JP2022015037A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層をＧａＡｓ系の化合物半導体から構成する導波路型の半導体光素子で、半導体レーザと電界吸収効果を用いた光変調器との集積を実現する。【解決手段】基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に形成された活性層１０３とを備える。活性層１０３は、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成され、量子ドットは、基板１０１の平面に平行な方向の幅が、基板の平面に垂直な方向の高さよりも大きいものとされている。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、光変調器などに利用さ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が続いている。情報通信量に伴いその消費電力は増大し、データセンタの消費電力は総電力の２％に達すると推計されている。中でもデータセンタトラフィックの７割以上が、データセンタ内の通信により消費されていることから、短距離通信の大容量化および低消費電力化は、必須の課題である。

以上の背景により、短距離データ通信を光で行う光インタコネクション技術が注目を浴びている。現在、データセンタ間の光ファイバ接続に加え、既にラック間やボード間のデータ通信に面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いた光インタコネクションが導入されている。近年の代表的な短距離光インタコネクションは、ＶＣＳＥＬを用いたマルチモード光伝送である。ＶＣＳＥＬは、活性層の上下に反射ミラーを形成した小型レーザである。

例えば、ＧａＡｓ基板の上に、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｌＰなどの化合物半導体による量子井戸構造の活性層が形成され、波長６３５～１１００ｎｍで動作する。ＧａＡｓ基板は、ＩｎＰ基板と比較して大口径な基板を用いて素子が作製できるため、１つの基板により多くの素子が作製可能であり、低コストで大量生産できる特徴がある。一方で、ＶＣＳＥＬは、光取り出しの口径と横モードの単一モード性がトレードオフの関係にあるため、高出力で安定した単一モード発振の両立は困難であり、波長多重化への対応が課題である。また、直接変調レーザの変調速度は、緩和振動周波数で制限されるため、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える変調動作の実現も課題である。

現在、電気配線の通信容量に限界が見えていることから、光インタコネクションの適用範囲は拡大すると予想され、将来的にはチップ間、チップ内データ通信への光配線への適用が期待される。これらの短距離データ通信の実現には、高密度な大規模集積技術が求められる。これまでテレコム領域の光ファイバ通信用光デバイスにおいて、石英を用いた平面光波回路（ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit）やＩｎＰ基板を用いた集積光源、変調器集積光源が実用化されてきた。

近年は、大規模低コスト生産を目的とし、シリコン基板の上に光部品を集積したシリコンフォトニクスが注目されており、ＩｎＰ光源とのハイブリッド集積が進んでいる。今後の大容量化に対応するためには、波長多重技術の適用が期待され、大口径の基板を用いることができるＧａＡｓやシリコンなど基板の上への、単一モード光源をはじめとするアクティブ光デバイスの高密度集積技術が重要となる。

また、今後の高速化に向けては、５０Ｇｂｉｔ／ｓを超えるボーレートの実現が必須であり、高速かつ小型で動作する外部変調器の集積が求められる。これらの高効率な変調器の実現に向けては、フランツ・ケルディッシュ効果や、量子閉じ込めシュタルク効果等の半導体の電界吸収効果により、外部電界を与えて吸収係数の変化を用いる電界吸収変調器が有望である。またこれらの変調器は光源と一括集積ができることが望ましい。

また、ＧａＡｓ基板上に形成されるレーザは、材料的な制限から、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯への適用が難しい。１．３μｍ動作を実現するためには、活性層を、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造やＩｎＡｓ量子ドット構造とすることになる。特に、ＩｎＡｓ量子ドット構造は、活性層のエネルギーの量子化に伴う３次元的なキャリアの閉じ込めにより、高い発光効率と優れた温度特性を有する特徴がある。

加えて、各量子ドット構造の各々のドットにおいては、独立して発光および誘導放出が生じるために、結晶成長時に生じる欠陥の影響を受けにくい。このため、ＩｎＡｓ量子ドット構造は、ＧａＡｓ基板のみならず、シリコン基板上にＧａＡｓを成長し、この上に作製した量子ドットレーザの検討も進められている。

