JP4027639B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特にレーザダイオードなどの半導体発光装置に関する。
【０００２】
ＤＦＢレーザダイオードは活性領域に沿って形成された回折格子を有し、光のブラッグ回折による分布帰還作用によって光増幅およびレーザ発振を行う。このようなＤＦＢレーザダイオードは両端面にミラーを形成したファブリペロ型のレーザダイオードに比べて動作が安定しており、最近の光通信系において広く使われている。
【０００３】
一方、このような屈折率変調を生じる回折格子を有するＤＦＢレーザダイオードでは、回折格子からのブラッグ反射によりレーザダイオードの軸方向***部における光強度が強くなり、大出力で動作させた場合、不均一なキャリア分布が形成され、これに伴って高次モード発振の問題が生じやすい。また、このような従来のＤＦＢレーザダイオードにおいても高出力動作を実現するためには、後端面に高反射膜を形成することが求められるが、ＤＦＢレーザダイオードにおいてこのような高反射膜を設けると、回折格子以外による光帰還が生じ、動作が不安定になりやすい。また、このようなＤＦＢレーザダイオードにおいては光ファイバから強い戻り光が入射すると、かかる戻り光による光帰還により動作が不安定になりやすい。
【０００４】
【従来の技術】
このような事情で、従来よりモード安定性に優れた単一波長レーザダイオードとして、共振器方向にブラッグ周期で周期的に変化する利得分布を形成する利得変調構造を形成した、いわゆる利得結合型のＤＦＢレーザダイオードが提案されている。
【０００５】
このような利得変調構造としては、活性層あるいは光ガイド層の厚さを周期的に変調する構造や、活性層に隣接して電流阻止パターンを周期的に形成する構造、あるいは活性層に隣接して光吸収パターンを周期的に形成する構造、あるいは活性層に隣接して光吸収パターンを周期的に形成する構造などが提案されている。なかでも、多重量子井戸活性層の井戸層数を周期的に変調した構造は、他の方法に比べて比較的大きな利得結合係数を確保できること、利得結合と屈折率結合の位相が合致すること、余計な吸収が発生しないことといった利点を備えている。本発明は、このような多重量子井戸層の井戸層数を周期的に変調した構造の利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドに関する。
【０００６】
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の利得結合型レーザダイオード１０の構成を示す。ただし図１（Ｂ）は図１（Ａ）の構造の一部を拡大して示す拡大図である。
【０００７】
図１（Ａ）を参照するに、利得結合型レーザダイオード１０はクラッド層を兼ねるｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されており、前記ＩｎＰ基板１１上には多重量子井戸（ＭＱＷ）構造Ａ，Ｂよりなる活性層１２が形成されている。さらに前記活性層１２上にはｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層１３が形成されており、前記クラッド層１３上にはｐ型電極１４が、また前記基板１１の下面にはｎ型電極１５が形成されている。
【０００８】
図１（Ｂ）に詳細に示すように、前記活性層１２中においてＭＱＷ構造領域Ｂはレーザダイオードの軸方向に一様に形成されているのに対し、ＭＱＷ構造領域Ａはブラッグ周期で形成されており、その結果、かかる活性層１２においては光利得が周期的に変調される。すなわちレーザダイオード１０では、ＭＱＷ構造領域Ａは利得結合を生じる利得領域１２Ａを形成する。また、隣接する一対利得領域１２Ａの間には、大きなバンドギャップを有する非ドープＩｎＰ層により埋め込まれる埋込領域１２Ｂが形成されている。
【０００９】
このような利得結合型のＤＦＢレーザダイオード１０は、周期的な利得領域における利得結合のため、従来の屈折率結合型ＤＦＢレーザダイオードに比べてモード安定性に優れている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一方、図１（Ａ），（Ｂ）に示す利得結合型ＤＦＢレーザダイオード１０においては、前記ＩｎＰ埋込層よりなる埋込領域１２Ｂは利得領域１２Ａよりも一般的に小さな屈折率を有しており、その結果、屈折率も回折格子周期で変調を受ける。このため、前記レーザダイオード１０においては、従来のＤＦＢレーザダイオードと同様な実質的な屈折率結合が生じてしまう。このため、レーザダイオード１０に大出力動作を行わせた場合、従来のＤＦＢレーザダイオードと同様な高次モードへのモードホッピングのような問題が生じるおそれがある。利得結合型ＤＦＢレーザダイオードでは、屈折率結合係数に対する利得結合係数の割合はモード安定性に大きく寄与し、一般に、屈折率結合係数に対する利得結合係数の割合が大きいことが望ましい。特に利得結合係数に対して屈折率結合係数が無視できる場合には、発振波長は回折格子周期で決まるブラッグ波長にほぼ一致し、モード安定性が非常に高くなる。
【００１１】
このような従来の利得結合型ＤＦＢレーザダイオードの問題点に鑑み、米国特許第５４５２３１８号公報には、図２に示す構成の利得結合型レーザダイオード２０が提案されている。
【００１２】
図２を参照するに、ｎ型ＩｎＰ基板２１上にはｎ型ＩｎＰバッファ層２１Ａを介してｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２２が形成されており、前記光閉じ込め層２２上には、ブラッグ周期で繰り返されるＭＱＷ構造の利得領域２３Ａよりなる活性層２３が形成されている。前記利得領域２３Ａを構成するＭＱＷ構造中にはバンドギャップがＥｇ1の量子井戸層が、誘導放出を生じる発光層として形成されている。
【００１３】
さらに図２の構造では、前記利得領域２３Ａ上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２４が形成されており、さらに前記光閉じ込め層２４上には、隣接する一対の利得領域２３Ａの間を埋めるように、前記量子井戸層のバンドギャップＥｇ1よりも大きなバンドギャップＥｇ3（Ｅｇ1＜Ｅｇ3）を有するｐ型ＧａＩｎＡｓＰよりなる埋込層２５が形成されている。かかる構成では、前記利得領域２３Ａも埋込層２５により埋め込まれる埋込領域２３Ｂも共にＧａＩｎＡｓＰより形成されるため屈折率差が小さく、屈折率結合を抑制することができる。
【００１４】
一方、図２の構造では、前記利得領域２３Ａに電流を集中させ、埋込領域２３Ｂから光閉じ込め層２２に直接に流れる電流の電流路を遮断するために、前記光閉じ込め層２２と埋込領域２３Ｂとの間に、前記バンドギャップＥｇ3よりもさらに大きなバンドギャップＥｇ2（Ｅｇ3＜Ｅｇ2）を有するｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層２５Ａを介在させている。
【００１５】
図２のレーザダイオード２０は、図１（Ａ），（Ｂ）のレーザダイオード１０に比べてモード安定性は向上するが、前記埋込領域２３Ｂと利得領域２３Ａとの間の屈折率差を減少させようとすると埋込領域２３ＢのバンドギャップＥｇ3も減少してしまい、利得領域２３ＡのバンドギャップＥｇ1に近い値になってしまう（Ｅｇ1≒Ｅｇ3）。このような場合、前記利得領域２３Ａで形成されたレーザ光が埋込領域２３Ｂにおいて吸収されてしまい、レーザ発振効率が低下してしまうことが避けられない。この光吸収の問題を回避するためには、前記埋込領域２３ＢのバンドギャップＥｇ3を前記利得領域２３ＡのバンドギャップＥｇ1よりも増大させる必要があるが、このようにすると利得領域２３Ａと埋込領域２３Ｂとの間に屈折率差が生じ、屈折率結合係数の増大を招いてしまう。
【００１６】
