order of magnitude. Therefore, even after forming a grating on a substrate and growing a lower cladding layer of such a thickness, if the grating can be maintained in a satisfactory shape on the surface of the lower cladding layer, a single crystal growth can be performed. An active layer close to the grating of the cladding layer can be formed, and the manufacturing process of the distributed feedback semiconductor laser can be significantly simplified.

【0009】こうした観点から、本発明者等はまず文献
2(Xue−Lun Wang 他,「Fabrica
tion of highly uniform Al
GaAs/GaAs quantum wire su
perlattices by flow rate
modulation epitaxy on V−g
rooved substrate」,Journal
of Crystal Growth171(199
7)341−348)にて、(100)方位の化合物半
導体基板に(1−10)方向にストライプパタンを形成
し、ウェットエッチングによりV溝を形成し、その上
に、表面原子移動の少ないAlを組成に含んだAlGa
As、InAlAsを成長することにより、V溝状のプ
ロファイルを保持したクラッド層を形成した後、表面原
子移動の大きいGaあるいはInを含むGaAs、In
GaAsを供給することより、三日月状の量子細線を形
成する手法を提案した。このとき、斜面を互いに交錯す
る(111)A面とすることができれば、化合物半導体
の混晶比に応じ適切な結晶成長温度を設定することによ
り、成長厚さ方向に1μm以上、当該V溝形状を良好に
保ちながら成長することが可能になる。
[0009] From such a viewpoint, the present inventors firstly refer to Document 2 (Xue-Lun Wang et al., "Fabrica").
Tion of highly uniform Al
GaAs / GaAs quantum wire su
perlatices by flow rate
modulation epitaxy on V-g
roofed substrate ", Journal
of Crystal Growth 171 (199
7) In 341-348), a stripe pattern is formed in the (1-10) direction on the (100) compound semiconductor substrate, and a V-groove is formed by wet etching. Containing Al in the composition
After growing a cladding layer holding a V-groove profile by growing As and InAlAs, GaAs and In containing Ga or In having a large surface atom movement are formed.
A method of forming crescent-shaped quantum wires by supplying GaAs was proposed. At this time, if the slopes can be (111) A planes intersecting with each other, by setting an appropriate crystal growth temperature according to the mixed crystal ratio of the compound semiconductor, the V-groove shape can be 1 μm or more in the growth thickness direction. Can be grown while maintaining good conditions.

【0010】これは、成長速度の速い(100)面に対
して比較的結晶成長速度の遅い(111)A面がちょう
ど結晶面の傾き角θに対して、sinθの成長速度を持
つとき、定常的なプロファイルを保つことが可能になる
ためである。一般に、特定の面の成長速度は、その面の
化学的な活性度と周囲からの原料元素の拡散に依存し、
温度が高い程、結晶面方位による異方性が消滅し、成長
速度が均一になる傾向にある。一方低温になると、(1
11)A面等の不活性な結晶方位においては成長速度が
低下するので、基板温度を調節することにより、一定の
周期での繰り返し構造の形成が可能になる。
This is because when the (111) A plane, which has a relatively low crystal growth rate with respect to the (100) plane, which has a high growth rate, has a growth rate of sin θ with respect to the inclination angle θ of the crystal plane, the steady state occurs. This is because it is possible to maintain a typical profile. In general, the growth rate of a particular surface depends on the chemical activity of that surface and the diffusion of source elements from the surroundings,
As the temperature increases, the anisotropy due to the crystal plane orientation disappears, and the growth rate tends to be uniform. On the other hand, when the temperature becomes low, (1
11) Since the growth rate is reduced in an inactive crystal orientation such as the A-plane, it is possible to form a repetitive structure at a constant period by adjusting the substrate temperature.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この提案で
は、繰返し周期、すなわちV溝の並設間隔(ピッチ)は
ミクロン・オーダに留まっていた。特性の満足な分布帰
還半導体レーザを得る場合等にはこの間隔は粗過ぎ、サ
ブミクロン・オーダにする必要がある。ところが、基板
表面に付着したGa原子の拡散距離に対し、より短い周
期を持つサブミクロングレーティングの場合、特定の結
晶成長プロファイルを保ちながら成長することは、一般
には困難とされ、実際、当初は無理であった。
However, in this proposal, the repetition period, that is, the interval (pitch) of juxtaposed V-grooves, was on the order of microns. In order to obtain a distributed feedback semiconductor laser with satisfactory characteristics, the interval is too coarse and needs to be on the order of submicrons. However, in the case of a submicron grating having a shorter period than the diffusion distance of Ga atoms attached to the substrate surface, it is generally difficult to grow while maintaining a specific crystal growth profile. Met.

【0012】その後、本発明者の実験、研究の結果、な
んとか、ある程度の厚さ迄であるならば、基板上に成長
させたAlGaAs層の表面においてもV溝の断面形状
を良好に保つのに成功はした。これは、文献3(Cha
ng−Sik Son他,「V−groove AlG
aAs/GaAs multilayers grow
n on patterned GaAs subst
rates withsubmicron grati
ngs」,信学技報,TECHNICALREPORT
OF IECIE,ED99−318,SDM99−
211(2000−02))にて開示され、本書添付の
図9に示されるような結果を生んだものである。
Thereafter, as a result of experiments and research conducted by the present inventor, if the thickness of the V-groove is maintained at a certain level, the cross-sectional shape of the V-groove can be maintained well even on the surface of the AlGaAs layer grown on the substrate. Success was done. This is described in Reference 3 (Cha
ng-Sik Son et al., "V-groove AlG
aAs / GaAs multilayers grow
non-patterned GaAs subst
rates withsubmicron grati
ngs ", IEICE Technical Report, TECHNICAL REPORT
OF IECIE, ED99-318, SDM99-
211 (2000-02)) and produced the results shown in FIG. 9 attached to this document.

【0013】GaAs基板10の表面上に形成されたグ
レーティングのプロファイルが、その上に形成されるA
lGaAs層のどの程度の膜厚まで保持できるかを見る
には、100nm程度のAlGaAs層11と10nm
程度のGaAs層12とを交互に積層してみると判断し
易い。上記文献3でも、表面に0.38ミクロンピッチ
でV溝を形成したGaAs基板10上に、相対的に厚い
100nm程度のAlGaAs層11と、相対的に薄い
10nm程度のGaAs層12とを交互に複数層、積層
して見た場合が示され、その結果、積層厚にして基板表
面からおおよそ1μm程度までは、基板のV溝形状を略
々保っていることが認められた。しかし、逆に言えば、
それを超えると著しくV溝形状は損なわれた。なお、G
aAs量子細線13は、V溝の底の部分に平行に、断面
にして三ケ月形に形成される。
The profile of the grating formed on the surface of the GaAs substrate 10 corresponds to the profile of A formed thereon.
To see how thick the lGaAs layer can be held, the AlGaAs layer 11 of about 100 nm and the 10 nm
It is easy to judge if about GaAs layers 12 are alternately stacked. Also in the above document 3, a relatively thick AlGaAs layer 11 having a thickness of about 100 nm and a GaAs layer 12 having a relatively thin thickness of about 10 nm are alternately formed on a GaAs substrate 10 having V grooves formed on the surface at a pitch of 0.38 μm. A case in which a plurality of layers are stacked is shown. As a result, it was confirmed that the V-groove shape of the substrate was substantially maintained up to a thickness of about 1 μm from the substrate surface. But, conversely,
Beyond that, the V-groove shape was significantly impaired. Note that G
The aAs quantum wire 13 is formed in a crescent shape in cross section parallel to the bottom of the V-groove.

