WO2001069735A1 - Dispositif laser a semi-conducteur a retroaction repartie et a couplage de gain et son procede de production - Google Patents

Dispositif laser a semi-conducteur a retroaction repartie et a couplage de gain et son procede de production Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device using distributed feedback by gain coupling (hereinafter simply referred to as GC-DFB-LD (Gain-Coupled Di-stributed-FeedBack Laser Diode)) and a method of manufacturing the same.
  • GC-DFB-LD Gain-Coupled Di-stributed-FeedBack Laser Diode
  • G C -D F B -L D has various excellent features such as good single longitudinal mode characteristics and strong resistance to return light-induced noise.
  • the first method as disclosed in a plurality of reports including Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-128788 (conventional example 1), periodically modifies the active layer itself of a semiconductor laser. By arranging or applying a periodic structure to the active layer itself (gain diffraction grating), the optical gain in the active layer is periodically changed. Further, as disclosed in a plurality of reports such as Japanese Patent Publication No. 6-7624 (conventional example 2), a second method is to periodically emit light near an active layer in a semiconductor laser. By arranging an absorption layer (absorptive diffraction grating), the mode gain is changed periodically.
  • the semiconductor laser structures disclosed in the above-mentioned Conventional Examples 1 and 2 have a basic configuration for periodically changing the gain, but have a configuration in which the refractive index is periodically changed together with the gain. That is, in the above conventional example, gain coupling and refractive index coupling are mixed. For this reason, it can be said that the structure cannot take full advantage of the original excellent performance of gain coupling.
  • a plurality of reports such as Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-136527 (conventional example 3) include a configuration in which a periodic change in refractive index is canceled out in a gain diffraction grating represented by conventional example 1. It has been disclosed.
  • the materials and the thicknesses of the respective layers are as follows.
  • Lower cladding layer 1 n-type InP, 0.45 im
  • Semiconductor layer 2 n-type InGaAsP, 0.2
  • Buffer layer 3 ⁇ type ⁇ ⁇ , 1 Onm
  • Active layer 4 i (intrinsic)-InGaAsP, 0.1 urn
  • Upper clad layer 6 p-type I nP, 1. 2 M m
  • the surface of the semiconductor layer 2 is formed using the two-beam interference exposure method and the etching technique. It is obtained by forming irregularities 7 in the form of a diffraction grating, and laminating each layer from the buffer layer 3 to the upper cladding layer 6 on the semiconductor layer 2 by the second crystal growth.
  • the active layer 4 has a periodic structure under the influence of the concavo-convex shape 7 of the semiconductor layer 2 which is the underlying layer, whereby the gain is modulated and gain coupling occurs.
  • the distribution of the refractive index increases in the order of the guide layer 5, the semiconductor layer 2, and the active layer 4 depending on the selection of the material.
  • the volume of the active layer 4 having a large refractive index is increased, but the volume of the guide layer 5 having a small refractive index is also increased. Therefore, the large refractive index of the active layer 4 is canceled.
  • the volume of the active layer 4 having a large refractive index is small, and the volume of the guide layer 5 having a small refractive index is correspondingly small.
  • the regions A-A ′, B-B It is possible to balance so that the equivalent refractive index is constant in any region, not limited to '. In this way, a GC-DFB-LD having substantially no refractive index coupling can be obtained.
  • an object of the present invention is to provide a GC-DFB-LD capable of easily and reproducibly controlling the presence or absence and intensity of a refractive index distribution without depending on the accuracy of a processing process, and a manufacturing method thereof. To provide.
  • a GC-DFB-LD includes a first layer having a predetermined refractive index and a predetermined forbidden band width, having a periodic structure, and a period of the first layer.
  • the first layer functions as a light emitting layer or an absorption layer.
  • the GC-DFB-LD of the present invention functions as an intrinsic GC-DFB-LD, and naturally only embeds the periodic structure of the first layer flatly in the second layer. It is formed without any dependence on accuracy.
  • the GC-DFB-LD of the first embodiment is characterized in that the multilayer structure including the first layer and the second layer has a refractive index coupling coefficient of 5 cm- 1 or less.
  • the refractive index coupling coefficient ⁇ i of the multilayer structure including the first layer and the second layer in which the periodic structure of the first layer is buried flat is 5 cm ⁇ 1 or less.
  • Refractive index The effect of the coupling component is sufficiently small that the refractive indices of both layers are considered to be approximately equal.
  • the first layer is configured to generate stimulated emission light, and the second layer is in close contact with the first layer. It is characterized by containing nitrogen as well as being provided.
  • the first layer having the periodic structure and generating stimulated emission light has a wider forbidden band than the first layer, and the stimulated emission light from the first layer is formed around the first layer.
  • a transparent second layer is provided in close contact therewith.
  • the carrier is efficiently contained in the first layer.
  • the periodic structure of the second layer is formed in close contact with the first layer, the first and second layers are adjusted by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio of the second layer. It is possible to control the intensity of the periodic change of the equivalent refractive index in the laminated structure including. Therefore, in the gain-diffraction grating type GC-DFB-LD, it can be easily performed without considering the shapes of the first and second layers, in other words, without depending on the precision of the processing process. The intensity of the periodic change of the refractive index can be controlled easily and with good reproducibility.
  • the GC-DFB-LD according to the third embodiment includes a third layer that generates stimulated emission light, and the first layer is located near one surface of the third layer, and Absorbed stimulated emission light generated from the third layer, the second layer is provided in close contact with the first layer and contains nitrogen.
  • the forbidden band width is wider than that of the first layer around the first layer having the periodic structure and absorbing the stimulated emission light, so that the stimulated emission light from the third layer can be prevented.
  • a clear second layer is provided in close contact.
  • the periodic structure of the second layer is formed, so that the nitrogen mixed crystal ratio of the second layer is adjusted, whereby the equivalent refractive index in the multilayer structure including the first and second layers is adjusted.
  • the magnitude of the period change of the control becomes controllable. Therefore, in the absorptive diffraction grating type GC-DFB-LD, the reproducibility is easy and reproducible without considering the shapes of the first and second layers, in other words, without depending on the precision of the processing process.
  • the intensity of the periodic change of the refractive index can be controlled well.
  • the GC-DFB-LD of the fourth embodiment is characterized in that the surface of the multilayer structure composed of the first layer and the second layer is made flat.
  • the periodic structure of the first layer is embedded by the second layer, and the surface of the multilayer structure including the first layer and the second layer is flat. Therefore, the intensity of the periodic change in the refractive index set by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio does not change depending on the surface shape of the multilayer structure.
  • the GC-DFB-LD of the fifth embodiment is characterized in that the second layer contains at least one of In and Sb at a predetermined mixed crystal ratio.
  • the second layer contains at least one of In and Sb at a predetermined mixed crystal ratio. Therefore, the change in the lattice constant caused by mixing the appropriate amount of nitrogen in the second layer to adjust the refractive index is canceled by the mixed crystal of In or Sb. In this way, an intrinsic GC-DFB-LD having better properties is obtained.
  • the first layer has a plane orientation of (10 10
  • the periodic structure is formed by crystal growth on the (0) plane or on a plane crystallographically equivalent to the (100) plane. It is characterized in that it is formed in a direction crystallographically equivalent to the [10] and [00-11] directions.
  • the nitrogen in the growth layer is not affected by the irregularities of the underlayer.
  • the mixed crystal becomes uniform, and the control of the refractive index coupling coefficient is performed more precisely. In this way, an intrinsic GC-DFB-LD having better properties is obtained.
  • the method for producing a GC-DFB-LD according to the second invention includes a step of forming a first layer having a periodic structure by using a group III-V compound semiconductor; The method is characterized in that the method includes a step of forming a second layer so that the periodic structure of the first layer is buried flat by a III-V compound semiconductor having a wide band gap and containing nitrogen. .
  • the first layer having a periodic structure since the first layer having a periodic structure is formed of a III-V compound semiconductor, it functions as a light emitting layer if sandwiched between p / n reverse conductivity type cladding layers, while the p-type Alternatively, if it is embedded in any of the n-type cladding layers, it functions as an absorption layer. Then, a second layer made of a group III-V compound semiconductor containing nitrogen and having a wider forbidden band width is formed in close contact with the light emitting layer or the absorption layer having the periodic structure. Therefore, the periodic structure is formed in the second layer, and the period of the equivalent refractive index in the multilayer structure including the first and second layers is adjusted by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio of the second layer. The intensity of the change becomes controllable. In this way, the intensity of the periodic change of the refractive index can be easily and reproducibly controlled without depending on the precision of the processing process.
  • the method of manufacturing GC-DFB-LD of the first embodiment is characterized in that the formation of the second layer is performed by crystal growth at a growth rate of 1 ⁇ / hour or less.
  • the second layer in which the periodic structure of the first layer is buried flat, is grown at a growth rate of 1 / x m / hour or less.
  • the method of manufacturing GC-DFB-LD of the second embodiment is characterized in that the refractive index of the second layer is made substantially equal to the refractive index of the first layer.
  • the method of manufacturing a GC-DFB-LD according to the third embodiment is characterized in that the refractive index coupling coefficient of the laminated structure including the first layer and the second layer is set to 5 cm ⁇ 1 or less. It is.
  • the refractive index coupling coefficient of the laminated structure including the first and second layers Since / c, is 5 cm- 1 or less, the refractive indices of the two layers are considered to be substantially equal, and the effect of the refractive index coupling component is sufficiently small.
  • an intrinsic GC-DFB-LD is easily and reproducibly formed without depending on the accuracy of the processing process.
  • the method of manufacturing a GC-DFB-LD according to the fourth embodiment is characterized in that the refractive index in the second layer is set by adjusting the mixed crystal ratio of nitrogen. I have.
  • the refractive index of the second layer is easily and reproducibly controlled by merely adjusting the nitrogen mixed crystal ratio of the second layer, and the refractive index of the first layer is adjusted. It can be set almost equal to
  • the method of manufacturing a GC-DFB-LD according to the fifth embodiment includes forming the first layer on a (100) plane or a plane crystallographically equivalent to the (100) plane. Crystal growth on the substrate and forming the periodic structure in the [010] direction or the [00-1] direction or a crystallographically equivalent direction to the above [010] and [00-1] directions. It is characterized by performing
  • the nitrogen in the growth layer is not affected by the irregularities of the underlayer.
  • the mixed crystal becomes uniform, and the control of the refractive index coupling coefficient is performed more precisely. That is, the intensity of the periodic change of the refractive index can be controlled easily and with good reproducibility and controllability.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the GC-DFB-LD of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a laminated structure.
  • FIG. 3 is a diagram showing the temperature dependence of the oscillation wavelength in the GC-DFB-LD shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of the oscillation wavelength of the GC-DFB-LD of Comparative Example 1.
  • 5A and 5B are diagrams showing changes in the refractive index and the forbidden band width when In or N is mixed with GaAs.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams showing the distribution of the band diagram and the equivalent refractive index in the direction of the resonator in the GC-DFB-LD of FIG. 1 or Comparative Example 1.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams showing the distribution of the band diagram and the equivalent refractive index in the direction of the resonator in the GC-DFB-LD of FIG. 1 or Comparative Example 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing a correlation between a nitrogen mixed crystal ratio in the GC-DFB-LD shown in FIG. 1 and ⁇ n eq in the resonator.
  • FIGS. 8A, 8B, and 8C are longitudinal cross-sectional views of main parts near the active layer in the GC-DFB-LD of Modifications 1 to 3.
  • FIG. 8A, 8B, and 8C are longitudinal cross-sectional views of main parts near the active layer in the GC-DFB-LD of Modifications 1 to 3.
  • 9A, 9B, and 9C are longitudinal cross-sectional views of a main part near the active layer in GC-DFB-LD of Modification Example 4.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a GC-DFB-LD different from FIG.
  • FIGS. ⁇ - ⁇ , ⁇ - C, and 11 C are perspective views of the laminated structure during the ⁇ $ forming process of the GC-DF-LD shown in FIG.
  • FIG. 12 is a vertical cross-sectional view of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD different from FIGS.
  • Fig. 13 is a vertical cross-sectional view of the main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD, which is different from Figs. 1, 10, and 12.
  • Fig. 14 is a vertical cross-sectional view of the main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD, which is different from Fig. 1, Fig. 10, Fig. 12, and Fig. 13.
  • Fig. 15 is a vertical cross-sectional view of the main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD, which is different from Figs. 1, 10, and Figs.
  • FIG. 16 is a vertical cross-sectional view of a main part near a diffraction grating in a GC-DFB-LD different from FIGS. 1, 10, and 12 to 15.
  • FIG. 17 shows a different GC-DFB-LD from Figs. 1, 10, and 12 to 16.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view of a main part near a diffraction grating.
  • FIG. 18 is a perspective view of the laminated structure after the diffraction grating is imprinted during the process of forming the GC-DFB-LD shown in FIG.
  • FIG. 19 is a longitudinal sectional view of a main part of a conventional GC-DFB-LD. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the present embodiment relates to a gain-diffraction grating GC-DFB-LD, in which a transparent layer in which a small amount of nitrogen is mixed is formed adjacent to a periodically formed well layer (light emitting layer). It is characterized in that by forming it, an intrinsic GC-DFB-LD is obtained.
  • FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a gain-diffraction grating GC-DFB-LD according to the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • n-type GaAs 100 ⁇ m
  • FIG. 2 is a perspective view of the laminated structure during the process of forming the GC-DFB-LD 10 shown in FIG.
  • a method of manufacturing the GC-DFB-LD 10 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
  • the first crystal growth using the metalorganic chemical vapor deposition method is performed to form the lower cladding layer 12 to the upper barrier layer 16.
  • Each layer is sequentially laminated.
  • the n-type GaAs substrate 11 uses the (100) plane.
  • trimethylaluminum, trimethylgallium, trimethylindium, arsine, and dimethylhydrazine were used as the raw materials for Al, Ga, In, As, and N.
  • the laminated structure after the first crystal growth is taken out of the crystal growth chamber, and the surface thereof is subjected to a two-beam interference exposure method to form a lattice photoresist mask having a period of 0.28 ⁇ and a duty ratio of 0.5 (see FIG. Next, hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution are mixed at a ratio of 1:50, and the above-mentioned area where the photoresist mask is not formed is exposed from the surface with a cleaning solution diluted 5 times with pure water.
  • the thickness of the upper barrier layer 16 is 20 nm
  • the thickness of each of the well layers 14 a and 14 b is 10 nm
  • the thickness of the intermediate barrier layer 15 is 20 nra Therefore, the total film thickness from the upper barrier layer 16 to the lower well layer 14a is 6 Onm. Therefore, when the photoresist mask is removed, as shown in FIG. 2B, a diffraction grating 17 in which the two well layers 14a and 14b are periodically divided in the extending direction of the n-type GaAs substrate 11 is obtained. can get.
  • the multilayer structure shown in FIG. 2B is put into the crystal growth chamber again, and a second crystal growth is performed on the above-mentioned diffraction grating 17 to make contact from the buried layer 18 as shown in FIG. 2C. Grow each layer up to layer 20. At this time, the buried layer 18 It is necessary to perform crystal growth by selecting crystal growth conditions so that the nitrogen distribution in the only layer 18 is uniform and the interface between the buried layer 18 and the upper clad layer 19 is flat.
  • the stacked structure after the second crystal growth is taken out of the crystal growth chamber, and a current confinement layer 23 made of silicon nitride is formed on the surface as shown in FIG. 2C.
  • the p-electrode 21 is formed on the upper surface of the multilayer structure, and the n-electrode 22 is formed on the lower surface. Then, the laser light emitting end face is cleaved to obtain a gain diffraction grating type GC-DFB-LD10.
  • FIG. 3 shows the temperature dependence of the oscillation wavelength of this GC-DFB-LD10.
  • the submode suppression ratio is 2 OdB or more, and the same longitudinal mode (m (0)) oscillates at a completely single wavelength.
  • no stop band was observed in the oscillation spectrum, indicating that the component of the refractive index coupling was zero.
  • the lower barrier layer 13 ′, the intermediate barrier layer 15, the upper barrier layer 16 and the buried layer 18 are made of i-GaAsN.
  • the material in the other layers is exactly the same, just by replacing with GaAs.GC-DFB-LD fabricated c
  • the GC-DFB-LD in Comparative Example 1 also oscillated at a single wavelength of 98 Onm at a threshold current density of 0.5 kA m 2 .
  • This GC-DFB-LD Figure 4 shows a typical example of the temperature dependence of the oscillation wavelength.
  • oscillation occurs in a single longitudinal mode (m (0)) from the element temperature of + 10 ° C to + 50 ° C.
  • the element temperature is lower than + 10 ° C or higher than + 50 ° C, it shifts to oscillation in another adjacent longitudinal mode (m (+ l), m (-1)) Oscillations in the mode hopping and in the Fabry-Bello mode ( ⁇ - ⁇ ) were also observed, causing instability in the oscillation wavelength.
  • a stop band exists in the oscillation spectrum, and that the gain coupling and the refractive index coupling are mixed, which causes instability of the oscillation wavelength.
  • the light is periodically divided like the diffraction grating 17.
  • the barrier layer having a wide forbidden band width adjacent to the InGaAs well layer 14 is characterized by being composed of a slight (0.48% in the first embodiment) mixed crystal of nitrogen. That is, by slightly mixing nitrogen in the barrier layer, the refractive index is adjusted to a predetermined value without greatly changing the forbidden band width. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 5A shows changes in the refractive index and the forbidden band width when In is mixed with GaAs.
  • FIG. 5B shows how the refractive index and the band gap change when N is mixed with GaAs. 5A and 5B, In used in the well layer 14 in the first embodiment. 2 Ga. 8 As (point a in FIG. 5A) and GaAs used for the barrier layers 13, 15, 16 and the buried layer 18 adjacent to the well layer 14. 995 2N. . . 48 (point b in Fig. 5B) has the same refractive index.
  • GaAs Q9952N used for the barrier layers 13, 15, 16, and the buried layer 18 is related to the above-mentioned band gap . It can be seen from FIG.
  • the gain region is periodic.
  • the well layer 14, the barrier layers 13, 15, 16, and the buried layer 18 all have the same refractive index, despite the fact that the No perturbation has occurred.
