(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層近傍に光導波方向に周期的な凹凸形状を形成し、該凹凸形状に隣接して、凹凸形状と同一周期に光吸収層を形成してなる利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、
前記凹凸形状の谷部上にのみ前記光吸収層が形成され、残る凹凸形状に隣接した領域には埋込層が形成されてなり、
前記光吸収層は、垂直量子井戸構造を有して、前記凹凸形状の山部よりも層厚方向の高さが高く、かつ、光導波方向において前記埋込層で挟まれていることを特徴とする利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記光吸収層は、導波する光の水平偏波成分および垂直偏波成分のどちらに対しても吸収する量子井戸光吸収層であることを特徴とする請求項１に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項３】
半導体基板上に周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部上にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に、周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有し、前記凹凸形状の両斜面が（ｎ１１）面であり、前記凹部の谷部が（１００）面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の利得結合型分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項５】
前記凹凸形状の凹部の谷部はその幅が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３又は４に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得結合型分布帰還半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）は、単一軸モードで動作する波長可変、波長安定のコヒーレント光源として利用され、光計測、光通信／伝送、光記録、レーザビームプリンタなどに対して要求が高まっている。ＤＦＢ−ＬＤでは、活性層またはガイド層に回折格子が設けられており、この回折格子により光が帰還されることによりレーザ発振動作が行われる。ＤＦＢ−ＬＤには、回折格子により屈折率を周期的に変化させて分布帰還を施す屈折率結合型（ＩＣ）ＤＦＢ−ＬＤと、回折格子により利得を周期的に変化させて分布帰還を施す利得結合型（ＧＣ）ＤＦＢ−ＬＤに大別される。ＩＣ−ＤＦＢ−ＬＤは原理的にブラッグ波長近傍にストップバンドが存在し、その両脇に最小しきい値利得をもつ縦モードが２つ対称に存在するので２モードでレーザ発振する可能性が高い。これに対し、ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤでは、端面位相によらずほぼ１００％の確率で単一縦モード発振歩留まりが得られることが理論的に確かめられている。ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおいて、利得を周期的に変化させる方法の一つとして、活性層が発生した誘導放出光の一部を吸収する領域を周期的に設けることにより実効的に利得の周期変動が施される吸収性回折格子構造がある。
【０００３】
ＬＤ素子の閾値利得を下げるには、吸収損失αＬは小さくし、吸収性回折格子による光の分布帰還の程度を表すパラメータである利得結合係数κｇＬは大きくすることが望まれる。周期的に存在する吸収層の幅とその周期の比（デューティ）を大きくすると、利得結合係数をかせぐことができるが、吸収損失が大きくなり、閾値利得は上昇してしまう。吸収損失が小さく、かつ充分な程度の利得結合係数を得るためには、吸収層のデューティを小さくする必要がある（特開平５−１６０５０５号公報）。
【０００４】
図８は従来の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置を示す構造図である。この従来例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板８０上にｎ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層８１、アンドープＧａＡｓ活性層８２、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓキャリアブロック層８３、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓガイド層８４、ｐ−ＧａＡｓ光吸収層８５を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより２５５ｎｍ周期の回折格子を印刻する。その後、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層８６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８７を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。その後、電極８８１，８８２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図８は、共振器方向の断面を示している。
【０００５】
この従来例では、吸収層はエッチングにより周期的に分離されており、周期的な利得の変動が施され、利得結合型ＤＦＢ−ＬＤとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の実施例では、回折格子のデューティは二光束干渉露光法で形成されるレジストマスクのデューティ及びその後のエッチング量によって大きく変化するため、その制御は難しい。特に小さなデューティを再現よく制御することは非常に困難である。即ち利得結合係数と吸収損失の制御が難しく閾値利得の再現性が得られないという問題があった。本発明は、デューティの小さい吸収性回折格子を有するＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明（請求項１）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、活性層近傍に光導波方向に周期的な凹凸形状を形成し、該凹凸形状に隣接して、凹凸形状と同一周期に光吸収層を形成してなる利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、前記凹凸形状の谷部上にのみ前記光吸収層が形成され、残る凹凸形状に隣接した領域には埋込層が形成されてなり、前記光吸収層は、垂直量子井戸構造を有して、前記凹凸形状の山部よりも層厚方向の高さが高く、かつ、光導波方向において前記埋込層で挟まれていることによって上記目的を達成する。
【０００８】
この発明（請求項２）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、前記光吸収層が、導波する光の水平偏波成分および垂直偏波成分のどちらに対しても吸収する量子井戸光吸収層であることによって、上記目的を達成する。
【０００９】
この発明（請求項３）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部上にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有することによって、上記目的を達成する。
【００１０】
原料元素のマイグレーションの違いによって、同一の工程で結晶成長した半導体層であっても、活性層のエネルギー波長の光を吸収する領域と前記光に対して透明となる領域とが形成される。凹凸形状上の結晶成長層は、原料のマイグレーションの違いから、凹部上の混晶比が他の部分の混晶比と異なり（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １２４ （１９９２） ５１３）、混晶比が凹凸形状の周期で変化する。これを活性層のエネルギー波長の光を吸収する領域及び該波長の光に対して透明となる領域で構成することにより、デューティの小さい吸収性回折格子を再現よく制御することが可能となる。
