半導体光素子
【課題】 偏波依存性を低減可能な半導体光素子を提供する。
【解決手段】 本発明の一実施形態に係る半導体光素子は、第１導電型の下部クラッド層と、第２導電型の上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層の間に設けられた活性層とを備えている。下部クラッド層は、活性層における光の導波方向に延びる第１の領域と、該第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有している。活性層は、第１の領域に支持されている。ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とが実質的に等しくなるように、活性層の層厚が、導波方向において変化している。
【解決手段】 本発明の一実施形態に係る半導体光素子は、第１導電型の下部クラッド層と、第２導電型の上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層の間に設けられた活性層とを備えている。下部クラッド層は、活性層における光の導波方向に延びる第１の領域と、該第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有している。活性層は、第１の領域に支持されている。ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とが実質的に等しくなるように、活性層の層厚が、導波方向において変化している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体光素子には、上下のクラッド層間にバルク構造の活性層が設けられているタイプのものがある。このタイプの従来の半導体光素子として、ＴＥモードとＴＭモードに対する光閉じ込め係数を同等にして、増幅特性の偏波依存性を低減するために、活性層がメサ状とされ、当該活性層の光の導波方向に交差する断面形状が正方形状になるように設計された半導体光増幅素子が知られている。かかるタイプの半導体光増幅素子は、例えば、T. Ito et al., OECC'97, PDP101, pp2-3,1997. に開示されている。
【非特許文献１】T. Ito etal., OECC'97, PDP101, pp2-3, 1997.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した従来の半導体光増幅素子の活性層は、当該活性層に対する加工ダメージが少ないウェットエッチングによってメサ状に加工される場合が多い。
【０００４】
しかしながら、ウェットエッチングは等方性のエッチングであるので、活性層にサイドエッチが加わる。したがって、活性層の側面形状を正方形状に加工することが困難であった。その結果、ＴＥモードとＴＭモードの光閉じ込め係数にずれが生じ、ＴＥモードの増幅特性とＴＭモードの増幅特性との差が大きくなり、半導体光増幅素子の偏波依存性を低減することが困難であった。また、高次モードの発生を抑制し、且つ充分な偏波無依存化を図るためには、例えば特開２０００−２４４０７４号公報に記載のように、バルク活性層の断面の幅を０．５μｍ程度に狭め、且つその寸法を±０．１μｍといった高精度で加工する必要がある。しかしながら、ウェットエッチングの場合、エッチング溶液の温度、濃度、薬品の混合比等の微妙な変動により、エッチングレートが製造毎に変動しやすく、また、ウェハの中央部と周辺部とにおけるエッチング溶液の攪拌速度の差等に起因して、ウェハ面内においてもエッチングレートが一定になりにくい。したがって、ウェットエッチングでは、上記のような活性層幅の高精度の加工を、再現性や均一性良く行うことが困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、偏波依存性を低減可能で、且つ従来構造に比べて製造が容易な半導体光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体光素子は、第１導電型の下部クラッド層と、第２導電型の上部クラッド層と、活性層とを備えている。活性層は、下部クラッド層と上部クラッド層の間に設けられている。下部クラッド層は、活性層における光の導波方向に延びる第１の領域と、該第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有している。活性層は、第１の領域に支持されている。この活性層の層厚は、光のＴＥモードの利得（ＴＥモードが半導体光素子を通過する際に得る全利得）とＴＭモードの利得（ＴＭモードが半導体光素子を通過する際に得る全利得）とが実質的に等しくなるように、上記導波方向において変化している。
【０００７】
この半導体光素子では、活性層の層厚が導波方向において変化している。したがって、活性層は、導波方向において、ＴＥモードの利得がＴＭモードの利得より大きい部分とＴＭモードの利得がＴＥモードの利得より大きい部分とを有することができる。これによって、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得との差を小さくすることができるので、偏波依存性が低減される。かかる構造は、活性層のメサエッチングによることなく、選択成長によって製造可能である。したがって、この半導体光素子は、高い寸法精度、及びウェハ面内での良好な均一性を有し、容易に製造可能である。さらに、活性層の断面が正方形である必要がないので、光ファイバとの結合や増幅特性等を考量して、用途に応じた任意の形状の活性層を用いることが可能となる。したがって、この半導体光素子では、設計の自由度が、従来の構造に比べて増している。
【０００８】
上記半導体光素子においては、活性層の幅が、導波方向において変化してもよい。この構成によれば、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得との差の低減に、活性層の幅の変化も利用可能である。したがって、半導体光素子の設計の自由度が増す。
【０００９】
上記半導体光素子においては、活性層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方を受けていてもよい。この構成によれば、光閉じ込め係数の偏波依存性のみならず、材料による利得の偏波依存性をも利用して、偏波依存性の低減を図る構造を設計可能である。したがって、無歪みの活性層を用いた半導体光素子より、設計の自由度が更に増す。
【００１０】
上記半導体光素子においては、上部クラッド層は、下部クラッド層の第２の領域、及び活性層上に設けられていることが好適である。この構成の半導体光素子は、ｐｉｎ接合部と、当該ｐｉｎ接合部の両側にｐｎ接合部を有する。ｐｉｎ接合部は、活性層と下部クラッド層と上部クラッド層とによって構成されている。ｐｎ接合部は、ｐｉｎ接合部の両側の上部クラッド層と下部クラッド層とによって構成されている。この構成の半導体光素子では、ｐｉｎ接合部の接合電位（ビルトインポテンシャル）と、ｐｎ接合部の接合電位との差を利用することによって、上記ｐｉｎ接合部に電流を閉じ込めることができる。したがって、この構成の半導体光素子には、電流ブロック層の別途の形成が不要である。また、２回の成長工程、即ち、下部クラッド層上への活性層の成長工程と上部クラッド層の成長工程とによって、ｐｉｎ接合部及びｐｎ接合部が形成される。したがって、この半導体光素子は、電流ブロック層の別途の形成のため、３回の成長が必要であり、且つ上記のように活性層の層厚が変動している場合に、その膜厚変動に合わせて電流ブロック層の層厚も変動させるのが困難であった従来の埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）の半導体光素子より、歩留りや再現性、均一性が優れ、低コストに製造可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、偏波依存性を低減可能で、且つ従来構造に比べて製造が容易な半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の半導体光素子の好適な実施形態である半導体光増幅素子について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１３】
［第１の実施の形態］
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を一部破断して示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す平面図である。図２において、（ａ）は低反射膜を除いた状態での半導体光増幅素子の一端面を示しており、（ｂ）は低反射膜を除いた状態での半導体光増幅素子の他端面を示している。
【００１５】
図１及び図２に示す半導体光増幅素子１０は、第１導電型の下部クラッド層１２、活性層１４、及び第２導電型の上部クラッド層１６を備えている。
【００１６】
