JP5206976B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、分布帰還型（Distributed Feedback, DFB）レーザ及びその製造方法に関する。

光ファイバ通信を大容量化、長距離化するためには、単一の縦モードでレーザ発振する光源が必要である。この要求を満たす光源として、ＤＦＢレーザが実用化されている。

ＤＦＢレーザは、活性層を含む帯状の光導波路内に、回折格子が形成された半導体レーザである。この回折格子によって、活性層で増幅された光が帰還されてレーザ発振が起きる。

他の半導体レーザと同様、ＤＦＢレーザでも、注入された電流は、リッジ導波路型等の種々の電流狭窄構造によって電流密度が高められた後、幅数μｍの帯状の活性層に注入される。このため、活性層のキャリア濃度が著しく高くなり、レーザ発振に必要な大きな光利得が達成される。

リッジ導波路型DFBレーザとしては、平面状の活性層の上に同じく平面状の回折格子層が形成され、その上にリッジ状の上部クラッド層が形成されたDFBレーザが報告されている（非特許文献１）。

このようなＤＦＢレーザでは、リッジ状の上部クラッド層の両脇に露出した回折格子層の表面及びこの上部クラッド層の側面が、絶縁膜で覆われる。従って、注入された電流は、上部クラッド層の直下の領域に集中的に注入される。このため、上部クラッド層の直下で、活性層のキャリア濃度が高くなり、レーザ発振に至る。

ここで、上記ＤＦＢレーザの活性層は、InGaAlAs系の多重量子井戸構造によって形成されている。尚、基板は、ＩｎＰである。

InGaAlAs系の多重量子井戸構造は伝導帯でのバンドオフセットが大きいため、高温でもレーザ特性が劣化しにくいという利点を有している。このため、InGaAlAs系の多重量子井戸構造を活性層とする上記DFBレーザは、温度制御装置の不要な安価な光モジュール用の光源として期待されている。

K. Nakahara, T. Tsuchiya, T. Kitatani, K. Shinoda, T. Taniguchi, T. Kikawa, M. Aoki, and M. Mukaikubo, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.19, pp.1436-1438, 2007.

ＤＦＢレーザから出射されたレーザ光は結合レンズによって収束された後、光ファイバに入射する。この光ファイバへ入射するレーザ光の割合（結合効率）を高くするためには、レーザ光の横モードを基本モード（以下、横基本モードと呼ぶ）にすることが重要である。

しかし、リッジ構造脇に回折格子が露出する従来のリッジ型DFBレーザの場合、リッジ脇への光の染み出しの大きい横高次モードが受ける結合係数が大きくなり、特に水平方向の横高次モードが発振しやすい。この場合、遠視野像が双峰化しファイバへの結合係数が悪化し、さらに電流-光出力特性にキンクが生じる。

そこで、本発明の目的は、横基本モードでレーザ発振し易い、リッジ導波路型ＤＦＢ及びその製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、本半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板の上側に形成された活性層と、前記活性層の上側に形成された回折格子層と、前記回折格子層の上側に形成された、リッジ状の上部クラッド層を有している。

そして、本半導体レーザでは、前記上部クラッド層の両脇に於ける前記回折格子層の山と谷の高低差が、前記上部クラッド層の下側に於ける前記回折格子層の山と谷の高低差より小さくなっている。

本実施の形態によれば、リッジ導波路型ＤＦＢレーザが、横基本モードでレーザ発振し易くなる。

本発明者が以前に製造していたリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その１）。 本発明者が以前に製造していたリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その２）。 回折格子層に形成された回折格子の構成を説明する図である。 実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その１）。 実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その２）。 実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その３）。 実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その４）。 実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その５）。 実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの断面を説明する図である。 ＩｎＡｓ量子ドット構造の構成を説明する図である。 実施例２のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その１）。 実施例２のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その２）。 実施例２のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その３）。 実施例２のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その４）。 実施例２のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である（その５）。 実施例１又は２のリッジ導波路型ＤＦＢを搭載した光トランシーバの構成を説明する図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

InP基板上においてInGaAsP系やInGaAlAs系の多重量子井戸構造を活性層とするリッジ導波路型レーザは、光ファイバ通信用の光源として適用が進められている。

また、InP基板よりも安価で大口径なGaAs基板を用いた半導体レーザの開発も進められている。特に、GaAs基板上のInAs量子ドット構造を活性層に適用した量子ドットレーザは特性温度が極めて高い。従って、このような量子ドットレーザによれば、温度によって駆動動作条件を調整する必要のない温度無依存動作を実現できる。

このGaAs基板上の量子ドットレーザも、伝送距離の長距離化のため、単一モード動作化させることが望ましい。この場合、活性層がエッチングされないため高い信頼性が得られやすいリッジ導波路型の電流狭窄構造によって、DFBレーザを形成することが好ましい。

このような量子ドットＤＦＢレーザを例として、リッジ状の上部クラッド層の両脇にに回折格子が露出しているリッジ導波路型ＤＦＢレーザが、横高次モードでレーザ発振しやすい理由を説明する。

