(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記誘導放出光の波長は、１μｍよりも短く、
前記周期構造は、前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収層を有してなり、
前記周期構造における実効的なデューティＤ（ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をＤとする）は、０．４以上０．８以下である
ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記周期的吸収層の実効的なデューティＤ（ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をＤ（０≦Ｄ≦１）とする）が、０．５である
ことを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記周期的吸収層の厚さが、６ｎｍ以上３０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記利得結合分布帰還半導体レーザが、ＧａＡｓ基板の上に形成されてなるものである
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記周期的吸収層が一次の次数を有する回折格子で形成され、その断面形状が略矩形である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅が、前記活性層の実効的な禁制帯幅より小さく、
かつ、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅と前記活性層の実効的な禁制帯幅との差が０．１２６ｅＶ以上である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記活性層がバルク状ＡｌxＧａ1-XＡｓで形成され、前記周期的光吸収層がバルク状ＡｌyＧａ1-yＡｓで形成されるとき、ｘ−ｙ≧０．１である
ことを特徴とする請求項６に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、単一縦モードで発振する短波長の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置（以下、「利得結合ＤＦＢ−ＬＤ」と略す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、優れた単一縦モード発振が得られること、戻り光により雑音が生じにくいことといった特徴を有している。特に、概１μｍよりも短い波長を持つ、いわゆる「短波長」の利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、光計測装置、高速光伝送装置、光記録装置の光源として重要である。
【０００３】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、誘導放出光を発生する活性層がその誘導放出光に対して吸収を持たないクラッド層に挟まれたダブルヘテロ接合構造を有しており、活性層近傍に回折格子を備えており、活性層が発生する誘導放出光の利得が回折格子によって周期的に変化することによって光の分布帰還が生じてレーザ発振が生じる機構（これを「利得結合」と呼ぶ）を有している。
【０００４】
回折格子によって誘導放出光の利得を周期的に変化させる方法としては、活性層の利得そのものを周期的に摂動させる方法（利得性回折格子）と、活性層近傍に光吸収層を周期的に形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造（吸収性回折格子）とが実現されている。後者に関しては、特公平６−７６２４に基本となる構造が示されており、活発に研究されている。
【０００５】
当初、吸収性回折格子を有する利得結合ＤＦＢ−ＬＤに関しては、利得の周期的摂動を生じさせるのに不可欠となる周期的な光吸収層の導入の為に、誘導放出光そのものが吸収によって損失し、レーザ発振に必要な電流が通常よりも余分に必要となる問題点を有していた。つまり、単一縦モード発振特性を向上させる為に周期的な光吸収層を過剰に導入しすぎると、その周期的な光吸収層による損失の為にレーザ発振の効率が悪くなるという相反する事象を含んでいたのである。しかしながらこの問題に対しては、デューティの小さな吸収性回折格子を導入することによって、単一縦モード発振特性を向上させることとレーザ光の損失を小さく抑えることとを両立させることができるという概念がＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．３，  ＮＯ．５（１９９１），Ｐ．４３９（以下、文献１）によって初めて指摘された。なお、ここでの「デューティ」とは、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合（体積比）のことを示す。特に断面が矩形の場合には、Λを回折格子の一周期の長さ、Ｗを一周期における光吸収層の幅であるとすると、Ｄ＝Ｗ／Λ（０≦Ｄ≦１）で与えられる値のことである。この文献１での指摘以降、短波長領域における吸収性回折格子を有する利得結合ＤＦＢ−ＬＤでは、デューティの小さな吸収性回折格子が用いられている。
【０００６】
