(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置であって、
共振器方向に沿って形成された周期的な第１の凹凸形状部の上に半導体埋込層が形成され、該半導体埋込層の内部において、第１の凹凸形状部の凹部上に該第１の凹凸形状部と同じ周期で縦長の活性層が設けられており、該活性層の高さは、該凹凸形状部の凹部の深さよりも大きい利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項２】
共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置であって、
共振器方向に沿って形成された周期的な第１の凹凸形状部の上に半導体埋込層が形成され、該半導体埋込層の内部において、第１の凹凸形状部の凹部上に該第１の凹凸形状部と同じ周期で縦長の活性層が設けられており、該活性層の高さは６０ｎｍ以上である利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項３】
共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置であって、
共振器方向に沿って形成された周期的な第１の凹凸形状部の上に半導体埋込層が形成され、該半導体埋込層の内部において、第１の凹凸形状部の凹部上に該第１の凹凸形状部と同じ周期で縦長の活性層が設けられており、該凹凸形状部の凹部の深さは４０ｎｍ以上である利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記半導体埋込層及び前記活性層はIII−Ｖ族化合物半導体によって形成されており、該半導体埋込層中のIII族元素の混晶比と、該活性層中のIII族元素の混晶比とは異なっている、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記活性層が垂直量子井戸構造である、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記活性層が量子細線構造であり、該量子細線構造が垂直方向に少なくとも１層以上存在する、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第１の凹凸形状部を含む２つ以上の凹凸形状部が、該第１の凹凸形状部の凹部及び凸部と同じ周期、同じ位置に凹凸が現れるように形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記２つ以上の凹凸形状部はほぼ同じ形状を有する、請求項７に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記凹凸形状部は、底部が共振器方向において０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の幅の平坦面を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記凹凸形状部は、（ｎ１１）面による側面と、（１００）面による底面を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記凹凸形状部の凹部の深さは４０ｎｍ以上である、請求項１または２に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記半導体埋込層は、少なくともIII族元素としてＡｌ及びＧａを含んでいるIII−Ｖ族化合物半導体によって形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記半導体埋込層中のＡｌの混晶比は０．１以上０．３以下である、請求項１２に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記２つ以上の凹凸形状部の間に半導体層が挟まれており、該半導体層はＡｌの混晶比が０．４５以上の化合物半導体によって形成されている、請求項７に記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１５】
前記活性層の高さは６０ｎｍ以上である、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１６】
前記凹凸形状部の深さは該凹凸形状部を形成するガイド層の厚さを超えない、請求項１〜３のいずれかに記載の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。
【請求項１７】
共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法であって、
半導体表面に周期的な凹凸を形成する工程と、該凹凸形状部の上に、高さが該凹凸形状部の凹部の深さよりも大きい活性層を周期的に含む半導体埋込層を形成する工程を包含する、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１８】
前記埋込層は、III−Ｖ族化合物半導体によって形成され、少なくとも２種類のIII族元素を含んでおり、
前記活性層を形成する工程は、該埋込層の結晶成長中において、該少なくとも２種類のIII族元素のマイグレーションの速度の違いにより、該埋込層中のIII族元素の混晶比と異なるIII族元素の混晶比を持つ該活性層を形成する、請求項１７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。
【０００３】
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。
【０００４】
ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤにおいて、利得を周期的に変化させる構造として、活性層での利得が周期的に変動するような利得回折格子構造と、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。吸収性回折格子構造は、活性層近傍に活性層が発生した誘導放出光の一部を吸収する領域が存在するため、エネルギーの吸収損失が大きくなリ、発振閾値が増大してしまう。一方、利得回折格子構造は、活性層が発生した誘導放出光を吸収する領域が存在しないため、発振閾値の増大を伴わない。
【０００５】
また、従来の分布帰還型半導体レーザには、活性層に量子井戸構造が用いられることがある。この量子井戸構造は、発光層となる井戸層の厚さを数ｎｍと非常に薄くすることで活性層内のキャリア密度を高め、レーザとしての特性を向上させることを狙ったものである。
【０００６】
活性層に量子井戸構造を用いた従来の利得回折格子型ＧＣ−ＤＦＢ−ＬＤを図８に示す。
【０００７】
