WO2001065649A1

WO2001065649A1 - Dispositif laser a semiconducteur

Info

Publication number: WO2001065649A1
Application number: PCT/JP2001/001507
Authority: WO
Inventors: Masaki Funabashi; Ryosuke Yatsu; Akihiko Kasukawa
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2001-09-07
Also published as: US20020031152A1; CA2370706A1; EP1174967A4; JP2001320125A; JP3813450B2; EP1174967A1; US6661828B2

Description

半導体レーザ素子

利用分野

本発明は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、広い温度範囲で安定した単一モード発振が可能であって、発振波長のモードと副モードの抑圧比（S M S R ) が大きい、特に光通信用の光源どして最適な半導体レーザ素子に関するものである。従来の技術

分布帰還型半導体レーザ（以下、 D F Bレーザと言う）は、屈折率 (複素屈折率）の実部または虚部が周期的に変化する回折格子を共振器内部に有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるようにすることにより、波長選択性を備えたレーザである。

屈折率が周期的に周囲と異なる化合物半導体層からなる回折格子を活性層の近傍に備えた D F Βレーザでは、 D F Βレーザの発振波長 λ D F B が、回折格子の周期 Λと導波路の実効屈折率 n e f f に基づいて λ DF B = 2 n e f f Λの関係式によって決定されるので、回折格子の周期 Λと導波路の実効屈折率 n e f f とを調節することにより、活性層の光利得のピーク波長とは独立に発振波長 A DF B を設定することができる。

例えば、 D F Bレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長よりも短波長側に設定すると、微分利得が大きくなるので、 D F B レーザの高速変調特性などが向上する。

また、 D F Bレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長程度に設定すると、室温での閾値電流が小さくなる。また、 D F Bレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長よりも長波長側に設定すると、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する。

ところで、従来の D F Bレーザでは、発振波長が活性層の光利得分布のピーク波長より短波長側にあっても、或いは長波長側にあっても、 ①しきい値電流を低く抑えられる、 ②単一モード動作を保持するなどの理由から、発振波長は、活性層の光利得分布のピーク波長から数十 nm以内の近い波長範囲に設定されている。

また、従来の D F Bレーザでは、回折格子を構成する化合物半導体層は、活性層のバンドギャップ ·エネルギー及び発振波長のエネルギ一よりもかなり大きいバンドギャップ ·エネルギーを有する。つまり、回折格子を構成する化合物半導体層のバンドギャップ波長は、通常、発振波長から 1 0 0 nm以上短波長側にあって、該化合物半導体層は発振波長に対して透明な、ほとんど光吸収のない、即ち損失のない層である。そして、屈折率の周期的変化を示す回折格子は、前記化合物半導体層を積層した後、エッチングして周期的に並列に存在する層の列を形成することにより、作製されている。

ここで、更に、従来の D F Bレーザを具体的に説明すると、従来の D F Bレーザは、図 8 (a) に示すように、 λ 6 が 1 5 5 0 nmで、 λ g が 1 2 0 0 nmから 1 3 0 0 nmの範囲であって、 λ § < λ m ax <λ e である第 1の従来例と、図 8 (b) に示すように、が 1 5 5 0 nmで、が 1 6 5 0 nmであって、 Amax く λ e <λ g である第 2の従来例とに大別できる。

第 1の従来例では、 - λ g = 30 0 nmであり、一方、第 2 の従来例では - λ g =— 1 0 0 nmである。

ここで、図 8 (b) の実線の曲線は横軸の波長に対する活性層の光利得分布を示し、破線の曲線は横軸の波長に対する回折格子層の吸収 (損失）量を示す曲線である。

また、は回折格子の周期と導波路の実効屈折率で決まる D F B レーザの発振波長、は回折格子層のバンドギャップ波長、 Ama X は活性層の光利得分布のピーク波長、回折格子層の埋め込み層、通常は I n P層のバンドギヤップ波長は λ I ηΡ (= 92 0 nm) である。

しかし、従来の D F Bレーザでは、回折格子の周期を調節して D F Bレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長から離して設定した場合、 D F Bレーザの設定発振波長ではなく、活性層の光利得分布のピーク波長でフアブリ一 · ペロー発振する現象が生じることがあった。

また、 D F Bレーザの設定発振波長で発振していても、 D F Bレーザの設定発振波長の発振モードと活性層の光利得分布のピーク波長付近のモードとの副モード抑圧比（SMS R) が、十分に大きく取れないという問題があった。例えば従来の D F Bレーザでは、 D F Bレーザの発振波長のデチューニング量によって異なるものの、副モード抑圧比（SMS R) は 3 5 d Bから 40 d Bの範囲であって比較的小さかった。この結果、従来の DF Bレーザでは、活性層の光利得分布のピーク波長に対する D F Bレーザの発振波長のデチューニング量を大きくすることが出来ないという問題が生じていた。

