(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流注入による光増幅機能及び発光機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、
前記活性層は、量子ドットを埋め込んだ歪緩和層から構成され、
前記歪緩和層を形成する材料は、前記量子ドットを形成する材料と異なる格子定数を有し、
前記歪緩和層は、活性層内の位置により形状が変化し、
前記量子ドットの歪量が、活性層内の位置により変化している
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
電流注入による光増幅機能及び発光機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、
前記活性層は、量子ドットが埋め込まれ導波路方向に沿って延びるストライプ状に形成された歪緩和層から構成され、
前記歪緩和層を形成する材料は、前記量子ドットを形成する材料と異なる格子定数を有し、
前記歪緩和層は、導波路方向に並行する両側面に前記歪緩和層と格子定数の異なる材料から形成される埋め込み層が接して導波路方向に垂直な面内に歪み分布を有し、
前記量子ドットの歪量が、歪緩和層内の位置により変化している
ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体光素子において、前記活性層は基板に垂直方向及び基板に水平方向に量子ドットが埋め込まれた複数の歪緩和層を有することを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
請求項１，２又は３記載の半導体光素子において、前記活性層の光の入射側及び出射側に光反射防止膜を有することを特徴とする半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広波長帯域で動作する半導体光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報社会の発展に伴い、情報通信におけるデータ量が急激に増加し、高速かつ大容量の通信システムの実現が望まれている。
このような急激に増大する情報データ量の伝送を可能とする為に、光ファイバを用いた光通信システムが採用されている。
近年は従来の単一波長光を用いた光通信システムに加えて、一本の光ファイバ中に複数の波長の信号光を通し、各波長光に異なるデータを乗せて通信を行う波長分割多重（ＷＤＭ）通信技術の開発が進んでいる。
【０００３】
この波長分割多重通信技術は、信号を波長毎に分割して通信することにより通信量を飛躍的に増大させ、テラビット級の伝送システムを可能とするものである。
光通信システムにおいては、光の伝播に伴いシステム内で光損失が発生することが大きな問題となるが、その光損失を補う為、これまで半導体光増幅器、ファイバ増幅器等の光増幅器の開発が続けられてきている。
【０００４】
特に半導体光増幅器は、小型であること、集積化が容易であること等の理由から、光通信システムにおける重要な地位を占めるものとして位置付けられ、その高性能化が期待されている。
【０００５】
【非特許文献１】
"High performance 1.55μm polarization-insensitive semiconductor optical amplifier based on low-tensile-strained bulk GaInAsP" J.-Y. Emery et al., Electronics Letters, vol. 33, No. 12,1997, pp. 1083-1084.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
現在、波長多重分割通信システム内における使用波長帯域は、光損失が最も小さい波長１．５５μｍを中心とするＣバンド、即ち１．５３〜１．５７μｍの波長帯域に加えて、より通信量を増加させる為にＳバンド（波長帯１．４８〜１．５１μｍ）、Ｌバンド（波長帯１．５７〜１．６１μｍ）の使用が検討されている。
【０００７】
しかしながら、現在の半導体光増幅器の特性を考慮した場合、波長分割多重通信システム内における全ての使用波長帯域に対して均一の光増幅機能を有するものとはなっていない。
例えばバルク構造の活性層から成る半導体光増幅器は２０ｎｍ〜６０ｎｍ程度の帯域であり、Ｓバンド、Ｃバンド、Ｌバンド、更にそれ以上に渡る広い帯域で平坦化された利得スペクトルを単一素子で得られないという問題がある（例えば、非特許文献１参照）。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、広い波長帯域の光増幅機能を有する半導体光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を達成する為、電流注入による光増幅機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、活性層を量子ドットを埋め込んだ歪緩和層から構成し、前記歪緩和層を形成する材料は前記量子ドットを形成する材料と異なる格子定数を有し、前記歪緩和層は、活性層内位置により形状又は材料が変化し、前記量子ドットの歪量が活性層内の位置により変化するように構成した。
