WO2022259448A1 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザおよびその製造方法 Download PDF

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semiconductor laser
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optical coupling
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卓磨 相原
慎治 松尾
達郎 開
泰 土澤
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日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser and its manufacturing method.
  • a diffraction grating with a ⁇ /4 phase shift has been used as a typical structure of an optical resonator for single mode.
  • the phase is inverted by a phase shifter formed in a part of the diffraction grating provided in the resonator to enable single-mode oscillation at the Bragg wavelength.
  • This laser is called a ⁇ /4 shift DFB (Distributed Feedback) laser and has already been put to practical use. Further, in order to extend the transmission distance and expand the transmission capacity, the DFB laser is required to have a high optical output and a narrow line width.
  • Lengthening the DFB laser is effective for increasing the optical output power and narrowing the line width of the DFB laser.
  • the lengthening of DFB lasers is limited by the following two problems.
  • the oscillation mode becomes unstable due to the effect of spatial hole burning.
  • the light is strongly localized in the phase shift region. In this localized region of strong light, many carriers are consumed, so the carrier density is lowered.
  • a phenomenon in which a carrier distribution is generated in the cavity due to the light intensity distribution in the laser is called spatial hole burning.
  • a change in carrier density results in a change in refractive index.
  • a distribution occurs in the refractive index inside the resonator.
  • the refractive index distribution leads to a decrease in the reflectance of the optical resonator and a decrease in mode selectivity, and the oscillation mode of the laser becomes unstable.
  • a diffraction grating is formed by forming periodic unevenness in a part of an active layer made of a III-V group compound semiconductor that constitutes a semiconductor laser (see Non-Patent Document 1). If the change in this unevenness is small, the coupling coefficient of the diffraction grating will decrease.
  • the formation of the diffraction grating requires extremely fine processing, and there is a limit to how small the change in unevenness can be. In other words, there is a limit to how much the coupling coefficient can be reduced, and accordingly there is a limit to how long the DFB laser can be made.
  • the change in the unevenness of the diffraction grating for a coupling coefficient of 20 cm ⁇ 1 is extremely small, 5 nm or less, and is obviously difficult to manufacture.
  • lengthening the DFB laser is effective for increasing the optical output power and narrowing the line width of the DFB laser, but it is said that the lengthening of the DFB laser cannot be easily implemented with the conventional technology. I had a problem.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to facilitate the lengthening of the DFB laser.
  • a semiconductor laser comprises: a first clad layer formed on a substrate; an active layer formed on the first clad layer in a core shape extending in a waveguide direction; a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer; a second cladding layer formed on the active layer; and a diffraction grating in the resonator, the diffraction grating being formed on the first clad layer side or the second clad layer side of the resonator and between the resonator core and It is formed apart from the boundary region with the first clad layer or the second clad layer.
  • a semiconductor laser manufacturing method is the above-described semiconductor laser manufacturing method, wherein the thickness of the layer between the diffraction grating and the resonator is controlled so that the difference between the diffraction grating and the resonator is reduced. Control spacing.
  • the diffraction grating is formed away from the boundary region between the resonator core and the first clad layer or the second clad layer, the length of the DFB laser can be easily increased. be able to implement.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor laser according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional DFB laser.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional DFB laser.
  • FIG. 3A is a characteristic diagram showing the calculation result of the coupling coefficient of the diffraction grating in the conventional DFB laser explained using FIG. 2A.
  • FIG. 3B is a characteristic diagram showing the calculation result of the coupling coefficient of the diffraction grating in the conventional DFB laser explained using FIG. 2B.
  • FIG. 3C is a characteristic diagram showing calculation results of the coupling coefficient of the diffraction grating in the semiconductor laser according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention;
  • FIG. 4D is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention;
  • FIG. 4E is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention;
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor
  • FIG. 5A is a characteristic diagram showing calculation results of a coupling coefficient of a diffraction grating in a structure having an optical coupling layer in which grooves are formed directly on the upper surface of the optical coupling layer to form the diffraction grating.
  • FIG. 5B is a characteristic diagram showing calculation results of a coupling coefficient of a diffraction grating in a structure having an optical coupling layer in which grooves are formed directly on the side surface of the optical coupling layer to form the diffraction grating.
  • FIG. 5C is a characteristic diagram showing calculation results of the coupling coefficient of the diffraction grating 110d in the structure having the optical coupling layer 111.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6D is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present
  • FIG. 6E is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6F is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor laser in an intermediate process for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention.
  • This semiconductor laser is a DFB (Distributed Feedback) laser comprising an active layer 103 formed in a core shape extending in the waveguide direction on a substrate 101 and having a diffraction grating 110 in the resonator.
