JPH06291409A - 分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回折格子と発光層との界面での非発光再結合
を減少させるとともに、光ファイバとの結合効率が劣化
するのを防止するための構造及びその製造方法を提供す
ることを目的としている。 【構成】 活性層１内に、バリア層６ｂを介して発光層
となる井戸層６ａが１層以上積層された第１導電型の量
子井戸構造であって、この第１導電型と異なる導電型の
第２導電型部７がレーザ光の出射方向に対して回折条件
を満たす周期で作り込まれることで、回折格子が形成さ
れた第１導電型の量子井戸構造層６を含むことを特徴と
しており、特に、この第１導電型の量子井戸構造層６の
上側か下側のいずれか一方、あるいは両方に、少なくと
も、第１導電型の量子井戸構造層８あるいは第１導電型
のダブルヘテロ構造層１１を設けたことを特徴としてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光通信、光情報処理
（光集積回路）等の分野で光源として用いられる半導体
レーザに関し、特に分布帰還型半導体レーザの構造及び
その製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の分布帰還型半導体レーザは、その
レーザ光の出射方向に対して屈折率を周期的に変化させ
た回折格子を形成し、光を分布的に帰還させて発振を得
る屈折率結合型と、レーザ光の出射方向に対して利得あ
るいは損失を周期的に変化させた回折格子により分布帰
還を行なう利得結合型が提案されている。なお、この分
布帰還型半導体レーザは活性層より出た光が、活性層の
上側あるいは下側に位置する回折格子により、発振縦モ
ードが単色性よく選択されるレーザである。

【０００３】ここで、上述した分布帰還型半導体レーザ
のうち屈折率結合型は図７に示すように、発光層となる
活性層１をクラッド層２で挟み込み、さらに上部と下部
に電極４ａ、４ｂを取り付けて構成されている。

【０００４】特に、活性層１の上側に形成される回折格
子３（下側に形成されてもよい）は、活性層１で発生し
たレーザ光の出射方向に対して周期的に凹凸を形成した
クラッド層２ｂと、その上に形成した屈折率の異なるク
ラッド層２ａとの界面部分をいい、周期的に屈折率が変
化する構造である。

【０００５】上述した屈折率結合型の分布帰還型半導体
レーザの特徴は、原理的に二つの縦モードで発振すると
ころにある。したがって、単一の縦モードを得るために
はさらに発振波長の１／４周期の凹凸を当該半導体レー
ザ中央部に形成するか、あるいは当該半導体レーザ端面
の反射率を前端面と後端面で変える必要があるが、１／
４周期の凹凸を形成することは技術的に難しく、また当
該半導体レーザの両端面の反射率を変える方法では、端
面での凹凸の位相に単一縦モードの良否が左右され、そ
の位相を制御することが困難なために高い単一縦モード
性を持つ半導体レーザが得られる割合が小さいという問
題があった。

【０００６】一方、利得結合型の分布帰還型半導体レー
ザの特徴は、レーザ光の出射方向に対して利得あるいは
損失を周期的に変化させることにより単一縦モードの発
振が得られるところにあり、原理的に単一縦モードで発
振するため、上述した屈折率結合型のように、１／４周
期の凹凸を当該半導体レーザ中央に形成したり両端面の
反射率を変えなければならないという問題がない。

【０００７】この利得結合型の分布帰還型半導体レーザ
の第１の従来例としては、例えばW.T.Tsang,etc."1.5μ
m wavelength InGaAs/InGaAsP distributed feedback m
ulti-quantumwell laser grown by chemical beam epit
axy"(Applied Physics Letters,1991,vol.59,No.19,pp.
2375-2377)に、損失を周期的に変化させ、良好な単一縦
モードを得た例が示されている。この報告では、多重量
子井戸構造を有する光導波層中に回折格子を形成するこ
とにより、レーザ光の出射方向に対して吸収率、すなわ
ち損失を変化させるように構成されている。

【０００８】この構成によると、その損失の割合を光導
波層の多重量子井戸構造を変えることにより容易に調節
できるので、光と回折格子の結合の割合も最適となるよ
うに容易に選ぶことができる。

