(57)【要約】【課題】ＧａＡｓを含む障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドットを備える光半導体装置において、容易に偏波無依存な利得を得られるようにする。【解決手段】光半導体装置を、基板１と、基板１の上方に形成された活性層２とを備え、活性層２は、ＧａＡｓを含む第１障壁層３と、第１障壁層３上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット４及び量子ドット４の側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層５を含む量子ドット層６と、量子ドット層６上に形成された第２障壁層７とを含むものとし、サイドバリア層５を、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むものとする。【選択図】図１
2011124479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記サイドバリア層は、Ｖ族元素をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記サイドバリア層は、ＢＡｓ，ＢＧａＡｓ，ＢＩｎＡｓ，ＢＧａＩｎＡｓ，ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰ，ＢＡｓＳｂ，ＢＧａＡｓＳｂ，ＢＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＰＳｂ，ＢＧａＡｓＰＳｂからなる群から選択された一つの材料を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記サイドバリア層は、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）を含むサイドバリア層であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記サイドバリア層は、前記量子ドットの高さ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に、前記量子ドット層を複数備え、
前記複数の量子ドット層は、前記量子ドットが上下で互いに接するように積層されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項７】
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含む光半導体装置を備えたことを特徴とする受信装置。
【請求項８】
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含む光半導体装置を備えたことを特徴とする中継装置。
【請求項９】
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含む光半導体装置を備えたことを特徴とする光通信システム。
【請求項１０】
基板の上方に、ＧａＡｓを含む第１障壁層を形成し、
前記第１障壁層上に圧縮歪を内在する量子ドットを形成し、
前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うように、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むサイドバリア層を形成し、
前記量子ドット及び前記サイドバリア層上に第２障壁層を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを用いた光半導体装置及びその製造方法、中継装置、受信装置、光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ基板の上方に形成され、量子ドットを用いた活性層を備える半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）は、高温度特性や高飽和光出力特性といった優れた特性を持つ。
しかしながら、このような量子ドットＳＯＡにおいて用いられる自己形成量子ドットは、形状が扁平で、格子不整合に起因する圧縮歪が内在する。このため、量子ドットＳＯＡは、利得の偏波依存性が大きい。つまり、量子ドットＳＯＡは、ＴＥ（Transverse Electric）モードの光に対する利得がＴＭ（Transverse Magnetic）モードの光に対する利得よりも大きい。この結果、量子ドットＳＯＡを用いると、ＴＭモードの光に対してＴＥモードの光が大幅に増幅されてしまうことになる。
【０００３】
このため、偏波依存性を改善するために種々の技術がある。
例えば、ＧａＡｓ基板の上方に形成された障壁層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成し、障壁層で埋め込んで量子ドット層を形成する工程を繰り返して、複数の量子ドットを量子力学的に結合させることによって、偏波依存性を改善する技術がある。なお、障壁層としては、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ等が用いられる。以下、この技術を第１の技術という。
【０００４】
また、例えば、ＩｎＰ基板の上方に形成された障壁層上に、ＩｎＡｓ量子ドットを形成し、ＩｎＡｓ量子ドットの側面に接するように伸張歪を有するサイドバリア層を形成することで、偏波依存性を改善する技術がある。なお、障壁層及びサイドバリア層としては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＧａＩｎＮＡｓ等のＩｎ及びＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が用いられる。以下、この技術を第２の技術という。
【０００５】
さらに、例えば、ＩｎＰ基板の上方に形成され、コラムナ量子ドットを用いたＳＯＡにおいて、サイドバリア層として伸張歪を入れたＩｎＧａＡｓＰ層を用い、１．５５μｍ帯で偏波無依存な利得を実現した技術もある。以下、この技術を第３の技術という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１１７１０号公報
【特許文献２】特開２００６−２４５３７３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】N. Yasuoka et al., “1.55-μm Polarization-Insensitive Quantum Dot Semiconductor Optical Amplifier”, ECOC 2008, 21-25 September 2008, Brussels, Belgium, Th.1.C.1, Vol.4-17,18
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述の第１の技術では、ＴＭモードの光に対する利得を十分に大きくし、偏波無依存な利得を実現するためには、量子ドット層の積層数を多くする必要がある。
しかしながら、量子ドット層の積層数を多くするのは容易ではない。このため、偏波無依存な利得を得るのは容易ではない。
また、上述の第２の技術及び上述の第３の技術は、ＩｎＰ基板の上方に形成された障壁層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合の技術であり、ＧａＡｓ基板の上方に形成されたＧａＡｓを含む障壁層上にＩｎＡｓを含む量子ドットを形成する場合の技術ではない。このため、上述の第２の技術及び上述の第３の技術を、ＧａＡｓを含む障壁層上にＩｎＡｓを含む量子ドットを形成する場合に適用したとしても、偏波無依存な利得を得るのは難しい。
【０００９】
なお、ここでは、量子ドットＳＯＡの課題として説明しているが、これは、量子ドットを用いた光半導体装置における課題である。
そこで、ＧａＡｓを含む障壁層上にＩｎＡｓを含む量子ドットを形成する場合に、容易に偏波無依存な利得を得られるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本光半導体装置は、基板と、基板の上方に形成された活性層とを備え、活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、サイドバリア層は、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むことを要件とする。
【００１１】
また、本受信装置、本中継装置、本光通信システムは、上記光半導体装置を備えることを要件とする。
また、本光半導体装置の製造方法は、基板の上方に、ＧａＡｓを含む第１障壁層を形成し、第１障壁層上に圧縮歪を内在する量子ドットを形成し、量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うように、量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むサイドバリア層を形成し、量子ドット及びサイドバリア層上に第２障壁層を形成することを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本光半導体装置及びその製造方法によれば、ＧａＡｓを含む障壁層上にＩｎＡｓを含む量子ドットを形成する場合に、容易に偏波無依存な利得を得ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる光半導体装置に備えられるサイドバリア層に用いられる材料を説明するための図である。
【図３】第１実施形態の具体的構成例にかかる光半導体装置の構成を示す模式的断面図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】第２実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的断面図である。
【図６】第２実施形態の変形例にかかる光半導体装置の構成を示す模式的断面図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は、第２実施形態にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図８】第３実施形態にかかる光半導体装置の構成を示す模式的断面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｅ）は、第３実施形態にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図１０】各実施形態の光半導体装置を備える光信号中継装置及び光通信システムの構成例を示す模式図である。
【図１１】各実施形態の光半導体装置を備える光信号受信装置及び光通信システムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面により、本実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について、図１〜図４を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態にかかる光半導体装置は、例えば光ファイバを用いた光通信システムにおいて、光ファイバ通信用光源として動作する光半導体装置のうち、光増幅に用いられる光増幅装置である。
ここでは、図１に示すように、ＧａＡｓ基板１の上方に形成され、量子ドット４を含む活性層２を持つ素子構造を備える半導体光増幅器である。以下、量子ドットＳＯＡという。このような量子ドットＳＯＡは、高温度特性や高飽和光出力特性といった優れた特性を持つ。
【００１６】
