以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について、図1A,図1Bを用いて説明する。図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体光素子を示す断面図である。また、図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体光素子を示す斜視図である。
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101およびコア102よりなる光導波路121を備える。コア102は、クラッド層101に埋め込まれている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア102と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層104とを備える。また、活性層103および半導体層104に接して活性層103および半導体層104を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態1では、コア102は、基板100と活性層103との間に配置されている。また、実施の形態1において、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態1では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。
また、実施の形態1では、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域131において、半導体層104の上面に回折格子パターン132が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、図1Bでは省略しているが、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層104、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態1における半導体光素子は、共振器領域131の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板100およびクラッド層101は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたInPから構成され、コア102は、InGaAsPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、半導体層104は、アンドープのInP(i−InP)から構成され、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn型のInP(n−InP)から構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp型のInP(p−InP)から構成されている。
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のInGaAs(n−InGaAs)から構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたInGaAs(p−InGaAs)から構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層105およびp型半導体層106は、上述したパターニングなどにより活性層103,半導体層104を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
次に、実施の形態1における半導体光素子の特性について説明する。まず、電界の分布について説明する。実施の形態1における半導体光素子では、図2A(楕円領域),図2B(電界分布の計算結果)に示すように、コア102を中心として電界が分布する。このように、電界強度の多くは、伝搬損失の低い活性層下部のコア102の領域に存在しており、電界とp型半導体層106との重なりは、非常に小さいものとなる。
次に、活性層103周囲における光閉じ込めの活性層幅依存性について図3A、図3Bを用いて説明する。図3Aは、p型半導体層106における光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、図3Bは、活性層103における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す。コア102のバンドギャップ波長は1.3μm、または1.4μmとし、コア102の厚さは300nmとした。活性層103とコア102との間隔は100nm、活性層103上部に配置される半導体層104の厚さは200nmとした。
いずれの構成においても、p型半導体層106における光閉じ込めは2.5%以下であり、pn埋め込み構造と比較して10分の1以下に低減している。活性層103の光閉じ込めは2.5〜5%と、pn埋め込み構造と遜色なく、レーザ発振に十分な光閉じ込めが得られる。なお、活性層幅が広ければ広いほど活性層103の光閉じ込めが増大し、併せてp型半導体層106における損失は低下するが、横方向のキャリア注入の均一性を考慮すると活性層103の幅は1μm以下であることが望ましい。
次に、レーザ線幅の光出力依存性について図4を用いて説明する。図4は、従来構造(a)と実施の形態1における半導体光素子(b)におけるレーザの線幅の光出力依存性の計算結果である。計算には式(1)を用いた。実施の形態1では、活性層幅を1μm、コア102のバンドギャップ波長を1.3μmとしている。レーザ共振器は、κLが1.5、共振器長は1500μmとした。線幅増大係数αは5、群屈折率vgは4.2、Petermann’sファクターKは2、出力係数Fは0.5、自然放出係数nspは1である。
従来型構造においては、p型半導体領域の損失を10cm-1、その他の損失を5cm-1とした。一方で、実施の形態1においては、図3Aよりp型半導体層106の光閉じ込めは1%であることから、この領域の損失は0.2cm-1である。従って、実施の形態1におけるp型半導体領域の損失は、その他の損失5cm-1と比較してほとんど無視できる。光損失の低減により光出力の効率が増大し、同一光出力で比較した際に大幅に線幅が低減する。出力20mW以下でも100kHz以下の線幅が得られた。このように、実施の形態1によれば、伝搬損の低い活性層用導波路が実現される。この活性層用導波路を半導体レーザに適用することで狭線幅のレーザを実現することができる。
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図5を用いて説明する。図5は、本発明の実施の形態2における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101およびコア102よりなる光導波路121を備える。コア102は、クラッド層101に埋め込まれている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア102と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層154とを備える。また、活性層103および半導体層154に接して活性層103および半導体層154を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態2では、コア102は、基板100と活性層103との間に配置されている。また実施の形態2においても、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態2では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。
