JP2016184705A - 半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折格子の再成長界面での歪みの発生を抑制し、組成変調を防止して、半導体光素子の回折格子で所望の結合係数を得る。【解決手段】 ＧａＡｓ基板上に形成される回折格子層を有する半導体光素子において、前記回折格子層は、周期的な凹凸パターンを有するＧａＡｓ層と、前記凹凸パターンを平坦に埋め込む繰り返し層とを含み、前記繰り返し層は、１分子層以上の厚さを有するＡｌＡｓ膜と、１分子層以上の厚さを有するＧａＡｓ膜との積層を１サイクル以上繰り返して前記凹凸パターンを平坦に埋め込んでいることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体光素子とその製造方法に関する。

波長１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光ファイバ通信の送信用光源に用いられる半導体レーザでは、伝送距離を拡大するために光源の単一波長化が必要とされる。そのため、共振器内に回折格子を形成した分布帰還型（Distributed Feedback；ＤＦＢ）レーザなどの単一波長レーザが実用化されている。また、単体の半導体レーザでは実現が難しい波長帯のレーザ光を得るために、入射光の周波数を２倍（波長を１／２）に変換して出射する第二高調波発生（Second Harmonic Generation；ＳＨＧ）結晶と組み合わせる半導体レーザが用いられる。この場合も、ＳＨＧ結晶に入射させるレーザ光は単一波長であることが望ましい。例えば、波長５３２ｎｍの純緑色は単体の半導体レーザで実現することは難しいが、波長１０６４ｎｍの単一波長で発振するＤＦＢレーザとＳＨＧ結晶を組み合わせることにより５３２ｎｍの緑色レーザを実現することができる。このように、ＤＦＢレーザなどの単一波長半導体レーザは、光ファイバ通信や映像デバイスにおける光源として有用である。

ＤＦＢレーザの発振特性を決める重要なパラメータの一つに、回折格子の結合係数（κ）がある。１次の回折モードに対するκは近似的には式（１）で表すことができる。

式（１）において、ｎ₁とｎ₂はそれぞれ回折格子を形成する山部と谷部の２つの材料の屈折率であり、kは波数、βは導波光モードの伝搬定数、Γ_gは回折格子層における光閉じ込め係数、Λは回折格子の周期、Λ₁は山部の幅である。

式（１）からわかるように、一般的には山部と谷部の材料の屈折率差が大きいほど結合係数κを大きくとることができる。ＤＦＢレーザの発振しきい値利得を下げるためには、ある程度の結合係数κの値が必要である。そのためにも、山部と谷部を構成する半導体材料の屈折率差が大きい方が望ましい。

波長０．６μｍ〜１．３μｍの半導体レーザにおいては、大口径で安価なＧａＡｓ基板が利用されている。ＧａＡｓ基板上に回折格子を有するＤＦＢレーザを作製する場合、一般にＧａＡｓ層表面に凹凸構造を形成し、凹凸構造の溝部をＩｎＧａＰで埋め込む方法や（たとえば、特許文献１参照）、ＡｌＧａＡｓで埋め込む方法（たとえば、特許文献２参照）が知られている。

特開２００７−２９９７９１号公報 特開平８−３１６５６６号公報

ＩｎＧａＰとＧａＡｓにより回折格子を形成する場合、ＩｎＧａＰとＧａＡｓを格子整合させるために、Ｉｎ組成は０．４８とするのが望ましい。Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52ＰとＧａＡｓとは、比較的大きな屈折率差を有するため、必要なκの値を得やすいという利点がある。しかしながら、Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52ＰによってＧａＡｓ凹凸構造を埋め込む場合、ＩｎＧａＰのわずかな組成ずれによって格子不整合による歪が生じやすい。このため、通電によって素子の信頼性が悪化する懸念がある。

他方、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓにより回折格子を形成する場合、ＧａＡｓとＡｌＡｓの格子定数の差は０．１％程度と小さく、任意のＡｌ組成においてほぼ格子整合条件が成立する。このため、再成長界面に歪が生じにくいという利点がある。しかし、発明者らは、ＡｌとＧａの拡散長の違いに起因して、ＧａＡｓ凹凸構造の凹部に成長するＡｌＧａＡｌのＡｌ組成と、凸部に成長するＡｌＧａＡｌのＡｌ組成とが変化してしまうという課題を見出した。このようなＡｌ組成の変化を「組成変調」と称する。

