JP5761853B2 - Semiconductor device, multi-wavelength semiconductor laser, multi-wavelength semiconductor laser module, gas sensing system, and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、光学的にガスを検知するための光源として使用される半導体素子、多波長半導体レーザ、多波長半導体レーザモジュール、ガスセンシングシステム及び半導体素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, a multi-wavelength semiconductor laser, a multi-wavelength semiconductor laser module, a gas sensing system, and a semiconductor device manufacturing method used as a light source for optically detecting gas.

特定波長のレーザ光がある種の気体に吸収され易いこと(吸収されやすい特定波長のことを吸収線と呼ぶ)を利用して気体の有無を検出できることが知られており、この原理を応用した光センシング技術が工業計測、公害監視などで広く用いられている。このようなレーザ分光に基づく検出技術は、分子選択性に優れる、高速検出が可能である、などの特長がある。更に、半導体レーザを光源とする吸収分光法は、小型軽量である、保守が容易である、比較的安価である、などの実用的な特長をも備えている。   It is known that the presence or absence of gas can be detected by utilizing the fact that a laser beam with a specific wavelength is easily absorbed by a certain gas (a specific wavelength that is easily absorbed is called an absorption line). Optical sensing technology is widely used in industrial measurement and pollution monitoring. Such a detection technique based on laser spectroscopy has advantages such as excellent molecular selectivity and high-speed detection. Further, absorption spectroscopy using a semiconductor laser as a light source has practical features such as being small and light, easy to maintain, and relatively inexpensive.

レーザ光の波長を変化させてガスの吸収線を検出する場合、レーザ光には、ガスの吸収線よりも狭い線幅が求められる。半導体レーザにおいては、分布帰還型(DFB:Distributed Feedback)構造や分布反射型(DBR:Distributed Bragg Reflector)構造などを採用することにより、単一縦モード発振が可能となり、吸収線よりも狭い線幅を容易に実現することができる。   When a gas absorption line is detected by changing the wavelength of the laser light, the laser light is required to have a narrower line width than the gas absorption line. In semiconductor lasers, by adopting a distributed feedback (DFB) structure or a distributed reflection (DBR) structure, single longitudinal mode oscillation is possible, and the line width is narrower than the absorption line. Can be easily realized.

又、高感度にガスを検出するためには、波長の選択も重要である。ガスの吸収線は、その分子構造に起因して、中赤外領域で吸収が大きいことが知られている。しかしながら、3μm以上の波長域では、室温動作する半導体レーザ(光源)、受光器の実現が困難であり、実用的とは言えない。それに対し、3μm以下の波長域では、光通信用InP系半導体デバイスの技術をベースとした室温動作する半導体レーザや受光器を用いることが可能である。例えば、2μm波長帯(2.0〜2.8μm)に発振波長を持つ、InAsを量子井戸層に用いた半導体レーザが特許文献1に記載されている。又、図1に示すように、2μm波長帯には多数のガスの吸収線が存在している。つまり、実用性や高感度化の観点から、吸収分光法によるガスセンシングには2μm波長帯を用いることが望ましい。   In addition, in order to detect gas with high sensitivity, the selection of the wavelength is also important. It is known that the absorption line of gas has a large absorption in the mid-infrared region due to its molecular structure. However, in the wavelength region of 3 μm or more, it is difficult to realize a semiconductor laser (light source) and a light receiver that operate at room temperature, which is not practical. On the other hand, in the wavelength region of 3 μm or less, it is possible to use a semiconductor laser or light receiver that operates at room temperature based on the technology of an InP semiconductor device for optical communication. For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor laser using InAs as a quantum well layer having an oscillation wavelength in a 2 μm wavelength band (2.0 to 2.8 μm). Also, as shown in FIG. 1, there are many gas absorption lines in the 2 μm wavelength band. That is, from the viewpoint of practicality and high sensitivity, it is desirable to use the 2 μm wavelength band for gas sensing by absorption spectroscopy.

特開2009−059843号公報JP 2009-059843 A

吸収分光法によるガス検出は、分子選択性に優れることから、多種類のガスが混在している状況下でも所望のガスのみを高感度に検出できる利点がある。そのため、多種類のガスの中から、同時に複数のガスを検出することも可能である。しかしながら、吸収分光法では、ガス種に固有の吸収線を用いるため、ガス毎に発振波長の異なる半導体レーザが必要となる。例えば、同一箇所を測定する場合においても、3種類のガスを検出するためには、発振波長の異なる3つの半導体レーザモジュールが必要となる。更に、それぞれのレーザ光を別々の光路で用いる場合には、それに準じた数の受光器も必要となる。又、複数のレーザ光を1つの受光器で受光する場合においても、複数のレーザ光を合波する機構が必要となる。   Since gas detection by absorption spectroscopy is excellent in molecular selectivity, there is an advantage that only a desired gas can be detected with high sensitivity even in a situation where many kinds of gases are mixed. Therefore, it is also possible to detect a plurality of gases at the same time from many types of gases. However, since absorption spectroscopy uses an absorption line specific to a gas type, a semiconductor laser having a different oscillation wavelength is required for each gas. For example, even when measuring the same location, three semiconductor laser modules having different oscillation wavelengths are required to detect three types of gases. Further, when each laser beam is used in a separate optical path, a number of light receivers corresponding to the laser beams is also required. Further, even when a plurality of laser beams are received by a single light receiver, a mechanism for multiplexing the plurality of laser beams is required.

又、発振波長が異なる複数の半導体レーザチップを1つのモジュール内に搭載する場合においても、レンズ配置などの光学系の複雑化を避けることはできない。   Even when a plurality of semiconductor laser chips having different oscillation wavelengths are mounted in one module, it is impossible to avoid complication of the optical system such as lens arrangement.

つまり、従来の技術では、複数のガスを吸収分光法で検出する場合、半導体レーザや受光器などの部品点数の増加や装置構造の複雑化により、システムが大型かつ高価になってしまうという課題があった。   In other words, in the conventional technique, when a plurality of gases are detected by absorption spectroscopy, there is a problem that the system becomes large and expensive due to an increase in the number of components such as a semiconductor laser and a light receiver and a complicated structure of the device. there were.

本発明は、上記課題に鑑み提案されたもので、その目的とするところは、多種類のガスの吸収線に一致した、2μm波長帯の複数の波長で発振可能な半導体素子、多波長半導体レーザ、多波長半導体レーザモジュール、ガスセンシングシステム及び半導体素子の製造方法を提供することにある。   The present invention has been proposed in view of the above problems, and its object is to provide a semiconductor device that can oscillate at a plurality of wavelengths in the 2 μm wavelength band and a multi-wavelength semiconductor laser that matches the absorption lines of various gases. Another object of the present invention is to provide a multi-wavelength semiconductor laser module, a gas sensing system, and a method for manufacturing a semiconductor device.

上記課題を解決する第1の発明に係る半導体素子の製造方法は、
InP基板上にInAsの井戸層とInGaAsの障壁層からなる量子井戸構造を成長させる工程と、
前記量子井戸構造の上層にキャップ層を積層する工程と、
前記キャップ層の一部を薄くする工程と、
前記キャップ層を薄くした表面と、前記キャップ層を薄くしていない表面の一部とに誘電体膜を形成する工程と、
前記量子井戸構造を前記キャップ層及び前記誘電体膜と共に熱処理することにより、前記誘電体膜下部の前記量子井戸構造を無秩序化した他の量子井戸構造を形成する工程とを有し、
無秩序化により、前記他の量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長を、前記量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長より短波長化することを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor device according to a first invention for solving the above-described problems is as follows.
Growing a quantum well structure comprising an InAs well layer and an InGaAs barrier layer on an InP substrate;
Laminating a cap layer on top of the quantum well structure;
Thinning a part of the cap layer;
Forming a dielectric film on a surface where the cap layer is thinned and a part of the surface where the cap layer is not thinned;
Forming another quantum well structure in which the quantum well structure under the dielectric film is disordered by heat-treating the quantum well structure together with the cap layer and the dielectric film, and
By the disordering, the wavelength of the light emitted from the light emitting layer having the other quantum well structure is made shorter than the wavelength of the light emitted from the light emitting layer having the quantum well structure .

上記課題を解決する第2の発明に係る半導体素子は、
InP基板上に複数の波長の光を発する発光層を有する半導体素子であって、
前記発光層が、InAsの井戸層とInGaAsの障壁層からなる量子井戸構造と、当該量子井戸構造の一部を無秩序化した他の量子井戸構造とからなり、
第1の発明の製造方法によって作られたことを特徴とする。
A semiconductor device according to a second invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
A semiconductor element having a light emitting layer that emits light of a plurality of wavelengths on an InP substrate,
The light emitting layer is composed of a quantum well structure including an InAs well layer and an InGaAs barrier layer, and another quantum well structure in which a part of the quantum well structure is disordered.
It was made by the manufacturing method of the first invention .

上記課題を解決する第3の発明にかかる多波長半導体レーザは
上記第2の発明に記載の半導体素子を用いた多波長半導体レーザであって、
前記量子井戸構造からなる発光層の単一モード発振波長と、前記他の量子井戸構造からなる発光層の各々の単一モード発振波長を、各々異なるガスの吸収線と一致させたことを特徴とする。
Wavelength semiconductor lasers according to a third invention for solving the above-
A multi-wavelength semiconductor laser using the semiconductor device according to the second invention,
The single-mode oscillation wavelength of the light-emitting layer having the quantum well structure and the single-mode oscillation wavelength of each of the light-emitting layers having the other quantum well structures are matched with different gas absorption lines , To do.

上記課題を解決する第4の発明に係る多波長半導体レーザモジュールは、
上記第3の発明に記載の多波長半導体レーザを搭載し、出射光軸を1つにしたことを特徴とする。
A multiwavelength semiconductor laser module according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
The multi-wavelength semiconductor laser according to the third aspect of the invention is mounted, and the output optical axis is made one .

