JP7444290B2 - 半導体光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザや光変調器とすることができる半導体光素子に関する。
ＩＩＩ－Ｖ族半導体をＳｉ光導波路回路上に集積する技術は、レーザやパッシブ導波路回路を含む光通信用送受信器の小型化、低コスト化を実現するキー技術である。近年、Ｓｉ上のＩＩＩ－Ｖ族半導体は、レーザだけではなく、高速・高効率な外部変調器を作製するための材料としても注目されている。特に、ＩＩＩ－Ｖ族半導体を用いた電界吸収型光変調器（Electro-absorption modulator；ＥＡＭ）は、低消費電力かつ高速な光送信器を作製するためのキー部品である。
従来、Ｓｉ光導波路回路上に集積可能なＥＡＭとして、ＩＩＩ－Ｖ族半導体を用いた素子が開発され、高速かつ高効率な光強度変調が実証されている（非特許文献１参照）。このＥＡＭは、多重量子井戸（multiple quantum well；ＭＱＷ）構造の活性層の上下を、ｎ型のＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、ｐ型のＩＩＩ－Ｖ族半導体層とで挾む、縦型ｐ－ｉ－ｎダイオード構造としている。非特許文献１のＥＡＭは、上述した縦型ｐ－ｉ－ｎ構造により、活性層に対して垂直方向に電界を印加することで、量子閉じ込めシュタルク（quantum confined stark effect；ＱＣＳＥ）効果により光強度を変調する。
Y. Tang et al., "Over 67 GHz bandwidth hybrid silicon electroabsorption modulator with asymmetric segmented electrode for 1.3 μm transmission", Optics Express, vol. 20, no. 10, pp. 11529-11535, 2012.
上述したような一般的なＥＡＭは、縦型構造であり、導波光を活性層内に強く光閉じ込めるために１～２μｍ程度のメサ幅の導波路構造を有する。このような構造では、ｐ－ｉ－ｎ構造における接合面積を小さくすることが容易ではなく、ｐ－ｉ－ｎ構造における接合容量が非常に大きくなり、一般的にＣＲ帯域が小さい。このため、集中定数型電極構造による高速動作が困難であり、低消費電力化、低コスト化が容易に実施できないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、Ｓｉ光導波路回路上に集積する、ＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる半導体光素子の、低消費電力化、低コスト化を目的とする。
本発明に係る半導体光素子は、基板の上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された半導体層と、半導体層に所定の方向に延在するコア形状に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された活性層と、半導体層に、平面視で活性層を挾んで活性層に接して形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されたｐ型層およびｎ型層と、活性層が形成されている領域を含む半導体層の上に形成された第２クラッド層と、活性層と光結合可能な状態で第１クラッド層に埋め込まれて、活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層と、ｐ型層に接続するｐ型電極と、ｎ型層に接続するｎ型電極とを備え、光結合層は、活性層を導波する光の吸収が、ｐ型層およびｎ型層よりも少ない材料から構成されている。
本発明に係る半導体光素子は、基板の上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された半導体層と、半導体層に所定の方向に延在するコア形状に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された活性層と、半導体層に、平面視で活性層を挾んで活性層に接して形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されたｐ型層およびｎ型層と、活性層が形成されている領域を含む半導体層の上に形成された第２クラッド層と、活性層と光結合可能な状態で第１クラッド層に埋め込まれて、活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層と、ｐ型層に接続するｐ型電極と、ｎ型層に接続するｎ型電極とを備え、光結合層は、活性層を導波する光の吸収が、ｐ型層よりも少ない材料から構成されている。
以上説明したように、本発明によれば、第１クラッド層の上に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体による活性層と光結合可能な状態で、第１クラッド層に埋め込まれて、活性層に沿って延在する光結合層を備えるので、Ｓｉ光導波路回路上に集積する、ＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる半導体光素子の、低消費電力化、低コスト化が実現できる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の構成を示す断面図である。 図２Ａは、活性層１０５へのfill factorの、光結合層１０３のcore-width依存性を示す特性図である。 図２Ｂは、ｐ型層１０６へのfill factorの光結合層１０３のcore-width依存性を示す特性図である。 図３Ａは、外部電界による半導体光素子の導波光の吸収係数変化量を計算した結果を示す特性図である。 図３Ｂは、ｐ型層１０６（ｐ－ＩｎＰ）による吸収を計算した結果を示す特性図である。 図３Ｃは、多重量子井戸構造とした活性層１０５を構成する井戸層へのfill factorの光結合層１０３のコア幅依存性の計算結果を示す特性図である。 