下部クラッド層１２は、本実施の形態では、ｎ型のクラッド層である。下部クラッド層１２は、第１導電型の半導体基板１８の一方の主面上に設けられている。この半導体基板１８の他方の主面には、例えばＡｕＧｅＮｉからなる下部電極２０が設けられている。半導体基板１８としては、ｎ型のＧａＡｓ基板が例示される。半導体基板１８には下部クラッド層１２と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされており、当該半導体基板１８は下部電極２０とオーミックコンタクトを形成している。
【００１７】
下部クラッド層１２は、例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＩｎＰから構成される。また、下部クラッド層１２には、例えばＳｉといったｎ型の不純物がドーピングされている。
【００１８】
下部クラッド層１２は、活性層１４での光の導波方向（図１に示すＹ方向）に延びる第１の領域１２ａと、第１の領域１２ａの両側に設けられた第２の領域１２ｂとを有している。本実施の形態では、第１の領域１２ａの幅（図１に示すＸ方向の長さ）は、一定である。
【００１９】
この第１の領域１２ａには、活性層１４が支持されている。本実施の形態においては、第１の領域１２ａ上に活性層１４が設けられている。本実施の形態の活性層１４は、バルク構造の活性層であり、無歪み、即ち、半導体基板１８と格子整合する材料から構成されている。活性層１４は、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ、又はＧａＡｓから構成されている。なお、活性層１４は、ＧａＡｓといった二元混晶から構成されていることが好ましい。二元混晶の活性層１４は、成長時における組成揺らぎが無く、容易に製造可能である。
【００２０】
本実施の上部クラッド層１６は、ｐ型のクラッド層である。上部クラッド層１６は、第２の領域１２ｂ上及び活性層１４上に設けられている。
【００２１】
上部クラッド層１６は、例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＩｎＰから構成されている。また、上部クラッド層１６には、例えばＺｎ、又はカーボンといったｐ型の不純物がドーピングされている。
【００２２】
下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６は、その全体又は活性層１４の近傍において、Ａｌを含まない材料、例えば、ＧａＩｎＰ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成されていることが好ましい。
【００２３】
下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６が、その全体又は活性層１４の近傍においてＡｌを含まない場合には、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６の酸化を防止することができる。したがって、下部クラッド層１２上に形成する活性層１４の良好な結晶性が得られる。また、活性層１４上に形成する上部クラッド層１６の良好な結晶性、及び上部クラッド層１６上に形成するコンタクト層２２の良好な結晶性が得られる。また同じく、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６の酸化が抑制されるので、クラッド層−活性層界面における酸化に起因する結晶欠陥が生じにくい。その結果、半導体光増幅素子１０の素子特性や歩留まり、信頼性を大きく向上することが可能となる。
【００２４】
上部クラッド層１６上には、コンタクト層２２が設けられている。このコンタクト層２２上には、上部電極２４が設けられている。上部電極２４は、例えば、ＴｉＰｔＡｕから構成されている。また、コンタクト層２２は、例えばＧａＡｓを含んでいる。コンタクト層２２には上部クラッド層１６と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされており、当該コンタクト層２２は上部電極２４とオーミックコンタクトを形成している。
【００２５】
また、半導体光増幅素子１０の上記導波方向における一端面及び他端面には、低反射膜２６が形成されている。低反射膜２６は、両端面における光の反射を低減してレーザ発振を抑え、半導体光増幅素子としての動作を可能とする。この低反射膜２６は、例えば、窒化膜によって構成されている。
【００２６】
半導体光増幅素子１０には、上部クラッド層１６、活性層１４、及び下部クラッド層１２によって構成されるｐｉｎ接合部が設けられている。このｐｉｎ接合部のターンオン電圧は、当該ｐｉｎ接合部におけるｐｉｎ接合電位によって決定される。このｐｉｎ接合電位は、主として活性層１４のバンドギャップによって決定される。
【００２７】
一方、ｐｉｎ接合部の両側には、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２によって構成されるｐｎ接合部が設けられている。このｐｎ接合部のターンオン電圧は、ｐｎ接合部のｐｎ接合電位によって決定される。このｐｎ接合電位は、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２のバンドギャップによって決定される。
【００２８】
半導体光増幅素子１０においては、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２のバンドギャップが、活性層１４のバンドギャップより大きいので、ｐｎ接合電位が、ｐｉｎ接合電位より大きくなっている。半導体光増幅素子１０は、この接合電位差を利用することによって、ｐｉｎ接合部に電流（キャリア）を閉じ込めるようになっている。
【００２９】
すなわち、ｐｉｎ接合部のターンオン電圧より大きくｐｎ接合部のターンオン電圧より小さい駆動電圧を印加すると、ｐｉｎ接合部がターンオンして抵抗が低下するが、ｐｎ接合部はターンオンに至らないので、依然として高抵抗を維持する。これによって、ｐｉｎ接合部、即ち活性層に電流を閉じ込め、活性層１４にキャリアを効率的に注入することが可能となる。
【００３０】
この構成の半導体光増幅素子１０には、電流ブロック層の別途の形成が不要である。また、２回の成長工程、即ち、下部クラッド層１２上への活性層１４の成長工程と上部クラッド層１６の成長工程とによって、ｐｉｎ接合部及びｐｎ接合部が形成される。したがって、この半導体光増幅素子１０は、電流ブロック層の別途の形成のため、３回の成長が必要であり、且つ本実施の形態のように活性層の層厚が変動している場合に、その膜厚変動に合わせて電流ブロック層の層圧も変動させることが困難であった従来の埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）の半導体光増幅素子より、歩留りや再現性、均一性に優れ、低コストに製造可能である。
【００３１】
また、この半導体光増幅素子１０では、活性層１４の層厚（図１に示すＺ方向の長さ）が、上記導波方向において変化している。本実施の形態では、活性層１４の層厚が、上記導波方向における一端面から他端面に向かって増加している。活性層１４の層幅（図１に示すＸ方向の長さ）は、上記導波方向において一定である。この活性層１４では、図２における（ａ）に示すように、一端面においては、層厚より層幅の方が大きくなっている。一方、図２における（ｂ）に示すように、他端面においては、層幅より層厚の方が大きくなっている。
【００３２】
半導体光増幅素子１０における、ＴＥ及びＴＭモードに対する利得ＧＴＥ、ＧＴＭは次式（１）及び（２）で表される。
【数１】
【数２】
ここで、光増幅素子10の導波方向(ｙ方向)の長さをＬとし、一端面の位置をｙ＝０、他端面の位置をｙ＝Ｌとしている。また、ΓＴＥ（ｙ）、ΓＴＭ（ｙ）は素子10内部の任意のｙ地点におけるＴＥモード及びＴＭモードの光閉じ込め係数であり、ｇＴＥ（ｙ）、ｇＴＭ（ｙ）は、同じくｙ地点における活性層材料で決まる材料利得係数である。上式から明らかなように、各モードが得る全利得は、素子内部の任意の地点において、光閉じ込め係数と材料利得係数の積で表される、局所的なモード利得係数を、素子の一端面（ｙ＝０）から他端面（ｙ＝Ｌ）まで積分した値によって決定される。従って、この積分値がＴＥモードとTMモードで同等であるようにすれば、両者の利得を実質的に同等とすることが出来る。
【００３３】
本実施の形態では、活性層が無歪のバルク活性層なので、両モードの材料利得係数は同じで、次式（３）に示す関係となる。
【数３】
【００３４】
一方、長手方向で活性層厚が変動しているため、光閉じ込め係数は両モードで異なる。即ち、両モードの光閉じ込め係数は、次式（４）の関係にある。
【数４】
【００３５】
具体的には、この活性層１４では、層幅は一定だが、層厚が一端面から他端面に行くに従い、増大する。そのため、一端面近傍においては、図２（ａ）に示すように層厚より層幅の方が大きいが、途中で層厚が層幅に追いつき、他端面近傍においては、図２（ｂ）に示すように逆に層幅より層厚の方が大となっている。従って、活性層１４の一端面の近傍の部分では、ΓＴＥ（ｙ）＞ΓＴＭ（ｙ）であるが、他端面に向かうにつれてΓＴＭ（ｙ）がΓＴＥ（ｙ）に近づき、他端面の近傍の部分では、ΓＴＥ（ｙ）＜ΓＴＭ（ｙ）となる。従って上記のように、モードの局所的な利得係数は、その地点における材料利得係数と光閉じ込め係数の積で決まるので、一端面側近傍ではTEモードの利得の方がTMモードの利得より大であるが、他端面側に信号光が進むにつれて、次第に両者に差がなくなり、ある地点で逆転して、他端側近傍ではTMモードの利得の方が大となる。
