(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩｎＰ基板上の横注入レーザにおいて、活性層の幅を１μｍ未満にした場合においても光閉じ込めの低下を抑制することができ、レーザの特性が劣化しない横注入レーザを提供する。【解決手段】半導体光素子１は、半導体基板２上に、活性層４および埋込み導波路構造が形成され、活性層の両側にある埋込み層７，８に不純物ドーピングが施され、活性層に横方向（幅方向）に電流注入を行う構造において、上部光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層５の厚さが下部光キャリアＳＣＨ層３の厚さよりも厚くなるように構成されている。また、活性層の光閉じ込めが最大となるように上部光キャリアＳＣＨ層の厚さと下部光キャリアＳＣＨ層の厚さが設定される。【選択図】図１
2015220323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、
前記埋込み層の一方に第１のタイプの不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方に第２のタイプの不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されている半導体光素子において、前記導波路構造は、
前記活性層の前記基板側に、前記活性層に接して形成され、第１の厚さを持つ下部光キャリア分離閉じ込め層と、
前記活性層を挟み、前記下部光キャリア分離閉じ込め層に対向して、前記活性層に接して形成され、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さを持つ上部光キャリア分離閉じ込め層と
を備えたことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記上部光キャリア分離閉じ込め層上に、クラッド層をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記活性層の光閉じ込めが最大となるように前記第１の厚さおよび前記第２の厚さが設定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記半導体基板は半絶縁性ＩｎＰ基板であって、前記活性層および前記光キャリア分離閉じ込め層は、それぞれＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなり、前記埋込み層はＩｎＰからなり、前記第１のタイプはｐ型の不純物ドーピングに対応し、前記第２のタイプはｎ型の不純物ドーピングに対応することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記上部クラッド層は、ＩｎＰからなることを特徴とする請求項２乃至４いずれかに記載の半導体光素子
【請求項６】
前記活性層、前記光キャリア分離閉じ込め層および前記上部クラッド層の各厚さの和が、３５０ｎｍから５５０ｎｍの間にあることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記上部光キャリア分離閉じ込め層と下部光キャリア分離閉じ込め層の厚さの比が６：４以上であって、前記上部光キャリア分離閉じ込め層がより厚いことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の半導体光素子。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持つことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持ち、前記活性層の上方に形成された表面回折格子を備えたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光通信用の光送信器用光源に関する。より詳細には、光源用の半導体レーザに適用可能な半導体光素子に関する。
【０００２】
インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が続いている。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源の基本的なデバイスとして発展を続けてきた。電流強度の変調によって強度変調信号を生成する直接変調レーザは、レーザの構成が簡単であり、しかも消費電力が小さいことから、アクセス系ネットワーク等において利用される低コストの光送信器として活用されている。
【０００３】