図１及び２は、本発明者が以前に製造していた、ＩｎＡｓ量子ドットを活性層とするリッジ導波路型ＤＦＢレーザの製造工程を説明する斜視図である。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２の上に、下部クラッド層となるｎ型ＡｌＧａＡｓ４を成長する。次に、このｎ型ＡｌＧａＡｓ４の上に、活性層となるＩｎＡｓ量子ドット構造６を成長する。更に、ＩｎＡｓ量子ドット構造６の上に、ｐ型ＧａＡｓ８を成長する。次に、ｐ型ＧａＡｓ８をエッチングして、凹凸が共振器方向（光の伝搬方向）に周期的に繰り返される回折格子を形成する（図１（ａ）参照）。このように回折格子が形成された半導体層を、以下、回折格子層と呼ぶ。

次に、回折格子の形成されたｐ型ＧａＡｓ８（回折格子層１８）の上に、上部クラッド層となるｐ型ＩｎＧａＰ１０を形成する。更に、ｐ型ＩｎＧａＰ１０の上に、コンタクト層となるｐ型ＧａＡｓ１２を成長する（図１（ｂ）参照）。

次に、コンタクト層となるｐ−ＧａＡｓ１２の上に、帯状のＳｉＯ_２膜１４を形成する（図１（ｃ）参照）。このＳｉＯ_２膜１４をエッチングマスクとして、ｐ型ＧａＡｓ１２及びｐ型ＩｎＧａＰ１０をウェットエッチングして、リッジ１６を形成する（図２（ａ）参照）。このウェットエッチングにより、回折格子層１８が、リッジ１６の両脇に露出する。

次に、リッジ１６の形成に使用したＳｉＯ_２マスク１４を除去する。その後、リッジ１６及び回折格子層１８を覆うように、保護膜となるＳｉＯ_２膜２０を成膜する（図２（ｂ）参照）。

次に、リッジ１６の頂上を覆うＳｉＯ_２膜を除去して、コンタクト層２２（ｐ型ＧａＡｓ１２）を露出させる。その後、ｎ型ＧａＡｓ基板２の表面側及び裏面側に、夫々、上部電極２４及び下部電極２６を形成して、リッジ導波路型ＤＦＢレーザ２８を完成する。（図２（ｃ）参照）。

以上の説明から明らかなように、回折格子層１８は、リッジ１６の下側だけでなく、リッジ１６の両脇を含む基板表面全体に形成される。

活性層30で発生した自然放出光はリッジ16の下側に形成された光の閉じ込め領域を伝播する。この伝播光は活性層30により増幅され、同時に回折格子層18によって反射（帰還）されレーザ発振に至る。

この時、レーザ光は、裾野が回折格子層１８に滲み出した状態で、活性層３０を伝搬する。このレーザ光の滲み出しは、リッジ１６の下側だけでなく、リッジ両脇の回折格子層１８にも及ぶ。

このため、レーザ光は、リッジ１６の両脇に形成された回折格子層１８（リッジ１６の両脇に位置する部分）からも摂動を受けて反射される。従って、リッジ導波路型ＤＦＢレーザ２８の発振特性は、リッジ１６の両側に形成された回折格子層１８の影響を受ける。

図３は、回折格子層１８に形成された回折格子３２の構成を説明する図である。図３の横方向は、リッジ１６の延在する方向である。図３の縦方向は、ＧａＡｓ基板２の表面に垂直な方向である。

ＤＦＢレーザの発振特性は、回折格子の結合係数κに大きく依存する。１次の回折モードに対する結合係数κは、次のように表すことができる。

ここで、ｎ_１は、回折格子層１８を形成する半導体の屈折率である。ｎ_２は、回折格子層１８を覆う埋め込み層３６の屈折率である。ｋは、レーザ光の波数である。βは、活性層３０を伝搬する導波光モードの伝搬定数である。

Γ_ｇは、この導波光モードの回折格子層１８における光閉じ込め係数である。具体的には、回折格子３２の谷３８の底と山４０の頂上との間４２に滲み出した導波光モードの割合である。

Λは、回折格子層１８に形成された回折格子３２の周期である。Λ_１は、回折格子３２の山４０の幅である。式（１）から明らかなように、山４０と谷３８における屈折率差（ｎ_１―ｎ_２）が大きいほど、結合係数κは大きくなる。また、回折格子層１８における光の閉じ込め係数Γ_ｇが大きいほど、結合係数κは大きくなる。

ＤＦＢレーザの発振しきい値利得は、κが大きくなるほど小さくなる。

ところで、リッジ導波路型ＤＦＢレーザ２８では、リッジ１６の両脇の回折格子層１８は、ＳｉＯ_２膜２０によって覆われている（図２（ｃ）参照）。

ここで、半導体で形成される回折格子層１８の屈折率は、３．０を超える。一方、ＳｉＯ_２の比誘電率は、略１．５である。従って、リッジ１６の両脇における屈折率差（ｎ_１―ｎ_２）は、非常に大きくなる。

一方、リッジ１６の下側では、回折格子層１８及び埋め込み層３６とも半導体なので、両層の屈折率差（ｎ_１―ｎ_２）の値は小さい。

このようにリッジ１６の両脇に、屈折率差（ｎ_１―ｎ_２）の大きな回折格子層１８が形成されると、横高次モードの結合係数κが大きくなる。これは、滲み出しが大きい横高次モードでは、回折格子層１８への光閉じ込め係数Γ_ｇが大きいためである。

