(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
n型InP基板と、
前記n型InP基板上に形成されたInGaAlAsからなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の上に形成されたp型InAlAs電子ストッパと、
前記p型InAlAs電子ストッパ層上に接して形成された回折格子を有するp型InGaAsP層と、
前記p型InGaAsP層上に形成されたp型InPクラッド層とを備え、
前記多重量子井戸層と前記電子ストッパとの間は、p型InGaAlAsで構成され、
前記回折格子を有するp型InGaAsP層の回折格子の凹部の深さがp型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】
n型InP基板と、
前記n型InP基板上に形成されたInGaAlAsからなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の上に形成されたp型InAlAs電子ストッパと、
前記p型InAlAs電子ストッパ層上に接して形成された回折格子を有するp型InGaAsP層と、
前記回折格子を有するp型InGaAsP層の上に形成されたp型InPスペーサ層と、
前記p型InPスペーサ層の上に形成されたp型InGaAsPエッチストップ層と、
前記p型InGaAsPエッチストップ層の上に形成されたp型InPクラッド層と、を備え、
前記多重量子井戸層と前記電子ストッパとの間は、p型InGaAlAsで構成され、
前記回折格子を有するp型InGaAsP層の回折格子の凹部の深さが回折格子を有するp型InGaAsP層の厚さより小さく、
該ｐ型InPスペーサ層の膜厚が該p型InGaAsP層の回折格子の凹部の深さより厚いことを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
n型InP基板と、
前記n型InP基板上に形成されたInGaAlAsからなる多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層の上に形成されたp型InAlAs電子ストッパと、
前記p型InAlAs電子ストッパ層上に接して形成された回折格子を有するp型InGaAsP層と、
前記回折格子を有するp型InGaAsP層の上に形成されたp型InAlAsスペーサ層と、
前記p型InPスペーサ層の上に形成されたp型InGaAsPエッチストップ層と、
前記p型InGaAsPエッチストップ層の上に形成されたp型InPクラッド層と、を備え、
前記多重量子井戸層と前記電子ストッパとの間は、p型InGaAlAsで構成され、
前記回折格子を有するp型InGaAsP層の回折格子の凹部の深さが回折格子を有するp型InGaAsP層の厚さより小さく、
該ｐ型InPスペーサ層の膜厚が該p型InGaAsP層の回折格子の凹部の深さより厚い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、
前記回折格子を有するp型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、
前記回折格子を有するp型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、
前記回折格子を有するp型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
前記回折格子が有するp型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、
前記回折格子が有するp型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、
前記回折格子が有するp型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、
前記p型InPクラッド層と前記回折格子を有するp型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、
前記p型InPスペーサ層と前記回折格子を有するp型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、
前記p型InPクラッド層がリッジメサストライプ形状を有し、該リッジストライプ形状の両脇底の半導体層には、前記回折格子を有するｐ型InGaAsP層が設けられ、該回折格子を有するｐ型InGaAsP層上には絶縁膜が設けれられた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、
前記p型InPスペーサ層がリッジメサストライプ形状を有し、該リッジストライプ形状の両脇底の半導体層には、前記回折格子を有するｐ型InGaAsP層が設けられ、該回折格子を有するｐ型InGaAsP層上には絶縁膜が設けれられた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、
前記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、
前記レーザ構造と電界吸収型変調器が集積化されてい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、
前記レーザ構造と電界吸収型変調器が集積化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１７】
請求項１２の光半導体装置において、
前記レーザ構造と電界吸収型変調器が集積化されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１８】
請求項１３の光半導体装置において、
前記レーザ構造と電界吸収型変調器が集積化されていることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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 Indium Phosphide 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 Conference 2002, 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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平11-5487号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30, No. 2, pp. 511-522, 1994
【非特許文献２】International Conference on Indium Phosphide and Related Materials 1998, ThP-55, pp. 729-732
【非特許文献３】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
【非特許文献４】Optical Fiber Communiation Conference 2002, Technical Digest, ThF3, pp.417-418
【非特許文献５】Journal of Applied Physics, Vol.75, No. 1, pp. 1-29, 1994
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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】
【００１４】
【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。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
【表１】
0004953392.tif 000002
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【実施例２】
【００２２】
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、この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。
【００２３】
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。
【実施例３】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【符号の説明】
【００２８】
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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