この従来例は、まず、ｎ型基板８０上にｎ型クラッド層８１、アンドープ量子井戸活性層８２を、ＭＯＣＶＤ法により形成する。ここで、アンドープ量子井戸活性層８２は井戸層８２ａと障壁層８２ｂからなる。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回折格子を印刻する。その後、ｐ型クラッド層８３、ｐ型コンタクト層８４を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。その後、電極８５１、８５２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。図は、共振器方向の断面を示している。
【０００８】
この従来例では、活性層を直接エッチングすることにより周期的な利得の分布が施されており、利得結合型ＤＦＢ−ＬＤとなっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来例では、活性層まで成長を行い、そこで一旦成長を中断し、その上に回折格子を印刻し、さらにその上にクラッド層を再び成長させる工程を必要とする。一般に再成長を行うとき、成長中断により大気に基体が曝され表面が劣化し、再成長界面での結晶性は著しく低下する。上述の従来例では、活性層中で再成長界面となる領域が多くなるため、再成長界面となる活性層の結晶性が著しく低下し、活性層の半導体結晶構造に欠陥が生じてしまう。
【００１０】
この結晶欠陥により、非発光再結合が増加して誘導放出光が大きく減少し、半導体レーザとしての特性は悪くなり、信頼性が著しく損なわれてしまう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置であって、共振器方向に沿って形成された周期的な第１の凹凸形状部の上に半導体埋込層が形成され、該半導体埋込層の内部において、該第１の凹凸形状部の凹部上に該第１の凹凸形状部と同じ周期で縦長の活性層が設けられており、該活性層の高さは、該凹凸形状部の凹部の深さよりも大きく、そのことにより上記目的が達成される。また、本発明による利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置であって、  共振器方向に沿って形成された周期的な第１の凹凸形状部の上に半導体埋込層が形成され、該半導体埋込層の内部において、第１の凹凸形状部の凹部上に該第１の凹凸形状部と同じ周期で縦長の活性層が設けられ、該活性層の高さは６０ｎｍ以上であり、そのことにより上記目的が達成される。さらに、本発明による利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置であって、  共振器方向に沿って形成された周期的な第１の凹凸形状部の上に半導体埋込層が形成され、該半導体埋込層の内部において、第１の凹凸形状部の凹部上に該第１の凹凸形状部と同じ周期で縦長の活性層が設けられ、該凹凸形状部の凹部の深さは４０ｎｍ以上であり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１２】
ある実施形態では、前記半導体埋込層及び前記活性層はIII−Ｖ族化合物半導体によって形成されており、該半導体埋込層中のIII族元素の混晶比と、該活性層中のIII族元素の混晶比とは異なっている。
【００１３】
ある実施形態では、前記活性層が垂直量子井戸構造である。
【００１４】
ある実施形態では、前記活性層が量子細線構造であり、該量子細線構造が垂直方向に少なくとも１層以上存在する。
【００１５】
ある実施形態では、前記第１の凹凸形状部を含む２つ以上の凹凸形状部が、該第１の凹凸形状部の凹部及び凸部と同じ周期、同じ位置に凹凸が現れるように形成されている。前記２つ以上の凹凸形状部はほぼ同じ形状を有する。
【００１６】
ある実施形態では、好ましくは、前記凹凸形状部が、底部が共振器方向において０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の幅の平坦面を有する。
【００１７】
ある実施形態では、好ましくは、前記凹凸形状部が、（ｎ１１）面による側面と、（１００）面による底面を有する。
【００１８】
ある実施形態では、好ましくは、前記凹凸形状部の凹部の深さが４０ｎｍ以上である。
【００１９】
ある実施形態では、前記半導体埋込層は、少なくともIII族元素としてＡｌ及びＧａを含んでいるIII−Ｖ族化合物半導体によって形成されている。前記半導体埋込層中のＡｌの混晶比は０．１以上０．３以下である。
【００２０】
ある実施形態では、好ましくは、前記２つ以上の凹凸形状部の間に半導体層が挟まれており、該半導体層はＡｌの混晶比が０．４５以上の化合物半導体によって形成されている。
【００２１】
ある実施形態では、好ましくは、前記活性層の高さが６０ｎｍ以上である。また、好ましくは、前記凹凸形状部の深さは該凹凸形状部を形成するガイド層の厚さを超えない。
【００２２】
本発明による利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、共振器方向に周期的な利得変動を有する利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法であって、半導体表面に周期的な凹凸を形成する工程と、該凹凸形状部の上に、高さが該凹凸形状部の凹部の深さよりも大きい活性層を周期的に含む半導体埋込層を形成する工程を包含しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２３】
ある実施形態では、前記埋込層は、III−Ｖ族化合物半導体によって形成され、少なくとも２種類のIII族元素を含んでおり、前記活性層を形成する工程は、該埋込層の結晶成長中において、該少なくとも２種類のIII族元素のマイグレーションの速度の違いにより、該埋込層中のIII族元素の混晶比と異なるIII族元素の混晶比を持つ該活性層を形成する。
【００２４】
以下に、本発明の作用を説明する。
【００２５】
上記の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置によれば、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、混晶比が凹凸形状の周期で変化し、周期的な垂直方向の発光領域を有するダブルヘテロ構造（ＤＨ構造）、量子井戸構造又は量子細線構造が形成され、周期的に利得の変動を施すことが可能となる。
【００２６】
ＩＩＩ族原料は、下地の結晶の（１００）面上と（１１１）面上に成長させる場合を比較すると（１１１）面上よりも（１００）面上のほうが結合しやすいため、（１１１）面上の原料の一部は（１００）面にマイグレーションする。マイグレーションの仕方は原料により違い、例えばＡ１ＧａＡｓの成長では、Ａ１よりもＧａの方がマイグレーションしやすい。（１００）基板では凹凸形状がＶ溝で構成されていると両斜面が（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。谷部のＧａの濃度が増加し、Ａ１ＧａＡｓの混晶比が斜面部と谷部で変わり、垂直量子井戸（ＶＱＷ）ができるものである。
【００２７】
また、凹凸形状が埋込まれる際、高次の面（（ｎ１１）面）ができながら徐々に埋っていき、凹部の谷部にのみ精度よくＶＱＷが形成されるものである。
