(57)【要約】【課題】  光学利得の制御が可能でかつ設計自由度の大きい、量子ドットを用いた半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】  半導体基板（１）上に少なくとも複数の活性層（４）又は複数の光導波路層が形成されてなる半導体装置において、前記活性層（４）又は光導波路層は量子ナノ構造（１００）を含んでおり、前記量子ナノ構造（１００）の高さが、光の導波方向に対して垂直でかつ前記半導体基板（１）に平行な方向に段階的に又は周期的に変化していることを特徴とする。あるいは、前記量子ナノ構造（１００）の高さが光の導波方向に沿って段階的に又は周期的に変化していることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に少なくとも複数の活性層又は複数の光導波路層が形成されてなる半導体装置において、前記活性層又は光導波路層は量子ナノ構造を含んでおり、前記量子ナノ構造の高さが、光の導波方向に対して垂直でかつ前記半導体基板に平行な方向に段階的に又は周期的に変化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上に少なくとも複数の活性層又は複数の光導波路層が形成されてなる半導体装置において、前記活性層又は光導波路層は量子ナノ構造を含んでおり、前記量子ナノ構造の高さが光の導波方向に沿って段階的に又は周期的に変化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
光の導波方向が主に＜０１１＞方向であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記量子ナノ構造は、量子ドット、量子箱、量子細線又は量子ダッシュの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記量子ナノ構造は、前記半導体基板の格子定数と異なる格子定数の結晶層を含む層構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記量子ナノ構造は、（１００）面方位から傾斜した結晶面方位を有する層構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記量子ナノ構造は、結晶面方位が（ｎ１１）である層構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体基板の面方位は（ｎ１１）であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記半導体基板の面方位は、（１００）からの傾斜角度が１５°以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記活性層又は前記光導波路層に電流注入ないし電圧印加を行うための電極を複数有し、前記電極の各々が電気的に独立であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ナノ構造を有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴い、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決すべく、ＷＤＭ（波長多重伝送）システムがめざましい発展を遂げ普及している。
【０００３】
ＷＤＭシステムでは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せて伝送することにより１本のファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に既存のＷＤＭシステムは、エルビウム添加ファイバアンプ（以下、ＥＤＦＡという）やラマンアンプ等の光ファイバアンプを用いることにより広帯域・長距離伝送を可能としている。
【０００４】
ここで、ＥＤＦＡは、エルビウムという元素を添加した光ファイバに、伝送信号である波長１５５０ｎｍ帯の光を通すことにより、波長１４８０ｎｍ帯あるいは９８０ｎｍ帯の励起レーザで励起した際に伝送信号光が前記光ファイバの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバアンプである。
【０００５】
また、ラマンアンプは、ＥＤＦＡのようにエルビウム添加ファイバといった特殊な光ファイバを必要とせずに、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする光ファイバアンプであり、従来のＥＤＦＡを用いることを前提としたＷＤＭシステムに比べて広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。
【０００６】