図８は活性層近傍に周期的な光吸収層を形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造とした、従来の短波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である（ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ４，ＮＯ．７，１９９２，Ｐ．６９２より）。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板８０１上にｎ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層８０２を１．０μｍ、ｕｎ−ＧａＡｓ活性層８０３を０．０９μｍ、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓキャリアバリア層８０４を０．１μｍ、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ第１ガイド層８０５を０．１μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層８０６を５０ｎｍ、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により連続的に結晶成長した後、二光束干渉露光法並びにウエットエッチング法により回折格子８０７を形成し、その上にｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第２ガイド層８０８を０．１μｍ、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層８０９を１．０μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８１０を０．５μｍの結晶成長を行い、素子を作製している。発振波長は８８０ｎｍであり、回折格子の次数は３次となっている。
【０００７】
また、この例では、図中のＤ＝Ｗ／Λで定義される断面が矩形の回折格子のデューティは０．１５〜０．２０の範囲の小さな値で作製されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来例に見られるように、周期的吸収層を有する短波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤに於ては、単一縦モード発振特性を向上させることとレーザ光の損失を小さく抑えることとを両立させる為に、回折格子のデューティを０．１〜０．２程度の小さな値に高精度に制御されてきた。しかしながら、二光束干渉露光法（２つのレーザ光線の干渉縞をホトレジストに転写することによって半導体基板上に回折格子のパターンを得る方法）で回折格子のデューティを小さな値に高精度に制御することは容易ではなかった。その結果、回折格子の作製時の再現性が悪い為に素子の作製歩留まりが低下し、素子特性の再現性にも大きな問題があった。一般に上記の方法で作製される回折格子のデューティとして最も作製しやすい値は０．５であるにもかかわらず、０．１〜０．２といった作製しにくい値を制御して作製することには原理的に大きな困難さを含んでいる。回折格子のデューティを制御しやすく、かつ単一縦モード特性の向上とレーザ光の損失を小さく抑さえることとを両立することができる構造を実現することが課題となる。
【０００９】
また、従来の周期的吸収層を有する利得結合ＤＦＢ−ＬＤに於ては、光吸収層として活性層に比較的近い禁制帯幅を有する半導体層が用いられてきた。この場合には、誘導放出光が周期的吸収層で吸収されるときの吸収の程度を示す「吸収係数」が吸収層内の不純物添加量・不純物の種類・吸収層内の光密度・混晶活性層の組成ばらつきによる誘導放出光の波長（つまり「光エネルギー」）のばらつきに強く影響され、素子の特性にばらつきが生じるほか、素子をレーザ発振させた時にその出力によって光吸収層の吸収係数が大きく変化する（多くの場合減少する）ことによって単一縦モード特性が変動する（多くの場合低下する）問題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る分布帰還型半導体レーザ装置は、活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、前記誘導放出光の波長が１μｍよりも短く、前記周期構造が、前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収層を有してなり、前記周期構造における実効的なデューティＤ（ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をＤとする）が０．４以上０．８以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る分布帰還型半導体レーザ装置は、
前記周期的吸収層の実効的なデューティＤ（ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をＤ（０≦Ｄ≦１）とする）が略０．５であることを特徴とするものである。
【００１２】
前記周期的吸収層の厚さは、６ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
前記利得結合分布帰還半導体レーザは、ＧａＡｓ基板の上に形成することができる。
