(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰからなる基板上に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増幅器において、
前記活性層が、５００〜６００℃の温度範囲で結晶成長したＩｎＧａＡｓＳｂを含有し、当該ＩｎＧａＡｓＳｂの、Ｖ族元素におけるＳｂの占める原子比率が、０．０１以上０．２以下の範囲内であると共に、当該ＩｎＧａＡｓＳｂが、ＩｎＰに対して０〜−０．５％の範囲内の格子歪を有している
ことを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光増幅器において、
前記活性層のＩｎＧａＡｓＳｂの、Ｖ族元素におけるＳｂの占める原子比率が、０．０５以下である
ことを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光増幅器において、
前記活性層のＩｎＧａＡｓＳｂが、バルク構造をなしている
ことを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光増幅器において、
前記活性層が、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層とし、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰを障壁層とする多重量子井戸構造をなしている
ことを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体光増幅器において、
前記活性層がメサストライプ構造をなすと共に、当該活性層を含むメサストライプ構造の両側が、ｐ型のＩｎＰとｎ型のＩｎＰとを積層したｐｎ埋め込み層、又は、Ｒｕ若しくはＦｅをドーピングされたＩｎＰからなる半絶縁層で埋め込まれている
ことを特徴とする半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システム等で利用される半導体光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットを始めとするマルチメディア技術の進展に伴い、通信ネットワークは、トラヒック量が急速に増大している。このトラヒック量の増大に対応するため、近年、一本の光ファイバに波長の異なる複数の信号光を多重化して伝送する波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）通信システムの開発が進められている。このＷＤＭ通信システムにおいては、光合分波器や光スイッチ等の光部品が、光損失を生じて光信号強度を減衰させてしまうことから、信号光を光のまま増幅することにより、上記光損失を補償するようにしている。
【０００３】
具体的には、例えば、光ファイバに希土類をドープすることにより、光励起させて光増幅させる光ファイバ増幅器や、半導体素子に電流注入することにより、誘導放出を生じさせて光増幅させる半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）等が利用されている。なかでも、ＳＯＡは、小型であると共に高効率であり、他の半導体光部品とも容易に集積できる、という特徴を有していることから、このような特徴を活かすことができる用途に採用されている。
【０００４】
【非特許文献１】H.K.Choi et al.,"Double-heterostructue diode laser emitting at 3μm with a metastable GaInAsSb active layer and AlGaAsSb cladding layers",Applied Physics Letters,Vol.64,No.19,1994,pp.2474-2476
【非特許文献２】C.A.Wang,"OMVPE growth of GaInAsSb in the 2-2.4μm range",Journal of Crystal Growth,Vol.191,1998,pp.631-640
【非特許文献３】I.Vurgaftman et al.,"Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys",Journal of Applied Physics,Vol.89,No.11,2001,pp.5815-5875
【非特許文献４】M.J.Cherng et al.,"GaInAsSb metastable alloys grown by organometallic vapor phase epitaxy",Applied Physics Letters,Vol.48,No.6,1986,pp.419-421
【非特許文献５】V.S.Sorokin et al.,"Novel approach to the calculation of instability regions in GaInAsSb alloys",Journal of Crystal Growth,Vol.216,2000,pp.97-103
【非特許文献６】T.kakitsuka et al.,"Influence of buried structure on polarization sensitivity in strained bulk semiconductor optical amplifiers",IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.38,No.1,2002,pp.85-92
