(57)【要約】【課題】  レーザ構造への回折格子の導入に伴う結晶劣化を抑制でき、作製・設計が容易であり、特性劣化が少ない半導体レーザを提供する。【解決手段】  井戸層がＩｎＧａＡｓＮ、障壁層がＧａＡｓＮの単一量子井戸構造で形成された活性層２４を挟んで上側に設けられた光閉じ込め層２５を、屈折率の異なる複数の半導体層により構成するとともに、前記光閉じ込め層２５にはＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＡｓＮ層が含まれている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に活性層を含む量子井戸構造で形成した分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記活性層の上下近傍に積層する光閉じ込め層を屈折率の異なる複数の半導体層により形成するとともに、前記光閉じ込め層の境界の一つが周期構造となるようにしてこの部分に回折格子を形成し、
さらに前記回折格子を形成する光閉じ込め層は、前記活性層に近い側がＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＡｓＮ層、遠い側がＧａＡｓ層となるように積層したことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載する半導体レーザにおいて、
前記回折格子を形成する光閉じ込め層は、前記活性層の上側に形成したことを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ装置に関し、特に光通信や光計測に用いられる分布帰還型半導体レーザの構造として有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量や長距離での伝送が必要な光通信用の光源あるいは単一波長が要求される光計測用の光源として、分布帰還型レーザ（Distributed-Feedback Laser：ＤＦＢレーザ）が用いられている。
【０００３】
ＤＦＢレーザにおいて単一の発振波長を得るためには、レーザの共振器方向において屈折率の周期的な変調を加える必要がある。この屈折率の変調は、レーザ構造を構成する光閉じ込め層とクラッド層との間に回折格子として作用する周期的な凹凸を設けることにより実現されることが一般的である。ＧａＡｓ基板上のレーザでは、光閉じ込め層としてＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓが、クラッド層としてＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰなどが用いられる。
【０００４】
上記ＤＦＢレーザの作製方法は、レーザ構造を途中の層まで成長させ、一旦中断し、回折格子を形成後に再成長する方法が取られるが、ＡｌＧａＡｓでは回折格子形成時に表面に形成される酸化膜の除去が困難であり、再成長が難しいため、回折格子の形成はＧａＡｓ上またはＩｎＧａＰ上で行われることが一般的である。
【０００５】
回折格子の配置に関しては、活性層に対して下側（基板側）に設けられる場合（例えば、ＩＥＥエレクトロニクス  レターズ２９巻９２０頁  「Y,K, Sin et al.,29(1993)920.」）と、上側に設けられる場合（例えば、ＩＥＥＥジャーナル  オブ  ライトウェーブ  テクノロジー  １０巻６２０頁  「S.Hansmann et al., IEEE J. Lightwave Technol. 10(1992)620.」、アプライド  フィジックス  レターズ  ６２巻８２０頁「T.M.Cockerill et al., Appl. Phys. Lett. 62(1993)820.」）と、２つの場合がある。
【０００６】
【非特許文献１】ＩＥＥエレクトロニクス  レターズ２９巻９２０頁  「Y,K, Sin et al.,29(1993)920.」
【非特許文献２】ＩＥＥＥジャーナル  オブ  ライトウェーブ  テクノロジー  １０巻６２０頁  「S.Hansmann et al., IEEE J. Lightwave Technol. 10(1992)620.」
【非特許文献３】アプライド  フィジックス  レターズ  ６２巻８２０頁「T.M.Cockerill et al., Appl. Phys. Lett. 62(1993)820.」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回折格子を活性層に対して下側に配置した場合と、上側に配置した場合のそれぞれについて、発生する問題点について説明する。
【０００８】
まず、回折格子を活性層に対して下側に配置した場合の問題点について説明する。前述のようにＡｌＧａＡｓに回折格子を形成した場合は、ＡｌＧａＡｓ表面に形成される酸化膜の除去が困難なため、回折格子の形成は酸化膜の除去が容易なＩｎＧａＰに形成されることが一般的である。図３は、ＩｎＧａＰに回折格子を形成し、この回折格子を活性層に対して下側に配置したＤＦＢレーザの層構造の断面を示す模式図である。レーザ構造はｎ−ＧａＡｓ基板１上、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層３、ＧａＡｓ光閉じ込め層４、活性層５、ＧａＡｓ光閉じ込め層６、ｐ−ＩｎＧａＰまたはｐ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８からなり、回折格子はｎ−ＩｎＧａＰクラッド層３上に設けられている。
