JP2019007997A

JP2019007997A - 半導体光素子

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Publication number: JP2019007997A
Application number: JP2017120750A
Authority: JP
Inventors: 硴塚　孝明; Takaaki Kakizuka; 孝明硴塚; 浩一長谷部; Koichi Hasebe; 松尾　慎治; Shinji Matsuo; 慎治松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2019-01-17

Abstract

【課題】作製工程が簡易で、かつ高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現する。【解決手段】量子井戸層を含んだコア層２３を有する電界吸収変調器領域８が基板２０上に形成された半導体光素子であって、前記量子井戸層を含んだコア層２３の、前記量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層２６とｎクラッド層２５が配置されて導波路構造を形成しており、前記量子井戸層がｎ型にドーピングされていることを特徴とする半導体光素子。【選択図】図６

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体光素子の構造に関する。より詳細には、半導体レーザと光変調器を集積した変調器集積光源に用いられる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・大容量化が著しい。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(ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ)半導体レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、及び波長分割多重（ＷａｖｅｌｅｎｇｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）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。

近年、光通信はコアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、さらにはボード間の短距離のデータ通信にも適用されている。例えば、１００ＧｂイーサネットはＷＤＭ型の多波長アレイ光源の構成を用いて標準化されており、短距離光通信の大容量化が急速に進んでいる。これらの背景に際し、光送信器の高速化かつ低消費電力化は必須であり、集積されたレーザ光源からの光を電気信号で変調して出力する高性能な変調光源として、変調器集積型半導体レーザが進展してきた。

特に単一モードＤＦＢレーザと電界吸収（ＥｌｅｃｔｒｏＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）型光変調器を同一基板上にモノリシックに集積したＥＡ−ＤＦＢレーザは、小型でかつ消費電力が低く、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速変調が可能であるため（非特許文献１）、１００ｋｍ以下の比較的短距離用の光送信器として実用化されている。２０１７年現在、４００Ｇｂｉｔイーサネットの標準化が整いつつあり、５０Ｇｂｉｔ／ｓ級のＰＡＭ（ＰｕｌｓｅＡｍｐｌｉｔｕｄｅＭｏｄｕａｔｉｏｎ）に対応可能なＥＡ−ＤＦＢレーザが望まれるところである。

W. Kobayashi et al.， "Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s， UncooledElectroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure，"IEEE Journal of Lightwave Technology， vol. 28， no.1， pp.164-171， 2010 S. R. Jain et al.， "Integrated Hybrid Silicon Transmitters，" IEEE Journal of Lightwave Technology， vol. 30， no. 5， pp. 671-678， 2012. U. Troppenz et al.， "1.3 μm Electroabsorption Modulated Lasers forPAM4/PAM8 single channel 100 Gb/s，" Int. Conf. on Indium Phosphide and Related Materials， paper Th-B2-5， Montpellier， France， 2014.

ＥＡ変調器は、変調される光の通過する光導波路コアとなる量子井戸活性層に、変調電気信号による電界を与えたときの光吸収係数の変化により光変調動作する。

図１（ａ）に、一般的な従来のＥＡ変調器の基板断面図を示す。図１（ａ）において、変調される光は、基板面内方向（紙面垂直方向ないし紙面内の左右方向）に量子井戸層（コア層、活性層）１を通過するものとする。

量子井戸層１は、バンドギャップの大きい材料で構成されたバリア層とバンドギャップの小さい材料で構成された井戸層を、交互に周期的に複数積層した多層構造である。この量子井戸層１（通常は非ドープの真性半導体であり、ｉ型と表現される）の上下に、ｐ型クラッド層（例えばｐ−ＩｎＰ）２、ｎ型クラッド層（例えばｎ−ＩｎＰ）３を配置した３層で、ｐｉｎ半導体構造が形成されている。半導体構造を挟んで面対向する上下の電極により、変調信号源４１からの変調電気信号とともに逆バイアスで、上下方向（量子井戸層１に垂直な方向）に電界が印加される。このようにして、量子井戸層１を通過する光に対する光吸収係数が制御され、光が変調される。

