JP4115593B2

JP4115593B2 - Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4115593B2
Application number: JP21014698A
Authority: JP
Inventors: 圭山本; 秀典河西; 元隆種谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2018-07-27
Also published as: JPH11103128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得結合型分布帰還半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）は、単一軸モードで動作する波長可変、波長安定のコヒーレント光源として利用され、光計測、光通信／伝送、光記録、レーザビームプリンタなどに対して要求が高まっている。ＤＦＢ−ＬＤでは、活性層またはガイド層に回折格子が設けられており、この回折格子により光が帰還されることによりレーザ発振動作が行われる。ＤＦＢ−ＬＤには、回折格子により屈折率を周期的に変化させて分布帰還を施す屈折率結合型（ＩＣ）ＤＦＢ−ＬＤと、回折格子により利得を周期的に変化させて分布帰還を施す利得結合型（ＧＣ）ＤＦＢ−ＬＤに大別される。ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤは原理的にブラッグ波長近傍にストップバンドが存在し、その両脇に最小しきい値利得をもつ縦モードが２つ対称に存在するので２モードでレーザ発振する可能性が高い。これに対し、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤでは、端面位相によらずほぼ１００％の確率で単一縦モード発振歩留まりが得られることが理論的に確かめられている。ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおいて、利得を周期的に変化させる方法の一つとして、活性層が発生した誘導放出光の一部を吸収する領域を周期的に設けることにより実効的に利得の周期変動が施される吸収性回折格子構造がある。
【０００３】
ＬＤ素子の閾値利得を下げるには、吸収損失αＬは小さくし、吸収性回折格子による光の分布帰還の程度を表すパラメータである利得結合係数κｇＬは大きくすることが望まれる。周期的に存在する吸収層の幅とその周期の比（デューティ）を大きくすると、利得結合係数をかせぐことができるが、吸収損失が大きくなり、閾値利得は上昇してしまう。吸収損失が小さく、かつ充分な程度の利得結合係数を得るためには、吸収層のデューティを小さくする必要がある（特開平５−１６０５０５号公報）。
【０００４】
図８は従来の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置を示す構造図である。この従来例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板８０上にｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓクラッド層８１、アンドープＧａＡｓ活性層８２、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓキャリアブロック層８３、ｐ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓガイド層８４、ｐ−ＧａＡｓ光吸収層８５を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより２５５ｎｍ周期の回折格子を印刻する。その後、ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓクラッド層８６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８７を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。その後、電極８８１，８８２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図８は、共振器方向の断面を示している。
【０００５】
この従来例では、吸収層はエッチングにより周期的に分離されており、周期的な利得の変動が施され、利得結合型ＤＦＢ−ＬＤとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の実施例では、回折格子のデューティは二光束干渉露光法で形成されるレジストマスクのデューティ及びその後のエッチング量によって大きく変化するため、その制御は難しい。特に小さなデューティを再現よく制御することは非常に困難である。即ち利得結合係数と吸収損失の制御が難しく閾値利得の再現性が得られないという問題があった。本発明は、デューティの小さい吸収性回折格子を有するＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明（請求項１）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、活性層近傍に光導波方向に周期的な凹凸形状を形成し、該凹凸形状に隣接して、凹凸形状と同一周期に光吸収層を形成してなる利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、前記凹凸形状の谷部上にのみ前記光吸収層が形成され、残る凹凸形状に隣接した領域には埋込層が形成されてなり、前記光吸収層は、垂直量子井戸構造を有して、前記凹凸形状の山部よりも層厚方向の高さが高く、かつ、光導波方向において前記埋込層で挟まれていることによって上記目的を達成する。
【０００８】
この発明（請求項２）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、前記光吸収層が、導波する光の水平偏波成分および垂直偏波成分のどちらに対しても吸収する量子井戸光吸収層であることによって、上記目的を達成する。
【０００９】
この発明（請求項３）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部上にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有することによって、上記目的を達成する。
【００１０】
原料元素のマイグレーションの違いによって、同一の工程で結晶成長した半導体層であっても、活性層のエネルギー波長の光を吸収する領域と前記光に対して透明となる領域とが形成される。凹凸形状上の結晶成長層は、原料のマイグレーションの違いから、凹部上の混晶比が他の部分の混晶比と異なり（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ１２４（１９９２）５１３）、混晶比が凹凸形状の周期で変化する。これを活性層のエネルギー波長の光を吸収する領域及び該波長の光に対して透明となる領域で構成することにより、デューティの小さい吸収性回折格子を再現よく制御することが可能となる。
【００１１】
この発明（請求項４）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に、周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有し、前記凹凸形状の両斜面が（ｎ１１）面であり、前記凹部の谷部が（１００）面であることによって、上記目的を達成する。
【００１２】
ＩＩＩ族原料は、（１００）面上と（１１１）面上を比較すると（１１１）面上には結合しにくく、（１００）面上には結合しやすいため、（１１１）面上の原料の一部は（１００）面にマイグレーションする。ＡｌＧａＡｓ成長では、ＡｌよりもＧａの方がマイグレーションしやすい。（１００）基板では凹凸形状をなすＶ溝上における両斜面が（１１１）面となり、谷部に向かってマイグレーションしやすくなる。谷部にＧａの濃度が増加し、ＡｌＧａＡｓの混晶比が斜面部と谷部で変わり、ＶＱＷができるものである。
【００１３】
また、凹凸形状が埋め込まれる際、高次の面（（ｎ１１）面）が出ながら徐々に埋まっていき、凹部の谷部にのみ精度よくＶＱＷが形成されるものである。
【００１４】
ＶＱＷは一般的な混晶半導体に対して、原料のマイグレーションの違いを利用して形成することができる。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、上述のようにＩＩＩ族原料のマイグレーションの違いを利用しても、Ｖ族原料のマイグレーションの違いを利用してもＶＱＷを形成することができる。
【００１５】
この発明（請求項５）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、前記凹凸形状の凹部の谷部はその幅が３０ｎｍ以下であることによって、上記目的を達成する。
【００１６】
凹凸形状の谷部に平坦部（（１００）面）があると、両斜面からマイグレーションしたＧａは平坦部領域で広がるため、平坦部が狭いほど谷部でのＧａ濃度は高くなり、混晶比の差が出やすい。即ち、ＶＱＷでのキャリア閉じ込めが大きくなるため、吸収層としての効果が大きくなる。前記凹部の谷部はその幅が３０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ前後が最も好ましい。また、前記凹部の谷部が平坦部がない場合であってもＶＱＷは得られることから、０ｎｍのときも上記目的を達成する。平坦部と斜面の境界は急峻であっても、なだらかであってもよく、例えば（１１１）面と（１００）面とが（３１１）面を介してつながった場合でもＶＱＷは得られる。
【００１７】
上述の凹凸形状が形成される半導体基板は、半導体の基板そのものや基板上に成長された半導体成長層を指す。
【００１８】
また、成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＯＭＢＥ法、ＧＳＭＢＥ法など、半導体層の成長方法として一般的なものを用いることができるが、ＭＯＣＶＤ法が最も好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の第一の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に厚さ１μｍのｎ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層１１、０．０８μｍのアンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層１２、０．２μｍのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャリアバリア層１３、０．１μｍのｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層１４を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより１２０ｎｍ周期、深さ７０ｎｍの凹凸形状（三角波形状）を印刻する。その後、平均厚さ０．１μｍのｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ埋込層１６、０．８μｍのｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層１７、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ埋込層１６を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該埋込層の混晶比よりも低い混晶比の層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造１５が形成される。その後、光導波路ストライプ外のＧａＡｓコンタクト層及びクラッド層を除去し、２ｍｍ幅のリッジストライプを形成する。その後、リッジ上部及び基板裏面に電極１９１，１９２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。
【００２０】
図１には、リッジ内部の共振器方向の断面を示している。この実施例は、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ埋込層１６は、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、成長温度７００℃、Ｖ／ＩＩＩ比１２０、成長速度２５ｎｍ／ｍｉｎでＭＯＣＶＤ成長しており、この際、ＧａのマイグレーションがＡｌのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状上では、Ｇａは谷部にマイグレーションし、谷部ではＧａの供給が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に埋込層１６の他の部分よりもＡｌ混晶比の低い層が形成されていき、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造１５が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層を構成している。
