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

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Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【符号の説明】
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)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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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