JP2950297B2 - Distributed feedback semiconductor laser and method of manufacturing the same - Google Patents
Distributed feedback semiconductor laser and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光ファイバ通信等に
用いられる分布帰還型半導体レーザ素子およびその製造
方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a distributed feedback semiconductor laser device used for optical fiber communication and the like, and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光ファイバ通信において長距離高速伝送
を実現するためには、光源に用いられる半導体レーザに
高い単一軸モード発振安定性が必要とされる。今日、素
子内部に回折格子を内蔵することによって１つの波長の
みを選択して発振する分布帰還型半導体レーザ（Ｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄ
ｉｏｄｅ：以下ＤＦＢ−ＬＤ）の研究開発が進められ、
主に屈折率結合型のＤＦＢ−ＬＤが実用に供されてい
る。2. Description of the Related Art In order to realize long-distance high-speed transmission in optical fiber communication, a semiconductor laser used as a light source requires high single-axis mode oscillation stability. Today, distributed feedback semiconductor laser for selecting and oscillates only one wavelength by incorporating a diffraction grating into the internal element (D IS
tributed F eed b ack L aser D
iode: DFB-LD)
A refractive index coupling type DFB-LD is mainly used in practical use.
【０００３】この屈折率結合型ＤＦＢ−ＬＤの中でもλ
／４シフト回折格子を用い、かつ、端面に低反射率コー
ティングを施した素子は、高い単一軸モード安定性およ
び単一軸モード歩留まりを有することで知られている
が、両端面からほぼ同じ量の光が射出される為、高効率
化や高温動作化が困難であるという短所を有する。一
方、共振器方向に周期的な利得あるいは損失を与える利
得結合型ＤＦＢ−ＬＤでは素子端面の反射率が高い場合
でも良好な単一軸モード安定性及び単一軸モード歩留ま
りが得られ、また、共振器内の空間的ホールバーニング
が小さいという長所を有する。[0003] Among the index-coupled DFB-LDs, λ
Devices using a / 4 shift grating and having a low reflectivity coating on the end face are known to have high single axis mode stability and single axis mode yield, but have approximately the same amount of Since light is emitted, there is a disadvantage that it is difficult to achieve high efficiency and high-temperature operation. On the other hand, in a gain-coupled DFB-LD that provides a periodic gain or loss in the direction of the resonator, good single-axis mode stability and single-axis mode yield can be obtained even when the reflectivity of the element end face is high. The advantage is that the spatial hole burning in the interior is small.
【０００４】しかしながら、従来の利得結合型ＤＦＢ−
ＬＤには次のような課題が存在する。共振器方向の損失
に周期的な摂動を与えることにより利得結合型ＤＦＢ−
ＬＤを作製する場合、高い単一軸モード安定性及び単一
軸モード歩留まりを実現するためには比較的大きな損失
を与える必要がある。このため、閾値電流の増大やスロ
ープ効率の低下を伴い、特に高温での電流−光出力特性
を大きく劣化させることになる。また、吸収体の過飽和
吸収特性が電流光出力特性の線形性を損なう場合もあ
る。However, the conventional gain-coupled DFB-
The LD has the following problems. By giving a periodic perturbation to the loss in the resonator direction, a gain-coupled DFB-
When manufacturing an LD, a relatively large loss needs to be given in order to achieve high single-axis mode stability and single-axis mode yield. For this reason, the threshold current increases and the slope efficiency decreases, and the current-light output characteristics particularly at high temperatures are greatly deteriorated. In addition, the saturable absorption characteristics of the absorber may impair the linearity of the current light output characteristics.
【０００５】一方、共振器方向の利得に周期的な摂動を
与えることによって利得結合型ＤＦＢ−ＬＤを作製する
場合、活性層を周期的にエッチングする方法が用いられ
る。ここでウェットエッチングを用いる場合にはエッチ
ング深さならびにエッチング幅の制御性及び再現性が悪
く、設計通りの素子を歩留まりよく生産するのは困難で
ある。On the other hand, when fabricating a gain-coupled DFB-LD by giving a periodic perturbation to the gain in the resonator direction, a method of periodically etching the active layer is used. Here, when wet etching is used, the controllability and reproducibility of the etching depth and etching width are poor, and it is difficult to produce a device as designed with high yield.
【０００６】ドライエッチングを用いることによりこの
ようなエッチング寸法精度の問題は軽減されるが、活性
層の半導体結晶中にプラズマによる欠陥が発生し、電流
−光出力特性の劣化や素子寿命の低下を引き起こす要因
となる。このような活性層をエッチングする利得結合型
ＤＦＢ−ＬＤの作製方法に対し、特開平３−４９２８７
号公報に記載されるように、活性層を回折格子の周期に
従って配置したマスクを利用して選択成長させることに
よって回折格子周期に配列された活性層を形成させる方
法が提案されている。Although the problem of the dimensional accuracy of the etching is reduced by using the dry etching, a defect due to plasma is generated in the semiconductor crystal of the active layer, and the current-light output characteristics are deteriorated and the life of the device is shortened. It is a cause. Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-49287 discloses a method of manufacturing a gain-coupled DFB-LD in which such an active layer is etched.
As described in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-264, a method has been proposed in which an active layer is selectively grown using a mask in which the active layers are arranged in accordance with the period of the diffraction grating, thereby forming an active layer arranged in the period of the diffraction grating.
【０００７】図４は、従来の例である、特開平３−４９
２８７号公報に記載の利得結合型ＤＦＢ−ＬＤの構造を
示したものであり、図中の活性層１４と緩衝層１５が選
択成長によって形成された部分であるが、このような素
子構造は以下に示すような問題点を有している。即ち、
光ファイバ通信に用いられる波長１．３〜１．５５μｍ
帯のＤＦＢ−ＬＤの回折格子周期は０．２〜０．２５μ
ｍ程度であり、底面と５４．７度をなす角度で選択成長
メサが形成されることを考慮すると、選択成長のみによ
って形成可能な活性層の幅と高さはせいぜい０．１５〜
０．２μｍ程度に限定される。FIG. 4 shows a conventional example, which is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-49.
