JP3863454B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に歪多重量子井戸構造に回折格子を形成した利得結合分布帰還型の半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な普及と情報処理技術の急速な進展によって情報通信量が急増し、大容量化に適した波長分割多重（ＷＤＭ）方式の光通信網の構築が急務となっている。ＷＤＭ方式の光源に用いられる分布帰還型（ＤＦＢ）レーザには、単一波長性と高出力動作はいうまでもなく、高速化及び低コスト化が要求されている。低コスト化を実現するためには、半導体レーザ装置、変調器、光増幅器、及び合分波器等の光部品をモノリシックに集積化することが好ましいが、このような光部品がモノリシックに集積化された光装置に使用される半導体レーザ装置には、反射戻り光に対して強い耐性が要求される。
【０００３】
単一波長性に優れた半導体レーザ装置として、λ／４位相シフトＤＦＢレーザ装置が実用化されている。このレーザ装置は、屈折率結合型で、基板または活性層の近傍に形成した回折格子の位相を、途中でπ（媒質内波長の１／４に相当）だけシフトさせた構造を有する。光共振器の両端面に反射防止膜を設けることにより、安定な単一波長発振を実現することができる。しかしながら、両端面に反射防止膜が設けられるため、片方の端面からの出力が低くなり、高出力化を図ることが困難である。
【０００４】
一方、歪多重量子井戸構造を有する活性層自体に回折格子を形成し、光の伝搬方向に関して利得を周期的に変化させた利得結合分布帰還型レーザ装置（利得結合ＤＦＢレーザ装置）が注目されている。このレーザ装置では、活性層の厚さ方向の一部分が、光の伝搬方向に関して周期的に除去されており、残された凸部が周期的に配列することによって回折格子が構成される。
【０００５】
このレーザ装置においては、利得の大きい部分（活性層の凸部）に定在波の腹が位置するため、回折格子を位相シフトさせなくても安定に単一波長で発振させることができる。また、光共振器の片方の端面を高反射コーティングしても単一波長で発振するため、高出力化に適している。さらに、利得結合ＤＦＢレーザ装置は、反射戻り光に対する特性の変化も小さいことが実験的に確認されている。このように、利得結合ＤＦＢレーザ装置は、単一波長性、高出力動作、及び反射戻り光耐性に優れたレーザ装置として期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置において、回折格子が形成された活性層の凸部の自然放出光の波長またはフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長が、回折格子を形成する前の活性層のそれよりも数十ｍｅＶ程度短波長側へシフト（ブルーシフト）することが報告されている。
【０００７】
本発明の目的は、活性層に回折格子を形成しても、自然放出光の波長やＰＬ波長のシフト量の少ない半導体レーザ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
半導体基板上に形成された第１導電型の半導体材料からなる下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上に形成された活性層であって、該活性層は、歪を有する歪井戸層と、該歪井戸層よりも大きなバンドギャップの障壁層とが交互に積層されて構成され、該活性層の厚さ方向の一部分または全厚さ部分が、前記半導体基板の表面に平行な第１の方向に関して周期的に除去され、回折格子を構成している前記活性層と、
前記活性層の除去された部分に埋め込まれた半導体材料からなる埋込部材であって、前記歪井戸層の歪と該埋込部材の歪とが同符号である前記埋込部材と、
前記活性層及び埋込部材の上に形成され、前記第１導電型とは反対の第２導電型の半導体材料からなる上側クラッド層と
を有し、
前記埋込部材の歪量が、前記活性層の歪井戸層と障壁層との歪量を、該歪井戸層と該障壁層との厚さで重み付けして平均した平均歪量とほぼ等しい半導体レーザ装置が提供される。
【０００９】
埋込部材の材料として上述の材料を用いると、活性層に回折格子を形成したときの、自然放出光の波長やＰＬ波長のシフト量を少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施例を説明する前に、従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置において、回折格子を形成することによってＰＬ波長がブルーシフトする原因について説明する。
【００１１】
図４に、従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置の部分断面図を示す。導電型がｎ型のＩｎＰからなる半導体基板１の上に、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ３００ｎｍの下側クラッド層２が形成されている。半導体基板１の上面（主面）の結晶面方位は（００１）である。ＸＹ面を半導体基板１の上面に平行にし、厚さ方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。半導体基板１の〔１１０〕方向をＸ軸の方向とし、〔−１１０〕方向をＹ軸方向とする。このとき、Ｚ軸方向が〔００１〕方向になる。ここで、マイナス符号が付されたミラー指数は、当該数字のオーババーであることを意味する。
【００１２】
下側クラッド層２の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの下側光ガイド層３が形成されている。下側光ガイド層３のＰＬ波長は１．１５μｍである。下側光ガイド層３の上に、回折格子が設けられた多重量子井戸構造を有する活性層６が形成されている。
【００１３】
活性層６は、下側光ガイド層３側の活性層平坦部４及びその上に配置された複数の活性層凸部５により構成されている。活性層凸部５は、Ｘ方向に周期的に分布している。活性層凸部５の分布する周期は、発振波長であるブラッグ波長と、光導波路の等価屈折率とから求まる。
【００１４】
活性層平坦部４は、厚さ１０ｎｍの障壁層６ａと厚さ６ｎｍの歪量子井戸層６ｂとが交互に積層された構造を有する。同様に、活性層凸部５も、厚さ１０ｎｍの障壁層６ａと厚さ５ｎｍの歪量子井戸層６ｂとが交互に積層された構造を有する。歪量子井戸層６ｂは、波長１．５６μｍに相当するバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰで形成され、障壁層６ａは、波長１．３μｍに相当するバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰで形成されている。活性層凸部５の上面の上に、アンドープのＩｎＰからなる厚さ２０ｎｍのカバー膜７が形成されている。
【００１５】
相互に隣り合う活性層凸部５の間に凹部が画定される。この凹部内に、アンドープのＩｎＰからなる埋込部材８が埋め込まれている。埋込部材８の上面は、カバー膜７の上面とほぼ面一である。
【００１６】
カバー膜７及び埋込部材８の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの上側光ガイド層９、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ３μｍの上側クラッド層１０、及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１１が順番に積層されている。少なくとも活性層６及びそれよりも上の層は、Ｘ方向に長い直線状メサ構造とされている。図４には現れていないが、このメサ構造の両側（図４の紙面の手前と奥）に、電流狭窄構造が形成されている。電流狭窄構造は、例えばｐ型ＩｎＰ層、ｎ型ＩｎＰ層、及びｐ型ＩｎＰ層がこの順番に積層された構造、または鉄（Ｆｅ）がドープされた高抵抗ＩｎＰ層で構成される。
