(57)【要約】【課題】回折格子の上にクラッド層を介して活性層を有する半導体レーザ装置において、回折格子の結合係数を大きく、発光特性を良くする。【解決手段】この発明に係る半導体レーザ装置は、ｎ−ＩｎＰ基板１２の表面上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰにより形成されレーザ光の導波方向に周期的に並列した貫通孔１６ａを有するｎ型の回折格子層１６を配設し、この回折格子層１６の貫通孔１６ａを不純物としてのＳを１×１０１９ｃｍ−３以上含むｎ−ＩｎＰ層１８により埋込み、この貫通孔１６を埋没させるとともに、このｎ−ＩｎＰ層１８および回折格子層１６の上にｎ−ＩｎＰクラッド層２０、このｎ−ＩｎＰクラッド層の上に活性層２２、この活性層２２上にｐ−ＩｎＰクラッド層２４を順次配設したものである。【選択図】　　　　図１
2004119467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型のＩｎＰ基板と、
このＩｎＰ基板の表面上に、ＩｎＰに格子整合が可能でＩｎＰと屈折率の異なる材料により形成されるとともに、レーザ光の導波方向に周期的に並列した凹部を有するｎ型の回折格子層と、
この回折格子層の上記凹部に配設されこの凹部を埋没させるとともに、不純物としてのＶＩ族元素を１×１０１９ｃｍ−３以上含むｎ型のＩｎＰ層と、
このＩｎＰ層および上記回折格子層の上に配設されたｎ型の第１クラッド層と、
この第１クラッド層の上に配設された活性層と、
この活性層上に配設されたｐ型の第２クラッド層と、
を備えた半導体レーザ装置。
【請求項２】
回折格子層の凹部が前記回折格子層に形成された貫通孔とこの回折格子層の下層の表面とにより形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
回折格子層の上側境界面から活性層までの距離が０．１μｍ以下であることを特徴とした請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
活性層が量子井戸構造で、量子井戸層がＡｌＧａＩｎＡｓで構成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用などに使用する半導体レーザ装置に係り、特に分布帰還型半導体レーザ装置の回折格子の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた公衆通信網の普及に伴って、安価に大量の情報量を伝送することが益々求められている。この様な伝送情報量の増大にはレーザ光の高速変調が必須の要件である。このレーザ光の高速変調には、直流駆動の単一モード半導体レーザと光変調器を組み合わせた外部変調方式を用いるのが一般的になってきている。
【０００３】
半導体レーザと光変調器とは個別に形成して用いる構成もあるが、半導体レーザと光変調器との間の光学系を除去できるという利点があるので、半導体レーザと光変調器とを集積化する構成が用いられるようになってきた。
この光変調器付き半導体レーザでは光変調器は比較的単純な吸収型光変調器で、単一モード半導体レーザは分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザという）が用いられる。
【０００４】
図１６は従来のＤＦＢレーザの断面図である。図１６では紙面に左右の並行方向が光の導波方向である。また図１７は図１６の１７−１７断面におけるＤＦＢレーザの断面図である。図１７においては紙面に垂直の方向が光の導波方向である。以下の説明では、光変調器付き半導体レーザの半導体レーザ部のみについて説明する。
図１６及び図１７において、２００はＤＦＢレーザ、２０２はｎ導電型（以下、ｎ導電型を“ｎ−”で、ｐ導電型を“ｐ−”で表記する。）のＩｎＰ基板、２０４はｎ−ＩｎＰバッファ層、２０６はＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層とＩｎＧａＡｓＰの障壁層とからなる多重量子井戸構造を有する活性層、２０８はｐ−ＩｎＰクラッド層、２１０はｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子層、２１０ａはこの回折格子層２１０に設けられた貫通孔、２１２はｐ−ＩｎＰ埋込層で、回折格子層２１０の貫通孔２１０ａを埋込部２１２ａで埋め込むとともにさらに回折格子層２１０をも覆っている。２１４はＦｅドープＩｎＰ（以下Ｆｅ−ＩｎＰと表記する）ブロック層、２１６はｎ−ＩｎＰブロック層、２１８はｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層である。２２０はｐ型電極、２２２はｎ型電極である。
【０００５】
次に製造方法について説明する。
図１８、図１９、図２０、図２１、図２２、図２３、図２４、及び図２５は従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
図１８、図１９、図２０、及び図２１は、図１６と同じ断面における断面図であり、図２２、図２３、図２４、及び図２５は図１７と同じ断面における断面図である。
図１８を参照して、まずｎ−ＩｎＰ基板２０２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０４としてのｎ−ＩｎＰ層２３０、活性層２０６としてのＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層とＩｎＧａＡｓＰの障壁層とからなる多重量子井戸層２３２、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０８としてのｐ−ＩｎＰ層２３４、回折格子層２１０としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層２３６、及びｐ−ＩｎＰのキャップ層２３８をＭＯＣＶＤ等により順次形成する。この工程の結果が図１８である。
【０００６】
図１９を参照して、ついでキャップ層２３８の上にフォトレジストを塗布した後、写真製版技術によって適当な幅、例えば１００ｎｍ間隔で開口部２４０ａを有したレジストパターン２４０を形成する。この工程の結果が図１９である。
