(57)【要約】【課題】横注入レーザをアクセス系ネットワークやメトロネットワークに適用するためには、十分な光出力レベルの確保が重要である。しかし、従来技術の横注入レーザにおいては、最大光出力レベルは１０ｍＷ以下にとどまり、更に高出力化が望まれていた。活性層幅が２μｍ程度の素子では、活性層内の半分程度の領域でしか誘導放出が生じていない。横注入レーザでは、活性層内のキャリア分布不均一を抑制することも求められていた。【解決手段】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、活性層の両側の埋込み層には不純物ドーピングが施され、活性層に横方向に電流注入を行う構造において、活性層の上下にｐ型ドーピング層を設ける。ｐ型ドーピング層は、クラッド層または光キャリア閉じ込め層とした。本発明の半導体光素子で、活性層表面に回折格子を形成することによって、分布帰還型半導体レーザを構成できる。【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、
前記半導体基板および前記活性層の間に設けられた第１のｐ型ドーピング層、および
前記活性層の上方に設けられた第２のｐ型ドーピング層
の少なくともいずれか一方
を備えたことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれクラッド層であって、前記クラッド層を経由して前記活性層へ正孔が供給される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】
前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれ前記活性層に接して形成された光キャリア分離閉じ込め層であって、前記光キャリア分離閉じ込め層を経由して前記活性層へ正孔が供給されることを特徴とする請求項１に半導体光素子。
【請求項４】
前記半導体基板は、半絶縁性ＩｎＰ基板またはＳｉＯ２層が形成されたシリコン基板であって、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】
前記請求項１乃至４いずれかの半導体光素子の表面に、回折格子を形成したことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項６】
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、
前記半導体基板および前記活性層の間に設けられた第１のｐ型ドーピング層、および
前記活性層の上方に設けられた第２のｐ型ドーピング層
を備え、
前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれクラッド層であって、前記クラッド層を経由して前記活性層へ正孔が供給されるか、または、
前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれ前記活性層に接して形成された光キャリア分離閉じ込め層であって、前記光キャリア分離閉じ込め層を経由して前記活性層へ正孔が供給されること
を特徴とする半導体光素子。
【請求項７】
請求項６の半導体光素子の表面に、回折格子を形成し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８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５０１を示している。導波路構造５０１は、半絶縁性ＩｎＰ基板５０１上に活性層５０４が形成されており、さらに活性層５０４の上方に真性半導体（ｉ−ＩｎＰ）ＩｎＰ層または半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ層５０３ｂが形成されている。活性層５０４に接して直ぐ上下には、それぞれ光−キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層５０５ｂ、５０５ａが形成されており、ＳＣＨ層５０５ａ、５０５ｂを挟んで活性層５０４の上下には真性半導体ＩｎＰ層または半絶縁性ＩｎＰ層が形成されている。活性層５０４の横は、左右ともにＩｎＰによって埋め込まれている。図８で活性層５０４の左側の埋込み層５０７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５０４の右側の埋込み層５０８には、ｐ型ドーピングが施されている。埋込み層５０７、埋込み層５０８の上には、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層５０９ａ、５０９ｂが形成されている。さらに、コンタクト層５０９ａ、５０９ｂの上には、それぞれ電流注入用の電極５１０ａ、５１０ｂ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って、５ＧＨｚに至る変調帯域を実現した。  
【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)
【非特許文献４】T. Shindo  他, Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 19, 1502009  (2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
広い変調帯域を実現できる横注入レーザであるが、横注入レーザをアクセス系ネットワークやメトロネットワークに適用する為には、十分な光出力レベルを確保することが重要である。しかしながら、従来技術の横注入レーザにおいては、非特許文献３に見られるように最大の光出力レベルは１０ｍＷ以下にとどまっており、光出力をさらに高出力化することが望まれている。
【０００８】
縦方向の電流注入レーザでは、活性層幅を１μｍ以上として、活性層の体積を大きくした構造が、光出力の高出力化をするための一般的で方法であった。しかしながら、横注入レーザでは、活性層の横方向（幅方向）に電流を注入する構造であるため、活性層内における電流分布に不均一性が生じ、活性層幅を増やすことによっては、高出力化の効果が得られない。
