(57)【要約】【課題】  シリコン基板上のレーザを実現する際に、シリコン導波路上に化合物半導体を接着する方法がある。電流注入によるレーザ発振実現が必須であるが、シリコン化合物半導体接着面にアモルファスが形成されるため、シリコン導波路を通して化合物半導体に直接電流注入することは難しい。また、導波路近傍に電極を形成し電流を注入しても、シリコン導波路付近に電流は注入されないため、シリコン導波路を導波するレーザ発振は実現されない。【解決手段】  シリコン導波路の横から電流注入し、かつ電流をシリコン導波路近傍に集中する構造を化合物半導体に形成することにより解決される。具体的な方法は以下の2つである。1つ目は化合物半導体にトンネルジャンクション構造を形成する方法、2つ目は化合物半導体に横方向P-I-Nジャンクションを形成する方法である。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板上に第１導電型の第１のクラッド層、その上に活性層、その上に第２導電型の第２のクラッド層が設けられ、
前記第２のクラッド層上の一部に前記第２のクラッド層のそれに比べて高濃度に不純物がドーピングされた第２導電型の第１の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とが設けられ、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記第２の半導体層のそれに比べて低濃度にドーピングされた第１導電型の第３の半導体層が設けられ、前記第３の半導体層は前記第１および第２の半導体層を覆い、かつ、前記第２のクラッド層上に設けられ、
前記第１および第２の半導体層により電流狭窄を行い、かつ、前記第１乃至第３の半導体層の部分によりトンネルジャンクション構造をなしており、
前記化合物半導体基板上の前記第１のクラッド層のある側と反対側の前記化合物半導体基板上に第１の電極が設けられ、
前記第３の半導体層上であって、かつ、前記トンネルジャンクション構造部分から離間した位置に第２および第３の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をしたシリコン光導波路と、
前記第２および第３の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第４および第５の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、前記第３の電極と前記第５の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記シリコン光導波路の少なくとも一部と前記第３の半導体層との間は接触していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記シリコン光導波路と前記第３の半導体層との接触した部分の両方の外側に前記シリコン光導波路はそれぞれ延在して第１のシリコン光導波路および第２のシリコン光導波路をなし、
前記第１のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第１のリング型共振器が設けられ、前記第１のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第３のシリコン光導波路が設けられ、前記第３のシリコン光導波路の一部に第１の導電型反射鏡が設けられ、
前記第２のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第２のリング型共振器が設けられ、前記第２のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第４のシリコン光導波路が設けられ、前記第４のシリコン光導波路の一部に第２の導電型反射鏡が設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１および第２のリング型共振器の反射率ピークが一致した波長λ１でシングルモード発振することを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記シリコン光導波路の端部と前記第３の半導体層の端部とが、それぞれ第１および第２の反射鏡（31, 32）となっていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
化合物半導体基板上に第１導電型の第１のクラッド層、その上に活性層、その上に第２導電型の第２のクラッド層が設けられ、
前記第２のクラッド層上の一部に前記第２のクラッド層のそれに比べて高濃度に不純物がドーピングされた第２導電型の第１の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とが設けられ、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記第２の半導体層のそれに比べて低濃度にドーピングされた第１導電型の第３の半導体層が設けられ、前記第３の半導体層は前記第１および第２の半導体層を覆い、かつ、前記第２のクラッド層上に設けられ、
