半導体光素子及びその製造方法

【課題】ホールバーニングによる利得の局所的な低下を少なくして発光効率を向上させることができる半導体光素子、及び、その製造方法を得る。
【解決手段】本発明に係る半導体光素子は、量子ドット６ａを含む活性層６を備えた半導体光素子である。そして、活性層６内の共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分の量子ドット６ａの密度が、光子の密度が相対的に小さい部分の量子ドット６ａの密度よりも、相対的に大きい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信や光記録ディスクなどの光源として使用する半導体光素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
活性層に量子ドットを形成した半導体レーザ（例えば、非特許文献１参照）や、吸収層に量子ドットを形成した導波路型受光素子（例えば、非特許文献２参照）が提案されている。また、共振器方向（光の進行方向）に垂直な面内において活性層内の量子ドットの密度を変化させた半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.11, No.5, SEPTEMBER/OCTOBER 2005, pp1027-1034
【非特許文献２】IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.35, NO.6, JUNE 1999, pp936-943
【特許文献１】特開平１１−３０７８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体レーザの活性層内における光子の密度分布は、図１７に示すように、回折格子の位相シフト領域の近傍で光子の密度は極大となる。即ち、活性層内において光子の密度分布は共振器方向において一様でない分布をもつ。これに対して、従来の半導体レーザでは、図１８に示すように、活性層内の共振器方向において量子ドットの密度が一定であった。
【０００５】
従って、活性層内の電子及びホールキャリアは光子の密度が大きい部分ではホールバーニングにより減少し、局所的な利得の低下が生じる。これにより、半導体レーザの発光効率が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ホールバーニングによる利得の局所的な低下を少なくして発光効率を向上させることができる半導体光素子及びその製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体光素子は、量子ドットを含む活性層を備えた半導体光素子であって、活性層内の共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分の量子ドットの密度が、光子の密度が相対的に小さい部分の量子ドットの密度よりも相対的に大きい。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、ホールバーニングによる利得の局所的な低下を少なくして発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子を示す斜視図であり、図２は、図１の半導体光素子の共振器方向における断面図である。この半導体光素子は、量子ドットを含む活性層と、共振器内部に回折格子とを備えたリッジ型分布帰還型レーザである。
【００１０】
図示のように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓクラッド層２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ回折格子３、ｎ−ＧａＡｓ回折格子埋込層４、ＡｌＧａＡｓ光閉込層５、ＡｌＧａＡｓ中にＩｎＡｓ量子ドットを有する活性層６、ｐ−ＧａＡｓクラッド層７、ｐ−ＧａＡｓクラッド層８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９が順番に形成されている。また、ｐ−ＧａＡｓクラッド層８及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層９にはリッジが形成されている。そして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９上及びリッジ内壁がＳｉＯ_２絶縁膜１０により覆われている。また、ＳｉＯ_２絶縁膜１０の開口部を介してｐ−ＧａＡｓコンタクト層９に接続されるようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極（ｐ側電極）１１が形成されている。そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極（ｎ側電極）１２が形成されている。
【００１１】
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。図示のように、光子の密度は、位相シフト領域１３の近傍で大きくなっている。そこで、図４に示すように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ回折格子３の位相シフト領域１３の近傍において量子ドットの密度が相対的に大きくなるようにする。即ち、活性層内の共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分の量子ドットの密度が、光子の密度が相対的に小さい部分の量子ドットの密度よりも相対的に大きくなるようにする。
【００１２】
これにより、光子の密度が大きい部分において、利得を発生する量子ドットの密度が大きくなるため、一つの量子ドットあたりで発生するキャリア密度の低下を従来よりも小さく抑えることができる。従って、ホールバーニングによる利得の局所的な低下を少なくして、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。
【００１３】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子を示す斜視図である。図１と同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。この半導体光素子は、量子ドットを含む活性層と、共振器内部に回折格子とを備えた埋込ヘテロ型分布帰還型レーザである。
【００１４】
図示のように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ回折格子３、ｎ−ＧａＡｓ回折格子埋込層４、ＡｌＧａＡｓ光閉込層５及び活性層６、ｐ−ＧａＡｓクラッド層７の両サイドにｐ−ＧａＡｓ電流ブロック層１４及びｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層１５が形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。これにより、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００１５】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る半導体光素子は、実施の形態１と同様に量子ドットを含む活性層を備えたファブリーペロー型半導体レーザである。
