JP6930378B2

JP6930378B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP6930378B2
Application number: JP2017210054A
Authority: JP
Inventors: 達郎開; 亮中尾; 松尾　慎治; 慎治松尾; 卓磨相原; 土澤　泰; 泰土澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: JP2019083268A

Description

本発明は、半導体から構成された半導体レーザに関する。

通信用光デバイスとして、Ｓｉ基板上に化合物半導体によるデバイスを集積する技術が注目されている。例えば、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）基板の上の表面シリコン層の上に化合物半導体によるレーザを形成する技術が報告されている（非特許文献１参照）。この技術では、光吸収が小さなＳｉ層の上に厚さ２００〜３００ｎｍのＩｎＰ層に埋め込みヘテロ（buried heterostructure；ＢＨ）構造のレーザを形成している。

上述した半導体レーザは、図４の断面図に示すように、基板３０１の上に形成された下部クラッド層３０２と、下部クラッド層３０２の上に形成されたシリコン層３０３と、シリコン層３０３の上に形成された絶縁層３０４と、絶縁層３０４の上に形成されたＩｎＰ層３０５と、ＩｎＰ層３０５の上に形成された上部クラッド層３０６と、ＩｎＰ層３０５に形成されたレーザ部３０７とを備える。

レーザ部３０７は、ＩｎＰ層３０５に埋め込まれた活性層３０８と、図示しない共振器と、下部クラッド層３０２の上で活性層３０８を挟んで形成されたｐ型領域３０９およびｎ型領域３１０と、第１電極３１１と、第２電極３１２とを備える。

このように、シリコン層３０３の上にレーザ部３０７を配置することで、レーザ部３０７の発振領域における光の損失を低減することができる。特許文献１の技術では、シリコン層３０３にスラブ型のコア３２１による光導波路を設けることで、上述した光の損失を、より低減するようにしている。このような構成とすることで、シリコン層３０３に形成した光回路の上で、高出力、挟線幅レーザを実現することが可能となる。

T. Aihara, T. Hiraki, K. Hasebe, T. Fujii, K. Takeda, H. Nishi, T. Tsuchizawa, T. Kakitsuka, and S. Matsuo, "Silicon nanowire waveguide integrated membrane buried heterostructure lasers", C6.2, CSW 2017, 2017.

しかしながら、上述した半導体レーザでは、ＩｎＰ層３０５に形成されるレーザ部３０７の小型化に伴い抵抗が増大し、電流注入による発熱量が大きくなる。特に、厚い下部クラッド層３０２と上部クラッド層３０６を備える基板３０１の上では、レーザ部３０７からの放熱性が悪く、活性層３０８における温度上昇が極めて大きくなる。これにより、レーザの光出力が飽和することが問題となる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、化合物半導体層におけるレーザの部分の温度上昇が防げるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上方に形成された上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に形成されたシリコンからなるシリコン層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に形成された化合物半導体からなる化合物半導体層と、化合物半導体層に形成されたレーザ部とを備え、レーザ部は、活性層と、下部クラッド層の上で活性層を挟んで化合物半導体層に形成されたｐ型領域およびｎ型領域と、ｐ型領域に接続する第１電極と、ｎ型領域に接続する第２電極とを備え、下部クラッド層および上部クラッド層の少なくとも一方は炭化シリコンから構成されている。

上記半導体レーザにおいて、シリコン層と化合物半導体層との間に形成された絶縁材料または半絶縁材料からなる分離層を備えるようにしてもよい。また、分離層は、炭化シリコンから構成してもよい。

上記半導体レーザにおいて、上部クラッド層を炭化シリコンから構成する場合、上部クラッド層の一部が基板に接触しているようにするとよい。

上記半導体レーザにおいて、下部クラッド層は炭化シリコンから構成した場合、下部クラッド層とシリコン層との間に形成された絶縁層を更に備えるようにしてもよい。

上記半導体レーザにおいて、下部クラッド層を立方晶の炭化シリコンから構成する場合、基板は単結晶シリコンから構成するとよい。

上記半導体レーザにおいて、下部クラッド層および上部クラッド層の少なくとも一方を構成する炭化シリコンは、多結晶またはアモルファス状態としてもよい。この場合、炭化シリコンは、重水素が含まれているとよい。

以上説明したように、本発明によれば、クラッドを炭化シリコンから構成するようにしたので、化合物半導体層におけるレーザの部分の温度上昇が防げるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態３における半導体レーザの構成を示す断面図である。図４は、引用文献１に示された半導体レーザの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における半導体レーザについて図１を参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコンからなるシリコン層１０３と、シリコン層１０３の上に形成された化合物半導体からなる化合物半導体層１０５と、化合物半導体層１０５の上に形成された上部クラッド層１０６と、化合物半導体層１０５に形成されたレーザ部１０７とを備える。

なお、下部クラッド層１０２と上部クラッド層１０６との間にシリコン層１０３および化合物半導体層１０５が配置されていればよく、例えば、基板１０１の側から見て、化合物半導体層１０５の上にシリコン層１０３が配置されるようにしてもよい。また、実施の形態１では、シリコン層１０３と化合物半導体層１０５との間に、絶縁材料または半絶縁材料からなる分離層１０４を備えるようにしている。

