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技術 分布帰還型半導体レーザの製造方法

出願人 浜松ホトニクス株式会社
発明者 樋口彰
出願日 2010年2月26日 (9年9ヶ月経過) 出願番号 2010-043470
公開日 2011年9月15日 (8年3ヶ月経過) 公開番号 2011-181638
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 外縁位置 遠視野パターン マルチモ 端面膜 ガイド幅 三角波形状 規格化後 電極間抵抗
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

電流狭窄構造を有するDFB半導体レーザを製造する際に、製造コストの増加を抑制可能なDFB半導体レーザの製造方法を提供する。

解決手段

DFB半導体レーザ100は、化合物半導体からなるものであり、半導体基板1上に、下部クラッド層2、下部光ガイド層3、半絶縁性活性層4、上部光ガイド層5、上部第1クラッド層6、光ブロック層エッチストップ層)7、上部第2クラッド層8、回折格子(層)9、上部第3クラッド層10、コンタクト層キャップ層)11を順次形成したものである。上部第2クラッド層8、回折格子9、上部第3クラッド層10、及び、コンタクト層11は、いずれもGa及びAsを含有しており、エッチングは、同一のエッチング液によって行われる。

概要

背景

ファブリペロー共振器を用いたファブリペローレーザFPレーザ)は、共振器両端面間に光を閉じ込め発振をさせ、共振器の一方の端面からレーザ光出射する構造を有している。しかしながら、FPレーザは、発振波長が不安定であり、定常状態において駆動電流や温度に応じて発振波長が変化し、高速変調時にはマルチモードで動作する。一方、DFB半導体レーザは、共振器内部に回折格子を有しており、特定の波長のレーザ光を選択的に増幅するため、シングルモードで発振を行うことができる。従来のDFB半導体レーザは、例えば、特許文献1に記載されている。特許文献1では、活性層に流れ込む電流密度を増加させるため、活性層の上部に電流狭窄層を有している。

概要

電流狭窄構造を有するDFB半導体レーザを製造する際に、製造コストの増加を抑制可能なDFB半導体レーザの製造方法を提供する。 DFB半導体レーザ100は、化合物半導体からなるものであり、半導体基板1上に、下部クラッド層2、下部光ガイド層3、半絶縁性の活性層4、上部光ガイド層5、上部第1クラッド層6、光ブロック層エッチストップ層)7、上部第2クラッド層8、回折格子(層)9、上部第3クラッド層10、コンタクト層キャップ層)11を順次形成したものである。上部第2クラッド層8、回折格子9、上部第3クラッド層10、及び、コンタクト層11は、いずれもGa及びAsを含有しており、エッチングは、同一のエッチング液によって行われる。

目的

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電流狭窄構造を有するDFB半導体レーザを製造する際に、製造コストの増加を抑制可能なDFB半導体レーザの製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

分布帰還型半導体レーザの製造方法において、活性層上に、光ガイド層、上部第1クラッド層エッチストップ層、及び上部第2クラッド層を順次積層する工程と、前記上部第2クラッド層上に、回折格子を形成する工程と、前記回折格子上に、上部第3クラッド層を形成する工程と、前記上部第3クラッド層上に、コンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上に、共振長方向に延びたパターンを形成し、このパターンをマスクとして、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層をエッチングし、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の側面と前記エッチストップ層の表面を露出させる工程と、前記エッチストップ層上の露出領域上に、電流狭窄層を形成し、この電流狭窄層によって、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の露出した側面を覆う工程と、を備え、前記上部第2クラッド層、前記回折格子、前記上部第3クラッド層、及び、前記コンタクト層は、いずれもGa及びAsを含有しており、前記エッチングは、同一のエッチング液によって行われることを特徴とする分布帰還型半導体レーザの製造方法。

請求項2

前記上部第2クラッド層はAlXGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、前記回折格子はAlXGa1−XAs(X=0.30±0.01)からなり、前記上部第3クラッド層はAlXGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、前記コンタクト層はGaAsからなり、前記エッチストップ層はAlXGa1−XAs(X=0.70±0.01)からなる、ことを特徴とする請求項1に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。

