DE60313249T2

DE60313249T2 - DFB - Halbleiterlaser zur Erzeugung eines Strahls einer einzigen Wellenlänge

Info

Publication number: DE60313249T2
Application number: DE60313249T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamato-shi Mori; Tomoyuki Atsugi-shi Kikugawa; Yoshio Sagamihara-shi Takahashi; Motoaki Tomuro Atsugi-shi Fujita
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: EP1376789A2; EP1596481A1; US7065123B2; EP1376789B1; DE60313249D1; EP1376789A3; US20040001522A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, und im Spezielleren auf einen Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, der für solche Zwecke wie optische Nachrichtenübertragung und optisches Messen einen Strahl mit einer einzigen Wellenlänge abgibt.
Wie in 21A gezeigt ist, umfasst ein herkömmlicher Halbleiterlaser, der einen Strahl zur Verwendung bei optischer Nachrichtenübertragung und optischem Messen abgibt, zum Beispiel ein Halbleitersubstrat 1, auf dem eine aktive Schicht 2 und eine Kaschierungsschicht 3 epitaxial aufgewachsen sind.
Bei einem solchen Halbleiterlaser wird von jeder Facette der aktiven Schicht 2 ein Strahl 4 abgegeben, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen einer Unterseite des Halbleitersubstrats 1 und einer Oberseite der Kaschierungsschicht 3 angelegt wird.
Bei einer eingehenden Überprüfung kann der Strahl 4, wie in 21B gezeigt, als ein Satz von Strahlen angesehen werden, wovon jeder eine von den anderen Strahlen etwas unterschiedliche Wellenlänge λ hat.
Um den Strahl 4 mit einer einzigen Wellenlänge λ₀ abzugeben, wurde ein wie in 21C gezeigter Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung (DFB – Distributed Feedback) vorgeschlagen, der ein Beugungsgitter 5 umfasst, das nahe der aktiven Schicht 2 und in einer Richtung ausgebildet ist, in welcher der Strahl 4 abgegeben wird.
Wenn bei einem DFB-Halbleiterlaser mit einem darin eingebauten Beugungsgitter 5 davon ausgegangen wird, dass n ein effektiver Brechungsindex eines optischen Wellenleiters und d eine Gitterteilung eines Strahls mit vielen verschiedenen Wellenlängen λ ist, die von der aktiven Schicht 2 erzeugt werden, sollte ein Strahl 4a mit einer einzigen Wellenlänge λ₀ abgegeben werden, der die Bedingung Wellenlänge λ = 2. Größenordnung erfüllen sollte.
Jedoch ist gemäß diesem DFB-Halbleiterlaser, wenn das in diesem ausgebildete Beugungsgitter 5 von einer phasenstetigen Art ist, die, wie in 21C gezeigt, in der Strahlabgaberichtung gleichmäßig ist, die sich ergebende Schwingung im Prinzip keine echte "Einmodenschwingung", die auf der einzigen Wellenlänge λ₀ beruht.
Speziell wird in diesem Fall, wie in 21D gezeigt ist, der Strahl mit der Wellenlänge λ₀, der die Bedingung λ = 2. Größenordnung erfüllt, nicht abgegeben, vielmehr hat der abgegebene Strahl zwei Wellenlängen, λ₊₁ und λ_–1, d.h. Werte, welche die angestrebte Wellenlänge λ₀ zwischen sich einschließen.
In einem Versuch, ein derartiges Problem auszumerzen und die "Einmodenschwingung" zu realisieren, wird eine Phasenverschiebungsstruktur, die λ/4-Phasenverschiebungsstruktur genannt wird, an einem mittleren Punkt des Beugungsgitters 5 ausgebildet, so dass die Phase des Strahls bis zu λ/4 verschoben wird.
Jedoch kann das Beugungsgitter 5 mit der Phasenverschiebungsstruktur an einem mittleren Punkt von diesem nicht in einem losweisen Belichtungsprozess unter Verwendung eines holografischen Lithografieverfahrens hergestellt werden, das für eine Massenfertigung einfach und vorteilhaft ist. Aus diesem Grund benutzen Hersteller ein Fertigungsverfahren des Langzeitnachziehens unter Verwendung von Elektronenstrahllithografie.
Hingegen offenbart die japanische Patentanmeldung Nr. 1781186 (jap. Patentanmeldung KOKOKU, Veröffentlichungsnr. 4-67356, jap. Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnr. 60-192378) einen DFB-Halbleiterlaser, der ein Beugungsgitter verwendet, das durch das holografische Lithografieverfahren ausgebildet wird und doch einen Wirkungsgrad hat, der gleich demjenigen ist, der durch die Gitter mit der λ/4-Verschiebungsstruktur erzielt wird.
Insbesondere hat bei diesem, wie in 22 gezeigten DFB-Halbleiterlaser die aktive Schicht 2 eine Unterseite, die mit einem ersten und einem zweiten Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b und einem flachen Verbindungswellenleiter 7 ausgebildet ist, der den ersten und zweiten Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b als integrierte Struktur auf derselben Ebene verbindet.
Jedes der Beugungsgitter im ersten und zweiten Beugungsgitterwellenleiter 16a, 16b wird durch Anpassen jeweiliger Phasen unter Verwendung des holografischen Lithografieverfahrens ausgebildet, um als Teil eines virtuellen Beugungsgitters zu dienen.
Der Verbindungswellenleiter 7 hat eine spezifische Fortpflanzungscharakteristik. Speziell im Vergleich mit dem Fall, bei dem der Verbindungswellenleiter 7 dieselbe Struktur hat wie der erste und zweite Beugungsgitterwellenleiter, wird die Phase des durchlaufenden Strahls von π multipliziert mit einer ganzen Zahl verschoben.
Es ist anzumerken, dass das diesbezügliche Dokument beschreibt, dass nach diesem DFB-Halbleiterlaser "die Phase des Strahls, der vom ersten Beugungsgitterwellenleiter 6a zum zweiten Beugungsgitterwellenleiter 6b verläuft, von π multipliziert mit einer ganzen Zahl verschoben wird". Es ist jedoch offensichtlich, dass ein gefertigter DFB-Halbleiterlaser eine höhere Wahrscheinlichkeit aufweist, einen Strahl mit einer einzigen Wellenlänge abzugeben, wenn "die Phase des Strahls, der vom ersten Beugungsgitterwellenleiter 6a zum zweiten Beugungsgitterwellenleiter 6b verläuft, von π multipliziert mit einem halben Wert einer ungeraden ganzen Zahl verschoben wird (π/2, 3π/2, 5π/2, ...)".
Dennoch blieben bei dem DFB-Hableiterlaser mit dem in 22 gezeigten Aufbau noch die folgenden Probleme zu lösen.
Als Erstes erfolgt eine Erörterung zur Länge L des Verbindungswellenleiters 7, bei der es sich um eine Verschiebungsfunktion der Phase des Strahls verschoben von π multipliziert mit einer ganzen Zahl handelt, der vom ersten Beugungsgitterwellenleiter 6a zum zweiten Beugungsgitterwellenleiter 6b verläuft.
Im Allgemeinen wird beim Verbindungswellenleiter 7 die Phase eines Strahls, der im Verbindungswellenleiter 7 verläuft, im Vergleich zu dem Fall verschoben, bei dem statt dessen ein Beugungsgitter eingesetzt ist. Und zwar, weil der strukturelle Unterschied im optischen Wellenleiter, d.h. das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Beugungsgitters, einen leichten Unterschied bei der Strahlfortpflanzungskonstante hervorruft, welche der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Strahls entspricht.
Mit anderen Worten ist die Strahlfortpflanzungskonstante durch einen effektiven Brechungsindex n bestimmt, auf den der sich fortbewegende Strahl anspricht.
Nun hängt mit Bezug auf 23 der Unterschied zwischen der Fortpflanzungskonstante des in den Beugungsgitterwellenleitern 6a, 6b verlaufenden Strahls und der Fortpflanzungskonstante des im Verbindungswellenleiter 7 verlaufenden Strahls von einem Unterschied (n₀ – n₁) zwischen einem effektiven Brechungsindex n₁ des Verbindungswellenleiters 7 und einem mittleren effektiven Brechungsindex n₀ der Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b ab.
Darüber hinaus hängt der Unterschied (n₀ – n₁) beim effektiven Brechungsindex von einem Unterschied (h₀ – h₁) zwischen einer Dicke h₁ des Verbindungswellenleiters 7 und einer mittleren Dicke h₀ ab, die durch gleichzeitiges Berücksichtigen einer Tiefe von Rillen abgeleitet wird, die zwischen den jeweiligen Beugungsgittern der Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b bestehen.
Mit anderen Worten muss, damit der Phasenverschiebungsbetrag des Strahls, der im Verbindungswellenleiter 7 verläuft, nahe an π multipliziert mit einem halben Wert einer ungeraden ganzen Zahl (π/2, 3π/2, 5π/2, ...) liegt, eine genaue Steuerung am Unterschied (h₀ – h₁) vorgenommen werden.
Jedes der Gitter der Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b dieses DFB-Halbleiterlasers wird im Allgemeinen durch Batzen hergestellt.
Im Speziellen hängt die mittlere Dicke h₀ der Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b von der durch Ätzen ausgebildeten Rillen ab, und hängt deshalb von der Genauigkeit des Ätzvorgangs ab, der beim Fertigungsprozess des DFB-Halbleiterlasers durchgeführt wird.
Im Ergebnis ist es möglich, für eine genaue Steuerung des Phasenverschiebungsbetrags des Strahls zu sorgen, der im Verbindungswellenleiter 7 verläuft, und es besteht dahingehend ein Problem, dass der gefertigte DFB-Halbleiterlaser eine niedrige Wahrscheinlichkeit aufweist, mit einer einzigen Wellenlänge zu schwingen, was bedeutet, dass der Produktertrag bei der Fertigung gering ist.