【００１４】
前記周期的吸収層は、一次の次数を有する回折格子で形成され、その断面形状が略矩形であることが好ましい。
前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅が、前記活性層の実効的な禁制帯幅より小さく、かつ、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅と前記活性層の実効的な禁制帯幅との差が０．１２６ｅＶ以上であることが好ましい。
前記活性層がバルク状ＡｌxＧａ1-XＡｓで形成され、前記周期的光吸収層がバルク状ＡｌyＧａ1-yＡｓで形成されるとき、ｘ−ｙ≧０．１であることが好ましい。
【００１５】
【作用】
本発明においては、前記誘導放出光の波長が１μｍよりも短く、前記周期構造が、前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収層を有してなるものとし、このとき、前記周期的吸収層の実効的なデューティＤが０．４以上０．８以下とし、かつ前記周期的吸収層の厚さが６ｎｍ以上３０ｎｍ以下とである構成とすることにより、単一軸モード発振特性の向上とレーザ光の損失をより小さく抑えることとの両方が達成される。
【００１６】
更に、上記本発明において、前記周期的吸収層の実効的なデューティＤが略０．５である構成とすることにより、単一軸モード発振特性の向上とレーザ光の損失をより小さく抑えることとの両方がより最適に達成できる。
【００１７】
更に、上記本発明において、前記周期的吸収層が、一次の次数を有する回折格子で形成され、その断面形状が略矩形である構成とすることにより、実効的なデューティがほぼ０．５である一次の回折格子のなかで、最も利得結合を強く生ぜしめることが可能になる。
【００１８】
更に、上記本発明において、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅が、前記活性層の実効的な禁制帯幅より小さく、かつ、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅と前記活性層の実効的な禁制帯幅との差が０．１２６ｅＶ以上である構成とすることにより、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が、その周期的光吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存することがなくなる。
【００１９】
更に、上記本発明において、前記活性層がバルク状ＡｌxＧａ1-xＡｓで形成され、前記周期的光吸収層がバルク状ＡｌyＧａ1-yＡｓで形成されるとき、ｘ−ｙ≧０．１である構成とすることにより、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が、その周期的光吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存することがなくなると同時に、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０≦Ｚ≦１）半導体の積層時に重要な因子となる格子定数を一定に保ったまま、任意の禁制帯幅を選択することが可能になる。
【００２０】
図９に、二光束干渉露光法の概念図を示す。図９（ａ）に見られるように、９０４と９０５で示される２つのレーザ光線を、半導体基板９０１上に形成されたホトレジスト９０２の上に照射すると、９０３で示されるような正弦波状の光強度分布を有する周期的な干渉縞が生る。この縞模様をホトレジストに露光することで半導体基板９０１上に周期的な縞模様を有する回折格子のパターンを転写することができる。干渉縞を用いて、例えばポジ型のホトレジストを露光する場合、従来の小さなデューティの回折格子を作製する場合には、図９（ｂ）中でＩBで示されている光強度を閾値露光量として露光することよって小さなデューティを持つ回折格子のパターンを得ることになり、他方、デューティ０．５の回折格子のパターンを得るためにはＩAを閾値露光量として露光することになる。ここで問題となることは、現実にはレジストの感度の日毎の変化やプロセス上のばらつき等により閾値露光量は常に一定値とは限らないことであり、ＩA，ＩBといった閾値露光量はその値を中心として±Δの範囲で変動することになる。ＩAの様に正弦波状の光分布の中心の露光量を閾値露光量とした場合、この部分が最もコントラストが高くとれる閾値露光量であるとともに、ＩAが±Δの範囲で変動した時のレジスト幅の変動の割合が最も小さくなる閾値露光量であるために最も制御が容易となる。他方、ＩBの様に正弦波の谷底付近が閾値露光量の場合、ＩBが±Δの範囲で変動したときのレジストパターンの変動量は最も大きくなり、また、ＩBが図９（ｂ）における「下方向（つまり、ＩB−Δ）」に変動した場合にはレジストが完全に消失してしまうという最悪の状態となる危険性を含んでいる為に制御が大変難しい。
【００２１】
本発明においては、周期的吸収層をなす回折格子の実効的なデューティは０．５に制御されていることが好ましい。というのも、回折格子のデューティは０．５が最も作成し易く、尚且つ利得結合が強く生じる値であるからである。また、この周期的吸収層の実効的なデューティは０．４以上０．８以下の程度の範囲でばらついていても、素子間やロット間の実効的なデューティの中心値または平均値が略０．５であれば実質的に０．５に制御されていると考えることができる。本願発明による構成では、従来の０．１〜０．２といった小さなデューティとは異なり、回折格子のデューティを０．５前後の値とすることによって、回折格子の作製が容易になっており、工業上有効である。
