(57)【要約】【課題】高い光閉じ込め効果を有する光半導体装置を提供する。【解決手段】第１ＡｌＮクラッド層１２と、第１ＡｌＮクラッド層１２上に形成され、第１ＡｌＮクラッド層１２より屈折率の大きい第１窒化物半導体ガイド層１３と、第１窒化物半導体ガイド層１３上に形成され、第１ＡｌＮクラッド層１２より屈折率が大きく、且つ第１窒化物半導体ガイド層１３より屈折率が小さい窒化物半導体コア層１４と、窒化物半導体コア層１４上に形成され、前記窒化物半導体コア層１４より屈折率の大きい第２窒化物半導体ガイド層１５と、第２窒化物半導体ガイド層１５上に形成された第２ＡｌＮクラッド層１６とを具備する。第１および第２窒化物半導体ガイド層１３、１５が、ＩｎＮ、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎおよび組成の異なるＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎ積層膜のいずれか１つである。【選択図】図１
2009038239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１窒化アルミニウムクラッド層と、
前記第１窒化アルミニウムクラッド層上に形成され、前記第１窒化アルミニウムクラッド層より屈折率の大きい第１窒化物半導体ガイド層と、
前記第１窒化物半導体ガイド層上に形成され、前記第１窒化アルミニウムクラッド層より屈折率が大きく、且つ前記第１窒化物半導体ガイド層より屈折率が小さい窒化物半導体コア層と、
前記窒化物半導体コア層上に形成され、前記窒化物半導体コア層より屈折率の大きい第２窒化物半導体ガイド層と、
前記第２窒化物半導体ガイド層上に形成された第２窒化アルミニウムクラッド層と、
を具備することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記第１窒化アルミニウムクラッド層上に、前記第１窒化物半導体ガイド層と前記窒化物半導体コア層が、この順に交互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記第１窒化物半導体ガイド層の一部が露出され、露出した前記第１窒化物半導体ガイド層上に形成された第１電極と、
前記第１窒化物半導体ガイド層と反対の導電型を有する前記第２窒化物半導体ガイド層の一部が露出され、露出した前記第２窒化物半導体ガイド層上に形成された第２電極と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記第１窒化物半導体ガイド層の一部が露出され、露出した前記第１窒化物半導体ガイド層上に形成された第１電極と、
前記第２窒化アルミニウムクラッド層上に形成された第２電極と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記第１および第２窒化物半導体ガイド層が、ＩｎＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、および組成の異なるＩｎＧａＡｌＮの積層膜のいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、長距離大容量の光通信システムの発展に伴い、大容量の光交換システムや光情報処理システムが必要となってきている。このようなシステムでは、超高速で動作する光スイッチや光論理演算素子等の光素子が必要である。
【０００３】
光スイッチとしては、窒化物半導体を用い、量子井戸構造のコア層をクラッド層で挟んだ光導波路が知られている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００４】
非特許文献１に開示された光導波路は、サファイア基板上に形成された下部窒化アルミニウム（ＡｌＮ）クラッド層と、下部ＡｌＮクラッド層上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）量子井戸層とＡｌＮ障壁層を有する多重量子井戸（ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷ）コア層と、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層上に形成された上部ＡｌＮクラッド層とを具備している。
【０００５】
然しながら、非特許文献１に開示された光導波路は、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層の屈折率と、ＡｌＮクラッド層の屈折率との差が十分ではなく、所望の光閉じ込め効果が得らないという問題がある。  
そのため、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層内の光強度が弱く、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層が光を吸収する効率、および光を増幅する効率が十分でないという問題がある。
【非特許文献１】Chaiyasit KUMTORNKITTIKUL, Toshimasa SHIMIZU, Norio IIZUKA, Nobuo SUZUKI, Masakazu SUGIYAMA, and Yoshiaki NAKANO,“AlN Waveguide with GaN/AlN Quantum Wells for All-Optical Switching Utilizing Intersubband Transition”,Japanese Journal of Applied Physics Vol.46, No15, 2007, pp.L352-L355
