(57)【要約】【課題】高温領域における光出力の低下を低減可能な位相シフト分布帰還型半導体レーザを提供する。【解決手段】位相シフト分布帰還型半導体レーザ１１では、活性層１７は、第１の半導体端面２３ａから第２の半導体端面２３ｂに延びる軸Ａｘの方向に配列された第１、第２及び第３の部分１７ａ、１７ｂ、１７ｃを含む。第３の部分１７ｃは、第１の部分１７ａと第２の部分１７ｂとの間に位置する。第１及び第２のキャリアブロック層１９ｂ、２１ｂは、活性層１５における伝導帯ＥＣ２において電子に対するポテンシャル障壁を提供する。第１のキャリアブロック層１９ｂは、活性層１５の第１の部分１５ａとｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。第２のキャリアブロック層２１ｂは、活性層１７の第２の部分１７ｂとｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の半導体端面を有する位相シフト分布帰還型半導体レーザであって、
ｎ型III−Ｖ化合物半導体層と、
ｐ型III−Ｖ化合物半導体層と、
前記第１の半導体端面から前記第２の半導体端面に延びる軸の方向に配列された第１、第２及び第３の部分を含む活性層と、
前記活性層における伝導帯において電子に対するポテンシャル障壁を提供する第１のキャリアブロック層と、
前記活性層における伝導帯の電子に対するポテンシャル障壁を提供する第２のキャリアブロック層と
を備え、
前記第３の部分は、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置しており、
前記第１のキャリアブロック層は、前記活性層の前記第１の部分と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、
前記第２のキャリアブロック層は、前記活性層の前記第２の部分と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、
前記活性層は、前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられる、
ことを特徴とする位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられた光ガイド層を更に備え、
前記光ガイド層の第１の部分は、前記第１のキャリアブロック層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、
前記光ガイド層の第２の部分は、前記第２のキャリアブロック層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載された位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】
前記光ガイド層は、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層と前記活性層の前記第３の部分との間に設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載された位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層、前記第１及び第２のキャリアブロック層並びに前記光ガイド層は、半導体メサ内に設けられており、
前記活性層はＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料から成る半導体層を含み、
前記光ガイド層には、分布帰還のための回折格子構造が設けられている、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載された位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層の前記第３の部分の長さは前記活性層の前記第１及び第２の部分の長さよりも大きく、
前記第１及び第２のキャリアブロック層は、価電子帯において正孔に対するポテンシャル障壁を提供する、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【請求項６】
前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体層、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層、前記活性層、前記第１のキャリアブロック層、及び前記第２のキャリアブロック層を搭載する半導体基板を更に備え、
前記第１及び第２のキャリアブロック層は、前記半導体基板の材料に実質的に格子整合する材料から成る、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【請求項７】
前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層はＩｎＰからなり、
