(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とするＤＦＢレーザにおいて素子抵抗が高いため特に高温におけるレーザ特性の劣化が課題である。【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１０１に形成されたＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層１０４上に、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１０５、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層１０６、ｐ型回折格子層１０７を順次積層し、回折格子形成後に、ｐ型ＩｎＰクラッド１０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順次再成長し、リッジ型レーザを作製する。１０７の回折格子の凹凸の深さは１０７の厚さより小さくする。【選択図】  図３
2004179274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸活性層を含む複数の積層された層を有し、ＩｎＡｌＡｓ電子ストッパ層上に、回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰクラッド層が順に積層され、当該回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の回折格子の凹部の深さがＩｎＧａＡｓＰ層の厚さより小さいことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸活性層を含む複数の積層された層を有し、ＩｎＡｌＡｓ電子ストッパ層上に、回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰスペーサ層、ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層、ＩｎＰクラッド層が順に積層され、当該回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の回折格子の凹部の深さが回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の厚さより小さいことを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項２の光半導体装置においてスペーサ層がＩｎＡｌＡｓ層で構成されることを特徴とする光半導体装置
【請求項４】
請求項１の光半導体装置において回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の組成波長が１．１５μｍ以上１．２４μｍ以下であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項２の光半導体装置において回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の組成波長が１．１５μｍ以上１．２４μｍ以下であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項３の光半導体装置において回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の組成波長が１．１５μｍ以上１．２４μｍ以下であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項１の光半導体装置において回折格子が有するＩｎＧａＡｓＰ層の一部が多重量子井戸層で構成されることを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】
請求項２の光半導体装置において回折格子が有するＩｎＧａＡｓＰ層の一部が多重量子井戸層で構成されることを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】
請求項３の光半導体装置において回折格子が有するＩｎＧａＡｓＰ層の一部が多重量子井戸層で構成されることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１の光半導体装置においてＩｎＰクラッド層と回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層との間にＳｉまたはＯの不純物が存在することを特徴とする光半導体装置
【請求項１１】
請求項２の光半導体装置においてＩｎＰスペーサ層と回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層との間にＳｉまたはＯの不純物が存在することを特徴とする光半導体装置
【請求項１２】
請求項１の光半導体装置においてＩｎＰクラッド層がリッジメサストライプ形状を有するリッジ型レーザであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１３】
請求項２の光半導体装置においてＩｎＰクラッド層がリッジメサストライプ形状を有するリッジ型レーザであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１４】
請求項１の光半導体装置においてレーザ構造が埋込型であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１５】
請求項１の光半導体装置においてレーザ構造と電界吸収型変調器を集積化した集積化光源であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１６】
請求項２の光半導体装置においてレーザ構造と電界吸収型変調器を集積化した集積化光源であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１７】
