WO2022113153A1 - 半導体光素子 - Google Patents

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semiconductor
active layer
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optical device
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達郎 開
慎治 松尾
卓磨 相原
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor optical element that can be a laser or an optical modulator.
  • III-V semiconductors on Si optical waveguide circuit The technology for integrating III-V semiconductors on a Si optical waveguide circuit is a key technology that realizes miniaturization and cost reduction of optical communication transceivers including lasers and passive waveguide circuits.
  • group III-V semiconductors on Si have been attracting attention not only as lasers but also as materials for manufacturing high-speed and high-efficiency external modulators.
  • an electric field absorption type optical modulator (EAM) using a III-V group semiconductor is a key component for manufacturing a low power consumption and high speed optical transmitter.
  • Non-Patent Document 1 an element using a III-V group semiconductor has been developed as an EAM that can be integrated on a Si optical waveguide circuit, and high-speed and high-efficiency optical intensity modulation has been demonstrated (see Non-Patent Document 1).
  • This EAM is a vertical p-type in which an active layer having a multiple quantum well (MQW) structure is sandwiched between an n-type III-V group semiconductor layer and a p-type III-V group semiconductor layer. It has an -in diode structure.
  • the EAM of Non-Patent Document 1 has the above-mentioned vertical p-in structure, and by applying an electric field in the direction perpendicular to the active layer, the light intensity is due to the quantum confined Stark effect (QCSE) effect. Modulate.
  • QW multiple quantum well
  • the general EAM as described above has a vertical structure and has a waveguide structure having a mesa width of about 1 to 2 ⁇ m in order to strongly confine the waveguide light in the active layer.
  • a waveguide structure having a mesa width of about 1 to 2 ⁇ m in order to strongly confine the waveguide light in the active layer.
  • it is not easy to reduce the bonding area in the p-in structure the bonding capacitance in the p-in structure becomes very large, and the CR band is generally small. Therefore, it is difficult to operate at high speed due to the lumped constant type electrode structure, and there is a problem that low power consumption and low cost cannot be easily implemented.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and is to reduce power consumption and cost of a semiconductor optical element made of a group III-V semiconductor integrated on a Si optical waveguide circuit. With the goal.
  • the semiconductor optical device includes a first clad layer formed on a substrate, a semiconductor layer composed of a group III-V compound semiconductor formed on the first clad layer, and a semiconductor layer.
  • An optical coupling layer embedded in the first clad layer and formed in a core shape extending along the active layer, and a p-type electrode connected to the p-type layer and an n-type electrode connected to the n-type layer.
  • the photocoupled layer is made of a material that absorbs less light waveguide through the active layer than the p-type layer and the n-type layer.
  • the present invention is embedded in the first clad layer in a state where it can be photobonded to the active layer formed by the III-V compound semiconductor formed on the first clad layer and is active. Since the optical coupling layer extending along the layer is provided, it is possible to realize low power consumption and low cost of the semiconductor optical element made of a group III-V semiconductor integrated on the Si optical waveguide circuit.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a characteristic diagram showing the core-width dependence of the optical bond layer 103 of the fill factor in which the optical bond layer 103 and the active layer 105 are combined.
  • FIG. 2B is a characteristic diagram showing the core-width dependence of the optical coupling layer 103 of the fill factor on the p-type layer 106.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change with temperature in the relationship between the absorption edge wavelength of the material constituting the active layer of the semiconductor optical device and the wavelength of the waveguide light.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor optical device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing the configuration of the semiconductor optical device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the third embodiment of the present invention.
  • This semiconductor optical element is, for example, on a first clad layer 102 formed on a substrate 101 made of Si, a semiconductor layer 104 formed on the first clad layer 102, and a semiconductor layer 104.
  • the second clad layer 110 formed is provided.
  • the semiconductor layer 104 is formed with an active layer 105 and a p-type layer 106 and an n-type layer 107 arranged in contact with the active layer 105 in a plan view. Therefore, this semiconductor optical device is a vertical p-in.
