JP2008305853A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】集積化に適した光共振器構造を有する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】シリコン基板上でシリコン基板の表面に対して略平行な方向に隣接して設けられたｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎホモ接合部を発光部として有する半導体発光素子であって、ｐｎホモ接合部は、発光部における発光波長の整数倍と整合した周期で蛇行している。
【選択図】図１
【解決手段】シリコン基板上でシリコン基板の表面に対して略平行な方向に隣接して設けられたｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎホモ接合部を発光部として有する半導体発光素子であって、ｐｎホモ接合部は、発光部における発光波長の整数倍と整合した周期で蛇行している。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、シリコン系のＬＳＩチップ上に設けて光配線光源として用いる場合に有用な半導体発光素子に関する。
バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）の飛躍的な動作速度向上が図られてきている。しかしながら、トランジスタの微細化による性能向上の一方で、それを接続する電気配線は微細化により配線抵抗や配線間容量の増大が深刻な問題となり、ＬＳＩ性能向上のボトルネックになりつつある。
このような電気配線の問題を鑑み、ＬＳＩ内を光で接続する光配線ＬＳＩが幾つか提案されている。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数で損失の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害なども無いため数１０Ｇｂｐｓ以上の配線が容易に実現できる。
光配線光源として用いる半導体発光素子としては、ＬＳＩへの集積を目的とするため光を伝送する光導波路との結合が簡便に行え、ＬＳＩプロセスとの適合性が高い必要があり、ＬＳＩ内光配線では光源としてシリコン系発光素子を用いることが望ましく、例えば非特許文献１に記載されているようなシリコン系半導体発光素子が知られている。
非特許文献１に開示されたものは自然放出光を放出する発光ダイオードであり、動作速度がキャリア寿命で制限されるため、あまり高速の動作は望めない。このため、例えばＧＨｚ帯の高速動作を実現するためには半導体レーザやＳＬＤ（Super Luminescent Diode）などの誘導放出現象を利用するデバイスとする必要がある。
"Japanese Journal of Applied Physics"、２００６年、Vol.45、No.27、p.L679
"Japanese Journal of Applied Physics"、２００６年、Vol.45、No.27、p.L679
本発明は、集積化に適した光共振器構造を有する半導体発光素子を提供する。
本発明の一態様によれば、シリコン基板上で前記シリコン基板の表面に対して略平行な方向に隣接して設けられたｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎホモ接合部を発光部として有する半導体発光素子であって、前記ｐｎホモ接合部は、前記発光部における発光波長の整数倍と整合した周期で蛇行していることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、シリコン基板上で前記シリコン基板の表面に対して略平行な方向に隣接して設けられたｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎホモ接合部を発光部として有する半導体発光素子であって、前記ｐｎホモ接合部の幅が、前記発光部における発光波長の１／２の整数倍と整合した周期で周期的に変化していることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
本発明によれば、集積化に適した光共振器構造を有する半導体発光素子が提供される。
本発明の実施形態に係る半導体発光素子の用途の一つとして光配線光源が挙げられ、この場合にシリコン系材料を用いたＬＳＩプロセスとの整合性を高くするために本実施形態に係る半導体発光素子では発光部をシリコン系の半導体材料から構成し、さらに高速動作のために誘導放出を利用する構造としている。