また、実施の形態2においても、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層154の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層154、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態2における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板100およびクラッド層101は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア102は、InGaAsPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。
また、実施の形態2も、例えば、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。ここで、実施の形態2では、半導体層154を、例えば、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成している。
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。
上記構成は、半導体層154以外は、前述した実施の形態1と同様である。実施の形態2では、活性層103の上部に、p型とした半導体層154を配置している。実施の形態1,2の構成では、基板平面方向に活性層103を挾むn型半導体層105およびp型半導体層106による横注入構造としている。この横注入構造ではホールの注入が不均一になる問題がある。この問題に対し実施の形態2では、p型とした半導体層154を用いているので、導波路幅が広くても横方向に均一な電流注入を行うことが可能となる。電界は、ほとんど導波路領域に存在することから、p型とした半導体層154と電界との重なりは少なく、導波路損の増大を気にすることなく、電流注入効率を上げることができる。
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について図6を用いて説明する。図6は、本発明の実施の形態3における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101およびコア152よりなる光導波路121を備える。実施の形態3では、コア152を層状とし、スラブ導波路構造としている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア152と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層104とを備える。また、活性層103および半導体層104に接して活性層103および半導体層104を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態3では、コア152は、基板100と活性層103との間に配置されている。また、実施の形態3においても、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態3では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。
また、実施の形態3においても、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層104の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層104、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態3における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板100およびクラッド層101は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア152は、InGaAsPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。
また、実施の形態3も、例えば、半導体層104は、i−InPから構成され、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のn−InGaAsから構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。
上記構成は、コア152以外は、前述した実施の形態1と同様である。実施の形態3によれば、コア152は埋め込み構造ではないため、埋め込み工程が不要であり、素子作製が容易となる。
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4について図7を用いて説明する。図7は、本発明の実施の形態4における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板100の上に形成されたクラッド層101a,クラッド層112,およびコア102よりなる光導波路121を備える。実施の形態4では、クラッド層101aを下部クラッドとし、クラッド層112を上部クラッドとしている。また、光導波路121の導波方向に所定距離延在してコア102と光結合可能な状態に配置された活性層103と、活性層103の上に形成された半導体層104とを備える。
また、活性層103および半導体層104に接して活性層103および半導体層104を挾んで形成された、n型半導体層105およびp型半導体層106を備える。実施の形態4でも、コア102は、基板100と活性層103との間に配置されている。また、実施の形態4において、活性層103には、基板100の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態4では、上述した活性層103が、基板100から見て光導波路121の上に配置されていることになる。
また、n型半導体層105にコンタクト層107により接続するn型電極109と、p型半導体層106にコンタクト層108により接続するp型電極110とを備える。p型半導体層106およびn型半導体層105は、基板100の平面に平行な方向で活性層103を挾んで形成されている。なお、説明の便宜上、基板100およびクラッド層101aを区別して説明するが、これらは一体に形成されている。