【００２８】
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、谷部の平坦部が狭いほど谷部上のＧａ濃度は高くなり、混晶比の差が出やすい。即ち、ＶＱＷでのキャリアの閉じ込め効果が大きくなるため、量子井戸の効果が大きくなり、半導体レーザのしきい値低減、信頼性向上につながる。
【００２９】
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。
【００３０】
【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断面構造を示す。この断面はレーザ装置のリッジ内部の共振器方向に沿った面である。以下に、本実施例の半導体レーザ装置の形成方法を説明する。
【００３１】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０上に厚さ１μｍのｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１１、０．１μｍのｎ−Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓガイド層１２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リ約１２０ｎｍ周期Ｍ、深さＮ約７０ｎｍの凹凸形状（三角波形状）を印刻する。その後、平均厚さ０．２μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３、平均厚さ０．１μｍのアンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４、０．８μｍのｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層１６、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４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１４の混晶比よりもＡｌ混晶比の低い領域が形成され、この領域に凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造活性層１５が形成される。
【００３２】
その後、光導波路ストライプ外のＧａＡｓコンタクト層１７及びクラッド層１６を除去し、２μｍ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１８１、１８２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。
【００３３】
この実施例において、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４は、成長圧力を約７６Ｔｏｒｒから約５０Ｔｏｒｒ、成長温度を約７００℃から約７３０℃、Ｖ族原料とIII族原料の供給比（Ｖ／ＩＩＩ比）を約１００から約６０、成長速度を約３０ｎｍ／ｍｉｎから約１０ｎｍ／ｍｉｎに徐々に成長条件を変えてＭＯＣＶＤ成長を行う。この際、Ｇａのマイグレーション速度がＡｌのマイグレーション速度に比べ大きく、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アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４の他の部分よりもＡｌ混晶比の低い領域が形成されて、垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造活性層１５が形成される。
【００３４】
フォトルミネッセンス測定より、このＶＱＷのエネルギー波長は７８０ｎｍであることが分かる。７８０ｎｍのエネルギー波長の場合のＶＱＷを構成する半導体（ＡｌmＧａ1-mＡｓ）のＡｌ組成ｍは、約０〜０．１４の範囲にある。Ａｌ組成の値はＶＱＷのエネルギー波長から計算できるが、エネルギー波長が変わればＡｌ組成の値も変わることは言うまでもない。したがって、本発明によるＶＱＷ構造活性層のＡｌ組成は実施例に記載されている値に限定されることはない。このことは以下の実施例についても同様である。この素子に電流を注入したとき、ＶＱＷでキャリアの閉じ込めが起こり、共振器方向に周期的な利得変化が発生し、利得回折格子として働き、利得結合型分布帰還半導体レーザが実現される。
【００３５】
ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３は下地の凹凸形状を維持しながら成長していき、キャリアバリア層上面も下地とほぼ同じ凹凸形状となっている。ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３を成長する際も、下地の凹凸形状のため、ＶＱＷ構造は形成されるが、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４中のＶＱＷの方がエネルギー的に安定であり、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４中のＶＱＷに利得が生じる。
【００３６】
ここで、埋込層１４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は、フォトルミネッセンス測定により調べた結果、図２に示すようになる。図２は横軸が埋込層１４のＡｌ混晶比、縦軸がフォトルミネッセンス測定により求めたエネルギー波長を示す。この実施例ではアンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４のＡ１混晶比は０.２３であり、エネルギー波長は図２における点線ａにより７２５ｎｍである。この時、ＶＱＷのエネルギー波長は図２における実線ｂより７８０ｎｍであり、埋込層の混晶比よりも混晶比の低い（エネルギー波長の大きい）領域が形成されていることが分かる。また、図２により埋込層の混晶比を選ぶことにより、活性層のエネルギー波長を設計することができる。例えば活性層のエネルギー波長を７８０ｎｍに設計するには、埋込層のＡｌ混晶比を０．２３とすれば、この時形成されるＶＱＷが所望の活性層となる。
【００３７】
本発明の目的を達成するために、埋込層１４のＡｌ混晶比は０．１以上０．３以下程度に設定することが好ましい。なお、下地の凹凸形状を維持しながら成長を行う観点から、キャリアバリア層１３を形成する半導体はＡｌ混晶比が０．４５以上であることが好ましい。
【００３８】
この実施例では、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４の中にＶＱＷ活性層を形成していることから、活性層中に再成長界面は存在せず、凹凸形状の形成とその前後の一連の操作により生じる再成長界面の半導体結晶構造の欠陥はその上に新たに成長されたキャリアバリア層により次第に覆われるので、その上に形成されるＶＱＷ活性層は欠陥のない半導体結晶により構成され、結晶欠陥による非発光再結合が減少したため、高い信頼性が得られた。