【００１７】
コンタクト層１１の上に、ＡｕＺｎからなる上側電極１２が形成され、半導体基板１の底面上に、ＡｕＧｅからなる下側電極１３が形成されている。上側電極１２と下側電極１３とに、上側電極１２が正電圧になる向きの電圧を印加すると、上側電極１２を通して活性層６に正孔が注入され、下側電極１３を通して活性層６に電子が注入される。
【００１８】
歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、下地の半導体基板１にコヒーレント成長している。ここで、コヒーレント成長とは、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａのＸ方向及びＹ方向の格子定数が、下地表面の格子定数に一致するような結晶成長を意味する。このため、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、そのＸ方向とＹ方向の格子定数が半導体基板１の格子定数と等しくなるように歪む。活性層平坦部４はＺ方向に関して応力を受けないため、Ｚ方向に関して、その材料のポアッソン比で決定される格子変形が生ずる。
【００１９】
例えば、歪量子井戸層６ｂのポアッソン比をνW、無歪時の格子定数をａW、下地表面の格子定数をａSとすると、格子変形後のＺ方向の格子定数ａZWは、
【００２０】
【数１】
ａZW＝ａW＋（ａW−ａS）νW
となる。
【００２１】
歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａのバルク状態（無歪状態）の格子定数が半導体基板１の格子定数よりも大きい場合、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、Ｘ方向及びＹ方向に圧縮応力を受けて縮み、Ｚ方向に伸びる。逆に、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａのバルク状態の格子定数が半導体基板１の格子定数よりも小さい場合、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、Ｘ方向及びＹ方向に引っ張り応力を受けて伸び、Ｚ方向に縮む。図４の例では、歪量子井戸層６ｂがＺ方向に伸びている。
【００２２】
ところが、活性層凸部５は、そのＺ方向の格子定数が埋込部材８のＺ方向の格子定数に一致するように、Ｚ方向の応力も受ける。上述の例では、埋込部材８が下地表面に格子整合しているため、埋込部材８のＺ方向の格子定数が、活性層凸部５のＺ方向の格子定数よりも小さい。このため、活性層凸部５が埋込部材８からＺ方向の圧縮応力を受け、Ｚ方向に縮む。Ｚ方向の縮み歪の影響を受けて、活性層凸部５のＸ方向の格子定数が半導体基板１の格子定数より長くなるように歪む。すなわち、活性層凸部５の歪が緩和される。
【００２３】
活性層凸部５の歪が緩和されるため、活性層凸部５のＰＬ波長が、歪緩和前のＰＬ波長からブルーシフトするものと考えられる。このブルーシフト量は、歪緩和量に依存する。また、歪緩和量は、回折格子の周期及びデューティ（活性層凸部５のＸ方向の長さを回折格子の周期で除した値）に依存すると考えられる。
【００２４】
この歪緩和現象により、種々の問題が生じうる。第１は、ディチューニング制御性が困難になるということである。ＤＦＢレーザ装置では、発振波長と利得のピーク波長との差で定義されるディチューニングを制御することにより、広い温度範囲での動作特性が保証される。しかしながら、歪多重量子井戸層の歪量、回折格子の周期やデューティが製造工程時に高精度に制御されていないと、埋込部材８を埋め込んだ後のＰＬ波長がばらつき、ディチューニング制御性が低下してしまう。
【００２５】
第２は、素子特性が低下してしまうということである。元来、歪多重量子井戸構造や歪補償多重量子井戸構造を有するレーザ装置においては、歪の効果を利用して価電子帯の縮退を解いてバンド構造を変化させ、低閾値電流や高効率を実現している。活性層凸部５の歪が緩和されることによって、この効果が低減してしまう。
【００２６】
第３は、素子の信頼性が低下してしまうということである。活性層凸部５の歪緩和過程で転位が発生しやすい。転位が発生すると、素子の信頼性が低下してしまう。
【００２７】
次に、上記課題を解決することが可能な本発明の実施例によるレーザ装置について説明する。
図１（Ａ）に、本発明の実施例による半導体レーザ装置の断面図を示す。半導体基板１の上に、下側クラッド層２、下側光ガイド層３、活性層６、上側光ガイド層９、上側クラッド層１０、コンタクト層１１がこの順番に積層されている。コンタクト層１１の上に上側電極１２が形成され、半導体基板１の底面上に下側電極１３が形成されている。この積層構造については、後に図２を参照して詳細に説明する。
【００２８】
半導体基板１の表面に平行な面をＸＹ面とし、厚さ方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。ここで、〔１１０〕方向をＸ方向、〔−１１０〕方向をＹ方向、〔００１〕方向をＺ方向とする。Ｘ方向が光の伝搬方向に相当する。半導体基板１からコンタクト層１１までの積層構造の、Ｘ方向の一方の端面に反射防止膜２０が形成され、他方の端面に高反射膜２１が形成されている。活性層６の発振波長域において、高反射膜２１が形成された端面の反射率が、反射防止膜２０が形成された端面の反射率よりも高い。
【００２９】
図１（Ｂ）に、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面図が図１（Ａ）に相当する。半導体基板１の表層部から上側クラッド層１０の一部までの積層構造が、Ｘ方向に伸びる直線状のメサ構造とされている。このメサ構造の両側に、電流狭窄構造体２８が配置されている。
【００３０】
電流狭窄構造体２８は、ｐ型ＩｎＰ層２５、ｎ型ＩｎＰ層２６、及びｐ型ＩｎＰ層（上側クラッド層）１０がこの順番に積層された積層構造を有する。コンタクト層１１の上に、上側電極１２が形成されている。
【００３１】
図２に、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における詳細な部分断面図を示す。ここでは、図４に示した従来の利得結合ＤＦＢ型レーザ装置との相違点について説明する。
【００３２】
従来は、埋込部材８がＩｎＰで形成され、ＩｎＰ半導体基板１に格子整合していた。これに対し、実施例による利得結合ＤＦＢレーザ装置の埋込部材８は、ＩｎＡｓ0.1Ｐ0.9で形成されている。また、埋込部材８の上面の高さは、活性層凸部５とカバー膜７との界面の高さに一致している。これにより、活性層凸部５の歪緩和を効果的に抑制することができる。
【００３３】
以下、図２を参照しながら、実施例による利得結合ＤＦＢ型レーザ装置の製造方法について説明する。
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１の上面（主面）の上に、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ３００ｎｍの下側クラッド層２を、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により形成する。なお、以下、特に断らない限り、化合物半導体層はＭＯＶＰＥにより形成される。下側クラッド層２の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる下側光ガイド層３を形成する。下側光ガイド層３の厚さは５０ｎｍであり、そのＰＬ波長は１．１５μｍである。
