(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体からなる活性領域を含む第１コア層と、
前記第１コア層を挟持するｐ型半導体からなる第１クラッド層およびｎ型半導体からなる第２クラッド層と、
前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の下部に設けられた第３クラッド層とを含む半導体光素子において、
前記第３クラッド層が、
熱伝導率が前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のいずれより大きく、
屈折率が前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のいずれより小さく、
バンドギャップが前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のいずれより大きい材料を含んで構成された
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子において、
前記第３クラッド層が、１種類の材料で構成された、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体光素子において、
前記第３クラッド層を構成する材料が、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム），Ｃ（ダイアモンド）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）の少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
光の動作波長をλ、前記第１コア層の平均的な屈折率をｎｃｏｒｅ、前記第３クラッド層の材料の屈折率をｎｃｌａｄとすると、前記第１コア層の厚さｔが、
0006738488.tif 000004
の関係を満たす
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体光素子において、
前記第３クラッド層が、異なる２種類の材料で構成された、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体光素子において、
前記第３クラッド層を構成する前記２種類の材料の、一方が熱伝導率が大きい半導体であり、他方が屈折率が小さくバンドギャップが大きい絶縁材料である、
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体光素子において、
前記絶縁材料の層の厚みが、光をコアに閉じ込めるが放熱効果は得られる程度に規定されている
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
前記第３クラッド層の中に第２コア層が挿入されており、前記第１コア層と前記第２コア層が光学的にカップリングしている
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
前記第１クラッド層、前記第１コア層、前記第２クラッド層が前記第３クラッド層の面に沿って配置されており、
前記第１コア層に対する注入電流の方向が前記第３クラッド層の面に沿って略平行な方向である
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
前記第１クラッド層、前記第１コア層、前記第２クラッド層が前記第３クラッド層の面に垂直に配置されており、
前記第１コア層に対する注入電流の方向が前記第３クラッド層の面に垂直な方向である
ことを特徴とする半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光素子に関し、特に高熱伝導・高バンドギャップ・低屈折率のクラッドを用いて高い熱伝導と高い光閉込めを両立させる半導体構造を有する半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、小型低消費電力な電子素子（電子デバイス）として広く普及している。特に、発光・受光・光変調などを行う半導体レーザを始めとする半導体光素子は、光情報通信システムを構成する重要な部品である。【０００３】
光情報通信システムにおいて、半導体光素子の材料としては、発光性の観点からＩｎＰ（インジウム燐）やＧａＡｓ（ガリウム砒素）等の直接遷移型の化合物半導体がおもに用いられている。しかし、ＩｎＰやＧａＡｓ等の材料は熱伝導性が良好とは言えず、素子の動作中の発熱による温度上昇で特性が制限されていた（例えば、非特許文献１）。【０００４】
一方、半導体素子の材料として広く用いられているＳｉ（シリコン）は、ＩｎＰやＧａＡｓなどの化合物半導体に比べて熱伝導性は高いが、間接遷移型の半導体であるため発光素子の活性層の材料として用いることは非常に困難である。【０００５】
また、Ｓｉは屈折率がＩｎＰやＧａＡｓよりも高く、光閉込めの観点からはクラッド層に用いることができない。ＳｉはＩｎＰやＧａＡｓ等で構成される活性層（コア）材料からは、屈折率がより低い他のクラッド材料を介して十分に距離を取って配置する必要があり、Ｓｉを用いて半導体光素子の放熱性を向上させることも困難であった。【０００６】