前記ＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、前述した光ファイバアンプには、水平単一横モードで安定動作する高出力の半導体励起光源(励起レーザ）が必要となる。一方、ＷＤＭシステムの信号光源においては、狭線幅で高速変調可能な単一モード発振する半導体信号光源(信号レーザ)が大容量・長距離伝送する上で必要となる。更に、近年、急速に実用化が進められているFTTH (Fiber To The Home)などのアクセス系システムでは、80-100℃近くまで動作可能な信号光源が低価格で要求されている。
【０００７】
このように、現在の光ファイバ通信システムにおいて、半導体レーザは必要不可欠なデバイスである。特に、量子井戸構造、好適には複数の量子井戸とバリア層で構成された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造：Multi-Quantum Well構造）を活性層として有する埋め込みヘテロ（ＢＨ）型半導体レーザは安定した水平単一モードを実現するという点で有効であり、実際に、これらの構造を有する半導体レーザをパッケージした半導体レーザモジュールが光ファイバアンプの半導体励起光源やWDMシステムの半導体信号光源として用いられている。
【０００８】
半導体レーザの高出力化を実現する技術として、活性層をＭＱＷ構造、特に歪ＭＱＷ構造で形成することが知られている。ＭＱＷ構造は、半導体材料で作製された井戸層とバリア層が交互にヘテロ接合されることで実現され、特に各へテロ接合において、バリア層は、井戸層よりも広いバンドギャップエネルギーを有している。また、歪ＭＱＷ構造は、井戸層の半導体材料の格子定数と半導体基板の格子定数が異なる構造であり、一層の高性能化が可能であることが知られている。
【０００９】
また、発振閾値の大幅な低減、レーザ発振特性の温度特性改善などのさらなる特性改善には、量子井戸活性層に量子細線、量子ドット構造等のナノオーダーの2次元あるいは3次元構造の量子ナノ構造を用いることが有効であることが理論的に示されている。これは、電子あるいは正孔といったキャリアが2次元あるいは3次元ポテンシャルに閉じ込められることによって、量子サイズ効果が生じ、状態密度が特定の離散順位において先鋭化し、注入したキャリアが局在化することに起因する。
【００１０】
近年、量子ドット構造を、ＳＫ（Sｔｒａｎｓｋｉ−Kｒａｓｔａｎｏｗ）モードによる自然形成現象、すなわち、結晶の歪エネルギーを利用して、結晶成長中の自己組織化現象を用いて形成する方法が活発に研究されている。（非特許文献１参照）
非特許文献１には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いたＳＫ成長による量子ドットの形成過程が開示されている。具体的には、以下のことが開示されている。すなわち、ＧａＡｓ（００１）基板上にＩｎＡｓからなる量子ドット構造を形成する場合、基板上のＩｎＡｓの堆積量が１ＭＬ（分子層）程度までは、層状成長が行われ、ウェッティング層というある程度基板からのＧａ原子を含んだＧａＩｎＡｓ層が形成される。次いで、堆積量が増えて１．７ＭＬ程度になると、該ウェッティング層上に3次元のＩｎＡｓ島が出現し、量子ドットが形成される。
【００１１】
かかる作製方法で形成された量子ドットは、量子ドットの位置制御が困難であり、無秩序な配置をすることや形成されるドットの形状のばらつきが大きいことが挙げられる。このためドットのサイズに応じて量子化準位が異なるために、状態密度も揺らぐことになり、レーザ発振時の光学利得スペクトルも非常に広帯域なスペクトルになり、量子サイズ効果が十分に発現しないといった問題がある。
【００１２】
一方、量子ドットのサイズ揺らぎを積極的に利用した光半導体装置が特許文献１に開示されており、不均一な大きさの自然形成量子ドットを小さい面積比率で形成させることにより、利得帯域の広い光半導体装置が実現されるとしている(特許文献１参照)。
【非特許文献１】''半導体ナノ構造の自己組織化''、尾関雅志、清水雄一郎  応用物理  第72巻 第10号(2003)
【特許文献１】特開２００３―１２４５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献1に示された光半導体装置では、広帯域な波長域において光学利得を有するが、光学利得の分布が自然形成により生じた量子ドットのサイズに依存する。このため、例えば、波長可変レーザに適用した場合に、波長可変の波長帯域が、自然形成した量子ドットの揺らぎにより制限されるといった問題が生じる。
【００１４】
また、不均一な量子ドットを活性層に用いた半導体光増幅器では、波長に応じて利得差が生じるために、例えばWDMシステムのように多数のチャネルを一括増幅する場合、増幅後の信号強度がチャネルにより異なるといった問題が生じる。