図１（ｂ）は、電界ゼロ（実線）と電界印加（点線）の２つの場合の、上記量子井戸構造のＥＡ変調器の吸収係数（光吸収スペクトル）の変化を示す図である。量子井戸構造の光吸収スペクトルは、バンド間遷移波長に対応するバンド間吸収（図１（ｂ）の「バンド端」の左側区間）と、その長波長側にある励起子吸収ピークからなる。

電界を印加すると、量子井戸層１内のキャリアの局在により光吸収スペクトルの励起子吸収ピークが低下し、さらに実効的なバンドギャップが縮小することにより吸収スペクトルが長波長シフトする、いわゆる量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果が生じる。レーザ発振波長における吸収係数の電界による変化で、光変調動作が達成される。

一方で、同じ量子井戸半導体構造にレーザ発振のため順バイアスを与えた際の光利得は、バンド端付近で最大になる。したがって、レーザ領域の活性層と変調器領域の活性層が同一材料の量子井戸半導体構造の場合においては、利得領域が励起子吸収領域と重なってしまう。これを避けるため、従来は変調器領域のバンドギャップ波長をレーザ領域の活性層のバンドギャップ波長よりも短波長側に設定するように、両領域を別組成で異なる量子井戸半導体構造とする必要があった。

図２に、一般的な従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの、光導波路コア層に沿った基板断面図を示す。ＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０は、光導波路コア層に沿って電界吸収変調器領域８とレーザ領域９により構成され、レーザ領域９で発生したレーザ光が電界吸収変調器領域８で変調されて出力光となる。

図２のＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０では、ｎ基板上のｎクラッド層（ｎ−ＩｎＰクラッド層／基板）３の上に変調器のコア層（量子井戸層、活性層）１とレーザコア層（量子井戸層、活性層）４が別組成で別々に形成され、光導波路で結合されている。レーザコア層４の上部には、レーザの発振波長を決める回折格子１１が形成される。両コア層の上部には、共通のｐクラッド層２と２つのｐコンタクト層７、ｐ電極６が形成されている。変調器領域８とレーザ領域９はコンタクト層７の間の領域によって電気的に分離されており、独立にバイアス駆動される。ｎ基板の下のｎ電極５は共通でよい。

このＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０の製造工程においては、選択成長技術等を用いて変調器領域とレーザ領域を別々に成長する必要があり、レーザ単体と比較すると素子作製の工程数が増大する。また、高速化に向けては素子容量の抑制が重要であるが、コア層に垂直方向の電界を用いた変調器では、素子上下に電極を電極面対向で配置するために容量が電極面積で制限され、電極下の浮遊容量の発生が避けられない。

素子の製造工程を簡略化するために、同一活性層を用いてレーザ領域と変調器の活性層領域を作製する手法が提案されている。例えば、量子井戸を用いて、変調器領域の量子井戸組成を無秩序化して短波長化を行う方法が報告されている（非特許文献２）。しかしこの方法では、コア層の一部に選択的な無秩序化プロセスの追加が必要となる。

また、変調器とレーザに同一活性層を用いたＥＡ−ＤＦＢレーザが報告されている（非特許文献３）。この構造は作製プロセスが容易になるが、前述のようにレーザの発振波長が励起子吸収領域と重なるため、変調器の吸収損の増大が避けられない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、作製工程が簡易で、かつ高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（発明の構成１）
量子井戸層を含んだコア層を有する電界吸収変調器領域が基板の上に形成された半導体光素子であって、
前記量子井戸層を含んだコア層の、前記量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層が配置されて導波路構造を形成しており、
前記量子井戸層がｎ型にドーピングされている
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成２）
発明の構成１に記載の半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域の前記導波路構造に接続された量子井戸層を含んだコア層をレーザ活性層とするレーザ領域を更に備え、
前記レーザ領域は前記レーザ活性層の量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層が配置されて導波路構造を形成している
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成３）
発明の構成２に記載の半導体光素子であって、
前記レーザ領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）は、前記電界吸収変調器領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）よりも長波長である
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成４）
発明の構成２に記載の半導体光素子であって、
前記レーザ領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）は、前記電界吸収変調器領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）と同一である
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成５）
発明の構成４に記載の半導体光素子であって、
前記レーザ領域のコア層は、前記電界吸収変調器領域のコア層と同一のドーピングである
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成６）
発明の構成１から５のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成７）
発明の構成１から５のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