【００２１】
フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ１５のエネルギー波長は７９０ｎｍ、活性層１２のエネルギー波長は７７５ｎｍであった。即ち、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ埋込層１６の内部で、活性層が発生した光の一部を吸収するＶＱＷ光吸収層と、活性層が発生した光に対して透明なＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層（７４０ｎｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できた。
【００２２】
また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大した。また、活性層が発生した光は、活性層に強度のピークを持ち、クラッド層まで光の一部が広がっているが、本実施例においても、光吸収層の存在するｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ埋込層１６全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ（図５（ａ）本実施例、図５（ｂ）従来例参照）、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【００２３】
一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い閾値利得が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。ここで、埋込層の混晶比と、埋込層により形成されるＶＱＷ構造のエネルギー波長の関係を、フォトルミネッセンス測定により調べた結果、図２に示すようになった。図３（ｄ）に示す回折格子部分のＡ−Ａ’断面における混晶比のプロファイルを図３（ａ）〜（ｃ）示す。図４に埋込層の混晶比と吸収損失及び利得結合係数の関係を示す。
【００２４】
ここで、埋込層１６の混晶比を変えていったときの、吸収損失及び利得結合係数の関係を図２、３、４より説明する。埋込層の混晶比が、活性層の混晶比（０．１４）より小さい場合（図２、３、４中領域（ａ））、埋込層自体が活性層が発生した光の一部を吸収するため、吸収損失が大きくなってしまう。
【００２５】
また、ＶＱＷ層による吸収層の周期的な分布が得られず、利得結合係数はかせげない。埋込層の混晶比が０．２４より大きい場合（図２、３、４中領域（ｃ））、吸収損失は小さくなるが、ＶＱＷ層は活性層に対して透明となってしまうため、周期的な吸収の分布が得られず、利得結合係数は得られない。埋込層の混晶比が活性層の混晶比（０．１４）より大きく、０．２４より小さい場合（図２、３、４中領域（ｂ））、ＶＱＷは活性層が発生した光の一部を吸収し、ＶＱＷ以外の領域は活性層の発生した光に対して透明となるため、周期的な吸収の分布が得られる。吸収損失は、埋込層の混晶比を大きくすると、小さくなるが、利得結合系数は埋込層の混晶比を大きくすると小さくなってしまう。
【００２６】
従って、埋込層の混晶比として、０．１４以上０．２４以下が必要であるが、望ましくは、０．１６以上０．２２以下であれば、吸収損失が小さく、かつ充分な程度の利得結合係数を得ることが可能となる。また、光導波領域に量子井戸構造が存在する場合、量子井戸に平行な電界成分を持つ光の遷移確率の方が量子井戸に垂直な電界成分を持つ光の遷移確率よりも大きく、吸収性回折格子に光が入ったとき、光は吸収されやすくなる。通常の成長により積層方向に形成される量子井戸吸収層は基板に平行に量子井戸ができているため、ＴＥ光は量子井戸に平行な、ＴＥモード発振となり、ＴＭモードを必要とする用途には使用できない。このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。従って、ＴＥ／ＴＭ両モード共量子井戸に平行な電界分布となるため、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造等によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００２７】
（実施例２）
図６は本発明の第二の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、ｐ−ＧａＡｓ基板６０上に厚さ１μｍのｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層６１、０．０８μｍのアンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層６２、０．２μｍのｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャリアバリア層６３、０．１μｍのｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層６４を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより３６０ｎｍ周期、深さ９０ｎｍの凹凸形状を印刻する。この凹凸形状の底は、１８ｎｍの平坦な部分を有する。
【００２８】
その後、平均厚さ０．２μｍのｎ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層６６、１μｍのｎ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層６７、０．５μｍのｎ−ＧａＡｓコンタクト層６８を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、ｎ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層６６を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該ｎ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層よりも混晶比の低い層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造６５が形成される。その後、電極６９１，６９２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。
【００２９】
図には、共振器方向の断面を示している。この実施例は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、成長温度６５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比１８０、成長速度１０ｎｍ／ｍｉｎでｎ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層６６を、ＭＯＣＶＤ成長しており、この際、ＧａのマイグレーションがＡｌのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状上では、Ｇａは谷部にマイグレーションし、谷部ではＧａの供給が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に吸収層６６の他の部分よりもＡｌ混晶比の低い層が形成されていき、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造６５が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層を構成している。
【００３０】
ここで、凹凸形状の底部は１８ｎｍの平坦な部分があるため、１８ｎｍの幅で、垂直な方向にＡｌ低混晶層が形成される。また、凹凸形状は徐々に平坦になりながら埋まっていくが、成長表面が平坦になった後は、マイグレーションのしかたが均一になるため、ＶＱＷはもはや出来なくなる。この実施例の成長条件では、埋込層６６の成長は、凹部からの厚さが０．１μｍで成長表面が平坦になり、埋込層６６のそれより以降の部分ではＶＱＷは出来ていない。
【００３１】
フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ６５のエネルギー波長は７８５ｎｍ、活性層６２のエネルギー波長は７７５ｎｍであった。即ち、ｎ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層６６の内部で、活性層の発生する光を吸収するＶＱＷと、活性層の発生する光に対して透明なＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ（７５２ｎｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。
【００３２】
このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大している。また、光吸収層の存在するｎ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層６６全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【００３３】
一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。また、このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。従って、ＴＥ／ＴＭ両モード共量子井戸に平行な電界分布となるため、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造等によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００３４】
ここで、ＶＱＷの高さは埋込層厚又は埋込層が平坦になる厚さで決まるが、ＶＱＷの高さが高いほど光を多く感じ、吸収を感じる部分が大きくなるため利得結合係数はより大きくなる。ＶＱＷの高さを変えたところ、ＶＱＷの高さが６０ｎｍ以上で充分な利得結合係数が得られたが、より大きい利得結合係数が得るためにはＶＱＷの高さは１００ｎｍ以上あることが望ましい。
【００３５】
また、第一の実施例では発振波長に対して１次の回折格子の周期、第二の実施例では発振波長に対して３次の回折格子の周期で凹凸形状を形成しているが、凹凸形状の周期として、それ以上の高次の回折格子の周期で形成しても上記実施例と同様の効果があった。
【００３６】
また、凹凸形状の深さには関係なく、上記実施例の効果は得られたが、凹凸形状を形成する際のエッチングが、凹凸形状を形成するガイド層の厚さを超えて、キャリアバリア層まで達すると、再成長界面はＡｌ混晶比の高い層となり、その上に成長する埋込層の結晶性が低下し、信頼性が低下するため、凹凸形状の深さは、凹凸形状を形成するガイド層の厚さを超えないことが望ましい。
【００３７】
また、凹凸形状の深さは４０ｎｍより小さい値では埋込層成長時に、マイグレーションする量が少なくてＶＱＷは形成されにくくなるため、凹凸形状の深さは４０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３８】
（実施例３）
図７は本発明の第三の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、２５０ｎｍ周期、深さ２２０ｎｍの凹凸形状を有するｎ−ＩｎＰ段差基板７０上に、厚さ２００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２（エネルギー波長λｇ＝１．５μｍ）を成長し、次いでｎ−ＩｎＰ層７３で凹凸形状を埋め込んだ後、厚さ１００ｎｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層７４１（λｇ＝１．４μｍ）、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層７５（λｇ＝１．５５μｍ）、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層７４２（λｇ＝１．４μｍ）、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層７６、厚さ２００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７７を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。
【００３９】
このとき、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層よりもエネルギーの小さい層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造７１が形成される。その後、電極７８１，７８２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図には、共振器方向の断面を示している。
【００４０】