Da darüber hinaus die Dicke h₁ des Verbindungswellenleiters 7 konstant ist, und auch die mittlere Dicke h₀ der Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b konstant ist, ist der Unterschied (h₀ – h₁) konstant.
Im Ergebnis wird die Länge L des Verbindungswellenleiters 7 für den Verschiebungsbetrag des Strahls, der im Verbindungswellenleiter 7 verläuft, auf einen im Wesentlichen festen Wert festgelegt, um einen Wert zu haben, der gleich π multipliziert mit einem halben Wert einer ungeraden ganzen Zahl (π/2, 3π/2, 5π/2, ...) ist.
Darüber hinaus hat gemäß dem in 22 gezeigten herkömmlichen DFB-Halbleiterlaser der Unterschied (n₀ – n₁) aufgrund eines feststehenden Unterschieds in der Querschnittsform zwischen dem Verbindungswellenleiter 7 und den Beugungsgitterwellenleitern 6a, 6b einen konstanten Wert.
Im Ergebnis muss die Länge L des Verbindungswellenleiters, wenn die Strahlenwellenlänge λ₀ 2π beträgt, so eingestellt werden, dass sie so nah wie möglich an einen der Werte herankommt, die sich durch π multipliziert mit einem halben Wert einer ungeraden ganzen Zahl (π/2, 3π/2, 5π/2, ...) ergeben, was bedeutet, dass der Wert der Länge L des Verbindungswellenleiters nicht optional gewählt werden kann.
Wenn die Länge L des Verbindungswellenleiters bei dem DFB-Halbleiterlaser nicht optional gewählt werden kann, der die Beugungsgitterwellenleiter 6a, 6b in der Strahlabgaberichtung voneinander getrennt aufweist, treten nun die folgenden Probleme auf.
Erstens, wenn die Länge L des Verbindungswellenleiters nicht frei gewählt werden kann, beeinträchtigt diese Einschränkung die Gesamtgröße und -form des DFB-Halbleiterlasers, und dementsprechend ist die Freiheit für die Bauteilauslegung begrenzt.
Zweitens, wenn die Länge L des Verbindungswellenleiters kurz ist, ist die Stärke des Strahls, der vom DFB-Halbleiterlaser abgegeben wird, gering.
Wenn speziell, wie in den 24A und 24B gezeigt, die Länge L des Verbindungswellenleiters kurz ist, hat der in diesem DFB-Halbleiterlaser erzeugte Strahl eine Stärkenverteilungskennlinie, die durch eine Kurve dargestellt wird, die etwas wie ein Berg oder eine Welle aussieht.
Dies bedeutet, dass die Strahlabgabestärke P₀ des Strahls 4, der aus den beiden Enden des DFB-Halbleiterlasers abgegeben wird, gesenkt ist.
Da darüber hinaus ein räumlicher Defektelektroneneinbrennvorgang induziert wird, kann auch oftmals eine Herabsetzung der Stärke des abgegebenen Strahl oder der Strahlenspektrumsbreite ausgelöst werden.
Ist hingegen die Länge L des Verbindungswellenleiters lang, nimmt die Gesamtgröße des DFB-Halbleiterlasers zu und die Anzahl an pro Wafer gefertigter Bauteile sinkt, so dass die Herstellungskosten für das Bauteil steigen.
Bei genauer Beobachtung tritt darüber hinaus beim DFB-Halbleiterlaser eine Diskontinuität im effektiven Brechungsindex n an der Grenzfläche zwischen den Beugungsgitterwellenleitern 6a, 6b und dem Verbindungswellenleiter 7 auf.
Deshalb wird ein Teil des Strahls 4, der in der aktiven Schicht 2 entsteht und sich in den Beugungsgitterwellenleitern 6a, 6b und dem Verbindungswellenleiter 7 in Richtung auf den Hohlraum fortpflanzt, von dieser Grenzfläche reflektiert.
Im Ergebnis besteht insofern ein Problem, als es schwierig ist, die vorstehend beschriebene "Einmodenschwingung" zu erzielen.
Die JP 09 307 179 bezieht sich auch auf einen Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung und Phasenverschiebung.
Die vorliegende Erfindung wurde unter den vorstehend beschriebenen Umständen gemacht, und deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen DFB-Halbleiterlaser bereitzustellen, bei dem die Ausgangswellenlänge mit hoher Genauigkeit auf eine gewünschte Wellenlänge eingestellt, die Ausgangswellenlängenstabilität verbessert und der Ertrag bei der Fertigung gesteigert werden kann.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen DFB-Halbleiterlaser bereitzustellen, bei dem die Länge einer Verbindungsschicht optional so eingestellt werden kann, dass die Strahlenstärke des abgegebenen Strahls mühelos erhöht, die Strahlenspektrallinienbreite verengt und der Pegel der Einmodenschwingung des abgegebenen Strahls verbessert werden kann.
Um die vorstehende Aufgabe zu erfüllen, wird nach der wie in den Ansprüchen 1 bis 7 definierten vorliegenden Erfindung ein Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
ein Halbleitersubstrat (11);
eine erste und eine zweite Beugungsgitterschicht (12a, 12b), die über dem Halbleitersubstrat vorgesehen und in einer Abgaberichtung eines Strahls (23) voneinander beabstandet sind, um einen Teil eines virtuellen Beugungsgitters (16) mit einer konstanten Gitterteilung und einer kontinuierlichen Phase zu bilden;
eine flache Verbindungsschicht (13), die sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) eingeschlossen ist;
eine aktive Schicht (18), die über oder unter der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) und der Verbindungsschicht (13) angeordnet ist; und
eine Kaschierungsschicht (19), die über der aktiven Schicht angeordnet ist,
wobei das Beugungsgitter der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht mehrere Schlitze (15) aufweist, die von einer Oberseite zu einer Unterseite durchdringen und senkrecht zur Abgaberichtung des Strahls sind, und
die Verbindungsschicht aus zwei Schichten (13a, 13b) besteht, die in einer Richtung senkrecht zur Abgaberichtung des Strahls epitaxial aufgewachsen sind, wobei eine (13a) der beiden Schichten aus demselben Material besteht wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht.
1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Einstellen einer Länge einer Verbindungsschicht in dem in 1 gezeigten DFB-Halbleiterlaser;
die 3A und 3B sind Ansichten zur Erläuterung eines Verhältnisses zwischen der Länge der Verbindungsschicht und der Strahlstärkenverteilungskennlinie bei dem in 1 gezeigten DFB-Halbleiterlaser;
4 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Strahlabgabekennlinie beim DFB-Halbleiterlaser von 1;
5 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 7A bis 7H sind Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für den DFB-Halbleiterlaser nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 8A bis 8C sind Ansichten zur Erläuterung von Schutzschichtstrukturen zur Verwendung bei der Ausbildung von Beugungsgittern für den DFB-Halbleiterlaser nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Einstellen einer Länge einer Verbindungsschicht in dem in 9 gezeigten DFB-Halbleiterlaser;
die 11A und 11B sind Ansichten zur Erläuterung eines Verhältnisses zwischen der Länge der Verbindungsschicht und der Strahlstärkenverteilungskennlinie bei dem in 9 gezeigten DFB-Halbleiterlaser;
12 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Strahlabgabekennlinie beim DFB-Halbleiterlaser von 9;
13 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 19A bis 19H sind Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für den DFB-Halbleiterlaser nach der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 20A bis 20C sind Ansichten zur Erläuterung von Schutzschichtstrukturen zur Verwendung bei der Ausbildung von Beugungsgittern für den DFB-Halbleiterlaser nach der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 21A bis 21D sind Ansichten zur Erläuterung von Funktionsprinzipien eines herkömmlichen DFB-Halbleiterlasers;
22 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung des herkömmlichen DFB-Halbleiterlasers;
23 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Einstellen einer Länge eines Verbindungswellenleiters beim herkömmlichen DFB-Halbleiterlaser; und
die 24A und 24B sind Ansichten zur Erläuterung von Problemen beim herkömmlichen DFB-Halbleiterlaser.
Nun wird im Einzelnen Bezug auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, worin gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat 11 der n-Art aus InP und eine erste Beugungsgitterschicht 12a der n-Art aus InGaAsP, eine Verbindungsschicht 13 und eine zweite Beugungsgitterschicht 12b der n-Art aus InGaAsP, die auf einer Oberseite des Halbleitersubstrats 11 ausgebildet sind.
Jede erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b umfasst mehrere Stäbe 14 und mehrere zwischen den Stäben bestehende Schlitze 15.
In diesem Fall bilden alle Stäbe 14 und alle Schlitze 15, die in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b enthalten sind, ein virtuelles Beugungsgitter 16, das eine konstante Gitterteilung (Pitch) und eine stetige Phase besitzt.
Ein Brechungsindex der Stäbe 14, welche die erste und zweite Beugungsgitterschichten 12a, 12b bilden, ist so eingestellt, dass er höher ist als derjenige des Halbleitersubstrats 11.
Die Verbindungsschicht 13, die den Raum zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b füllt, umfasst eine untere Schicht 13a, die aus demselben Material besteht wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b, und eine obere Schicht 13b, die aus demselben Material besteht wie das Halbleitersubstrat 11.
Eine Pufferschicht 17 aus demselben Material wie das Halbleitersubstrat 11 ist auf den Oberseiten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b und der Verbindungsschicht 13 ausgebildet.
Die untere Schicht 13b der Verbindungsschicht 13 und die Pufferschicht 17 sind in einem Stück miteinander ausgebildet.
Die Pufferschicht 17 hat eine Oberseite, die mit einer aktiven Schicht 18 ausgebildet ist, die eine untere SCH-Schicht (SCH – Separated Confinements Heterostructure), also eine Schicht mit einer Heterostruktur mit abgetrennter Umschließung, eine MQW-Schicht (MQW – Multi Quantum Well, also eine Mehrquantentopf-Schicht, und eine obere SCH-Schicht umfasst, wovon jede aus einer geeigneten Kombination aus InGaAsP besteht.
