(57)【要約】【課題】基礎吸収が小さく、電流注入による屈折率変化が大きな屈折率制御層を有する光半導体素子を提供する。【解決手段】電流注入により屈折率が変化するＭＱＷ波長制御層１６を有するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤにおいて、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅が、ＭＱＷ活性層２０で発生した光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の値だけ大きくなっている。これにより、ＭＱＷ波長制御層１６の基礎吸収が小さく、電流注入によるＭＱＷ波長制御層１６の屈折率変化を大きくすることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む光導波路を有する光半導体素子において、
前記屈折率制御層の実効的な禁制帯幅が、前記光導波路を伝搬する光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の値だけ大きくなっている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
請求項１記載の光半導体素子において、
前記光導波路は、電流注入により前記光導波路を伝搬する前記光を発生する活性層と、前記光導波路を伝搬する前記光を発振させる光発振手段とを更に有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項３】
請求項２記載の光半導体素子において、
前記光導波路は、前記屈折率制御層と前記活性層との間に形成された中間層を更に含む
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項４】
請求項３記載の光半導体素子において、
前記光導波路は、半導体基板上に形成されており、
前記活性層は、前記中間層を介して前記屈折率制御層上に積層されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項５】
請求項３記載の光半導体素子において、
前記光導波路は、半導体基板上に形成されており、
前記屈折率制御層は、前記中間層を介して前記活性層上に積層されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記光発振手段は、前記屈折率制御層及び前記活性層の近傍に形成された回折格子を有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記光導波路を伝搬する前記光は、１．５５μｍ帯の発振波長を有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記光導波路は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の材料により構成されている
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光半導体素子において、
前記屈折率制御層は、量子井戸構造を有する
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項１０】
光導波路に、前記光導波路を伝搬する前記光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の値だけ大きい実効的な禁制帯幅を有する屈折率制御層を設け、前記屈折率制御層に電流注入をすることにより、前記光導波路を伝搬する前記光の波長を制御する
ことを特徴とする波長制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子に係り、特に、電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を有する光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、増大するデータトラフィックに対応するため、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式が開発され、実用化されるに至っている。ＷＤＭ方式は、複数の波長の光信号を一本の光ファイバで一括して伝送するものである。
【０００３】
さらに、将来のＷＤＭ方式による光通信システムにおいては、より積極的に光信号の波長情報を活用することにより大容量で柔軟なシステムを構築すべく、光アドドロップマルチプレクサ（ＯＡＤＭ：Optical Add Drop Multiplexer）、波長ルーティング、光パケット伝送等の高度な処理の採用が検討されている。これらのような高度な処理を実現するためには、光通信システムに用いる光源には、高速な波長可変性、広い波長可変幅、安定した波長制御性を有することが求められている。
【０００４】
このようなＷＤＭ方式の光通信システム用の光源としては、これまでに種々の波長可変レーザの適用が検討されているが、それらの中でも、チューナブル−ツインガイドＤＦＢレーザ（ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤ：Tunable Twin Guide Distributed FeedBack Laser Diode）が注目を集めている（例えば特許文献１を参照）。
【０００５】
ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤは、単一のモードで連続的に発振波長を制御することが可能であり、かつ、高速な波長制御が可能であるという利点を有している。さらには、その波長制御機構が簡易であるという利点も有している。このため、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤは、ＷＤＭ方式による光通信システム用の光源等への適用可能性を有するものとして期待されている。
【０００６】
ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの構造について図１１を用いて説明する。図１１はＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す断面図である。
【０００７】
