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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-09
(45)【発行日】2024-12-17
(54)【発明の名称】半導体光デバイス
(51)【国際特許分類】
H01S 5/22 20060101AFI20241210BHJP
H01S 5/323 20060101ALI20241210BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20241210BHJP
【ＦＩ】
H01S5/22
H01S5/323
H01S5/343
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2023525303
(86)(22)【出願日】2021-06-04
(86)【国際出願番号】 JP2021021325
(87)【国際公開番号】W WO2022254682
(87)【国際公開日】2022-12-08
【審査請求日】2023-11-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121669
【弁理士】
【氏名又は名称】本山 泰
(72)【発明者】
【氏名】鶴谷 拓磨
(72)【発明者】
【氏名】松尾 慎治
(72)【発明者】
【氏名】藤井 拓郎
【審査官】高椋 健司
(56)【参考文献】
【文献】特開平０５－０４１５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０９１１６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１３４８７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０６９１５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／０９３９１９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３６９７００（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板の上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された第１導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
前記第２半導体層の上面に形成された回折格子からなる共振器と、
前記活性層の形成領域の上方に形成され、前記活性層の延在方向に延在するメサ形状とされた第２導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層と、
前記第３半導体層の両側面を覆って前記第２半導体層の上に形成された上部クラッド層と、
前記第１半導体層に電気的に接続する第１電極と、
前記第３半導体層に電気的に接続する第２電極と
を備え、
前記第３半導体層のメサ幅は、前記活性層の幅より小さくされ、
前記第１半導体層および前記第３半導体層は、ＩｎＰから構成され、
前記第２半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されていることを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項2】
基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された第１導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
前記第２半導体層の上面に形成された回折格子からなる共振器と、
前記活性層の形成領域の上方に形成され、前記活性層の延在方向に延在するメサ形状とされた第２導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層と、
前記第３半導体層の両側面を覆って前記第２半導体層の上に形成された上部クラッド層と、
前記第１半導体層に電気的に接続する第１電極と、
前記第３半導体層に電気的に接続する第２電極と
を備え、
前記第３半導体層のメサ幅は、前記活性層の幅より小さくされ、
前記活性層の側面に形成された、光が散乱するまたは放射する構造をさらに備えることを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項3】
請求項１または２記載の半導体光デバイスにおいて、前記活性層によるメサの両側面に接して前記第１半導体層の上に形成された非導電性または低導電性のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第４半導体層および第５半導体層をさらに備える
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項4】
請求項３記載の半導体光デバイスにおいて、前記第４半導体層および前記第５半導体層は、ＩｎＰから構成されていることを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体光デバイスにおいて、前記第２電極は、コンタクト層を介して前記第３半導体層の上に形成されていることを特徴とする半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
薄膜構造特有の強い光閉じ込めと、縦方向からの効率的な電流注入の両立を可能とする構造として、薄膜構造の活性領域上部に細いメサ幅（典型的には４００ｎｍ以下）の電流注入用メサを有する、縦型薄膜構造が提案されている。なお、薄膜構造とは、例えば、厚さ２５０～５００ｎｍ程度のＩＩＩ－Ｖ族半導体薄膜が、ＳｉＯ2や空気などの低屈折率な絶縁材料によって取り囲まれた構造である。
【0003】
通常の薄膜構造では、埋め込み活性領域の左右に、例えばＩｎＰからなるｎ型の半導体層とｐ型の半導体層を備え、これらの双方から活性領域にキャリアが注入される横型が広く採用されている（非特許文献１～３参照）。活性領域としては、例えばＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＡｓなどからなる多重量子井戸構造が用いられている。
【0004】
一方、前述した縦型薄膜構造によれば、活性領域上部の電流注入用の第１メサを、例えば４００ｎｍ程度以下の細い幅にすることで、活性領域断面での光のモードが第１メサに吸収されることを防ぎ、縦方向からの電流注入を可能としつつも、横型と比較して遜色のない高い光閉じ込めを得ることができる。以下では便宜上、活性領域断面をｘｙ平面にとり、横方向をｘ方向、縦方向をｙ方向と定義する。この定義においては、薄膜構造中を伝搬する光の光軸方向はｚ方向となる。
【0005】
このような活性領域への電流注入可能な薄膜構造の代表的な応用例は、非特許文献１～３でも実現されているような、活性領域断面に表面回折格子を有する半導体レーザダイオード（ＬＤ）である。これらのＬＤでは、活性領域中を伝搬する光のモードを、ブラッグ反射によってｚ方向に閉じ込めて共振器を形成することを目的として回折格子が形成される。特に典型的な構造は、非特許文献１の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや非特許文献２の分布反射型（ＤＲ）レーザであり、これらは安定的なシングルモード発振が得られる構造として広く用いられている。
【0006】
ここで、横型薄膜構造においては、活性領域が形成される半導体薄膜の上部に第１メサが存在しないため、例えばＩｎＰなどからなる薄膜の上面をエッチングすることで、活性領域への強い光閉じ込めを維持しながら、表面回折格子を形成することができる。この構造では、薄膜構造付近での光閉じ込めが強く、また表面回折格子の凸部分（例えばＩｎＰ）と凹部分（例えばＳｉＯ2や空気）の屈折率差が大きい。このため、横型薄膜構造では、典型的には、２０～３０ｎｍ程度の比較的浅い掘り込みによって、数百ｃｍ-1～１０００ｃｍ-1に達するような高い結合定数κの回折格子を得ることができる（非特許文献３参照）。強い光閉じ込めと高い結合定数を両立することは、非特許文献３でも示されているように、消費電力の小さな短共振器レーザを実現する上で特に重要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【文献】S. Matsuo, T. Fujii, K. Hasebe, K. Takeda, T. Sato, and T. Kakitsuka , "Directly modulated buried heterostructure DFB laser on SiO2/Si substrate fabricated by regrowth of InP using bonded active layer", OPTICS EXPRESS, vol. 22, no.10, pp. 12139-12147, 2014.