Eine Kaschierungsschicht 19 der p-Art aus InP ist auf einer Oberseite der aktiven Schicht 18 ausgebildet.
Eine p-Elektrode 20 ist auf einer Oberseite der Kaschierungsschicht 19 vorgesehen, und eine n-Elektrode 21 ist auf einer Unterseite des Halbleitersubstrats 11 ausgebildet.
Darüber hinaus sind reflexionsmindernde Schichten 22a, 22b auf Facetten der aktiven Schicht 18, von denen ausgehend ein Einmodenstrahl 23 abgegeben wird, und auf Facetten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b ausgebildet.
Anzumerken ist, dass eine Kontaktschicht, die aus der p-Art aus InGaAsP oder der p-Art aus InGaAs bestehen kann, zwischen der Kaschierungsschicht 19 und der p-Elektrode 20 eingesetzt sein kann.
Bei dem wie vorstehend aufgebauten DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform der Erfindung emittiert die aktive Schicht 18 einen Strahl mit mehreren Wellenlängen, wenn ein vorbestimmter Strom zwischen der P-Elektrode 20 und der n-Elektrode 21 eingeleitet wird.
Ein Verfahren zur Einstellung der Länge L der Verbindungsschicht 13 im DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform wird wie in 2 gezeigt ausgeführt.
Wenn der Unterschied (n₀ – n₁) beim effektiven Brechungsindex, d.h. der Unterschied (t₀ – t₁) zwischen der mittleren Dicke t₀ der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b und der Dicke t₁ der oberen Schicht 13a kleiner ist, ist die Länge L der Verbindungsschicht 13 größer.
Indem die Länge L der Verbindungsschicht 13 vergrößert wird, wird es möglich, die Stärke des von diesem DFB-Halbleiterlaser abgegebenen Strahls 23 zu erhöhen und die Spektrumsbreite schmäler zu machen.
Indem somit, wie in 3A und 3B gezeigt, der Strecke L der Verbindungsschicht 13 ein hoher Wert verliehen wird, hat der Strahl 23, der im DFB-Halbleiterlaser vor- und zurückverläuft, eine Stärkenverteilungskennlinie 24, die durch eine Kurve mit einem breiten Plateau im Mittelabschnitt dargestellt wird, was zu einem reduzierten räumlichen Defektelektroneneinbrennvorgang, einer höheren Leistung und schmaler Spektrumsbreite führt.
Darüber hinaus wird es, wie in 4 gezeigt, möglich, eine Leistungskennlinie 25 des Strahls im Hinblick auf den angelegten Strom zu verbessern. Insbesondere kann im Vergleich zur einer Leistungskennlinie 25a des herkömmlichen DFB-Halbleiterlasers das lineare Ansprechen verbessert werden.
Da darüber hinaus die obere Schicht 13a der Verbindungsschicht 13 aus demselben Material besteht wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b, unterscheidet sich der effektive Brechungsindex n₁ der Verbindungsschicht 13 nicht sehr vom effektiven Brechungsindex n₀ der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b.
Im Ergebnis gibt es keine breite Schwankung in Bezug auf den effektiven Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen der Verbindungsschicht 13 und der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b. Deshalb wird die Reflexion des Strahls 23 an der Grenzfläche unterdrückt, und somit wird es möglich, die Mischresonanz zu unterdrücken, wodurch die Einmodenschwingung verbessert wird.
Zusätzlich besitzt das Beugungsgitter 16, das durch die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b bereitgestellt wird, mehrere Schlitze 15, die von der Ober- zur Unterseite vordringen und senkrecht zur Strahlabgaberichtung sind.
Für gewöhnlich umfasst ein Beugungsgitter mehrere Stäbe und mehrere Rillen, die zwischen den Stäben bestehen. Nach der vorliegenden Ausführungsform besteht jedoch jede Rille zwischen den Stäben 14 aus einem Schlitz 15, der von der Ober- zur Unterseite vordringt.
Ein solcher Aufbau, bei dem die Rille zwischen jedem Paar von Stäben 14 durch einen Schlitz 15 bereitgestellt wird, führt zu einer besseren Genauigkeit von Form und Größe, wenn das Beugungsgitter mittels Ätzen ausgebildet wird.
Speziell wird die Inkonsistenz des effektiven Brechungsindex n₀ der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b zwischen den Bauteilen reduziert, und der Wert siedelt sich in einem feststehenden Bereich an.
Dies verbessert die Genauigkeit beim Betrag der Phasenverschiebung ϕ, was zu einer verbesserten Wellenlängenstabilität des abgegebenen Strahls 23 führt.
Es ist festzuhalten, dass beim DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b unter der aktiven Schicht 18 angeordnet sind. Deshalb braucht, wenn ein Halbleitersubstrat von der n-Art verwendet wird, keine Fläche auf der Seite von p mehr aufgewachsen zu werden. Somit ist es möglich, eine Kennlinienherabsetzung auszuschalten, die durch Aufstapeln von Si verursacht wird.
(Zweite Ausführungsform)
5 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 5 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Wie in 5 gezeigt ist, umfasst der DFB-Halbleiterlaser nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat 11 der n-Art aus InP, das eine Oberseite hat, die mit einer aktiven Schicht 18 ausgebildet ist, die eine untere SCH-Schicht, eine MQW-Schicht und eine obere SCH-Schicht enthält, die jeweils aus einer geeigneten Kombination von InGaAsP bestehen.
Eine Pufferschicht 17, die aus demselben Material besteht wie eine Kaschierungsschicht 19, ist auf einer Oberseite der aktiven Schicht 18 ausgebildet.
Eine erste Beugungsgitterschicht 12a der p-Art aus InGaAsP, eine Verbindungsschicht 13, und eine zweite Beugungsgitterschicht 12b der p-Art aus InGaAsP sind auf einer Oberseite der Pufferschicht 17 ausgebildet.
Jede erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b umfasst mehrere Stäbe 14 und mehrere zwischen den Stäben bestehende Schlitze 15.
Damit bilden alle Stäbe 14 und alle Schlitze 15, die in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b enthalten sind, ein virtuelles Beugungsgitter 16, das eine konstante Gitterteilung (Pitch) und eine stetige Phase besitzt.
Ein Brechungsindex der Stäbe 14, welche die erste und zweite Beugungsgitterschichten 12a, 12b bilden, ist so eingestellt, dass er höher ist als derjenige der Kaschierungsschicht 19.
Die Verbindungsschicht 13, die den Raum zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b füllt, umfasst eine untere Schicht 13a, die aus demselben Material besteht wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b, und eine obere Schicht 13b, die aus demselben Material besteht wie die Kaschierungsschicht 19.
Die Kaschierungsschicht 19, die aus der p-Art aus InP besteht, ist auf den Oberseiten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b und der Verbindungsschicht 13 ausgebildet.
Die untere Schicht 13b der Verbindungsschicht 13 und die Kaschierungsschicht 19 sind in einem Stück miteinander ausgebildet.
Eine p-Elektrode 20 ist auf der Kaschierungsschicht 19 vorgesehen, und eine n-Elektrode 21 ist auf einer Unterseite des Halbleitersubstrats 11 ausgebildet.
Darüber hinaus sind reflexionsmindernde Schichten 22a, 22b auf Facetten der aktiven Schicht 18, von denen ausgehend ein Einmodenstrahl 23 abgegeben wird, und auf Facetten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b ausgebildet.
Anzumerken ist, dass eine Kontaktschicht, die aus der p-Art aus InGaAsP oder der p-Art aus InGaAs bestehen kann, zwischen der Kaschierungsschicht 19 und der p-Elektrode 20 eingesetzt sein kann.
Bei dem wie vorstehend aufgebauten DFB-Halbleiterlaser nach der zweiten Ausführungsform emittiert die aktive Schicht 18 einen Strahl mit mehreren Wellenlängen, wenn ein vorbestimmter Strom zwischen der p-Elektrode 20 und der n-Elektrode 21 eingeleitet wird.
Deshalb hat der DFB-Halbleiterlaser nach der zweiten Ausführungsform dahingehende dieselbe Fähigkeit wie der DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform, dass die Länge L der Verbindungsschicht 13 in der Fortpflanzungsrichtung des Strahls 23 wünschenswerter Weise größer eingestellt werden kann. Somit kann der DFB-Halbleiterlaser nach der zweiten Ausführungsform allgemein dieselben Funktionen und Vorteile bieten, wie sie mit dem in 1 gezeigten DFB-Halbleiterlaser erzielt werden.
Es sollte festgehalten werden, dass beim DFB-Halbleiterlaser nach der zweiten Ausführungsform die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b über der aktiven Schicht 18 angeordnet sind. Aus diesem Grund ist nur ein Aufwachszyklus zur Ausbildung der aktiven Schicht 18 durch die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b hindurch notwendig, was den Vorteil bietet, dass eine Schicht weniger aufgezogen werden muss.
Darüber hinaus kann die aktive Schicht 18 zuerst aufgezogen werden, und dann kann die Gitterteilung (Pitch) im Beugungsgitter der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b eingestellt werden.
(Dritte Ausführungsform)
6 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 6 sind Bestandteile, die gleich denen beim in 1 gezeigten DFB-Halbleiterlaser nach der ersten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Wie in 6 gezeigt ist, ist beim DFB-Halbleiterlaser nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kopplungsgüte κ₁ in einem Beugungsgitter 16a einer ersten Beugungsgitterschicht 12a und eine Kopplungsgüte κ₂ in einem Beugungsgitter 16b einer zweiten Beugungsgitterschicht 12b auf voneinander unterschiedliche Werte eingestellt.
Darüber hinaus ist beim DFB-Halbleiterlaser nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Volumenverhältnis v₁ pro Gitterteilung d im Beugungsgitter 16a der ersten Beugungsgitterschicht 12a, bei dem es sich um ein Verhältnis des Volumens des Stabs 14 und des Volumens der anderen Teile einschließlich des Schlitzes 15 handelt, ein anderer Wert als der eines Volumenverhältnisses v₂ im Beugungsgitter 16b der zweiten Beugungsgitterschicht 12b.
