JP6162401B2 - 光半導体デバイス - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、光半導体デバイスに関する。
近年、ＬＳＩの集積密度が高くなることに伴い、内部回路パターンの微細化が進んでいる。この微細化に伴い、配線断面積が減少することによって配線抵抗が増大し、隣接する配線との間隔が狭くなることによって配線間の配線容量が増大する。
その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延時間が増大し、更なるＬＳＩの高速化が困難となってくる。また、ＬＳＩ内部のマルチコア化やメモリ３次元集積化が進むにつれ、コア間やコア―メモリ間での大容量伝送が必要不可欠となっており、電気による伝送速度がＬＳＩ高性能化のボトルネックとなっている。
このようなＬＳＩの高密度化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、電気信号を光信号に置き換える光配線技術が注目されている。光配線技術は、金属配線のかわりに光導波路を用いて信号伝送する方式である。光配線技術は、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。
光配線技術において光源として使用する発光素子として、半導体レーザが用いられる。従来の光通信で用いられてきた半導体レーザではサイズが幅数μｍ、長さ百μｍとＬＳＩのトランジスタや配線ピッチに比べて非常に巨大である。このため、電気配線を光配線へ置き換えることの大きな阻害要因となっている。そこで、小型光源としてマイクロリング（またはマイクロディスク）構造の共振器を用いたマイクロリング（またはマイクロディスク）レーザが注目され始めている。
また、ＬＳＩチップ上の光配線を実現するには、光源となる発光素子（送信部）と光導波路（伝送部）とともに、受光素子（受信部）も駆動回路や増幅回路とともに、同じチップ上にコンパクトに集積化して光送受信システムを形成する必要がある。
発光素子であるマイクロリングレーザと受光素子を集積化する場合には、低コスト化の観点から、受光素子も発光素子と同様のマイクロリング構造で形成することが望ましい。これにより、発光素子と受光素子を同一プロセスで同時に製造することができるからである。
マイクロリング構造の発光素子や受光素子では、素子にバイアス電圧を印加して、発光および受光を可能とするために、活性層の上下に正電極および負電極を形成する。電極の構造として、下側の電極（通常は負極）をマイクロリングの内側に形成する構造（内電極構造）と、マイクロリングの外側に形成する構造（外電極構造）とがある。
このうち、内電極構造は比較的大きなリング（数１０μｍ以上）の場合に有効である。一方、外電極構造はリングの内側に電極を形成することが困難な小さなリング型あるいはディスク型、例えば、直径１０μｍ以下のリング型あるいはディスク型の場合に有効である。
特に、マイクロリング構造の小型化は、高集積化のみならず、素子の低消費電力化や高速化を図る上で重要な課題である。また、さらなる大容量化のための波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅ Ｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）化にも必須の要件である。
例えば、マイクロリングレーザで波長多重化する場合、リング径を少しずつ変えることにより容易に発振波長を変えることが出来る。しかし、その可変波長範囲は通常、波長チャンネル間のクロストークを避けるためＦｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ （ＦＳＲ）の１〜２倍の範囲内が利用される。このため、リングが大きくなるほど可変波長範囲が狭くなり、クロストークの増大や合分波デバイス（波長フィルタ）の大型化や挟帯域化を招くことになる。
このように外電極構造は、マイクロリング構造の発光素子または受光素子の小型化・低消費電力化や高速化、ＷＤＭによる大容量化に適した構造と言える。
Ｊｏｒｉｓ Ｖａｎ Ｃａｍｐｅｎｈｏｕｔ ｅｔ ａｌ．，"Ａ Ｃｏｍｐａｃｔ ＳＯＩ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｕｌｉｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃａｓｃａｄｅｄ ＩｎＰ Ｍｉｃｒｏｄｉｓｋｓ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．２０， Ｎｏ．１６，（２００８）．
もっとも、上述のような外電極構造の場合、リングまたはディスクの外側に電極を形成するための領域、いわゆるスラブ層を残す必要がある。そして、リングまたはディスク内を周回する光がこのスラブ層を伝播してリング外に漏出しやすく、光の損出が大きくなるという問題がある。
特に、半導体レーザの温度特性を向上させるために、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を用いる場合には、コンタクト層でもあるＧａＡｓスラブ層の屈折率が高く、発光波長が短くなるため、この問題がさらに顕在化する。