【００２２】
ところで、デューティ０．５の回折格子を用いた場合には、従来例の中で述べた、単一縦モード発振特性の向上とレーザ光の損失を小さく抑えることとの両立を満足させる構造に関して十分に最適化を行う必要が生じる。ここで、単一縦モード発振特性の程度を示す指標として、次式
【００２３】
【数１】
0003714984.tif 000002
【００２４】
で定義される利得結合定数κg（κgが大きい方が単一縦モード特性が良い）を導入し、また、レーザ光の損失の程度を示す指標として、次式
【００２５】
【数２】
0003714984.tif 000003
【００２６】
で定義される周期的吸収層による平均吸収損失α0（α0が小さい方がレーザ光の損失が少ない）を導入する。単一縦モード性を表すκgと損失を表すα0には、図１０に示される様な一定の関係がある。（ただし、図中では回折格子のデューティは０．５、回折格子の形状は矩形を仮定している。）回折格子の次数に関して着目すると、回折格子の次数が小さい程、単一縦モード性を表すκgを大きくしながら損失を表すα0を小さくすることができ、単一縦モード発振特性の向上とレーザ光の損失を小さく抑えることとの両立の為には一次の回折格子が最も望ましいことが分かる。式（１'），（２）より、α0は周期的吸収層の厚さｄabsと共に単調に増加することになり、図１０の横軸は周期的吸収層の厚さｄabsに読み変えることができる。つまり、ある特定のκg（つまり、ある良好な単一縦モード特性）を得る為に必要な周期的吸収層の厚さは回折格子の次数によって異なり、低次の回折格子ほど吸収層を薄くすることができ、吸収層が薄い事によって損失α0が十分に小さくなると理解される。よって、上記本発明構成である一次の回折格子と、薄い範囲の吸収層を用いることで「単一縦モード発振特性の向上」と「レーザ光の損失を小さく抑える」こととの両立が達成される効果が生じることになる。
【００２７】
この周期的吸収層の厚さに関して最適な範囲を実験的に検討したところ、６ｎｍ〜３０ｎｍの範囲の十分に薄い周期的吸収層とすることで、上記の効果が達成される事を確かめた。６ｎｍよりも薄い場合には、一次の回折格子でも十分なκgが得られなくなるために単一縦モード発振特性が悪化し、３０ｎｍよりも厚い場合には損失αoが大きくなりすぎるためにレーザ発振に必要な電流が大幅に増加することになり、不適当である。
【００２８】
【実施例】
図１は本発明の第一の実施例の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である。この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.13Ｇａ0.87Ａｓ活性層１０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１０４を０．２μｍ、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第一ガイド層１０５を０．０５８μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層１０６を１２ｎｍを、有機金属気相成長法を用いた第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層１０６上に、希釈したポジ型レジストを約５０ｎｍ塗布した後、屈折率１．５４を持つプリズムを通した二光束干渉露光によってピッチ０．１１μｍを持つレジストマスクを作製する。引き続いて塩酸／過酸化水素水／純水の混液によるウエットエッチングにより深さ０．０３μｍの矩形形状回折格子１０７を作製する。このときの回折格子のデューティは、約０．５であった。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第二ガイド層１０８を０．０３μｍ、ｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ上クラッド層１０９を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１０を０．５μｍ、第二回目のエピタキシャル成長により形成する。凹凸をもつ回折格子の上に、第二回目のエピタキシャル成長によって混晶比ｘ＝０．３以下のＡｌxＧａ1-xＡｓを最初に再成長することによって回折格子が平坦に埋め込まれ、その上に成長する上クラッド層の結晶性が向上する。
【００２９】
次に、ホトリソグラフィーを用いて幅３μｍのストライプ状のレジストマスクを形成し、ウエットエッチングを用いてｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１０とｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ上クラッド層１０９を幅３μｍのストライプ状に残して部分除去し、第二ガイド層１０８の最表面をエッチング停止層とすることで深さの制御性に優れたリッジ構造を作製することができる。リッジ形状を作製した後、表面全面にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜１１１を約０．２μｍ形成した後、リッジの頂上の絶縁膜だけを除去する。最後に基板１０１の裏面を厚さ約１００μｍにまで薄層化し、表面、裏面に電極１１２，１１３を真空蒸着により形成して、素子が完成する。
