(57)【要約】【課題】水平電流注入型のシリコンレーザおよびゲルマニウムレーザにおいて、光出力を向上させることを目的とする。更に、活性層の元素にかかわらず、水平電流注入型レーザの光出力向上を図る。【解決手段】水平電流注入型半導体レーザにおいて、活性層がシリコン薄膜またはゲルマニウム薄膜であり、コア層近傍に設けられているか、または、少なくとも一部がコア層内にあり、第一の端面の反射率が第二の端面の反射率以上であり、第一の端面でのコア層幅が０次モードのみしか存在し得ない最大コア幅より大きく、第二の端面でのコア層幅が０次モードのみしか存在し得ない最大コア幅以下であり、コア層の少なくとも一部に幅が光の伝搬方向に沿って変化する部位があり、当該コア層幅が変化する部位では０次モードの強度分布を有する光のみが放射することなく伝搬し、高次モードの強度分布を有する光は放射させる。【選択図】図１
2012160524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた光を放出する活性層と、
前記活性層の一端に電気的に接続された第１の導電型を有する第１電極と、
前記活性層の他端に電気的に接続された第２の導電型を有する第２電極と、
前記活性層上に誘電体を介して設けられ前記光を導波するコア層と、を備え、
前記第１電極と前記第２電極のそれぞれから第１の導電型を有するキャリアと第２の導電型を有するキャリアが、前記活性層に対して前記基板表面と概ね平行となる水平方向に注入され、該活性層から放出された光が第１の端面と第２の端面との間に設けられた共振器内で共振し、前記第２の端面側から増幅された光が放出される半導体レーザにおいて、
前記コア層は、前記共振器内での光の共振方向に沿って異なる幅の領域を有することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記第１の端面と第２の端面との間の少なくとも一部領域におけるコア層の幅が、前記共振器内の前記第１の端面側におけるコア層の幅より狭いことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記第１の端面の反射率が、前記第２の端面の反射率以上に大きく、
前記第１の端面でのコア層の幅が、０次モードのみしか存在し得ない最大コア幅より大きく、
前記第２の端面でのコア層の幅が、０次モードのみしか存在し得ない最大コア幅以下であり、
前記コア層の少なくとも一部に該コア層の幅が光の伝搬方向に沿って変化する領域を有し、
該コア層の幅が変化する領域では、０次モードの強度分布を有する光のみが放射されることなく伝搬し、高次モードの強度分布を有する光は放射されることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記コア層の幅が最大ではない領域の少なくとも一部に、前記第１および第２の電極と前記活性層が設けられていないことを特徴とする第１の請求項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記コア層の少なくとも一部が、前記基板面に対して水平な面内で曲線形状を有し、
該曲線形状が有する曲率は、０次モードの強度分布を有する光のみが放射されることなく伝搬し、高次モードの強度分布を有する光は放射されるように設定されていることを特徴とする第１の請求項記載の半導体レーザ。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記コア層は、前記活性層と異なる層より形成されていることを特徴とする第１の請求項記載の半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記コア層は、前記活性層と同一の層により形成されていることを特徴とする第１の請求項記載の半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層がシリコン薄膜、またはゲルマニウム薄膜で構成され、
前記活性層は、前記コア層の近傍に設けられているか、または、前記活性層の少なくとも一部が前記コア層内に設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層が、前記基板面に対して平行に広がって設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１０】
請求項８に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層が、前記基板面に対して垂直方向に広がって設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１１】
基板上に設けられた光を放出する活性層と、
前記活性層の一主面上に設けられた半導体層と、
前記活性層に電気的に接続された第１の導電型を有する第１電極と、
前記半導体層に電気的に接続された第２の導電型を有する第２電極と、
前記第１電極から前記第１の導電型を有するキャリアが前記活性層に対して前記基板表面と概ね平行な方向に電流が注入され、
前記第２電極から前記第２の導電型を有するキャリアが前記活性層に対して前記基板表面と概ね垂直な方向に電流が注入され、
該活性層から放出された光が第１の端面と第２の端面との間に設けられた共振器内で共振し、前記第２の端面側から増幅された光が放出される半導体レーザにおいて、