【００１５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、光学利得の制御が可能でかつ設計自由度の大きい、量子ドットを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以上の目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明は、半導体基板上に少なくとも複数の活性層又は複数の光導波路層が形成されてなる半導体装置において、前記活性層又は光導波路層は量子ナノ構造を含んでおり、前記量子ナノ構造の高さが、光の導波方向に対して垂直でかつ前記半導体基板に平行な方向に段階的に又は周期的に変化していることを特徴とする半導体装置である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、半導体基板上に少なくとも複数の活性層又は複数の光導波路層が形成されてなる半導体装置において、前記活性層又は光導波路層は量子ナノ構造を含んでおり、前記量子ナノ構造の高さが光の導波方向に沿って段階的に又は周期的に変化していることを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、光の導波方向が主に＜０１１＞方向であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、前記量子ナノ構造は、量子ドット、量子箱、量子細線又は量子ダッシュの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、前記量子ナノ構造は、前記半導体基板の格子定数と異なる格子定数の結晶層を含む層構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記量子ナノ構造は、（１００）面方位から傾斜した結晶面方位を有する層構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、前記量子ナノ構造は、結晶面方位が（ｎ１１）である層構造上に形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、前記半導体基板の面方位は（ｎ１１）であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、前記半導体基板の面方位は、（１００）からの傾斜角度が１５°以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、前記活性層又は前記光導波路層に電流注入ないし電圧印加を行うための電極を複数有し、前記電極の各々が電気的に独立であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体装置である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、非常に広帯域な波長域で動作可能な半導体装置を実現できる。また、本発明によれば、半導体装置の光学利得の波長帯域を制御でき、設計自由度の高い半導体装置を実現することが出来る。特に、広帯域波長可変レーザ、多波長同時発振レーザ、半導体増幅器、白色光源において前記の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明に係る半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る半導体装置、具体的には広帯域の波長域で動作する半導体レーザアレー装置の断面斜視図である。
【００２８】
図１に示す半導体装置は、半導体基板１上に、下部クラッド層２Ａ、下部ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層３Ａ、活性層４、上部ＳＣＨ層３Ｂ、上部クラッド層２Ｂ、コンタクト層５を有している。また、前記コンタクト層５上に電極６Ａが、半導体基板１の下面に電極６Ｂが、それぞれ形成されている。
【００２９】
なお、活性層は光導波路とみなしたときには、光が閉じ込められるコア層として機能する。
【００３０】
また、前記活性層４は、量子ドット層１００とバリア層１０１により形成されている。さらに、前記量子ドット層１００は、ウェッティング層１００−１と量子ドット１００−２により構成されている。
【００３１】
なお、活性層４における最下層のバリア層１０１が下地層を兼ねているが、下地層を、最下層のバリア層とは独立させて前記活性層４と前記下部ＳＣＨ層３Ａの間に形成することもできる。下地層は、量子ドットの形成に際して、所望の波長を実現するために量子ドットのサイズ及び形状を制御することを目的として設けられる層である。特に、この下地層を、半導体基板１と異なる格子定数を持つ結晶層（歪層）とすると、量子ドットのサイズ及び形状を制御することができ、その結果、半導体レーザの発振波長を広い範囲で制御することが可能となる。
【００３２】
また、上記のように活性層４の最下層のバリア層１０１が下地層を兼ねることとせずに、下地層を活性層４中に形成することもできる。この場合には、下地層をバリア層１０１とウエッティング層１００−１の間に形成することが好ましい。さらに、効率的な電流注入を行うためには、禁制帯幅Egが  Eg(バリア層)≧Eg(下地層)＞Eg(ドット層)  となることがより好適である。