請求項3

前記光ガイド層を上部光ガイド層とし、下部光ガイド層上に前記活性層を形成する工程を更に備え、前記下部光ガイド層と前記上部光ガイド層の合計厚みが50nm以上200nm以下となるように、前記下部及び上部光ガイド層を成長させることを特徴とする請求項1又は2に記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、分布帰還型半導体レーザDFB半導体レーザ)の製造方法に関する。

背景技術

0002

ファブリペロー共振器を用いたファブリペローレーザFPレーザ)は、共振器両端面間に光を閉じ込め発振をさせ、共振器の一方の端面からレーザ光出射する構造を有している。しかしながら、FPレーザは、発振波長が不安定であり、定常状態において駆動電流や温度に応じて発振波長が変化し、高速変調時にはマルチモードで動作する。一方、DFB半導体レーザは、共振器内部に回折格子を有しており、特定の波長のレーザ光を選択的に増幅するため、シングルモードで発振を行うことができる。従来のDFB半導体レーザは、例えば、特許文献1に記載されている。特許文献1では、活性層に流れ込む電流密度を増加させるため、活性層の上部に電流狭窄層を有している。

先行技術

0003

特開2003−069145号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、構造が複雑化して半導体層数が多くなると、電流狭窄層形成前のエッチングとして、イオン種の異なるドライエッチングを行う必要があり、製造コストが増加するという問題があった。

0005

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電流狭窄構造を有するDFB半導体レーザを製造する際に、製造コストの増加を抑制可能なDFB半導体レーザの製造方法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

上述の課題を解決するため、本発明に係るDFB半導体レーザの製造方法は、活性層上に、光ガイド層、上部第1クラッド層エッチストップ層、及び上部第2クラッド層を順次積層する工程と、前記上部第2クラッド層上に、回折格子を形成する工程と、前記回折格子上に、上部第3クラッド層を形成する工程と、前記第3クラッド層上に、コンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上に、共振長方向に延びたパターンを形成し、このパターンをマスクとして、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層をエッチングし、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の側面と前記エッチストップ層の表面を露出させる工程と、前記エッチストップ層上の露出領域上に、電流狭窄層を形成し、この電流狭窄層によって、前記コンタクト層、前記上部第3クラッド層、前記回折格子及び前記上部第2クラッド層の露出した側面を覆う工程と、を備え、前記上部第2クラッド層、前記回折格子、前記上部第3クラッド層、及び、前記コンタクト層は、いずれもGa及びAsを含有しており、前記エッチングは、同一のエッチング液によって行われることを特徴とする。

0007

この構造の場合、単一のエッチング液を用いてウエット・エッチングを行うことが可能であるため、製造コストを低減させることが可能となる。

0008

特に、前記上部第2クラッド層はAlXGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、前記回折格子はAlXGa1−XAs(X=0.30±0.01)からなり、前記上部第3クラッド層はAlXGa1−XAs(X=0.43±0.01)からなり、前記コンタクト層はGaAsからなり、前記エッチストップ層はAlXGa1−XAs(X=0.70±0.01)からなる場合には、エッチング液としてクエン酸系エッチャントを用いてエッチングを行うことができる。

0009

また、この製造方法は、上記光ガイド層を上部光ガイド層とし、下部光ガイド層上に前記活性層を形成する工程を更に備え、前記下部光ガイド層と前記上部光ガイド層の合計厚みが50nm以上200nm以下となるように、前記下部及び上部光ガイド層を成長させることを特徴とする。このような複雑な構造の場合には、DFB半導体レーザの性能を著しく向上させることができ、このような複雑な構造も、同種の材料を用いて各層を形成することができるので製造工程を簡略化することができ、上述の製造方法を用いることで、更に製造コストを低下させることができる。

