JP4992451B2

JP4992451B2 - 半導体レーザ、および半導体レーザを作製する方法

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Publication number: JP4992451B2
Application number: JP2007029440A
Authority: JP
Inventors: 英樹八木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: JP2008198654A

Description

本発明は、半導体レーザ、および半導体レーザを作製する方法に関する。

非特許文献１には、多重量子細線活性領域を有する分布帰還型半導体レーザが記載されている。この半導体レーザでは、最小しきい値電流は摂氏−９０度において得られており、また摂氏−１２０度から摂氏−２０度の範囲において良好なしきい値電流の温度依存性が得られている。

非特許文献２には、分布帰還型半導体レーザが記載されている。この分布帰還型半導体レーザは、ＦｅドープＩｎＰの埋め込みと埋め込み領域のトレンチ構造とを用いており、また半導体レーザでは、摂氏１００度において１０Ｇｂ／ｓの直接変調が達成されている。
H. Yagi et al.: Appl. Phys. Lett., 87 (2005) pp.223120-1 1. J. K. White et al. ECOC2002, Lasers 5.3.3 (2002)

しかしながら、非特許文献１に記載された半導体レーザでは、室温以上の温度においてしきい値電流の急激な上昇が見られる。この上昇は、温度上昇に伴う利得スペクトルの広がりに起因すると考えられる。

また、非特許文献２に記載された半導体レーザでは、ウェットエッチングを用いて多層量子井戸構造の上部の３層程度を除いて、複素結合型分布帰還構造を形成している。上記のように、高温域においても高速直接変調動作が得られるけれども、しきい値電流には良好な温度特性が得られていない。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、室温付近だけでなく更により高い温度も含む広い温度範囲において、しきい値電流および発振波長の安定性を向上可能な構造を有する半導体レーザを提供することを目的とし、また、この半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、半導体レーザは、第１導電型クラッド領域と、第２導電型クラッド領域と、発光領域とを備える。前記発光領域は、前記第１導電型クラッド領域と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられており、前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、前記量子細線は所定の軸に沿って周期的に配置されており、前記量子細線の各々は、前記所定の軸方向に規定された量子細線幅を有し、前記複数の量子細線のうちの一量子細線の量子細線幅は、前記複数の量子細線のうちの別の量子細線の量子細線幅と異なる。

この半導体レーザでは、各量子細線は半導体レーザへの電流の印加に応答した利得を持つと共に中間半導体領域は利得を持たない。このため、複数の量子細線および中間半導体領域の配置は分布帰還構造を提供する。この分布帰還構造は、比較的広いストップバンドを有しており、ストップバンドのエッジの一方には、分布帰還構造のスペクトルのピークが位置している。また、発光領域の量子細線のうちの一量子細線の量子細線幅が、発光領域の量子細線のうちの別の量子細線の量子細線幅と異なるので、発光領域全体の利得スペクトルは、個々の量子細線の利得スペクトルよりも広くなる。温度変化により、利得スペクトルのピーク波長と分布帰還構造のスペクトルのピーク波長との相対的な位置関係が変化するけれども、広い温度範囲で、利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの整合が得られる。

本発明に係る半導体レーザは、第１導電型クラッド領域と、第２導電型クラッド領域と、発光領域とを備える。前記発光領域は、前記第１導電型クラッド領域と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられており、前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、前記複数の量子細線と前記中間半導体領域は、前記発光領域が複素結合型分布帰還構造を構成するように配置されおり、前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、前記複数の量子細線の利得スペクトルは、前記発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなるように分布している。

この半導体レーザでは、発光領域が複素結合型分布帰還構造を構成するように
屈折率が比較的大きい材料から成る量子細線と屈折率が比較的小さい材料から成る中間半導体領域とが配置されるので、この分布帰還構造は、これらの大きな屈折率差に起因して、比較的広いストップバンドを有する。複数の量子細線の利得スペクトルが、発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなるように分布しているので、広い温度範囲で、ストップバンドのエッジの一方に位置する分布帰還構造のスペクトルのピークが発光領域全体の利得スペクトルと整合する。