この実施例では、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２の成長の際、ＩｎのマイグレーションはＧａのマイグレーションに比べて大きく、凹凸形状上での成長は、成長表面上でＩｎは谷部にマイグレーションし易く、谷部ではＩｎの供給が増加し、Ｉｎ混晶比が高くなり、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層７１を構成している。フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ７１のエネルギー波長はλｇ＝１．５７μｍ、活性層７５のエネルギー波長はλｇ＝１．５５μｍであった。即ち、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層の内部で、活性層の発生する光を吸収するＶＱＷと、活性層の発生する光に対して透明なＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．５μｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。
【００４１】
このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大している。
【００４２】
また、光吸収層の存在するｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。
【００４３】
また、このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。即ち、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００４４】
（実施例４）
図９は本発明の第四の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。
【００４５】
この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板９０上に厚さ１μｍのｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層９１、０．０５μｍのアンドープＧａＡｓガイド層９２、５ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層および５ｎｍのＧａＡｓバリア層よりなるＭＱＷ活性領域９３、０．１μｍのＧａＡｓガイド層９４を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより２３０ｎｍ周期、深さ７０ｎｍの凹凸形状を印刻する。その後、平均厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６（エネルギー波長λｇ＝１．１μｍ）、１μｍのｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層９７、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層９８を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該埋込層のエネルギーよりも小さいエネルギーの層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造９５が形成される。その後、電極９９１，９９２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図９には、共振器方向の断面を示している。
【００４６】
この実施例は、ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６は、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、成長温度６５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比２００、成長速度２５ｎｍ／ｍｉｎでＭＯＣＶＤ成長しており、この際、成長雰囲気中のＶ族原料はウェハと接した領域で、ＮのマイグレーションがＡｓのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状ウェハ上では、Ｎは谷部にマイグレーションし、谷部ではＮの濃度が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に埋込層９６の他の部分よりもＮ組成の高い層が形成されていき、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造９５が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層を構成している。フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ９５のエネルギー波長は１．３５μｍ、活性層９２のエネルギー波長は１．３μｍであった。
【００４７】
即ち、ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６の内部で、活性層が発生した光の一部を吸収するＶＱＷ光吸収層と、活性層が発生した光に対して透明なＧａＩｎＮＡｓガイド層（λｇ＝１．１μｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できた。
【００４８】
また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大した。また、活性層が発生した光は、活性層に強度のピークを持ち、クラッド層まで光の一部が広がっているが、本実施例においても、光吸収層の存在するｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【００４９】
一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い閾値利得が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。
【００５０】
【発明の効果】
利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、凹凸形状を埋め込む際、原料のマイグレーションの違いから、凹凸形状の谷部上の混晶比が他の部分の混晶比と異なり、凹凸形状の谷部上に垂直量子井戸構造（ＶＱＷ）が形成される。この凹凸形状を埋込層の内部で活性層の発生する光を吸収するＶＱＷと、活性層の発生する光に対して透明な領域が周期的に形成されており、周期的な利得分布が生じ、利得結合型の分布帰還半導体レーザを実現できる。ＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインで容易に低デューティの吸収性回折格子が構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。
【００５１】
また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、キャリアの再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大する。
【００５２】
また、光吸収層の存在する半導体埋込層全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数が増大する。一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられる。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られることから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し、再現性も向上した。
【００５３】
また、このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。即ち、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第一の実施例を示す構造図である。
【図２】凹凸形状を埋め込む層のＡｌ混晶比と、埋込層により形成されるＶＱＷ構造のエネルギー波長の関係を示す図である。
【図３】回折格子部分の混晶比のプロファイルである。
【図４】埋込層の混晶比と吸収損失及び利得結合係数の関係を示す図である。
【図５】回折格子部分の吸収係数の分布を示す図である。
【図６】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第二の実施例を示す構造図である。
【図７】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第三の実施例を示す構造図である。
【図８】従来の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置を示す構造図である。
【図９】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第四の実施例を示す構造図である。
【符号の説明】
１０、８０ｎ−ＧａＡｓ基板
１１ｎ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層
１２、６２アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層
１３ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャリアバリア層
１４ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層
１５、６５、７１ＶＱＷ光吸収層
１６ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ埋込層
１７ｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層
１８ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１９１、１９２、６９１、６９２、７８１、７８２、８８１、８８２電極
６０ｐ−ＧａＡｓ基板
６１ｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層
６３ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓキャリアバリア層
６４ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層
６６ｐ−Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ埋込層
６７ｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓクラッド層
６８ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
７０ｎ−ＩｎＰ段差基板
７２ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層（エネルギー波長λｇ＝１．５μｍ）
７３ｎ−ＩｎＰ層
７４１、７４２アンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層（λｇ＝１．４μｍ）
７５ＩｎＧａＡｓＰ活性層（λｇ＝１．５５μｍ）
７６ｐ−ＩｎＰクラッド層
７７ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８１ｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ₀．₅₅Ａｓクラッド層
８２アンドープＧａＡｓ活性層
８３ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓキャリアブロック層
８４ｐ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓガイド層
８５ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
８６ｐ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓクラッド層
８７ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
９０ｎ−ＧａＡｓ基板
９１ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
９２アンドープＧａＡｓガイド層
９３アンドープＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ活性領域
９４アンドープＧａＡｓガイド層
９５ＶＱＷ光吸収層
９６ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層
９７ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
９８ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
９９１、９９２電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device.
