JPH09191148A

JPH09191148A - 分布帰還型半導体レーザ

Info

Publication number: JPH09191148A
Application number: JP364996A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Abe; 博明阿部; Arao Satou; 荒尾佐藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】回折格子を用いた分布帰還型半導体レーザで
は、回折格子を層間に形成しているため、結晶欠陥が生
じやすく、また発振領域に電流を効果的に供給するのが
難しい。【解決手段】基板１２上に、クラッド層１３、活性層
１４、クラッド層１５、コンタクト層１６の順に形成さ
れ、クラッド層１５とコンタクト層１６の両側部分が除
去されて突条部１９となっており、この突条部１９に規
則的な凹部１９ａが形成されて回折格子が構成されてい
る。電流は電極１８からコンタクト層１６を経て、突条
部１９内を通過して発振領域βに与えられるため、電流
が発振領域β以外の他の部分に逃げにくい。また発振領
域βの真上に凹部１９ａの回折格子が形成されているた
め、発振領域内での波動の共振効果が高くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、安定な縦単一モー
ド発振を可能にした分布帰還型半導体レーザに係り、特
に光を発振する領域に電流を効果的に供給して、レーザ
光の発光のしきい電流値を低下させることを可能とした
分布帰還型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザの応用分野としては、光メ
モリ、光通信、光応用計測、ホログラムスキャナなどが
ある。従来の半導体レーザとしては、ミラー面間で光の
共振を生じさせるファブリペロー型が一般的に使用され
ている。しかし、ファブリペロー型にはモードホッピン
グによる発振波長の変動、使用温度による発振波長の変
動などの欠点があり、高速変調時における縦単一モード
の発振が不可能なものとなっている。

【０００３】そこで、分布帰還型半導体レーザが着目さ
れている。図６は従来の分布帰還型半導体レーザの構造
を示している。ｎ型基板２の下面にＡｕ（金）などの電
極１が形成され、ｎ型基板２の上にはｎ型下部クラッド
層３、活性層４、回折格子層５、ｐ型上部クラッド層
６、ｐ型コンタクト層７が順に積層されている。回折格
子層５の上には回折格子９が形成され、ｐ型コンタクト
層７の上にＡｕなどの電極８が積層されている。

【０００４】上記電極１と電極８の間に電界が与えられ
ると、電流は電極８からｐ型コンタクト層７およびｐ型
上部クラッド層６を経て活性層４に与えられ、活性層４
の部分において回折格子９による分布帰還が生じ、共振
が起こって縦単一モードのレーザ光が発せられる。この
レーザ光の発振波長λ1は前記回折格子９の周期および
使用される半導体材料により決定される。

【０００５】この種の半導体レーザの製造工程では、有
機金属気相成長法「ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemic
al Vapor Deposition）法」により各層をエピタキシャ
ル結晶成長させる。しかし、図６に示す半導体レーザで
は回折格子９の凹凸の上にｐ型上部クラッド層６をエピ
タキシャル結晶成長させるものであるため、ｐ型上部ク
ラッド層６に結晶欠陥が生じやすく、信頼性および歩留
まりが低下する欠点があった。

【０００６】図７は波長λ1と出力の関係を示すグラフ
で、この図で示されているように、分布帰還型半導体レ
ーザではゲインカーブのピーク（イ）と、回折格子９の
周期により決められる発振波長λ1とを動作温度におい
て一致させることが、出力を大きくするために必要であ
り、発振を生じさせるしきい電流値を低下させるための
望ましい状態となる。しかし、図６に示す分布帰還型半
導体レーザでは、全層の積層が終了した段階でしか前記
ゲインカーブを評価することができない構造であるた
め、動作温度において、ゲインカーブのピーク（イ）と
発振波長λ1とを一致させることが困難であるという問
題が生じる。

