JP3949704B2

JP3949704B2 - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3949704B2
Application number: JP2006126339A
Authority: JP
Inventors: 政樹舟橋; 亮介谷津; 秋彦粕川
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP2006245605A

Description

本発明は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λ_ｅのレーザ光を出射する半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、広い温度範囲で安定した単一モード発振が可能であって、発振波長のモードと副モードの抑圧比（ＳＭＳＲ）が大きい、特に光通信用の光源として最適な半導体レーザ素子に関するものである。

分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと言う）は、屈折率（複素屈折率）の実部または虚部が周期的に変化する回折格子を共振器内部に有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるようにすることにより、波長選択性を備えたレーザである。屈折率が周期的に周囲と異なる化合物半導体層からなる回折格子を活性層の近傍に備えたＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザの発振波長λ_ＤＦＢが、回折格子の周期Λと導波路の実効屈折率ｎ_ｅｆｆに基づいてλ_ＤＦＢ＝２ｎ_ｅｆｆΛの関係式によって決定されるので、回折格子の周期Λと導波路の実効屈折率ｎ_ｅｆｆとを調節することにより、活性層の光利得のピーク波長とは独立に発振波長λ_ＤＦＢを設定することができる。

例えば、ＤＦＢレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長よりも短波長側に設定すると、微分利得が大きくなるので、ＤＦＢレーザの高速変調特性などが向上する。また、ＤＦＢレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長程度に設定すると、室温での閾値電流が小さくなる。また、ＤＦＢレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長よりも長波長側に設定すると、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する。

ところで、従来のＤＦＢレーザでは、発振波長が活性層の光利得分布のピーク波長より短波長側にあっても、或いは長波長側にあっても、（１）しきい値電流を低く抑えられる、（２）単一モード動作を保持するなどの理由から、発振波長は、活性層の光利得分布のピーク波長から数十ｎｍ以内の近い波長範囲に設定されている。また、従来のＤＦＢレーザでは、回折格子を構成する化合物半導体層は、活性層のバンドギャップ・エネルギー及び発振波長のエネルギーよりもかなり大きいバンドギャップ・エネルギーを有する。つまり、回折格子を構成する化合物半導体層のバンドギャップ波長は、通常、発振波長から１００ｎｍ以上短波長側にあって、該化合物半導体層は発振波長に対して透明な、ほとんど光吸収のない、即ち損失のない層である。そして、屈折率の周期的変化を示す回折格子は、前記化合物半導体層を積層した後、エッチングして周期的に並列に存在する層の列を形成することにより、作製されている。

ここで、更に、従来のＤＦＢレーザを具体的に説明すると、従来のＤＦＢレーザは、図８（ａ）に示すように、λ_ｅが１５５０ｎｍで、λ_ｇが１２００ｎｍから１３００ｎｍの範囲であって、λ_ｇ＜λ_ｍａｘ＜λ_ｅである第１の従来例と、図８（ｂ）に示すように、λ_ｅが１５５０ｎｍで、λ_ｇが１６５０ｎｍであって、λ_ｍａｘ＜λ_ｅ＜λ_ｇである第２の従来例とに大別できる。第１の従来例では、λ_ｅ−λ_ｇ＝３００ｎｍであり、一方、第２の従来例ではλ_ｅ−λ_ｇ＝−１００ｎｍである。ここで、図８（ａ）及び（ｂ）の実線の曲線は横軸の波長に対する活性層の光利得分布を示し、破線の曲線は横軸の波長に対する回折格子層の吸収（損失）量を示す曲線である。また、λ_ｅは回折格子の周期と導波路の実効屈折率で決まるＤＦＢレーザの発振波長、λ_ｇは回折格子層のバンドギャップ波長、λ_ｍａｘは活性層の光利得分布のピーク波長、回折格子層の埋め込み層、通常はＩｎＰ層のバンドギャップ波長はλ_ＩｎＰ（＝９２０ｎｍ）である。

しかし、従来のＤＦＢレーザでは、回折格子の周期を調節してＤＦＢレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長から離して設定した場合、ＤＦＢレーザの設定発振波長ではなく、活性層の光利得分布のピーク波長でファブリー・ペロー発振する現象が生じることがあった。また、ＤＦＢレーザの設定発振波長で発振していても、ＤＦＢレーザの設定発振波長の発振モードと活性層の光利得分布のピーク波長付近のモードとの副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が、十分に大きく取れないという問題があった。例えば従来のＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザの発振波長のデチューニング量によって異なるものの、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）は３５ｄＢから４０ｄＢの範囲であって比較的小さかった。この結果、従来のＤＦＢレーザでは、活性層の光利得分布のピーク波長に対するＤＦＢレーザの発振波長のデチューニング量を大きくすることが出来ないという問題が生じていた。

