JP2004071678A

JP2004071678A - 分布帰還型半導体レーザの製造方法

Info

Publication number: JP2004071678A
Application number: JP2002225788A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Nakayama; 中山　久志; Masahiro Kito; 鬼頭　雅弘; Haruki Ogawa; 小河　晴樹
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】単一波長発振する温度範囲を従来よりも広範囲にする。
【解決手段】複数の溝１０２が形成されたＩｎＰ基板１０１上に、ＡｓＨ_３とＰＨ_３を含む混合気体中で昇温しながら、ＩｎＡｓＰの半導体混晶からなる回折格子１０３、及びＩｎＧａＡｓＰの半導体混晶からなる活性層１０５を順次形成する際、ＩｎＡｓＰ半導体混晶の形成時のＰＨ_３分圧を、ＩｎＧａＡｓＰ半導体混晶の形成時のＰＨ_３分圧より大きくすることによって、ＩｎＡｓＰ回折格子のサイズを大きくすることができる。その結果、活性層の平坦性を損なうことなく活性層と回折格子を近接して設定できるので、活性層と回折格子の光の結合係数を大きくすることができ、単一波長発振する温度範囲を従来よりも広範囲にすることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置、特に分布帰還型半導体レーザの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバー通信システムは、超高速でかつ広帯域で使用可能な通信システムとして実用化されている。この光ファイバー通信システムに用いられる光源としてＩｎＰを基板とし、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＰ混晶を材料系とした半導体レーザ装置の開発が、活発に行われている。分布帰還型レーザは、レーザ光を回折させるための回折構造の作製が難しいため歩留まりが低く、また作製後の単一波長で発振する温度範囲が狭いため温度制御にペルチェなどを用いており、これが半導体レーザモジュールのコスト増大の原因である。そこで、広い温度範囲動作が得られる構造及び、容易な作製方法が必要となる。
【０００３】
ここで、従来の分布帰還型レーザ装置の特徴および特性について簡単に説明する。分布帰還型レーザの単一波長性を決定する要因として挙げられるのが、活性層の近傍に形成された回折格子（一般には、ＩｎＡｓＰ）による光の回折である。単一波長発振する温度範囲を向上させるためには、活性層と回折格子の光の結合係数を大きくする必要がある。結合係数を大きくする方法として、ａ）ＩｎＡｓＰ回折格子のサイズを大きくする方法、ｂ）ＩｎＡｓＰのＡｓ組成を高くし基板ＩｎＰとの屈折差を大きくする方法、ｃ）活性層に回折格子を近接して作製する方法等がある。ａ）の方法は、一般に、ＩｎＰ基板上に、ＰＨ_３とＡｓＨ_３の混合ガスを流してＩｎＡｓＰを形成するため、マストランスポートするＩｎの量に依存することから、制御することが困難であった。また、ｂ）の方法は、Ａｓ組成を高くすると、ＩｎＰとの格子不整合が大きくなるためにＩｎＡｓＰ層に欠陥が発生し特性が悪化してしまう問題があった。また、ｃ）の方法は、ＩｎＡｓＰ回折格子が、ＩｎＰとの格子定数差による歪の影響を受けて活性層の平坦性が悪化し、レーザ特性が悪化してしまうという問題があった。
【０００４】
上述した問題点について、以下、図を用いて詳しく説明する。図７は、従来の分布帰還型半導体レーザ装置の断面図である。図７において、ｎ型ＩｎＰ基板４０１上に、深さ１００ｎｍ、周期２４４ｎｍの溝４０２を埋め込むように形成されたＩｎＡｓＰ回折格子４０３と、溝４０２およびＩｎＡｓＰ回折格子４０３を埋め込むように形成された厚さ１５０ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層４０４と、厚さ２００ｎｍでＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層からなる活性層４０５と、厚さ３μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層４０６とが順次形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板４０１の下面にはｎ型電極４０７が形成され、ｐ型ＩｎＰクラッド層４０６の上面には、ｐ型電極４０８が形成されている。