【0014】もちろん、実際に分布帰還半導体レーザ等
を作成するときには、クラッド層としてのAlGaAs
層11は一層で良く、GaAs量子細線13も上下方向
には一つまたは幾つかであって良いが、図9に示す積層
実験からして、上の方に行ってもV溝形状が崩れていな
い程、下の方のV溝形状は良好であり、その中に形成さ
れる量子細線13の断面形状も良好だということが言
え、そしてこのことは、単一層として任意の膜厚に形成
されるAlGaAsクラッド層の上面においても良好な
グレーティング形状を保持可能なことを証し、その上に
形成される量子細線も良好なものが得られるであろうこ
とを意味している。さらに、量子細線でなくて、面状の
量子井戸層であっても、その下のグレーティング構造が
精度良く再現されているならば、当該量子井戸層内の屈
折率分布等の周期構造を精度良く所望の通りに構築する
ことができ、同様に分布帰還型半導体レーザの活性層等
として極めて有効に利用できる。ここでは簡単のため、
まずは量子細線についてのみ説明して行く。
Of course, when actually producing a distributed feedback semiconductor laser or the like, AlGaAs as a cladding layer is used.
The layer 11 may be one layer, and the GaAs quantum wires 13 may be one or several in the vertical direction. However, according to the lamination experiment shown in FIG. It can be said that the lower the V-groove shape is, the better the cross-sectional shape of the quantum wire 13 formed therein is. This proves that a good grating shape can be maintained even on the upper surface of the AlGaAs cladding layer, which means that a good quantum wire formed thereon can be obtained. Furthermore, even if it is not a quantum wire but a planar quantum well layer, if the underlying grating structure is accurately reproduced, the periodic structure such as the refractive index distribution in the quantum well layer can be accurately determined. It can be constructed as desired and can also be used very effectively as an active layer of a distributed feedback semiconductor laser. Here, for simplicity,
First, only quantum wires will be described.

【0015】しかるに、本発明者のこうした提案によ
り、上記の通り、1μm程度の縦方向距離(積層厚)ま
では、GaAs基板10に形成されたV溝形状を良好に
保ち得ているが、実は、こうした構造をサブミクロンピ
ッチのグレーティング形状を有する分布帰還半導体レー
ザに利用する場合には、不十分であることが分かった。
GaAs基板10に近い位置に形成される、相対的に下
方に位置する量子細線13の形状も、まだ十分満足と言
えるレベルにはなかった。当然、特性的にもなお、改善
の余地があると認められた。例えば、GaAs基板のV
溝形状一つをとっても、山の部分が殆ど平らに近くなっ
ている。これは当初、先にも述べたように、(111)
A面となることを図ったにもかかわらず、そうなったの
である。
According to the proposal of the present inventor, as described above, the shape of the V-groove formed in the GaAs substrate 10 can be maintained well up to the vertical distance (lamination thickness) of about 1 μm. It has been found that such a structure is insufficient when used in a distributed feedback semiconductor laser having a grating shape of a submicron pitch.
The shape of the quantum thin wire 13 formed at a position close to the GaAs substrate 10 and located relatively below was not yet at a satisfactory level. Naturally, it was recognized that there is still room for improvement in characteristics. For example, V of a GaAs substrate
Even with one groove shape, the peak is almost flat. This was initially (111)
That's what happened, despite trying to be A-side.

【0016】こうした提案に基づく種々の実験、考察か
らして、少なくとも1μmを越え、望ましくは1.5μ
mに迫るか、これを越えるクラッド層厚としても、その
表面においてV溝形状が良好に保たれているような条件
を提示して始めて、下方部分に形成されるV溝形状、及
びその中に形成される量子細線13の良好性が確保され
ることが分かったし、そもそも、GaAs基板10に形
成されるV溝形状自体を良好にせねばならないことが分
かった。
From various experiments and considerations based on these proposals, it is considered that the thickness exceeds at least 1 μm, preferably 1.5 μm.
Even if the thickness of the cladding layer approaches or exceeds m, it is only when the condition that the V-groove shape is well maintained on the surface is presented, and the V-groove shape formed in the lower portion, and It has been found that the goodness of the formed quantum wires 13 is ensured, and that the V-groove shape itself formed in the GaAs substrate 10 must be improved in the first place.

【0017】本発明はこのような実情に鑑み、高密度量
子細線アレイの形を取る量子細線、または量子井戸層の
形成法として、分布帰還半導体レーザ等に応用するに十
分なものを得る必須の条件、構成を提示せんとしたもの
である。
In view of the above circumstances, the present invention is indispensable for obtaining a quantum wire in the form of a high-density quantum wire array or a quantum well layer that is sufficient for application to a distributed feedback semiconductor laser or the like. The conditions and configuration are not presented.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、(100)GaAs基板上の[01−1]方
向に伸びるV溝をGaAs基板の表面に複数個、サブミ
クロンオーダのピッチで各々の側面が(111)A面と
なるようにエッチングし、表面酸化膜の除去処理をした
後もV溝の角度が80度以下となるようにした後;68
0℃から720℃の範囲内で熱クリーニングし、その
後、GaAs基板表面上に同材質であるGaAsバッフ
ァ層を形成することで、熱クリーニングにより鈍ったV
溝間の頂部の鈍りを回復させ;その上に、成長温度67
0℃から685℃の範囲内で、Al組成比が0.3から
0.6のAlGaAs層、またはIn組成比が0.05
から0.3のInAlAs層をクラッド層として成長さ
せてからGaAsまたはInGaAsを供給し;もって
V溝内に断面が三ケ月形状のGaAs量子細線またはI
nGaAs量子細線を複数本、アレイ状に形成するか、
当該V溝上に量子井戸層を形成すること;を特徴とする
量子細線の形成方法を提案する。
According to the present invention, in order to achieve the above object, a plurality of V-grooves extending in the [01-1] direction on a (100) GaAs substrate are formed on a surface of a GaAs substrate at a pitch of a submicron order. After etching so that each side surface becomes the (111) A surface, and after the surface oxide film is removed, the angle of the V-groove is made to be 80 degrees or less; 68
Thermal cleaning is performed in the range of 0 ° C. to 720 ° C., and thereafter, a GaAs buffer layer of the same material is formed on the surface of the GaAs substrate, so that the V that has become dull due to the thermal cleaning.
Restores the dullness of the top between the grooves;
Within the range of 0 ° C. to 685 ° C., an AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.3 to 0.6, or an In composition ratio of 0.05.
GaAs or InGaAs is supplied after growing a 0.3 InAlAs layer as a cladding layer from GaAs quantum wires or GaAs quantum wires having a crescent cross section in the V-groove.
Whether a plurality of nGaAs quantum wires are formed in an array,
Forming a quantum well layer on the V-groove; a method for forming a quantum wire is proposed.

