(57)【要約】【課題】半導体レーザ部や電界吸収型光変調器部の活性層のΔＥCを大きくしてこれらの性能向上を図ることができ、更には適切な活性層パラメータを用いることで変調器の性能を大幅に向上させることにより、２５〜８５℃の範囲において、テレコミュニケーション用やデータ通信用の高速変調器集積光源としても利用できる光半導体装置を提供する。【解決手段】基板１上に半導体レーザ部１０と電界吸収型光変調器部３０とパッシブ層２０とが形成された構成の光半導体装置において、基板１の半導体混晶はInP、半導体レーザ部の活性部２の量子井戸層及びバリア層をIn1-x-yAlxGayAs、回折格子形成層をIn1-xGaxAsyP1-y、電界吸収型光変調器部の活性部５の量子井戸層及びバリア層をIn1-x-yAlxGayAsとする。また、電界吸収型光変調器部の活性部５は、量子井戸数を２〜２０、量子井戸層の歪量を−０．６〜１％、バリア層のバンドギャップ波長を０．９〜１．０５μｍとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体混晶からなる基板上に、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する半導体レーザ部と、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する電界吸収型光変調器部と、活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に介設されて前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部とにバットジョイント結合され、且つ、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はInP、前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAs、回折格子形成層はIn1-xGaxAsyP1-yであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
半導体混晶からなる基板上に、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する半導体レーザ部と、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する電界吸収型光変調器部と、活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に介設されて前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部とにバットジョイント結合され、且つ、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はInP、前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
半導体混晶からなる基板上に、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する半導体レーザ部と、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する電界吸収型光変調器部と、活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に介設されて前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部とにバットジョイント結合され、且つ、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はInP、前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAs、回折格子形成層はIn1-xGaxAsyP1-y、前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の光半導体装置において、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が２〜２０、量子井戸層の歪量が−０．６〜１％（マイナスは圧縮歪、プラスは引張歪）、バリア層のバンドギャップ波長が０．９〜１．０５μｍであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項２〜４の何れか１項に記載の光半導体装置において、
前記パッシブ層の活性部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造であることを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか１項に記載の光半導体装置において、
前記パッシブ層の活性部は、バンドギャップ波長が１．１〜１．２μｍのIn1-xGaxAsyP1-yバルクであることを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層には、２５℃での利得が最大となる光波の波長を１．２５〜１．３５μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有していることを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】
請求項１又は７に記載の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が１．２５〜１．３５μｍとなる深さ及び周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】