【００３６】
そこで、導波方向における活性層厚の変化形状を適宜制御してやれば、一端面に近い、活性層前半部におけるTMモードに対するTEモードの過剰利得分と他端面に近い活性層後半部におけるTEモードに対するTMモードの過剰利得分とを相殺することが出来、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等とすることができる。その結果、この半導体光増幅素子１０は、活性層１４全体で、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とを実質的に等しくすることが可能である。故に、この半導体光増幅素子１０では、偏波依存性が低減される。なお、通常の光増幅素子の用途においては、活性層１４全体でのＴＥモードの利得とＴＭモードの利得の差が約１ｄＢ以内であれば、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に等しいとみなすことができる。
【００３７】
また、活性層１４の層厚は、導波方向において滑らかに増加している。したがって、活性層１４の層厚の変化に起因する反射や散乱を被ること無く、導波光は、除々にモードを変えながら導波方向に進行することができる。故に、活性層１４の層厚の変化の素子特性への影響は小さい。
【００３８】
また、その導波方向に垂直な活性層１４の断面は幅方向（Ｘ方向）に線対称な形状を有しているので、出射ビームの形状も活性層断面の対称の軸に対して線対称なガウスビームとなる。したがって、この半導体光増幅素子１０とファイバとの結合は、容易である。
【００３９】
また、活性層１４の導波方向に垂直な断面の形状が、従来構造の半導体光増幅素子の活性層のように正方形である必然性が無いので、ファイバとの結合や増幅特性等を考慮して、用途に応じた任意の形状の活性層１４を用いることが可能となる。その結果、半導体光増幅素子１０の設計の自由度が大幅に増す。
【００４０】
次に、半導体光増幅素子１０の製造方法を説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体光増幅素子の製造方法を説明するための図である。図３における（ａ）〜（ｆ）には、この製造方法における各工程で製造される生産物が示されている。
【００４１】
本製造方法では、まず、半導体基板１８上に、下部クラッド層１２が形成されることによって、図３における（ａ）に示す生産物が得られる。下部クラッド層１２は、例えば、ＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy）を用いた成長によって形成される。
【００４２】
次いで、下部クラッド層１２の第２の領域１２ｂにマスク３０が形成されることによって、図３における（ｂ）に示す生産物が得られる。このマスク３０は、第１の領域１２ａの縁に沿っており、一端面から他端面に向けてマスク幅が広がっている。
【００４３】
次いで、第１の領域１２ａ上に活性層１４が形成されることによって、図３における（ｃ）に示す生産物が得られる。活性層１４は、例えば、ＯＭＶＰＥを用いた成長によって形成される。なお、このとき、第２の領域１２ｂのうちマスク３０が設けられていない部分にも活性層１４と同じ材料からなる層３２が形成される。
【００４４】
ここで、結晶成長では、マスク３０上に到達した原料はこのマスク３０上に堆積すること無く、マスク３０の幅方向（図１に示すＸ方向）に拡散する。拡散した原料は、当該幅方向に位置する下部クラッド層１２上で分解、反応して結晶を堆積させる。したがって、第１の領域１２ａのうち、幅方向に隣接するマスクの幅が広い部分では、マスクの幅が狭い部分より、マスク上に堆積せずに拡散してくる原料の量が多いので、結晶の成長速度が速くなる。その結果、図３（ｃ）に示すように、第１の領域１２ａ上に形成された活性層１４の層厚が、一端面から他端面に向かうにつれて増加する。
【００４５】
この結晶成長は、選択成長と称される。選択成長に用いられるマスク３０は、高温成長に耐え得る耐熱性があり、且つ、その表面に結晶成長の核形成が生じないものであればよい。例えば、膜形成が容易であり、欠陥が少なく、微細加工が可能なＳｉＮやＳｉＯ２が、マスク３０に用いられる。
【００４６】
次いで、活性層１４上にマスク３４を形成することによって、図３（ｄ）に示す生産物が得られる。次いで、この生産物から第２の領域１２ｂ上の層３２がエッチングによって除去される。これによって、図３（ｅ）に示す生産物が得られる。
【００４７】
次いで、マスク３０及び３４がエッチングによって除去される。さらに、ＯＭＶＰＥを用いて上部クラッド層１６、及びコンタクト層２２を成長させ、下部電極２０、上部電極２４を形成し、一端面及び他端面上に低反射膜２６を設けることによって、図３（ｆ）に示す半導体光増幅素子１０が製造される。但し、内部構造を見やすくするために、図３（ｆ）において、低反射膜２６は省略されている。
【００４８】
なお、上記の製造方法では、結晶成長にＯＭＶＰＥが用いられているが、これに代えて、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）、ＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）、ＶＰＥ（Vapor Phase Epitaxy）といった種々の結晶成長方法を用いることが可能である。
【００４９】
また、活性層１４上に上部クラッド層１６の一部を堆積させ、この上部クラッド層１６の上に、マスク３４を設けてもよい。これによって、マスク形成プロセスのダメージから活性層１４を保護することが可能となる。
【００５０】
以上説明した製造方法によれば、エッチングを行なうことなく、メサ状の活性層１４が形成される。したがって、本製造方法では、エッチングに起因する活性層の寸法精度のバラツキや加工ダメージが生じない。
【００５１】
また、本製造方法では、活性層１４の幅の精度が、マスク３０のパターニングの精度に依存するが、ＥＢ露光やステッパといった高精度のパターニング装置によってマスク３０を高精度に製造することができる。したがって、活性層１４の幅は、高精度であり、ウェハ面内における均一性、及び再現性が確保されている。また、活性層１４は、ＯＭＶＰＥといった成長方法によって製造されるので、活性層１４の層厚も、高精度であり、ウェハ面内での均一性、及び再現性が確保されている。
【００５２】
［第２の実施の形態］
【００５３】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図４には、光の導波方向に沿う縦断面が示されている。以下、図４に示す半導体光増幅素子１０Ｂについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。
【００５４】
半導体光増幅素子１０Ｂの活性層１４Ｂは、光の導波方向（図４に示すＹ方向）において順に設けられた第１の部分１４ａ及び第２の部分１４ｂを有している。
【００５５】
活性層１４Ｂの幅は、第１の実施の形態の活性層１４と同様に一定である。この活性層１４Ｂの第１の部分１４ａは、一定の層厚を有している。第２の部分１４ｂは、当該第２の部分１４ｂと第１の部分１４ａとの境界において、第１の部分１４ａの層厚と同じ層厚を有しており、光の導波方向に進むにつれて増加する層厚を有している。この活性層１４Ｂも、活性層１４の場合と同様に、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等として、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に等しくなるように活性層の厚さ方向の形状が制御されている。
【００５６】
この活性層１４Ｂのように、活性層は、層厚が一定の部分と層厚が変化している部分を有していてもよく、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に等しくなっていればよい。
【００５７】
［第３の実施の形態］
【００５８】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図５には、光の導波方向に沿う縦断面が示されている。以下、図５に示す半導体光増幅素子１０Ｃについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。
【００５９】
半導体光増幅素子１０Ｃの活性層１４Ｃは、光の導波方向（図５に示すＹ方向）において順に設けられた第１の部分１４ａ、第２の部分１４ｂ、及び第３の部分１４ｃを有している。
【００６０】
活性層１４Ｃの幅は、第２の実施の形態の活性層１４Ｂと同様に一定である。また、第１の部分１４ａは、一定の層厚を有している。第２の部分１４ｂは、当該第２の部分１４ｂと第１の部分１４ａとの境界において、第１の部分の層厚と同じ層厚を有しており、光の導波方向に進むにつれて増加する層厚を有している。第３の部分１４ｃは、当該第３の部分１４ｃと第２の部分１４ｂの境界における層厚と同じ一定の層厚を有している。この活性層１４Ｃも、活性層１４の場合と同様に、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等として、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に同等になるように活性層の厚さ方向の形状が制御されている。