ｐ型ＩｎＰよりなる半導体基板１００上に、回折格子が形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰよりなる回折格子層１０２と、ｐ型ＩｎＰよりなるスペーサ層１０４と、ＩｎＧａＡｓＰよりなる波長制御層１０６と、ｎ型ＩｎＰよりなる中間層１０８と、ＩｎＧａＡｓＰよりなる活性層１１０と、ｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層１１２とが順次積層され、これらと半導体基板１００の上層部がエッチングされてなるメサストライプが形成されている。
【０００８】
メサストライプ両側の半導体基板１００上には、ｎ型ＩｎＰ層と、ｐ型ＩｎＰ層と、ｎ型ＩｎＰ層とが順次積層されてなる埋め込み層１１４が形成されており、埋め込み層１１４によりメサストライプが埋め込まれている。
【０００９】
埋め込み層１１４及びメサストライプのクラッド層１１２上には、ｐ型ＩｎＰよりなるキャップ層１１６が形成されている。キャップ層１１６には、キャップ層１１６及びクラッド層１１２を介して活性層１１０に電気的に接続するｐ型電極１１８が形成されている。
【００１０】
埋め込み層１１４上には、埋め込み層１１４を介して中間層１０８に電気的に接続するｎ型電極１２０が形成されている。
【００１１】
半導体基板１００の下面には、半導体基板１００、回折格子層１０２、及びスペーサ層１０４を介して波長制御層１０６に電気的に接続するｐ型電極１２２が形成されている。
【００１２】
上記の構造を有するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤでは、ｐ型電極１１８とｎ型電極１２０との間に所定の電圧を印加し、ｐ型電極１１８から電流を注入する。ｐ型電極１１８から注入された電流は、キャップ層１１６及びクラッド層１１２を介して活性層１１０に注入され、中間層１０８及び埋め込み層１１４を介してｎ型電極１２０から引き出される。活性層１１０に発振閾値以上の電流を注入することにより、活性層１１０で発生した光が、回折格子層１０２に形成された回折格子によりＤＦＢモードで発振する。
【００１３】
同時に、ｐ型電極１２２とｎ型電極１２０との間に所定の電圧を印加し、ｐ型電極１２２から電流を注入する。ｐ型電極１２２から注入された電流は、半導体基板１００、回折格子層１０２、及びスペーサ層１０４を介して波長制御層１０６に注入され、中間層１０８及び埋め込み層１１４を介してｎ型電極１２０から引き出される。波長制御層１０６に電流を注入することにより、プラズマ効果で波長制御層１０６の屈折率が変化し、ＤＦＢ発振波長が変化する。
【００１４】
このように、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤでは、中間層１０８により、二つの機能層、すなわち活性層１１０と波長制御層１０６とが互いに電気的に独立したものとなっている。したがって、各機能層に注入する電流量を制御することにより、レーザ発振の制御と、発振波長の制御とを独立して行うことが可能となっている。
【００１５】
上述のように、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の材料でＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤを構成した場合、活性層は波長１．５５μｍ帯で発光する。この場合、波長制御層には、１．３μｍ程度の禁制帯幅をもたせるのが一般的となっている。
【特許文献１】米国特許第５０４８０４９号明細書
【特許文献２】特開平  ６−１０４５２４号公報
【特許文献３】特開平  ７−３２６８２０号公報
【特許文献４】特開２００３−１９８０５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
電流注入により波長制御層の屈折率を変化させて発振波長を制御するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤ等のような波長可変レーザにおいて、発振波長の可変幅を広くするには、次のような手法が考えられる。すなわち、波長制御層へ注入する電流を大きくすることにより波長制御層の屈折率の変化を大きくする手法が考えられる。また、波長制御層を厚く形成することにより、波長制御層への光閉じ込めを大きくする手法も考えられる。
【００１７】
しかしながら、前者の方法では、波長制御層への電流注入に伴い波長制御層の吸収が増加するため、発振閾値が上昇し、また、レーザ光の出力が低下してしまうこととなる。また、後者の方法では、波長制御層の基礎吸収が大きくなるため、やはり発振閾値が上昇し、また、レーザ光の出力が低下してしまうこととなる。このような発振閾値の上昇やレーザ光の出力の低下は、発振波長の最大可変幅を制限する一因となる。
【００１８】
発振閾値の上昇やレーザ光の出力の低下を伴うことなく、発振波長の可変幅を広くするためには、波長制御層として、基礎吸収が小さく、電流注入による屈折率変化が大きな屈折率制御層を実現することが不可欠である。
【００１９】
基礎吸収が小さく、電流注入による屈折率変化が大きな屈折率制御層を実現することは、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤに限らず、電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を光導波路領域に有するＳＧ−ＤＢＲ（Sampled-Grating Distributed Bragg Reflector）レーザ、ＳＳＧ−ＤＢＲ（Super-Structure-Grating Distributed Bragg Reflector）レーザ等の波長可変レーザ、波長可変フィルタのような光半導体素子にとって共通の課題となっている。
【００２０】
本発明の目的は、基礎吸収が小さく、電流注入による屈折率変化が大きな屈折率制御層を有する光半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一観点によれば、電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む光導波路を有する光半導体素子において、前記屈折率制御層の実効的な禁制帯幅が、前記光導波路を伝搬する光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の値だけ大きくなっている光半導体素子が提供される。
【００２２】
