(57)【要約】【課題】チャープを低減可能な電界吸収型光変調半導体素子が提供される。【解決手段】井戸層２３ａのｎ側の障壁層２３ｃとの間に中間層２３ｂが位置するので、逆バイアスの印加により伝導帯の電子の井戸層２３ａへの閉じ込めが弱くなって、電子の波動関数φＥのピークが中間層２３ｂへ向けてシフトする。このため、電子の波動関数φＥが井戸層２３ａおよび中間層２３ｂに広がり、電子の波動関数φＥのピーク値が小さくなる。一方、井戸層２３ａのｐ側の障壁層２３ｃとの間には中間層２３ｂがないので、重い正孔の波動関数φＨＨは、逆バイアスの印加により重い正孔が中間層２３ｂとは反対側の向きにシフトして、重い正孔の波動関数φＨＨが局在し、この波動関数φＨＨのピーク値が大きくなる。これ故に、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりは全体として小さくなる。圧縮歪みの井戸層２３ａにより、αパラメータの値が更に負にシフトする。【選択図】図２
2008111982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域と、
ｐ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域と、
活性領域と
を備え、
前記活性領域は、前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域との間に設けられており、
前記活性領域は、井戸層、障壁層および中間層から成る単位積層を含む量子井戸構造を有しており、
前記中間層は、前記井戸層のバンドギャップと前記障壁層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有する材料からなり、
前記単位積層において前記井戸層、前記中間層および前記障壁層は、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域から前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域へ向かう方向に順に配置されており、
前記井戸層に圧縮歪みが加えられている、ことを特徴とする電界吸収型光変調半導体素子。
【請求項２】
前記量子井戸構造は歪補償されている、ことを特徴とする請求項１に記載された電界吸収型光変調半導体素子。
【請求項３】
前記中間層は無歪みである、ことを特徴とする請求項２に記載された電界吸収型光変調半導体素子。
【請求項４】
エネルギバンドダイアグラムにおいて、前記井戸層における軽い正孔のバンド端は、前記井戸層における重い正孔のバンド端と前記中間層における正孔バンド端との間に位置する値である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された電界吸収型光変調半導体素子。
【請求項５】
当該電界吸収型光変調半導体素子は半導体レーザと集積されており、
当該電界吸収型光変調半導体素子は前記半導体レーザからの光を変調する、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された電界吸収型光変調半導体素子。
【請求項６】
前記半導体レーザの井戸層には圧縮歪みが加えられている、ことを特徴とする請求項５に記載された電界吸収型光変調半導体素子。
【請求項７】
前記井戸層はＩｎＧａＡｓＰからなり、
前記障壁層はＩｎＧａＡｓＰからなり、
前記中間層はＩｎＧａＡｓＰからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された電界吸収型光変調半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界吸収型光変調半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光変調器が記載されている。この光変調器は、ウェル層とｎ側のバリア層との間に中間層を挿入すると共に、ウェル層に引張り歪を加えている。バリア層のバンドギャップをＥｂ（ｅＶ）、ウェル層のバンドギャップＥｗ（ｅＶ）、中間層のバンドギャップＥｍ（ｅＶ）の間に、Ｅｗ＜Ｅｍ＜Ｅｂの関係が満たされている。中間層を持つ引っ張り歪量子井戸構造の光変調器は、中間層を持たない引っ張り歪量子井戸構造の光変調器（比較例）と同等の消光比特性を示す一方で、そのチャープ特性は、比較例に比べて低減されている。特許文献１の光変調器によれば、光変調器の消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができる。チャープの低減は、印加電圧範囲の全体にわたってαパラメータが小さい或いは負値であることにより実現される。この文献には、引っ張り歪量子井戸の構造であれば、光変調器の消光特性を劣化させることなくチャープのみを低減させることができると記載されている。