さらに、ＩｎＰ系半導体光素子の場合、光閉込めに必要な活性層（コア）材料（ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓ等）とクラッド材料（ＩｎＰ等）の屈折率差が大きく取れず、デバイス特性の向上に限界があった。【０００７】
ＩｎＰ系半導体光素子のコア−クラッド間の屈折率差を大きく取るための方策としては、クラッド材料として屈折率の小さな空気や絶縁膜（例えばＳｉ基板上に形成されたＳｉＯ２膜）を採用する半導体レーザが提案されている（例えば、非特許文献２）。この従来例では、電流注入の小さい、すなわち温度上昇が少ない領域での素子特性が大幅に向上している。【０００８】
しかし、空気や絶縁膜のような絶縁材料をクラッド材料に用いると熱伝導特性が悪化するため、より一層素子の温度上昇が大きくなり、熱による特性の劣化が顕著であった。【０００９】
更に、この構造においては、コア層の主たる材料であるＩｎＰと基板材料であるＳｉの間の熱膨張係数の差により、製造工程の昇温プロセスにおける上昇温度にも限定が生じてしまう。【００１０】
熱伝導率が高い材料としては、金属材料も考えられる。例えばＡｕ(金)は熱伝導率がＳｉよりも高く、光通信に用いる波長においては複素屈折率の実部も小さい。しかし、複素屈折率の虚部が大きいため光の吸収損失が大きく、光導波路内への光閉込めが実現できないので、クラッド材料として用いるには適さない。クラッド材料としては、光素子の動作波長において複素屈折率の虚部（光の吸収損失）が小さい材料を用いる必要がある。【００１１】
さらに金属などの導電性の材料は、基板上に形成された半導体光素子に基板面と平行な方向に電流を注入する、または電界を印加する半導体光素子においては、動作に必要なキャリアの抜け道として働いてしまい、電流注入及び電界印加が行えないという問題もある。クラッド材料として半導体光素子に電流注入または電界印加を適切に行えるためには、クラッド材料はコア層およびｐ型、ｎ型半導体層よりもバンドギャップが大きく、半導体光素子中の半導体キャリアに対して障壁として働く材料である必要がある。【００１２】
これらの問題のため、光閉込めと高い熱伝導を両立し、効率的に半導体光素子の活性層への電流注入または電界印加を可能とする半導体光素子の構造はこれまでに実現されていなかった。【００１３】
一方、これまでにも熱伝導率が大きい材料としてＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化ケイ素）を基板として用いて、その基板上に、半導体光素子チップをマウントして放熱性を向上させる試みが行われている（非特許文献３）。しかし非特許文献３では、単にＳｉＣ基板上に作製済みのレーザチップを載せた構造であるため、基板垂直方向への光閉込めに屈折率が低く放熱性の良い材料を利用した構造とはなっていない。すなわち非特許文献３では、半導体光素子チップの下部クラッド材料としてはＩｎＰを採用しており、活性層及びコア層とクラッド層の間で屈折率差が大きくなく、光閉込め係数を大きくできない問題もあった。【００１４】
以上のように、これまでは放熱性を向上させるための材料と光閉込めを実現する材料とは別々に検討されており、放熱性を向上させる材料の光学的な特性については考えられてこなかった。また、電気的な特性についても検討されていなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】W. Kobayashi, T. Ito, T. Yamanaka, T. Fujisawa, Y. Shibata, T. Kurosaki, M. Kohtoku, T. Tadokoro, and H. Sanjoh, “50-Gb/s direct modulation of a 1.3-μm InGaAlAs-based DFB laser with a ridge waveguide structure”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 19, no. 4, pp. 1500908-1500908, Jul. 2013.
【非特許文献２】T. Fujii, T. Sato, K. Takeda, K. Hasebe, T. Kakitsuka, and S. Matsuo, “Epitaxial growth of InP to bury directly bonded thin active layer on SiO2/Si substrate for fabricating distributed feedback lasers on silicon”, IET Optoelectron., vol. 9, no. 4, pp. 151-157, Aug. 2015.
【非特許文献３】S. Tsuji, K. Mizuishi, Y. Nakayama, M. Shimaoka, and M. Hirao, “InGaAsP/InP Laser Diodes Mounted on Semi-Insulating SiC Ceramics”, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 22, no. S1, p. 239, Jan. 1983.
