JP4718309B2 - 光半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子に係り、特に、半導体レーザや半導体光増幅素子、半導体変調器、或いはそれらを集積化した光半導体素子に適用して有効な技術に関する。

従来の端面発光型半導体レーザは、光を放出する活性層の両外側に順にガイド層、クラッド層が挟まれ、ストライプ構造を有する。基板に垂直な方向は活性層を中心としてクラッド層、ガイド層と外側になるほど光強度が単調に減少する特性で分布する。基板に水平な方向もストライプを中心として外側になるに従い単調に減少する分布特性を示す。

図３に、従来の光半導体素子（半導体レーザ）の一例を示す。同図はGaAs基板１上にＭＢＥ法により結晶成長されたGaInNAs長波長帯レーザであり、厚さ1.5μmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のn型GaInPクラッド層11、厚さ280nmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｎ型GaAsガイド層3、GaInNAs-3重量子井戸活性層4、厚さ280nmでキャリア濃度7×10¹⁷cm^-3のｐ型GaAsガイド層5、厚さ1.5μmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｐ型GaInPクラッド層、厚さ200nmでキャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のｐ型GaAsコンタクト層8が順に積層されている。GaInNAs量子井戸活性層のGaInNAsの量子井戸層の幅は5nmで障壁層のGaAsの幅は30nmであり、量子井戸層と障壁層が交互に積層されている。この例ではGaAs基板はn型の導電型であり、ｎ型の電極10が基板にオーミック接続されており、ｐ型の電極9がGaAsコンタクト層8にオーミック接続されている。ｐ型GaInPクラッド層は塩酸系のエッチング溶液により逆メサの台形上にエッチングされており、ストライプを形成している。このエッチング液はGaInPのみエッチングしてGaAsガイド層5はエッチングされない。

図１においてメサ幅と呼ばれる幅、すなわちGaAsガイド層5と接しており、逆メサ上の台形の下の辺の長さは2μmである。メサ幅下のGaInNAs量子井戸活性層4の領域が実効的な活性層領域となり、２次元電界強度シミュレーションによればこの領域の多重量子井戸層の光閉じ込め係数Γ_MQWは2.8%であった。

一方、直接変調レーザにおいて高速化に最も重要なパラメータは緩和振動周波数である。緩和振動周波数f_rは以下の式で表すことができる。

ここでv_gは群速度でqは電子の電荷、L_Cは共振器長、N_wは量子井戸数、L_wは量子井戸の幅、W_aは活性層の幅、η_iは内部微分量子効率、I_mは駆動電流である。

この式からΓ_MQWを増大させれば緩和振動周波数を増大させることができる。K. Uomiらにより開示されている（非特許文献１参照）ように活性層幅Waの最適化やNwの増大によりΓ_MQWを増大することができるが、(1)式によれば分母にもN_w, W_aがあるためにこれらのパラメータを最適化による緩和振動周波数f_rの増大には限界が生じていた。本従来例では52mAの駆動電流において緩和振動周波数は18GHzであった。

K. Uomi et al.「ハイスピード プロパティーズ オブ 1.55ミクロンInGaAs-InGaAsP MQW λ/4-シフテッド DFB レーザ(High-speed properties of 1.55μm InGaAs-InGaAsP MQW l/4-shifted DFB Lasers)」、SPIE、 vol.1634、 1992年、 p.110-118

直接変調レーザにおいて、高速化に最も重要なパラメータは緩和振動周波数である。この緩和振動周波数f_rは、上述の式（１）で表すことができる。この式からΓ_MQWを増大させれば緩和振動周波数を増大させることができる。しかし、活性層幅Waの最適化やNwの増大によりΓ_MQWを増大することができるが、一方、緩和振動周波数f_rを示す式（１）の分母には、N_w, W_aがあるためにこれらのパラメータを最適化による緩和振動周波数f_rの増大には限界が生じていた。

本発明の目的は、従来より光閉じ込め係数の大きな半導体光素子により緩和振動周波数が高く高速に動作が可能な半導体レーザを提供することにある。また、光閉じ込め係数の大きな半導体光素子により同一の光利得で注入電流が小さな半導体光増幅器を提供することにある。また、光閉じ込め係数の大きな半導体光素子により駆動電圧がより小さい光変調器を提供することにある。

本発明によれば、半導体基板上に、少なくとも１層以上の第１の導電型を有する半導体からなり光を導波する第１のガイド層、電子と正孔の発光再結合により発光する活性層、少なくとも１層以上の第２の導電型を有する半導体からなり光を導波する第２のガイド層、およびクラッド層がこの順に積層された多層膜と、この多層膜を加工してなる光を導波するメサストライプ構造とを有し、半導体基板内の所望の位置に活性層に対向するように第１の誘電体層が埋め込まれ、クラッド層内に、このクラッド層の少なくとも一つの側壁から離隔した位置に活性層に対向するように第２の誘電体層が埋め込まれた構造を有する光半導体素子によって達成できる。