Da die Stäbe 14 und die Schlitze 15 des ersten und zweiten Beugungsgitters 16a, 16b in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 12a, 12b jeweils aus demselben Material bestehen, steuern die Volumenverhältnisse v₁ und v₂ jeweils zu den Kopplungsgüten κ₁ und κ₂ bei, wenn die durch den Brechungsindex bewirkten Einflüsse vernachlässigt werden.
Insbesondere bilden die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b, die durch die Verbindungsschicht 13 voneinander beabstandet sind, einen Teil des virtuellen Beugungsgitters 16, das eine konstante Gitterteilung (Pitch) d und einen stetige Phase hat, jedoch sind das erste und zweite Beugungsgitter 16a, 16b, die durch die erste bzw. zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b bereitgestellt werden, in ihrer Form verschieden voneinander.
Bei jedem ersten und zweiten Beugungsgitter 16a, 16b umfasst die Gitterteilung d einen Stab 14 und einen Schlitz (oder eine Rille) 15.
Damit wird das vorbestimmte Volumenverhältnis v für eine wie vorstehend beschriebene Gitterteilung d, d.h. das Verhältnis zwischen dem Volumen des Stabs 14 und dem Volumen der anderen Teile als dem Stab 14, einschließlich des Schlitzes 15 festgelegt.
In diesem Fall wird das Volumenverhältnis v durch die Breite des Stabs in der Vorlaufrichtung des Strahls 23, die Höhe des Stabs 14, die Breite des Stabs 14 in der zur Vorlaufrichtung des Strahls 23 senkrechten Richtung, usw. bestimmt.
Nach der in 6 gezeigten Ausführungsform hat die Höhe des Stabs 14 in der Vorlaufrichtung des Strahls 23 einen höheren Wert im Beugungsgitter 16a der ersten Beugungsgitterschicht 12a als im Beugungsgitter 16b der zweiten Beugungsgitterschicht 12b. Auf diese Weise wird das Volumenverhältnis v₁ beim Beugungsgitter 16a der ersten Beugungsgitterschicht 12a anders ausgelegt als das Volumenverhältnis v₂ beim Beugungsgitter 16b der zweiten Beugungsgitterschicht 12b (v₁ > v₂).
Deshalb unterscheidet sich die Kopplungsgüte κ₁ der ersten Beugungsgitterschicht 12a von der Kopplungsgüte κ₂ der zweiten Beugungsgitterschicht 12b (κ₁ > κ₂).
Im Ergebnis ist der Strahlenreflexionsindex im Beugungsgitter 16a der ersten Beugungsgitterschicht 12a ein anderer als derjenige des Beugungsgitters 16b der zweiten Beugungsgitterschicht 12b.
Dies ermöglicht es, die Stärke des Strahls 23a, der von der Facette auf der Seite der ersten Beugungsgitterschicht 12a abgegeben wird, von der Stärke des Strahls 23b zu unterscheiden, der von der Facette auf der Seite der zweiten Beugungsgitterschicht 12b abgegeben wird.
Somit wird es möglich, die Stärke des von einer Facette des DFB-Halbleiterlasers abgegebenen Strahls im Vergleich zu dem von der anderen Facette abgegebenen Strahl absichtlich zu erhöhen.
Nach der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Stärke des Strahls 23b, der von der Facette auf der Seite der zweiten Beugungsgitterschicht 12b abgegeben wird, höher eingestellt als diejenige des Strahls 23a, der von der Facette auf der Seite der ersten Beugungsgitterschicht 12a abgegeben wird.
Es ist festzuhalten, dass nach der in 6 gezeigten Ausführungsform die Stärke des Strahls 23b, der von der Facette auf der Seite der zweiten Beugungsgitterschicht 12b abgegeben wird, dadurch höher ausgelegt ist, dass der reflexionsmindernden Beschichtung 22b, die an der Facette der zweiten Beugungsgitterschicht 12b ausgebildet ist, ein geringerer Reflexionsindex verliehen wird als der reflexionsmindernden Beschichtung 22a, die an der Facette der ersten Beugungsgitterschicht 12 ausgebildet ist.
In diesem Fall kann die reflexionsmindernde Beschichtung 22a, die an der Facette auf der Seite der ersten Beugungsgitterschicht 12a ausgebildet ist, eine hoch reflektierende Beschichtung sein oder kann als Facette belassen sein.
Es ist festzuhalten, dass sich die Kopplungsgüte κ₁ im Beugungsgitter 16a der ersten Beugungsgitterschicht 12a von der Kopplungsgüte κ₂ im Beugungsgitter 16b der zweiten Beugungsgitterschicht 12b unterscheiden lässt.
Die 7A bis 7H sind Ansichten zur Erläuterung von Schritten bei der Herstellung des DFB-Halbleiterlasers, bei dem das Volumenverhältnis v₁ (Kopplungsgüte κ₁) beim Beugungsgitter 16a der ersten Beugungsgitterschicht 12a vom Volumenverhältnis v₂ (Kopplungsgüte κ₂; κ₁ < κ₂) beim Beugungsgitter 16b der zweiten Beugungsgitterschicht 12b unterschiedlich ausgelegt ist. Die Ansichten stellen Schritte bis zur Ausbildung des ersten und zweiten Beugungsgitters 16a, 16b dar.
Nachstehend erfolgt mit Bezug auf die 7A bis 7H eine Beschreibung für einen solchen DFB-Halbleiterlaser nach der in 6 gezeigten dritten Ausführungsform, d.h. für einen Fall, bei dem die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b unter der aktiven Schicht 18 ausgebildet werden.
Als Erstes werden, wie in 7A und 7B gezeigt, die erste und zweite Beugungsgitterschicht 12a, 12b auf einem Halbleitersubstrat 11 der n-Art aus InP hergestellt. Eine Schicht der n-Art aus InGaAsP zur Erzeugung einer Wellenlänge von 1,08 μm wird auf eine Dicke von 0,1 μm aufgezogen. Auf diese Schicht wird ein Elektronenstrahlschutzlack (z.B. ZEP-520, hergestellt von Zeon Corporation) bis zu einer Dicke von 0,2 μm aufgetragen.
Nach einer Wärmebehandlung erfolgt das Beugungsgitterstrukturnachziehen mittels Elektronenstrahllithografie.
Die 7C und 7D zeigen eine Nachziehstruktur und Nachziehbedingungen nach der dritten Ausführungsform, wobei die Gitterteilung (Pitch) d der Beugungsgitter 16a, 16b auf 240 nm eingestellt ist.
Die Nachziehbedingungen beinhalten, dass bei der Bearbeitung des Chips eine relativ hohe Dosierung (z.B. ca. 0,45 nC/cm) für die erste Beugungsgitterschicht 12a verwendet wird (linke Seite in 7C und 7D), die als Abgabeseite dient, wohingegen eine relativ geringe Dosierung (z.B. ca. 0,3 nC/cm) für die zweite Beugungsgitterschicht 12b auf der anderen Seite verwendet wird, wodurch der Elektronenstrahl abgestrahlt wird.
In diesem Fall können die Umgebungszonen durch den Elektronenstrahl oder ultraviolette Strahlen belichtet werden.
Die auf diese Weise nachgezogene Beugungsgitterstruktur wird dann entwickelt.
Wie in 7E und 7F gezeigt ist, ergibt die Schutzlackstruktur nach dem Entwickeln einen vorbestimmten Schlitz 15 von ca. 140 nm für eine Zone mit hoher Dosierung und ca. 70 nm für eine Zone niedriger Dosierung zwischen jedem Paar von Stäben 14 im ersten und zweiten Beugungsgitter 16a, 16b.
In diesem Zustand erfolgt der Ätzvorgang ca. 20 Sekunden lang unter Verwendung einer wässrigen Lösung aus gesättigtem Bromwasser und Phosphorsäure.
Dann werden die wie in 7G und 7H gezeigten Querschnittsformen erhalten. Aufgrund der Erwärmung im darauffolgenden Kristallaufziehschritt wird der Unterschied bei der Breite der Stäbe 14 auf den Unterschied bei der Höhe der Stäbe 14 übertragen.
Auf diese Weise erfolgt die Herstellung für einen DFB-Halbleiterlaser mit einem Aufbau, bei dem das Volumenverhältnis v₁ des Beugungsgitters 16a auf der Strahlabgabeseite gering ist, während das Volumenverhältnis v₂ des Beugungsgitters 16b auf der anderen Seite hoch ist; (v₁ < v₂).
In einer Verbindungsschicht 13 in der Mitte wird sein gesamter Schutzlack entfernt. Aus diesem Grund ist die Ätzrate für diese Zone am niedrigsten, wobei eine dünne InGaAsP-Schicht der n-Art als untere Schicht 13b zurückbleibt.
Als andere Verfahren als die Dosierung zu ändern, ist es hingegen möglich, ein Phänomen zu nutzen, bei dem sich die Ätzrate beim Ätzen je nach dem freiliegenden Bereich des Wafers verändert.
Speziell wenn ein Bereich der Waferoberfläche, die mit Ätzhemmern wie einem Schutzlack oder einer dielektrischen Beschichtung bedeckt ist, groß und ein zu ätzender Bereich klein ist, ist die Ätzrate hoch. Andererseits ist die Ätzrate niedrig, wenn ein großer Bereich geätzt wird. Dieses Phänomen ist beispielsweise bei der Verwendung der vorstehend erwähnten wässrigen Lösung aus gesättigtem Bromwasser und Phosphorsäure allgemein bekannt.
Indem diese Eigenschaft bei der Herstellung der wie in den 8A, 8B und 8C gezeigten Schutzlackstrukturen 31, 32, 33 genutzt wird, ist es möglich, die Beugungsgitter teilweise mit unterschiedlichen Volumenverhältnissen v auszubilden.