【００３０】
素子は０〜１００℃の温度範囲で単一縦モード発振が見られた。室温における閾値電流は素子長２５０μｍの時に３０ｍＡ，効率は０．３５Ｗ／Ａと、良好であった。
【００３１】
本実施例の構成に於ては、κgは２０ｃｍ-1，αoは５５ｃｍ-1であり、単一縦モード発振を生じる利得結合ＤＦＢ−ＬＤとして機能するのに十分に大きなκgと、発振閾値電流が十分に小さくなるだけの小さなαoになっていた。
【００３２】
図１に示された構造において、他の構造はそのままとし、吸収層１０６の厚さｄabsだけを種々の大きさに変化させた構造を作製し、そのκgとαoを見積もった結果を図２に示す。κgとαoは共に、ｄabsの増加と共に単調に増加する。ｄabsが６ｎｍよりも薄いもの、つまりκgが９ｃｍ-1よりも小さい素子では、単一縦モード発振を得ることができなかった為、ｄabsは少なくとも６ｎｍ以上であることが要求されことがわかった。他方、ｄabsが３０ｎｍよりも厚いもの、つまりαoが２７５ｃｍ-1を超える素子では、発振閾値電流が５００ｍＡを超えると共に、効率が０．０１Ｗ／Ａを下回る低い値に留まり、動作電力が著しく上昇して実用にならなかった為、ｄabsは３０ｎｍ以下にする必要があった。ｄabsが６ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲であれば、吸収性回折格子の厚さが非常に薄いにもかかわらず一次の回折格子であることからκgとして大きな値を確保することができ、かつ、吸収層厚が薄い為に損失αoが低く抑さえて小さな電流で動作する構造が実現されることになる。より最適な値としては、κgとして２０ｃｍ-1以上あることが望ましく、αoとしては１１０ｃｍ-1以下であることが望ましかった。このことから、ｄabsは１２ｎｍ以上２０ｎｍ以下がより好ましい範囲となる。
【００３３】
図３（ａ），（ｂ）に、図１に示された構造の素子において、二光束干渉露光法による回折格子作製時に閾値露光量がばらつき、作製された回折格子のデューティが狙いの０．５から変化した素子のκgとαoの変化の様子を示す。本実施例では回折格子のデューティは０．５であったが、たとえ回折格子のデューティが０．４〜０．８の範囲でばらついたとしても、狙いのκg（デューティ０．５で２０ｃｍ-1）の８０％以上の値が確保され、予め設計された特性をもつ利得結合ＤＦＢ−ＬＤとして機能するのに十分である。このことは、本発明では回折格子のデューティが０．５を中心とする作製が容易な値であるとともに、作られる素子側でもデューティが０．４〜０．８の範囲のばらつきが許容されて制御性に対する要求が緩くなっており、作製方法側・素子構造側の両面から再現性に優れた構造であることが示される結果となっている。なお、本実施例では光吸収層１０６の導電型が周囲の層と反転しているが、周囲の層と同じ導電型であっても上記の効果は同じである。
【００３４】
比較の為に、図１に示された構造に対し、他の構造をそのままにして、従来例に見られる３次の回折格子を適用した場合、κgを稼ぐ為に吸収層の厚さを０．０６μｍにまで厚くする必要がある。図４（ａ），（ｂ）に０．０６μｍの吸収層を有する３次の回折格子を適用した場合の回折格子のデューティとκg，αoの相関を示す。吸収層が厚いために過剰なαoの影響が大きく、最も作製しやすい回折格子のデューティ０．５ではαoが３２０ｃｍ-1にも達する為に実用にはならない。αoを抑さえるためにデューティを０．１〜０．３付近に収まる低デューティ構造にする必要がある。この場合、狙いのκg値（デューティ０．１７５で２０ｃｍ-1）の８０％以上の値を確保する為にはデューティを０．１２〜０．２５の範囲に制御する必要がある。特にデューティ０．３３付近でκgがゼロにまで落ち込む点が存在し、作製プロセスの制御性に対する要求が厳しくなり、再現性に難が生じ、素子間やロット間の回折格子のデューティのばらつきに弱い構造となってしまう。
【００３５】
一方、活性層と光吸収層との組み合わせに関しては、活性層の材料がＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ、光吸収層の材料がＧａＡｓであり、活性層と光吸収層との禁制帯幅の差が０．１６６ｅＶと大きくなっている。その為に周期的光吸収層の吸収係数が安定し、良好な単一縦モード特性が再現性良く得られた。
【００３６】
図５（ａ）にｎ型ＧａＡｓ、（ｂ）にｐ型ＧａＡｓの吸収係数の光エネルギー依存性を示す。半導体レーザの場合には添加する不純物密度は５×１０17〜２×１０18ｃｍ-3程度に制御されており、この範囲におけるＧａＡｓに関してはｎ型，ｐ型の何れの場合においても光エネルギー１．５５ｅＶ以下ではＧａＡｓの吸収係数がＧａＡｓに含まれる不純物の密度に大きく依存しており、安定した吸収係数が確保されない。さらに、光エネルギー１．５５ｅＶ以下ではＧａＡｓの吸収係数が光エネルギーに大きく依存するため、半導体の混晶からなる活性層の混晶比が素子間やロット間でばらついた場合、活性層から発生される誘導放出光のエネルギー（つまり波長）が変動し、その為に素子間やロット間で周期的吸収層の吸収係数がばらつく結果となって素子特性の再現性に問題が生じる。一方で光エネルギー１．５５ｅＶ以上の光に対してはＧａＡｓの吸収係数は不純物密度や光エネルギーに依存せずにほぼ一定値１２０００〜１５０００ｃｍ-1の大きな値が確保され、素子作製時の再現性、素子動作の安定性に優れる構造となる。