[0002]
[Prior art]
Distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) is used as a wavelength-tunable, wavelength-stable coherent light source that operates in a single-axis mode, and there is an increasing demand for optical measurement, optical communication / transmission, optical recording, laser beam printers, etc. ing. In the DFB-LD, a diffraction grating is provided in an active layer or a guide layer, and a laser oscillation operation is performed when light is fed back by the diffraction grating. The DFB-LD includes a refractive index coupled (IC) DFB-LD that performs distributed feedback by periodically changing the refractive index by a diffraction grating, and a gain that performs distributed feedback by periodically changing the gain by the diffraction grating. It is broadly classified into coupled type (GC) DFB-LD. IC-DFB-LD has a stop band near the Bragg wavelength in principle, and there are two longitudinal modes with minimum threshold gain on both sides, so there is a high possibility of laser oscillation in two modes. . On the other hand, with GC-DFB-LD, it has been theoretically confirmed that a single longitudinal mode oscillation yield can be obtained with a probability of almost 100% regardless of the end face phase. In the GC-DFB-LD, as one method of periodically changing the gain, the periodic fluctuation of the gain can be effectively performed by periodically providing a region that absorbs part of the stimulated emission light generated by the active layer. There is an absorptive diffraction grating structure applied.
[0003]
In order to lower the threshold gain of the LD element, it is desirable to reduce the absorption loss αL and increase the gain coupling coefficient κgL, which is a parameter representing the degree of light distribution feedback by the absorptive diffraction grating. Increasing the ratio of the periodically present absorption layer and its period (duty) can increase the gain coupling coefficient, but increases the absorption loss and increases the threshold gain. In order to obtain a sufficient gain coupling coefficient with a small absorption loss, it is necessary to reduce the duty of the absorption layer (Japanese Patent Laid-Open No. 5-160505).
[0004]
FIG. 8 is a structural diagram showing a conventional gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device. In this conventional example, first, n-Al is formed on an n-GaAs substrate 80. _0.45 Ga _0.55 As cladding layer 81, undoped GaAs active layer 82, p-Al _0.45 Ga _0.55 As carrier block layer 83, p-Al _0.25 Ga _0.75 The As guide layer 84 and the p-GaAs light absorption layer 85 are formed by the MOCVD method. Subsequently, a diffraction grating having a period of 255 nm is imprinted on the uppermost layer of the growth layer by a two-beam interference exposure method and etching. Then p-Al _0.45 Ga _0.55 An As cladding layer 86 and a p-GaAs contact layer 87 are formed by regrowth by MOCVD. Thereafter, electrodes 881 and 882 are deposited and finally cleaved to complete the semiconductor laser device. FIG. 8 shows a cross section in the resonator direction.
[0005]
In this conventional example, the absorption layer is periodically separated by etching, and periodic gain fluctuations are applied to form a gain-coupled DFB-LD.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described embodiment, the duty of the diffraction grating largely varies depending on the duty of the resist mask formed by the two-beam interference exposure method and the etching amount thereafter, and thus it is difficult to control. In particular, it is very difficult to control a small duty with good reproducibility. That is, there is a problem that it is difficult to control the gain coupling coefficient and absorption loss, and the reproducibility of the threshold gain cannot be obtained. An object of this invention is to provide GC-DFB-LD which has an absorptive diffraction grating with a small duty.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to the present invention (Claim 1), a periodic concavo-convex shape is formed in the optical waveguide direction in the vicinity of the active layer, and the concavo-convex shape is adjacent to the concavo-convex shape at the same period. In a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device formed with a light absorption layer, the light absorption layer is formed only on the concave and convex valleys, and a buried layer is formed in a region adjacent to the remaining concave and convex shapes. The light absorption layer has a vertical quantum well structure, is higher in the layer thickness direction than the concavo-convex peak, and is sandwiched between the buried layers in the optical waveguide direction. This achieves the above objective.
[0008]
In the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to the present invention (claim 2), the light absorption layer absorbs both the horizontal polarization component and the vertical polarization component of the guided light. The object is achieved by being an absorbing layer.
[0009]
A method for manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to a third aspect of the present invention includes a step of forming a periodic uneven shape on a semiconductor substrate, and a semiconductor layer is grown on the uneven shape. A step in which a light absorption layer is formed only on the valley of the recess and a buried layer is formed in the remaining region due to the difference in migration of the raw material elements of the semiconductor layer. To achieve.
[0010]
Due to the difference in the migration of the raw material elements, a region that absorbs light having the energy wavelength of the active layer and a region that is transparent to the light are formed even in a semiconductor layer that has been crystal-grown in the same process. The crystal growth layer on the concavo-convex shape has a mixed crystal ratio on the concave portion different from the mixed crystal ratio of other portions due to the difference in the migration of the raw material (Journal of Crystal Growth 124 (1992) 513), and the mixed crystal ratio is concavo-convex shape. It changes with period. By configuring this with a region that absorbs light of the energy wavelength of the active layer and a region that is transparent to the light of the wavelength, it is possible to control an absorptive diffraction grating with a small duty with good reproducibility.
