半導体光増幅器及び光通信システム
【課題】利得、飽和出力の低下を抑制する半導体光増幅器を提供する。
【解決手段】半導体光増幅器は、半導体基板１と、その上方に形成されバリア層２に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含み、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層７とを交互に成長し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む活性層２１と、活性層上方に形成されたクラッド層２５と、クラッド層と半導体基板に接続された電極１６、２７と、を有し、複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、バリア層２の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高く、さらに、コラムナ量子ドット層の最上のサイドバリア層とその第２導電型電極側のバリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層８を備える。
【解決手段】半導体光増幅器は、半導体基板１と、その上方に形成されバリア層２に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含み、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層７とを交互に成長し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む活性層２１と、活性層上方に形成されたクラッド層２５と、クラッド層と半導体基板に接続された電極１６、２７と、を有し、複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、バリア層２の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高く、さらに、コラムナ量子ドット層の最上のサイドバリア層とその第２導電型電極側のバリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層８を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを用いて光信号を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ；semiconductor optical amplifier）及び光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、加入者に身近なメトロ・アクセス系にも大容量で高速なフォトニックネットワークの適用範囲が広がっている。特に、ＬＡＮシステムのＯＴＤＭ−ＮＩＣ（光時分割多重−ネットワークインターフェースカード）への集積化に向けて、高効率で低消費電力のＳＯＡが必要である。また、ペルチエ素子を用いず、シリコンデバイスと共用できるようにするため、８５℃まで良好な温度特性が望まれる。
【０００３】
ストランスキークラスタノフ（Ｓ−Ｋ）モードにより形成した自己組織化量子ドットは、横方向サイズに対して高さが極端に低い扁平な形状を有し、偏波依存性を有する。そこで扁平な量子ドットを複数段近接積層させた量子ドットを開発し、その構造を最適化することで偏波無依存性を実現した。このような構造の量子ドットをコラムナ量子ドットと定義した。コラムナ量子ドットも量子効果により離散的準位を形成し、温度安定性も高くなると期待される。
【０００４】
コラムナ量子ドットを形成するプロセスパラメータ、特に活性層の成長時の成長温度、成長厚、成長ガス流量比（ＩＩＩ族ガスの流量／Ｖ族ガスの流量）を調整することにより、コラムナ量子ドットの特性を種々制御することができる。例えば、量子ドット層を形成した後、埋め込み層を形成し、基板温度を量子ドット形成温度より上げることにより、量子ドットの頂部を平坦化できる（例えば、特開２００７−４２８４０号）。
【０００５】
例えば、（００１）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板上に、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）により、基板に格子整合するｎ型ＩｎＰバッファ層とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下地層（バリア層とも呼ぶ）を６００℃で成長し、基板温度を４６０度に降温して、基板より格子定数の大きなＩｎＡｓ量子ドット層と基板より格子定数の小さなｉ型ＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層を成長し、基板温度を５００℃に昇温して平坦化を行い、再び基板温度を４６０℃に降温してＩｎＡｓ量子ドット層、ＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層を成長し、基板温度を５００℃に昇温して平坦化を行う工程を必要回数繰り返してコラムナ量子ドットを形成し、下地層と同じ組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰバリア層、ｐ型ＩｎＰクラッド層を成長する。
【０００６】
十分な利得特性を得るためには、コラムナ量子ドット層を複数層、バリア層を介して積層することができる。偏波無依存のコラムナ量子ドットを複数層形成するには、５００℃以下の温度で下部コラムナ量子ドット構造、その上の第１のＩｎＧａＡｓＰバリア層を形成し、その後５００℃以上で第２のＩｎＧａＡｓＰバリア層を形成し、基板温度を降温して、第２のコラムナ量子ドット構造を形成することができる（例えば特開２００７−１５７９７５号）。第２のバリア層の成長温度を高くすることにより、結晶性を向上し、成長速度を高くすることができる。
【０００７】
コラムナ量子ドット形成に、以下のモデルが用いられる。各量子ドット層が離散的量子ドット領域とその周囲に広がるウェット層で形成され、量子ドットの側面にサイドバリア層が接する層構成が複数層積層され、量子ドットの上に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、その周囲にはウェット層とサイドバリア層とが交互に積層された領域が形成される。コラムナ量子ドット周辺に積層構造によりミニバンドが形成されている。
【０００８】
キャリアが有効に量子ドットで消費されるようにするには、ミニバンドの基底量子準位をバリア層の基底量子準位より高くし、バリア層内のキャリアはミニバンドに向かわないようにすることが考えられる（例えば、特開２０１０−４０８７２号）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−４２８４０号公報
【特許文献１】特開２００７−１５７９７５号公報
【特許文献１】特開２０１０−４０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らは、ミニバンドの基底量子準位がバリア層の基底量子準位より高くなる構成のＳＯＡを試作し、温度特性が改善されることを確認した。ところが、コラムナ量子ドット層を複数積層させたＳＯＡにおいて、利得と、飽和出力が低下するという新たな問題が生じた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施例によれば、
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成され、バリア層に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含む活性層であって、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層とを交互に成長して、量子ドットの上方に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む、活性層と、
