(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子を作製した第１結晶と、
前記回折格子上にＭＯＶＰＥ法により成長した前記第１結晶と組成が異なる第２結晶と、
前記第２結晶上にＭＯＶＰＥ法により成長した前記第２結晶より屈折率の小さい第３結晶と
を有し、
前記第１結晶がＩｎＰからなり、
前記第２結晶がＩｎＧａＡｓＰからなり、
前記第１結晶の屈折率より前記第２結晶の屈折率が大きく、
前記回折格子の凸部における前記第２結晶の屈折率より前記回折格子の凹部における前記第２結晶の屈折率が大きい組成となるように前記第２結晶の組成が周期的に変化していることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は光ファイバ通信等に必要な高性能の半導体レーザおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザにおいては、高速直接変調時においても単一モード動作を維持する動的単一モードレーザ（Dymanic Single Mode −Laser Diode ）が提案されてきており、なかでも縦モードを安定に制御可能で安定に高光出力が得られる分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ（例えば、中村他，アイ・イー・イー・イー  ジャーナル  オブ  カンタム  エレクトロニクス IEEE J. Quantum Electron. QE-11, 436 (1975)）は盛んに研究が進められてきている。
【０００３】
図１１に従来のＤＦＢレーザの構造を示す。ここで、１はｎ−ＩｎＰ基板（半導体単結晶基板）、２はｎ−ＩｎＰ基板１に形成した分布帰還型回折格子、４は分布帰還型回折格子２上に結晶成長したＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）導波路層、５はＩｎＧａＡｓＰ導波路層４に結晶成長したＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、６はｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層、７はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）キャップ層、８はＡｕ／Ｚｎのｐ側電極、９はＡｕ−Ｓｎのｎ側電極である。
【０００４】
この図１１のように、分布帰還型回折格子２はｎ−ＩｎＰ基板１に形成されており、分布帰還型回折格子２の上にＩｎＧａＡｓＰ導波路層４とＩｎＧａＡｓＰ活性層５が結晶成長されている。
近年、図１１に示すようなＤＦＢレーザは低雑音，低歪なアナログ伝送用光源として注目されている。このアナログ伝送用ＤＦＢレーザには閾値電流以上で光出力電流特性の直線性がよいことが要求されている。光出力電流特性の直線性が悪い場合には伝送歪が増大してしまう。この光出力電流特性の直線性の劣化要因として、レーザのキャビティ内で光が不均一に存在することにより生ずるホールバーニングが考えられる。
【０００５】
ホールバーニングは、ＤＦＢレーザに形成された分布帰還型回折格子（グレーティング）で光が帰還されすぎて、部分的に光の強度が強くなりすぎてしまう現象である。よって、分布帰還型回折格子の回折効率を小さくする必要がある。この現象を抑制するために、分布帰還型回折格子の高さを制限して回折効率を小さくすることになる。
【０００６】
一方、ファブリ・ペロモードを抑圧して、半導体レーザを単一モード発振させるには、一定以上の分布帰還型回折格子の高さが必要となる。したがって、分布帰還型回折格子の高さを最適に制御することでホールバーニングの発生を抑制するとともに、安定した単一モード発振を実現しレーザの歩留まり向上を実現する必要がある。この分布帰還型回折格子により帰還される光の強さは、分布帰還型回折格子の高さのみならず分布帰還型回折格子の形状でも変化するために、分布帰還型回折格子により回折される光の強度を入射光の強度の比として回折効率という値が定義されている。
【０００７】
従来は、分布帰還型回折格子の高さの制御として、図１２（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板７１にレジスト７２を用いて十分な高さの分布帰還型回折格子７５を形成した後、レジスト７２を除去し、硫酸系のエッチング溶液（例えば、Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ）で分布帰還型回折格子７５の高さを低くする方法や、図１２（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ層７５を成長したＩｎＰ基板７４上にレジスト７６をパターニングした後、レジスト７６をつけたままＩｎＧａＡｓＰ層７５を硫酸系のエッチング溶液（例えば、Ｈ2 ＳＯ4 ＋Ｈ2 Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ）でエッチングして、レジスト７６を除去して分布帰還型回折格子７７を形成していた。これは膜厚が均一なヘテロ結晶上に分布帰還型回折格子７７を形成することで、分布帰還型回折格子７７の高さをヘテロ結晶（ＩｎＧａＡｓＰ層７５）の膜厚とする方法がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２（ａ）のように、分布帰還型回折格子７３の高さをエッチングにより制御する方法では、エッチングにより分布帰還型回折格子７３の形状が変化していくために、初期の分布帰還型回折格子７３の形状によりエッチングによる回折効率の時間的変化量が異なるという問題があった。