【００６１】
この活性層１４Ｃのように、活性層は、層厚が一定の第１の部分と第３の部分の間に、層厚が変化している第２の部分を有していてもよく、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に同等になっていればよい。
【００６２】
［第４の実施の形態］
【００６３】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す図である。図６における（ａ）には、下部クラッド層上に活性層が設けられた状態の平面図が示されている。図６における（ｂ）には、半導体光増幅素子の光の導波方向に沿った縦断面図が示されている。以下、図６に示す半導体光増幅素子１０Ｄについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。
【００６４】
半導体光増幅素子１０Ｄの活性層１４Ｄでは、活性層１４と同様に、層厚が、上記導波方向における一端面から他端面に向かって増加するため、ＴＭモードの光閉じ込め係数も一端面から他端面に向かって増加する。また、活性層１４Ｄでは、層幅が、一端面から他端面に向かって減少している。したがって、下部クラッド層１２の第１の領域１２ａの幅も、一端面から他端面に向かって減少している。この層幅の変化に起因して、ＴＥモードの光閉じ込め係数も一端面から他端面に向かって減少する。この活性層１４Ｄも、活性層１４の場合と同様に、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等として、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に同等になるように活性層の厚さ及び幅方向の形状が制御されている。
【００６５】
この活性層１４Ｄのように、活性層は、層幅も変化していることが好適である。即ち、活性層の層厚のみが変化している第１〜第３の実施の形態においては、層厚の変化により、ＴＭモードの光閉じ込め係数の変化のみを利用することによって、活性層におけるＴＥモードの利得とＴＭモードの利得を実質的に等しくしている。一方、活性層の幅も変化している活性層１４Ｄでは、層厚変化に起因するＴＭモードの光閉じ込め係数の変化に加えて、層幅変化に起因するＴＥモードの光閉じ込め係数の変化も利用することによって、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得を実質的に等しくすることが可能である。したがって、この活性層１４Ｄを用いることによって、活性層の幅方向の変化も偏波依存性低減に利用できるので、半導体光増幅素子の設計の自由度を更に増すことが可能である。
【００６６】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本発明は、実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【００６７】
例えば、活性層は、圧縮歪み又は引っ張り歪みの一方を受けていてもよい。バルク構造の活性層は層厚が大きいので、大きな歪みは導入できないが、小さい歪みであれば、ミスフィット転位等を生じず、良好な結晶性を維持することができる。無歪の活性層の場合には、（３）式に示したように、材料に依存する利得（材料利得）の偏波依存性は無いが、歪を導入した場合には偏波依存性が生じる。圧縮歪みの場合には、ＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より大きくなり、引っ張り歪みではＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より小さくなる。このような歪みを導入したバルク活性層を用いれば、偏波依存性低減化の設計に閉じ込め係数の偏波依存性だけでなく、歪量に応じて変化する材料利得の偏波依存性も利用できるようになるので、無歪の活性層を用いる場合に比べて、設計の自由度が増し、構造最適化がより容易になるという利点がある。なお、活性層の材料として半導体基板１８より格子定数が大きい材料を用いることによって、活性層に圧縮歪みを与えることができる。一方、活性層の材料として半導体基板１８より格子定数が小さい材料を用いることによって、活性層に引っ張り歪みを与えることができる。
【００６８】
また、上述の実施の形態では、活性層がバルク構造になっているが、活性層は単一または多重の量子井戸構造であってもよい。量子井戸構造の場合に、活性層は、例えばＧａＩｎＮＡｓを含む井戸層、及びＧａＮＡｓ又はＧａＡｓを含む障壁層を有することができる。量子井戸構造の場合も、材料利得の偏波依存性があり、無歪や圧縮歪みの場合には、ＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より大きくなり、引っ張り歪みではＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より小さくなる。従って、量子井戸活性層を用いれば、上記歪バルク活性層の場合と同様に、偏波依存性低減化の設計に閉じ込め係数の偏波依存性だけでなく、材料利得の偏波依存性も利用できるようになるので、無歪の活性層を用いる場合に比べて、設計の自由度が増し、構造最適化がより容易になるという利点がある。
【００６９】
また、上述の実施の形態には、上下のクラッド層と活性層のバンドギャップ差を利用してメサ状の活性層領域に電流狭窄を行う構造が採用されているが、他の任意の電流狭窄構造が採用されてもよい。具体的には、上部クラッド層を凸型リッジ形状に加工し、その側面を絶縁膜で覆って電流狭窄するリッジストライプ構造を採用可能である。また、同じくリッジ構造ではあるが、リッジ部側面を絶縁膜の代わりに半導体で埋め込んで電流狭窄した埋め込みリッジストライプ構造、さらには、ＢＨ構造等が採用されてもよい。
【００７０】
また、上述の実施の形態では、結晶成長の下地として、半導体基板が採用されているが、例えば異種基板上に形成された半導体層が下地に採用されてもよい。具体的には、Ｓｉ基板上に形成されたＧａＡｓ半導体層等を用いることが可能である。この場合には、異種基板の使用が可能となり、設計の自由度が増し、さらに、異種基板上に作製される光、及び電子デバイスとの集積が容易となる。
【００７１】
また、上述の実施の形態では、下部クラッド層上に形成したマスクを用いて選択成長が行なわれているが、半導体基板上に、又は活性層の下に存在する任意の層上に形成したマスクを用いて、同様の選択成長を行うことが可能である。
【００７２】
また、上述の実施の形態は、本発明を半導体光増幅素子に適用したものであるが、本発明は、半導体光増幅素子に限られるものではなく、例えば、発光ダイオードや半導体レーザ、電解吸収型光変調素子、マッハツェンダー型光変調素子、光導波路、及びこれらを集積した素子への適用も可能である。これら全ての半導体光素子に本発明を適用することによって、歩留まりや再現性、均一性、信頼性に優れ、且つ偏波依存性を低減可能な半導体光素子を提供することが可能である。
【００７３】
したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を一部破断して示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体光増幅素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。
【図６】図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０…半導体光増幅素子、１２…下部クラッド層、１２ａ…第１の領域、１２ｂ…第２の領域、１４…活性層、１６…上部クラッド層、１８…半導体基板、２０…下部電極、２２…コンタクト層、２４…上部電極、２６…低反射膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体光素子には、上下のクラッド層間にバルク構造の活性層が設けられているタイプのものがある。このタイプの従来の半導体光素子として、ＴＥモードとＴＭモードに対する光閉じ込め係数を同等にして、増幅特性の偏波依存性を低減するために、活性層がメサ状とされ、当該活性層の光の導波方向に交差する断面形状が正方形状になるように設計された半導体光増幅素子が知られている。かかるタイプの半導体光増幅素子は、例えば、T. Ito et al., OECC'97, PDP101, pp2-3,1997. に開示されている。
【非特許文献１】T. Ito etal., OECC'97, PDP101, pp2-3, 1997.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した従来の半導体光増幅素子の活性層は、当該活性層に対する加工ダメージが少ないウェットエッチングによってメサ状に加工される場合が多い。
【０００４】