【非特許文献４】J. A. Alamo, T. Mizutani, “Rapid thermal annealing of InP using GaAs and InP proximity caps”, Published by the American Institute of Physics”, J. Appl. Phys., vol. 62, pp. 3456-3458, 1987.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
半導体レーザの高出力化、直接変調の高速化のためには、半導体レーザを高い注入電流で動作させること（高注入電流動作）が必須であるが、ジュール熱による発熱のため動作電流は制限されるので、高い熱伝導性を有する材料が求められる。また、低閾値電流動作と直接変調効率の高効率化のためには、光閉じ込めの増大が有効であるが、従来利用されてきたＩｎＰやＧａＡｓ等の化合物半導体材料を用いた半導体光素子では、高い光閉じ込めと高い熱伝導の両立が困難であった。【００１７】
さらに、ＩｎＰとＳｉなどの異種材料を集積したデバイスにおいては、異種材料間の熱膨張係数の差により、製造工程の昇温プロセスにおいて、材料間の熱膨張差に由来する熱応力が発生して、半導体光素子内に欠陥が生じる問題もあった。【００１８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、半導体光素子のコア層に隣接して又は薄膜の絶縁膜を介して形成されたクラッド層の熱伝導度が、光素子活性層及びコア層及び、ｎ型及びｐ型半導体層を形成する材料よりも高く、屈折率が小さくバンドギャップが大きい、かつ熱膨張係数がコア層と同程度の材料とすることで、高性能な光素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。【００２０】
本発明の一実施形態に係る半導体光素子は、
化合物半導体からなる活性領域を含む第１コア層と、
前記第１コア層を挟持するｐ型半導体からなる第１クラッド層およびｎ型半導体からなる第２クラッド層と、
第３クラッド層を含む半導体光素子において、
前記第３クラッド層が、
熱伝導率が前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のいずれより大きく、
屈折率が前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のいずれより小さく、
バンドギャップが前記第１コア層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層のいずれより大きい材料を含んで構成されたことを特徴とする。【００２１】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記第３クラッド層が、１種類の材料で構成されたことを特徴とする。【００２２】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記第３クラッド層を構成する材料が、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム），Ｃ（ダイアモンド）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）の少なくとも一つを含む、
ことを特徴とする。【００２３】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、光の動作波長をλ、前記第１コア層の平均的な屈折率をｎcore、前記第３クラッド層の材料の屈折率をｎcladとすると、前記第１コア層の厚さｔが、
0006738488.tif 000002
の関係を満たすことを特徴とする。【００２４】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記第３クラッド層が、少なくとも異なる２種類の材料で構成された、ことを特徴とする。【００２５】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、 前記第３クラッド層を構成する前記２種類の材料の、一方が熱伝導率が大きい半導体であり、他方が屈折率が小さくバンドギャップが大きい絶縁材料であることを特徴とする。【００２６】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記絶縁材料の層の厚みが、光をコアに閉じ込めるが放熱効果は得られる程度に規定されていることを特徴とする。【００２７】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記第３クラッド層の中に第２コア層が挿入されており、前記第１コア層と前記第２コア層が光学的にカップリングしていることを特徴とする。【００２８】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記第１コア層が前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に挟まれて前記第３クラッド層の面に沿って配置されており、