【０００７】図８は、上記欠点を解消するために、本発
明の発明者が特願平６−３３２５２９号として特許出願
した分布帰還型半導体レーザの断面図で、図８（Ａ）が
回折格子の凹部９ａが形成されていない部分の断面図
で、図８（Ｂ）が凹部９ａが形成されている部分の断面
図である。凹部９ａは紙面直交方向に所定の間隔を開け
て規則的に形成されている。この分布帰還型半導体レー
ザでは、電極１の上にｎ型基板２、ｎ型下部クラッド層
３、活性層４、ｐ型上部クラッド層６、ｐ型コンタクト
層７が順に積層されている。

【０００８】そしてこれらの各層がＭＯＣＶＤ法により
エピタキシャル結晶成長され積層された後に、ドライエ
ッチングまたはドライエッチングとウエットエッチング
の組み合わせによりｐ型コンタクト層７の上面側からｐ
型上部クラッド層６にかけて凹部９ａが形成される。こ
の凹部９ａはｐ型コンタクト層７からｐ型上部クラッド
層６にかけて所定の深さにて形成されている。そしてこ
の凹部９ａにより回折格子が形成される。上記凹部９ａ
が形成された後に、絶縁層１０がｐ型コンタクト層７の
表面の中央部分以外の部分に形成され、絶縁層１０と中
央に残されたｐ型コンタクト層７の上に電極８が形成さ
れる。

【０００９】この分布帰還型半導体レーザでは、ｎ型下
部クラッド層３、活性層４、ｐ型上部クラッド層６、ｐ
型コンタクト層７が積層された後に、凹部９ａがｐ型コ
ンタクト層７からｐ型上部クラッド層６にかけて形成さ
れるものであるため、回折格子の凹凸の上にｐ型上部ク
ラッド層６を結晶成長させる必要がなく、ｐ型上部クラ
ッド層６に結晶欠陥が生じない。また、凹部９ａを形成
する前の段階で図７で示すゲインカーブの測定ができる
ため、ゲインカーブのピーク（イ）と発振波長λ1を合
わせ易く、発振を生じさせるためのしきい電流値を低下
させやすい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図８（Ａ）および
（Ｂ）で示される分布帰還型半導体レーザでは、電極１
と電極８の間に電界が与えられ、電流が電極８からｐ型
コンタクト層７およびｐ型上部クラッド層６を経て活性
層４に与えられ、活性層４では凹部９ａが形成されてい
ない発振領域（α）で共振が生じ、波長λ1のレーザ光
が発振される。

【００１１】図８（Ｂ）に示すように凹部９ａが形成さ
れている部分では凹部９ａと凹部９ａの間の領域にて電
極８からｐ型コンタクト層７とｐ型上部クラッド層６を
経て、活性層４の発振領域（α）に電流が与えられる。
しかし、図８（Ａ）に示すように凹部９ａが形成されて
いない部分では、ｐ型上部クラッド層６が発振領域
（α）に対して左右両側に広がっているため、電流が発
振領域（α）以外の部分に回り込み発振領域（α）以外
の部分に及んでしまう。このため、注入された電流の供
給効率が低くなり、レーザ発振におけるしきい電流値が
大きくなるという問題がある。

【００１２】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、活性層の発振領域に効率よく電流を供給でき、レ
ーザ発振のしきい電流値を低下させることのできる分布
帰還型半導体レーザを提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、半導体基板上に下部クラッド層、活性層、
上部クラッド層が積層され、前記上部クラッド層の表面
にコンタクト層および電極が積層された所定幅の突条部
が形成されており、この突条部に規則的な凹部が形成さ
れていることを特徴とするものである。

【００１４】上記において、規則的な凹部は前記突条部
の幅方向の中心部に形成され、または、前記規則的な凹
部は前記突条部の幅方向の両側面に形成される。

【００１５】規則的な凹部が突条部の幅方向の中心に形
成されているものでは、前記凹部の底面に導電性金属が
ドーピングされて低抵抗層が形成されることが好まし
い。

【００１６】この分布帰還型半導体レーザでは、突条部
以外の部分にコンタクト層が形成されておらず、コンタ
クト層が形成された突条部の真下の活性層の部分が発振
領域となる。よって、電流は電極およびコンタクト層を
経て活性層の発振領域に効率的に供給され、この電極が
発振領域以外の部分に回り込みにくくなる。したがっ
て、電流の供給効率が良くなり、レーザ発振のしきい電
流値を小さくできる。