更に説明すると、 D F Bレーザの発振波長 λ e が回折格子層のバンドギャップ波長 L g より大きな第 1の従来例は、発振波長 A e の吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力一注入電流特性が良好であるという利点を有するものの、回折格子層と I n P埋め込み層との屈折率差が小さいので、回折格子と活性層との距離を小さくする必要がある。その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty) 比によって結合係数が大きく変動し、同じ特性の DF Bレーザを安定して作製することが難しい。

また、 D F Bレーザの発振波長 λ e に対する吸収係数を a e 、活性層のバンドギャップ波長、つまり活性層の光利得分布のピーク波長 λ max に対する吸収係数を amax とすると、 a e = amax 0であって、活性層の光利得分布のピーク波長付近のフアブリ一 · ペロー発振モ一ド及び D F Bレーザの発振モードともに抑制効果が小さい。従って、デチューニング量の絶対値 I λ e - λ max I を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値 I λ e - λ max I を大きくできないという問題があつた。

回折格子層のバンドギャップ波長； g が D F Bレーザの発振波長 λ e がより大きな第 2の従来例は、回折格子層と I n P埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty) 比によつて結合係数が変動し難いので、同じ特性の D F Bレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。

一方、発振波長 A e に対する吸収損失が大きく、吸収型の回折格子となるために、閾値電流が大きく、光出力一注入電流特性が良好でないという問題を有する。また、 a e = amax >0であって、ファブリー ·ペロー発振モード及び D F Bレーザの発振モードともに抑制効果があるものの、デチューニング量の絶対値 I λ e - λ max I を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値 | A e - λ max I を大きくできないという問題があった。以上の説明では、 D F Bレーザを例に挙げて、活性層の光利得分布のピーク波長と発振波長とに関する問題を説明したが、この問題は、 D F Bレーザに限らず、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長 λ e のレーザ光さ出射する半導体レーザ素子に普遍的に付随する問題である。発明の概要

そこで、本発明の目的は、上記のような問題を解決するため、第 1 には、 D F Bレーザの発振波長の吸収損失が小さく、かつ活性層の光利得分布のピーク波長の吸収損失が大きい、従って閾値電流が小さく、かつ光出力一注入電流特性が良好で、デチューニング量の絶対値 I 一入 m a x I を大きくしても、縦モ一ドの良好な単一モード性を維持できる、半導体レーザ素子を提供することであり、第 2には、 D F Bレーザの回折格子層の膜厚、デューティ（Du ty) 比によって結合係数が変動し難い、従って製品歩留りが高い構成の半導体レーザ素子を提供することである。

本発明に係る半導体レーザ素子（以下、第 1の発明と言う）は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長 A e のレ一ザ光を出射する半導体レーザ素子において、

活性層の光利得分布のピーク波長 λ m a x に対する吸収係数 a; m a X が発振波長に対する吸収係数 a e よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、活性層の近傍に設けられていることを特徴としている。

第 1の発明並びに後述の第 2及び第 3の発明で、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長 A e のレーザ光を出射する半導体レーザ素子とは、例えば分布帰還型（DF B) 半導体レーザ素子、分布反射型（DBR) 半導体レーザ素子、ファイバブラッググレ一デイング（F B G) 付き半導体レーザ · モジュール等を言う。また、活性層の近傍とは、活性層で発生した光を感知できる範囲内にあることを意味する。

活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数が、半導体レーザ素子の発振波長に対する吸収係数よりも大きくなるような吸収領域を設け、活性層の光利得分布のピーク波長付近のモードのみ選択的に吸収して、活性層の光利得分布のピーク波長付近のフアブリ一 ·ベロ一発振を抑制する。これにより、発振波長の波長選択性を高め、かつ副モード抑圧比（SMS R) を大きくして、単一モード性を向上させることができる。よって、製品歩留りが向上する。

換言すれば、活性層の光利得分布のピーク波長付近のフアブリー - ペロー発振を選択的に抑制するので、デチューニング量（A e - Am ax ) を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できるまた、高い動作温度でも、単一モードを維持できるので、高温での高出力特性が良好である。

本発明に係る更に半導体レーザ素子（以下、第 2の発明と言う）は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備えた、半導体レーザ素子において、

化合物半導体層で形成された吸収領域が共振器構造内に設けられ、吸収領域のバンドギャップ波長と発振波長とが、 0< λ e - λ g ≤ 1 0 0 nmの関係にあることを特徴としている。第 2及び第 3の発明の吸収領域とは、化合物半導体層で形成された領域であって、その領域のバンドギャップ波長 λ g と発振波長とが、 0 < λ β - λ g ≤ 1 0 0 n mの関係にある領域を言い、回折格子層のみならず、回折格子層以外の化合物半導体層を含む広い概念である。また、従来技術の説明では、前述のように、回折格子層のバンドギャップ波長を λ と定義しているが、第 2及び第 3の発明では. 従来技術のの定義を広げて、を、広く吸収領域のバンドギャップ波長と定義している。