【特許文献１】特開平２００３−２５５２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１によれば、引っ張り歪量子井戸構造においては、印加電圧を加えることによりαパラメータは正の小さな値に変化すると共に、大きな印加電圧に応答してαパラメータは大きな負値に変化する。
【０００４】
特許文献１には引っ張り歪量子井戸構造が好適であることが記載されており、また、多くの研究者は、圧縮歪量子井戸構造に比べて引っ張り歪量子井戸構造では低チャープを実現することが容易であると考えていた。つまり、圧縮歪量子井戸構造では、αパラメータは、印加電圧の広い範囲にわたって、正の小さな値に或いは大きな負値に変化させられない。
【０００５】
αパラメータを小さくするためには、以下の方策が有効である：（１）障壁層に対して井戸層を浅くする。（２）井戸層の幅を厚くする。（３）動作信号光波長を吸収端に近づける。しかしながら、方策（１）は消光比に低下になり、方策（２）は結晶成長に負担を課し、方策（３）は「１レベル」の信号に対する損失を増大させる。
【０００６】
本発明は、このような事情の下に為されたものであり、発明者らの試行錯誤に結果として得られたものである。
【０００７】
本発明の目的は、チャープが低減可能な光変調半導体素子を提供することであり、このチャープ低減は、光変調器の消光特性の劣化を抑制しながら実現される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る電界吸収型光変調半導体素子は、（ａ）ｎ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域と、（ｂ）ｐ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域と、（ｃ）活性領域とを備え、前記活性領域は、前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域と前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域との間に設けられており、前記活性領域は、井戸層、障壁層および中間層から成る単位積層を含む量子井戸構造を有しており、前記中間層は、前記井戸層のバンドギャップと前記障壁層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有する材料からなり、前記単位積層において前記井戸層、前記中間層および前記障壁層は、前記ｐ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域から前記ｎ型III−Ｖ化合物半導体クラッド領域へ向かう方向に順に配置されており、前記井戸層に圧縮歪みが加えられている。
【０００９】
この発明によれば、井戸層、障壁層および中間層が上記のように配列されているので、電子の波動関数を広げることができると共に概波動関数のピーク値を小さくできる。これ故に、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりを小さくでき、入力光の波長成分より短波長領域で光の吸収を小さくできる。したがって、αパラメータを負になり、チャープ特性が良好になる。また、井戸層に圧縮歪みを加えることにより、αパラメータを更に負にする。
【００１０】
本発明による電界吸収型光変調半導体素子では、前記量子井戸構造は歪補償されていることが好ましい。この電界吸収型光変調半導体素子によれば、圧縮歪みの井戸層を得ることができると共に、歪み補償により良好な結晶性を得ることができる。
【００１１】
本発明による電界吸収型光変調半導体素子では、前記中間層は無歪みであることができる。この電界吸収型光変調半導体素子によれば、量子井戸構造の歪み構造を複雑にしない。
【００１２】
本発明による電界吸収型光変調半導体素子では、エネルギバンドダイアグラムにおいて、前記井戸層における軽い正孔のバンド端は、前記井戸層における重い正孔のバンド端と前記中間層における正孔バンド端との間に位置する値である。
【００１３】
この電界吸収型光変調半導体素子によれば、活性領域への逆バイアスの印加に応じて、電子の井戸層への閉じ込めが弱くなりこの結果電子の波動関数のピークが中間層へ向けてシフトする。また、活性領域への逆バイアスの印加に応じて、井戸層の重い正孔が中間層とは反対側にシフトする。このため、井戸層の重い正孔の波動関数と井戸層の電子の波動関数との重なりを小さくでき、上記波長成分より短波長領域における光の吸収を小さくできる。
【００１４】
本発明による電界吸収型光変調半導体素子では、当該電界吸収型光変調半導体素子は半導体レーザと集積されており、当該電界吸収型光変調半導体素子は前記半導体レーザからの光を変調する。この電界吸収型光変調半導体素子は、電界吸収型光変調半導体素子単体として作製されるだけでなく、半導体レーザと電界吸収型光変調半導体素子とを含む光集積素子のために好適な構造を有する。