【００１１】
この発明（請求項４）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に、周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有し、前記凹凸形状の両斜面が（ｎ１１）面であり、前記凹部の谷部が（１００）面であることによって、上記目的を達成する。
【００１２】
ＩＩＩ族原料は、（１００）面上と（１１１）面上を比較すると（１１１）面上には結合しにくく、（１００）面上には結合しやすいため、（１１１）面上の原料の一部は（１００）面にマイグレーションする。ＡｌＧａＡｓ成長では、ＡｌよりもＧａの方がマイグレーションしやすい。（１００）基板では凹凸形状をなすＶ溝上における両斜面が（１１１）面となり、谷部に向かってマイグレーションしやすくなる。谷部にＧａの濃度が増加し、ＡｌＧａＡｓの混晶比が斜面部と谷部で変わり、ＶＱＷができるものである。
【００１３】
また、凹凸形状が埋め込まれる際、高次の面（（ｎ１１）面）が出ながら徐々に埋まっていき、凹部の谷部にのみ精度よくＶＱＷが形成されるものである。
【００１４】
ＶＱＷは一般的な混晶半導体に対して、原料のマイグレーションの違いを利用して形成することができる。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、上述のようにＩＩＩ族原料のマイグレーションの違いを利用しても、Ｖ族原料のマイグレーションの違いを利用してもＶＱＷを形成することができる。
【００１５】
この発明（請求項５）に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、前記凹凸形状の凹部の谷部はその幅が３０ｎｍ以下であることによって、上記目的を達成する。
【００１６】
凹凸形状の谷部に平坦部（（１００）面）があると、両斜面からマイグレーションしたＧａは平坦部領域で広がるため、平坦部が狭いほど谷部でのＧａ濃度は高くなり、混晶比の差が出やすい。即ち、ＶＱＷでのキャリア閉じ込めが大きくなるため、吸収層としての効果が大きくなる。前記凹部の谷部はその幅が３０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ前後が最も好ましい。また、前記凹部の谷部が平坦部がない場合であってもＶＱＷは得られることから、０ｎｍのときも上記目的を達成する。平坦部と斜面の境界は急峻であっても、なだらかであってもよく、例えば（１１１）面と（１００）面とが（３１１）面を介してつながった場合でもＶＱＷは得られる。
【００１７】
上述の凹凸形状が形成される半導体基板は、半導体の基板そのものや基板上に成長された半導体成長層を指す。
【００１８】
また、成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＯＭＢＥ法、ＧＳＭＢＥ法など、半導体層の成長方法として一般的なものを用いることができるが、ＭＯＣＶＤ法が最も好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の第一の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に厚さ１μｍのｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１１、０．０８μｍのアンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１２、０．２μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３、０．１μｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層１４を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより１２０ｎｍ周期、深さ７０ｎｍの凹凸形状（三角波形状）を印刻する。その後、平均厚さ０．１μｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層１６、０．８μｍのｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１７、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層１６を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該埋込層の混晶比よりも低い混晶比の層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造１５が形成される。その後、光導波路ストライプ外のＧａＡｓコンタクト層及びクラッド層を除去し、２ｍｍ幅のリッジストライプを形成する。その後、リッジ上部及び基板裏面に電極１９１，１９２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。
【００２０】
図１には、リッジ内部の共振器方向の断面を示している。この実施例は、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層１６は、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、成長温度７００℃、Ｖ／ＩＩＩ比１２０、成長速度２５ｎｍ／ｍｉｎでＭＯＣＶＤ成長しており、この際、ＧａのマイグレーションがＡｌのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状上では、Ｇａは谷部にマイグレーションし、谷部ではＧａの供給が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に埋込層１６の他の部分よりもＡｌ混晶比の低い層が形成されていき、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造１５が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層を構成している。
【００２１】
フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ１５のエネルギー波長は７９０ｎｍ、活性層１２のエネルギー波長は７７５ｎｍであった。即ち、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層１６の内部で、活性層が発生した光の一部を吸収するＶＱＷ光吸収層と、活性層が発生した光に対して透明なＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層（７４０ｎｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できた。
【００２２】
また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大した。また、活性層が発生した光は、活性層に強度のピークを持ち、クラッド層まで光の一部が広がっているが、本実施例においても、光吸収層の存在するｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層１６全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ（図５（ａ）本実施例、図５（ｂ）従来例参照）、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【００２３】
一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い閾値利得が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。ここで、埋込層の混晶比と、埋込層により形成されるＶＱＷ構造のエネルギー波長の関係を、フォトルミネッセンス測定により調べた結果、図２に示すようになった。図３（ｄ）に示す回折格子部分のＡ−Ａ’断面における混晶比のプロファイルを図３（ａ）〜（ｃ）示す。図４に埋込層の混晶比と吸収損失及び利得結合係数の関係を示す。
