(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に並ぶ複数の格子片を含み、前記格子片それぞれが前記半導体基板の上に設けられた下側部分および前記下側部分の上に設けられた上側部分を含み、前記上側部分が第１屈折率を有し、前記下側部分が前記第１屈折率よりも低い第２屈折率を有し、前記上側部分から前記下側部分にかけて段階的、または連続的に屈折率が低下する、屈折率結合型の回折格子と、
前記回折格子を埋め込むように前記回折格子に積層され、前記第１屈折率よりも低くかつ前記第２屈折率より高い屈折率を有する回折格子埋込層と、
前記回折格子とともに前記回折格子埋込層を挟み込むように前記回折格子埋込層に積層された、活性層または光導波路層と、
を備える半導体光素子。
【請求項２】
前記下側部分と前記上側部分との間に、前記下側部分の屈折率と前記上側部分の屈折率との中間の屈折率を有する中間部分が設けられた請求項１に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、下記の特許文献１、２に記載されているように、共振器内部に複素結合型の回折格子を備える分布帰還型レーザ素子（ＤＦＢ−ＬＤ）が知られている。特許文献１によれば、屈折率結合型、利得結合型、および複素結合型のそれぞれのＤＦＢレーザは次のように対比される。屈折率結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の実部のみが周期的に変動しているタイプ、つまり周期的に屈折率を変化させる回折格子を共振器内に備えている半導体レーザ素子である。利得結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の虚部のみが周期的に変動しているタイプ、つまり周期的に利得を変化させる、又は周期的に損失を変化させる回折格子を共振器内に備えている半導体レーザ素子である。複素結合型ＤＦＢレーザは、共振器内部で複素屈折率の実部及び虚部の双方が周期的に変動しているタイプの半導体レーザ素子である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９９７５８号公報
【特許文献２】特開平５−２９７０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
利得結合型の回折格子は光吸収層を含むので、しきい値電流の上昇、スロープ効率の低下、および消費電力が大きいといった問題点がある。これに対し、屈折率結合型の回折格子を用いた場合にはこれらの問題を回避できるという利点がある。
【０００５】
ところで、ＤＦＢレーザを製造する際には、エッチングにより回折格子を形成した後、さらに回折格子埋込層を成長し、この回折格子埋込層の上に光閉込層、活性層などが設けられる。このとき、製造ばらつきにより回折格子が設計値よりも深く形成されると、回折格子と光閉込層、活性層などとの間の距離が目標の設計値よりも小さくなる。この場合、光結合係数が狙いとする設計値よりも大きくなるという問題があった。この問題を防ぐ方法の一つとして、例えば回折格子と光閉込層の距離が設計値通りになるように回折格子深さに応じて回折格子埋込層の厚さを変えることもできる。しかし、この方法では製造効率を下げてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、屈折率結合型の回折格子または周期構造層の深さがばらつくことに起因する光結合係数のばらつきを抑制することのできる半導体光素子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】
【０００８】
第１の発明にかかる半導体光素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上に並ぶ複数の格子片を含み、前記格子片それぞれが前記半導体基板の上に設けられた下側部分および前記下側部分の上に設けられた上側部分を含み、前記上側部分が第１屈折率を有し、前記下側部分が前記第１屈折率よりも低い第２屈折率を有し、前記上側部分から前記下側部分にかけて段階的、または連続的に屈折率が低下する、屈折率結合型の回折格子と、前記回折格子を埋め込むように前記回折格子に積層され、前記第１屈折率よりも低くかつ前記第２屈折率より高い屈折率を有する回折格子埋込層と、前記回折格子とともに前記回折格子埋込層を挟み込むように前記回折格子埋込層に積層された、活性層または光導波路層と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、格子片の下側部分を上側部分よりも低屈折率とし、下側部分を埋込層より低屈折率としたことにより、格子片が深くなるほど実効屈折率差を減少させることができる。これにより、光結合係数のばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子を示す断面図である。
