JPH0349285A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気光変換素子として利用する半導体レーザ装
置およびその製造方法に関する。

本発明は、光通信装置、光情報処理装置、光記録装置、
光応用計測装置、その他光電子装置の光源として利用す
るに適する。

〔概要〕

本発明は、活性層に回折格子を設け、光分布帰還によっ
てその活性層で電子と正孔の再結合による誘導放出光を
発生させる分布帰還型半導体レーザ装置において、 活性層が量子井戸構造であり、前記回折格子に相応する
周期にしたがってその量子井戸構造を無秩序化すること
により、 活性層そのものに回折格子を形成することを可能とし、
これにより誘起される利得係数の周期的摂動を主因とす
る光分布帰還を施し、完全に単一波長の縦モード発振を
得るものである。

〔従来の技術〕

半導体レーザの活性層近傍に回折格子を形成し、この回
折格子により光分布帰還を施して活性層に誘導放出光を
発生させる分布帰還型半導体レーザ装置の技術が広く知
られている。分布帰還型半導体レーザ装置は、比較的簡
単に発振スペクトル特性の優れた誘導放出光が得られる
とともに、回折格子のピッチにより発振波長を制御でき
るので、単一モード光ファイバを利用するあるいは光波
長多重を行う長距離大容量光通信装置その他光電子装置
の光源としてその有用性が期待されている。

このための従来例レーザ装置は、活性層にきわめて近接
して透明な導波路層を作り、この導波路層の活性層より
遠い側の面に断面形状がおおむね三角波状である凹凸形
状を形成して、導波路層のみかけの屈折率を周期的に変
化させて光分布帰還を施すものである。この構造は広く
知られたものであって、−船釣なハンドブックであるオ
ーム社：電子情報通信ハンドブック、１９８８年９８４
−９８５頁 にも記載がある。この構造の半導体レーザ装置は、光導
波路層の層厚変化の周期に対応して生じるブラッグ波長
の光に対して、光位相についての適正な帰還が行われな
いので、このブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じる
。すなわち、従来例装置では、ブラッグ波長の上下にほ
ぼ対称に離隔した二つの波長の縦モード発振が生じる現
象がある。

さまざまな実験的検討から、この二つの波長の縦モード
発振の一方のみが生じるように設定すること、さらにそ
の一方のみを予め設定することは、実用的な半導体レー
ザ装置を設計および製作するうえで困難であることが経
験されている。このため、製造歩留りを高くすることが
できない。

これを解決するために、回折格子をそのほぼ中央で４分
の１波長分だけ位相シフトさせる構造が提案され実施さ
れた。これにより二つの波長の縦モードの利得差が大き
くなり、発振モードを一つに設定することができるよう
になる。しかし、この構造は回折格子の形成が複雑であ
るため特別の製造工程が必要であり、さらにレーザ素子
端面に反射防止膜を形成する必要があるなど複雑であり
、製造工数が大きく高価である。この構造の半導体レー
ザ装置についても上記ハンドブックに記載がある。

一方、上述のように屈折率結合により光分布帰還を行う
とブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じるが、利得係
数の周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行
うとすれば、発振阻止帯域は現れず完全に単一波長の縦
モード発振が得られるはずであるとの原理的な理論が、 コゲルニック他「分布帰還レーザの結合波理論（Ｃｏｕ
ｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋしａｓｅｒｓ）　Ｊ米
国雑誌、アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　１９７２　
ｖｏｌ、４３ｐｐ　２３２７−２３３５） によって示された。この論文はあ（までも原理的な検討
結果であって、上記の利得結合を実現するための半導体
レーザ装置の構造やその製造方法についてはなんら記述
がない。

本願発明者の一部は、上記コゲルニック他の基礎理論を
適用した新しい半導体レーザ装置として、特許出願（特
願昭６３−１８９５９３号）昭和６３年７月３０日出願
、本願出願時において未公開（以下「先願」という） を出願した。この先願に記載された技術は、活性層の近
傍に半導体の不透明層を設け、その不透明層に回折格子
を形成し、その不透明層の利得係数または損失係数に周
期的摂動に基づく分布帰還を施すものである。

