JP2010021430A - 半導体光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造工程数の増加を抑えつつ、基板モードを低減することで素子特性を向上できる半導体光素子を提供する。
【解決手段】半導体光素子1は、端面発光型の半導体光素子1であって、n型GaAs基板3上に設けられたn型下部クラッド層5と、n型下部クラッド層5上に設けられた活性層7と、活性層7上に設けられたp型上部クラッド層10とを備え、n型GaAs基板3は活性層7よりも高いバンドギャップを有し、n型下部クラッド層5は活性層7よりも低いバンドギャップを有する下部クラッド光吸収層4と活性層7よりも高いバンドギャップを有する第1下部クラッド光透過層5aとを含むことを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】半導体光素子1は、端面発光型の半導体光素子1であって、n型GaAs基板3上に設けられたn型下部クラッド層5と、n型下部クラッド層5上に設けられた活性層7と、活性層7上に設けられたp型上部クラッド層10とを備え、n型GaAs基板3は活性層7よりも高いバンドギャップを有し、n型下部クラッド層5は活性層7よりも低いバンドギャップを有する下部クラッド光吸収層4と活性層7よりも高いバンドギャップを有する第1下部クラッド光透過層5aとを含むことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体光素子に関するものである。
半導体光素子として半導体レーザが知られている。例えば、0.9μm以上1.25μm以下の波長帯域の発振波長を有する半導体レーザとして、GaAs基板上にGaInAs又はGaInAsP等の活性層を備えるものが知られている。特に、0.98μm帯の発振波長を有する半導体レーザは、1.55μm帯の光増幅器であるエルビウム添加光ファイバ増幅器(以下「EDFA」と略す)の励起光源として用いられている。また、1.017μm帯の発振波長を有する半導体レーザは、1.3μm帯の光増幅器であるプラセオジウム添加光ファイバ増幅器(以下「PDFA」と略す)の励起光源として用いられている。
非特許文献1、特許文献1及び特許文献2には半導体レーザの例が記載されている。
Horie et al., "Longitudinal-mode characteristics of weaklyindex-guided buried-stripe type 980-nm laser diodes with and withoutsubstrate-mode-induced phenomena", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS (2000), vol.36,no.12, p.1454-1461 国際公開第2004/027950号パンフレット
特開2001−144371号公報
Horie et al., "Longitudinal-mode characteristics of weaklyindex-guided buried-stripe type 980-nm laser diodes with and withoutsubstrate-mode-induced phenomena", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS (2000), vol.36,no.12, p.1454-1461
図10に、0.98μm帯の発振波長を有する半導体レーザの発振スペクトルの典型例を示す。図10に示すG1は、電流50mA、G2は電流100mA、G3は電流150mA、G4は電流200mA、G5は電流250mA、及びG6は電流300mAにおける半導体レーザの発振スペクトルを表している。図10を参照すると、発振スペクトルは、波長2nm以上3nm以下の間隔で周期的に強度が極大となる強度変調された特性となっていることが分かる。
ところで、この半導体レーザの発振スペクトルにおいて、利得中心領域にある1本から数本の極大ポイントの縦モードが発振し、それらが電流増加と共に隣接する長波長側の極大ポイントの波長にモードホップしながらシフトしていくという特異的な波長特性が観測される。このような縦モードのモードホップは、発振波長の大幅な変動を引き起こすので望ましくない。例えば、図10に示すG1とG6とを比較すると、電流50mAから300mAの間において、発振波長はおよそ15nm変動している。一方、EDFAを励起する場合、EDFAを効果的に励起できる波長帯域は975nm以上985nm以下である。つまり、EDFAを効果的に励起できる波長帯域は10nm前後の狭い帯域である。よって、EDFAを励起する際には、このようなモードホップの波長変動により、発振波長が有効な励起波長帯域から外れて、励起効率が低下する等の問題が生じる可能性がある。また、モードホップは、モードホップ雑音を発生させるため、レーザ出射光の信号対雑音強度比(SN比)を悪化させる恐れがある。さらに、モードホップや発振縦モード間の出力揺らぎにより発振状態が変化して、半導体レーザの光出力−電流特性における非直線性、いわゆるキンクが生じ、線形な光増幅が困難となる等の問題がある。
非特許文献1及び特許文献1に記載のように、このような波長特性は、活性層を導波する導波モードとGaAs基板モードとが共鳴結合した結果発生すると解される。即ち、0.9μm以上1.25μm以下の発振光に対してGaAs基板は透明であり、且つGaAs基板の屈折率は、クラッド層を構成するGaInPやAlGaAsの屈折率より高い。従って、GaAs基板の屈折率は、活性層を導波する導波モードの実効屈折率より高いので、GaAs基板自体が当該波長帯の光に対する導波路となって基板モードが生じる。この基板モードが導波モードに共鳴結合して、上述のような発振スペクトルの周期的な強度変調や電流変化に伴う縦モードのモードホップを引き起こすと説明される。
特許文献2には、基板と下部電極との間に光吸収層を設けることで、GaAs基板裏面での基板モードの反射光と導波モードとの共鳴結合を阻止することが記載されている。しかしながら、GaAs基板中を発振光が導波することは防げないため、基板モードの発生を完全には除去することができない。また、このような光吸収層を設けるためには、基板上に半導体層を形成する工程とは別に、光吸収層を形成するための合金化反応工程を基板裏面に対して行う必要があるので、製造工程が複雑化し、生産性向上や低コスト化を阻害する一因となる。
そこで、本発明は、製造工程数の増加を抑えつつ、基板モードを低減することでレーザの特性を向上できる半導体光素子を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体光素子は、端面発光型の半導体光素子であって、半導体基板上に設けられた第1クラッド層と、第1クラッド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第2クラッド層とを備え、半導体基板は、活性層よりも高いバンドギャップを有し、第1クラッド層は、活性層よりも低いバンドギャップを有する第1光吸収層と、活性層よりも高いバンドギャップを有する第1光透過層とを含むことを特徴とする。
本発明に係る半導体光素子において、第1クラッド層は第1光吸収層を含むので、導波光が第1光吸収層において減衰される。即ち、第1クラッド層中における導波光の拡がりは弱められるので、半導体基板側への光の漏れを低減できる。従って、基板モードの励振は抑制され、従来構造と比べて、基板モードに起因する発光波長の不安定化といった半導体光素子の特性劣化を回避することが可能となる。また、第1光吸収層は他の半導体層と一括して半導体基板上に形成され得るので、半導体光素子の製造工程数の増加を抑えることが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第1クラッド層は、活性層よりも高いバンドギャップを有する第2光透過層を更に含み、第1光吸収層は第1光透過層と第2光透過層との間に設けられていることが好ましい。
この半導体光素子のように、第1光透過層と第2光透過層との間に第1光吸収層が形成される場合、導波光は第1光吸収層において効果的に減衰される。即ち、第1クラッド層中における導波光の拡がりは弱められるので、半導体基板側への光の漏れを低減できる。従って、基板モードに起因する半導体光素子の特性劣化を回避することが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第1クラッド層は第2光吸収層を更に含み、第1光吸収層と第2光吸収層との間に第1光透過層又は第2光透過層が配置されていることが好ましい。
この半導体光素子のように、第1光吸収層と第2光吸収層とを組み合わせて第1クラッド層が構成されていても良く、これにより基板モードを除去するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が容易となる。
また、上記した半導体光素子において、第1光透過層と第2光透過層とは互いに異なる組成を有することが好ましい。
この半導体光素子のように、第1光透過層と第2光透過層とは互いに異なる組成を有しても良く、基板モードを低減するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が更に容易となる。
また、上記した半導体光素子において、第1光吸収層は、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII−V族化合物半導体、GaInAs、及びGaInAsPのうちいずれかの半導体材料から構成されていることが好ましい。