本発明が解決しようとする課題は、外電極構造に起因する光の損失を抑制する光半導体デバイスを提供することにある。
実施の形態の光半導体デバイスは、リングまたはディスク形状の第１の領域と、前記第１の領域の外周に位置する第２の領域を有する第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第１の領域上に位置するリングまたはディスク形状の活性層と、前記活性層上に位置するリングまたはディスク形状の第２導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層の前記第２の領域上に位置し、前記第１の領域の外周に位置する第１の電極と、前記第２の半導体層上に位置する第２の電極と、前記第１の半導体層下に位置し、らせん状であり、かつ前記第１または第２の半導体層を光学的に結合して光信号を伝搬可能である光導波路と、を備え、前記第１の領域と前記第１の電極との間の、前記第２の領域に、前記第１の領域の外周に位置する溝または複数の穴を有する。
第１の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第１の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第１の実施の形態の光導波路の形状を示す模式図である。 第１の実施の形態の効果を示す図である。 第２の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第２の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第２の実施の形態の効果を示す図である。 第３の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第３の実施の形態の効果を示す図である。 第４の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第４の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第５の実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。 第５の実施の形態の効果を示す図である。
以下、図面を参照しつつ実施の形態の光半導体デバイスについて説明する。
なお、本明細書中、リング形状とは、外周や内周が円形の形状に限定されることはなく、楕円形状、直線と曲線を組み合わせた形状等、リングとして閉じた形状であればすべて包含する概念である。また、本明細書中、ディスク形状とは、外周や内周が円形の形状に限定されることはなく、楕円形状、直線と曲線を組み合わせた形状等を含む概念である。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の光半導体デバイスは、第１導電型の第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成されるリングまたはディスク形状の活性層と、活性層上に形成されるリングまたはディスク形状の第２導電型の第２の半導体層と、第１の半導体層上に形成される第１の電極と、第２の半導体層上に形成される第２の電極と、を備える。そして、第１の半導体層がリングまたはディスク形状の第１の領域と、第１の領域の外周に形成され第１の領域よりも厚さが薄い第２の領域を備える。そして、第１の電極が第２の領域上に形成され、第１の領域と第１の電極との間の、第２の領域に、複数の穴が形成される。
実施の形態の光半導体デバイスは、上記構成を備えることにより、リング形状の領域を周回する光が、第２の領域から漏出することを抑制する。したがって、光の損失を少なくすることが可能となる。
図１および図２は、本実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。図１（ａ）が斜視断面図、図１（ｂ）が要部の拡大断面図である。図２は、上面図である。
本実施の形態の光半導体デバイスは、光導波路によって伝達される光信号を、電気信号に変換する受光素子である。受光素子１００はマイクロリング構造を備える。
実施の形態の受光素子１００は、積層された複数の半導体層で形成される受光部１０と、この受光部１０に光学的に結合される光導波路２０を備える。光導波路２０は、例えば、半導体基板３０上に設けられる絶縁層３２内に形成される。そして、絶縁層３２を介して光導波路２０の上部に受光部１０が設けられる。絶縁層３２は、光導波路２０よりも低屈折率である。
半導体基板３０は、例えばシリコンである。光導波路２０は、例えば単結晶シリコンまたはアモルファスシリコンである。絶縁層３２は、例えば、シリコン酸化膜である。
光導波路２０は、図示しない発光素子からの光信号を受光素子１００へ伝搬する。図１中、紙面に垂直な方向に光導波路２０は延在する。光導波路２０の幅は、例えば、０．３μｍ〜２μｍ程度、高さは、例えば、０．２μｍ〜２μｍ程度である。