【０００９】
回折格子の凹凸の高さは、ＤＦＢレーザの発振波長を安定させる上で重要なパラメータであり、注入電流に伴う発振波長の急激な変化を抑えるためには、回折格子領域における光強度の割合（光閉じ込め係数）を最適化する必要がある（ＩＥＥＥジャーナル  オブ  カンタム  エレクトロニクス  ２３巻８０４頁  「H.Soda, IEEE J. Quantum Electron.QE-23（1987）804.」）。波長を安定させるために必要な回折格子の起伏の高さは、回折格子から活性層５までの距離、すなわちＧａＡｓ光閉じ込め層４の膜厚が大きくなるほど大きくなる。ＧａＡｓ光閉じ込め層４の膜厚が小さい場合、必要な回折格子の起伏の高さは小さくて良いが、実際の回折格子作製にはウェットエッチングが用いられることが一般的であるため、起伏の高さが５ｎｍ以下の回折格子は実現が困難である。このため、ＧａＡｓ光閉じ込め層４の膜厚が薄い場合は、回折格子の凹凸はＧａＡｓ光閉じ込め層４内では平坦化することが難しく、凹凸の影響は活性層５まで及び、活性層の膜厚が変動することになる。この場合、活性層５の利得ピーク波長が場所により変化することになり、設計通りの特性が得られないという問題が発生する。
【００１０】
一方、ＧａＡｓ光閉じ込め層４の膜厚が大きい場合は、光閉じ込め係数を確保するため、回折格子の起伏を大きくする必要があり、ＧａＡｓ光閉じ込め層４内での回折格子の凹凸の平坦化がさらに難しくなるだけでなく、回折格子上では基板の面方位とは大きく特性が異なる面方位が現れるため、レーザ特性の劣化要因である転位が発生するという問題が発生する。
【００１１】
次に、回折格子を活性層に対して上側に配置した場合について説明する。図４は、回折格子を活性層に対して上側に配置したＤＦＢレーザを示した図である。同図に示すように、レーザ構造は、ｎ−ＧａＡｓ基板９上、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０、ｎ−ＩｎＧａＰまたはｎ−ＡｌＧａＡｓからなる光閉じ込め層１１、ＧａＡｓ光閉じ込め層１２、活性層１３、ＧａＡｓ光閉じ込め層１４、ｐ−ＩｎＧａＰ層またはｐ−ＡｌＧａＡｓ層１５、ｐーＧａＡｓ層１６、ｐ−ＩｎＧａＰまたはｐ−ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層１７、ｐーＧａＡｓコンタクト層１８からなり、回折格子はｐーＧａＡｓ層１６上に設けられている。
【００１２】
前述の如く、回折格子上では基板の面方位とは大きく特性が異なる面方位が現れる。２つ以上のIII族元素からなる混晶を異なる面方位上に成長した場合、その組成は面方位により異なることが知られている（ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス  ７９巻８６６９頁「A.Chin et al., J. Appl. Phys.79(1996)8669.」）。このため、回折格子上にＩｎＧａＰやＡｌＧａＡｓ等の２種類以上のIII 族元素からなる混晶を成長させた場合、その組成は回折格子上の面方位に依存して変動してしまう。このため、設計通りの屈折率変調が得られなかったり、組成変動が大きい場合は転位が発生するといった問題が発生する。
【００１３】
上述の如く、ＧａＡｓ基板上のＤＦＢレーザの作成方法としては、回折格子を活性層の下側に設置する方法と上側に設置する方法があるが、いずれの場合でも回折格子上の結晶成長に起因した構造的な問題があり、作製・設計が困難であり、十分な特性も得られていなかった。
【００１４】
すなわち、ＧａＡｓ基板上のＤＦＢレーザの性能向上および機能向上のためには、回折格子の形成後の結晶成長において欠陥の発生や組成の変動等の問題が少ないレーザ構造の出現が待望されていた。
【００１５】
本発明は、ＧａＡｓ基板上のＤＦＢレーザに関する従来技術が有する層構成に起因した未解決の課題に鑑み、レーザ構造への回折格子の導入に伴う結晶劣化を抑制でき、作製・設計が容易であり、特性劣化が少ない半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００１７】
１）  ＧａＡｓ基板上に活性層を含む量子井戸構造で形成した分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記活性層の上下近傍に積層する光閉じ込め層を屈折率の異なる複数の半導体層により形成するとともに、前記光閉じ込め層の境界の一つが周期構造となるようにしてこの部分に回折格子を形成し、
さらに前記回折格子を形成する光閉じ込め層は、前記活性層に近い側がＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＡｓＮ層、遠い側がＧａＡｓ層となるように積層したこと。
【００１８】
２）  上記１）に記載する半導体レーザにおいて、
