(57)【要約】【課題】半導体レーザー装置に関して、入出力特性及び出力波長の温度依存性が小さく、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置を提供すること。【解決手段】構成要素として、半導体レーザー装置の発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体と、該量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線と、グレーティング構造を有するシリコン層と、該化合物半導体と該シリコン層との間に設けられた該半導体レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーと、該半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン層、電気配線と、該シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料と、デバイス支持基板とを含むことを特徴とする半導体レーザー装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成要素として、半導体レーザー装置の発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体と、該量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線と、グレーティング構造を有するシリコン層と、該化合物半導体と該シリコン層との間に設けられた該半導体レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーと、該半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン層、電気配線と、該シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料と、デバイス支持基板と
を含むことを特徴とする半導体レーザー装置。
【請求項２】
上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン層、該シリコン層中に配置されたｐ型シリコン、該シリコン層中に配置されたｎ型シリコン、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線から構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー装置。
【請求項３】
上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン層、該シリコン層と接続されたヒーター配線から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザー装置。
【請求項４】
上記量子ドットが、ＩｎＡｓ量子ドットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項５】
上記量子ドットを有する化合物半導体が、ＧａＡｓ、又はＩｎＰであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項６】
上記レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーが、ＢＣＢ樹脂であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項７】
上記グレーティング構造が、位相シフトを有するグレーティング構造であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項８】
上記グレーティング構造が、反射鏡としての機能を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項９】
上記シリコン層が、結晶シリコン、ポリシリコン、又はアモルファスシリコンから形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項１０】
上記シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料が、ＳｉＯ２、又は有機ポリマーであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【請求項１１】
上記デバイス支持基板が、シリコン基板、又は石英基板であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光インターコネクション等に用いられる半導体レーザー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、シリコンフォトニクスと呼ばれる、シリコン基板上光集積回路に関する研究が注目を集めている。
シリコン基板上に光デバイス、電子デバイスを集積することにより、従来にない超小型、高集積、高機能、低消費電力の光・電子集積回路の実現が可能となる。