また、図２のレーザダイオード２０では、前記埋込層２５はＩｎＰ基板２１に対して格子整合させるためにＧａＩｎＡｓＰの４元系混晶により形成されるが、埋込層を４元系混晶により形成した場合には、組成が不均一になりやすい問題があり、不適切な組成を有する領域においては格子不整合による欠陥密度の増大が生じることがある。このような欠陥密度の増大が生じると、発光効率の低下や劣化の進行などの問題が生じる。
【００１７】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な光半導体装置を提供することを概括的課題とする。
【００１８】
本発明のより具体的な課題は、光損失を生じることがなく、屈折率結合を最小化した利得結合型の半導体発光装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、電流注入によって光を増幅する多重量子井戸活性層と、前記多重量子井戸活性層の上下にあって前記多重量子井戸活性層に光を閉じ込めるクラッド層と、前記多重量子井戸活性層に電流を注入するための電極を有する半導体発光装置であって、
前記多重量子井戸活性層は、光の伝搬方向に沿って周期的に配列した、各々多重量子井戸構造を有する複数の利得領域を含み、前記複数の利得領域の各々隣接する利得領域間のギャップを充填するように埋込層が形成されており、前記埋込層は、第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料よりなる複数の高屈折率層と、第２のより大きなバンドギャップを有する第２の半導体材料よりなる複数の低屈折率層とを含み、前記埋込層を構成する複数の高屈折率層の各々は、前記利得領域を構成する量子井戸構造の量子準位よりも高い量子準位を有する量子井戸層よりなることを特徴とする半導体発光装置により、解決する。
［作用］
本発明によれば、隣接する利得領域の間を埋める埋込層を、高屈折率層と低屈折率層とにより、全体として利得領域の屈折率にほぼ等しい屈折率を有するように形成することにより、屈折率結合を十分に抑制した利得結合型ＤＦＢレーザダイオードを実現することが可能になる。特に前記高屈折率層をレーザ発振波長に対応するバンドギャップエネルギよりも小さなバンドギャップエネルギを有する半導体材料により形成することにより、低屈折率層の低い屈折率を効果的に補償することが可能になる。このようなバンドギャップの小さな半導体材料を使う場合には形成されたレーザ光が高屈折率層により吸収される問題が生じるが、本発明では前記高折率層中に量子準位を、レーザ光の光エネルギよりも高くなるように形成することにより、光吸収を回避することが可能である。
【００２０】
このように本発明による利得結合型ＤＦＢレーザダイオードは屈折率結合係数を実質的にゼロにすることが可能で、非常に高いモード安定性を示す。また、埋込層には小さなバンドギャップを有する高屈折率層と大きなバンドギャップを有する低屈折率層によるヘテロ障壁が複数存在するため、埋込層内に電流が流れにくい。従って利得領域に効率良く電流が注入され、より大きな利得結合係数が得られる。さらに、埋込層を構成する材料にＩｎＰなどの２元化合物が使用でき、埋込層の組成不均一に起因する問題を回避できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による利得結合型ＤＦＢレーザダイオード３０の構成を示す。ただし図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一部（領域Ｃとして示す）を拡大して示す拡大図である。
【００２２】
図３（Ａ）を参照するに、レーザダイオード３０はクラッド層としても機能するｎ型ＩｎＰ基板３１上に形成されており、前記ＩｎＰ基板３１上に第１の端面から第２の端面まで連続的に延在するように形成されたＭＱＷ層Ｂと、前記ＭＱＷ層Ｂ上にブラッグ回折周期で周期的に形成されたＭＱＷ層Ａとよりなる活性層３２を含む。
【００２３】
前記ＭＱＷ層Ａは、Ｇａ0.31Ｉｎ0.69Ａｓ0.91Ｐ0.09で表される組成を有し発光波長が１．５５μｍで厚さが５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層と、組成波長が１．２μｍで厚さが１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰバリア層とを交互に３周期堆積することにより形成されており、前記ＭＱＷ層Ｂも同様なＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層とを交互に３周期堆積することにより形成されている。このうち、前記ＭＱＷ層Ａは利得領域３２Ａを形成する。
【００２４】
またレーザダイオードの軸方向に隣接する一対の利得領域３２Ａの間には、図３（Ｂ）に示すように埋込層により埋め込まれる埋込領域３２Ｂが形成されているが、本実施例においては前記埋込領域３２Ｂを埋め込む埋込層は、格子整合組成Ｇａ0.47Ｉｎ0.53Ａｓを有する厚さが６ｎｍのＧａＩｎＡｓ層と厚さが６．２ｎｍのＩｎＰ層とを交互に４〜５回繰り返し堆積した構成の超格子構造を有している。
【００２５】
さらに前記活性層３２の両側には図３（Ａ）に示すようにｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層とを順次積層した電流狭搾層３３Ａ，３３Ｂが形成されており、前記電流狭搾層３３Ａ，３３Ｂ上には、前記活性層３２を覆うようにｐ型ＩｎＰクラッド層３４が形成されている。
【００２６】
さらに前記ＩｎＰクラッド層３４上にはｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層３５が形成されており、前記コンタクト層３５上にはレ−ザダイオ−ドの軸方向に延在する開口部（図示せず）を有するＳｉＯ2保護膜３６が形成されている。さらに前記ＳｉＯ2保護膜３６上には、前記開口部において前記コンタクト層３５とオーミックコンタクトをするｐ側オーミック電極３７が形成されており、前記ＩｎＰ基板３１の下面には、ｎ側オーミック電極３８が形成されている。
【００２７】
図４（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図３（Ｂ）の活性層３２中における利得領域３２Ａおよび埋込領域３２Ｂの伝導帯Ｅｃのバンド構造を示すバンド構造図である。
【００２８】
図４（Ａ）を参照するに、利得領域３２Ａにおいては量子井戸層ＱＷ1中に量子準位Ｌ1が形成されており、対応する価電子帯中の量子準位との間におけるキャリアの遷移により光放出が生じる。
【００２９】
これに対し、図４（Ｂ）に示す埋込領域３２ＢにおいてはＩｎＰバリア層が利得領域３２Ａ中のＧａＩｎＡｓＰバリア層よりも高い障壁を形成しており、一対のＩｎＰバリア層の間には、前記利得領域３２Ａ中のＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層ＱＷ1よりもバンドギャップの小さい量子井戸層ＱＷ2が形成されている。このようなバンドギャップの小さな量子井戸層ＱＷ2は一般に高い屈折率を有しており、ワイドギャップ材料よりなるＩｎＰバリア層の低い屈折率とあいまって、埋込領域３２Ｂの全体的な屈折率ｎBを利得領域３２Ａの全体的な屈折率ｎAにおおよそ一致させることが可能になる。
【００３０】
埋込領域３２Ｂ中の量子井戸ＱＷ2層による光吸収を回避するため、前記埋込領域においては量子井戸層ＱＷ2の幅を、量子準位Ｌ2が前記量子準位Ｌ1よりも高エネルギ側に形成されるように設定するのが好ましい。
【００３１】
本実施例においては、前記埋込領域３２Ｂが２元化合物であるＩｎＰ層と３元系混晶であるＧａＩｎＡｓ層の積層により形成されるが、前記ＧａＩｎＡｓ層の層厚が十分に薄いため、埋込成長の際に混晶組成の不均一が発生し難く，埋込領域３２Ｂの組成を均一に形成することができる。
【００３２】
図５（Ａ）〜図６（Ｉ）は、図３（Ａ），（Ｂ）のレーザダイオード３０の製造工程を示す。
【００３３】