さらに、半導体基板上に、少なくとも１層以上の第１の導電型を有する半導体からなり光を導波する第１のガイド層、電子と正孔の発光再結合により発光する活性層、少なくとも１層以上の第２の導電型を有する半導体からなり光を導波する第２のガイド層、およびクラッド層がこの順に積層された多層膜と、この多層膜を加工してなる光を導波するメサストライプ構造とを有し、半導体基板内の所望の位置に活性層に対向するように誘電体層が埋め込まれた構造を有する光半導体素子によって達成できる。

すなわち、誘電体は一般に屈折率が２以下と半導体層３〜３.６に比べて低いために屈折率差が大きく、誘電体に光は広がらない。よって上記構造により光閉じ込め係数を増大させることが可能で本発明により緩和振動周波数の増大を実現でき、超高速動作を達成することができる。

本発明は、活性層の光閉じ込め係数を高くすることができるので緩和振動周波数増大に対して効果があり、光半導体素子の高速化に対して効果がある。

以下に、図面を用いて実施例を具体的に説明する。

本発明に基づく実施例１を図１に示す。同図はGaAs基板１上にＭＢＥ法により結晶成長された1.3μm帯GaInNAs長波長帯レーザであり、厚さ100nｍでGaAs基板に格子整合したCa_0.43Sr_0.57F₂誘電体層2、厚さ280nｍでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｎ型GaAsガイド層3、GaInNAs-3重量子井戸活性層4、厚さ280nｍでキャリア濃度7×10¹⁷cm^-3のｐ型GaAsガイド層5、厚さ1.5μｍでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｐ型GaInPクラッド層6が積層されており、GaAsガイド層上端から300nmに厚さ100nmで幅1.6μmのCa_0.43Sr_0.57F₂誘電体層7が埋め込まれている。GaInPクラッド層6の上には厚さ200nｍでキャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のｐ型GaAsコンタクト層8が積層されている。Ca_0.43Sr_0.57F₂誘電体層7は厚さ300nmまでGaInPクラッド層6と厚さ100nmのCa_0.43Sr_0.57F₂誘電体層7を積層後にフォトリソグラフィーにより幅1.6μmに形成した後、さらに再成長にてGaInPクラッド層6を成長する。GaInNAs量子井戸活性層のGaInNAsの量子井戸層の幅は、5nmで障壁層のGaAsの幅は30nmであり、量子井戸層と障壁層が交互に積層されている。

ｐ型GaInPクラッド層を塩酸系のエッチング溶液により逆メサの台形上にエッチングした後に、その外側のp型GaAsガイド層5、Ca_0.43Sr_0.57F₂誘電体層7、ｎ型GaAsガイド層3を3の途中までドライエッチングし、ｎ型の電極10をp型GaAsガイド層5にオーミック接続する。ｐ型の電極9はGaAsコンタクト層8にオーミック接続されている。

Ca_0.43Sr_0.57F₂がGaAsと格子整合でき、さらにこの層の上部に連続して半導体層を結晶成長できることは古川編著の「ＳＯＩ構造形成技術」の144ページから145ページに開示されている。また、このようなフッ化物の屈折率は1.3-1.7程度と半導体の3以上に比べて低い。よって量子井戸活性層4の上下に屈折率が低い層を挟み込むと光閉じ込め係数Γ_MQWが向上する。２次元シミュレーションによれば図１の構造の光閉じ込め係数Γ_MQWは4.1%と従来構造に比べて46%増大した。屈折率差で光を閉じ込めるため、本発明の効果が得られる望ましいガイド層3距離は100〜500nmである。また、同様に誘電体7と活性層まで望ましい距離は100〜800nmである。

本実施例では共振器長200μｍで前面70%後面90％の反射鏡を施した半導体レーザを作成した。本発明の光閉じ込め係数増大の効果により緩和振動周波数は従来の約21％増大し、52mAの駆動電流での緩和振動周波数は21.8GHzであった。これにより30Gb/sの高速動作を実現することができた。

本実施例ではFabry-Perotレーザを共振器構造として用いていたが、DFBレーザでも実施できることは言うまでもない。さらに、共振器構造を有しているレーザだけではなく、半導体光増幅器に適用すれば光閉じ込め係数増大により、従来に比べて低い動作電流での高光利得が得られることは言うまでもない。また、本実施例ではGaAs上で成長できる長波長帯材料GaInNAsを使用したが、InGaAsやGaAs等の短波長帯材料を活性層に適用できることは言うまでもない。