この半導体光素子のように、第1光吸収層がこれらの半導体材料のうちいずれかから構成されることにより、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光を吸収する機能を好適に実現できる。従って、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の半導体光素子に対し、これらの半導体材料で形成された第1光吸収層を導入することで、基板モードに起因する半導体光素子の特性の劣化を低減することが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第1光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる2以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層され、その結果多数のヘテロ接合界面がその内部に形成された多層膜であることが好ましい。
この半導体光素子のように、多数の半導体へテロ接合界面が第1光吸収層に形成されている場合、第1光吸収層の外部からの結晶欠陥の侵入を効果的に低減することが可能となる。従って、半導体基板側から活性層への結晶欠陥の侵入を効果的に低減し、レーザの信頼性を向上させることが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第2クラッド層は、活性層よりも低いバンドギャップを有する第3光吸収層と活性層よりも高いバンドギャップを有する第3光透過層とを含むことが好ましい。
この半導体光素子のように、第2クラッド層にも第3光吸収層が含まれても良く、これにより活性層において生じ第2クラッド層へ拡がった導波光は第3光吸収層において好適に吸収される。従って、第2クラッド層における導波光の拡がりは弱められ、導波光がコンタクト層に到達するまでに減衰し、コンタクト層への光の漏れを効果的に低減できる。その結果、コンタクト層への光の漏れに起因する導波モードの発生を低減できるので、半導体光素子の発光波長特性を更に安定させることが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第2クラッド層は、活性層よりも高いバンドギャップを有する第4光透過層を更に含み、第3光吸収層は第3光透過層と第4光透過層との間に設けられていることが好ましい。
この半導体光素子のように、第3光透過層と第4光透過層との間に第3光吸収層が設けられても良く、この場合も活性層で生じ第2クラッド層へ拡がった導波光は第3光吸収層において効果的に減衰される。従って、第2クラッド層中における導波光の拡がりが弱められるので、コンタクト層への光の漏れは生じず、従ってこれに起因する導波モードを抑制でき、半導体光素子の発光波長特性を更に安定させることが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第2クラッド層は第4光吸収層を更に含み、第3光吸収層と第4光吸収層との間に第3光透過層又は第4光透過層が配置されていることが好ましい。
この半導体光素子のように、第3光吸収層と第4光吸収層とを組み合わせて第2クラッド層が構成されても良く、この場合もコンタクト層への光の漏れに起因する導波モードを低減するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が容易となる。
また、上記した半導体光素子において、第3光透過層と第4光透過層とは互いに異なる組成を有することが好ましい。
この半導体光素子のように、第3光透過層と第4光透過層とは互いに異なる組成を有しても良く、コンタクト層への光の漏れに起因する導波モードを低減するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が更に容易となる。
また、上記した半導体光素子において、第3光吸収層は、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII−V族化合物半導体、GaInAs、及びGaInAsPのうちいずれかの半導体材料から構成されることが好ましい。
このような半導体光素子は、第3光吸収層がこれらの半導体材料のうちいずれかから構成されることにより、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光を吸収する機能を好適に実現できる。従って、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の半導体光素子に対し、これらの半導体材料で形成された第3光吸収層を導入することで、コンタクト層への光の漏れによって生ずる導波モードに起因する半導体光素子の特性の劣化を低減することが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、第3光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる2以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層されており、その結果多数のヘテロ接合界面がその内部に形成された多層膜であることが好ましい。この半導体光素子においては、多数の半導体へテロ接合界面が第3光吸収層に形成されているので、第3光吸収層の外部からの結晶欠陥の侵入を効果的に低減することが可能となる。従って、コンタクト層側から活性層への結晶欠陥の侵入を効果的に低減することが可能となるので、レーザの信頼性を向上させることが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、多層膜は、GaAs及びInAsの組合せ、GaAs及びGaNの組合せ、GaInAs及びGaInPの組合せ、GaAsP及びInAsPの組合せ、GaInAs及びGaInNの組合せ、並びにGaNAs及びInNAsの組合せのうちいずれかの組合せからなる超格子層であることが好ましい。
半導体光素子は、単層からなる第1光吸収層又は第3光吸収層を有する場合と同様に、このような多層膜からなる第1光吸収層又は第3光吸収層を有しても良く、これにより0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の光を吸収する光吸収層が好適に実現される。従って、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の半導体光素子に対し、これらの多層膜で形成された第1光吸収層又は第3光吸収層を導入することで、第1クラッド層から半導体基板への導波光の漏れや、第2クラッド層からコンタクト層への導波光の漏れを効果的に低減できるので、半導体光素子の発光波長特性を更に安定させることが可能となる。
また、上記した半導体光素子において、活性層は、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII−V族化合物半導体、GaInAs、及びGaInAsPのうちいずれかの半導体材料から構成されることが好ましい。
上記した半導体光素子において、活性層は、このような半導体材料によって構成されていても良く、これにより活性層は0.9μm以上1.25μm以下の帯域の発光波長の光を発生可能なバンドギャップを有することができる。この場合、前述したようなモードホップの波長変動が顕著に現れる傾向がある。しかし、上記した半導体光素子において第1クラッド層に第1光吸収層が形成され得るので、基板モードに起因する導波モードの励振が抑制される。従って、発光波長の不安定化といった半導体光素子の特性の劣化を効果的に回避することが可能である。
また、上記した半導体光素子において、半導体基板はGaAs基板であり、前記活性層は0.9μm以上1.25μm以下の発光波長に対応するバンドギャップを有していることが好ましい。
この半導体光素子のように、半導体基板としてGaAs基板が用いられており、且つ0.9μm以上1.25μm以下の帯域の発光波長を有する場合、前述したようなモードホップの波長変動が顕著に現れる傾向がある。しかし、上記した半導体光素子において第1光吸収層が形成され得るので、基板モードの励振に起因する導波モードの励振が低減され、半導体光素子の特性の劣化を効果的に回避することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、製造工程数の増加を抑えつつ、基板モードやコンタクト層への光の漏れに起因する導波モードを低減することで、その発光特性を向上できる半導体光素子が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る半導体光素子の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る半導体光素子1を示す斜視図である。図2は、図1に示されるII−II線に沿った断面図である。図1を参照すると、半導体レーザ素子といった端面発光型の半導体光素子1が示されている。本実施形態の半導体光素子1は、基板面に対して平行な方向(矢印Aの方向)にレーザ光が出射される「端面発光型」の半導体レーザである。半導体光素子1は活性層のバンドギャップで決定される所定の発光波長または発振波長を有する。
図1は、第1実施形態に係る半導体光素子1を示す斜視図である。図2は、図1に示されるII−II線に沿った断面図である。図1を参照すると、半導体レーザ素子といった端面発光型の半導体光素子1が示されている。本実施形態の半導体光素子1は、基板面に対して平行な方向(矢印Aの方向)にレーザ光が出射される「端面発光型」の半導体レーザである。半導体光素子1は活性層のバンドギャップで決定される所定の発光波長または発振波長を有する。
図1及び図2に示された半導体光素子1は、n型電極2、n型GaAs基板3、n型下部クラッド層5、下部光閉じ込め層6、活性層7、上部光閉じ込め層8、p型上部クラッド層10、n型電流ブロック層14、p型コンタクト層15、絶縁膜16、及びp型電極17を備える。
n型GaAs基板3は本実施形態における半導体基板である。n型GaAs基板3は、GaAsウエハを劈開して形成されているので、劈開可能な程度の厚さを有している。n型GaAs基板3の厚さは100μm以上200μm以下であることが望ましい。例えば、n型GaAs基板3は100μmの厚さを有する。また、n型GaAs基板3は、活性層7よりも高いバンドギャップを有する。
