(57)【要約】  量子ドットレーザは、ＧａＡｓ基板（１）と、ＧａＡｓをバリア層とした量子ドットを有する量子ドット活性層（２ａ）と、量子ドット活性層２ａに接合されたＧａＡｓ導波路コア層（２ｂ）と、量子ドット活性層（２ａ）及びＧａＡｓ導波路コア層（２ｂ）を挟持する下側クラッド層（３）及び上側クラッド層（４）とを備えており、ＧａＡｓ導波路コア層（２ｂ）は、量子ドット活性層の先端から延在し、量子ドット活性層部（２ａ）の先端から離れるにつれて厚みが漸減すると共に、下側クラッド層（３）及び上側クラッド層（４）は、夫々、第１クラッド層（３ａ，４ａ）と、第１クラッド層（３ａ，４ａ）よりも光導波層（２）から離れた側に配された第２クラッド層（３ｂ，４ｂ）との積層構造とされ、第１クラッド層（３ａ，４ａ）は、第２クラッド層（３ｂ，４ｂ）よりも屈折率が高い。この構成により、光出射端の光モード径を広げて出力光の放射角を狭くするも、光モード径の必要以上の拡張を抑制して光の染み出しを抑え、十分な光出力が得られる。
2015104836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ半導体基板と、
ＧａＡｓをバリア層とする量子ドットを有する量子ドット活性層と、
前記量子ドット活性層と接合され、前記量子ドット活性層から離れるにつれて厚みが漸減するＧａＡｓ導波路コア層と、
前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層を挟持する下側クラッド層及び上側クラッド層と
を含み、
前記下側クラッド層及び前記上側クラッド層は、夫々、第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層よりも前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層から離れた側に配された第２のクラッド層とを有する積層構造とされており、
前記第１のクラッド層の屈折率は、前記第２のクラッド層の屈折率よりも高いことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層は共にＡｌＧａＡｓ層であり、前記第１のクラッド層のＡｌ組成率は、前記第２のクラッド層のＡｌ組成率よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記第１のクラッド層は、１μｍ以上の厚みとされていることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１のクラッド層は、Ａｌ組成率が０．１〜０．２５の範囲内の値とされていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記第１のクラッド層のＡｌ組成率は、前記第２のクラッド層のＡｌ組成率よりも０．０５以上低いことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記下側クラッド層の前記第１のクラッド層と前記上側クラッド層の前記第１のクラッド層とでＡｌ組成率及び厚みが同一であり、前記下側クラッド層の前記第２のクラッド層と前記上側クラッド層の前記第２のクラッド層とでＡｌ組成率及び厚みが同一であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第２の部分は、前記第１の部分の前記先端から離れるにつれて幅が漸増することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記上側クラッド層内に、エッチングストップ層が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記下側クラッド層内に、電子障壁層が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の光半導体素子と、他の導波路型光デバイスとが光学的に接合されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１１】
ＧａＡｓ半導体基板と、
ＧａＡｓをバリア層とする量子ドットを有する量子ドット活性層と、
前記量子ドット活性層と接合され、前記量子ドット活性層から離れるにつれて厚みが漸減するＧａＡｓ導波路コア層と、
前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層を挟持する下側クラッド層及び上側クラッド層と
を含む光半導体素子の製造方法であって、
前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層を形成する工程は、前記下側クラッド層上に前記量子ドット活性層となる第１の材料層を形成し、前記第１の材料層上の前記量子ドット活性層の形成部位を覆うマスクを形成し、前記マスクを用いて、前記下側クラッド層を覆う前記第１の材料層の一部を残すように前記材料層をエッチングし、前記マスクを用いて、残存した前記第１の材料層上に前記ＧａＡｓ導波路コア層となる第２の材料層を選択的に堆積することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記マスクは、前記量子ドット活性層となる部分の近傍で被覆率が高く、前記量子ドット活性層となる部分から離れるにつれて被覆率が低くなることを特徴とする請求項１１に記載の光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子である半導体レーザは、光通信用の光源として広く用いられている。コストの低減や消費電力の低減の観点から、ペルチェ素子等による温度調整をすることなく使用可能な半導体レーザが求められている。活性層として量子ドットを用いた量子ドットレーザは、３次元量子閉じ込め効果によるエネルギー準位の離散化の効果等により高温動作時の特性の劣化が小さいことが知られており、温度調整なしでの動作に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９７４５３号公報
