(57)【要約】【課題】回折格子層の上層における結晶層成長の平坦性の向上と、結晶欠陥密度の低減を図ることにより、素子信頼性の向上を図ることを可能とする構造を備える分布帰還型半導体レーザを提供する。【解決手段】第１回折格子３ａを含む活性層１Ａと第２回折格子３ｂを含む第２活性層１Ｂを上下に分けて配置することで、第１回折格子３ａと第２回折格子３ｂの配置周期を拡げることが可能になる。その結果、回折格子の間の溝部の領域を拡げられるため、回折格子形成時に用いられるマスク材の除去効果の向上が図られ、内部の転位(結晶欠陥)密度の低減を実現し、素子信頼性の向上効果を得ることができる。【選択図】図６
2009238913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられた第１活性層と、
前記第１活性層の上に設けられた第２活性層と、を備え、
前記第１活性層は、所定の配置周期で設けられる第１回折格子を含み、
前記第２活性層は、前記第１回折格子の配置周期に対してずれた状態で、所定の配置周期で設けられる第２回折格子を含む、分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１回折格子および前記第２回折格子の配置周期は、それぞれ発振させようとする単一縦モードの発振周波数に対応したブラッグ波長の周期となるように配置され、
前記第１回折格子と前記第２回折格子とは、位相がブラッグ波長の１／２ずれて配置される、請求項１に記載の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、半導体レーザ、特に光通信システムに用いられる単一軸モード発振する分布帰還型半導体レーザの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超高速・広帯域な光通信システムの要求から、特に幹線系において単一軸モード発振する分布帰還型半導体レーザが実用化されている。この分布帰還型半導体レーザにおける単一軸モード発振は、分布帰還型半導体レーザのコアとなる活性層(光導波路)の近傍に回折格子層を設けることで、屈折率の周期的な摂動が活性層に加えられることにより発振スペクトルの狭幅化が図られている。
【０００３】
しかし、分布帰還型半導体レーザの素子内部に回折格子層を備える構成においては、回折格子層の上部への結晶成長において、回折格子自体が結晶層への転位（結晶欠陥）起点となり、これを形成するためのプロセス上の問題が回折格子層上部への結晶層の成長を困難にすることが考えられる。この結晶欠陥は結晶成長時あるいは素子動作時に活性層を貫通し、活性層に結晶欠陥による非発光領域が発生するなど、素子特性劣化や素子信頼性が低下する問題があった。
【０００４】
このような回折格子層上部への結晶層成長の困難性に関して、下記特許文献１に開示される分布帰還型半導体レーザの製造方法においては、回折格子層および活性層の成長時に供給されているアルシン（ＡｓＨ３）とホスフィン（ＰＨ３）との分圧に着目している。具体的には、回折格子成長時のホスフィン（ＰＨ３）の分圧を活性層成長時よりも大きくすることによって、回折格子単体のサイズを大きくすることができ、回折格子層の上部に成長する活性層の平坦性の向上を図っている。
【０００５】
しかし、この分布帰還型半導体レーザの製造方法においては、回折格子層を形成した時の平坦性の向上は図れる。しかし、回折格子層形成時に使用するマスク材の除去工程において、回折格子溝間隔の狭さと除去処理に用いる溶液の粘性の高さとから、マスク材を除去しきれない。その結果、マスク材残渣が結晶欠陥要因となり、分布帰還型半導体レーザとしての信頼性を低下させるおそれがある。
【特許文献１】特開２００４−７１６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明が解決しようとする課題は、回折格子成長時のホスフィン（ＰＨ３）の分圧を活性層成長時よりも大きくした時には、活性層の平坦性の向上は図れるものの、回折格子形成時に使用するマスク材の除去工程において、マスク材残渣が結晶欠陥要因となり、素子信頼性が低下する点にある。
【０００７】
したがってこの発明の目的は、回折格子層の上層における結晶層成長の平坦性の向上と、結晶欠陥密度の低減を図ることにより、素子信頼性の向上を図ることを可能とする構造を備える分布帰還型半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に基づいた分布帰還型半導体レーザにおいては、半導体基板と、上記半導体基板の上に設けられた第１活性層と、上記第１活性層の上に設けられた第２活性層とを備え、上記第１活性層は、所定の配置周期で設けられる第１回折格子を含み、上記第２活性層は、上記第１回折格子の配置周期に対してずれた状態で、所定の配置周期で設けられる第２回折格子を含んでいる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に基づいた分布帰還型半導体レーザによれば、回折格子を上下に分割して配置することにより、各活性層に設けられる回折格子の間隔を従来よりも拡げることができる。その結果、マスク材等を用いて形成した回折格子形成プロセスにおけるマスク材除去効果を高めることが可能となる。さらに、結晶層成長の平坦性の向上と、結晶欠陥密度の低減により、分布帰還型半導体レーザの素子信頼性の向上を図ることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００１１】
（参考技術）
まず、図１から図５を参照して、参考技術として、活性層に回折格子を含む分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの構造およびその製造方法について説明する。なお、図１は、分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの構造を示す断面図であり、図２から図５は、図１に示す構造を有する分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの製造方法を示す第１から４工程断面図である。