この構造により上記コゲルニック他の理論を満たす装置
を実現できた。しかし、この構造では活性層の近傍に不
透明層を設けてこの不透明層により帰還を施すものであ
るから、この不透明層にエネルギの吸収損失があり、誘
導放出光を発生させるために供給するエネルギが大きく
なる欠点がある。

上述のコゲルニック他の理論に基づき利得係数の周期的
摂動を与えるように分布帰還を施すには、活性層の一方
の面に回折格子を形成し、活性層の厚さそのものを回折
格子の凹凸に応じて光波の進行方向にそって変化させる
ことが最適である。ところで、利得結合を実現する目的
とは別であるが、半導体レーザ装置の活性層に直接に回
折格子を印刻する実験結果が 中村性「ガリウム・ヒ素−ガリウム・アルミニウム・ヒ
素ダブルへテロ構造分布帰還型半導体レーザＪ　（Ｇａ
Ａｓ−ＧａＡＩＡｓ　Ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏ　５ｔ
ｒｕｃｔｕｒｅＤ＋５ｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａ
ｃｋ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａ５ｅｒｓ）米国雑誌アプライド
・フィジックス・レターズ（＾ρρｌ１ｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　１９７４　ｖｏｗ、２５　ｐ
ｐ４８７−４８８）に報告されている。しかし、活性層
に直接に回折格子として凹凸を印刻すると、凹凸を形成
するための成長中断、印刻加工、再成長などの一連の操
作により活性層の半導体結晶に欠陥が発生してしまう。

この半導体結晶の欠陥により、非発光再結合が増加して
誘導放出光が大きく減少し、半導体レーザ装置としては
効率の悪い装置となり実用的な装置が得られないことが
わかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、このような背景に行われたものであって、上
述の発振阻止帯域を生じる屈折率結合による光分布帰還
ではなく、上述のコゲルニック他による理論にしたがい
主として利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により
光分布帰還を行う半導体レーザ装置の実現を目指すもの
である。しかも、上記先願に記載されたもののように不
透明層を設けてエネルギ吸収損失を生じさせることなく
、また、活性層に回折格子を形成しても半導体結晶構造
に欠陥を生じさせることがないように、これを実現しよ
うとするものである。

すなわち本発明は、２モ一ド発振を起こすことなく発振
モードが単一モードでありかつ安定であり、その発振モ
ードを予め設定することが可能であり、構造が簡単であ
り、製造工程が簡単であり、良好な製造歩留りが期待さ
れ、したがって安価であり、しかも、上記先願発明の欠
点を除いてエネルギ吸収損失がなく、さらに活性層に回
折格子を形成しても活性層となる半導体結晶構造に欠陥
を引き起こすことがなく誘導放出光を効率的に発生させ
る半導体レーザ装置およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、活性層に量子井戸層を挟み込んだ構造とし、
この量子井戸層を回折格子に相応する周期で無秩序化す
ることにより実質的に活性層そのものに回折格子を形成
することを特徴とする。

すなわち本発明の第一の観点は半導体レーザ装置であり
、その構造は、誘導放出光を発生させる活性層と、この
活性層に設けられこの活性層に光分布帰還を施す回折格
子とを備えた半導体レーザ装置において、前記活性層（
７）は、量子井戸層（７Ｗ）を含む構造であって、前記
回折格子は前記量子井戸層を回折格子の周期にしたがっ
て無秩序化して消滅させた結果生じたことを特徴とする
。

なお、ここで無秩序化とは、局部的に不均一な物質組成
を相互拡散により均一平均化することをいい、イオン注
入その他の方法によりこれを著しく促進することができ
る。

本発明の第二の観点は半導体レーザ装置を製造する製造
方法であって、第一のクラッド層（３）を成長させる第
一工程と、この第一のクラッド層の上に活性層（７）を
成長させる第二工程と、この活性層の上に第二のクラッ
ド層（８）を成長させる第三工程とを含み、この第二工
程は、量子井戸層（７Ｗ）をもつ活性層を形成する工程
を含む製造方法において、前記第二工程と前記第三工程
との間に、前記量子井戸層（７１１）を回折格子の周期
にしたがって無秩序化する工程を含むことを特徴とする
。