FIG. 287 shows a structure of a gain-coupling type DFB-LD described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 287, where the active layer 14 and the buffer layer 15 in the figure are formed by selective growth. Has the following problems. That is,
1.3 to 1.55 μm wavelength used for optical fiber communication
The period of the diffraction grating of the DFB-LD in the band is 0.2 to 0.25 μ.
m, and considering that the selective growth mesa is formed at an angle of 54.7 degrees with the bottom surface, the width and height of the active layer that can be formed only by selective growth are at most 0.15 to 0.15.
It is limited to about 0.2 μm.
【０００８】選択成長マスクの開口デューティ（＝開口
幅／回折格子周期）を５０％程度とすると、選択成長メ
サが三角形状となる高さまで活性層を形成したとして
も、同じ厚さの活性層を平坦成長した場合と比較して１
／４程度の活性層体積しか得られない。このような理由
から選択成長によってのみ活性層を形成する方法では、
活性層体積の減少とそれに伴う活性層への光閉じ込め低
下によって十分な光学利得が得られず、閾値電流の増加
や高温での電流−光出力特性の劣化を引き起こすことに
なる。When the opening duty (= opening width / diffraction grating period) of the selective growth mask is about 50%, even if the active layer is formed to a height at which the selective growth mesa becomes triangular, the active layer having the same thickness is formed. 1 compared to the case of flat growth
Only about / 4 of the active layer volume can be obtained. For this reason, in the method of forming the active layer only by selective growth,
A sufficient optical gain cannot be obtained due to a decrease in the volume of the active layer and a concomitant decrease in light confinement in the active layer, causing an increase in threshold current and deterioration of current-light output characteristics at high temperatures.
【０００９】また、選択成長によって形成された活性層
同士の間を通過する電流が光学利得に寄与しない無効電
流となってしまうことも電流−光出力特性の劣化の一因
となっている。さらに、活性層へのエッチングにより利
得の周期的摂動を与える場合には、利得の大きな領域と
小さな領域の利得差および屈折率差を活性層全体の厚さ
に対するエッチング深さの比によって設計することがで
きることに対して、設計自由度が低下するという問題も
有する。Further, the fact that a current passing between active layers formed by selective growth becomes a reactive current that does not contribute to optical gain also contributes to deterioration of current-light output characteristics. Further, when a periodic perturbation of the gain is given by etching the active layer, the gain difference and the refractive index difference between the large gain region and the small gain region should be designed by the ratio of the etching depth to the thickness of the entire active layer. However, there is also a problem that the degree of freedom in design is reduced.
【００１０】又、特開平３−１６２８８号公報には、活
性層の上面部に単に台形の回折格子をＭＯＣＶＤ法を使
用して形成した技術が開示されているに過ぎず、選択成
長による周期的な活性層を形成する技術に関しては全く
開示がない。本発明の目的は、上記した従来技術の欠点
を改良し、電流−光出力特性および温度特性が良好で、
かつ、素子設計の自由度に優れた分布帰還型半導体レー
ザ素子を制御性・再現性良く製造することである。Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-16288 merely discloses a technique in which a trapezoidal diffraction grating is simply formed on the upper surface of an active layer by using the MOCVD method. There is no disclosure of a technique for forming an active layer. An object of the present invention is to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art, to provide good current-light output characteristics and temperature characteristics
It is another object of the present invention to manufacture a distributed feedback semiconductor laser device excellent in the degree of freedom in device design with good controllability and reproducibility.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成する為、以下に示す様な基本的な技術構成を採用す
るものである。即ち、本発明に係る第１の態様として
は、平坦成長によって形成された活性層と選択成長によ
って形成された周期的な活性層とが積層された積層構造
を有する分布帰還型半導体レーザであり、又、本発明に
係る第２の態様としては、半導体基板上に活性層を平坦
に成長する第１の工程、当該平坦に成長された該活性層
上に周期的な誘電体膜を形成する第２の工程、該周期的
な誘電体膜をマスクとして周期的な活性層を該活性層上
に選択的に成長する第３の工程とから構成されている分
布帰還型半導体レーザの製造方法である。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention employs the following basic technical structure. That is, a first aspect according to the present invention is a distributed feedback semiconductor laser having a stacked structure in which an active layer formed by flat growth and a periodic active layer formed by selective growth are stacked, According to a second aspect of the present invention, there is provided a first step of flatly growing an active layer on a semiconductor substrate, and a step of forming a periodic dielectric film on the flatly grown active layer. And a third step of selectively growing a periodic active layer on the active layer using the periodic dielectric film as a mask. .
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】つまり、本発明に係る分布帰還型
半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）の構成をより具体例に説
明するならば、平坦成長によって形成された均一な活性
層と選択成長によって形成された周期的な活性層との積
層構造を有することを特徴とするものであり、また本発
明に係るＤＦＢ−ＬＤの製造方法としては、半導体基板
上に第一の活性層を平坦成長した後、周期的な選択成長
マスクを形成し、第二の活性層を選択的に成長すること
を特徴とするものである。More specifically, the structure of a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to the present invention will be described in more detail with reference to a uniform active layer formed by flat growth and a selective growth. And a method of manufacturing a DFB-LD according to the present invention, wherein a first active layer is formed on a semiconductor substrate by flat growth. A periodic selective growth mask is formed, and the second active layer is selectively grown.