図３は、光導波路の形状を示す模式図である。図３に示すように、光導波路２０は受光部１０の下で周回するらせん形状を備えている。このように、光導波路２０をらせん形状で周回させることで、実効的な光の吸収長を増大させ、受光素子１００の吸収効率を向上させることが可能となる。よって、光導波路２０が、らせん形状を備えることが望ましい。
なお、光導波路２０の形状は、らせん形状でなくとも直線形状であってもかまわない。もっとも、受光素子１００のリング形状の領域内部での光の散乱による損失を低減する観点からは、リング径の曲率半径より大きいかまたは同一の曲率半径を備える曲がり導波路とすることが望ましい。入力光とリング内部での光の周回モードとの整合性が高まるからである。
受光部１０を構成する多層構造の半導体層は、例えば化合物半導体で形成され、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）系の化合物半導体で形成される。
受光部１０は、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４で構成されるｎ型半導体層（第１の半導体層）１６と、ｎ型半導体層（第１の半導体層）１６上に形成される第１の光ガイド層１８と、第１の光ガイド層１８上の活性層２２と、活性層２２上の第２の光ガイド層２４と、第２の光ガイド層２４上のｐ型クラッド層２６とｐ型クラッド層２６上のｐ型コンタクト層２８とで構成されるｐ型半導体層（第２の半導体層）３６を備える。
ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４で構成されるｎ型半導体層（第１の半導体層）１６は、リング形状の第１の領域１６ａと、第１の領域１６ａの外周に形成され第１の領域１６ａよりも厚さが薄い第２の領域１６ｂを備える。第２の領域１６ｂは、スラブ層とも称される。
なお、図１ではスラブ層（第２の領域１６ｂ）の上面と、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４の境界が一致しているが、例えば、スラブ層（第２の領域１６ｂ）の上面が、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４の境界との下方になる構造であってもかまわない。
ｎ型半導体層（第１の半導体層）１６は、光導波路２０と光学的に結合する。
ｎ型コンタクト層１２は、ｎ側電極（第１の電極）３８をその上に形成するための層である。ｎ型コンタクト層１２は、ｎ型クラッド層１４よりも高不純物濃度である。本実施の形態では、ｎ側電極（第１の電極）３８は第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２上に形成される。
コンタクト形成を容易にする観点から、第２の領域１６ｂの厚さは、１００ｎｍ以上であるあることが望ましく、１５０ｎｍ以上であることがより望ましい。また、リング外部への光の漏出を抑制する観点からは、５００ｎｍ以下であることが望ましく、３００ｎｍ以下であることがより望ましい。
ｎ型クラッド層１４は、中央部のｎ型の半導体層１４ａが、半導体層１４ａよりも低屈折率の酸化物層１４ｂに挟まれる構造となっている。この構造により、電流の経路を狭窄させ、光電変換効率を向上させる効果が生ずる。
第１の光ガイド層１８は、リング形状である。第１の光ガイド層１８は、半導体で形成される。第１の光ガイド層１８は、ｎ型クラッド層１４よりも高屈折率である。
活性層２２は、リング形状である。活性層２２では、受光した光信号のエネルギーにより電子−正孔対が発生する。受光素子１００は、発生する電子−正孔対を電気信号として検知する。活性層２２は、例えば、多重量子井戸構造を備える。
第２の光ガイド層２４は、リング形状である。第２の光ガイド層２４は、半導体で形成される。第１の光ガイド層１８は、ｐ型クラッド層２８よりも高屈折率である。
第１および第２の光ガイド層１８、２４は、活性層２２に入った光を閉じ込める機能を備える。
ｐ型クラッド層２６は、リング形状である。ｐ型クラッド層２６は、中央部のｐ型の半導体層２６ａが、半導体層２６ａよりも低屈折率の酸化物層２６ｂに挟まれる構造となっている。この構造により、電流の経路を狭窄させ、光電変換効率を向上させる効果が生ずる。
ｐ型コンタクト層２８は、リング形状である。ｐ型コンタクト層２８は、ｐ型クラッド層２６よりも高不純物濃度である。ｐ型コンタクト層２８上にリング形状の第２の電極４０が形成される。
第１の電極３８と第２の電極４０との間には、活性層２２で光信号から光電変換された電気信号を電流値として検知するための電圧が印加される。
そして、ｎ型半導体層１６の第１の領域１６ａと、第１の電極３８との間の第２の領域１６ｂに、複数の円形の穴４４が形成される。複数の穴４４は、図２に示すように第１の領域１６ａの外周に沿って周期的に配置されている。複数の穴４４は、製造を容易にする観点から第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２を貫通していることが望ましい。
ｎ型半導体層１６は、例えば、厚さ５０〜２０００ｎｍ程度のｎ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）層である。ｎ型クラッド層１４は、例えば半導体層１４ａがｎ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）であり、酸化物層１４ｂがアルミニウムガリウムヒ素の酸化物である。
