JP5051054B2 - 半導体レーザおよび半導体レーザを作製する方法 - Google Patents

半導体レーザおよび半導体レーザを作製する方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体レーザ及び半導体レーザの作製方法に関する。
非特許文献１には、短共振器型のＤＢＲレーザが記載されている。このＤＢＲレーザでは、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸とＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層との集積にバットジョイント構造が用いられている。バットジョイント構造の形成では、ＩｎＧａＡｌＡｓ半導体層の一部をエッチングにより除去した後、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層が、再成長される。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層の遷移エネルギーは、ＩｎＧａＡｌＡｓ半導体層の遷移エネルギーより大きいので、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は光導波路となる。また、レーザ光の出射端面と反対側の端面に、レーザ光の反射のための誘電体膜が設けられている。
また、特許文献１には、分布反射型の半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、活性領域及び光導波領域からなる活性層を有している。この活性領域は、活性層の一部に不純物を添加されている。光導波領域には、ＤＦＢ型回折格子が設けられている。
K. Shinoda et al.:IPRM2007, TuB2-3, 39. 特開昭６３−２５５９８５号公報
非特許文献１に記載される半導体レーザは、多重量子井戸、多重量子井戸とは異なる工程で形成された光導波路層、及びレーザ光の反射のための誘電体膜を備えている。このため、この半導体レーザの構造は複雑である。また、多重量子井戸及び光導波路層はバットジョイント構造により形成され、さらに、これらの半導体層の再成長の後に、誘電体膜が別途形成されるので、作製工程が煩雑である。
特許文献１に記載される半導体レーザでは、ＤＦＢ型回折格子により共振器を形成するので、構造が複雑である。また、光導波領域の遷移エネルギーは、活性領域に採用する半導体材料により決定され、活性領域の発光波長は、活性領域の不純物濃度により決定される。このため、作製工程が煩雑である。
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、バットジョイント構造を用いず、半導体構造からなる共振器を内蔵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。
本発明に係る半導体レーザは、第１〜第３のエリアを含む主面を有し、クラッド領域上に設けられた第１光閉じ込め層と、第１のエリア上に所定の軸に沿って配列され、第１の分布ブラッグ反射器のための複数の第１の量子細線と、第２のエリア上に所定の軸に沿って配列され、第２の分布ブラッグ反射器のための複数の第２の量子細線と、第１の量子細線の側面の間及び第２の量子細線の側面の間に設けられた埋め込み半導体領域と、所定の軸に沿って第３のエリアの一端から他端まで延びており、第３のエリア上に設けられた活性層と、第１の分布ブラッグ反射器上、第２の分布ブラッグ反射器上及び活性層上に設けられた第２光閉じ込め層とを有し、第３のエリアは、第１のエリアと第２のエリアとの間に設けられており、埋め込み半導体領域は、第１の量子細線の平均の屈折率及び第２の量子細線の平均の屈折率とは異なる屈折率を有することを特徴とする。
この半導体レーザでは、互いに異なる屈折率を有する第１の量子細線及び埋め込み半導体領域を第１のエリア上に交互に配列して、第１の分布ブラッグ反射器を構成する。また、互いに異なる屈折率を有する第２の量子細線及び埋め込み半導体領域を第２のエリア上に交互に配列して、第２の分布ブラッグ反射器を構成する。これらの分布ブラッグ反射器及び活性層はレーザ共振器を形成する。従って、本発明の半導体レーザでは、バットジョイント構造を用いずに、レーザ共振器が実現される。共振器内にバットジョイント構造が含まれないので、バットジョイント構造に起因する光学的損失が低減できる。
本発明に係る半導体レーザでは、所定の軸に沿って取られた各第１の量子細線の幅は、所定の軸に沿って取られた各第２の量子細線の幅よりも大きく、第１の分布ブラッグ反射器の所定の軸に沿って取られた長さは、第２の分布ブラッグ反射器の所定の軸に沿って取られた長さよりも長いことが好ましい。
この半導体レーザでは、第１及び第２の量子細線の幅が互いに異なるので、第１の量子細線の屈折率結合係数は、第２の量子細線の屈折率結合係数より大きい。また、分布ブラッグ反射器の長さと屈折率結合係数との積は、反射率及びストップバンド幅に寄与するので、第１の分布ブラッグ反射器の反射率は、第２の分布ブラッグ反射器の反射率より大きい。このため、第１の分布ブラッグ反射器は高反射率の反射器となる。一方、第２の分布ブラッグ反射器のストップバンド幅は、第１の分布ブラッグ反射器のストップバンド幅よりも小さい。第１の分布ブラッグ反射器のストップバンドには、複数の縦モードが含まれ、これらの縦モードのしきい値利得が減少する。ここで、縦モードのしきい値利得とは、当該モードに対してレーザ発振に必要なレーザ利得をいう。しきい値利得が減少された縦モードのうち、第２の分布ブラッグ反射器のストップバンドにも含まれる縦モードのしきい値利得は、さらに減少する。一般に、複数の縦モードが存在する場合、しきい値利得が最低の縦モードが選択的に発振する。故に、この第２の分布ブラッグ反射器のストップバンドにも含まれる縦モードが選択され、発振モードとなる。従って、第２の分布ブラッグ反射器は波長フィルタとして作用し、この半導体レーザからの出射光は単一モードとなる。
本発明に係る半導体レーザでは、第１の量子細線は、交互に配置された第１の井戸層と第１の障壁層とを有し、第２の量子細線は、交互に配置された第２の井戸層と第２の障壁層とを有し、活性層は、交互に配置された第３の井戸層と第３の障壁層とを有し、第１〜第３の井戸層は互いに同じ材料からなり、第１〜第３の障壁層は互いに同じ材料からなることを特徴とする。
この半導体レーザによれば、第１の量子細線、第２の量子細線及び活性層は、同じ材料からなる井戸層及び障壁層を有しているので、第１の量子細線、第２の量子細線及び活性層は同じ半導体構造から構成される。第１及び第２の量子細線の吸収端波長は、量子効果に起因して活性層の吸収端波長より短くなるので、第１及び第２の分布ブラッグ反射器は、低損失な光導波路となる。