  • the active layer 105 is type i.
  • the p-type electrode 108 is electrically connected to the p-type layer 106
  • the n-type electrode 109 is electrically connected to the n-type layer 107.
  • the active layer 105 is formed in a core shape extending in a predetermined direction (waveguide direction).
  • the active layer 105 can be in a state of being embedded in the semiconductor layer 104.
  • the active layer 105 can have a bulk structure.
  • the active layer 105 may have a multiple quantum well structure.
  • the second clad layer 110 is formed on the semiconductor layer 104 including the region where the active layer 105 is formed.
  • the semiconductor layer 104 and the active layer 105 are each composed of a predetermined III-V compound semiconductor.
  • the p-type layer 106 and the n-type layer 107 are formed by introducing impurities expressing the corresponding conductive type into the semiconductor layer 104 in the region containing the active layer 105.
  • the semiconductor layer 104 can be composed of, for example, InP.
  • the active layer 105 can be made of InGaAsP.
  • the first clad layer 102 and the second clad layer 110 can be made of an insulating material such as SiO 2 .
  • the semiconductor layer 104 can have a thickness of 230 nm.
  • the active layer 105 can have a thickness of 150 nm. Further, the active layer 105 can have a width of about 600 nm in a cross-sectional shape perpendicular to the waveguide direction.
  • this semiconductor optical device includes an optical coupling layer 103 that is embedded in the first clad layer 102 in a state where it can be optically coupled to the active layer 105 and is formed in a core shape extending along the active layer 105.
  • the optical coupling layer 103 is formed in the region below the active layer 105 when viewed from the side of the substrate 101.
  • the optical coupling layer 103 is formed directly below the active layer 105 when viewed from the substrate 101 side.
  • the optical coupling layer 103 is made of a material that absorbs less light waveguide through the active layer 105 than the p-type layer 106 and the n-type layer 107.
  • the optical coupling layer 103 can be made of, for example, Si. Further, the optical coupling layer 103 can also be composed of, for example, SiN.
  • the n-type layer 107 constitutes an optical waveguide having the active layer 105 as a core. Light is guided in this optical waveguide in the direction in which the active layer 105 extends (from the front to the back of the paper in FIG. 1). Therefore, this semiconductor optical device can be said to be a waveguide type optical element.
  • the absorption coefficient in the active layer 105 changes due to the Franz-keldysh effect. Due to this effect, it is possible to modulate the light guided through the optical waveguide having the active layer 105 as the core.
  • the first clad layer 102 and the second clad layer 110 from SiO 2 , light can be strongly confined in the active layer 105 due to a large difference in refractive index between the first clad layer 102 and the second clad layer 110, which is low. A large intensity modulation can be obtained even with a voltage.
  • this semiconductor optical element low power consumption can be achieved.
  • this semiconductor optical device includes the optical coupling layer 103, the mode of the optical waveguide having the active layer 105 as the core is in a state of including the optical coupling layer 103, and the mode is in the left-right direction in the cross-sectional view of this mode.
  • the spread is suppressed around the active layer 105 and the optical binding layer 103.
  • the mode of the optical waveguide having the active layer 105 as the core is suppressed from spreading to the side of the p-type layer 106 and the n-type layer 107, and overlaps with the p-type layer 106 and the n-type layer 107 of the above mode. Can be reduced.
  • the photobinding layer 103 is arranged with respect to the active layer 105 in a state where the same mode is formed by the active layer 105 and the photobinding layer 103.
  • the optical coupling layer 103 can be in a state of being formed only in the region where the p-type layer 106 and the n-type layer 107 are formed in the waveguide direction. In this state, the above-mentioned effect of reducing the waveguide loss can be obtained.
  • the thickness of the semiconductor layer 104 (active layer 105) can be made as thin as several hundred nm, and the bonding capacitance in the horizontal p-in structure is the conventional vertical type. It can be made dramatically smaller than the p-in structure. From the above, according to this semiconductor optical element, high CR band, that is, high-speed operation becomes possible.
