(57)【要約】【課題】光デバイスと集積可能で高性能な導波路型ファラデー回転素子を製造する。【解決手段】ＩｎＰクラッド層１１上に、ＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａがＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂで挟まれたＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２を形成し、その上にＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３を形成して、導波路型ファラデー回転素子１０を形成する。これにより、導波路型ファラデー回転素子１０をＩｎＰ系の半導体材料を用いて製造することができるとともに、導波路内を伝播する光がＭｎを含んだ層とオーバーラップする領域が増加し、光とＭｎとの相互作用が高められる。また、Ｍｎを、ＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａやＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３の形成時あるいはこれらの層の下層になる半導体層の成長時に導入することにより、ＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａおよびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３にＭｎを有効に導入することができる。【選択図】　　　　図１
2004070012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を伝播するコア層とこのコア層を挟む一対のクラッド層とを有する導波路構造を備えた導波路型ファラデー回転素子において、
磁性元素を含む半導体である磁性半導体からなる磁性半導体層が、前記磁性半導体層の屈折率よりも高い屈折率の半導体層によって挟まれた構造を有するコア層と、
前記半導体層の屈折率よりも低い屈折率の磁性半導体からなるクラッド層と、
を有することを特徴とする導波路型ファラデー回転素子。
【請求項２】
前記コア層は、前記磁性半導体層と前記半導体層とが積層された超格子構造を有していることを特徴とする請求項１記載の導波路型ファラデー回転素子。
【請求項３】
前記磁性半導体層は、前記磁性元素を含むＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層であり、前記半導体層は、ＩｎＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓＰ層であることを特徴とする請求項１記載の導波路型ファラデー回転素子。
【請求項４】
光を伝播するコア層とこのコア層を挟む一対のクラッド層とを有する導波路構造を備えた導波路型ファラデー回転素子の製造方法において、
磁性元素を導入しながら一の半導体層を成長する工程と、
前記磁性元素を導入しながら成長された前記一の半導体層の上に、前記磁性元素を取り込むことのできる性質を有する半導体を成長して磁性半導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする導波路型ファラデー回転素子の製造方法。
【請求項５】
光を伝播するコア層とこのコア層を挟む一対のクラッド層とを有する導波路構造を備えた導波路型ファラデー回転素子の製造方法において、
ＩｎＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓＰ層を成長する工程と、
前記ＩｎＧａＡｓ層の上または前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上に、磁性元素を導入しながらＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層を成長する工程と、
を有することを特徴とする導波路型ファラデー回転素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は導波路型ファラデー回転素子およびその製造方法に関し、特に磁性半導体材料を用いて形成されて半導体レーザなどの光デバイスと集積することのできる導波路型ファラデー回転素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムで用いられる半導体レーザなどの光デバイスを集積した半導体光集積素子は、ＩｎＰやＧａＡｓに代表される化合物半導体基板上に形成されている。一方、磁気光学効果を利用した光アイソレータなどの光素子は、ＹＩＧ（イットリウム−鉄−ガーネット）単結晶や常磁性ガラスといった光学結晶を用いて形成されている。光アイソレータは、端面などからの反射光が半導体レーザの活性層内へ戻るのを防ぐことができ、素子自体の小型化や他の部品との高集積化を図るためにも、半導体レーザなどと同一基板上に整合性良く集積することが望まれている。しかし、光アイソレータを構成する材料の物性（格子定数、熱膨張係数など）は、化合物半導体材料とは大幅に異なり、光アイソレータと半導体レーザなどの光デバイスとの集積化は極めて困難であった。
【０００３】
このような課題に対し、磁性イオンをＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に添加した、いわゆるＩＩＩ−Ｖ族希薄磁性半導体（Ｄｉｌｕｔｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＤＭＳ）を用いてファラデー回転素子を構成する方法が提案されている（Ｔ．　Ｋｕｒｏｉｗａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．３４，　Ｎｏ．２，　ｐ．ｐ．１９０−１９２（１９９８））。半導体レーザなどと集積すべきファラデー回転素子にＤＭＳ材料を用いることで、化合物半導体基板上への集積が容易になると期待されている。
【０００４】