前記無秩序化する工程は、前記第二工程で形成された活
性層（７）　の上に前記周期にしたがって配置されたマ
スク（１５）を形成する工程と、そのマスクで一部が覆
われた活性層の上からイオンビームを注入する方法によ
ることができる。

また、前記無秩序化する工程は、前記第二工程で形成さ
れた活性層（７）の上から、前記回折格子の周期にした
がって断続するイオンビームを注入する方法によること
ができる。

〔作用〕

本発明の半導体レーデ装置は、活性層の量子井戸層が光
波の進行方向にそって、回折格子の周期にしたがって無
秩序化されているから、上述のコゲルニック他による理
論における利得係数の周期的摂動に基づく利得結合によ
り光分布帰還を行う。

したがって、特定の波長領域に発振阻止帯域が生じるよ
うなことがなく、その特定の波長領域の上下に二つの波
長の縦モード発振が生じることもなく、回折格子の周期
により定まる安定な一つのモードの発振を行う。この安
定な一つのモードの発振波長はブラッグ波長に対応する
からこれを予め設定し設計製造することができる。

本発明の半導体レーザ装置では、実質的に活性層そのも
のに回折格子を形成することになる。上記先願に記載の
技術は、コゲルニック他による理論における利得係数の
周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行うも
のであっても、活性層に近接して不透明半導体層を設け
、この不透明半導体層における回折格子により光分布帰
還を施すものであるから、活性層そのものに回折格子を
形成する本発明とは本質的に異なる。上記先願記載の技
術では、この不透明半導体層に光エネルギの吸収があっ
たが、本発明の半導体レーザ装置はこの不透明層に相当
するものはもとよりなく、光エネルギの吸収もないので
、励起エネルギの効率が高くなる特徴がある。

また、従来構造で説明した活性層に直接に回折格子を加
工印刻するものと比べるといちじるしい改善がある。す
なわち、この従来技術では活性層まで成長させ、そこで
−旦成長を中断しその上に回折格子を印刻し、さらにそ
の上にクラッド層となるべき半導体層を再び成長させる
工程を必要とするから、活性層の半導体結晶構造に欠陥
が生じてしまうが、本発明では、活性層上の量子井戸層
を周期的に無秩序化することにより回折格子を形成する
ので、活性層には半導体結晶構造の欠陥のない回折格子
が形成されることになる。

これにより、活性層の構造およびキャリア密度にレーザ
共振器軸方向に沿って所望のとおりの摂動が生じ、これ
らの総合効果として共振器軸方向に伝搬する光波に対す
る利得係数が回折格子の周期に一致する周期で変化する
ことになり、利得結合による分布帰還が実現される。

本発明の構造では、共振器中の定在波位置が利得係数変
化の周期に一致して固定されるから、レーザ素子端面の
反射の影響を受けにくくなり、単−縦モード発振を得る
ために、必ずしも反射防止措置を必要としない。したが
って、上記従来例で説明した４分の１波長分だけ回折格
子の位相をシフトさせる構造のものに比べて、その構造
はいちじるしく単純になり製造工数が小さくなり、この
ため製造歩留りが向上する。

量子井戸層を周期的に無秩序化する方法は、イオンビー
ム注入法を用いることがよい。活性層の表面に回折格子
の周期に相応するようにマスクを配置して、その活性層
表面に一様にイオンビームを注入すると、そのマスクで
覆われた部分は量子井戸層がそのまま残り、マスクで覆
われない部分の量子井戸層は無秩序化されて消滅するか
ら、周期的に無秩序化された断続的な量子井戸層が形成
される。

また別の方法として、活性層の表面をイオンビ−ム源で
走査するときに、イオンビームの発生ないしは供給を回
折格子の周期に合わせて断続させることにより、周期的
に量子井戸層を無秩序化することができる。

〔実施例〕

以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。第１図は本発明実施例半導体レーザ装置の製造工
程を示す図である。図示の構造においては、高濃度ｎ型
砒化ガリウム（ｎ”　−ＧａＡｓ）基板ｌ上に量子井戸
構造の半導体レーザ素子の各層をエピタキシャル装置に
より、二段階に分けて連続的に有機金属気相成長させる
。