本発明に係る半導体レーザでは、活性層の所定の軸に沿って取られた長さは、５０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
活性層の所定の軸に沿って取られた長さは、この半導体レーザのレーザ共振器の共振器長に相当する。共振器長が１００μｍ以下であるので、第２の分布ブラッグ反射器での選択反射により単一モードとするのに十分な縦モード間隔が得られる。また、共振器長が５０μｍ以上であるので、十分な利得が得られる。
本発明に係る半導体レーザは、活性層と第２光閉じ込め層との間に設けられたキャリアストップ層を更に備え、クラッド領域はｎ型半導体からなり、キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、第２光閉じ込め層はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、キャリアストップ層のバンドギャップは、第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きく、且つ活性層の内の最大のバンドギャップより大きいことを特徴とする。
この半導体レーザによれば、キャリアストップ層と第２光閉じ込め層との価電子帯側バンドオフセットは小さくできるので、キャリアストップ層は、活性層に向かって移動するホールへの実質的な障壁とはならない。故に、良好な特性の半導体レーザが得られる。また、伝導帯側では、バンドギャップの大きさの差異に起因して、キャリアストップ層は、活性層からの電子に対してポテンシャル障壁となる。従って、電子オーバフローを抑制できるので、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。
本発明に係る半導体レーザは、活性層と第２の分布ブラッグ反射器との間に設けられ、埋め込み半導体領域と同じ材料からなるギャップ領域を更に備え、ギャップ領域の所定の軸に沿って取られた幅は、第２の量子細線の間隔よりも大きいことを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザは、活性層上に設けられた電極を更に備えることを特徴とする。この半導体レーザによれば、活性層への電荷の注入が可能となる。
本発明に係る半導体レーザを作製する方法は、第１光閉じ込め層をクラッド領域上に成長する工程と、多重量子井戸のための半導体層を第１光閉じ込め層上に成長する工程と、所定の軸の方向に配列された複数の第１の量子細線のための第１のパターンと、所定の軸の方向に配列された複数の第２の量子細線のための第２のパターンと、活性層のための第３のパターンとを有するマスクを半導体層上に形成する工程と、マスクを用いて半導体層をエッチングし、活性層、第１及び第２の量子細線を形成する工程と、第１及び第２の量子細線を埋め込むために、第１の量子細線の側面の間及び第２の量子細線の側面の間に埋め込み半導体領域を成長する工程とを備え、第３のパターンは、第１のパターンと第２のパターンとの間に設けられていることを特徴とする。
本発明の方法では、複数の第１及び第２の量子細線と量子細線間の埋め込み半導体領域とが交互に配列されるので、それぞれ分布ブラッグ反射器が形成される。さらに、第１の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器と第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器との間に活性層が形成されるので、ＤＢＲレーザが形成される。この形成には、第１〜第３のパターンを有するマスクを用いて、多重量子井戸のための半導体層のエッチングが行われるので、活性層、第１及び第２の量子細線は、それぞれの作製工程に分離されることなく、同一の工程で作製される。
本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、所定の軸に沿って取られた各第１の量子細線の幅は、所定の軸に沿って取られた各第２の量子細線の幅よりも大きく、第１の量子細線の配列の所定の軸に沿って取られた長さは、第２の量子細線の配列の所定の軸に沿って取られた長さよりも長いことを特徴とする。
本発明の方法では、所定の軸に沿って活性層の前後それぞれに複数の第１及び第２の量子細線の配列が形成される。この量子細線の配列は、それぞれ分布ブラッグ反射器となる。量子細線の配列の所定の軸に沿って取られた長さは、分布ブラッグ反射器の長さに相当する。第１及び第２の量子細線の幅が互いに異なるので、第１の量子細線の屈折率結合係数は、第２の量子細線の屈折率結合係数より大きい。また、分布ブラッグ反射器の長さと屈折率結合係数との積は、反射率及びストップバンド幅に寄与する。故に、第１の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器は、第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器よりも大きな反射率を有することができる。このため、第１の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器は高反射率の反射器となる。一方、第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器のストップバンド幅は、第１の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器のストップバンド幅よりも小さい。第１の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器のストップバンドには、複数の縦モードが含まれ、これらの縦モードのしきい値利得を減少させる。これらの縦モードのうち、第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器のストップバンドにも含まれる縦モードのしきい値利得のみがさらに減少し、この縦モードのみが選択され、発振モードとなる。従って、第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器は波長フィルタとして作用し、この半導体レーザからの出射光は単一モードとなる。また、量子細線の幅は、マスクのパターン形状により制御可能である。さらに、複数の量子細線により構成される分布ブラッグ反射器の所定の軸に沿って取られた長さもパターン形状により制御可能である。従って、分布ブラッグ反射器の反射率及びストップバンド幅の制御が容易である。
