JP3842976B2 - 分布帰還型半導体レーザとその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に発振波長を規定するために回折格子を内蔵した分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
長距離大容量伝送を要求される幹線系光通信システムにおいては、単一波長性に優れた光源が要求される。光ファイバの構成材料は、波長によって屈折率、従って光の伝播速度が異なる波長分散を有することを避け難い。通信波長帯域において波長分散が存在すると、パルス光の進行と共にパルス波形は劣化してしまう。レーザ光の単色性を高くすることにより、波長分散の影響を受け難くし、優れた伝送特性を実現することができる。
【０００３】
分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）は、レーザ構造内に設けられた回折格子によって発振波長を規制する。このため、単一波長性に優れている。以下、ＤＦＢレーザの代表的構成を図面を参照して説明する。
【０００４】
図５（Ａ）、（Ｂ）は、屈折率結合型ＤＦＢレーザの構成を概略的に示す。ｎ型半導体基板５１の表面上に、周期的段差構造を有する相対的に低屈折率のｎ型クラッド層５２が形成される。ｎ型クラッド層５２の上に、周期的段差を埋め込む形状の相対的に高屈折率のｎ側ガイド層５３が形成されている。屈折率の異なるクラッド層５２とガイド層５３により回折格子が形成される。
【０００５】
ｎ型ガイド層５３の上に、相対的に低屈折率の層５４を挟んで量子井戸活性層５５が配置される。活性層５５は、相対的に長波長組成、高屈折率のウェル層Ｗと相対的に短波長組成、低屈折率のバリア層Ｂとの交互積層で構成されている。活性層５５の上には、相対的に低屈折率のｐ型ガイド層５６が配置される。ｐ型ガイド層５６までの積層は、ストライプ状のメサ形状に成形されている。
【０００６】
図５（Ｂ）は、ｎ側クラッド層５２、ｎ側ガイド層５３周辺の構造をより詳細に示す。ｎ側ガイド層５３は、ｎ側クラッド層５２よりも高い屈折率を有する。従って、クラッド層５２、ガイド層５３の周期的段差構造は、屈折率的に周期構造を形成する。
【０００７】
ウェル層Ｗ、バリア層Ｂの交互積層から形成される量子井戸活性層５５は、光を増幅する活性層であるが、光の分布は活性層５５を越えてその上下にも及ぶ。活性層５５の下部に延在する光成分は、クラッド層５２、ガイド層５３の作る屈折率周期構造の影響を受ける。すなわち、ガイド層５３、クラッド層５２の周期構造が、回折格子として働く。
【０００８】
図５（Ａ）に戻って、ストライプ状メサ周辺部を埋め込むように、ｐ型埋め込み層６１，ｎ型埋め込み層６２が形成されている。これらのメサ構造と埋め込み層は、ｐ型ガイド層５６上にＳｉ０2等のストライプ状ハードマスクを形成し、メサエッチングを行なった後、半導体表面が露出した領域上に選択成長をさせることにより形成することができる。その後ハードマスクは除去する。
【０００９】
ｐ型ガイド層５６、ｎ型埋め込み層６２の上に、ｐ型クラッド層６３，ｐ+型コンタクト層６４が形成される。ｐ+型コンタクト層６４のストライプ状領域を挟んだ両側領域上にＳｉＯ2等の絶縁層６５が形成される。コンタクト層６４、絶縁層６５の上にｐ側電極２０が形成される。絶縁層６５の存在しないストライプ領域でｐ側電極２０がコンタクト層６４と接触し、選択的に電流を注入する。電流分布は、埋め込み層６１，６２によっても狭窄を受け、メサ領域に集中する。なお、基板裏面上にはｎ側電極１９が形成される。
【００１０】
このＤＦＢレーザは、回折格子の周期で決まるブラッグ波長に近い波長で発振し、レーザ光の単色性が高い。
【００１１】
図５（Ｂ）に示すような回折格子は、ｎ型ガイド層５３が厚くなった部分と薄くなった部分とを有する。そのどちらが定在波の腹に相当するかにより、２つの縦モードが発生する。すなわち、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すＤＦＢレーザは、正確にブラッグ波長で発振するのではなく、その長波側と短波側のどちらかが確率的に選択されて発振するか、または２つのモードが同時に発振する。
【００１２】
回折格子の中央部分に１／４波長の位相シフトを設けることにより、発振モードを制限する構造が提案されている（λ／４シフト構造）。このレーザ素子をブラッグ波長で安定に発振させるには、端面からの反射光の影響を回避する必要がある。端面からの反射光が回折格子領域に及ぶと、回折格子の位相と反射光の位相との間に干渉が生じてしまう。
【００１３】
反射光を除去するためには、両端面に無反射（反射防止）膜を形成することが必要となる。両端面に無反射膜を形成すると、出射光は両端面からほぼ同等に発生し、１端面からの出射光を利用する発光装置の光の利用率が約半分になってしまう。また、素子外部から光が戻ると、発振スペクトルが不安定になる問題も生じ得る。
【００１４】
屈折率結合ＤＦＢレーザよりも、発振スペクトルの安定性の高いレーザとして、利得結合ＤＦＢレーザ（複素結合ＤＦＢレーザ）が提案されている。
【００１５】
図６（Ａ）は、利得結合ＤＦＢレーザの活性層の構成を概略的に示す。ｎ型クラッド層７２の上に、バリア層７３（Ｂ）、ウェル層７４（Ｗ）が交互に積層され、多重量子井戸構造７５（最上層および最下層はバリア層７３）を形成している。
【００１６】
多重量子井戸構造７５の表面側から途中の深さまで、バリア層７３（Ｂ）、ウェル層７４（Ｗ）が周期的に除去されている。図の構成においては、上から第４層目のバリア層７３（Ｂ）の中央部までが除去されている。この周期構造を覆って、ｐ型ガイド層７６が形成されている。ｐ型ガイド層７６の上には、ｐ型クラッド層７７が配置される。
【００１７】
このように、利得結合ＤＦＢレーザにおいては、多重量子井戸構造そのものが周期的に除去され、回折格子を形成している。回折格子を構成しているウェル層７４（Ｗ）には,横方向からもキャリアが注入されるため、電流注入による利得が共振器方向で周期的に変化し、大きな利得結合係数が得られる構造となる。
【００１８】
利得結合ＤＦＢレーザでは、共振器方向に発生する光定在波の振幅の大きい場所の位置（腹の位置）が利得の大きい場所にほぼ固定される。このため、外部戻り光の影響を受け難く、発振スペクトルが安定になる。端面反射光の位相の影響も受け難いため、出射端面である前端面のみに無反射膜を形成し、後端面には高反射膜を形成した非対称共振器構造としてもスペクトルの乱れは小さい。このため、高出力動作が可能となる。
【００１９】
このような利得結合ＤＦＢレーザの活性層の製造プロセスを図６（Ｂ）〜（Ｄ）を参照して説明する。
【００２０】
図６（Ｂ）に示すように、バンドギャップの広いバリア層７３（Ｂ）とバンドギャップの狭いウェル層７４（Ｗ）とを交互に積層し、多重量子井戸構造７５を形成する。この多重量子井戸構造７５の表面上に、周期的構造を有するレジストマスク８０を作成する。
【００２１】
図６（Ｃ）に示すように、レジストマスク８０をエッチングマスクとして用い、多重量子井戸構造７５を途中までエッチングする。エッチングは、中間のバリア層７３（Ｂ）の位置で停止させる。その後レジストマスク８０は除去する。
【００２２】
図６（Ｄ）に示すように、部分的にエッチングされて周期構造を有する多重量子井戸構造７５の段差領域を埋め込むように、ｐ型ガイド層７６を成長する。その後,メサエッチング,埋込層形成,クラッド層,コンタクト層の形成などを行なう。このようにして、図６（Ａ）に示すような周期構造を有する多重量子井戸構造が形成される。
【００２３】
利得結合ＤＦＢレーザにおいては、屈折率の高い活性層自体を加工する。このため、共振器方向に屈折率の変調と利得の変調が同時に存在する複素結合回折格子が形成される。このような複素結合ＤＦＢレーザでは、ブラッグ波長に対して長波側のモードでの発振が生じる。
【００２４】
複素結合ＤＦＢレーザは、エッチングされた上部の井戸層Ｗが横方向からもキャリアの注入を受ける。このため、大きな利得結合係数が得られると共に、活性層の全ての井戸層をエッチングした構造に比べて屈折率結合係数を小さな値にとどめることができる。従って、上述の複素結合ＤＦＢの利点を大きく引き出すことができる。
【００２５】
利得結合ＤＦＢレーザの基本的な構造、性能の解析に関しては、例えばＡ．Ｃｈａｍｐａｇｎｅ ｅｔ ａ１ "Ｇ１ｏｂａ１ ａｎｄ Ｌｏｃａ１ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｇａｉｎ−Ｃｏｕｐ１ｅｄ Ｍｕ１ｔｉｐ１ｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅ１１ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ"， ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅ１ｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏ１．３０，ｐｐ１３９０−１４０１．１９９９を参照されたい。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