近年では、このような提案を基に、ＩＩＩ−Ｖ族のＤＭＳ材料を光アイソレータなどの素子に利用することに関していくつかの提案がなされている。
例えば、特開２０００−２１６７１号公報では、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料系の導波路型光アイソレータの作製においても提案されているように、ホストのＧａＡｓ層にＭｎＡｓ磁性微粒子（クラスタ）を埋め込んだ、いわゆるＧａＡｓ：ＭｎＡｓハイブリット構造をコア層に用いる方法が提案されている。このような構造のコア層を形成することで、導波路にアイソレータとしての機能を持たせるとともに、整合性の改善や高いファラデー効果の実現などが試みられている。
【０００５】
さらに、特開平９−２９３９２４号公報では、ＩＩＩ−Ｖ族ＤＭＳ材料に印加する磁場の強さを制御することにより、単一モード発振する半導体レーザの発振波長を連続的に変化させることが可能な構造が提案されている。
【０００６】
また、特許第３１３０１３１号では、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体をベースとしたＤＭＳであるが、可視光の波長帯で透明なＣｄＭｎＴｅを用いた、導波路型光アイソレータが提案されている。
【０００７】
ところで、現在の光通信システムにおいては、１．５５μｍ，１．３μｍ波長帯用の光デバイスが多く用いられるが、このような光デバイスには、化合物半導体材料として特にＩｎＧａＡｓＰなどのＩｎＰ系化合物半導体材料が広く利用されている。そのため、このようなＩｎＰ系化合物半導体材料を用いて導波路型ファラデー回転素子を形成し、光デバイスと集積できるようにすることが望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般に、ＩｎＰ系化合物半導体材料を用いて例えば半導体レーザと光導波路との半導体光集積素子における通常の素子構造を作製すると、その光導波路のコア層に閉じ込められる光分布は全体の２０％〜３０％程度でしかない。すなわち、このような半導体光集積素子では、半導体レーザから出射されて光導波路を伝播する光のうち、その多くはコア層を挟んで形成されているクラッド層側に染み出してしまっていることになる。
【０００９】
このような状況の中、半導体レーザなどの光デバイスと集積すべき導波路型ファラデー回転素子のコア層を、特開２０００−２１６７１号公報で提案されたＧａＡｓ：ＭｎＡｓハイブリット構造とする場合を想定する。ところが、この場合には、磁性元素が存在しているコア層内部での光強度分布が小さいことで、光と磁性元素との間の充分な相互作用が得られず、導波路を伝播するレーザ光に対して充分なファラデー効果が得られない可能性が生じる。一方で、ＧａＡｓ：ＭｎＡｓハイブリット構造を適用することで、ＭｎＡｓクラスタがコア層に含まれるため伝播する光の損失が起こり、コア層内のＭｎＡｓ濃度をむやみに増加することはできない。
【００１０】
また、特開平９−２９３９２４号公報では、発振波長を制御するために設けられた導波路としての磁性半導体層を、ＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓＰとＭｎＡｓとの（多層）積層構造やＩｎＧａＭｎＡｓＰ混晶で構成している。これらは、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長を用いて形成されている。しかし、ここで開示されている結晶成長条件やそのとき導入するＭｎ組成比では、Ｍｎの表面偏析現象やＭｎＰクラスタの形成が起こるため、平坦なＩｎＧａＡｓＰ／ＭｎＡｓ積層構造やＩｎＧａＭｎＡｓＰ混晶を形成するのは困難であった。
【００１１】
また、特許第３１３０１３１号では、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ベースのＤＭＳの場合、添加される磁性原子が、ＣｄなどのＩＩ族原子のサイトを容易に置き換え得るため、ＣｄＭｎＴｅを用いた超格子構造などの結晶成長が比較的容易に行える。しかし、例えばＭｎをＧａＡｓに添加したＩＩＩ−Ｖ族ベースのＤＭＳの場合には、やはり結晶成長におけるＭｎの表面偏析現象の発生やＭｎＡｓクラスタの形成といった問題が生じる。そのため、ＩＩ−ＶＩ族での結晶成長技術やヘテロ接合構造を単純にＩＩＩ−Ｖ族系に適用するのは難しいといった課題が残されている。
【００１２】
さらに、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ベースのＤＭＳは、ＩＩＩ−Ｖ族ベースのＤＭＳと比較して、単位長さ当たりのファラデー回転角が１／２０以下と極めて小さいという課題も有している。この単位長さ当たりの回転角に関しては、例えば、「Ｈ．Ａｋｉｎａｇａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．１，　ｐ．ｐ．９７−９９（２０００）」や、「Ｊ．Ｆ．Ｄｉｌｌｏｎ，Ｊｒ．　ｅｔ　ａｌ．，　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．，　ｖｏｌ．６７，　Ｎｏ．９，　ｐ．ｐ．４９１７−４９１９（１９９０）」などに詳細に論じられている。単位長さ当たりのファラデー回転角が小さいという課題は、現在広く光通信で用いられる１．３μｍ，１．５５μｍ波長帯においても同様に残る。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、光通信用光デバイスとの集積が可能で高性能な導波路型ファラデー回転素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に示す構成例の導波路型ファラデー回転素子が提供される。本発明の導波路型ファラデー回転素子は、光を伝播するコア層とこのコア層を挟む一対のクラッド層とを有する導波路構造を備えた導波路型ファラデー回転素子において、磁性元素を含む半導体である磁性半導体からなる磁性半導体層が、前記磁性半導体層の屈折率よりも高い屈折率の半導体層によって挟まれた構造を有するコア層と、前記半導体層の屈折率よりも低い屈折率の磁性半導体からなるクラッド層と、を有することを特徴とする。
【００１５】