【０００９】
例えば、エッチング前で、半導体レーザを形成するＩｎＰ基板７１内での回折効率のばらつきが１０％程度であっても、エッチング後にはＩｎＰ基板７１内でエッチングが均一とならない等の原因により、回折効率が基板内で５０％程度のばらつきを生ずることがあった。さらに、エッチング溶液が対流により攪拌されて面内でエッチングレートが異なり、分布帰還型回折格子７３の高さが目標の高さとならず、高さの面内ばらつきが大きいという問題点があり、レーザ特性にばらつきを生じ歩留まりが低下していた。
【００１０】
また、図１２（ｂ）のように、ヘテロ結晶（ＩｎＧａＡｓＰ層７５）をエッチングして分布帰還型回折格子７７を形成する場合には、分布帰還型回折格子７７の高さはヘテロ結晶の高さとなり、かつヘテロ結晶の膜厚の面内均一性を良好にすることで分布帰還型回折格子７７を面内で均一な高さに形成できるが、分布帰還型回折格子７７を形成するヘテロ結晶の幅の制御はサイドエッチングを行うためにエッチングレートにより決定され、ヘテロ結晶自体のエッチングレートが面内で異なるとともにヘテロ結晶とレジスト（フォトレジスト）７６との密着性のによるサイドエッチング量も面内で異なるために、分布帰還型回折格子７７の幅の制御は十分行えない。その結果、帰還される光の強度が面内で変化してしまい、結局目的の回折効率が得られないことになる。つまり、分布帰還型回折格子７７の幅が結晶面内でばらつくためにレーザ特性にもばらつきを生じていた。
【００１１】
また、図１１の半導体レーザにおいては、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４が分布帰還型回折格子２の凹凸をＩｎＧａＡｓＰ活性層５に伝えないようにするバッファ層としても機能しており、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４をあまり薄くできなかった。このため、出射光の光強度の半値幅、つまり出射光の広がり幅の半値幅を大きく光ファイバなどに対する結合効率が低いという問題もあった。
【００１２】
この発明の目的は、分布帰還型回折格子の形状をエッチングではなく結晶成長により制御することで、分布帰還型回折格子の高さを目的の高さとするとともに、面内で高さのばらつきを抑制することが可能となり、歩留まりの高い半導体レーザを実現することである。
また、この半導体レーザの他の目的は、出射光の光強度の半値幅、つまり出射光の広がり幅の半値幅を減少させて光ファイバなどに対する結合効率のよい半導体レーザを実現することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半導体レーザ装置は、回折格子を作製した第１結晶と、前記回折格子上に気相成長法により成長した前記第１結晶と組成が異なる第２結晶と、前記第２結晶上に気相成長法により成長した前記第２結晶より屈折率の小さい第３結晶とを有し、前記第２結晶がＩｎＧａＡｓＰからなり、前記第２結晶中のＧａＡｓの割合が前記回折格子の凹部で多く凸部で少ない状態になるように前記第２結晶の組成が周期的に変化し、前記第２結晶の屈折率が前記回折格子の凹部では大きく凸部では小さくなっていることを特徴とする。
【００１４】
【実施例】
（第１の実施例）
図１はこの発明の第１の実施例における半導体レーザ、つまりＤＦＢレーザの構造図を示すものである。図１において、１はｎ−ＩｎＰ基板、２は周期Λ１＝２００．０ｎｍの第１の分布帰還型回折格子、３は分布帰還型回折格子２の高さを調整するためのＩｎＰ調節層（ＩｎＰバッファ層）、４はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１μｍ）導波路層、５は５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．４０μｍ）井戸層と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１０μｍ）バリア層の５周期よりなる量子井戸型のＩｎＧａＡｓＰ活性層、６はｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層、７はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）キャップ層、８はＡｕ／Ｚｎのｐ側電極、９はＡｕ−Ｓｎのｎ側電極である。
【００１５】