しかしながら、ウェットエッチングは等方性のエッチングであるので、活性層にサイドエッチが加わる。したがって、活性層の側面形状を正方形状に加工することが困難であった。その結果、ＴＥモードとＴＭモードの光閉じ込め係数にずれが生じ、ＴＥモードの増幅特性とＴＭモードの増幅特性との差が大きくなり、半導体光増幅素子の偏波依存性を低減することが困難であった。また、高次モードの発生を抑制し、且つ充分な偏波無依存化を図るためには、例えば特開２０００−２４４０７４号公報に記載のように、バルク活性層の断面の幅を０．５μｍ程度に狭め、且つその寸法を±０．１μｍといった高精度で加工する必要がある。しかしながら、ウェットエッチングの場合、エッチング溶液の温度、濃度、薬品の混合比等の微妙な変動により、エッチングレートが製造毎に変動しやすく、また、ウェハの中央部と周辺部とにおけるエッチング溶液の攪拌速度の差等に起因して、ウェハ面内においてもエッチングレートが一定になりにくい。したがって、ウェットエッチングでは、上記のような活性層幅の高精度の加工を、再現性や均一性良く行うことが困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、偏波依存性を低減可能で、且つ従来構造に比べて製造が容易な半導体光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体光素子は、第１導電型の下部クラッド層と、第２導電型の上部クラッド層と、活性層とを備えている。活性層は、下部クラッド層と上部クラッド層の間に設けられている。下部クラッド層は、活性層における光の導波方向に延びる第１の領域と、該第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有している。活性層は、第１の領域に支持されている。この活性層の層厚は、光のＴＥモードの利得（ＴＥモードが半導体光素子を通過する際に得る全利得）とＴＭモードの利得（ＴＭモードが半導体光素子を通過する際に得る全利得）とが実質的に等しくなるように、上記導波方向において変化している。
【０００７】
この半導体光素子では、活性層の層厚が導波方向において変化している。したがって、活性層は、導波方向において、ＴＥモードの利得がＴＭモードの利得より大きい部分とＴＭモードの利得がＴＥモードの利得より大きい部分とを有することができる。これによって、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得との差を小さくすることができるので、偏波依存性が低減される。かかる構造は、活性層のメサエッチングによることなく、選択成長によって製造可能である。したがって、この半導体光素子は、高い寸法精度、及びウェハ面内での良好な均一性を有し、容易に製造可能である。さらに、活性層の断面が正方形である必要がないので、光ファイバとの結合や増幅特性等を考量して、用途に応じた任意の形状の活性層を用いることが可能となる。したがって、この半導体光素子では、設計の自由度が、従来の構造に比べて増している。
【０００８】
上記半導体光素子においては、活性層の幅が、導波方向において変化してもよい。この構成によれば、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得との差の低減に、活性層の幅の変化も利用可能である。したがって、半導体光素子の設計の自由度が増す。
【０００９】
上記半導体光素子においては、活性層が圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方を受けていてもよい。この構成によれば、光閉じ込め係数の偏波依存性のみならず、材料による利得の偏波依存性をも利用して、偏波依存性の低減を図る構造を設計可能である。したがって、無歪みの活性層を用いた半導体光素子より、設計の自由度が更に増す。
【００１０】
上記半導体光素子においては、上部クラッド層は、下部クラッド層の第２の領域、及び活性層上に設けられていることが好適である。この構成の半導体光素子は、ｐｉｎ接合部と、当該ｐｉｎ接合部の両側にｐｎ接合部を有する。ｐｉｎ接合部は、活性層と下部クラッド層と上部クラッド層とによって構成されている。ｐｎ接合部は、ｐｉｎ接合部の両側の上部クラッド層と下部クラッド層とによって構成されている。この構成の半導体光素子では、ｐｉｎ接合部の接合電位（ビルトインポテンシャル）と、ｐｎ接合部の接合電位との差を利用することによって、上記ｐｉｎ接合部に電流を閉じ込めることができる。したがって、この構成の半導体光素子には、電流ブロック層の別途の形成が不要である。また、２回の成長工程、即ち、下部クラッド層上への活性層の成長工程と上部クラッド層の成長工程とによって、ｐｉｎ接合部及びｐｎ接合部が形成される。したがって、この半導体光素子は、電流ブロック層の別途の形成のため、３回の成長が必要であり、且つ上記のように活性層の層厚が変動している場合に、その膜厚変動に合わせて電流ブロック層の層厚も変動させるのが困難であった従来の埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）の半導体光素子より、歩留りや再現性、均一性が優れ、低コストに製造可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、偏波依存性を低減可能で、且つ従来構造に比べて製造が容易な半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の半導体光素子の好適な実施形態である半導体光増幅素子について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１３】
［第１の実施の形態］
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を一部破断して示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す平面図である。図２において、（ａ）は低反射膜を除いた状態での半導体光増幅素子の一端面を示しており、（ｂ）は低反射膜を除いた状態での半導体光増幅素子の他端面を示している。
【００１５】
図１及び図２に示す半導体光増幅素子１０は、第１導電型の下部クラッド層１２、活性層１４、及び第２導電型の上部クラッド層１６を備えている。
【００１６】
下部クラッド層１２は、本実施の形態では、ｎ型のクラッド層である。下部クラッド層１２は、第１導電型の半導体基板１８の一方の主面上に設けられている。この半導体基板１８の他方の主面には、例えばＡｕＧｅＮｉからなる下部電極２０が設けられている。半導体基板１８としては、ｎ型のＧａＡｓ基板が例示される。半導体基板１８には下部クラッド層１２と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされており、当該半導体基板１８は下部電極２０とオーミックコンタクトを形成している。
【００１７】
下部クラッド層１２は、例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＩｎＰから構成される。また、下部クラッド層１２には、例えばＳｉといったｎ型の不純物がドーピングされている。
【００１８】
下部クラッド層１２は、活性層１４での光の導波方向（図１に示すＹ方向）に延びる第１の領域１２ａと、第１の領域１２ａの両側に設けられた第２の領域１２ｂとを有している。本実施の形態では、第１の領域１２ａの幅（図１に示すＸ方向の長さ）は、一定である。
【００１９】
この第１の領域１２ａには、活性層１４が支持されている。本実施の形態においては、第１の領域１２ａ上に活性層１４が設けられている。本実施の形態の活性層１４は、バルク構造の活性層であり、無歪み、即ち、半導体基板１８と格子整合する材料から構成されている。活性層１４は、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ、又はＧａＡｓから構成されている。なお、活性層１４は、ＧａＡｓといった二元混晶から構成されていることが好ましい。二元混晶の活性層１４は、成長時における組成揺らぎが無く、容易に製造可能である。
【００２０】
本実施の上部クラッド層１６は、ｐ型のクラッド層である。上部クラッド層１６は、第２の領域１２ｂ上及び活性層１４上に設けられている。
【００２１】
上部クラッド層１６は、例えば、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＩｎＰから構成されている。また、上部クラッド層１６には、例えばＺｎ、又はカーボンといったｐ型の不純物がドーピングされている。
【００２２】
下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６は、その全体又は活性層１４の近傍において、Ａｌを含まない材料、例えば、ＧａＩｎＰ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成されていることが好ましい。
【００２３】
