半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システム
【課題】ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合が生じることを抑制すること。
【解決手段】本発明は、基板１０上に設けられ、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有する活性層１８と、活性層１８上に設けられ、活性層１８から発振される光を伝搬する導波路であるＧａＡｓ層（ＧａＡｓ導波路層２０及び回折格子層２２）と、回折格子層２２の上面に設けられた回折格子２６と、回折格子２６を埋め込むように設けられた埋め込み層２４と、活性層１８と回折格子２６との間に設けられ、活性層１８から回折格子層２２と埋め込み層２４との界面へのキャリアのオーバーフローを抑制するキャリアストップ層３４と、を備える半導体レーザである。
【解決手段】本発明は、基板１０上に設けられ、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有する活性層１８と、活性層１８上に設けられ、活性層１８から発振される光を伝搬する導波路であるＧａＡｓ層（ＧａＡｓ導波路層２０及び回折格子層２２）と、回折格子層２２の上面に設けられた回折格子２６と、回折格子２６を埋め込むように設けられた埋め込み層２４と、活性層１８と回折格子２６との間に設けられ、活性層１８から回折格子層２２と埋め込み層２４との界面へのキャリアのオーバーフローを抑制するキャリアストップ層３４と、を備える半導体レーザである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システムに関し、特に、回折格子を備えた半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの分散による伝送信号劣化を低減するため、単一波長のレーザ光が出射される半導体レーザが求められている。このような半導体レーザとして、活性層で発振された光を、回折格子でのブラッグ反射を利用して、動的単一モードを実現する分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）が知られている。例えば特許文献１には、ＧａＡｓ層の上面に回折格子が形成され、回折格子に埋め込まれるようにＡｌＧａＩｎＰ層が設けられたＤＦＢレーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示す構造のＤＦＢレーザは、一般的に、ＧａＡｓ層の成長、ＧａＡｓ層をエッチングして回折格子の形成、回折格子を埋め込むようにＡｌＧａＩｎＰ層の成長、の順に実施することで作製される。このため、ＧａＡｓ層の表面は酸化されてしまい、酸化されたＧａＡｓ層の表面上にＡｌＧａＩｎＰ層が再成長されることになる。つまり、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層との界面は再成長界面となる。ＧａＡｓは例えばＩｎＧａＰ等と比べて酸化され易く、ＧａＡｓ層の酸化された面である再成長界面には非発光再結合をするような準位が形成されてしまう。このため、活性層のキャリアがオーバーフローしてＧａＡｓ層の再成長界面に到達すると、ＧａＡｓ層の再成長界面で非発光再結合が起こり、その結果、量子効率の低下、信頼性の低下等が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合が生じることを抑制可能な半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板上に設けられ、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記活性層から発振される光を伝搬する導波路であるＧａＡｓ層と、前記ＧａＡｓ層の上面に設けられた回折格子と、前記回折格子を埋め込むように設けられた埋め込み層と、前記活性層と前記回折格子との間に設けられ、前記活性層から前記ＧａＡｓ層と前記埋め込み層との界面へのキャリアのオーバーフローを抑制するキャリアストップ層と、を備えることを特徴とする半導体レーザである。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面に活性層からのキャリアが到達することを抑制できるため、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で、マイノリティキャリアとマジョリティキャリアとが非発光再結合することを抑制できる。
【０００７】
上記構成において、前記回折格子は、前記活性層とｐ型クラッド層との間に設けられ、前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有する構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記回折格子は、前記活性層とｎ型クラッド層との間に設けられ、前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの価電子帯バンド端エネルギーよりも小さい価電子帯バンド端エネルギーを有する構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記キャリアストップ層は、前記活性層と前記ＧａＡｓ層との間に設けられている構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記キャリアストップ層の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記キャリアストップ層は、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰからなる構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記活性層は、量子井戸活性層又は量子ドット活性層である構成とすることができる。
【００１３】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュールである。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザを用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光モジュールを得ることができる。
【００１４】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信装置である。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザを用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信装置を得ることができる。
【００１５】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信システムである。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザを用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信システムを得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面に活性層からのキャリアが到達することを抑制できるため、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で、マイノリティキャリアとマジョリティキャリアとが非発光再結合することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、比較例１に係る半導体レーザが有するエピ構造のエネルギーバンド図の例である。
【図２】図２は、実施例１に係る半導体レーザの斜視図の例である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図の例（その１）である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図の例（その２）である。
【図５】図５（ａ）は、比較例２に係る半導体レーザの信頼性試験の結果であり、図５（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの信頼性試験の結果である。
【図６】図６は、図２におけるｎ型ＧａＡｓ基板からコンタクト層にかけてのエネルギーバンド図の例である。
【図７】図７は、実施例３に係る半導体レーザが有するエピ構造のエネルギーバンド図の例である。
【図８】図８は、実施例４に係る光モジュールのブロック図の例である。
【図９】図９は、実施例５に係る光通信装置のブロック図の例である。
【図１０】図１０は、実施例６に係る光通信システムのブロック図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、比較例１に係る半導体レーザについて説明する。比較例１に係る半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、アンドープＧａＡｓ導波路層、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層との多重量子井戸活性層、ｐ型ＧａＡｓ導波路層、ｐ型ＧａＡｓの回折格子層、ｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層が順次積層されたエピ構造を有している。回折格子層の上面には回折格子が形成され、回折格子を埋め込むように埋め込み層が形成されている。
【００１９】
比較例１に係る半導体レーザの回折格子は、ｐ型ＧａＡｓの回折格子層の成長、回折格子層の上面をエッチングして回折格子の形成、回折格子を埋め込むようにｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層の成長、の順に実施することで形成される。したがって、回折格子層と埋め込み層との界面は再成長界面となる。
【００２０】
図１は、比較例１に係る半導体レーザが有するエピ構造のエネルギーバンド図の例である。図１のように、回折格子層とｐ型ＧａＡｓ導波路層とは共にＧａＡｓからなるため、ｐ型ＧａＡｓ導波路層から回折格子まではバンドギャップが等しく、伝導帯バンド端エネルギーの大きさが等しい。このため、例えば高温動作時等において、活性層からｐ型ＧａＡｓ導波路層側にオーバーフローした電子が、回折格子層の再成長界面に到達するようになる。
【００２１】
回折格子層はＧａＡｓ層であるため、前述したように、再成長界面に非発光再結合をするような準位が形成されてしまう。また、回折格子層と埋め込み層はｐ型半導体であるため、回折格子層の再成長界面に到達した電子はマイノリティキャリアである。このようなマイノリティキャリアである電子が、再成長界面にて、マジョリティキャリアである正孔と非発光再結合をすることとなる。非発光再結合をすることで熱エネルギーが生じ、この熱エネルギーにより結晶に欠陥が生じてしまう。結晶欠陥は、非発光再結合が繰り返されることで増殖して、活性層にまで到達する。活性層には電子と正孔が多数存在するため、これら電子と正孔の非発光再結合により、活性層で結晶欠陥が一気に増殖してしまい、半導体レーザが故障してしまう場合がある。そこで、このようなメカニズムによる半導体レーザの故障を解決すべく、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合が生じることを抑制することが可能な実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図２は、実施例１に係る半導体レーザの斜視図の例である。図２のように、ｎ型ＧａＡｓ基板である基板１０上に、ｎ型ＧａＡｓのバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６が順次積層されている。ＧａＡｓ導波路層１６上には、ＩｎＡｓの量子ドットと量子ドットを覆うように設けられたＧａＡｓのバリア層とからなる量子ドット層が７層積層された量子ドット活性層である活性層１８が設けられている。
【００２３】
