JP6209129B2 - 半導体光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される素子の構造に関する。より詳細には、光源用の半導体レーザや変調器などに適用可能な半導体素子に関する。

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・大容量化が続いている。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源の基本的なデバイスとして発展を続けてきた。電流強度の変調によって強度変調信号を生成する直接変調レーザは、レーザの構成が簡単であり、しかも消費電力が小さいことから、アクセス系ネットワーク等において利用される低コストの光送信器として現在活用されている。

従来技術の半導体レーザでは、半導体基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を形成し、活性層の上下にあるクラッド層に不純物ドーピングを行って、縦方向（基板面に垂直な方向）に電流を注入する構造を持っていた。これに対し、活性層内に水平方向（基板面に平行な方向）に電流を注入するいわゆる横注入レーザが、Namizakiにより考案された（非特許文献１）。横注入レーザは、活性層の横にあるクラッド層に不純物ドーピングを行い、活性層の横方向（幅方向）に電流を注入する。横注入レーザにおいては、活性層の断面は、一般に基板に平行な方向に長い扁平な構造により形成される。同一の構造の活性層をレーザに用いた場合は、素子の寄生容量は、横注入構造の方が縦注入構造よりも低くなる。したがって、横注入構造のレーザの方がより高速に信号応答し、高速な変調動作に適している。また、横注入レーザでは電流注入用の電極をレーザの表面に形成できることから、電子デバイス等の集積化やモジュール化により適している点も優れた特徴である。

具体的には、NamizakiらはＧａＡｓ基板上に構成した横注入半導体レーザを実現し、その後、KawamuraらはＩｎＰ基板上に構成した横注入レーザも実現した（非特許文献２）。以下、まず横注入レーザのより具体的な構成について説明する。

図７は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。レーザの共振器部分に利用される導波路を、光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造１００を示している。導波路構造１００は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０２上に光−キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層１０３、活性層１０４が形成されており、さらに活性層１０４の上には、光−キャリア分離閉じ込め層１０５が形成されている。さらに、ＳＣＨ層１０５の上には、ＩｎＰ層１０６が形成されている。活性層１０４の横は、左右ともにＩｎＰによって埋め込まれている。図７で活性層５０４の左側の埋込み層１０７には電流注入のためのｎ型ドーピングが施されており、活性層１０４の右側の埋込み層１０８には、ｐ型ドーピングが施されている。埋込み層１０７、埋込み層１０８の上には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層１０９ａ、１０９ｂが形成されている。さらに、コンタクト層１０９ａ、１０９ｂの上には、それぞれ電流注入用の電極１１０ａ、１１０ｂが形成されている。

Kawamuraらの検討においては、活性層１０４の上部のＩｎＰクラッド層１０６の厚さは１．５μｍであり、従来技術の縦注入レーザと変わらない構造であった。近年、Shindoらは、ＩｎＰ基板上に厚さ４００ｎｍ弱の薄い活性層と薄いＩｎＰ層から構成された薄膜横注入レーザを実現した（非特許文献３）。既に述べたように、横注入レーザ構造の場合、活性層の上下にあるクラッド層の厚さを薄くすることによって、素子の寄生容量を抑制できる利点がある。Shindoらは、横注入レーザにおいてこの薄膜構造を採用することにより、５ＧＨｚにも至る広い変調帯域を実現した。

H. Namizaki他, Journal of Applied Physics, vol. 45, pp. 2785-2786 (1974) Y. Kawamura他, Electronics Letters, vol. 29, pp. 102-104 (1993) T. Shindo他, Optics Express, vol. 19, pp. 1884-1891 (2011)

広い変調帯域を実現できる横注入レーザであるが、横注入レーザをアクセス系ネットワークやメトロネットワークに適用するためには、十分な光出力レベルを確保することが重要である。しかしながら、従来技術の横注入レーザにおいては、非特許文献３に見られるように最大の光出力レベルは依然として１０ｍＷ以下にとどまっており、光出力をさらに高出力化することが望まれている。