更に説明すると、ＤＦＢレーザの発振波長λ_ｅが回折格子層のバンドギャップ波長λ_ｇより大きな第１の従来例は、発振波長λ_ｅの吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力−注入電流特性が良好であるという利点を有するものの、回折格子層とＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が小さいので、回折格子と活性層との距離を小さくする必要がある。その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty）比によって結合係数が大きく変動し、同じ特性のＤＦＢレーザを安定して作製することが難しい。また、ＤＦＢレーザの発振波長λ_ｅに対する吸収係数をα_ｅ、活性層のバンドギャップ波長、つまり活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘに対する吸収係数をα_ｍａｘとすると、α_ｅ≒α_ｍａｘ≒０であって、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペロー発振モード及びＤＦＢレーザの発振モードともに抑制効果が小さい。従って、デチューニング量の絶対値｜λ_ｅ−λ_ｍａｘ｜を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値｜λ_ｅ−λ_ｍａｘ｜を大きくできないという問題があった。

回折格子層のバンドギャップ波長λ_ｇがＤＦＢレーザの発振波長λ_ｅがより大きな第２の従来例は、回折格子層とＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ(Duty）比によって結合係数が変動し難いので、同じ特性のＤＦＢレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。一方、発振波長λ_ｅに対する吸収損失が大きく、吸収型の回折格子となるために、閾値電流が大きく、光出力−注入電流特性が良好でないという問題を有する。また、α_ｅ≒α_ｍａｘ＞０であって、ファブリー・ペロー発振モード及びＤＦＢレーザの発振モードともに抑制効果があるものの、デチューニング量の絶対値｜λ_ｅ−λ_ｍａｘ｜を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値｜λ_ｅ−λ_ｍａｘ｜を大きくできないという問題があった。

以上の説明では、ＤＦＢレーザを例に挙げて、活性層の光利得分布のピーク波長と発振波長とに関する問題を説明したが、この問題は、ＤＦＢレーザに限らず、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λ_ｅのレーザ光を出射する半導体レーザ素子に普遍的に付随する問題である。

そこで、本発明の目的は、上記のような問題を解決するため、第１には、ＤＦＢレーザの発振波長の吸収損失が小さく、かつ活性層の光利得分布のピーク波長の吸収損失が大きい、従って閾値電流が小さく、かつ光出力−注入電流特性が良好で、デチューニング量の絶対値｜λ_ｅ−λ_ｍａｘ｜を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できる、半導体レーザ素子を提供することであり、第２には、ＤＦＢレーザの回折格子層の膜厚、デューティ（Duty）比によって結合係数が変動し難い、従って製品歩留りが高い構成の半導体レーザ素子を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λ_ｅのレーザ光を出射する半導体レーザ素子において、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘに対する吸収係数α_ｍａｘが発振波長λ_ｅに対する吸収係数α_ｅよりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、活性層の近傍に設けられ、かつ吸収領域では、α_ｅが実質的に０であることを特徴としている。

本発明によれば、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘに対する吸収係数α_ｍａｘが発振波長λ_ｅに対する吸収係数α_ｅよりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域を、活性層の近傍に設けることにより、例えばＤＦＢレーザ素子では、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘ付近でのファブリー・ペローモードの発振を抑制することができ、設定した発振波長のモードと副モードの抑圧比（ＳＭＳＲ）を大きくすることができる。また、デチューニング量を大きく取ることができるので、広い温度範囲で安定した単一モード発振の持続が可能になる。

本発明では、吸収領域では、α_ｅが実質的に０であること、つまり吸収領域が発振波長λ_ｅに対して透明であることにより、吸収領域を設けても、発振波長の導波路損失が増加せず、閾値電流値や発光効率が劣化しない。

本発明で、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λ_ｅのレーザ光を出射する半導体レーザ素子とは、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子、分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子、ファイバブラッググレーディング（ＦＢＧ）付き半導体レーザ・モジュール等を言う。また、活性層の近傍とは、活性層で発生した光を感知できる範囲内にあることを意味する。