また、本発明の他の観点によれば、光導波路に、前記光導波路を伝搬する前記光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の値だけ大きい実効的な禁制帯幅を有する屈折率制御層を設け、前記屈折率制御層に電流注入をすることにより、前記光導波路を伝搬する前記光の波長を制御する波長制御方法が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む光導波路を有する光半導体素子において、屈折率制御層の実効的な禁制帯幅を、光導波路を伝搬する光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の値だけ大きくするので、屈折率制御層の基礎吸収が小さく、電流注入による屈折率制御層の屈折率変化を大きくすることができる。これにより、広い波長可変幅を有する波長可変レーザ、波長可変フィルタ等の素子特性に優れた光半導体素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［本発明の原理］
まず、本発明の原理について図１及び図２を用いて説明する。図１は屈折率制御層の実効的な禁制帯幅に対する屈折率制御層の屈折率変化Δｎの依存性を示すグラフ、図２は屈折率制御層の実効的な禁制帯幅に対する屈折率制御層の基礎吸収α０の依存性を示すグラフである。
【００２５】
本願発明者等は、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤ等の波長可変レーザの波長制御層等として用いられる電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層に関し、屈折率制御層を含む光導波路を伝搬し、波長等の制御の対象となる制御対象光に対する基礎吸収が小さく、かつ屈折率変化が大きい屈折率制御層を実現するべく鋭意検討を重ねてきた。その結果、かかる屈折率制御層を実現するため、屈折率制御層の実効的な禁制帯幅に対する屈折率制御層の屈折率変化及び基礎吸収の依存性に着目するに至った。
【００２６】
図１及び図２は、屈折率制御層の実効的な禁制帯幅に対する屈折率制御層の屈折率変化Δｎ及び基礎吸収α０の依存性をそれぞれ計算により求めた結果を示すグラフである。ここでは、屈折率制御層の内部を伝搬し、屈折率制御層による波長等の制御の対象となる制御対象光の波長を１．５５μｍ帯としている。また、屈折率制御層に注入する電流Ｉｔｕｎｅを５０ｍＡとしている。また、屈折率制御層の実効的な禁制帯幅を波長に換算してλＰＬ（PhotoLuminescence）−ｔｕｎｅと表現する。
【００２７】
図１に示すグラフから明らかなように、λＰＬ−ｔｕｎｅが１．４４０μｍ以下の場合では、Δｎは、λＰＬ−ｔｕｎｅが変化しても大きく変化しておらず、λＰＬ−ｔｕｎｅに対する依存性は小さなものとなっている。これに対して、λＰＬ−ｔｕｎｅが１．４４０μｍよりも大きな場合、Δｎは、λＰＬ−ｔｕｎｅに依存して増大している。
【００２８】
一方、図２に示すグラフから明らかなように、λＰＬ−ｔｕｎｅが１．４０μｍ付近の短波長の領域では、λＰＬ−ｔｕｎｅの増加すなわち長波長化に伴い、α０は緩やかに増加している。さらにλＰＬ−ｔｕｎｅが増加し、λＰＬ−ｔｕｎｅが１．４７５μｍ付近の領域では、α０は、λＰＬ−ｔｕｎｅの増加に伴い急激に増加している。
【００２９】
基礎吸収α０が増大した屈折率制御層は、波長可変レーザの波長制御層、位相制御層として用いた場合、レーザ共振器における内部損失の増大の原因となり、レーザの発振閾値は急激に増大することとなる。
【００３０】
上述した屈折率制御層の実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅに対する屈折率制御層の屈折率変化Δｎ及び基礎吸収α０の依存特性を考慮すると、基礎吸収α０が小さく、かつ屈折率変化Δｎが大きくなる屈折率制御層の実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅの値を規定することができる。具体的には、実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅを制御対象光の波長１．５５μｍよりも０．０７５μｍ以上０．１１μｍ未満の範囲の値だけ短波長に設定する。すなわち、エネルギー換算で、実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅを制御対象光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけ大きく設定する。このように屈折率制御層の実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅを設定することにより、制御対象光に対する基礎吸収α０が小さく、かつ屈折率変化Δｎが大きい屈折率制御層を実現することができる。基礎吸収α０が小さく、かつ屈折率変化Δｎが大きい屈折率制御層をＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤ等の波長可変レーザの波長制御層として用いることにより、発振閾値の上昇及びレーザ光の出力の低下を伴うことなく、発振波長の可変幅を広くすることができる。
【００３１】
なお、屈折率制御層の実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅを制御対象光のエネルギーよりも大きくする値の範囲は、４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲で任意に設定することができる。例えば、実効的な禁制帯幅λＰＬ−ｔｕｎｅを制御対象光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上５５ｍｅＶ以下の値だけ大きく設定することができる。
【００３２】
以下、実施形態において、本発明を適用した屈折率制御層をＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの波長制御層として用いた場合について詳述する。なお、本発明は、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの波長制御層のみならず、種々の光半導体素子において電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層に適用することができる。
【００３３】
［本発明の一実施形態］