図２０を参照して、次いでレジストパターン２４０をマスクとして、ＲＩＥ等によりキャップ層２３８およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層２３６をエッチングし、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層２３６に開口部２１０ａを有するストライプパターンを形成し、この後レジストパターン２４０を除去する。この工程の結果が図２０である。
図２１を参照して、次いで埋込層２１２としてのｐ−ＩｎＰ層２４２で開口部２１０ａを埋め込むとともにさらに結晶成長によりキャップ層２３８をも埋め込み、覆う。この工程の結果が図２１である。
【０００７】
図２２を参照して、次にｐ−ＩｎＰ層２４２の上にＳｉＯ２膜２４４を形成し、このＳｉＯ２膜２４４の上にフォトレジストを塗布した後、写真製版技術により光導波方向に直交する方向の幅が５μｍで光の導波方向に延長した帯状のレジストパターン２４６を形成する。この工程の結果が図２２である。
図２３を参照して、次にレジストパターン２４６をマスクとして、ＲＩＥにてＳｉＯ２膜２４４をエッチングし、ＳｉＯ２膜パターン２４４ａを形成する。ＳｉＯ２膜パターン２４４ａを形成した後、レジストパターン２４６を除去する。この工程の結果が図２３である。
図２４を参照して、次にＨＢｒ等のウエットエッチャントを用い、ＳｉＯ２膜パターン２４４ａをマスクとして多重量子井戸層２３２を越え、ｎ−ＩｎＰ層２３０に到る深さまで、例えば３．５μｍ程度までウエットエッチングを行い、活性層２０６に電流を閉じ込めるためのメサ構造を形成する。この工程の結果が図２４である。
【０００８】
図２５を参照して、ＳｉＯ２膜パターン２４４ａをマスクとしてＦｅ−ＩｎＰ層２４６、ｎ−ＩｎＰ層２４８を形成する。ＳｉＯ２膜パターン２４４ａはＩｎＰに対して選択性を有するために、ＳｉＯ２膜パターン２４４ａの上にはＦｅ−ＩｎＰ層２４６、ｎ−ＩｎＰ層２４８は形成されず、選択成長マスクとして機能し、Ｆｅ−ＩｎＰ層２４６、ｎ−ＩｎＰ層２４８はメサ構造の周りにのみ積層され、メサ構造の周りにのみ電流狭窄構造が形成される。この工程の結果が図２５である。
この後、ＨＦ等のウエットエッチャントにより、ＳｉＯ２膜パターン２４４ａを除去し、さらにｐ−ＩｎＰ層を積層した後、コンタクト層２１８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を形成し、ｐ型電極２２０、ｎ型電極２２２を形成し、図１６及び図１７に示された半導体レーザ２００として構成するものである。
【０００９】
また、パターンが形成されたウエハ上へＩｎＰ層をＭＯＣＶＤ法により形成する場合、ＩｎＰ層にＳを高濃度に添加すると０．１μｍ程度の幅を有する（００１）面への成長が抑制されることが記載されている例がある（例えば、非特許文献１参照。）。
さらにまた、サファイア基板上のｎ型半導体層中に回折格子層を形成し、その上に多重量子井戸構造の活性層を設けた例が記載されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｍ．　Ｔａｋｅｍｉ　ｅｔ　ａｌ，“　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，１９９６，　Ｖｏｌ．　２５，　Ｎｏ．　３，　ｐ．３６９−３７４
【特許文献１】
特開平１１−２７４６４２号公報（第４頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたような製造方法を用いてＤＦＢレーザ２００を製造する際、回折格子層２１０としてのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層２３６に開口部２１０ａを有するストライプパターンを形成した後、埋込層２１２としてのｐ−ＩｎＰ層２４２で開口部２１０ａを埋め込むとき、回折格子層２１０の開口部２１０ａの形状を保つために、ｐ−ＩｎＰ層２４２の初期成長時には通常の成長温度、例えば６００℃よりも低温で成長を開始することが必要である。そして低温で成長させた結晶の質は通常の成長温度で成長させた結晶の質よりも劣る場合があるので、成長初期は少し低温で始め、徐々に通常の成長温度にして結晶の質の劣化をできるだけ防ぐ必要がある。
【００１２】
しかしながらＤＦＢレーザ２００の構成においては、埋込層２１２としてのｐ−ＩｎＰ層２４２にｐ型半導体を得るための添加不純物としてＺｎを添加することが必要である。Ｚｎは低温では結晶成長層中に非常に効率的に取り込まれるので、ｐ−ＩｎＰ層２４２の埋込初期から成長温度を上昇させながら結晶成長を行うのでＺｎの供給量を精密に制御しないと添加不純物としてのＺｎに過不足が生じやすい。もしＺｎが過剰に取り込まれた場合には結晶中で非常に拡散しやすいＺｎは、本来Ｚｎが混入してはならない活性層２０６まで拡散してしまい活性層２０６の光学的特性が損なわれ、この結果としてＤＦＢレーザ素子の劣化に繋がってしまう場合があった。
また逆に、埋込層２１２としてのｐ−ＩｎＰ層２４２のＺｎが不足してしまった場合には、本来ｎ型半導体層よりも抵抗率が高いｐ型半導体層がさらに抵抗率の高い層になってしまいＤＦＢレーザ素子の素子抵抗が高くなるため、素子の温度特性の悪化を引き起こしてしまう場合があった。
【００１３】
図２６は他の従来のＤＦＢレーザの断面図である。図２６では紙面に左右の並行方向が光の導波方向である。また図２７は図２６の２７−２７断面におけるＤＦＢレーザの断面図である。図２７においては紙面に垂直の方向が光の導波方向である。
図２６及び図２７において、図１６及び図１７と同じ符号は同一のものかまたは相当のものである。これは以下の各図においても同様である。
図２６及び図２７において、２５０はＤＦＢレーザ、２５２はｎ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子層、２５２ａはこの回折格子層２５２に設けられた貫通孔、２５４はｎ−ＩｎＰ埋込層で、回折格子層２５２の貫通孔２５２ａを埋込部２５４ａで埋め込むとともにさらに回折格子層２５２をも覆っている。