誘導放出促進のための光共振器構造としては端面ミラー（ファブリペロー）が挙げられるが、発光素子を光配線や受光素子と共に同じチップに集積化する構成では、発光素子の端面は同じシリコン系の光導波路と一体に結合され、端面での屈折率差による反射を利用しにくい構造となる。そこで、本実施形態では、半導体発光素子の発光部に設けた周期構造を光共振器として利用する構造としている。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。ここでは幾つかの具体的材料を示して説明を行っていくが、これはＬＳＩプロセスに適合する材料であれば同様に実施可能であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図２は、同半導体発光素子の断面図である。
図３は、同半導体発光素子の上面図である。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図２は、同半導体発光素子の断面図である。
図３は、同半導体発光素子の上面図である。
シリコン基板１の上にはシリコン酸化膜２が設けられ、シリコン酸化膜２の上にはｐ型半導体層４とｎ型半導体層３が設けられている。ｐ型半導体層４とｎ型半導体層３は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなるが、シリコン以外にも、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などを用いてもよい。ｐ型半導体層４とｎ型半導体層３とは、シリコン基板１の表面に対して略平行な方向に隣接してｐｎホモ接合し、このｐｎホモ接合部５０が発光部として機能する。
ｐ型半導体層４、ｎ型半導体層３は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造におけるシリコン層を加工したものであり、そのシリコン層にそれぞれｐ型不純物（例えばボロン）とｎ型不純物（例えばリン）をイオン注入し、熱処理で活性化して得られる。そのとき、発光部における発光波長に応じた周期で、マスクを櫛形状にパターニングしてイオン注入を行うことで、ｐｎホモ接合部５０の周期的蛇行構造が形成される。この周期的蛇行構造の詳細については後述する。
ｐｎホモ接合部５０の形成後に、ｐ型半導体層４及びｎ型半導体層３のそれぞれの電極形成部をマスクして酸化処理を施す所謂ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）プロセスによって、ｐｎホモ接合部５０及びその近傍の膜厚が薄くされる。同時にこのＬＯＣＯＳプロセスで形成されたシリコン酸化膜５により、ｐｎホモ接合部５０のパッシベーションがなされｐｎホモ接合部５０側面の界面リークが抑制される。
このＬＯＣＯＳプロセスにより薄くされたシリコン層（ｐ型半導体層４及びｎ型半導体層３）におけるｐｎホモ接合部５０は、発光特性を持つようになる。これは、極薄いシリコン層がシリコン酸化膜２、５に挟まれ、キャリアの量子閉じ込めが行われることによる効果である。
ｐ型半導体層４においてシリコン酸化膜５の横の表面上にはｐ側電極７が設けられ、ｎ型半導体層３においてシリコン酸化膜５の横の表面上にはｎ側電極６が設けられる。ｐ側電極７、ｎ側電極６は、例えば、アルミニウム、シリサイド等からなる。
次に、ｐｎホモ接合部５０の周期的蛇行構造について詳細に説明する。
薄いシリコン層におけるｐｎホモ接合部５０は発光特性、即ち、光学利得を有するようになる。そこで、図１および図３に示すようにｐｎホモ接合部５０を発光部における発光波長に応じた周期で蛇行させると、蛇行進行方向（図３においてＡとＢとを結ぶ方向）に周期的な光学利得の変調（増減）構造が形成されることになる。即ち、図３のＡとＢとを結ぶ直線上でみると、ｐｎホモ接合部５０のある部分は光学利得が高く、ｐｎホモ接合部５０とｐｎホモ接合部５０との間の部分は少数キャリアが少なくなる分、光学利得が小さくなる。
ｐｎホモ接合部５０の蛇行周期Λ１を発光部における発光波長（蛇行進行方向を伝播する光の波長）λｅｆｆの整数倍と整合させることで、換言すれば、光学利得の変調の周期Ｌを（λｅｆｆ／２）の整数倍と整合させることで、蛇行進行方向を伝播する光に対し周期的な利得変調と、それによる光学反射を生じさせることができる。
その結果、光学的な帰還あるいは閉じ込めが可能となり、周期構造内部での光増幅が可能になる。即ち、ＳＬＤ動作が可能となり、条件によってはレーザ発振も可能となる。これにより、誘導放出によるキャリアの強制発光が行われるようになり、キャリアの実効寿命が短くなって応答速度が向上し、また、発光素子としての発光効率も向上する。
