(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有する基板と、
前記基板上に形成された第１の導電型を有する第１のクラッド層と、
前記クラッド層上に形成され、サイズ不均一の複数の島状の自己組織化量子ドットを含む活性層と、
前記活性層に沿って形成されたブラッグ波長がλｇの回折格子と、
前記活性層上に形成された、第２の導電型を有する第２のクラッド層と、
前記基板を介して前記活性層中に第１の極性のキャリアを注入する第１の電極と、
前記第２のクラッド層を介して前記活性層中に第２の極性のキャリアを注入する第２の電極とよりなるレ−ザダイオ−ドにおいて、
前記活性層は半値全幅がΓの利得スペクトルを有し、
前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦１．１Γ
を満足するようなピッチを有し、
動作温度の変化に伴って前記活性層の利得スペクトルと前記回折格子のブラッグ波長λｇとの間にデチューニングが生じても、前記利得スペクトルの広がりにより前記ブラッグ波長λｇは前記利得スペクトルの範囲内にとどまり、レーザ発振が継続されることを特徴とするレーザダイオード。
【請求項２】
前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦０．６Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項３】
前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦０．５Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項４】
前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦０．３Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項５】
前記利得スペクトルは、前記ＤＦＢレーザダイオードの動作温度範囲をΔＴとして、ナノメートルで表した半値全幅が０．１５ΔＴを超えることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
【請求項６】
前記利得スペクトルの半値全幅Γの下限が、１．３μｍ帯域では約９ｍｅＶであることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
【請求項７】
前記利得スペクトルの半値全幅Γの下限が、１．５５μｍ帯域では約６ｍｅＶであることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
【請求項８】
第１の導電型を有する基板上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、サイズ不均一の複数の島状の自己組織化量子ドットを含む活性層を形成する工程と、
前記活性層に沿って、ブラッグ波長がλｇの回折格子を形成する工程と、
前記活性層上に、第２の導電型を有する第２のクラッド層を形成する工程と、
前記基板に第１の電極を形成する工程と、
前記第２のクラッド層に第２の電極を形成する工程とを有し、
前記活性層は半値全幅がΓの利得スペクトルを有し、前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦１．１Γ
を満足するようなピッチを有し、
動作温度の変化に伴って前記活性層の利得スペクトルと前記回折格子のブラッグ波長λｇとの間にデチューニングが生じても、前記利得スペクトルの広がりにより前記ブラッグ波長λｇは前記利得スペクトルの範囲内にとどまり、レーザ発振が継続される
ことを特徴とするレーザダイオードの製造方法。
【請求項９】
前記島状の自己組織化量子ドットは、約０．０１分子層／秒の堆積速度で堆積されるＩｎＡｓ層であり、前記活性層は半値全幅が約４０ｍｅＶの利得スペクトルを得ることを特徴とする請求項８記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項１０】
前記島状の自己組織化量子ドットは、０．１分子層／秒の堆積速度で体積されるＩｎＡｓ層であり、前記活性層は半値全幅が約１００ｍｅＶの利得スペクトルを得ることを特徴とする請求項８記載のレーザダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に回折格子よりなる光共振器を有するレーザダイオードに関する。
【０００２】
ＤＦＢレーザダイオードあるいはＤＢＲレーザダイオードは回折格子よりなる光共振器を有し、光ファイバを使った高速光通信ネットワークにおいて、高速光変調が可能な単一モード光源として広く使われている。
【０００３】
【従来の技術】
高速光通信ネットワークで光源として使われるレーザダイオードは単一モードで動作することが要求され、このため従来より、かかる高速光通信ネットワークの光源としては、光共振器をミラーの代わりに回折格子で構成したＤＦＢレーザダイオードやＤＢＲレーザダイオードが使われている。
