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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022048060
(43)【公開日】2022-03-25
(54)【発明の名称】半導体光素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/343 20060101AFI20220317BHJP
H01S 5/227 20060101ALI20220317BHJP
【ＦＩ】
H01S5/343
H01S5/227
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020188541
(22)【出願日】2020-11-12
(31)【優先権主張番号】P 2020153686
(32)【優先日】2020-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】301005371
【氏名又は名称】日本ルメンタム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000154
【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】菅 一輝
(72)【発明者】
【氏名】中原 宏治
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA05
5F173AB03
5F173AB13
5F173AF04
5F173AF22
5F173AF29
5F173AF40
5F173AF52
5F173AH14
5F173AJ13
5F173AJ23
5F173AR36
(57)【要約】
【課題】ｆ３ｄＢ帯域の向上とロールオフの低減の両立を目的とする。
【解決手段】半導体光素子は、交互に重なる複数の井戸層３６及び複数の障壁層３８を含み、複数の障壁層３８のそれぞれはアンドープ層であり、最外層４０が複数の障壁層３８の１つである多重量子井戸層２６と、最外層４０よりも屈折率において大きく、最外層４０よりもバンドギャップにおいて小さい光閉じ込め層３０と、多重量子井戸層２６と光閉じ込め層３０の間に介在し、最外層４０に接触する第１隣接層４２を含み、光閉じ込め層３０よりも薄くなっているガイド層２８と、を有する。光閉じ込め層３０及びガイド層２８のそれぞれは、ｎ型半導体層である。ガイド層２８の第１隣接層４２は、光閉じ込め層３０よりもバンドギャップにおいて大きい。
【選択図】図３
【解決手段】半導体光素子は、交互に重なる複数の井戸層３６及び複数の障壁層３８を含み、複数の障壁層３８のそれぞれはアンドープ層であり、最外層４０が複数の障壁層３８の１つである多重量子井戸層２６と、最外層４０よりも屈折率において大きく、最外層４０よりもバンドギャップにおいて小さい光閉じ込め層３０と、多重量子井戸層２６と光閉じ込め層３０の間に介在し、最外層４０に接触する第１隣接層４２を含み、光閉じ込め層３０よりも薄くなっているガイド層２８と、を有する。光閉じ込め層３０及びガイド層２８のそれぞれは、ｎ型半導体層である。ガイド層２８の第１隣接層４２は、光閉じ込め層３０よりもバンドギャップにおいて大きい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
交互に重なる複数の井戸層及び複数の障壁層を含み、前記複数の障壁層のそれぞれはアンドープ層であり、最外層が前記複数の障壁層の１つである多重量子井戸層と、
前記最外層よりも屈折率において大きく、前記最外層よりもバンドギャップにおいて小さい光閉じ込め層と、
前記多重量子井戸層と前記光閉じ込め層の間に介在し、前記最外層に接触する第１隣接層を含み、前記光閉じ込め層よりも薄くなっているガイド層と、
を有し、
前記光閉じ込め層及び前記ガイド層のそれぞれは、ｎ型半導体層であり、
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記光閉じ込め層よりも前記バンドギャップにおいて大きい半導体光素子。
前記最外層よりも屈折率において大きく、前記最外層よりもバンドギャップにおいて小さい光閉じ込め層と、
前記多重量子井戸層と前記光閉じ込め層の間に介在し、前記最外層に接触する第１隣接層を含み、前記光閉じ込め層よりも薄くなっているガイド層と、
を有し、
前記光閉じ込め層及び前記ガイド層のそれぞれは、ｎ型半導体層であり、
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記光閉じ込め層よりも前記バンドギャップにおいて大きい半導体光素子。
【請求項2】