第 2の発明では、半導体レーザ素子を D F Bレーザとしたとき、吸収領域のバンドギャップ波長 λ g 、つまり回折格子層のバンドギヤップ波長と D F Bレーザの発振波長 λ e との関係が、 0 < A e _ λ g ≤ 1 0 0 n mの関係にあって、 D F Bレーザの発振波長 λ e が回折格子層のバンドギャップ波長 λ g より大きいので、発振波長 λ e の吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力一注入電流特性が良好であるという利点を有する。

更には、埋め込み層を I n P層としたとき、第 2の従来例と同様に、回折格子層と I n P埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Du ty) 比によって結合係数が変動するようなことがないので、同じ特性の D F Bレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。

つまり、第 2の発明は、第 1の従来例と第 2の従来例のそれぞれの利点を合わせ有する。

本発明に係る更に別の半導体レーザ素子（以下、第 3の発明と言う）は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備えた、半導体レーザ素子において、

活性層の光利得分布のピーク波長 λ max に対する吸収係数 a ma x が発振波長に対する吸収係数 a e よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、共振器構造内に設けられ、

かつ吸収領域のバンドギャップ波長 λ g と、発振波長とが、 0 <λ e - λ g ≤ 1 0 0 nmの関係にあることを特徴としている。尚、第 3の発明は、第 1の発明の効果と第 2の発明の効果を合わせ有する。

第 2及び第 3の発明では、 A e - λ g の値は、 0より大きく 1 0 O nm以下であり、さらに好適には 0より大きく 7 0 nm以下の範囲にある。

また、第 2及び第 3の発明では、活性層の光利得分布のピーク波長 Amax は、図 9 (a) 及び（b) に示すように、 < λ max < λ e 、又は Amax < λ g < λ e の関係にある。

λ s <λ max <λ e のときには、これにより、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する、例えば A e - Amax = 2 O nmに、 — λ s = 5 0 nmに設定する。また、 Amax < λ g < λ e のときには、これにより、 amax を大きくすることができるので、ファプリペローモードを十分に抑制する効果があり、例えば λ e - Ama x = 2 0 nm、 λ g - λ max は 1 0 η m以上 2 0 η m以下である。

第 1及び第 3の発明では、吸収領域での、活性層の光利得分布のピ —ク波長 Amax に対する吸収係数 amax と、発振波長に対する吸収係数 a e との差、 amax - a e は大きければ大きいほど本発明の効果を奏する上で好ましいが、実用的には、導波路損失に換算して amax - e ≥ l c m— 1 であれば、本発明の効果を得ることができる。 amax - a e ≥ 5 c m一 1 であれば、さらに顕著な効果を得ることができる。

また、吸収領域では、 a e が実質的に 0であること、つまり吸収領域が発振波長 A e に対して透明であることが好ましい。これにより、吸収領域を設けても、発振波長の導波路損失が増加せず、閾値電流値や発光効率が劣化しない。

更に、第 1及び第 3の発明では、量子効果による急峻な吸収端を有する吸収領域を設けることにより、例えば、急峻な吸収端を有する量子井戸層、量子細線や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、活性層の利得ピーク波長に対する吸収係数 amax と、発振波長に対する吸収係数 a e との間に大きな差を実現することができる。なお、ここで、量子化されているとは、吸収領域を構成する化合物半導体層のサイズが、電子の量子力学的波長程度まで薄く、量子効果を示すことができるサイズであることを意味する。

更に、第 1及び第 3の発明では、波長選択構造が回折格子として構成されていても良いし、吸収領域として機能する選択的吸収層が、活性層の近傍に回折格子とは別に形成されていてもよい。

なお、選択的吸収層は、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しても、或いは回折格子と同じ側に配置しても、問題はない。但し、反対側に配置した方が、活性層との距離を任意に選択可能であるから、設計の自由度は大きくなる。

また、第 1から第 3の発明では、吸収領域を量子化された化合物半導体層によって形成し、かつ、活性層の光利得分布のピーク波長 Ama X を、 D F Bレーザの発振波長 λ e に対して、図 1 0に示すように、 λ e <Amax の関係に設定することにより、高周波領域での微分利得が大きく、高速変調特性が良好にすることができる。

第 1の発明によれば、活性層の光利得分布のピーク波長 Amax に対する吸収係数 amax が発振波長 A e に対する吸収係数 a e よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域を、活性層の近傍に設けることにより、例えば D F Bレーザ素子では、活性層の光利得分布のピーク波長 Amax 付近でのフアブリ 'ペローモードの発振を抑制することができ、設定した発振波長のモードと副モードの抑圧比（SMS R) を大きくすることができる。