図４は、半導体光素子の活性層を構成する材料の吸収端波長と、導波光の波長との関係の、温度による変化を示す特性図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子の構成を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体光素子の構成を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係る他の半導体光素子の構成を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る半導体光素子について説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の構成について、図１を参照して説明する。この半導体光素子は、例えば、Ｓｉから構成された基板１０１の上に形成された第１クラッド層１０２と、第１クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０４と、半導体層１０４の上に形成された第２クラッド層１１０とを備える。
また、半導体層１０４には、活性層１０５と、平面視で活性層１０５を挾んで活性層１０５に接して配置されたｐ型層１０６およびｎ型層１０７とが形成されている。従って、この半導体光素子は、横型ｐ－ｉ－ｎとなっている。活性層１０５がｉ型とされている。ｐ型層１０６には、ｐ型電極１０８が電気的に接続し、ｎ型層１０７には、ｎ型電極１０９が電気的に接続している。活性層１０５は、所定の方向（導波方向）に延在するコア形状に形成されている。例えば、活性層１０５は、半導体層１０４に埋め込まれて形成された状態とすることができる。ここで、活性層１０５は、バルク構造とすることができる。また、活性層１０５は、多重量子井戸構造とすることもできる。また、第２クラッド層１１０は、活性層１０５が形成されている領域を含む半導体層１０４の上に形成されている。
半導体層１０４、活性層１０５は、各々所定のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されている。ｐ型層１０６およびｎ型層１０７は、活性層１０５を挾む領域の半導体層１０４を対応する導電型を発現する不純物を導入することで形成されている。半導体層１０４は、例えば、ＩｎＰから構成することができる。また、活性層１０５は、ＩｎＧａＡｓＰから構成することができる。また、第１クラッド層１０２、第２クラッド層１１０は、ＳｉＯ2などの絶縁材料から構成することができる。この種の材料から第１クラッド層１０２、第２クラッド層１１０を構成することで、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる半導体層１０４，活性層１０５との間の屈折率差を大きくすることができる。
半導体層１０４は、厚さ２３０ｎｍとすることができる。活性層１０５は、厚さ１５０ｎｍとすることができる。また、活性層１０５は、導波方向に垂直な断面形状において、幅を６００ｎｍ程度とすることができる。
また、この半導体光素子は、活性層１０５と光結合可能な状態で第１クラッド層１０２に埋め込まれて、活性層１０５に沿って延在するコア形状に形成された光結合層１０３を備える。光結合層１０３は、基板１０１の側から見て、活性層１０５の下の領域に形成されている。例えば、光結合層１０３は、基板１０１の側から見て、活性層１０５の直下に形成されている。光結合層１０３は、活性層１０５を導波する光の吸収が、ｐ型層１０６およびｎ型層１０７よりも少ない材料から構成されている。また、光結合層１０３は、活性層１０５を導波する光の吸収が、ｐ型層１０６よりも少ない材料から構成することができる。光結合層１０３は、例えば、Ｓｉから構成することができる。また光結合層１０３は、例えば、ＳｉＮから構成することもできる。
実施の形態１に係る半導体光素子において、活性層１０５と、活性層１０５を上下に挾む第１クラッド層１０２および第２クラッド層１１０と、活性層１０５を左右に挾むｐ型層１０６とｎ型層１０７とにより、活性層１０５をコアとする光導波路が構成されている。この光導波路には、活性層１０５が延在する方向（図１の紙面の手前から奥の方向）に、光が導波する。従って、この半導体光素子は、導波路型の光素子ということができる。
この半導体光素子のｐ型電極１０８およびｎ型電極１０９に逆バイアスを印加すると、フランツ・ケルディシュ（Franz-keldysh）効果により、活性層１０５内の吸収係数が変化する。この効果により、活性層１０５をコアとする光導波路を導波する光を変調することができる。例えば、第１クラッド層１０２および第２クラッド層１１０をＳｉＯ2から構成することで、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体との間の大きな屈折率差により活性層１０５に光を強く閉じ込めることができ、低電圧でも大きな強度変調を得ることができる。このように、この半導体光素子によれば、低消費電力化が図れる。
加えて、この半導体光素子は、光結合層１０３を備えているので、活性層１０５をコアとする光導波路のモードが、光結合層１０３も含む状態となり、このモードの断面視の左右方向の広がりが、活性層１０５と光結合層１０３を中心として押さえられるようになる。この結果、活性層１０５をコアとする光導波路のモードが、ｐ型層１０６およびｎ型層１０７の側に広がることが抑制され、上記モードのｐ型層１０６およびｎ型層１０７とのオーバーラップが低減できる。この結果、ｐ型層１０６およびｎ型層１０７による導波光の吸収が抑制され、導波損が低減できるようになる。上述したことから明らかなように、活性層１０５と光結合層１０３とにより同一のモードが形成される状態に、活性層１０５に対して光結合層１０３が配置されていることが重要である。なお、光結合層１０３は、導波方向において、ｐ型層１０６およびｎ型層１０７が形成されている領域内のみに形成された状態とすることができる。この状態であれば、上述した導波損の低減効果が得られる。