この実施例では、図１に示したように、ｎ−ＩｎＰ基板１に直に分布帰還型回折格子２を形成し、その上に回折格子高さ調節用のＩｎＰ調節層３を成長させ、さらにその上にＩｎＧａＡｓＰ導波路層４とＩｎＧａＡｓＰ活性層５とを形成している。ここで、この半導体レーザが従来の半導体レーザと異なるのは、分布帰還型回折格子２の上にＩｎＰ調節層３が形成され、さらにこのＩｎＰ調節層３により、このＩｎＰ調節層３の表面には分布帰還型回折格子２を反映した回折格子高さの低い分布帰還型回折格子２ａが形成されているところである。
【００１６】
ここで、分布帰還型回折格子２の上にＩｎＰ調節層３を形成することによる作用について、図２および図３を参照して説明する。
干渉露光法によりレジストに分布帰還型回折格子を形成し、このレジストを用いて結晶をエッチングすることで結晶に分布帰還型回折格子を転写する。結晶に形成された分布帰還型回折格子形状は図２に示したように、２つのパターン（ａ１），（ｂ１）よりなる。つまり、これは、図２（Ｃ０）に示すように、ＩｎＰ基板８１上にレジスト８２を形成してエッチングすると、エッチングの程度により（ｃ１）に示すようにＩｎＰ基板８１が少ししかエッチングされない場合と、（ｃ２）に示すようにＩｎＰ基板８１がかなりエッチングされる場合とがある。（ｃ１）が（ａ１）に相当し、（ｃ２）が（ｂ１）に相当する。
【００１７】
ＩｎＰ基板８１をエッチングした後の結晶成長時間と回折効率との関係は図３に示される。図３のａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は図２のパターン（ａ１），（ｂ１），（ａ２），（ｂ２）にそれぞれ対応する。パターン（ａ１）の場合においては、分布帰還型回折格子８３上に結晶を成長した場合には分布帰還型回折格子８３の形状は（１１１）面の成長レートが（１００）面に対して速いために、分布帰還型回折格子８３の高さはパターン（ａ２）のように、結晶の成長とともにほぼ直線的に低下し、回折効率もほぼ直線的に低下していく。一方、パターン（ｂ１）の場合においては、分布帰還型回折格子８３の高さはパターン（ｂ２）のように、結晶の成長とともに、いったん上昇した後低下を始め、回折効率は、一度上昇した後にパターン（ａ１）と同様に成長時間とともに低下していく。
【００１８】
したがって、分布帰還型回折格子８３の形成時のエッチング量を小さくしてパターン（ａ１）のようにしておいた方が回折効率の制御が良好となる。
以上のように構成されたこの実施例の半導体レーザにおいて、以下その動作を説明する。電流はＡｕ／Ｚｎのｐ側電極８より供給され、ｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層６により挟窄された後に井戸層とバリア層で構成されるＩｎＧａＡｓＰ活性層５に注入される。ＩｎＧａＡｓＰ活性層５で発生した光はＩｎＧａＡｓＰ導波路層４にしみ出し、分布帰還型回折格子２の周期により決定されるＤＦＢ発振波長の光のうち長波長側の波長で発振することになる。
【００１９】
この実施例による半導体レーザは、
（１）分布帰還型回折格子２上にＩｎＰ調節層３の結晶を３００ｎｍ積層することにより、分布帰還型回折格子２の高さを分布帰還型回折格子２ａのように低くして、回折効率を３．２から１．０に低下させている。これによりホールバーニングの出現が低減される。
【００２０】
（２）膜厚制御性に優れたＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長することにより分布帰還型回折格子の高さを低くするので、ｎ−ＩｎＰ基板１に形成した分布帰還型回折格子２のｎ−ＩｎＰ基板１内での回折効率のばらつきは従来よりかなり低減される。
（３）製造工程において、ウェハ間およびバッチ間の回折効率のばらつきは従来よりも低減される。
【００２１】
上記のように、分布帰還型回折格子の形状をエッチングではなく結晶成長により制御することで、分布帰還型回折格子の高さを目的の高さとするとともに、面内で高さのばらつきを抑制することが可能となり、歩留まりの高い単一モード動作の半導体レーザを実現することができる。
（第２の実施例）
図４はこの発明の第２の実施例における半導体レーザの構造図を示すものである。図４において、１はｎ−ＩｎＰ基板、１２はｎ−ＩｎＰバッファ層であり、光強度が強い部分のドーパント濃度を減少させるために３μｍ成長している。キャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3である。２は周期Λ１＝２００．０ｎｍの分布帰還型回折格子、１３は分布帰還型回折格子２の回折効率を調整するためのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．０５μｍ）調節層（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層）、１４は結晶を平坦化するためのｎ−ＩｎＰ平坦化層、４はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．０５μｍ）導波路層、５は５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．４０μｍ）井戸層と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１０μｍ）バリア層の５周期よりなる量子井戸型のＩｎＧａＡｓＰ活性層、６はｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層、７はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）キャップ層、８はＡｕ／Ｚｎのｐ側電極、９はＡｕ−Ｓｎのｎ側電極である。