Wie in 8A gezeigt ist, wird die Ätzrate niedriger, wenn das Ätzen nach dem Entfernen eines umgebenden Schutzlacks 31a der Schutzlackstruktur 31 erfolgt.
In diesem Fall ist, auch wenn keine Elektronenstrahllithografie verwendet wird, eine Herstellung im Interferometerbelichtungsverfahren möglich.
Wie in 8B gezeigt ist, kann die Ätzrate gesteuert werden, indem die Breite von Gitterstrukturen 32a, 32b (z.B. 20 μm für die Gitterstruktur 32a und 100 μm für die Gitterstruktur 32b) in der Schutzlackstruktur 32 in der zur Strahlfortpflanzungsrichtung senkrechten Richtung verändert wird.
Darüber hinaus kann die Restdicke der GaAsP-Schicht der n-Art (die Dicke der unteren Schicht 13a) der Verbindungsschicht 13 wie in 8C gezeigt, gesteuert werden, indem ein Umgebungsschutzlack 33c der Schutzlackstruktur 33 nicht entfernt, sondern als Teil der Ätzmaske belassen wird.
Speziell in diesem Fall kann die Ätzrate gesteuert werden, indem der bloßliegende Bereich gesteuert wird. Deshalb ist es möglich, die Ätztiefe zu steuern, die zu dem Zeitpunkt erreicht werden soll, zu dem das Beugungsgitter bis zum InP-Substrat geätzt wurde (ca. 30 Sekunden).
In diesem Fall wird die Gitterstrukturbreite dadurch unterschiedlich ausgelegt, dass der Gitterstruktur 33a eine Breite von 20 μm verliehen wird, im Vergleich zu einer Breite von 100 μm für die Gitterstruktur 33b.
Die vorstehende Beschreibung erfolgte für einen Fall, bei dem positive Schutzschichten verwendet werden. Selbiges trifft jedoch auch auf einen Fall zu, bei dem negative Schutzschichten verwendet werden.
Darüber hinaus muss in beiden Fällen der Schutzlack nicht unbedingt direkt auf die InGaAsP-Schicht der n-Art aufgetragen werden. Beispielsweise kann eine 30 nm dicke InP-Schicht der n-Art dazwischengesetzt und das Ätzen in zwei Schritten unter Verwendung eines selektiven Ätzmittels durchgeführt werden.
In diesem Fall erfolgt das Ätzen, wobei der Schutzlack als Ätzmaske dient, ca. 5 Sekunden lang in einem ätzmittelhaltigen gesättigten Bromwasser, um die InP-Schicht teilweise zu entfernen.
Dann kann, was die freiliegende InGaAsP-Schicht der n-Art betrifft, das Ätzen unter Verwendung der InP-Schicht der n-Art als Ätzmaske in einer wässrigen Lösung erfolgen, die beispielsweise Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid enthält.
Gemäß dem vorstehenden Verfahren ätzt die wässrige Lösung, die Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid enthält, selektiv nur die InGaAsP-Schicht. Dies kann vorteilhafter Weise insbesondere bei der Ausbildung eines Beugungsgitters auf der aktiven Schicht stattfinden, weil der Ätzvorgang an der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und der InP-Fläche aufhört, wodurch es möglich wird, ein ungewolltes Überätzen in die aktive Schicht zu verhindern.
Wie beschrieben wurde, sind bei den DFB-Halbleiterlasern nach der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Schlitze zwischen den Stäben der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht vorgesehen, und ein Teil der Verbindungsschicht besteht aus demselben Material wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht.
Deshalb ist es möglich, die Wellenlänge des abgegebenen Strahls genau auf eine gewünschte Wellenlänge einzustellen, ein räumliches Defektelektroneneinbrennen kann verhindert werden, die Stärke des abgegebenen Strahls kann problemlos erhöht werden, es können Verbesserungen an der Spektrumsbreite und der Wellenlängenstabilität des abgegebenen Strahl vorgenommen werden, und der Ertrag bei der Herstellung kann verbessert werden.
(Vierte Ausführungsform)
9 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 9 gezeigt ist, umfasst der DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat 111 der n-Art aus InP, das eine Oberseite hat, die mit einer ersten Beugungsgitterschicht 112a der n-Art aus InGaAsP, einer Verbindungsschicht 113 und einer zweiten Beugungsgitterschicht 112b der n-Art aus InGaAsP ausgebildet ist.
Die erste Beugungsgitterschicht 112a ist durch ein erstes Beugungsgitter 116a gebildet, das mehrere Stäbe 114 und mehrere zwischen den Stäben bestehende Schlitze 115 umfasst.
Andererseits ist die zweite Beugungsgitterschicht 112 durch ein zweites Beugungsgitter 116b gebildet, das mehrere Stäbe 114 und mehrere zwischen den Stäben bestehende Schlitze 115 umfasst.
Die Verbindungsschicht 113, die den Raum zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b füllt, besteht aus demselben Material wie das Halbleitersubstrat 111.
Wie in 10 gezeigt ist, haben die Stäbe 114 und Schlitze 115 im ersten und zweiten Beugungsgitter 116a, 116b jeweils dieselbe Form, und eine Gitterteilung d zwischen jedem Paar von Stäben ist konstant.
Jedoch ist eine Phase der Gitteranordnung räumlich um den Abstand Δd zwischen dem ersten und zweiten Beugungsgitter 116a, 116b versetzt.
Dieser Phasenverschiebungsbetrag Δd kann in einem Herstellungsprozess für den DFB-Halbleiterlaser unabhängig von der Länge L der Verbindungsschicht 113 frei gewählt werden.
Ein Brechungsindex jedes Stabs 114 in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b ist so eingestellt, dass er höher ist als derjenige des Halbleitersubstrats 111.
Eine Pufferschicht 117 aus demselben Material wie das Halbleitersubstrat 111 ist auf den Oberseiten der ersten und zweiten Beugungsgitterschichten 112a, 112b und der Verbindungsschicht 113 ausgebildet.
Die Verbindungsschicht 113 und die Pufferschicht 117 sind in einem Stück miteinander ausgebildet.
Die Pufferschicht 117 hat eine Oberseite, die mit einer aktiven Schicht 118 ausgebildet ist, die eine untere SCH-Schicht, eine MQW-Schicht und eine obere SCH-Schicht umfasst, die jeweils aus einer geeigneten Kombination aus InGaAsP bestehen.
Eine Kaschierungsschicht 119 der p-Art aus InP ist auf einer Oberseite der aktiven Schicht 118 ausgebildet.
Eine p-Elektrode 120 ist auf einer Oberseite der Kaschierungsschicht 119 vorgesehen, und eine n-Elektrode 121 ist auf einer Unterseite des Halbleitersubstrats 111 ausgebildet.
Darüber hinaus sind reflexionsmindernde Schichten 122a, 122b auf Facetten der aktiven Schicht 118, von denen ausgehend ein Einmodenstrahl 123 abgegeben wird, und auf Facetten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b ausgebildet.
Anzumerken ist, dass eine Kontaktschicht, die aus der p-Art aus InGaAsP oder der p-Art aus InGaAs bestehen kann, zwischen der Kaschierungsschicht 119 und der p-Elektrode 120 eingesetzt sein kann.
Bei dem wie vorstehend aufgebauten DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform der Erfindung emittiert die aktive Schicht 118 einen Strahl mit mehreren Wellenlängen, wenn ein vorbestimmter Strom zwischen der P-Elektrode 120 und der n-Elektrode 121 eingeleitet wird.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Einstellung der Länge L der Verbindungsschicht 113 im DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform wie in 10 gezeigt ausgeführt.
Demnach ist es möglich, die Länge L der Verbindungsschicht 113 für diesen DFB-Halbleiterlaser dadurch allgemein willkürlich und frei einzustellen, dass ein beliebiger Wert, der sich durch π multipliziert mit einem halben Wert einer ungeraden ganzen Zahl, dem Verschiebungsbetrag Δ und der Differenz (n₀ – n₁) beim Brechungsindex ergibt, angemessen festgelegt wird.
Indem somit, wie in 11A und 11B gezeigt, der Strecke L der Verbindungsschicht 113 ein hoher Wert verliehen wird, hat der im DFB-Halbleiterlaser erzeugte Strahl 123 eine Stärkenverteilungskennlinie 124, die durch eine Kurve mit einem breiten Plateau in ihrem Mittelanschnitt und einem insgesamt sanften Gefälle dargestellt wird, was zu einem reduzierten räumlichen Defektelektroneneinbrennvorgang führt.
Dementsprechend ist es möglich, eine Leistungsabgabesättigung des Bauteils zu senken, wenn ein starker Strom angelegt wird.
Im Ergebnis wird es, wie in 12 gezeigt, möglich, die Strahlabgabestärke P₀ des Strahls 123, der von zwei Facetten des DFB-Halbleiterlasers abgegeben wird, auf ein deutlich höheres Maß zu verbessern als die Strahlabgabestärke P₀ des Strahls 4, der von dem in 22 gezeigten herkömmlichen DFB-Halbleiterlaser abgegeben wird. Es ist auch möglich, die Linearität bei einer Ausgangskennlinie 125 im Ansprechen auf einen angelegten Strom im Vergleich zu einer Ausgangskennlinie 125a des herkömmlichen DFB-Halbleiterlasers zu verbessern.
Darüber hinaus besteht die Verbindungsschicht 113 zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b aus demselben Material wie die Pufferschicht 117.
Zusätzlich besitzt das erste und zweite Beugungsgitter 116a, 116b, die durch die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b bereitgestellt werden, mehrere Schlitze 15, die von der Ober- zur Unterseite vordringen und senkrecht zur Strahlabgaberichtung sind.
Für gewöhnlich umfasst ein Beugungsgitter mehrere Stäbe und mehrere Rillen, die zwischen den Stäben bestehen. Nach der vorliegenden Ausführungsform besteht jedoch jede Rille zwischen den Stäben 114 aus einem Schlitz 115, der von der Ober- zur Unterseite vordringt.