前記コア層は、前記共振器内での光の共振方向に沿って異なる幅の領域を有することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１２】
基板上に、第１の絶縁体を介して半導体層に活性層を形成する工程と、
前記活性層の一端に接続されるように第１の導電型を有する第１コンタクト層と、前記活性層の他端に接続されるように前記第１の導電型と逆の導電型の第２の導電型を有する第２コンタクト層とを形成する工程と、
前記活性層上に、第２の絶縁体を介して誘電体を堆積する工程と、
前記誘電体をパターニングしてコア層を形成する工程と、
前記第１コンタクト層および前記第２コンタクト層上に前記第１の導電型および前記第２の導電型の電極を形成する工程とを有し、
前記コア層のパターニングにおいて、長手方向に沿って幅が変化するパターンを有するフォトマスクを用いることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
シリコン基板上に、二酸化シリコン膜およびシリコン層が設けられたＳＯＩ基板を準備する工程と、
前記シリコン層を酸化して二酸化シリコン膜を形成した後に、前記二酸化シリコン膜上にシリコン窒化膜を堆積する工程と、
該シリコン窒化膜にエッチングにより開口部を形成し、シリコン窒化膜マスクを形成する工程と、
前記シリコン窒化膜マスクの開口部で前記シリコン層が露出している領域を酸化し、シリコン薄膜よりなる活性層を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜マスクを除去し、前記シリコン層に第１の導電型を有するシリコンコンタクト層および前記第１の導電型と逆の導電型である第２の導電型を有するシリコンコンタクト層を形成する工程と、
前記二酸化シリコン膜上にシリコン窒化膜を堆積し、該シリコン窒化膜のパターニングによりコア層を形成する工程と、
前記第１の導電型を有するシリコンコンタクト層および第２の導電型を有するシリコンコンタクト層上のシリコン層を除去し、第１の導電型および第２の導電型の電極を形成する工程を有し、
前記コア層のパターニングにおいて、長手方向に沿って幅が変化するパターンを有するフォトマスクを用いることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関する。特に、活性層がシリコン薄膜またはゲルマニウム薄膜である水平電流注入型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンのチップ間やチップ内といった近距離の光配線をシリコンを用いた光学素子で実現しようとする、シリコン・フォトニクスと呼ばれる技術の研究が盛んになっている。これは、シリコン・フォトニクスが実現されれば、例えばＬＳＩの更なる高密度高速化や低価格化が期待できるからである。
【０００３】
シリコン・フォトニクスにおいて最もチャレンジングな課題の一つが光源となるレーザの開発である。なぜなら、バルク状態のシリコンやゲルマニウムは間接遷移半導体であるため、極めて発光効率が悪いからである。そこで、シリコンやゲルマニウムを高効率で発光させるために直接遷移半導体へ変貌させる方法が提案されている。例えば、特許文献１（特開２００７−２９４６２８）および特許文献２（特開２００８−２０５００６）では（１００）面を表面に持つ極薄単結晶シリコンに直接電極を接続させ、基板と水平方向にキャリアを注入する事によって、効率良く極薄単結晶シリコンを発光させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９４６２８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の他にも、シリコンもしくはゲルマニウムを発光させてレーザとする方法は各所から提案されているが、シリコン・フォトニクスに適用するためには、いずれも光出力向上が課題となっている。
【０００６】
そこで、本発明は、基板と水平方向にキャリアを注入する水平電流注入型のシリコンレーザおよびゲルマニウムレーザにおいて、光出力を向上させることを目的とする。更に、本発明は活性層の元素にかかわらず、水平電流注入型レーザの光出力向上も目的とする。
【０００７】
すなわち、本発明の目的は、活性層がシリコンもしくはゲルマニウムである半導体レーザの光出力向上だけでなく、例えば活性層がＩＩＩ／Ｖ型半導体である半導体レーザの光出力向上をも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願において開示される半導体レーザの発明のうち、代表的なものの概要は以下の通りである。
【０００９】
基板上に設けられた光を放出する活性層と、活性層の一端に電気的に接続された第１の導電型を有する第１電極と、活性層の他端に電気的に接続された第２の導電型を有する第２電極と、活性層上に誘電体を介して設けられ該光を導波するコア層とを備え、第１電極と第２電極との間に、活性層に対して基板表面と概ね平行となる水平方向に電流が注入され、該活性層から放出された光が第１の端面と第２の端面との間に設けられた共振器内で共振する半導体レーザにおいて、共振器内の第１の端面側におけるコア層の幅と、第２の端面側におけるコア層の幅とが異なることを特徴とする。
【００１０】