  • the shape of the diffraction there is no need to consider the balance of the refractive index with that of 18, etc., and even if the diffraction grating 17 is buried even flat, essentially no refractive index coupling occurs, making it possible to easily obtain an intrinsic GC-DEB-LD You can.
  • Comparative Example 1 since nitrogen is not mixed in the layer 18 ′ surrounding the well layer 14 ′ having a narrow bandgap, as shown in FIG.
  • the period of the equivalent refractive index n eq changes synchronously with the period change of the band structure.
  • the refractive index increases as the bandgap becomes narrower.
  • the rate of change in that case is almost the same without depending on the material system.
  • the rate of change of the refractive index due to the change of the forbidden band width when the mixed crystal ratio of In is changed is about 0.4 [per eV].
  • the change rate of the refractive index when the mixed crystal ratio of A1 is changed is about 0.4 [per eV].
  • the barrier layers 13, 15, 16 and the buried layer 18 are slightly mixed with nitrogen.
  • the rate of change of the refractive index when the nitrogen mixed crystal ratio was changed was about 1.4 [per eV].
  • the change rate of the refractive index is several times larger than that of the material system.
  • the forbidden band width is slightly reduced, but the effect of the increase in the refractive index is larger than that.
  • it can be said that it is a special mixed crystal system that can obtain a material with a very high refractive index while keeping the forbidden band width relatively wide.
  • a special refractive index change rate in a material in which only a small amount of nitrogen is mixed is positively used, and an InGaAs well having a narrow band gap and a high refractive index is used.
  • the layer is surrounded by a GaAsN-based material having a wide forbidden band, and a diffraction grating structure in which a refractive index distribution does not occur is obtained by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio of the GaAsN-based material.
  • the nitrogen mixed crystal ratio is periodically distributed in the buried layer 18 on the diffraction grating 17 in which a plurality of planes appear periodically and repeatedly.
  • a refractive index distribution is generated inside the buried layer 18 that matches the period of the concave-convex shape of the diffraction grating 17 which is the base. In that case, it is impossible to achieve the object of the present embodiment of obtaining a configuration of a diffraction grating having no refractive index distribution by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio.
  • the present inventor has set the growth rate during crystal growth to 1 ⁇ m / hour or less in order to eliminate the above-mentioned distribution of the nitrogen mixed crystal ratio in the grown crystal corresponding to the irregular shape of the underlying crystal. It was found that setting a slower rate was effective. This is presumed to be because if the above growth rate is sufficiently slow, the surface species of the raw material species supplied during crystal growth are sufficiently diffused, and the atoms constituting the crystal are sufficiently randomly mixed. You.
  • sufficiently slowing the growth rate to cause sufficient surface diffusion of the raw material species is effective in promoting flattening of the upper surface of the buried layer 18.
  • the crystal growth proceeds one by one before the surface diffusion of the raw material species has not sufficiently occurred, so that the initial irregularities are maintained even after the crystal growth. Flattening is not promoted.
  • a sufficiently slow growth rate of 1 ⁇ / hr or less is essential.
  • Ga In is often used as a barrier layer for an InGaAs well layer.
  • GaAsN having a slightly narrower forbidden band width is used as the barrier layers 13, 15, 16 and the buried layer 18 instead of GaAs. Therefore, this raises a concern that the band offset with respect to the well layer is reduced. While with force, GaAs respect I n 0 2 Ga 0 8 As well layer 1 4.
  • the lattice constant of the barrier layer deviates from the lattice constant of the GaAs substrate 11. There is a concern that defects will occur.
  • the above G a As 0. 9952 N.
  • the device lifetime was more than 5000 hours at device temperature of 80 ° C and output of 10 mW, which was sufficient.
  • an intrinsic GC-DFB-LD in which the periodic fluctuation of the equivalent refractive index is zero is described as an example.
  • periodic fluctuation of the equivalent refractive index is described as zero
  • the refractive index coupling coefficient / which represents the degree of refractive index coupling caused by the periodic variation of the refractive index
  • the periodic variation of the equivalent refractive index is as follows.
  • Fig. 7 shows the structure of the gain-diffraction grating GC-DFB-LD10 shown in Fig. 1 using the GaAsN mixed crystal (lower barrier layer 13, intermediate barrier layer 15, upper barrier layer 16, The correlation between the nitrogen mixed crystal ratio in the buried layer 18) (horizontal axis in Fig.
  • An eq (vertical axis in Fig. 7) representing the periodic change strength of the equivalent refractive index n eq in the resonator is shown. Show.
  • An eq is the equivalent refractive index n eq (Y) in the convex section of the diffraction grating 17 shown by Y-Y ′ in FIG. Difference from equivalent refractive index n (Z) ( ⁇ n eq
  • the magnitude of the refractive index coupling coefficient K i has a strong correlation with the absolute value of ⁇ n eq . If the nitrogen mole fraction of "0.0048" corresponds to the first 'embodiment, the period change of the equivalent refractive index n of the resonator as can be seen from Figure 7 delta n p "is” 0 ", bending The configuration does not involve the bending coupling. In contrast, when the nitrogen mole fraction of "0" corresponds to the above Comparative Example 1, configured with a refractive index coupled from a periodic change delta n eq of the equivalent refractive index n eq in the resonator is present Becomes
  • the nitrogen mixed crystal ratio of the above GaAsN mixed crystal is set to an arbitrary value between “0” and “0.0045”, the GC-DFB-LD in which the degree of the refractive index coupling is set to an arbitrary value becomes Obtainable.
  • the nitrogen mixed crystal ratio is set to a value larger than “0.000048”, an anti-phase type gain diffraction grating in which a portion having a high equivalent refractive index n eq matches a portion having a low gain can be obtained.
  • the layer that generates stimulated emission light or the layer that absorbs stimulated emission light is given a periodic structure, and a layer in which nitrogen is mixed is provided adjacent to the layer, and the nitrogen mixed crystal ratio is varied.
  • various characteristic gain diffraction gratings can be obtained. That is, it is possible to easily control the characteristics of GC-DFB-LD.
  • the gain diffraction grating in which the barrier layers 13, 15, 16 and the buried layer 18 are formed of GaAsN, and the well layer 14 is formed of InGaAs As an example of the configuration of the type GC-DFB-LD, the configuration in which the periphery is surrounded by GaAsN after the InGaAs well layer 14 is periodically divided has been described. However, as the configuration of the gain diffraction grating in the present invention, the configurations shown in the following modified examples 1 to 4 are also possible.
  • FIG. 8A shows a vertical cross section of a main portion near an active layer sandwiched between upper and lower clad layers in a gain grating type G C-DFB-LD of the first modification.
  • the configuration, material, and film thickness of each part are as follows.
  • Well layer 33 i-In 02 Ga 08 As, 9 nm
  • the upper, lower, left and right sides of the InGaAs well layer 14 are all adjacent to the GaAsN material.
  • the lower barrier layer 32 adjacent to the lower portion of the InGaAs well layer 33 is made of a GaAs material instead of a GaAsN material.
  • the etching for forming the diffraction grating 37 does not etch the upper surface of the lower barrier layer 32.
  • Fig. 8B shows a vertical cross section of the main part near the active layer sandwiched between the upper and lower cladding layers in the gain 1 "raw diffraction grating type GC-DFB-LD of the second modification.
  • the film thickness is as follows.
  • -Embed layer 4 5 i-GaAs, 5 Onm (the thinnest part)
  • the upper, lower, left, and right sides of the InGaAs well layer 14 are all adjacent to the GaAsN material.
  • the second modification only the side buried layer 44 adjacent to the side of the InGaAs well layer 43 is made of a GaAsN material.
  • the gain grating type GC-DFB-LD having the above configuration, there is no perturbation of the refractive index.
  • the upper and lower end surfaces of the InGaAs well layer 43 come into contact with a material having a larger forbidden band width than GaAsN (GaAs in Modification 2), improving the efficiency of confining carriers in the InGaAs well layer 43. Can be done.
  • the GaAsN side buried layer 44 on the side surface of the InGaAs well layer 43 is formed by forming a silicon nitride mask (not shown) on the top of the diffraction grating 47 in advance and performing selective growth. It is formed by regrowth so as to be in contact with the side surface of the InGaAs well layer 43.
  • FIG. 8C shows a vertical cross section of a main part near the active layer sandwiched between upper and lower cladding layers in the gain grating type GC-DFB-LD of the third modification.
  • the configuration, material, and film thickness of each part are as follows.
  • -Upper cladding layer 5 6 P type Al. 3 Ga 07 As, 1.0 / im
  • a multilayer film including an InGaAs well layer 14 is stacked on a flat substrate 11, and after the InGaAs well layer 14 is etched and divided into a diffraction grating shape. Embedded with GaAsN.
  • the GaAsN guide layer 52 serving as a base is formed with an uneven shape, and a GaAs
  • the N-barrier layer 53InGaAs well layer 54 and the GaAsN buried layer 55 are regrown to form a diffraction grating 57. Therefore, a periodic distribution is generated in the film thickness of the InGaAs well layer 54 reflecting the unevenness of the underlying GaAsN guide layer 52, and a perturbation of gain is obtained.
  • the upper and lower portions of the GaAs well layer 54 are all surrounded by GaAsN material. Therefore, there is no perturbation of the refractive index, and an intrinsic GC-DFB-LD is obtained.
  • FIG. 9 shows a vertical cross section of a main part near an active layer sandwiched between upper and lower clad layers, showing a process of forming a gain diffraction grating GC-DFB-LD of Modification Example 4.
  • the configuration, material, and film thickness of each part are as shown in FIG. 9C.
  • 'Upper cladding layer 6 7 p-type Al 0. 3 Ga 0. 7 As, 1. 0 ⁇ m
  • the structure shown in FIG. 9C is manufactured through the steps from FIG. 9A to FIG. 9C. That is, first, as shown in FIG. 9A, after the respective layers up to the guide layer 62 are laminated on the substrate by the first crystal growth, a periodic diffraction grating dielectric mask 69 is formed on the surface thereof. Form. Then, a periodic structure is formed on the guide layer 62 by etching.
  • the GaAsN guide layer 62 is provided with an uneven shape, and a quantum well structure composed of an InGaAs well layer 64 and GaAsN barrier layers 63 and 65 is formed thereon. Despite the regrowth, a stronger gain perturbation than in Modification 3 is obtained because the active layer 64 is divided.
  • the upper, lower, left and right sides of the GaAs well layer 64 are all surrounded by GaAsN material. Therefore, there is no perturbation of refractive index, and intrinsic GC-DFB-LD is obtained. Also, if the width of the concave portion of the periodic structure 68 is made sufficiently small and the width of the well layer 64 is reduced to about 1 Onm or less, the active layer (well layer) 64 can function as a quantum wire. Become.
  • This embodiment relates to an absorptive diffraction grating type GC-DFB-LD, in which an absorption layer is periodically formed in a guide layer close to an active layer, and a small amount of nitrogen is mixed in the absorption layer. It is characterized in that intrinsic GC-DFB-LD is obtained by adjoining the transparentized layer.
  • FIG. 10 schematically shows a cross-sectional structure of the absorptive diffraction grating type GC-DFB-LD 70 of the present embodiment.
  • the composition, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • n-type GaAs 100 ⁇ m
  • Type 03 9952 1 ⁇ . . . 48 , 20nm (the thinnest part)
  • FIG. 11 is a perspective view of the laminated structure during the process of forming the GC-DFB-LD 70 shown in FIG.
  • a method of manufacturing the GC-DFB-LD 70 shown in FIG. 10 will be described with reference to FIG.
  • metalorganic vapor phase epitaxy was performed on an n-type GaAs substrate 71.
  • Each layer from the lower cladding layer 72 to the upper barrier layer 77 is successively laminated by the first crystal growth using.
  • the n-type GaAs substrate 71 uses the (100) plane.
  • trimethylaluminum, trimethylgallium, trimethylindium, arsine, and dimethylhydrazine were used as the raw materials for Al, Ga, In, As, and N.
  • the stacked structure after the first crystal growth is taken out of the crystal growth chamber, and a two-beam interference exposure method is applied to the surface of the stacked structure to form a lattice-shaped photoresist mask with a circumference of 0.228 ⁇ and a duty ratio of 0.5 (see Fig. (Not shown).
  • hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution were mixed at a ratio of 1:50, and the area where the photoresist mask was not formed was exposed from the surface with an etching solution diluted 5 times with pure water.
  • the thickness of the upper barrier layer 77 is 2 Ontn, and the thickness of the absorption layer 76 is 10 nm. Therefore, the total thickness from the upper barrier layer 77 to the absorption layer 76 is 3 Onm. is there. Therefore, when the photoresist mask is removed, a diffraction grating 78 in which the absorption layer 76 is periodically divided in the extending direction of the n-type GaAs substrate 71 is obtained as shown in FIG. 11B.
  • the laminated structure shown in FIG. 11B is put into the crystal growth chamber again, and the second crystal growth is performed on the diffraction grating 78, as shown in FIG. Grow each layer up to layer 81.
  • the buried layer 79 is grown at a growth rate of 1 ⁇ / hour or less so that the interface between the buried layer 79 and the upper cladding layer 80 becomes flat.
  • the stacked structure after the second crystal growth is taken out of the crystal growth chamber, and a current confinement layer 84 of silicon nitride is formed on the surface of the stacked structure as shown in FIG. 11C.
  • the ⁇ electrode 82 is formed on the upper surface of the multilayer structure, and the ⁇ -type electrode 83 is formed on the lower surface. Then, the laser light emitting end face is cleaved to obtain an absorptive diffraction grating type GC-DFB-LD70.
  • the second embodiment is characterized in that a layer adjacent to the n-type In Q2 G 3 ⁇ 48 As absorption layer 76 periodically divided by the diffraction grating 78 is slightly mixed with nitrogen. .
  • the intrinsic refractive index can be set to a predetermined value without greatly changing the forbidden band width.
  • GC-DFB-LD is realized. More specifically, as described in detail in the first embodiment, the InGaAs used for the absorption layer 76 and the barrier layer 75 77 and the buried layer 79 adjacent to the absorption layer 76 were used.
  • the nitrogen mixed crystal ratio of the barrier layers 75 and 77 and the buried layer 79 is adjusted so that GaAsN has the same refractive index.
  • the GaAs 9952 N used for the barrier layer 7577 and the buried layer 79 is about 1.
  • the diffraction grating 78 is an absorption grating formed by embedding the opaque absorption layer 76 with the transparent barrier layer 7577 and the buried layer 79. Layer 76, barrier layers 75 and 77, and buried layer 79 all have the same refractive index, and there is no refractive index perturbation.
  • the second embodiment as in the case of the conventional structure in which the refractive index perturbation of the absorbing layer is canceled by providing a refractive index perturbation having the opposite phase in the vicinity, There is no need to consider the shape of 8 and the balance of the refractive index with the buried layer 79, etc., and even if the diffraction grating 78 is buried flat, essentially no refractive index coupling occurs, and the intrinsic GC-DEB-LD Can be obtained.
  • GaInAs in which nitrogen is not mixed is used as a light emitting layer or an absorption layer, and the light emitting layer or the absorption layer is embedded with GaAsN in which nitrogen is mixed.
  • the GC-DFB-LD with the configuration has been described.
  • a GC-DFB-LD in which each of the light emitting layer or the absorbing layer and the buried layer adjacent thereto is made of a material in which nitrogen is mixed and mixed will be described.
  • FIG. 12 shows a vertical cross section of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD of the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • the diffraction grating 95 in the present embodiment functions as a gain diffraction grating if the narrow bandgap layer 93 is used as a light emitting layer and sandwiched between p / n opposite conductivity type cladding layers as in the case of the first embodiment. . Further, as in the case of the second embodiment, if the narrow bandgap layer 93 is embedded as an absorption layer in either a p-type or n-type cladding layer, it functions as an absorptive diffraction grating.
  • the narrow band gap layer 93 that functions as a light emitting layer or an absorption layer is set to have a lower nitrogen mixed crystal ratio than each layer adjacent thereto.
  • each layer surrounding the narrow bandgap layer 93 and having a high nitrogen mixed crystal ratio is made of a material whose refractive index increases greatly as the bandgap narrows.
  • the nitrogen mixed crystal ratio of each layer is adjusted so as not to cause a distribution of the refractive index.
  • a small amount of In is simultaneously mixed and crystallized in the narrow bandgap layer 93 and the barrier layers 92 and 94 and the buried layer 96 adjacent to the narrow bandgap layer 93.
  • the change in lattice constant when adjusting the refractive index by mixing an appropriate amount of nitrogen in each of the layers 92, 93, 94, and 96 can be reduced by mixing a small amount of In. Can be countered. Therefore, better GC-DFB-LD can be obtained.
  • the GC-DFB-LD incorporating the diffraction grating 95 with the above configuration is completely unitary even if the diffraction grating 95 is an gain diffraction grating or an absorption diffraction grating, with a submode suppression ratio of 20 dB or more. Oscillates at one wavelength. In addition, no stop band was observed in the oscillation spectrum, and the refractive index coupling component was found to be zero. In addition, it can be seen that single-wavelength oscillation occurs with a probability of 97% in spite of the fact that the anti-reflection coating is not applied to the laser light emitting end face, and the yield for single-wavelength laser production is extremely high. There was found. These features are unique to intrinsic GC-DFB-LD without index coupling components.
  • the diffraction gratings 17, 37, 47, 7, 7, 8, 8, 78 and 95 are constituted by layers in which In or N is mixed with GaAs.
  • GC-DF B-LD explained.
  • a GC-DFB-LD composed of a combination of AlGaAs material and nitrogen mixed crystal will be described.
  • FIG. 13 shows a vertical cross section of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD of the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • the diffraction grating 105 in the present embodiment has a gain 1 ⁇ 2 ⁇ diffraction grating when the narrow bandgap layer 103 is sandwiched between the p / n reverse conductivity type cladding layers as the light emitting layer as in the first embodiment. Act as a child. Also, as in the second embodiment, if the narrow bandgap layer 103 is embedded as an absorption layer in either the ⁇ -type or ⁇ -type cladding layer, it functions as an absorptive diffraction grating. As the clad layer, any material having a low refractive index, a wide band gap, and substantially lattice-matched to the substrate can be selected.