本発明に係る半導体レーザを作製する方法は、半導体層をエッチングした後、且つ埋め込み半導体領域を成長する前にマスクを除去する工程と、埋め込み半導体領域を成長した後に、第２光閉じ込め層を成長する工程とを更に備え、埋め込み半導体領域を成長する工程において、活性層上にキャリアストップ層を併せて成長し、埋め込み半導体領域及びキャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、クラッド領域はｎ型半導体からなり、第２光閉じ込め層はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、埋め込み半導体領域及び前記キャリアストップ層のバンドギャップは、第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きく、且つ活性層の内の最大のバンドギャップより大きく、第２光閉じ込め層は、第１の量子細線上、第２の量子細線上、埋め込み半導体領域及びキャリアストップ層上に成長することを特徴とする
本発明の方法では、活性層上にキャリアストップ層が成長され、その後に第２光閉じ込め層が成長される。このキャリアストップ層と第２光閉じ込め層との価電子帯側バンドオフセットは小さくできるので、キャリアストップ層は、活性層に向かって移動するホールへの実質的な障壁とはならない。故に、良好な特性の半導体レーザが得られる。また、伝導帯側では、バンドギャップの大きさの差異に起因して、キャリアストップ層は、活性層からの電子に対するポテンシャル障壁となる。従って、キャリアオーバフローを抑制できるので、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。また、埋め込み半導体領域及びキャリアストップ層は、共通の半導体成長プロセスにより一括に形成される。故に、作製工程が簡素化される。
本発明によれば、バットジョイント構造を用いず、半導体構造からなる共振器を内蔵する半導体レーザが提供され、また、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及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は、本発明に係る半導体レーザの第１の実施形態の構造を示す斜視図である。また、図２は、図１のI−I線に沿ってとられた断面図である。半導体レーザ１０は、第１クラッド層１３、第１光閉じ込め層１５、第１の分布ブラッグ反射器１８、第２の分布ブラッグ反射器２０、活性層２１、第２光閉じ込め層３１及び第２クラッド層３３を備えている。第１クラッド層１３は、半導体基板１１の主面１１ａ上に設けられている。半導体基板１１及び第１クラッド層１３は、例えばｎ型半導体からなる。このｎ型半導体は、例えばｎ型ＩｎＰ半導体等であることができる。
第１光閉じ込め層１５は、第１クラッド層１３上に設けられている。第１光閉じ込め層１５は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体であることができる。第１光閉じ込め層１５の厚さは、例えば１００ｎｍである。好ましくは、この第１光閉じ込め層１５の厚さは、１００ｎｍ以上であることができる。また、第１光閉じ込め層１５の厚さは、１５０ｎｍ以下であることができる。また、第１光閉じ込め層１５は、第１〜第３のエリア１５ａ、１５ｂ、１５ｃを含む主面を有する。第３のエリア１５ｃは、第１のエリア１５ａと第２のエリア１５ｂとの間に設けられており、所定の軸Ａｘに沿って並べられている。所定の軸Ａｘが示す方向が、レーザ光の出射方向となる。
第１光閉じ込め層１５の第１のエリア１５ａ上には、複数の第１の量子細線１７が、所定の軸Ａｘに沿って所定の周期Λ１で配列されている。各第１の量子細線１７は、所定の軸Ａｘの方向に規定される幅Ｗ１を有する。第１の量子細線１７は、量子井戸構造を有している。この量子井戸構造は、交互に配列された第１の井戸層１７ａ及び第１の障壁層１７ｂを含むことができる。また、第１の量子細線１７は、第３光閉じ込め層１７ｃを含むことができる。第３光閉じ込め層１７ｃは、量子井戸構造上に設けられている。第１の井戸層１７ａは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第１の井戸層１７ａの厚さは、例えば６ｎｍであることができる。第１の障壁層１７ｂは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第１の障壁層１７ｂの厚さは、例えば９ｎｍであることができる。第３光閉じ込め層１７ｃは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第３光閉じ込め層１７ｃの厚さは、例えば４０ｎｍであることができる。好ましくは、この第３光閉じ込め層１７ｃの厚さは、３０ｎｍ以上であることができる。また、第３光閉じ込め層１７ｃの厚さは、５０ｎｍ以下であることができる。
第１の量子細線１７の側面の間には、埋め込み半導体領域２３が設けられている。この埋め込み半導体領域２３は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなることができる。この半導体材料は、例えばＡｌＩｎＡｓ半導体であることができる。
第１の量子細線１７と埋め込み半導体領域２３とは、異なる屈折率を有すると共に、第１のエリア１５ａ上に交互に配列されている。従って、複数の第１の量子細線１７及び埋め込み半導体領域２３は、第１の分布ブラッグ反射器１８を構成する。第１の分布ブラッグ反射器１８は、所定の軸Ａｘに沿って取られた長さＬ１を有する。
第１光閉じ込め層１５の第２のエリア１５ｂ上には、複数の第２の量子細線１９が、所定の軸Ａｘに沿って所定の周期Λ２で配列されている。各第２の量子細線１９は、所定の軸Ａｘの方向に規定される幅Ｗ２を有する。第２の量子細線１９は、量子井戸構造を有している。この量子井戸構造は、交互に配列された第２の井戸層１９ａ及び第２の障壁層１９ｂを含むことができる。また、第２の量子細線１９は、第４光閉じ込め層１９ｃを含むことができる。第４光閉じ込め層１９ｃは、量子井戸構造上に設けられている。第２の井戸層１９ａは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第２の井戸層１９ａの厚さは、例えば６ｎｍであることができる。第２の障壁層１９ｂは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第２の障壁層１９ｂの厚さは、例えば９ｎｍであることができる。第４光閉じ込め層１９ｃは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第４光閉じ込め層１９ｃの厚さは、例えば４０ｎｍであることができる。好ましくは、この第４光閉じ込め層１９ｃの厚さは、３０ｎｍ以上であることができる。また、第４光閉じ込め層１９ｃの厚さは、５０ｎｍ以下であることができる。
第２の量子細線１９の側面の間には、埋め込み半導体領域２５が設けられている。この埋め込み半導体領域２５は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなることができる。この半導体材料は、例えばＡｌＩｎＡｓ半導体であることができる。