【図２】実施の形態に対する比較例にかかる半導体光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子の効果を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体光素子を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体光素子を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかる半導体光素子を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３にかかる面発光半導体光素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子１００を示す断面図である。実施の形態１にかかる半導体光素子１００は、屈折率結合型の帰還型レーザ素子（ＤＦＢレーザ素子）である。半導体光素子１００は、半導体基板１と、この半導体基板１の上に順次積層された回折格子２、回折格子埋込層３、活性層４、およびクラッド層５とを備えている。半導体基板１は、Ｓをドーパントとしたｎ型ＩｎＰ基板である。なお、半導体基板１は、Ｚｎをドーパントとしたｐ型ＩｎＰ基板としてもよい。
【００１６】
屈折率結合型の回折格子２は、半導体基板１の上に設けられ、ＩｎＧａＡｓＰ系材料で構成されている。共振器内に備えられた回折格子２は、周期的に屈折率を変化させる。回折格子２を備えることで、共振器内部で複素屈折率の実部のみを周期的に変動させることができ、屈折率結合型の帰還型レーザ素子（ＤＦＢレーザ素子）が得られる。回折格子２により複素屈折率の実部のみが周期的に変動し、特定の波長にのみ帰還をかけることができる。回折格子２は、半導体基板１の上においてレーザ光が射出される方向（Ｚ方向）に並ぶ複数の格子片２ａを含んでいる。格子片２ａそれぞれが、下側部分９および下側部分９の上に設けられた上側部分６とを有する。格子片２ａそれぞれの下側部分９が連結しており、回折格子２の下部に１つの層を成している。上側部分６が第１屈折率ｎ１を有し、下側部分９が第２屈折率ｎ２（ただしｎ２＜ｎ１）を有する。上側部分６から下側部分９にかけて段階的に屈折率が低下している。
【００１７】
回折格子埋込層３は、回折格子２を埋め込むように回折格子２に積層され、上側部分６よりも低くかつ下側部分とは異なる屈折率ｎ０を有する。回折格子埋込層３は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる。便宜上、回折格子埋込層３の屈折率をｎ０とし、回折格子２の上側部分６の屈折率をｎ１とし、回折格子２の下側部分９の屈折率をｎ２とする。回折格子埋込層３の屈折率ｎ０は、ｎ１とｎ２の中間である。つまり、ｎ２＜ｎ０＜ｎ１である。ｎ２＜ｎ０＜ｎ１の関係が成り立つように、各層の材料組成およびキャリア濃度の少なくとも一方が調整されている。
【００１８】
活性層４は、回折格子２とともに回折格子埋込層３を挟み込むように回折格子埋込層３に積層されている。活性層４は、回折格子埋込層３の上に積層され、ＡｌＩｎＧａＡｓ系もしくはＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる。
【００１９】
クラッド層５は、活性層４の上に設けられ、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる。
【００２０】
図２は、実施の形態に対する比較例にかかる半導体光素子４００を示す断面図である。比較例にかかる半導体光素子４００は、ＤＦＢ−ＬＤであり、図２の断面図に示すように、上側部分６と下側部分４０７の二層からなる回折格子４０８を用いている。上側部分６は実施の形態１と同様であり、その屈折率ｎ１が回折格子埋込層３より高い。一方、下側部分４０７は回折格子埋込層３と同一の屈折率ｎ０をもつ。
【００２１】
便宜上、上側部分６と活性層４の距離をｔとし、回折格子２、４０８の深さをｄとし、回折格子２、４０８の周期をΛとし、デューティー比をＤとする。製造工程において回折格子埋込層３の成長条件が固定されている場合、回折格子埋込層３の体積が一定であるため、下記の（１）式のような関係が成立する。そのため、回折格子２、４０８それぞれにおいて、深さｄが増加すると距離ｔが小さくなる。
【００２２】
0006331997.tif 000002
【００２３】
図３は、本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子１００を示す断面図である。図３の断面に示すように、半導体光素子１００では回折格子２は高屈折率ｎ１である上側部分６と回折格子埋込層３より低い屈折率ｎ２を持つ下側部分９から構成される。なお、本実施の形態では回折格子２を二層構造としているが、互いに屈折率の異なる三層以上の多層構造としてもよい。回折格子２における実効屈折率差Δｎは、上側部分６の厚さをｄ１、下側部分９の深さをｄ２とすると加重平均から下記の（２）式のように近似される。ｄ１とｄ２の合計ｄが、回折格子２の各格子片２ａの高さに一致し、いいかえると回折格子２の隣接する格子片２ａの間の溝の深さである。
【００２４】
0006331997.tif 000003
【００２５】
光結合係数κは一般に下記の（３）式で表される。ｋ０は波数、βは伝搬定数、Δε１は下記の（４）式で与えられる誘電率の摂動Δε（ｘ，ｙ，ｚ）のフーリエ級数、Ｕ（ｘ，ｙ）は光の強度分布である。回折格子２および回折格子４０８が周期構造をもつ向きをｚ方向とする。また、一般に誘電率εは屈折率ｎの二乗に比例する。深さｄが大きくなり距離ｔが小さくなると、活性層４から染み出した光と回折格子２、４０８とのオーバーラップ量が増える。このため、回折格子２、４０８への光結合係数κが大きくなる。
【００２６】
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【００２７】
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【００２８】
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【００２９】