[0011]
A method for manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to a fourth aspect of the present invention includes a step of forming a periodic concavo-convex shape on a semiconductor substrate, and a III-V group compound on the concavo-convex shape. By growing the semiconductor layer, there is a step in which a light absorption layer is formed only in the valley of the recess and a buried layer is formed in the remaining region due to the difference in migration of the raw material elements of the semiconductor layer. And the said objective is achieved because both the slopes of the said uneven | corrugated shape are (n11) planes, and the trough part of the said recessed part is a (100) plane.
[0012]
Group III raw materials are difficult to bond on the (111) plane and on the (100) plane when compared on the (100) plane and the (111) plane. Some migrate to the (100) plane. In AlGaAs growth, Ga is easier to migrate than Al. In the (100) substrate, both slopes on the V-shaped groove having the concavo-convex shape become the (111) plane, and migration toward the valley portion is facilitated. The Ga concentration increases in the valleys, and the mixed crystal ratio of AlGaAs changes between the slopes and the valleys, resulting in VQW.
[0013]
Further, when the concavo-convex shape is embedded, the higher-order surface ((n11) surface) is gradually filled and the VQW is accurately formed only in the valley portion of the recess.
[0014]
VQW can be formed using a difference in the migration of raw materials with respect to a general mixed crystal semiconductor. Further, in the III-V compound semiconductor, VQW can be formed by utilizing the difference in migration of the group III material as described above, or by utilizing the difference in migration of the group V material.
[0015]
The gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device manufacturing method according to the present invention (invention 5) achieves the above-described object by having a valley portion of the concave-convex shape having a width of 30 nm or less.
[0016]
If there is a flat part ((100) plane) in the concave and convex valleys, Ga migrated from both slopes spreads in the flat part region, so the narrower the flat part, the higher the Ga concentration in the valleys, and the mixed crystal ratio The difference is easy to come out. That is, since the carrier confinement in VQW is increased, the effect as an absorption layer is increased. The troughs of the recesses preferably have a width of 30 nm or less, and most preferably around 10 nm. Further, the VQW can be obtained even when the valley portion of the recess has no flat portion, and therefore the above object is achieved even when the thickness is 0 nm. The boundary between the flat portion and the slope may be steep or gentle. For example, even when the (111) plane and the (100) plane are connected via the (311) plane, the VQW can be obtained.
[0017]
The semiconductor substrate on which the above-described uneven shape is formed refers to a semiconductor substrate itself or a semiconductor growth layer grown on the substrate.
[0018]
As a growth method, a general method for growing a semiconductor layer such as MOCVD method, MBE method, CBE method, MOMBE method, and GSMBE method can be used, but MOCVD method is most preferable.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 1 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a first embodiment of the present invention. In this embodiment, first, n-Al having a thickness of 1 μm is formed on an n-GaAs substrate 10. _0.6 Ga _0.4 As clad layer 11, 0.08 μm undoped Al _0.14 Ga _0.86 As active layer 12, 0.2 μm p-Al _0.5 Ga _0.5 As carrier barrier layer 13, 0.1 μm p-Al _0.2 Ga _0.8 The As guide layer 14 is formed by the MOCVD method. Subsequently, an uneven shape (triangular wave shape) having a period of 120 nm and a depth of 70 nm is imprinted on the uppermost layer of the growth layer by a two-beam interference exposure method and etching. Thereafter, p-Al having an average thickness of 0.1 μm _0.2 Ga _0.8 As buried layer 16, 0.8 μm p-Al _0.6 Ga _0.4 An As cladding layer 17 and a 0.5 μm p-GaAs contact layer 18 are formed by regrowth by MOCVD. At this time, p-Al _0.2 Ga _0.8 When the As buried layer 16 is grown, a layer having a mixed crystal ratio lower than the mixed crystal ratio of the buried layer is formed in a direction perpendicular to the substrate from the concave and convex valleys. A vertical quantum well (VQW) structure 15 is formed along the valley. Thereafter, the GaAs contact layer and the cladding layer outside the optical waveguide stripe are removed, and a 2 mm wide ridge stripe is formed. Thereafter, electrodes 191 and 192 are deposited on the top of the ridge and the back surface of the substrate, and finally cleaved to complete the semiconductor laser device.
[0020]
FIG. 1 shows a cross section in the resonator direction inside the ridge. This example is p-Al _0.2 Ga _0.8 The As buried layer 16 is MOCVD grown at a growth pressure of 76 Torr, a growth temperature of 700 ° C., a V / III ratio of 120, and a growth rate of 25 nm / min. At this time, Ga migration is larger than Al migration, In the upper part, Ga migrates to the valley, and the supply of Ga increases in the valley. As a result, a layer having a lower Al mixed crystal ratio than other portions of the buried layer 16 is formed in the direction perpendicular to the substrate along the concave and convex valleys, and the vertical quantum well (VQW) structure 15 is formed. Are formed to constitute a VQW light absorption layer having a small duty with self-alignment.
[0021]
From the photoluminescence measurement, the energy wavelength of the VQW15 was 790 nm, and the energy wavelength of the active layer 12 was 775 nm. That is, p-Al _0.2 Ga _0.8 Inside the As buried layer 16, a VQW light absorbing layer that absorbs part of the light generated by the active layer, and Al transparent to the light generated by the active layer _0.2 Ga _0.8 As guide layers (740 nm) were periodically formed, a periodic gain distribution was generated, and a gain-coupled DFB-LD was realized. Since this VQW light absorption layer can constitute a light absorption layer with a small duty by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility.
[0022]
In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes gradually forms at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and gain coupling coefficient is increased. did. The light generated by the active layer has an intensity peak in the active layer and a part of the light spreads to the cladding layer. In this embodiment, p-Al is also present in the presence of the light absorption layer. _0.2 Ga _0.8 Since part of the light generated by the active layer spreads over the entire As buried layer 16 and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer senses light over the entire surface of the quantum well, the VQW portion Then, a large absorption was felt (see this example in FIG. 5A and the conventional example in FIG. 5B), and the gain coupling coefficient could be increased despite the small duty.