【００１７】前記突条部の上面には規則的な凹部が形成
され、これにより回折格子が構成されている。この凹部
は、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、コンタ
クト層が積層された後に形成されるので、回折格子の上
に上部クラッド層を形成する必要がなく、上部クラッド
層に結晶欠陥が生じない。また、凹部を形成する前の段
階でゲインカーブのピークを測定できるので、発振波長
とゲインカーブのピークを合わせやすい。

【００１８】また、規則的な凹部内ではコンタクト層が
除去されているため、前記突条部の幅方向の中心に凹部
が形成されていると、その下方の発振領域に効果的に電
流を与えることができない。そこで、凹部の底面に導電
性金属をドーパントして低抵抗層を形成し、さらにその
表面に電極を形成することにより、発振領域に効果的に
電流を与えることが可能になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の分布帰還型半導体
レーザの第１の構成例を示す斜視図、図２は図１の分布
帰還型半導体レーザの断面図であり、図２（Ａ）はＡ−
Ａ線での断面図、図２（Ｂ）はＢ−Ｂ線での断面図であ
る。図１ないし図２で示す分布帰還型半導体レーザで
は、ｎ型基板１２の下面に電極１１が形成され、ｎ型基
板１２の上に、ｎ型下部クラッド層１３、活性層１４、
ｐ型上部クラッド層１５がＭＯＣＶＤ法によりエピタキ
シャル結晶成長され、順に積層されている。

【００２０】ｐ型上部クラッド層１５の表面の中央に所
定幅の突条部１９が一方向に連続して形成されている。
突条部１９では、ｐ型上部クラッド層１５の上に低抵抗
のｐ型コンタクト層１６が積層されている。前記突条部
１９を形成する工程では、ｐ型上部クラッド層１５の上
にｐ型コンタクト層１６がエピタキシャル結晶成長さ
れ、その後に、ｐ型コンタクト層１６の中央部表面にレ
ジスト層が形成される。そして、エッチングによりレジ
スト層が形成されていない部分のｐ型コンタクト層１６
およびｐ型上部クラッド層１５が除去される。このと
き、前記エッチングを、異方性を有するドライエッチン
グで行うことにより、上部クラッド層１５の中央部に断
面形状が矩形状の突条部１９が形成される。図２（Ａ）
に示すように、ｐ型コンタクト層１６は突条部１９の表
面にのみ残され、突条部１９以外の部分では、ｐ型コン
タクト層１６が残されていない。

【００２１】図２（Ａ）に示されているように、突条部
１９の表面以外の領域にはＳｉＯ₂などの絶縁層１７が
スパッタ成膜され、さらに、突条部１９でのｐ型コンタ
クト層１６の表面と前記絶縁層１７の上にＡｕなどの電
極１８が形成される。前記絶縁層１７が設けられている
ため、電極１８は突条部１９の表面のｐ型コンタクト層
１６にのみ導通している。突条部１９の上面の幅方向の
中心部には、凹部１９ａがドライエッチングまたはドラ
イエッチングとウエットエッチングの組み合わせにより
形成されている。この凹部１９ａは、所定の間隔を開け
て突条部１９の延びる方向に規則的に形成されている。
凹部１９ａ，１９ａ…の間には相対的に凸部１９ｂ，１
９ｂ…が形成され、凹部１９ａ，１９ａ…と凸部１９
ｂ，１９ｂ…により回折格子が構成されている。

【００２２】図２（Ｂ）に示すように、前記凹部１９ａ
は、突条部１９において、ｐ型コンタクト層１６の表面
からｐ型上部クラッド層１５にかけて形成されている。
よって凹部１９ａをエッチングで加工する工程におい
て、凹部１９ａ内ではｐ型コンタクト層１６が除去され
る。凹部１９ａの底面では、ｐ型コンタクト層１６が除
去されて高抵抗の上部クラッド層１５が露出しているた
め、凹部１９ａ内の底面に電極１８が形成されていて
も、凹部１９ａの底部では、活性層１４に向けて電流を
注入することができない。