【０００９】また、利得を周期的に変化させる技術とし
ては、例えば図８（ａ）に示すように、活性層１とクラ
ッド層２との界面に回折格子３を作り込み、周期的な構
造を形成する技術（第２の従来例）、東敏生、その他"
周期的利得と屈折率をもつＤＦＢレーザの解析"(電子情
報通信学会論文,OQE91-31,pp.79-84) に示された技術で
あって、例えば図８（ｂ）に示すように、活性層１に量
子細線１ａを形成する技術（第３の従来例）が提案され
ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の分布帰還型半導
体レーザは、例えば第１の従来例（図８（ａ））の場
合、回折格子３が活性層１とクラッド層２との界面にエ
ッチングにより形成されるため（図中、太線で示す）、
この界面での格子欠陥等により非発光再結合が増大する
ことになる。これにより、しきい値電流が高くなったり
発光効率が悪くなるため、実用化が難しいという課題が
あった。

【００１１】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、エッチングを行なわずに回析格子
を形成し、この回折格子と発光層との界面での非発光再
結合を減少させるとともに、光ファイバとの結合効率が
劣化するのを防止する分布帰還型半導体レーザの構造及
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る分布帰還
型半導体レーザは、光導波領域に含まれる活性層内に、
バリア層を介して発光層となる井戸層が１層以上積層さ
れた第１導電型の量子井戸構造であって、この第１導電
型と異なる導電型の第２導電型部がレーザ光の出射方向
に対して周期的に作り込まれることで、回折格子が形成
された第１導電型の量子井戸構造層を含むことを特徴と
している。

【００１３】特に、上記活性層には、第１導電型の量子
井戸構造層の上側か下側のいずれか一方、あるいは両方
に、少なくとも、バリア層を介して井戸層が１層以上積
層された第１導電型の量子井戸構造層あるいは該第１導
電型のダブルヘテロ構造層を含む積層構造としたことを
特徴としている。

【００１４】また、上記分布帰還型半導体レーザの製造
方法としては、基板上方に成長させた第１導電型の層で
あって、バリア層を介して井戸層が１層以上積層された
第１導電型の量子井戸構造層上に、回折格子を作り込む
ためのパターン形成膜を少なくともレジスト、酸化膜、
あるいは窒化膜で形成し、第１導電型の量子井戸構造層
の表面露出部分（パターン形成膜が形成されている部位
以外）に、所定の不純物イオンを注入した後にアニール
するか、あるいは所定の原子を拡散させることで、上記
第１導電型と異なる導電型である第２導電型部を形成す
る。

【００１５】その後、上記パターン形成膜を除去して、
第１導電型の量子井戸構造層内に、レーザ光の出射方向
に対して周期的に前記第２導電型部を作り込む（回折格
子を作り込む）ことを特徴としている。

【００１６】特に、活性層内において、上述したように
回折格子が作り込まれた第１導電型の量子井戸構造層の
上側か下側のいずれか一方、あるいは両方に、少なくと
も、バリア層を介して井戸層が１層以上積層された第１
導電型の量子井戸構造層、あるいは第１導電型のダブル
ヘテロ構造層を形成することを特徴としている。

【００１７】

【作用】この発明における分布帰還型半導体レーザは、
活性層内に作り込まれ、レーザ光の出射方向について周
期的に利得変動を有する回折格子を、バリア層を介して
発光層となる井戸層が１以上積層された第１導電型の量
子井戸構造層に、この第１導電型と異なる導電型を有す
る第２導電型部を、レーザ光の出射方向について周期的
に形成することにより作り込んでいる。

【００１８】このように、第１導電型の量子井戸構造層
内に周期的に形成された第２導電型部（量子井戸構造層
とは異なる導電型を有する部分）は、その周囲を異なる
導電型（第１導電型）の層で囲まれているので、第１導
電型のキャリアがブロックされ、この第２導電型部への
注入が防止されることにより利得が生じない。したがっ
て、第１導電型の量子井戸構造層内で利得が大きい第１
導電型の領域と利得の生じない第２導電型部が、レーザ
光の出射方向に対して周期的に繰り返す利得結合型の回
折格子を形成する。

【００１９】また、上記第２導電型部は、第１導電型の
量子井戸構造層内にエッチング工程を伴わずに形成して
おり、第１導電型の領域と第２導電型部の界面に作り込
まれる回折格子付近において、上記量子井戸構造中の井
戸層（発光層）の界面を小さくできるので、この付近で
の非発光再結合を少なくでき、しきい値電流が高くなる
ことや発光効率が悪化するのを防ぐ。