【００３４】
下側光ガイド層３の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層６ａとアンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる歪量子井戸層６ｂとを交互にコヒーレント成長させる。
【００３５】
障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの層数は、それぞれ６層及び５層である。歪量子井戸層６ｂの厚さは６ｎｍであり、障壁層６ａの厚さは１０ｎｍである。歪量子井戸層６ｂの歪量εWは−０．８％である。ここで、負の歪量は圧縮歪であることを意味する。逆に、引っ張り歪を正とする。このとき、Ｚ方向に関しては、ポアッソン比で決定される格子変形が生じ、歪量子井戸層６ｂのＺ方向の格子定数が伸びる。また、障壁層６ａは下地のＩｎＰに格子整合しており、その歪量εBは０％である。
【００３６】
歪多重量子井戸構造の平均歪量εMを、
【００３７】
【数２】
εM＝（ＬB×εB＋ＬW×εW）／（ＬB＋ＬW）
と定義する。ここで、ＬB及びＬWは、それぞれ障壁層６ａの厚さ及び歪量子井戸層６ｂの厚さである。すなわち、平均歪量εMは、障壁層６ａの歪量εBと歪量子井戸層６ｂの歪量εWとを、障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの厚さで重み付けして平均したものである。
【００３８】
上記実施例の場合には、ＬB＝１０ｎｍ、ＬW＝６ｎｍ、εB＝０％、εW＝−０．８％であるため、平均歪量εMは−０．３％になる。
最も上の障壁層６ａの上に、アンドープのＩｎＰからなる厚さ２０ｎｍのカバー層７を形成する。このカバー層７は、活性層６の保護膜として機能する。カバー層７の上にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光を用いたフォトリソグラフィにより、Ｘ方向に関して周期２４０ｎｍの回折格子状レジストパターンを形成する。
【００３９】
このレジストパターンをマスクとし、ドライエッチングとウェットエッチングを用いて、上から３番目の歪量子井戸層６ｂまでをエッチングする。このエッチングにより、活性層平坦部４及び活性層凸部５からなる活性層６が形成される。活性層凸部５の高さ（回折格子の深さ）は、約４８ｎｍになる。
【００４０】
レジストパターンを剥離した後、相互に隣り合う活性層凸部５の間の凹部に、ＩｎＡｓ0.1Ｐ0.9からなる埋込部材８を、その上面が活性層５とカバー層７との界面に達するまで成長させる。ＭＯＶＰＥの成膜条件を制御すると、カバー層７の上にはほとんど成長せず、凹部内に優先的にＩｎＡｓＰを成長させることができる。埋込部材８が下地表面に対してコヒーレント成長すると、その歪量は−０．３％になる。この歪量は、活性層６の平均歪量と等しい。ＩｎＡｓＰはＶ族混晶のため、凹部に埋め込まれたＩｎＡｓＰは組成変調が小さく、結晶品質も良好である。
【００４１】
カバー層７及び埋込部材８の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの上側光ガイド層９を形成する。なお、この光ガイド層の代わりに、クラッド層の一部として機能するアンドープのＩｎＰ層を形成してもよい。上側光ガイド層９の上に、ｐ型のＩｎＰからなる第１の上側クラッド層（厚さ０．５μｍ）を形成する。
【００４２】
ＳｉＯ2パターンをマスクにして、第１の上側クラッド層から半導体基板１の表層部までを部分的にエッチングし、図１（Ｂ）に示した直線状のメサ構造を形成する。このメサ構造の両側に、ｐ型ＩｎＰ層２５、ｎ型ＩｎＰ層２６を埋め込む。ＳｉＯ2マスクを除去した後に、ｐ型ＩｎＰからなる第２の上側クラッド層（厚さ２．５μｍ）を追加成長させ（これにより上側クラッド層１０の厚さが３μｍになる。）、その上にｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１１を形成する。これにより、メサ構造の両側には、ｐｎｐｎ型の電流狭窄構造体２８が形成される。コンタクト層１１の表面にＡｕＺｎを蒸着して上側電極１２を形成する。半導体基板１の底面にＡｕＧｅを蒸着して下側電極１３を形成する。
【００４３】
図１（Ｃ）に、電流狭窄構造体２８をＦｅドープの高抵抗ＩｎＰで形成した半導体レーザ装置の断面図を示す。以下、図１（Ｃ）に示した半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
【００４４】
図２に示した上側光ガイド層９を形成するまでの工程は、図１（Ｂ）に示した半導体レーザ装置の製造工程と同じである。上側光ガイド層９の上に、ｐ型のＩｎＰからなる厚さ１．５μｍの上側クラッド層１０を形成する。上側クラッド層１０の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１１を形成する。
【００４５】
ＳｉＯ2パターンをマスクにして、コンタクト層１１から半導体基板１の表層部までを部分的にエッチングし、図１（Ｃ）の紙面に垂直な方向に延在する直線状のメサ構造を形成する。このメサ構造の両側に、Ｆｅをドープした高抵抗のＩｎＰからなる電流狭窄構造体２８を埋め込む。コンタクト層１１及び電流狭窄構造体２８の表面に、ＡｕＺｎを蒸着して上側電極１２を形成する。半導体基板１の底面にＡｕＧｅを蒸着して下側電極１３を形成する。
【００４６】
ＦｅがドープされたＩｎＰからなる電流狭窄構造体２８が高抵抗であるため、活性層６に優先的にキャリアを注入することができる。
次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、図２に示した活性層凸部５の歪量について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、活性層凸部５のＸＺ面内における結晶格子の様子を模式的に示す。
【００４７】
図３（Ａ）に示すように、活性層平坦部４の上に活性層凸部５が配置されている。活性層平坦部４及び活性層凸部５は、ＩｎＰ基板上にコヒーレント成長しているため、これらのＸ方向及びＹ方向の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数ａSと等しい。障壁層６ａはＩｎＰ基板に格子整合しているため、そのＺ方向の格子定数ａZBは、無歪時の格子定数に等しい。
【００４８】
歪量子井戸層６ｂの無歪時の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数よりも大きい。このため、コヒーレント成長している歪量子井戸層６ｂはＸ方向及びＹ方向に関して圧縮応力を受け、Ｘ方向及びＹ方向の格子定数がＩｎＰ基板の格子定数ａSに等しくなるまで歪む。この歪量は既に説明したように−０．８％である。これにより、歪量子井戸層６ｂのＺ方向の格子定数が伸び、Ｚ方向の格子定数ａZWが無歪時の格子定数よりも大きくなる。
【００４９】
図３（Ｂ）に、障壁層６ａと歪量子井戸層６ｂとを、両者の歪量を厚さで重み付けして平均した平均歪量を持つ１つの層と仮定したときの格子状態を示す。この平均歪量は、既に説明したように−０．３％である。このため、活性層凸部５は、Ｘ方向及びＹ方向の歪量が−０．３％の均一な１つの層と仮定することができる。活性層凸部５を１つの層と仮定した時のＺ方向の平均格子定数ａZMは、図３（Ａ）に示したＺ方向の格子定数ａZBとａZWを使用して、