請求項３に記載の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層には、２５℃での利得が最大となる光波の波長を１．２５〜１．３５μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有しており、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が１．２５〜１．３５μｍとなる深さ及び周期を有する回折格子が形成されており、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層には、２５℃での利得が最大となる光波の波長が、前記ブラッグ波長から４０〜１００ｎｍ短くなるような波長を達成する厚みを有していることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１又は３に記載の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部は、前記活性部及び前記クラッド部の両側が、ルテニウムをドーピングした絶縁体の埋め込み層で埋め込まれていることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光半導体装置に関し、より詳しくは、歪量子井戸層を有する電界吸収型光変調器集積半導体レーザのような光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のFTTH（Fiber To The Home）の広がりから、加入者系での高性能な光デバイスが強く求められており、光源である半導体レーザは、１．３μｍ付近の波長の光が得られ、厳しい温度環境下で動作し（８５℃程度）、なお且つ低消費電力であることが求められている。
【０００３】
これまで、低消費電力で高い効率を有し、更に温度特性の良い光半導体装置として、歪量子井戸半導体レーザが研究開発されてきた。また、光通信の信号として用いるには、半導体レーザから出力された光を０と１の信号に変調する必要があり、その場合には、半導体レーザを駆動する電流を直接変調する直接変調型、若しくは外部変調器を用いる外部変調型の変調器が開発されてきた。
【０００４】
このような半導体レーザなどの光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。このような歪量子井戸は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている。
【０００５】
この多重量子井戸に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸には電子が、価電子帯の各量子井戸には正孔（ホール）が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。InP基板上に形成された歪量子井戸を用いることで、加入者系光通信で用いられる波長１．３μｍ付近の光を得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】C. Sun, B. Xiong, J. Wang, P. Cai, J. Xu, J. Huang, H. Yuan, Q. Zhou, and Y. Luo, "Fabrication and packaging of 40-Gb/s AlGaInAs multiple-quantum-well electroabsorption modulated lasers based on identical epitaxial layer scheme," Journal of Lightwave Technology, vol. 26, pp1464, June 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、量子井戸の材料にIn1-xGaxAsyP1-yを用いると、バリア層、量子井戸層それぞれの伝導帯下端エネルギーの差（伝導帯バンドオフセット：ΔＥC）が小さく、高温では電子が井戸から飛び出しやすくなり、しきい値電流の増大、共振周波数の減少（変調特性の劣化）など、性能が著しく劣化することが知られている。
また、半導体レーザの出力を直接変調する場合には、電流の変化に伴う屈折率変化（チャープ）によって、高速で変調するほど、信号を伝送した場合の波形歪が大きいという問題があった。この問題を解決するための一つの方法として外部変調器を用いる方法がある。特に、電界吸収型光変調器を用いることで、チャープを制御しつつ高速に信号を変調することができるが、ΔＥCが小さいことから、高電界印加時に電子の波動関数のバリア層への染み出しが大きく、消光比が小さく印加電界も大きいという問題点がある。消光比は信号伝送において最も重要なパラメータであり、２５〜８５℃の範囲において、テレコミュニケーション用途では１１dB、データ通信では９dB以上必要と言われており、大きいほど良い。
【０００８】
そのため、より大きなΔＥCをもつ材料系を用いて半導体レーザ、電界吸収型光変調器を作製するという試みがなされてきた。ΔＥCを大きくすることで、半導体レーザにおいては高温時の電子の飛び出しによる特性劣化を防ぐことができ、電界吸収型光変調器においては、より大きな消光比を得ることができる。しかし、変調器の性能は量子井戸の井戸層、バリア層の歪や厚さに大きく依存するため、適切なパラメータを用いなければ性能向上は不可能である。また、従来は、量子井戸層の歪は圧縮歪であったが、それが最適かどうかも不明であった。
【０００９】