【非特許文献７】K.Magari et al.,"Polalization-insensitive optical amplifier with tensile-strained-barrier MQW structure",IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.30,No.3,1994,pp.695-702
【非特許文献８】C.A.Wang,"Evalution of surface structure and phase separation in GaInAsSb",Journal of Crystal Growth,Vol.225,2001,pp.377-383
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＷＤＭ通信システムに利用されるＳＯＡにおいては、その波長帯域で利得を有しているだけでなく、利得の波長依存性や偏波依存性を小さくすることがさらに求められている。ＳＯＡにおいては、利得のスペクトルの形状が、ＳＯＡの増幅された自然放出光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）のスペクトルの形状でよく近似できることから、利得のスペクトルのピーク波長とＡＳＥのスペクトルのピーク波長とが略一致する。
【０００６】
ＩｎＰ基板上に形成されたＳＯＡにおいては、活性層として、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐ等を含む結晶（以下「ＩｎＧａＡｓＰ系結晶」という。）のバルク層、又は、当該結晶を井戸層として含む多重量子井戸構造が一般的に利用されている。このようなＳＯＡにおいて、ＩｎＧａＡｓを活性層として利用すると、ＩｎＰと格子定数の一致するＩｎＧａＡｓＰ系結晶では、利得ピークが最も長波長となる。
【０００７】
ここで、 III族元素におけるＩｎの占める原子比率（以下「Ｉｎ組成」という。）が０．５３のＩｎＧａＡｓ（一般に「格子整合したＩｎＧａＡｓ」という。）を活性層に利用したＳＯＡのＡＳＥのスペクトルの一例を図８に示す。なお、図８中、Ｓ帯（１．４６〜１．５３μｍ）、Ｃ帯（１．５３〜１．５６５μｍ）、Ｌ帯（１．５６５〜１．６２５μｍ）、Ｕ帯（１．６２５〜１．６７５μｍ）は、国際電気通信連合  電気通信標準化部門（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector：ＩＴＵ−Ｔ）において、シングルモードファイバを使用した光通信で勧告されている波長帯域である。
【０００８】
ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギに対応する波長（以下「バンドギャップ波長」という。）は、Ｉｎ組成が０．５３の場合で１．６８μｍ程度である。これに対して、ＡＳＥスペクトルは、図８からわかるように、ピーク波長が１．６８μｍよりも０．１μｍ以上短波長側にシフトしている。これは、ＳＯＡに電流注入することにより、伝導帯における電子の擬フェルミエネルギレベルが上昇することに起因している。
【０００９】
具体的には、利得のピークエネルギとバンドギャップエネルギとのエネルギ差ΔＥpeakは、電子の擬フェルミエネルギをＥc,f、電子の有効質量をｍc、正孔の有効質量をｍvとした場合、近似的に下記の式（１）で表すことができる。
【００１０】
ΔＥpeak＝｛１＋（ｍc／ｍv）｝Ｅc,f      （１）
【００１１】
ここで、Ｅc,fが正の値であることから、利得のピークエネルギがバンドギャップエネルギよりも大きくなるため、利得のピーク波長は、バンドギャップ波長よりも短波長側にシフトする。そして、利得のピーク波長とＡＳＥスペクトルのピーク波長とが略等しいことから、ＡＳＥスペクトルのピーク波長も、電流注入に伴って、短波長側へシフトするようになる。
【００１２】
図８からわかるように、ＩｎＧａＡｓを利用したＳＯＡのＡＳＥスペクトルは、Ｃ帯からＳ帯付近において、ピーク波長があると共に、ＡＳＥ発光強度が略一定となるものの、Ｌ帯において、ＡＳＥ発光強度が大きく変動し、Ｕ帯において、ＡＳＥ発光強度が大きく変動するだけでなく、さらにＡＳＥ発光強度自体が小さくなってしまう。すなわち、ＩｎＧａＡｓを利用したＳＯＡにおいては、Ｌ帯やＵ帯等で十分な光増幅を行うことが難しいのである。
【００１３】
また、格子整合したＩｎＧａＡｓを活性層に利用したＳＯＡは、一般的なバルク構造の活性層のような１００〜３００ｎｍの膜厚及び１〜２μｍ程度のストライプ幅を適用した場合、ＴＥモードとＴＭモードとの間で利得差を生じるようになる。このため、格子整合したＩｎＧａＡｓを活性層に利用したＳＯＡにおいては、一般に、ＩｎＧａＡｓに引っ張り歪みを導入する、すなわち、ＩｎＧａＡｓが格子歪を有することにより、偏波による利得差を低減することが行われている。
【００１４】
このような引っ張り歪みをＩｎＧａＡｓに導入するには、ＩｎＧａＡｓにおけるＧａ組成を増大させる必要があることから、ＩｎＰに対して格子歪を有するＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップ波長がさらに短波長側へシフトするようになるため、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓを活性層に利用した場合よりも利得ピーク波長もさらに短波長側へシフトするようになる。
【００１５】
このため、ＩｎＧａＡｓに導入する引っ張り歪みが大き過ぎる、すなわち、ＩｎＧａＡｓの格子歪量が大き過ぎると、利得の波長依存性が、Ｌ帯やＵ帯だけでなくＣ帯でも大きくなるという現象を生じてしまう。
【００１６】