【００５０】
【数３】
ａZM＝（ＬBａZB＋ＬWａZW）／（ＬB＋ＬW）
となる。ここで、ＬB及びＬWは、それぞれ障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの厚さである。
【００５１】
図３（Ｃ）に示すように、活性層凸部５の側面にＩｎＡｓ0.1Ｐ0.9の埋込部材８が接している。埋込部材８の歪量も−０．３％であるため、埋込部材８のＺ方向の格子定数は、図３（Ｂ）に示した活性層凸部５のＺ方向の平均格子定数ａZMと等しくなる。活性層凸部５内の障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの各々は、埋込部材８からＺ方向の応力を受けるが、活性層凸部５のＺ方向の平均格子定数ａZMが埋込部材８のＺ方向の格子定数と等しいため、活性層凸部５全体で平均すると、活性層凸部５のＺ方向に受ける応力はほぼ０になる。このため、活性層凸部５は、埋込部材８を形成したことによって歪緩和がほとんど生じない。すなわち、活性層凸部５は、活性層平坦部４とほぼ同一の歪状態に維持される。従って、活性層自体に回折格子を形成することによるＰＬ波長のブルーシフトは、ほとんど生じない。
【００５２】
上記実施例による利得結合ＤＦＢ型レーザ装置を作製したところ、埋込部材８を埋め込んだ後のＰＬ波長及びＸ線回折パターンのピーク位置は、埋め込み前とほとんど変わらなかった。このことから、埋込部材８を埋め込んだ後も、活性層凸部５の歪状態が活性層平坦部４の歪状態で保存されていることが確認された。また、埋込部材８をＩｎＰで形成した従来のレーザ装置に比べて、発振閾値電流や発光効率等の素子特性が向上した。さらに、通電劣化試験を行ったところ、動作中の劣化はほとんど見られなかった。
【００５３】
上記実施例では、活性層６の平均歪量と埋込部材８の歪量とをほぼ一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。両者の符合が同じであれば、活性層凸部５の歪緩和量を低減させることができるであろう。また、埋込部材８の歪量が、活性層６の平均歪量の０．８倍以上、かつ１．２倍以下になるようにすれば、ひずみ緩和量をより低減させることができるであろう。
【００５４】
上記実施例では、図１（Ｂ）に示した直線状メサの延在する方向、すなわち光の伝搬方向をＩｎＰ半導体基板１の〔１１０〕方向としたが、これと直交する〔−１１０〕方向としてもよいし、これらの方向に対して斜めの方向としてもよい。
【００５５】
また、上記実施例では、活性層６をＩｎＧａＡｓＰで形成したが、他の化合物半導体を用いることも可能である。基板材料がＩｎＰである場合、活性層６の材料として、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ等を使用することができる。このとき、埋込部材８の材料として、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等を使用することができる。基板材料がＩｎＰであって、歪量子井戸層の歪が圧縮歪である場合には、埋込部材の材料としてＩｎＡｓＰを使用することができる。また、基板材料がＩｎＰであって、歪量子井戸層の歪が引張り歪である場合には、埋込部材の材料としてＩｎＧａＰを使用することができる。
【００５６】
また、基板材料がＧａＡｓである場合、活性層６の材料としてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ等を使用することができる。このとき、埋込部材８の材料として、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ等を使用することができる。
【００５７】
また、上記実施例では、活性層６の上層部のみに回折格子を形成したが、活性層６の全厚さ部分をエッチングして、貫通型回折格子にしてもよい。この場合には、図２に示した活性層平坦部４が存在せず、活性層凸部５が下側光ガイド層３の表面上に直接配置されることになる。
【００５８】
上記実施例では、一例として利得結合ＤＦＢ型レーザ装置について説明したが、上記実施例の活性層６及び埋込部材８の構成は、回折格子周期を量子効果が現れるまで程度まで短くした量子細線レーザ装置に適用することも可能である。
【００５９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、歪量子井戸層を含む活性層に回折格子を形成し、この回折格子を埋め込む際の歪緩和を抑制することができる。これにより、自然放出光やＰＬ光のブルーシフトを低減させることができ、従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置に比べ、素子特性や信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は、本発明の実施例による半導体レーザ装置の光の伝搬方向に平行な断面図であり、（Ｂ）は光の伝搬方向に垂直な断面図である。
【図２】 本発明の実施例による半導体レーザ装置の光の伝搬方向に平行な部分断面図である。
【図３】 本発明の実施例による半導体レーザ装置の活性層凸部の格子変形状態を説明するために、格子を模式的に表した図である。
【図４】 従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置の光の伝搬方向に平行な部分断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 下側クラッド層
３ 下側光ガイド層
４ 活性層平坦部
５ 活性層凸部
６ 活性層
６ａ 障壁層
６ｂ 歪量子井戸層
７ カバー層
８ 埋込部材
９ 上側光ガイド層
１０ 上側クラッド層
１１ コンタクト層
１２ 上側電極
１３ 下側電極
２０ 反射防止膜
２１ 高反射膜
２８ 電流狭窄構造体
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に歪多重量子井戸構造に回折格子を形成した利得結合分布帰還型の半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な普及と情報処理技術の急速な進展によって情報通信量が急増し、大容量化に適した波長分割多重（ＷＤＭ）方式の光通信網の構築が急務となっている。ＷＤＭ方式の光源に用いられる分布帰還型（ＤＦＢ）レーザには、単一波長性と高出力動作はいうまでもなく、高速化及び低コスト化が要求されている。低コスト化を実現するためには、半導体レーザ装置、変調器、光増幅器、及び合分波器等の光部品をモノリシックに集積化することが好ましいが、このような光部品がモノリシックに集積化された光装置に使用される半導体レーザ装置には、反射戻り光に対して強い耐性が要求される。
【０００３】
単一波長性に優れた半導体レーザ装置として、λ／４位相シフトＤＦＢレーザ装置が実用化されている。このレーザ装置は、屈折率結合型で、基板または活性層の近傍に形成した回折格子の位相を、途中でπ（媒質内波長の１／４に相当）だけシフトさせた構造を有する。光共振器の両端面に反射防止膜を設けることにより、安定な単一波長発振を実現することができる。しかしながら、両端面に反射防止膜が設けられるため、片方の端面からの出力が低くなり、高出力化を図ることが困難である。
【０００４】
一方、歪多重量子井戸構造を有する活性層自体に回折格子を形成し、光の伝搬方向に関して利得を周期的に変化させた利得結合分布帰還型レーザ装置（利得結合ＤＦＢレーザ装置）が注目されている。このレーザ装置では、活性層の厚さ方向の一部分が、光の伝搬方向に関して周期的に除去されており、残された凸部が周期的に配列することによって回折格子が構成される。