【００３３】
本実施の形態においては、活性層を構成する量子ドット１００−２の高さが、光の導波方向に垂直な方向に配置したアレーのストライプにより段階的に異なっている。このため、キャリアが閉じ込められる量子準位がストライプにより異なるので、それぞれのストライプで異なる発振波長のレーザを実現することができる。
【００３４】
また、各ストライプの量子ドットに直径(あるいは横方向のサイズ)の揺らぎを持たせると、活性層が薄膜構造からなる量子井戸デバイスと比較して、光利得がより広い波長域で分布するために、より広帯域での動作が可能となる。
【００３５】
本実施の形態においては、上部電極６Ａ及びコンタクト層５に溝７を形成することで電極６Ａを電気的に独立に分離しているので、個別のアレーストライプのレーザを独立に駆動することが可能である。
【００３６】
また、上記のように電極を電気的に分離した構造において、電極６Ａをアースにとり、電極６Ｂをプラスにして逆バイアスを印加することとすれば、電界吸収型の能動素子として使用することができる。その場合には、活性層４が吸収層として機能することになり、所望の吸収係数を得るために量子ドットの積層数を最適化するものとする。この電界吸収型の能動素子は、薄膜から構成される従来の量子井戸構造よりも大きな屈折率差を電界印加時に得られるので、低電圧動作時でも大きな消光比を実現することができる。
【００３７】
ここで、本実施の形態に記載の各ストライプにより高さの異なる自然形成量子ドットは、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD)などの結晶成長法を利用した選択成長技術を用いて実現される。
【００３８】
その際に用いられる選択成長マスクのパターンの一例を図２に示す。選択成長マスクは、ＳｉＯ２等の誘電体からなり、マスクの誘電体ストライプの一つが他のストライプよりも広い幅（Ｗ）を具備することを特徴としている。このマスクは、フォトリソグラフィなどの既知のプロセスを経て半導体層上に形成される。なお、図２中の(1)・・・(16)は、アレー中のレーザストライプ番号を示している。
【００３９】
（実験例）  図３〜５に、他の誘電体ストライプよりも幅の広い誘電体ストライプ（以下、幅広誘電体ストライプという）がそれぞれ５０μｍ及び３００μｍである２種類の選択成長マスクを用いて、単層からなるＩｎＡｓ量子ドットを自然形成した場合について、量子ドットサイズ等のストライプ位置依存性を調べた結果を示す。成長温度は５４０℃、成長圧力は１５Ｔｏｒｒとした。前記量子ドットサイズ等は、具体的には量子ドットの高さ、直径、分布密度である。なお、これらの構造評価には原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いており、各ストライプの中心付近１μｍ×１μｍの領域について評価を行った。なお、図中のプロットは、分布のメジアン値を示しており、各ポイントのばらつきは、３０％程度であった。
【００４０】
幅広誘電体ストライプの幅が５０μｍの場合は、量子ドットの高さ、直径、分布密度はアレーストライプの位置にほとんど依存していない。これに対し、幅広誘電体ストライプが３００μｍの場合は、量子ドットの分布密度と直径はアレーストライプの位置に依存しないが、高さは、幅広誘電体ストライプに近いほど高くなる傾向が得られている。
【００４１】
上記の結果から、幅広誘電体ストライプを５０μｍよりも大きくした選択成長マスクを用いることにより、量子ドットの高さを制御できるとの知見を得ることができた。このことは、幅広誘電体ストライプの幅を制御することで量子ドットの高さを変化させ、所望の波長帯域を実現できることを示している。
【００４２】
上記の結果は、選択成長マスクにおける一本のストライプを他のストライプ幅よりも大きくすることにより、ストライプに垂直かつ基板に平行な方向で量子ドット原料の気相拡散の程度が変化することで説明される。即ち、幅の広いマスク近傍では、気相拡散の影響で量子ドット原料の供給量が大きいために量子ドットの高さが高くなるが、幅広誘電体ストライプから離れるに従って、気相拡散の影響が小さくなって原料供給量が減るためにドットの高さが低くなるのでる。なお、量子ドットの直径や分布密度については、量子ドット原料の供給レート、成長レート、供給時間、成長温度、成長圧力などで制御することができる。
【００４３】
また、本実験では、マスクの端に幅広誘電体ストライプを一本配置した選択成長マスクを用いたが、量子ドットが形成される領域における原料の供給量あるいは成長速度を制御するといった観点からは、幅広誘電体ストライプは選択成長マスクの中心に配置しても問題ないし、複数本用いても問題はない。また、本実験では、量子ドットが形成される選択成長領域の幅が４μｍ、形成されない領域の幅が３μｍとなるような選択成長マスクを用いたが（図２参照）、これらの幅の設計を変えることによっても量子ドット原料の供給量を制御することができ、量子ドットの高さを制御することができる。