第１の光ガイド層１８は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層である。
活性層２２は、例えば、アンドープ多重井戸層（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）で形成される。例えば、厚さ６ｎｍ程度のインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）量子井戸層と、厚さ１０ｎｍ程度のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）障壁層を交互に３層積層し、上下を厚さ４０ｎｍ程度の、例えば、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ組成のアルミニウムガリウムヒ素層で挟み込んだ構造を備える。
第２の光ガイド層２４は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層である。
ｐ型半導体層３６は、例えば、厚さ５０〜２０００ｎｍ程度のｐ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）層である。ｐ型クラッド層２６は、例えば半導体層２６ａがｐ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）であり、酸化物層２６ｂがアルミニウムガリウムヒ素の酸化物である。
第１の電極３８は、金属、例えば、ＡｕＺｎ合金である。第１の電極３８はアノード電極（負極）である。また、第２の電極４０は、金属、例えば、ＡｕＧｅ合金である。第２の電極４０はカソード電極（正極）である。
本実施の形態の受光素子１００は、第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２に、複数の穴４４が形成されることにより、第２の領域１６ｂの実効的な屈折率が低下する。したがって、光をリング形状の第１の領域１６ａに閉じ込める効果が強まる。したがって、光導波路２０から入り、受光部１０のリング形状の領域を周回する光の外部への漏出が減少し、光の内部損失が抑制される。よって、光電変換効率の高い受光素子が実現できる。
また、複数の穴４４以外の第２の領域１６ｂは残存するので、第１の電極３８と第１の領域１６ａ間の電気的導通も確保できる。
電気的導通を確保しつつ、光の内部損失も低減させる観点から、第１の領域１６ａと第１の電極３８間の第２の領域１６ｂにおいて、穴４４の占める面積が、２０％以上８０％以下であることが望ましく、３０％以上７０％以下であることがより望ましい。
図４は、本実施の形態の効果を示す図である。図４（ａ）がスラブ層（第２の領域）に穴を設けない場合、図４（ｂ）がスラブ層に複数の穴を設けた場合である。受光素子のリング内部での光の伝搬およびリング外部への光の漏出を、シミュレーションした結果である。図では、光の強度分布を示している。シミュレーションはＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った。
シミュレーションでは、リングの直径を１０μｍ、スラブ層厚を１００ｎｍ、穴の直径を８００ｎｍ、穴のピッチを１１００ｎｍ、周回する光の波長を１．２μｍとした。
図４から明らかなように、第２の領域（スラブ層）１６ｂに複数の穴４４を設けることで第１の領域１６ａから漏出する光が抑制される。そして、光の内部損失は図４（ａ）の場合３０ｃｍ−１であり、図４（ｂ）の場合１０ｃｍ−１である。以上のように、本実施の形態によれば、光の外部への漏出による損失を低減すること可能である。
次に、本実施の形態の製造方法について説明する。
まず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を準備する。そして、ＳＯＩ基板上のシリコン層をパターニングして光導波路２０を形成する。光導波路２０間は、例えば、シリコン酸化膜で埋め込む。
次に、化合物半導体、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）系半導体の多層構造を形成する。
まず、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の基板上に、ＭＯＶＣＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により、例えば、ｎ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）のｎ型半導体層１６をエピタキシャル成長させる。ｎ型半導体層１６として、まずｎ型コンタクト層１２を形成し、その後、ｎ型コンタクト層１２よりも低不純物濃度のｎ型クラッド層１４を形成する。