Ein solcher Aufbau, bei dem die Rille zwischen jedem Paar von Stäben 114 durch einen Schlitz 115 bereitgestellt wird, führt zu einer besseren Genauigkeit von Form und Größe, wenn das Beugungsgitter mittels Ätzen ausgebildet wird.
Speziell wird die Inkonsistenz des effektiven Brechungsindex n₀ der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b zwischen den Bauteilen reduziert, und der Wert siedelt sich in einem feststehenden Bereich an.
Dies verbessert die Genauigkeit beim Betrag der Phasenverschiebung ϕ, was zu einer verbesserten Wellenlängenstabilität des abgegebenen Strahls 123 führt.
Es ist festzuhalten, dass beim DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b unter der aktiven Schicht 118 angeordnet sind. Deshalb braucht, wenn ein Halbleitersubstrat von der n-Art verwendet wird, keine Fläche auf der Seite von p mehr aufgewachsen zu werden. Somit ist es möglich, eine Kennlinienherabsetzung auszuschalten, die durch Aufstapeln von Si verursacht wird.
(Fünfte Ausführungsform)
13 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 13 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 9 gezeigten vierten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Wie in 13 gezeigt ist, besteht bei dem DFB-Halbleiterlaser nach der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Verbindungsschicht 113, die zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b vorhanden ist, aus demselben Material wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b.
Darüber hinaus ist wie bei der vierten Ausführungsform ein Betrag einer dreidimensionalen Phasenverschiebung Δd zwischen einem ersten Beugungsgitter 116a und einem zweiten Beugungsgitter 116b vorgesehen.
Deshalb kann die Länge L der Verbindungsschicht 113 frei festgelegt werden, indem der Phasenverschiebungsbetrag Δd eingestellt wird.
Somit kann der DFB-Halbleiterlaser nach der fünften Ausführungsform dieselben Vorteile bieten wie der in 9 gezeigte DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform. Insbesondere ist es möglich, ein breites Plateau zu schaffen, das sich über einen wünschenswerten Bereich im Mittelabschnitt einer Stärkenverteilungskennlinienkurve 124 eines im DFB-Halbleiterlaser erzeugten Strahls 123 erstreckt, eine insgesamt sanfte Stärkenverteilungskennlinienkurve herzustellen, und einen räumlichen Defektelektroneneinbrennvorgang zu reduzieren.
(Sechste Ausführungsform)
14 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 14 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 9 gezeigten vierten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Wie in 14 gezeigt ist, besteht beim DFB-Halbleiterlaser nach der sechsten Ausführungsform eine Verbindungsschicht 113, die zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b vorhanden ist, aus zwei Schichten, d.h. einer unteren Schicht 113a und einer oberen Schicht 113b.
In diesem Fall besteht die obere Schicht 113b aus demselben Material wie eine darüber liegende Pufferschicht 117.
Gleichermaßen besteht die untere Schicht 113a aus demselben Material wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b.
Wie beschrieben, besteht die untere Schicht 113a der Verbindungsschicht 113, die zwischen der ersten Beugungsgitterschicht 112a und der zweiten Beugungsgitterschicht 112b vorhanden ist, aus dem selben Material wie diese Schichten. Deshalb verändert sich der effektive Brechungsindex an der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b und der Verbindungsschicht 113 nicht abrupt.
Im Ergebnis wird es möglich, eine Strahlenreflexion an der Grenzfläche zu reduzieren, um dadurch die Einmodenschwingung des vom DFB-Halbleiterlasers erzeugten Strahls 123 weiter zu verbessern.
Darüber hinaus weisen beim DFB-Halbleiterlaser nach der sechsten Ausführungsform das erste Beugungsgitter 116a und das zweite Beugungsgitter 116b, wie in der vierten Ausführungsform, einen Betrag einer dreidimensionalen Phasenverschiebung Δd auf.
Deshalb kann beim DFB-Halbleiterlaser nach der sechsten Ausführungsform die Länge L der Verbindungsschicht 113 wie bei der vierten und fünften Ausführungsform allgemein frei gewählt werden.
(Siebte Ausführungsform)
15 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 15 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 9 gezeigten vierten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Wie in 15 gezeigt ist, umfasst der DFB-Halbleiterlaser nach der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat 111 der n-Art aus InP, das eine Oberseite hat, die mit einer aktiven Schicht 118 ausgebildet ist, die eine untere SCH-Schicht, eine MQW-Schicht und eine obere SCH-Schicht enthält, die jeweils aus einer geeigneten Kombination von InGaAsP bestehen.
Eine Pufferschicht 117, die aus demselben Material besteht wie eine Kaschierungsschicht 119, ist auf einer Oberseite der aktiven Schicht 118 ausgebildet.
Die Pufferschicht 117 hat eine Oberseite, die mit einer ersten Beugungsgitterschicht 112a der p-Art aus InGaAsP ausgebildet ist, eine Verbindungsschicht 113 und eine zweite Beugungsgitterschicht 112b der p-Art aus InGaAsP.
Das erste und zweite Beugungsgitter 116a, 116a, welche die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b bilden, bestehen jeweils aus mehreren Stäben 114 und mehreren Schlitzen 115, die zwischen den Stäben bestehen. Wie beim DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform weisen das erste und zweite Beugungsgitter 116a, 116b einen Betrag einer dreidimensionalen Phasenverschiebung Δd auf.
Ein Brechungsindex der Stäbe 114, welche die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b bilden, ist so eingestellt, dass er höher ist als derjenige des Halbleitersubstrats 111.
Die Kaschierungsschicht 119, die aus der p-Art aus InP besteht, ist auf den Oberseiten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b und der Verbindungsschicht 113 ausgebildet.
Die Verbindungsschicht 113 und die Kaschierungsschicht 119 sind in einem Stück miteinander ausgebildet.
Eine p-Elektrode 120 ist auf einer Oberseite der Kaschierungsschicht 119 vorgesehen, und eine n-Elektrode 121 ist auf einer Unterseite des Halbleitersubstrats 111 ausgebildet.
Darüber hinaus sind reflexionsmindernde Schichten 122a, 122b auf Facetten der aktiven Schicht 118, von denen ausgehend ein Einmodenstrahl 123 abgegeben wird, und auf Facetten der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b ausgebildet.
Anzumerken ist, dass eine Kontaktschicht, die aus der p-Art aus InGaAsP oder der p-Art aus InGaAs bestehen kann, zwischen der Kaschierungsschicht 119 und der p-Elektrode 120 eingesetzt sein kann.
Bei dem wie vorstehend aufgebauten DFB-Halbleiterlaser nach der siebten Ausführungsform emittiert die aktive Schicht 118 einen Strahl mit mehreren Wellenlängen, wenn ein vorbestimmter Strom zwischen der p-Elektrode 120 und der n-Elektrode 121 eingeleitet wird.
Die Länge L der sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b eingeschlossenen Verbindungsschicht 113 in der Fortpflanzungsrichtung des Strahls 123 wird wie beim DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform durch den Betrag der dreidimensionalen Phasenverschiebung Δd des ersten und zweiten Beugungsgitters 116a, 116b und dem Unterschied bei der Querschnittsform zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b und der Verbindungsschicht 13 bestimmt.
Deshalb kann der DFB-Halbleiterlaser nach der siebten Ausführungsform im Allgemeinen dieselbe Funktion und dieselben Vorteile bieten wie der in 9 gezeigte DFB-Halbleiterlaser nach der vierten Ausführungsform, weil die Länge L der Verbindungsschicht 113 in der Fortpflanzungsrichtung des Strahls 123 wie im Falle der vierten Ausführungsform allgemein frei festgelegt werden kann.
Festzuhalten ist, dass beim DFB-Halbleiterlaser nach der siebten Ausführungsform die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b über der aktiven Schicht 118 angeordnet sind.
Aus diesem Grund ist nur ein Aufwachszyklus zur Ausbildung der aktiven Schicht 118 durch die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b hindurch notwendig, was den Vorteil bietet, dass eine Schicht weniger aufgezogen werden muss.
Darüber hinaus kann die aktive Schicht 118 zuerst aufgezogen werden, und dann kann die Gitterteilung (Pitch) im Beugungsgitter der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b eingestellt werden.
(Achte Ausführungsform)
16 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 16 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 9 gezeigten vierten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Beim DFB-Halbleiterlaser nach der achten Ausführungsform besteht eine Verbindungsschicht 113, die zwischen einer ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b besteht, aus zwei Schichten, d.h. einer unteren Schicht 113a und einer oberen Schicht 113b.
Die obere Schicht 113b besteht aus demselben Material wie eine darüber liegende Kaschierungsschicht 119.
Gleichermaßen besteht die untere Schicht 113a aus demselben Material wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b.
Darüber hinaus wird der Raum zischen Stäben 114 in einem ersten und zweiten Beugungsgitter 116a, 116b in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b nicht durch die Schlitze 115 bereitgestellt, die von der Ober- zur Unterseite vordringen, sondern durch mit Boden versehene Rillen 115a.
Deshalb werden beim DFB-Halbleiterlaser nach der achten Ausführungsform die erste Beugungsgitterschicht 112a, die Verbindungsschicht 113 und die zweite Beugungsgitterschicht 112, die alle in der Abgaberichtung eines Strahls 123 angeordnet sind, durch dasselbe Material verbunden.
Damit kann der DFB-Halbleiterlaser nach der achten Ausführungsform im Allgemeinen dieselben Funktionen bieten, wie durch den in 13 gezeigten DFB-Halbleiterlaser nach der fünften Ausführungsform erzielt werden.
(Neunte Ausführungsform)
17 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 17 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 16 gezeigten vierten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Wie in 17 gezeigt ist, wird beim DFB-Halbleiterlaser nach der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anders als bei der achten Ausführungsform der Raum zwischen Stäben 114 eines ersten und zweiten Beugungsgitters 116a, 116b durch Schlitze 115 gebildet.