【００１５】
本発明による電界吸収型光変調半導体素子では、前記半導体レーザの井戸層には圧縮歪みが加えられていることが好ましい。この電界吸収型光変調半導体素子によれば、圧縮歪を有する半導体レーザの井戸層を、同様に圧縮歪を有する電界吸収型光変調半導体素子の井戸層と一緒に選択成長することができる。
【００１６】
本発明による電界吸収型光変調半導体素子では、前記井戸層はＩｎＧａＡｓＰからなり、前記障壁層はＩｎＧａＡｓＰからなり、前記中間層はＩｎＧａＡｓＰからなることが好ましい。この電界吸収型光変調半導体素子によれば、井戸層、障壁層および中間層における組成の変更により、バンドギャップの関係と歪みの関係の両立が容易である。
【００１７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、チャープが低減可能な電界吸収型光変調半導体素子が提供される。このチャープ低減は、光変調器の消光特性の劣化を抑制しながら実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の電界吸収型光変調半導体素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る電界吸収型光変調半導体素子の構造を示す図面である。電界吸収型光変調半導体素子は、所定の波長成分の光を電気信号に応じて変調する。電界吸収型光変調半導体素子１１は、ｎ型クラッド領域１３と、ｐ型クラッド領域１５と、活性領域１７とを備える。活性領域１７は、ｎ型クラッド領域１３とｐ型クラッド領域１５との間に設けられている。ｎ型クラッド領域１３およびｐ型クラッド領域１５はIII−Ｖ化合物半導体からなる。活性領域１７は量子井戸構造２１を有しており、この量子井戸構造２１は単位積層２３を含む。単位積層２３は、井戸層（図１において「Ｗ」として示される）２３ａ、中間層（図１において「Ｍ」として示される）２３ｂおよび障壁層２３ｃ（図１において「Ｂ」として示される）から成る。井戸層２３ａ、中間層２３ｂおよび障壁層２３ｃの各々はIII−Ｖ化合物半導体からなる。また、中間層２３ｂの半導体材料は、井戸層２３ａのバンドギャップＥＷと障壁層２３ｃのバンドギャップＥＢとの間のバンドギャップＥＭを有する。単位積層２３においては、井戸層２３ａ、中間層２３ｂおよび障壁層２３ｃは、ｐ型クラッド領域１３からｎ型クラッド領域１７へ向かう方向に順に配置されている。井戸層２３ａに圧縮歪みが加えられている。
【００２１】
図２（ａ）は、ゼロバイアスにおける、電子、重い正孔、軽い正孔のバンドダイアグラムを示す図面である。横軸は位置（単位：メートル）であり、縦軸はエネルギ（ｅＶ：１ｅＶ＝１．６０２×１０−１９ジュール）である。シンボルＢＥは電子バンド（伝導帯）を示し、シンボルＢＨＨは重い正孔のバンドを示し、シンボルＢＬＨは軽い正孔のバンドを示す。井戸層２３ａに圧縮歪みが加えられているので、井戸層２３ａにおいて、重い正孔のバンドが価電子帯の底になる。つまり、縦軸のエネルギに関して、重い正孔のバンドＢＨＨが軽い正孔のバンドＢＬＨより大きい。このため、伝導帯の電子との相互作用は、主に重い正孔と生じる。電界吸収型光変調半導体素子１１では、エネルギバンドダイアグラムにおいて、井戸層２３ａにおける軽い正孔のバンドＢＬＨのエッジは、井戸層ａにおける重い正孔のバンドＢＨＨのエッジと中間層２３ｂにおける正孔バンドＢＨ（＝ＢＬＨ＝ＢＨＨ）のエッジとの間に位置する値である。電界吸収型光変調半導体素子１１の活性領域１７では、複数の単位積層２３がＺ軸の方向に配列されている。
【００２２】
電界吸収型光変調半導体素子１１には、アノード電極およびカソード電極にそれぞれ負電圧および正電圧が印加される。このため、電界吸収型光変調半導体素子１１のｐｎ接合には逆バイアスが印加される。図２（ｂ）は、逆バイアスにおける、電子、重い正孔のバンドダイアグラムおよび波動関数の概形を示す図面である。
【００２３】
この電界吸収型光変調半導体素子１１によれば、井戸層２３ａ、中間層２３ｂおよび障壁層２３ｃが上記のように配列されている。つまり、井戸層２３ａのｎ側の障壁層２３ｃとの間に中間層２３ｂが位置するので、逆バイアスが印加されたとき、伝導帯の電子の井戸層２３ａへの閉じ込めが弱くなりこの結果電子の波動関数φＥのピークが中間層２３ｂへ向けてシフトする。このため、電子の波動関数φＥが井戸層２３ａおよび中間層２３ｂに広がると共に、電子の波動関数φＥのピーク値が小さくなる。一方、井戸層２３ａのｐ側の障壁層２３ｃとの間には中間層２３ｂがないので、重い正孔の波動関数φＨＨは、逆バイアスが印加されたとき、重い正孔が中間層２３ｂとは反対側の向きにシフトする。このため、重い正孔の波動関数φＨＨが局在すると共に、この波動関数φＨＨのピーク値が大きくなる。これ故に、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりは全体として小さくなり、電界吸収型光変調半導体素子に入射する光の波長成分の短波長側の領域で光の吸収を小さくできる。したがって、αパラメータが負になり、チャープ特性が良好になる。また、井戸層２３ａに圧縮歪みを加えることにより、αパラメータの値が更に負にシフトする。