図５（Ａ）を参照するに、ＩｎＰ基板３１上にＭＱＷ層ＢおよびＡを形成することにより、活性層３２が形成され、前記活性層３２はｐ型ＩｎＰクラッド層３４Ａにより覆われる。
【００３４】
次に図５（Ｂ）の工程において前記ＩｎＰクラッド層３４Ａ上にレジストパターンＲを干渉露光法あるいは電子ビーム露光法により、ブラッグ回折周期で形成し、図５（Ｃ）の工程において前記レジストパターンＲをマスクに、前記ＩｎＰクラッド層３４Ａおよびその下のＭＱＷ層Ａをパターニングし、利得領域３２Ａを形成する。
【００３５】
次に図５（Ｄ）の工程において、隣接する一対の利得領域３２Ａの間の埋込領域３２ＢをＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＩｎＰバリア層とを交互に堆積した超格子構造を有する埋込層により埋込み、さらに前記埋込領域３２Ｂ上にｐ型ＩｎＰクラッド層３４Ｂを形成する。
【００３６】
次に図５（Ｅ）の工程において前記クラッド層３４Ｂ上にＳｉＯ2パターン３４Ｃを、レ−ザダイオ−ドの軸方向に延在するように形成し、図６（Ｆ）の工程において前記ＳｉＯ2パターン３４Ｃをマスクにクラッド層３４Ｂ，ＭＱＷ層ＡおよびＭＱＷ層Ｂをエッチングし、レ−ザダイオ−ドの軸方向に延在するメサ構造Ｍを形成する。
【００３７】
さらに図６（Ｇ）の工程において、前記ＳｉＯ2パターン３４Ｃをマスクに使った再成長工程により、前記ＩｎＰ基板３１上に前記メサ構造Ｍの両側を埋めるように、ｐ型ＩｎＰ層およびｎ型ＩｎＰ層を順次積層し、電流阻止構造３３Ａ，３３Ｂを形成する。さらに図６（Ｈ）の工程において前記ＳｉＯ2パターン３４Ｃを除去した後、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４を前記ＩｎＰクラッド層３４Ｂに続けて、前記電流阻止構造３３Ａ，３３Ｂを覆うように形成し、さらにＩｎＰクラッド層３４上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層３５を形成する。
【００３８】
最後に図６（Ｉ）の工程において前記コンタクト層３５上にＳｉＯ2保護膜３６を形成し、さらに前記保護膜３６中に前記コンタクト層３５を露出する開口部を前記メサ構造に沿って形成した後、前記保護膜３６上にｐ側電極３６を前記開口部において前記コンタクト層３５にオーミックコンタクトするように形成する。また図６（Ｉ）の工程では、前記ＩｎＰ基板３１の下面にｎ側電極３８を形成する。
【００３９】
先にも説明したように、かかる構成の利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０では、活性層３２中における屈折率の変動を効果的に抑制することが可能になり、極めて安定に単一モード動作する利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドを実現できる。このため、前記レ−ザダイオ−ドの出射側端に反射防止膜を形成し、反対側の端面に反射膜を形成した構成においても、優れた単一波長動作が得られる。
【００４０】
例えば共振器長が６００μｍの素子を作製した場合、本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０では、光出力が２ｍＷにおいて５０ｄＢを超えるサイドモード抑圧比を実現することが可能になった。また前記ＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０は、４０ｍＷの光出力まで、安定な単一モード動作を行うことが確認された。さらにレ−ザダイオ−ド３０では７ｍＡのしきい値電流が実現され，０．３Ｗ／Ａのスロープ効率が得られることが確認された。さらに光出力３０ｍＷにおける長期通電試験の結果、５０００時間動作後における動作電流の上昇率は５％以内であることが確認され、また利得領域３２Ａと埋込領域３２Ｂとを交互に形成した構成に伴う結晶欠陥密度の増大は認められなかった。
［第２実施例］
図７は、本発明の第２実施例による利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層４２の構成を示す。本実施例のレ−ザダイオ−ドは図３（Ａ），（Ｂ）で説明したレ−ザダイオ−ド３０と同様な構成を有するが、活性層３２が図７に示す活性層４２Ａにより置き換えられている。図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
図７を参照するに、本実施例ではＭＱＷ層Ｂが除去されており、その結果、前記埋込領域３２Ｂは活性層４２の上面から下面まで延在する。
【００４２】
本実施例では前記埋込領域３２Ｂは、ＩｎＰ基板に対して格子整合する組成を有する厚さが４．６ｎｍのＧａＩｎＡｓ層と厚さが７．８ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層とを交互に積層した超格子構造を有する埋込層により埋め込まれており、特に前記ＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ波長が１．２μｍの場合に、前記利得領域３２Ａと実質的に等しい屈折率が実現される。その結果、図７の活性層４２を有するＤＦＢレ−ザダイオ−ドでは屈折率結合係数が実質的にゼロになる。
【００４３】
本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ドについて、両端面に反射防止膜を形成した状態で発振スペクトルを観察したところ、発振波長がストップバンドのほぼ中心に位置しており、非常に優れたモード安定性が実現されていることが確認された。
［第３実施例］
図８は、本発明の第３実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層５２近傍の構成を示す。ただし図８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
図８を参照するに、本実施例では活性層５２はそれぞれバンドギャップ波長が１．１μｍで厚さが５０ｎｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰおよびバンドギャップ波長１．１μｍで厚さが５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓＰよりなる一対の光閉じ込め層５１Ａ，５１Ｂの間に挟持されており、活性層５２の全長にわたって連続的に延在するＭＱＷ層Ｂと、前記ＭＱＷ層Ｂ上に形成された、各々がＭＱＷ層Ａよりなる複数の利得領域３２Ａとにより構成されている。また隣接する一対の利得領域の間の埋込領域３２Ｂは、厚さが１３ｎｍのＩｎＰ層と、厚さが６．５ｎｍでＩｎＰ基板に対して格子整合する組成を有するＧａＩｎＡｓ層と、厚さが６．５ｎｍでＩｎＰ基板に対して格子整合する組成を有するＡｌＩｎＡｓ層とを２回繰り返し形成し、さらに最上層のＡｌＩｎＡｓ層上に厚さが６．５ｎｍのＩｎＰ層を形成した超格子構造を有する埋込層により、埋め込まれている。
【００４５】
本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ドでは、さらに前記利得領域３２Ａよりなる回折格子構造をエッチングにより形成する際に十分な製造許容誤差が得られるように、ＭＱＷ層ＡとＭＱＷ層Ｂとの間にバンドギャップ波長が１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰ中間層５２Ａを介在させる。前記ＧａＩｎＡｓＰ中間層５２Ａは、回折格子形成前の状態において例えば４０ｎｍの厚さに形成され、回折格子形成時のエッチングが中間層５２Ａの表面から２０ｎｍの位置において停止するように、エッチング速度あるいは時間を制御する。かかる構成では、前記中間層５２Ａを介在させることにより、エッチングにばらつきが生じてもＭＱＷ層Ｂにエッチングが及ぶことがない。
【００４６】