本発明の一実施形態による光半導体素子について図３乃至図１０を用いて説明する。図３は本実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図、図４は本実施形態による光半導体素子の波長可変特性を示すグラフ、図５乃至図９は本実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図、図１０は本実施形態による光半導体素子の波長可変特性を示すグラフである。
【００３４】
まず、本実施形態による光半導体素子の構造について図３を用いて説明する。図３（ａ）は本実施形態による光半導体素子の全体構造を示す断面図、図３（ｂ）は本実施形態による光半導体素子におけるメサストライプ部の積層構造を示す拡大断面図である。
【００３５】
本実施形態による光半導体素子は、例えば波長１．５５μｍ帯で発振するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤである。
【００３６】
ｐ型ＩｎＰよりなる半導体基板１０上には、例えば膜厚０．０７μｍ、λＰＬ（ＰＬピーク波長）＝１．２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰよりなる回折格子層１２と、例えば膜厚０．１μｍのｐ型ＩｎＰよりなるスペーサ層１４と、例えばλＰＬ＝１．４７μｍのＭＱＷ波長制御層１６と、例えば膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰよりなる中間層１８と、例えばλＰＬ＝１．５５μｍのＭＱＷ活性層２０と、例えば膜厚０．０２μｍ、λＰＬ＝１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層（図示せず）と、例えば膜厚０．２μｍのｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層２２とが順次積層され、これらと半導体基板１０の上層部がエッチングされてなるメサストライプが形成されている。このメサストライプの幅は例えば１．３μｍ、高さは例えば２．５μｍとなっている。回折格子層１２には、例えば約２４０ｎｍ周期の回折格子が形成されている。なお、半導体基板１０と回折格子層１２との間に、ｐ型ＩｎＰよりなるバッファ層を形成しておいてもよい。
【００３７】
ＭＱＷ波長制御層１６は、多重量子井戸構造を有しており、例えば膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるバリア層と、例えば膜厚３ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなる井戸層とを例えば１５周期繰り返し積層されてなるものである。ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅は、波長に換算して例えば１．４７μｍとなっている。すなわち、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅は、ＭＱＷ活性層２０で発生し、ＭＱＷ波長制御層１６による波長制御の対象となる例えば波長１．５５μｍの光のエネルギーよりも例えば４３．５ｍｅＶだけ大きくなっている。このように、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅は、ＭＱＷ波長制御層１６による波長制御の対象となる制御対象光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけ大きくなっている。
【００３８】
ＭＱＷ活性層２０は、多重量子井戸構造を有しており、例えば膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるバリア層と、例えば膜厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなる井戸層とが例えば７周期繰り返し積層されてなるものである。
【００３９】
メサメサストライプ両側の半導体基板１０上には、例えば膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層２４と、例えば膜厚１．０μｍのｐ型ＩｎＰ埋め込み層２６と、例えば膜厚１．０μｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８と、例えば膜厚０．８μｍのｐ型ＩｎＰ埋め込み層２９と、例えば膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０とが順次形成されており、これらによりメサストライプがその側部を覆われるようにして埋め込まれている。これら埋め込み層２４、２６、２８、２９、３０により電流狭窄構造が構成され、埋め込み層２４、２６、２８によりＭＱＷ波長制御層１６側の電流狭窄が実現され、埋め込み層２９、３０によりＭＱＷ活性層２０側の電流狭窄が実現されている。また、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８は、中間層１８に電気的に接続されている。
【００４０】
ｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０及びメサストライプのクラッド層２２上には、例えば膜厚２．５μｍのｐ型ＩｎＰよりなるキャップ層３１が形成されている。
【００４１】
キャップ層３１上には、例えば膜厚０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓよりなるコンタクト層３２が形成されている。
【００４２】
コンタクト層３２及びキャップ層３１は、ＭＱＷ波長制御層１６、中間層１８、ＭＱＷ活性層２０を有するメサストライプを含む領域上に所定の幅に形成され、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８がその両側に露出している。
【００４３】
所定の幅に形成されたコンタクト層３２及びキャップ層３１の両側に露出したｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８上、コンタクト層３２及びキャップ層３１の側面、及びコンタクト層３２上には、シリコン酸化膜よりなる保護膜３４が形成されている。
【００４４】
コンタクト層３２上に形成された保護膜３４には、コンタクト層３２に達する電極窓３６が形成されている。電極窓３６から露出したコンタクト層３２上及び保護膜３４上には、コンタクト層３２、キャップ層３１及びクラッド層２２を介してＭＱＷ活性層２０に電気的に接続され、ＭＱＷ活性層２０に電流を注入するためのｐ型電極３８が形成されている。