発明の効果

0010

本発明のDFB半導体レーザの製造方法によれば、製造コストを低減させることが可能となる。

図面の簡単な説明

0011

DFB半導体レーザ100の斜視図である。
図1に示したDFB半導体レーザ100のII−II矢印線断面図である。
DFB半導体レーザの正面図である。
半導体層の物性を示す図表である。
回折格子近傍の断面図である。
ビーム形状を示す図である。
光ガイド層の厚さTGと放射角θと光閉じ込め係数ΓQWの関係を示すグラフである。
光ガイド層の厚さTGと、放射角θ、光閉じ込め係数ΓQW及び性能指数FOMの関係を示すグラフである。
駆動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)、電極間電圧Vf(V)、電極間抵抗Rd(ohm)を示すグラフである。
放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。
図8のグラフのデータを示す図表である。
垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。
比較例に係るDFBレーザの垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの製造方法を説明するための図である。
DFB半導体レーザの温度特性を示すグラフである。
DFB半導体レーザの駆動電流If(mA)と光出力Po(mW)の関係を示すグラフである。
実施例に係るレーザ波長依存性を示すものであり、横軸は波長λ(nm)、縦軸は光出力Po(mW)(対数)を示している。
実施例(YG=90nm)の場合のFFPにおける放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである。
Bの比較例の場合の動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)を示すグラフである。
図12及び図13のグラフのデータを示す図表である。
図12及び図13のグラフのデータを示す図表である。

実施例

0012

以下、実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザ(DFB半導体レーザ)について説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

0013

図1は、DFB半導体レーザ100の斜視図、図2図1に示したDFB半導体レーザ100のII−II矢印線断面図、図3はDFB半導体レーザの正面図である。また、各要素の具体的な材料、Al組成比X、厚み、屈折率エネルギーバンドギャップ導電型不純物濃度は、図4の表に示す通りである。なお、導電型のI型真性半導体を意味するが、現実的には極めて低い不純物濃度1×1015cm−3以下のP型半導体であることを意味している。

0014

DFB半導体レーザ100は、化合物半導体からなるものであり、半導体基板1上に、下部クラッド層2、下部光ガイド層3、半絶縁性の活性層4、上部光ガイド層5、上部第1クラッド層6、光ブロック層(エッチストップ層)7、上部第2クラッド層8、回折格子(層)9、上部第3クラッド層10、コンタクト層(キャップ層)11を順次形成したものである。クラッド層の屈折率は、活性層4の平均屈折率よりも低く、光閉じ込め層として機能している。全てのクラッド層2,6,8,10のAl組成比は同一であり、エネルギーバンドギャップも等しいが、多少の相違があってもよい。また、クラッド層の屈折率は、隣接する光ガイド層3,5の屈折率よりも低い。光ガイド層3,5は、量子井戸構造の活性層4を構成する井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、大きなエネルギーバンドギャップを有し、かつ井戸層よりも低い屈折率を有している。

0015

部電極E1は、コンタクト層11に接触しており、Z軸方向に沿って延びている。また、下部電極E2は、半導体基板1の裏面の全面に接触している。なお、電極半導体との界面では、これらの良好なオーミック接触がとれるように、界面における半導体の不純物濃度を高めておくことができる。電極材料としては、金(Au)を用いることができる。Z軸方向は、レーザの共振長(L:図2)の方向に一致している。同図では、X軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系が示されている。共振長の方向をZ軸とすると、各半導体層の積層方向はY軸方向であり、これらの双方の軸に垂直な方向(幅方向)がX軸方向となる。このDFB半導体レーザにおいては、活性層4のZ軸に垂直な端面からレーザ光LBが出射される。活性層4の光出射面とは逆側の端面には、反射防止(AR)膜または高反射(HR)膜などの端面膜Rが形成されている。

0016

なお、コンタクト層11のX軸方向に沿った外側の領域の上部第3クラッド層10、回折格子9、上部第2クラッド層8は、エッチングされており、これらはメサ型に加工され、コンタクト層11の直下の領域に電流通過領域が制限され、電流狭窄構造が形成されている。エッチングされた領域には、エッチストップ層7上に電流狭窄層(埋め込み層)12(12A,12B)が形成されており、電流狭窄層12の屈折率はクラッド層よりも低いため、光の漏れが抑制されている。電流狭窄層12A,12B間のX軸方向の開口幅Wは本例では5μmに設定されている。なお、本例の共振長Lは、1.0mmである。

0017

クラッド層等のエッチングは、光ブロック層(エッチストップ層)7によって停止しており、上部第1クラッド層6はエッチングされずに残留している。エッチストップ層7は、Alの組成比をクラッド層8,10よりも高めることで、エッチング液に対する耐性を向上させたものである。なお、Al含有量が多いほど低屈折率高抵抗となるが、エネルギーバンドギャップは大きくなる。