【００１４】
ＤＦＢレーザ２５０のように、回折格子層２５２を活性層２０６の下側に設けた場合、回折格子層２５２及びｎ−ＩｎＰ埋込層２５４はともにｎ型の半導体層になるので、添加不純物としてＺｎを添加することは無くなり、Ｚｎが活性層２０６に拡散することやＺｎが少なくなってｐ型半導体層がさらに抵抗率の高い層になりＤＦＢレーザ素子の素子抵抗が高くなるということはなくなる。
しかしながら回折格子層２５２と活性層２０６との間隔は、例えば０．１〜０．３μｍ程度の厚さのｎ−ＩｎＰ埋込層２５４を介して積層している。このためｎ−ＩｎＰ埋込層２５４の表面が回折格子層２５２の凹凸の影響を受けて平坦にならない場合が生じることがあり、このｎ−ＩｎＰ埋込層２５４の上に形成される活性層２０６自体が平坦にならず、波打つように形成される場合があった。
【００１５】
また貫通孔２５２ａが深く形成される場合には、ｎ−ＩｎＰ埋込層２５４に回折格子層２５２の凹凸に起因する結晶転移が発生する場合があった。
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、その目的は、回折格子の結合係数が高くレーザ素子特性の良いＤＦＢレーザを得ることである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置は、ｎ型のＩｎＰ基板と、このＩｎＰ基板の表面上にＩｎＰに格子整合が可能でＩｎＰと屈折率の異なる材料により形成されるとともにレーザ光の導波方向に周期的に並列した凹部を有するｎ型の回折格子層と、この回折格子層の凹部に配設されこの凹部を埋没させるとともに不純物としてのＶＩ族元素を１×１０１９ｃｍ−３以上含むｎ型のＩｎＰ層と、このＩｎＰ層および回折格子層の上に配設されたｎ型の第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設された活性層と、この活性層上に配設されたｐ型の第２クラッド層と、を備えたもので、ｎ型のＩｎＰ層により回折格子層の凹部が埋没され、第１クラッド層の表面が平坦になり、また結晶転移が少なく、光学特性の良い活性層を備えた構成とすることができる。
【００１７】
さらに、回折格子層の凹部が回折格子層に形成された貫通孔とこの回折格子層の下層の表面とにより形成されたもので、高い結合係数を有し、光学特性のばらつきが少ない回折格子を備えた構成にすることができる。
【００１８】
またさらに回折格子層の上側境界面から活性層までの距離を０．１μｍ以下としたもので、第１クラッド層の層厚が薄く結合係数が高い回折格子を備えた構成にすることができる。
【００１９】
またさらに、活性層が量子井戸構造で、量子井戸層がＡｌＧａＩｎＡｓで構成されたもので、ＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸構造を有する活性層と回折格子との結合係数を高くすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態においては、例えば光通信用のＤＦＢレーザについて説明する。このＤＦＢレーザはＤＦＢレーザ単体でも良いし、光変調器付き半導体レーザの半導体レーザ部であっても良い。以下の説明では、ＤＦＢレーザの部分のみについて行う。なお以下に述べるｎ型半導体層の添加不純物としてはＶＩ族元素として硫黄（Ｓ）が用いられた例について説明するが、Ｓの他にＳｅであっても良い。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の一つの実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。図１では紙面に並行する左右の方向が光の導波方向である。また図２は図１の２−２断面における半導体レーザの断面図である。また図３は図１の３−３断面における半導体レーザの断面図である。図２及び図３においては紙面に垂直の方向が光の導波方向である。
図１、図２及び図３において、１０はＤＦＢレーザである。１２はｎ−ＩｎＰ基板で、図１のｎ−ＩｎＰ基板１２に記載した矢印の方向が［１　１　０］で、図２のｎ−ＩｎＰ基板１２に記載した矢印の方向が［１　１ｕｐｐｅｒ　ｂａｒ　０］である。従ってｎ−ＩｎＰ基板１２の主面は（００１）面である。
【００２２】
１４はｎ−ＩｎＰ基板１２上に配設されたｎ−ＩｎＰバッファ層、１６はｎ−ＩｎＰバッファ層１４上に配設されたｎ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子層で、光の導波方向に直交する帯状の開口を有する凹部としての貫通孔１６ａが、例えば１００ｎｍ間隔で光の導波方向に並列している。回折格子層１６はＩｎＰと格子整合が可能な材料でかつＩｎＰと屈折率が異なる材料であればよい。
１８は回折格子層１６の貫通孔１６ａに埋め込まれたｎ−ＩｎＰ埋込層で、添加不純物のＳが例えば１×１０１９ｃｍ−３以上の濃度で添加されている。ｎ−ＩｎＰ埋込層１８は貫通孔１６ａを埋没させる程度に、つまりｎ−ＩｎＰ埋込層１８の表面が回折格子層１６の上側表面と同程度になるまで埋め込まれる。回折格子層１６はｎ−ＩｎＰ埋込層１８よりも屈折率が大きく、屈折率の異なる回折格子層１６とｎ−ＩｎＰ埋込層１８とが光の導波方向に例えば１００ｎｍ間隔で周期的に交互に配設され、回折格子１９を形成している。
【００２３】
２０はｎ−ＩｎＰ埋込層１８と回折格子層１６とを覆うように配設された第１クラッド層としてのｎ−ＩｎＰクラッド層である。
２２はＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層とＩｎＧａＡｓＰの障壁層とからなる多重量子井戸構造の活性層である。
回折格子１９をレーザの能動領域である活性層２２の下部に形成する場合は、ｎ−ＩｎＰクラッド層２０は、回折格子１９の結合係数κＬを大きくするために、例えば０．１〜０．３μｍ程度の厚さに形成される。
２４は活性層２２の上に配設された第２クラッド層としてのｐ−ＩｎＰクラッド層である。
【００２４】