【００４４】
ところで、図６は、幅広誘電体ストライプの幅を変えた場合の量子ドットの高さを調べた結果である。番号（１）（８）（１６）は、レーザストライプの位置を示し、番号が若いほど幅広誘電体ストライプに近い。この結果として、幅広誘電体ストライプの幅が広くなるに従って、量子ドットの高さは高くなるが、あるところで飽和する傾向が得られている。また、量子ドット高さの幅広誘電体ストライプ幅依存性は、幅広誘電体ストライプに近いレーザストライプほど顕著である（ストライプ番号（１））。このことから、ストライプ方向に沿って幅広誘電体ストライプの幅を変化させた選択成長マスクを用いることにより、同一ストライプ内でストライプ方向に高さの異なる量子ドットを形成することが可能であることが示された。
【００４５】
また、別途、量子ドットの高さに関して、成長レートの影響を実験的に検討を行った。成長レート0.5ML/sで高さが5.5nmであったのに対し、成長レート0.13ML/sで高さ6.5nmとなった。このことから、本発明者らは、成長レートが低くなるほど、量子ドットの高さが高くなることを実験的に見出した。この知見から、幅広誘電体ストライプの幅を最適化することで、幅広誘電体ストライプの遠方ほどドットの高さを高くすることも可能となる。なお、上記成長レートの値は、成長温度に依存する。
【００４６】
[実施例１]  上記の実施の形態に係る実施例として、半導体レーザアレー装置について説明する。本実施例の半導体レーザアレー装置は、量子ドットを含む活性層を成長する際に、幅広誘電体ストライプを設けた選択成長マスクを用いることにより、量子ドットの高さを光の導波方向に対して垂直かつ基板に平行な方向に異ならせたことを特徴とする半導体レーザアレー装置である。
【００４７】
図７（ａ）に、この半導体レーザアレーの長手方向（共振器方向）の縦断面図を、また、図７（ｂ）に、斜視図（手前の面が共振器に垂直な面である。）を示す。この半導体レーザアレー装置は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１の（１００）面上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層２Ａ、アンドープの下部ＳＣＨ層３Ａ、活性層４、アンドープの上部ＳＣＨ層３Ｂ、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２Ｂ、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層５が順に積層された構造を有している。これらの層は、ＭＯＣＶＤ法や分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy,  ＭＢＥ）法などにより積層される。
【００４８】
また、電極６Ｂがｎ型ＩｎＰ半導体基板１の下側表面に形成され、電極６Ａがコンタクト層５上に形成されている。上部電極６Ａ及びコンタクト層５に溝７が形成されることで、電極６Ａは電気的に独立に分離されている。
【００４９】
下部ＳＣＨ層３Ａ、活性層４及び上部ＳＣＨ層３Ｂは、フォトリソグラフィ技術とエッチングプロセスを用いて形成されたメサ構造をなしており、このメサ構造の隣接領域に、ｐ型半導体層８及びｎ型半導体層９からなる電流ブロッキング層が形成された埋込みへテロ（buried hetero，ＢＨ）構造となっている。この電流ブロッキング層は、活性層４への注入電流を狭窄する機能を持つとともに、安定した水平横モードを実現する働きを持つ。本実施例では、安定性に優れた水平単一横モードを得るために上述のＢＨ構造を採用しているが、横モードが制御されていれば、リッジ構造や自己整合型（self-aligned structure, ＳＡＳ）構造であってもよい。
【００５０】
活性層４は、量子ドット構造を含み、該量子ドット構造は、図１に示すように、ＩｎＡｓからなる量子ドット層１００及び膜厚１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰからなるバリア層１０１からなる歪ＭＱＷ構造である。この活性層４の作製は、たとえば次のようにして行われる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法により下部ＳＣＨ層３Ａ及び最外接のＧａＩｎＡｓＰバリア層１０１を６２０℃、６０Ｔｏｒｒでエピタキシャル成長した後、通常用いられる半導体プロセスを用いて、図２に示すようなＳｉＯ２からなる選択成長マスクを形成する。その後、５４０℃、１５Ｔｏｒｒで量子ドット層１００及びバリア層１０１からなるＭＱＷ構造を成長する。この際、上記の選択成長マスクによって、基板面内でレーザストライプ方向に垂直かつ基板に平行な方向に高さの異なる量子ドットが形成される。
【００５１】
なお、上記のようにして活性層４を作製した後は、成長中断し、６２０℃、６０Ｔｏｒｒで上部ＳＣＨ層３Ｂ及び上部クラッド層２Ｂを成長し、さらに通常用いられるウエハプロセスを経てＢＨ構造を形成する。これらの工程により、＜０１１＞方向に光が導波される構造となる。