前記回折格子を形成する光閉じ込め層は、前記活性層の上側に形成したこと。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明を用いれば、ＧａＡｓ基板上のＤＦＢレーザ構造において、回折格子の導入に伴う結晶劣化や結晶の組成変動を抑制するという効果が得られる。これにより、回折格子の設計が容易になり、特性劣化が少ないＤＦＢレーザを実現できるという効果を得る。特に、請求項２の発明によれば、さらに作製・設計が容易で、特性劣化が少ないという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態に係る半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に形成された分布帰還型半導体レーザにおいて、活性層を挟んで上側に設けられた光閉じ込め層をＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーの小さいＩｎＧａＡｓＮ層及びＧａＡｓ層を含む異なる屈折率を有する複数の半導体層から構成するＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded-Index separate-Confinement Heterostructure）構造とするとともに、前記ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層に回折格子を形成後、ＧａＡｓ光閉じ込め層を設けた。
【００２１】
半導体では、同じ波長に対する屈折率はそのバンドギャップエネルギーが小さいほど大きくなることが知られている。ＩｎＧａＡｓＮは、III 族組成比ならびにＶ族組成比を調整することによりＧａＡｓと同じ格子定数でありながらバンドギャップエネルギーを小さくすることができ、ＧａＡｓより大きな屈折率が得られることが知られている（ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス  ３６巻２６７１頁「S. Sato et al., Jpn. J. Appl. Phys. 36(1997)2671. 」）。
【００２２】
さらに、ＩｎＧａＡｓＮの場合、バンドギャップエネルギーに対する屈折率変化が、Ｎを含まないＩｎＧａＡｓに対しても大きいことが知られている（ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス  ３７巻７５３頁「T. Kitatani et al., Jpn. J. Appl. Phys. 37(1998)753.」）。
【００２３】
ＤＦＢレーザでは、回折格子を設置した層とその上側の層で屈折率の差が小さい場合、共振器の長さ方向における誘導放出光の不均一な光強度分布を抑えるため大きな凹凸の回折格子を設置する必要があるが、ＩｎＧａＡｓＮではＧａＡｓに対して大きな屈折率差を持たせることが可能なため、大きな回折格子の凹凸は必要ではない。このため、回折格子上にＧａＡｓを成長させることは容易である。ＧａＡｓは組成変動もないため、欠陥の発生も抑制することが容易となる。しかも、ＩｎＧａＡｓＮはその表面に形成される酸化膜の除去も容易である。
【００２４】
上述の如くＧａＡｓ基板上のＤＦＢレーザにおいて、活性層の上側に配置したＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層に回折格子を設け、さらにＧａＡｓ光閉じ込め層をその上側に配置させることにより、回折格子の導入に伴う結晶劣化を抑制することが可能となり、設計しやすく特性劣化も少ない半導体レーザを得ることが可能となる。しかも、ＩｎＧａＡｓＮは、その表面に形成される酸化膜の除去も容易である。
【００２５】
ここで、さらに具体的な実施例を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１及び図２は、本発明に係る半導体レーザの実施の形態を示す図である。まず、本発明に係る半導体レーザの構成を説明する。
【００２７】
図１は本発明の実施例に係る半導体レーザの層構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板１９と、ｎ−ＧａＡｓ基板１９上に形成されたｎ−ＧａＡｓバッファ層２０と、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０上に形成されたｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２１と、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２１上に形成されたＧａＡｓ光閉じ込め層２２と、ｎ−ＧａＡｓ光閉じ込め層２２上に形成されたＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２３と、ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２３上に形成された活性層２４と、活性層２４上に形成されたＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５と、ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５上に形成されたＧａＡｓ光閉じ込め層２６と、ｐ−ＧａＡｓ光閉じ込め層２６上に形成されたｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２７と、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２７上に形成されたｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８とを有する。