【００２０】この回折格子が作り込まれた第１導電型の
量子井戸構造層の上側か下側のいずれか一方、あるいは
両方に、少なくとも、第１導電型の量子井戸構造層ある
いは第１導電型のダブルヘテロ構造層を形成するので、
回折格子付近におけるレーザ光の結合効率の最適化を可
能にする。

【００２１】一方、活性層内において、第２導電型部が
周期的に作り込まれた第１導電型の量子井戸構造層の上
側及び下側のいずれか一方に、第１導電型の量子井戸構
造層あるいは第１導電型のダブルヘテロ構造層を設ける
だけでは、レーザ光の出射方向に対して垂直方向（積層
方向）の屈折率分布が活性層を中心として非対称となっ
てしまうため、遠視野像も非対称になり、光伝送手段と
しての光ファイバとの結合効率が劣化するという課題が
あったが、この第２導電型部が周期的に作り込まれた第
１導電型の量子井戸構造層の上側及び下側の両方に、第
１導電型の量子井戸構造層あるいは第１導電型のダブル
ヘテロ構造層を設けることにより、積層方向にほぼ対称
な構造を実現することができ、このため積層方向の遠視
野像の対称性がよくなる。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図１乃至図６を
用いて説明する。なお、図中同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。

【００２３】図１は、この発明に係る分布帰還型半導体
レーザの全体構造を示す射視断面図であり、この図にお
いて当該分布帰還型半導体レーザは、発光層となる活性
層１の上側及び下側をそれぞれ光閉じ込め層５を介して
クラッド層２で挟み込み、さらに上部と下部に電極４
ａ、４ｂを取り付けて構成されている。

【００２４】特に、活性層１は図２に示すように、発光
層となる井戸層６ａがバリア層６ｂを介して積層形成さ
れた第１導電型の量子井戸構造層６を含んでおり、この
第１導電型の量子井戸構造層６内に、レーザ光の出射方
向に対して周期的に（回折条件を満たす周期で）、第１
導電型と異なる導電型である第２導電型部７を作り込む
ことにより、その界面に回折格子（図２における図番３
に相当）が形成される。

【００２５】したがって、この回折格子付近において、
エッチングによる回析格子を形成しないのでエッチング
による格子欠陥を無くすことができる。また発光層とな
る井戸層６ａの界面を小さくできるので、非発光再結合
を少なくでき、しきい値電流が高くなることや発光効率
が悪化するのを効果的に防いでいる。さらに、活性層１
内であってこの第１導電型の量子井戸構造層６上に、同
じ第１導電型の量子井戸構造層あるいはダブルヘテロ構
造層を形成することにより、レーザ光の結合効率の最適
化を可能にする。

【００２６】図３は、この発明における分布帰還型半導
体レーザの第１の実施例による構造を示す断面図であ
り、活性層１内において、第２導電部７がレーザ光の出
射方向に対して周期的に作り込まれた第１導電型の量子
井戸構造層６の上側及び下側に同じ第１導電型の量子井
戸構造層８を積層することにより、積層方向（レーザ光
の出射方向に対して垂直方向）に活性層１を中心として
ほぼ対称な構造を形成できるので、この方向の遠視野像
の対称性がよくなる。

【００２７】具体的には、第１導電型の半導体基板１０
上に第１導電型のクラッド層２ａと第１導電型の光閉じ
込め層５ａを順次積層し、さらにこの第１導電型の光閉
じ込め層５ａ上に活性層１として、回折格子が作り込ま
れた第１導電型の量子井戸構造層６（異なる導電型の第
２導電型部７をレーザ光の出射方向に回折条件を満たす
周期で作り込むことにより、その界面に回折格子を作り
込む）を挟み込むように、上側及び下側にそれぞれ第１
導電型の量子井戸構造層８を積層する。

【００２８】なお、上記活性層１内の各量子井戸構造層
６、８の間には、これら量子井戸構造層６、８における
井戸層６ａよりもバンドギャップエネルギーが大きい第
１導電型の半導体層９が挟み込まれている。

【００２９】そして、上記のように略対称な構造とした
活性層１上に、上記第１導電型と異なる導電型である第
２導電型の光閉じ込め層５ｂと第２導電型のクラッド層
２ｂを順次積層して、当該分布帰還型半導体レーザが構
成されている。