ここで、ＧａＡｓ基板１は、ＧａＡｓからなる基板である。なお、「ＧａＡｓ基板」、「ＧａＡｓからなる基板」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＧａＡｓ基板」、「ＧａＡｓからなる基板」及びこれらに不純物を含むものをまとめて「ＧａＡｓを含む基板」と言う。
本実施形態では、ＧａＡｓ基板１の上方に形成された活性層２は、ＧａＡｓ下部障壁層３と、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＩｎＡｓ量子ドット４の側面を覆うサイドバリア層５を含む量子ドット層６と、ＧａＡｓ上部障壁層７とを含む。なお、この活性層２は、量子ドット４を含むため、量子ドット活性層ともいう。
【００１７】
ここで、ＧａＡｓ下部障壁層３は、ＧａＡｓからなる下部障壁層（第１障壁層）である。なお、下部障壁層３は、これに限られるものではなく、ＧａＡｓに格子整合する下部障壁層であれば良い。例えば、ＧａＡｓＩｎＡｓ下部障壁層などであっても良い。
なお、「ＧａＡｓ下部障壁層」、「ＧａＡｓからなる下部障壁層」、「ＧａＡｓに格子整合する下部障壁層」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＧａＡｓ下部障壁層」、「ＧａＡｓからなる下部障壁層」、「ＧａＡｓに格子整合する下部障壁層」及びこれらに不純物を含むものをまとめて「ＧａＡｓを含む下部障壁層」と言う。
【００１８】
ＩｎＡｓ量子ドット４は、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されている。ここでは、ＩｎＡｓ量子ドット４は、格子定数が下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数よりも大きいＩｎＡｓからなる。
なお、量子ドット４は、ＩｎＡｓ量子ドットに限られるものではなく、ＧａＡｓ基板１上、即ち、ＧａＡｓを含む下部障壁層３上に形成できる半導体材料からなる量子ドットであれば良い。例えば、量子ドット４は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等のＩｎＡｓを含む半導体材料からなる量子ドットであっても良い。
【００１９】
また、「ＩｎＡｓ量子ドット」、「ＩｎＡｓからなる量子ドット」、「ＩｎＡｓを含む半導体材料からなる量子ドット」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＩｎＡｓ量子ドット」、「ＩｎＡｓからなる量子ドット」、「ＩｎＡｓを含む半導体材料からなる量子ドット」及びこれらに不純物を含むものをまとめて「ＩｎＡｓを含む量子ドット」と言う。
【００２０】
本実施形態では、サイドバリア層５は、ＧａＡｓ下部障壁層３上にＩｎＡｓ量子ドット４の側面全体を覆うように形成されている。
また、サイドバリア層５は、図２に示すように、伸張歪を内在し、Ｂ（ボロン、ホウ素）を含む半導体材料からなる。つまり、サイドバリア層５は、Ｂを含む半導体材料からなり、格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも小さい。
【００２１】
なお、「Ｂを含む半導体材料からなるサイドバリア層」は、不純物を含む場合がある。このため、「Ｂを含む半導体材料からなるサイドバリア層」及びこれに不純物を含むものをまとめて「Ｂを含むサイドバリア層」と言う。
ここでは、サイドバリア層５は、Ｂを含み、Ｖ族元素をさらに含む半導体材料からなる。つまり、サイドバリア層５は、ＩＩＩ族にＢを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる。
【００２２】
なお、「Ｂを含み、Ｖ族元素をさらに含む半導体材料からなるサイドバリア層」は、不純物を含む場合がある。このため、「Ｂを含み、Ｖ族元素をさらに含む半導体材料からなるサイドバリア層」及びこれに不純物を含むものをまとめて「Ｂを含み、Ｖ族元素をさらに含むサイドバリア層」と言う。また、「ＩＩＩ族にＢを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなるサイドバリア層」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＩＩＩ族にＢを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなるサイドバリア層」及びこれに不純物を含むものをまとめて「ＩＩＩ族にＢを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含むサイドバリア層」と言う。
【００２３】
具体的には、サイドバリア層５は、ＢＡｓ，ＢＧａＡｓ，ＢＩｎＡｓ，ＢＧａＩｎＡｓ，ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰ，ＢＡｓＳｂ，ＢＧａＡｓＳｂ，ＢＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＰＳｂ，ＢＧａＡｓＰＳｂからなる群から選択された一つの材料からなる。なお、サイドバリア層５は、ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰといったＶ族にＰを含む材料系であっても良いが、Ｐは蒸気圧が低く、フラッシングの最中に抜けやすいため、成長には注意が必要かもしれない。また、Ｓｂを含む材料系であっても良いが、材料系が増えて成長が困難になるなど煩雑さが増すかもしれない。
【００２４】
なお、「ＢＡｓ，ＢＧａＡｓ，ＢＩｎＡｓ，ＢＧａＩｎＡｓ，ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰ，ＢＡｓＳｂ，ＢＧａＡｓＳｂ，ＢＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＰＳｂ，ＢＧａＡｓＰＳｂからなる群から選択された一つの材料からなるサイドバリア層」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＢＡｓ，ＢＧａＡｓ，ＢＩｎＡｓ，ＢＧａＩｎＡｓ，ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰ，ＢＡｓＳｂ，ＢＧａＡｓＳｂ，ＢＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＰＳｂ，ＢＧａＡｓＰＳｂからなる群から選択された一つの材料からなるサイドバリア層」及びこれに不純物を含むものをまとめて「ＢＡｓ，ＢＧａＡｓ，ＢＩｎＡｓ，ＢＧａＩｎＡｓ，ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰ，ＢＡｓＳｂ，ＢＧａＡｓＳｂ，ＢＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＰＳｂ，ＢＧａＡｓＰＳｂからなる群から選択された一つの材料を含むサイドバリア層」と言う。
【００２５】
この場合、サイドバリア層５は、ＧａＡｓ下部障壁層３から伸張歪を受ける。つまり、サイドバリア層５は、サイドバリア層５の材料、ここではＢを含む半導体材料の格子定数と下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数との差に応じた伸張歪を内在する。
一方、ＩｎＡｓ量子ドット４は、ＧａＡｓ下部障壁層３から圧縮歪を受ける。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４は、量子ドット４の材料、ここではＩｎＡｓの格子定数と下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数との差に応じた圧縮歪を内在する。
【００２６】
このため、量子ドット層６に含まれるサイドバリア層５の材料として、ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＢを含む半導体材料を用いることで、サイドバリア層５に内在する伸張歪を、圧縮歪を内在する量子ドット４に作用させることができる。これにより、量子ドット４に内在する圧縮歪を緩和することができ、ＴＭモードの光に対する利得を増加させることができる。なお、以下、ＴＭモードの光に対する利得をＴＭ利得と言う。
【００２７】
したがって、ＧａＡｓ基板１上に量子ドットＳＯＡを形成する場合に、容易にＴＭ利得を制御できるようになる。つまり、ＧａＡｓ障壁層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を備える量子ドットＳＯＡを形成する場合に、より簡便にＴＭ利得を制御できるようになる。これにより、偏波依存性を改善することができる。また、結晶性を向上させることもできる。
特に、本実施形態では、図２に示すように、サイドバリア層５は、格子定数が約５．２５Å以下のＢを含む半導体材料からなる。
【００２８】
例えば、サイドバリア層５を、格子定数が約５．２５ÅのＢを含む半導体材料からなるものとする場合、下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数は約５．６５Åであるため、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたサイドバリア層５は約７％の伸張歪を受ける。
一方、量子ドット４の材料であるＩｎＡｓの格子定数は約６．０６Åであるため、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット４は約７％の圧縮歪を受ける。
【００２９】
このため、サイドバリア層５の材料として、格子定数が約５．２５ÅのＢを含む半導体材料を用いることで、サイドバリア層５に内在する伸張歪によって、量子ドット４に内在する圧縮歪を打ち消すことができる。つまり、サイドバリア層５がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける伸張歪によって、ＩｎＡｓ量子ドット４がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける圧縮歪を打ち消すことができる。この場合、ＩｎＡｓ量子ドット４は無歪となる。これにより、ＧａＡｓ基板１上方に形成されるＩｎＡｓ量子ドット４、即ち、ＧａＡｓ障壁層３上に形成されるＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得とＴＥモードの光に対する利得とを同程度にすることができる。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４によって得られる利得を偏波無依存にすることができる。この場合、良好な結晶性も得られる。なお、以下、ＴＥモードの光に対する利得をＴＥ利得と言う。また、ＩｎＡｓ量子ドット４によって得られる利得を材料利得とも言う。
【００３０】