【特許文献２】特開２００５−２８６１９８号公報
【特許文献３】特開平１０−２４２５７２号公報
【特許文献４】特開２００２−２１７４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子ドットレーザでは、活性層中で利得媒質である量子ドットが占める体積比率が小さいため、十分な利得を得るためには、量子ドットを多層積層して活性層への光閉じ込め効果を大きくする必要がある。しかしながら、活性層を厚くして光閉じ込め効果を強くすると、レーザ導波路の光モード分布が狭くなり、レーザ出射光の広がり角が拡がってしまう。このため、光ファイバや他の光デバイスと量子ドットレーザとを結合しようとした場合に、結合損失が大きく十分な光出力を取り出せないという問題がある。【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、量子ドットを有する光半導体素子において、比較的簡素な構成で、光出射端における光モード径を広げて出力光の放射角を狭くするも、光モード径の必要以上の拡張を抑制して光の染み出しを抑えて光を確実に導波路内に閉じ込めることにより、光伝搬損失を抑えつつ光結合効率を向上させて十分な光出力を得ることができる光半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光半導体素子の一態様は、ＧａＡｓ半導体基板と、ＧａＡｓをバリア層とする量子ドットを有する量子ドット活性層と、前記量子ドット活性層と接合され、前記量子ドット活性層から離れるにつれて厚みが漸減するＧａＡｓ導波路コア層と、前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層を挟持する下側クラッド層及び上側クラッド層とを含み、前記下側クラッド層及び前記上側クラッド層は、夫々、第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層よりも前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層から離れた側に配された第２のクラッド層とを有する積層構造とされており、前記第１のクラッド層の屈折率は、前記第２のクラッド層の屈折率よりも高い。【０００７】
光半導体素子の製造方法の一態様は、ＧａＡｓ半導体基板と、ＧａＡｓをバリア層とする量子ドットを有する量子ドット活性層と、前記量子ドット活性層と接合され、前記量子ドット活性層から離れるにつれて厚みが漸減するＧａＡｓ導波路コア層と、前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層を挟持する下側クラッド層及び上側クラッド層とを含む光半導体素子の製造方法であって、前記量子ドット活性層及び前記ＧａＡｓ導波路コア層を形成する工程は、前記下側クラッド層上に前記量子ドット活性層となる第１の材料層を形成し、前記第１の材料層上の前記量子ドット活性層の形成部位を覆うマスクを形成し、前記マスクを用いて、前記下側クラッド層を覆う前記第１の材料層の一部を残すように前記材料層をエッチングし、前記マスクを用いて、残存した前記第１の材料層上に前記ＧａＡｓ導波路コア層となる第２の材料層を選択的に堆積する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、量子ドットを有する光半導体素子において、光出射端における光モード径を広げて出力光の放射角を狭くするも、光モード径の必要以上の拡張を抑制して光の染み出しを抑えて光を確実に導波路内に閉じ込めることにより、光伝搬損失を抑えつつ光結合効率を向上させて十分な光出力を得ることができる。【０００９】
また、量子ドット活性層と膜厚が徐々に薄くなるコア層からなるスポットサイズ変換器とを接合する際に、接合界面において発生する異常を抑制し、安定した素子の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略平面図である。
【図２】図２は、図１の破線Ｉ−Ｉ’に沿った概略断面図である。
【図３】図３は、図１の破線ＩＩ−ＩＩ’に沿った概略断面図である。
【図４】図４は、図１の破線ＩＩＩ−ＩＩＩ’に沿った概略断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、比較例１による量子ドットレーザの光モード形状を示す概略断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第１の実施形態による量子ドットレーザの光モード形状を示す概略断面図である。
【図６】図６は、光導波路層の後半部分であるコア層の厚みと、上下方向の光モード径及び他の光デバイスとの結合損失との関係をシミュレーションにより調べた計算結果を示す特性図である。
【図７】図７は、第１の実施形態における量子ドット活性層部における光モード形状を示す概略断面図である。