図１に示すような導波路型ファラデー回転素子１０では、コア層であるＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２が、磁性半導体層であるＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａを有しており、さらに、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３も磁性半導体であるＩｎＰ：Ｍｎを用いて形成されている。このように、コア層およびクラッド層に磁性元素が含まれるようにすることで、導波路内を導波する光と導波路内の磁性元素との相互作用が効果的に高められるようになる。
【００１６】
また、本発明では、光を伝播するコア層とこのコア層を挟む一対のクラッド層とを有する導波路構造を備えた導波路型ファラデー回転素子の製造方法において、磁性元素を導入しながら一の半導体層を成長する工程と、前記磁性元素を導入しながら成長された前記一の半導体層の上に、前記磁性元素を取り込むことのできる性質を有する半導体を成長して磁性半導体層を形成する工程と、を有することを特徴とする導波路型ファラデー回転素子の製造方法が提供される。
【００１７】
このような導波路型ファラデー回転素子の製造方法は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ層を一の半導体層とし、その上に、磁性元素であるＭｎを含む半導体層であるＩｎＰ：Ｍｎ層を磁性半導体層として形成する際に、適用することができる。すなわち、ＩｎＰ：Ｍｎ層の形成前に、この層の下層になるＩｎＧａＡｓＰ層の成長時にＭｎを導入する。その際、導入されたＭｎはＩｎＧａＡｓＰ層表面に偏析するようになる。しかし、この上にＩｎＰを成長すると、Ｍｎ−Ａｓ間に比べてＭｎ−Ｐ間の結合エネルギの方が大きいために、偏析したＭｎがＩｎＰに取り込まれ、ＩｎＰ：Ｍｎ層が形成されるようになる。
【００１８】
さらに、本発明では、ＩｎＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓＰ層を成長する工程と、前記ＩｎＧａＡｓ層の上または前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上に、磁性元素を導入しながらＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層を成長する工程と、を有することを特徴とする導波路型ファラデー回転素子の製造方法が提供される。
【００１９】
このような導波路型ファラデー素子の製造方法では、例えば磁性元素としてＭｎを用いた場合、Ｍｎ−Ａｓ間およびＭｎ−Ｐ間の結合エネルギの差を利用し、Ｍｎを導入しながらＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層を成長することで、その内部にＭｎが固定されるようになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子の層構造の一部を示す図である。
第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０は、ＩｎＰクラッド層１１上に、Ｍｎを含有したＩｎＰ層（ＩｎＰ：Ｍｎ層）１２ａがアンドープのＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂで挟まれた、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２を有している。さらに、このＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２上に、Ｍｎを含有したＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３が形成されている。このように順に積層されたＩｎＰクラッド層１１、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２およびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３は、メサ構造に形成されている。そして、その全体をＩｎＰ埋め込み層１４によって埋め込まれ、導波路型ファラデー回転素子１０の層構造が形成されている。
【００２２】
ここで、各層の屈折率は、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２については、ＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａの屈折率よりも、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂの屈折率が高くなっている。このＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２を挟んでいるＩｎＰクラッド層１１およびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３は、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂよりも屈折率が低くなっている。
【００２３】
導波路型ファラデー回転素子１０においては、このような各層の屈折率差によってＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２に光が閉じ込められ、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２が導波路としての役割を果たすようになる。すなわち、半導体レーザなどの光デバイスから導波路型ファラデー回転素子１０に光が伝播されると、その光はＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２内を導波する。そして、磁性体と半導体という性質を併せ持つ磁性半導体層であるＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａの磁気光学効果により、導波する光に対してファラデー効果が発現される。