また、デチューニング量を大きく取ることができるので、広い温度範囲で安定した単一モード発振の持続が可能になる。

第 2の発明によれば、吸収領域のバンドギャップ波長 λ g と D F B レーザの発振波長 A e との関係が、 0ぐ - λ g ≤ 1 0 0 nm の関係にあって、 D F Bレーザの発振波長 λ e が回折格子層のバンドギャップ波長より大きいので、発振波長 λ e の吸収損が小さく . 従って閾値電流が小さく、光出力一注入電流特性が良好であるという利点を有する。

更には、埋め込み層を I n P層としたとき、回折格子層と I n P埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Dut y) 比によって結合係数が変動し難くなるため、同じ特性の D F Bレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。

第 3の発明は、第 1の発明の効果及び第 3の効果を合わせ有する。図面の簡単な説明

図 1は、実施形態例 1の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図である。

図 2は、図 1の矢視 I — Iの半導体レーザ素子の断面図である。

図 3 (a) 〜（c ) は、それぞれ、実施形態例 1の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。

図 4 (d) 及び（e) は、それぞれ、実施形態例 1の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。

図 5は、実施形態例 2の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図である。

図 6は、図 5の矢視 III —III の半導体レーザ素子の断面図である。図 7 (a) 〜（c ) は、それぞれ、実施形態例 2の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。

図 8 (a) 及び（b) は、それぞれ、第 1の従来例及び第 2の従来例の A e 、 λ max 、 λ g の関係を示す模式図である。

図 9 (a) 及び（b) は、それぞれ、第 2の発明の、 λ max 、 λ g の関係を示す模式図である。

図 1 0は、第 1から第 3の発明の実施態様の λ max >λ e の半導体レーザ素子を説明する模式図である。発明の好適な実施の態様

以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。

実施形態例 1

本実施形態例は、第 1から第 3の発明に係る半導体レーザ素子を一つにして D F Bレーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図 1 は本実施形態例の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図、図 2は図 1の矢視 I — Iの半導体レーザ素子の断面図である。尚、実施形態例 1及び後述の実施形態例 2で示す化合物半導体層の組成、膜厚等は本発明の理解のための例示であって、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。

本実施形態例の半導体レーザ素子 1 0は、発振波長を 1 5 5 0 nm に設定した埋め込みヘテロ型 D F Bレーザ素子として構成されている。

D F Bレーザ素子 1 0は、 n— I n P基板 1 2上に、 MOCVD法等によって、順次、ェピタキシャル成長させた、膜厚 l ^mの n _ I n Pバッファ層 1 4、 MQW— S CH活性層 1 6、膜厚 2 0 0 nmの p— I n Pスぺーサ層 1 8、周期 Λが 240 nmであって、膜厚 2 0 nmの G a I n A s P層からなる回折格子 2 0、及び回折格子 2 0を埋め込んだ P— I n P第 1クラッド層 2 2の積層構造を備えている。活性層 1 6の光利得分布のピーク波長 λ g は約 1 5 3 0 nmであり回折格子 2 0のバンドギャップ波長 λ g は約 1 5 1 0 nmである。

n— I n P基板 1 2の上部、及び積層構造を構成する n— I n Pバッファ層 1 4、活性層 1 6、 p - I n Pスぺ一サ層 1 8、回折格子 2 0、及び回折格子 2 0を埋め込んだ！） _ I n P第 1クラッド層 2 2は、活性層 1 6の幅が 1. 5 mになるメサストライプにエッチング加工されている。

そして、メサストライプの両側には、 p— I n P層 24及び n— I n P層 2 6からなるキャリアプロック構造が形成されている。

更に、 D F Bレーザ素子 1 0は、 I n P第 1クラッド層 2 2及び n ― I n P層 2 6上に、膜厚 2 mの p— I n P第 2クラッド層 2 8、及び高濃度でド一プされた p— G a I nA sコンタクト層 3 0を備え、また、コンタクト層 3 0上に T i ZP t /A uの積層金属膜からなる p側電極 3 2、及び基板 1 2の裏面に Au G e N iからなる n側電極 34を備えている。本実施形態例では、バンドギャップ波長が約 1 5 1 0 nmの G a I n A s Pで回折格子 2 0を形成することにより、回折格子 2 0では、バンド端のすその影響によって、活性層 1 6の光利得分布のピーク波長の 1 5 3 0 nm付近で多少の吸収が生じるものの、発振波長として設定した 1 5 5 0 nm付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起らない。即ち、活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数 am ax が発振波長に対する吸収係数 a e よりも大きくなつている。尚、回折格子 2 0のバンドギャップ波長 λ g を活性層の光利得分布のピーク波長 1 5 3 O nmと D F Bレ一ザ 1 0の発振波長 1 5 5 0 η mの間に設定することによって、大きな吸収係数の差を実現することとができる。

本実施形態例の D F Bレーザ素子 1 0を評価するために、上述の積層構造を備えたウェハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージ夕イブのステムにボンディングした。前端面には無反射膜を、後端面には高反射率の膜をコーティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。