【図８】図８は、第１の実施形態における膜厚テーパ導波路部の光出射端面における光モード形状を示す概略断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、比較例２による量子ドットレーザの光モード分布を示すシミュレーション図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、第１の実施形態による量子ドットレーザの光モード分布を示すシミュレーション図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａに引き続き、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０Ｂに引き続き、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図１０Ｃに引き続き、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０Ｄに引き続き、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに引き続き、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１１Ｂに引き続き、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を示す模式図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略断面図である。
【図１３】図１３は、第２の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略断面図である。
【図１４】図１４は、第２の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略断面図である。
【図１５】図１５は、第３の実施形態による波長選択レーザを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、光半導体素子及びその製造方法の諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の諸実施形態では、光半導体素子として、いわゆる量子ドットレーザを例示する。
【００１２】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
【００１３】
−量子ドットレーザの構成−
図１は、第１の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略平面図である。図２は、図１の破線Ｉ−Ｉ’に沿った概略断面図である。図３は、図１の破線ＩＩ−ＩＩ’に沿った概略断面図である。図４は、図１の破線ＩＩＩ−ＩＩＩ’に沿った概略断面図である。なお、図示の便宜上、図１では上面電極を省略している。
【００１４】
本実施形態による量子ドットレーザは、スポットサイズ変換器付量子ドットレーザである。この量子ドットレーザは、半導体基板としてｐ型ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓをバリア層とする量子ドット活性層２ａと、量子ドット活性層２ａに接合されたＧａＡｓ導波路コア層２ｂと、量子ドット活性層２ａ及びＧａＡｓ導波路コア層２ｂを挟持する下側クラッド層３及び上側クラッド層４と、コンタクト層５と、下面電極６及び上面電極７とを備えて構成される。
【００１５】
量子ドット活性層２ａは、例えば厚み４０ｎｍ程度のＧａＡｓのバリア層２ａ１上に例えばＩｎＡｓの量子ドット２ａ２が形成されてなる層が複数層、例えば８層積層され、更にその下面及び上面にそれぞれ例えば厚み４０ｎｍ程度のＧａＡｓのガイド層２ａ３，２ａ４が形成されており、４００ｎｍ程度の一定厚とされている。量子ドット２ａ２の形状は、所望の波長、例えば１３００ｎｍ等の波長で所期の利得が得られるように適宜調整されている。活性層２ａは、平面視では、図１のように、略一定幅、ここでは１．５μｍ程度の一定幅で延在している。
【００１６】
ＧａＡｓ導波路コア層２ｂは、活性層２ａの先端から離れるにつれて厚みが漸減しており、活性層２ａの先端と接する部分で活性層２ａと同じ４００ｎｍ程度、光出射端で２００ｎｍ程度の厚みとされている。ＧａＡｓ導波路コア層２ｂは、平面視では、図１のように、量子ドット活性層２ａの先端から離れるにつれて幅が漸増するように延在する。具体的には、コア層２ｂは、光出射端における幅が２．５μｍ程度となるように、活性層２ａの先端から離れるにつれて幅が漸増する。
【００１７】
下側クラッド層３は、下側第１クラッド層３ａ及び下側第２クラッド層３ｂが積層されて構成される。
下側第１クラッド層３ａは、光導波層２の下面に形成されている。下側第２クラッド層３ｂは、下側第１クラッド層３ａよりも光導波層２から離れており、下側第１クラッド層３ａ下（ＧａＡｓ基板１上）に形成されている。
【００１８】
下側第１クラッド層３ａ及び下側第２クラッド層３ｂは、共にｐ型のＡｌＧａＡｓ（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）層である。下側第１クラッド層３ａは、１μｍ以上の厚み、例えば１．５μｍ程度に形成されている。下側第２クラッド層３ｂは、例えば０．５μｍ程度に形成されている。
【００１９】
下側第１クラッド層３ａの屈折率は、下側第２クラッド層３ｂの屈折率よりも高い。本実施形態では、下側第１クラッド層３ａのｐ−ＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成率が、下側第２クラッド層３ｂのｐ−ＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成率よりも低く調節されている。具体的には、下側第１クラッド層３ａのＡｌ組成率は、０．１程度〜０．２５程度、例えば０．２３（Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ）とされている。下側第２クラッド層３ｂのＡｌ組成率は、下側第１クラッド層３ａのＡｌ組成率よりも０．０５以上高く、０．１５程度〜０．３程度以上、例えば０．３（Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ）とされている。