また、例えば、サイドバリア層５を、格子定数が約５．２５Åよりも小さいＢを含む半導体材料からなるものとする場合、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたサイドバリア層５は約７％よりも大きい伸張歪を受ける。このため、サイドバリア層５の材料として、格子定数が約５．２５Åよりも小さいＢを含む半導体材料を用いることで、サイドバリア層５に内在する伸張歪によって、量子ドット４に伸張歪を与えることができる。つまり、サイドバリア層５がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける伸張歪がＩｎＡｓ量子ドット４に作用することで、ＩｎＡｓ量子ドット４は、伸張歪を内在するものとなる。この場合、伝導帯と価電子帯（軽い正孔）との間のバンドギャップは、伝導帯と価電子帯（重い正孔）との間のバンドギャップよりも小さくなる。この結果、電子−軽い正孔間遷移が優位になり、ＴＥ利得よりもＴＭ利得を大きくすることができる。そして、導波路の光閉じ込め係数の偏波依存性を調整することで、ＳＯＡの光利得を偏波無依存化することができる。つまり、ＧａＡｓ基板１上に形成される量子ドットＳＯＡ、即ち、ＧａＡｓ障壁層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を備える量子ドットＳＯＡを偏波無依存にし、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを実現することができる。なお、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを偏波無依存型光増幅装置とも言う。例えば、クラッド層に接する障壁層の厚さを調整することによって、導波路の光閉じ込め係数の偏波依存性を調整することができる。
【００３１】
このように、偏波無依存な利得を得るには、下部障壁層３とサイドバリア層５との間の格子定数の差の絶対値を、下部障壁層３と量子ドット４の格子定数の差の絶対値以上にすれば良い。この場合、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されるサイドバリア層５に内在する伸張歪の歪量の絶対値は、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成される量子ドット４に内在する圧縮歪の歪量の絶対値以上になる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４は、無歪又は伸張歪を内在するものとなる。
【００３２】
なお、ここでは、ＩｎＡｓ量子ドット４の格子定数又は圧縮歪の歪量に基づいて、サイドバリア層５の格子定数又は伸張歪の歪量を決めているが、これに限られるものではない。つまり、ＩｎＡｓを含む量子ドットの格子定数又は歪量に基づいて、サイドバリア層５の格子定数又は伸張歪の歪量を決めれば良い。これにより、偏波無依存な利得を実現することができる。
【００３３】
ところで、サイドバリア層５は、ＩｎＡｓ量子ドット４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。
例えば、１．３μｍ帯量子ドットＳＯＡの場合であって、ＩｎＡｓ量子ドット４の発光波長が約１．３μｍの場合、図２に示すように、サイドバリア層５は、１．３μｍ波長バンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するものとする。ここで、１．３μｍ波長バンドギャップは０．９５ｅＶである。
【００３４】
ＧａＡｓ上部障壁層７は、図１に示すように、ＧａＡｓからなる上部障壁層（第２障壁層）である。なお、上部障壁層７は、これに限られるものではなく、ＧａＡｓに格子整合する上部障壁層である。例えば、ＧａＡｓＩｎＡｓ上部障壁層などであっても良い。
なお、「ＧａＡｓ上部障壁層」、「ＧａＡｓからなる上部障壁層」、「ＧａＡｓに格子整合する上部障壁層」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＧａＡｓ上部障壁層」、「ＧａＡｓからなる上部障壁層」、「ＧａＡｓに格子整合する上部障壁層」及びこれらに不純物を含むものをまとめて「ＧａＡｓを含む上部障壁層」と言う。
【００３５】
ここでは、ＧａＡｓ上部障壁層７は、図１に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット４の上面及びサイドバリア層５の上面、即ち、量子ドット層６の上面を覆うように形成されている。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４及びサイドバリア層５の上に、即ち、量子ドット層６上に、ＧａＡｓ上部障壁層７が形成されている。このように、活性層２は、ＩｎＡｓ量子ドット４及びサイドバリア層５、即ち、量子ドット層６を、ＧａＡｓ下部障壁層３とＧａＡｓ上部障壁層７とで挟んだ構造になっている。
【００３６】
以下、本量子ドットＳＯＡの具体的な構成例について、図３を参照しながら説明する。
本量子ドットＳＯＡは、図３に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８、活性層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０を積層した半導体積層構造を有する。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板はｎ型導電性基板である。
【００３７】
また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の途中までをエッチングして形成されたリッジ構造を有する。なお、リッジ構造はリッジ導波路構造とも言う。ここでは、図示していないが、リッジ構造は、端面に対して例えば７°傾斜した斜めリッジ構造である。つまり、導波路は、端面に対して例えば７°傾斜した斜め導波路である。
さらに、リッジ構造の側面及びリッジ構造の両側に露出したｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の表面は、ＳｉＯ２膜１１で覆われている。なお、ＳｉＯ２膜はパッシベーション膜である。
【００３８】
そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０上に上部電極１２、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面側に下部電極１３が設けられている。ここでは、上部電極１２はｐ側電極であり、下部電極１３はｎ側電極である。また、図示していないが素子両端面には無反射膜が設けられている。
特に、本実施形態では、活性層２は、ＧａＡｓ下部障壁層３と、ウェッティング層４Ａを含むＩｎＡｓ量子ドット４及びＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を含む量子ドット層６と、ＧａＡｓ上部障壁層７とを備える。
【００３９】
ここで、ＧａＡｓ下部障壁層３は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に形成される。
ＩｎＡｓ量子ドット４は、ＧａＡｓ下部障壁層３上に自己形成される。このため、ＩｎＡｓ量子ドット４は、自己形成量子ドットである。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４は、Ｓ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長によって形成されたＳ−Ｋモード量子ドットである。
【００４０】
ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５は、格子定数が約５．２５Å以下であり、伸張歪を内在する。このＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５は、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さと同程度の厚さを有し、ＩｎＡｓ量子ドット４の側面全体を覆っている。なお、「ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層」、「ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）からなるサイドバリア層」は、不純物を含む場合がある。このため、「ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層」、「ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）からなるサイドバリア層」及びこれらに不純物を含むものを「ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）を含むサイドバリア層」と言う。
【００４１】
ＧａＡｓ上部障壁層７は、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５の上に形成される。
そして、本実施形態では、ＧａＡｓ上部障壁層７上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９が形成される。
ところで、ＩｎＡｓ量子ドット４の利得を偏波無依存にするには、量子ドット４がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける圧縮歪が打ち消されるように、量子ドット４がＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５から伸張歪を受けるようにすれば良い。
【００４２】
つまり、ＩｎＡｓの格子定数は約６．０６Åであり、ＧａＡｓの格子定数は約５．６５Åであるため、ＧａＡｓ基板１上、即ち、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット４は約７％の圧縮歪を内在する。このため、電子−重い正孔間遷移が優位になり、ＴＥ利得が大きくなる。
ＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得を増大させるには、サイドバリア層５の格子定数をＧａＡｓの格子定数よりも小さくすれば良い。つまり、ｎ型ＧａＡｓ基板１上、即ち、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたサイドバリア層５が伸張歪を内在するようにすれば良い。
【００４３】
特に、ＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得とＴＥ利得とを同程度にするには、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する圧縮歪の歪量の絶対値と略同一の歪量の絶対値を持つ伸張歪をサイドバリア層５が内在するようにすれば良い。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する圧縮歪の歪量の絶対値約７％が打ち消されるように、サイドバリア層５に内在する伸張歪の歪量の絶対値を約７％にすれば良い。
【００４４】
具体的には、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を、格子定数が５．２５ÅであるＢ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓサイドバリア層とすれば良い。そして、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さと同程度の厚さにして、ＩｎＡｓ量子ドット４の側面全体が覆われるようにすれば良い。この場合、Ｂ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓサイドバリア層５に内在する伸張歪の歪量の絶対値は、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する歪量の絶対値と略同一の約７％程度になる。この結果、ＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得とＴＥ利得とを同程度にすることができ、偏波無依存な利得を得ることが可能となる。
【００４５】
ところで、例えば、実際の素子構造では、光閉じ込め係数の偏波依存性がある。通常、ＴＥモードに対する光閉じ込め係数が高くなるため、ＴＥ利得がＴＭ利得よりも大きくなる。このため、素子として偏波無依存な利得を得るには、ＴＭ利得をＴＥ利得よりも大きくするのが好ましい。