上記のような本発明によれば、簡易な作製方法により、小型かつ高速なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することが可能となる。

従来のＥＡ変調器の基板断面図（ａ）と、ＱＣＳＥ効果による光吸収スペクトルの変化を示す図（ｂ）である。従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの光導波路コア層に沿った基板断面図である。本発明のＥＡ変調器の動作原理の説明図である。本発明のＥＡ変調器において電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化を従来例と比較する図である。量子井戸構造に７通りの電界を印加した場合に、従来の励起子吸収がある場合（ａ）と、本発明の励起子吸収の無い場合（ｂ）の吸収スペクトルの変化を比較する図である。本発明の実施例１の半導体光素子の斜視図である。本発明の実施例１の半導体光素子の上面図である。本発明の実施例１の半導体光素子の断面図である。本発明の実施例２の半導体光素子における、電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化（ａ）と利得スペクトル（ｂ）を表す図である本発明の実施例３の半導体光素子の斜視図である。本発明の実施例３の半導体光素子の断面図である。

本発明の半導体光素子は、基板上に形成された電界吸収（ＥＡ）変調器領域から構成される光変調器であって、量子井戸を含んだコア層の両側にｐクラッド層とｎクラッド層を配置した導波路構造から形成され、量子井戸層がｎ型にドーピングされていることを特徴とする。

また、本発明の半導体光素子は、上記の電界吸収変調器領域の導波路構造に接続されたレーザ領域を更に備え、前記レーザ領域は活性層の両側にｐクラッド層とｎクラッド層を配置した導波路構造から形成されることを特徴とする。

さらに、本発明の半導体光素子は、上記の電界吸収変調器領域とレーザ領域のコア層が同一であることを特徴とする。

このような構成により本発明の半導体光素子は、ｎ型ドーピングされた量子井戸コア層への電界印加によって、高い光閉じ込め効果と２次元フランツ・ケルディッシュ効果を用いた高効率な強度変調動作を行うことができる。

図３に、このような本発明のＥＡ変調器の動作原理を説明する。図３（ａ）にあるように、バンドギャップの小さい井戸層とバンドギャップの大きいバリア層からなる量子井戸構造を考える。一般的な真性半導体の量子井戸構造では、図３（ａ）に示すように光吸収時に電子と正孔が束縛状態を形成し、強い励起子吸収が生じる。この構造にｎドープを行うことにより、図３（ｂ）に示すように励起子吸収が遮蔽される。ここでは量子井戸構造の井戸層のみにドーピングを行った例を示しているが、バリア層へのｎドープ、もしくは井戸層とバリア層の両方にｎドープを行っても同様の効果が得られる。

図４に、このときの吸収スペクトルの変化を従来例と比較する図を示す。点線が従来の真性半導体構造の吸収スペクトル、実線が本発明のｎドープ構造の吸収スペクトルである。図４にはそれぞれ、電界ゼロの場合と電界印加の場合の２本ずつ計４本のグラフを示している。

図４において、量子井戸が真性半導体構造の場合は、吸収スペクトルは前述のように点線で示した高い励起子吸収ピークを有する。電界を印加すると前述のＱＣＳＥ効果により吸収ピークは低くなり、矢印に示すように長波長にシフトするが、消失はしない。

一方、図４において、量子井戸がｎドープ構造の場合には、ｎ型ドーピングキャリアによる遮蔽効果で、吸収スペクトルは実線で示したように変化し、励起子吸収ピークが抑制される。電界を印加した場合には、励起子吸収ピークが抑制されたまま、矢印に示すように長波長にシフトする。

このｎドープ構造の場合に、量子井戸の積層面に平行な方向に電界を印加すると、量子井戸のバンド間遷移による２次元フランツ・ケルディッシュ効果により、吸収スペクトルに変化が生じる。このため、ｎドープ構造の吸収スペクトルは図４の右側の実線で示したように、バンド端よりも長波長側では電界印加に伴い吸収係数が増大するようになる。