【０００５】
このレーザ装置においては、利得の大きい部分（活性層の凸部）に定在波の腹が位置するため、回折格子を位相シフトさせなくても安定に単一波長で発振させることができる。また、光共振器の片方の端面を高反射コーティングしても単一波長で発振するため、高出力化に適している。さらに、利得結合ＤＦＢレーザ装置は、反射戻り光に対する特性の変化も小さいことが実験的に確認されている。このように、利得結合ＤＦＢレーザ装置は、単一波長性、高出力動作、及び反射戻り光耐性に優れたレーザ装置として期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置において、回折格子が形成された活性層の凸部の自然放出光の波長またはフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長が、回折格子を形成する前の活性層のそれよりも数十ｍｅＶ程度短波長側へシフト（ブルーシフト）することが報告されている。
【０００７】
本発明の目的は、活性層に回折格子を形成しても、自然放出光の波長やＰＬ波長のシフト量の少ない半導体レーザ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
半導体基板上に形成された第１導電型の半導体材料からなる下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上に形成された活性層であって、該活性層は、歪を有する歪井戸層と、該歪井戸層よりも大きなバンドギャップの障壁層とが交互に積層されて構成され、該活性層の厚さ方向の一部分または全厚さ部分が、前記半導体基板の表面に平行な第１の方向に関して周期的に除去され、回折格子を構成している前記活性層と、
前記活性層の除去された部分に埋め込まれた半導体材料からなる埋込部材であって、前記歪井戸層の歪と該埋込部材の歪とが同符号である前記埋込部材と、
前記活性層及び埋込部材の上に形成され、前記第１導電型とは反対の第２導電型の半導体材料からなる上側クラッド層と
を有し、
前記埋込部材の歪量が、前記活性層の歪井戸層と障壁層との歪量を、該歪井戸層と該障壁層との厚さで重み付けして平均した平均歪量とほぼ等しい半導体レーザ装置が提供される。
【０００９】
埋込部材の材料として上述の材料を用いると、活性層に回折格子を形成したときの、自然放出光の波長やＰＬ波長のシフト量を少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施例を説明する前に、従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置において、回折格子を形成することによってＰＬ波長がブルーシフトする原因について説明する。
【００１１】
図４に、従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置の部分断面図を示す。導電型がｎ型のＩｎＰからなる半導体基板１の上に、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ３００ｎｍの下側クラッド層２が形成されている。半導体基板１の上面（主面）の結晶面方位は（００１）である。ＸＹ面を半導体基板１の上面に平行にし、厚さ方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。半導体基板１の〔１１０〕方向をＸ軸の方向とし、〔−１１０〕方向をＹ軸方向とする。このとき、Ｚ軸方向が〔００１〕方向になる。ここで、マイナス符号が付されたミラー指数は、当該数字のオーババーであることを意味する。
【００１２】
下側クラッド層２の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの下側光ガイド層３が形成されている。下側光ガイド層３のＰＬ波長は１．１５μｍである。下側光ガイド層３の上に、回折格子が設けられた多重量子井戸構造を有する活性層６が形成されている。
【００１３】
活性層６は、下側光ガイド層３側の活性層平坦部４及びその上に配置された複数の活性層凸部５により構成されている。活性層凸部５は、Ｘ方向に周期的に分布している。活性層凸部５の分布する周期は、発振波長であるブラッグ波長と、光導波路の等価屈折率とから求まる。
【００１４】
活性層平坦部４は、厚さ１０ｎｍの障壁層６ａと厚さ６ｎｍの歪量子井戸層６ｂとが交互に積層された構造を有する。同様に、活性層凸部５も、厚さ１０ｎｍの障壁層６ａと厚さ５ｎｍの歪量子井戸層６ｂとが交互に積層された構造を有する。歪量子井戸層６ｂは、波長１．５６μｍに相当するバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰで形成され、障壁層６ａは、波長１．３μｍに相当するバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰで形成されている。活性層凸部５の上面の上に、アンドープのＩｎＰからなる厚さ２０ｎｍのカバー膜７が形成されている。
【００１５】
相互に隣り合う活性層凸部５の間に凹部が画定される。この凹部内に、アンドープのＩｎＰからなる埋込部材８が埋め込まれている。埋込部材８の上面は、カバー膜７の上面とほぼ面一である。
【００１６】
カバー膜７及び埋込部材８の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの上側光ガイド層９、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ３μｍの上側クラッド層１０、及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１１が順番に積層されている。少なくとも活性層６及びそれよりも上の層は、Ｘ方向に長い直線状メサ構造とされている。図４には現れていないが、このメサ構造の両側（図４の紙面の手前と奥）に、電流狭窄構造が形成されている。電流狭窄構造は、例えばｐ型ＩｎＰ層、ｎ型ＩｎＰ層、及びｐ型ＩｎＰ層がこの順番に積層された構造、または鉄（Ｆｅ）がドープされた高抵抗ＩｎＰ層で構成される。
【００１７】
コンタクト層１１の上に、ＡｕＺｎからなる上側電極１２が形成され、半導体基板１の底面上に、ＡｕＧｅからなる下側電極１３が形成されている。上側電極１２と下側電極１３とに、上側電極１２が正電圧になる向きの電圧を印加すると、上側電極１２を通して活性層６に正孔が注入され、下側電極１３を通して活性層６に電子が注入される。
【００１８】
歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、下地の半導体基板１にコヒーレント成長している。ここで、コヒーレント成長とは、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａのＸ方向及びＹ方向の格子定数が、下地表面の格子定数に一致するような結晶成長を意味する。このため、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、そのＸ方向とＹ方向の格子定数が半導体基板１の格子定数と等しくなるように歪む。活性層平坦部４はＺ方向に関して応力を受けないため、Ｚ方向に関して、その材料のポアッソン比で決定される格子変形が生ずる。
【００１９】
例えば、歪量子井戸層６ｂのポアッソン比をνW、無歪時の格子定数をａW、下地表面の格子定数をａSとすると、格子変形後のＺ方向の格子定数ａZWは、
【００２０】
【数１】
ａZW＝ａW＋（ａW−ａS）νW
となる。
【００２１】
歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａのバルク状態（無歪状態）の格子定数が半導体基板１の格子定数よりも大きい場合、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、Ｘ方向及びＹ方向に圧縮応力を受けて縮み、Ｚ方向に伸びる。逆に、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａのバルク状態の格子定数が半導体基板１の格子定数よりも小さい場合、歪量子井戸層６ｂ及び障壁層６ａは、Ｘ方向及びＹ方向に引っ張り応力を受けて伸び、Ｚ方向に縮む。図４の例では、歪量子井戸層６ｂがＺ方向に伸びている。
【００２２】
ところが、活性層凸部５は、そのＺ方向の格子定数が埋込部材８のＺ方向の格子定数に一致するように、Ｚ方向の応力も受ける。上述の例では、埋込部材８が下地表面に格子整合しているため、埋込部材８のＺ方向の格子定数が、活性層凸部５のＺ方向の格子定数よりも小さい。このため、活性層凸部５が埋込部材８からＺ方向の圧縮応力を受け、Ｚ方向に縮む。Ｚ方向の縮み歪の影響を受けて、活性層凸部５のＸ方向の格子定数が半導体基板１の格子定数より長くなるように歪む。すなわち、活性層凸部５の歪が緩和される。
【００２３】
活性層凸部５の歪が緩和されるため、活性層凸部５のＰＬ波長が、歪緩和前のＰＬ波長からブルーシフトするものと考えられる。このブルーシフト量は、歪緩和量に依存する。また、歪緩和量は、回折格子の周期及びデューティ（活性層凸部５のＸ方向の長さを回折格子の周期で除した値）に依存すると考えられる。
【００２４】
この歪緩和現象により、種々の問題が生じうる。第１は、ディチューニング制御性が困難になるということである。ＤＦＢレーザ装置では、発振波長と利得のピーク波長との差で定義されるディチューニングを制御することにより、広い温度範囲での動作特性が保証される。しかしながら、歪多重量子井戸層の歪量、回折格子の周期やデューティが製造工程時に高精度に制御されていないと、埋込部材８を埋め込んだ後のＰＬ波長がばらつき、ディチューニング制御性が低下してしまう。
【００２５】
第２は、素子特性が低下してしまうということである。元来、歪多重量子井戸構造や歪補償多重量子井戸構造を有するレーザ装置においては、歪の効果を利用して価電子帯の縮退を解いてバンド構造を変化させ、低閾値電流や高効率を実現している。活性層凸部５の歪が緩和されることによって、この効果が低減してしまう。
【００２６】
第３は、素子の信頼性が低下してしまうということである。活性層凸部５の歪緩和過程で転位が発生しやすい。転位が発生すると、素子の信頼性が低下してしまう。
【００２７】
次に、上記課題を解決することが可能な本発明の実施例によるレーザ装置について説明する。
図１（Ａ）に、本発明の実施例による半導体レーザ装置の断面図を示す。半導体基板１の上に、下側クラッド層２、下側光ガイド層３、活性層６、上側光ガイド層９、上側クラッド層１０、コンタクト層１１がこの順番に積層されている。コンタクト層１１の上に上側電極１２が形成され、半導体基板１の底面上に下側電極１３が形成されている。この積層構造については、後に図２を参照して詳細に説明する。
【００２８】
半導体基板１の表面に平行な面をＸＹ面とし、厚さ方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。ここで、〔１１０〕方向をＸ方向、〔−１１０〕方向をＹ方向、〔００１〕方向をＺ方向とする。Ｘ方向が光の伝搬方向に相当する。半導体基板１からコンタクト層１１までの積層構造の、Ｘ方向の一方の端面に反射防止膜２０が形成され、他方の端面に高反射膜２１が形成されている。活性層６の発振波長域において、高反射膜２１が形成された端面の反射率が、反射防止膜２０が形成された端面の反射率よりも高い。
【００２９】
図１（Ｂ）に、図１（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面図が図１（Ａ）に相当する。半導体基板１の表層部から上側クラッド層１０の一部までの積層構造が、Ｘ方向に伸びる直線状のメサ構造とされている。このメサ構造の両側に、電流狭窄構造体２８が配置されている。
【００３０】
電流狭窄構造体２８は、ｐ型ＩｎＰ層２５、ｎ型ＩｎＰ層２６、及びｐ型ＩｎＰ層（上側クラッド層）１０がこの順番に積層された積層構造を有する。コンタクト層１１の上に、上側電極１２が形成されている。
【００３１】
図２に、図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における詳細な部分断面図を示す。ここでは、図４に示した従来の利得結合ＤＦＢ型レーザ装置との相違点について説明する。
【００３２】
従来は、埋込部材８がＩｎＰで形成され、ＩｎＰ半導体基板１に格子整合していた。これに対し、実施例による利得結合ＤＦＢレーザ装置の埋込部材８は、ＩｎＡｓ0.1Ｐ0.9で形成されている。また、埋込部材８の上面の高さは、活性層凸部５とカバー膜７との界面の高さに一致している。これにより、活性層凸部５の歪緩和を効果的に抑制することができる。
【００３３】
以下、図２を参照しながら、実施例による利得結合ＤＦＢ型レーザ装置の製造方法について説明する。
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１の上面（主面）の上に、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ３００ｎｍの下側クラッド層２を、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）により形成する。なお、以下、特に断らない限り、化合物半導体層はＭＯＶＰＥにより形成される。下側クラッド層２の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる下側光ガイド層３を形成する。下側光ガイド層３の厚さは５０ｎｍであり、そのＰＬ波長は１．１５μｍである。
【００３４】
下側光ガイド層３の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層６ａとアンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる歪量子井戸層６ｂとを交互にコヒーレント成長させる。
【００３５】
障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの層数は、それぞれ６層及び５層である。歪量子井戸層６ｂの厚さは６ｎｍであり、障壁層６ａの厚さは１０ｎｍである。歪量子井戸層６ｂの歪量εWは−０．８％である。ここで、負の歪量は圧縮歪であることを意味する。逆に、引っ張り歪を正とする。このとき、Ｚ方向に関しては、ポアッソン比で決定される格子変形が生じ、歪量子井戸層６ｂのＺ方向の格子定数が伸びる。また、障壁層６ａは下地のＩｎＰに格子整合しており、その歪量εBは０％である。
【００３６】
歪多重量子井戸構造の平均歪量εMを、
【００３７】
【数２】
εM＝（ＬB×εB＋ＬW×εW）／（ＬB＋ＬW）
と定義する。ここで、ＬB及びＬWは、それぞれ障壁層６ａの厚さ及び歪量子井戸層６ｂの厚さである。すなわち、平均歪量εMは、障壁層６ａの歪量εBと歪量子井戸層６ｂの歪量εWとを、障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの厚さで重み付けして平均したものである。
【００３８】
上記実施例の場合には、ＬB＝１０ｎｍ、ＬW＝６ｎｍ、εB＝０％、εW＝−０．８％であるため、平均歪量εMは−０．３％になる。