【００１３】より詳細に本発明に係る分布帰還型半導体
レーザに関して説明するならば、本発明に係る分布帰還
型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）において共振器方向に
利得の周期的摂動を与える構造の寸法は、層厚方向には
成長速度と成長時間の制御によって、共振器方向には選
択成長マスクのパターニング精度によって規定され、い
ずれも高い精度で再現性良く作製することが可能であ
る。To describe the distributed feedback semiconductor laser according to the present invention in more detail, the dimensions of the structure of the distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to the present invention, which gives a periodic perturbation of the gain in the cavity direction. Are defined by controlling the growth rate and the growth time in the layer thickness direction and by the patterning accuracy of the selective growth mask in the resonator direction, and both can be manufactured with high accuracy and high reproducibility.
【００１４】また、活性層へのドライエッチングを用い
る場合のような素子寿命低下の問題もない。また、特開
平３−４９２８７号公報に記載の利得結合型分布帰還型
半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）では選択成長された活性
層の間を通過する電流が発光に寄与しない、すなわち無
効電流となるのに対して、本発明に係る分布帰還型半導
体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）においては平坦成長された第
一の活性層を必ず電流が通過するため、このような無効
電流は発生しない。[0014] Further, there is no problem of shortening the element life as in the case of using dry etching for the active layer. Further, in the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) described in JP-A-3-49287, the current passing between the selectively grown active layers does not contribute to light emission, that is, becomes a reactive current. On the other hand, in the distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to the present invention, such a reactive current does not occur because the current always passes through the first active layer that is flatly grown.
【００１５】さらに、本発明に於て、平坦成長によって
形成される部分ならびに選択成長によって形成される部
分それぞれの量子井戸数をはじめとする活性層設計、選
択成長マスクの開口デューティー、さらには選択成長領
域を埋め込む半導体層の組成等、素子設計自由度は高
く、かつ、いずれの設計パラメータに関しても高い精度
で再現性良く作製することができる。Further, in the present invention, the active layer design including the number of quantum wells in each of the portions formed by the flat growth and the portions formed by the selective growth, the opening duty of the selective growth mask, and the selective growth The degree of freedom in element design, such as the composition of the semiconductor layer in which the region is buried, is high, and the device can be manufactured with high accuracy and reproducibility with respect to any design parameter.
【００１６】[0016]
【実施例】以下に、本発明に係る分布帰還型半導体レー
ザ及び分布帰還型半導体レーザの製造方法の一具体例の
構成を図面を参照しながら詳細に説明する。即ち、図１
は、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−Ｌ
Ｄ）に於ける一具体例の構成を示す断面図であり、図
中、平坦成長によって形成された活性層７と選択成長に
よって形成された周期的な活性層６とが積層された積層
構造を有する分布帰還型半導体レーザ２０が示されてい
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A distributed feedback semiconductor laser according to the present invention and a specific example of a method of manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. That is, FIG.
Is a distributed feedback semiconductor laser (DFB-L) according to the present invention.
FIG. 4D is a cross-sectional view showing the configuration of one specific example in D), in which a stacked structure in which an active layer 7 formed by flat growth and a periodic active layer 6 formed by selective growth are stacked is shown. A distributed feedback semiconductor laser 20 having the same is shown.
【００１７】本発明に於いては、当該平坦成長によって
形成された活性層７と当該選択成長によって形成された
周期的な活性層６がともに量子井戸構造を有するもので
ある事が望ましい。更に、本発明に於ける当該分布帰還
型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）に於いては、当該平坦
成長によって形成された活性層７に含まれる量子井戸層
の中で当該周期的な活性層６に最も近接した量子井戸層
と、当該周期的な活性層６に含まれる量子井戸層の中で
当該平坦成長によって形成された活性層７に最も近接し
た量子井戸層との間隔が４０ｎｍ以下に設定されている
ことが望ましい。In the present invention, it is desirable that both the active layer 7 formed by the flat growth and the periodic active layer 6 formed by the selective growth have a quantum well structure. Further, in the distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to the present invention, the periodic active layer 6 is included in the quantum well layer included in the active layer 7 formed by the flat growth. The distance between the closest quantum well layer and the quantum well layer closest to the active layer 7 formed by the flat growth among the quantum well layers included in the periodic active layer 6 is set to 40 nm or less. Is desirable.
【００１８】次に、本発明に係る当該分布帰還型半導体
レーザの具体例の形態について図１乃至図２を参照して
詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定さ
れるものではない。図１は、上記した様に、本発明の第
一の具体例に係る分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−Ｌ
Ｄ）の構造を示す断面図である。Next, a specific embodiment of the distributed feedback semiconductor laser according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. However, the present invention is not limited to the following embodiment. is not. FIG. 1 shows a distributed feedback semiconductor laser (DFB-L) according to the first embodiment of the present invention, as described above.
It is sectional drawing which shows the structure of D).
【００１９】図１中６は基板１上に平坦成長によって形
成された第一の活性層であり、７は選択成長によって形
成され、共振器方向に利得及び屈折率の周期的摂動を与
える第二の活性層である。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、
本具体例に係る分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−Ｌ
Ｄ）の製造手順を説明するための第一の実施例として波
長１．３μｍ帯の利得結合型ＤＦＢ−ＬＤの作製行程を
示した断面図である。In FIG. 1, reference numeral 6 denotes a first active layer formed by flat growth on the substrate 1, and reference numeral 7 denotes a second active layer formed by selective growth and providing a periodic perturbation of gain and refractive index in the direction of the resonator. Active layer. 2 (A) to 2 (D)
The distributed feedback semiconductor laser (DFB-L)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a gain-coupled DFB-LD in a 1.3 μm wavelength band as a first example for explaining the manufacturing procedure D).