【０００４】
図１は、このような従来のＤＦＢレーザダイオード１０の構成を示す。
【０００５】
図１を参照するに、レーザダイオード１０はｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成され、前記ＩｎＰ基板１１上にはｎ型ＩｎＰよりなるクラッド層１２と非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＳＣＨ層１３と、非ドープＩｎＧａＡｓよりなる活性層１４とが順次エピタキシャルに形成されている。
【０００６】
前記活性層１４上にはさらに別の非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなるＳＣＨ層１５がエピタキシャルに形成され、前記ＳＣＨ層１５にはＤＦＢ回折格子１５Ａが形成されている。さらに前記ＳＣＨ層１５上にはｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層１６とｐ型ＩｎＰよりなるコンタクト層１７とが順次エピタキシャルに形成され、前記コンタクト層１７上にはｐ型電極１８が、また前記基板１１の下面上にはｎ型電極１９が形成される。
【０００７】
かかるレーザダイオード２０では前記電極１８，１９よりキャリアが前記活性層１４中に注入され、注入されたキャリアの再結合により前記活性層１４中に形成された光放射が前記ＳＣＨ層１３および１５中を導波され、前記活性層１４中における誘導放出により光増幅される。その際、前記回折格子１５Ａの実効的なピッチに同調した、すなわち前記回折格子１５Ａのブラッグ波長ないしＤＦＢ波長λｇに対応した光成分が前記ＤＦＢ回折格子１５Ａにより繰り返し反射され、選択的に増幅を受ける。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの単一モードレーザダイオードを変調信号により駆動した場合、前記活性層１４中において注入キャリア密度が変調信号により変化するため活性層の屈折率も同時に変化してしまい、変調信号に伴って回折格子の実効的な周期が変化し、その結果発信波長が変調信号と共に変化する、いわゆるチャーピングと呼ばれる現象が生じる。かかるチャーピングが生じると光信号の波長が光ファイバの最適透過帯域からずれることがあり、光信号の伝送距離が制限されてしまう。
【０００９】
チャーピングの大きさは、一般的に式
【００１０】
【数１】
0004789319.tif 000002
で定義される線幅増大係数αにより決定される。ここでχ（Ｎ）はレーザダイオードを構成する活性層の複素感受率、Ｎはキャリア密度であり、Ｒｅ｛χ（Ｎ）｝はχ（Ｎ）の実数部を、またＩｍ｛χ（Ｎ）｝はχ（Ｎ）の虚数部を表す。Ｒｅ｛χ（Ｎ）｝は活性層の屈折率に関係し、一方Ｉｍ｛χ（Ｎ）｝は吸収に関係する。
【００１１】
Ｒｅ｛χ（Ｎ）｝とＩｍ｛χ（Ｎ）｝との間には周知のKramers-Kronigの関係式が成立し、さらに前記Ｉｍ｛χ（Ｎ）｝がレーザダイオードの利得ｇに比Ｋ例することを考慮すると、前記線幅増大係数αは、式
【００１２】
【数２】
0004789319.tif 000003
により表すことができる。ただし式２中、ＥおよびＥ’はエネルギ、ＰはCauchyの主値積分を表す。
【００１３】
バルク構造の活性層１４を有する通常のレーザダイオード２０では一般に前記線幅増大係数αは４〜６の程度であり、従って変調信号により実質的なチャーピングが生じるのを回避することができない。これに対し活性層１４中に前記ＳＣＨ層１５をバリア層とする量子井戸層を形成したレーザダイオードでは、線幅増大係数αの値を２程度まで減少させることができる。かかる量子井戸レーザダイオードでは、さらに量子井戸の材料や組成、レーザ構造を最適化し、ＤＦＢ光共振器と組み合わせることにより、線幅増大係数αの値を１．４〜１．８程度まで減少させることが可能である。
【００１４】
しかし、このような従来の量子井戸レーザダイオードでは、図２に示すように利得が最大になる波長と線幅増大係数αがゼロになる波長とがずれており、線幅増大係数αがゼロになる波長では利得は負になってしまうのがわかる。そこで、従来の量子井戸レ−ザダイオ−ドにおいては、レ−ザ発振が、利得スペクトルが正でしかも線幅増大係数αのゼロ点に可能な限り近い波長において生じるように、量子井戸の材料や組成、さらにＤＦＢ回折格子１５Ａのピッチを設定している。しかし、このような手法では、チャーピングの抑制には限りがあり、しかも十分な利得を実現することができない。
【００１５】
一方、従来より図１のレーザダイオードにおいて前記活性層１４を量子ドットにより形成したレ−ザダイオ−ドが公知である。例えば特開平９−３２６５０６号公報を参照。
【００１６】
図３は、量子ドットを活性層に使った従来のレ−ザダイオ−ド２０の構成を示す。
【００１７】