【００３９】
図３に回折格子部分の混晶比のプロファイルを示す。この図から分かるように、ＶＱＷは原料のマイグレーションにより自然に形成されるため、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ており、このことによって発光再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大する。
【００４０】
ＤＦＢ−ＬＤ素子の発振閾値を下げるには、利得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。利得結合係数は、活性層に周期的に変動する利得の差を大きく取ることにより大きくすることができる。
【００４１】
この実施例では、活性層に量子井戸構造を用いていることから、活性層内のキャリア密度が高くなり、大きな利得が得られているのに加え、光の導波方向において、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ活性層部分に集中して利得が存在し、ＶＱＷ以外の部分では利得が存在しないため、大きな利得の差が得られることから、利得結合係数を大きくすることができた。図４は従来の量子井戸利得グレーテイング活性層の場合（ｂ）と本実施例のＶＱＷによる利得グレーテイング活性層の場合（ａ）の利得分布を示す。図４から明らかなように、本実施例の場合の方が活性層部分とそれ以外の部分との利得分布の差を大きく取ることができる。
【００４２】
また、ＶＱＷはセルフアラインで容易に構成できることから、再現性良くＶＱＷ構造が得られ、利得結合係数を再現性良く制御できる。
【００４３】
このように、大きい利得結合係数を再現性良く得られることから、低い閾値利得が再現性良く得られ、半導体レーザの動作電流が低減し再現性も向上し、また、活性層中に再成長界面は存在しないことから高い信頼性が得られる。
【００４４】
また、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４を成長する際、成長条件を埋込層の成長途中で変化させずに行っても上述の効果は得られるが、この場合、凹凸形状は徐々に平坦になりながら埋まっていくが、凹凸形状が埋っていくに従い、凹部へのＧａのマイグレーションが徐々に小さくなリ、凹部でのＧａの供給が減少するため、ＶＱＷの形状は井戸幅が徐々に薄くなり、混晶比は徐々に高くなり埋込層の混晶比に近づいていく。これに対して、アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４を成長する際の成長条件を、埋込層の成長途中で変化させ、凹凸形状が埋っていくに従い、成長圧力は低く、成長温度は高く、Ｖ／ＩＩＩ比は低く、成長速度は小さくしマイグレーションが大きくなるように成長条件を変化させることで、凹凸形状が埋っていき成長表面が徐々に平坦になっても、ＧａとＡ１のマイグレーションのしかたは変わらず、凹部へのＧａのマイグレーションが徐々に小さくなることが無く、凹部でのＧａの供給が減少することがなく、埋込層中でＶＱＷの井戸幅および混晶比を均一にすることができる。その結果、キャリアの閉じ込めが良好に行われ、ＶＱＷ部分での利得が増大し、利得結合係数が更に増大する。
【００４５】
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、量子井戸に平行な電界成分を持つ光の利得の方が大きくなる。通常の成長により積層方向に形成される量子井戸活性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、ＴＭ光は垂直な電界成分となリ、ＴＥモード光に対する利得の方がＴＭモード光に対する利得より大きくなり、ＴＥモード光に対してのみ周期的な利得を感じ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。
【００４６】
一方、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両モードに対して利得のある量子井戸活性層であり、構造等によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能であり、設計の自由度が増大する。
【００４７】
ここで、ＶＱＷの高さＨ（図３）は、埋込み層厚また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、利得が大きくなるため、利得結合係数はより大きくなり、半導体レーザの発振しきい値が低減し、信頼性も向上する。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、よリ大きい利得結合係数が得られるためにはＶＱＷの高さは１００ｎｍ以上あることが望ましい。
【００４８】
また、この実施例では発振波長に対して１次の回折格子の周期の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。
【００４９】
また、凹凸形状部の深さＮ（図１）の値に関係なく上記実施例の効果は得られたが、ただし、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１２の厚さを超えてクラッド層１１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１４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Ｎは、凹凸形状を形成するガイド層１２の厚さを超えないことが望ましい。
【００５０】
また、凹凸形状の深さＮは４０ｎｍより小さい値では埋込層１４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、凹凸形状の深さは約４０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００５１】
この実施例では、ＶＱＷが形成される埋込層の下地の凹凸形状を三角波形状としているが、この三角波形状の底部を平坦または曲面とすると、平坦または曲面部分の幅によりＶＱＷの井戸幅を制御することが可能となる。この場合、平坦部分の幅が約３０ｎｍを超えると、埋込層の凹部上とその他の領域での混晶比の差を大きくとれなくなり、光の閉じ込めが充分に行われなくなるため、平坦部分の幅は３０ｎｍ以下とすることが望ましく、１０ｎｍ程度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すなわち０ｎｍの時もＶＱＷは得られ、上記実施例の効果が得られた。平坦部と斜面（側面）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）面による側面と（１００）面による底面とが（３１１）面を介してつながった場合でもＶＱＷは得られる。
【００５２】