このため、リッジ導波路型ＤＦＢレーザ２８は、高次の横モード（特に、１次の横モード）でレーザ発振しやすい。

横高次モードでレーザ発振している半導体レーザでは、遠視野像（Far Field Pattern, FFP）が多峰化している。ＦＦＰが多峰化すると、結合レンズから食み出すレーザ光の割合が増加する。その結果、ＤＦＢレーザと光ファイバの結合効率が低下する。

このように、リッジ導波路型ＤＦＢレーザには、生成したレーザ光を効率よく光ファイバに結合することができないという問題がある。

この問題を解決するための方法は、幾つか考えられる。

まず、リッジ１６の幅を狭くして、横高次モードが形成されないようにすることが考えられる。しかし、リッジ１６の幅を狭くすると、コンタクト層２２の幅も狭くなる。このため、素子抵抗が高くなる。その結果、発熱量が大きくなり、レーザ発振特性が悪化する問題が生じる。

次に、リッジ１６の両脇に形成された回折格子層１８を、エッチングによって除去することも考えられる。しかし、活性層をエッチングしないように活性層直上でエッチングを止めるための制御性が難しいという問題が生じる。

そこで、本実施の形態では、上部クラッド層（リッジ１６）の両脇に於ける回折格子層１８の山４０と谷３８の高低差４３を、上部クラッド層（リッジ１６）の下側に於ける回折格子層１８の山４０と谷３８の高低差より小さくして、リッジ両脇における回折格子３２の閉じ込め係数Γ_ｇを小さくする（図３参照）。

式（１）に示すように結合係数κは、閉じ込め係数Γ_ｇに比例する。従って、リッジ１６の両脇で回折格子３２の山（凸部）と谷（凹部）の高低差を小さくすれば、横高次モードの結合係数κが小さくなる。

一方、横基本モードもリッジ１６の両脇に滲み出すが、滲みだす割合は横高次モードより小さい。このため、横高次モードの結合係数が、相対的に小さくなる。

従って、リッジ１６の両脇で回折格子３２の山（凸部）と谷（凹部）の高低差を小さくすれば、横高次モードでのレーザ発振が起こり難くなる。

このように、回折格子３２の山（凸部）と谷（凹部）の高低差を小さくすることは、マストランスポートを利用すれば、実現可能である。

故に、本実施の形態によれば、横高次モード発振が起こり難いリッジ導波路型ＤＦＢレーザを形成することができる。

尚、マストランスポートとは、加熱された半導体表面における、構成原子の移動現象のことである。

リッジの両脇で回折格子の高低差を小さくしたリッジ導波路型ＤＦＢレーザを、製造工程に従って詳しく説明する。

（１）製造方法
図４乃至８は、本実施例のリッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４の製造工程を説明する斜視図である。図８（ｂ）には、完成したリッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４の斜視図が示されている。

図９は、本ＤＦＢレーザ４４の断面を説明する図である。図９（ａ）は、図８（ｂ）の９Ａ−９Ａに沿った断面図である。図９（ｂ）は、図８（ｂ）の９Ｂ−９Ｂに沿った断面図である。

（i）下部クラッド層形成工程、活性層形成工程
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)又は有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE)によって、下部クラッド層４５となるｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層４６を１．５μｍ成長する。ＧａＡｓ基板２の面方位は、（００１）である（図４（ａ）参照）。尚、特に断らない限り、半導体層は、ＭＢＥ又はＭＯＶＰＥによって成長する。

次に、このｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層４６の上に、活性層となるＩｎＡｓ量子ドット構造４８を成長する。更に、ＩｎＡｓ量子ドット構造４８の上に、厚さ４０ｎｍのアンドープＧａＡｓ層５０及び厚さ２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層５２を、順次成長する。（図４（ａ）参照）。

図１０は、ＩｎＡｓ量子ドット構造４８の構成を説明する図である。ＩｎＡｓ量子ドット構造４８は、以下の手順に従って形成される。

まず、アンドープＧａＡｓ層（以後、ｉ−ＧａＡｓ層と呼ぶ）５４を成長する。このｉ−ＧａＡｓ層の上に、アンドープＩｎＡｓ層（以後、ｉ−ＩｎＡｓ層と呼ぶ）を数原子層成長する。すると、濡れ層５６及び量子ドット５８が、自然に形成される。

次に、濡れ層５６及び量子ドット５８の上に、ｉ−ＩｎＧａＡｓ製の歪緩和層６０を成長する。

次に、この歪緩和層６０の上に、ｉ−ＧａＡｓ層６２、ｐ型ＧａＡｓ層６４、及びｉ−ＧａＡｓ層６６を順次成長する。

以上のようなｉ−ＩｎＡｓ層（濡れ層５６及び量子ドット５８）乃至ｉ−ＧａＡｓ層６６の成長が１０回繰り返され、ＩｎＡｓ量子ドット構造４８が形成される。

ところで、ｉ−ＧａＡｓ層６２とｉ−ＧａＡｓ層６６の間には、ｐ型のＧａＡｓ層６４が挿入されている。このような構造は、変調ｐドープ構造と呼ばれている。

変調ｐドープ構造を形成すると、量子ドット５８に供給されるホールが増加する。その結果、量子ドットレーザの微分利得や温度安定動作性（特性温度）が向上し、レーザ発振特性が改善される。

本工程により、半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板２）の上側に活性層３０（ＩｎＡｓ量子ドット構造４８）が形成される。