  • the diffraction grating 105 is added to the barrier layers 102, 104 and the buried layer 106 adjacent to the narrow bandgap layer 103 functioning as the light emitting layer or the absorption layer. Nitrogen is mixed. Therefore, similarly to the case described in the first and second embodiments, the narrow bandgap layer 103 having a narrow bandgap and a high refractive index is surrounded by a material having a wide bandgap, but the distribution of the refractive index is not changed. The nitrogen mixture ratio of each layer is selected so as not to occur, and an intrinsic GC-DFB-LD is obtained.
  • the GC-DFB-LD that incorporates the diffraction grating 105 with the above configuration, even if the diffraction grating 105 is a gain diffraction grating or an absorption diffraction grating, is completely unitary at a side mode suppression ratio of 2 Od B or more. It oscillates at the wavelength. In addition, no stop band was observed in the oscillation spectrum, and it was found that the component of the refractive index coupling was zero. Also, it was found that single-wavelength oscillation occurred with a probability of 97% despite the fact that the anti-reflection coating was not applied to the laser light emitting end face, and the yield for the production of single-wavelength lasers was extremely high. Turned out to be high. These characteristics are unique to intrinsic GC-DFB-LD that does not contain refractive index coupling components.
  • the intrinsic GC-DFB-LD can be easily realized by mixing nitrogen in the layer adjacent to the light emitting layer or the absorption layer.
  • the diffraction gratings corresponding to the first to fourth modifications of the first embodiment can be modified.
  • the narrow band gap layer 103 functioning as a light emitting layer or an absorption layer can be mixed with a smaller amount of nitrogen than in an adjacent layer.
  • a GC-DFB-LD constituted by a combination of a material obtained by mixing nitrogen with an AlInGaP-based material will be described.
  • FIG. 14 shows a vertical cross section of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD of the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • the barrier layer 112, 114, and the buried layer adjacent to the narrow bandgap layer 113 which functions as the light emitting layer or the absorption layer. Since an appropriate amount of nitrogen is mixed in 1 16, the narrow band gap layer 1 13 with a narrow band gap and a high refractive index is surrounded by a material with a wide band gap, but the refractive index is The nitrogen mixture ratio of each layer is selected so that no distribution occurs, and an intrinsic GC-DFB-LD is obtained. In that case, the GC-DFB-LD oscillates at a completely single wavelength at a side mode suppression ratio of 2 OdB or more. In addition, it was found that the component of the refractive index coupling was zero, and that single-wavelength oscillation occurred at a probability of 97% even though the non-reflection coating was not applied to the laser light emitting end face. .
  • intrinsic GC-DFFB-LD can be easily realized by mixing nitrogen in a layer adjacent to the light emitting layer or the absorbing layer. It is needless to say that also in the present embodiment, the diffraction gratings corresponding to the first to fourth modifications of the first embodiment can be modified. Further, similarly to the third embodiment, it is also possible to mix a smaller amount of nitrogen in the narrow bandgap layer 113 functioning as a light emitting layer or an absorption layer than in an adjacent layer.
  • FIG. 15 shows a vertical cross section of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD of the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • the narrow bandgap layer 123 having a narrow bandgap and a high refractive index is surrounded by a material having a wide bandgap, and the refractive index is distributed.
  • Intrinsic GC-DFB-LD is obtained by selecting the nitrogen mixed crystal ratio of each layer so as not to cause cracks. In that case, the GC-DFB-LD oscillates at a completely single wavelength at a submode suppression ratio of 20 dB or more. The component of the refractive index coupling is zero, and single-wavelength oscillation occurs with a probability of 97%. Note that, also in the present embodiment, the deformation of the diffraction grating corresponding to the first to fourth modifications is possible. In addition, it is possible to mix less nitrogen in the narrow bandgap layer 123 functioning as a light emitting layer or an absorption layer than in an adjacent layer.
  • a GC-DFB-LD composed of a combination of an InGaAsP-based material that is substantially lattice-matched to an InP substrate and a mixed crystal of nitrogen will be described.
  • FIG. 16 shows a vertical cross section of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD of the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • the narrow bandgap layer 133 having a narrow bandgap and a high refractive index is surrounded by a material having a wide bandgap, but the refractive index is distributed.
  • the intrinsic GC-DFB-LD is obtained by selecting the nitrogen mixed crystal ratio of each layer so as not to cause cracks. In that case, the GC-DFB-LD oscillates at a completely single wavelength at a side mode suppression ratio of 2 OdB or more.
  • the component of the refractive index coupling is zero, and single-wavelength oscillation occurs with a probability of 97%.
  • the deformation of the diffraction grating corresponding to the first to fourth modifications is possible. Also, it is possible to mix an appropriate amount of nitrogen only in an adjacent layer without mixing nitrogen in the narrow bandgap layer 133 functioning as a light emitting layer or an absorption layer.
  • FIG. 17 shows a vertical cross section of a main part near the diffraction grating in the GC-DFB-LD of the present embodiment.
  • the configuration, material, and layer thickness of each part are as follows.
  • FIG. 18 shows that at least the lower wide bandgap layer 141, the lower barrier layer 142, the narrow bandgap layer 143, and the upper barrier layer 144 are formed on the GaAs substrate in the manufacturing process of the GC-DFB-LD of this embodiment.
  • a perspective view of the laminated structure 140 immediately after the diffraction grating 145 is imprinted on the surface thereof after fabrication is shown.
  • This embodiment is characterized in that the diffraction grating 145 is stamped in the [0 10] direction (or in the [00-1] direction orthogonal thereto) using the (100) plane of the GaAs substrate.
  • the (100) plane Nitrogen is more likely to be incorporated into the film than when crystal growth is performed, and on the other hand, nitrogen is less likely to be incorporated on the surface inclined in the [01-1] direction (referred to as surface B). Therefore, when the diffraction grating 145 is imprinted in the [01 1] direction or the [01-1] direction, the flat portions of the tops and valleys of the uneven shape of the diffraction grating 145 are (100) planes.
  • the inclined portion becomes the A-plane or the B-plane, and a periodic distribution is generated in the mixed crystal ratio of nitrogen in the film grown on the diffraction grating 145, reflecting the uneven shape of the diffraction grating 145.
  • the inventor of the present application does not have the above-described problem when growing a crystal in which nitrogen is mixed and crystallized on a plane inclined in the [010] direction or the [00-1] direction orthogonal thereto. I found that. This is because the [010] direction or the [00-1] direction orthogonal to it is at a 45 degree angle to the [01 1] direction and the [01-11] direction, and therefore, it is inclined to the [010] direction. It seems that the surface has an intermediate property between the A and B surfaces.
  • the diffraction grating 145 is imprinted in the [010] direction or in the [00-1] direction orthogonal thereto, the surface of the diffraction grating 145 that is inclined in the [010] direction or in the direction orthogonal thereto is exposed. That is, the mixed crystal ratio of nitrogen in the film grown on the diffraction grating 145 is independent of the growth rate during crystal growth. A uniform distribution can be obtained without reflecting the uneven shape of the diffraction grating 145.
  • the plane orientation of the substrate is not necessarily the (100) plane, but may be any plane that is crystallographically equivalent to the (100) plane. In this case, it goes without saying that the direction in which the diffraction grating 145 is imprinted may be the [010] direction, the [00-1] direction orthogonal thereto, or a direction crystallographically equivalent thereto.
  • the refractive index is reduced.
  • the nitrogen mixture ratio of each layer is selected so that no distribution occurs, and intrinsic GC-DFB-LD is obtained.
  • the GC-DFB-LD oscillates completely at a single wavelength with a side mode suppression ratio of 20 dB or more.
  • the component of the refractive index coupling is zero and 97
  • Single-wavelength oscillation occurs with a probability of%. Note that, also in the present embodiment, the deformation of the diffraction grating corresponding to the first to fourth modifications is possible. Further, the narrow bandgap layer 143 functioning as a light-emitting layer or an absorption layer can be mixed with a smaller amount of nitrogen than in an adjacent layer.
  • the diffraction gratings 125, 135, and 145 in the sixth, seventh, and eighth embodiments are also sandwiched between p / n reverse conductivity type cladding layers with the narrow bandgap layers 123, 133, and 143 as light emitting layers. In this case, it functions as a gain diffraction grating.
  • the narrow band gap layers 123, 133, and 143 are embedded in the p-type or n-type cladding layer as an absorbing layer, they function as an absorptive diffraction grating.
  • the cladding layer can be made of any material having a low refractive index and a wide bandgap, and which is substantially lattice-matched to the substrate.
  • a suitable amount of nitrogen is mixed and crystallized in the barrier layers 122, 124 and the buried layer 126 adjacent to the narrow bandgap layer 123 to obtain a refractive index.
  • a small amount of Sb is simultaneously mixed and crystallized. By doing so, it is possible to cancel the change in lattice constant due to the mixed crystal of nitrogen, and to obtain a better GC-DFB-LD.
  • the effect of simultaneously forming a mixed crystal of Sb is the same even with the mixed crystal of In, as described in the third embodiment. The same effects can be obtained. Needless to say, it is also possible to mix both Sb and In.
  • the material constituting the semiconductor laser is not limited to the material system or the mixed crystal ratio used in each of the above embodiments.
  • the present invention is applicable to any II-V semiconductor material system such as (Al, Ga, In, B, T1)-(P, As, Sb, N, Bi). Can be used.
  • various modifications can be made to the combination of material types, such as a structure in which only the diffraction grating portion is made of a group IV-V semiconductor and a material for the cladding layer and the current confinement layer are made of a group II-VI semiconductor.
  • the crystal growth method and the raw materials to be used are not limited to those specifically shown in each of the above embodiments and modifications, and various methods can be applied.
  • the manufacturing method, configuration, and position of the diffraction grating are not limited by the above embodiments and modified examples.
  • the configurations of the gain diffraction grating and the absorption diffraction grating those shown in the above-described embodiments and modified examples are merely examples, and various modifications are possible.
  • the trapezoidal shape has been described as the shape of the diffraction grating, a rectangular shape, a triangular shape, a sawtooth wave shape, a sine wave shape, an inverted trapezoidal shape, or the like may be used.
  • the diffraction grating When an LD is used as a monolithic light source for an optical integrated circuit, it is effective to draw the diffraction grating directly by electron beam exposure. Also, the diffraction grating may have a phase shift. The phase of the diffraction grating in the center of the element becomes discontinuous. The multi-shift type, in which multiple phase shifts are distributed in the resonator, the phase shifts gradually. It is possible to apply various phase shift methods, such as a graded shift type that changes the width of a stripe-shaped refractive index waveguide and a stripe width shift type that realizes an effective phase shift.
  • the active layer having a periodic structure in the gain diffraction grating and the absorption layer having a periodic structure in the absorptive diffraction grating may be a quantum crystal having an arbitrary number of wells or a bulk crystal having no quantum effect. also good c, facet reflectivity of the laser device, thus can be controlled to coat thin films using a variety of materials.
  • one end face can be coated with an anti-reflection coating, and the other end face can be coated with a reflection coating to achieve high output and high efficiency.
  • Various configurations can be adopted, such as a window structure.
  • the shape and manufacturing method of the striped waveguide structure for controlling the current confinement and the lateral electric field.
  • the broad stripe type stripe structure is used in each of the above embodiments and modifications, various modifications such as a ridge waveguide type and a buried hetero type (Buried Heterostructure BH) can be applied.
  • the gain grating and the absorption grating obtained in each of the above embodiments and modifications are excellent not only as GC-DFB-LDs but also as wavelength filters for selectively transmitting or amplifying only specific wavelengths. It shows the properties. It is also possible to apply the above-described configuration of the diffraction grating section to a light control element utilizing this fact.
  • the diffraction grating of the present invention may be incorporated as a part of an optical integrated circuit in which various optical devices are integrated.
  • the direction described as “up” is a direction away from the substrate, and the direction described as “down” is a direction approaching the substrate. Crystal growth proceeds from “below” to “above”. Further, the conductivity type of the substrate and the conductivity type of the upper cladding layer ⁇ the lower cladding layer can be replaced with a type opposite to that shown in each of the above embodiments and modifications.
  • the GC-DFB-LD of the first invention has a periodic structure of the first layer having a refractive index substantially equal to that of the first layer and a forbidden band wider than that of the first layer. Since it is buried flat with a second layer having a width, it can be used as an intrinsic GC-DFB-LD. Can work.
  • the intrinsic GC-DFB-LD can be formed easily and with good reproducibility without depending on the precision of the processing process at all by simply embedding the periodic structure of the first layer flat with the second layer. .
  • the refractive index coupling coefficient ⁇ of the laminated structure including the first and second layers is set to 5 cm- 1 or less, the influence of the refractive index coupling component Is sufficiently small that the refractive indices of both layers can be considered to be substantially equal.
  • the GC-DFB-LD of the second embodiment is provided with a second layer having a wider forbidden band than the first layer, in close contact with the first layer that generates stimulated emission light.
  • the carrier can be efficiently contained in the first layer.
  • the second layer containing nitrogen is provided in close contact with the first layer having a periodic structure, the periodic structure is also formed in the second layer.
  • the refractive index of a nitrogen mixed crystal of a III-V compound semiconductor can be controlled by changing the nitrogen mixed crystal ratio. Therefore, by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio of the second layer, it is possible to control the intensity of the periodic change of the equivalent refractive index in the laminated structure including the first and second layers. .
  • the present invention in the gain-diffraction grating type GC-DFB-LD, without considering the shapes of the first and second layers, in other words, the accuracy of the processing process
  • the intensity of the periodic change of the refractive index can be controlled easily and with good reproducibility without depending on. Therefore, stable single longitudinal mode oscillation characteristics can be obtained even when the ambient temperature changes, and the manufacturing yield can be dramatically improved.
  • a second layer containing nitrogen is provided in close contact with the first layer having a periodic structure for absorbing stimulated emission light from the third layer. Therefore, a periodic structure is also formed in the second layer.
  • the refractive index of a nitrogen mixed crystal of a III-V compound semiconductor can be controlled by changing the nitrogen mixed crystal ratio. Therefore, by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio of the second layer, it is possible to control the intensity of the periodic change of the equivalent refractive index in the laminated structure including the first and second layers.
  • the processing in the absorptive diffraction grating type GC-DFB-LD, without considering the shapes of the first and second layers, in other words, the processing
  • the intensity of the periodic change in the refractive index can be easily and reproducibly controlled without depending on the accuracy of the process. Therefore, stable single longitudinal mode oscillation characteristics can be obtained even when the ambient temperature changes, and the manufacturing yield can be dramatically improved.
  • the surface of the multilayer structure composed of the first layer and the second layer is made flat, it is set by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio. It is possible to prevent the intensity of the periodic change of the refractive index from being changed by the surface shape of the multilayer structure.
  • the second layer contains at least one of In and Sb at a predetermined mixed crystal ratio, it is suitable for the second layer.
  • the change in the lattice constant caused by adjusting the refractive index by mixing crystals of an appropriate amount of nitrogen can be counteracted by the mixed crystals of In or Sb. Therefore, it is possible to obtain Shinju GC-DFB-LD having more excellent characteristics.
  • the GC-DFB-LD of the sixth embodiment is obtained by growing the first layer on a (100) plane or a plane crystallographically equivalent to a (100) plane.
  • the periodic structure is formed in the [010] direction or the [00-1] direction or in the crystallographically equivalent direction to the [010] or [0 0-1] direction.
  • the second layer in which nitrogen is mixed and crystallized, is grown on the periodic structure in the first layer
  • the mixed crystal of nitrogen in the growth layer is uniformly formed without being affected by the unevenness of the underlayer. Become. Therefore, the refractive index coupling coefficient can be controlled more precisely, and an intrinsic GC-DFB-LD having more excellent characteristics can be obtained.
  • the method for manufacturing a GC-DFB-LD according to the second aspect of the present invention is a method for manufacturing a GC-DFB-LD, in which the periodic structure of the first layer made of a group III-V compound semiconductor that functions as a light emitting layer or an absorbing layer has a wider band gap. Since the second layer made of a ⁇ -V compound semiconductor containing nitrogen is buried flat, a periodic structure can be formed in the second layer, and the first and second layers can be formed by adjusting the nitrogen mixed crystal ratio. It is possible to control the intensity of the periodic change of the equivalent refractive index in the laminated structure including the two layers. Therefore, the intensity of the periodic change in the refractive index can be easily and reproducibly controlled without depending on the accuracy of the processing process. That is, according to the present invention, it is possible to form a GC-DFB-LD capable of obtaining stable single longitudinal mode oscillation characteristics even with a change in ambient temperature. In addition, the production yield of GC-DFB-LD can be significantly improved.
  • the second layer is formed by growing a crystal at a growth rate of 1 / im / hour or less.
  • the periodic distribution of the nitrogen mixed crystal ratio caused by the periodic structure can be eliminated. Therefore, the refractive index distribution in the second layer can be made more uniform. Further, flattening of the second layer can be promoted, and the periodic structure of the first layer can be embedded more evenly.
  • the refractive index of the second layer is made substantially equal to the refractive index of the first layer, so that it does not depend on the precision of the processing process.
  • An intrinsic GC-DFB-LD can be easily and reproducibly formed.
  • the method of manufacturing a GC-DFB-LD according to the third embodiment is configured such that the refractive index coupling coefficient / ⁇ of the laminated structure including the first layer and the second layer is set to 5 cm- 1 or less. Therefore, it can be considered that the refractive indexes of the two layers are substantially equal. Therefore, the intrinsic GC-DFB-LD can be easily and reproducibly formed without depending on the precision of the processing process.
  • the setting of the refractive index in the second layer is performed by adjusting the mixed crystal ratio of nitrogen.
  • the refractive index of the second layer can be controlled easily and with good reproducibility only by adjusting the mixed crystal ratio of nitrogen in the layer, and can be set substantially equal to the refractive index of the first layer.
  • the method of manufacturing a GC-DFB-LD according to the fifth embodiment includes forming the first layer on a (100) plane or a plane crystallographically equivalent to the (100) plane. Crystal growth on the substrate and forming the periodic structure in the [010] direction or the [00-1] direction or a crystallographically equivalent direction to the above [010] and [00-1] directions. Therefore, when growing the second layer in which nitrogen is mixed and crystallized on the periodic structure in the first layer, the nitrogen mixed in the growth layer is not affected by the irregularities of the underlayer. The crystallization becomes uniform. Therefore, it is necessary to control the refractive index crystal coefficient more precisely. Therefore, the intensity of the periodic change of the refractive index can be controlled easily and with good reproducibility and controllability.