n型下部クラッド層5は本実施形態における第1クラッド層である。n型下部クラッド層5は下部クラッド光吸収層4及び第1下部クラッド光透過層5aを含む。下部クラッド光吸収層4は本実施形態における第1光吸収層である。第1下部クラッド光透過層5aは本実施形態における第1光透過層である。下部クラッド光吸収層4はn型GaAs基板3上に設けられており、下部クラッド光吸収層4上に第1下部クラッド光透過層5aが設けられている。
下部クラッド光吸収層4は本実施形態における第1光吸収層である。下部クラッド光吸収層4は、発振光を吸収しなければならないため、活性層7よりも低いバンドギャップの半導体層で構成される必要がある。ここで図3(岡安雅信、竹下達也、小暮攻、上原信吾、電子情報通信学会論文誌, C-I, vol. J73-C-I, No. 7, pp. 506-511より引用)を参照しつつ、n型GaInAs半導体層が下部クラッド光吸収層4として用いられている場合を説明する。この場合、GaInAs下部クラッド光吸収層4は歪層のため臨界膜厚以下の薄膜であり、且つ隣接するn型GaAs基板3及び第1下部クラッド光透過層5aより低いバンドギャップであるため、量子井戸となる。図3においては、In組成比(横軸)の変化に対して、GaInAs量子井戸層のバンドギャップ(図3ではバンドギャップに対応する、伝導帯と価電子帯のサブバンド準位間の遷移波長(バンドギャップ波長)で表示)が一定の値を維持するための、量子井戸厚(縦軸)の変化が、Q1〜Q6の実線で示されている。Q1はバンドギャップ波長が0.90μm、Q2はバンドギャップ波長が0.95μm、Q3はバンドギャップ波長が1.00μm、Q4はバンドギャップ波長が1.05μm、Q5はバンドギャップ波長が1.10μm、及びQ6はバンドギャップ波長が1.15μmである場合を示す。また、GaInAs量子井戸層の臨界膜厚、すなわち歪応力による結晶劣化を生じない厚さの限界が、図3において破線で示される。下部クラッド光吸収層4としてn型GaInAs半導体層が用いられている場合、図3において、GaInAs半導体層のバンドギャップが活性層7のバンドギャップより小さく、つまりGaInAs半導体層のバンドギャップ波長が半導体光素子1の発光(発振)波長より長く、且つGaInAs半導体層の厚さが臨界膜厚以下となるようにGaInAs半導体層の組成と厚さとが適宜選択される。
例えば、Inの組成比が0.27であるn型GaInAs半導体層は、臨界膜厚の93Å以下において、0.98μmより長いバンドギャップ波長となる厚さの領域が存在する。従って、半導体光素子1の発光(発振)波長が0.98μmである場合、下部クラッド光吸収層4として臨界膜厚である93Å以下であり、且つ0.98μmより長いバンドギャップ波長となる厚さを有するInの組成比が0.27のn型GaInAs半導体層を下部クラッド光吸収層4として使用できる。また、Inの組成比が0.37であるn型GaInAs半導体層は臨界膜厚の63Å以下において0.98μmより長いバンドギャップ波長となる厚さの領域が存在する。従って、半導体光素子1の発光(発振)波長が0.98μmである場合、下部クラッド光吸収層4として臨界膜厚である63Å以下であり、且つ0.98μmより長いバンドギャップ波長となる厚さを有するInの組成比が0.37のn型GaInAs半導体層が選択される。
また、下部クラッド光吸収層4にGaInAs、GaInAsP、またはGaNAs等のGaAsに格子整合しない材料が用いられる場合、後述する活性層7に用いられる場合と同様に、下部クラッド光吸収層4に必然的に歪みが加わる。しかし、下部クラッド光吸収層4は臨界膜厚より十分薄くても良いので、歪みによる結晶劣化は生じない。
p型上部クラッド層10は、本実施形態における第2クラッド層であり、後述する活性層7上に設けられている。p型上部クラッド層10は第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cを含む。第1上部クラッド光透過層10aは後述する活性層7上に設けられており、第2上部クラッド光透過層10bは第1上部クラッド光透過層10a上に設けられており、第3上部クラッド光透過層10cは第2上部クラッド光透過層10b上に設けられている。第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10は発光波長に対して透明である。即ち、第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10は、発振光を吸収してはいけないので、活性層7よりも高いバンドギャップを有するものである必要がある。
例えば、第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10はGaInP、AlGaInP、AlGaAs、GaAs、又はGaInAsP等によって構成されている。これらの半導体材料は何れもGaAsに格子整合するため、n型GaAs基板3上において良好な結晶成長が可能である。また、これらの半導体材料は、何れも高いバンドギャップエネルギーを有する材料である。例えば、GaAsに格子整合するAlGaInPは、組成に応じて1.9eV以上2.3eV以下の範囲のバンドギャップエネルギーを有する。また、GaAsに格子整合するAlGaAsは、組成に応じて1.42eV以上2.16eV以下の範囲のバンドギャップエネルギーを有する。また、GaAsに格子整合するGaInAsPは、組成に応じて1.42eV以上1.9eV以下の範囲のバンドギャップエネルギーを有する。また、GaAsに格子整合するGaInPは、1.9eVといった高いバンドギャップエネルギーを有する。第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10が、これらの半導体材料によって構成されることにより、活性層7とのバンドギャップ差を大きくすることができるため、活性層7へのキャリア閉じ込め作用を高めることができる。従って、レーザの発振特性や温度特性が改善される。
n型下部クラッド層5における十分な光閉じ込めを可能とするため、第1下部クラッド光透過層5aは、1.5μm以上2μm以下の厚さを有することが望ましい。例えば、第1下部クラッド光透過層5aとして1.5μmの厚さを有するGaInPが選択される。
p型上部クラッド層10は、最下部に設けられた平坦な第1上部クラッド光透過層10aと、両側面がリッジ状に加工された第2上部クラッド光透過層10bと、第2上部クラッド光透過層10b上に設けられた平坦部である第3上部クラッド光透過層10cとを含む。第1上部クラッド光透過層10aと第2上部クラッド光透過層10bとの間にはp型エッチング停止層9が設けられている。リッジ状の第2上部クラッド光透過層10bの両側面がn型電流ブロック層14で埋め込まれた、いわゆる埋め込みリッジ構造が形成されている。このリッジ構造によって第2上部クラッド光透過層10bに電流が狭窄される。
第1上部クラッド光透過層10aの厚さに関しては、水平横モードにおける高次モードを抑制し、基本モードのみでの安定発振を得るため、例えば0.1μm以上0.6μm以下の範囲から最適な値が選択される。例えば、第1上部クラッド光透過層10aとして0.4μmの厚さを有するGaInPが選択される。
第2上部クラッド光透過層10b(リッジ部)上面とn型電流ブロック層14上面とを同じ高さにして素子表面の平坦化を図るために、第2上部クラッド光透過層10bの厚さはn型電流ブロック層14の厚さと同等であることが望ましい。例えば、n型電流ブロック層14が0.4μmの厚さを有する場合、第2上部クラッド光透過層10bも0.4μmの厚さを有することが好ましい。第2上部クラッド光透過層10bとして、例えば厚さ0.4μmのGaInP層を使用できる。
p型上部クラッド層10における十分な光閉じ込めを可能とするため、第3上部クラッド光透過層10cは、例えば0.7μm以上1.2μm以下の厚さを有することが望ましい。例えば、第3上部クラッド光透過層10cとして0.7μmの厚さを有するGaInPが選択される。なお本実施例では一例として、第1下部クラッド光透過層5a、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cは、互いに同一の組成からなる半導体層、つまりその構成元素とその元素組成比が同一の半導体層、で形成されている。
n型電流ブロック層14はn型にドープされており、n型電流ブロック層14と第1上部クラッド光透過層10aとの間にpn接合が形成されている。これにより、本実施形態の半導体光素子1を順バイアス(p型電極17側を高電位とする)で動作させる際に、このpn接合部分には自動的に逆バイアスが印加されて当該pn接合部分が高抵抗化する。したがって、n型電流ブロック層14に電流が流れにくくなるので、半導体光素子1に供給された電流は第2上部クラッド光透過層10b(リッジ部)へ効果的に狭窄される。
n型電流ブロック層14の構成材料としては、上述した第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10と同様の半導体材料が好適である。即ち、GaAsと格子整合するGaInP、AlGaInP、AlGaAs、GaInAsP又はGaAs等といった高バンドギャップ材料がn型電流ブロック層14として選択される。ここで、n型電流ブロック層14は、p型上部クラッド層10よりバンドギャップが高いことが好ましい。これにより、n型電流ブロック層14とp型上部クラッド層10とのバンドギャップ差に起因してこれらの層同士の界面にヘテロ障壁が生じる。従って、n型電流ブロック層14への電流の漏洩がより低減されるので、第2上部クラッド光透過層10bへの電流閉じ込め作用を高めることができる。また、n型電流ブロック層14のバンドギャップがp型上部クラッド層10より高い場合、第2上部クラッド光透過層10bの屈折率がn型電流ブロック層14の屈折率より高くなるので、第2上部クラッド光透過層10bが存在する半導体光素子1の中央部への光の閉じ込め作用も高めることができる。その結果、誘導放出が効率よく生じ、発振特性の改善を図ることができる。なお、n型電流ブロック層14のバンドギャップは、p型上部クラッド層10のバンドギャップと同等か又は低くてもよく、このような場合でもレーザ発振は可能である。