【００４５】
ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８上に形成された保護膜３４には、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８に達する電極窓４０が形成されている。電極窓４０から露出したｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８上及び保護膜３４上には、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８を介して中間層１８に電気的に接続され、接地電位とされるｎ型電極４２が形成されている。
【００４６】
半導体基板１０の下面には、半導体基板１０、回折格子層１２、及びスペーサ層１４を介してＭＱＷ波長制御層１６に電気的に接続され、ＭＱＷ波長制御層１６に電流を注入するためのｐ型電極４４が形成されている。
【００４７】
こうして、本実施形態による光半導体素子が構成されている。
【００４８】
本実施形態による光半導体素子は、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅が、ＭＱＷ活性層２０で発生し、ＭＱＷ波長制御層１６による波長制御の対象となる光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけ大きくなっていることに主たる特徴がある。
【００４９】
このようにＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅を設定することにより、ＭＱＷ活性層２０で発生した制御対象光に対する基礎吸収が小さく、かつ屈折率変化が大きいＭＱＷ波長制御層１６を実現することができる。したがって、発振閾値の上昇及びレーザ光の出力の低下を伴うことなく、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの発振波長の可変幅を広くすることができる。
【００５０】
本実施形態による光半導体素子について、波長可変特性を計算により求めた。計算では、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの発振波長を１．５５μｍ帯とし、波長制御層の実効的な禁制帯幅を１．４７μｍ、すなわち１．５５μｍのレーザ光のエネルギーよりも４３．５ｍｅＶ大きい実効的な禁制帯幅とした。図４は、計算結果を示すグラフであり、横軸は発振波長を変えた幅Δλ、縦軸はレーザ光の出力を示している。図４では、本発明により波長制御層の実効的な禁制帯幅を１．４７μｍとした場合の計算結果を○印のプロットで示している。なお、比較例として、波長制御層の実効的な禁制帯幅を１．４０μｍとした場合についても併せて波長可変特性を計算した。図４では、波長制御層の実効的な禁制帯幅を１．４０μｍとした場合の計算結果を■印のプロットで示している。
【００５１】
図４に示すグラフから明らかなように、本発明により７ｎｍの波長可変幅が実現されていることが分かる。一方、波長制御層の実効的な禁制帯幅を１．４μｍとした場合には５ｎｍの波長可変幅しか得られていないことが分かる。また、両者のレーザ光の出力を比較すると、本発明を適用したことによるレーザ光の出力の低下はほとんど見られないといえる。
【００５２】
次に、本実施形態による光半導体素子の動作について図３を用いて説明する。
【００５３】
まず、ｐ型電極３８とｎ型電極４２との間に所定の電圧を印加し、ｐ型電極３８から電流を注入する。ｐ型電極３８から注入された電流は、コンタクト層３２、キャップ層３１及びクラッド層２２を介してＭＱＷ活性層２０に注入され、中間層１８及びｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８を介してｎ型電極４２から引き出される。ＭＱＷ活性層２０に発振閾値以上の電流を注入することにより、ＭＱＷ活性層２０で発生した光が、回折格子層１２に形成された回折格子によりＤＦＢモードで発振する。
【００５４】
同時に、ｐ型電極４４とｎ型電極４２との間に所定の電圧を印加し、ｐ型電極４４から電流を注入する。ｐ型電極４４から注入された電流は、半導体基板１０、回折格子層１２、及びスペーサ層１４を介してＭＱＷ波長制御層１６に注入され、中間層１８及びｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８を介してｎ型電極４２から引き出される。ＭＱＷ波長制御層１６に電流を注入することにより、プラズマ効果でＭＱＷ波長制御層１６の屈折率が変化し、ＭＱＷ波長制御層１６を含む光導波路構造において発振する発振光のＤＦＢ発振波長が変化する。したがって、ＤＦＢ発振波長は、ＭＱＷ波長制御層１６に注入する電流により制御することができる。
【００５５】
本実施形態による光半導体素子では、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅が、ＭＱＷ活性層２０で発生した光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけで大きくなっている。これにより、ＭＱＷ波長制御層１６は、ＭＱＷ活性層２０で発生し、ＭＱＷ波長制御層１６による波長制御の対象となる光に対する基礎吸収が小さく、かつ屈折率変化が大きくなっている。したがって、発振閾値の上昇及びレーザ光の出力の低下を伴うことなく、発振波長の可変幅を広くすることができる。
【００５６】
次に、本実施形態による光半導体素子の製造方法について図５乃至図９を用いて説明する。
【００５７】
まず、ｐ型ＩｎＰよりなる半導体基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、例えば膜厚０．０７μｍ、λＰＬ（ＰＬ（PhotoLuminescence）ピーク波長）＝１．２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層を形成する。次いで、例えばＥＢ（Electron Beam）露光法等を用いて、例えば２４０ｎｍ周期の回折格子をｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層のメサストライプ形成予定領域に形成する。こうして、回折格子層１２が形成される。
【００５８】