ここで、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０６の少なくとも一方が、炭化シリコン（ＳｉＣ）から構成されている。なお、レーザ部１０７は、活性層１０８と、図示しない共振器と、下部クラッド層１０２の上で活性層１０８を挟んで化合物半導体層１０５に形成されたｐ型領域１０９およびｎ型領域１１０とを備える。また、ｐ型領域１０９には、第１電極１１１が電気的に接続し、ｎ型領域１１０は第２電極１１２が電気的に接続している。

なお、実施の形態１では、シリコン層１０３にスラブ型のコア１２１による光導波路構造を設けている。レーザ部１０７の下にシリコン層１０３を設けることで、レーザ部１０７の発振領域における光の損失を低減することができる。加えて、上述したように、コア１２１による光導波路構造を設けることで、上述した光の損失がより低減できるようになる。ここで、分離層１０４は形成しなくてもよいが、この場合、コア１２１とする両脇のシリコン層１０３に、空間を設けるようにすればよい。

上述したように、実施の形態１によれば、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０６の少なくとも一方を、ＳｉＣから構成したので、レーザ部１０７が形成されている化合物半導体層１０５において、レーザ部１０７の発振動作により発生した熱は、放熱性のよいＳｉＣから構成したクラッドを介して外方へ散逸されるようになる。

例えば、下部クラッド層１０２をＳｉＣから構成した場合、化合物半導体層１０５で発生した熱は、放熱性の良いシリコン層１０３およびＳｉＣからなる下部クラッド層１０２を介して基板１０１へ散逸される。この構成では、基板１０１直下にヒートシンクやペルチェ素子を配置する。

また、上部クラッド層１０６をＳｉＣから構成した場合、化合物半導体層１０５で発生した熱は、放熱性のよい上部クラッド層１０６を介して散逸される。この構成では、上部クラッド層１０６の直上にヒートシンクやペルチェ素子を配置する。

また、下部クラッド層１０２および上部クラッド層１０６の両者をＳｉＣから構成してもよい。この構成は、最も放熱効率が良いものとなる。また、分離層１０４をＳｉＣから構成してもよい。

また、下部クラッド層１０２をＳｉＣから構成する場合、基板１０１を単結晶シリコンから構成し、下部クラッド層１０２を立方晶のＳｉＣから構成するとよい。例えば、主表面を単結晶シリコンの（１１１）面とした基板１０１であれば、基板１０１の主表面上に、単結晶の３Ｃ−ＳｉＣを結晶成長することが可能となる。

また、多結晶やアモルファスのＳｉＣから下部クラッド層１０２や上部クラッド層１０６を構成してもよい。この構成とすることで、エピタキシャル成長や基板接合などを用いることなく、安価なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による堆積プロセスにより、下部クラッド層１０２や上部クラッド層１０６をＳｉＣから構成することができる。

また、ＣＶＤ法などによりＳｉＣを堆積する場合、重水素が含まれるようにするとよい。例えば、ＳｉＣの膜中に水素が含まれると、Ｃ−Ｈボンドが形成されるようになる。このＣ−Ｈは、光通信で一般的に用いられている波長域（１．３〜１．６μｍ）に吸収を持つため、水素を多く含むＳｉＣで光導波路構造を作ると光損失が高い。ＣＶＤ法でＳｉＣを形成する場合、シラン（ＳｉＨ₄）やエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）などの原料ガスの代わりに、重水素化シラン（ＳｉＤ₄）や重水素化エチレン（Ｃ₂Ｄ₄）などの原料ガスを用い、ＳｉＣ中に、水素の代わりに重水素が含まれるようにするとよい。

このようにすることで、ＳｉＣ中には、水素ではなく重水素が含まれる状態となり、Ｃ−Ｄボンドが含まれることになる。この結果、ＳｉＣにおける光吸収波長がシフトするため、光通信波長域において光損失のない光導波路構造が作製できる。また、Ｈの同位体であるＤへの変更は、屈折率など他の膜特性にはほとんど影響はないため、設計変更なく同じ作製方法でＳｉＣによる低損失な光導波路構造を作製できる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における半導体レーザついて図２を参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコン層１０３と、シリコン層１０３の上に形成された化合物半導体層１０５と、化合物半導体層１０５の上に形成された上部クラッド層１０６と、化合物半導体層１０５に形成されたレーザ部１０７とを備える。実施の形態２でも、シリコン層１０３と化合物半導体層１０５との間に分離層１０４を備えるようにしている。