請求項１３の光半導体装置においてレーザ構造と電界吸収型変調器を集積化した集積化光源であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１８】
請求項１４の光半導体装置においてレーザ構造と電界吸収型変調器を集積化した集積化光源であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１９】
請求項１の光半導体装置においてレーザ構造とマッハツェンダー型変調器を集積化した集積化光源であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２０】
請求項２の光半導体装置においてレーザ構造とマッハツェンダー型変調器を集積化した集積化光源であることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体を用いたレ−ザ装置、特に光ファイバーの送信光源として用いられる通信用半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
世界規模でのインターネットの普及により光通信網のデータトラフィック量が増加している。増加量の大部分はデータ通信であり、それに伴い高速ルータ装置間を１０Ｇｂ／ｓ以上の高速で接続する数１０ｋｍの比較的短距離に用いる送信光源の需要が拡大している。この送信光源には小型かつ低消費電力で低コストであることが求められている。１０Ｇｂ／ｓで動作する送信光源は電界吸収型変調器が集積化された半導体レーザが既に実用化されている。しかし、半導体レーザと電界吸収型変調器を集積しているため製造コストが高くなる。さらに、半導体のバンドギャップの温度依存性から原理的に限られた温度範囲のみで動作するためペルチェ素子等の電子冷却素子が必要となる。ペルチェ素子は高価で多くの電流を流すためコスト及び消費電力の観点から上記の送信光源の要求を満たさない。よって上記用途の光源には従来から用いられているように直接に半導体レーザの駆動電流を増減することにより光出力を変調させる直接変調レーザを電子冷却素子無しに動作させるのが望ましい。しかし、半導体レーザは原理的に高温ほどレーザ特性が劣化する。特に光ファイバー通信に用いられる１．３から１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）を活性層とする半導体レーザは高温でのレーザ特性は良好ではなく、緩和振動周波数ｆｒが低く高速動作に不向きであった。尚、１０Ｇｂ／ｓの変調速度（ビットレート）のときは直接変調レーザでは緩和振動周波数は少なくとも１３ＧＨｚ以上であることが望ましいと言われている。
【０００３】
これに対してＣｈｕｎｇ−Ｅｎ  Ｚａｈらにより”ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  ３０，  Ｎｏ．  ２，  ｐｐ．  ５１１−５２２，  １９９４”に開示されているようにＩｎＧａＡｌＡｓのＭＱＷを活性層とする半導体レーザは高温においてもレーザの特性が良好であることが知られており、さらにＴ．  Ｉｓｈｉｋａｗａらにより”Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ＩｎｄｉｕｍＰｈｏｓｐｈｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １９９８，  ＴｈＰ−５５，  ｐｐ．  ７２９−７３２”に開示されているようにＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層の緩和振動周波数はＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷの半導体レーザに比べて高く上記の直接変調レーザの用途に向いている。
【０００４】
ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷのレーザ特性がＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷに比べて良いのはバンドラインナップに起因する。すなわち、図１１に示すようにＭＱＷ層内の量子井戸層と障壁層の伝導帯の不連続と価電子帯側に不連続の割合が、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷが４：６なのに対してＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷでは７：３であり、有効質量が小さい電子を量子井戸層内に閉じ込められやすく、有効質量が大きい正孔は量子井戸層内に均一に分布しやすい。図１１において１１０１はＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷの井戸層で１１０２はＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷの障壁層であり、１１０３はＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷの井戸層、１１０４はＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷの障壁層である。しかし一般に半導体の電子の有効質量は正孔の１／１０以下であるためＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷの深い伝導帯側の井戸層であってもある程度井戸層外のｐ型ＩｎＰクラッド層へ漏れでしまう。  そこで図１２或いは図１３に示すようにＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層１０６をｐ型ＳＣＨ層の外側へ導入することにより良好な電子閉じ込め効果を得ることができる。