従来技術の半導体レーザでは、半導体基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を形成し、活性層の上下にあるクラッド層に不純物ドーピングを行って、縦方向（基板面に垂直な方向）に電流を注入する構造を持っていた。これに対し、活性層内に水平方向（基板面に平行な方向）に電流を注入するいわゆる横注入レーザが、Namizakiにより考案された（非特許文献１）。横注入レーザは、活性層の横にあるクラッド層に不純物ドーピングを行い、活性層の横方向（幅方向）に電流を注入する。横注入レーザにおいては、活性層の断面は、一般に基板に平行な方向に長い扁平な構造により形成される。同一の構造の活性層をレーザに用いた場合は、素子の寄生容量は、横注入構造の方が縦注入構造よりも低くなる。したがって、横注入構造のレーザの方がより高速に信号応答し、高速な変調動作に適している。また、横注入レーザでは電流注入用の電極をレーザの表面に形成できることから、電子デバイス等の集積化やモジュール化により適している点もすぐれた特徴である。
【０００４】
具体的には、NamizakiらはＧａＡｓ基板上に構成した横注入型半導体レーザを実現し、その後、KawamuraらはＩｎＰ基板上に構成した横注入レーザも実現した（非特許文献２）。以下、まず横注入レーザのより具体的な構成について説明する。
【０００５】
図６は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。レーザの共振器部分に利用される導波路を、光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造１００を示している。導波路構造１００は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０２上に活性層１０４が形成されており、さらに活性層１０４の上下には、下部光−キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層１０３および上部ＳＣＨ層１０５が上下対称の構造で形成されている。さらに、上部ＳＣＨ層１０５の上には、ＩｎＰ層１０６が形成されている。活性層１０４の横は、左右ともにＩｎＰによって埋め込まれている。図６で活性層５０４の左側の埋込み層１０７には電流注入のためのｎ型ドーピングが施されており、活性層１０４の右側の埋込み層１０８には、ｐ型ドーピングが施されている。埋込み層１０７および埋込み層１０８の上には、電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層１０９ａ、１０９ｂがそれぞれ形成されている。さらに、コンタクト層１０９ａ、１０９ｂの上には、それぞれ電流注入用の電極１１０ａ、１１０ｂが形成されている
【０００６】
Kawamuraらの検討においては、活性層５０４の上部のＩｎＰクラッド層５０３ｂの厚さは１．５μｍであり、従来技術の縦注入レーザと変わらない構造であった。近年、Shindoらは、ＩｎＰ基板上に厚さ４００ｎｍ弱の薄い活性層および薄いＩｎＰ層から構成される薄膜横注入レーザを実現した（非特許文献３）。既に述べたように、横注入レーザ構造の場合、活性層の上下にあるクラッド層の厚さを薄くすることによって、素子の寄生容量を抑制できる利点がある。Shindoらは、横注入レーザにおいてこの薄膜構造を採用することにより、５ＧＨｚに至る広い変調帯域を実現した。
【０００７】
【非特許文献１】H. Namizaki他, Journal of Applied Physics, vol. 45, pp. 2785-2786 (1974)
【非特許文献２】Y. Kawamura他, Electronics Letters, vol. 29, pp. 102-104 (1993)
【非特許文献３】T. Shindo他, Optics Express, vol. 19, pp. 1884-1891 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
横注入レーザは、活性層の横方向（幅方向）に電流を注入する構造を持っており、直接変調動作の際には注入電流の変調を行う。このため、素子の寄生容量の観点からは、活性層の上下にある層は上述のようにできる限り薄いことが望ましい。また、基板に対して平行方向へのキャリアの走行距離が長くなると応答が遅くなるため、高速変調の観点からは、なるべく活性層の幅を狭くできることが望ましい。しかしながら、従来技術の薄膜レーザにおいては、活性層１０４の幅を狭くすると活性層内の光が基板１０２側に大きく漏れ、活性層内への十分な光閉じ込めができなくなる問題があった。
【０００９】
図７は、従来技術の横注入レーザにおける１次元スラブ構造の導波モードの電界分布の
計算結果を示す図である。横軸は、基板の厚さ方向における位置を示しており、縦軸は、屈折率および電界強度を示している。グラフ内の横軸曲線分布と上側の厚さ方向の各層構造が対応している。活性層１０４は、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの１４層で構成された発光波長１．５５μｍの量子井戸として計算した。活性層の上下には、バンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層１０３、１０５とし、上下ＳＣＨ層の厚さはそれぞれ同一長さの６５ｎｍとした。活性層１０４の上方（図７の右側）のＩｎＰ層の厚さは１００ｎｍとした。