下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６が、その全体又は活性層１４の近傍においてＡｌを含まない場合には、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６の酸化を防止することができる。したがって、下部クラッド層１２上に形成する活性層１４の良好な結晶性が得られる。また、活性層１４上に形成する上部クラッド層１６の良好な結晶性、及び上部クラッド層１６上に形成するコンタクト層２２の良好な結晶性が得られる。また同じく、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６の酸化が抑制されるので、クラッド層−活性層界面における酸化に起因する結晶欠陥が生じにくい。その結果、半導体光増幅素子１０の素子特性や歩留まり、信頼性を大きく向上することが可能となる。
【００２４】
上部クラッド層１６上には、コンタクト層２２が設けられている。このコンタクト層２２上には、上部電極２４が設けられている。上部電極２４は、例えば、ＴｉＰｔＡｕから構成されている。また、コンタクト層２２は、例えばＧａＡｓを含んでいる。コンタクト層２２には上部クラッド層１６と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされており、当該コンタクト層２２は上部電極２４とオーミックコンタクトを形成している。
【００２５】
また、半導体光増幅素子１０の上記導波方向における一端面及び他端面には、低反射膜２６が形成されている。低反射膜２６は、両端面における光の反射を低減してレーザ発振を抑え、半導体光増幅素子としての動作を可能とする。この低反射膜２６は、例えば、窒化膜によって構成されている。
【００２６】
半導体光増幅素子１０には、上部クラッド層１６、活性層１４、及び下部クラッド層１２によって構成されるｐｉｎ接合部が設けられている。このｐｉｎ接合部のターンオン電圧は、当該ｐｉｎ接合部におけるｐｉｎ接合電位によって決定される。このｐｉｎ接合電位は、主として活性層１４のバンドギャップによって決定される。
【００２７】
一方、ｐｉｎ接合部の両側には、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２によって構成されるｐｎ接合部が設けられている。このｐｎ接合部のターンオン電圧は、ｐｎ接合部のｐｎ接合電位によって決定される。このｐｎ接合電位は、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２のバンドギャップによって決定される。
【００２８】
半導体光増幅素子１０においては、上部クラッド層１６及び下部クラッド層１２のバンドギャップが、活性層１４のバンドギャップより大きいので、ｐｎ接合電位が、ｐｉｎ接合電位より大きくなっている。半導体光増幅素子１０は、この接合電位差を利用することによって、ｐｉｎ接合部に電流（キャリア）を閉じ込めるようになっている。
【００２９】
すなわち、ｐｉｎ接合部のターンオン電圧より大きくｐｎ接合部のターンオン電圧より小さい駆動電圧を印加すると、ｐｉｎ接合部がターンオンして抵抗が低下するが、ｐｎ接合部はターンオンに至らないので、依然として高抵抗を維持する。これによって、ｐｉｎ接合部、即ち活性層に電流を閉じ込め、活性層１４にキャリアを効率的に注入することが可能となる。
【００３０】
この構成の半導体光増幅素子１０には、電流ブロック層の別途の形成が不要である。また、２回の成長工程、即ち、下部クラッド層１２上への活性層１４の成長工程と上部クラッド層１６の成長工程とによって、ｐｉｎ接合部及びｐｎ接合部が形成される。したがって、この半導体光増幅素子１０は、電流ブロック層の別途の形成のため、３回の成長が必要であり、且つ本実施の形態のように活性層の層厚が変動している場合に、その膜厚変動に合わせて電流ブロック層の層圧も変動させることが困難であった従来の埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）の半導体光増幅素子より、歩留りや再現性、均一性に優れ、低コストに製造可能である。
【００３１】
また、この半導体光増幅素子１０では、活性層１４の層厚（図１に示すＺ方向の長さ）が、上記導波方向において変化している。本実施の形態では、活性層１４の層厚が、上記導波方向における一端面から他端面に向かって増加している。活性層１４の層幅（図１に示すＸ方向の長さ）は、上記導波方向において一定である。この活性層１４では、図２における（ａ）に示すように、一端面においては、層厚より層幅の方が大きくなっている。一方、図２における（ｂ）に示すように、他端面においては、層幅より層厚の方が大きくなっている。
【００３２】
半導体光増幅素子１０における、ＴＥ及びＴＭモードに対する利得ＧＴＥ、ＧＴＭは次式（１）及び（２）で表される。
【数１】
【数２】
ここで、光増幅素子10の導波方向(ｙ方向)の長さをＬとし、一端面の位置をｙ＝０、他端面の位置をｙ＝Ｌとしている。また、ΓＴＥ（ｙ）、ΓＴＭ（ｙ）は素子10内部の任意のｙ地点におけるＴＥモード及びＴＭモードの光閉じ込め係数であり、ｇＴＥ（ｙ）、ｇＴＭ（ｙ）は、同じくｙ地点における活性層材料で決まる材料利得係数である。上式から明らかなように、各モードが得る全利得は、素子内部の任意の地点において、光閉じ込め係数と材料利得係数の積で表される、局所的なモード利得係数を、素子の一端面（ｙ＝０）から他端面（ｙ＝Ｌ）まで積分した値によって決定される。従って、この積分値がＴＥモードとTMモードで同等であるようにすれば、両者の利得を実質的に同等とすることが出来る。
【００３３】
本実施の形態では、活性層が無歪のバルク活性層なので、両モードの材料利得係数は同じで、次式（３）に示す関係となる。
【数３】
【００３４】
一方、長手方向で活性層厚が変動しているため、光閉じ込め係数は両モードで異なる。即ち、両モードの光閉じ込め係数は、次式（４）の関係にある。
【数４】
【００３５】
具体的には、この活性層１４では、層幅は一定だが、層厚が一端面から他端面に行くに従い、増大する。そのため、一端面近傍においては、図２（ａ）に示すように層厚より層幅の方が大きいが、途中で層厚が層幅に追いつき、他端面近傍においては、図２（ｂ）に示すように逆に層幅より層厚の方が大となっている。従って、活性層１４の一端面の近傍の部分では、ΓＴＥ（ｙ）＞ΓＴＭ（ｙ）であるが、他端面に向かうにつれてΓＴＭ（ｙ）がΓＴＥ（ｙ）に近づき、他端面の近傍の部分では、ΓＴＥ（ｙ）＜ΓＴＭ（ｙ）となる。従って上記のように、モードの局所的な利得係数は、その地点における材料利得係数と光閉じ込め係数の積で決まるので、一端面側近傍ではTEモードの利得の方がTMモードの利得より大であるが、他端面側に信号光が進むにつれて、次第に両者に差がなくなり、ある地点で逆転して、他端側近傍ではTMモードの利得の方が大となる。
【００３６】
そこで、導波方向における活性層厚の変化形状を適宜制御してやれば、一端面に近い、活性層前半部におけるTMモードに対するTEモードの過剰利得分と他端面に近い活性層後半部におけるTEモードに対するTMモードの過剰利得分とを相殺することが出来、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等とすることができる。その結果、この半導体光増幅素子１０は、活性層１４全体で、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とを実質的に等しくすることが可能である。故に、この半導体光増幅素子１０では、偏波依存性が低減される。なお、通常の光増幅素子の用途においては、活性層１４全体でのＴＥモードの利得とＴＭモードの利得の差が約１ｄＢ以内であれば、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に等しいとみなすことができる。
【００３７】
また、活性層１４の層厚は、導波方向において滑らかに増加している。したがって、活性層１４の層厚の変化に起因する反射や散乱を被ること無く、導波光は、除々にモードを変えながら導波方向に進行することができる。故に、活性層１４の層厚の変化の素子特性への影響は小さい。
【００３８】
また、その導波方向に垂直な活性層１４の断面は幅方向（Ｘ方向）に線対称な形状を有しているので、出射ビームの形状も活性層断面の対称の軸に対して線対称なガウスビームとなる。したがって、この半導体光増幅素子１０とファイバとの結合は、容易である。
【００３９】
また、活性層１４の導波方向に垂直な断面の形状が、従来構造の半導体光増幅素子の活性層のように正方形である必然性が無いので、ファイバとの結合や増幅特性等を考慮して、用途に応じた任意の形状の活性層１４を用いることが可能となる。その結果、半導体光増幅素子１０の設計の自由度が大幅に増す。
【００４０】
次に、半導体光増幅素子１０の製造方法を説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体光増幅素子の製造方法を説明するための図である。図３における（ａ）〜（ｆ）には、この製造方法における各工程で製造される生産物が示されている。
【００４１】
本製造方法では、まず、半導体基板１８上に、下部クラッド層１２が形成されることによって、図３における（ａ）に示す生産物が得られる。下部クラッド層１２は、例えば、ＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy）を用いた成長によって形成される。