活性層１８上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなり活性層１８の電子のオーバーフローを抑制するキャリアストップ層３４、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０が順次積層されている。アンドープのＧａＡｓ導波路層１６及びｐ型のＧａＡｓ導波路層２０は活性層１８で発振される光を伝搬する導波路であり、また、キャリアストップ層３４も導波路としての機能を有する。ＧａＡｓ導波路層２０上に、ｐ型ＧａＡｓからなる回折格子層２２が設けられ、回折格子層２２の上面には、活性層１８で発振される光が伝搬する導波方向に周期的な凹凸からなる回折格子２６が形成されている。回折格子層２２上に、ｐ型ＩｎＧａＰからなり回折格子２６を埋め込むように埋め込み層２４が設けられている。なお、回折格子層２２は導波路としての機能を有し、埋め込み層２４はクラッドとしての機能を有する。
【００２４】
埋め込み層２４上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０、ｐ型ＧａＡｓ層のコンタクト層３２が順次積層されている。各層の材料、膜厚、ドーパント、及びドーピング濃度について表１に示す。
【表１】
【００２５】
ｐ型クラッド層３０及びコンタクト層３２は、リッジ部３６を形成している。リッジ部３６の両側には埋め込み層２４が露出する凹部が形成され、凹部に埋め込まれるようにＢＣＢ（ビスベンゾシクロブテン）膜３８が設けられている。リッジ部３６上及びＢＣＢ膜３８上に、コンタクト層３２に接するｐ電極４０が設けられている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にはｎ電極４２が設けられている。
【００２６】
活性層１８で誘導放出されたレーザ光が出射する前端面には、レーザ光の波長に対して低反射膜（不図示）が設けられ、前端面の反対側に位置する後端面には、レーザ光の波長に対して高反射膜（不図示）が設けられている。前端面と後端面との間隔である共振器長は、例えば３００μｍである。
【００２７】
次に、図３（ａ）から図４（ｂ）を用いて、実施例１に係る半導体レーザの製造方法を説明する。まず、厚さが例えば４５０μｍで、Ｓｉが２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓ基板である基板１０を準備する。次いで、例えば原料にＡｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎを、ドーパントにＳｉ、Ｂｅを用いたＭＢＥ（分子線エピタキシー）法にて、基板１０上に、バッファ層１２、ｎ型クラッド層１４、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６、活性層１８、キャリアストップ層３４、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０、回折格子層２２を順次堆積する。バッファ層１２から回折格子層２２までは、基板１０をＭＢＥ装置から取り出すことなく連続して堆積する。以下に、各層の製造について詳しく説明する。
【００２８】
図３（ａ）のように、基板１０上に、成長温度６００℃にて、膜厚が５００ｎｍで、Ｓｉ（シリコン）が１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓのバッファ層１２を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、バッファ層１２上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、ｎ型クラッド層１４上に、膜厚が５０ｎｍで、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６を形成する。
【００２９】
図３（ｂ）のように、成長温度を５００℃に下げ、ＧａＡｓ導波路層１６上に、０．８ｎｍ膜厚相当の量のＩｎＡｓを供給してＩｎＡｓの量子ドットを自己形成し、量子ドット上に膜厚が３０ｎｍのＧａＡｓからなるバリア層を堆積して量子ドットを埋め込み平坦化させる。このような量子ドットとバリア層とを７層繰り返し堆積して量子ドット構造を有する活性層１８を形成する。次いで、成長温度を６００℃に上げ、活性層１８上に、膜厚が１７０ｎｍで、Ｂｅが４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのキャリアストップ層３４を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、キャリアストップ層３４上に、膜厚が３０ｎｍで、Ｂｅ（ベリリウム）が４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ導波路層２０を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、ＧａＡｓ導波路層２０上に、膜厚が２０ｎｍで、Ｂｅが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓの回折格子層２２を形成する。
【００３０】
図４（ａ）のように、回折格子層２２まで堆積した基板１０をＭＢＥ装置から取り出し、回折格子層２２上にフォトレジストを塗布した後、干渉露光技術を用いて、回折格子用のパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクに回折格子層２２をウエットエッチングして、ピッチが２００ｎｍ、深さが２０ｎｍ、デューティ比が０．５の回折格子２６を形成する。
【００３１】
回折格子２６を形成した後、基板１０を例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置に導入し、原料にＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＰＨ３（ホスフィン）、ＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）、ＣＢｒ４（四臭化炭素）、を用いたＭＯＣＶＤ法にて、埋め込み層２４、ｐ型クラッド層３０、コンタクト層３２を順次堆積する。埋め込み層２４からコンタクト層３２までは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出すことなく連続して堆積する。具体的には、成長温度６４０℃にて、回折格子２６を埋め込み平坦になるよう、回折格子層２２上に、膜厚が５０ｎｍで、Ｚｎ（亜鉛）が１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４を形成する。このような製造工程により、回折格子層２２の回折格子２６が形成された上面は酸化され、酸化された回折格子層２２の上面に埋め込み層２４が形成されることになり、回折格子層２２と埋め込み層２４との界面は再成長界面となる。次いで、成長温度を６８０℃に上げ、埋め込み層２４上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｃ（炭素）が１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０を形成する。続いて、成長温度を６８０℃のまま、ｐ型クラッド層３０上に、膜厚が３００ｎｍで、Ｃが８×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓのコンタクト層３２を形成する。
【００３２】
図４（ｂ）のように、コンタクト層３２まで堆積した基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、コンタクト層３２上にフォトレジストを塗布した後、露光技術を用いて、ストライプパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクにコンタクト層３２とｐ型クラッド層３０とをウエットエッチングして、ｐ型クラッド層３０とコンタクト層３２とからなるリッジ部３６を形成する。次いで、リッジ部３６両側の凹部をＢＣＢ膜３８で埋め込んだ後、基板１０を例えば１５０μｍの厚さまで研磨する。その後、リッジ部３６上及びＢＣＢ膜３８上にｐ電極４０を形成し、基板１０の下面にｎ電極４２を形成する。最後に、基板１０を劈開して共振器長３００μｍの共振器とし、劈開面のうちレーザ光を出射する前端面に低反射膜を、後端面に光反射膜を形成して、実施例１に係る半導体レーザが完成する。
【００３３】
ここで、比較のために、キャリアストップ層３４を有さない、表２に示す層構造の比較例２に係る半導体レーザを、実施例１に係る半導体レーザと同様の製造方法により作製した。
【表２】
【００３４】
実施例１に係る半導体レーザの室温での発振波長は１３０５ｎｍであった。また、実施例１に係る半導体レーザは、比較例２に係る半導体レーザに比べて、閾値電流は１５％低下し、微分量子効率は１２％向上した結果が得られた。
【００３５】
次に、実施例１に係る半導体レーザと比較例２に係る半導体レーザについて、信頼性試験を実施した。信頼性試験は、８５℃の温度環境下において、ＡＰＣ（Automatic Power Control）制御による１５ｍＷの一定の光出力駆動を行うことで実施した。また、実施例１に係る半導体レーザ及び比較例２に係る半導体レーザ共に、８つの素子を対象に信頼性試験を実施した。
【００３６】
図５（ａ）は、比較例２に係る半導体レーザの信頼性試験の結果であり、図５（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの信頼性試験の結果である。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、横軸は駆動時間（任意座標）であり、縦軸は駆動電流（任意座標）である。図５（ａ）のように、比較例２に係る半導体レーザでは、８素子中の２素子について突発故障と見られる駆動電流増加が起こり、他の素子においても駆動時間の経過と共に駆動電流の増加が見られ、満足な信頼性が得られない結果となった。故障した素子の断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察したところ、再成長界面である回折格子２６周辺に結晶欠陥の増殖が見られ、その一部が活性層１８に到達し、活性層１８において結晶欠陥が一気に増殖していることが確認できた。このような結晶欠陥の増殖は、比較例１に係る半導体レーザで述べたメカニズムによるものである。
【００３７】
一方、図５（ｂ）のように、実施例１に係る半導体レーザでは、８素子全てにおいて駆動電流の増加は見られず、ほぼ一定の駆動電流を維持し、十分な信頼性が得られた結果となった。また、素子の断面をＴＥＭで観察すると、比較例１に係る半導体レーザで見られたような結晶欠陥は見当たらなかった。
【００３８】
図６は、図２における基板１０からコンタクト層３２にかけてのエネルギーバンド図の例である。図６のように、活性層１８と回折格子２６との間に設けられたキャリアストップ層３４は、ＡｌＧａＡｓからなることから、ＧａＡｓ導波路層２０に比べてバンドギャップエネルギーが大きく、伝導帯バンド端エネルギーが大きい。このため、活性層１８の電子はキャリアストップ層３４を超えることが難しく、回折格子層２２の再成長界面に到達することが抑制される。つまり、キャリアストップ層３４は、活性層１８から回折格子層２２と埋め込み層２４との界面への電子のオーバーフローを抑制する働きをする。
【００３９】
このように、実施例１によれば、基板１０上に設けられた活性層１８上に、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０とｐ型ＧａＡｓの回折格子層２２が設けられ、回折格子層２２の上面に回折格子２６が形成されている。回折格子２６を埋め込むように、ｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４が設けられていて、埋め込み層２４上にはｐ型クラッド層３０が設けられている。つまり、回折格子２６は、活性層１８とｐ型クラッド層３０との間に設けられている。そして、活性層１８と回折格子２６との間には、ＧａＡｓよりも伝導帯バンド端エネルギーの大きいキャリアストップ層３４が設けられている。このような構造により、図６で説明したように、回折格子層２２の再成長界面に、マイノリティキャリアである電子が到達することを抑制される。このため、高温動作時等においても、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で、マイノリティキャリアである電子とマジョリティキャリアである正孔とが非発光再結合することを抑制できる。これにより、閾値電流の低下、微分量子効率の向上等が実現できる。また、図５（ｂ）のように、信頼性の向上を実現できる。