【0019】ここで、上記のピッチは0.3μmから
0.5μmであることが望ましく、また、GaAsバッ
ファ層の厚さは、0.1から0.3μmの範囲内に最適
値を求め得るのが一般的である。さらに、クラッド層の
上に、クラッド層を形成するAlGaAs層のAl組成
比より小さなAl組成比のAlGaAsガイド層、また
はクラッド層を形成するInAlAs層のIn組成比よ
り小さなIn組成比のInAlAsガイド層を形成し、
このガイド層上にGaAs量子細線またはInGaAs
量子細線、あるいはGaAs量子井戸層またはInGa
As量子井戸層を形成するとなお良い。特に、量子井戸
層の形成に関し、こうしたガイド層を設ける場合、当該
ガイド層の部分で成長温度を上昇させることにより平坦
化を促進し、その上にこの量子井戸層を形成する手法
や、量子井戸層の部分の成長時間を延長し、厚さが変調
している折り曲げられた量子井戸層を形成する手法も提
案できる。
Here, the above-mentioned pitch is desirably from 0.3 μm to 0.5 μm, and the thickness of the GaAs buffer layer can find an optimum value within a range from 0.1 to 0.3 μm. Is common. Further, on the cladding layer, an AlGaAs guide layer having an Al composition ratio smaller than the Al composition ratio of the AlGaAs layer forming the cladding layer, or an InAlAs guide layer having an In composition ratio smaller than the In composition ratio of the InAlAs layer forming the cladding layer. Form
On this guide layer, GaAs quantum wires or InGaAs
Quantum wire, or GaAs quantum well layer or InGa
It is more preferable to form an As quantum well layer. In particular, when such a guide layer is provided with respect to the formation of a quantum well layer, planarization is promoted by increasing the growth temperature at the guide layer, and a method of forming this quantum well layer thereon, It is also possible to propose a method of extending the growth time of the layer portion and forming a folded quantum well layer having a modulated thickness.

【0020】なお、量子細線ないし量子井戸層を形成す
る部分の上にも、クラッド層を形成するAlGaAs層
のAl組成比より小さなAl組成比のAlGaAsガイ
ド層、またはクラッド層を形成するInAlAs層のI
n組成比より小さなIn組成比のInAlAsガイド層
を形成して、その上にさらに上側クラッド層としてAl
組成比が0.3から0.6のAlGaAs層、またはI
n組成比が0.05から0.3のInAlAs層を成長
させることが、本発明を利用した素子を製造する上では
望ましいことになる。
The AlGaAs guide layer having an Al composition ratio smaller than the Al composition ratio of the AlGaAs layer forming the cladding layer or the InAlAs layer forming the cladding layer is also formed on the portions where the quantum wires or quantum well layers are formed. I
An InAlAs guide layer having an In composition ratio smaller than the n composition ratio is formed, and an upper clad layer is further formed thereon as an Al cladding layer.
An AlGaAs layer having a composition ratio of 0.3 to 0.6, or I
It is desirable to grow an InAlAs layer having an n composition ratio of 0.05 to 0.3 in manufacturing a device using the present invention.

【0021】加えて、本発明ではまた、こうして形成さ
れた量子細線ないし量子井戸層の最も効果的な応用とし
て、本発明方法により形成されたアレイ状の複数本の量
子細線を、光を発振、導波する活性層内に、光の導波方
向と直交する方向に各々が伸びる位置関係で用いるか、
本発明により形成された量子井戸層を当該活性層内に用
いた分布帰還半導体レーザも提案する。
In addition, according to the present invention, as the most effective application of the quantum wires or quantum well layers thus formed, a plurality of arrays of quantum wires formed by the method of the present invention emit light. In the active layer for guiding, it is used in a positional relationship where each extends in a direction orthogonal to the light guiding direction,
A distributed feedback semiconductor laser using the quantum well layer formed according to the present invention in the active layer is also proposed.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の望ましい実施形態
につき説明するが、まず図2は、GaAs基板10のグ
レーティング(V溝の並設連続構造による)を干渉露光
法により形成し、燐酸系のウェットエッチング(用いた
のは16HPO,9H,75HO)を室温
にて15秒施したものの断面形状である。同図(A)は
エッチング直後の断面で、V溝の斜面はかなり望ましい
直線状で、ほぼ(111)A面が形成されている。原理
的にはV溝の角度はこのとき、理想的には70.053
度になるが、エッチングによってそれ以上になることも
ある。同図(B)は、後述する結晶成長前に例えば塩酸
により酸化膜を除去したものであるが、隣接するV溝間
の頂部の頂角がやや丸みを帯びている。なお、ここで、
十分な配慮を持ってエッチングし、酸化膜を除去した後
も、少なくともV溝の角度を80度以下になるようにし
て置かないと、後述のようにAlGaAs層やInAl
As層をクラッド層として積層したときに、十分な高さ
(積層厚)、例えば1μmを越え、望ましくは1.5μ
mにも及んで良好なグレーティング構造を維持すること
はできなくなることが分かった。V溝周期、すなわちピ
ッチは、この実験例では0.38μmである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of the present invention will be described below. First, FIG. 2 shows that a grating (based on a continuous structure of V grooves) of a GaAs substrate 10 is formed by an interference exposure method, (16H 3 PO 4 , 9H 2 O 2 , 75H 2 O) used at room temperature for 15 seconds. FIG. 3A is a cross section immediately after the etching, and the slope of the V-groove is a very desirable straight line, and a substantially (111) A plane is formed. In principle, the angle of the V-groove is ideally 700.053
Slightly, but etching may be more. FIG. 1B shows the oxide film removed by, for example, hydrochloric acid before crystal growth described later, but the apex angle of the apex between adjacent V-grooves is slightly rounded. Here,
Even after etching with sufficient consideration and removing the oxide film, unless the angle of the V-groove is at least 80 degrees or less, the AlGaAs layer or the InAl
When the As layer is laminated as a cladding layer, the height exceeds a sufficient height (lamination thickness), for example, 1 μm, preferably 1.5 μm.
It has been found that it is no longer possible to maintain a good grating structure up to m. The V groove period, that is, the pitch is 0.38 μm in this experimental example.

【0023】図3は、図2に示したGaAs基板10を
680℃から730℃の範囲、ここでは700℃で5分
間、MOCVD反応炉中にて熱クリーニングした後、G
aAs層12とAlGaAs層11とを交互に670℃
から685℃の範囲、ここでは望ましい温度として68
0℃にて成長させ、積層実験バッファ層16Aを構成し
たときの断面図を示している。この積層実験例は基板と
同材料のバッファ層の形成の様子を見るためであるの
で、GaAs層12の方が厚くて、100nm程ある。
図中では白く見える方の層が10nm程度と薄いAlG
aAs層11である。この積層実験からまず言えること
は、前工程の熱クリーニングにより、GaAs基板10
上のグレーティングはマストランスポートにより頂部が
鈍ったにしても、基板と同材料のGaAsバッファ層の
形成でこれを回復できることである。図示の所からする
ならば、基板10に接するGaAs層をバッファ層とし
て、これ単体でも0.1〜0.3μm、望ましくは0.
2μm程度成長させれば、グレーティングの頂角の部分
が再度尖鋭化し、定常的な成長プロファイルを発現させ
ることができると言える。その程度の高さ寸法の所に最
も尖鋭化した状態を認めることができるからである。実
際の素子作成では、もとより単一層で良いから、この程
度の厚みのGaAsバッファ層を形成することが、むし
ろ必要だということで、そうすれば、この後、ほぼこの
望ましいグレーティング形状を保ったままに、量子細線
13の形成のためのAlGaAs層11の成長が可能に
なる。
FIG. 3 shows that the GaAs substrate 10 shown in FIG. 2 is thermally cleaned in a MOCVD reactor at a temperature in the range of 680 ° C. to 730 ° C., here 700 ° C. for 5 minutes.
The aAs layer 12 and the AlGaAs layer 11 are alternately heated at 670 ° C.
To 685 ° C., where the desired temperature is 68
It shows a cross-sectional view when grown at 0 ° C. to form a stacked experiment buffer layer 16A. This lamination experiment example is for observing the state of formation of the buffer layer made of the same material as the substrate, so that the GaAs layer 12 is thicker and about 100 nm.
In the figure, the layer that appears white is a thin AlG
The aAs layer 11. The first thing that can be said from this lamination experiment is that the GaAs substrate 10
The upper grating is such that even if the top is dull due to mass transport, this can be recovered by forming a GaAs buffer layer of the same material as the substrate. As can be seen from the illustration, the GaAs layer in contact with the substrate 10 is used as a buffer layer, and the buffer layer alone is 0.1 to 0.3 μm, preferably 0.1 to 0.3 μm.
It can be said that if the growth is performed by about 2 μm, the vertex angle portion of the grating becomes sharp again, and a steady growth profile can be developed. This is because the sharpest state can be recognized at such a height dimension. In actual device fabrication, it is necessary to form a GaAs buffer layer of such a thickness because it is necessary to form a single layer as a matter of course. After that, the desired grating shape is maintained substantially after that. In addition, the growth of the AlGaAs layer 11 for forming the quantum wires 13 becomes possible.