前記第１および第２の半導体層により電流狭窄を行い、かつ、前記第１乃至第３の半導体層の部分によりトンネルジャンクション構造をなしており、
前記化合物半導体基板上の前記第１のクラッド層のある側と反対側の前記化合物半導体基板上に第１の電極が設けられ、
前記第３の半導体層上であって、かつ、前記トンネルジャンクション構造部分から離間した位置に第２および第３の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をしたシリコン光導波路と、
前記第２および第３の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第４および第５の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、前記第３の電極と前記第５の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記シリコン光導波路の少なくとも一部と前記第３の半導体層との間は接触していることを特徴とする光増幅装置。
【請求項７】
前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする請求項６記載の光増幅装置。
【請求項８】
前記シリコン光導波路と前記第３の半導体層との接触した部分の両方の外側に前記シリコン光導波路はそれぞれ延在して第１のシリコン光導波路および第２のシリコン光導波路をなし、
前記第１のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第１のリング型共振器が設けられ、前記第１のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第３のシリコン光導波路が設けられ、前記第３のシリコン光導波路の一部に第１の導電型反射鏡が設けられ、
前記第２のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第２のリング型共振器が設けられ、前記第２のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第４のシリコン光導波路が設けられ、前記第４のシリコン光導波路の一部に第２の導電型反射鏡が設けられていることを特徴とする請求項６記載の光増幅装置。
【請求項９】
前記第１および第２のリング型共振器の反射率ピークが一致した波長λ１でシングルモード発振することを特徴とする請求項８記載の光増幅装置。
【請求項１０】
前記シリコン光導波路の端部と前記第３の半導体層の端部とが、それぞれ第１および第２の無反射鏡となっていることを特徴とする請求項６記載の光増幅装置。
【請求項１１】
化合物半導体基板上に設けられた第１の絶縁半導体層上の一部に、導波路型半導体活性層が設けられ、
前記活性層上に、前記活性層へ電流を閉じ込めるための第２の絶縁半導体層が設けられ、
前記活性層および前記第２の絶縁半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記前記活性層および前記第２の絶縁半導体層を有する積層体の一方の側方側には第１導波路型の第１のコンタクト層が設けられ、前記積層体の他方の側方側には第２導波路型の第２のコンタクト層が設けられ、
前記第１のコンタクト層上には第１の電極が設けられ、前記第２のコンタクト層上には第２の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をした第１のシリコン光導波路と、
前記第１および第２の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第３および第４の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第１の電極と前記第３の電極とが固定され、前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記第１のシリコン光導波路の少なくとも一部と前記第２の絶縁半導体層との間は接触していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記第２の絶縁半導体層と接触している前記第１シリコン光導波路と、第２のシリコン光導波路とが接続されており、前記第２のシリコン光導波路は前記シリコン部材上に設けられていることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記第１のシリコン光導波路の端部と前記第２のシリコン光導波路の端部とが、それぞれ第１および第２の反射鏡となっていることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置および光増幅装置に関し、特に半導体レーザ、光増幅器等の、光を増幅する部品に関し、特に、光部品と電子部品とがシリコン基板上に集積化された小型、低価格の光部品に関し、電流注入による光増幅を可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信インフラの急速な広帯域化、コンピュータ等の情報処理能力の飛躍的な増大などに伴って、光送受信器や光スイッチは、高速化はもちろんのこと、小型化、低価格化が要求されている。このような背景のもと、従来用いられていたGaAs、InPに代表される化合物半導体に変わり、シリコン材料を用いて光部品を実現するシリコンフォトニクスの開発が活発になっている。