また、この半導体光素子は、半導体層１０４（活性層１０５）の厚さを数百ｎｍと非常に薄くすることが可能であり、横型ｐ－ｉ－ｎ構造における接合容量は、従来の縦型ｐ－ｉ－ｎ構造よりも飛躍的に小さくすることができる。以上のことにより、この半導体光素子によれば、高ＣＲ帯域化、すなわち高速動作が可能となる。
ところで、活性層１０５を構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体は、この周囲に配置されるＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体よりも大きな屈折率とする。多重量子井戸構造とする場合、井戸層材料の屈折率は、この周囲に配置されるＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の層よりも大きな屈折率とすることができる。ＩｎＧａＡｓＰは、ＩｎＰより大きな屈折率である。活性層１０５を構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の吸収端波長は、導波する光の波長よりも短波長となることが重要である。従って、活性層１０５をＩｎＧａＡｓＰから構成する場合、上記条件に対応するように、ＩｎＧａＡｓＰの各組成を調整することが重要となる。活性層１０５をコアとする光導波路を導波する光の波長は、活性層１０５のバンド端吸収が生じる波長域に設定することが重要である。導波する光の波長と、活性層１０５の吸収端波長の差（detuning）が大きいほど、電圧変化あたりの吸収係数変化は小さくなるが、印加電圧が０Ｖ時に生じる光損失も小さくなる。
ところで、活性層１０５を多重量子井戸構造とする場合、一般に、多重量子井戸構造の各層は、基板１０１に対して垂直方向に積層されて形成されている。この場合、基板１０１の面方向の電界による二次元フランツ・ケルディシュ効果が、多重量子井戸構造とされた活性層１０５の導波方向の吸収係数を変調する。二次元フランツ・ケルディシュ効果は、バンド端付近において大きな吸収係数変化を起こす。ところで、多重量子井戸構造の各層が基板１０１の面に平行な方向に積層されている場合、基板１０１の面方向の電界によるＱＣＳＥ効果が、活性層１０５における大きな吸収係数変化を引き起こす。いずれの場合においても、多重量子井戸構造における井戸層の層数を増大させることで光と活性層１０５とのオーバーラップが増大し、大きな変調度が得られる。
以下、多重量子井戸構造とした活性層１０５への光閉じ込め係数(fill factor)、およびｐ型層１０６へのfill factorの、光結合層１０３の幅（core-width）依存性を、井戸層の層数毎に計算した結果について説明する。図２Ａは、活性層１０５へのfill factorの、光結合層１０３の幅（core-width）依存性を示す。図２Ｂは、ｐ型層１０６へのfill factorの光結合層１０３の幅（core-width）依存性を示す。
なお、いずれにおいても、光結合層１０３は、Ｓｉから構成して厚さ２２０ｎｍとした。また、第１クラッド層１０２はＳｉＯ2から構成し、半導体層１０４は、ＩｎＰから構成した。また、半導体層１０４と光結合層１０３との間の距離（基板１０１の面の垂線方向の間隔）は、１００ｎｍとした。また、例えば、多重量子井戸構造においては、量子井戸層の総数は、３層，６層，９層とすることができる。量子井戸の総数が３層、６層、９層の場合、それぞれ井戸層の厚さ、障壁層の厚さは同じであり、トータルの活性層１０５の厚さはそれぞれ約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、約１５０ｎｍとすることができる。
core-widthを０－４００ｎｍの範囲で大きくすると、活性層１０５への光閉じ込めに比較し、ｐ型層１０６へのfill factorは、単調に減少する。これは、core-widthを大きくすることで、光結合層１０３へ導波光が漏れ出していることを示しており、導波損失の低減が可能であることがわかる。また、この計算結果から、量子井戸層の層数の増大は、多重量子井戸構造とした活性層１０５への光閉じ込めを増大させると同時に、ｐ型層１０６へのfill factorを低減することにも寄与することがわかる。
上述した効果は、活性層１０５と光結合層１０３とが光学的に結合することが重要であり、このためには両方の実効屈折率が概ね同じであることが望ましい。ＩｎＧａＡｓＰとＳｉの場合は、両者の材料屈折率が近いため、各々の層の厚さを概ね等しくすることで、上述した条件が満たされるものとなる。
ところで、横型ｐ－ｉ－ｎ構造とした半導体光素子では、活性層１０５の体積が小さいため、強いパワーの光が入射した際、活性層１０５で発生するフォトキャリア密度が高くなりやすい。これにより、キャリアにより印加電界が遮蔽され(電界遮蔽)、素子の応答速度が落ちることが問題となる。横型ｐ－ｉ－ｎ構造とした半導体光素子の場合、活性層１０５の導波方向の長さ（吸収長）を長くすることで、活性層１０５体積を増大させることができ、入力パワー耐性を向上させることができる。しかし、吸収長の長い素子を造るためには、挿入損失（０Ｖ時に素子で生じる吸収損失)を低減しなければ、例え入力パワーを大きくしても出力パワーは向上しない。
挿入損失は、０Ｖ時に活性層１０５に生じる吸収と、ｐ型層１０６の価電子帯吸収で支配される。実施の形態の構造では、前述の通り、光結合層１０３と光学的に結合することで、ｐ型層１０６による導波損失を抑制しながら、活性層１０５コアへの光閉じ込め係数を下げることが可能である。これにより、実施の形態１の構成によれば、高出力時においても、高い帯域を維持可能な低損失かつ長い吸収長の素子設計が可能となる。
また、上述した実施の形態に係る半導体光素子（横型ｐ－ｉ－ｎダイオード構造）では、埋め込みコア構造となっている活性層１０５と、活性層１０５を埋め込む半導体層１０４との屈折率差が小さい場合において、光結合層１０３による吸収損失低減の効果が大きい。