【００２０】
上側クラッド層４は、上側第１クラッド層４ａ及び上側第２クラッド層４ｂが積層されて構成される。
上側第１クラッド層４ａは、光導波層２の上面に形成されている。上側第２クラッド層４ｂは、上側第１クラッド層４ａよりも光導波層２から離れており、上側第１クラッド層４ａ上に形成されている。
【００２１】
上側第１クラッド層４ａ及び上側第２クラッド層４ｂは、共にｎ型のＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）層である。上側第１クラッド層４ａは、１μｍ以上の厚み、ここでは下側第１クラッド層３ａと同じ厚みに形成されている。上側第２クラッド層４ｂは、ここでは下側第２クラッド層３ｂと同じ厚みに形成されている。
【００２２】
上側第１クラッド層４ａの屈折率は、上側第２クラッド層４ｂの屈折率よりも高い。ここでは、上側第１クラッド層４ａのｎ−ＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成率が、上側第２クラッド層４ｂのｎ−ＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成率よりも低く調節されている。本実施形態では、上側第１クラッド層４ａのＡｌ組成率は、下側第１クラッド層３ａのＡｌ組成率と同じ（例えば０．２３（Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ））とされている。上側第２クラッド層４ｂのＡｌ組成率は、下側第２クラッド層３ｂのＡｌ組成率と同じ（例えば０．３（Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ））とされている。
【００２３】
このように、下側クラッド層３と上側クラッド層４とで組成及び厚さを対称構成にすることにより、出射光の光モード径の広がりの対称性が確保される。但し、単純に光モード径を広げるだけであれば、この対称構成に限らず、下側クラッド層３と上側クラッド層４とで組成及び厚さを変えても構わない。
【００２４】
コンタクト層５は、上側第２クラッド層４ｂ上に配置されており、厚みが0.3μm程度のｎ−ＧａＡｓ層で形成されている。
下面電極６として、ＧａＡｓ基板１の下面に、例えばAuGe/Au蒸着膜およびAuメッキからなる厚さ3μm程度の電極が形成されている。
上面電極７として、コンタクト層５上で活性層２ａ上に位置する部位に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ蒸着膜及びＡｕメッキからなる厚さ３μｍ程度の電極が形成されている。
【００２５】
本実施形態による量子ドットレーザでは、量子ドット活性層２ａと下面電極６及び上面電極７とを有する図２の左側部分が量子ドット活性層部１０ａ、ＧａＡｓ導波路コア層２ｂを有する図２の右側部分の光出射側が膜厚テーパ導波路部１０ｂとされる。
【００２６】
図３及び図４のように、量子ドット活性層部１０ａ及び膜厚テーパ導波路部１０ｂは、共にリッジ型の導波路構造であり、リッジメサ部分以外は上側第１クラッド層４ａの一部まで除去されている。従って、上側第１クラッド層４ａと上側第２クラッド層４ｂとの境界部位は、リッジメサ部分の内部に位置している。
【００２７】
この構成により、リッジメサ部分の内部まで光モード分布を拡げることが可能となり、光モード径を拡大しつつ、コンタクト層５への光の染み出しを抑えて導波路損失が抑制される。その結果として、光ファイバ等との結合効率が高く、且つ高出力の量子ドットレーザが実現される。
【００２８】
なお、図３及び図４の構成は一例であり、例えばリッジメサ部分で上側第１クラッド層４ａの全てが除去されている構造や、量子ドット活性層２ａの一部或いは全部が除去されている構成でも、本実施形態と同様の作用効果を奏することができる。但し、リッジメサ部分で量子ドット活性層２ａまで除去されている構造と比較して、上側第１クラッド層４ａまでしか除去されていない構造のほうが、量子ドット活性層２ａの側面が外部に露出しないために量子ドット活性層２ａへのダメージが少なく、高い信頼性が得られると考えられる。
【００２９】
本実施形態による量子ドットレーザの構成と、比較例１による量子ドットレーザの構成とにおける、出射光の上下方向の光モード径の差異について説明する。
比較例１の量子ドットレーザは、膜厚が漸減するＧａＡｓ導波路コア層２ｂを有さず量子ドット活性層２ａのみで構成されると共に、下側クラッド層及び上側クラッド層が下側第２クラッド層３ｂ及び上側第２クラッド層４ｂを有さず下側第１クラッド層３ａ及び上側１クラッド層４ａのみで構成されるものである。
【００３０】
図５Ａは比較例１の構成による光モード形状を、図５Ｂは本実施形態の構成による光モード形状をそれぞれ示しており、図２に対応する概略断面図である。
比較例１の図５Ａでは、出射光の上下方向の光モード径が狭く、出力光の放射角が拡大し、光ファイバ等との光結合効率が低下する。
本実施形態の図５Ｂでは、ＧａＡｓ導波路コア層２ｂが量子ドット活性層２ａの先端から離れるにつれて厚みが漸減するテーパ形状に形成されている。この構成により、ＧａＡｓ導波路コア層２ｂを伝搬する光をコア層２ｂ付近に閉じ込める作用が弱くなるため、出射光の上下方向の光モード径が拡大される。これにより、出力光の放射角が狭くなり、光ファイバ等との光結合効率が向上する。
【００３１】