（ii）回折格子層形成工程
次に、ｐ型ＧａＡｓ層５２の上に、厚さ３０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成する。このＳｉＯ_２膜の上に、レジストを塗布する。このレジストを、電子ビーム露光法又は干渉露光法によって、形成予定の回折格子に対応するパターンに加工する。

次に、このレジストパターンをエッチングマスクとして、上記ＳｉＯ_２膜をエッチングして、ＳｉＯ_２膜に回折格子パターンを転写する。

更に、このＳｉＯ_２膜をエッチングマスクとして、ｐ型ＧａＡｓ層５２をエッチングして、回折格子層６９を形成する（図４（ｂ）参照）。

ｐ型ＧａＡｓ層５２のエッチングは、例えば、アンモニア水、過酸化水素水、及び水の混合溶液をエッチング液とするウェットエッチングによって行う。

ここで、回折格子の深さ（回折格子の谷３８と山４０の高低差４３）は、例えば、２０ｎｍである。また、回折格子の周期は、例えば、１９８ｎｍである。この周期は、約１３１０ｎｍのレーザ発振波長に相当する。

本工程により、活性層３０の上側に、半導体層（ｐ型ＧａＡｓ層５２）が光の導波方向に周期的に除去された回折格子層６９が形成される（図４（ｂ）参照）。

（iii）リッジ形成工程
次に、回折格子の形成に用いたＳｉＯ_２膜を除去する。

次に、上部クラッド層６８となる厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＧａＰ層７０を、回折格子層６９の上に成長する。更に、コンタクト層２２となる厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ７４を成長する（図５（ａ）参照）。

次に、ｐ型ＧａＡｓ７４の上に、形成予定のリッジ１６に対応する、幅約4μmの帯状のＳｉＯ_２膜７６を形成する（図５（ｂ）参照）。

次に、上記ＳｉＯ_２膜７６をエッチングマスクとして、アンモニア水、過酸化水素水、及び水の混合溶液によって、コンタクト層２２となるｐ型ＧａＡｓ７４をエッチングする。この際、上部クラッド層６８となるＩｎＧａＰ層７０は、ほとんどエッチングされない。

次に、塩酸により、上部クラッド層６８となるＩｎＧａＰ層７０をエッチングする。この時、コンタクト層２２となるｐ型ＧａＡｓ層７４は、塩酸によってはエッチングされない。また、ＧａＡｓ製の回折格子層６９及びアンドープＧａＡｓ層５０も、塩酸によってはエッチングされない。従って、回折格子層６９の上に、幅２μｍのリッジ１６が形成される（図６（ａ）参照）。このようにして形成される回折格子の結合係数は、約５０ｃｍ^−１になる。

以上のように、本工程では、回折格子層６９の上側に、リッジ状の上部クラッド層６８が形成される。

（iv）回折格子層の平坦化工程
次に、ＧａＡｓ製のコンタクト層２２の上にＳｉＯ_２膜７６を残したまま、リッジ１６が形成されたＧａＡｓ基板２（以下、基板２と呼ぶ）を、ＭＯＶＰＥ装置に搬入する。

次に、このＭＯＶＰＥ装置によって、リッジ１６の側面、回折格子層６９、及び回折格子層６９の間に露出したアンドープＧａＡｓ層５０の上に、厚さ１〜５ｎｍのＧａＡｓ薄膜７８を成膜する（図６（ｂ）参照）。成膜温度は、３００〜４００℃である。このような低温では、PやAsなどのV族元素抜けによる表面荒れは起こらない。

次に、上記ＭＯＶＰＥ装置内で、上記基板２を、ＡｓＨ_３雰囲気中で、例えば、５８０℃〜６４０℃の温度で、３０分〜１時間アニール処理（熱処理）する。この熱処理によって、リッジ１６の両脇に露出した回折格子層６９の山４０から谷３８へ、ＧａＡｓが移動（マストランスポート）する。その結果、リッジ１６の両脇に露出した回折格子層６９が平坦化される（図７（ａ）、図９(ａ)、及び図９(ｂ)参照）。

本実施例では、上部クラッド層６８がＩｎＧａＰで形成されている。しかし、上部クラッド層６８の側面は、ＧａＡｓ薄膜７８によって覆われている（図７（ａ）参照）。
このため、580℃〜640℃のAsH₃雰囲気中においても、上部クラッド層６８の側面においてPとAsの置換による表面荒れを防ぐことができる。故に、マストランスポートのための熱処理によって、導波路損失が増加する等の弊害はない。また、580℃〜640℃の温度範囲では活性層の量子ドットが劣化して発光強度が弱まることはない。

このように、本工程では、上部クラッド層６８の側面をＧａＡｓで覆った後に、上部クラッド層６８の両脇に露出した回折格子層６９を加熱して平坦化する。

（v）電極形成工程
次に、コンタクト層２２に形成されたＳｉＯ_２層７６を、緩衝フッ酸溶液によって取り除く（図７（ｂ）参照）。

次に、露出している半導体層全体を覆うように、ＳｉＯ_２膜８０を再度成膜する（図８（ａ）参照）。

次に、コンタクト層２２上部表面を覆うＳｉＯ_２膜８０のみを、エッチングして除去する。

次に、露出したコンタクト層２２及び残されたＳｉＯ_２膜８０の上に、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕを蒸着して、上部電極８２を形成する（図８（ｂ）、図９（ａ）、及び図９（ｂ）参照）。