この種の半導体光素子の代表的な構造としてリッジ型の半導体光素子が開発されている。この導波路構造の半導体光素子（リッジ構造光素子）は、ｎ型ＧａＡｓ基板の上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層と活性層がスラブ状に形成され、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層とｐ型ＧａＡｓコンタクト層によりリッジ導波路が形成される。活性層の上下にはｎ型電極とｐ型電極が形成される。この半導体光素子は、基板の側から見て、活性層を上下に挟んで電極が配置され、活性層に対して、上下方向に電流が注入される。このリッジ構造において、活性層を、量子ドットから構成し、上部クラッド材料としてＩｎＧａＰを用いたＤＦＢレーザを作製した報告例がある（非特許文献１）。

しかし、ＩｎＡｓドットが高い格子歪みを有することから活性層の多層化が困難であり、変調器として活性層への十分な光閉じ込めが得られないことが、この素子の課題である。また、この素子は、キャリアの閉じ込めが強いため、効率のよい電界吸収効果を得ることが困難である。このため、電界吸収変調器の提案はなされているものの（非特許文献２）、実用に足る光変調器は実現されていない。このように、ＧａＡｓ基板上の光変調器やレーザは１．３μｍ帯への適用が困難という課題がある。

一方、シリコン基板上に集積した光変調器として、シリコンやゲルマニウムを用いた変調器、化合物半導体のハイブリッド集積構造が提案されている。しかし、シリコン光変調器は、電界吸収変調器への適用が困難であり、マッハ・ツェンダ変調器の構成が必須となるために素子サイズが大きくなる。また、ゲルマニウム変調器は、シリコン基板上に一括成長できる利点を有するが、量子閉じ込めシュタルク効果の使用が困難であるために、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸やＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸を用いた光変調器と比較すると効率面で課題がある。このため、シリコン基板の上に、光変調器用活性層となる化合物半導体層をウエハ接合により形成した構造が検討されている（非特許文献３）。この技術により、シリコン基板の上に効率の高い光変調器を作製できるが、素子作製にウエハ接合のプロセスが必須となる。

K. Takada et al., "Temperature-stable 10.3-Gb/s Operation of 1.3-μm Quantum-dot DFB Lasers with GaInP/GaAs Gratings", Conference on Optical Fiber Communication incudes post deadline papers, JWA28, 2009. I. B. Akca et al., "Electro-optic and electro-absorption characterization of InAs quantum dot waveguides", Optics Express, vol. 16, no. 5, pp. 3439-3444, 2008. Y. Tang et al., "50 Gb/s hybrid silicon traveling-wave electroabsorption modulator", Optics Express, vol. 19, no. 7, pp. 5811-5816, 2011.

以上に説明したように、活性層をＧａＡｓ系の化合物半導体から構成する導波路型の半導体光素子は、半導体レーザと電界吸収効果を用いた光変調器との集積が容易ではないという問題があった。

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、活性層をＧａＡｓ系の化合物半導体から構成する導波路型の半導体光素子で、半導体レーザと電界吸収効果を用いた光変調器との集積を実現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活性層と、基板の側の活性層の下に形成され、ＧａＡｓより低い屈折率の下部クラッド層と、基板の上に形成された、Ｇａを含む化合物半導体から構成された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、活性層は、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成され、量子ドットは、幅が高さよりも大きい。

以上説明したように、本発明によれば、活性層を、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成し、量子ドットは、幅が高さよりも大きいものとしたので、活性層をＧａＡｓ系の化合物半導体から構成する導波路型の半導体光素子で、半導体レーザと電界吸収効果を用いた光変調器との集積が実現できる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の構成を示す斜視図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態１に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の活性層１０３の構成を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の活性層１０３の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の活性層１０３における動作原理を説明する説明図である。 図４Ａは、幅２４ｎｍ、高さ４ｎｍの、ＩｎＡｓからなる量子ドットに、縦方向に電界を０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍまで与えた時の吸収スペクトルを示す特性図である。 図４Ｂは、幅２４ｎｍ、高さ４ｎｍの、ＩｎＡｓからなる量子ドットに、横方向に電界を０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍまで与えた時の吸収スペクトルを示す特性図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子の構成を示す断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態２に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図６Ａは、活性層の光閉じ込め係数の導波路幅依存性を示す特性図である。 図６Ｂは、活性層に印加される電圧と消光特性との関係を示す特性図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態３に係る半導体光素子の構成を示す断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態３に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体光素子について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子について、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは、導波方向に垂直な断面を示している。