【００２０】ｎ−ＩｎＰ基板１ａ上にＭＯＶＰＥ法によ
ってｎ−ＩｎＰクラッド層２ａ（厚さ２．０μｍ，ドー
ピング濃度１×１０18ｃｍ-3）、ＩｎＧａＡｓＰのＳＣ
Ｈ層３（発光波長１．１３μｍ，厚さ６０ｎｍ）、なら
びに０．７％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層４（厚さ
６ｎｍ）３層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層５（発光波長１．
１３μｍ，厚さ１０ｎｍ）、ならびにＳＣＨ層３（発光
波長１．１３μｍ，厚さ６０ｎｍ）からなる第一の活性
層６（発光波長１．３μｍ）を順次成長する（図２
（Ａ））。An n-InP cladding layer 2a (thickness 2.0 μm, doping concentration 1 × 10 18 cm −3 ) and an InGaAsP SC are formed on the n-InP substrate 1a by MOVPE.
H layer 3 (emission wavelength 1.13 μm, thickness 60 nm), three 0.7% compressively strained InGaAsP quantum well layers 4 (thickness 6 nm) and InGaAsP barrier layer 5 (emission wavelength 1.
13 μm, thickness 10 nm) and a first active layer 6 (emission wavelength 1.3 μm) composed of the SCH layer 3 (emission wavelength 1.13 μm, thickness 60 nm) are sequentially grown (FIG. 2).
(A)).
【００２１】次にＣＶＤ法によって厚さ５０ｎｍのＳｉ
Ｏ2 を堆積し、ＥＢ露光とＢＨＦによるエッチングによ
って周期２０２ｎｍ，開口デューティー６５％の選択成
長マスクパターン８を形成する。選択成長マスク８を形
成した基板上に、０．７％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸層４（厚さ６ｎｍ）３層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層５
（発光波長１．１３μｍ，厚さ１０ｎｍ）、ならびにＳ
ＣＨ層３（発光波長１．１３μｍ，厚さ６０ｎｍ）から
なる第二の活性層７（発光波長１．３μｍ）を成長し
（図２（Ｂ））、さらに選択成長マスク８を除去した
後、ＩｎＧａＡｓＰ埋め込み層９（発光波長１．１３μ
ｍ，厚さ３００ｎｍ），ｐ−ＩｎＰクラッド層２ｂ（厚
さ８００ｎｍ，ドーピング濃度７×１０17ｃｍ-3）を成
長する（図２（Ｃ））。Next, 50 nm thick Si
O 2 is deposited, and a selective growth mask pattern 8 having a period of 202 nm and an opening duty of 65% is formed by EB exposure and etching with BHF. On the substrate on which the selective growth mask 8 is formed, three 0.7% compression-strained InGaAsP quantum well layers 4 (thickness: 6 nm) and three InGaAsP barrier layers 5 are formed.
(Emission wavelength 1.13 μm, thickness 10 nm), and S
After growing the second active layer 7 (emission wavelength 1.3 μm) composed of the CH layer 3 (emission wavelength 1.13 μm, thickness 60 nm) (FIG. 2 (B)), and removing the selective growth mask 8, InGaAsP buried layer 9 (emission wavelength 1.13 μm)
m, thickness 300 nm), and a p-InP cladding layer 2b (thickness 800 nm, doping concentration 7 × 10 17 cm −3 ) is grown (FIG. 2C).
【００２２】次にフォトリソグラフィーとエッチングに
より活性層幅１．５μｍのメサストライプを形成した
後、ＬＰＥによりｐｎｐｎ電流狭窄構造を有するＤＣ−
ＰＢＨ構造に埋め込み成長を行う。最後に電極１１を作
製後、共振器長３００μｍに劈開し、前方端面および後
方端面にそれぞれ反射率３％，９０％のコーティングを
施した（図２（Ｄ））。Next, a mesa stripe having an active layer width of 1.5 μm is formed by photolithography and etching, and then a DC-FET having a pnpn current confinement structure is formed by LPE.
Buried growth is performed on the PBH structure. Finally, after the electrode 11 was manufactured, it was cleaved to a resonator length of 300 μm, and the front end face and the rear end face were coated with a reflectance of 3% and 90%, respectively (FIG. 2 (D)).
【００２３】本実施例にかかる利得結合型分布帰還型半
導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）は２５℃において閾値電流
６．５ｍＡ，スロープ効率０．５２Ｗ／Ａであり、又、
８５℃において閾値電流１７．３ｍＡ，スロープ効率
０．３７Ｗ／Ａと良好な電流−光出力特性を示した。更
に、上記で評価した５０素子中３８素子においてＳＭＳ
Ｒ４０ｄＢ以上の優れた単一軸モード安定性が確認され
た。The gain-coupled distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to the present embodiment has a threshold current of 6.5 mA and a slope efficiency of 0.52 W / A at 25 ° C.
At 85 ° C., a good current-light output characteristic was obtained with a threshold current of 17.3 mA and a slope efficiency of 0.37 W / A. Further, the SMS was evaluated in 38 of the 50 devices evaluated above.
Excellent single-axis mode stability of R40 dB or more was confirmed.
【００２４】図３は本実施形態に係る分布帰還型半導体
レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）の製造手順を説明するための第
二の実施例として波長１．５５μｍ帯の利得結合型（Ｄ
ＦＢ−ＬＤ）の作製行程を示した図である。ｎ−ＩｎＰ
基板１ａ上に、ＭＯＶＰＥによって、ｎ−ＩｎＰクラッ
ド層２ａ（厚さ０．２μｍ，ドーピング濃度１×１０18
ｃｍ-3）、ＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨ層３（発光波長１．
２０μｍ，厚さ４０ｎｍ）、ならびに０．８％圧縮歪Ｉ
ｎＧａＡｓＰ量子井戸層４（厚さ５．５ｎｍ）２層とＩ
ｎＧａＡｓＰ障壁層５（発光波長１．２０μｍ，厚さ１
０ｎｍ）からなる第一の活性層６（発光波長１．５５μ
ｍ）を順次成長する（図３（Ａ））。FIG. 3 shows a gain-coupled type (D) having a wavelength of 1.55 μm band as a second example for explaining the manufacturing procedure of the distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to this embodiment.