このように、ＩｎＧａＡｓＰ系結晶を活性層に利用した従来のＳＯＡにおいては、これまでに光通信に使用されてきた１．５５μｍよりも長波長側のＬ帯やＵ帯等における利得の波長依存性が大きいだけでなく、十分な利得を得ることが困難であった。
【００１７】
本発明は、上述したようなＩｎＧａＡｓＰ系結晶を活性層に利用した従来のＳＯＡにおいて未解決の課題を解決するためになされたものであって、長波長側の波長帯域であっても、偏波依存性を抑制しながら大きな利得を得ることができるＳＯＡ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】
【００１８】
前述した課題を解決するための、本発明に係る半導体光増幅器は、ＩｎＰからなる基板上に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増幅器において、前記活性層が、５００〜６００℃の温度範囲で結晶成長したＩｎＧａＡｓＳｂを含有し、当該ＩｎＧａＡｓＳｂの、Ｖ族元素におけるＳｂの占める原子比率が、０．０１以上０．２以下の範囲内であると共に、当該ＩｎＧａＡｓＳｂが、ＩｎＰに対して０〜−０．５％の範囲内の格子歪を有していることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る半導体光増幅器は、上述した半導体光増幅器において、前記活性層のＩｎＧａＡｓＳｂの、Ｖ族元素におけるＳｂの占める原子比率が、０．０５以下であることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る半導体光増幅器は、上述した半導体光増幅器において、前記活性層のＩｎＧａＡｓＳｂが、バルク構造をなしていることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る半導体光増幅器は、上述した半導体光増幅器において、前記活性層が、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層とし、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰを障壁層とする多重量子井戸構造をなしていることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る半導体光増幅器は、上述した半導体光増幅器において、前記活性層がメサストライプ構造をなすと共に、当該活性層を含むメサストライプ構造の両側が、ｐ型のＩｎＰとｎ型のＩｎＰとを積層したｐｎ埋め込み層、又は、Ｒｕ若しくはＦｅをドーピングされたＩｎＰからなる半絶縁層で埋め込まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る半導体光増幅器によれば、有効な光増幅を得られる波長帯域を長波長側へシフトさせることができるので、ＷＤＭ通信システムの進展により、波長帯域が従来よりも広がりつつある光通信システムに対応することが可能となり、光ファイバを利用した光増幅器に比べて、消費電力を少なくすることができると共に、小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に係る半導体光増幅器の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は図面に基づいて以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００２８】
［主な実施形態］
本発明に係る半導体光増幅器の主な実施形態を図１〜３に基づいて説明する。図１は、半導体光増幅器の構造を表す一部破断斜視図、図２は、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成とバンドギャップ波長との関係を表すグラフ、図３は、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成と組成分離との関係を表すグラフである。
【００２９】
図１に示すように、ｎ型のＩｎＰからなる基板１１上には、ｎ型のＩｎＰからなるバッファ層１２ａ（例えば、厚さ０．５μｍ）が設けられている。このバッファ層１２ａ上には、ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉じ込め層１３ａ（例えば、バンドギャップ波長１．２５μｍ、厚さ０．１μｍ、）が設けられている。この光閉じ込め層１３ａ上には、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層１４（例えば、Ｓｂ組成０．０５、バンドギャップ波長１．７２μｍ、格子歪量−０．１％、厚さ０．２μｍ）が設けられている。この活性層１４上には、ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉じ込め層１３ｂ（例えば、バンドギャップ波長１．２５μｍ、厚さ０．１μｍ）が設けられている。
【００３０】
また、メサストライプ構造を有するように前記光閉じ込め層１３ａ，１３ｂと前記活性層１４と前記バッファ層１２ａの上方とをメサストライプ状に一部除去された当該メサストライプ（例えば、幅０．８μｍ）の両側の当該バッファ層１２ａ上には、ｐｎ埋め込み層である、ｐ型のＩｎＰからなる電流ブロック層１５ａ及びｎ型のＩｎＰからなる電流ブロック層１５ｂが交互に設けられている。
【００３１】