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高い光閉じ込め効果を有する光半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の光半導体装置は、第１窒化アルミニウムクラッド層と、前記第１窒化アルミニウムクラッド層上に形成され、前記第１窒化アルミニウムクラッド層より屈折率の大きい第１窒化物半導体ガイド層と、前記第１窒化物半導体ガイド層上に形成され、前記第１窒化アルミニウムクラッド層より屈折率が大きく、且つ前記第１窒化物半導体ガイド層より屈折率が小さい窒化物半導体コア層と、前記窒化物半導体コア層上に形成され、前記窒化物半導体コア層より屈折率の大きい第２窒化物半導体ガイド層と、前記第２窒化物半導体ガイド層上に形成された第２窒化アルミニウムクラッド層と、を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い光閉じ込め効果を有する光半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
本発明の実施例１に係る光半導体装置について、図１および図２を用いて説明する。図１は光半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）はその屈折率分布を示す図、図２はシミュレーションによる光半導体装置の光閉じ込め効果を、比較例と対比して示す図で、図２（ａ）が本実施例を示す図、図２（ｂ）が比較例を示す図である。  
本実施例は、光半導体装置がリッジ型の光導波路を有し、１３〜１．５５μｍ帯の赤外光を量子井戸内のサブバンド間の遷移により吸収する光スイッチの場合の例である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、本実施例の光半導体装置１０は、基板１１、例えばサファイア基板上にバッファ層（図示せず）を介して形成された第１窒化アルミニウム（ＡｌＮ）クラッド層１２と、第１ＡｌＮクラッド層１２上に形成され、第１ＡｌＮクラッド層１２より屈折率の大きい第１窒化物半導体ガイド層１３と、第１窒化物半導体ガイド層１３上に形成され、第１ＡｌＮクラッド層１２より屈折率が大きく、且つ第１窒化物半導体ガイド層１３より屈折率が小さい窒化物半導体コア層１４と、窒化物半導体コア層１４上に形成され、窒化物半導体コア層１４より屈折率の大きい第２窒化物半導体ガイド層１５と、第２窒化物半導体ガイド層１５上に形成された第２ＡｌＮクラッド層１６と、を具備している。
【００１２】
第１ＡｌＮクラッド層１２から第２ＡｌＮクラッド層１６により、リッジ型の光導波路１７が構成されている。
【００１３】
第１窒化物半導体ガイド層１３および第２窒化物半導体ガイド層１５は、例えば窒化物半導体の中で最も高い屈折率を有する窒化インジウム（ＩｎＮ）である。  
窒化物半導体コア層１４は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）量子井戸層と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）障壁層を有する多重量子井戸（ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷ）である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６の屈折率をｎ１、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷ体コア層１４の屈折率をｎ２、第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５の屈折率をｎ３とすると、ｎ１＜ｎ２＜ｎ３の関係が成り立つ。  
屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３は、例えば波長１．５５μｍにおいて、ｎ１〜１．９５、ｎ２〜２．１、ｎ３〜２．６、程度と見積もられる。
【００１５】
これから、光半導体装置１０は、凹字状の屈折率分布を有し、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４と第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５との加重平均値であるコア部１８の総屈折率が大きくなるので、第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５を有しない場合に比べて第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６との屈折率差が増大する。  
その結果、コア部１８の光強度が回りに比べて大幅に高くなり、高い光閉じ込め効果を得ることが可能である。
【００１６】
図２はシミュレーションによる光半導体装置１０の光閉じ込め効果を、比較例と対比して示す図で、図２（ａ）が本実施例を示す図、図２（ｂ）が比較例を示す図である。  
本明細書では、比較例とは第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５を有せず、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４を直接第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６で挟んだ光半導体装置を意味している。始めに比較例について説明する。
【００１７】
図２（ｂ）に示すように、比較例では、光半導体装置２０のＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の屈折率ｎ２と、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６の屈折率ｎ１との差（ｎ２−ｎ１）が小さいので、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４内の光が第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６側へ漏洩し、光強度（ＴＭモード）の半値幅２１が大きくなる。  
