JP2016171173A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】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する。
【解決手段】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。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、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。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザや半導体光増幅器などに適用可能な半導体光素子に関する。

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が続いている。この中で、半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(distributed-feedback：ＤＦＢ)レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。

しかし、従来の多重化技術による大容量化が限界に近づいており、近年は周波数利用効率や分散耐性に優れた多値変調方式が検討されている。現在、すでにＱＰＳＫ（quadrature phase-shift keying：４値位相変調方式）等の多値位相変調や、位相変調信号受信のためのデジタルコヒーレント方式の研究開発が進展し、多値位相変調方式を用いた４０Ｇおよび１００Ｇシステムが実用化を迎えている。また、研究レベルでは、位相変調方式に加えて振幅位相変調方式の進展が著しい。

これらの多値変調受信のためのキーデバイスの１つが、送信器、および受信側の局所光として用いられる半導体レーザである。特に、デジタルコヒーレント方式による位相変調信号の受信には干渉を用いるため、光源の位相ノイズ、すなわち光源の線幅特性が受信特性に大きく影響する。このことから、光源の線幅は狭ければ狭いほど望ましく、現在の１００Ｇシステムには１ＭＨｚ以下が要求され、将来的には１００ｋＨｚ以下の線幅が要求される見込みである。

これまでに、半導体レーザの線幅抑制に向けて様々な検討がなされてきた。半導体レーザの線幅Δνは、ヘンリーによる拡張されたショウロウ・タウンズの関係式に基づき、以下のように表される。

なお、式（１）において、ｈはプランク定数、νは発振周波数、Ｐ０はレーザ出力、ｖ_gは群速度、α_mは共振器損、α₀は導波路損、Ｆは出力係数、ＫはＰｅｔｅｒｍａｎｎ’ｓファクター、Ｌ_aは活性層長さ、Ｌ_pは共振器長、ｎ_spは発光再結合定数、αは線幅増大係数である。

例えば、全体の共振器長Ｌ_pに対する活性層Ｌ_aの比を小さくすることで容易に線幅抑制が可能であることから、外部共振器を用いた狭線幅レーザは有力な技術の１つである。これまでに、導波路型共振器構造（非特許文献１参照）または空間型共振器構造（非特許文献２参照）が報告されており、線幅１００ｋＨｚ以下のレーザが実現されている。

しかし、外部共振器を用いたレーザは単一モード化や発振波長の安定化に課題がある。また、素子サイズが大きくなることから、将来的な大規模集積に向けては課題が大きい。このことから、半導体モノリシック集積可能な狭線幅レーザが求められている。主要なアプローチとしては、共振器損α_mを抑制する手法がとられている。

共振器損の抑制は、モード閾値利得係数の低減、共振器内の光子寿命の増大と言い換えることができる。すなわち、共振器内に長時間光を閉じこめることができればよい。このために、共振器長を長くして閾値利得係数を下げるアプローチがとられてきた。λ／４シフト型ＤＦＢレーザにおける共振器損の抑制に向けては、ＤＦＢの回折格子の結合係数κを上げる方法と、活性層長Ｌを長くする方法の２つのアプローチがある。

しかし、κＬを高くすると空間ホールバーニングの影響が大きくなり、共振器内のキャリア分布が不均一になる。このことにより実効屈折率分布が大きくなり、単一モード発振が得られない。従って、一般にはκＬの値は１．５程度にとどめ、活性層長Ｌを長くして閾値利得係数を下げる手法がとられている。これまでに素子長１５００μｍのλ／４シフトＤＦＢレーザにおいて、線幅１６０ｋＨｚが実現されている（非特許文献３参照）。

しかし、半導体レーザの共振器損を抑制すると、光が共振器内に長時間滞留することから、導波路損の影響を受けやすくなるため、光の取り出しが困難となり、十分な光出力が得られないという課題があった。従って、半導体レーザの狭線幅化に向けては、光導波路の損失低減が大きな課題である。

従来技術の半導体レーザでは、活性層の上下に不純物ドーピングを行ったクラッド層を形成し、縦方向（基板面に垂直な方向）に電流を注入する構造を有している。特に、活性層内に効率的な電流注入を行う埋め込み構造は代表的な構造である。この半導体レーザについて、図２１を用いて説明する。図２１は、従来構造のｐｎ埋め込み型の半導体レーザの構成を示す断面図である。この半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰからなる基板６０１の上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層６０２が積層され、この上に活性層６０３が形成されている。

クラッド層６０２および活性層６０３の両側は、ｐ−ＩｎＰからなる埋め込み層６０４で埋め込まれている。また、埋め込み層６０４の上には、ｎ−ＩｎＰ層からなる電流阻止層６０５が形成されている。活性層６０３および電流阻止層６０５の上部には、ｐ−ＩｎＰからなるオーバークラッド層６０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６０７が形成されている。クラッド層６０２，活性層６０３および、オーバークラッド層６０６により光導波路が構成されている。また、電流阻止層６０５の上部領域におけるコンタクト層６０７上には、ＳｉＯ₂からなる絶縁層６０８が形成されている。また、絶縁層６０８の間においてコンタクト層６０７とオーミック接続するｐ電極６１１が形成され、基板６０１の裏面には、ｎ電極６１２がオーミック接続している。

K. Nemoto et al. , "Narrow−Spectral−Linewidth Wavelength−Tunable Laser Diode with Si Wire Waveguide Ring Resonators", Applied Physics Express, vol.5, 082701, 2012. N. Wang et al. , "Narrow−Linewidth Tunable Lasers With Retro−Reflective External Cavity", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.24, no.18, pp.1591−1593, 2012. H. Ishii et al. , "Narrow spectral linewidth operation (<160 kHz) in widely tunable distributed feedback laser array", ELECTRONICS LETTERS, vol.40, no.10, 2010. S. R. Jain et al. , "Integrated Hybrid Silicon Transmitters", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, vol.30, no.5, pp.671−678, 2012.