図５は、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸構造において、量子井戸の積層面に平行な方向（基板に平行方向）に７通りの強度で電界Ｆを印加した場合の、吸収スペクトルの変化をシミュレーションした結果を従来と比較して示す図である。

図５（ａ）は、従来の励起子吸収がある場合の吸収スペクトルの変化を示す図であり、図５（ｂ）は、本発明の励起子吸収の無い場合の２次元フランツ・ケルディッシュ効果による吸収スペクトルの変化を示す。励起子吸収の抑制により波長１．５〜１．５５μｍ付近の光吸収損が有意に低減する一方で、電界印加に対して十分な吸収変化が得られることがわかる。本効果を発現させ、かつ強度変調器としての動作を行うためには、量子井戸構造へのｎドーピング濃度としては１×１０¹⁷ｃｍ^-1から１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲であることが望ましい。

また、本発明では、光変調器のコア層となる量子井戸層の形成された基板面の両側に、コア層を挟んでｎクラッド層、ｐクラッド層を設けて、量子井戸層の積層面に平行な方向（基板面の方向、水平方向）に電界を印加する構造である。このため、光変調器コア層の量子井戸層の上下を屈折率の低い領域で挟んだ薄膜構造を採用することが可能であり、高い光閉じ込めを実現できる。

また、電気的観点からは本発明では電極が面で対向しないため、素子容量が電極面積の影響を受けにくい。本発明では、素子容量が薄膜のｐクラッド層およびｎクラッド層の厚さにより規定されるため、垂直方向電界型の光変調器と比較して単位長あたりの容量を抑制できる。以上より、高い光閉じ込めにより光変調器の変調電圧振幅の低減、変調器長の短縮をもたらし、低寄生容量と短素子化により光変調器の高速動作が実現される。

また、本発明の半導体光素子では、上記の光変調器と半導体レーザとの集積により、低消費電力かつ高速で動作する変調光源を実現することができる。

さらに、本発明の半導体光素子では、変調器領域とレーザ領域のコア層を別々に形成する必要がなく、作製工程が簡易な変調光源を実現できる。特に、変調器領域ではｎドープによって励起子吸収が抑制されているために吸収損失が低く、同一コア層を用いてもレーザの発振波長に対して損失の小さい変調器領域を設けることができるため、高性能な集積変調光源を実現できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施例１）
図６は、本発明の実施例１の半導体光素子の構造を示す斜視図である。図７は、本発明の実施例１の半導体光素子の半導体領域のみを示した上面図である。

また、図８は、図７の変調器領域８の断面８Ａ−Ａ‘の断面図８（ａ）、および変調器領域８とレーザ領域９を接続する接続導波路領域１３の断面８Ｂ−Ｂ’の断面図８（ｂ）である。レーザ領域９の断面図は、表面回折格子１２を除き構造としては変調器領域８と同様であるため示していない。

図６にあるように本発明の実施例１の半導体光素子では、基板はシリコン基板２０上にＳｉＯ₂層２１が形成された２層構造であり、その上に電流注入構造を有する埋め込みコア層が形成されている。

ＥＡ変調器領域８のコア層２３とレーザ領域９のコア層２４は、活性層としての積層量子井戸層を含み、ｉ−ＩｎＰ層２２の中に埋めこまれて接続導波路領域１３を介して連通する光導波路を構成している。ＥＡ変調器領域８とレーザ領域９のコア層２３、２４は、ともに例えば６層のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層から形成されるがドーピング状態が異なる。

レーザ領域９の発光波長（ＰＬ波長）は１．５５μｍ、変調器領域８の発光波長（ＰＬ波長）は１．４６μｍであり、レーザ領域９のコア層の発光波長（ＰＬ波長）は、変調器領域８のコア層の発光波長（ＰＬ波長）よりも長波長である。レーザ領域９のレーザ活性層であるコア層２４は、井戸層厚１０ｎｍ、バリア層厚６ｎｍの真性半導体層から構成される。