その結果、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の光の強度が弱くなり、高い光閉じ込め効果が得られない。
【００１８】
一方、図２（ａ）に示すように、本実施例では、光半導体装置１０の第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５の屈折率ｎ３と、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６の屈折率ｎ１との差（ｎ３−ｎ１）が大きいので、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６側への光の漏洩が減少し、光強度の半値幅２２が小さくなる。
【００１９】
更に、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４に光が集中し、尖塔部２３を有する光強度分布（ＴＭモード）が得られる。  
これは電磁波（光）が屈折率の異なる物質に伝播する場合、境界面と平行な成分（ＴＥモードの場合は電界、ＴＭモードの場合は磁界）が両方の物質で同じ強度になる境界条件を満たすためである。
【００２０】
即ち、伝播モードがＴＭモードの場合、境界面と平行な成分は磁界なので、境界面での磁界の強度が等しくなるように、光が集光される。これにより、電界の成分も増幅されるので、尖塔部２３を有する光強度分布になる。  
ちなみに、伝播モードがＴＥモードの場合は、もともと界面と平行な成分は電界なので、滑らかな波形になります。
【００２１】
次に、光半導体装置１０の製造方法について、図３乃至図５を用いて説明する。  
光半導体装置１０の製造は、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical vapor deposition）法および周知のＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を併用して行う。  
ＭＯＣＶＤ法とＭＢＥ法を併用するのは、Ｉｎの蒸気圧が高いために、ＭＯＣＶＤ法で結晶欠陥の少ないＩｎＮ膜を成長させるのが困難なためである。
【００２２】
始めに、ＭＯＣＶＤ法により、基板１１上に、第１ＡｌＮクラッド層１２を形成する。次に、ＭＢＥ法により、第１ＡｌＮクラッド層１２上に、第１ＩｎＮガイド層１３から第２ＡｌＮクラッド層１６までを形成する。
【００２３】
具体的には、図３（ａ）に示すように、基板１１上に、サファイアとＡｌＮとの格子不整合を緩和するために、ＭＯＣＶＤ法により、例えば圧力６ｋＰａ、成長温度８００℃で、厚さ２０ｎｍ程度のＡｌＮバッファ層３０を形成する。
【００２４】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば成長温度を１２５０℃まで上げて、基板１１上にＡｌＮバッファ層３０を介して、厚さ１μｍ程度の第１ＡｌＮクラッド層１２を形成する。  
これにより、サファイアとＡｌＮとの格子不整合を緩和して、結晶欠陥の少ない第１ＡｌＮクラッド層１２が得られる。
【００２５】
次に、図３（ｃ）に示すように、基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＭＢＥ装置内に収容した後、ＭＢＥ法により、第１ＡｌＮクラッド層１２上に、例えば圧力１．３Ｅ−９ｋＰａ、成長温度６００℃で、厚さ５０ｎｍ程度の第１ＩｎＮガイド層１３を形成する。
【００２６】
次に、図４（ａ）に示すように、第１ＩｎＮガイド層１３上にＩｎビームを照射し、第１ＩｎＮガイド層１３の熱分解を抑えながら、例えば成長温度を４００℃まで下げて、例えば厚さ２ｎｍ程度のＡｌＮ障壁層３１と、厚さ２ｎｍ程度のＧａＮ量子井戸層３２を交互に積層し、１０対程度のＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４を形成する。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、例えば成長温度を６００℃まで上げて、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４上に、厚さ５０ｎｍ程度の第２ＩｎＮガイド層１５を形成する。  
次に、第２ＩｎＮガイド層１５上にＩｎビームを照射し、第２ＩｎＮガイド層１５の熱分解を抑えながら、例えば成長温度を８００℃まで上げて、厚さ１μｍ程度の第２ＡｌＮクラッド層１６を形成する。
【００２８】
次に、図５に示すように、第２ＡｌＮクラッド層１６上に、Ａｌの酸化を防止するための保護膜３３、例えばＣＶＤ法により厚さ０．５μｍ程度のシリコン酸化膜を形成し、保護膜３３上に、フォトリソグラフィ法によりリッジ型の光導波路１７に対応したパターンを有するレジスト膜３４を形成する。  
次に、レジスト膜３４をマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）法により保護膜３３からＡｌＮバッファ層３０までを、順次異方性エッチングする。  
これにより、図１に示したリッジ型の光導波路１７を有する光半導体装置１０が得られる。
【００２９】
ＭＢＥ法は、薄膜の膜厚制御性が高いので、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の動作波長の制御が容易であり、サブバンド間遷移の吸収を利用した光スイッチの製造に適している。
【００３０】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置１０は、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４と、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６との間に、窒化物半導体の中で最も高い屈折率を有する第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５を具備している。