そこで、再成長界面での歪みの発生を抑制し、かつ組成変調を防止して、回折格子の所望の結合係数を得ることのできる半導体光素子とその製造方法の提供を課題とする。

第１の態様では、ＧａＡｓ基板上に形成される回折格子層を有する半導体光素子において、前記回折格子層は、
周期的な凹凸パターンを有するＧａＡｓ層と、
前記凹凸パターンを平坦に埋め込む繰り返し層と、
を含み、前記繰り返し層は、１分子層以上の厚さを有するＡｌＡｓ膜と、１分子層以上の厚さを有するＧａＡｓ膜との積層を１サイクル以上繰り返して前記凹凸パターンを平坦に埋め込んでいることを特徴とする。

第２の態様では、半導体光素子の製造方法を提供する。この製造方法では、
ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成し、
前記ＧａＡｓ層の表面に周期的な凹凸パターンを形成し、
１分子層以上の厚さを有するＡｌＡｓと、１分子層以上の厚さを有するＧａＡｓをこの順序で交互に繰り返して積層して前記凹凸パターンを平坦化する。

再成長界面での歪みの発生を抑制し組成変調を防止した回折格子を有する半導体光素子を実現することができる。

回折格子に生じる組成変調を説明するための図である。 実施形態の回折格子層の構成を示す図である。 図２の回折格子層を用いた実施例１の半導体光素子の概略構成図である。 図２の回折格子層を用いた実施例２の半導体光素子の概略構成図である。 図４の半導体光素子の活性層として用いられる量子ドット層の模式図である。 実施例３の半導体モジュールの概略構成図である。

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。まず、図１を参照して、発明者らが見出したＧａＡｓ基板上に形成される回折格子で生じる組成変調について説明する。

図１（Ａ）は、ＡｌＧａＡｓ層１２によりＧａＡｓ凹凸パターン１３を埋め込んだときのＡｌ組成変調を示す図、図１（Ｂ）は、Ａｌ組成変調が生じた場合の回折格子の等価モデルを示す図である。

図１（Ａ）では、ＡｌとＧａの拡散長の違いに起因して、ＧａＡｓ層１１の凹部１３ｂに埋め込まれる部分のＡｌＧａＡｓ層１２のＡｌ組成が低くなり、ＧａＡｓ層１１の凸部１３ａ上に成長する部分のＡｌＧａＡｓ層１２のＡｌ組成が高くなるという組成変調が生じている。たとえば、ＧａＡｓ凹凸パターン１３上に、Ａｌ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ層１２を再成長する場合、凹部１３ｂではＡｌ組成が０．２５程度に低下し、凸部１３ａではＡｌ組成が０．３６程度に増加する。

このような組成変調が生じると、実質的に、回折格子は図１（Ｂ）の領域Ａと領域Ｂからなる周期構造と等価であると考えることができる。領域Ａは凸部１３ａに対応し、領域Ｂは凹部１３ｂに対応する。単純化のため、ＧａＡｓ層１１の凸部１３ａの高さと、凸部１３ａに成長するＡｌＧａＡｓ層１２の高さの比を１：１と考える。

領域Ａの組成は、ＧａＡｓとＡｌ_0.36Ｇａ_0.64Ａｓの中間の組成Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓとみなすことができる。領域Ｂの組成はＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓである。このような周期構造とみなした場合、領域Ａと領域ＢのＡｌ組成差が０．０７しかなく、実効的に得られる屈折率差が非常に小さくなる。この結果、式（１）で表される結合係数κは大幅に低下し、ＤＦＢレーザのしきい値電流が増大するなど、発振特性が悪化する。

そこで、ＧａＡｓ基板に形成されるＤＦＢレーザにおいて、ＧａＡｓ凹凸パターン１３を埋め込んで回折格子を作製する場合に、再成長界面での歪の発生を抑制し、かつ組成変調を生じさせずに所望の結合係数を得る構成、手法が望まれる。