一方、変調器領域８のコア層２３は、同様に井戸層厚１０ｎｍ、バリア層厚６ｎｍの半導体層で構成されるが、井戸層領域にはドーピング濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-1のｎ型ドーピングが施されている。コア層の幅は０．８μｍ、コア層を含むスラブ層の厚さは３５０ｎｍである。活性層（コア層）２３，２４の両側は、量子井戸層の積層面に平行な方向（基板面に水平方向）の電流注入のために、異なるタイプのドーピングが施されたＩｎＰクラッド層２５，２６により埋め込まれている。

すなわち、図６，７，８（ａ）のコア層２３の左側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのｎ型クラッド層２５、コア層２３の右側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎのｐ型クラッド層２６が形成されている。

図８（ａ）にあるように、クラッド層２５，２６の上部には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層２７，２８が形成され、それぞれドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層２７，２８の領域上には電流注入用の電極２９、３０が形成され、表面にＳｉＯ₂保護膜３１が形成されている。見易さのため、図６の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

図７の上面図に示すように本発明の実施例１の半導体光素子は、変調器領域８とレーザ領域９、接続導波路領域１３から構成されている。レーザ領域９の活性層長は６００μｍ、変調器領域８の活性層長は１５０μｍ、接続導波路領域１３の長さは２０μｍである。

図６の斜視図に示すように、レーザ領域９のコア層２４の上部には厚さ２０ｎｍのＳｉＮ絶縁膜が形成され、ＳｉＮとＳｉＯ₂からなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフト回折格子構造が、表面回折格子１２を形成している。

また、接続導波路領域１３は、図８（ｂ）の断面図に示すように、変調器領域８から続くコアの埋込み導波路により構成されている。

図７に示すように、変調器領域８とレーザ領域９は、両領域間のＩｎＰ領域をエッチングすることで分離される。また、変調器領域８およびレーザ領域９のｎ型クラッド層２５、ｐ型クラッド層２６は、それぞれの領域の必要な部分のみに形成されている。

この導波路構造を持つ素子を作製するにあたり、ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板上へＩｎＰ薄膜を形成するには、ウエハ接合等の技術を用いることができる。また、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等の結晶成長には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いることができ、レーザ導波路構造および回折格子の作製にはウェットエッチングまたはドライエッチング等の一般的な半導体レーザの作製方法を用いることができる。

活性層（コア層）２３，２４の左右の電流注入用のクラッド層２５，２６は、ｎ型ドーピングのＩｎＰおよびｐ型ドーピングのＩｎＰを、それぞれ埋め込み再成長によって形成することができる。また、活性層の形成後に、真性ＩｎＰを埋め込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法で、不純物半導体を形成しても良い。また、表面回折格子１２は、レーザ表面への電子ビーム露光によるパタン形成とエッチングにより形成することができる。

特に、本構造は屈折率の低いＳｉＯ₂上に３５０ｎｍと薄いＩｎＰスラブ領域を構成しているために、コア層の光閉じ込めが向上し、変調器領域の短縮、また、レーザの低閾値電流動作に有利である。加えて変調器領域とレーザ領域はエッチングにより完全に分離され、必要な領域のみに不純物をドープして構成することができる。このことで良好な電気的な分離が確保される。また、素子容量はスラブ厚を断面とした構成となり、単位長あたりの素子容量が抑制されるために５０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速応答を実現できる。

（実施例２）
本発明の実施例２について説明する。実施例２では、半導体光素子としての構造は実施例１と同様であるため図示はしない。実施例２の実施例１との違いは、レーザ領域９と変調器領域８の量子井戸コア層のドーピングを同一とする点である。すなわち、レーザ領域９もｎドーピングする点と、レーザおよび変調器領域の発光波長（ＰＬ波長）を共に１．５μｍとする点である。

この構成によれば、レーザ領域９と変調器領域８に同一コア層を用いた簡易な作製工程で、高速変調可能なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現できる。すなわち、実施例２では実施例１と比較してコア層の再成長回数を１回分減らすことができる。

実施例２ではレーザ領域の活性層がｎドープされているため、バンドギャップ縮小効果によってレーザ領域の活性層の利得スペクトルが長波長側にシフトする効果がある。これは、レーザの発振波長と光変調器の動作波長とのデチューニングには有利である。また、ドーピング濃度１０¹⁷ｃｍ^-3程度であればレーザの利得特性は大きな劣化を受けない。