【文献】S. Yamaoka et al., "Directly modulated membrane lasers with 108 GHz bandwidth on a high-thermal-conductivity silicon carbide substrate", Nature Photonics, vol. 15 pp. 28-35, 2021.
【文献】E. Kanno et al., "Twin-mirror membrane distributed-reflector lasers using 20-μm-long active region on Si substrates", OPTICS EXPRESS, vol. 26, no. 2, pp. 1268-1277, 2018.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
一方で、縦型薄膜構造においては、第１メサが存在するため、横型薄膜構造のそれと同一の表面回折格子を形成することはできない。このため、縦型薄膜構造においては、半導体薄膜下方のアンダークラッド（例えばＳｉＯ2）に埋め込まれた導波路（例えばＳｉ導波路）のモードを半導体薄膜側のモードと結合させ、埋め込み導波路側に回折格子を形成する、などの技術が提案されている。
【0009】
しかしながら、この構造の場合、回折格子の形成場所が活性領域から遠く離れているため、高い結合定数を得るためには、埋め込み導波路側に光が強く局在化したような断面モード（薄膜側のモードと埋め込み導波路側のモードが結合することで新たに形成されるスーパーモード）を用いる必要があり、活性領域への強い光閉じ込めを得ることができない。このように、従来の縦型薄膜構造においては、横型構造では可能であった強い光閉じ込めと高い結合定数の両立が困難であった。
【0010】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、縦型薄膜構造の半導体光デバイスで、強い光閉じ込めと高い結合定数とが両立できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明に係る半導体光デバイスは、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された第１導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、活性層の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上面に形成された回折格子からなる共振器と、活性層の形成領域の上方に形成され、活性層の延在方向に延在するメサ形状とされた第２導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層と、第３半導体層の両側面を覆って第２半導体層の上に形成された上部クラッド層と、第１半導体層に電気的に接続する第１電極と、第３半導体層に電気的に接続する第２電極とを備え、第３半導体層のメサ幅は、活性層の幅より小さくされている。
【発明の効果】
【0012】
以上説明したように、本発明によれば、活性層の上下方向に電流が印加される縦型薄膜構造の半導体光デバイスにおいて、活性層と第３半導体層との間に、これらとは異なる屈折率の第２半導体層を設け、第２半導体層に回折格子を形成したので、縦型薄膜構造の半導体光デバイスで、強い光閉じ込めと高い結合定数とが両立できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図9】図９は、図７の（ａ）の構造を用いて計算した各モードの等価屈折率 ｎeq（ａ）、回折格子のブラッグ波長λB（ｂ）、活性層１０４（ＭＱＷ領域全体）への光閉じ込め係数ΓMQW（ｃ）を示す特性図である。
【図27】図２７は、図１２，図１９のＭＱＷ構造の活性層１０４によるリッジ構造のパラメータを用いて、活性層１０４のメサ幅を０．８μｍとし、回折格子の掘り深さを２０ｎｍとして計算した基底モードの、閾値材料利得および高次モードとの利得損失マージンを示す特性図である。
【図28】図２８は、図１２，図１９のＭＱＷ構造の活性層１０４によるリッジ構造のパラメータを用いて、活性層１０４のメサ幅を０．８μｍとし、回折格子の掘り深さを３０ｎｍとして計算した基底モードの、閾値材料利得および高次モードとの利得損失マージンを示す特性図である。
【図29】図２９は、図１２，図１９のＭＱＷ構造の活性層１０４によるリッジ構造のパラメータを用いて、活性層１０４のメサ幅を２．０μｍとし、回折格子の掘り深さを２０ｎｍとして計算した基底モードの、閾値材料利得および高次モードとの利得損失マージンを示す特性図である。
【図30】図３０は、図１２，図１９のＭＱＷ構造の活性層１０４によるリッジ構造のパラメータを用いて、活性層１０４のメサ幅を２．０μｍとし、回折格子の掘り深さを３０ｎｍとして計算した基底モードの、閾値材料利得および高次モードとの利得損失マージンを示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体光デバイスについて図１を参照して説明する。この半導体光デバイスは、まず、基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２の上に形成された第１導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第１半導体層１０３と、第１半導体層１０３の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層１０４とを備える。
【0015】