図３を参照するに、レ−ザダイオ−ド２０はｎ型ＧａＡｓ基板２１の（００１）面上に形成され、前記基板２１上にエピタキシャルに形成された組成がＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓのｎ型ＡｌＧａＡｓよりなるクラッド層２２と、前記クラッド層２２上に形成された非ドープＧａＡｓよりなるＳＣＨ層２３と、前記ＳＣＨ層２３上に形成された組成がＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓのｐ型ＡｌＧａＡｓよりなるクラッド層２４と、前記クラッド層２４上に形成されたｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層２５とを含み、前記ＳＣＨ層２３中には多数の量子ドット２３Ａよりなる活性層が形成されている。さらに前記ＳＣＨ層２３上にはレ−ザダイオ−ド２０の軸方向に回折格子２３Ｂが形成され、前記コンタクト層２５上にはｐ型電極２６が、また前記基板２１の底面にはｎ型電極２７が形成されている。
【００１８】
このような量子ドットを使ったレ−ザダイオ−ド２０において線幅増大係数αのゼロ点が利得スペクトルのピークに近接するならば、レ−ザダイオ−ドにおけるチャーピングを抑制するのに有効であると期待されている。
【００１９】
一方図４に示すように、このような量子ドットを有するレ−ザダイオ−ド２０においては利得スペクトルは約０．２５ｎｍ／°Ｃの温度依存性を有し、レ−ザダイオ−ドの温度が上昇すると長波長側に変位する。これに対しＤＦＢ回折格子２３Ｂのブラッグ波長は０．１ｎｍ／°Ｃ程度の温度依存性しか有さない。このため、従来の量子ドットＤＦＢレ−ザダイオ−ド２０では、動作温度が変化するとＤＦＢ回折格子２３Ｂのブラッグ波長が利得スペクトルから外れてしまい、レ−ザ発振が停止するおそれがあった。
【００２０】
そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な光半導体装置を提供することを概括的課題とする。
【００２１】
本発明のより具体的な課題は、線幅増大係数の絶対値を最小化し、同時に動作温度範囲を拡張したレ−ザダイオ−ドを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、第１の導電型を有する基板と、前記基板上に形成された第１の導電型を有する第１のクラッド層と、前記クラッド層上に形成され、複数の量子ドットを含む活性層と、前記活性層に沿って形成されたブラッグ波長がλｇの回折格子と、前記活性層上に形成された、第２の導電型を有する第２のクラッド層と、前記基板を介して前記活性層中に第１の極性のキャリアを注入する第１の電極と、前記第２のクラッド層を介して前記活性層中に第２の極性のキャリアを注入する第２の電極とよりなるレ−ザダイオ−ドにおいて、前記活性層は半値全幅がΓの利得スペクトルを有し、前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式ΔＥ≦１．１Γを満足するようなピッチを有することを特徴とするレ−ザダイオ−ドにより、解決する。本発明によれば、前記活性層の線幅増大係数αの絶対値を４以下に抑制することが可能である。
【００２３】
本発明において、前記回折格子を、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式ΔＥ≦０．６Γが成立するようなピッチに形成してもよい。かかる構成により、前記活性層の線幅増大係数αの絶対値を２以下に抑制することが可能になる。
【００２４】
本発明において前記回折格子を、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式ΔＥ≦０．５Γが成立するようなピッチに形成してもよい。かかる構成により、前記活性層の線幅増大係数αの絶対値を１．４以下に抑制することが可能になる。
【００２５】
本発明において前記回折格子を、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式ΔＥ≦０．３Γが成立するようなピッチに形成してもよい。かかる構成により、前記活性層の線幅増大係数αの絶対値を１．０以下に抑制することが可能になる。
【００２６】
本発明において、前記利得スペクトルは、前記レ−ザダイオ−ドの動作温度範囲をΔＴとして、ナノメートルで表した幅が０．１５ΔＴを超えるものであるのが好ましい。かかる構成によれば、レ−ザダイオ−ドの動作温度が仮に８５°Ｃの範囲で変動しても、活性層の利得スペクトルがブロードに広がっているため前記回折格子が規定するブラッグ波長は活性層の利得スペクトルの波長域内に含まれ、レ−ザダイオ−ドの発振が維持される。前記量子ドットを自己組織化量子ドットとすることにより、活性層を所望のブロードな利得スペクトルを有するように形成することが可能になる。かかる自己組織化量子ドットはＩｎＡｓを使うことにより容易に形成でき、前記レ−ザダイオ−ドは１．３μｍ帯域あるいは１．５５μｍ帯域において発振が可能である。
