JP6979416B2

JP6979416B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP6979416B2
Application number: JP2019044593A
Authority: JP
Inventors: 和哉大平; 英人古山; かほり蕨
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: JP2020150051A

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

近年、低損失且つ高密度の光伝送のために、データ入出力を高速且つ低消費電力で行うオンチップ光配線が種々提案されている。このような光配線を実現するために、小型光源として、マイクロリング共振器を用いたマイクロリングＬＤ（Laser Diode）が注目されている。そして、この種のマイクロリングＬＤにおいては、周回モード安定性の解決が実用化の鍵となっている。

特許第５９０２２６７号公報

本発明の実施形態は、簡易な構造で周回モード安定化が可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、基板と、光導波路と、前記基板と前記光導波路との間に設けられ、リング状の発光部を含む半導体層と、金属部材と、クラッド層と、を備える。前記光導波路は、前記半導体層から前記光導波路に向かう第１方向において前記発光部に重なる光結合部と、前記光結合部に連続し、前記リング状の発光部の内周部から外周部に向かう方向に延びる出力部と、前記光結合部に連続し、前記第１方向において前記発光部に重ならない位置に配置されたモード制御部と、を有する。前記クラッド層は、前記金属部材と、前記モード制御部の先端との間に設けられている。

（ａ）は実施形態に係る半導体発光素子における発光部と光導波路との配置関係を示す模式平面図であり、（ｂ）は実施形態に係る半導体発光素子の模式断面図である。図１（ｂ）に示す半導体発光素子の一部分の拡大断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子における発光部と光導波路との配置関係の他の例を示す模式平面図である。実施形態に係る半導体発光素子における発光部と光導波路との配置関係の他の例を示す模式平面図である。実施形態に係る半導体発光素子の一部分の拡大断面図である。

以下、適宜図面を参照しながら実施形態の説明を行っていく。説明の便宜のため、各図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、相対的な位置関係などで示す場合がある。また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。

図１（ａ）は実施形態に係る半導体発光素子における発光部２５と光導波路３０との配置関係を示す模式平面図であり、図１（ｂ）は実施形態に係る半導体発光素子の模式断面図である。図２は、図１（ｂ）に示す半導体発光素子の一部分の拡大断面図である。

実施形態に係る半導体発光素子は、基板１１と、半導体層２０と、光導波路３０と、第１電極４１と、第２電極４２とを有する。この例では、第１電極４１はｐ型半導体層に接するｐ側電極であり、第２電極４２はｎ型半導体層に接するｎ側電極として説明する。または、第１電極４１がｎ型半導体層に接するｎ側電極、第２電極４２がｐ型半導体層に接するｐ側電極であってもよい。

基板１１は、例えば、シリコン基板である。半導体層２０は、例えば、III-Ｖ族の化合物半導体層である。半導体層２０は、例えば、ＩｎＰまたはＧａＡｓの成長基板上にエピタキシャル成長された後、基板１１に接合される。半導体層２０と基板１１との間に、例えば、シリコン酸化膜１２が介在される。

半導体層２０は基板１１と光導波路３０との間に設けられ、半導体層２０から光導波路３０に向かう方向を第１方向とする。半導体層２０は、第１方向に沿って積層された第１半導体層２１、第２半導体層２３、および活性層２２を含む。活性層２２は、第１半導体層２１と第２半導体層２３との間に設けられている。

第１半導体層２１は、例えば、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を含む。第２半導体層２３は、例えば、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を含む。活性層２２は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層である。すなわち、半導体層２０は、ＩｎＧａＡｓ活性層をＧａＡｌＡｓクラッド層で挟んだ構造を有する。

第１半導体層２１、第２半導体層２３、および活性層２２が積層された部分（メサ部）はリング状に形成されている。すなわち、半導体層２０は、リング状の発光部２５を含む。リング状の発光部２５は、角や直線部を含んでいてもよい。発光部２５は、活性層２２が設けられた部分のうち、後述する周回モードが存在する部分である。

半導体層２０の表面には絶縁膜１３が形成されている。絶縁膜１３は、例えば、シリコン窒化膜であり、半導体層２０の表面を保護する。

半導体層２０上には、絶縁膜１３を介して、絶縁膜１４が形成されている。絶縁膜１４は、例えば、シリコン酸化膜である。

第２半導体層２３の上面の一部は、絶縁膜１３および絶縁膜１４から露出され、その露出部に第１電極４１が接している。第１電極４１は、リング状の第２半導体層２３の内側の領域に配置され、リング状の第２半導体層２３の上面における内周側の領域に接している。

半導体層２０において活性層２２および第２半導体層２３が設けられていない部分の第１半導体層２１の上面の一部は、絶縁膜１３および絶縁膜１４から露出され、その露出部に第２電極４２が接している。第２電極４２は、発光部２５および第１電極４１を囲むようにリング状に形成されている。

光導波路３０は、絶縁膜１４上に設けられている。光導波路３０の材料（コア材料）は、例えば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンなどである。

光導波路３０は、クラッド層１５で覆われている。クラッド層１５の材料は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ポリマーなどである。