【００３１】
その結果、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４と第１および第２ＩｎＮガイド層１３、１５からなるコア部１８の屈折率と、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６の屈折率の差が大きくなり、コア部１８の光強度が大幅に高くなる。  
従って、高い光閉じ込め効果を有する光半導体装置１０を提供することができる。
【００３２】
ここでは、基板１１が格子不整合率の大きいサファイアである場合について説明したが、格子不整合率の小さいＳｉＣ基板またはＧａＮ基板を用いることが好ましい。  
ＳｉＣおよびＧａＮは、サファイアより熱伝導率が大きく、導電性の基板が得られる点においても優れている。
【００３３】
第１ＡｌＮクラッド層１２上に第１ＩｎＮガイド層１３を直接形成する場合について説明したが、ＡｌＮ、ＩｎＮは格子定数が異なるので、格子不整合を緩和し、結晶欠陥の少ない膜を得るために、例えばＡｌＮの低温バッファ層を介して形成することが望ましい。第２ＩｎＮガイド層１５上に第２ＡｌＮクラッド層１６を形成する場合についても、同様である。
【００３４】
第１ＡｌＮクラッド層１２から第２ＡｌＮクラッド層１６に、不純物をドーピングしない場合について説明したが、必要に応じて不純物をドーピングしても構わない。
【実施例２】
【００３５】
図６は本発明の実施例２に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、第１および第２ガイド層を、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎとしたことにある。
【００３６】
即ち、図６に示すように、本実施例の光半導体装置４０は、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４と、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６との間に、第１ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎガイド層４１（以後、単に第１ガイド層４１とも記す）と、第２ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎガイド層４２（以後、単に第２ガイド層４２とも記す）とを具備している。
【００３７】
組成ｘ、ｙは、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１であり、０≦１−ｘ−ｙ＜１なる関係を満たし、且つ第１および第２ガイド層４１、４２の屈折率が、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の屈折率より高くなる範囲で選択される。但し、ｘ＝１、ｙ＝０（ＩｎＮ）と、ｘ＝ｙ＝０（ＡｌＮ）の組合せは除かれる。
【００３８】
ＩｎＧａＡｌＮは、ＩｎＮよりＡｌＮおよびＧａＮに対して格子不整合率が小さくなるので、より結晶欠陥の少ないＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４を形成することができる。但し、ＩｎＧａＡｌＮは、ＩｎＮより屈折率が小さくなるので、光閉じ込め効果はその分低下する。
【００３９】
従って、結晶性と光閉じ込め効果とを勘案して、組成ｘは０．５から１に近い範囲で、組成ｙは０．５から０に近い範囲で選択することが好ましい。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置４０は、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎの第１および第２ガイド層４１、４２を具備しているので、結晶欠陥の少ないＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４が得られ、光半導体装置４０の信頼性向上を図ることができる利点がある。
【００４１】
ここでは、第１および第２ガイド層４１、４２の組成ｘ、ｙが同じである場合について説明したが、異なっていても構わない。
【実施例３】
【００４２】
図７は本発明の実施例３に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、第１および第２ガイド層を、組成の異なるＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎの積層膜としたことにある。
【００４３】
即ち、図７に示すように、本実施例の光半導体装置５０は、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４と、第１および第２ＡｌＮクラッド層１２、１６との間に、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）ＮとＩｎａＧａｂＡｌ（１−ａ−ｂ）Ｎとが、例えば２対積層された第１ガイド層５１と、第２ガイド層５２とを具備している。
【００４４】
ここで、組成（ｘ、ｙ）と組成（ａ、ｂ）は、ｘ≠ａ、ｙ≠ｂであり、且つ第１および第２ガイド層５１、５２の屈折率が、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の屈折率より高くなる範囲で選択される。但し、ｘ＝ｙ＝０は除かれる。
【００４５】
ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎの組成ｘ、ｙとして、例えばｘ＝１、ｙ＝０を選択すると、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）ＮはＩｎＮである。  