量子ドット活性層２ａは、ＩｎＡｓ量子ドットが占める体積は非常に小さく略ＧａＡｓバリア２ａ１で占められている。ＧａＡｓ導波路コア層２ｂは、ＧａＡｓからなる。このように、量子ドット活性層２ａとＧａＡｓ導波路コア層２ｂは、略同一の材料からなる２つの光導波路が接合しており、異種導波路を結合する際に問題となる接合界面における反射や散乱損失を抑制し、レーザ出力を増加させて、結果として光ファイバ等に結合する光の強度が向上する。
【００３２】
ここで、ＧａＡｓ導波路コア層のコア層の厚みと、上下方向の光モード径及び他の光デバイスとの結合損失との関係をシミュレーションにより調べた計算結果について説明する。図６は、当該関係を示す特性図である。ここでは、他の光デバイスの光モード径を３μｍと仮定している。これは例えばスポットサイズ変換器付のＳｉ導波路等との結合損失を考慮しているのに相当する。
図６のように、コア層の膜厚を薄くするにつれて、上下方向の光モード径が２μｍ弱から３μｍ程度まで拡大し、結合損失が−２ｄＢ強から−１ｄＢ強程度まで、約半分に抑えられることが確認された。
【００３３】
図７は、本実施形態における活性層における光モード形状を示しており、図３に対応する概略断面図である。図８は、本実施形態におけるＧａＡｓ導波路コア層部分の先端における光モード形状を示しており、図４に対応する概略断面図である。
本実施形態による量子ドットレーザにおいては、下側クラッド層３では下側第１クラッド層３ａが下側第２クラッド層３ｂよりも屈折率が高く、上側クラッド層４では上側第１クラッド層４ａが上側第２クラッド層４ｂよりも屈折率が高い。この構成により、下側第１クラッド層３ａ及び上側第１クラッド層４ａに確実に光が閉じ込められ、下側第２クラッド層３ｂ及び上側第２クラッド層４ｂより外側への必要以上の光分布の広がり（光モード径の広がり）が抑止される。これにより、ＧａＡｓ基板１やコンタクト層５への光分布の染み出しを抑制して、光の伝搬損失が低減されて、レーザ出力が増加する。
【００３４】
また、コア層２ｂは、活性層２ａの先端から離れるにつれて幅が漸増する形状に形成されている。この構成により、図７及び図８に示すように、光出射端において左右方向の光モード径が十分に拡大され、光ファイバ等との結合効率をより向上させることが可能となる。
【００３５】
ここで、本実施形態による量子ドットレーザの構成と、比較例２による量子ドットレーザの構成とで、光モード分布を比較した計算結果について説明する。
比較例２の量子ドットレーザは、膜厚が漸減するＧａＡｓ導波路コア層２ｂからなるテーパ導波路部は有するが、下側クラッド層及び上側クラッド層が下側第２クラッド層３ｂ及び上側第２クラッド層４ｂを有さず下側第１クラッド層３ａ及び上側１クラッド層４ａのみで構成されるものである。
【００３６】
図９Ａは比較例２の構成による光モード分布を、図９Ｂは本実施形態の構成による光モード分布をそれぞれ示すシミュレーション結果である。
比較例２の図９Ａでは、コンタクト層まで光分布が染み出している。これに対して、本実施形態の図９Ｂでは、上側第１クラッド層４ａと上側第２クラッド層４ｂとの境界部位で光モード径の広がりが抑制され、コンタクト層まで光分布が染み出していないことが確認された。
【００３７】
下側第１クラッド層３ａ及び上側第１クラッド層４ａは、Ａｌ組成率が０．１程度〜０．２５程度のＧａＡｓに近い小値とされており、ＧａＡｓからなるコア層２ｂとの屈折率差が小さく抑えられている。これにより、コア層２ｂの薄い光出射端で光モード径が十分に広がることになる。
下側第２クラッド層３ｂ及び上側第２クラッド層４ｂは、Ａｌ組成率が下側第１クラッド層３ａ及び上側第１クラッド層４ａのＡｌ組成率よりも０．０５以上高く調節されており、光を閉じ込める効果が顕著となる。
【００３８】
本実施形態による量子ドットレーザにおいては、原理的には、下側第１クラッド層３ａの下面から上側第１クラッド層４ａの上面の幅まで上下方向の光モード径が拡がる。そのため、下側第１クラッド層３ａ及び上側第１クラッド層４ａの厚みを制御することによって光モード径を調整することができる。下側第１クラッド層３ａ及び上側第１クラッド層４ａの厚みを１μｍ以上に確保することにより、上下方向の光モード径が２μｍ以上拡張され、量子ドットレーザと光ファイバ等の他の光デバイスとの結合が改善される。
【００３９】
本実施形態では、下側クラッド層３及び上側クラッド層４は、それぞれＡｌＧａＡｓを材料として形成されるが、これに限定されるものではない。例えば、下側クラッド層３及び上側クラッド層４のうち、下側第２クラッド層３ａ及び上側第２クラッド層４ａをＩｎＧａＰを材料として形成しても良い。この場合、下側第１クラッド層３ｂ及び上側第１クラッド層４ｂのＡｌＧａＡｓにおけるＡｌ組成率を調節して、下側第２クラッド層３ａ及び上側第２クラッド層４ａの屈折率が下側第１クラッド層３ｂ及び上側第１クラッド層４ｂの屈折率よりも低くなるように制御する。
【００４０】
また、量子ドット活性層２ａにおける量子ドット２ａ２は、ＩｎＡｓを材料として形成されるが、これに限定されるものではない。例えば、量子ドット活性層２ａ内の量子ドットをＩｎＧａＡｓを材料として形成し、Ｇａの組成率を調節することにより、所期の光波長を得るようにしても良い。
【００４１】
−量子ドットレーザの製造方法−
以下、上記の構成を有する量子ドットレーザの製造方法について説明する。
図１０Ａ〜図１１Ｃは、第１の実施形態による量子ドットレーザの製造方法を工程順に示す模式図である。図１０Ａ〜図１１Ｃにおいて、右側図が概略平面図であり、左側図が右側図の破線Ｉ−Ｉ’に沿った概略断面図である。
【００４２】