この実施例についてはＡ１ＧａＡｓ埋込層について説明したが、ＩＩＩ族にＡｌ、Ｇａを含む他の材料系においても同様の効果が得られた。埋込層にＡｌＧａＩｎＰを用いて作製した素子では６５０ｎｍで発振し、同様の効果が得られた。
【００５３】
この実施例では、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層１３の厚さは平均０．２μｍとしたが、厚さを０．８μｍと厚くしても、キャリアバリア層の表面は下地の凹凸形状とほぼ同じ形状となり、その上のＡ１0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層１４中にＶＱＷが形成され、上記実施例と同様、利得結合型分布帰還半導体レーザが実現された。この場合、凹凸形状の形成とその前後の一連の操作により生じる再成長界面の半導体結晶構造の欠陥はキャリアバリア層厚を厚くすることにより更に減少し、その上に形成されるＶＱＷ活性層もさらに欠陥の少ない半導体結晶が得られ、結晶欠陥による非発光再結合が減少し、更に高い効果が得られた。
【００５４】
また、キャリアバリア層１３のＡｌ混晶比が０．４５以上であれば、キャリアバリア層の表面は下地の凹凸形状とほぼ同じ形状となり、同様の効果が得られた。キャリアバリア層のＡｌ混晶比が０．４５以下の場合はキャリアバリア層は凹凸が徐々に埋められていくが、キャリアバリア層の上面において凹凸形状が深さ４０ｎｍ以上であれば、そのうえの埋込層中にＶＱＷが形成され、上記実施例と同様の効果が得られた。
【００５５】
（実施例２）
図５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断面構造を示す。この断面はレーザ装置のリッジ内部の共振器方向に沿った面である。以下に、本実施例の半導体レーザ装置の形成方法を説明する。
【００５６】
まず、２５０ｎｍ周期Ｍ、深さＮ２２０ｎｍの凹凸形状を有するｎ−ＩｎＰ段差基板５０上に、厚さ２００ｎｍのアンドープＩｎpＧａ1-pＡｓqＰ1-q（ｐ：約０．６５、ｑ：約０．７６）埋込層５１（エネルギー波長λｇ＝１．４μｍ）を成長し、厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層５３、厚さ２００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５４を、ＭＯＣＶＤ法により順次形成する。このとき、アンドープＩｎＧａＡｓＰ埋込層５１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一ＩｎＧａＡｓＰ埋込層５１よりもエネルギーバンドギャップの小さい層５２（ＩｎuＧａ1-uＡｓvＰ1-v、ｕ及びｖは約０．７６である。ただし、成長条件が変わることによってｕ及びｖの値も変わるので、本発明において層５２の組成を示すｕ及びｖは０．７６には限定されない）が形成される。すなわち、凹凸形状の谷部に垂直量子井戸（ＶＱＷ）構造活性層５２が形成される。その後、電極５５１、５５２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。
【００５７】
この実施例では、アンドープＩｎＧａＡｓＰ埋込層５１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くらべ大きく、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ＶＱＷ活性層５２を構成している。フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷのエネルギー波長はλｇ＝１．５５μｍであった。
【００５８】
この素子に電流を注入したとき、周期的に分布したＶＱＷでキャリアの閉じ込めが起こり、共振器方向に周期的な利得変化が発生し、利得回折格子として働き、利得結合型分布帰還半導体レーザが実現された。
【００５９】
この実施例では、基板の凹凸形状の凹部でＶＱＷの端が再成長界面となっているが、ＶＱＷのそれ以外の部分は、アンドープＩｎＧａＡｓＰ埋込層５１の中に形成していることから、活性層中の大部分は再成長界面は存在せず、再成長界面の結晶欠陥の影響を充分に小さく抑えることができ、結晶欠陥による非発光再結合が減少し、信頼性の高い素子が得られた。
【００６０】
また、活性層に量子井戸構造を用いていることから、活性層内のキャリア密度が高くなり、大きな利得が得られているのに加え、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷ活性層に集中して利得が存在し、ＶＱＷ以外の部分では利得が存在しないため、大きな利得の差が得られることから、利得結合係数を大きくすることができた。
【００６１】
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ツドな構造が自然に形成され、発光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、ＶＱＷ活性層は、セルフアラインで構成できることから、利得結合係数を再現良く制御できる。
【００６２】
このように、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。
【００６３】
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両モードに対して利得のある量子井戸活性層であり、構造等によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能であり、設計の自由度が増大する。
【００６４】
この実施例ではＩｎＧａＡｓＰ埋込層について説明したが、ＩＩＩ族にＩｎ、Ｇａを含む他の材料系においても同様の効果が得られた。埋込層にＧａＩｎＮＡｓを用いて作製した素子では１．３μｍで発振し、同様の効果が得られた。
【００６５】
原料のマイグレーションは成長条件により変わり、また原料によってもその度合は異なる。これまで、凹部上の半導体のバンドギャップＥｇが凹部上以外の領域の半導体のバンドギャップＥｇより小さくなる場合、すなわち垂直量子井戸が形成される場合について説明してきたが、成長条件を変えることにより各々の原料のマイグレーションの仕方が変わり、凹部上のＥｇを凹部上以外の領域のＥｇより大きくすることも可能である。例えば実施例２の場合では、凹部上のＩｎ混晶比が凹部上以外の領域のＩｎ混晶比より小さくなる。この場合、凹部上以外のバンドギャップＥｇの小さい領域が活性層として働き、凹部上のバンドギャップＥｇの大きい領域に挟まれた構造になり、周期的に利得が変調され、利得結合型分布帰還半導体レーザとして動作し、同様の効果が得られる。ただし、垂直量子井戸ほど大きな利得は得られず、望ましくは凹部上の半導体のバンドギャップＥｇを凹部上以外の領域の半導体のバンドギャップＥｇより小さくして、垂直量子井戸を活性層とした方がより大きな効果が得られる。
【００６６】
（実施例３）
図６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断面構造を示す。この断面はレーザ装置のリッジ内部の共振器方向に沿った面である。以下に、本実施例の半導体レーザ装置の形成方法を説明する。