【０００９】
また、電流注入による光増幅機能及び発光機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、前記活性層が、量子ドットが埋め込まれ導波路方向に沿って延びるストライプ状に形成された歪緩和層から構成され、前記歪緩和層を形成する材料が、前記量子ドットを形成する材料と異なる格子定数を有し、前記歪緩和層が、導波路方向に並行する両側面に前記歪緩和層と格子定数の異なる材料から形成される埋め込み層が接して導波路方向に垂直な面内に歪み分布を有し、前記量子ドットの歪量が、歪緩和層内の位置により変化するように構成した。
また、前記活性層は基板に垂直方向及び基板に水平方向に量子ドットを埋め込んだ複数の歪緩和層を有するように構成した。
また、前記活性層が光の入射側及び出射側に光反射防止膜を有するように構成した。
以上の構成からなる活性層を用いて半導体光素子を構成した。
【００１０】
〔作用〕
量子ドット活性層内の光の遷移エネルギーは歪量に大きく依存する。
閃亜鉛鉱半導体のバンドギャップエネルギーＥgの歪による変化ΔＥgは、剪断歪を無視すると以下の式１で与えられる。
【００１１】
【数１】
0004117778.tif 000002
【００１２】
ここでａは静水圧変形ポテンシャル、ｂは軸性変形ポテンシャルであり、材料依存性を有する。
ＩnＡsの場合、ａ＝−６．０ｅＶ，ｂ＝−１．８ｅＶである。
εxx，εyy，εzzはそれぞれ三次元空間内の歪テンソルの成分であり、正符号が伸張歪を表す。
従って、光増幅器の活性層内でドットの歪量を分布させることにより、活性層内の位置により異なる遷移波長を有するドットを作製する事ができる。
【００１３】
一般に自己形成により作製された量子ドットにおいては、量子ドットの大きさの不均一性によるスペクトル広がりが４０ｍｅＶ程度存在する。
これに活性層内の歪分布によるスペクトル広がりを加える事により、半導体光素子の素子全体から得られる利得スペクトルは、図１に示すように各ドットから得られる異なる波長帯の利得スペクトルを重ね合わせたものとなり、広波長帯域にわたる光増幅が実現できる。
【００１４】
一方、半導体光素子内の量子ドット活性層内の実効歪み量は、量子ドットを埋め込んだ層の厚さにより変化する。
例えば、図２（ａ）に示すように、ＧaＡs層内にＩnＡs層を作製した場合、ＧaＡsとＩnＡsの格子不整合は７％となり、ＩnＡsドット内には強い圧縮歪が生ずるが、図２（ｂ）に示すように、Ｉn0.2Ｇa0.8Ａs層内にＩnＡs層を作製した場合、Ｉn0.2Ｇa0.8ＡsとＩnＡsの格子不整合は５．６％程度となり、ＧaＡsと比較してＩnＡsドット内の実効歪量は減少する。
【００１５】
この結果、ドット上のＩnＧaＡsを厚くするに従い歪の緩和の効果が強くなる。
ドット内で歪の緩和が生じた場合、式１に従って量子ドット内のバンドギャップが変化する。
ドット形状の対称性が良い場合は歪量分布は静水圧的となる為、式１における第一項が支配的となると仮定すると、ドット内の圧縮歪量が１．４％減少した場合、バンドギャップエネルギーは２５０ｍｅＶ減少し、その結果、遷移波長は長波側へと変化する。
【００１６】
図３は底辺の一辺２０ｎｍ、高さ１０ｎｍのピラミッド状のＩnＡsドットの上部をＩn0.2Ｇa0.8Ａsで埋め込んだ場合の、遷移波長のＩnＧaＡs層厚依存性を数値解析により示したものである。
図３に示すように、ＩnＧaＡs層の厚さを２０ｎｍ変化させると６０ｎｍの遷移波長変化が得られている。
この遷移波長変化量はドットの形状、材料にも依存する。
以上のようにドットを埋め込んだ歪緩和層の形状及び材料を活性層内で変化させることにより、ドットに歪分布を作製する事ができ、図１に示すように波長帯域を広げることができる。
【００１７】
これに加えて、格子定数の異なる埋め込み層を歪緩和層に積層すると、歪緩和層内に新たな歪分布が生じ、それに応じてドット内の歪も変化する。
図４に模式図を示したように、歪緩和層が井戸状であれば歪は層内で一様となるが、両側を格子定数の異なる材料により埋め込むことにより、歪緩和層は両端で再度応力を受け、大きな歪分布が得られる。
【００１８】
図５は底辺１００ｎｍ、高さ２０ｎｍのストライプ状のＩｎＧａＡｓ歪緩和層をＧａＡｓで埋め込んだ場合の歪緩和層内の歪分布の数値解析結果を示す。
横軸は歪緩和層断面の位置である。
図５に示すように、歪緩和層の端と中央では１％近い大きな歪量差が生じている。
従って歪緩和層内のドットは位置により異なる歪を受け、遷移波長が変化することにより波長帯域を更に広げることができる。
【００１９】
更に、量子ドット歪緩和層の幅を変えることにより埋め込みの状態が変化し、実効歪は変化する。
図６は歪緩和層中央における歪量の歪緩和層幅依存性の数値解析結果を示すものである。