【００２４】
ここで、埋込層１６の混晶比を変えていったときの、吸収損失及び利得結合係数の関係を図２、３、４より説明する。埋込層の混晶比が、活性層の混晶比（０．１４）より小さい場合（図２、３、４中領域（ａ））、埋込層自体が活性層が発生した光の一部を吸収するため、吸収損失が大きくなってしまう。
【００２５】
また、ＶＱＷ層による吸収層の周期的な分布が得られず、利得結合係数はかせげない。埋込層の混晶比が０．２４より大きい場合（図２、３、４中領域（ｃ））、吸収損失は小さくなるが、ＶＱＷ層は活性層に対して透明となってしまうため、周期的な吸収の分布が得られず、利得結合係数は得られない。埋込層の混晶比が活性層の混晶比（０．１４）より大きく、０．２４より小さい場合（図２、３、４中領域（ｂ））、ＶＱＷは活性層が発生した光の一部を吸収し、ＶＱＷ以外の領域は活性層の発生した光に対して透明となるため、周期的な吸収の分布が得られる。吸収損失は、埋込層の混晶比を大きくすると、小さくなるが、利得結合系数は埋込層の混晶比を大きくすると小さくなってしまう。
【００２６】
従って、埋込層の混晶比として、０．１４以上０．２４以下が必要であるが、望ましくは、０．１６以上０．２２以下であれば、吸収損失が小さく、かつ充分な程度の利得結合係数を得ることが可能となる。また、光導波領域に量子井戸構造が存在する場合、量子井戸に平行な電界成分を持つ光の遷移確率の方が量子井戸に垂直な電界成分を持つ光の遷移確率よりも大きく、吸収性回折格子に光が入ったとき、光は吸収されやすくなる。通常の成長により積層方向に形成される量子井戸吸収層は基板に平行に量子井戸ができているため、ＴＥ光は量子井戸に平行な、ＴＥモード発振となり、ＴＭモードを必要とする用途には使用できない。このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。従って、ＴＥ／ＴＭ両モード共量子井戸に平行な電界分布となるため、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造等によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００２７】
（実施例２）
図６は本発明の第二の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、ｐ−ＧａＡｓ基板６０上に厚さ１μｍのｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層６１、０．０８μｍのアンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層６２、０．２μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層６３、０．１μｍのｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層６４を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより３６０ｎｍ周期、深さ９０ｎｍの凹凸形状を印刻する。この凹凸形状の底は、１８ｎｍの平坦な部分を有する。
【００２８】
その後、平均厚さ０．２μｍのｎ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層６６、１μｍのｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層６７、０．５μｍのｎ−ＧａＡｓコンタクト層６８を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、ｎ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層６６を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該ｎ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層よりも混晶比の低い層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造６５が形成される。その後、電極６９１，６９２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。
【００２９】
図には、共振器方向の断面を示している。この実施例は、成長圧力５０Ｔｏｒｒ、成長温度６５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比１８０、成長速度１０ｎｍ／ｍｉｎでｎ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層６６を、ＭＯＣＶＤ成長しており、この際、ＧａのマイグレーションがＡｌのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状上では、Ｇａは谷部にマイグレーションし、谷部ではＧａの供給が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に吸収層６６の他の部分よりもＡｌ混晶比の低い層が形成されていき、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造６５が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層を構成している。
【００３０】
ここで、凹凸形状の底部は１８ｎｍの平坦な部分があるため、１８ｎｍの幅で、垂直な方向にＡｌ低混晶層が形成される。また、凹凸形状は徐々に平坦になりながら埋まっていくが、成長表面が平坦になった後は、マイグレーションのしかたが均一になるため、ＶＱＷはもはや出来なくなる。この実施例の成長条件では、埋込層６６の成長は、凹部からの厚さが０．１μｍで成長表面が平坦になり、埋込層６６のそれより以降の部分ではＶＱＷは出来ていない。
【００３１】
フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ６５のエネルギー波長は７８５ｎｍ、活性層６２のエネルギー波長は７７５ｎｍであった。即ち、ｎ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層６６の内部で、活性層の発生する光を吸収するＶＱＷと、活性層の発生する光に対して透明なＡｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ（７５２ｎｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。
【００３２】
このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大している。また、光吸収層の存在するｎ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層６６全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【００３３】
一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。また、このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。従って、ＴＥ／ＴＭ両モード共量子井戸に平行な電界分布となるため、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造等によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００３４】
ここで、ＶＱＷの高さは埋込層厚又は埋込層が平坦になる厚さで決まるが、ＶＱＷの高さが高いほど光を多く感じ、吸収を感じる部分が大きくなるため利得結合係数はより大きくなる。ＶＱＷの高さを変えたところ、ＶＱＷの高さが６０ｎｍ以上で充分な利得結合係数が得られたが、より大きい利得結合係数が得るためにはＶＱＷの高さは１００ｎｍ以上あることが望ましい。
【００３５】