【００２４】
再び図１を参照すると、電界吸収型光変調半導体素子１１では、半導体メサ２５は、ｎ型クラッド領域１３、ｐ型クラッド領域１５および活性領域１７を含む。ｎ型クラッド領域１３と活性領域１７との間に、第１の光閉じ込め層２７が設けられている。また、ｐ型クラッド領域１５と活性領域１７との間に、第２の光閉じ込め層２９が設けられている。第１の光閉じ込め層２７および第２の光閉じ込め層２９の各々は、III−Ｖ化合物半導体からなる。半導体メサ２５は埋め込み領域３３によって埋め込まれており、アノード電極およびカソード電極間のバイアスは、活性領域１７に効率的に印加される。半導体メサ２５および埋め込み領域３３は、半導体基板３５の主面３５ａ上に設けられている。また、半導体メサ２５および埋め込み領域３３上にクラッド層３７が設けられている。クラッド層３７上には、コンタクト層３９が設けられている。コンタクト層３９上には、第１の電極４１が設けられており、半導体基板３５の裏面３５ｂ上には、第２の電極４３が設けられている。クラッド層３７およびコンタクト層３９の各々は、III−Ｖ化合物半導体からなる。
【００２５】
図１に示された電界吸収型光変調半導体素子１１では、半導体基板３５はｎ導電性を有すると共に、クラッド層３７およびコンタクト層３９はｐ導電性を有する。しかしながら、ｎ導電性を示す半導体基板に替えてｐ型半導体基板を用いることができ、またｐ導電性を有するクラッド層およびコンタクト層に替えて、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層を用いることができる。
【００２６】
量子井戸構造２１は歪補償されていることが好ましい。歪補償された電界吸収型光変調半導体素子によれば、圧縮歪みの井戸層を得ることができると共に、歪み補償により良好な結晶性を得ることができる。図２（ａ）に示されたバンド構造は、歪補償された量子井戸構造２１を示す。つまり、障壁層２３ｃは、歪補償のために引っ張り歪みが加えられているので、障壁層２３ｃでは軽い正孔のバンドが価電子帯の底になる。したがって、障壁層２３ｃにおいて、軽い正孔のバンドＢＬＨは重い正孔のバンドＢＨＨより大きい。
【００２７】
中間層２３ｂは無歪みであることができる。この電界吸収型光変調半導体素子によれば、量子井戸構造の歪み構造を複雑にしない。図２（ａ）に示されたバンド構造は、無歪み中間層を有する。つまり、中間層２３ｂにおいて、重い正孔のバンドＢＨＨと軽い正孔のバンドＢＬＨとは縮退している。
【００２８】
電界吸収型光変調半導体素子１１では、井戸層２３ａはＩｎＧａＡｓＰからなり、障壁層２３ｃはＩｎＧａＡｓＰからなり、中間層２３ｂはＩｎＧａＡｓＰからなることが好ましい。この電界吸収型光変調半導体素子１１によれば、井戸層２３ａ、中間層２３ｂおよび障壁層２３ｃにおける組成の変更により、バンドギャップの関係と歪みの関係の両立が容易である。
【００２９】
図３（ａ）は、図１に示された電界吸収型光変調半導体素子１１によって変調された信号を示す図面である。この変調信号の伝送長は０キロメートルである。図３（ｂ）は、変調信号が１００キロメートル伝送された後の信号を示す図面である。この伝送路の分散量は１６００ｐｓ／ｎｍである。図３（ａ）および図３（ｂ）に示された波形を比較すると、１００キロメートル伝送された後でも、良なアイパターンを示す。図４は、変調信号の強度波形Ｓとチャープ量を示す波形Ｃとを示す図面である。強度波形Ｓの立ち上がりにおいて、チャープ波形Ｃは変調信号が負のチャープを有することを示している。強度波形Ｓの立ち下がりにおいて、チャープ波形Ｃは変調信号が正のチャープを有することを示している。
【００３０】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、０％、０．２５％、０．５％および０．７５％の圧縮歪みをそれぞれ加えた井戸層におけるαパラメータおよび吸収係数と電界との関係を示す図面である。これらは、中間層を含む二重量子井戸構造のαパラメータの計算値を示す。横軸は電界強度を示す。左縦軸は吸収係数を示し、右縦軸はαパラメータを示す。各図面において、αパラメータおよび吸収係数は、１５７０ｎｍ〜１５３０ｎｍの光の波長に対して１００ｎｍステップの波長（λ１、λ２、λ３、λ４、λ５）で計算されている。これらの結果によれば、圧縮歪みを井戸層に加えることにより、αパラメータが負になる傾向にある。井戸層への圧縮歪み量は、例えば１％以下であることが好ましい。これは、歪み量がこれ以上では結晶品質が劣化してしまうからである。また、図５より井戸層への圧縮歪み量は、例えば０．２５％以上であることが好ましい。