先ず、図１０Ａに示すように、ＧａＡｓ基板１上に下側クラッド層３（下側第２クラッド層３ｂ及び下側第１クラッド層３ａ）、及び量子ドット活性層２ａとなる材料層（以下、量子ドット活性層材料層２Ａと言う。）を順次形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシー法(ＭＢＥ法)により、ｐ−ＧａＡｓのＧａＡｓ基板１上に、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ、ｐ−Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ、及びガイド層となるＧａＡｓ層を含む量子ドットの積層構造である量子ドット活性層材料層２Ａを順次成長する。以上により、ＧａＡｓ基板１上に下側クラッド層３及び量子ドット活性層材料層２Ａが形成される。
【００４３】
ここで、ＭＢＥ法の代わりに、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ法）を用いることも可能である。但し、ＭＢＥ法の方が原子層レベルにおける膜厚制御が容易である等の点から、量子ドットの成長に適している。
【００４４】
続いて、図１０Ｂに示すように、活性層材料層２Ａ上に第１の絶縁体マスク１１を形成する。
詳細には、量子ドット活性層材料層２Ａ上にＣＶＤ法等により絶縁膜、例えばＳｉＯ２膜を形成する。ＳｉＯ２膜上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、レジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてＳｉＯ２膜をドライエッチングする。レジストマスクは適宜除去される。これにより、ＳｉＯ２膜はレジストマスクで覆われた部位を残して除去され、残存するＳｉＯ２膜からなる第１の絶縁体マスク１１が形成される。第１の絶縁体マスク１１は、量子ドット活性層２ａとなる部分に近いほど被覆率が密になり、離れるほど被覆率が疎になるような形状とされる。
【００４５】
続いて、図１０Ｃに示すように、ガイド層２ａ３となる材料層（以下、ガイド層材料層２Ａ１と言う。）を残して量子ドット活性層材料層２Ａをエッチングする。
詳細には、第１の絶縁体マスク１１を用いて、第１の絶縁体マスク１１から露出する量子ドット活性層材料層２Ａをドライエッチングする。このとき、活性層材料層２Ａの最下層のガイド層材料層２Ａ１の少なくとも一部を残すようにする。即ちエッチングした後には、量子ドット活性層材料層２Ａは第１の絶縁体マスク１１で覆われた部位を残して除去され、第１の絶縁体マスク１１から、下側第１クラッド層３ａの表面を覆うガイド層材料層２Ａ１が露出する。
ガイド層材料層２Ａ１を一部残すことにより、エッチングした後でも酸化され易い下側第１クラッド層３ａ（ＡｌＧａＡｓ）はガイド層材料層２Ａ１で覆われており、素子製造中の下側第１クラッド層３ａの酸化が防止され、素子の信頼性の向上が見込まれる。
【００４６】
続いて、図１０Ｄに示すように、ＧａＡｓコア層２ｂとなる材料層（以下、ＧａＡｓコア層材料層２Ｂと言う。）を形成する。
詳細には、第１の絶縁体マスク１１を残した状態で、例えばＭＯＣＶＤ法により、第１の絶縁体マスク１１から露出するガイド層材料層２Ａ１上にＧａＡｓを成長する。このＧａＡｓは、第１の絶縁体マスク１１上には成長することなく、マイグレーションによって移動し、第１の絶縁体マスク１１がなくガイド層材料層２Ａ１が露出している部位に成長する。その結果、量子ドット活性層部に近い第１の絶縁体マスク１１の被覆率が密になっている部分では、より多くのＧａＡｓが集まるためにＧａＡｓが厚く成長し、第１の絶縁体マスク１１の被覆率が疎になっている量子ドット活性層部から離れた部分ではＧａＡｓが薄く成長する。以上により、量子ドット活性層材料層２Ａから離れるほど厚みが漸減するテーパ形状のＧａＡｓコア層材料層２Ｂが、量子ドット活性層材料層２Ａと接合形成される。第１の絶縁体マスク１１は、上記の選択成長効果を利用すべく、その疎密が調整されており、この第１の絶縁体マスク１１を用いることにより、所期のテーパ形状のＧａＡｓコア層材料層２Ｂが自己整合的に形成されることになる。
【００４７】
本実施形態では、略ＧａＡｓで占められる量子ドット活性層材料層２Ａの側面及びＧａＡｓからなるガイド層材料層２Ａ１の表面がそれぞれ露出している状態で、同様にＧａＡｓからなるコア層材料層２Ｂを形成する。そのため、異種材料を接合する際に発生する成長界面における欠陥等の発生を抑制することができる。
【００４８】
ところで、ＩｎＧａＡｓＰ等の混晶材料で上記のような絶縁体マスクを用いた選択成長効果を利用した場合には、ＩｎＧａＡｓＰ等の厚みが変わると材料の組成（例えばＩｎとＧａとの比率、ＡｓとＰとの比率）も変化してしまい、所期の組成・膜厚のコア層材料層を形成するのは困難である。これに対して本実施形態では、膜厚を変えているのは２元材料のＧａＡｓであり、その組成は膜厚によらずＧａとＡｓとが１：１となるため、制御性良くＧａＡｓコア層材料層２Ｂを形成することが可能となる。
【００４９】
続いて、図１１Ａに示すように、第１の絶縁体マスク１１を除去した後、上側クラッド層４（上側第１クラッド層４ａ及び上側第２クラッド層４ｂ）となる材料層（以下、上側クラッド層材料層４Ａと言う。）及びコンタクト層５となるとなる材料層（以下、コンタクト層材料層５Ａと言う。）を順次形成する。
詳細には、先ず、所定のウェット処理等により、活性層材料層２Ａ上に残存する第１の絶縁体マスク１１を除去する。
次に、例えばＭＢＥ法により、ｎ−Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ、及びｎ−ＧａＡｓを順次成長する。以上により、上側クラッド層材料層４Ａ及びコンタクト層材料層５Ａが形成される。
【００５０】
続いて、図１１Ｂに示すように、コンタクト層材料層５Ａ上に第２の絶縁体マスク１２を形成する。