It is a figure showing the manufacturing process of (FB-LD). n-InP
An n-InP cladding layer 2a (thickness 0.2 μm, doping concentration 1 × 10 18) is formed on the substrate 1a by MOVPE.
cm -3 ), SCH layer 3 of InGaAsP (emission wavelength 1.
20 μm, thickness 40 nm), and 0.8% compression strain I
two nGaAsP quantum well layers 4 (5.5 nm thick) and I
nGaAsP barrier layer 5 (emission wavelength 1.20 μm, thickness 1
0 nm) (emission wavelength 1.55 μm).
m) are sequentially grown (FIG. 3A).
【００２５】次にプラズマＣＶＤによって厚さ４０ｎｍ
のＳｉＮを堆積し、ＥＢ露光とドライエッチングにより
周期２４０ｎｍ，開口デューティー７５％の選択成長マ
スクパターン８を形成する。このような選択成長マスク
８を形成した基板上に、１．２％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ
量子井戸層４（厚さ５．５ｎｍ）４層とＩｎＧａＡｓＰ
障壁層５（発光波長１．２０μｍ，厚さ１０ｎｍ）、な
らびにＳＣＨ層３（発光波長１．２０μｍ，厚さ２０ｎ
ｍ）からなる第二の活性層７（発光波長１．５５μｍ）
を成長するが、本実施例においては第二の活性層の結晶
成長を安定して行うために第二の活性層の最下層として
基板と同一材料、すなわちＩｎＰのスペーサ層１４を８
ｎｍ成長している（図３（Ｂ））。Next, a thickness of 40 nm is formed by plasma CVD.
Is deposited, and a selective growth mask pattern 8 having a period of 240 nm and an opening duty of 75% is formed by EB exposure and dry etching. On the substrate on which the selective growth mask 8 is formed, a 1.2% compressive strain InGaAsP is formed.
Four quantum well layers 4 (5.5 nm thick) and InGaAsP
Barrier layer 5 (emission wavelength 1.20 μm, thickness 10 nm) and SCH layer 3 (emission wavelength 1.20 μm, thickness 20 n)
m) (second emission layer 1.55 μm)
In this embodiment, in order to stably grow the crystal of the second active layer, the same material as the substrate, that is, the InP spacer layer 14 is formed as the lowermost layer of the second active layer.
nm (FIG. 3B).
【００２６】また、第二の活性層の量子井戸数と歪量を
第一の活性層よりも大きくすることによって、利得結合
係数が大きくなるように設計している。次に、選択成長
マスク８を除去した後、ＩｎＧａＡｓＰ埋め込み層９
（発光波長１．３５μｍ，厚さ３００ｎｍ），ｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層２ｂ（厚さ８００ｎｍ，ドーピング濃度５
×１０17ｃｍ-3）を成長する（図３（Ｃ））。Further, the number of quantum wells and the amount of strain in the second active layer are designed to be larger than those in the first active layer so that the gain coupling coefficient is increased. Next, after removing the selective growth mask 8, the InGaAsP buried layer 9 is formed.
(Emission wavelength: 1.35 μm, thickness: 300 nm), p-In
P cladding layer 2b (thickness 800 nm, doping concentration 5
× 10 17 cm −3 ) (FIG. 3C).
【００２７】次にフォトリソグラフィーとエッチングに
より活性層幅１．６μｍのメサストライプを形成し、Ｍ
ＯＶＰＥによりＦｅドープ半絶縁ＩｎＰ埋め込み構造を
有する構造を形成する。最後に電極１１を作成後、共振
器長３８０μｍに劈開し、前方端面および後方端面にそ
れぞれ反射率１％、９０％のコーティングを施した（図
３（Ｄ））。Next, a mesa stripe having an active layer width of 1.6 μm is formed by photolithography and etching.
A structure having a Fe-doped semi-insulating InP buried structure is formed by OVPE. Finally, after the electrode 11 was formed, it was cleaved to a resonator length of 380 μm, and the front end face and the rear end face were coated with a reflectance of 1% and 90%, respectively (FIG. 3D).
【００２８】本実施例にかかる利得結合型分布帰還型半
導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）は２５℃において閾値電流
７．１ｍＡ，スロープ効率０．４６Ｗ／Ａ、８５℃にお
いて閾値電流１９．８ｍＡ，スロープ効率０．２６Ｗ／
Ａと良好な電流−光出力特性を示した。また、評価３０
素子中２３素子においてＳＭＳＲ４０ｄＢ以上の優れた
単一軸モード安定性が確認された。The gain-coupled distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to this embodiment has a threshold current of 7.1 mA and a slope efficiency of 0.46 W / A at 25 ° C., a threshold current of 19.8 mA and a slope efficiency of 85 ° C. 0.26W /
A and good current-light output characteristics. Evaluation 30
Excellent single-axis mode stability of 40 dB or more in SMSR was confirmed in 23 of the devices.
【００２９】なお、第一の活性層の量子井戸数と第二の
活性層の量子井戸数は、第一の実施例ではそれぞれ３層
と３層、第二の実施例ではそれぞれ２層と４層とした
が、他の量子井戸数の組み合わせでも良く、第一の活性
層と第二の活性層とは組成・歪量・層厚等を異なるもの
としても構わない。本発明にかかる分布帰還型半導体レ
ーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）の製造方法においては、上記した
様に、半導体基板上に活性層を平坦に成長する第１の工
程、当該平坦に成長された該活性層上に周期的な誘電体
膜を形成する第２の工程、該周期的な誘電体膜をマスク
として周期的な活性層を該活性層上に選択的に成長する
第３の工程とから構成されている分布帰還型半導体レー
ザの製造方法であって、当該平坦成長によって形成され
た活性層と当該選択成長によって形成された周期的な活
性層は、ともに量子井戸構造を有するものである事が望
ましい。The number of quantum wells in the first active layer and the number of quantum wells in the second active layer are respectively three and three in the first embodiment, and two and four in the second embodiment. The first active layer and the second active layer may be different from each other in composition, strain amount, layer thickness, and the like. In the method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) according to the present invention, as described above, the first step of flatly growing the active layer on the semiconductor substrate, the step of growing the flattened active layer A second step of forming a periodic dielectric film thereon, and a third step of selectively growing a periodic active layer on the active layer using the periodic dielectric film as a mask. In the method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser, the active layer formed by the flat growth and the periodic active layer formed by the selective growth preferably both have a quantum well structure. .