【００２２】
この実施例では、図４に示したように、ｎ−ＩｎＰ基板１にｎ−ＩｎＰバッファ素子１２を形成し、このｎ−ＩｎＰバッファ層１２に分布帰還型回折格子２を形成し、その上に分布帰還型回折格子２の回折効率を調整するためのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３を成長し、さらにその上に結晶を平坦化するためのｎ−ＩｎＰ平坦化層１４を成長し、さらにその上にＩｎＧａＡｓＰ導波路層４とＩｎＧａＡｓＰ活性層５とを形成している。
【００２３】
この実施例の半導体レーザの動作は第１の実施例とほぼ同様である。
ここで、第２の実施例のように、分布帰還型回折格子を形成した結晶と異なる組成の結晶を分布帰還型回折格子の上に成長させることによる作用について、図５および図６を参照して説明する。
分布帰還型回折格子を形成した結晶と異なる組成の結晶を成長した場合を図５に示す。図５において、１０１はＩｎＰ基板、１０２はＩｎＰ基板１０１上に形成した分布帰還型回折格子である。１０３は分布帰還型回折格子１０２上に形成した結晶で、ＩｎＰ基板１０１より屈折率が大きい。ＩｎＰ基板１０１は、（１１１）面の成長レートが速いために、分布帰還型回折格子１０２の凹部では成長した結晶１０３の膜厚が大きくなる。屈折率の大きい結晶１０３を分布帰還型回折格子１０２上に成長した場合は、分布帰還型回折格子１０２の凹部の屈折率のほうが凸部の屈折率より大きくなるために、結晶１０３も分布帰還型回折格子１０２として作用する。
【００２４】
つぎに、分布帰還型回折格子１０２上に積層した結晶１０３より屈折率の小さな結晶１０４と導波路層１０５と活性層１０６とを続けて成長する。屈折率の小さい結晶１０４の厚みを調節することで、分布帰還型回折格子１０２の位置における光強度を調整できる。レーザ内の分布帰還型回折格子１０２の実効的な回折効率は分布帰還型回折格子１０２の形状と分布帰還型回折格子１０２の存在する位置の光強度および分布帰還型回折格子１０２を形成する結晶１０１，１０３の屈折率の差の関数として示され、実効的な回折効率は光強度に比例する。
【００２５】
したがって、高さが高く、回折効率の大きい分布帰還型回折格子１０２に屈折率の大きい結晶１０３を成長して屈折率変化を作り出し、この分布帰還型回折格子１０２と活性層１０５の距離を離して光強度を減少させることで実効的な回折効率を低下させることができる。
図６に活性層・分布帰還型回折格子間距離ｄと回折効率の関係を示す。分布帰還型回折格子の回折効率のばらつきは回折効率の面内ばらつきを減少するためにエッチングを実施すると増大する。エッチングによらず面内均一性の高い結晶成長を利用して回折効率を低下させることで、回折効率の面内均一性やバッチ間均一性が向上し、歩留まりの向上が実現される。
【００２６】
さらに、出射光の広がり角の半値幅を小さくしようとした場合には導波路層を薄くする必要がある。しかしながら、先に説明した図１のレーザにおいては、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４が分布帰還型回折格子２ａの凹凸をＩｎＧａＡｓＰ活性層５に伝えないためのバッファ層としても作用しており、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５を良好に保つためにはＩｎＧａＡｓＰ導波路層４の厚みの減少には限界があった。ところが、図４の半導体レーザでは、ＩｎＰバッファ層１２に作製した分布帰還型回折格子２上にヘテロ結晶（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３）を成長し、屈折率変化を発生させることができるために、バッファ層としては屈折率の大きい導波路層用の結晶（ＩｎＧａＡｓＰ）ではなく屈折率の小さい結晶（ＩｎＰ平坦化層１４）を使用して分布帰還型回折格子２とＩｎＧａＡｓＰ活性層５の距離を離すことができる。その結果、出射光の広がり角を減少でき、出射光を光ファイバに効率よく結合できることになり、高出力化が可能となる。
【００２７】
