CN110637400B - 半导体光元件 - Google Patents

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Abstract

本申请实现一种半导体光元件，该半导体光元件兼顾散热和光限制，高效地注入电流或施加电场。所述半导体光元件设有：芯层，包括活性区域(1)，该活性区域(1)包括化合物半导体；两个包层(5、6)，注入电流至所述芯层；以及第三包层(4)，构成为包含热传导率比所述芯层、所述两个包层中的任一个大，折射率比所述芯层、所述两个包层中的任一个小，带隙比所述芯层、所述两个包层中的任一个大的材料。

Description

半导体光元件
技术领域
本发明涉及一种半导体光元件，特别是涉及一种具有使用高热传导、高带隙、低折射率的包层来兼顾高的热传导和高的光限制的半导体结构的半导体光元件。
背景技术
半导体元件作为小型低功耗的电子元件(电子器件)而广泛普及。特别是，以进行发光、受光、光调制等的半导体激光器为代表的半导体光元件是构成光信息通信系统的重要的部件。
在光信息通信系统中，作为半导体光元件的材料，从发光性的观点来看，主要使用InP(磷化铟)、GaAs(砷化镓)等直接跃迁型的化合物半导体。但是，InP、GaAs等材料不能说热传导性良好，由于元件的工作中的发热引起的温度上升，特性受到限制(例如，非专利文献1)。
另一方面，作为半导体元件的材料而被广泛使用的Si(硅)与InP、GaAs等化合物半导体相比，热传导性高，但由于是间接跃迁型的半导体，因此用作发光元件的活性层的材料是非常困难的。
此外，Si的折射率比InP、GaAs高，从光限制的观点来看，无法用于包层。Si需要隔着折射率更低的其他包层材料与由InP、GaAs等构成的活性层(芯体)材料充分地保持距离来配置，从而也难以使用Si来提高半导体光元件的散热性。
而且，在InP系半导体光元件的情况下，无法将光限制所需的活性层(芯体)材料(InGaAsP、InGaAlAs等)与包层材料(InP等)的折射率差取得大，器件特性的提高存在极限。
作为用于将InP系半导体光元件的芯体-包层间的折射率差取得大的对策，提出了作为包层材料而采用折射率小的空气、绝缘膜(例如形成于Si基板上的SiO2膜)的半导体激光器(例如，非专利文献2)。在该以往例中，在电流注入小，即温度上升少的区域的元件特性大幅提高。
但是，若将空气、绝缘膜这样的绝缘材料用于包层材料，则热传导特性恶化，因此元件的温度上升进一步变大，因热引起的特性的劣化显著。
而且，在该结构中，由于作为芯层的主要材料的InP与作为基板材料的Si之间的热膨胀系数的差，在制造工序的升温处理中的上升温度中也会产生限定。
作为热传导率高的材料，也可以考虑金属材料。例如Au(金)的热传导率比Si高，在用于光通信的波长中复折射率的实部也小。但是，复折射率的虚部大，因此光的吸收损失大，无法实现向光波导内的光限制，因此不适于用作包层材料。作为包层材料，需要使用在光元件的工作波长中复折射率的虚部(光的吸收损失)小的材料。
而且，金属等导电性的材料也存在如下问题：在形成于基板上的半导体光元件中向与基板面平行的方向注入电流的或者施加电场的半导体光元件中，作为工作所需的载流子的逃逸路径而发挥作用，且无法进行电流注入以及电场施加。作为包层材料为了适当地进行向半导体光元件注入电流或施加电场，包层材料需要是带隙比芯层以及p型、n型半导体层大，对半导体光元件中的半导体载流子而言作为势垒发挥作用的材料。
由于这些问题，迄今为止还没有实现能兼顾光限制和高的热传导，能高效地向半导体光元件的活性层注入电流或施加电场的半导体光元件的结构
另一方面，迄今为止，作为热传导率大的材料，将SiC(碳化硅、碳化硅)用作基板，进行在该基板上安装半导体光元件芯片来提高散热性的尝试(非专利文献3)。但是在非专利文献3中，是仅在SiC基板上载置制作完的激光器芯片的结构，因此不是在向基板垂直方向的光限制中利用了折射率低且散热性好的材料的结构。即在非专利文献3中，作为半导体光元件芯片的下部包层材料而采用InP，也存在在活性层以及芯层与包层之间折射率差不大，无法增大光限制因子的问题。