本発明では、活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数が、半導体レーザ素子の発振波長に対する吸収係数よりも大きくなるような吸収領域を設け、活性層の光利得分布のピーク波長付近のモードのみ選択的に吸収して、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペロー発振を抑制する。これにより、発振波長の波長選択性を高め、かつ副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）を大きくして、単一モード性を向上させることができる。よって、製品歩留りが向上する。換言すれば、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペロー発振を選択的に抑制するので、デチューニング量（λ_ｅ−λ_ｍａｘ）を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できる。また、高い動作温度でも、単一モードを維持できるので、高温での高出力特性が良好である。

半導体レーザ素子をＤＦＢレーザとしたとき、吸収領域のバンドギャップ波長λ_ｇ、つまり回折格子層のバンドギャップ波長λ_ｇとＤＦＢレーザの発振波長λ_ｅとの関係が、０＜λ_ｅ−λ_ｇ≦１００ｎｍの関係にあることが好ましい。ＤＦＢレーザの発振波長λ_ｅが回折格子層のバンドギャップ波長λ_ｇより大きいので、発振波長λ_ｅの吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力−注入電流特性が良好であるという利点を有する。更には、埋め込み層をＩｎＰ層としたとき、第２の従来例と同様に、回折格子層とＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty）比によって結合係数が変動するようなことがないので、同じ特性のＤＦＢレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。つまり、本発明は、第１の従来例と第２の従来例のそれぞれの利点を合わせ有する。

この場合、吸収領域とは、化合物半導体層で形成された領域であって、その領域のバンドギャップ波長λ_ｇと発振波長λ_ｅとが、０＜λ_ｅ−λ_ｇ≦１００ｎｍの関係にある領域を言い、回折格子層のみならず、回折格子層以外の化合物半導体層を含む広い概念である。また、従来技術の説明では、前述のように、回折格子層のバンドギャップ波長をλ_ｇと定義しているが、本発明では、従来技術のλ_ｇの定義を広げて、λ_ｇを、広く吸収領域のバンドギャップ波長と定義している。

好ましくは、λ_ｅ−λ_ｇの値は、０より大きく１００ｎｍ以下であり、さらに好適には０より大きく７０ｎｍ以下の範囲にある。

また、好ましくは、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘは、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、λ_ｇ＜λ_ｍａｘ＜λ_ｅ、又はλ_ｍａｘ＜λ_ｇ＜λ_ｅの関係にある。λ_ｇ＜λ_ｍａｘ＜λ_ｅのときには、これにより、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する、例えばλ_ｅ−λ_ｍａｘ＝２０ｎｍに、λ_ｅ−λ_ｇ＝５０ｎｍに設定する。また、λ_ｍａｘ＜λ_ｇ＜λ_ｅのときには、これにより、α_ｍａｘを大きくすることができるので、ファブリー・ペローモードを十分に抑制する効果があり、例えばλ_ｅ−λ_ｍａｘ＝２０ｎｍ、λ_ｇ−λ_ｍａｘは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

本発明では、吸収領域での、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘに対する吸収係数α_ｍａｘと、発振波長λ_ｅに対する吸収係数α_ｅとの差、α_ｍａｘ−α_ｅは大きければ大きいほど本発明の効果を奏する上で好ましいが、実用的には、導波路損失に換算してα_ｍａｘ−α_ｅ≧１ｃｍ^−１であれば、本発明の効果を得ることができる。α_ｍａｘ−α_ｅ≧５ｃｍ^−１であれば、さらに顕著な効果を得ることができる。

更に、本発明では、量子効果による急峻な吸収端を有する吸収領域を設けることにより、例えば、急峻な吸収端を有する量子井戸層や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、活性層の利得ピーク波長に対する吸収係数α_ｍａｘと、発振波長に対する吸収係数α_ｅとの間に大きな差を実現することができる。なお、ここで、量子化されているとは、吸収領域を構成する化合物半導体層のサイズが、電子の量子力学的波長程度まで薄く、量子効果を示すことができるサイズであることを意味する。

更に、本発明では、波長選択構造が回折格子として構成されていても良いし、吸収領域として機能する選択的吸収層が、活性層の近傍に回折格子とは別に形成されていてもよい。なお、選択的吸収層は、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しても、或いは回折格子と同じ側に配置しても、問題はない。但し、反対側に配置した方が、活性層との距離を任意に選択可能であるから、設計の自由度は大きくなる。