そして、前記電流ブロック層１５ｂ及び前記光閉じ込め層１３ｂ上には、ｐ型のＩｎＰからなるクラッド層１２ｂが設けられている。このクラッド層１２ｂ上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１６が設けられている。このコンタクト層１６上には、Ａｕ，Ｚｎ，Ｎｉからなるｐ型の電極１７ａが、前記メサストライプと上下方向で投影的に重なる領域に位置するように設けられている。前記基板１１の下面には、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕからなるｎ型の電極１７ｂが設けられている。
【００３２】
さらに、前記メサストライプの長手方向両端側の端面（へき開面）には、ＳｉＯ2，ＴｉＯ2からなる無反射コート膜１８ａ，１８ｂが設けられている。なお、図１中、１９は、ＳｉＯ2からなるマスク層である。
【００３３】
このような構造をなす本実施形態に係る半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）１０の製造方法を次に説明する。
【００３４】
まず、前記基板１１上に、前記バッファ層１２ａ、前記光閉じ込め層１３ａ、前記活性層１４、前記光閉じ込め層１３ｂ、前記クラッド層１２ｂの一部を有機金属分子線エピタキシ（Metalorganic Molecular Beam Epitaxy：ＭＯＭＢＥ）法により（例えば、成長温度５００℃）順次成膜する（例えば、 III族原料ガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）等、Ｖ族原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ3）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）等を使用）。
【００３５】
なお、前記活性層１４の成膜の際には、 III族原料ガス（例えば、ＴＥＧａ）の比率を増加させることにより、当該活性層１４に引っ張り歪み、すなわち、格子歪（−０．１％）を導入して、ＴＥモード及びＴＭモードの偏波による利得差を低減するようにしている。ここで、格子歪量の「−」とは、ＩｎＧａＡｓＳｂが、ＩｎＰに対して、引っ張り歪を導入されていることを意味している。この格子歪量としては、０〜−０．５％の範囲であると望ましい。なぜなら、この範囲外となると、格子緩和を生じて、ＩｎＧａＡｓＳｂの結晶品質の低下を引き起こしてしまうからである。
【００３６】
続いて、上記一部だけのクラッド層１２ｂ上にマスク層１９をプラズマＣＶＤ法により成膜し、縮小投影型露光装置により、前記ストライプをパターニングした後、当該ストライプの領域外の前記マスク層１９を除去する。そして、反応性イオンエッチングにより（例えば、原料ガスとして、Ｃ2Ｈ6，Ｈ2，Ｏ2等を使用）、上記ストライプの領域外の前記一部だけのクラッド層１２ｂ、前記光閉じ込め層１３ａ，１３ｂと前記活性層１４と前記バッファ層１２ａの上方の一部とをエッチング除去する。
【００３７】
次に、エッチング除去された上記バッファ層１２ａ上に、前記電流ブロック層１５ａ，１５ｂをＭＯＭＢＥ法により（例えば、基板温度６００℃）順次選択成長させて（例えば、原料ガスとして、ＴＭＩｎ、ホスフィン等を使用）、前記ストライプ上の前記マスク層１９を除去した後、前記クラッド層１２ｂの残りの部分、前記コンタクト層１６をＭＯＭＢＥ法により（例えば、基板温度６００℃）順次成長させる。
【００３８】
続いて、上記コンタクト層１６上にマスク層１９をプラズマＣＶＤ法により成膜し、前記ストライプの領域内の前記マスク層１９を除去した後、当該ストライプの領域内の上記コンタクト層１６上に前記電極１７ａを形成する一方、前記基板１１を所定の厚さ（例えば、厚さ１２０μｍ）となるように当該基板１１の下面を研磨した後、当該基板１１の下面に前記電極１７ｂを形成する。
【００３９】
そして、所定の長さ（例えば、４５０μｍ）となるようにへき開面に沿ってへき開した後、当該へき開面に前記無反射コート膜１８ａ，１８ｂを真空蒸着装置により成膜することにより、上述したＳＯＡ１０を製造することができる。
【００４０】
このような本実施形態に係るＳＯＡ１０においては、ＩｎＰ上にＩｎＧａＡｓＳｂからなるバルク構造の活性層１４を有していることから、当該活性層１４のＩｎＧａＡｓＳｂのＶ族元素におけるＳｂの占める原子比率（以下「Ｓｂ組成」という。）を、０を超える０．２以下の範囲内（好ましくは０．０１以上０．０５以下の範囲内）で適宜調整することにより、ＩｎＧａＡｓからなる活性層の場合よりも、バンドギャップ波長を光増幅したい長波長側の任意の波長帯域へ移動させることができるので、従来のようなＳＯＡでは困難だったＬ帯やＵ帯等のような１，５５μｍよりも長波長帯域においても、大きな利得を得ることができる。
【００４１】
さらに、本実施形態に係るＳＯＡ１０は、活性層１４がＳｂを含む以外、従来のＳＯＡと同様な構造やプロセス技術を適用することができる。すなわち、上述したように、例えば、従来のＳＯＡと同様、活性層１４の上下にＩｎＧａＡｓＰの光閉じ込め層１３ａ，１３ｂを配設することにより、利得を増加させることや、メサストライプ構造に加工することや、メサストライプ構造に加工した活性層１４の両側を、ドーピングしたＩｎＰからなる半絶縁層で埋め込んで、注入効率や放射性を向上させること等を適用することが容易にできる。このため、本実施形態に係るＳＯＡ１０は、長波長側の波長帯域であっても、偏波依存性を抑制しながら大きな利得を得ることができる。
【００４２】
ところで、ＩｎＰ上のＩｎＧａＡｓＳｂは、これまでほとんど検討されることがなく、半導体光素子へ応用されることがほとんどなかった。これは、主に以下の二つの要因による。
【００４３】
