JP3263916B2 - チューナブルレーザ製造方法 - Google Patents
チューナブルレーザ製造方法Info
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- H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、次世代波長分割方
式(Wavelength DivisionMult
iplex;以下、WDMと称する)通信のための核心
素子として使用され、レーザ波長を調節することができ
る1.55マイクロン帯域の表面型半導体レーザ製造方
法に関し、特に原子オーダリング構造を有する活性層を
熱処理したチューナブルレーザ(tunable la
ser)製造方法に関するものである。
式(Wavelength DivisionMult
iplex;以下、WDMと称する)通信のための核心
素子として使用され、レーザ波長を調節することができ
る1.55マイクロン帯域の表面型半導体レーザ製造方
法に関し、特に原子オーダリング構造を有する活性層を
熱処理したチューナブルレーザ(tunable la
ser)製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】WDM用レーザは、発生する波長が、設
計された予想数値の2〜3nm以内に正確に製造されな
ければならない。しかしこのためのエピ成長と工程の再
現性が低く、発生するレーザ波長が不安定であるため
に、素子の製造後におけるレーザ波長を正確に調節する
ことができる方法が求められている。
計された予想数値の2〜3nm以内に正確に製造されな
ければならない。しかしこのためのエピ成長と工程の再
現性が低く、発生するレーザ波長が不安定であるため
に、素子の製造後におけるレーザ波長を正確に調節する
ことができる方法が求められている。
【0003】従来において知られているチューナブルレ
ーザは、不安定な物性特性を利用して電気場を形成し、
その大きさを持続的に調節して波長を調節することが一
般的に行われている。しかしWDMのための次世代レー
ザは、波長の変移が2〜3nm未満であれば使用可能で
ある。このような波長の安定性を保持するためには新し
い方法の波長調節方法が要求される。
ーザは、不安定な物性特性を利用して電気場を形成し、
その大きさを持続的に調節して波長を調節することが一
般的に行われている。しかしWDMのための次世代レー
ザは、波長の変移が2〜3nm未満であれば使用可能で
ある。このような波長の安定性を保持するためには新し
い方法の波長調節方法が要求される。
【0004】発光波長が少しづつ互いに相違するレーザ
を合わせて構成される通信網のためには、個別的なレー
ザの波長調節が単純であり、レーザ波長が周囲環境或い
は発振時間に対して十分に安定していなければならな
い。
を合わせて構成される通信網のためには、個別的なレー
ザの波長調節が単純であり、レーザ波長が周囲環境或い
は発振時間に対して十分に安定していなければならな
い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記問題点に
鑑みて創案されたものであり、個別的な素子のレーザ波
長を任意に、また、容易且つ正確に調節することがで
き、材料特性において安定しており、素子のレイジング
特性が経時的変化を起こすことがないチューナブルレー
ザ製造方法の提供をその目的としている。
鑑みて創案されたものであり、個別的な素子のレーザ波
長を任意に、また、容易且つ正確に調節することがで
き、材料特性において安定しており、素子のレイジング
特性が経時的変化を起こすことがないチューナブルレー
ザ製造方法の提供をその目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明においては、半導体基板上部に第1超格子鏡層を
成長させる段階と、前記第1超格子鏡層上部に第1電子
拘束層を成長させる段階と、前記第1電子拘束層上部に
量子井戸拘束層を成長させる段階と、前記量子井戸拘束
層上部に第2電子拘束層を成長させる段階と、前記第2
電子拘束層上部に第2超格子鏡層を成長させる段階と、
全体構造、すなわち前記各段階を経た基板の全体に高温
処理工程を実施する段階とを備える方法とするものであ
る。
本発明においては、半導体基板上部に第1超格子鏡層を
成長させる段階と、前記第1超格子鏡層上部に第1電子
拘束層を成長させる段階と、前記第1電子拘束層上部に
量子井戸拘束層を成長させる段階と、前記量子井戸拘束
層上部に第2電子拘束層を成長させる段階と、前記第2
電子拘束層上部に第2超格子鏡層を成長させる段階と、