0006331997.tif 000007
【００３０】
図４は、本発明の実施の形態１にかかる半導体光素子１００の効果を示す図である。図４は、一例として、比較例の半導体光素子４００と実施の形態１にかかる半導体光素子１００との間で、光結合係数κと共振器長Ｌの積（κＬ）と回折格子２、４０８の深さｄの関係をグラフにしたものである。図４に示すとおり、実施の形態１の方が比較例よりもκＬの深さｄ依存性が小さくなっている。κＬの深さｄ依存性が大きければ、深さｄの製造バラつきを抑制するために回折格子埋込層３の成長条件を調整することが必要となる。実施の形態１にかかる半導体光素子１００はκＬの深さｄ依存性が小さくなるように改善されているので、回折格子埋込層３の成長条件を一定にしても均一な光結合係数κを得やすくなり、ＤＦＢ−ＬＤの製造効率を上げることができる。回折格子２の製造中におけるバラツキのほかにも、半導体ウェハ面内の傾斜などに起因して回折格子２の深さｄにばらつきが生じた場合にも同様に、光結合係数κの面内バラつきを軽減することができる。
【００３１】
また、本発明では屈折率結合型の回折格子２を用いている。このため、利得結合型回折格子を用いた特許文献１，２に例示される半導体レーザ素子と比較すると、回折格子２における光損失がなく、しきい値電流の上昇、スロープ効率の低下、および消費電力の増大といった特性低下を抑制できるという利点がある。
【００３２】
以上説明した実施の形態１によれば、光結合係数κが回折格子２の深さｄに依存して変化する度合いを抑制できる。従って、回折格子埋込層３の成長条件を一定にすることができ、製造効率を上げることができる。
【００３３】
なお、変形例として、回折格子埋込層３の屈折率ｎ０を下側部分９の屈折率ｎ２より低くしてもよく（すなわちｎ０＜ｎ２）、そのような低屈折率材料に回折格子埋込層３の材料を置換してもよい。この場合、屈折率は、ｎ０＜ｎ２＜ｎ１という関係になる。この変形を行った場合にも、（２）式において回折格子２の深さｄが深くなった場合、（２）式第３項によりΔｎが小さくなる。
【００３４】
実施の形態１では、下側部分９と上側部分６とで二段階に屈折率を変化させた。しかしながら本発明はこれに限られず、三段階、四段階、あるいはそれ以上の段階で上側部分６から下側部分９に徐々に屈折率を低下させてもよい。例えば、半導体光素子１００は、下側部分９と上側部分６との間に、下側部分９の屈折率と上側部分６の屈折率との中間の屈折率を有する中間部分を含んでいてもよい。この中間部分をさらに２層、３層あるいはそれ以上の多層構造として、上側部分６から下側部分９に徐々に屈折率を低下させるように回折格子２を複数の層に構成してもよい。
【００３５】
図５は、本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体光素子１０１を示す断面図である。格子片２ａは、連続的に屈折率が変化するものであってもよい。図５のように、最上部から最下部にかけて連続的に屈折率が低下する回折格子１９を設けて、他の構造は実施の形態１と同じものとしてもよい。このときの回折格子１９の最下部の屈折率は回折格子埋込層３よりも低いものとする。この変形を行った場合にも、（２）式において回折格子１９の深さｄが大きくなると（２）式第３項によりΔｎが小さくなるため、上記実施の形態１にかかる半導体光素子１００と同じく光結合係数κの変動を抑制する効果が得られる。
【００３６】
図６は、本発明の実施の形態１の変形例にかかる半導体光素子１５０を示す断面図である。半導体光素子１５０は、実施の形態１にかかる半導体光素子１００の活性層４を、光導波路層４１に置き換えたものである。光導波路層４１は、回折格子２とともに回折格子埋込層３を挟み込むように回折格子埋込層３に積層されている。光導波路層４１は、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＡｌＩｎＧａＡｓ系材料で構成してもよい。これにより、半導体レーザ素子に代えて、結合導波路、波長フィルタを含む導波路型光デバイスを得ることができる。（２）式において回折格子２の深さｄが増加した場合に（２）式第３項によりΔｎが小さくなるのは半導体光素子１５０でも同様であるため、光結合係数κのばらつきを抑制できる。なお、回折格子２、回折格子埋込層３、および光導波路層４１には、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、あるはＳｉを含む半導体材料を用いてもよく、ポリマー又はＳｉＯ２のようなパッシブ材料を用いてもよい。
【００３７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる半導体光素子２００を示す断面図である。半導体光素子２００は、回折格子２を回折格子２２に置換した点を除き、実施の形態１と同様の構成を備えている。回折格子２２は、上側部分６と、下側部分９に代えて設けられた下側部分２１０とを備えるものであり、Ｚ方向に向かって回折格子片２２ａが並べられたものである。
【００３８】
下側部分２１０は上側部分６よりもエッチングレートが低い材料で形成される。この低エッチングレート材料には、ＡｌＧａＩｎＡｓが含まれる。この低エッチングレート材料のエッチングレートは、上側部分６の材料のエッチングレートの例えば１／１０以下であることが好ましい。下側部分２１０は上側部分６よりもエッチングレートが低いので、製造時に回折格子２２の深さｄが設計値から変動しにくい。従って、回折格子２２の深さｄがばらつくことに起因する光結合係数κのばらつきを抑制することができる。また、面内の回折格子２２の深さｄのばらつきも軽減することができるという利点もある。