まず、第一番目の要因として、バンドギャップ波長に関することである。具体的には、ＩｎＡｓ上やＧａＳｂ上にＩｎＧａＡｓＳｂを格子整合させて設けたときには、バンドギャップ波長を約２〜４μｍの範囲で変化させることができるが、ＩｎＰ上にＩｎＧａＡｓＳｂを格子整合させて設けたときには、バンドギャップ波長の変化可能範囲が小さいと考えられていたことにある。
【００４４】
そして、第二番目の要因として、ＩｎＧａＡｓＳｂは、ＧａＳｂ上で組成分離が発生しやすいことから（例えば、前記非特許文献１，２等参照）、ＩｎＰ上でも、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓ等のような従来から使用されている材料と比べて、組成分離が発生しやすく、良質な結晶を得ることが難しいと考えられていたことにある。
【００４５】
しかしながら、本発明者らが鋭意研究した結果、ＩｎＰ上のＩｎＧａＡｓＳｂにおいて、組成分離させることなくバンドギャップ波長の変化可能範囲を大きくすることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。このことについて、以下に詳細に説明する。
【００４６】
ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂは、ＩｎＰに格子整合するＩｎ0.53Ｇａ0.47ＡｓとＧａＡｓ0.50Ｓｂ0.50との混晶と見なすことができると共に、バンドギャップのボウイングを考慮することにより、絶対零度におけるバンドギャップ波長を求めることができる（例えば、前記非特許文献３等参照）。そして、バンドギャップエネルギの温度に対する変化率を考慮することにより、絶対零度におけるバンドギャップ波長から室温におけるバンドギャップ波長を求めることができる。
【００４７】
ここで、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂにおいて、室温（２７℃）におけるバンドギャップ波長とＳｂ組成との関係を求めた結果を図２に示す。図２において、縦軸はバンドギャップ波長を表し、横軸はＳｂ組成を表している。
【００４８】
図２からわかるように、Ｓｂ組成が０から０．２まで増加するにしたがって、バンドギャップ波長が１．６８μｍから１．８４μｍまで急激に増加していくようになる。そして、Ｓｂ組成が０．２を超えて０．２７までさらに増加しても、バンドギャップ波長がほとんど増加せず、Ｓｂ組成がこれ以上増加してしまうと、バンドギャップ波長が逆に減少してしまう。したがって、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂにおいては、０を超える０．２以下の範囲内でＳｂ組成を変化させれば、バンドギャップ波長を効率よく変化させることができるのである。
【００４９】
そして、例えば、前記Ｌ帯に対応するためには、Ｓｂ組成が０を超えて０．０５以下（好ましくは０．０１以上０．０５以下）となるように調整するとよい。このようなＳｂ組成が０を超えて０．０５以下となる範囲（好ましくは０．０１以上０．０５以下となる範囲）は、結晶品質の再現性に優れ、結晶品質が安定することから、結晶成長の観点からすると好ましい。
【００５０】
他方、半導体混晶においては、熱力学的エネルギを求めることにより、その組成分離を判断することができる。このとき、熱力学的に平衡状態の系と見なして求めることから、前記ＭＯＭＢＥ法や、ガスソース分子線エピタキシ（Gas Source Molecular Beam Epitaxy：ＧＳＭＢＥ）法や、分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法や、有機金属気相エピタキシ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法等のような熱力学的に非平衡状態で結晶を成長させる本実施形態の場合と条件が異なってしまうため、定量的な考察は難しいものの、定性的な組成分離の考察は可能である（例えば、前記非特許文献４等参照）。
【００５１】
ここで、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成分離を生じやすい組成範囲を求めた結果を図３に示す（例えば、前記非特許文献５等参照）。なお、熱平衡状態では、組成分離を生じやすい組成範囲が温度に依存することから、５００℃、５５０℃、６００℃の各温度条件でそれぞれ求めた。このような温度条件としたのは、結晶成長温度が５００℃未満であると、原料ガスである有機金属が十分に熱分解せず、成長結晶中にカーボンが高濃度で取り込まれてしまい、結晶の純度が劣化してしまう一方、結晶成長温度が６００℃を超えると、Ｓｂの蒸気圧が高く、結晶成長中にＳｂが結晶表面から蒸発してしまい、結晶中のＳｂの濃度が減少してしまうためである。
【００５２】
また、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂの組成範囲及びＩｎＰに対する格子歪量が＋０．５％及び−０．５％となるＩｎＧａＡｓＳｂの組成範囲も図３中に併せて示した。
【００５３】
図３からわかるように、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂにおいては、Ｓｂ組成が少ないほど、組成分離の影響が小さい。そして、先に説明したように、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂにおいては、０を超えて０．２以下となる範囲内（好ましくは０．０１以上０．０５以下の範囲内）でＳｂ組成を変化させれば、バンドギャップ波長を効率よく変化させることができる。このバンドギャップ波長の高効率な変化を可能にする上記組成範囲は、Ｓｂ組成がＡｓ組成の１／４以下の領域にあたり、組成分離の影響を回避できる領域である。