前記活性層上方に形成された、ｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
前記半導体基板に接続されたｎ側電極と、
を有し、前記コラムナ量子ドットの側部で前記複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高い半導体光増幅器であって、
さらに、前記各コラムナ量子ドット層の前記ｐ側電極に最も近い最上のサイドバリア層と隣接する前記バリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、前記サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層、
を備えた半導体光増幅器
により解決が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
中間層を挿入することで積層部界面におけるキャリアの蓄積、及び漏れ出しが抑制でき、量子ドットＳＯＡの利得低下及び飽和出力低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１−１】と、
【図１−２】図１Ａは、本発明の要部を示す断面図、図１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは、実施例１による半導体光増幅器の要部断面図、全体を示す一部破断斜視図、バンドダイアグラムである。
【図２−１】と、
【図２−２】と、
【図２−３】図２Ａ〜２Ｉ、２Ｋ〜２Ｍは、実施例１による半導体光増幅器の製造プロセスを示す断面図、図２Ｊは図２Ｉの状態の平面図、図２Ｎは図２Ｍの状態の一部破断斜視図である。
【図３】図３Ａ，３Ｂは、実施例２による半導体光増幅器の要部断面図、及びバンドダイアグラムである。
【図４】図４Ａ，４Ｂは、実施例３による半導体光増幅器の要部断面図、及びバンドダイアグラムである。
【図５】半導体光増幅器を用いた光通信システムの構成例を示すブロック図である。
【図６】図６Ａ、図６Ｂは、参考例による半導体光増幅器の要部断面図、バンドダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図６Ａは、参考例によるＳＯＡの構成を概略的に示す断面図である。ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１の上に下バリア層１０２−１、第１コラムナ量子ドット構造１０３−１、第１中間バリア層１０２−２、第２コラムナ量子ドット構造１０３−２、第２中間バリア層１０２−３、と必要数コラムナ量子ドット構造とバリア層とが交互に積層され、最上バリア層上にｐ＋型ＩｎＰクラッド層１０９が積層されている。なお、ＩｎＰ基板の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層を形成してもよい。
【００１５】
各コラムナ量子ドット構造１０３は、分散配置された量子ドット１０４と、量子ドット１０４に連続し、その周囲に延在するウェット層１０５を含むＩｎＡｓ層１０６と、量子ドット１０４の側面に接し、量子ドット周囲ではウェット層１０５と交互に積層されたサイドバリア層１０７とを含む。２層目以降の量子ドット１０４は下地層の量子ドット１０４の上に選択的に形成され、量子ドットが積層されたコラムナ量子ドット１１１を形成する。コラムナ量子ドット１１１の周囲には、ウェット層１０５とサイドバリア層１０７との積層部１１２が形成される。ウェット層１０５とサイドバリア層１０７の各厚さは、量子効果を生じる範囲であり、バルク状態とは異なる、いわゆるミニバンドを構成する。
【００１６】
例えば、バリア層１０２、サイドバリア層１０７を同じ組成のＩｎＧａＡｓＰで形成するとする。積層部はサイドバリア層１０２と大幅にバンドギャップの狭いＩｎＡｓウェット層の交互積層で形成され、その基底量子準位は両者の中間になることが考えられる。すると、積層部のバンドギャップがバリア層のバンドギャップよりも狭くなり、キャリアがバリア層から積層部に抜けてしまい、この部分のポテンシャルが下がることでコラムナ量子ドットの温度特性が劣化する可能性が大きい。
【００１７】
積層部の実効的な基底量子準位を、バリア層の基底量子準位以上のエネルギとするには、サイドバリア層１０７を、バルク状態のバンドギャップがバリア層のバンドギャップより大きな材料で形成することが必要であろう。例えば、バリア層１０２は、Ｉｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３２７Ｐ０．６７３で形成し、サイドバリア層１０７はＡｌＡｓで形成する。
【００１８】
図６Ｂは積層部１１２のポテンシャルプロファイルの概略図である。横方向にエネルギを取り、伝導帯端部のエネルギをＥＣ、価電子帯端部のエネルギをＥＶで示す。バリア層１０２のバンドギャップは、積層部１１２のミニバンドのバンドギャップより狭い。言い換えれば、サイドバリア層１０７とウェット層１０５の積層部１１２は、バリア層１０２より高いバンドギャップを有する。
【００１９】
このコラムナ量子ドット構造を用いたＳＯＡを試作し、材料利得の温度特性が改善することを確認した。ところが、利得、飽和特性が低下するという新たな問題が生じた。
【００２０】
図６Ｂにおいて、バリア層１０２の価電子帯端部のエネルギＥＶは、積層部１１２の価電子帯端部より低い。上方のｐ＋型ＩｎＰ層１０９から供給された正孔は、バリア層１０２と積層部１１２の界面で遮られ、蓄積される可能性を有する。
【００２１】
界面に正孔が蓄積されると、ｐ＋型ＩｎＰ層１０９から下方に供給される正孔は、蓄積電荷による反発力を受け、下段の構成要素に十分伝達されない状況が生じ得る。飽和出力の低下が生じ得る。
【００２２】
この現象を防止するためには、バリア層１０２と積層部１１２との界面におけるポテンシャルバリアの高さを実効的に低くすることが望まれる。バリア層１０２のバンドギャップを高くすることによっても、バリア層１０２と積層部１１２との間のポテンシャルバリアは低減できる。
【００２３】
そこで、バリア層１０２のバンドギャップを高くした半導体光増幅器を試作した。ところが、利得が低下し、半導体光増幅器の特性は改善しなかった。その可能性として、コラムナ量子ドットの光閉じ込めの減少によるモダールゲインの減少と、バンドギャップを高くしたバリア層とＩｎＰクラッド層とのバンド不連続の差が小さくなり、バリア層からクラッド層にキャリアが漏れ出すことが考えられる。利得の低下は、光閉じ込めの減少から見積もった値よりも小さな値であった。また、近視野像の評価でＩｎＰクラッド層からも発光が観測された。これらの結果から、ＩｎＰクラッド層キャリアの漏れが利得低下の主原因になっていると考えられる。そこで、本発明者は、以下の説明する構造を考察した。
【００２４】
図１Ａに示すように、複数段のコラムナ量子ドット構造３（積層部１２）の各々のｐ側電極側において、バリア層２とコラムナ量子ドット構造３（積層部１２）との間に中間層８を挿入することにより、コラムナ量子ドット周辺部における積層部１２とバリア層２との間の正孔に対するポテンシャルバリアを実効的に低減することを着想した。中間層８の価電子帯端部のエネルギは、バリア層２の価電子帯端部のエネルギより高く、積層部１２の価電子帯端部のエネルギより低く選ぶ。中間層８の厚さは、正孔トラップを抑制できる最低限必要な厚さとすることが、好ましい。
【００２５】
図１Ｂは、実施例１による半導体光増幅器の要部を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層を介して、第１バリア層２−１、第１コラムナ量子ドット構造３−１、第１中間層８−１、第２バリア層２−２の積層構造を形成する。第２バリア層２−２の上に、第２コラムナ量子ドット構造３−２、第２中間層８−２、第３バリア層２−３、・・・と複数段の積層構造を形成する。第２段以降の積層構造も、第１段の積層構造同様の構造を有する。