シリコンフォトニクス技術に基づく光・電子集積回路は、光通信分野への応用は勿論のこと、光インターコネクション分野への応用も大いに期待されている。
近年、情報伝送の高速化に伴い、電気配線における伝送遅延、消費電力が深刻な問題となってきている。そこで、現在、シリコンフォトニクス技術を用いた高速、低消費電力な情報伝送の実現が望まれている。
【０００３】
シリコン基板上光・電子集積回路の実現には、シリコン基板上光源の実現が重要である。シリコン基板上光源を実現するための有力な方法の一つとしては、シリコン基板上への化合物半導体光源のハイブリッド集積が挙げられる。
しかしながら、従来報告されているシリコン基板上化合物半導体レーザー装置（非特許文献１）には、以下の問題点が挙げられる。
【０００４】
第一の問題点として、入出力特性（例えば、電流−光出力特性）の温度依存性が大きいことが挙げられる。シリコン基板上光・電子集積回路では、多数の光デバイス、電子デバイスが同一基板上に集積されているため、各デバイスからの発熱による温度変動が避けられない。よって、レーザー装置の入出力特性の温度依存性が大きい場合、温度変動に従って、光出力が変動するという問題が生じる。そのため、温度変動に対して、ほぼ一定の光出力で動作する、入出力特性の温度依存性が小さいレーザー装置の実現が望まれる。
【０００５】
第二の問題点として、出力波長の温度依存性が大きいことが挙げられる。出力波長の温度依存性が大きい場合、温度変動によって、出力波長が変動するという問題が生じる。シリコンフォトニクス技術では、高速化、低消費電力化の観点から、波長依存性の大きな光制御デバイス（例えば、光変調器）の使用が検討されている。この場合、レーザー装置の出力波長と光制御デバイスの動作波長を、精度良く一致させる必要があり、レーザー装置の出力波長の変動は、望ましくない。そのため、温度変動に対して、ほぼ一定の出力波長で動作する、出力波長の温度依存性が小さいレーザー装置の実現が望まれる。
【０００６】
第三の問題点として、出力波長を動的に微調整できないことが挙げられる。シリコンフォトニクス技術では、高速化、低消費電力化の観点から、波長依存性の大きな光制御デバイスの使用が検討されている。この場合、レーザー装置の出力波長と光制御デバイスの動作波長を、精度良く一致させる必要があり、レーザー装置の出力波長を動的に微調整できることが望ましい。そのため、出力波長の動的な微調整が可能なレーザー装置の実現が望まれる。
【０００７】
ここで、レーザー装置の出力波長と光制御デバイスの動作波長にずれが生じる場合の具体例を以下に示す。
例えば、一般に、作製上生じる誤差によって、レーザー装置、光制御デバイスの動作波長は、設計値から僅かにずれる。実際に作製されたデバイスにおいては、作製精度に対応した、動作波長のずれが生じる。
また例えば、レーザー装置、光制御デバイスの動作波長の温度依存性が異なる場合、温度変動が生じると、動作波長にずれが生じる。
また例えば、レーザー装置、光制御デバイスの動作波長の温度依存性が全く同一であっても、両者の温度が一致しない場合には、動作波長にずれが生じる。ここで、シリコン基板上光・電子集積回路では、各デバイスからの発熱によって、温度分布が生じるため、各デバイスの温度は必ずしも一致しない。
【０００８】
このように、光・電子集積回路の特性劣化を引き起こす動作波長のずれは、複数の避け難い要因から生じているため、完全に取り除くことは困難である。よって、実用上、出力波長の動的な微調整が可能なレーザー装置の実現は、非常に重要である。
以上、シリコン基板上半導体レーザー装置としては、入出力特性の温度依存性が小さいこと、出力波長の温度依存性が小さいこと、出力波長の動的な微調整が可能であることが望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Alexander W. Fang et al.、“Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser、” Optics Express、vol.14、pp.9203-9210 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、半導体レーザー装置に関して、入出力特性及び出力波長の温度依存性が小さく、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は次のような手段により解決される。
（１）構成要素として、半導体レーザー装置の発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体と、該量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線と、グレーティング構造を有するシリコン層と、該化合物半導体と該シリコン層との間に設けられた該半導体レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーと、該半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン層、電気配線と、該シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料と、デバイス支持基板とを含むことを特徴とする半導体レーザー装置。