【００２７】
本発明において前記回折格子を前記活性層のうち、前記量子ドットが形成されている部分に対応して、あるいは活性層のうち前記量子ドットが形成されている部分に形成することにより、ＤＦＢレーザダイオードを形成することができる。また前記回折格子を前記活性層のうち、前記量子ドットが形成されている部分からずらして形成することによりＤＢＲレーザダイオードを形成することが可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図５は、本発明の第１実施例によるＤＦＢレーザダイオード３０の構成を示す。ただし図５中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２９】
図５を参照するに、ＤＦＢレーザダイオード３０は先に説明した従来のＤＦＢレーザダイオード２０と同様な構成を有するが、ＳＣＨ層２３上に回折格子２３Ｂの代わりにピッチおよびブラッグ波長λｇの異なる別の回折格子２３Ｃを形成されている。先のレーザダイオード２０と同様に、レーザダイオード３０の活性層はＳＣＨ層２３中に掲載された量子ドット２３Ａよりなる。
【００３０】
図６は本発明の発明者が図５のＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０について行った線幅増大係数αおよび利得スペクトルの計算結果を示す。ただし図６中、横軸は光波長エネルギを表し、左側の縦軸が利得を、また右側の縦軸が線幅増大係数αを表す。図６中、量子ドットの利得スペクトルの計算にはSunagawa, M., "Self-Assembled InGaAs/GaAs Quantum Dots," Chapter 1, Academic Press中の計算式を使い、単一の量子ドットのエネルギ幅（均一幅）と量子ドットのサイズ不均一に起因するエネルギ幅（不均一幅）とを考慮して計算を行った。図６の例では均一幅が３０ｍｅＶ，不均一幅が３０ｍｅＶに設定されており、得られた利得スペクトルは３６ｍｅＶの半値全幅Γを有するのがわかる。一方、図６の線幅増大係数αは、先の式（２）と使って求めた。
【００３１】
図６よりわかるように、活性層中に量子ドットを有するＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０では利得スペクトルのピークと線幅増大係数αのゼロ点が一致するのが見出された。このことは、線幅増大係数の絶対値を４以下、２以下、１．４以下、１．０以下と、任意に指定した場合、いずれの場合でも対応するエネルギ幅内に利得スペクトルのピークが含まれることを意味している。
【００３２】
例えば線幅増大係数αの絶対値が４以下の場合、これに対応する光波長域エネルギ幅ΔＥは約３８ｍｅＶとなり、従って本実施例のレーザダイオード３０において前記回折格子２３Ｃのブラッグ波長λｇを前記エネルギ幅ΔＥ内に収めておけば、絶対値が４．０以下の線幅増大係数αが保証されることになる。勿論前記エネルギ幅ΔＥは利得スペクトル内に含まれており、従ってこのように設計されたＤＦＢレ−ザダイオ−ドはチャーピングを効果的に抑制することが可能である。
【００３３】
図６においては、さらに前記線幅増大係数αの絶対値を２．０以下、１．４以下、１．０以下と任意の範囲に選ぶことも可能である。この場合には、対応するエネルギ幅ΔＥは、前記利得スペクトルの半値全幅が３６ｍｅＶである場合、それぞれ約２２ｍｅＶ、１８ｍｅＶおよび１２ｍｅＶとなり、従って前記回折格子２３Ｃのブラッグ波長λｇを、対応するブラッグ波長エネルギが前記エネルギ幅内に収まるように設定しておくことにより、所望の線幅増大係数αを実現することが可能である。その結果、チャーピングをさらに効果的に抑制することができる。
【００３４】
さらに本発明の発明者は、図６の計算を様々な線幅増大係数αおよび半値全幅Γについて実行したところ、前記エネルギ幅ΔＥと半値全幅Γとの間の関係は、線幅増大係数αが４．０以下の場合、近似的には図７に示すように式ΔＥ＝１．１Γの直線で表すことが可能であることを見出した。ただし図７中、縦軸は前記エネルギ幅ΔＥを、また横軸は利得スペクトルの半値全幅の値Γを示す。
【００３５】
図７を参照するに、ハッチングを施したΔＥ＝１．１Γよりも下の領域では線幅増大係数αが４．０以下である条件が満足されており、従って図５のＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０において、与えられた半値全幅Γの利得スペクトルに対して前記回折格子２３Ｃのピッチをハッチングで示した範囲内に設定することにより、線幅増大係数αの絶対値を４．０以下に抑制されることがわかる。先にも説明したように、回折格子２３Ｃについてこのようにピッチを設定しても、ブラッグ波長はレ−ザダイオ−ドの利得スペクトル内にあるため、レ−ザダイオ−ドは発振する。前記利得スペクトルの半値全幅Γが大きい場合、すなわち図６の利得スペクトルがブロードである場合には、前記エネルギ範囲ΔＥも大きく、一方図６の利得スペクトルがシャープである場合には、前記エネルギ範囲ΔＥは狭くなる。