図２は、実施形態の半導体光素子で用いられる回折格子層１５の概略構成図である。回折格子層１５は回折格子ＧＲを含み、ＧａＡｓ層１１に形成された周期的な凹凸パターン１３と、凹凸パターン１３を平坦に埋め込む繰り返し層２３を有する。繰り返し層２３は互いに異なる種類の第１の二元結晶膜２１と第２の二元結晶膜２２を交互に繰り返し積層した層である。第１の二元結晶膜２１と第２の二元結晶膜２２のそれぞれの厚さは１分子層（ＭＬ）以上である。第１の二元結晶膜２１の成長と、第１の二元結晶膜２１上への第２の二元結晶膜２２の成長を１サイクルとして、これを１サイクル以上繰り返すことで、凹凸パターン１３を繰り返し層２３で平坦に埋め込むことができる。平坦化された繰り返し層２３の上方に、図示しない上部クラッド層を形成する。

実施形態では、異なる種類の二元結晶膜としてＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２を用いる。たとえば、繰り返し層２３が等価的にＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ混晶と同等になるように、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さ比率を３：７に制御する。もちろん、目的とするＡｌＧａＡｓ混晶の組成比に応じて、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さの比率を適切に調整することができる。

具体的には、ＧａＡｓ層１１の表面にＳｉＯ₂のマスクパターン（不図示）を形成し、エッチングによりＧａＡｓ層１１に凹凸パターン（回折格子パターン）１３を形成する。凹凸パターン１３の凹凸は光の伝搬方向（共振方向）に沿って反復され、その周期は目的とする発振波長に応じて決定される。たとえば、２５℃における発振波長を１０６４ｎｍとする場合、凹凸パターン１３の繰返し周期は１５５ｎｍ程度になる。凹凸パターン１３の溝部の傾斜面１３ｃは主として（１１１）Ａ面により形成される。ＧａＡｓの（１１１）Ａ面は、ミラー指数が（１１１）となる格子面に沿った面のうち、Ｇａが表面に並ぶ面である。

ＳｉＯ₂マスクパターンを除去した後、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の超薄膜を、交互に繰り返し成長して平坦化する。ＧａＡｓ層１１の凹凸パターン１３の傾斜面１３ｃを（１１１）Ａ面とすることで、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２を傾斜面１３ｃ上で優位に成長することができる。他方、凸部１３ａ上での成長レートは傾斜面１３ｃ上での成長レートと比較して小さい。傾斜面１３ｃに成長するＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２は、（３１１）面を形成し、繰り返し成長することで、凹凸パターン１３の凹部１３ｂを平坦に埋め込むことができる。

一例として、凹部１３ｂの深さを２０ｎｍ、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さをそれぞれ３ＭＬと７ＭＬとすると、４サイクルほど交互に成長することによって、凹凸パターン１３を平坦に埋め込むことができる。これにより、屈折率の異なるＧａＡｓ層１１と繰り返し層２３とを基板と水平な方向に周期的に配列した回折格子ＧＲが形成される。

この構成と手法を用いると、ＧａＡｓ層１１の凹凸パターン１３をＩｎＧａＰで埋め込む場合に見られる格子不整合による歪の発生を抑制することができる。

また、二元結晶での成長のため、三元結晶であるＡｌＧａＡｓで埋め込む場合に生じる組成変調が抑制され、所望の結合係数を得ることができる。

図１を参照して説明したように、ＧａＡｓ層１１の凹凸パターン１３をＡｌ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓにより埋め込む場合、実効的にＡｌ_0.18Ｇａ_0.82ＡｓとＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓの周期構造となり、屈折率差が非常に小さくなる。これに対し、図２のように、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さ比率を例えば３：７に設定してＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ混晶と等価になるように調整し、（１１１）Ａ面の傾斜面を有する凹部１３ｂを交互に埋め込むことで、回折格子ＧＲの屈折率差を設計どおりにすることができる。