【００１２】
（分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの構造）
図１を参照して、参考技術における分布帰還型半導体レーザ１００の構造について説明する。ｎ型ＩｎＰ（リン化インジウム：Indium Phosphide）基板１の一方面側にｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム：ガリウム：ヒ素：リン)回折格子層３１、およびｎ型ＩｎＰキャップ層４１を備える。
【００１３】
ｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム：ガリウム：ヒ素：リン)回折格子層３１、およびｎ型ＩｎＰキャップ層４１により活性層回折格子３を構成し、回折格子周期は任意のブラッグ波長（図中ではλ）に設定されている。
【００１４】
次に、活性層回折格子３を覆うように、ｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５１が設けられ、このｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５１の上に、多重量子井戸活性層６、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層７、および、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８が設けられている。多重量子井戸活性層６は、ＡｌＧａＩｎＡｓウエル層１１とＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１２とが交互に複数積層されている。
【００１５】
ｐ型ＩｎＰコンタクト層８の上にはｐ型電極９が設けられ、ｎ型ＩｎＰ基板１の他方面側には、ｎ型電極１０が設けられている。
【００１６】
（分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの製造方法）
次に、上記構成からなる分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの製造方法の概略について説明する。図２を参照して、ｎ型ＩｎＰ基板１の一方面側にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等を用いてｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３１、ｎ型ＩｎＰキャップ層４１を成膜する。
【００１７】
次に、図３を参照して、ｎ型ＩｎＰキャップ層４１上に、レジストを塗布した後、ＥＢ（電子ビーム）露光等でレジストのパターンニングを行ない、マスクを形成する。その後、硫酸等を用いたウェットエッチングにより、ｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３１、およびｎ型ＩｎＰキャップ層４１のパターニングを行ない、活性層回折格子３のパターニングを行なう。この時形成される回折格子周期は、任意のブラッグ波長（図中ではλ／２）に設定されている。
【００１８】
次に、図４を参照して、活性層回折格子３の上に、ｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５１、多重量子井戸活性層６、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層７、および、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８を順次成膜する。多重量子井戸活性層６は、ＡｌＧａＩｎＡｓウエル層１１とＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１２とが交互に複数積層されている。
【００１９】
次に、図５を参照して、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８の上にｐ型電極９、ｎ型ＩｎＰ基板１の他方面側にｎ型電極１０を形成する。これにより、分布帰還型半導体レーザ１００が完成する。
【００２０】
なお、上記構成からなる分布帰還型半導体レーザ１００Ｂにおいて、多重量子井戸活性層６への電流狭窄構造（図示せず）については、特に言及していないが、たとえば、埋め込みヘテロ構造のような一般的な電流狭窄構造を適用すればよく、特定の電流狭窄構造に限定されるわけではない。
【００２１】
さらに厳密に言えば、分布帰還型半導体レーザにおいて回折格子がある周期間隔λ/２で配置されているだけでは、ブラッグ波長に対応するブラッグ周波数の発振縦モードは存在せず、ブラッグ周波数から等周波数分ずれた低・高周波数において最低閾値利得をもった２つの発振縦モードが存在する。
【００２２】
回折格子のブラッグ周期に対応したブラッグ波長で発振させるためには、レーザ素子導波路内にλ/４の位相シフト部を設けるなどの構成が必要となるが、本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザにおいて、これらの構成を取り入れてもなんら支障はきたさない。
【００２３】
（実施の形態）
次に、上記参考技術における分布帰還型半導体レーザ１００Ｂと対比した形で、本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザ１００Ａの構造およびその製造方法について説明する。なお、図６は、分布帰還型半導体レーザ１００Ａの構造を示す断面図であり、図７から図１１は、図６に示す構造を有する分布帰還型半導体レーザ１００Ａの製造方法を示す第１から５工程断面図である。
【００２４】
（分布帰還型半導体レーザ１００Ａの構造）
