JPH1187838A - 分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法Info
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- JPH1187838A JPH1187838A JP24537397A JP24537397A JPH1187838A JP H1187838 A JPH1187838 A JP H1187838A JP 24537397 A JP24537397 A JP 24537397A JP 24537397 A JP24537397 A JP 24537397A JP H1187838 A JPH1187838 A JP H1187838A
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Abstract
かつ、素子設計の自由度に優れた分布帰還型半導体レー
ザ素子を制御性・再現性良く製造する。 【解決手段】 平坦成長によって形成された活性層7と
選択成長によって形成された周期的な活性層6とが積層
された積層構造を有する分布帰還型半導体レーザ20。
Description
用いられる分布帰還型半導体レーザ素子およびその製造
方法に関するものである。
を実現するためには、光源に用いられる半導体レーザに
高い単一軸モード発振安定性が必要とされる。今日、素
子内部に回折格子を内蔵することによって1つの波長の
みを選択して発振する分布帰還型半導体レーザ(Dis
tributed Feedback Laser D
iode:以下DFB−LD)の研究開発が進められ、
主に屈折率結合型のDFB−LDが実用に供されてい
る。
/4シフト回折格子を用い、かつ、端面に低反射率コー
ティングを施した素子は、高い単一軸モード安定性およ
び単一軸モード歩留まりを有することで知られている
が、両端面からほぼ同じ量の光が射出される為、高効率
化や高温動作化が困難であるという短所を有する。一
方、共振器方向に周期的な利得あるいは損失を与える利
得結合型DFB−LDでは素子端面の反射率が高い場合
でも良好な単一軸モード安定性及び単一軸モード歩留ま
りが得られ、また、共振器内の空間的ホールバーニング
が小さいという長所を有する。
LDには次のような課題が存在する。共振器方向の損失
に周期的な摂動を与えることにより利得結合型DFB−
LDを作製する場合、高い単一軸モード安定性及び単一
軸モード歩留まりを実現するためには比較的大きな損失
を与える必要がある。このため、閾値電流の増大やスロ
ープ効率の低下を伴い、特に高温での電流−光出力特性
を大きく劣化させることになる。また、吸収体の過飽和
吸収特性が電流光出力特性の線形性を損なう場合もあ
る。
与えることによって利得結合型DFB−LDを作製する
場合、活性層を周期的にエッチングする方法が用いられ
る。ここでウェットエッチングを用いる場合にはエッチ
ング深さならびにエッチング幅の制御性及び再現性が悪
く、設計通りの素子を歩留まりよく生産するのは困難で
ある。
ようなエッチング寸法精度の問題は軽減されるが、活性
層の半導体結晶中にプラズマによる欠陥が発生し、電流
−光出力特性の劣化や素子寿命の低下を引き起こす要因
となる。このような活性層をエッチングする利得結合型
DFB−LDの作製方法に対し、特開平3−49287
号公報に記載されるように、活性層を回折格子の周期に
従って配置したマスクを利用して選択成長させることに
よって回折格子周期に配列された活性層を形成させる方
法が提案されている。
287号公報に記載の利得結合型DFB−LDの構造を
示したものであり、図中の活性層14と緩衝層15が選
択成長によって形成された部分であるが、このような素
子構造は以下に示すような問題点を有している。即ち、
光ファイバ通信に用いられる波長1.3〜1.55μm
帯のDFB−LDの回折格子周期は0.2〜0.25μ
m程度であり、底面と54.7度をなす角度で選択成長
メサが形成されることを考慮すると、選択成長のみによ
って形成可能な活性層の幅と高さはせいぜい0.15〜
0.2μm程度に限定される。
幅/回折格子周期)を50%程度とすると、選択成長メ
サが三角形状となる高さまで活性層を形成したとして
も、同じ厚さの活性層を平坦成長した場合と比較して1
/4程度の活性層体積しか得られない。このような理由
から選択成長によってのみ活性層を形成する方法では、
活性層体積の減少とそれに伴う活性層への光閉じ込め低
下によって十分な光学利得が得られず、閾値電流の増加
や高温での電流−光出力特性の劣化を引き起こすことに
なる。
同士の間を通過する電流が光学利得に寄与しない無効電
流となってしまうことも電流−光出力特性の劣化の一因
となっている。さらに、活性層へのエッチングにより利
得の周期的摂動を与える場合には、利得の大きな領域と