【００２８】
ここで、ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２３、２５は、Ｖ族元素におけるＮ組成比が１％、III 族元素におけるＧａ組成比が９８％であり、格子定数はＧａＡｓとほぼ一致するとともに、バンドギャップエネルギーは約１．３５ｅＶである。活性層２４は、井戸層がＩｎＧａＡｓＮ、障壁層がＧａＡｓＮの単一量子井戸構造で形成されており、発光波長は波長１．２７μｍである。
【００２９】
図２は、上記図１で示したレーザ構造のｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２１からｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２７までのバンドギャップエネルギーならびに屈折率の変化を示した図である。同図に示すように、活性層２４は、井戸層がＩｎＧａＡｓＮ、障壁層がＧａＡｓＮであり、屈折率は波長１．２７μｍに対するものである。屈折率の分布は、各層におけるバンドギャップエネルギーを反映して活性層２４を頂点とした階段状のプロファイルとなる。活性層２４の上側には、ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５と、ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５よりも屈折率が小さいＧａＡｓ光閉じ込め層２６の２つの光閉じ込め層が配置されている。ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５に形成された回折格子上でも、ＧａＡｓ光閉じ込め層２６は２元混晶のため組成変調や欠陥が発生することなく成長することが容易である。回折格子を有するＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５の上側にＧａＡｓ光閉じ込め層２６を配置することにより、作製・設計が容易で、特性劣化が少ない半導体レーザが得られる。ただ、回折格子は活性層２４の上側に形成する場合に限定する必要はない。上記の通りＩｎＧａＡｓＮで形成された回折格子上にＧａＡｓを成長する方が結晶成長上容易ではあるものの、下側であっても光学特性上の差異はない。すなわち、ＧａＡｓ光閉じ込め層２２とＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２３との境界を周期構造とすることで回折格子を形成した場合も本願発明には含まれる。
【００３０】
次に、本実施例に係る半導体レーザの製造方法を説明する。製造には、III 族原料がトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ｖ族原料アルシン（ＡｓＨ3）とジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、ドーパント原料がジエチルジンク（ＤＥＺｎ）とジシラン（Ｓ2Ｈ6）である有機金属気相エピタキシー法を用いた。
【００３１】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１９上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２０を３００ｎｍ成長させ、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０上にｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２１を２μｍ成長させる。次いで、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２１上にＧａＡｓ層２２を１００ｎｍ成長させ、ｎ−ＧａＡｓ層２２上にＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２３を１００ｎｍ成長させた後、活性層２４として、Ｎ組成１％、Ｇａ組成６５％のＩｎＧａＡｓＮ井戸層とＮ組成１％のＧａＡｓＮ障壁層からなる２重量子井戸構造を成長させる。
【００３２】
活性層２４上にＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５を１００ｎｍ成長させた後、成長を中断し、ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５上に、周期１８３ｎｍ、高さ８ｎｍの回折格子を電子ビーム露光によって周期パターンを形成し、エッチングして形成する。
【００３３】
さらに、回折格子を形成したＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層２５上にＧａＡｓ光閉じ込め層２６を１００ｎｍ成長させ、ＧａＡｓ光閉じ込め層２６上にｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２７を２μｍ成長させ、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層２７上にｐ−ＧａＡｓコンタクト層を２００ｎｍ成長させる。