【００５４】
ここで、図３に示した結果は、熱力学的に平衡状態の系と見なして求めているが、ＭＯＭＢＥ法やＧＳＭＢＥ法やＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法等のような熱力学的に非平衡状態で結晶を成長させる本実施形態の場合の条件においては、熱力学的に平衡状態の場合よりも組成分離の影響が小さいものとなる。したがって、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂにおいては、Ｓｂ組成が０を超える０．２以下の範囲内であれば、組成分離による結晶劣化を確実に回避することができるのである。
【００５５】
また、上述した組成分離に対する影響は、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＳｂに限らず、格子歪を有するＩｎＧａＡｓＳｂであっても、同様な結果となる。すなわち、ＩｎＧａＡｓＳｂにおいては、Ｓｂ組成を変化させることなくＩｎ及びＧａの III族の組成比を変化させるだけで格子歪量を調整することができると共に、図３からわかるように、Ｖ族の組成比の変化よりも、III族の組成比の変化の方が、組成分離に対する影響が小さくてすむことから、Ｓｂ組成が大きく変化しない限り、格子歪を有していていても、組成分離による結晶劣化を回避することができるのである。
【００５６】
つまり、ＩｎＧａＡｓＳｂは、組成分離を起こすことのないIII族の組成比内で格子緩和を生じることのない格子歪量（具体的には、０〜−０．５％）であればよいのである。
【００５７】
ところで、本発明は、Ｓｂを成長表面における活性剤（サーファクタント）として使用する技術と本質的に異なるものである。この技術は、ＧａＡｓ基板上で大きな圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＮを井戸層とした量子井戸構造で利用されるものであり、量子井戸構造を作製するときに、Ｓｂを成長表面へ供給することにより、成長表面に存在する原子や分子の移動距離を小さくして、結晶表面の起伏を小さくし、格子変形に伴う格子緩和を抑制するものである。このようなサーファクタント技術を適用される半導体素子は、通常、結晶中に取り込まれるＳｂ組成が０．０１未満であると共に、レーザに応用されるものである。
【００５８】
これに対し、本発明は、ＩｎＧａＡｓＳｂにおいて、ＳｂをＶ族組成で０を越える０．２までの範囲（好ましくは０．０１以上０．０５以下の範囲）で含有させることにより、バンドギャップ波長の増大化と組成分離の抑制とを両立させて、ＳＯＡの波長帯域の改善を図るものである。このように、サーファクタント技術と本発明とは、その意図するところがまったく異なるものなのである。
【００５９】
したがって、本実施形態に係るＳＯＡ１０においては、ＩｎＰ上にＩｎＧａＡｓＳｂからなるバルク構造の活性層１４を有していることから、光増幅率を犠牲にすることなく、光増幅可能な波長帯域を長波長側へ移動させることができるので、１．５５μｍよりも長波長側の波長帯域であっても、偏波依存性を抑制しながら大きな利得を得ることができる。このため、本実施形態に係るＳＯＡ１０は、ＩｎＧａＡｓを活性層に利用した従来のＳＯＡでは光増幅が困難だった１．５５μｍよりも長波長の帯域にも適用することができる。
【００６０】
［他の実施形態］
なお、前述した実施形態においては、Ｓｂ組成を０．０５としたＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層１４を備えたＳＯＡ１０の場合について説明したが、Ｓｂ組成が、Ｖ族元素におけるＡｓの占める原子比率（Ａｓ組成）の１／４以下、すなわち、０．２以下であれば、先の説明から明らかなように、ＩｎＧａＡｓを成膜するときと同様な条件でＩｎＧａＡｓＳｂを成膜することができ、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることが可能である。
【００６１】
また、前述した実施形態においては、ＩｎＰに対するＩｎＧａＡｓＳｂの格子歪量を−０．１％とした活性層１４を備えたＳＯＡ１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、活性層の格子歪や厚さやストライプの幅等を適宜調整して、偏波無依存に適した構造（例えば、前記非特許文献６等参照）としても、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることが可能である。
【００６２】
また、前述した実施形態においては、バルク構造のＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層１４を備えたＳＯＡ１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、ＩｎＧａＡｓＳｂを井戸層とし、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰを障壁層とする多重量子井戸構造の活性層とすれば、ＩｎＧａＡｓを井戸層とした多重量子井戸構造の活性層の場合よりも、光増幅可能な波長帯域を長波長側へ移動させることができ、さらに、これを偏波無依存に適した構造（例えば、前記非特許文献７等参照）としても、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることが可能である。
【００６３】