光導波路３０は、光結合部３０ａと、出力部３０ｂと、モード制御部３０ｃとを有する。光結合部３０ａ、出力部３０ｂ、およびモード制御部３０ｃは、同じ材料で一体化されている。

光結合部３０ａは、半導体層２０から光導波路３０に向かう上記第１方向において発光部２５に重なっている。光結合部３０ａは、リング状の第２半導体層２３における第１電極４１が設けられていない外周側の上面に対向している。その第２半導体層２３の外周側の上面と、光結合部３０ａとの間には、絶縁膜１３と絶縁膜１４のうちの少なくとも一方が設けられている。絶縁膜１３および絶縁膜１４は、活性層２２が発する光に対して透過性を有する。

図１（ａ）に示す例では、モード制御部３０ｃは第１領域１００に配置され、出力部３０ｂは第２領域２００に配置されている。リング状の発光部２５は、第１領域１００と第２領域２００との間に位置する。リング状の発光部２５は内周部２５ａと外周部２５ｂとを有する。内周部２５ａは閉曲線を形成し、外周部２５ｂも閉曲線を形成する。外周部２５ｂの長さは、内周部２５ａの長さよりも長い。第１領域１００は内周部２５ａが形成する閉曲線の内側の領域である。内周部２５ａは、第１領域１００と外周部２５ｂとの間に位置する。外周部２５ｂは、内周部２５ａと第２領域２００との間に位置する。

出力部３０ｂは、光結合部３０ａに連続し、リング状の発光部２５の内周部２５ａから外周部２５ｂに向かう方向に延びている。出力部３０ｂは、光結合部３０ａから上記第２領域に向かって例えば直線状に延びている。出力部３０ｂは、リング状の発光部２５の例えば接線方向に延びている。

出力部３０ｂは、基板１１上に形成された図示しない受光素子に光結合している。出力部３０ｂと受光素子との間の光導波路は、直線に限らず屈曲していてもよい。

モード制御部３０ｃは、光結合部３０ａに連続し、半導体層２０から光導波路３０に向かう上記第１方向において発光部２５に重ならない位置に配置されている。図１（ａ）に示す例では、モード制御部３０ｃは、リング状の発光部２５の内側の領域に配置されている。

モード制御部３０ｃの形状は曲率をもつ形状である。図１（ａ）に示す例では、モード制御部３０ｃは、光結合部３０ａから例えば反時計回りＣＣＷに旋回し始め、渦を巻いている。

モード制御部３０ｃは、先端３０ｄと、先端３０ｄと光結合部３０ａとの間に設けられた部分とを有する。先端３０ｄの幅は、先端３０ｄと光結合部３０ａとの間に設けられた部分の幅よりも狭い。モード制御部３０ｃの少なくとも先端３０ｄと、金属部材との間にクラッド層１５が設けられている。この例では、金属部材は第１電極４１である。
例えば、モード制御部３０ｃの先端３０ｄの形状は先細り形状（taper shaped）である。モード制御部３０ｃの少なくとも先端３０ｄは、第１電極４１を構成する金属で覆われている。例えば、モード制御部３０ｃの全体が、第１電極４１を構成する金属で覆われている。モード制御部３０ｃと第１電極４１との間には、クラッド層１５が設けられている。または、モード制御部３０ｃは金属で覆われていなくてもよい。

図２に示すように、光導波路３０は、第１部分３１と、第１部分３１上に設けられ第１部分３１よりも幅が狭い第２部分３２とを有する。ここでの幅は、光導波路３０の延在方向に直交する方向の幅を表す。光結合部３０ａにおける第１部分３１が、発光部２５に対向している。

例えば、第１部分３１の幅は１２００ｎｍであり、第２部分３２の幅は６００ｎｍである。また、第１部分３１の高さおよび第２部分３２の高さは共に、例えば、２００ｎｍである。第２半導体層２３の上面においてｐ側電極４１が設けられていない外周側の領域の幅は、光導波路３０の第１部分３１の幅と同程度である。

活性層２２から発した光は、図２における紙面を貫く方向、すなわちリング状に周回し発振する。そして、光導波路３０の光結合部３０ａは発光部２５に近接して対向しているため、発光部２５から光結合部３０ａに光がしみ出し、光導波路３０に光結合する。光結合部３０ａの第１部分３１と、その第１部分３１が対向する第２半導体層２３の上面との間の距離は、例えば、２０ｎｍ〜１００ｎｍほどである。

リング状の発光部２５を有するリングＬＤでは、時計回りＣＷおよび反時計回りＣＣＷの周回モードが共存するが、本実施形態では片側（例えば反時計回りＣＣＷ）の周回モードを渦巻き形状のモード制御部３０ｃで吸収することができる。時計回りＣＷの周回モードの光は光結合部３０ａで光導波路３０に結合して出力部３０ｂを導波され、発光素子の外部に出力される。一方、反時計回りＣＣＷの周回モードの光は、光結合部３０ａからモード制御部３０ｃに導波され、吸収される。すなわち、時計回りＣＷの周回モードが優先され、反時計回りＣＣＷの周回モードはほとんど無くなる。このため、リングＬＤにおける発振が安定する。