ｎ−ＩｎＰバッファ層１４、回折格子層１６とｎ−ＩｎＰ埋込層１８とからなる回折格子１９、ｎ−ＩｎＰクラッド層２０、活性層２２及び活性層２２の上のｐ−ＩｎＰクラッド層２４の下層２４ａは幅が、例えば５μｍ程度の、光の導波方向に延在したリッジ状になっており、このリッジの両側は下側からＦｅ−ＩｎＰブロック層２６およびｎ−ＩｎＰブロック層２８が順次積層された電流狭窄構造を形成し、駆動電流が効率よくリッジ内の活性層２２に流れるようになっている。
【００２５】
ｐ−ＩｎＰクラッド層２４の上層２４ｂは、リッジ内のｐ−ＩｎＰクラッド層２４の下層２４ａおよびリッジの両側のｎ−ＩｎＰブロック層２８を覆うように積層される。３０はｐ−ＩｎＰクラッド層２４の上に配設されたｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層である。ｐ−ＩｎＰクラッド層２４及びｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層３０のｐ型の添加不純物はＺｎである。３２はコンタクト層３０の表面に配設されたｐ型電極、３４はｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面に配設されたｎ型電極である。
【００２６】
次に製造方法について説明する。
図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、及び図１２はこの発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
図４、図５、図６、及び図７は、図１と同じ断面における断面図であり、図８、図９、図１０、図１１、及び図１２は図２と同じ断面における断面図である。図４を参照して、まずｎ−ＩｎＰ基板１２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１４としてのｎ−ＩｎＰ層４０、回折格子層１６としてのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２、ｎ−ＩｎＰのキャップ層４４をＭＯＣＶＤ等により順次形成する。これらの層の添加不純物はＳで、不純物濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３程度の濃度である。この工程の結果が図４である。
【００２７】
図５を参照して、ついでキャップ層４４の上にフォトレジストを塗布した後、写真製版技術によって適当な幅、例えば１００ｎｍ間隔で、光の導波方向に直交する帯状の開口部４６ａを有したレジストパターン４６を形成する。この工程の結果が図２５である。
図６を参照して、次いでレジストパターン４６をマスクとして、ＲＩＥ等によりキャップ層４４およびｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２をエッチングし、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２の貫通孔１６ａを有する凹部４８を形成する。このキャップ層４４およびｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２と凹部４８とのストライプパターンは１００ｎｍの周期を有している。この後レジストパターン４６を除去する。この工程の結果が図６である。
【００２８】
図７を参照して、次いで添加不純物のＶＩ族元素としてＳが、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上の濃度で添加されているｎ−ＩｎＰ埋込層１８としてのｎ−ＩｎＰ層５０により、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２の貫通孔１６ａが埋没する程度に埋め込む。
さらにｎ−ＩｎＰクラッド層２０としてのｎ−ＩｎＰ層５２の結晶成長によりキャップ層４４とｎ−ＩｎＰ埋込層１８としてのｎ−ＩｎＰ層５０とを覆う。ｎ−ＩｎＰ層５２の添加不純物はＳで、不純物濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３程度の濃度である。
【００２９】
この後、ｎ−ＩｎＰ層５２の表面上にＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層とＩｎＧａＡｓＰの障壁層とからなる活性層２２としての多重量子井戸層５４、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４ａとしてのｐ−ＩｎＰ層５６ａを積層する。この工程の結果が図７である。
ｎ−ＩｎＰ層５０の結晶成長を行う際には、初期の成長温度は通常のｎ−ＩｎＰの結晶成長温度である、例えば６００℃、よりも少し低温で成長を始め徐々に通常の成長温度に近づけてゆく。これは最初から６００℃で成長を始めると、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２の貫通孔１６ａの形状が保たれず、崩れる場合があるためでこれを防止するために、通常の成長温度よりも低めの温度から結晶成長を始めて通常の成長温度に上昇してゆく。
【００３０】
回折格子の形状が崩れた場合には、回折格子としての光学特性が十分に発揮できないことになり、ＤＦＢレーザとしての素子特性が十分得られなくなるのでこれを防ぐためである。
またこの成長温度の制御は多少粗くても、Ｓの添加にはＺｎ程温度の影響を受けないので、温度のばらつきが添加不純物濃度にそれほど大きく影響しない。
さらに、キャップ層４４およびｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２と凹部４８とで形成されるストライプパターンは０．１μｍの周期性を有している。
この様な寸法を有するパターンが形成されたウエハ上にｎ−ＩｎＰ層を形成する場合、ｎ−ＩｎＰ層のＳの添加濃度を、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上にすると、結晶成長層は凹部４８から選択的に成長が開始され、キャップ層４４およびｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４２の表面と凹部４８の最表面とが平坦になるように成長が進行する。