【００６７】
まず、ｐ−ＧａＡｓ基板６０上に厚さ１μｍのＰ−Ａ１0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層６１、０．２μｍのｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層６２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約３６０ｎｍ周期Ｍ、深さＮ１５０ｎｍ程度の凹凸形状を印刻する。その後、平均厚さ０．２μｍのｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層６３、平均厚さ１０ｎｍのアンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ埋込バリア層６４と平均厚さ１０ｎｍのアンドープＡ１0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５とを５．５周期、０．８μｍ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、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５を成長する際、凹凸形状の凹部に、該埋込層のＡｌ混晶比よりも低いＡｌ混晶比の領域（ＡｌnＧａ1-nＡｓ、ｎの範囲は約０〜０．１４である）が形成され、即ち、凹凸形状の凹部に量子細線（ＶＱＷＷ）活性層６６構造が形成され、アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ埋込バリア層６４とアンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５を交互に成長することにより垂直方向に量子細線構造が形成される。
【００６８】
その後、光導波路ストライプ外のＧａＡｓコンタクト層６８及びクラッド層６７を除去し、２μｍ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。
【００６９】
この実施例は、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５は、成長圧力約７６Ｔｏｒｒ、成長温度約７００℃、Ｖ族原料とIII族原料の供給比（Ｖ／III比）約１２０、成長速度約２５ｎｍ／ｍｉｎでＭＯＣＶＤ成長している。この際、Ｇａのマイグレーション速度がＡ１のマイグレーション速度にくらべ大きく、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、凹凸形状の谷部にアンドープＡ１0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５の他の部分よリもＡ１混晶比の低い領域が形成され、一方、縦方向を埋込バリア層で挟むことにより、量子細線（ＶＱＷＷ）活性層構造６６が形成されている。この実施例では、埋込バリア層を挟んでアンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５を５層成長させており、垂直方向にＶＱＷＷ構造が５段積層されている。
【００７０】
ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層６３は下地の凹凸形状を維持しながら成長していき、キャリアバリア層６３上面も下地とほぼ同じ凹凸形状となっている。キャリアバリア層６３、アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ埋込バリア層６４を成長する際も、凹部のＡｌ混晶比は下がるが、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５の凹部の領域が最もエネルギー的に安定であり、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５中にＶＱＷＷが形成され、ＶＱＷＷに利得が生じる。
【００７１】
図２における破線ｃのデータから分かるように、フォトルミネッセンス測定より該ＶＱＷＷ活性層６６のエネルギー波長は７８０ｎｍであった。この素子に電流を注入したとき、ＶＱＷでキャリアの閉じ込めが起こり、周期的な利得が発生し、利得回折格子として働き、利得結合型分布帰還半導体レーザが実現された。
【００７２】
この実施例では、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５／アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ埋込バリア層６４の中にＶＱＷＷ活性層６６を形成していることから、活性層中に再成長界面は存在せず、凹凸形状の形成とその前後の一連の操作により生じる再成長界面の半導体結晶構造の欠陥はその上に新たに成長されたキャリアバリア層により次第に覆われる。その結果、その上に形成されるＶＱＷＷ活性層は欠陥のない半導体結晶によって構成され、結晶欠陥による非発光再結合が減少したため、高いＬＤ素子の信頼性が得られた。
【００７３】
この実施例では、活性層に量子細線構造を用いていることから、活性層内のキャリア密度が量子井戸構造よりさらに高くなり、より大きな利得が得られる。さらに、ＶＱＷＷ活性層は垂直方向に配列しており、光の導波方向において、ＶＱＷＷ活性層部分に集中して利得が存在し、ＶＱＷＷ以外の部分では利得が存在しないため、大きな利得の差が得られることから、利得結合係数を大きくすることができた。
【００７４】
また、ＶＱＷＷは横方向に対しては、アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層６５内で原料のマイグレーションにより自然形成されるため、界面は徐々に混晶比の変わるグレイデツドな構造が自然に形成され、発光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、ＶＱＷＷはセルフアラインで形成されることから、再現良くＶＱＷＷ構造を得ることができた。
【００７５】
このように、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、また、活性層中に再成長界面は存在しないことから高い信頼性が得られた。
【００７６】
また、このＶＱＷＷ構造は、光の導波方向に対して横方向に量子細線が形成された構造になっている。従って、量子細線に平行な電界分布となるＴＥモードに対して利得のある量子細線活性層であり、ＴＥ発振を選択することができる。
【００７７】
（実施例４）
図７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。この断面はレーザ装置のリッジ内部の共振器方向に沿った面である。以下に、本実施例の半導体レーザ装置の形成方法を説明する。