請求項１に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層と、前記バンドギャップにおいて等しい半導体光素子。
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層と、前記バンドギャップにおいて等しい半導体光素子。
【請求項3】
請求項１に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層よりも、前記バンドギャップにおいて小さい半導体光素子。
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層よりも、前記バンドギャップにおいて小さい半導体光素子。
【請求項4】
請求項１に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層よりも、前記バンドギャップにおいて大きい半導体光素子。
前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層よりも、前記バンドギャップにおいて大きい半導体光素子。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層は、前記第１隣接層のみからなる半導体光素子。
前記ガイド層は、前記第１隣接層のみからなる半導体光素子。
【請求項6】
請求項１から４のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層は、前記最外層に接触する前記第１隣接層と、前記光閉じ込め層に接触する第２隣接層と、を含む複数層からなり、
前記第２隣接層は、前記光閉じ込め層よりも、前記バンドギャップにおいて大きい半導体光素子。
前記ガイド層は、前記最外層に接触する前記第１隣接層と、前記光閉じ込め層に接触する第２隣接層と、を含む複数層からなり、
前記第２隣接層は、前記光閉じ込め層よりも、前記バンドギャップにおいて大きい半導体光素子。
【請求項7】
請求項６に記載された半導体光素子であって、
前記第２隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層よりも、前記バンドギャップにおいて小さい半導体光素子。
前記第２隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層よりも、前記バンドギャップにおいて小さい半導体光素子。
【請求項8】
請求項６に記載された半導体光素子であって、
前記第２隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層と、前記バンドギャップにおいて等しい半導体光素子。
前記第２隣接層は、前記多重量子井戸層の前記最外層と、前記バンドギャップにおいて等しい半導体光素子。
【請求項9】
請求項６から８のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層を構成する前記複数層は、前記第１隣接層と前記第２隣接層の間に、少なくとも１つの中間層をさらに含む半導体光素子。
前記ガイド層を構成する前記複数層は、前記第１隣接層と前記第２隣接層の間に、少なくとも１つの中間層をさらに含む半導体光素子。
【請求項10】
請求項９に記載された半導体光素子であって、
前記少なくとも１つの中間層は、前記光閉じ込め層と、前記バンドギャップにおいて等しい半導体光素子。
前記少なくとも１つの中間層は、前記光閉じ込め層と、前記バンドギャップにおいて等しい半導体光素子。
【請求項11】
請求項１から１０のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
伝導帯のエネルギー準位において、前記第１隣接層と前記最外層との差は、前記光閉じ込め層と前記最外層との差の半分以下である半導体光素子。
伝導帯のエネルギー準位において、前記第１隣接層と前記最外層との差は、前記光閉じ込め層と前記最外層との差の半分以下である半導体光素子。
【請求項12】
請求項１から１０のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
伝導帯のエネルギー準位において、前記第１隣接層と前記最外層との差は、前記光閉じ込め層と前記最外層との差の１／３以下である半導体光素子。
伝導帯のエネルギー準位において、前記第１隣接層と前記最外層との差は、前記光閉じ込め層と前記最外層との差の１／３以下である半導体光素子。
【請求項13】
請求項１から１２のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
伝導帯のエネルギー準位において、前記第１隣接層と前記光閉じ込め層との差は、０．６ｅＶ以下である半導体光素子。
伝導帯のエネルギー準位において、前記第１隣接層と前記光閉じ込め層との差は、０．６ｅＶ以下である半導体光素子。