【０００５】
活性層４０５は、０．７％の圧縮歪を有し、組成波長１．５５μｍであり、厚さ６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層が５層、ＩｎＰに格子整合し、組成波長１．１５μｍで厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層４層をそれぞれ交互に形成した構造を、組成波長１．１５μｍで厚さ６０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層で上下を挟んだ構造をしている。また、ＩｎＡｓＰ回折格子４０３の大きさは４０ｎｍであり、溝４０２を埋め込むように形成されている。ＩｎＡｓＰ回折格子４０３の組成は、ＩｎＡｓＰ回折格子からのフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長が、１．３０μｍとなるように設定されている。
【０００６】
次に、上記構造の分布帰還型半導体レーザ装置の製造方法について、図８を用いて説明する。図８（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板４０１上に、深さ１００ｎｍ、周期２４４ｎｍの溝４０２をフォトリソグラフィーとエッチングを用いて形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ装置中で、フォスフィン、アルシンを含む混合気体中で、昇温、加熱処理を行い、溝４０２の底部にＩｎＡｓＰ回折格子４０３を作製する。続けて、図８（ｃ）に示すように、厚さ２００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層４０４を、２００ｎｍ成長し、表面を平坦化した後、続けて、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層からなる活性層４０５と、厚さ４００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層４０６を成長する。最後に、図８（ｄ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板４０１の上面にｎ型電極４０７を形成し、ｐ型ＩｎＰクラッド層４０６の上面に、ｐ型電極４０８を形成して、レーザ構造となる。
【０００７】
図９は、ＩｎＡｓＰ回折格子作製時における温度プロファイルと、ＡｓＨ_３，ＰＨ_３の流量の関係を示す図である。昇温中にＡｓＨ_３とＰＨ_３を共に供給し、ＩｎＡｓＰ回折格子を形成する。昇温時のＰＨ_３、ＡｓＨ_３の分圧は、一定である。その後、ＡｓＨ_３を停止し、温度を安定させた後に、ＩｎＰクラッド層４０４および活性層４０５を成長し、降温する。
【０００８】
図１０は、上記従来方法で作製したＩｎＡｓＰ回折格子の断面と、ＩｎＡｓＰ回折格子中のＡｓ組成分布を示した図である。図１０（ａ）において、ＩｎＰ基板４０１の溝からＩｎＰの主面に対して垂直方向に５点の観測位置を示している。図１０（ｂ）は、５点の観測点におけるＡｓ組成を示した図である。ＩｎＡｓＰ回折格子の溝部である位置２においてＡｓ組成が高く、表面側に向かうにつれてＡｓ組成が減少している。最もＡｓ組成の高い位置２におけるＡｓ組成は、７０％以上であり、２％以上の大きな格子歪を生じている。
【０００９】
図１１は、活性層のフォトルミネッセンススペクトル半値幅と活性層−ＩｎＡｓＰ回折格子間の距離の関係を示した図である。ｎクラッド層４０４の厚さが１５０ｎｍの場合、活性層のＰＬスペクトルの半値幅は、３０ｍｅＶである。これは、平坦基板上に活性層を成長した場合の半値幅と同程度であり、平坦な活性層が形成されていることを示している。一方、ＩｎＡｓＰ回折格子を活性層に近接させるため、ｎクラッド層４０４の厚さを薄くすると、半値幅が、４０ｍｅＶ以上に増大してしまう。