【０００９】
図９は、横注入レーザの活性層断面における電子およびホール分布をシミュレーションした結果を示す図である。活性層の断面において光の進行方向に垂直な方向の活性層幅が２μｍおよび０．５μｍの各場合について比較したものである。図９の（ａ）では、活性層幅が２μｍの素子の場合を、図９の（ｂ）では、活性層幅が０．５μｍの素子の場合をそれぞれ示す。活性層の両側にある埋め込み層は、ｎドーピング濃度、ｐドーピング濃度がそれぞれ１×１０１８ｃｍ−３でドーピングされている。活性層としては、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの１４層を繰り返して形成された量子井戸を例に計算している。尚、図９の断面図の量子井戸内の各層は簡略化して描いてある。
【００１０】
図９の（ａ）を参照すれば、活性層領域内において、電子およびホールがｐ型の埋め込み層側の領域に局在していることがわかる。この結果、活性層の幅が２μｍである場合のように、幅の広い素子における発光効率は大きく低下する。幅の広い活性層における発光効率の低下の影響は、非特許文献４の中でShindoらも指摘していた。
【００１１】
図１０は、図９と同じ各場合において活性層断面における誘導放出の分布を示す図である。図１０の（ｂ）に示したように、活性層幅が０．５μｍの素子においては、概ね活性層の幅の全領域で誘導放出が生じている。一方で、図１０の（ａ）に示した活性層幅が２μｍの素子においては、矢印で表した活性層内のｐ型の埋め込み層側にある半分程度の領域でしか誘導放出が生じていない。このように、横注入レーザでは、活性層内のキャリア分布の不均一を抑制することが求められている。
【００１２】
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、発光効率の高い横注入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】
【００１３】
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、前記半導体基板および前記活性層の間に設けられた第１のｐ型ドーピング層、および前記活性層の上方に設けられた第２のｐ型ドーピング層の少なくともいずれか一方を備えたことを特徴とする半導体光素子である。上述の横方向は、前記導波路構造における活性層の幅方向に対応する。    
請求項２に記載の発明は、請求項１の半導体光素子であって、前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれクラッド層であって、前記クラッド層を経由して前記活性層へ正孔が供給されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１の半導体光素子であって、前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれ前記活性層に接して形成された光キャリア分離閉じ込め層であって、前記光キャリア分離閉じ込め層を経由して前記活性層へ正孔が供給されることを特徴とする。
【００１５】
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であって、前記半導体基板は、半絶縁性ＩｎＰ基板またはＳｉＯ２層が形成されたシリコン基板であって、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。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの半導体光素子の表面に、回折格子を形成したことを特徴とする分布帰還型半導体レーザである。
【００１７】
請求項６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、前記半導体基板および前記活性層の間に設けられた第１のｐ型ドーピング層、および前記活性層の上方に設けられた第２のｐ型ドーピング層を備え、前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれクラッド層であって、前記クラッド層を経由して前記活性層へ正孔が供給されるか、または、前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれ前記活性層に接して形成された光キャリア分離閉じ込め層であって、前記光キャリア分離閉じ込め層を経由して前記活性層へ正孔が供給されることを特徴とする半導体光素子である。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項６の半導体光素子の表面に、回折格子を形成し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】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、発光効率の高い横注入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】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施例１の横注入レーザの導波路構造を示す図である。
【図２】図２は、本発明の横注入レーザの構造がキャリア分布に及ぼす効果を従来技術の場合と対比して説明する図である。
【図３】図３は、本発明の横注入レーザにおける電流−光出力特性を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例２の横注入レーザの導波路構造を示す図である。
【図５】図５は、実施例２の横注入レーザの構造がキャリア分布に及ぼす効果を従来技術の場合と対比して説明する図である。