【請求項14】
請求項１から１３のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
前記ガイド層の厚みは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以下である半導体光素子。
前記ガイド層の厚みは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以下である半導体光素子。
【請求項15】
請求項１から１４のいずれか１項に記載された半導体光素子であって、
前記光閉じ込め層の厚みは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以上である半導体光素子。
前記光閉じ込め層の厚みは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以上である半導体光素子。
【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】
光通信に用いられる半導体光素子では、活性層に多重量子井戸層が用いられる。キャリアと光の閉じ込めを別々にした分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement Heterostructure: SCH）では、多重量子井戸層は、ＳＣＨ層で挟まれる。近年の高速化への要求に応えるために、多重量子井戸層への光閉じ込め係数を大きくし、緩和振動周波数（ｆｒ）を大きくし、ｆ３ｄB帯域を向上させることが期待されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－５６２１２号公報
【特許文献2】特開平７－１８３６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
多重量子井戸層自体の屈折率を大きくすれば、多重量子井戸層の光閉じ込め係数をより大きくすることができるが、光出力特性や利得特性などの特性に影響を与えてしまう。あるいは、ＳＣＨ層の屈折率を大きくすれば、上下のＳＣＨ層を含む領域の光閉じ込め係数が大きくなるので、多重量子井戸層への光閉じ込め係数が大きくなる。しかし、ＳＣＨ層と多重量子井戸層（バリア層）との間にエネルギー障壁が生じる。特に、ｎ型ＳＣＨ層の側でその影響は大きく、エネルギー障壁により電子が停留し、低域での電子のフローが低下する。
【0005】
特許文献２には、電子の停留を利用してキャリア捕獲時間を大きくし、周波数変調効率の増大を図ることが開示されている。しかし、強度変調において当該電子の停留は、低域における電気／光応答特性の劣化（ロールオフ）へとつながり好ましくない。
【0006】
本発明は、ｆ３ｄＢ帯域の向上とロールオフの低減の両立を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
半導体光素子は、交互に重なる複数の井戸層及び複数の障壁層を含み、前記複数の障壁層のそれぞれはアンドープ層であり、最外層が前記複数の障壁層の１つである多重量子井戸層と、前記最外層よりも屈折率において大きく、前記最外層よりもバンドギャップにおいて小さい光閉じ込め層と、前記多重量子井戸層と前記光閉じ込め層の間に介在し、前記最外層に接触する第１隣接層を含み、前記光閉じ込め層よりも薄くなっているガイド層と、を有し、前記光閉じ込め層及び前記ガイド層のそれぞれは、ｎ型半導体層であり、前記ガイド層の前記第１隣接層は、前記光閉じ込め層よりも前記バンドギャップにおいて大きい。
【0008】
本発明によれば、光閉じ込め層に光が閉じ込められ、結果的に、多重量子井戸層への光閉じ込め係数を増大させることができる。また、ガイド層があることで、アンドープ層とｎ型半導体層との間のエネルギー障壁が小さくなり、電子の停留を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１の実施形態に係る半導体光素子の平面図である。
【図3】第１の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【図4】第２の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【図5】第３の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【図6】第４の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【図7】第５の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【図8】第６の実施形態に係る半導体光素子の断面図である。