次に、ｎ型半導体層１６上に、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の第１の光ガイド層１８をエピタキシャル成長により形成する。そして、第１の光ガイド層１８上に、活性層２２として、例えば、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）の量子井戸層と、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の障壁層を交互に３層積層し、上下を、例えば、アルミニウムガリウムヒ素で挟み込んだ構造をエピタキシャル成長により形成する。そして、活性層２２上に例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）の第２の光ガイド層２４をエピタキシャル成長により形成する。
次に、第２の光ガイド層２４上に、例えば、ｐ型のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）のｐ型半導体層３６をエピタキシャル成長させる。ｐ型半導体層３６として、まずｐ型クラッド層２６を形成し、その後、ｐ型クラッド層２６よりも高不純物濃度のｐ型コンタクト層２８を形成する。
次に、半導体多層構造を形成した基板と、光導波路２０を形成したＳＯＩ基板を貼りあわせる。その後、半導体多層構造に対してリング形状のパターニングを行う。この際、リング形状の外周領域に、少なくとも、ｎ型コンタクト層１２の一部がスラブ層として残存するようにする。残存したｎ型コンタクト層１２が、第２の領域１６ｂとなる。
リング形状の形成後、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２６を、リング形状の内周側および外周側から熱酸化により選択酸化し、酸化物層１４ｂを形成する。
次に、例えば、リング形状の半導体多層構造を図示しない絶縁物、例えば、シリコン酸化膜で埋め込む。そして、第２の領域１６ｂに複数の穴４４をパターニングする。この際、複数の穴４４が第２の領域１６ｂを貫通することが、安定した穴形状制御の観点から望ましい。
次に、コンタクトホールの開口、金属膜の形成、および、金属膜のパターニングにより、第１の電極３８および第２の電極４０を形成する。
以上の工程により、図１に示す受光素子１００が形成される。
以上、本実施の形態によれば、外電極構造に起因する光の損失を抑制する小型のマイクロリング構造の受光素子を提供することが可能となる。また、光の短波長化も容易となるため、温度特性に優れた受光素子を提供することが可能となる。
（第２の実施の形態）
本実施の形態の光半導体デバイスは、第１の領域と第１の電極との間の、第２の領域に複数の穴に代えて、リング形状の溝が設けられること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については、記述を省略する。
図５および図６は、本実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。図５（ａ）が斜視断面図、図５（ｂ）が要部の拡大断面図である。図６は、上面図である。
本実施の形態の光半導体デバイスは、光導波路によって伝達される光信号を、電気信号に変換する受光素子である。受光素子２００はマイクロリング構造を備える。
そして、ｎ型半導体層１６の第１の領域１６ａと第１の電極３８との間の、第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２に、リング形状の溝５０が形成される。第１の領域１６ａと第１の電極３８間の電気的導通を確保する観点から、溝５０の深さは第２の領域１６ｂの厚さよりも浅く設定される。すなわち、溝５０は、第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２を貫通しない。
図７は、本実施の形態の効果を示す図である。図７（ａ）がスラブ層（第２の領域）に溝を設けない場合、図７（ｂ）がスラブ層に溝を設けた場合である。受光素子のリング内部での光の伝搬およびリング外部への光の漏出を、シミュレーションした結果である。図では、光の強度分布を示している。シミュレーションはＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った。
シミュレーションでは、リングの直径を１０μｍ、スラブ層厚を１００ｎｍ、溝の幅を５００ｎｍ、溝の深さを５０ｎｍ、周回する光の波長を１．２μｍとした。
図７から明らかなように、第２の領域（スラブ層）１６ｂに溝５０を設けることで第１の領域１６ａから漏出する光が抑制される。そして、光の内部損失は図７（ａ）の場合３０ｃｍ−１であり、図７（ｂ）の場合４ｃｍ−１である。以上のように、本実施の形態によれば、光の漏出による損失を一桁近く低減すること可能である。
以上、本実施の形態によれば、外電極構造に起因する光の損失を抑制する小型のマイクロリング構造の受光素子を提供することが可能となる。また、光の短波長化も容易となるため、温度特性に優れた受光素子を提供することが可能となる。
（第３の実施の形態）
本実施の形態の光半導体デバイスは、第１の領域と第１の電極との間の、第２の領域に複数の穴とリング形状の溝の双方が設けられる以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については、記述を省略する。
