JPH0613701A - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents

半導体レーザの製造方法

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JPH0613701A
JPH0613701A JP16648092A JP16648092A JPH0613701A JP H0613701 A JPH0613701 A JP H0613701A JP 16648092 A JP16648092 A JP 16648092A JP 16648092 A JP16648092 A JP 16648092A JP H0613701 A JPH0613701 A JP H0613701A
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JP
Japan
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corrugation
layer
substrate
semiconductor laser
protruding parts
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Withdrawn
Application number
JP16648092A
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English (en)
Inventor
Ichiro Ushijima
一郎 牛嶋
Osamu Obara
治 小原
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 DFB レーザに関し,光CATVシステムにおける
光源に適用可能な低歪みかつ高出力の特性を得るために
コルゲーションの光結合効率を向上することを目的とす
る。 【構成】 光活性層等の半導体層を成長させる工程また
はその前処理工程において高温雰囲気に曝されることに
よる変形を考慮して, 基板上にあらかじめ形成するコル
ゲーションを, 平坦で有限の幅を有する凹部と, この凹
部より幅の狭い凸部とを交互に繰り返して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は, 半導体レーザに係り,
とくに, 例えばアナログCATVシステムにおける光源装置
に用いられる低歪みかつ高出力の半導体レーザに関す
る。
【0002】近年, 光ファイバを利用したCATV(光CAT
V)が普及しつつある。ここでは, アナログ伝送に適し
た半導体レーザが必要とされている。この用途の半導体
レーザに要求される特性は, 多チャネルを伝送可能とす
るための低歪み特性と, 伝送スパンをできるだけ長くす
るための高出力特性である。現在のところ, この要求に
応え得る半導体レーザとしては, いわゆるDFB(Distribu
ted Feedback) 型のものが最も有望視されている。
【0003】
【従来の技術】DFB レーザは, 凹凸形状の繰り返しから
成る回折格子(コルゲーション)によるブラッグ反射を
利用して, 単一波長の光発振を行わせるものである。例
えば基板上に周期的なコルゲーションを設けておき, そ
の上に光ガイド層, 活性層, クラッド層を順次形成す
る。活性層で発生した光が光キャビティの中を往復する
間に光ガイド層にしみ出し, コルゲーションでブラッグ
反射されることにより, 単一モードの発振が行われる。
このとき, 進行してきた光がコルゲーションで反射され
て逆方向に進む場合の単位長さ当たりの光の結合の強さ
表すパラメータを光結合定数(κ)と呼んでいる。長さ
Lの光キャビティ全体における光結合の強さは,κLで
表される。
【0004】DFB レーザを低歪み化すなわち駆動電流と
光出力との直線性をよくするためには, κLを最適な
値, 通常1近傍に選ぶ必要がある。なぜならば,κLが
1より大きいと, キャビティ中の光強度分布がキャビテ
ィ中央部で高くなり, 一方, κLが1より小さいと, キ
ャビティ中の光強度分布がキャビティ中央部で低くな
る。これに対して,κLがほぼ1のときにキャビティ中
の光強度分布が均一になり,このとき歪みが最も少なく
なる(H. Soda et al., IEEE, J. of Quantum Electron
ics, vol.QE-23, pp.804-814) 。
【0005】κの値は, コルゲーションを構成する凹凸
の形状と高さの差, 光ガイド層および活性層の屈折率と
厚さに依存する。したがって,凹凸の繰り返し周期を一
定とし, 光ガイド層および活性層の厚さと屈折率すなわ