【００３０】当該第１の工程に於ける当該平坦な活性層
の成長は、量子井戸構造の障壁層で終える様に構成さ
れ、又当該第３の工程に於ける当該周期的な活性層の選
択成長は、量子井戸構造の障壁層から開始させる様に構
成されていても良く、又、当該第１の工程に於ける当該
平坦な活性層の成長を基板と同一材料の層で終える様に
構成され、又、当該第３の工程に於ける当該周期的な活
性層の選択成長は、当該量子井戸構造の障壁層で開始さ
せる様に構成されていても良い。The growth of the flat active layer in the first step is configured to end with a barrier layer having a quantum well structure, and the periodic selection of the active layer in the third step is performed. The growth may be configured to start from a barrier layer having a quantum well structure, or may be configured so that the growth of the flat active layer in the first step ends with a layer of the same material as the substrate. Alternatively, the periodic selective growth of the active layer in the third step may be started at the barrier layer of the quantum well structure.
【００３１】更には、本発明に係る当該分布帰還型半導
体レーザの製造方法に於て、当該第１の工程に於ける当
該平坦な活性層の成長を量子井戸構造の障壁層で終える
様に構成され、又当該第３の工程に於ける当該周期的な
活性層の選択成長を基板と同一材料の層で開始させるこ
とが望ましく、又、当該第１の工程に於ける当該平坦な
活性層の成長を基板と同一材料の層で終える様に構成さ
れ、又当該周期的な活性層の選択成長を基板と同一材料
の層で開始させる様に構成されている事が望ましい。Further, in the method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to the present invention, the growth of the flat active layer in the first step is completed by a barrier layer having a quantum well structure. Preferably, the selective growth of the periodic active layer in the third step is started with a layer of the same material as the substrate, and the flat active layer is selectively grown in the first step. It is preferable that the growth is finished with the same material layer as the substrate, and that the periodic selective growth of the active layer is started with the same material layer as the substrate.
【００３２】尚、本発明に於ける当該分布帰還型半導体
レーザの製造方法に於いては、当該第１の工程に於ける
当該平坦な活性層の平坦成長の最終層あるいは選択成長
の最初の層若しくは、当該第３の工程に於ける当該選択
成長により形成される周期的な活性層の最初の層として
成長する、当該基板と同一材料の層の厚みが１０ｎｍ以
下である様に設定されている事が望ましい。In the method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to the present invention, the final layer of the flat active layer or the first layer of the selective growth of the flat active layer in the first step. Alternatively, the thickness of the layer of the same material as the substrate, which is grown as the first layer of the periodic active layer formed by the selective growth in the third step, is set to be 10 nm or less. Things are desirable.
【００３３】即ち、本発明に於いては、第二の活性層の
成長を行う際の基板前処理によってわずかに半導体層が
エッチングされることを考慮し、第一の活性層は量子井
戸層以外の層で成長を終えることが望ましい。また、第
二の活性層の最下量子井戸層が結晶長開始時の表面状態
に影響され難い様に、第二の活性層は量子井戸層以外の
層から成長を行うことが望ましい。That is, in the present invention, considering that the semiconductor layer is slightly etched by the pretreatment of the substrate when growing the second active layer, the first active layer is formed of a material other than the quantum well layer. It is desirable to finish the growth with this layer. Further, it is desirable that the second active layer be grown from a layer other than the quantum well layer so that the lowermost quantum well layer of the second active layer is not easily affected by the surface state at the start of the crystal length.
【００３４】前処理や成長初期の不安定性が量子井戸層
の品質に与える影響を軽減するために、第一の活性層の
最上層厚や第二の活性層の最下層厚を数ｎｍから十数ｎ
ｍ程度厚くしても良いが、第一の活性層の最上量子井戸
層と第二の活性層の最下量子井戸層との間隔が大きくな
ると光電界の横モード安定性に悪影響を及ぼすため、両
者の間隔は広くても４０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ
以下にすることが望ましい。In order to reduce the influence of the instability of the pre-treatment and the initial stage of growth on the quality of the quantum well layer, the uppermost layer thickness of the first active layer and the lowermost layer thickness of the second active layer should be several nm to 10 nm. Number n
Although it may be thicker by about m, an increase in the distance between the uppermost quantum well layer of the first active layer and the lowermost quantum well layer of the second active layer adversely affects the transverse mode stability of the optical electric field. The distance between the two is at most 40 nm or less, preferably 20 nm.
It is desirable to make the following.
【００３５】第二の具体例において示したように、第二
の活性層の最下層として基板と同一材料のスペーサ層を
数ｎｍ程度成長する、あるいは第一の活性層の最上層と
して基板と同一材料のスペーサ層を数ｎｍ程度成長する
ことも第二の活性層の結晶成長を安定して行うためには
有効である。第一の活性層の最上層と第二の活性層の最
下層の両方に基板と同一材料のスペーサ層を用いても良
い。As shown in the second embodiment, a spacer layer of the same material as the substrate is grown to a thickness of several nm as the lowermost layer of the second active layer, or the same as the uppermost layer of the first active layer. It is also effective to grow the spacer layer of the material to a thickness of about several nm in order to stably grow the crystal of the second active layer. A spacer layer of the same material as the substrate may be used for both the uppermost layer of the first active layer and the lowermost layer of the second active layer.