または、基板上に設けられた光を放出する活性層と、活性層の一主面上に設けられた半導体層と、活性層に電気的に接続された第１の導電型を有する第１電極と、半導体層に電気的に接続された第２の導電型を有する第２電極と、第１電極から前記第１の導電型を有するキャリアが活性層に対して基板表面と概ね平行な方向に電流が注入され、第２電極から第２の導電型を有するキャリアが活性層に対して基板表面と概ね垂直な方向に電流が注入され、該活性層から放出された光が第１の端面と第２の端面との間に設けられた共振器内で共振する半導体レーザにおいて、共振器内の前記第１の端面側におけるコア層の幅と、第２の端面側におけるコア層の幅とが異なることを特徴とする。
【００１１】
上記構成において、活性層がシリコン薄膜またはゲルマニウム薄膜であり、コア層近傍に設けられているか、または、少なくとも一部がコア層内にあり、第一の端面の反射率が第二の端面の反射率以上であり、第一の端面でのコア層幅が０次モードのみしか存在し得ない最大コア幅より大きく、第二の端面でのコア層幅が０次モードのみしか存在し得ない最大コア幅以下であり、コア層の少なくとも一部に幅が光の伝搬方向に沿って変化する部位があり、当該コア層幅が変化する部位では０次モードの強度分布を有する光のみが放射することなく伝搬し、高次モードの強度分布を有する光は放射することを特徴とする水平電流注入型半導体レーザを主たる特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば水平電流注入型半導体レーザ、特にシリコンもしくはゲルマニウムを活性層に用いた水平電流注入型半導体レーザの光出力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例の上面図。
【図２Ａ】本発明の第１の実施例のバンド構造図。
【図２Ｂ】従来素子の断面図。
【図２Ｃ】本発明の第１の実施例の上面図。
【図２Ｄ】本発明の第１の実施例で活性層を拡大した時のバンド構造図。
【図２Ｅ】本発明の第１の実施例でコア層を拡大した時の断面図。
【図３Ａ】垂直電流注入型素子でコア層が狭い場合の断面図。
【図３Ｂ】垂直電流注入型素子でコア層が広い場合の断面図。
【図３Ｃ】垂直電流注入型素子のバンド構造図。
【図４Ａ】従来素子の断面図。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施例の断面図。
【図５】本発明の第１の実施例の断面図。
【図６】本発明の第１の実施例の上面図。
【図７Ａ】本発明の第１の実施例の作製方法を示す図。
【図７Ｂ】本発明の第１の実施例の作製方法を示す図。
【図７Ｃ】本発明の第１の実施例の作製方法を示す図。
【図７Ｄ】本発明の第１の実施例の作製方法を示す図。
【図７Ｅ】本発明の第１の実施例の作製方法を示す図。
【図８Ａ】本発明の第２の実施例の上面図。
【図８Ｂ】本発明の第２の実施例の断面図。
【図９】本発明の第３の実施例の上面図。
【図１０】本発明の第４の実施例の上面図。
【図１１】本発明の第５の実施例の上面図。
【図１２】本発明の第６の実施例の上面図。
【図１３】本発明の第７の実施例の上面図。
【図１４Ａ】従来素子の断面図。
【図１４Ｂ】従来素子の上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施例で紹介する方法以外にも、材料や製造工程の組合せを変える等、多くの変更が可能である事は言うまでもない。
【００１５】
以下に具体的な実施例について述べる。図面に記載された図は、必ずしも正確に縮尺を合せているわけではなく、論理が明確になるように重要な部分を強調して模式的に描画してある。
【００１６】
以下に、シリコンもしくはゲルマニウム材料を用いた水平注入型レーザに関して実施例を詳述するが、例えばＩＩＩ／Ｖ型化合物半導体材料を用いた水平注入型レーザにも本発明は適用できる。
まず、本実施例を説明する前に、従来例の構造を比較のために説明する。図１４Ａは、例えば特許文献１（特開２００７−２９４６２８）に開示されている様な素子の基板に垂直な断面図である。本素子では、シリコン基板１２０の上に二酸化シリコン膜１３０、シリコン薄膜よりなる活性層１１０、二酸化シリコン膜１８０およびシリコン窒化膜よりなるコア層１００が順に積層されており、その上に空気層１９０がある。また、シリコン薄膜よりなる活性層１１０はｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０に両端が接合されている。
【００１７】
更に、ｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０には、それぞれｎ型電極１６０およびｐ型電極１７０が設けられている。ここで、本素子の半導体レーザとしての動作は、ｎ型電極１６０およびｐ型電極１７０より電子および正孔をそれぞれ注入して行われる。すなわち、ｎ型電極１６０より注入された電子とｐ型電極１７０より注入された正孔とがシリコン薄膜よりなる活性層１１０で再結合して発光した光を、シリコン窒化膜よりなるコア層１００で導波する。
【００１８】
ここで、活性層とは、電流注入により光を発生させる層である。また、コア層とは、自らより屈折率の低いクラッド層に挟まれて、当該層中への導波光の閉じ込めが強い層である。本素子では、二酸化シリコン膜１８０および空気層１９０が、それぞれ下側および上側クラッド層となっている。図１４Ｂは、本素子の上面図である。なお、ここでは簡単のため、空気層１９０および二酸化シリコン膜１８０は省略してある。
【００１９】