ち組成を同一にしても, コルゲーションの形状と高さに
よってκLの値が変化する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】DFB レーザの製造にお
いて, コルゲーションが形成された基板は, その上に光
ガイド層等を形成するための結晶成長工程またはその前
処理工程において, 数百℃の高温度の雰囲気中に曝され
る。この温度は, 例えばインジウム燐(InP) 結晶から成
る基板の場合には, その解離温度(解離圧が1気圧にな
る温度)450 ℃以上である。このために, 基板表面で解
離および再結合が生じる。その結果, コルゲーションを
構成する凹凸の形状が変形し, 高さも変化してしまう。
この例を図6を参照して説明する。
【0007】例えば図6(a) に示すような, 矩形の断面
を有する凸部から成るコルゲーションが前記のような高
温雰囲気に曝されると, 個々の凸部は, 同図(b) に示す
ように, 緩やかな傾斜面を持った形状に変化する。幅D
を有する凹部も平坦面でなくなる。これは, 凸部の基板
原子が気相を介して凹部に再析出する物質移動によるも
のと考えられている。このようにして凹凸部の形状が変
化するとともに, コルゲーションの高さが変化する。凸
部の変形量すなわち凸部の断面積の減少分をsとする
と,s/Dが凹部に堆積した物質の平均的な高さに相当
する。移動した物質は一般に,図示のように,凹部の角
に堆積しやすい。
【0008】上記のような理由により,κLを最適化す
るためのコルゲーションの形状および寸法の決定には,
高温雰囲気中における変形をも考慮しておく必要があ
る。このようなコルゲーションの変形を抑制するため
に, 雰囲気中の燐(P) の分圧を高くしておく方法や, コ
ルゲーションが形成された基板表面をGaAs層で覆ってお
く方法(特公平1-36689 号)等の対策が提案されてい
る。しかし, これらの対策を施しても, コルゲーション
の変形を完全に防ぐことは困難である。とくに図7(a)
,(b) ,(c) に示すような凹部の幅が零に近い断面形
状を有するコルゲーションの場合には,凹部に堆積する
物質によって高さが大きく変化するために,κLの制御
が困難である。
【0009】本発明は, 高温雰囲気における変形を考慮
した上で, κLの値を容易に最適化可能なコルゲーショ
ンの形成方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的は, 一導電型の
半導体から成る基板の一表面に平坦で有限な幅を有する
凹部と該凹部よりも幅の狭い凸部とを交互に繰り返して
成るコルゲーションを形成する工程と, そののち且つ該
基板表面に一導電型の半導体から成る光ガイド層が形成
される前またはその途次において該基板がその解離温度
近傍の雰囲気に加熱される工程とを含むことをを特徴と
する本発明に係る半導体レーザの製造方法によって達成
される。
【0011】
【作用】図1および図2は本発明の着想の基礎となる原
理を説明するための図である。すなわち,図1は, ピッ
チΛで配列された凸部と断面が矩形で幅がDである平坦
な凹部とから成るコルゲーションを模式的に示す。この
コルゲーションにおける光結合定数κは, κ∝〔sin (mπD/ Λ) 〕/ m π ・・・・(1) で与えられる。ここに, m はブラッグ反射の次数であ
る。
【0012】光ファイバが用いられる波長1μm 帯に適
用されるDFB においては, 通常, 一次のブラッグ反射が
利用される。したがって, (1) 式は, κ∝〔sin(πD/ Λ) 〕/ π ・・・・(2) となり, D/ Λ= 1/2 のときにκが最大となる。つま
り,凹部の幅がピッチの1/2 になっていることが望まし
い。
【0013】図2はD/ Λの値が異なる場合の例であっ
て, 同図(a) はD=Λ/4のコルゲーション, 同図(b) は
D= 3Λ/4のコルゲーションであって, 両者のκの値は
等しいが, 図2(a) の形状は, 前述のような高温雰囲気
における変形が生じた場合,凹部が凸部から移動した物
質によって埋まりやすいために凸部との高さの差が変化
しやすい。したがって, κLの制御がより難しい。これ
に対して, 図2(b) の形状は, 上記のような変形が生じ
ても, 凹部が物質によって埋まり難いので, 凸部との高
さの差に変化が生じ難い。
【0014】上記の説明から分かるように, 最初に基板
に形成されるコルゲーションについて, 凹凸の繰り返し
周期Λと凹部の幅Dとを,D/ Λ≧ 1/2のように設計し
ておけば,すなわち,凹部の幅が凸部のそれより大きく
しておけば,この基板が高温雰囲気に曝されてコルゲー