【００５２】
本実施例では、活性層４にｎ型不純物を７×１０１７ｃｍ−３ドープすることにより、素子抵抗及び熱抵抗を低減させ、高い電流注入時においても、低消費電力かつ高出力動作が可能な半導体レーザアレーとした。このｎ型不純物ドーピングは、ＭＱＷ構造を構成する量子ドット層１００及びこれに隣接したバリア層１０１からなるペアの少なくとも一部に行えばよく、必ずしも活性層の全ての領域に行う必要はない。また、要求される光出力の値いかんによっては、活性層４にｐ型不純物をドーピングする構造としても良いし、また、不純物ドーピングを行わない構造としても良い。なお、高速変調用の信号光源として用いる場合には、1×１０１8ｃｍ−３程度のp型ドーピングが、微分利得を高くするといった観点からより有効である。
【００５３】
次に、本実施例の半導体レーザアレー装置の活性層付近のバンド構造について説明する。図８に、本実施例の半導体レーザアレー装置の積層方向におけるバンドギャップダイヤグラムを、下部クラッド層２Ａから上部クラッド層２Ｂまでの範囲で示す。活性層４は、量子ドット層１００とバリア層１０１が交互に隣接してヘテロ接合され、活性層４は、積層方向に３つの井戸を有するＭＱＷ構造となっている。なお、この井戸層数は、量子ドットの活性層に対する体積占有率の観点から、本実施例のように３層又はそれ以上とすることが好ましい。
【００５４】
図８に示すように、ＳＣＨ層３Ａ及び３Ｂは、それぞれ活性層から離れるについれて各層のバンドギャップエネルギーが階段状に増加する複数の層３Ａ１、３Ａ２、・・・、３Ａｎ及び３Ｂ１、３Ｂ２、・・・、３Ｂｎを有したＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造となっている。本実施例では、バリア層１０１を組成波長１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰとし、ＳＣＨ層３Ａ、３Ｂを組成波長０．９５μｍ、１．０μｍ、１．０５μｍ、１．１μｍ、１．１５μｍ、１．２μｍで各層の厚さが４０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰとした。なお、下部ＳＣＨ層３Ａ全体及び上部ＳＣＨ層３Ｂ全体のそれぞれの厚さは、２００ｎｍ以下、より好適には１００ｎｍ以下、さらに好適には３０〜４０ｎｍとすることが望ましく、この厚さは、要求される光出力や閾値電流等の仕様に応じて最適な値を選ぶものとする。
【００５５】
本実施例では、最適構造としてバンドギャップエネルギーの包絡線が直線的に変化する多段のＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造をＳＣＨ構造として採用したが、所望の光出力が得られるのであれば、上記のような構造に限られるものではない。また、本実施例においては、上部ＳＣＨ層３Ｂと下部ＳＣＨ層３Ａとを、活性層４に対して位置、厚さ、組成が全て対称となるようにしたが、ｎ側の下部ＳＣＨ３を上部ＳＣＨ層３Ｂより厚くした非対称構造としてもよい。
【００５６】
さらに、図７（ａ）に示されるように、この半導体レーザアレー装置は、劈開面で形成され、光が出射する面である前端面と、これに対向する劈開面で形成される後端面とによって共振器長Ｌが規定される。本実施例ではＬ＝１３００μｍとした。前端面上には、共振器の前面からの光出射が容易となるように低反射膜１１が被覆されており、後端面上には、後面からの光出射が抑制されるように高反射膜１２が被覆されている。
【００５７】
ここで、本実施例では共振器長をＬ＝１３００μｍとしたが、共振器長はこれに限られない。半導体レーザアレーの高出力動作の観点からは、共振器長Ｌは、８００μｍ以上が好適であり、より好適には１０００μｍ以上、さらに好適には１５００μｍであることが望ましい。一方、信号光源用など、低閾値動作及び高速変調動作が要求されるレーザに用いる場合は、共振器長Ｌは４００μｍ以下、より好適には３００μｍとすることが望ましい。このように、共振器長Ｌは、レーザアレーの用途に応じて所望の光出力、消費電力、動作電流等の仕様を満たすように決定するものとする。
【００５８】
また、高出力動作を実現するためには、共振器長だけではなく、低反射膜１１の反射率を共振器長に応じて最適化することが好ましい。例えば、共振器長が１０００μｍである半導体レーザでは、低反射膜の反射率は５％以下、より好適には３％以下とすることが望ましい。本実施例の半導体レーザアレーでは、共振器長をＬ＝１３００μｍとしたので、低反射膜１１の反射率を１．５％とした。なお、共振器長が１０００μｍ以上であってファイバブラッググレーティング等の共振器が具備される場合は、低反射膜の反射率を１％以下とすることが望ましい。一方、高反射膜の反射率は、高出力動作の観点から９０％以上とすることが望ましい。本実施例の半導体レーザアレーでは９８％としたが、実際には、レンズや光ファイバなどの光学部品や受光素子、ペルチェ素子などで構成されるレーザモジュールを構成した際に、高反射膜側に配置される光出力モニタ用受光素子の受光電流の仕様範囲により決定される。