本素子では、シリコン薄膜よりなる活性層１１０の幅およびシリコン窒化膜よりなるコア層１００の幅は、それぞれＷａおよびＷｃで一定である。また、シリコン薄膜よりなる活性層１１０およびシリコン窒化膜よりなるコア層１００を有する領域の後および前に、それぞれシリコン窒化膜より形成した後端面側ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域２００および前端面側ＤＢＲ領域２１０を設けて共振器ミラーとしている。
【００２０】
従って、本素子の共振器領域２２０の構成は、シリコン薄膜よりなる活性層１１０およびシリコン窒化膜よりなるコア層１００を有する領域、後端面側ＤＢＲ領域２００および前端面側ＤＢＲ領域２１０となる。本素子では、例えばシリコン窒化膜コアよりなる光回路部２３０を設けることで、チップ内もしくはチップ間の光配線用途に用いることができる。
【実施例１】
【００２１】
次に、本発明の実施例１について説明する。本素子の基板に垂直な断面構造は、図１４Ａに示した従来例の素子の場合と同様である。
【００２２】
図１に本実施例の素子の上面図を示す。図では左側を後端面、右側を前端面とした。本素子では、シリコン窒化膜よりなるコア層１００の幅が、後端面側で広く前端面側で狭くなっており、後端面と前端面の間で徐々に変化している。ここで、後端面側のシリコン窒化膜よりなるコア層１００の幅Ｗｃ（ｒ）は０次モードのみしか存在し得ないカットオフコア幅Ｗｃｕｔｏｆｆより大きく、前端面側のシリコン窒化膜よりなるコア層１００の幅Ｗｃ（ｆ）はＷｃｕｔｏｆｆ以下となっている。本構造によれば、レーザ光出力を向上することが可能となる。以下に、その理由を説明する。
【００２３】
本素子構造によりレーザ光出力を向上することが可能となる理由は２つある。第一は誘導放出光強度を増大して利得を向上できるからであり、第二は向上した利得を単一の導波モードの光に集中できるからである。以下、この２点に関し詳細に説明する。
【００２４】
まず、誘導放出光強度を増大できる理由を以下説明する。
図２Ａは、従来素子および本素子における、シリコン薄膜よりなる活性層１１０、ｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０の順方向バイアス時のバンド構造図である。本構造において、発光はｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０からそれぞれ注入された電子４００および正孔４１０がシリコン薄膜よりなる活性層１１０内で再結合して自然放出光４２０を発生させて生じる。この際の、電子４００および正孔４１０がシリコン薄膜よりなる活性層１１０内で再結合して自然放出光４２０を発生させる効率は、Ｗａ／（Ｖｓ＊τ）に比例する。ここで、Ｗａはシリコン薄膜よりなる活性層１１０の幅である。また、Ｖｓは電子および正孔、すなわちキャリアの飽和速度であり、τはキャリアの寿命である。これは、本バンド構造では、ｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０より大きなバンドギャップを有するシリコン薄膜よりなる活性層１１０が挟まれた構造となっており、キャリアの閉じ込め構造が無いことによる。
【００２５】
すなわち、キャリアは閉じ込め構造が無いため、再結合するまで最大でＶｓ＊τだけの距離を進み得、また、再結合する確率は進行距離に依らずに一定と考えられるので、キャリアが活性層内で再結合する確率は活性層幅Ｗａを最大進行距離Ｖｓ＊τで割った値になるのである。また、このためＷａがＶｓ＊τより小さい場合には自然放出光強度はＷａ内で均一になる。
【００２６】
図２Ｂおよび図２Ｃは、これを模式的に示したものである。図２Ｂは、図１４Ｂに示した従来素子におけるＡ−Ａ’断面の順バイアス時の様子である。簡単のため構造は、シリコン薄膜よりなる活性層１１０、ｎ型シリコンコンタクト層１４０、ｐ型シリコンコンタクト層１５０およびシリコン窒化膜よりなるコア層１００のみを示した。活性層１１０内には、コンタクト層から注入されたキャリアが再結合して生じた自然放出光が均一に存在する。そして、この自然放出光４２０のうち、シリコン窒化膜よりなるコア層１００による導波光４４０に重なった部分が誘導放出光４３０となる。レーザの利得はこの誘導放出光４３０の量に比例する。次に本実施例の場合を図２Ｃに示す。図２Ｃは、図１に示した実施例の素子におけるＡ−Ａ’断面の順バイアス時の様子である。図より、本実施例ではコア層１００の幅を広げることによって導波光４４０の分布を広げ、誘導放出光４３０が多くなっていることが分る。
【００２７】
このため、本実施例の素子ではレーザの利得を向上させることが可能になるのである。なお、本発明では一般にコア層１００の幅を活性層幅Ｗａ以上にしても上記の効果は得られる。しかし、本実施例の構造では、コア層１００の幅を活性層幅Ｗａ以上にすると導波光がシリコンコンタクト層や電極にかかってしまい吸収され易い。従って、本実施例ではコア層１００の幅を活性層幅Ｗａより狭くしてある。また、更に、レーザの利得を増大するには、活性層幅Ｗａおよびコア幅を広げれば良い。まず、活性層幅Ｗａを広げることにより活性層内で発生する自然放出光強度を増加させることができる。これは、前述の理由により活性層幅ＷａがＶｓ＊τ以内では活性層内で発生する自然放出光強度は活性層幅Ｗａに比例するからである。
【００２８】