【０００３】
光導波路、光合分波等の光部品は、シリコン材料を用いた動作が既に確認されている。しかしながら、シリコンは間接遷移型半導体であるために、光を増幅することが難しい。米国インテル社がラマン効果を用いたシリコンレーザを発表した(非特許文献１)が、外部からレーザ光を入射する必要があるという問題点がある。
【０００４】
【非特許文献１】Nature 433, 725-728,(2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、シリコン材料ではその内部で光を増幅することが難しい。そこで、光部品のうち、光導波路、光合分波等の受動部品はシリコンで作製し、レーザや光増幅器等の光増幅が必要な部品は化合物半導体作製することが考えられる。
【０００６】
サンタバーバラ大学は、シリコン導波路上に化合物半導体を接着したレーザの発振を報告した。動作原理は、光モードがシリコンと化合物半導体の両方に重なり、大部分はシリコン中を導波するが、一部が化合物半導体を導波し、そこで光を増幅することによりレーザ発振するというものである(非特許文献２)。しかしながら外部光の励起によりレーザ発振しており、実デバイスへの適用は現実的でない。
【０００７】
実デバイスへ適用するためには、電流注入によるレーザ発振実現が必須であるが、シリコン導波路上に化合物半導体を接着すると、接着面にアモルファスが形成される。このアモルファスは一般的には絶縁体であるために、シリコン導波路を通して化合物半導体に直接電流注入することは難しい。また、導波路近傍に電極を形成し電流を注入しても、シリコン導波路付近に電流は注入されないため、シリコン導波路を導波するレーザ発振は実現されない。
【０００８】
【非特許文献２】Optics Express, Vol. 13, Issue 23, pp. 9460-9464
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、シリコン導波路の横方向から電流注入する方法を2つ考えた。
（１）1つ目の方法は、化合物半導体基板にトンネルジャンクションを設ける方法である。化合物半導体基板上に第1の導電型の第1の半導体層と、半導体活性層と、第2の導電型の第2の半導体層と、基板上の一部にストライプ状に形成され、かつ第2の半導体層と比べ高濃度にドーピングされた第2の導電型の第3の半導体層と、基板上の一部にストライプ状に形成された第1の導電型の第4の半導体層と、第4の半導体層と比べ低濃度にドーピングされた第1の導電型の第5の半導体層とを有するトンネルジャンクション構造を備え、基板の両面のうち前記トンネルジャンクション構造に近い面の一部に第1の電極、前記トンネルジャンクション構造から遠い面の少なくとも一部に第2の電極が備えた化合物半導体部材を製造し、準備する。
【００１０】
更に、シリコン上に埋め込み酸化層を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板上に、シリコン層を矩形に加工することにより形成されたシリコン導波路と、前記半導体活性層に電流を注入するための第3の電極とが一部に備えられたシリコン部材を製造し、準備する。
【００１１】
前記シリコン導波路の延在方向であって、そのシリコン導波路上に前記トンネルジャンクションの延在方向であって、そのトンネルジャンクションが平行に位置するよう前記シリコン部材上に前記化合物半導体部材を接合する。これにより、半導体レーザ導波路を完成させる。これにより前記第1の電極と前記第3の電極とは、化合物半導体部材１０のn型半導体層14に接触する。
【００１２】
本構造を用いて前記第2の電極から第１の電極へ及び前記第2の電極から第3の電極へ電流注入する。これにより、シリコン導波路近傍の化合物半導体部に電流が集中し、シリコン導波路を導波するレーザ発振や光増幅が実現可能である。
（２）2つ目の方法は、化合物半導体基板に横方向P-I-Nジャンクションを形成する方法である。化合物半導体基板上に、基板上の一部にストライプ状に形成された導波路型半導体活性層と、前記導波路型半導体活性層を中心に、第1の側に第1の導電型の第1のコンタクト層と、第2の側に第2の導電性を持つ第2のコンタクト層を備え、第1のコンタクト層の上に第1の電極が、第2のコンタクト層の上に第2の電極が備えられた化合物半導体部材を作製する。更にシリコン基板の上に埋め込み酸化層を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板上に、シリコン層を矩形に加工することにより形成されたシリコン導波路と、第1の導電型の第3の電極と第2の導電型の第4の電極とが備えられたシリコン部材を作製する。前記シリコン導波路の上に前記半導体活性層を平行して位置するよう前記シリコン部材上に前記化合物半導体部材を接合し、半導体レーザ導波路を形成し、前記第1の電極と前記第3の電極とを接触し、前記第2の電極と前記第4の電極とを接触する構造を作る方法である。本構造を用いて第3の電極から第4の電極へ電流注入すれば、シリコン導波路近傍の化合物半導体部に電流が集中し、シリコン導波路を導波するレーザ発振や光増幅が実現する。