また、分布帰還型回折格子が形成される第１結晶（ＩｎＰバッファ層１２）の組成と、回折効率を変化させる第２結晶（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３）の組成、さらに第２結晶の成長後にも分布帰還型回折格子が残っている場合には第３結晶（ＩｎＰ平坦化層１４）の組成を調整することでトータルの回折効率を目的値とすることができる。すなわち、第１結晶（ＩｎＰバッファ層１２）と第２結晶（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３）の屈折率の差を大きくすることで回折効率を大きくすることができ、また第２結晶（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３）の屈折率と第３結晶（ＩｎＰ平坦化層１４）の屈折率を大きくすることで回折効率を小さくすることができる。その結果、分布帰還型回折格子２とＩｎＧａＡｓＰ活性層５の間の距離を大きく変えないで回折効率を調整することができる。これは、キャリアの注入を良くするために第３結晶（ＩｎＰ平坦化層１４）の膜厚を小さくしたいときに有効となる。
【００２８】
上記のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１５μｍ）調節層１３は５０ｎｍ成長している。（１１１）面の成長レートがＩｎＰより大きいために、５０ｎｍで結晶界面はほぼ平坦化される。
ここで、ＩｎＧａＡｓＰの組成をλｇ＝１．１５μｍとしたが、λｇを大きくすることで回折効率を大きくすることができ、λｇを小さくすることで回折効率を小さくすることができる。また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３の膜厚を５０ｎｍとしたが、膜厚を２０ｎｍと小さくして、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３の成長後の成長界面（表面）に分布帰還型回折格子が残っているようにすることでも回折効率を小さくすることができる。
【００２９】
また、ｎ−ＩｎＰ平坦化層１４には、このｎ−ＩｎＰ平坦化層１４とＩｎＧａＡｓＰ活性層５との結晶界面を完全に平坦化するためと、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５と分布帰還型回折格子２の距離を離して光強度を低下させることで分布帰還型回折格子２の回折効率を低減しなくても、κＬ（実効回折効率）を低減することができるという２つの効果がある。つまり、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５と分布帰還型回折格子２との距離がｎ−ＩｎＰ平坦化層１４により離されているため、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５で発生した光は分布帰還型回折格子２をあまり感じない（実効回折効率が小さい）。
【００３０】
ｎ−ＩｎＰ平坦化層１４の膜厚を３００ｎｍとすることで、同じ回折効率の分布帰還型回折格子２でも、ｎ−ＩｎＰ平坦化層１４をＩｎＧａＡｓＰ活性層５と分布帰還型回折格子２との間にはさむことで、実効回折効率を１／５に低減できるために、分布帰還型回折格子２の回折効率を５としておき、κＬ（実効屈折率）を第１の実施例での回折効率１．０と同様とすることができる。
【００３１】
また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３の膜厚を２０ｎｍとして、ＩｎＧａＡｓＰ層１３とｎ−ＩｎＰ平坦化層１４との間に分布帰還型回折格子を保存させる場合、ｎ−ＩｎＰ層１４に替えてｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層１４ａを用いて屈折率差を調整することで目的の回折効率を得ることができる。すなわち、ｎ−ＩｎＰ平坦化層１４に替えてｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０５μｍ）平坦化１４ａを使用することで、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３（λｇ＝１．１５μｍ）とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０５μｍ）平坦化層１４ａとの界面に分布帰還型回折格子が保存されていてもそれによる回折効率の低下を抑制することができる。
【００３２】
さらに、回折効率のバッチ間ばらつきもＭＯＣＶＤによる結晶成長を用いたことで従来よりも低減される。
従来のようにエッチングを行って回折効率を低減した場合には、分布帰還型回折格子の回折効率のばらつきはエッチングをするに従い増大する。また、第１の実施例で示したように、結晶を成長した場合においても初期の回折効率が極めて大きい場合には成長する結晶の膜厚を増大する必要があり、成長膜厚の増大に伴い回折効率の面内ばらつきは拡大してしまう。この実施例の場合は、回折効率の低下を分布帰還型回折格子２とＩｎＧａＡｓＰ活性層５との位置との関係で実現しているために、膜厚の均一性の高いＭＯＶＰＥ結晶成長法などを用いた場合には回折効率の均一性は極めて高くなる。この実施例の構成の結果、回折効率の面内ばらつきは従来に比べてきわめて低くなった。
【００３３】
上記の構造を用いることで、半導体レーザの単一モードとなる歩留まりが向上し、回折効率を低減させることでホールバーニングの出現確率も低減する。さらに、出射光の半値幅を小さくすることができ、光ファイバ等に対する結合効率を高めることができる。