次に、ＧａＡｓ基板２の裏面を研磨して、ＧａＡｓ基板２を約１００μｍの厚さにする。その後、ＧａＡｓ基板２の裏面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着して、下部電極８４を形成する（図８（ｂ）、図９（ａ）、及び図９（ｂ）参照）。

次に、素子長が例えば３００μｍになるように、ＧａＡｓ基板２をへき開する。その後、へき開によって形成された端面に、コーティング膜（図示せず）を形成する。

例えば、前側端面には、反射率１％以下の無反射コーティング膜を形成し、後側端面には、反射率９０％以上の高反射コーティング膜を形成する。

以上の工程により、リッジ１６の両脇の回折格子層６９が平坦化された、リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４が完成する。

（２）構 成
上記製造方法から明らかなように、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４は、半導体基板（ｎ型ＧａＡs基板２）と、上記半導体基板の上側に形成された活性層３０を具備している（図８（ｂ）及び図９（ａ）参照）。

また、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４は、活性層３０の上側に形成された回折格子層６９を具備している。ここで回折格子層６９は、半導体層（ｐ型ＧａＡｓ層５２）が光の導波方向に周期的に除去されて形成されている。

また、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４は、回折格子層の上側に直接形成された、リッジ状の上部クラッド層６８を具備している。尚、「リッジ状」とは、急傾斜した側壁を備えた帯状の隆起構造（リッジ）が有する形状のことである。

そして、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４では、上部クラッド層６８の両脇に於ける回折格子層６９の山と谷の高低差４３が、上部クラッド層６８の下側に於ける回折格子層６９の山と谷の高低差より小さくなっている。

（３）動 作
次に、図８（ｂ）を参照して、本リッジ導波路ＤＦＢレーザ４４の動作を説明する。

上部電極８２及び下部電極８４から活性層３０に電流を注入すると、活性層３０で光が発生する。

この光は、活性層３０によって増幅され、同時に、回折格子層６９によって反射（帰還）される。この正帰還によって、レーザ光が生成される。

この時、活性層３０を導波する光は、リッジ１６の両脇に滲み出して、リッジ１６の両脇に形成された回折格子層６９によっても反射される。

ところで、リッジ１６の両脇に形成された回折格子層６９では、回折格子の山と谷の高低差が小さくなり、回折格子が平坦化されている。このため、リッジ１６の両脇では、回折格子層６９の結合係数κが小さくなっている。

導波光のリッジ両脇への滲み出しは、横基本モードより横高次モードの方が大きい。従って、回折格子の平坦化による結合係数の縮小幅は、横基本モードより横高次モードで大きい。

このため、横高次モードの結合係数は、横基本モードの結合係数より小さくなる。従って、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４では、横高次モードの発振が抑制され、横基本モードが形成する単峰性の良好な遠視野像が得られやすくなる。

また、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４では、回折格子層６９と活性層３０の間には、厚さ４０ｎｍのアンドープＧａＡｓ層５０しか存在しない。このため、活性層３０を導波する光の、回折格子層６９における光閉じ込め係数Γ_ｇが大きくなる。従って、InGaP上部クラッド層の再成長において平坦化が容易な浅い深さの回折格子でも実用上十分な結合係数が得られ、低いしきい値電流を実現することができる。

本実施例では、エッチングストップ層を設けることによって、回折格子層の深さを正確に制御する。まず、本実施例のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの構成を、製造工程に従って詳しく説明する。

（１）製造方法
図１１乃至１５は、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ８６の製造工程を説明する斜視図である。

（i）下部クラッド層形成工程、活性層形成工程
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)又は有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE)によって、下部クラッド層４５となるｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層４６を１．５μｍ成長する（図１１（ａ）参照）。ＧａＡｓ基板２の面方位は、（００１）である。尚、特に断らないが、半導体層は、ＭＢＥ又はＭＯＶＰＥによって成長する。

次に、このｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層４６の上に、活性層３０となるＩｎＡｓ量子ドット構造４８を成長する。更に、ＩｎＡｓ量子ドット構造４８の上に、厚さ４０ｎｍのアンドープＧａＡｓ層５０、厚さ５ｎｍのp型ＩｎＧａＰ層８８、及び厚さ２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層５２を、順次成長する。（図１１（ａ）参照）。ここで、ＩｎＧａＰ層８８は、ｐ型ＧａＡｓ層５２をエッチングして回折格子を作製する際に、エッチングストップ層として機能する。

ＩｎＡｓ量子ドット構造４８の構成及び製造方法は、実施例１で説明したＩｎＡｓ量子ドット構造４８と同じである。

上記各半導体層は、ＭＢＥ又はＭＯＶＰＥで成長する。但し、ｎ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層４６〜アンドープＧａＡｓ層５０までを、個体ソースＭＢＥで成長し、その後、ＭＯＣＶＤ装置で、ＩｎＧａＰ層８８及びｐ型ＧａＡｓ層５２を成長してもよい。

（ii）回折格子層形成工程
次に、ｐ型ＧａＡｓ層５２の上に、厚さ３０ｎｍのＳｉＯ_２膜を形成する。その後、このＳｉＯ_２膜の上にレジストを塗布する。電子ビーム露光法又は干渉露光法によって、このレジストを、形成予定の回折格子に対応するパターンに加工する。