本発明に係る半導体レーザでは、前記量子細線の量子細線幅の平均値は３０ナノメートル以下であることが好ましい。量子細線幅が３０ｎｍを越えると、量子細線特有のキャリアの横方向閉じ込めが得られず、所望する特性が得られなくなる。また、本発明に係る半導体発光素子では、前記量子細線の量子細線幅の最大値は前記平均値の１．１倍よりも大きく、前記量子細線の量子細線幅の最小値は前記平均値の０．９倍よりも小さいことが好ましい。この程度の値に量子細線幅が分布すれば、発光領域全体の利得スペクトル幅が好適である。

本発明に係る半導体レーザでは、前記量子井戸構造は歪み補償されていることができる。この半導体レーザにおいて井戸層に圧縮歪を与えると共に、障壁層に引張り歪を与える歪補償量子井戸構造とすることにより、製造プロセス中に生じる３軸性歪の影響を抑制でき、また再成長界面における非発光再結合電流成分を低減できる。

本発明に係る半導体レーザの一例では、前記井戸層はＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、前記中間半導体領域はＩｎＰ半導体からなることができる。

本発明の別の側面は、半導体レーザを作製する方法に係る。この方法は、（ａ）量子井戸構造のための半導体積層を第１導電型クラッド層上に形成する工程と、（ｂ）前記半導体積層上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて前記半導体積層をエッチングし、複数の量子細線を形成する工程と、（ｃ）前記複数の量子細線を半導体で埋め込む工程とを備え、前記マスクパターンうちの一のマスクパターンの幅は、量子細線幅の分布を成すように、前記マスクパターンうちの別のマスクパターンの幅と意図的に変更されている。

半導体積層をエッチングし複数の量子細線を形成すると共に、複数の量子細線を半導体で埋め込むので、量子細線の各々からなる周期的に配列された利得領域が提供され、これによって複素結合型分布帰還構造を構成する発光領域が形成される。また、複数の量子細線を形成するためのマスクパターンうちの一のマスクパターンの幅は別のマスクパターンの幅と意図的に変更されているので、発光領域の量子細線の幅が分布するようになり、発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、室温付近だけでなく更により高い温度において、しきい値電流および発振波長の安定性を向上可能な構造を有する半導体レーザが提供され、また、本発明によれば、この半導体レーザを作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体レーザ、および半導体レーザを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す斜視図である。半導体レーザ１１は、第１導電型クラッド領域１３と、第２導電型クラッド領域１５と、発光領域１７とを備える。発光領域１７は、第１導電型クラッド領域１３と第２導電型クラッド領域１５との間に設けられている。発光領域１７は、複数の量子細線１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅおよび中間半導体領域２１を含む。第１導電型クラッド領域１３、第２導電型クラッド領域１５および発光領域１７は、所定の軸に沿って延びる半導体メサ２５を構成する。

半導体レーザ１１では、量子細線１９ａ〜１９ｅは、所定の軸方向に周期Λ（ラムダ）で配置されている。中間半導体領域２１は、量子細線１９の間に設けられている。

図１（ｂ）は、量子細線１９ａ〜１９ｅの層構造を示すための代表としての量子細線１９を示す。量子細線１９は量子井戸構造２３を有しており、量子井戸構造２３は障壁層２３ａと井戸層２３ｂとを含む。量子細線１９ａ〜１９ｅに関して、量子細線幅Ｌ_Ｗは所定の軸方向に規定される。発光領域１７内の量子細線１９ａ〜１９ｅのうちの一量子細線（例えば、量子細線１９ａ）の量子細線幅は、別の量子細線（例えば、量子細線１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅの少なくともいずれか一の量子細線）の量子細線幅と異なる。