一方、変調器領域においては、図３から図５での説明の通り、励起子吸収が抑制されているためにレーザの使用波長における光吸収を低減できる。このため、従来の非特許文献３と比較しても変調器領域の光損失の低い変調器を実現できる。

図９（ａ）に、本実施例２の変調器領域８における電界印加による吸収スペクトルの変化を示す。図９（ｂ）には、実施例２のレーザ領域９の利得スペクトルを示す。波長軸上にレーザ発振波長の設定を合わせて示した。

本実施例２のようにレーザ領域と変調器領域で同一活性層を用いた場合、一般的には、レーザ発振波長をバンド端から長波長側に離して設定すると利得係数が低下してレーザ動作に対して不利となる。逆に、レーザ発振波長がバンド端に近すぎると変調器領域の吸収損失が増大して変調器動作に対して不利となる。このため、変調器とレーザ間の特性のトレードオフが避けられない。

しかし、本実施例２の構造では、励起子吸収の抑制によって変調器領域の動作波長をより短波長側に設定することができるため、十分な利得が得られる波長領域にレーザ発振波長を設定することができ、これらのトレードオフを解消できる。

（実施例３）
図１０は、本発明の実施例３の半導体光素子の構造を示す斜視図である。図１１は、実施例１の図８と同様に、本発明の実施例３の変調器領域８の断面図１１（ａ）、および変調器領域８とレーザ領域９を接続する接続導波路領域１３の断面図１１（ｂ）である。

図１０の本発明の実施例３では、図６の実施例１と同じ部分は同じ符号で示すが、実施例１と異なり、基板は単層の半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板４０であり、その上に電流注入構造を有する埋め込みコア層が形成されている。

ＥＡ変調器領域８のコア層２３とレーザ領域９のコア層２４は、活性層としての積層量子井戸層を含み、ｉ−ＩｎＰ層２２の中に埋めこまれて接続導波路領域１３を介して連通する光導波路を構成している。ＥＡ変調器領域８とレーザ領域９のコア層２３，２４は、ともに例えば２０層のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層から形成されるがドーピング状態が異なる。

一方、変調器領域８のコア層２３は、同様に井戸層厚１０ｎｍ、バリア層厚６ｎｍで構成されるが、井戸層領域にはドーピング濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-1のｎ型ドーピングが施されている。コア層の幅は０．８μｍである。埋め込み層の厚さは４００ｎｍである。活性層（コア層）２３，２４の両側は、量子井戸層の積層面に平行な方向（基板面に水平方向）の電流注入のために、異なるタイプのドーピングが施されたＩｎＰクラッド層２５，２６により埋め込まれている。

すなわち、図１１（ａ）のコア層２３の左側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのｎ型クラッド層２５、コア層２３の右側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎのｐ型クラッド層２６が形成されている。

図１１（ａ）にあるように、クラッド層２５，２６の上部には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層２７，２８が形成され、それぞれドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層２７，２８の領域上には電流注入用の電極２９、３０が形成され、表面にＳｉＯ₂保護膜３１が形成されている。見易さのため、図１０の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

図１０に示すように実施例３の半導体光素子は、変調器領域８とレーザ領域９、接続導波路領域１３から構成されている。レーザ領域９の活性層長は６００μｍ、変調器領域８の活性層長は１５０μｍ、接続導波路領域１３の長さは２０μｍである。

図１０の斜視図に示すように、レーザ領域９のコア層２４上部には厚さ２０ｎｍのＳｉＮ絶縁膜が形成され、ＳｉＮとＳｉＯ₂からなるブラッグ波長１．５５μｍのλ／４シフト回折格子構造が、表面回折格子１２を形成している。

また、接続導波路領域１３は、図１１（ｂ）の断面図のように、変調器領域８から続くコアの埋込み導波路により構成されている。

図１０に示すように、変調器領域８とレーザ領域９は両領域間のＩｎＰ領域をエッチングすることで分離される。また、変調器領域８およびレーザ領域９のｎ型クラッド層２５、ｐ型クラッド層２６はそれぞれの領域の必要な部分のみに形成されている。この構成も実施例１、２と同様に一般的な半導体素子の作製方法により作製できる。