最も上の障壁層６ａの上に、アンドープのＩｎＰからなる厚さ２０ｎｍのカバー層７を形成する。このカバー層７は、活性層６の保護膜として機能する。カバー層７の上にフォトレジストを塗布し、二光束干渉露光を用いたフォトリソグラフィにより、Ｘ方向に関して周期２４０ｎｍの回折格子状レジストパターンを形成する。
【００３９】
このレジストパターンをマスクとし、ドライエッチングとウェットエッチングを用いて、上から３番目の歪量子井戸層６ｂまでをエッチングする。このエッチングにより、活性層平坦部４及び活性層凸部５からなる活性層６が形成される。活性層凸部５の高さ（回折格子の深さ）は、約４８ｎｍになる。
【００４０】
レジストパターンを剥離した後、相互に隣り合う活性層凸部５の間の凹部に、ＩｎＡｓ0.1Ｐ0.9からなる埋込部材８を、その上面が活性層５とカバー層７との界面に達するまで成長させる。ＭＯＶＰＥの成膜条件を制御すると、カバー層７の上にはほとんど成長せず、凹部内に優先的にＩｎＡｓＰを成長させることができる。埋込部材８が下地表面に対してコヒーレント成長すると、その歪量は−０．３％になる。この歪量は、活性層６の平均歪量と等しい。ＩｎＡｓＰはＶ族混晶のため、凹部に埋め込まれたＩｎＡｓＰは組成変調が小さく、結晶品質も良好である。
【００４１】
カバー層７及び埋込部材８の上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ５０ｎｍの上側光ガイド層９を形成する。なお、この光ガイド層の代わりに、クラッド層の一部として機能するアンドープのＩｎＰ層を形成してもよい。上側光ガイド層９の上に、ｐ型のＩｎＰからなる第１の上側クラッド層（厚さ０．５μｍ）を形成する。
【００４２】
ＳｉＯ2パターンをマスクにして、第１の上側クラッド層から半導体基板１の表層部までを部分的にエッチングし、図１（Ｂ）に示した直線状のメサ構造を形成する。このメサ構造の両側に、ｐ型ＩｎＰ層２５、ｎ型ＩｎＰ層２６を埋め込む。ＳｉＯ2マスクを除去した後に、ｐ型ＩｎＰからなる第２の上側クラッド層（厚さ２．５μｍ）を追加成長させ（これにより上側クラッド層１０の厚さが３μｍになる。）、その上にｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１１を形成する。これにより、メサ構造の両側には、ｐｎｐｎ型の電流狭窄構造体２８が形成される。コンタクト層１１の表面にＡｕＺｎを蒸着して上側電極１２を形成する。半導体基板１の底面にＡｕＧｅを蒸着して下側電極１３を形成する。
【００４３】
図１（Ｃ）に、電流狭窄構造体２８をＦｅドープの高抵抗ＩｎＰで形成した半導体レーザ装置の断面図を示す。以下、図１（Ｃ）に示した半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
【００４４】
図２に示した上側光ガイド層９を形成するまでの工程は、図１（Ｂ）に示した半導体レーザ装置の製造工程と同じである。上側光ガイド層９の上に、ｐ型のＩｎＰからなる厚さ１．５μｍの上側クラッド層１０を形成する。上側クラッド層１０の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍのコンタクト層１１を形成する。
【００４５】
ＳｉＯ2パターンをマスクにして、コンタクト層１１から半導体基板１の表層部までを部分的にエッチングし、図１（Ｃ）の紙面に垂直な方向に延在する直線状のメサ構造を形成する。このメサ構造の両側に、Ｆｅをドープした高抵抗のＩｎＰからなる電流狭窄構造体２８を埋め込む。コンタクト層１１及び電流狭窄構造体２８の表面に、ＡｕＺｎを蒸着して上側電極１２を形成する。半導体基板１の底面にＡｕＧｅを蒸着して下側電極１３を形成する。
【００４６】
ＦｅがドープされたＩｎＰからなる電流狭窄構造体２８が高抵抗であるため、活性層６に優先的にキャリアを注入することができる。
次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、図２に示した活性層凸部５の歪量について説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、活性層凸部５のＸＺ面内における結晶格子の様子を模式的に示す。
【００４７】
図３（Ａ）に示すように、活性層平坦部４の上に活性層凸部５が配置されている。活性層平坦部４及び活性層凸部５は、ＩｎＰ基板上にコヒーレント成長しているため、これらのＸ方向及びＹ方向の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数ａSと等しい。障壁層６ａはＩｎＰ基板に格子整合しているため、そのＺ方向の格子定数ａZBは、無歪時の格子定数に等しい。
【００４８】
歪量子井戸層６ｂの無歪時の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数よりも大きい。このため、コヒーレント成長している歪量子井戸層６ｂはＸ方向及びＹ方向に関して圧縮応力を受け、Ｘ方向及びＹ方向の格子定数がＩｎＰ基板の格子定数ａSに等しくなるまで歪む。この歪量は既に説明したように−０．８％である。これにより、歪量子井戸層６ｂのＺ方向の格子定数が伸び、Ｚ方向の格子定数ａZWが無歪時の格子定数よりも大きくなる。
【００４９】
図３（Ｂ）に、障壁層６ａと歪量子井戸層６ｂとを、両者の歪量を厚さで重み付けして平均した平均歪量を持つ１つの層と仮定したときの格子状態を示す。この平均歪量は、既に説明したように−０．３％である。このため、活性層凸部５は、Ｘ方向及びＹ方向の歪量が−０．３％の均一な１つの層と仮定することができる。活性層凸部５を１つの層と仮定した時のＺ方向の平均格子定数ａZMは、図３（Ａ）に示したＺ方向の格子定数ａZBとａZWを使用して、
【００５０】
【数３】
ａZM＝（ＬBａZB＋ＬWａZW）／（ＬB＋ＬW）
となる。ここで、ＬB及びＬWは、それぞれ障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの厚さである。
【００５１】
図３（Ｃ）に示すように、活性層凸部５の側面にＩｎＡｓ0.1Ｐ0.9の埋込部材８が接している。埋込部材８の歪量も−０．３％であるため、埋込部材８のＺ方向の格子定数は、図３（Ｂ）に示した活性層凸部５のＺ方向の平均格子定数ａZMと等しくなる。活性層凸部５内の障壁層６ａ及び歪量子井戸層６ｂの各々は、埋込部材８からＺ方向の応力を受けるが、活性層凸部５のＺ方向の平均格子定数ａZMが埋込部材８のＺ方向の格子定数と等しいため、活性層凸部５全体で平均すると、活性層凸部５のＺ方向に受ける応力はほぼ０になる。このため、活性層凸部５は、埋込部材８を形成したことによって歪緩和がほとんど生じない。すなわち、活性層凸部５は、活性層平坦部４とほぼ同一の歪状態に維持される。従って、活性層自体に回折格子を形成することによるＰＬ波長のブルーシフトは、ほとんど生じない。
【００５２】
上記実施例による利得結合ＤＦＢ型レーザ装置を作製したところ、埋込部材８を埋め込んだ後のＰＬ波長及びＸ線回折パターンのピーク位置は、埋め込み前とほとんど変わらなかった。このことから、埋込部材８を埋め込んだ後も、活性層凸部５の歪状態が活性層平坦部４の歪状態で保存されていることが確認された。また、埋込部材８をＩｎＰで形成した従来のレーザ装置に比べて、発振閾値電流や発光効率等の素子特性が向上した。さらに、通電劣化試験を行ったところ、動作中の劣化はほとんど見られなかった。
【００５３】
上記実施例では、活性層６の平均歪量と埋込部材８の歪量とをほぼ一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。両者の符合が同じであれば、活性層凸部５の歪緩和量を低減させることができるであろう。また、埋込部材８の歪量が、活性層６の平均歪量の０．８倍以上、かつ１．２倍以下になるようにすれば、ひずみ緩和量をより低減させることができるであろう。