【００２６】
コラムナ量子ドット構造３においては、ＩｎＡｓの量子ドット層６とサイドバリア層７とが交互に積層される。ＩｎＡｓの量子ドット層６は、ＩｎＰの半導体基板より大きな格子定数を有し、量子ドットを形成する。ＩｎＡｓの量子ドット層を成長すると、当初全体に拡がる濡れ層を形成し、その後、局所的に厚くなって量子ドット４を形成し、その周囲にウェット層５を残す。例えば、底面サイズ２０ｎｍ×２５ｎｍ、高さ１ｎｍ程度の量子ドットを密度７×１０１０ｃｍ−２で形成した量子ドット層６を形成する。量子ドット層６とサイドバリア層７を交互に５対〜１６対積層すると、量子ドット４の上に量子ドット４が積層され、コラムナ量子ドット１１が形成される。サイドバリア層７は、半導体基板より小さな格子定数を有し、歪みを緩和する機能を有する。コラムナ量子ドット１１間の領域は、サイドバリア層７とウェット層５が積層された積層部１２を構成する。
【００２７】
偏光無依存のコラムナ量子ドット１１は、積層数の制約を受ける。所望の厚さを有する活性層を形成するには、コラムナ量子ドット層を多段構成とし、コラムナ量子ドット層間はバリア層で分離する必要がある。本実施例においては、各コラムナ量子ドット層のｐ側電極側に中間層８を介して、バリア層２を配置する。
【００２８】
例えば、バリア層２はＩｎＰ基板に格子整合する、厚さ３０ｎｍのＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３２Ｐ０．６８で形成し、サイドバリア層は引張歪み−０．８％、厚さ１ｎｍのＩｎ０．８３Ｇａ０．１７Ａｓ０．１４Ｐ０．８６で形成する。ＩｎＡｓ量子ドット４の厚さも約１ｎｍとなる。中間層８は、例えば、ＩｎＰ基板に格子整合する、厚さ１０ｎｍのＩｎ０．８９Ｇａ０．１１Ａｓ０．２４Ｐ０．７６で形成する。量子ドット層６、サイドバリア層７の厚さに較べて、中間層８の厚さは１桁程度厚く、バリア層２はさらに厚い。サイドバリア層７、ウェット層５が積層全体として所謂ミニバンドを形成するのに対し、中間層８、バリア層２は、バルク材料の性質を反映した層となる。
【００２９】
図１Ｃに示すように、ＩｎＰ基板１上に複数段のコラムナ量子ドットを含む活性層２１を形成した後、ストライプ形状のメサエッチングを行ない、半絶縁性ＩｎＰ層２２を成長し、メサ上方に酸化シリコン等のマスクを形成し、ｎ型ＩｎＰ層２４、ｐ型ＩｎＰ層２５の一部を成長する。メサの両側に電流狭窄用のｐｎ接合が形成される。ここで酸化シリコン等のマスクを除去する。さらに、ｐ型ＩｎＰ層２５の残り厚さを成長する。メサの両側で、表面からｎ型ＩｎＰ層２４を貫通するリーク遮断用溝２６をエッチングし、メサ上方にｐ側電極２７を形成する。基板を劈開してキャビティを形成する。例えば、キャビティの幅Ｗは、約２μｍ程度、長さＬは２ｍｍ程度である。活性層２１に対して、上方のｐ側電極２７から正孔が供給され、下方の基板から電子が供給される。
【００３０】
図１Ｄは、コラムナ量子ドット１１間に形成される積層部１２のバンドダイアグラムを示す。ＩｎＰ基板１、バリア層２は、バルク材料の特性で定まるギャップを有する。ウェット層５、サイドバリア層７は、いわゆるミニバンドを構成し共通の量子準位を規定する。実線で示す基底準位のバンドギャップは、バリア層のバンドギャップよりも広い。右側（上側）のバリア層２と積層部１２の間に配置された中間層８は、バルク状態のサイドバリア層７のバンドギャップより低く、バリア層２のバンドギャップより高いバンドギャップを有する。価電子帯の正孔に対するエネルギは、上から下に向かって高くなる。中間層８の価電子帯端部のエネルギは、バリア層２の価電子帯端部より高く、積層部１２の価電子帯端部より低い。中間層８の価電子帯端部のエネルギは、バリア層２の価電子帯端部より１０ｍＶ以上高く、積層部１２の価電子帯端部より１０ｍＶ以上低いことが好ましい。
【００３１】
上方に形成するクラッド層に対するバリア層２のポテンシャルは従来と変わらず、バリア層と積層部１２との間の正孔に対するポテンシャルバリアが、絶対値が小さくなる２段のポテンシャルバリアに分割されている。正孔が界面でトラップされることが抑制され、バリア層全体に均一に拡散するようになり、全コラムナドットにキャリアが十分供給されるようになると期待される。また、本構造を用いると、バリア層全体を中間層と同じ材料組成の材料を用いた時と比較して、ＩｎＰクラッド層とバリア層のバンド不連続が十分な値となるため、クラッド層へのキャリアの漏れが低減され、光閉じ込めも十分となる。シミュレーションによれば、中間層を挿入した量子ドットＳＯＡは、良好な温度特性を維持し、中間層無しの場合と比べ、利得、飽和出力が向上することとなった。
【００３２】
図２Ａ〜図２Ｎを参照して、実施例１の半導体光増幅器の製造プロセスを説明する。図２Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）により、下側バリア層１４、複数段のコラムナ量子ドット構造を含む活性層２１、上側バリア層１６を成長する。活性層２１に含まれる複数段のコラムナ量子ドット構造の各々は、量子ドット層とサイドバリア層との交互積層上に中間層を配置し、この上下にバリア層を配置した構成を有する。任意数のコラムナ量子ドット構造を、積層する。バリア層は光を伝播させる光導波路層の役割もする。
【００３３】
図２Ｂに示すように、上側バリア層１６、活性層２１、下側バリア層１４の積層をメサ形状にパターニングする。上側バリア層１６上にストライプ状のレジストマスクを形成し、積層に対してエッチングを行なう。その後レジストマスクは除去する。
【００３４】
図２Ｃに示すように、メサ構造を埋め込むように、半絶縁性ＩｎＰ層２２をＭＯＶＰＥで成長する。メサストライプ上方の半絶縁性ＩｎＰ層２２上に酸化シリコンのマスク２３を形成する。次に行うエピタキシャル成長を生じさせないマスクとして機能する層であり、形成方法はＣＶＤでもスパッタリングでもよい。酸化シリコンのマスク２３の両側に露出しているＩｎＰ層２２上にｎ型ＩｎＰ層２４、ｐ型ＩｎＰ層２５の一部をＭＯＶＰＥで成長し、ｐｎ接合を形成する。
【００３５】
図２Ｄに示すように、酸化シリコンのマスク２３を除去し、ｐ型ＩｎＰ層２５の残りのＩｎＰ上側クラッド層を成長し、ＩｎＰ層２２の露出表面も覆う。ＩｎＰ下側クラッド層はＩｎＰバッファ層及びＩｎＰ基板１の一部がその役割をする
図２Ｅに示すように、レジストマスクを用い、メサストライプの両側に溝２６をエッチングする。ｎ型ＩｎＰ層を貫通する溝２６をエッチングすることにより、リーク電流を低減する。なお、溝は必須要件ではない。
【００３６】
図２Ｆに示すように、溝２６表面を覆って、酸化シリコン、窒化シリコン等のパッシベーション膜３１をＣＶＤ等によって形成する。
【００３７】
図２Ｇに示すように、レジストマスクなどを用いて、電極接触用の窓（開口）をパッシベーション膜３１中に形成する。
【００３８】
図２Ｈに示すように、窓を形成したパッシベーション膜３１上に、メッキシード層３２を形成する。
【００３９】
図２Ｉに示すように、メッキ領域を開口内に露出するレジストパターン３３をシード層３２上に形成する。
【００４０】
図２Ｊは、レジストパターン３３の平面図を示す。
【００４１】
図２Ｋに示すように、レジストパターン３３の開口内に露出したシード層３２上に電極層３４を電解メッキで形成する。
【００４２】
図２Ｌに示すように、レジストパターンを除去し、露出したシード層３２をエッチング、ミリングなどで除去する。厚いメッキ層３４はほとんどが残る。
【００４３】
図２Ｍに示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面上にｎ側電極３５をスパッタリング、蒸着などで形成する。
【００４４】
図２Ｎは、形成された半導体光増幅器の構造を概略的に示す一部破断斜視図である。図１Ｂに示した構造に対応する。なお、以上説明した製造プロセスは、制限的なものではない。特許文献１，２，３記載の種々の技術内容を組み合わせることもできる。