【００５９】
以上説明したように、本実施例では、最適構造として、半導体基板１をＩｎＰとし、活性層４やＳＣＨ層３Ａ、３ＢをＧａＩｎＡｓＰとしたが、他の材料を用いることも可能である。例えば、半導体基板１をＩｎＰとし、活性層４やＳＣＨ層３Ａ、３ＢをＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰなどで形成してもよい。また、本実施例では半導体基板１の導電型をｎ型としたが、これをｐ型に替え、その上に形成する各層の導電型を合わせて変更した構造としても良い。
【００６０】
本実施例の半導体レーザアレー装置における量子ナノ構造は、量子ドットを用いたものとしたが、量子ドットに代えて、量子箱、量子ダッシュ（量子ドットと量子細線の中間的な構造を指す）、量子細線、量子ディスク等を用いてもよく、また、これらのうちの二種類以上を組み合わせても良い。
【００６１】
また、本実施例においては、（１００）面からなる半導体基板を用いたが、これに代えて、（１００）結晶面から傾斜した基板や、特定結晶面方位を有する（ｎ１１）基板、又はエッチングにより形成した（ｎ１１）面を用いることとすれば、（１００）面よりも微小ステップが多く存在し、これらのステップ上にドットが形成されやすいことを利用して均一な量子ドットを形成できるため、より有効である。なお、傾斜基板を用いる場合は、（１００）面からの傾斜角度を１５°以下とすることが特に好ましい。その理由は、傾斜角度をあまりにも大きくしすぎると、原子の付着するサイトであるステップ幅が小さくなり、量子ドットの形成が却って困難になるからである。
【００６２】
さらに、本実施例では、量子ナノ構造を半導体レーザアレーの活性層として用いたが、応用例として、量子ナノ構造を光導波路層や光吸収層として用いることにより、他の種々の半導体装置に本発明を適用することができる。例えば、分布帰還形（ＤＦＢ）レーザ装置、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）レーザ装置、面発光レーザ装置のほか、活性層の近傍に形成したグレーティングの波長選択特性によって所定出力値以下の複数の発振縦モードを発振するタイプの半導体レーザ装置に応用することができる。また、半導体光変調器などにも応用することができる。
【００６３】
[実施例２]  本実施例では、半導体光増幅器について説明する。本実施例の半導体光増幅器装置は、選択成長マスクにおいて、幅広誘電体ストライプの幅を素子のストライプ方向に沿って変化させることで、活性層を構成する量子ドットの高さを素子のストライプ方向に沿って異ならせたことを特徴とする半導体光増幅器である。この半導体光増幅器は、前記特徴により、広帯域な波長域で光学利得を制御することができる。以下、この半導体光増幅器について説明する。
【００６４】
図１０（ａ）及び（ｂ）に、本実施例の半導体光増幅器の長手方向の縦断面図及び光出射面に平行な断面図を示す。この半導体光増幅器の構造は、量子ドットを含む活性層以外の層構造については、実施例１に記載した半導体レーザアレーにおける層構造と同様である。従って、同一の又は対応する構成要素については、図中に同一符号を付して、説明を省略する。
【００６５】
本実施例の半導体光増幅器においては、活性領域長Ｌ＝６００μｍとする。活性層４中には、図１０（ａ）に示されるように、長手方向に２００μｍごとに段階的に高さの異なる３種類の量子ドットが形成されている。
【００６６】
量子ドット１００−２の成長に際しては、図９に示すようなパターンの選択成長マスクを使用する。この選択成長マスクは、図２で説明した幅広誘電体ストライプに相当する幅の広いパターンが、ストライプの長手方向（ｚ方向）に沿って３段階の幅を有する構造となっており、一定幅を有する各部分の長さは２００μｍである。このようなパターンを用いて量子ドットの成長を行うことにより、図１１に示すようにストライプ方向（ｚ方向）において高さが変化した量子ドットの形成を行うことができる。また、各活性領域ストライプ間でも、量子ドット高さが異なっている。これらにより、量子ドットの高さに応じた量子準位が形成され、図１２に示すように、量子ドットの高さに応じた遷移波長が得られる。素子化の際には、図９の例えばＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’の位置で素子分離を行うものとする。
【００６７】
本実施例においては、レーザ発振を抑制するために、素子端面の反射膜１１、１２の反射率を共に０．１％以下とする。この反射率は、小さい方が好ましく、例えば傾斜基板、窓構造、曲げ導波路等と組み合わせることが、より有効である。
【００６８】
図１３は、本実施例の半導体光増幅器の電流注入後の光利得分布を示しており、量子ドットの高さに応じた複数の量子準位に対応する波長を中心に光学利得の分布が得られるので、広帯域の波長域に亘って利得差の小さい特性が得られる。