次いで、回折格子層１２上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば膜厚０．１μｍのｐ型ＩｎＰよりなるスペーサ層１４を形成する。
【００５９】
次いで、スペーサ層１４上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えばλＰＬ＝１．４７μｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるＭＱＷ波長制御層１６を形成する。ＭＱＷ波長制御層１６は、例えば膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるバリア層及び例えば膜厚３ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなる井戸層を交互に例えば１５回積層することにより形成する。ここで、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅は、ＭＱＷ波長制御層１６を構成する半導体層の材料組成等を適宜設定することにより、電流注入によりＭＱＷ活性層２０で発生する光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけ大きく設定することができる。
【００６０】
次いで、ＭＱＷ波長制御層１６上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば膜厚０．２μｍのｎ型ＩｎＰよりなる中間層１８を形成する。
【００６１】
次いで、中間層１８上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えばλＰＬ＝１．５５μｍのＭＱＷ活性層２０を形成する。ＭＱＷ活性層２０は、例えば膜厚１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるバリア層及び例えば膜厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰよりなる井戸層を交互に例えば７回積層することにより形成する。
【００６２】
次いで、ＭＱＷ活性層２０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば膜厚０．０２μｍ、λＰＬ＝１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰよりなるＳＣＨ層（図示せず）を形成する。
【００６３】
次いで、ＳＣＨ層上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば厚さ０．２μｍのｐ型ＩｎＰよりなるクラッド層２２を形成する（図５（ａ））。
【００６４】
次いで、クラッド層２２上に、例えばＣＶＤ法により、シリコン酸化膜４６を堆積する。
【００６５】
次いで、フォトリソグラフィー、及びウェット又はドライエッチングにより、シリコン酸化膜４６を幅１．３μｍのストライプ状にパターニングする。これにより、メサストライプの形成予定領域に選択的にシリコン酸化膜４６を残存させる（図５（ｂ））。
【００６６】
次いで、シリコン酸化膜４６をマスクとして、クラッド層２２、ＳＣＨ層、ＭＱＷ活性層２０、中間層１８、波長制御層１６、スペーサ層１４、回折格子層１２、及び半導体基板１０の上層部を、例えば２．５μｍの深さで異方性エッチングし、例えば幅１．３μｍのメサストライプを形成する（図５（ｃ））。
【００６７】
次いで、メサストライプの両側に露出した半導体基板１０上に、シリコン酸化膜４６を選択成長マスクとして、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層２４と、例えば膜厚１．０μｍのｐ型ＩｎＰ埋め込み層２６と、膜厚１．０μｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８と、例えば膜厚０．８μｍのｐ型ＩｎＰ埋め込み層２９と、例えば膜厚０．３μｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０とを選択的に積層成長する（図６（ａ））。こうして、メサストライプが、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２４、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２６、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２９、及びｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０により埋め込まれる。
【００６８】
ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２４、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２６、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２９、及びｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０の成長後、選択成長マスクとして用いたシリコン酸化膜４６を除去する。
【００６９】
次いで、メサストライプ及びｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば膜厚２．５μｍのｐ型ＩｎＰよりなるキャップ層３１を形成する。これにより、半導体基板１０上に形成された積層構造を平坦化する。
【００７０】
次いで、キャップ層３１上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば膜厚０．５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓよりなるコンタクト層３２を形成する（図６（ｂ）を参照）。
【００７１】
次いで、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、メサストライプの位置を中心としてコンタクト層３２、キャップ層３１、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層３０、及びｐ型ＩｎＰ埋め込み層２９を所定の幅にエッチングし、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８を露出する（図６（ｃ））。