本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ドを３００μｍの共振器長で形成し、前端面に反射防止膜を、後端面に高反射膜を形成したところ、しきい値電流を３ｍＡまで低減することができ、また０．４０Ｗ／Ａのスロープ効率を実現することができた。
【００４７】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００４８】
（付記１） 第１の導電型を有する基板と、
前記基板上に形成された多重量子井戸活性層と、
前記多重量子井戸活性層上に形成された第２の導電型を有する半導体層と、
前記半導体層上に形成された第１の電極と、
前記基板上に形成された第２の電極とよりなる半導体発光装置であって、
前記多重量子井戸活性層は、前記基板の第１の端面から対向する第２の端面まで周期的に配列した、各々多重量子井戸構造を有する複数の利得領域よりなり、
前記多重量子井戸活性層と前記半導体層との間には、前記複数の利得領域を覆うように、もしくは隣接する利得領域の間のギャップを充填するように、埋込層が形成されており、
前記埋込層は、第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料よりなる複数の高屈折率層と、第２のより大きなバンドギャップを有する第２の半導体材料よりなる複数の低屈折率層とを含むことを特徴とする半導体発光装置。
【００４９】
（付記２） 前記高屈折率層と前記低屈折率層とは、前記埋込層中において交互に形成されることを特徴とする付記１記載の半導体発光装置。
【００５０】
（付記３） 前記埋込層は、前記利得領域において形成されるレーザ光に対して透明であることを特徴とする付記１または２記載の半導体発光装置。
【００５１】
（付記４） 前記埋込層を構成する複数の高屈折率層の各々は、前記利得領域を構成する量子井戸構造の量子準位よりも高い量子準位を有する量子井戸層よりなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５２】
（付記５） 前記埋込層を構成する高屈折率層の各々は、前記多重量子井戸活性層を構成する量子井戸層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、前記多重量子井戸活性層を構成する量子井戸層に隣接するバリア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５３】
（付記６） 前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、２元化合物により形成されることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５４】
（付記７） 前記埋込層を構成する材料は、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＩｎＰ、およびこれらの混晶系より選ばれることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５５】
（付記８） 前記埋込層を構成する高屈折率層の各々はＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓ層よりなり、前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、ＩｎＰ層よりなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５６】
（付記９） 前記埋込層を構成する高屈折率層の各々は、ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓ層よりなり、前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、前記ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓＰ層よりなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５７】
（付記１０） 前記利得領域の屈折率が、前記埋込層の屈折率と略同等であることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５８】
（付記１１） 前記多重量子井戸活性層は、多重量子井戸構造を有し前記第１の端部から第２の端部まで連続的に延在する連続部分を含み、前記複数の利得領域は、前記連続部分の上に形成されていることを特徴とする付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５９】
（付記１２） 前記埋込層は、前記高屈折率層と低屈折率層の他に、中間的な屈折率を有する第３の半導体層を含むことを特徴とする付記１〜１１のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドにおいて隣接する利得領域の間に形成される埋込領域を、利得領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率層と、より高い屈折率を有する高屈折率層とを積層した超格子構造の埋込層により埋め込むことにより、前記埋込領域において、全体として利得領域の屈折率におおよそ等しい屈折率を実現することが可能になる。その結果、本発明のＤＦＢレ−ザダイオ−ドは屈折率結合係数が低減され、安定に動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、従来のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図２】別の従来のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すＤＦＢレ−ザダイオ−ドにおける活性層のバンド構造を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｅ）は、図３（Ａ），（Ｂ）のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの製造工程を示す図（その１）である。
【図６】（Ｆ）〜（Ｇ）は、図３（Ａ），（Ｂ）のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの製造工程を示す図（その２）である。
【図７】本発明の第２実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層近傍領域の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０ ＤＦＢレ−ザダイオ−ド
１１，２１，３１ 基板
１２，２３，３２，４２，５２ 活性層
１２Ａ，２３Ａ，３２Ａ 利得領域
１２Ｂ，２３Ｂ，３２Ｂ 埋込領域
１３，２８，３４，３４Ａ，３４Ｂ クラッド層
１４，１５，３７，３８ 電極
２１Ａ，２６ バッファ層
２２，２４，５１Ａ，５１Ｂ 光閉じ込め層
２７ エッチングストッパ層
２９，３５ コンタクト層
３３Ａ，３３Ｂ 電流狭搾層
３４Ｃ ＳｉＯ2マスク
３６ ＳｉＯ2膜
５２Ａ 中間層
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特にレーザダイオードなどの半導体発光装置に関する。
【０００２】
ＤＦＢレーザダイオードは活性領域に沿って形成された回折格子を有し、光のブラッグ回折による分布帰還作用によって光増幅およびレーザ発振を行う。このようなＤＦＢレーザダイオードは両端面にミラーを形成したファブリペロ型のレーザダイオードに比べて動作が安定しており、最近の光通信系において広く使われている。
【０００３】