（２）上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン層、該シリコン層中に配置されたｐ型シリコン、該シリコン層中に配置されたｎ型シリコン、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線から構成されることを特徴とする（１）に記載の半導体レーザー装置。
（３）上記半導体レーザー装置の動的調整機構が、シリコン層、該シリコン層と接続されたヒーター配線から構成されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の半導体レーザー装置。
（４）上記量子ドットが、ＩｎＡｓ量子ドットであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（５）上記量子ドットを有する化合物半導体が、ＧａＡｓ、又はＩｎＰであることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（６）上記レーザー装置のクラッドとして機能する有機ポリマーが、ＢＣＢ樹脂であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（７）上記グレーティング構造が、位相シフトを有するグレーティング構造であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（８）上記グレーティング構造が、反射鏡としての機能を含むことを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（９）上記シリコン層が、結晶シリコン、ポリシリコン、又はアモルファスシリコンから形成されることを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（１０）上記シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料が、ＳｉＯ２、又は有機ポリマーであることを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
（１１）上記デバイス支持基板が、シリコン基板、又は石英基板であることを特徴とする（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体レーザー装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、発光体として、量子ドットを用いている。ここで、量子ドットは、キャリア（電子、正孔）を３次元的に閉じ込めることができるため、温度上昇に伴う特性劣化を避けられるという特長がある。つまり、量子ドットの導入により、発光体の温度依存性を低減することが可能である。
また本発明では、化合物半導体は、有機ポリマーによるウエハ接合法を用いて、デバイス支持基板上に、ハイブリッド集積される。有機ポリマーによるウエハ接合法は、表面に凹凸を有する基板同士の接合が可能であるという特長がある。
【００１３】
本発明では、半導体レーザー装置の出力波長は、グレーティング構造に基づき決定される。ここで、温度変化が生じた場合、熱光学効果によって、屈折率変化が生じる。従って、グレーティングの動作波長にも変化が生じる。一般に、半導体レーザー装置の出力波長は、温度変化に伴って変化するという問題がある。
そこで、本発明では、半導体レーザー装置のクラッドとして、有機ポリマーを導入している。有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）は、化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ）、シリコン、ＳｉＯ２と、屈折率の温度依存性（Δｎ／ΔＴ、ｎは屈折率、Ｔは温度）の符号が異なるという特徴がある。温度が変化した場合、有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ２の屈折率は、それぞれ反対方向にシフトする。有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ２は、グレーティングの動作波長を、それぞれ反対方向にシフトさせようとするので、両者の効果は互いに打ち消し合いを生じる。つまり、有機ポリマーの導入により、グレーティングの動作波長の温度依存性を低減することが可能である。
【００１４】
本発明では、半導体レーザー装置の動的調整機構を構成するシリコン層、電気配線の導入を行っている。本発明では、例えば、ｐ型シリコン、ｎ型シリコン、ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を導入すればよい。ここで、ｐ型シリコン、ｎ型シリコンは、グレーティング構造を有するシリコン層中に配置される。本構成要素は、シリコン層への電流注入、又は電界印加により、シリコン層におけるキャリア数を動的に制御する。ここで、キャリア数の変化は、屈折率の変化を引き起こすので、シリコン層の屈折率を動的に制御することが可能となる。そのため、グレーティングの動作波長を微調整することができる。