また、本実施例では誘電体層2の直上はGaAsガイド層3の1層であったが、GaInP層とGaAsガイド層の積層構造等でも同様の結果が得られることは言うまでもない。さらに、誘電体層としてCa_0.43Sr_0.57F₂を使用したが、ほぼ格子整合するフッ化物混晶材料Ca_xBa_ySr_zCd_1-x-y-zF₂を適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明に基づく実施例２を図２に示す。図２はGaAs基板１上にＭＢＥ法により結晶成長された1.3μm帯GaInNAs長波長帯レーザであり、厚さ100nｍでGaAs基板に格子整合したCa_0.43Sr_0.57F₂誘電体層、厚さ280nｍでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｎ型GaAsガイド層3、GaInNAs-3重量子井戸活性層4、厚さ280nｍでキャリア濃度7×10¹⁷cm^-3のｐ型GaAsガイド層5、厚さ1.5μｍでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｐ型GaInPクラッド層6、厚さ200nｍでキャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のｐ型GaAsコンタクト層8が順次積層されている。GaInNAs量子井戸活性層のGaInNAsの量子井戸層の幅は5nmで障壁層のGaAsの幅は30nmであり、量子井戸層と障壁層が交互に積層されている。

図２から分るように、実施例１との違いは誘電体層が活性層の下部のみに有することである。このときでも計算による光閉じ込め係数Γ_MQWは3.7%と従来構造に比べて約32％増大している。本実施例では活性層の上側での再成長がなく、誘電体層を含めて1回の成長で多層構造を作成できる。本実施例では共振器長200μｍで前面70%後面90％の反射鏡を施した半導体レーザを作成した。本発明の光閉じ込め係数増大の効果により緩和振動周波数は従来の約15％増大し、52mAの駆動電流での緩和振動周波数は20.7GHzであった。これにより25Gb/sの高速動作を実現することができた。

本実施例では誘電体層2にはCa_0.43Sr_0.57F₂を使用したが、高い割合でAlを含む半導体層、例えばAl_0.98Ga_0.02As層を含む層を積層して横方向から酸化させることにより得られるAl₂O₃層を適用しても同様な効果が得られることは言うまでもない。

本発明に基づく実施例３を図４に示す。図４はInP基板12上にMOCVD法により結晶成長された1.3μm帯InGaAlAs長波長帯レーザであり、InP基板12上に厚さ20nmのAl_0.98Ga_0.02As_0.56Sb_0.43層13、厚さ150nmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｎ型InP層14、厚さ100nmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のｎ型InGaAlAsガイド層15、量子井戸層数10のInGaAlAs歪量子井戸活性層16、厚さ100nmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のp型InGaAlAsガイド層17、厚さ30nmでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のp型InGaAsPエッチストップ層18、厚さ1.5μｍでキャリア濃度1×10¹⁸cm^-3のp型InPクラッド層19、厚さ200nｍでキャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のp型InGaAsコンタクト層20、を順次結晶成長しウェットエッチングで19の幅2.0μmのストライプ導波路を形成する。InGaAlAs歪量子井戸活性層16は幅5nmで歪1.5%のInGaAlAs井戸層と歪-0.55%で幅7nmのInGaAlAs障壁層から構成されている。さらにドライエッチング等を使用して図4のような２段の段差をストライプ19の外側に形成する。ここで450℃の水蒸気雰囲気中にてAl_0.98Ga_0.02As_0.56Sb_0.43層13を酸化させてAl₂O₃層に変える。

このようにして得られたAl₂O₃層は誘電体で屈折率が1.6と低いため、実施例１、２のフッ化物と同様の効果が働き、従来構造の光閉じ込め係数Γ_MQWの8.2%に対して本実施例では9.0%と約10%の増大を実現した。本実施例では、共振器長200μｍで前面70%後面90％の反射鏡を施した半導体レーザを作成した。光閉じ込め係数増大の効果により緩和振動周波数は50mAの駆動電流において、従来構造の18GHzに対して本実施例では19.3GHzと7%の増大を実現した。尚、屈折率差で光を閉じ込めるため、本発明の効果が得られる望ましいｎ型InP層14、およびｎ型InGaAlAsガイド層15の膜厚の和は100〜500nmである。

本実施例では活性層をInGaAlAsの材料系を使用したが、InGaAsP系の材料を使用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、誘電体層13はAlを高濃度に含む半導体層を酸化により形成したが、実施例１、２のようにほぼ格子整合するフッ化物、例えばInPに整合するCa_0.45Cd_0.55F₂を使用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
さらに本実施例はリッジ型レーザを例としたが、埋込型レーザにも適用できることは言うまでもない。また、本実施例ではFabry-Perotレーザを共振器構造として用いていたが、DFBレーザでも実施できることは言うまでもない。