  • DFB Distributed Feedback
  • This semiconductor laser first has a first clad layer 102 formed on a substrate 101 and an active layer 103 on the first clad layer 102 .
  • the substrate 101 is made of Si, for example, and the first clad layer 102 is made of silicon oxide, for example. It also has a p-type semiconductor layer 104 and an n-type semiconductor layer 105 formed in contact with the active layer 103 with the active layer 103 interposed therebetween. It also includes a second clad layer 106 formed on the active layer 103 , and a p-electrode 107 and an n-electrode 108 connected to the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 .
  • the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 are formed by introducing impurities into the semiconductor layer 121 made of InP, for example. Also, the active layer 103 is embedded in the semiconductor layer 121 between the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 .
  • the semiconductor laser according to the embodiment has the diffraction grating 110 formed on the first clad layer 102 side or the second clad layer 106 side of the resonator, and It is formed away from the boundary region with the first clad layer 102 or the second clad layer 106 .
  • the diffraction grating 110 is arranged in the first clad layer 102 or the second clad layer 106 in the thickness direction (stacking direction).
  • the diffraction grating 110 is formed on the side of the second clad layer 106 of the resonator and is formed away from the boundary region between the active layer 103 and the first clad layer 102, which is the core of the resonator.
  • a boundary region is, for example, a region between the second clad layer 106 and the active layer 103 .
  • a conventional DFB laser is a lateral current injection type DFB laser having substantially the same configuration as the semiconductor laser described with reference to FIG. 1 (see Non-Patent Document 1).
  • the intracavity diffraction grating 310 is formed in the boundary region between the active layer 103 and the second clad layer 106 .
  • diffraction grating 310 is formed at the interface between semiconductor layer 121 and second clad layer 106 .
  • the diffraction grating 310 is composed of periodic grooves arranged in the waveguide direction formed in the semiconductor layer 121 above the active layer 103 .
  • FIG. 2B there is also a configuration in which periodic grooves are formed in a SiN layer formed on and in contact with the semiconductor layer 121 to form a diffraction grating 310a.
  • FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C show the calculation results of the coupling coefficient of each diffraction grating in each semiconductor laser (DFB laser) described above.
  • FIG. 3A shows calculation results for the conventional DFB laser described with reference to FIG. 2A.
  • FIG. 3B shows calculation results for the conventional DFB laser described with reference to FIG. 2B.
  • FIG. 3C shows calculation results for the semiconductor laser according to the embodiment described with reference to FIG.
  • the coupling coefficient (kappa) is It becomes a large value of 360 cm -1 .
  • the DFB length is about 50 ⁇ m, and high light output and narrow line width cannot be realized.
  • the thickness of the silicon nitride layer corresponds to the groove depth of the diffraction grating 310a .
  • the DFB length is limited to about 240 ⁇ m, and similarly high optical output and narrow line width cannot be expected.
  • FIG. 3C a smaller coupling coefficient can be achieved as shown in FIG. 3C.
  • the horizontal axis represents the spatial gap between the active layer 103 and the diffraction grating 110 .
  • the coupling coefficient decreases while approaching 0 cm ⁇ 1 .
  • the DFB length can be 10 mm. With this length, a much higher optical output and a narrower line width than ever before can be expected.
  • FIGS. 4A, 4B, 4C, 4D and 4E are sequential semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
  • an optical coupling layer 111 formed in a core shape extending along the active layer 103 is embedded in the first clad layer 102 so as to be optically coupled with the active layer 103.
  • the diffraction grating 110 is embedded in the second clad layer 106 on the side where the optical coupling layer 111 is not formed.
  • the diffraction grating 110a can be formed by being embedded in the first clad layer 102 on the side where the optical coupling layer 111 is formed.
  • diffraction grating 110 a is formed between active layer 103 and optical coupling layer 111 .
  • the diffraction grating 110a is placed away from the boundary region between both the optical coupling layer 111 and the active layer 103 (resonator) and the clad layer.
  • a boundary region between the optical coupling layer 111 and the clad layer serves as an interface between the optical coupling layer 111 and the clad layer.
  • the diffraction grating 110b can be formed by being embedded in the second clad layer 106 on the side where the optical coupling layer 111 is formed. Also in this example, the diffraction grating 110 b is formed between the active layer 103 and the optical coupling layer 111 .
  • the diffraction grating 110c is embedded in the first cladding layer 102 on the side where the optical coupling layer 111 is formed, and the diffraction grating 110b is formed by It can be formed on the side where the active layer 103 is not formed.