例えば、活性層１０５を構成している多重量子井戸の障壁層としてＩｎＡｌＡｓ層を用いる場合である。ＩｎＡｌＡｓは大きなバンドギャップを有し、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｌＡｓを井戸層として用いた場合、井戸層と障壁層の間の伝導帯に大きなエネルギー障壁を形成する。このため、この構成とした多重量子井戸構造は、電子のトンネリングを抑制しつつ井戸層および障壁層の薄層化が可能となり、強い量子閉じ込め状態および二次元フランツケルディッシュ効果による吸収係数変化の増大が期待できる。
一方、ＩｎＡｌＡｓの屈折率はＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓの屈折率と比べて小さく、横型ｐ－ｉ－ｎダイオード構造に適用する場合は、基板１０１の平面に対して水平方向の屈折率差が小さくなる。すなわち、ＩｎＰから構成されたｐ型層１０６による吸収が大きくなり得る。実施の形態１の構造では、活性層１０５の直下に埋め込まれた光結合層１０３により、基板１０１に対して水平方向の漏れ光が低減できるため、光結合層１０３のコア幅を適切に設計することにより、ＩｎＡｌＡｓ障壁層による変調効率増大とｐ型層１０６による損失低減の両立が可能となる。
ここで、活性層１０５を、ＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層とＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層で構成される９層多重量子井戸（以下、９ＱＷ）とした場合と、ＩｎＡｌＡｓ障壁層とＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層で構成される１７層多重量子井戸（以下、１７ＱＷ）とした場合とを比較する。なお、活性層１０５は、ＩｎＰからなる厚さ半導体層１０４に埋め込まれたものとする。
いずれの構成においても、活性層１０５の厚さは、概ね１５０ｎｍであるが、１７ＱＷにおける井戸層および障壁層の各々の厚さは、９ＱＷよりも薄いため、概ね同じ厚さのコアであってもＩｎＡｌＡｓ障壁層を用いる方が層数は多い。
１７ＱＷにおけるＩｎＡｌＡｓ障壁層１層の厚さとＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層１層の厚さの合計は８．５ｎｍとした。ＩｎＡｌＡｓ障壁層は、井戸層との間で伝導帯に高いポテンシャル障壁を形成するため、このような薄い井戸層および障壁層であっても、電子のトンネリングが抑制できる点が特長となる。なお、９ＱＷおよび１７ＱＷのいずれにおいても、吸収端波長は１．２５μｍ、活性層１０５の幅は５００ｎｍ、光結合層１０３の厚さは２２０ｎｍとする。また、半導体層１０４の下面（下端）と、光結合層１０３の上面（上端）との間の距離（第１クラッド層１０２の厚さ）は、１００ｎｍとした。また、ＩｎＰからなるｐ型層１０６のキャリア密度は３×１０18／ｃｍ3とした。
上述した各条件において、外部電界による半導体光素子の導波光の吸収係数変化量を計算した結果を図３Ａに示す。また、上述した各条件において、ｐ型層１０６（ｐ－ＩｎＰ）による吸収を計算した結果を図３Ｂに示す。図３Ａに示すように、導波光の吸収係数の変化量は、９ＱＷおよび１７ＱＷのどちらも同じ電界強度で計算しており、波長は１．３２μｍとした。また簡単のため、吸収スペクトルの均一広がり成分は無視した。
図３Ａから分かるように、光結合層１０３であるＳｉのコア幅が０から０．６μｍの範囲では、１７ＱＷの方が大きな吸収係数変化が得られる。屈折率が小さなＩｎＡｌＡｓ障壁層により井戸層への光閉じ込め係数は９ＱＷよりも少し減少するが、井戸１層当たりの吸収係数変化量の増大の寄与が光閉じ込めの減少の寄与を大きく上回り、結果として、１７ＱＷの方が９ＱＷよりも大きな変調効率となる。
また、図３Ｂから分かるように、光結合層１０３が無い場合、すなわちコア幅０μｍの場合では、ＩｎＡｌＡｓ障壁層を用いた１７ＱＷの方が、ｐ型層１０６（ｐ－ＩｎＰ）への光の漏れが顕著となり、吸収損失が大きくなる。しかし、光結合層１０３となるＳｉ導波路を形成することで、ｐ型層１０６による損失はＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層を用いる９ＱＷよりも小さくすることが可能となる。
上述したことより、横型ｐ－ｉ－ｎダイオード構造、ＩｎＡｌＡｓ障壁層を用いた多重量子井戸による活性層１０５、および光結合層１０３のいずれも有する変調器構造により、高変調効率かつ低損失な素子の実現が可能となる。
なお、井戸層材料はＩｎＡｌＡｓ障壁層と一緒に成長が容易な、ＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｌＡｓであることが望ましい。
また、上述した横型ｐ－ｉ－ｎダイオード構造では、活性層１０５の井戸層内で発生したフォトキャリアは、基板１０１の平面に対して水平方向の電界により、ｐ型層１０６およびｎ型層１０７に引き抜かれる。このため、活性層１０５の多重量子井戸における伝導帯の大きなエネルギー障壁が、電子の引き抜きを妨げることがない点が、基板１０１に対して垂直方向にｐ－ｉ－ｎダイオードが形成される素子とは異なる。このような特徴により、ＩｎＡｌＡｓ障壁層と井戸層の間に形成される伝導帯エネルギー障壁は、ｐ型層１０６と、活性層１０５の井戸層と間に形成される伝導帯エネルギー障壁よりも大きい場合においても高い電界遮蔽耐性を維持できる。
ここまで、半導体層１０４の厚さは２３０ｎｍとしてきたが、必ずしもその厚さ限るものではない。例えば、活性層１０５を構成する井戸層、障壁層の厚さを変えずに、井戸層数と半導体層１０４の厚さとを共に増大することで、井戸層への光閉じ込め係数の増大が可能である。横型ｐ－ｉ－ｎダイオードでは、活性層１０５を構成する多重量子井戸の物理的なトータル厚さが厚い構造であっても、多重量子井戸層の全ての層に均一に電界を印加することが可能である。このため、井戸層で発生したフォトキャリアを容易に引き抜くことが可能となるため、上述したように活性層１０５が厚い構造であっても電界遮蔽に対して高い耐性を有している。