【図9】第６の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。全図において同一の符号を付した部材は同一又は同等の機能を有するものであり、その繰り返しの説明を省略する。なお、図形の大きさは倍率に必ずしも一致するものではない。
【0011】
【0012】
半導体光素子は、直接変調型半導体レーザであり、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザ、ＦＰ（Fabry-Perot）レーザ、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ及びＤＲ（Distributed Reflector）レーザのいずれであってもよい。
【0013】
半導体光素子は、メサストライプ構造１０を有する。半導体光素子は、上面及び下面にそれぞれ、上電極１２及び下電極１４を有し、これらの間に電圧が印加される（電流が注入される）ようになっている。これにより、メサストライプ構造１０の端面から、例えば１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯で、レーザ光を発振するようになっている。出射側の端面には、誘電体無反射コーティング膜１６が形成されている。逆側の端面には、誘電体高反射コーティング膜１８が形成されている。
【0014】
半導体光素子は、ｐ型ＩｎＰからなる半導体基板２０を有する。半導体基板２０に、ｐ型ＩｎＰからなるバッファ層２２（ｐ型クラッド層）が積層されている。バッファ層２２にメサストライプ構造１０が設けられている。
【0015】
メサストライプ構造１０は、バッファ層２２に近い順に、ｐ型ＳＣＨ層２４、多重量子井戸層２６、ガイド層２８及び光閉じ込め層３０を含む。ガイド層２８及び光閉じ込め層３０は、ｎ型ＳＣＨ層３２と称することもできる。これらは、メサストライプ構造１０の下メサ構造３４の一部を構成する。
【0016】
半導体光素子は、ｐ型半導体多層とｎ型半導体多層で、アンドープの多重量子井戸層２６を挟み込んだ構造である。なお、ｐ型半導体多層と多重量子井戸層２６との間に、他のアンドープ層が挟まれていても構わない。
【0017】
図３は、第１の実施形態における多重量子井戸層２６、ガイド層２８及び光閉じ込め層３０のバンドダイアグラムである。価電子帯の頂上から伝導帯の底までの間のエネルギーの差がバンドギャップである。
【0018】
多重量子井戸層２６は、アンドープの歪ＩｎＧａＡｌＡｓからなる。多重量子井戸層２６は、交互に重なる複数の井戸層３６及び複数の障壁層３８（例えば６ペアの井戸層３６及び障壁層３８）を含む。井戸層３６及び障壁層３８は、同じ厚み（例えば８ｎｍ）であってもよい。複数の障壁層３８のそれぞれはアンドープ層である。多重量子井戸層２６の最外層４０（最上層及び最下層のそれぞれ）は、複数の障壁層３８の１つである。
【0019】
光閉じ込め層３０は、ｎ型半導体層（例えば、厚さ８０ｎｍで組成波長１．１５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層）である。ｎ型ドーパントとしてＳｉが用いられる。
【0020】
ガイド層２８は、ｎ型半導体層（例えば、厚さ４０ｎｍで組成波長０．９３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層）である。ｎ型ドーパントとしてＳｉが用いられる。ガイド層２８と光閉じ込め層３０のドーピング濃度は、同一であっても異なっていても構わないが、電界が十分にかかる程度の濃度差であることが好ましい。ガイド層２８は、多重量子井戸層２６と光閉じ込め層３０の間に介在する。ガイド層２８は、多重量子井戸層２６の最外層４０に接触する第１隣接層４２を含む。ガイド層２８は、第１隣接層４２のみからなる。ガイド層２８（第１隣接層４２）は、多重量子井戸層２６の最外層４０と同じ組成波長になっている。
【0021】
図３に示すように、第１隣接層４２のバンドギャップＥｇＧ１は、光閉じ込め層３０のバンドギャップＥｇＣよりも大きい。したがって、ガイド層２８と光閉じ込め層３０との間には、エネルギー障壁（伝導帯におけるエネルギー準位の差）が存在するが、両者ともｎ型半導体層であるため、ｎ型半導体層とアンドープ層との間のエネルギー障壁と比較すると、電子の停留は少ない。これは、ｎ型層内に十分に電界がかかるためである。このように、ガイド層２８と光閉じ込め層３０との間には、エネルギー障壁による電子の停留が少ないために、電子はスムーズに移動するので、電気／光応答特性の低域におけるロールオフが問題にならない。なお、第１隣接層４２のバンドギャップＥｇＧ１は、多重量子井戸層２６の最外層４０のバンドギャップＥｇＯと等しいので、エネルギー障壁が存在しない。
【0022】