従来技術の縦方向の電流注入レーザでは、活性層幅を１μｍ以上として、活性層の体積を大きくした構造が、光出力を高出力化するための一般的で方法であった。しかしながら、横注入レーザでは、活性層の横方向（幅方向）に電流を注入する構造であるため、活性層内の電流分布に不均一性が生じ、活性層幅を増やすことによっては高出力化の効果が得られないことが知られていた。したがって横注入レーザでは、活性層内における電流分布の不均一性の問題を回避するとともに、さらに高い光出力を得ることが求められている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、より高い光出力レベルを実現可能な横注入レーザを提供するところにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、上部クラッド層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方にｐ型の不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方にｎ型の不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されており、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器を備えている半導体光素子において、前記活性層の前記横方向の幅は、前記半導体光素子が発振動作をするときに、発振モードが単一導波モードとなり、前記単一導波モードが存在できる範囲の値であって、かつ、ｐ型の不純物ドーピングが施された前記一方の埋め込み層での光閉じ込めが最大となる幅よりも狭く、前記導波路構造の導波路の等価屈折率の値が、前記半導体基板の屈折率と概ね同一であることを特徴とする半導体光素子である。
請求項２に記載の発明は、請求項１の半導体光素子において、前記上部クラッド層の厚さが１μｍよりも薄いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の半導体光素子において、前記反射器は、前記活性層の上方に形成された表面回折格子であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれか一項の半導体光素子において、前記等価屈折率は、前記半導体基板の屈折率の１００％から１００．３％の範囲にあることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれか一項の半導体光素子において、前記半導体基板は、半絶縁性ＩｎＰ基板であって、前記上部クラッド層および前記埋込み層はＩｎＰで構成され、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓで構成されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれか一項に記載の前記半導体光素子における前記導波路構造を有することを特徴とする分布帰還型半導体レーザである。

以上説明したように、本発明の半導体光素子によって、より高い光出力レベルを実現可能な横注入レーザを提供することができる。

図１は、本発明の横注入レーザの導波路および全体構造を示す図である。 図２は、本発明の横注入レーザの導波路構造における等価屈折率の活性層幅依存性を示す図である。 図３は、従来技術の横注入レーザと本発明の活性層幅を極力狭くした横注入レーザ間で電界分布を比較した概念図である。 図４は、本発明の横注入レーザにおけるｐクラッド領域の光閉じ込めの活性層幅依存性を示す図である。 図５は、ｐクラッド領域において生じる伝搬損の活性層幅依存性を示す図である。 図６は、本発明の横注入レーザの電流―出力曲線を示す図である。 図７は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。 図８は、横注入レーザの活性層断面における電子およびホール分布をシミュレーションした結果を示す図である。 図９は、図８と同じ各場合において活性層断面における誘導放出強度の分布を示す図である。 図１０は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した別の導波路の単純化した構造を示す図である 図１１は、コア層高さが２５０ｎｍの素子について、上部クラッドＩｎＰ層の厚さを変えた場合の、光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。 図１２は、コア層高さが３５０ｎｍの素子について、上部クラッドＩｎＰ層の厚さを変えた場合の、光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。 図１３は、コア層高さが４５０ｎｍの素子について、上部クラッドＩｎＰ層の厚さを変えた場合の、光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。

発明者らは、横注入レーザの活性層における上述の問題点をもう一度見直し、光出力を高出力化する半導体光素子の構成を見出した。本発明の半導体光素子は、半導体基板上に、活性層および埋込み導波路構造が形成され、活性層の両側にある埋込み層に不純物ドーピングが施され、活性層に横方向（幅方向）に電流注入を行う構造において、活性層幅を、単一導波モードとなり、かつ導波モードが存在する範囲で狭くし、導波路の等価屈折率の値が基板の等価屈折率と概ね同程度となるように設定されている。本構造を半導体レーザに適用し、活性層上部に回折格子を形成することにより分布帰還型半導体レーザを構成した。本発明は、活性層に逆バイアスを印加することで、電界吸収変調器にも適用できる。以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。