また、実施の形態4では、光導波路121の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層104の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。また、コンタクト層107とコンタクト層108との間の半導体層104、n型半導体層105、p型半導体層106の上面は、保護膜111により保護されている。実施の形態4における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板100およびクラッド層101aは、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア102は、InGaAsPから構成されている。また、クラッド層112は、アンドープのInPから構成されている。また、活性層103は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層103の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、半導体層104は、i−InPから構成され、n型半導体層105は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層106は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。
また、コンタクト層107は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のn−InGaAsから構成され、コンタクト層108は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜111は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層105およびp型半導体層106は、上述したパターニングなどにより活性層103,半導体層104を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
実施の形態4では、コア102をアンドープのInPから構成されたクラッド層112で埋め込むようにしたので、半絶縁性InPと比較すると電流の絶縁性は低下するが、半絶縁層InPによるコア102の埋め込み工程が不要であることから、素子作製が容易となる。特に、コア102と活性層103を形成後に一括で活性層形状を形成し、この後でアンドープのInPで埋め込み、アンドープのInPに、Si注入してn型半導体層105を形成し、Zn拡散注入してp型半導体層106を形成すれば、一回の埋め込み成長で作製することも可能である。
[実施の形態5]
次に、本発明の実施の形態5について、図8A,図8Bを用いて説明する。図8Aは、本発明の実施の形態5における半導体光素子を示す断面図である。また、図8Bは、本発明の実施の形態5における半導体光素子を示す斜視図である。
この半導体光素子は、まず、基板201の上に形成されたクラッド層204およびコア202よりなる光導波路221を備える。コア202は、クラッド層204に埋め込まれている。また、光導波路221の導波方向に所定距離延在してコア202と光結合可能な状態に配置された活性層203を備える。また、活性層203およびクラッド層204に接して活性層203およびクラッド層204を挾んで形成された、n型半導体層205およびp型半導体層206を備える。実施の形態5では、コア202は、基板201の側から見て活性層203の上に配置されている。また、実施の形態5において、活性層303には、基板201の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態5では、上述した活性層203が、基板201と光導波路221との間に配置されていることになる。
また、n型半導体層205にコンタクト層207により接続するn型電極209と、p型半導体層206にコンタクト層208により接続するp型電極210とを備える。p型半導体層206およびn型半導体層205は、基板201の平面に平行な方向で活性層203を挾んで形成されている。
また、実施の形態5では、光導波路221の延在方向に所定の長さの共振器領域231において、クラッド層204の上面に回折格子パターン232が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、図8Bでは省略しているが、コンタクト層207とコンタクト層208との間のクラッド層204、n型半導体層205、p型半導体層206の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態5における半導体光素子は、共振器領域231の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板201は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア202は、InGaAsPから構成されている。また、活性層203は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層203の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、クラッド層204は、半絶縁性のInPから構成され、n型半導体層205は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層206は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。
また、コンタクト層207は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn型のn−InGaAsから構成され、コンタクト層208は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層205およびp型半導体層206は、上述したパターニングなどにより活性層203,クラッド層204を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
次に、実施の形態5における半導体光素子の特性について説明する。まず、電界の分布について説明する。実施の形態5における半導体光素子では、図9A(楕円領域),図9B(電界分布の計算結果)に示すように、コア202を中心として電界が分布する。このように、電界強度の多くは、伝搬損失の低い活性層上部のコア202の領域に存在しており、電界とp型半導体層206との重なりは、非常に小さいものとなる。
次に、活性層203周囲における光閉じ込めの活性層幅依存性について図10A、図10Bを用いて説明する。図10Aは、p型半導体層206における光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、図10Bは、活性層203における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す。コア202のバンドギャップ波長は1.3μm、または1.4μmとし、コア202の厚さは350nmとした。活性層203とコア202との間隔は100nm、活性層203上部に配置されるクラッド層204の厚さは100nmとした。また、コア202とp型半導体層206との間隔は500nmとした。
いずれの構成においても、p型半導体層206における光閉じ込めは1.5%以下であり、pn埋め込み構造と比較して10分の1以下に低減している。活性層203の光閉じ込めは7%以上と、実施の形態1に対して大幅に改善している。このように、実施の形態5においても、p型半導体層206における損失の低減により、高出力、高効率、狭線幅のレーザを実現することができる。
[実施の形態6]