如上所述，迄今为止，分别对用于提高散热性的材料和实现光限制的材料进行了研究，但未考虑提高散热性的材料的光学特性。此外，也未对电气特性进行研究。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：W.Kobayashi，T.Ito，T.Yamanaka,T.Fujisawa，Y.Shibata，T.Kurosaki，M.Kohtoku，T.Tadokoro，and H.Sanjoh，“50-Gb/s direct modulation of a1.3-μm InGaAlAs-based DFB laser with a ridge waveguide structure”，IEEEJ.Sel.Top.Quantum Electron.，vol.19，no.4，pp.1500908-1500908，Jul.2013.
非专利文献2：T.Fujii，T.Sato，K.Takeda，K.Hasebe，T.Kakitsuka，andS.Matsuo，“Epitaxial growth of InP to bury directly bonded thin active layeron SiO2/Si substrate for fabricating distributed feedback lasers on silicon”，IET Optoelectron.，vol.9，no.4，pp.151-157，Aug.2015.
非专利文献3：S.Tsuji，K.Mizuishi，Y.Nakayama，M.Shimaoka，and M.Hirao，“InGaAsP/InP Laser Diodes Mounted on Semi-Insulating SiC Ceramics”，Jpn.J.Appl.Phys.，vol.22，no.S1，p.239，Jan.1983.
非专利文献4：J.A.Alamo，T.Mizutani，“Rapid thermal annealing of InPusing GaAs and InP proximity caps”，Published by the American Institute ofPhysics”，J.Appl.Phys.，vol.62，pp.3456-3458，1987.
发明内容
发明所要解决的问题
为了半导体激光器的高输出化、直接调制的高速化，必须以高的注入电流使半导体激光器工作(高注入电流动作)，但由于焦耳热引起的发热，工作电流受到限制，因此要求具有高的热传导性的材料。此外，为了低阈值电流动作和直接调制效率的高效化，增大光限制是有效的，但在使用了以往能利用的InP、GaAs等化合物半导体材料的半导体光元件中，难以兼顾高的光限制和高的热传导。
而且，在集成了InP和Si等不同种类材料的器件中，由于不同种类材料间的热膨胀系数的差，在制造工序的升温处理中，也存在产生因材料间的热膨胀差而引起的热应力，而在半导体光元件内产生缺陷的问题。
本发明是为了解决这样的问题点而完成的，其目的在于：通过采用与半导体光元件的芯层邻接或隔着薄膜的绝缘膜形成的包层的热传导度比形成光元件活性层、芯层以及n型和p型半导体层的材料高，折射率比形成光元件活性层、芯层以及n型和p型半导体层的材料小，带隙比形成光元件活性层、芯层以及n型和p型半导体层的材料大，并且热膨胀系数与芯层相同程度的材料，实现高性能的光元件。
用于解决问题的方案
本发明的特征在于，为了实现这样的目的，具备以下这样的构成。
本发明的一个实施方式的半导体光元件包括：
第一芯层，包括活性区域，该活性区域包括化合物半导体；
第一包层和第二包层，夹持所述第一芯层，所述第一包层包括p型半导体，所述第二包层包括n型半导体；以及
第三包层，
所述半导体光元件的特征在于，