また、本発明では、吸収領域を量子化された化合物半導体層によって形成し、かつ、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘを、ＤＦＢレーザの発振波長λ_ｅに対して、図１０に示すように、λ_ｅ＜λ_ｍａｘの関係に設定することにより、高周波領域での微分利得が大きく、高速変調特性を良好にすることができる。

以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、第１及び第２の発明に係る半導体レーザ素子を一つにしてＤＦＢレーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図、図２は図１の矢視Ｉ−Ｉの半導体レーザ素子の断面図である。なお、実施形態例１及び後述の実施形態例２で示す化合物半導体層の組成、膜厚等は本発明の理解のための例示であって、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、発振波長を１５５０ｎｍに設定した埋め込みへテロ型ＤＦＢレーザ素子として構成されている。

ＤＦＢレーザ素子１０は、ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、膜厚２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、周期Λが２４０ｎｍであって、膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層からなる回折格子２０、及び回折格子２０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２の積層構造を備えている。活性層１６の光利得分布のピーク波長λ_ｇは約１５３０ｎｍであり、回折格子２０のバンドギャップ波長λ_ｇは約１５１０ｎｍである。

ｎ−ＩｎＰ基板１２の上部、及び積層構造を構成するｎ−ＩｎＰバッファ層１４、活性層１６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、回折格子２０、及び回折格子２０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２は、活性層１６の幅が１．５μｍになるメサストライプにエッチング加工されている。そして、メサストライプの両側には、ｐ−ＩｎＰ層２４及びｎ−ＩｎＰ層２６からなるキャリアブロック構造が形成されている。更に、ＤＦＢレーザ素子１０は、ＩｎＰ第１クラッド層２２及びｎ−ＩｎＰ層２６上に、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰ第２クラッド層２８、及び高濃度でドープされたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３０を備え、また、コンタクト層３０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極３２、及び基板１２の裏面にＡｕＧｅＮｉからなるｎ側電極３４を備えている。

本実施形態例では、バンドギャップ波長λ_ｇが約１５１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰで回折格子２０を形成することにより、回折格子２０では、バンド端のすその影響によって、活性層１６の光利得分布のピーク波長の１５３０ｎｍ付近で多少の吸収が生じるものの、発振波長として設定した１５５０ｎｍ付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起らない。即ち、活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数α_ｍａｘが発振波長に対する吸収係数α_ｅよりも大きくなっている。なお、回折格子２０のバンドギャップ波長λ_ｇを活性層の光利得分布のピーク波長１５３０ｎｍとＤＦＢレーザ１０の発振波長１５５０ｎｍの間に設定することによって、大きな吸収係数の差を実現することとができる。

本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０を評価するために、上述の積層構造を備えたウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングした。前端面には無反射膜を、後端面には高反射率の膜をコーティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。ＤＦＢレーザ素子１０は、良好な単一モードで安定して発振し、副モード抑圧比として４５ｄＢ〜５０ｄＢの大きな値が得られた。なお、回折格子のバンドギャップ波長が大きい従来タイプのＤＦＢレーザ素子（以下、従来型ＤＦＢレーザ素子と言う）では、このような大きな副モード抑圧比は得られ難く、おおよそ３５ｄＢ〜４０ｄＢ程度である。

また、閾値電流も９ｍＡと低く、発光効率も従来型ＤＦＢレーザ素子と比較して遜色はなかった。従って、回折格子２０の発振波長に対する吸収は十分に小さいと思われる。そして、回折格子２０が活性層１６の光利得分布のピーク波長付近のモードに対してのみ選択吸収的に働き、利得ピーク波長付近のファブリー・ペロー発振が抑制されたことにより、副モード抑圧比が改善されたと考えられる。さらに、素子ごとでの結合係数のばらつきも小さく、均一性の良い特性が得られた。本実施形態例では、回折格子２０のバンドギャップ波長λ_ｇ（１５１０ｎｍ）を従来のＤＦＢレーザ素子の回折格子のバンドギャップ波長λ_ｇ、例えば１２００ｎｍよりも大きくしたことにより、回折格子２０の屈折率と周囲のＩｎＰ層の屈折率の差が大きくなるので、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８の膜厚を厚くして回折格子２０を活性層１６から離しても、十分に大きな回折格子結合係数を得ることができるため、回折格子の膜厚やデューティ比によって結合係数が変動しにくい。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。