また、前述した実施形態においては、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層１４等をＭＯＭＢＥ法により成膜したＳＯＡ１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、ＧＳＭＢＥ法やＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法等のような熱力学的に非平衡状態で結晶を成長させる他の方法で成膜しても、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることが可能である。なぜなら、先に説明したように、バンドギャップ波長は、ＩｎＧａＡｓＳｂの材料特性に起因するものであり、組成分離は、Ｓｂ組成を調整することにより、影響を回避できるものであることから、ＩｎＧａＡｓＳｂの成膜方法は、特に限定されることはないのである。
【００６４】
また、前述した実施形態においては、メサストライプ状に形成した活性層１４の両側領域をｐ型のＩｎＰからなる電流ブロック層１５ａ及びｎ型のＩｎＰからなる電流ブロック層１５ｂで埋め込んだｐｎ埋め込み層とした構造のＳＯＡ１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、ｐｎ埋め込み構造に代えて、Ｒｕ又はＦｅをドーピングしたＩｎＰからなる半絶縁層で埋め込む構造としても、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層の物性に大きな影響がなく、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００６５】
また、前述した実施形態においては、活性層１４の領域の両側をエッチングした後ＩｎＰからなる前記電流ブロック層１５ａ，１５ｂで埋め込んだＳＯＡ１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、ＩｎＰからなるクラッド層の途中までエッチングし、リッジ導波路構造とした場合であっても、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層の物性に大きな影響がなく、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００６６】
また、前述した実施形態においては、ｎ型のＩｎＰからなる基板１１を適用したＳＯＡ１０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、半絶縁性のＩｎＰからなる基板や、ｐ型のＩｎＰからなる基板等であっても、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる活性層の物性に大きな影響がなく、層構造や作製手順を変更するだけで、前述した実施形態の場合と同様に適用して、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【実施例】
【００６７】
本発明に係るＳＯＡの効果を確認するために行った実験を以下に説明する。
【００６８】
［実施例１：格子歪なしＩｎＧａＡｓＳｂ］
前述した実施形態に記載された条件に基づいて、Ｓｂ組成が０．０５のＩｎＧａＡｓＳｂをＭＯＭＢＥ法によりＩｎＰの基板上に成膜することにより、試験体１Ａを得た。具体的には、 III族原料ガスとして、ＴＭＩｎ及びＴＥＧａを使用し、Ｖ族原料ガスとして、ＡｓＨ3及びＴＤＭＡＳｂを使用し、成長温度を５００℃とすることにより、膜厚が１．２μｍで、ＩｎＰの基板にほぼ格子整合（ＩｎＰとの格子定数差が±０．０５％以内）したＩｎＧａＡｓＳｂを成膜したものを試験体１Ａとした。
【００６９】
すなわち、ＩｎＧａＡｓＳｂの作製は、ＩｎＧａＡｓの作製条件において、Ｓｂ組成が０．０５となるようにＴＤＭＡＳｂ及びＡｓＨ3を供給すると共に、ＩｎＰの基板との格子定数を近づけるように III族原料ガスの供給量を調整するだけである。
【００７０】
そして、上記試験体１のＸ線回折を測定してピークの半値全幅（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）を求めることにより、組成分離の影響を確認した。すなわち、ＩｎＧａＡｓＳｂは、組成分離を生じると、Ｘ線回折パターンのピークのＦＷＨＭが著しく増大化してしまうことから（例えば、前記非特許文献８等参照）、この特性を利用するのである。その結果を図４に示す。
【００７１】
図４からわかるように、Ｘ線回折パターンのピークのＦＷＨＭは、ＩｎＰが２９秒であり、ＩｎＧａＡｓＳｂが３５秒であり、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＳｂとでほぼ同等であった。以上のことから、上記試験体１においては、組成分離の影響が見られないことを確認できた。
【００７２】
続いて、上記試験体１の室温（２５℃）におけるホトルミネセンス（ＰＬ）発光スペクトルを計測することにより、当該試験体１のバンドギャップ波長を求めた。その結果を図５に示す。なお、比較のため、ＩｎＰの基板にほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓ（比較体１）のＰＬ発光スペクトルも図５に併せて示す。
【００７３】
図５からわかるように、比較体１（ＩｎＧａＡｓ）は、ＰＬ発光スペクトルのピーク波長が１．６８μｍであるのに対し、試験体１（ＩｎＧａＡｓＳｂ）は、ＰＬ発光スペクトルのピーク波長が１．７４μｍとなった。また、試験体１（ＩｎＧａＡｓＳｂ）のＰＬ発光スペクトルのピーク強度は、比較体１（ＩｎＧａＡｓ）のＰＬ発光スペクトルのピーク強度とほぼ同等であった。
【００７４】