式（１）の（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）の値を図１の構成と図２の構成の間で比較すると、図２（実施形態）の構成により約４．６倍の値が得られる。その結果、式（１）から導かれる結合係数κの値も増大する。回折格子ＧＲを構成する２つの材料の屈折率差を十分に確保できる場合は、必要十分な結合係数κを得るための凹凸パターン１３の深さを浅くすることができ、凹凸パターン１３上で結晶を再成長する際に、平坦化が容易になるという効果も生じる。

このように、実施形態の構成、方法によると、ＧａＡｓ基板上に良好な素子信頼性と発振特性を有する単一波長発振のＤＦＢレーザを実現することができる。

図３は、図２の回折格子ＧＲの構成を適用した実施例１の半導体レーザ３０の概略構成図である。半導体レーザ３０は、１．０６μｍ帯の量子井戸ＤＦＢレーザ３０である。

半導体レーザ３０は、ＧａＡｓ基板３１上に形成された活性層３４と、活性層３４の上方に形成された回折格子層１５Ａを含む。回折格子層１５Ａは、図２に示したように、ＧａＡｓ層１１Ａに形成された凹凸パターン１３を、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の超薄膜で交互に埋め込んで平坦化したものであり、回折格子ＧＲを有する。回折格子ＧＲにより共振器を伝播する縦モードの波が制御され、回折格子ＧＲの周期に応じた単一波長の光だけが反射される。

図３の半導体レーザ３０の製造工程例を説明する。まず、ｎ型のＧａＡｓ（１００）基板３１上に、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy）、あるいは有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）を用いて、厚さ１．５μｍのｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層３２、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａＡｓ光ガイド層３３、量子井戸活性層３４、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａＡｓ光ガイド層３５、厚さ２００ｎｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層３６、厚さ３０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１１Ａを成長する。量子井戸活性層３４は、特に図示はしないが、アンドープＩｎＧａＡｓ井戸層とアンドープＧａＡｓバリア層との積層を繰り返した構成を有する。一例として、アンドープＧａＡｓバリア層の厚さを２０ｎｍ、アンドープＩｎＧａＡｓ井戸層の厚さを約７ｎｍ、Ｉｎ組成を０．２５に設定する。この場合、量子井戸構造における遷移波長は約１０６０ｎｍになる。実施例１では量子井戸構造を２回繰り返して積層している。

次に、量子井戸活性層３４の上側のｐ型ＧａＡｓ層１１Ａの表面に、凹凸パターンを形成する。具体的には、ｐ型ＧａＡｓ層１１Ａ上にＳｉＯ₂膜（不図示）をたとえば２０ｎｍ蒸着し、ＳｉＯ₂上にＥＢ露光用レジスト（不図示）を塗布し、ＥＢ露光によりレジストパターンを形成する。レジストパターンは回折格子ＧＲのパターンに対応し、各ストライプは＜０−１１＞方向に沿って形成される。

次に、たとえばＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching, RIE）により、レジストパターンをＳｉＯ₂膜に転写する。このようにして形成されたＳｉＯ₂パターンをマスクとして、たとえばアンモニア水、過酸化水素水、水からなるエッチャントを用いてＧａＡｓ層１１Ａの表面に凹凸パターン１３（図２参照）を形成する。上述のように、２５℃における発振波長を１０６４ｎｍとする場合、凹凸パターン１３の周期を約１５５ｎｍとする。凹凸パターンの凹部１３ｂの斜面は、主として（１１１）Ａ面により形成される。凹凸パターン１３の深さはたとえば２０ｎｍとする。

ＥＢレジストパターンとＳｉＯ₂マスクを除去した後、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＡｓ層１１Ａ上にｐ型ＡｌＡｓ膜２１とｐ型ＧａＡｓ膜２２の超薄膜を交互に繰り返して成長し、ＧａＡｓ層１１Ａ表面の凹凸パターン１３を平坦化する。ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の成長温度はたとえば７００℃程度、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さは、それぞれ３ＭＬと７ＭＬとし、４サイクルほど交互に繰り返す。これにより深さ２０ｎｍの凹凸パターン１３を平坦化することができる。

平坦化後、引き続き厚さ１．０μｍのｐ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ上部クラッド層３７、厚さ３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８を成長する。