図２Ｄは、活性層幅ＷａをＶｓ＊τ程度に拡大した場合のバンド構造である。この場合には、図２Ａに見られた様な再結合する前に反対側のコンタクト層に到達してしまうキャリアは無くなり、ほとんど全てのキャリアが活性層内で再結合して自然放出光４２０を放出する様になる。なお、ここでは便宜的に非発光再結合は無視して説明している。
【００２９】
図２Ｅはこの場合の素子の断面図である。コア層１００の幅を更に広げることによって、図２Ｃよりも大きな誘導放出光強度が得られることが分る。以上の様に、いずれの活性層幅においても、コア幅を広げることによってレーザの利得が向上できることが分る。
【００３０】
なお、上記説明の様に本発明の効果は水平電流注入型半導体レーザで得られるものである。従って、垂直電流注入型である通常のＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた半導体レーザでは、本効果は一般には得られない。しかし、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた半導体レーザにおいても水平電流注入型を適用すれば、上記理由によりコア幅を広げることによってレーザの利得を向上でき、本効果を得ることができる。ここで、垂直電流注入型半導体レーザとは、半導体層の積層方向に沿ってキャリアを注入する型の半導体レーザである。垂直電流注入型半導体レーザで上記効果が得られない理由は、一般に水平方向に電流狭窄構造があること、および活性層とクラッド層が通常は同一であることによる。以下にこの詳細を説明する。なお、説明では簡単のため非発光再結合成分は無視する。
【００３１】
まず、図３Ａにコア幅が狭い場合の垂直電流注入型半導体レーザの層構造を示す。本レーザの層構造は、下から、ｐ型クラッド層５１０、活性層１１０およびｎ型クラッド層５００となっている。また、活性層１１０およびｎ型クラッド層５００は電流狭窄層５２０により挟まれており、素子の上下にはそれぞれｎ電極１６０およびｐ電極１７０が設けられている。本構造では活性層１１０が同時にコア層としても機能する。これは、活性層１１０がクラッド層よりも屈折率が高く、厚みも十分であるためである。また、本構造では活性層が水平方向に電流狭窄されているので再結合は全て活性層幅内で発生する。また、活性層が同時にコア層となっているため、再結合で生じた自然放出光は全てコア層内の導波光４４０と重なり誘導放出光４３０となる。
【００３２】
図３Ｂは、コア幅が広い場合の垂直電流注入型半導体レーザの層構造を示す。図３Ａの場合と同様に自然放出光は全て誘導放出光４３０となる。この様に、水平方向に電流狭窄構造があること、および活性層とクラッド層が同一であることによって、通常の垂直電流注入型半導体レーザの光出力は注入電流が一定の場合コア幅に依らず一定となる。なお、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた垂直電流注入型半導体レーザでは活性層を厚くしても、水平電流注入型半導体レーザでコア幅を広げた時に得られる効果は得られない。これはバンド構造に起因する。
【００３３】
図３Ｃは、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた垂直電流注入型半導体レーザのバンド構造である。図の水平方向は積層方向を示す。本構造では、活性層１１０のバンドギャップがクラッド層より小さくキャリアが活性層１１０に閉じ込められる構造となるため、活性層厚が少なくてもキャリアが反対側の極性を有するクラッド層に注入されにくい。このため、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた垂直電流注入型半導体レーザでは電流が一定の場合、光出力はコア厚に依らず一定となる。以上より、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた垂直電流注入型半導体レーザでは、光出力はコア層の形状を変えても、水平電流注入型半導体レーザにおいてコア幅を広げた場合に得られる様な効果は得られない。ただし、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた半導体レーザにおいても、水平電流注入型を適用すると、コア幅を広げることによってレーザに利得を向上できることは前述の通りである。
【００３４】
図２では、コア層と活性層が異なる層により形成されている水平電流注入型半導体レーザについてコア幅を広げることによって光出力を向上できることを説明したが、同一の層がコア層としても活性層としても機能する水平電流注入型半導体レーザにおいても同様の効果が得られる。以下この理由を説明する。
【００３５】
図４Ａは、活性層幅Ｗａすなわちコア幅が狭い場合の、この様な素子の断面構造である。本素子では、活性層が同時にコア層としても機能するため、活性層で生じた自然放出光が全て導波光４４０と重なる。このため、全ての自然放出光が誘導放出光４３０となる。
【００３６】
図４Ｂは、活性層幅Ｗａすなわちコア幅Ｗａが広い場合の、この様な素子の断面構造である。図ではＷａはＶｓ＊τ程度としてある。この場合も活性層で生じた全ての自然放出光が誘導放出光４３０となるのは図４Ａと同様である。しかし、図４ＢではＷａに比例して自然放出光の生じる強度が強くなるため、結果として誘導放出光強度も強くなり、レーザの光出力が高くなる。この様に、同一の層がコア層としても活性層としても機能する水平電流注入型半導体レーザにおいてもコア幅を広げることによりレーザの光出力を向上することができる。