  • the diffraction grating 110d is embedded in the second clad layer 106 on the side where the optical coupling layer 111a is formed, and the diffraction grating 110d is viewed from the optical coupling layer 111a. It can be formed on the side where the layer 103 is not formed.
  • the diffraction grating 110, the diffraction grating 110a, the diffraction grating 110b, the diffraction grating 110c, and the diffraction grating 110d can be formed to have the same width as the optical coupling layer 111 in the waveguide direction.
  • the optical coupling layer 111 As described above, by providing the optical coupling layer 111, the active layer 103 and the optical coupling layer 111 are combined to form a super mode as a waveguide mode (reference). Therefore, by adjusting the width and thickness of the optical coupling layer 111, the optical confinement in the active layer 103, the p-type semiconductor layer 104, and the n-type semiconductor layer 105 can be freely adjusted.
  • the optical coupling layer 111 when the width of the optical coupling layer 111 is widened and the effective refractive index of the optical waveguide formed of the optical coupling layer 111 is increased relative to the optical waveguide (gain waveguide) formed of the active layer 103, the optical coupling layer 111 Optical confinement in the optical waveguide increases, while optical confinement in the active layer 103, the p-type semiconductor layer 104, and the n-type semiconductor layer 105 decreases. This is known to be effective in reducing the absorption loss of light and increasing the external quantum efficiency as compared with a semiconductor laser without the optical coupling layer 111 (reference).
  • FIG. 5A shows the result of forming a diffraction grating by forming grooves directly on the upper surface of the optical coupling layer instead of the configuration of the semiconductor laser according to the embodiment.
  • FIG. 5C shows the result of forming a diffraction grating by forming grooves directly on the side surface of the optical coupling layer instead of the configuration of the semiconductor laser according to the embodiment.
  • FIG. 5C is the calculation result of the structure having the optical coupling layer 111a described with reference to FIG. 4E.
  • the diffraction grating 110d is arranged at a location away from the interface (boundary region) between the optical coupling layer 111a and the second clad layer 106. Therefore, it can be seen that a relatively low coupling coefficient can be realized by increasing the distance between the boundary region and the diffraction grating 110d. That is, the same effect as described above can be obtained in a DFB laser forming a supermode waveguide.
  • FIGS. 6A to 6F a method for manufacturing a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6F.
  • the manufacturing method will be described below using the semiconductor laser described with reference to FIG. 4E as an example.
  • a first clad layer 102 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) is formed on a substrate 101 made of Si.
  • the first clad layer 102 can be formed by thermally oxidizing the surface of the substrate 101 made of Si.
  • an active layer 103 and a p-type semiconductor layer 104 are buried in the semiconductor layer 121 with, for example, a III-V group semiconductor such as InP. , and an n-type semiconductor layer 105 (reference).
  • the active layer 103 can have, for example, a multiple quantum well structure.
  • a first dielectric layer 131, an optical coupling layer forming layer 132, a second dielectric layer 133, and a diffraction grating forming layer 134 are sequentially formed on the semiconductor layer 121.
  • the first dielectric layer 131 and the second dielectric layer 133 can be made of SiO2
  • the optical coupling layer forming layer 132 and the diffraction grating forming layer 134 can be made of SiN.
  • film formation is performed under low temperature conditions of 500° C. or less so as not to destroy already formed III-V compound semiconductor layers such as the semiconductor layer 121 and the active layer 103 .
  • ECR electron cyclotron resonance
  • deuterated silane can be used as a raw material gas for film formation.
  • a SiN layer that suppresses light absorption in the communication wavelength band can be formed.
  • any one of the first dielectric layer 131, the optical coupling layer forming layer 132, the second dielectric layer 133, and the diffraction grating forming layer 134 can be formed by a sputtering method if the thickness is 100 nm or less. can.
  • a mask pattern for forming a diffraction grating is formed on the diffraction grating forming layer 134 by a known lithography technique, and the diffraction grating forming layer 134 is etched by dry etching using this mask pattern.
  • a grating layer 135 is formed on the second dielectric layer 133, as shown in FIG. 6D.
  • the second dielectric layer 133 may be partially overetched from the upper surface in the thickness direction.
  • the diffraction grating layer 135 is embedded with a layer of the same material as the second dielectric layer 133, the problem of overetching described above is avoided.
  • the groove depth of the diffraction grating will be larger than the design value, and the formed diffraction grating will have a larger coupling coefficient than designed, making it difficult to form a diffraction grating with a low coupling coefficient. becomes.
  • the depth of the grooves of the diffraction grating is determined by the thickness of the diffraction grating forming layer, and the problem that the groove depth changes due to overetching can be avoided. is.