図８は、本実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。図８は、上面図である。
本実施の形態の光半導体デバイスは、光導波路によって伝達される光信号を、電気信号に変換する受光素子である。受光素子はマイクロリング構造を備える。
そして、ｎ型半導体層１６の第１の領域１６ａと第１の電極３８との間の、第２の領域１６ｂに、複数の穴４４とリング形状の溝５０が形成される。複数の穴４４は、図８に示すように第１の領域１６ａの外周に沿って周期的に配置されている。複数の穴４４は、製造を容易にする観点から第２の領域１６ｂを貫通していることが望ましい。
また、第１の領域１６ａと第１の電極３８間の電気的導通を確保する観点から、溝５０の深さは第２の領域１６ｂの厚さよりも浅く設定される。すなわち、溝５０は、第２の領域１６ｂを貫通しない。
図９は、本実施の形態の効果を示す図である。図９（ａ）がスラブ層（第２の領域）に溝を設けない場合、図９（ｂ）がスラブ層に溝を設けた場合である。受光素子のリング内部での光の伝搬およびリング外部への光の漏出を、シミュレーションした結果である。図では、光の強度分布を示している。シミュレーションはＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った。
シミュレーションでは、リングの直径を１０μｍ、スラブ層厚を１００ｎｍ、溝の幅を１μｍ、溝の深さを２５ｎｍ、穴の直径を７５０ｎｍ、穴のピッチを１１００ｎｍ、周回する光の波長を１．２μｍとした。
図９から明らかなように、第２の領域（スラブ層）１６ｂに溝５０と複数の穴４４を設けることで第１の領域１６ａから漏出する光が抑制される。そして、光の内部損失は図９（ａ）の場合３０ｃｍ−１であり、図９（ｂ）の場合４ｃｍ−１である。以上のように、本実施の形態によれば、光の漏出による損失を一桁近く低減すること可能である。
以上、本実施の形態によれば、外電極構造に起因する光の損失を抑制する小型のマイクロリング構造の受光素子を提供することが可能となる。また、光の短波長化も容易となるため、温度特性に優れた受光素子を提供することが可能となる。
また、溝と穴との組み合わせとすることで、電気的導通を確保しつつ、光の内部損失も低減させるための構造の最適化が容易となる。
（第４の実施の形態）
本実施の形態の光半導体デバイスは、受光素子ではなく、発光素子である点で第１の実施の形態と異なる。特に、半導体多層構造の構成等については第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図１０および図１１は、本実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。図１０（ａ）が斜視断面図、図１０（ｂ）が要部の拡大断面図である。図１１は、上面図である。
本実施の形態の光半導体デバイスは、電極間に印加される電気信号を、光発振器で光信号に変換する発光素子である。発光素子３００はマイクロリング構造を備えるマイクロリングレーザである。
実施の形態の発光素子３００は、積層された複数の半導体層で形成される光共振器（発光部）７０と、この光共振器７０に光学的に結合される光導波路６０を備える。光導波路６０は、例えば、半導体基板３０上に設けられる絶縁層３２内に形成される。そして、絶縁層３２を介して光導波路６０の上部に光共振器７０が設けられる。絶縁層３２は、光導波路６０よりも低屈折率である。
半導体基板３０は、例えばシリコンである。光導波路６０は、例えば単結晶シリコンまたはアモルファスシリコンである。絶縁層３２は、例えば、シリコン酸化膜である。
光導波路６０は、光共振器７０で発生する光信号を図示しない受光素子へ伝搬する。図１０中、紙面に垂直な方向に光導波路６０は延在する。光導波路６０の幅は、例えば、０．３μｍ〜２μｍ程度、高さは、例えば、０．２μｍ〜２μｍ程度である。光導波路６０は、例えば、直線形状、または、光共振器７０のリング径の曲率半径より大きいかまたは同一の曲率半径を備える曲がり導波路とする。
光共振器７０を構成する多層構造の半導体層は、例えば化合物半導体で形成され、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）系の半導体で形成される。
光共振器７０は、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４で構成されるｎ型半導体層（第１の半導体層）１６と、ｎ型半導体層（第１の半導体層）１６上に形成される第１の光ガイド層１８と、第１の光ガイド層１８上の活性層２２と、活性層２２上の第２の光ガイド層２４と、第２の光ガイド層２４上のｐ型クラッド層２６とｐ型クラッド層２６上のｐ型コンタクト層２８とで構成されるｐ型半導体層（第２の半導体層）３６を備える。
ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４で構成されるｎ型半導体層（第１の半導体層）１６は、リング形状の第１の領域１６ａと、第１の領域１６ａの外周に形成され第１の領域１６ａよりも厚さが薄い第２の領域１６ｂを備える。第２の領域１６ｂは、スラブ層とも称される。