【００３７】
また、電子もしくは正孔の一方のみしか活性層に水平注入されない素子においても、コア幅を広げることによってレーザ出力を向上させることができる。この様な素子としては、例えば非特許文献１(IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 3, MAY/JUNE 2009 pp.535-544）に記載されている様な素子が挙げられる。
【００３８】
図５に、上述の電子もしくは正孔の一方のみしか活性層に水平注入されない素子の層構造の一例を示す。本素子の層構造は下から、シリコン基板１２０、二酸化シリコン膜１３０、シリコンよりなるコア層９００、ＩＩＩ／Ｖ半導体からなる活性層９３０およびＩＩＩ／Ｖ半導体からなるｐ型クラッド層９５０となっている。また、シリコンよりなるコア層９００は空気層９２０によって他のシリコン層９１０と分離されており、ｐ型クラッド層９５０はＩＩＩ／Ｖ半導体からなる電流狭窄層９４０によって両側から挟まれている。電子４００は活性層９３０の上部に設けられた右側および左側のｎ型電極１６０から活性層９３０内を層に水平に進行する。正孔は、ｐ型クラッド層９５０の上部に設けられたｐ型電極１７０から活性層９３０に垂直に注入される。
【００３９】
しかし、こちらも活性層９３０内に注入された後は、電子と同様に層に水平に進行し、ｎ型電極１６０に向かう。従って、本素子でも活性層内部でのキャリアの挙動は図２で説明した様な水平電流注入型半導体レーザと同様である。従って、キャリアの再結合で生じた自然放出光はコア幅が広がる程誘導放出光となる割合が高くなり、図２で説明した素子と同様にレーザ光出力が向上する。従って、本発明の対象となる水平電流注入型半導体レーザとは、ｎ型電極とｐ型電極とが活性層の広がり方向において離れて配置されている素子と考えれば良い。
【００４０】
以上の様に、水平電流注入型半導体レーザでは、コア層と活性層がそれぞれ別個の層により形成されている場合でも、また、一つの層が同時にコア層と活性層との機能を併せ持つ場合でも、コア層の幅を広げることによってレーザ出力を向上できることが分る。また、上記説明より、垂直電流注入型半導体レーザでもコア層と活性層がそれぞれ別個の層により形成されている場合であれば、コア層の幅を広げることによってレーザ出力を向上できる場合が有り得ることが分る。
【００４１】
従って、本実施例による効果は、水平電流注入型半導体レーザにおいて、コア層と活性層がそれぞれ別個の層により形成されている場合、および、一つの層が同時にコア層と活性層との機能を併せ持つ場合のいずれに対しても得られる。また、本実施例による効果は、コア層と活性層がそれぞれ別個の層により形成されている垂直電流注入型半導体レーザについても得られる。
【００４２】
次に、本実施例の構造が利得を単一の導波モードの光に集中できる理由を説明する。その前に、まず、利得を単一の導波モードの光に集中した場合にレーザ出力が向上する理由を説明する。ここで、コア幅が共振器全体に渡り一様に広い場合を考える。この場合、コア幅が広いことにより既に説明した様に誘導放出光強度が高くなるという利点がある。
【００４３】
しかし、コア幅が広い場合には０次の導波固有モードの光だけでなく高次の固有モードの光も伝搬される様になり、そのそれぞれがレーザ発振し得る様になってしまうという欠点も生じる。ここで、複数のモードがレーザ発振することが欠点となる理由は、しきい値利得が増大してしまうからである。すなわち、レーザでは利得がしきい値利得を越えるまでは光出力が生じないため、複数のモードがレーザ発振する場合、光出力を得るまでにモード数分のしきい値利得に相当する利得が必要となるためである。
【００４４】
従って、しきい値利得として消費される利得を最低限に抑えることがレーザ光出力を高めることになる。そのためには、利得を単一の導波モードの光に集中して単一モードのみを発振させれば良い。しきい値利得として消費される利得は１モード分のみで済むため、レーザ光出力を高めることができるのである。次に、本実施例の構造が利得を単一の導波モードの光に集中できる理由を説明する。
【００４５】
図６は、本実施例の素子を伝搬する光の導波モードを説明する図である。まず、コア幅が広い後端面側では、伝搬し得る光の導波モードとしては０次の導波固有モード３００および高次の導波固有モード３１０がある。しかし、コア幅がカットオフコア幅以下となる前端面側では、０次の導波固有モード３００しか存在し得ない。従って、例え後端面側で０次に加えて高次の光強度分布を有する光の導波モードが生じても、高次モードは前端面に伝搬する際に放射してしまう。一方、０次モードは後端面側と前端面側でスポットサイズが異なるもののいずれの位置においても存在し得る。
【００４６】
そこで、コア幅の変化を緩やかにしてスポットサイズ変換に伴う伝搬損失の増加を十分に抑制すれば、０次モードは共振器全体を低損失で伝搬し得る。このため、０次モードと高次モードとの間には大きな伝搬損失差が生じることになる。従って、本実施例の構造では光が共振するに従い０次モードしか共振器内に存在し得なくなる。このため、０次モードのみしかレーザ発振しなくなり、前述の理由によりレーザ出力を向上させることができるのである。ここで、本素子のスポットサイズ変換はコア幅がカットオフコア幅以上の範囲で行われるため、コア幅の変化率が大きくてもスポットサイズに伴う伝搬損失の増加は少ない。これは、コア幅がカットオフコア幅以上の場合はコア内への光の閉じ込めが強いため、光が放射されにくいためである。