【００７２】
次いで、上述のようにして形成された素子構造の全面に、例えばＣＶＤ法により、例えば膜厚０．５５μｍのシリコン酸化膜よりなる保護膜３４を形成する（図７（ａ））。
【００７３】
次いで、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの各電極を以下に述べるような電極形成プロセスにより形成する。
【００７４】
まず、エッチングにより、コンタクト層３２上の保護膜３４に、コンタクト層３２に達する電極窓３６を形成する（図７（ｂ））。
【００７５】
次いで、全面に、例えば蒸着法により、例えば膜厚０．２μｍ／０．２５μｍのＴｉ／Ｐｔ膜４８を形成する（図７（ｃ））。
【００７６】
次いで、Ｔｉ／Ｐｔ膜４８上に、電極窓３６を含むｐ型電極形成予定領域と、ｎ型電極形成予定領域とを露出し、他の領域を覆うレジスト膜５０を形成する（図８（ａ））。
【００７７】
次いで、めっき法により、Ｔｉ／Ｐｔ膜４８を電極として、例えば膜厚２．０μｍのＡｕ膜５２を形成する。このとき、レジスト膜５０が形成されている領域にＡｕはめっきされず、電極窓３６を含むｐ型電極形成予定領域と、ｎ型電極形成予定領域とに選択的にＡｕ膜５２が形成される。めっき終了後、レジスト膜５０を除去する（図８（ｂ））。
【００７８】
次いで、Ａｕ膜５２をマスクとして、Ｔｉ／Ｐｔ膜４８をエッチングする。こうして、保護膜３４上に、電極窓３６を介してコンタクト層３２に接続され、Ｔｉ／Ｐｔ膜４８とＡｕ膜５２とが積層されてなるｐ型電極３８が形成される。また、Ｔｉ／Ｐｔ膜４８とＡｕ膜５２とが積層されてなるｎ型電極４２が形成される。このときｎ型電極４２は、まだｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８とは接続されていない（図８（ｃ））。
【００７９】
次いで、エッチングにより、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８上の保護膜３４に、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８に達する電極窓４０を形成する（図９（ａ））。
【００８０】
次いで、例えばレジスト膜をマスクに用いた蒸着法により、例えば膜厚０．５５μｍ／０．２５μｍのＡｕＧｅ／Ａｕ膜５４を形成する。これにより、ｎ型電極４２と、電極窓４０に露出したｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８とを接続するＡｕＧｅ／Ａｕ膜５４を形成する（図９（ｂ））。
【００８１】
次いで、半導体基板１０の下面を研磨することにより、例えば半導体基板１０の厚さを例えば１５０μｍとする。
【００８２】
次いで、半導体基板１０の下面に、例えば蒸着法により、例えば膜厚０．０１５μｍ／０．０１８μｍ／０．１６７μｍのＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜５６を形成する。
【００８３】
次いで、めっき法により、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜５６を電極として、例えば膜厚３．０μｍのＡｕ膜５８を形成する。こうして、半導体基板１０の下面に、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜５６とＡｕ膜５８とが積層されてなるｐ型電極４４が形成される（図９（ｃ））。
【００８４】
こうして、本実施形態による光半導体素子が製造される。
【００８５】
次に、本実施形態による光半導体素子の評価結果について図１０を用いて説明する。
【００８６】
上記の図５乃至図９に示す本実施形態による光半導体素子の製造方法により製造されたＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤについて、発振波長を変えながらレーザ光の波長スペクトルを測定した。図１０は測定結果を示すグラフであり、グラフの横軸は発振波長を示し、縦軸はレーザ光の出力を示している。
【００８７】
図１０に示すグラフから、レーザ光の出力の低下を伴うことなく、７．０６ｎｍという広い発振波長の可変幅が得られていることが分かる。
【００８８】
このように、本実施形態によれば、ＭＱＷ波長制御層１６の実効的な禁制帯幅を、ＭＱＷ活性層２０で発生し、ＭＱＷ波長制御層１６による波長制御の対象となる光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけ大きく設定するので、ＭＱＷ波長制御層１６の基礎吸収が小さく、電流注入によるＭＱＷ波長制御層１６の屈折率変化を大きくすることができる。したがって、発振閾値の上昇及びレーザ光の出力の低下を伴うことなく、ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの発振波長の可変幅を広くすることができる。
【００８９】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９０】
例えば、上記実施形態では、ｐ型の半導体基板を用いた光半導体素子の場合について示したが、ｎ型の半導体基板を用いた光半導体素子においても同様に本発明を適用することができる。この場合、上記実施形態において各層の導電型を入れ替えるようにすればよい。
【００９１】
また、上記実施形態に示した材料系に限らず、他の材料系を用いて光半導体素子を構成してもよい。また、各層の膜厚等のサイズや、不純物濃度等についても必要に応じて適宜設計変更することができる。上記実施形態では、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて波長１．５５μｍ帯で発振するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤを構成する場合について説明したが、他の材料系を用いて波長１．５５μｍ帯とは異なる波長帯で発振するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤを構成する場合についても、本発明を適用して上記と同様に波長制御層の実効的な禁制帯幅を設定することにより、波長制御層の基礎吸収を小さくするとともに、電流注入による波長制御層の屈折率変化を大きくすることができる。これにより、波長１．５５μｍ帯とは異なる波長帯で発振するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤについても、発振閾値の上昇及びレーザ光の出力の低下を伴うことなく、発振波長の可変幅を広くすることができる。具体的には、例えば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いて構成した波長１．３μｍ帯で発振するＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤについても本発明を適用することができる。