【００３１】
この結果、キャップ層４４の表面と凹部４８の最表面にまだ多少の凹凸が残ったとしても、ｎ−ＩｎＰ層５２の結晶成長を行うことにより、ｎ−ＩｎＰ層５２の表面においては十分平坦になり、このｎ−ＩｎＰ層５２の表面上に多重量子井戸層５４を形成したとしても、多重量子井戸層５４も平坦に形成され、多重量子井戸層５４が光の導波方向に波打って形成されることはない。このため所定の特性を有する活性層２２を形成することができる。またｎ−ＩｎＰ層５２に結晶転移の発生を防止することができる。
このためにｎ−ＩｎＰ層５２は、例えば０．１〜０．３μｍ程度の厚さに、またさらに０．１μｍ以下にすることが可能となり、回折格子１９の結合係数κＬを大きくすることができる。
【００３２】
図８を参照して、次にｐ−ＩｎＰ層５６ａの上にＳｉＯ２膜５８を形成し、このＳｉＯ２膜５８の上にフォトレジストを塗布した後、写真製版技術により光導波方向に直交する方向の幅が５μｍで光の導波方向に延長した帯状のレジストパターン６０を形成する。この工程の結果が図８である。
図９を参照して、次にレジストパターン６０をマスクとして、ＲＩＥにてＳｉＯ２膜５８をエッチングし、ＳｉＯ２膜パターン５８ａを形成する。ＳｉＯ２膜パターン５８ａを形成した後、レジストパターン６０を除去する。この工程の結果が図９である。
【００３３】
図１０を参照して、次にＨＢｒ等のウエットエッチャントを用い、ＳｉＯ２膜パターン５８ａをマスクとして多重量子井戸層５４を越え、ｎ−ＩｎＰ層４０に到る深さまで、例えば３．５μｍ程度までウエットエッチングを行い、活性層２２に電流を閉じ込めるためのメサ構造を形成する。この工程の結果が図１０である。
図１１を参照して、ＳｉＯ２膜パターン５８ａをマスクとしてＦｅ−ＩｎＰ層６０、ｎ−ＩｎＰ層６２を形成する。ＳｉＯ２膜パターン５８ａはＩｎＰに対して選択性を有するために、ＳｉＯ２膜パターン５８ａの上にはＦｅ−ＩｎＰ層６０、ｎ−ＩｎＰ層６２は形成されず、選択成長マスクとして機能し、Ｆｅ−ＩｎＰ層６０、ｎ−ＩｎＰ層６２はメサ構造の周りにのみ積層され、メサ構造の周りに電流狭窄構造が形成される。この工程の結果が図１１である。
【００３４】
図１２を参照して、ＨＦ等のウエットエッチャントにより、ＳｉＯ２膜パターン５８ａを除去し、さらにｐ−ＩｎＰクラッド層２４の上層２４ｂとしてのｐ−ＩｎＰ層５６ｂを積層した後、コンタクト層３０としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層６４を形成する。この工程の結果が図１２である。
さらに、ｐ型電極３２、ｎ型電極３４を形成し、図１、図２及び図３に示された半導体レーザ１０として形成される。
上述のように構成されたＤＦＢレーザ１０では、回折格子層１６の貫通孔１６ａは高濃度のＳを含むｎ−ＩｎＰ埋込層１８としてのｎ−ＩｎＰ層５０により埋め込まれるので、貫通孔１６ａがまず埋没するように結晶成長が行われる。
【００３５】
このためこの上に形成されるｎ−ＩｎＰクラッド層２０としてのｎ−ＩｎＰ層５２は薄くてもその表面が平坦に、また結晶欠陥が少なくなるように形成することができる。
またｎ−ＩｎＰ埋込層１８としてのｎ−ＩｎＰ層５０の初期の成長温度をｎ−ＩｎＰクラッド層２０の成長温度より低くして、回折格子層１６の貫通孔１６ａの型くずれを無くすることができる。このとき添加不純物のＳの不純物濃度はＺｎ程には成長温度により左右されず、またＳの拡散もＺｎほど大きくならないので、Ｓの不純物濃度が活性層２２の特性に影響することはない。
ｎ−ＩｎＰクラッド層２０としてのｎ−ＩｎＰ層５２の上に形成される活性層２２としての多重量子井戸層５４は、ｎ−ＩｎＰ層５２の表面が平坦になっているので、平坦に形成され、光の導波方向に波打つように形成されることはない。
【００３６】
従って、回折格子の形状を精度良く形成できるので良好な光学的特性を有した回折格子とすることができ、回折格子層と活性層との間に挟まれたｎ−ＩｎＰクラッド層を薄く形成することが可能で、結合係数κＬが大きくなるように構成することが出来る。このため発光特性がよいＤＦＢレーザを構成することができる。
さらに活性層が平坦に形成されるので、結果的にレーザの素子特性をよくすることができる。
以上のようにこの実施の形態に係るＤＦＢレーザ装置においては、回折格子の結合係数が高くレーザ素子特性の良いＤＦＢレーザを構成することができ、またこの素子特性の良いＤＦＢレーザを簡単な工程で製造することができる。
延いてはレーザ素子特性がよく安価な半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３７】
実施の形態２．
図１３は、この発明の一つの実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。図１３では紙面に並行する左右の方向が光の導波方向である。また図１４は図１３の１４−１４断面における半導体レーザの断面図である。また図１５は図１３の１５−１５断面における半導体レーザの断面図である。図１４及び図１５においては紙面に垂直の方向が光の導波方向である。
図１３、図１４及び図１５において、７０はＤＦＢレーザである。７２はｎ−ＩｎＰ基板１２上に配設された第１ｎ−ＩｎＰクラッド層、回折格子層１６は第１ｎ−ＩｎＰクラッド層７２上に配設されている。
この実施の形態における回折格子層１６は実施の形態１の場合よりも厚く８０ｎｍ程度の厚さである。これは後に述べるＡｌＧａＩｎＡｓを量子井戸層として使用した場合において回折格子の結合係数κＬを大きくしないと良い発光特性が得られないために、回折格子層１６の厚みを厚くしている。
【００３８】
７４は回折格子層１６とｎ−ＩｎＰ埋込層１８との上に配設された第２ｎ−ＩｎＰクラッド層である。第１ｎ−ＩｎＰクラッド層７２と回折格子層１６と第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４との厚みが大略１μｍである。