0018

エッチストップ層7は、屈折率が低いため、活性層4から回折格子9に至る光を抑制する光ブロック層として機能している。すなわち、回折格子9の屈折率はクラッド層6,8よりも高く、屈折率が高い半導体層には光が吸い込まれる傾向がある。したがって、かかる場合には、本来、活性層4に集中させる光パワーの一部が、回折格子9に大きく移動してしまい、レーザ光強度が低下する。エッチストップ層7は、低屈折率の光ブロック層として機能することで、必要以上に光パワーが回折格子9内に入ることを抑制し、レーザ光強度の低下を防止している。

0019

活性層4は、AlInGaAsとAlGaAsからなる量子井戸構造を有しており、井戸層が1つの場合にはシングル量子井戸構造、井戸層が2つの場合にはダブル量子井戸構造を構成している。井戸層の数は3以上であってもよい。バリア層のエネルギーバンドギャップは、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きい。多重量子井戸構造を用いた場合、高出力のレーザ光を得ることができるが、井戸数の増加に伴ってCOD(Catastrophic Optical Damage)が増加する場合がある。

0020

各半導体層のAlの組成比Xは、誤差等を考慮すると、少なくとも以下の範囲をとることができる。

0021

下部クラッド層2における組成比X:0.43±0.01
下部光ガイド層3における組成比X:0.36±0.01
半絶縁性の活性層4における組成比X:0.15±0.01
上部光ガイド層5における組成比X:0.36±0.01
上部第1クラッド層6における組成比X:0.43±0.01
光ブロック層7における組成比X:0.70±0.01
上部第2クラッド層8における組成比X:0.43±0.01
回折格子(層)9における組成比X:0.30±0.01
上部第3クラッド層10における組成比X:0.43±0.01

0022

回折格子4の形状としては種々のものが考えられる。低屈折率のクラッド層内に周期的に埋設された高屈折率の半導体層は、X軸方向に沿って延びたストライプ状の半導体領域からなり、これらの半導体領域間の間隔Zp(回折格子の周期:図2参照)によって、レーザ光の波長が決定される。すなわち、回折格子4が含まれる導波路の有効屈折率をn、回折格子4の次数をmとすると、ブラッグ波長λBは概ね2nZp/mで与えられ、この波長が選択的に増幅され、レーザ光として出射される。

0023

もちろん、YZ断面における表面形状は、図5に示すように、三角波形状であってもよい。すなわち、クラッド層8の表面をYX断面内において三角波形状にエッチングにて加工し、この上に、高屈折率の回折格子(層)9を形成し、更に、回折格子層9をクラッド層10で埋め込む構造とすることができる。なお、50nm厚膜厚の場合、単なる凸凹では膜厚を正確に制御することが難しいため、回折格子はストライプ状に形成する方が好ましい。

0024

なお、回折格子層9を第3のクラッド層10に埋め込む理由は、発振波長を変えた場合、活性層から回折格子層までの距離が変わるが、そのような場合であっても、回折格子層の埋め込み位置を変更するだけで対応可能であるため、設計変更の際の汎用性が高いという利点があるからである。

0025

図6は、レーザビームLBのXY平面内における形状を示している。(A)は遠視野パターン(FFP)を示しており、(B)は近視野パターンNFP)を示している。各パターンの境界線半値幅を与える位置で示されている。すなわち、光強度ピークは中心位置(原点)に位置しているが、この位置における光強度の半分の強度となる位置までの距離を半値幅とし、この位置がビームパターンの外縁として示されている。

0026

NFPにおいて、垂直方向の距離(YNFP)を半値幅σYNとし、この位置がビームパターンの外縁として示されているが、半値幅σYNの2倍の距離2σYNは半値全幅FWHM)である。同様に、原点における強度の水平方向の半値幅σXNの2倍の距離2σXNは半値全幅(FWHM)である。FFPにおいても、垂直方向の距離(YFFP)を半値幅σYFとし、この位置がビームパターンの外縁として示されているが、半値幅σYFの2倍の距離2σYFは半値全幅(FWHM)である。同様に、原点における強度の水平方向の半値幅σXFの2倍の距離2σXFは半値全幅(FWHM)である。

0027

レーザ光の放射角は、NFPの外縁位置から、これに対応するFFPの外縁位置に延びるベクトルと、Z軸となす角度の2倍で与えられ、光強度分布のFWHMに対応する。垂直方向であれば、+YNFPの位置から+YFFPの位置に延びるベクトルが、Z軸となす角度の2倍が放射角θとなる。レーザ光の強度分布ガウス分布であって、中心位置に対して対称であるため、換言すれば、放射角θは、+YNFPの位置から+YFFPの位置に延びるベクトルと、−YNFPの位置から−YFFPの位置に延びるベクトルとのなす角に等しい。