従って、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ部や電界吸収型光変調器部の活性層のΔＥCを大きくしてこれらの性能向上を図ることができ、更には適切な活性層パラメータを用いることで電界吸収型光変調器部の性能を従来材料の場合に比べて大幅に向上させることにより、２５〜８５℃の範囲において、テレコミュニケーション用、若しくはデータ通信用の高速変調器集積光源としても利用できる光半導体装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する第１発明の光半導体装置は、半導体混晶からなる基板上に、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する半導体レーザ部と、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する電界吸収型光変調器部と、活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に介設されて前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部とにバットジョイント結合され、且つ、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はInP、前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAs、回折格子形成層はIn1-xGaxAsyP1-yであることを特徴とする。
【００１１】
また、第２発明の光半導体装置は、半導体混晶からなる基板上に、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する半導体レーザ部と、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する電界吸収型光変調器部と、活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に介設されて前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部とにバットジョイント結合され、且つ、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はInP、前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであることを特徴とする。
【００１２】
また、第３発明の光半導体装置は、半導体混晶からなる基板上に、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する半導体レーザ部と、量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有する電界吸収型光変調器部と、活性部とこの活性部の上下に設けられたクラッド部とを有し、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部との間に介設されて前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部とにバットジョイント結合され、且つ、前記半導体レーザ部と前記電界吸収型光変調器部を電気的に絶縁するパッシブ層とが形成された構成の光半導体装置であって、
前記基板の半導体混晶はInP、前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAs、回折格子形成層はIn1-xGaxAsyP1-y、前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsであることを特徴とする。
【００１３】
また、第４発明の光半導体装置は、第２又は第３発明の光半導体装置において、
前記電界吸収型光変調器部の活性部は、量子井戸数が２〜２０、量子井戸層の歪量が−０．６〜１％（マイナスは圧縮歪、プラスは引張歪）、バリア層のバンドギャップ波長が０．９〜１．０５μｍであることを特徴とする。
【００１４】
また、第５発明の光半導体装置は、第２〜第４発明の何れかの光半導体装置において、
前記パッシブ層の活性部は、前記電界吸収型光変調器部の活性部と同じ多重量子井戸構造であることを特徴とする。
【００１５】
また、第６発明の光半導体装置は、第１〜第４発明の何れかの光半導体装置において、
前記パッシブ層の活性部は、バンドギャップ波長が１．１〜１．２μｍのIn1-xGaxAsyP1-yバルクであることを特徴とする。
【００１６】
また、第７発明の光半導体装置は、第１発明に記載の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層には、２５℃での利得が最大となる光波の波長を１．２５〜１．３５μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有していることを特徴とする。
【００１７】
また、第８発明の光半導体装置は、第１又は第７発明の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が１．２５〜１．３５μｍとなる深さ及び周期を有する回折格子が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、第９発明の光半導体装置は、第３発明の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部の活性部の量子井戸層には、２５℃での利得が最大となる光波の波長を１．２５〜１．３５μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有しており、