【００４７】
従って、スポットサイズ変換に伴う伝搬損失は一般のスポットサイズ拡大半導体レーザとは異なり、ほとんど無視できる程度である。一般のスポットサイズ拡大半導体レーザでは、スポットサイズ変換はシングルモードファイバとの間の光結合効率を高めるために行うものであり、コア幅がカットオフ幅以下の範囲で行われるため損失の増大を招いてしまうが、本発明ではこの損失増大は無視できるためレーザ光出力増大が可能となるのである。また、図ではコア幅の変化を直線としたが、曲線状に変化しても良い。
【００４８】
この様に、本発明の素子では、コア幅が広い領域を有することにより利得を高め、更に、レーザ共振器内に高次モードのカットオフ機能を有することで単一モード発振を実現し、これらの効果によりレーザ光出力の向上を可能にするのである。
【００４９】
次に、本実施例の素子の作製方法を図７Ａから図７Ｅを用いて説明する。まず、図７Ａに示す様に、シリコン基板１２０上に、二酸化シリコン膜１３０およびシリコン層６００が設けられたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板において、シリコン層６００を酸化し二酸化シリコン膜６１０を形成した後、シリコン窒化膜をエッチングより加工して得られた開口部を有するシリコン窒化膜マスク６２０を設ける。
【００５０】
次に、図７Ｂに示す様に、シリコン窒化膜マスク６２０が開いている領域のシリコン層６００を酸化し、シリコン薄膜よりなる活性層１１０を作製する。次に、図７Ｃに示す様にシリコン窒化膜マスク６２０を除き、インプラによりｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０を作製する。次に、図７Ｄに示す様に、シリコン窒化膜よりなるコア層１００を作製する。そして、図７Ｅに示す様に、ｎ型シリコンコンタクト層１４０およびｐ型シリコンコンタクト層１５０上のシリコン層６００を除き、ｎ型電極１６０およびｐ型電極１７０を設ければ、本素子は完成する。
【００５１】
なお、ＩＩＩ／Ｖ型半導体を用いた水平電流注入型半導体レーザは、例えば非特許文献２(OPTICS EXPRESS, Vol.17, No.15, 20 July 2009, pp.12564-12570)記載の方法で作製できる。すなわち、エッチングおよび層厚制御を用いて活性層およびコンタクト層につながる半導体層を水平方向に順次形成すれば良い。
【実施例２】
【００５２】
本実施例では、シリコン薄膜よりなる活性層１１０が基板面に対して垂直に配置されている素子の構造を開示する。本素子の上面図は、実施例１と同じであるので、ここでは基板に垂直な断面構造についてのみ説明する。
【００５３】
図８Ａは、本素子の上面図を示している。シリコン薄膜よりなる活性層１１０およびシリコン窒化膜よりなるコア層１００の形状は実施例１と同様である。図では簡単のため電極その他は、実施例１と同様に省略してある。
【００５４】
図８Ａに示したＡ−Ａ’における断面を図８Ｂに示す。本素子ではシリコン薄膜よりなる活性層１１０は、複数のシリコン薄膜を基板に垂直に立てたＦｉｎ構造と呼ばれる構造で構成されている。図では、Ｆｉｎ構造におけるシリコン薄膜の間を二酸化シリコン膜１８０埋めて、その上にシリコン窒化膜よりなるコア層１００を設けた構造を示したが、二酸化シリコン膜１８０は無くても良い。本構造によれば、シリコン薄膜よりなる活性層１１０と導波光との重なりを大きくでき、レーザ光出力を更に向上し得る。
【実施例３】
【００５５】
図９に実施例３の上面図を示す。本素子の層構造は、実施例１と同じであるので、ここでは上面図のみ示す。図中で示すＷａは、活性層１１０の幅、Ｗｃ（ｒ）は、後端面側のコア層１００の幅、Ｗｃ（ｆ）は、前端面側のコア層１００の幅をそれぞれ示す。本実施例では、活性層１１０、ｎ型電極１６０およびｐ型電極１７０をコア幅の細い領域に設けない構造になっている。ここで、電極を設けた領域は電流注入領域８００となり活性層１１０より利得が生じ、活性層および電極を設けない領域は非電流注入領域８１０となり利得が生じない。本構造によれば、コア幅の狭い領域で利得が無くなるため、高次のモードをより放射しやすくなる。このため、レーザ共振器の単一モード選択性が高まり、レーザ光出力を更に向上し得る。なお、活性層は電流注入が有る場合には利得媒体として光を発生するが、電流注入が無い場合は吸収媒体として光損失が発生する。従って、非電流注入領域を設けることの効果は、コア層と活性層が別個の層になっている本実施例の構造特有のものであり、同一の層がコア層としても活性層としても機能する通常のＩＩＩ／Ｖ半導体を用いた垂直電流注入型半導体レーザでは得ることができない。
【実施例４】
【００５６】
図１０に実施例４の上面図を示す。図では簡単のため電極その他は省いている。また、本素子の層構造は、実施例１と同じであるので、ここでは上面図のみ示す。本実施例では、シリコン窒化膜よりなるコア層１００が幅の狭い領域で曲線状の形状を有している。この曲線形状は０次の導波光モードは放射することなく伝搬し、高次の導波光モードは放射する曲率を有することが望ましい。本構造によれば、次のモードをより放射しやすくなる。このため、レーザ共振器の単一モード選択性が高まり、レーザ光出力を更に向上し得る。
