(57)【要約】【課題】回折格子と隣接したクラッド層を再成長する際に、ボイドを発生させないでクラッド層により回折格子を完全に覆うことができる分布帰還半導体レーザー装置を提供する。【解決手段】活性層と、活性層に隣接して形成されたクラッド層と、クラッド層内に、互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成された回折格子とを備え、回折格子は、半導体物質を酸化して生成された不導体により構成され、活性層に注入される電流を部分的に遮断して、活性層の利得係数の分布を変動させることを特徴とする。【選択図】  図１
2006148129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層に隣接して形成されたクラッド層と、
前記クラッド層内に、互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成された回折格子と、を備え、
前記回折格子は、半導体物質を酸化して生成された不導体により構成され、活性層に注入される電流を部分的に遮断して、前記活性層の利得係数の分布を変動させる、
ことを特徴とする半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項２】
前記不導体は、第３族元素、第５族元素、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｄ、Ｍｇの中の少なくとも一つを含んでなること
を特徴とする請求項１に記載の半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項３】
前記不導体は、Ａｌ２Ｏ３を含んでなること
を特徴とする請求項１に記載の半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項４】
前記回折格子は、前記活性層の上部または下部に形成されること
を特徴とする請求項１に記載の半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項５】
前記回折格子は、前記活性層の上部及び下部の両方に形成されること
を特徴とする請求項１に記載の半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に形成された活性層と、
前記活性層に隣接して形成されたクラッド層と、
半導体物質が酸化することにより生成され、前記クラッド層内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成されており、前記活性層に注入される電流を部分的に遮断する不導体回折格子と、
を備えることを特徴とする半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項７】
前記不導体回折格子は、前記活性層の上部または下部に形成されること
を特徴とする請求項６に記載の半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項８】
前記不導体回折格子は、前記活性層の上部及び下部の両方に形成されること
を特徴とする請求項６に記載の半導体分布帰還レーザー装置。
【請求項９】
活性層と、前記活性層に隣接して形成されるクラッド層と、前記クラッド層内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成される不導体回折格子と、を備える半導体分布帰還レーザー装置の製造方法であって、
前記クラッド層内に酸化が容易である物質を含む半導体層からなる回折格子パターンを形成する第１の過程と、
前記回折格子パターンを酸化して不導体回折格子を形成する第２の過程と、
を有することを特徴とする半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【請求項１０】
前記酸化が容易である物質は、第３族元素、第５族元素、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｄ、Ｍｇの中の少なくとも一つを含むこと
を特徴とする請求項９に記載の半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【請求項１１】
前記半導体層は、ＡｌＡｓ層とＡｌＩｎＡｓ層とが交互に複数回積層されたものであること
を特徴とする請求項９に記載の半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【請求項１２】
前記不導体回折格子は、Ａｌ２Ｏ３を含むこと
を特徴とする請求項１１に記載の半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の過程は、
前記クラッド層を所定の全体の厚さにおける一部の厚さに成長させる過程と、
前記クラッド層上に、酸化が容易である物質を含む半導体層を形成した後、所定の回折格子と同一のパターンを有するように半導体層をパターニングする過程と、
前記回折格子パターンを完全に覆うように前記所定の全体の厚さに前記クラッド層を再成長させる過程と、
を有することを特徴とする請求項９に記載の半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２の過程は、
前記回折格子パターンが露出するように、前記クラッド層と、回折格子パターンと、活性層と、半導体基板と、をメサ構造にエッチングする過程と、