所述第三包层构成为包含热传导率比所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层中的任一个大，折射率比所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层中的任一个小，带隙比所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层中的任一个大的材料。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，所述第三包层由一种材料构成。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，构成所述第三包层的材料包含SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、C(金刚石)、AlN(氮化铝)、BN(氮化硼)中的至少一种。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，当将光的动作波长设为λ，将所述第一芯层的平均的折射率设为ncore，将所述第三包层的材料的折射率设为nclad时，所述第一芯层的厚度t满足
Figure BDA0002275495110000051
的关系。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，所述第三包层至少由不同的两种材料构成。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，构成所述第三包层的所述两种材料的一种是热传导率大的半导体，另一种是折射率小且带隙大的绝缘材料。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，所述绝缘材料的层的厚度被规定为将光限制在芯体但能得到散热效果的程度。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，在所述第三包层中插入第二芯层，所述第一芯层与所述第二芯层光学耦合。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，所述第一芯层被所述第一包层和所述第二包层夹着而沿所述第三包层的面配置，
针对所述第一芯层的注入电流的方向为沿所述第三包层的面大致平行的方向。
本发明的其他实施方式的半导体光元件的特征在于，所述第一芯层被所述第一包层和所述第二包层夹着而垂直于所述第三包层的面地配置，
针对所述第一芯层的注入电流的方向为垂直于所述第三包层的面的方向。
发明效果
根据以上所述的本发明的半导体光元件结构，能实现能够兼顾散热和光限制，高效地注入电流或施加电场的半导体光元件。此外，能实现能够耐高温处理的结构。
附图说明
图1是本发明的半导体光元件的概略的剖面图。
图2是表示本发明的实施例1的半导体光元件的结构的立体图。
图3是本发明的实施例1的剖面结构图。
图4是作为比较例而研究的半导体光元件的剖面结构图。
图5是本发明以及比较例的材料物质的热传导率和折射率的表。
图6是表示图4的比较例中的SiO2膜厚与光限制因子、实效折射率的关系的图。
图7是表示本发明的实施例1和比较例中的注入电流与温度上升的关系的图。
图8是表示本发明的实施例1中的注入电流与驰豫振荡数的关系的图。
图9是表示比较例中的注入电流与驰豫振荡数的关系的图。
图10是表示基于Mathews的临界膜厚模型的应变与临界膜厚的关系的图。
图11是本发明的实施例2的半导体光元件的剖面结构图。
图12是在本发明的实施例2中，将注入13mA的电流时的温度上升表示为SiO2膜厚的函数的图。
图13是在本发明的实施例2中，表示SiO2膜厚与光限制因子、实效折射率的关系的图。
图14是本发明的实施例3的半导体光元件的剖面结构图。
图15是作为比较例2而研究的半导体光元件的剖面结构图。
图16是在本发明的实施例3中，计算出导波模式的图。
图17是在比较例2中，计算出导波模式的图。
图18是本发明的实施例4的半导体光元件的剖面结构图。