【００２３】しかし、図２（Ｂ）に示す構成例では、凹
部１９ａの底面のｐ型上部クラッド層１５の表面にＺｎ
（亜鉛）などのＩＩ族の導電性金属が蒸着やスパッタリ
ングにより成膜され、その後にこの導電性金属が加熱さ
れて上部クラッド層１５内に拡散させられ、凹部１９ａ
の底面でのｐ型クラッド層１５に低抵抗層（ドーパント
層）２０が形成されている。そして、この低抵抗層２０
の表面に電極１８が形成されている。したがって、凸部
１９ｂの表面に形成された電極１８のみならず、凹部１
９ａの底面に形成されている電極１８から活性層１４の
発振領域（β）へ電流を供給することができる。

【００２４】上記の凹部１９ａの底面に低抵抗層を形成
するまでの工程を整理すると、積層体の幅方向の両側にてコンタクト層１６と上部ク
ラッド層１５を除去して突条部１９を形成する。突条部１９の上面の中央部に凹部１９ａを規則的に加
工する。凹部１９ａの底面に導電性金属層を成膜し、上部クラ
ッド層１５内に熱拡散させて低抵抗層２０を形成する。突条部１９の上面以外の部分に絶縁層１７を形成す
る。上面全域に電極１８を形成する。この電極１８は、凹
部１９ａが形成されている部分では底面の低抵抗層２０
に導通し、凹部１９ａが形成されていない部分ではコン
タクト層１６に導通したものとなる。

【００２５】前記分布帰還型半導体レーザでは、電極１
１と電極１８との間に電界が与えられると、ｐ型コンタ
クト層１６とｐ型上部クラッド層１５を経て、突条部１
９の真下の活性層１４内の発振領域（β）に電流が与え
られ、突条部１９に形成された凹部１９ａと凸部１９ｂ
の回折格子により分布帰還され、縦単一モードのレーザ
ー光が発振される。

【００２６】図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、突条部１
９以外の部分にはｐ型コンタクト層１６が残っておら
ず、また絶縁層１７が形成されているので、電極１８に
与えられる電流は、コンタクト層１６または低抵抗層２
０を経てその真下の発振領域（β）に与えられ、この電
流は突条部１９以外の部分に逃げにくいものとなってい
る。また、図２（Ｂ）に示すように、凹部１９ａ内では
コンタクト層１６が無くても、その底部の低抵抗層２０
から電流が与えられる。したがって電極１８に与えられ
る電流は突条部１９の部分から効率的に発振領域（β）
に与えられ、電流の供給効率が高く、レーザ発振のしき
い電流値を低減することができる。また、発振領域
（β）は突条部１９に形成された凹部１９ａと凸部１９
ｂの回折格子の真下に位置している。よって、発振領域
（β）では回折格子が近接しているため、結合定数が高
くなって、発振領域（β）での発振効率がよくなる。

【００２７】発振領域（β）から発振される光の波長λ
1は、回折格子の凹部１９ａの形成周期および半導体材
料により決定される。例えばｐ型上部クラッド層１５お
よびｎ型下部クラッド層１３を形成する半導体材料がＩ
ｎＰ（インジウム−リン）で、活性層１４を形成する半
導体材料がＩｎＧａＡｓＰ（インジウム−ガリウム−砒
素−リン）のとき、波長λ1＝１．３μｍの赤外光が発
振される。また、ｐ型上部クラッド層１５およびｎ型下
部クラッド層１３を形成する半導体材料がＡｌＧａＩｎ
Ｐ（アルミニウム−ガリウム−インジウム−リン）で、
活性層１４を形成する半導体材料がＧａＩｎＰ（ガリウ
ム−インジウム−リン）のとき、発振領域（β）から波
長λ1＝０．６８μｍの可視赤色光が発振される。ま
た、ｐ型上部クラッド層１５およびｎ型下部クラッド層
１３を形成する半導体材料がＡｌＧａＮ（アルミニウム
−ガリウム−窒素）で、活性層１４を形成する材料がＩ
ｎＧａＮ（インジウム−ガリウム−窒素）のとき、波長
λ1＝０．４１μｍの青色光が発振される。