【００２４】
さらに、この第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０では、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２内のＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａだけでなく、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３にも、Ｍｎが含有されている。
【００２５】
通常、１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザを光導波路と集積した半導体光集積素子を作製する場合には、光導波路のコア層を構成するＩｎＧａＡｓＰは、発光波長に対して１．３μｍ波長帯に相当する組成を持つものを用いる。しかし、この場合、コア層に閉じ込められる光分布は全体の２０〜３０％程度であり、導波する光の大部分は、ＩｎＰクラッド層側に染み出すことになる。
【００２６】
しかし、この第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０を集積し、伝播する光に対して磁気光学効果を得ようとする場合には、Ｍｎを含有させたＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａのほかにＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３が存在することで、光とＭｎとの相互作用がより高められるようになる。すなわち、図１中破線で示したような広がりを持った光は、Ｍｎを含有した層とオーバーラップする領域が増えることになり、Ｍｎを含有させたＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３を設けることで、光分布全体の４５％程度をＭｎとの相互作用に寄与させることが可能になる。
【００２７】
また、光とＭｎとの相互作用を高めることを目的としてコア層内のＭｎ濃度を著しく増加させることがないので、コア層を導波する光の損失も回避することが可能である。
【００２８】
次に、この第１の実施の形態に係る導波路型ファラデー回転素子１０の製造方法について説明する。
ここで、まず、磁性元素であるＭｎをＩｎＰ系化合物半導体中に混入させた場合におけるＭｎの表面偏析現象について説明する。
【００２９】
図２はＭｎの表面偏析現象の説明図である。
Ｍｎの表面偏析現象の解析に当たっては、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓの多層構造にＭｎを混入した構造体を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長させて作製する。
【００３０】
ここでは、厚さ１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓ層、厚さ８０ｎｍのＩｎＰ層、厚さ１２０ｎｍのＩｎＧａＡｓ層、厚さ８０ｎｍのＩｎＰ層、および厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓ層を順に積層した多層構造体を作製する。その結晶成長には、原料として、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用い、Ｍｎ原料としてビスメチルシクロペンタジエニルマンガン（（ＭｅＣｐ）２Ｍｎ）を用いる。成長温度は約４５０℃とし、ＭｎはＩｎＧａＡｓ層を成長させる際に、（ＭｅＣｐ）２Ｍｎを同時に流すことにより導入する。Ｍｎ−Ｐ結合がより安定に形成されるために、成長温度が低い（３００〜４５０℃程度）場合、Ｍｎがクラスタを形成せずに結晶中に混晶の形で取り込まれるが、成長温度が高くＭｎＰクラスタを形成してしまえば、結局光の損失につながってしまう。
【００３１】
このように作製されたサンプルの解析は、断面構造を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＴＥＭ）により観察し、各層の原子組成比をエネルギ分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　ｘ−ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＥＤＳ）により分析する。
【００３２】
ここでは、ＥＤＳ組成分析は、図２中に示す各スポット（スポット１〜７）について行っている。表１に各スポットでのＥＤＳ組成分析結果を示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１に示したように、ＩｎＧａＡｓ層中のスポット１，４，７においては、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓの各原子がその組成の大部分を占め、Ｐ，Ｍｎの各原子はどちらもほとんど含まれない。また、ＩｎＰ層中のスポット２，５においては、Ｉｎ，Ｐの各原子がその組成の大部分を占め、Ｇａ，Ａｓ，Ｍｎの各原子はいずれもほとんど含まれない。
【００３５】
しかし、同じくＩｎＰ層中のスポット３，６について見ると、ＩｎＰ層内の測定点であるにもかかわらず、Ｉｎ原子はほとんど含まれておらず、Ｐ，Ｍｎの各原子がその組成の大部分を占めていることがわかる。これは、ＩｎＧａＡｓ層成長中にＭｎをドーピングしていたにもかかわらず、そのＭｎ原子の大半がその表面偏析現象によってＩｎＧａＡｓ層表面に析出し、ＩｎＰ成長とともにＩｎＰ層中にＭｎＰ結晶として取り込まれたことを示している。Ｍｎは、図２に示したように、ＩｎＰ層内で、さまざまな分布形状で取り込まれているものと推定される。
【００３６】