図１２において１０５はｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＧＲＩＮ−ＳＣＨ  （Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ  Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造でＧａとＡｌの組成比を傾斜的に変えてバンドギャップを変化させた構造で光を良好に閉じ込めることができる。ＳＣＨ層は光ガイド層とも呼ばれる。１０６はｐ型ＩｎＡｌＡｓの電子ストップ層である。１０３はｎ型のＩｎＧａＡｌＡｓのＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造で１０２はｎ型ＩｎＡｌＡｓ層である。また、図１３においては１３０１はｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層で、１３０２はｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層である。１０６がＩｎＡｌＡｓ層であり伝導帯側へのバンド不連続が大きいために１０２或いは１３０２のｎ型層側から来る電子をこの層で止めることができるため、高温においても良好なレーザ特性を得ることができる。
【０００５】
その他のＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷを活性層とした発明は特開平１１−５４８７に開示されている。また、１０Ｇｂ／ｓの動作例は筆者らにより「２００１年秋季第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集  １３ｐ−Ｂ−６，ｐ．  ８６９」に開示されているように−１０℃から８５℃までの１０Ｇｂ／ｓ動作を実現している。
【０００６】
しかしこれらの開示されているレーザは半導体両端面の反射鏡を共振器とするいわゆるＦＰ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）型レーザあり同時に多数の波長の光スペクトルが発振するため６００ｍから２ｋｍが伝送距離の限界といわれている。前述したように高速ルータ装置間の距離は数１０ｋｍまであるために単一モードで発振するＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷレーザが望まれる。単一モード発振できるＤＦＢレーザをＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷに適用した例は特開２００２−５７４０５に開示されているようにＩｎＧａＡｓＰ層の回折格子がＩｎＰクラッドの中に浮いている構造のフローティング型回折格子がある。しかしこの構造を使用したレーザはＴ．  Ｔａｋｉｇｕｃｈｉらによって”Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２００２，  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ，  ＴｈＦ３，  ｐｐ．４１７−４１８”に開示されているように１０Ｇｂ／ｓ動作は７５℃に抑えられている。これは素子の抵抗が高いためでその原因をプロセス概略を含めて以下に考察する。まず、図５に示す多層構造をｎ型ＩｎＰ基板１０１上に結晶成長する。図５において５０２はｎ型ＳＣＨ層、５０３は活性層、５０４はｐ型ＳＣＨ層、５０５はｐ型ＩｎＰ層、５０６はｐ型ＩｎＧａＡｓＰのエッチストップ層、５０７はｐ型ＩｎＰ層、５０８はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層である。つぎに５０８に干渉露光法あるいはＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）描画法により回折格子パターンを形成し選択ウェットエッチング法により５０８の層をエッチングし図６のように回折格子層を形成する。図７は図６のＡ−Ａ’の断面図である。この後、図６或いは７において回折格子上にＩｎＰ層等の再成長を行うが、ここで素子抵抗増大の問題が存在する。それは図７のように回折格子の形成時や大気に曝すことにより回折格子上にＳｉやＯ等のｎ型の不純物が必ず付着するためにこの界面領域でｐ層の等価的なキャリア濃度が下がり抵抗が増大する。ＩｎＰ等の化合物半導体のｐ型の抵抗率はｎ型に比べて高く、キャリア濃度が低いとより抵抗率が上がるために抵抗の増大は顕著となる。図７において７０１はＳｉやＯのｎ型の不純物である。不純物を取る一つの方法は再成長前に真空中で高温にして飛ばしてしまう方法である。しかし、化合物半導体、特にＩｎＧａＡｓＰやＩｎＰで凹凸の有る構造は５００℃以上の高温で放置すると凹凸形状が崩れてしまい平坦になり回折格子の効果が無くなる。もう１つの方法は過剰にｐ型のドーピングを行うキャリア補償の方法である。ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓＰのｐ型ドーパントにはＺｎが用いられており、図５の結晶成長時、或いは再成長時に多量のＺｎを導入すれば良い。しかし、一般にＩｎＰ層のＺｎの飽和濃度は小さいため、図７の構造において回折格子の底部に露出している５０７のＩｎＰ層領域のキャリア補償は難しく抵抗増大の原因となる。
【０００７】