また、この半導体光デバイスは、活性層１０４の上に形成されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層１０５と、第２半導体層１０５の上面に形成された回折格子からなる共振器１０６と、活性層１０４の形成領域の上方に形成され、活性層１０４の延在方向に延在するメサ形状とされた第２導電型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層１０７とを備える。第３半導体層１０７のメサ幅は、活性層１０４の幅より小さくされている。
【0016】
共振器１０６は、第２半導体層１０５の上面を、微細加工することで形成された凹凸のパターンからなる回折格子から構成されている。第２半導体層１０５と第３半導体層１０７とを、各々異なる屈折率とすることで、第２半導体層１０５の上面の凹凸のパターンは、凸の部分が第２半導体層１０５からなり、凹の部分が第３半導体層１０７からなる回折格子となる。この例では、第２半導体層１０５の上には、後述する上部クラッド層１０８も形成されており、この領域では、第２半導体層１０５の上面の凹凸のパターンは、凸の部分が第２半導体層１０５からなり、凹の部分が上部クラッド層１０８からなる回折格子となる。
【0017】
また、この半導体光デバイスは、第３半導体層１０７の両側面を覆って第２半導体層１０５の上に形成された上部クラッド層１０８と、第１半導体層１０３に電気的に接続する第１電極１３１と、第３半導体層１０７に電気的に接続する第２電極１３２とを備える。例えば、第１電極１３１は、活性層１０４などのメサが形成されていない領域の第１半導体層１０３の上に接して形成されている。また、例えば、第２電極１３２は、上部クラッド層１０８の上に形成されて、第３半導体層１０７に電気的に接続する。
【0018】
また、実施の形態に係る半導体光デバイスは、活性層１０４によるメサの両側面に接して第１半導体層１０３の上に形成された、非導電性または低導電性のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第４半導体層１２１および第５半導体層１２２をさらに備える。また、活性層１０４、第４半導体層１２１および第５半導体層１２２の上には、第４半導体層１２１および第５半導体層１２２と同じＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる第６半導体層１０９が形成されている。また、この半導体光デバイスでは、第２電極１３２が、コンタクト層１１０を介して第３半導体層１０７の上に接続（形成）されている。
【0019】
実施の形態に係る半導体光デバイスは、回折格子による共振器１０６を用いたいわゆる分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）の半導体レーザである。回折格子は、活性層１０４の共振方向（導波方向）に沿って分布する構成となっている。
【0020】
基板１０１は、例えば、シリコンから構成することができる。下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンドなどの活性層１０４を構成する半導体より低屈折率な材料から構成することができる。第１半導体層１０３は、例えば、ｎ型のＩｎＰから構成することができる。この場合、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型である。
【0021】
活性層１０４は、例えば、各が組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどからなる井戸層と障壁層とによる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることができる。また、活性層１０４は、バルクのＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体から構成することもできる。第６半導体層１０９は、例えば、ｐ型のＩｎＰから構成することができる。この場合、第２導電型はｐ型となる。また、第２半導体層１０５は、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰから構成することができる。
【0022】
第３半導体層１０７は、例えば、ｐ型のＩｎＰから構成することができる。また、第３半導体層１０７は、例えば、ｎ型のＩｎＰから構成することができる。第４半導体層１２１および第５半導体層１２２は、例えば、ｉ型のＩｎＰ（ｉ－ＩｎＰ）から構成することができる。また、第４半導体層１２１および第５半導体層１２２は、Ｆｅをドープすることなどにより高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰ（ＳＩ－ＩｎＰ）から構成することもできる。
【0023】
上部クラッド層１０８は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの活性層１０４を構成する半導体より低屈折率な材料から構成することができる。また、上部クラッド層１０８は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの樹脂から構成することもできる。また、上部クラッド層１０８は、空気とすることもできる。上部クラッド層１０８は、基板１０１から見て、上部クラッド層として機能する。実施の形態に係る半導体光デバイスは、活性層１０４をコアとした光導波路の構造となっている。
【0024】
第２半導体層１０５は、上下の層とは異なる屈折率のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することが重要である。また、下層を構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体に対してほぼ格子整合してエピタキシャル成長可能なＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することが好ましい。