【００４５】
図３Ａは、実施例２による半導体光増幅器の要部構成を示す断面図である。実施例１と較べて異なる点を主に説明する。実施例１においては量子ドット層６とサイドバリア層７を交互に積層し、層６，７の対を複数形成した後、中間層８を形成した。実施例２においては、最上層の量子ドット層６を成長した後、（対応するサイドバリア層は形成せず、）直接中間層８を成長する。
【００４６】
図３Ｂは、実施例２の半導体光増幅器の積層部のバンドダイアグラムを示す。コラムナ量子ドット構造３の最上層がウェット層となり、バリア層２との間に、バリア層２よりバンドギャップが広く、バルク状態のサイドバリア層７よりバンドギャップが狭い中間層８が配置されている。中間層８のバリア層２と逆側にサイドバリア層が存在しないので、ホールトラップの抑制にはより効果的となる。
【００４７】
図４Ａは、実施例３による半導体光増幅器の要部構成を示す断面図である。実施例２と較べて異なる点を主に説明する。実施例２においては量子ドット層６とサイドバリア層７を交互に積層し、最上層の量子ドット層６を成長した後、中間層８を成長した。中間層８の組成は厚さ方向で一定であった。実施例３においては、中間層８を組成一定の均一中間層８−１ｆと組成が徐々に変化するグレーデッド中間層８−１ｇの積層で形成する。グレーデッド中間層８ｇの組成は、下方から、均一中間層８ｆに近い組成からバリア層２に近い組成に変化する。
【００４８】
図４Ｂは、実施例３の半導体光増幅器の積層部のバンドダイアグラムを示す。
中間層８が均一組成の均一中間層８ｆとグレーデッド組成のグレーデッド中間層８ｇで構成され、ポテンシャルポロファイルに傾斜部が導入されている。実施例２と較べて、右側バリア層２との界面におけるエネルギ段差がエネルギ傾斜に置換された形状となっていると考えることができよう。ホールトラップの抑制にはより効果的となる。なお、実施例１の構成にグレーデッド中間層を導入することもできる。
【００４９】
また、図４Ａのコラムナ量子ドット構造３−１の下方に破線で示したように、下方のバリア層２と量子ドット層６との間にサイドバリア層と同等組成の中間層８−１ｓを形成することもできる。この場合、積層部の構成としては、最上層のサイドバリア層を下方に移動したと考えることも可能であろう。
【００５０】
上述の各実施例の半導体デバイスを他の素子とともに実装して光モジュールを構成することができる。このような光モジュールを用いて、光通信用の送信装置や受信装置に設けられ、光通信システム（光通信システム）を構成することができる。ＰＬＣプラットフォーム上に、ＳＯＡアレイ、ＣＭＯＳからなるマルチプレクサ／デマルチプレクサ（ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸ）、ドライバ／アンプ回路、光クロック、光源／ＰＤなどを実装することによって、集積化モジュール（光モジュール）としての光ゲートを構成できる。
【００５１】
図５に示すように、このような光ゲート２６を用いて、ＯＴＤＭ送信器３０のフォーマット変換器３１やＯＴＤＭ受信器３２のデマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）３３を構成し、光通信システム３４を構成することができる。
【００５２】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、ホールトラップに関係するのは価電子帯の構造であり、上記実施例でバンドギャップの大小で説明した要件は価電子帯の端部のエネルギの高低の関係であればよい。コラムナ量子ドットＳＯＡの構成、製造プロセスに関しては、特許文献１，２，３それぞれの発明を実施するための最良の形態の欄の開示内容を取り入れることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ ＩｎＰ基板、
２ バリア層、
３ コラムナ量子ドット構造、
４ 量子ドット、
５ ウェット層、
６ （ＩｎＡｓの）量子ドット層、
７ サイドバリア層、
８ 中間層、
８ｆ 均一中間層、
８ｇ グレーデッド中間層、
１１ コラムナ量子ドット、
１２ 積層部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを用いて光信号を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ；semiconductor optical amplifier）及び光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、加入者に身近なメトロ・アクセス系にも大容量で高速なフォトニックネットワークの適用範囲が広がっている。特に、ＬＡＮシステムのＯＴＤＭ−ＮＩＣ（光時分割多重−ネットワークインターフェースカード）への集積化に向けて、高効率で低消費電力のＳＯＡが必要である。また、ペルチエ素子を用いず、シリコンデバイスと共用できるようにするため、８５℃まで良好な温度特性が望まれる。
【０００３】
ストランスキークラスタノフ（Ｓ−Ｋ）モードにより形成した自己組織化量子ドットは、横方向サイズに対して高さが極端に低い扁平な形状を有し、偏波依存性を有する。そこで扁平な量子ドットを複数段近接積層させた量子ドットを開発し、その構造を最適化することで偏波無依存性を実現した。このような構造の量子ドットをコラムナ量子ドットと定義した。コラムナ量子ドットも量子効果により離散的準位を形成し、温度安定性も高くなると期待される。
【０００４】
コラムナ量子ドットを形成するプロセスパラメータ、特に活性層の成長時の成長温度、成長厚、成長ガス流量比（ＩＩＩ族ガスの流量／Ｖ族ガスの流量）を調整することにより、コラムナ量子ドットの特性を種々制御することができる。例えば、量子ドット層を形成した後、埋め込み層を形成し、基板温度を量子ドット形成温度より上げることにより、量子ドットの頂部を平坦化できる（例えば、特開２００７−４２８４０号）。
【０００５】
例えば、（００１）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板上に、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）により、基板に格子整合するｎ型ＩｎＰバッファ層とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下地層（バリア層とも呼ぶ）を６００℃で成長し、基板温度を４６０度に降温して、基板より格子定数の大きなＩｎＡｓ量子ドット層と基板より格子定数の小さなｉ型ＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層を成長し、基板温度を５００℃に昇温して平坦化を行い、再び基板温度を４６０℃に降温してＩｎＡｓ量子ドット層、ＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層を成長し、基板温度を５００℃に昇温して平坦化を行う工程を必要回数繰り返してコラムナ量子ドットを形成し、下地層と同じ組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰバリア層、ｐ型ＩｎＰクラッド層を成長する。
【０００６】
十分な利得特性を得るためには、コラムナ量子ドット層を複数層、バリア層を介して積層することができる。偏波無依存のコラムナ量子ドットを複数層形成するには、５００℃以下の温度で下部コラムナ量子ドット構造、その上の第１のＩｎＧａＡｓＰバリア層を形成し、その後５００℃以上で第２のＩｎＧａＡｓＰバリア層を形成し、基板温度を降温して、第２のコラムナ量子ドット構造を形成することができる（例えば特開２００７−１５７９７５号）。第２のバリア層の成長温度を高くすることにより、結晶性を向上し、成長速度を高くすることができる。
【０００７】