例えば、ｐｎホモ接合部５０が形成された部分のシリコン層の厚さが１．５（ｎｍ）、真空中または空気中での発光波長λ０が約８５０（ｎｍ）、シリコン層を上下に挟む両シリコン酸化膜２、５が十分厚い（例えば２０００（ｎｍ））とすると、ｐｎホモ接合部５０の蛇行進行方向に伝播する光が感じる等価屈折率ｎｅｆｆが１．４５５となり、ほぼシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の屈折率１．４５０と同じ程度である。その場合、ｐｎホモ接合部５０の蛇行周期Λ１を、発光部における発光波長λｅｆｆ＝（λ０／ｎｅｆｆ）＝５８４（ｎｍ）、あるいはその整数倍とすることで、ｐｎホモ接合部５０の周期的蛇行構造での光学的な帰還あるいは閉じ込めが可能になる。
特に、蛇行周期Λ１を、λｅｆｆの２倍の１１６８（ｎｍ）とすると、２次回折効果による垂直放射成分が発生し、この光に対してシリコン酸化膜５は透明であり、素子表面に対して略垂直な方向（図２において上方向）に光を取り出すことも可能になる。この場合、例えば多層配線構造のＬＳＩにおいて発光素子より上層に設けられた要素への光導波が可能となる。
一般に、活性層（発光層）に沿って回折格子を形成し、回折格子による光帰還でレーザ発振を行わせるＤＦＢ（Distributed Feed Back）半導体レーザ（以下ＤＦＢレーザと記す）の場合、ヘテロ界面に回折格子を形成したり、活性層そのものを周期的に分断して回折格子としたりするため、周期的な光学反射機構が屈折率の空間変調（屈折率変調）によるものとなる。この場合、レーザ発振は回折格子のブラッグ反射波長ではなく、ブラッグ波長を中心としたストップバンド（発振禁止帯）の外側の２つの波長が基本発振モードとなってしまう。また、実際には回折格子の終端位相などによって２つの基本発振モードのいずれか、または両方が発振し、条件によっては２つの基本モード間でモードジャンプして大きな雑音を発するといった問題が発生する。このような問題を解決するには、回折格子を屈折率変調ではなく光学利得変調とする方法が有効である。光学利得変調の場合、発振波長は丁度ブラッグ反射波長になり、原理的に単一波長でのレーザ発振が可能になる。ところが、一般的なＤＦＢレーザは、半導体ヘテロ接合構造を基本としているため、活性層の光学利得のみを変調するように構成しようとしても、何らかの屈折率変調を伴ってしまい、純粋な光学利得変調構造の実現が困難であった。
これに対して、本実施形態のようにｐｎホモ接合部５０を蛇行させて光学利得の周期変調を行うものでは、屈折率をほとんど変化させない純粋な光学利得変調構造が実現可能となる。ｐ型半導体層４とｎ型半導体層３は、その不純物濃度のレベルによりわずかな屈折率の差を生じることがあるが、その差はわずかであり、また、それぞれの不純物濃度を加減してやることで実質的な屈折率の差をなくすことも可能である。
屈折率をほとんど変化させない純粋な光学利得変調構造が実現可能となることで、基本発振モードが原理的に単一モードとなる光学利得変調型のＤＦＢレーザが実現可能となる。従って、本実施形態によれば、回折格子の終端位相などによる発振波長のばらつきのない、原理的に単一波長で安定発振可能な半導体発光素子を提供できる。また、レーザ発振させないまでも、誘導放出による光増幅の混在するＳＬＤ動作においても、誘導放出中心が1つに集中している分、効率の良いＳＬＤ動作が可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、シリコン系誘導放出型半導体発光素子が、標準的なＬＳＩプロセスとの整合性が高く再現性や信頼性の非常に高い簡易なプロセスで作製でき、ＬＳＩチップ上での高速光配線光源としての適用が容易に実現可能となる。これにより、ＬＳＩオンチップ光配線の実用性を大幅に高め、情報通信機器などの高度化に大きく貢献することができる。
なお、蛇行進行方向（図３におけるＡとＢとを結ぶ方向）に伝播する光の基本横モードは１／２波長程度の広がりを持ち、導波光が効率よく光学利得の周期変調を感受するために必要な幅として、ｐｎホモ接合部の蛇行うねり幅（図３におけるＡとＢとを結ぶ方向に対して直交する方向のうねり幅）ｗは、発光部における発光波長の１／２以上であることが望ましい。
また、薄膜シリコン層は抵抗値が高くなるため、発光に必要な横幅部分を除き、外側（電極６、７側）に向かって徐々にシリコン層（ｐ型半導体層４及びｎ型半導体層３）が厚くなる構成としても良い。この構成を実現するには、前述したＬＯＣＯＳプロセスあるいはＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）プロセスを多段化して酸化によるシリコン層の薄層化を、図２における横方向に異ならせる方法を用いることができる。あるいは、ＬＯＣＯＳプロセスの選択酸化領域の幅を予め狭く設定しておいて、マスク下への酸化の広がりによるバーズピークを利用してシリコン層が外側に向かって徐々に厚くなる構造を形成することができる。
