JP5366149B2 - 半導体レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、光インターコネクション等に用いられる半導体レーザー装置に関する。

現在、シリコンフォトニクスと呼ばれる、シリコン基板上光集積回路に関する研究が注目を集めている。
シリコン基板上に光デバイス、電子デバイスを集積することにより、従来にない超小型、高集積、高機能、低消費電力の光・電子集積回路の実現が可能となる。
シリコンフォトニクス技術に基づく光・電子集積回路は、光通信分野への応用は勿論のこと、光インターコネクション分野への応用も大いに期待されている。
近年、情報伝送の高速化に伴い、電気配線における伝送遅延、消費電力が深刻な問題となってきている。そこで、現在、シリコンフォトニクス技術を用いた高速、低消費電力な情報伝送の実現が望まれている。

シリコン基板上光・電子集積回路の実現には、シリコン基板上光源の実現が重要である。シリコン基板上光源を実現するための有力な方法の一つとしては、シリコン基板上への化合物半導体光源のハイブリッド集積が挙げられる。
しかしながら、従来報告されているシリコン基板上化合物半導体レーザー装置（非特許文献１）には、以下の問題点が挙げられる。

第一の問題点として、入出力特性（例えば、電流−光出力特性）の温度依存性が大きいことが挙げられる。シリコン基板上光・電子集積回路では、多数の光デバイス、電子デバイスが同一基板上に集積されているため、各デバイスからの発熱による温度変動が避けられない。よって、半導体レーザー装置の入出力特性の温度依存性が大きい場合、温度変動に従って、光出力が変動するという問題が生じる。そのため、温度変動に対して、ほぼ一定の光出力で動作する、入出力特性の温度依存性が小さい半導体レーザー装置の実現が望まれる。

第二の問題点として、出力波長の温度依存性が大きいことが挙げられる。出力波長の温度依存性が大きい場合、温度変動によって、出力波長が変動するという問題が生じる。シリコンフォトニクス技術では、高速化、低消費電力化の観点から、波長依存性の大きな光制御デバイス（例えば、光変調器）の使用が検討されている。この場合、半導体レーザー装置の出力波長と光制御デバイスの動作波長を、精度良く一致させる必要があり、半導体レーザー装置の出力波長の変動は、望ましくない。そのため、温度変動に対して、ほぼ一定の出力波長で動作する、出力波長の温度依存性が小さい半導体レーザー装置の実現が望まれる。

第三の問題点として、出力波長を動的に微調整できないことが挙げられる。シリコンフォトニクス技術では、高速化、低消費電力化の観点から、波長依存性の大きな光制御デバイスの使用が検討されている。この場合、半導体レーザー装置の出力波長と光制御デバイスの動作波長を、精度良く一致させる必要があり、半導体レーザー装置の出力波長を動的に微調整できることが望ましい。そのため、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現が望まれる。

ここで、半導体レーザー装置の出力波長と光制御デバイスの動作波長にずれが生じる場合の具体例を以下に示す。
例えば、一般に、作製上生じる誤差によって、半導体レーザー装置、光制御デバイスの動作波長は、設計値から僅かにずれる。実際に作製されたデバイスにおいては、作製精度に対応した、動作波長のずれが生じる。
例えば、半導体レーザー装置、光制御デバイスの動作波長の温度依存性が異なる場合、温度変動が生じると、動作波長にずれが生じる。
例えば、半導体レーザー装置、光制御デバイスの動作波長の温度依存性が全く同一であっても、両者の温度が一致しない場合には、動作波長にずれが生じる。ここで、シリコン基板上光・電子集積回路では、各デバイスからの発熱によって、温度分布が生じるため、各デバイスの温度は必ずしも一致しない。

このように、光・電子集積回路の特性劣化を引き起こす動作波長のずれは、複数の避け難い要因から生じているため、完全に取り除くことは困難である。よって、実用上、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現は、非常に重要である。
以上、シリコン基板上半導体レーザー装置としては、入出力特性の温度依存性が小さいこと、出力波長の温度依存性が小さいこと、出力波長の動的な微調整が可能であることが望まれている。