【００７８】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板７０上に厚さ１μｍのｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層７１、０．１μｍのｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓガイド層７２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約２４０ｎｍ周期Ｍ、深さＮ５０ｎｍ凹凸形状を印刻する。この凹凸形状は幅約２０ｎｍの底部Ｐと、幅約１４０ｎｍの頂部Ｑと、斜部Ｌとで構成される台形状の凹凸である。その後、平均厚さ０．１μｍのｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層７３、平均厚さ０．１μｍのアンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４、０．８μｍのｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層７６、０．５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層７７を、ＭＯＣＶＤ法により再成長して形成する。このとき、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４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Ａｌ混晶比よりも低いＡｌ混晶比の領域（ＡｌwＧａ1-wＡｓ、ｗは約０．１３である）が形成され、即ち、凹凸形状と同じ周期で凹凸方向にＤＨ構造が形成され、活性領域７５となる。
【００７９】
その後、光導波路ストライプ外のＧａＡｓコンタクト層７７及びクラッド層７６を除去し、２μｍ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７には、リッジ内部の共振器方向の断面を示している。
【００８０】
この実施例においては、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４は、成長圧力を約５０Ｔｏｒｒ、成長温度を約６５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比を約１８０、成長速度を約１０ｎｍ／ｍｉｎでＭＯＣＶＤ成長している。この際、Ｇａのマイグレーション速度がＡｌのマイグレーション速度にくらべ大きく、凹凸形状部上では、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アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４の他の部分よりもＡｌ混晶比の低い層７５が形成されていき、ＤＨ構造が形成され活性領域７５となっている。
【００８１】
下地の凹凸形状の底部Ｐの幅が約２０ｎｍであるので、約２０ｎｍの幅を持つＡｌ低混晶層による活性領域７５が形成された。また、凹凸形状は徐々に平坦になりながら埋っていくが、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、混晶比の変動が生じず均一な混晶比となり、ＤＨ構造はもはやできなくなる。
【００８２】
凹凸部の底部（平坦部）Ｐの幅は所望の利得変化を有するＤＨ構造を形成する観点から０ｎｍから３０ｎｍ程度の範囲に設定することが好ましい。また、凹凸部の側面（斜面部）及び底面は、それぞれ半導体の（ｎ１１）面及び（１００）面で構成することが好ましい。
【００８３】
この実施例の成長条件では、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４の成長は、底部からの厚さが８０ｎｍで成長表面が平坦になり、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４のそれより以降の部分ではＤＨ構造はできていない。すなわちこの実施例では幅約２０ｎｍ、高さ約８０ｎｍの発光領域を有するＤＨ構造が形成されている。フォトルミネッセンス測定より該ＤＨ構造のエネルギー波長は７８０ｎｍであった。この素子に電流を注入したとき、該ＤＨ構造でキャリアの閉じ込めが起こり、共振器方向に周期的な利得変化が発生し、利得回折格子として働き、利得結合型分布帰還半導体レーザが実現された。
【００８４】
ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層７３は下地の凹凸形状を維持しながら成長していき、キャリアバリア層上面も下地とほぼ同じ凹凸形状となっている。ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層７３を成長する際も、下地の凹凸形状のため、Ａｌ混晶比の低い領域は形成されるが、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４中のＡｌ混晶比の低い領域活性領域７５の方がエネルギー的に安定であり、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層７４中のＡｌ混晶比の低い領域活性領域７５に利得が生じる。
【００８５】
この実施例では、アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ理込層７４の中にＤＨ活性層７５を形成していることから、活性層中に再成長界面は存在せず、凹凸形状の形成とその前後の一連の操作により生じる再成長界面の半導体結晶構造の欠陥はその上に新たに成長されたキャリアバリア層により次第に覆われる。その結果、その上に形成されるＤＨ活性層は欠陥のない半導体結晶により構成され、結晶欠陥による非発光再結合が減少したため、高い信頼性が得られた。
【００８６】
この実施例では、光の導波方向において、埋込層中に垂直に構成されている活性領域に集中して利得が存在し、活性領域以外の部分では利得が存在しないため、大きな利得の差が得られることから、利得結合係数を大きくすることができた。
【００８７】
また、該ＤＨは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、ＤＨの界面は徐々に混晶比の変わるグレイデツドな構造が自然に形成され、発光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、該ＤＨはセルフアラインで容易に構成できることから、再現良く該ＤＨ構造が得られ、利得結合係数を再現良く制御できるようになった。
【００８８】
このように、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、半導体レーザの動作電流が低減し再現性も向上し、また、活性層中に再成長界面は存在しないことから高い信頼性が得られた。
【００８９】
【発明の効果】