【0025】
本発明は、いわゆる縦型薄膜構造の半導体光デバイス（レーザダイオード）において、強い光閉じ込めと高い結合定数を両立する構造とすることを目的としている。またこれに加えて、特に、活性層１０４の断面が、シングルモード条件を満たさず複数の横モードが発振し得る場合において、高次モードの発振を抑制して基底モードのみを安定的にシングルモード発振させるような構造の提供を目的とする。
【0026】
上述した実施の形態に係る半導体光デバイスの構造の各種特性を計算するために仮定した具体的な構造例を図２に示す。なお、以下ではｙｚ断面で見たときの回折格子の形状として矩形を仮定する。
【0027】
図２の（ａ）は、共振器１０６とする矩形回折格子における凸部分でのｘｙ断面、図２の（ｂ）は、凹部分でのｘｙ断面である。図２からわかるように、共振器１０６を構成する回折格子では、第３半導体層１０７の第１メサの部分では、第２半導体層１０５が凸に、第３半導体層１０７が凹になる。一方、第１メサのｘ方向外側では、第２半導体層１０５が凸に、上部クラッド層１０８が凹になる。
【0028】
一般に、ＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ－Ｖ族混晶は、ＩｎＰなどよりも高い屈折率を有しており、これらの材料により回折格子を構成することが、本発明の特徴である高い結合定数に寄与している。以下に示す計算では、いずれの構造においても、動作波長（レーザの発振波長）として１３１０ｎｍ（通信用光源の発振波長として典型的な値）を仮定し、第２半導体層１０５を、バンドギャップ波長が１２００ｎｍでＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓＰから構成し、第３半導体層１０７をＩｎＰから構成している。
【0029】
バンドギャップ波長が動作波長よりも十分に短いことから、第２半導体層１０５では、バンド間遷移による光の発生や吸収は起こらない。ＩｎＧａＡｓＰの材料屈折率は約３．４０７と計算され、ＩｎＰの材料屈折率は各々約３．１８５と計算され、有意な屈折率差を有している。
【0030】
また、第３半導体層１０７の側方では、第３半導体層１０７の上に形成された回折格子の凹部分が、上部クラッド層１０８による低屈折率材料となるため、さらに大きな屈折率差が得られ、これも、回折格子における高い結合定数に大きく寄与する。なお、この例における１３１０ｎｍという波長の仮定は、具体例の計算のための便宜的なものであり、本発明の適用波長域はこれに限定されない。例えば、同じく通信用波長帯として典型的な１５５０ｎｍ帯においても本発明は同様に適用可能である。
【0031】
図３は、図２の（ａ）に示した構造（回折格子凸部分）を用いて計算したＴＥｎ０モード（ｎ＝０，１，２）の強度分布である。ＴＥ００モードが発振させるべき基底モードであり、ｎが１以上のモードが発振を抑制すべき高次モードである。また、第３半導体層１０７のメサ幅Ｗ1として、活性層１０４（薄膜構造）中への強い光閉じ込めを得る上での典型的な値である１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ，４００ｎｍの４水準を並べて示している。
【0032】
ＭＱＷからなる活性層１０４のメサ幅が８００ｎｍと比較的狭くなっていることから、高次モードの活性層１０４への光閉じ込めが抑えられていることがわかる。
【0033】
図４は、図２の（ａ）の構造を用いて計算した、各モードの等価屈折率（ａ）、回折格子のブラッグ波長（ｂ）、活性層１０４（ＭＱＷ領域全体）への光閉じ込め係数（ｃ）を示している。横軸は、第３半導体層１０７のメサ幅である。ここで、図４の（ｂ）のブラッグ波長は、以下の式から求めたものである。
【0034】
【数1】
【0035】
これはすなわち、基底モードのブラッグ波長が１３１０ｎｍになるようなピッチで回折格子を形成する、ということを想定している。高次モードの発振を抑える上では、各モード間でのブラッグ波長の離調が大きいことが望ましい。図４の（ｃ）より、やはり基底モードの光閉じ込めが高次モードよりも明らかに大きくなっていることがわかる。このこともまた、後述するように、高次モードの発振を抑える上で重要である。
【0036】
図５は、図２の（ａ），図２の（ｂ）各々における等価屈折率ｎeq,1，ｎeq,2を用いて求めた回折格子の結合定数である。計算にあたっては、デューティ比（凸部分と凹部分のｚ方向の長さの比率）１：１の矩形回折格子の結合定数を与える以下の式を用いた。
【0037】
【数2】
【0038】
図５の横軸は、回折格子の掘り込み深さ（凸部分と凹部分の高さの差分）である。図５の（ａ）より、例えば、第３半導体層１０７のメサ幅が２００ｎｍの場合、回折格子の掘り込み深さ（凹部の深さ）２０ｎｍ，３０ｎｍで、各々約６００ｃｍ-1，９００ｃｍ-1程度の結合定数が基底モードにおいて得られていることがわかる。その上で、既に図４の（ｃ）に示したように活性層１０４への光閉じ込め係数は、０．４を超える大きな値となっており、強い光閉じ込めと高い結合定数が両立されていることがわかる。
【0039】
一方で、図５の（ｂ），図５の（ｃ）より、高次モードにおいてはさらに大きな結合定数が得られていることがわかる。高次モードの発振を抑制する上では、基底モードのみが大きな結合定数を有するようにすることが望ましい。本発明では、これを達成するための構造として、図７に示すような構造を提案する。この半導体光デバイスは、図１を用いて説明した半導体光デバイスの構造における第２半導体層１０５の幅を、活性層１０４の幅と同程度とした第２半導体層１０５ａとし、この部分にのみ回折格子を形成して共振器１０６ａとした構造である。