D F Bレーザ素子 1 0は、良好な単一モードで安定して発振し、副モード抑圧比として 4 5 d B〜 5 0 d Bの大きな値が得られた。尚、回折格子のバンドギャップ波長が大きい従来タイプの D F Bレーザ素子（以下、従来型 D F Bレーザ素子と言う）では、このような大きな副モード抑圧比は得られ難く、おおよそ 3 5 d B〜4 0 d B程度である。

また、閾値電流も 9mAと低く、発光効率も従来型 D F Bレーザ素子と比較して遜色はなかった。従って、回折格子 2 0の発振波長に対する吸収は十分に小さいと思われる。そして、回折格子 2 0が活性層 1 6の光利得分布のピーク波長付近のモードに対してのみ選択吸収的に働き、利得ピーク波長付近のフアブリ一 · ペロー発振が抑制されたことにより、副モード抑圧比が改善されたと考えられる。さらに、素子ごとでの結合係数のばらつきも小さく、均一性の良い特性が得られた。

本実施形態例では、回折格子 2 0のバンドギャップ波長; g ( 1 5 1 0 nm) を従来の D F Bレーザ素子の回折格子のバンドギヤップ波長； l g 、例えば 1 2 0 0 nmよりも大きくしたことにより、回折格子 2 0の屈折率と周囲の I n P層の屈折率の差が大きくなるので、 p _ I n Pスぺーサ層 1 8の膜厚を厚くして回折格子 2 0を活性層 1 6から離しても、十分に大きな回折格子結合係数を得ることができるため、回折格子の膜厚やデューティ比によって結合係数が変動しにくい。従つて、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。

以下に、図 3 ( a) 〜（c ) 及び図 4 (d) 及び（e ) を参照して、実施形態例 1の D F Bレーザ素子 1 0の作製方法を説明する。これらの図面は、それぞれ、実施形態例 1の D F Bレーザ素子 1 0を作製する際の工程毎の断面図である。図 3 ( a) 〜（c ) は図 1の矢視 I 一 Iでの断面であり、図 4 (d) 及び（e ) は図 1の矢視 II_ IIでの断面である。

先ず、 MOC VD結晶成長装置を用い、成長温度 6 0 Ot:で、 n— I n P基板 1 2上に、順次、膜厚 1 mの n— I n Pバッファ層 1 4、 MQW- S CH活性層 1 6、膜厚 2 O O nmの p— I n Pスぺーサ層 1 8、及び膜厚 2 0 nmの G a I n A s P回折格子層 2 0 ' をェピ夕キシャル成長させて、図 3 (a) に示すように、積層構造を形成する。次いで、回折格子層 2 0 ' 上に電子ビーム（E B) 描画用レジストを約 1 0 0 nmの厚さで塗布し、 E B描画装置により描画して、周期 Λが 240 nmの回折格子パターン 2 1を形成する。

続いて、回折格子パターン 2 1をマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層 2 0 ' を貫通する溝 2 3を形成し、溝底に p - I n Pスぺーサ層 1 8を露出させ、図 3 (b) に示すように、回折格子 2 0を形成する。

次に、回折格子パターン 2 1を除去し、続いて MOCVD結晶成長装置によって、図 3 (c ) に示すように、回折格子 2 0を埋め込む p 一 I n P第 1クラッド層 2 2を再成長させる。

次に、 p _ I n P第 1クラッド層 2 2上に S i NX 膜をプラズマ C VD装置を用いて成膜し、続いてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング装置（R I E) により、 S i NX 膜をストライプ形状に加ェして、 S i NX 膜マスク 2 5を形成する。

次いで、 S i NX 膜マスク 2 5をエッチングマスクとして、 p— I 1 ?第 1クラッド層 2 2 (回折格子 2 0) 、 p— I n Pスぺーサ層 1 8、活性層 1 6、 n— I n Pバッファ層 1 4及び n - I n P基板 1 2 の上部をエッチングして、活性層幅が 1. 5 m程度のメサストライプに加工する。

更に、 S i NX 膜マスク 2 5を選択成長マスクにして、順次、 p— I n P層 24および n— I n P層 2 6を選択成長させて、図 4 (d) に示すように、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。

次に、 S i NX 膜マスク 2 5を除去した後、図 4 (e) に示すように、膜厚 2 mの p— I n P第 2クラッド層 2 8と、 p側電極 3 2とォ一ミックコンタクトを取るために高濃度にドープした G a I n A s 層をコンタクト層 3 0としてェピタキシャル成長させる。

基板厚が 1 20 程度になるように n— I n P基板 1 2の裏面を研磨し、続いてコンタクト層 3 0上に T i Z P t Z A u積層金属膜を P側電極 3 2として形成し、基板裏面には A u G e N i膜を n側電極 3 4として形成する。