前記回折格子パターンを酸化させて不導体に変化させる過程と、
を有することを特徴とする請求項９に記載の半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【請求項１５】
半導体基板上に活性層を形成する過程と、
前記活性層上に前記基板と異なる導電型のクラッド層を形成する過程と、
前記クラッド層上に酸化が容易である物質を含む半導体層を形成する過程と、
前記半導体層をエッチングして所定の周期の回折格子パターンを形成する過程と、
前記回折格子パターンを完全に覆うように前記基板と異なる導電型のクラッド層を形成する過程と、
前記回折格子パターンが露出するように、前記クラッド層と、前記回折格子パターンと、前記活性層と、前記半導体基板と、をメサ構造にエッチングする過程と、
前記回折格子パターンを酸化して不導体に変化させる過程と、
前記メサ構造の側壁に電流遮断層を形成する過程と、
を有することを特徴とする半導体分布帰還レーザー装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布帰還型半導体レーザー装置に関し、特に、単一モード(ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ)で発振する単一モード分布帰還型半導体レーザー装置(ＤＦＢ ｌａｓｅｒ)及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用光源として分布帰還型半導体レーザー装置が広く使われている。分布帰還型半導体レーザー装置は、レーザー光が発生する活性層上に回折格子を設置し、その波長選択性により単一モードでの動作を実現でき、特に、長距離高速通信に広く使われている。分布帰還半導体レーザー装置を実現する方法には、レーザー装置の共振長さ内で回折格子を使用してインデックス(ｉｎｄｅｘ)の差を周期的に検知する方法と、利得(ｇａｉｎ)を周期的に得る方法とがある。上述した方法により得られる装置を、各々、インデックス結合型ＤＦＢ(ｉｎｄｅｘ ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ)レーザー装置、及び、利得結合型ＤＦＢ(ｇａｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ)レーザー装置という。利得結合型ＤＦＢレーザー装置は、大部分の場合、同時にインデックスも周期的に変わるので、複合結合型ＤＦＢレーザー装置(ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒ)とも呼ばれる。
【０００３】
インデックス結合型ＤＦＢレーザー装置の場合は、回折格子でインデックスの差を周期的に検知して、できるだけ発振モードの数を減らすことにより、単一波長の発振を発生する。一般に、インデックス結合型ＤＦＢレーザー装置は、発光面の回折格子が任意に切断され、単一波長の発振が３０％以内に制限されるという短所がある。
【０００４】
一方で、複合結合型ＤＦＢレーザー装置の場合は、活性層での利得自体を、共振長さ内で位置的且つ周期的に検知するので、発光面での回折格子が不規則に切断されることによる影響が多少減少する。また、発振モードの線幅増大係数(ｌｉｎｅ ｗｉｄｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ)が少ないので、伝送特性が一層優秀である。
【０００５】
従来、複合結合型ＤＦＢレーザー装置を実現するための方法としては、活性層を周期的にエッチング(ｅｔｃｈｉｎｇ)して、活性層が有する利得を周期的に調節する方法が、特許文献１に開示されている。しかしながら、この方法は、次のような短所を有している。１．活性層のエッチングの程度が利得差に大きな影響を及ぼすので、エッチング深さを正確に制御しなければならないが、一般の量子井戸(ＭＱＷ)では各層の厚さが１００Å以下であるので、エッチング深さの制御が難しい。２．活性層を直接エッチングするので、エッチング処理の間に活性層が損傷して、内部損失が大きくなる。３．周期的にエッチングされた活性層上に再成長するときに、再成長温度により活性層が崩れて精密な回折格子を維持しにくい。
【０００６】
このように活性層を周期的にエッチングして複合結合型ＤＦＢレーザー装置を実現する方法の問題点を解決するための方法としては、活性層上に電流を遮断することができる回折格子を形成して、電流注入に部分的な差が発生するようにし、利得の部分的な差を得る方法がある。しかしながら、このような方法は、一般に、ｐ型のクラッド層内にｎ型の回折格子を形成するが、このとき、各層のドーピング(ｄｏｐｉｎｇ)の程度によって、空乏(ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ)の程度が異なるので、電流遮断特性が変わる。したがって、バイアスをたくさんかけた場合には、電流が遮断されず、全体としての利得の差が消滅することがある。