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図５は、同半導体発光素子の断面図である。
図４、５において前述した第１の実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図５は、同半導体発光素子の断面図である。
図４、５において前述した第１の実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態では、発光部近傍に、ｐｎホモ接合部５０の蛇行進行方向に光を導波する光導波構造を設けている。具体的には、シリコン酸化膜５において、発光部（ｐｎホモ接合部５０の蛇行部）の上の部分（リッジ部）８ａと、その外側の横の部分８ｂとで膜厚差をつけている。
シリコン酸化膜５において、発光部（ｐｎホモ接合部５０の蛇行部）の上のリッジ部８ａは、その横の部分８ｂより厚く、発光部の横の部分８ｂは発光部上のリッジ部８ａより薄くなっている。このため、ｐｎホモ接合部５０の蛇行進行方向に進む光が感じる屈折率は、リッジ部８ａで高く、その横の部分８ｂで低くなり、光がリッジ部８ａに閉じ込められた状態で蛇行進行方向に伝播する。
これにより、光の横方向への散逸が抑制され、ｐｎホモ接合部５０の周期的蛇行構造での光帰還が効果的に行われるようになる。また、導波される光の横モードが安定し、モード変動による動作不安定性が抑圧され、光導波路などへの光結合効率も高くなる効果も得られる。
前述したようなリッジ構造は、例えば、シリコン酸化膜５において発光部より外側の部分を選択的に削る（エッチングする）ことで形成できるが、そのエッチング量や膜厚などは光学的なモード設計により適宜設定できる。また、シリコン酸化膜５を削るのではなく、シリコン酸化膜５において発光部の上の部分に選択的にシリコン酸化膜５より高屈折率な例えばシリコン窒化膜を設けることで、前述したリッジ構造を形成してもよい。
［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図７は、同半導体発光素子の断面図である。
図８は、図７におけるＸ−Ｘ断面図である。
なお、前述した実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図７は、同半導体発光素子の断面図である。
図８は、図７におけるＸ−Ｘ断面図である。
なお、前述した実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態においても、シリコン基板１の上にはシリコン酸化膜２が設けられ、シリコン酸化膜２の上には、シリコン基板１の表面に対して略平行な方向に隣接してｐｎホモ接合しているｐ型半導体層４とｎ型半導体層３とが設けられている。ｐｎホモ接合部６０は、発光部として機能するが、本実施形態では、ｐｎホモ接合部６０は蛇行しておらず、直線状に形成されている。
シリコン酸化膜５において、ｐｎホモ接合部６０及びそのｐｎホモ接合部６０を挟む近傍部分の上の部分には、選択的にエッチング除去された窓部９が形成されている。窓部９は、ｐｎホモ接合部６０の直線的な延在方向に等間隔で（周期的に）形成されている。
窓部９を形成するためのシリコン酸化膜５の選択的な除去により、その下のシリコン層（ｐｎホモ接合部６０も含む）が露出されるが、その露出された表面に追加の酸化処理を行うことで、窓部９の下のシリコン層（ｐｎホモ接合部６０も含む）の表面に、シリコン酸化膜５より薄いシリコン酸化膜１０が形成される。この追加のシリコン酸化膜１０が形成された分、このシリコン酸化膜１０の下のシリコン層の厚さは、窓部９及びシリコン酸化膜１０が形成されていない部分の下のシリコン層より薄くなる。
すなわち、ｐｎホモ接合部６０の表面を、窓部９の形成により選択的に露出させた後に追加酸化することで、図８に示すように、ｐｎホモ接合部６０の直線的な延在方向（図８において横方向）に、ｐｎホモ接合部６０の幅（厚さ）が周期的に変化した構造が得られる。ｐｎホモ接合部６０の幅（厚さ）は、発光部における発光波長（図８において横方向を伝播する光の波長）の１／２の整数倍と整合した周期で周期的に変化している。
光の伝播方向で、ｐｎホモ接合部６０を形成したシリコン層（ｐ型半導体層４及びｎ型半導体層３）の厚さが周期的に異なるため、周期的な等価屈折率変化が現れて屈折率変調型の回折格子を有する発光素子となるが、発光部が薄膜シリコンによる量子閉じ込めを利用していることから、シリコン層（ｐｎホモ接合部６０）の厚い部分６０ａと薄い部分６０ｂとで発光波長（実効バンドギャップ）が異なること、さらに、量子閉じ込め効果の強さが異なることから発光効率も異なり、結果として空間的な光学利得変調構造も重畳した構造になる。