この半導体光素子は、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に形成された活性層１０３とを備える。また、この半導体光素子は、基板１０１の上で、活性層１０３を挟んで配置されて活性層１０３に接して形成されたｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６を備える。

活性層１０３は、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成され、量子ドットは、基板１０１の平面に平行な方向の幅が、基板の平面に垂直な方向の高さよりも大きいものとされている。なお、実施の形態１において、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、下部ガイド層１０４ａ，上部ガイド層１０４ｂに挾まれている。また、下部ガイド層１０４ａ，活性層１０３，上部ガイド層１０４ｂの積層構造が、ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６に挾まれている（埋め込まれている）。

また、ｐ型半導体層１０５には、ｐ型電極１０９が電気的に接続し、ｎ型半導体層１０６には、ｎ型電極１１０が電気的に接続している。実施の形態１において、ｐ型電極１０９は、ｐ型半導体層１０５に、コンタクト層１０７を介して接続し、ｎ型電極１１０は、ｎ型半導体層１０６にコンタクト層１０８を介して接続している。この構成により、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。

また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域１２２において、活性層１０３の上に、ブラッグ波長１．３μｍの回折格子１２１が形成されている。なお、ここでは、上部ガイド層１０４ｂの上面に回折格子１２１を形成している。共振器領域１２２では、分布帰還型レーザが構成されている。コンタクト層１０７、ｐ型電極１０９、コンタクト層１０８、ｎ型電極１１０は、共振器領域１２２に形成されている。

また、この半導体光素子は、共振器領域１２２に連続して変調器領域１２３を備える。活性層１０３は、光出射方向に、共振器領域１２２から変調器領域１２３にかけて延在している。変調器領域１２３において、ｐ型半導体層１０５には、ｐ型電極１１３が電気的に接続し、ｎ型半導体層１０６には、ｎ型電極１１４が電気的に接続している。また、ｐ型電極１１３は、ｐ型半導体層１０５に、コンタクト層１１１を介して接続し、ｎ型電極１１４は、ｎ型半導体層１０６にコンタクト層１１２を介して接続している。この構成により、変調器領域１２３の活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電界が印加される。なお、変調器領域１２３においては、回折格子が形成されていない。

共振器領域１２２と変調器領域１２３とは、各々分離して設けたコンタクト層の形成領域により分離され、上述したように、共振器領域１２２には、順バイアスによる電流注入を行い、変調器領域１２３には、逆バイアスによる電界印加を行う。

なお、共振器領域１２２および変調器領域１２３からなる素子の両端面には、図示していないが、無反射膜が形成されている。また、図示していないが、素子の表面にはＳｉＯ₂からなる保護膜が形成されている。例えば、回折格子１２１が形成されている上部ガイド層１０４ｂの上には、ＳｉＯ₂の層が接して形成されている。

基板１０１は、半絶縁性のＧａＡｓから構成されている。下部クラッド層１０２は、ＧａＡｓより低い屈折率の材料から構成されている。下部クラッド層１０２は、例えば、ＡｌＧａＡｓから構成し、厚さ１．５μｍ程度とすることができる。また、下部クラッド層１０２は、ＡｌＡｓから構成することもできる。また、下部クラッド層１０２は、Ａｌ₂Ｏ₃から構成することができる。下部クラッド層１０２は、基板１０１への光の染み出しを抑制できる厚さであることが重要であり、１μｍ以上とすることができる。

ここで、活性層１０３について詳細に説明する。活性層１０３は、図２Ａに示すように、ＧａＡｓからなるバッファ層１３１と、バッファ層１３１の上に形成された濡れ層１３２と、濡れ層１３２の上に形成された複数の量子ドット１３３と、複数の量子ドット１３３を覆って形成された歪制御層１３４とを備える。実施の形態では、バッファ層１３１、濡れ層１３２、複数の量子ドット１３３、および歪制御層１３４を１組のドット層とし、このドット層を３層積層している。最上層は、バッファ層１３１で終端している。活性層１０３の全体の形状は、断面視で、幅０．５μｍ、厚さ３７５ｎｍとすることができる。