【００１０】
縦注入型の半導体レーザにおいては、キャリアおよび光を効率的に閉じ込めるために、活性層の上下に２つのＳＣＨ層を設け、上下対称のＳＣＨ構造を設けるのが一般的であった。すなわち、下部ＳＣＨ層の厚さと上部ＳＣＨ層の厚さが同一の構成をとっていた。縦注入型では上部クラッド層を十分に厚く取ることが可能であって、基板に垂直な方向に対する光の導波モードの電界分布は上下対称となるため、活性層中心位置と電界分布の中心位置は一致する。
【００１１】
しかしながら、図６に示した薄膜構造を用いた横注入型のレーザに、縦注入型のレーザの構造をそのまま適用した場合、光の導波モードの電界分布および光閉じ込めの状況は、素子上面の空気の影響を強く受ける。図７でも明らかなように、導波モードの電界分布は基板１０２側に大きく広がり、活性層の中心位置１１３と電界分布の中心位置１１４が一致しないため、光閉じ込めが低下している。この電界分布が基板側へずれる傾向は、特に活性層１０４の幅が狭くなるほど顕著となる。
【００１２】
図８は、２次元の埋込み導波路における、光閉じ込め係数の活性層幅依存性を示す図である。ここでは、活性層の幅方向および活性層の厚み方向の２次元を考慮した光閉じ込め係数を計算している。光閉じ込め係数は、一般的に、全体の電界強度に対する活性層の量子井戸内の電界強度の比として定義される。有限差分法などを用いて２次元断面の伝搬モードの電界分布を計算し、全体の電界強度と、活性層内の電界強度を数値計算することで求められる。図８のグラフでは、ＴＥモードに対する光閉じ込め係数の計算を行った。前提となる導波路構造は、図７で計算した構造条件と同様である。
【００１３】
図８に示したように、活性層幅の低下に伴い大幅に光閉じ込め係数が低下し、活性層内の光閉じ込めの程度が下がって、レーザの特性は劣化する。この光閉じ込め係数の低下の影響により、ＩｎＰ基板上の横注入レーザにおいて、活性層１０４の幅が１μｍ未満の横注入薄膜レーザはこれまで実現できていなかった。したがって、横注入レーザにおいて、活性層１０４の幅を狭くした場合においても、光閉じ込めの低下を抑制することが望まれていた。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、活性層の幅を狭くした場合においても、効率が高く、高速動作可能な半導体レーザを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明はこのような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方に第１のタイプの不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方に第２のタイプの不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されている半導体光素子において、前記導波路構造は、前記活性層の前記基板側に、前記活性層に接して形成され、第１の厚さを持つ下部光キャリア分離閉じ込め層と、前記活性層を挟み、前記下部光キャリア分離閉じ込め層に対向して、前記活性層に接して形成され、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さを持つ上部光キャリア分離閉じ込め層とを備えたことを特徴とする半導体光素子である。            
請求項２に記載の発明は、請求項１の半導体光素子において、前記上部光キャリア分離閉じ込め層上に、クラッド層をさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の半導体光素子において、前記活性層の光閉じ込めが最大となるように前記第１の厚さおよび前記第２の厚さが設定されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの半導体光素子において、前記半導体基板は半絶縁性ＩｎＰ基板であって、前記活性層および前記光キャリア分離閉じ込め層は、それぞれＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなり、前記埋込み層はＩｎＰからなり、前記第１のタイプはｐ型の不純物ドーピングに対応し、前記第２のタイプはｎ型の不純物ドーピングに対応することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４いずれかの半導体光素子において、前記上部クラッド層は、ＩｎＰからなることを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体光素子において、前記活性層、前記光キャリア分離閉じ込め層および前記上部クラッド層の各厚さの和が、３５０ｎｍから５５０ｎｍの間にあることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかの半導体光素子において、前記上部光キャリア分離閉じ込め層と下部光キャリア分離閉じ込め層の厚さの比が６：４以上であって、前記上部光キャリア分離閉じ込め層がより厚いことを特徴とする。