前記第１コア層に対する注入電流の方向が前記第３クラッド層の面に沿って略平行な方向であることを特徴とする。【００２９】
本発明の他の実施形態に係る半導体光素子は、前記第１コア層が前記第１クラッド層と前記第２クラッド層に挟まれて前記第３クラッド層の面に垂直に配置されており、
前記第１コア層に対する注入電流の方向が前記第３クラッド層の面に垂直な方向であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
以上記載した本発明に係る半導体光素子構造によれば、放熱と光閉込めを両立し、効率的に電流を注入または電界を印加することが可能な半導体光素子を実現できる。また、高温プロセスに耐えうる構造が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の半導体光素子の概略の断面図である。
【図２】本発明の実施例１の半導体光素子の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例１の断面構造図である。
【図４】比較例として検討した半導体光素子の断面構造図である。
【図５】本発明および比較例の材料物質の熱伝導率と屈折率の表である。
【図６】図４の比較例におけるＳｉＯ２膜厚と光閉込め係数、実効屈折率の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例１と比較例における注入電流と温度上昇の関係を示す図である。
【図８】本発明の実施例１における注入電流と緩和振動数の関係を示す図である。
【図９】比較例における注入電流と緩和振動数の関係を示す図である。
【図１０】Mathewsの臨界膜厚モデルに基づく歪みと臨界膜厚の関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２の半導体光素子の断面構造図である。
【図１２】本発明の実施例２において、13 ｍＡの電流注入時における温度上昇を、ＳｉＯ２膜厚の関数として示す図である。
【図１３】本発明の実施例２において、ＳｉＯ２膜厚と光閉込め係数、実効屈折率の関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施例３の半導体光素子の断面構造図である。
【図１５】比較例２として検討した半導体光素子の断面構造図である。
【図１６】本発明の実施例３において、導波モードを計算した図である。
【図１７】比較例２において、導波モードを計算した図である。
【図１８】本発明の実施例４の半導体光素子の断面構造図である。
【図１９】本発明の実施例５の半導体光素子の断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態の半導体光素子の概略の断面図である。本発明の半導体光素子は図１のように、化合物半導体からなる半導体活性層（活性領域）１を光半導体層２で埋め込んだコア層（第１コア層）を有する。第１コア層を挟む上部クラッド層３または下部クラッド層（第３クラッド層、基板）４の少なくとも一つの材料には、コア層材料よりも屈折率が小さく熱伝導率が高く、かつバンドギャップの大きい材料が用いられる。また、上部クラッド層３または下部クラッド層４に沿って略平行な方向に電流を注入または電界を印加することが出来る構造として、第１コア層に接して左右に挟持するｐ型半導体層（第１クラッド層）５とｎ型半導体層（第２クラッド層）６が設けられている。
【００３４】
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１の半導体光素子の構造を示す斜視図である。本発明の実施例１は、図２のように活性層１を挟んでクラッド層５から６へ、基板面に沿って略平行に電流を注入する半導体レーザ構造である。
【００３５】
図２では、活性層１は例えば量子井戸（ＭＱＷ）・障壁層材料として組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓにより形成され、この活性層１を上下の光半導体層２（例えばｉ−ＩｎＰ）で埋め込んだ構造によりコア層（第１コア層）が形成されている。コア層を挟んでｐ型半導体層（ｐ−ＩｎＰ、第１クラッド層）５とｎ型半導体層（ｎ−ＩｎＰ、第２クラッド層）６が形成されており、これらの上にはコンタクト層及び電極５ａ、６ａが設けられて、活性層１に駆動電流を基板面に沿って略平行に注入する。
【００３６】
活性層１、光半導体層２、クラッド層５，６は、例えばＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮ及びこれらの化合物の少なくとも一つ以上で構成することができる。
【００３７】
これらの層の支持基板となる下部クラッド層４（第３クラッド層、支持基板）の材料は、コア層の材料よりも屈折率が小さく熱伝導率が高く、かつバンドギャップの大きい材料として、ＳｉＣが用いられている。
【００３８】