小さな領域の利得差および屈折率差を活性層全体の厚さ
に対するエッチング深さの比によって設計することがで
きることに対して、設計自由度が低下するという問題も
有する。
性層の上面部に単に台形の回折格子をMOCVD法を使
用して形成した技術が開示されているに過ぎず、選択成
長による周期的な活性層を形成する技術に関しては全く
開示がない。本発明の目的は、上記した従来技術の欠点
を改良し、電流−光出力特性および温度特性が良好で、
かつ、素子設計の自由度に優れた分布帰還型半導体レー
ザ素子を制御性・再現性良く製造することである。
達成する為、以下に示す様な基本的な技術構成を採用す
るものである。即ち、本発明に係る第1の態様として
は、平坦成長によって形成された活性層と選択成長によ
って形成された周期的な活性層とが積層された積層構造
を有する分布帰還型半導体レーザであり、又、本発明に
係る第2の態様としては、半導体基板上に活性層を平坦
に成長する第1の工程、当該平坦に成長された該活性層
上に周期的な誘電体膜を形成する第2の工程、該周期的
な誘電体膜をマスクとして周期的な活性層を該活性層上
に選択的に成長する第3の工程とから構成されている分
布帰還型半導体レーザの製造方法である。
半導体レーザ(DFB−LD)の構成をより具体例に説
明するならば、平坦成長によって形成された均一な活性
層と選択成長によって形成された周期的な活性層との積
層構造を有することを特徴とするものであり、また本発
明に係るDFB−LDの製造方法としては、半導体基板
上に第一の活性層を平坦成長した後、周期的な選択成長
マスクを形成し、第二の活性層を選択的に成長すること
を特徴とするものである。
レーザに関して説明するならば、本発明に係る分布帰還
型半導体レーザ(DFB−LD)において共振器方向に
利得の周期的摂動を与える構造の寸法は、層厚方向には
成長速度と成長時間の制御によって、共振器方向には選
択成長マスクのパターニング精度によって規定され、い
ずれも高い精度で再現性良く作製することが可能であ
る。
る場合のような素子寿命低下の問題もない。また、特開
平3−49287号公報に記載の利得結合型分布帰還型
半導体レーザ(DFB−LD)では選択成長された活性
層の間を通過する電流が発光に寄与しない、すなわち無
効電流となるのに対して、本発明に係る分布帰還型半導
体レーザ(DFB−LD)においては平坦成長された第
一の活性層を必ず電流が通過するため、このような無効
電流は発生しない。
形成される部分ならびに選択成長によって形成される部
分それぞれの量子井戸数をはじめとする活性層設計、選
択成長マスクの開口デューティー、さらには選択成長領
域を埋め込む半導体層の組成等、素子設計自由度は高
く、かつ、いずれの設計パラメータに関しても高い精度
で再現性良く作製することができる。
ザ及び分布帰還型半導体レーザの製造方法の一具体例の
構成を図面を参照しながら詳細に説明する。即ち、図1
は、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ(DFB−L
D)に於ける一具体例の構成を示す断面図であり、図
中、平坦成長によって形成された活性層7と選択成長に
よって形成された周期的な活性層6とが積層された積層
構造を有する分布帰還型半導体レーザ20が示されてい
る。
形成された活性層7と当該選択成長によって形成された
周期的な活性層6がともに量子井戸構造を有するもので
ある事が望ましい。更に、本発明に於ける当該分布帰還
型半導体レーザ(DFB−LD)に於いては、当該平坦
成長によって形成された活性層7に含まれる量子井戸層
の中で当該周期的な活性層6に最も近接した量子井戸層
と、当該周期的な活性層6に含まれる量子井戸層の中で
当該平坦成長によって形成された活性層7に最も近接し
た量子井戸層との間隔が40nm以下に設定されている
ことが望ましい。
レーザの具体例の形態について図1乃至図2を参照して
詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定さ
れるものではない。図1は、上記した様に、本発明の第
一の具体例に係る分布帰還型半導体レーザ(DFB−L
D)の構造を示す断面図である。
成された第一の活性層であり、7は選択成長によって形
成され、共振器方向に利得及び屈折率の周期的摂動を与
える第二の活性層である。図2(A)〜図2(D)は、
本具体例に係る分布帰還型半導体レーザ(DFB−L
D)の製造手順を説明するための第一の実施例として波
長1.3μm帯の利得結合型DFB−LDの作製行程を
示した断面図である。
ってn−InPクラッド層2a(厚さ2.0μm,ドー
ピング濃度1×1018cm-3)、InGaAsPのSC
H層3(発光波長1.13μm,厚さ60nm)、なら
びに0.7%圧縮歪InGaAsP量子井戸層4(厚さ
6nm)3層とInGaAsP障壁層5(発光波長1.