【００４０】
キャリアストップ層３４は、表１のように、Ａｌ組成比が０．２であるＡｌＧａＡｓ層である場合を例に示したがこれに限られない。キャリアストップ層３４は、高温動作時等において、活性層１８の電子がキャリアストップ層３４を超えることを抑制できる程度の大きさの伝導帯バンド端エネルギーを有していればよい。したがって、キャリアストップ層３４がＡｌＧａＡｓ層である場合、例えば、Ａｌ組成比は０．１以上で１未満の場合が好ましく、０．１以上で０．４以下である場合がより好ましい。また、キャリアストップ層３４の伝導帯バンド端エネルギーとＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーとの差である伝導帯バンド端オフセット量は、例えば７０ｍｅＶ以上である場合が好ましく、１４０ｍｅＶ以上である場合がより好ましい。
【００４１】
キャリアストップ層３４の厚さは、活性層１８の電子がトンネルしない程度の厚さ以上である場合が好ましく、例えば５０ｎｍ以上である場合が好ましく、１５０ｎｍ以上である場合がより好ましい。また、活性層１８と回折格子２６との距離は、光閉じ込め係数Γ、結合係数κ等に基づき設計されるものであるため、光閉じ込め係数Γ、結合係数κ等を考慮すると、活性層１８と回折格子２６との距離は１μｍ以下となる。したがって、活性層１８と回折格子２６との間に設けられるキャリアストップ層３４の厚さは１μｍ以下になることになるが、キャリアストップ層３４の厚さが厚くなると、キャリアストップ層３４が導波路として機能しなくなるため、キャリアストップ層３４の厚さは薄い方が好ましく、例えば５００ｎｍ以下の場合が好ましく、３００ｎｍ以下の場合がより好ましい。以上のことから、キャリアストップ層３４の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の場合が好ましく、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合がより好ましい。
【００４２】
キャリアストップ層３４は、活性層１８とＧａＡｓ導波路層２０との間に設けられている場合を例に示したが、ＧａＡｓ導波路層２０に挟まれるように設けられている場合でもよい。つまり、活性層１８上に、ＧａＡｓ導波路層２０、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０の順に積層されている場合でもよい。しかしながら、活性層１８に接してキャリアストップ層３４を設けると、活性層１８の電子が活性層１８の外部に漏れることを抑制できるため量子効率の改善が実現できる。よって、キャリアストップ層３４は、活性層１８とＧａＡｓ導波路層２０との間に設けられている場合が好ましい。つまり、活性層１８上に、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０の順に積層されている場合が好ましい。また、活性層１８上に、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０が順次積層された構造とすることで、薄膜成長の際の成長条件の切り替え回数を少なくでき、製造が容易となる。
【００４３】
埋め込み層２４は、ＩｎＧａＰからなる場合に限られず、例えばＡｌＧａＡｓからなる場合等、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きく、回折格子層２２と屈折率に差が生じる材料を用いることができる。これにより、屈折率変調型の回折格子が得られる。
【００４４】
活性層１８は、ＩｎＡｓの量子ドットと量子ドットを覆うように設けられたＧａＡｓのバリア層とで構成される量子ドット活性層である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。活性層１８を挟むようにＧａＡｓ導波路層１６、２０が設けられていることから、活性層１８はＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有していればよく、活性層１８から発振される光の波長がＧａＡｓのそれよりも長波長であればよい。例えば、ＩｎＡｓの量子ドットの代わりに、ＩｎＧａＡｓの量子ドット、ＧａＩｎＮＡｓの量子ドット、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの量子ドットを用いることができる。また、バリア層は、ＧａＡｓ導波路層１６、２０と同じ材料のＧａＡｓからなる場合が好ましい。
【００４５】
キャリアストップ層３４は、ＡｌＧａＡｓからなる場合を例に示したが、活性層１８の電子が回折格子層２２の再成長界面に到達することが抑制できるような、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有する材料であればよい。例えば、キャリアストップ層３４にＩｎＧａＰを用いることもできる。
【００４６】
実施例１において、活性層１８を上下方向から挟み込むように、ＧａＡｓ導波路層１６とＧａＡｓ導波路層２０とが設けられている場合を例に示したが、活性層１８の下側のＧａＡｓ導波路層１６は設けられていない場合でもよい。
【実施例２】
【００４７】
実施例２に係る半導体レーザは、活性層１８が多重量子井戸活性層の場合である。実施例２に係る半導体レーザは、活性層１８が、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層とが交互に２層積層された多重量子井戸構造をしている。また、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０、回折格子層２２のドーパントはＣである。さらに、共振器長は８００μｍである。これらの点以外は、図２に示した実施例１に係る半導体レーザと同様な構造であるため図示を省略する。実施例２に係る半導体レーザの各層の材料、膜厚、ドーパント、及びドーピング濃度について表３に示す。
【表３】
【００４８】
次に、実施例２に係る半導体レーザの製造方法を説明する。まず、厚さが例えば４５０μｍで、Ｓｉ（シリコン）が２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓ基板である基板１０を準備する。次いで、例えば原料にＴＭＧａ、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ、ＡｓＨ３（アルシン）を、ドーパントにＳｉＨ４（シラン）、ＣＢｒ４、ＤＭＺｎを用いたＭＯＣＶＤ法にて、基板１０上に、バッファ層１２、ｎ型クラッド層１４、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６、活性層１８、キャリアストップ層３４、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０、回折格子層２２を順次堆積する。バッファ層１２から回折格子層２２までは、基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出すことなく連続して堆積をする。以下に、各層について詳しく説明する。
【００４９】
基板１０上に、成長温度６９０℃にて、膜厚が５００ｎｍで、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓのバッファ層１２を形成する。続いて、成長温度６９０℃のまま、バッファ層１２上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４を形成する。続いて、成長温度６９０℃のまま、ｎ型クラッド層１４上に、膜厚が５０ｎｍで、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６を形成する。
【００５０】
成長温度を５６０℃に下げ、ＧａＡｓ導波路層１６上に、厚さが６ｎｍのＩｎＧａＡｓの井戸層と厚さが３０ｎｍのＧａＡｓのバリア層とを２層繰り返して堆積して多重量子井戸構造を有する活性層１８を形成する。その後、成長温度を６３０℃に上げ、活性層１８上に、膜厚が１７０ｎｍで、Ｃが４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのキャリアストップ層３４を形成する。続いて、成長温度６３０℃のまま、キャリアストップ層３４上に、膜厚が３０ｎｍで、Ｃが４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ導波路層２０を形成する。続いて、成長温度６３０℃のまま、ＧａＡｓ導波路層２０上に、膜厚が２０ｎｍで、Ｃが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓの回折格子層２２を形成する。
【００５１】
回折格子層２２まで堆積した基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、回折格子層２２上にフォトレジストを塗布した後、干渉露光技術を用いて、回折格子用のパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクに回折格子層２２をウエットエッチングして、ピッチが３１０ｎｍ、深さが２０ｎｍ、デューティ比が０．５の回折格子２６を形成する。
【００５２】
回折格子２６を形成した後、基板１０を再度ＭＯＣＶＤ装置に導入し、埋め込み層２４、ｐ型クラッド層３０、コンタクト層３２を順次堆積する。埋め込み層２４からコンタクト層３２までは、基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出すことなく連続して堆積する。具体的には、成長温度６４０℃にて、回折格子２６を埋め込んで平坦化するように、回折格子層２２上に、膜厚が５０ｎｍで、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４を形成する。このような製造工程により、回折格子層２２の回折格子２６が形成された上面は酸化され、酸化された回折格子層２２の上面に埋め込み層２４が形成されることになり、回折格子層２２と埋め込み層２４との界面は再成長界面となる。次いで、成長温度を６８０℃に上げ、埋め込み層２４上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｃが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０を形成する。続いて、成長温度６８０℃のまま、ｐ型クラッド層３０上に、膜厚が８００ｎｍで、Ｃが８×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓのコンタクト層３２を形成する。
【００５３】
コンタクト層３２まで堆積した基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、コンタクト層３２上にフォトレジストを塗布した後、露光技術を用いて、ストライプパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクにコンタクト層３２とｐ型クラッド層３０とをウエットエッチングして、ｐ型クラッド層３０とコンタクト層３２とからなるリッジ部３６を形成する。次いで、リッジ部３６両側の凹部にＢＣＢ膜３８を埋め込んだ後、基板１０を例えば１５０μｍの厚さにまで研磨する。その後、リッジ部３６上及びＢＣＢ膜３８上にｐ電極４０を形成し、基板１０の下面にｎ電極４２を形成する。最後に、基板１０を劈開して共振器長８００μｍの共振器とし、劈開面のうちレーザ光を出射する前端面に低反射膜（不図示）を、後端面に高反射膜（不図示）を形成して、実施例２に係る半導体レーザが完成する。
【００５４】
ここで、比較のために、キャリアストップ層３４を有さない、表４に示す層構造の比較例３に係る半導体レーザを、実施例２に係る半導体レーザと同様の製造方法により作製した。
【表４】
【００５５】
実施例２に係る半導体レーザの室温での発振波長は１０６３ｎｍであった。また、実施例２に係る半導体レーザは、比較例３に係る半導体レーザに比べて、閾値電流は２１％低下し、微分量子効率は１４％向上した結果が得られた。また、実施例２に係る半導体レーザについても、実施例１に係る半導体レーザと同様に十分な信頼性が得られた。