【００１５】
さらに本発明では、半導体レーザー装置の動的調整機構として、シリコン層におけるキャリア数の動的制御ではなく、温度の動的制御を用いることもできる。例えば、上記構成要素を、温度の動的制御を実現するためのヒーターとして機能させればよい。温度の動的制御によって、グレーティングの動作波長の微調整が可能となる。
また本発明では、上記構成要素の代わりに、シリコン層、シリコン層と接続されたヒーター配線を用いて、温度の動的制御を実現してもよい。温度の動的制御によって、グレーティングの動作波長の微調整が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導体レーザー装置の一例。
【図２】半導体レーザー装置の一例。
【図３】化合物半導体下部に電極及び配線が配置された半導体レーザー装置の一例。
【図４】有機ポリマー上下面にＳｉＯ２膜が導入された半導体レーザー装置の一例。
【図５】リブ型グレーティング構造を有する半導体レーザー装置の一例。
【図６】グレーティング構造による反射鏡を有する半導体レーザー装置の一例。
【図７】半導体レーザー装置の一例。
【図８】半導体レーザー装置の一例。
【図９】シリコン層中にｐｎ接合を有する半導体レーザー装置の一例。
【図１０】ヒーター配線を有する半導体レーザー装置の一例。
【図１１】量子ドットを有する化合物半導体基板とＳＯＩ基板の模式図。
【図１２】電極及び配線形成後のＳＯＩ基板の一例。
【図１３】ウエハ接合、基板剥離後のデバイス構造の一例。
【図１４】シリコン基板上量子ドット光源の模式図。
【図１５】室温におけるシリコン基板上量子ドット光源のフォトルミネッセンス特性。
【図１６】室温におけるシリコン基板上量子ドット光源の時間分解フォトルミネッセンス特性。
【図１７】上面二電極構造の模式図。
【図１８】上面二電極構造の３次元光学顕微鏡像。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１、２に、本発明に係る半導体レーザー装置の一例を示す。
本半導体レーザー装置は、第一の構成要素として、発光体として機能する量子ドットを有する化合物半導体を含む。例えば、量子ドットとしては、ＩｎＡｓ量子ドットを用いればよい。例えば、化合物半導体としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰを用いる。
【００１８】
本半導体レーザー装置は、第二の構成要素として、上記量子ドットへの電流注入のためのｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体を含む。例えば、化合物半導体としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰを用いる。
【００１９】
本半導体レーザー装置は、第三の構成要素として、上記量子ドットへの電流注入のためのｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を含む。例えば、電極、配線としては、Ａｕ等の金属材料を用いる。
【００２０】
本半導体レーザー装置は、第四の構成要素として、有機ポリマーを含む。本構成要素は、第一に、半導体レーザー装置のクラッドとして、光学的に機能する。第二に、半導体レーザー装置の絶縁体として、電気的に機能する。第三に、半導体レーザー装置の作製において、ウエハ接合用接着材料として、機械的に機能する。例えば、有機ポリマーとしては、ＢＣＢ樹脂を用いる。
【００２１】
本半導体レーザー装置は、第五の構成要素として、グレーティング構造を有するシリコン層を含む。例えば、グレーティング構造としては、単一モード動作に適した位相シフトを有するグレーティング構造を用いる。
ここで、上記四の構成要素である有機ポリマーは、上記一〜三の構成要素である化合物半導体と、上記五の構成要素であるシリコン層の間に配置される。
【００２２】
本半導体レーザー装置は、第六の構成要素として、上記シリコン層の下部に配置され、上記シリコン層を支持する低屈折率絶縁性材料を含む。本構成要素は、第一に、半導体レーザー装置のクラッドとして、光学的に機能する。第二に、半導体レーザー装置の絶縁体として、電気的に機能する。例えば、低屈折率絶縁性材料としては、ＳｉＯ２を用いる。
【００２３】
本半導体レーザー装置は、第七の構成要素として、ｐ型シリコン、ｎ型シリコンを含む。本構成要素は、上記五の構成要素であるシリコン層中に配置される。
また本半導体レーザー装置は、第八の構成要素として、上記シリコン層への電流注入、又は電界印加のためのｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を含む。例えば、電極、配線としては、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料を用いる。