Alexander W. Fang et al.、"Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser、" Optics Express、vol.14、pp.9203-9210 (2006)

本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、半導体レーザー装置に関して、入出力特性の温度依存性及び出力波長の温度依存性が小さく、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置を提供することを課題とする。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）構成要素として、半導体レーザー装置の発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体と、該量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線と、該化合物半導体に形成されたグレーティング構造と、該半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン板、電気配線と、該化合物半導体と該シリコン板との間に設けられた該半導体レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーと、該シリコン板を支持する低屈折率絶縁性材料と、デバイス支持基板とを含むことを特徴とする半導体レーザー装置。
（２）上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン板、該シリコン板と接続されたヒーター配線から構成されることを特徴とする（１）に記載の半導体レーザー装置。
（３）上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン板、該シリコン板中に配置されたｐ型シリコン、該シリコン板中に配置されたｎ型シリコン、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線から構成されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の半導体レーザー装置。
（４）上記量子ドットが、ＩｎＡｓ量子ドットであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（５）上記量子ドットを有する化合物半導体が、ＧａＡｓ、又はＩｎＰであることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（６）上記レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーが、ＢＣＢ樹脂であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（７）上記グレーティング構造が、位相シフトを有するグレーティング構造であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（８）上記グレーティング構造が、反射鏡としての機能を含むことを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（９）上記シリコン板が、結晶シリコン、ポリシリコン、又はアモルファスシリコンから形成されることを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（１０）上記シリコン板を支持する低屈折率絶縁性材料が、ＳｉＯ_２、又は有機ポリマーであることを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（１１）上記デバイス支持基板が、シリコン基板、又は石英基板であることを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。

本発明では、発光体として、量子ドットを用いている。ここで、量子ドットは、キャリア（電子、正孔）を３次元的に閉じ込めることができるため、温度上昇に伴う特性劣化を避けられるという特長がある。つまり、量子ドットの導入により、発光体の温度依存性を低減することが可能である。
また本発明では、化合物半導体は、有機ポリマーによるウエハ接合法を用いて、デバイス支持基板上に、ハイブリッド集積される。ここで、有機ポリマーによるウエハ接合法は、表面に凹凸を有する基板同士の接合が可能であるという特長がある。

本発明では、半導体レーザー装置の出力波長は、グレーティング構造に基づき決定される。ここで、温度変化が生じた場合、熱光学効果によって、屈折率変化が生じる。従って、グレーティングの動作波長にも変化が生じる。一般に、半導体レーザー装置の出力波長は、温度変化に伴って変化するという問題がある。
そこで、本発明では、半導体レーザー装置のクラッドとして、有機ポリマーを導入している。有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）は、化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ）、シリコン、ＳｉＯ_２と、屈折率の温度依存性（Δｎ／ΔＴ、ｎは屈折率、Ｔは温度）の符号が異なるという特徴がある。温度が変化した場合、有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ_２の屈折率は、それぞれ反対方向にシフトする。有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ_２は、グレーティングの動作波長を、それぞれ反対方向にシフトさせようとするので、両者の効果は互いに打ち消し合いを生じる。つまり、有機ポリマーの導入により、グレーティングの動作波長の温度依存性を低減することが可能である。

本発明では、半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン板、電気配線の導入を行っている。例えば、半導体レーザー装置の動的調整機構としては、温度の動的制御が挙げられる。ここで、（２）に係る発明では、シリコン板、シリコン板と接続されたヒーター配線を用いて、温度の動的制御を実現する。特に、本構成要素を用いることにより、シリコン板近傍に配置された有機ポリマーの温度を、効果的に制御することが可能となる。そのため、本構成要素により、グレーティングの動作波長を微調整することができる。