例えば、図８において、ｐｎホモ接合部６０（またはシリコン層）の厚い部分６０ａの厚さが１．５（ｎｍ）、追加酸化により形成されたシリコン酸化膜１０の厚さが１（ｎｍ）、このシリコン酸化膜１０の下のｐｎホモ接合部６０（またはシリコン層）の薄い部分６０ｂの厚さが０．５（ｎｍ）とすると、厚い部分６０ａは発光波長で８５０（ｎｍ）、薄い部分６０ｂは界面ラフネスの状況にも依るが発光波長で６００（ｎｍ）前後のバンドギャップとなり、これらバンドギャップ差によるキャリア注入の差が生じて、厚い部分６０ａで実質的に発光するようになる。このとき、薄い部分６０ｂはキャリア閉じ込めのバリアとなり、また、伝播光（波長８５０（ｎｍ））に対して透明な半導体となる。したがって、厚い部分６０ａで発光した波長８５０（ｎｍ）の光が実質的に利得をもって導波される。
本実施形態においても、シリコン系誘導放出型半導体発光素子が、標準的なＬＳＩプロセスとの整合性が高く再現性や信頼性の非常に高い簡易なプロセスで作製でき、ＬＳＩチップ上での高速光配線光源としての適用が容易に実現可能となる。これにより、ＬＳＩオンチップ光配線の実用性を大幅に高め、情報通信機器などの高度化に大きく貢献することができる。
本実施形態では、前述したように、屈折率変調と光学利得変調の両作用が得られるが、実質的には屈折率変調が支配的になり、屈折率変調型回折格子素子特有の基本モードの２分化（ストップバンドの発生）が起こる。しかし、回折格子（ｐｎホモ接合部６０の幅変化の周期構造）の終端端面位相を適切に選ぶことで、どちらか一方の基本モードのみ発振させる擬似単一モード発振が可能になる。
窓部９から露出したシリコン層表面にシリコン酸化膜１０を形成する追加酸化に際しては、シリコン層が完全に酸化されて残厚がゼロとなるまで酸化を進めても構わない。前述したように、厚い部分６０ａで発光した光が実質的に利得をもって発振するため、薄いシリコン層６０ｂでの発光は無駄になり、その薄いシリコン層６０ｂに供給されるキャリアも無駄になる。したがって、追加酸化部（薄いシリコン酸化膜１０）の下のシリコン層をなくした場合、薄いシリコン層を通じたリーク電流がなくなり、その分、無効電流が減少する。
また、本実施形態では、ｐｎホモ接合を直線的に形成しているため、ｐ型不純物のイオン注入工程とｎ型不純物のイオン注入工程でのマスクパターンずれの影響が少ないという効果や、窓部９のエッチングが選択エッチングのため再現良く加工できるなど、プロセス上のばらつきが少ないという利点がある。
［第４の実施形態］
図９は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図１０は、同半導体発光素子の断面図であり、ｐｎホモ接合の延在方向（光伝播方向）に対して略平行な方向の断面を示す。
本実施形態に係る半導体発光素子の主要構造は第３の実施形態に係る半導体発光素子と同じであり、その詳細な説明は省略する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。
図１０は、同半導体発光素子の断面図であり、ｐｎホモ接合の延在方向（光伝播方向）に対して略平行な方向の断面を示す。
本実施形態に係る半導体発光素子の主要構造は第３の実施形態に係る半導体発光素子と同じであり、その詳細な説明は省略する。
本実施形態では、ｐｎホモ接合部６０の幅（厚さ）変化の周期構造における周期Λ２の位相をシフトする部分を設けている。具体的には、窓部９の周期（ピッチ）を途中で１／２周期ずらす位相シフト部１１を設けている。窓部９の周期の位相のずれに伴い、その下の薄いシリコン酸化膜（追加酸化膜）１０およびその下の薄いシリコン層の周期の位相も１／２周期ずれる。結果として、ｐｎホモ接合部６０の幅（厚さ）変化の周期の位相が１／２周期ずれる。
屈折率変調型の発光素子では回折格子の終端位相を調整して単一モード発振を行わせることができるが、発光素子からの光の出力部を低反射で光導波路に接続する場合などは、回折格子の終端位相を屈折率差として感じることができず、無反射終端と同様な状態となって２モード発振を起こすことが多い。このような場合でも、回折格子の途中の位相を１／２周期分だけシフトすることでブラッグ波長発振させることが可能であり、本実施形態では、前述した位相シフト部１１を設けることで、安定した単一モード発振が可能となる。
なお、図９、１０に示す例では、位相を１／２周期分シフトさせる位相シフト部１１を１箇所に設けたが、位相を１／４周期分シフトさせる構造を２箇所に分離して配置することで、合わせて位相を１／２周期分シフトさせる位相シフト部を用いても構わず、その場合、位相シフト部に内部光密度が集中してキャリアの空間ホールバーニングを引き起こすことを緩和する効果が得られる。
［第５の実施形態］