【００４２】
次いで、下部クラッド層１２の第２の領域１２ｂにマスク３０が形成されることによって、図３における（ｂ）に示す生産物が得られる。このマスク３０は、第１の領域１２ａの縁に沿っており、一端面から他端面に向けてマスク幅が広がっている。
【００４３】
次いで、第１の領域１２ａ上に活性層１４が形成されることによって、図３における（ｃ）に示す生産物が得られる。活性層１４は、例えば、ＯＭＶＰＥを用いた成長によって形成される。なお、このとき、第２の領域１２ｂのうちマスク３０が設けられていない部分にも活性層１４と同じ材料からなる層３２が形成される。
【００４４】
ここで、結晶成長では、マスク３０上に到達した原料はこのマスク３０上に堆積すること無く、マスク３０の幅方向（図１に示すＸ方向）に拡散する。拡散した原料は、当該幅方向に位置する下部クラッド層１２上で分解、反応して結晶を堆積させる。したがって、第１の領域１２ａのうち、幅方向に隣接するマスクの幅が広い部分では、マスクの幅が狭い部分より、マスク上に堆積せずに拡散してくる原料の量が多いので、結晶の成長速度が速くなる。その結果、図３（ｃ）に示すように、第１の領域１２ａ上に形成された活性層１４の層厚が、一端面から他端面に向かうにつれて増加する。
【００４５】
この結晶成長は、選択成長と称される。選択成長に用いられるマスク３０は、高温成長に耐え得る耐熱性があり、且つ、その表面に結晶成長の核形成が生じないものであればよい。例えば、膜形成が容易であり、欠陥が少なく、微細加工が可能なＳｉＮやＳｉＯ２が、マスク３０に用いられる。
【００４６】
次いで、活性層１４上にマスク３４を形成することによって、図３（ｄ）に示す生産物が得られる。次いで、この生産物から第２の領域１２ｂ上の層３２がエッチングによって除去される。これによって、図３（ｅ）に示す生産物が得られる。
【００４７】
次いで、マスク３０及び３４がエッチングによって除去される。さらに、ＯＭＶＰＥを用いて上部クラッド層１６、及びコンタクト層２２を成長させ、下部電極２０、上部電極２４を形成し、一端面及び他端面上に低反射膜２６を設けることによって、図３（ｆ）に示す半導体光増幅素子１０が製造される。但し、内部構造を見やすくするために、図３（ｆ）において、低反射膜２６は省略されている。
【００４８】
なお、上記の製造方法では、結晶成長にＯＭＶＰＥが用いられているが、これに代えて、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）、ＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）、ＶＰＥ（Vapor Phase Epitaxy）といった種々の結晶成長方法を用いることが可能である。
【００４９】
また、活性層１４上に上部クラッド層１６の一部を堆積させ、この上部クラッド層１６の上に、マスク３４を設けてもよい。これによって、マスク形成プロセスのダメージから活性層１４を保護することが可能となる。
【００５０】
以上説明した製造方法によれば、エッチングを行なうことなく、メサ状の活性層１４が形成される。したがって、本製造方法では、エッチングに起因する活性層の寸法精度のバラツキや加工ダメージが生じない。
【００５１】
また、本製造方法では、活性層１４の幅の精度が、マスク３０のパターニングの精度に依存するが、ＥＢ露光やステッパといった高精度のパターニング装置によってマスク３０を高精度に製造することができる。したがって、活性層１４の幅は、高精度であり、ウェハ面内における均一性、及び再現性が確保されている。また、活性層１４は、ＯＭＶＰＥといった成長方法によって製造されるので、活性層１４の層厚も、高精度であり、ウェハ面内での均一性、及び再現性が確保されている。
【００５２】
［第２の実施の形態］
【００５３】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図４には、光の導波方向に沿う縦断面が示されている。以下、図４に示す半導体光増幅素子１０Ｂについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。
【００５４】
半導体光増幅素子１０Ｂの活性層１４Ｂは、光の導波方向（図４に示すＹ方向）において順に設けられた第１の部分１４ａ及び第２の部分１４ｂを有している。
【００５５】
活性層１４Ｂの幅は、第１の実施の形態の活性層１４と同様に一定である。この活性層１４Ｂの第１の部分１４ａは、一定の層厚を有している。第２の部分１４ｂは、当該第２の部分１４ｂと第１の部分１４ａとの境界において、第１の部分１４ａの層厚と同じ層厚を有しており、光の導波方向に進むにつれて増加する層厚を有している。この活性層１４Ｂも、活性層１４の場合と同様に、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等として、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に等しくなるように活性層の厚さ方向の形状が制御されている。
【００５６】
この活性層１４Ｂのように、活性層は、層厚が一定の部分と層厚が変化している部分を有していてもよく、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に等しくなっていればよい。
【００５７】
［第３の実施の形態］
【００５８】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図５には、光の導波方向に沿う縦断面が示されている。以下、図５に示す半導体光増幅素子１０Ｃについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。
【００５９】
半導体光増幅素子１０Ｃの活性層１４Ｃは、光の導波方向（図５に示すＹ方向）において順に設けられた第１の部分１４ａ、第２の部分１４ｂ、及び第３の部分１４ｃを有している。
【００６０】
活性層１４Ｃの幅は、第２の実施の形態の活性層１４Ｂと同様に一定である。また、第１の部分１４ａは、一定の層厚を有している。第２の部分１４ｂは、当該第２の部分１４ｂと第１の部分１４ａとの境界において、第１の部分の層厚と同じ層厚を有しており、光の導波方向に進むにつれて増加する層厚を有している。第３の部分１４ｃは、当該第３の部分１４ｃと第２の部分１４ｂの境界における層厚と同じ一定の層厚を有している。この活性層１４Ｃも、活性層１４の場合と同様に、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等として、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に同等になるように活性層の厚さ方向の形状が制御されている。
【００６１】
この活性層１４Ｃのように、活性層は、層厚が一定の第１の部分と第３の部分の間に、層厚が変化している第２の部分を有していてもよく、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に同等になっていればよい。
【００６２】
［第４の実施の形態］
【００６３】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す図である。図６における（ａ）には、下部クラッド層上に活性層が設けられた状態の平面図が示されている。図６における（ｂ）には、半導体光増幅素子の光の導波方向に沿った縦断面図が示されている。以下、図６に示す半導体光増幅素子１０Ｄについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。
【００６４】
半導体光増幅素子１０Ｄの活性層１４Ｄでは、活性層１４と同様に、層厚が、上記導波方向における一端面から他端面に向かって増加するため、ＴＭモードの光閉じ込め係数も一端面から他端面に向かって増加する。また、活性層１４Ｄでは、層幅が、一端面から他端面に向かって減少している。したがって、下部クラッド層１２の第１の領域１２ａの幅も、一端面から他端面に向かって減少している。この層幅の変化に起因して、ＴＥモードの光閉じ込め係数も一端面から他端面に向かって減少する。この活性層１４Ｄも、活性層１４の場合と同様に、（１）式と（２）式における材料利得係数と光閉じ込め係数の積の積分値を同等として、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得が実質的に同等になるように活性層の厚さ及び幅方向の形状が制御されている。
【００６５】
この活性層１４Ｄのように、活性層は、層幅も変化していることが好適である。即ち、活性層の層厚のみが変化している第１〜第３の実施の形態においては、層厚の変化により、ＴＭモードの光閉じ込め係数の変化のみを利用することによって、活性層におけるＴＥモードの利得とＴＭモードの利得を実質的に等しくしている。一方、活性層の幅も変化している活性層１４Ｄでは、層厚変化に起因するＴＭモードの光閉じ込め係数の変化に加えて、層幅変化に起因するＴＥモードの光閉じ込め係数の変化も利用することによって、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得を実質的に等しくすることが可能である。したがって、この活性層１４Ｄを用いることによって、活性層の幅方向の変化も偏波依存性低減に利用できるので、半導体光増幅素子の設計の自由度を更に増すことが可能である。