回折格子の凹凸と、ＩｎＡｓＰ層の歪の影響をｎクラッド層４０４で十分緩和せず、活性層の平坦性が悪化してしまうためである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の製造方法による問題点を解決し、結晶性を損なうことなく、高い結合係数を持つ回折格子と活性層を形成し、広い動作温度範囲で単一波長発振する分布帰還型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明における分布帰還型半導体レーザの製造方法は、複数の溝が形成されたＩｎＰ基板上に、ＡｓＨ_３とＰＨ_３を含む混合気体中で昇温しながら、ＩｎＡｓＰの半導体混晶からなる回折格子、及びＩｎＧａＡｓＰの半導体混晶からなる活性層を順次形成する際、ＩｎＡｓＰ半導体混晶の形成時のＰＨ_３分圧を、ＩｎＧａＡｓＰ半導体混晶の形成時のＰＨ_３分圧より大きくしたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、マストランスポートするＩｎ量を制御することができ、ＩｎＡｓＰ回折格子のサイズを大きくすることができる。その結果、活性層の平坦性を損なうことなく活性層と回折格子を近接して設定できるので、活性層と回折格子の光の結合係数を大きくすることができ、単一波長発振する温度範囲を従来よりも広範囲にすることができる。
【００１３】
また、回折格子を溝にほぼ埋め込むことによりＩｎＰ基板を実質的に平坦にできるので、回折格子が埋め込まれたＩｎＰ基板上に、直接活性層を形成することができ、より活性層と回折格子の光の結合係数を大きくすることができる。
【００１４】
さらに、ＩｎＡｓＰの形成時のＡｓＨ_３分圧を、昇温しながら徐々に大きくすることによって、ＩｎＡｓＰの回折格子内のＡｓの分布を一定にすることができるので、ＩｎＡｓＰ回折格子の格子歪を小さくすることができ、活性層を回折格子に近接して形成しても、活性用の結晶性を損なうことがなく、より活性層と回折格子の光の結合係数を大きくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の製造方法の工程断面図を示す。図１（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、深さ１００ｎｍ、周期２４４ｎｍの溝１０２をフォトリソグラフィーとエッチングを用いて形成する。次に、図１（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ装置中で、フォスフィン、アルシンを含む混合気体を流しながら、昇温、加熱処理を行い、溝１０２の底部にＩｎＡｓＰ回折格子１０３を作製する。次に、図１（ｃ）に示すように、アルシンの供給を一旦停止し、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０４を形成した後、再び、アルシンの供給を行ない、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層からなる活性層１０５を形成する。最後に、図１（ｄ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の下面にｎ型電極１０７を形成し、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０６の上面にｐ型電極１０８を形成して、分布帰還型半導体レーザを完成させる。
【００１６】
図２は、本発明の製造方法におけるＩｎＡｓＰ回折格子の形成時の温度プロファイルと、ＡｓＨ_３，ＰＨ_３の流量の関係を示す図である。昇温中にＡｓＨ_３とＰＨ_３を共に供給し、ＩｎＡｓＰ回折格子を形成する。このときのＰＨ_３の流量を活性層成長時より多く設定しＰＨ_３の分圧を２ｔｏｒｒ以上に設定する。ＡｓＨ_３の流量は、波長が１．３μｍとなるように設定する。その後、ＡｓＨ_３を停止し、温度を安定させた後に、活性層を成長するのに適するＰＨ_３圧になるように流量を減少し、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０４、活性層１０５、ｐ型ＩｎＰクラッド１０６を成長し、降温する。
【００１７】
図３は、ＩｎＡｓＰ回折格子形成時のＰＨ_３分圧と、形成されるＩｎＡｓＰ回折格子１０３のＩｎＰ基板１０１の主面に対する高さの関係を示している。ＰＨ_３圧が低い場合、ＩｎＰ基板１０１から脱離してマイグレーションするＩｎのマイグレーション長が長いため、Ｖ溝上部から溝部へマストランスポートするＩｎの一部は、溝部に堆積せずに基板外部に逃げてしまう。このため、堆積するＩｎＡｓＰ回折格子１０３の高さは低い。一方、ＰＨ_３圧が高い場合、Ｉｎマイグレーション長が小さくなるため、Ｉｎが基板外部に逃げることなく効率よく溝部に堆積される。このため、形成するＩｎＡｓＰ回折格子１０３の高さを高くすることができる。ＰＨ_３圧２ｔｏｒｒ以上においては、高さは６０ｎｍ以上となる。ＩｎＡｓＰ回折格子形成時のＰＨ_３圧を、設定することにより、マストランスポートするＩｎ量を制御することができ、ＩｎＡｓＰ回折格子１０３を必要な高さに作製することができる。