【００１３】
最近、サンタバーバラ大学と米国インテル社が、プロトンを注入することにより電流を狭窄し、横注入することにより、電流注入によりレーザ発振する構造を発表した(非特許文献３)。しかし半導体活性層近くにプロトンを注入すると長期信頼性が劣化することが懸念される。本発明は、半導体活性層近くにプロトンを注入しないため高い長期信頼性が期待できる。
【００１４】
本発明の実施例に係る要旨は次の通りである。
【００１５】
１．化合物半導体基板上に第１導電型の第１のクラッド層、その上に活性層、その上に第２導電型の第２のクラッド層が設けられ、
前記第２のクラッド層上の一部に前記第２のクラッド層のそれに比べて高濃度に不純物がドーピングされた第２導電型の第１の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とが設けられ、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記第２の半導体層のそれに比べて低濃度にドーピングされた第１導電型の第３の半導体層が設けられ、前記第３の半導体層は前記第１および第２の半導体層を覆い、かつ、前記第２のクラッド層上に設けられ、
前記第１および第２の半導体層により電流狭窄を行い、かつ、前記第１乃至第３の半導体層の部分によりトンネルジャンクション構造をなしており、
前記化合物半導体基板上の前記第１のクラッド層のある側と反対側の前記化合物半導体基板上に第１の電極が設けられ、
前記第３の半導体層上であって、かつ、前記トンネルジャンクション構造部分から離間した位置に第２および第３の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をしたシリコン光導波路と、
前記第２および第３の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第４および第５の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、前記第３の電極と前記第５の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記シリコン光導波路の少なくとも一部と前記第３の半導体層との間は接触していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【００１６】
２．前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする上記１記載の半導体レーザ装置。
【００１７】
３．前記シリコン光導波路と前記第３の半導体層との接触した部分の両方の外側に前記シリコン光導波路はそれぞれ延在して第１のシリコン光導波路および第２のシリコン光導波路をなし、
前記第１のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第１のリング型共振器が設けられ、前記第１のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第３のシリコン光導波路が設けられ、前記第３のシリコン光導波路の一部に第１の導電型反射鏡が設けられ、
前記第２のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第２のリング型共振器が設けられ、前記第２のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第４のシリコン光導波路が設けられ、前記第４のシリコン光導波路の一部に第２の導電型反射鏡が設けられていることを特徴とする上記１記載の半導体レーザ装置。
【００１８】
４．前記第１および第２のリング型共振器の反射率ピークが一致した波長λ１でシングルモード発振することを特徴とする上記３記載の半導体レーザ装置。
【００１９】
５．前記シリコン光導波路の端部と前記第３の半導体層の端部とが、それぞれ第１および第２の反射鏡（31, 32）となっていることを特徴とする上記１記載の半導体レーザ装置。
【００２０】
６．化合物半導体基板上に第１導電型の第１のクラッド層、その上に活性層、その上に第２導電型の第２のクラッド層が設けられ、
前記第２のクラッド層上の一部に前記第２のクラッド層のそれに比べて高濃度に不純物がドーピングされた第２導電型の第１の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とが設けられ、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記第２の半導体層のそれに比べて低濃度にドーピングされた第１導電型の第３の半導体層が設けられ、前記第３の半導体層は前記第１および第２の半導体層を覆い、かつ、前記第２のクラッド層上に設けられ、
前記第１および第２の半導体層により電流狭窄を行い、かつ、前記第１乃至第３の半導体層の部分によりトンネルジャンクション構造をなしており、
