JP2007243019A - 光半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】
横高次モードの発生を抑制し、素子抵抗の増大を抑制できる、側壁上垂直溝回折格子を有する光半導体素子を提供する。
【解決手段】
光半導体素子は、半導体基板と、半導体基板上方に成長された積層をエッチングすることによって形成され、側壁によって幅が規定された導波路構造であって、導波方向に沿って幅の広い広幅部と、幅の狭い狭幅部と、広幅部と狭幅部とを接続する中間部とを有する導波路構造と、導波路構造の広幅部と狭幅部の少なくともいずれかの側壁上に形成され、垂直方向の溝が導波方向に沿って周期的に配置され、導波路構造の伝播光の波長を規定する回折格子と、を有し、狭幅部が高次横モードに対して５０％以上の損失を与えるように形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回折格子を有する光半導体素子に関し、特に垂直溝回折格子を有する光半導体素子に関する。
回折格子を備えた、分布帰還型（distributedfeedback, ＤＦＢ）レーザおよび分布ブラッグ反射器型（distributed Bragg reflector,ＤＢＲ）レーザの回折格子作成方法として、１）下部成長層面上に回折格子パターンを形成し、その上に上部結晶層を再成長し、成長層界面に回折格子を形成する再成長法と、２）積層構造表面からエッチングを行い、導波路構造側面上に導波方向に周期的に配置された垂直溝を形成して回折格子を構成する積層一括エッチング法とが知られている。再成長法１）は、結晶成長を２回に分ける必要があり、コストの増加を招きやすい。また、下部成長層表面がＡｌを含む材料で形成されている場合、再成長自身が容易でなくなる可能性がある。低コスト化が要求される用途には、多くの場合、積層一括エッチング法２）の方が好ましい。
Oku et al.:IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.5, no.3, p.682, 1999は、ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓ歪量子井戸活性層を含む積層ウエハを深さ７００ｎｍ、または８００ｎｍエッチングして１５０ｎｍ周期の回折格子を形成し、発振波長９８０ｎｍのＤＢＲレーザおよびＤＦＢレーザを形成し、得られたレーザ特性をファブリペロー型レーザの特性と比較して報告している。
積層一括エッチング法２）は、積層構造を深くエッチングすることで導波路構造と回折格子とを同時に形成できる簡便な製造法と言える。しかし、導波路幅をある程度以上狭くしないと、導波路幅方向に光強度のピークが２ヶ所以上現れる横高次モードが発振しやすくなる。横高次モードを抑制するために導波路幅を狭くすると、素子抵抗が増大しやすい。
特開２００３−１５２２７３号は、回折格子をＧａＡｓなどの吸収体で覆って損失を与え、横高次モードを抑制することを提案する。この方法は、基本モードにも損失を与え、閾値の上昇や、効率の低下を招きやすい。
特開２００１−１３３６４７号は、導波路構造側壁上に導波路内有効波長λに対して、λ／２より大きくλより小さい周期で回折格子を形成し、高次モードを除去することを提案する。回折格子は、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザの回折格子とは異なる機能を果たす。
Oku et al.:IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.5, no.3, p.682, 1999
特開２００３−１５２２７３号公報 特開２００１−１３３６４７号公報
本発明の目的は、横高次モードの発生を抑制できる、側壁上垂直溝回折格子を有する光半導体素子を提供することである。
本発明の他の目的は、横高次モードの発生を抑制し、素子抵抗の増大を抑制できる、側壁上垂直溝回折格子を有する光半導体素子を提供することである。
本発明の１観点によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上方に成長された積層をエッチングすることによって形成され、側壁によって幅が規定された導波路構造であって、導波方向に沿って幅の広い広幅部と、幅の狭い狭幅部と、広幅部と狭幅部とを接続する中間部とを有する導波路構造と、