前記第１及び第２のキャリアブロック層はＩｎＰからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された位相シフト分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相シフト分布帰還型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＩｎＰ半導体レーザが記載されている。ＩｎＰ半導体レーザでは、電子ブロッキング層はＡｌＧａＩｎＡｓから成る。ＩｎＰ半導体レーザは、レーザの基板上に設けられた活性領域、電子ストッパ層、および閉じ込めヘテロ構造ＳＣＨ層を含む。このＳＣＨ層は、パターン形成されていない。電流ブロッキング層は、ウインドウを有するようにパターン化されている。電流ブロッキング層はＳＣＨ層上に配置される。電子ストッパ層は活性領域直上に形成されている。
【０００３】
特許文献２には、ＳＣＨ層中に２つの半導体薄層が挿入されている。一方の半導体薄層１２ａのバンド構造は、価電子帯不連続が正孔に対し障壁とならず伝導帯不連続が電子に対し障壁となるように構成される。他方の半導体薄層１１ａのバンド構造は、伝導帯不連続が電子に対し障壁とならず価電子帯不連続が正孔に対し障壁となるように構成される。
【特許文献１】特開平８−３１６５７２号公報
【特許文献２】特開平１０−３２１９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、レーザ内部の光子が位相シフト近傍に集中する。この現象は、軸方向のホールバーニングと呼ばれる。この現象の発生に伴い、位相シフト部近傍において、キャリア密度が著しく減少する。一方、レーザ端面の近傍におけるキャリア密度は、位相シフト部におけるキャリア密度に比べて大きい。このため、レーザ端面の近傍では、実効的なフェルミレベルが高くなり、電子に対するポテンシャル障壁が実効的に低下する。高温において、電子エネルギが増大するので、電子のキャリアオーバーフローが生じる。
【０００５】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、高温領域における光出力の低下を低減可能な位相シフト分布帰還型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】
【０００６】
本発明の一側面は、第１及び第２の半導体端面を有する位相シフト分布帰還型半導体レーザである。この位相シフト分布帰還型半導体レーザは、（ａ）ｎ型III−Ｖ化合物半導体層と、（ｂ）ｐ型III−Ｖ化合物半導体層と、（ｃ）前記第１の半導体端面から前記第２の半導体端面に延びる軸に沿って向かう方向に配列された第１、第２及び第３の部分を含む活性層と、（ｄ）前記活性層における伝導帯において電子に対するポテンシャル障壁を提供する第１のキャリアブロック層と、（ｅ）前記活性層における伝導帯において電子に対するポテンシャル障壁を提供する第２のキャリアブロック層とを備え、前記第３の部分は、前記第１の部分と前記第２の部分との間に位置しており、前記第１のキャリアブロック層は、前記活性層の前記第１の部分と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、前記第２のキャリアブロック層は、前記活性層の前記第２の部分と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、前記活性層は、前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられる。
【０００７】
この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、活性層の第１及び第２の部分では、第１及び第２のキャリアブロック層が電子に対するポテンシャル障壁となる。このため、高温環境における動作では、活性層の第１及び第２の部分におけるリーク電流の増大が抑制される。
【０００８】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザは、前記活性層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられた光ガイド層を更に備えることができる。前記光ガイド層の第１の部分は、前記第１のキャリアブロック層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、前記光ガイド層の第２の部分は、前記第２のキャリアブロック層と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられる。
【０００９】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、前記光ガイド層は、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層と前記活性層の前記第３の部分との間に設けられていることが好ましい。
【００１０】
この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、活性層の第３の部分の近傍については、キャリアブロック層の影響なくキャリアが注入されるので、キャリアブロック層の追加が、常温近傍におけるレーザ動作への影響は小さい。