  • a grating 110d and an optical coupling layer 111a are formed to form a mesa with a second dielectric layer 133a sandwiched therebetween.
  • a mesa-shaped mask pattern is formed on the diffraction grating layer 135 by lithography, and the above-described layers are collectively dry-etched and processed using this mask pattern to obtain the state shown in FIG. 6E. can.
  • a second clad layer 106 is formed.
  • the deposited layer of dielectric material, the second dielectric layer 133 a and the first dielectric layer 131 a are integrated to form the second cladding layer 106 .
  • each electrode is formed to obtain the semiconductor laser shown in FIG. 4E.
  • the distance between the optical coupling layer 111 a and the diffraction grating 110 d in the thickness direction and the groove depth of the diffraction grating 110 d can be determined (controlled) by the thickness of the second dielectric layer 133 and the diffraction grating forming layer 134 .
  • the second dielectric layer 133 is a layer between the diffraction grating 110d and the resonator, and by controlling the thickness of this layer, the distance between the diffraction grating 110d and the resonator can be controlled.
  • the embodiment it is possible to manufacture a semiconductor laser using a diffraction grating with high precision and low coupling coefficient.
  • the refractive indices of the first dielectric layer 131, the optical coupling layer forming layer 132, the second dielectric layer 133, and the diffraction grating forming layer 134 can also control the coupling coefficient of the diffraction grating.
  • the refractive index can be controlled by the flow rate of the source gas containing nitrogen and oxygen, increasing the degree of freedom in controlling the coupling coefficient.
  • the diffraction grating is formed away from the boundary region between the resonator core and the first clad layer or the second clad layer, and the first clad layer or the second clad layer , the coupling coefficient of the diffraction grating can be lowered more easily, and the length of the DFB laser can be easily increased.

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Abstract

半導体レーザは、基板（１０１）の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層（１０３）を備え、共振器内に回折格子１（１０を）備え、基板（１０１）の上に第１クラッド層（１０２）が形成され、第１クラッド層（１０２）の上に、活性層（１０３）を備え、活性層（１０３）の上に形成された第２クラッド層（１０６）を備え、回折格子１（１０が）、共振器の第１クラッド層（１０２）の側または第２クラッド層（１０６）の側に形成され、かつ、共振器のコアと第１クラッド層（１０２）または第２クラッド層（１０６）との境界領域より離れて形成されている。

Description

半導体レーザおよびその製造方法
　本発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関する。
　インターネットなどにおける通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。この要求に対し、コヒーレント光通信技術およびデジタル信号処理技術を利用したデジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、１００Ｇシステムが実用化されている。このような通信システムでは、送信用および受信用局発光源として、単一モードの半導体レーザが必要とされる。