さらに本半導体レーザー装置は、第九の構成要素として、デバイス支持基板を含む。例えば、デバイス支持基板としては、シリコン基板を用いる。
【００２４】
上記一〜三の構成要素により、電流注入型量子ドット光源が形成される。
量子ドットは、キャリア（電子、正孔）を３次元的に閉じ込めることができるため、温度変動の影響を受けにくいという特長がある。よって、上記一〜三の構成要素は、特に、入出力特性の温度依存性が小さい半導体レーザー装置の実現に寄与する。
【００２５】
ここで、量子ドットは、キャリアを３次元的に閉じ込めるため、一般に、狭い均一幅を有する。例えば、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットでは、室温における均一幅は、１０ｍｅＶ程度である。よって、不均一広がりの無い量子ドット集合体を考えた場合、光学利得スペクトルは急峻であり、光学利得の波長依存性は大きい。この場合、温度変動等によって、半導体レーザー装置の出力波長と光学利得のピーク波長にずれが生じた場合、光出力に大きな変動が生じることになる。
【００２６】
しかしながら、不均一広がりを有する量子ドット集合体を用いれば、この問題を避けることが可能である。例えば、量子ドットサイズが不均一な量子ドット集合体を用いた場合、各量子ドットの光学利得のピーク波長にばらつきが生じるため、量子ドット集合体としての光学利得の波長依存性は小さくなる。さらに、量子ドットサイズの不均一性を制御し、量子ドット集合体の光学利得スペクトルをフラットトップに近づけることも、原理上可能である。この場合、量子ドット集合体の光学利得の波長依存性は、零に近づく。
例えば、量子ドットサイズの不均一性を制御する方法としては、１つの量子ドット層内で量子ドットサイズに不均一性を導入する方法、又は異なる量子ドット層毎に量子ドットサイズに不均一性を導入する方法が挙げられる。
本発明では、量子ドットとして、光学利得の波長依存性が小さい、不均一広がりを有する量子ドット集合体を用いる。
また本発明では、第一の構成要素である量子ドットを有する化合物半導体に、温度依存性向上のための、ｐ型ドーピングを実施してもよい。
【００２７】
上記一〜六の構成要素により、グレーティング構造を有する電流注入型量子ドット半導体レーザー装置が形成される。
本発明では、半導体レーザー装置の出力波長は、グレーティング構造に基づき決定される。
ここで、温度変化が生じた場合、熱光学効果によって、屈折率変化が生じる。従って、グレーティングの動作波長にも変化が生じる。一般に、半導体レーザー装置の出力波長は、温度変化に伴って変化するという問題がある。
【００２８】
本発明では、上記四の構成要素として、有機ポリマーを含む。有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）は、化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ）、シリコン、ＳｉＯ２と、屈折率の温度依存性（Δｎ／ΔＴ、ｎは屈折率、Ｔは温度）の符号が異なるという特徴がある。温度が変化した場合、有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ２の屈折率は、それぞれ反対方向にシフトする。有機ポリマーと、化合物半導体、シリコン、ＳｉＯ２は、グレーティングの動作波長を、それぞれ反対方向にシフトさせようとするので、両者の効果は互いに打ち消し合いを生じる。つまり、有機ポリマーの導入により、グレーティングの動作波長の温度依存性を低減することが可能である。よって、上記一〜六の構成要素は、等に、出力波長の温度依存性が小さい半導体レーザー装置の実現に寄与する。
【００２９】
上記四〜八の構成要素により、半導体レーザー装置の動的調整機構が形成される。
上記四〜八の構成要素により、グレーティング構造を有するシリコン層への電流注入、又は電界印加が可能となる。つまり、シリコン層におけるキャリア数を動的に制御することが可能である。ここで、キャリア数の変化は、屈折率の変化を引き起こすので、シリコン層の屈折率を動的に制御することが可能となる。よって、グレーティングの動作波長を微調整することができる。上記四〜八の構成要素は、特に、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現に寄与する。
【００３０】
ここで、上記一〜三の構成要素である化合物半導体と、上記五の構成要素であるシリコン層の間に、絶縁体として機能する有機ポリマーが導入されていることは、重要である。例えば、化合物半導体、シリコン層が直接接合している場合には、化合物半導体、シリコン層間に電流が流れる等の問題が発生する。化合物半導体、シリコン層の間に、絶縁体を導入することで、量子ドットへ電流注入を行うための配線、シリコン層の屈折率制御を行うための配線を、互いに独立とすることが可能となる。
【００３１】
以上、本発明により、シリコン基板上半導体レーザー装置に関して、入出力特性の温度依存性及び出力波長の温度依存性が小さく、出力波長の動的な微調整が可能な、半導体レーザー装置を提供することが可能となる。
【００３２】