バッファ層１３１は、ＧａＡｓから構成されて厚さ５０ｎｍとされている。濡れ層１３２は、ＩｎＡｓから構成されている。歪制御層１３４は、ＩｎＧａＡｓから構成され、厚さ８ｎｍとされている。量子ドット１３３は、ＩｎＡｓから構成されている。また、量子ドット１３３は、半球状に形成され、直径３０ｎｍ、高さ４ｎｍとされている。このように構成された活性層１０３の発光波長は、１．２７μｍである。ここで、本発明では、量子ドット１３３の基板１０１の平面に平行な方向の幅が、基板１０１の平面に垂直な方向の高さよりも大きいことが大きな特徴である。量子ドットの幅は、５ｎｍよりも大きく、１００ｎｍよりも小さい値とすることができる。

なお、図２Ｂに示すように、上下に隣り合うドット層の間に、ＩｎＡｓから構成された濡れ層１３５を形成することもできる。なお、下部ガイド層１０４ａ，上部ガイド層１０４ｂは、ＧａＡｓから構成されている。

ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６は、活性層１０３より低い屈折率の化合物半導体から構成することができる。このようにすることで、活性層１０３に対する十分な光閉じ込めが実現できる。ｐ型半導体層１０５は、例えば、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎがドープされてｐ型とされたＩｎＧａＰから構成することができる。また、ｎ型半導体層１０６は、例えば、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉがドープされてｎ型とされたＩｎＧａＰから構成することができる。

コンタクト層１０７は、例えば、ドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＺｎがドープされてｐ型とされたＧａＡｓから構成することができる。また、コンタクト層１０８は、ドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＳｉがドープされてｎ型とされたＧａＡｓから構成することができる。

ここで、上述した半導体光素子の作製について、簡単に説明する。まず、各半導体の層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの結晶成長技術により形成することができる。また、導波路の構造や回折格子１２１の形成は、公知のリソグラフィー技術、およびウェットエッチングまたはドライエッチングなどの一般的な半導体光素子の作製方法を用いることができる。

また、量子ドット１３３は、よく知られているように、ＧａＡｓの層の上へのＩｎＡｓのヘテロエピタキシャル成長においては、２次元平面構造（濡れ層１３２）が形成された後，３次元的な島状構造が自己形成される。このヘテロエピタキシャル成長では、格子不整合により、成長している層に歪が蓄積される。この歪が緩和される過程で島が形成される。この島の寸法は，数１０ｎｍであり，量子ドットの性質を示す。

ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６は、ｎ型ドーピングのＩｎＧａＰおよびｐ型ドーピングのＩｎＧａＰを、各々埋め込み再成長することによって形成できる。また、活性層１０３を形成した後に、真性ＩｎＧａＰを埋め込み再成長し、この後で、イオン注入または熱拡散などにより、不純物が導入され、各々の導電型とされた状態とすることもできる。

なお、図１Ｃに示すように、下部クラッド層１０２の上に、ＩｎＧａＰからなる厚さ１０ｎｍ程度の半導体層１１５を形成しておくこともできる。半導体層１１５により、ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６を形成するための埋め込み再成長の際の、下部クラッド層１０２の酸化を抑制することができる。また、上部ガイド層１０４ｂの上に、ＩｎＧａＰからなる厚さ１０ｎｍ程度の半導体層１１６を形成しておくこともできる。半導体層１１６により、コンタクト層１０７，コンタクト層１０８を形成するためのエッチング処理の際に、上部ガイド層１０４ｂへのダメージが抑制できる。なお、半導体層１１５，半導体層１１６を形成した場合においても、電気的にも光学的にも、形成しない場合と同等の特性を得ることができる。

次に、実施の形態１に係る半導体光素子の構成と効果について詳細に説明する。まず、波長１．３μｍにおけるＧａＡｓの屈折率は３．４５である。また、波長１．３μｍにおけるＩｎＧａＰの屈折率は３．１９である。従って、ＩｎＧａＰから構成されたｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６に挾まれている。ＧａＡｓからなる活性層１０３においては、横方向に光を強く閉じ込めることができる。

また、素子の上部に配置されている保護膜を構成するＳｉＯ₂の屈折率は１．４７である。また、ＡｌＧａＡｓから構成した場合の下部クラッド層１０２の屈折率はＧａＡｓよりも低く、また、特にＡｌＡｓから構成した場合の下部クラッド層１０２の屈折率は２．９３である。従って、この半導体光素子では、基板１０１から見て垂直方向にも高い光閉じ込めを実現することができる。下部クラッド層１０２をＡｌＡｓから構成した場合、活性層１０３と下部クラッド層１０２との間の屈折率差が最大となり、活性層１０３への光閉じ込めが最も高いレーザ構造を実現できる。