全体構造、すなわち前記各段階を経た基板の全体に高温
処理工程を実施する段階とを備える方法とするものであ
る。
【0007】また、前記第1超格子鏡層,量子井戸拘束
層及び第2超格子鏡層は750℃以上の高温において成
長させることを特徴とし、前記第1及び第2電子拘束層
は650℃以下の低温において成長させることを特徴と
し、前記第1及び第2電子拘束層はInAlAs及びI
nGaAlAsのうちいずれか一つによりなることを特
徴とするものである。
層及び第2超格子鏡層は750℃以上の高温において成
長させることを特徴とし、前記第1及び第2電子拘束層
は650℃以下の低温において成長させることを特徴と
し、前記第1及び第2電子拘束層はInAlAs及びI
nGaAlAsのうちいずれか一つによりなることを特
徴とするものである。
【0008】本発明においては、レーザ薄膜構造を成長
させてフォトルミネセンス(photolumines
cence;以下、PLと称する)分析を通じて波長変
移程度を確認する。活性層の一部は規則的配列(ord
ering)と組成分離がされており、素子の高温熱処
理を通じて格子を不規則的にして所望のレーザ波長帯に
調節する。熱処理温度と時間とによりレーザ波長の変移
程度を予想することができる。調節方法が非常に単純で
一応熱処理を通じて調節されたレーザ波長は周囲温度と
発振時間に対して安定している。
させてフォトルミネセンス(photolumines
cence;以下、PLと称する)分析を通じて波長変
移程度を確認する。活性層の一部は規則的配列(ord
ering)と組成分離がされており、素子の高温熱処
理を通じて格子を不規則的にして所望のレーザ波長帯に
調節する。熱処理温度と時間とによりレーザ波長の変移
程度を予想することができる。調節方法が非常に単純で
一応熱処理を通じて調節されたレーザ波長は周囲温度と
発振時間に対して安定している。
【0009】基板上にIII−V族化合物半導体の3元界
薄膜層をエピ成長方法により格子整合するように蒸着す
ると不規則的な配列を有する(unordering)
格子構造を成すのが一般的であり、バンドギャップ(B
and Gap)は1.56eV程度予想される。しか
しInGaP,InGaAsP,InA1Asの薄膜層
は特定の成長条件でオーダリンが起きる。オーダリング
とは格子の規則的な配列でバンドギャップが減少し光学
的特性が変わることをいう。InAlAs薄膜成長の場
合は組成分離を起こすことができるために、バンドギャ
ップを更に大きく減少させる。
薄膜層をエピ成長方法により格子整合するように蒸着す
ると不規則的な配列を有する(unordering)
格子構造を成すのが一般的であり、バンドギャップ(B
and Gap)は1.56eV程度予想される。しか
しInGaP,InGaAsP,InA1Asの薄膜層
は特定の成長条件でオーダリンが起きる。オーダリング
とは格子の規則的な配列でバンドギャップが減少し光学
的特性が変わることをいう。InAlAs薄膜成長の場
合は組成分離を起こすことができるために、バンドギャ
ップを更に大きく減少させる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施の形態を説明する。図1は本発明による成長温度に
よる格子整合されたInAlAs/InPバッファ層の
PLエネルギー変移を図示したグラフである。これはI
nP基板上にInAlAs層を種々な基板温度で成長さ
せ、77°KにおいてPLを分析した結果であり、バン
ドギャップエネルギー増加とPL半値幅(full w
idth at half maximum)の減少を
現している。InP基板10上に格子整合されたIn
(0.52)Al(0.48)As薄膜層を、MOC
VDエピ成長法により535〜750℃において成長さ
せると、成長温度によりInAlAs薄膜層のバンドギ
ャップエネルギーが変化する。
実施の形態を説明する。図1は本発明による成長温度に
よる格子整合されたInAlAs/InPバッファ層の
PLエネルギー変移を図示したグラフである。これはI
nP基板上にInAlAs層を種々な基板温度で成長さ
せ、77°KにおいてPLを分析した結果であり、バン
ドギャップエネルギー増加とPL半値幅(full w
idth at half maximum)の減少を
現している。InP基板10上に格子整合されたIn
(0.52)Al(0.48)As薄膜層を、MOC
VDエピ成長法により535〜750℃において成長さ
せると、成長温度によりInAlAs薄膜層のバンドギ
ャップエネルギーが変化する。
【0011】最低成長温度において減少したエネルギー
との差異は、最大300meVに至る。主要原因はIn