上記一例では、上記一〜三の構成要素である化合物半導体の光導波路構造として、側壁をＳｉＯ２で保護したリッジ型光導波路構造を例示したが、本発明では、その他の光導波路構造を用いてもよい。例えば、再成長技術に基づく埋め込み型光導波路構造の利用が挙げられる。
【００３３】
また上記一例では、上記二の構成要素であるｐ型化合物半導体、ｎ型化合物半導体に関して、ｐ型化合物半導体を上部、ｎ型化合物半導体を下部に配置したが、本発明では、これらの位置関係は逆でもよい。
【００３４】
また上記一例では、上記三の構成要素である電極及び配線を、化合物半導体上部に配置したが、本発明では、電極及び配線を化合物半導体下部に配置してもよい。例えば、予め、化合物半導体基板表面にｎ型電極及び配線を形成した後、有機ポリマーを用いたウエハ接合工程を実施すれば、図３に示すようなｎ型電極及び配線を実現することができる。
【００３５】
本発明では、有機ポリマーを用いたウエハ接合工程を採用しているので、表面に凹凸を有する基板同士の接合が可能である。
【００３６】
また上記一例では、上記一〜三の構成要素である化合物半導体と、上記五の構成要素であるシリコン層の間に、上記四の構成要素である有機ポリマーを配置するとした。本発明では、化合物半導体とシリコン層の間に、有機ポリマー以外の材料を配置してもよい。例えば、図１、３に示すような電極及び配線の導入、図４に示すような有機ポリマー上下面へのＳｉＯ２膜の導入が挙げられる。ここで、有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）上下面に、ＳｉＯ２膜を配置することで、デバイスの信頼性が向上することが報告されている。
【００３７】
また上記一例の図２では、上記五の構成要素であるグレーティング構造を有するシリコン層として、細線型のグレーティング構造を有するシリコン層を例示したが、本発明では、その他のグレーティング構造を用いてもよい。例えば、リブ型のグレーティング構造（図５）の利用が挙げられる。
【００３８】
本発明では、グレーティング構造は、全領域に渡って一様でなくてもよく、付加的な構造変調を施してもよい。例えば、代表的な構造変調としては、位相シフトが挙げられる。
本発明では、グレーティング構造を反射鏡として用いることも可能である（図６）。
また本発明では、シリコン層として、結晶シリコンではなく、ポリシリコン、アモルファスシリコンを用いてもよい。
【００３９】
上記一例では、上記四の構成要素を、ウエハ接合用接着材料として用いるとしたが、本発明では、上記六の構成要素を、ウエハ接合用接着材料として用いてもよい。
例えば、第六の構成要素である低屈折率絶縁性材料として、有機ポリマー（例えば、ＢＣＢ樹脂）を用いればよい。
例えば、予め、化合物半導体基板上に、上記四の構成要素となる有機ポリマー、上記五の構成要素となるシリコン層、上記七の構成要素となるｐ型シリコン、ｎ型シリコン、上記八の構成要素となる電極及び配線を形成した後、第六の構成要素となる有機ポリマーを用いたウエハ接合工程を実施すれば、図７、８に示すような半導体レーザー装置を実現することができる。但し、図７、８においては、上記四の構成要素となる有機ポリマー上に、シリコン層（ポリシリコン、又はアモルファスシリコン）の下地に適したＳｉＯ２膜を導入している。
【００４０】
また上記一例では、上記七の構成要素であるｐ型シリコン、ｎ型シリコン間にノンドープ領域が存在する場合を例示したが、本発明では、その他のｐ型シリコン、ｎ型シリコンの形成方法を用いてもよい。例えば、ｐ型シリコン、ｎ型シリコン間にノンドープ領域が存在しない場合が挙げられる（図９）。
一般に、図１に示すようなｐｉｎ接合は、電流注入に基づく屈折率制御法に、図９に示すようなｐｎ接合は、逆バイアス印加による空乏層形成に基づく屈折率制御法に、それぞれ適した構造である。
【００４１】
また上記一例では、半導体レーザー装置の動的調整機構として、シリコン層におけるキャリア数の動的制御を用いるとしたが、本発明では、温度の動的制御を用いてもよい。
この場合、上記四〜八の構成要素は、温度の動的制御を実現するためのヒーターとして機能する。上記四〜八の構成要素による温度の動的制御によって、半導体レーザー装置の動的調整が可能となる。
【００４２】
ここで、上記四の構成要素である有機ポリマー、上記六の構成要素である低屈折率絶縁性材料は、共に絶縁体であるため、熱伝導率が低い。両者はヒーターに対する断熱材として機能する。そのため、シリコン層近傍を、局所的に温度上昇させることが可能となる。よって、量子ドットの温度上昇を抑えながら、有機ポリマー、シリコン層、低屈折率絶縁性材料の温度上昇を効果的に実施することが可能となる。温度の動的制御の際に、発光体である量子ドットの温度上昇を抑えることは、光出力の安定性の観点から、重要と言える。
この動的制御機構は、特に、グレーティングの動作波長の制御に適している。従って、上記四〜八の構成要素のヒーターとしての動作は、特に、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現に寄与する。
【００４３】