【００１１】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、前記活性層、前記第１及び第２のキャリアブロック層並びに前記光ガイド層は、半導体メサ内に設けられており、前記活性層はＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料から成る半導体層を含み、分布帰還のための回折格子構造が前記光ガイド層に設けられていることが好ましい。この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、埋込ヘテロ構造に適用される。
【００１２】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、前記第１及び第２のキャリアブロック層の厚さは、前記活性層の前記第３の部分上における前記光ガイド層の厚さよりも薄いことが好ましい。この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、キャリアブロック層が活性層近傍における屈折率分布に与える影響を低減できる。
【００１３】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、前記活性層の前記第３の部分の長さは前記活性層の前記第１及び第２の部分の長さよりも大きく、前記第１及び第２のキャリアブロック層は、価電子帯において正孔に対するポテンシャル障壁を提供する。
【００１４】
この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、活性層の第３の部分の長さが活性層の第１及び第２の部分の各々の長さよりも大きいので、価電子帯において正孔に対するポテンシャル障壁を提供するキャリアブロック層を用いても、活性層の第３の部分ではキャリアが注入される。また、キャリアブロック層の材料選択におけるフレキシビリティが増加する。
【００１５】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザは、前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体層、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層、前記活性層、前記第１のキャリアブロック層、及び前記第２のキャリアブロック層を搭載する半導体基板を更に備えることができる。前記第１及び第２のキャリアブロック層は、前記半導体基板の材料に実質的に格子整合する材料から成ることが好ましい。この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、格子整合により、半導体レーザの信頼性が高められる。
【００１６】
本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体層はＩｎＰからなり、前記第１及び第２のキャリアブロック層はＩｎＰからなることが好ましい。この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、ＩｎＰ系半導体材料においては、キャリアブロック層の材料にＩｎＰを用いることによって、格子不整を低減できる。
【００１７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、高温領域における光出力の低下を低減可能な位相シフト分布帰還型半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の位相シフト分布帰還型半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る位相シフト分布帰還型半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。図２（ａ）は、図１に示されたI−I線に沿って取られた、位相シフト分布帰還型半導体レーザの断面を模式的に示す図面である。図２（ｂ）は、図１に示されたII−II線に沿って取られた、位相シフト分布帰還型半導体レーザの断面を模式的に示す図面である。図１に示された位相シフト分布帰還型半導体レーザの構造は、図２（ａ）に示されたIII−III線に沿って取られたものである。位相シフト分布帰還型半導体レーザ（以下、「ＤＦＢ半導体レーザ」と記す）１１は、ｎ型III−Ｖ化合物半導体層（例えば、クラッド層）１３と、ｐ型III−Ｖ化合物半導体層（例えば、クラッド層）１５と、活性層１７と、第１のキャリアブロック層１９と、第２のキャリアブロック層２１とを備える。また、ＤＦＢ半導体レーザ１１は、第１及び第２の半導体端面２３ａ、２３ｂを有する。活性層１５は、ｎ型III−Ｖ化合物半導体層１３とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。活性層１７は第１、第２及び第３の部分１７ａ、１７ｂ、１７ｃを含み、第１〜第３の部分１７ａ〜１７ｃは、第１の半導体端面２３ａから第２の半導体端面２３ｂに延びる軸Ａｘの方向に配列されている。む。第３の部分１７ｃは、第１の部分１７ａと第２の部分１７ｂとの間に位置する。第１及び第２のキャリアブロック層１９、２１は、活性層１５における伝導帯ＥＣの電子に対するポテンシャル障壁を提供する。第１のキャリアブロック層１９は、活性層１５の第１の部分１５ａとｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。第２のキャリアブロック層２１は、活性層１７の第２の部分１７ｂとｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。