前記化合物半導体基板上の前記第１のクラッド層のある側と反対側の前記化合物半導体基板上に第１の電極が設けられ、
前記第３の半導体層上であって、かつ、前記トンネルジャンクション構造部分から離間した位置に第２および第３の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をしたシリコン光導波路と、
前記第２および第３の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第４および第５の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、前記第３の電極と前記第５の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記シリコン光導波路の少なくとも一部と前記第３の半導体層との間は接触していることを特徴とする光増幅装置。
【００２１】
７．前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする上記６記載の光増幅装置。
【００２２】
８．前記シリコン光導波路と前記第３の半導体層との接触した部分の両方の外側に前記シリコン光導波路はそれぞれ延在して第１のシリコン光導波路および第２のシリコン光導波路をなし、
前記第１のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第１のリング型共振器が設けられ、前記第１のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第３のシリコン光導波路が設けられ、前記第３のシリコン光導波路の一部に第１の導電型反射鏡が設けられ、
前記第２のシリコン光導波路の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第２のリング型共振器が設けられ、前記第２のリング型共振器の近くであって、かつ、前記シリコン部材上に第４のシリコン光導波路が設けられ、前記第４のシリコン光導波路の一部に第２の導電型反射鏡が設けられていることを特徴とする上記６記載の光増幅装置。
【００２３】
９．前記第１および第２のリング型共振器の反射率ピークが一致した波長λ１でシングルモード発振することを特徴とする上記８記載の光増幅装置。
【００２４】
１０．前記シリコン光導波路の端部と前記第３の半導体層の端部とが、それぞれ第１および第２の無反射鏡となっていることを特徴とする上記６記載の光増幅装置。
【００２５】
１１．化合物半導体基板上に設けられた第１の絶縁半導体層上の一部に、導波路型半導体活性層が設けられ、
前記活性層上に、前記活性層へ電流を閉じ込めるための第２の絶縁半導体層が設けられ、
前記活性層および前記第２の絶縁半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記前記活性層および前記第２の絶縁半導体層を有する積層体の一方の側方側には第１導波路型の第１のコンタクト層が設けられ、前記積層体の他方の側方側には第２導波路型の第２のコンタクト層が設けられ、
前記第１のコンタクト層上には第１の電極が設けられ、前記第２のコンタクト層上には第２の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をした第１のシリコン光導波路と、
前記第１および第２の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第３および第４の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第１の電極と前記第３の電極とが固定され、前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記第１のシリコン光導波路の少なくとも一部と前記第２の絶縁半導体層との間は接触していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【００２６】
１２．前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする上記１１記載の半導体レーザ装置。
【００２７】
１３．前記第２の絶縁半導体層と接触している前記第１シリコン光導波路と、第２のシリコン光導波路とが接続されており、前記第２のシリコン光導波路は前記シリコン部材上に設けられていることを特徴とする上記１１記載の半導体レーザ装置。
【００２８】
１４．前記第１のシリコン光導波路の端部と前記第２のシリコン光導波路の端部とが、それぞれ第１および第２の反射鏡となっていることを特徴とする上記１１記載の半導体レーザ装置。
【００２９】
【非特許文献３】Optics Express, Vol. 14, Issue 20, pp. 9203-9410
【発明の効果】
【００３０】
本発明によればＳＯＩ基板上のシリコン導波路に光を導波させ、かつ、化合物半導体部材のトンネルジャンクション構造への電流注入により、レーザ発振や光増幅の実現が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて詳細に述べる。