次に、ＧａＡｓコンタクト層３８上に図示しないＳｉＯ₂ストライプを＜０−１−１＞方向に形成する。ＳｉＯ₂ストライプをマスクとして、ＧａＡｓコンタクト層３８とＩｎＧａＰ上部クラッド層３７をウェットエッチングする。ＧａＡｓコンタクト層３８は、たとえばアンモニア水と過酸化水素水、水の混合溶液によりエッチングし、ＩｎＧａＰ上部クラッド層３７は、例えば塩酸と酢酸を１：２の比率で混合した溶液によりエッチングする。このエッチャントはＧａＡｓをエッチングしないため、ＩｎＧａＰ上部クラッド層３７に対するエッチングは、繰り返し層２３の最上層であるＧａＡｓ膜２２で停止する。これにより幅２μｍ程度のリッジ導波路構造が形成される。上部クラッド層３７をリッジ形状とすることによって、共振器を伝搬する光の横モードを制御する。

その後、ＳｉＯ₂ストライプマスクを除去して、全面にＳｉＯ₂層３９を形成する。その後、素子の厚さが１２０μｍ程度になるようにＧａＡｓ基板３１の裏面を研磨し、リッジ上部のＳｉＯ₂層３９を除去してｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８を露出し、素子の上下に電極５１、５２を形成する。所望の共振器長でへき開した後、前側端面Ｆに図示しない無反射膜、後側端面に高反射膜を成膜する。

以上のプロセスにより、活性層３４の上側に回折格子層１５Ａを有するリッジ導波路型のＤＦＢレーザ３０が作製される。式（１）によって、回折格子ＧＲの結合係数κを計算すると約２０ｃｍ^-1となる。しきい値利得を小さい値に抑えつつ、十分な単一モード歩留まりを得るために、共振器長はたとえば６００μｍとする。

動作時は、電極５１と５２の間にバイアス電圧を印加して半導体レーザ３０に電流を注入する。量子井戸活性層３４に注入された電子と正孔は再結合して光を放出する。キャリアの注入レベルを増大することにより誘導放出が始まり、レーザ発振が起こる。回折格子ＧＲの周期に応じた波長のレーザ光が選択され、ＧａＡｓ光導波路層３３，３５によって導波される。

図４は、図２の回折格子ＧＲの構成を適用した実施例２の半導体レーザ４０の概略構成図である。半導体レーザ３０は、１．３μｍ帯の量子井戸ＤＦＢレーザ４０である。

半導体レーザ４０は、図３の半導体レーザ３０と同様に、ＧａＡｓ基板４１上に形成された活性層４４と、活性層４４の上方に形成された回折格子層１５Ｂを含む。回折格子層１５Ｂは、図２に示したように、ＧａＡｓ層１１Ｂに形成された凹凸パターン１３を、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の超薄膜で交互に埋め込んで平坦化したものであり、回折格子ＧＲを有する。回折格子ＧＲにより共振器を伝播する縦モードの波が制御され、回折格子ＧＲの周期に応じた単一波長の光が取り出される。

図４の半導体レーザ４０の製造工程例を説明する。まず、ｐ型のＧａＡｓ（１００）基板４１上に、厚さ１．５μｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部クラッド層４２、厚さ５０ｎｍのアンドープＧａＡｓ光ガイド層４３、量子ドット活性層４４、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａＡｓ光ガイド層４５、厚さ３０ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層１１Ｂを成長する。量子ドット活性層４４は、たとえば図５に示す構成を有する。

図５において、アンドープＧａＡｓ層４３上に、ｉ-ＩｎＡｓを数ＭＬ成長することにより、ＩｎＡｓ濡れ層６２ａ上にＩｎＡｓ量子ドット６２ｂを自然形成して量子ドット構造６２を形成する。量子ドット構造６２を埋め込むようにｉ−ＩｎＧａＡｓ歪緩和層６３を成長し、歪み緩和層６３上に、ｉ−ＧａＡｓ層６４、ｐ型ＧａＡｓ層６５、ｉ−ＧａＡｓ層６６を順次積層する。これで、ＩｎＡｓ量子ドット層６７の一層分の構造とする。