13μm,厚さ10nm)、ならびにSCH層3(発光
波長1.13μm,厚さ60nm)からなる第一の活性
層6(発光波長1.3μm)を順次成長する(図2
(A))。
O2 を堆積し、EB露光とBHFによるエッチングによ
って周期202nm,開口デューティー65%の選択成
長マスクパターン8を形成する。選択成長マスク8を形
成した基板上に、0.7%圧縮歪InGaAsP量子井
戸層4(厚さ6nm)3層とInGaAsP障壁層5
(発光波長1.13μm,厚さ10nm)、ならびにS
CH層3(発光波長1.13μm,厚さ60nm)から
なる第二の活性層7(発光波長1.3μm)を成長し
(図2(B))、さらに選択成長マスク8を除去した
後、InGaAsP埋め込み層9(発光波長1.13μ
m,厚さ300nm),p−InPクラッド層2b(厚
さ800nm,ドーピング濃度7×1017cm-3)を成
長する(図2(C))。
より活性層幅1.5μmのメサストライプを形成した
後、LPEによりpnpn電流狭窄構造を有するDC−
PBH構造に埋め込み成長を行う。最後に電極11を作
製後、共振器長300μmに劈開し、前方端面および後
方端面にそれぞれ反射率3%,90%のコーティングを
施した(図2(D))。
導体レーザ(DFB−LD)は25℃において閾値電流
6.5mA,スロープ効率0.52W/Aであり、又、
85℃において閾値電流17.3mA,スロープ効率
0.37W/Aと良好な電流−光出力特性を示した。更
に、上記で評価した50素子中38素子においてSMS
R40dB以上の優れた単一軸モード安定性が確認され
た。
レーザ(DFB−LD)の製造手順を説明するための第
二の実施例として波長1.55μm帯の利得結合型(D
FB−LD)の作製行程を示した図である。n−InP
基板1a上に、MOVPEによって、n−InPクラッ
ド層2a(厚さ0.2μm,ドーピング濃度1×1018
cm-3)、InGaAsPのSCH層3(発光波長1.
20μm,厚さ40nm)、ならびに0.8%圧縮歪I
nGaAsP量子井戸層4(厚さ5.5nm)2層とI
nGaAsP障壁層5(発光波長1.20μm,厚さ1
0nm)からなる第一の活性層6(発光波長1.55μ
m)を順次成長する(図3(A))。
のSiNを堆積し、EB露光とドライエッチングにより
周期240nm,開口デューティー75%の選択成長マ
スクパターン8を形成する。このような選択成長マスク
8を形成した基板上に、1.2%圧縮歪InGaAsP
量子井戸層4(厚さ5.5nm)4層とInGaAsP
障壁層5(発光波長1.20μm,厚さ10nm)、な
らびにSCH層3(発光波長1.20μm,厚さ20n
m)からなる第二の活性層7(発光波長1.55μm)
を成長するが、本実施例においては第二の活性層の結晶
成長を安定して行うために第二の活性層の最下層として
基板と同一材料、すなわちInPのスペーサ層14を8
nm成長している(図3(B))。
第一の活性層よりも大きくすることによって、利得結合
係数が大きくなるように設計している。次に、選択成長
マスク8を除去した後、InGaAsP埋め込み層9
(発光波長1.35μm,厚さ300nm),p−In
Pクラッド層2b(厚さ800nm,ドーピング濃度5
×1017cm-3)を成長する(図3(C))。
より活性層幅1.6μmのメサストライプを形成し、M
OVPEによりFeドープ半絶縁InP埋め込み構造を
有する構造を形成する。最後に電極11を作成後、共振
器長380μmに劈開し、前方端面および後方端面にそ
れぞれ反射率1%、90%のコーティングを施した(図
3(D))。
導体レーザ(DFB−LD)は25℃において閾値電流
7.1mA,スロープ効率0.46W/A、85℃にお
いて閾値電流19.8mA,スロープ効率0.26W/
Aと良好な電流−光出力特性を示した。また、評価30
素子中23素子においてSMSR40dB以上の優れた
単一軸モード安定性が確認された。
活性層の量子井戸数は、第一の実施例ではそれぞれ3層
と3層、第二の実施例ではそれぞれ2層と4層とした
が、他の量子井戸数の組み合わせでも良く、第一の活性
層と第二の活性層とは組成・歪量・層厚等を異なるもの
としても構わない。本発明にかかる分布帰還型半導体レ
ーザ(DFB−LD)の製造方法においては、上記した
様に、半導体基板上に活性層を平坦に成長する第1の工
程、当該平坦に成長された該活性層上に周期的な誘電体
膜を形成する第2の工程、該周期的な誘電体膜をマスク
として周期的な活性層を該活性層上に選択的に成長する
第3の工程とから構成されている分布帰還型半導体レー