なお、図１１ではスラブ層（第２の領域１６ｂ）の上面と、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４の境界が一致しているが、例えば、スラブ層（第２の領域１６ｂ）の上面が、ｎ型コンタクト層１２とｎ型クラッド層１４の境界との下方になる構造であってもかまわない。
ｎ型半導体層（第１の半導体層）１６は、光導波路６０と光学的に結合する。
ｎ型コンタクト層１２は、ｎ側電極（第１の電極）３８をその上に形成するための層である。ｎ型コンタクト層１２は、ｎ型クラッド層１４よりも高不純物濃度である。本実施の形態では、ｎ側電極（第１の電極）３８は第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２上に形成される。
コンタクト形成を容易にする観点から、第２の領域１６ｂの厚さは、１００ｎｍ以上であるあることが望ましく、１５０ｎｍ以上であることがより望ましい。また、リング外部への光の漏出を抑制する観点からは、５００ｎｍ以下であることが望ましく、３００ｎｍ以下であることがより望ましい。
ｎ型クラッド層１４は、中央部のｎ型の半導体層１４ａが、半導体層１４ａよりも低屈折率の酸化物層１４ｂに挟まれる構造となっている。この構造により、電流の経路を狭窄させ、光電変換効率を向上させる効果が生ずる。
第１の光ガイド層１８は、リング形状である。第１の光ガイド層１８は、半導体で形成される。第１の光ガイド層１８は、ｎ型クラッド層１４よりも高屈折率である。
活性層２２は、リング形状である。活性層２２では、第１の電極３８と第２の電極４間に印加される電気信号により光が発生する。活性層２２は、例えば、多重量子井戸構造を備える。
第２の光ガイド層２４は、リング形状である。第２の光ガイド層２４は、半導体で形成される。第１の光ガイド層１８は、ｐ型クラッド層２８よりも高屈折率である。
第１および第２の光ガイド層１８、２４は、活性層２２を周回する光を閉じ込める機能を備える。
ｐ型クラッド層２６は、リング形状である。ｐ型クラッド層２６は、中央部のｐ型の半導体層２６ａが、半導体層２６ａよりも低屈折率の酸化物層２６ｂに挟まれる構造となっている。この構造により、電流の経路を狭窄させ、光電変換効率を向上させる効果が生ずる。
ｐ型コンタクト層２８は、リング形状である。ｐ型コンタクト層２８は、ｐ型クラッド層２６よりも高不純物濃度である。ｐ型コンタクト層２８上にリング形状の第２の電極４０が形成される。
第１の電極３８と第２の電極４０との間には、光信号を発生させるための電圧が印加される。
第１の電極３８と第２の電極４０間に通電されると、活性層２２にキャリアが注入される。そして、注入されたキャリアの再結合により誘導放出が生ずる。誘導放出された光は、リング外壁側（外周側）界面で全反射を繰り返し、リング形状の光共振器７０内を周回し、レーザ発振する。
そして、レーザ発振によって得られた光は、光共振器７０に光学的に結合される光導波路６０に信号として伝搬される。
そして、ｎ型半導体層１６の第１の領域１６ａと、第１の電極３８との間の第２の領域１６ｂに、複数の穴４４が形成される。複数の穴４４は、図２に示すように第１の領域１６ａの外周に沿って周期的に配置されている。複数の穴４４は、製造を容易にする観点から第２の領域１６ｂを貫通していることが望ましい。
本実施の形態の発光素子３００は、第２の領域１６ｂに、複数の穴４４が形成されることにより、第２の領域１６ｂの実効的な屈折率が低下する。したがって、光をリング形状の第１の領域１６ａに閉じ込める効果が強まる。したがって、活性層２２で発生し、リング構造を周回する光の外部への漏出が減少し、光の内部損失が抑制される。よって、光電変換効率の高い発光素子が実現できる。
以上、本実施の形態によれば、外電極構造に起因する光の損失を抑制する小型のマイクロリング構造の発光素子を提供することが可能となる。また、光の短波長化も容易となるため、温度特性に優れた発光素子を提供することが可能となる。
（第５の実施の形態）
本実施の形態の光半導体デバイスは、複数の穴が第１の領域の外周に対して斜め方向に配列されること以外は、第４の実施の形態と同様である。したがって、第４の実施の形態と重複する内容については、記述を省略する。
図１２は、本実施の形態の光半導体デバイスの模式図である。図１２は、上面図である。
図１２に示すように、ｎ型半導体層１６の第１の領域１６ａと、第１の電極３８との間の第２の領域１６ｂに、複数の穴４４が形成される。複数の穴４４は、図１２に示すように、第１の領域１６ａの外周に対して斜め方向に穴４４が配列するパターンを備えて配置されている。いいかえれば、複数の穴４４が、リング形状の直径方向に対し非対称に配置されている。
複数の穴４４は、製造を容易にする観点から第２の領域１６ｂのｎ型コンタクト層１２を貫通していることが望ましい。
このように、複数の穴４４を非対称にすることにより、周回する方向によって、光の損失を異ならせることができる。これは、周回する方向によって、第２の領域１６ｂの実効的な屈折率が変化するためである。これにより、一方向の周回モードのみを選択的に増幅して発振させることが可能となる。したがって、内部損失を抑制しつつ、一方向のみに安定してレーザ光を出射することが可能となる。