【００２１】
このＤＦＢ半導体レーザ１１によれば、活性層１７の第１及び第２の部分１７ａ、１７ｂが、それぞれ、第１及び第２のキャリアブロック層１９、２１とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられているので、第１及び第２のキャリアブロック層１９、２１が電子に対するポテンシャル障壁となる。故に、高温における動作において、活性層１７の第１及び第２の部分１７ａ、１７ｂにおいてリーク電流の増大が抑制される。
【００２２】
キャリアブロック層１９、２１は、ｐ型導電性を示すように、ドーパントを添加してもよい。ｐ型のドーピングを行うことで、正孔のより良好な注入が可能となり、駆動電圧及び素子抵抗の低減が実現される。
【００２３】
ＤＦＢ半導体レーザ１１では、第１の光ガイド層２５が、活性層１７とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。第１の光ガイド層２５は第１、第２及び第３の部分２５ａ、２５ｂ、２５ｃを有する。第１の部分２５ａは、第１のキャリアブロック層１９とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられる。このＤＦＢ半導体レーザ１１によれば、第１のキャリアブロック層１９とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に第１の光ガイド層２５が形成されるので、光の閉じ込めを行いながら、第１のキャリアブロック層１９を活性層１７に近づけることが可能になる。故に、第１の半導体端面２３ａの近傍において活性層１７からのリーク電流を抑制するために好適である。また、第２の部分２５ｂは、第２のキャリアブロック層２１とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられる。この位相シフト分布帰還型半導体レーザ１１によれば、第２のキャリアブロック層２１とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に第１の光ガイド層２５が形成されるので、光の閉じ込めを行いながら、第２のキャリアブロック層２１を活性層１７に近づけることが可能になる。故に、第２の半導体端面２３ｂの近傍において活性層１７からのリーク電流を抑制するために好適である。また、第３の部分２５ｃは、ｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５と活性層１７の第３の部分１７ｃとの間に設けられている。ＤＦＢ半導体レーザ１１によれば、活性層１７の第３の部分１７ｃの近傍については、キャリアブロック層１９、２１の影響なくキャリアが注入されるので、キャリアブロック層１９、２１の追加が、常温近傍におけるレーザ動作に実質的に影響しない。
【００２４】
ＤＦＢ半導体レーザ１１は、活性層１７とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられた第２の光ガイド層２７を更に備えることができる。第２の光ガイド層２７を備えることで活性層で発生した光を、より有効に活性領域に閉じ込めることができるので、ＤＦＢ半導体レーザの発光効率を向上させることができる。第２の光ガイド層２７は第１、第２及び第３の部分２７ａ、２７ｂ、２７ｃを有する。第１の部分２７ａは、第１のキャリアブロック層１９と活性層１７の第１の部分１７ａとの間に設けられる。第２の部分２５ｂは、第２のキャリアブロック層２１と活性層１７の第２の部分１７ｂとの間に設けられる。第３の部分２７ｃは、第１の光ガイド層２５の第３の部分２５ｃと活性層１７の第３の部分１７ｃとの間に設けられる。
【００２５】
ＤＦＢ半導体レーザ１１は、活性層１７とｎ型III−Ｖ化合物半導体層１３との間に設けられた光ガイド層２９を更に備える。ＤＦＢ半導体レーザ１１の第３の部分１１ｃでは、ｎ型III−Ｖ化合物半導体層１３とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に、光ガイド層２５、２７、２９及び活性層１７が位置している。活性層１７にキャリアが閉じ込めされ、光ガイド層２５、２７、２９及び活性層１７に光が閉じ込められる。
【００２６】
第１及び第２のキャリアブロック層１９、２１の厚さＤ１は、活性層１７の第３の部分１７ｃ上における光ガイド層２５、２７の厚さＤ２よりも薄い。故に、キャリアブロック層１９、２１が活性層１７近傍における屈折率分布に与える影響が小さい。
【００２７】