【００３２】
＜実施例１＞
図1AおよびBに本発明の第１の実施例を示す。本実施例は、端面31、32間でレーザ共振器を形成し、レーザ発振を実現する例である。図1Aは化合物半導体の斜視図、図1BはSOI(Silicon on Insulator)基板の斜視図、図1Cは全体の斜視図、図1Dは全体の上面図である。図7は全体の上面図に電流注入経路を明示した図である。
【００３３】
図1Aに示すように、InPを材料とする化合物半導体基板121上には、n型半導体層11（例えば、第１のクラッド層。以下、同じ。）と、半導体活性層12と、p型半導体層13（例えば、第２のクラッド層。以下、同じ。）とが設けられている。さらに、p型半導体層13の上には、p型の半導体層13と比べ高濃度にドーピングされたp型半導体層15と、n型半導体層16と、n型半導体層15と比べ低濃度にドーピングされたn型半導体層14からなるトンネルジャンクション構造20が設けられている。
【００３４】
p型半導体層15とn型半導体層16とがストライプ形状となっており、n型半導体層14は、p型半導体層15とn型半導体層16とを覆い、かつ、p型の半導体層13上に設けられている。
【００３５】
n型半導体層14の上には、図示のように、部分的に第１の電極17および18が設けられている。化合物半導体基板121上のn型半導体層11と反対側の面の少なくとも一部には、図示のように、第2の電極19が設けられている。
【００３６】
これら全体を化合物半導体部材10と呼ぶことにする。
【００３７】
図1Bに示すように、シリコン基板27上に埋め込み酸化層22を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板21は、シリコン層を矩形に加工することにより形成されたシリコン導波路23と、前記半導体活性層12に電流を注入するための第3の電極24、25を備える。これら全体をシリコン部材26と呼ぶことにする。
【００３８】
図1Cに示すように、シリコン導波路23の延在方向が化合物半導体部材10内のトンネルジャンクション20の延在方向に対して平行に位置するよう、シリコン部材26上に化合物半導体部材10を接合する。これにより、半導体レーザ装置を形成する。シリコン導波路23と半導体層14の接合は、真空中にて接合表面をプラズマにて清浄化することにより、接合する。このとき同時に、電極17と電極24、電極18と電極25とを接触、接続することにより、電流注入を可能とする。
【００３９】
この結果、図7に示すように、電流は電極24、及び25から、n型半導体層14、及びトンネルジャンクション20を通って電極19に注入される。このとき半導体活性層12に注入される電流は、シリコン23と化合物半導体14との界面を通らないため、抵抗が低い状態での電流注入が可能となる。またトンネルジャンクションが形成されているために、光のモードが集中するシリコン導波路23近傍に電流が集中し、効率がよく光が増幅される。
【００４０】
最後に、図1Dに示すように化合物半導体部材10とシリコン部材26の両端面を劈開し反射鏡31、32を形成すると、ファブリペロー半導体レーザ装置となる。
【００４１】
本レーザ装置は、電流注入によりしきい値20mAで多モード発振する。
【００４２】
また、反射鏡31、32に無反射膜を形成することにより、半導体レーザ装置に代えて、光増幅器装置とすることができる。本光増幅器は、300mAの電流注入により、15dBでだけ増幅する。
【００４３】
本実施例では化合物半導体材料をInPとしたが、GaAsでもよい。
【００４４】
＜実施例２＞
図2に本発明の第２の実施例を示す。本実施例は、端面61、62間でレーザ共振器を形成し、レーザ発振を実現する例である。図2Aは化合物半導体の斜視図、図2BはSOI(Silicon on Insulator)基板の斜視図、図2Cは化合物半導体部材とSOI基板とを組み合わせた、例えば、半導体レーザ装置全体の斜視図、図2(d)はその全体の上面図である。図8は全体の鳥瞰図に電流注入経路を明示した図である。
【００４５】
図2Aに示すように、InPを材料とする化合物半導体基板40上の絶縁半導体層41上の一部にストライプ状に形成された半導体活性層42と、活性層への電流を閉じ込めるための絶縁半導体層43と、n型にドーピングされたコンタクト層44と、p型にドーピングされたコンタクト層45を備え、コンタクト層44上に電極46が、コンタクト層45上に電極47を備える。これを化合物半導体部材50と呼ぶ。
【００４６】
図2Bに示すように、シリコン基板上に埋め込み酸化層52を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板51は、シリコン層57を矩形に加工することにより形成されたシリコン導波路53と、電極54、55を備える。これをシリコン部材56と呼ぶ。
【００４７】
図2Cに示すように、シリコン導波路53の延在方向と半導体基板上の半導体活性層42の延在方向とが平行に位置するよう、シリコン部材56上に化合物半導体部材50を接合する。これにより、半導体レーザ導波路を形成する。
【００４８】