本実施例３の構造は、ＩｎＰ基板４０上にレーザを構成しているために放熱の効果が高い。また、光のモードが低損失な半絶縁性ＩｎＰ領域に広がっているために損失が低く、レーザの光出力の増大に有利である。

（実施例４）
本発明の実施例４について説明する。実施例４では、半導体光素子としての構造は実施例３と同様であるため図示はしない。実施例４の実施例３との違いは、レーザ領域９と変調器領域８の量子井戸コア層のドーピングを同一とする点である。すなわち、レーザ領域９もｎドーピングする点と、レーザおよび変調器領域の発光波長（ＰＬ波長）を共に１．５μｍとする点である。

この構成においても、レーザ領域９と変調器領域８に同一コア層を用いた簡易な作製工程で、高速変調可能なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現できる。すなわち、実施例４では実施例３と比較してコア層の再成長回数を１回分減らすことができる。

実施例４ではレーザ領域の活性層がｎドープされているため、バンドギャップ縮小効果によってレーザ領域の活性層の利得スペクトルが長波長側にシフトする効果がある。これは、レーザの発振波長と光変調器の動作波長とのデチューニングには有利である。また、ドーピング濃度１０¹⁷ｃｍ^-3程度であればレーザの利得特性は大きな劣化を受けない。

以上説明したように、本発明によって、簡易な作製方法により、小型かつ高速なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することができる。なお、本発明に係る半導体光素子の構造は実施例に留まらない。動作波長は１．５５μｍとしたが、１．３μｍは設計変更の範囲で実現できる。

また、レーザのコア層はＩｎＧａＡｓＰ系としたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系など、他の化合物半導体材料においても適用することができる。また、回折格子はＳｉＮとＳｉＯ₂により構成したが、ＳｉＯＮやＳｉＯｘ等、その他の絶縁膜で構成しても構わないし、ＩｎＰの表面をエッチングすることで形成しても構わない。また、レーザのコア層の上下に回折格子を形成できることも自明である。

以上のように本発明によれば、簡易な作製方法により、小型かつ高速なＥＡ−ＤＦＢレーザを実現することが可能となり、光通信システム用の光送信器に広範に利用することができる。

１量子井戸層（コア層、活性層）
２ｐ型クラッド層（ｐ−ＩｎＰ）
３ｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰ）／基板
４１変調信号源
４レーザコア層（量子井戸層、活性層）
５ｎ電極
６ｐ電極
７ｐコンタクト層
８電界吸収変調器領域
９レーザ領域
１０ＥＡ−ＤＦＢレーザ素子
１１回折格子
１２表面回折格子
１３接続導波路領域
２０シリコン基板
２１ＳｉＯ₂層
２２ｉ−ＩｎＰ層
２３、２４コア層（量子井戸層、活性層）
２５ｎ型クラッド層
２６ｐ型クラッド層
２７、２８コンタクト層
２９、３０電極
３１ＳｉＯ₂保護膜
４０ＩｎＰ基板

Claims

量子井戸層を含んだコア層を有する電界吸収変調器領域が基板の上に形成された半導体光素子であって、
前記量子井戸層を含んだコア層の、前記量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層が配置されて導波路構造を形成しており、
前記量子井戸層がｎ型にドーピングされている
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項１に記載の半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域の前記導波路構造に接続された量子井戸層を含んだコア層をレーザ活性層とするレーザ領域を更に備え、
前記レーザ領域は前記レーザ活性層の量子井戸層の積層面に平行な方向の両側にｐクラッド層とｎクラッド層が配置されて導波路構造を形成している
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項２に記載の半導体光素子であって、
前記レーザ領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）は、前記電界吸収変調器領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）よりも長波長である
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項２に記載の半導体光素子であって、
前記レーザ領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）は、前記電界吸収変調器領域のコア層の発光波長（ＰＬ波長）と同一である
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項４に記載の半導体光素子であって、
前記レーザ領域のコア層は、前記電界吸収変調器領域のコア層と同一のドーピングである
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された基板である
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記基板が、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板である
ことを特徴とする半導体光素子。