【００３６】
これに対し、線幅増大係数αの絶対値を２．０以下に抑制したい場合には、同様な計算により、図８に示したように、式ΔＥ＝０．６Γで表される直線よりも下側のエネルギ領域に前記回折格子２３Ｃの波長を設定すればよいことが示される。さらに線幅増大係数αの絶対値を１．４以下に抑制したい場合には、図９に示したように式ΔＥ＝０．５Γで表されるよりも下のエネルギ領域に回折格子２３Ｂの波長を設定すればよい。また線幅増大係数αの絶対値を１．０以下に抑制したい場合には、図１０に示したように式ΔＥ＝０．３Γで表されるよりも下のエネルギ領域に回折格子２３Ｃの波長を設定すればよい。
【００３７】
ところで先にも説明したように、図５の量子ドットを有するレ−ザダイオ−ド３０では、動作温度が上昇すると利得スペクトルは０．２５ｎｍ／°Ｃの割合で長波長側に変位する。これに対して前記回折格子２３Ｃのピッチに対応したブラッグ波長λｇは０．１ｎｍ／°Ｃの割合でしか変化しないため、回折格子２３Ｃと利得スペクトルとの間には温度変化に伴ってデチューニングが生じる。
【００３８】
温度変化ΔＴに対するデチューニング量をΔＤと定義すると、上記の関係から、ΔＤは
ΔＤ（ｎｍ）＝０．２５ΔＴ−０．１ΔＴ＝０．１５ΔＴ
で表される。
【００３９】
そこで、このようなデチューニングが生じた場合でもレーザ発振を維持するためには、前記量子ドット活性層２３Ａは、前記デチューニング量ΔＤに対応した広がりを有する必要がある。例えば動作温度が８０°Ｃの範囲で変動した場合でもレーザ発振を維持するためには、前記活性層２３Ａの利得スペクトルは１２ｎｍの半値全幅を有する必要がある。前記利得スペクトルがこのような半値全幅を有する場合、図１１に示すように利得スペクトルが変位しても前記回折格子２３Ｂのブラッグ波長λｇは利得スペクトルの範囲に含まれる。前記１２ｎｍの幅は、エネルギに換算すると１．３μｍ帯域では約９ｍｅＶの幅に対応し、また１．５５μｍ帯域では約６ｍｅＶの幅に対応する。前記利得スペクトルの半値全幅は、活性層２３Ａの発光スペクトル幅と同一と見なすことができる。
【００４０】
図１２は図５のＤＦＢレーザダイオード３０において、線幅増大係数αの絶対値が１．０以下で、しかも８０°Ｃの温度変化ΔＴが生じてもレーザ発振が維持されるエネルギ幅ΔＥと活性層の利得スペクトル半値全幅Γとの関係を示す。
【００４１】
図１２を参照するに、図示の関係は基本的には図１０の関係に対応しており、図１０の関係に対して利得スペクトルの半値全幅Γについての下限を設定しているものである。すなわち、前記利得スペクトルの半値全幅Γの値を９ｍｅＶ以上に設定することにより、８０°Ｃの温度変化ΔＴが生じても回折格子２３Ｃのブラッグ波長λｇは利得スペクトルの半値全幅Γの範囲内に収まり、レーザ発振が生じる。しかも前記回折格子２３Ｃのブラッグ波長λｇを、ブラッグ波長エネルギが前記ΔＥ＝０．３Γの直線で規定されるエネルギ幅ΔＥ内に収まるように設定することにより、線幅増大係数αの絶対値を１．０以下に収めることが可能になる。
【００４２】
次に、図５のレーザダイオード３０の製造方法について、図１３（Ａ）〜図１４（Ｆ）を参照しながら説明する。
【００４３】
図１３（Ａ）を参照するに、前記ｎ型ＧａＡｓ基板２１の（００１）面上には組成がＡｌ0.4Ｇａ0.6ＡｓのＡｌＧａＡｓクラッド層２２がＭＢＥ法により約１００ｎｍの厚さに形成され、図１３（Ｂ）の工程において前記クラッド層２２上に非ドープＧａＡｓＳＣＨ層２３ａが数ｎｍの厚さに、同じくＭＢＥ法により形成される。
【００４４】
図１３（Ｂ）の工程ではさらに基板温度を５１０°Ｃに設定し、前記ＳＣＨ層２３ａ上にＩｎＡｓ層をＭＢＥ法により、約０．００１分子層／秒の堆積速度で約１．８分子層の厚さに堆積する。このようにして形成されたＩｎＡｓ層はＧａＡｓ基板２１に対して歪へテロ系を形成し、島状の自己組織化量子ドット２３Ａが形成される。このようにして形成された量子ドット２３Ａは一般に数ｎｍから数十ｎｍの径と数ｎｍの高さを有し、また自然のサイズ不均一を有するが、成長速度を上記のように非常に小さく設定することにより、半値全幅が約４０ｍｅＶの利得スペクトルを実現することができる。
【００４５】
さらに図１３（Ｃ）の工程において図１３（Ｂ）の構造を覆うように厚さが数ｎｍのＳＣＨ層２３ｂをＭＢＥ法により形成し、その上にさらに図１３（Ｂ）と同様な自己組織化量子ドット２３Ａを、図１３（Ｂ）の場合と同一の条件下で形成する。さらに図１３（Ｃ）の工程を繰り返すことにより、図１４（Ｄ）に示すように、前記ＳＣＨ層２３中に自己組織化ＩｎＡｓ量子ドット２３Ａの集合の形で活性層が形成された構造が得られる。
【００４６】