とA1原子間の規則的な格子配列により起き、組成分離
による効果も大きい。オーダリングによるバンドギャッ
プエネルギー減少は最高80meV未満と予想され、そ
の残余エネルギー減少は組成分離(phase sep
aration)によるものと考えられる。電子顕微鏡
を利用して構造を分析した結果によれば、組成変調(c
ompositional modulation)の
現象が顕著であり、一定の間隔の線模様を有する垂直型
In(x)Al(1−x)As/In(y)Al(1−
y)As超格子形態が成長方向に形成されることを示し
た。オーダリングと組成分離が起きたInAlAs薄膜
層サンプルを750℃以上の高温において熱処理する
と、時間によりInとA1原子の自由な移動により格子
のアンオーダリング効果が現れる。これによりバンドギ
ャップも徐々に増加し、屈折率が減少する。
との差異は、最大300meVに至る。主要原因はIn
とA1原子間の規則的な格子配列により起き、組成分離
による効果も大きい。オーダリングによるバンドギャッ
プエネルギー減少は最高80meV未満と予想され、そ
の残余エネルギー減少は組成分離(phase sep
aration)によるものと考えられる。電子顕微鏡
を利用して構造を分析した結果によれば、組成変調(c
ompositional modulation)の
現象が顕著であり、一定の間隔の線模様を有する垂直型
In(x)Al(1−x)As/In(y)Al(1−
y)As超格子形態が成長方向に形成されることを示し
た。オーダリングと組成分離が起きたInAlAs薄膜
層サンプルを750℃以上の高温において熱処理する
と、時間によりInとA1原子の自由な移動により格子
のアンオーダリング効果が現れる。これによりバンドギ
ャップも徐々に増加し、屈折率が減少する。
【0012】図2は本発明による原子オーダリング構造
を有する活性層を熱処理したチューナブルレーザの断面
図である。この断面構造はn−タイプInP基板10上
に、n−タイプ下部超格子鏡層20と、ドーピングされ
ていないλ=1の活性層30及びp−タイプ上部超格子
鏡層40よりなっている。更に、下部及び上部超格子鏡
層20,40はInAlAs層21a〜21e及びIn
GaAlAs層22a〜22fが反複積層された構造を
有しており、活性層30は多重量子井戸構造層(qua
ntum well structure)32と、こ
れを囲む第1電子拘束層(confinement l
ayer)31a及び第2電子拘束層31bとからなっ
ている。
を有する活性層を熱処理したチューナブルレーザの断面
図である。この断面構造はn−タイプInP基板10上
に、n−タイプ下部超格子鏡層20と、ドーピングされ
ていないλ=1の活性層30及びp−タイプ上部超格子
鏡層40よりなっている。更に、下部及び上部超格子鏡
層20,40はInAlAs層21a〜21e及びIn
GaAlAs層22a〜22fが反複積層された構造を
有しており、活性層30は多重量子井戸構造層(qua
ntum well structure)32と、こ
れを囲む第1電子拘束層(confinement l
ayer)31a及び第2電子拘束層31bとからなっ
ている。
【0013】第1及び第2電子拘束層31a,31b
は、650℃以下の低温で成長した格子オーダリングI
nAlAs薄膜層に障壁層の役割を行う。単一波長のレ
ーザ発振のためには活性層30をなす共鳴層厚さをレー
ザ波長と同じくなるようにしなければならない。共鳴層
(cavity layer)の厚さは、主に障壁層の
厚さを調節するため障壁層を被覆層(cladding
layer)という。レーザの発光効率は上部及び下
部超格子鏡層20,40の反射率によるが、レーザ波長
は活性層30にある多重量子井戸構造層32よりも共鳴
層の厚さに左右される。1.55マイクロンレーザのた
めの素子構造に活性層30内のクラデイング層のみを低
温で成長させ、格子オーダリングと組成分離効果が起き
るInA1As又はInGaAlAs薄膜層に作る。下
部及び上部超格子鏡層20,40と多重量子井戸構造層
32はアンオーダリングになるように高温で成長させ
る。
は、650℃以下の低温で成長した格子オーダリングI
nAlAs薄膜層に障壁層の役割を行う。単一波長のレ
ーザ発振のためには活性層30をなす共鳴層厚さをレー
ザ波長と同じくなるようにしなければならない。共鳴層
(cavity layer)の厚さは、主に障壁層の
厚さを調節するため障壁層を被覆層(cladding
layer)という。レーザの発光効率は上部及び下
部超格子鏡層20,40の反射率によるが、レーザ波長
は活性層30にある多重量子井戸構造層32よりも共鳴