【００１６】
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。図示のように、光子の密度は、光の出射端面の近傍において相対的に大きくなっている。そこで、図７に示すように、出射端面の近傍において量子ドットの密度が相対的に大きくなるようにする。即ち、活性層内の共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分の量子ドットの密度が、光子の密度が相対的に小さい部分の量子ドットの密度よりも相対的に大きくなるようにする。
【００１７】
これにより、光子の密度が大きい部分において、利得を発生する量子ドットの密度が大きくなるため、一つの量子ドットあたりで発生するキャリア密度の低下を従来よりも小さく抑えることができる。従って、ホールバーニングによる利得の局所的な低下を少なくして、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。
【００１８】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体光素子は、実施の形態１と同様に量子ドットを含む活性層を備えた半導体光増幅器である。
【００１９】
図８は、本発明の実施の形態４に係る半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。図示のように、光子の密度は、光の出射端面の近傍において相対的に大きくなっている。そこで、図９に示すように、出射端面の近傍において量子ドットの密度が相対的に大きくなるようにする。即ち、活性層内の共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分の量子ドットの密度が、光子の密度が相対的に小さい部分の量子ドットの密度よりも相対的に大きくなるようにする。
【００２０】
これにより、光子の密度が大きい部分において、利得を発生する量子ドットの密度が大きくなるため、一つの量子ドットあたりで発生するキャリア密度の低下を従来よりも小さく抑えることができる。従って、ホールバーニングによる利得の局所的な低下を少なくして、半導体光増幅器の光の増幅効率を向上させることができる。
【００２１】
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係る波長変換器である。この波長変換器は、実施の形態４に係る半導体光増幅器を内部に含むマッハツェンダ干渉計である。この波長変換器に、波長λ１の変調光と波長λ２のＣＷ光とを入力すると、半導体光増幅器の相互位相変調作用により、ＣＷ光が変調光による位相変調を受けて、素子の出力端から強度変調光として出力される。このような波長変換器に、実施の形態４に係る半導体光増幅器を適用すると、入射光強度を大きくしても、半導体光増幅器内部の出射端近傍でのキャリアの不足が生じず、十分な位相変調を得ることができるため、波長変換器の変換効率が向上することができる。
【００２２】
実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係る半導体光素子は、量子ドットを含む吸収層を備えた導波路型受光素子である。
【００２３】
図１１は、本発明の実施の形態６に係る半導体光素子の吸収層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。図示のように、光子の密度は、光の入射端面の近傍において相対的に大きくなっている。そこで、図１２に示すように、光強度が大きく、光子の密度の大きい入射端面の近傍において量子ドットの密度が相対的に小さくなるようにする。
【００２４】
これにより、入射端面の近傍において吸収係数が小さくなるため、導波路を伝播する光の導波モードは乱されることがなく素子の奥まで光が到達する。また、素子の奥側で量子ドット密度が大きく、光吸収係数が大きくなるため、受光素子の光電変換効率が向上する。
【００２５】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係る半導体光素子の製造方法について図面を用いて説明する。この製造方法を用いることで、実施の形態１に係る半導体光素子を製造することができる。
【００２６】
まず、図１３に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓクラッド層２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ回折格子３、ｎ−ＧａＡｓ回折格子埋込層４、ＡｌＧａＡｓ光閉込層５を形成する。次に、ＡｌＧａＡｓからなる活性層６をＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いて成長する。この際に、Ｉｎを添加すると、ＡｌＧａＡｓ層内にＩｎＡｓからなる量子ドット６ａが、共振器方向において分布密度がほぼ均一になるように形成される。
【００２７】
次に、均一に量子ドット６ａを形成した活性層６上に、共振器方向において膜厚が一様でないＺｎＯ膜１６を形成する。ここでは、共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分のＺｎＯ膜１６の膜厚が、光子の密度が相対的に小さい部分のＺｎＯ膜１６の膜厚よりも相対的に薄くなるようにする。
【００２８】
次に、高温で熱処理を加えることにより、活性層６に対してＺｎＯ膜１６からＺｎを拡散させる。これにより、量子ドット６ａの一部は、活性層６と混晶化して無秩序化し、量子ドット６ａとしての機能がほぼ失われる。その度合いは、ＺｎＯ膜１６の膜厚が厚く、Ｚｎの拡散密度が大きい部分でより顕著となる。このように、均一に量子ドットを形成した活性層に対して、共振器方向において一様でない不純物拡散を行うことで、量子ドットの一部を無秩序化し、活性層内の共振器方向における量子ドットの不均一な密度分布を形成することができる。その後、図１４に示すように、ＺｎＯ膜１６を除去する。
【００２９】
実施の形態８．
本発明の実施の形態８に係る半導体光素子の製造方法について図面を用いて説明する。この製造方法を用いることで、実施の形態１に係る半導体光素子を製造することができる。
【００３０】