【００３９】
なお、実施の形態２にかかる半導体光素子２００において、図６に示した実施の形態１の変形例と同様に、活性層４を光導波路層４１に置換してもよい。
【００４０】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかる面発光半導体光素子３００を示す分解斜視図である。図８では埋込層３０３と二次元周期構造層３３０とを分離して図示しているが、実際の面発光半導体光素子３００ではこれらの層は密着している。面発光半導体光素子３００は、面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）である。面発光半導体光素子３００は、二次元周期構造層３３０と、埋込層３０３と、活性層３０４と、クラッド層３０５と、これらを挟み込む一対のブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３１４、３１５とを備えている。
【００４１】
二次元周期構造層３３０は、平面方向に周期的な構造を有する層であり、具体例としてはフォトニック結晶である。二次元周期構造層３３０は二層構造であり、第１屈折率層３１２と第２屈折率層３１３とから構成されている。第１屈折率層３１２は、二層構造の上側（活性層３０４側）に位置し、屈折率が高い。第２屈折率層３１３は、二層構造の下側に位置しており、第１屈折率層３１２よりも屈折率が低い。つまり、活性層３０４に近い側に位置する第１屈折率層３１２は、第２屈折率層３１３よりも高い屈折率の材料で構成される。
【００４２】
第１屈折率層３１２は、複数の凹部３１１を備えている。複数の凹部３１１は、第１屈折率層３１２の平面方向に一定間隔を保って周期的に並んでいる。複数の凹部３１１は、平面視における輪郭形状、深さ、および断面構造が互いに同一である。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の凹部３１１の位置、形状、および間隔は適宜に調整されうる。以上のように、二次元周期構造層３３０は、複数の凹部３１１を備えることで平面方向に沿って周期的に並ぶ凸凹を備えている。第１屈折率層３１２は凸側の部分を構成し、第２屈折率層３１３はこの第１屈折率層３１２よりも凹側に位置する部分を構成する。
【００４３】
埋込層３０３は、第１屈折率層３１２および第２屈折率層３１３の上方に、これらを覆うように二次元周期構造層３３０に積層される。埋込層３０３により、第１屈折率層３１２上の周期的な凸凹が埋め込まれる。第２屈折率層３１３と埋込層３０３との間では屈折率が異なるように各層の材料などが選定される。
【００４４】
埋込層３０３の上に、さらに活性層３０４およびクラッド層３０５を順次成長させる。一対のブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３１４、３１５は、二次元周期構造層３３０、埋込層３０３、および活性層３０４を挟み込んでいる。上下のＤＢＲ３１４、３１５は、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＩｎＧａＡｓ系、又はＳｉを含む半導体材料で構成してもよく、もしくはＳｉＯ２又はＴａ２Ｏ５を含む誘電体材料から構成してもよい。
【００４５】
上下のＤＢＲ３１４、３１５で光を共振させるとともに、活性層３０４の下の埋め込み二次元周期構造層３３０の二次元回折を用いることにより、出射ビーム形状をドーナッツ状に変化させたり、出射角度をつけたりすることができる。二次元周期構造層３３０は、平面方向に周期的に屈折率を変化させる。二次元周期構造層３３０を備えることで、共振器内部で複素屈折率の実部のみを周期的に変動させることができ、屈折率結合型の面発光型レーザ素子が得られる。二次元周期構造層３３０の上部に第１屈折率層３１２を設け下部に第２屈折率層３１３を設けているので、面内における二次元周期構造層３３０の凸凹深さが変わることで二次元周期構造層３３０と活性層３０４との距離がばらつくことに起因する光結合係数κのばらつきを、実施の形態１と同様に抑制することができる。なお、変形例として、上下のブラッグ反射鏡３１４、３１５を省略しても良く、これにより面発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることも可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  半導体基板、２、１９、２２、４０８  回折格子、２ａ，２２ａ  格子片、３  回折格子埋込層、４、３０４  活性層、５、３０５  クラッド層、６  上側部分、９、２１０、４０７  下側部分、４１  光導波路層、１００、１０１、１５０、２００、４００  半導体光素子、３００  面発光半導体光素子、３０３  埋込層、３１１  凹部、３１２  第１屈折率層、３１３  第２屈折率層、３１４，３１５  ブラッグ反射鏡、３３０  二次元周期構造層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0006331997.tif 000011
【図５】
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【図６】
0006331997.tif 000013
【図７】
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【図８】
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