一般的に多重量子井戸層で発生した光は、多重量子井戸層内だけに留まらず、その上下の層側（ｐ型半導体多層側、ｎ型半導体多層側）へと広がる。光が主として留まる領域はｐ型光閉じ込め層、多重量子井戸層、ｎ型光閉じ込め層で囲まれた領域である。光閉じ込め層は、その言葉の通り、光が他の領域に広がることを抑制する働きがある。一般的に光閉じ込め層の屈折率は、多重量子井戸層の最外層（障壁層）の屈折率より小さい。これはキャリアのフローを良くするためである、屈折率が大きいほうが、バンドギャップは小さくなり、上述した構造においては障壁層より光閉じ込め層のほうがバンドギャップが大きく、キャリア、例えば電子の移動においてはエネルギー障壁が生じない。本実施形態においては、図３に示すように、光閉じ込め層３０のバンドギャップＥｇＣは、多重量子井戸層２６の最外層４０のバンドギャップＥｇＯよりも小さい。ＩｎＧａＡｌＡｓ層では、バンドギャップが大きいほど、屈折率が小さい。したがって、光閉じ込め層３０の屈折率ｎＣは、多重量子井戸層２６の最外層４０の屈折率ｎＯよりも大きい。そのため、光閉じ込め層３０の屈折率が多重量子井戸層２６の最外層４０の屈折率より小さい構造と比較して、光閉じ込め層３０から多重量子井戸層２６側の領域の光閉じ込め係数を増加させることができる。その結果、多重量子井戸層２６の光閉じ込め係数も増大させることができ、ｆｒの向上、つまりトータルとしてｆ３ｄＢ帯域の向上を図ることが可能となる。さらに上述したようにガイド層２８があるために、光閉じ込め層３０と多重量子井戸層２６の最外層４０間のエネルギー障壁による電子のフローへの影響を低減でき、電子の停留を抑え、ロールオフを低減することができる。なお、第１隣接層４２の屈折率ｎＧ１は、多重量子井戸層２６の最外層４０の屈折率ｎＯと等しい。光閉じ込め層３０の屈折率ｎＣは、ガイド層２８（第１隣接層４２）の屈折率ｎＧ１よりも大きい。ここで、第１隣接層４２の歪量（無歪含む）と最外層４０の歪量は異なっており、実際の出来上がりの組成波長（バンドギャップ）は若干異なる。しかし、その差はロールオフ特性や光閉じ込め係数に大きな影響を与えるものではなく、実質的に同じ組成波長とみなしても問題はない。
【0023】
ガイド層２８（第１隣接層４２）は、光閉じ込め層３０にも接触する。ガイド層２８（第１隣接層４２）は、多重量子井戸層２６に光を強く閉じ込めるためには、光閉じ込め層３０よりも薄いことが好ましい。
【0024】
図２に示すように、下メサ構造３４は、光閉じ込め層３０に隣接して、ｎ型クラッド層４４を含む。ｎ型クラッド層４４は、第１ｎ型ＩｎＰ層４６Ａ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層４８、第２ｎ型ＩｎＰ層４６Ｂ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層５０を含む。回折格子層４８は、周期的な回折格子構造を有し、例えば、紙面に垂直な方向にλ/４シフト構造が導入されている。
【0025】
ｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層５２が、下メサ構造３４（少なくともその一部）を両側で埋め込んでいる。埋め込み層５２は、ＦｅやＲｕをドーパントとする高抵抗型ＩｎＰから構成されてもよく、あるいはｐ型ＩｎＰ、ｎ型ＩｎＰ及び高抵抗型ＩｎＰからなる群から選択された材料の積層体であってもよい。
【0026】
メサストライプ構造１０は、下メサ構造３４の上に上メサ構造５４を含む。上メサ構造５４は、下メサ構造３４より幅が狭い。上メサ構造５４は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層５０に近い順に、ｎ型ＩｎＰからなる電流注入層５６及びｎ型コンタクト層５８を含む。電流注入層５６は、ｎ型クラッド層４４の一部である。上メサ構造５４の表面は、その上部を除いて、ＳｉＯ２からなる絶縁層６０で覆われている。上電極１２は、ｎ型コンタクト層５８と電気的・物理的に接続されている。上電極１２は、ｎ型コンタクト層５８に接する側から、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造になっている。下電極１４は、ＡｕＺｎ系の材料で構成されている。
【0027】
［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
図４は、第２の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【0028】