一方、このような屈折率変調を生じる回折格子を有するＤＦＢレーザダイオードでは、回折格子からのブラッグ反射によりレーザダイオードの軸方向***部における光強度が強くなり、大出力で動作させた場合、不均一なキャリア分布が形成され、これに伴って高次モード発振の問題が生じやすい。また、このような従来のＤＦＢレーザダイオードにおいても高出力動作を実現するためには、後端面に高反射膜を形成することが求められるが、ＤＦＢレーザダイオードにおいてこのような高反射膜を設けると、回折格子以外による光帰還が生じ、動作が不安定になりやすい。また、このようなＤＦＢレーザダイオードにおいては光ファイバから強い戻り光が入射すると、かかる戻り光による光帰還により動作が不安定になりやすい。
【０００４】
【従来の技術】
このような事情で、従来よりモード安定性に優れた単一波長レーザダイオードとして、共振器方向にブラッグ周期で周期的に変化する利得分布を形成する利得変調構造を形成した、いわゆる利得結合型のＤＦＢレーザダイオードが提案されている。
【０００５】
このような利得変調構造としては、活性層あるいは光ガイド層の厚さを周期的に変調する構造や、活性層に隣接して電流阻止パターンを周期的に形成する構造、あるいは活性層に隣接して光吸収パターンを周期的に形成する構造、あるいは活性層に隣接して光吸収パターンを周期的に形成する構造などが提案されている。なかでも、多重量子井戸活性層の井戸層数を周期的に変調した構造は、他の方法に比べて比較的大きな利得結合係数を確保できること、利得結合と屈折率結合の位相が合致すること、余計な吸収が発生しないことといった利点を備えている。本発明は、このような多重量子井戸層の井戸層数を周期的に変調した構造の利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドに関する。
【０００６】
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の利得結合型レーザダイオード１０の構成を示す。ただし図１（Ｂ）は図１（Ａ）の構造の一部を拡大して示す拡大図である。
【０００７】
図１（Ａ）を参照するに、利得結合型レーザダイオード１０はクラッド層を兼ねるｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されており、前記ＩｎＰ基板１１上には多重量子井戸（ＭＱＷ）構造Ａ，Ｂよりなる活性層１２が形成されている。さらに前記活性層１２上にはｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層１３が形成されており、前記クラッド層１３上にはｐ型電極１４が、また前記基板１１の下面にはｎ型電極１５が形成されている。
【０００８】
図１（Ｂ）に詳細に示すように、前記活性層１２中においてＭＱＷ構造領域Ｂはレーザダイオードの軸方向に一様に形成されているのに対し、ＭＱＷ構造領域Ａはブラッグ周期で形成されており、その結果、かかる活性層１２においては光利得が周期的に変調される。すなわちレーザダイオード１０では、ＭＱＷ構造領域Ａは利得結合を生じる利得領域１２Ａを形成する。また、隣接する一対利得領域１２Ａの間には、大きなバンドギャップを有する非ドープＩｎＰ層により埋め込まれる埋込領域１２Ｂが形成されている。
【０００９】
このような利得結合型のＤＦＢレーザダイオード１０は、周期的な利得領域における利得結合のため、従来の屈折率結合型ＤＦＢレーザダイオードに比べてモード安定性に優れている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一方、図１（Ａ），（Ｂ）に示す利得結合型ＤＦＢレーザダイオード１０においては、前記ＩｎＰ埋込層よりなる埋込領域１２Ｂは利得領域１２Ａよりも一般的に小さな屈折率を有しており、その結果、屈折率も回折格子周期で変調を受ける。このため、前記レーザダイオード１０においては、従来のＤＦＢレーザダイオードと同様な実質的な屈折率結合が生じてしまう。このため、レーザダイオード１０に大出力動作を行わせた場合、従来のＤＦＢレーザダイオードと同様な高次モードへのモードホッピングのような問題が生じるおそれがある。利得結合型ＤＦＢレーザダイオードでは、屈折率結合係数に対する利得結合係数の割合はモード安定性に大きく寄与し、一般に、屈折率結合係数に対する利得結合係数の割合が大きいことが望ましい。特に利得結合係数に対して屈折率結合係数が無視できる場合には、発振波長は回折格子周期で決まるブラッグ波長にほぼ一致し、モード安定性が非常に高くなる。
【００１１】
このような従来の利得結合型ＤＦＢレーザダイオードの問題点に鑑み、米国特許第５４５２３１８号公報には、図２に示す構成の利得結合型レーザダイオード２０が提案されている。
【００１２】
図２を参照するに、ｎ型ＩｎＰ基板２１上にはｎ型ＩｎＰバッファ層２１Ａを介してｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２２が形成されており、前記光閉じ込め層２２上には、ブラッグ周期で繰り返されるＭＱＷ構造の利得領域２３Ａよりなる活性層２３が形成されている。前記利得領域２３Ａを構成するＭＱＷ構造中にはバンドギャップがＥｇ1の量子井戸層が、誘導放出を生じる発光層として形成されている。
【００１３】
さらに図２の構造では、前記利得領域２３Ａ上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２４が形成されており、さらに前記光閉じ込め層２４上には、隣接する一対の利得領域２３Ａの間を埋めるように、前記量子井戸層のバンドギャップＥｇ1よりも大きなバンドギャップＥｇ3（Ｅｇ1＜Ｅｇ3）を有するｐ型ＧａＩｎＡｓＰよりなる埋込層２５が形成されている。かかる構成では、前記利得領域２３Ａも埋込層２５により埋め込まれる埋込領域２３Ｂも共にＧａＩｎＡｓＰより形成されるため屈折率差が小さく、屈折率結合を抑制することができる。
【００１４】
一方、図２の構造では、前記利得領域２３Ａに電流を集中させ、埋込領域２３Ｂから光閉じ込め層２２に直接に流れる電流の電流路を遮断するために、前記光閉じ込め層２２と埋込領域２３Ｂとの間に、前記バンドギャップＥｇ3よりもさらに大きなバンドギャップＥｇ2（Ｅｇ3＜Ｅｇ2）を有するｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層２５Ａを介在させている。
【００１５】
図２のレーザダイオード２０は、図１（Ａ），（Ｂ）のレーザダイオード１０に比べてモード安定性は向上するが、前記埋込領域２３Ｂと利得領域２３Ａとの間の屈折率差を減少させようとすると埋込領域２３ＢのバンドギャップＥｇ3も減少してしまい、利得領域２３ＡのバンドギャップＥｇ1に近い値になってしまう（Ｅｇ1≒Ｅｇ3）。このような場合、前記利得領域２３Ａで形成されたレーザ光が埋込領域２３Ｂにおいて吸収されてしまい、レーザ発振効率が低下してしまうことが避けられない。この光吸収の問題を回避するためには、前記埋込領域２３ＢのバンドギャップＥｇ3を前記利得領域２３ＡのバンドギャップＥｇ1よりも増大させる必要があるが、このようにすると利得領域２３Ａと埋込領域２３Ｂとの間に屈折率差が生じ、屈折率結合係数の増大を招いてしまう。
【００１６】
また、図２のレーザダイオード２０では、前記埋込層２５はＩｎＰ基板２１に対して格子整合させるためにＧａＩｎＡｓＰの４元系混晶により形成されるが、埋込層を４元系混晶により形成した場合には、組成が不均一になりやすい問題があり、不適切な組成を有する領域においては格子不整合による欠陥密度の増大が生じることがある。このような欠陥密度の増大が生じると、発光効率の低下や劣化の進行などの問題が生じる。
【００１７】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な光半導体装置を提供することを概括的課題とする。
【００１８】