前記半導体レーザ部の活性部の回折格子形成層には、そのブラッグ波長が１．２５〜１．３５μｍとなる深さ及び周期を有する回折格子が形成されており、
前記電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸層には、２５℃での利得が最大となる光波の波長が、前記ブラッグ波長から４０〜１００ｎｍ短くなるような波長を達成する厚みを有していることを特徴とする。
【００１９】
また、第１０発明の光半導体装置は、第１又は第３発明の光半導体装置において、
前記半導体レーザ部は、前記活性部及び前記クラッド部の両側が、ルテニウムをドーピングした絶縁体の埋め込み層で埋め込まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光半導体装置によれば、従来のIn1-xGaxAsyP1-yに代えて、温度特性の優れたアルミニウム系の材料であるアルミニウムを含む半導体混晶In1-x-yAlxGayAsを、半導体レーザ部の活性部（量子井戸層、バリア層）や、電界吸収型光変調器部の活性部（量子井戸層、バリア層）に用いることによって、これらのΔＥCを大きくしたことにより、半導体レーザ部においては高温時の電子の飛び出しによる特性劣化を防ぐことができ、電界吸収型光変調器部においては、より大きな消光比を得ることができる。
更に、本発明の光半導体装置は、電界吸収型光変調器部の活性部の量子井戸数を２〜20、量子井戸層の歪量を−０．６〜１％、バリア層のバンドギャップ波長を０．９〜１．０５μｍとすることによって、適切な活性層パラメータを用いることにより、電界吸収型光変調器部の性能を従来材料の場合に比べて大幅に向上させることができるため、２５〜８５℃の範囲において、テレコミュニケーション用、若しくはデータ通信用の高速変調器集積光源としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態例に係る変調器集積光源の層構造断面図である。
【図２】本発明の実施例１，２，３に係るリッジ型変調器集積光源の構造図である。
【図３】本発明の実施例１に係るリッジ型変調器集積光源の電界吸収型光変調器部における静的消光比の印加電界依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るリッジ型変調器集積光源の電界吸収型光変調器部における静的消光比の井戸層歪量依存性を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係るリッジ型変調器集積光源の電界吸収型光変調器部における静的消光比の温度依存性を示す図である。
【図６】本発明の実施例２に係るリッジ型変調器集積光源の電界吸収型光変調器部における静的消光比の印加電界依存性である。
【図７】本発明の実施例２に係るリッジ型変調器集積光源の電界吸収型光変調器部における静的消光比のバンドギャップ波長依存性である。
【図８】本発明の実施例４に係る埋め込み型変調器集積光源の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態例及び具体的な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態例の変調器集積光源（光半導体装置）は、半導体混晶からなる基板１上に、半導体レーザ活性部（Laser diode部：ＬＤ部）１１とパッシブ層１２と電界吸収型光変調器部（Electroabsorption modulator部：ＥＡＭ部）１３とが形成された構成となっている。
【００２４】
ＬＤ部１１は量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、この活性部２の上下に設けられたクラッド部３，４とを有している。
ＥＡＭ部１３は量子井戸層、バリア層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、この活性部５の上下に設けられたクラッド部３，４とを有している。
パッシブ層１２は活性部６と、この活性部６の上下に設けられたクラッド部３，４とを有しており、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３との間に介設されて、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３とにバットジョイント結合されている。
【００２５】
また、基板１の下面には下部電極７が設けられ、ＬＤ部１１の上部クラッド部３の上面とＥＡＭ部１３の上部クラッド部３の上面には、コンタクト層８を介して上部電極９が設けられている。一方、パッシブ層１２の上部クラッド部３の上面にはコンタクト層も上部電極も設けられておらず、パッシブ層１２はＬＤ部１１とＥＡＭ部１３とを電気的に絶縁している。
【００２６】
そして、基板１の半導体混晶はInP、ＬＤ部１１の活性部２の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAs、回折格子形成層はIn1-xGaxAsyP1-y、ＥＡＭ部１３の活性部５の量子井戸層及びバリア層はIn1-x-yAlxGayAsである。更に、詳細は下記の実施例で述べるが、ＥＡＭ部１３の活性部５は、量子井戸数を２〜２０、量子井戸層の歪量を−０．６〜１％、バリア層のバンドギャップ波長を０．９〜１．０５μｍとすることが望ましい。
また、パッシブ層１２の活性部６は、ＥＡＭ部１３の活性部５と同じ多重量子井戸構造とする、或いはバンドギャップ波長が１．１〜１．２μｍのIn1-xGaxAsyP1-yバルクとする。
【００２７】