【0040】
本構造を採用する副次的な効果として、第３半導体層１０７から活性層１０４へのキャリア注入において電流狭窄が起こり、より効率的に電流注入が行えるという利点が得られる。図７の（ａ），図７の（ｂ）は、図６を用いて説明した半導体光デバイスの各種特性を計算するために仮定した具体的な構造例であり、第２半導体層１０５ａの幅が活性層１０４幅に等しい、という点以外は、図２（ａ），図２（ｂ）と同一の構造である。
【0041】
図８は、図７の（ａ）の構造を用いて計算した各モードの強度分布である。また、図９は、図７の（ａ）の構造を用いて計算した各モードの等価屈折率 ｎeq（ａ）、回折格子のブラッグ波長λB（ｂ）、活性層１０４（ＭＱＷ領域全体）への光閉じ込め係数ΓMQW（ｃ）である。図９の（ｃ）より、依然として基底モードが高次モードよりも有意に大きな光閉じ込め係数を有していることがわかる。
【0042】
図１０は、図５と同様に、図７の（ａ），図７の（ｂ）各々における等価屈折率ｎeq,1，ｎeq,2を用いて求めた回折格子の結合定数κである。図１０の（ａ）より、例えば第３半導体層１０７のメサ幅が２００ｎｍの場合、回折格子の掘り込み深さ２０ｎｍ，３０ｎｍで各々約５００ｃｍ-1，８００ｃｍ-1程度の結合定数が基底モードにおいて得られていることがわかる。これは、図５の（ａ）と比較するとやや低くなってはいるが、掘り込み深さ２０ｎｍ～３０ｎｍの回折格子の結合定数としては依然として高い値である。
【0043】
一方で、図１０の（ｂ），図１０の（ｃ）より、高次モードの結合定数は、図５の（ｂ），図５の（ｃ）から大きく低下しており、結果として、基底モードのそれよりも有意に低い値となっていることがわかる。従って、図６を用いて説明した半導体光デバイスとすることで、基底モードの結合定数は、図１を用いて説明した半導体光デバイスのそれと同程度の高い水準に保ちつつ、高次モードの結合定数のみを効果的に低減することができる。
【0044】
ここまでは、ベースとなる縦型薄膜構造として、活性層１０４がＩｎＰなどのパッシブな、第４半導体層１２１、第５半導体層１２２、および第６半導体層１０９の中に埋め込まれた構造を仮定してきたが、これ以外の縦型薄膜構造として、図１１に示すような構造も考えられる。この半導体光デバイスは、活性層１０４がパッシブ半導体中に埋め込まれておらず、第２半導体層１０５および活性層１０４ａによってメサ形状が形成された構造である。
【0045】
【0046】
［利点１］
活性層１０４ａを埋め込むための結晶再成長工程が不要であり、作製がより簡便である。
［利点２］
パラレルな電流リークパスとして振る舞い得るパッシブな半導体層が存在せず、効率的な電流注入が可能である。
活性層１０４ａを埋め込むための結晶再成長工程が不要であり、作製がより簡便である。
［利点２］
パラレルな電流リークパスとして振る舞い得るパッシブな半導体層が存在せず、効率的な電流注入が可能である。
【0047】
図１１に例示する半導体光デバイスの各種特性を計算するために仮定した具体的な構造例を図１２に示す。なお、図１２で示している構造は、回折格子の凸部分におけるｘｙ断面構造であり、回折格子の凹部分においては、図２の（ｂ）などと同様に、第２半導体層１０５の上面を掘り込む（すなわち、回折格子の幅が、活性層１０４ａ，第２半導体層１０５のメサ幅に等しい）とする。
【0048】
図１３は、図１２の構造において、第３半導体層１０７のメサ幅を２００ｎｍの１水準、活性層１０４ａのメサ幅を８００ｎｍ，２．０μｍ，４．０μｍの３水準として計算した各モードの強度分布である。これらの強度分布からもわかるように、活性層１０４ａをリッジ構造とした半導体光デバイスでは、活性層１０４ａ、第２半導体層１０５の側面が低屈折率な上部クラッド層１０８と接しているため、ｘ方向においても強い光閉じ込めが起こり、基底モードだけでなく高次モードも活性層１０４ａの中に強く閉じ込められる。
【0049】
【0050】
いずれの図においても、第３半導体層１０７のメサ幅として１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍの４水準を仮定し、また横軸に、活性層１０４ａのメサ幅をとった。図１４，図１５より、活性層１０４のメサ幅が広くなるにつれて、高次モードの等価屈折率が基底モードのそれに近しくなっていき、ブラッグ波長の離調が小さくなっていくことがわかる。例えば、第３半導体層１０７のメサ幅２００ｎｍ、活性層１０４のメサ幅２．０μｍの場合、基底モードとＴＥ１０モードのブラッグ波長の離調は、３０ｎｍ程度となっている。これは活性層１０４にＭＱＷを用いる場合の離調としては十分に大きな値とは言えず（すなわち、いずれのブラッグ波長においても同程度の利得が得られる可能性があり）、光閉じ込めや結合定数で有意な差を稼げない場合、マルチモード発振の可能性が生じてしまう。
【0051】
図１６より、例えば、第３半導体層１０７のメサ幅２００ｎｍの場合、基底モードにおいて０．５を超える非常に高い光閉じ込め係数が得られていることがわかる。しかしながら、この条件においては、同時に、活性層１０４ａのメサ幅がある程度以上広い場合には、高次モードがさらに強い光閉じ込めを有していることがわかる。
【0052】
図１７は、図１２の構造を用いて図５などと同様に計算した結合定数の値である。第３半導体層１０７のメサ幅は２００ｎｍに固定した上で、活性層１０４ａのメサ幅として８００ｎｍ，２．０μｍ，４．０μｍの３水準を仮定し、横軸に回折格子の堀深さをとった。いずれの活性層１０４ａのメサ幅においても、掘り込み深さ２０ｎｍ，３０ｎｍで各々約７００ｃｍ-1以上，約１１００ｃｍ-1以上の非常に高い結合定数が基底モードにおいて得られている。しかしながら、このとき同時に高次モードの結合定数も同程度の非常に高い値になっている。