７６は第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４の上に配設されたｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層で厚みは０．１μｍである。ＤＦＢレーザ７０では第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４とｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層７６とがｎ型の第１クラッド層を構成している。このｎ型の第１クラッド層の厚みを０．１μｍ以下にすると回折格子の結合係数κＬを大きくすることができる。
７８はｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層７６の上に配設されたｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層で厚みは０．１μｍである。８０はｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層７８の上に配設されたＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とからなる量子井戸構造の活性層、８２は活性層８０の上に配設されたｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層で厚みは０．１μｍである。
【００３９】
８４はｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８２の上に配設されたｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層で厚みは０．１μｍである。８６はｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層８４上に配設されたｐ−ＩｎＰクラッド層で厚みは１．５μｍである。ＤＦＢレーザ７０ではｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層８４とｐ−ＩｎＰクラッド層８６とがｐ型の第２クラッド層を構成している。
８８はｐ−ＩｎＰクラッド層８６の上に配設されたｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層で厚みは０．１μｍである。ｐ−ＩｎＰクラッド層８６及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８８はリッジ状に形成されている。
以上の各層において第１ｎ−ＩｎＰクラッド層７２、第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４、ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層７６及びｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層７８は添加不純物がＳで不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である。
【００４０】
回折格子層１６及びｎ−ＩｎＰ埋込層１８の添加不純物及び不純物濃度は実施の形態１の場合と同じである。
ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層８４およびｐ−ＩｎＰクラッド層８６は添加不純物がＺｎで不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８８は添加不純物がＺｎで不純物濃度が１×１０１９ｃｍ−３である。
９０は素子表面に配設されたＳｉＯ２絶縁膜、９２はＳｉＯ２絶縁膜９０上に配設されたＴｉ／Ａｕからなるｐ型電極でＳｉＯ２絶縁膜９０に設けられた開口部９０ａを介してｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８８と電気的に接続されている。９４はｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面に配設されたＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極である。
【００４１】
このＤＦＢレーザ７０の製造方法においても、回折格子層１６とｎ−ＩｎＰ埋込層１８とから形成される回折格子１９の製造方法は実施の形態１で説明したものと同じである。
まずｎ−ＩｎＰ基板１２上に、第１ｎ−ＩｎＰクラッド層７２、回折格子層１６としてのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、およびｎ−ＩｎＰキャップ層をＭＯＣＶＤ等により順次形成する。
キャップ層の上にフォトレジストを塗布した後、写真製版技術によって適当な幅、例えば１００ｎｍ間隔で開口部を有したレジストパターンを形成する。
次いでこのレジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ等によりキャップ層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層をエッチングし、凹部を形成する。この後レジストパターンを除去する。
【００４２】
次いで添加不純物のＳが例えば１×１０１９ｃｍ−３以上の濃度で添加されているｎ−ＩｎＰ層１８により、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１６の貫通孔が埋没する程度に埋め込む。
ｎ−ＩｎＰ層１８の結晶成長を行う際には、初期の成長温度は通常のｎ−ＩｎＰの結晶成長温度である、例えば６００℃、よりも少し低温で成長を始め徐々に通常の成長温度に近づけてゆく。これは最初から６００℃で成長を始めると、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１６の貫通孔１６ａの形状が保たれず、崩れる場合があるためでこれを防止するために、通常の成長温度よりも低めの温度から初めて通常の成長温度に上昇してゆく。