次に、本発明の実施の形態6について、図11を用いて説明する。図11は、本発明の実施の形態6における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板201の上に形成されたクラッド層254およびコア202よりなる光導波路221を備える。コア202は、クラッド層254に埋め込まれている。また、光導波路221の導波方向に所定距離延在してコア202と光結合可能な状態に配置された活性層203を備える。また、活性層203およびクラッド層254に接して活性層203およびクラッド層254を挾んで形成された、n型半導体層205およびp型半導体層206を備える。実施の形態6でも、コア202は、基板201の側から見て活性層203の上に配置されている。また、実施の形態6においても、活性層303には、基板201の平面に平行な方向で電流が注入される。
ここで、活性層203、n型半導体層205、およびp型半導体層206も光導波路を構成している。実施の形態6におけるこの光導波路は、活性層203がコアとなり、基板201、クラッド層254、n型半導体層205、およびp型半導体層206が、クラッドとなる。実施の形態6では、上述した光導波路が、基板201と光導波路221との間に配置されていることになる。
また、n型半導体層205にコンタクト層207により接続するn型電極209と、p型半導体層206にコンタクト層208により接続するp型電極210とを備える。p型半導体層206およびn型半導体層205は、基板201の平面に平行な方向で活性層203を挾んで形成されている。
また、実施の形態6でも、光導波路221の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層254の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層207とコンタクト層208との間のクラッド層254、n型半導体層205、p型半導体層206の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態6における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板201は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア202は、InGaAsPから構成されている。また、活性層203は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層203の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、n型半導体層205は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層206は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。ここで、実施の形態6では、前述した実施の形態5とは異なり、クラッド層254は、アンドープのInPから構成している。
また、コンタクト層207は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層208は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層205およびp型半導体層206は、上述したパターニングなどにより活性層203,クラッド層254を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
上記構成は、クラッド層254以外は、前述した実施の形態5と同様である。実施の形態6では、クラッド層254をアンドープのInPから構成しており、半絶縁性InPと比較すると電流の絶縁性は低下するものの、作製が容易となる。
[実施の形態7]
次に、本発明の実施の形態7について、図12を用いて説明する。図12は、本発明の実施の形態6における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板201の上に形成されたクラッド層204およびコア202よりなる光導波路221を備える。コア202は、クラッド層204に埋め込まれている。また、光導波路221の導波方向に所定距離延在してコア202と光結合可能な状態に配置された活性層203を備える。また、活性層203およびクラッド層204に接して活性層203およびクラッド層204を挾んで形成された、n型半導体層205およびp型半導体層206を備える。実施の形態7でも、コア202は、基板201の側から見て活性層203の上に配置されている。実施の形態7では、コア202と基板201との間に、p型とした半導体層212を設けている。また、実施の形態7においても、活性層303には、基板201の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態7では、上述した活性層203が、基板201と光導波路221との間に配置されていることになる。
また、n型半導体層205にコンタクト層207により接続するn型電極209と、p型半導体層206にコンタクト層208により接続するp型電極210とを備える。p型半導体層206およびn型半導体層205は、基板201の平面に平行な方向で活性層203を挾んで形成されている。
また、実施の形態7でも、光導波路221の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層204の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層207とコンタクト層208との間のクラッド層204、n型半導体層205、p型半導体層206の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態7における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板201は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア202は、InGaAsPから構成されている。また、活性層203は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層203の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、クラッド層204は、半絶縁性のInPから構成され、n型半導体層205は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層206は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。ここで、実施の形態7では、半導体層212を、例えば、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成している。半導体層212は、層厚100nm程度とすれば良い。
また、コンタクト層207は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層208は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層205およびp型半導体層206は、上述したパターニングなどにより活性層203,クラッド層204を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
上記構成は、半導体層212以外は、前述した実施の形態5と同様である。実施の形態7では、p−InPから構成した半導体層212を、活性層203の下に配置している。実施の形態7の構成では、基板平面方向に活性層203を挾むn型半導体層205およびp型半導体層206による横注入構造としている。この横注入構造ではホールの注入が不均一になる問題がある。この問題に対し実施の形態7では、p型とした半導体層212を用いているので、導波路幅が広くても横方向に均一な電流注入を行うことが可能となる。電界は、ほとんど導波路領域に存在することから、p型とした半導体層212と電界との重なりは少なく、導波路損の増大を気にすることなく、電流注入効率を上げることができる。