  • the group III-V compound semiconductor constituting the active layer 105 has a higher refractive index than the group III-V compound semiconductor arranged around the active layer 105.
  • InGaAsP has a higher refractive index than InP. It is important that the absorption edge wavelength of the group III-V compound semiconductor constituting the active layer 105 is shorter than the wavelength of the waveguided light. Therefore, when the active layer 105 is composed of InGaAsP, it is important to adjust each composition of InGaAsP so as to correspond to the above conditions. It is important to set the wavelength of the light guided through the optical waveguide having the active layer 105 as the core in the wavelength range where the band end absorption of the active layer 105 occurs. The larger the difference (detuning) between the wavelength of the light to be guided and the absorption edge wavelength of the active layer 105, the smaller the change in the absorption coefficient per voltage change, but the smaller the light loss that occurs when the applied voltage is 0 V.
  • each layer of the multiple quantum well structure is generally formed by being laminated in the direction perpendicular to the substrate 101.
  • the two-dimensional Franz-Keldysh effect due to the electric field in the plane direction of the substrate 101 modulates the absorption coefficient in the waveguide direction of the active layer 105 having the multiple quantum well structure.
  • the two-dimensional Franz-Keldysh effect causes a large change in absorption coefficient near the band edge.
  • the QCSE effect due to the electric field in the plane direction of the substrate 101 causes a large change in the absorption coefficient in the active layer 105.
  • increasing the number of well layers in the multiple quantum well structure increases the overlap between the light and the active layer 105, resulting in a large degree of modulation.
  • FIG. 2A shows the core-width dependence of the fill factor, which is a combination of the optical bond layer 103 and the active layer 105, of the optical bond layer 103.
  • FIG. 2B shows the core-width dependence of the optical coupling layer 103 of the fill factor on the p-type layer 106.
  • the optical coupling layer 103 is made of Si and has a thickness of 220 nm. Further, the first clad layer 102 was made of SiO 2 , and the semiconductor layer 104 was made of InP. The distance between the semiconductor layer 104 and the optical coupling layer 103 (distance in the perpendicular direction of the surface of the substrate 101) was set to 100 nm.
  • the fill factor in the p-type layer 106 is monotonically reduced as compared with the light confinement in the active layer 105. This indicates that the waveguide light leaks to the optical coupling layer 103 by increasing the core-width, and it can be seen that the damage can be reduced. Further, from this calculation result, the increase in the number of layers of the quantum well layer also increases the optical confinement in the active layer 105 having the multiple quantum well structure and at the same time reduces the fill factor in the p-type layer 106. It turns out that it contributes.
  • the active layer 105 and the optical bond layer 103 are optically bonded, and for this purpose, it is desirable that the effective refractive indexes of both are substantially the same.
  • the above-mentioned conditions are satisfied by making the thicknesses of the respective layers substantially equal.
  • the volume of the active layer 105 can be increased by increasing the length (absorption length) of the active layer 105 in the waveguide direction, and the input power resistance can be improved. Can be improved.
  • the output power does not improve even if the input power is increased unless the insertion loss (absorption loss generated in the element at 0 V) is reduced.
  • the insertion loss is dominated by the absorption that occurs in the active layer 105 at 0 V and the valence band absorption of the p-type layer 106 (n-type layer 107).
  • the structure of the embodiment as described above, by optically coupling with the optical coupling layer 103, light to the active layer 105 core is suppressed while suppressing the waveguide loss due to the p-type layer 106 (n-type layer 107). It is possible to reduce the confinement coefficient.
  • the band gap of the III-V compound semiconductor constituting the active layer 105 decreases. That is, it means that the absorption edge wavelength in the active layer 105 shifts to the long wave side when the temperature becomes high. Therefore, in general, the material constituting the active layer 105 is detuned so that the absorption edge wavelength is shorter than the wavelength of the waveguide light even at the assumed maximum temperature (see FIG. 3). ..