図１の（ａ）は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した導波路の構造を示す図である。図１の（ａ）では、レーザの共振器部分に利用される導波路を共振器内の光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造１を示している。導波路構造１は、半絶縁性ＩｎＰ基板２上に、バンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層３、発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層４が順次形成されている。活性層４は、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの１４層で構成された量子井戸から形成される。活性層４の上にはバンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層５が形成されている。さらに活性層４の上方でＳＣＨ層５の上には、厚さ１００ｎｍのＩｎＰ層６が形成される。

ＩｎＰ層６の表面には、ＩｎＰをエッチングすることによって、ＩｎＰおよび空気からなるブラッグ波長１．５５μｍの回折格子が形成されている。この回折格子は、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器として機能する。活性層４の両側は、異なるタイプのドーピングが施されたＩｎＰによって埋め込まれている。すなわち、電流注入のために、図１の活性層４の左側には、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉのｎ型ドーピング層７、活性層４の右側には、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のＺｎのｐ型ドーピング層８が構成されている。埋め込み層７、８の上部には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａ、９ｂが形成され、コンタクト層領域９ａ、９ｂ上には、それぞれ電流注入用の電極１０ａ、１０ｂが形成されている。

図１の（ｂ）は、本発明の半導体光素子の構造を適用した横注入レーザを斜め上から見た鳥瞰図である。本発明の横注入レーザは、最上面のＩｎＰ層６上であって電極１０ａ、１０ｂの間の領域に繰り返し構造である表面回折格子１１が形成され、これによって共振器が構成された分布帰還型レーザである。共振器両端のレーザ出力端面には無反射コーティングを施してある。本発明の横注入レーザの作製にあたっては、結晶成長には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、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４の左右の電流注入用の埋め込みドーピング層７、８は、ｎ型ドーピングされたＩｎＰおよびｐ型ドーピングされたＩｎＰを、それぞれ埋込み再成長することによって形成することができる。また、活性層４の形成後に真性ＩｎＰを埋込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法によってドーパントを形成しても良い。

既に述べたように、従来技術の縦注入レーザでは、導波路（活性層）幅を広げることによって光出力の高出力化を実現していた。発明者らは、横注入レーザにおいて、キャリア分布の不均一を避けるためにも、むしろ逆に導波路幅を狭めた構成における発振器の振る舞いに着目した。そして、縦方向レーザで有効と考えられていた導波路幅の拡張とは逆の構成をとることによって、光出力を増大できる構成を見いだした。本発明の横注入レーザでは、活性層の幅を、共振器における発振動作が単一導波モードとなり、かつ、導波モードが存在し得る範囲で狭くして、導波路の等価屈折率の値が基板の屈折率程度となるように設定する。具体的には、図１に対応する構造の場合、導波路幅を０．５μｍとする。また後述するように、活性層内の全領域で誘導放出が生じるために、活性層の最大幅は１μｍ程度が目安となる。以下、本発明の導波路幅の狭い構成の横注入レーザの動作について説明する。

図８は、横注入レーザの活性層断面における電子およびホール分布をシミュレーションした結果を示す図である。活性層の断面において光の進行方向に垂直な方向の活性層幅が２μｍおよび０．５μｍの各場合についてキャリア密度（ｃｍ^−３）比較したものである。図８の（ａ）では、活性層幅が２μｍの素子の場合を、（ｂ）では、活性層幅が０．５μｍの素子の場合をそれぞれ示す。活性層の両側にある埋め込み層は、ｎドーピング、ｐドーピング濃度がそれぞれ１×１０^１８ｃｍ^−３でドーピングされている。活性層としては、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍが１４層形成された量子井戸を例に計算している。尚、図８の断面図の量子井戸内の各層は簡略化して描いてある。

図８の（ａ）を参照すれば、矢印で表した活性層領域内において、電子およびホールがｐ型の埋め込み層側の領域に局在していることがわかる。既に述べたように、キャリアの局在化のため、活性層の幅が２μｍの場合のような導波路幅の広いレーザにおける内部量子効率が低下し、発光効率は大きく低下する。図８の（ｂ）のように、発生層幅が０．５μｍと狭い場合は、キャリアの局在は顕著ではない。