前記導波路構造の広幅部と狭幅部の少なくともいずれかの側壁上に形成され、垂直方向の溝が導波方向に沿って周期的に配置され、前記導波路構造の伝播光の波長を規定する回折格子と、
を有し、前記狭幅部が高次横モードに対して損失を与えるように形成された光半導体素子
が提供される。
狭幅部が横高次モードを抑制し、広幅部が素子抵抗の増大を抑制する。
図１Ａは、本発明の第１の実施例によるリッジ型レーザを示す。ｎ型（００１）ＧａＡｓ基板１上に、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）により、厚さ１．４μｍのｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層２、多重量子ドット層を含む活性層３、厚さ１．４μｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層４、厚さ０．４μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５を成長する。
図１Ｂに示すように、活性層３は、例えば厚さ３６ｎｍのＧａＡｓバリア層３ｂを成長した後、格子不整合の大きなＩｎＡｓを分子層オーダで成長し、臨界厚を越えると量子ドットが形成されるStranski-Krastanov成長モード（Ｓ−Ｋモード）による自己形成法によりＩｎＡｓ量子ドット層３ｑｄを形成し、厚さ３６ｎｍのＧａＡｓバリア層３ｂで覆う。さらに、ＩｎＡｓ量子ドット層３ｑｄと厚さ３６ｎｍのＧａＡｓバリア層３ｂのペアを９回繰り返して成長する。このようにして１０層の量子ドット層を含む活性層３を形成する。なお、量子ドット層の形成に関しては、例えば、特許第３６７２６７８号公報（対応米国特許第３，６７２，５２７号）の段落００１３−００７０を参照することができる。なお、ＧａＡｓバリア層３ｂの上にＩｎＧａＡｓキャップ層３ｃを設け、発振波長を調整することもできる。
図１Ａに戻り、形成した半導体積層上に、例えば厚さ３００ｎｍ酸化シリコン層を化学気相堆積（ＣＶＤ）等により形成し、その上に電子線レジスト膜を塗布する。電子線レジスト膜にリッジ導波路および回折格子のパターンを露光し、現像する。レジストパターンを酸化シリコン層に転写してハードマスクを形成する。なお、導波路の伝播方向を長さ、横方向を幅と呼ぶ。
図１Ｃに示すように、マスクパターンＭＰは、リッジ導波路部ＷＧの両側に回折格子部ＤＧを備え、例えば全幅は６μｍ、有効全長さは５００μｍである。導波路部ＷＧは、両端に幅４μｍ、長さ１２５μｍの広幅部ＷＧｗ、中央に幅１．５μｍ、長さ５０μｍの狭幅部ＷＧｎ、広幅部と狭幅部の間に導波路幅が徐々に変化する長さ１００μｍのテーパ型中間部ＷＧｉを有する。中間部ＷＧｉの導波路幅は狭幅部ＷＧｎの導波路幅から広幅部ＷＧｗの導波路幅まで連続的にリニアに変化している。回折格子ＤＧは、長さ方向は導波路部の構成に従った広幅部ＤＧｗ、狭幅部ＤＧｎ、中間部ＤＧiに分かれ、全幅６μｍから導波路幅を差し引いた幅を有する。
図１Ｄは、回折格子部ＤＧの構成を概略的に示す。導波路幅が変化すると有効屈折率も変化する。したがって目的とする波長の光を選択的に反射する回折格子の周期（格子定数）も変化する。広幅部の回折格子ＤＧｗの周期は１９２．６ｎｍとし、狭幅部の回折格子ＤＧｎの周期は１９３．１ｎｍとする。導波路幅が徐々に変化する中間部ＤＧｉにおいては、回折格子の周期を１９２．６ｎｍから１９３．１ｎｍの間で例えば線形に変化させる。回折格子の周期は変化するが、有効屈折率を考慮した時の、選択波長は同一の約１．２８μｍである。
導波路幅方向の回折格子の歯の部分の長さ（回折格子の格子長）は、回折格子部ＤＧの幅と等しく、広幅部ＤＧｗでは１μｍ、狭幅部ＤＧｎでは２．２５μｍとなる。狭幅部の回折格子長を長くすることにより、狭幅部での横基本モードの選択性を強くすることが可能となる。
図１Ａに戻り、ハードマスクＭＰをエッチングマスクとして、半導体積層を表面から、ｐ型クラッド層４の厚さの一部を残す深さまで、または最上バリア層３ｂが露出する深さまで、（Ｂｒ２＋Ｎ２）混合ガスなどにより異方性エッチングする。このようにして、側壁上に垂直溝回折格子を備えたリッジ型導波路構造を形成する。リッジ型導波路を紫外線硬化樹脂などの対象波長で透明な絶縁体６で埋め込み、上面と下面に電流注入用の電極７，８を形成する。導波路構造の両端をへき開し,キャビティを形成する。必要に応じて端面に所望反射率の反射膜９を形成する。