さらに図１４（Ｄ）の工程では、このようにして形成された量子ドット活性層２３Ａの利得スペクトルを発光スペクトルを観測することにより確認し、得られた利得スペクトルの半値全幅Γおよび所望の線幅増大係数αの値に基づいて、前記回折格子２３Ｃのピッチを決定し、図１４（Ｅ）の工程において前記ＳＣＨ層２３を前記決定されたピッチに基づいてパターニングし、回折格子２３Ｃを形成する。例えば線幅増大係数αの絶対値を１．０以下に抑制したい場合、先の関係式ΔＥ＝０．３Γ（図１０）より、前記回折格子２３Ｃのピッチはブラッグ波長λｇがΔＥ＝１２ｍｅＶ以内に入るように決定される。
【００４７】
さらに図１４（Ｆ）の工程では、図１４（Ｅ）の構造上に前記回折格子２３Ｃを覆うように組成がＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓのｐ型クラッド層２４をＭＢＥ法により堆積し、さらにその上にｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層をＭＢＥ法により堆積する。図１４（Ｆ）の構造に、さらに図示を省略したリッジ構造をメサエッチング工程により形成し、前記ｐ型電極２６およびｎ型電極２７を形成することにより、図５のＤＦＢレーザダイオード３０が得られる。
【００４８】
このように、図５のＤＦＢレーザダイオード３０において、量子ドット活性層２３Ａの利得スペクトルは、図１３（Ｂ），（Ｃ）のＩｎＡｓ量子ドット２３Ａを形成する工程においてＩｎＡｓの堆積速度を制御することで、ある程度制御することが可能である。例えば図１３（Ｂ），（Ｃ）の工程においてＩｎＡｓ層の堆積速度を０．１分子層／秒に設定すると、約１００ｍｅＶの半値半幅を有する利得スペクトルを得ることができる。この場合には、線幅増大係数αの絶対値を１．０以下にしようとすると、図１４（Ｅ）の工程において前記回折格子２３Ｃのブラッグ波長エネルギがΔＥ＝３０ｍｅＶの範囲内に入るように回折格子２３Ｃのピッチを決定すればよい。
【００４９】
このようにして形成された量子ドット活性２３Ａは利得スペクトルの半値全幅が先に図１２で説明した９ｍｅＶあるいは６ｍｅＶを超えており、従って１．３μｍあるいは１．５５μｍでの動作中に８０°Ｃの温度変化が生じてもレーザ発振が停止することはない。
［第２実施例］
図１５は、本発明の第２実施例によるレーザダイオード４０の構成を示す。ただし図１５中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５０】
本実施例においても前記活性層は自己組織化量子ドット２３Ａにより形成されているが、前記レーザダイオード３０におけるＳＣＨ層２３上に形成された回折格子２３Ｃの代わりに、本実施例のレーザダイオード４０では回折格子２３Ｄが、前記自己組織化量子ドット活性層２３Ａ中に形成されている。
【００５１】
本実施例においても前記回折格子２３Ｄを、ブラッグ波長エネルギが前記自己組織化量子ドット活性層２３Ａの利得スペクトルの半値全幅Γに対して定まる所定のエネルギ幅ΔＥ内に収まるように形成することにより、所望の線幅増大係数を実現することができる。例えば前記回折格子２３Ｄのピッチを、ブラッグ波長エネルギがΔＥ＝０．３Γのエネルギ幅内に収まるように決定することにより、線幅増大係数αの絶対値として１．０以内の値が実現可能である。
【００５２】
また本実施例においても、前記量子ドット２３Ａを前記半値全幅Γの値が６ｍｅＶあるいは９ｍｅＶ以上になるように形成することにより、８０°Ｃの温度変化に対して安定なレ−ザ発振を実現することが可能である。
［第３実施例］
図１６は本発明の第３実施例によるＤＢＲレ−ザダイオ−ド５０の構成を示す。ただし図１６中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
図１６を参照するに、本実施例においては、図５のＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０において前記ＧａＡｓＳＣＨ層２３上に前記電極２６に対応して形成されていた、換言するとキャリア注入領域に対応して形成されていた回折格子２３Ｃが撤去され、その代わりに別の回折格子２３Ｅが前記ＧａＡｓＳＣＨ層２３の延長部に形成される。かかるＳＣＨ層２３の延長部はＤＢＲを形成し、レ−ザダイオ−ド５０の対向端に形成されたミラー面Ｍと共に光共振器を形成する。
【００５４】
本発明はかかるＤＢＲレ−ザダイオ−ド５０においても有効であり、前記ＤＢＲの共振波長、すなわちブラッグ波長λｇを、ブラッグ波長エネルギが活性層２３Ａの利得スペクトルの半値全幅Γに対して所定の関係を満たすように設定することにより、線幅増大係数αの絶対値を所望の範囲に抑制することが可能になる。例えば前記半値全幅Γが４０ｍｅＶである場合、前記ブラッグ波長エネルギが式ΔＥ＝０．３Γで与えられるエネルギ幅ΔＥに収まるように前記回折格子２３Ｅのピッチを決定することにより、線幅増大係数αの絶対値を１．０以下に抑制することが可能である。
【００５５】
また前記量子ドット２３Ａを、前記半値全幅Γが６ｍｅＶあるいは９ｍｅＶ以上になるように形成することにより、レ−ザダイオ−ド５０は８０°Ｃの温度変化が生じても安定に発振を維持することができる。