図６（Ａ）に示すような量子井戸活性層は、例えば厚さ５ｎｍ程度のウェル層と、厚さ１０ｎｍ程度のバリア層との交互積層で形成されている。図６（Ａ）の構成においては、上から４番目のバリア層の途中でエッチングを停止している。
【００２７】
しかしながら、厚さ１０ｎｍ程度のバリア層の途中で正確にエッチングを停止することは容易ではない。エッチレートのウエハ内分布やウエハ間分布の変動を考えると、エッチングされた井戸層数が同一ウエハ内およびウエハ間でばらつくことが生じ得る。井戸層数が変化すると、利得結合成分と屈折率結合成分が変化する。従ってレーザ特性が素子間でばらつくことになる。
【００２８】
ドライエッチングで周期的構造を形成する場合、エッチングにより結晶欠陥が導入される。バリア層のエッチングが所望位置で停止せず、残るバリア層厚が薄くなりすぎたり、下のウェル層が露出してもなおエッチングを行なったりした場合、ウェル層に結晶欠陥が導入される。これらの結晶欠陥は非発光再結合中心の割合を増やし、レーザの発光効率の低下を招く。
【００２９】
本発明の目的は、特性のバラツキの少ない複素結合ＤＦＢレーザを提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、（ａ）半導体基板上に、下部バリア層と前記下部バリア層よりも狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とを交互に成長して下部量子井戸構造を形成する工程と；（ｂ）最上の下部ウェル層の上に、下部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する中間層を下部バリア層より厚く成長する工程と；（ｃ）前記中間層の上に上部ウェル層と前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有し、前記中間層よりも薄い厚さを有する上部バリア層とを交互に成長して上部量子井戸構造を形成する工程と；（ｄ）前記上部量子井戸構造の上に周期的パターンを有する第１マスクを形成する工程と；（ｅ）前記第１マスクをエッチングマスクとして用い、前記中間層をストッパ層として前記上部量子井戸構造を周期的形状にエッチングする工程と；（ｆ）前記第１マスクを除去する工程とを含む分布帰還型半導体レーザの製造方法が提供される。
【００３２】
多重量子井戸構造を下部量子井戸構造と上部量子井戸構造とに分割し、その中間にバリア層よりも厚い中間層を介在させる。このため、エッチングを中間層で停止することが容易になる。
【００３３】
また、直下の活性層までの距離を十分保ってエッチングを停止することも容易になる。リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングを行なう場合も、ウェル層まで欠陥を届かせず、発光効率の低下を防止することが容易になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例によるメサ構造を有する分布帰還形半導体レーザの一部を切り欠いた斜視図である。１．５μｍ帯（１．５５μｍ帯）の複素結合ＤＦＢレーザを作成する場合を例にとって説明する。ｎ型不純物であるＳｉを１０18ｃｍ-3程度合むｎ型ＩｎＰ基板１の表面上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、５×１０17ｃｍ-3Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＰバッファ層２を厚さ０．１μｍ程度成長した後、下側量子井戸活性層３を成長する。ｎ型ＩｎＰバッファ層２およびｎ型ＩｎＰ基板１は、ｎ側クラッド層としても機能する。
【００３５】
図２（Ａ）に示すように、下側量子井戸活性層３は、例えば３層のバリア層Ｂと３層のウェル層Ｗとを交互に積層した構成を有する。バリア層Ｂは、例えば１．３μｍ組成、厚さ約１０ｎｍ、無歪みのＩｎＧａＡｓＰ層で形成され、井戸層Ｗは１．５５μｍ組成、厚さ約５ｎｍ、圧縮歪み約１％を有するＩｎＧａＡｓＰ層で形成される。なお、無歪みのウェル層を用いることもできる。ウェル層とバリア層の組成等のパラメータは、発振波長等の実験に基づいて、合わせこんでいくことが好ましい。
【００３６】
下部量子井戸活性層３の上に、例えば１．３μｍ組成、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ中間層４を成長する。中間層４は、バリア層としての働きを有するため、ウェル層Ｗより短波長の組成を有する必要がある。例えば,中間層４は、下部および上部量子井戸活性層３、５のバリア層と同一組成とする。但し、中間層の組成をバリア層の組成と同一にする必要はない。光明じ込め効果を促進するためには、中間層の組成はなるべく長波長組成を有することが望ましい。これらの観点からは、ウェル層が１．５５μｍ組成の場合、中間層の組成は、約１．２μｍ〜約１．４μｍの組成範囲から条件に応じて選択することが望ましい。
【００３７】
中間層４の上に、上側量子井戸活性層５を形成する。上側量子井戸活性層も、例えば３層のウェル層Ｗと３層のバリア層Ｂとを交互に積層した構成を有する。ウェル層Ｗ、バリア層Ｂの組成および厚さは、例えば下部量子井戸活性層のバリア層Ｂ、ウェル層Ｗと同等である。以下、下部量子井戸活性層３、中間層４、上部量子井戸活性層５を、まとめて量子井戸活性層と呼ぶことがある。
【００３８】
図２（Ａ）に示すように、上部量子井戸活性層５を成長した後、上部量子井戸活性層５の上にレジストマスクＭ１を形成する。レジストマスクＭ１は、２光束干渉露光を行なった後、現像して作成する。２光束の干渉により、規則的な繰り返しストライプパターンを有するレジストマスクＭ１が形成される。ストライプのピッチが、回折格子の格子定数を定める。
【００３９】
図２（Ｂ）に示すように、レジストマスクＭ１をエッチングマスクとして用い、メタンを含むエッチングガスを用いて、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を行なうことにより上部量子井戸活性層５を異方的にエッチングする。中間層４の途中でエッチングを停止させる。中間層４の半分までエッチングを行なう場合、エッチング時間は例えば３分１５秒である。
【００４０】
中間層４は、バリア層Ｂと比べ十分大きい厚さを有するので、エッチングの停止を確実に中間層の中程で行なうことができる。その後レジストマスクＭ１は除去する。上部量子井戸活性層５は、マスクＭ１にしたがって一定の格子定数で配置された周期的パターンとなり、回折格子を構成する。
【００４１】
図２（Ｃ）に示すように、周期的にエッチングされた上部活性層５を埋め込むように、ＭＯＶＰＥによりｐ型ガイド層６を成長する。ｐ型ガイド層は、例えば、１．１〜１．２μｍ組成、不純物（Ｚｎ）濃度５×１０17ｃｍ-3、活性層上の厚さ約１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層で形成される。
【００４２】
ｐ型ガイド層６成長後、回折格子に垂直な面内方向にストライプ形状を有するＳｉＯ2層を形成し、このＳｉＯ2層をエッチングマスクとし、メタンを含むエッチングガスを用いたＲＩＥにより、ＭＱＷ活性層３，４，５が幅約１．２μｍ残るようにエッチングする。
【００４３】
図１に示すメサ構造がこのようにして作成される。ＳｉＯ2層を残したまま、ＭＯＶＰＥにより２回の結晶成長を行ない、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１１，ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１２を成長し、ｐｎ埋め込み構造の埋込ヘテロ（ＢＨ）レーザ構造を作成する。その後、ＳｉＯ２マスク層は除去する。
【００４４】
さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３，ｐ+型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４をＭＯＶＰＥで成長する。コンタクト層１４の上に、メサ構造に対応した開口部を有するＳｉＯ2層１５を形成する。ＳｉＯ2層１５および露出したコンタクト層１４の上にｐ側電極２０を形成する。ｐ側電極は、例えばＴｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層をこの順序で積層した３層積層電極である。
【００４５】
また、基板１裏面には、ｎ側電極１９を形成する。ｎ側電極１９は、例えばＡｕＧｅ層、Ａｕ層をこの順序で積層した２層積層電極である。その後、キャビティを形成するへき開を行なってレーザ構造を得る。キャビティの出射側端面には無反射膜、反対側の端面には高反射膜をコーティングする。