また、第一の実施例では発振波長に対して１次の回折格子の周期、第二の実施例では発振波長に対して３次の回折格子の周期で凹凸形状を形成しているが、凹凸形状の周期として、それ以上の高次の回折格子の周期で形成しても上記実施例と同様の効果があった。
【００３６】
また、凹凸形状の深さには関係なく、上記実施例の効果は得られたが、凹凸形状を形成する際のエッチングが、凹凸形状を形成するガイド層の厚さを超えて、キャリアバリア層まで達すると、再成長界面はＡｌ混晶比の高い層となり、その上に成長する埋込層の結晶性が低下し、信頼性が低下するため、凹凸形状の深さは、凹凸形状を形成するガイド層の厚さを超えないことが望ましい。
【００３７】
また、凹凸形状の深さは４０ｎｍより小さい値では埋込層成長時に、マイグレーションする量が少なくてＶＱＷは形成されにくくなるため、凹凸形状の深さは４０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３８】
（実施例３）
図７は本発明の第三の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、２５０ｎｍ周期、深さ２２０ｎｍの凹凸形状を有するｎ−ＩｎＰ段差基板７０上に、厚さ２００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２（エネルギー波長λｇ＝１．５μｍ）を成長し、次いでｎ−ＩｎＰ層７３で凹凸形状を埋め込んだ後、厚さ１００ｎｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層７４１（λｇ＝１．４μｍ）、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層７５（λｇ＝１．５５μｍ）、厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層７４２（λｇ＝１．４μｍ）、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層７６、厚さ２００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７７を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。
【００３９】
このとき、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層よりもエネルギーの小さい層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造７１が形成される。その後、電極７８１，７８２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図には、共振器方向の断面を示している。
【００４０】
この実施例では、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２の成長の際、ＩｎのマイグレーションはＧａのマイグレーションに比べて大きく、凹凸形状上での成長は、成長表面上でＩｎは谷部にマイグレーションし易く、谷部ではＩｎの供給が増加し、Ｉｎ混晶比が高くなり、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層７１を構成している。フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ７１のエネルギー波長はλｇ＝１．５７μｍ、活性層７５のエネルギー波長はλｇ＝１．５５μｍであった。即ち、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層の内部で、活性層の発生する光を吸収するＶＱＷと、活性層の発生する光に対して透明なＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．５μｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。
【００４１】
このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大している。
【００４２】
また、光吸収層の存在するｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層７２全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。
【００４３】
また、このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。即ち、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００４４】
（実施例４）
図９は本発明の第四の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。
【００４５】
この実施例は、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板９０上に厚さ１μｍのｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層９１、０．０５μｍのアンドープＧａＡｓガイド層９２、５ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層および５ｎｍのＧａＡｓバリア層よりなるＭＱＷ活性領域９３、０．１μｍのＧａＡｓガイド層９４を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより２３０ｎｍ周期、深さ７０ｎｍの凹凸形状を印刻する。その後、平均厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６（エネルギー波長λｇ＝１．１μｍ）、１μｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層９７、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層９８を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該埋込層のエネルギーよりも小さいエネルギーの層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造９５が形成される。その後、電極９９１，９９２を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図９には、共振器方向の断面を示している。
【００４６】
この実施例は、ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６は、成長圧力７６Ｔｏｒｒ、成長温度６５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比２００、成長速度２５ｎｍ／ｍｉｎでＭＯＣＶＤ成長しており、この際、成長雰囲気中のＶ族原料はウェハと接した領域で、ＮのマイグレーションがＡｓのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状ウェハ上では、Ｎは谷部にマイグレーションし、谷部ではＮの濃度が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に埋込層９６の他の部分よりもＮ組成の高い層が形成されていき、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造９５が形成され、セルフアラインでデューティの小さいＶＱＷ光吸収層を構成している。フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷ９５のエネルギー波長は１．３５μｍ、活性層９２のエネルギー波長は１．３μｍであった。
【００４７】
即ち、ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６の内部で、活性層が発生した光の一部を吸収するＶＱＷ光吸収層と、活性層が発生した光に対して透明なＧａＩｎＮＡｓガイド層（λｇ＝１．１μｍ）が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のＤＦＢ−ＬＤが実現された。このＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できた。