【００６９】
なお、本実施例では、素子全面に電極を形成した構造としたが、図１４に示すように、上部電極６Ａ及びコンタクト層５に溝７’を設けることで、量子ドットの高さごとに各領域が電気的に分離され、各領域ごとに独立に光学利得を制御することが可能になる。かかる構造により、増幅する信号のチャネル数に応じて最適な利得を広い波長帯域で実現することができる。
【００７０】
また、本実施例では、高さの異なる量子ドットの領域を３領域としたが、より利得差を小さくするには領域数を増やすことがより好ましい。その際、一つの素子の中でストライプ方向に周期的に量子ドットの高さを異ならせるものとしてもよい。また、共振器長は、所望の光学利得及びその分布に応じて適宜最適化することが好ましい。
【００７１】
ここで、選択成長マスクの変形例を図１５（ａ）〜（ｃ）及び図１６に示す。図１５（ａ）〜（ｃ）は、図９において最も左側に位置するストライプの幅のｚ方向における変化のバリエーションを示したものである。図１６は、幅広誘電体ストライプだけでなく、他の各誘電体ストライプの幅を変化させたマスクパターンの例である。なお、誘電体ストライプ領域の幅を一定にして、量子ドットが形成される領域の各ストライプ領域の幅を変化させても、本発明の効果が得られることは明らかである。
【００７２】
以上、具体的な実施例に基づき、本発明の好適な実施形態を説明した。これらに説明したように、本発明によれば、高さの制御された量子ナノ構造を活性層に用いることにより、広い波長帯域において動作可能な、又は広い波長帯域において光学利得を制御できる半導体装置を実現することができ、設計自由度の高い半導体装置を提供することができる。特に、広帯域波長可変レーザ、多波長同時発振レーザ、利得平坦領域の広い半導体光増幅器、白色光源等に適用可能である。
【００７３】
また、本発明によれば、高密度の量子ナノ構造を、変調器・受光素子等の光受動素子の吸収層に適用することによって、電界印加時に大きな屈折率変化を得ることができるため、消光比の大きな高性能な光受動素子を実現することができる。また、大きな屈折率変化が得られることにより、従来の量子薄膜構造を利用した場合よりも素子長を短くすることができ、より高速動作の可能な半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
【図２】は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の作製に用いられる選択成長マスクのパターンを示す図である。
【図３】は、本発明の実施の形態に係る実験例を示すグラフである。
【図４】は、本発明の実施の形態に係る実験例を示すグラフである。
【図５】は、本発明の実施の形態に係る実験例を示すグラフである。
【図６】は、本発明の実施の形態に係る実験例を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体レーザアレー装置を示す断面図である。（ｂ）は、斜視図である。
【図８】は、本発明の実施例１に係る半導体レーザアレー装置のバンドギャップダイアグラムを示す図である。
【図９】は、本発明の実施例２に係る半導体光増幅器の作製に用いられる選択成長マスクのパターンを示す図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の実施例２に係る半導体光増幅器を示す断面図である。（ｂ）は、斜視図である。
【図１１】は、本発明の実施例２に係る半導体光増幅器における量子ドット高さを示すグラフである。
【図１２】は、本発明の実施例２に係る半導体光増幅器における遷移波長を示すグラフである。
【図１３】は、本発明の実施例２に係る半導体光増幅器における電流注入後の光利得分布を示すグラフである。
【図１４】（ａ）（ｂ）は、本発明の実施例２に係る半導体光増幅器の他の例を示す断面図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の作製に用いられる選択成長マスクのマスク幅を示すグラフである。
【図１６】は、本発明の実施形態に係る半導体光増幅器の作製に用いられる選択成長マスクのパターンを示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  半導体基板
２Ａ  下部クラッド層
２Ｂ  上部クラッド層
３Ａ  下部ＳＣＨ層
３Ｂ  上部ＳＣＨ層
４  活性層
５  コンタクト層
６Ａ、６Ｂ  電極
７、７’  溝
８  ｐ型半導体層
９  ｎ型半導体層
１１  低反射膜
１２  高反射膜
１００  量子ドット層
１０１  バリア層
１００−１  ウェッティング層
１００−２  量子ドット
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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