【００３０】次に、図４は、この発明に係る分布帰還型
半導体レーザの第２の実施例による構造を示す断面図で
あり、第１導電型の半導体基板１０上に形成する活性層
１の上側及び下側を、それぞれ第１導電型及び第２導電
型のクラッド層２ａ、２ｂで挟み込んだ構造である。

【００３１】特に、上記活性層１は、レーザ光の出射方
向に回折条件を満たす周期で異なる導電型の第２導電型
部７を作り込むことにより、その界面に回折格子を作り
込んだ第１導電型の量子井戸構造層６の上部に、第１導
電型の半導体層９（第１導電型の量子井戸構造層６にお
ける井戸層６ａのバンドギャップエネルギーより大きい
バンドギャップエネルギーを有する）を介して第１導電
型のダブルヘテロ構造層１１を積層した構造としたもの
である。

【００３２】次に、図５は、この発明に係る分布帰還型
半導体レーザの第３の実施例による構造を示す断面図で
あり、第１導電型の半導体基板１０上に形成する活性層
１において、レーザ光の出射方向に回折条件を満たす周
期で第２導電型部７を作り込むことにより、その界面に
回折格子を作り込んだ第１導電型の量子井戸構造層６の
下側に、第１導電型の半導体層９を介して第１導電型の
量子井戸構造層８を形成した構造としたことを特徴とし
ている。

【００３３】具体的には、第１導電型の半導体基板１０
上に第１導電型のクラッド層２ａ及び第１導電型の光閉
じ込め層５ａを順次積層した後、さらに、上述した構造
の活性層１を形成し、第２導電型の光閉じ込め層５ｂ及
び第２導電型のクラッド層２ｂを順次積層した構造とし
たものである。

【００３４】次に、この発明に係る分布帰還型半導体レ
ーザの製造方法について、図６を用いて順次各工程を説
明する。なお、ここで説明する実施例は説明の都合上、
回折格子が作り込まれた第１導電型の量子井戸構造層６
上に、第１導電型の量子井戸構造層８あるいは第１導電
型のダブルヘテロ構造層１１を有する構造の分布帰還型
半導体レーザを製造する場合についてのみ説明する。

【００３５】まず、第１導電型のクラッド層２ａ上に第
１導電型の光閉じ込め層５ａを積層した後、発光層とな
る井戸層６ａをバリア層６ｂを介して１層以上積層して
なる第１導電型の量子井戸構造層６を積層形成する（図
６（ａ））。

【００３６】続いて、上記積層形成された第１導電型の
量子井戸構造層６上に、回折格子を作り込むためのパタ
ーン形成膜１２をレジスト、酸化膜、あるいは窒化膜を
用いて形成し（図６（ｂ））、このパターン形成膜１２
が形成されず、第１導電型の量子井戸構造層６を露出し
ている部分に、第２導電型の領域（第１導電型部７）を
形成すべく不純物イオンを注入しアニールを行うか、あ
るいは所定の原子を拡散させることで、第１導電型の量
子井戸構造層６内にレーザ光の出射方向に所望の回折条
件を満たす周期で第２導電型部７を作り込む（図６
（ｃ））。

【００３７】上記工程が終了すると上記パターン形成膜
１２を除去し（図６（ｄ））、さらに第１導電型の量子
井戸構造層６における井戸層６ａよりも大きいバンドギ
ャップエネルギーを有する第１導電型の半導体層９を介
して第１導電型の量子井戸構造層８あるいは第１導電型
のダブルヘテロ構造層１１を積層し、その後、第２導電
型の光閉じ込め層５ｂ及び第２導電型のクラッド層２ｂ
を順次積層して当該分布帰還型半導体レーザを製造する
（図６（ｅ））。

【００３８】なお、上記実施例において、各層の導電型
を第１導電型と第２導電型に区別して説明したが、これ
は単に異なる導電型であることを示すために用いたもの
である。

【００３９】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、活性層
内の第１導電型の量子井戸構造層に、異なる導電型の第
２導電型部をレーザ光の出射方向について周期的に形成
することにより、回析格子を作り込んでおり、第１導電
型の領域と第２導電型部の界面に作り込まれる回折格子
付近において、上記第１導電型の量子井戸構造層中の井
戸層（発光層）の界面を小さくできるので、この付近で
の非発光再結合を少なくでき、しきい値電流が高くなる
ことや発光効率が悪化するのを防ぐことができるという
効果がある。