ガイド層２２８は、第１隣接層２４２のみからなる。ガイド層２２８（第１隣接層２４２）のバンドギャップＥｇＧ１は、光閉じ込め層２３０のバンドギャップＥｇＣより大きい。また、ガイド層２２８の第１隣接層２４２のバンドギャップＥｇＧ１は、多重量子井戸層２２６の最外層２４０のバンドギャップＥｇｏよりも小さい。そのため、ガイド層２２８（第１隣接層２４２）と多重量子井戸層２２６の最外層２４０との間には、伝導帯におけるエネルギー準位の差が生じる。しかし、これは、光閉じ込め層２３０と多重量子井戸層２２６の最外層２４０とのエネルギー準位の差よりは小さい。したがって、ガイド層２２８（第１隣接層２４２）があることで、電子の停留は低減される。
【0029】
伝導帯のエネルギー準位において、第１隣接層２４２と最外層２４０との差は、光閉じ込め層２３０と最外層２４０との差の半分以下（望ましくは１／３以下）である。こうすることで、ロールオフを効果的に減らすことができる。なお、光閉じ込め層２３０の屈折率ｎＣ、ガイド層２２８（第１隣接層２４２）屈折率ｎＧ１、多重量子井戸層２２６の最外層２４０の屈折率ｎＯの関係は、図４に示す通りである。
【0030】
［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
図５は、第３の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【0031】
ガイド層３２８は、第１隣接層３４２のみからなる。ガイド層３２８（第１隣接層３４２）のバンドギャップＥｇＧ１は、多重量子井戸層３２６の最外層３４０のバンドギャップＥｇＯよりも大きい。したがって、電子の停留はほとんど起こらず、ロールオフの低減の面で優れている。但し、ガイド層３２８（第１隣接層３４２）と光閉じ込め層３３０と間でエネルギー準位の差が大きすぎると、同じｎ型半導体層であっても、電子の停留を招く恐れがある。そのため、伝導帯のエネルギー準位において、第１隣接層３４２と光閉じ込め層３３０との差は、０．６ｅＶ以下である。なお、光閉じ込め層３３０の屈折率ｎＣ、ガイド層３２８（第１隣接層３４２）屈折率ｎＧ１、多重量子井戸層３２６の最外層３４０の屈折率ｎＯの関係は、図５に示す通りである。
【0032】
［第４の実施形態］
図６は、第４の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
図６は、第４の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【0033】
ガイド層４２８は、複数層からなる。複数層は、最外層４４０に接触する第１隣接層４４２を含む。複数層は、光閉じ込め層４３０に接触する第２隣接層４６２を含む。第２隣接層４６２には、第１隣接層４４２と同じ濃度のＳｉがドーピングされている。ガイド層４２８の厚み（第１隣接層４４２及び第２隣接層４６２の合計厚み）は、光閉じ込め層４３０の厚みより薄い。
【0034】
ガイド層４２８の第１隣接層４４２のバンドギャップＥｇＧ１は、多重量子井戸層４２６の最外層４４０のバンドギャップＥｇＯと等しい。これにより、ｎ型半導体層とアンドープ層との間で、電子の停留を低減することができる。
【0035】
第２隣接層４６２のバンドギャップＥｇＧ２は、光閉じ込め層４３０のバンドギャップＥｇＣよりも大きい。第２隣接層４６２のバンドギャップＥｇＧ２は、多重量子井戸層４２６の最外層４４０のバンドギャップＥｇＯよりも小さい。第２隣接層４６２のバンドギャップＥｇＧ２は、第１隣接層４４２のバンドギャップＥｇＧ１より小さい。したがって、ガイド層４２８（第１隣接層４４２及び第２隣接層４６２）で、エネルギー準位が階段状に変化するので、電子の停留を効果的に低減することができる。本実施形態でも、光閉じ込め層４３０があるために、多重量子井戸層４２６への光閉じ込め係数を増大させることができている。なお、光閉じ込め層４３０の屈折率ｎＣ、第１隣接層４４２の屈折率ｎＧ１、多重量子井戸層４２６の最外層４４０の屈折率ｎＧＯの関係は、図６に示す通りである。
【0036】
［第５の実施形態］
図７は、第５の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
図７は、第５の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【0037】
ガイド層５２８は、複数層からなる。複数層は、多重量子井戸層５２６の最外層５４０に接触する第１隣接層５４２を含む。複数層は、光閉じ込め層５３０に接触する第２隣接層５６２を含む。複数層は、第１隣接層５４２と第２隣接層５６２の間に、少なくとも１つの中間層５６４をさらに含む。第２隣接層５６２及び中間層５６４には、第１隣接層５４２と同じ濃度のＳｉがドーピングされている。
【0038】