第２の量子細線１９と埋め込み半導体領域２５とは、異なる屈折率を有すると共に、第２のエリア１５ｂ上に交互に配列されている。従って、複数の第２の量子細線１９及び埋め込み半導体領域２５は、第２の分布ブラッグ反射器２０を構成する。第２の分布ブラッグ反射器２０は、所定の軸Ａｘに沿って取られた長さＬ２を有する。
第１光閉じ込め層１５の第３のエリア１５ｃ上には、活性層２１が所定の軸Ａｘに沿って第３のエリア１５ｃの一端から他端まで延びて設けられている。この活性層２１は、量子井戸構造を有している。この量子井戸構造は、交互に配列された第３の井戸層２１ａ及び第３の障壁層２１ｂを含むことができる。この量子井戸構造上には、第５光閉じ込め層２９が設けられている。第３の井戸層２１ａは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第３の井戸層２１ａの厚さは、例えば６ｎｍであることができる。第３の障壁層２１ｂは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第３の障壁層２１ｂの厚さは、例えば９ｎｍであることができる。第５光閉じ込め層２９は、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、第５光閉じ込め層２９の厚さは、例えば４０ｎｍであることができる。好ましくは、この第５光閉じ込め層２９の厚さは、３０ｎｍ以上であることができる。また、第５光閉じ込め層２９の厚さは、５０ｎｍ以下であることができる。
第１の分布ブラッグ反射器１８、第２の分布ブラッグ反射器２０及び活性層２１により、レーザ共振器が形成される。このレーザ共振器は、活性層２１の所定の軸Ａｘに沿って取られた長さＬ３を共振器長とする。第１の量子細線１７の周期Λ１及び第２の量子細線１９の周期Λ２は共に、レーザ発振の波長に対応したブラッグ周期である。例えば発振波長１５５０ｎｍを得るためには、周期Λ１及び周期Λ２は２４０ｎｍである。例えば発振波長１３００ｎｍを得るためには、周期Λ１及び周期Λ２は２００ｎｍである。
また、第１の量子細線１７及び第２の量子細線１９では、量子効果に起因して吸収端波長が活性層２１よりも短くなる。このため、第１の分布ブラッグ反射器１８及び第２の分布ブラッグ反射器２０は、低損失な光導波路となる。この場合には、第１の量子細線１７の幅Ｗ１及び第２の量子細線１９の幅Ｗ２は、共に５０ｎｍ以下であることが好ましい。従って、この半導体レーザ１０では、別途の半導体層により光導波路層を形成したり、誘電体膜により反射器を形成したりする必要がない。故に、バットジョイント構造を含まずに、半導体構造によるレーザ共振器が実現される。共振器内にバットジョイント構造が含まれないので、バットジョイント構造に起因する光学的損失が低減できる。また、この半導体レーザ１０では、単一モード動作のための回折格子が活性層２１内、あるいは、その近傍に形成されないので、回折格子形成時に生じる活性層２１へのダメージが生じず、これに起因した特性劣化が低減される。
第１の量子細線１７の幅Ｗ１は、第２の量子細線１９の幅Ｗ２よりも大きく、第１の分布ブラッグ反射器１８の長さＬ１は、第２の分布ブラッグ反射器２０の長さよりも長いことが好ましい。この場合の第１の分布ブラッグ反射器１８及び第２の分布ブラッグ反射器２０の反射スペクトルの例は、図３（ａ）及び図３（ｂ）のそれぞれに示される。ここで示した例における周期Λ１及び周期Λ２は共に、２４０ｎｍである。図３（ａ）及び図３（ｂ）によれば、波長１５５０ｎｍ近傍での反射スペクトルＳ１の反射率は、反射スペクトルＳ２の反射率より大きい。また、波長１５５０ｎｍ近傍での反射スペクトルＳ２のストップバンド幅は、反射スペクトルＳ１のストップバンド幅よりも小さい。
分布ブラッグ反射器の量子細線の幅は、屈折率結合係数（κ）の大きさに寄与する。また、分布ブラッグ反射器の長さ（Ｌ）と屈折率結合係数（κ）の積（κ・Ｌ）は、分布ブラッグ反射器の反射率に寄与する。幅Ｗ１は幅Ｗ２よりも大きく、長さＬ１は長さＬ２より長いので、第１の分布ブラッグ反射器１８の反射率は、第２の分布ブラッグ反射器２０よりも大きくなる。従って、第１の分布ブラッグ反射器１８は、高反射率の反射器となる。このため、レーザ光の出射端面の反対側の端面に、レーザ光の反射のための誘電体膜を設ける必要がない。
一方、分布ブラッグ反射器の長さ（Ｌ）と屈折率結合係数の積（κ）は、分布ブラッグ反射器のストップバンド幅にも寄与する。故に、第２の分布ブラッグ反射器２０のストップバンド幅は、第１の分布ブラッグ反射器１８のストップバンド幅よりも小さくなる。従って、第２の分布ブラッグ反射器２０は、波長選択性を備えたフィルタとなることができる。
以上説明したような第１の分布ブラッグ反射器１８の高反射率及び第２の分布ブラッグ反射器２０の波長選択性を実現するためには、幅Ｗ１は、例えば４０ｎｍであり、幅Ｗ２は、例えば２０ｎｍであることができる。また、長さＬ１は、例えば３００μｍであり、長さＬ２は、例えば１００μｍであることができる。長さＬ１は、第１のエリア上１５ａに配列される第１の量子細線１７の数の変更により調整可能である。また、長さＬ２は、第２のエリア上１５ｂに配列される第２の量子細線１９の数の変更により調整可能である。
図３（ａ）における実線Ｍ１〜Ｍ３及び図３（ｂ）における実線Ｍ４〜Ｍ６は、活性層２１で発生する縦モードを示す。波長１５５０ｎｍ近傍において、反射スペクトルＳ１は大きなストップバンド幅を有するので、縦モードＭ１〜Ｍ３に対する反射率は、いずれも大きい。一方、波長１５５０ｎｍ近傍において、反射スペクトルＳ２のストップバンド幅は小さいので、縦モードＭ５に対する反射率は大きく、縦モードＭ４及び縦モードＭ６に対する反射率は小さい。故に、第２の分布ブラッグ反射器２０では、縦モードＭ５が選択的に反射されるので、単一モードの発振が実現される。
第２の分布ブラッグ反射器２０の波長選択性による単一モード動作を実現するためには、活性層２１で発生する複数の縦モード間の間隔は、十分に広いことが必要である。故に、活性層２１の長さＬ３は、１００μｍ以下であることが好ましい。一方、十分な利得を得るためには、活性層２１の長さＬ３は、５０μｍ以上であることが好ましい。
第１の井戸層１７ａと第２の井戸層１９ａと第３の井戸層２１ａとは互いに同じ材料からなり、第１の障壁層１７ｂと第２の障壁層１９ｂと第３の障壁層２１ｂとは互いに同じ材料からなることができる。第１の量子細線１７、第２の量子細線１９及び活性層２１は、同じ材料からなる井戸層及び障壁層を有するので、これらの半導体層は、共通の半導体成長プロセスにより形成されることができる。従って、作製工程が単純化される。
第５光閉じ込め層２９上には、キャリアストップ層２７が設けられている。このキャリアストップ層２７は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなることができる。この半導体材料は、例えばＡｌＩｎＡｓ半導体等であることができる。