（第３の実施例）
図７（ａ）はこの発明の第３の実施例における半導体レーザの構造図を示すものである。図１の第１の実施例では分布帰還型回折格子をＩｎＰ基板１上に直に形成したが、ここではＩｎＰ基板１上にＩｎＰ基板１と組成の異なるｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３ａを成長しておき、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３ａ上に分布帰還型回折格子２を形成し、回折効率を調整するためのＩｎＰ基板１と組成の等しいＩｎＰ平坦化層１４を成長して回折効率を調整した後、平坦化するためのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４を成長する構造として、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３ａとｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４の屈折率差を小さくすることで同じ形状の分布帰還型回折格子を作製した場合でも小さい回折効率を得、ＩｎＰ平坦化層１４の量を小さくして再現性を向上させた。
【００３４】
また、図７（ｂ）の実施例においては、ＩｎＰ基板１上に基板と組成の異なるｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３を成長しておき、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３上に分布帰還型回折格子２を形成し、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３と組成の異なる結晶であるｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１５を成長して分布帰還型回折格子をゆるやかに形成し、回折効率を制御した後、ｎ−ＩｎＰ平坦化層１４を成長する構造とすることで、大きな回折効率をもつ分布帰還型回折格子の回折効率を目的の値に調整し、デバイスの作製を容易にすることができる。
【００３５】
（第４の実施例）
この第４の実施例を図８に示す。第２の実施例の図４では、ＩｎＰ基板１上にＩｎＰバッファ層１２を形成しているが、図８は、このＩｎＰバッファ層１２の代わりに基板と組成の異なるｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２ａを成長している。そして、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２ａ上に分布帰還型回折格子２を形成し、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２ａと組成の異なる結晶であるｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３ｂを成長して回折効率を制御した後、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ平坦化層１４ａを成長する構造とすることで、回折効率の調整をさらに容易にした。すなわち、第１の結晶上に形成されている回折効率をκ１とし、第２の結晶を成長した後に残っている分布帰還型回折格子の回折効率をκ２とすると、κ１はＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２ａとｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調整層１３ｂの屈折率差に比例している。またκ２はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ平坦化層１４ａの屈折率差に比例している。
【００３６】
まず、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２ａはキャリアの注入の観点からあまり大きな屈折率の結晶とすることができない。したがって、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．０５μｍ）とした。つぎに、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層１３ｂは組成のばらつきによる回折効率の変動をなくすためにやや大きめの屈折率の結晶とする必要がある。したがって、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１５μｍ）とした。また、キャリアの注入を良くするために膜厚は２０ｎｍとした。その結果分布帰還型回折格子２は充分に埋め込むことができず、平坦化層１４ａの組成をＩｎＰとして調節層１３との屈折率差を大きくすることにより急激に回折効率が低下してしまう。そこで、平坦化層１４ａの組成をｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝０．９５μｍ）として、キャリアの注入は確保しつつ、回折効率の値を目的のκＬ＝１とすることができた。このように、回折効率の調整が安定している膜厚や結晶組成を選んで行くと、３段階に結晶組成を替えながら回折効率を調整する必要があることが明らかとなった。