  • the temperature of the semiconductor optical element is.
  • the detuning becomes very large and the degree of modulation is greatly reduced.
  • an optical coupling layer 103a which is the core shape of a rib-type optical waveguide, is formed on the n-type or p-type silicon layer 112.
  • the optical coupling layer 103a which functions as a heater, can be arranged under the active layer 105.
  • the lower clad layer is composed of a lower first clad layer 102a on the lower side of the silicon layer 112 and an upper first clad layer 102b on the upper side of the silicon layer 112. Further, the semiconductor layer 104 is formed on the upper first clad layer 102b.
  • the optical coupling layer 103a serving as a resistor can be heated to function as a heater. This makes it possible to raise the temperature of the active layer 105 formed on the photobonding layer 103a.
  • the temperature change of the active layer 105 core by passing a current through the heater when the environmental temperature drops without passing a current through the heater when the environmental temperature is high.
  • Si has a dramatically lower absorption loss than a metal generally used as a heater, and it is possible to have a structure in which the active layer 105 and the heater are optically coupled.
  • the heater can be arranged at a position very close to the active layer 105, so that the temperature can be adjusted with low power consumption.
  • This semiconductor optical element is, for example, on a first clad layer 102 formed on a substrate 101 made of Si, a semiconductor layer 104a formed on the first clad layer 102, and a semiconductor layer 104a.
  • the second clad layer 110 formed is provided.
  • the semiconductor layer 104a is formed with an active layer 105a and a p-type layer 106a and an n-type layer 107a arranged in contact with the active layer 105a in a plan view. Therefore, this semiconductor optical device is a vertical p-in.
  • the active layer 105a is type i.
  • the p-type electrode 108 is electrically connected to the p-type layer 106a, and the n-type electrode 109 is electrically connected to the n-type layer 107a.
  • the active layer 105a is composed of a convex portion formed in the semiconductor layer 104a between the p-type layer 106a and the n-type layer 107a, and has a so-called rib-type optical waveguide core shape. There is.
  • the active layer 105a extends in a predetermined direction. The above-mentioned structure can be obtained by thinning the predetermined regions on both sides of the semiconductor layer 104a as the active layer 105a. Therefore, the semiconductor layer 104a is composed of the same III-V compound semiconductor as the active layer 105a.
  • the p-type layer 106a and the n-type layer 107a are formed by introducing an impurity that expresses a conductive type corresponding to the semiconductor layer 104a in the region containing the active layer 105a. ..
  • the active layer 105a can have a bulk structure. Further, the active layer 105a may have a multiple quantum well structure. Further, the second clad layer 110 is formed on the semiconductor layer 104a including the region where the active layer 105a is formed.
  • the semiconductor layer 104a and the active layer 105a can be made of, for example, InGaAsP. Further, the first clad layer 102 and the second clad layer 110 can be made of an insulating material such as SiO 2 . By constructing the first clad layer 102 and the second clad layer 110 from this kind of material, it is possible to increase the difference in refractive index between the semiconductor layer 104a and the active layer 105a made of the III-V compound semiconductor. ..
  • this semiconductor optical device also includes a photobonding layer 103 that is embedded in the first clad layer 102 in a state of being photobondable to the active layer 105a and formed in a core shape extending along the active layer 105a. ..
  • the optical coupling layer 103 is formed in the region below the active layer 105a when viewed from the side of the substrate 101.
  • the optical coupling layer 103 is formed directly below the active layer 105a when viewed from the substrate 101 side.
  • the optical coupling layer 103 is made of a material that absorbs less light adsorbing through the active layer 105a than the p-type layer 106a and the n-type layer 107a.
  • the optical coupling layer 103 can be made of, for example, Si.
  • the n-type layer 107a constitutes an optical waveguide having the active layer 105a as a core. Light is guided in this optical waveguide in the direction in which the active layer 105a extends (from the front to the back of the paper in FIG. 5). Therefore, this semiconductor optical device can be said to be a waveguide type optical element.