利得結合型分布帰還半導体レーザにおいて、凹凸形状部を埋め込む際、原料のマイグレーション速度の違いから、凹凸形状の谷部上のIII族元素の混晶比が他の部分のIII族元素の混晶比と異なり、凹凸形状の谷部上に垂直量子井戸構造（ＶＱＷ）または量子細線（ＶＱＷＷ）が形成される。周期的なＶＱＷまたはＶＱＷＷのため、この素子に電流を注入したとき、ＶＱＷ又はＶＱＷＷでキャリアの閉じ込めが起こり、周期的な利得が発生し、利得回折格子として働き、利得結合型分布帰還半導体レーザが実現された。ＶＱＷまたはＶＱＷＷ活性層は、セルフアラインで容易に構成できることから、利得結合係数を再現良く制御でき、歩留りが向上する。
【００９０】
活性層を垂直量子井戸構造とすることにより、活性層中の再成長界面に接する領域が少なく、凹凸形状の形成とその前後の一連の操作により生じる再成長界面の半導体結晶構造の欠陥の影響を充分に小さく抑えることができる。更に、凹凸形状を形成した後キャリアバリア層を挿入することにより、再成長界面に生じた半導体結晶構造の欠陥はこのキャリアバリア層により次第に覆われるので、その上に形成されるＶＱＷまたはＶＱＷＷ活性層は欠陥のない半導体結晶が得られる。このため、結晶欠陥による非発光再結合が減少し、高い素子の信頼性が得られた。
【００９１】
また、活性層にＶＱＷまたはＶＱＷＷを用いていることから、活性層内のキャリア密度が高くなり、大きな利得が得られているのに加え、光導波方向において、埋込層中に垂直に構成されているＶＱＷまたはＶＱＷＷ活性層部分に集中して利得が存在し、それ以外の部分では利得が存在しないため、大きな利得の差が得られることから、利得結合係数を大きくすることができた。
【００９２】
また、埋込層を成長する際の成長条件を、埋込層の成長途中で変化させ、凹凸形状が埋っていくに従い、成長圧力は低く、成長温度は高く、Ｖ／ＩＩＩ比は低く、成長速度は小さくすることにより、埋込層中でＶＱＷの井戸幅および混晶比を均一にすることができ、キャリアの閉じ込めが良好に行われ、ＶＱＷ部分での利得が増大し、利得結合係数が増大した。
【００９３】
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ツドな構造が白然に形成され、キャリアの発光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、ＶＱＷまたはＶＱＷＷはセルフアラインで容易に構成できることから、再現良くＶＱＷまたはＶＱＷＷ構造を制御できるようになった。
【００９４】
このように、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、半導体レーザの動作電流が低減し再現性も向上し、また、活性層中に再成長界面は存在しないことから高い信頼性が得られた。
【００９５】
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両モードに対して発振する量子井戸活性層であり、構造によりＴＥ発振／ＴＭ発振共に実現可能である。
【００９６】
また、活性層をＶＱＷＷ構造とすることにより、光の導波方向に対して横方向に量子細線が形成された構造になっているため、量子細線に平行な電界分布となるＴＥモードに対して利得のある量子細線活性層となり、ＴＥ発振を選択することができる。
【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を示す図である。
【図４】回折格子部分の利得の分布を示す図であり、（ａ）は本発明の場合、（ｂ）は従来技術の場合を示す。
【図５】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６】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７】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。
【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。
【符号の説明】
１０、７０、８０  ｎ−ＧａＡｓ基板
１１、７１  ｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１２  ｎ−Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓガイド層
１３、７３  ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層
１４  アンドープＡｌ0.23Ｇａ0.77Ａｓ埋込層
１５  ＶＱＷ活性層
１６、７６  ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
１７、７７  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
５０  ｎ−ＩｎＰ段差基板
５１  アンドープＩｎＧａＡｓＰ埋込層（λｇ＝１・４μｍ）
５２  ＶＱＷ活性層
５３  ｐ−ＩｎＰクラッド層
５４  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６０  ｐ−ＧａＡｓ基板
６１  ｐ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
６２  ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層
６３  ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層
６４  アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ埋込バリア層
６５  アンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ埋込層
６６  ＶＱＷＷ活性層
６７  ｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層
６８  ｎ−ＧａＡｓコンタクト層
７２  ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓガイド層
７４  アンドープＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓ埋込層
７５  活性領域
８１  ｎ型クラッド層
８２  アンドープ量子井戸活性層
８３  ｐ型クラッド層
８４  ｐ型コンタクト層
１８１、１８２、５５１、５５２、６９１、６９２、７８１、７８２、８５１、８５２  電極
【図１】
0004375834.tif 000002
【図２】
0004375834.tif 000003
【図３】
0004375834.tif 000004
【図４】
0004375834.tif 000005
【図５】
0004375834.tif 000006
【図６】
0004375834.tif 000007
【図７】
0004375834.tif 000008
【図８】
0004375834.tif 000009