ＩｎａＧａｂＡｌ（１−ａ−ｂ）Ｎの組成ａ、ｂとして、例えばａ＝０．５、ｂ＝０．５を選択すると、ＩｎａＧａｂＡｌ（１−ａ−ｂ）ＮはＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ（以後、単にＩｎＧａＮとも記す）である。
【００４６】
ＩｎＮとＩｎＧａＮの積層膜を、各層の膜厚を格子歪みにより結晶欠陥が発生する臨界膜厚以下とした超格子構造とすることにより、基板１１側からの結晶欠陥の伝播を阻止することができる。
【００４７】
その結果、第１および第２ガイド層５１、５２の結晶欠陥が減少するので、第１および第２ガイド層５１、５２の膜厚を、単層膜の場合より厚くすることができる。
【００４８】
第１および第２ガイド層５１、５２の膜厚を厚くすることにより、第１および第２ガイド層５１、５２から第１および第２クラッド層１２、１６に漏洩する光が減少し、光がＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４により多く閉じ込めることが可能である。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置５０は、ＩｎＮとＩｎＧａＮの超格子構造を有する第１および第２ガイド層５１、５２を具備している。  
その結果で、第１および第２ガイド層５１、５２の結晶欠陥が減少し、第１および第２ガイド層５１、５２の膜厚を単層膜の場合より厚くすることができる。従って、より高い光閉じ込め効果が得られる利点がある。
【００５０】
ここでは、第１および第２ガイド層５１、５２として、ＩｎＮ／ＩｎＧａＮを２対積層した場合について説明したが、積層数については特に限定されない。
【００５１】
また、積層膜は、ＩｎＧａＮとＧａ０．５Ａｌ０．５Ｎ（以後ＧａＡｌＮとも言う）でも構わない。ＩｎＧａＮとＧａＡｌＮの積層膜は、ＩｎＮとＩｎＧａＮの積層膜より結晶欠陥が減少し、より膜厚を厚くすることができる利点がある。
【００５２】
更に、第１および第２ガイド層５１、５２の組成（ｘ、ｙ）、組成（ａ、ｂ）が同じである場合について説明したが、異なっていても構わない。
【実施例４】
【００５３】
図８は本発明の実施例４に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、ＩｎＮガイド層とＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層とを交互に積層したことにある。
【００５４】
即ち、図８に示すように、本実施例の光半導体装置６０は、第１ＩｎＮガイド層１３と、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４が交互に３対積層されている。  
各ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の間に第１ＩｎＮガイド層１３を挿入することにより、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４のトータルの厚みを増加しても、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４内の格子歪み緩和することができる。
【００５５】
これにより、第１ＡｌＮクラッド層１２上の第１ＩｎＮガイド層１３から第２ＩｎＮガイド層１５までのトータルの厚みが大きいコア部６１が得られる。
【００５６】
図９は、コア部６１のトータルの厚さと、光導波路６２の伝播モードとの関係を示す図である。  
図９に示すように、光導波路６２の伝播モードは、臨界膜厚ｄｃを境にしてシングルモードからマルチモードに変わる。
【００５７】
光導波路６２の伝播モードがシングルモードで、コア部６１の厚さｄを、薄いｄ１から厚いｄ２に大きくし、臨界膜厚ｄｃに近づけていくと、コア部６１は、より多くの光を吸収し、より少ない消費電力でスイッチング動作することが可能である。
【００５８】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置６０は、第１ＩｎＮガイド層１３とＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４とを交互に積層したコア部６１を具備している。  
その結果、コア部６１のトータル膜厚を厚くすることができるので、光吸収量、消費電力などのコア部６１の性能を向上させることができる利点がある。
【００５９】
ここでは、コア部６１の厚さｄが、光の伝播モードがシングルモードになる臨界膜厚ｄｃ以下である場合について説明したが、臨界膜厚ｄｃより厚い膜厚ｄ３として、マルチモードで動作させることも可能である。
【実施例５】
【００６０】
図１０は本発明の実施例５に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、ＩｎＧａＡｌＮ系多層膜を有するガイド層とＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層とを交互に積層したことにある。
【００６１】
即ち、図１０に示すように、本実施例の光半導体装置７０は、第１ガイド層５１と、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４が交互に３対積層されている。  
ガイド層をＩｎＧａＡｌＮ系多層膜としたことにより、ガイト層の結晶欠陥が低減するので、より厚いトータル膜厚を有するコア層７１を形成することが可能である。
【００６２】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置７０は、第１ガイド層５１とＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４とを交互に積層したコア部７１を具備している。その結果、より厚いトータル膜厚を有するコア層７１を形成できる利点がある。
【００６３】