第１の分布ブラッグ反射器１８上、第２の分布ブラッグ反射器２０上及びキャリアストップ層２７上には、第２光閉じ込め層３１が設けられている。この第２光閉じ込め層３１は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＡｓ等からなることができる。第２光閉じ込め層３１の厚さは、例えば６０ｎｍであることができる。好ましくは、この第２光閉じ込め層３１の厚さは、６０ｎｍ以上であることができる。また、第２光閉じ込め層３１の厚さは、１１０ｎｍ以下であることができる。
図４は、図１及び図２に示した半導体レーザ１０におけるバンド構造を示す図である。図４において、参照符号ＢＧ０，ＢＧ１は第３の井戸層２１ａ及び第３の障壁層２１ｂからなる部分のバンドギャップを示し、参照符号ＢＧ２はキャリアストップ層２７のバンドギャップを示し、参照符号ＢＧ３は第２光閉じ込め層３１のバンドギャップを示し、参照符号ＢＧ４は第５光閉じ込め層２９のバンドギャップを示し、参照符号ＢＧ５は第１光閉じ込め層１５のバンドギャップを示す。図４に示されるように、キャリアストップ層２７のバンドギャップは、第２光閉じ込め層３１のバンドギャップより大きく、且つ活性層２１の内の最大のバンドギャップより大きい。
キャリアストップ層２７がＡｌＩｎＡｓ半導体からなり、第２光閉じ込め層３１及び第５光閉じ込め層２９がＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる場合、キャリアストップ層２７と第２光閉じ込め層３１及び第５光閉じ込め層２９との価電子帯のバンドオフセットΔＥＶ１、ΔＥＶ２は、約１０ｍｅＶであり、伝導帯のバンドオフセットΔＥＣ１、ΔＥＣ２は、約２００ｍｅＶ程度ある。従って、キャリアストップ層２７と第２光閉じ込め層３１及び第５光閉じ込め層２９との価電子帯のバンドオフセットΔＥＶ１、ΔＥＶ２は、伝導帯のバンドオフセットΔＥＣ１、ΔＥＣ２よりも１桁以上小さいので、キャリアストップ層２７は、ｐ型クラッドから活性層２１に向かって移動するホールＨＬの障壁とはなりにくい。また、キャリアストップ層２７と第２光閉じ込め層３１及び第５光閉じ込め層２９との伝導帯のバンドオフセットΔＥＣ１、ΔＥＣ２は価電子帯のバンドオフセットΔＥＶ１、ΔＥＶ２より１桁以上大きいので、キャリアストップ層２７は、活性層２１からの電子ＥＬに対する電子ブロック層として機能する。故に、電子のオーバフローを低減可能となるので、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。キャリアストップ層２７が電子ブロック層として良好に機能するためには、活性層２１上におけるキャリアストップ層２７の厚さは、２０ｎｍ以上とすることが好ましい。また、キャリアストップ層２７による素子抵抗の増加を小さくするために、活性層２１上におけるキャリアストップ層２７の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましい。
ここで再び図１及び図２を参照する。第１クラッド層１３、第１光閉じ込め層１５、第１の分布ブラッグ反射器１８、第２の分布ブラッグ反射器２０、活性層２１、キャリアストップ層２７及び第２光閉じ込め層３１は、所定の軸Ａｘに沿って延びる半導体メサを構成する。また、半導体メサは、ストライプ状でありメサ埋め込み領域３５によってその側面が埋め込まれている。
メサ埋め込み領域３５は、例えば第１のｐ型電流狭窄層３５ａ、ｎ型電流狭窄層３５ｂ、及び第２のｐ型電流狭窄層３５ｃによって構成される。第１のｐ型電流狭窄層３５ａは、半導体メサの側面及び第１クラッド層１３の表面に設けられ、第１クラッド層１３の表面及び半導体メサの側面を覆っている。ｎ型電流狭窄層３５ｂは、第１のｐ型電流狭窄層３５ａ上に設けられている。第２のｐ型電流狭窄層３５ｃは、ｎ型電流狭窄層３５ｂと、第２クラッド層３３との間に設けられている。これらの電流狭窄層３５ａ〜３５ｃは、例えばｎ型またはｐ型ＩｎＰからなる。この積層には、ｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造が形成される。
半導体メサ及びメサ埋め込み領域３５上には、第２クラッド層３３が設けられている。第２クラッド層３３はｐ型半導体からなり、例えばｐ型ＩｎＰ半導体とすることができる。第２クラッド層３３上には、コンタクト層３７が設けられている。コンタクト層３７は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓ半導体とすることができる。コンタクト層３７上には、絶縁膜３９が形成されている。絶縁膜３９は活性層２１上に開口を有する。次いで、第１の電極膜４１が設けられる。コンタクト層３７が第１の電極膜４１と該開口を介してオーミック接触を成している。このため、活性層２１への電荷の注入が可能となる。半導体基板１１の主面１１ａとは反対側の裏面１１ｂには第２の電極膜４２が設けられており、第２の電極膜４２と半導体基板１１とがオーミック接触を成している。
以上に述べた半導体レーザの各層の材料、ドーパント元素、ドーパント濃度及び厚さの一例は、以下に示される。
第１クラッド層１３：ｎ型ＩｎＰ，Ｓｉ，1×１０１８ｃｍ−3，厚さ ５００ｎｍ
第１光閉じ込め層１５：ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ，Ｓｉ，５×１０１７ｃｍ−３，厚さ １５０ｎｍ
第１の量子細線１７：第１の井戸層１７ａ及び第１の障壁層１７ｂ
第１の井戸層１７ａ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ６ｎｍ
第１の障壁層１７ｂ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ９ｎｍ
第２の量子細線１９：第２の井戸層１９ａ及び第１の障壁層１９ｂ
第２の井戸層１９ａ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ６ｎｍ
第２の障壁層１９ｂ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ９ｎｍ
活性層２１：第３の井戸層２１ａ及び第３の障壁層２１ｂ
第３の井戸層２１ａ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ６ｎｍ
第３の障壁層２１ｂ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ９ｎｍ
第３光閉じ込め層１７ｃ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ４０ｎｍ
第４光閉じ込め層１９ｃ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ４０ｎｍ
第５光閉じ込め層２９：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ ４０ｎｍ