以上のことから、上記試験体１（ＩｎＧａＡｓＳｂ）においては、比較体１（ＩｎＧａＡｓ）と同等の発光効率を有しながら、ＩｎＰにほぼ格子整合させた状態で比較体１（ＩｎＧａＡｓ）よりもバンドギャップ波長を約６０ｎｍ長波長化できることが確認された。
【００７５】
［実施例２：格子歪ありＩｎＧａＡｓＳｂ］
上述した実施例１において、ＩｎＰの基板に対する格子歪を−０．１％となる III族組成比に調整するように III族原料ガスの供給量を変更することにより、Ｓｂ組成を変えることなく（０．０５）、膜厚が０．５μｍのＩｎＧａＡｓＳｂを成膜して、試験体１Ｂを得た。
【００７６】
そして、上記実施例１の場合と同様に、試験体１ＢのＸ線回折を測定してピークのＦＷＨＭを求めたところ、前記試験体１Ａの場合同様に、当該試験体１Ｂにおいても、組成分離の影響が見られなかった。
【００７７】
また、上記実施例１の場合と同様に、試験体１Ｂの室温（２５℃）におけるＰＬ発光スペクトルを計測することにより、当該試験体１Ｂのバンドギャップ波長を求めた。その結果を図６に示す。
【００７８】
図６からわかるように、試験体１Ｂは、ＰＬ発光スペクトルのピーク波長が１．７２μｍとなり、ＰＬ発光スペクトルのピーク強度が前記比較体１のＰＬ発光スペクトルのピーク強度とほぼ同等であった。
【００７９】
このことから、上記試験体１Ｂにおいても、前記試験体１Ａと同様に、比較体１と同等の発光効率を有しながら、比較体１よりもバンドギャップ波長を長波長化できることが確認された。
【００８０】
したがって、ＩｎＰに対するＩｎＧａＡｓＳｂの格子整合条件に関係なく、発光効率を損なうことなく組成分離の回避及びバンドギャップ波長の長波長化が可能であることを確認できた。
【００８１】
［実施例３：ＳＯＡ］
前述した実施形態に記載された条件に基づいて作製したＳＯＡを試験体２とした。なお、比較のため、ＩｎＧａＡｓからなる活性層（バンドギャップ波長１．６５μｍ、格子歪量−０．１％、厚さ０．２μｍ）を適用した以外は試験体２と同一の条件としたＳＯＡも作製した（比較体２）。
【００８２】
そして、上記試験体２及び比較体２において、電流（１６０ｍＡ）を注入したときのＡＳＥスペクトルをそれぞれ測定した。その結果を図７に示す。
【００８３】
図７からわかるように、比較体２（ＩｎＧａＡｓ）は、ＡＳＥスペクトルのピーク波長が１．５２μｍであるのに対し、試験体２（ＩｎＧａＡｓＳｂ）は、ＡＳＥスペクトルのピーク波長が１．５７μｍとなった。
【００８４】
すなわち、比較体２（ＩｎＧａＡｓ）においては、格子歪（引っ張り歪み）を導入すると、先に説明したように、ピーク波長が短波長側へシフトするようになるものの、試験体２（ＩｎＧａＡｓＳｂ）においては、格子歪（引っ張り歪み）を導入しても、ピーク波長が短波長側へシフトすることなく長波長側のまま得られるのである。
【００８５】
また、試験体２（ＩｎＧａＡｓＳｂ）と比較体２（ＩｎＧａＡｓ）とのＡＳＥスペクトルのピーク強度差は、１ｄＢ以下であり、大差がなかった。
【００８６】
したがって、上記試験体２においては、上記比較体２と比べて遜色のない光増幅率を有しながらも、光増幅可能な波長帯域を上記比較体２よりも長波長側へシフト可能なことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る半導体光増幅器は、光ファイバを利用した光増幅器に比べて、消費電力を少なくすることができると共に、小型化を図ることができることから、光通信システムを利用する通信産業等において、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明に係る半導体光増幅器の主な実施形態の構造を表す一部破断斜視図である。
【図２】ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成とバンドギャップ波長との関係を表すグラフである。
【図３】ＩｎＧａＡｓＳｂの組成と組成分離との関係を表すグラフである。
【図４】本発明に係る半導体光増幅器の実施例１における試験体１ＡのＸ線回折パターンのチャートである。
【図５】本発明に係る半導体光増幅器の実施例１における試験体１Ａ及び比較体１のＰＬ発光スペクトルのチャートである。
【図６】本発明に係る半導体光増幅器の実施例２における試験体１ＢのＰＬ発光スペクトルのチャートである。
【図７】本発明に係る半導体光増幅器の実施例３における試験体２及び比較体２のＡＳＥスペクトルのチャートである。
【図８】従来の半導体光増幅器の一例のＡＳＥスペクトルのチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１０  半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１１  基板（ｎ型ＩｎＰ）
１２ａ  バッファ層（ｎ型ＩｎＰ）
１２ｂ  クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）
１３ａ，１３ｂ  光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｓＰ）
１４  活性層（ＩｎＧａＡｓＳｂ）
１５ａ  電流ブロック層（ｐ型ＩｎＰ）
１５ｂ  電流ブロック層（ｎ型ＩｎＰ）
１６  コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓ）
１７ａ  電極（ｐ型）
１７ｂ  電極（ｎ型）
１８ａ，１８ｂ  無反射コート膜
１９  マスク層
【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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