【００３１】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍおよび３ｎｍの厚みの中間層におけるαパラメータおよび吸収係数と電界との関係を示す図面である。これらは、中間層を含む二重量子井戸構造のαパラメータを計算値を示す。横軸は電界強度を示す。左縦軸は吸収係数を示し、右縦軸はαパラメータを示す。各図面において、αパラメータおよび吸収係数は、１５７０ｎｍ〜１５３０ｎｍの光の波長に対して１００ｎｍステップの波長（λ１、λ２、λ３、λ４、λ５）で計算されている。これらの結果によれば、ｎ側に中間層を設けることにより、αパラメータが負になる傾向にある。この傾向は、例えば、波長λ＝１．５６μｍの特性線において電界８０ｋＶ／ｃｍにおけるαパラメータの比較から容易に理解される。中間層の厚みは、例えば４ｎｍ以下であることが好ましい。これは、これ以上の厚みでは井戸層の吸収を実効的に抑制することになるからである。また、図６より、中間層の厚みは、例えば２ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
図７は、電界吸収型光変調半導体素子および半導体レーザとを集積した半導体光素子を示す図面である。この電界吸収型光変調半導体素子１１は、電界吸収型光変調半導体素子単体として作製されるだけでなく、半導体レーザ５１と電界吸収型光変調半導体素子１１とを含む光集積素子のために好適な構造を有する。半導体レーザ５１は、例えば分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザである。半導体レーザ５１は、ｎ型クラッド領域１３と、回折格子５３と、ｐ型クラッド領域５５と、活性領域５７とを備える。活性領域５７は、ｎ型クラッド領域１３とｐ型クラッド領域５５との間に設けられている。ｐ型クラッド領域５５は、III−Ｖ化合物半導体からなる。活性領域１７は量子井戸構造を有しており、この量子井戸構造６１は井戸層６３ａおよび障壁層６３ｃから成る。井戸層６３ａおよび障壁層６３ｂの各々はIII−Ｖ化合物半導体からなる。半導体レーザ５１には、アノード電極およびカソード電極にそれぞれ正電圧および負電圧が印加されると、レーザ光が発生される。電界吸収型光変調半導体素子１１は半導体レーザ５１からのレーザ光を変調する。
【００３３】
半導体レーザ５１では、半導体メサ７５は、ｎ型クラッド領域１３、ｐ型クラッド領域５５および活性領域５７を含む。ｎ型クラッド領域１３と活性領域５７との間に、第３の光閉じ込め層６７が設けられている。また、ｐ型クラッド領域５５と活性領域５７との間に、第４の光閉じ込め層６９が設けられている。半導体メサ７５は埋め込み領域３３によって埋め込まれており、アノード電極からカソード電極への電流が、活性領域１７に効率的に閉じ込められる。半導体メサ７５および埋め込み領域３３は、半導体基板３５の主面３５ａ上に設けられている。また、半導体メサ７５および埋め込み領域３３上にクラッド層３７が設けられている。クラッド層３７上には、コンタクト層７１が設けられている。コンタクト層７１は、コンタクト層３９と同じ半導体層から作製され、コンタクト層３９から絶縁されている。コンタクト層７１上には、第３の電極７３が設けられており、半導体基板３５の裏面３５ｂ上に設けられた第２の電極４３は、共通電極として用いられる。
【００３４】
半導体レーザ５１では、電界吸収型光変調半導体素子１１と同様に、半導体基板３５はｎ導電性を有すると共に、コンタクト層７１はｐ導電性を有する。しかしながら、ｎ導電性を示す半導体基板に替えてｐ型半導体基板を用いることができ、またｐ導電性を有するクラッド層およびコンタクト層に替えて、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層を用いることができる。
【００３５】
一例の電界吸収型光変調半導体素子１１は、
半導体基板３５：ｎ型ＩｎＰ
ｎ型クラッド領域１３：ｎ型ＩｎＰ
ｐ型クラッド領域１５：ｐ型ＩｎＰ
活性領域１７（多重量子井戸）
井戸層２３ａ：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：活性層のフォトルミネッセンス波長が１．５２μｍになるように調整される。）
６ｎｍ、０．８％圧縮歪み、
中間層２３ｂ：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．３μｍ）
３ｎｍ、無歪み
障壁層２３ｃ：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．１５μｍ）
１０ｎｍ、０．３％引っ張り歪み
第１の光閉じ込め層２７：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．１５μｍ）
第２の光閉じ込め層２９：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．１５μｍ）