埋め込み半導体領域２３，２５：アンドープＡｌＩｎＡｓ
キャリアストップ層２７：アンドープＡｌＩｎＡｓ、厚さ ４０ｎｍ
第２光閉じ込め層３１：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ，Ｚｎ，５×１０１７ｃｍ−３，厚さ １１０ｎｍ
第２クラッド層３３：ｐ型ＩｎＰ，Ｚｎ，1×１０１８ｃｍ−３，厚さ ２０００ｎｍ
コンタクト層３７：ｐ型ＧａＩｎＡｓ，Ｚｎ，1×１０１９ｃｍ−３，厚さ ５００ｎｍ
次に図５〜図８を参照しながら、第１の実施形態に係る半導体レーザを作製する方法の工程を説明する。
図５（ａ）に示されるように、ｎ型ＩｎＰ半導体からなる基板上に、ｎ型ＩｎＰ半導体からなる第１クラッド層４３及びｎ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる第１光閉じ込め層４５を順に成長する。次いで、第１光閉じ込め層４５上に複数のアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体層を成長して、多重量子井戸層４７を形成する。多重量子井戸層４７は、井戸層４７ａ及び障壁層４７ｂを含む。さらに、多重量子井戸層４７上に、アンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる光閉じ込め半導体層４９を成長する。これらの成長は、例えば有機金属気相成長法により行われる。
図５（ｂ）に示されるように、光閉じ込め半導体層４９上に、絶縁膜５１を形成する。この形成は、例えば、シラン系ガス及び酸素系ガスをプロセスガスとして用いて、プラズマＣＶＤ法で行われる。シラン系ガスの一例としては、モノシランが用いられる。酸素系ガスの一例としては、酸素ガスが用いられる。絶縁膜５１は、例えばＳｉＯ２といった酸化シリコンからなる。絶縁膜５１の膜厚は、レジストマスク５３とのエッチング選択比を確保するために、１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度であることが好ましい。次いで、絶縁膜５１上にレジスト膜５３を形成する。この形成は、電子ビーム露光用レジストの塗布により行なわれる。
図６（ａ）に示されるように、絶縁膜５１上にレジストマスク５３ｄを形成する。この形成は、レジスト膜５３を電子ビーム露光法により露光して、現像することによって行なわれる。レジストマスク５３ｄは、周期的に配列された複数の細線を絶縁膜５９に形成するために周期的に配列された複数の細線パターン５３ａ、５３ｂ及び活性層のためのパターン５３ｃを有する。
図６（ｂ）に示されるように、レジストマスク５３ｄを用いて絶縁膜５１をエッチングし、絶縁体マスク５１ｇを光閉じ込め半導体層４９上に形成する。このエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。このＲＩＥにより、レジストマスク５３ｄの形状が絶縁体マスク５１ｇに転写される。エッチングの後にレジストマスク５３ｄを除去して絶縁体マスク５１ｇが形成される。このレジストマスク５３の除去は、例えばＯ２アッシングにより行なわれる。
ここで形成される絶縁体マスク５１ｇは、複数の第１の量子細線４８ａのための第１のパターン５１ｄ、複数の第２の量子細線４８ｂのための第２のパターン５１ｅ及び活性層のための第３のパターン５１ｃを有する。第１のパターン５１ｄ、第２のパターン５１ｅ及び第３のパターン５１ｃはそれぞれ、所定の軸に沿って取られた長さＬ４、長さＬ５及び長さＬ６を有する。第１のパターン５１ｄは、複数の第１の細線パターン５１ａを含む。第１の細線パターン５１ａは、所定の軸Ａｘの方向に所定の周期Λ４で配列されている。第２のパターン５１ｅは、複数の第２の細線パターン５１ｂを含む。第２の細線パターン５１ｂは、所定の軸Ａｘの方向に所定の周期Λ５で配列されている。第３のパターン５１ｃは、所定の軸Ａｘの方向にわたって延びている。
周期Λ４及び周期Λ５は共にブラッグ周期に設定される。例えば発振波長１５５０ｎｍとするための周期Λ４及び周期Λ５は共に２４０ｎｍであり、例えば発振波長１３００ｎｍとするための周期Λ４及びΛ５は共に２００ｎｍである。
第１の細線パターン５１ａ及び第２の細線パターン５１ｂはそれぞれ、所定の軸Ａｘに沿って取られた幅Ｗ４及び幅Ｗ５を有する。第１の細線パターン５１ａの幅Ｗ４は、第２の細線パターン５１ｂの幅Ｗ５よりも大きい。また、第１のパターン５１ｄの長さＬ４は、第２のパターン５１ｅの長さＬ５よりも長い。
図７（ａ）に示されるように、絶縁体マスク５１ｇを用いて多重量子井戸層４７及び光閉じ込め半導体層４９をエッチングし、複数の第１の量子細線４８ａ、複数の第２の量子細線４８ｂ及び活性層４７ｅを形成する。このエッチングの一例では、ＣＨ４／Ｈ２混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が用いられる。多重量子井戸層４７及び光閉じ込め半導体層４９をエッチングする工程において、例えば、ＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥ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Ｏ２アッシングとを繰り返し行うことが好ましい。このように繰り返すことにより、垂直性に優れた量子細線の配列が得られる。
図７（ｂ）に示されるように、ドライエッチングによる損傷層を除去するために、ドライエッチングが終了した後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、絶縁体マスク５１ｇを除去する。例えば、シリコン酸化物からなるマスクはバッファードフッ酸によるエッチングで除去される。
図７（ａ）及び図７（ｂ）を用いて説明したように、複数の第１の量子細線４８ａ、複数の第２の量子細線４８ｂ及び活性層４７ｅは、それぞれの作製工程に分離されることなく一括に作製される。故に、作製工程が単純化される。
図８（ａ）に示されるように、複数の第１の量子細線４８ａの側面の間及び第２の量子細線４８ｂの側面の間に、それぞれ埋め込み半導体領域５４ａ、５４ｂを成長して、第１の量子細線４８ａ及び第２の量子細線４８ｂを埋め込む。また、この工程において、第５光閉じ込め層４９ｃ上にキャリアストップ層５４ｃが併せて成長される。埋め込み半導体領域５４ａ、５４ｂ及びキャリアストップ層５４ｃは、同じ材料からなることができ、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなることができる。この半導体材料は、例えばノンドープＡｌＩｎＡｓ半導体であることができる。なお、第１埋め込み半導体領域５４ａ、５４ｂ及びキャリアストップ層５４ｃの成長速度は、５００ｎｍ／ｈ以下の低速であることが好ましい。この成長速度であれば、平坦な成長界面を得ることができる。