　単一モード化のための光共振器の代表的な構造として、λ/４位相シフトを有する回折格子が用いられてきた。この構造では、共振器内に設けられる回折格子の一部に形成された位相シフタにより位相反転させ、ブラッグ波長における単一モード発振を可能とする。このレーザは、λ/４シフトＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザと呼ばれ、すでに実用化されている。また、伝送距離の長延化および伝送容量の拡大に向けては、ＤＦＢレーザの高光出力化および狭線幅化が求められる。
　ＤＦＢレーザの高光出力化および狭線幅化のためには、ＤＦＢレーザの長尺化が有効である。しかしながら、ＤＦＢレーザの長尺化は、次の２つの問題により制限される。
　第１に、ＤＦＢレーザを長尺化すると、空間的ホールバーニングの影響により発振モードが不安定になるという問題がある。ＤＦＢレーザを長尺化すると、位相シフト領域に光が強く局在する。この強い光の局在領域では、キャリアが多く消費されることからキャリア密度が低下する。このように、レーザ内の光強度分布により、共振器内にキャリア分布が発生する現象を空間ホールバーニングと呼ぶ。キャリア密度の変化は、屈折率の変化をもたらす。これにより、共振器内部で屈折率に分布が発生する。屈折率の分布は、光共振器の反射率の低下やモード選択性の低下につながり、レーザの発振モードが不安定になる。
　第２に、ＤＦＢレーザを長尺化すると、共振器としての反射率が増加し、共振器内部での損失の影響を受けやすくなり、外部量子効率が低下するという問題がある。この問題により、結果として、高光出力化が制限される。
　これら問題の解決策として、ＤＦＢレーザの長尺化に伴い回折格子の結合係数を低下させることが有効である。すなわち、回折格子の結合係数を低下させることで、ＤＦＢレーザを長尺化させつつ共振器としての反射率を一定に保ち、上記問題が回避できる。
　一般に、回折格子は、半導体レーザを構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層の一部に、周期的な凹凸を形成することでなされる（非特許文献１参照）。この凹凸の変化が小さければ、回折格子の結合係数は低下する。
　しかしながら、回折格子の形成においては、極めて微細な加工が必要であり、凹凸の変化を小さくすることには限界がある。すなわち、結合係数の低減には限界があり、それに伴いＤＦＢレーザの長尺化には限界がある。例えば、結合係数を２０ｃｍ-1にするための回折格子における凹凸の変化は、５ｎｍ以下と極めて小さく、製造上難しいことは明らかである。
　上述したように、ＤＦＢレーザの高光出力および狭線幅化に向けては、ＤＦＢレーザの長尺化が有効であるが、従来の技術では、ＤＦＢレーザの長尺化が、容易に実施できないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＤＦＢレーザの長尺化が容易に実施できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、活性層を挾んで活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、活性層の上に形成された第２クラッド層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層に接続するｐ電極およびｎ電極とを備え、共振器内に回折格子を備える半導体レーザであって、回折格子は、共振器の第１クラッド層の側または第２クラッド層の側に形成され、かつ、共振器のコアと第１クラッド層または第２クラッド層との境界領域より離れて形成されている。
　また、本発明に係る半導体レーザの製造方法は、上述した半導体レーザの製造方法であって、回折格子と共振器との間の層の厚さを制御することで、回折格子と共振器との間隔を制御する。
　以上説明したように、本発明によれば、回折格子を、共振器のコアと第１クラッド層または第２クラッド層との境界領域より離して形成したので、ＤＦＢレーザの長尺化が容易に実施できるようになる。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。 図２Ａは、従来のＤＦＢレーザの構成を示す断面図である。 図２Ｂは、従来のＤＦＢレーザの構成を示す断面図である。 図３Ａは、図２Ａを用いて説明した従来のＤＦＢレーザにおける回折格子の結合係数の計算結果を示す特性図である。 図３Ｂは、図２Ｂを用いて説明した従来のＤＦＢレーザにおける回折格子の結合係数の計算結果を示す特性図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザにおける回折格子の結合係数の計算結果を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図４Ｄは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図４Ｅは、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図５Ａは、光結合層を有する構造において、光結合層の上面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の回折格子の結合係数の計算結果を示す特性図である。 図５Ｂは、光結合層を有する構造において、光結合層の側面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の回折格子の結合係数の計算結果を示す特性図である。 図５Ｃは、光結合層１１１を有する構造における回折格子１１０ｄの結合係数の計算結果を示す特性図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する途中工程の半導体レーザの状態を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する途中工程の半導体レーザの状態を示す断面図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する途中工程の半導体レーザの状態を示す断面図である。 図６Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する途中工程の半導体レーザの状態を示す断面図である。 図６Ｅは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する途中工程の半導体レーザの状態を示す断面図である。 図６Ｆは、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明する途中工程の半導体レーザの状態を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図１を参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層１０３を備え、共振器内に回折格子１１０を備えるＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザである。