【００３６】このように、第一の活性層の最上層あるい
は第二の活性層の最下層に基板と同一材料の層を用いる
場合には、基板材料のバンドギャップが量子井戸層なら
びに障壁層のバンドギャップよりも大きいことによって
キャリアの注入効率が低下するため、該基板材料と同一
材料層の厚さは１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下と
することが望ましい。As described above, when a layer of the same material as the substrate is used as the uppermost layer of the first active layer or the lowermost layer of the second active layer, the band gap of the substrate material is limited to the quantum well layer and the barrier layer. Since the carrier injection efficiency is reduced by being larger than the band gap, the thickness of the same material layer as the substrate material is desirably 10 nm or less, preferably 5 nm or less.
【００３７】また第一の具体例においてはｎ型基板を用
いたＤＣ−ＰＢＨ型ＬＤ構造、第二の実施例においては
ｎ型基板を用た半絶縁層埋め込み型ＬＤ構造としたが、
ｐ型基板あるいは半絶縁性基板を用いた場合や、ＰＢＨ
型ＬＤ構造あるいはリッジ型ＬＤ構造などといった素子
構造においても本発明が適用可能であることはいうまで
もない。In the first specific example, a DC-PBH type LD structure using an n-type substrate is used. In the second example, a semi-insulating layer embedded type LD structure using an n-type substrate is used.
When a p-type substrate or semi-insulating substrate is used, or when PBH
It is needless to say that the present invention is also applicable to an element structure such as a type LD structure or a ridge type LD structure.
【００３８】本発明に於いては、使用されるレーザーの
発振波長に関しても上記の実施例の１．３μｍ帯ならび
に１．５５μｍ帯に限定されるものではなく、例えば
１．６５μｍ，０．９８μｍ，あるいは０．６８μｍ等
の可視波長帯を含め、いかなる波長帯であってもよい。
また、上記具体例では歪量子井戸層を用いた歪ＭＱＷ構
造としたが無歪ＭＱＷ構造や歪補償型ＭＱＷ構造あるい
はバルク活性層を用いてもよく、その構成材料としては
実施例のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の他に、ＡｌＧａＩ
ｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＡｌＧ
ａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系、その他いかなる材料系を使用
したものであっても良い。In the present invention, the oscillation wavelength of the laser used is not limited to the 1.3 μm band and the 1.55 μm band of the above-described embodiment, but may be, for example, 1.65 μm, 0.98 μm, Alternatively, any wavelength band including a visible wavelength band such as 0.68 μm may be used.
In the above specific example, the strained MQW structure using the strained quantum well layer was used. However, a strainless MQW structure, a strain compensation type MQW structure, or a bulk active layer may be used, and the constituent material is InGaAsP / InP of the embodiment. In addition to the system, AlGaI
nAs / InP system, AlGaAs / GaAs system, AlG
An aInP / GaInP system or any other material system may be used.
【００３９】結晶成長方法に関しても、ＭＯＶＰＥに限
定されることなく、選択成長によって良質な結晶品質が
得られるものであれば、ＭＢＥ等いかなる結晶成長方法
を用いても良い。The crystal growth method is not limited to MOVPE, and any crystal growth method such as MBE may be used as long as good crystal quality can be obtained by selective growth.
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、上記したような技術構成を採用している事から、電
流−光出力特性および温度特性が良好で、かつ、素子設
計の自由度に優れた利得結合型ＤＦＢ−ＬＤを制御性・
再現性良く製造することが可能となる。As described above, according to the present invention, since the above-mentioned technical structure is employed, the current-light output characteristics and the temperature characteristics are good, and the element design is free. Controllable gain coupling type DFB-LD
It becomes possible to manufacture with good reproducibility.
【００４１】その理由は、共振器方向に利得の周期的摂
動を与える構造の寸法が、層厚方向には成長速度と成長
時間の制御によって、共振器方向には誘電体選択成長マ
スクのパターニング精度によって規定され、いずれも高
い精度で再現性良く作製することが可能であり、また種
々の素子設計パラメータの設計自由度を損なうことな
く、各々の最適化を計ることが可能となるからである。The reason for this is that the size of the structure that gives a periodic perturbation of the gain in the direction of the resonator is controlled by controlling the growth rate and the growth time in the layer thickness direction, and the patterning accuracy of the dielectric selective growth mask in the direction of the resonator. This is because each of them can be manufactured with high accuracy and high reproducibility, and each of them can be optimized without impairing the degree of freedom in designing various element design parameters.
【図１】図１は、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ
の一具体例の構成を説明する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a specific example of a distributed feedback semiconductor laser according to the present invention.
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、本発明に係る分布
帰還型半導体レーザの製造方法の一の具体例を説明した
断面図であり、又図２（Ｄ）は、本発明に係る分布帰還
型半導体レーザの製造方法によって得られる分布帰還型
半導体レーザの斜視図である。FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a specific example of a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to the present invention. FIGS. 1 is a perspective view of a distributed feedback semiconductor laser obtained by a method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to the present invention.
【図３】本発明の第二の実施例を説明する図。図３
（Ａ）〜図３（Ｃ）は、本発明に係る分布帰還型半導体
レーザの製造方法の他の具体例を説明した断面図であ
り、又図３（Ｄ）は、本発明に係る他の具体例に於ける
分布帰還型半導体レーザの製造方法によって得られる分
布帰還型半導体レーザの斜視図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention. FIG.
3A to 3C are cross-sectional views illustrating another specific example of a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to the present invention, and FIG. 3D is another cross-sectional view according to the present invention. It is a perspective view of the distributed feedback semiconductor laser obtained by the manufacturing method of the distributed feedback semiconductor laser in a specific example.