詳細には、コンタクト層材料層５Ａ上にＣＶＤ法等により絶縁膜、例えばＳｉＯ２膜を形成する。ＳｉＯ２膜上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、レジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてＳｉＯ２膜をドライエッチングする。レジストマスクは適宜除去される。これにより、ＳｉＯ２膜はレジストマスクで覆われた部位を残して除去され、残存するＳｉＯ２膜からなる第２の絶縁体マスク１２が形成される。第２の絶縁体マスク１２は、光導波路層２の形状となるように、量子ドット活性層部分が同幅の帯状に、ＧａＡｓコア層部分が活性層部分から離れるほど幅が漸増する帯状に、それぞれ形成される。
【００５１】
続いて、図１１Ｃに示すように、コンタクト層材料層５Ａ及び上側クラッド層材料層４Ａをエッチングする。
詳細には、第２の絶縁体マスク１２を用いて、コンタクト層材料層５Ａ及び上側クラッド層材料層４Ａのｎ−Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓの途中までドライエッチングして除去する。
【００５２】
しかる後、所定のウェット処理等により第２の絶縁体マスク１２を除去した後、ＧａＡｓ基板１の下面には下面電極６を、コンタクト層５上には上面電極７をそれぞれ形成する。以上により、図１〜図４に示す量子ドットレーザが形成される。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、出射端における光モード径を広げて出力光の放射角を狭くするも、光モード径の必要以上の拡張を抑制して光の染み出しを抑えて光を確実に導波路内に閉じ込めることにより、光伝搬損失を抑えつつ光結合効率を向上させて十分な光出力を得ることができる量子ドットレーザが実現する。
【００５４】
（第２の実施形態）
次いで、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に量子ドットレーザを開示するが、エッチングストップ層及び電子障壁層が付加されている点で第１の実施形態と相違する。
【００５５】
−量子ドットレーザの構成−
図１２は、第２の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略断面図であり、第１の実施形態の図２に対応している。図１３は、第２の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略断面図であり、第１の実施形態の図３に対応している。図１４は、第２の実施形態による量子ドットレーザの構成を示す概略断面図であり、第１の実施形態の図４に対応している。
なお、第１の実施形態の量子ドットレーザと同じ構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００５６】
本実施形態による量子ドットレーザは、スポットサイズ変換器付量子ドットレーザである。この量子ドットレーザは、第１の実施形態と同様に、半導体基板としてｐ型ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓをバリア層とする量子ドット活性層２ａと、量子ドット活性層２ａに接合され、量子ドット活性層から離れるにつれて厚さが漸減するＧａＡｓ導波路コア層２ｂと、量子ドット活性層２ａおよびＧａＡｓ導波路コア層２ｂと、量子ドット活性層２ａとＧａＡｓ導波路コア層２ｂとを挟持する下側クラッド層３及び上側クラッド層４と、コンタクト層５と、下面電極６及び上面電極７とを備えて構成される。
【００５７】
この量子ドットレーザは、第１の実施形態の構成に加えて、下側クラッド層３の下側第１クラッド層３ａ内に電子障壁層２１が、上側クラッド層４の上側第１クラッド層４ａ内にエッチングストップ層２２が、それぞれ形成されている。
【００５８】
電子障壁層２１は、下側クラッド層３の下側第１クラッド層３ａ内に配置されており、厚みが１００ｎｍ程度以下、ここでは数１０ｎｍ程度の薄いｐ−ＡｌＧａＡｓ層で形成されている。電子障壁層２１のＡｌ組成率は、下側第１クラッド層３ａのＡｌ組成率よりも高い。
【００５９】
電子障壁層２１は、電子が下側クラッド層３側に漏れることを抑制するために、伝導帯側に高い障壁を形成するためのものである。電子障壁層２１を配置することにより、活性層２ａへの電子の注入効率を向上させ、しきい値を低減し、且つ光出力−電流効率を向上させることができる。電子障壁層２１は薄い膜であるため、光分布への影響が小さく抑えられる。
【００６０】
電子障壁層２１を形成するには、第１の実施形態における図１０Ａの工程において、ＭＢＥ法等による下側第１クラッド層３ａの形成途中で上記のｐ−ＡｌＧａＡｓを成長すれば良い。
【００６１】
エッチングストップ層２２は、上側クラッド層４の上側第１クラッド層４ａ内でリッジメサ部分との境界部位に配置されている。エッチングストップ層２２は、上側第１クラッド層４ａのｎ−ＡｌＧａＡｓとの間で十分なエッチング選択比が確保される材料、例えばｎ−ＩｎＧａＰ層で形成されている。その厚みは１００ｎｍ程度以下、ここでは数１０ｎｍ程度で形成されている。エッチングストップ層２２は薄い膜であるため、光分布への影響が小さく抑えられる。
【００６２】
エッチングストップ層２２を形成するには、第１の実施形態における図１１Ａの工程において、ＭＢＥ法等による上側第１クラッド層４ａとなるｎ−Ａｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓの形成途中で上記のｎ−ＩｎＧａＰを成長すれば良い。
エッチングストップ層２２は、第１の実施形態における図１１Ｃの工程において、第２の絶縁体マスク１２を用いたコンタクト層材料層５Ａ及び上側クラッド層材料層４Ａのエッチングでエッチングストッパーとして機能し、上側クラッド層材料層４Ａを所期の位置で正確にエッチングを停止させることができる。これにより、容易且に所期のリッジ構造を形成することが可能となる。
