JP2019054107A - 半導体光素子 - Google Patents

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などの半導体光素子を実現する。【解決手段】半導体基板上に形成された電界吸収変調器領域８とレーザ領域９から構成された半導体光素子であって、電界吸収変調器領域とレーザ領域を連通する光導波路のコア層の、それぞれの領域における基板上の基板面に平行な方向の両側にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を配置した電流注入構造が形成され、変調器領域のｐ型クラッド層のコア層側の端部が、レーザ領域のｐ型クラッド層のコア層側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されている半導体光素子とした。【選択図】図４

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(Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：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（Ｗａｖｅｌｅｎｇｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：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、１００Ｇｂｉｔ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（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕａｔｉｏｎ）に対応可能なＥＡ−ＤＦＢレーザも望まれるところである。

W. Kobayashi et al., "Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure,"IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no.1, pp.164-171, 2010 D. A. B. Miller et al., "Electric field dependence of optical absorption near the band gap of quantum-well structures", Physical Review, vol. B32, pp. 1043-1060, 1985.

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（紙面に垂直な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）は印加する電界がゼロの場合（実線）と所定の電界を印加した場合（点線）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。したがって、レーザの動作波長を励起子吸収波長よりも長波長側に設定することにより、電界印加に伴い吸収係数が増大し、強度変調動作が可能となる。

図２に、一般的な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、基板となるｎ型クラッド層（ｎ−ＩｎＰクラッド層／基板）３の上に変調器コア層（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が形成され、連通する光導波路を構成して結合されている。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、共通の二層構造のｐ型クラッド層２ａ、２ｂと、２つのｐコンタクト層７、２つの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、左右のコンタクト層７の間の間隙領域によって電気的に区分されており、独立にバイアス駆動される。ｎ基板３の下のｎ電極５は共通でよい。

また図３に、図２のＥＡ−ＤＦＢレーザ素子１０を光の導波方向から見た、２箇所の基板断面図を示す。図３（ａ）がレーザ領域９、図３（ｂ）が変調器領域８における断面構造を示す基板断面図である。本構造は、半絶縁埋込み型と呼ばれるＥＡ−ＤＦＢレーザ構造である。

図３（ａ）、（ｂ）において光導波路はともに、変調器領域８の活性層１，レーザ領域９の活性層４を上下に挟むｐｉｎ構造の左右両側を、高抵抗な半絶縁（ＳＩ）ＩｎＰ埋込み層１５で埋め込んだ埋込み導波路構造である。ここで、活性層１，４の上部にはｐ型クラッド層が積層されるが、電気抵抗抑制と活性層領域への効率的な正孔注入のためには、ｐ型クラッド層のドーピング濃度は高いことが望ましい。一方、光の伝搬損の観点からは、ｐ型クラッド層のドーピング濃度は低いことが望ましい。

このような理由からｐ型クラッド層は、導波モードの電界分布が存在する活性層１，４の直上には低濃度ドーピングのｐ型クラッド層２ａを設け、その低濃度ドーピング層の上に高濃度ドーピングのｐ型クラッド層２ｂを設けた、二層構造とすることが一般的である。よって、従来構造を作製する場合には、レーザ領域と変調器領域のオーバークラッド層は、それぞれの領域にあわせて二層構造を別々に形成する必要があり、工数を要していた。

また、高速変調動作の為には素子容量の抑制が重要であるが、垂直方向電界を用いた変調器は、素子上下に電極を配置するために容量が電極面積で規定されてしまう。このため、電極下の寄生容量の発生が避けられず、高速変調動作の妨げとなっていた。

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）
半導体基板の上に形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成された半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域を連通する光導波路のコア層の、それぞれの領域における基板上の基板面に平行な方向の両側にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を配置した電流注入構造が形成され、
前記電界吸収変調器領域における前記ｐ型クラッド層のコア層の側の端部が、前記レーザ領域における前記ｐ型クラッド層のコア層側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。