また本発明では、上記構成要素の代わりに、シリコン板、シリコン板中に配置されたｐ型シリコン、シリコン板中に配置されたｎ型シリコン、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を用いて、半導体レーザー装置の動的調整を実現してもよい。本構成要素は、シリコン板への電流注入又は電界印加により、シリコン板におけるキャリア数を動的に制御する。ここで、キャリア数の変化は、屈折率の変化を引き起こすので、シリコン板の屈折率を動的に制御することが可能となる。つまり、本構成要素により、グレーティングの動作波長を微調整することができる。
また本発明では、本構成要素を、温度の動的制御を実施するためのマイクロヒーターとして機能させてもよい。

本発明では、半導体レーザー装置の動的調整機構として、温度の動的制御、シリコン板におけるキャリア数の動的制御の両方を、同時に利用することも可能である。

半導体レーザー装置の一例。 半導体レーザー装置の一例。 化合物半導体下部に電極及び配線が配置された半導体レーザー装置の一例。 有機ポリマー上下面にＳｉＯ_２膜が導入された半導体レーザー装置の一例。 化合物半導体内部にグレーティング構造を有する半導体レーザー装置の一例。 グレーティング構造による反射鏡を有する半導体レーザー装置の一例。 半導体レーザー装置の一例。 半導体レーザー装置の一例。 シリコン板がリブ型光導波路構造を有する半導体レーザー装置の一例。 ヒーター配線を有する半導体レーザー装置の一例。 シリコン板中にｐｉｎ接合を有する半導体レーザー装置の一例。 シリコン板中にｐｎ接合を有する半導体レーザー装置の一例。 量子ドットを有する化合物半導体基板とＳＯＩ基板の模式図。 グレーティング構造を有する化合物半導体基板の一例。 ヒーター配線形成後のＳＯＩ基板の一例。 ウエハ接合、基板剥離後のデバイス構造の一例。 シリコン基板上量子ドット光源の模式図。 室温におけるシリコン基板上量子ドット光源のフォトルミネッセンス特性。 室温におけるシリコン基板上量子ドット光源の時間分解フォトルミネッセンス特性。 上面二電極構造の模式図。 上面二電極構造の３次元光学顕微鏡像。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１、２に、本発明に係る半導体レーザー装置の一例を示す。
本半導体レーザー装置は、第一の構成要素として、半導体レーザー装置の発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体を含む。例えば、量子ドットとしては、ＩｎＡｓ量子ドットを用いればよい。例えば、化合物半導体としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰを用いる。

本半導体レーザー装置は、第二の構成要素として、上記量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体を含む。例えば、化合物半導体としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰを用いる。

本半導体レーザー装置は、第三の構成要素として、上記量子ドットへの電流注入のためのｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を含む。例えば、電極、配線としては、Ａｕ等の金属材料を用いる。

本半導体レーザー装置は、第四の構成要素として、上記化合物半導体に形成されたグレーティング構造を含む。例えば、グレーティング構造としては、単一モード動作に適した位相シフトを有するグレーティング構造を用いる。

本半導体レーザー装置は、第五の構成要素として、有機ポリマーを含む。本構成要素は、第一に、半導体レーザー装置のクラッドとして、光学的に機能する。第二に、半導体レーザー装置の絶縁体として、電気的に機能する。第三に、半導体レーザー装置に附属するヒーター配線（下記七の構成要素）に対する断熱材として、熱的に機能する。第四に、半導体レーザー装置の作製において、ウエハ接合用接着材料として、機械的に機能する。例えば、有機ポリマーとしては、ＢＣＢ樹脂を用いる。

本半導体レーザー装置は、第六の構成要素として、シリコン板を含む。本構成要素は、は、半導体レーザー装置に附属するヒーター配線（下記七の構成要素）に対する熱伝導体として、熱的に機能する。

ここで、上記五の構成要素である有機ポリマーは、上記一〜四の構成要素である化合物半導体と、上記六の構成要素であるシリコン板の間に配置される。本発明では、半導体レーザー装置の作製において、有機ポリマーによるウエハ接合法を利用する。本ウエハ接合法は、表面に凹凸を有する基板同士の接合が可能であるという特長をもつ。