【図４】図４は、従来例の分布帰還型半導体レーザの一
具体例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a specific example of a conventional distributed feedback semiconductor laser.
１…基板 １ａ…ｎ−ＩｎＰ基板 ２…クラッド層 ２ａ…ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２ｂ…ｐ−ＩｎＰクラッド層 ３…ＳＣＨ層 ４…量子井戸層 ５…障壁層 ６…第一の活性層 ７…第二の活性層 ８…選択成長マスク ９…埋め込み層 １０…コンタクト層 １０ａ…ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １１…電極 １２…電流ブロック層 １２ａ…ｐ−ＩｎＰブロック層 １２ｂ…ｎ−ＩｎＰブロック層 １２ｃ…Ｆｅドープ半絶縁ＩｎＰブロック層 １３…絶縁膜 １４…ＩｎＰスペーサ層 １５…活性層 １６…緩衝層 ２０…分布帰還型半導体レーザ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 1a ... n-InP substrate 2 ... Cladding layer 2a ... n-InP cladding layer 2b ... p-InP cladding layer 3 ... SCH layer 4 ... Quantum well layer 5 ... Barrier layer 6 ... First active layer 7 ... First Second active layer 8 ... Selective growth mask 9 ... Buried layer 10 ... Contact layer 10a ... P-InGaAs contact layer 11 ... Electrode 12 ... Current block layer 12a ... P-InP block layer 12b ... n-InP block layer 12c ... Fe doping Semi-insulating InP block layer 13: insulating film 14: InP spacer layer 15: active layer 16: buffer layer 20: distributed feedback semiconductor laser
Claims (9)
択成長によって形成された周期的な活性層とが積層され
た積層構造を有することを特徴とする分布帰還型半導体
レーザ。1. A distributed feedback semiconductor laser having a stacked structure in which an active layer formed by flat growth and a periodic active layer formed by selective growth are stacked.
と当該選択成長によって形成された周期的な活性層がと
もに量子井戸構造を有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。2. The distributed feedback semiconductor laser according to claim 1, wherein both the active layer formed by the flat growth and the periodic active layer formed by the selective growth have a quantum well structure.
に含まれる量子井戸層の中で当該周期的な活性層に最も
近接した量子井戸層と、当該周期的な活性層に含まれる
量子井戸層の中で当該平坦成長によって形成された活性
層に最も近接した量子井戸層との間隔が４０ｎｍ以下に
設定されていることを特徴とする請求項２に記載の分布
帰還型半導体レーザ。3. A quantum well layer closest to the periodic active layer among quantum well layers included in the active layer formed by the flat growth, and a quantum well layer included in the periodic active layer. 3. The distributed feedback semiconductor laser according to claim 2, wherein a distance between the quantum well layer closest to the active layer formed by the flat growth is set to 40 nm or less.
第１の工程、当該平坦に成長された該活性層上に周期的
な誘電体膜を形成する第２の工程、該周期的な誘電体膜
をマスクとして周期的な活性層を該活性層上に選択的に
成長する第３の工程とから構成されていることを特徴と
する分布帰還型半導体レーザの製造方法。4. A first step of flatly growing an active layer on a semiconductor substrate; a second step of forming a periodic dielectric film on the flatly grown active layer; A third step of selectively growing a periodic active layer on the active layer using the dielectric film as a mask.
層の成長は、量子井戸構造の障壁層で終える様に構成さ
れ、又当該第３の工程に於ける当該周期的な活性層の選
択成長は、量子井戸構造の障壁層から開始させる様に構
成されてい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。5. The method of claim 1, wherein the growth of the flat active layer in the first step is terminated by a barrier layer having a quantum well structure, and the periodic active layer in the third step is formed. 5. The method according to claim 4, wherein the selective growth is started from a barrier layer having a quantum well structure.
層の成長を基板と同一材料の層で終える様に構成され、
又、当該第３の工程に於ける当該周期的な活性層の選択
成長は、当該量子井戸構造の障壁層で開始させる様に構
成されてい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。6. The method according to claim 1, wherein the growth of the flat active layer in the first step is finished with a layer of the same material as the substrate.
5. The distributed feedback type according to claim 4, wherein the periodic selective growth of the active layer in the third step is started at the barrier layer of the quantum well structure. A method for manufacturing a semiconductor laser.
層の成長を量子井戸構造の障壁層で終える様に構成さ
れ、又当該第３の工程に於ける当該周期的な活性層の選
択成長を基板と同一材料の層で開始させることを特徴と
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。7. The method according to claim 1, wherein the growth of the flat active layer in the first step is terminated by a barrier layer having a quantum well structure, and the periodic active layer is grown in the third step. 5. The method according to claim 4, wherein the selective growth is started with a layer of the same material as the substrate.
層の成長を基板と同一材料の層で終える様に構成され、
又当該周期的な活性層の選択成長を基板と同一材料の層
で開始させる様に構成されている事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。8. The method according to claim 1, wherein the growth of the flat active layer in the first step is finished with a layer of the same material as the substrate.
5. The method according to claim 4, wherein the periodic selective growth of the active layer is started with a layer of the same material as the substrate.
層の平坦成長の最終層あるいは選択成長の最初の層若し
くは、当該第３の工程に於ける当該選択成長により形成
される周期的な活性層の最初の層として成長する、当該
基板と同一材料の層の厚みが１０ｎｍ以下であることを
特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載の分布帰還型
半導体レーザの製造方法。9. The final layer of the flat growth of the flat active layer in the first step, the first layer of the selective growth, or the periodic layer formed by the selective growth in the third step. 9. The method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to claim 6, wherein a thickness of a layer of the same material as that of the substrate grown as the first layer of the active layer is 10 nm or less.
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