0028

同様に、水平方向であれば、+XNFPの位置から+XFFPの位置に延びるベクトルが、Z軸となす角度の2倍が水平方向の放射角となる。なお、放射角で特に問題となるのは、角度の大きな方の放射角、すなわち、垂直方向の放射角θである。

0029

図7は、光ガイド層3,5の合計厚みYG(nm)と、垂直方向の放射角θ(deg)、光閉じ込め係数ΓWQ(%)の関係を示すグラフである。なお、このグラフはシミュレーションによって求めたものである。

0030

同グラフにおいて、760−SQW−FFPは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がSQW(シングル量子井戸構造)における、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。同様に、760−DQW−FFPは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がDQW(ダブル量子井戸構造)における、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。830−SQW−FFPは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がSQWにおける、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。830−DQW−FFPは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がDQWにおける、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。980−SQW−FFPは、レーザ光の中心波長が980nmであり、活性層の構造がSQWにおける、FFPにおける垂直方向の放射角θのデータを示している。なお、波長760nmと830nmでは図4の表に示した値を用いたが、980nm帯では、光ガイド層としてAl0.22Ga0.78As、クラッド層としてAl0.35Ga0.65Asを用いた点のみが異なる。

0031

同グラフにおいて、760−SQW−Γは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がSQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。同様に、760−DQW−Γは、レーザ光の中心波長が760nmであり、活性層の構造がDQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。830−SQW−Γは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がSQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。830−DQW−Γは、レーザ光の中心波長が830nmであり、活性層の構造がDQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。980−SQW−Γは、レーザ光の中心波長が980nmであり、活性層の構造がSQWにおける、光閉じ込め係数ΓQWのデータを示している。

0032

光ガイド層厚が1000nm(1μm)前後から2000nm至る領域では、従来のように、光ガイド層の厚みを大きくすることで、垂直方向の放射角は小さくなることが判明したが、本願発明者らは、光ガイド層が極端に薄くなってきた場合、すなわち、少なくとも200nm以下になると、放射角が小さくなり、且つ、発振閾値も低下するという臨界的な厚み範囲(RPEAK)が存在することを見出した。もちろん、光ガイド層の厚みが極端に低下した場合には、発振閾値は上昇してしまうが、少なくとも50nm以上であれば、発振閾値を十分に低くすることができる厚み範囲が存在することを発見した。

0033

遠視野像における垂直方向の放射角θは小さい方が好ましく、発振閾値(電流)も小さい方が好ましいが、発振閾値は、概ね、光閉じ込め係数ΓQWの逆数に比例するため、光閉じ込め係数は大きい方が好ましいということになる。すなわち、このDFB半導体レーザの性能指数(Figure Of Merit)FOMを、FOM=(ΓQW/θ)2と定義すると、FOMは光ガイド層の厚みが50nm〜200nmの間に、ピークを有するのである。

0034

図8は、光ガイド層3,5の合計厚みYG(nm)と、規格化(normalized)されたFOM(a.u.)、垂直方向の放射角θ(deg)及び光閉じ込め係数ΓWQ×10(%)の関係を示すグラフである。FOMは、50nm〜200nmの間に、ピークを有しているのが分かる。図11は、このグラフデータを示す図表である。

0035

このグラフは、830nm−DQWの構造の放射角θを光閉じ込め係数ΓQWで除した値の2乗をFOMとして示している。ΓQWは誤差を含んでいるので、760nm帯(SQWとDQW)及び830nm帯(SQWとDQW)の計4つのデータを平均化して演算に用いたが、これは単独の値を用いてもFOMは50nm〜200nmの間にピークが存在し、また、他の波長帯の放射角θに関しても同様にFOMのピークをYG=50nm〜200nmに有することができる。もちろん、YG=80nm〜140nmが更に好ましく、YG=100nm〜120nmが更に好ましい。なお、結晶構造の各層を形成するAlGaAs材料は、成長装置の精度でAl組成±1%程度の誤差が生じ、これに伴う屈折率変化が生じる。ΓQWの値はこの屈折率変化の影響を受けるため、ΓQWにおいても±0.5%程度の誤差があるが、結論における範囲RPEAKの優位性は変わらない。