本実施の形態例の変調器集積光源によれば、従来のIn1-xGaxAsyP1-yに代えて、温度特性の優れたアルミニウム系の材料であるアルミニウムを含む半導体混晶In1-x-yAlxGayAsを、ＬＤ部１１の活性部２（量子井戸層、バリア層）や、ＥＡＭ部１３の活性部５（量子井戸層、バリア層）に用いることによって、ΔＥCを大きくしたことにより、ＬＤ部１１においては高温時の電子の飛び出しによる特性劣化を防ぐことができ、ＥＡＭ部１３においては、より大きな消光比を得ることができる。
更に、本実施の形態例の変調器集積光源は、ＥＡＭ部１３の活性部５の量子井戸数を２〜20、量子井戸層の歪量を−０．６〜１％、バリア層のバンドギャップ波長を０．９〜１．０５μｍとすることによって、適切な活性層パラメータを用いることにより、ＥＡＭ部１３の性能を従来材料の場合に比べて大幅に向上させることができるため、２５〜８５℃の範囲において、テレコミュニケーション用、若しくはデータ通信用の高速変調器集積光源としても利用できる。
【００２８】
［実施例１］
図２に基づいて、本発明の実施例１のリッジ型変調器集積光源（光半導体装置）の構造を説明する。なお、コンタクト層や電極の図示は省略している。
【００２９】
図２に示すように、本実施例１のリッジ型変調器集積光源は、半導体混晶からなる基板１上に、ＬＤ部１１とパッシブ層１２とＥＡＭ部１３とが形成された構成となっている。  ＬＤ部１１は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及びIn1-xGaxAsyP1-y回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、上部のp-InPクラッド部３とを有して成るものである。
ＥＡＭ部１３は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、上部のp-InPクラッド部３とを有して成るものである。
パッシブ層１２はＥＡＭ部１３と同様の構成となっている。即ち、パッシブ層１２は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部６と、上部のp-InPクラッド部３とを有してなるものである。パッシブ層１２は、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３との間に介設されて、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３とにバットジョイント結合されている。但し、パッシブ層１２によってＬＤ部１１とＥＡＭ部１３とを電気的に絶縁のため、パッシブ層１２には上部電極が設けられていない。
【００３０】
そして本実施例１では、このような構造のリッジ型変調器集積光源において、ＬＤ部１１の活性部２はバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１３の活性部５は量子井戸層の歪量、厚さをそれぞれ、εw、１０ｎｍ、量子井戸数を６とし、バリア層の厚さを２０ｎｍ、バンドギャップ波長を１μｍとする。ＥＡＭ部１３の量子井戸層のバンドギャップ波長はＬＤ部１１との離調が７０ｎｍとなるように、与えられた歪に対して第１量子化準位間波長が１．２３μｍとなるような混晶を用いる。
【００３１】
本発明は前述したとおり、加入者系通信網用の１．３μｍ帯の光源に対するものであり、そこで用いられる波長の範囲は各種の規格において１．２５〜１．３５μｍ程度である。従って、ＬＤ部１１の活性部２の量子井戸層は、２５℃での利得が最大となる光波の波長を１．２５〜１．３５μｍとする材料（In1-x-yAlxGayAs）が選択され、その波長を達成する厚み及び歪量を有していればよい。ＬＤ部１１の活性部２の回折格子形成層は、そのブラッグ波長が１．２５〜１．３５μｍとなる深さ及び周期を有する回折格子が形成されていればよい。なお、本実施例では、ＬＤ部１１の活性部２のバンドギャップ波長を全て１．３μｍとしているが、その値は用途に応じて変更すれば良い。
【００３２】
また、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３の波長の差、つまり離調については、離調が小さくなると、バイアス電圧が小さくなるが、挿入損失が大きくなる。逆に、離調を大きくすると、バイアス電圧が大きくなるかわりに挿入損失が減少する。また、半導体のバンドギャップ波長、レーザの発振波長の温度依存性は一般に０．５ｎｍ／Ｋ、０．１ｎｍ／Ｋ程度であり、２５℃で離調が１００ｎｍのとき、８５℃では７６ｎｍとなる。一般に用いられる離調の値は４０〜８０ｎｍ程度であり、８５℃までの使用を想定すると、室温（２５℃）での離調は最大１００ｎｍ程度あればよい。即ち、ＥＡＭ部１３の活性部５の量子井戸層は、２５℃での利得が最大となる光波の波長が、前述のＬＤ部１１の回折格子形成層のブラッグ波長（１．２５〜１．３５μｍ）から４０〜１００ｎｍ短くなるような波長を達成する厚みを有していればよい。
【００３３】
なお、本明細書にて述べる量子井戸の特性は、断りが無い限り半導体量子井戸の特性を極めて良く予測するｋ・ｐ摂動理論を用いて算出している。また、バリア材料の組成は基板に格子整合するものとしているが、歪補償の目的でバリア層に歪を導入しても問題は無い。半導体混晶の組成比は、歪量、井戸幅、第１量子化準位間波長によって特定し、必要がなければ具体的には述べない。
【００３４】
次に、本実施例１のリッジ型変調器集積光源の製造方法を説明する。
まず、ｎ型のInP基板１上に、ＬＤ部１１を形成するために下部のn-InPクラッド部４と、活性部２とを成長させ、更に活性部２に回折格子形成層を形成後、p-InPのカバー層を成長させる。