次に、このパターンをエッチングマスクとして、上記ＳｉＯ_２膜をエッチングして、ＳｉＯ_２膜に回折格子パターンを転写する。

更に、このＳｉＯ_２膜をエッチングマスクとして、ｐ型ＧａＡｓ層５２をエッチングして、回折格子層９０を形成する（図１１（ｂ）参照）。

ｐ型ＧａＡｓ層５２のエッチングは、例えば、アンモニア水、過酸化水素水、及び水の混合溶液をエッチング液とするウェットエッチングによって行われる。このウェットエッチングは、ＩｎＧａＰ製のエッチストップ層８８で停止する。

従って、回折格子の深さ（回折格子の谷と山の高低差）のバラツキは、ＭＢＥ又はＭＯＶＰＥによる成長膜厚の制御精度によって決まる。一方、実施例１の回折格子の深さのばらつきは、上記混合液によるｐ型ＧａＡｓ層５２及びアンドープＧａＡｓ層５０のエッチング精度によって決まる。

ところで、ＭＢＥ又はＭＯＶＰＥの膜厚制御精度は、エッチングの精度に比べ格段に高い。従って、本実施例によれば、回折格子の深さのばらつきが小さくなり、回折格子の結合係数κの精度が向上する。

尚、回折格子層９０の回折格子の周期は、例えば、１９８ｎｍである。この場合、レーザ発振波長は、約１３１０ｎｍになる。

以上のように、本工程では、ＩｎＧａＰ層８８の上に形成したＧａＡｓ層５２を選択的にエッチングして、活性層３０の上側に回折格子層９０を形成する。

（iii）リッジ形成工程
次に、回折格子層９０の形成に用いたＳｉＯ_２膜を除去する。

次に、上部クラッド層６８となる厚さ１．５μｍのＩｎＧａＰ層７０を、回折格子層９０の上に成長する。更に、コンタクト層２２となる厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ７４を成長する（図１２（ａ）参照）。

次に、ｐ型ＧａＡｓ７４の上に、形成予定のリッジ１６に対応する帯状のＳｉＯ_２膜７６を形成する。

次に、幅約4μmの上記ＳｉＯ_２膜７６をエッチングマスクとして、アンモニア水、過酸化水素水、及び水の混合溶液によって、ｐ型ＧａＡｓ７４をエッチングする。この際、上部クラッド層６８となるＩｎＧａＰ層７０は、ほとんどエッチングされない。

次に、塩酸により、上部クラッド層６８となるＩｎＧａＰ層７０をエッチングする。この時、コンタクト層２２となるｐ型ＧａＡｓ層７４は、塩酸によってはエッチングされない。また、ＧａＡｓ製の回折格子層９０及びアンドープＧａＡｓ層５０も、塩酸によってはエッチングされない。

従って、回折格子層９０の上に、幅２μｍのリッジ１６が形成される（図１２（ｂ）参照）。同時に、回折格子層９０の谷で、ＩｎＧａＰ層８８（エッチングストップ層）が除去され、アンドープＧａＡｓ層５０が露出する。このようにして形成される回折格子の結合係数は、約５０ｃｍ^−１になる。

以上のように、本工程では、回折格子層８８の上側に、リッジ状の上部クラッド層６８が形成される。

（iv）回折格子層の平坦化工程
次に、ＧａＡｓ製のコンタクト層２２の上にＳｉＯ_２膜７６を残したまま、リッジ１６が形成されたＧａＡｓ基板２（以下、基板２と呼ぶ）を、ＭＯＶＰＥ装置に搬入する。

次に、このＭＯＶＰＥ装置によって、リッジ１６の側面、回折格子層９０、ＩｎＧａＰ層８８（エッチングストップ層）の側面、及び回折格子層９０の間に露出したアンドープＧａＡｓ層５０の上に、厚さ１〜５ｎｍのＧａＡｓ薄膜７８を成膜する（図１３（ａ）参照）。成膜温度は、３００〜４００℃である。このような低温では、PやAsなどのV族元素抜けによる表面荒れは起こらない。

次に、上記ＭＯＶＰＥ装置内で、上記基板２を、ＡｓＨ_３雰囲気中で、例えば、５８０℃〜６４０℃の温度で、３０分〜１時間アニール処理（熱処理）する。この熱処理によって、リッジ１６の両脇に露出した回折格子層９０の山４０から谷３８へ、ＧａＡｓが移動（マストランスポート）する。その結果、リッジ１６の両脇に露出した回折格子層９０が平坦化される（図１３（ｂ)参照）。

本実施例では、上部クラッド層６８及びエッチングストップ層（ＩｎＧａＰ層８８）がＩｎＧａＰで形成されている。しかし、上部クラッド層６８及びエッチングストップ層８８の側面は、ＧａＡｓ薄膜７８によって覆われている（図１３（ａ）参照）。

このため、580℃〜640℃のAsH₃雰囲気中においても、上部クラッド層16の側面においてPとAsの置換による表面荒れを防ぐことができる。故に、マストランスポートのための熱処理によって、導波路損失が増加する等の弊害はない。また、580℃〜640℃の温度範囲では活性層の量子ドットが劣化して発光強度が弱まることはない。

このように、本工程では、上部クラッド層６８及びエッチングストップ層８８の側面をＧａＡｓで覆った後に、上部クラッド層６８の両脇に露出した回折格子層９０を加熱して平坦化する。