図１Ｅは、反射膜９の構成例を示す。低屈折率膜ｎＬとして酸化シリコン膜、高屈折率膜ｎＨとしてシリコン膜を用い、交互に積層することで所望の反射率を実現する。例えば、低屈折率膜、高屈折率膜を１ペア積層することで８０％の反射率、２ペア積層することで９３−９５％の反射率が得られる。低屈折率膜の単層または低屈折率膜、高屈折率膜の多層膜で無反射膜を形成することもできる。図１Ａの構成では無反射膜を形成する。なお、半導体レーザの製造方法としては、例えば非特許文献１等で公知の方法を利用できる。
本構成によれば、横基本モードは損失を受けないが、横高次１次モードは約５０％の損失を受けることが計算により判明した。横高次モードが抑制されることが判る。全素子長に亘って導波路幅を１．５μｍにした場合と比べ、素子上部のオーミックコンタクトの面積が約２倍になり、素子抵抗の増加を抑制できる。
なお、上記した素子の各部の寸法は例示であり、種々変更可能である。例えば、狭幅部ＷＧｎの導波路幅を０．８μｍとすると、横基本モードは損失を受けないが、横高次１次モードは約９３％の損失を受けることになる。横高次１次モードを著しく抑制できることになる。この場合、全素子長に亘って導波路幅を０．８μｍにした場合と比べ、素子上部のオーミックコンタクト面積は約３．８倍となる。素子抵抗の増大を抑制できる。
広幅部ＷＧｗの長さを５０μｍ、狭幅部ＷＧｎの長さを２００μｍと変更すると、基本モードは損失を受けず、横高次１次モードの損失は約７０％となる。横高次モードを有効に抑制できる。全素子長に亘って導波路幅を１．５μｍにした場合と比べ、素子上部のオーミックコンタクトの面積は約１．６倍となり、素子抵抗の増大を抑制できる。以下、第１の実施例の変形例を説明する。
図２Ａは、導波路幅方向の回折格子の長さを全素子長に亘って一定とした構成を示す。広幅部ＤＧｗから狭幅部ＤＧｎに亘って回折格子の格子長は一定値Ｌｃである。横高次モードの抑制効果が低減し、横基本モードの閾値利得がやや上昇する。横高次モード抑制効果、素子抵抗増大抑制効果はある。
図２Ｂは、導波路構造と回折格子を併せた全リッジ構造の幅を素子長方向で変化させる構成を示す。全リッジ構造の幅を一定にする必要はない。狭幅部で全リッジ構造の幅が広がる構成を示したが、狭幅部で幅を狭めてもよい。
図２Ｃは、中間部ＤＧｉの回折格子の周期を、狭幅部の回折格子の周期Ｐｎ、広幅部の回折格子の周期Ｐｗの中間の一定の周期Ｐｉとした構成を概略的に示す。マスク形成手順が簡略化できる。
図２Ｄは、中間部ＤＧｉの回折格子の周期を，狭幅部の回折格子の周期Ｐｎ、広幅部の回折格子の周期Ｐｗの間でＰｉ１，Ｐｉ２，Ｐｉ３と階段状に変化させた構成を概略的に示す。
図２Ｅは、回折格子の周期を、狭幅部ＤＧｎ、中間部ＤＧｉ、広幅部ＤＧｗで一定の値Ｐｃとした構成を示す。波長選択性がやや低下するが横高次モードの抑制効果、素子抵抗増大の抑制効果はある。
図２Ｆは、中間部ＷＧｉの導波路幅を連続的に変化させる代わりに、広幅部ＷＧｗの導波路幅と狭幅部ＷＧｎの導波路幅の中間の幅にした構成を示す。中間部の導波路幅を階段的に変化させることも可能である。接続部での損失が増えるが、横高次モードの抑制効果、素子抵抗の増大抑制効果はある。
図２Ｇは、中間部ＷＧｉには回折格子を設けない構成を示す。波長選択性が低下するが横高次モードの抑制効果、素子抵抗増大の抑制効果はある。
図２Ｈは、導波路の一端に広幅部ＷＧｗ、他端に狭幅部ＷＧｎその間を中間部ＷＧｉで接続した構成を示す。狭幅部、広幅部はそれぞれ１つ以上必要であるがその配置は様々に変更できる。
図２Ｉは、図２Ｈの構成からさらに、広幅部ＷＧｗ、中間部ＷＧｉには回折格子を設けない構成を示す。狭幅部ＷＧｎのみに回折格子を設ける代わりに広幅部ＷＧｗのみに回折格子を設けることも可能である。回折格子を設けない端部には無反射膜は形成しない。高反射膜を形成してもよい。ＤＦＢレーザとするためには、無反射膜９を設けた端面側には回折格子が必要である。
図２Ｊは、全素子長内に複数の狭幅部ＷＧｎを形成した構成を示す。共振器長に応じて狭幅部の数を増加することができる。
以上説明した変形例は、可能な範囲で種々組み合わせることもできる。