n型電流ブロック層14としては例えばAlGaInPが用いられる。n型電流ブロック層14は、0.3μm以上の厚さを有することが望ましい。これにより、電流を効果的にブロックし、リッジ部(第2上部クラッド光透過層10b)への十分な電流狭窄を行うことができる。この場合におけるn型電流ブロック層14の好適な厚さは、例えば0.4μmである。
n型電流ブロック層14による電流狭窄幅(図2に示すW)は、1μm以上5μm以下であることが好適である。これにより、水平横モードにおいて、高次モードを抑制して基本モードのみでの安定発振を好適に得ることができる。電流狭窄幅Wの好適な値は、例えば3μmである。
本実施形態のようなリッジ構造において、第1上部クラッド光透過層10aの厚さは、半導体光素子1の特性を決定する重要な一要因である。したがって、レーザ特性の均一性や再現性確保の為には、第1上部クラッド光透過層10aの厚さを高精度に制御することが好ましい。そこで、本実施形態の第2上部クラッド光透過層10bと第1上部クラッド光透過層10aとの間には、p型エッチング停止層9が設けられている。p型エッチング停止層9は、p型上部クラッド層10と比較して、クラッド層のエッチャント(例えば塩酸系エッチャント)に対するエッチングレートが十分に小さい。すなわち、p型エッチング停止層9の構成材料としてp型上部クラッド層10に対し高いエッチング選択比を有する材料が選択される。例えば、p型上部クラッド層10がAlGaInPやGaInPから構成され、p型上部クラッド層10のエッチャントとして例えば塩酸を用いる場合には、p型エッチング停止層9の構成材料として、例えばGaAs、AlGaAs、又はGaInAsPが選択される。また、p型上部クラッド層10がAlGaAs、GaAs、又はGaInAsPから構成され、p型上部クラッド層10のエッチャントとして例えば燐酸を用いる場合には、p型エッチング停止層9として、例えばGaInPやAlGaInPが選択される。なお、本実施形態においてp型エッチング停止層9は必須の構成要素ではなく、p型エッチング停止層9がなくてもp型上部クラッド層10に対し高精度なエッチングが可能である場合、p型エッチング停止層9を省略してもよい。
半導体光素子1がp型エッチング停止層9を備える場合、素子抵抗や熱抵抗の増加を抑えるために、エッチング停止作用が得られる範囲で、p型エッチング停止層9は可能な限り薄いことが好適である。例えば、p型エッチング停止層9は5nm以上30nm以下の厚さを有するとよい。好適な例としては、p型エッチング停止層9として15nmの厚さを有するGaAsが選択される。
活性層7はn型下部クラッド層5上に設けられている。活性層7は、例えば単一または多重の量子井戸層から構成されている。0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光に対応するバンドギャップを有するように、活性層7の組成や量子井戸層の厚さは調整される。上記発光波長帯域での発振光が得られる活性層7の材料としてGaInAs及びGaInAsPが一般的であるが、これらの半導体材料に限定されない。例えば、活性層7がGaInNAsやGaNAsといったGa、As、及びNを少なくとも含むIII−V族半導体材料によって構成されていることも可能である。これらGa、As、及びNを少なくとも含むIII−V族半導体材料の格子定数は、GaAsの格子定数と同じか、又はGaAsの格子定数と近い値に設定される。従って、n型GaAs基板3上における良好な結晶成長が可能である。
活性層7にGaInAsやGaInAsPを用いる場合、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長を得るためには、GaAsに比べて格子定数が大となる元素組成比を用いる必要がある。従ってn型GaAs基板3上にこれらの半導体材料が成長されている場合、活性層7は、圧縮歪みが加わる。また、GaNAsはGaAsに比べて格子定数が小さい為、n型GaAs基板3上に活性層7としてGaNAsが成長されている場合、活性層7は引っ張り歪みが加わる。活性層7に加わるこれらの歪応力が過剰になると、歪応力に起因するミスフィット転位等の欠陥が活性層7に生ずるため、活性層7の厚さは、歪応力による欠陥を生じない限界膜厚以下、即ち臨界膜厚以下である必要がある。通常、活性層7を構成する量子井戸層の厚さは臨界膜厚より十分薄いため、上述したように歪みが加わる半導体材料を用いても、良好な結晶性が維持される。
三元半導体であるGaInAsやGaNAsによって活性層7が構成されている場合、或るレーザ波長に対応する組成比は一つに定まる。従って、活性層7の歪み量も或る特定の大きさに決定される。これに対し、四元半導体であるGaInAsPによって活性層7が構成されている場合、所望の発光波長を実現するための組成比の選択可能範囲が広いので、活性層7の歪み量も広範囲の中から選択され得る。従って、必要な用途に応じて最適な特性が得られるような歪み量となるように活性層7の組成比を選択でき、活性層7に関する光導波構造設計の自由度が増す。
活性層7がGaInNAsから構成されている場合、GaInNAsはGaAsとの格子整合が可能なので、活性層7の歪み量をゼロに近づけることができる。従って、活性層7の厚さの制限はなく、活性層7を任意の厚さとすることができる。この場合、例えば活性層7として厚膜のバルク半導体層も選択できる。
なお、活性層7がGaNAsやGaInNAsから構成されている場合、Sb及びPのうち一方または双方を活性層7は更に有しても良い。活性層7にSbが添加されている場合、Sbは、いわゆるサーファクタントとして機能し、GaNAsやGaInNAsの3次元成長を低減してこれらの半導体の結晶性を改善する効果をもたらす。また、活性層7にPが添加されている場合、Pは、GaNAsやGaInNAsの局所的な結晶歪みを低減して結晶性及び信頼性の改善に寄与し、また、結晶成長時における結晶へのNの取り込み量の増大にも寄与する。SbやPを含む活性層7の具体的な組成として、例えばGaNAsP、GaInNAsP、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaNAsSbP、及びGaInNAsSbP等が挙げられる。これらの半導体材料の格子定数は、GaAsの格子定数と同じであるか、或いはGaAsの格子定数に近い値に設定されることが可能である。従って、これらの半導体材料が活性層7に用いられている場合、n型GaAs基板3上における良好な結晶成長が可能である。
活性層7の一例として、0.98μmの発光波長に対応するバンドギャップを有するGaInAs単一量子井戸層が挙げられる。この場合、活性層7は圧縮歪みを有することとなるので、活性層7の厚さは、臨界膜厚以下である数nm以上十数nm以下であることが望ましい。例えば、活性層7は8nmの厚さを有する。
半導体光素子1が0.9μm以上1.25μm以下の発光(発振)波長を有する場合、下部クラッド光吸収層4は、活性層7より低いバンドギャップを有し、0.9μm以上1.25μm以下の範囲の発振光を吸収できる半導体層で構成される。一例としては、前述の活性層7に使用可能なGaInAsやGaInAsP、或いはGaInNAsやGaNAsといった、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII-V族半導体材料を、この層に用いることが出来る。但し、これらの層は活性層より低いバンドギャップを有し、発振光を吸収できる層となるよう、予め組成や厚さを調整しておく必要がある。
下部光閉じ込め層6はn型下部クラッド層5と活性層7との間に設けられている。また、上部光閉じ込め層8はp型上部クラッド層10と活性層7との間に設けられている。下部光閉じ込め層6及び上部光閉じ込め層8の構成材料として、第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10と同様、GaAsと格子整合するGaInP、AlGaInP、AlGaAs、GaInAsP又はGaAs等が挙げられる。ここで、下部光閉じ込め層6は、第1下部クラッド光透過層5aと活性層7との間のバンドギャップを有する材料から構成されていることが望ましい。また、上部光閉じ込め層8は、p型上部クラッド層10と活性層7との間のバンドギャップを有する材料を含むことが望ましい。これにより、p型上部クラッド層10及びn型下部クラッド層5から注入されたキャリアは、p型上部クラッド層10及びn型下部クラッド層5と光閉じ込め層6,8との間、又は活性層7と光閉じ込め層6,8との間に形成されているヘテロ障壁によって阻止されること無く、活性層7へ効率よく注入される。
下部光閉じ込め層6及び上部光閉じ込め層8に上記バンドギャップ条件を満たす材料が含まれている場合、下部クラッド光吸収層4を除いた各半導体層5〜10の中で活性層7の屈折率が最も大きくなり、光閉じ込め層6,8、p型上部クラッド層10及びn型下部クラッド層5と活性層7から離れるに従って屈折率が順次低くなる。このような構成によって、第1下部クラッド光透過層5a及びp型上部クラッド層10は、活性層7において発生した光を活性層7、下部光閉じ込め層6、及び上部光閉じ込め層8に閉じ込めるように働くので、活性層7における光の閉じ込め作用が高められる。
下部光閉じ込め層6がGaInAsPから構成されている場合、このGaInAsPの組成比は、そのバンドギャップが第1下部クラッド光透過層5aと活性層7との間の値となるように調整される。そして、活性層7における十分な光閉じ込め作用を実現するために、下部光閉じ込め層6の厚さは、数十nm以上数百nm以下であることが望ましい。例えば、下部光閉じ込め層6は47nmの厚さを有する。
上部光閉じ込め層8がGaInAsPから構成されている場合も上記と同様であり、GaInAsPの組成比は、そのバンドギャップがp型上部クラッド層10と活性層7との間の値となるように調整されている。そして、活性層7における十分な光閉じ込めを実現するために、上部光閉じ込め層8の厚さは数十nm以上数百nm以下であることが望ましい。例えば、上部光閉じ込め層8は47nmの厚さを有する。