　この半導体レーザは、まず、基板１０１の上に第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２の上に、活性層１０３を備える。基板１０１は、例えば、Ｓｉから構成され、第１クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、活性層１０３を挾んで活性層１０３に接して形成されたｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５を備える。また、活性層１０３の上に形成された第２クラッド層１０６と、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５に接続するｐ電極１０７およびｎ電極１０８とを備える。
　この例では、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５は、例えば、ＩｎＰからなる半導体層１２１に不純物を導入することで形成されている。また、ｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０５との間において、活性層１０３は、半導体層１２１に埋め込まれて形成されている。
　上述した構成に加え、実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子１１０が、共振器の第１クラッド層１０２の側または第２クラッド層１０６の側に形成され、かつ、共振器のコアと第１クラッド層１０２または第２クラッド層１０６との境界領域より離れて形成されている。実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子１１０が、厚さ方向（積層方向）に、第１クラッド層１０２または第２クラッド層１０６の中に配置される。この例では、回折格子１１０が、共振器の第２クラッド層１０６の側に形成され、かつ共振器のコアとなる活性層１０３と第１クラッド層１０２との境界領域より離れて形成されている。境界領域とは、例えば、第２クラッド層１０６と活性層１０３との間の領域である。
　ここで、従来の横方向電流注入型のＤＦＢレーザについて、図２Ａを参照して説明する。従来のＤＦＢレーザは、図１を用いて説明した半導体レーザとほぼ同様の構成を備える、横方向電流注入型のＤＦＢレーザである（非特許文献１参照）。従来のＤＦＢレーザは、共振器内の回折格子３１０が、活性層１０３と第２クラッド層１０６との境界領域に形成されている。図２Ａに示す例では、回折格子３１０は、半導体層１２１と第２クラッド層１０６との界面に形成されている。回折格子３１０は、活性層１０３の上部において、半導体層１２１に形成された、導波方向に配列される周期的な溝より構成されている。また、図２Ｂに示すように、半導体層１２１の上に接して形成したＳｉＮの層に形成された周期的な溝より、回折格子３１０ａとする構成もある。
　次に、上述した各半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）における、各々の回折格子の結合係数について、計算した結果を図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃに示す。図３Ａは、図２Ａを用いて説明した従来のＤＦＢレーザにおける計算結果である。図３Ｂは、図２Ｂを用いて説明した従来のＤＦＢレーザにおける計算結果である。図３Ｃは、図１を用いて説明した実施の形態に係る半導体レーザにおける計算結果である。
　例えば、図３Ａに示すように、半導体層１２１に溝を形成して回折格子３１０とする場合、回折格子３１０の溝の深さ（depth）が、僅か１０ｎｍであっても結合係数（kappa）は３６０ｃｍ-1と大きな値となる。この場合、安定的な単一モードを実現するためには、ＤＦＢ長としては５０μｍ程度となり、高光出力および狭線幅は実現できない。
　また、図３Ｂに示すように、半導体層１２１の上に接して形成したＳｉＮの層に回折格子３１０ａを形成する図２Ｂの場合、図２Ａの構成に比較して低い結合係数が実現できる。この構成では、窒化シリコンの層の厚さが、回折格子３１０ａの溝深さとなるが、例えば回折格子３１０ａの溝の深さ（thickness）が１０ｎｍのとき、結合係数は７５ｃｍ-1となる。しかしながらこの場合においても、安定的な単一モードを実現するためには、ＤＦＢ長としては２４０μｍ程度が限度となり、同様に高光出力および狭線幅は望めない。
　これらに対し、実施の形態によれば、図３Ｃに示すように、より小さな結合係数を実現することができる。図３Ｃでは、横軸に、活性層１０３と回折格子１１０との空間的な間隔（gap）を取っている。図３Ｃに示すように、活性層１０３と回折格子１１０との間隔を大きくすることで、結合係数は０ｃｍ-1に近づきながら減少することが分かる。
　従って、任意のＤＦＢ長を決め、決定したＤＦＢ長に合わせて最適な間隔を設定することで、回折格子１１０の反射率を上げすぎることなく、高光出力および狭線幅レーザが実現できる。例えば、間隔を３００ｎｍとすると結合係数は１ｃｍ-1となるため、ＤＦＢ長としては１０ｍｍとすることが可能となる。この長さでは、従来よりも遥かに高光出力および狭線幅化が望める。
　次に、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザについて、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，図４Ｄ，図４Ｅを参照して説明する。
　例えば、図４Ａに示すように、活性層１０３と光結合可能な状態で第１クラッド層１０２に埋め込まれて、活性層１０３に沿って延在するコア形状に形成された光結合層１１１をさらに備えることができる。この例では、回折格子１１０は、光結合層１１１が形成されていない側の第２クラッド層１０６に埋め込まれて形成されている。
　また例えば、図４Ｂに示すように、回折格子１１０ａは、光結合層１１１が形成される側の第１クラッド層１０２に埋め込まれて形成したものとすることができる。この例では、回折格子１１０ａは、活性層１０３と光結合層１１１との間に形成されている。この場合、光結合層１１１および活性層１０３の両者（共振器）とクラッド層との境界領域より離れた箇所に、回折格子１１０ａを配置する。光結合層１１１とクラッド層との境界領域は、光結合層１１１とクラッド層との界面となる。