この場合、例えば、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を、格子定数が５．１２ÅであるＢ０．６Ｇａ０．４Ａｓサイドバリア層とすれば良い。そして、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さと同程度の厚さにして、ＩｎＡｓ量子ドット４の側面全体が覆われるようにすれば良い。この場合、Ｂ０．６Ｇａ０．４Ａｓサイドバリア層５に内在する伸張歪の歪量の絶対値は約９．３％程度となる。これは、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する圧縮歪の歪量の絶対値約７％よりも約３０％程度大きい値である。このような歪量にしているのは、ＩｎＡｓ量子ドット４の内部での歪分布、ＩｎＡｓ量子ドット４の形状が正確な円柱ではないこと、導波路の光閉じ込め係数のＴＥ／ＴＭ比などを考慮したためである。
【００４６】
このようにして、ＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得をＴＥ利得よりも大きくすることが可能である。これにより、量子ドットＳＯＡの利得の偏波無依存化が可能となる。
なお、本具体的構成例では、Ｂ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓサイドバリア層５及びＢ０．６Ｇａ０．４Ａｓサイドバリア層５を用いているが、これに限られるものではない。例えば、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を用い、ＢとＧａの組成比は適宜調整しても良い。少なくともＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を用いれば、サイドバリア層５に内在する伸張歪の歪量の絶対値を、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する圧縮歪の歪量の絶対値以上にすることができる。つまり、ＧａＡｓ下部障壁層３とサイドバリア層５との間の格子定数の差の絶対値を、ＧａＡｓ下部障壁層３と量子ドット４の格子定数の差の絶対値以上にすることができる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得をＴＥ利得と同程度又はそれ以上に大きくすることができる。また、例えば、サイドバリア層５は、Ｂを含む半導体材料からなり、格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも小さくなるような組成を持つ材料からなるものであれば良い。
【００４７】
また、サイドバリア層５は、ＩｎＡｓ量子ドット４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するような組成を持つ材料からなるものとする。例えば、ＩｎＡｓ量子ドット４の発光波長が１．３μｍの場合、サイドバリア層５のバンドギャップは１．３μｍ波長バンドギャップよりも大きい組成を持つ材料からなるものとする（図２参照）。
次に、本実施形態にかかる光半導体装置の製造方法について説明する。
【００４８】
本光半導体装置の製造方法は、以下のような工程を含む。
まず、ＧａＡｓを含む基板１の上方に、ＧａＡｓを含む下部障壁層（第１障壁層）３を形成する（図１参照）。
次いで、ＧａＡｓを含む下部障壁層３上に、圧縮歪を内在する量子ドット４、ここでは、ＩｎＡｓを含む量子ドット４を形成する（図１参照）。
【００４９】
次に、ＩｎＡｓを含む量子ドット４の側面を覆うように、ＩｎＡｓを含む量子ドット４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むサイドバリア層５を形成する（図１参照）。これにより、ＩｎＡｓを含む量子ドット４とＢを含むサイドバリア層５とを含む量子ドット層６が形成される。なお、サイドバリア層５を形成した後にＩｎＡｓを含む量子ドット４の上部を平坦化しても良い。
【００５０】
そして、量子ドット４及びサイドバリア層５上に、ＧａＡｓを含む上部障壁層（第２障壁層）７を形成する（図１参照）。
以下、本実施形態の具体的構成例にかかる量子ドットＳＯＡの製造方法について、図４を参照しながら、より具体的に説明する。
なお、各半導体層の成長には、例えば、分子ビームエピタキシャル成長（ＭＢＥ；molecular beam epitaxy）法を用いる。
【００５１】
まず、図４（Ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８を形成する。
ここでは、ｎ−ＧａＡｓ基板１はｎ−ＧａＡｓ（００１）基板である。また、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８の厚さは例えば約１．４μｍである。
次に、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、活性層２を形成する。
【００５２】
つまり、まず、図４（Ａ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に、ＧａＡｓ下部障壁層３を形成する。ここでは、ＧａＡｓ下部障壁層３の厚さは例えば約１６０ｎｍである。
次に、ＧａＡｓ下部障壁層３上に、自己形成法によって、例えば面密度４×１０１０ｃｍ−２程度のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。なお、本実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドット４を自己形成する面には、ウェッティング層４Ａと呼ばれる非常に薄いＩｎＡｓ層が形成される。
【００５３】
次に、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５をＩｎＡｓ量子ドット４の側面を覆うように形成する。ここでは、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５の厚さは、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さよりも薄くなるようにする。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４とＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５とを含む量子ドット層６が形成される。
【００５４】
次いで、図４（Ｂ）に示すように、ＭＢＥ成長炉内の温度を上昇させ、例えばフラッシング法によってＩｎＡｓ量子ドット４の頂上部を再蒸発させる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４の上部を平坦化し、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さをＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５の厚さと同程度にする。この結果、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５によってＩｎＡｓ量子ドット４の側面全体が覆われ、表面が平坦化された量子ドット層６が形成される。
【００５５】
次に、図４（Ｃ）に示すように、量子ドット層６、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を覆うように、これらの上に、ＧａＡｓ上部障壁層７を形成する。ここでは、ＧａＡｓ上部障壁層７の厚さは例えば約１６０ｎｍである。
このようにして、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に、ＧａＡｓ下部障壁層３と、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を含む量子ドット層６と、ＧａＡｓ上部障壁層７とを備える量子ドット活性層２が形成される。
【００５６】
次いで、ＧａＡｓ上部障壁層７上に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０とを順に形成する（図３参照）。
ここでは、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の厚さは例えば約１．４μｍである。また、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０の厚さは例えば約０．４μｍである。
このようにして結晶成長を行なった後、ＳＯＡの素子構造に加工する。
【００５７】
つまり、図示していないが、ＳｉＯ２膜を成膜し、例えばフォトリソグラフ技術を用いてＳｉＯ２膜上に、端面に対して例えば約７°傾いたリッジ導波路パターンを形成する。
そして、このリッジ導波路パターンを形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして用い、例えばドライエッチングによって、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９にパターンを転写する。つまり、例えばドライエッチングによって、ＳｉＯ２マスクで覆われていない部分のｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の一部を除去して、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９を露出させる。これにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９を含み、例えば幅約２μｍで、端面に対して例えば約７°傾斜させた斜めリッジ導波路構造が形成される（図３参照）。
【００５８】
なお、ここでは、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の途中まで除去してリッジ導波路構造を形成しているが、これに限られるものではない。例えば、活性層２の直上までｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９を除去して、即ち、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９を全部除去して、活性層２を露出させてリッジ導波路構造を形成しても良い。
その後、図示していないＳｉＯ２マスクを除去し、リッジ導波路構造の側面及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の表面が覆われるようにＳｉＯ２膜１１を形成する（図３参照）。なお、ＳｉＯ２マスクを導波路パターン形成用ＳｉＯ２膜とも言う。次いで、上部及び下部に電流注入用の電極１２，１３を形成する。また、図示していないが、素子両端面に無反射膜を形成する。
【００５９】
したがって、本実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法によれば、ＧａＡｓを含む障壁層３上にＩｎＡｓを含む量子ドット４を形成する場合に、容易に偏波無依存な利得を得ることができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、活性層２を、単層の量子ドット層６を備えるものとして構成しているが、これに限られるものではなく、複数の量子ドット層を、障壁層を挟んで繰り返し積層するようにしても良い。
【００６０】