上記課題を解決する第5の発明に係るガスセンシングシステムは、
上記第3の発明に記載の多波長半導体レーザ又は上記第4の発明に記載の多波長半導体レーザモジュールを光源として用いたことを特徴とする。
A gas sensing system according to a fifth invention for solving the above-described problem is
The multiwavelength semiconductor laser according to the third invention or the multiwavelength semiconductor laser module according to the fourth invention is used as a light source .

本発明によれば、ガスセンシングに適した2μm波長帯において、1つのレーザ素子から複数の波長で発振可能な半導体レーザを容易に提供することができ、吸収分光法を用いたガス検出システムの小型化、低価格化に極めて有用である。   According to the present invention, in a 2 μm wavelength band suitable for gas sensing, a semiconductor laser capable of oscillating at a plurality of wavelengths from a single laser element can be easily provided, and the gas detection system using absorption spectroscopy can be reduced in size. This is extremely useful for reducing the cost and price.

多数のガスの吸収線の波長を示す図である。It is a figure which shows the wavelength of the absorption line of many gas. 本発明の第1の実施例の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の量子井戸構造の無秩序化前後のX線回折測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray-diffraction measurement result before and behind disordering of the quantum well structure of 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例において、無秩序化前、無秩序化後及び無秩序化無しの場合のPLスペクトルを示すグラフである。In the 1st Example of this invention, it is a graph which shows PL spectrum before disordering, after disordering, and without disordering. InGaAsP/InGaAsP多重量子井戸構造の無秩序化前後のPLスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows PL spectrum before and behind disordering of an InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well structure. InGaAlAs/InGaAlAs多重量子井戸構造の無秩序化前後のPLスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows PL spectrum before and after disordering of an InGaAlAs / InGaAlAs multiple quantum well structure. 本発明の第1の実施例において、熱処理温度を変化させた際のPLピーク発光波長を示すグラフである。In the 1st Example of this invention, it is a graph which shows PL peak light emission wavelength at the time of changing heat processing temperature. 本発明の第1の実施例において、キャップ層の厚さを変化させた際のPLピーク発光波長を示すグラフである。In the 1st Example of this invention, it is a graph which shows PL peak light emission wavelength when changing the thickness of a cap layer. 本発明の第1の実施例の適用例として、2本のストライプを有するリッジ型FPレーザの作製手順を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the preparation procedure of the ridge type FP laser which has two stripes as an application example of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の適用例として、2本のストライプを有するリッジ型FPレーザを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the ridge type | mold FP laser which has two stripes as an application example of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の他の適用例として、2本のストライプを有するリッジ型DFBレーザの作製手順を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the preparation procedure of the ridge type DFB laser which has two stripes as another application example of the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例の他の適用例として、2本のストライプを有するリッジ型DFBレーザを示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing a ridge type DFB laser having two stripes as another application example of the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施例として、1本のストライプを有するリッジ型DFBレーザを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the ridge type DFB laser which has one stripe as 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例として、3本のストライプを有するリッジ型DFBレーザの作製手順を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the preparation procedure of the ridge type DFB laser which has three stripes as 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例として、3本のストライプを有するリッジ型DFBレーザの作製手順を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the preparation procedure of the ridge type DFB laser which has three stripes as 4th Example of this invention. 従来のレーザモジュールを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the conventional laser module. 本発明の第5の実施例として、レーザモジュールを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows a laser module as 5th Example of this invention. 本発明の第6の実施例として、ガスセンシングシステムを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows a gas sensing system as the 6th Example of this invention. 図19に示したガスセンシングシステムを用いて測定した二酸化炭素のスペクトルである。It is the spectrum of the carbon dioxide measured using the gas sensing system shown in FIG. 図19に示したガスセンシングシステムを用いて測定した一酸化炭素のスペクトルである。It is the spectrum of carbon monoxide measured using the gas sensing system shown in FIG. 波長変調分光法を説明する図である。It is a figure explaining wavelength modulation spectroscopy.

本発明の好適な実施例を以下に説明する。   A preferred embodiment of the present invention is described below.

[実施例1]
本発明の第1の実施例として、2μm波長帯の複数波長で発振可能な半導体レーザについて説明する。ここでは、図2乃至図13を参照して説明するが、まず、図2及び図3を参照して本実施例の製造工程を説明する。
[Example 1]
As a first embodiment of the present invention, a semiconductor laser capable of oscillating at a plurality of wavelengths in the 2 μm wavelength band will be described. Here, description will be made with reference to FIGS. 2 to 13, but first, the manufacturing process of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

本発明では、結晶成長として、反応炉を50Torrに減圧したMOVPE法を用いた。III族原料としてはトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)を用い、V族原料としてはホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を使用した。p型不純物となるZnの原料には、ジエチル亜鉛(DEZn)、n型不純物となるSiの原料には、モノシラン(SiH4)を用いた。試料の構造的特性の評価にはPhilips社製のエックス線回折装置を用いた。光学的特性の評価には波長532nmのレーザを光源としたフォトルミネセンス(PL:photoluminescence)測定を室温(25℃)で行った。 In the present invention, the MOVPE method in which the reactor is decompressed to 50 Torr is used for crystal growth. Trimethylindium (TMIn) and triethylgallium (TEGa) were used as Group III materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) were used as Group V materials. Diethylzinc (DEZn) was used as the Zn source material that becomes the p-type impurity, and monosilane (SiH 4 ) was used as the Si source material that becomes the n-type impurity. An X-ray diffractometer manufactured by Philips was used to evaluate the structural characteristics of the sample. For the evaluation of optical characteristics, photoluminescence (PL) measurement using a laser having a wavelength of 532 nm as a light source was performed at room temperature (25 ° C.).

図2に、作製したレーザの活性層(発光層)となる分離閉じ込め型多重量子井戸構造を示す。n型InP(100)基板11上に、Siを1×1018cm3の濃度にドーピングしたn型InPクラッド層12(膜厚:500nm)を成長し、続いて、ノンドープのバンドギャップ波長λg=1.3μmのInGaAsP光閉じ込め層13(膜厚:100nm)、6層のInAs井戸層(膜厚:5nm)と7層のInGaAs障壁層(膜厚:20nm)からなるInAs/InGaAs多重量子井戸構造(MQW)14a、ノンドープのバンドギャップ波長λg=1.3μmのInGaAsP光閉じ込め層15(膜厚:100nm)、ノンドープのバンドギャップ波長λg=1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層16(膜厚:100nm)、Znを5×1017cm3の濃度にドーピングしたp型InPキャップ層17(膜厚:50nm)を、順次、結晶成長により形成する。 FIG. 2 shows a separate confinement type multiple quantum well structure which becomes an active layer (light emitting layer) of the manufactured laser. An n-type InP clad layer 12 (film thickness: 500 nm) doped with Si at a concentration of 1 × 10 18 cm 3 is grown on the n-type InP (100) substrate 11, and subsequently, an undoped band gap wavelength λg = InAs / InGaAs multiple quantum well structure comprising a 1.3 μm InGaAsP optical confinement layer 13 (film thickness: 100 nm), six InAs well layers (film thickness: 5 nm), and seven InGaAs barrier layers (film thickness: 20 nm) (MQW) 14a, non-doped band gap wavelength λg = 1.3 μm InGaAsP optical confinement layer 15 (film thickness: 100 nm), non-doped band gap wavelength λg = 1.1 μm InGaAsP optical confinement layer 16 (film thickness: 100 nm) P-type InP cap layer 17 (film thickness: 50 nm) doped with Zn at a concentration of 5 × 10 17 cm 3 These are sequentially formed by crystal growth.

上記層構造を結晶成長した後、MOVPE成長炉から取出し、室温の硫酸に1分間浸してp型InPキャップ層17の表面を洗浄してから、スパッタ(800W)により300nmのSiO2層18をウエハ全面に形成する。その後、図3に示すように、フォトリソグラフィを用いてSiO2層18のパターニングを行う。SiO2層18のパターニング後、再度、室温の硫酸に1分間浸してp型InPキャップ層17の表面を洗浄した後、MOVPE成長炉に導入し、PH3雰囲気中で680℃、1時間の熱処理を行う。これにより、SiO2層18が形成されている箇所の下方の多重量子井戸構造14bの無秩序化が起こり、発光波長が短波長化する。 After crystal growth of the above layer structure, it is taken out from the MOVPE growth furnace, immersed in sulfuric acid at room temperature for 1 minute to clean the surface of the p-type InP cap layer 17, and then a 300 nm SiO 2 layer 18 is formed on the wafer by sputtering (800W). Form on the entire surface. Thereafter, as shown in FIG. 3, the SiO 2 layer 18 is patterned using photolithography. After the patterning of the SiO 2 layer 18, the surface of the p-type InP cap layer 17 is again cleaned by immersion in sulfuric acid at room temperature for 1 minute, and then introduced into a MOVPE growth furnace, and heat treatment is performed at 680 ° C. for 1 hour in a PH 3 atmosphere. I do. As a result, disordering occurs in the multiple quantum well structure 14b below the portion where the SiO 2 layer 18 is formed, and the emission wavelength is shortened.