　また例えば、図４Ｃに示すように、回折格子１１０ｂは、光結合層１１１が形成される側の第２クラッド層１０６に埋め込まれて形成したものとすることができる。この例においても、回折格子１１０ｂは、活性層１０３と光結合層１１１との間に形成されている。
　また例えば、図４Ｄに示すように、回折格子１１０ｃは、光結合層１１１が形成される側の第１クラッド層１０２に埋め込まれて形成し、回折格子１１０ｂは、光結合層１１１から見て、活性層１０３が形成されていない側に形成されたものとすることができる。また、図４Ｅに示すように、回折格子１１０ｄは、光結合層１１１ａが形成される側の第２クラッド層１０６に埋め込まれて形成し、回折格子１１０ｄは、光結合層１１１ａから見て、活性層１０３が形成されていない側に形成されたものとすることができる。
　また、回折格子１１０，回折格子１１０ａ，回折格子１１０ｂ，回折格子１１０ｃ，回折格子１１０ｄは、導波方向に光結合層１１１と同じ幅に形成されたものとすることができる。
　上述したように、光結合層１１１を設けることで、活性層１０３と光結合層１１１とを合わせ、導波路モードとしてスーパーモードが形成される（参考文献）。このため、光結合層１１１の幅や厚さを調整することで、活性層１０３やｐ型半導体層１０４、ｎ型半導体層１０５における光閉じ込めを自在に調整することができる。例えば、光結合層１１１の幅を広げ、光結合層１１１からなる光導波路の実効屈折率を、活性層１０３による光導波路（利得導波路）に対して相対的に高めると、光結合層１１１からなる光導波路への光閉じ込めが増大し、一方、活性層１０３やｐ型半導体層１０４、ｎ型半導体層１０５への光閉じ込めは減少する。これは、光結合層１１１を備えない半導体レーザと比較して、光の吸収損失を低減させることができ、外部量子効率の増加に有効であることが知られている（参考文献）。
　以下では、図４Ｅを用いて説明した光結合層１１１ａを有する構造において、回折格子１１０ｄによる効果を図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃを参照して説明する。以下では、光結合層１１１ａをＳｉＮから構成した場合を例に説明する。なお、図５Ａは、実施の形態に係る半導体レーザの構成ではなく、光結合層の上面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の結果である。また、図５Ｃは、実施の形態に係る半導体レーザの構成ではなく、光結合層の側面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の結果である。図５Ｃが、図４Ｅを用いて説明した光結合層１１１ａを有する構造の計算結果である。
　図５Ｃに示すように、図４Ｅを用いて説明した半導体レーザによれば、光結合層１１１ａと第２クラッド層１０６との界面（境界領域）から離れた箇所に、回折格子１１０ｄを配置しているので、境界領域と回折格子１１０ｄとの間隔を大きくすることで、比較的低い結合係数が実現できることが分かる。すなわち、スーパーモード導波路を形成するＤＦＢレーザにおいても前述と同じ効果が得られる。
　次に、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について、図６Ａ～図６Ｆを参照して説明する。以下では、図４Ｅを用いて説明した半導体レーザを例に、製造方法を説明する。
　まず、図６Ａに示すように、Ｓｉからなる基板１０１の上に、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる第１クラッド層１０２を形成する。例えば、Ｓｉからなる基板１０１の表面を熱酸化することで、第１クラッド層１０２を形成することができる。次に、図６Ｂに示すように、第１クラッド層１０２の上に、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族半導体などにより、半導体層１２１に埋め込まれた状態の活性層１０３、ｐ型半導体層１０４、およびｎ型半導体層１０５を形成する（参考文献）。活性層１０３は、例えば、多重量子井戸構造とすることができる。
　次に、図６Ｃに示すように、半導体層１２１の上に、第１誘電体層１３１、光結合層形成層１３２、第２誘電体層１３３，および回折格子形成層１３４を順次に形成する。例えば、第１誘電体層１３１および第２誘電体層１３３はＳｉＯ2から構成することができるまた、光結合層形成層１３２および回折格子形成層１３４は、ＳｉＮから構成することができる。
　これらの層の形成において、半導体層１２１や活性層１０３などのすでに形成されているＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の層を破壊しないように、５００℃以下の低温条件で成膜などを実施する。例えば、上述した成膜方法として、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。また、成膜における原料ガスは、重水素シランを用いることができる。これにより、通信波長帯における光吸収を抑制したＳｉＮの層を形成することができる。
　なお、第１誘電体層１３１、光結合層形成層１３２、第２誘電体層１３３，および回折格子形成層１３４のいずれかは、厚さが１００ｎｍ以下であれば、スパッタ法によって形成することができる。
　次に、公知のリソグラフィー技術により、回折格子形成層１３４の上に、回折格子形成用のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いたドライエッチングにより回折格子形成層１３４をエッチング処理することで、図６Ｄに示すように、第２誘電体層１３３の上に、回折格子層１３５を形成する。
　上述したエッチング処理では、第２誘電体層１３３の厚さ方向に、上面から一部もオーバーエッチングされる場合がある。ただし、後述するように、回折格子層１３５は、第２誘電体層１３３と同じ材料の層で埋め込まれるため、上述したオーバーエッチングの問題は回避される。従来の構成では、オーバーエッチングは生じれば、回折格子の溝深さが、設計値より大きくなり、形成される回折格子が、設計よりも大きな結合係数となり、低い結合係数の回折格子形成が困難となる。また、従来の構成では、浅い溝深さを形成しようとすると、エッチング時間を短くすることになるが、このような短時間の時間制御は困難である。これに対し、上述した実施の形態によれば、回折格子の溝の深さは、回折格子形成層の厚さにより決定され、オーバーエッチングにより、溝深さが変化するという問題が回避できることが特徴である。