層の厚さに左右される。1.55マイクロンレーザのた
めの素子構造に活性層30内のクラデイング層のみを低
温で成長させ、格子オーダリングと組成分離効果が起き
るInA1As又はInGaAlAs薄膜層に作る。下
部及び上部超格子鏡層20,40と多重量子井戸構造層
32はアンオーダリングになるように高温で成長させ
る。
【0014】前記成長した素子構造を高温で熱処理する
と活性層30内のInAlAsクラデイング層はアンオ
ーダリンされた格子構造を有し、バンドギャップと屈折
率が変化する。熱処理温度と時間により変化する程度が
異なり、光学的共鳴層厚さを正確に調節することができ
る。このような方法により調節された共鳴雇厚さは、レ
ーザ波長を正確に変化させることができる。熱処理方法
によりレーザ波長が調節された素子構造は材料の特性を
基本的に変質させて製造されるために、時間の経過によ
る波長の特性が非常に安定している。
と活性層30内のInAlAsクラデイング層はアンオ
ーダリンされた格子構造を有し、バンドギャップと屈折
率が変化する。熱処理温度と時間により変化する程度が
異なり、光学的共鳴層厚さを正確に調節することができ
る。このような方法により調節された共鳴雇厚さは、レ
ーザ波長を正確に変化させることができる。熱処理方法
によりレーザ波長が調節された素子構造は材料の特性を
基本的に変質させて製造されるために、時間の経過によ
る波長の特性が非常に安定している。
【0015】
【発明の効果】以上の説明のように、本発明によれば、
個別的な素子のレーザ波長を任意に、また、容易且つ正
確に調節することができる。また、熱処理により波長調
節を終えた素子は材料特性上において安定し、素子のレ
イジング特性変化が経時的変化を起こすことがない等の
優れた効果を有する。
個別的な素子のレーザ波長を任意に、また、容易且つ正
確に調節することができる。また、熱処理により波長調
節を終えた素子は材料特性上において安定し、素子のレ
イジング特性変化が経時的変化を起こすことがない等の
優れた効果を有する。
【図1】本発明により成長温度にしたがって格子整合I
nA1As/InPバッファ層のPLエネルギー変移を
図示したグラフである。
nA1As/InPバッファ層のPLエネルギー変移を
図示したグラフである。
【図2】本発明による原子オーダリング構造を有する活
性層を熱処理したチューナブルレーザの断面図である。
性層を熱処理したチューナブルレーザの断面図である。
10 InP基板 20 下部超格子鏡層 21a乃至21e InA1As層 22a乃至22f InGaAlAs層 30 活性層 31a 第一電子拘束層 31b 第二電子拘束層 32 多重量子井戸構造層 40 上部超格子鏡層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−199796(JP,A) 特開 平10−98232(JP,A) 特開 平9−307195(JP,A) Electronics Lette rs Vol.33 No.10(1997) p.869−871 Electronics Lette rs Vol.33 No.4(1997) p.300−301 応用物理,第60巻第6号,p.536− 547 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板上部に第1超格子鏡層をアン
オーダリングになるように750℃以上の高温において
成長させる段階と、 前紀第1超格子鏡層上部に第1電子拘束層を格子オーダ
リングになるように650℃以下の低温において成長さ
せる段階と、 前紀第1電子拘束層上部に量子井戸拘束層をアンオーダ
リングになるように750℃以上の高温において成長さ
せる段階と、 前記量子井戸拘束層上部に第2電子拘束層を格子オーダ
リングになるように650℃以下の低温において成長さ
せる段階と、 前記第2電子拘束層上部に第2超格子鏡層をアンオーダ
リングになるように750℃以上の高温において成長さ
せる段階と、 全体構造に高温熱処理工程を実施することにより前記
1、第2電子拘束層の格子オーダリング状態をアンオー
ダリングされた格子構造に変化させ、熱処理温度によっ
て電子拘束層のバンドギャップが変わるようにする段階
と、 からなることを特徴とするチューナブルレーザ製造方
法。 - 【請求項2】 前記第1及び第2電子拘束層は、低温成
長の時にオーダリングが起こるInAlAs及びInG
aAlAsのうち、いずれかよりなることを特徴とする
請求項1に記載のチューナブルレーザ製造方法。
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