【００９２】
また、上記実施形態では、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層のような半導体層をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、これら半導体層の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではない。例えば、これら半導体層をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により形成してもよい。
【００９３】
また、上記実施形態では、ＭＱＷ波長制御層１６上に中間層１８を介してＭＱＷ活性層２０を形成する場合について説明したが、ＭＱＷ波長制御層１６の位置とＭＱＷ活性層２０の位置とを入れ替えてもよい。すなわち、ＭＱＷ活性層２０上に、中間層１８を介してＭＱＷ波長制御層１６を形成してもよい。このような構成では、半導体基板１０の下面に形成されたｐ型電極４４によりＭＱＷ活性層２０に電流が注入され、コンタクト層３２上に形成されたｐ型電極３８によりＭＱＷ波長制御層１６に電流が注入される。
【００９４】
また、上記実施形態では、多重量子井戸構造を有するＭＱＷ波長制御層１６を用いる場合について説明したが、ＭＱＷ波長制御層１６に代えて、単一量子井戸構造を有する波長制御層、或いはバルクの半導体層よりなる波長制御層を用いてもよい。
【００９５】
また、上記実施形態では、本発明をＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤに適用した場合について説明したが、本発明は、電流注入により屈折率が変化する屈折率制御層を含む光導波路を有する種々の光半導体素子に対して適用することができる。この場合においても、上記実施形態と同様に、屈折率制御層の実効的な禁制帯幅を、屈折率制御層を含む光導波路を伝搬し、屈折率制御層による波長等の制御の対象となる制御対象光のエネルギーよりも４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ未満の範囲の値だけ大きく設定することにより、制御対象光に対する基礎吸収が小さく、かつ電流注入による屈折率変化が大きい屈折率制御層を実現することができる。このような屈折率制御層により、広い波長可変幅を有する波長可変レーザ、波長可変フィルタ等の素子特性に優れた光半導体素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】屈折率制御層の実効的な禁制帯幅に対する屈折率制御層の屈折率変化の依存性を示すグラフである。
【図２】屈折率制御層の実効的な禁制帯幅に対する屈折率制御層の基礎吸収の依存性を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態による光半導体素子の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による光半導体素子の波長可変特性を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図６】本発明の一実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図７】本発明の一実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図８】本発明の一実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図９】本発明の一実施形態による光半導体素子の製造方法を示す工程断面図（その５）である。
【図１０】本発明の一実施形態による光半導体素子の評価結果を示すグラフである。
【図１１】ＴＴＧ−ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０…半導体基板
１２…回折格子層
１４…スペーサ層
１６…ＭＱＷ波長制御層
１８…中間層
２０…ＭＱＷ活性層
２２…クラッド層
２４…ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
２６…ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
２８…ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
２９…ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
３０…ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
３１…キャップ層
３２…コンタクト層
３４…保護膜
３６…電極窓
３８…ｐ型電極
４０…電極窓
４２…ｎ型電極
４４…ｐ型電極
４６…シリコン酸化膜
４８…Ｔｉ／Ｐｔ膜
５０…レジスト膜
５２…Ａｕ膜
５４…ＡｕＧｅ／Ａｕ膜
５６…Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ膜
５８…Ａｕ膜
１００…半導体基板
１０２…回折格子層
１０４…スペーサ層
１０６…波長制御層
１０８…中間層
１１０…ＭＱＷ活性層
１１２…クラッド層
１１４…埋め込み層
１１６…キャップ層
１１８…ｐ型電極
１２０…ｎ型電極
１２２…ｐ型電極
【図１】
2006013191.tif 000003
【図２】
2006013191.tif 000004
【図３】
2006013191.tif 000005
【図４】
2006013191.tif 000006
【図５】
2006013191.tif 000007
【図６】
2006013191.tif 000008
【図７】
2006013191.tif 000009
【図８】
2006013191.tif 000010
【図９】
2006013191.tif 000011
【図１０】
2006013191.tif 000012
【図１１】
2006013191.tif 000013