ザの製造方法であって、当該平坦成長によって形成され
た活性層と当該選択成長によって形成された周期的な活
性層は、ともに量子井戸構造を有するものである事が望
ましい。
の成長は、量子井戸構造の障壁層で終える様に構成さ
れ、又当該第3の工程に於ける当該周期的な活性層の選
択成長は、量子井戸構造の障壁層から開始させる様に構
成されていても良く、又、当該第1の工程に於ける当該
平坦な活性層の成長を基板と同一材料の層で終える様に
構成され、又、当該第3の工程に於ける当該周期的な活
性層の選択成長は、当該量子井戸構造の障壁層で開始さ
せる様に構成されていても良い。
体レーザの製造方法に於て、当該第1の工程に於ける当
該平坦な活性層の成長を量子井戸構造の障壁層で終える
様に構成され、又当該第3の工程に於ける当該周期的な
活性層の選択成長を基板と同一材料の層で開始させるこ
とが望ましく、又、当該第1の工程に於ける当該平坦な
活性層の成長を基板と同一材料の層で終える様に構成さ
れ、又当該周期的な活性層の選択成長を基板と同一材料
の層で開始させる様に構成されている事が望ましい。
レーザの製造方法に於いては、当該第1の工程に於ける
当該平坦な活性層の平坦成長の最終層あるいは選択成長
の最初の層若しくは、当該第3の工程に於ける当該選択
成長により形成される周期的な活性層の最初の層として
成長する、当該基板と同一材料の層の厚みが10nm以
下である様に設定されている事が望ましい。
成長を行う際の基板前処理によってわずかに半導体層が
エッチングされることを考慮し、第一の活性層は量子井
戸層以外の層で成長を終えることが望ましい。また、第
二の活性層の最下量子井戸層が結晶長開始時の表面状態
に影響され難い様に、第二の活性層は量子井戸層以外の
層から成長を行うことが望ましい。
の品質に与える影響を軽減するために、第一の活性層の
最上層厚や第二の活性層の最下層厚を数nmから十数n
m程度厚くしても良いが、第一の活性層の最上量子井戸
層と第二の活性層の最下量子井戸層との間隔が大きくな
ると光電界の横モード安定性に悪影響を及ぼすため、両
者の間隔は広くても40nm以下、好ましくは20nm
以下にすることが望ましい。
の活性層の最下層として基板と同一材料のスペーサ層を
数nm程度成長する、あるいは第一の活性層の最上層と
して基板と同一材料のスペーサ層を数nm程度成長する
ことも第二の活性層の結晶成長を安定して行うためには
有効である。第一の活性層の最上層と第二の活性層の最
下層の両方に基板と同一材料のスペーサ層を用いても良
い。
は第二の活性層の最下層に基板と同一材料の層を用いる
場合には、基板材料のバンドギャップが量子井戸層なら
びに障壁層のバンドギャップよりも大きいことによって
キャリアの注入効率が低下するため、該基板材料と同一
材料層の厚さは10nm以下、好ましくは5nm以下と
することが望ましい。
いたDC−PBH型LD構造、第二の実施例においては
n型基板を用た半絶縁層埋め込み型LD構造としたが、
p型基板あるいは半絶縁性基板を用いた場合や、PBH
型LD構造あるいはリッジ型LD構造などといった素子
構造においても本発明が適用可能であることはいうまで
もない。
発振波長に関しても上記の実施例の1.3μm帯ならび
に1.55μm帯に限定されるものではなく、例えば
1.65μm,0.98μm,あるいは0.68μm等
の可視波長帯を含め、いかなる波長帯であってもよい。
また、上記具体例では歪量子井戸層を用いた歪MQW構
造としたが無歪MQW構造や歪補償型MQW構造あるい
はバルク活性層を用いてもよく、その構成材料としては
実施例のInGaAsP/InP系の他に、AlGaI
nAs/InP系、AlGaAs/GaAs系、AlG
aInP/GaInP系、その他いかなる材料系を使用
したものであっても良い。
定されることなく、選択成長によって良質な結晶品質が
得られるものであれば、MBE等いかなる結晶成長方法
を用いても良い。
ば、上記したような技術構成を採用している事から、電
流−光出力特性および温度特性が良好で、かつ、素子設
計の自由度に優れた利得結合型DFB−LDを制御性・
再現性良く製造することが可能となる。
動を与える構造の寸法が、層厚方向には成長速度と成長
時間の制御によって、共振器方向には誘電体選択成長マ
スクのパターニング精度によって規定され、いずれも高
い精度で再現性良く作製することが可能であり、また種
々の素子設計パラメータの設計自由度を損なうことな
く、各々の最適化を計ることが可能となるからである。
の一具体例の構成を説明する断面図である。