【００５６】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨内において様々な変形や変更が可能である。
（付記）
（付記１）  第１の導電型を有する基板と、
前記基板上に形成された第１の導電型を有する第１のクラッド層と、
前記クラッド層上に形成され、複数の量子ドットを含む活性層と、
前記活性層に沿って形成されたブラッグ波長がλｇの回折格子と、
前記活性層上に形成された、第２の導電型を有する第２のクラッド層と、
前記基板を介して前記活性層中に第１の極性のキャリアを注入する第１の電極と、
前記第２のクラッド層を介して前記活性層中に第２の極性のキャリアを注入する第２の電極とよりなるレ−ザダイオ−ドにおいて、
前記活性層は半値全幅がΓの利得スペクトルを有し、
前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦１．１Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とするレ−ザダイオ−ド。（１）
（付記２）  前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦０．６Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とする付記１記載のレ−ザダイオ−ド。（２）
（付記３）  前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦０．５Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とする付記１記載のレ−ザダイオ−ド。（３）
（付記４）  前記回折格子は、前記ブラッグ波長λｇに対応するエネルギの前記利得スペクトルの中心波長エネルギからのずれをΔＥとして、関係式
ΔＥ≦０．３Γ
を満足するようなピッチを有することを特徴とする付記１記載のレ−ザダイオ−ド。（４）
（付記５）  前記利得スペクトルは、前記ＤＦＢレ−ザダイオ−ドの動作温度範囲をΔＴとして、ナノメートルで表した半値全幅が０．１５ΔＴを超えることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載のレ−ザダイオ−ド。（５）
（付記６）  前記量子ドットは、自己組織化量子ドットであることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載のレ−ザダイオ−ド。
【００５７】
（付記７）  前記量子ドットはＩｎＡｓよりなる組成を有し、前記レ−ザダイオ−ドは１．３μｍ帯域あるいは１．５５μｍ帯域において発振することを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載のレ−ザダイオ−ド。
【００５８】
（付記８）  前記回折格子は、前記活性層のうち、前記量子ドットが形成されている部分に対応して形成されていることを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
【００５９】
（付記９）  前記回折格子は、前記活性層中の、前記量子ドットが形成されている部分に形成されていることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
【００６０】
（付記１０）  前記回折格子は、前記活性層のうち、キャリアが注入される部分からずらして形成されていることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
【００６１】
（付記１１）  回折格子を有するレ−ザダイオ−ドの製造方法であって、
基板上に、レ−ザダイオ−ドの活性層として、複数の自己組織化量子ドットを形成する工程と、
前記活性層の利得スペクトルについて、半値全幅の値Γを求める工程と、
前記回折格子のピッチを、ブラッグ波長エネルギが、ΔＥ＝１．１Γで与えられるエネルギ幅ΔＥ内に収まるように決定する工程と、
前記回折格子を、前記ピッチで形成する工程とを含むことを特徴とするレ−ザダイオ−ドの製造方法。
【００６２】
（付記１２）  前記回折格子のピッチを決定する工程は、前記回折格子のピッチを、ブラッグ波長エネルギが式ΔＥ＝０．６Γで与えられるエネルギ幅ΔＥ内に収まるように決定することを特徴とする付記１１記載のレーザダイオードの製造方法。
【００６３】
（付記１３）  前記回折格子のピッチを決定する工程は、前記回折格子のピッチを、ブラッグ波長エネルギが式ΔＥ＝０．５Γで与えられるエネルギ幅ΔＥ内に収まるように決定することを特徴とする付記１１記載のレーザダイオードの製造方法。
【００６４】
（付記１４）  前記回折格子のピッチを決定する工程は、前記回折格子のピッチを、ブラッグ波長エネルギが式ΔＥ＝０．３Γで与えられるエネルギ幅ΔＥ内に収まるように決定することを特徴とする付記１１記載のレーザダイオードの製造方法。