上述したような下部光閉じ込め層6及び上部光閉じ込め層8が活性層7の上下に設けられていることによって、活性層7へのキャリア注入が阻害されることなく活性層7への光の閉じ込めが高められるので、発振特性や温度特性が改善される。特に、活性層7が比較的薄い量子井戸構造である場合、このような効果が顕著となる。なお、本実施形態の半導体光素子1において下部光閉じ込め層6及び上部光閉じ込め層8は必須の構成要素ではなく、発振に必要な光閉じ込めが活性層7のみによって得られている場合、下部光閉じ込め層6及び上部光閉じ込め層8は省略されていてもよい。
p型コンタクト層15はp型上部クラッド層10上に設けられている。p型コンタクト層15はp型電極17とのオーミックコンタクトのために設けられている。p型コンタクト層15の構成材料として、p型電極17とのオーミックコンタクトが形成され易いGaAs等の低バンドギャップ材料が好適である。p型コンタクト層15の厚さは、0.1μm以上0.5μm以下であることが望ましい。例えば、p型コンタクト層15は0.2μmの厚さを有する。また、絶縁膜16は、リッジ部(第2上部クラッド光透過層10b)への電流狭窄をより高めるためにp型コンタクト層15上に設けられており、リッジ部上に相当する部分に開口を有する。本実施形態において、絶縁膜16は、必須の構成要素ではなく、必要に応じて省略されることができる。絶縁膜16の構成材料として、例えばSiN、SiO2等の誘電体膜が好適である。n型電極2及びp型電極17は給電用の電極である。p型電極17はp型コンタクト層15上に設けられており、n型電極2はn型GaAs基板3の裏面上に設けられている。
図1の矢印Cに示すように、半導体光素子1に電流を注入すると、活性層7は発光して、活性層7を導波する光が生じる。しかし、この導波光は、活性層7のみには閉じ込められず、n型下部クラッド層5からp型上部クラッド層10に亘って拡がりつつ導波する。なお、図1の矢印Fは半導体光素子1のレーザ光出射端面を表す。従来の半導体光素子のように下部クラッド光吸収層4が設けられていないと仮定すると、図2の範囲Dに示すように、n型下部クラッド層5に拡がった導波光は、n型GaAs基板3内にまで侵入して分布する。その結果、前述したような基板モードが励振され、この基板モードと本来の導波モードとが共鳴結合して外乱を与えるので、発光(発振)波長の変動(モードホップ)といった特性劣化が生じてしまう。
これに対し、本実施形態に係る半導体光素子1においては、n型GaAs基板3上に下部クラッド光吸収層4が設けられている。従って、図2の範囲E1に示すように、たとえ導波光がn型下部クラッド層5の最下端にまで達したとしても、その導波光は、下部クラッド光吸収層4において吸収されるので、n型GaAs基板3への導波光の漏れは低減される。よって、基板モードの励振が抑制され、これに起因する発光(発振)波長の不安定化といったレーザの特性劣化を回避することができる。このように、本実施形態の半導体光素子1によれば、n型GaAs基板3上に設けられている下部クラッド光吸収層4によって、特許文献2の構造と比べて基板モードの影響を一層低減することが可能となり、レーザ特性を向上できる。
本実施形態に係る半導体光素子1において、下部クラッド光吸収層4はn型GaAs基板3と第1下部クラッド光透過層5aとの間に設けられている。つまり、下部クラッド光吸収層4を他の半導体層(下部クラッド光透過層5a、半導体層7、及びp型上部クラッド層10等)と共に一括してエピタキシャル成長させることが可能であり、特許文献2の構造と比較して、製造工程数の増加を抑えることができる。
なお、従来の半導体光素子において、下部クラッド層からGaAs基板へ漏れる導波光量は導波光全体のうち極僅かである。この僅かな光の漏れが基板モードを励振する。従って、基板モード抑制のために、下部クラッド光吸収層4において吸収されるべき導波光の量は微小でよく、従ってn型下部クラッド層5が下部クラッド光吸収層4を含んでも、導波光が被る吸収損は従来の半導体光素子と比べて殆ど変わらない。逆に言えば、下部クラッド光吸収層4の付加に起因するレーザ特性の劣化を最小限とするためには、下部クラッド光吸収層4における導波光の吸収量が、n型GaAs基板3側への光の漏れを防止するのに必要最小限な量となるように、下部クラッド光吸収層4の組成や厚さ、及びn型下部クラッド層5中の位置を最適化することが好適である。
次に、図4〜図6を参照しつつ、図2に示される半導体光素子1の製造工程について説明する。まず図4(a)に示すように、n型GaAs基板3上に、下部クラッド光吸収層4、第1下部クラッド光透過層5a、下部光閉じ込め層6、活性層7、上部光閉じ込め層8、第1上部クラッド光透過層10a、p型中間層(エッチング停止層)9、及び第2上部クラッド光透過層10bをこの順にエピタキシャル成長させる。これらの半導体層の成長には、分子線エピタキシー(MBE)成長装置や有機金属気相成長(OMVPE)装置等の一般的な半導体結晶成長装置を使用することが可能である。次に、第2上部クラッド光透過層10b表面の所定領域に、マスク20をパターニングし、マスク20を介して第2上部クラッド光透過層10bをリッジ状にエッチングする。
マスク20としてSiNやSiO2等の誘電体膜が用いられる。第2上部クラッド光透過層10bをエッチングする方法として、加工によるダメージの少ないエッチャントを用いたウェットエッチングが好適である。
ここで例えば、第2上部クラッド光透過層10bがGaInP又はAlGaInPから構成される場合、p型中間層9をGaAs、AlGaAs、又はGaInAsPから構成し、且つ塩酸系エッチャントを用いることにより、第2上部クラッド光透過層10bに対してp型中間層9のエッチングレートを充分に小さくすることができるので、p型中間層9をエッチング停止層として機能させることが出来る。従って、第2上部クラッド光透過層10bに対するエッチングレートが製造毎またはウェハ面内でばらついたとしても、エッチングがp型エッチング停止層9に達すると実質的にエッチングは停止し、図4(b)のような構造が形成される。従って、第1上部クラッド光透過層10aの厚さに関して良好な再現性および面内均一性が達成され、その結果レーザ特性の再現性や均一性も確保される。また、第2上部クラッド光透過層10bがGaAs、AlGaAs、又はGaInAsPから構成される場合、p型中間層9はGaInP又はAlGaInPから構成され、燐酸系エッチャントが用いられる。これにより、第2上部クラッド光透過層10bに対してp型中間層9のエッチングレートを充分に小さくすることができるので、p型中間層9をエッチング停止層として機能させることが出来る。なお、図4(b)では逆メサ型のリッジを図示しているが、これに限られるものではない。マスク形成の面方位やエッチング液の変更により、他形状のメサの形成も可能である。
p型エッチング停止層9は、素子全域に残存しても良く、リッジ部以外の領域に設けられた部分を必要に応じてエッチング除去しても良い。本実施形態では図5(a)に示すように、p型エッチング停止層9のうちリッジ部以外の領域に設けられた部分を除去する場合を示す。このようにp型エッチング停止層9の一部をエッチング除去する場合、第2上部クラッド光透過層10bのエッチングとは逆に、下地の第1上部クラッド光透過層10aにおいてエッチングが停止するようにエッチャントが適宜選択される。この場合、第1上部クラッド光透過層10aは殆どエッチングされないので、第1上部クラッド光透過層10aの厚さに関して良好な再現性及び面内均一性が確保される。具体例としては、第1上部クラッド光透過層10aをAlGaInP又はGaInPから構成し、p型エッチング停止層9をGaAs、AlGaAs、又はGaInAsPから構成する場合、燐酸系エッチャントを用いることによって、第1上部クラッド光透過層10aにおいてエッチングを停止させ得る。また、第1上部クラッド光透過層10aをGaAs、AlGaAs、又はGaInAsPから構成し、p型エッチング停止層9をAlGaInP又はGaInPから構成する場合、塩酸系エッチャントを用いることによって、第1上部クラッド光透過層10aにおいてエッチングを停止させ得る。
p型エッチング停止層9がリッジ部のみに存在する場合、p型エッチング停止層9の材料特性を調整することによりレーザ特性を改善できる。例えば、p型エッチング停止層9の構成材料としてn型電流ブロック層14より高屈折率の材料を用いることにより、リッジ部が設けられた中央部の実効屈折率をその両側のn型電流ブロック層14が存在する領域の実効屈折率より高くすることができる。これによって、発振光を半導体光素子1の中央部に更に強く閉じ込めることができ発振特性を更に改善できる。例えば、p型上部クラッド層10とn型電流ブロック層14とがGaInPから構成される場合、p型エッチング停止層9はGaInPより高屈折率のGaAsを有することが好適である。
その後、図5(b)に示すように、マスク20を残存させた状態でn型電流ブロック層14を成長させる。このとき、マスク20上において結晶は成長しないので、リッジ部(第2上部クラッド光透過層10b)の両側にn型電流ブロック層14が埋め込まれた埋め込みリッジ構造が得られる。
続いて、マスク20を除去し、さらに図6(a)に示すように、第3上部クラッド光透過層10c及びp型コンタクト層15を成長し、さらに絶縁膜16を形成する。
最後に、研磨等によりn型GaAs基板3を劈開可能な厚さ(100μm以上200μm以下、又は100μm以下)まで薄くした後、図6(b)に示すように、蒸着やスパッタといった方法によりn型電極2及びp型電極17を形成して、図2に示した埋め込みリッジ型のレーザである半導体光素子1は完成する。このように、本実施形態に係る半導体光素子1によれば、下部クラッド光吸収層4を他の半導体層(第1下部クラッド光透過層5a、活性層7、及びp型上部クラッド層10等)と共に一括してエピタキシャル成長させることが可能なので、特許文献2の構造と比較して、製造工程数の増加を抑えることができる。