（発明の構成２）
半導体基板の上に形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成された半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域を連通する光導波路のコア層の、それぞれの領域における基板上の基板面に平行な方向の両側にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を配置した電流注入構造が形成され、
それぞれの前記ｐ型クラッド層は、前記コア層の側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を前記コア層の側に有しており
前記電界吸収変調器領域における前記遷移領域の幅が、前記レーザ領域における前記遷移領域の幅よりも広い
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１または２に記載の半導体光素子であって、
前記光導波路の前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域の間に、両領域を電気的に分離し光学的に結合する接続導波路領域が設けられた
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３に記載の半導体光素子において、
前記電界吸収変調器領域の前記コア層の幅が、前記レーザ領域の前記コア層の幅よりも広く前記接続導波路領域のコア層がテーパ構造を有する
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１から４のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記半導体基板が、シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された２層基板である
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４のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
前記半導体基板が、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰの単層基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

発明の構成１に記載した構成により、レーザと変調器のそれぞれの活性層領域において、真性半導体領域幅を簡易に独立に制御できる。また、横方向電界を使用することにより、素子容量がｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の厚さにより支配されるために電極面積の影響を受けにくく、単位長さあたりの素子容量が抑制されるために高速動作に有利である。

また、発明の構成２に記載した構成では、コア層横のｐ型クラッド領域に、コア層端から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を設け、導波モードの光が存在するコア層横を低ドーピング領域、その他は高ドーピング領域とすることにより、ドーピング分布を調整することができる。

以上説明したように、本発明によって、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などの半導体光素子を実現できる。

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。 従来のＥＡ−ＤＦＢレーザの光の導波方向からみた、レーザ領域の基板断面図（ａ）、変調器領域の基板断面図（ｂ）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の半導体光素子の半導体領域の上面図である。 本発明の実施例１の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図（ａ）、変調器領域の基板断面図（ｂ）、接続導波路領域の基板断面図（ｃ）である。 本発明の実施例１の半導体光素子の量子井戸構造において、基板に平行方向に電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化（ａ）と、基板に垂直方向に電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化（ｂ）を表す図である。 本発明の実施例２の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図（ａ）、変調器領域の基板断面図（ｂ）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の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図（ａ）、変調器領域の基板断面図（ｂ）、接続導波路領域の基板断面図（ｃ）である。 本発明の実施例４の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図（ａ）、変調器領域の基板断面図（ｂ）である。 本発明の実施例５の半導体光素子の上面図である。 本発明の実施例５の半導体光素子において、テーパ角度を決定する方法を説明する図である。

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。

図４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５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６は、図５のレーザ領域９の断面Ａ−Ａ’の基板断面図（ａ）、図５の変調器領域８の断面Ｂ−Ｂ’の基板断面図（ｂ）、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Ｃ−Ｃ’の基板断面図（ｃ）である。

図４〜６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が形成さた２層基板である。この基板上に、横方向、すなわちコア層である量子井戸層の積層面に平行（基板面に平行）、かつ光軸に垂直な方向の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おり、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。例えば、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、ともに６層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸から形成される。

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）よりも長波長に設定される。両コア層のコア幅はともに０．８μｍであり、コア層を含むスラブ層の厚さは３５０ｎｍである。

両コア層（活性層）２３，２４の基板上の基板面に平行な方向の両側には、それぞれ横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層が、クラッド層として埋め込まれている。すなわち、図６（ａ）のレーザ領域９の活性層であるコア層２４の左側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのｎ型ドーピング層２５が、コア層２４の右側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎのｐ型ドーピング層２６が、クラッド層として形成されている。

一方、図６（ｂ）の変調器領域８のコア層２３においては、ｎ型ドーピング層２５は同様であるが、ｐ側ドーピング層２６は、そのコア層２３の側の端部がコア層２３に対して０．１μｍ離して形成されて、その間にｉ−ＩｎＰ層２２が埋め込まれている点がレーザ領域９と異なる。