【図６】図６は、本発明の実施例３の横注入レーザの導波路構造を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施例４の横注入レーザの導波路構造を示す図である。
【図８】図８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９】図９は、横注入レーザの活性層断面における電子およびホール分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１０】図１０は、図９の各場合について、活性層断面における誘導放出強度の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、活性層の上下の少なくとも一方にｐ型ドーピング層を設ける構造とした。これらのｐ型ドーピング層は、クラッド層または光キャリア閉じ込め層とすることができる。また、本半導体光素子において、活性層の上部に回折格子を形成した分布帰還型半導体レーザを構成することができる。本発明の横注入レーザにおいては、活性層の上下にあるｐ型ドーピング層（ｐ型クラッド層またはｐ型ＳＣＨ層）を介しても正孔が活性層に供給される。このため、活性層内のｎ型埋め込みドーピング層側にも正孔が供給される。この活性層の上下にあるｐ型ドーピング層によって、活性層内の内部量子効率が大幅に改善する。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】
【００２２】
図１は、本発明の半導体光素子における横注入レーザ用導波路の構造を示す図である。図１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、厚さ５０ｎｍでドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰ層６ｂ、バンドギャップ波長１．２μｍ、厚さ６５ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）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、厚さ６５ｎｍのノンドープのＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層５が形成されている。さらに活性層４上方でＳＣＨ層５の上には、厚さ１００ｎｍでドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰ層６ａを形成する。
【００２３】
ｐ型ＩｎＰ層６ａ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、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、それぞれ電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａ、９ｂが形成され、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が形成されている。上述の図１の断面構造を有する導波路構造を作製し、共振器の両端のレーザ出力端面に無反射コーティングを形成することにより、分布帰還型レーザを形成する。
【００２４】
図１の導波路構造を持つ素子を作製するにあたっては、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。
【００２５】
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、前記半導体基板および前記活性層の間に設けられた第１のｐ型ドーピング層（６ａ）、および前記活性層の上方に設けられた第２のｐ型ドーピング層（６ｂ）の少なくともいずれか一方を備えることになる。
【００２６】
そして、前記第１のｐ型ドーピング層および前記第２のｐ型ドーピング層は、それぞれクラッド層であって、前記クラッド層を経由して前記活性層へ正孔が供給される。
【００２７】
図２は、本発明の横注入レーザの構造がキャリア分布に及ぼす効果を従来技術の場合と対比して説明する図である。図２の（ａ）には、従来技術の横注入レーザにおけるキャリアの振る舞いを示し、（ｂ）には本発明の横注入レーザにおけるキャリアの振る舞いを示す。従来技術の構造では、活性層内に左右から電子および正孔が注入されるが、正孔の移動度が低いために右側のp型埋め込みドーピング層側にキャリアが局在化する。一方、本発明の横注入レーザにおいては、活性層４の上下にあるｐ型クラッド層６ａ、６ｂを介しても正孔が活性層４に供給されるため、活性層４内のｎ型埋め込みドーピング層側にも正孔が供給される。この活性層４の上下にあるｐ型クラッド層６ａ、６ｂによって、活性層４内の内部量子効率が大幅に改善する。
【００２８】
図３は、本発明の横注入レーザにおける電流−光出力特性を示す図である。活性層幅は１μｍ、共振器長は５００μｍ、回折格子の結合係数は３０ｃｍ−１とした。 横軸には、注入電流（ｍＡ）が、縦軸には光出力（ｍＷ）をとってあり、同一の注入電流では、本発明の横注入レーザの構成の方で、より高い光出力が得られている。本発明の横注入レーザの構成においては、活性層４の上下にあるｐ型クラッド層６ａ、６ｂによって、活性層４内部のキャリアの均一性が向上したことにより、光出力レベルが従来技術の構成よりも増大していることは明らかである。
【実施例２】
【００２９】