【００４６】
上記実施例の効果を確認するため、上記実施例により作成したレーザを有する例ウエハと、図６に示す製造方法により量子井戸活性層を作成した比較例ウエハを作成した。すなわち、比較例においては中間層が無く、代りに通常のバリア層が１層設けられている。各ウエハは、１０００位のサンプル数を有する。
【００４７】
実施例によるウエハをへき開して加工深さの分布を調べたところ、ウエハのどの場所においても中間層は１００ｎｍの全厚さの内４０〜６０ｎｍの深さまでエッチングされていた。閾値電流とスロープ効率を調べたところ、以下の結果が得られた。
【００４８】
【表１】
【００４９】
実施例による例と比較例とにおいて、閾値電流およびスロープ効率の平均値は同一であるが、比較例の標準偏差は、実施例による例の２倍および３倍になっている。すなわち、上述の実施例によれば、特性の揃った半導体レーザ素子を得ることができた。なお、上述の実施例の構成は制限的なものではない。例えば、中間層４の厚さは１００ｎｍよりも大きくても小さくてもよい。但し、中間層４はバリア層Ｂよりも厚くする必要がある。
【００５０】
なお、上述の実施例では、中間層とバリア層とを同一組成とした。上部活性層を回折格子状にエッチングした後,回折格子は埋め込み層で埋め戻さなければならない。ガイド層で回折格子を埋め戻し、その上にクラッド層を形成する場合、通常ガイド層はバリア層の屈折率とクラッド層の屈折率との中間の屈折率を持つようにする。
【００５１】
この観点からは、埋め込みガイド層は、中間層の組成よりも高屈折率（短波長組成）ではないように選択することが好ましい。例えば,中間層が１．２μｍから１．４μｍ組成の場合、埋め込みガイド層を１．１μｍ〜１．３μｍ組成に選択する。
【００５２】
なお、ガイド層を用いずに回折格子を直接クラッド層で埋め戻してもよい。図１の構成においては,ガイド層６をクラッド層１３と同一のＩｎＰで形成すればよい。層６と層１３をまとめてクラッド層と呼ぶ。そこで、回折格子を埋め戻す層を埋め込み層と呼ぶこともある。中間層を一部エッチングした後、埋め込み層で埋めもどす。中間層と埋め込み層との間に界面が形成される。例えば、回折格子を埋め込む埋め込み層は、バリア層（および中間層）よりも屈折率の低い（バンドギャップの広い）半導体層で形成する。中間層と埋め込み層との屈折率が異なると、それらの間には屈折率界面が形成される。
【００５３】
中間層のエッチング深さを深くするに従って、屈折率結合係数が大きくなる。エッチング深さにバラツキがあると,屈折率結合係数がバラツクことになる。レーザ素子の閾値電流、スロープ効率も変動する。
【００５４】
この観点からは,中間層はバリア層とは異なる機能を有する。従って,中間層の組成の選択はバリア層の組成の選択とは別個に行なうことが好ましい。中間層の屈折率をバリア層の屈折率よりも小さく（中間層の組成をバリア層の組成よりも短波長に）選択すれば,中間層と埋め込み層との屈折率の差を小さく,従って屈折率結合係数を小さくすることが容易になる。この場合,屈折率の大小関係は,バリア層＞中間層＞埋め込み層となる。
【００５５】
さらに、埋め込み層が,中間層と同一屈折率を有するようにすれば,埋め込み層と中間層との間に屈折率界面は形成されない。エッチング深さがバラツイても屈折率結合係数は影響を受けない。例えば上述の実施例において、ウェル層が厚さ５ｎｍ、無歪み、１．５５μ組成,バリア層が厚さ１０ｎｍ、１．２μｍ組成とした場合、中間層を厚さ１００ｎｍ,１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ層で形成し,ノンドープ、１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰガイド層で埋め込む。
【００５６】
バリア層と中間層および埋め込み層の屈折率（組成）は、上述の例に限らない。例えば、バリア層、中間層、埋め込み層を全て１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰとしてもよい。ガイド層は,必ずしも必要ではなく,クラッド層で回折格子を埋め込んでもよい。たとえば、中間層をＩｎＰで形成し、ＩｎＰクラッド層で埋め込んでもよい。
【００５７】
中間層がエッチングされた後、中間層と同一の半導体で埋め込むため、エッチング深さのばらつきは埋め込み層によって解消される。エッチング深さがばらついても、レーザ素子の特性に差は生じない。なお,同一屈折率でなくても、０．０１以下の屈折率差であれば,ほぼ同様の効果が期待できる。このような屈折率をほぼ同一の屈折率と呼ぶ。
【００５８】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、中間層４の厚さの影響を示す概略断面図である。中間層を厚くしすぎると、光の横高次モードが発生しやすくなる。図３（Ａ）に示すように、中間層４の厚さがある程度以下であれば、量子井戸活性層全体として光電界分布は滑らかな単一のピークを有する単峰性形状となる。
【００５９】
図３（Ｂ）に示すように、中間層４の厚さを厚くし過ぎると、光電界分布が下部量子井戸活性層３に基づくピークと、上部量子井戸活性層５に基づくピークとに分離し、双峰性を有するようになる。光電界分布が単峰性を維持するようにするためには、中間層４の厚さを３００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００６０】
メサ型構造を有するＤＦＢレーザを説明したが、他の構造のＤＦＢレーザを作成することもできる。
【００６１】
図４は、リッジ型ＤＦＢレーザの構成例を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を成長した後、下部量子井戸活性層３、中間層４、上部量子井戸活性層５を成長する。
【００６２】
上部量子井戸活性層５の上に周期的回折格子パターンのマスクを形成し、上部量子井戸活性層５を異方的にエッチングし、中間層４の中程でエッチングを停止する。エッチングされた上部量子井戸活性層５を埋め込むように、ガイド層６を作成する。ここまでの製造工程は、図１の場合と同様である。量子井戸活性層、ガイド層の組成、条件は上述の実施例の場合と同様である。
【００６３】
ガイド層６の上に、ｐ側クラッド層７，ｐ側コンタクト層１４を成長する。ｐ側クラッド層７は、例えばｐ型ＩｎＰ層で形成する。コンタクト層１４は、例えばｐ+型ＩｎＧａＡｓで形成する。コンタクト層１４まで成長した後、ストライプ状のマスクをコンタクト層１４土に形成し、ＲＩＥによりコンタクト層１４、クラッド層７を異方的にエッチングする。
【００６４】
ストライプの外側において、コンタクト層１４の全厚およびクラッド層７の厚さの一部が除去されるため、屈折率分布が変化し、残ったリッジ型構造に光閉じ込め効果が生じる。
【００６５】
リッジ上面の電極接触部分に開口を有するＳｉＯ2層１５を形成した後、ｐ側電極２０を作成する。また、基板１裏面には、ｎ側電極１９を作成する。各電極は、図１の場合と同様の材料により形成することができる。ウエハをキャビティにへき開してリッジ型ＤＦＢレーザを得る。
【００６６】
なお、ガイド層は省略してもよい。ｎ型基板を用い、下部にｎ型領域、上部にｐ型領域を有するレーザを作成する場合を説明したが、ｐ型基板を用い、下部にｐ型領域、上部にｎ型領域を有するレーザを作成することもできる。１．５５μｍ帯の半導体レーザを作製する場合を説明したが、他の波長の半導体レーザを作製してもよい。たとえば、１．３μｍ帯のレーザを作る場合は、基板としてＩｎＰ、ウェル層として１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ、バリア層として１．０〜１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを用いればよい。
【００６７】
その他種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に白明であろう。
【００６８】
なお、本発明の特徴を以下に記載する。
【００６９】
（付記１） 下部バリア層と、前記下部バリア層より狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とが交互に積層され、共振器方向に延在する下部量子井戸構造と；
前記下部量子井戸構造上に配置され、前記下部ウェル層よりも広いバンドギャップと前記下部バリア層よりも厚い厚さとを有する中間層と；
前記中間層の上に前記共振器方向に沿って周期的に配置され、上部ウェル層と、前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する上部バリア層とが交互に積層された上部量子井戸構造と
を有する分布帰還型半導体レーザ。
【００７０】
（付記２） さらに、前記共振器方向に沿って前記上部量子井戸構造を覆って前記中間層上に配置され、前記下部および上部ウェル層より広いバンドギャップを有する回折格子埋め込み層を有する付記１記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７１】