まず、図１５に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓクラッド層２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ回折格子３、ｎ−ＧａＡｓ回折格子埋込層４、ＡｌＧａＡｓ光閉込層５を形成する。次に、ＡｌＧａＡｓからなる活性層６をＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いて成長する。この際に、Ｉｎを添加すると、ＡｌＧａＡｓ層内にＩｎＡｓからなる量子ドット６ａが、共振器方向において分布密度がほぼ均一になるように形成される。
【００３１】
次に、均一に量子ドット６ａを形成した活性層６上に、共振器方向において膜厚が一様でないレジスト１７を形成する。ここでは、共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分のレジスト１７の膜厚が、光子の密度が相対的に小さい部分のレジスト１７の膜厚よりも相対的に厚くなるようにする。
【００３２】
次に、活性層６に対してレジスト１７を介してＳｉをイオン注入する。その後、高温で熱処理を加えることにより、量子ドット６ａの一部は、活性層６と混晶化して無秩序化し、量子ドット６ａとしての機能がほぼ失われる。その度合いは、レジスト１７の膜厚が薄く、Ｓｉイオンの注入される密度が大きい部分でより顕著となる。このように、均一に量子ドットを形成した活性層に対して、共振器方向において一様でないイオン注入を行うことで、量子ドットの一部を無秩序化し、活性層内の共振器方向における量子ドットの不均一な密度分布を形成することができる。その後、図１６に示すように、レジスト１７を除去する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体光素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の共振器方向における断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の活性層内における量子ドットの共振器方向の密度分布を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る半導体光素子を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る半導体光素子の活性層内における量子ドットの共振器方向の密度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る半導体光素子の活性層内における量子ドットの共振器方向の密度分布を示す図である
【図１０】本発明の実施の形態５に係る波長変換器である。
【図１１】本発明の実施の形態６に係る半導体光素子の吸収層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係る半導体光素子の活性層内における量子ドットの共振器方向の密度分布を示す図である
【図１３】本発明の実施の形態７に係る半導体光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態７に係る半導体光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態８に係る半導体光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態８に係る半導体光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】従来の半導体光素子の活性層内における光子の共振器方向の密度分布を示す図である。
【図１８】従来の半導体光素子の活性層内における量子ドットの共振器方向の密度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
３回折格子層
６活性層
６ａ量子ドット
１６ＺｎＯ膜
１７レジスト

【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットを含む活性層を備えた半導体光素子であって、
前記活性層内の共振器方向において、光子の密度が相対的に大きい部分の前記量子ドットの密度が、光子の密度が相対的に小さい部分の前記量子ドットの密度よりも相対的に大きいことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記半導体光素子は、共振器内部に回折格子を更に備えた分布帰還型半導体レーザであり、
前記量子ドットの密度は、前記回折格子の位相シフト領域の近傍において相対的に大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記半導体光素子はファブリーペロー型半導体レーザであり、
前記量子ドットの密度は、光の出射端面の近傍において相対的に大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記半導体光素子は半導体光増幅器であり、
前記量子ドットの密度は、光の出射端面の近傍において相対的に大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記半導体光増幅器は、マッハツェンダ型干渉計の内部に含まれることを特徴とする請求項４に記載の半導体光素子。
【請求項６】
量子ドットを含む吸収層を備えた導波路型受光素子であって、
前記吸収層内の共振器方向において、前記量子ドットの密度は、光の入射端面の近傍において相対的に小さいことを特徴とする半導体光素子。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体光素子を製造する方法であって、
共振器方向において分布密度が均一になるように前記活性層内に前記量子ドットを形成する工程と、
均一に前記量子ドットを形成した前記活性層に対して、共振器方向において一様でない不純物拡散又はイオン注入を行うことで、前記量子ドットの一部を無秩序化し、前記活性層内の共振器方向における前記量子ドットの密度分布を形成する工程とを有することを特徴とする半導体光素子の製造方法。
【請求項８】
前記活性層をＡｌＧａＡｓにより形成し、前記量子ドットをＩｎＡｓにより形成し、
均一に前記量子ドットを形成した前記活性層上に、共振器方向において膜厚が一様でないＺｎＯ膜を形成し、
前記活性層に対して前記ＺｎＯ膜からＺｎを熱拡散させることで、前記量子ドットの一部を無秩序化し、前記活性層内の共振器方向における前記量子ドットの密度分布を形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項９】
前記活性層をＡｌＧａＡｓにより形成し、前記量子ドットをＩｎＡｓにより形成し、
均一に前記量子ドットを形成した前記活性層上に、共振器方向において膜厚が一様でないレジストを形成し、
前記活性層に対して前記レジストを介してＳｉをイオン注入した後、熱処理を加えることで、前記量子ドットの一部を無秩序化し、前記活性層内の共振器方向における前記量子ドットの密度分布を形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体光素子の製造方法。

【図１】