導波路方向歪εyyには変化が見られないが、歪緩和層幅が小さくなるに従い、水平方向歪εxxと垂直方向歪εzzが減少する。
【００２０】
従って歪緩和層の幅を活性層位置により変えることによりその中のドットは異なる歪を受け、遷移波長が変化し、波長帯域を広げることができる。
また、活性層内に以上の量子ドット歪緩和層を幅方向、高さ方向、長さ方向に複数設ける事により、それぞれの歪緩和層において異なる遷移波長を有する活性層を設けることができ、波長帯域を更に広げることができる。
【００２１】
【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説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施の形態における半導体光素子を図７に示す。
図７に示すように、ｎ−ＧaＡsからなる基板１上に厚さ２μｍのｎ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層２が形成されている。
その上には厚さ３０ｎｍのｉ−ＧaＡsからなるＳＣＨ層３が積層され、更に、ＩnＡs量子ドット活性層４が形成されている。
【００２２】
このＩnＡs量子ドット活性層４はＩn0.2Ｇa0.8Ａs層歪緩和層５により埋め込まれており、ＩnＧaＡs歪緩和層５は素子の導波路方向に厚さ０ｎｍから２０ｎｍまで折れ線状に周期５μｍで変化している。
ＩnＧaＡs歪緩和層５上には厚さ３０ｎｍのｉ−ＧaＡsからなるＳＣＨ層６、厚さ２μｍのｐ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層７、厚さ２μｍのｐ−ＧaＡsクラッド層８が積層されている。
素子の上下にはそれぞれｐ電極９、ｎ電極１０が設けられている。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜１１が施されている。
素子長は１５００μｍである。
【００２３】
素子作製の際、結晶成長にはＭＯＶＰＥ等が使用可能であり、ＩnＧaＡs層歪緩和層５の厚さの変化はＩnＧaＡs層を平坦に積層した後に電子ビーム露光等を用いて作製することができる。
或いはＩnＧaＡsの積層時にマスクを変化させた選択成長を行う事により作製することも可能である。
選択成長を用いた場合、成長時に活性層位置によりＩnＧaＡsの組成も変化する為、各点で歪量が変化する効果がある。
【００２４】
信号光は図左側から入射され、電極９，１０から電流による活性層４内の誘導放出により増幅され、図右側から出射される。
この際、本実施例においては、ＩnＡsドット活性層４周りのＩnＧaＡs歪緩和層５層の厚さが０ｎｍから２０ｎｍまで変化する為、図３に示すように活性層４内に遷移波長６０ｎｍの分布を設けることが可能となり、図１に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
【００２５】
また、ここではＩnＧaＡs歪緩和層５の厚さを折れ線的に変化させたが、この厚さの変化は、図８に示すような緩やかな変化にしても同様の効果が得られる。更に、ここではＩnＧaＡs緩和層５の層厚の変化により生ずる回折格子の効果による反射波長制御を容易にする為に層厚変化を周期的としたが、図９に示すように、厚さを緩やかに変化させても構わない。
更には、回折格子の反射波長が使用波長に重ならないようにすれば、層厚変化が不規則でも同様の効果が得られる。
【００２６】
また、図１０に示すように、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を上げることができる。
更にこのとき、歪緩和層５の厚さの変化及び歪緩和層５の組成を各層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変えることができ、波長帯域を更に広げることが可能である。
【００２７】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施の形態における半導体光素子を図１１に示す。
図１１に示すように、ｎ−ＧaＡsからなる基板１上に厚さ２μｍのｎ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層２が形成されている。
このクラッド層２上には厚さ５０ｎｍのｉ−ＧaＡsからなるＳＣＨ層３が積層され、このＳＣＨ層３上には素子の導波路方向に周期５μｍ、高さ２０ｎｍの折れ線状の凹凸が設けてあり、その上にＩnＡs量子ドット活性層４が形成されている。
【００２８】
ＩnＡs量子ドット活性層４はＩn0.2Ｇa0.8Ａs歪緩和層５により埋め込まれており、この上には厚さ３０ｎｍのｉ−ＧaＡsＳＣＨ層６、厚さ２μｍのｐ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層７、厚さ２μｍのｐ−ＧaＡsクラッド層８が積層され、素子の上下にはそれぞれｐ電極９、ｎ電極１０が設けられている。