下部クラッド層４の材料としては、ＳｉＣに限らず１種類に限ることも無く、コア層、クラッド層５，６のいずれよりも屈折率が低く、熱伝導率とバンドギャップが大きい材料が用いられうる。クラッド層４は、ＳｉＣのほか、例えばＧａＮ（窒化ガリウム），Ｃ（ダイアモンド）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）などによる単層または積層構造で構成することができる。また、上部クラッド層３は、例えば空気層により形成することができ、図２以降では図示していない。
【００３９】
この図２の実施例１において、多重量子井戸の形成される活性層１の幅は0.6μｍ、 ｐ型、ｎ型半導体層５，６の厚さ、及び活性層１と上下の光半導体層２を合わせた層（コア層）の厚さはそれぞれ0.301μｍである。このコア層の厚さは、コア層内を伝搬する1.31μｍの波長の光が、コア層厚さ方向にシングルモードとなるおおよそ上限の値である。
【００４０】
動作波長や用いる材料を変更する場合には、コア層の厚さに関して、伝搬する光がシングルモードとなるための条件がある。この条件は、動作波長をλ、コアの平均的な屈折率をｎcore、クラッド層のうちで放熱と光閉込めに利用する層の屈折率をｎcladとすると、コア層の厚さｔがおおよそ下記式（１）の関係を満たすことである。
【００４１】
0006738488.tif 000003
式（１）
【００４２】
例えば、1.55 μｍ帯で利用する場合には、コア層の厚さｔは、0.364 μｍ以下となる。
【００４３】
この構造において、ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層は結晶成長技術で、ＳｉＣのクラッド層は活性層との基板接合技術などで形成が可能であるが、作製の方法についてはこれに限らない。また、基板水平方向への光閉込めは多重量子井戸とｐ−ＩｎＰ及びｎ−ＩｎＰの屈折率差と導波路利得により実現されているが、２次元フォトニック結晶構造による光閉込めなどによっても実現することができ、実現の方法は限定されない。
【００４４】
図３は、図２の本実施例１の断面構造図である。
【００４５】
また、図４は、図３の実施例１との比較のために検討した、比較例の断面構造図である。図４の比較例は、Ｓｉ基板４１とＳｉＯ２層４２の二層構造の上に、実施例１と同様の活性層１、光半導体層２、ｐ及びｎ型半導体のクラッド層５，６を形成した半導体光素子（レーザ）である。
【００４６】
Ｓｉの屈折率は、活性層やコア層の材料の平均屈折率より大きいため、活性層１とＳｉ基板４１を直接接する形で形成すると光を活性層内に閉込めることができない。そこで、この図４の比較例では非特許文献２にあるように、活性層１とＳｉ基板４１の間に屈折率の低いＳｉＯ２層４２が形成された二層の基板構造としている。
【００４７】
以下に述べる実施例１と比較例の解析において、半導体レーザの動作波長は1.31 μｍとする。
【００４８】
また図５は、本発明および比較例の計算で用いた各種材料物質の、熱伝導率と屈折率の表である。図５の表より、ＳｉＣの熱伝導率が他のすべての材料に比べて圧倒的に大きく、また、ＳｉＣの波長1.31μｍにおける屈折率が他のコアとなる化合物半導体材料に比べた場合に小さいことがわかる。したがってＳｉＣは、光閉じ込めが可能で放熱性のある下部クラッド、基板として適切な値であることがわかる。また図５の表には無いが、バンドギャップについても、ＳｉＣが３ｅＶ近くであるのに対し、ＩｎＰやＧａＡｓは２ｅＶ以下であって、ＳｉＣのほうが大きく、キャリアに対する障壁としても働く。
【００４９】
図６は、基板材料をＳｉとしクラッド材料にＳｉＯ２を用いた図４の比較例のレーザ素子において、ＳｉＯ２膜厚（ＳｉＯ２ Thickness、横軸）を増加した場合の、量子井戸への光閉込め係数（Confinement Factor、左側の縦軸）及び実効屈折率（Effective Index、右側の縦軸）の関係を示す図（グラフ）である。図６より、ＳｉＯ２膜厚が0.3 μｍ以上であれば光閉込め係数及び実効屈折率が一定の値を示すが、0.3 μｍよりも小さい値の場合は光閉込め係数が減少することがわかる。この光閉込め係数の減少は、ＳｉＯ２層４２の膜厚が0.3 μｍよりも薄い場合、光閉じ込めに適さないＳｉ基板４１側へ光が漏れ出すことを意味している。したがって、Ｓｉ基板４１上に半導体レーザを形成するには少なくとも0.3 μｍ以上のＳｉＯ２層４２の膜厚が必要であることがわかる。その結果、図４の比較例においては充分な放熱性を確保するのが困難となる。
【００５０】
図７は、図３の本実施例１（LD on SiC）と図４の比較例（LD on Si）を対比して、注入電流（横軸、Injection Current）と温度上昇（縦軸、Temperature）の関係を示す２本のグラフの図である。半導体レーザに許容される温度上昇を仮に15℃とすると、注入可能な電流は、本実施例１によるＳｉＣ基板４上に形成したレーザの場合は約59 ｍＡであるのに対し、比較例のＳｉ基板４１上に形成したものでは約13 ｍＡである。同じ温度条件であれば、本実施例１の方が比較例よりも、４倍以上の高電流が注入可能であることがわかる。
【００５１】