（付記３） 前記中間層は、前記上部量子井戸構造と同一周期、同一位相の表面段差を有する付記２記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７２】
（付記４） 前記回折格子埋め込み層は、前記中間層よりも高くない屈折率を有する付記２または３記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７３】
（付記５） 前記回折格子埋め込み層は、前記中間層よりも低い屈折率を有する付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７４】
（付記６） 前記中間層の屈折率は,下部バリア層の屈折率よりも低い付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７５】
（付記７） 前記中間層の屈折率は,上部及び下部バリア層の屈折率と,埋め込み層の屈折率との中間の屈折率を有する付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７６】
（付記８） 前記中間層は、前記上部多重量子井戸構造下で３００ｎｍ以下の厚さを有する付記１〜３のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７７】
（付記９） 前記中間層と前記回折格子埋め込み層とがほぼ同一の屈折率を有する付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７８】
（付記１０） さらに,前記下部量子井戸構造を支持するＩｎＰ基板を有し、
前記下部および上部ウェル層が、１．５μｍ帯の組成を有するＩｎＧａＡｓＰで形成され、前記下部および上部バリア層がより短波長組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている付記１〜４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７９】
（付記１１） 前記下部および上部バリア層が１．２μｍ帯から１．４μｍ帯までの組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている付記１０記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８０】
（付記１２） 前記中間層が１．２μｍ帯から１．４μｍ帯までの組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている付記１０記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８１】
（付記１３） 前記回折格子埋め込み層が、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰで形成されている付記１０記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８２】
（付記１４） 前記回折格子埋め込み層がＩｎＧａＡｓＰで形成され、さらに、
前記回折格子埋め込み層の上に形成されたＩｎＰクラッド層を有する付記７記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８３】
（付記１５） 前記上部量子井戸構造、中間層、および下部量子井戸構造がストライプ状に成形され、前記分布帰還形半導体レーザがメサ型又はリッジ型のレーザを構成する付記１０−１４のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８４】
（付記１６） （ａ）半導体基板上に、下部バリア層と前記下部バリア層よりも狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とを交互に成長して下部量子井戸構造を形成する工程と；
（ｂ）最上の下部ウェル層の上に、下部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する中間層を下部バリア層より厚く成長する工程と；
（ｃ）前記中間層の上に上部ウェル層と前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有し、前記中間層よりも薄い厚さを有する上部バリア層とを交互に成長して上部量子井戸構造を形成する工程と；
（ｄ）前記上部量子井戸構造の上に周期的パターンを有するマスクを形成する工程と；
（ｅ）前記マスクをエッチングマスクとして用い、前記中間層をエッチングマージン層として前記上部量子井戸構造を周期的形状にエッチングする工程と；
（ｆ）前記マスクを除去する工程と
を含む分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８５】
（付記１７） さらに、（ｇ）前記工程（ｆ）の後、エッチングされた上部量子井戸構造を覆うように、中間層上に前記上部および下部ウェル層より広いバンドギャプを有する回折格子埋め込み層を成長する工程；
を含む付記１６記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８６】
（付記１８） さらに、（ｈ）前記工程（ｇ）の後、前記回折格子埋め込み層上にクラッド層を成長する工程；
を含む付記１７記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８７】
（付記１９） さらに、（ｉ）前記回折格子埋め込み層上に前記周期的パターンを横断する方向に延在するストライプ形状のハードマスクを形成する工程と；
（ｊ）前記ハードマスクから露出された前記回折格子埋め込み層、前記上部量子井戸構造、前記中間層、前記下部量子井戸構造をエッチングしてメサ構造を形成する工程と；
（ｋ）エッチングされたメサ構造の側面を埋め込むメサ埋込層を成長する工程と；
（ｌ）前記ハードマスクを除去する工程と
を含む付記１７または１８記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８８】
（付記２０） 前記周期的パターンを有するマスクはホトレジスト層を２光束干渉露光、現像によって形成し、前記メサ構造を形成する工程はリアクティブイオンエッチングで行なう付記１６〜１９のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特性のバラツキの少ない複素結合ＤＦＢレーザを得ることができる。
【００９０】
複素結合ＤＦＢレーザの製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例によるメサ構造を有する複素結合ＤＦＢレーザの構成を概略的に示す一部切り欠き斜視図である。
【図２】 本発明の実施例による量子井戸回折格子の作成方法を示す断面図である。
【図３】 中間層の厚さの影響を説明する断面図である。
【図４】 本発明の他の実施例によるリッジ構造を有する複素結合ＤＦＢレーザの構成を概略的に示す一部切り欠き斜視図である。
【図５】 従来の技術による屈折率結合ＤＦＢレーザの構成を示す一部切り欠き斜視図および断面図である。
【図６】 従来の技術による複素結合ＤＦＢレーザの量子井戸活性層の作成方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ バッフア層
３ 下部量子井戸活性層
４ 中間層
５ 上部量子井戸活性層
６ ガイド層
７ クラッド層
１１，１２ 埋め込み層
１３ クラッド層
１４ コンタクト層
１５ ＳｉＯ2層
１９ ｎ側電極
２０ ｐ側電極
Ｂ バリア層
Ｗ ウェル層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に発振波長を規定するために回折格子を内蔵した分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
長距離大容量伝送を要求される幹線系光通信システムにおいては、単一波長性に優れた光源が要求される。光ファイバの構成材料は、波長によって屈折率、従って光の伝播速度が異なる波長分散を有することを避け難い。通信波長帯域において波長分散が存在すると、パルス光の進行と共にパルス波形は劣化してしまう。レーザ光の単色性を高くすることにより、波長分散の影響を受け難くし、優れた伝送特性を実現することができる。
【０００３】
分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）は、レーザ構造内に設けられた回折格子によって発振波長を規制する。このため、単一波長性に優れている。以下、ＤＦＢレーザの代表的構成を図面を参照して説明する。
【０００４】