なお、半導体光素子1におけるリッジ構造は上記構成に限定されず、電流狭窄可能な任意の構造を選択できる。例えば、図7に示す半導体光素子71のように、第3上部クラッド光透過層10cを半導体光素子1の構成から除き、リッジ形状の第2上部クラッド光透過層10b及びリッジ形状にエッチングされたp型コンタクト層15の両側がn型電流ブロック層14で埋め込まれた構造としてもよい。本構造では、第1上部クラッド光透過層10aと第2上部クラッド光透過層10bにより、p型上部クラッド層70が構成される。このような構成を有する半導体光素子71を作製する場合、n型GaAs基板上にn型下部クラッド層5からp型コンタクト層15までの各半導体層を一括してエピタキシャル成長させた後、第2上部クラッド光透過層10b及びp型コンタクト層15をエッチングしてリッジ状に成形し、その後n型電流ブロック層14を形成するとよい。したがって、図1の半導体光素子1では3回の成長工程が必要なのに対し、半導体の成長工程を2回で済ませることができ、製造工程が簡素化できる。本実施例では一例として、第1上部クラッド光透過層10aと第2上部クラッド光透過層10bは、互いに構成元素とその元素組成比が同一の半導体材料で形成されている。
(第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係る半導体光素子81を示す断面図である。この第2実施形態が第1実施形態と違う点は、第1実施形態で説明したn型下部クラッド層5の厚さ方向における下部クラッド光吸収層4の形成位置と、この第2実施形態のn型下部クラッド層80の厚さ方向における下部クラッド光吸収層4の形成位置とが、互いに異なる点である。
図8は、第2実施形態に係る半導体光素子81を示す断面図である。この第2実施形態が第1実施形態と違う点は、第1実施形態で説明したn型下部クラッド層5の厚さ方向における下部クラッド光吸収層4の形成位置と、この第2実施形態のn型下部クラッド層80の厚さ方向における下部クラッド光吸収層4の形成位置とが、互いに異なる点である。
図8に示すように、半導体光素子81は、第1下部クラッド光透過層5aと、下部クラッド光吸収層4と、第2下部クラッド光透過層5bとを含むn型下部クラッド層80を備える。第2下部クラッド光透過層5bはn型GaAs基板3上に設けられており、下部クラッド光吸収層4は第2下部クラッド光透過層5b上に設けられており、第1下部クラッド光透過層5aは下部クラッド光吸収層4上に設けられている。第2下部クラッド光透過層5bは本実施形態における第2光透過層である。また、下部クラッド光吸収層4はn型下部クラッド層80中の厚さ方向における任意の位置に設けられることができる。この際、基板モードの励振を抑制するのに導波光の吸収量が必要最小限となるよう、下部クラッド光吸収層4の形成される位置が最適化されることが好適である。
第2下部クラッド光透過層5bは発振波長に対して透明である。即ち、第2下部クラッド光透過層5bは発振光を吸収してはいけないので、第2下部クラッド光透過層5bは活性層7よりも高バンドギャップを有する必要がある。第2下部クラッド光透過層5bには、実施例1に示した、第1下部クラッド光透過層5aに使用可能な半導体材料と同じものを用いることが出来る。本実施例では一例として、第2下部クラッド光透過層5bの半導体材料の構成元素、及び元素組成比は第1下部クラッド光透過層5aの半導体材料と同一である。また本実施例では一例として、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cは、互いに構成元素とその元素組成比が同一の半導体材料で形成されている。
従来の半導体光素子のように下部クラッド光吸収層4が設けられていないと仮定すると、図8の範囲Dに示すように、n型下部クラッド層80に拡がった導波光は、n型GaAs基板3内にまで侵入して分布する。その結果、前述したような基板モードが励振され、この基板モードと本来の導波モードとが共鳴結合して外乱を与えるので、発振(発光)波長の変動(モードホップ)といった特性劣化が生じてしまう。
これに対し本実施形態に係る半導体光素子81においては、n型下部クラッド層80に下部クラッド光吸収層4が設けられている。従って、図8の範囲E2に示すように、導波光は下部クラッド光吸収層4において吸収されるので、n型下部クラッド層80からn型GaAs基板3への導波光の漏れは低減される。よって、基板モードの励振が回避され、これに起因する発振(発光)波長の不安定化といったレーザの特性劣化を低減することができる。このように本実施形態の半導体光素子81によれば、n型下部クラッド層80中に設けられている下部クラッド光吸収層4によって、特許文献2の構造と比べて基板モードの影響をより低減することが可能となり、レーザ特性を向上できる。
本実施形態に係る半導体光素子81において、下部クラッド光吸収層4は第1、及び第2の下部クラッド光透過層5aと5bの間に設けられている。よって、第1実施形態と同様に下部クラッド光吸収層4を他の半導体層と共に一括してエピタキシャル成長させることが可能であり、製造工程数の増加を抑えることができる。
なお、従来の半導体光素子において下部クラッド層からGaAs基板へ漏れる導波光量は導波光全体のうち極僅かであり、この僅かな光の漏れが基板モードを励振する。従って、基板モード抑制のために、下部クラッド光吸収層4において吸収されるべき導波光の量は微小でよく、従ってn型下部クラッド層80が下部クラッド光吸収層4を含んでも、導波光が被る吸収損は従来の半導体光素子と比べて殆ど変わらない。逆に言えば、下部クラッド光吸収層4の付加に起因するレーザ特性の劣化を最小限とするためには、下部クラッド光吸収層4における導波光の吸収量が、n型GaAs基板3側への光の漏れを低減するのに必要最小限な量となるように下部クラッド光吸収層4の組成や厚さ、及びn型下部クラッド層80中の位置が最適化されることが好適である。
(第3実施形態)
図9は、本実施形態に係る半導体光素子91を示す断面図である。本実施形態では、第2実施形態に係る半導体光素子81のp型上部クラッド層10の代わりに、p型上部クラッド層90を半導体光素子が有する場合を説明する。
図9は、本実施形態に係る半導体光素子91を示す断面図である。本実施形態では、第2実施形態に係る半導体光素子81のp型上部クラッド層10の代わりに、p型上部クラッド層90を半導体光素子が有する場合を説明する。
図9に示すように、p型上部クラッド層90は、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、上部クラッド光吸収層100、及び第4上部クラッド光透過層10dを含む。第1上部クラッド光透過層10a上に、エッチング停止層9を挟んで第2上部クラッド光透過層10bが設けられており、第2上部クラッド光透過層10b上に第3上部クラッド光透過層10cが設けられており、第3上部クラッド光透過層10c上に上部クラッド光吸収層100が設けられており、上部クラッド光吸収層100上に第4上部クラッド光透過層10dが設けられている。
p型上部クラッド層90は本実施形態における第2クラッド層である。第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、又は第3上部クラッド光透過層10cは本実施形態における第3光透過層であり、第4上部クラッド光透過層10dは本実施形態における第4光透過層である。上部クラッド光吸収層100は本実施形態における第3光吸収層である。すなわち、第3光透過層と第4光透過層との間に第3光吸収層が設けられている。
第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dは発光波長の光に対して透明である。即ち、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dは活性層7より高いバンドギャップを有する。
上部クラッド光吸収層100は、活性層7で生じp型上部クラッド層90へ拡がった発振光を吸収する。即ち、上部クラッド光吸収層100は、活性層7より低いバンドギャップを有する。
上部クラッド光吸収層100に用いられる材料として、第1実施形態において説明した下部クラッド光吸収層4に使用可能な材料と同じものが用いられる。また、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dに用いられる材料として、第1実施形態において説明した第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cに使用可能な材料と同じものが用いられる。本実施例では一例として、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dは、互いに構成元素とその元素組成比が同一の半導体材料で形成されている。
以下、上部クラッド光吸収層100の機能を説明する。p型コンタクト層15の材料として一般に用いられるGaAsは、p型上部クラッド層10よりも高屈折率を有する。またp型GaAsコンタクト層15はn型GaAs基板3の場合と同様に、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光に対して透明である。従って第1実施形態で説明したn型GaAs基板3の場合と同様に、p型GaAsコンタクト層15は0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光に対して導波路と成る。そのため、p型コンタクト層15へp型上部クラッド層90から光が漏れ出ると、p型コンタクト層15を導波する固有のモードが形成される。この固有のモードは活性層7の本来の導波モードと結合してしまう恐れがある。従って、基板モードが導波モードに結合した場合と同様に、レーザ特性の劣化を招く可能性がある。
これに対し、本実施形態の半導体光素子91では、p型上部クラッド層90中に上部クラッド光吸収層100が設けられているので、活性層7で生じp型上部クラッド層90へ拡がった導波光は上部クラッド光吸収層100において吸収される。従って、p型上部クラッド層90中における導波光の拡がりは弱められる。その結果、導波光はp型コンタクト層15に到達するまでに減衰し、p型コンタクト層15側へ漏れ出ない。従って、p型コンタクト層15への導波光の漏れに起因する導波モードの励振は抑制され、これによるレーザの特性劣化が回避される。