図4に無秩序化前後の量子井戸構造のX線回折測定結果を示す。無秩序化前の量子井戸構造においては、量子井戸層の圧縮歪量は3.2%であり、量子井戸層がInAsであることを示している。それに対し、無秩序化された量子井戸構造においては、量子井戸層の圧縮歪量が1.9%まで減少している。これは、量子井戸構造の井戸層と障壁層間でIII族原子(具体的にはGa原子)の相互拡散が生じ、InAs井戸層内にGaが拡散することにより、歪量が小さくなったことを示している。この井戸層と障壁層間においてIII族原子の相互拡散が起こり、量子井戸構造の特性が変化することを無秩序化と呼ぶ。SiO2層18を形成して熱処理することにより無秩序化が起こるメカニズムについて説明する。SiO2層18を半導体上に形成する際に、SiO2層18と半導体の界面に結晶欠陥であるIII族空孔が発生する。このIII族空孔が熱処理によって量子井戸構造まで拡散し、井戸層/障壁層間のIII族原子の相互拡散を引き起こすのである。 FIG. 4 shows the X-ray diffraction measurement results of the quantum well structure before and after disordering. In the quantum well structure before disordering, the compressive strain of the quantum well layer is 3.2%, indicating that the quantum well layer is InAs. On the other hand, in the disordered quantum well structure, the amount of compressive strain in the quantum well layer is reduced to 1.9%. This is because the interdiffusion of group III atoms (specifically, Ga atoms) occurs between the well layer and the barrier layer of the quantum well structure, and the amount of strain is reduced by Ga diffusing into the InAs well layer. Show. This interdiffusion of group III atoms between the well layer and the barrier layer and the change in the characteristics of the quantum well structure is called disordering. A mechanism in which disordering occurs by forming the SiO 2 layer 18 and performing heat treatment will be described. When the SiO 2 layer 18 is formed on the semiconductor, group III vacancies that are crystal defects are generated at the interface between the SiO 2 layer 18 and the semiconductor. This group III vacancies diffuse to the quantum well structure by heat treatment, causing interdiffusion of group III atoms between the well layer / barrier layer.

本実施例では、InP表面からのリン抜けに起因した結晶欠陥によるレーザ特性の劣化を防ぐために、PH3雰囲気であるMOVPE成長炉内で熱処理を行ったが、熱処理としては、ラピッドサーマルアニーリング(RTA)を用いることも可能である。 In this example, in order to prevent the laser characteristics from being deteriorated due to crystal defects caused by phosphorus removal from the InP surface, heat treatment was performed in a MOVPE growth furnace in a PH 3 atmosphere. However, as the heat treatment, rapid thermal annealing (RTA) is used. ) Can also be used.

図5に、SiO2層18を形成して熱処理した箇所とSiO2層18を除去して熱処理した箇所のPLスペクトルを示す。参考までに、結晶成長直後(熱処理前)のウエハのPLスペクトルも併記する。SiO2層18を除去した箇所、つまり、多重量子井戸構造14aの領域のPLピーク波長は2350nmであり、熱処理前とほとんど変化していない。それに対し、SiO2層18を形成して熱処理した箇所、つまり、多重量子井戸構造14bの領域のPLピーク波長は2050nmであり、300nm短波長化していることがわかる。 FIG. 5 shows a PL spectrum of a portion where the SiO 2 layer 18 is formed and heat-treated and a portion where the SiO 2 layer 18 is removed and heat-treated. For reference, the PL spectrum of the wafer immediately after crystal growth (before heat treatment) is also shown. The PL peak wavelength of the portion where the SiO 2 layer 18 is removed, that is, the region of the multiple quantum well structure 14a is 2350 nm, which is almost unchanged from that before the heat treatment. On the other hand, it can be seen that the PL peak wavelength of the portion where the SiO 2 layer 18 is formed and heat-treated, that is, the region of the multiple quantum well structure 14b is 2050 nm, and the wavelength is shortened by 300 nm.

比較のため、材料が異なる多重量子井戸構造に対する無秩序化前後の変化を図6、図7に示す。ここで、図6は、InP基板上に作製された圧縮歪量1%のInGaAsP井戸層と無歪のInGaAsP障壁層からなる多重量子井戸構造(バンドギャップ波長:1532nm、InPキャップ層膜厚:100nm)に、上記と同様の処理(SiO2を形成して熱処理)を行った結果である。又、図7は、InP基板上に作製された圧縮歪量1%のInGaAlAs井戸層と無歪のInGaAlAs障壁層からなる多重量子井戸構造(バンドギャップ波長1519nm、InPキャップ層膜厚:100nm)に、上記と同様の処理(SiO2を形成して熱処理)を行った結果である。図6、図7に示すように、InGaAsP/InGaAsP多重量子井戸構造、InGaAlAs/InGaAlAs多重量子井戸構造の波長シフト量は、それぞれ20nm、4nmであり、100nm以上に大きく波長シフトしないことを示している。 For comparison, FIGS. 6 and 7 show changes before and after disordering for multiple quantum well structures of different materials. Here, FIG. 6 shows a multiple quantum well structure (band gap wavelength: 1532 nm, InP cap layer thickness: 100 nm, which is made of an InGaAsP well layer having a compressive strain of 1% and an unstrained InGaAsP barrier layer fabricated on an InP substrate. ) Is the result of performing the same treatment as above (heat treatment by forming SiO 2 ). FIG. 7 shows a multiple quantum well structure (band gap wavelength 1519 nm, InP cap layer thickness: 100 nm) made of an InGaAlAs well layer having a compressive strain of 1% and an unstrained InGaAlAs barrier layer fabricated on an InP substrate. This is the result of performing the same treatment as above (heat treatment by forming SiO 2 ). As shown in FIGS. 6 and 7, the wavelength shift amounts of the InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well structure and the InGaAlAs / InGaAlAs multiple quantum well structure are 20 nm and 4 nm, respectively, indicating that the wavelength shift is not greatly greater than 100 nm. .

図8に、上記InAs井戸層からなる量子井戸構造の試料を用いて、熱処理温度を変化させた際のPLピーク発光波長をプロットしたグラフを示す。熱処理温度を高くすることにより、発光波長のシフト量が大きくなっていることがわかる。熱処理温度620℃では150nm、680℃では300nm、720℃では400nm、800℃では470nmの波長シフトが得られる。しかしながら、800℃を超える温度では、発光が得られない。このことから、熱処理温度としては、600℃から800℃の範囲内が有効であると言える。   FIG. 8 shows a graph plotting the PL peak emission wavelength when the heat treatment temperature is changed using the quantum well structure sample composed of the InAs well layer. It can be seen that the shift amount of the emission wavelength is increased by increasing the heat treatment temperature. A wavelength shift of 150 nm is obtained at a heat treatment temperature of 620 ° C., 300 nm at 680 ° C., 400 nm at 720 ° C., and 470 nm at 800 ° C. However, at temperatures exceeding 800 ° C., light emission cannot be obtained. From this, it can be said that the heat treatment temperature in the range of 600 ° C. to 800 ° C. is effective.

図9に、熱処理条件を同一(680℃、1時間)とし、上記層構造のp型InPキャップ層17の厚さを変化させた場合のPLピーク発光波長をプロットしたグラフを示す。InPキャップ層17の厚さを薄くすることにより発光波長のシフト量が大きくなっていることがわかる。大きな波長シフト量を得る場合には、InPキャップ層17は薄い方が望ましい。しかしながら、300nm以下であれば十分な波長シフト量を得ることが可能である。   FIG. 9 shows a graph plotting the PL peak emission wavelength when the heat treatment conditions are the same (680 ° C., 1 hour) and the thickness of the p-type InP cap layer 17 having the above layer structure is changed. It can be seen that the shift amount of the emission wavelength is increased by reducing the thickness of the InP cap layer 17. In order to obtain a large amount of wavelength shift, it is desirable that the InP cap layer 17 is thin. However, if it is 300 nm or less, it is possible to obtain a sufficient amount of wavelength shift.

又、SiO2層18の厚さを変化させた場合については、発光波長のシフト量に大きな差は見られない。そのため、SiO2層18の厚さは300nmに限定されるものではなく、SiO2層18としての強度を保ち、かつ、パターニングの精度が保たれる50nm〜1000nmの範囲としても問題はない。 Further, when the thickness of the SiO 2 layer 18 is changed, there is no significant difference in the emission wavelength shift amount. Therefore, the thickness of the SiO 2 layer 18 is not limited to 300 nm, and there is no problem even if it is in the range of 50 nm to 1000 nm that maintains the strength as the SiO 2 layer 18 and maintains the patterning accuracy.

又、本実施例ではSiO2層18を量子井戸無秩序化のマスクとして用いたが、SiNxやTiO2などの誘電体膜を用いることも可能である。 In this embodiment, the SiO 2 layer 18 is used as a mask for disordering the quantum well, but a dielectric film such as SiN x or TiO 2 can also be used.

又、本実施例では、誘電体膜となるSiO2層18の形成にスパッタを用いたが、プラズマCVDなど、そのほかの方法で形成しても問題ない。 In this embodiment, sputtering is used to form the SiO 2 layer 18 that becomes a dielectric film, but there is no problem if it is formed by other methods such as plasma CVD.

従来、光通信に用いられる1.55μm帯のInGaAsP系、InGaAlAs系の歪量の少ない半導体レーザにおいては、量子井戸無秩序化によって発光波長を300nm以上の広範囲にわたって制御するためには、800℃程度の高温で熱処理を行う必要があった。そのため、p型ドーパントであるZn原子が量子井戸構造まで拡散し、オージェ再結合や価電子帯間吸収を引き起こし、レーザ特性を劣化させる要因となる。図6、図7に示すように、Zn拡散を抑制できる680℃という低温(700℃以下)の熱処理では、発振波長を制御(シフト)できない。   Conventionally, in a 1.55 μm band InGaAsP-based or InGaAlAs-based semiconductor laser used for optical communication, in order to control the emission wavelength over a wide range of 300 nm or more by quantum well disordering, it is about 800 ° C. It was necessary to perform heat treatment at a high temperature. Therefore, the Zn atom which is a p-type dopant diffuses to the quantum well structure, causes Auger recombination and absorption between valence bands, and causes deterioration of laser characteristics. As shown in FIGS. 6 and 7, the oscillation wavelength cannot be controlled (shifted) by heat treatment at a low temperature of 680 ° C. (700 ° C. or less) that can suppress Zn diffusion.

しかしながら、本発明においては、量子井戸層に圧縮歪量の大きいInAsを用いていることで、700℃以下の熱処理温度で300nm以上の広範囲での波長制御を可能としている。そのため、従来問題となるZnの拡散を抑制することが可能である。オージェ再結合や価電子帯間吸収は、発光波長が長いほど大きくなるため、2μm波長帯半導体レーザにおいて、Znの拡散を抑制することは、レーザ特性の劣化を防ぐ上で非常に重要である。   However, in the present invention, wavelength control over a wide range of 300 nm or more is possible at a heat treatment temperature of 700 ° C. or less by using InAs having a large compressive strain in the quantum well layer. Therefore, it is possible to suppress the diffusion of Zn, which has been a problem in the past. Since Auger recombination and valence band absorption increase as the emission wavelength increases, suppressing the diffusion of Zn in a 2 μm wavelength band semiconductor laser is very important in preventing deterioration of the laser characteristics.