  • a large difference in refractive index can be formed between the active layer 105a and the second clad layer 110 even in the horizontal direction with respect to the substrate 101, so that the active layer is more than the case of the configuration exemplified in FIG. Strong light confinement to 105a is possible.
  • the second embodiment large intensity modulation is possible even at a low voltage.
  • the semiconductor layers 104a on both sides of the active layer 105a are thinned, the series resistance of the element having the horizontal p-in structure increases. As the thickness of the thinned portion becomes thinner, the height of the convex portion in the active layer 105a becomes larger, the light confinement becomes larger, but the resistance also becomes larger. Therefore, in this configuration, the modulation factor and the CR band are in a trade-off relationship.
  • the thickness of the semiconductor layers 104a on both sides of the active layer 105a is set according to the desired performance.
  • a cap layer 121 composed of InP may be provided between the semiconductor layer 104a and the first clad layer 102.
  • the configuration in which the semiconductor layer 104a composed of the III-V compound semiconductor is arranged on the first clad layer 102 composed of SiO 2 can be created, for example, by laminating.
  • a semiconductor layer 104a made of InGaAsP is formed (crystal growth) on another substrate made of InP.
  • a well-known SOI (silicon on insulator) substrate is prepared, and the surface silicon layer on the embedded insulating layer is patterned to form the optical coupling layer 103.
  • an insulating material is deposited on the embedded insulating layer so as to fill the formed optical coupling layer 103.
  • the first clad layer 102 formed by the embedded insulating layer and the deposited insulating material is formed on the substrate 101, and the optical coupling layer 103 is embedded in the first clad layer 102.
  • the semiconductor layer 104a formed on the other substrate is attached to the first clad layer 102 in which the optical coupling layer 103 is embedded, and then the other substrate is removed.
  • the semiconductor layer 104a made of InGaAsP is crystal-grown on another substrate, it is not easy to make the final surface InGaAsP, and it is generally terminated by the layer of InP.
  • the terminated InP layer becomes the cap layer 121, and in the above-mentioned bonding, the cap layer 121 is bonded to the first clad layer 102.
  • a step of forming the active layer 105a and a step of introducing n-type impurities and p-type impurities into the semiconductor layer 104a bonded to the first clad layer 102 via the cap layer 121 are carried out.
  • the optical semiconductor optical device according to the second embodiment illustrated in FIG. 6 can be manufactured.
  • the semiconductor optical element according to the present invention can also be a laser.
  • the semiconductor optical element in the semiconductor optical device described with reference to FIG. 1, can be a laser by providing a resonator that resonates in the waveguide direction of the active layer 105.
  • the resonator can be composed of, for example, a diffraction grating.
  • This diffraction grating can be formed on the active layer 105, for example.
  • the semiconductor optical device can be a so-called distributed feedback (DFB) laser.
  • the wavelength change can be realized by adjusting, for example, the amount of injection current into the active layer 105 or the temperature of the element.
  • the semiconductor optical element can be a DBR laser.
  • the DBR laser can realize tunable wavelength by using the carrier plasma effect generated by injecting a current into the DBR region independent of the active region.
  • the above-mentioned semiconductor optical element having a laser structure and the semiconductor optical element having an optical modulator can be integrated on the same substrate.
  • the light modulator 151 and the laser 152 can be optically directly connected by a single-mode optical waveguide using a core 131.
  • the light modulator 151 includes an optical coupling layer 103, a semiconductor layer 104, an active layer 105, a p-type layer 106, an n-type layer 107, and the like, as in the first embodiment described above.
  • the laser 152 also includes an optical coupling layer 103, a semiconductor layer 104, an active layer 105b, a p-type layer 106, an n-type layer 107, and the like, as in the first embodiment described above. Further, the core 131 is formed (continuously) connected to the optical coupling layer 103 of each of the light modulator 151 and the laser 152.
  • the active layer 105 and the active layer 105b may have the same configuration, or may have different configurations.