ｉ−ＧａＡｓ層６４、６６の間にｐ型ＧａＡｓ層６５を挿入したいわゆる変調ｐドープ構造により、ＩｎＡｓ量子ドット６２ｂへの正孔（ホール）の供給が改善する。これにより微分利得の向上、温度安定動作の向上など、発振特性が向上する。

実施例２では、図５の量子ドット層６７を１０層積層して量子ドット活性層４４を形成している。ＩｎＧａＡｓ歪緩和層６３の組成を調整することによって、量子ドット活性層４４の利得波長を調整することができる。実施例２では利得波長が１２９０ｎｍとなるように調整されている。

続いて、量子ドット活性層４４の上側のｎ型ＧａＡｓ層１１Ｂの表面に、実施例１と同様の方法で、深さ約２０ｎｍの凹凸パターン１３を形成する。凹凸パターンの周期は約１９５ｎｍとする。ＧａＡｓ層１１Ｂに形成された凹凸パターン１３上に、３ＭＬのｎ型ＡｌＡｓ膜２１と、７ＭＬのｎ型ＧａＡｓ膜２２を交互に４サイクル程度成長して繰り返し層２３Ｂを形成し、凹凸パターン１３を平坦に埋め込む。

平坦化後、厚さ１．０μｍのｎ型Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ上部クラッド層４７、厚さ３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層４８を成長する。実施例１と同様の方法で、リッジ導波路構造を形成し、リッジ導波路構造上にＳｉＯ₂層４９を形成する。適切な素子の厚さになるようにＧａＡｓ基板４１の裏面を研磨し、リッジ上部のＳｉＯ₂層４９を除去してｎ型ＧａＡｓコンタクト層４８を露出し、素子の上下に電極５１、５２を形成する。所望の共振器長でへき開した後、前側端面Ｆに図示しない無反射膜、後側端面に高反射膜を成膜する。

実施例２の構成では、量子ドット活性層４４と回折格子層１５Ｂの間に、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａＡｓ光ガイド層４５しか存在しないので、活性層４４で生成されＧａＡｓ光ガイド層４５を導波する光の回折格子層１５Ｂにおける光閉じ込め係数Γgが大きくなる（式（１）参照）。したがって、回折格子層１５Ｂの回折格子ＧＲの結合係数κは４０ｃｍ^-1となる。共振器長は、たとえば４００μｍとする。

図６は、実施例３の半導体レーザモジュール７０の概略構成図である。半導体レーザモジュールは、実施例１で示した発振波長１０６４ｎｍの単一波長半導体レーザ３０と、ＳＨＧ結晶７２を組み合わせた緑色レーザモジュール７０である。

半導体レーザ３０にビデオ信号変調電流などの駆動電流が注入されると、入力信号に応じたレーザ光が出力される。発振波長１０６４ｎｍの半導体レーザ３０をＳＨＧ結晶７２と組み合わせることにより、波長を１／２にして純緑色である波長５３２ｎｍのレーザ光を出力することができる。半導体レーザ３０の出力光は所定の出射角を有するので、レーザ光は集光レンズ７１により非線形光学結晶であるＳＨＧ結晶７２に導かれる。ＳＨＧ結晶を通すことによって、２倍の周波数（２ω）の光が得られる。ＳＨＧ結晶７２として、たとえばＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶、酸化マグネシウム添加ＬＮＯ結晶（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3）を分極反転させた結晶などを用いることができる。

ＳＨＧ結晶７２自体は、入力レーザ光の周波数（ω）の光に対しても２倍の周波数（２ω）の光に対しても透明であるため、ＳＨＧ結晶７２の後段に基本波光除去フィルタを配置して２倍周波数の光だけを取り出す構成としてもよい。

純緑色レーザモジュール７０は、赤色、青色の半導体レーザとともに、ＲＧＢ光源として用いることができる。このようなＲＧＢ光源を用いたレーザプロジェクタは、従来のプロジェクタと比較して小型であり、フォーカス調整が不要になる等の利点を有する。