【0053】
従って、図１１の構造においては、基底モードにおいて強い光閉じ込めと高い結合定数が得られるが、同時に、高次モードも同程度の光閉じ込めおよび結合定数を有してしまう。その上で、上述のように特に活性層１０４ａのメサ幅が広い場合には、モード間でのブラッグ波長の離調が小さくなるため、安定的にシングルモード発振を得ることが困難となり得る。このようなマルチモード性を解決するための構造として、本発明では図１８のような構造を提案する。
【0054】
図１８に示す半導体光デバイスは、図１１の構造において、回折格子を掘る（形成する）領域を、第２半導体層１０５のメサ幅の全域とせず、第２半導体層１０５のメサ幅の方向の中心付近の適当な幅の領域のみに限定して形成した構造である。この回折格子の幅は、活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）のメサ幅に対する比率によって表すことができる。活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）のメサ幅が２．０μｍの場合、回折格子の形成幅１．５μｍは、回折格子占有率７５％に対応する。
【0055】
本構造の結合定数を計算するために仮定した具体的な構造例を図１９に示す。回折格子占有率として２５％，５０％，７５％，１００％を仮定した。なお、図１９からも明らかなように回折格子占有率１００％は、図１１の構造に等しい。第３半導体層１０７幅を２００ｎｍに固定し、活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）のメサ幅を０．８μｍ，２．０μｍ，４．０μｍとした場合の結合定数を、各々図２０，図２１，図２２に示す。いずれの場合においても、回折格子占有率が小さくなるにつれて全体的に結合定数が低下しているが、特に回折格子占有率５０％の場合においては、基底モードの結合定数低下は限定的な一方で、高次モードの結合定数は大きく低下していることがわかる。
【0056】
回折格子占有率５０％における基底モードの結合定数は、活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）のメサ幅０．８μｍの場合、掘り込み深さ２０ｎｍ，３０ｎｍで各々約５００ｃｍ-1，８００ｃｍ-1弱程度となる。また、回折格子占有率５０％における基底モードの結合定数は、活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）のメサ幅２．０μｍの場合、掘り込み深さ２０ｎｍ，３０ｎｍで各々約６５０ｃｍ-1，１０００ｃｍ-1程度となる。また、回折格子占有率５０％における基底モードの結合定数は、活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）のメサ幅４．０μｍの場合、掘り込み深さ２０ｎｍ，３０ｎｍで各々約６５０ｃｍ-1，８００ｃｍ-1程度となっている。
【0057】
これらの値は、回折格子占有率１００％の場合よりは低いが、依然として高い値である。一方で、この条件における高次モードの結合定数は、基底モードのそれよりも約１００ｃｍ-1～数百ｃｍ-1程度小さくなっており、本構造によって高次モードの結合定数のみを効果的に低減できていることがわかる。なお、ここでは、回折格子占有率として２５％，５０％，７５％，１００％という４水準のみを仮定しているが、言うまでもなく本発明の適用範囲はこれらの値のみには限定されず、所望の基底モード結合定数およびモード間結合定数差が得られる範囲において、任意の値として良い。
【0058】
また、高次モードの発振を抑制するための他の構成として、図２３に示すように、メサ形状としている活性層１０４ａ（第２半導体層１０５）側面に、光が散乱するまたは放射する構造１１１，１１２をさらに備える構成とすることが考えられる。構造１１１，１１２は、例えば、ランダムに荒れた凹凸形状、高次の側壁回折格子、などとすることができる。図１３からもわかるように、リッジ構造とした活性層１０４ａにおける基底モードは、活性層１０４ａによるメサの中心付近に局在化する一方で、高次モードは、活性層１０４ａによるメサの側面付近との重なりが大きい。従って、メサ形状としている活性層１０４ａの側面に、構造１１１，１１２を備えることで、高次モードの伝搬損失のみを選択的に増大させ、その発振を抑制することができる。
【0059】
以下では、本発明の構造が特徴とする１．活性層１０４への強い光閉じ込め、２．回折格子の高い結合定数、３．シングルモード発振性、による効果を確認するために、具体的な実施例の一つとして、本発明を図２４に示すようなλ／４シフト型のＤＦＢレーザに適用した際の発振閾値を計算する。図２４は、導波方向に平行な断面を示している。このＤＦＢレーザは、共振器１０６を構成する回折格子の途中（中心）に、λ／４シフト部１１３を備える。
【0060】
この半導体光デバイスをｚ軸に沿って見たとき、活性層１０４の端面は適当なパッシブ導波路１４１，１４２と光学的に結合しており、この結合箇所での光の反射はないものと仮定する。なお、パッシブ導波路１４１，１４２においては電流注入用の第３半導体層１０７は必要でないため、図示したように第３半導体層１０７を適当な長さでテーパ化して終端する構造が考えられる。
【0061】
以上のようにＤＦＢ共振器外部からの反射がない理想的な状況下では、そのレーザ発振条件は以下で与えられる。
【0062】
【数3】
【0063】
ここでｒL、ｒRは、各々、共振器１０６の中心のλ／４シフト部１１３からその左右を見込んだときのブラッグ反射による光の振幅反射率、Γは活性層１０４において光にゲインを与える部分（ＭＱＷの場合、各量子井戸の井戸層）の光閉じ込め係数、ｇはその（ＭＱＷの場合、各量子井戸の井戸層）材料利得、αiは内部損失である。