半導体レーザ１１では、量子細線１９ａ〜１９ｅおよび中間半導体領域２１は、発光領域１７が複素結合型分布帰還構造を構成するように配置されており、また、量子細線１９ａ〜１９ｅ各々の利得スペクトルは、発光領域１７全体の利得スペクトルの幅が量子細線１９ａ〜１９ｅの各々における利得スペクトルの幅より大きくなるように分布している。

図２（ａ）は、半導体メサの発光領域の屈折率分布および利得分布を示す図面であり、図２（ｂ）はＤＦＢ構造のスペクトルの一例を示す図面である。この半導体レーザでは、図２（ａ）に示されるように、各量子細線１９ａ〜１９ｅは半導体レーザへの電流の印加に応答した利得を持つと共に、中間半導体領域２１は、各量子細線１９ａ〜１９ｅの利得より十分小さいか或いは利得を持たない。このため、複数の量子細線１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅおよび中間半導体領域２１の配置（例えば、図２（ａ）に示される配置）は複素型分布帰還構造を提供する。この分布帰還構造は、図２（ｂ）に示されるように、複数の量子細線１９ａ〜１９ｅと中間半導体領域２１との大きな屈折率差に起因して、比較的広いストップバンドを有しており、またストップバンドのエッジの一方には分布帰還構造のスペクトルのピークが位置している。

また、発光領域１７の量子細線１９ａ〜１９ｅが様々な幅（例えば、図２（ａ）に示される幅Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅ）を有するので、発光領域全体の利得スペクトルは、個々の量子細線１９ａ〜１９ｅの利得スペクトルよりも広くなる。利得スペクトルのピーク波長と分布帰還構造のスペクトルのピーク波長との相対的な位置関係が温度変化により変化するけれども、広い温度範囲で、利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの整合が得られる。

引き続き、半導体レーザ１１について説明する。半導体レーザ１１は、第１および第２の光閉じ込め層２７、２９を含むことができる。第１の光閉じ込め層２７は、第１導電型クラッド領域１３と発光領域１７との間に位置しており、第２の光閉じ込め層２９は第２導電型クラッド領域１５と発光領域１７との間に位置している。半導体メサ２５は、第１導電型クラッド領域１３、第１の光閉じ込め層２７、発光領域１７、第２の光閉じ込め層２９および第２導電型クラッド領域１５を含むことができる。また、半導体メサ２５は、埋め込み領域３１によって埋め込まれている。埋め込み領域３１は、例えばＦｅ添加ＩｎＰから成ることができる。半導体メサ２５および埋め込み領域３１上には、第２導電型クラッド領域３３が設けられている。第２導電型クラッド領域３３上には、コンタクト層３５が設けられている。コンタクト層３５には、第１の電極（例えば、アノード）３９ａがオーミック接触を成す。半導体メサ２５および埋め込み領域３１は半導体基板３７の主面３７ａ上に搭載されており、また、裏面３７ｂには第２の電極（例えば、カソード）３９ｂがオーミック接触を成す。

図３および図４を参照しながら、利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係をさらに説明する。一例の半導体レーザでは、ＧａＩｎＡｓＰ井戸層およびＧａＩｎＡｓＰ障壁層からなる量子井戸構造の量子細線と、この量子細線間に位置するＩｎＰ半導体とを含む。このため、複素結合型ＤＦＢレーザは、屈折率結合型ＤＦＢレーザとは比べて、屈折率差が大きい回折格子を発光領域に有する。つまり、ＧａＩｎＡｓＰ量子細線と、該量子細線間に埋め込まれるＩｎＰとの間に大きな屈折率差が生じる。その結果、複素結合型ＤＦＢレーザの屈折率結合係数（ｋｉ）の値が、屈折率結合型ＤＦＢレーザと比べて、一桁程度大きい値(例えば２００ｃｍ^−１程度)になるので、ＤＦＢ構造のスペクトル特性に、比較的広いストップバンドが現れる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、発光領域の量子細線が均一な幅を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。図３（ａ）に示される関係は、室温（例えば摂氏２５度）における位置関係であり、図３（ｂ）に示される関係は、高温（例えば摂氏１００度）における位置関係である。