又、本実施例では、活性層に5nm厚のInAs量子井戸層を用いたため、熱処理前の波長は2350nmであったが、波長を長くするためには、InAs量子井戸層の厚さを厚くすれば良い。InAs量子井戸層の厚さを7nmとすると2.5μm、10nmとすると2.7μmでの発光を得ることができる。又、量子井戸無秩序化による波長シフト量は量子井戸層の膜厚に依らないため、量子井戸層厚を変化させても、図8と図9と同様の傾向を持つことは明らかである。   In this example, since the InAs quantum well layer having a thickness of 5 nm was used for the active layer, the wavelength before the heat treatment was 2350 nm, but in order to increase the wavelength, the thickness of the InAs quantum well layer was increased. It ’s fine. If the thickness of the InAs quantum well layer is 7 nm, light emission at 2.7 μm can be obtained when the thickness is 2.5 μm and 10 nm. Further, since the amount of wavelength shift due to quantum well disordering does not depend on the film thickness of the quantum well layer, it is apparent that even if the quantum well layer thickness is changed, the same tendency as in FIGS.

(適用例1)
量子井戸無秩序化を用いて、半導体レーザのチップ内に2μm波長帯で異なる発光波長を有する活性層(発光層)を作製し、リッジ型ファブリペロー(FP)レーザを作製する。一例として、図10を用いて波長2350nmと波長2050nmの2波長で発振するリッジ型FPレーザの作製手順を説明する。活性層及び光閉じ込め層は上述したものと同様の構造を用いており、同様の構造には同じ符号を付している。
(Application example 1)
Using quantum well disordering, active layers (light emitting layers) having different emission wavelengths in the 2 μm wavelength band are fabricated in a semiconductor laser chip, and a ridge-type Fabry-Perot (FP) laser is fabricated. As an example, a manufacturing procedure of a ridge type FP laser that oscillates at two wavelengths of 2350 nm and 2050 nm will be described with reference to FIGS. The active layer and the optical confinement layer have the same structure as described above, and the same reference numerals are given to the same structure.

まず、図2に示した多重量子井戸構造と同様に、n型InP基板11上に、n型InPクラッド層12、InGaAsP光閉じ込め層13、InAs/InGaAs多重量子井戸構造14a、InGaAsP光閉じ込め層15、InGaAsP光閉じ込め層16、p型InPキャップ層17を、順次、結晶成長により形成する(図10(a))。   First, similarly to the multiple quantum well structure shown in FIG. 2, an n-type InP cladding layer 12, an InGaAsP optical confinement layer 13, an InAs / InGaAs multiple quantum well structure 14a, an InGaAsP optical confinement layer 15 are formed on an n-type InP substrate 11. The InGaAsP optical confinement layer 16 and the p-type InP cap layer 17 are sequentially formed by crystal growth (FIG. 10A).

次に、レーザ光の出射方向に対して平行に、チップとなる領域の半分、例えば、チップ幅800μmであれば400μmの領域にSiO2層18を形成する(図10(b))。その後、熱処理による量子井戸無秩序化により量子井戸構造14bの発光波長を短波長化させる(図10(c))。このときのp型InPキャップ層17は50nmとし、熱処理条件は680℃、1時間とした。このとき、SiO2層18の無い領域のPLピーク波長は2346nm、SiO2層18を形成した領域のPLピーク波長は2053nmであった。その後、SiO2層18をフッ酸により除去する(図10(d))。 Next, the SiO 2 layer 18 is formed in the half of the region to be the chip, for example, in the region of 400 μm if the chip width is 800 μm, in parallel with the laser beam emission direction (FIG. 10B). Thereafter, the emission wavelength of the quantum well structure 14b is shortened by quantum well disordering by heat treatment (FIG. 10C). The p-type InP cap layer 17 at this time was 50 nm, and the heat treatment conditions were 680 ° C. and 1 hour. At this time, the PL peak wavelength in the region without the SiO 2 layer 18 was 2346 nm, and the PL peak wavelength in the region in which the SiO 2 layer 18 was formed was 2053 nm. Thereafter, the SiO 2 layer 18 is removed with hydrofluoric acid (FIG. 10D).

その後、MOVPE成長炉に導入して、p型InPクラッド層19、p型InGaAsPコンタクト層20を順次、結晶成長により形成する(図10(e))。その後、SiO2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、2346nmの領域(ストライプ1)と2053nmの領域(ストライプ2)にそれぞれ1本ずつ2.0μm幅のメサストライプ構造を作製する(図10(f))。2本のストライプ間隔は400μmとした。その後、ストライプ脇にSiO2膜21を形成し、それぞれp型電極22を蒸着する。裏面のn型電極23は、2つのレーザで共通とした(図10(g)〜(h))。その後、共振器長900μmに劈開することで、図11に示すような、それぞれ発振波長の異なる2本のストライプを有するリッジ型FPレーザ構造が作製される。 Thereafter, the p-type InP cladding layer 19 and the p-type InGaAsP contact layer 20 are sequentially formed by crystal growth by introducing into a MOVPE growth furnace (FIG. 10E). Thereafter, using a SiO 2 film as a mask, dry etching and wet etching are used together to produce a mesa stripe structure having a width of 2.0 μm in each region of 2346 nm (stripe 1) and 2053 nm (stripe 2). (FIG. 10 (f)). The distance between the two stripes was 400 μm. Thereafter, an SiO 2 film 21 is formed beside the stripe, and a p-type electrode 22 is deposited on each. The n-type electrode 23 on the back surface was shared by the two lasers (FIGS. 10G to 10H). Thereafter, the ridge type FP laser structure having two stripes having different oscillation wavelengths as shown in FIG. 11 is produced by cleaving to a resonator length of 900 μm.

図11に示すレーザは、室温連続動作において、ストライプ1では波長2344nm、ストライプ2では波長2052nmでのマルチモード発振が得られ、しきい値電流は、いずれも30mA程度であり、光出力は5mW程度である。   The laser shown in FIG. 11 is capable of multimode oscillation at a wavelength of 2344 nm for stripe 1 and a wavelength of 2052 nm for stripe 2 in continuous operation at room temperature. The threshold currents are both about 30 mA and the optical output is about 5 mW. It is.

(適用例2)
レーザ光の波長を変化させてガスの吸収線を検出する場合、レーザ光には、ガスの吸収線よりも狭い線幅が求められる。半導体レーザにおいては、分布帰還型(DFB:Distributed Feedback)構造や分布反射型(DBR:Distributed Bragg Reflector)構造などを採用することにより、単一縦モード発振が可能となり、吸収線よりも狭い線幅を容易に実現することができる。そこで、量子井戸無秩序化を用いて、半導体レーザのチップ内に2μm波長帯で異なる発光波長を有する活性層(発光層)を作製し、単一モード発振するリッジ型DFBレーザを作製する。一例として、図12を用いて波長2350nmと波長2050nmの2波長で発振するリッジ型DFBレーザの作製手順を説明する。活性層及び光閉じ込め層は上述したものと同様の構造を用いており、同様の構造には同じ符号を付している。
(Application example 2)
When a gas absorption line is detected by changing the wavelength of the laser light, the laser light is required to have a narrower line width than the gas absorption line. In semiconductor lasers, by adopting a distributed feedback (DFB) structure or a distributed reflection (DBR) structure, single longitudinal mode oscillation is possible, and the line width is narrower than the absorption line. Can be easily realized. Therefore, using quantum well disordering, active layers (light emitting layers) having different emission wavelengths in the 2 μm wavelength band are fabricated in a semiconductor laser chip, and a ridge type DFB laser that oscillates in a single mode is fabricated. As an example, a procedure for manufacturing a ridge type DFB laser that oscillates at two wavelengths of 2350 nm and 2050 nm will be described with reference to FIGS. The active layer and the optical confinement layer have the same structure as described above, and the same reference numerals are given to the same structure.

まず、図2に示した多重量子井戸構造と同様に、n型InP基板11上に、n型InPクラッド層12、InGaAsP光閉じ込め層13、InAs/InGaAs多重量子井戸構造14a、InGaAsP光閉じ込め層15、InGaAsP光閉じ込め層16、p型InPキャップ層17を、順次、結晶成長により形成する(図12(a))。   First, similarly to the multiple quantum well structure shown in FIG. 2, an n-type InP cladding layer 12, an InGaAsP optical confinement layer 13, an InAs / InGaAs multiple quantum well structure 14a, an InGaAsP optical confinement layer 15 are formed on an n-type InP substrate 11. The InGaAsP optical confinement layer 16 and the p-type InP cap layer 17 are sequentially formed by crystal growth (FIG. 12A).

次に、レーザ光の出射方向に対して平行に、チップとなる領域の半分、例えば、チップ幅800μmであれば400μmの領域にSiO2層18を形成する(図12(b))。その後、熱処理による量子井戸無秩序化により量子井戸構造14bの発光波長を短波長化させる(図12(c))。このときのp型InPキャップ層17は50nmとし、熱処理条件は680℃、1時間とした。このとき、SiO2層18の無い領域のPLピーク波長は2346nm、SiO2層18を形成した領域のPLピーク波長は2053nmであった。その後、SiO2層18をフッ酸により除去する(図12(d))。 Next, in parallel with the laser beam emission direction, the SiO 2 layer 18 is formed in a half of the chip region, for example, in a 400 μm region if the chip width is 800 μm (FIG. 12B). Thereafter, the light emission wavelength of the quantum well structure 14b is shortened by disordering the quantum well by heat treatment (FIG. 12C). The p-type InP cap layer 17 at this time was 50 nm, and the heat treatment conditions were 680 ° C. and 1 hour. At this time, the PL peak wavelength in the region without the SiO 2 layer 18 was 2346 nm, and the PL peak wavelength in the region in which the SiO 2 layer 18 was formed was 2053 nm. Thereafter, the SiO 2 layer 18 is removed with hydrofluoric acid (FIG. 12D).