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持つことを特徴とする半導体レーザである。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持ち、前記活性層の上方に形成された表面回折格子を備えたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザである。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明の半導体光素子の構成によれば、活性層の幅を狭くした場合においても、効率が高くかつ高速動作可能な半導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の横注入レーザの導波路および全体構造を示す図である。
【図２】図２は、２つのＳＣＨ層の厚さを変化させた場合の、１次元スラブ構造における活性層の光閉じ込め係数の計算結果を示す図である。
【図３】図３は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザにおいて、活性層の光閉じ込め係数と活性層幅との関係を比較して示した図である。
【図４】図４は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザの間で、光閉じ込め係数の比を示した図である。
【図５】図５は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による分布帰還型レーザにおいて閾値電流の計算値を比較して示した図である。
【図６】図６は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。
【図７】図７は、従来技術の横注入レーザにおける１次元スラブ構造の導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。
【図８】図８は、２次元の埋込み導波路における、光閉じ込め係数の活性層幅依存性を示す図である。
【図９】図９は、活性層厚さＨａｃｔが１００ｎｍで、コア層厚さ、上部ＩｎＰクラッド層の厚さ、ＳＣＨ層の厚さを組合せた場合の閉じ込め係数の比較図である。
【図１０】図１０は、活性層厚さＨａｃｔが２００ｎｍで、コア層厚さ、上部ＩｎＰクラッド層の厚さ、ＳＣＨ層の厚さを組合せた場合の閉じ込め係数の比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の半導体光素子は、半導体基板上に、活性層および埋込み導波路構造が形成され、活性層の両側にある埋込み層に不純物ドーピングが施され、活性層に横方向（幅方向）に電流注入を行う構造において、上部光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層の厚さが下部光キャリアＳＣＨ層の厚さよりも厚くなるように構成されている。また、活性層の光閉じ込めが最大となるように上部光キャリアＳＣＨ層の厚さと下部光キャリアＳＣＨ層の厚さが設定される。活性層の横にある埋込み層に、不純物ドーピングを行い、活性層に横方向に電流注入を行う構造を形成することで、半導体レーザを構成できる。また、上述の半導体光素子において、活性層の表面に回折格子を形成することで分布帰還型半導体レーザを構成できる。さらに、本発明は、活性層に逆バイアスを印加することで、電界吸収変調器にも適用できる。以下、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１の（ａ）は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した導波路の構造を示す図である。図１の（ａ）では、レーザの共振器部分に利用される導波路を共振器内の光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造１を示している。導波路構造１は、半絶縁性ＩｎＰ基板２上に、バンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め（以下、下部ＳＣＨ層とする）層３、発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層４が順次形成されている。活性層４は、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの１４層で構成された量子井戸から形成される。活性層４の上にはバンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ 上部ＳＣＨ層５が形成されている。さらに活性層４の上方で上部ＳＣＨ層５の上には、厚さ１００ｎｍのＩｎＰ層６が形成されている。