ここでは、ガイド層がＩｎＮ／ＩｎＧａＮが積層された第１ガイド層５１である場合について説明したが、ＩｎＧａＮ／ＧａＡｌＮが積層されたガイド層でも構わない。
【実施例６】
【００６４】
図１１は本発明の実施例６に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、第１ガイド層と、第２ガイド層とに、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層に通電するための電極を形成したことにある。
【００６５】
即ち、図１１に示すように、本実施例の光半導体装置８０は、例えばシリコン（Ｓｉ）が添加されたｎ型第１ＩｎＮガイド層８１と、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が添加されたｐ型第２ＩｎＮガイド層８２とを具備している。
【００６６】
第２ＡｌＮクラッド層１６、ｐ型第２ＩｎＮガイド層８２、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の一側がそれぞれ除去されて、ｎ型第１ＩｎＮガイド層８１の一部が露出し、露出したｎ型第１ＩｎＮガイド層８１上に、ｎ側電極（第１電極）８３、例えばＴｉ／Ａｌが形成されている。
【００６７】
同様に、第２ＡｌＮクラッド層１６の他側が除去されて、ｐ型第２ＩｎＮガイド層８２の一部が露出し、露出したｐ型第２ＩｎＮガイド層８２上に、ｐ側電極（第２電極）８４、例えばＮｉ／Ａｕが形成されている。
【００６８】
ｎ側電極８３はワイヤ８５を介して外部に接続され、ｐ側電極８４はワイヤ８６を介して外部に接続される。
【００６９】
光半導体装置８０を外部電源（図示せず）に接続し、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４に電流を流すことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４から、コア層１４のバンドギャップに応じた青紫色〜紫外の発光を得ることが可能である。
【００７０】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置８０は、ｎ型第１ＩｎＮガイド層８１、ｐ型第２ＩｎＮガイド層８２上に、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４に通電するためのｎ側電極８３、ｐ側電極８４具備している。  
これにより、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４を電流注入発光させることができ、半導体発光装置が得られる利点がある。
【００７１】
ここでは、ｎ型第１ガイド層８１およびｐ型第２ガイド層８２が、ＩｎＮである場合について説明したが、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎ、例えば組成ｘ＝０．５、ｙ＝０．５のＩｎＧａＮであっても構わない。
【００７２】
また、ｎ型第１ガイド層８１およびｐ型第２ガイド層８２が単層膜である場合について説明したが、組成の異なるＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎの多層膜、例えばＩｎＮ／ＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＡｌＮの超格子であっても構わない。
【００７３】
第１ガイド層８１がｎ型で、第２ガイド層８２がｐ型である場合について説明したが、第１ガイド層８１がｐ型で、第２ガイド層８２がｎ型であっても構わない。
【実施例７】
【００７４】
図１２は本発明の実施例７に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、第１ガイド層と、第２ＡｌＮクラッド層とに、／ＧａＮ ＭＱＷコア層に通電するための電極を形成したことにある。
【００７５】
即ち、図１１に示すように、本実施例の光半導体装置９０は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が添加されたｐ型第１ＩｎＮガイド層９１と、例えばシリコン（Ｓｉ）が添加されたｎ型第２ガイド層９２と、シリコン（Ｓｉ）が添加されたｎ型第２ＡｌＮクラッド層９３を具備している。
【００７６】
ｎ型第２ＡｌＮクラッド層９３、ｎ型第２ＩｎＮガイド層９２、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４の一側がそれぞれ除去されて、ｐ型第１ＩｎＮガイド層９１の一部が露出し、露出したｐ型第１ＩｎＮガイド層９１上に、ｐ側電極（第１電極）９４、例えばＮｉ／Ａｕが形成されている。
【００７７】
ｐ型第２ＡｌＮクラッド層９３上に、ｎ側電極（第２電極）９５、例えばＴｉ／Ａｌが形成されている。Ｍｇ添加により抵抗の低いｐ型ＡｌＮを得るのは困難であるが、Ｓｉ添加により抵抗の低いｎ型ＡｌＮを得ることは容易である。
【００７８】
ｐ側電極９４は、ワイヤ９６を介して外部に接続され、ｎ側電極９５は、ワイヤ９７を介して外部に接続される。  
光半導体装置９０を外部電源に接続し、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４に電流を流すことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４からコア層１４のバンドギャップに応じた青紫色〜紫外の発光を得ることができる。
【００７９】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置９０は、ｐ型第１ＩｎＮガイド層９１、ｎ型第２ＡｌＮクラッド層９３上に、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４に通電するためのｐ側電極９４、ｎ側電極９５を具備している。  