【００３７】
（第５の実施例）
図９はこの発明の第５の実施例における半導体レーザの製造方法を示すものである。図９において、まずｎ−ＩｎＰ基板１上全面にホログラッフィク露光法により分布帰還型回折格子２を形成する回折格子作製工程を図９（ａ）に示す。この回折格子作製工程において、成長圧力６０torrの減圧ＭＯＶＰＥ法を用いてＰＨ3 雰囲気で６００℃，１５分のアニールを行うことで、回折効率を２．０％から０．３％まで低下させる。供給律速となるエッチングとは異なり、アニールの場合は、反応律速であるため、回折効率の面内ばらつきは抑制される。そして、回折効率を低下させた分布帰還型回折格子２の全面に第１のエピタキシャル成長として成長圧力６０torrの減圧ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ−ＩｎＰバッファ層（キャリア濃度ｎ＝５×１０17）３を５００ｎｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４を１５０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．４０μｍ）井戸層と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１０μｍ）バリア層の５周期よりなる量子井戸型のＩｎＧａＡｓＰ活性層５を、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６を0.５μｍ成長する第１の結晶成長工程を図９（ｂ）に示す。
【００３８】
つぎに、結晶表面よりｎ−ＩｎＰ基板１にかけて一部を幅１μｍに渡り＜０１１＞方向にエッチングすることによりストライプ１７を形成した後、ｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７をストライプ埋め込み成長し、その後Ａｕ／Ｚｎのｐ側電極８とＡｕ−Ｓｎのｎ側電極９を蒸着により形成し、図９（ｃ）の構造を得る。
【００３９】
ｎ−ＩｎＰバッファ層３をＩｎＰ基板１上に５００ｎｍ成長することで、分布帰還型回折格子の高さが減少して、分布帰還型回折格子の回折効率は成長前の３．２から１．０に低下する。
（第６の実施例）
図１０はこの発明の第６の実施例における半導体レーザの製造方法を示すものである。図１０において、まずｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰバッファ層１２を結晶成長した後、全面にホログラッフィク露光法により分布帰還型回折格子２を形成する回折格子作製工程を図１０（ａ）に示す。
【００４０】
ＭＯＶＰＥ炉内のアニーリングにより回折効率を均一に低下させた分布帰還型回折格子２の全面に第２のエピタキシャル成長としてＭＯＶＰＥ法を用いてｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層（キャリア濃度ｎ＝５×１０17）１３を５０ｎｍ、ｎ−ＩｎＰ平坦化層（キャリア濃度ｎ＝５×１０17）１４を３００ｎｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層４を１００ｎｍ、５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．４０μｍ）井戸層と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．１０μｍ）バリア層の５周期よりなる量子井戸型のＩｎＧａＡｓＰ活性層５を、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６を0.５μｍ成長する第２の結晶成長工程を図１０（ｂ）に示す。
【００４１】
つぎに、結晶表面よりｎ−ＩｎＰ基板１にかけて一部を幅１μｍに渡り＜０１１＞方向にエッチングすることによりストライプ１８を形成した後、ｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７をストライプ埋め込み成長し、その後Ａｕ／Ｚｎのｐ側電極８とＡｕ−Ｓｎのｎ側電極９を蒸着により形成し、図１０（ｃ）の構造を得る。
【００４２】
ＩｎＧａＡｓＰ活性層５の下に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１４を３００ｎｍ成長することで、分布帰還型回折格子２とＩｎＧａＡｓＰ活性層５との距離を離して、分布帰還型回折格子の場所における光強度を１／５に減少させることで、分布帰還型回折格子の実効的な回折効率は成長前に比べて低下する。
また、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３は、凹面における成長速度が速いために４０ｎｍ積層することで表面はほとんど平坦となる。