量子細線の利得スペクトルは、例えば約０．５ｎｍ／度の温度係数を示し、ＤＦＢ構造のブラッグ波長は、例えば約０．１ｎｍ／度の温度係数を示す。このため、室温において、図３（ａ）に示されるように、分布帰還構造のスペクトルＳ_ＤＦＢ１における発振波長λ_１と利得スペクトルＧ_Ｔ１との重なりが十分にあり、レーザ発振が可能であっても、温度が上昇すると、この温度係数の差によりこの重なりが小さくなり、閾値電流が上昇する。さらに高温では、図３（ｂ）に示されるように、スペクトルＳ_ＤＦＢ２における発振波長λ_２と利得スペクトルＧ_Ｔ２との重なりが無くなり、単一モード発振しなくなり、ＤＦＢレーザとしての動作では無く、ファブリペローレーザとしての動作になる。

つまり、量子細線の幅が均一である場合、温度係数の差により、量子細線の利得スペクトルとＤＦＢ共振器の発振波長とが整合する温度範囲（例えば、高温域）を超えると、単一モード発振が得られなくなる。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施の形態のように、発光領域の量子細線の幅に分布を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。図４（ａ）に示される関係は、室温（例えば摂氏２５度）における位置関係であり、図４（ｂ）に示される関係は、高温（例えば摂氏１００度）における位置関係である。

様々な値を有するような分布（例えば実質的に単一のピークを有するような分布Ｄ）を量子細線の幅に与えれば、室温において、図４（ａ）に示されるように、分布帰還構造のスペクトルＳ_ＤＦＢ３における発振波長λ_３と利得スペクトルＤ_Ｔ１との重なりが十分にあり、単一モード発振が可能である。温度が上昇しても、図４（ｂ）に示されるように、上記の温度係数の差が存在してもスペクトルＳ_ＤＦＢ４における発振波長λ_４と利得スペクトルＤ_Ｔ２との重なりが十分にあり、高温でも単一モード発振が可能である。

量子細線の幅がこのように不均一である場合、量子細線幅の分布により、ＤＦＢ共振器の発振波長及び利得スペクトルにおいて温度係数に差があっても、サイズ分布に起因して利得スペクトルが広がり、ＤＦＢ共振器の発振波長及び利得スペクトルが高温域においても整合し、結果として、単一モード発振が得られる。

半導体レーザ１１では、上記のように、複数の量子細線（活性領域）が周期的に配置されており、半導体レーザ１１は、複素結合型ＤＦＢレーザに特有の比較的広いストップバンドと、発光領域の量子細線の幅を均一ではないように形成して得られた広帯域な利得スペクトルとを有している。このため、広い温度範囲で、ＤＦＢ共振器の発振波長(ストップバンドの長波長側の端の波長)と利得スペクトルとの整合が得られる。また、しきい値電流、発振波長、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）の温度依存性が安定する。発光領域の量子細線の幅を均一ではないように意図的に形成するので、利得スペクトル幅が広がる。利得スペクトル幅が広がると、最大利得値が低下してレーザ特性に影響する可能性がある。しかしながら、複素結合型ＤＦＢレーザでは、屈折率結合係数（κｉ）が非常に大きい。換言すれば、複素結合型ＤＦＢレーザでは、高い内部反射が得られる（反射鏡損失が非常に小さい）。その結果、低いしきい値が得られる。故に、複素結合型ＤＦＢレーザでは、利得スペクトル幅が広がることによる影響はほとんど生じない。