すなわち、本発明の実施例１では、変調器領域のｐ型クラッド層のコア層の側の端部は、レーザ領域のｐ型クラッド層のコア層の側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されていることを特徴とする。

両領域ともドーピング層（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、変調器領域８の表面にはＳｉＯ₂保護膜３１が形成され、レーザ領域９の表面には表面回折格子１２が形成されている。見易さのため、図４の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

本発明の実施例１の半導体光素子は、図４の斜視図および図５の上面図に示すように、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の導波路長は２０μｍである。

図４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６（ｃ）のように、例えば変調器領域のコア２３と同様のコアをｉ−ＩｎＰ層２２のみで埋め込んだ導波路構造により構成されている。変調器領域８とレーザ領域９は図４、図５に示すように、領域間のＩｎＰ領域２２をエッチングすることで電気的に分離され、接続導波路領域１３により光学的に結合される。また、変調器領域８およびレーザ領域９の各ｎ型半導体層、ｐ型半導体層は、それぞれの領域で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半導体光素子を作製するにあたっては、ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板上へＩｎＰ薄膜を形成するために、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、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ドーピング層（クラッド層）２５，２６は、真性半導体領域、ｐ領域、ｎ領域の再成長により形成できるほか、活性層の形成後に真性ＩｎＰを埋め込み再成長し、その後に表面からのイオン注入または熱拡散等の手法で不純物半導体を必要な領域のみに形成する手法が有効である。

この手法によって、図６（ａ）、（ｂ）で示したレーザ領域９と変調器領域８のｎ領域、ｐ領域をそれぞれ一度に形成することができる。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。

本実施例１においては、レーザ領域９では、コア層２４の横までｐ型クラッド層２６を配置することによって、コア層２４の量子井戸内への効率的な電流注入が行われる。一方で、変調器領域８においては、コア層２３とｐ型クラッド層２６の間に真性半導体のＩｎＰ層２２を配置することによって、光の伝搬損の抑制と、コア層の容量抑制がもたらされる。 レーザ領域９と変調器領域８は分離して形成されているので、両領域のドーピング領域を個別に設計することができる。したがって、それぞれの領域に適したドーピング分布を容易に形成することが可能となる。

また、本実施例１では、変調器のコア層２３に量子井戸を用いているため、横方向電界印加（量子井戸層の積層面すなわち基板面に平行かつ光軸に垂直な方向の電流注入構造）を用いることにより、変調効率を増大し、素子長を短縮できる。

図７は、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸構造に対し、（ａ）基板に平行な方向に電界を印加した場合と、（ｂ）基板に垂直な方向に電界を印加した場合の吸収係数スペクトル（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を対比して示す図である。印加する電界の範囲は、０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍの６通りとした。

量子井戸に横方向の電界を印加した場合の吸収係数変化（ａ）は、主として電界による励起子吸収の遮蔽により生じる（非特許文献２）。動作波長を励起子吸収ピーク波長に対して長波長側に設定した場合（例えば動作波長１．５５μｍにおいて）、図７から明らかなように、基板に平行に電界を印加した場合（ａ）の方が、基板に垂直に電界を印加した場合（ｂ）よりも低電界での吸収変化量が大きい。したがって、光変調素子長の短縮が可能であり、損失の低減に加え、素子の寄生容量の抑制により変調帯域を増大する効果がある。

以上のように、本発明の実施例１の半導体光素子の構成によれば、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。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、変調器領域の短縮が可能である。

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、素子容量は電極面積ではなく、層の断面積により規定される構成となり、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。

図８に、本発明の実施例２の半導体光素子の構成について説明する。図８（ａ）はレーザ領域９、図８（ｂ）は変調器領域８の基板断面図である。実施例２の半導体光素子の構造は、コア横のｐ型クラッド層のドーピング遷移領域を除いては、実施例１と同様であるので、斜視図、上面図は示さない。