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Description

明 細 書 利得結合分布帰還型半導体レーザ装置およびその製造方法 技術分野
この発明は、 利得結合による分布帰還を用いた利得結合分布帰還型半導体レー ザ装置（以下、 単に G C - D F B - L D (Gain - Coupled Di stributed - FeedBack Laser Diode)と言う）、 および、 その製造方法に関する。 背景技術
G C - D F B - L Dは、 単一縦モード性が良好なこと、 戻り光誘起雑音に強い こと等の様々な優れた特徴を有している。
利得結合を実現するには、 主に二つの方法が提案され、 その特性が報告されて いる。 第一の方法は、 特開昭 6 0 - 1 0 2 7 8 8号公報（従来例 1 )を始めとする 複数の報告に開示されているように、 半導体レーザの活性層そのものを周期的に 配置すること、 または、 活性層そのものに周期構造を施す (利得性回折格子）こと によって、 上記活性層における光利得を周期的に変化させるものである。 また、 第二の方法は、 特公平 6 - 7 6 2 4号公報 (従来例 2 )を始めとする複数の報告に 開示されているように、 半導体レーザにおける活性層の近傍に周期的に光吸収層 を配置する（吸収性回折格子）ことによって、 モード利得を周期的に変化させるも のである。
上記従来例 1および従来例 2に開示された半導体レーザ構造は、 利得を周期的 に変化させるための基本的な構成ではあるものの、 利得と共に屈折率も周期的に 変化する構成になっている。 すなわち、 上記従来例においては、 利得結合と屈折 率結合とが混在することになる。 そのために、 利得結合の本来の優れた性能を活 かし切ることができない構造であると言える。
さらに、 特開平 5 1 3 6 5 2 7号公報 (従来例 3 )を始めとする複数の報告に は、 従来例 1に代表される利得性回折格子において屈折率の周期変化を相殺する 構成が開示されている。 上記従来例 3で開示されている G C - D F B - L Dの主 要部の構成は、 図 1 9に縦断面を示す通りである。
尚、 図 1 9において、 各層の材料および層厚等は、 次の通りである。
下部クラッド層 1 ： n型 I nP， 0. 4 5 im
半導体層 2 ： n型 I nGaAsP, 0. 2
バッファ層 3 ： η型 Ι ηΡ, 1 Onm
活性層 4 ： i (真性） - I nGaAsP, 0. 1 urn
ガイド層 5 ： p型 I nP， 1. 2 urn
上部クラッド層 6 ： p型 I nP， 1. 2 Mm
この構成は、 第一回目の結晶成長によって I n P基板の上に下部クラッド層 1 と半導体層 2とを積層した後、 二光束干渉露光法とエッチング技術とを用いて半 導体層 2の表面に回折格子状の凹凸形状 7を形成し、 第二回目の結晶成長によつ て半導体層 2上にバッファ層 3から上部クラッド層 6までの各層を積層すること によって得られる。
ここで、 上記活性層 4は、 その下地である半導体層 2の凹凸形状 7の影響を受 けて周期構造を有しており、 それによつて利得が変調されて利得結合が生じる。 一方、 屈折率の分布に対しては、 材料の選択によってガイド層 5,半導体層 2お よび活性層 4の順に大きくなるようになつている。 その結果、 図 1 9における A - A'領域においては、 屈折率の大きな活性層 4の体積が大きくなつているが、 屈折率の小さなガイド層 5の体積も大きくなつている。 したがって、 活性層 4の 大きな屈折率がキャンセルされる。 一方、 B - B'領域においては、 屈折率の大 きな活性層 4の体積が小さく、 その分屈折率の小さなガイド層 5の体積も小さく なっている。 こうして、 半導体層 2の凹凸形状 7と、 それを埋める活性層 4およ びガイド層 5の埋め込み後の形状と、 各層の屈折率とを制御することによって、 領域 A - A' , B - B'に限らず任意の領域において等価屈折率が一定となるよう にバランスさせることが可能になる。 こうして、 屈折率結合を実質的に有しない ような GC - DFB - LDを得ることができるのである。
さらには、 特公平 8 - 8 3 94号公報 (従来例 4)および特開平 5 - 2 9 70 5 号公報 (従来例 5 )を始めとする複数の報告には、 従来例 2に代表される吸収性回 折格子において、 吸収層における屈折率の周期変化を相殺する構成が開示されて レヽる。
上記従来例 3〜従来例 5においては、 上記活性層あるいは吸収層に凹凸形状を 設けることによって生じる屈折率の摂動を、 位相が逆の屈折率摂動を近傍に設け ることによって打ち消すようにしている。 このように、 屈折率結合成分を実質的 に含まないような G C - D F B - L Dを、 真性 G C - D F B - L Dという。 しかしながら、 上記従来例 3〜従来例 5においては以下のような問題がある。 すなわち、 上記従来例 3〜従来例 5においては、 凹凸形状を有する上記活性層あ るいは吸収層に対して逆位相の屈折率分布をバランス良く設けることによって、 屈折率の分布をキャンセルするようにしている。 これは、 その原理上、 利得性回 折格子や吸収性回折格子の凹凸形状と埋め込み層の埋め込み形状との制御に対し て、 極めて高い加工精度が要求される。 すなわち、 上記回折格子および埋め込み の形状が少し変化しただけでも等価屈折率の摂動が大きく変化してしまい、 屈折 率分布を相殺するためのバランスが崩れてしまうのである。
また、 通常、 ウェハ内に複数の素子を一括して製造するのであるが、 その場合 においては、 ウェハ内における上記回折格子の形状ばらつきや、 製造ロット毎の 形状ばらつきの影響を避けることが難しく、 真性 G C - D F B - L Dを得るため には徹底したプロセス管理が不可欠となる。 発明の開示
そこで、 この発明の目的は、 加工プロセスの精度に依存せずに容易に且つ再現 性良く屈折率分布の有無や強さを制御することができる G C - D F B - L D、 お よび、 その製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、 第 1の発明の G C - D F B - L Dは、 所定の屈折率 および所定の禁制帯幅を有すると共に，周期構造を有する第 1の層と、 上記第 1 の層の周期構造を平坦に埋め込むと共に，上記第 1の層の屈折率に略等しい屈折 率を有し，且つ，上記第 1の層の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有する第 2の層を 備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、 第 2の層よりも狭い禁制帯幅を有する第 1の層には周期構 造が形成されているため、 上記第 1の層を発光層あるいは吸収層として機能させ P T 1/
4 た場合に利得結合を呈する。 一方、 上記第 1の層とこの第 1の層の周期構造を平 坦に埋め込む第 2の層との屈折率は略等しいために屈折率結合成分は有しなレ、。 すなわち、 この発明の GC - DFB - LDは、 真性 GC - DFB - LDとして機 能し、 然も上記第 1の層の周期構造を上記第 2の層で平坦に埋め込むだけである から加工プロセスの精度に全く依存することなく形成される。
また、 第 1の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 1の層と第 2の層とを含 む積層構造体の屈折率結合係数 が 5 cm— 1以下であることを特徴としている。 上記構成によれば、 上記第 1の層とこの第 1の層の周期構造を平坦に埋め込む 第 2の層とを含む積層構造体の屈折率結合係数 κ iは 5 cm— 1以下であるため屈折率 結合成分の影響は十分に小さく、 両層の屈折率は略等しいと見なされる。
また、 第 2の実施例の GC - DF B - LDは、 上記第 1の層を，誘導放出光を 発生するように成し、 上記第 2の層を，上記第 1の層に密着して設けられると共 に，窒素を含むように成したことを特徴としている。
上記構成によれば、 周期構造を有して誘導放出光を発生する第 1の層の周囲に は、 上記第 1の層よりも禁制帯幅が広くて上記第 1の層からの誘導放出光に対し て透明な第 2の層が密着して設けられている。 こうして、 上記第 1の層へのキヤ リアの封じ込めが効率的に行われる。 さらに、 上記第 1の層に密着して上記第 2 の層の周期構造が形成されるため、 上記第 2の層の窒素混晶比が調整されること によって、 上記第 1，第 2の層を含む積層構造体における等価屈折率の周期変化 の強さが制御可能になる。 したがって、 利得性回折格子型 GC - DFB - LDに おいて、 上記第 1，第 2の層の形状等を考慮することなく、 換言すれば、 加工プ 口セスの精度に依存することなく、 容易に且つ再現性良く屈折率の周期変化の強 さが制御可能になる。
また、 第 3の実施例の GC - DFB - LDは、 誘導放出光を発生する第 3の層 を備えると共に、 上記第 1の層は，上記第 3の層の片面側近傍に位置すると共に， 上記第 3の層から発生された誘導放出光を吸収し、 上記第 2の層は，上記第 1の 層に密着して設けられると共に，窒素を含んでいることを特徴としている。
上記構成によれば、 周期構造を有して誘導放出光を吸収する第 1の層の周囲に は、 上記第 1の層よりも禁制帯幅が広くて第 3の層からの誘導放出光に対して透 明な第 2の層が密着して設けられている。 こうして、 上記第 2の層の周期構造が 形成されるため、 上記第 2の層の窒素混晶比が調整されることによって、 上記第 1,第 2の層を含む積層構造体における等価屈折率の周期変化の強さが制御可能 になる。 したがって、 吸収性回折格子型 GC - DFB - LDにおいて、 上記第 1, 第 2の層の形状等を考慮することなく、 換言すれば、 加工プロセスの精度に依存 することなく、 容易に且つ再現性良く屈折率の周期変化の強さが制御可能になる。 また、 第 4の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 1の層と第 2の層とで成 る複層構造体の表面を平坦に成すことを特徴としている。
上記構成によれば、 上記第 1の層の周期構造が上記第 2層によって埋め込まれ て、 上記第 1の層と第 2の層とで成る複層構造体の表面は平面になっている。 し たがって、 上記窒素混晶比の調整によって設定された屈折率の周期変化の強さが 上記複層構造体の表面形状によって変わることが無レ、。
また、 第 5の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 2の層には、 I nおよび Sbの少なくとも一方が所定の混晶比で含まれていることを特徴としている。
上記構成によれば、 上記第 2の層に、 I nおよび Sbの少なくとも一方が所定の 混晶比で含まれている。 したがって、 上記第 2の層に適切な量の窒素を混晶化し て屈折率を調節する際に伴う格子定数の変化が、 上記 I nあるいは Sbの混晶化に よって打ち消される。 こうして、 より優れた特性を有する真性 GC - DFB - L Dが得られる。
また、 第 6の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 1の層を，面方位が（ 1 0
0 )の面上あるいは（ 1 00 )面と結晶学的に等価な面上に結晶成長させて形成し、 上記周期構造を， [0 1 0]方向または [00— 1]方向または上記 [0 1 0], [00 一 1 ]方向と結晶学的に等価な方向に形成したことを特徴としている。
上記構成によれば、 上記第 1の層における周期構造の上に窒素が混晶化された 上記第 2の層を結晶成長する場合に、 下地の凹凸の影響を受けることなく成長層 中の窒素混晶化が均一となり、 屈折率結合係数の制御がより精密に行われる。 こ うして、 より優れた特性を有する真性 GC - DFB - LDが得られる。
また、 第 2の発明の GC - DFB - LDの製造方法は、 III - V族化合物半導 体によって，周期構造を有する第 1の層を形成する工程と、 上記第 1の層よりも 広い禁制帯幅を有し且つ窒素を含む III - V族化合物半導体によって，上記第 1の 層の周期構造を平坦に埋め込むように第 2の層を形成する工程を備えたことを特 徴としている。
上記構成によれば、 周期構造を有する第 1の層が III - V族化合物半導体で形 成されているため、 p / n逆導電型のクラッド層で挟めば発光層として機能する 一方、 p型あるいは n型の何れかのクラッド層内に埋め込めば吸収層として機能 する。 そして、 この周期構造を有する発光層あるいは吸収層に密着して、 より禁 制帯幅が広く、 且つ、 窒素を含む III - V族化合物半導体から成る第 2の層が形 成されている。 したがって、 上記第 2の層に周期構造が形成され、 上記第 2の層 の窒素混晶比が調整されることによって、 上記第 1 ,第 2の層を含む積層構造体 における等価屈折率の周期変化の強さが制御可能になる。 こうして、 加工プロセ スの精度に依存せずに、 容易に且つ再現性良く屈折率の周期変化の強さが制御可 能になる。
また、 第 1の実施例の G C - D F B - L Dの製造方法は、 上記第 2の層の形成 を、 1 μ πι/時間以下の成長レートで結晶成長させることによって行うことを特徴 としている。
上記構成によれば、 上記第 1の層の周期構造を平坦に埋め込む第 2の層は、 1 /x m/時間以下の成長レートで結晶成長される。 こうすることによって、 上記第 2 の層中において上記窒素を含む原料種の表面拡散が十分に行われ、 上記周期構造 に起因する窒素混晶比の周期分布がなくなる。 したがって、 上記第 2の層内での 屈折率分布がより均一になる。 さらには、 上記第 2の層の表面の平坦化が促進さ れ、 上記第 1の層の周期構造がより平坦に埋め込まれる。
また、 第 2の実施例の G C - D F B - L Dの製造方法は、 上記第 2の層の屈折 率を、 上記第 1の層の屈折率に略等しくすることを特徴としている。
上記構成によれば、 上記発光層あるいは吸収層として機能する第 1の層に周期 構造が形成されて利得結合を有する一方、 上記第 1の層とこの層に密着する第 2 の層との屈折率は略等しいために屈折率結合成分は有しない。 すなわち、 加工プ 口セスの精度に依存せずに、 容易に且つ再現性良く真性 G C - D F B - L Dが形 成されるのである。 また、 第 3の実施例の GC - DFB - LDの製造方法は、 上記第 1の層と第 2 の層とを含む積層構造体の屈折率結合係数 を 5 cm— 1以下にすることを特徴とし ている。
上記構成によれば、 上記発光層あるいは吸収層として機能する第 1の層に周期 構造が形成されて利得結合を有する一方、 上記第 1，第 2の層を含む積層構造体 の屈折率結合係数 /c ,は 5 cm—1以下であるため上記両層の屈折率は略等しいと見な され、 屈折率結合成分の影響は十分に小さくなる。 すなわち、 加工プロセスの精 度に依存せずに、 容易に且つ再現性良く真性 GC - DFB - LDが形成されるの である。
また、 第 4の実施例の GC - DFB - LDの製造方法は、 上記第 2の層におけ る屈折率の設定を、 上記窒素の混晶比を調整することによって行うことを特徴と している。
上記構成によれば、 上記第 2の層の窒素の混晶比を調整するだけで、 上記第 2 の層の屈折率が容易に且つ再現性良く制御されて、 上記第 1の層の屈折率に略等 しく設定可能になる。
また、 第 5の実施例の GC - DFB - LDの製造方法は、 上記第 1の層の形成 を、 面方位が（100)の面上あるいは（100)面と結晶学的に等価な面の上に結 晶成長させると共に、 [010]方向あるいは [00— 1]方向あるいは上記 [01 0], [00— 1]方向と結晶学的に等価な方向に上記周期構造を形成することによ つて行うことを特徴としている。
上記構成によれば、 上記第 1の層における周期構造の上に窒素が混晶化された 上記第 2の層を結晶成長する場合に、 下地の凹凸の影響を受けることなく成長層 中の窒素混晶化が均一となり、 屈折率結合係数の制御がより精密に行われる。 す なわち、 容易に且つ再現性'制御性良く屈折率の周期変化の強さが制御可能にな る。 図面の簡単な説明
図 1は、 この発明の GC - DFB - LDにおける縦断面図である。
図 2A， 2 B, 2Cは、 図 1に示す GC - DFB - L Dの形成プロセス中におけ る積層構造体の斜視図である。
図 3は、 図 1に示す GC - DFB - LDにおける発振波長の温度依存性を示す 図である。
図 4は、 比較例 1の GC - DFB - LDにおける発振波長の温度依存性を示す 図である。
図 5A, 5Bは、 GaAsに I nあるいは Nを混晶化した場合の屈折率と禁制帯幅 との変化を示す図である。
図 6A， 6Bは、 図 1あるいは比較例 1の GC - DFB - LDにおける共振器 方向へのバンドダイアグラムと等価屈折率との分布を示す図である。
図 7は、 図 1に示す GC - DFB - LDにおける窒素混晶比と共振器内での Δ neqとの相関を示す図である。
図 8 A， 8 B， 8 Cは、 変形例 1〜変形例 3の GC - DFB - LDにおける活性 層付近の要部縦断面図である。
図 9A, 9B, 9Cは、 変形例 4の GC - D F B - L Dにおける活性層付近の要 部縦断面図である。
図 10は、 図 1とは異なる GC - D F B - LDにおける縦断面図である。 図 Ι ΙΑ, Ι Ι Β, 1 1 Cは、 図 10に示す GC - D F Β - LDの开$成プロセス 中における積層構造体の斜視図である。