【００２７】
本発明の半導体光素子の構造を使った横注入レーザ用導波路では、上部ＳＣＨ層５の厚さは下部ＳＣＨ層３の厚さよりも厚く設定しており、ここでは上部ＳＣＨ層５の厚さを１１０ｎｍ、下部ＳＣＨ層３の厚さを２０ｎｍとしている。従来技術の横注入レーザの構成では、２つのＳＣＨ層を同じ厚さとしていた点とくらべて、対照的な構成となっている。
【００２８】
ＩｎＰ層６の表面には、ＩｎＰをエッチングすることによって、ＩｎＰおよび空気からなるブラッグ波長１．５５μｍの回折格子が形成されている。活性層４の両側は、異なるタイプのドーピングが施されたＩｎＰによって埋め込まれている。すなわち、電流注入のために、図１の活性層４の左側には、ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のＳｉのｎ型ドーピング層７が、活性層４の右側には、ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のＺｎのｐ型ドーピング層８が構成されている。埋め込み層７、８の上部には、電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａ、９ｂがそれぞれ形成され、それぞれドーピング濃度１×１０１９ｃｍ−３のｎ型ドーピング、ｐ型ドーピングが施されている。さらにコンタクト層領域９ａ、９ｂ上には、電流注入用の電極１０ａ、１０ｂがそれぞれ形成されている。
【００２９】
したがって、本発明の半導体光素子は、半導体基板２と、前記半導体基板の上に形成された活性層４と、前記活性層の両側に埋込み層７、８とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方に第１のタイプの不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方に第２のタイプの不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されている半導体光素子において、前記導波路構造は、前記活性層の前記基板側に、前記活性層に接して形成され、第１の厚さを持つ下部光キャリア分離閉じ込め層３と、前記活性層を挟み、前記下部光キャリア分離閉じ込め層に対向して、前記活性層に接して形成され、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さを持つ上部光キャリア分離閉じ込め層５とを備えたものとして実現される。
【００３０】
図１の（ｂ）は、本発明の半導体光素子の構造を適用した横注入レーザを斜め上から見た鳥瞰図である。本発明の半導体光素子の構造を適用した横注入レーザは、最上面のＩｎＰ層上であって電極１０ａ、１０ｂの間の領域に表面回折格子１１が形成され、これによって共振器が形成された分布帰還型レーザである。共振器両端のレーザ出力端面には無反射コーティングが施してある。本発明の横注入レーザの作製にあたっては、結晶成長には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、レーザ導波路構造および回折格子の作製にはウェットエッチングまたはドライエッチング等の一般的な半導体レーザの作製方法を用いることができる。活性層４の左右の電流注入用の埋め込みドーピング層７、８は、ｎ型ドーピングのＩｎＰおよびｐ型ドーピングのＩｎＰを、それぞれ埋込み再成長によって形成することができる。また、活性層４の形成後に、真性ＩｎＰを埋込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法で、ドーパントを形成しても良い。次に、本発明に特有のＳＣＨ層の設計方法について説明する。
【００３１】
図２は、２つのＳＣＨ層の厚さを同時に変化させた場合の、１次元スラブ構造における活性層の光閉じ込め係数の計算結果を示す図である。図１の構成において、上部ＳＣＨ層および下部ＳＣＨ層の２つの合計の厚さを一定値１３０ｎｍに固定し、上部ＳＣＨ層５の厚さを変化させた場合に対応する、１次元スラブ構造における活性層の光閉じ込め係数の値を示す。すなわち、基板の厚さ方向のみを考慮して光閉じ込め係数の計算を行った。従来技術の構造のレーザは、２つのＳＣＨ層の厚さが同じで上下対称の構造を持っており、下部ＳＣＨ層３および上部ＳＣＨ層５がいずれも６５ｎｍの構造が用いられていた。図２でこの従来技術に対応する状況（幅が６５ｎｍ）の場合、前述のように光の導波モードの電界分布が基板側に広がり、電界分布の中心位置と活性層の中心位置とが一致していないため、光閉じ込め係数はそのピークから相当程度に低下していることがわかる。
【００３２】