実施例２の半導体光素子においては、図８（ａ）に示すように、レーザ領域９の活性層（コア層）２４が右横のｐ型クラッド２６に直接接してはおらず、幅０．２μｍのｐ型のドーピング遷移領域２６ａを設けている点が実施例１と異なる。このドーピング遷移領域２６ａの、活性層２４側の端におけるｐ型ドーピング濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、活性層２４から離れるに伴って１×１０¹⁸ｃｍ^-3まで増大する。

また図８（ｂ）に示すように、実施例２の変調器領域８の活性層（コア層）２３においては、右横のｐ型クラッド層２６との間に、ｉ−ＩｎＰ層２２に代えて、レーザ領域９より幅の広い０．３μｍの幅のｐ型のドーピング遷移領域２６ｂが設けられている。このドーピング遷移領域２６ｂの、活性層２３の側の端におけるｐ型ドーピング濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、活性層２３から離れるに伴い１×１０¹⁸ｃｍ^-3まで増大する。

すなわち、本発明の実施例２においては、両領域のｐ型クラッド層はそれぞれ、コア層側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を、コア層の側に有しており、電界吸収変調器領域における遷移領域の幅が、レーザ領域における遷移領域の幅よりも広いことを特徴とする。

このようなドーピング遷移領域は、活性層コアからクラッド層の境界の間に距離を設け、そこに真性ＩｎＰ層を形成したあとに、拡散またはイオン注入を施すことによって得られる。

本実施例２では、レーザ領域９においては、ドーピング遷移領域２６ａを設けてコア層横までｐドーピング層を配置することによって量子井戸内への効率的な電流注入が行われ、加えてドーピング量を下げているために、損失の低減に効果がある。一方で、変調器領域８においては、より幅の広いドーピング遷移領域２６ｂを設けて光の伝搬損を抑制しつつ、かつ正孔を電界により高速に引き抜くことができる。

これらのドーピング遷移領域は、例えば、活性層の形成後に真性ＩｎＰを埋め込み再成長し、その後に表面からイオン注入または熱拡散等の手法を用いて、Ｚｎを初めとするｐ型不純物を垂直方向と横方向に拡散させることによって形成できる。拡散やイオン注入においては、垂直方向に浸透しつつも、注入対象物質に入ってから水平方向にも広がることが物理的に一般的な振る舞いであるので、このような形成が可能となる。

図９、１０に、本発明の実施例３の半導体光素子の構成を示す。図９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１０（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の図６と同様に、本発明の実施例３のレーザ領域９の基板断面図１０（ａ）、変調器領域８の基板断面図１０（ｂ）、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の基板断面図１０（ｃ）である。

図９、１０の本発明の実施例３では、図４〜６の実施例１と同じ部分は同じ符号で示す。実施例３では実施例１と異なり、基板は半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰの単層基板４０であり、その上に横方向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。例えば、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、ともに２０層ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸から形成される。

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である。両コア層のコア幅はともに０．８μｍであり、埋め込み層の厚さは４００ｎｍである。

両コア層（活性層）２３，２４の基板上の基板面に平行な方向の両側には、それぞれ横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層が、クラッド層として埋め込まれている。すなわち、図１０（ａ）のレーザ領域９の活性層であるコア層２４の左側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉのｎ型ドーピング層２５が、コア層２４の右側には、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎのｐ型ドーピング層２６が、クラッド層として形成されている。

一方、図１０（ｂ）の変調器領域８のコア層２３においては、ｎ型ドーピング層２５は同様であるが、ｐ側ドーピング層２６は、そのコア層２３の側の端部がコア層２３に対して０．１μｍ離して形成されて、その間にｉ−ＩｎＰ層２２が埋め込まれている点がレーザ領域９と異なる。