图19是本发明的实施例5的半导体光元件的剖面结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是本发明的一个实施方式的半导体光元件的概略的剖面图。本发明的半导体光元件如图1那样，具有在光半导体层2埋入包括化合物半导体的半导体活性层(活性区域)1而成的芯层(第一芯层)。在夹着第一芯层的上部包层3或下部包层(第三包层，基板)4的至少一种材料中使用折射率比芯层材料小且热传导率比芯层材料高，并且带隙比芯层材料大的材料。此外，作为能在沿上部包层3或下部包层4大致平行的方向注入电流或施加电场的结构，设有与第一芯层接触并在左右夹持的p型半导体层(第一包层)5和n型半导体层(第二包层)6。
(实施例1)
图2是表示本发明的实施例1的半导体光元件的结构的立体图。本发明的实施例1是如图2那样隔着活性层1从包层5向包层6，沿基板面大致平行地注入电流的半导体激光器结构。
在图2中，活性层1例如作为量子阱(MQW)、势垒层(阻挡层)材料而由组分不同的InGaAlAs形成，通过在上下的光半导体层2(例如i-InP)中埋入该活性层1的结构形成有芯层(第一芯层)。隔着芯层形成有p型半导体层(p-InP，第一包层)5和n型半导体层(n-InP，第二包层)6，在它们之上设有接触层以及电极5a、6a，沿基板面大致平行地向活性层1注入驱动电流。
活性层1、光半导体层2、包层5、6例如能由InP、GaAs、AlAs、GaP、GaN以及它们的化合物的至少一种以上构成。
作为这些层的支承基板的下部包层4(第三包层，支承基板)的材料使用SiC来作为折射率比芯层的材料小且热传导率比芯层的材料高，并且带隙比芯层的材料大的材料。
作为下部包层4的材料，不限于SiC，也不限于一个种类，可以使用折射率比芯层、包层5、6中的任一个低，热传导率和带隙比芯层、包层5、6中的任一个大的材料。包层4除了SiC以外，例如还能由GaN(氮化镓)、C(金刚石)、AlN(氮化铝)、BN(氮化硼)等形成的单层或层叠结构构成。此外，上部包层3例如能由空气层形成，在图2以后不进行图示。
在该图2的实施例1中，形成多量子阱的活性层1的宽度为0.6μm，p型、n型半导体层5、6的厚度以及将活性层1与上下的光半导体层2合在一起的层(芯层)的厚度分别为0.301μm。该芯层的厚度是在芯层内传输的1.31μm的波长的光在芯层厚度方向成为单模的大致上限值。
在变更工作波长、使用的材料的情况下，关于芯层的厚度，具有用于使传输的光成为单模的条件。在该条件中，当将动作波长设为λ，将芯体的平均的折射率设为ncore，将在包层中用于散热和光限制的层的折射率设为nclad时，芯层的厚度t大致满足下述算式(1)的关系。
Figure BDA0002275495110000081
例如，在1.55μm频带使用的情况下，芯层的厚度t为0.364μm以下。
在该结构中，由InP以及InGaAlAs形成的活性层能通过晶体生长技术形成，SiC的包层能通过与活性层的基板接合技术等形成，但关于制作的方法并不限于此。此外，向基板水平方向的光限制是通过多量子阱与p-InP以及n-InP的折射率差和波导增益而实现的，但通过由二维光子晶体结构进行的光限制等也能实现，实现的方法不受限定。
图3是图2的本实施例1的剖面结构图。
此外，图4是为了与图3的实施例1进行比较而研究的比较例的剖面结构图。图4的比较例是在Si基板41和SiO2层42的双层结构上形成了与实施例1相同的活性层1、光半导体层2、p以及n型半导体的包层5、6的半导体光元件(激光器)。
Si的折射率比活性层、芯层的材料的平均折射率大，因此当以直接接触的形式形成活性层1和Si基板41时，无法将光限制在活性层内。因此，在该图4的比较例中，如非专利文献2所述，采用在活性层1与Si基板41之间形成了折射率低的SiO2层42的双层的基板结构。
在以下所述的实施例1和比较例的解析中，半导体激光器的工作波长为1.31μm。