図 1 2は、 図 1および図 10とは異なる GC - DFB - LDにおける回折格子 付近の要部縦断面図である。
図 13は、 図 1，図 10,図 1 2とは異なる GC - DFB - LDにおける回折格 子付近の要部縦断面図である。
図 14は、 図 1，図 10，図 12，図 1 3とは異なる GC - DFB - LDにおけ る回折格子付近の要部縦断面図である。
図 15は、 図 1,図 10，図 1 2〜図 14とは異なる GC - DFB - LDにおけ る回折格子付近の要部縦断面図である。
図 16は、 図 1,図 10,図 1 2〜図 1 5とは異なる GC - DFB - LDにおけ る回折格子付近の要部縦断面図である。
図 17は、 図 1,図 10,図 1 2〜図 16とは異なる GC - DFB - LDにおけ る回析格子付近の要部縦断面図である。
図 1 8は、 図 1 7に示す GC - DF B - L Dの形成プロセス中における、 回析 格子を印刻した後の積層構造体の斜視図である。
図 1 9は、 従来の GC - DF B - LDにおける要部縦断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第 1実施の形態）
本実施の形態は、 利得性回折格子型 G C - DFB - LDに関するものであり、 周期的に形成された井戸層 (発光層）に隣接して、 窒素が少量混晶化された透明な 層を形成することによって、 真性 GC - DFB - LDを得る点に特徴がある。 図 1は、 本実施の形態の利得性回折格子型 GC - DFB - LDにおける断面構 造を模式的に示す。 各部の構成,材料,層厚は次の通りである。
'基板 1 1 ：
n型 GaAs， 100 μ m
•下部クラッド層 12 ：
n型 Al03Ga07As， 1.0 ra
•下部障壁層 1 3 ：
i - GaAs。9g52N。。。48， 70nm (最厚部）
•井戸層 14 ：
1 - I n0.2Ga0.8As, 10 nm
•中間障壁層 1 5 ：
1 - ^aAsag952N 0048, ^ Onm
上部障壁層 16 ：
Figure imgf000011_0001
2 Onm
埋め込み層 18 ：
j dA 09952 N 00048， 5 Onm (最薄部）
上部クラッド層 19 ：
p型 Al。 3Ga。 7As， 0 μ m ' コンタク ト層 2 0 ：
p + - GaAs, 0. 5 μ η
- ρ電極金属 2 1 ：
AuZn
■ n電極金属 2 2 ：
AuGe/Ni
上記構成を有する G C - D F B - LD 1 0は、 以下のようにして形成される。 図 2は、 図 1に示す G C - D F B - LD 1 0形成プロセス中における積層構造体 の斜視図である。 以下、 図 2に従って、 図 1に示す G C - D F B - LD 1 0の製 造方法について説明する。
先ず、 図 2 Aに示すように、 n型 GaAs基板 1 1上に、 有機金属気相成長法を 用いた第一回目の結晶成長によって、 下部クラッド層 1 2から上部障壁層 1 6ま での各層を順次積層する。 その場合、 n型 GaAs基板 1 1は（ 1 0 0)面を使用す る。 また、 有機金属気相成長法においては、 Al, Ga， I n， As， Nの各原料として、 トリメチルアルミニウム， トリメチルガリゥム， トリメチルインジウム，アルシン， ジメチルヒドラジンを用いた。 こうして第一回目の結晶成長を終えた積層構造体 を結晶成長室から取り出し、 その表面に二光束干渉露光法によって、 周期 0. 2 8 μιη,デューティ比 0. 5の格子状ホトレジストマスク（図示せず）を形成する： 次に、 塩酸と過酸化水素水とを 1 ： 5 0で混合し、 純水で 5倍に希釈した ッ チング液によって、 上記ホトレジストマスクが形成されていない領域を表面から
7 5 nmだけェツチングする。 その場合、 上部障壁層 1 6の膜厚は 2 0 nmであり、 各井戸層 1 4 a, 1 4 bの膜厚は 1 0 nmであり、 中間障壁層 1 5の膜厚は 2 0 nraで あるから、 上部障壁層 1 6から下層の井戸層 1 4 aまでの合計の膜厚は 6 Onmで ある。 したがって、 上記ホトレジストマスクを除去すると、 図 2 Bに示すように、 二層の井戸層 1 4a， 1 4bが n型 GaAs基板 1 1の延在方向に周期的に分断され た回折格子 1 7が得られる。
次に、 図 2 Bに示す積層構造体を再び結晶成長室へ入れ、 上記回折格子 1 7上 に、 第二回目の結晶成長によって、 図 2 Cに示すように、 埋め込み層 1 8からコ ンタクト層 2 0までの各層を成長させる。 その際に、 埋め込み層 1 8は、 埋め込 み層 18内の窒素分布が一様で且つ埋め込み層 1 8と上部クラッド層 1 9との界 面が平坦になるように、 結晶成長条件を選んで結晶成長を行う必要がある。 こう して第二回目の結晶成長を終えた積層構造体を結晶成長室から取り出し、 その表 面に、 図 2Cに示すように、 窒化ケィ素による電流狭窄層 23を形成し、 通常の ホトリソグラフィとウエットエッチングとによって、 幅 W(= 5 ni)のス トライ プ状の開口 24を回折格子 1 7の延在方向と直交する方向に形成する。 最後に、 図 2 Cに示すように、 積層構造体の上面に p電極 2 1を形成する一方、 下面に n 電極 22を形成する。 そして、 レーザ光出射端面を劈開して、 利得性回折格子型 GC - DFB - LD 10が得られる。
上述のようにして得られた利得性回折格子型 G C - DFB - LD 1 0の p電極
21と n電極 22を通して電流を流したところ、 閾値電流密度 0. 5 八ん^に おいて、 波長 98 Onmの単一波長で発振した。 この GC - DFB - LD 10にお ける発振波長の温度依存性を図 3に示す。 図 3において、 素子温度 20°Cから + 80°Cまで、 副モード抑圧比 2 OdB以上，同じ縦モード（m(0))において、 完 全単一波長で発振していることが分かる。 また、 発振スペク トルにはス トップバ ンドが見られず、 このことから屈折率結合の成分は零であることが分った。
また、 一つのウェハから得られた複数の利得性回折格子型 GC - DFB - LD 10の発振スぺク トルを調べたところ、 レーザ光出射端面に無反射コーティング を施していないにも拘わらず 98%の確率で単一波長発振が生じていることが分 り、 単一波長レーザの製造に対する歩留りが非常に高いことが判明した。 これら の特徴は、 屈折率結合成分を含まない真性 GC - DFB - LDに特有の特性であ る。
(比較例 1 )
上記第 1実施の形態における利得性回折格子型 G C - DFB - LD 10の構造 において、 下部障壁層 13 '中間障壁層 1 5，上部障壁層 16および埋め込み層 1 8のみ材料を i - GaAsNから i - GaAsに置換しただけで、 他の層における材 料は全く同じである GC - DFB - LDを作製した c
本比較例 1における GC - DFB - LDも、 閾値電流密度 0. 5 k Aん m2にお いて、 波長 98 Onmの単一波長で発振した。 この G C - D F B - L Dにおける発 振波長の温度依存性の典型例を図 4に示す。 図 4において、 素子温度 + 10°Cか ら + 50°Cまでは単一縦モード（m(0))で発振している。 ところが、 素子温度を + 10°Cよりも低温あるいは + 50°Cよりも高温にした場合には、 隣接する別の 縦モード（m(+ l),m (- 1))での発振に移行するモ一ドホップや、 フアブリべ ローモード（ί - ρ)での発振も見られ、 発振波長に不安定性が生じた。 また、 発 振スぺク トルにはストップバンドが存在しており、 利得結合と屈折率結合とが混 在して発振波長の不安定さの原因となっていることが分った。
また、 一つのウェハから得られた複数の比較用 GC - DFB - LDの発振スぺ クトルを調べたところ、 レーザ光出射端面に無反射コ一ティングを施していない 状態で、 室温で 65%の確率で単一波長発振が生じていることが分り、 井戸層に 隣接して窒素が少量混晶化された透明な層を形成した第 1実施の形態の場合に比 して単一波長レーザの製造に対する歩留りが低いことが判明した。
以下、 第 1実施の形態と比較例 1とに従って、 第 1実施の形態における作用お よび効果について詳細に説明する。
本第 1実施の形態においては、 上記回折格子 1 7の如く周期的に分断化された
InGaAs井戸層 14に隣接する禁制帯幅の広い障壁層を、 窒素を僅かに（第 1実 施の形態においては 0.48%)混晶化して構成することに特徴がある。 つまり、 障壁層に窒素を僅かに混晶化することによって、 禁制帯幅を大きく変化させるこ となく屈折率を所定の値に調節するのである。 このことについて、 図 5および図 6を参照しながら説明する。
図 5 Aは、 GaAsに I nを混晶化した場合の屈折率と禁制帯幅との変化の様子 を示す。 また、 図 5 Bは、 GaAsに Nを混晶化した場合の屈折率と禁制帯幅との 変化の様子を示す。 図 5 Aおよび図 5 Bから、 第 1実施の形態において井戸層 1 4に用いた I n。2Ga。8As (図 5 Aにおける a点）と、 井戸層 14に隣接する障壁 層 13， 1 5， 16及び埋め込み層 18に用いた GaAs。 9952N。。。48(図 5 Bにおけ る b点）とは、 同じ屈折率を有することが分る。 これに対して、 上記禁制帯幅に 関しては、 障壁層 1 3， 1 5, 1 6及び埋め込み層 18に用いた GaAsQ 9952N。0M8 は、 図 5 Bより約 1. 35 eVの禁制帯幅を有していることが分り、 井戸層 14か らの発光波長である 98 Onmに対しては透明である。 つまり、 第 1実施の形態に おける活性領域は、 共振器方向（図 1における X— X'の方向）へのバンドダイァ グラムと等価屈折率 n eqとの分布を示す図 6 Aから分るように、 禁制帯幅には周 期構造があるにも拘わらず等価屈折率 n eqには周期構造がないのである。
つまり、 上記禁制帯幅の狭い井戸層 1 4が、 禁制帯幅が広くて透明な障壁層 1 3 , 1 5 , 1 6および埋め込み層 1 8で囲まれているために、 利得領域が周期的に 形成された利得性回折格子であるにも拘わらず、 井戸層 1 4 ,障壁層 1 3， 1 5 , 1 6および埋め込み層 1 8が全て同じ屈折率を有しており、 等価屈折率の摂動は 一切生じていないのである。
したがって、 上記第 1実施の形態においては、 活性層の屈折率の摂動を位相が 逆の屈折率摂動を近傍に設けて打ち消す従来の構造の場合のように、 回折格子 1 7の形状や埋め込み層 1 8との屈折率のバランス等を考慮する必要がなく、 回折 格子 1 7を平坦にさえ埋め込んでしまえば本質的に屈折率結合は生じず、 容易に 真性 G C - D E B - L Dを得ることができるのである。
これに対して、 比較例 1においては、 禁制帯幅の狭い井戸層 1 4 'の周囲の層 1 8 'に窒素が混晶化されていないため、 図 6 Bに示すように、 活性領域のバン ド構造の周期変化に同期して等価屈折率 n eqも周期変化するのである。
通常、 II I - V族化合物半導体においては、 禁制帯幅が狭くなると屈折率が高 くなる関係がある。 また、 その場合の変化率は略材料系に依存することなく同程 度である。 例えば、 I nGaAs系混晶においては、 I nの混晶比を変化させた場合 の禁制帯幅の変化による屈折率の変化率は約 0 . 4 [per eV ]である。 A l GaAs 系混晶の場合も、 A1の混晶比を変化させた場合の屈折率の変化率は約 0 . 4 [per eV]である。
したがって、 比較例 1の場合のように、 これらの材料系およびそれらのヘテロ 接合で利得性回折格子を作製すると、 禁制帯幅の最も狭い活性層（井戸層）部分の 屈折率が最も高くなり、 その周囲の禁制帯幅が比較的広い障壁層部分では屈折率 が低くなり、 屈折率の摂動が避けられないのである。
ところが、 上記第 1実施の形態においては、 障壁層 1 3 , 1 5， 1 6および埋め 込み層 1 8には僅かに窒素を混晶化している。 この GaAsN混晶系においては、 窒素混晶比を変化させた場合の屈折率の変化率は約 1 . 4 [per eV]であり、 他の 材料系と比較して屈折率の変化率が数倍も大きい。 つまり、 GaAs N混晶系は、 GaAsに Nを僅かに混晶化することによって、 図 5 Bに示すように、 禁制帯幅が 僅かに小さくなるもののそれ以上に屈折率の増加の影響が大きく、 禁制帯幅を比 較的広く保ちながらも非常に高い屈折率の材料を得ることができる特殊な混晶系 であるといえる。 第 1実施の形態は、 このような窒素を少量だけ混晶化した材料 における特殊な屈折率の変化率を積極的に利用したものであり、 禁制帯幅が狭く て屈折率が高い I nGaAs井戸層を禁制帯幅が広い GaAsN系材料で囲い、 且つ、 GaAsN系材料の窒素混晶比を調節することによって屈折率の分布が生じない回 折格子の構成を得るものである。
ところで、 図 1に示すような利得性回折格子型 G C - D F B - L D 1 0の構造 において、 窒素を混晶化した埋め込み層 1 8を回折格子 1 7上に結晶成長する場 合に、 適切でない結晶成長条件で結晶成長を行うと、 回折格子 1 7の凹凸形状に 応じて窒素混晶比に分布が生ずる場合がある。 これは、 結晶成長時における結晶 膜中への窒素の取り込み率に対する下地結晶の面方位依存性が大きいことに起因 する。 すなわち、 図 1における回折格子 1 7の凹凸形状における頂部や谷部の平 坦な部分とエッチングによって露出された斜面部とで、 結晶学的な面方位が異な る。 そして、 このように異なる面方位を有する下地の上に窒素を混晶化した層を 結晶成長すると、 上記下地の面方位に応じて窒素混晶比に周期的な分布が生ずる ことになる。
より具体的に言えば、 （ 1 0 0 )面から [ 0 1 ] ]方向へ傾斜した面へは窒素が取 り込まれ易く、 [ 0 1— 1 ]方向へ傾斜した面へは取り込まれ難い。 したがって、 複数の面が周期的に繰り返して出現する回折格子 1 7上の埋め込み層 1 8には、 窒素混晶比が周期的に分布することになる。 このように、 埋め込み層 1 8におい て窒素混晶比に分布が生ずると、 埋め込み層 1 8内部に下地である回折格子 1 7 の凹凸形状の周期に一致した屈折率分布が生ずるようになる。 その場合には、 窒 素混晶比を調節することによって屈折率の分布が生じない回折格子の構成を得る という本実施の形態の目的を達成することはできないのである。
本発明者は、 上述したような下地結晶の凹凸形状に応じた成長結晶における窒 素混晶比の分布を無くすには、 結晶成長時の成長レートを 1 μ m/時間以下の十分 に遅いレートに設定することが効果的であることを見出した。 これは、 上記成長 レートが十分に遅い場合には、 結晶成長時に供給された原料種の表面拡散が十分 に生じ、 結晶を構成する原子同士が十分にランダムに混ざり合っているためと推 測される。
尚、 上述のように、 上記成長レートを十分に遅く して原料種の表面拡散を十分 に生じさせることは、 埋め込み層 1 8の上面の平坦化を促進する点においても効 果がある。 すなわち、 上記成長レートが速すぎると原料種の表面拡散が十分に生 じていないうちに次々と結晶成長が進行してしまうため、 結晶成長後も最初の凹 凸が保持されたままとなつて平坦化が促進されないのである。 この平坦化を促進 するためにも 1 μ η /時間以下の十分に遅い成長レー卜が必須なのである。
本実施の形態は、 このように、 凹凸形状を有する下地上に一様な窒素混晶比の 分布を有し且つ十分に平坦化された表面を有する結晶を成長させる技術を開発し たことによって、 実現可能になったのである。 上述のことは、 本実施の形態にお ける GaAsN材料の場合のみならず、 以下の実施の形態で示す他の材料系におい ても同様である。 また、 他の結晶成長方法や他の種類の原料等においても同様で ある。
尚、 通常、 I nGaAs井戸層に対しては、 Ga Asが障壁層として用いられる場 合が多い。 上記第 1実施の形態においては、 GaA sに代えて禁制帯幅が少し狭く なる GaAsNを障壁層 1 3 ， 1 5 ， 1 6および埋め込み層 1 8として用いている。 したがって、 そのことによって、 井戸層に対するバンドオフセットが低下する懸 念が生ずる。 し力 しながら、 I n0 2Ga0 8As井戸層 1 4に対して GaAs。 9952N0謝 8 を障壁層 1 3 , 1 5 , 1 6および埋め込み層 1 8に用いた場合の伝導帯バンド不連 続（Δ Εε)は約 1 6 O meVであり、 価電子帯バンド不連続（Δ Εν)は約 5 O meV であるから、 井戸層 1 4へのキャリアの閉じ込めは十分に行われているものと言 える。 尚、 実際の G C - D F B - L D 1 0においても、 特性温度は 1 1 O K程度 と十分な値を示した。
また、 上記 GaAsに代えて GaAsNを障壁層 1 3 , 1 5， 1 6および埋め込み層 1 8に用いているため、 そのことによって障壁層の格子定数が GaAs基板 1 1の 格子定数からずれて格子欠陥が発生する懸念が生ずる。 しかしながら、 上記 G a As0.9952N。画の格子定数における GaAsからのずれは高々 Δ a = 0. 1 %程度と 小さく、 GaAsに代えて GaAsNを障璧層 1 3， 1 5， 1 6および埋め込み層 1 8 に用いても格子欠陥の発生を伴わないと言える。 尚、 実際の0。 - 0?8 - し0 1 0にお 、ても、 素子寿命は、 素子温度 80 °C,出力 10 mWにおいて 5000 時間以上であり、 十分なものであった。