Beim DFB-Halbleiterlaser nach der neunten Ausführungsform weisen wie beim DFB-Halbleiterlaser nach der achten Ausführungsform, das erste und zweite Beugungsgitter 116a, 116b einen Betrag einer dreidimensionalen Phasenverschiebung Δd auf.
Ein solcher Aufbau, bei dem die Rille zwischen jedem Paar von Stäben 114 durch den Schlitz 115 gebildet wird, führt zu einer besseren Genauigkeit der Form und Größe des ersten und zweiten Beugungsgitters 116a, 116b, wenn diese mittels Ätzens ausgebildet werden.
Indem darüber hinaus der Phasenverschiebungsbetrag Δd eingestellt wird, kann der Länge L der Verbindungsschicht 113 ein gewünscht hoher Wert verliehen werden, was zu einer sanften Strahlstärkenverteilungskennlinie 124 (siehe 11B) beim DFB-Halbleiterlaser und einem reduzierten räumlichen Defektelektroneneinbrennen führt.
(Zehnte Ausführungsform)
18 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer allgemeinen Auslegung eines DFB-Halbleiterlasers nach einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 18 sind Bestandteile, die gleich denen beim DFB-Halbleiterlaser nach der in 9 gezeigten vierten Ausführungsform sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre Beschreibung erfolgt hier nicht noch einmal.
Beim DFB-Halbleiterlaser nach der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden eine Kopplungsgüte κ₁ in einem Beugungsgitter 116a einer ersten Beugungsgitterschicht 112a und eine Kopplungsgüte κ₂ in einem Beugungsgitter 116b einer zweiten Beugungsgitterschicht 112b auf voneinander unterschiedliche Werte eingestellt.
Darüber hinaus wird beim DFB-Halbleiterlaser nach der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Volumenverhältnis v₁ pro Gitterteilung d im Beugungsgitter 116a der ersten Beugungsgitterschicht 112a, bei dem es sich um ein Verhältnis des Volumens des Stabs 114 und des Volumens der anderen Teile einschließlich des Schlitzes 115 handelt, auf einen anderen Wert als demjenigen eines Volumenverhältnisses v₂ im Beugungsgitter 116b der zweiten Beugungsgitterschicht 112b eingestellt.
Da die Stäbe 114 und die Schlitze 115 des ersten und zweiten Beugungsgitters 116a, 116b in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht 112a, 112b jeweils aus demselben Material bestehen, steuern die Volumenverhältnisse v₁ und v₂ jeweils zu den Kopplungsgüten κ₁ und κ₂ bei, wenn die durch den Brechungsindex bewirkten Einflüsse vernachlässigt werden.
Insbesondere haben die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b, die durch die Verbindungsschicht 113 voneinander beabstandet sind, eine konstante Gitterteilung (Pitch) d, jedoch sind das erste und zweite Beugungsgitter 116a, 116b, die durch die erste bzw. zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b gebildet werden, in ihrer Form verschieden voneinander.
Bei jedem ersten und zweiten Beugungsgitter 116a, 116b umfasst die Gitterteilung d einen Stab 114 und einen Schlitz (oder eine Rille) 115. Damit wird das vorbestimmte Volumenverhältnis v für eine Gitterteilung d zwischen dem Volumen des Stabs 114 und dem Volumen der anderen Teile als dem Stab 114, einschließlich des Schlitzes 115 festgelegt.
Das Volumenverhältnis v wird durch die Breite des Stabs 114 in der Vorlaufrichtung des Strahls 123, die Höhe des Stabs 114, die Breite des Stabs 114 in der zur Vorlaufrichtung des Strahls 123 senkrechten Richtung, usw. bestimmt.
Nach der in 10 gezeigten Ausführungsform hat die Höhe des Stabs 114 in der Vorlaufrichtung des Strahls 123 einen höheren Wert im Beugungsgitter 116a der ersten Beugungsgitterschicht 112a als im Beugungsgitter 116b der zweiten Beugungsgitterschicht 112b. Auf diese Weise unterscheidet sich, da das Volumenverhältnis v₁ beim Beugungsgitter 116a der ersten Beugungsgitterschicht 112a anders ausgelegt wird als das Volumenverhältnis v₂ beim Beugungsgitter 116b der zweiten Beugungsgitterschicht 112b (v₁ > v₂), die Kopplungsgüte κ₁ beim ersten Beugungsgitter 116a von der Kopplungsgüte κ₂ beim zweiten Beugungsgitter 116b (κ₁ > κ₂).
Im Ergebnis ist der Strahlenreflexionsindex im zweiten Beugungsgitter 116a der ersten Beugungsgitterschicht 112a ein anderer als derjenige des Beugungsgitters 116b der zweiten Beugungsgitterschicht 112b.
Dies ermöglicht es, die Stärke des Strahls 123a, der von der Facette auf der Seite der ersten Beugungsgitterschicht 112a abgegeben wird, von der Stärke des Strahls 123b zu unterscheiden, der von der Facette auf der Seite der zweiten Beugungsgitterschicht 112b abgegeben wird.
Somit wird es beim DFB-Halbleiterlaser nach der zehnten Ausführungsform möglich, die Stärke des von einer Facette des DFB-Halbleiterlasers abgegebenen Strahls im Verhältnis zur Stärke des von der anderen Facette abgegebenen Strahls absichtlich zu erhöhen.
Nach der zehnten Ausführungsform ist die Stärke des Strahls 123b, der von der Facette auf der Seite der zweiten Beugungsgitterschicht 112b abgegeben wird, höher eingestellt als diejenige des Strahls 123a, der von der Facette auf der Seite der ersten Beugungsgitterschicht 112a abgegeben wird.
Es ist festzuhalten, dass nach der zehnten Ausführungsform die Stärke des Strahls 123b, der von der Facette auf der Seite der zweiten Beugungsgitterschicht 112b abgegeben wird, dadurch höher ausgelegt ist, dass der reflexionsmindernden Beschichtung 122b, an der Facette der zweiten Beugungsgitterschicht 112b ein geringerer Reflexionsindex verliehen wird als der reflexionsmindernden Beschichtung 122a an der Facette der ersten Beugungsgitterschicht 112a.
In diesem Fall kann die reflexionsmindernde Beschichtung 122a, die an der Facette auf der Seite der ersten Beugungsgitterschicht 112a ausgebildet ist, eine hoch reflektierende Beschichtung sein oder kann als Facette belassen sein.
Es ist festzuhalten, dass sich die Erfindung auf die vorstehend mit Bezug auf die 14, 15, 16 und 17 beschriebene sechste bis neunte Ausführungsform anwenden lässt. Insbesondere kann die Kopplungsgüte κ₁ im Beugungsgitter 116a der ersten Beugungsgitterschicht 112a von der Kopplungsgüte κ₂ im Beugungsgitter 116b der zweiten Beugungsgitterschicht 122b unterschiedlich ausgelegt werden.
Die 19A bis 19H sind Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für den DFB-Halbleiterlaser, bei dem das Volumenverhältnis v₁ (Kopplungsgüte κ₁) beim Beugungsgitter 116a der ersten Beugungsgitterschicht 112a vom Volumenverhältnis v₂ (Kopplungsgüte κ₂) beim Beugungsgitter 116b der zweiten Beugungsgitterschicht 112b unterschiedlich ausgelegt ist. Die Ansichten stellen Schritte bis zur Ausbildung des ersten und zweiten Beugungsgitters 116a, 116b dar.
Nachstehend erfolgt mit Bezug auf die 19A bis 19H eine Beschreibung zur Herstellung eines solchen DFB-Halbleiterlasers wie nach der in 18 gezeigten zehnten Ausführungsform, d.h. für einen Fall, bei dem die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b unter der aktiven Schicht 118 ausgebildet werden.
Als Erstes werden, wie in 19A und 19B gezeigt, die erste und zweite Beugungsgitterschicht 112a, 112b auf einem Halbleitersubstrat 111 der n-Art aus InP hergestellt. Speziell wird eine Schicht der n-Art aus InGaAsP zur Erzeugung einer Wellenlänge von 1,08 μm auf eine Dicke von 0,1 μm aufgezogen. Auf diese Schicht wird ein Elektronenstrahlschutzlack (z.B. ZEP-520, hergestellt von Zeon Corporation) bis zu einer Dicke von 0,2 μm aufgetragen.
Nach einer Wärmebehandlung erfolgt das Beugungsgitterstrukturnachziehen mittels Elektronenstrahllithografie.
Die 19C und 19D zeigen eine Nachziehstruktur und Nachziehbedingungen nach der zehnten Ausführungsform, wobei die Gitterteilung (Pitch) d der Beugungsgitter 116a, 116b auf 240 nm eingestellt ist.
Die Nachziehbedingungen beinhalten, dass eine relativ hohe Dosierung (z.B. ca. 0,45 nC/cm) für die erste Beugungsgitterschicht 112a verwendet wird (linke Seite in 19C und 19D), die als Abgabeseite dient, wenn der Chip fertig ist, wohingegen eine relativ geringe Dosierung (z.B. ca. 0,3 nC/cm) für die zweite Beugungsgitterschicht 112b auf der anderen Seite verwendet und dadurch der Elektronenstrahl abgestrahlt wird.
In diesem Fall können die Umgebungszonen durch den Elektronenstrahl oder ultraviolette Strahlen belichtet werden.
Die auf diese Weise nachgezogene Beugungsgitterstruktur wird dann entwickelt.
Wie in 19E und 19F gezeigt ist, ergibt nach der zehnten Ausführungsform die Schutzlackstruktur nach dem Entwickeln einen vorbestimmten Schlitz 115 von ca. 140 nm für eine Zone mit hoher Dosierung und von ca. 70 nm für eine Zone niedriger Dosierung zwischen jedem Paar von Stäben 114 im ersten und zweiten Beugungsgitter 116a, 116b.