図３Ｃに、多重量子井戸構造とした活性層１０５を構成する井戸層へのfill factorの光結合層１０３のコア幅依存性の計算結果を示す。３ＱＷは、３層多重量子井戸の活性層１０５が、厚さ１４０ｎｍの半導体層１０４に埋め込まれる構造である。９ＱＷは、９層多重量子井戸の活性層１０５が、厚さ２３０ｎｍの半導体層１０４に埋め込まれる構造である。１６ＱＷは、１６層多重量子井戸の活性層１０５が、厚さ３４００ｎｍの半導体層１０４に埋め込まれる構造である。
また、いずれの条件においても、光結合層１０３の厚さは２２０ｎｍとした。また、半導体層１０４の下面（下端）と、光結合層１０３の上面（上端）との間の距離（第１クラッド層１０２の厚さ）は、１００ｎｍとした。また、活性層１０５の幅は、６００ｎｍとした。
図３Ｃに示されているように、活性層１０５（半導体層１０４）が厚くなるほど光閉じ込めが大きくなり、高消光比化、低電圧化が可能となる。
なお、エピタキシャル成長により活性層１０５を埋め込む場合は、半導体層１０４の総厚さは、エピタキシャル成長温度における臨界膜厚以下であることが望ましい。例えば、Ｓｉからなる基板１０１の上に接合されたＩｎＰ層を用いて半導体層１０４とする場合は、基板１０１とＩｎＰからなる半導体層１０４との間の熱膨張係数差で決定される臨界膜厚以下であることが望ましい。
ここで、半導体光素子の温度が大きくなると、活性層１０５を構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体のバンドギャップは小さくなる。すなわち、高温になると活性層１０５における吸収端波長が長波側へシフトすることを意味する。このため一般的に、活性層１０５を構成する材料は、この吸収端波長が、想定される最高温度においても導波光の波長よりも短波になるように、detuningが設定される（図４参照）。
図４に示すように、半導体光素子の温度が。半導体光素子が用いられている部屋の室温に下がると、detuningが非常に大きくなり、変調度が大きく低下してしまう。このような環境温度の変化による特性変化を低減するため、図５に示すように、ｎ型もしくはｐ型としたシリコン層１１２に、リブ型光導波路のコア形状となる光結合層１０３ａを形成し、ヒータとして機能する光結合層１０３ａを活性層１０５の下に配置することができる。
なお、この場合、下部クラッド層は、シリコン層１１２の下側の下側第１クラッド層１０２ａと、シリコン層１１２の上側の上側第１クラッド層１０２ｂとから構成する。また、半導体層１０４は、上側第１クラッド層１０２ｂの上に形成する。
シリコン層１１２に、電極１１３および電極１１４を用いて直流電流を流すことで、抵抗体となる光結合層１０３ａを、発熱させてヒータとして機能させることができる。これにより、光結合層１０３ａの上に形成される活性層１０５の温度を上昇させることができる。
例えば、環境温度が高いときは、ヒータに電流を流さず、環境温度が下がったときにヒータに電流を流すことで、活性層１０５コアの温度変化を低減することが可能となる。Ｓｉは、一般的にヒータとして用いられている金属よりも飛躍的に低い吸収損失であり、活性層１０５とヒータとが光学的に結合する構造とすることが可能である。これにより、活性層１０５に非常に近い位置にヒータを配置できるため、低消費電力な温度調整が可能となる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子の構成について、図６を参照して説明する。この半導体光素子は、例えば、Ｓｉから構成された基板１０１の上に形成された第１クラッド層１０２と、第１クラッド層１０２の上に形成された半導体層１０４ａと、半導体層１０４ａの上に形成された第２クラッド層１１０とを備える。
また、半導体層１０４ａには、活性層１０５ａと、平面視で活性層１０５ａを挾んで活性層１０５ａに接して配置されたｐ型層１０６ａおよびｎ型層１０７ａとが形成されている。従って、この半導体光素子は、横型ｐ－ｉ－ｎとなっている。活性層１０５ａがｉ型とされている。ｐ型層１０６ａには、ｐ型電極１０８が電気的に接続し、ｎ型層１０７ａには、ｎ型電極１０９が電気的に接続している。
実施の形態２において、活性層１０５ａは、ｐ型層１０６ａとｎ型層１０７ａとの間の半導体層１０４ａに形成された凸状の部分から構成され、いわゆるリブ型光導波路のコア形状とされている。なお、活性層１０５ａは、所定の方向に延在している。半導体層１０４ａの、活性層１０５ａとする箇所の両脇の所定の領域を薄層化することで、上述した構造とすることができる。従って、半導体層１０４ａは、活性層１０５ａと同じＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されるものとなる。なお、実施の形態１と同様に、ｐ型層１０６ａおよびｎ型層１０７ａは、活性層１０５ａを挾む領域の半導体層１０４ａを対応する導電型を発現する不純物を導入することで形成されている。
実施の形態２においても、活性層１０５ａは、バルク構造とすることができる。また、活性層１０５ａは、多重量子井戸構造とすることもできる。また、第２クラッド層１１０は、活性層１０５ａが形成されている領域を含む半導体層１０４ａの上に形成されている。
半導体層１０４ａ、活性層１０５ａは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰから構成することができる。また、第１クラッド層１０２、第２クラッド層１１０は、ＳｉＯ2などの絶縁材料から構成することができる。この種の材料から第１クラッド層１０２、第２クラッド層１１０を構成することで、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる半導体層１０４ａ，活性層１０５ａとの間の屈折率差を大きくすることができる。
また、この半導体光素子においても、活性層１０５ａと光結合可能な状態で第１クラッド層１０２に埋め込まれて、活性層１０５ａに沿って延在するコア形状に形成された光結合層１０３を備える。光結合層１０３は、基板１０１の側から見て、活性層１０５ａの下の領域に形成されている。例えば、光結合層１０３は、基板１０１の側から見て、活性層１０５ａの直下に形成されている。光結合層１０３は、活性層１０５ａを導波する光の吸収が、ｐ型層１０６ａよりも少ない材料から構成されている。光結合層１０３は、例えば、Ｓｉから構成することができる。