ところで、 本実施の形態においては、 上記等価屈折率の周期変動を零とした真 性 GC - DFB - LDを例に説明している。 ここで、 「等価屈折率の周期変動が 零」と記述したが、 等価屈折率の周期変動は完全に零でなくとも、 利得結合に対 して屈折率結合の影響が十分に小さくなる程度に周期変動が小さければ実質的に 問題がないことは言うまでもない。 本発明者の検討結果によると、 屈折率の周期 変動によって生じる屈折率結合の程度を表す屈折率結合係数/ ,が 5 cm—1以下にな るような等価屈折率の周期変動であれば、 十分に屈折率結合の影響を小さくする ことができることが分った。 したがって、 上述したように、 埋め込み層 18の窒 素混晶比を調整して井戸層 14と同じ屈折率を得る場合には、 屈折率結合係数 κ iが ScrtT1以下になるような窒素混晶比に調整すれば十分であると言える。
一方、 上記 GC - DFB - LDの用途あるいは上記 GC - DFB - LDに期待 する特性によっては、 屈折率分布が全く無い真性 GC - DEB - LDではなく、 所定量の屈折率結合と利得結合との両方を必要とする場合も有り得る。 上記第 1 実施の形態は、 このような要求にも応えることができる。 図 7に、 図 1に示す利 得性回折格子型 GC - DF B - LD 10の構造において、 GaAsN混晶を用いた 部分 (下部障壁層 1 3,中間障壁層 15,上部障壁層 1 6,埋め込み層 18)におけ る窒素混晶比（図 7の横軸）と、 共振器内における等価屈折率 neqの周期変化の強 さを表わす Aneq (図 7の縦軸）との相関を示す。 ここで Aneqは、 図 1において Y - Y'で示した回折格子 1 7の凸部断面における等価屈折率 neq(Y)と、 Z - Z'で示した回折格子 1 7の凹部断面における等価屈折率 n (Z)との差（Δ neq
= neq(Y)— neq(Z))として定義した。
そして、 上記屈折率結合係数 K iの大きさは、 この Δ neqの絶対値と強い相関が ある。 窒素混晶比が「0.0048」の場合は上記第 ]実施の形態に相当し、 図 7 から分かるように共振器内の等価屈折率 n の周期変化 Δ n p„は「 0」であり、 屈 折率結合を伴わない構成となる。 これに対して、 窒素混晶比が「0」の場合は上記 比較例 1に相当し、 共振器内の等価屈折率 neqの周期変化 Δ neqが存在すること から屈折率結合を伴う構成となる。
ここで、 上記 GaAsN混晶の窒素混晶比を「0」から「0. 0048」までの間の 任意の値にすると、 屈折率結合の程度を任意の値に設定した GC - DFB - LD を得ることができる。 この場合、 等価屈折率 neqの高い部分が利得の高い部分に 一致する in - phase型の利得性回折格子を得ることができる。 また、 窒素混晶比 を「0. 0048」よりも大きな値にすると、 等価屈折率 neqの高い部分が利得の 低い部分に一致する anti - phase型の利得性回折格子を得ることができる。
上述したように、 誘導放出光を発生する層あるいは誘導放出光を吸収する層に 周期構造を施し、 その層に隣接して窒素が混晶化されている層を設け、 窒素混晶 比を種々設定することによって、 種々の特徴的な利得性回折格子を得ることがで きる。 すなわち、 GC - DFB - LDの特性を制御することが容易に可能になる のである。
尚、 上記第 1実施の形態においては、 上記障壁層 1 3, 1 5, 1 6および埋め込 み層 1 8を GaAsNで形成し、 井戸層 1 4を I nGaAsで形成した利得性回折格 子型 GC - DFB - LDの構成の一例として、 I nGaAs井戸層 1 4を周期的に 分断した後に GaAsNで周囲を囲う構成について説明した。 しかしながら、 この 発明における利得性回折格子の構成としては、 以下の変形例 1〜変形例 4に示す 構成でも可能である。
(変形例 1 )
図 8 Aは、 変形例 1の利得性回折格子型 G C - DFB - LDにおける上下クラ ッド層によって挟まれた活性層付近の要部縦断面を示す。 ここで、 各部の構成， 材料，膜厚は次の通りである。
·下部クラッド層 3 1 ：
n型 Al0.3Ga0.7As, 1. 0 i m
•下部障壁層 32 ：
i - GaAs, 7 Onm (最厚部）
•井戸層 33 ： i - I n02Ga08As， 9 nm
-上部障壁層 34 ：
i - GaAs09952N00048, 2 Onm
-埋め込み層 3 5 ：
i - GaAs09952N00048, 5 Onm (琨薄部）
•上部クラッド層 36 ：
P型 Al0.3Ga0.7As, 1. 0 μιη
上記第 1実施の形態においては、 上記 InGaAs井戸層 1 4の上下左右が全て GaAsN材料に隣接している。 これに対して、 変形例 1においては、 I nGaAs 井戸層 33の下部に隣接する下部障壁層 3 2に関しては、 GaAsN材料ではなく GaAs材料としている。 また、 回折格子 3 7を形成する際のエッチングは、 下部 障壁層 32の上面をエッチングしないようにしている。
上記構成の利得性回折格子型 GC - DFB - LDの場合においても屈折率の摂 動は皆無となる。 さらに、 InGaAs井戸層 3 3の少なくとも下端面は GaAsN よりも禁制帯幅の大きな材料 (変形例 1では GaAs)に接することになり、 I nGa As井戸層 3 3へのキヤリァの閉じ込め効率を向上させることができる。
(変形例 2)
図 8 Bは、 変形例 2の利得 1"生回折格子型 G C - DFB - L Dにおける上下クラ ッド層によって挟まれた活性層付近の要部縦断面を示す。 ここで、 各部の構成， 材料,膜厚は次の通りである。
•下部クラッド層 4 1 ：
n型 Al0.3Ga0.7As， 1. 0 /im
•下部障壁層 4 2 ：
i - GaAs, 7 Onm
·井戸層 43 ：
1 - I n02Ga08As, 1 2 nm
•側部埋め込み層 44 ：
i - GaAs09952N00048, 1 2 nm
-埋め込み層 4 5 ： i - GaAs, 5 Onm (最薄部）
-上部クラッド層 4 6 ：
p型 Al0.3Ga0.7As, 1. 0 μπ\
上記第 1実施の形態においては、 上記 I nGa As井戸層 1 4の上下左右が全て GaAsN材料に隣接している。 これに対して、 変形例 2においては、 I nGaAs 井戸層 4 3の横に隣接する側部埋め込み層 44のみを GaAsN材料としている。 上記構成の利得性回折格子型 GC - D F B - LDの場合においても屈折率の摂 動は皆無となる。 さらに、 I nGaAs井戸層 4 3の上下端面は GaAsNよりも禁 制帯幅の大きな材料 (変形例 2では GaAs)に接することになり、 I nGa As井戸 層 4 3へのキャリアの閉じ込め効率を向上させることができる。
尚、 上記 I nGaAs井戸層 4 3の側面に在る GaAsN側部埋め込み層 44は、 予め回折格子 4 7の頂上部分に窒化ケィ素マスク（図示せず）を形成しておき、 選 択成長によって I nGaAs井戸層 4 3の側面に接するように再成長させることに よって形成する。
(変形例 3)
図 8 Cは、 変形例 3の利得性回折格子型 G C - D F B - L Dにおける上下クラ ッド層によって挟まれた活性層付近の要部縦断面を示す。 ここで、 各部の構成， 材料，膜厚は次の通りである。
•下部クラッド層 5 1 ：
n型 Al03Ga07As， 1. 0 μπι
•ガイド層 5 2 ：
i - GaAs09952 N00048, 2 Onm (最薄部)
•障壁層 5 3 ：
i - GaAs09952N00048, 5 Onm (最^部）
·井戸層 54 ：
i - I n02Ga08As, 1 3nm (最厚部）
•埋め込み層 5 5 ：
i - GaAs09g52N 00048 , 5 Onm (取薄部)
-上部クラッド層 5 6 ： P型 Al。 3Ga07As, 1. 0 /im
上記第 1実施の形態においては、 平面な基板 1 1の上に I nGaAs井戸層 1 4 を含む多層膜を積層しておき、 I nGaAs井戸層 1 4を回折格子状にエッチング して分断した後に GaAsNで埋め込んでいる。 これに対して、 変形例 3において は、 下地である GaAsNガイド層 5 2に凹凸形状を施しておき、 その上に GaAs
N障壁層 5 3 I nGaAs井戸層 54および GaAsN埋め込み層 5 5を再成長して 回折格子 5 7を形成している。 したがって、 I nGaAs井戸層 54の膜厚には下 地の GaAsNガイド層 5 2の凹凸形状を反映して周期性を有する分布が生じ、 利 得の摂動が得られるのである。
上記構成の利得性回折格子型 GC - DFB - LDの場合においても、 上記 I n
GaAs井戸層 54の上下が全て GaAsN材料で囲まれている。 したがって、 屈折 率の摂動については皆無となり、 真性 GC - DFB - LDが得られる。
(変形例 4)
図 9は、 変形例 4の利得性回折格子型 GC - DFB - LDの形成プロセスを示 す上下クラッド層によって挟まれた活性層付近の要部縦断面を示す。 ここで、 各 部の構成，材料，膜厚は、 図 9 Cに示す通りである。
•下部クラッド層 6 1 ：
n型 Al。 3Ga。 7As， I. 0
-ガイド層 6 2 ：
i - GaAs。 9952N。。。48， 5 Onm (最薄部）
•下部障壁層 6 3 ：
i - GaAS。.9952N 20nm (最厚部）
•井戸層 64 ：
i - I n。2GaQ 8As, l Onm (最厚部）
·上部障壁層 6 5 ：
i - GaAs09952 N0 20nm (最厚部）
-埋め込み層 66 ：
i - GaAs09952N00048, 50 nm (最溥部）
'上部クラッド層 6 7 ： p型 Al0.3Ga0.7As， 1. 0 μ m
図 9 Cに示す構造は、 図 9 Aから図 9 Cまでの工程を経て作製される。 すなわ ち、 先ず、 図 9Aに示すように、 第一回目の結晶成長によって、 基板上にガイド 層 62までの各層を積層した後、 その表面に周期的な回折格子状の誘電体マスク 69を形成する。 そして、 ゥエツトエッチングによってガイ ド層 62に周期構造
68を印刻する。 次に、 図 9 Bに示すように、 誘電体マスク 69を残したまま、 第二回目の結晶成長によって、 下部障壁層 63，井戸層 64および上部障壁層 6 5を、 周期構造 68の凹部に選択成長する。 最後に、 誘電体マスク 69を除去し、 第三回目の結晶成長によって、 埋め込み層 66から上側の各層を再成長して図 9 Cに示す構造の利得性回折格子型 G C - DFB - LDが完成する。
本変形例においては、 上記変形例 3の場合と同様に、 GaAsNガイド層 62に 凹凸形状を施しておき、 その上に I nGaAs井戸層 64， GaAsN障壁層 63, 6 5から成る量子井戸構造を再成長しているが、 活性層 64が分断されているため に変形例 3よりも強い利得の摂動が得られる。
上記構成の利得性回折格子型 G C - DFB - L Dの場合においても、 上記 I n
GaAs井戸層 64の上下左右が全て GaAsN材料で囲まれている。 したがって、 屈折率の摂動については皆無となって、 真性 GC - DFB - LDが得られる。 ま た、 周期構造 68の凹部の幅を十分に小さく し、 井戸層 64の幅を凡そ 1 Onm以 下にまで狭くすると、 活性層（井戸層） 64を量子細線として機能させることも可 能になる。
尚、 上記第 1実施の形態,変形例 1〜変形例 4に具体的に記述した以外の回折 格子の構造にも、 この発明を適用可能であることは言うまでもない。
(第 2実施の形態）
本実施の形態は、 吸収性回折格子型 GC - DFB - LDに関するものであり、 活性層に近接するガイド層内に吸収層を周期的に形成し、 その吸収層を少量の窒 素が混晶化された透明な層に隣接させることによって、 真性 GC - DFB - LD を得る点に特徴がある。
図 10は、 本実施の形態の吸収性回折格子型 G C - DFB - LD 70における 断面構造を模式的に示す。 各部の構成，材料,層厚は次の通りである。 ■基板 7 1 ：
n型 GaAs， 1 0 0 μ m
■下部クラッド層 7 2 ：
n¾Al0 ,Ga0 7As, 1. 0 μ m
■活性層 7 3 ：
i - Ga0 98 I n 2N 7As。 993， 0. 1 o μιη
-キヤリアバリア層 7 4 ：
ρ型 Al0 3Ga0 7As， 0. 1 μ m
■下部障壁層 7 5 ：
p型 GaAs 9952N 5 0 nm
-吸収層 7 6 ：
n型 I n0.2Ga0.8As， ] Onm (最厚部）
-上部障壁層 7 7 ：
p ¾i _raAs0 gg52 N 00048， 2 Onm
·埋め込み層 7 9 ：
型03 5。 99521^。。。48， 2 0nm (最薄部）
-上部クラッド層 8 0 ：
p型 Al0.3Ga0.7As， 1. 0 μ m
• コンタク ト層 8 1 ：
p+型 GaAs， 0. 5 μπ
- V電極金属 8 2 ：
AuZn
• n電極金属 8 3 ：
AuGe/Ni
上記構成を有する GC - D F B - LD 7 0は、 以下のようにして形成される。 図 1 1は、 図 1 0に示す G C - D F B - LD 7 0形成プロセス中における積層構 造体の斜視図である。 以下、 図 1 1に従って、 図 1 0に示す GC - D F B - LD 7 0の製造方法について説明する。
先ず、 図 1 1 Aに示すように、 n型 GaAs基板 7 1上に、 有機金属気相成長法 を用いた第一回目の結晶成長によって、 下部クラッド層 72から上部障壁層 77 までの各層を順次積層する。 その場合、 n型 GaAs基板 71は（100)面を使用 する。 また、 有機金属気相成長法においては、 Al, Ga, I n, As, Nの各原料とし て、 トリメチルアルミニウム， トリメチルガリ ゥム， トリメチルインジウム，アル シン，ジメチルヒ ドラジンを用いた。 こうして第一回目の結晶成長を終えた積層 構造体を結晶成長室から取り出し、 その表面に、 二光束干渉露光法によって、 周 M0. 28 μη,デューティ比 0. 5の格子状のホトレジストマスク（図示せず）を形 成する。
次に、 塩酸と過酸化水素水とを 1 ： 50で混合し、 純水で 5倍に希釈したエツ チング液によって、 上記ホトレジストマスクの形成されていない領域を表面から
5 Onmだけエッチングする。 その場合、 上部障壁層 77の膜厚は 2 Ontnであり、 吸収層 76の膜厚は 10 nmであるから、 上部障壁層 77カゝら吸収層 76までの合 計の膜厚は 3 Onmである。 したがって、 上記ホトレジストマスクを除去すると、 図 1 1 Bに示すように、 吸収層 76が n型 GaAs基板 71の延在方向に周期的に 分断された回折格子 78が得られる。
次に、 図 1 1 Bに示す積層構造体を再び結晶成長室へ入れ、 回折格子 78上に、 第二回目の結晶成長によって、 図 1 1 Cに示すように、 埋め込み層 79からコン タク ト層 81までの各層を成長させる。 その際に、 埋め込み層 79は、 埋め込み 層 79と上部クラッド層 80との界面が平坦になるように、 結晶成長時の成長レ —トを 1 μιη/時間以下に設定して結晶成長を行う。 こうして第二回目の結晶成長 を終えた積層構造体を結晶成長室から取り出し、 その表面に、 図 1 1 Cに示すよ うに窒化ケィ素による電流狭窄層 84を形成し、 通常のホトリソグラフィとゥェ ットエッチングとによって、 幅 W(= 5 μηι)のストライブ状の開口 85を、 回折 格子 78の延在方向と直交する方向に形成する。 最後に、 図 1 1 Cに示すように、 積層構造体の上面に ρ電極 82を形成する一方、 下面に η型電極 83を形成する。 そして、 レーザ光出射端面を劈開して、 吸収性回折格子型 GC - DFB - LD 7 0が得られる。
上述のようにして得られた利得性回折格子型 G C - DFB - LD70の ρ電極 82と η電極 83を通して電流を流したところ、 閾値電流密度 0. 5 k Aん m2に おいて、 波長 95 Onmの単一波長で発振した。 さらに、 この GC - DFB - LD 70は、 素子温度 20°Cから + 80°C以上まで、 副モード抑圧比 2 OdB以上 において完全単一波長で発振する。 また、 発振スペク トルにはストップバンドが 見られず、 このことから屈折率結合の成分は零であることが分った。
また、 一つのウェハから得られた複数の利得性回折格子型 GC - DFB - LD
70の発振スぺク トルを調べたところ、 レーザ光出射端面に無反射コーティング を施していないにも拘わらず 97 %の確率で単一波長発振が生じていることが分 り、 単一波長レーザの製造に対する歩留りが非常に高いことが判明した。 これら の特徴は、 屈折率結合成分を含まない真性 GC - DFB - LDに特有の特性であ る。
本第 2実施の形態においては、 上記回折格子 78によって周期的に分断化され た n型 InQ2G¾8As吸収層 76に隣接する層を、 窒素を僅かに混晶化すること に特徴がある。 つまり、 障壁層および埋め込み層に窒素を僅かに混晶化し、 その 窒素混晶比を適切に調節することによって、 禁制帯幅を大きく変化させることな く屈折率を所定の値に設定して真性 GC - DFB - LDを実現するのである。 詳述すれば、 上記第 1実施の形態において詳細に説明したと同様に、 吸収層 7 6に用いた I nGaAsと、 この吸収層 76に隣接する障壁層 75 77および埋め 込み層 79に用いた GaAsNとが同じ屈折率となるように、 障壁層 75, 77及 び埋め込み層 79の窒素混晶比が調節されている。 これに対して、 禁制帯幅に関 しては、 障壁層 75 77および埋め込み層 79に用いた GaAs 9952N は約 1.