【００４３】
さらにｎ−ＩｎＰ平坦化層１４を積層することでＩｎＧａＡｓＰ活性層５は極めて平坦となり、分布帰還型回折格子２の影響はなくなる。
なお、第１ないし第６の実施例においては分布帰還型回折格子２の位置を基板１上あるいはｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２の上に形成したが、基板１上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２を成長した後に分布帰還型回折格子２を形成してもよい。
【００４４】
さらに、第２ないし第４の実施例において、バッファ層１２，１３，１３ａ上に形成した分布帰還型回折格子２の回折効率を、分布帰還型回折格子２上に成長したバッファ層１２，１３，１３ａと組成の等しい結晶で調整して、ＩｎＰ平坦化層１４を成長してもよい。
また、第１ないし第６の実施例において、分布帰還型回折格子２の位置をＩｎＧａＡｓＰ活性層５の下としたが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５の上部に形成してもよい。つまり、バッファ層３，１２，１３，活性層５，導波路層４を結晶成長した後に回折格子を形成してもよい。
【００４５】
また、バッファ（平坦化）層１４をＩｎＰ結晶としたが、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰバッファ層より屈折率の小さい結晶であれば組成にはこだわらない。
また、半導体結晶をＩｎＰとしたが、ＧａＡｓなど他の半導体結晶基板でもよい。
分布帰還型回折格子の位置は、活性層に分布帰還型回折格子が形成されていない場合、屈折率の異なる結晶界面に存在していればよい。
【００４６】
さらに、第１ないし第６の実施例においてレーザ構造をＤＦＢレーザとしたが、そのほかＤＢＲレーザや分布帰還型レーザなどレーザの共振器長方向に屈折率の分布を持って発振波長を制御するレーザであれば適応でき、屈折率の変化の度合を共振器長方向に変化させることで、各実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
また、ｎ−ＩｎＰバッファ層の有無にかかわらず良好な特性が確認された。また、バッファ層、導波路層およびＩｎＰ層にはドーピングを行っているが、アンドープ結晶を用いてもこの限りではない。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の半導体レーザは、サイドモード抑圧比が大きく、安定した単一モード発振が得られ、かつ単一モード特性の向上およびレーザの歩留まり向上を実現するとともに、出射光強度の半値幅を減少させて結合効率のよいレーザを実現できるなど実用上非常に大きな影響力を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例における半導体レーザの構造図
【図２】この発明の第１の実施例における分布帰還型回折格子形状の調整方法を示す図
【図３】この発明の第１の実施例における結晶成長時間と回折効率の関係を示す図
【図４】この発明の第２の実施例における半導体レーザの構造図
【図５】この発明の第２の実施例における分布帰還型回折格子形状の調整方法を示す図
【図６】この発明の第２の実施例における活性層・分布帰還型回折格子間距離と回折効率の関係を示す図
【図７】この発明の第３の実施例における半導体レーザの構造図
【図８】この発明の第４の実施例における半導体レーザの構造図
【図９】この発明の第５の実施例における半導体レーザの製造方法を示す図
【図１０】この発明の第６の実施例における半導体レーザの製造方法を示す図
【図１１】従来のＤＦＢレーザの構造図
【図１２】従来の分布帰還型回折格子形状の調整方法を示す図
【符号の説明】
１    ｎ−ＩｎＰ基板
２    分布帰還型回折格子（グレーティング）
３    ｎ−ＩｎＰ調節層（バッファ層）
４    ＩｎＧａＡｓＰ導波路層
５    ＩｎＧａＡｓＰ活性層
６    ｐ−ＩｎＰ・ｎ−ＩｎＰ・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層
７    ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
８    Ａｕ／Ｚｎのｐ側電極
９    Ａｕ−Ｓｎのｎ側電極
１２    ｎ−ＩｎＰバッファ層
１３    ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ調節層（バッファ層）
１４    ＩｎＰ平坦化層（バッファ層）
１４ａ  ＩｎＧａＡｓＰ調節層（バッファ層）
１５    ＩｎＧａＡｓＰ平坦化層（バッファ層）
１６    ｐ−ＩｎＰクラッド層
１７    ストライプ
１８    ストライプ
【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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