[0023]
On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low threshold gain was obtained with good reproducibility, operating current was reduced, and reproducibility was improved. Here, as a result of investigating the relationship between the mixed crystal ratio of the buried layer and the energy wavelength of the VQW structure formed by the buried layer by photoluminescence measurement, the result is as shown in FIG. FIGS. 3A to 3C show mixed crystal ratio profiles in the AA ′ cross section of the diffraction grating portion shown in FIG. FIG. 4 shows the relationship between the mixed crystal ratio of the buried layer, the absorption loss, and the gain coupling coefficient.
[0024]
Here, the relationship between the absorption loss and the gain coupling coefficient when the mixed crystal ratio of the buried layer 16 is changed will be described with reference to FIGS. When the mixed crystal ratio of the buried layer is smaller than the mixed crystal ratio (0.14) of the active layer (the region (a) in FIGS. 2, 3 and 4), the buried layer itself is one of the light generated by the active layer. Absorption loss is increased because the part is absorbed.
[0025]
In addition, the periodic distribution of the absorption layer by the VQW layer cannot be obtained, and the gain coupling coefficient cannot be made. When the mixed crystal ratio of the buried layer is larger than 0.24 (FIG. 2, 3 and 4 middle region (c)), the absorption loss is reduced, but the VQW layer becomes transparent to the active layer. A periodic absorption distribution cannot be obtained, and a gain coupling coefficient cannot be obtained. When the mixed crystal ratio of the buried layer is larger than the mixed crystal ratio (0.14) of the active layer and smaller than 0.24 (the middle region (b) in FIGS. 2, 3 and 4), VQW is the light generated by the active layer. Since the region other than VQW is transparent to the light generated by the active layer, a periodic absorption distribution is obtained. The absorption loss decreases when the mixed crystal ratio of the buried layer is increased, but the gain coupling system number decreases when the mixed crystal ratio of the buried layer is increased.
[0026]
Accordingly, the mixed crystal ratio of the buried layer is required to be 0.14 or more and 0.24 or less. Preferably, if it is 0.16 or more and 0.22 or less, the absorption loss is small and sufficient. A gain coupling coefficient can be obtained. In addition, when a quantum well structure exists in the optical waveguide region, the transition probability of light having an electric field component parallel to the quantum well is larger than the transition probability of light having an electric field component perpendicular to the quantum well, and the absorption diffraction When light enters the grating, the light is easily absorbed. The quantum well absorption layer formed in the stacking direction by normal growth has a quantum well parallel to the substrate. Therefore, TE light is oscillated in a TE mode parallel to the quantum well and requires a TM mode. I can not use it. This VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. Therefore, since the electric field distribution is parallel to both the TE / TM mode co-quantum wells, it is a quantum well light absorbing layer that absorbs both the TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation are realized by the structure of the active layer. Is possible.
[0027]
(Example 2)
FIG. 6 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, first, p-Al having a thickness of 1 μm is formed on a p-GaAs substrate 60. _0.6 Ga _0.4 As cladding layer 61, 0.08 μm undoped Al _0.14 Ga _0.86 As active layer 62, 0.2 μm n-Al _0.5 Ga _0.5 As carrier barrier layer 63, 0.1 μm n-Al _0.2 Ga _0.8 The As guide layer 64 is formed by the MOCVD method. Subsequently, an uneven shape having a period of 360 nm and a depth of 90 nm is imprinted on the uppermost layer of the growth layer by a two-beam interference exposure method and etching. This uneven bottom has a flat portion of 18 nm.
[0028]
Thereafter, n-Al having an average thickness of 0.2 μm _0.18 Ga _0.82 As buried layer 66, 1 μm n-Al _0.6 Ga _0.4 An As cladding layer 67 and a 0.5 μm n-GaAs contact layer 68 are formed by regrowth by MOCVD. At this time, n-Al _0.18 Ga _0.82 When the As buried layer 66 is grown, the n-Al is formed in a direction perpendicular to the substrate from the uneven valley. _0.18 Ga _0.82 A layer having a mixed crystal ratio lower than that of the As buried layer is formed, that is, a vertical quantum well (VQW) structure 65 is formed along the uneven valley. Thereafter, electrodes 691 and 692 are vapor-deposited and finally cleaved to complete this semiconductor laser device.
[0029]
The figure shows a cross section in the resonator direction. In this example, the growth pressure is 50 Torr, the growth temperature is 650 ° C., the V / III ratio is 180, and the growth rate is 10 nm / min. _0.18 Ga _0.82 The As buried layer 66 is grown by MOCVD. At this time, the migration of Ga is larger than the migration of Al. On the uneven shape, Ga migrates to the valley and the supply of Ga increases in the valley. As a result, a layer having a lower Al mixed crystal ratio than other portions of the absorption layer 66 is formed in a direction perpendicular to the substrate along the concave and convex valleys, and the vertical quantum well (VQW) structure 65 is formed. The VQW light absorption layer is formed and is self-aligned and has a small duty.
[0030]
Here, since the bottom of the concavo-convex shape has a flat portion of 18 nm, an Al low mixed crystal layer is formed in a vertical direction with a width of 18 nm. In addition, although the uneven shape is gradually flattened, it is buried, but after the growth surface is flattened, the method of migration becomes uniform and VQW can no longer be performed. Under the growth conditions of this embodiment, the growth of the buried layer 66 has a thickness of 0.1 μm from the recess and the growth surface becomes flat, and no VQW is produced in the portion after that of the buried layer 66.
[0031]
From the photoluminescence measurement, the energy wavelength of the VQW65 was 785 nm, and the energy wavelength of the active layer 62 was 775 nm. That is, n-Al _0.18 Ga _0.82 Inside the As buried layer 66, VQW that absorbs light generated by the active layer and Al transparent to the light generated by the active layer _0.18 Ga _0.82 As (752 nm) was formed periodically, a periodic gain distribution was generated, and a gain-coupled DFB-LD was realized.
[0032]
Since this VQW light absorption layer can form a light absorption layer with a small duty by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility. In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes is naturally formed at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and the gain coupling coefficient is increased. is doing. In addition, n-Al having a light absorption layer _0.18 Ga _0.82 A part of the light generated by the active layer spreads over the entire As buried layer 66, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer senses light over the entire surface of the quantum well. I felt a large absorption, and I was able to increase the gain coupling coefficient even though the duty was small.
[0033]
On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low oscillation threshold was obtained with good reproducibility, the operating current was reduced, and reproducibility was improved. The VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. Therefore, since the electric field distribution is parallel to both the TE / TM mode co-quantum wells, it is a quantum well light absorbing layer that absorbs both the TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation are realized by the structure of the active layer. Is possible.