本半導体レーザー装置は、第七の構成要素として、上記シリコン板と接続されたヒーター配線を含む。例えば、ヒーター配線としては、Ｐｔ等の金属材料を用いる。

本半導体レーザー装置は、第八の構成要素として、上記シリコン板とヒーター配線の下部に配置され、上記シリコン板とヒーター配線を支持する低屈折率絶縁性材料を含む。本構成要素は、第一に、半導体レーザー装置のクラッドとして、光学的に機能する。第二に、半導体レーザー装置の絶縁体として、電気的に機能する。第三に、上記七の構成要素であるヒーター配線に対する断熱材として、熱的に機能する。例えば、低屈折率絶縁性材料としては、ＳｉＯ_２を用いる。

本半導体レーザー装置は、第九の構成要素として、デバイス支持基板を含む。例えば、デバイス支持基板としては、シリコン基板を用いる。

上記一〜三の構成要素により、電流注入型量子ドット光源が形成される。
量子ドットは、キャリア（電子、正孔）を３次元的に閉じ込めることができるため、温度上昇に伴う特性劣化を避けられるという特長がある。つまり、量子ドットの導入により、発光体の温度依存性を低減することが可能である。よって、上記一〜三の構成要素は、特に、入出力特性の温度依存性が小さい半導体レーザー装置の実現に寄与する。

ここで、量子ドットは、キャリアを３次元的に閉じ込めるため、一般に、狭い均一幅を有する。例えば、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットでは、室温における均一幅は、１０ｍｅＶ程度である。よって、不均一広がりの無い量子ドット集合体を考えた場合、光学利得スペクトルは急峻であり、光学利得の波長依存性は大きい。この場合、温度変動等によって、半導体レーザー装置の出力波長と光学利得のピーク波長にずれが生じた場合、光出力に大きな変動が生じることになる。

しかしながら、不均一広がりを有する量子ドット集合体を用いれば、この問題を避けることが可能である。例えば、量子ドットサイズが不均一な量子ドット集合体を用いた場合、各量子ドットの光学利得のピーク波長にばらつきが生じるため、量子ドット集合体としての光学利得の波長依存性は小さくなる。さらに、量子ドットサイズの不均一性を制御し、量子ドット集合体の光学利得スペクトルをフラットトップに近づけることも、原理上可能である。
この場合、量子ドット集合体の光学利得の波長依存性は、零に近づく。例えば、量子ドットサイズの不均一性を制御する方法としては、１つの量子ドット層内で量子ドットサイズに不均一性を導入する方法、又は異なる量子ドット層毎に量子ドットサイズに不均一性を導入する方法が挙げられる。
本発明では、量子ドットとして、光学利得の波長依存性が小さい、不均一広がりを有する量子ドット集合体を用いる。
本発明では、第一の構成要素である量子ドットを有する化合物半導体に、温度依存性向上のための、ｐ型ドーピングを実施してもよい。

上記一〜六、八の構成要素により、グレーティング構造を有する電流注入型量子ドット半導体レーザー装置が形成される。
本発明では、半導体レーザー装置の出力波長は、グレーティング構造に基づき決定される。
ここで、温度変化が生じた場合、熱光学効果によって、屈折率変化が生じる。従って、グレーティングの動作波長にも変化が生じる。一般に、半導体レーザー装置の出力波長は、温度変化に伴って変化するという問題がある。

本発明では、上記五の構成要素として、有機ポリマーを導入している。有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）は、化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ）、シリコン、ＳｉＯ_２と、屈折率の温度依存性（Δｎ／ΔＴ、ｎは屈折率、Ｔは温度）の符号が異なるという特徴がある。温度が変化した場合、有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ_２の屈折率は、それぞれ反対方向にシフトする。有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ_２は、グレーティングの動作波長を、それぞれ反対方向にシフトさせようとするので、両者の効果は互いに打ち消し合いを生じる。
つまり、有機ポリマーの導入により、グレーティングの動作波長の温度依存性を低減することが可能である。よって、上記一〜六、八の構成要素は、特に、出力波長の温度依存性が小さい半導体レーザー装置の実現に寄与する。