【特許文献１】特開平１１−１５０３３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、活性層への電流の流入に空間的な差が発生するようにして、利得係数の分布が変動する不導体回折格子を含む分布帰還半導体レーザー装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、製造工程が容易である不導体回折格子を含む分布帰還半導体レーザー装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明による半導体分布帰還レーザー装置は、活性層と、活性層に隣接して形成されるクラッド層と、クラッド層内に、互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成される回折格子とを有し、回折格子は、活性層に注入される電流を部分的に遮断して利得係数の分布が変動するように不導体で構成され、不導体は、半導体物質が酸化したものであることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、回折格子は、第３族元素、第５族元素、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｄ、Ｍｇの中で少なくともいずれの一つを含み、特に、Ａｌ２Ｏ３を含む。
【００１１】
好ましくは、回折格子は、活性層の上部または下部に形成されるか、活性層の上部及び下部の両方に形成される。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明による半導体分布帰還レーザー装置は、基板と、基板上に形成された活性層と、活性層に隣接して形成されたクラッド層と、半導体物質が酸化することにより生成され、クラッド層内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成されており、活性層に注入される電流を部分的に遮断する不導体回折格子とを備える。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明による半導体分布帰還レーザー装置の製造方法は、活性層と、活性層に隣接して形成されるクラッド層と、クラッド層内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成される不導体回折格子と、を有する半導体分布帰還レーザー装置の製造方法であって、クラッド層内に酸化が容易である物質を含む半導体層からなる回折格子パターンを形成する第１の過程と、回折格子パターンを酸化させて不導体回折格子を形成する第２の過程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、第１の過程は、クラッド層を所定の全体厚さの中の一部の厚さに成長させる過程と、クラッド層上に酸化が容易である物質を含む半導体層を形成した後、所定の回折格子と同一のパターンを有するように半導体層をパターニングする過程と、回折格子パターンを完全に覆うように所定の全体の厚さになるようにクラッド層を再成長させる過程とを含む。
【００１５】
好ましくは、第２の過程は、回折格子パターンが露出するように、クラッド層と、回折格子パターンと、活性層と、半導体基板とをメサ構造にエッチングする過程と、回折格子パターンを酸化させて不導体に変化させる過程とを含む。
【００１６】
上記目的を達成するための本発明による半導体分布帰還レーザー装置の製造方法は、半導体基板上に活性層を形成する過程と、活性層上に前記基板と異なる導電型のクラッド層を形成する過程と、クラッド層上に酸化が容易である物質を含む半導体層を形成する過程と、半導体層をエッチングして所定の周期の回折格子パターンを形成する過程と、回折格子パターンを完全に覆うように前記基板と異なる導電型のクラッド層を形成する過程と、回折格子パターンが露出するように、クラッド層と、回折格子パターンと、活性層と、半導体基板と、をメサ構造にエッチングする過程と、回折格子パターンを酸化して不導体に変化させる過程と、メサ構造の側壁に電流遮断層を形成する過程とを有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体分布帰還レーザー装置によれば、活性層の周りに形成される回折格子を半導体物質の酸化による不導体で形成することにより、回折格子と隣接してクラッド層を再成長する際に、ボイド(ｖｏｉｄ)を発生させないでクラッド層により回折格子を完全に覆うことができる。これにより、ボイドによるストレス(stress)と乱反射を防止して長距離高速通信に使用可能な単一モードの発振を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、明瞭性と簡潔性の観点より、本発明に関連した公知の機能や構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置を示す斜視図である。
【００２０】
図１を参照すれば、本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された活性層１０２と、活性層１０２上に形成された基板１０１と異なる導電型のクラッド層１０３と、クラッド層１０３内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成された回折格子１０４と、クラッド層１０３の上部に形成された基板１０１と異なる導電型のコンタクト層１０５と、を含む。
【００２１】
基板１０１は、ｎ型の化合物半導体基板である。その上に、ｎ型の化合物半導体層が多層積層されたＭＱＷ(ｍｕｌｔｉ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ)構造の活性層１０２が形成されている。活性層１０２上には、ｐ型のクラッド層１０３が形成される。このような構造は、分布帰還型半導体レーザー装置において、一般的に適用される物質及び厚さの適用範囲を大きく脱するものではない。したがって、本実施形態の説明では、本実施形態の特徴的な構成である回折格子１０４について詳しく説明する。