以上の積層構造を作製したウェハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングすることにより、図 1にその積層構造を示す D F Bレーザ素子 1 0を形成することができる。本実施形態例では、回折格子 2 0のバンドギヤップ波長を活性層 1 6の光利得分布のピーク波長に近づけることにより、結果的に回折格子と周囲の I n P層の屈折率差が大きくなっているので、従来の D F Bレーザ素子よりも回折格子 2 0を活性層 1 6から離しても、所望の屈折率結合係数を得ることができる。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことがでさる。

実施形態例 2

本実施形態例は、第 1から第 3の発明に係る半導体レーザ素子を一つにして D F Bレーザ素子に適用した実施形態の別の例であって、図 5は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す部分断面斜視図、及び図 6は図 5の矢視 I I I - I I I の断面図である。

実施形態例 1の D F Bレーザ素子 1 0では、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造として形成された回折格子 2 0が利得ピーク波長のモードの光を選択的に吸収する層として機能している。一方、本実施形態例の半導体レーザ素子 4 0は、同じく、発振波長を 1 5 5 0 n mに設定した埋め込みヘテロ型 D F Bレ —ザ素子として構成されているが、活性層の光利得分布のピーク波長のモードの光を選択的に吸収する選択的吸収層を回折格子とは別に備えている。 D F Bレーザ素子 40は、 n— I n P基板 42上に、 MOCVD法等によって、順次、ェピタキシャル成長させた、膜厚 l mの n _ I n Pバッファ層 44、膜厚 5 nmの I n G a A s層からなる選択的吸収層 4 5 A、膜厚 1 00 nmの n— I n Pスぺーサ層 4 5 B、 MQW — S CH活性層 4 6、膜厚 1 0 0 nmの p _ I n Pスぺ一サ層 48、周期 Λが 240 nmであって、膜厚 3 O nmの G a l nA s P層からなる回折格子 5 0、及び回折格子 5 0を埋め込んだ p— I n P第 1クラッド層 5 2の積層構造を備えている。

選択的吸収層 4 5 Aのバンドギヤップ波長 λ g は 1 540 nm、活性層 1 6のバンドギャップ波長 λ g は 1 5 3 0 nm、及び回折格子 5 0のバンドギヤップ波長 λ g が約 1 2 0 0 nmである。従って、回折格子 5 0は、活性層 46の光利得分布のピーク波長約 1 5 3 0 nmに対しても、また D F Bレーザ素子 40の発振波長として設定した波長 1 5 5 0 nmに対しても十分に透明である。

選択的吸収層 45 Aの膜厚は、 5 nmと量子効果が発現されるほど十分に薄く、しかも吸収端波長（バンドギャップ波長に相当する）が約 1 540 nm付近になるように膜厚が調節されており、量子井戸層として機能している。従って、選択的吸収層 45 Aの吸収係数は、活性層 46の光利得分布のピーク波長の 1 5 30 nm付近では多少吸収が生じるが、発振波長として設定した 1 5 5 0 nm付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起こらない。

量子効果による急峻な吸収端を備えた選択的吸収層 4 5 Aを設けることにより、活性層 1 6の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数と、発振波長に対する吸収係数（ほとんどゼロ）に大きな違いを有する吸収領域を実現することができる。

なお、本実施形態例では、選択的な吸収領域として 1層の量子井戸層 45 Aを用いたが、多数層で形成することにより、より大きな吸収係数の差を実現することも可能である。また、実施形態例 1のように回折格子 =選択的な吸収領域 =量子井戸構造としてもよい。

本実施形態例の半導体レーザ 40では、選択的吸収層 45 Aとして、急峻な吸収端を有する量子井戸層や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、利得ピーク波長と発振波長における吸収係数の差を大きくすることができる。

なお、本実施形態例では、選択的吸収層 4 5 Aは、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しているが、回折格子と同じ側でも、問題はない。但し、反対側に配置した方が設計の自由度は大きくなる。

n - I n P基板 42の上部、及び積層構造を構成する n— I n Pバッファ層 44、選択的吸収層 45 A、 n— I n Pスぺーサ層 45 B、活性層 46、 p— I n Pスぺ一サ層 48、回折格子 5 0、及び回折格子 5 0を埋め込んだ p _ I n P第 1クラッド層 5 2は、活性層 46の幅が 1. 5 mのメサストライプにエッチング加工されている。

そして、メサストライプの両側には、 p— I n P層 54及び n— I n P層 56からなるキヤリアブロック構造が形成されている。

更に、半導体レーザ素子 40は、 I n P第 1クラッド層 5 2及び n ― I n P層 5 6上に、膜厚 2 amの p— I n P第 2クラッド層 58、及び高濃度でド一プされた p— G a l nA sコンタクト層 6 0を備え、また、コンタクト層 6 0上に T i /P t ZAuの積層金属膜からなる P側電極 6 2、及び基板 42の裏面に Au G e N iからなる n側電極 64を備えている。