此外，图5是在本发明以及比较例的计算中所使用的各种材料物质的热传导率和折射率的表。根据图5的表可知，SiC的热传导率比其他所有的材料大得多，此外，SiC的波长1.31μm的折射率比其他的作为芯体的化合物半导体材料小。因此可知，SiC作为能进行光限制且具有散热性的下部包层、基板是适当的值。此外虽然没有在图5的表中，但对于带隙而言，SiC也接近3eV，与此相对，InP、GaAs为2eV以下，SiC更大，还作为对载流子的势垒发挥作用。
图6是表示在将基板材料设为Si并在包层材料中使用了SiO2的图4的比较例的激光器元件中，在增加了SiO2膜厚(SiO2 Thickness，横轴)的情况下的向量子阱的光限制因子(Confinement Factor，左侧的纵轴)以及实效折射率(Effective Index，右侧的纵轴)的关系的图(曲线图)。由图6可知，若SiO2膜厚为0.3μm以上，则光限制因子以及实效折射率表示固定的值，但在比0.3μm小的值的情况下，光限制因子减少。该光限制因子的减少意味着在SiO2层42的膜厚比0.3μm薄的情况下，光向不适于光限制的Si基板41侧漏出。因此可知，为了在Si基板41上形成半导体激光器，至少需要0.3μm以上的SiO2层42的膜厚。其结果是，在图4的比较例中，难以确保充分的散热性。
图7是将图3的本实施例1(LD on SiC)与图4的比较例(LD on Si)进行对比，而表示注入电流(横轴，Injection Current)与温度上升(纵轴，Temperature)的关系的两条曲线的图。当假设将半导体激光器所允许的温度上升设为15℃时，可注入的电流在本实施例1的SiC基板4上形成的激光器的情况下为约59mA，与此相对，在比较例的Si基板41上形成的激光器的情况下为约13mA。可知若是相同的温度条件，则本实施例1与比较例相比，能注入4倍以上的高电流。
图8、图9是在本实施例1和比较例中表示作为半导体激光器的重要的特性之一的驰豫振荡频率(纵轴，Relaxation oscillation frequency)与注入电流的平方根(横轴，Injection Current sqrt)的关系的两个图。图8示出了图3的本实施例1的情况的曲线图，图9示出了图4的比较例的情况的曲线图。至在图7中评价的与产生允许的温度上升的注入电流对应的横轴的值为止的范围分别被标示出。如图8所示，在本实施例1的SiC基板4上形成的激光器的情况下，驰豫振荡频率达到约40GHz。与此相对，如图9所示，在比较例的Si基板41上形成的激光器的情况下，驰豫振荡频率保持在约20GHz。可知，本实施例1能进行比较例的2倍的高速动作。
在本实施例1中，在活性层1、光半导体层2的芯材料中使用InP以及InGaAlAs来设置由此形成的多量子阱结构(MQW)，但活性层的材料以及结构不限于此。活性层1、光半导体层2、包层5、6的材料如上所述，能由InP、GaAs、AlAs、GaP、GaN以及它们的化合物的至少一种以上构成。
(制造工序的热应力应变的评价)
对由于构成半导体光元件的不同种类材料间的热膨胀系数差，在制造工序的升温处理中产生热应力，在半导体光元件内产生缺陷的问题进行研究。
为了该研究，在图10示出了基于Mathews的临界膜厚模型的应变(横轴，Strain)与临界膜厚(纵轴，Critical layer thickness)的关系。
在本实施例1的结构中，包括活性层1的芯层的平均的热膨胀系数大致为与InP相同程度的4.6ppm/℃，构成下部包层以及基板的SiC基板4的热膨胀系数也为4.3ppm/℃(c轴垂直方向)，为大致相同程度。将制造处理中的温度上升设为dT，芯层厚度为301nm，因此参考图10，允许在半导体光元件中不产生位错、缺陷的应变量为614ppm左右，因此制造工序的升温允许温度范围dT约为2030℃。
作为在半导体制造处理中产生的温度上升，例如有离子注入后的缺陷恢复退火等。此时的温度例如根据非专利文献4，为850℃左右，因此在前述的允许温度范围内。
当允许温度范围为非专利文献4所示的850℃左右时，在作为基板以及包层材料而采用本实施例的InP、SiC以外的材料的组合的情况下，由热引起的应变必须在614ppm以下，因此其热膨胀系数差必须大致在0.72ppm/K以下。