図４は、本発明の半導体光素子における実施例２の横注入レーザ用導波路の構造を示す図である。図４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１０１を示している。導波路構造１０１は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０２上に、厚さ５０ｎｍのＩｎＰ層１０３、バンドギャップ波長１．２μｍ、厚さ６５ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層１０６ａ、発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層１０４が順次形成されている。活性層１０４は、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの１４層で構成された量子井戸から形成されている。活性層１０４の上にはバンドギャップ波長１．２μｍ、厚さ６５ｎｍ、ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層１０６ｂが形成されている。さらに活性層１０４上方でｐ型ＳＣＨ層１０６ｂの上には、厚さ１００ｎｍのＩｎＰ層１０５が形成されている。
【００３０】
ＩｎＰ層１０５の表面には、ＩｎＰのエッチングによって、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１０４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４の活性層１０４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１０７、活性層１０４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１０８が形成されている。各埋め込み層ドーピング１０７、１０８の上部には、電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層１０９ａ、１０９ｂが形成され、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。各コンタクト層領域上には、電流注入用の電極１１０ａ、１１０ｂが形成されている。上述の図４の断面構造を有する導波路構造を作製し、共振器の両端のレーザ出力端面に無反射コーティングを形成することにより、分布帰還型レーザを形成する。本実施例の横注入レーザ素子は、実施例１で説明したのと同様の手法によって作製が可能である。
【００３１】
図５は、本実施例の横注入レーザの構造がキャリア分布に及ぼす効果を従来技術の場合と対比して説明する図である。図５の（ａ）には、従来技術の横注入レーザにおけるキャリアの振る舞いを示し、（ｂ）には本実施例の横注入レーザにおけるキャリアの振る舞いを示す。従来技術の構造では、活性層内に左右から電子および正孔が注入されるが、キャリアは、正孔の移動度が低いために右側のp型埋め込みドーピング層側に局在化する。一方、本実施例の横注入レーザにおいては、活性層１０４の上下にあるｐ型のキャリア分離閉じ込め層１０６ａ、１０６ｂを介しても正孔が活性層１０４に供給されるため、活性層１０４内のｎ型埋め込みドーピング層１０７側にも正孔が均一に供給される。活性層１０４の上下にあるｐ型のキャリア分離閉じ込め層１０６ａ、１０６ｂによって、活性層１０４内の内部量子効率が大幅に改善する。従来技術の横注入レーザの構造と比較して、光出力レベルをより増大することができる。
【実施例３】
【００３２】
図６は、本発明の半導体光素子における実施例３の横注入レーザ用導波路の構造を示す図である。図６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２０１を示している。導波路構造２０１は、シリコン基板上の厚さ１μｍのＳｉＯ２層２０２の上に形成されている。ＳｉＯ２層２０２の上には、厚さ５０ｎｍでドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のp型ＩｎＰ層２０６ａと、バンドギャップ波長１．２μｍ、厚さ３０ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２０３と、発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層２０４が順次形成される。活性層２０４は、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの６層で構成された量子井戸から形成される。活性層２０４の上にはバンドギャップ波長１．２μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層２０５が形成されている。さらに活性層２０４上方でＳＣＨ層２０５の上には、厚さ５０ｎｍでドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰ層２０６ａを形成する。
【００３３】
ＩｎＰ層２０６ｂの表面には、ＩｎＰのエッチングによって、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２０４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６の活性層２０４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２０７が、活性層２０４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２０８が構成されている。各埋め込み層ドーピング２０７、２０８の上部には、電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層２０９ａ、２０９ｂが形成され、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。各コンタクト層領域２０９ａ、２０９ｂ上には、電流注入用の電極２１０ａ、２１０ｂが形成されている。上述の図６の断面構造を有する導波路構造を作製し、共振器の両端のレーザ出力端面に無反射コーティングを形成することにより、分布帰還型レーザを形成する。
【００３４】