【００６５】
（付記１５）  前記自己組織化量子ドットを形成する工程は、ＩｎＡｓ層を、ＧａＡｓ層上に、約０．００１分子層／秒の堆積速度で堆積する工程を含むことを特徴とする付記１１〜１４のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードの製造方法。
【００６６】
（付記１６）  前記自己組織化量子ドットを形成する工程は、ＩｎＡｓ層を、ＧａＡｓ層上に、約０．１分子層／秒の堆積速度で堆積する工程を含むことを特徴とする付記１１〜１４のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードの製造方法。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層中に量子ドットを含み、回折格子により構成される光共振器を有するレ−ザダイオ−ドにおいて、活性層の利得スペクトルの幅に対応して定まる所定のエネルギ幅に収まるように、前記回折格子のブラッグ波長を決定することにより、線幅増大係数を任意に選ぶことのできる所望の範囲内に抑制することができ、レ−ザダイオ−ドのチャーピングを抑制することが可能になる。また、前記量子ドットを自己組織化量子ドットとすることにより、レ−ザダイオ−ドの動作温度の変化に伴って活性層の利得スペクトルと回折格子のブラッグ波長との間にデチューニングが生じても、利得スペクトルの広がりによりブラッグ波長は利得スペクトルの範囲内にとどまり、レ−ザダイオ−ドの発振が継続される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図２】図１のレーザダイオードにおける利得と線幅増大係数との関係を示す図である。
【図３】活性層として量子ドットを使った従来のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図４】図３のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの問題点を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図６】図５のＤＦＢレ−ザダイオ−ドにおける利得と線幅増大係数との関係を示す図である。
【図７】図５のＤＦＢレーザダイオードにおける回折格子パターンの設計例を示す図である。
【図８】図５のＤＦＢレーザダイオードにおける回折格子パターンの別の設計例を示す図である。
【図９】図５のＤＦＢレーザダイオードにおける回折格子パターンのさらに別の設計例を示す図である。
【図１０】図５のＤＦＢレーザダイオードにおける回折格子パターンのさらに別の設計例を示す図である。
【図１１】図５のＤＦＢレーザダイオードにおける利得スペクトルの温度変化を示す図である。
【図１２】図５のＤＦＢレーザダイオードにおける、温度変化を考慮した回折格子パターンの設計例を示す図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｃ）は図５のＤＦＢレーザダイオードの製造工程を示す図（その１）である。
【図１４】（Ｄ）〜（Ｆ）は図５のＤＦＢレーザダイオードの製造工程を示す図（その２）である。
【図１５】本発明の第２実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図１６】本発明の第３実施例によるＤＢＲレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１  ｎ型ＩｎＰ基板
１２  ｎ型ＩｎＰクラッド層
１３，１５  ＩｎＧａＡｓＰ導波層
１４  ＩｎＧａＡｓ活性層
１５Ａ  回折格子
１６  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１７  ｐ型ＩｎＰコンタクト層
１８  ｐ型電極
１９  ｎ型電極
２０，３０，４０  ＤＦＢレ−ザダイオ−ド
２１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２２  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２３  ＧａＡｓ導波層
２３Ａ  ＩｎＡｓ量子ドット活性層
２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅ  回折格子
２４  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２５  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２６  ｐ型電極
２７  ｎ型電極
５０  ＤＢＲレ−ザダイオ−ド
【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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