  • the active layer 105 may have a bulk structure, and the active layer 105b may have a multiple quantum well structure.
  • the optimum material can be applied to each of the active layer 105 and the active layer 105b.
  • the material of the active layer 105 and the material of the active layer 105b are different.
  • the active layer 105 can be composed of InGaAsP, and the active layer 105b can be composed of InGaAlAs.
  • the semiconductor layer 104 of the optical modulator 151 is provided with a tapered portion 151a that tapers in a plan view as the distance from the optical modulator 151 increases in the waveguide direction, and the mode is converted into a single-mode optical waveguide by the core 131.
  • the semiconductor layer 104 of the laser 152 is also provided with a tapered portion 152a that tapers in a plan view as the distance from the laser 152 increases in the waveguide direction, and the mode is converted into a single-mode optical waveguide by the core 131.
  • the laser light output from the laser 152 is incident on the light modulator 151 via the single-mode optical waveguide, and the light intensity is modulated.
  • the optical coupling layers 103 of the light modulator 151 and the laser 152 have the same thickness, and the effective refractive indexes of the semiconductor layer 104 and the optical coupling layer 103 are approximately close to each other. Is desirable.
  • both the laser 152 and the light modulator 151 have the optical coupling layer 103 and the first clad layer 102 (not shown in FIG. 7). It is preferable that the thickness is the same.
  • the optical coupling layer 103 is formed by patterning the surface silicon layer on the embedded insulating layer of the SOI substrate.
  • an insulating material is deposited on the embedded insulating layer so as to fill the formed optical coupling layer 103, and the surface is flattened.
  • the first clad layer 102 formed by the embedded insulating layer and the deposited insulating material is formed on the substrate 101, and the optical coupling layer 103 is embedded in the first clad layer 102.
  • an InP layer is formed on another substrate made of InP, subsequently, a multiple quantum well layer made of InGaAsP is formed, and an InP layer is formed on the formed multiple quantum well layer.
  • the first clad layer 102 in which the above-mentioned InP layer, the multiple quantum well layer, the other substrate on which the InP layer is laminated, and the above-mentioned substrate 101 manufactured by using the SOI substrate are flattened into the InP layer. It is bonded by joining to the surface, and then the other substrate is removed.
  • the first clad layer 102 in which the optical coupling layer 103 is embedded is formed on the substrate 101, and the InP layer, the multiple quantum well layer, and the InP layer are laminated on the first clad layer 102. Can be.
  • the InP layer and the multiple quantum well layer on the surface side are patterned so as to remain in the region to be the laser 152. In this patterning, the InP layer on the side of the first clad layer 102 is left.
  • InGaAsP is regrown in the region of the light modulator 151 to the same thickness as the above-mentioned multiple quantum well layer. do.
  • InGaAsP is regrown to the same thickness as the InP layer on the multiple quantum well layer.
  • the above-mentioned regrowth process can be applied.
  • the multiple quantum well layer is left in the region of the laser 152, the InGaAs layer and the InP layer are regrown in the region of the light modulator 151, and then the multiple quantum well layer and the InGaAs layer are processed into a core shape.
  • the active layer 105b of the laser 152 and the active layer 105 of the light modulator 151 are used.
  • InP is re-grown on the InP layer on the side of the first clad layer 102 exposed around each active layer 105, and each active layer 105 is embedded.
  • the semiconductor layer 104 in which the active layer 105 is embedded is formed in each region of the laser 152 and the light modulator 151.
  • Si as a donor is iontophorically introduced into the region to be the p-type layer 106 by a predetermined diffusion process, and Zn to be an acceptor is iontophoresis into the region to be the n-type layer 107.
  • a diffraction grating is formed on the surface of the semiconductor layer 104 on the active layer 105 in the region of the laser 152, the p-type electrode 108 and the n-type electrode 109 are formed, and the second clad layer 110 is formed.
  • an optical modulator 151 such as SiO 2 covered with an insulator having a small thermal conductivity has a very large thermal resistance.