実施の形態２に係る半導体光素子において、活性層１０５ａと、活性層１０５ａを上下に挾む第１クラッド層１０２および第２クラッド層１１０と、活性層１０５ａを左右に挾むｐ型層１０６ａとｎ型層１０７ａとにより、活性層１０５ａをコアとする光導波路が構成されている。この光導波路には、活性層１０５ａが延在する方向（図６の紙面の手前から奥の方向）に、光が導波する。従って、この半導体光素子は、導波路型の光素子ということができる。
この構造では、基板１０１に対して水平方向にも、活性層１０５ａと、第２クラッド層１１０との間に大きな屈折率差が形成できるため、図１に例示した構成の場合よりも、活性層１０５ａに対する強い光閉じ込めが可能となる。この結果、実施の形態２によれば、低電圧でも大きな強度変調が可能となる。ただし、活性層１０５ａの両脇の半導体層１０４ａが薄層化されているため、横型ｐ－ｉ－ｎ構造とされている素子の直列抵抗が増大することになる。薄層化されている部分の厚さが薄いほど、活性層１０５ａにおける凸部の高さが大きくなり、光閉じ込めは大きくなるが、抵抗も大きくなる。従って、この構成では、変調度とＣＲ帯域がトレードオフの関係にある。目的の性能に応じて、活性層１０５ａの両脇の半導体層１０４ａの厚さを設定する。
また、図７に示すように、半導体層１０４ａと、第１クラッド層１０２との間に、ＩｎＰから構成したキャップ層１２１を備える構成とすることもできる。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成する半導体層１０４ａが、ＳｉＯ2から構成した第１クラッド層１０２の上に配置される構成は、例えば、貼り合わせにより作成することができる。
例えば、ＩｎＰからなる他基板の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１０４ａを形成（結晶成長）する。一方で、よく知られたＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用意し、埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層をパターニングすることで、光結合層１０３を形成する。次いで、形成した光結合層１０３を埋めるように、埋め込み絶縁層の上に、絶縁材料を堆積する。これにより、基板１０１の上に、埋め込み絶縁層と堆積した絶縁材料とによる第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２に光結合層１０３が埋め込まれた構成が作製できる。
次に、他基板の上に形成した半導体層１０４ａを光結合層１０３が埋め込まれた第１クラッド層１０２に貼り合わせ、この後、他基板を除去する。ここで、他基板の上にＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１０４ａを結晶成長するとき、最終面をＩｎＧａＡｓＰとすることが容易ではなく、一般にはＩｎＰの層で終端する。このように、終端したＩｎＰの層が、キャップ層１２１となり、上述した貼り合わせは、キャップ層１２１を第１クラッド層１０２に貼り合わせるものとなる。
このようにして、キャップ層１２１を介して第１クラッド層１０２に貼り合わせた半導体層１０４ａに、活性層１０５ａを形成する工程と、ｎ型不純物およびｐ型不純物を導入する工程とを実施する。この後、第２クラッド層１１０を形成し、ｐ型電極１０８、ｎ型電極１０９を形成すれば、図７に例示する実施の形態２に係る光半導体光素子が作製できる。
［実施の形態３］
ところで、上述した実施の形態では、半導体光素子を主に光変調器とした場合について説明したが、本発明に係る半導体光素子は、レーザとすることもできる。例えば、図１を用いて説明した半導体光素子において、活性層１０５の導波方向に共振させる共振器を備えることで、半導体光素子を、レーザとすることができる。共振器は、例えば、回折格子から構成することができる。
この回折格子は、例えば、活性層１０５の上に形成することができる。この場合、半導体光素子は、いわゆる分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザとすることができる。また、ＤＦＢレーザにおいて、例えば、活性層１０５への注入電流量もしくは素子の温度を調整することによって、波長変化が実現できる。
また、導波方向に活性層１０５の領域の両側もしくは片側に、コアに回折格子を形成した分布反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）を設けることで、半導体光素子は、ＤＢＲレーザとすることもできる。また、ＤＢＲレーザは、活性領域とは独立なＤＢＲ領域に電流を注入することによって起こるキャリアプラズマ効果を用いて波長可変が実現できる。
上述したレーザ構造とした半導体光素子と、光変調器とした半導体光素子とを、同一の基板の上に集積することができる。例えば、図８に示すように、光変調器１５１とレーザ１５２とを、コア１３１によるシングルモード光導波路で、光学的に直接接続することができる。光変調器１５１は、前述した実施の形態１と同様に、光結合層１０３、半導体層１０４、活性層１０５、ｐ型層１０６、ｎ型層１０７などを備える。また、レーザ１５２も、前述した実施の形態１と同様に、光結合層１０３、半導体層１０４、活性層１０５ｂ、ｐ型層１０６、ｎ型層１０７などを備える。また、コア１３１は、光変調器１５１およびレーザ１５２の各々の、光結合層１０３に接続して（連続して）形成されている。
ここで、活性層１０５と活性層１０５ｂとは、同一の構成とすることもでき、また、各々異なる構成とすることもできる。例えば、活性層１０５は、バルク構造とし、活性層１０５ｂは、多重量子井戸構造とすることができる。また、例えば、光変調器１５１の変調効率を最適化し、レーザ１５２の発振効率を最適化するために、活性層１０５および活性層１０５ｂの各々に、最適な材料を適用させることができる。この場合、活性層１０５の材料と活性層１０５ｂの材料とは異なることになり、例えば、活性層１０５は、ＩｎＧａＡｓＰから構成し、活性層１０５ｂは、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。