図１３は、本実施の形態の効果を示す図である。図１３（ａ）が、光が時計回りに周回する場合、図１３（ｂ）が、光が反時計回りに周回する場合である。受光素子のリング内部での光の伝搬およびリング外部への光の漏出を、シミュレーションした結果である。図では、光の強度分布を示している。シミュレーションはＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて行った。
シミュレーションでは、リングの直径を１０μｍ、スラブ層厚を１００ｎｍ、穴の直径を４００ｎｍ、周回する光の波長を１．２μｍとした。穴は３個ずつ斜めに設けるパターンとした。
図１３から明らかなように、時計回りでは第１の領域１６ａから漏出する光が多いが、反時計回りでは第１の領域１６ａから漏出する光が抑制される。よって、内部損失を抑制しつつ、一方向のみに安定してレーザ光を出射することが可能となる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、光半導体デバイス等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる光半導体デバイス等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
例えば、実施の形態では、リング形状の多層構造を備える光半導体デバイスについて説明したが、本発明はディスク形状の多層構造を備える光半導体デバイスについても同様に適用することが可能である。
また、スラブ層に設ける穴については、円形を例に説明したが、円形に限らず、楕円形、三角形、四角形等の多角形あるいはその他の形状を採用することも可能である。
また、スラブ層に設ける穴は、周期的または規則的に開口されるものでなく、ランダムに開口するものであってもかまわない。
また、発光素子に対して、受光素子に適用したと同様のリング形状の溝等を、第２の領域に設ける構成であってもかまわない。また、受光素子に非対称な穴を設ける構成であってもかまわない。
また、実施の形態では、活性層を挟んで多層構造の下側にｎ型半導体層、上側にｐ型半導体層を設ける構成を例に説明したが、下側にｐ型半導体層、上側にｎ型半導体層を設ける構成であってもかまわない。
また、実施の形態では、多層構造の下側に光導波路を設ける構成を例に説明したが、多層構造の上側に光導波路を設ける構成であってもかまわない。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての光半導体デバイスが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ 受光部
１６ 第１の半導体層
１６ａ 第１の領域
１６ｂ 第２の領域
２０ 光導波路
２２ 活性層
３６ 第２の半導体層
３８ 第１の電極
４０ 第２の電極
４４ 穴
５０ 溝
６０ 光導波路
７０ 光共振器
１００ 受光素子
２００ 受光素子
３００ 発光素子

Claims (5)

  1. リングまたはディスク形状の第１の領域と、前記第１の領域の外周に位置する第２の領域を有する第１導電型の第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層の前記第１の領域上に位置するリングまたはディスク形状の活性層と、
    前記活性層上に位置するリングまたはディスク形状の第２導電型の第２の半導体層と、
    前記第１の半導体層の前記第２の領域上に位置し、前記第１の領域の外周に位置する第１の電極と、
    前記第２の半導体層上に位置する第２の電極と、
    前記第１の半導体層下に位置し、らせん状であり、かつ前記第１または第２の半導体層を光学的に結合して光信号を伝搬可能である光導波路と、を備え、
    前記第１の領域と前記第１の電極との間の、前記第２の領域に、前記第１の領域の外周に位置する溝または複数の穴を有する光半導体デバイス。
  2. 前記複数の穴が前記第２の領域を貫通している請求項１記載の光半導体デバイス。
  3. 前記複数の穴が前記第１の領域の外周に対して斜め方向に配列される請求項１又は請求項２記載の光半導体デバイス。
  4. 前記溝の深さが前記第２の領域の厚さよりも浅い請求項１記載の光半導体デバイス。
  5. 前記第１の半導体層は、第１導電型の半導体の第１のコンタクト層と、
    前記第１のコンタクト層と前記活性層との間に位置し、前記第１のコンタクト層よりも第１導電型の不純物濃度が低い第１導電型の半導体層を含む第１のクラッド層を有し、
    前記第２の半導体層は、第２導電型の半導体の第２のコンタクト層と、
    前記第２のコンタクト層と前記活性層との間に位置し、前記第２のコンタクト層よりも第２導電型の不純物濃度が低い第２導電型の半導体層を含む第２のクラッド層を有し、
    前記第１のクラッド層と前記活性層との間に位置し、前記第１のクラッド層よりも屈折率の高い半導体の第１の光ガイド層と、
    前記第２のクラッド層と前記活性層との間に位置し、前記第２のクラッド層よりも屈折率の高い半導体の第２の光ガイド層と、を更に備える請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の光半導体デバイス。
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