【００２８】本発明の分布帰還型半導体レーザでは、突
条部１９の上面に形成された凹部１９ａにより回折格子
が構成されており、回折格子の上にｐ型上部クラッド層
１５を結晶成長させる必要はないため、ｐ型上部クラッ
ド層１５に結晶欠陥が生じることはない。また、凹部１
９ａを形成する前の段階で図７に示すゲインカーブのピ
ーク（イ）の測定ができるため、ゲインカーブのピーク
（イ）と発振波長λ1とが合わせ易くなる。

【００２９】図３は本発明の分布帰還型半導体レーザの
第２構成例の斜視図である。図１および図２（Ａ）
（Ｂ）に示した分布帰還型半導体レーザでは、突条部１
９の断面形状が矩形であるが、図３では、突条部１９の
断面形状が、裾広がりの台形に形成されている。

【００３０】図３に示した分布帰還型半導体レーザの構
造は、ｎ型基板１２の下面に電極１１が形成され、ｎ型
基板１２の上にｎ型下部クラッド層１３、活性層１４、
ｐ型上部クラッド層１５がエピタキシャル結晶成長され
る。そして、ｐ型上部クラッド層１５の中央に所定幅の
台形の突条部１９が形成されている。この突条部１９の
ｐ型上部クラッド層１５の上にはｐ型コンタクト層１６
が積層されている。上部クラッド層１５およびコンタク
ト層１６が積層された後にコンタクト層１６の表面にレ
ジスト層を形成し、ウエットエッチングなどの異方性の
ないエッチングによりレジスト層が形成されていない部
分を除去することにより、台形の突条部１９を形成する
ことができる。

【００３１】また、突条部１９の両側の傾斜した面に、
凹部１９ａが規則的に形成されており、この凹部１９ａ
と、凹部１９ａ間の凸部１９ｂとで回折格子が形成され
ている。突条部１９および前記回折格子が形成された
後、ｐ型上部クラッド層１５の突条部１９が形成されて
いない部分の表面に、ＳｉＯ₂などの絶縁層１７がスパ
ッタ成膜される。さらに、突条部１９の表面と絶縁層１
７の表面にＡｕなどの電極１８が形成されるが、この電
極１８は、突条部１９の上部に形成されたコンタクト層
１６と導通している。

【００３２】図３の構成例では、凹部１９ａが突条部１
９の両側面に形成されているため、凹部１９ａを形成す
るときにｐ型コンタクト層１６が除去されない。よって
電極１８からコンタクト層１６および上部クラッド層１
５を経て活性層１４の発振領域（β）に効果的に電流が
与えられる。また電極１８からの電流が、両側の回折格
子の中間から活性層１４に与えられるため、図２（Ｂ）
に示すように凹部１９ａの底面に低抵抗層２０を形成す
る必要がない。

【００３３】この分布帰還型半導体レーザでは、コンタ
クト層１６が突条部１９の頂部にのみ形成されているた
め、電極１８から発振領域（β）へ電流が効率良く与え
られる。また凹部１９ａによる回折格子が、発振領域
（β）の上方で且つ突条部１９の両側面に形成されてい
るため、回折格子の結合定数が高く、効果的な発振がで
きる。

【００３４】図３に示す半導体レーザにおけるクラッド
層−活性層の半導体材料の組み合わせは、ＩｎＰ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ（波長λ1＝１．３μｍの赤外光）、ＡｌＧ
ａＩｎＰ−ＧａＩｎＰ（波長λ1＝０．６８μｍの可視
赤色光）、ＡｌＧａＮ−ＩｎＧａＮ（波長λ1＝０．４
５μｍの青色光）などである。