【実施例５】
【００５７】
図１１に実施例５の上面図を示す。図では簡単のため電極その他は省いている。また、本素子の層構造は、実施例１と同じであるので、ここでは上面図のみ示す。本実施例では、シリコン窒化膜よりなるコア層１００の幅をカットオフコア幅より更に大幅に低減する。これによって、単一モード性をより向上させ、レーザ光出力の更なる向上を図る。なお、本素子を共振器外でシリコン窒化膜よりなる光回路２３０と結合させる際には、光回路内において先端に向かって幅が狭まるテーパ領域を設けると良い。これは、通常光回路の幅は光閉じ込めを大きくして許容曲率半径を低減するために、カットオフコア幅もしくは、それより僅かだけしか狭くなっていないためである。
【００５８】
そこで、コア幅Ｗｆをカットオフコア幅Ｗｃｕｔｏｆｆより大幅に狭くした本実施例と光学的に結合する場合には、テーパを導入することによって結合損失を低減することが望ましい。
【実施例６】
【００５９】
図１２に実施例６の上面図を示す。図では簡単のため電極その他は省いている。また、本素子の層構造は、実施例１と同じであるので、ここでは上面図のみ示す。これまでの実施例では、シリコン薄膜よりなる活性層１１０の幅は素子内で一定としていたが、必ずしも一定にする必要は無い。電気抵抗低減やＬＳＩ内でのレイアウトの最適化等の目的のために、活性層幅を共振器方向に変調しても良い。
【実施例７】
【００６０】
図１３に実施例７の上面図を示す。図では簡単のため電極その他は省いている。また、本素子の層構造は、実施例１と同じであるので、ここでは上面図のみ示す。これまでの実施例では、シリコン窒化膜よりなるコア層１００の幅は全て前端面で狭くなる場合について説明してきた。
【００６１】
しかし、本発明では、一般にコア層１００の幅を狭めるのは前端面に限る必要は無い。確かに、コア幅を前端面で狭めておくと、電流の不均一分布等が生じるなどしてコア幅の広い領域で高次モードが生じてしまったとしても、前端面からレーザ光を取り出すまでに光強度分布を単一モード化し易いという利点はある。しかし、コア幅の広い光回路との結合を最適化する等のために、図１３の様に前端面以外の場所で狭めても良い。
【００６２】
また、上記の各実施例では、基板はシリコン基板、即ち、半導体材料からなる基板を用いて説明したが、基板として誘電体材料を適用することも可能である。誘電体材料を基板とした場合には、導波光が活性層へ強く閉じ込められ、誘導放出の生じる効率が、より高くなるという効果が期待できる。なお、誘電体を基板に用いたことにより、本願発明であるレーザー光出力を向上する効果、即ち、誘導放出光強度を増大して利得を向上する効果、および向上した利得を単一の導波モードの光に集中する効果が損なわれるものではない。
【符号の説明】
【００６３】
１００…コア層、
１１０…活性層、
１２０…シリコン基板、
１３０…二酸化シリコン膜、
１４０…ｎ型シリコンコンタクト層、
１５０…ｐ型シリコンコンタクト層、
１６０…ｎ型電極、
１７０…ｐ型電極、
１８０…二酸化シリコン膜、
１９０…空気層、
２００…後端面側ＤＢＲ領域、
２１０…前端面側ＤＢＲ領域、
２２０…共振器領域、
２３０…光回路部、
４００…電子、
４１０…正孔、
４２０…自然放出光、
４３０…誘導放出光、
４４０…導波光、
５００…ｎ型クラッド層、
５１０…ｐ型クラッド層、
５２０…電流狭窄層、
６００…シリコン層、
６１０…二酸化シリコン膜、
６２０…シリコン窒化膜マスク、
９００…コア層、
９１０…シリコン層、
９２０…空気層、
９３０…活性層、
９４０…電流狭窄層、
９５０…ｐ型クラッド層。
【図１】
2012160524.tif 000003
【図２Ａ】
2012160524.tif 000004
【図２Ｂ】
2012160524.tif 000005
【図２Ｃ】
2012160524.tif 000006
【図２Ｄ】
2012160524.tif 000007
【図２Ｅ】
2012160524.tif 000008
【図３Ａ】
2012160524.tif 000009
【図３Ｂ】
2012160524.tif 000010
【図３Ｃ】
2012160524.tif 000011
【図４Ａ】
2012160524.tif 000012
【図４Ｂ】
2012160524.tif 000013
【図５】
2012160524.tif 000014
【図６】
2012160524.tif 000015
【図７Ａ】
2012160524.tif 000016
【図７Ｂ】
2012160524.tif 000017
【図７Ｃ】
2012160524.tif 000018
【図７Ｄ】
2012160524.tif 000019
【図７Ｅ】
2012160524.tif 000020
【図８Ａ】
2012160524.tif 000021
【図８Ｂ】
2012160524.tif 000022
【図９】
2012160524.tif 000023
【図１０】
2012160524.tif 000024
【図１１】
2012160524.tif 000025
【図１２】
2012160524.tif 000026
【図１３】
2012160524.tif 000027
【図１４Ａ】
2012160524.tif 000028
【図１４Ｂ】
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