図５（Ａ）、（Ｂ）は、屈折率結合型ＤＦＢレーザの構成を概略的に示す。ｎ型半導体基板５１の表面上に、周期的段差構造を有する相対的に低屈折率のｎ型クラッド層５２が形成される。ｎ型クラッド層５２の上に、周期的段差を埋め込む形状の相対的に高屈折率のｎ側ガイド層５３が形成されている。屈折率の異なるクラッド層５２とガイド層５３により回折格子が形成される。
【０００５】
ｎ型ガイド層５３の上に、相対的に低屈折率の層５４を挟んで量子井戸活性層５５が配置される。活性層５５は、相対的に長波長組成、高屈折率のウェル層Ｗと相対的に短波長組成、低屈折率のバリア層Ｂとの交互積層で構成されている。活性層５５の上には、相対的に低屈折率のｐ型ガイド層５６が配置される。ｐ型ガイド層５６までの積層は、ストライプ状のメサ形状に成形されている。
【０００６】
図５（Ｂ）は、ｎ側クラッド層５２、ｎ側ガイド層５３周辺の構造をより詳細に示す。ｎ側ガイド層５３は、ｎ側クラッド層５２よりも高い屈折率を有する。従って、クラッド層５２、ガイド層５３の周期的段差構造は、屈折率的に周期構造を形成する。
【０００７】
ウェル層Ｗ、バリア層Ｂの交互積層から形成される量子井戸活性層５５は、光を増幅する活性層であるが、光の分布は活性層５５を越えてその上下にも及ぶ。活性層５５の下部に延在する光成分は、クラッド層５２、ガイド層５３の作る屈折率周期構造の影響を受ける。すなわち、ガイド層５３、クラッド層５２の周期構造が、回折格子として働く。
【０００８】
図５（Ａ）に戻って、ストライプ状メサ周辺部を埋め込むように、ｐ型埋め込み層６１，ｎ型埋め込み層６２が形成されている。これらのメサ構造と埋め込み層は、ｐ型ガイド層５６上にＳｉ０2等のストライプ状ハードマスクを形成し、メサエッチングを行なった後、半導体表面が露出した領域上に選択成長をさせることにより形成することができる。その後ハードマスクは除去する。
【０００９】
ｐ型ガイド層５６、ｎ型埋め込み層６２の上に、ｐ型クラッド層６３，ｐ+型コンタクト層６４が形成される。ｐ+型コンタクト層６４のストライプ状領域を挟んだ両側領域上にＳｉＯ2等の絶縁層６５が形成される。コンタクト層６４、絶縁層６５の上にｐ側電極２０が形成される。絶縁層６５の存在しないストライプ領域でｐ側電極２０がコンタクト層６４と接触し、選択的に電流を注入する。電流分布は、埋め込み層６１，６２によっても狭窄を受け、メサ領域に集中する。なお、基板裏面上にはｎ側電極１９が形成される。
【００１０】
このＤＦＢレーザは、回折格子の周期で決まるブラッグ波長に近い波長で発振し、レーザ光の単色性が高い。
【００１１】
図５（Ｂ）に示すような回折格子は、ｎ型ガイド層５３が厚くなった部分と薄くなった部分とを有する。そのどちらが定在波の腹に相当するかにより、２つの縦モードが発生する。すなわち、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すＤＦＢレーザは、正確にブラッグ波長で発振するのではなく、その長波側と短波側のどちらかが確率的に選択されて発振するか、または２つのモードが同時に発振する。
【００１２】
回折格子の中央部分に１／４波長の位相シフトを設けることにより、発振モードを制限する構造が提案されている（λ／４シフト構造）。このレーザ素子をブラッグ波長で安定に発振させるには、端面からの反射光の影響を回避する必要がある。端面からの反射光が回折格子領域に及ぶと、回折格子の位相と反射光の位相との間に干渉が生じてしまう。
【００１３】
反射光を除去するためには、両端面に無反射（反射防止）膜を形成することが必要となる。両端面に無反射膜を形成すると、出射光は両端面からほぼ同等に発生し、１端面からの出射光を利用する発光装置の光の利用率が約半分になってしまう。また、素子外部から光が戻ると、発振スペクトルが不安定になる問題も生じ得る。
【００１４】
屈折率結合ＤＦＢレーザよりも、発振スペクトルの安定性の高いレーザとして、利得結合ＤＦＢレーザ（複素結合ＤＦＢレーザ）が提案されている。
【００１５】
図６（Ａ）は、利得結合ＤＦＢレーザの活性層の構成を概略的に示す。ｎ型クラッド層７２の上に、バリア層７３（Ｂ）、ウェル層７４（Ｗ）が交互に積層され、多重量子井戸構造７５（最上層および最下層はバリア層７３）を形成している。
【００１６】
多重量子井戸構造７５の表面側から途中の深さまで、バリア層７３（Ｂ）、ウェル層７４（Ｗ）が周期的に除去されている。図の構成においては、上から第４層目のバリア層７３（Ｂ）の中央部までが除去されている。この周期構造を覆って、ｐ型ガイド層７６が形成されている。ｐ型ガイド層７６の上には、ｐ型クラッド層７７が配置される。
【００１７】
このように、利得結合ＤＦＢレーザにおいては、多重量子井戸構造そのものが周期的に除去され、回折格子を形成している。回折格子を構成しているウェル層７４（Ｗ）には,横方向からもキャリアが注入されるため、電流注入による利得が共振器方向で周期的に変化し、大きな利得結合係数が得られる構造となる。
【００１８】
利得結合ＤＦＢレーザでは、共振器方向に発生する光定在波の振幅の大きい場所の位置（腹の位置）が利得の大きい場所にほぼ固定される。このため、外部戻り光の影響を受け難く、発振スペクトルが安定になる。端面反射光の位相の影響も受け難いため、出射端面である前端面のみに無反射膜を形成し、後端面には高反射膜を形成した非対称共振器構造としてもスペクトルの乱れは小さい。このため、高出力動作が可能となる。
【００１９】
このような利得結合ＤＦＢレーザの活性層の製造プロセスを図６（Ｂ）〜（Ｄ）を参照して説明する。
【００２０】
図６（Ｂ）に示すように、バンドギャップの広いバリア層７３（Ｂ）とバンドギャップの狭いウェル層７４（Ｗ）とを交互に積層し、多重量子井戸構造７５を形成する。この多重量子井戸構造７５の表面上に、周期的構造を有するレジストマスク８０を作成する。
【００２１】
図６（Ｃ）に示すように、レジストマスク８０をエッチングマスクとして用い、多重量子井戸構造７５を途中までエッチングする。エッチングは、中間のバリア層７３（Ｂ）の位置で停止させる。その後レジストマスク８０は除去する。
【００２２】
図６（Ｄ）に示すように、部分的にエッチングされて周期構造を有する多重量子井戸構造７５の段差領域を埋め込むように、ｐ型ガイド層７６を成長する。その後,メサエッチング,埋込層形成,クラッド層,コンタクト層の形成などを行なう。このようにして、図６（Ａ）に示すような周期構造を有する多重量子井戸構造が形成される。
【００２３】
利得結合ＤＦＢレーザにおいては、屈折率の高い活性層自体を加工する。このため、共振器方向に屈折率の変調と利得の変調が同時に存在する複素結合回折格子が形成される。このような複素結合ＤＦＢレーザでは、ブラッグ波長に対して長波側のモードでの発振が生じる。
【００２４】
複素結合ＤＦＢレーザは、エッチングされた上部の井戸層Ｗが横方向からもキャリアの注入を受ける。このため、大きな利得結合係数が得られると共に、活性層の全ての井戸層をエッチングした構造に比べて屈折率結合係数を小さな値にとどめることができる。従って、上述の複素結合ＤＦＢの利点を大きく引き出すことができる。
【００２５】
利得結合ＤＦＢレーザの基本的な構造、性能の解析に関しては、例えばＡ．Ｃｈａｍｐａｇｎｅ ｅｔ ａ１ "Ｇ１ｏｂａ１ ａｎｄ Ｌｏｃａ１ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｇａｉｎ−Ｃｏｕｐ１ｅｄ Ｍｕ１ｔｉｐ１ｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅ１１ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ"， ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅ１ｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏ１．３０，ｐｐ１３９０−１４０１．１９９９を参照されたい。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
図６（Ａ）に示すような量子井戸活性層は、例えば厚さ５ｎｍ程度のウェル層と、厚さ１０ｎｍ程度のバリア層との交互積層で形成されている。図６（Ａ）の構成においては、上から４番目のバリア層の途中でエッチングを停止している。
【００２７】
しかしながら、厚さ１０ｎｍ程度のバリア層の途中で正確にエッチングを停止することは容易ではない。エッチレートのウエハ内分布やウエハ間分布の変動を考えると、エッチングされた井戸層数が同一ウエハ内およびウエハ間でばらつくことが生じ得る。井戸層数が変化すると、利得結合成分と屈折率結合成分が変化する。従ってレーザ特性が素子間でばらつくことになる。
【００２８】
ドライエッチングで周期的構造を形成する場合、エッチングにより結晶欠陥が導入される。バリア層のエッチングが所望位置で停止せず、残るバリア層厚が薄くなりすぎたり、下のウェル層が露出してもなおエッチングを行なったりした場合、ウェル層に結晶欠陥が導入される。これらの結晶欠陥は非発光再結合中心の割合を増やし、レーザの発光効率の低下を招く。