図３は、本発明の第２の実施例によるハイメサ構造のＤＦＢ半導体レーザの構成を示す。第１の実施例同様、ｎ型（００１）ＧａＡｓ基板１上に、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）により、厚さ１．４μｍのｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層２、多重量子ドット層を含む活性層３、厚さ１．４μｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層４、厚さ０．４μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５を成長する。
形成した半導体積層上に、例えば厚さ３００ｎｍ酸化シリコン層を化学気相堆積（ＣＶＤ）等により形成し、その上に電子線レジスト膜を塗布する。電子線レジスト膜にリッジ導波路および回折格子のパターンを露光し、現像する。レジストパターンを酸化シリコン層に転写してハードマスクを形成する。
ハードマスクをエッチングマスクとして、半導体積層を表面から、ｐ型コンタクト層５、ｐ型クラッド層４、活性層３を貫通し、ｎ型クラッド層２の中間深さまでエッチングする。このようにして、側壁上に垂直溝回折格子を備えたハイメサ型導波路構造を形成する。ハイメサ型導波路を紫外線硬化樹脂などの対象波長で透明な絶縁体６で埋め込み、上面と下面に電流注入用の電極７，８を形成する。導波路構造の両端をへき開し,キャビティを形成する。必要に応じて端面に所望反射率の反射膜９を形成する。このようにして、ハイメサ構造の半導体レーザが形成される。この実施例の場合も、図２Ａ−２Ｊに示した変形例が可能である。
図４は、活性層３の変形例を示す。バリア層３ｂ、ウェル層３ｗを交互に積層し、両端はバリア層３ｂとする。多重量子井戸構造の活性層が形成される。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｓ系材料の積層を形成したが、これに代え、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系材料やＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を用いて積層を形成してもよい。量子ドットはＩｎＡｓＳｂ等で形成してもよい。量子ドット活性層の代わりに、量子井戸活性層、量子細線活性層、バルク活性層を用いてもよい。活性層をドープすることも可能である。全ての導電型を反転してもよい。高抵抗基板を用いることも可能である。素子全体を能動活性層としたアクティブＤＦＢレーザあるいはＤＢＲレーザの代わりに、パッシブ導波路を含むＤＢＲレーザを形成してもよい。その他、種々の変形、改良、組合わせなどが可能なことは当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上方に成長された積層をエッチングすることによって形成され、側壁によって幅が規定された導波路構造であって、導波方向に沿って幅の広い広幅部と、幅の狭い狭幅部と、広幅部と狭幅部とを接続する中間部とを有する導波路構造と、
前記導波路構造の広幅部と狭幅部の少なくともいずれかの側壁上に形成され、垂直方向の溝が導波方向に沿って周期的に配置され、前記導波路構造の伝播光の波長を規定する回折格子と、
を有し、前記狭幅部が高次横モードに対して５０％以上の損失を与えるように形成された光半導体素子。
（付記２）
前記狭幅部の導波路幅は、前記広幅部の導波路幅の７５％以下である付記１記載の光半導体素子。
（付記３）
前記導波路構造の両端はへき開され、キャビティを構成している付記１または２記載の光半導体素子。
（付記４）
前記キャビティ端面の少なくともいずれかの上に形成された反射膜をさらに有する付記３記載の光半導体素子。
（付記５）
前記回折格子は、前記導波路構造の広幅部、狭幅部いずれの側壁上にも形成されている付記１−４のいずれか１項記載の光半導体素子。
（付記６）
前記狭幅部の回折格子の周期は、前記広幅部の回折格子の周期より長い付記５記載の光半導体素子。
（付記７）
前記狭幅部の回折格子と前記広幅部の回折格子の各周期は、前記導波路構造の等価屈折率に基づいて決定され、同一の伝播波長を規定する付記６記載の光半導体素子。
（付記８）
前記狭幅部の回折格子の導波路幅方向格子長は、前記広幅部の回折格子の導波路幅方向格子長より長い付記５−７のいずれか１項記載の光半導体素子。