図８、図９は、半導体レーザの重要な特性の一つである緩和振動周波数（縦軸、Relaxation oscillation frequency）と注入電流の平方根（横軸、Injection Current sqrt）の関係を、本実施例１と比較例において示す２つの図である。図８に図３の本実施例１の場合の、図９に図４の比較例の場合のグラフを示す。図７で評価した許容される温度上昇を生じる注入電流に対応する横軸の値までの範囲が、それぞれプロットされている。図８に示すように、本実施例１によるＳｉＣ基板４上に形成されたレーザの場合、緩和振動周波数は約40 ＧＨｚまで達する。これに対し、図９に示すように、比較例のＳｉ基板４１上に形成されたレーザの場合は、緩和振動周波数は約20 ＧＨｚにとどまっている。本実施例１の方が、比較例の２倍の高速動作が可能であることがわかる。
【００５２】
本実施例１では、活性層１や光半導体層２のコア材料にＩｎＰ及びＩｎＧａＡｌＡｓを用いて、これにより形成される多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を設けたが、活性層の材料及び構造はこの限りではない。活性層１、光半導体層２、クラッド層５，６の材料は前述のように、ＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮ及びこれらの化合物の少なくとも一つ以上で構成することができる。 
【００５３】
（製造工程の熱応力歪みの評価）
半導体光素子を構成する異種材料間の熱膨張係数差により、製造工程の昇温プロセスにおいて熱応力が発生して、半導体光素子内へ欠陥が生じる問題について検討する。
【００５４】
図１０に、この検討のため、Mathewsの臨界膜厚モデルに基づく歪み（横軸、Strain）と臨界膜厚（縦軸、Critical layer thickness）の関係を示す。
【００５５】
本実施例１の構造では、活性層１を含めたコア層の平均的な熱膨張係数は、おおよそＩｎＰと同程度の4.6 ｐｐｍ／℃であり、下部クラッド層及び基板を構成するＳｉＣ基板４の熱膨張係数も4.3 ｐｐｍ／℃（c軸垂直方向）であって、ほぼ同程度である。製造プロセスにおける温度上昇をｄＴとして、コア層厚さが301ｎｍであるので、図１０を参考にすると、半導体光素子に転位や欠陥を生じないよう許容される歪量は614ｐｐｍ程度であるので、製造工程の昇温許容温度範囲ｄＴはおよそ2030℃となる。
【００５６】
半導体製造プロセス中に生じる温度上昇としては、例えばイオンインプランテーション後の欠陥回復アニールなどがある。この時の温度は、例えば非特許文献４によると、850℃程度となっているため、前述の許容温度範囲に収まっている。
【００５７】
許容温度範囲が非特許文献４に示される850℃程度とすると、基板及びクラッド材料として本実施例のＩｎＰ、ＳｉＣ以外の材料の組合せとした場合は、熱による歪が614 ｐｐｍ以下で無ければならないため、その熱膨張係数差はおおよそ0.72 ｐｐｍ／Ｋ以下で無ければならない。
【００５８】
一方、図４の比較例の構造においては、Ｓｉの熱膨張係数は2.6 ｐｐｍ／Ｋであるため、許容される温度上昇ｄＴはたかだか250℃程度となり、欠陥回復アニールを含む多くの半導体製造プロセスに適合しない。
【００５９】
このように本発明は、製造工程における温度上昇に関しても比較例よりもはるかに有利であり、適用可能な製造プロセスの制約も少なくなる。
【００６０】
（実施例２）
図１１に示す本発明の実施例２の構造では、活性層１、光半導体層２及びｐ型、ｎ型半導体クラッド層５，６を含む上部構造とＳｉＣ基板４との間に、薄い絶縁膜であるＳｉＯ２層１１１を形成し、ＳｉＣ基板４とＳｉＯ２層１１１からなる２層構造の下部クラッド（第３クラッド層）とした点において、実施例１と相違する。ＳｉＯ２層１１１のような絶縁膜は、ある種の基板接合方法において接合界面でのボイド発生を抑制するために重要とされている。
【００６１】
図１１に示す実施例２のこの構造は、下部クラッド（第３クラッド層）が異なる２種類の材料で構成された２層構造となっている。第３クラッド層を構成する２種類の材料の、一方は熱伝導率が大きい半導体（ＳｉＣは化合物半導体である）であり、他方は屈折率が小さくバンドギャップが大きい絶縁材料（ＳｉＯ２）となっている。
【００６２】
本実施例２においても、図４の構造を比較例として対比検討する。
【００６３】
図１１に示す実施例２の構造において、絶縁材料（ＳｉＯ２）層１１１は、図４の比較例のＳｉＯ２層４２と同じ位置に対応するものであるが、下部クラッド層４が本実施例２ではＳｉではなくてＳｉＣである。このため、本実施例２では比較例よりも放熱性が更に優れるのみならず、ＳｉＣの屈折率がＳｉより低いので光閉じ込めの点でも有利である。これにより本実施例２では、光閉じ込め機能をＳｉＯ２層４２のみに頼らざるを得ない比較例よりも、絶縁材料（ＳｉＯ２）層１１１を薄くすることが可能となり、その分だけ比較例よりも放熱性をあげることができる。
【００６４】