本発明のより具体的な課題は、光損失を生じることがなく、屈折率結合を最小化した利得結合型の半導体発光装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、電流注入によって光を増幅する多重量子井戸活性層と、前記多重量子井戸活性層の上下にあって前記多重量子井戸活性層に光を閉じ込めるクラッド層と、前記多重量子井戸活性層に電流を注入するための電極を有する半導体発光装置であって、
前記多重量子井戸活性層は、光の伝搬方向に沿って周期的に配列した、各々多重量子井戸構造を有する複数の利得領域を含み、前記複数の利得領域の各々隣接する利得領域間のギャップを充填するように埋込層が形成されており、前記埋込層は、第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料よりなる複数の高屈折率層と、第２のより大きなバンドギャップを有する第２の半導体材料よりなる複数の低屈折率層とを含み、前記埋込層を構成する複数の高屈折率層の各々は、前記利得領域を構成する量子井戸構造の量子準位よりも高い量子準位を有する量子井戸層よりなることを特徴とする半導体発光装置により、解決する。
［作用］
本発明によれば、隣接する利得領域の間を埋める埋込層を、高屈折率層と低屈折率層とにより、全体として利得領域の屈折率にほぼ等しい屈折率を有するように形成することにより、屈折率結合を十分に抑制した利得結合型ＤＦＢレーザダイオードを実現することが可能になる。特に前記高屈折率層をレーザ発振波長に対応するバンドギャップエネルギよりも小さなバンドギャップエネルギを有する半導体材料により形成することにより、低屈折率層の低い屈折率を効果的に補償することが可能になる。このようなバンドギャップの小さな半導体材料を使う場合には形成されたレーザ光が高屈折率層により吸収される問題が生じるが、本発明では前記高折率層中に量子準位を、レーザ光の光エネルギよりも高くなるように形成することにより、光吸収を回避することが可能である。
【００２０】
このように本発明による利得結合型ＤＦＢレーザダイオードは屈折率結合係数を実質的にゼロにすることが可能で、非常に高いモード安定性を示す。また、埋込層には小さなバンドギャップを有する高屈折率層と大きなバンドギャップを有する低屈折率層によるヘテロ障壁が複数存在するため、埋込層内に電流が流れにくい。従って利得領域に効率良く電流が注入され、より大きな利得結合係数が得られる。さらに、埋込層を構成する材料にＩｎＰなどの２元化合物が使用でき、埋込層の組成不均一に起因する問題を回避できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による利得結合型ＤＦＢレーザダイオード３０の構成を示す。ただし図３（Ｂ）は図３（Ａ）の一部（領域Ｃとして示す）を拡大して示す拡大図である。
【００２２】
図３（Ａ）を参照するに、レーザダイオード３０はクラッド層としても機能するｎ型ＩｎＰ基板３１上に形成されており、前記ＩｎＰ基板３１上に第１の端面から第２の端面まで連続的に延在するように形成されたＭＱＷ層Ｂと、前記ＭＱＷ層Ｂ上にブラッグ回折周期で周期的に形成されたＭＱＷ層Ａとよりなる活性層３２を含む。
【００２３】
前記ＭＱＷ層Ａは、Ｇａ0.31Ｉｎ0.69Ａｓ0.91Ｐ0.09で表される組成を有し発光波長が１．５５μｍで厚さが５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層と、組成波長が１．２μｍで厚さが１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰバリア層とを交互に３周期堆積することにより形成されており、前記ＭＱＷ層Ｂも同様なＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層とを交互に３周期堆積することにより形成されている。このうち、前記ＭＱＷ層Ａは利得領域３２Ａを形成する。
【００２４】
またレーザダイオードの軸方向に隣接する一対の利得領域３２Ａの間には、図３（Ｂ）に示すように埋込層により埋め込まれる埋込領域３２Ｂが形成されているが、本実施例においては前記埋込領域３２Ｂを埋め込む埋込層は、格子整合組成Ｇａ0.47Ｉｎ0.53Ａｓを有する厚さが６ｎｍのＧａＩｎＡｓ層と厚さが６．２ｎｍのＩｎＰ層とを交互に４〜５回繰り返し堆積した構成の超格子構造を有している。
【００２５】
さらに前記活性層３２の両側には図３（Ａ）に示すようにｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層とを順次積層した電流狭搾層３３Ａ，３３Ｂが形成されており、前記電流狭搾層３３Ａ，３３Ｂ上には、前記活性層３２を覆うようにｐ型ＩｎＰクラッド層３４が形成されている。
【００２６】
さらに前記ＩｎＰクラッド層３４上にはｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層３５が形成されており、前記コンタクト層３５上にはレ−ザダイオ−ドの軸方向に延在する開口部（図示せず）を有するＳｉＯ2保護膜３６が形成されている。さらに前記ＳｉＯ2保護膜３６上には、前記開口部において前記コンタクト層３５とオーミックコンタクトをするｐ側オーミック電極３７が形成されており、前記ＩｎＰ基板３１の下面には、ｎ側オーミック電極３８が形成されている。
【００２７】
図４（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図３（Ｂ）の活性層３２中における利得領域３２Ａおよび埋込領域３２Ｂの伝導帯Ｅｃのバンド構造を示すバンド構造図である。
【００２８】
図４（Ａ）を参照するに、利得領域３２Ａにおいては量子井戸層ＱＷ1中に量子準位Ｌ1が形成されており、対応する価電子帯中の量子準位との間におけるキャリアの遷移により光放出が生じる。
【００２９】
これに対し、図４（Ｂ）に示す埋込領域３２ＢにおいてはＩｎＰバリア層が利得領域３２Ａ中のＧａＩｎＡｓＰバリア層よりも高い障壁を形成しており、一対のＩｎＰバリア層の間には、前記利得領域３２Ａ中のＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層ＱＷ1よりもバンドギャップの小さい量子井戸層ＱＷ2が形成されている。このようなバンドギャップの小さな量子井戸層ＱＷ2は一般に高い屈折率を有しており、ワイドギャップ材料よりなるＩｎＰバリア層の低い屈折率とあいまって、埋込領域３２Ｂの全体的な屈折率ｎBを利得領域３２Ａの全体的な屈折率ｎAにおおよそ一致させることが可能になる。
【００３０】
埋込領域３２Ｂ中の量子井戸ＱＷ2層による光吸収を回避するため、前記埋込領域においては量子井戸層ＱＷ2の幅を、量子準位Ｌ2が前記量子準位Ｌ1よりも高エネルギ側に形成されるように設定するのが好ましい。
【００３１】
本実施例においては、前記埋込領域３２Ｂが２元化合物であるＩｎＰ層と３元系混晶であるＧａＩｎＡｓ層の積層により形成されるが、前記ＧａＩｎＡｓ層の層厚が十分に薄いため、埋込成長の際に混晶組成の不均一が発生し難く，埋込領域３２Ｂの組成を均一に形成することができる。
【００３２】
図５（Ａ）〜図６（Ｉ）は、図３（Ａ），（Ｂ）のレーザダイオード３０の製造工程を示す。
【００３３】
図５（Ａ）を参照するに、ＩｎＰ基板３１上にＭＱＷ層ＢおよびＡを形成することにより、活性層３２が形成され、前記活性層３２はｐ型ＩｎＰクラッド層３４Ａにより覆われる。
【００３４】
次に図５（Ｂ）の工程において前記ＩｎＰクラッド層３４Ａ上にレジストパターンＲを干渉露光法あるいは電子ビーム露光法により、ブラッグ回折周期で形成し、図５（Ｃ）の工程において前記レジストパターンＲをマスクに、前記ＩｎＰクラッド層３４Ａおよびその下のＭＱＷ層Ａをパターニングし、利得領域３２Ａを形成する。
【００３５】
次に図５（Ｄ）の工程において、隣接する一対の利得領域３２Ａの間の埋込領域３２ＢをＧａＩｎＡｓ量子井戸層とＩｎＰバリア層とを交互に堆積した超格子構造を有する埋込層により埋込み、さらに前記埋込領域３２Ｂ上にｐ型ＩｎＰクラッド層３４Ｂを形成する。
【００３６】