帰還型半導体レーザの製造方法の一の具体例を説明した
断面図であり、又図2(D)は、本発明に係る分布帰還
型半導体レーザの製造方法によって得られる分布帰還型
半導体レーザの斜視図である。
(A)〜図3(C)は、本発明に係る分布帰還型半導体
レーザの製造方法の他の具体例を説明した断面図であ
り、又図3(D)は、本発明に係る他の具体例に於ける
分布帰還型半導体レーザの製造方法によって得られる分
布帰還型半導体レーザの斜視図である。
具体例を示す図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 平坦成長によって形成された活性層と選
択成長によって形成された周期的な活性層とが積層され
た積層構造を有することを特徴とする分布帰還型半導体
レーザ。 - 【請求項2】 当該平坦成長によって形成された活性層
と当該選択成長によって形成された周期的な活性層がと
もに量子井戸構造を有する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。 - 【請求項3】 当該平坦成長によって形成された活性層
に含まれる量子井戸層の中で当該周期的な活性層に最も
近接した量子井戸層と、当該周期的な活性層に含まれる
量子井戸層の中で当該平坦成長によって形成された活性
層に最も近接した量子井戸層との間隔が40nm以下に
設定されていることを特徴とする請求項2に記載の分布
帰還型半導体レーザ。 - 【請求項4】 半導体基板上に活性層を平坦に成長する
第1の工程、当該平坦に成長された該活性層上に周期的
な誘電体膜を形成する第2の工程、該周期的な誘電体膜
をマスクとして周期的な活性層を該活性層上に選択的に
成長する第3の工程とから構成されていることを特徴と
する分布帰還型半導体レーザの製造方法。 - 【請求項5】 当該第1の工程に於ける当該平坦な活性
層の成長は、量子井戸構造の障壁層で終える様に構成さ
れ、又当該第3の工程に於ける当該周期的な活性層の選
択成長は、量子井戸構造の障壁層から開始させる様に構
成されていることを特徴とする請求項4記載の分布帰還
型半導体レーザの製造方法。 - 【請求項6】 当該第1の工程に於ける当該平坦な活性
層の成長を基板と同一材料の層で終える様に構成され、
又、当該第3の工程に於ける当該周期的な活性層の選択
成長は、当該量子井戸構造の障壁層で開始させる様に構
成されていることを特徴とする請求項4記載の分布帰還
型半導体レーザの製造方法。 - 【請求項7】 当該第1の工程に於ける当該平坦な活性
層の成長を量子井戸構造の障壁層で終える様に構成さ
れ、又当該第3の工程に於ける当該周期的な活性層の選
択成長を基板と同一材料の層で開始させることを特徴と
する請求項4記載の分布帰還型半導体レーザの製造方
法。 - 【請求項8】 当該第1の工程に於ける当該平坦な活性
層の成長を基板と同一材料の層で終える様に構成され、
又当該周期的な活性層の選択成長を基板と同一材料の層
で開始させる様に構成されている事を特徴とする請求項
4記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。 - 【請求項9】 当該第1の工程に於ける当該平坦な活性
層の平坦成長の最終層あるいは選択成長の最初の層若し
くは、当該第3の工程に於ける当該選択成長により形成
される周期的な活性層の最初の層として成長する、当該
基板と同一材料の層の厚みが10nm以下であることを
特徴とする請求項6乃至8の何れかに記載の分布帰還型
半導体レーザの製造方法。
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---|---|---|---|
JP9245373A JP2950297B2 (ja) | 1997-09-10 | 1997-09-10 | 分布帰還型半導体レーザ及びその製造方法 |
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JPH1187838A true JPH1187838A (ja) | 1999-03-30 |
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1997
- 1997-09-10 JP JP9245373A patent/JP2950297B2/ja not_active Expired - Fee Related
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