また、光変調器１５１の半導体層１０４には、導波方向に光変調器１５１より離れるほど、平面視で先細りとなるテーパ部１５１ａを備え、コア１３１によるシングルモード光導波路にモード変換する構成としている。同様に、レーザ１５２の半導体層１０４にも、導波方向にレーザ１５２より離れるほど、平面視で先細りとなるテーパ部１５２ａを備え、コア１３１によるシングルモード光導波路にモード変換する構成としている。
レーザ１５２から出力されるレーザ光が、シングルモード光導波路を介して光変調器１５１に入射され、光強度が変調される。上述したモード変換する構成を形成するために、光変調器１５１およびレーザ１５２の各々光結合層１０３は同じ厚さとし、半導体層１０４と各々光結合層１０３との各々の実効屈折率が概ね近い値とすることが望ましい。また、これらとともに集積されるＳｉ導波路回路との集積の容易性から、レーザ１５２および光変調器１５１の両者共に、光結合層１０３や、第１クラッド層１０２（図８には示さず）の厚さは同じとすることが好ましい。
また、レーザ１５２および光変調器１５１の各々の半導体層１０４の厚さを同じとすることで、エピタキシャル成長プロセスによるウエハレベル集積が可能となる。例えば、以下の公知の作製技術が適用可能である。まず、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層をパターニングすることで、光結合層１０３を形成する。次いで、形成した光結合層１０３を埋めるように、埋め込み絶縁層の上に、絶縁材料を堆積し、この表面を平坦化する。これにより、基板１０１の上に、埋め込み絶縁層と堆積した絶縁材料とによる第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２に光結合層１０３が埋め込まれた構成が作製できる。
一方で、ＩｎＰからなる他基板の上に、ＩｎＰの層を形成し、引き続いてＩｎＧａＡｓＰによる多重量子井戸層を形成し、形成した多重量子井戸層の上にＩｎＰの層を形成する。
次に、上述したＩｎＰ層、多重量子井戸層、ＩｎＰ層が積層された他基板と、ＳＯＩ基板を利用して作製した上記の基板１０１とを、ＩｎＰ層に平坦化した第１クラッド層１０２の表面に接合することで貼り合わせ、この後、他基板を除去する。これらの結果、基板１０１の上に、光結合層１０３が埋め込まれた第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２上に、ＩｎＰ層、多重量子井戸層、ＩｎＰ層が積層された構成とすることができる。
次に、表面側のＩｎＰ層および多重量子井戸層を、レーザ１５２とする領域に残すように、パターニングする。このパターニングにおいて、第１クラッド層１０２の側のＩｎＰ層は残すものとする。次に、パターニングすることで形成した多重量子井戸構造のパターンの周囲に露出しているＩｎＰ層より、光変調器１５１の領域に、ＩｎＧａＡｓＰを、上述した多重量子井戸層と同じ厚さに再成長する。引き続き、ＩｎＧａＡｓＰの上に、ＩｎＰを、多重量子井戸層の上のＩｎＰ層と同じ厚さに再成長する。
例えば、光変調器１５１領域のＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰの合計厚さが、上述した成長（エピタキシャル成長）の成長温度における臨界膜厚以下となっていれば、上述した再成長プロセスが適用可能である。
以上のように、レーザ１５２の領域に多重量子井戸層を残し、光変調器１５１の領域にＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＰ層を再成長した後、多重量子井戸層およびＩｎＧａＡｓＰ層を、コア形状に加工し、レーザ１５２の活性層１０５ｂおよび光変調器１５１の活性層１０５とする。このコア形状の加工により、各々の活性層１０５の周囲に露出した第１クラッド層１０２の側のＩｎＰ層の上に、ＩｎＰを再成長し、各々の活性層１０５を埋め込む。この結果、レーザ１５２および光変調器１５１の各々の領域において、活性層１０５が埋め込まれた半導体層１０４が形成される。
次に、ｐ型層１０６とする領域に、所定の拡散プロセスにより、アクセプタとなるＺｎをイオン導入し、ｎ型層１０７とする領域に、ドナーとなるＳｉをイオン導入する。この後、レーザ１５２の領域の活性層１０５の上の半導体層１０４の表面には回折格子を形成し、ｐ型電極１０８、ｎ型電極１０９を形成し、第２クラッド層１１０を形成する。
ここで、上述したように、同一基板の上に、レーザ１５２および光変調器１５１を集積した場合、光変調器１５１の自己発熱による温度変化低減も可能となる。例えば、ＳｉＯ2のような熱伝導率が小さな絶縁体で覆われた光変調器１５１であれば、非常に大きな熱抵抗を有している。これにより、光電流により生じる温度上昇は極めて大きい。高温から室温へ環境温度が下がると、光変調器１５１のdetuningは大きくなろうとするが、集積されるレーザ１５２の出力は増大するため、光変調器１５１に流れる光電流は大きくなる。これにより、光電流による自己発熱が、光変調器１５１における活性層１０５の温度低下を抑制することに寄与する。
光変調器１５１の体積が小さくなるほど、同じ光電流に対する自己発熱量が大きくなるため、小型な光変調器１５１を形成することが有望である。光変調器１５１を、より小型にすることは、高速化にとっても有益である。光変調器１５１の熱抵抗だけを増大させるために、光変調器１５１の周辺のみに熱伝導率が小さな層（例えば空気など）が配置される構成とすることもできる。また、自己発熱量は光電流のみならず、光変調器１５１へのＤＣバイアスによっても増大するため、環境温度が下がったときにＤＣバイアスを増大させることも有効である。一般的には、温度が下ってdetuningが大きくなったときには、線形性と消光比の観点でもＤＣバイアスを大きくすることが望ましい。
また、ＩｎＰよりもＩｎＧａＡｓＰの方が熱伝導率は小さいため、活性層１０５が半導体層１０４で埋め込まれた光変調器１５１よりも、図６，図７を用いて説明したリブ型光導波路の光変調器の方が熱抵抗は大きく、光電流による温度上昇が大きい。