以下に、図３及び図４を参照して、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０の作製方法を説明する。図３（ａ）から（ｃ）、及び図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０を作製する際の工程毎の断面図である。図３は図１の矢視Ｉ−Ｉでの断面であり、図４は図１の矢視II−IIでの断面である。先ず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、成長温度６００℃で、ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、順次、膜厚１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、膜厚２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、及び膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ回折格子層２０′をエピタキシャル成長させて、図３（ａ）に示すように、積層構造を形成する。

次いで、回折格子層２０′上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レジストを約１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置により描画して、周期Λが２４０ｎｍの回折格子パターン２１を形成する。続いて、回折格子パターン２１をマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層２０′を貫通する溝２３を形成し、溝底にｐ−ＩｎＰスペーサ層１８を露出させ、図３（ｂ）に示すように、回折格子２０を形成する。次に、回折格子パターン２１を除去し、続いてＭＯＣＶＤ結晶成長装置によって、図３（ｃ）に示すように、回折格子２０を埋め込むｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２を再成長させる。

次に、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２上にＳｉＮ_Ｘ膜をプラズマＣＶＤ装置を用いて成膜し、続いてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）により、ＳｉＮ_Ｘ膜をストライプ形状に加工して、ＳｉＮ_Ｘ膜マスク２５を形成する。次いで、ＳｉＮ_Ｘ膜マスク２５をエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２（回折格子２０）、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、活性層１６、ｎ−ＩｎＰバッファ層１４及びｎ−ＩｎＰ基板１２の上部をエッチングして、活性層幅が１．５μｍ程度のメサストライプに加工する。更に、ＳｉＮ_Ｘ膜マスク２５を選択成長マスクにして、順次、ｐ−ＩｎＰ層２４およびｎ−ＩｎＰ層２６を選択成長させて、図４（ｄ）に示すように、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。

次に、ＳｉＮ_Ｘ膜マスク２５を除去した後、図４（ｅ）に示すように、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰ第２クラッド層２８と、ｐ側電極３２とオーミックコンタクトを取るために高濃度にドープしたＧａＩｎＡｓ層をコンタクト層３０としてエピタキシャル成長させる。基板厚が１２０μｍ程度になるようにｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面を研磨し、続いてコンタクト層３０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属膜をｐ側電極３２として形成し、基板裏面にはＡｕＧｅＮｉ膜をｎ側電極３４として形成する。以上の積層構造を作製したウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングすることにより、図１にその積層構造を示すＤＦＢレーザ素子１０を形成することができる。

本実施形態例では、回折格子２０のバンドギャップ波長を活性層１６の光利得分布のピーク波長に近づけることにより、結果的に回折格子と周囲のＩｎＰ層の屈折率差が大きくなっているので、従来のＤＦＢレーザ素子よりも回折格子２０を活性層１６から離しても、所望の屈折率結合係数を得ることができる。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。

実施形態例２
本実施形態例は、第１及び第２の発明に係る半導体レーザ素子を一つにしてＤＦＢレーザ素子に適用した実施形態の別の例であって、図５は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す部分断面斜視図、及び図６は図５の矢視III−IIIの断面図である。実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０では、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造として形成された回折格子２０が利得ピーク波長のモードの光を選択的に吸収する層として機能している。一方、本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、同じく、発振波長を１５５０ｎｍに設定した埋め込みへテロ型ＤＦＢレーザ素子として構成されているが、活性層の光利得分布のピーク波長のモードの光を選択的に吸収する選択的吸収層を回折格子とは別に備えている。

ＤＦＢレーザ素子４０は、ｎ−ＩｎＰ基板４２上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層４４、膜厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓ層からなる選択的吸収層４５Ａ、膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰスペーサ層４５Ｂ、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６、膜厚１００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、周期Λが２４０ｎｍであって、膜厚３０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層からなる回折格子５０、及び回折格子５０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層５２の積層構造を備えている。選択的吸収層４５Ａのバンドギャップ波長λ_ｇは１５４０ｎｍ、活性層１６のバンドギャップ波長λ_ｇは１５３０ｎｍ、及び回折格子５０のバンドギャップ波長λ_ｇが約１２００ｎｍである。従って、回折格子５０は、活性層４６の光利得分布のピーク波長約１５３０ｎｍに対しても、またＤＦＢレーザ素子４０の発振波長として設定した波長１５５０ｎｍに対しても十分に透明である。