一方で、図２の曲線を右方向に向かって上部ＳＣＨ層５の厚さを増大させ、下部ＳＣＨ層の厚さを減少させて行くと、光閉じ込め係数の値が大きくなり、厚さ１１０ｎｍ付近で最大となる。このとき、下部ＳＣＨ層３は２０ｎｍ、上部ＳＣＨ層５は１１０ｎｍとなっている。この光閉じ込め係数最大値の近傍の領域では、活性層の中心位置と、導波モードの電界分布の中心位置がほぼ一致している。従来技術の上下対称の構造と、上部ＳＣＨ層５の厚さを下部ＳＣＨ層３の厚さよりも厚く設定した本発明の構造とを比較すると、本発明により光閉じ込めの値が増大することは明らかである。したがって、本発明の半導体光素子は、前記活性層の光閉じ込めが最大となるように下部光キャリア分離閉じ込め層３の第１の厚さおよび上部光キャリア分離閉じ込め層５の第２の厚さが設定されることになる。
【００３３】
図３は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザにおいて、埋込み構造の活性層の光閉じ込め係数を、活性層幅を変えながら比較して示した図である。従来技術の構造は、上部ＳＣＨ層および下部ＳＣＨ層をいずれも６５ｎｍとした。本発明の構造は、上部ＳＣＨ層を１１０ｎｍ、下部ＳＣＨ層を２０ｎｍとした。図３からも明らかなように、本発明の構造のほうが、活性層の幅の全領域でより大きい光閉じ込め係数を持っている。次にも述べるとおり、本発明の半導体光素子の構成は、とりわけ活性層幅が狭い半導体光素子ほど有効である。
【００３４】
図４は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザの間で、光閉じ込め係数の比の導波路幅依存性を示した図である。図３に示した光閉じ込め係数の各計算結果から、光閉じ込め比（本発明の構造の係数／従来技術構造の係数）を求めた。いずれの場合も、活性層幅が狭くなるに伴って光閉じ込め係数は低下しているが、本発明の構成と従来技術の構造と比較すると、光閉じ込め係数の低下を抑制することができていることがわかる。特に、活性層幅が０．６μｍの横注入レーザ素子においては、１．３倍もの改善が見られ、本発明の半導体光素子の構成は、活性層幅が狭い場合ほど有効であることがわかる。
【００３５】
図５は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による分布帰還型レーザの閾値電流の計算値を比較して示した図である。横軸に共振器長（μｍ）を取り、縦軸に閾値電流（ｍＡ）を取っている。回折格子の結合定数は１００ｃｍ−１とした。本発明の半導体光素子の構造による閾値の改善の効果は明らかであり、特に共振器長が短い場合において閾値電流の改善効果が大きい。以上より、本発明により、効率の高い横注入レーザを実現することができる。
【００３６】
次に、活性層の材料が異なる場合のより具体的な構成例を示す。図１に示した導波路構造において、活性層４を発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなる量子井戸構造またはバルク構造とする。実施例１と同様に、バンドギャップ波長１．２μｍの下部ＳＣＨ層３、上部ＳＣＨ層５、上部ＩｎＰクラッド層６を持つ構成とする。活性層４および上下のＳＣＨ層を合わせたコア層の厚さをＨｃｏｒｅ、活性層の厚さをＨａｃｔ、上部ＩｎＰクラッド層の厚さをＨＩｎＰ、上下のＳＣＨ層を合わせたＳＣＨ層厚さをＨＳＣＨとした場合の種々の組み合わせにおいて、最適な上部ＳＣＨ層の厚さを検討した。すなわち、次の各グラフにおいてＨＳＣＨは、上部ＳＣＨ層５の厚さおよび下部ＳＣＨ層３の厚さの和を示している。このＳＣＨ層厚さＨＳＣＨを一定に保った上で、上部ＳＣＨの厚さの最適値を調べている。
【００３７】
図９は、活性層の厚さＨａｃｔが１００ｎｍの場合で、コア層厚さＨｃｏｒｅ、上部ＩｎＰクラッド層の厚さＨＩｎＰ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨを組み合わせた場合の活性層内の閉じ込め係数を比較した図である。図９の（ａ）はコア層厚さＨｃｏｒｅ＝２５０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨ＝１５０ｎｍの場合を、図９の（ｂ）はコア層厚さＨｃｏｒｅ＝３５０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨ＝２５０ｎｍの場合を、図９の（ｃ）はコア層厚さＨｃｏｒｅ＝４５０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨ＝３５０ｎｍの場合をそれぞれ示す。
【００３８】