更に、全面のp型InPキャップ層17も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去する。その後、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層16に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて回折格子24を形成する(図12(e))。このとき、無秩序化を行った場所と行わない場所で、回折格子24の周期を変えており、それぞれ318nm、366nmの周期とした。   Further, the p-type InP cap layer 17 on the entire surface is also removed with an etchant mixed with hydrochloric acid and phosphoric acid. Thereafter, a diffraction grating 24 is formed on the InGaAsP light confinement layer 16 having a band gap wavelength of 1.1 μm by using electron beam exposure and wet etching (FIG. 12E). At this time, the period of the diffraction grating 24 was changed between the place where the disordering was performed and the place where the disordering was not performed, and the periods were 318 nm and 366 nm, respectively.

その後、MOVPE成長炉に導入して、p型InPクラッド層19(キャリア濃度:5×1017cm3)、p型InGaAsPコンタクト層20(1×1019cm3)を順次、結晶成長により形成する(図12(f))。その後、SiO2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、2346nmの領域(ストライプ1)と2053nmの領域(ストライプ2)にそれぞれ1本ずつ2.0μm幅のメサストライプ構造を作製する(図12(g))。2本のストライプ間隔は400μmとした。その後、ストライプ脇にSiO2膜21を形成し、それぞれp型電極22を蒸着する。裏面のn型電極23は、2つのレーザで共通とした(図12(h)〜(i))。その後、共振器長900μmに劈開することで、図13に示すような、それぞれ発振波長の異なる2本のストライプを有するリッジ型DFBレーザ構造が作製される。 Thereafter, the p-type InP cladding layer 19 (carrier concentration: 5 × 10 17 cm 3 ) and the p-type InGaAsP contact layer 20 (1 × 10 19 cm 3 ) are sequentially formed by crystal growth. (FIG. 12 (f)). Thereafter, using a SiO 2 film as a mask, dry etching and wet etching are used together to produce a mesa stripe structure having a width of 2.0 μm in each region of 2346 nm (stripe 1) and 2053 nm (stripe 2). (FIG. 12 (g)). The distance between the two stripes was 400 μm. Thereafter, an SiO 2 film 21 is formed beside the stripe, and a p-type electrode 22 is deposited on each. The n-type electrode 23 on the back surface was shared by the two lasers (FIGS. 12H to 12I). Thereafter, cleavage to a resonator length of 900 μm is performed, thereby producing a ridge type DFB laser structure having two stripes having different oscillation wavelengths as shown in FIG.

図13に示すレーザにおいて、その室温連続動作における単一モード発振波長は、ストライプ1では2337nm、ストライプ2では2052nmであり、線幅はガスの吸収線よりも狭く、しきい値電流はいずれも30mA程度、光出力はいずれも5mW程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ10nm以上の波長変化が可能である。これらの2波長は、それぞれ一酸化炭素と二酸化炭素の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。   In the laser shown in FIG. 13, the single mode oscillation wavelength in the room temperature continuous operation is 2337 nm for stripe 1 and 2052 nm for stripe 2, the line width is narrower than the gas absorption line, and the threshold current is 30 mA for both. The optical output is about 5 mW. In any laser, the wavelength change of 10 nm or more is possible by controlling the injection current and the operating temperature. These two wavelengths coincide with the absorption lines of carbon monoxide and carbon dioxide, respectively, and are useful as light sources for gas sensors by absorption spectroscopy.

本実施例の2波長レーザの発振波長は、2350nmと2050nm近傍であるが、InAs量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、1900nmから2700nmの任意の波長を実現できることは明らかである。   The oscillation wavelengths of the two-wavelength laser of this example are around 2350 nm and 2050 nm, but it is clear that any wavelength from 1900 nm to 2700 nm can be realized by selecting the thickness of the InAs quantum well layer and the quantum well disordering condition. It is.

本実施例のチップ内メサストライプ間隔は400μmであるが、量子井戸無秩序化しない領域と無秩序化される領域との界面近傍5μmの領域は量子井戸構造の組成が均一にならないため活性層に用いることが困難であるものの、その界面から5μm以上離れた領域では均一な組成となるため、メサストライプ間隔は無秩序化しない領域と無秩序化される領域の界面から5μm以上離れていれば、任意の間隔とすることができる。又、SiO2層18の幅は、SiO2層18両端5μm幅の組成の不均一領域を避けるために、10μm以上の幅とすることが望ましい。 The inter-chip mesa stripe interval of this example is 400 μm, but the region of 5 μm in the vicinity of the interface between the non-quantum well disordered region and the disordered region is used for the active layer because the composition of the quantum well structure is not uniform. However, since a uniform composition is obtained in a region 5 μm or more away from the interface, the mesa stripe interval is set to an arbitrary interval as long as it is 5 μm or more away from the interface between the non-disordered region and the disordered region. can do. The width of the SiO 2 layer 18, in order to avoid uneven areas of the composition of the SiO 2 layer 18 at both ends 5μm wide, it is desirable that the above width 10 [mu] m.

ここでは、リッジ構造のDFBレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、p型InPとn型InPで交互に埋め込んだpn埋め込み構造や、半絶縁性InPで埋め込んだ埋め込み構造DFBレーザでも適用できることは明らかである。又、本実施例では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路や別途導波路層を設けて合波器(カプラ)により、単一の出射端(1つの出射光軸)とする構造でも適用できることは明らかである。   Here, a DFB laser having a ridge structure is manufactured. However, it is only necessary that the emission wavelength of the active layer can be controlled in the present invention, and the effect is not dependent on the structure of the laser. That is, it is obvious that the present invention can also be applied to a pn buried structure in which p-type InP and n-type InP are alternately buried, or a buried structure DFB laser buried in semi-insulating InP. In this embodiment, a straight waveguide is used. However, a curved waveguide in which the exit ends of the respective lasers are close to each other or a separate waveguide layer is provided, and a single exit end (1) is obtained by a multiplexer. It is obvious that the present invention can also be applied to a structure with two outgoing optical axes.

[実施例2]
実施例1では、レーザ光の出射方向に対して並列に複数のストライプを作製したが、本実施例では、一本のストライプを用いて直列にレーザを接続することを特徴とする。本実施例では、レーザ素子そのものの出射端が単一、つまり、1つの出射光軸となっている。
[Example 2]
In the first embodiment, a plurality of stripes are formed in parallel with the laser light emission direction. However, the present embodiment is characterized in that a single stripe is used to connect the lasers in series. In this embodiment, the laser element itself has a single exit end, that is, one exit optical axis.

以下、図14を用いて本実施例で作製したレーザについて説明する。活性層及び光閉じ込め層は実施例1に記載したものと同様の構造を用いており、同様の構造には同じ符号を付している。   Hereinafter, the laser manufactured in this example will be described with reference to FIG. The active layer and the optical confinement layer have the same structure as that described in the first embodiment, and the same reference numerals are given to the similar structures.

まず、図2に示した多重量子井戸構造と同様に、n型InP基板11上に、n型InPクラッド層12、InGaAsP光閉じ込め層13、InAs/InGaAs多重量子井戸構造14a、InGaAsP光閉じ込め層15、InGaAsP光閉じ込め層16、p型InPキャップ層17を、順次、結晶成長により形成する。   First, similarly to the multiple quantum well structure shown in FIG. 2, an n-type InP cladding layer 12, an InGaAsP optical confinement layer 13, an InAs / InGaAs multiple quantum well structure 14a, an InGaAsP optical confinement layer 15 are formed on an n-type InP substrate 11. The InGaAsP optical confinement layer 16 and the p-type InP cap layer 17 are sequentially formed by crystal growth.

次に、チップとなる領域において、レーザ光出射側の領域にSiO2層18(図3、図10、図12参照)を形成し、その後、熱処理による量子井戸無秩序化により量子井戸構造14bの発光波長を短波長化させる。このときのp型InPキャップ層17(図2、図10、図12参照)は50nmとし、熱処理条件は680℃、1時間とした。このとき、SiO2層18の無い領域のPLピーク波長は2349nm、SiO2層18を形成した領域のPLピーク波長は2051nmであった。その後、SiO2層18をフッ酸により除去する。 Next, a SiO 2 layer 18 (see FIGS. 3, 10, and 12) is formed in a region on the laser beam emitting side in a region to be a chip, and light emission of the quantum well structure 14b is performed by quantum well disordering by heat treatment. Shorten the wavelength. The p-type InP cap layer 17 (see FIGS. 2, 10, and 12) at this time was 50 nm, and the heat treatment conditions were 680 ° C. and 1 hour. At this time, the PL peak wavelength in the region without the SiO 2 layer 18 was 2349 nm, and the PL peak wavelength in the region in which the SiO 2 layer 18 was formed was 2051 nm. Thereafter, the SiO 2 layer 18 is removed with hydrofluoric acid.

更に、全面のp型InPキャップ層17も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去する。その後、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層16に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いてλ/4シフト回折格子24を形成する。このとき、PLピーク波長の異なる領域で、回折格子24の周期を変えている。回折格子24の周期は、無秩序化を行った場所と行わない場所で、それぞれ318nm、366nmとした。   Further, the p-type InP cap layer 17 on the entire surface is also removed with an etchant mixed with hydrochloric acid and phosphoric acid. Thereafter, a λ / 4 shift diffraction grating 24 is formed on the InGaAsP optical confinement layer 16 having a band gap wavelength of 1.1 μm by using electron beam exposure and wet etching. At this time, the period of the diffraction grating 24 is changed in a region where the PL peak wavelength is different. The period of the diffraction grating 24 was set to 318 nm and 366 nm, respectively, at the place where the disordering was performed and the place where the disordering was not performed.