ｎ型III−Ｖ化合物半導体層１３、光ガイド層２９、活性層１７、光ガイド層２５、２７、ｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５、及びキャリアブロック層１９、２１は、半導体メサ３１に含まれる。半導体メサ３１は、第１の半導体端面２３ａから第２の半導体端面２３ｂに軸Ａｘの方向に延びるストライプ形状を有する。半導体メサ３１は、半導体基板３３の主面３３ａ上に形成されており、また半導体から成る埋込層３５によって埋め込まれている。
【００２８】
光ガイド層２５、２７、２９のバンドギャップ波長は、活性層１７のバンドギャップ波長より短い。キャリアブロック層１９、２１のバンドギャップ波長は、光ガイド層２５、２７、２９のバンドギャップ波長より短い。また、活性層１７は、例えば量子井戸構造を有することができる。量子井戸構造は井戸層及び障壁層を含み、井戸層及び障壁層は交互に配置されている。光ガイド層２５、２７、２９のバンドギャップは、障壁層のバンドギャップ以上である。キャリアブロック層１９、２１のバンドギャップは、光ガイド層２５、２７、２９のバンドギャップより大きい。これ故に、キャリアブロック層１９、２１は、活性層１５における伝導帯ＥＣにおいて電子に対するポテンシャル障壁を提供する。
【００２９】
ＤＦＢ半導体レーザ１１は、分布帰還のための回折格子構造３７を含み、本実施例では、回折格子構造３７は、光ガイド層２５とｐ型III−Ｖ化合物半導体層１５との界面に形成された周期構造及びこれらの間の屈折率差によって提供される。回折格子構造３７は、活性層１７の第１〜第３の部分１７ａ〜１７ｃ上に形成されており、活性層１７の第１〜第３の部分１７ａ〜１７ｃと光学的に結合されている。位相シフト部３７ａは活性層１７の第３の部分１７ｃ上に位置する。
【００３０】
ＤＦＢ半導体レーザ１１は、活性層１７の第１〜第３の部分１７ａ〜１７ｃに対応して、第１、第２及び第３の部分１１ａ、１１ｂ、１１ｃを有する。ＤＦＢ半導体レーザ１１の第３の部分１１ｃの長さＬ３は、第１の部分１１ａ及び第２の部分１１ｂの長さＬ１、Ｌ２より大きい。第１の部分１１ａ及び第２の部分１１ｂの長さＬ１、Ｌ２は、例えば５０マイクロメートル程度である。好ましくは、長さＬ１、Ｌ２は２０マイクロメートル以上であることが好ましい。素子分離のための劈開工程において、第１の部分１１ａ及び第２の部分１１ｂの長さＬ１、Ｌ２のばらつきを考慮したうえで確実に本発明の実施形態の効果を得ることができる長さを確保するためである。長さＬ１、Ｌ２は５０マイクロメートル以下であることが好ましい。軸方向でのキャリア密度変動を考えた場合に、電子ブロックの効果が十分に得ることのできる長さであるためである。長さ比Ｌ１／Ｌ３、Ｌ２／Ｌ３は、例えば０．１５〜０．６５であることが好ましい。なお、第１の部分１１ａの長さＬ１は第２の部分１１ｂの長さＬ２と異なっていても良い。
【００３１】
ＤＦＢ半導体レーザ１１は、ｐ型コンタクト層３９を更に備えることができる。ｐ型コンタクト層３９は半導体メサ３９に含まれることができる。ｐ型コンタクト層３９上には、開口を有する絶縁膜４１が形成されており、電極（アノード電極）４３が絶縁膜４１の開口を介してｐ型コンタクト層３９に接続されている。半導体基板３３の裏面３３ｂには、電極（カソード）４５が形成されている。
【００３２】
また、ＤＦＢ半導体レーザ１１は、第１及び第２の半導体端面２３ａ、２３ｂ上に形成された端面コーティング４７ａ、４７ｂを有する。端面コーティング４７ａ、４７ｂとしては、例えば反射防止膜である。
【００３３】
ＤＦＢ半導体レーザ１１の一実施例を示す。ＤＦＢ半導体レーザ１１の構成層はIII−Ｖ化合物半導体からなる。III−Ｖ化合物半導体は、例えば有機金属気相成長法で成長される。また、半導体メサは、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成される。絶縁膜は、化学的気相成長（ＣＶＤ）法（ＣＶＤ）で堆積される。
埋込ヘテロ構造のλ／４位相シフトＤＦＢ半導体レーザ
共振器長：２５０μｍ、κＬ積：２．４
基板３３：ｎ型ＩｎＰ基板
ｎ型III−Ｖ化合物半導体層（クラッド）１３：ｎ型ＩｎＰ
ｐ型III−Ｖ化合物半導体層（クラッド）１５：ｐ型ＩｎＰ
活性層１７：ＧａＩｎＡｓＰ
第１の光ガイド層（ｐ型ＳＣＨ）２５：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、４０ｎｍ
第２の光ガイド層（ｐ型ＳＣＨ）２７：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、４０ｎｍ
第３の光ガイド層（ｎ型ＳＣＨ）２９：ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ、８０ｎｍ
ｐ型コンタクト層３９：ｐ型ＧａＩｎＡｓ
キャリアブロック層１９、２１：ｐ型ＩｎＰ、２０ｎｍ
絶縁膜４１：ＳｉＯ２
端面コーティング４７ａ、４７ｂ：０．３％ＡＲコート。
【００３４】
以上説明したように、本実施の携帯に係るＤＦＢ半導体レーザにおける高温高電流領域での光出力低下、動作電流の増大を抑制する。
【００３５】