次に、この成長させた下部のn-InPクラッド部４、活性部２及びp-InPのカバー層のうち、ＬＤ部１１として必要な部分以外の部分を、ウェットエッチングによって削り取る。
次に、この削り取られた部分のｎ型のInP基板１上に、ＥＡＭ部１３及びパッシブ層１２を構成するための下部のn-InPクラッド部４と、同一の多重量子井戸構造を有する活性部５，６と、p-InPのカバー層とを再成長させる。そして、p-InPのカバー層を除去後、ＬＤ部１１の回折格子形成層に回折格子を形成し、上部のp-InPクラッド部３を成長させる。
このとき、上部のp-InPクラッド部３は２μｍ成長させ、このp-InPクラッド部３の上にコンタクト層を成長させる。コンタクト層は、ＬＤ部１１及びＥＡＭ部１３に対応する部分を残し、パッシブ層に対応する部分をウェットエッチングによって削り取る。
かくして、ＬＤ部１１、パッシブ層１２及びＥＡＭ部１３が作りこまれたウェハーが完成する。この完成したウェハーに対して幅が２μｍのメサ形成プロセス及び電極形成プロセス（但しパッシブ層１２には上部電極を形成しない）を実施した後、へき開により、長さ４００〜１０００μｍのリッジ型変調器集積光源を作成して完成となる。
【００３５】
図３はＥＡＭ部１３の量子井戸層の歪量εw＝−０．５％、０％、０．５％、変調器長ＬEA＝２００μｍ、光閉じ込め係数Γ＝０．１、ＥＡＭ部１３へ入る光の波長λ＝１．３μｍの場合におけるＥＡＭ部１３の静的消光比の印加電界依存性を示している。ここで負の歪量は圧縮歪を表し、正の歪量は引張歪を表すものとする。図３からわかるように、ＥＡＭ部１３の消光比は量子井戸層の歪量に大きく依存し、引張歪を導入することで圧縮歪に比べて大きな消光比を得ることができる。
図４はＥＡＭ部１３の静的消光比の井戸層歪量依存性を示したものである。図４から、消光比は歪量０．５％程度で最大となっているのがわかる。
【００３６】
この理由は以下のように説明される。無歪の場合、量子井戸の価電子帯の第１バンドは重い正孔（ヘビーホール）のバンドであり、第２バンドは軽い正孔（ライトホール）のバンドである。量子力学的な理由から、圧縮歪の下では、ヘビーホールのバンドが高エネルギー側、ライトホールのバンドが低エネルギー側へとシフトし、最初の２つのバンドの間のエネルギー差は大きくなる。すると、価電子帯での状態密度の低下により、吸収に寄与する状態数が少なくなり、吸収量が減少する。一方、量子井戸に引張歪を導入しその値を大きくしていくと、圧縮歪とは反対に、ヘビーホールのバンドが低エネルギー側、ライトホールのバンドが高エネルギー側へとシフトし、最初の２つのバンドの間のエネルギー差は小さくなり、やがて重なる。その状態では、同じ光の波長に対し、２つのバンドが吸収に寄与するため、吸収量が最大となる。さらに引張歪を大きくすると、価電子帯の第１バンドがライトホールとなり、第２バンドがヘビーホールとなり、その差が大きくなっていくので、吸収に寄与するバンドが第１バンドのみになり、吸収量は減少する。つまり、量子井戸において、大きな吸収量を得るためには、バンド構造の精密な設計が必要である。
【００３７】
実際に変調をかける際の動的消光比は一般に静的消光比に比べて６５％程度に悪化するため、データ通信に必要な消光比９dBを得るためには、歪量−０．６％以上１％以下が必要であり、テレコミュニケーションに必要な消光比１１dBを得るためには歪量が０．１〜０．８％の間であれば達成可能である。
【００３８】
図５は歪量εw=０．５％、変調器長ＬEA＝２００μｍ場合の２５℃、５５℃、８５℃でのＥＡＭ部１３の静的消光比の印加電界依存性を示している。但し、８５℃での回折格子のブラッグ波長が１．３３μｍとなるような回折格子を用いている。量子井戸のバンドギャップ波長、回折格子のブラッグ波長の温度依存性は一般に０．５ｎｍ／Ｋ、０．１ｎｍ／Ｋ程度であり、今、量子井戸の室温（２５℃）でのバンドギャップ波長が１．３μｍであるから、この場合、８５℃でのバンドギャップ波長に回折格子の波長を合わせていることになる。このとき、２５℃、５５℃での回折格子のブラッグ波長λBraggはそれぞれ、１．３２４μｍ、１．３２７μｍである。図５から、アクセス系の通信に必要な全ての温度範囲（２５〜８５℃）に渡って、通信に必要な消光比が達成できるのがわかる。よって量子井戸層の歪量を−０．６〜１％程度とすることにより、温度特性の優れたアルミニウム系の材料であるアルミニウムを含む半導体混晶In1-x-yAlxGayAsを用いて、アクセス系光源で必要となる２５〜８５℃で動作可能な、テレコミュニケーション、データ通信用の変調器集積光源を構成することが可能となる。
【００３９】
［実施例２］
図２に基づいて、本発明の実施例２のリッジ型変調器集積光源（光半導体装置）の構造を説明する。なお、コンタクト層や電極の図示は省略している。
【００４０】
図２に示すように、本実施例２のリッジ型変調器集積光源は、半導体混晶からなる基板１上に、ＬＤ部１１とパッシブ層１２とＥＡＭ部１３とが形成された構成となっている。
ＬＤ部１１は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及びIn1-xGaxAsyP1-y回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、上部のp-InPクラッド部３とを有して成るものである。
ＥＡＭ部１３は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、上部のp-InPクラッド部３とを有して成るものである。