コラムナ量子ドット形成に、以下のモデルが用いられる。各量子ドット層が離散的量子ドット領域とその周囲に広がるウェット層で形成され、量子ドットの側面にサイドバリア層が接する層構成が複数層積層され、量子ドットの上に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、その周囲にはウェット層とサイドバリア層とが交互に積層された領域が形成される。コラムナ量子ドット周辺に積層構造によりミニバンドが形成されている。
【０００８】
キャリアが有効に量子ドットで消費されるようにするには、ミニバンドの基底量子準位をバリア層の基底量子準位より高くし、バリア層内のキャリアはミニバンドに向かわないようにすることが考えられる（例えば、特開２０１０−４０８７２号）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−４２８４０号公報
【特許文献１】特開２００７−１５７９７５号公報
【特許文献１】特開２０１０−４０８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らは、ミニバンドの基底量子準位がバリア層の基底量子準位より高くなる構成のＳＯＡを試作し、温度特性が改善されることを確認した。ところが、コラムナ量子ドット層を複数積層させたＳＯＡにおいて、利得と、飽和出力が低下するという新たな問題が生じた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施例によれば、
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成され、バリア層に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含む活性層であって、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層とを交互に成長して、量子ドットの上方に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む、活性層と、
前記活性層上方に形成された、ｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
前記半導体基板に接続されたｎ側電極と、
を有し、前記コラムナ量子ドットの側部で前記複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高い半導体光増幅器であって、
さらに、前記各コラムナ量子ドット層の前記ｐ側電極に最も近い最上のサイドバリア層と隣接する前記バリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、前記サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層、
を備えた半導体光増幅器
により解決が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
中間層を挿入することで積層部界面におけるキャリアの蓄積、及び漏れ出しが抑制でき、量子ドットＳＯＡの利得低下及び飽和出力低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１−１】と、
【図１−２】図１Ａは、本発明の要部を示す断面図、図１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは、実施例１による半導体光増幅器の要部断面図、全体を示す一部破断斜視図、バンドダイアグラムである。
【図２−１】と、
【図２−２】と、
【図２−３】図２Ａ〜２Ｉ、２Ｋ〜２Ｍは、実施例１による半導体光増幅器の製造プロセスを示す断面図、図２Ｊは図２Ｉの状態の平面図、図２Ｎは図２Ｍの状態の一部破断斜視図である。
【図３】図３Ａ，３Ｂは、実施例２による半導体光増幅器の要部断面図、及びバンドダイアグラムである。
【図４】図４Ａ，４Ｂは、実施例３による半導体光増幅器の要部断面図、及びバンドダイアグラムである。
【図５】半導体光増幅器を用いた光通信システムの構成例を示すブロック図である。
【図６】図６Ａ、図６Ｂは、参考例による半導体光増幅器の要部断面図、バンドダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図６Ａは、参考例によるＳＯＡの構成を概略的に示す断面図である。ｎ＋型ＩｎＰ基板１０１の上に下バリア層１０２−１、第１コラムナ量子ドット構造１０３−１、第１中間バリア層１０２−２、第２コラムナ量子ドット構造１０３−２、第２中間バリア層１０２−３、と必要数コラムナ量子ドット構造とバリア層とが交互に積層され、最上バリア層上にｐ＋型ＩｎＰクラッド層１０９が積層されている。なお、ＩｎＰ基板の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層を形成してもよい。
【００１５】
各コラムナ量子ドット構造１０３は、分散配置された量子ドット１０４と、量子ドット１０４に連続し、その周囲に延在するウェット層１０５を含むＩｎＡｓ層１０６と、量子ドット１０４の側面に接し、量子ドット周囲ではウェット層１０５と交互に積層されたサイドバリア層１０７とを含む。２層目以降の量子ドット１０４は下地層の量子ドット１０４の上に選択的に形成され、量子ドットが積層されたコラムナ量子ドット１１１を形成する。コラムナ量子ドット１１１の周囲には、ウェット層１０５とサイドバリア層１０７との積層部１１２が形成される。ウェット層１０５とサイドバリア層１０７の各厚さは、量子効果を生じる範囲であり、バルク状態とは異なる、いわゆるミニバンドを構成する。
【００１６】
例えば、バリア層１０２、サイドバリア層１０７を同じ組成のＩｎＧａＡｓＰで形成するとする。積層部はサイドバリア層１０２と大幅にバンドギャップの狭いＩｎＡｓウェット層の交互積層で形成され、その基底量子準位は両者の中間になることが考えられる。すると、積層部のバンドギャップがバリア層のバンドギャップよりも狭くなり、キャリアがバリア層から積層部に抜けてしまい、この部分のポテンシャルが下がることでコラムナ量子ドットの温度特性が劣化する可能性が大きい。
【００１７】
積層部の実効的な基底量子準位を、バリア層の基底量子準位以上のエネルギとするには、サイドバリア層１０７を、バルク状態のバンドギャップがバリア層のバンドギャップより大きな材料で形成することが必要であろう。例えば、バリア層１０２は、Ｉｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３２７Ｐ０．６７３で形成し、サイドバリア層１０７はＡｌＡｓで形成する。
【００１８】
図６Ｂは積層部１１２のポテンシャルプロファイルの概略図である。横方向にエネルギを取り、伝導帯端部のエネルギをＥＣ、価電子帯端部のエネルギをＥＶで示す。バリア層１０２のバンドギャップは、積層部１１２のミニバンドのバンドギャップより狭い。言い換えれば、サイドバリア層１０７とウェット層１０５の積層部１１２は、バリア層１０２より高いバンドギャップを有する。
【００１９】
このコラムナ量子ドット構造を用いたＳＯＡを試作し、材料利得の温度特性が改善することを確認した。ところが、利得、飽和特性が低下するという新たな問題が生じた。
【００２０】
図６Ｂにおいて、バリア層１０２の価電子帯端部のエネルギＥＶは、積層部１１２の価電子帯端部より低い。上方のｐ＋型ＩｎＰ層１０９から供給された正孔は、バリア層１０２と積層部１１２の界面で遮られ、蓄積される可能性を有する。
【００２１】
界面に正孔が蓄積されると、ｐ＋型ＩｎＰ層１０９から下方に供給される正孔は、蓄積電荷による反発力を受け、下段の構成要素に十分伝達されない状況が生じ得る。飽和出力の低下が生じ得る。
【００２２】
この現象を防止するためには、バリア層１０２と積層部１１２との界面におけるポテンシャルバリアの高さを実効的に低くすることが望まれる。バリア層１０２のバンドギャップを高くすることによっても、バリア層１０２と積層部１１２との間のポテンシャルバリアは低減できる。