また、従来の半導体光素子において、p型上部クラッド層90からp型コンタクト層15側へ漏れる導波光の量は全体の極僅かである。この僅かな光の漏れがコンタクト層に起因する導波モードを励振する。従って、この導波モードを抑制するために、上部クラッド光吸収層100において吸収されるべき導波光量は微小でよい。従って、p型上部クラッド層90が上部クラッド光吸収層100を含んでも、導波光が被る吸収損は従来の半導体光素子と比べて殆ど変わらない。逆に言えば、上部クラッド光吸収層100の付加に起因するレーザ特性の劣化を最小限とするためには、上部クラッド光吸収層100における導波光の吸収量が、p型コンタクト層15側への光の漏れを防止するのに必要最小限な量となるように、上部クラッド光吸収層100の組成や厚さ、又はp型上部クラッド層90における上部クラッド光吸収層100の形成位置を最適化することが好適である。
更に、上部クラッド光吸収層100はp型コンタクト層15、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10d等と共に一括してエピタキシャル成長させることが出来るため、製造工程数の増加を抑えることが可能となる。
半導体光素子1が0.9μm以上1.25μm以下の発光(発振)波長を有する場合、上部クラッド光吸収層100は、活性層7より低いバンドギャップを有し、0.9μm以上1.25μm以下の範囲の発振光を吸収できる半導体層で構成される。一例としては、前述の活性層7に使用可能なGaInAsやGaInAsP、或いはGaInNAsやGaNAsといった、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII-V族半導体材料を、この層に用いることが出来る。但し、これらの層は活性層より低いバンドギャップを有し、発振光を吸収できる層となるよう、予め組成や厚さを調整しておく必要がある。
なお、本実施形態では、上部クラッド光吸収層100が第3上部クラッド光透過層10cと第4上部クラッド光透過層10dとの間に設けられている構造を示した。しかしこの構造に限定されず、上部クラッド光吸収層100はp型上部クラッド層90中の厚さ方向における任意の位置に設けることができる。
図8において、n型下部クラッド層80の第1下部クラッド光透過層5a及び第2下部クラッド光透過層5bが互いに同一の構成元素、及び元素組成比の半導体材料で構成されている例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、n型下部クラッド層80の第1下部クラッド光透過層5a及び第2下部クラッド光透過層5bが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。例えば、図8の半導体光素子81において、第2下部クラッド光透過層5bは第1下部クラッド光透過層5aより低屈折率の材料から構成されても良い。この場合、第1下部クラッド光透過層5a及び第2下部クラッド光透過層5bの屈折率分布に起因してn型下部クラッド層80中の光の閉じ込めが強化されるという効果を生じる。従って、第1下部クラッド光透過層5a及び第2下部クラッド光透過層5bが互いに同一の構成元素、及び同一の元素組成比の半導体材料で構成されている場合に比べて、n型下部クラッド層80における導波光の拡がりを更に低減可能となる。
また、図2及び図8においては、p型上部クラッド層10の第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cが互いに構成元素とその元素組成比が同一な半導体材料で構成されている半導体光素子1,81の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、p型上部クラッド層10の第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。
さらに、図7において、p型上部クラッド層70の第1上部クラッド光透過層10a及び第2上部クラッド光透過層10bが互いに構成元素とその元素組成比が同一な半導体材料で構成されている半導体光素子71の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、p型上部クラッド層70の第1上部クラッド光透過層10a及び第2上部クラッド光透過層10bが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。
また、図9において、p型上部クラッド層90の第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dが互いに構成元素とその元素組成比が同一な半導体材料で構成されている半導体光素子91の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、p型上部クラッド層90の第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cと、第4上部クラッド光透過層10dとが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。
例えば、第4上部クラッド光透過層10dが、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cより低屈折率の材料によって構成されている場合も、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dの屈折率分布に起因して、p型上部クラッド層90中の光の閉じ込めが強化される。従って、第1、第2、第3、第4の上部クラッド光透過層10a、10b、10c、10dが、互いに同一の構成元素及び同一の元素組成比の半導体材料で構成されている場合に比べて、p型上部クラッド層90中における導波光の拡がりがより低減されコンタクト層側への導波光の漏れを防ぐことがより容易となる。従って、コンタクト層に起因する導波モードの励振をより効果的に低減可能となる。
このような構成を実現可能な材料の具体例を説明する。例えば、第1下部クラッド光透過層5aがGaInPから構成される場合、第2下部クラッド光透過層5bはGaInPより低屈折率のAlGaInPから構成されると良い。また、第1下部クラッド光透過層5aがAlGaAsから構成される場合、第2下部クラッド光透過層5bは、第1下部クラッド光透過層5aであるAlGaAsよりAlの組成が大きく、従って、第1下部クラッド光透過層5aであるAlGaAsより低屈折率となるAlGaAsから構成されると良い。また、p型上部クラッド層90において、第4上部クラッド光透過層10dが低屈折率材料から構成され、第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cが高屈折率材料から構成される構造も、例えばn型下部クラッド層5の第1下部クラッド光透過層5a及び第2下部クラッド光透過層5bにおける上記材料によって実現可能である。
以上の説明から判るように、n型下部クラッド層80の第1下部クラッド光透過層5a及び第2下部クラッド光透過層5bが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、p型上部クラッド層10の第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、及び第3上部クラッド光透過層10cが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、p型上部クラッド層70の第1上部クラッド光透過層10a及び第2上部クラッド光透過層10bが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、又はp型上部クラッド層90の第1上部クラッド光透過層10a、第2上部クラッド光透過層10b、第3上部クラッド光透過層10c、及び第4上部クラッド光透過層10dが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、基板モードやコンタクト層に起因する導波モードを低減するための光導波構造設計の自由度は更に増し、構造最適化がより容易となる。
また、各実施形態で説明したn型下部クラッド層5,80の下部クラッド光吸収層4、又はp型上部クラッド層90の上部クラッド光吸収層100は、単層膜に限らず、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光を吸収可能な任意の多層膜構造であっても良い。例えば、2種類以上のバンドギャップの互いに異なる数nmの厚さを有する半導体層を交互に、且つ周期的に多数積層した超格子構造が下部クラッド光吸収層4又は上部クラッド光吸収層100として用いられても良い。具体的には、GaAs及びInAsの組合せから成る超格子層は、GaInAsから成る単層膜と同等のバンドギャップを有し、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長の光を吸収できる。よって、GaInAsから成る単層膜と同様に0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光に対し、下部クラッド光吸収層4及び上部クラッド光吸収層100は、GaAs及びInAsの組合せから成る超格子層を有しても良い。
また、GaInAs及びGaInPの組合せから成る超格子層やGaAsP及びInAsPの組合せから成る超格子層は、GaInAsPから成る単層膜と同等のバンドギャップを有する。また、GaInAs及びGaInNの組合せから成る超格子層やGaNAs及びInNAsの組合せから成る超格子層は、GaInNAsから成る単層膜と同等のバンドギャップを有する。更に、GaAs及びGaNの組合せから成る超格子層は、GaNAsから成る単層膜と同等のバンドギャップを有する。従ってこれらの組合せから成る超格子層は、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長の光を吸収できる。従って、これらの組合せから成る超格子層は単層膜の場合と同様に、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光に対し下部クラッド光吸収層4及び上部クラッド光吸収層100として使用される。