上記六、七の構成要素により、半導体レーザー装置の動的調整機構が形成される。
上記六、七の構成要素は、温度の動的制御を実現するためのヒーターとして機能する。特に、本構成要素を用いることにより、シリコン板近傍に配置された有機ポリマーの温度を、効果的に制御することが可能となる。つまり、本構成要素により、グレーティングの動作波長を微調整することが可能となる。よって、上記六、七の構成要素は、特に、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現に寄与する。

ここで、上記五の構成要素である有機ポリマー、上記八の構成要素である低屈折率絶縁性材料は、共に絶縁体であるため、熱伝導率が低い。そのため、両者はヒーターに対する断熱材として機能する。
上記五の構成要素である有機ポリマーは、化合物半導体へと熱が流れることを防止する。つまり、量子ドットの温度上昇を抑えながら、有機ポリマー、シリコン板、低屈折率絶縁性材料の温度上昇を効果的に実施することが可能となる。温度の動的制御の際に、発光体である量子ドットの温度上昇を抑えることは、光出力の安定性の観点から、重要と言える。

上記八の構成要素である低屈折率絶縁性材料は、デバイス支持基板へと熱が流れることを防止する。つまり、余分な熱の流れを抑えながら、有機ポリマー、シリコン板、低屈折率絶縁性材料の温度上昇を効果的に実施することが可能となる。温度の動的制御の際に、無駄な熱の流れを防止することは、ヒーターの消費電力の観点から、重要と言える。
さらに、シリコン板のサイズを小さくする等の工夫を施すことで、温度の動的制御に要するヒーターの消費電力を低減することが可能である。
以上、本発明により、シリコン基板上半導体レーザー装置に関して、入出力特性の温度依存性が小さい、出力波長の温度依存性が小さい、出力波長の動的な微調整が可能な、半導体レーザー装置を提供することが可能となる。

上記一例では、上記一〜四の構成要素である化合物半導体の光導波路構造として、側壁をＳｉＯ_２で保護したリッジ型光導波路構造を例示したが、本発明では、その他の光導波路構造を用いてもよい。例えば、再成長技術に基づく埋め込み型光導波路構造の利用が挙げられる。

上記一例では、上記二の構成要素であるｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体に関して、ｐ型化合物半導体を上部、ｎ型化合物半導体を下部に配置したが、本発明では、これらの位置関係は逆でもよい。

また上記一例の図１では、上記三の構成要素である電極及び配線を、化合物半導体上部に配置したが、本発明では、電極及び配線を化合物半導体下部に配置してもよい。例えば、予め、化合物半導体基板表面にｎ型電極及び配線を形成した後、有機ポリマーによるウエハ接合工程を実施すれば、図３に示すようなｎ型電極及び配線を実現することができる。

また上記一例では、上記一〜四の構成要素である化合物半導体と、上記六の構成要素であるシリコン板の間に、上記五の構成要素である有機ポリマーを配置するとした。本発明では、化合物半導体とシリコン板の間に、有機ポリマー以外の材料を配置してもよい。例えば、図１に示すようなヒーター配線の導入、図３に示すような電極及び配線の導入、図４に示すような有機ポリマー上下面へのＳｉＯ_２膜の導入が挙げられる。ここで、有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）上下面に、ＳｉＯ_２膜を配置することで、デバイスの信頼性が向上することが報告されている。

上記一例の図２では、上記四の構成要素であるグレーティング構造として、化合物半導体表面にグレーティング構造を形成する例を示したが、本発明では、その他のグレーティング構造を用いてもよい。例えば、埋め込み再成長技術を用いて、化合物半導体内部にグレーティング構造を形成してもよい（図５）。
本発明では、グレーティング構造は、全領域に渡って一様でなくてもよく、付加的な構造変調を施してもよい。例えば、代表的な構造変調としては、位相シフトが挙げられる。
本発明では、グレーティング構造を反射鏡として用いることも可能である（図６）。