また、本実施例では、Al_0.98Ga_0.02As_0.56Sb_0.43層13を使用したが、この層にInあるいはPが入ったIn_xAl_yGa_1-x-yAs_pP_qSb_1-p-q層(0≦x≦1, 0<y≦1, 0≦x+y≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 0≦p+q≦1)を用いても同様に酸化できることは言うもでもない。さらに、水蒸気による酸化のみならず、アンモニア(NH₃)等を用いた窒化によってAlNを形成させても同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の実施例１に示す光半導体素子の断面構造図である。 本発明の実施例２に示す光半導体素子の断面構造図である。 従来の光半導体素子（半導体レーザ）の断面構造図である。 本発明の実施例３に示す光半導体素子の断面構造図である。

符号の説明

1…GaAs基板、
2…Ca_0.43Sr_0.57F₂誘電体層、
3…ｎ型GaAsガイド層、
4…GaInNAs-3重量子井戸活性層、
5…ｐ型GaAsガイド層、
6…ｐ型GaInPクラッド層、
7…Ca_0.43Sr_0.57F₂誘電体層、
8…ｐ型GaAsコンタクト層、
9…ｐ型電極、
10…ｎ型電極、
11…n型GaInPクラッド層、
12…InP基板、
13…Al₂O₃層(Al_0.98Ga_0.02As_0.56Sb_0.43層)、
14…ｎ型InP層、
15…ｎ型InGaAlAsガイド層、
16…InGaAlAs歪量子井戸活性層、
17…p型InGaAlAsガイド層、
18…InGaAsPエッチストップ層、
19…p型InPクラッド層、
20…p型InGaAsコンタクト層。

Claims (9)

1. 半導体基板上に、少なくとも１層以上の第１の導電型を有する半導体からなり光を導波する第１のガイド層、電子と正孔の発光再結合により発光する活性層、少なくとも１層以上の第２の導電型を有する半導体からなり光を導波する第２のガイド層、およびクラッド層がこの順に積層された多層膜と、
   前記多層膜を加工してなる光を導波するメサストライプ構造とを有し、
   前記半導体基板内の所望の位置に前記活性層に対向するように第１の誘電体層が埋め込まれ、
   前記クラッド層内に、前記クラッド層の少なくとも一つの側壁から離隔した位置に前記活性層に対向するように第２の誘電体層が埋め込まれた構造を有することを特徴とする光半導体素子。
2. 前記第１及び第２の誘電体層がCa _x Ba _y Sr _z Cd _1-x-y-z F ₂ (0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦z≦1, 0≦x+y+z≦1)の弗化物結晶で構成されることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 前記第２の誘電体層と前記活性層との距離が100nm〜800nmの範囲に設けられていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
4. 前記第１及び第２の誘電体層がIn _x Al _y Ga _1-x-y As _p P _q Sb _1-p-q (0≦x≦1, 0<y≦1, 0≦x+y≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 0≦p+q≦1)で構成される半導体層を酸化、或いは窒化することにより得られる誘電体層であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
5. 前記半導体基板がGaAsで構成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
6. 前記活性層が少なくとも1層以上のGaInNAs量子井戸層で構成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
7. 前記半導体基板がInPで構成されて、前記活性層が少なくとも1層以上のIn _x Al _y Ga _1-x-y As _p P _q Sb _1-p-q (0≦x≦1, 0<y≦1, 0≦x+y≦1, 0≦p≦1, 0≦q≦1, 0≦p+q≦1)で構成されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
8. 半導体基板上に、少なくとも１層以上の第１の導電型を有する半導体からなり光を導波する第１のガイド層、電子と正孔の発光再結合により発光する活性層、少なくとも１層以上の第２の導電型を有する半導体からなり光を導波する第２のガイド層、クラッド層がこの順に積層された多層膜と、
   前記多層膜を加工してなる光を導波するメサストライプ構造とを備え、
   前記半導体基板内の所望の位置に前記活性層に対向するように埋め込まれた第１の誘電体層と、
   前記クラッド層内に、前記クラッド層の少なくとも一つの側壁から離隔した位置に前記活性層に対向するように埋め込まれた第２の誘電体層とを有する光半導体素子に、
   レーザ光を得るための共振器構造を設けることにより半導体レーザとして用いることを特徴とする光半導体素子。
9. 請求項１記載の光半導体素子を、外部から入射された光を増幅する半導体光増幅素子として用いることを特徴とする光半導体素子。

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