すなわち、本発明の実施例３では、変調器領域のｐ型クラッド層のコア層の側の端部は、レーザ領域のｐ型クラッド層のコア層の側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されていることを特徴とする。

両領域ともドーピング層（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、変調器領域８の表面にはＳｉＯ₂保護膜３１が形成され、レーザ領域９の表面には表面回折格子１２が形成されている。見易さのため、図９の斜視図にはＳｉＯ₂保護膜３１は表示していない。

本発明の実施例３の半導体光素子は、図９の斜視図に示すように、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、導波路領域１３の導波路長は２０μｍである。

図９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１０（ｃ）のように、変調器コア２３と同様のコアをｉ−ＩｎＰ層２２のみで埋め込んだ導波路構造により構成されている。変調器領域８とレーザ領域９は図９に示すように、領域間のＩｎＰ領域をエッチングすることで電気的に分離され、接続導波路領域１３により光学的に結合される。また、変調器領域８およびレーザ領域９の各ｎ型半導体層、ｐ型半導体層は、それぞれの領域で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を用いて作製できる。

本実施例３の構造では、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。

図１１に、本発明の実施例４に係る別の形態について説明する。図１１（ａ）はレーザ領域９、図１１（ｂ）は変調器領域８の基板断面図である。実施例４の半導体光素子の構造は、コア横のｐ型クラッド層のドーピング遷移領域を除いては、図１０の実施例３と同様である。

実施例４の半導体光素子においては、図１１（ａ）に示すように、レーザ領域９の活性層（コア層）２４が右横のｐ型クラッド２６側には直接接してはおらず、幅０．２μｍのｐドーピングの遷移領域２６ａを設けている点が実施例３と異なる。このｐドーピングの遷移領域２６ａの、活性層２４側の端におけるドーピング濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、活性層２４から離れるに伴って１×１０¹⁸ｃｍ^-3まで増大する。

また図１１（ｂ）に示すように、実施例４の変調器領域８の活性層２３においては、右横のｐ型クラッド２６との間に、ｉ−ＩｎＰ層２２に代えて、より幅の広い０．３μｍのｐ型のドーピング遷移領域２６ｂが設けられている。このドーピング遷移領域２６ｂの活性層２３側の端におけるドーピング濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3であり、活性層２３から離れるに伴い１×１０¹⁸ｃｍ^-3まで増大する。

すなわち、本発明の実施例４においては、両領域のｐ型クラッド層はそれぞれ、コア層側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を、コア層の側に有しており、電界吸収変調器領域における遷移領域の幅が、レーザ領域における遷移領域の幅よりも広いことを特徴とする。

本実施例４においても、実施例２と同様に、レーザ領域９では、ドーピング遷移領域を設けてコア層横までｐドーピング層を配置することによって、量子井戸内への効率的な電流注入が行われ、加えてドーピング量を下げているために、損失の低減に効果がある。一方で、変調器領域８においては、より幅の広いドーピング遷移領域を設けて光の伝搬損を抑制しつつ、かつ正孔を電界により高速に引き抜くことができる。

ドーピング遷移領域は、例えば、活性層の形成後に真性ＩｎＰを埋め込み再成長し、その後に表面からイオン注入または熱拡散等の手法を用いて、Ｚｎを初めとするｐ型不純物を垂直方向と横方向に拡散させることによって形成できる。

実施例１から４では、レーザ領域側のコア幅と変調器領域側のコア幅は、同じ幅として説明したが、両領域におけるコア幅は必ずしも同じである必要性はない。コア層構造が異なる場合、光閉じ込め係数を調整するために、例えば変調器領域側のコア幅をレーザ領域側と比べて大きくすることで、光閉じ込め係数を増大させるとともに、横方向電圧下での静電容量を低下させて高速応答化することなどが期待できる。