モード制御部３０ｃは、上記第１方向において発光部２５に重ならない領域に配置され、例えばリング状の発光部２５の内側の第１領域１００に配置されている。モード制御部３０ｃと第１半導体層２１との間には厚い（例えば、１．５μｍ以上２μｍ以下の）絶縁膜１４が設けられているため、モード制御部３０ｃと第１半導体層２１との間での光のしみ出しは生じない。

本実施形態では、リング状の発光部２５と光導波路３０との光結合箇所（光結合部３０ａ）が１箇所となるため、光結合箇所の発光部２５に対する位置ずれのトレランスを大きくし製造ばらつきによる特性ばらつきを低減できる。また、反射が生じやすい光結合箇所が１箇所になるため、損失を抑制できる。すなわち、本実施形態では、簡易な構造で周回モード安定化が可能な半導体発光素子を提供できる。

また、モード制御部３０ｃの先端３０ｄを先細り形状にしているため、先端３０ｄから徐々に光をしみ出させることができる。したがって、先端３０ｄでの光の反射を低減し、戻り光を抑制し周回モードが安定化する。

また、モード制御部３０ｃの先端３０ｄは、第１電極４１を構成する金属部材で覆われているため、先端３０ｄでしみ出した光を金属部材で吸収することができる。

図３（ａ）に示すように、モード制御部３０ｃの先端３０ｄは、モード制御部３０ｃの他の部分に結合していても良い。

また、モード制御部３０ｃを曲率をもつ例えば渦巻き形状にすることで、小さな面積でモード制御部３０ｃの経路長を長くして、確実に戻り光を抑制することができる。

図３（ｂ）に示すように、リング状の発光部２５の内側の領域に、多重のモード制御部３０ｃを配置してもよい。

図４に示すように、モード制御部３０ｃは、リング状の発光部２５の外側の第２領域２００に配置してもよい。なお、図１（ａ）、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、モード制御部３０ｃをリング状の発光部２５の内側の第１領域１００に配置した構成は、モード制御部３０ｃをリング状の発光部２５の外側の第２領域２００に配置した構成よりも発光素子を小型化できる。

図２に示すように、光導波路３０は、第１部分３１と、第１部分３１上に設けられ第１部分３１よりも幅が狭い第２部分３２とを有し、光結合部３０ａにおける第１部分３１が、発光部２５に対向している。

このような構成により、相対的に幅の広い第１部分３１で、発光部２５からしみ出す光の結合効率を高め、一方で幅の小さい第２部分３２ではシングルモードで光を伝播させることができる。シングルモードは設計を容易にする。

または、幅の狭い第２部分３２を設けずに、第１部分３１から光導波路３０は構成されてもよく、この場合、マルチモードでの光の伝播が可能になる。

図５は、実施形態に係る半導体発光素子の他の例の模式断面図であり、図２と同様の部分の断面図である。

図５に示す例では、活性層２２を挟むクラッド層における第１電極４１が設けられた内周側の領域に、例えばイオン注入、酸化、混晶化により、電流狭窄部６０を設けている。マイクロリングＬＤではリング状の発光部２５の外周側の領域を光が周回しやすい。そのため、電流狭窄部６０により、電流注入領域を外周側の領域に狭めることで、より低い電流での発光が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…基板、１５…クラッド層、２０…半導体層、２２…活性層、２５…リング状の発光部、２５ａ…内周部、２５ｂ…外周部、３０…光導波路、３０ａ…光結合部、３０ｂ…出力部、３０ｃ…モード制御部、３１…第１部分、３２…第２部分、４１…第１電極、４２…第２電極、６０…電流狭窄部、１００…第１領域、２００…第２領域

Claims

基板と、
光導波路と、
前記基板と前記光導波路との間に設けられ、リング状の発光部を含む半導体層と、
金属部材と、
クラッド層と、
を備え、
前記光導波路は、
前記半導体層から前記光導波路に向かう第１方向において前記発光部に重なる光結合部と、
前記光結合部に連続し、前記リング状の発光部の内周部から外周部に向かう方向に延びる出力部と、
前記光結合部に連続し、前記第１方向において前記発光部に重ならない位置に配置されたモード制御部と、
を有し、
前記クラッド層は、前記金属部材と、前記モード制御部の先端との間に設けられた半導体発光素子。
前記モード制御部の形状は曲率をもつ形状である請求項１記載の半導体発光素子。
前記モード制御部は第１領域に配置され、
前記出力部は第２領域に配置され、
前記リング状の発光部は、前記第１領域と前記第２領域との間に位置する請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記モード制御部は、
先端と、
前記先端と前記光結合部との間に設けられた部分と、
を有し、
前記先端の幅は、前記部分の幅よりも狭い請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記光導波路は、第１部分と、前記第１部分上に設けられ前記第１部分よりも幅が狭い第２部分とを有し、
前記光結合部における前記第１部分が、前記発光部に対向している請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。