【００１８】
図４は、上記方法により形成したＩｎＡｓＰ回折格子を有する分布帰還型半導体レーザにおいて、活性層のフォトルミネッセンススペクトル半値幅と活性層−ＩｎＡｓＰ回折格子間の距離の関係を示した図である。回折格子を活性層に近接させるため、ｎクラッド層１０４の厚さを薄くしても、半値幅は、増大しない。また、ｎクラッド層１０４の厚さを０ｎｍとし、ＩｎＡｓＰ回折格子１０３の直上に活性層を形成した場合においても、半値幅は増大しない。
【００１９】
このように、ＩｎＡｓＰ回折格子のサイズを大きく形成することによって、活性層の平坦性を損なうことなく活性層と回折格子を近接して設定できるので、活性層と回折格子の光の結合係数を大きくすることができる。本方法により得られる活性層とＩｎＡｓＰ回折格子の結合係数は、４０ｃｍ^−３であり、単一波長発振する広温度範囲を実現できる。
【００２０】
また、ＩｎＡｓＰ回折格子形成時のＡｓＨ_３，ＰＨ_３の分圧を、図５に示すように、ＰＨ_３圧は、２ｔｏｒｒ以上で一定とし、ＡｓＨ_３の分圧を、昇温開始時の低温時においては、ＡｓＨ_３分圧を小さく設定し、昇温によって温度が上昇するにつれてＡｓＨ_３分圧を増加するように設定すると、図６に示すように、ＩｎＡｓＰ回折格子のＡｓ組成分布を一定にすることができる。その結果、ＩｎＡｓＰ回折格子の格子歪を小さくすることができるので、活性層を回折格子に近接して形成しても、活性用の結晶性を損なうことがない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の方法により、ＩｎＡｓＰ回折格子のサイズを大きくすることができるので、活性層の平坦性を損なうことなく活性層と回折格子を近接して設定でき、活性層と回折格子の光の結合係数を大きくすることができるので、単一波長発振する温度範囲を従来よりも広範囲にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す工程断面図
【図２】本発明におけるＩｎＡｓＰ回折格子の形成方法を示す図
【図３】本発明における昇温時のＰＨ_３分圧と回折格子の高さの関係を示す図
【図４】本発明におけるフォトルミネッセンススペクトル半値幅を示す図
【図５】本発明におけるＩｎＡｓＰ回折格子の形成方法を示す図
【図６】本発明における回折格子のＡｓ分布を示す図
【図７】従来の分布帰還型半導体レーザの構造を示す図
【図８】従来の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す工程断面図
【図９】従来のＩｎＡｓＰ回折格子の形成方法を示す図
【図１０】従来の回折格子のＡｓ分布を示す図
【図１１】従来のフォトルミネッセンススペクトル半値幅を示す図
【符号の説明】
１０１、４０１　ｎ型ＩｎＰ基板
１０２、４０２　溝
１０３、４０３　ＩｎＡｓＰ回折格子
１０４、４０４　ｎ型ＩｎＰクラッド層
１０５、４０５　活性層
１０６、４０６　ｐ型ＩｎＰクラッド層
１０７、４０７　ｎ型電極
１０８、４０８　ｐ型電極

Claims

周期的に配列された複数の溝が形成されたＩｎＰ基板上に、少なくともＡｓＨ_３とＰＨ_３を含む混合気体中で昇温しながら、前記溝に埋め込まれたＩｎＡｓＰの半導体混晶からなる回折格子、及びＩｎＧａＡｓＰの半導体混晶からなる活性層が形成された構造を有する分布帰還型半導体レーザの製造方法において、前記ＩｎＡｓＰ半導体混晶の形成時のＰＨ_３分圧を、前記ＩｎＧａＡｓＰ半導体混晶の形成時のＰＨ_３分圧より大きくす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。
ＩｎＡｓＰの半導体混晶からなる回折格子が、ＩｎＰ基板が実質的に平坦になるように複数の溝に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
ＩｎＧａＡｓＰの半導体混晶からなる活性層が、実質的に平坦になったＩｎＰ基板上に直接形成されていることを特徴とする請求項２記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
ＩｎＡｓＰからなる半導体混晶形成時のＡｓＨ_３分圧を徐々に大きくしながら昇温して形成することを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。
ＩｎＡｓＰからなる半導体混晶の回折格子内におけるＡｓの濃度が均一であることを特徴とする請求項４記載の分布帰還型半導体レーザの製造方法。