【0024】図1は、本発明方法に従って形成された、
望ましい実験結果例を示しており、熱クリーニング後
も、例えば0.2μm程度の厚さのGaAsバッファ層
16の挿入により、基板グレーティングのアスペクト比
が良好に保たれた結果、Al組成比が0.3から0.6
のAlGaAs層、この場合はAl組成比が0.38
で、各層の厚さが0.1μmのクラッド層となるべきA
lGaAs層11と、10nm程度のGaAs層12と
を成長温度670℃から685℃の範囲、特にこの場合
は680℃で交互に成長させることで、V溝内のGaA
s層12の部分に、その断面が三ケ月形状の量子細線1
3を複数本、アレイ状に形成することができ、その形状
は、全体の積層構造100の高さ方向で1μmを十分に
越え、1.5μmに至る程度まで、良好に保ちえた。も
ちろん、このような高さにまでV溝形状を維持できるこ
とは、結局、より下の方の量子細線13の形状、及びそ
もそものV溝形状も極めて良好であることを証明してお
り、実際、これを例えば分布帰還半導体レーザの活性層
内の埋め込み量子細線として用いて十二分な特性が得ら
れた。つまり、このような積層構造100の構築実験か
らして、単一クラッド層としてAlGaAs層11を上
記の厚さ範囲まで成長させても、その表面のグレーティ
ング形状は基板グレーティングに整合し、十分良好に保
てることが証明されたのである。当然、その上に形成さ
れる量子細線13の形状、特性も良好になるし、量子井
戸層を形成する場合にも、その内部の屈折率分布等の周
期構造を精度良く所望の通りに構築することができる。
もちろん、この上限厚さ未満のAlGaAsクラッド層
ではより好結果が期待される。
FIG. 1 shows the structure formed according to the method of the present invention.
This shows an example of a desirable experimental result. Even after the thermal cleaning, the aspect ratio of the substrate grating is kept good by inserting the GaAs buffer layer 16 having a thickness of, for example, about 0.2 μm. 3 to 0.6
AlGaAs layer, in this case, the Al composition ratio is 0.38
A to form a cladding layer having a thickness of 0.1 μm
The GaAs layer 11 and the GaAs layer 12 having a thickness of about 10 nm are alternately grown at a growth temperature of 670 ° C. to 685 ° C., particularly at 680 ° C.
In the portion of the s-layer 12, the quantum wire 1 having a crescent-shaped cross section
3 could be formed in an array, and the shape could be maintained well up to about 1 μm and up to 1.5 μm in the height direction of the entire laminated structure 100. Of course, the fact that the V-groove shape can be maintained at such a height proves that the shape of the lower quantum wire 13 and the V-groove shape in the first place are also extremely good. Using this as, for example, a buried quantum wire in the active layer of a distributed feedback semiconductor laser, sufficient characteristics were obtained. In other words, from the construction experiment of such a laminated structure 100, even if the AlGaAs layer 11 is grown as the single clad layer to the above-mentioned thickness range, the grating shape on the surface matches the substrate grating and is sufficiently satisfactory. It was proved that it could be kept. Naturally, the shape and characteristics of the quantum wires 13 formed thereon are improved, and even when a quantum well layer is formed, a periodic structure such as a refractive index distribution inside the quantum well layer is accurately constructed as desired. be able to.
Of course, better results can be expected with an AlGaAs cladding layer having a thickness less than the upper limit thickness.

【0025】ちなみに、成長温度が上記範囲から外れ、
例えば610℃にも落とすと、グレーティング頂部にお
いて急速に平坦化が進行してしまい、逆に高める方向で
720℃ともすると、III族元素の拡散が促進される
ため、やはり平坦化が進行してしまって、グレーティン
グ形状を維持することができなくなった。また、そうな
ると、例えその上にGaAsバッファ層を形成しても回
復は不能であった。溝の底部分においても同様であっ
て、680℃の最適値に比し、720℃ではV溝の形成
角が浅くなり、積層数が増す程にその傾向も増してしま
う、望ましくない結果となった。
Incidentally, the growth temperature is out of the above range,
For example, if the temperature is lowered to 610 ° C., flattening proceeds rapidly at the top of the grating. Conversely, if the temperature is increased to 720 ° C., diffusion of the group III element is promoted, so that flattening also proceeds. As a result, the grating shape cannot be maintained. In such a case, even if a GaAs buffer layer was formed thereon, recovery was impossible. The same is true at the bottom of the groove. At 720 ° C., the formation angle of the V-groove becomes shallower than the optimum value at 680 ° C., and the tendency increases as the number of stacked layers increases. Was.

【0026】好条件として述べた上記と同等の結果は、
クラッド層として、In組成比が0.05から0.3の
InAlAs層を用いた場合にも得られた。成長温度条
件は上記と同じである。しかるに、本発明による、こう
した定常成長条件を利用すると、図4に示すような分布
帰還半導体レーザ構造として極めて望ましい構造が得ら
れる。ここではGaAs基板10上に、既述の通り、同
じ材料のGaAsバッファ層16をV溝形状を回復でき
る程度の厚みに形成した後、0.8μm程度の厚さにA
l組成比0.38のAlGaAs下部クラッド層11C
Lを形成し、このクラッド層11CLの上に、望ましく
はAl組成比0.2程度のAlGaAs下部ガイド層1
5GLを介し、In組成比が0.2のInGaAsを供
給することでこれに対応したInGaAs層12とV溝
内にできるInGaAs量子細線13を積層形成してい
る。図中において三日月状に白く見える部分が、幅30
nm、厚さ10nmのこの量子細線13で、導波路内波
長の3/2倍の周期(430nm)にての配置となって
いる。その上には、上記と同じく望ましくはAl組成比
が0.2のAlGaAs上部ガイド層15GUを介し、
Al組成比が0.38のAlGaAs上部クラッド層1
1CUを形成している。
The result equivalent to the above mentioned as a favorable condition is:
It was also obtained when an InAlAs layer having an In composition ratio of 0.05 to 0.3 was used as the cladding layer. The growth temperature conditions are the same as above. However, when such a steady growth condition according to the present invention is used, a highly desirable structure as a distributed feedback semiconductor laser structure as shown in FIG. 4 can be obtained. Here, as described above, the GaAs buffer layer 16 of the same material is formed on the GaAs substrate 10 to such a thickness that the V-groove shape can be recovered.
AlGaAs lower cladding layer 11C having a composition ratio of 0.38
L, and an AlGaAs lower guide layer 1 having an Al composition ratio of preferably about 0.2 is formed on the cladding layer 11CL.
By supplying InGaAs having an In composition ratio of 0.2 through 5GL, the corresponding InGaAs layer 12 and the InGaAs quantum wire 13 formed in the V-groove are laminated. In the figure, the part that looks white like a crescent has a width of 30.
The quantum wires 13 having a thickness of 10 nm and a thickness of 10 nm are arranged at a period (430 nm) that is 3/2 times the wavelength in the waveguide. On top of that, an AlGaAs upper guide layer 15GU having an Al composition ratio of preferably 0.2 as described above,
AlGaAs upper cladding layer 1 having an Al composition ratio of 0.38
1 CU is formed.