（v）電極形成工程
次に、コンタクト層２２の上に形成されたＳｉＯ_２層７６を、緩衝フッ酸溶液によって取り除く（図１４（ａ）参照）。

次に、露出している半導体層全体を覆うように、ＳｉＯ_２膜８０を再度成膜する（図１４（ｂ）参照）。

次に、コンタクト層２２の上のＳｉＯ_２膜８０のみを、エッチングして除去する。

次に、露出したコンタクト層２２及びＳｉＯ_２膜８０に、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕを蒸着して、上部電極８２を形成する（図１５参照）。

次に、ＧａＡｓ基板２の裏面を研磨して、ＧａＡｓ基板２を約１００μｍの厚さにする。その後、ＧａＡｓ基板２の裏面にＡｕＧｅ／Ａｕを蒸着して、下部電極８４を形成する。

次に、素子長が例えば３００μｍになるように、ＧａＡｓ基板２をへき開する。その後、へき開によって形成された端面に、コーティング膜（図示せず）を形成する。

例えば、前側端面には、反射率１％以下の無反射コーティング膜を形成し、後側端面には、反射率９０％以上の高反コーティング膜を形成する。

以上の工程により、リッジ１６の両脇の回折格子層９０が平坦化された、リッジ導波路型ＤＦＢレーザ８６が完成する。

（２）構 成
上記製造方法から明らかなように、本リッジ導波路型ＤＦＢレーザ８６の構成は、実施例１のリッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４と略同じである。但し、本実施例では、回折格子層９０が、活性層の上側に形成されたＩｎＧａＰ層８８（エッチングストップ層）の上に配置されたＧａＡｓ層５２によって形成されている。そして、上部クラッド６８の両脇では、ＧａＡｓ層５２が、マストランスポートによって連結している。ここで、ＩｎＧａＰ層８８は、レーザ発振波長に対応する周期で、光の導波方向に周期的に配置されている。

図１６は、実施例１又は２のリッジ導波路型ＤＦＢレーザ４４,８６を搭載した光トランシーバ９２の構成を説明する図である。本光トランシーバ９２は、加入者用の光通信装置に搭載される光送受信器ユニットである。本光トランシーバ９２の伝送距離は、例えば、１０ｋｍである。

本光トランシーバ９２は、実施例１又は２のリッジ導波路型ＤＦＢと、半導体レーザの出力光強度をモニタする光検出と、レーザ光を光ファイバ９４に結合する結合レンズとが搭載されたＴＯＳＡ９６（Transmitter Optical Sub Assembly）を有している。リッジ導波路型ＤＦＢ４４,８６が出射するレーザ光９８の波長λ１は、１３１０ｎｍである。

また、本光トランシーバ９２は、ＴＯＳＡ９６を駆動するレーザダイオード・ドライバユニット１００を具備している。

また、本光トランシーバ９２は、光検出器と、受信した光信号１０８をこの光検出器に結合するレンズと、光検出器とレンズの間に配置されバンドパスフィルタが搭載されたＲＯＳＡ１０２（Receiver Optical Sub Assembly）を具備している。ここで、バンドパスフィルタは、上記レーザ光９８を遮断する。

また、本光トランシーバ９２は、ＲＯＳＡ１０２が光電変換した信号を増幅する増幅器１０４を具備している。

更に、本光トランシーバ９２は、光ファイバ線路１０６を伝搬してきた光信号１０８をＲＯＳＡ１０２に分岐し、ＴＯＳＡ９６が生成した光信号を光ファイバ線路１０６に結合するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）フィルタ１０７を具備している。

ここで、光ファイバ線路１０６を伝搬して来る光信号１０８の波長λ２は、１４９０ｎｍである。一方、ＴＯＳＡ９６が生成する光信号（レーザ光９８）の波長λ１は、１３１０ｎｍである。

ところで、ＴＯＳＡ９６に搭載されているリッジ導波路型ＤＦＢレーザは、量子ドットレーザである。従って、素子温度が上昇しても光出力は殆ど変わらない。従って、本光トランシーバ９２は、半導体レーザの温度を一定に制御する温度制御装置を必要としない。このため、本光トランシーバ９２は小型且つ安価である。

このように、本光トランシーバ９２は、ＴＯＳＡ９６（光信号生成ユニット）と、ＲＯＳＡ１０２（光検出器ユニット）と、ＷＤＭフィルタ１０７（光路制御ユニット）を具備している。

このような構成に基づき、本本光トランシーバ９２は以下のように動作する。

本光トランシーバ９２は、入力信号１１０（電気信号）に基づいて、レーザドライバユニット１００がＴＯＳＡ９６を駆動して、光信号を生成する。変調周波数は、例えば１．２５ＧＨｚから１０ＧＨｚである。また、変調方式は、直接変調方式である。

生成された光信号（レーザ光９８）は、ＷＤＭフィルタ１０７を介して、光ファイバ線路１０６に送出される。この時、ＴＯＳＡ９６に搭載されたリッジ導波路型ＤＦＢ４４,８６は、横基本モードでレーザ発振する。このため、リッジ導波路型ＤＦＢ４４,８６と光ファイバ９４の結合効率は高く、ＴＯＳＡ９６十分に強い光信号（レーザ光９８）を出力する。