シリコン導波路53と半導体層43の接合は、真空中にて接合表面をプラズマにて清浄化し、その後に接合する方が望ましい。このとき同時に、電極47と電極54、電極48と電極55とを接続する。
【００４９】
このとき半導体活性層に注入される電流は、シリコンと化合物半導体の界面を通らないため、抵抗が低い状態での電流注入が可能となる。また光のモードが集中するシリコン導波路23近傍に電流が集中し、効率がよく光が増幅される。
【００５０】
最後に、図1Dに示すように化合物半導体部材50とシリコン部材56の両端面を劈開し反射鏡61、62を形成すると、ファブリペローレーザとなる。
【００５１】
本レーザは、電流注入によりしきい値20mAで多モード発振する。
【００５２】
また、反射鏡31、32に無反射膜を形成することにより、半導体レーザ装置に代えて、光増幅装置とすることができる。本光増幅装置は、300mAの電流注入により、15dBでだけ増幅した。
本実施例では化合物半導体材料をInPとしたが、GaAsでもよい。
【００５３】
＜実施例3＞
図3に本発明の第３の実施例を示す。この実施例は、実施例1に記載の化合物半導体部材に回折格子を追加して形成することにより、分布帰還型レーザとしたものである。
【００５４】
図3Aに示すように、InPを材料とする化合物半導体部材80は、まず、n型半導体層11の一部であって、活性層上に回折格子71を形成した。その後は実施例1と同じ工程を経て、化合物半導体部材80は完成する。
【００５５】
図3Bに示すように、シリコン部材26は実施例1と同じ工程を経て完成する。
【００５６】
そして、図3Cに示すように、実施例1と同じ工程を経て、半導体レーザ装置がは完成する。
【００５７】
本実施例では、回折格子があるために端面反射鏡が不要である。このため、図3Dに示すように、シリコン導波路23にシリコン導波路81を接続する構成とすることが可能である。
【００５８】
本レーザ装置は、電流注入によりしきい値20mAでシングルモード発振可能である。
【００５９】
＜実施例4＞
図4に本発明の第４の実施例を示す。この実施例は、実施例2に記載の化合物半導体部材に回折格子を追加して形成することにより、分布帰還型レーザとしたものである。
【００６０】
図4Aに示すように、InPを材料とする化合物半導体部材100は、まず、絶縁半導体層41にの一部であって、活性層上に回折格子91を形成する。その後は実施例2と同じ工程を経て、化合物半導体部材100は完成する。
【００６１】
図4Bに示すように、シリコン部材26は実施例2と同じ工程を経て完成する。
【００６２】
そして、図3Cに示すように、実施例1と同じ工程を経て、レーザは完成する。
【００６３】
本実施例では、回折格子があるために端面反射鏡が不要である。このため、図4Dに示すように、シリコン導波路23にシリコン導波路91を接続する構成とすることが可能である。
【００６４】
本レーザ装置は、電流注入によりしきい値20mAでシングルモード発振可能である。
【００６５】
＜実施例5＞
図5に本発明の第５の実施例を示す。シリコン部材101の光導波路の両端面に反射鏡が形成されている実施例である。
【００６６】
化合物半導体部材においては、実施例１に示した化合物半導体部材10、または実施例2に示した化合物半導体部材50と同様のものである。
【００６７】
シリコン部材101は、SOI基板上のシリコン層を加工し、図5のような光導波路を形成する。シリコン導波路53の一方の側に、シリコン導波路102、リング型共振器103、シリコン導波路104、回折格子（または導電型反射鏡ともいう。以下、同じ。）105が光学的に接続されている。シリコン導波路53の逆側に、シリコン導波路106、リング型導波路107、シリコン導波路108、回折格子（または導電型反射鏡ともいう。以下、同じ。）109が光学的に接続されている。さらに、シリコン導波路106に、レーザ出力を取り出すためのシリコン導波路110が接続されている。
【００６８】
図6を用いて、動作原理を説明する。図6に示すように、リング型共振器は狭い波長範囲でのみ反射する。本実施例のレーザでは、リング型共振器103の反射率ピークとリング型共振器107の反射率ピークが一致した波長λ1でシングルモード発振する。
【００６９】
本レーザは、電流注入によりしきい値20mAでシングルモード発振することが可能である。
【００７０】
本実施例ではトンネルジャンクションを持つ化合物半導体部材10を用いたが、横方向P-I-Nジャンクションをもつ化合物半導体部材250を用いてもよい。
【００７１】
本発明に関連する技術的事項は次の通りである。
【００７２】
１．化合物半導体基板上に設けられた第１の絶縁半導体層上の一部に、導波路型半導体活性層が設けられ、
前記活性層上に、前記活性層へ電流を閉じ込めるための第２の絶縁半導体層が設けられ、
前記活性層および前記第２の絶縁半導体層とは重なっていて、かつ、ストライプ形状となっており、
前記前記活性層および前記第２の絶縁半導体層を有する積層体の一方の側方側には第１導波路型の第１のコンタクト層が設けられ、前記積層体の他方の側方側には第２導波路型の第２のコンタクト層が設けられ、
前記第１のコンタクト層上には第１の電極が設けられ、前記第２のコンタクト層上には第２の電極が設けられた化合物半導体部材と、