ションに変形が生じても,κを最大値に近く維持しつ
つ,高さの変化を最小に抑制することができる。
【0015】
【実施例】図3は本発明に基づいて形成される数種類の
コルゲーションの形状例を示す断面図であって, 同図
(a) は断面が三角形の凸部から成り, 同図(b) は断面が
矩形の凸部から成り,同図(c) は断面が台形の凸部から
成り, 同図(d) は断面が半円またはそれに類似の形状を
した凸部から成る。いずれのコルゲーションにおいて
も, 凹部は平坦でありかつ凹部の幅(D)が凸部の上端
の幅に等しいか大きくなるようにされている。すなわ
ち,凸部の配列ピッチをΛとすると,D≧Λ/ 2であ
る。
【0016】熱力学的によれば, 一般に, 曲率の大きい
表面ほど不安定で物質移動を生じやすい。また, コルゲ
ーションの凹部と凸部の高さの差が大きいほど変形量が
大きい。この考察にしたがえば, 図3(a) のコルゲーシ
ョンにおける凸部が最も変形しやすく,次いで同図(b),
(c), (d) の順に変形が小さくなる。また, 凸部から移
動した物質が凹部の角に堆積するしやすさは, 図(c) が
最も大きく, 次いで同図(d), (b), (a) の順に小さくな
る。したがって, 上記の事柄とコルゲーションに変形を
生じさせる熱処理の条件を考慮して適当な形状を選択す
ればよい。また, 凸部と凹部の高さの差gは, コルゲー
ションが形成された基板上に堆積される光ガイド層およ
び活性層の屈折率と厚さに応じて適当な値が決められ
る。
【0017】以下に, 光CATVシステムにおける光源とし
て用いられる例えば発振波長が1.30μm の半導体レーザ
の製造に本発明を適用する場合の一実施例の工程を説明
する。
【0018】図4(a) は,凸部2から成るコルゲーショ
ンが形成された基板1を示す斜視図である。すなわち,
n型InP 結晶から成る基板1の(100) 面に, 三角形の断
面を有する凸部2をピッチΛが2000Åで配列したコルゲ
ーションを形成されている。凸部2間の平坦な凹部の幅
Dは, 例えばD/ Λ=3/5 になるように決められてい
る。なお, 凸部2は<01-1>方向に垂直に延伸してい
る。
【0019】次いで, 図4(b) に示すように光ガイド層
3, 活性層4およびクラッド層5を形成する。すなわ
ち,図5は<01-1>に垂直な断面であって, 基板1上
に, 共に吸収端波長が1.0 〜1.1 μm の組成を有するn
型のInGaAsP から成る光ガイド層3および吸収端波長が
1.3 μm の活性層4ならびにp型のInP から成るクラッ
ド層5を順次エピタキシャル成長させてある。光ガイド
層3の厚さは凸部2の高さの数〜5倍程度あるので, 光
ガイド層3の上表面は平坦になる。
【0020】上記各層の成長は, 周知の液相エピタキシ
ャル成長(LPE) 法または有機金属化学気相成長法(MOCV
D) 法のいずれを用いてもよい。LPE 法またはMOCVD 法
による光ガイド層3のエピタキシャル成長においては,
通常, 基板1を450 ℃以上の温度に加熱する必要があ
る。この温度は, InP の解離温度以上であるために, コ
ルゲーションの変形が避けられない。
【0021】次いで, 図5(a) の斜視図に示すようにク
ラッド層5, 活性層4, 光ガイド層3および基板1をメ
サエッチングする。このエッチングは, 例えば, クラッ
ド層5上にSiO2膜を堆積し, これを, <0-1-1 >方向に
延在するストライプ状にパターニングし,このストライ
プ状のSiO2膜7をマスクとして行う。InP から成るクラ
ッド層5および基板1は, 例えば臭化水素(HBr) をエッ
チャントとしてエッチングする。InGaAsP から成る活性
層4および光ガイド層3は, 例えば弗酸(HF)と硝酸(HNO
3)の混合液またはHBr と過酸化水素(H2O2)の混合液をエ
ッチャントとしてエッチングする。
【0022】次いで, 図5(b) に示すように, クラッド
層5等から成るメサを埋め込む電流ブロック層8および
9, 第2のクラッド層10, 電流コンタクト層11を形成す
る。すなわち,図7は<0-1-1 >方向に垂直な断面であ
って, 例えばLPE 法によって, p型InP から成る電流ブ
ロック層8およびn型InP から成る電流ブロック層9を
順次エピタキシャル成長させる。メサの頂上表面は前記
SiO2膜7によって覆われているので, 電流ブロック層8
および9は成長しない。そののち, SiO2膜7を除去す
る。このようにして, 表面がほぼ平坦になったクラッド
層5と電流ブロック層9上に, 共にp型のInP から成る
第2のクラッド層10および電流コンタクト層11を順次エ
ピタキシャル成長させる。クラッド層10および電流コン