埋め込み領域３３：例えばｎ型ＩｎＰおよびｐ型ＩｎＰ
クラッド層３７：ｐ型ＩｎＰ、厚さ２μｍ
コンタクト層３９：ｐ型ＧａＩｎＡｓ、厚さ２００ｎｍ
第１の電極４１：アノード
第２の電極４３：カソード
である。
【００３６】
また、一例の半導体レーザ５１は、
ｎ型クラッド領域１３：ｎ型ＩｎＰ
ｐ型クラッド領域５５：ｐ型ＩｎＰ
活性領域５７（多重量子井戸）
井戸層６３ａ：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：活性層のフォトルミネッセンス波長が１．５６μｍになるように調整される。）
厚み５ｎｍ
障壁層６３ｂ：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．２μｍ）
厚み１０ｎｍ
第３の光閉じ込め層６７：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．１５μｍ）
第４の光閉じ込め層６９：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：１．１５μｍ）
クラッド層３７：ｐ型ＩｎＰ、厚さ２μｍ
コンタクト層７１：ｐ型ＧａＩｎＡｓ、厚さ２００ｎｍ
第３の電極７３：アノード
第２の電極４３：カソード
である。
【００３７】
半導体メサ２５の量子井戸構造２１および半導体メサ７５の量子井戸構造６１は、誘電体マスクを用いた選択成長により作製されることができる。或いは、半導体メサ２５および半導体メサ７５は、バットジョイント法により作製されることができる。
【００３８】
半導体レーザ１１の井戸層６３ａには圧縮歪みが加えられていることが好ましい。この電界吸収型光変調半導体素子によれば、半導体レーザ５１の井戸層６３ａを電界吸収型光変調半導体素子の井戸層２３ａと一緒に選択成長することができる。また、量子井戸構造６１は歪補償されていることが好ましい。歪補償された半導体レーザによれば、歪み補償により良好な結晶性を得ることができる。半導体レーザ５１の井戸層６３ａが電界吸収型光変調半導体素子の井戸層２３ａと一緒に選択成長されるとき、半導体レーザ５１の井戸層６３ａだけでなく、障壁層６３ｂも電界吸収型光変調半導体素子の障壁層２３ｃと一緒に選択成長され、また量子井戸構造６１は中間層を含む。
【００３９】
半導体メサ２５および半導体メサ７５がバットジョイント法により作製されるとき、半導体レーザ５１の井戸層６３ａの歪みは、電界吸収型光変調半導体素子１１の井戸層２３ａの歪みによって制約されることはない。
【００４０】
図８、図９および図１０を参照しながら、電界吸収型光変調半導体素子１１および半導体レーザ５１を含む半導体光素子を作製する方法の主要な工程を説明する。図８（ａ）に示されるように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板８１上に半導体積層がＭＯＶＰＥ法で成長される。ｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層８２、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８３、量子井戸構造８４、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８５を半導体基板８１上に形成する。量子井戸構造８４は、ＧａＩｎＡｓＰ井戸層およびＧａＩｎＡｓＰ障壁層を含む。次いで、図８（ｂ）に示されるように、誘電体マスクを用いてＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８５の表面にＤＦＢ回折格子のための周期構造８６を形成する。
【００４１】
図８（ｃ）に示されるように、周期構造８６を形成した後にｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層８７を成長する。ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層８７を形成した後に、シリコン酸化物からなる誘電体マスク８８を半導体基板８１の第１のエリア８１ａ上に形成する。
【００４２】