【００４０】また、回折格子が作り込まれた第１導電型
の量子井戸層の上側か下側のいずれか一方、あるいは両
方に、少なくとも、第１導電型の量子井戸構造層あるい
は第１導電型のダブルヘテロ構造層を形成するので、回
折格子付近におけるレーザ光の結合効率の最適化を可能
にするという効果がある。

【００４１】さらにこの発明によれば、活性層の上側及
び下側の両方に、第１導電型の量子井戸構造層あるいは
第１導電型のダブルヘテロ構造層を設けることにより、
積層方向にほぼ対称することができ、このため積層方向
の遠視野像の対称性がよくなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る分布帰還型半導体レーザの全体
構造を示すための断面射視図である。

【図２】この発明に係る分布帰還型半導体レーザにおけ
る活性層内の構造を示す断面図である。

【図３】この発明に係る分布帰還型半導体レーザの第１
の実施例による構造を示す断面図である。

【図４】この発明に係る分布帰還型半導体レーザの第２
の実施例による構造を示す断面図である。

【図５】この発明に係る分布帰還型半導体レーザの第３
の実施例による構造を示す断面図である。

【図６】この発明に係る分布帰還型半導体レーザの製造
方法の一実施例を説明するための工程図である。

【図７】従来の屈折率結合型の分布帰還型半導体レーザ
の構造を示す図である。

【図８】従来の利得結合型の分布帰還型半導体レーザの
構造を示す図である。

【符号の説明】

１…活性層、２ａ、ｂ…クラッド層（第１導電型、第２
導電型）、３…回折格子、４ａ、ｂ…電極、５ａ、ｂ…
光閉じ込め層（第１導電型、第２導電型）、６、８…第
１導電型の量子井戸構造層、７…第２導電型部、９…第
１導電型の半導体層、１０…第１導電型の半導体基板、
１１…第１導電型のダブルヘテロ構造層、１２…パター
ン形成膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期的な利得変動を有する発光層となる
   活性層を備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、 前記活性層は、バリア層を介して発光層となる井戸層が
   １層以上積層された第１導電型の量子井戸構造を有し、
   該第１導電型と異なる導電型の第２導電型部がレーザ光
   の出射方向に対して周期的に作り込まれた第１導電型の
   量子井戸構造層を含むことを特徴とする分布帰還型半導
   体レーザ。
2. 【請求項２】 前記活性層は、前記第１導電型の量子井
   戸構造層の少なくとも上側あるいは下側に、少なくと
   も、バリア層を介して井戸層が１層以上積層された第１
   導電型の量子井戸構造層あるいは該第１導電型のダブル
   ヘテロ構造層を含むことを特徴とする請求項１記載の分
   布帰還型半導体レーザ。
3. 【請求項３】 基板上に成長させた第１導電型の層であ
   って、バリア層を介して発光層となる井戸層が１層以上
   積層された第１導電型の量子井戸構造層上に、回折格子
   を作り込むためのパターン形成膜を形成し、 前記第１導電型の量子井戸構造層表面であって、前記パ
   ターン形成膜以外の露出部分に、所定の不純物イオンを
   注入した後にアニールするか、あるいは所定の原子を拡
   散させることで、該第１導電型と異なる導電型である第
   ２導電型部を形成し、 前記パターン形成膜を除去して、前記第１導電型の量子
   井戸構造層内に、レーザ光の出射方向に対して周期的に
   前記第２導電型部を作り込む分布帰還型半導体レーザの
   製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１導電型の量子井戸構造層を含む
   活性層内であって、該第１導電型の量子井戸構造層の少
   なくとも上側あるいは下側に、少なくとも、バリア層を
   介して井戸層が１層以上積層された第１導電型の量子井
   戸構造層あるいは該第１導電型のダブルヘテロ構造層を
   形成することを特徴とする請求項３記載の分布帰還型半
   導体レーザの製造方法。
5. 【請求項５】 前記パターン形成膜は、少なくともレジ
   スト、酸化膜、あるいは窒化膜であることを特徴とする
   請求項３又は４記載の分布帰還型半導体レーザの製造方
   法。