【００２２】
回折格子１０４は、半導体物質を酸化させることにより生成された不導体からなる。回折格子１０４は、活性層１０２上部のクラッド層１０３内に所定の間隔で離隔して周期的に配置されて、活性層１０２への電流の流入を空間的に調節するための電流阻止層として機能する。不導体からなる回折格子１０４により、活性層１０２内に利得係数の周期的な変動が発生し、これによって、光の分布帰還が発生して、所望の単一モードの発振を得ることができる。また、回折格子を、半導体物質を酸化させた不導体により形成することにより、回折格子１０４上でのクラッド層１０３の成長が容易であり、ボイド(void)の発生なしにクラッド層１０３により回折格子１０４を完全に覆うことができる。
【００２３】
図１の分布帰還半導体レーザー装置において、コンタクト層１０５がｐ型であり、基板１０１がｎ型である場合、コンタクト層１０５と基板１０１との間に正のバイアス(ｂｉａｓ)を印加すれば、電流が活性層１０２に注入されるが、クラッド層１０３内の活性層１０２に近い領域には不導体からなる回折格子１０４が、所定程間隔を置いて周期的に配置されているので、活性層１０２に注入される電流分布に、空間的な差が発生して、利得係数が変動する。この利得係数の変動によって光の分布帰還が発生して所望の単一モードの発振を得ることができる。
【００２４】
このように構成された分布帰還半導体レーザー装置の製造方法について説明すれば、次のようである。
【００２５】
図２Ａから図２Ｆは、図１の分布帰還半導体レーザー装置１００の製造過程を示す図である。図２Ａから図２Ｃは、図１の断面Ａにおける断面図であり、図２Ｄから図２Ｆは、図１の断面Ｂにおける断面図である。
【００２６】
図２Ａに示したように、ｎ型の基板１０１上に、ｎ型の化合物半導体層が複数積層されたＭＱＷ(ｍｕｌｔｉ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ)構造の活性層１０２を成長させてから、活性層１０２上に、ｐ型のクラッド層１０３を成長させる。次に、クラッド層１０３上に、酸化が容易である物質を含む半導体層１０６として、ＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓが交互に積層した構造を成長させる。酸化が容易である物質を含む半導体層１０６は、後述する酸化工程により酸化させることにより不導体化するためのもので、酸化が容易である物質としては、元素周期律表上の第３族元素、第５族元素、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｄ、Ｍｇなどがある。
【００２７】
なお、酸化が容易である物質は、半導体層１０６の成長時に含まれるものである。半導体層１０６は、ＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓの積層構造であるが、このうち、Ａｌの比率が高いＡｌＡｓ層がメサエッチング後、酸化工程で酸化されることとなる。ＡｌＡｓ層は、Ａｌの比率が高いＡｌｘＩｎｙＡｓ(ｘ=０.９０〜０.９９、ｃｆ：ＡｌＡｓのｘ=１.０)に置き換えることができる。このような、ｘ＝０.９０〜０.９９である物質を使用することは、酸化されながら体積が膨脹して生じるストレスを減少させるためであり、酸化されないｘの比率が低いＡｌｘＩｎｙＡｓ(ｘ=〜０.９０)層との分離を防ぐためのものである。Ａｌの比率が低いＡｌｘＩｎｙＡｓ(ｘ=〜０.９０)も酸化が生じるが、Ａｌ比率が高いＡｌｘＩｎｙＡｓ(ｘ=０.９０〜１.０)に比べて酸化速度が顕著に遅れることとなる。
【００２８】
図２Ｂに示したように、ＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓが交互に積層した構造上にＥ−ビーム(Ｅ−ｂｅａｍ)またはボログラフィック(ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ)法を用いて、所定の周期の回折格子パターン１０７を形成する。
【００２９】
図２Ｃに示したように、回折格子パターン１０７上にＭＯＣＶＤまたはＭＢＥなどの方法を使用してｐ型のクラッド層１０３を成長させる。
【００３０】
図２Ｄに示したように、クラッド層１０３上にメサ(ｍｅｓａ)エッチングのためのマスクパターン１０８を形成した後、マスクパターン１０８をエッチングマスクとして使用してエッチング工程を進行して、ＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓの積層構造からなる回折格子パターン１０７の断面を露出させる。
【００３１】
図２Ｅに示したように、図２Ｄの工程によりその断面が露出されたＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓの積層構造からなった回折格子パターン１０７を、酸化工程を通じて酸化させる。酸化工程によりＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓの積層構造からなる回折格子パターン１０７は、Ａｌ２Ｏ３を含む不導体１０４に変化する。このように、不導体回折格子を半導体層の酸化により形成することにより、回折格子の上部にクラッド層を再成長する際に、ボイド(ｖｏｉｄ)発生を防止することができる。
【００３２】