図１０は、活性層の厚さＨａｃｔが２００ｎｍの場合で、コア層厚さＨｃｏｒｅ、上部ＩｎＰクラッド層の厚さＨＩｎＰ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨを組み合わせた場合の活性層内の閉じ込め係数を比較した図である。図１０の（ａ）はコア層厚さＨｃｏｒｅ＝２５０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨ＝５０ｎｍの場合を、図１０の（ｂ）はコア層厚さＨｃｏｒｅ＝３５０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨ＝１５０ｎｍの場合を、図１０の（ｃ）はコア層厚さＨｃｏｒｅ＝４５０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さＨＳＣＨ＝２５０ｎｍの場合をそれぞれ示す。
【００３９】
いずれのグラフも、横軸は上部ＳＣＨ層の厚さを示している。横軸の左端は上部ＳＣＨ層が０ｎｍかつ下部ＳＣＨ厚が最大となる構造に対応し、横軸の右端は上部ＳＣＨ層が最大かつ下部ＳＣＨ層が０ｎｍとなる構造に対応する。また、各グラフ横軸中央はＳＣＨ層が上下対称な構成の場合に対応する。
【００４０】
図９および図１０より、光閉じ込め係数を最大とする構成は、いずれの構造においても上部ＳＣＨ層の厚さが下部ＳＣＨ層よりも厚い場合であることは明らかである。コア層の厚さが２５０ｎｍと薄い場合（図９、図１０の（ａ）の場合）、上部のＩｎＰ厚が１００ｎｍ以下の場合は光閉じ込め係数が大幅に低下する。したがって、光閉じ込めを確保するために、コア層の厚さおよびその上部ＩｎＰクラッド層の厚さの和は、少なくとも３５０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００４１】
また、コア層の厚さが３５０ｎｍ、４５０ｎｍの場合（図９、図１０の（ｂ）、（ｃ）の場合）でわかるように、コア層の厚さおよび上部クラッド層の厚さの和がおおよそ５５０ｎｍ以上になると、光閉じ込め係数の最大値が低下を始める。したがって、ＩｎＧａＡｓＰ材料からなる量子井戸構造またはバルク構造とする構成においては、コア層の厚さと上部クラッド層の厚さを３５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲にして、上部ＳＣＨ層の厚さを下部ＳＣＨ層よりも厚くするのが好ましい。上部ＳＣＨ層および下部ＳＣＨ層の厚さの比は６：４以上であって、上部ＳＣＨ層の方が厚い場合に効果が得られる。
【００４２】
上述の各実施例においては、活性層にＩｎＧａＡｓＰ材料を用いたが、ＩｎＡｌＧａＡｓ材料など、その他の光半導体材料系が適用可能であることは言うまでもない。また、上述の実施例では、活性層の上方に形成された回折格子によって発振動作を実現する分布帰還型半導体レーザを例として説明をしたが、ファブリペローレーザや分布ブラッグ反射型レーザ等の他の形態の発振器を用いた半導体レーザにおいても、適用可能である。回折格子の形状については、上部のＩｎＰをエッチングしてＩｎＰおよび空気の層により得られる構成としたが、上部にＳｉＮやＳｉＯ２等の保護膜を形成してＩｎＰおよび保護膜からなる回折格子を形成しても良い。また、ＩｎＰの上にＳｉＮやＳｉＯ２の回折格子を形成しても同様の効果が得られる。
【００４３】
また、上述の各実施例においては本発明の半導体光素子の構造を半導体レーザに適用したが、導波路構造における光閉じ込めの改善が得られることから、活性層に逆バイアスを印加することで電界吸収変調器を実現しても、電界吸収特性などにおいて、同様の特性の向上が得られることは明らかである。
【００４４】
以上述べたように、本発明の半導体光素子の構成によって、活性層の幅を狭くした場合においても、効率が高くかつ高速動作可能な半導体レーザを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光送信器に利用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１００  導波路構造
２、１０２  基板
３、１０３  下部ＳＣＨ層
４、１０４  活性層
５、１０５  上部ＳＣＨ層
６、１０６  ＩｎＰ層
７、８、１０７、１０８  埋め込みＩｎＰ層  
９ａ、９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ  コンタクト層
１０ａ、１０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ  電極
１１  回折格子
【図１】
2015220323.tif 000003
【図２】
2015220323.tif 000004
【図３】
2015220323.tif 000005
【図４】
2015220323.tif 000006
【図５】
2015220323.tif 000007
【図６】
2015220323.tif 000008
【図７】
2015220323.tif 000009
【図８】
2015220323.tif 000010
【図９】
2015220323.tif 000011
【図１０】
2015220323.tif 000012