この後、第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４、ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層７６、ｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層、ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とからなる量子井戸構造の活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層８４、ｐ−ＩｎＰクラッド層８６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８８を順次形成する。
【００４３】
次いで光導波路リッジを形成するリッジエッチングを行い、素子表面にＳｉＯ２絶縁膜を形成し光導波路リッジの上に開口９０ａを形成し、さらにｐ型電極９２を形成してｐ型電極９２とｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８８とを電気的に接続し、ｎ−ＩｎＰ基板の裏面にｎ型電極９４を形成するものである。
特にこの実施の形態２のＤＦＢレーザ７０においては、活性層８０がＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸構造により形成されている。ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸はΔＥｃが大きくキャリアのオーバーフローが起こりにくいのでレーザダイオードの温度特性が向上する。また微分利得が大きく緩和振動周波数ｆｒが大きいのでレーザダイオードの高速特性が向上する。
【００４４】
しかしながら回折格子の結合係数κＬが大きく構成できないと発光特性が良くならない。このためには回折格子層１６とｎ−ＩｎＰ埋込層１８とからなる回折格子の厚みを厚くし、回折格子層と活性層との間隔をできるだけ短く、例えば０．１μｍ以下にすることが必要となる。回折格子の結合係数κＬが大きくなると、ＤＦＢレーザの発光特性が良くなり、素子設計の自由度も向上する。
この実施の形態２のＤＦＢレーザ７０においては、回折格子層１６とｎ−ＩｎＰ埋込層１８とはそれぞれ１００ｎｍの間隔で配設され、回折格子層の厚みは８０ｎｍで、凹部としての貫通孔１６ａも同等の深さを有している。
しかし、１００ｎｍの間隔でパターンが形成された回折格子層１６の凹部にｎ−ＩｎＰ埋込層１８を形成する場合、ｎ−ＩｎＰ埋込層１８のＳの添加濃度を、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上にすると、結晶成長層は貫通孔１６ａを含む凹部の部分から選択的に成長が開始され、回折格子層１６のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層の表面と貫通孔１６ａの最表面とが平坦になるように成長が進行する。
【００４５】
この結果、回折格子層１６のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層の表面と貫通孔１６ａにおけるｎ−ＩｎＰ埋込層１８の最表面との間にまだ多少の凹凸が残ったとしても、第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４の結晶成長の表面においては、十分平坦になる。
従って回折格子の結合係数を大きく確保しつつ、平坦な表面を有する第２ｎ−ＩｎＰクラッド層７４の表面上に、ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層７６およびｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層７８を介して、多重量子井戸層５４が平坦に形成される。
【００４６】
以上説明したように、ＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸構造により形成された活性層を有し、ｎ側半導体層に回折格子を備えたＤＦＢレーザにおいては、回折格子層の結合係数κＬが大きいことが要求されるので、回折格子層の厚みを厚くし、回折格子と活性層との間隔を短くすることが必要である。しかしながら回折格子層の厚みを厚くすると、回折格子層に設けた貫通孔を埋め込むための結晶成長を行ってもこの結晶成長表面は平坦にならない場合が生じる。
そこでこの実施の形態２に係るＤＦＢレーザでは、回折格子層をＩｎＧａＡｓＰ層で形成し、この回折格子層の貫通孔を埋め込む埋込層として添加不純物Ｓを例えば添加濃度１×１０１９ｃｍ−３以上含んだｎ−ＩｎＰ層により埋込成長を行うことにより、貫通孔１６ａの部分から選択的に結晶成長が開始され、回折格子層のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層の表面と貫通孔１６ａの最表面とが平坦になるように成長が進行する。
【００４７】
このために回折格子の厚みを厚くしても回折格子層の表面もしくはｎ−ＩｎＰクラッド層の結晶成長の表面においては平坦な面が得られ、また回折格子層と活性層との間隔を短く構成しても活性層が波打つことなく平坦な活性層を構成することができるので、回折格子の結合係数を大きく保持しつつ特性の良いＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸構造の活性層を有するＤＦＢレーザを構成することができる。
また回折格子の結合係数κＬを大きくすることが出来るので、ＤＦＢレーザの設計の自由度が大きくなり、余裕度の大きく歩留まりの高いＤＦＢレーザを構成することができる。延いては光通信用としてレーザ特性の良いＤＦＢレーザを安価に提供することができる。
なお、上記説明では通信用のＤＦＢレーザあるいは変調器付きＤＦＢレーザについて説明したが、ｎ側に回折格子を設けこの上層に活性層を形成するＤＦＢレーザであれば、同様の効果を奏することは云うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