第１隣接層５４２のバンドギャップＥｇＧ１は、多重量子井戸層５２６の最外層５４０のバンドギャップＥｇＯと等しい。第２隣接層５６２のバンドギャップＥｇＧ２は、光閉じ込め層５３０のバンドギャップＥｇＣよりも大きい。第２隣接層５６２のバンドギャップＥｇＧ２は、多重量子井戸層５２６の最外層５４０のバンドギャップＥｇＯと等しい。第２隣接層５６２のバンドギャップＥｇＧ２は、第１隣接層５４２のバンドギャップＥｇＧ１と同じである。中間層５６４のバンドギャップＥｇＧ３は、光閉じ込め層５３０のバンドギャップＥｇＣと等しい。
【0039】
ガイド層５２８の厚みは、多重量子井戸層５２６の厚みの半分以下である。半分より厚い場合は、光の閉じ込め効果が十分に得られない恐れがある。光閉じ込め層５３０の厚みは、多重量子井戸層５２６の厚みの半分以上である。光閉じ込め層５３０が薄い場合は、多重量子井戸層５２６に十分に光を閉じ込めることが難しくなる。
【0040】
中間層５６４の厚みは、第１隣接層５４２より薄い。そのため、中間層５６４だけでは多重量子井戸層５２６への光の閉じ込めを大きくする効果は小さい。しかし、第２隣接層５６２を挟んで、光閉じ込め層５３０が配置されているため、全体としては多重量子井戸層５２６側へ光を閉じ込めることができている。従って、第１隣接層５４２と光閉じ込め層５３０との間に、他の層が挟まれていたとしても、効果を得ることはできる。なお、光閉じ込め層５３０の屈折率ｎＣ、第１隣接層５４２の屈折率ｎＧ１、第２隣接層５６２の屈折率ｎＧ２、中間層５６４の屈折率ｎＧ３、多重量子井戸層５２６の最外層５４０の屈折率ｎＧ０の関係は、図７に示す通りである。
【0041】
［第６の実施形態］
図８は、第６の実施形態に係る半導体光素子の断面図である。半導体光素子は、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板６２０を有する。半導体基板６２０に、ｎ型ＩｎＰからなるバッファ層６２２（ｎ型クラッド層）が積層されている。バッファ層６２２には、バッファ層６２２に近い順に、光閉じ込め層６３０、ガイド層６２８、多重量子井戸層６２６、ｐ型ＳＣＨ層６２４、ｐ型クラッド層６４４が積層されている。光閉じ込め層６３０及びガイド層６２８は、ｎ型ＳＣＨ層６３２と称することもできる。
図８は、第６の実施形態に係る半導体光素子の断面図である。半導体光素子は、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板６２０を有する。半導体基板６２０に、ｎ型ＩｎＰからなるバッファ層６２２（ｎ型クラッド層）が積層されている。バッファ層６２２には、バッファ層６２２に近い順に、光閉じ込め層６３０、ガイド層６２８、多重量子井戸層６２６、ｐ型ＳＣＨ層６２４、ｐ型クラッド層６４４が積層されている。光閉じ込め層６３０及びガイド層６２８は、ｎ型ＳＣＨ層６３２と称することもできる。
【0042】
図９は、第６の実施形態における多重量子井戸層、ガイド層及び光閉じ込め層のバンドダイアグラムである。
【0043】
多重量子井戸層６２６は、アンドープの歪ＩｎＧａＡｌＡｓからなる。多重量子井戸層６２６は、交互に重なる複数の井戸層６３６及び複数の障壁層６３８（例えば６ペアの井戸層６３６及び障壁層６３８）を含む。井戸層６３６及び障壁層６３８は、同じ厚み（例えば８ｎｍ）であってもよい。複数の障壁層６３８のそれぞれはアンドープ層である。多重量子井戸層６２６の最外層６４０（最上層及び最下層のそれぞれ）は、複数の障壁層６３８の１つである。
【0044】
ガイド層６２８は、ｎ型半導体層（例えば、厚さ４０ｎｍで組成波長０．９３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層）である。ｎ型ドーパントとしてＳｉが用いられる。ガイド層６２８と光閉じ込め層６３０のドーピング濃度は、同一であっても異なっていても構わないが、電界が十分にかかる程度の濃度差であることが好ましい。ガイド層６２８は、多重量子井戸層６２６と光閉じ込め層６３０の間に介在する。ガイド層６２８は、多重量子井戸層６２６の最外層６４０に接触する第１隣接層６４２を含む。ガイド層６２８は、第１隣接層６４２のみからなる。ガイド層６２８（第１隣接層６４２）は、多重量子井戸層６２６の最外層６４０と同じ組成波長になっている。
【0045】
第１隣接層６４２のバンドギャップＥｇＧ１は、光閉じ込め層６３０のバンドギャップＥｇＣよりも大きい。したがって、ガイド層６２８と光閉じ込め層６３０との間には、エネルギー障壁（伝導帯におけるエネルギー準位の差）が存在するが、両者ともｎ型半導体層であるため、ｎ型半導体層とアンドープ層との間のエネルギー障壁と比較すると、電子の停留は少ない。これは、ｎ型層内に十分に電界がかかるためである。このように、ガイド層６２８と光閉じ込め層６３０との間には、エネルギー障壁による電子の停留が少ないために、電子はスムーズに移動するので、電気／光応答特性の低域におけるロールオフが問題にならない。なお、第１隣接層６４２のバンドギャップＥｇＧ１は、多重量子井戸層６２６の最外層６４０のバンドギャップＥｇＯと等しいので、エネルギー障壁が存在しない。
