JPH0349287A - 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
置ふ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、その地元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、 活性層を前記回折格子に相応する周期にしたがって選択
成長させることにより、 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地元電子装置
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　Ｆｅｅｄｂａｃｋｌａｓｅｒｓ）　Ｊ米
国雑誌、アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　１９７２　
ＶＯＩ、４３ｐｐ　２３２７−２３３５） によって示された。この論文はあく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
、水頭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
ｒｕｃｔｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａ
ｃｋ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａ５ｅｒｓ）米国雑誌アプライド
・フィジックス・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　１９７４　ｖｏｌ、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（
、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環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、活性層を回折格子の周期にしたがって配置し
たマスクを利用して選択成長させ、その後でマスクを除
去することにより、回折格子の周期に配列された活性層
を形成することを特徴とする。

活性層は、通常の単一活性層の他、単一量子井戸層（Ｓ
　ＱＷ、　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）
をその両面から導電型の異なる傾斜屈折率層（グレーデ
ッド・インデックス層、ＧＲＩＮ層）で挟み込んだ構造
とすることができる。また複数の量子井戸層および障壁
層を交互に積層した多重量子井戸層（ＭＱＷ）を含む活
性層を用いてもよい。

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、前記回折格子の周期に応じて選択成長された構
造であることを特徴とする。

本発明の第二の観点は、半導体レーザ装置の製造方法で
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む半導体レーザ装置の
製造方法において、前記第二工程は、回折格子の周期に
したがってマスクを配置する工程と、このマスクに覆わ
れていない部分に活性層を選択成長する工程と、このマ
スクを除去する工程とを含むことを特徴とする。

〔作用〕

本発明の半導体レーザ装置は、活性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断続的に配置さ
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、コゲルニツタ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、活性層は選択成長によ
り形成するので、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。

〔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図は本発明第一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上に半導体
レーザ素子の各層をエピタキシャル装置により、三段階
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　　（（ｌ　ＯＯ）　ｎ”−ＧａＡｓ）の上にｎ型
りラド層３　　（ｎ　　Ａｌｏ、　５ｓＧａｏ、　５ｓ
ＡＳ、　　１．５　Ｊａｍ厚）を成長サセ、ソノ上にガ
イド層１３　（ｎ　−ＡＩ。、　、Ｇａｏ、　７Ａｓ。

０．１μｌ厚）を成長させる。

ここで第１図ら）に示すように、ガイド層１３の表面に
８１０２を約５０ｎｍ厚さに形成したマスク１５を形成
する。このマスク１５は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。

つぎに第二段階の成長を行う。すなわち第１図（Ｃ）に
示すように、この周期的にマスク１５で覆われていない
部分に第一緩衝層６ａ（ｎ−Ａ１．、、、Ｇａｏ、Ａｓ
、　５０ｎｍ厚）を選択成長させ、第１図（ｄ）に示す
ようにさらにその第一緩衝層６ａの上に活性層７　（ｉ
−ＧａＡｓ、　１０ｎｍ）を選択成長させ、第１図（ｅ
）に示すようにさらにこの活性層７の上に第二緩衝層６
　ｂ　（ｐ　　ＡＩｏ、３Ｇａｏ、ｔ＾ｓ、　５Ｑｎｍ
厚）を選択成長させ、さらに、第１図（ｆ）に示すよう
にこの第二緩衝層６ｂの上にマスク１５で覆われていな
い部分全体を覆うように第三緩衝層５ｃ　　（ｐ　　Ａ
Ｉｏ、３Ｇａ、、、Ａｓ、　５Ｑｎｍ厚）を選択成長さ
せる。

ここでマスク１５を除去して、第三段階の成長を行う。

すなわち、第１図（（至）に示すようにマスク１５を除
いたガイド層１３の上にガイド層１４　（ｐ−ＡＩｏ、
３Ｇａｏ、、ＡＳ、　０．２μ■厚）を成長させ、その
上にクラッド層８　　（ｐＡｇｏ、　４ｓＧａｏ、　５
５””＋　１．５μｏ＋厚）を成長させ、さらにその上
にコンタクト層９　　（ｐ　−ＧａＡｓ。