【００５６】
このように、活性層１８を、量子井戸構造の量子井戸活性層とした場合であっても、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有するキャリアストップ層３４を設けることで、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することを抑制できる。
【００５７】
実施例２では、活性層１８は、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層とからなる量子井戸活性層である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。例えば、ＧａＡｓＳｂの井戸層とＧａＡｓのバリア層との量子井戸構造の場合や、ＧａＩｎＮＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層との量子井戸構造の場合や、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの井戸層とＧａＡｓのバリア層との量子井戸構造の場合でもよい。また、実施例２では、活性層１８は、２層の多重量子井戸活性層の場合を例に示したが、３層、４層など２層以上の多重量子井戸活性層の場合でもよく、また単層の量子井戸活性層の場合でもよい。
【００５８】
実施例１では、回折格子層２２をＭＢＥ法により形成し、実施例２では、回折格子層２２をＭＯＣＶＤ法により形成している。このように、回折格子層２２を、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法のどちらを用いて形成した場合であっても、また、他の形成方法を用いた場合であっても、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面に非発光再結合をするような準位が形成されてしまう。したがって、回折格子層２２の形成方法によらず、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンド端エネルギーの大きいキャリアストップ層３４を設けることで、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することを抑制できる。
【実施例３】
【００５９】
実施例３に係る半導体レーザは、回折格子２６が、活性層１８とｎ型クラッド層１４との間に設けられている場合である。実施例３に係る半導体レーザは、ｐ型ＧａＡｓ基板である基板１０上に、ｐ型ＧａＡｓのバッファ層１２、ｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６、ＩｎＡｓの量子ドットとＧａＡｓのバリア層との量子ドット層を有する活性層１８、ｎ型ＡｌＧａＡｓのキャリアストップ層３４、ｎ型のＧａＡｓ導波路層２０、ｎ型ＧａＡｓの回折格子層２２、ｎ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４、ｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４、ｎ型ＧａＡｓのコンタクト層３２が順次積層されたエピ構造を有する。回折格子層２２の上面には、活性層１８で発振される光が伝搬する導波方向に周期的な凹凸からなる回折格子２６が形成されていて、回折格子２６を埋め込むように埋め込み層２４が設けられている。実施例３に係る半導体レーザの斜視図は、図２に示した実施例１に係る半導体レーザの斜視図と同様であるため、ここでは図示を省略する。
【００６０】
図７は、実施例３に係る半導体レーザのエピ構造のエネルギーバンド図の例である。図７のように、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きく、価電子帯バンド端エネルギーが小さいキャリアストップ層３４が設けられている。これにより、活性層１８の正孔が、回折格子層２２の再成長界面に到達することが抑制される。
【００６１】
このように、実施例３によれば、回折格子２６が活性層１８とｎ型クラッド層１４との間に設けられ、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓよりも価電子帯バンド端エネルギーが小さいキャリアストップ層３４が設けられている。このような構造により、図７で説明したように、回折格子層２２の再成長界面に、マイノリティキャリアである正孔が到達することが抑制される。これにより、高温動作時においても、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面でマイノリティキャリアである正孔とマジョリティキャリアである電子との非発光再結合を抑制することができ、閾値電流の低下、微分量子効率の向上等が実現できる。また、信頼性も向上できる。
【００６２】
実施例３では、活性層１８は、実施例１と同様に量子ドット構造を有する場合を例に説明したが、実施例２と同様に量子井戸構造を有する場合でもよい。
【実施例４】
【００６３】
実施例４は、実施例１から３のいずれかに係る半導体レーザを備えた光モジュールの例である。図８は、実施例４に係る光モジュールのブロック図の例である。図８のように、光モジュール２００は、実施例１から３のいずれかに係る半導体レーザ１００、光導波部２１０、光変調部２２０を有する。半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、光導波部２１０を通って光変調部２２０に導かれる。光変調部２２０では、入射された光を変調する。変調された光は、光導波部２１０を通って、光ファイバ結合部２３０で光結合したシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝搬する。
【００６４】
実施例４によれば、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザ１００を用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光モジュールを得ることができる。
【実施例５】
【００６５】
実施例５は、実施例４に係る光モジュールを備えた光通信装置の例である。図９は、実施例５に係る光通信装置のブロック図の例である。図９のように、光通信装置３００は、送信部として機能する実施例４に係る光モジュール２００、受信部３１０、制御部３２０を有する。光モジュール２００は、制御部３２０からの送信データ信号を光に変換して出射する。出射された光はシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝搬する。受信部３１０は、シングルモードファイバ内を伝搬してきた光を受光し、受信データとして制御部３２０に出力する。
【００６６】
実施例５によれば、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザ１００を用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信装置を得ることができる。
【実施例６】
【００６７】
実施例６は、実施例５に係る光通信装置を備えた光通信システムの例である。図１０は、実施例６に係る光通信システムのブロック図の例である。図１０のように、光通信システム４００は、第１の光通信装置３００ａと、第２の光通信装置３００ｂと、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとを接続するシングルモードファイバ４１０と、を有する。第１の光通信装置３００ａは、光モジュール２００ａ、受信部３１０ａ、制御部３２０ａを有する。第２の光通信装置３００ｂは、光モジュール２００ｂ、受信部３１０ｂ、制御部３２０ｂを有する。例えば、第１の光通信装置３００ａの光モジュール２００ａが、制御部３２０ａからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ４１０内を伝搬し、第２の光通信装置３００ｂの受信部３１０ｂで受光される。受信部３１０ｂで光を受光すると、受信データが制御部３２０ｂに出力される。同様に、第２の光通信装置３００ｂの光モジュール２００ｂが、制御部３２０ｂからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ４１０内を伝搬し、第１の光通信装置３００ａの受信部３１０ａで受光される。受信部３１０ａで光を受光すると、受信データが制御部３２０ａに出力される。これにより、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとの間でデータ通信を行うことができる。
【００６８】
実施例６によれば、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザ１００を用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信システムを得ることができる。
【００６９】
実施例６のように、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとの間でシングルモードファイバ４１０を用いてデータ通信を行う光通信システム４００は、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）や光通信基幹網に用いられる場合が好ましい。また、シングルモードファイバ４１０を用いずに、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとが、空間に出射した光を受光することでデータ通信を行う場合でもよい。この場合、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとは、例えばパーソナルコンピュータとすることができ、また、第１の光通信装置３００ａ及び第２の光通信装置３００ｂの一方はパーソナルコンピュータとし、他方は携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器やプロジェクタとしてもよい。
【００７０】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係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された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ ｎ型クラッド層
１６ ＧａＡｓ導波路層
１８ 活性層
２０ ＧａＡｓ導波路層
２２ 回折格子層
２４ 埋め込み層
２６ 回折格子
３０ ｐ型クラッド層
３２ コンタクト層
３４ キャリアストップ層
３６ リッジ部
３８ ＢＣＢ膜
４０ ｐ電極
４２ ｎ電極
１００ 半導体レーザ
２００ 光モジュール
２１０ 光導波部
２２０ 光変調部
２３０ 光ファイバ結合部
３００ 光通信装置
３１０ 受信部
３２０ 制御部
４００ 光通信システム