ＧａＡｓの禁制帯幅は１．４２４ｅＶであることから、活性層と吸収層との禁制帯幅の差が０．１２６ｅＶ以上あれば上記の効果が期待できることになる。ＡｌＧａＡｓに限らず、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）（Ｐ，Ａｓ，Ｎ），（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｄ）（Ｓ，Ｓｅ）等を含む他の材料系に対しても、活性層と光吸収層との禁制帯幅の差が０．１２６ｅＶ以上あれば同様の効果が生じる。活性層・光吸収層のうち少なくとも一方が量子井戸構造の場合、最もエネルギーが低い量子準位間での遷移エネルギーを実効的な禁制帯幅とみなすことで上記が成り立つことから、活性層・光吸収層は量子井戸構造であっても良い。また、本実施例の様に、Ａｌ混晶比を変えることで格子定数を一定に保ちながら自由に禁制帯幅を選択することができるＡｌxＧａ1-xＡｓ系の材料では、活性層ＡｌxＧａ1-xＡｓと周期的光吸収層ＡｌyＧａ1-yＡｓとの混晶比の差ｘ−ｙが０．１以上であることが禁制帯幅の差が０．１２６ｅＶ以上となる条件となり、安定した吸収係数を有する条件に相当する。なお、本実施例では光吸収層１０６の導電型が周囲の層と反転しているが、周囲の層と同じ導電型であっても上記の効果は同じである。
【００３７】
図６は本発明の第二の実施例の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である。この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板６０１上にｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ第一下クラッド層６０２を１．０μｍ、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓガイド層６０３を０．１μｍ、有機金属気相成長法による第一回目のエピタキシャル成長により形成する。成長層の最上層であるガイド層６０３上に空気中での二光束干渉露光法とウエットエッチングにより２次の三角形状回折格子（ピッチ約０．２４μｍ）を作製する。次にこの上に図７（ａ）に示すようにフォトレジスト７０３を二次の三角形状回折格子７０２の上に形成した後、現像液に浸し、（ｂ）図に示す様にレジストの未感光部の膜減り現象を利用して回折格子のエッチング面を部分的に露出させてから、（ｃ）図に示す様に第二回目のウエットエッチングを用いて回折格子の一部分７０４をエッチングし、（ｄ）図に示す様に（ａ）図に示された回折格子の半分の周期、つまり一次の周期（ピッチ約０．１２μｍ）を持つ、深さ約３３ｎｍの回折格子７０５を得る。
【００３８】
この回折格子の上に、第二回目のエピタキシャル成長によりｎ−ＧａＡｓ光吸収層６０４を３０ｎｍ成長する。このとき光吸収層６０４は図６中に見られるように三角形状の回折格子の谷間だけに結晶成長する。この時、光吸収層による吸収性回折格子は三角形状となる。周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合（体積比）を実効的なデューティＤ（０≦Ｄ≦１）であるとすると、一般にＤは式（３）で与えられる。
【００３９】
【数３】
0003714984.tif 000004
【００４０】
本実施例での吸収性回折格子の実効的なデューティＤはほぼ０．４であった。このような考え方のもとで、吸収性回折格子のデューティは矩形以外の形状に対しても定義される。式（３）で与えられる実効的なデューティＤが実質的に０．４〜０．８に制御されていることが本発明の主旨であり、吸収性回折格子の形状には限定されない。
【００４１】
次に光吸収層６０４の上に連続的にｎ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ第二下クラッド層６０５を０．１μｍ、ｕｎ−ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる多重量子井戸活性層６０６、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上クラッド層６０７を１．５μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層６０８を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００４２】
次に、全面に電子ビーム蒸着法によって厚さ０．２μｍの酸化硅素の絶縁膜６０９を蒸着した後、ホトリソグラフィーとウエットエッチングを用いて絶縁膜を幅１０μｍのストライプ状に除去する。最後に基板６０１の裏面を厚さ約１００μｍにまで薄層化し、表面、裏面に電極６１０，６１１を真空蒸着で形成して、素子が完成する。
【００４３】
素子は０〜８０℃の温度範囲で発振波長８００ｎｍを有する単一縦モード発振が見られた。室温における閾値電流は１５０ｍＡであり、一次の吸収性回折格子を採用した効果により十分に低い閾値電流でのレーザ発振が得られた。
【００４４】
本実施例の構成に於ては、κgは４０ｃｍ-1，αoは１１０ｃｍ-1であり、単一縦モード発振を生じる利得結合ＤＦＢ−ＬＤとして機能するのに十分に大きなκgと、発振閾値電流が十分に小さくなるだけの小さなαoとなっていた。
【００４５】