さらに、室温付近の温度から高い温度の領域にわたって安定したレーザ特性を得るために、ＤＦＢ周期をデチューニングする。具体的には、利得スペクトル（例えば、単位温度当たり０．５ｎｍの温度係数）とブラッグ波長（例えば、単位温度当たり０．１ｎｍの温度係数）の温度変化の異差を利用して、利得スペクトルとブラッグ波長とが、室温より高い温度（例えば、摂氏１００度）を含む温度範囲で整合するようにデチューニングを行う。

半導体レーザにおいて、量子薄膜、量子細線というように活性層の量子構造の次元を低くするにつれて、キャリヤは量子構造に強く閉じ込められ、光学利得スペクトルは鋭くなる。つまり、少ないキャリヤでレーザ発振が可能になる。このため、低しきい値電流／高効率の半導体レーザが実現される。また、発振波長に対応するあるエネルギに利得が集中するので、低波長チャープ特性の半導体レーザが実現される。

図５は、量子細線（Ｑ_ＷＩＲＥ）と量子薄膜（Ｑ_ＦＩＬＭ）の最大利得のキャリヤ密度依存性を示す。図５は、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．８１Ｐ_０．１９を用いる量子井戸構造、摂氏２７度の温度におけるキャリヤ密度依存性であり、０．１ｐｓｅｃのバンド内緩和時間（τ_ｉｎ）を有する。この図から理解されるように、量子細線の幅（Ｗ）を大きくする（１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ）につれて、量子細線（Ｑ_ＷＩＲＥ）の最大利得特性は量子薄膜（Ｑ_ＦＩＬＭ）の最大利得特性に近づき、最大利得特性において両者の差異は小さくなる。最大利得特性において量子細線の優位性を得るためには、量子細線の幅Ｗは４０ｎｍ未満でなければならず、量子細線の幅Ｗが３０ｎｍ以下であることが好ましい。

図５の特性から理解されるように、量子細線幅が分布する半導体レーザ１１では、量子細線の幅の平均値は３０ｎｍ以下であることが好ましい。量子細線幅が３０ｎｍを越えると、キャリア閉じ込め、ならびにレーザ特性に関して所望の値が得にくい。

また、半導体レーザ１１では、量子細線の量子細線幅の最大値は平均値の１．１倍よりも大きく、量子細線の量子細線幅の最小値は平均値の０．９倍よりも小さいことが好ましい。この程度の値に量子細線幅が分布すれば、発光領域全体の利得スペクトル幅が好適である。

半導体レーザ１１では、量子井戸構造は歪み補償されていることができる。この半導体レーザにおいて井戸層に圧縮歪を与えると共に、障壁層に引張り歪を与える歪補償量子井戸構造によれば、製造プロセス中に生じる３軸性歪の影響を抑制でき、また再成長界面における非発光再結合電流成分を低減できる。

半導体レーザ１１の一例では、井戸層および障壁層は、組成の異なるＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができる。中間半導体領域はＩｎＰ半導体からなることができる。これらの材料の組み合わせによれば、加工が比較的容易となる。なお、半導体レーザ１１の実現は、上記の半導体材料に限定されるものではない。

図６および図７を参照しながら、上記の実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を説明する。

図６（ａ）に示されるように、ｐ型ＩｎＰ基板５１上にｐ型ＩｎＰクラッド層５３を成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。次いで、ｐ型ＩｎＰクラッド層５３上に、量子井戸構造のための半導体積層５５を形成する。半導体積層５５は、例えば第１のアンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層５７、ＧａＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸構造５９および第２のアンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層６１を含むことができる。半導体積層５５内の半導体膜は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸構造５９は複数の井戸層および障壁層を有する。半導体積層５５の一例では、圧縮歪の井戸層および引張り歪のバリア層を含む歪補償量子井戸構造とすることが好ましい。また、量子細線構造とすることに伴う活性層体積の減少による実効利得の低下を補うために、井戸層の層数は４以上であることが好ましい。