４１０ シングルモードファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システムに関し、特に、回折格子を備えた半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバの分散による伝送信号劣化を低減するため、単一波長のレーザ光が出射される半導体レーザが求められている。このような半導体レーザとして、活性層で発振された光を、回折格子でのブラッグ反射を利用して、動的単一モードを実現する分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）が知られている。例えば特許文献１には、ＧａＡｓ層の上面に回折格子が形成され、回折格子に埋め込まれるようにＡｌＧａＩｎＰ層が設けられたＤＦＢレーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示す構造のＤＦＢレーザは、一般的に、ＧａＡｓ層の成長、ＧａＡｓ層をエッチングして回折格子の形成、回折格子を埋め込むようにＡｌＧａＩｎＰ層の成長、の順に実施することで作製される。このため、ＧａＡｓ層の表面は酸化されてしまい、酸化されたＧａＡｓ層の表面上にＡｌＧａＩｎＰ層が再成長されることになる。つまり、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層との界面は再成長界面となる。ＧａＡｓは例えばＩｎＧａＰ等と比べて酸化され易く、ＧａＡｓ層の酸化された面である再成長界面には非発光再結合をするような準位が形成されてしまう。このため、活性層のキャリアがオーバーフローしてＧａＡｓ層の再成長界面に到達すると、ＧａＡｓ層の再成長界面で非発光再結合が起こり、その結果、量子効率の低下、信頼性の低下等が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合が生じることを抑制可能な半導体レーザ及びその半導体レーザを備える光モジュール、光通信装置、光通信システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板上に設けられ、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記活性層から発振される光を伝搬する導波路であるＧａＡｓ層と、前記ＧａＡｓ層の上面に設けられた回折格子と、前記回折格子を埋め込むように設けられた埋め込み層と、前記活性層と前記回折格子との間に設けられ、前記活性層から前記ＧａＡｓ層と前記埋め込み層との界面へのキャリアのオーバーフローを抑制するキャリアストップ層と、を備えることを特徴とする半導体レーザである。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面に活性層からのキャリアが到達することを抑制できるため、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で、マイノリティキャリアとマジョリティキャリアとが非発光再結合することを抑制できる。
【０００７】
上記構成において、前記回折格子は、前記活性層とｐ型クラッド層との間に設けられ、前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有する構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記回折格子は、前記活性層とｎ型クラッド層との間に設けられ、前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの価電子帯バンド端エネルギーよりも小さい価電子帯バンド端エネルギーを有する構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記キャリアストップ層は、前記活性層と前記ＧａＡｓ層との間に設けられている構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記キャリアストップ層の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記キャリアストップ層は、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰからなる構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記活性層は、量子井戸活性層又は量子ドット活性層である構成とすることができる。
【００１３】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュールである。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザを用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光モジュールを得ることができる。
【００１４】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信装置である。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザを用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信装置を得ることができる。
【００１５】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信システムである。本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザを用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信システムを得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面に活性層からのキャリアが到達することを抑制できるため、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で、マイノリティキャリアとマジョリティキャリアとが非発光再結合することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、比較例１に係る半導体レーザが有するエピ構造のエネルギーバンド図の例である。
【図２】図２は、実施例１に係る半導体レーザの斜視図の例である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図の例（その１）である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの製造方法を示す斜視図の例（その２）である。
【図５】図５（ａ）は、比較例２に係る半導体レーザの信頼性試験の結果であり、図５（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの信頼性試験の結果である。
【図６】図６は、図２におけるｎ型ＧａＡｓ基板からコンタクト層にかけてのエネルギーバンド図の例である。
【図７】図７は、実施例３に係る半導体レーザが有するエピ構造のエネルギーバンド図の例である。
【図８】図８は、実施例４に係る光モジュールのブロック図の例である。
【図９】図９は、実施例５に係る光通信装置のブロック図の例である。
【図１０】図１０は、実施例６に係る光通信システムのブロック図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、比較例１に係る半導体レーザについて説明する。比較例１に係る半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、アンドープＧａＡｓ導波路層、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層との多重量子井戸活性層、ｐ型ＧａＡｓ導波路層、ｐ型ＧａＡｓの回折格子層、ｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層が順次積層されたエピ構造を有している。回折格子層の上面には回折格子が形成され、回折格子を埋め込むように埋め込み層が形成されている。
【００１９】
比較例１に係る半導体レーザの回折格子は、ｐ型ＧａＡｓの回折格子層の成長、回折格子層の上面をエッチングして回折格子の形成、回折格子を埋め込むようにｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層の成長、の順に実施することで形成される。したがって、回折格子層と埋め込み層との界面は再成長界面となる。
【００２０】
図１は、比較例１に係る半導体レーザが有するエピ構造のエネルギーバンド図の例である。図１のように、回折格子層とｐ型ＧａＡｓ導波路層とは共にＧａＡｓからなるため、ｐ型ＧａＡｓ導波路層から回折格子まではバンドギャップが等しく、伝導帯バンド端エネルギーの大きさが等しい。このため、例えば高温動作時等において、活性層からｐ型ＧａＡｓ導波路層側にオーバーフローした電子が、回折格子層の再成長界面に到達するようになる。
【００２１】
回折格子層はＧａＡｓ層であるため、前述したように、再成長界面に非発光再結合をするような準位が形成されてしまう。また、回折格子層と埋め込み層はｐ型半導体であるため、回折格子層の再成長界面に到達した電子はマイノリティキャリアである。このようなマイノリティキャリアである電子が、再成長界面にて、マジョリティキャリアである正孔と非発光再結合をすることとなる。非発光再結合をすることで熱エネルギーが生じ、この熱エネルギーにより結晶に欠陥が生じてしまう。結晶欠陥は、非発光再結合が繰り返されることで増殖して、活性層にまで到達する。活性層には電子と正孔が多数存在するため、これら電子と正孔の非発光再結合により、活性層で結晶欠陥が一気に増殖してしまい、半導体レーザが故障してしまう場合がある。そこで、このようなメカニズムによる半導体レーザの故障を解決すべく、ＧａＡｓ層の回折格子が形成された界面で非発光再結合が生じることを抑制することが可能な実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図２は、実施例１に係る半導体レーザの斜視図の例である。図２のように、ｎ型ＧａＡｓ基板である基板１０上に、ｎ型ＧａＡｓのバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６が順次積層されている。ＧａＡｓ導波路層１６上には、ＩｎＡｓの量子ドットと量子ドットを覆うように設けられたＧａＡｓのバリア層とからなる量子ドット層が７層積層された量子ドット活性層である活性層１８が設けられている。
【００２３】
活性層１８上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなり活性層１８の電子のオーバーフローを抑制するキャリアストップ層３４、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０が順次積層されている。アンドープのＧａＡｓ導波路層１６及びｐ型のＧａＡｓ導波路層２０は活性層１８で発振される光を伝搬する導波路であり、また、キャリアストップ層３４も導波路としての機能を有する。ＧａＡｓ導波路層２０上に、ｐ型ＧａＡｓからなる回折格子層２２が設けられ、回折格子層２２の上面には、活性層１８で発振される光が伝搬する導波方向に周期的な凹凸からなる回折格子２６が形成されている。回折格子層２２上に、ｐ型ＩｎＧａＰからなり回折格子２６を埋め込むように埋め込み層２４が設けられている。なお、回折格子層２２は導波路としての機能を有し、埋め込み層２４はクラッドとしての機能を有する。
【００２４】
埋め込み層２４上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０、ｐ型ＧａＡｓ層のコンタクト層３２が順次積層されている。各層の材料、膜厚、ドーパント、及びドーピング濃度について表１に示す。
【表１】
【００２５】
ｐ型クラッド層３０及びコンタクト層３２は、リッジ部３６を形成している。リッジ部３６の両側には埋め込み層２４が露出する凹部が形成され、凹部に埋め込まれるようにＢＣＢ（ビスベンゾシクロブテン）膜３８が設けられている。リッジ部３６上及びＢＣＢ膜３８上に、コンタクト層３２に接するｐ電極４０が設けられている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にはｎ電極４２が設けられている。
【００２６】
活性層１８で誘導放出されたレーザ光が出射する前端面には、レーザ光の波長に対して低反射膜（不図示）が設けられ、前端面の反対側に位置する後端面には、レーザ光の波長に対して高反射膜（不図示）が設けられている。前端面と後端面との間隔である共振器長は、例えば３００μｍである。
【００２７】
次に、図３（ａ）から図４（ｂ）を用いて、実施例１に係る半導体レーザの製造方法を説明する。まず、厚さが例えば４５０μｍで、Ｓｉが２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓ基板である基板１０を準備する。次いで、例えば原料にＡｓ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎを、ドーパントにＳｉ、Ｂｅを用いたＭＢＥ（分子線エピタキシー）法にて、基板１０上に、バッファ層１２、ｎ型クラッド層１４、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６、活性層１８、キャリアストップ層３４、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０、回折格子層２２を順次堆積する。バッファ層１２から回折格子層２２までは、基板１０をＭＢＥ装置から取り出すことなく連続して堆積する。以下に、各層の製造について詳しく説明する。