0036

なお、光閉じ込めが良好に実現しない場合、ΓQWが0.5%を下回る。これは、利得領域における光量が足りないことを意味し、発振特性が得られない。830nm帯においてガイド幅TGを80nm〜140nmに20nm刻みで変化させたとき、垂直放射角は15度〜20度となる。なお、量子井戸数を3以上にすると、そこだけで50nm程度の幅を占有するため、設計の自由度が低下する。したがって、井戸数は1又は2が望ましい。ガイド幅TGが50nm以下となると、ΓQWが下がりすぎてしまうため、良好な発振特性が得られなくなる。また、200nm以上となると、垂直放射角の拡大が誘発される。

0037

図9は、YG=80nm〜140nmの場合の駆動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)、電極間電圧Vf(V)、電極間抵抗Rd(ohm)を示すグラフである(実験値)。YGの増加に伴って発振の閾値は低下していることがわかる。

0038

図10は、YG=80nm〜140nmの場合のFFPにおける放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである(実験値)。同グラフにおけるFFP−Hは水平方向の光強度分布を示し、FFP−Vは垂直方向の光強度分布を示している。垂直方向の光強度分布のFWHMを与える放射角θは、YG=80nmの場合には16.1(deg)、YG=100nmの場合には18.3(deg)、YG=120nmの場合には20.2(deg)、YG=140nmの場合には21.8(deg)である。

0039

図12は、YG=80nm〜140nmの場合のFFPにおける垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである(計算値)。また、図13は、比較例に係るDFBレーザのデータを示すグラフであり、FFPにおける垂直方向の放射角θ(deg)(実線)と水平方向の放射角θ(deg)(点線)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係が示されている(計算値)。図26及び図27は、それぞれ図12及び図13のデータを得るための元データを示す図表であり、それぞれ規格化前のデータ及び規格化後のデータを示している。なお、表内のFFP−Hは水平方向のデータを示し、FFP−Vは垂直方向のデータを示している。

0040

同グラフによれば、実施例(A)〜(D)の数値では、FWHMにおける放射角θは狭くなっている。また、実施例のアスペクト比(水平方向の放射角と垂直方向の放射角の比率)も小さくなっており、ビーム形状が真円に近くなるため、デバイスへの応用が容易となっている。

0041

上述の構造に係るDFB半導体レーザでは、P型の上部クラッド層をアノードとし、N型の下部クラッド層をカソードとするダイオードが構成されている。駆動電流は、ダイオードの順方向、すなわち、上部電極E1から下部電極E2に向けて流れ、この際に活性層4内におけるキャリア再結合により発生した光は、一部分が光ブロック層7を超えて、回折格子9に至り、活性層4の端面から出射されるレーザ光LBの波長を単一の値に固定する。回折格子9と活性層4との間の距離は、クラッド層6,8の製造時間と、垂直方向の光伝播における損失を低減するため、可能な限り近づけた方が好ましいが、これらの距離を近づけた場合に、光ブロック層7がない場合には、多くの光が回折格子9において吸収され、レーザ光出力が低下してしまう。

0042

すなわち、このDFB半導体レーザは、光ブロック層7を備えているので、回折格子9を活性層4に近づけた場合においても、高効率の発光をすることができる。換言すれば、活性層4から回折格子9までの距離(t5+t6+t7+t8)を、300nm〜700nmにした場合に、この構造は特に有効である。また、同様の理由から、回折格子層9の下端位置は、リッジ部分(突き出した部分)のトータル厚さ(t8+t9+t10+t11)に対して、エッチストップ層上端から1/3以内に位置することが好ましい。また、光ブロック層7は、埋め込み型の電流狭窄構造を形成する場合のエッチストップ層としても機能しているため、製造プロセスの観点からも有用である。なお、光ブロック層7は、活性層4からコンタクト層11に至る光も抑制しているので、コンタクト層11を光吸収に起因する劣化から抑制することもできる。