素子長は１５００μｍである。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜１１が施されている。
素子作製の際、結晶成長にはＭＯＶＰＥ等が使用可能であり、ＧaＡsＳＣＨ層３上の凹凸は電子ビーム露光等を用いて作製することができる。
【００２９】
信号光は図左側から入射され、電極９，１０から電流による活性層４内の誘導放出により増幅され、図右側から出射される。
この際、本実施例においては、ＩnＡsドット活性層４周りのＩnＧaＡs歪緩和層５の厚さが０ｎｍから２０ｎｍまで変化する為、図３に示したように活性層４内に遷移波長６０ｎｍの分布を設けることが可能となり、図１に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
また、ここではＧaＡsＳＣＨ層３上の凹凸を折れ線的に変化させたが、この変化は、滑らかな変化にしても同様の効果が得られる。
【００３０】
更には、反射波長が使用波長に重ならないようにすれば、凹凸変化は周期的でなくとも良く、不規則でも同様の効果が得られる。
また、図１２に示すように、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を上げることができる。
更に凹凸及び歪緩和層５の厚さ及び歪緩和層５の組成を層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変えることができ、波長帯域を更に広げることが可能である。
【００３１】
〔実施例３〕
本発明の第三の実施の形態における半導体光素子を図１３に示す。
図１３に示すように、ｎ−ＧaＡsからなる基板１上に厚さ２μｍのｎ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層２が形成されている。
このクラッド層２上には幅２μｍ、長さ１５００μｍの活性層ストライプが形成されている。
【００３２】
この活性層ストライプは以下の構成からなる。
即ち、厚さ１００ｎｍのｉ−ＧaＡsＳＣＨ層３が積層され、ＳＣＨ層３内には幅１００ｎｍ、厚さ２０ｎｍのストライプ状のＩn0.2Ｇa0.8Ａs歪緩和層５により埋め込まれたＩnＡs量子ドット活性層４が形成されている。
各歪緩和層５内には歪緩和層幅方向に複数の量子ドット活性層４が存在している。
【００３３】
この活性層ストライプはｐ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層１２により埋め込まれている。
活性層上部にはｎ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsからなる電流阻止層１３が形成され、その上部には更に厚さ２μｍのｐ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層７、厚さ２μｍのｐ−ＧaＡsクラッド層８が積層されている。
素子の上下にはそれぞれｐ電極９、ｎ電極１０が設けられている。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜（図示省略）が施されている。
素子作製の際、結晶成長はＭＯＶＰＥ等で可能であり、ＩnＧaＡs歪緩和層５は電子ビーム露光等を用いて加工することが可能である。
【００３４】
本実施例においては、ＩnＧaＡs歪緩和層５をＧaＡsＳＣＨ層３により埋め込む事により、図４及び図５に示すように、活性層内に歪分布が生じ、歪緩和層５内の量子ドットの位置により活性層内に波長の分布を設けることが可能となり、図１に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
また、図１４に示すように、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を高くすることが可能であり、更に歪緩和層５の形状及びその組成を層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変え、波長帯域を更に広げることができる。
【００３５】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施の形態における半導体光素子を図１５に示す。
図１５に示すように、ｎ−ＧaＡsからなる基板１上に厚さ２μｍのｎ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層２が形成されている。
このクラッド層２上には幅２μｍ、長さ１５００μｍの活性層ストライプが形成されている。
【００３６】
この活性層ストライプは以下の構成からなる。
即ち、厚さ１００ｎｍのｉ−ＧaＡsＳＣＨ層３が積層され、ＳＣＨ層３内には幅１００ｎｍ、厚さ２０ｎｍのストライプ状のＩn0.2Ｇa0.8Ａs歪緩和層５により埋め込まれたＩnＡs量子ドット活性層４が形成されている。
この歪緩和層ストライプは、図１６に示すように、導波路方向に対して幅が変化するように構成されている。