その後、MOVPE成長炉に導入して、p型InPクラッド層19、p型InGaAsPコンタクト層20を順次、結晶成長により形成する。その後、SiO2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、2349nmの領域と2051nmの領域を跨ぐように、2.0μm幅のメサストライプ構造を作製する。その後、ストライプ脇にSiO2膜21を形成し、2349nmの領域と2051nmの領域にそれぞれp型電極22を蒸着する。裏面のn型電極23は、共通とした。その後、全長1200μmに劈開する。このとき、2349nmの領域と2051nmの領域は600μmずつ等しくなるように設計した。劈開後、両端面に無反射膜コーティングを施した。以上で、図14に示すような、発振波長の異なるレーザが集積された1本のストライプからなるリッジ型DFBレーザ構造が作製される。 Thereafter, the p-type InP cladding layer 19 and the p-type InGaAsP contact layer 20 are sequentially formed by crystal growth by introducing into a MOVPE growth furnace. Thereafter, a mesa stripe structure having a width of 2.0 μm is formed so as to straddle the region of 2349 nm and the region of 2051 nm by using dry etching and wet etching together with the SiO 2 film as a mask. Thereafter, a SiO 2 film 21 is formed on the stripe side, and a p-type electrode 22 is deposited on the 2349 nm region and the 2051 nm region, respectively. The n-type electrode 23 on the back surface is common. Then, it is cleaved to a total length of 1200 μm. At this time, the region of 2349 nm and the region of 2051 nm were designed to be equal by 600 μm. After cleaving, anti-reflective coating was applied to both end faces. As described above, a ridge type DFB laser structure composed of one stripe in which lasers having different oscillation wavelengths are integrated as shown in FIG. 14 is manufactured.

本実施例のレーザにおいて、室温連続動作における単一モード発振波長は、レーザ光の出射側を動作させると2049nmであり、もう一方側を動作させると2340nmである。又、発振波長2350nmでのDFBレーザのしきい値電流は、30mA程度、2050nmでは、50mA程度である。光出力は、いずれも5mW程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ6nm以上の波長変化が可能である。これらの2波長は、それぞれ一酸化炭素と二酸化炭素の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。   In the laser of this example, the single mode oscillation wavelength in the room temperature continuous operation is 2049 nm when the laser beam emission side is operated, and 2340 nm when the other side is operated. The threshold current of the DFB laser at the oscillation wavelength of 2350 nm is about 30 mA, and at 2050 nm, it is about 50 mA. The optical outputs are all about 5 mW. In any laser, the wavelength can be changed by 6 nm or more by controlling the injection current and the operating temperature. These two wavelengths coincide with the absorption lines of carbon monoxide and carbon dioxide, respectively, and are useful as light sources for gas sensors by absorption spectroscopy.

本実施例では、発振波長を2350nm、2050nmとしたが、InAs量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、1900nmから2700nmの任意の波長を実現できることは明らかである。   In this embodiment, the oscillation wavelengths are 2350 nm and 2050 nm, but it is apparent that any wavelength from 1900 nm to 2700 nm can be realized by selecting the thickness of the InAs quantum well layer and the quantum well disordering conditions.

[実施例3]
本実施例では、1つの素子で3つの波長で発振可能な多波長レーザについて、図15を用いて説明する。
[Example 3]
In this embodiment, a multi-wavelength laser capable of oscillating at three wavelengths with one element will be described with reference to FIG.

活性層及び光閉じ込め層は実施例1に記載したものと同様の構造であり、同様の構造には同じ符号を付している。   The active layer and the optical confinement layer have the same structure as that described in the first embodiment, and the same reference numerals are given to the similar structures.

まず、図2に示した多重量子井戸構造と同様に、n型InP基板11上に、n型InPクラッド層12、InGaAsP光閉じ込め層13、InAs/InGaAs多重量子井戸構造14a、InGaAsP光閉じ込め層15、InGaAsP光閉じ込め層16、p型InPキャップ層17を、順次、結晶成長により形成する(図15(a))。ここで、p型InPキャップ層17の厚さは300nmである。   First, similarly to the multiple quantum well structure shown in FIG. 2, an n-type InP cladding layer 12, an InGaAsP optical confinement layer 13, an InAs / InGaAs multiple quantum well structure 14a, an InGaAsP optical confinement layer 15 are formed on an n-type InP substrate 11. The InGaAsP optical confinement layer 16 and the p-type InP cap layer 17 are sequentially formed by crystal growth (FIG. 15A). Here, the thickness of the p-type InP cap layer 17 is 300 nm.

次に、チップとなる領域の一部(ここではチップ幅の1/3程度の領域)のp型InPキャップ層17上にSiO2などからなるマスク25を形成し、p型InPキャップ層17をウェットエッチングにより50nmまで薄膜化する(図15(b))。p型InPキャップ層17の薄い領域と、薄くしていない領域の一部にSiO2層18a、18bを形成する(図15(c))。その後、MOVPE装置内で、680℃、1時間の熱処理を行う。このような構造で熱処理を行うことにより、量子井戸構造14b、14cの発光波長を短波長化すると共に、図9のグラフに示したように、p型InPキャップ層17が薄い領域の量子井戸構造14bが最も発光波長が短波長化する。その結果、発光波長が異なる3つの領域を同一素子内に作製することができる。本実施例で作製した3つの領域の発光波長は、2050nm、2200nm、2350nmである。その後、SiO2層18a、18bをフッ酸により除去する(図15(d))。 Next, a mask 25 made of SiO 2 or the like is formed on the p-type InP cap layer 17 in a part of a region to be a chip (here, a region of about 1/3 of the chip width), and the p-type InP cap layer 17 is formed. The thickness is reduced to 50 nm by wet etching (FIG. 15B). SiO 2 layers 18a and 18b are formed in a thin region of the p-type InP cap layer 17 and a portion of the non-thin region (FIG. 15C). Thereafter, heat treatment is performed at 680 ° C. for 1 hour in the MOVPE apparatus. By performing the heat treatment in such a structure, the emission wavelength of the quantum well structures 14b and 14c is shortened, and the quantum well structure in which the p-type InP cap layer 17 is thin as shown in the graph of FIG. 14b has the shortest emission wavelength. As a result, three regions having different emission wavelengths can be produced in the same element. The emission wavelengths of the three regions manufactured in this example are 2050 nm, 2200 nm, and 2350 nm. Thereafter, the SiO 2 layers 18a and 18b are removed with hydrofluoric acid (FIG. 15D).

更に、全面のp型InPキャップ層17も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去し、その後、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層16に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて回折格子24を形成する(図15(e))。このとき、回折格子24の周期は、発光波長2050nm、2200nm、2350nmの領域で、それぞれ318nm、343nm、366nmの周期とした。   Further, the p-type InP cap layer 17 on the entire surface is also removed by an etchant mixed with hydrochloric acid and phosphoric acid, and then a diffraction grating is formed on the InGaAsP optical confinement layer 16 having a band gap wavelength of 1.1 μm using electron beam exposure and wet etching. 24 is formed (FIG. 15E). At this time, the period of the diffraction grating 24 was set to periods of 318 nm, 343 nm, and 366 nm in the regions of the emission wavelengths of 2050 nm, 2200 nm, and 2350 nm, respectively.

その後、MOVPE成長炉に導入して、p型InPクラッド層19(キャリア濃度:5×1017cm3)、p型InGaAsPコンタクト層20(1×1019cm3)を順次、結晶成長により形成する(図15(f))。その後、SiO2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、2050nmの領域(ストライプ1)、2200nmの領域(ストライプ2)、2350nmの領域(ストライプ3)にそれぞれ1本ずつ2.0μm幅のメサストライプ構造を作製する(図15(g))。ストライプ間隔は200μmとした。その後、ストライプ脇にSiO2膜21を形成し、それぞれp型電極22を蒸着する。裏面のn型電極23は、3つのレーザで共通とした(図15(h)〜(i))。その後、共振器長900μmに劈開することで、それぞれ発振波長の異なる3本のストライプを有するリッジ型DFBレーザ構造が作製される。 Thereafter, the p-type InP cladding layer 19 (carrier concentration: 5 × 10 17 cm 3 ) and the p-type InGaAsP contact layer 20 (1 × 10 19 cm 3 ) are sequentially formed by crystal growth. (FIG. 15 (f)). Then, using the SiO 2 film as a mask, dry etching and wet etching are used together, and 2.0 μm each for a 2050 nm region (stripe 1), a 2200 nm region (stripe 2), and a 2350 nm region (stripe 3). A mesa stripe structure having a width is produced (FIG. 15G). The stripe interval was 200 μm. Thereafter, an SiO 2 film 21 is formed beside the stripe, and a p-type electrode 22 is deposited on each. The n-type electrode 23 on the back surface was shared by the three lasers (FIGS. 15H to 15I). Thereafter, the ridge type DFB laser structure having three stripes each having a different oscillation wavelength is produced by cleaving to a resonator length of 900 μm.

本実施例のレーザにおいて、その室温連続動作における単一モード発振波長は、ストライプ1では2059nm、ストライプ2では2203nm、ストライプ3では2335nmであり、しきい値電流はいずれも30mA程度、光出力はいずれも5mW程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ10nm以上の波長変化が可能である。これらの3波長は、それぞれ二酸化炭素(CO2)、亜酸化窒素(N2O)と一酸化炭素(CO)の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。 In the laser of this example, the single mode oscillation wavelength in the continuous operation at room temperature is 2059 nm for stripe 1, 2203 nm for stripe 2, 2335 nm for stripe 3, the threshold current is about 30 mA, and the optical output is any. Is about 5 mW. In any laser, the wavelength change of 10 nm or more is possible by controlling the injection current and the operating temperature. These three wavelengths coincide with absorption lines of carbon dioxide (CO 2 ), nitrous oxide (N 2 O), and carbon monoxide (CO), respectively, and are useful as light sources for gas sensors by absorption spectroscopy.

本実施例では、3波長レーザについて説明したが、p型InPキャップ層17の膜厚が異なる領域を所望の数だけ作製することで、4波長以上の発振波長を有するレーザを作製できることは明らかである。   In the present embodiment, a three-wavelength laser has been described. However, it is apparent that a laser having an oscillation wavelength of four or more wavelengths can be manufactured by manufacturing a desired number of regions having different thicknesses of the p-type InP cap layer 17. is there.