ＩｎＰ層を再成長した後はコンタクト層のＩｎＧａＡｓを引き続き再成長しメサをエッチングで形成してリッジ型構造を作製したのが図８である。図８において１０８がｐ型ＩｎＰクラッド層、１０９がｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層である。ここで図８のＡ−Ａ’断面は図９のようになる。図９において１０９のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層から注入された正孔は下方向に流れる。しかし、５０８のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層の周りでバンドギャップの差によりノッチができるためＩｎＧａＡｓＰ回折格子層には電流が流れにくくなる。この状況を図９のＰ−Ｐ’断面とＱ−Ｑ’断面のバンド構造により図１０にて説明する。図１０において（ａ）はＰ−Ｐ’断面のバンド構造図であり、右側が伝導帯で左が価電子帯である。同図においてそれぞれ、１００１は１０８のｐ型ＩｎＰクラッド層、１００２は５０８のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、１００３は５０７のｐ型ＩｎＰ層のバンド構造であり、ｐ型ドーピングした熱平衡状態のバンド図である。図から回折格子層を通るＰ−Ｐ’断面ではｐ型のキャリアがバンドギャップの低いところへ移動してノッチが発生していることがわかる。一方、回折格子層が無いＱ−Ｑ’断面はノッチは存在しない。よって図９の矢印のように電流は回折格子を避けて流れるため等価的に電流の流れる面積が半分になり抵抗が増大する。以上のように本回折格子構造は再成長界面での不純物と回折格子層のノッチの二つの要因により素子抵抗が増大する。
【０００８】
また、ＩｎＧａＡｓＰを活性層とするＤＦＢレーザは例えばＭ．  Ｏｋａｉにより”Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．７５，  Ｎｏ．  １，  ｐｐ．  １−２９，  １９９４”に開示されているようにＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨ層に回折格子を形成している。図１４に概略図を示す。図１４において１０１はｎ型ＩｎＰ基板、１４０２は回折格子が形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨ層、１４０３がＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷの活性層、１４０４がｐ型ＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨ層、１４０５がｐ型ＩｎＰクラッド層、１４０６がｐ型ＩｎＧａＡｓ層である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする第１の課題は素子抵抗が小さく高温においてもレーザ特性が良好で高速に動作し、単一モードで発振する半導体レーザまたは半導体レーザ集積化光源を提供することにある。
さらに本発明が解決しようとする第２の課題は単一モードで発振するリッジ型レーザにおいて素子抵抗が小さくかつ回折格子の結合係数とリッジ形状の幅が独立に制御できる構造の半導体レーザまたは半導体レーザ集積化光源を提供することにある。また、本発明が解決しようする第３の課題は素子抵抗が小さい単一モードで発振する半導体レーザにおいて回折格子の結合係数が大きくかつレーザ特性特にしきい電流と効率が高温でも劣化しない構造を有する半導体レーザまたは半導体レーザ集積化光源を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明において上記の第１課題は、ＩｎＰ基板上に複数の積層された層を有し、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸活性層の上にＩｎＧａＡｌＡｓの光ガイド層、ＩｎＡｌＡｓ電子ストッパ層、回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰクラッド層が順に積層され、当該回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の回折格子の凹部の深さがＩｎＧａＡｓＰ層の厚さより小さいことを特徴とする光半導体装置により達成される。
上記の第２の課題はＩｎＰ基板上に複数の積層された層を有し、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸活性層の上にＩｎＧａＡｌＡｓの光ガイド層、ＩｎＡｌＡｓ電子ストッパ層、回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰスペーサ層、ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層、ＩｎＰクラッド層が順に積層され、当該回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の回折格子の凹凸の深さが回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の厚さより小さいことを特徴とする光半導体装置により達成される。
また、上記の第３の課題は回折格子を有するＩｎＧａＡｓＰ層の一部が多重量子井戸層で構成されることを特徴とする光半導体装置により達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
【実施例１】
第１の実施例は本発明を通信用１．３μｍ帯ＤＦＢリッジ型レーザに適用した例である。図１に絶縁保護層と電極形成前の鳥瞰図を示す。図１において１０１はｎ型ＩｎＰ基板で下部クラッド層としても働く。１０２は厚さ３０ｎｍでｎ型ＩｎＡｌＡｓ層、１０３キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＧＲＩＮ−ＳＣＨ層、１０４は井戸層が厚さ５．５ｎｍで圧縮歪１．４％、障壁層が厚さ１０ｎｍで引っ張り歪０．６％である７層の総厚０．１１８５μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷあり１．３μｍにて発振するように組成を調整している。１０５はキャリア濃度６×１０１７ｃｍ−３で厚さ０．０４μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＧＲＩＮ−ＳＣＨ層、１０６はキャリア濃度９×１０１７ｃｍ−３で厚さ０．０４μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓの電子ストップ層、１０７はキャリア濃度１．４×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．