図９（ａ）に示されるように、半導体レーザのための半導体積層８９ａを形成する。誘電体マスク８８を用いて、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層８７、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８５、量子井戸構造８４、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８３およびｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層８２のエッチングを行って、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層８７ａ、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８５ａ、量子井戸構造８４ａ、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８３ａおよびｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層８２ａを形成する。このエッチングは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により行うことができる。
【００４３】
図９（ｂ）に示されるように、半導体基板８１の第２のエリア８１ｂ上の誘電体マスク８８を用いて、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８９、量子井戸構造９０、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層９１およびｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層９２をＭＯＶＰＥ法で順に成長する。この後に、誘電体マスク８８を除去する。
【００４４】
誘電体マスク８８を除去した後に、図９（ｃ）に示されるように、半導体基板８１の第１および第２のエリア８１ａ、８１ｂ上にｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層９３およびｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９４をＭＯＶＰＥ法で順に成長する。
【００４５】
図１０（ａ）に示されるように、半導体メサを形成するための誘電体マスク９５を形成する。図１０（ｂ）に示されるように、この誘電体マスク９５を用いて半導体積層をエッチングして、電界吸収型光変調半導体素子１１のための半導体メサ９６ａおよび半導体レーザ５１のための半導体メサ９６ｂを形成する。半導体メサ９６ａは、ｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層８２ｂ、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８３ｂ、量子井戸構造８４ｂ、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８５ｂ、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層８７ｂ、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層９３ｂおよびｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９４ｂを含む。また、半導体メサ９６ｂは、ｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層８２ｂ、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層８９ｂ、量子井戸構造９０ｂ、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層９１ｂ、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層９２ｂ、ｐ型ＩｎＰ半導体クラッド層９３ｂおよびｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９４ｂを含む。括弧内の参照符号は、半導体メサ９６ａの後側に位置する半導体メサ９６ｂに固有の構成物を示す。
【００４６】
図１０（ｃ）に示されるように、誘電体マスク９５を用いてＩｎＰ半導体９７を堆積して、電界吸収型光変調半導体素子１１のための半導体メサ９６ａおよび半導体レーザ５１のための半導体メサ９６ｂを埋め込む。半導体メサ９６ａおよび半導体メサ９６ｂは、ＩｎＰ半導体埋込層９７で埋め込まれる。埋め込み後に、アノード電極およびカソード電極を形成する。これらの工程により半導体光素子が形成される。
【００４７】