另一方面，在图4的比较例的结构中，Si的热膨胀系数为2.6ppm/K，因此允许的温度上升dT最多为250℃左右，不适合于包括缺陷恢复退火的许多半导体制造处理。
这样，与比较例相比，本发明对于制造工序中的温度上升也更有利，可适用的制造处理的制约也变少。
(实施例2)
在图11所示的本发明的实施例2的结构中，在包括活性层1、光半导体层2以及p型、n型半导体包层5、6的上部结构与SiC基板4之间形成作为薄的绝缘膜的SiO2层111，采用包括SiC基板4和SiO2层111的双层结构的下部包层(第三包层)这一点上，与实施例1不同。SiO2层111这样的绝缘膜在某种基板接合方法中，为了抑制接合界面处的空隙产生而被认为是重要的。
图11所示的实施例2的该结构为下部包层(第三包层)由不同的两种材料构成的双层结构。构成第三包层的两种材料的一种为热传导率大的半导体(SiC为化合物半导体)，另一种为折射率小且带隙大的绝缘材料(SiO2)。
在本实施例2中，也将图4的结构作为比较例进行对比研究。
在图11所示的实施例2的结构中，绝缘材料(SiO2)层111对应于与图4的比较例的SiO2层42相同的位置，但下部包层4在本实施例2中是SiC而不是Si。因此，在本实施例2中，与比较例相比，不仅散热性更优异，而且由于SiC的折射率比Si低，因此在光限制这一点也是有利的。由此在本实施例2中，与光限制功能不得不仅依赖于SiO2层42的比较例相比，能使绝缘材料(SiO2)层111变薄，与之相应地，与比较例相比，能提高散热性。
例如与对于图4的比较例在图7所示的内容同样地，图12是表示在实施例2中将13mA的电流注入时的温度上升设为SiO2层111的膜厚的函数的图。
如图7所示，在注入电流13mA时的Si基板41上制作出的比较例的温度上升为约15度。因此，根据图12，在本实施例2中，若将SiO2层111的膜厚设为400nm(0.4μm)以下，则温度上升能在15度以下，与之相应地，具有注入电流能大于13mA的效果。
此外，如图13所示，在本实施例2中，当将光限制因子、实效折射率设为SiO2膜厚的函数来进行计算时，在约0.2μm(＝200nm)以上时，这些值几乎不变化。这是因为，若SiO2的膜厚为0.2μm以下，则其下面的SiC基板4具有作为有助于光限制的包层材料的效果。如以上那样，期望在实施例2中作为绝缘层的SiO2层111的膜厚被规定为将光限制在芯体但能得到散热效果的程度(0.4μm以下，期望0.2μm以下)。
(实施例3)
图14是本发明的实施例3的半导体光元件的剖面结构图。图15是作为相对于实施例3的比较例2而示出的以往使用的半导体光元件的剖面结构图。
如图14所示，在本实施例3的结构中，作为第一特征点，在其上部结构中，具有形成为在基板厚度方向上下地夹持作为第一芯层的多量子阱活性层1和光半导体层2的p型半导体层5(第一包层)以及n型半导体层6(第二包层)。
而且，在本实施例3中，作为第二特征点，其下层的第三包层与实施例2(图11)同样地，由包括作为绝缘层的SiO2层111和SiC基板4的双层结构构成，所述SiC基板4包括包层以及支承基板，在第三包层中(双层结构的层间)具有Si肋波导141作为光波导芯层(第二芯层)。
根据图14的本实施例3的第一特征点的结构，能使针对包括多量子阱活性层1的第一芯层的注入电流的方向设为与所述第三包层的面大致垂直的方向。
此外，根据本实施例3的第二特征点的结构，除了作为第一芯层的多量子阱活性层1以外，还能在下部包层(第三包层)中设置作为第二芯层(光波导芯层)的Si肋波导141，能使第一芯层与第二芯层光学耦合。
通过这样的光学耦合，能针对穿过第二芯层(光波导芯层)的光，设为具有光放大、光调制等功能的半导体光元件。
为了实现第一芯层与第二芯层光学耦合的第二特征点，不一定需要具备第一芯层和第一包层、第二包层在与第三包层的面大致垂直的方向层叠而配置的第一特征点。即，即使在第三包层中设置第二芯层的情况下，也可以是如实施例1、2或者后述的实施例4那样，第一芯层在基板面内的方向由所述第一包层和所述第二包层夹着，并沿所述第三包层的面配置。在该情况下，针对第一芯层的注入电流的方向为沿第三包层的面大致平行的方向。