[0034]
Here, the height of VQW is determined by the thickness of the buried layer or the thickness at which the buried layer becomes flat. However, the higher the VQW height, the more light is felt and the portion that feels absorption is larger. Become bigger. When the height of VQW was changed, a sufficient gain coupling coefficient was obtained when the height of VQW was 60 nm or more. However, in order to obtain a larger gain coupling coefficient, the height of VQW is preferably 100 nm or more.
[0035]
In the first embodiment, the concavo-convex shape is formed with the period of the first-order diffraction grating with respect to the oscillation wavelength, and in the second embodiment with the period of the third-order diffraction grating with respect to the oscillation wavelength. Even if it was formed with a higher-order diffraction grating period as the period of the shape, the same effect as in the above embodiment was obtained.
[0036]
In addition, the effects of the above examples were obtained regardless of the depth of the concavo-convex shape, but the etching in forming the concavo-convex shape exceeded the thickness of the guide layer forming the concavo-convex shape, and the carrier barrier layer The regrowth interface becomes a layer with a high Al mixed crystal ratio, and the crystallinity of the buried layer that grows on it deteriorates, reducing the reliability. It is desirable not to exceed the thickness of the guide layer.
[0037]
Further, if the depth of the concavo-convex shape is smaller than 40 nm, the amount of migration is small during the growth of the buried layer and VQW is difficult to be formed. Therefore, the depth of the concavo-convex shape is preferably 40 nm or more.
[0038]
(Example 3)
FIG. 7 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a third embodiment of the present invention. In this embodiment, first, an n-InGaAsP layer 72 (energy wavelength λg = 1) having a thickness of 200 nm is formed on an n-InP stepped substrate 70 having a concavo-convex shape with a period of 250 nm and a depth of 220 nm. . 5 μm), and then filling the uneven shape with the n-InP layer 73, and then an undoped InGaAsP guide layer 741 (λg = 1.4 μm) having a thickness of 100 nm and an InGaAsP active layer 75 having a thickness of 100 nm (λg = 1) . 55 μm), 100 nm thick InGaAsP guide layer 742 (λg = 1.4 μm), thickness 1 . A 5 μm p-InP cladding layer 76 and a 200 nm thick p-InGaAs contact layer 77 are sequentially formed by MOCVD.
[0039]
At this time, when the n-InGaAsP layer 72 is grown, a layer having energy smaller than that of the n-InGaAsP layer is formed in a direction perpendicular to the substrate from the uneven valley portion, that is, the uneven valley portion. A vertical quantum well (VQW) structure 71 is formed. Thereafter, electrodes 781 and 782 are vapor-deposited, and finally cleaved to complete the semiconductor laser device. The figure shows a cross section in the resonator direction.
[0040]
In this embodiment, during the growth of the n-InGaAsP layer 72, the In migration is larger than the Ga migration, and the growth on the concavo-convex shape allows In to easily migrate to the valley on the growth surface. In, the supply of In increases, the In mixed crystal ratio increases, a vertical quantum well (VQW) structure is formed in the direction perpendicular to the substrate from the concave and convex valleys, and VQW light absorption with a small duty is self-aligned Layer 71 is formed. From the photoluminescence measurement, the energy wavelength of the VQW 71 is λg = 1. . 57 μm, energy wavelength of the active layer 75 is λg = 1 . It was 55 μm. That is, in the p-InGaAsP layer, VQW that absorbs light generated by the active layer and InGaAsP (λg = 1) that is transparent to the light generated by the active layer. . 5 μm) is periodically formed, a periodic gain distribution is generated, and a gain-coupled DFB-LD is realized.
[0041]
Since this VQW light absorption layer can form a light absorption layer with a small duty by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility. In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes is naturally formed at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and the gain coupling coefficient is increased. is doing.
[0042]
Further, a part of the light generated by the active layer spreads over the entire n-InGaAsP layer 72 where the light absorption layer exists, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer is the entire surface of the quantum well. Therefore, the VQW portion felt a large absorption, and the gain coupling coefficient could be increased despite the small duty. On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low oscillation threshold was obtained with good reproducibility, the operating current was reduced, and reproducibility was improved.
[0043]
The VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. That is, it is a quantum well light absorption layer that absorbs both TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation can be realized by the structure of the active layer.
[0044]
Example 4
FIG. 9 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a fourth embodiment of the present invention.
[0045]
In this embodiment, first, n-Al having a thickness of 1 μm is formed on an n-GaAs substrate 90. _0.3 Ga _0.7 An As cladding layer 91, a 0.05 μm undoped GaAs guide layer 92, an MQW active region 93 composed of a 5 nm GaInNAs quantum well layer and a 5 nm GaAs barrier layer, and a 0.1 μm GaAs guide layer 94 are formed by MOCVD. Subsequently, an uneven shape having a period of 230 nm and a depth of 70 nm is imprinted on the uppermost layer of the growth layer by a two-beam interference exposure method and etching. Thereafter, a p-GaInNAs buried layer 96 having an average thickness of 0.1 μm (energy wavelength λg = 1.1 μm) and 1 μm of p-Al _0.3 Ga _0.7 An As cladding layer 97 and a 0.5 μm p-GaAs contact layer 98 are formed by regrowth by MOCVD. At this time, when the p-GaInNAs buried layer 96 is grown, a layer having an energy smaller than the energy of the buried layer is formed in the direction perpendicular to the substrate from the concave and convex valleys. A vertical quantum well (VQW) structure 95 is formed along the valleys of Thereafter, electrodes 991 and 992 are vapor-deposited and finally cleaved to complete the semiconductor laser device. FIG. 9 shows a cross section in the resonator direction.
[0046]
In this embodiment, the p-GaInNAs buried layer 96 is MOCVD grown at a growth pressure of 76 Torr, a growth temperature of 650 ° C., a V / III ratio of 200, and a growth rate of 25 nm / min. In the region where the raw material is in contact with the wafer, the migration of N is larger than the migration of As, and on the concavo-convex wafer, N migrates to the valley and the concentration of N increases in the valley. As a result, a layer having a higher N composition than other portions of the buried layer 96 is formed in a direction perpendicular to the substrate along the concave and convex valleys, and a vertical quantum well (VQW) structure 95 is formed. Thus, a self-aligned VQW light absorption layer with a small duty is configured. From the photoluminescence measurement, the energy wavelength of the VQW95 was 1.35 μm, and the energy wavelength of the active layer 92 was 1.3 μm.