【0027】本実施形態の場合には、GaAsの代わり
に組成比0.2のInGaAsを用いているが、もちろ
ん、GaAsでも十分に満足の得られる結果が得られて
いる。ただ、Inの表面拡散速度は、Gaよりも速いた
め、V溝の(111)斜面や(100)テラス面からV
溝の底に急速に拡散することで、このような段差基板成
長において寄生的に形成される(111)斜面や(10
0)テラス面における量子井戸が薄くなり、エネルギ的
にも十分分離されることがより望ましい特徴になる。な
お、このようにInGaAsを用いる場合においても、
その下の構造部分に関する、上記した基板表面のV溝の
形成角度条件、その後の結晶成長温度条件は必須で、こ
れを守ることで、サブミクロンオーダのピッチでのクラ
ッド層上のグレーティング、ひいては形成される量子細
線アレイを良好にし得る。クラッド層に就いてさらに言
うなら、有限要素法により解析したグレーティング導波
路上に誘起される三次導波路モードからすると、Al組
成比が0.3のクラッド層を用いる場合、その厚さは
0.5μm以上にすると、基板側への放射の影響を軽減
し得るという結果も得られている。
In this embodiment, InGaAs having a composition ratio of 0.2 is used in place of GaAs. Of course, satisfactory results can be obtained with GaAs. However, since the surface diffusion speed of In is higher than that of Ga, the V diffusion from the (111) slope or the (100) terrace of the V-groove.
By rapidly diffusing to the bottom of the groove, the (111) slope or (10) formed parasitically in such a stepped substrate growth.
0) It is a more desirable feature that the quantum well on the terrace surface is thinned and sufficiently separated in energy. In addition, even when InGaAs is used as described above,
The formation angle condition of the above-described V-groove on the substrate surface and the subsequent crystal growth temperature condition for the underlying structure are essential, and by observing these conditions, the grating on the cladding layer at a submicron order pitch, and hence the formation, The resulting quantum wire array can be improved. Regarding the clad layer, more specifically, considering the third-order waveguide mode induced on the grating waveguide analyzed by the finite element method, when the clad layer having an Al composition ratio of 0.3 is used, the thickness is 0.1 mm. When the thickness is 5 μm or more, there is also obtained a result that the influence of radiation on the substrate side can be reduced.

【0028】図5には、GaAs基板10のグレーティ
ングが良好に保持されたAlGaAsクラッド層11上
に形成される種々採用し得る周期構造の模式図が示され
ている。上下を弁別的に表す上記で用いた符号「CL,
CU」、「GL,GU」などは省略した。吸着原子の表
面拡散距離はAl、Ga、Inの順に速くなるので、組
成、膜厚、結晶成長条件を調節することにより、まずは
同図(A)に示すように、主として利得が変調している
利得結合モードを得ることができる。また、既述のよう
にクラッド層上にガイド層を形成することとして、同図
(B)に示すように、当該ガイド層の部分で成長温度を
上昇させることにより平坦化を促進し、その上に量子井
戸層12を形成することでも、その下のグレーティング
形状が本発明に従うことで所望の通りに形成されていれ
ば、当該量子井戸層中に所望の屈折率分布を精度良く実
現できるので、主として屈折率が変調している屈折率結
合モードを得ることもできる。さらに、同図(C)に示
すように、利得と屈折率が同時に変化している構成も採
用し得る。同図(A)の構成を基本にして、GaAsガ
イド層15により平坦化が終了した後に活性層(量子細
線)13を形成し、屈折率の周期構造を併せて形成する
こともできる。その他にも、量子井戸層の部分の成長時
間を延長し、厚さが変調している折り曲げられた量子井
戸層を形成することによって、利得と屈折率が同時に変
化している複合モードをも得ることができる。屈折導波
モードにおいては二本のモードが等しい発振閾値を持つ
ため、波長安定性に問題が生じることが知られている
が、利得モードないし複合モードにおいては一本のモー
ドのみが選択され、成長回数の低減とともに、分布帰還
半導体レーザの製造歩留まりに大きく貢献する。
FIG. 5 is a schematic view showing various periodic structures which can be formed on the AlGaAs cladding layer 11 in which the grating of the GaAs substrate 10 is well maintained. The symbol “CL,
CU, GL, GU, etc. are omitted. Since the surface diffusion distance of the adsorbed atoms increases in the order of Al, Ga, and In, the gain is modulated mainly by adjusting the composition, film thickness, and crystal growth conditions, as shown in FIG. A gain coupling mode can be obtained. Further, as described above, the guide layer is formed on the clad layer, and as shown in FIG. 3B, the growth temperature is increased at the guide layer to promote flattening. Even if the quantum well layer 12 is formed, if the underlying grating shape is formed as desired according to the present invention, a desired refractive index distribution can be accurately realized in the quantum well layer. It is also possible to obtain a refractive index coupling mode in which the refractive index is modulated. Further, a configuration in which the gain and the refractive index are simultaneously changed as shown in FIG. Based on the configuration shown in FIG. 3A, the active layer (quantum fine wire) 13 may be formed after the planarization is completed by the GaAs guide layer 15, and a periodic structure of the refractive index may be formed. In addition, by extending the growth time of the quantum well layer portion and forming a bent quantum well layer having a modulated thickness, a combined mode in which the gain and the refractive index are simultaneously changed can be obtained. be able to. It is known that in the refraction guided mode, two modes have the same oscillation threshold, which causes a problem in wavelength stability.However, in the gain mode or the composite mode, only one mode is selected and the As well as reducing the number of times, it greatly contributes to the production yield of the distributed feedback semiconductor laser.