【００２９】
本発明の目的は、特性のバラツキの少ない複素結合ＤＦＢレーザを提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、（ａ）半導体基板上に、下部バリア層と前記下部バリア層よりも狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とを交互に成長して下部量子井戸構造を形成する工程と；（ｂ）最上の下部ウェル層の上に、下部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する中間層を下部バリア層より厚く成長する工程と；（ｃ）前記中間層の上に上部ウェル層と前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有し、前記中間層よりも薄い厚さを有する上部バリア層とを交互に成長して上部量子井戸構造を形成する工程と；（ｄ）前記上部量子井戸構造の上に周期的パターンを有する第１マスクを形成する工程と；（ｅ）前記第１マスクをエッチングマスクとして用い、前記中間層をストッパ層として前記上部量子井戸構造を周期的形状にエッチングする工程と；（ｆ）前記第１マスクを除去する工程とを含む分布帰還型半導体レーザの製造方法が提供される。
【００３２】
多重量子井戸構造を下部量子井戸構造と上部量子井戸構造とに分割し、その中間にバリア層よりも厚い中間層を介在させる。このため、エッチングを中間層で停止することが容易になる。
【００３３】
また、直下の活性層までの距離を十分保ってエッチングを停止することも容易になる。リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングを行なう場合も、ウェル層まで欠陥を届かせず、発光効率の低下を防止することが容易になる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例によるメサ構造を有する分布帰還形半導体レーザの一部を切り欠いた斜視図である。１．５μｍ帯（１．５５μｍ帯）の複素結合ＤＦＢレーザを作成する場合を例にとって説明する。ｎ型不純物であるＳｉを１０18ｃｍ-3程度合むｎ型ＩｎＰ基板１の表面上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、５×１０17ｃｍ-3Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＰバッファ層２を厚さ０．１μｍ程度成長した後、下側量子井戸活性層３を成長する。ｎ型ＩｎＰバッファ層２およびｎ型ＩｎＰ基板１は、ｎ側クラッド層としても機能する。
【００３５】
図２（Ａ）に示すように、下側量子井戸活性層３は、例えば３層のバリア層Ｂと３層のウェル層Ｗとを交互に積層した構成を有する。バリア層Ｂは、例えば１．３μｍ組成、厚さ約１０ｎｍ、無歪みのＩｎＧａＡｓＰ層で形成され、井戸層Ｗは１．５５μｍ組成、厚さ約５ｎｍ、圧縮歪み約１％を有するＩｎＧａＡｓＰ層で形成される。なお、無歪みのウェル層を用いることもできる。ウェル層とバリア層の組成等のパラメータは、発振波長等の実験に基づいて、合わせこんでいくことが好ましい。
【００３６】
下部量子井戸活性層３の上に、例えば１．３μｍ組成、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ中間層４を成長する。中間層４は、バリア層としての働きを有するため、ウェル層Ｗより短波長の組成を有する必要がある。例えば,中間層４は、下部および上部量子井戸活性層３、５のバリア層と同一組成とする。但し、中間層の組成をバリア層の組成と同一にする必要はない。光明じ込め効果を促進するためには、中間層の組成はなるべく長波長組成を有することが望ましい。これらの観点からは、ウェル層が１．５５μｍ組成の場合、中間層の組成は、約１．２μｍ〜約１．４μｍの組成範囲から条件に応じて選択することが望ましい。
【００３７】
中間層４の上に、上側量子井戸活性層５を形成する。上側量子井戸活性層も、例えば３層のウェル層Ｗと３層のバリア層Ｂとを交互に積層した構成を有する。ウェル層Ｗ、バリア層Ｂの組成および厚さは、例えば下部量子井戸活性層のバリア層Ｂ、ウェル層Ｗと同等である。以下、下部量子井戸活性層３、中間層４、上部量子井戸活性層５を、まとめて量子井戸活性層と呼ぶことがある。
【００３８】
図２（Ａ）に示すように、上部量子井戸活性層５を成長した後、上部量子井戸活性層５の上にレジストマスクＭ１を形成する。レジストマスクＭ１は、２光束干渉露光を行なった後、現像して作成する。２光束の干渉により、規則的な繰り返しストライプパターンを有するレジストマスクＭ１が形成される。ストライプのピッチが、回折格子の格子定数を定める。
【００３９】
図２（Ｂ）に示すように、レジストマスクＭ１をエッチングマスクとして用い、メタンを含むエッチングガスを用いて、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を行なうことにより上部量子井戸活性層５を異方的にエッチングする。中間層４の途中でエッチングを停止させる。中間層４の半分までエッチングを行なう場合、エッチング時間は例えば３分１５秒である。
【００４０】
中間層４は、バリア層Ｂと比べ十分大きい厚さを有するので、エッチングの停止を確実に中間層の中程で行なうことができる。その後レジストマスクＭ１は除去する。上部量子井戸活性層５は、マスクＭ１にしたがって一定の格子定数で配置された周期的パターンとなり、回折格子を構成する。
【００４１】
図２（Ｃ）に示すように、周期的にエッチングされた上部活性層５を埋め込むように、ＭＯＶＰＥによりｐ型ガイド層６を成長する。ｐ型ガイド層は、例えば、１．１〜１．２μｍ組成、不純物（Ｚｎ）濃度５×１０17ｃｍ-3、活性層上の厚さ約１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層で形成される。
【００４２】
ｐ型ガイド層６成長後、回折格子に垂直な面内方向にストライプ形状を有するＳｉＯ2層を形成し、このＳｉＯ2層をエッチングマスクとし、メタンを含むエッチングガスを用いたＲＩＥにより、ＭＱＷ活性層３，４，５が幅約１．２μｍ残るようにエッチングする。
【００４３】
図１に示すメサ構造がこのようにして作成される。ＳｉＯ2層を残したまま、ＭＯＶＰＥにより２回の結晶成長を行ない、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１１，ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１２を成長し、ｐｎ埋め込み構造の埋込ヘテロ（ＢＨ）レーザ構造を作成する。その後、ＳｉＯ２マスク層は除去する。
【００４４】
さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３，ｐ+型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４をＭＯＶＰＥで成長する。コンタクト層１４の上に、メサ構造に対応した開口部を有するＳｉＯ2層１５を形成する。ＳｉＯ2層１５および露出したコンタクト層１４の上にｐ側電極２０を形成する。ｐ側電極は、例えばＴｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層をこの順序で積層した３層積層電極である。
【００４５】
また、基板１裏面には、ｎ側電極１９を形成する。ｎ側電極１９は、例えばＡｕＧｅ層、Ａｕ層をこの順序で積層した２層積層電極である。その後、キャビティを形成するへき開を行なってレーザ構造を得る。キャビティの出射側端面には無反射膜、反対側の端面には高反射膜をコーティングする。
【００４６】
上記実施例の効果を確認するため、上記実施例により作成したレーザを有する例ウエハと、図６に示す製造方法により量子井戸活性層を作成した比較例ウエハを作成した。すなわち、比較例においては中間層が無く、代りに通常のバリア層が１層設けられている。各ウエハは、１０００位のサンプル数を有する。
【００４７】
実施例によるウエハをへき開して加工深さの分布を調べたところ、ウエハのどの場所においても中間層は１００ｎｍの全厚さの内４０〜６０ｎｍの深さまでエッチングされていた。閾値電流とスロープ効率を調べたところ、以下の結果が得られた。
【００４８】
【表１】
実施例による例と比較例とにおいて、閾値電流およびスロープ効率の平均値は同一であるが、比較例の標準偏差は、実施例による例の２倍および３倍になっている。すなわち、上述の実施例によれば、特性の揃った半導体レーザ素子を得ることができた。なお、上述の実施例の構成は制限的なものではない。例えば、中間層４の厚さは１００ｎｍよりも大きくても小さくてもよい。但し、中間層４はバリア層Ｂよりも厚くする必要がある。
【００５０】