本発明では、シリコン板として、結晶シリコンではなく、ポリシリコン、アモルファスシリコンを用いてもよい。

上記一例では、上記五の構成要素を、ウエハ接合用接着材料として用いるとしたが、本発明では、上記八の構成要素を、ウエハ接合用接着材料として用いてもよい。
例えば、第八の構成要素である低屈折率絶縁性材料として、有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）を用いる。
例えば、予め、化合物半導体基板上に、上記五の構成要素となる有機ポリマー、上記六の構成要素となるシリコン板、上記七の構成要素となるヒーター配線を形成した後、第八の構成要素となる有機ポリマーによるウエハ接合工程を実施すれば、図７、８に示すような半導体レーザー装置を実現することができる。但し、図７、８においては、上記五の構成要素となる有機ポリマー上に、シリコン板（シリコンポリシリコン、又はアモルファスシリコン）の下地に適したＳｉＯ_２膜を導入している。

上記一例の図１では、上記六の構成要素であるシリコン板として、直方体形状を例示したが、本発明では、その他の形状を用いてもよい。例えば、シリコン板として凸形状を有するリブ型光導波路構造を用いてもよい（図９）。
また上記一例では、上記六の構成要素であるシリコン板を用いるとしたが、本発明では、上記六の構成要素を省略することが可能である。この場合、半導体レーザー装置の動的調整機構は、上記七の構成要素であるヒーター配線によって実現される（図１０）。

上記一例では、半導体レーザー装置の動的調整機構として、温度の動的制御を用いるとしたが、本発明では、キャリア数の動的制御を用いてもよい。
半導体レーザー装置の動的調整機構として、キャリア数の動的制御を用いる場合には、以下の構成要素を導入すればよい。
本半導体レーザー装置は、第十の構成要素として、ｐ型シリコン、ｎ型シリコンを含む。本構成要素は、上記六の構成要素であるシリコン板中に配置される。
本半導体レーザー装置は、第十一の構成要素として、上記シリコン板への電流注入、又は電界印加のためのｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を含む。

上記六、十、十一の構成要素により、シリコン板への電流注入、又は電界印加が可能となる（図１１）。つまり、シリコン板におけるキャリア数を動的に制御することが可能である。ここで、キャリア数の変化は、屈折率の変化を引き起こすので、シリコン板の屈折率を動的に制御することが可能となる。よって、グレーティングの動作波長を微調整することができる。上記六、十、十一の構成要素は、特に、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現に寄与する。

上記一例の図１１では、上記十の構成要素であるｐ型シリコン、ｎ型シリコン間にノンドープ領域が存在する場合を例示したが、本発明では、その他のｐ型シリコン、ｎ型シリコンの形成方法を用いてもよい。例えば、ｐ型シリコン、ｎ型シリコン間にノンドープ領域が存在しない場合が挙げられる（図１２）。
一般に、図１１に示すようなｐｉｎ接合は、電流注入に基づく屈折率制御法に、図１２に示すようなｐｎ接合は、逆バイアス印加による空乏層形成に基づく屈折率制御法に、それぞれ適した構造である。

本発明では、半導体レーザー装置の動的調整機構として、温度の動的制御、キャリア数の動的制御を併用してもよい。異なる動作原理に基づく制御技術の併用により、自由度の高い動的調整が実現可能となる。

上記実一例の図１では、上記九の構成要素であるデバイス支持基板として、シリコン基板を用いるとしたが、本発明では、その他の基板を用いてもよい。本発明は、主として、シリコン基板上光源の実現に関するが、その他の基板上光源の実現も可能である。例えば、デバイス支持基板としては、石英基板が挙げられる。

次に、本発明に係る半導体レーザー装置の作製方法の一例を簡単に説明する。
第一に、量子ドットを有する化合物半導体基板と、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する（図１３）。
化合物半導体基板表面に、グレーティング構造を形成する（図１４）。
ＳＯＩ基板上のシリコン層に、加工を施した後、ヒーター配線を形成する（図１５）。
化合物半導体基板とＳＯＩ基板を、ＢＣＢ樹脂を用いて接合する。化合物半導体基板の不要となる部材を除去する（図１６）。