選択的吸収層４５Ａの膜厚は、５ｎｍと量子効果が発現されるほど十分に薄く、しかも吸収端波長（バンドギャップ波長に相当する）が約１５４０ｎｍ付近になるように膜厚が調節されており、量子井戸層として機能している。従って、選択的吸収層４５Ａの吸収係数は、活性層４６の光利得分布のピーク波長の１５３０ｎｍ付近では多少吸収が生じるが、発振波長として設定した１５５０ｎｍ付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起こらない。量子効果による急峻な吸収端を備えた選択的吸収層４５Ａを設けることにより、活性層１６の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数と、発振波長に対する吸収係数（ほとんどゼロ）に大きな違いを有する吸収領域を実現することができる。なお、本実施形態例では、選択的な吸収領域として１層の量子井戸層４５Ａを用いたが、多数層で形成することにより、より大きな吸収係数の差を実現することも可能である。また、実施形態例１のように回折格子＝選択的な吸収領域＝量子井戸構造としてもよい。

本実施形態例の半導体レーザ４０では、選択的吸収層４５Ａとして、急峻な吸収端を有する量子井戸層や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、利得ピーク波長と発振波長における吸収係数の差を大きくすることができる。なお、本実施形態例では、選択的吸収層４５Ａは、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しているが、回折格子と同じ側でも、問題はない。但し、反対側に配置した方が設計の自由度は大きくなる。

ｎ−ＩｎＰ基板４２の上部、及び積層構造を構成するｎ−ＩｎＰバッファ層４４、選択的吸収層４５Ａ、ｎ−ＩｎＰスペーサ層４５Ｂ、活性層４６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、回折格子５０、及び回折格子５０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層５２は、活性層４６の幅が１．５μｍのメサストライプにエッチング加工されている。そして、メサストライプの両側には、ｐ−ＩｎＰ層５４及びｎ−ＩｎＰ層５６からなるキャリアブロック構造が形成されている。

更に、半導体レーザ素子４０は、ＩｎＰ第１クラッド層５２及びｎ−ＩｎＰ層５６上に、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰ第２クラッド層５８、及び高濃度でドープされたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６０を備え、また、コンタクト層６０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極６２、及び基板４２の裏面にＡｕＧｅＮｉからなるｎ側電極６４を備えている。

本実施形態例のＤＦＢレーザ素子４０を評価するために、上述の積層構造を備えたウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングし、前端面には無反射膜を、後端面には高反射率の膜をコーティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。ＤＦＢレーザ素子４０は、意図した通り発振波長１５５０ｎｍで良好な単一モードで安定した発振を持続した。副モード抑圧比は約５０ｄＢと非常に良好な値であり、閾値電流も８ｍＡと従来のＤＦＢレーザと同等の値であった。従って、選択的吸収層４５Ａによる発振波長に対する吸収はほとんど無視できると考えられる。また、活性層４６の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペローモードのピークと谷部の比は従来のＤＦＢレーザよりも小さくなっており、この付近のモードが選択的吸収層４５Ａによる損失を受け、ファブリー・ペローモードの発振が抑制されていた。

また、ＤＦＢレーザ素子４０と同じ構造で、回折格子５０の周期を長くして、発振波長を１５７０ｎｍに設定したＤＦＢレーザ素子でも、発振波長１５７０での単一モードの安定した発振の持続が観測された。このように、活性層の光利得分布のピーク波長（１５３０ｎｍ）から長波側に大きくデチューニングした場合でも、利得ピーク付近のモードは選択的吸収層４５Ａによって発振が抑制されるので、安定した単一モード発振を持続させることができる。

次に、図７を参照して、実施形態例２の半導体レーザ素子４０の作製方法を説明する。図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の半導体レーザ素子４０を作製する際の工程毎の断面図である。先ず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、成長温度６００℃で、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板４２上に、順次、ｎ−ＩｎＰバッファ層４４、ＩｎＧａＡｓ層からなる選択的吸収層４５Ａ、ｎ−ＩｎＰスペーサ層４５Ｂ、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、及びＩｎＧａＡｓＰ層からなる回折格子層５０′をエピタキシャル成長させる。