　次に、回折格子層１３５、第２誘電体層１３３、光結合層形成層１３２、および厚さ方向に一部の第１誘電体層１３１をパターニングすることで、図６Ｅに示すように、回折格子１１０ｄおよび光結合層１１１ａを形成し、これらの間に第２誘電体層１３３ａが挾まれたメサを形成する。例えば、回折格子層１３５の上にリソグラフィーによってメサ形状のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて上述した各層を一括でドライエッチングして加工することで、図６Ｅに示す状態にすることができる。
　次に、回折格子１１０ｄおよび光結合層１１１ａによるメサ部分を埋め込むように、第１誘電体層１３１および第２誘電体層１３３と同じ誘電体材料を堆積することで、図６Ｆに示すように、第２クラッド層１０６を形成する。堆積した誘電体材料の層と、第２誘電体層１３３ａおよび第１誘電体層１３１ａが一体となって、第２クラッド層１０６となる。この後、各電極を形成することで、図４Ｅに示す半導体レーザが得られる。
　厚さ方向に光結合層１１１ａと回折格子１１０ｄとの間隔や、回折格子１１０ｄの溝深さは、第２誘電体層１３３や回折格子形成層１３４の厚さにより決定（制御）できる。この例において、第２誘電体層１３３が、回折格子１１０ｄと共振器との間の層となり、この厚さを制御することで、回折格子１１０ｄと共振器との間隔を制御することができる。従って、溝の深さをエッチング量やエッチング時間で決定する従来構造と比較して、実施の形態によれば、高精度かつ低い結合係数の回折格子による半導体レーザを作製することができる。
　また、第２誘電体層１３３や回折格子形成層１３４の厚さに加え、第１誘電体層１３１、光結合層形成層１３２、第２誘電体層１３３，および回折格子形成層１３４の屈折率を制御することでも、回折格子の結合係数を制御することができる。例えば、各層の形成（堆積）において、窒素および酸素を含む原料ガスの流量によって屈折率を制御することができ、結合係数の制御の自由度を上げられる。
　以上に説明したように、本発明によれば、回折格子を、共振器のコアと第１クラッド層または第２クラッド層との境界領域より離して形成し、第１クラッド層または第２クラッド層の中に配置されるようにしたので、回折格子の結合係数を、より容易に低くすることが可能となり、ＤＦＢレーザの長尺化が容易に実施できるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
［参考文献］T. Aihara et al., "Membrane buried-heterostructure DFB laser with an optically coupled III-V/Si waveguide", Optics Express, vol. 27, no. 25, pp. 36438-36448, 2019.
　１０１…基板、１０２…第１クラッド層、１０３…活性層、１０４…ｐ型半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…第２クラッド層、１０７…ｐ電極、１０８…ｎ電極、１１０…回折格子、１２１…半導体層。

Claims (8)

  1. 　基板の上に形成された第１クラッド層と、
    　前記第１クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、
    　前記活性層を挾んで前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
    　前記活性層の上に形成された第２クラッド層と、
    　前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に接続するｐ電極およびｎ電極と
    　を備え、
    　共振器内に回折格子を備える半導体レーザであって、
    　前記回折格子は、前記共振器の前記第１クラッド層の側または前記第２クラッド層の側に形成され、かつ、前記共振器のコアと前記第１クラッド層または前記第２クラッド層との境界領域より離れて形成されている
    　ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 　請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    　前記活性層と光結合可能な状態で前記第１クラッド層または前記第２クラッド層に埋め込まれて、前記活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層をさらに備えることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 　請求項２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記回折格子は、前記光結合層が形成されていない側の前記第１クラッド層または前記第２クラッド層に埋め込まれて形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  4. 　請求項２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記回折格子は、前記光結合層が形成される側の前記第１クラッド層または前記第２クラッド層に埋め込まれて形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  5. 　請求項４記載の半導体レーザにおいて、
    　前記回折格子は、前記活性層と前記光結合層との間に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  6. 　請求項４記載の半導体レーザにおいて、
    　前記回折格子は、前記光結合層の前記活性層が形成されていない側に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  7. 　請求項２～６のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
    　前記回折格子は、導波方向に前記光結合層と同じ幅に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項の半導体レーザの製造方法であって、
    　前記回折格子と前記共振器との間の層の厚さを制御することで、前記回折格子と前記共振器との間隔を制御することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
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