図３は、本実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザの一例のバンドダイアグラム（端面近傍）を示す図面である。図４は、本実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザの一例のバンドダイアグラム（キャビティ中央）を示す図面である。ＤＦＢ半導体レーザ１０ａは、キャリアブロック層１９ａ、２１ａを含む。活性層１７は、交互に配置された井戸層５１及び障壁層５３を含む。キャリアブロック層１９ａ、２１ａは、伝導帯ＥＣ１において電子ｅに対するポテンシャル障壁△ＥＣ１を提供する一方で、価電子帯ＥＶ１において正孔ｈに対する実質的なポテンシャル障壁△ＥＶ１を提供しない。ポテンシャル障壁△ＥＣ１は、９０ｍｅＶ（１ｅＶ＝１．６０２×１０−１９Ｊで換算される）以上であることが好ましく、電子に対する十分なブロックを実現できるからである。また、価電子帯ＥＶ１において正孔ｈに対する実質的なポテンシャル障壁にならないためには、ポテンシャル障壁△ＥＶ１は、５０ｍｅＶ以下であることが好ましい。キャリアブロック層１９ａ、２１ａは、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ等からなることができる。キャビティ中央のバンドダイアグラムでは、伝導帯ＥＣ１にポテンシャル障壁△ＥＣ１が無く、価電子帯ＥＶ１にポテンシャル障壁△ＥＶ１が無い。
【００３６】
図５は、位相シフト分布帰還型半導体レーザに５０ｍＡの注入電流における共振器方向のキャリア（電子）密度分布の計算結果を示す図面であり、この分布帰還型半導体レーザのシミュレーションモデルは、キャリアブロック層を含まない点を除き上記の実施例をモデルとして用いた。位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、ＤＦＢ内部の光子が位相シフト近傍に集中する軸方向ホールバーニングと呼ばれる現象が生じる。これに伴い位相シフト部においてキャリア密度が著しく減少している。しかしながら、発明者の検討によれば、キャリア（電子）密度はむしろレーザの端面近傍において増大していると捉える方が正確である。このような検討に基づき、位相シフト分布帰還型半導体レーザにおける光出力の低下のメカニズムを明らかにした。
【００３７】
上記のシミュレーションモデルには、キャリアオーバーフローが取り込まれていない。既に説明したように、キャリア（電子）密度はむしろレーザの端面近傍において増大している。このため、位相シフト分布帰還型半導体レーザでは、その端面の近傍の領域では電子の実効フェルミレベルが、中央の領域と比べて高くなる。これにより、特にクラッドの障壁の高さが実質的に低下する。電子のエネルギの増大する高温おいては、位相シフト分布帰還型半導体レーザの端面近傍の領域において電子のキャリアオーバーフローが顕著に生じる。これにより、発光効率の低下が起きる。
【００３８】
本実施の形態におけるＤＦＢ半導体レーザ１１、１０ａでは、端面近傍のおける電子のキャリアオーバーフローを低減するために、キャリアストップ層１９、１９ａ、２１、２１ａを端面近傍に形成している。端面近傍において活性層とアノード電極との間にポテンシャル障壁を形成することにより、カソード電極から注入された電子がアノード電極まで到達して無効電流となることを抑制できる。キャリアストップ層１９、１９ａ、２１、２１ａは、活性層の直近に形成されることが有効である。また、キャリアストップ層が、活性層に対して大きなエネルギ差の障壁を提供することが有効である。
【００３９】
電子のキャリアオーバーフローが低減されるので、端面近傍における光の生成量が多くなり、ＤＦＢ半導体レーザにおける高温高電流領域での光出力低下、動作電流の増大を抑制する。
【００４０】
図６は、本実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザの別の例のバンドダイアグラムを示す図面である。ＤＦＢ半導体レーザ１０ｂは、キャリアブロック層１９ｂ、２１ｂを含む。活性層１７は、交互に配置された井戸層５１及び障壁層５３を含む。キャリアブロック層１９ｂ、２１ｂは、伝導帯ＥＣ２において電子ｅに対するポテンシャル障壁△ＥＣ２を提供すると共に、価電子帯ＥＶ２において正孔ｈに対するポテンシャル障壁△ＥＶ２を提供する。キャリアブロック層１９ｂ、２１ｂは、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰからなることができる。
【００４１】
活性層１７の第３の部分１７ｃの長さは活性層１７の第１及び第２の部分１７ａ、１７ｂの長さよりも大きい。第１及び第２のキャリアブロック層１９ｂ、２１ｂは、ポテンシャル障壁△ＥＣ２だけで無く、価電子帯ＥＶ２において正孔に対するポテンシャル障壁△ＥＶ２を提供する。しかしながら、活性層１７の第３の部分１７ｃではキャリアが注入される。
【００４２】
また、第１及び第２のキャリアブロック層１９ｂ、２１ｂによれば、キャリアブロック層の材料選択におけるフレキシビリティが増加する。例えば、ＤＦＢ半導体レーザ１０ａでは、第１及び第２のキャリアブロック層１９ａ、２１ａは、半導体基板の材料に実質的に格子整合する材料から成ることが好ましい。この位相シフト分布帰還型半導体レーザによれば、格子整合により、半導体レーザの信頼性が高められる。
【００４３】