0043

図14図20は、上述のDFB半導体レーザの製造方法を説明するための図であり、(A)は正面図、(B)は側面図を示している。

0044

まず、図14に示すように、基板1上に、各層2,3,4,5,6,7,8,9を順次積層する。すなわち、半導体基板1上に、下部クラッド層2、光ガイド層3、活性層4上には、光ガイド層5、上部第1クラッド層6、エッチストップ層7、及び上部第2クラッド層8が順次積層され、更に、その上に回折格子9となる高屈折率の化合物半導体層(9)が形成される。なお、この積層工程における結晶成長には、MOCVD有機金属気相成長)装置を用いる。製造時のAl原料としてはTMA(トリメチルアルミニウム)、Ga原料としてはTMG(トリメチルガリウム)、As原料としてはアルシン(AsH3)を用いることができ、成長温度は600℃〜750℃を採用することができる。各層1〜9の成長後、基板を結晶成長炉から取り出す。

0045

次に、図15に示すように、最表面のP型のAlGaAs(Alの組成比X=0.30)にホトレジストPR1を塗布し、干渉露光により、回折格子の周期Zpが250nm程度となるように露光し、ホトレジストPR1からなる回折格子を形成する。

0046

次に、図16に示すように、ホトレジストPR1にて形成された回折格子をマスクとして回折格子層9のエッチングを行い、ホトレジストPR1を除去する。これにより、上部第2クラッド層8上に回折格子9が形成される。このエッチングには、ウエット・エッチングを用いることができる。ウエット・エッチングの場合のエッチング液としては、Br系エッチャントを用いることができる。

0047

次に、図17に示すように、基板をMOCVD結晶成長炉に導入し、回折格子9上に、P型のAlGaAs(Alの組成比X=0.43)クラッド層10と、P型のGaAsコンタクト層11を順次成長する。成長時の原料と温度は上述の通りである。すなわち、この製造方法は、回折格子9上に、上部第3クラッド層10を形成する工程と、上部第3クラッド層10上に、コンタクト層11を形成する工程とを備えている。

0048

次に、図18に示すように、コンタクト層11の表眼に窒化珪素(SiNX)層13を蒸着し、続いて、この上にホトレジストPR2の塗布を行い、ホトレジストPR2を露光と現像によるリソグラフィによって加工することで、幅W(図3参照)が5mm程度のレジストパターンを形成すする。パターニングされたホトレジストPR2を用いて、窒化珪素層13の露出領域をRIE(ReactiveIon Etching)装置を用いて除去する。

0049

次に、図19に示すように、ホトレジストPR2を除去し、窒化珪素層13をマスクとして、クエン酸系のエッチング液(クエン酸水溶液)を用い、光ブロック層(エッチストップ層)7まで、クラッド層及び回折格子層のエッチングを行い、リッジ構造を形成する。

0050

詳説すれば、この製造方法は、コンタクト層11上に、共振長方向に延びたパターン(窒化珪素層13)を形成し、このパターンをマスクとして、コンタクト層11、上部第3クラッド層10、回折格子9及び上部第2クラッド層8をエッチングする。これにより、コンタクト層11、上部第3クラッド層10、回折格子9及び上部第2クラッド層8の側面が露出し、また、エッチストップ層7の表面も露出する。この構造の場合、単一のエッチング液を用いてウエット・エッチングを行うことが可能であるため、製造コストを低減させることが可能となる。

0051

次に、図20に示すように、リッジ構造が形成された基板をMOCVD結晶成長炉に導入し、選択埋め込み成長を行い、電流狭窄層12を形成する。電流狭窄層12の材料はn型のAlGaAs(Alの組成比X=0.50)とする。すなわち、エッチストップ層7上の露出領域上に、電流狭窄層12を形成し、この電流狭窄層12によって、コンタクト層11、上部第3クラッド層10、回折格子9及び上部第2クラッド層8の露出した側面を覆う。なお、上部第2クラッド層8、回折格子9、上部第3クラッド層10、及び、コンタクト層11は、いずれもGa及びAsを含有しており、エッチングは、同一のエッチング液によって行われる。このエッチングは、Alの組成比Xが上述の範囲にある場合には、好適に行うことができる。