パッシブ層１２はＥＡＭ部１３と同様の構成となっている。即ち、パッシブ層１２は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部６と、上部のp-InPクラッド部３とを形成してなるものである。パッシブ層１２は、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３との間に介設されて、ＬＤ部１１とＥＡＭ部１３とにバットジョイント結合されている。但し、パッシブ層１２によってＬＤ部１１とＥＡＭ部１３とを電気的に絶縁のため、パッシブ層１２には上部電極が設けられていない。
【００４１】
そして本実施例２では、このような構造のリッジ型変調器集積光源において、ＬＤ部１１の活性部２はバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１３の活性部５は量子井戸層の歪量、厚さをそれぞれ、０．５％、１０ｎｍ、量子井戸数を6とし、バリア層の厚さを２０ｎｍ、バンドギャップ波長をλBとする。ＥＡＭ部１３の量子井戸層のバンドギャップ波長はＬＤ部１１との離調が７０ｎｍとなるように、与えられた歪に対して第1量子化準位間波長が１．２３μｍとなるような混晶を用いる。
【００４２】
なお、本実施例２のリッジ型変調器集積光源の製造方法は、実施例１の場合と同様である。
【００４３】
図６はＥＡＭ部１３のバリア層のバンドギャップ波長がλB＝０．９μｍ、１．０μｍ、１．１μｍ、変調器長ＬEA＝２００μｍ、光閉じ込め係数Γ＝０．１、ＥＡＭ部１３へ入る光の波長λ＝１．３μｍの場合におけるＥＡＭ部１３の静的消光比の印加電界依存性を示している。図６から、バリア層のバンドギャップ波長が短くなるほど大きな消光比を得ることができるのがわかる。これはバリア層のバンドギャップ波長が短くなるほど井戸が深くなることにより、電子の波動関数のバリア層への染み出しが小さくなり、価電子帯波動関数とのオーバーラップが大きくなるためである。
【００４４】
図７はＥＡＭ部１３の静的消光比のバンドギャップ波長依存性を示したものである。図７から、バリア層のバンドギャップ波長が短いほど消光比が大きくなっているのがわかる。実施例１と同様に、データ通信が可能な消光比を得るためには、バンドギャップ波長λBが１．０５μｍ以下であればよい。バンドギャップ波長λBが０．９μｍよりも小さくなると、バリアの高さがInAlAsのそれに近づいてしまい、効率的なキャリアの注入を妨げるため装置の特性に悪影響を及ぼす。そのため、バリア層のバンドギャップ波長を０．９〜１．０５μｍとすることで、温度特性の優れたアルミニウム系の材料であるアルミニウムを含む半導体混晶In1-x-yAlxGayAsを用いて、テレコミュニケーション、データ通信用の変調器集積光源を構成することが可能となる。
【００４５】
［実施例３］
図２に基づいて、本発明の実施例３のリッジ型変調器集積光源（光半導体装置）の構造を説明する。なお、コンタクト層や電極の図示は省略している。
【００４６】
図２に示すように、本実施例３のリッジ型変調器集積光源は、半導体混晶からなる基板１上に、ＬＤ部１１とパッシブ層１２とＥＡＭ部１３とが形成された構成となっている。
ＬＤ部１１はn型のInP基板1上に形成された、下部のn‐InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及びIn1-xGaxAsyP1-y回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、上部のp-InPクラッド部３とを有してなるものである。
ＥＡＭ部１３は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、上部のp-InPクラッド部３とを有して成るものである。
パッシブ層１２は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、活性部６と、上部のp-InPクラッド部３とを形成してなるものである。
【００４７】
そして本実施例３では、パッシブ層１２の活性部６がバルクのIn1-xGaxAsyP1-yであり、そのバンドギャップ波長は１．２μｍとする。
パッシブ層１２のバンドギャップ波長は、レーザの発振波長に近すぎると吸収による損失が大きくなるため、それよりも十分短波長である必要があり、発振波長よりも１００ｎｍ程度短波であればこの吸収損失は問題にならない。本実施例３のリッジ型変調器集積光源の場合、発振波長が１．３μｍであるため、パッシブ層１２のバンドギャップ波長は１．２μｍ程度より短波長である必要がある。しかし、あまりに波長が短いと、InP基板１との屈折率差がとれなくなり、小さな光導波路構造を作りにくくなる。InP基板１に対して、通常と同じ大きさの光導波路を作成することのできるパッシブ層１２のバンドギャップ波長は通常１．１μｍ以上であり、本実施例３のリッジ型変調器集積光源における発振波長１．３μｍのＬＤ部１１に対しては、パッシブ層１２のバンドギャップ波長は１．１〜１．２μｍ程度が最適となる。
本実施例３のリッジ型変調器集積光源ではパッシブ層１２のバンドギャップ波長を１．２μｍとしているが、１．１μｍ以上であれば同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、ＬＤ部１１の活性部２はバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１３の活性部５は量子井戸層の歪量、厚さをそれぞれ、０．５％、１０ｎｍ、量子井戸数を６とし、バリア層の厚さを２０ｎｍ、バンドギャップ波長を１μｍとする。ＥＡＭ部１３の量子井戸層のバンドギャップ波長はＬＤ部１１との離調が７０nmとなるように、与えられた歪に対して第１量子化準位間波長が１．２３μｍとなるような混晶を用いる。
【００４９】