【００２３】
そこで、バリア層１０２のバンドギャップを高くした半導体光増幅器を試作した。ところが、利得が低下し、半導体光増幅器の特性は改善しなかった。その可能性として、コラムナ量子ドットの光閉じ込めの減少によるモダールゲインの減少と、バンドギャップを高くしたバリア層とＩｎＰクラッド層とのバンド不連続の差が小さくなり、バリア層からクラッド層にキャリアが漏れ出すことが考えられる。利得の低下は、光閉じ込めの減少から見積もった値よりも小さな値であった。また、近視野像の評価でＩｎＰクラッド層からも発光が観測された。これらの結果から、ＩｎＰクラッド層キャリアの漏れが利得低下の主原因になっていると考えられる。そこで、本発明者は、以下の説明する構造を考察した。
【００２４】
図１Ａに示すように、複数段のコラムナ量子ドット構造３（積層部１２）の各々のｐ側電極側において、バリア層２とコラムナ量子ドット構造３（積層部１２）との間に中間層８を挿入することにより、コラムナ量子ドット周辺部における積層部１２とバリア層２との間の正孔に対するポテンシャルバリアを実効的に低減することを着想した。中間層８の価電子帯端部のエネルギは、バリア層２の価電子帯端部のエネルギより高く、積層部１２の価電子帯端部のエネルギより低く選ぶ。中間層８の厚さは、正孔トラップを抑制できる最低限必要な厚さとすることが、好ましい。
【００２５】
図１Ｂは、実施例１による半導体光増幅器の要部を示す断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層を介して、第１バリア層２−１、第１コラムナ量子ドット構造３−１、第１中間層８−１、第２バリア層２−２の積層構造を形成する。第２バリア層２−２の上に、第２コラムナ量子ドット構造３−２、第２中間層８−２、第３バリア層２−３、・・・と複数段の積層構造を形成する。第２段以降の積層構造も、第１段の積層構造同様の構造を有する。
【００２６】
コラムナ量子ドット構造３においては、ＩｎＡｓの量子ドット層６とサイドバリア層７とが交互に積層される。ＩｎＡｓの量子ドット層６は、ＩｎＰの半導体基板より大きな格子定数を有し、量子ドットを形成する。ＩｎＡｓの量子ドット層を成長すると、当初全体に拡がる濡れ層を形成し、その後、局所的に厚くなって量子ドット４を形成し、その周囲にウェット層５を残す。例えば、底面サイズ２０ｎｍ×２５ｎｍ、高さ１ｎｍ程度の量子ドットを密度７×１０１０ｃｍ−２で形成した量子ドット層６を形成する。量子ドット層６とサイドバリア層７を交互に５対〜１６対積層すると、量子ドット４の上に量子ドット４が積層され、コラムナ量子ドット１１が形成される。サイドバリア層７は、半導体基板より小さな格子定数を有し、歪みを緩和する機能を有する。コラムナ量子ドット１１間の領域は、サイドバリア層７とウェット層５が積層された積層部１２を構成する。
【００２７】
偏光無依存のコラムナ量子ドット１１は、積層数の制約を受ける。所望の厚さを有する活性層を形成するには、コラムナ量子ドット層を多段構成とし、コラムナ量子ドット層間はバリア層で分離する必要がある。本実施例においては、各コラムナ量子ドット層のｐ側電極側に中間層８を介して、バリア層２を配置する。
【００２８】
例えば、バリア層２はＩｎＰ基板に格子整合する、厚さ３０ｎｍのＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３２Ｐ０．６８で形成し、サイドバリア層は引張歪み−０．８％、厚さ１ｎｍのＩｎ０．８３Ｇａ０．１７Ａｓ０．１４Ｐ０．８６で形成する。ＩｎＡｓ量子ドット４の厚さも約１ｎｍとなる。中間層８は、例えば、ＩｎＰ基板に格子整合する、厚さ１０ｎｍのＩｎ０．８９Ｇａ０．１１Ａｓ０．２４Ｐ０．７６で形成する。量子ドット層６、サイドバリア層７の厚さに較べて、中間層８の厚さは１桁程度厚く、バリア層２はさらに厚い。サイドバリア層７、ウェット層５が積層全体として所謂ミニバンドを形成するのに対し、中間層８、バリア層２は、バルク材料の性質を反映した層となる。
【００２９】
図１Ｃに示すように、ＩｎＰ基板１上に複数段のコラムナ量子ドットを含む活性層２１を形成した後、ストライプ形状のメサエッチングを行ない、半絶縁性ＩｎＰ層２２を成長し、メサ上方に酸化シリコン等のマスクを形成し、ｎ型ＩｎＰ層２４、ｐ型ＩｎＰ層２５の一部を成長する。メサの両側に電流狭窄用のｐｎ接合が形成される。ここで酸化シリコン等のマスクを除去する。さらに、ｐ型ＩｎＰ層２５の残り厚さを成長する。メサの両側で、表面からｎ型ＩｎＰ層２４を貫通するリーク遮断用溝２６をエッチングし、メサ上方にｐ側電極２７を形成する。基板を劈開してキャビティを形成する。例えば、キャビティの幅Ｗは、約２μｍ程度、長さＬは２ｍｍ程度である。活性層２１に対して、上方のｐ側電極２７から正孔が供給され、下方の基板から電子が供給される。
【００３０】
図１Ｄは、コラムナ量子ドット１１間に形成される積層部１２のバンドダイアグラムを示す。ＩｎＰ基板１、バリア層２は、バルク材料の特性で定まるギャップを有する。ウェット層５、サイドバリア層７は、いわゆるミニバンドを構成し共通の量子準位を規定する。実線で示す基底準位のバンドギャップは、バリア層のバンドギャップよりも広い。右側（上側）のバリア層２と積層部１２の間に配置された中間層８は、バルク状態のサイドバリア層７のバンドギャップより低く、バリア層２のバンドギャップより高いバンドギャップを有する。価電子帯の正孔に対するエネルギは、上から下に向かって高くなる。中間層８の価電子帯端部のエネルギは、バリア層２の価電子帯端部より高く、積層部１２の価電子帯端部より低い。中間層８の価電子帯端部のエネルギは、バリア層２の価電子帯端部より１０ｍＶ以上高く、積層部１２の価電子帯端部より１０ｍＶ以上低いことが好ましい。
【００３１】
上方に形成するクラッド層に対するバリア層２のポテンシャルは従来と変わらず、バリア層と積層部１２との間の正孔に対するポテンシャルバリアが、絶対値が小さくなる２段のポテンシャルバリアに分割されている。正孔が界面でトラップされることが抑制され、バリア層全体に均一に拡散するようになり、全コラムナドットにキャリアが十分供給されるようになると期待される。また、本構造を用いると、バリア層全体を中間層と同じ材料組成の材料を用いた時と比較して、ＩｎＰクラッド層とバリア層のバンド不連続が十分な値となるため、クラッド層へのキャリアの漏れが低減され、光閉じ込めも十分となる。シミュレーションによれば、中間層を挿入した量子ドットＳＯＡは、良好な温度特性を維持し、中間層無しの場合と比べ、利得、飽和出力が向上することとなった。
【００３２】
図２Ａ〜図２Ｎを参照して、実施例１の半導体光増幅器の製造プロセスを説明する。図２Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）により、下側バリア層１４、複数段のコラムナ量子ドット構造を含む活性層２１、上側バリア層１６を成長する。活性層２１に含まれる複数段のコラムナ量子ドット構造の各々は、量子ドット層とサイドバリア層との交互積層上に中間層を配置し、この上下にバリア層を配置した構成を有する。任意数のコラムナ量子ドット構造を、積層する。バリア層は光を伝播させる光導波路層の役割もする。
【００３３】
図２Ｂに示すように、上側バリア層１６、活性層２１、下側バリア層１４の積層をメサ形状にパターニングする。上側バリア層１６上にストライプ状のレジストマスクを形成し、積層に対してエッチングを行なう。その後レジストマスクは除去する。
【００３４】
図２Ｃに示すように、メサ構造を埋め込むように、半絶縁性ＩｎＰ層２２をＭＯＶＰＥで成長する。メサストライプ上方の半絶縁性ＩｎＰ層２２上に酸化シリコンのマスク２３を形成する。次に行うエピタキシャル成長を生じさせないマスクとして機能する層であり、形成方法はＣＶＤでもスパッタリングでもよい。酸化シリコンのマスク２３の両側に露出しているＩｎＰ層２２上にｎ型ＩｎＰ層２４、ｐ型ＩｎＰ層２５の一部をＭＯＶＰＥで成長し、ｐｎ接合を形成する。