図９は、図８と同じ導波路幅の各場合において活性層断面における誘導放出の分布を示す図である。図９の（ｂ）に示したように、活性層幅が０．５μｍの素子においては、活性層の幅の概ね全領域で誘導放出が生じている。一方で、図９の（ａ）に示した活性層幅が２μｍの素子においては、矢印で示した活性層内のｐ型の埋め込み層側にある半分程度（１μｍ）の領域でしか誘導放出が生じていない。発明者らは、キャリアの走行距離が長くなると変調に対する応答が遅くなることから、活性層の幅を狭くすることは、直接変調レーザの高速な応答および広い変調帯域を実現する点からもむしろ望ましいと考えた。

図２は、本発明の横注入レーザの導波路構造における等価屈折率の活性層幅依存性を示す図である。横軸に活性層幅（μｍ）を、縦軸に等価屈折率を示す。レーザが単一モードで動作するためには、高次モードが出現しないように活性層幅を制御する必要がある。図２を参照すれば、１次モードが出現しないようにするために、本発明の横注入レーザの構成では活性層幅をまず１．６μｍ以下にする必要がある。さらに、活性層内の全領域で誘導放出が生じるためには、図９の（ａ）における誘導放出の生じている横方向の幅を考慮して、活性層の最大幅としては１μｍ程度が目安となる。

好ましくは、本発明の横注入レーザにおける活性層幅を、基本モードにおける導波路の等価屈折率がほぼＩｎＰ基板２の屈折率３．１７と同じであって、０次モードが存在することのできる最小の導波路幅の値とする。ここで等価屈折率とは、導波モードにおける伝搬光の位相変化に関わる屈折率である。図１に示した横注入レーザの構成の場合は、０．５μｍがこの最小の導波路幅の値に対応する。以下、最小の導波路幅を持つ構造を利用する本発明の横注入レーザで、得られる効果を説明する。

ファブリペローレーザの半導体レーザの外部微分量子効率η_ｄは、内部微分量子効率η_i、活性層の伝搬損α_ｉ、レーザ端面の反射率Ｒ、活性層長Ｌを用いて次式のように表される。

外部微分量子効率η_ｄは、入射したキャリアの数に対して取り出される光子の比率として定義され、よく知られたパラメータである。式（１）によれば、活性層の内部微分量子効率η_ｉを増やし、さらに活性層の伝搬損α_ｉを減らすことによってレーザの効率η_ｄを高くすることができる。上述のように、横注入レーザにおいては活性層の幅が狭いほど内部微分量子効率が高い。一方、活性層の伝搬損すなわち導波路損を考察すると、その主な要因は、活性層の横に形成されたｐクラッド領域で生じる吸収損失と考えられる。ｐ型ＩｎＰ層８の吸収損失は、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３あたり約２０ｃｍ^−１である。従来技術の縦注入レーザにおいては、活性層の幅が狭くなるほど、埋め込み層であるｐクラッド領域（ｐ型ＩｎＰ層８）側に導波モードの電界分布が広がり、クラッド領域の光損失は増大するのが一般的であった。

しかしながら、本発明の横注入レーザの構造においては、活性層上部のクラッド層ＩｎＰ層６が１００ｎｍと薄いため、光の閉じ込めは素子上面の空気の影響をより強く受ける。これによって、電界分布が活性層に対して基板方向に非対称に広がるため、ｐクラッド領域における損失を抑制することができる。

縦注入構造においては、上部クラッド層の上に電極を配置する必要があった。このため、損失抑制のためにクラッド上部に電界が存在しないように上部クラッド層を厚くする必要があり、前述したように１．５μｍ程度の厚さが必要であった。一方、本発明の横注入レーザにおいては、活性層上部の伝搬損の懸念が少なく、上部クラッド層を１μｍ以下とし、電界分布の非対称性を積極的に利用できることが大きな特徴である。次に、電界分布の比較によって、本発明の構成と従来技術の構成との間で、より具体的な導波路損の差異について説明する。