一方で、レーザ領域側のコア幅を狭くすることで、横方向キャリア注入効率の向上、安定した単一横モード発振、また、下側ＩｎＰ基板への低損失光モード広がりを利用した導波路構造による高出力化といった効果が期待できる。それぞれレーザ領域と変調器領域とで、適切なコア幅として素子を作製することが有利である。

図１２は、このような構造を用いた場合の、本発明の実施例５の半導体光素子の上面図である。レーザ領域９側のコア層２４の幅よりも変調器領域８側のコア層２３の幅が大きくなる場合、両領域のコア層を接続する接続導波路領域１３（ドーピングを実施しない領域、分離領域）のコア層を緩やかなテーパ構造とすることで、素子設計時のフォトマスクの変更のみで作製工程を変更することなくコア幅の変更を実現可能である。

この時の、接続導波路領域１３のコア層のテーパの角度θは、図１３に示すように、変調器側コア幅をＷ_EA、レーザ側のコア幅をＷ_LD、分離領域の長さをｌと置くとき、次式（1）で表される範囲とし、0.0001radから0.001rad程度となるように設計される。

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レーザ構造は本実施例に留まらない。実施例では活性層は量子井戸層を用いたが、バルク活性層を用いても構わない。また、動作波長は１．５５μｍとしたが、１．３μｍまで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。

実施例５の構成を、実施例１から４の構成にも組み合わせて適用可能であることも明らかである。

本発明は、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でき、光通信システム用の光送信器に利用することができる。

１ 量子井戸層（コア層、活性層）
２，２ａ、２ｂ ｐ型クラッド層（ｐ−ＩｎＰ）
３ ｎ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）
５ ｎ電極
６ ｐ電極
７ ｐコンタクト層
８ 電界吸収変調器領域
９ レーザ領域
１０ ＥＡ−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
１５ 半絶縁ＩｎＰ埋込み層
２０ シリコン基板
２１ ＳｉＯ₂層
２２ ｉ−ＩｎＰ層
２３、２４ コア層（量子井戸層、活性層）
２５ ｎ型クラッド層（ｎ型ドーピング層）
２６ ｐ型クラッド層（ｐ型ドーピング層）
２６ａ、２６ｂ ドーピング遷移領域
２７、２８ コンタクト層
２９、３０ 電極
３１ ＳｉＯ₂保護膜
４０ 半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ単層基板

Claims (6)

1. 半導体基板の上に形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成された半導体光素子であって、
   前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域を連通する光導波路のコア層の、それぞれの領域における基板上の基板面に平行な方向の両側にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を配置した電流注入構造が形成され、
   前記電界吸収変調器領域における前記ｐ型クラッド層のコア層の側の端部が、前記レーザ領域における前記ｐ型クラッド層のコア層側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されている
   ことを特徴とする半導体光素子。
2. 半導体基板の上に形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成された半導体光素子であって、
   前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域を連通する光導波路のコア層の、それぞれの領域における基板上の基板面に平行な方向の両側にｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を配置した電流注入構造が形成され、
   それぞれの前記ｐ型クラッド層は、前記コア層の側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を前記コア層の側に有しており
   前記電界吸収変調器領域における前記遷移領域の幅が、前記レーザ領域における前記遷移領域の幅よりも広いことを特徴とする半導体光素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体光素子であって、
   前記光導波路の前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域の間に、両領域を電気的に分離し光学的に結合する接続導波路領域が設けられた
   ことを特徴とする半導体光素子。
4. 請求項３に記載の半導体光素子において、
   前記電界吸収変調器領域の前記コア層の幅が、前記レーザ領域の前記コア層の幅よりも広く前記接続導波路領域のコア層がテーパ構造を有する
   ことを特徴とする半導体光素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
   前記半導体基板が、シリコン基板上にＳｉＯ₂層が形成された２層基板である
   ことを特徴とする半導体光素子。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光素子であって、
   前記半導体基板が、半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰの単層基板である
   ことを特徴とする半導体光素子。

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