【0046】
光閉じ込め層６３０は、ｎ型半導体層（例えば、厚さ８０ｎｍで組成波長１．１５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層）である。ｎ型ドーパントとしてＳｉが用いられる。
【0047】
光閉じ込め層６３０のバンドギャップＥｇＣは、多重量子井戸層６２６の最外層６４０のバンドギャップＥｇＯよりも小さい。ＩｎＧａＡｌＡｓ層では、バンドギャップが大きいほど、屈折率が小さい。したがって、光閉じ込め層６３０の屈折率ｎＣは、多重量子井戸層６２６の最外層６４０の屈折率ｎＯよりも大きい。本実施形態においても、第１実施形態で説明した通り、多重量子井戸層６２６への光閉じ込め係数を増大させることができ、ｆｒの向上、つまりトータルとしてｆ３ｄＢ帯域の向上を図ることが可能となる。なお、第１隣接層６４２の屈折率ｎＧ１は、多重量子井戸層６２６の最外層６４０の屈折率ｎＯと等しい。光閉じ込め層６３０の屈折率ｎＣは、ガイド層６２８（第１隣接層４２）の屈折率ｎＧ１よりも大きい。
【0048】
ガイド層６２８（第１隣接層６４２）は、光閉じ込め層６３０にも接触する。ガイド層６２８（第１隣接層６４２）は、多重量子井戸層６２６に光を強く閉じ込めるためには、光閉じ込め層６３０よりも薄いことが好ましい。
【0049】
図８に示すように、ｐ型クラッド層６４４は、ｐ型ＳＣＨ層６２４に近い順に、ｐ型ＩｎＰ層６６６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層６４８、ｐ型ＩｎＰからなる電流注入層６５６、ｐ型コンタクト層６５８を含む。回折格子層６４８は、周期的な回折格子構造を有し、例えば、紙面に垂直な方向にλ/４シフト構造が導入されている。
【0050】
ｐ型ＩｎＰ層６６６からｐ型コンタクト層６５８までの積層体は、メサストライプ構造６１０に含まれる。メサストライプ構造６１０の側面からｐ型ＳＣＨ層６２４の上面にかけて、ＳｉＯ２からなる絶縁層６６０が配置されている。
【0051】
上電極６１２は、ｐ型コンタクト層６５８と電気的・物理的に接続されている。上電極６１２は、ｐ型コンタクト層６５８に接する側から、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造になっている。下電極６１４は、ＡｕＺｎ系の材料で構成されている。
【0052】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態を説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。
【符号の説明】
【0053】
１０ メサストライプ構造、１２ 上電極、１４ 下電極、１６ 誘電体無反射コーティング膜、１８ 誘電体高反射コーティング膜、２０ 半導体基板、２２ バッファ層、２４ ｐ型ＳＣＨ層、２６ 多重量子井戸層、２８ ガイド層、３０ 光閉じ込め層、３２ ｎ型ＳＣＨ層、３４ 下メサ構造、３６ 井戸層、３８ 障壁層、４０ 最外層、４２ 第１隣接層、４４ ｎ型クラッド層、４６Ａ 第１ｎ型ＩｎＰ層、４６Ｂ 第２ｎ型ＩｎＰ層層、４８ 回折格子層、５０ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層、５２ 埋め込み層、５４ 上メサ構造、５６ 電流注入層、５８ ｎ型コンタクト層、６０ 絶縁層、２２６ 多重量子井戸層、２２８ ガイド層、２３０ 光閉じ込め層、２４０ 最外層、２４２ 第１隣接層、３２６ 多重量子井戸層、３２８ ガイド層、３３０ 光閉じ込め層、３４０ 最外層、３４２ 第１隣接層、４２６ 多重量子井戸層、４２８ ガイド層、４３０ 光閉じ込め層、４４０ 最外層、４４２ 第１隣接層、４６２ 第２隣接層、５２６ 多重量子井戸層、５２８ ガイド層、５３０ 光閉じ込め層、５４０ 最外層、５４２ 第１隣接層、５６２ 第２隣接層、５６４ 中間層、６１０ メサストライプ構造、６１２ 上電極、６１４ 下電極、６２０ 半導体基板、６２２ バッファ層、６２４ ｐ型ＳＣＨ層、６２６ 多重量子井戸層、６２８ ガイド層、６３０ 光閉じ込め層、６３２ ｎ型ＳＣＨ層、６３６ 井戸層、６３８ 障壁層、６４０ 最外層、６４２ 第１隣接層、６４４ ｐ型クラッド層、６４８ 回折格子層、６５６ 電流注入層、６５８ ｐ型コンタクト層、６６０ 絶縁層、６６６ ｐ型ＩｎＰ層、ＥｇＣ バンドギャップ、ＥｇＧ１ バンドギャップ、ＥｇＧ２ バンドギャップ、ＥｇＧ３ バンドギャップ、ＥｇＯ バンドギャップ、ｎＣ 屈折率、ｎＧ１ 屈折率、ｎＧ２ 屈折率、ｎＧ３ 屈折率、ｎＯ 屈折率。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】