図３は、従来技術の横注入レーザと本発明の活性層幅を極力狭くした横注入レーザ間で電界分布を比較した概念図である。図３の（ａ）は、活性層幅が広い従来技術の横注入レーザの場合の電界分布を、図３の（ｂ）は本発明により活性層幅を極力狭くした横注入レーザの場合の電界分布を示している。（ａ）に示したように、導波路幅が比較的広い場合には、電界の広がり３１は、活性層４を中心として概ね楕円形状で広がる。このとき、電界の広がり３１とｐ型ＩｎＰ層８との重複部分３３において導波路損が発生する。

一方、図３の（ｂ）に示したように、導波路幅がより狭い場合には、電界の広がり３２は、活性層４の下方のＩｎＰ基板２側にずれた位置を中心とした概ね円形状に広がる。このときも、電界の広がり領域３２と、ｐ型ＩｎＰ層８との重複部分３４において導波路損が発生する。

埋め込み領域であるｐ型クラッド領域における光閉じ込めは、ｐ型クラッド領域内の光エネルギーと全領域の光エネルギーの比により表される。本発明の横注入レーザの構造においては、（ｂ）に示したように、ＩｎＰ基板２方向により広く電界分布が広がるため、ｐ型クラッド領域内の電界重複部分の面積の、全電界広がりの面積に対する比率が、従来技術の構造と比較して小さくなる。これは、図３の（ａ）における電界広がり領域３１とｐ型クラッド領域内の重複領域３３との面積比を、図３の（ｂ）における電界広がり領域３２とｐ型クラッド領域内の重複領域３４との面積比と比較すれば、簡単に理解できるだろう。上述の電界分布の差異によって、本発明の横注入レーザでは、埋め込み層であるｐクラッド領域における光閉じ込めが低下し、伝搬損失を抑制できる。

したがって、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、上部クラッド層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方にｐ型の不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方にｎ型の不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されており、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器を備えている半導体光素子において、前記活性層の前記横方向の幅は、前記半導体素子が発振動作をするときに、発振モードが単一導波モードとなり、前記導波モードが存在できる範囲の値であって、前記導波路構造の導波路の等価屈折率の値が、前記基板の屈折率と概ね同一であることを特徴とする半導体光素子として実現される。

図４は、本発明の横注入レーザにおけるｐクラッド領域の光閉じ込めの活性層幅依存性を示す図である。横軸に活性層の幅を、縦軸にｐ型クラッド領域の光閉じ込めをとっている。光閉じ込めは、導波路幅が０．６μｍ前後で最大となっている。ｐ型領域での光閉じ込めは、活性層の外への光の漏れを意味しており、ｐ型埋め込み領域８での光閉じ込めが小さいほどつまりｐ型埋め込み領域８への漏れが小さいほど、光損失は小さくなる。

図５は、ｐクラッド領域において生じる伝搬損の活性層幅依存性を示す図である。埋め込み層であるｐクラッド領域８のドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、２×１０^１８ｃｍ^−３、３×１０^１８ｃｍ^−３の３種類に変えた場合の、活性層幅とｐクラッド領域において生じる伝搬損を示している。各曲線のピーク右側のように、活性層幅の増大に伴いコア（活性層）の強い閉じ込めの効果によって伝搬損失が低下する領域がある一方で、ピーク左側のように、活性層幅を狭くした場合においても、pクラッド領域の光閉じ込めが小さく、伝搬損失が低下する領域が存在している。図５によれば、導波路幅を、モードが存在することのできる最小の導波路幅の値に設定（本実施例の場合は０．５μｍ）することによって、素子の伝搬損を抑制できる効果が明らかになっている。

図６は、本発明の横注入レーザの電流―出力曲線を従来技術と比較して示した図である。活性層幅を２μｍにした従来技術の横注入レーザの構成と、活性層幅を０．５μｍとした本発明の横注入レーザの構成を比較した。本発明の活性層を狭くした構成では、活性層の光閉じ込めが低下しているために発振閾値電流は従来技術の構成に比べてやや高いが、同じ電流値では、光出力レベルは本発明の横注入レーザの方が大きい。図６からも、本発明の活性層（導波路）の幅を狭くした構成の横注入レーザは、伝搬損の低減および内部量子効率の増大により外部量子効率が増大し、光出力の高出力化のために非常に有用なものであることは明らかである。