図６（ｂ）に示されるように、量子細線のためのマスクを半導体積層５５上に形成する。マスクのために絶縁膜６３、例えばシリコン酸化膜といったシリコン系無機化合物膜を堆積する。この堆積は、例えば化学的気相成長法で行われる。この絶縁膜６３に、周期的に配列された複数のパターンを転写するためのレジストマスク６５を形成する。レジストマスク６５の形成は、例えば、電子ビーム露光法、またはナノインプリント等のリソグラフィー技術を用いて行われることができる。

適切な温度特性（つまり、改善された温度特性）を得るために、ＤＦＢ周期をデチューニングする。例えば、ブラッグ波長（例えば、１５５０ナノメートル波長帯）を摂氏８０度の温度上昇に対応させる場合は、ブラッグ波長の温度変化係数を単位温度当たり０．１ｎｍと仮定して、周期（ＬＡＭＢＤＡ）を２４０ｎｍから２４６．２５ｎｍに変更する。

さらに、安定したしきい値電流密度の温度依存性を実現するために、量子細線（活性層）からなる発光領域の利得スペクトルを広帯域化する。つまり、屈折率結合係数、利得特性への影響を考慮して、量子細線の細線幅（Ｗ）の平均値を中心にして−１０％〜＋１０％程度の分布を細線幅に与える。例えば、細線幅３０ｎｍの平均値に対しては、量子細線の細線幅を標準偏差３ｎｍで分布させる。この分布形成は、マスクパターン６７により実現される。

図６（ｃ）に示されるように、レジストマスク６５を用いてシリコン酸化膜をエッチングする。このエッチングは、例えば、ＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチング等を用いることができる。一例では、レジストとシリコン酸化膜（例えばＳｉＯ_２）との選択比を確保するために、２０ｎｍ程度以上の膜厚のシリコン酸化膜を用いることが好ましい。エッチングの後に、レジストマスク６５を除去すると、量子細線のＤＦＢパターンためのマスクパターン６７が形成される。マスクパターン６７の各マスク６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄ、６７ｅは、量子細線の幅の分布に対応して、それぞれ幅Ｗ_Ａ、Ｗ_Ｂ、Ｗ_Ｃ、Ｗ_Ｄ、Ｗ_Ｅを有する。マスク６７ａ〜６７ｅは、周期ＬＡＭＢＤＡで配列されている。

図７（ａ）に示されるように、マスクパターン６７を用いて半導体積層５５をエッチングし、複数の量子細線を形成する。この工程において、半導体積層５５の光閉じ込め層６１および多重量子井戸構造５９がエッチングされる。このエッチングの一例では、ＣＨ_４／Ｈ_２を用いたＲＩＥが用いられる。例えば、ＣＨ_４／Ｈ_２を用いたＲＩＥエッチングとこのエッチング中に半導体表面に堆積する炭素重合物を除去するためのＯ_２アッシングとを繰り返すことにより、垂直性に優れた多層量子細線構造を形成できる。このエッチングの結果、光閉じ込め層５７上には、半導体細線６９ａ〜６９ｅの配列が形成される。半導体細線６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、６９ｄ、６９ｅは、それぞれ、光閉じ込め層６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅと多重量子井戸構造５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ、５９ｅとを含む。半導体細線６９ａ〜６９ｅは周期的に配列されており、半導体細線６９ａ〜６９ｅの細線幅は、マスクパターン６７の応じて分布している。

ドライエッチングによる損傷層を除去するために、ウェットエッチングを行う。このエッチングは、例えば硫酸系の溶液を用いる。ウェットエッチングの後、マスクパターン６７を除去する。例えば、シリコン酸化物からなるパターンはバッファードフッ酸で除去される。