次に図５（Ｅ）の工程において前記クラッド層３４Ｂ上にＳｉＯ2パターン３４Ｃを、レ−ザダイオ−ドの軸方向に延在するように形成し、図６（Ｆ）の工程において前記ＳｉＯ2パターン３４Ｃをマスクにクラッド層３４Ｂ，ＭＱＷ層ＡおよびＭＱＷ層Ｂをエッチングし、レ−ザダイオ−ドの軸方向に延在するメサ構造Ｍを形成する。
【００３７】
さらに図６（Ｇ）の工程において、前記ＳｉＯ2パターン３４Ｃをマスクに使った再成長工程により、前記ＩｎＰ基板３１上に前記メサ構造Ｍの両側を埋めるように、ｐ型ＩｎＰ層およびｎ型ＩｎＰ層を順次積層し、電流阻止構造３３Ａ，３３Ｂを形成する。さらに図６（Ｈ）の工程において前記ＳｉＯ2パターン３４Ｃを除去した後、ｐ型ＩｎＰクラッド層３４を前記ＩｎＰクラッド層３４Ｂに続けて、前記電流阻止構造３３Ａ，３３Ｂを覆うように形成し、さらにＩｎＰクラッド層３４上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層３５を形成する。
【００３８】
最後に図６（Ｉ）の工程において前記コンタクト層３５上にＳｉＯ2保護膜３６を形成し、さらに前記保護膜３６中に前記コンタクト層３５を露出する開口部を前記メサ構造に沿って形成した後、前記保護膜３６上にｐ側電極３６を前記開口部において前記コンタクト層３５にオーミックコンタクトするように形成する。また図６（Ｉ）の工程では、前記ＩｎＰ基板３１の下面にｎ側電極３８を形成する。
【００３９】
先にも説明したように、かかる構成の利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０では、活性層３２中における屈折率の変動を効果的に抑制することが可能になり、極めて安定に単一モード動作する利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドを実現できる。このため、前記レ−ザダイオ−ドの出射側端に反射防止膜を形成し、反対側の端面に反射膜を形成した構成においても、優れた単一波長動作が得られる。
【００４０】
例えば共振器長が６００μｍの素子を作製した場合、本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０では、光出力が２ｍＷにおいて５０ｄＢを超えるサイドモード抑圧比を実現することが可能になった。また前記ＤＦＢレ−ザダイオ−ド３０は、４０ｍＷの光出力まで、安定な単一モード動作を行うことが確認された。さらにレ−ザダイオ−ド３０では７ｍＡのしきい値電流が実現され，０．３Ｗ／Ａのスロープ効率が得られることが確認された。さらに光出力３０ｍＷにおける長期通電試験の結果、５０００時間動作後における動作電流の上昇率は５％以内であることが確認され、また利得領域３２Ａと埋込領域３２Ｂとを交互に形成した構成に伴う結晶欠陥密度の増大は認められなかった。
［第２実施例］
図７は、本発明の第２実施例による利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層４２の構成を示す。本実施例のレ−ザダイオ−ドは図３（Ａ），（Ｂ）で説明したレ−ザダイオ−ド３０と同様な構成を有するが、活性層３２が図７に示す活性層４２Ａにより置き換えられている。図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４１】
図７を参照するに、本実施例ではＭＱＷ層Ｂが除去されており、その結果、前記埋込領域３２Ｂは活性層４２の上面から下面まで延在する。
【００４２】
本実施例では前記埋込領域３２Ｂは、ＩｎＰ基板に対して格子整合する組成を有する厚さが４．６ｎｍのＧａＩｎＡｓ層と厚さが７．８ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層とを交互に積層した超格子構造を有する埋込層により埋め込まれており、特に前記ＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ波長が１．２μｍの場合に、前記利得領域３２Ａと実質的に等しい屈折率が実現される。その結果、図７の活性層４２を有するＤＦＢレ−ザダイオ−ドでは屈折率結合係数が実質的にゼロになる。
【００４３】
本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ドについて、両端面に反射防止膜を形成した状態で発振スペクトルを観察したところ、発振波長がストップバンドのほぼ中心に位置しており、非常に優れたモード安定性が実現されていることが確認された。
［第３実施例］
図８は、本発明の第３実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層５２近傍の構成を示す。ただし図８中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
図８を参照するに、本実施例では活性層５２はそれぞれバンドギャップ波長が１．１μｍで厚さが５０ｎｍのｎ型ＧａＩｎＡｓＰおよびバンドギャップ波長１．１μｍで厚さが５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓＰよりなる一対の光閉じ込め層５１Ａ，５１Ｂの間に挟持されており、活性層５２の全長にわたって連続的に延在するＭＱＷ層Ｂと、前記ＭＱＷ層Ｂ上に形成された、各々がＭＱＷ層Ａよりなる複数の利得領域３２Ａとにより構成されている。また隣接する一対の利得領域の間の埋込領域３２Ｂは、厚さが１３ｎｍのＩｎＰ層と、厚さが６．５ｎｍでＩｎＰ基板に対して格子整合する組成を有するＧａＩｎＡｓ層と、厚さが６．５ｎｍでＩｎＰ基板に対して格子整合する組成を有するＡｌＩｎＡｓ層とを２回繰り返し形成し、さらに最上層のＡｌＩｎＡｓ層上に厚さが６．５ｎｍのＩｎＰ層を形成した超格子構造を有する埋込層により、埋め込まれている。
【００４５】
本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ドでは、さらに前記利得領域３２Ａよりなる回折格子構造をエッチングにより形成する際に十分な製造許容誤差が得られるように、ＭＱＷ層ＡとＭＱＷ層Ｂとの間にバンドギャップ波長が１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰ中間層５２Ａを介在させる。前記ＧａＩｎＡｓＰ中間層５２Ａは、回折格子形成前の状態において例えば４０ｎｍの厚さに形成され、回折格子形成時のエッチングが中間層５２Ａの表面から２０ｎｍの位置において停止するように、エッチング速度あるいは時間を制御する。かかる構成では、前記中間層５２Ａを介在させることにより、エッチングにばらつきが生じてもＭＱＷ層Ｂにエッチングが及ぶことがない。
【００４６】
本実施例のＤＦＢレ−ザダイオ−ドを３００μｍの共振器長で形成し、前端面に反射防止膜を、後端面に高反射膜を形成したところ、しきい値電流を３ｍＡまで低減することができ、また０．４０Ｗ／Ａのスロープ効率を実現することができた。
【００４７】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００４８】
（付記１） 第１の導電型を有する基板と、
前記基板上に形成された多重量子井戸活性層と、
前記多重量子井戸活性層上に形成された第２の導電型を有する半導体層と、
前記半導体層上に形成された第１の電極と、
前記基板上に形成された第２の電極とよりなる半導体発光装置であって、
前記多重量子井戸活性層は、前記基板の第１の端面から対向する第２の端面まで周期的に配列した、各々多重量子井戸構造を有する複数の利得領域よりなり、
前記多重量子井戸活性層と前記半導体層との間には、前記複数の利得領域を覆うように、もしくは隣接する利得領域の間のギャップを充填するように、埋込層が形成されており、
前記埋込層は、第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料よりなる複数の高屈折率層と、第２のより大きなバンドギャップを有する第２の半導体材料よりなる複数の低屈折率層とを含むことを特徴とする半導体発光装置。