本実施形態例の D F Bレーザ素子 40を評価するために、上述の積層構造を備えたウェハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージ夕イブのステムにボンディングし、前端面には無反射膜を、後端面には高反射率の膜をコ一ティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。

D F Bレーザ素子 40は、意図した通り発振波長 1 5 5 0 nmで良好な単一モードで安定した発振を持続した。副モ一ド抑圧比は約 5 0 d Bと非常に良好な値であり、閾値電流も 8 mAと従来の D F Bレーザと同等の値であった。従って、選択的吸収層 4 5 Aによる発振波長に対する吸収はほとんど無視できると考えられる。

また、活性層 46の光利得分布のピーク波長付近のフアブリ ·ベロ一モードのピークと谷部の比は従来の D F Bレーザよりも小さくなつており、この付近のモードが選択的吸収層 4 5 Aによる損失を受け、フアブリペローモードの発振が抑制されていた。

また、 DF Bレーザ素子 40と同じ構造で、回折格子 5 0の周期を長くして、発振波長を 1 5 7 0 nmに設定した D F Bレーザ素子でも、発振波長 1 5 7 0での単一モードの安定した発振の持続が観測された。

このように、活性層の光利得分布のピーク波長（ 1 5 3 0 nm) から長波側に大きくデチューニングした場合でも、利得ピーク付近のモードは選択的吸収層 45 Aによって発振が抑制されるので、安定した単一モード発振を持続させることができる。

次に、図 7を参照して、実施形態例 2の半導体レーザ素子 40の作製方法を説明する。図 7 (a) から（c ) は、それぞれ、実施形態例 2の半導体レーザ素子 40を作製する際の工程毎の断面図である。先ず、 MOC VD結晶成長装置を用い、成長温度 6 0 0"Cで、図 7 ( a ) に示すように、 n— I n P基板 42上に、順次、 n— I n Pバッファ層 44、 I n G a A s層からなる選択的吸収層 4 5 A、 n - I n Pスぺーサ層 45 B、 MQW— S C H活性層 46、 ρ— I n Pスぺ —サ層 48、及び I n G a A s P層からなる回折格子層 5 0 ' をェピタキシャル成長させる。

回折格子層 5 0 ' 上に電子ビーム（E B) 描画用レジストを 1 0 0 nmの厚さで塗布し、 E B描画装置により描画して、周期 Λが 240 nmの回折格子パターン 5 1を形成する。

続いて、回折格子パターン 5 1をエッチングマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層 5 0 ' を貫通する溝 5 3を形成し、溝底に p— I n Pスぺーサ層 48を露出させ、図 3 (b) に示すように、回折格子 5 0を形成する。

図 7 (c) に示すように、回折格子 5 0を埋め込む p— I n P第 1 クラッド層 5 2の再成長を行う。

以下、実施形態例 1と同様にして、 S i NX 膜マスクをエッチングマスクとして、 p— I n P第 1クラッド層 5 2、回折格子 5 0、 p - I n Pスぺーサ層 48、活性層 46、 n— I n Pスぺーサ層 4 5 B、選択的吸収層 45 A、 n— I n Pバッファ層 44、及び n _ I n P基板 42の上部をエッチングして、活性層幅が 1. 程度のメサストライプに加工する。

続いて、 S i NX 膜マスクを選択成長マスクにして、順次、 p— I n P層 56および n— I n P層 5 8を選択成長させて、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。

次いで、 S i NX 膜マスクを除去した後、膜厚 2 mの p— I n P クラッド層 5 8と高濃度にド一プした G a I nA sコンタクト層 6 0 とをェピタキシャル成長させる。

基板厚が 1 2 0 程度になるように n— I n P基板 42の裏面を研磨し、続いてコンタクト層 6 0上に T i ZP t ZAu積層金属膜を p側電極 6 2として形成し、基板裏面には Au G e N i膜を n側電極 64として形成する。以上の積層構造を作製したウェハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングすることにより、図 5及び図 6に積層構造を示す半導体レーザ素子 4 0を形成することができる。実施形態例 1及び 2では、 1 5 5 0 n m帯の D F Bレーザ素子を例に挙げて説明したが、他の波長帯でも、同様に本発明に係る半導体レ一ザ素子を適用することができる。

また、実施形態例では、共振器全体に選択的吸収層 4 5 A又は回折格子 2 0を配置したが、共振器の一部に配置しても、本実施形態例と同様の効果を得ることができる。

更には、 D F Bレーザ素子だけでなく、 D B Rレーザ素子、 F B G レーザ素子など、活性層の光利得分布とは独立に発振波長 λ e を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長 λ e のレーザ光を出射する半導体レーザ素子に適用できる,