次いで、図７（ｂ）に示されるように、半導体細線６９ａ〜６９ｅを埋め込むための半導体７１の再成長を行う。この埋め込みは、アンドープＩｎＰで行われる。また、埋め込み用のＩｎＰ成長速度は、平坦な再成長界面を得るために、２５０ｎｍ／ｈ程度の低速であることが望ましい。埋め込み工程において、各半導体細線により提供される利得領域と利得の無い中間半導体領域とが所定の軸の方向に交互に配列された周期構造を形成する。

図７（ｃ）に示されるように、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層７３、ｎ型ＩｎＰクラッド層７５、およびｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層７７を再成長する。これらの成長速度は、通常の成長速度、例えば１μｍ／ｈ程度である。この後に、必要な場合には、埋め込みヘテロ構造といった屈折率導波構造を形成する。

この作製方法では、マスクパターン６７のうち一のマスクの幅（例えばマスク６７ａ）は、残りにマスク６７ｂ、６７ｃ、６７ｄ、６７ｅの内の一のマスク（例えば、マスク６７ｂ）の幅と意図的に変更されている。これにより量子細線幅の分布が形成される。

リソグラフィー、及び現像の量子細線にサイズ分布を与える例を説明する。
量子細線幅の平均値：３０ｎｍ
分布の標準偏差：３ｎｍ（平均値の１０％）
とする。ガウス分布式は、
ｅｘｐ（−（Ｗ―Ｗ_０）^２／（２×ＤＷ^２））／（ｓｑｒｔ（２×ｐｉ）×ＤＷ）
ＤＷ：標準偏差
Ｗ_０：細線幅の平均値
Ｗ：量子細線幅
ｐｉ：円周率
ｅｘｐ：指数関数（自然対数）の記号
で表される。これを用いて相対度数は以下のように求められる。
W=３０ｎｍのとき０．１３３、
W=３１ｎｍ、２９ｎｍのとき０．１２６、
W=３２ｎｍ、２８ｎｍのとき０．１０７、
W=３３ｎｍ、２７ｎｍのとき０．０８１、
となる。よって、これらの相対度数を反映させて、細線幅にサイズ分布を与える。具体例としては、
共振器長：２４０μｍ、
ＤＦＢ周期：２４０ｎｍ
ブラッグ波長：１５５０ｎｍ
とすると、１０００本の量子細線を形成できる。故に、W=３０ｎｍ幅の量子細線は１３３本、W=３１、２９ｎｍ幅の量子細線はそれぞれ１２６本、といったように分布させることになる。また、これらの量子細線の配置は、ランダム分布を用いることができるが、これに限定されるものではない。

また、ブラッグ波長１５５０ｎｍの場合、量子細線の配列の周期（ＤＦＢ周期）は２４０ｎｍである。既に説明した事項から理解されるように、温度特性改善のためには、ブラッグ波長をデチューニングすることが好ましい。例えば、ＤＦＢ周期のデチューニング量は６．２５ｎｍ以上であることが好ましい。広帯域の利得スペクトルを得るために、上記のように１０％程度のサイズ分布を量子細線に与えて、ブラッグ波長（ストップバンド）と利得ピークとの整合を広い温度範囲で得る。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す斜視図である。図１（ｂ）は、量子細線の層構造を示す図面である。図２（ａ）は、半導体メサの発光領域の屈折率分布および利得分布を示す図面であり、図２（ｂ）はＤＦＢ構造のスペクトルの一例を示す図面である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、発光領域の量子細線が均一な幅を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施の形態のように、発光領域の量子細線の幅に分布を有する半導体レーザの利得スペクトルと分布帰還構造のスペクトルとの関係を示す。図５は、量子細線（Ｑ_ＷＩＲＥ）と量子薄膜（Ｑ_ＦＩＬＭ）の最大利得のキャリヤ密度依存性を示す図面である。図６は、本実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。図７は、本実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。