回折格子層５０′上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レジストを１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置により描画して、周期Λが２４０ｎｍの回折格子パターン５１を形成する。続いて、回折格子パターン５１をエッチングマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層５０′を貫通する溝５３を形成し、溝底にｐ−ＩｎＰスペーサ層４８を露出させ、図３（ｂ）に示すように、回折格子５０を形成する。図７（ｃ）に示すように、回折格子５０を埋め込むｐ−ＩｎＰ第１クラッド層５２の再成長を行う。

以下、実施形態例１と同様にして、ＳｉＮ_Ｘ膜マスクをエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層５２、回折格子５０、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、活性層４６、ｎ−ＩｎＰスペーサ層４５Ｂ、選択的吸収層４５Ａ、ｎ−ＩｎＰバッファ層４４、及びｎ−ＩｎＰ基板４２の上部をエッチングして、活性層幅が１．５μｍ程度のメサストライプに加工する。続いて、ＳｉＮ_Ｘ膜マスクを選択成長マスクにして、順次、ｐ−ＩｎＰ層５６およびｎ−ＩｎＰ層５８を選択成長させて、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。次いで、ＳｉＮ_Ｘ膜マスクを除去した後、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層５８と高濃度にドープしたＧａＩｎＡｓコンタクト層６０とをエピタキシャル成長させる。

基板厚が１２０μｍ程度になるようにｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面を研磨し、続いてコンタクト層６０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属膜をｐ側電極６２として形成し、基板裏面にはＡｕＧｅＮｉ膜をｎ側電極６４として形成する。以上の積層構造を作製したウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングすることにより、図５及び図６に積層構造を示す半導体レーザ素子４０を形成することができる。

実施形態例１及び２では、１５５０ｎｍ帯のＤＦＢレーザ素子を例に挙げて説明したが、他の波長帯でも、同様に本発明に係る半導体レーザ素子を適用することができる。また、実施形態例では、共振器全体に選択的吸収層４５Ａ又は回折格子２０を配置したが、共振器の一部に配置しても、本実施形態例と同様の効果を得ることができる。更には、ＤＦＢレーザ素子だけでなく、ＤＢＲレーザ素子、ＦＢＧレーザ素子など、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λ_ｅのレーザ光を出射する半導体レーザ素子に適用できる。

実施形態例１の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図である。図１の矢視Ｉ−Ｉの半導体レーザ素子の断面図である。図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、図３（ｃ）に引き続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。実施形態例２の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図である。図５の矢視ＩＩＩ −ＩＩＩの半導体レーザ素子の断面図である。図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第１の従来例及び第２の従来例のλ_ｅ、λ_ｍａｘ、λ_ｇの関係を示す模式図である。図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第２の発明のλ_ｅ、λ_ｍａｘ、λ_ｇの関係を示す模式図である。第１及び第２の発明の実施態様のλ_ｍａｘ＞λ_ｅの半導体レーザ素子を説明する模式図である。

符号の説明

１０実施形態例１のＤＦＢレーザ素子
１２ｎ−ＩｎＰ基板
１４ｎ−ＩｎＰバッファ層
１６ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１８ｐ−ＩｎＰスペーサ層
２０回折格子
２０′ＧａＩｎＡｓ層
２１回折格子パターン
２２回折格子を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層
２３溝
２４ｐ−ＩｎＰ層
２６ｎ−ＩｎＰ層
２８ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層
３０ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
３２ｐ側電極
３４ｎ側電極
４０実施形態例２のＤＦＢレーザ素子
４２ｎ−ＩｎＰ基板
４４ｎ−ＩｎＰバッファ層
４５Ａ選択的吸収層
４５Ｂｎ−ＩｎＰスペーサ層
４６ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
４８ｐ−ＩｎＰスペーサ層
５０′ ＧａＩｎＡｓ層
５０回折格子
５１回折格子パターン
５２回折格子を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層
５３溝
５４ｐ−ＩｎＰ層
５６ｎ−ＩｎＰ層
５８ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層
６０ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
６２ｐ側電極
６４ｎ側電極

Claims

活性層の光利得分布とは独立に発振波長λ_ｅを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備えた、半導体レーザ素子において、
活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘに対する吸収係数α_ｍａｘが発振波長λ_ｅに対する吸収係数α_ｅよりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、共振器構造内に設けられ、かつ吸収領域では、α_ｅが実質的に０であることを特徴とする半導体レーザ素子。
吸収領域が量子化された化合物半導体層によって形成されており、活性層の光利得分布のピーク波長λ_ｍａｘが発振波長λ_ｅに対して、λ_ｅ＜λ_ｍａｘの関係にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。