電界吸収型光変調半導体素子１１のための量子井戸構造および半導体レーザ５１のための量子井戸構造の形成は、上記のようなバットジョイント法に限定されることなく、例えば選択成長法によることもできる。選択成長法では、ＤＦＢ型半導体レーザの活性層と電界吸収型光変調器の活性層を同時に成長する。この方法では、選択成長用のマスクを用いてＭＯＶＥＰ法で行われる。基板の主面は、ＤＦＢ型半導体レーザの活性層を形成するための基板の第１のエリア（ＤＦＢレーザ部）と、光変調器の活性層を形成するための第２のエリア（変調器部）を含む。選択成長用マスクは、第１のエリア上に位置する第１の幅の開口（スリット）を有し、第２のエリア上には、マスクのパターンが設けられていない（必要な場合には、第２のエリア上には、第１の幅より大きな第２の幅の開口（スリット）を有するマスクパターンを形成することができる）。マスクの誘電体が周囲に無い変調器部には、設計通り本来の結晶構造が形成される。ＤＦＢレーザ部には活性層の周囲にマスクが形成されているので、成長速度の増加が生じ、変調器部の構造に比べて膜厚の増加とＧａＩｎＡｓＰの組成変化が生じる。変化の量は周囲のマスクの幅（マスク比率）により調整できる。マスク比率を高めるほど、成長速度が上がり井戸層の厚みが増加する。この増加により、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は長波長領域にシフトし、また、ＧａＩｎＡｓＰの組成もＧａに対してＩｎの比率が高まり、ＭＱＷ構造の波長は長波長領域にシフトする。また、半導体レーザでの井戸層にも圧縮歪みが加えられる。変調器部のＭＱＷ構造のフォトルミネッセンスピーク波長に対して４０ｎｍ程度長くなるような選択成長用のマスクの幅を用いることが好ましい。この後は、上記の一実施例と同様に変調器集積型レーザを作成する。
【００４８】
この構造では、半導体レーザの多重量子井戸構造も、井戸層のｎ側に位置する中間層を含む。このＭＱＷ構造では井戸層のｐ側には障壁層が位置しており、半導体レーザでは正孔に比べて質量の小さな電子が有効に井戸層に閉じ込められることが重要であるので、閉じ込め特性に悪い影響を与えることなく、簡易なプロセス方法で変調器の特性を改善できる。
【００４９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、本実施の形態に係る電界吸収型光変調半導体素子の構造を示す図面である。
【図２】図２（ａ）は、ゼロバイアスにおける、電子、重い正孔、軽い正孔のバンドダイアグラムを示す図面である。図２（ｂ）は、逆バイアスにおける、電子、重い正孔のバンドダイアグラムおよび波動関数の概形を示す図面である。
【図３】図３（ａ）は、図１に示された電界吸収型光変調半導体素子１１によって変調された信号を示す図面である。この変調信号の伝送長は０キロメートルである。図３（ｂ）は、変調信号が１００キロメートル伝送された後の信号を示す図面である。
【図４】図４は、変調信号の強度波形Ｓとチャープ量を示す波形Ｃとを示す図面である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、０％、０．２５％、０．５％および０．７５％の圧縮歪みがそれぞれ加えれた井戸層におけるαパラメータおよび吸収係数と電界との関係を示す図面である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｄ）は、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍおよび３ｎｍの厚みの中間層におけるαパラメータおよび吸収係数と電界との関係を示す図面である。
【図７】図７は、電界吸収型光変調半導体素子および半導体レーザとを集積した半導体光素子を示す図面である。
【図８】図８は、電界吸収型光変調半導体素子および半導体レーザを含む半導体光素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図９】図９は、電界吸収型光変調半導体素子および半導体レーザを含む半導体光素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図１０】図１０は、電界吸収型光変調半導体素子および半導体レーザを含む半導体光素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００５１】
１１…電界吸収型光変調半導体素子、１３…ｎ型クラッド領域、１５…ｐ型クラッド領域、１７…活性領域、２１…量子井戸構造、２３…単位積層、２３ａ…井戸層、２３ｂ…中間層、２３ｃ…障壁層、ＥＷ…井戸層のバンドギャップ、ＥＢ…障壁層のバンドギャップ、ＥＭ…中間層のバンドギャップ、ＢＥ…電子バンド（伝導帯）、ＢＨＨ…は重い正孔のバンド、ＢＬＨ…軽い正孔のバンド、φＥ…電子の波動関数、φＨＨ…重い正孔の波動関数、２５…半導体メサ、２７…第１の光閉じ込め層、２９…第２の光閉じ込め層、３３…埋め込み領域、３５…半導体基板、３７…クラッド層、３９…コンタクト層、５１…半導体レーザ、５３…回折格子、５５…ｐ型クラッド領域、５７…活性領域、６１…量子井戸構造、６３ａ…井戸層、６３ｃ…障壁層、６７…第３の光閉じ込め層、６９…第４の光閉じ込め層、７１…コンタクト層、７３…第３の電極、７５…半導体メサ  
【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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