また、下部クラッド層１０２を厚さ１μｍのＡｌ₂Ｏ₃から構成することで、さらなるレーザの小型化と低消費電力駆動を実現できる。Ａｌ₂Ｏ₃の波長１．３μｍの屈折率は１．７５であるため、下部クラッド層１０２を、ＡｌＧａＡｓから構成する場合に比較して、さらに高い活性層１０３への光閉じ込めが実現できる。また、Ａｌ₂Ｏ₃が絶縁体であるため、下部クラッド層１０２を介した電流リークが完全に抑止できる。また、Ａｌ₂Ｏ₃の熱伝導率は３２Ｗ／ｍ・ｋと、ＧａＡｓの熱伝導率４４Ｗ／ｍ・Ｋに対してそん色なく、レーザの高出力動作にも効果がある。

例えば、ＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＡｓもしくはＡｌ組成が８５％以上のＡｌＧａＡｓを成長し、このＡｌＡｓもしくはＡｌＧａＡｓの層を酸化させることで、Ａｌ₂Ｏ₃からなる下部クラッド層が形成できる。また、このようにして下部クラッド層を形成した後、活性層１０３を含むレーザ構造を、ウエハ接合などの方法で接合することで、Ａｌ₂Ｏ₃からなる下部クラッド層の上に、上述した各層を形成することができる。

また、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＡｓもしくはＡｌ組成が８５％以上のＡｌＧａＡｓの層を形成し、この上に、ＧａＡｓの層を成長した後、ＡｌＡｓもしくはＡｌＧａＡｓの層を高温処理などにより酸化させて、Ａｌ₂Ｏ₃からなる下部クラッド層を形成することもできる。この後、ＧａＡｓの層上に活性層などの各層の成長を行い、ＩｎＧａＰによる埋め込み成長などを実施することもできる。後者の作製方法を採用することにより、ＧａＡｓ基板上の結晶成長で素子を作製できる。酸化処理に必要な温度は４００～５００℃であるため、活性層を構成するドット層の発光強度の劣化および発光波長の短波長化を抑制できる効果も得られる。

このように、実施の形態に係る半導体光素子は、従来のリッジ構造光素子と比較して、活性層１０３への高い光閉じ込めが実現され、半導体光素子の小型化と低電圧駆動が実現できる。また、量子ドット１３３は、強い圧縮歪を有することから、従来は、ドット層を多層に形成することが困難であった。しかし、上述したように、活性層１０３への高い光閉じ込めが実現されているので、少ないドット層の層数で十分な光閉じ込めが実現できる。

次に、量子ドット１３３の幅を、高さよりも大きくすることについて、より詳細に説明する。実施の形態１の活性層１０３の水平方向に電界を与えることによって、キャリアの局在効果を増強し、効率の高い電界吸収効果を実現する。図３に動作原理を説明する。図３は、ポテンシャルと電子状態を示している。

量子ドットの成長方向（垂直方向）に電界を与えた場合の電子状態（ａ）と、ドットの水平方向（横方向）に電界を与えた場合の電子状態（ｂ）とを比較する。垂直方向に電界を与える構成は従来構造の変調器の構成である。一方、横方向に電界を与える構成は、本発明の構成である。

量子ドットに電界を与えると、量子ドット内のポテンシャルの傾きにより、伝導帯の電子の包絡線関数と、価電子帯の正孔の包絡線関数が非対称となる。電界は右から左に与えるものとする。電界が与えられると、電子の包絡線関数は右側、正孔の包絡線関数は左側に局在し、電子と正孔の包絡線の重なりが減少し、遷移確率の低下によって吸収が減少する。合わせて、ポテンシャルの傾きによって実効的な遷移エネルギーが低下し、吸収波長が長波長化する。

ここで、垂直方向に電界を印加する場合、図３の（ａ）に示すように、量子ドット内の３次元的な電子および正孔の閉じ込めが強く、電界を与えても電子と正孔の局在が小さく、電子の包絡線関数１４１と正孔の包絡線関数１４２との重なり積分の変化（吸収係数の変化量）とエネルギーシフト量が小さい。