本実施例の3波長レーザの発振波長は、2050nm、2200nm、2350nm近傍であるが、InAs量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、1900nmから2700nmの任意の波長を実現できることは明らかである。   The oscillation wavelength of the three-wavelength laser of this example is in the vicinity of 2050 nm, 2200 nm, and 2350 nm, but by selecting the thickness of the InAs quantum well layer and the quantum well disordering condition, an arbitrary wavelength from 1900 nm to 2700 nm can be realized. Is clear.

本実施例では、リッジ構造のDFBレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、p型InPとn型InPで交互に埋め込んだpn埋め込み構造や、半絶縁性InPで埋め込んだ埋め込み構造DFBレーザでも適用できることは明らかである。又、本実施例では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路や別途導波路層を設けて合波器(カプラ)により、単一の出射端(1つの出射光軸)とする構造でも適用できることは明らかである。   In this example, a DFB laser having a ridge structure was manufactured. However, it is only necessary that the emission wavelength of the active layer can be controlled in the present invention, and the effect is not dependent on the laser structure. That is, it is obvious that the present invention can also be applied to a pn buried structure in which p-type InP and n-type InP are alternately buried, or a buried structure DFB laser buried in semi-insulating InP. In this embodiment, a straight waveguide is used. However, a curved waveguide in which the exit ends of the respective lasers are close to each other or a separate waveguide layer is provided, and a single exit end (1) is obtained by a multiplexer. It is obvious that the present invention can also be applied to a structure with two outgoing optical axes.

[実施例4]
本実施例では、1つの素子で3つの波長で発振可能であって、実施例3とは無秩序化のための製造方法が異なる多波長レーザについて、図16を用いて説明する。
[Example 4]
In this embodiment, a multi-wavelength laser that can oscillate at three wavelengths with one element and has a different manufacturing method for disordering from Embodiment 3 will be described with reference to FIG.

活性層及び光閉じ込め層は実施例1に記載したものと同様の構造であり、同様の構造には同じ符号を付している。   The active layer and the optical confinement layer have the same structure as that described in the first embodiment, and the same reference numerals are given to the similar structures.

まず、図2に示した多重量子井戸構造と同様に、n型InP基板11上に、n型InPクラッド層12、InGaAsP光閉じ込め層13、InAs/InGaAs多重量子井戸構造14a、InGaAsP光閉じ込め層15、InGaAsP光閉じ込め層16、p型InPキャップ層17を、順次、結晶成長により形成する(図16(a))。ここで、p型InPキャップ層17の厚さは50nmである。   First, similarly to the multiple quantum well structure shown in FIG. 2, an n-type InP cladding layer 12, an InGaAsP optical confinement layer 13, an InAs / InGaAs multiple quantum well structure 14a, an InGaAsP optical confinement layer 15 are formed on an n-type InP substrate 11. The InGaAsP optical confinement layer 16 and the p-type InP cap layer 17 are sequentially formed by crystal growth (FIG. 16A). Here, the thickness of the p-type InP cap layer 17 is 50 nm.

次に、チップ幅を複数の領域に分割し(ここでは3分割)、3分割した領域のうちの2つの領域のp型InPキャップ層17上に、各々、SiO2層18、SiNx層26を形成する(図16(b))。その後、MOVPE装置内で、680℃、1時間の熱処理を行う。このような構造で熱処理を行うことにより、量子井戸構造14b、14cの発光波長を短波長化すると共に、誘電体膜(SiO2層18、SiNx層26)の種類によって、半導体層との応力が異なることに起因して、波長シフト量が異なるため、発光波長が異なる3つの領域を同一素子内に作製することができる。本実施例で作製した3つの領域の発光波長は、2050nm、2100nm、2350nmである。その後、誘電体膜(SiO2層18、SiNx層26)を除去する(図16(c))。 Next, the chip width is divided into a plurality of regions (here, divided into three), and the SiO 2 layer 18 and the SiN x layer 26 are respectively formed on the p-type InP cap layer 17 in two of the three divided regions. Is formed (FIG. 16B). Thereafter, heat treatment is performed at 680 ° C. for 1 hour in the MOVPE apparatus. By performing the heat treatment in such a structure, the light emission wavelength of the quantum well structures 14b and 14c is shortened, and the stress on the semiconductor layer depends on the type of the dielectric film (SiO 2 layer 18 and SiN x layer 26). Since the wavelength shift amounts are different due to the difference between the two, three regions having different emission wavelengths can be fabricated in the same element. The emission wavelengths of the three regions manufactured in this example are 2050 nm, 2100 nm, and 2350 nm. Thereafter, the dielectric film (SiO 2 layer 18, SiN x layer 26) is removed (FIG. 16C).

更に、全面のp型InPキャップ層17も塩酸とリン酸を混合したエッチャントにより除去し、その後、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層16に、電子ビーム露光及びウェットエッチングを用いて回折格子24を形成する(図16(d))。このとき、回折格子24の周期は、発光波長2050nm、2100nm、2350nmの領域で、それぞれ318nm、326nm、366nmの周期とした。   Further, the p-type InP cap layer 17 on the entire surface is also removed by an etchant mixed with hydrochloric acid and phosphoric acid, and then a diffraction grating is formed on the InGaAsP optical confinement layer 16 having a band gap wavelength of 1.1 μm using electron beam exposure and wet etching. 24 is formed (FIG. 16D). At this time, the period of the diffraction grating 24 was set to 318 nm, 326 nm, and 366 nm, respectively, in the region of the emission wavelengths of 2050 nm, 2100 nm, and 2350 nm.

その後、MOVPE成長炉に導入して、p型InPクラッド層19(キャリア濃度:5×1017cm3)、p型InGaAsPコンタクト層20(1×1019cm3)を順次、結晶成長により形成する(図16(e))。その後、SiO2膜をマスクとして、ドライエッチング及びウェットエッチングを併用して、2050nmの領域(ストライプ1)、2100nmの領域(ストライプ2)、2350nmの領域(ストライプ3)にそれぞれ1本ずつ2.0μm幅のメサストライプ構造を作製する(図16(f))。ストライプ間隔は200μmとした。その後、ストライプ脇にSiO2膜21を形成し、それぞれp型電極22を蒸着する。裏面のn型電極23は、2つのレーザで共通とした(図16(g)〜(h))。その後、共振器長900μmに劈開することで、それぞれ発振波長の異なる3本のストライプを有するリッジ型DFBレーザ構造が作製される。 Thereafter, the p-type InP cladding layer 19 (carrier concentration: 5 × 10 17 cm 3 ) and the p-type InGaAsP contact layer 20 (1 × 10 19 cm 3 ) are sequentially formed by crystal growth. (FIG. 16 (e)). After that, using the SiO 2 film as a mask, dry etching and wet etching are used together, and 2.0 μm each for 2050 nm region (stripe 1), 2100 nm region (stripe 2), and 2350 nm region (stripe 3). A mesa stripe structure having a width is produced (FIG. 16F). The stripe interval was 200 μm. Thereafter, an SiO 2 film 21 is formed beside the stripe, and a p-type electrode 22 is deposited on each. The n-type electrode 23 on the back surface was shared by the two lasers (FIGS. 16G to 16H). Thereafter, the ridge type DFB laser structure having three stripes each having a different oscillation wavelength is produced by cleaving to a resonator length of 900 μm.

本実施例のレーザおいて、その室温連続動作における単一モード発振波長は、ストライプ1では2059nm、ストライプ2では2103nm、ストライプ3では2335nmであり、しきい値電流はいずれも30mA程度、光出力はいずれも5mW程度である。又、いずれのレーザにおいても注入電流と動作温度の制御により、それぞれ10nm以上の波長変化が可能である。これらの3波長は、それぞれ二酸化炭素(CO2)、亜酸化窒素(N2O)と一酸化炭素(CO)の吸収線に一致し、吸収分光法によるガスセンサ用光源として有用である。 In the laser of this example, the single mode oscillation wavelength in the continuous operation at room temperature is 2059 nm for stripe 1, 2103 nm for stripe 2, 2335 nm for stripe 3, the threshold current is about 30 mA, and the optical output is Both are about 5 mW. In any laser, the wavelength change of 10 nm or more is possible by controlling the injection current and the operating temperature. These three wavelengths coincide with absorption lines of carbon dioxide (CO 2 ), nitrous oxide (N 2 O), and carbon monoxide (CO), respectively, and are useful as light sources for gas sensors by absorption spectroscopy.

本実施例では、3波長レーザについて説明したが、誘電体膜の形成する領域を所望の数だけ作製することで、4波長以上の発振波長を有するレーザを作製できることは明らかである。又、実施例3に示した製造方法と組み合わせ、p型InPキャップ層17の膜厚を変更すると共に誘電体膜の種類も変更して、所望の波長数に応じた多波長レーザを作成してもよい。   In this embodiment, the three-wavelength laser has been described. However, it is apparent that a laser having an oscillation wavelength of four wavelengths or more can be manufactured by manufacturing a desired number of regions for forming the dielectric film. Also, in combination with the manufacturing method shown in Example 3, the thickness of the p-type InP cap layer 17 is changed and the type of dielectric film is changed to produce a multi-wavelength laser corresponding to the desired number of wavelengths. Also good.

本実施例の3波長レーザの発振波長は、2050nm、2200nm、2350nm近傍であるが、InAs量子井戸層の厚さや量子井戸無秩序化条件を選択することで、1900nmから2700nmの任意の波長を実現できることは明らかである。   The oscillation wavelength of the three-wavelength laser of this example is in the vicinity of 2050 nm, 2200 nm, and 2350 nm, but by selecting the thickness of the InAs quantum well layer and the quantum well disordering condition, an arbitrary wavelength from 1900 nm to 2700 nm can be realized. Is clear.