これらの多層膜構造が下部クラッド光吸収層4又は上部クラッド光吸収層100として用いられる場合も、n型GaAs基板3側やp型コンタクト層15側への導波光の漏れを防止できる。従って、基板モードやコンタクト層起因の導波モードの発生を回避できる。
また上述したような多層膜構造においては、バンドギャップの互いに異なる半導体層が交互に積層され、その結果多数の半導体へテロ接合界面が形成される。このような異種半導体層間のへテロ接合界面が下部クラッド光吸収層4又は上部クラッド光吸収層100
に形成されることにより、下部クラッド光吸収層4又は上部クラッド光吸収層100の外部からの結晶欠陥の侵入をより効果的に低減する効果がある。従って、n型GaAs基板3側やp型コンタクト層15側からの活性層7への欠陥の侵入を効果的に低減でき、その結果レーザの信頼性を改善可能となる。
に形成されることにより、下部クラッド光吸収層4又は上部クラッド光吸収層100の外部からの結晶欠陥の侵入をより効果的に低減する効果がある。従って、n型GaAs基板3側やp型コンタクト層15側からの活性層7への欠陥の侵入を効果的に低減でき、その結果レーザの信頼性を改善可能となる。
また、各実施形態において、n型下部クラッド層5,80又はp型上部クラッド層90が1層のみに光吸収層を有する場合を示したが、これに限定されるものではない。必要に応じて、n型下部クラッド層5,80又はp型上部クラッド層90は複数の層に光吸収層を有しても良い。例えば、n型下部クラッド層5,80は、下部クラッド光吸収層4とは別に光吸収層(第2光吸収層)を更に有し、第1光吸収層と第2光吸収層との間に第1光透過層又は第2光透過層が配置されても良い。また、p型上部クラッド層90は、上部クラッド光吸収層100とは別に光吸収層(第4光吸収層)を更に有し、第3光吸収層と第4光吸収層との間に第3光透過層又は第4光透過層が配置されていても良い。これらの場合、基板モードやコンタクト層に起因の導波モードを低減するための、光導波構造設計の自由度が更に増し、構造最適化が更に容易となる利点がある。更に、例えば光吸収特性の互いに異なる複数の光吸収層を組み合わせることも可能であり、基板モードやコンタクト層に起因の導波モードを低減するための、光導波構造設計の自由度が格段に増し、構造最適化が格段に容易となる利点がある。
各実施形態の半導体光素子が0.9μm以上1.25μm以下の発光(発振)波長を有する場合、第2光吸収層や第4光吸収層は、活性層7より低いバンドギャップを有し、0.9μm以上1.25μm以下の範囲の発振光を吸収できる半導体層で構成される。一例としては、前述の活性層7に使用可能なGaInAsやGaInAsP、或いはGaInNAsやGaNAsといった、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII-V族半導体材料を、これらの層に用いることが出来る。但し、これらの層は活性層より低いバンドギャップを有し、発振光を吸収できる層となるよう、予め組成や厚さを調整しておく必要がある。
また、第2光吸収層や第4光吸収層は、単層膜に限らず、0.9μm以上1.25μm以下の発光波長帯域の発振光を吸収可能な任意の多層膜構造であっても良い。例えば、2種類以上のバンドギャップの互いに異なる数nmの厚さを有する半導体層を交互に、且つ周期的に多数積層した超格子構造が第2光吸収層や第4光吸収層に使用されても良い。超格子構造の具体例としては、下部クラッド光吸収層4(第1光吸収層)や上部クラッド光吸収層100(第3光吸収層)に使用可能な超格子構造と同様の超格子構造を、第2光吸収層や第4光吸収層にも使用可能である。
また、各実施形態において、n型GaAs基板3上に0.9μm以上1.25μm以下の帯域の発光(発振)波長を有する半導体レーザを作製する場合を示したが、これに限られるものではなく、p型GaAs基板を用いて半導体光素子を作製しても良い。但しこの場合、各半導体層の導電型としては、各実施形態とは逆のタイプの導電型、即ちn型層の領域にはp型層を、p型層の領域にはn型層を各々用いる必要がある。
以上では、本発明を半導体レーザに適用した場合における実施例を説明したが、本発明による半導体光素子は、上記した半導体レーザの実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、本発明をLEDや電界吸収型光変調器、マッハツェンダー型光変調器、半導体光増幅器(SOA)等他の半導体光素子への適用も可能である。これら全ての素子形態において本発明を適用すれば、基板モードを除去できるので半導体光素子の特性が効果的に改善される。また本発明の構造では従来プロセスに比べてプロセスの簡略化、短時間化が実現され、歩留まり向上やコストダウンが図れる。また、活性層や他の半導体層は、上記各実施形態において例示した組成に限られるものではない。
1,71,81,91…半導体光素子、3…n型GaAs基板、4…下部クラッド光吸収層、5,80…n型下部クラッド層、5a…第1下部クラッド光透過層、7…活性層、10,90…p型上部クラッド層
Claims (15)
- 端面発光型の半導体光素子であって、
半導体基板上に設けられた第1クラッド層と、
前記第1クラッド層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第2クラッド層と、を備え、
前記半導体基板は前記活性層よりも高いバンドギャップを有し、
前記第1クラッド層は、前記活性層よりも低いバンドギャップを有する第1光吸収層と、前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第1光透過層とを含むことを特徴とする半導体光素子。 - 前記第1クラッド層は、前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第2光透過層を更に含み、前記第1光吸収層は前記第1光透過層と前記第2光透過層との間に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体光素子。
- 前記第1クラッド層は、前記活性層よりも低いバンドギャップを有する第2光吸収層を更に含み、前記第1光吸収層と前記第2光吸収層との間に前記第1光透過層又は前記第2光透過層が配置されていることを特徴とする、請求項2に記載の半導体光素子。
- 前記第1光透過層と前記第2光透過層とは、互いに異なる組成を有することを特徴とする、請求項2又は請求項3に記載の半導体光素子。
- 前記第1光吸収層は、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII−V族化合物半導体、GaInAs、及びGaInAsPのうちいずれかの半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 前記第1光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる2以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層されている多層膜であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 前記第2クラッド層は、前記活性層よりも低いバンドギャップを有する第3光吸収層と前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第3光透過層とを含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 前記第2クラッド層は、前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第4光透過層を更に含み、前記第3光吸収層は前記第3光透過層と前記第4光透過層との間に設けられていることを特徴とする、請求項7に記載の半導体光素子。
- 前記第2クラッド層は第4光吸収層を更に含み、前記第3光吸収層と前記第4光吸収層との間に前記第3光透過層又は前記第4光透過層が配置されていることを特徴とする、請求項8に記載の半導体光素子。
- 前記第3光透過層と前記第4光透過層とは、互いに異なる組成を有することを特徴とする、請求項8又は請求項9に記載の半導体光素子。
- 前記第3光吸収層は、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII−V族化合物半導体、GaInAs、及びGaInAsPのうちいずれかの半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項7〜10のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 前記第3光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる2以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層されている多層膜であることを特徴とする、請求項7〜11のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 前記多層膜は、GaAs及びInAsの組合せ、GaAs及びGaNの組合せ、GaInAs及びGaInPの組合せ、GaAsP及びInAsPの組合せ、GaInAs及びGaInNの組合せ、並びにGaNAs及びInNAsの組合せのうちいずれかの組合せからなる超格子層であることを特徴とする、請求項6又は12に記載の半導体光素子。
- 前記活性層は、Ga、As、及びNを少なくとも含むIII−V族化合物半導体、GaInAs、及びGaInAsPのうちいずれかの半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体光素子。
- 前記半導体基板はGaAs基板であり、前記活性層は、0.9μm以上1.25μm以下の発振波長に対応するバンドギャップを有していることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体光素子。
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