【0029】図6(A),(B)には、本発明によるV
溝上の一定プロファイル結晶成長条件を用い、一回の結
晶成長により、利得結合型分布帰還レーザ20を作製し
た例が示されている。通常、分布帰還レーザ20の製作
は、クラッド層の成長の後、グレーティングを形成し、
再成長によりクラッド層よりは高い屈折率をもつガイド
層を形成し、その活性層の近傍に屈折率の周期構造を作
る。しかし、上述してきた本発明によると、図示の例で
はn型のGaAs基板10上に形成された周期0.38
μmのグレーティングを高さ方向に0.8μm保持し、
例えばAl組成比0.5のn型AlGaAsクラッド層
11を形成した後に、引き続いて低Al組成、例えばA
l組成比0.2のAlGaAsガイド層15、GaAs
量子細線13、同様に例えばAl組成比0.5のp型A
lGaAsクラッド層11を順次形成し、その上に、こ
の種レーザにて用いられるp型GaAsキャップ層19
を一回の成長で連続成長させることができる。また、結
晶成長の回数が単に一回になるばかりではなく、結晶欠
陥を含む再成長面が活性層近傍に存在しないこと、活性
層そのものが極めて良好なグレーティング構造を持つた
めに、周波数安定効果に優れた利得結合型となる。図示
の場合、GaAs量子細線13は高さ方向にも三層構造
で用いているが、これは必要に応じた任意の問題であ
る。GaAs基板10の利面には、この種の技術の常套
手段従い、適当な電極、例えばAu−Ge−Ni電極1
8が形成され、上面側にはCr/Au電極17が形成さ
れて、これらから電流注入を行うことで、太い矢印で示
す方向に沿い、発振した光出力を得る。この光輻射方向
と量子細線13とは互いに直交する関係になるため、強
いTE偏光と結合できる。発振特性においても従来例の
製造方法に即して作られた略々同仕様の分布帰還型半導
体レーザに比し、望ましい結果が得られており、結晶欠
陥を含む再成長面が活性層近傍に存在しないため、低閾
値電流発振が可能になった。また、活性層それ自体が好
ましいグレーティング構造を持つため、周波数安定効果
に優れた利得結合型となった。もちろん、本発明に従っ
て形成され、設計仕様分布に対して精度の高い関係で所
定の屈折率分布を持つ量子井戸層を量子細線13に代え
て活性層内に設けたものも同様に提供できる。
FIGS. 6A and 6B show V according to the present invention.
An example is shown in which a gain-coupled distributed feedback laser 20 is manufactured by one-time crystal growth using a constant profile crystal growth condition on a groove. Usually, the fabrication of the distributed feedback laser 20 involves forming a grating after the growth of the cladding layer,
A guide layer having a higher refractive index than the cladding layer is formed by regrowth, and a periodic structure having a refractive index is formed near the active layer. However, according to the present invention described above, in the illustrated example, the period formed on the n-type GaAs substrate 10 is 0.38.
holding a 0.8 μm grating in the height direction,
For example, after forming the n-type AlGaAs cladding layer 11 having an Al composition ratio of 0.5, a low Al composition, for example, A
AlGaAs guide layer 15 having a composition ratio of 0.2, GaAs
Quantum wire 13, similarly p-type A having Al composition ratio of 0.5
An lGaAs cladding layer 11 is sequentially formed, and a p-type GaAs cap layer 19 used in this type of laser is formed thereon.
Can be continuously grown in a single growth. In addition to the fact that the number of times of crystal growth is not only one, there is no regrowth surface containing crystal defects near the active layer, and the active layer itself has a very good grating structure, which results in a frequency stabilizing effect. It is an excellent gain coupling type. In the illustrated case, the GaAs quantum wires 13 are used in a three-layer structure also in the height direction, but this is an arbitrary problem as required. On the advantage of the GaAs substrate 10, a suitable electrode, for example an Au-Ge-Ni electrode
8 are formed, and a Cr / Au electrode 17 is formed on the upper surface side. By injecting current from these electrodes, an oscillated optical output is obtained in the direction indicated by the thick arrow. Since the light radiation direction and the quantum wires 13 are orthogonal to each other, they can be coupled with strong TE polarized light. In terms of oscillation characteristics, desirable results have been obtained compared to a distributed feedback semiconductor laser of approximately the same specifications made in accordance with the manufacturing method of the conventional example, and the regrown surface containing crystal defects is located near the active layer. Since it does not exist, low threshold current oscillation has become possible. Further, since the active layer itself has a preferable grating structure, a gain coupling type excellent in frequency stabilizing effect is obtained. Needless to say, a quantum well layer formed according to the present invention and having a predetermined refractive index distribution with a high precision with respect to the design specification distribution provided in the active layer instead of the quantum wire 13 can also be provided.

【0030】図7,8は、本発明のさらなる応用例とし
て、それぞれGaAsグレーティング基板10上に形成
したInGaAs/AlGaAs高密度量子細線アレイ
31およびGaAs/AlGaAs高密度量子細線アレ
イ32の断面図(A図)および発光スペクトル(B図)
を示す。いずれも本発明の作製方法に従って作製されて
おり、GaAsバッファ層16の上にはAl組成比0.
38のAlGaAsクラッド層11が形成されている。
図7に示すInGaAsの高密度量子細線アレイ31の
場合、Inの表面拡散により、寄生量子井戸の幅が狭
く、量子細線13のエネルギ準位が十分低いため、低温
から常温において、量子細線からの発光が支配的になっ
ている。また、室温においても、発光半値幅が狭く、こ
れは、量子細線中のエキシトンが室温でも安定に存在し
ていることを示す。
FIGS. 7 and 8 are sectional views (A) of an InGaAs / AlGaAs high-density quantum wire array 31 and a GaAs / AlGaAs high-density quantum wire array 32 formed on a GaAs grating substrate 10, respectively, as further applied examples of the present invention. Figure) and emission spectrum (Figure B)
Is shown. Each of them is manufactured according to the manufacturing method of the present invention, and the Al composition ratio is set to 0.1 on the GaAs buffer layer 16.
38 AlGaAs cladding layers 11 are formed.
In the case of the high-density quantum wire array 31 of InGaAs shown in FIG. 7, the width of the parasitic quantum well is narrow due to the surface diffusion of In, and the energy level of the quantum wire 13 is sufficiently low. Light emission is dominant. Further, even at room temperature, the luminescence half width is narrow, which indicates that excitons in the quantum wires are stably present even at room temperature.

【0031】一方、図7のGaAs/AlGaAs高密
度量子細線アレイ32の場合には、200Kに於いて寄
生量子井戸の発光と量子細線13のそれが同程度になる
が、一般に、面積の広い量子井戸13Aの方からの発光
が支配的である。本図では量子細線が明瞭に示されない
ため、その位置を白い円で囲った。なお、いずれの場合
にも、垂直方向には一層だけの量子細線アレイである
が、垂直方向に複数層も積層して用いてももちろん良
い。
On the other hand, in the case of the GaAs / AlGaAs high-density quantum wire array 32 shown in FIG. 7, the emission of the parasitic quantum well and that of the quantum wire 13 at 200 K are almost the same. Light emission from the well 13A is dominant. In this figure, since the quantum wire is not clearly shown, its position is surrounded by a white circle. In each case, the quantum wire array has only one layer in the vertical direction. However, a plurality of layers may be stacked in the vertical direction.

【0032】いずれにしても、このように、基板10に
沿った方向と成長方向に高密度に量子細線アレイ31,
32を積層することにより、量子細線13に起因する安
定なエキシトン発光の利用等、新たな光学材料への利用
が期待できる。例えばこの薄膜をフェムト秒固体レーザ
の過飽和吸収体として用いた場合、少ない活性層体積と
特定の偏波面に対する強い吸収特性を持つため、機能的
光学薄膜として利用することが可能となる。
In any case, as described above, the quantum wire arrays 31 and
By stacking 32, it is expected to be used for new optical materials such as stable use of exciton emission caused by the quantum wires 13. For example, when this thin film is used as a saturable absorber of a femtosecond solid-state laser, it has a small active layer volume and strong absorption characteristics for a specific polarization plane, and can be used as a functional optical thin film.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上、本発明を望ましい実施形態に即し
て説明したが、本発明要旨構成に即する任意の応用が可
能である。本発明によれば、一回の選択成長により、高
密度多重量子細線または所定の屈折率分布等を持った量
子井戸層がデバイス構造の所望の位置に良好な形状、特
性をもって形成され、簡単な製作プロセスにより、高度
な半導体レーザや、光機能性新材料を実現することがで
きる。
As described above, the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, but any application conforming to the gist of the present invention is possible. According to the present invention, by a single selective growth, a high-density multiple quantum wire or a quantum well layer having a predetermined refractive index distribution or the like is formed at a desired position in a device structure with a good shape and characteristics. Through the fabrication process, advanced semiconductor lasers and new optically functional materials can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明方法の有効性を示すため、本発明に従
い、グレーティングGaAs基板上に実験的にAlGa
As層とGaAs層を複数層、積層した場合の断面の走
査電子顕微鏡写真を用いた説明図である。
FIG. 1 shows experimentally AlGa on a grating GaAs substrate in accordance with the present invention to demonstrate the effectiveness of the method of the present invention.
It is explanatory drawing using the scanning electron micrograph of the cross section at the time of laminating | stacking several layers of As layer and GaAs layer.