また、上述の実施形態では、サイドバリア層５を、量子ドット４の高さに相当する厚さと同一の厚さにし、即ち、量子ドット４の側面全体が覆われるようにし、量子ドット４に内在する圧縮歪が打ち消されるようにしているが、これに限られるものではない。例えば、サイドバリア層５を、量子ドット４の高さに相当する厚さよりも薄い厚さにし、即ち、量子ドット４の側面の少なくとも一部が覆われるようにし、量子ドット４に内在する圧縮歪が打ち消されるようにしても良い。このように、伸張歪を内在し、Ｂを含むサイドバリア層５を用いることで、サイドバリア層を、量子ドットの高さ以下の厚さを有するものとすることができる。
［第２実施形態］
第２実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について、図５〜図７を参照しながら説明する。
【００６１】
本実施形態にかかる光半導体装置では、上述の第１実施形態の具体的構成例（図３参照）のものに対し、図５に示すように、活性層２が複数の量子ドット４を近接積層させた結合量子ドット４Ｘを含む点が異なる。なお、図５では、上述の第１実施形態の具体的構成例（図３参照）と同一のものには同一の符号を付している。
つまり、本実施形態の具体的構成例では、活性層２は、ＧａＡｓ下部障壁層（第１障壁層）３とＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）７との間に、複数の量子ドット層６を備える。なお、ここでは、複数の量子ドット層６として５つの量子ドット層を設けている。
【００６２】
各量子ドット層６は、ウェッティング層４Ａを含むＩｎＡｓ量子ドット４及びＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を含む。そして、複数の量子ドット層６は、ＩｎＡｓ量子ドット４が上下で互いに接するように積層されている。これにより、各量子ドット層６に含まれるＩｎＡｓ量子ドット４は、上下に積み重ねられ、互いに量子力学的に結合して、コラムナ型結合量子ドット４Ｘが形成される。
【００６３】
なお、コラムナ型結合量子ドット４Ｘは、近接積層結合量子ドット、近接積層コラムナドット、結合量子ドット、コラムナドットともいう。また、複数の量子ドット層６を積層したものに結合量子ドット４Ｘが含まれているため、複数の量子ドット層６の全体を結合量子ドット層６Ｘという。
このように、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを形成することで、アスペクト比（高さ／直径）を高くすることができ、ＴＭ利得を増大させることができる。このため、例えば、サイドバリア層５の材料によって、量子ドット４によって得られる利得を偏波無依存にした上で、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを形成してアスペクト比を高くし、ＴＭ利得を増大させて、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを実現することができる。この場合、量子ドット４に内在する圧縮歪は打ち消されるため、良好な結晶性を得ながら、偏波無依存な利得を実現することが可能となる。このように、サイドバリア層５の材料によるＴＭ利得の制御と、コラムナ型結合量子ドット４Ｘに含まれる量子ドットの積層数、即ち、アスペクト比によるＴＭ利得の制御とを組み合わせることで、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを実現することもできる。
【００６４】
また、上述のようなコラムナ型結合量子ドット４Ｘを形成することで、光閉じ込め係数が大きくなるため、光を増幅させる利得を大きくすることができる。このため、導波路の光閉じ込め係数の偏波依存性を考慮して、サイドバリア層５の材料によってＴＥ利得よりもＴＭ利得を大きくし、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを実現する場合にも、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを形成すれば、利得を増大させることができる。
【００６５】
さらに、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を用いると、サイドバリア層５の厚さを量子ドット４の高さと同程度にして、ＩｎＡｓ量子ドット４が受ける約７％の圧縮歪を打ち消すことができる。このため、結晶性に影響を与えないようにしながら、容易に高アスペクト比のコラムナ型結合量子ドット４Ｘを形成することができる。
【００６６】
なお、本実施形態では、５つのＩｎＡｓ量子ドット４を積層させることによって、５重積層構造のコラムナ型結合量子ドット４Ｘを形成しているが、これに限られるものではなく、異なる積層数であっても良い。
また、本実施形態では、活性層２を、１段の結合量子ドット層６Ｘを備えるものとしているが、これに限られるものではなく、必要に応じて複数段の結合量子ドット層６Ｘを積層させた構造にしても良い。例えば図６に示すように、活性層２を、２段の結合量子ドット層６Ｘを備えるものとしても良い。この場合、上述の実施形態のＧａＡｓ上部障壁層７上に、２段目の結合量子ドット層６Ｘ、ＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）１４を形成することによって、活性層２を形成すれば良い。なお、ＧａＡｓ上部障壁層７は、２段目の結合量子ドット層６Ｘとの関係ではＧａＡｓ下部障壁層（第１障壁層）である。つまり、ＧａＡｓ障壁層７は、１段目の結合量子ドット層６Ｘとの関係では上部障壁層（第２障壁層）であり、２段目の結合量子ドット層６Ｘとの関係では下部障壁層（第１障壁層）である。また、図６では、上述の実施形態（図５参照）と同一のものには同一の符号を付している。このように、複数段の結合量子ドット層６Ｘを設ける場合には、複数段の結合量子ドット層６ＸはＧａＡｓ障壁層を挟んで積層させれば良い。なお、障壁層は、ＧａＡｓ障壁層に限られるものではなく、ＧａＡｓを含む障壁層であれば良い。この場合、活性層２は、ＧａＡｓ下部障壁層（第１障壁層）と、結合量子ドット層と、ＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）とを繰り返し積層した構造になる。
【００６７】
なお、その他の構成は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
次に、本実施形態にかかる光半導体装置の製造方法について説明する。
本光半導体装置の製造方法は、上述の第１実施形態の光半導体装置の製造方法において、以下のような工程を含む。
【００６８】
ＧａＡｓ上部障壁層７（第２障壁層）を形成する前に、量子ドット４を形成する工程と、サイドバリア層５を形成する工程とを少なくとも１回繰り返して、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘを形成する。ここでは、量子ドット４を形成する工程と、サイドバリア層５を形成する工程とを５回繰り返して、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘを形成している（図５参照）。
【００６９】
なお、複数段の結合量子ドット層６Ｘを積層させる場合（図６参照）には、以下のような工程を含む。
ＧａＡｓ下部障壁層（第１障壁層）を形成する工程と、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘを形成する工程と、ＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）を形成する工程とを少なくとも１回繰り返す。ここでは、ＧａＡｓ下部障壁層を形成する工程と、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘを形成する工程と、ＧａＡｓ上部障壁層を形成する工程とを１回繰り返している（図６参照）。
【００７０】
以下、本実施形態の具体的構成例にかかる量子ドットＳＯＡの製造方法について、図７（Ａ）〜（Ｅ）を参照しながら、より具体的に説明する。
なお、各半導体層の成長には、ＭＢＥ法を用いる。
まず、上述の第１実施形態の具体的構成例の場合と同様に、図７（Ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８を形成する。
【００７１】
次に、図７（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む活性層２を、以下のようにして形成する。
つまり、まず、図７（Ａ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に、ＧａＡｓ下部障壁層３を形成する。
次いで、ＧａＡｓ下部障壁層３上に、自己形成法によって、例えば面密度４×１０１０ｃｍ−２程度のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。なお、本実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドット４を自己形成する面には、ウェッティング層４Ａと呼ばれる非常に薄いＩｎＡｓ層が形成される。
【００７２】
次に、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５をＩｎＡｓ量子ドット４の側面を覆うように形成する。ここでは、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５の厚さは、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さよりも薄くなるようにする。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４とＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５とを含む量子ドット層６が形成される。
【００７３】
次いで、図７（Ｂ）に示すように、ＭＢＥ成長炉内の温度を上昇させ、例えばフラッシング法によってＩｎＡｓ量子ドット４の頂上部を再蒸発させる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４の上部を平坦化し、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さをＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５の厚さと同程度にする。この結果、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５によってＩｎＡｓ量子ドット４の側面全体が覆われ、表面が平坦化された１層目の量子ドット層６が形成される。
【００７４】
次に、図７（Ｃ）に示すように、上述のようにして形成された１層目の量子ドット層６上に、上述と同様に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。この場合、ＩｎＡｓ量子ドット４は、１層目の量子ドット層６に含まれるＩｎＡｓ量子ドット４上に形成される。つまり、上下のＩｎＡｓ量子ドット４は互いに接するように積み重ねられ、量子力学的に結合する。
【００７５】
なお、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５に内在する伸張歪によって、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する圧縮歪が打ち消され、ＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得がＴＥ利得と同程度又はそれ以上になる。しかしながら、ＩｎＡｓ量子ドット４の利得に寄与しない部分、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット４の上部には、局所的に歪みが残りやすい。このため、１層目の量子ドット層６に含まれる量子ドット４上に量子ドット４が成長することになる。