タクト層11の成長は, LPE 法またはMOCVD 法のいずれを
用いて行ってもよい。
【0023】上記ののち, 基板1の下面および電流コン
タクト層11の上面に電極を形成し,さらに光射出面とな
る<0-1-1 >方向の一端面に反射防止膜(反射率1%程
度)を形成して本発明に係るDFB レーザが完成する。
【0024】前述のように, 光結合定数κは, コルゲー
ションの高さgに依存する。したがって, 前記高温雰囲
気中における変形を考慮した上で,κの値をできるだけ
大きくなる高さが得られるように,基板1に形成される
コルゲーションの初期高さすなわち凸部2と平坦な凹部
との高さの差を設定するのである。また,κの値は光ガ
イド層3の厚さにも依存する。上記実施例のように, In
P から成る基板1と,吸収端波長1.0 〜1.1 μm である
組成を有するInGaAsP から成る光ガイド層3の場合, 凸
部2の初期高さは, 光ガイド層3の厚さ0.10〜0.14μm
に対して, 280〜440 Åが最適であることが実験により
確かめられた。同様に, 凸部2の高さが同一で, 光ガイ
ド層3の厚さを0.20〜0.28μm に大きくすると, κの値
は60〜80%程度に小さくなることが確かめられている。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば, DFB レーザの製造工程
において, 基板が高温雰囲気中に曝されることによるコ
ルゲーションの変形が抑制可能となる。その結果, 光結
合特性が高く維持され, したがって, 光CATVシステムに
おける光源に適した高出力かつ低歪みのDFB レーザの実
現に寄与する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の基礎となる原理を説明するための模
式図(その1)
【図2】 本発明の基礎となる原理を説明するための模
式図(その2)
【図3】 本発明に係るコルゲーションの形状例を示す
断面図
【図4】 本発明に係るDFB レーザの製造方法の実施例
説明図(その1)
【図5】 本発明に係るDFB レーザの製造方法の実施例
説明図(その2)
【図6】 高温雰囲気中におけるコルゲーションの変形
説明図
【図7】 高温雰囲気中において変形しやすいコルゲー
ションの形状例
【符号の説明】
1 基板 6 SiO2膜 2 凸部 8, 9 電流ブロッ
ク層 3 光ガイド層 10 クラッド層 4 活性層 11 電流コンタクト
層 5 クラッド層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平坦で有限な幅を有する凹部と該凹部よ
    りも幅の狭い凸部とが交互に繰り返して成るコルゲーシ
    ョンを一表面に形成する工程と, 該コルゲーションが形成されたのち該表面に光ガイド層
    が形成される前またはその途次において該表面がその解
    離温度近傍の雰囲気に曝される工程とを含むことをを特
    徴とする半導体レーザの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記コルゲーションの前記凹部と凸部と
    の高さの差が280 Å乃至440 Åの範囲にあることを特徴
    とする請求項1記載の半導体レーザの製造方法。
JP16648092A 1992-06-25 1992-06-25 半導体レーザの製造方法 Withdrawn JPH0613701A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5434110A (en) * 1992-06-15 1995-07-18 Materials Research Corporation Methods of chemical vapor deposition (CVD) of tungsten films on patterned wafer substrates
JP2001189522A (ja) * 1999-12-28 2001-07-10 Nec Corp 光半導体装置およびその製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5434110A (en) * 1992-06-15 1995-07-18 Materials Research Corporation Methods of chemical vapor deposition (CVD) of tungsten films on patterned wafer substrates
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Effective date: 19990831