また、レーザ部１０７は、活性層１０８と、図示しない共振器と、下部クラッド層１０２の上で活性層１０８を挟んで化合物半導体層１０５に形成されたｐ型領域１０９およびｎ型領域１１０とを備える。また、ｐ型領域１０９には、第１電極１１１が電気的に接続し、ｎ型領域１１０は第２電極１１２が電気的に接続している。また、シリコン層１０３にスラブ型のコア１２１による光導波路構造を設けている。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、下部クラッド層１０２が、ＳｉＣから構成され、加えて、下部クラッド層１０２とシリコン層１０３との間に絶縁層１１３を備える。絶縁層１１３は、例えば、酸化シリコンなどの絶縁材料から構成すればよい。このように絶縁層１１３を設けることで、シリコン層１０３と、ＳｉＣからなる下部クラッド層１０２との界面の欠陥密度を低減することが可能となる。ただし、絶縁層１１３は、放熱性を妨げない程度に薄く形成することが重要となる。例えば、絶縁層１１３を酸化シリコンから構成する場合、厚さを１００ｎｍ以下とすることが好ましい。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における半導体レーザついて図３を参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成されたシリコン層１０３と、シリコン層１０３の上に形成された化合物半導体層１０５と、化合物半導体層１０５の上に形成された上部クラッド層２０６と、化合物半導体層１０５に形成されたレーザ部１０７とを備える。実施の形態３でも、シリコン層１０３と化合物半導体層１０５との間に分離層１０４を備えるようにしている。

また、レーザ部１０７は、活性層１０８と、図示しない共振器と、下部クラッド層１０２の上で活性層１０８を挟んで化合物半導体層１０５に形成されたｐ型領域１０９およびｎ型領域１１０とを備える。また、ｐ型領域１０９には、図示しない第１電極が電気的に接続し、ｎ型領域１１０は図示しない第２電極が電気的に接続している。また、シリコン層１０３にスラブ型のコア１２１による光導波路構造を設けている。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態３では、ＳｉＣから構成した上部クラッド層２０６の一部を、接触領域１０１ａにおいて、基板１０１に接触させている。例えば、レーザ部１０７以外の領域で、下部クラッド層１０２，シリコン層１０３，分離層１０４に基板１０１に到達する貫通孔を形成し、この後、ＳｉＣを堆積して上部クラッド層２０６を形成すればよい。この構成とすることで、下部クラッド層１０２および上部クラッド層２０６の両方を介して散逸される熱が、いずれも基板１０１のｐ側のヒートシンクやペルチェ素子に伝導させることが可能となる。

なお、上部クラッド層２０６は、前述した実施の形態と同様に、多結晶またはアモルファス状態の炭化シリコンから構成してもよく、この場合、重水素が含まれていてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、クラッドを炭化シリコンから構成するようにしたので、化合物半導体層におけるレーザの部分の温度上昇が防げるようになる。

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、化合物半導体層は、ＩｎＰなどの化合物半導体から構成すればよい。また、活性層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂなどの化合物半導体から構成されたバルク構造としてもよく、また、多重量子井戸構造としてもよい。

また、上述では、基板平面方向に、活性層を挟んでｐ型領域およびｎ型領域を配置したが、これに限るものではなく、基板平面の法線方向に、活性層を挟んでｐ型領域およびｎ型領域を配置してもよい。また例えば、レーザ部は、外部共振器型、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型、ＤＦＢ（Distributed Feedback）型のいずれであってもよい。

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…シリコン層、１０４…分離層、１０５…化合物半導体層、１０６…上部クラッド層、１０７…レーザ部、１０８…活性層、１０９…ｐ型領域、１１０…ｎ型領域、１１１…第１電極、１１２…第２電極、１２１…コア。

Claims

基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上方に形成された上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に形成されたシリコンからなるシリコン層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に形成された化合物半導体からなる化合物半導体層と、
前記化合物半導体層に形成されたレーザ部と
を備え、
前記レーザ部は、
活性層と、
前記下部クラッド層の上で前記活性層を挟んで前記化合物半導体層に形成されたｐ型領域およびｎ型領域と、
前記ｐ型領域に接続する第１電極と、
前記ｎ型領域に接続する第２電極と
を備え、
前記下部クラッド層および前記上部クラッド層の少なくとも一方は炭化シリコンから構成され、
前記基板からみて、前記シリコン層の上または下に前記化合物半導体層が配置され、
前記ｐ型領域および前記ｎ型領域は、前記基板に平行な方向で前記活性層を挟んでいる
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１記載の半導体レーザにおいて、
前記シリコン層と前記化合物半導体層との間に形成された絶縁材料または半絶縁材料からなる分離層を備える
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項２記載の半導体レーザにおいて、
前記分離層は、炭化シリコンから構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記下部クラッド層は炭化シリコンから構成され、
前記下部クラッド層と前記シリコン層との間に形成された絶縁層を更に備えることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記上部クラッド層は炭化シリコンから構成され、
前記上部クラッド層の一部が前記基板に接触している
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記下部クラッド層は立方晶の炭化シリコンから構成され、
前記基板は単結晶シリコンから構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記下部クラッド層および前記上部クラッド層の少なくとも一方を構成する炭化シリコンは、多結晶またはアモルファス状態であることを特徴とする半導体レーザ。
請求項７記載の半導体レーザにおいて、
前記炭化シリコンは、重水素が含まれていることを特徴とする半導体レーザ。