35eVであり、 活性層 73からの発光波長である 95 Onmに対しては透明であ る。 一方、 n型 I nQ2Ga 8As吸収層 76は約 1. 26eVの吸収端を有している こと力ゝら、 活性層 73からの発光波長である 95 Onmに対して不透明である。 つ まり、 第 2実施の形態における回折格子 78は、 不透明な吸収層 76が透明な障 壁層 75 77および埋め込み層 79で埋め込まれて形成された吸収性回折格子 であるにも拘わらず、 吸収層 76,障壁層 75, 77および埋め込み層 79が全て 同じ屈折率を有しており、 屈折率の摂動は一切生じていないのである。
したがって、 上記第 2実施の形態においては、 吸収層の屈折率の摂動を位相が 逆の屈折率摂動を近傍に設けて打ち消す従来の構造の場合のように、 回折格子 7 8の形状や埋め込み層 79との屈折率のバランス等を考慮する必要がなく、 回折 格子 78を平坦にさえ埋め込んでしまえば本質的に屈折率結合は生じず、 容易に 真性 GC - DEB - LDを得ることができるのである。
尚、 上記第 1実施の形態における利得性回折格子の変形例 1〜変形例 4に相当 する変形が、 第 2実施の形態における吸収性回折格子においても可能であること は言うまでもない。 尚、 その場合には、 変形例 1〜変形例 4における井戸層 33, 43, 54, 64力 第 2実施の形態における吸収性回折格子においては吸収層に 対応する。
(第 3実施の形態）
上記第 1,第 2実施の形態においては、 窒素が混晶化されていない Ga I nAsを 発光層あるいは吸収層とし、 この発光層あるいは吸収層を、 窒素が混晶化された GaAsNで埋め込んだ構成を有する GC - DFB - LDについて説明した。 第 3 実施の形態においては、 上記発光層あるいは吸収層とそれに,接する埋め込み層 との何れの層も窒素が混晶化された材料で構成された GC - DFB - LDについ て説明する。
図 12は、 本実施の形態の GC - DFB - LDにおける回折格子付近の要部縦 断面を示す。 ここで、 各部の構成，材料，層厚は次の通りである。
•下部広禁制帯層 91 ：
Al0.3Ga07As
·下部障壁層 92 ：
1 n0.03Ga0.97As0.99N0.01' 30 ΠΠΙ (最 部）
•狭禁制帯層 93 ：
^ Ω0.23 ^ ^0.77 ^ °0.9948 ^ 0.0052 » 1 J nm
-上部障壁層 94 ：
1 no.03Ga0.97As0.99NO.OP 20 ΠΓΠ
•埋め込み層 96 ：
I n003Ga097As099Ν001, 3 Onm (最; ^部)
•上部広禁制帯層 97 ：
A10.3G aO.7A s 本実施の形態における回折格子 95は、 上記第 1実施の形態の場合のように、 狭禁制帯層 93を発光層として p /n逆導電型のクラッド層で挟めば利得性回折 格子として機能する。 また、 上記第 2実施の形態の場合のように、 狭禁制帯層 9 3を吸収層として p型あるいは n型の何れかのクラッド層内に埋め込めば吸収性 回折格子として機能するものである。
上記回折格子 95は、 上記発光層あるいは吸収層として機能する狭禁制帯層 9 3と、 それに隣接する障壁層 92, 94および埋め込み層 96との何れの層にも 窒素が混晶化されている。 そして、 発光層あるいは吸収層として機能する狭禁制 帯層 93は、 それに隣接する各層よりも窒素混晶比が小さく設定されている。 そ の結果、 狭禁制帯層 93の周囲を取り囲む窒素混晶比が高い各層は、 禁制帯幅の 縮小に伴う屈折率の増加が大きい材料から構成されることになる。 その場合に、 禁制帯幅が狭く屈折率が高い狭禁制帯層 93の周囲を禁制帯幅の広い材料で囲み ながらも、 屈折率に関しては分布を生じないように、 各層の窒素混晶比を選択す ることによって、 真性 GC - DF B - LDが得られるのである。
尚、 本実施形態においては、 上記狭禁制帯層 93と、 狭禁制帯層 93に隣接す る障壁層 92, 94および埋め込み層 96とに、 少量の I nも同時に混晶化してい る。 こうすることによって、 上記各層 92, 93, 94, 96に適切な量の窒素を 混晶化して屈折率を調節する際に伴う格子定数の変化を、 少量の I nを混晶化す ることによって打ち消すことができる。 したがって、 より優れた GC - DFB - LDを得ることができるのである。
上記構成の回折格子 95を内蔵する GC - DFB - LDは、 回折格子 95が利 得性回折格子であつても吸収性回折格子であつても、 副モード抑圧比 20 d B以 上において完全単一波長で発振する。 また、 発振スペクトルにはストップバンド が見られず、 屈折率結合の成分は零であることが分った。 また、 レーザ光出射端 面に無反射コーティングを施していないにも拘わらず 97%の確率で単一波長発 振が生じていることが分り、 単一波長レーザの製造に対する歩留りが非常に高い ことが判明した。 これらの特徴は、 屈折率結合成分を含まない真性 GC - DFB - LDに特有の特性である。
尚、 第 3実施の形態においても、 上記第 1実施の形態に対する変形例 1〜変形 例 4に相当する回折格子の変形が可能であることは言うまでもない。
(第 4実施の形態）
上記第 1〜第 3実施の形態においては、 GaAsに I nあるいは Nを混晶化した 層によって回折格子 1 7， 3 7, 4 7, 5 7, 6 8, 7 8， 9 5を構成した GC - DF B - LDについて説明した。 第 4実施の形態においては、 AlGaAs材料に窒素 を混晶化した材料の組み合わせで構成された GC - DFB - LDについて説明す る。
図 1 3は、 本実施の形態の GC - D F B - LDにおける回折格子付近の要部縦 断面を示す。 ここで、 各部の構成，材料，層厚は次の通りである。
•下部広禁制帯層 1 0 1 :
•下部障壁層 1 0 2 :
A 10, 25 G α0.75 S0.9965 N 0.00: 3 Onm (最厚部）
•狭禁制帯層 1 0 3 :
Al0 xGaQ 9As， 5 0 nm
•上部障壁層 1 04 :
A 1 o, 25 G a075 A s09965 N 00035 , 0 nm
•埋め込み層 1 0 6
j"--'-o.25Ca0
Figure imgf000029_0001
3 Onm (最薄部)
•上部広禁制帯層 1 0 7 :
A1o.5Ga05As
本実施の形態における回折格子 1 0 5は、 上記第 1実施の形態のように、 狭禁 制帯層 1 0 3を発光層として p/n逆導電型のクラッド層で挟めば利得 ½ί回折格 子として機能する。 また、 上記第 2実施の形態のように、 狭禁制帯層 1 0 3を吸 収層として ρ型または η型の何れかのクラッド層内に埋め込めば吸収性回折格子 として機能するものである。 尚、 上記クラッド層としては、 屈折率が低く禁制帯 幅が広く、 基板に概ね格子整合する任意の材料を選択することができる。
上記回折格子 1 0 5は、 上記発光層あるいは吸収層として機能する狭禁制帯層 1 0 3に隣接する障壁層 1 0 2, 1 04および埋め込み層 1 06に、 適切な量の 窒素が混晶化されている。 したがって、 第 1,第 2実施の形態において説明した 場合と同様に、 禁制帯幅が狭く屈折率が高い狭禁制帯層 103を禁制帯幅が広い 材料で囲みながらも、 屈折率に関しては分布を生じないように各層の窒素混晶比 が選択されて、 真性 GC - DFB - LDが得られるのである。
上記構成の回折格子 1 05を内蔵する GC - DFB - LDは、 回折格子 105 が利得性回折格子であっても吸収性回折格子であっても、 副モード抑圧比 2 Od B以上において完全単一波長で発振する。 また、 発振スペク トルにはス トップバ ンドが見られず、 屈折率結合の成分は零であることが分った。 また、 レ一ザ光出 射端面に無反射コーティングを施していないにも拘わらず 97%の確率で単一波 長発振が生じていることが分り、 単一波長レーザの製造に対する歩留りが非常に 高いことが判明した。 これらの特徴は、 屈折率結合成分を含まない真性 GC - D FB - LDに特有の特性である。
このように、 AlGaAs材料において、 発光層あるいは吸収層に隣接する層に 窒素を混晶化することによって、 真性 GC - DFB - LDを容易に実現すること ができるのである。 尚、 本実施の形態においても、 上記第 1実施の形態に対する 変形例 1〜変形例 4に相当する回折格子の変形が可能であることは言うまでもな い。 また、 上記第 3実施の形態と同様に、 発光層あるいは吸収層として機能する 狭禁制帯層 103にも、 隣接する層よりも少ない窒素を混晶化することも可能で ある。
(第 5実施の形態）
第 5実施の形態においては、 Al I nGaP系材料に窒素を混晶化した材料の組 み合わせで構成された GC - DFB - LDについて説明する。
図 14は、 本実施の形態の GC - DFB - LDにおける回折格子付近の要部縦 断面を示す。 ここで、 各部の構成,材料,層厚は次の通りである。
■下部広禁制帯層 1 1 1 :
(Al07Ga03) eg I n05P
-下部障壁層 1 12 :
(Al04Ga06) 05 I n。 5P。 9962N。。。38， 10 Onm (最厚部）
-狭禁制帯層 1 1 3 : (Al0.05Ga。 95) 05 I n0 5P, 1 0 Onm
-上部障壁層 1 1 4 :
( 10.4^30.6)0.5上 n0.5 i 0.9962 Ν 0.0038' 2 0 ΠΙΤΙ
-埋め込み層 1 1 6 :
(Al0 4Ga0 6) 0 5 I η0 5Ρ 0 9962Νϋ 0038 , 5 Onm (最溥部）
-上部広禁制帯層 1 1 7 :
(Al0 7Ga0 3) 0 5 I n。 5P
本実施の形態の場合にも、 第 4実施の形態と同様に、 上記発光層あるいは吸収 層として機能する狭禁制帯層 1 1 3に隣接する障壁層 1 1 2, 1 1 4および埋め 込み層 1 1 6に適切な量の窒素が混晶化されているので、 禁制帯幅が狭く屈折率 が高い狭禁制帯層 1 1 3を禁制帯幅の広い材料で囲みながらも、 屈折率に関して は分布を生じないように各層の窒素混晶比が選択されて、 真性 G C - D F B - L Dが得られる。 その場合における GC - D F B - LDは、 副モード抑圧比 2 Od B以上において完全単一波長で発振する。 また、 屈折率結合の成分は零であるこ と、 レーザ光出射端面に無反射コ一ティングを施していないにも拘わらず 9 7 % の確率で単一波長発振が生じていることが分った。
このように、 Al I nGaP系材料において、 発光層あるいは吸収層に隣接する 層に窒素を混晶化することによって、 真性 G C - D F B - L Dを容易に実現する ことができる。 尚、 本実施の形態においても、 上記第 1実施の形態に対する変形 例 1〜変形例 4に相当する回折格子の変形が可能であることは言うまでもない。 また、 第 3実施の形態と同様に、 発光層あるいは吸収層として機能する狭禁制帯 層 1 1 3にも、 隣接する層よりも少ない窒素を混晶化することも可能である。
(第 6実施の形態）
第 6実施の形態においては、 GaAs Sb系材料に窒素を混晶化した材料の組み 合わせで構成された G C - D F B - LDについて説明する。
図 1 5は、 本実施の形態の GC - D F B - LDにおける回折格子付近の要部縦 断面を示す。 ここで、 各部の構成,材料，層厚は次の通りである。
-下部広禁制帯層 1 2 1 :
A10.3Ga0.7As -下部障壁層 1 22 :
Ga (八 s0.98 S b J00.0022ノ) 0(.9923 N().0077' 2 Onm (最厚部）
•狭禁制帯層 1 23 :
aAs07 ¾ b03, 6 nm
·上部障壁層 1 24 :
G a ( A S0 98 ^ b002) 09923 0.0077， 2 Onm
■埋め込み層 1 26 :
Ga ( A s098 b002) o.9923 N00077， 2 Onm (最薄部）
•上部広禁制帯層 1 27 :
Al03Ga07As
本実施の形態の場合にも、 第 4実施の形態と同様に、 禁制帯幅が狭く屈折率が 高い狭禁制帯層 1 23を禁制帯幅の広い材料で囲みながらも、 屈折率に関しては 分布を生じないように各層の窒素混晶比が選択されて、 真性 GC - DFB - LD が得られる。 その場合における GC - DF B - LDは、 副モード抑圧比 20dB 以上において完全単一波長で発振する。 また、 屈折率結合の成分は零であり、 9 7%の確率で単一波長発振が生じている。 尚、 本実施の形態においても、 上記変 形例 1〜変形例 4に相当する回折格子の変形が可能である。 また、 発光層あるい は吸収層として機能する狭禁制帯層 1 23にも、 隣接する層よりも少ない窒素を 混晶化することが可能である。
(第 7実施の形態）
第 7実施の形態においては、 I nP基板に概ね格子整合する I nGaAsP系材料 に窒素を混晶化した材料の組み合わせで構成された GC - DFB - LDについて 説明する。
図 16は、 本実施の形態の GC - DFB - LDにおける回折格子付近の要部縦 断面を示す。 ここで、 各部の構成,材料,層厚は次の通りである。
•下部広禁制帯層 1 31 :
I nP
•下部障壁層 1 32 :
I 1 n 11 P Γ 0.99 N1 0.01' 3 Onm (最厚部） ■狭禁制帯層 1 33 :
I n(As03P 07) 0996N0004, 8 nm
-上部障壁層 1 34 :
I nP 0.99^0.01' ^ 0 nm
·埋め込み層 1 36 :
1 nP0.99No.oP 30nm (最薄部）
■上部広禁制帯層 1 37 :
I nP
本実施の形態の場合にも、 第 4実施の形態と同様に、 禁制帯幅が狭く屈折率が 高い狭禁制帯層 1 33を禁制帯幅の広い材料で囲みながらも、 屈折率に関しては 分布を生じないように各層の窒素混晶比が選択されて、 真性 GC - DF B - LD が得られる。 その場合における GC - DFB - LDは、 副モード抑圧比 2 OdB 以上において完全単一波長で発振する。 また、 屈折率結合の成分は零であり、 9 7%の確率で単一波長発振が生じている。 尚、 本実施の形態においても、 上記変 形例 1〜変形例 4に相当する回折格子の変形が可能である。 また、 発光層あるい は吸収層として機能する狭禁制帯層 1 33には、 窒素を混晶化せず、 隣接する層 にだけ適切な量の窒素を混晶化することも可能である。
(第 8実施の形態）
第 8実施の形態においては、 （100)面を有する基板に用い、 [010]方向あ るいは [00— 1]方向あるいはそれらと結晶学的に等価な方向に回折格子を印刻 した場合について説明する。
図 1 7は、 本実施の形態の GC - DFB - LDにおける回折格子付近の要部縦 断面を示す。 ここで、 各部の構成,材料，層厚は次の通りである。
-下部広禁制帯層 141 :
Al0 qGa07As
■下部障壁層 142 :
ja Αΰ09952 Ν 00048 , 2 Onm (最厚部）
狭禁制帯層 143 :
I n0 G a08As， D nm •上部障壁層 144 :
GaAso g952N 00048 , 2 Onm
-埋め込み層 146 :
GaAs09952N 00048 , 2 Onm (最薄部）
·上部広禁制帯層 147 :
Al Gao
図 1 8は、 本実施形態の GC - DFB - LDの製造工程において、 GaAs基板 の上に、 少なくとも下部広禁制帯層 14 1,下部障壁層 142，狭禁制帯層 143 および上部障壁層 144を作製した後、 その表面に回析格子 145を印刻した直 後の積層構造体 140の斜視図を示す。 本実施の形態は、 GaAs基板の（ 100) 面を用い、 回析格子 145を、 [0 10]方向（またはそれと直交する [00— 1] 方向でも同様）に印刻した点に特徴がある。
第 1実施の形態において説明した如く、 （100)面から [01 1]方向へ傾斜し た面（A面と呼ぶ）上に窒素が混晶化された結晶を成長すると、 （100)面上へ結 晶成長した場合よりも膜中に窒素が取り込まれやすく、 逆に [0 1— 1]方向へ傾 斜した面（B面と呼ぶ）上には窒素が取り込まれにくくなる。 したがって、 回析格 子 145を [01 1]方向あるいは [01— 1]方向に印刻した場合には、 回析格子 145の凹凸の形状の頂部や谷部の平坦な部分は（ 100)面となる一方、 傾斜部 は A面あるいは B面となり、 回析格子 145上へ成長した膜中の窒素の混晶比に は、 回析格子 145の凹凸形状を反映した周期分布が生じてしまう。
ここで、 本願発明者は、 [010]方向あるいはそれと直交する [00— 1]方向 へ傾斜した面上に窒素が混晶化された結晶を成長した場合には、 上述の問題が生 じないことを見出した。 これは、 [010]方向あるいはそれと直交する [00— 1]方向は[01 1]方向および [01一 1]方向と 45度の角度をなす方向である ことから、 [010]方向へ傾斜した面は A面と B面との中間的な性質を持つこと によると思われる。 したがって、 回析格子 145を [010]方向あるいはそれと 直交する [00— 1]方向に印刻すれば、 回折格子 145の傾斜面として [010] 方向あるいはそれと直交する方向に傾斜した面が露出されることになり、 回析格 子 145上へ成長した膜中の窒素の混晶比は、 結晶成長時の成長速度に拘らず回 析格子 145の凹凸形状を反映することなく均一な分布が得られるのである。 尚、 上記基板の面方位は必ずしも（ 1 00 )面でなくとも（ 100 )面と結晶学的 に等価な面であればよい。 その場合、 回折格子 145を印刻する方向は、 [01 0]方向あるいはそれと直交する [00— 1]方向あるいはそれらと結晶学的に等 価な方向であればよいことは言うまでもない。
本実施の形態の場合にも、 第 4実施の形態の場合と同様に、 禁制帯幅が狭く屈 折率が高い狭禁制帯層 143を禁制帯幅の広い材料で囲みながらも、 屈折率に関 しては分布を生じないように各層の窒素混晶比が選択されて、 真性 GC - DFB - LDが得られる。 その場合における GC - DFB - LDは、 副モード抑圧比 2 0 d B以上で完全単一波長発振する。 また、 屈折率結合の成分は零であり、 97
%の確率で単一波長発振が生じている。 尚、 本実施の形態においても、 上記変形 例 1〜変形例 4に相当する回折格子の変形が可能である。 また、 発光層あるいは 吸収層として機能する狭禁制帯層 143にも、 隣接する層よりも少ない窒素を混 晶化することが可能である。
尚、 第 6，第 7,第 8実施の形態における回折格子 1 25, 1 35， 145も、 狭 禁制帯層 123, 133, 143を発光層として p / n逆導電型のクラッド層で挟 めば利得性回折格子として機能する。 また、 狭禁制帯層 1 23， 1 33， 143を 吸収層として p型あるいは n型の何れかのクラッド層内に埋め込めば吸収性回折 格子として機能する。 クラッド層は、 屈折率が低く禁制帯幅が広く、 基板に概ね 格子整合する任意の材料を選択することができる。
このように、 上記第 4実施の形態〜第 8実施の形態によれば、 任意に材料系に おいて、 発光層あるいは吸収層に隣接する層に窒素を混晶化することによって、 真性 GC - DFB - LDを容易に実現することができるのである。
ここで、 上記第 6実施の形態においては、 上記狭禁制帯層 1 23に隣接する障 壁層 1 22， 1 24および埋め込み層 1 26に適切な量の窒素を混晶化すること によって屈折率を調節すると同時に、 少量の Sbも同時に混晶化している。 こう することによって、 窒素の混晶化に伴う格子定数の変化を打ち消すことができ、 より優れた GC - DFB - LDを得ることができる。 尚、 この Sbを同時に混晶 化する効果は、 上記第 3実施の形態で述べたように、 I nの混晶化であっても同 様の効果が得られる。 また、 S bと I nとの両方を混晶化することも可能であるこ とは言うまでもなレ、。