ｐ型III−Ｖ化合物半導体層はＩｎＰからなり、第１及び第２のキャリアブロック層は１９ｂ、２１ｂがＩｎＰからなることが好ましい。この位相シフト分布帰還型半導体レーザ１０ｂによれば、ＩｎＰ系半導体材料においては、キャリアブロック層１９ｂ、２１ｂの材料にＩｎＰを用いることによって、格子不整を低減できる。
【００４４】
ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料の中でＩｎＰのように、光ガイド層のバンドギャップよりも大きい材料をキャリアブロック層１９ｂ、２１ｂに用いることができる。このような材料系から成るキャリアブロック層１９ｂ、２１ｂは、価電子帯の正孔にポテンシャル障壁を形成することが可能になる。ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ系ヘテロ構造半導体レーザに、ＩｎＰキャリアブロック層を用いれば、活性層の近傍に格子不整の大きな半導体層を形成することなく、キャリアブロック層を含む光通信用半導体レーザの信頼性を低下させることがない。
【００４５】
正孔及び電子の両方にポテンシャル障壁を提供する材料系は、正孔の注入を妨げてしまうので、キャリアブロック層として使用できないと考えられてきた。しかしながら、筆者は上記のメカニズムから、これまで許容できないと考えられてきたＧａＩｎＡｓＰ材料系のキャリアストップ層を共振器端面近傍に限定的に設けることによって、キャリアの少ない位相シフト部へのキャリア注入は阻害することなく、共振器端面近傍で生じているキャリアオーバーフローを抑制できる。また、格子不整に起因する信頼性の不具合がないので、高い信頼性を兼ね備えた位相シフトＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００４６】
ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる光通信用半導体レーザにおいては、キャリアストップ層としてＡｌＧａＩｎＡｓ材料系や歪みＧａＩｎＰ層を使用することができる。これらの材料は伝導帯のみにポテンシャル障壁を作り、価電子帯には障壁を形成しない。Ａｌを含むIII−Ｖ化合物半導体材料に起因する埋め込み構造のレーザを作る際の取り扱いに注意を要する。また、ＧａＩｎＰキャリアストップ層はＩｎＰに対して歪みが残留する様な組成である。ＩｎＰといったキャリアストップ層の使用により、上記のような技術的事項を避けることができる。
【００４７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本実施の形態に係る位相シフト分布帰還型半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示されたI−I線に沿って取られた、位相シフト分布帰還型半導体レーザの断面を模式的に示す図面である。図２（ｂ）は、図１に示されたII−II線に沿って取られた、位相シフト分布帰還型半導体レーザの断面を模式的に示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザの一例のバンドダイアグラム（端面近傍）を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザの一例のバンドダイアグラム（キャビティ中央）を示す図面である。
【図５】図５は、位相シフト分布帰還型半導体レーザに５０ｍＡの注入電流における共振器方向のキャリア（電子）密度分布の計算結果を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザの別の例のバンドダイアグラムを示す図面である。
【符号の説明】
【００４９】
１１、１０ａ、１０ｂ…位相シフト分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）、１３…ｎ型III−Ｖ化合物半導体層、１５…ｐ型III−Ｖ化合物半導体層、１７…活性層、１７ａ…活性層の第１の部分、１７ｂ…活性層の第２の部分、１７ｃ…活性層の第３の部分、１９、１９ａ、１９ｂ…第１のキャリアブロック層、２１、２１ａ、２１ｂ…第２のキャリアブロック層、２３ａ、２３ｂ…半導体端面、２５…第１の光ガイド層、２５ａ…第１の光ガイド層の第１の部分、２５ｂ…第１の光ガイド層の第２の部分、２５ｃ…第１の光ガイド層の第３の部分、２７…第２の光ガイド層、２７ａ…第２の光ガイド層の第１の部分、２７ｂ…第２の光ガイド層の第２の部分、２７ｃ…第２の光ガイド層の第３の部分、２９…光ガイド層、３１…半導体メサ、３３…半導体基板、３５…埋込層、３７…回折格子構造、１１ａ…ＤＦＢ半導体レーザの第１の部分、１１ｂ…ＤＦＢ半導体レーザの第２の部分、１１ｃ…ＤＦＢ半導体レーザの第３の部分、３９…ｐ型コンタクト層、４１…絶縁膜、４３…電極（アノード電極）、４５…電極（カソード）、４７ａ、４７ｂ…端面コーティング、５１…井戸層、５３…障壁層、ＥＣ、ＥＣ１、ＥＣ２…伝導帯、△ＥＣ１、△ＥＣ２…ポテンシャル障壁、ＥＶ、ＥＶ１、ＥＶ２…価電子帯、△ＥＶ１、△ＥＶ２…ポテンシャル障壁
【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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