すなわち第一段階では、第１図（ａ）に示すように、基
板１の上にｎ型クラッド層３を成長させ、その上に活性
層７を成長させる。すなわち、砒化アルミニウム混晶比
が０．６から０．３まで滑らかに変化するようにｎ型砒
化アルミニウムガリウム傾斜屈折率層７Ｇを平均厚さ０
．１５μｌに成長させ、その上に、きわめて薄い平均厚
さｌＱｎｍの砒化ガリウム単一量子井戸７Ｗを成長させ
、さらにその上に、砒化アルミニウム混晶比が０．３か
ら０．６まで滑らかに変化するようにｐ型化化アルミニ
ウムガリウム傾斜屈折率層７Ｇ’を平均厚さ０，１５μ
０に成長させる。

ここで箪１図（ｂ）に示すように、形成された活性層７
の表面に５Ｉ０２を約５０ｎｍ厚さに形成したマスク１
５を形成する。このマスク１５はイオン注入に耐える構
造であり、回折格子の周期に一致させて形成する。この
実施例では干渉露光法およびエツチングにより光の進行
方向に対し２５５ｎｍの周期で形成した。つぎに第１図
（Ｃ）に示すように、この周期的にマスク１５で覆われ
た活性層７０表面からイオン注入を行う。この後第１図
（ｄ）に示すようにマスク１５を除去して、第１図（ｅ
）に示す第二段階の半導体成長を行う。

すなわち、活性層７の上にクラッド層８として厚さ１，
５μＩのｐ型砒化アルミニウムガリウム層を成長させ、
さらに、０．４μＩ厚のｐ型化化ガリウムキャップ層９
を成長させる。このキャップ層９上に電極を蒸着により
形成する。

上述の傾斜屈折率層および量子井戸を含む活性層７の形
成方法については、パート他による論文、オランダ国雑
誌、ジャーナル・オブ・クリスタル・グｏ−ス（ＲＢｈ
ａｔ　ｅｔ　ａｌ：ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ　ＱＵＡＮＴＬ
ＩＭＷＥＬＬ　Ｈ８ＴＥＲＯ５ＴＲＣＴＵＲＥＳ　ＧＲ
ＯＷＮ　ＢＹ　０ＭＣＶＤ　ＯＮ　Ｎ０ＮＰＬＡＮＡＲ
Ｓ［ＪＢＳＴＲＡＴＥＳ：＾ＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　
ＴＯεＸＴＲＥＭＥＬＹＮＡＲＲＯＷ　ＳＱＷ　ＬＡＳ
ＥＲ３，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒ
ｏｗｔｈ９３（１９８ｇ）ｐｐ８５０−１１１５６　Ａ
ｍｓｔｅｒｄａｍ　）に詳しい記載があり、この記載に
したがって製造することができる。

また、量子井戸構造の半導体レーザ装置については、浅
田「量子井戸レーザの利得特性と高次元量子化による極
低しきい値化の可能性」雑誌応用物理第５７巻第５号（
１９８８年）に解説記事がある。

量子井戸層をイオンビーム注入により無秩序化する技術
については、コツサード他による論文、オランダ国雑誌
、ジャーナル・オブ・クリスタル・グｏ−ス（Ａ　Ｇｏ
ｓｓａｒｄ　ｅｔ　ａｌ：ＬＯＷ　０１ＭＥｉＮＳｒＯ
ＮＡＬＳＹＳＴＥＭＳ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ｌｌ１ｒＲＥ
Ｓ　ＡＮＤ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ＢＯＸ［ＥＳ　ＢＹＭＢ
Ｅ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏ
ｗｔｈ　８１（１９８７）ｐｐｌｏｌ−１０５Ａｍｓｔ
ｅｒｄａｍ　）に詳しい記載がある。