図２Ｆに示したように、酸化工程後にメサ構造の側壁にｐ型及びｎ型のクラッド層からなる電流遮断層１０９を形成する。以後、図示しなかったが、マスクパターン１０８を除去した後、クラッド層１０３上にコンタクト層１０５を形成する。
【００３３】
図３は、本発明の第２の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置２００を示す斜視図である。
【００３４】
図３を参照すれば、本発明の第２の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置２００は、基板２０１と、基板２０１上に形成された基板２０１と同一の導電型のクラッド層２０２と、クラッド層２０２内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成された不導体回折格子２０３と、クラッド層２０２上に形成された活性層２０４と、活性層２０４上に形成された基板２０１と異なる導電型のクラッド層２０５と、クラッド層２０５上に形成された基板２０１と異なる導電型のコンタクト層２０６と、を含む。本実施形態は、不導体回折格子２０３を活性層２０４の下部に形成したことで、基板方向に注入される電子キャリア(ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃａｒｒｉｅｒ)(基板がｎ型である場合)の分布を空間的に変化させて、利得係数の部分的な差を得る構造である。不導体回折格子２０３の位置以外の構成及び動作は、図１の第１の実施形態と同一であるのでその詳細な説明は省略する。
【００３５】
図４は、本発明の第３の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置３００を示す斜視図である。
【００３６】
図４を参照すれば、本発明の第３の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置３００は、基板３０１と、基板３０１上に形成された基板３０１と同一な導電型のクラッド層３０２と、クラッド層３０２内に互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成された下部不導体回折格子３０３と、クラッド層３０２上に形成された活性層３０４と、活性層３０４上に形成された基板３０１と異なる導電型のクラッド層３０５と、クラッド層３０５内にお互いに所定の間隔で離隔して周期的に形成された上部不導体回折格子３０３と、クラッド層３０５上に形成された基板３０１と異なる導電型のコンタクト層３０６と、を含む。本実施形態は、不導体回折格子を活性層３０４の下部と上部の両方に形成したことで、ｎ型、ｐ型の両方から注入される正孔、電子キャリア（ｈｏｌｅ、ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃａｒｒｉｅｒ)の分布をすべて空間的に変化させることにより、利得係数の部分的な差を一層大きくした構造である。同様に、不導体回折格子３０３の位置以外の構成及び動作は、図１の第１の実施形態と同一であるのでその詳細な説明は省略する。
【００３７】
以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明したが、本発明の範囲は前述の実施形態によって限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で様々な変形が可能なことは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置を示す斜視図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置の製造過程を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置の製造過程を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置の製造過程を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置の製造過程を示す図である。
【図２Ｅ】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置の製造過程を示す図である。
【図２Ｆ】本発明の第１の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置の製造過程を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置２００を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による分布帰還半導体レーザー装置２００を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００：分布帰還半導体レーザー装置
１０１：基板
１０２：活性層
１０３：クラッド層
１０４：回折格子
１０５：コンタクト層
【図１】
2006148129.tif 000003
【図２Ａ】
2006148129.tif 000004
【図２Ｂ】
2006148129.tif 000005
【図２Ｃ】
2006148129.tif 000006
【図２Ｄ】
2006148129.tif 000007
【図２Ｅ】
2006148129.tif 000008
【図２Ｆ】
2006148129.tif 000009
【図３】
2006148129.tif 000010
【図４】
2006148129.tif 000011