この現象は、異種元素間の結合エネルギの大きさから定性的に説明することができる。文献「Ｔｈｅ　ｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｏｎｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　ａｎｄ　ｃｒｙｓｔａｌｓ　：Ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｍｏｄｅｒｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，　ｂｙ　Ｌｉｎｕｓ　Ｐａｕｌｉｎｇ，ｔｈｉｒｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，　Ｃｏｒｎｅｌｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ（１９６０）」によると、異種元素Ａ，Ｂ間の結合エネルギをＤ（Ａ−Ｂ）、Ａ−Ａ間およびＢ−Ｂ間の結合エネルギをそれぞれＤ（Ａ−Ａ）およびＤ（Ｂ−Ｂ）、Ａ元素およびＢ元素の電気陰性度をそれぞれＸＡおよびＸＢとしたとき、Ｄ（Ａ−Ｂ）は、次式（１）に従う算術平均によって近似的に求めることができる。
【００３７】
【数１】
Ｄ（Ａ−Ｂ）＝｛Ｄ（Ａ−Ａ）＋Ｄ（Ｂ−Ｂ）｝／２＋２３（ＸＡ−ＸＢ）２　…（１）
同文献に与えられているＤ（Ａｓ−Ａｓ）＝３２．１（ｋｃａｌ／ｍｏｌ），Ｄ（Ｐ−Ｐ）＝５１．３（ｋｃａｌ／ｍｏｌ），ＸＡｓ＝２．０，Ｘｐ＝２．１，ＸＭｎ＝１．５の値から、Ｍｎ−Ｐ元素間の結合エネルギＤ（Ｍｎ−Ｐ）と、Ｍｎ−Ａｓ元素間の結合エネルギＤ（Ｍｎ−Ａｓ）はそれぞれ次の式（２），（３）で与えられる。
【００３８】
【数２】
Ｄ（Ｍｎ−Ｐ）＝｛Ｄ（Ｍｎ−Ｍｎ）＋５１．３｝／２＋８．２８　…（２）
【００３９】
【数３】
Ｄ（Ｍｎ−Ａｓ）＝｛Ｄ（Ｍｎ−Ｍｎ）＋３２．１｝／２＋５．７５　…（３）
式（２），（３）より、Ｄ（Ｍｎ−Ｐ）＞Ｄ（Ｍｎ−Ａｓ）であることがわかる。このことから、Ｍｎ−Ａｓ結合を解離させるのに比べてＭｎ−Ｐ結合を解離させるためにはより大きなエネルギが必要になるといえる。すなわち、Ｍｎ−Ｐ結合が、Ｍｎ−Ａｓ結合に比べてより安定であることがわかる。
【００４０】
このような結合エネルギの関係に基づき、ＩｎＧａＡｓ層成長中にドーピングされたＭｎは、ＩｎＧａＡｓ層表面に析出し、続くＩｎＰ成長とともにＩｎＰ層中にＭｎＰ結晶として取り込まれるようになる。
【００４１】
第１の実施の形態に係る導波路型ファラデー回転素子１０の製造に当たっては、このようなＭｎの表面偏析現象を利用することができる。
図３は第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【００４２】
導波路型ファラデー回転素子１０の製造は、これを構成する各層を順に結晶成長させることによって形成する。結晶成長にはＭＯＶＰＥ法を用い、原料としてＰＨ３，ＡｓＨ３，ＴＭＩ，ＴＥＧ、磁性元素であるＭｎの原料として（ＭｅＣｐ）２Ｍｎを用いる。成長温度は３００℃〜４５０℃程度の温度範囲で行う。成長温度が３００℃を下回る場合には、原料となる有機金属ガスの分解が起こりにくくなるため結晶の成長効率が著しく低下し、４５０℃を上回る場合には、先に示した実験の通り、熱による凝集のため成長した結晶中にクラスタが形成されて結晶性が悪化したり導入させたＭｎが脱離したりしてしまうためである。
【００４３】
以下、各層の形成工程を順を追って説明する。
化合物半導体基板（集積される半導体レーザなどの光デバイスと同一基板であってもよい）の上に、ＩｎＰクラッド層１１を成長させる（ステップＳ１）。ＩｎＰクラッド層１１は、例えば、ＰＨ３雰囲気中で基板に対して水素をキャリアガスとしたＴＭＩの有機金属ガスを導入することによって、約０．５μｍの膜厚に形成する。
【００４４】
次いで、ＩｎＰクラッド層１１上に、ＩｎＰクラッド層１１よりも屈折率の高いＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂを、Ｍｎを導入しながら成長させる（ステップＳ２）。ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂは、例えば、ＰＨ３およびＡｓＨ３の混合雰囲気中で水素をキャリアガスとしてＴＭＩおよびＴＥＧを導入することによって、約０．０５μｍ〜０．１μｍに形成する。このＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂの形成の際には、Ｍｎ原料である（ＭｅＣｐ）２Ｍｎも同時に導入するようにする。ここで導入されたＭｎは、その表面偏析現象によって、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ表面に多く存在するようになる。
【００４５】
次いで、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ上に、ＩｎＰ層を成長させる（ステップＳ３）。ここで成長させるＩｎＰ層は、例えば、ＰＨ３雰囲気中で水素をキャリアガスとしてＴＭＩを導入することによって、約０．０５μｍ〜０．１μｍに形成する。その際、このＩｎＰ層の下層にあるＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ表面には、ステップＳ３において導入したＭｎが偏析しており、上述のようにＭｎ−Ａｓ結合よりもＭｎ−Ｐ結合が形成されやすいことから、ＭｎがこのＩｎＰ層に取り込まれるようになる。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ上には、Ｍｎが含有されたＩｎＰ層であるＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａが形成されるようになる。
【００４６】
次いで、このＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａ上に、ステップＳ２と同様に、Ｍｎを導入しながらＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂを成長させ（ステップＳ４）、表面にＭｎが偏析したＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂを形成する。その膜厚は、例えば、約０．０５μｍ〜０．１μｍとする。