上述の実施例においては、活性層にＩｎＧａＡｓＰ材料を用いたが、ＩｎＡｌＧａＡｓ材料など、その他の光半導体材料系が適用可能であることは言うまでもない。他の光半導体材料を用いた場合には、上述の実施例における、最小の活性層の幅は当然に、０．５μｍとは異なってくる。また、基板の材料やドーピングのパラメータなどによっても最小の活性層の幅は変化する。しかし、基本モードの等価屈折率がほぼ基板材料の屈折率と同じであって、０次モードが存在することのできる最小の導波路幅の値とすることには変わりはない。次に、本発明の幅の狭い活性層の構造を持つ横注入レーザにおいて、異なるコア材料を用い、より一般化して狭い導波路幅を持つ効果および好ましい導波路幅の範囲を説明する別の構成例を説明する。

図１０は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した別の導波路の構造を示す図である。導波路幅の効果を説明するために、図１の構成と比べて、導波路構造５１は、下部・上部ＳＣＨ層をコア層に含めて単純化した構成を考える。すなわち、コア層５４は発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ材料からなる活性層および上下のＳＣＨ層から成る。埋め込みＩｎＰ層５７、５８、コンタクト層５９ａ、５９ｂ、電極６０ａ、６０ｂは、図１の構成と同様である。

図１０では、コア層５４に含まれている活性層およびＳＣＨ層の区別を描いておらず、活性層およびＳＣＨ層を含むコア層５４として単純化して示している。コア層５４内の活性層は、バルク層でも良いし量子井戸活性層でも良い。以降で説明する活性層幅の効果の検討は、活性層およびＳＣＨ層を含むコア層５４全体の厚さ（高さ）に基づいている。このとき、特定のコア層５４の厚さ（高さ）の場合について、異なる上部ＩｎＰクラッド層５３の厚さ毎に、最適な活性層（コア層）幅を検討した。

図１１は、コア層の高さが２５０ｎｍの素子について、上部クラッドＩｎＰ層の厚さを５０、１５０、２５０ｎｍとした各場合の、ｐクラッド層の光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。図１１の上側のグラフはｐクラッド層の光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、下側のグラフは、実効屈折率ｎ_ｅｑと基板の屈折率ｎ_ＩｎＰの比率ｎ_ｅｑ／ｎ_ＩｎＰ（パーセント表示）の活性層幅依存性を示した。本発明の有効な活性層幅を矢印ａ、矢印ｂおよび矢印ｃによって示した。上部ＩｎＰ層５３の厚さが１５０ｎｍの場合（Ｈ＿ＩｎＰ １５０）、活性層（コア層）幅をおおよそ０．７μｍより狭くすると光閉じ込めが下がり始め、吸収損失を抑制できる。実効屈折率ｎ_ｅｑが基板の屈折率ｎ_ＩｎＰと同じとなる場合が、伝搬モードが存在する最小幅であり、この場合は活性層幅０．６μｍが最小幅である。従って、幅０．６μｍから０．７μｍの幅の範囲（矢印ａ）で本発明の幅の狭い活性層の構造による効果が有効であることがわかる。

同様に、上部ＩｎＰ層の厚さが１００ｎｍの場合（Ｈ＿ＩｎＰ １００）、０．７５μｍから０．８２μｍの範囲（矢印ｂ）が有効である。さらに上部ＩｎＰ層の厚さが５０ｎｍの場合（Ｈ＿ＩｎＰ ５０）は、損失の観点からは１μｍから１．１μｍの範囲（矢印ｃ）で効果があるが、電流分布の均一性も考慮して最小幅の１μｍとするのが良い。実効屈折率と基板の屈折率との比は、上部ＩｎＰ層５３の厚さがいずれの場合も、おおよそ１００％から１００．１％の範囲である。