図１２は、例えば図４の比較例について図７に示したと同じように、実施例２において、13 ｍＡの電流注入時における温度上昇を、ＳｉＯ２層１１１の膜厚の関数として示す図である。
【００６５】
図７で示した通り、注入電流13 ｍＡの時のＳｉ基板４１上に作製した比較例の温度上昇は約１５度である。このため、図１２より、本実施例２においては、ＳｉＯ２層１１１の膜厚を400 ｎｍ（0.4μｍ）以下とすれば、ば温度上昇は１５度以下とでき、その分だけ注入電流を13 ｍＡより大きくできる効果がある。
【００６６】
また、図１３に示す通り、本実施例２において、光閉込め係数、実効屈折率をＳｉＯ２膜厚の関数として計算すると、約0.2 μｍ（＝200ｎｍ）以上ではこれらの値がほぼ変化しない。これは、ＳｉＯ２の膜厚が0.2 μｍ以下であれば、その下のＳｉＣ基板４が光閉じ込めに寄与するクラッド材料としての効果を持っているということである。以上のように、実施例２においては絶縁層であるＳｉＯ２層１１１の膜厚は、光をコアに閉じ込めるが放熱効果は得られる程度（0.4μｍ以下、望ましくは0.2μｍ以下）に規定されているのが望ましい。
【００６７】
（実施例３）
図１４は、本発明の実施例３の半導体光素子の断面構造図である。図１５は、実施例３に対する比較例２として示す、従来用いられていた半導体光素子の断面構造図である。
【００６８】
図１４に示すように、本実施例３の構造では、第１の特徴点として、その上部構造において、第１のコア層となる多重量子井戸活性層１と光半導体層２とを、基板厚み方向に上下に挟持するように形成されたｐ型半導体層５（第１クラッド層）及びｎ型半導体層６（第２クラッド層）とを有している。
【００６９】
更に本実施例３では、第２の特徴点として、その下層の第３クラッド層が、実施例２（図１１）と同様に、絶縁層となるＳｉＯ２層１１１と、クラッド層及び支持基板となるＳｉＣ基板４とからなる２層構造で構成されており、第３クラッド層の中（２層構造の層間）に、光導波路コア層（第２コア層）として、Ｓｉリブ導波路１４１を有している。
【００７０】
図１４の本実施例３の第１の特徴点に係る構造によって、多重量子井戸活性層１を含む第１のコア層に対する注入電流の方向を、前記第３クラッド層の面に略垂直な方向にすることができる。
【００７１】
また、本実施例３の第２の特徴点に係る構造によって、第１のコア層となる多重量子井戸活性層１のほかに、第２のコア層（光導波路コア層）となるＳｉリブ導波路１４１を下部クラッド層（第３クラッド層）の中に設けることができ、第１のコア層と第２のコア層が光学的にカップリングさせることが可能となる。
【００７２】
このような光学的カップリングによって、第２のコア層（光導波路コア層）を通過する光に対して、光増幅や光変調などの機能を有する半導体光素子とすることができる。
【００７３】
第１のコア層と第２のコア層が光学的にカップリングする第２の特徴点の実現のためには、第１のコア層と第１クラッド層、第２クラッド層が第３クラッド層の面に略垂直な方向に積層して配置される第１の特徴点を備える必要はかならずしも無い。すなわち、第３クラッド層の中に第２のコア層を設ける場合であっても、実施例１、２あるいは後述の実施例４のように、第１コア層が前記第１クラッド層と前記第２クラッド層によって基板面内の方向に挟まれて、前記第３クラッド層の面に沿って配置されていてもよい。この場合には、第１コア層に対する注入電流の方向は第３クラッド層の面に沿って略平行な方向となる。
【００７４】
図１５に示す比較例２の構造では、Ｓｉリブ導波路１４１の下部にはＳｉＯ２クラッド層４２が用いられており、支持基板としてＳｉ層４１を用いている。図１４の本実施例３では、実施例２に述べたような利点に加え、放熱の障害となるＳｉＯ２層が比較例２よりも１層少ない点が有利である。
【００７５】
図１６は、図１４の実施例３の構造において、動作波長1.31μｍの光に対する導波モードを計算して、素子断面における光強度を表示した図である。図１６によれば、Ｓｉリブ導波路コア層１４１中には全体の７２％の光が閉込められている。この時、導波モードの一部の光強度はＳｉＣ層４に染み出しており、ＳｉＣ層４がクラッド層として機能していることが確認できる。
【００７６】
図１７は、図１５に示す比較例２の導波モードを同様に計算して、素子断面における光強度を表示した図である。比較例２においても本発明によるものと同様の導波モードを有する（コア層への光閉込め：６３％、数値の違いはコア層上下の屈折率の対称性などによる）ことがわかる。したがって、図１４の本発明の実施例３による半導体光素子の構造が、図１５のＳｉＯ２層４２に代表される熱伝導率の悪い絶縁膜でクラッド層を形成した比較例２の場合と比較して、遜色ない光閉込めが可能であるといえる。これは、実施例３においては、第３クラッド層の中に挿入された第２コア層が、第１コア層と光学的にカップリングしていることによるものである。
【００７７】
また、放熱性についても検証を行うため、図１４の実施例３および図１５の比較例２の断面構造においてｐ−ＩｎＰ層５に50 ｍＷ／μｍ2の熱源を配置した場合について検討した。すると、従来の比較例２の構造においては約１６℃の温度上昇が生じるのに対し、本発明の実施例３による構造においては温度上昇は約９℃に低減されることがわかった。放熱性に関しても、本実施例３が比較例２よりも優れていることを示している。