【００４７】
これにより、ＩｎＰクラッド層１１上には、ＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａがＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂで挟まれた構造のＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２が形成される。なお、通常は、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２全体で、その膜厚が約０．２μｍ〜０．３μｍとなるように形成する。
【００４８】
さらに、ステップＳ４で形成したＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ上に、ステップＳ３と同様に、ＩｎＰ層を成長させ（ステップＳ５）、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３を形成する。その膜厚は、例えば、約０．５μｍとする。
【００４９】
そして、導波路のメサ構造を形成し（ステップＳ６）、その上にＩｎＰ埋め込み層１４を成長させ（ステップＳ７）、導波路型ファラデー回転素子１０の基本構造を完成する。
【００５０】
なお、この製造方法では、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂを形成する際に上層のＩｎＰ層に含有させるべきＭｎを導入するようにしたが、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ形成時にはＭｎは導入せず、ＩｎＰ層の形成時にＭｎを導入するようにすることもできる。
【００５１】
図４はＩｎＰ層の形成時にＭｎを導入する場合の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
かかる場合の導波路型ファラデー回転素子１０の製造は、まず、ＩｎＰクラッド層１１を成長させ（ステップＳ１０）、その上に、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂを成長させる（ステップＳ１１）。ただし、ここでは（ＭｅＣｐ）２Ｍｎの導入は行わない。
【００５２】
ステップＳ１１に続き、形成したＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ上に、Ｍｎを導入しながらＩｎＰ層を成長させる（ステップＳ１２）。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ上には、ＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａが形成される。このＩｎＰ：Ｍｎ層１２ａは、例えば、ＰＨ３雰囲気中で水素をキャリアガスとしてＴＭＩを導入すると同時に、（ＭｅＣｐ）２Ｍｎを一緒に流すことによって形成する。
【００５３】
そして、ステップＳ１１と同様に、（ＭｅＣｐ）２Ｍｎを導入することなくＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂを成長させ（ステップＳ１３）、ステップＳ１２と同様に、Ｍｎを導入しながらＩｎＰ層を成長させ（ステップＳ１４）、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３を形成する。これにより、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２が形成される。
【００５４】
最後に、導波路のメサ構造を形成し（ステップＳ１５）、その上にＩｎＰ埋め込み層１４を成長させ（ステップＳ１６）、導波路型ファラデー回転素子１０の基本構造を完成する。
【００５５】
このように、ＩｎＰ層の形成時にＭｎを導入するようにすると、Ｍｎ−Ａｓ結合よりもＭｎ−Ｐ結合が形成されやすいことから、ＩｎＰ層ではＩｎＧａＡｓＰ層とは異なり、表面偏析が起こりにくい。そのため、ＩｎＰ層の形成時に導入されたＭｎは、そのままＩｎＰ層内に留まり、ＩｎＰ：Ｍｎ層を形成することができる。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ層１２ｂ表面にＭｎの偏析のない良好な結晶層を形成でき、高性能な導波路型ファラデー回転素子１０を形成することができる。
【００５６】
導波路型ファラデー回転素子１０を製造するこれらの異なる方法においては、いずれの場合も、クラッド層およびコア層に有効にＭｎを導入することができ、Ｍｎの表面偏析を抑制することができる。これにより、ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層１２を導波する光の損失が抑制される。
【００５７】
また、化合物半導体材料を用いて高性能な導波路型ファラデー回転素子１０を製造できるので、光通信システムで広く利用される波長帯においても、半導体レーザ、光アンプ、光増幅器、光合成器／分波器などの光デバイスとの集積が可能になる。
【００５８】
次に、第２の実施の形態について説明する。
この第２の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子は、導波路となるコア層の構造が、第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０と相違しており、そのほかの構造は、第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０と同じである。
【００５９】
図５は第２の実施の形態に係る導波路型ファラデー回転素子の層構造の一部を示す図である。ただし、図５では、第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０の層構造を示した図１に示している構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。