活性層２０４の上下のドーピング層の構成は実施例１と同様であり、図２の（ｂ）で示したのと同様に、本実施例の構成においても活性層２０４の上下にあるｐクラッド層２０６ａ、２０６ｂを介して正孔が活性層２０４に供給される。このため、活性層２０４内のｎ型埋め込みドーピング層２０７側にも正孔が供給される。活性層２０４の上下にあるｐクラッド層２０６ａ、２０６ｂによって、活性層２０４内の内部量子効率が大幅に改善される。活性層２０４内のキャリア分布を均一にし、従来技術の横注入レーザの構造と比較して光出力レベルをより増大することができる。
【実施例４】
【００３５】
図７は、本発明の半導体光素子における実施例４の横注入レーザ用導波路の構造を示す図である。図７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３０１を示している。導波路構造３０１は、シリコン基板上の厚さ１μｍのＳｉＯ２層３０２の上に形成されている。ＳｉＯ２層３０２の上には、厚さ５０ｎｍのＩｎＰ層３０３と、バンドギャップ波長１．２μｍ、ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層３０６ｂと、発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層３０４とが順次形成される。活性層３０４は、井戸層厚６ｎｍおよびバリア層厚９ｎｍの６層で構成された量子井戸から形成される。活性層３０４の上には、バンドギャップ波長１．２μｍ、ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層３０６ｂが形成されている。さらに活性層３０４上方でｐ型ＳＣＨ層３０６ｂの上には、厚さ５０ｎｍのＩｎＰ層３０５を形成する。
【００３６】
ＩｎＰ層３０５の表面には、ＩｎＰのエッチングによって、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３０４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７の活性層３０４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３０７が、活性層３０４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３０８が構成されている。各埋め込み層ドーピング３０７、３０８の上部には、電流注入用のＩｎＧａＡｓコンタクト層３０９ａ、３０９ｂが形成され、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。各コンタクト層領域３０９ａ、３０９ｂ上には、電流注入用の電極３１０ａ、３１０ｂが形成されている。上述の図７の断面構造を有する導波路構造を作製し、共振器の両端のレーザ出力端面に無反射コーティングを形成することにより、分布帰還型レーザを形成する。
【００３７】
活性層３０４の上下のドーピング層の構成は実施例２と同様であり、図５の（ｂ）で示したのと同様に、本実施例の構成においても活性層３０４の上下にあるｐ型ＳＣＨ層３０６ａ、３０６ｂを介しても正孔が活性層３０４に供給される。このため、活性層３０４内のｎ型埋め込みドーピング層３０７側にも正孔が供給される。活性層３０４の上下にあるｐ型ＳＣＨ層３０６ａ、３０６ｂによって、活性層３０４内の内部量子効率が大幅に改善される。活性層３０４内のキャリア分布を均一にし、従来技術の横注入レーザの構造と比較して光出力レベルをより増大することができる。
【００３８】
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、ドーピング領域は、活性層上下のクラッド層のみ、または、上下のＳＣＨ層のみがｐドーピングされている構造を例としたが、上下のクラッド層およびＳＣＨ層を共にｐドーピングすることでも同様の効果が得られるのは明らかである。また、活性層上下クラッド層の上下のいずれか一方、または、活性層上下のＳＣＨ層の上下いずれか一方をｐドーピングしても同様の効果が得られる。また、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。
【００３９】
また、上述の各実施例では、分布反射型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、電流注入型の活性層領域として使用するその他の半導体光素子に本発明の構造を適用できることは明らかである。
【００４０】
以上詳細に説明をしたように、本発明の半導体光素子および横注入レーザにおいては、活性層の上下にあるｐ型ドーピング層（ｐ型クラッド層またはｐ型ＳＣＨ層）を介して正孔が活性層に供給される。活性層内のｎ型埋め込みドーピング層側にも正孔が供給される。この活性層の上下にあるｐ型ドーピング層を持つ構成によって、活性層内の内部量子効率が大幅に改善する。発光効率の高い横注入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】
【００４１】
本発明は、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源に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１、１０１、２０１、３０１、５０１  導波路構造
４、１０４、２０４、３０４、５０４  活性層
６ａ、６ｂ、２０６ａ、２０６ｂ  ｐ型ＩｎＰ層
７、８、１０７、１０８、２０７、２０８、３０７、４０８、５０７、５０８  埋め込みＩｎＰ層
９ａ、９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ、２０９ａ、２０９ｂ、３０９ａ、３０９ｂ、５０９ａ、５０９ｂ  コンタクト層
１０ａ、１０ｂ、１１０ａ、１１０ｂ、２１０ａ、２１０ｂ、３１０ａ、３１０ｂ、５１０ａ、５１０ｂ  電極層
１０６ａ、１０６ｂ、３０６ａ、３０６ｂ  ｐ型ＳＣＨ層
【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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