以上述べたように、実施形態の回折格子ＧＲを用いた半導体光素子によると、格子パターンの再成長界面での歪みの発生を抑制するとともに、組成変調を防止して所望の結合係数を得ることができる。

本発明は上述した実施例に限定されるものではない。ＡｌＡｓとＧａＡｓの二元結晶の超薄膜の厚さや繰り返し回数、ＧａＡｓ層１１の凹凸パターン１３の深さや周期は、所望の屈折率差に応じて適宜変更することができる。

繰り返し層２３を構成するＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さは、必ずしも一定の膜厚で成長を繰り返す必要はなく、膜厚比を維持したまま積層につれて厚さを変化させてもよい。また、ＡｌＧａＡｓは広い組成範囲でＧａＡｓと構成整合するため、ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の厚さは、３ＭＬと７ＭＬに限定されない。ＡｌＡｓ膜２１とＧａＡｓ膜２２の双方の厚さが１ＭＬ以上であれば、厚さの比率は２：８、４：６、５：５など、所望の屈折率差が得られる範囲で適宜設定することができる。

異なる種類の二元結晶層はＡｌＡｓ膜とＧａＡｓ膜に限定されず、格子整合と組成変調が問題となる三元結晶または四元結晶で凹凸の格子パターンを埋め込む場合に適用することができる。

上部クラッド層３７、４７はＩｎＧａＰに限定されず、ＡｌＧａＡｓを用いてもよい。回折格子層１５の位置は活性層の上側に限らず、下側にあってもよい。

実施形態の半導体レーザは、光ファイバ通信や映像デバイスなどの光源に用いることができる。

１１ ＧａＡｓ層
１３ 凹凸パターン
１３ａ 凸部
１３ｂ 凹部
１３ｃ 傾斜面
１５、１５Ａ、１５Ｂ 回折格子層
２１ ＡｌＡｓ膜（第１の二元結晶膜）
２２ ＧａＡｓ膜（第２の二元結晶膜）
２３、２３Ａ、２３Ｂ 繰り返し層
３０、４０ 半導体レーザ
３１、４１ ＧａＡｓ基板
３２、４２ 下部クラッド層
３３，３５，４３、４５ 光ガイド層
３４、４４ 活性層
６５ 量子ドット層
７０ 半導体レーザモジュール
ＧＲ 回折格子

Claims (6)

1. ＧａＡｓ基板上に形成される回折格子層を有する半導体光素子であって、
   前記回折格子層は、
   周期的な凹凸パターンを有するＧａＡｓ層と、
   前記凹凸パターンを平坦に埋め込む繰り返し層と、
   を含み、前記繰り返し層は、１分子層以上の厚さを有するＡｌＡｓ膜と、１分子層以上の厚さを有するＧａＡｓ膜との積層を１サイクル以上繰り返して前記凹凸パターンを平坦に埋め込んでいることを特徴とする半導体光素子。
2. 前記凹凸パターンの凹部は（１１１）Ａ面を形成する傾斜面を有し、
   前記ＡｌＡｓ膜及び前記ＧａＡｓ膜は、前記傾斜面で（３１１）面を形成する方向に成長していることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
3. 前記ＧａＡｓ基板上に形成された活性層、
   をさらに有し、電流注入により、前記回折格子層の等価屈折率と前記凹凸パターンの周期とによって決まる波長で発振することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子と、
   前記半導体光素子の出力側に配置される第二高調波発生結晶と、
   を有する半導体レーザモジュール。
5. ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成し、
   前記ＧａＡｓ層の表面に周期的な凹凸パターンを形成し、
   １分子層以上の厚さを有するＡｌＡｓと、１分子層以上の厚さを有するＧａＡｓをこの順序で交互に繰り返して積層して前記凹凸パターンを平坦化する、
   ことを特徴とする半導体光素子の製造方法。
6. 前記ＧａＡｓ基板としてＧａＡｓ（１００）基板を用い、
   前記凹凸パターンの形成時に（１１１）Ａ面を形成する傾斜面が凹部に形成されることを特徴とする請求項５に記載の半導体光素子の製造方法。

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