【００６０】
第２の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子２０において、ＩｎＰクラッド層１１およびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３の間には、ＩｎＧａＡｓ層とＭｎを含有するＩｎＰ：Ｍｎ層またはＩｎＧａＰ：Ｍｎ層とを順に積層させた超格子構造のＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１が形成されている。このような積層構造の導波路のメサ構造が、ＩｎＰ埋め込み層１４によって埋め込まれ、導波路型ファラデー回転素子２０が構成されている。
【００６１】
この導波路型ファラデー回転素子２０の各層の屈折率は、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１が高く、これを挟むＩｎＰクラッド層１１およびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３が低くなっている。この屈折率差により、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１が、光を閉じ込め、導波路として機能する。そして、磁気光学効果を持つＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ層およびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３により、ファラデー効果が発現される。
【００６２】
導波路型ファラデー回転素子２０は、第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子１０と同様、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１およびＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３の両方にＭｎが含有されていることで、光とＭｎとの相互作用が高められる構造になっている。
【００６３】
次に、この第２の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子２０の製造方法について説明する。
図６は第２の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【００６４】
導波路型ファラデー回転素子２０の製造は、まず、ＩｎＰクラッド層１１を成長させ（ステップＳ２０）、その上に、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１を形成する。
【００６５】
このＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１の形成は、まず、ＩｎＰクラッド層１１上に、Ｍｎを導入しながらＩｎＧａＡｓ層を成長させる（ステップＳ２１）。ＩｎＧａＡｓ層は、例えば、ＡｓＨ３雰囲気中で水素をキャリアガスとしてＴＭＩおよびＴＥＧを導入することによって形成する。その際、同時にＭｎ原料である（ＭｅＣｐ）２Ｍｎも導入する。導入されたＭｎの多くは、ＩｎＧａＡｓ層表面に偏析するようになる。
【００６６】
そして、このＩｎＧａＡｓ層上に、ＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層を成長させる（ステップＳ２２）。これにより、ＩｎＧａＡｓ層表面に偏析していたＭｎがＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層に取り込まれ、ＩｎＰ：Ｍｎ層またはＩｎＧａＰ：Ｍｎ層が形成される。なお、ステップＳ２２において、ＩｎＧａＰ層を形成する場合には、例えば、ＰＨ３雰囲気中でＴＭＩおよびＴＥＧを導入する。
【００６７】
このようなステップＳ２１，Ｓ２２の結晶成長を所定回数だけ繰り返し、超格子を形成する（ステップＳ２３）。これにより、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１が形成される。ただし、その最上層は、Ｍｎが表面に偏析されたＩｎＧａＡｓ層とする。このようなＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１は、通常、その全体の膜厚が約０．２μｍ〜０．３μｍとなるように形成する。
【００６８】
次いで、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１上に、ＩｎＰ層を成長させ（ステップＳ２４）、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３を形成する。すなわち、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３は、ＩｎＰ層を成長させることによってＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１最上層のＩｎＧａＡｓ層に表面偏析したＭｎが取り込まれて形成されるが、所望のＭｎ組成比を得るために、もちろんＭｎを同時に導入しながら形成しても構わない。
【００６９】
最後に、導波路のメサ構造を形成し（ステップＳ２５）、その上にＩｎＰ埋め込み層１４を成長させ（ステップＳ２６）、導波路型ファラデー回転素子２０の基本構造を完成する。
【００７０】
また、ＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層の形成時にＭｎを導入することも可能である。図７はＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層の形成時にＭｎを導入する場合の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【００７１】
かかる場合の導波路型ファラデー回転素子２０の製造は、まず、ＩｎＰクラッド層１１を成長させ（ステップＳ３０）、その上に、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１を形成する。