【００３５】
図２Ｄに示すように、酸化シリコンのマスク２３を除去し、ｐ型ＩｎＰ層２５の残りのＩｎＰ上側クラッド層を成長し、ＩｎＰ層２２の露出表面も覆う。ＩｎＰ下側クラッド層はＩｎＰバッファ層及びＩｎＰ基板１の一部がその役割をする
図２Ｅに示すように、レジストマスクを用い、メサストライプの両側に溝２６をエッチングする。ｎ型ＩｎＰ層を貫通する溝２６をエッチングすることにより、リーク電流を低減する。なお、溝は必須要件ではない。
【００３６】
図２Ｆに示すように、溝２６表面を覆って、酸化シリコン、窒化シリコン等のパッシベーション膜３１をＣＶＤ等によって形成する。
【００３７】
図２Ｇに示すように、レジストマスクなどを用いて、電極接触用の窓（開口）をパッシベーション膜３１中に形成する。
【００３８】
図２Ｈに示すように、窓を形成したパッシベーション膜３１上に、メッキシード層３２を形成する。
【００３９】
図２Ｉに示すように、メッキ領域を開口内に露出するレジストパターン３３をシード層３２上に形成する。
【００４０】
図２Ｊは、レジストパターン３３の平面図を示す。
【００４１】
図２Ｋに示すように、レジストパターン３３の開口内に露出したシード層３２上に電極層３４を電解メッキで形成する。
【００４２】
図２Ｌに示すように、レジストパターンを除去し、露出したシード層３２をエッチング、ミリングなどで除去する。厚いメッキ層３４はほとんどが残る。
【００４３】
図２Ｍに示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面上にｎ側電極３５をスパッタリング、蒸着などで形成する。
【００４４】
図２Ｎは、形成された半導体光増幅器の構造を概略的に示す一部破断斜視図である。図１Ｂに示した構造に対応する。なお、以上説明した製造プロセスは、制限的なものではない。特許文献１，２，３記載の種々の技術内容を組み合わせることもできる。
【００４５】
図３Ａは、実施例２による半導体光増幅器の要部構成を示す断面図である。実施例１と較べて異なる点を主に説明する。実施例１においては量子ドット層６とサイドバリア層７を交互に積層し、層６，７の対を複数形成した後、中間層８を形成した。実施例２においては、最上層の量子ドット層６を成長した後、（対応するサイドバリア層は形成せず、）直接中間層８を成長する。
【００４６】
図３Ｂは、実施例２の半導体光増幅器の積層部のバンドダイアグラムを示す。コラムナ量子ドット構造３の最上層がウェット層となり、バリア層２との間に、バリア層２よりバンドギャップが広く、バルク状態のサイドバリア層７よりバンドギャップが狭い中間層８が配置されている。中間層８のバリア層２と逆側にサイドバリア層が存在しないので、ホールトラップの抑制にはより効果的となる。
【００４７】
図４Ａは、実施例３による半導体光増幅器の要部構成を示す断面図である。実施例２と較べて異なる点を主に説明する。実施例２においては量子ドット層６とサイドバリア層７を交互に積層し、最上層の量子ドット層６を成長した後、中間層８を成長した。中間層８の組成は厚さ方向で一定であった。実施例３においては、中間層８を組成一定の均一中間層８−１ｆと組成が徐々に変化するグレーデッド中間層８−１ｇの積層で形成する。グレーデッド中間層８ｇの組成は、下方から、均一中間層８ｆに近い組成からバリア層２に近い組成に変化する。
【００４８】
図４Ｂは、実施例３の半導体光増幅器の積層部のバンドダイアグラムを示す。
中間層８が均一組成の均一中間層８ｆとグレーデッド組成のグレーデッド中間層８ｇで構成され、ポテンシャルポロファイルに傾斜部が導入されている。実施例２と較べて、右側バリア層２との界面におけるエネルギ段差がエネルギ傾斜に置換された形状となっていると考えることができよう。ホールトラップの抑制にはより効果的となる。なお、実施例１の構成にグレーデッド中間層を導入することもできる。
【００４９】
また、図４Ａのコラムナ量子ドット構造３−１の下方に破線で示したように、下方のバリア層２と量子ドット層６との間にサイドバリア層と同等組成の中間層８−１ｓを形成することもできる。この場合、積層部の構成としては、最上層のサイドバリア層を下方に移動したと考えることも可能であろう。
【００５０】
上述の各実施例の半導体デバイスを他の素子とともに実装して光モジュールを構成することができる。このような光モジュールを用いて、光通信用の送信装置や受信装置に設けられ、光通信システム（光通信システム）を構成することができる。ＰＬＣプラットフォーム上に、ＳＯＡアレイ、ＣＭＯＳからなるマルチプレクサ／デマルチプレクサ（ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸ）、ドライバ／アンプ回路、光クロック、光源／ＰＤなどを実装することによって、集積化モジュール（光モジュール）としての光ゲートを構成できる。
【００５１】
図５に示すように、このような光ゲート２６を用いて、ＯＴＤＭ送信器３０のフォーマット変換器３１やＯＴＤＭ受信器３２のデマルチプレクサ（ＤＥＭＵＸ）３３を構成し、光通信システム３４を構成することができる。
【００５２】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、ホールトラップに関係するのは価電子帯の構造であり、上記実施例でバンドギャップの大小で説明した要件は価電子帯の端部のエネルギの高低の関係であればよい。コラムナ量子ドットＳＯＡの構成、製造プロセスに関しては、特許文献１，２，３それぞれの発明を実施するための最良の形態の欄の開示内容を取り入れることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ ＩｎＰ基板、
２ バリア層、
３ コラムナ量子ドット構造、
４ 量子ドット、
５ ウェット層、
６ （ＩｎＡｓの）量子ドット層、
７ サイドバリア層、
８ 中間層、
８ｆ 均一中間層、
８ｇ グレーデッド中間層、
１１ コラムナ量子ドット、
１２ 積層部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成され、バリア層に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含む活性層であって、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層とを交互に成長して、量子ドットの上方に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む、活性層と、
前記活性層上方に形成された、ｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
前記半導体基板に接続されたｎ側電極と、
を有し、前記コラムナ量子ドットの側部で前記複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高い半導体光増幅器であって、
さらに、前記各コラムナ量子ドット層の前記ｐ側電極に最も近い最上のサイドバリア層と隣接する前記バリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、前記サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層、
を備えた半導体光増幅器。
【請求項２】
前記量子ドット層は前記半導体基板より大きな格子定数を有し、前記サイドバリア層は前記半導体基板より小さな格子定数を有する請求項１に記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記量子ドット層はＩｎＡｓ層であり、前記サイドバリア層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層であり、前記中間層はＩｎｐＧａ１−ｐＡｓｑＰ１−ｑ層（ｐ＞ｘ、ｑ＞ｙ）である請求項２に記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記最上のサイドバリア層は、最上層の量子ドットの側面に接する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