【００７６】
そして、上述と同様に、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を形成した後、図７（Ｄ）に示すように、例えばフラッシング法によってＩｎＡｓ量子ドット４の頂上部を再蒸発させ、ＩｎＡｓ量子ドット４の上部を平坦化する。これにより、表面が平坦化された２層目の量子ドット層６が形成される。
以降、このような量子ドット層６を形成する工程を繰り返し行なって、複数の量子ドット層６を積層させる。ここでは、５つの量子ドット層６を積層させる。これにより、複数のＩｎＡｓ量子ドット４が積み重ねられ、量子力学的に結合して、コラムナ型結合量子ドット４Ｘが形成される。ここでは、５つのＩｎＡｓ量子ドット４が積み重ねられたコラムナ型結合量子ドット４Ｘが形成される。このようにして、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘが形成される。
【００７７】
次に、図７（Ｅ）に示すように、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘ、即ち、最上層のＩｎＡｓ量子ドット４及びＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）サイドバリア層５を覆うように、これらの上に、ＧａＡｓ上部障壁層７を形成する。
このようにして、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に、ＧａＡｓ下部障壁層３と、コラムナ型結合量子ドット４Ｘを含む結合量子ドット層６Ｘと、ＧａＡｓ上部障壁層７とを備える活性層２が形成される。
【００７８】
次に、上述の第１実施形態の具体的構成例の場合と同様に、ＧａＡｓ上部障壁層７上に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０とを順に形成する（図５参照）。
このようにして結晶成長を行なった後、上述の第１実施形態の具体的構成例の場合と同様に、ＳＯＡの素子構造に加工する。
【００７９】
つまり、図示していないが、ＳｉＯ２膜を成膜し、例えばフォトリソグラフ技術を用いてＳｉＯ２膜上に、端面に対して例えば約７°傾いたリッジ導波路パターンを形成する。
そして、このリッジ導波路パターンを形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして用い、例えばドライエッチングによって、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９にパターンを転写する。これにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９を含み、例えば幅約２μｍで、端面に対して例えば約７°傾斜させた斜めリッジ導波路構造が形成される（図５参照）。
【００８０】
その後、図示していないＳｉＯ２マスクを除去し、リッジ導波路構造の側面及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の表面が覆われるようにＳｉＯ２膜１１を形成する（図５参照）。なお、ＳｉＯ２マスクを導波路パターン形成用ＳｉＯ２膜とも言う。次いで、上部及び下部に電流注入用の電極１２，１３を形成する。また、図示していないが、素子両端面に無反射膜を形成する。
【００８１】
なお、その他の詳細については、上述の第１実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、容易に偏波無依存な利得を得ることができるという利点がある。
［第３実施形態］
第３実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について、図８、図９を参照しながら説明する。
【００８２】
本実施形態では、本発明を、Ｓ−Ｋモード量子ドットを備える量子ドットＳＯＡに適用した場合を例に挙げて説明する。
つまり、本光半導体装置は、上述の第１実施形態（図１、図３参照）のものに対し、図８に示すように、量子ドット４が障壁層７，１５を挟んで繰り返し積層されている点、サイドバリア層５が量子ドット４の側面の少なくとも一部を覆う点、及び、具体的構成例においてサイドバリア層５がＢＡｓサイドバリア層である点が異なる。なお、図８では、上述の第１実施形態（図１、図３参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００８３】
本実施形態では、ＧａＡｓ基板１の上方に形成された活性層２は、ＧａＡｓ下部障壁層３と、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＩｎＡｓ量子ドット４の側面を覆うサイドバリア層５を含む量子ドット層６と、ＧａＡｓ上部障壁層７とを含む。
ここで、ＧａＡｓ下部障壁層３は、上述の第１実施形態の場合と同様に、ＧａＡｓからなる下部障壁層（第１障壁層）である。なお、下部障壁層３は、ＧａＡｓを含む下部障壁層であれば良い。
【００８４】
ＩｎＡｓ量子ドット４は、上述の第１実施形態の場合と同様に、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されている。ここでは、ＩｎＡｓ量子ドット４は、格子定数が下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数よりも大きいＩｎＡｓからなる。なお、量子ドット４は、ＩｎＡｓを含む量子ドットであれば良い。
サイドバリア層５は、ＧａＡｓ下部障壁層３上にＩｎＡｓ量子ドット４の側面の一部を覆うように形成されている。
【００８５】
ここで、サイドバリア層５は、上述の第１実施形態の場合と同様に、伸張歪を内在し、Ｂを含む半導体材料からなる。つまり、サイドバリア層５は、Ｂを含む半導体材料からなり、格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも小さい。ここでは、サイドバリア層５は、Ｂを含み、Ｖ族元素をさらに含む半導体材料からなる。つまり、サイドバリア層５は、ＩＩＩ族にＢを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる。
【００８６】
本実施形態では、サイドバリア層５は、格子定数が約５．２５Å以下、具体的には、格子定数が約４．７８ÅであるＢＡｓからなる。
この場合、サイドバリア層５は、サイドバリア層５の材料、ここではＢＡｓの格子定数と下部障壁層３の材料、ここではＧａＡｓの格子定数との差に応じた伸張歪を内在する。具体的には、サイドバリア層５の材料として、格子定数が約４．７８ÅであるＢＡｓを用いると、下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数は約５．６５Åであるため、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたサイドバリア層５は約１５％の伸張歪を受ける。つまり、ＢＡｓサイドバリア層５は、ＧａＡｓ下部障壁層３から約１５％の伸張歪を受ける。
【００８７】
これに対し、ＩｎＡｓ量子ドット４は、量子ドット４の材料、ここではＩｎＡｓの格子定数と下部障壁層３の材料、ここではＧａＡｓの格子定数との差に応じた圧縮歪を内在する。具体的には、ＩｎＡｓの格子定数は約６．０６Åであり、下部障壁層３の材料であるＧａＡｓの格子定数は約５．６５Åであるため、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット４は約７％の圧縮歪を受ける。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４は、ＧａＡｓ下部障壁層３から約７％の圧縮歪を受ける。
【００８８】
このように、本実施形態では、ＢＡｓサイドバリア層５がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける伸張歪の歪量は約１５％程度となり、ＩｎＡｓ量子ドット４がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける圧縮歪の歪量約７％の約２倍である。この場合、サイドバリア層５の厚さがＩｎＡｓ量子ドット４の高さの半分程度の厚さであれば、ＩｎＡｓ量子ドット４に内在する圧縮歪を打ち消すことができる。
【００８９】
このため、本実施形態では、サイドバリア層５は、ＩｎＡｓ量子ドット４の高さの半分程度の厚さを有し、ＩｎＡｓ量子ドット４の側面の一部分（第１部分）を覆うように形成されている。
これにより、ＧａＡｓ基板１上に形成されるＩｎＡｓ量子ドット４、即ち、ＧａＡｓ障壁層３上に形成されるＩｎＡｓ量子ドット４のＴＭ利得とＴＥ利得とを同程度にすることができる。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット４によって得られる利得を偏波無依存にすることができる。この場合、良好な結晶性も得られる。
【００９０】
また、サイドバリア層５の厚さをＩｎＡｓ量子ドット４の高さの半分程度の厚さよりも厚くすることで、サイドバリア層５に内在する伸張歪によって、量子ドット４に伸張歪を与えることができる。つまり、サイドバリア層５がＧａＡｓ下部障壁層３から受ける伸張歪がＩｎＡｓ量子ドット４に作用することで、ＩｎＡｓ量子ドット４は、伸張歪を内在するものとなる。この場合、伝導帯と価電子帯（軽い正孔）との間のバンドギャップは、伝導帯と価電子帯（重い正孔）との間のバンドギャップよりも小さくなる。この結果、電子−軽い正孔間遷移が優位になり、ＴＥ利得よりもＴＭ利得を大きくすることができる。そして、導波路の光閉じ込め係数の偏波依存性を調整することで、ＳＯＡの光利得を偏波無依存化することができる。つまり、ＧａＡｓ基板１上に形成される量子ドットＳＯＡ、即ち、ＧａＡｓ障壁層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を備える量子ドットＳＯＡを偏波無依存にし、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを実現することができる。なお、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを偏波無依存型光増幅装置とも言う。例えば、クラッド層に接する障壁層の厚さを調整することによって、導波路の光閉じ込め係数の偏波依存性を調整することができる。
【００９１】
このように、伸張歪を内在し、Ｂを含むサイドバリア層５を用いることで、サイドバリア層を、量子ドットの高さ以下の厚さを有するものとすることができる。
また、偏波無依存な利得を得るには、下部障壁層３とサイドバリア層５との間の格子定数の差の絶対値を、下部障壁層３と量子ドット４の格子定数の差の絶対値以上にすれば良い。この場合、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成されるサイドバリア層５に内在する伸張歪の歪量の絶対値は、ＧａＡｓ下部障壁層３上に形成される量子ドット４に内在する圧縮歪の歪量の絶対値以上になる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４は、無歪又は伸張歪を内在するものとなる。
【００９２】