０７μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰの回折格子層である。１０７の回折格子層の組成波長は１．１５μｍとした。１０８はキャリア濃度１．２×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．５μｍ  のｐ型ＩｎＰの第１上部クラッド層であり幅１．６μｍのリッジ型のメサストライプとなっている。１０９は電極とオーミック接続を得るためのコンタクト層であり、ＩｎＰ基板に格子整合したｐ型ＩｎＧａＡｓが使用される。図１までのプロセス工程を簡単に説明する。まず図２（ａ）のようにｎ型ＩｎＰ基板上にウェハー面内均一性に優れるＭＯＣＶＤ  （Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：  有機金属気相成長法，  ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）と記すこともある）により回折格子層１０７までの多層構造を連続して結晶成長させ，さらにその上にＳｉＯ２膜２０１をプラズマＣＶＤ法により形成する。次いで干渉露光法あるいはＥＢ描画法によりＳｉＯ２膜２０１上に周期２００ｎｍの回折格子パターンをレジストにより形成し、ＳｉＯ２膜をドライエッチング法によりエッチングしＳｉＯ２膜の回折格子パターンを１０７上に形成する。つぎに、このＳｉＯ２膜の回折格子パターンをマスクとしてメタンガス系の半導体ドライエッチ法により回折格子を１０７の回折格子層に転写する。このときの回折格子層の凹凸の高さは０．０３μｍとし１０７層の途中で止める必要がある。ドライエッチング法は精密なエッチング量制御が可能で垂直性（すなわち異方性）にすぐれ、面内均一性に優れる方式であるので０．０２５μｍの微細な加工をすることができる。引き続き、ダメージ除去のためのＨ３ＰＯ４と過酸化水素水系のウェットエッチングで０．００５μｍエッチングを行い、ＳｉＯ２マスクを除去する。ＳｉＯ２マスク除去後を図２の（ｂ）に示す。この後ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰクラッド層１０８とｐ型ＩｎＧａＡｓ層１０９を連続して成長する（図２（ｃ））。この多層構造上にフォトリソグラフィー法によりメサパターンを形成しＨ３ＰＯ４と過酸化水素水系のウェットエッチングでＩｎＧａＡｓ層１０９をエッチングし、１０９をマスクとしたメサストライプマスクを形成する。さらにＨＣｌと酢酸系のエッチング液により１０８のＩｎＰクラッド層をエッチングする。その際、回折格子層１０７はＩｎＧａＡｓＰでありこの上でエッチングが停止するので図１の形状となる。この形状のウェハーにＳｉＯ２保護膜３０１を成膜し、セルフアライン法によりメサの上部のみのＳｉＯ２保護膜を除去しｐ側電極３０２とｎ側電極３０３を形成すると図３の構造となる。
【００１２】
ここで本発明により素子抵抗が従来技術に比べて低減する理由を詳細に説明する。従来技術において素子抵抗が高い理由の１つは回折格子上への再成長の際にキャリア補償ができないためであった。これに対して本実施例では再成長前は図２の（ｂ）のように再成長界面がすべてＩｎＧａＡｓＰで覆われており再成長初期のｐ型ドーパントであるＺｎ飽和濃度が高いので濃度を上げてキャリア補償することができ、素子抵抗が低減する。表１は我々が実験した従来技術のフローティング回折格子層のＤＦＢレーザと本実施例のＤＦＢレーザの素子抵抗の比較である。本実験においては再成長初期のＺｎのキャリア濃度を２種類変えて行った。
【００１３】
【表１】
2004179274.tif 000003
【００１４】
表１から従来のフローティング回折格子の場合にはＺｎのキャリア濃度を上げても素子抵抗は低減しなかった。これは従来技術で説明したようにフローティング回折格子の場合は回折格子凹凸の底部がＩｎＰ層でありＺｎに対する飽和濃度が低く、再成長時にＺｎのキャリア濃度を上げてもＩｎＰ層の下層へ拡散したためである。これに対して本実施例の構造ではＺｎのキャリア濃度増大により抵抗が低減しており、キャリア補償の効果を確認することができた。尚、本実施例のようにＺｎを飽和濃度以上にドーピングしながら成長するときにはＭＱＷへの拡散に注意しなければならない。ＺｎがＭＱＷ活性層に多量に（おおよそ１×１０１８ｃｍ−３以上）入り込んでしまうとしきい電流、効率等のレーザ特性が劣化する。本実施例の構成は図１５に示す様に１０７のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層だけではなく１０４のＭＱＷまでの層、すなわち、１０６のＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層と１０５のＩｎＧａＡｌＡｓのＧＲＩＮ−ＳＣＨ層の飽和濃度が高いためＺｎが拡散してもこの領域で止まりＭＱＷ活性層までの拡散を防げる構造になっている。
【００１５】
従来技術において素子抵抗が高い第２の理由は回折格子とその周りのバンド構造に起因するものであった。これに対する本実施例の図１のＡ−Ａ’の横断面構造とそのバンド構造図を図４に示す。図４（ａ）は横断面構造であり、そのバンド構造が（ｂ）である。（ｂ）においてそれぞれ、４０１は１０８のｐ型ＩｎＰクラッド層、４０２は１０７のｐ型回折格子層、４０３は１０６のｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層、４０４は１０５のｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＧＲＩＮ−ＳＣＨ層のバンド構造でありドーピングした熱平衡状態のバンド図である。図４（ｂ）から従来構造にに比べてノッチが少なく、４０１と４０２の間にノッチがあるのみである。これは１０７のＩｎＧａＡｓＰ層と１０６のＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層間の価電子帯側のバンド不連続差が小さいからであり、本実施例では１０７の組成波長は１．１５μｍであるので価電子帯側のバンド不連続差はわずか９ｍｅＶである。