一方、活性層と光吸収層との組み合わせに関しては、活性層の材料がＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの多重量子井戸、光吸収層の材料がＧａＡｓであり、活性層の最低量子準位と光吸収層との禁制帯幅の差が０．１２６ｅＶと大きくなっていた。その為に周期的光吸収層の吸収係数が安定し、良好な単一縦モード特性が再現性良く得られた。
【００４６】
なお、以上の実施例ではＡｌＧａＡｓを材料としたものだけを示したが、吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合ＤＦＢ−ＬＤであれば、その材料系は上記実施例のものに限定されるものでは無く、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）（Ｐ，Ａｓ，Ｎ）や（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｄ）（Ｓ，Ｓｅ）等を含む他の材料系に対しても本発明を適用することができることは言うまでもない。さらに、光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の形状や作製方法に限定が生じるものでは無い。
【００４７】
また、屈折率の摂動と利得（損失）の摂動との周期が等しく位相がずれている構造や、周期的光吸収層を光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の外側に配置する構造に対しても本発明を適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、良好な単一縦モード特性と十分に小さな吸収損失を得ることができ、制御性、再現性にすぐれた分布帰還型半導体レーザを提供することが可能となる。
【００４９】
請求項２の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、良好な単一縦モード特性と十分に小さな吸収損失を得ることがより最適に行えるため、再現性にすぐれた分布帰還型半導体レーザを提供することが可能となる。
【００５０】
請求項３の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、一次の回折格子の内、最も利得結合を強く生ぜしめることができ、より効率のよい分布帰還型半導体レーザを提供することが可能となる。
【００５１】
請求項４の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数がその周期的吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存せず、その結果、周期的吸収層による利得結合定数が素子間やロット間で安定し、素子特性の再現性が向上するものである。
【００５２】
請求項５の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数がその周期的吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存せず、その結果、周期的吸収層による利得結合定数が素子間やロット間で安定しすると共に、格子定数のための整合性を考えることなく、素子特性の再現性が向上するものである。
【００５３】
すなわち、本発明の利得結合ＤＦＢ−ＬＤでは、従来低デューティの回折格子が用いられてきた短波長での周期的吸収層を有する利得結合ＤＦＢ−ＬＤに於て、デューティ０．４〜０．８の一次吸収性回折格子を用い、最適に制御された薄い周期的吸収層を用いることにより、良好な単一縦モード特性と十分に小さな吸収損失を得ることができる効果をもたらせる。
【００５４】
また、デューティ０．５付近は回折格子のデューティとして最も作製しやすく、再現性・制御性に優れており、さらに、一次の回折格子の場合にはデューティが０．４〜０．８付近まで大きくばらついても素子の特性には大きな影響はない。つまり、短波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤに対して、再現性、素子間・ロット間のばらつきに強い構造をもたらせる効果を有する。
【００５５】
本発明では、周期的吸収層をもつ利得結合ＤＦＢ−ＬＤに於て、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が、その周期的吸収層内の光密度や不純物密度や不純物の種類に依存しない材料からなることから、吸収性回折格子による利得結合定数が素子間やロット間で安定し、素子特性の再現性が向上する効果をもたらせる。上記のような材料は、周期的光吸収層として活性層よりも０．１２６ｅＶ以上実効的な禁制帯幅が狭い半導体材料を用いることで実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図２】周期的吸収層の厚さと利得結合定数κg及び平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【図３】実施例１の利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおける、一次回折格子のデューティと（ａ）利得結合定数κg，（ｂ）平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【図４】実施例１の利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおける、三次回折格子のデューティと（ａ）利得結合定数κg，（ｂ）平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【図５】（ａ）ｎ型ＧａＡｓ，（ｂ）ｐ型ＧａＡｓの吸収係数の光エネルギー依存性を示す図である。