一方、水平方向の電界を与えると、図３の（ｂ）に示すように、ポテンシャル幅が広くなるため、電子と正孔の局在が大きくなり、電子の包絡線関数１４３と正孔の包絡線関数１４４との重なり積分の変化（吸収係数の変化量）とエネルギーのシフト量が大きくなる。

図４Ａ、図４Ｂは、幅２４ｎｍ、高さ４ｎｍの、ＩｎＡｓからなる量子ドットに、電界を０ｋＶ／ｃｍから１００ｋＶ／ｃｍまで与えた時の吸収スペクトルを示す特性図である。図４Ａが本発明の構成（垂直方向電界）であり、図４Ｂが従来の構成（水平方向電界）である。図中の数字は、印加している電界の値である。従来の構成では、印加する電界を変化させても、吸収端の長波長シフトが得にくい。これに対し、本発明の構成では、印加する電界を変化させることで、吸収端の顕著な長波長シフトが得られることが見いだされた。吸収端を動作波長よりも短波長側に設定し、電界を与えた際に吸収が増大するように設定することにより、電界吸収による強度変調動作を実現できる。以上の効果によって、量子ドットの幅を、高さよりも大きくすることで、より低い電圧の駆動による光変調器動作を実現できる。

また、実施の形態に係る半導体光素子は、作製面においても利点が大きい。上述したように、上部ガイド層１０４ｂに回折格子１２１を形成した後、回折格子１２１を半導体による埋め込む工程が不要であり、回折格子１２１の形成が容易となる。また、回折格子１２１は、上部ガイド層１０４ｂと、ＳｉＯ₂からなる保護膜もしくは空気層との高い屈折率差によって、高い反射率を有するブラッグ反射鏡とすることができる。このため、小型の共振器とすることができる。加えて、光閉じ込めの効果が高いために、活性層１０３の厚さを１μｍ以下と薄くできるため、ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６の形成のための埋め込み成長が、容易になるという効果もある。

以上のように、実施の形態１によれば、活性層をＧａＡｓ系の化合物半導体から構成する導波路型の半導体光素子で、半導体レーザと電界吸収効果を用いた光変調器との集積が実現できるようになる。また、実施の形態１によれば、波長１．３μｍ帯で動作する低電力駆動の光変調器および光変調器集積レーザを、大口径のＧａＡｓ基板上に形成することが可能となる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子について、図５Ａを参照して説明する。この半導体光素子は、Ｓｉから構成された基板２０１の上に、ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓやＧａＰからなるバッファ層２０２を介して、下部クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型半導体層１０５、およびｎ型半導体層１０６を備える。

また、活性層１０３は、基板２０１から見て上下の方向に、下部ガイド層１０４ａ，上部ガイド層１０４ｂに挾まれている。また、下部ガイド層１０４ａ，活性層１０３，上部ガイド層１０４ｂの積層構造が、ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６に挾まれている（埋め込まれている）。また、共振器領域において、上部ガイド層１０４ｂの上面に、回折格子１２１が形成されている。

下部クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型半導体層１０５、ｎ型半導体層１０６、下部ガイド層１０４ａ，上部ガイド層１０４ｂ、回折格子１２１や、共振器領域および変調器領域など、基板２０１およびバッファ層２０２以外は、前述した実施の形態１と同様である。

バッファ層２０２と下部クラッド層１０２の間には、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓやＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子構造からなる転位フィルタ層を挿入し、活性層１０３への転位伝搬を抑制することも可能である。

実施の形態２では、シリコンからなる基板２０１の上にバッファ層２０２と、前述した実施の形態１と同様のレーザ構造が形成されていることに特徴がある。実施の形態２では、ＧａＡｓ系の化合物半導体に対して異種材料となるＳｉからなる基板２０１を用い、バッファ層２０２より成長に伴う転位を制御することで、下部クラッド層１０２，活性層１０３などの各ＧａＡｓ系半導体の層を一括して成長できる。なお、実施の形態１と同様に、下部クラッド層１０２は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、およびＡｌ₂Ｏ₃などから構成することができる。

また、図５Ｂに示すように、下部クラッド層１０２の上に、ＩｎＧａＰからなる厚さ１０ｎｍ程度の半導体層１１５を形成しておくこともできる。また、上部ガイド層１０４ｂの上に、ＩｎＧａＰからなる厚さ１０ｎｍ程度の半導体層１１６を形成しておくこともできる。これらの構成も、実施の形態１と同様である。