在图15所示的比较例2的结构中，在Si肋波导141的下部使用SiO2包层42，作为支承基板而使用Si层41。在图14的本实施例3中，除了实施例2所述的优点以外，成为散热的障碍的SiO2层与比较例2相比少一层这一点也是有利的。
图16是在图14的实施例3的结构中，计算出针对工作波长1.31μm的光的导波模式，并且表示出元件剖面中的光强度的图。根据图16，在Si肋波导芯层141中整体的72％的光被限制。此时，能确认导波模式的一部分的光强度渗出至SiC层4，SiC层4作为包层发挥功能。
图17是同样地计算图15所示的比较例2的导波模式，并表示出元件剖面中的光强度的图。可知在比较例2中，也具有与本发明相同的导波模式(向芯层的光限制：63％，数值的不同是由于芯层上下的折射率的对称性等)。因此，图14的本发明的实施例3的半导体光元件的结构，与由以图15的SiO2层42为代表的热传导率差的绝缘膜形成包层的比较例2的情况相比，可以说是能够进行毫不逊色的光限制。这是因为，在实施例3中，在第三包层中插入的第二芯层与第一芯层光学耦合。
此外，为了对散热性也进行验证，对在图14的实施例3以及图15的比较例2的剖面结构中，在p-InP层5配置了50mW/μm2的热源的情况进行了研究。于是可知，相对于在以往的比较例2的结构中产生约16℃的温度上升，在本发明的实施例3的结构中温度上升降低至约9℃。关于散热性，也显示出本实施例3优于比较例2。
(实施例4)
在图18中，示出了本发明的实施例4的剖面结构图。本实施例4与实施例3同样地，在第三包层中具有与第一芯层光学耦合的第二芯层，但针对第一芯层的注入电流的方向为与第三包层的面大致平行的方向这一点与实施例3不同。
图18的实施例4具有：作为第一芯层的多量子阱活性层1、i-InP层2、形成为左右地夹持第一芯层的p型半导体层5(第一包层)以及n型半导体层6(第二包层)。在下层的第三包层中隔着作为绝缘层的SiO2层111而具有光波导芯层141(第二芯层)，构成Si肋波导。
基于本发明，在本实施例4中，也在光波导芯层的下部采用SiC基板4作为包层以及支承基板(第三包层)的一部分。
在实施例4中，与实施例3同样地，第一芯层与第二芯层光学耦合，导波模式的一部分在第二芯层中传输。当使用与实施例3相同的第一芯层、第二芯层以及绝缘层111时，光的限制因子为大致相同的值。关于散热性也是同样。
实施例4与实施例3的不同点之一在于：对于作为第一芯层的多量子阱活性层1而言，电流的注入方向变更向平行于第三包层的基板面的方向。电流的注入方向不会特别地影响实现本发明。
接触层以及电极5a、6a不与第一芯层接触，在第一包层5、第二包层6上远离芯体而形成。这是为了抑制在第一芯层中传输的光的吸收，形成低损失的半导体光元件。不过，接触层以及电极的位置、形状并不限定于图示的结构。
(实施例5)
在图19中，示出了本发明的实施例5的剖面结构图。在本实施例5中，针对第一芯层的注入电流的方向与图14的实施例3同样地为与基板面大致垂直的方向，但第三包层是与图11的实施例2相同的双层结构，是没有第二芯体的结构。
图19的实施例5在上部结构中具有形成为上下地夹持作为第一芯层的多量子阱活性层1、光半导体层层2的p型半导体层5(第一包层)以及n型半导体层6(第二包层)。下层的第三包层是隔着作为绝缘层的SiO2层111采用SiC基板4作为包层以及支承基板的双层结构。
实施例5与实施例2的不同点之一在于：针对作为第一芯层的多量子阱活性层1的电流的注入方向变更向与基板面垂直的方向。电流的注入方向不会特别地影响实现本发明。
在实施例5中，当使用与实施例2相同的第一芯层以及绝缘层111时，光的限制因子为大致相同的值。对于散热性也是同样。