さらにこれらの層のドーピング濃度が高いために図４（ｂ）のようにバンド不連続差は小さくなる。しかも、従来例とは異なり回折格子の凹凸の位置によらず図４（ｂ）のバンド構造は変わらないので電流は回折格子を一様に流れ素子抵抗は小さくなる。尚、１０７のＩｎＧａＡｓＰ回折格子の組成波長は短波長すぎると再成長時に回折格子の凹凸が崩れてしまうのとメサエッチング時のＩｎＰとの選択比が小さくなるため、１．１５μｍ以上であることが望ましい。また、長波長すぎると１０６のＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層とのバンド不連続が大きくなりノッチが出来てしまうため、電子の熱エネルギーの２倍相当の５４ｍｅＶのバンド不連続である１．２４μｍ以下であることが望ましく、さらに本実施例では１．３μｍで発振するため光の吸収を考慮すると１．２１μｍ以下であることが望ましい。また、本実施例では回折格子層は単一の組成波長の構造を用いていたが異なる組成波長を積層してもその効果は失われない。
【００１６】
尚、特開平１１−５４８７に開示されているものは図１６に示す様にＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層の上にＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層５０６が用いられているが、開示されている構造は再成長することなくｐ型ＩｎＰ層及びコンタクト層まで１度に成長するものであり、ＩｎＧａＡｓＰ層が平坦であることが本実施例とは異なる。さらに回折格子が形成不能な短い組成波長により構成されているところが本発明とは大きく異なる。また、従来から主に埋込型レーザで用いられている回折格子は図１４のようにＳＣＨ層に凹凸形状を形成したもので本実施例のように活性層とＳＣＨ層から離れた位置に独立に形成されるものとは異なる。
【００１７】
本実施例では本発明の優れた６．５Ωの低い素子抵抗を反映して共振器長２００μｍで前面０．４％の低反射膜、後面９０％の反射鏡を施したＤＦＢレーザにおいて、２５℃にて８．０ｍＡの低しきい電流を得ることができた。また、８５℃の高温においても１９．２ｍＡの低しきい電流であった。スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．２３Ｗ／Ａ，  ０．１９  Ｗ／Ａと良好であった。さらに図１７に示す様に８５℃において従来例に比べて約３倍の最大光出力を得ることができた。また、回折格子はＥＢ描画で作製したシフト位置が８：２の後方にあるλ／４型の構造を有するものを作製したため単一モード歩留まりが６０％と良好であった。以上の特性を反映して８５℃において消光比７ｄＢで１０Ｇｂ／ｓ伝送において良好なアイ開口を得ることができた。
【００１８】
【実施例２】
第２の実施例は本発明を通信用１．５５μｍ帯ＤＦＢリッジ型レーザに適用した例である。図１８にその構造図を示す。図１８において１０１はｎ型ＩｎＰ基板で下部クラッド層としても働く。１３０２はキャリア濃度１  ×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．０８μｍで組成波長０．９５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層、１８０１は井戸層が厚さ６ｎｍで圧縮歪１．４％、障壁層が厚さ１０ｎｍで引っ張り歪０．６％である７層の総厚０．１２２μｍのアンドープＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷあり１．５５μｍにて発振するように組成を調整している。、１３０１はキャリア濃度６×１０１７ｃｍ−３で厚さ０．０４μｍで組成波長０．９５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層、１０６はキャリア濃度９  ×１０１７ｃｍ−３で厚さ０．０４μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓの電子ストップ層、１８０２はキャリア濃度１．４×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．０４μｍで組成波長１．１５μｍの上に厚さ０．０３μｍで組成波長１．２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰが積層され、上部の１．２μｍ組成の層に凹凸形状がついている回折格子層である。１８０３はキャリア濃度１．２×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰスペーサ層、５０６はキャリア濃度１．４×１０１８ｃｍ−３で組成波長１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層エッチストップ層、１０８はキャリア濃度１．２  ×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．５μｍ  のｐ型ＩｎＰの第１上部クラッド層であり幅１．８μｍのリッジ型のメサストライプとなっている。１０９は電極とオーミック接続を得るためのコンタクト層であり、ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。また、３０１はＳｉＯ２保護膜、３０２はｐ側電極、３０３はｎ側電極である。作製プロセスは実施例１とほぼ同じであるが、回折格子形成後にまず、ＩｎＰスペーサ層１８０３とＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層５０６を成長し、さらに連続してＩｎＰクラッド層を成長する。実施例１との構造上の大きな違いの１つは回折格子の上にＩｎＰスペーサ層１８０３とＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層５０６が挿入されていることである。