０．３μｍ厚）を成長させる。このコンタクト層９上お
よび基板１に電極を蒸着により形成する。

ＭＯＣＶＤにより選択成長を行う方法は、英国雑誌エレ
クトロニクスレターズに掲載された福井性の論文（Ｔ　
Ｆｕｋｕｉ　ｅｔ　ａｌ：ＮＥＷ　ＧａＡｓ　ＱＵＡＮ
ＴＵＭ　ＷＩＲＥＳ　ＯＮ　　（１１１）　Ｂ　ＦＡＣ
ＥＴＳ　ＢＹ　５ＥＬＥＣＴＩＶＥ　ＭＯＣＶＤ。

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ３ＬＰ：ＴＴＥＲ５Ｖｏｌ　２５
　Ｎｏ　６　（１６ｔｈ　Ｍａｒｃｈ１９８９）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。

このように活性層７が回折格子の周期にしたがって断続
的に配置されているから、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ことができる。

第２図はこの第一実施例装置の応用例構造図である。こ
の例は第一実施例に示す半導体レーザ装置の両側に先導
波路を連続して形成する構造である。すなわち、第２図
に示すし２０部分が半導体レーザ装置であり、その両側
Ｌ１およびＬ３には光導波路が連続して形成される。

第３図は第二実施例装置の製造手順を示す断面構造図で
ある。この例は、第３図（ａ）に示すように基板１の上
にクラッド層３を成長させ、その上に半導体層４を成長
させ、第３図ら）に示すようにその表面に回折格子の周
期に対応する周期でマスク１５を配置するところまでは
、前記第一実施例と同様である。ここで、第３図（Ｃ）
に示すように気相エツチングによりマスク１５に覆われ
ていない部分の半導体層４を削り溝を形成する。この溝
の中に第３図（ｄ）に示すようにマスク１５を付けたま
ま、第一緩衝層５ａ（ｎ−＾１ｏ、３Ｇａｏ、ＪＳ、　
０．１　μｍ厚さ）を選択成長させ、さらにその上に活
性層？　（ｉ−ＧａＡｓ。

１０ｎｍ）を選択成長させる。その活性層７の上に第二
緩衝層（ｐＡｌａ、　３Ｇａｏ、　７Ａｓ、　５０ｎｍ
厚）を選択成長させる。この段階までマスク１５がある
ので、マスク１５により覆われている部分には成長が起
きない。

つぎにこのマスク１５を除去して、ガイド層１４（ｐＡ
ｌｏ、＝Ｇａｏ、ｔ＾ｓ、　０．１　ｘｔｎ厚）を成長
させ、その上にクラッド層８　（ｐ−＾ｔ０．４ＳＧａ
０．５５＾ｓ、　１．５ＡＩ１１厚）を成長させ、さら
にその上にコンタクト層９　（ｐ　−ＧａＡｓ、　０．
３μｍ厚）を成長させる。このコンタクト層９上および
基板１に電極を蒸着により形成する。

こ°のようにして、活性層７が周期的に配置され、その
間がガイド層１４により連結された構造が形成できる。

この構造は、実質的に活性層７そのものに回折格子が形
成されたことになり、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
光分布帰還を行うことができる。

第４図はこの第二実施例装置の両端に先導波路を形成し
た応用例である。第４図でＬ２の部分が第二実施例によ
る半導体レーザ装置であり、この両端の部分Ｌ１および
り、に光導波路が連続して形成される。

第５図は本発明第三実施例装置の断面構造図である。こ
の例は、上記第二実施例で説明した溝を形成するための
半導体層４を二重構造として半導体層４の上に、高抵抗
化した半導体層４ｂ（ｉ−ＡＩＧａＡｓ）を成長させた
構造である。この構造により活性層７に電流を集中させ
ることができる。

〔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、したがって安価である。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。

第４図は第二実施例装置の応用例断面構造図。

第５図は本発明第三実施例装置の断面構造図。

１・・・基板、３・・・クラッド層、４・・・半導体層
、６・・・緩ｔｋ層、７・・・活性層、８・・・クラッ
ド層、９・・・コンタクト層、１３．１４・・・ガイド
層、１５・・・マスク。

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、前
   記回折格子の周期に対応して選択成長された構造である 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 を含む 半導体レーザ装置の製造方法において、 前記第二工程は、回折格子の周期にしたがってマスクを
   配置する工程と、このマスクに覆われていない部分に活
   性層を選択成長する工程と、このマスクを除去する工程
   とを含む ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。