この発明に係る半導体レーザ装置は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る半導体レーザ装置においては、ｎ型のＩｎＰ基板と、このＩｎＰ基板の表面上にＩｎＰに格子整合が可能でＩｎＰと屈折率の異なる材料により形成されるとともにレーザ光の導波方向に周期的に並列した凹部を有するｎ型の回折格子層と、この回折格子層の凹部に配設されこの凹部を埋没させるとともに不純物としてのＶＩ族元素を１×１０１９ｃｍ−３以上含むｎ型のＩｎＰ層と、このＩｎＰ層および回折格子層の上に配設されたｎ型の第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設された活性層と、この活性層上に配設されたｐ型の第２クラッド層と、を備えたもので、ｎ型のＩｎＰ層により回折格子層の凹部が埋没され、第１クラッド層の表面が平坦になり、また結晶転移が少なく、光学特性の良い活性層を備えた構成とすることができる。延いてはレーザ素子特性の良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００４９】
さらに、回折格子層の凹部が回折格子層に形成された貫通孔とこの回折格子層の下層の表面とにより形成されたもので、高い結合係数を有し、光学特性のばらつきが少ない回折格子を備えた構成にすることができる。延いては歩留まりの高い半導体レーザ装置を構成することができるので、安価でレーザ特性の良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００５０】
またさらに、回折格子層の上側境界面から活性層までの距離を０．１μｍ以下としたもので、第１クラッド層の層厚が薄く結合係数の高い回折格子を備えた構成にすることができる。延いてはレーザ素子特性がよい半導体レーザ装置を構成することができる。
【００５１】
またさらに、活性層が量子井戸構造で、量子井戸層がＡｌＧａＩｎＡｓで構成されたもので、回折格子との結合係数を高く保持しながら、ＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸構造を有する光学特性の良い活性層を構成することができる。
延いては、歩留まりがよく安価で、温度特性がよく、高速特性の良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。
【図２】図１の２−２断面における半導体レーザの断面図である。
【図３】図１の３−３断面における半導体レーザの断面図である。
【図４】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図５】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図６】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図７】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図８】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図９】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図１０】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図１１】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図１２】この発明に係る半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図１３】この発明の一つの実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。
【図１４】図１３の１４−１４断面における半導体レーザの断面図である。
【図１５】図１３の１５−１５断面における半導体レーザの断面図である。
【図１６】従来のＤＦＢレーザの断面図である。
【図１７】図１６の１７−１７断面におけるＤＦＢレーザの断面図である。
【図１８】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図１９】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２０】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２１】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２２】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２３】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２４】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２５】従来の半導体レーザの製造の一工程における半導体レーザの断面図である。
【図２６】従来の他のＤＦＢレーザの断面図である。
【図２７】図２６の２７−２７断面におけるＤＦＢレーザの断面図である。
【符号の説明】
１２　ｎ−ＩｎＰ基板、　　１６ａ　貫通孔、　　１６　回折格子層、　　１８　ｎ−ＩｎＰ埋込層、　　２０　ｎ−ＩｎＰクラッド層、　　７４　第２ｎ−ＩｎＰクラッド層、　　７６　ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層、　　２２、８０　活性層、　　２４　ｐ−ＩｎＰクラッド層、　　８４　ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層、　　８６　ｐ−ＩｎＰクラッド層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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