この実施例の各層構造を表で示す。

表 第２図は本発明第二実施例装置の製造手順を示す断面図
である。この例は、イオンビーム注入により活性層の無
秩序化を行う方法が前記第一実施例と異なる。すなわち
、第２図（ａ）に示すように、半導体成長により、基板
ｌ、クラッド層３および量子井戸層７Ｗを含む活性層７
を形成する。その後に、第２図ら）に示すようにイオン
ビーム注入をイオンビーム源２０をこの活性層７の上で
走査させて行う。このとき、イオンビーム源２０はその
走査移動にしたがって、イオンビームの発生ないしは供
給を断続させ、第２図ら）に図示するように照射および
停止を繰り返す。この周期はちょうど回折格子の周期に
一致するように設定されていて、そのイオンビームの走
査が終わったときには、活性層７の量子井戸層７Ｗが周
期的に無秩序化された状態となる。第２図（Ｃ）に示す
ように、その上にクラッド８およびコンタクト層９を半
導体成長により形成する。

第３図は上記実施例の応用例を示すもので、半導体レー
ザ装置の部分５２０両側に連接して、外部導波路部分Ｌ
１　およびり、が形成された構造である。

この構造においても、活性層７の量子井戸層７Ｗが光波
の進行方向にそって、回折格子の周期にしたがって無秩
序化されているから、上述のコゲルニック他による理論
における利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により
光分布帰還を行う。

なお、量子井戸層７Ｗは、複数の量子井戸層と障壁層と
を交互に積層した多重量子井戸層（ＭＱＷ）で構成する
こともできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、コゲルニック他
による理論にふける利得係数の周期的摂動に基づく利得
結合により光分布帰還を行う半導体レーザ装置が実現さ
れた。しかも、上記先願に記載されたもののように不透
明層を設けてエネルギ吸収損失を生じさせることなく、
また、活性層に回折格子を形成しても半導体結晶構造に
欠陥を生じさせることがない。また、反射防止措置を必
要としない。

したがって、本発明の半導体レーザ装置では、２モ一ド
発振を起こすことなく発振モードが安定であり、これを
予め設計設定することができる。

本発明の半導体レーザ装置は、回折格子の形成が簡単で
あり、素子端面に反射防止膜を形成する必要もなく、そ
の構造が簡単であり、製造工程が簡単であり、良好な製
造歩留りが期待され、しだがって安価である。しかも、
上記先願発明の欠点を除いてエネルギ吸収損失がなく、
さらに活性層に回折格子を形成しても活性層の半導体結
晶構造に欠陥を引き起こすことがないので、誘導放出光
を効率的に発生させることができる。

本発明の半導体レーザ装置は、その発振波長を予め設計
設定しそのとおりに製造することができ、しかも量産に
適するから、長距離光通信用、波長多重光通信用、光情
報処理装置、光情報記録装置、光応用計測装置その他各
種の光電子装置の光源としてきわめて有用である。

クラッド層、９・・・コンタクト層、１５・・・マスク
、２０・・・イオンビーム源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導放出光を発生させる活性層と、この活性層に設
   けられこの活性層に光分布帰還を施す回折格子とを備え
   た半導体レーザ装置において、前記活性層（７）は、単
   一または多重の量子井戸層（７Ｗ）を含み、 前記量子井戸層は前記回折格子の周期にしたがって無秩
   序化された構造である ことを特徴とする半導体レーザ装置。 ２、第一のクラッド層（３）を成長させる第一工程と、 この第一のクラッド層の上に活性層（７）を成長させる
   第二工程と、 この活性層の上に第二のクラッド層（８）を成長させる
   第三工程と を含み、 前記第二工程は、量子井戸層（７Ｗ）をもつ活性層を形
   成する工程を含む 半導体レーザ装置の製造方法において、 前記第二工程と前記第三工程との間に、前記量子井戸層
   （７Ｗ）を回折格子の周期にしたがって無秩序化する工
   程を含む ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 ３、前記無秩序化する工程は、前記第二工程で形成され
   た活性層（７）の上に前記周期にしたがって配置された
   マスク（１５）を形成する工程と、そのマスクで一部が
   覆われた活性層の上からイオンビームを注入する工程と
   を含む請求項２記載の半導体レーザ装置の製造方法。 ４、前記無秩序化する工程は、前記第二工程で形成され
   た活性層（７）の上から、前記回折格子の周期にしたが
   って断続するイオンビームを注入する工程を含む請求項
   ２記載の半導体レーザ装置の製造方法。