【図2】GaAs基板にエッチングによりグレーティン
グを形成した直後と酸化膜を除去した後の走査電子顕微
鏡写真を用いた断面説明図である。
FIG. 2 is an explanatory sectional view using a scanning electron micrograph immediately after forming a grating on a GaAs substrate by etching and after removing an oxide film.

【図3】グレーティングGaAs基板上へのGaAsバ
ッファ層の形成によりグレーティング頂部の鈍りを回復
し得る様子を知るための実験例の走査電子顕微鏡写真を
用いた説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view using a scanning electron microscope photograph of an experimental example for knowing how the dullness of the top of the grating can be recovered by forming a GaAs buffer layer on the grating GaAs substrate.

【図4】本発明方法を分布帰還半導体レーザ構造の形成
に適用した場合の断面例の走査電子顕微鏡写真を用いた
説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view using a scanning electron micrograph of a cross-sectional example when the method of the present invention is applied to the formation of a distributed feedback semiconductor laser structure.

【図5】GaAs基板のグレーティングが良好に保持さ
れたAlGaAsクラッド層上に形成される種々採用し
得る周期構造と、量子細線に代えて量子井戸層を用い得
る場合の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing various periodic structures that can be formed on an AlGaAs cladding layer in which a grating of a GaAs substrate is well held, and a case where a quantum well layer can be used instead of a quantum wire.

【図6】本発明によるV溝上の一定プロファイル結晶成
長条件を用い、一回の結晶成長により形成した利得結合
型分布帰還レーザの一例の概略構成図である。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an example of a gain-coupled distributed feedback laser formed by one-time crystal growth using a constant-profile crystal growth condition on a V-groove according to the present invention.

【図7】本発明に従って作製されたInGaAs/Al
GaAs高密度量子細線アレイの走査電子顕微鏡写真を
用いた断面図と発光スペクトルの説明図である。
FIG. 7: InGaAs / Al made according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a GaAs high-density quantum wire array using a scanning electron micrograph and an explanatory diagram of an emission spectrum.

【図8】本発明に従って作製されたGaAs/AlGa
As高密度量子細線アレイの走査電子顕微鏡写真を用い
た断面図と発光スペクトルの説明図である。
FIG. 8 shows a GaAs / AlGa fabricated according to the present invention.
It is a sectional view using a scanning electron micrograph of an As high-density quantum wire array, and an explanatory diagram of an emission spectrum.

【図9】従来において提案された手法で、グレーティン
グGaAs基板上に実験的にAlGaAs層とGaAs
層を複数層、積層した場合の断面の走査電子顕微鏡写真
を用いた説明図である。
FIG. 9 shows an experimentally proposed method in which an AlGaAs layer and a GaAs layer are experimentally formed on a grating GaAs substrate.
It is explanatory drawing using the scanning electron micrograph of the cross section at the time of laminating several layers.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 グレーティングGaAs基板 11 AlGaAsクラッド層 12 GaAsまたはInGaAs層(活性層または量
子井戸層) 13 GaAsまたはInGaAs量子細線 15 AlGaAsガイド層 16 GaAsバッファ層 17 Cr/Au電極 18 Au−Ge−Ni電極 19 GaAsキャップ層 20 分布帰還半導体レーザ 31 InGaAs量子細線アレイ 32 GaAs量子細線アレイ
Reference Signs List 10 Grating GaAs substrate 11 AlGaAs cladding layer 12 GaAs or InGaAs layer (active layer or quantum well layer) 13 GaAs or InGaAs quantum wire 15 AlGaAs guide layer 16 GaAs buffer layer 17 Cr / Au electrode 18 Au-Ge-Ni electrode 19 GaAs cap Layer 20 Distributed feedback semiconductor laser 31 InGaAs quantum wire array 32 GaAs quantum wire array

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金 泰根 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業 技術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 孫 昌植 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業 技術院電子技術総合研究所内 (56)参考文献 特開 平7−86685(JP,A) 特開 平7−245446(JP,A) 特開 平9−214047(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 29/06 601 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Kim Taine 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Pref. Within the Institute of Electronics and Technology, (72) Inventor Masafumi Son 1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 4 Inside the Research Institute of Electronics, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (56) References JP-A-7-86685 (JP, A) JP-A-7-245446 (JP, A) JP-A-9-214047 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 29/06 601