【００２８】
図３（ａ）のように、基板１０上に、成長温度６００℃にて、膜厚が５００ｎｍで、Ｓｉ（シリコン）が１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓのバッファ層１２を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、バッファ層１２上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、ｎ型クラッド層１４上に、膜厚が５０ｎｍで、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６を形成する。
【００２９】
図３（ｂ）のように、成長温度を５００℃に下げ、ＧａＡｓ導波路層１６上に、０．８ｎｍ膜厚相当の量のＩｎＡｓを供給してＩｎＡｓの量子ドットを自己形成し、量子ドット上に膜厚が３０ｎｍのＧａＡｓからなるバリア層を堆積して量子ドットを埋め込み平坦化させる。このような量子ドットとバリア層とを７層繰り返し堆積して量子ドット構造を有する活性層１８を形成する。次いで、成長温度を６００℃に上げ、活性層１８上に、膜厚が１７０ｎｍで、Ｂｅが４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのキャリアストップ層３４を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、キャリアストップ層３４上に、膜厚が３０ｎｍで、Ｂｅ（ベリリウム）が４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ導波路層２０を形成する。続いて、成長温度６００℃のまま、ＧａＡｓ導波路層２０上に、膜厚が２０ｎｍで、Ｂｅが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓの回折格子層２２を形成する。
【００３０】
図４（ａ）のように、回折格子層２２まで堆積した基板１０をＭＢＥ装置から取り出し、回折格子層２２上にフォトレジストを塗布した後、干渉露光技術を用いて、回折格子用のパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクに回折格子層２２をウエットエッチングして、ピッチが２００ｎｍ、深さが２０ｎｍ、デューティ比が０．５の回折格子２６を形成する。
【００３１】
回折格子２６を形成した後、基板１０を例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置に導入し、原料にＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＰＨ３（ホスフィン）、ＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）、ＣＢｒ４（四臭化炭素）、を用いたＭＯＣＶＤ法にて、埋め込み層２４、ｐ型クラッド層３０、コンタクト層３２を順次堆積する。埋め込み層２４からコンタクト層３２までは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出すことなく連続して堆積する。具体的には、成長温度６４０℃にて、回折格子２６を埋め込み平坦になるよう、回折格子層２２上に、膜厚が５０ｎｍで、Ｚｎ（亜鉛）が１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４を形成する。このような製造工程により、回折格子層２２の回折格子２６が形成された上面は酸化され、酸化された回折格子層２２の上面に埋め込み層２４が形成されることになり、回折格子層２２と埋め込み層２４との界面は再成長界面となる。次いで、成長温度を６８０℃に上げ、埋め込み層２４上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｃ（炭素）が１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０を形成する。続いて、成長温度を６８０℃のまま、ｐ型クラッド層３０上に、膜厚が３００ｎｍで、Ｃが８×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓのコンタクト層３２を形成する。
【００３２】
図４（ｂ）のように、コンタクト層３２まで堆積した基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、コンタクト層３２上にフォトレジストを塗布した後、露光技術を用いて、ストライプパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクにコンタクト層３２とｐ型クラッド層３０とをウエットエッチングして、ｐ型クラッド層３０とコンタクト層３２とからなるリッジ部３６を形成する。次いで、リッジ部３６両側の凹部をＢＣＢ膜３８で埋め込んだ後、基板１０を例えば１５０μｍの厚さまで研磨する。その後、リッジ部３６上及びＢＣＢ膜３８上にｐ電極４０を形成し、基板１０の下面にｎ電極４２を形成する。最後に、基板１０を劈開して共振器長３００μｍの共振器とし、劈開面のうちレーザ光を出射する前端面に低反射膜を、後端面に光反射膜を形成して、実施例１に係る半導体レーザが完成する。
【００３３】
ここで、比較のために、キャリアストップ層３４を有さない、表２に示す層構造の比較例２に係る半導体レーザを、実施例１に係る半導体レーザと同様の製造方法により作製した。
【表２】
【００３４】
実施例１に係る半導体レーザの室温での発振波長は１３０５ｎｍであった。また、実施例１に係る半導体レーザは、比較例２に係る半導体レーザに比べて、閾値電流は１５％低下し、微分量子効率は１２％向上した結果が得られた。
【００３５】
次に、実施例１に係る半導体レーザと比較例２に係る半導体レーザについて、信頼性試験を実施した。信頼性試験は、８５℃の温度環境下において、ＡＰＣ（Automatic Power Control）制御による１５ｍＷの一定の光出力駆動を行うことで実施した。また、実施例１に係る半導体レーザ及び比較例２に係る半導体レーザ共に、８つの素子を対象に信頼性試験を実施した。
【００３６】
図５（ａ）は、比較例２に係る半導体レーザの信頼性試験の結果であり、図５（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの信頼性試験の結果である。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、横軸は駆動時間（任意座標）であり、縦軸は駆動電流（任意座標）である。図５（ａ）のように、比較例２に係る半導体レーザでは、８素子中の２素子について突発故障と見られる駆動電流増加が起こり、他の素子においても駆動時間の経過と共に駆動電流の増加が見られ、満足な信頼性が得られない結果となった。故障した素子の断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察したところ、再成長界面である回折格子２６周辺に結晶欠陥の増殖が見られ、その一部が活性層１８に到達し、活性層１８において結晶欠陥が一気に増殖していることが確認できた。このような結晶欠陥の増殖は、比較例１に係る半導体レーザで述べたメカニズムによるものである。
【００３７】
一方、図５（ｂ）のように、実施例１に係る半導体レーザでは、８素子全てにおいて駆動電流の増加は見られず、ほぼ一定の駆動電流を維持し、十分な信頼性が得られた結果となった。また、素子の断面をＴＥＭで観察すると、比較例１に係る半導体レーザで見られたような結晶欠陥は見当たらなかった。
【００３８】
図６は、図２における基板１０からコンタクト層３２にかけてのエネルギーバンド図の例である。図６のように、活性層１８と回折格子２６との間に設けられたキャリアストップ層３４は、ＡｌＧａＡｓからなることから、ＧａＡｓ導波路層２０に比べてバンドギャップエネルギーが大きく、伝導帯バンド端エネルギーが大きい。このため、活性層１８の電子はキャリアストップ層３４を超えることが難しく、回折格子層２２の再成長界面に到達することが抑制される。つまり、キャリアストップ層３４は、活性層１８から回折格子層２２と埋め込み層２４との界面への電子のオーバーフローを抑制する働きをする。
【００３９】
このように、実施例１によれば、基板１０上に設けられた活性層１８上に、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０とｐ型ＧａＡｓの回折格子層２２が設けられ、回折格子層２２の上面に回折格子２６が形成されている。回折格子２６を埋め込むように、ｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４が設けられていて、埋め込み層２４上にはｐ型クラッド層３０が設けられている。つまり、回折格子２６は、活性層１８とｐ型クラッド層３０との間に設けられている。そして、活性層１８と回折格子２６との間には、ＧａＡｓよりも伝導帯バンド端エネルギーの大きいキャリアストップ層３４が設けられている。このような構造により、図６で説明したように、回折格子層２２の再成長界面に、マイノリティキャリアである電子が到達することを抑制される。このため、高温動作時等においても、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で、マイノリティキャリアである電子とマジョリティキャリアである正孔とが非発光再結合することを抑制できる。これにより、閾値電流の低下、微分量子効率の向上等が実現できる。また、図５（ｂ）のように、信頼性の向上を実現できる。
【００４０】
キャリアストップ層３４は、表１のように、Ａｌ組成比が０．２であるＡｌＧａＡｓ層である場合を例に示したがこれに限られない。キャリアストップ層３４は、高温動作時等において、活性層１８の電子がキャリアストップ層３４を超えることを抑制できる程度の大きさの伝導帯バンド端エネルギーを有していればよい。したがって、キャリアストップ層３４がＡｌＧａＡｓ層である場合、例えば、Ａｌ組成比は０．１以上で１未満の場合が好ましく、０．１以上で０．４以下である場合がより好ましい。また、キャリアストップ層３４の伝導帯バンド端エネルギーとＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーとの差である伝導帯バンド端オフセット量は、例えば７０ｍｅＶ以上である場合が好ましく、１４０ｍｅＶ以上である場合がより好ましい。
【００４１】
キャリアストップ層３４の厚さは、活性層１８の電子がトンネルしない程度の厚さ以上である場合が好ましく、例えば５０ｎｍ以上である場合が好ましく、１５０ｎｍ以上である場合がより好ましい。また、活性層１８と回折格子２６との距離は、光閉じ込め係数Γ、結合係数κ等に基づき設計されるものであるため、光閉じ込め係数Γ、結合係数κ等を考慮すると、活性層１８と回折格子２６との距離は１μｍ以下となる。したがって、活性層１８と回折格子２６との間に設けられるキャリアストップ層３４の厚さは１μｍ以下になることになるが、キャリアストップ層３４の厚さが厚くなると、キャリアストップ層３４が導波路として機能しなくなるため、キャリアストップ層３４の厚さは薄い方が好ましく、例えば５００ｎｍ以下の場合が好ましく、３００ｎｍ以下の場合がより好ましい。以上のことから、キャリアストップ層３４の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の場合が好ましく、１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合がより好ましい。
【００４２】
キャリアストップ層３４は、活性層１８とＧａＡｓ導波路層２０との間に設けられている場合を例に示したが、ＧａＡｓ導波路層２０に挟まれるように設けられている場合でもよい。つまり、活性層１８上に、ＧａＡｓ導波路層２０、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０の順に積層されている場合でもよい。しかしながら、活性層１８に接してキャリアストップ層３４を設けると、活性層１８の電子が活性層１８の外部に漏れることを抑制できるため量子効率の改善が実現できる。よって、キャリアストップ層３４は、活性層１８とＧａＡｓ導波路層２０との間に設けられている場合が好ましい。つまり、活性層１８上に、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０の順に積層されている場合が好ましい。また、活性層１８上に、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０が順次積層された構造とすることで、薄膜成長の際の成長条件の切り替え回数を少なくでき、製造が容易となる。