【００５４】
上記実施例では、図１（Ｂ）に示した直線状メサの延在する方向、すなわち光の伝搬方向をＩｎＰ半導体基板１の〔１１０〕方向としたが、これと直交する〔−１１０〕方向としてもよいし、これらの方向に対して斜めの方向としてもよい。
【００５５】
また、上記実施例では、活性層６をＩｎＧａＡｓＰで形成したが、他の化合物半導体を用いることも可能である。基板材料がＩｎＰである場合、活性層６の材料として、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ等を使用することができる。このとき、埋込部材８の材料として、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等を使用することができる。基板材料がＩｎＰであって、歪量子井戸層の歪が圧縮歪である場合には、埋込部材の材料としてＩｎＡｓＰを使用することができる。また、基板材料がＩｎＰであって、歪量子井戸層の歪が引張り歪である場合には、埋込部材の材料としてＩｎＧａＰを使用することができる。
【００５６】
また、基板材料がＧａＡｓである場合、活性層６の材料としてＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ等を使用することができる。このとき、埋込部材８の材料として、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ等を使用することができる。
【００５７】
また、上記実施例では、活性層６の上層部のみに回折格子を形成したが、活性層６の全厚さ部分をエッチングして、貫通型回折格子にしてもよい。この場合には、図２に示した活性層平坦部４が存在せず、活性層凸部５が下側光ガイド層３の表面上に直接配置されることになる。
【００５８】
上記実施例では、一例として利得結合ＤＦＢ型レーザ装置について説明したが、上記実施例の活性層６及び埋込部材８の構成は、回折格子周期を量子効果が現れるまで程度まで短くした量子細線レーザ装置に適用することも可能である。
【００５９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、歪量子井戸層を含む活性層に回折格子を形成し、この回折格子を埋め込む際の歪緩和を抑制することができる。これにより、自然放出光やＰＬ光のブルーシフトを低減させることができ、従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置に比べ、素子特性や信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は、本発明の実施例による半導体レーザ装置の光の伝搬方向に平行な断面図であり、（Ｂ）は光の伝搬方向に垂直な断面図である。
【図２】 本発明の実施例による半導体レーザ装置の光の伝搬方向に平行な部分断面図である。
【図３】 本発明の実施例による半導体レーザ装置の活性層凸部の格子変形状態を説明するために、格子を模式的に表した図である。
【図４】 従来の利得結合ＤＦＢレーザ装置の光の伝搬方向に平行な部分断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 下側クラッド層
３ 下側光ガイド層
４ 活性層平坦部
５ 活性層凸部
６ 活性層
６ａ 障壁層
６ｂ 歪量子井戸層
７ カバー層
８ 埋込部材
９ 上側光ガイド層
１０ 上側クラッド層
１１ コンタクト層
１２ 上側電極
１３ 下側電極
２０ 反射防止膜
２１ 高反射膜
２８ 電流狭窄構造体
Claims (9)
- 半導体基板上に形成された第１導電型の半導体材料からなる下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上に形成された活性層であって、該活性層は、歪を有する歪井戸層と、該歪井戸層よりも大きなバンドギャップの障壁層とが交互に積層されて構成され、該活性層の厚さ方向の一部分または全厚さ部分が、前記半導体基板の表面に平行な第１の方向に関して周期的に除去され、回折格子を構成している前記活性層と、
前記活性層の除去された部分に埋め込まれた半導体材料からなる埋込部材であって、前記歪井戸層の歪と該埋込部材の歪とが同符号である前記埋込部材と、
前記活性層及び埋込部材の上に形成され、前記第１導電型とは反対の第２導電型の半導体材料からなる上側クラッド層と
を有し、
前記埋込部材の歪量が、前記活性層の歪井戸層と障壁層との歪量を、該歪井戸層と該障壁層との厚さで重み付けして平均した平均歪量とほぼ等しい半導体レーザ装置。 - 半導体基板上に形成された第１導電型の半導体材料からなる下側クラッド層と、
前記下側クラッド層の上に形成された活性層であって、該活性層は、歪を有する歪井戸層と、該歪井戸層よりも大きなバンドギャップの障壁層とが交互に積層されて構成され、該活性層の厚さ方向の一部分または全厚さ部分が、前記半導体基板の表面に平行な第１の方向に関して周期的に除去され、回折格子を構成している前記活性層と、
前記活性層の除去された部分に埋め込まれた半導体材料からなる埋込部材と、
前記活性層及び埋込部材の上に形成され、前記第１導電型とは反対の第２導電型の半導体材料からなる上側クラッド層と
を有し、前記埋込部材の歪量が、前記活性層の歪井戸層と障壁層との歪量を、該歪井戸層と該障壁層との厚さで重み付けして平均した平均歪量の０．８倍以上、かつ１．２倍以下である半導体レーザ装置。 - 前記半導体基板がＩｎＰで形成されており、前記埋込部材がＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓで形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体基板がＩｎＰで形成されており、前記歪井戸層の歪が圧縮歪であり、前記埋込部材がＩｎＡｓＰで形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体基板がＩｎＰで形成されており、前記歪井戸層の歪が引張り歪であり、前記埋込部材がＩｎＧａＰで形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体基板がＧａＡｓで形成されており、前記埋込部材がＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、及びＩｎＧａＰからなる群より選択された１つの半導体材料で形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記埋込部材の厚さが、前記活性層の除去された部分の深さと等しい請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 少なくとも前記活性層及び前記上側クラッド層が、前記第１の方向に長いメサ構造とされており、
さらに、該メサ構造の一方の第１の端面に形成された反射防止膜と、
該メサ構造の他方の第２の端面に形成され、前記活性層の発振波長域において、該第２の端面における反射率が前記第１の端面における反射率よりも高くなるように構成された高反射膜と
を有する請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 - 前記歪井戸層の歪と前記埋込部材の歪とが同符号である請求項２に記載の半導体レーザ装置。
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