【００３５】図１と図２に示した第１の構成例では、凹
部１９ａが突条部１９の幅方向の中心に１列にのみ形成
されているが、本発明の構成はこれに限るものではな
く、例えば図４に示すように、凹部１９ａが突条部１９
の幅方向に平行に並んで２列に形成されていてもよい。
この場合、２列の凹部１９ａの中間部分では、凹部１９
ａが形成されておらず、上部クラッド層１５とコンタク
ト層１６が連続的に形成されている。よって凹部１９ａ
と凹部１９ａの中間から発振領域（β）に電流を与える
ことができ、凹部１９ａの底面に導電性金属を熱拡散さ
せた低抵抗層２０を必ずしも形成する必要がない。しか
し、この低抵抗層２０を形成することにより、さらに電
流の供給効率が高くなる。

【００３６】また、図５に示すように所定の幅と厚さを
有する突条部１９がｐ型上部クラッド層１５の表面に所
定の間隔を開けて一方向に規則的に形成されているもの
でもよい。この場合、突条部１９，１９…により回折格
子が構成される。このような突条部１９は、ｎ型基板１
２の上にｎ型下部クラッド層１３、活性層１４、ｐ型上
部クラッド層１５、ｐ型コンタクト層１６が積層された
段階でレジスト層を形成して、ｐ型コンタクト層１６の
上面からｐ型上部クラッド層１５にかけてエッチングな
どによりレジスト層の形成されていない部分を除去する
ことにより形成される。したがって、突条部１９以外の
部分にはｐ型コンタクト層１６は形成されていないの
で、突条部１９に注入された電流は突条部１９の真下に
ある活性層１４の発振領域（β）に効率よく与えられ
る。

【００３７】また、突条部１９と１９の中間の凹部１９
ａの底面の部分に、導電性金属を熱拡散させた低抵抗層
２０を形成し、その上に電極１８を設けることにより、
突条部１９が有る部分と無い部分とから活性層１４に電
流を与えることが可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明の分布帰還型半導
体レーザでは、上部クラッド層の表面に形成された突条
部にのみコンタクト層が形成されている。これにより、
前記突条部に注入された電流は突条部以外の部分に回り
込むことなく、効率よく活性層の発振領域に供給され
る。このため、レーザ素子のしきい電流値を低減でき
る。

【００３９】また、前記突条部に回折格子が設けられ、
この回折格子の真下に発振領域（β）が形成されるた
め、回折格子による回折効果すなわち結合定数を高くで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分布帰還型半導体レーザの第１の構成
例の斜視図、

【図２】図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ線での断面図、図２
（Ｂ）はＢ−Ｂ線での断面図

【図３】本発明の分布帰還型半導体レーザの第２の構成
例の斜視図、

【図４】本発明の他の構成例の分布帰還型半導体レーザ
の凹部が形成されている部分の断面図、

【図５】本発明の他の構成例の分布帰還型半導体レーザ
の斜視図、

【図６】従来の分布帰還型半導体レーザの断面図、

【図７】波長λ1と出力との関係を示す線図、

【図８】図８（Ａ）は従来の半導体レーザの凹部が形成
されていない部分の断面図、図８（Ｂ）は凹部が形成さ
れている部分の断面図、

【符号の説明】

１１電極１２基板１３下部クラッド層１４活性層１５上部クラッド層１６コンタクト層１７絶縁層１８電極１９突条部１９ａ凹部２０低抵抗層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に下部クラッド層、活性層、上部
クラッド層が積層され、前記上部クラッド層の表面にコ
ンタクト層および電極が積層された所定幅の突条部が形
成されており、この突条部に規則的な凹部が形成されて
いることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】規則的な凹部は、前記突条部の幅方向の
中心部に形成されている請求項１記載の分布帰還型半導
体レーザ。
【請求項３】規則的な凹部は、前記突条部の幅方向の
両側面に形成されている請求項１記載の分布帰還型半導
体レーザ。
【請求項４】規則的な凹部の底面に導電性金属が拡散
した低抵抗層が形成されている請求項２記載の分布帰還
型半導体レーザ。