Claims

請求の範囲

1. 半導体基板（ 1 2、 42) と、該半導体基板（ 1 2、 42) 上に形成された活性層（ 1 6、 46) 、及び、該活性層（ 1 6、 46) の近傍に形成され該活性層（ 1 6、 46) の光利得分布とは独立に発振波長 A e を選択できる波長選択構造（2 0、 5 0) を有する共振器構造とを備える半導体レーザ素子において、

前記共振器構造が、前記活性層（ 1 6、 46) の光利得分布のピーク波長 Amax に対する吸収係数ひ max が発振波長 A e に対する吸収係数 a e よりも大きい化合物半導体層で形成された吸収領域 ( 2 0、 4 5 A) を有することを特徴とする半導体レーザ素子。

2. 半導体基板（ 1 2、 42) と、該半導体基板（ 1 2、 42) 上に形成された活性層（ 1 6、 46) 、及び、該活性層（ 1 6、 46) の近傍に形成され該活性層（ 1 6、 46) の光利得分布とは独立に発振波長を選択できる波長選択構造（ 2 2、 5 0) を有する共振器構造とを備える半導体レーザ素子において、

前記共振器構造が、化合物半導体層で形成された吸収領域（2 0、 4 5 A) を備え、該吸収領域（ 2 0、 4 5 A) のバンドギャップ波長 λ s と発振波長とが、 0 <A e - λ g ≤ 1 0 0 nmの関係にあることを特徴とする半導体レーザ素子。

3. 吸収領域（2 0、 45 A) のバンドギャップ波長と発振波長 A e とが、 0<A e - λ g ≤ 7 0 n mの関係にあることを特徵とする請求項 2に記載の半導体レーザ素子。

4. 活性層（ 1 6、 46) の光利得分布のピーク波長 λ max が、吸収領域（2 0、 45 A) のバンドギャップ波長及び発振波長 λ e に対して、 g <Amax <λ e の関係にあることを特徴とする請求項 2又は 3に記載の半導体レーザ素子。

5. 活性層（ 1 6、 46) の光利得分布のピーク波長 Amax が、吸収領域（2 0、 45 A) のバンドギャップ波長； g 及び発振波長 λ e に対して、 Amax <λ g <λ e の関係にあることを特徴とする請求項 2又は 3に記載の半導体レーザ素子。

6. λ g - λ max の値が 1 0 nm以上 2 0 nm以下の範囲にあることを特徴とする請求項 5に記載の半導体レーザ素子。

7. 半導体基板（ 1 2、 42) と、該半導体基板（ 1 2、 42) 上に形成された活性層（ 1 6、 46) 、及び、該活性層（ 1 6、 46) の近傍に形成され該活性層（ 1 6、 46) の光利得分布とは独立に発振波長 A e を選択できる波長選択構造（ 2 0、 5 0) を有する共振器構造とを備える半導体レーザ素子において、

前記共振器構造が、前記活性層（ 1 6、 46) の光利得分布のピーク波長 Amax に対する吸収係数 amax が発振波長に対する吸収係数 a e よりも大きい化合物半導体層で形成された吸収領域 (2 0、 4 5 A) を備え、該吸収領域（2 0、 4 5 A) のバンドギヤップ波長と、発振波長とが、 0<A e - λ g ≤ 1 00 nmの関係にあることを特徴とする半導体レーザ素子。

8. 吸収領域（2 0、 45 A) のバンドギャップ波長と発振波長とが、 0<λ β - λ g ≤ 7 0 nmの関係にあることを特徴とする請求項 7に記載の半導体レーザ素子。

9. 吸収領域（20、 45 A) では、導波路損失に換算して amax

- a e ≥ l c m一 1 であることを特徵とする請求項 1、 7及び 8 のいずれか 1項に記載の半導体レーザ素子。

1 0. 吸収領域（20、 45 A) では、 a e が実質的に 0であることを特徴とする請求項 1及び 7から 9のいずれか 1項に記載の半導体レーザ素子。

1 1. 吸収領域（2 0、 45 A) が量子化された化合物半導体層によって形成されていることを特徴とする請求項 1、及び 7から 1 0のうちのいずれか 1項に記載の半導体レーザ素子。

1 2. 吸収領域（2 0、 4 5 A) が量子化された化合物半導体層によつて形成されており、

活性層（ 1 6、 46) の光利得分布のピーク波長 Amax が発振波長に対して、 A e < λ max の関係にあることを特徴とする請求項 1から 3、及び 9から 1 1のいずれか 1項に記載の半導体レーザ素子。

1 3. 波長選択構造が回折格子（2 0) として構成され、かつ回折格子（2 0) が吸収領域として機能することを特徴とする請求項 1から 1 2のうちのいずれか 1項に記載の半導体レーザ素子。

1 4. 波長選択構造が回折格子（5 0) として構成され、かつ、吸収領域として機能する選択的吸収層（4 5 A) が、活性層（46) の近傍に回折格子（5 0) とは別に形成されていることを特徴とする請求項 1から 1 2のうちのいずれか 1項に記載の半導体レーザ素子。