【００７２】
このＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１の形成は、まず、ＩｎＰクラッド層１１上にＩｎＧａＡｓ層を成長させる（ステップＳ３１）。そして、その上に、（ＭｅＣｐ）２Ｍｎを導入しながらＩｎＰまたはＩｎＧａＰを成長させ（ステップＳ３２）、ＩｎＰ：Ｍｎ層またはＩｎＧａＰ：Ｍｎ層を形成する。
【００７３】
このステップＳ３１，Ｓ３２の結晶成長を所定回数だけ繰り返して超格子を形成し（ステップＳ３３）、それにより、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１を形成する。
【００７４】
そして、このＩｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１上に、（ＭｅＣｐ）２Ｍｎを用いてＭｎを導入しながらＩｎＰを成長させ（ステップＳ３４）、ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層１３を形成する。
【００７５】
最後に、導波路のメサ構造を形成し（ステップＳ３５）、その上にＩｎＰ埋め込み層１４を成長させ（ステップＳ３６）、導波路型ファラデー回転素子２０の基本構造を完成する。
【００７６】
導波路型ファラデー回転素子２０を製造するこれらの異なる方法においては、いずれの場合も、クラッド層およびコア層に有効にＭｎを導入することができ、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層２１を導波する光の損失が抑制される。
【００７７】
また、化合物半導体材料を用いて高性能な導波路型ファラデー回転素子２０を製造できるので、光通信システムで広く利用されている波長帯において、他の光デバイスとの集積化が可能になる。
【００７８】
なお、以上の説明において、ＩｎＰクラッド層１１は、その内部にＭｎを含有させた構造としてもよい。その場合は、例えば、ＰＨ３雰囲気中でＴＭＩを導入してＩｎＰを成長させながら同時にＭｎを導入することによってＩｎＰ：Ｍｎクラッド層を形成すればよい。このような構成とすれば、Ｍｎを含有するコア層が、Ｍｎを含有するＩｎＰ：Ｍｎクラッド層で挟まれた構造となるため、Ｍｎを含んだ層と光とがオーバーラップする領域が広がり、よりいっそう光とＭｎとの間の相互作用を高めることができるようになる。
【００７９】
また、以上の説明では、磁性元素としてＭｎを用いた場合について述べたが、本発明で用いることのできる磁性元素としては、Ｍｎのほか、Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅなどの磁性元素も用いることが可能である。
【００８０】
また、本発明は、以上の説明において用いた材料に限定されるものではない。例えば、ＩｎＧａＡｓＰに替えてＩｎＧａＡｓを用いることができ、ＩｎＧａＡｓに替えてＩｎＧａＡｓＰを用いることも可能である。また、ＩｎＰに替えてＩｎＧａＰを用いることができ、ＩｎＧａＰに替えてＩｎＰを用いることも可能である。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、磁性半導体層をこれよりも高い屈折率の半導体層によって挟んだ構造を有しているコア層、およびコア層を挟むクラッド層に、クラスタを形成させずに磁性元素を含めるようにする。これにより、導波損失を抑えて、導波する光と磁性元素との相互作用を高めた高性能な導波路型ファラデー回転素子を実現することができる。
【００８２】
また、化合物半導体材料を用いて高性能な導波路型ファラデー回転素子を製造できるので、光通信システムで広く利用される波長帯において、他の光デバイスとの集積化が可能になる。
【００８３】
また、導波路型ファラデー回転素子の製造においては、磁性元素を、磁性半導体層の形成時あるいは磁性半導体層下層の半導体層の成長時に導入することにより、クラッド層、コア層に磁性元素を有効に導入することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子の層構造の一部を示す図である。
【図２】Ｍｎの表面偏析現象の説明図である。
【図３】第１の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【図４】ＩｎＰ層の形成時にＭｎを導入する場合の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係る導波路型ファラデー回転素子の層構造の一部を示す図である。
【図６】第２の実施の形態の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【図７】ＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層の形成時にＭｎを導入する場合の導波路型ファラデー回転素子の製造フローを示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５，６，７　スポット
１０，２０　導波路型ファラデー回転素子
１１　ＩｎＰクラッド層
１２　ＩｎＰ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓＰコア層
１２ａ　ＩｎＰ：Ｍｎ層
１２ｂ　ＩｎＧａＡｓＰ層
１３　ＩｎＰ：Ｍｎクラッド層
１４　ＩｎＰ埋め込み層
２０　導波路型ファラデー回転素子
２１　Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ：Ｍｎ／ＩｎＧａＡｓ超格子コア層
【図１】
2004070012.tif 000004
【図２】
2004070012.tif 000005
【図３】
2004070012.tif 000006
【図４】
2004070012.tif 000007
【図５】
2004070012.tif 000008
【図６】
2004070012.tif 000009
【図７】
2004070012.tif 000010