なお、上述の実施例では、中間層とバリア層とを同一組成とした。上部活性層を回折格子状にエッチングした後,回折格子は埋め込み層で埋め戻さなければならない。ガイド層で回折格子を埋め戻し、その上にクラッド層を形成する場合、通常ガイド層はバリア層の屈折率とクラッド層の屈折率との中間の屈折率を持つようにする。
【００５１】
この観点からは、埋め込みガイド層は、中間層の組成よりも高屈折率（短波長組成）ではないように選択することが好ましい。例えば,中間層が１．２μｍから１．４μｍ組成の場合、埋め込みガイド層を１．１μｍ〜１．３μｍ組成に選択する。
【００５２】
なお、ガイド層を用いずに回折格子を直接クラッド層で埋め戻してもよい。図１の構成においては,ガイド層６をクラッド層１３と同一のＩｎＰで形成すればよい。層６と層１３をまとめてクラッド層と呼ぶ。そこで、回折格子を埋め戻す層を埋め込み層と呼ぶこともある。中間層を一部エッチングした後、埋め込み層で埋めもどす。中間層と埋め込み層との間に界面が形成される。例えば、回折格子を埋め込む埋め込み層は、バリア層（および中間層）よりも屈折率の低い（バンドギャップの広い）半導体層で形成する。中間層と埋め込み層との屈折率が異なると、それらの間には屈折率界面が形成される。
【００５３】
中間層のエッチング深さを深くするに従って、屈折率結合係数が大きくなる。エッチング深さにバラツキがあると,屈折率結合係数がバラツクことになる。レーザ素子の閾値電流、スロープ効率も変動する。
【００５４】
この観点からは,中間層はバリア層とは異なる機能を有する。従って,中間層の組成の選択はバリア層の組成の選択とは別個に行なうことが好ましい。中間層の屈折率をバリア層の屈折率よりも小さく（中間層の組成をバリア層の組成よりも短波長に）選択すれば,中間層と埋め込み層との屈折率の差を小さく,従って屈折率結合係数を小さくすることが容易になる。この場合,屈折率の大小関係は,バリア層＞中間層＞埋め込み層となる。
【００５５】
さらに、埋め込み層が,中間層と同一屈折率を有するようにすれば,埋め込み層と中間層との間に屈折率界面は形成されない。エッチング深さがバラツイても屈折率結合係数は影響を受けない。例えば上述の実施例において、ウェル層が厚さ５ｎｍ、無歪み、１．５５μ組成,バリア層が厚さ１０ｎｍ、１．２μｍ組成とした場合、中間層を厚さ１００ｎｍ,１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ層で形成し,ノンドープ、１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰガイド層で埋め込む。
【００５６】
バリア層と中間層および埋め込み層の屈折率（組成）は、上述の例に限らない。例えば、バリア層、中間層、埋め込み層を全て１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰとしてもよい。ガイド層は,必ずしも必要ではなく,クラッド層で回折格子を埋め込んでもよい。たとえば、中間層をＩｎＰで形成し、ＩｎＰクラッド層で埋め込んでもよい。
【００５７】
中間層がエッチングされた後、中間層と同一の半導体で埋め込むため、エッチング深さのばらつきは埋め込み層によって解消される。エッチング深さがばらついても、レーザ素子の特性に差は生じない。なお,同一屈折率でなくても、０．０１以下の屈折率差であれば,ほぼ同様の効果が期待できる。このような屈折率をほぼ同一の屈折率と呼ぶ。
【００５８】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、中間層４の厚さの影響を示す概略断面図である。中間層を厚くしすぎると、光の横高次モードが発生しやすくなる。図３（Ａ）に示すように、中間層４の厚さがある程度以下であれば、量子井戸活性層全体として光電界分布は滑らかな単一のピークを有する単峰性形状となる。
【００５９】
図３（Ｂ）に示すように、中間層４の厚さを厚くし過ぎると、光電界分布が下部量子井戸活性層３に基づくピークと、上部量子井戸活性層５に基づくピークとに分離し、双峰性を有するようになる。光電界分布が単峰性を維持するようにするためには、中間層４の厚さを３００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００６０】
メサ型構造を有するＤＦＢレーザを説明したが、他の構造のＤＦＢレーザを作成することもできる。
【００６１】
図４は、リッジ型ＤＦＢレーザの構成例を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を成長した後、下部量子井戸活性層３、中間層４、上部量子井戸活性層５を成長する。
【００６２】
上部量子井戸活性層５の上に周期的回折格子パターンのマスクを形成し、上部量子井戸活性層５を異方的にエッチングし、中間層４の中程でエッチングを停止する。エッチングされた上部量子井戸活性層５を埋め込むように、ガイド層６を作成する。ここまでの製造工程は、図１の場合と同様である。量子井戸活性層、ガイド層の組成、条件は上述の実施例の場合と同様である。
【００６３】
ガイド層６の上に、ｐ側クラッド層７，ｐ側コンタクト層１４を成長する。ｐ側クラッド層７は、例えばｐ型ＩｎＰ層で形成する。コンタクト層１４は、例えばｐ+型ＩｎＧａＡｓで形成する。コンタクト層１４まで成長した後、ストライプ状のマスクをコンタクト層１４土に形成し、ＲＩＥによりコンタクト層１４、クラッド層７を異方的にエッチングする。
【００６４】
ストライプの外側において、コンタクト層１４の全厚およびクラッド層７の厚さの一部が除去されるため、屈折率分布が変化し、残ったリッジ型構造に光閉じ込め効果が生じる。
【００６５】
リッジ上面の電極接触部分に開口を有するＳｉＯ2層１５を形成した後、ｐ側電極２０を作成する。また、基板１裏面には、ｎ側電極１９を作成する。各電極は、図１の場合と同様の材料により形成することができる。ウエハをキャビティにへき開してリッジ型ＤＦＢレーザを得る。
【００６６】
なお、ガイド層は省略してもよい。ｎ型基板を用い、下部にｎ型領域、上部にｐ型領域を有するレーザを作成する場合を説明したが、ｐ型基板を用い、下部にｐ型領域、上部にｎ型領域を有するレーザを作成することもできる。１．５５μｍ帯の半導体レーザを作製する場合を説明したが、他の波長の半導体レーザを作製してもよい。たとえば、１．３μｍ帯のレーザを作る場合は、基板としてＩｎＰ、ウェル層として１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ、バリア層として１．０〜１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを用いればよい。
【００６７】
その他種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に白明であろう。
【００６８】
なお、本発明の特徴を以下に記載する。
【００６９】
（付記１） 下部バリア層と、前記下部バリア層より狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とが交互に積層され、共振器方向に延在する下部量子井戸構造と；
前記下部量子井戸構造上に配置され、前記下部ウェル層よりも広いバンドギャップと前記下部バリア層よりも厚い厚さとを有する中間層と；
前記中間層の上に前記共振器方向に沿って周期的に配置され、上部ウェル層と、前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する上部バリア層とが交互に積層された上部量子井戸構造と
を有する分布帰還型半導体レーザ。
【００７０】
（付記２） さらに、前記共振器方向に沿って前記上部量子井戸構造を覆って前記中間層上に配置され、前記下部および上部ウェル層より広いバンドギャップを有する回折格子埋め込み層を有する付記１記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７１】
（付記３） 前記中間層は、前記上部量子井戸構造と同一周期、同一位相の表面段差を有する付記２記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７２】
（付記４） 前記回折格子埋め込み層は、前記中間層よりも高くない屈折率を有する付記２または３記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７３】
（付記５） 前記回折格子埋め込み層は、前記中間層よりも低い屈折率を有する付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７４】
（付記６） 前記中間層の屈折率は,下部バリア層の屈折率よりも低い付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７５】
（付記７） 前記中間層の屈折率は,上部及び下部バリア層の屈折率と,埋め込み層の屈折率との中間の屈折率を有する付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７６】