【００４８】
また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大した。また、活性層が発生した光は、活性層に強度のピークを持ち、クラッド層まで光の一部が広がっているが、本実施例においても、光吸収層の存在するｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層９６全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【００４９】
一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い閾値利得が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。
【００５０】
【発明の効果】
利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、凹凸形状を埋め込む際、原料のマイグレーションの違いから、凹凸形状の谷部上の混晶比が他の部分の混晶比と異なり、凹凸形状の谷部上に垂直量子井戸構造（ＶＱＷ）が形成される。この凹凸形状を埋込層の内部で活性層の発生する光を吸収するＶＱＷと、活性層の発生する光に対して透明な領域が周期的に形成されており、周期的な利得分布が生じ、利得結合型の分布帰還半導体レーザを実現できる。ＶＱＷ光吸収層は、セルフアラインで容易に低デューティの吸収性回折格子が構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。
【００５１】
また、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、キャリアの再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大する。
【００５２】
また、光吸収層の存在する半導体埋込層全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、ＶＱＷ部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数が増大する。一方、ＶＱＷの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、ＶＱＷでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられる。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られることから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し、再現性も向上した。
【００５３】
また、このＶＱＷ構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。即ち、ＴＥ／ＴＭ両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第一の実施例を示す構造図である。
【図２】凹凸形状を埋め込む層のＡｌ混晶比と、埋込層により形成されるＶＱＷ構造のエネルギー波長の関係を示す図である。
【図３】回折格子部分の混晶比のプロファイルである。
【図４】埋込層の混晶比と吸収損失及び利得結合係数の関係を示す図である。
【図５】回折格子部分の吸収係数の分布を示す図である。
【図６】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第二の実施例を示す構造図である。
【図７】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第三の実施例を示す構造図である。
【図８】従来の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置を示す構造図である。
【図９】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第四の実施例を示す構造図である。
【符号の説明】
１０、８０ ｎ−ＧａＡｓ基板
１１ ｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１２、６２ アンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層
１３ ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層
１４ ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層
１５、６５、７１ ＶＱＷ光吸収層
１６ ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層
１７ ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１９１、１９２、６９１、６９２、７８１、７８２、８８１、８８２ 電極
６０ ｐ−ＧａＡｓ基板
６１ ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
６３ ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層
６４ ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層
６６ ｐ−Ａｌ0.18Ｇａ0.82Ａｓ埋込層
６７ ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
６８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
７０ ｎ−ＩｎＰ段差基板
７２ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層（エネルギー波長λｇ＝１．５μｍ）
７３ ｎ−ＩｎＰ層
７４１、７４２ アンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層（λｇ＝１．４μｍ）
７５ ＩｎＧａＡｓＰ活性層（λｇ＝１．５５μｍ）
７６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７７ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８１ ｎ−Ａｌ0.45Ｇａ0．55Ａｓクラッド層
８２ アンドープＧａＡｓ活性層
８３ ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓキャリアブロック層
８４ ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓガイド層
８５ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
８６ ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層
８７ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
９０ ｎ−ＧａＡｓ基板
９１ ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
９２ アンドープＧａＡｓガイド層
９３ アンドープＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ活性領域
９４ アンドープＧａＡｓガイド層
９５ ＶＱＷ光吸収層
９６ ｐ−ＧａＩｎＮＡｓ埋込層
９７ ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
９８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
９９１、９９２ 電極
【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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