次に、上述した半導体光素子の活性層１０３の特性制御について説明する。ＧａＡｓ基板を用いて作製された一般的な半導体光素子では、光閉じ込めのためにクラッド層として活性層の上下にＡｌＧａＡｓ層を形成する必要がある。この従来構造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度が高いため、活性層を形成した後のＡｌＧａＡｓの形成時に、活性層の特性が変化する課題があった。特に、ＩｎＡｓ自己形成量子ドットから構成した活性層においては、活性層を形成した後に高温にさらされると、量子ドットの構造と塑性が変化し、発光波長が短波長化することが知られている。例えば、ＭＯＶＰＥのＡｌＧａＡｓの成長温度は６５０℃以上であり、活性層を形成した後のＡｌＧａＡｓ層の成長で、波長が短波長化し、１．３μｍ波長のレーザを実現することが困難であった。

しかし、本発明の構造は、活性層の形成後に、厚膜のＡｌＧａＡｓ成長が不要であり、成長温度が約５５０℃のＩｎＧａＰ再成長のみである。このため、活性層の特性の変化を抑制することができる。また、クラッドをＩｎＧａＰから構成するリッジ構造レーザと比較しても、リッジ構造レーザのＩｎＧａＰクラッドの厚さが１．５μｍ以上であるのに対して、実施の形態では、ｐ型半導体層１０５およびｎ型半導体層１０６の厚さが、上述した厚さの１／３以下であるため、熱の影響を抑制することができる。

次に、上述した実施の形態に係る半導体光素子の効果について図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。図６Ａは、活性層の光閉じ込め係数の導波路幅依存性を示している。図６Ａに示すように、従来と比較して、下部クラッド層をＡｌＡｓやＡｌ₂Ｏ₃から構成した実施の形態によれば、大幅な光閉じ込め係数の改善が得られる。このことにより、吸収係数変化に対する消光特性が増強され、半導体光素子の低電圧駆動が実現できる。

図６Ｂは、活性層に印加される電圧と消光特性との関係について示している。活性層における断面の幅は０．５μｍ、共振器領域の導波方向長さは５００μｍである。従来では光閉じ込めが低く、かつ電界吸収効果が小さいために十分な消光比が得られない。これに対し、下部クラッド層をＡｌＡｓやＡｌ₂Ｏ₃から構成した実施の形態によれば、光閉じ込めと電界吸収効果の増強によって、低電圧駆動で十分な消光特性が得られる。このように、本発明により小型の共振器が実現され、小型化、低電力駆動の高い効果が得られる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子について、図７Ａを参照して説明する。この半導体光素子は、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に形成された活性層３０３とを備える。また、この半導体光素子は、基板１０１の上に形成されたｐ型半導体層３０７およびｎ型半導体層３０８を備える。実施の形態３では、半導体光素子として、光変調器について説明する。

活性層３０３は、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成され、量子ドットは、基板の平面に平行な方向の幅が、基板の平面に垂直な方向の高さよりも大きいものとされている。活性層３０３は、前述した実施の形態１、実施の形態２における活性層１０３と、基本的な構成は同一である。なお、実施の形態３において、活性層３０３は、基板１０１から見て上下の方向に、下部ガイド層３０４，上部ガイド層３０５に挾まれている。また、上部ガイド層３０５の上に、エッチストップ層３０６が形成されている。

また、この半導体光素子は、ｐ型半導体層３０７とｎ型半導体層３０８との間の活性層３０３の上に、リッジ構造のリッジ層３０９が形成されている。リッジ層３０９は、光出射方向に所定の長さで延在している。リッジ層３０９の断面視の幅は、例えば、幅０．５μｍ程度とすることができる。リッジ層３０９により、活性層３０３における光閉じ込め領域が規定される。また、ｐ型半導体層３０７には、ｐ型電極１０９が電気的に接続し、ｎ型半導体層３０８には、ｎ型電極１１０が電気的に接続している。

実施の形態３においては、リッジ層３０９により規定される活性層３０３の光閉じ込め領域が、前述した実施の形態１、実施の形態２における活性層１０３に対応する。リッジ層３０９により規定される活性層３０３の光閉じ込め領域に対し、上述したｐ型電極１０９，ｐ型半導体層３０７およびｎ型電極１１０，ｎ型半導体層３０８により、基板１０１の平面に平行な方向で電界の印加がなされる。