【００４９】
（付記２） 前記高屈折率層と前記低屈折率層とは、前記埋込層中において交互に形成されることを特徴とする付記１記載の半導体発光装置。
【００５０】
（付記３） 前記埋込層は、前記利得領域において形成されるレーザ光に対して透明であることを特徴とする付記１または２記載の半導体発光装置。
【００５１】
（付記４） 前記埋込層を構成する複数の高屈折率層の各々は、前記利得領域を構成する量子井戸構造の量子準位よりも高い量子準位を有する量子井戸層よりなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５２】
（付記５） 前記埋込層を構成する高屈折率層の各々は、前記多重量子井戸活性層を構成する量子井戸層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、前記多重量子井戸活性層を構成する量子井戸層に隣接するバリア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５３】
（付記６） 前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、２元化合物により形成されることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５４】
（付記７） 前記埋込層を構成する材料は、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＩｎＰ、およびこれらの混晶系より選ばれることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５５】
（付記８） 前記埋込層を構成する高屈折率層の各々はＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓ層よりなり、前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、ＩｎＰ層よりなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５６】
（付記９） 前記埋込層を構成する高屈折率層の各々は、ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓ層よりなり、前記埋込層を構成する低屈折率層の各々は、前記ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓＰ層よりなることを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５７】
（付記１０） 前記利得領域の屈折率が、前記埋込層の屈折率と略同等であることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５８】
（付記１１） 前記多重量子井戸活性層は、多重量子井戸構造を有し前記第１の端部から第２の端部まで連続的に延在する連続部分を含み、前記複数の利得領域は、前記連続部分の上に形成されていることを特徴とする付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００５９】
（付記１２） 前記埋込層は、前記高屈折率層と低屈折率層の他に、中間的な屈折率を有する第３の半導体層を含むことを特徴とする付記１〜１１のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、利得結合型ＤＦＢレ−ザダイオ−ドにおいて隣接する利得領域の間に形成される埋込領域を、利得領域の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率層と、より高い屈折率を有する高屈折率層とを積層した超格子構造の埋込層により埋め込むことにより、前記埋込領域において、全体として利得領域の屈折率におおよそ等しい屈折率を実現することが可能になる。その結果、本発明のＤＦＢレ−ザダイオ−ドは屈折率結合係数が低減され、安定に動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、従来のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図２】別の従来のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すＤＦＢレ−ザダイオ−ドにおける活性層のバンド構造を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｅ）は、図３（Ａ），（Ｂ）のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの製造工程を示す図（その１）である。
【図６】（Ｆ）〜（Ｇ）は、図３（Ａ），（Ｂ）のＤＦＢレ−ザダイオ−ドの製造工程を示す図（その２）である。
【図７】本発明の第２実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例によるＤＦＢレ−ザダイオ−ドの活性層近傍領域の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０ ＤＦＢレ−ザダイオ−ド
１１，２１，３１ 基板
１２，２３，３２，４２，５２ 活性層
１２Ａ，２３Ａ，３２Ａ 利得領域
１２Ｂ，２３Ｂ，３２Ｂ 埋込領域
１３，２８，３４，３４Ａ，３４Ｂ クラッド層
１４，１５，３７，３８ 電極
２１Ａ，２６ バッファ層
２２，２４，５１Ａ，５１Ｂ 光閉じ込め層
２７ エッチングストッパ層
２９，３５ コンタクト層
３３Ａ，３３Ｂ 電流狭搾層
３４Ｃ ＳｉＯ2マスク
３６ ＳｉＯ2膜
５２Ａ 中間層
Claims (5)
- 電流注入によって光を増幅する多重量子井戸活性層と、前記多重量子井戸活性層の上下にあって前記多重量子井戸活性層に光を閉じ込めるクラッド層と、前記多重量子井戸活性層に電流を注入するための電極を有する半導体発光装置であって、
前記多重量子井戸活性層は、光の伝搬方向に沿って周期的に配列した、各々多重量子井戸構造を有する複数の利得領域を含み、
前記複数の利得領域の各々隣接する利得領域間のギャップを充填するように埋込層が形成されており、
前記埋込層は、第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料よりなる複数の高屈折率層と、第２のより大きなバンドギャップを有する第２の半導体材料よりなる複数の低屈折率層とを含み、
前記埋込層を構成する複数の高屈折率層の各々は、前記利得領域を構成する量子井戸構造の量子準位よりも高い量子準位を有する量子井戸層よりなることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記埋込層は、前記利得領域において形成されるレーザ光に対して透明であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
- 前記利得領域の屈折率が、前記埋込層の屈折率と略同等であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光装置。
- 前記埋込層が、前記利得領域を構成する量子井戸構造の障壁層よりも屈折率の高い材料よりなる層を含むことを特徴とする、請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
- 前記埋込層が、２元化合物よりなる層を含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体発光装置。
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