しかしながら、上述した埋め込みレーザは、導波路損失が大きいことが課題であった。ｐｎ埋め込み構造においては、活性層６０３の両側と上部が、ホール吸収量の高いｐ型の半導体から構成されるため、図２２の領域６１３に示すように、電界が活性層６０３まわりのｐ型半導体の領域に大きく広がり、伝搬損の主要な原因となる。図２３に、活性層を６層量子井戸構造としたｐｎ埋め込み導波路構造の、活性層とｐ型半導体領域の光閉じ込め係数の計算結果を示す。図２３において、（ａ）が活性層の量子井戸層の光閉じ込め係数の計算結果を示し、（ｂ）がｐ型半導体領域の光閉じ込め係数の計算結果を示す。活性層幅は、０．５μｍから１．６μｍまで変化させる。

ｐ半導体領域の光閉じ込めは、全ての導波路幅で３５％を超えている。ｐ型ＩｎＰの吸収係数はドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3あたり約２０ｃｍ^-1である。従って、例えばｐ型半導体のドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合、ｐ型半導体における損失だけでも７〜１０ｃｍ^-1に達している。従って、活性層周囲のｐ型半導体領域における伝搬損の低減が重要な課題である。

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、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することを目的とする。

本発明に係る半導体光素子は、基板の上に形成されたコアよりなる光導波路と、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と、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを備える。

上記半導体光素子において、コアは、基板と活性層との間に配置されている。

上記半導体光素子において、コアは、基板の側から見て活性層の上に配置されている。

上記半導体光素子において、活性層には、基板の平面に平行な方向で電流が注入される。例えば、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、基板の平面に平行な方向で活性層を挾んで形成されている。

上記半導体光素子において、ｐ型半導体層、活性層、およびｎ型半導体層は、基板の上に積層され、活性層には、基板の平面に垂直な方向で電流が注入されるようにしても良い。

以上説明したことにより、本発明によれば、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という優れた効果が得られる。

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。 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。 図２Ａは、本発明の実施の形態１における半導体光素子の電界の分布について説明するための説明図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体光素子の電界分布の計算結果を示す分布図である。 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す特性図である。 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特性図である。 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を示す特性図である。 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。 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。 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。 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。 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。 図９Ａは、本発明の実施の形態５における半導体光素子の電界の分布について説明するための説明図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態５における半導体光素子の電界分布の計算結果を示す分布図である。 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す特性図である。 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特性図である。 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。 図１２は、本発明の実施の形態７における半導体光素子を示す断面図である。 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。 図１４Ａは、ｐ型半導体層３０６における光閉じ込めの活性層幅依存性を示す特性図である。 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特性図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 図２１は、従来構造のｐｎ埋め込み型の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図２２は、従来構造のｐｎ埋め込み型の半導体レーザの電界の分布について説明するための説明図である。 図２３は、従来構造のｐｎ埋め込み型の半導体レーザにおいて、活性層を６層量子井戸構造としたｐｎ埋め込み導波路構造の、活性層とｐ型半導体領域の光閉じ込め係数の計算結果を示す特性図である。

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ｖ_g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ｎ_sp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。

１００…基板、１０１…クラッド層、１０２…コア、１０３…活性層、１０４…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７…コンタクト層、１０８…コンタクト層、１０９…ｎ型電極、１１０…ｐ型電極、１１１…保護膜、１２１…光導波路、１３１…共振器領域、１３２…回折格子パターン。

Claims (6)

1. 基板の上に形成されたコアよりなる光導波路と、
   前記光導波路の導波方向に所定距離延在して前記コアと光結合可能な状態に配置された活性層と、
   前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
   前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
   を備えることを特徴とする半導体光素子。
2. 請求項１記載の半導体光素子において、
   前記コアは、前記基板と前記活性層との間に配置されていることを特徴とする半導体光素子。
3. 請求項１記載の半導体光素子において、
   前記コアは、前記基板の側から見て前記活性層の上に配置されていることを特徴とする半導体光素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
   前記活性層には、前記基板の平面に平行な方向で電流が注入されることを特徴とする半導体光素子。
5. 請求項４記載の半導体光素子において、
   前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層は、前記基板の平面に平行な方向で前記活性層を挾んで形成されている
   ことを特徴とする半導体光素子。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
   前記ｐ型半導体層、前記活性層、および前記ｎ型半導体層は、前記基板の上に積層され、
   前記活性層には、前記基板の平面に垂直な方向で電流が注入される
   ことを特徴とする半導体光素子。