図１２は、コア層の高さが３５０ｎｍの素子について、上部クラッドＩｎＰ層の厚さを５０、１５０、２５０ｎｍとした各場合の、ｐクラッド層の光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。上部ＩｎＰ層５３の厚さが１５０ｎｍの場合（Ｈ＿ＩｎＰ １５０）、矢印ａで示した導波路幅で本発明の幅の狭い活性層の構造の効果が有効であることがわかる。同様に、上部ＩｎＰ層の厚さが１００ｎｍの場合（Ｈ＿ＩｎＰ １００）を矢印ｂで、上部ＩｎＰ層の厚さが５０ｎｍの場合（Ｈ＿ＩｎＰ ５０）を矢印ｃで示す。コア層の高さが３５０ｎｍの素子の場合、実効屈折率と基板の屈折率との比がおおよそ１００％から１００．３％の範囲の場合に有効である。

図１３は、コア層の高さが４５０ｎｍの素子について、上部クラッドＩｎＰ層の厚さを５０、１５０、２５０ｎｍとした各場合の、ｐクラッド層の光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。コア層の高さが４５０ｎｍの素子の場合、実効屈折率と基板の屈折率との比が、おおよそ１００％から１００．３％の範囲の場合に有効である。したがって、本発明においては、コア層の等価屈折率は、基板の屈折率の１００％から１００．３％の範囲にあるのが好ましい。

上述の各実施例では、活性層の上方に形成された回折格子によって発振動作を実現する分布帰還型半導体レーザの例で説明をしたが、ファブリペローレーザや分布ブラッグ反射型レーザ等の他の形態の発振器においても、適用可能である。回折格子の形状については、上部のＩｎＰをエッチングしてＩｎＰおよび空気の層により得られる構成としたが、上部にＳｉＮやＳｉＯ_２等の保護膜を形成してＩｎＰおよび保護膜からなる回折格子を形成しても良い。また、ＩｎＰの上にＳｉＮやＳｉＯ_２の回折格子を形成しても同様の効果が得られる。

また、上述の実施例においては半導体レーザに適用したが、導波路構造における光損失低減の効果が得られることから、活性層に逆バイアスを印加することで電界吸収変調器を実現しても、電界吸収特性などにおいて、同様の特性の向上が得られることは明らかである。

以上詳細に説明したように、本発明の半導体光素子によって、より高い光出力レベルを実現可能な横注入レーザを提供することができる。

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光送信器に利用することができる。

１、５１、１００ 導波路構造
２、５２、１０２ 基板
３、１０３ 下部ＳＣＨ層
４、１０４ 活性層
５、１０５ 上部ＳＣＨ層
６、５３、１０６ ＩｎＰ層
７、８、５７、５８、１０７、１０８ 埋め込みＩｎＰ層
９ａ、９ｂ、５９ａ、５９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ コンタクト層
１０ａ、１０ｂ、６０ａ、６０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ 電極
１１ 回折格子
３１、３２ 電界分布
５４ コア層

Claims (6)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、上部クラッド層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、
   前記埋込み層の一方にｐ型の不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方にｎ型の不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されており、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器を備えている半導体光素子において、
   前記活性層の前記横方向の幅は、前記半導体光素子が発振動作をするときに、発振モードが単一導波モードとなり、前記単一導波モードが存在できる範囲の値であって、かつ、ｐ型の不純物ドーピングが施された前記一方の埋め込み層での光閉じ込めが最大となる幅よりも狭く、前記導波路構造の導波路の等価屈折率の値が、前記半導体基板の屈折率と概ね同一であること
   を特徴とする半導体光素子。
2. 前記上部クラッド層の厚さが１μｍよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
3. 前記反射器は、前記活性層の上方に形成された表面回折格子であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
4. 前記等価屈折率は、前記半導体基板の屈折率の１００％から１００．３％の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の半導体光素子。
5. 前記半導体基板は、半絶縁性ＩｎＰ基板であって、前記上部クラッド層および前記埋込み層はＩｎＰで構成され、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓで構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の半導体光素子。
6. 請求項１乃至５いずれか一項に記載の前記半導体光素子における前記導波路構造を有することを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。

Images