これらの層を入れることにより回折格子の結合係数κとリッジメサストライプの横モードの高次モードのカットオフ幅を独立に制御できる。共振現象のＱ値に相当する結合係数κは回折格子層内の光密度と正の相関があるためＭＱＷ活性層１８０２と近づけたほうが回折格子層内の光密度が上昇してκが増加する。一方、光ファイバーとの光結合を取るためにはレーザ内部のニァフィールドパターンが単峰性でなくてはならず、リッジメサストライプの横モードにおいて高次モードが立たない条件にしなければならない。リッジ型レーザではリッジメサストライプの底部、すなわち図３では１０７の上部層、図１８では５０６の上部と活性層との距離が短いほどカットオフのメサの幅（１０８の幅）が小さくなる。メサの幅が小さくなると１０８部での抵抗が大きくなるので素子抵抗が増加してしまう。実施例１の構造では回折格子層とメサストライプの底部が同一のためκと横モードのカットオフ幅を独立に制御できなかったが、本実施例は独立に制御することができる。但し、５０６のエッチストップ層の上下がＩｎＰ層で挟まれるためここでノッチが出来て多少抵抗が増加する。しかし、こ���層は再成長界面ではないため素子抵抗の増加は小さい。また、本実施例では１８０３はＩｎＰのスペーサ層を用いていたが、ＩｎＡｌＡｓを用いてもその効果は変わらない。
【００１９】
本実施例では本発明の優れた６．８Ωの低い素子抵抗を反映して共振器長２００μｍで前面０．４％の低反射膜と、後面９０％の反射鏡を施したＤＦＢレーザにおいて、２５℃にて８．９ｍＡの低しきい電流を得ることができた。また、８５℃の高温においても２２．４ｍＡの低しきい電流であった。スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．１９Ｗ／Ａ，  ０．１４  Ｗ／Ａと良好であった。また、回折格子はＥＢ描画で作製したシフト位置が７：３の後方にあるλ／４型の構造を有するものを作製したため単一モード歩留まりが５６％と良好であった。以上の特性を反映して８５℃において消光比７ｄＢで１０Ｇｂ／ｓ伝送において良好なアイ開口を得ることができた。
【００２０】
【実施例３】
本実施例は本発明をＩｎＰ基板上に作製した通信用１．３μｍ帯ＤＦＢリッジ型レーザに適用した例である。構造は実施例１とほぼ同等である。実施例１との違いは１０７の回折格子層の一部がＩｎＧａＡｓＰの量子井戸層構造になっていることである。図１９に本実施例の図１のＡ−Ａ’の横断面構図を示す。同図において１９０１は厚さ０．０４μｍ、キャリア濃度１．４  ×１０１８ｃｍ−３で組成波長が１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ層であり、１９０２は井戸層が厚さ４ｎｍで障壁層が厚さ７ｎｍの３層のＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷでキャリア濃度１．２×１０１８ｃｍ−３に一様にドーピングされており、発光波長は１．２２μｍに調整されている。この場合井戸層の組成波長は１．３μｍ程度になるが、井戸層が狭いのと、量子井戸層の量子効果により井戸層内の状態密度が小さくなっているため、ノッチは小さく素子抵抗増大は軽微に押さえられる。回折格子形成時にはＭＱＷ層のみをドライエッチングでエッチングすれば良くその他のプロセスは実施例１と同等である。このように回折格子をＭＱＷ構造にすることにより同一の凹凸深さと結合係数κにおいても特に高温における回折格子の吸収を小さくすることができ、高温でのレーザ特性が向上する。図２０は同一の結合係数κと凹凸深さにおける実施例１、２で使用した通常のバルク回折格子とＭＱＷ回折格子の光吸収と波長の関係をそれぞれ模式的に示したものである。バルク回折格子は一般に吸収曲線にテイルが出るのに対してＭＱＷ回折格子はテイルを引かず急峻な特性が得られるためレーザの発振波長での光吸収が小さくなる。ＤＦＢレーザでは高温になってもレーザ発振波長は０．１ｎｍ／℃程度しか長波長側に変化しないのに対して回折格子は０．６ｎｍ／℃で長波長側に移動するため高温でのバルク回折格子の光吸収はより大きくなる。よってＭＱＷ回折格子は高温での光吸収が小さく良好なレーザ特性が得られる。
【００２１】
本実施例では本発明の優れた７．０Ωの低い素子抵抗を反映して共振器長２００μｍで前面０．４％の低反射膜、後面９０％の反射鏡を施したＤＦＢレーザにおいて、２５℃にて７．５ｍＡの低しきい電流を得ることができた。また、８５℃の高温においても１７．２ｍＡの低しきい電流であった。スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．２５Ｗ／Ａ，  ０．２１  Ｗ／Ａと良好であった。また、回折格子はＥＢ描画で作製したシフト位置が８：２の後方にあるλ／４型の構造を有するものを作製したため単一モード歩留まりが６０％と良好であった。以上の特性を反映して８５℃において消光比７ｄＢで１０Ｇｂ／ｓ伝送において良好なアイ開口を得ることができた。
尚、本実施例ではＭＱＷ回折格子層には一様にドーピングしているが、より急峻な吸収特性を得るために井戸層のみ或いはＭＱＷ回折格子層すべてをアンドープとしても良い。また、ＭＱＷ回折格子をレーザの発振波長より短くしているが、レーザの発振波長と同一のＭＱＷ回折格子として利得結合型回折格子とすることもできる。この場合、回折格子が利得を有するためには１０５のＳＣＨ層と１０６の電子ストップ層の膜厚をレーザ特性が劣化しない程度に薄くしてある程度電子が回折格子に漏れるように調整する必要がある。
【００２２】
また、本実施例は実施例２のようにｐ型ＩｎＰスペーサ層とエッチストップ層をＭＱＷ回折格子とｐ型ＩｎＰクラッド層に挿入する構造でも適用可能なことは言うまでもない。
【００２３】
さらに、実施例１から３ではリッジ型レーザの適用例を述べてきたが、埋込型レーザに適用しても同等の効果が得られることは言うまでもない。また、実施例１から３まではＤＦＢレーザ単体についての適用例を述べてきたが、電界吸収型変調器を集積化した集積化ＤＦＢレーザに適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明では、ＩｎＧａＡｌＡｓのＭＱＷ層を活性層とするＤＦＢレーザにおいて素子抵抗を低減して高温でのしきい電流、効率、最大光出力等のレーザ特性の向上に対して効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す構造図。