なお、ここでは、ＩｎＡｓ量子ドット４の格子定数又は圧縮歪の歪量に基づいて、サイドバリア層５の格子定数又は伸張歪の歪量を決めているが、これに限られるものではない。つまり、ＩｎＡｓを含む量子ドット４の格子定数又は歪量に基づいて、サイドバリア層５の格子定数又は伸張歪の歪量を決めれば良い。これにより、偏波無依存な利得を実現することができる。
【００９３】
ところで、サイドバリア層５は、ＩｎＡｓ量子ドット４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。
ＧａＡｓ上部障壁層７は、上述の第１実施形態の場合と同様に、ＧａＡｓからなる障壁層（第２障壁層）である。なお、ＧａＡｓ上部障壁層７は、ＧａＡｓを含む障壁層であれば良い。
【００９４】
本実施形態では、ＧａＡｓ上部障壁層７は、例えば約３０ｎｍの厚さを有し、ＩｎＡｓ量子ドット４の側面の他の部分（第２部分）を覆うように形成されている。つまり、ＧａＡｓ上部障壁層７は、ＩｎＡｓ量子ドット４の上面及び側面、及び、サイドバリア層５の上面、即ち、量子ドット層６の上面を覆うように形成されている。
上述のように、本実施形態では、量子ドット４の底面側の部分、即ち、量子ドット４の利得に寄与する部分に、サイドバリア層５に内在する伸張歪を作用させて、量子ドット４に内在する圧縮歪を打ち消すようにしている。一方、量子ドット４の上部、即ち、量子ドット４の利得に寄与しない部分は、体積が小さいので局所的に歪みが残りやすい。このため、この量子ドット４に残る歪みを打ち消すべく、これを覆うＧａＡｓ上部障壁層７の厚さを約３０ｎｍの厚さにしている。なお、サイドバリア層５には比較的大きな歪みが内在することになるが、厚さが薄いので、結晶性に影響を与えることはない。
【００９５】
ところで、本実施形態では、利得を増大させるために、活性層２は、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＢＡｓサイドバリア層５を含む複数の量子ドット層６を、ＧａＡｓ障壁層７，１５を挟んで繰り返し積層した構造になっている。なお、ＧａＡｓ上部障壁層７は、２層目の量子ドット層６との関係ではＧａＡｓ下部障壁層（第１障壁層）である。つまり、ＧａＡｓ障壁層７は、１層目の量子ドット層６との関係では上部障壁層（第２障壁層）であり、２層目の量子ドット層６との関係では下部障壁層（第１障壁層）である。また、ＧａＡｓ障壁層１５についても同様である。さらに、ＧａＡｓ障壁層１６は、最上層の量子ドット層６を覆うＧａＡｓ上部障壁層である。このように、活性層２は、ＧａＡｓ下部障壁層（第１障壁層）と、量子ドット層と、ＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）とを繰り返し積層した構造になっている。
【００９６】
なお、その他の構成については、上述の第１実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。
次に、本実施形態にかかる光半導体装置の製造方法について説明する。
本光半導体装置の製造方法は、以下のような工程を含む。
まず、ＧａＡｓを含む基板１の上方に、ＧａＡｓを含む下部障壁層（第１障壁層）３を形成する（図８参照）。
【００９７】
次いで、ＧａＡｓを含む下部障壁層３上に、圧縮歪を内在する量子ドット４、ここでは、ＩｎＡｓを含む量子ドット４を形成する（図８参照）。
次に、ＩｎＡｓを含む量子ドット４の側面を覆うように、ＩｎＡｓを含む量子ドット４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むサイドバリア層５を形成する（図８参照）。
【００９８】
そして、量子ドット４及びサイドバリア層５上に、ＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）７を形成する（図８参照）。
特に、本実施形態では、活性層２を複数の量子ドット層６を積層させた構造にすべく、さらに、量子ドット４を形成する工程と、サイドバリア層５を形成する工程と、ＧａＡｓ上部障壁層（第２障壁層）を形成する工程とを少なくとも１回繰り返す。ここでは、量子ドット４を形成する工程と、サイドバリア層５を形成する工程と、ＧａＡｓ上部障壁層を形成する工程とを複数回繰り返している（図８参照）。
【００９９】
以下、本実施形態の具体的構成例にかかる量子ドットＳＯＡの製造方法について、図９を参照しながら、より具体的に説明する。
なお、各半導体層の成長には、ＭＢＥ法を用いる。
まず、上述の第１実施形態の場合と同様に、図９（Ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８を形成する。
【０１００】
次に、図９（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、活性層２を形成する。
つまり、まず、図９（Ａ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に、ＧａＡｓ下部障壁層３を形成する。
次に、ＧａＡｓ下部障壁層３上に、自己形成法によって、例えば面密度４×１０１０ｃｍ−２程度のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。なお、本実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドット４を自己形成する面には、ウェッティング層４Ａと呼ばれる非常に薄いＩｎＡｓ層が形成される。
【０１０１】
次に、ＢＡｓサイドバリア層５をＩｎＡｓ量子ドット４の側面の一部を覆うように形成する。ここでは、ＢＡｓサイドバリア層の厚さは、量子ドットの高さの半分程度の厚さになるようにする。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４とＢＡｓサイドバリア層５とを含む１層目の量子ドット層６が形成される。
次いで、図９（Ｂ）に示すように、１層目の量子ドット層６、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＢＡｓサイドバリア層５を覆うように、これらの上に、ＧａＡｓ上部障壁層７を形成する。ここでは、ＧａＡｓ上部障壁層７の厚さは例えば約３０ｎｍである。
【０１０２】
次に、図９（Ｃ）に示すように、ＧａＡｓ上部障壁層７上に、上述と同様に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成した後、ＢＡｓサイドバリア層５を形成する。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４とＢＡｓサイドバリア層５とを含む２層目の量子ドット層６が形成される。そして、図９（Ｄ）に示すように、２層目の量子ドット層６を覆うようにＧａＡｓ上部障壁層１５を形成する。ここでは、ＧａＡｓ上部障壁層１５の厚さは例えば約３０ｎｍである。
【０１０３】
以降、図９（Ｄ），（Ｅ）に示すように、このような量子ドット層６を形成する工程、ＧａＡｓ上部障壁層を形成する工程を繰り返し行なって、複数の量子ドット層６を積層させる。これにより、複数の量子ドット層６を、障壁層７，１５を挟んで積層した構造の量子ドット活性層２が形成される。
このようにして、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層８上に、ＧａＡｓ下部障壁層と、ＩｎＡｓ量子ドット４及びＢＡｓサイドバリア層５を含む量子ドット層６と、ＧａＡｓ上部障壁層とを繰り返し積層させた構造を有する量子ドット活性層２が形成される。
【０１０４】
次に、図９（Ｅ）に示すように、ＧａＡｓ上部障壁層１６上に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０とを順に形成する（図８参照）。
このようにして結晶成長を行なった後、上述の第１実施形態の場合と同様に、ＳＯＡの素子構造に加工する。
つまり、図示していないが、ＳｉＯ２膜を成膜し、例えばフォトリソグラフ技術を用いてＳｉＯ２膜上に、端面に対して例えば約７°傾いたリッジ導波路パターンを形成する。
【０１０５】
そして、このリッジ導波路パターンを形成されたＳｉＯ２膜をマスクとして用い、例えばドライエッチングによって、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９にパターンを転写する。これにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９を含み、例えば幅約２μｍで、端面に対して例えば約７°傾斜させた斜めリッジ導波路構造が形成される（例えば図３参照）。
【０１０６】
その後、図示していないＳｉＯ２マスクを除去し、リッジ導波路構造の側面及びｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層９の表面が覆われるようにＳｉＯ２膜１１を形成する（例えば図３参照）。なお、ＳｉＯ２マスクを導波路パターン形成用ＳｉＯ２膜とも言う。次いで、上部及び下部に電流注入用の電極１２，１３を形成する。また、図示していないが、素子両端面に無反射膜を形成する。
【０１０７】
したがって、本実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、容易に偏波無依存な利得を得ることができるという利点がある。
なお、本実施形態では、利得を増大させるために活性層を複数の量子ドット層を積層させた構造にしているが、これに限られるものではなく、例えば、活性層を単層の量子ドット層を備えるものとして構成しても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した具体的な構成や条件等に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【０１０８】
例えば、上述の各実施形態及び変形例では、ＧａＡｓ基板１上に形成された光半導体装置について説明しているが、これに限られるものではない。他の基板上に形成された光半導体装置であっても、ＧａＡｓを含む障壁層上に形成されるＩｎＡｓを含む量子ドットを含む光半導体装置であれば、本発明を適用することができる。
また、上述の各実施形態及び変形例では、量子ドット活性層２として、アンドープの量子ドット活性層を用いているが、これに限られるものではない。例えば、量子ドット活性層を構成する上部障壁層と、ウェッティング層を含む量子ドットと、下部障壁層と、サイドバリア層との少なくとも１つにｐ型不純物がドープされたｐ型量子ドット活性層として構成しても良い。上述の第１実施形態及び第３実施形態のように、Ｓ−Ｋ量子ドットを用いる場合には、例えば、サイドバリア層の一部又は障壁層の一部にｐ型不純物がドープされたｐ型層が含まれるようにすれば良い。また、上述の第２実施形態のように、コラムナ型結合量子ドットを用いる場合には、例えば、サイドバリア層にｐ型不純物をドーピングすれば良い。これにより、高温度特性の改善が期待できる。
【０１０９】
また、クラッド層の材料や導電性、基板の導電性は、上述の各実施形態のものに限られるものではない。
例えば、上述の各実施形態及び変形例では、上部クラッド層９及び下部クラッド層８をＡｌＧａＡｓによって形成しているが、これに限られるものではなく、活性層２よりも屈折率が小さく、かつ、基板に格子整合する材料によって形成されていれば良い。
【０１１０】
また、上述の各実施形態及び変形例では、ｎ型導電性基板１上に形成したものを例に説明しているが、これに限られるものではなく、例えばｐ型導電性基板や高抵抗基板上に形成したものとして構成しても良い。
また、上述の各実施形態及び変形例では、半導体層の成長方法としてＭＢＥ法を挙げているが、これに限られるものではなく、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法であっても良い。また、量子ドットを含む活性層部分のみをＭＢＥ法で成長し、その他の部分をＭＯＣＶＤ法で成長するというように、複数の成長法を組み合わせても良い。