【００３４】
幅が２μｍのメサ形成プロセスおよび電極の形成プログラム後、へき開により長さ１ｍｍのレーザ共振器を作成した。最後に、レーザ共振器のそれぞれの端面に反射を抑えるためのＡＲコートと大きな反射を得るためのＨＲコートを施し、リッジ型レーザに加工した。
【００３５】
このようにして作製した半導体レーザの２５℃における閾値電流密度は７ｍＡ、発振波長は１．２７３μｍであり、光出力は電流注入に伴い７０ｍＷまでは注入電流−光出力曲線の折れ曲がりもなく増大した。また、光出力を５ｍＷで一定にした場合の注入電流は、２５℃の条件のもとでは１０００時間まで増加が見られなかった。
【００３６】
なお、上記実施例では、発振波長として１．２７３μｍのＤＦＢレーザの場合について説明したが、ＤＦＢレーザの発振波長は１．２７３μｍに限られるものではなく、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい発光波長が得られる活性層であれば、上記実施の形態と同じ効果が得られることは明らかである。また、活性層の井戸層としては、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい発光波長が得られれば良いため、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＮＳｂを井戸層として用いた場合でも上記実施の形態と同じ効果が得られることは明らかである。
【００３７】
上記実施例では、光閉じ込め層としてＩｎＧａＡｓＮ層とＧａＡｓ層を用いた場合について説明したが、回折格子を有するＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層上にＧａＡｓ光閉じ込め層がある構造であれば、ＩｎＧａＡｓＮ層、ＧａＡｓ層以外の複数の光閉じ込め層を有する構造や、光閉じ込め層にｎ型、ｐ型のドーピングを行った構造においても同様の効果が得られることは明らかである。また、上記実施例では、活性層２４に対して光閉じ込め層２２、２３、２５、２６を対称に構成したが、必ずしも対称である必要はない。
【００３８】
さらに、上記実施例では、クラッド層としてＩｎＧａＰを用いた場合について説明したが、クラッド層は光閉じ込め層より屈折率が小さい層で有れば良く、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｌＰなどを用いた場合でも同様の効果が得られることは明らかである。
【００３９】
また、上記実施例では、作製方法として有機金属気相成長法を用いた場合について説明したが、ＩｎＧａＡｓＮ層及びＧａＡｓ層が作製可能な成長方法で有れば良く、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法、化学ビームエピタキシー法等の成長方法でも同様の効果が得られることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は大容量や長距離での伝送が必要な通信用の光源又は単一波長が要求される光計測用の光源としての産業上の利用に資することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例に係るＤＦＢレーザの層構造の断面を模式的に示した図である。
【図２】図１に示すＤＦＢレーザのバンドギャップエネルギーの分布及び屈折率分布を、ＤＦＢレーザの層構造の断面とともに模式的に示した図である。
【図３】回折格子が活性層に対して下側に設置されたＧａＡｓ基板上の従来技術に係るＤＦＢレーザの層構造とその光強度分布を模式的に示した図である。
【図４】回折格子が活性層に対して上側に設置されたＧａＡｓ基板上の従来技術に係るＤＦＢレーザの層構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００４２】
１９  ｎ−ＧａＡｓ基板
２０  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
２１  ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層
２２  ＧａＡｓ光閉じ込め層
２３  ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層
２４  活性層
２５  ＩｎＧａＡｓＮ光閉じ込め層
２６  ＧａＡｓ光閉じ込め層
２７  ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層
２８  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
【図１】
2005276928.tif 000003
【図２】
2005276928.tif 000004
【図３】
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【図４】
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