これにより、第２ＡｌＮクラッド層９３を一部除去して、ｎ型第２ＩｎＮガイド層９２を露出させる必要がないので、光半導体装置９０の製造が容易になる利点がある。
【００８０】
ｎ側電極９５をｎ型第２ＡｌＮクラッド層９３の中央部に形成できるので、ｎ側電極９５へワイヤ９７をボンディングするときに、光半導体装置９０に印加される荷重が均一化され、光半導体装置９０がダメージを受ける恐れを除去することができる利点がある。
【００８１】
光導波路９８をストライプ状のリッジ型導波路とし、ストライプの両断面に、反射膜を形成することにより、光半導体装置９０を半導体レーザとすることも可能である。
【実施例８】
【００８２】
本発明の実施例８に係る光半導体装置について図１３を用いて説明する。図１３は光半導体装置を示す図で、図１３（ａ）はその断面図、図１３（ｂ）はその発光スペクトルを示す図である。  
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。
【００８３】
本実施例が実施例１と異なる点は、ＩｎＮガイド層と、互いにバンドギャップが異なるＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層とを交互に積層し、且つＩｎＮガイド層に、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層に通電するための電極を形成したことにある。
【００８４】
即ち、図１３（ａ）に示すように、本実施例の光半導体装置１００は、ｐ型第２ＩｎＮガイド層８２上に、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ａ、ｎ型第１ＩｎＮガイド層８１ａ、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ｂ、ｐ型第２ＩｎＮガイド層８２ａがこの順に積層されている。
【００８５】
第２ＡｌＮクラッド層１６からＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ｂまでの一側が除去され、露出したｎ型第１ＩｎＮガイド層８１ａ上に、ｎ側電極８３ａが形成されている。ｎ側電極８３ａはワイヤ８５ａを介して外部に接続されている。
【００８６】
第２ＡｌＮクラッド層１６の他側が除去され、露出したｐ型第２ＩｎＮガイド層８２ａ上に、ｐ側電極８４ａが形成されている。ｐ側電極８４ａはワイヤ８６ａを介して外部に接続される。
【００８７】
各ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４、１４ａ、１４ｂは、この順にバントギャップが狭くなるように、ＩｎがＧａＮ量子井戸層に添加されている。Ｉｎの添加量が多いほど、バントギャップが狭くなる。  
また、ＧａＮ量子井戸層の膜厚を厚くすることにより、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層のバンドギャップを狭くすることも可能である。
【００８８】
図１３（ｂ）に示すように、ワイヤ８５を外部電源（図示せず）の負極端子に接続し、ワイヤ８６を外部電源の正極端子に接続すると、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４に通電され、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４から波長λ１の発光が得られる。
【００８９】
同様に、ワイヤ８５ａを外部電源の負極端子に接続し、ワイヤ８６を外部電源の正極端子に接続すると、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ａに通電され、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ａから波長λ２の発光が得られる。
【００９０】
同様に、ワイヤ８５ａを外部電源の負極端子に接続し、ワイヤ８６ａを外部電源の正極端子に接続すると、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ｂに通電され、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４ｂから波長λ３の発光が得られる。
【００９１】
これにより、３つの波長の光を放射する光半導体装置１００を得ることが可能である。また、各ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４、１４ａ、１４ｂに、同時通電することにより、３波混合光を発光させることもできる。
【００９２】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置１００は、ＩｎＮガイド層と互いにバンドギャップが異なるＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層とを交互に積層し、且つ各ＩｎＮガイド層に、各ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層に通電するための電極を形成している。
【００９３】
その結果、同一の発光点から波長の異なる複数の光を個別にまたは同時に放射する光半導体装置１００が得られる利点がある。
【００９４】
ここでは、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層のバンドギャップを変えるのにＩｎを添加する場合について説明したが、ＧａＮ量子井戸層とＡｌＮ障壁層の膜厚比を調整して行なうことも可能である。その場合に、発光波長の範囲（Δλ＝λ３−λ１）は小さくなる。
【００９５】
一端側にｎ側電極８３、８３ａを形成し、他端側にｐ側電極８４、８４ａを形成した場合について説明したが、ＩｎＮガイド層の抵抗が十分に低く、電流の拡がりが確保できる場合は、ｐ側電極８４、８４ａを一端側に形成することもできる。
【実施例９】
【００９６】