In diesem Zustand erfolgt der Ätzvorgang ca. 20 Sekunden lang unter Verwendung einer wässrigen Lösung aus gesättigtem Bromwasser und Phosphorsäure.
Dann werden die wie in 19G und 19H gezeigten Querschnittsformen erhalten. Aufgrund der Erwärmung im darauffolgenden Kristallaufziehschritt wird der Unterschied bei der Breite der Stäbe 114 auf den Unterschied bei der Höhe der Stäbe 114 übertragen.
Auf diese Weise erfolgt die Herstellung für einen DFB-Halbleiterlaser mit einem Aufbau, bei dem das Beugungsgitter 116a auf der Strahlabgabeseite ein geringeres Volumenverhältnis v₁ hat, während das Beugungsgitter 116b auf der anderen Seite ein höheres Volumenverhältnis v₂ hat (v₁ < v₂).
Als andere Verfahren als die Dosierung zu ändern, ist es hingegen möglich, ein Phänomen zu nutzen, bei dem sich die Ätzrate beim Ätzen je nach dem freiliegenden Bereich des Wafers verändert.
Speziell wenn ein Bereich der Waferoberfläche, die mit Ätzhemmern wie einem Schutzlack oder einer dielektrischen Beschichtung bedeckt ist, klein und ein zu ätzender Bereich klein ist, ist die Ätzrate hoch. Andererseits ist die Ätzrate niedrig, wenn ein großer Bereich geätzt wird. Dieses Phänomen ist beispielsweise bei der Verwendung der vorstehend erwähnten wässrigen Lösung aus gesättigtem Bromwasser und Phosphorsäure allgemein bekannt.
Indem diese Eigenschaft bei der Herstellung der wie in den 20A, 20B und 20C gezeigten Schutzlackstrukturen 131, 132, 133 genutzt wird, ist es möglich, die Beugungsgitter teilweise mit unterschiedlichen Volumenverhältnissen v auszubilden.
Wie in 20A gezeigt ist, wird die Ätzrate niedriger, wenn das Ätzen nach dem Entfernen eines umgebenden Schutzlacks 131a der Schutzlackstruktur 131 erfolgt.
In diesem Fall ist, auch wenn keine Elektronenstrahllithografie verwendet wird, eine Herstellung im Interferometerbelichtungsverfahren möglich.
Wie in 20B gezeigt ist, kann die Ätzrate gesteuert werden, indem die Breite von Gitterstrukturen 132a, 132b (z.B. 20 μm für die Gitterstruktur 132a und 100 μm für die Gitterstruktur 132b) in der Schutzlackstruktur 132 in der zur Strahlfortpflanzungsrichtung senkrechten Richtung verändert wird.
Die vorstehende Beschreibung erfolgte für einen Fall, bei dem positive Schutzschichten verwendet werden. Selbiges trifft jedoch auch auf einen Fall zu, bei dem negative Schutzschichten verwendet werden.
Darüber hinaus muss in beiden Fällen der Schutzlack nicht unbedingt direkt auf die InGaAsP-Schicht der n-Art aufgetragen werden. Beispielsweise kann eine 30 nm dicke InP-Schicht der n-Art dazwischengesetzt und das Ätzen in zwei Schritten unter Verwendung eines selektiven Ätzmittels durchgeführt werden.
In diesem Fall erfolgt das Ätzen, wobei der Schutzlack als Ätzmaske dient, ca. 5 Sekunden lang in einem ätzmittelhaltigen gesättigten Bromwasser, um die InP-Schicht teilweise zu entfernen.
Dann kann, was die freiliegende InGaAsP-Schicht der n-Art betrifft, das Ätzen unter Verwendung der InP-Schicht der n-Art als Ätzmaske in einer wässrigen Lösung erfolgen, die beispielsweise Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid enthält.
Gemäß dem vorstehenden Verfahren ätzt die wässrige Lösung, die Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid enthält, selektiv nur die InGaAsP-Schicht. Dies kann vorteilhafter Weise insbesondere bei der Ausbildung eines Beugungsgitters auf der aktiven Schicht stattfinden, weil der Ätzvorgang an der InP-Fläche der Pufferschicht aufhört, wodurch es möglich wird, ein ungewolltes Überätzen in die aktive Schicht zu verhindern.
Andererseits wird die Ätzrate niedriger, weil die Verbindungsschicht 113 vollständig freiliegt. Aus diesem Grund verbleibt tendenziell ein dünner Film einer InGaAsP-Schicht der n-Art (113a) auf der Verbindungsschicht 113, auch wenn der Schlitz 115 im ersten und zweiten Beugungsgitter 116a, 116a bis zur InP-Fläche geätzt wurde.
Somit können, wenn diese Schicht (113a), wie in 20C gezeigt, vollständig abgetragen werden soll, Zonen, welche die Schutzlackstruktur 133 umgeben, beispielsweise mit einem anderen Schutzlack 133c überzogen werden, um den freiliegenden Bereich durch Erhöhung der Ätzrate zu verkleinern.
Speziell in diesem Fall kann die Ätzrate gesteuert werden, indem der bloßliegende Bereich gesteuert wird. Deshalb ist es möglich, die Ätztiefe zu steuern, die zu dem Zeitpunkt erreicht werden soll, zu dem das Beugungsgitter bis zum InP-Substrat geätzt wurde (ca. 30 Sekunden).
In diesem Fall wird die Gitterstrukturbreite unterschiedlich ausgelegt, indem der Gitterstruktur 133a eine Breite von 20 μm verliehen wird, im Vergleich zu einer Breite von 100 μm für die Gitterstruktur 133b.
In jedem Fall können die umgebenden Zonen in jedem Zustand belassen werden, weil sie ja ohnehin zu einer 2 bis 3 μm breiten plateauförmigen Struktur entlang der Abgaberichtung des Strahls 123 abgetragen werden, wenn sie in den darauffolgenden Schritten zu einem Laser verarbeitet werden.
Wie beschrieben wurde, wird bei den DFB-Halbleiterlasern nach der vierten bis zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine dreidimensionale Phasenverschiebung bei der Gitteranordnung zwischen dem ersten und zweiten Beugungsgitter in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht vorgesehen. Deshalb ist es möglich, die Länge der Verbindungsschicht frei festzulegen, wodurch die Strahlstärke des abgegebenen Strahls mühelos erhöht, die Wellenlänge des abgegebenen Strahls genau auf eine gewünschte Wellenlänge eingestellt und die Wellenlängenstabilität des abgegebenen Strahls verbessert werden kann.

Claims

Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, Folgendes umfassend: ein Halbleitersubstrat (11); eine erste und eine zweite Beugungsgitterschicht (12a, 12b), die über dem Halbleitersubstrat vorgesehen und in einer Abgaberichtung eines Strahls (23) voneinander beabstandet sind, um einen Teil eines virtuellen Beugungsgitters (16) mit einer konstanten Gitterteilung und einer kontinuierlichen Phase zu bilden; eine flache Verbindungsschicht (13), die sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) eingeschlossen ist; eine aktive Schicht (18), die über oder unter der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) und der Verbindungsschicht (13) angeordnet ist; und eine Kaschierungsschicht (19), die über der aktiven Schicht (18) oder über der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) und der Verbindungsschicht (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (16), das die erste und zweite Beugungsgitterschicht (12a, 12b) umfasst, mehrere Schlitze (15) aufweist, die von einer Oberseite zu einer Unterseite durchdringen und senkrecht zur Abgaberichtung des Strahls (23) sind, und die Verbindungsschicht (13) aus zwei Schichten (13a, 13b) besteht, die in einer Richtung senkrecht zur Abgaberichtung des Strahls (23) epitaxial aufgewachsen sind, wobei eine (13a) der beiden Schichten aus demselben Material besteht wie die erste und zweite Beugungsgitterschicht.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (18) über der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) und der Verbindungsschicht (13) angeordnet ist, und die Kaschierungsschicht (19) über der aktiven Schicht (18) angeordnet ist.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (18) unter der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) und der Verbindungsschicht (13) angeordnet ist, und die Kaschierungsschicht (19) über der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht (12a, 12b) angeordnet ist.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Koppelwirkleistung (κ₁) im Beugungsgitter der ersten Beugungsgitterschicht und eine Koppelwirkleistung (κ₂) im Beugungsgitter der zweiten Beugungsgitterschicht auf Werte eingestellt sind, die sich voneinander unterscheiden.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat aus InP besteht, die erste und zweite Beugungsgitterschicht aus InGaAsP bestehen, die aktive Schicht aus einem InGaAsP enthaltenden Material besteht, und die Kaschierungsschicht aus InP besteht.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brechungsindex jedes Gitters in der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht höher eingestellt ist als derjenige des Halbleitersubstrats, eine Pufferschicht, die aus demselben Material besteht wie das Halbleitersubstrat, auf einer Ober- oder Unterseite der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht bzw. der Verbindungsschicht ausgebildet ist, und eine p-Elektrode auf einer Oberseite der Kaschierungsschicht vorgesehen ist, und eine n-Elektrode auf einer Unterseite des Halbleitersubstrats vorgesehen ist.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl aus mehreren Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen, die von der aktiven Schicht beim Anlegen eines vorbestimmten Stroms zwischen der p-Elektrode und der n-Elektrode abgegeben werden, für einen Einmodenstrahl mit einer einzigen Wellenlänge λ₀ erfolgt, die durch eine Gitterteilung d des Beugungsgitters und einen effektiven Brechungsindex n₀ der ersten und zweiten Beugungsgitterschicht bestimmt wird, wodurch ein Laserschwingungszustand erzielt wird, und reflexionsmindernde Schichten auf mindestens einer der Facetten der aktiven Schicht, von welcher der Einmodenstrahl abgegeben wird, und auf mindestens einer der Facetten der ersten bzw. zweiten Beugungsgitterschicht ausgebildet sind.
Halbleiterlaser mit verteilter Rückführung, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die andere der beiden Schichten in der Verbindungsschicht aus demselben Material besteht wie das Halbleitersubstrat.