【００４３】
埋め込み層２４は、ＩｎＧａＰからなる場合に限られず、例えばＡｌＧａＡｓからなる場合等、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きく、回折格子層２２と屈折率に差が生じる材料を用いることができる。これにより、屈折率変調型の回折格子が得られる。
【００４４】
活性層１８は、ＩｎＡｓの量子ドットと量子ドットを覆うように設けられたＧａＡｓのバリア層とで構成される量子ドット活性層である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。活性層１８を挟むようにＧａＡｓ導波路層１６、２０が設けられていることから、活性層１８はＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有していればよく、活性層１８から発振される光の波長がＧａＡｓのそれよりも長波長であればよい。例えば、ＩｎＡｓの量子ドットの代わりに、ＩｎＧａＡｓの量子ドット、ＧａＩｎＮＡｓの量子ドット、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの量子ドットを用いることができる。また、バリア層は、ＧａＡｓ導波路層１６、２０と同じ材料のＧａＡｓからなる場合が好ましい。
【００４５】
キャリアストップ層３４は、ＡｌＧａＡｓからなる場合を例に示したが、活性層１８の電子が回折格子層２２の再成長界面に到達することが抑制できるような、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有する材料であればよい。例えば、キャリアストップ層３４にＩｎＧａＰを用いることもできる。
【００４６】
実施例１において、活性層１８を上下方向から挟み込むように、ＧａＡｓ導波路層１６とＧａＡｓ導波路層２０とが設けられている場合を例に示したが、活性層１８の下側のＧａＡｓ導波路層１６は設けられていない場合でもよい。
【実施例２】
【００４７】
実施例２に係る半導体レーザは、活性層１８が多重量子井戸活性層の場合である。実施例２に係る半導体レーザは、活性層１８が、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層とが交互に２層積層された多重量子井戸構造をしている。また、キャリアストップ層３４、ＧａＡｓ導波路層２０、回折格子層２２のドーパントはＣである。さらに、共振器長は８００μｍである。これらの点以外は、図２に示した実施例１に係る半導体レーザと同様な構造であるため図示を省略する。実施例２に係る半導体レーザの各層の材料、膜厚、ドーパント、及びドーピング濃度について表３に示す。
【表３】
【００４８】
次に、実施例２に係る半導体レーザの製造方法を説明する。まず、厚さが例えば４５０μｍで、Ｓｉ（シリコン）が２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓ基板である基板１０を準備する。次いで、例えば原料にＴＭＧａ、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ、ＡｓＨ３（アルシン）を、ドーパントにＳｉＨ４（シラン）、ＣＢｒ４、ＤＭＺｎを用いたＭＯＣＶＤ法にて、基板１０上に、バッファ層１２、ｎ型クラッド層１４、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６、活性層１８、キャリアストップ層３４、ｐ型のＧａＡｓ導波路層２０、回折格子層２２を順次堆積する。バッファ層１２から回折格子層２２までは、基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出すことなく連続して堆積をする。以下に、各層について詳しく説明する。
【００４９】
基板１０上に、成長温度６９０℃にて、膜厚が５００ｎｍで、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＧａＡｓのバッファ層１２を形成する。続いて、成長温度６９０℃のまま、バッファ層１２上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｓｉが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４を形成する。続いて、成長温度６９０℃のまま、ｎ型クラッド層１４上に、膜厚が５０ｎｍで、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６を形成する。
【００５０】
成長温度を５６０℃に下げ、ＧａＡｓ導波路層１６上に、厚さが６ｎｍのＩｎＧａＡｓの井戸層と厚さが３０ｎｍのＧａＡｓのバリア層とを２層繰り返して堆積して多重量子井戸構造を有する活性層１８を形成する。その後、成長温度を６３０℃に上げ、活性層１８上に、膜厚が１７０ｎｍで、Ｃが４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのキャリアストップ層３４を形成する。続いて、成長温度６３０℃のまま、キャリアストップ層３４上に、膜厚が３０ｎｍで、Ｃが４×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ導波路層２０を形成する。続いて、成長温度６３０℃のまま、ＧａＡｓ導波路層２０上に、膜厚が２０ｎｍで、Ｃが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓの回折格子層２２を形成する。
【００５１】
回折格子層２２まで堆積した基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、回折格子層２２上にフォトレジストを塗布した後、干渉露光技術を用いて、回折格子用のパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクに回折格子層２２をウエットエッチングして、ピッチが３１０ｎｍ、深さが２０ｎｍ、デューティ比が０．５の回折格子２６を形成する。
【００５２】
回折格子２６を形成した後、基板１０を再度ＭＯＣＶＤ装置に導入し、埋め込み層２４、ｐ型クラッド層３０、コンタクト層３２を順次堆積する。埋め込み層２４からコンタクト層３２までは、基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出すことなく連続して堆積する。具体的には、成長温度６４０℃にて、回折格子２６を埋め込んで平坦化するように、回折格子層２２上に、膜厚が５０ｎｍで、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４を形成する。このような製造工程により、回折格子層２２の回折格子２６が形成された上面は酸化され、酸化された回折格子層２２の上面に埋め込み層２４が形成されることになり、回折格子層２２と埋め込み層２４との界面は再成長界面となる。次いで、成長温度を６８０℃に上げ、埋め込み層２４上に、膜厚が１５００ｎｍで、Ｃが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０を形成する。続いて、成長温度６８０℃のまま、ｐ型クラッド層３０上に、膜厚が８００ｎｍで、Ｃが８×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされたｐ型ＧａＡｓのコンタクト層３２を形成する。
【００５３】
コンタクト層３２まで堆積した基板１０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、コンタクト層３２上にフォトレジストを塗布した後、露光技術を用いて、ストライプパターンをフォトレジストに形成する。その後、フォトレジストをマスクにコンタクト層３２とｐ型クラッド層３０とをウエットエッチングして、ｐ型クラッド層３０とコンタクト層３２とからなるリッジ部３６を形成する。次いで、リッジ部３６両側の凹部にＢＣＢ膜３８を埋め込んだ後、基板１０を例えば１５０μｍの厚さにまで研磨する。その後、リッジ部３６上及びＢＣＢ膜３８上にｐ電極４０を形成し、基板１０の下面にｎ電極４２を形成する。最後に、基板１０を劈開して共振器長８００μｍの共振器とし、劈開面のうちレーザ光を出射する前端面に低反射膜（不図示）を、後端面に高反射膜（不図示）を形成して、実施例２に係る半導体レーザが完成する。
【００５４】
ここで、比較のために、キャリアストップ層３４を有さない、表４に示す層構造の比較例３に係る半導体レーザを、実施例２に係る半導体レーザと同様の製造方法により作製した。
【表４】
【００５５】
実施例２に係る半導体レーザの室温での発振波長は１０６３ｎｍであった。また、実施例２に係る半導体レーザは、比較例３に係る半導体レーザに比べて、閾値電流は２１％低下し、微分量子効率は１４％向上した結果が得られた。また、実施例２に係る半導体レーザについても、実施例１に係る半導体レーザと同様に十分な信頼性が得られた。
【００５６】
このように、活性層１８を、量子井戸構造の量子井戸活性層とした場合であっても、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有するキャリアストップ層３４を設けることで、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することを抑制できる。
【００５７】
実施例２では、活性層１８は、ＩｎＧａＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層とからなる量子井戸活性層である場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。例えば、ＧａＡｓＳｂの井戸層とＧａＡｓのバリア層との量子井戸構造の場合や、ＧａＩｎＮＡｓの井戸層とＧａＡｓのバリア層との量子井戸構造の場合や、ＧａＩｎＮＡｓＳｂの井戸層とＧａＡｓのバリア層との量子井戸構造の場合でもよい。また、実施例２では、活性層１８は、２層の多重量子井戸活性層の場合を例に示したが、３層、４層など２層以上の多重量子井戸活性層の場合でもよく、また単層の量子井戸活性層の場合でもよい。
【００５８】
実施例１では、回折格子層２２をＭＢＥ法により形成し、実施例２では、回折格子層２２をＭＯＣＶＤ法により形成している。このように、回折格子層２２を、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法のどちらを用いて形成した場合であっても、また、他の形成方法を用いた場合であっても、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面に非発光再結合をするような準位が形成されてしまう。したがって、回折格子層２２の形成方法によらず、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンド端エネルギーの大きいキャリアストップ層３４を設けることで、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することを抑制できる。
【実施例３】
【００５９】
実施例３に係る半導体レーザは、回折格子２６が、活性層１８とｎ型クラッド層１４との間に設けられている場合である。実施例３に係る半導体レーザは、ｐ型ＧａＡｓ基板である基板１０上に、ｐ型ＧａＡｓのバッファ層１２、ｐ型ＡｌＧａＡｓのｐ型クラッド層３０、アンドープのＧａＡｓ導波路層１６、ＩｎＡｓの量子ドットとＧａＡｓのバリア層との量子ドット層を有する活性層１８、ｎ型ＡｌＧａＡｓのキャリアストップ層３４、ｎ型のＧａＡｓ導波路層２０、ｎ型ＧａＡｓの回折格子層２２、ｎ型ＩｎＧａＰの埋め込み層２４、ｎ型ＡｌＧａＡｓのｎ型クラッド層１４、ｎ型ＧａＡｓのコンタクト層３２が順次積層されたエピ構造を有する。回折格子層２２の上面には、活性層１８で発振される光が伝搬する導波方向に周期的な凹凸からなる回折格子２６が形成されていて、回折格子２６を埋め込むように埋め込み層２４が設けられている。実施例３に係る半導体レーザの斜視図は、図２に示した実施例１に係る半導体レーザの斜視図と同様であるため、ここでは図示を省略する。