[実施の形態8]
次に、本発明の実施の形態8について、図13を用いて説明する。図13は、本発明の実施の形態8における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板301の上に形成されたクラッド層304およびコア302よりなる光導波路321を備える。コア302は、クラッド層304に埋め込まれている。また、光導波路321の導波方向に所定距離延在してコア302と光結合可能な状態に配置された活性層303を備える。実施の形態8では、活性層303を層状とし、スラブ構造としている。
また、活性層303およびクラッド層304に接して形成されたn型半導体層305およびp型半導体層306を備える。実施の形態8では、コア302は、基板301の側から見て活性層303の上に配置されている。また、実施の形態8において、活性層303には、基板301の平面に平行な方向で電流が注入される。
実施の形態8では、上述したスラブ構造の活性層303が、基板301と光導波路321との間に配置されていることになる。
また、n型半導体層305にコンタクト層307により接続するn型電極309と、p型半導体層306にコンタクト層308により接続するp型電極310とを備える。実施の形態8において、p型半導体層306およびn型半導体層305は、基板301の側から見て、層状の活性層303の上に形成されている。また、p型半導体層306およびn型半導体層305は、光導波路321を挾んで形成されている。
また、実施の形態8においても、光導波路321の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層304の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層307とコンタクト層308との間のクラッド層304、n型半導体層305、p型半導体層306の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態8における半導体光素子は、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板301は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア302は、InGaAsPから構成されている。また、活性層303は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層303の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、クラッド層304は、半絶縁性のInPから構成され、n型半導体層305は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層306は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。
また、コンタクト層307は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層308は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層305およびp型半導体層306は、上述したパターニングなどにより活性層303,クラッド層304を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
次に、活性層303周囲における光閉じ込めの活性層幅依存性について図14A、図14Bを用いて説明する。図14Aは、p型半導体層206における光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、図14Bは、活性層303における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す。コア302のバンドギャップ波長は1.3μm、または1.4μmとし、コア302の厚さは350nmとした。活性層303とコア302との間隔は100nm、活性層303上部に配置されるクラッド層204の厚さは100nmとした。また、コア302とp型半導体層206との間隔は500nmとした。
実施の形態5に比較してわずかにp型半導体層306における損失の増大が見られるが、それでもp型半導体層306の光閉じ込めは、pn埋め込みの1/10以下であり、活性層303の光閉じ込めを増大できる効果がある。
[実施の形態9]
次に、本発明の実施の形態9について、図15を用いて説明する。図15は、本発明の実施の形態9における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板301の上に形成されたクラッド層354およびコア302よりなる光導波路321を備える。コア302は、クラッド層354に埋め込まれている。また、光導波路321の導波方向に所定距離延在してコア302と光結合可能な状態に配置された活性層303を備える。実施の形態9でも、活性層303を層状とし、スラブ導波路構造としている。
また、活性層303およびクラッド層354に接して形成されたn型半導体層305およびp型半導体層306を備える。実施の形態9では、コア302は、基板301の側から見て活性層303の上に配置されている。また、実施の形態9において、活性層303には、基板301の平面に平行な方向で電流が注入される。
ここで、活性層303、n型半導体層305、およびp型半導体層306は、上述したようにスラブ光導波路を構成している。実施の形態9におけるこのスラブ光導波路は、層状に形成した活性層303がコアとなり、基板301、クラッド層354、n型半導体層305、およびp型半導体層306が、クラッドとなる。実施の形態9では、上述したスラブ光導波路が、基板301と光導波路321との間に配置されていることになる。
また、n型半導体層305にコンタクト層307により接続するn型電極309と、p型半導体層306にコンタクト層308により接続するp型電極310とを備える。実施の形態9において、p型半導体層306およびn型半導体層305は、基板301の側から見て、層状の活性層303の上に形成されている。また、p型半導体層306およびn型半導体層305は、光導波路321を挾んで形成されている。
また、実施の形態9においても、光導波路321の延在方向に所定の長さの共振器領域において、クラッド層354の上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、コンタクト層307とコンタクト層308との間のクラッド層354、n型半導体層305、p型半導体層306の上面は、保護膜211により保護されている。実施の形態9における半導体光素子は、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板301は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア302は、InGaAsPから構成されている。また、活性層303は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層303の発光波長は1.55μmである。