また、 上記変形例 1〜変形例 4および第 2実施の形態〜第 8実施の形態におい ては、 真性 G C - D F B - L Dを得るための具体的な構成，各層の混晶比の一例 を述べている。 しかしながら、 上記変形例や実施の形態においても、 上記第 1実 施の形態の場合と同様に、 窒素混晶比を任意の値に設定することによって所定の 屈折率結合を導入することが可能である。 その場合には、 窒素混晶化層の窒素混 晶比を制御することによって、 回折格子の形状等の精密制御を行うことなく、 屈 折率結合の程度や屈折率と利得との位相等を任意に制御することが可能になる。 もちろん、 屈折率結合を零とする構成も容易に得ることができる。
ところで、 半導体レーザを構成する材料は、 上記の各実施の形態で用いた材料 系あるいは混晶比に限定されるものではない。 例えば、 （A l， Ga， I n, B， T 1) - ( P， As, S b, N， B i)等の任意の I II - V族半導体材料系に対してもこの発明を適 用できる。 また、 回折格子部のみを ΠΙ - V族半導体で構成してクラッド層ゃ電 流狭窄層等を II - VI族半導体で構成する等、 材料系の組み合わせに関しては種々 の変形が可能である。 また、 結晶成長方法や使用する原料等に関しても、 上記各 実施の形態や変形例において具体的に示したものに限定されるものではなく、 種 々の方法を適用することが可能である。
さらに、 上記回折格子に関する作製方法，構成，位置にも上記各実施の形態や変 形例によって限定されるものではない。 利得性回折格子や吸収性回折格子の構成 に関しては、 上記各実施の形態や変形例において示したものは一例に過ぎず、 種 々の変形が可能である。 特に回折格子の形状については台形形状について説明し たが、 矩形形状，三角形状，のこぎり波形状,正弦波形状,逆台形形状等であっても よい。
また、 上記回折格子の露光方法についても限定されるべきではない。 D F B -
L Dを光集積回路のモノリシック光源として利用する場合には、 電子ビーム露光 法によって回折格子を直接描画する手法が有効である。 また、 回折格子に位相シ フトがあってもよく、 素子中央部における回折格子の位相が不連続になるもの、 位相シフトが共振器内に複数分布しているマルチシフト型、 位相が徐々にシフト するグレーデッドシフト型、 ストライプ状の屈折率導波路の幅を変えることによ つて実効的な位相シフトを実現するストライプ幅シフト型など、 様々の位相シフ ト方法を適用することが可能である。 また、 利得性回折格子における周期構造を 有する活性層、 吸収性回折格子における周期構造を有する吸収層は、 任意の井戸 数の量子井戸であってもよいし量子効果を有しないバルク結晶であってもよい c また、 レーザ素子の端面反射率は、 様々な材料を用いた薄膜のコーティングに よって制御可能である。 すなわち、 一方の端面に無反射コーティングを施し、 他 方の端面に反射コーティングを施して、 高出力'高効率化を図ることも可能であ るし、 端面を粗面にすること、 斜めにカットすること、 窓構造にすること等、 様 々な構成にすることができる。
また、 上記電流狭窄および横方向の電界制御を行うストライプ状の導波路構造 の形状や作製方法に対しても限定が生じるものではない。 上記各実施の形態およ び各変形例においてブロードストライプ型のストライプ構造としたが、 リッジ導 波路型や埋め込みヘテロ型（Buried Heterostructure BH)等の様々な変形が適用 可能である。
また、 上記各実施の形態および各変形例において极つた利得性回折格子および 吸収性回折格子については、 G C - D F B - L Dのみならず、 特定の波長のみ選 択透過あるいは増幅する波長フィルタとしても優れた性質を示す。 このことを利 用した光制御素子に対しても上述した回折格子部の構成を適用することは可能で ある。 また、 種々の光デバイスが集積化された光集積回路の一部として、 この発 明の回折格子部が組み込まれていても差し支えない。
尚、 上記各実施の形態および各変形例において「上」と記述した方向は基板から 離れる方向であり、 「下」と記述した方向は基板に近づく方向を示す。 結晶成長は 「下」から「上」へと進行する。 さらに、 基板の導電型，上クラッド層ゃ下クラッド 層の導電型は、 上記各実施の形態および各変形例において示したものと逆の型に 置き換えることも可能である。
以上より明らかなように、 第 1の発明の G C - D F B - L Dは、 第 1の層の周 期構造を、 上記第 1の層に略等しい屈折率と上記第 1の層よりも広い禁制帯幅を 有する第 2の層で平坦に埋め込んでいるので、 真性 G C - D F B - L Dとして機 能することができる。 そして、 この真性 GC - DFB - LDは、 上記第 1の層の 周期構造を第 2の層で平坦に埋め込むだけで、 加工プロセスの精度に全く依存す ることなく容易に且つ再現性良く形成できる。
また、 第 1の実施例の G C - D F B - LDは、 上記第 1，第 2の層を含む積層 構造体の屈折率結合係数 κ を 5 cm- 1以下としたので、 屈折率結合成分の影響は十 分に小さく、 両層の屈折率は略等しいと見なすことができる。
また、 第 2の実施例の GC - DFB - LDは、 誘導放出光を発生する第 1の層 に密着して、 上記第 1の層よりも禁制帯幅が広い第 2の層を設けたので、 上記第 1の層にキャリアを効率的に封じ込めることができる。 さらに、 周期構造を有す る第 1の層に密着して窒素を含む第 2の層を設けたので、 上記第 2の層にも周期 構造が形成される。 例えば、 III - V族化合物半導体の窒素混晶化物は、 窒素混 晶比を変えることによって屈折率を制御することができる。 したがって、 上記第 2の層の窒素混晶比を調整することによって、 上記第 1，第 2の層を含む積層構 造体における等価屈折率の周期変化の強さを制御することが可能になる。
すなわち、 この発明によれば、 上記利得性回折格子型 GC - DFB - LDにお いて、 上記第 1,第 2の層の形状等を考盧することなく、 換言すれば、 加工プロ セスの精度に依存することなく、 容易に且つ再現性良く屈折率の周期変化の強さ を制御することができるのである。 したがって、 周囲温度の変化に対しても安定 した単一縦モード発振特性が得られるようになると共に、 製造歩留りを飛躍的に 向上できるのである。
また、 第 3の実施例の GC - DFB - LDは、 第 3の層からの誘導放出光を吸 収する周期構造を有する第 1の層に密着して、 窒素を含む第 2の層が設けられて いるので、 上記第 2の層にも周期構造が形成される。 例えば、 III - V族化合物 半導体の窒素混晶化物は、 窒素混晶比を変えることによって屈折率を制御するこ とができる。 したがって、 上記第 2の層の窒素混晶比を調整することによって、 上記第 1 ,第 2の層を含む積層構造体における等価屈折率の周期変化の強さを制 御することが可能になる。
すなわち、 この発明によれば、 上記吸収性回折格子型 GC - DFB - LDにお いて、 上記第 1，第 2の層の形状等を考慮することなく、 換言すれば、 加工プロ セスの精度に依存することなく、 容易に且つ再現性良く屈折率の周期変化の強さ を制御することができるのである。 したがって、 周囲温度の変化に対しても安定 した単一縦モード発振特性が得られるようになると共に、 製造歩留りを飛躍的に 向上できるのである。
また、 第 4の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 1の層と第 2の層とで成 る複層構造体の表面を平坦に成すので、 上記窒素混晶比の調整によって設定され た屈折率の周期変化の強さが上記複層構造体の表面形状によって変わることを防 止できる。
また、 第 5の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 2の層には、 I nおよび Sbの少なくとも一方を所定の混晶比で含まれているので、 上記第 2の層に適切 な量の窒素を混晶化して屈折率を調節する際に伴う格子定数の変化を、 上記 I n あるいは Sbの混晶化によって打ち消すことができる。 したがって、 より優れた 特性を有する真十生 G C - DFB - LDを得ることができる。
また、 第 6の実施例の GC - DFB - LDは、 上記第 1の層を面方位が（ 10 0)の面上あるいは（100)面と結晶学的に等価な面上に結晶成長させて形成し、 上記周期構造を [010]方向あるいは [00— 1]方向あるいは上記 [010]， [0 0— 1]方向と結晶学的に等価な方向に上記周期構造を形成したので、 上記第 1 の層に置ける周期構造の上に窒素が混晶化された上記第 2の層を結晶成長する場 合に、 下地の凹凸の影響を受けることなく成長層中の窒素混晶化が均一になる。 したがって、 屈折率結合係数の制御をより精密に行うことができ、 より優れた特 性を有する真性 GC - DFB - LDを得ることができる。
また、 第 2の発明の GC - DFB - LDの製造方法は、 発光層あるいは吸収層 として機能する III - V族化合物半導体から成る第 1の層の周期構造を、 より禁 制帯幅が広く且つ窒素を含む ΙΠ - V族化合物半導体から成る第 2の層で平坦に 埋め込むので、 上記第 2の層に周期構造を形成することがき、 窒素混晶比を調整 することによって、 上記第 1 ,第 2の層を含む積層構造体における等価屈折率の 周期変化の強さを制御することができる。 したがって、 加工プロセスの精度に依 存することなく、 容易に且つ再現性良く屈折率の周期変化の強さを制御すること ができる。 すなわち、 この発明によれば、 周囲温度の変化に対しても安定した単一縦モー ド発振特性が得られる GC - DFB - LDを形成できる。 また、 GC - DFB - LDの製造歩留りを飛躍的に向上できるのである。
また、 第 1の実施例の GC - DFB - LDの製造方法は、 上記第 2の層の形成 を、 1 /im/時間以下の成長レートで結晶成長させることによって行うので、 上記 第 1の層の周期構造に起因する窒素混晶比の周期分布を無くすことができる。 し たがって、 上記第 2の層内における屈折率分布をより均一にできる。 さらには、 上記第 2の層の平坦化を促進して、 上記第 1の層の周期構造をより平坦に埋め込 むことができる。
また、 第 2の実施例の GC - DFB - LDの製造方法は、 上記第 2の層の屈折 率を上記第 1の層の屈折率に略等しくするので、 加工プロセスの精度に依存する ことなく、 容易に且つ再現性良く真性 GC - DFB - LDを形成することができ る。
また、 第 3の実施例の G C - DF B - LDの製造方法は、 上記第 1の層と第 2 の層とを含む積層構造体の屈折率結合係数/ ^を 5 cm- 1以下にするので、 上記両層 の屈折率は略等しいと見なすことができる。 したがって、 加工プロセスの精度に 依存することなく、 容易に且つ再現性良く真性 GC - DFB - LDを形成するこ とができる。
また、 第 4の実施例の GC - DF B - LDの製造方法は、 上記第 2の層におけ る屈折率の設定を上記窒素の混晶比を調整することによって行うので、 上記第 2 の層の窒素の混晶比を調整するだけで上記第 2の層の屈折率を容易に且つ再現性 良く制御でき、 上記第 1の層の屈折率に略等しく設定することができる。
また、 第 5の実施例の GC - DFB - LDの製造方法は、 上記第 1の層の形成 を、 面方位が（100)の面上あるいは（100)面と結晶学的に等価な面の上に結 晶成長させると共に、 [010]方向あるいは [00— 1]方向あるいは上記 [01 0], [00— 1]方向と結晶学的に等価な方向に上記周期構造を形成することによ つて行うので、 上記第 1の層における周期構造の上に窒素が混晶化された上記第 2の層を結晶成長する場合に、 下地の凹凸の影響を受けることなく成長層中の窒 素混晶化が均一になる。 したがって、 屈折率結晶係数の制御をより精密に行うこ とができ、 容易に且つ再現性.制御性良く屈折率の周期変化の強さを制御するこ とができるのである。

Claims

求 の 範 囲
1. 所定の屈折率および所定の禁制帯幅を有すると共に、 周期構造 （ 1 7； 7 8)を有する第 1の層（1 4 ; 76)と、
上記第 1の層（1 4； 76) の周期構造（1 7； 78)を平坦に埋め込むと共に、 上記第 1の層（1 4； 76)の屈折率に略等しい屈折率を有し、 且つ、 上記第 1の 層（1 4 ; 76)の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有する第 2の層（1 3, 1 5, 1 6, 1 8 ; 7 5， 7 7， 7 9)を備えたことを特徴とする利得結合分布帰還型半導体レー
2. 請求項 1に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置にぉ 、て、
上言己第 1の層（1 4 ; 76)と第 2の層（1 3， 1 5， 1 6， 1 8； 7 5, 77, 79) とを含む積層構造体の屈折率結合係数 ，が 5 cm 1以下であることを特徴とする禾 IJ 得結合分布帰還型半導体レ一ザ装置。
3. 請求項 1あるいは請求項 2に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置 において、
上記第 1の層（1 4)は、 窒素を含まず、 且つ、 誘導放出光を発生し、
上記第 2の層（1 3， 1 5， 1 6, 1 8)は、 上記第 1の層（ 14)に密着して設け られると共に、 窒素を含んでいることを特徴とする利得結合分布帰還型半導体レ 一ザ装置。
4. 請求項 1あるいは請求項 2に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置 において、
上記第 1の層（93)は、 窒素を含み、 且つ、 誘導放出光を発生し、
上記第 2の層（9 2， 94, 96)は、 上記第 1の層（ 9 3)に密着して設けられる と共に、 窒素を含んでいることを特徴とする利得結合分布帰還型半導体レーザ装
5. 請求項 1あるレ、は請求項 2に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置 において、
誘導放出光を発生する第 3の層（ 73 )を備えると共に、
上記第 1の層（76)は、 上記第 3の層（73)の片面側近傍に位置すると共に、 窒素を含まず、 且つ、 上記第 3の層（73)から発生された誘導放出光を吸収し、 上記第 2 (75, 77, 79)の層は、 上記第 1の層（ 76)に密着して設けられる と共に、 窒素を含んでいることを特徴とする利得結合分布帰還型半導体レーザ装
6. 請求項 1あるいは請求項 2に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置 において、
誘導放出光を発生する第 3の層を備えると共に、
上記第 1の層（93)は、 上記第 3の層の片面側近傍に位置すると共に、 窒素を 含み、 且つ、 上記第 3の層から発生された誘導放出光を吸収し、
上記第 2の層（92, 94, 96)は、 上記第 1の層（ 93)に密着して設けられる と共に、 窒素を含んでいることを特徴とする利得結合分布帰還型半導体レーザ装
7. 請求項 3乃至請求項 6の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半導体レ 一ザ装置において、
上記第 1の層（14; 76)と第 2の層（1 3, 1 5, 1 6 , 18； 75 , 77 , 79 ) とで成る複層構造体の表面は平坦になっていることを特徴とする利得結合分布帰 還型半導体レーザ装置。
8. 請求項 3乃至請求項 7の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半導体レ 一ザ装置において、
上記第 2の層（92, 94, 96)には、 インジウムおよびアンチモンの少なくと も一方が所定の混晶比で含まれていることを特徴とする利得結合分布帰還型半導 体レーザ装置。
9. 請求項 3乃至請求項 8の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半導体レ 一ザ装置において、
上記第 1の層（14； 76)は、 面方位が（100)の面上あるいは（100)面と 結晶学的に等価な面上に結晶成長されて形成されており、
上記周期構造（1 7; 78)は、 [010]方向あるいは [00— 1 ]方向あるいは 上記 [010], [00— 1]方向と結晶学的に等価な方向に形成されていることを 特徴とする利得結合分布帰還型半導体レーザ装置。
10. ΙΠ - V族化合物半導体によって、 周期構造（1 7; 78)を有する第 1の 層（14； 76)を形成する工程と、
上記第 1の層（14； 76)よりも広い禁制帯幅を有し且つ窒素を含む III - V族 化合物半導体によって、 上記第 1の層（14； 76)の周期構造（1 7； 78)を平坦 に埋め込むように第 2の層（ 1 3, 1 5, 16, 1 8 ; 75， 77, 79)を形成するェ 程を備えたことを特徴とする利得結合分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法。
1 1. 請求項 10に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法に おいて、
上記第 1の層（14 ;76)に窒素を含ませないことを特徴とする利得結合分布 帰還型半導体レーザ装置の製造方法。
12. 請求項 10に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法に おいて、
上記第 1の層（ 93 )に窒素を含ませることを特徴とする利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法。
13. 請求項 10乃至請求項 12の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法において、
上記第 2の層（13, 1 5， 16, 18 :75, 77, 79)の形成は、 1 μ m/時間以 下の成長レートで結晶成長させることによって行うことを特徴とする利得結合分 布帰還型半導体レーザ装置の製造方法。
14. 請求項 10乃至請求項 1 3の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法において、
上記第 2の層（1 3, 1 5, 16, 18 ; 75， 77， 79)の屈折率を、 上記第 1の 層（14； 76)の屈折率に略等しくすることを特徴とする利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法。 1 5. 請求項 10乃至請求項 14の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法において、
上記第 1の層（14;76)と第 2の層（13,
15, 16, 18； 75, 77, 79) とを含む積層構造体の屈折率結合係数 を 5 cm- 1以下にすることを特徴とする利 得結合分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法。
16. 請求項 10乃至請求項 1 5の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法において、
上記第 2の層（13， 15， 16， 18 ; 75， 77， 79 )における屈折率の設定を、 上記窒素の混晶比を調整することによって行うことを特徴とする利得結合分布帰 還型半導体レーザ装置の製造方法。
1 7. 請求項 10乃至請求項 16の何れか一つに記載の利得結合分布帰還型半 導体レーザ装置の製造方法において、
上記第 1の層（14; 76)の形成は、 面方位が（100)の面上あるいは （10 0) 面と結晶学的に等価な面上に結晶成長されると共に、 [010]方向あるいは
[00— 1]方向あるいは上記 [0 10], [◦ 0— 1]方向と結晶学的に等価な方向 に上記周期構造（ 17；78)を形成することによって行われることを特徴とする 利得結合分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法。
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