  • the temperature rise caused by the photocurrent is extremely large.
  • the detuning of the light modulator 151 tends to increase, but the output of the integrated laser 152 increases, so that the optical current flowing through the light modulator 151 increases.
  • self-heating due to the photocurrent contributes to suppressing the temperature drop of the active layer 105 in the light modulator 151.
  • the volume of the light modulator 151 becomes smaller, the amount of self-heating for the same photocurrent increases, so it is promising to form a small light modulator 151.
  • Making the light modulator 151 smaller is also beneficial for speeding up.
  • a layer having a small thermal conductivity for example, air
  • the self-heating amount is increased not only by the photocurrent but also by the DC bias to the light modulator 151, it is also effective to increase the DC bias when the environmental temperature drops. In general, when the temperature drops and the detuning increases, it is desirable to increase the DC bias from the viewpoint of linearity and extinction ratio.
  • the thermal conductivity of InGaAsP is smaller than that of InP
  • the light of the rib-type optical waveguide described with reference to FIGS. 5 and 6 is higher than that of the light modulator 151 in which the active layer 105 is embedded in the semiconductor layer 104.
  • the modulator has a higher thermal resistance and a larger temperature rise due to light current.
  • the semiconductor layer 104 of the laser 152 has the same thickness as the semiconductor layer 104 of the optical modulator 151, but it is important to reduce the thermal resistance to obtain a large output, so a laser structure having a long active layer length should be used. Is promising. Further, when the laser 152 is a DFB laser, the oscillation wavelength shifts to a short wave when the temperature drops. Therefore, it contributes to suppressing the change in the amount of detuning with respect to the temperature change.
  • the combination of the laser 152 having a small thermal resistance and the optical modulator 151 having a large thermal resistance makes it possible to realize an optical transmitter that can operate in a wide temperature range.
  • the optical connection between the laser 152 and the light modulator 151 does not necessarily have to be coupled to the single-mode optical waveguide by the core 131 via the tapered portion 152a and the tapered portion 151a.
  • the optical connection between the laser 152 and the light modulator 151 is connected to each of the semiconductor layers 104 of both, and the optical wave is formed by, for example, a compound core 132 made of InP. It can also be connected by a waveguide.
  • the core 131 may be arranged under the compound core 132.
  • the present invention is embedded in the first clad layer in a state where it can be photobonded to the active layer formed by the III-V compound semiconductor formed on the first clad layer. Since the optical coupling layer extending along the active layer is provided, it is possible to realize low power consumption and low cost of the semiconductor optical element made of a group III-V semiconductor integrated on the Si optical waveguide circuit.

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Abstract

半導体光素子は、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。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。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、所定の方向に延在するコア形状に形成されている。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。

Description

半導体光素子
　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。
　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。
　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、光結合層１０３と活性層１０５とを合わせた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３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４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５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６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７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８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、縦型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。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。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の、光結合層１０３と活性層１０５とを合わせた光閉じ込め効果(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、光結合層１０３と活性層１０５とを合わせた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。
　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、同破損しつ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（ｎ型層１０７）の価電子帯吸収で支配される。実施の形態の構造では、前述のとおり、光結合層１０３と光学的に結合することで、ｐ型層１０６（ｎ型層１０７）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。
　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３参照）。
　図３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４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５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、縦型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およびｎ型層１０７ａ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５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６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６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７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７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、第１クラッド層１０２の側に残すＩｎＰ層が、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ＩｎＧａＡｓ層およびＩｎＰ層を再成長した後、多重量子井戸層およびＩｎＧａＡｓ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、ドナーとなるＳｉをイオン導入し、ｎ型層１０７とする領域に、アクセプタとなるＺｎ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５，図６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８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ていることを特徴とする半導体光素子。
  2. 　請求項１記載の半導体光素子において、
    　前記活性層は、前記半導体層に埋め込まれて形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記載の半導体光素子において、
    　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。
  4. 　請求項１～３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。
  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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