また、実施の形態9では、クラッド層354を、例えば、アンドープのInPから構成し、n型半導体層305は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成し、p型半導体層306は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成している。
また、コンタクト層307は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層308は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜211は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層305およびp型半導体層306は、上述したパターニングなどにより活性層303,クラッド層354を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
実施の形態9では、アンドープのInPからクラッド層354を構成しており、他の構成は、前述した実施の形態8と同様である。半絶縁性InPより構成する場合と比較すると、電流の絶縁性は低下するが、作製が容易となる。
[実施の形態10]
次に、本発明の実施の形態10について、図16を用いて説明する。図16は、本発明の実施の形態10における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板401の上に形成された半導体層404a、活性層403、半導体層404b、コア402、半導体層404cを備える。ここで、半導体層404bを下部クラッドとし、半導体層404cを上部クラッドとし、これらにコア402が挾まれて光導波路421を構成している。
実施の形態10では、上述した活性層403が、基板401と光導波路421との間に配置されていることになる。なお、活性層403は、光導波路421の導波方向に所定距離延在して、コア402と光結合可能な状態に配置されている。実施の形態10は、コア402は、基板401の側から見て活性層403の上に配置されている。
また、活性層403に接して活性層403を挾んで形成された、n型半導体層405およびp型半導体層406を備える。実施の形態10において、n型半導体層405およびp型半導体層406は、活性層403をコアとする光導波路を挾んで形成されている。n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア402および半導体層404cの両脇には形成されていない。
また、n型半導体層405にコンタクト層407により接続するn型電極409と、p型半導体層406にコンタクト層408により接続するp型電極410とを備える。p型半導体層406およびn型半導体層405は、基板401の平面に平行な方向で活性層403を挾んで形成されている。実施の形態10において、活性層403には、基板401の平面に平行な方向で電流が注入される。また、上述したように、n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア402の両脇には形成されていないので、コア402に対しては、電流が注入されることが抑制されるようになる。このため、電流の漏れを気にする必要がない。
また、実施の形態10では、光導波路421の延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層404cの上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。なお、半導体層404cの上面は、保護膜411により保護されている。実施の形態10における半導体光素子も、共振器領域の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
基板401は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア402は、InGaAsPから構成されている。また、活性層403は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。
また、例えば、半導体層404a,半導体層404b,半導体層404cは、アンドープのInPから構成され、n型半導体層405は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層406は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。
また、コンタクト層407は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層408は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜411は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層405およびp型半導体層406は、上述したパターニングなどにより、半導体層404a,活性層403,半導体層404b,コア402,半導体層404cを形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
[実施の形態11]
次に、本発明の実施の形態11について、図17を用いて説明する。図17は、本発明の実施の形態11における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、基板401の上に形成された半導体層404a、活性層403、半導体層404b、コア412を備える。ここで、実施の形態11では、コア412がアモルファスシリコンから構成され、この周囲をクラッドとして光導波路421aを構成している。
また、実施の形態11においても、コア412は、基板401の側から見て活性層403の上に配置されている。
また、活性層403に接して活性層403を挾んで形成された、n型半導体層405およびp型半導体層406を備える。実施の形態11において、n型半導体層405およびp型半導体層406は、活性層403をコアとする光導波路を挾んで形成されている。n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア412の両脇には形成されていない。
また、n型半導体層405にコンタクト層407により接続するn型電極409と、p型半導体層406にコンタクト層408により接続するp型電極410とを備える。p型半導体層406およびn型半導体層405は、基板401の平面に平行な方向で活性層403を挾んで形成されている。実施の形態11において、活性層403には、基板401の平面に平行な方向で電流が注入される。
また、上述したように、n型半導体層405およびp型半導体層406は、コア412の両脇には形成されていないので、コア412に対しては、電流が注入されることが抑制されるようになる。このため、電流の漏れを気にする必要がない。また、結晶成長を用いることなく、スパッタやCVDといった手法で、コア412が形成できるため、簡易に導波路を形成することが可能である。
また、実施の形態11では、光導波路421aの延在方向に所定の長さの共振器領域において、半導体層404bの上面に回折格子パターン(不図示)が形成され、波長1.55μmの分布ブラッグ反射構造が構成されている。この構成においては、半導体層404bの上面は、コア412により保護されている。実施の形態11における半導体光素子も、共振器領域の両端に、無反射膜を形成することで、分布帰還型レーザとすることができる。なお、回折格子は、コア412に形成しても良い。