接触层以及电极5a、6a不在第一芯层1、2的正上方、正下方，而在基板面内的方向上向图的左右错开而配置，在第一包层5、第二包层6上，形成于远离芯层的位置。这是为了抑制在第一芯层中传输的光的吸收，形成低损失的半导体光元件。不过，接触层以及电极的位置、形状并不限定于图示的结构。
在本实施例5中，作为特征的结构，在相当于第一包层5的接触层以及电极5a的部分的下层配置有支承结构层7。该支承结构层7能由SiO2等绝缘材料、Fe掺杂InP等高电阻半导体或i-InP等半导体中的任一种构成。支承结构层7能形成为上表面的高度与活性层1、光半导体层2一致，使第一包层5上的接触层以及电极5a远离芯层而配置。
产业上的可利用性
如以上那样，在本发明的半导体光元件中，能实现一种半导体光元件，该半导体光元件能兼顾高的光限制和高的热传导，在制造工序中也能有利地、能高效地注入电流或施加电场。
附图标记说明：
1 半导体活性层(活性区域)；
2 光半导体层(i-InP层)；
3 上部包层；
4 下部包层(第三包层、SiC基板)；
5 p型半导体层(第一包层)；
6 n型半导体层(第二包层)；
5a、6a 接触层以及电极；
7 支承结构层；
41 Si层(基板)；
42、111 SiO2层；
141 Si肋波导(光波导芯层)。

Claims (9)

1.一种半导体光元件，包括：
第一芯层，包括活性区域，该活性区域包括化合物半导体；
第一包层和第二包层，夹持所述第一芯层，所述第一包层包括p型半导体，所述第二包层包括n型半导体；以及
第三包层，设于所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层的下部，
所述半导体光元件的特征在于，
所述第三包层构成为包含热传导率比所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层中的任一个大，折射率比所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层中的任一个小，带隙比所述第一芯层、所述第一包层以及所述第二包层中的任一个大的材料，
当将光的动作波长设为λ，将所述第一芯层的平均的折射率设为ncore，将所述第三包层的材料的折射率设为nclad时，所述第一芯层的厚度t满足
Figure FDA0002810895620000011
的关系。
2.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述第三包层由一种材料构成。
3.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
构成所述第三包层的材料包含碳化硅SiC、氮化镓GaN、金刚石C、氮化铝AlN、氮化硼BN中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述第三包层由不同的两种材料构成。
5.根据权利要求4所述的半导体光元件，其特征在于，
构成所述第三包层的所述两种材料的一种为热传导率大的半导体，另一种为折射率小且带隙大的绝缘材料。
6.根据权利要求5所述的半导体光元件，其特征在于，
所述绝缘材料的层的厚度被规定为将光限制在芯体但能得到散热效果的程度。
7.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
在所述第三包层中插入第二芯层，所述第一芯层与所述第二芯层光学耦合。
8.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述第一包层、所述第一芯层、所述第二包层沿所述第三包层的面配置，
针对所述第一芯层的注入电流的方向为沿所述第三包层的面大致平行的方向。
9.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述第一包层、所述第一芯层、所述第二包层垂直于所述第三包层的面地配置，
针对所述第一芯层的注入电流的方向为垂直于所述第三包层的面的方向。
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