図６を参照して、半導体基板であるｎ型ＩｎＰ基板１の一方面側に、第１活性層１Ａとこの第１活性層１Ａの上に設けられた第２活性層１Ｂとを有している。第１活性層１Ａは、第１回折格子である活性層下側回折格子３ａを構成するｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３１、ｎ型ＩｎＰキャップ層４１を備え、活性層下側回折格子３ａは、ｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５１に覆われている。ｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５１の上には、多重量子井戸活性層６が設けられている。この多重量子井戸活性層６は、ＡｌＧａＩｎＡｓウエル層１１とＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１２とが交互に複数積層されている。
【００２５】
第２活性層１Ｂは、多重量子井戸活性層６の上に設けられ、第２回折格子である活性層上側回折格子３ｂを構成するｐクラット層１３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３２、ｐ型ＩｎＰキャップ層４２を備え、活性層上側回折格子３ｂは、ｐ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５２に覆われている。ｐ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５２の上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層７、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８が設けられている。また、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８の上には、ｐ型電極９が設けられ、ｎ型ＩｎＰ基板１の多方面側には、ｎ型電極１０が設けられている。
【００２６】
なお、活性層下側回折格子３ａおよび活性層上側回折格子３ｂの回折格子周期は、それそれぞれ発振させようとする単一縦モードの発振周波数に対応したブラッグ波長(λ)の周期となるように配置され、活性層下側回折格子３ａと活性層上側回折格子３ｂとは、位相がブラッグ波長(λ)の１／２ずれて配置されている。
【００２７】
（分布帰還型半導体レーザ１００Ａの製造方法）
次に、上記構成からなる分布帰還型半導体レーザ１００Ａの製造方法の概略について説明する。図７を参照して、ｎ−ＩｎＰ基板１の一方面側にＭＯＣＶＤ法等を用いてｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３１、ｎ型ＩｎＰキャップ層４１を成膜する。なお、成膜方法の一例としてＭＯＣＶＤ法を挙げたが結晶欠陥が少なく成膜される方法ならばＭＢＥ（分子線エピタキシ：Molecular Beam Epitaxy）法など他の手段を用いてもかまわない。
【００２８】
次に、図８を参照して、ｎ型ＩｎＰキャップ層４１上に、レジストを塗布した後、ＥＢ露光等でレジストのパターンニングを行ない、マスクを形成する。その後、硫酸等を用いたウェットエッチングにより、ｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３１、およびｎ型ＩｎＰキャップ層４１のパターニングを行ない、活性層下側回折格子３ａのパターニングを行なう。この時形成される回折格子周期は、λ（＝２・λ／２）である。この時に回折格子のマスクとは別に、マスク位置を相対的に特定できるよう位置決めマーカーを形成しておく。
【００２９】
次に、図９を参照して、活性層下側回折格子３ａの上に、ｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５１、多重量子井戸活性層６を成膜する。多重量子井戸活性層６は、ＡｌＧａＩｎＡｓウエル層１１とＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１２とが交互に複数積層されている。さらに、多重量子井戸活性層６の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３２、ｐ型ＩｎＰキャップ層４２を順次成膜する。
【００３０】
次に、図１０を参照して、ｐ型ＩｎＰキャップ層４２の上に、レジストを塗布した後、ＥＢ露光等でレジストのパターンニングを行ない、マスクを形成する。その後、硫酸等を用いたウェットエッチングにより、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３２、およびｐ型ＩｎＰキャップ層４２のパターニングを行ない、活性層上側回折格子３ｂのパターニングを行なう。
【００３１】
この時、ＥＢ露光は下層のｎ型ＩｎＰバッファ層２等に設けられた位置決めマーカーにより位置制御され、活性層下側回折格子３ａおよび活性層上側回折格子３ｂの回折格子周期は、任意の単一軸モード発振させるブラッグ周波数のブラッグ波長のλ/２分ずれるように形成される。
【００３２】
次に、図１１を参照して、活性層上側回折格子３ｂの上に、ｐ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層５２、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層７、および、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８を順次成膜する。その後、ｐ型ＩｎＰコンタクト層８の上にｐ型電極９、ｎ型ＩｎＰ基板１の他方面側にｎ型電極１０を形成する。これにより、図６に示す分布帰還型半導体レーザ１００Ａが完成する。
【００３３】
以上、本実施の形態における分布帰還型半導体レーザ１００Ａによれば、第１回折格子３ａを含む活性層１Ａと、第２回折格子３ｂを含む第２活性層１Ｂとを上下に分けて配置することで、第１回折格子３ａと第２回折格子３ｂのそれぞれの配置周期を拡げることが可能になる。その結果、回折格子の間の溝部の領域を拡げられるため、回折格子形成時に用いられるマスク材の除去効果の向上が図られ、内部の転位(結晶欠陥)密度の低減を実現し、素子信頼性の向上効果を得ることができる。