本発明の実施例９に係る光半導体装置について図１４を用いて説明する。図１４は光半導体装置を示す図で、図１４（ａ）はその断面図、図１４（ｂ）はその光吸収スペクトルを示す図である。
【００９７】
本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。  
本実施例が実施例１と異なる点は、ＩｎＮガイド層と、互いにバンドギャップが異なるＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層とを交互に積層したことにある。
【００９８】
即ち、図１４（ａ）に示すように、本実施例の光半導体装置１１０は、第１ＩｎＮガイド層１３を挟んで、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層１４、１４ａ、１４ｂがこの順に積層されたコア部１１１を有する光導波路１１２を具備している。
【００９９】
図１４（ｂ）に示すように、１３〜１．５５μｍ帯の赤外光を光導波路１１２に入射させると、各量子井戸内のサブバンド間の遷移に対応して、波長λ４、λ５、λ６の赤外光を吸収させることが可能である。吸収する光の波長は、ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層のサブバンド間のバンドギャップが狭いほど長くなる。
【０１００】
各ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層のサブバンド間のバンドギャップは、ＧａＮ量子井戸層の膜厚を変えることにより、調整することが可能である。  
ＧａＮ量子井戸層の膜厚を薄くするほど、ＧａＮ／ＡｌＮＭＱＷコア層のサブバンド間のバンドギャップが広くなり、吸収波長が短くなる。
【０１０１】
以上説明したように、本実施例の光半導体装置１１０は、ＩｎＮガイド層と、互いにバンドギャップが異なるＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層とが交互に積層されている。  
これにより、複数の波長の光を吸収し、モノリシックに形成された多波長光スイッチが得られる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施例１に係る光半導体装置を示す図で、図１（ａ）はその断面図、図１（ｂ）はその屈折率分布を示す図。
【図２】本発明の実施例１に係る光半導体装置の光閉じ込め効果を比較例と対比して示す図で、図２（ａ）が本実施例を示す図、図２（ｂ）が比較例を示す図。
【図３】本発明の実施例１に係る光半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図４】本発明の実施例１に係る光半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図５】本発明の実施例１に係る光半導体装置の製造工程を順に示す断面図。
【図６】本発明の実施例２に係る光半導体装置を示す断面図。
【図７】本発明の実施例３に係る光半導体装置を示す断面図。
【図８】本発明の実施例４に係る光半導体装置を示す断面図。
【図９】本発明の実施例４に係る光半導体装置のコア部の厚さと、光伝播モードとの関係を示す図。
【図１０】本発明の実施例５に係る光半導体装置を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例６に係る光半導体装置を示す断面図。
【図１２】本発明の実施例７に係る光半導体装置を示す断面図。
【図１３】本発明の実施例８に係る光半導体装置を示す図で、図１３（ａ）はその断面図、図１３（ｂ）はその発光スペクトルを示す図。
【図１４】本発明の実施例９に係る光半導体装置を示す図で、図１４（ａ）はその断面図、図１４（ｂ）はその光吸収スペクトルを示す図。
【符号の説明】
【０１０３】
１０、２０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０  光半導体装置
１１  基板
１２  第１ＡｌＮクラッド層
１３  第１ＩｎＮガイド層
１４、１４ａ、１４ｂ  ＧａＮ／ＡｌＮ ＭＱＷコア層
１５  第２ＩｎＮガイド層
１６  第２ＡｌＮクラッド層
１７、６２、９８、１１２  光導波路
１８、６１、７１、１１１  コア部
２１、２２  半値幅
２３  尖塔部
３０  ＡｌＮ低温バッファ層
３１  ＡｌＮ障壁層
３２  ＧａＮ量子井戸層
３３  保護膜
３４  レジスト膜
４１  第１ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎガイド層
４２  第２ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎガイド層
５１  第１ガイド層
５２  第２ガイド層
１８、６１、７１  コア部
８１、８１ａ  ｎ型第１ＩｎＮガイド層
８２、８２ａ  ｐ型第１ＩｎＮガイド層
８３、８３ａ、９５  ｎ側電極
８４、８４ａ、９４  ｐ側電極
８５、８５ａ、８６、８６ａ、９６、９７  ワイヤ
９１  ｐ型第１ＩｎＮガイド層
９２  ｎ型第２ＩｎＮガイト層
９３  ｎ型第２ＡｌＮクラッド層
【図１】
2009038239.tif 000003
【図２】
2009038239.tif 000004
【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】
2009038239.tif 000009
【図８】
2009038239.tif 000010
【図９】
2009038239.tif 000011
【図１０】
2009038239.tif 000012
【図１１】
2009038239.tif 000013
【図１２】
2009038239.tif 000014
【図１３】
2009038239.tif 000015
【図１４】
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