【0064】
本計算では、厚さ１００ｎｍの活性層１０４の中に量子井戸が６層存在する（６－ＱＷ）としてΓを求めた。また、αiは、典型的な値である１０ｃｍ-1とした。式（４）～（６）からわかるように、λ／４シフト型のＤＦＢレーザでは、回折格子のブラッグ波長λ＝λBにおいて共振条件が満たされ、通常、軸方向についてはその共振モードが安定的にシングルモード発振する。本計算でもλ＝λBとし、その共振モードでの発振を仮定している。
【0065】
式（４）は、共振条件と同時に利得と損失の釣り合いも表しており、これを満たす材料利得をｇ＝ｇthと表して閾値材料利得と呼ぶ。利用する材料系にもよるが、例えばＩｎＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷの場合、典型的には、ｇthが例えば５００ｃｍ-1程度であれば十分に低い閾値で発振するとされている。従って以下では、ｇth＝５００ｃｍ-1を低発振閾値の目安とする。
【0066】
一方、シングルモード発振性の目安としては、以下の式で与えられる利得損失マージンがよく用いられる。
【0067】
【数4】
【0068】
ここで添え字の「ｍａｉｎ」，「ｓｉｄｅ」は、各々発振するメインモード、それに付随するサイドモードを意味する。また式（９）は、共振器１０６のミラー損失を表す。利得損失マージンが大きいほど、メインモードでのシングルモード発振性が良好になっていくことが知られている。典型的には、利得損失マージンが例えば１００ｃｍ-1もあればサイドモード抑圧比にして５０ｄＢを超えるような非常に良好なシングルモード性が得られると言われている。材料利得ｇは実際には各モードの共振波長（ブラッグ波長）に依存するが、ここでは光閉じ込め係数の差分による効果のみを考慮するために、ｇは共通的にメインモードが発振したときの閾値材料利得の値ｇth
TR00になる、と仮定する。従って基底モード（ＴＥ００）と高次モード（ＴＥｎ０）との間でのシングルモード性を議論する場合には、以下の式で示すものとなる。
【0069】
【数5】
【0070】
以下では、式（１０）で与えられるＴＥ００モード－ＴＥｎ０モード（ｎ＝１，２）間の利得損失マージンを評価している。また、以下では全ての構造において第３半導体層１０７幅を２００ｎｍに固定している。
【0071】
まず、図２および図７の埋め込み構造のパラメータを用いて計算した基底モードの閾値材料利得、および高次モードとの利得損失マージンを図２５，図２６に示す。横軸は、共振器長Ｌcavとなっており、実線が基底モードの閾値材料利得（左側の縦軸）、破線および点線が高次モードとの利得損失マージン（右側の縦軸）である。図２５は、回折格子の掘り深さが２０ｎｍの場合、図２６は３０ｎｍの場合である。いずれの図でも（ａ）が図２の構造に、（ｂ）が図７の構造に対応する。
【0072】
まず、基底モードの閾値材料利得について見ると、いずれの場合においても、およそ４０μｍ強から６０μｍ強の短い共振器長において５００ｃｍ-1の低い閾値材料利得が得られていることがわかる。このような低閾値で発振する短共振器レーザが実現可能であるのは、強い光閉じ込めおよび高い結合定数が得られているからにほかならない。一方、利得損失マージンについては、ｇth＝５００ｃｍ-1となる共振器長において、いずれの場合でも正の値が得られている。特に（ｂ）では１００ｃｍ-1以上のマージンが容易に得られることがわかる。（ａ）では（ｂ）ほど大きなマージンは得られていないが、図中にも値を示したようにこれらの埋め込み構造においては高次モードとのブラッグ波長の離調が５０ｎｍ以上の大きな値となっているため、（ａ）でも十分に良好なシングルモード性が得られると期待される。
【0073】
次に、図１２，図１９のＭＱＷ構造の活性層１０４によるリッジ構造のパラメータを用いて同様に計算した基底モードの、閾値材料利得および高次モードとの利得損失マージンを図２７～図３２に示す。図２７，図２８では、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が０．８μｍである。図２９，３０では、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が２．０μｍである。図３１，３２では、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が４．０μｍである。また図２７，図２９，図３１では回折格子の掘り深さが２０ｎｍ、図２８，図３０，図３２では回折格子の掘り深さが３０ｎｍである。
【0074】
まず図２７，図２８（活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が０．８μｍ）を見ると、特に（ｂ）の回折格子占有率５０％の場合において、低い発振閾値と大きな利得損失マージンがバランス良く得られることがわかる。（ｂ）でｇth＝５００ｃｍ-1となる共振器長は、およそ５０μｍ弱から６０μｍ強の短い値であり、やはり低消費電力な短共振器レーザが実現可能である。
【0075】
一方で、モード間でのブラッグ波長の離調を考えると、図中にも示したように、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が０．８μｍと比較的狭いため、これによって１００ｎｍ以上に非常に大きな離調が得られており、Γおよびκの差分に由来する利得損失マージンは必ずしも必要ではないと考えられる。この場合、さらなる短共振器化のために、（ｄ）の回折格子占有率１００％を採用することができる。（ｄ）を採用した場合には、ｇth＝５００ｃｍ-1となる共振器長は、およそ４０μｍ弱から５０μｍにまで短尺化される。
【0076】