【００７８】
（実施例４）
図１８には、本発明の実施例４の断面構造図を示す。本実施例４は、実施例３と同様に、第３クラッド層の中に第１のコア層と光学的にカップリングする第２のコア層を有するが、第１のコア層に対する注入電流の方向が第３クラッド層の面に略平行な方向になる点が実施例３と異なる。
【００７９】
図１８の実施例４は、第１のコア層となる多重量子井戸活性層１、ｉ−ＩｎＰ層２と、第１のコア層を左右に挟持するむように形成されたｐ型半導体層５（第１クラッド層）及びｎ型半導体層６（第２クラッド層）を有している。下層の第３クラッド層の中には、絶縁層となるＳｉＯ２層１１１を介して光導波路コア層１４１（第２コア層）を有しており、Ｓｉリブ導波路を構成している。
【００８０】
本発明に基づいて本実施例４においても、光導波路コア層の下部には、クラッド層及び支持基板（第３クラッド層）の一部として、ＳｉＣ基板４を採用している。
【００８１】
実施例４では実施例３と同様に、第１コア層と第２コア層が光学的にカップリングしており、導波モードの一部が第２コア層を伝搬する。実施例３と同様の第１コア層、第２コア層及び絶縁層１１１を用いると、光の閉込め係数はほぼ同等の値となる。放熱性についても同様である。
【００８２】
実施例４と実施例３との相違点の一つは、第１コア層となる多重量子井戸活性層１に対して電流の注入方向が第３クラッド層の基板面に平行な方向へ変更されていることである。本発明を実現する上では、電流の注入される方向は特別に影響しない。
【００８３】
コンタクト層及び電極５ａ、６ａは第１コア層に接すること無く、第１クラッド層５、第２クラッド層６上にコアから離れて形成されている。これは第１コア層を伝搬する光の吸収を抑制し、低損失な半導体光素子を形成するためである。ただし、コンタクト層及び電極の位置や形状については、図示の構造に限定されるものではない。
【００８４】
（実施例５）
図１９には、本発明の実施例５の断面構造図を示す。本実施例５では、第１のコア層に対する注入電流の方向が、図１４の実施例３と同様に基板面に略垂直な方向であるが、第３クラッド層は図１１の実施例２と同様な２層構造で、第２のコアは無い構造である。
【００８５】
図１９の実施例５は、上部構造に、第１のコア層となる多重量子井戸活性層１、光半導体層層２を上下に挟持するむように形成されたｐ型半導体層５（第１クラッド層）及びｎ型半導体層６（第２クラッド層）を有している。下層の第３クラッド層は、絶縁層となるＳｉＯ２層１１１を介して、クラッド層及び支持基板として、ＳｉＣ基板４を採用して２層構造としている。
【００８６】
実施例５と実施例２との相違点の一つは、第１コア層となる多重量子井戸活性層１に対する電流の注入方向が、基板面に垂直な方向へ変更されていることである。本発明を実現する上では、電流の注入される方向は特別に影響しない。
【００８７】
実施例５では、実施例２と同様の第１コア層及び絶縁層１１１を用いると、光の閉込め係数はほぼ同等の値となる。放熱性についても同様である。
【００８８】
コンタクト層及び電極５ａ、６ａは、第１コア層１、２の直上・直下には無く、基板面内の方向に図の左右にずらして配置されており、第１クラッド層５、第２クラッド層６の上で、コア層から離れた位置に形成されている。これは第１コア層を伝搬する光の吸収を抑制し、低損失な半導体光素子を形成するためである。ただし、コンタクト層及び電極の位置や形状については、図示の構造に限定されるものではない。
【００８９】
本実施例５において特徴的な構造として、第１クラッド層５のコンタクト層及び電極５ａにあたる部分の下層に、支持構造層７が配置されている。この支持構造層７は、ＳｉＯ２等の絶縁材料、ＦｅドープＩｎＰ等の高抵抗半導体、またはｉ−ＩｎＰ等の半導体のいずれかで構成することができる。支持構造層７は、活性層１、光半導体層２と上面の高さを揃えて形成されており、第１クラッド層５の上のコンタクト層及び電極５ａを、コア層から離して配置することを可能にしている。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上のように、本発明の半導体光素子では、高い光閉じ込めと高い熱伝導の両立が可能となり、製造工程でも有利に、効率的に電流を注入または電界を印加できる半導体光素子が実現可能となった。
【符号の説明】
【００９１】
１  半導体活性層（活性領域）
２  光半導体層（ｉ−ＩｎＰ層）
３  上部クラッド層
４  下部クラッド層（第３クラッド層、ＳｉＣ基板）
５  ｐ型半導体層（第１クラッド層）
６  ｎ型半導体層（第２クラッド層）
５ａ、６ａ  コンタクト層及び電極
７  支持構造層
４１  Ｓｉ層（基板）
４２、１１１  ＳｉＯ２層
１４１  Ｓｉリブ導波路（光導波路コア層）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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