本実施形態では、周囲温度が常温または動作基準温度で、前述したｐｎホモ接合部の蛇行周期構造や幅（厚さ）変化の周期構造により反射される波長が、発光部の自然放出光スペクトルのピーク波長より長くなるよう設定している。本実施形態は、前述した各実施形態のいずれにも適用可能である。
本実施形態では、周囲温度が常温または動作基準温度で、前述したｐｎホモ接合部の蛇行周期構造や幅（厚さ）変化の周期構造により反射される波長が、発光部の自然放出光スペクトルのピーク波長より長くなるよう設定している。本実施形態は、前述した各実施形態のいずれにも適用可能である。
前述した各実施形態に係る半導体発光素子において、周期構造部の周期で決まる光帰還波長（レーザ発振波長）は、発光部の発光スペクトル分布に対して任意の波長に設定可能である。一般に、光帰還などがない自然放出光状態の発光は、比較的広い発光スペクトルを有している。例えば、８５０（ｎｍ）発光の場合で、半値幅で１００〜１５０（ｎｍ）のスペクトル幅を持っている。また、単一縦モード発振のＤＦＢレーザのスペクトル幅は０．１〜１（ｎｍ）程度であり、かなりの波長設定幅がある。
周囲温度が常温または動作基準温度において、光帰還波長を自然発光スペクトルピークより長波長側に設定し、自然発光スペクトルピークで発振させる場合より高めの閾値で発振するように設定しておくと、素子温度が上昇した時、屈折率の温度変化で決まる光帰還波長の変動と、バンドギャップの温度変化による自然発光スペクトルピークの変動との変化率の差（光帰還波長の方が自然発光スペクトルピークよりも温度上昇に伴う長波長側への変動が小さい）によって、自然発光（光利得）スペクトルピークと光帰還波長とのギャップが小さくなり、光帰還波長が光利得プロファイルの裾から中心に移動して相対的に光利得が増加する効果で温度上昇による光利得絶対量の低下を相殺し、レーザ発振閾値をほぼ一定に保つように設定することが可能となる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。例えば、上記説明で挙げた周期、波長等の具体的数値、材料は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜設定、選択できる。
また、第２の実施形態のようにリッジ加工した光導波構造を、他の実施形態にも適用して組み合わせることが可能である。
また、前述した実施形態では図示も含めて半導体発光素子を抽出して説明しており、半導体発光素子をＬＳＩチップ上で光配線光源として用いる場合には、半導体発光素子は、その端面に結合される光導波路、受光素子、その他ＬＳＩ回路などと共に同じシリコン基板上に集積化されている。なお、半導体発光素子単体の構成にも、本発明は適用可能である。
１…シリコン基板、２…シリコン酸化膜、３…ｎ型半導体層、４…ｐ型半導体層、５…シリコン酸化膜、８ａ…リッジ部、９…窓部、１０…追加酸化部、１１…位相シフト部、５０，６０…ｐｎホモ接合部
Claims (5)
- シリコン基板上で前記シリコン基板の表面に対して略平行な方向に隣接して設けられたｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎホモ接合部を発光部として有する半導体発光素子であって、
前記ｐｎホモ接合部は、前記発光部における発光波長の整数倍と整合した周期で蛇行していることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記発光部近傍に、前記ｐｎホモ接合部の蛇行進行方向に光を導波する光導波構造が設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- シリコン基板上で前記シリコン基板の表面に対して略平行な方向に隣接して設けられたｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎホモ接合部を発光部として有する半導体発光素子であって、
前記ｐｎホモ接合部の幅が、前記発光部における発光波長の１／２の整数倍と整合した周期で周期的に変化していることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記ｐｎホモ接合部の幅変化の周期構造における周期の位相を１／２周期分シフトする部分を、前記周期構造の少なくとも１箇所に設けたことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
- 周囲温度が常温または動作基準温度で、前記ｐｎホモ接合部の周期構造により反射される波長が、前記発光部の自然放出光スペクトルのピーク波長より長く設定されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
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