【００６３】
本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、光出射端における上下方向の光モード径を広げて出力光の放射角を狭くするも、光モード径の必要以上の拡張を抑制して光の染み出しを確実に抑えて、結合損失が小さく十分な光出力を得ることができる量子ドットレーザが実現する。
【００６４】
（第３の実施形態）
次いで、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第１又は第２の実施形態による量子ドットレーザと共に、他の光導波路デバイスをハイブリッド集積した光半導体装置を開示する。本実施形態では、他の光導波路デバイスとして、Ｓｉ導波路からなる波長選択フィルタを用いたハイブリッド集積型の波長選択レーザを例示する。
図１５は、第３の実施形態による波長選択レーザを示す模式図である。
【００６５】
本実施形態による波長選択レーザは、第１又は第２の実施形態による量子ドットレーザ３１と、Ｓｉ導波路の波長選択フィルタ３２と備えている。この波長選択レーザは、量子ドットレーザ３１の膜厚テーパ導波路部１０ｂ側と波長選択フィルタ３２が突合せ接合された構造とされている。
【００６６】
量子ドットレーザ３１は、波長選択フィルタ３２と組み合わされてレーザ発振を行う。そのため、量子ドットレーザ３１は、その波長選択フィルタ３２側の端面には無反射コーティングを、逆側の端面には高反射コーティングを施し、量子ドットレーザ３１単体ではレーザ発振しないようにして、利得媒質として機能させる。
【００６７】
波長選択フィルタ３２は、リング共振器３３及びＤＢＲミラー３３を含む光導波路であり、量子ドットレーザ３１と組み合わされることにより、所望の波長でレーザ発振を起こすことができる。量子ドットレーザ３１と波長選択フィルタ３２との結合効率を向上させるためには、波長選択フィルタ３２の端面側にもスポットサイズ変換器が形成されている構造が望ましい。
【００６８】
本実施形態による波長選択レーザでは、利得媒質として量子ドットレーザ３１を用いることにより、高い温度でも特性の劣化が小さい構成を得ることができる。また、量子ドットレーザ３１では、膜厚テーパ導波路部１０ｂからなるスポットサイズ変換器が集積されているため、波長選択フィルタ３２との結合効率を向上し、レーザ出力を増加させることができる。
【００６９】
本実施形態では、Ｓｉ光導波路として波長選択フィルタ機能を持つ光導波路を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、Ｓｉ光導波路からなる変調器や波長可変フィルタ機能を持つ光導波路等と、量子ドットレーザ３１をハイブリッド集積した場合でも同様に高温での特性の劣化が小さく、高光出力が得られるハイブリッド集積型の光半導体素子を得ることができる。また本実施形態では、量子ドットレーザ３１単体ではレーザ発振しないようにしているが、例えばＳｉ光導波路からなる変調器と組み合わせる場合等では、単体で発振する量子ドットレーザと変調器とを組み合わせることも可能である。この場合には、例えば量子ドットレーザの両端面がある程度の反射率があるようにコーティングを施すか、劈開端面による反射を利用したファブリペロー量子ドットレーザを用いたり、或いは光導波路の近傍に回折格子を形成した量子ドットＤＦＢレーザを用いたりすると良い。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、量子ドットを有する光半導体素子において、光出射端における光モード径を広げて出力光の放射角を狭くするも、光モード径の必要以上の拡張を抑制して光の染み出しを抑えて光を確実に導波路内に閉じ込めることにより、光の伝搬損失を抑えつつ光結合効率を向上させて十分な光出力を得ることができる。
【図１】
2015104836.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015104836.tif 000005
【図４】
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【図５Ａ】
2015104836.tif 000007
【図５Ｂ】
2015104836.tif 000008
【図６】
2015104836.tif 000009
【図７】
2015104836.tif 000010
【図８】
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【図９Ａ】
2015104836.tif 000012
【図９Ｂ】
2015104836.tif 000013
【図１０Ａ】
2015104836.tif 000014
【図１０Ｂ】
2015104836.tif 000015
【図１０Ｃ】
2015104836.tif 000016
【図１０Ｄ】
2015104836.tif 000017
【図１１Ａ】
2015104836.tif 000018
【図１１Ｂ】
2015104836.tif 000019
【図１１Ｃ】
2015104836.tif 000020
【図１２】
2015104836.tif 000021
【図１３】
2015104836.tif 000022
【図１４】
2015104836.tif 000023
【図１５】
2015104836.tif 000024
【国際調査報告】
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2015104836.tif 000026
2015104836.tif 000027
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