（付記８） 前記中間層は、前記上部多重量子井戸構造下で３００ｎｍ以下の厚さを有する付記１〜３のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７７】
（付記９） 前記中間層と前記回折格子埋め込み層とがほぼ同一の屈折率を有する付記４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７８】
（付記１０） さらに,前記下部量子井戸構造を支持するＩｎＰ基板を有し、
前記下部および上部ウェル層が、１．５μｍ帯の組成を有するＩｎＧａＡｓＰで形成され、前記下部および上部バリア層がより短波長組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている付記１〜４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００７９】
（付記１１） 前記下部および上部バリア層が１．２μｍ帯から１．４μｍ帯までの組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている付記１０記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８０】
（付記１２） 前記中間層が１．２μｍ帯から１．４μｍ帯までの組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている付記１０記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８１】
（付記１３） 前記回折格子埋め込み層が、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰで形成されている付記１０記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８２】
（付記１４） 前記回折格子埋め込み層がＩｎＧａＡｓＰで形成され、さらに、
前記回折格子埋め込み層の上に形成されたＩｎＰクラッド層を有する付記７記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８３】
（付記１５） 前記上部量子井戸構造、中間層、および下部量子井戸構造がストライプ状に成形され、前記分布帰還形半導体レーザがメサ型又はリッジ型のレーザを構成する付記１０−１４のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【００８４】
（付記１６） （ａ）半導体基板上に、下部バリア層と前記下部バリア層よりも狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とを交互に成長して下部量子井戸構造を形成する工程と；
（ｂ）最上の下部ウェル層の上に、下部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する中間層を下部バリア層より厚く成長する工程と；
（ｃ）前記中間層の上に上部ウェル層と前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有し、前記中間層よりも薄い厚さを有する上部バリア層とを交互に成長して上部量子井戸構造を形成する工程と；
（ｄ）前記上部量子井戸構造の上に周期的パターンを有するマスクを形成する工程と；
（ｅ）前記マスクをエッチングマスクとして用い、前記中間層をエッチングマージン層として前記上部量子井戸構造を周期的形状にエッチングする工程と；
（ｆ）前記マスクを除去する工程と
を含む分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８５】
（付記１７） さらに、（ｇ）前記工程（ｆ）の後、エッチングされた上部量子井戸構造を覆うように、中間層上に前記上部および下部ウェル層より広いバンドギャプを有する回折格子埋め込み層を成長する工程；
を含む付記１６記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８６】
（付記１８） さらに、（ｈ）前記工程（ｇ）の後、前記回折格子埋め込み層上にクラッド層を成長する工程；
を含む付記１７記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８７】
（付記１９） さらに、（ｉ）前記回折格子埋め込み層上に前記周期的パターンを横断する方向に延在するストライプ形状のハードマスクを形成する工程と；
（ｊ）前記ハードマスクから露出された前記回折格子埋め込み層、前記上部量子井戸構造、前記中間層、前記下部量子井戸構造をエッチングしてメサ構造を形成する工程と；
（ｋ）エッチングされたメサ構造の側面を埋め込むメサ埋込層を成長する工程と；
（ｌ）前記ハードマスクを除去する工程と
を含む付記１７または１８記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８８】
（付記２０） 前記周期的パターンを有するマスクはホトレジスト層を２光束干渉露光、現像によって形成し、前記メサ構造を形成する工程はリアクティブイオンエッチングで行なう付記１６〜１９のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特性のバラツキの少ない複素結合ＤＦＢレーザを得ることができる。
【００９０】
複素結合ＤＦＢレーザの製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例によるメサ構造を有する複素結合ＤＦＢレーザの構成を概略的に示す一部切り欠き斜視図である。
【図２】 本発明の実施例による量子井戸回折格子の作成方法を示す断面図である。
【図３】 中間層の厚さの影響を説明する断面図である。
【図４】 本発明の他の実施例によるリッジ構造を有する複素結合ＤＦＢレーザの構成を概略的に示す一部切り欠き斜視図である。
【図５】 従来の技術による屈折率結合ＤＦＢレーザの構成を示す一部切り欠き斜視図および断面図である。
【図６】 従来の技術による複素結合ＤＦＢレーザの量子井戸活性層の作成方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ バッフア層
３ 下部量子井戸活性層
４ 中間層
５ 上部量子井戸活性層
６ ガイド層
７ クラッド層
１１，１２ 埋め込み層
１３ クラッド層
１４ コンタクト層
１５ ＳｉＯ2層
１９ ｎ側電極
２０ ｐ側電極
Ｂ バリア層
Ｗ ウェル層
Claims (5)
- （ａ）半導体基板上に、下部バリア層と前記下部バリア層よりも狭いバンドギャップを有する下部ウェル層とを交互に成長して下部量子井戸構造を形成する工程と；
（ｂ）最上の下部ウェル層の上に、下部ウェル層よりも広いバンドギャップを有する中間層を下部バリア層より厚く成長する工程と；
（ｃ）前記中間層の上に上部ウェル層と前記上部ウェル層よりも広いバンドギャップを有し、前記中間層よりも薄い厚さを有する上部バリア層とを交互に成長して上部量子井戸構造を形成する工程と；
（ｄ）前記上部量子井戸構造の上に周期的パターンを有する第１マスクを形成する工程と；
（ｅ）前記第１マスクをエッチングマスクとして用い、前記中間層をエッチングマージン層として前記上部量子井戸構造を周期的形状にエッチングする工程と；
（ｆ）前記第１マスクを除去する工程とを含む分布帰還型半導体レーザの製造方法。 - さらに、（ｇ）前記工程（ｆ）の後、エッチングされた上部量子井戸構造を覆うように、中間層上に前記上部および下部ウェル層より広いバンドギャプを有する回折格子埋め込み層を成長する工程；を含む請求項１記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
- さらに、（ｈ）前記工程（ｇ）の後、前記回折格子埋め込み層上にクラッド層を成長する工程；を含む請求項２記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
- さらに、（ｉ）前記回折格子埋め込み層上方に前記周期的パターンを横断する方向に延在するストライプ形状の第２マスクを形成する工程と；
（ｊ）前記第２マスクから露出された前記回折格子埋め込み層、前記上部量子井戸構造、前記中間層、前記下部量子井戸構造をエッチングしてストライプ構造を形成する工程と；
（ｋ）前記第２マスクを除去する工程とを含む請求項２または３記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。 - 前記周期的パターンを有する第１マスクはホトレジスト層を２光束干渉露光、現像によって形成し、前記工程（ｅ）はリアクティブイオンエッチングで行なう請求項１〜４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
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