複数の第１の量子細線４８ａと埋め込み半導体領域５４ａ、及び複数の第２の量子細線４８ｂと埋め込み半導体領域５４ｂは、それぞれ分布ブラッグ反射器を形成する。ここで、各第１の量子細線４８ａの幅Ｗ７は、各第２の量子細線４８ｂの幅Ｗ８より大きい。また、第１の量子細線４８ａの配列の所定の軸Ａｘに沿って取られた長さＬ７は、第２の量子細線４８ｂの配列の所定の軸Ａｘに沿って取られた長さＬ８よりも長い。これらの長さＬ７及び長さＬ８はそれぞれ、所定の軸Ａｘに沿って取られた分布ブラッグ反射器の長さに相当する。量子細線の幅は屈折率結合係数に寄与するので、第１の量子細線４８ａの屈折率結合係数は、第２の量子細線４８ｂの屈折率結合係数より大きい。また、分布ブラッグ反射器の長さと屈折率結合係数との積は、反射率及びストップバンド幅に寄与するので、第１の量子細線４８ａにより形成される分布ブラッグ反射器は、第２の量子細線４８ｂにより形成される分布ブラッグ反射器の反射率より大きな反射率を有することができる。一方、第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器のストップバンド幅は、第１の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器のストップバンド幅よりも小さい。故に、第２の量子細線により形成される分布ブラッグ反射器は波長フィルタとして作用し、この半導体レーザからの出射光は単一モードとなる。
また、量子細線の幅及び量子細線の配列の長さは、絶縁体マスク５１ｇのパターン形状及び大きさにより制御可能である。従って、分布ブラッグ反射器の反射率及びストップバンド幅の制御が容易である。
図８（ｂ）に示されるように、複数の第１の量子細線４８ａ上、複数の第２の量子細線４８ｂ上、埋め込み半導体領域５４ａ、５４ｂ上及びキャリアストップ層５４ｃ上に、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる第２光閉じ込め層５５を成長する。次いで、第２光閉じ込め層５５上にｐ型ＩｎＰ半導体からなる第２クラッド層５７を成長する。
この場合には、埋め込み半導体領域５４ａ、５４ｂ及びキャリアストップ層５４ｃのバンドギャップは、第２光閉じ込め層５５のバンドギャップよりも大きく、且つ活性層４７ｅのうちのバンドギャップよりも大きくなる。故に、キャリアストップ層５４ｃは、活性層４７ｅからの電子に対するポテンシャル障壁となる。このため、活性層４７ｅからの電子は第２光閉じ込め層５５に到達しない。一方、キャリアストップ層５４ｃは、ｐ型クラッドから活性層４７ｅに向かって移動するホールに対する障壁とはならない。従って、このホールは、キャリアストップ層５４ｃを通過して活性層４７ｅに到達する。
この後に、第２クラッド層５７上にコンタクト層を成長する。さらに、単一横モードを得るために、ストライプ幅を１μｍ程度としたＢＨ型ストライプ構造といった屈折率導波構造を形成する。
図９は、本発明に係る半導体レーザの第２の実施形態の構成を示す図面である。図９に示した半導体レーザの構成は、活性層７１と第２の分布ブラッグ反射器７０との間にギャップ領域８５が設けられている点で、第１の実施形態の半導体レーザの構成と相違する。この相違点について説明する。
ギャップ領域８５は、埋め込み半導体領域７５と同じ材料からなる。また、ギャップ領域８５の所定の軸Ａｘに沿って取られた幅Ｗ９は、埋め込み半導体領域７５の所定の軸Ａｘに沿って取られた幅Ｗ１０よりも大きい。このギャップ領域を設けることにより活性層７１と第２の分布ブラッグ反射器７０との間に生じる散乱損失の低減が可能となり、活性層７１と第２の分布ブラッグ反射器７０との間の結合効率を向上させることができる。従って、レーザ光の高出力化が可能となる。このギャップ領域８５の材料は、例えばノンドープＡｌＩｎＡｓ半導体であることができる。また、ギャップ領域８５の幅Ｗ９は、例えば５００ｎｍ程度である。また、ギャップ領域８５の幅Ｗ９は、散乱損失の影響を受けないようにするために３００ｎｍ以上とし、さらに、内部損失が増加しないようにするために、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。 図２は、図１の一部を拡大して示す断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）はそれぞれ、第１及び第２の分布ブラッグ反射器の反射スペクトルを示す図である。 図４は、半導体レーザのバンド構造を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。 図９は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１０…半導体レーザ、１１…半導体基板、１３，４３…第１クラッド層、１５，４５…第１光閉じ込め層、１７，４８ａ…第１の量子細線、１８…第１の分布ブラッグ反射器、１９，４８ｂ…第２の量子細線、２０…第２の分布ブラッグ反射器、２１，４７ｅ…活性層、２３，２５，５４ａ，５４ｂ…第１埋め込み半導体領域、２７，５４ｃ…キャリアストップ層、２９…第５光閉じ込め層、３１，５５…第２光閉じ込め層、３３，５７…第２クラッド層、３７…コンタクト層、３９…絶縁膜、４１…第１の電極膜、４２…第２の電極膜、４７…多重量子井戸層、４７ａ…井戸層、４７ｂ…障壁層、５１ｃ…第３のパターン、５１ｄ…第１のパターン、５１ｅ…第２のパターン、５１ｇ…絶縁体マスク、８５…ギャップ領域。

Claims (10)

  1. 第１〜第３のエリアを含む主面を有し、クラッド領域上に設けられた第１光閉じ込め層と、
    前記第１のエリア上に前記所定の軸に沿って配列され、第１の分布ブラッグ反射器のための複数の第１の量子細線と、
    前記第２のエリア上に前記所定の軸に沿って配列され、第２の分布ブラッグ反射器のための複数の第２の量子細線と、
    前記第１の量子細線の側面の間及び前記第２の量子細線の側面の間に設けられた埋め込み半導体領域と、
    前記所定の軸に沿って前記第３のエリアの一端から他端まで延びており、前記第３のエリア上に設けられた活性層と、
    前記第１の分布ブラッグ反射器上、前記第２の分布ブラッグ反射器上及び前記活性層上に設けられた第２光閉じ込め層と
    を有し、
    前記第３のエリアは、前記第１のエリアと前記第２のエリアとの間に設けられており、
    前記埋め込み半導体領域は、前記第１の量子細線の平均の屈折率及び前記第２の量子細線の平均の屈折率とは異なる屈折率を有することを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記所定の軸に沿って取られた各第１の量子細線の幅は、前記所定の軸に沿って取られた各第２の量子細線の幅よりも大きく、