本実施例では、リッジ構造のDFBレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、p型InPとn型InPで交互に埋め込んだpn埋め込み構造や、半絶縁性InPで埋め込んだ埋め込み構造DFBレーザでも適用できることは明らかである。又、本実施例では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路や別途導波路層を設けて合波器(カプラ)により、単一の出射端(1つの出射光軸)とする構造でも適用できることは明らかである。   In this example, a DFB laser having a ridge structure was manufactured. However, it is only necessary that the emission wavelength of the active layer can be controlled in the present invention, and the effect is not dependent on the laser structure. That is, it is obvious that the present invention can also be applied to a pn buried structure in which p-type InP and n-type InP are alternately buried, or a buried structure DFB laser buried in semi-insulating InP. In this embodiment, a straight waveguide is used. However, a curved waveguide in which the exit ends of the respective lasers are close to each other or a separate waveguide layer is provided, and a single exit end (1) is obtained by a multiplexer. It is obvious that the present invention can also be applied to a structure with two outgoing optical axes.

[実施例5]
本実施例では、実施例1〜実施例4で説明した多波長半導体レーザのモジュールについて説明する。
[Example 5]
In the present embodiment, the multi-wavelength semiconductor laser module described in the first to fourth embodiments will be described.

従来、多種類のガスをセンシングする光源として用いるためには、検出したいガスの数と同数の単一波長レーザ及び同数のレーザ光を平行光にするためのレンズをモジュール内に組み込む必要があった。例えば、検出したいガスの数が2種類の場合には、図17に示すように、2つの単一波長レーザ31a、32b及び1つのレンズ32a、32bをモジュール30内に組み込む必要があった。   Conventionally, in order to use as a light source for sensing various types of gases, it is necessary to incorporate the same number of single wavelength lasers as the number of gases to be detected and lenses for making the same number of laser beams into parallel light in the module. . For example, when the number of gases to be detected is two, it is necessary to incorporate two single wavelength lasers 31a and 32b and one lens 32a and 32b into the module 30 as shown in FIG.

これに対し、実施例1〜実施例4で説明した多波長半導体レーザを用いる場合には、図18に示すように、1つのレーザ素子41から複数のレーザ光が出射されるため、レーザ光を平行光にするためのレンズ42は1つで済む。更に、レーザ素子41とレンズ42のアライメント(光軸合わせ)が一度で済むため、モジュール40の作製も容易となる。   On the other hand, when the multi-wavelength semiconductor laser described in the first to fourth embodiments is used, a plurality of laser beams are emitted from one laser element 41 as shown in FIG. Only one lens 42 is required for parallel light. Furthermore, since the alignment (optical axis alignment) between the laser element 41 and the lens 42 is only once, the module 40 can be easily manufactured.

本発明により、レーザモジュール40を作製するための部材数を低減し、更に、作製工程を簡略化できる。   According to the present invention, the number of members for manufacturing the laser module 40 can be reduced, and the manufacturing process can be simplified.

[実施例6]
本実施例では、実施例5で説明した多波長レーザモジュールを用いたガスセンサシステムについて説明する。
[Example 6]
In the present embodiment, a gas sensor system using the multiwavelength laser module described in the fifth embodiment will be described.

発振波長2050nmと2340nmの2波長のレーザモジュールを用いて、一酸化炭素と二酸化炭素を同時に検出するシステムについて、図19を用いて説明する。   A system for simultaneously detecting carbon monoxide and carbon dioxide using a two-wavelength laser module having oscillation wavelengths of 2050 nm and 2340 nm will be described with reference to FIG.

レーザモジュール40から出射されるレーザ光を、一酸化炭素と二酸化炭素が含まれたガスセル51内を通して、受光器53で受光する。まず、2050nmのレーザを動作させ、制御装置52により動作温度を変化させて発振波長を操作する。その結果、モニタ54には、図20のような透過スペクトルを得ることができる。透過率の小さい波長が二酸化炭素の吸収線と一致しているため、二酸化炭素を検出することができることを示している。その後、2340nmのレーザを同様に動作させることで、図21のような一酸化炭素の吸収線を検出することができる。透過率の小さい波長が一酸化炭素の吸収線と一致する。これより、本発明のシステムにより、複数のガスを容易に検出することができる。   Laser light emitted from the laser module 40 is received by the light receiver 53 through the gas cell 51 containing carbon monoxide and carbon dioxide. First, the laser of 2050 nm is operated, and the operating temperature is changed by the control device 52 to manipulate the oscillation wavelength. As a result, a transmission spectrum as shown in FIG. 20 can be obtained on the monitor 54. Since the wavelength with a small transmittance coincides with the absorption line of carbon dioxide, it indicates that carbon dioxide can be detected. Thereafter, by operating the 2340 nm laser in the same manner, the absorption line of carbon monoxide as shown in FIG. 21 can be detected. The wavelength with a low transmittance coincides with the absorption line of carbon monoxide. Thus, a plurality of gases can be easily detected by the system of the present invention.

更に、本モジュールを用いて、ガスの検出感度向上が可能な波長変調分光法を用いることもできる。波長変調分光法について、図22を用いて説明する。波長変調分光法は、ガスによる微弱な吸収を高感度に検出するために用いられる。この方法において、半導体レーザは注入電流により発振波長が変調される。波長変調により吸収率の変化を透過光強度の変化に変換することができるので、変調周波数を参照信号として受光器出力についてロックイン検波することにより、高感度な吸収スペクトル測定が可能となる。又、波長変調の中心を吸収スペクトルの中心に安定化しておけば、変調周波数fの2倍高調波を参照波として得られる信号(2f信号)が、吸収ピーク値に比例するので、微弱な吸収を高速高感度に検出できる(2f検波法)。   Furthermore, wavelength modulation spectroscopy capable of improving gas detection sensitivity can be used by using this module. The wavelength modulation spectroscopy will be described with reference to FIG. Wavelength modulation spectroscopy is used to detect weak absorption by gas with high sensitivity. In this method, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is modulated by the injection current. Since the change in the absorptance can be converted into the change in the transmitted light intensity by the wavelength modulation, the absorption spectrum can be measured with high sensitivity by performing lock-in detection on the light receiver output using the modulation frequency as a reference signal. Further, if the center of wavelength modulation is stabilized at the center of the absorption spectrum, a signal (2f signal) obtained using the second harmonic of the modulation frequency f as a reference wave is proportional to the absorption peak value, so that weak absorption is obtained. Can be detected at high speed and high sensitivity (2f detection method).

本発明は、半導体レーザを光源とする吸収分光法に好適である。   The present invention is suitable for absorption spectroscopy using a semiconductor laser as a light source.

11 InP基板
14a 多重量子井戸層
14b、14c 無秩序化した多重量子井戸層
17 キャップ層
18、18a、18b SiO2
25 SiNx
11 InP substrate 14a Multiple quantum well layer 14b, 14c disordered multiple quantum well layer 17 cap layer 18, 18a, 18b SiO 2 layer 25 SiN x layer

Claims (5)

InP基板上にInAsの井戸層とInGaAsの障壁層からなる量子井戸構造を成長させる工程と、
前記量子井戸構造の上層にキャップ層を積層する工程と、
前記キャップ層の一部を薄くする工程と、
前記キャップ層を薄くした表面と、前記キャップ層を薄くしていない表面の一部とに誘電体膜を形成する工程と、
前記量子井戸構造を前記キャップ層及び前記誘電体膜と共に熱処理することにより、前記誘電体膜下部の前記量子井戸構造を無秩序化した他の量子井戸構造を形成する工程とを有し、
無秩序化により、前記他の量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長を、前記量子井戸構造からなる発光層の発する光の波長より短波長化する半導体素子の製造方法。
Growing a quantum well structure comprising an InAs well layer and an InGaAs barrier layer on an InP substrate;
Laminating a cap layer on top of the quantum well structure;
Thinning a part of the cap layer;
Forming a dielectric film on a surface where the cap layer is thinned and a part of the surface where the cap layer is not thinned;
Forming another quantum well structure in which the quantum well structure under the dielectric film is disordered by heat-treating the quantum well structure together with the cap layer and the dielectric film, and
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the wavelength of light emitted from the light emitting layer comprising the other quantum well structure is made shorter than the wavelength of light emitted from the light emitting layer comprising the quantum well structure by disordering.
InP基板上に複数の波長の光を発する発光層を有する半導体素子であって、A semiconductor element having a light emitting layer that emits light of a plurality of wavelengths on an InP substrate,
前記発光層が、InAsの井戸層とInGaAsの障壁層からなる量子井戸構造と、当該量子井戸構造の一部を無秩序化した他の量子井戸構造とからなり、The light emitting layer is composed of a quantum well structure including an InAs well layer and an InGaAs barrier layer, and another quantum well structure in which a part of the quantum well structure is disordered.
請求項1の製造方法によって作られたことを特徴とする半導体素子。A semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to claim 1.
請求項に記載の半導体素子を用いた多波長半導体レーザであって、
前記量子井戸構造からなる発光層の単一モード発振波長と、前記他の量子井戸構造からなる発光層の各々の単一モード発振波長を、各々異なるガスの吸収線と一致させたことを特徴とする多波長半導体レーザ。
A multi-wavelength semiconductor laser using the semiconductor device according to claim 2 ,
The single-mode oscillation wavelength of the light-emitting layer having the quantum well structure and the single-mode oscillation wavelength of each of the light-emitting layers having the other quantum well structures are matched with different gas absorption lines, Multi-wavelength semiconductor laser.
請求項に記載の多波長半導体レーザを搭載し、出射光軸を1つにしたことを特徴とする多波長半導体レーザモジュール。 A multi-wavelength semiconductor laser module comprising the multi-wavelength semiconductor laser according to claim 3 and a single output optical axis. 請求項に記載の多波長半導体レーザ又は請求項に記載の多波長半導体レーザモジュールを光源として用いたことを特徴とするガスセンシングシステム。
Gas sensing system characterized by using a multi-wavelength semiconductor laser module according to a multi-wavelength semiconductor laser or claim 4 according to claim 3 as a light source.
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