0052

最後に、電極E1,E1を蒸着により形成し、レーザの背面側に端面膜Rを形成することで、図1図3に示したDFB半導体レーザ100が完成する。

0053

なお、上述の化合物半導体層の形成において、N型の不純物としてはSiを用い、P型の不純物としてはZnを用いることができる。

0054

図21は、上述のDFB半導体レーザの温度特性を示すグラフである。横軸は温度T(℃)、縦軸は光出力Po(mW)と、レーザ光の波長λ(nm)を示している。実線は光出力のデータ、点線は波長のデータを示しており、Aは図4に示した実施例(但し、下部クラッド層の厚みは3μm)、Bは比較例のデータを示している。実施例の駆動電流は250mA、比較例の駆動電流は220mAである。

0055

この比較例では、光ガイド層の厚みを増加させており、下部光ガイド層は500nm、上部光ガイド層は150nmの厚みを有している。この比較例における下部クラッド層の厚みは1.5μm、組成Xは0.43、屈折率nは3.3270であり、下部および上部光ガイド層の組成比Xは0.387、屈折率は3.3533であり、エッチストップ層上にもクラッド層8に代えて光ガイド層(組成X=0.387、厚み350nm)を挿入し、上部第3クラッド層として厚さ1.05μm、組成比X=0.43のクラッド層を導入したものである。垂直方向の放射角θは、計算によれば23.5(deg)、実験によれば23.7±0.2(deg)であった。

0056

実施例の温度特性は、光出力の変化率が比較例よりも小さいという優位性を有している。また、実施例の垂直方向の放射角θは18(deg)であり、実施例及び比較例における波長の変化率は、それぞれ1℃あたり測定範囲の平均で+0.07nm(両方共通)であった。また、実施例及び比較例における光出力の温度変化率は、測定範囲の平均で、それぞれ1℃あたり0.6mWおよび2.8mWであった。なお、実施例では20℃から70℃の温度を変化させ、比較例では0℃から50℃の温度を変化させている。

0057

なお、Bの比較例において、光ガイド層のAlの組成比を38.2%にした場合、垂直方向の放射角θは24.4(deg)(計算)、24.7±0.2(deg)(実験)が得られた。

0058

図22は、上述の実施例に係るDFB半導体レーザの駆動電流If(mA)と光出力Po(mW)の関係を示すグラフである。光出力の微分値SEは0.8〜1.0(W/A)である。温度を上昇させるにしたがって、閾値電流が高くなっていることが分かる。

0059

図23は、実施例に係るレーザの波長依存性を示すものであり、横軸は波長λ(nm)、縦軸は光出力Po(mW)(対数)を示している。光出力50mWのときの、中心波長λは835.52nm、FWHMは0.114(nm)、光出力100mWのときの、中心波長λは855.68nm、FWHMは0.11(nm)、光出力150mWのときの、中心波長λは835.84nm、FWHMは0.148(nm)、光出力200mWのときの、中心波長λは836.32nm、FWHMは0.104(nm)、光出力250mWのときの、中心波長λは836.48nm、FWHMは0.162(nm)、光出力300mWのときの、中心波長λは836.88nm、FWHMは0.144(nm)であり、波長変動が少ないことが分かる。

0060

図24は、上記実施例(YG=90nm)の場合のFFPにおける放射角θ(deg)に対するレーザ光強度I(a.u.)(規格化)の関係を示すグラフである(実験値)。同グラフにおけるFFP−Hは水平方向の光強度分布を示し、FFP−Vは垂直方向の光強度分布を示している。垂直方向の光強度分布のFWHMを与える放射角θは、18.2(deg)、水平方向の放射角θは5.1(deg)であり、光出力Poは100mWである。

0061

図25は、上記Bの比較例の場合の駆動電流If(mA)に対する光出力Po(mW)、光出力微分値SE(W/A)を示すグラフである(実験値)。図9に示した本発明のものよりも閾値が高くなっている。すなわち、本発明は、比較例よりも発振閾値が低い(45mAよりも低い)という優位性を有している。なお、点線は、冷却型パッケージ内に素子を入れた場合の特性を示しており、直線性が向上することがわかる。なお。実線の比較例のデータは、直径9mmの金属パッケージ内に素子を収納した状態で計測したものである。

0062

1・・・半導体基板、2・・・下部クラッド層、3・・・下部光ガイド層、4・・・活性層、5・・・上部光ガイド層、6・・・上部第1クラッド層、7・・・光ブロック層(エッチストップ層)、8・・・上部第2クラッド層、9・・・回折格子、10・・・上部第3クラッド層、11・・・コンタクト層(キャップ層)。

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