【０１１１】
また、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、フラッシング法によって量子ドット４の頂上部を再蒸発させているが、量子ドット４の均一性は下がるものの、フラッシング法を施さなくても良い。また、上述の第３実施形態において、フラッシング法によって量子ドット４の頂上部を再蒸発させるようにしても良い。
また、上述の各実施形態及び変形例では、導波路は端面に対して約７°傾けた斜め導波路としているが、角度はこれに限られるものではなく、必要に応じて端面に垂直な導波路としても良い。
【０１１２】
また、上述の各実施形態及び変形例では、導波路構造をリッジ構造としているが、これに限られるものではなく、例えば、ストライプ状のメサ構造を有し、ｐｎ埋込構造や高抵抗埋込構造などの半導体埋め込み構造を備えるようにしても良い。なお、メサ構造をストライプ構造とも言う。
また、上述の各実施形態及び変形例において、導波路の両端にスポットサイズ変換器を配置しても良い。これにより、光ファイバとの光結合効率を向上させることができる。
【０１１３】
また、上述の各実施形態及び変形例では、活性層２を、光を増幅するＳＯＡの活性層として用いた例を挙げて説明しているが、用途はＳＯＡに限られるものではない。なお、ＳＯＡを半導体光素子又は半導体素子とも言う。例えばフォトダイオードなどの光半導体装置の活性層に適用しても良い。なお、フォトダイオードを、半導体受光素子、受光素子、半導体素子又は受光装置とも言う。また、上述の各実施形態及び変形例に記載されている構造のものと同一の構造を備えるものを用いてフォトダイオードなどの光半導体装置を構成することができる。
【０１１４】
また、上述の各実施形態及びその変形例の光増幅装置を用いて、光信号中継装置や光信号受信装置を構成することができる。
例えば図１０に示すように、光信号中継装置２０は、上述の各実施形態及び変形例の光増幅装置２１と、光増幅装置２１を制御する制御装置２２とを備えるものとして構成すれば良い。なお、中継装置を中継器とも言う。このように構成される光信号中継装置２０には、入力側及び出力側のそれぞれに光ファイバ伝送路２３，２４が接続され、光通信システム２５が構成される。この場合、入力側の光ファイバ伝送路２３から入力された微弱光信号は、光信号中継装置２０によって増幅され、出力側の光ファイバ伝送路２４へ出力される。特に、光増幅装置２１を、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを備えるものとして構成することで、入力された光信号の偏波状態に依存せずに、一定の利得を与えて、入力光信号を増幅することができる。
【０１１５】
また、例えば図１１に示すように、光信号受信装置３０は、上述の各実施形態及び変形例の光増幅装置３１と、光増幅装置３１を制御する制御装置３２と、光増幅装置３１からの光信号を電気信号に変換する光／電気変換器３３とを備えるものとして構成すれば良い。このように構成される光信号受信装置３０には、光ファイバ伝送路３４が接続され、光通信システム３５が構成される。この場合、光ファイバ伝送路３４から入力された光信号は、光信号受信装置３０によって受信され、光増幅装置３１によって増幅された後、光／電気変換器３３によって電気信号に変換される。そして、光信号受信装置３０から出力された電気信号は電子回路へ送られる。特に、光増幅装置３１を、偏波無依存型量子ドットＳＯＡを備えるものとして構成することで、受信した光信号の偏波状態に依存せずに、一定の利得を与えて、受信した光信号を増幅することができる。なお、この光信号受信装置３０において、光／電気変換器３３を、上述の各実施形態及び変形例の活性層を適用して構成しても良い。この場合、受信した光信号の偏波状態に依存せずに、受信した光信号を電気信号に変換することができる。
【０１１６】
また、本発明は、上述した各実施形態及びその変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
以下、上述の各実施形態及びその変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むことを特徴とする光半導体装置。
【０１１７】
（付記２）
前記量子ドットは、無歪又は伸張歪を内在することを特徴とする、付記１に記載の光半導体装置。
（付記３）
前記第１障壁層と前記サイドバリア層との間の格子定数の差の絶対値は、前記第１障壁層と前記量子ドットの格子定数の差の絶対値以上であることを特徴とする、付記１又は２に記載の光半導体装置。
【０１１８】
（付記４）
前記サイドバリア層は、Ｖ族元素をさらに含むことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
（付記５）
前記サイドバリア層は、ＢＡｓ，ＢＧａＡｓ，ＢＩｎＡｓ，ＢＧａＩｎＡｓ，ＢＧａＰ，ＢＧａＡｓＰ，ＢＡｓＳｂ，ＢＧａＡｓＳｂ，ＢＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＩｎＡｓＳｂ，ＢＧａＰＳｂ，ＢＧａＡｓＰＳｂからなる群から選択された一つの材料を含むことを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【０１１９】
（付記６）
前記サイドバリア層は、ＢｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４６≦ｘ≦１）を含むサイドバリア層であることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
（付記７）
前記サイドバリア層は、格子定数が５．２５Å以下であることを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【０１２０】
（付記８）
前記サイドバリア層は、前記量子ドットの高さ以下の厚さを有することを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の光半導体装置。
（付記９）
前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に、前記量子ドット層を複数備え、
前記複数の量子ドット層は、前記量子ドットが上下で互いに接するように積層されていることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【０１２１】
（付記１０）
前記活性層は、前記第１障壁層と、前記量子ドット層又は前記複数の量子ドット層と、前記第２障壁層とを繰り返し積層した構造になっていることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の光半導体装置。
（付記１１）
前記量子ドット層は、ｐ型にドープされていることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【０１２２】
（付記１２）
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含む光半導体装置を備えたことを特徴とする受信装置。
【０１２３】
（付記１３）
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含む光半導体装置を備えたことを特徴とする中継装置。
【０１２４】
（付記１４）
基板と、
前記基板の上方に形成された活性層とを備え、
前記活性層は、ＧａＡｓを含む第１障壁層と、前記第１障壁層上に形成され、ＩｎＡｓを含む量子ドット及び前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うサイドバリア層を含む量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２障壁層とを含み、
前記サイドバリア層は、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含む光半導体装置を備えたことを特徴とする光通信システム。
【０１２５】
（付記１５）
基板の上方に、ＧａＡｓを含む第１障壁層を形成し、
前記第１障壁層上に圧縮歪を内在する量子ドットを形成し、
前記量子ドットの側面の少なくとも一部を覆うように、前記量子ドットのバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有し、伸張歪を内在するとともに、Ｂを含むサイドバリア層を形成し、
前記量子ドット及び前記サイドバリア層上に第２障壁層を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【０１２６】
（付記１６）
前記サイドバリア層に内在する伸張歪の歪量の絶対値は、前記量子ドットに内在する圧縮歪の歪量の絶対値以上であることを特徴とする、付記１５に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記第２障壁層を形成する前に、前記量子ドットを形成する工程と、前記サイドバリア層を形成する工程とを少なくとも１回繰り返して、結合量子ドットを含む量子ドット層を形成することを特徴とする、付記１５又は１６に記載の光半導体装置の製造方法。
【０１２７】
（付記１８）
前記第１障壁層を形成する工程と、前記結合量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記第２障壁層を形成する工程とを少なくとも１回繰り返すことを特徴とする、付記１７に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１９）
前記量子ドットを形成する工程と、前記サイドバリア層を形成する工程と、前記第２障壁層を形成する工程とを少なくとも１回繰り返すことを特徴とする、付記１６又は１７に記載の光半導体装置の製造方法。
【０１２８】
（付記２０）
前記サイドバリア層を形成した後に、前記量子ドットの上部を平坦化することを特徴とする、付記１５〜１９のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【０１２９】
１  ＧａＡｓ基板
２  活性層
３  ＧａＡｓ下部障壁層
４  ＩｎＡｓ量子ドット
４Ａ  ウェッティング層
４Ｘ  コラムナ型結合量子ドット
５  サイドバリア層
６  量子ドット層
６Ｘ  結合量子ドット層
７  ＧａＡｓ上部障壁層
８  ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
９  ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
１０  ＧａＡｓコンタクト層
１１  ＳｉＯ２膜
１２  上部電極
１３  下部電極
１４  ＧａＡｓ上部障壁層
１５，１６  ＧａＡｓ障壁層
２０  光信号中継装置
２１  光増幅装置
２２  制御装置
２３，２４  光ファイバ伝送路
２５  光通信システム
３０  光信号受信装置
３１  光増幅装置
３２  制御装置
３３  光／電気変換器
３４  光ファイバ伝送路
３５  光通信システム
【図１】
2011124479.tif 000003
【図２】
2011124479.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011124479.tif 000008
【図７】
2011124479.tif 000009
【図８】
2011124479.tif 000010
【図９】
2011124479.tif 000011
【図１０】
2011124479.tif 000012
【図１１】
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