    前記第１の分布ブラッグ反射器の前記所定の軸に沿って取られた長さは、前記第２の分布ブラッグ反射器の前記所定の軸に沿って取られた長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 前記第１の量子細線は、交互に配置された第１の井戸層と第１の障壁層とを有し、
    前記第２の量子細線は、交互に配置された第２の井戸層と第２の障壁層とを有し、
    前記活性層は、交互に配置された第３の井戸層と第３の障壁層とを有し、
    前記第１〜第３の井戸層は互いに同じ材料からなり、
    前記第１〜第３の障壁層は互いに同じ材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ。
  4. 前記活性層の前記所定の軸に沿って取られた長さは、５０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  5. 前記活性層と前記第２光閉じ込め層との間に設けられたキャリアストップ層を更に備え、
    前記クラッド領域はｎ型半導体からなり、
    前記キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、
    前記第２光閉じ込め層はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、
    前記キャリアストップ層のバンドギャップは、前記第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きく、且つ前記活性層の内の最大のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  6. 前記活性層と前記第２の分布ブラッグ反射器との間に設けられ、前記埋め込み半導体領域と同じ材料からなるギャップ領域を更に備え、
    前記ギャップ領域の前記所定の軸に沿って取られた幅は、前記第２の量子細線の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  7. 前記活性層上に設けられた電極を更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  8. 半導体レーザを作製する方法であって、
    第１光閉じ込め層をクラッド領域上に成長する工程と、
    多重量子井戸のための半導体層を前記第１光閉じ込め層上に成長する工程と、
    前記所定の軸の方向に配列された複数の第１の量子細線のための第１のパターンと、前記所定の軸の方向に配列された複数の第２の量子細線のための第２のパターンと、活性層のための第３のパターンとを有するマスクを前記半導体層上に形成する工程と、
    前記マスクを用いて前記半導体層をエッチングし、前記活性層、前記第１及び第２の量子細線を形成する工程と、
    前記第１及び第２の量子細線を埋め込むために、前記第１の量子細線の側面の間及び前記第２の量子細線の側面の間に埋め込み半導体領域を成長する工程と
    を備え、
    前記第３のパターンは、前記第１のパターンと前記第２のパターンとの間に設けられていることを特徴とする方法。
  9. 前記所定の軸に沿って取られた各第１の量子細線の幅は、前記所定の軸に沿って取られた各第２の量子細線の幅よりも大きく、
    前記第１の量子細線の配列の前記所定の軸に沿って取られた長さは、前記第２の量子細線の配列の前記所定の軸に沿って取られた長さよりも長いことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記半導体層をエッチングした後、且つ前記埋め込み半導体領域を成長する前に前記マスクを除去する工程と、
    前記埋め込み半導体領域を成長した後に、第２光閉じ込め層を成長する工程と
    を更に備え、
    前記埋め込み半導体領域を成長する工程において、前記活性層上にキャリアストップ層を併せて成長し、
    前記埋め込み半導体領域及び前記キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、
    前記クラッド領域はｎ型半導体からなり、
    前記第２光閉じ込め層はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなり、
    前記埋め込み半導体領域及び前記キャリアストップ層のバンドギャップは、前記第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きく、且つ前記活性層の内の最大のバンドギャップより大きく、
    前記第２光閉じ込め層は、前記第１の量子細線上、前記第２の量子細線上、前記埋め込み半導体領域及び前記キャリアストップ層上に成長することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の方法。
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GB2507527A (en) * 2012-11-01 2014-05-07 Oclaro Technology Ltd Semiconductor DBR laser
JP6379696B2 (ja) * 2014-06-05 2018-08-29 住友電気工業株式会社 量子カスケード半導体レーザ
JP6464895B2 (ja) * 2015-04-03 2019-02-06 住友電気工業株式会社 量子カスケード半導体レーザ
JP2018006440A (ja) * 2016-06-29 2018-01-11 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
CN113471812B (zh) * 2021-07-02 2023-10-13 中国科学院半导体研究所 增益器件、半导体激光器及半导体激光器的制作方法
CN113791416B (zh) * 2021-09-10 2023-12-05 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种激光雷达系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63255985A (ja) 1987-04-14 1988-10-24 Oki Electric Ind Co Ltd 分布反射型半導体レ−ザ素子
US6822982B2 (en) * 2001-09-28 2004-11-23 The Furukawa Electric Co., Ltd. Device and method for providing a tunable semiconductor laser
JP4193866B2 (ja) * 2006-04-27 2008-12-10 住友電気工業株式会社 半導体発光素子の製造方法

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