【００６０】
図７は、実施例３に係る半導体レーザのエピ構造のエネルギーバンド図の例である。図７のように、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きく、価電子帯バンド端エネルギーが小さいキャリアストップ層３４が設けられている。これにより、活性層１８の正孔が、回折格子層２２の再成長界面に到達することが抑制される。
【００６１】
このように、実施例３によれば、回折格子２６が活性層１８とｎ型クラッド層１４との間に設けられ、活性層１８と回折格子２６との間に、ＧａＡｓよりも価電子帯バンド端エネルギーが小さいキャリアストップ層３４が設けられている。このような構造により、図７で説明したように、回折格子層２２の再成長界面に、マイノリティキャリアである正孔が到達することが抑制される。これにより、高温動作時においても、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面でマイノリティキャリアである正孔とマジョリティキャリアである電子との非発光再結合を抑制することができ、閾値電流の低下、微分量子効率の向上等が実現できる。また、信頼性も向上できる。
【００６２】
実施例３では、活性層１８は、実施例１と同様に量子ドット構造を有する場合を例に説明したが、実施例２と同様に量子井戸構造を有する場合でもよい。
【実施例４】
【００６３】
実施例４は、実施例１から３のいずれかに係る半導体レーザを備えた光モジュールの例である。図８は、実施例４に係る光モジュールのブロック図の例である。図８のように、光モジュール２００は、実施例１から３のいずれかに係る半導体レーザ１００、光導波部２１０、光変調部２２０を有する。半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、光導波部２１０を通って光変調部２２０に導かれる。光変調部２２０では、入射された光を変調する。変調された光は、光導波部２１０を通って、光ファイバ結合部２３０で光結合したシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝搬する。
【００６４】
実施例４によれば、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザ１００を用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光モジュールを得ることができる。
【実施例５】
【００６５】
実施例５は、実施例４に係る光モジュールを備えた光通信装置の例である。図９は、実施例５に係る光通信装置のブロック図の例である。図９のように、光通信装置３００は、送信部として機能する実施例４に係る光モジュール２００、受信部３１０、制御部３２０を有する。光モジュール２００は、制御部３２０からの送信データ信号を光に変換して出射する。出射された光はシングルモードファイバに入射され、シングルモードファイバ内を伝搬する。受信部３１０は、シングルモードファイバ内を伝搬してきた光を受光し、受信データとして制御部３２０に出力する。
【００６６】
実施例５によれば、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザ１００を用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信装置を得ることができる。
【実施例６】
【００６７】
実施例６は、実施例５に係る光通信装置を備えた光通信システムの例である。図１０は、実施例６に係る光通信システムのブロック図の例である。図１０のように、光通信システム４００は、第１の光通信装置３００ａと、第２の光通信装置３００ｂと、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとを接続するシングルモードファイバ４１０と、を有する。第１の光通信装置３００ａは、光モジュール２００ａ、受信部３１０ａ、制御部３２０ａを有する。第２の光通信装置３００ｂは、光モジュール２００ｂ、受信部３１０ｂ、制御部３２０ｂを有する。例えば、第１の光通信装置３００ａの光モジュール２００ａが、制御部３２０ａからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ４１０内を伝搬し、第２の光通信装置３００ｂの受信部３１０ｂで受光される。受信部３１０ｂで光を受光すると、受信データが制御部３２０ｂに出力される。同様に、第２の光通信装置３００ｂの光モジュール２００ｂが、制御部３２０ｂからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光はシングルモードファイバ４１０内を伝搬し、第１の光通信装置３００ａの受信部３１０ａで受光される。受信部３１０ａで光を受光すると、受信データが制御部３２０ａに出力される。これにより、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとの間でデータ通信を行うことができる。
【００６８】
実施例６によれば、ＧａＡｓからなる回折格子層２２の再成長界面で非発光再結合することが抑制された半導体レーザ１００を用いているため、量子効率の向上、信頼性の向上がなされた光通信システムを得ることができる。
【００６９】
実施例６のように、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとの間でシングルモードファイバ４１０を用いてデータ通信を行う光通信システム４００は、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）や光通信基幹網に用いられる場合が好ましい。また、シングルモードファイバ４１０を用いずに、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとが、空間に出射した光を受光することでデータ通信を行う場合でもよい。この場合、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとは、例えばパーソナルコンピュータとすることができ、また、第１の光通信装置３００ａ及び第２の光通信装置３００ｂの一方はパーソナルコンピュータとし、他方は携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器やプロジェクタとしてもよい。
【００７０】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係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された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ ｎ型クラッド層
１６ ＧａＡｓ導波路層
１８ 活性層
２０ ＧａＡｓ導波路層
２２ 回折格子層
２４ 埋め込み層
２６ 回折格子
３０ ｐ型クラッド層
３２ コンタクト層
３４ キャリアストップ層
３６ リッジ部
３８ ＢＣＢ膜
４０ ｐ電極
４２ ｎ電極
１００ 半導体レーザ
２００ 光モジュール
２１０ 光導波部
２２０ 光変調部
２３０ 光ファイバ結合部
３００ 光通信装置
３１０ 受信部
３２０ 制御部
４００ 光通信システム
４１０ シングルモードファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられ、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有する活性層と、
前記活性層上に設けられ、前記活性層から発振される光を伝搬する導波路であるＧａＡｓ層と、
前記ＧａＡｓ層の上面に設けられた回折格子と、
前記回折格子を埋め込むように設けられた埋め込み層と、
前記活性層と前記回折格子との間に設けられ、前記活性層から前記ＧａＡｓ層と前記埋め込み層との界面へのキャリアのオーバーフローを抑制するキャリアストップ層と、を備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記回折格子は、前記活性層とｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記回折格子は、前記活性層とｎ型クラッド層との間に設けられ、
前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの価電子帯バンド端エネルギーよりも小さい価電子帯バンド端エネルギーを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記キャリアストップ層は、前記活性層と前記ＧａＡｓ層との間に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記キャリアストップ層の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記キャリアストップ層は、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記活性層は、量子井戸活性層又は量子ドット活性層であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信装置。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信システム。
【請求項１】
基板上に設けられ、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを少なくとも一部に有する活性層と、
前記活性層上に設けられ、前記活性層から発振される光を伝搬する導波路であるＧａＡｓ層と、
前記ＧａＡｓ層の上面に設けられた回折格子と、
前記回折格子を埋め込むように設けられた埋め込み層と、
前記活性層と前記回折格子との間に設けられ、前記活性層から前記ＧａＡｓ層と前記埋め込み層との界面へのキャリアのオーバーフローを抑制するキャリアストップ層と、を備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記回折格子は、前記活性層とｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの伝導帯バンド端エネルギーよりも大きい伝導帯バンド端エネルギーを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記回折格子は、前記活性層とｎ型クラッド層との間に設けられ、
前記キャリアストップ層は、ＧａＡｓの価電子帯バンド端エネルギーよりも小さい価電子帯バンド端エネルギーを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記キャリアストップ層は、前記活性層と前記ＧａＡｓ層との間に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記キャリアストップ層の厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記キャリアストップ層は、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記活性層は、量子井戸活性層又は量子ドット活性層であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信装置。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８４６６１（Ｐ２０１２−８４６６１Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８８３９（Ｐ２０１０−２２８８３９）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（５０６４２３０５１）株式会社ＱＤレーザ (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（５０６４２３０５１）株式会社ＱＤレーザ (26)
【Ｆターム（参考）】
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