基板401は、例えば、半絶縁性のInPから構成され、コア412は、InGaAsPから構成されている。また、活性層403は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。
また、例えば、半導体層404a,半導体層404bは、アンドープのInPから構成され、n型半導体層405は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層406は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。
また、コンタクト層407は、Siが1×1019cm-3程度ドープされたn−InGaAsから構成され、コンタクト層408は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、保護膜411は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、n型半導体層405およびp型半導体層406は、上述したパターニングなどにより、半導体層404a,活性層403,半導体層404b,コア412を形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。なお、これらは、アンドープのInPの埋め込み再成長により各部分を形成した後、イオン注入や熱拡散法などによる不純物導入で、各々の不純物導入状態としても良い。
[実施の形態12]
次に、本発明の実施の形態12について、図18を用いて説明する。図18は、本発明の実施の形態12における半導体光素子を示す断面図である。以下では、活性層に対し、基板の平面に垂直な方向で電流が注入される場合について説明する。
この半導体光素子は、まず、クラッド層501およびコア522よりなる光導波路521を備える。コア522は、クラッド層501に埋め込まれている。なお、図示していないが、クラッド層501は、基板の上に形成されている。また、光導波路521の導波方向に所定距離延在してコア522と光結合可能な状態に配置された活性層503を備える。ここで、コア503は、n型半導体層502の上に形成され、コア503の上には、p型半導体層508が形成されている。
また、一部のn型半導体層502およびコア503は、メサ形状に形成され、この両脇が、p型埋め込み半導体層504,505に埋め込まれている。また、p型埋め込み半導体層504,505の上には、n型電流阻止層506,507が形成されている。p型半導体層508は、コア503の上から、n型電流阻止層506,507の上にかけて形成されている。
また、p型半導体層508の上には、コンタクト層509により接続するp型電極511が形成されている。ここで、活性層503が形成されている領域以外のp型電極511とコンタクト層509との間には、絶縁層510が形成されている。また、p型埋め込み半導体層504,505の形成領域より延在して形成されているn型半導体層502には、n型電極512が接続されている。
この半導体光素子では、n型半導体層502およびp型半導体層508により、活性層503に対して基板の平面に垂直な方向で電流が注入される構成となっている。この構造としても、狭線幅のレーザを実現することができる。
基板(不図示)およびクラッド層501は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたInPから構成され、コア522は、InGaAsPから構成されている。また、活性層503は、InGaAsPからなる層厚6nmの井戸層厚および層厚9nmのバリア層厚が8層積層された量子井戸構造とされている。活性層503の発光波長は1.55μmである。
また、例えば、n型半導体層502は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成され、p型半導体層508は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成されている。また、p型埋め込み半導体層504,505は、Znが1×1018cm-3程度ドープされたp−InPから構成され、n型電流阻止層506,507は、Siが1×1018cm-3程度ドープされたn−InPから構成されている。
また、コンタクト層509は、Znが1×1019cm-3程度ドープされたp−InGaAsから構成されている。また、絶縁層510は、例えば、SiO2から構成されている。
各化合物半導体層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、各導波路構造および回折格子の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング,ドライエッチングによるパターニングが用いられている。また、p型埋め込み半導体層504,505およびn型電流阻止層506,507は、上述したパターニングなどにより活性層503などを形成した後のn−InPおよびp−InPの埋め込み再成長により形成することができる。
[実施の形態13]
次に、本発明の実施の形態13について、図19を用いて説明する。図19は、本発明の実施の形態13における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、クラッド層501a,コア532,クラッド層501bよりなる光導波路521を備える。コア532は、層状とされ、クラッド層501aとクラッド層501bとに挾まれている。他の構成は、前述した実施の形態12と同様である。実施の形態13によれば、コア532は埋め込み構造ではないため、埋め込み工程が不要であり、素子作製が容易となる。
[実施の形態14]
次に、本発明の実施の形態14について、図20を用いて説明する。図20は、本発明の実施の形態14における半導体光素子を示す断面図である。
この半導体光素子は、まず、クラッド層501,コア522,上部クラッド層523よりなる光導波路521を備える。コア522は、クラッド層501の上でクラッド層523に埋め込まれている。上部クラッド層523は、アンドープのInPから構成すれば良い。他の構成は、前述した実施の形態12と同様である。実施の形態14によれば、前述した実施の形態4と同様であり、高抵抗InPによる埋め込み工程が不要であり、素子作製が容易となる。
以上に説明したように、本発明によれば、コアよりなる光導波路とは別に、光導波路の導波方向に所定距離延在してコアと光結合可能な状態に配置された活性層を設け、活性層に接してp型半導体層およびn型半導体層を形成したので、埋め込み導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
例えば、上述では、活性層をInGaAsPから構成したが、これに限るものではなく、InAlGaAsなど、その他の光半導体材料が適用可能であることは言うまでもない。動作波長も1.55μmに限らず、材料選択により自由に設計可能である。また、回折格子の形態においては、上層の半導体層に回折格子パターンを形成したが、これより上層に形成したSiN,SiO2などから構成した保護膜に、回折格子パターンを形成してもよい。また、コアや活性層上に、埋め込み回折格子を形成することも可能であることは言うまでもない。また、DFBレーザ構造を例に説明したが、これに限るものではなく、本発明は、導波路損の低い活性層用導波路を実現する点であり、この他のレーザの活性層領域や、光増幅領域として適用できることも明らかである。