シリコン部材上に埋込酸化層を介してシリコン層が設けられたSOI (Silicon on Insulator)基板上にストライプ形状をした第１のシリコン光導波路と、
前記第１および第２の電極にそれぞれ固定して前記活性層に電流を供給するための第３および第４の電極が互いに離間して設けられたシリコン部材とを有し、
前記第１の電極と前記第３の電極とが固定され、前記第２の電極と前記第４の電極とが固定され、それらが固定されたときに、前記第１のシリコン光導波路の少なくとも一部と前記第２の絶縁半導体層との間は接触していることを特徴とする光増幅装置。
【００７３】
２．前記活性層の近くに回折格子が設けられることにより分布帰還型としていることを特徴とする上記１記載の光増幅装置。
【００７４】
３．前記第２の絶縁半導体層と接触している前記第１シリコン光導波路と、第２のシリコン光導波路とが接続されており、前記第２のシリコン光導波路は前記シリコン部材上に設けられていることを特徴とする上記１記載の光増幅装置。
【００７５】
４．前記第１のシリコン光導波路の端部と前記第２のシリコン光導波路の端部とが、それぞれ第１および第２の無反射鏡となっていることを特徴とす上記１記載の光増幅装置。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１Ａ】本発明の実施例１に示す半導体レーザである。
【図１Ｂ】本発明の実施例１に示す半導体レーザである。
【図１Ｃ】本発明の実施例１に示す半導体レーザである。
【図１Ｄ】本発明の実施例１に示す半導体レーザである。
【図２Ａ】本発明の実施例２に示す半導体レーザである。
【図２Ｂ】本発明の実施例２に示す半導体レーザである。
【図２Ｃ】本発明の実施例２に示す半導体レーザである。
【図２Ｄ】本発明の実施例２に示す半導体レーザである。
【図３Ａ】本発明の実施例３に示す半導体レーザである。
【図３Ｂ】本発明の実施例３に示す半導体レーザである。
【図３Ｃ】本発明の実施例３に示す半導体レーザである。
【図３Ｄ】本発明の実施例３に示す半導体レーザである。
【図４Ａ】本発明の実施例４に示す半導体レーザである。
【図４Ｂ】本発明の実施例４に示す半導体レーザである。
【図４Ｃ】本発明の実施例４に示す半導体レーザである。
【図４Ｄ】本発明の実施例４に示す半導体レーザである。
【図５】本発明の実施例５に示す半導体レーザの上面図である。
【図６】本発明の実施例５に示す半導体レーザの動作原理説明図である。
【図７】本発明の実施例１に示す半導体レーザの説明を補助する図である。
【図８】本発明の実施例２に示す半導体レーザの説明を補助する図である。
【符号の説明】
【００７７】
10‥化合物半導体部材、11‥n型半導体層、12‥半導体活性層、13‥p型半導体層、14‥n型半導体層、15‥p型半導体層、16‥n型半導体層、17‥電極、18‥電極、19‥電極、20‥トンネルジャンクション構造、21‥SOI基板、22‥埋め込み酸化層、23‥シリコン導波路、24‥電極、25‥電極、26‥シリコン部材、27‥シリコン基板、31‥反射鏡、32‥反射鏡、40‥化合物半導体基板、41‥絶縁半導体層、42‥半導体活性層、43‥絶縁半導体層、44‥コンタクト層、45‥コンタクト層、46‥電極、47‥電極、50‥化合物半導体部材、51‥SOI基板、52‥埋め込み酸化層、53‥シリコン導波路、54‥電極、55‥電極、56‥シリコン部材、57‥シリコン基板、61‥反射鏡、62‥反射鏡、71‥回折格子、80‥化合物半導体部材、81‥シリコン導波路、91‥回折格子、100‥化合物半導体部材、101‥シリコン部材、102‥シリコン導波路、103‥リング型共振器、104‥シリコン導波路、105‥回折格子（または導電型反射鏡ともいう。）、106‥シリコン導波路、107‥リング型共振器、108‥シリコン導波路、109‥回折格子（または導電型反射鏡ともいう。）、110‥レーザ出力を取り出すためのシリコン導波路。
121‥半導体基板
131、132、133‥電流注入経路。
【図１Ａ】
2008198957.tif 000003
【図１Ｂ】
2008198957.tif 000004
【図１Ｃ】
2008198957.tif 000005
【図１Ｄ】
2008198957.tif 000006
【図２Ａ】
2008198957.tif 000007
【図２Ｂ】
2008198957.tif 000008
【図２Ｃ】
2008198957.tif 000009
【図２Ｄ】
2008198957.tif 000010
【図３Ａ】
2008198957.tif 000011
【図３Ｂ】
2008198957.tif 000012
【図３Ｃ】
2008198957.tif 000013
【図３Ｄ】
2008198957.tif 000014
【図４Ａ】
2008198957.tif 000015
【図４Ｂ】
2008198957.tif 000016
【図４Ｃ】
2008198957.tif 000017
【図４Ｄ】
2008198957.tif 000018
【図５】
2008198957.tif 000019
【図６】
2008198957.tif 000020
【図７】
2008198957.tif 000021
【図８】
2008198957.tif 000022