本実施例３のリッジ型変調器集積光源の場合、ＬＤ部１１を形成するために成長させた上部のp-InPカバー層、p-InPクラッド部３、活性部２及び下部のn-InPクラッド部４が削り取られた部分のInP基板１上に、ＥＡＭ部１３を構成するための下部のn-InPクラッド部４と、多重量子井戸構造の活性部５と、上部のp-InPカバー層とを再成長させる。
次に、この再成長させた下部のn-InPクラッド部４、多重量子井戸構造の活性部５及び上部のp-InPカバー層のうち、ＥＡＭ部１３として必要な部分以外の部分を、もう一度ウェットエッチングによって削り取る（勿論、このとき、ＬＤ部１１として必要な上部のp-InPカバー層、p-InPクラッド部３、活性部２及び下部のn-InPクラッド部４の部分は、削り取らずに残しておく。）
次に、この削り取られた部分のInP基板１上に、パッシブ層１２を構成するための下部のn-InPクラッド部４と、In1-xGaxAsyP1-yバルクの活性部６と、上部のp-InPカバー層とを再成長させる。
その他の製造工程については、実施例１，２と同じである。
【００５０】
本実施例３のリッジ型変調器集積光源に対しても実施例１，２と同様の効果を得ることができる他、本実施例３のリッジ型変調器集積光源では、ＥＡＭ部１３として必要な部分以外の部分を削り取り、ここにパッシブ層１２を再成長するため、ＥＡＭ部１３のきたないジョイント端面をなくして綺麗にすることができる。また、本実施例３のリッジ型変調器集積光源ではＥＡＭ部１３で光を吸収することにより生成されたキャリアがパッシブ層１２に進入してこないため、高速変調に有利である。
【００５１】
［実施例４］
図８に基づいて、本発明の実施例４に係る埋め込み型変調器集積光源（光半導体装置）の構造を説明する。なお、コンタクト層や電極の図示は省略している。
【００５２】
図８に示すように、本実施例４の埋め込み型変調器集積光源は、半導体混晶からなる基板１上に、ＬＤ部１１とパッシブ層１２とＥＡＭ部１３とが形成された構成となっている。
ＬＤ部１１はn型のInP基板1上に形成された、下部のn‐InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及びIn1-xGaxAsyP1-y回折格子形成層を含む多重量子井戸構造の活性部２と、上部のp-InPクラッド部３とを有してなるものである。
ＥＡＭ部１３は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、In1-x-yAlxGayAsバリア層、In1-x-yAlxGayAs量子井戸層及び光閉じ込め層を含む多重量子井戸構造の活性部５と、上部のp-InPクラッド部３とを有して成るものである。
パッシブ層１２は、ｎ型のInP基板１上に形成された、下部のn-InPクラッド部４と、活性部６と、上部のp-InPクラッド部３とを形成してなるものである。
【００５３】
パッシブ層１２の活性部６はバルクのIn1-xGaxAsyP1-yであり、そのバンドギャップ波長は１．２μｍとする。また、ＬＤ部１１の活性部２はバンドギャップ波長が１．３μｍとなるような多重量子井戸構造を用い、ＥＡＭ部１３の活性部５は量子井戸層の歪量、厚さをそれぞれ、０．５％、１０ｎｍ、量子井戸数を６とし、バリア層の厚さを２０ｎｍ、バンドギャップ波長を１μｍとする。ＥＡＭ部１３の量子井戸層のバンドギャップ波長はＬＤ部１１との離調が７０ｎｍとなるように、与えられた歪に対して第１量子化準位間波長が１．２３μｍとなるような混晶を用いる。
【００５４】
そして、本実施例４では、ＬＤ部１１の活性部２及びクラッド部３，４の両側、パッシブ層１２の活性部６及びクラッド部３，４の両側、及び、ＥＡＭ部１３の活性部５及びクラッド部３，４の両側が、InP基板１上に形成された絶縁体の埋め込み層１０によって埋め込まれている。埋め込み層１０はルテニウムなどがドーピングされた半絶縁性結晶である。
【００５５】
本実施例４の埋め込み型変調器集積光源の場合、ＬＤ部１１の活性部２及びクラッド部３，４の両側、パッシブ層１２の活性部６及びクラッド部３，４の両側、及び、ＥＡＭ部１３の活性部５及びクラッド部３，４の両側を、ウェットエッチングで削り取り、この削り取られた部分のInP基板１上に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋め込み層１０を形成することにより、前記両側を埋め込み層１０で埋め込んだ埋め込み構造としている。
その他の製造工程については、実施例１，２，３と同様である。
【００５６】
本実施例４の埋め込み型変調器集積光源に対しても実施例１，２，３と同様の効果が得られると共に、埋め込み層７にルテニウムをドープすることによって、レーザへの注入効率、放熱性が改善され、温度特性の向上が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は光半導体装置に関するものであり、テレコミュニケーション用やデータ通信用の高速変調器集積光源などに適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００５８】
１  半導体混晶基板
３  上部クラッド部
４  下部クラッド部
５  電界吸収型変調器部の活性部
６  パッシブ層の活性部
７  下部電極
８  コンタクト層
９  上部電極
１０  ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶による埋め込み層
１１  半導体レーザ活性部（ＬＤ部）
１２  パッシブ層
１３  電界吸収型光変調器部（ＥＡＭ部）
【図１】
2010283104.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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