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 (100)GaAs基板上の[01−
1]方向に伸びるV溝を該GaAs基板の表面に複数
個、サブミクロンオーダのピッチで各々の側面が(11
1)A面となるようにエッチングし、表面酸化膜の除去
処理をした後もV溝の角度が80度以下となるようにし
た後;680℃から730℃の範囲内で熱クリーニング
し、その後、該基板表面上にGaAsバッファ層を形成
することで、該熱クリーニングにより鈍った上記V溝間
の頂部の該鈍りを回復させ;その上に、成長温度670
℃から685℃の範囲内で、Al組成比が0.3から
0.6のAlGaAs層、またはIn組成比が0.05
から0.3のInAlAs層をクラッド層として成長さ
せてからGaAsまたはInGaAsを供給し;もって
該V溝内に断面が三ケ月形状のGaAs量子細線または
InGaAs量子細線を複数本、アレイ状に形成するこ
と;を特徴とする量子細線の形成方法。
1. The method according to claim 1, wherein [01-
A plurality of V-grooves extending in the [1] direction are formed on the surface of the GaAs substrate, and the side surfaces of each of the V-grooves are arranged at submicron pitches (11).
1) Etching so as to make the surface A, and after the surface oxide film is removed, the angle of the V-groove is made to be 80 degrees or less; thermal cleaning is performed in the range of 680 ° C. to 730 ° C., and then Forming a GaAs buffer layer on the substrate surface to recover the dullness at the top between the V-grooves dulled by the thermal cleaning;
AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.3 to 0.6 or In composition ratio of 0.05 to 685 ° C.
Growing GaAs or InGaAs after growing an InAlAs layer as a cladding layer from 0.3 to 0.3 mm; thereby forming a plurality of GaAs quantum wires or InGaAs quantum wires having a crescent cross section in the V groove in an array. A method for forming a quantum wire.
【請求項2】 請求項1記載の方法であって;上記Ga
Asバッファ層の厚さは0.1から0.3μmの範囲内
であること;を特徴とする量子細線の形成方法。
2. The method of claim 1 wherein said Ga
A method for forming a quantum wire, wherein the thickness of the As buffer layer is in the range of 0.1 to 0.3 μm.
【請求項3】 請求項1記載の方法であって;上記クラ
ッド層の上に、該クラッド層を形成するAlGaAs層
のAl組成比より小さなAl組成比のAlGaAsガイ
ド層、または該クラッド層を形成するInAlAs層の
In組成比より小さなIn組成比のInAlAsガイド
層を形成し、該ガイド層上に上記GaAs量子細線また
は上記InGaAs量子細線を形成すること;を特徴と
する量子細線の形成方法。
3. The method according to claim 1, wherein an AlGaAs guide layer having an Al composition ratio smaller than an Al composition ratio of an AlGaAs layer forming the clad layer, or the clad layer is formed on the clad layer. Forming an InAlAs guide layer having an In composition ratio smaller than that of the InAlAs layer to be formed, and forming the GaAs quantum wire or the InGaAs quantum wire on the guide layer.
【請求項4】 請求項1記載の方法であって;上記量子
細線を形成する部分の上にも、上記クラッド層を形成す
るAlGaAs層のAl組成比より小さなAl組成比の
AlGaAsガイド層、または該クラッド層を形成する
InAlAs層のIn組成比より小さなIn組成比のI
nAlAsガイド層を形成し、その上にさらに上側クラ
ッド層としてAl組成比が0.3から0.6のAlGa
As層、またはIn組成比が0.05から0.3のIn
AlAs層を成長させること;を特徴とする量子細線の
形成方法。
4. The method according to claim 1, wherein an AlGaAs guide layer having an Al composition ratio smaller than the Al composition ratio of the AlGaAs layer forming the cladding layer also on a portion on which the quantum wire is formed, or I having an In composition ratio smaller than the In composition ratio of the InAlAs layer forming the cladding layer
An nAlAs guide layer is formed, and an AlGa layer having an Al composition ratio of 0.3 to 0.6 is further formed thereon as an upper cladding layer.
As layer or In with In composition ratio of 0.05 to 0.3
Growing a AlAs layer; a method for forming a quantum wire.
【請求項5】 請求項1記載の方法であって;上記ピッ
チは0.3μmから0.5μmであること;を特徴とす
る量子細線の形成方法。
5. The method according to claim 1, wherein the pitch is 0.3 μm to 0.5 μm.
【請求項6】 請求項1から5のどれかに記載の方法に
より形成された上記アレイ状の複数本の量子細線を、光
を発振、導波する活性層内に、該光の導波方向と直交す
る方向に各々が伸びる位置関係で用いた分布帰還半導体
レーザ。
6. An array of quantum wires formed by the method according to claim 1 in an active layer for oscillating and guiding light. A distributed feedback semiconductor laser used in a positional relationship in which each extends in a direction orthogonal to.
【請求項7】 (100)GaAs基板上の[01−
1]方向に伸びるV溝を該GaAs基板の表面に複数
個、サブミクロンオーダのピッチで各々の側面が(11
1)A面となるようにエッチングし、表面酸化膜の除去
処理をした後もV溝の角度が80度以下となるようにし
た後;680℃から730℃の範囲内で熱クリーニング
し、その後、該基板表面上にGaAsバッファ層を形成
することで、該熱クリーニングにより鈍った上記V溝間
の頂部の該鈍りを回復させ;その上に、成長温度670
℃から685℃の範囲内で、Al組成比が0.3から
0.6のAlGaAs層、またはIn組成比が0.05
から0.3のInAlAs層をクラッド層として成長さ
せてからGaAsまたはInGaAsを供給し;もって
該V溝上にGaAs量子井戸層またはInGaAs量子
井戸層を形成すること;を特徴とする量子井戸層の形成
方法。
7. The method according to claim 7, wherein [01-
A plurality of V-grooves extending in the [1] direction are formed on the surface of the GaAs substrate, and the side surfaces of each of the V-grooves are arranged at submicron pitches (11).
1) Etching so as to make the surface A, and after the surface oxide film is removed, the angle of the V-groove is made to be 80 degrees or less; thermal cleaning is performed in the range of 680 ° C. to 730 ° C., and then Forming a GaAs buffer layer on the substrate surface to recover the dullness at the top between the V-grooves dulled by the thermal cleaning;
AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.3 to 0.6 or In composition ratio of 0.05 to 685 ° C.
Forming a GaAs quantum well layer or an InGaAs quantum well layer on the V-groove by growing an InAlAs layer from 0.3 to 0.3 as a cladding layer; and then forming a GaAs quantum well layer or an InGaAs quantum well layer on the V-groove. Method.
【請求項8】 請求項7記載の方法であって;上記Ga
Asバッファ層の厚さは0.1から0.3μmの範囲内
であること;を特徴とする量子井戸層の形成方法。
8. The method of claim 7, wherein said Ga
The method of forming a quantum well layer, wherein the thickness of the As buffer layer is in a range of 0.1 to 0.3 μm.
【請求項9】 請求項7記載の方法であって;上記クラ
ッド層の上に、該クラッド層を形成するAlGaAs層
のAl組成比より小さなAl組成比のAlGaAsガイ
ド層、または該クラッド層を形成するInAlAs層の
In組成比より小さなIn組成比のInAlAsガイド
層を形成し、該ガイド層上に上記GaAs量子井戸層ま
たは上記InGaAs量子井戸層を形成すること;を特
徴とする量子井戸層の形成方法。
9. The method according to claim 7, wherein an AlGaAs guide layer having an Al composition ratio smaller than an Al composition ratio of an AlGaAs layer forming the clad layer or the clad layer is formed on the clad layer. Forming an InAlAs guide layer having an In composition ratio smaller than that of the InAlAs layer to be formed, and forming the GaAs quantum well layer or the InGaAs quantum well layer on the guide layer. Method.
【請求項10】 請求項9記載の方法であって;上記ガ
イド層の部分で成長温度を上昇させることにより平坦化
を促進し、その上に上記量子井戸層を形成すること;を
特徴とする量子井戸層の形成方法。
10. The method according to claim 9, wherein a planarization is promoted by increasing a growth temperature in a portion of the guide layer, and the quantum well layer is formed thereon. A method for forming a quantum well layer.
【請求項11】 請求項10記載の方法であって;上記
量子井戸層の部分の成長時間を延長し、厚さが変調して
いる折り曲げられた量子井戸層を形成すること;を特徴
とする量子井戸層の形成方法。
11. The method of claim 10, wherein the growth time of the portion of the quantum well layer is extended to form a folded quantum well layer having a modulated thickness. A method for forming a quantum well layer.
【請求項12】 請求項7記載の方法であって;上記量
子井戸層を形成する部分の上にも、上記クラッド層を形
成するAlGaAs層のAl組成比より小さなAl組成
比のAlGaAsガイド層、または該クラッド層を形成
するInAlAs層のIn組成比より小さなIn組成比
のInAlAsガイド層を形成し、その上にさらに上側
クラッド層としてAl組成比が0.3から0.6のAl
GaAs層、またはIn組成比が0.05から0.3の
InAlAs層を成長させること;を特徴とする量子井
戸層の形成方法。
12. The method according to claim 7, wherein an AlGaAs guide layer having an Al composition ratio smaller than an Al composition ratio of the AlGaAs layer forming the cladding layer is also provided on the portion where the quantum well layer is formed. Alternatively, an InAlAs guide layer having an In composition ratio smaller than the In composition ratio of the InAlAs layer forming the cladding layer is formed, and an Al cladding layer having an Al composition ratio of 0.3 to 0.6 is further formed thereon as an upper cladding layer.
Growing a GaAs layer or an InAlAs layer having an In composition ratio of 0.05 to 0.3; a method of forming a quantum well layer.
【請求項13】 請求項7記載の方法であって;上記ピ
ッチは0.3μmから0.5μmであること;を特徴と
する量子井戸層の形成方法。
13. The method according to claim 7, wherein the pitch is 0.3 μm to 0.5 μm.
【請求項14】 請求項7から13のどれかに記載の方
法により形成された上記量子井戸層を、光を発振、導波
する活性層内に用いた分布帰還半導体レーザ。
14. A distributed feedback semiconductor laser using the quantum well layer formed by the method according to claim 7 in an active layer for oscillating and guiding light.
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