前記最上のサイドバリア層は、２層目の量子ドットの側面に接する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項６】
前記各コラムナ量子ドット層の最上の量子ドットの側面は、前記中間層に接する請求項５に記載の半導体光増幅器。
【請求項７】
さらに、
前記中間層と、隣接する前記バリア層との間に、組成が前記中間層の組成に近い組成から前記バリア層の組成に近い組成まで徐々に変化するグレーデッド層、
を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項８】
前記量子ドット層は局所的に厚さが厚い量子ドットとその周辺に延在するウェット層とを含み、前記サイドバリア層は前記ウェット層と交互に積層されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項９】
半導体光増幅器を含む光通信システムであって、前記半導体光増幅器は、
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成され、バリア層に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含む活性層であって、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層とを交互に成長して、量子ドットの上方に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む、活性層と、
前記活性層上方に形成された、ｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
前記半導体基板に接続されたｎ側電極と、
を有し、前記コラムナ量子ドットの側部で前記複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高い半導体光増幅器であって、
さらに、前記各コラムナ量子ドット層の前記ｐ側電極に最も近い最上のサイドバリア層と隣接する前記バリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、前記サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層、
を備える、
光通信システム。
【請求項１０】
ＯＴＤＭ送信器、またはＯＴＤＭ受信器を構成する、請求項９記載の光通信システム。
【請求項１】
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成され、バリア層に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含む活性層であって、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層とを交互に成長して、量子ドットの上方に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む、活性層と、
前記活性層上方に形成された、ｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
前記半導体基板に接続されたｎ側電極と、
を有し、前記コラムナ量子ドットの側部で前記複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高い半導体光増幅器であって、
さらに、前記各コラムナ量子ドット層の前記ｐ側電極に最も近い最上のサイドバリア層と隣接する前記バリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、前記サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層、
を備えた半導体光増幅器。
【請求項２】
前記量子ドット層は前記半導体基板より大きな格子定数を有し、前記サイドバリア層は前記半導体基板より小さな格子定数を有する請求項１に記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記量子ドット層はＩｎＡｓ層であり、前記サイドバリア層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層であり、前記中間層はＩｎｐＧａ１−ｐＡｓｑＰ１−ｑ層（ｐ＞ｘ、ｑ＞ｙ）である請求項２に記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記最上のサイドバリア層は、最上層の量子ドットの側面に接する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
前記最上のサイドバリア層は、２層目の量子ドットの側面に接する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項６】
前記各コラムナ量子ドット層の最上の量子ドットの側面は、前記中間層に接する請求項５に記載の半導体光増幅器。
【請求項７】
さらに、
前記中間層と、隣接する前記バリア層との間に、組成が前記中間層の組成に近い組成から前記バリア層の組成に近い組成まで徐々に変化するグレーデッド層、
を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項８】
前記量子ドット層は局所的に厚さが厚い量子ドットとその周辺に延在するウェット層とを含み、前記サイドバリア層は前記ウェット層と交互に積層されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項９】
半導体光増幅器を含む光通信システムであって、前記半導体光増幅器は、
ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成され、バリア層に挟まれたコラムナ量子ドット層を複数層含む活性層であって、各コラムナ量子ドット層は、量子ドット層とサイドバリア層とを交互に成長して、量子ドットの上方に量子ドットが積層されてコラムナ量子ドットを形成し、サイドバリア層が量子ドットの側面を囲む、活性層と、
前記活性層上方に形成された、ｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層に接続されたｐ側電極と、
前記半導体基板に接続されたｎ側電極と、
を有し、前記コラムナ量子ドットの側部で前記複数のサイドバリア層を積層した積層部のバンド構造の価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位と同等であるか、より高い半導体光増幅器であって、
さらに、前記各コラムナ量子ドット層の前記ｐ側電極に最も近い最上のサイドバリア層と隣接する前記バリア層との間に配置され、価電子帯のバンド端準位が、エネルギ的に、前記バリア層の価電子帯のバンド端準位よりも高く、前記サイドバリア層の価電子帯のバンド端準位よりも低い中間層、
を備える、
光通信システム。
【請求項１０】
ＯＴＤＭ送信器、またはＯＴＤＭ受信器を構成する、請求項９記載の光通信システム。
【図１−１】
【図１−２】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１−２】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１６５３９（Ｐ２０１３−１６５３９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４６２８３（Ｐ２０１１−１４６２８３）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]