次に、図２９，図３０（活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が２．０μｍ）および図３１，図３２（活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が４．０μｍ）では、ブラッグ波長の離調は各々約３０ｎｍ、約１０ｎｍ程度の比較的小さな値に留まっており、安定的なシングルモード発振のためには十分な利得損失マージンが必要と考えられる。これらのように、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅が比較的広い場合であっても、やはり（ｂ）の回折格子占有率５０％の場合において、低い発振閾値と大きな利得損失マージンがバランス良く得られることがわかる。
【0077】
一方、（ｄ）の回折格子占有率１００％では利得損失マージンが負の値となってしまっている。これはすなわち、高次モードの方が発振しやすいことを意味しており、基底モードでの安定的なシングルモード発振を得ることは困難である。このことからも、本発明が提案する図１８の回折格子構造の効果が理解できる。
【0078】
（ｂ）の場合においてｇth＝５００ｃｍ-1となる共振器長は、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅２．０μｍではおよそ４０μｍ弱から５０μｍ強、活性層１０４、第２半導体層１０５のメサ幅４．０μｍではおよそ４０μｍ強から５０μｍ強となっており、やはり低発振閾値な短共振器レーザが実現可能であることがわかる。さらにそのときの利得損失マージンはいずれの場合でも十分に大きく、良好なシングルモード性が併せて得られることがわかる。
【0079】
なお、この説明では、典型的な実施例として図２４に示したようなλ／４シフト型のＤＦＢレーザを想定したが、本発明のベースとなる構造は、活性層１０４のｘｙ断面における回折格子構造であるから、ｚ軸方向まで含めたデバイス構造の適用対象はここで示した実施例に限定されず、活性層１０４に回折格子を有するようなデバイス構造一般に適用可能である。
【0080】
他の典型的な実施例としては以下のようなものも挙げられる。
【0081】
１．ＤＲレーザ構造：活性層１０４にはシフトのない均一な回折格子を一様に形成して均一ＤＦＢ構造とし、その上でリア側のパッシブ導波路に分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を形成することで、シングルモード発振およびフロント側のみからの光出力を可能とした構造。
【0082】
２．２セクションＤＦＢレーザ構造：ブラッグ波長および長さの異なる２つのＤＦＢセクションを連結することで、シングルモード発振およびフロント側とリア側での非対称な光取り出し（フロント側からより多くの光を出力させる）を可能とした構造。
【0083】
３．アポダイズドＤＦＢレーザ構造：ＤＦＢ領域における回折格子のピッチ、結合定数、等価屈折率などをｚ軸に沿って連続的に変化させることで、発振モード強度分布のｚ軸方向の偏りが小さいモードギャップ型の共振器を形成し、λ／４シフト型ＤＦＢレーザ構造で顕著な空間的ホールバーニングの影響を低減した構造。ピッチの連続的な変化は、回折格子の描画パターンによって直接的に制御可能である。結合定数の連続的な変化は、例えば回折格子の凹凸のデューティ比を変化させることで制御可能である。等価屈折率の連続的な変化は、例えば第３半導体層１０７の幅や活性層１０４の幅、第２半導体層１０５のメサの幅がｚ軸方向に沿って連続的に変化するような構造を作製することで制御可能である。
【0084】
上述した実施の形態における特徴について以下に示す。
【0085】
１．活性層１０４の上方に、ＩｎＧａＡｓＰなどの混晶半導体による第２半導体層１０５を配置することで、ＩｎＰなどの第３半導体層１０７を構成する半導体との間での屈折率差を稼いでいる点。これによって、縦型薄膜構造でありながらも、活性層１０４の近傍における回折格子形成が可能となり、強い光閉じ込めと高い結合定数を両立することができる。
【0086】
２．断面構造、回折格子形状の適切な設計によってｍ高次モードの発振を効果的に抑制し、安定的にシングルモード発振が得られる構造を提案している点。従来、薄膜構造における表面回折格子の形成は、薄膜上面をｘ方向について全域掘り落としたような構造が標準的であり、高次モードの発振抑制は導波モードのカットオフによって担保されてきた。上述した実施の形態では、基底モードとの重なりのみが大きくなるような局所的な回折格子構造を新たに提案することで、カットオフ条件が満たされていないマルチモードの断面構造であっても優れたシングルモード発振性が得られるようにしている。これは、ｘ方向の光閉じ込めが強くマルチモード性が強いＭＱＷリッジ構造の活性層１０４にとって特に重要なポイントである。
【0087】
以上に説明したように、本発明によれば、活性層の上下方向に電流が印加される縦型薄膜構造の半導体光デバイスにおいて、活性層と第３半導体層との間に、これらとは異なる屈折率の第２半導体層を設け、第２半導体層に回折格子を形成したので、縦型薄膜構造の半導体光デバイスで、強い光閉じ込めと高い結合定数とが両立できるようになる。
【0088】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【0089】
１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…第１半導体層、１０４…活性層、１０５…第２半導体層、１０６…共振器、１０７…第３半導体層、１０８…上部クラッド層、１０９…第６半導体層、１１０…コンタクト層、１２１…第４半導体層、１２２…第５半導体層、１３１…第１電極、１３２…第２電極。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】