[0047]
That is, inside the p-GaInNAs buried layer 96, a VQW light absorption layer that absorbs a part of the light generated by the active layer, and a GaInNAs guide layer (λg = 1... Transparent to the light generated by the active layer). 1 μm) is periodically formed, a periodic gain distribution is generated, and a gain-coupled DFB-LD is realized. Since this VQW light absorption layer can constitute a light absorption layer with a small duty by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility.
[0048]
In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes gradually forms at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and gain coupling coefficient is increased. did. The light generated by the active layer has an intensity peak in the active layer and a part of the light spreads to the cladding layer. In this embodiment, the p-GaInNAs buried layer in which the light absorption layer exists is also present. 96, a part of the light generated by the active layer spreads, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer feels light on the entire surface of the quantum well, and thus the VQW portion absorbs a large amount of light. It was felt that the gain coupling coefficient could be increased despite the small duty.
[0049]
On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low threshold gain was obtained with good reproducibility, operating current was reduced, and reproducibility was improved.
[0050]
【The invention's effect】
In the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device, when embedding the concavo-convex shape, the mixed crystal ratio on the concavo-convex trough is different from the mixed crystal ratio of other portions due to the difference in the migration of the raw material. A vertical quantum well structure (VQW) is formed. This uneven shape has VQW that absorbs the light generated by the active layer inside the buried layer and a region transparent to the light generated by the active layer is periodically formed, resulting in a periodic gain distribution. A gain-coupled distributed feedback semiconductor laser can be realized. Since the VQW light absorption layer can easily form a low-duty absorptive diffraction grating by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility.
[0051]
In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes is naturally formed at the interface of the quantum well, carrier recombination is performed efficiently, and the gain coupling coefficient is increased. Increase.
[0052]
In addition, a part of the light generated by the active layer spreads over the entire semiconductor buried layer where the light absorption layer exists, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer is formed on the entire surface of the quantum well. In order to feel light, a large absorption is felt in the VQW portion, and the gain coupling coefficient increases despite the small duty. On the other hand, since the VQW well width is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient can be obtained with good reproducibility, a low oscillation threshold value can be obtained with good reproducibility, operating current is reduced, and reproducibility is improved.
[0053]
The VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. That is, it is a quantum well light absorption layer that absorbs both TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation can be realized by the structure of the active layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram showing a first embodiment of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an Al mixed crystal ratio of a layer in which an uneven shape is embedded and an energy wavelength of a VQW structure formed by the embedded layer.
FIG. 3 is a mixed crystal ratio profile of a diffraction grating portion.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a mixed crystal ratio of an embedded layer, an absorption loss, and a gain coupling coefficient.
FIG. 5 is a diagram showing a distribution of absorption coefficients of a diffraction grating portion.
FIG. 6 is a structural diagram showing a second embodiment of the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 7 is a structural diagram showing a third embodiment of the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 8 is a structural diagram showing a conventional gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device.
FIG. 9 is a structural diagram showing a fourth embodiment of the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 80 n-GaAs substrate
11 n-Al _0.6 Ga _0.4 As cladding layer
12, 62 Undoped Al _0.14 Ga _0.86 As active layer
13 p-Al _0.5 Ga _0.5 As carrier barrier layer
14 p-Al _0.2 Ga _0.8 As guide layer
15, 65, 71 VQW light absorption layer
16 p-Al _0.2 Ga _0.8 As buried layer
17 p-Al _0.6 Ga _0.4 As cladding layer
18 p-GaAs contact layer
191, 192, 691, 692, 781, 782, 881, 882 Electrode
60 p-GaAs substrate
61 p-Al _0.6 Ga _0.4 As cladding layer
63 n-Al _0.5 Ga _0.5 As carrier barrier layer
64 n-Al _0.2 Ga _0.8 As guide layer
66 p-Al _0.18 Ga _0.82 As buried layer
67 p-Al _0.6 Ga _0.4 As cladding layer
68 p-GaAs contact layer
70 n-InP step substrate
72 n-InGaAsP layer (energy wavelength λg = 1 . 5μm)
73 n-InP layer
741, 742 Undoped InGaAsP guide layer (λg = 1.4 μm)
75 InGaAsP active layer (λg = 1 . 55μm)
76 p-InP cladding layer
77 p-InGaAs contact layer
81 n-Al _0.45 Ga ₀ . ₅₅ As cladding layer
82 Undoped GaAs active layer
83 p-Al _0.45 Ga _0.55 As carrier block layer
84 p-Al _0.25 Ga _0.75 As guide layer
85 n-GaAs light absorption layer
86 p-Al _0.45 Ga _0.55 As cladding layer
87 p-GaAs contact layer
90 n-GaAs substrate
91 n-Al _0.3 Ga _0.7 As cladding layer
92 Undoped GaAs guide layer
93 Undoped GaInNAs / GaAs active region
94 Undoped GaAs Guide Layer
95 VQW light absorption layer
96 p-GaInNAs buried layer
97 p-Al _0.3 Ga _0.7 As cladding layer
98 p-GaAs contact layer
991, 992 Electrode

Claims

In a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device in which a periodic uneven shape is formed in the optical waveguide direction in the vicinity of the active layer, and a light absorption layer is formed adjacent to the uneven shape and in the same cycle as the uneven shape.
The light absorbing layer is formed only on the concave and convex valleys, and a buried layer is formed in a region adjacent to the remaining concave and convex shapes,
The light absorption layer has a vertical quantum well structure, has a height in the layer thickness direction higher than that of the concavo-convex ridge, and is sandwiched between the buried layers in the optical waveguide direction. A gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device.

2. The gain-coupled distribution according to claim 1, wherein the light absorption layer is a quantum well light absorption layer that absorbs both a horizontal polarization component and a vertical polarization component of guided light. Feedback semiconductor laser device.

By forming a periodic concavo-convex shape on a semiconductor substrate and growing a semiconductor layer on the concavo-convex shape, light is emitted only on the valleys of the recesses due to the difference in migration of the raw material elements of the semiconductor layer. The method of manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to claim 1, further comprising: forming an absorption layer and forming a buried layer in the remaining region.

A step of forming a periodic uneven shape on a semiconductor substrate, and a III-V compound semiconductor layer is grown on the uneven shape. A step of forming a light absorption layer only in the valley portion and forming a buried layer in the remaining region, wherein both slopes of the concavo-convex shape are (n11) planes, and the valley portion of the concave portion is 3. The method of manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to claim 1, wherein the gain coupling type distributed feedback semiconductor laser device is a (100) plane.

5. The method of manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to claim 3, wherein a width of the valley portion of the concave and convex portion is 30 nm or less.