【図６】実施例２の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図７】実施例２の利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおける一次回折格子を作製する方法を説明する図である。
【図８】従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図９】二光束干渉露光法における回折格子の作製過程を示す図である。
【図１０】様々な次数の回折格子における利得結合定数κg及び平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【符号の説明】
１０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２  ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
１０３  ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
１０４  ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
１０５  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１ガイド層
１０６  ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
１０７  一次矩形回折格子
１０８  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２ガイド層
１０９  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
１１０  ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層
１１１  窒化硅素絶縁膜
１１２  ｐ型用電極
１１３  ｎ型用電極
６０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
６０２  ｎ−ＡｌＧａＡｓ第一下クラッド層
６０３  ｎ−ＡｌＧａＡｓガイド層
６０４  ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
６０５  ｎ−ＡｌＧａＡｓ第二下クラッド層
６０６  ｕｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層
６０７  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
６０８  ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層
６０９  酸化硅素絶縁膜
６１０  ｐ型用電極
６１１  ｎ型用電極
７０１  基板
７０２  ２次回折格子
７０３  レジスト
７０４  ２次回折格子の一部を再エッチングした部分
７０５  一次回折格子
８０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
８０２  ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
８０３  ｕｎ−ＧａＡｓ活性層
８０４  ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
８０５  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１ガイド層
８０６  ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
８０７  三次回折格子
８０８  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２ガイド層
８０９  ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
８１０  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
９０１  半導体基板
９０２  ホトレジスト
９０３  レーザ光線が干渉したの光強度分布
９０４，９０５  レーザ光線
【図１】
0003714984.tif 000005
【図２】
0003714984.tif 000006
【図３】
0003714984.tif 000007
【図４】
0003714984.tif 000008
【図５】
0003714984.tif 000009
【図６】
0003714984.tif 000010
【図７】
0003714984.tif 000011
【図８】
0003714984.tif 000012
【図９】
0003714984.tif 000013
【図１０】
0003714984.tif 000014