【００６６】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本発明は、実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【００６７】
例えば、活性層は、圧縮歪み又は引っ張り歪みの一方を受けていてもよい。バルク構造の活性層は層厚が大きいので、大きな歪みは導入できないが、小さい歪みであれば、ミスフィット転位等を生じず、良好な結晶性を維持することができる。無歪の活性層の場合には、（３）式に示したように、材料に依存する利得（材料利得）の偏波依存性は無いが、歪を導入した場合には偏波依存性が生じる。圧縮歪みの場合には、ＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より大きくなり、引っ張り歪みではＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より小さくなる。このような歪みを導入したバルク活性層を用いれば、偏波依存性低減化の設計に閉じ込め係数の偏波依存性だけでなく、歪量に応じて変化する材料利得の偏波依存性も利用できるようになるので、無歪の活性層を用いる場合に比べて、設計の自由度が増し、構造最適化がより容易になるという利点がある。なお、活性層の材料として半導体基板１８より格子定数が大きい材料を用いることによって、活性層に圧縮歪みを与えることができる。一方、活性層の材料として半導体基板１８より格子定数が小さい材料を用いることによって、活性層に引っ張り歪みを与えることができる。
【００６８】
また、上述の実施の形態では、活性層がバルク構造になっているが、活性層は単一または多重の量子井戸構造であってもよい。量子井戸構造の場合に、活性層は、例えばＧａＩｎＮＡｓを含む井戸層、及びＧａＮＡｓ又はＧａＡｓを含む障壁層を有することができる。量子井戸構造の場合も、材料利得の偏波依存性があり、無歪や圧縮歪みの場合には、ＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より大きくなり、引っ張り歪みではＴＥモードの材料利得がTMモードの材料利得より小さくなる。従って、量子井戸活性層を用いれば、上記歪バルク活性層の場合と同様に、偏波依存性低減化の設計に閉じ込め係数の偏波依存性だけでなく、材料利得の偏波依存性も利用できるようになるので、無歪の活性層を用いる場合に比べて、設計の自由度が増し、構造最適化がより容易になるという利点がある。
【００６９】
また、上述の実施の形態には、上下のクラッド層と活性層のバンドギャップ差を利用してメサ状の活性層領域に電流狭窄を行う構造が採用されているが、他の任意の電流狭窄構造が採用されてもよい。具体的には、上部クラッド層を凸型リッジ形状に加工し、その側面を絶縁膜で覆って電流狭窄するリッジストライプ構造を採用可能である。また、同じくリッジ構造ではあるが、リッジ部側面を絶縁膜の代わりに半導体で埋め込んで電流狭窄した埋め込みリッジストライプ構造、さらには、ＢＨ構造等が採用されてもよい。
【００７０】
また、上述の実施の形態では、結晶成長の下地として、半導体基板が採用されているが、例えば異種基板上に形成された半導体層が下地に採用されてもよい。具体的には、Ｓｉ基板上に形成されたＧａＡｓ半導体層等を用いることが可能である。この場合には、異種基板の使用が可能となり、設計の自由度が増し、さらに、異種基板上に作製される光、及び電子デバイスとの集積が容易となる。
【００７１】
また、上述の実施の形態では、下部クラッド層上に形成したマスクを用いて選択成長が行なわれているが、半導体基板上に、又は活性層の下に存在する任意の層上に形成したマスクを用いて、同様の選択成長を行うことが可能である。
【００７２】
また、上述の実施の形態は、本発明を半導体光増幅素子に適用したものであるが、本発明は、半導体光増幅素子に限られるものではなく、例えば、発光ダイオードや半導体レーザ、電解吸収型光変調素子、マッハツェンダー型光変調素子、光導波路、及びこれらを集積した素子への適用も可能である。これら全ての半導体光素子に本発明を適用することによって、歩留まりや再現性、均一性、信頼性に優れ、且つ偏波依存性を低減可能な半導体光素子を提供することが可能である。
【００７３】
したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を一部破断して示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す平面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体光増幅素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。
【図６】図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体光増幅素子を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０…半導体光増幅素子、１２…下部クラッド層、１２ａ…第１の領域、１２ｂ…第２の領域、１４…活性層、１６…上部クラッド層、１８…半導体基板、２０…下部電極、２２…コンタクト層、２４…上部電極、２６…低反射膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の下部クラッド層と、
第２導電型の上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層の間に設けられた活性層と、
を備え、
前記下部クラッド層は、前記活性層における光の導波方向に延びる第１の領域と、該第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有しており、
前記活性層は、前記第１の領域に支持されており、
ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とが実質的に等しくなるように、前記活性層の層厚が、前記導波方向において変化している、
半導体光素子。
【請求項２】
前記活性層の幅が、前記導波方向において変化している、請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記活性層は、圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方を受けている、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記上部クラッド層は、前記第２の領域、及び前記活性層上に設けられている、請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体光素子。
【請求項１】
第１導電型の下部クラッド層と、
第２導電型の上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層の間に設けられた活性層と、
を備え、
前記下部クラッド層は、前記活性層における光の導波方向に延びる第１の領域と、該第１の領域の両側に設けられた第２の領域とを有しており、
前記活性層は、前記第１の領域に支持されており、
ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とが実質的に等しくなるように、前記活性層の層厚が、前記導波方向において変化している、
半導体光素子。
【請求項２】
前記活性層の幅が、前記導波方向において変化している、請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記活性層は、圧縮歪み及び引っ張り歪みの一方を受けている、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記上部クラッド層は、前記第２の領域、及び前記活性層上に設けられている、請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２４５１３７（Ｐ２００６−２４５１３７Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５６５２０（Ｐ２００５−５６５２０）
【出願日】平成１７年３月１日（２００５．３．１）
【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）国等の委託研究の成果に係わる特許出願（平成１６年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１日（２００５．３．１）
【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）国等の委託研究の成果に係わる特許出願（平成１６年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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