符号の説明

１１…半導体レーザ、１３…第１導電型クラッド領域、１５…第２導電型クラッド領域、１７…発光領域、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ…量子細線、２１…中間半導体領域、２３…量子井戸構造、２３ａ…障壁層、２３ｂ…井戸層、２５…半導体メサ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅ…量子細線幅、２７、２９…光閉じ込め層、３１…埋め込み領域、３３…第２導電型クラッド領域、３５…コンタクト層、３７…半導体基板、３９ａ、３９ｂ…電極、Ｓ_ＤＦＢ１、Ｓ_ＤＦＢ２、Ｓ_ＤＦＢ３、Ｓ_ＤＦＢ４…分布帰還構造のスペクトル、λ_１、λ_２、λ_３、λ_４…ＤＦＢ共振器の発振波長、Ｇ_Ｔ１、Ｇ_Ｔ２、Ｄ_Ｔ１、Ｄ_Ｔ２…利得スペクトル、５１…ｐ型ＩｎＰ基板、５３…ｐ型ＩｎＰクラッド層、５５…半導体積層、５７…アンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層、５９…多重量子井戸構造、６１…アンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層、６３…マスク用絶縁膜、６５…レジストマスク、６７…マスクパターン、６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄ、６７ｅ…マスクパターンのマスク、６９ａ、６９ｂ、６９ｃ、６９ｄ、６９ｅ…半導体細線、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ…光閉じ込め層、５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ、５９ｅ…多重量子井戸構造、７１…埋め込み半導体、７３…ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層、７５…ｎ型ＩｎＰクラッド層、７７…ｎ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層

Claims

第１導電型クラッド領域と、
第２導電型クラッド領域と、
発光領域と
を備え、
前記発光領域は、前記第１導電型クラッド領域と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられており、
前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、
前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、
前記量子細線は所定の軸に沿って周期的に配置されており、
前記量子細線の各々は、共振器の延在方向に対して垂直な方向に延在しており、
前記所定の軸は前記共振器の延在方向に向いており、
前記量子細線の各々は、前記所定の軸方向に規定された量子細線幅を有し、
前記複数の量子細線のうちの一量子細線の量子細線幅は、前記複数の量子細線のうちの別の量子細線の量子細線幅と異なる、ことを特徴とする半導体レーザ。
第１導電型クラッド領域と、
第２導電型クラッド領域と、
発光領域と
を備え、
前記発光領域は、前記第１導電型クラッド領域と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられており、
前記発光領域は、複数の量子細線と該量子細線の間に設けられた中間半導体領域とを含み、
前記量子細線の屈折率は前記中間半導体領域の屈折率より大きく、
前記量子細線の各々は、障壁層と井戸層とを含む量子井戸構造を有し、
前記複数の量子細線と前記中間半導体領域は、前記発光領域が複素結合型分布帰還構造を構成するように配置されており、
前記複数の量子細線の利得スペクトルは、前記発光領域全体の利得スペクトルの幅が各量子細線の利得スペクトルの幅より大きくなるように分布している、ことを特徴とする半導体レーザ。
前記量子細線の量子細線幅の平均値は３０ナノメートル以下であり、
前記量子細線の量子細線幅の最大値は前記平均値の１．１倍よりも大きく、
前記量子細線の量子細線幅の最小値は前記平均値の０．９倍よりも小さい、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体レーザ。
前記量子井戸構造は歪み補償されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
前記井戸層はＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、
前記中間半導体領域はＩｎＰ半導体からなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
半導体レーザを作製する方法であって、
量子井戸構造のための半導体積層を第１導電型クラッド層上に形成する工程と、
前記半導体積層上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて前記半導体積層をエッチングし、複数の量子細線を形成する工程と、
前記複数の量子細線を半導体で埋め込む工程と
を備え、
前記量子細線の各々は、共振器の延在方向に対して垂直な方向に延在しており、
前記マスクパターンのうちの一のマスクパターンの幅は、量子細線幅の分布を成すように、前記マスクパターンのうちの別のマスクパターンの幅と意図的に変更されている、ことを特徴とする方法。