化合物半導体上に光導波路構造を形成する。ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を形成する（図１）。
以上の作製工程を用いることで、図１に示すような本発明に係る半導体レーザー装置を実際に作製することができる。
但し、本発明では、上記以外のその他の作製工程を用いてもよい。例えば、予め、埋め込み再成長技術を用いて、化合物半導体内部にグレーティング構造を形成しておく等が挙げられる。

次に、実際に、ＢＣＢ樹脂によるウエハ接合法を用いて、シリコン基板上に量子ドットを有する化合物半導体薄膜の集積を行った例を示す。ここで、ＢＣＢ樹脂によるウエハ接合法は、低温（例えば、２５０度以下）で、ウエハ接合を実施できるという特長があり、熱膨張係数の異なる異種材料の接合に適したウエハ接合法である。

図１７に、実際に作製したシリコン基板上量子ドット光源の模式図を示す。化合物半導体基板としては、ＧａＡｓ基板を用いた。量子ドットしては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットを用いた。量子ドットの積層数は９層とした。１層当たりの量子ドット密度は約８×１０^１０／ｃｍ^２である。

図１８に、室温におけるシリコン基板上量子ドット光源のフォトルミネッセンス特性を示す。但し、励起波長９２５ｎｍ、励起パワー密度２５Ｗ／ｃｍ^２とした。化合物半導体とシリコン基板との異種接合に起因する発光特性の劣化は観測されず、良好な発光特性が得られている。

図１９に、室温におけるシリコン基板上量子ドット光源の時間分解フォトルミネッセンス特性を示す。但し、励起波長９５０ｎｍ、パルス幅５ｎｓ、繰り返し周波数７６ＭＨｚとした。本測定においても、化合物半導体とシリコン基板との異種接合に起因する発光特性の劣化（例えば、非発光再結合の増大によって発光寿命が短くなる現象等）は観測されておらず、良好な発光特性が得られている。

以上の結果から、量子ドット光源は、シリコン基板上集積に適した光源であることが示された。
本発明では、例えば、図１に示すような化合物半導体上への上面二電極構造の導入が用いられる。そこで、実際に、化合物半導体上に上面二電極構造を作製した例を示す。

図２０に、上面二電極構造の模式図を示す。図２１に、実際に作製した上面二電極構造の３次元光学顕微鏡像を示す。図２１より、化合物半導体上に上面二電極構造が良好に形成されていることが分かる。但し、本作製では、ＧａＡｓ基板上に上面二電極構造の形成を行っている。
以上の結果から、図１に示すような化合物半導体上への上面二電極構造の導入が実現可能であることが示された。

本発明は、半導体レーザー装置に関して、入出力特性の温度依存性及び出力波長の温度依存性が小さく、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置を提供するものであり、今後、光通信、光インターコネクション等への幅広い応用が期待される。

Claims (11)

1. 構成要素として、半導体レーザー装置の発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体と、該量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線と、該化合物半導体に形成されたグレーティング構造と、該半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン板、電気配線と、該化合物半導体と該シリコン板との間に設けられた該半導体レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーと、該シリコン板を支持する低屈折率絶縁性材料と、デバイス支持基板と
   を含むことを特徴とする半導体レーザー装置。
2. 上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン層、該シリコン層と接続されたヒーター配線から構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー装置。
3. 上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン層、該シリコン層中に配置されたｐ型シリコン、該シリコン層中に配置されたｎ型シリコン、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザー装置。
4. 上記量子ドットが、ＩｎＡｓ量子ドットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
5. 上記量子ドットを有する化合物半導体が、ＧａＡｓ、又はＩｎＰであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
6. 上記レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーが、ＢＣＢ樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
7. 上記グレーティング構造が、位相シフトを有するグレーティング構造であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
8. 上記グレーティング構造が、反射鏡としての機能を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
9. 上記シリコン層が、結晶シリコン、ポリシリコン、又はアモルファスシリコンから形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
10. 上記シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料が、ＳｉＯ_２、又は有機ポリマーであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
11. 上記デバイス支持基板が、シリコン基板、又は石英基板であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。