一方、レーザ１５２の半導体層１０４は、光変調器１５１の半導体層１０４と同じ厚さとなるが、熱抵抗を下げて大きな出力を得ること重要となるため、長い活性層長のレーザ構造とすることが有望である。また、レーザ１５２がＤＦＢレーザである場合、温度が下がると発振波長が短波へシフトする。このため、温度変化に対するdetuning量の変化を抑制することに寄与する。
上述したように、熱抵抗が小さなレーザ１５２と熱抵抗が大きな光変調器１５１の組み合わせにより、広範な温度範囲で動作可能な光送信器が実現可能となる。
ところで、レーザ１５２と光変調器１５１との間の光学的な接続は、テーパ部１５２ａおよびテーパ部１５１ａを介してコア１３１によるシングルモード光導波路に結合させる必要は必ずしもない。例えば、図９に示すように、レーザ１５２と光変調器１５１との間の光学的な接続を、両者の半導体層１０４の各々に接続して形成された、例えばＩｎＰからなる化合物コア１３２による光導波路で接続することもできる。この場合、化合物コア１３２の下に、コア１３１は配置される構成とすることもできる。
以上に説明したように、本発明によれば、第１クラッド層の上に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体による活性層と光結合可能な状態で、第１クラッド層に埋め込まれて、活性層に沿って延在する光結合層を備えるので、Ｓｉ光導波路回路上に集積する、ＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる半導体光素子の、低消費電力化、低コスト化が実現できる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…基板、１０２…第１クラッド層、１０３…光結合層、１０４…半導体層、１０５…活性層、１０６…ｐ型層、１０７…ｎ型層、１０８…ｐ型電極、１０９…ｎ型電極、１１０…第２クラッド層。

Claims (8)

  1. 基板の上に形成された第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された半導体層と、
    前記半導体層に所定の方向に延在するコア形状に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された活性層と、
    前記半導体層に、平面視で前記活性層を挾んで前記活性層に接して形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されたｐ型層およびｎ型層と、
    前記活性層が形成されている領域を含む前記半導体層の上に形成された第２クラッド層と、
    前記活性層と光結合可能な状態で前記第１クラッド層に埋め込まれて、前記活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層と、
    前記ｐ型層に接続するｐ型電極と、
    前記ｎ型層に接続するｎ型電極と
    を備え、
    前記光結合層は、前記活性層を導波する光の吸収が、前記ｐ型層および前記ｎ型層よりも少ない材料から構成され、
    前記活性層は、前記ｐ型層と前記ｎ型層との間の前記半導体層に形成された凸状の部分から構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  2. 基板の上に形成された第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された半導体層と、
    前記半導体層に所定の方向に延在するコア形状に形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成された活性層と、
    前記半導体層に、平面視で前記活性層を挾んで前記活性層に接して形成された、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されたｐ型層およびｎ型層と、
    前記活性層が形成されている領域を含む前記半導体層の上に形成された第２クラッド層と、
    前記活性層と光結合可能な状態で前記第１クラッド層に埋め込まれて、前記活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層と、
    前記ｐ型層に接続するｐ型電極と、
    前記ｎ型層に接続するｎ型電極と
    を備え、
    前記光結合層は、前記活性層を導波する光の吸収が、前記ｐ型層よりも少ない材料から構成され、
    前記活性層は、前記ｐ型層と前記ｎ型層との間の前記半導体層に形成された凸状の部分から構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  3. 請求項１または２記載の半導体光素子において、
    前記活性層は、多重量子井戸構造とされていることを特徴とする半導体光素子。
  4. 請求項３記載の半導体光素子において、
    前記活性層は、ＩｎＡｌＡｓからなる障壁層から構成された多重量子井戸構造とされ、
    前記ｐ型層および前記ｎ型層は、ＩｎＰから構成されている
    ことを特徴とする半導体光素子。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記活性層の導波方向に共振させる共振器をさらに備えることを特徴とする半導体光素子。
  6. 請求項５記載の半導体光素子において、
    前記共振器は、回折格子から構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記光結合層は、Ｓｉから構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    前記第１クラッド層、前記第２クラッド層は、絶縁材料から構成されていることを特徴とする半導体光素子。
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