一方、光ファイバ線路１０６を伝搬してきた光信号１０８は、ＷＤＭフィルタ１０７によってＲＯＳＡ１０２に分岐される。ＲＯＳＡ１０２は、受信した光信号１０８を光電変換して、増幅器１０４に出力する。増幅器１０４は、入力された電気信号を増幅して出力する。この時、増幅される信号が、本光トランシーバ９２の出力信号１１２（電気信号）になる。

従って、本実施例によれば、温度制御が不要で且つ出力光強度が強い、光トランシーバを形成することができる。

（変形例）
以上の例では、上部クラッド６８を、ＩｎＧａＰによって形成している。しかし、上部クラッド６８は、他の半導体材料、例えばＡｌＧａＡｓで形成してもよい。この場合、リッジ脇の回折格子を熱処理によって平坦化する際、同じAs系材料であるため上部クラッド６８の側面をＧａＡｓ薄膜で覆う必要はない。

また、以上の例ではｎ型ＧａＡｓ基板を用いているが、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いてもよい。この場合には、上部クラッドをｎ型ＩｎＧａＰで形成する。

また、以上の例では、活性層を量子ドット層構造によって形成したが、活性層を量子井戸（例えば、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸）によって形成してもよい。

２・・・ｎ型ＧａＡｓ基板 ４・・・ｎ型ＡｌＧａＡｓ
６・・・ＩｎＡｓ量子ドット構造 ８・・・ｐ型ＧａＡｓ
１０・・・ｐ型ＩｎＧａＰ １２・・・ｐ型ＧａＡｓ
１４・・・ＳｉＯ_２膜 １６・・・リッジ
１８・・・回折格子層（実施の形態） ２０・・・ＳｉＯ_２膜
２２・・・コンタクト層 ２４・・・上部電極
２６・・・下部電極 ２８・・・リッジ導波路型ＤＦＢレーザ（関連技術）
３０・・・活性層 ３２・・・回折格子
３４・・・埋め込み層 ３６・・・埋め込み層
３８・・・回折格子の谷 ４０・・・回折格子の山
４２・・・回折格子の谷と山の間 ４３・・・高低差
４４・・・リッジ導波路型ＤＦＢレーザ（実施例１）
４５・・・下部クラッド層 ４６・・・n型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ
４８・・・ＩｎＡｓ量子ドット構造
５０・・・アンドープＧａＡｓ層 ５２・・・ｐ型ＧａＡｓ層
５４・・・ｉ−ＧａＡｓ層 ５６・・・濡れ層
５８・・・量子ドット ６０・・・歪緩和層
６２・・・ｉ−ＧａＡｓ層 ６４・・・ｐ型ＧａＡｓ層
６６・・・ｉ−ＧａＡｓ層 ６８・・・上部クラッド層
６９・・・回折格子層（実施例１） ７０・・・ｐ型ＩｎＧａＰ層
７４・・・ｐ型ＧａＡｓ ７６・・・ＳｉＯ_２膜
７８・・・ＧａＡｓ薄膜 ８０・・・ＳｉＯ_２膜
８２・・・上部電極 ８４・・・下部電極
８６・・・リッジ導波路型ＤＦＢレーザ（実施例２）
８８・・・ＩｎＧａＰ層（エッチングストップ層）
９０・・・回折格子層（実施例２） ９２・・・光トランシーバ
９４・・・光ファイバ ９６・・・ＴＯＳＡ
９８・・・レーザ光 １００・・・レーザダイオード・ドライバユニット
１０２・・・ＲＯＳＡ １０４・・・増幅器
１０６・・・光ファイバ線路 １０７・・・ＷＤＭフィルタ
１０８・・・光信号 １１０・・・入力信号
１１２・・・出力信号

Claims (4)

1. ＧａＡｓ半導体基板と、
   前記ＧａＡｓ半導体基板の上側に形成された活性層と、
   前記活性層の上側に形成され単一の周期と単一の位相とを有しＧａＡｓで形成された回折格子層と、
   前記回折格子層の上側にＩｎＧａＰで形成された、リッジ状の上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層の側面を覆うＧａＡｓ膜とを有し、
   前記上部クラッド層の両脇に於ける前記回折格子層の山と谷の高低差が、前記上部クラッド層の下側に於ける前記回折格子層の山と谷の高低差より小さい、
   分布帰還型半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
   前記回折格子層が、前記活性層の上側に配置されたＩｎＧａＰ層の上に設けられたＧａＡｓ層によって形成され、
   前記上部クラッド層の両脇では、前記ＧａＡｓ層が連結していること、
   を特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
3. ＧａＡｓ半導体基板の上側に活性層を形成する第１の工程と、
   前記活性層の上側に、単一の周期を有しＧａＡｓで形成された回折格子層を形成する第２の工程と、
   前記回折格子層の上側に、リッジ状の上部クラッド層をＩｎＧａＰで形成する第３の工程と、
   形成された上記上部クラッド層の側面を、ＧａＡｓ膜で覆う第４の工程と、
   前記第４工程の後に、前記上部クラッド層の両脇の前記回折格子層を加熱して平坦化する第５の工程と、
   を具備する分布帰還型半導体レーザの製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体レーザの製造方法において、
   前記第２の工程が、ＩｎＧａＰ層の上に形成したＧａＡｓ層を、選択的にエッチングして前記回折格子を形成する工程であることを、
   特徴とする分布帰還型半導体レーザの製造方法。

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