【００３４】
また、上述した分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの構造においては、活性層の上側および下側の両方に、ブラッグ波長の周期λの回折格子を備え、上下の位相がλ/２ずれている構成となっており、上下それぞれの回折格子溝間隔広さ（３Ｘ）は、分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの場合の回折格子溝間隔広さ（Ｘ）の約３倍となる。
【００３５】
分布帰還型半導体レーザ１００Ｂの場合と比較し、回折格子溝間隔広さが約３倍に拡がることは、マスク除去等に用いられる溶液が、粘性の高い溶液であっても、回折格子溝部における十分なマスク材除去効果を得ることができる。
【００３６】
図１２は、回折格子溝部のオージェ電子分光測定の結果から得られた表面の炭素（Ｃ）検出強度比と回折格子間隔との関係を示す図である。縦軸は任意尺度であり、横軸は回折格子間隔の長さである。回折格子間隔を拡げることで、マスク材残渣を顕著に低減し、結晶欠陥を低減した埋め込み結晶成長が可能となるため、優れた信頼性を有する分布帰還型半導体レーザが得られる。なお、電流狭窄構造については、前述したとおり、特定の構造に限定されるわけではない。
【００３７】
本実施の形態における分布帰還型半導体レーザ１００Ａが備える活性層下側回折格子３ａおよび活性層上側回折格子３ｂは、発振させようとする単一縦モードの発振周波数（ブラッグ周波数）に対応したブラッグ波長λの周期を持ち、上側と下側とで位相がλ／２異なることを特徴とし、活性層（光導波路）に与える影響は同様なものとなる。
【００３８】
言い換えれば、活性層に与える屈折率の周期的な変化が上側、下側の両回折格子層を用いて活性層の伸びる方向へλ／４で変化していることを特徴としている。これは、上側と下側で活性層の伸びる方向へ与える影響は同等であることを意味する。しかし、活性層の伸びる方向へ与える影響が同等であれば良いだけで、回折格子の活性層からの上下方向への距離や、回折格子の大きさ等に関してなんら特定するものではない。
【００３９】
なお、今回開示された上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】参考技術における分布帰還型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図２】参考技術における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第１工程断面図である。
【図３】参考技術における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第２工程断面図である。
【図４】参考技術における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第３工程断面図である。
【図５】参考技術における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第４工程断面図である。
【図６】本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第１工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第２工程断面図である。
【図９】本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第３工程断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第４工程断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態における分布帰還型半導体レーザの製造方法示す第５工程断面図である。
【図１２】回折格子溝部のオージェ電子分光測定の結果から得られた表面の炭素（Ｃ）検出強度比と回折格子間隔との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ｎ型ＩｎＰ基板、２  ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ａ  活性層下側回折格子、３ｂ  活性層上側回折格子、６  多重量子井戸活性層、７  ｐ型ＩｎＰクラッド層、８  ｐ型ＩｎＰコンタクト層、９  ｐ型電極、１０  ｎ型電極、１１  ＡｌＧａＩｎＡｓウエル層、１２  ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層、１３  ｐクラット層、３１  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、３２  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、４１  ｎ型ＩｎＰキャップ層、４２  ｐ型ＩｎＰキャップ層、５１  ｎ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層、５２  ｐ型ＩｎＰ回折格子埋め込み層、１００Ａ  分布帰還型半導体レーザ。
【図１】
2009238913.tif 000003
【図２】
2009238913.tif 000004
【図３】
2009238913.tif 000005
【図４】
2009238913.tif 000006
【図５】
2009238913.tif 000007
【図６】
2009238913.tif 000008
【図７】
2009238913.tif 000009
【図８】
2009238913.tif 000010
【図９】
2009238913.tif 000011
【図１０】
2009238913.tif 000012
【図１１】
2009238913.tif 000013
【図１２】
2009238913.tif 000014