【図２】本発明の実施例を示す構造図。
【図３】本発明の実施例を示す構造図。
【図４】本発明の実施例を示す構造図及び効果を説明するための図。
【図５】従来例を示す構造図。
【図６】従来例を示す構造図。
【図７】従来例を示す構造図。
【図８】従来例を示す構造図。
【図９】従来例を示す構造図。
【図１０】従来例を示す構造図。
【図１１】ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷとＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷのバンド構造図。
【図１２】ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷとＳＣＨ層のバンド構造図。
【図１３】ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷとＳＣＨ層のバンド構造図。
【図１４】従来例を示す構造図。
【図１５】材料によるＺｎの飽和キャリア濃度の違いを示す図。
【図１６】従来例を示す構造図。
【図１７】本特許の効果を示す図。
【図１８】本発明の実施例を示す構造図。
【図１９】本発明の実施例を示す構造図。
【図２０】本発明の効果を説明する図。
【符号の説明】
１０１    ｎ型ＩｎＰ基板
１０２    ｎ型ＩｎＡｌＡｓ層
１０３    ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
１０４    ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層
１０５    ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
１０６    ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層
１０７    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
１０８    ｐ型ＩｎＰクラッド層
１０９    ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
２０１    ＳｉＯ２膜
３０１    ＳｉＯ２保護膜
３０２    ｐ側電極
３０３    ｎ側電極
４０１    １０８のｐ型ＩｎＰクラッド層のバンド構造
４０２    １０７のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層のバンド構造
４０３    １０６のｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層のバンド構造
４０４    １０５のｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層のバンド構造
５０２    ｎ型ＳＣＨ層
５０３    活性層
５０４    ｐ型ＳＣＨ層
５０５    ｐ型ＩｎＰ層
５０６    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層
５０７    ｐ型ＩｎＰ層
５０８    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
７０１    ｎ型ドーパントの不純物
１００１    １０８のｐ型ＩｎＰクラッド層のバンド構造
１００２    ５０８のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子のバンド構造
１００３    ５０７のｐ型ＩｎＰ層のバンド構造
１１０１    ＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸層
１１０２    ＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層
１１０３    ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層
１１０４    ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
１３０１    ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層
１３０２    ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層
１４０２    回折格子が形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ  ＳＣＨ層
１４０３    ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ活性層
１４０４    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨ層
１８０１    １．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層
１８０２    組成波長が異なるＩｎＧａＡｓＰが積層された回折格子層
１８０３    ｐ型ＩｎＰスペーサ層
１９０１    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１９０２    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ回折格子層。
【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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