基板１０１および下部クラッド層１０２は、前述した実施の形態１，実施の形態２と同様であり、説明は省略する。また、活性層３０３は、前述した実施の形態１，実施の形態２の活性層３０１と同様であり、ＧａＡｓからなるバッファ層と、バッファ層の上に形成された濡れ層と、濡れ層の上に形成された複数の量子ドットと、複数の量子ドットを覆って形成された歪制御層とを備える。また、活性層３０３は、バッファ層、濡れ層、複数の量子ドット、および歪制御層を１組のドット層とし、このドット層を３層積層している。最上層は、バッファ層で終端している。

また、図７Ｂに示すように、ｐ型半導体層３０７の下の領域の、活性層３０３にｐ型領域３０３ａを形成し、上部ガイド層３０５にｐ型領域３０５ａを形成し、エッチストップ層３０６にｐ型領域３０６ａを形成することもできる。同様に、ｎ型半導体層３０８の下の領域の、活性層３０３にｎ型領域３０３ｂを形成し、上部ガイド層３０５にｎ型領域３０５ｂを形成し、エッチストップ層３０６にｎ型領域３０６ｂを形成することもできる。また、前述した実施の形態２と同様に、Ｓｉから構成された基板の上に、ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓやＧａＰからなるバッファ層を介して、下部クラッド層１０２より上の層を配置することもできる。

ここで、上述した半導体光素子の作製について、簡単に説明する。まず、各半導体の層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの結晶成長技術により形成することができる。また、この素子では、上部ガイド層までは、前述した実施の形態１などと同様に、各層を形成する。次いで、例えば、ＩｎＧａＰからなるエッチストップ層３０６を成長し、この上に、ＧａＡｓの層を成長する。次に、このＧａＡｓの層を、公知のリソグラフィー技術、およびエッチング技術によりパターニングすることで、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層、およびこれらに挾まれたリッジ層３０９を形成する。このパターニングのエッチング処理において、エッチストップ層３０６をエッチング停止のための層として用いる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に示した構成に限るものではなく、活性層を構成する材料としてはＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓなどのＧａＡｓ基板に成長可能なあらゆる材料を用いることができる。また、活性層の構造としては、半球状のＩｎＡｓ量子ドットによる層を用いたが、自己形成で作製できるその他のドット形状でも構わない。

以上に説明したように、本発明によれば、活性層を、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成し、量子ドットは、幅が高さよりも大きいものとしたので、活性層をＧａＡｓ系の化合物半導体から構成する導波路型の半導体光素子で、半導体レーザと電界吸収効果を用いた光変調器との集積が実現できる。

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。

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ…下部ガイド層、１０４ｂ…上部ガイド層、１０５…ｐ型半導体層、１０６…ｎ型半導体層、１０７…コンタクト層、１０８…コンタクト層、１０９…ｐ型電極、１１０…ｎ型電極、１１１…コンタクト層、１１２…コンタクト層、１１３…ｐ型電極、１１４…ｎ型電極、１２１…回折格子、１２２…共振器領域、１２３…変調器領域。

Claims (7)

1. 基板の上に形成された活性層と、
   前記基板の側の前記活性層の下に形成され、ＧａＡｓより低い屈折率の下部クラッド層と、
   前記基板の上に形成された、Ｇａを含む化合物半導体から構成された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、
   前記活性層は、ＧａＡｓからなる層とＩｎＡｓからなる量子ドットとを含んで構成され、前記量子ドットは、幅が高さよりも大きい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ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層は、前記基板の上で、前記活性層を挟んで配置されて前記活性層に接して形成されていることを特徴とする半導体光素子。
3. 請求項２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、前記活性層より低い屈折率の化合物半導体から構成されていることを特徴とする半導体光素子。
4. 請求項３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、ＩｎＧａＰから構成されていることを特徴とする半導体光素子。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
   前記活性層の上の一部領域に形成された回折格子を備えることを特徴とする半導体光素子。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
   前記下部クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、およびＡｌ₂Ｏ₃のいずれから構成されていることを特徴とする半導体光素子。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
   前記基板は、ＧａＡｓまたはＳｉから構成されていることを特徴とする半導体光素子。

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