また上記一例では、上記七の構成要素であるｐ型シリコン、ｎ型シリコンを用いるとしたが、本発明では、上記八の構成要素を、ヒーターを実現するための配線に置き換えることで、上記七の構成要素を省略することが可能である（図１０）。ヒーターによる温度の動的制御により、出力波長の動的な微調整が可能な半導体レーザー装置の実現が可能となる。
【００４４】
半導体レーザー装置の動的調整機構として、温度の動的制御を用いる場合、シリコン層のサイズを小さくする（図１０）等の工夫を施すことで、動的制御に要する消費電力を低減することが可能である。
本発明では、半導体レーザー装置の動的調整機構として、キャリア数の動的制御、温度の動的制御を併用してもよい。異なる動作原理に基づく制御技術の併用により、自由度の高い動的調整が実現可能となる。
【００４５】
また上記一例では、上記九の構成要素であるデバイス支持基板として、シリコン基板を用いるとしたが、本発明では、その他の基板を用いてもよい。本発明は、主として、シリコン基板上光源の実現に関するが、その他の基板上光源の実現も可能である。例えば、デバイス支持基板としては、石英基板が挙げられる。
【００４６】
次に、本発明に係る半導体レーザー装置の作製方法の一例を説明する。
第一に、量子ドットを有する化合物半導体基板と、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する（図１１）。
ＳＯＩ基板上のシリコン層にｐ型領域、ｎ型領域を形成する。シリコン層にグレーティング構造を形成する。ＳＯＩ基板上にｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を形成する（図１２）。
化合物半導体基板とＳＯＩ基板を、ＢＣＢ樹脂を用いて接合する。化合物半導体基板の不要となる部材を除去する（図１３）。
化合物半導体上に光導波路構造を形成する。ｐ型電極、ｎ型電極、及び各電極と接続された配線を形成する（図１）。
以上の作製工程を用いることで、図１に示すような本発明に係る半導体レーザー装置を実際に作製することができる。
但し、本発明では、上記以外のその他の作製工程を用いてもよい。例えば、予め、化合物半導体基板上に、再成長技術を用いて埋め込み型光導波路構造を形成しておく等が挙げられる。
【００４７】
次に、実際に、ＢＣＢ樹脂によるウエハ接合法を用いて、シリコン基板上に量子ドットを有する化合物半導体薄膜の集積を行った例を示す。ここで、ＢＣＢ樹脂によるウエハ接合法は、低温（例えば、２５０度以下）で、ウエハ接合を実施できるという特長があり、熱膨張係数の異なる異種材料の接合に適したウエハ接合法である。
【００４８】
図１４に、実際に作製したシリコン基板上量子ドット光源の模式図を示す。化合物半導体基板としては、ＧａＡｓ基板を用いた。量子ドットしては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットを用いた。量子ドットの積層数は９層とした。１層当たりの量子ドット密度は約８×１０１０／ｃｍ２である。
【００４９】
図１５に、室温におけるシリコン基板上量子ドット光源のフォトルミネッセンス特性を示す。但し、励起波長９２５ｎｍ、励起パワー密度２５Ｗ／ｃｍ２とした。化合物半導体とシリコン基板との異種接合に起因する発光特性の劣化は観測されず、良好な発光特性が得られている。
【００５０】
図１６に、室温におけるシリコン基板上量子ドット光源の時間分解フォトルミネッセンス特性を示す。但し、励起波長９５０ｎｍ、パルス幅５ｎｓ、繰り返し周波数７６ＭＨｚとした。本測定においても、化合物半導体とシリコン基板との異種接合に起因する発光特性の劣化（例えば、非発光再結合の増大によって発光寿命が短くなる現象等）は観測されておらず、良好な発光特性が得られている。
以上の結果から、量子ドット光源は、シリコン基板上集積に適した光源であることが示された。
【００５１】
本発明では、例えば、図１に示すような化合物半導体上への上面二電極構造の導入が用いられる。そこで、実際に、化合物半導体上に上面二電極構造を作製した例を示す。
図１７に、上面二電極構造の模式図を示す。図１８に、実際に作製した上面二電極構造の３次元光学顕微鏡像を示す。図１８より、化合物半導体上に上面二電極構造が良好に形成されていることが分かる。但し、本作製では、ＧａＡｓ基板上に上面二電極構造の形成を行っている。
以上の結果から、図１に示すような化合物半導体上への上面二電極構造の導入が実現可能であることが示された。
【００５２】
本発明は、シリコン基板上半導体レーザー装置に関して、入出力特性の温度依存性が小さい、出力波長の温度依存性が小さい、出力波長の動的な微調整が可能な、半導体レーザー装置を提供するものであり、今後、光通信、光インターコネクション等への幅広い応用が期待される。
【図１５】
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【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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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