図１６は本実施の形態における歪緩和層部分の断面を素子の上部から見たものであり、歪緩和層５の幅が折れ線的に２０ｎｍから１２０ｎｍまで変化させてある。
【００３７】
以上の活性層ストライプは図１５に示すようにｐ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層１２により埋め込まれている。
活性層上部にはｎ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsからなる電流阻止層１３が形成され、その上部には更に厚さ２μｍのｐ−Ａl0.4Ｇa0.6Ａsクラッド層７、厚さ２μｍのｎ−ＧaＡsクラッド層８が積層されている。
素子の上下にはそれぞれｐ電極９、ｎ電極１０が設けられている。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜１１が施されている。
素子作製の際、結晶成長はＭＯＶＰＥ等で可能であり、ＩnＧaＡs歪緩和層は電子ビーム露光等を用いて加工することが可能である。
【００３８】
本実施例においては、ＩnＧaＡs歪緩和層５をＧaＡs層ＳＣＨ層３により埋め込み、更に歪緩和層５の幅を変化させることにより、図６に示すように歪緩和層内の実効歪量が変化する為、活性層位置により遷移波長の分布を設けることが可能となり、図１に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
また、ここではＩnＧaＡs層上の歪緩和層幅を折れ線的に変化させたが、この変化は、緩やかな変化にしても同様の効果が得られる。
【００３９】
更には、反射波長が使用波長に重ならないようにすれば、幅の変化が不規則でも同様の効果が得られる。
また、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を高くすることが可能であり、更に歪緩和層幅の変化及び歪緩和層の組成を層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変え、波長帯域を更に広げることが可能である。
【００４０】
以上の実施例１〜４においては活性層にＩnＡs、歪緩和層にＩn0.2Ｇa0.8Ａs層を用いたが、他の材料系を用いても同様の効果が得られる。
また、本実施例では各歪緩和層の変化を導波路の上方向、下方向、横方向と分けて構成したが、これらの構成は組み合わせて用いることが可能である。
また、同様の層構造は利得帯域の広い光源の活性層として用いることも可能である。
【００４１】
このように説明したように、本発明は、活性層を量子ドット活性層とする半導体光素子に関し、活性層内の量子ドットに歪分布を持たせる点に特徴があり、これにより各量子ドットは異なる遷移波長を有するため、素子全体としては広い波長帯域にわたる利得スペクトルを実現できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上示したように、本発明によれば、広帯域の波長帯域を有する半導体光素子が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による利得波長帯域増大の効果を示すグラフである。
【図２】歪緩和層における歪の減少の効果を示す説明図である。
【図３】遷移波長の歪緩和層の厚さ依存性を示す説明図である。
【図４】埋め込み層による歪緩和層内の歪の変化を示す説明図である。
【図５】埋め込み層により生ずる歪緩和層内の歪分布を示すグラフである。
【図６】歪緩和層内における歪量の歪緩和層幅依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係る半導体光素子を示す上面図である。
【符号の説明】
１  ｎ−ＧaＡs基板
２  ｎ−ＡlＧaＡsクラッド層
３  ｉ−ＧaＡsＳＣＨ層
４  ＩnＡs量子ドット活性層
５  ＩnＧaＡs歪緩和層
６  ｉ−ＧaＡsＳＣＨ層
７  ｐ−ＡlＧaＡsクラッド層
８  ｐ−ＧaＡsクラッド層
９  ｐ電極
１０  ｎ電極
１２  ｐ−ＡlＧaＡsクラッド層
１３  ｎ−ＡlＧaＡs電流阻止層
【図１】
0004117778.tif 000003
【図２】
0004117778.tif 000004
【図３】
0004117778.tif 000005
【図４】
0004117778.tif 000006
【図５】
0004117778.tif 000007
【図６】
0004117778.tif 000008
【図７】
0004117778.tif 000009
【図８】
0004117778.tif 000010
【図９】
0004117778.tif 000011
【図１０】
0004117778.tif 000012
【図１１】
0004117778.tif 000013
【図１２】
0004117778.tif 000014
【図１３】
0004117778.tif 000015
【図１４】
0004117778.tif 000016
【図１５】
0004117778.tif 000017
【図１６】
0004117778.tif 000018