（付記９）
前記回折格子は、前記導波路構造の中間部側壁上にも形成され、前記中間部の回折格子の周期は、前記広幅部の周期から前記狭幅部の周期までの範囲内の値を有する付記５−８のいずれか１項記載の光半導体素子。
（付記１０）
前記狭幅部の回折格子の導波路幅方向格子長は、前記広幅部の回折格子の導波路幅方向格子長より長く、前記中間部の回折格子の導波路幅方向格子長は前記狭幅部に向かって徐々に長くなる付記９記載の光半導体素子。
（付記１１）
前記導波路構造は、リッジ導波路を構成する付記１−１０のいずれか１項記載の光半導体素子。
（付記１２）
前記積層が下側クラッド層、活性層、上側クラッド層を含み、前記導波路構造は、前記上側クラッド層までのエッチングで形成されている付記１１記載の光半導体素子。
（付記１３）
前記導波路構造は、ハイメサ導波路を構成する付記１−１０のいずれか１項記載の光半導体素子。
（付記１４）
前記積層が下側クラッド層、活性層、上側クラッド層を含み、前記導波路構造は、前記上側クラッド層、前記活性層を貫通するエッチングで形成されている付記１３記載の光半導体素子。
（付記１５）
前記半導体基板がＧａＡｓ基板である付記１２または１４記載の光半導体素子。
（付記１６）
前記活性層がＩｎＡｓ量子ドットを含む付記１５記載の光半導体素子。
（付記１７）
前記半導体基板がＩｎＰ基板である付記１２または１４記載の光半導体素子。
（付記１８）
前記活性層がＩｎＡｓＳｂ量子ドットを含む付記１７記載の光半導体素子。
図１Ａ−１Ｅは、本発明の第１の実施例によるリッジ型半導体レーザを示す斜視図、断面図、平面図である。 ／ ／ 第１の実施例の変形例を示す平面図である。 本発明の第２の実施例によるハイメサ型半導体レーザを示す斜視図である。 活性層の変形例を示す断面図である。
符号の説明
１ 半導体基板
２ 下側クラッド層
３ 活性層
４ 上側クラッド層
５ コンタクト層
７，８ 電極
９ 反射膜
ＷＧ 導波路部
ＤＧ 回折格子部

Claims (11)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上方に成長された積層をエッチングすることによって形成され、側壁によって幅が規定された導波路構造であって、導波方向に沿って幅の広い広幅部と、幅の狭い狭幅部と、広幅部と狭幅部とを接続する中間部とを有する導波路構造と、
    前記導波路構造の広幅部と狭幅部の少なくともいずれかの側壁上に形成され、垂直方向の溝が導波方向に沿って周期的に配置され、前記導波路構造の伝播光の波長を規定する回折格子と、
    を有し、前記狭幅部が高次横モードに対して損失を与えるように形成された光半導体素子。
  2. 前記回折格子は、前記導波路構造の広幅部、狭幅部いずれの側壁上にも形成されている請求項１記載の光半導体素子。
  3. 前記狭幅部の回折格子の周期は、前記広幅部の回折格子の周期より長い請求項２記載の光半導体素子。
  4. 前記狭幅部の回折格子と前記広幅部の回折格子の各周期は、前記導波路構造の等価屈折率に基づいて決定され、同一の伝播波長を規定する請求項３記載の光半導体素子。
  5. 前記狭幅部の回折格子の導波路幅方向格子長は、前記広幅部の回折格子の導波路幅方向格子長より長い請求項２−４のいずれか１項記載の光半導体素子。
  6. 前記回折格子は、前記導波路構造の中間部側壁上にも形成され、前記中間部の回折格子の周期は、前記広幅部の周期から前記狭幅部の周期までの範囲内の値を有する請求項２−５のいずれか１項記載の光半導体素子。
  7. 前記狭幅部の回折格子の導波路幅方向格子長は、前記広幅部の回折格子の導波路幅方向格子長より長く、前記中間部の回折格子の導波路幅方向格子長は前記狭幅部に向かって徐々に長くなる請求項６記載の光半導体素子。
  8. 前記狭幅部は、高次横モードに対して５０％以上の損失を与える請求項１−７のいずれか１項記載の光半導体素子。
  9. 前記前記狭幅部の導波路幅は、前記広幅部の導波路幅の７５％以下である請求項１−８のいずれか１項記載の光半導体素子。
  10. 前記導波路構造は、リッジ導波路を構成する請求項１−９のいずれか１項記載の光半導体素子。
  11. 前記導波路構造は、ハイメサ導波路を構成する請求項１−９のいずれか１項記載の光半導体素子。
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