JP2003078212A - 埋込型半導体光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｚnが活性層及びＦeドープＩnＰ埋込層に拡
散しないような構造の埋込型半導体光素子を提供するこ
とにある。 【解決手段】 半導体基板１上に、少なくとも第１の導
電型のクラッド層２、活性層あるいは光吸収層４からな
る活性領域、第２の導電性を有するクラッド層６からな
る積層体がメサストライプ状に加工されており、該積層
体の両側をＦeドープＩnＰ層１０で埋め込まれた埋込型
半導体光素子において、該ＦeドープＩnＰ層１０と該積
層体との間に、ルテニウムを添加した層９を設けること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、活性領域の両側を
半絶縁性結晶で埋め込んだ埋込型半導体光素子に関すも
のである。特に、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋込
層との間に拡散防止層を挿入した構造の埋込型半導体光
素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】半絶縁層を埋込層とする高抵抗埋込構造
を半導体レーザや半導体光変調器などの半導体光素子に
用いると、ｐｎ埋込構造を用いた場合より、素子容量が
小さく、より高速変調が可能となることから、大容量光
伝送システムに不可欠となっている。 【０００３】高抵抗埋込層には、従来、鉄（Ｆe）をド
ーピングした半導体結晶が用いられているが、ドーパン
トの鉄（Ｆe）と素子のｐ型クラッド層とｐ型コンタク
ト層のドーパントである亜鉛（Ｚn）が埋込界面で相互
拡散する問題があった。その結果、亜鉛が埋込層に拡散
し素子特性の劣化、特に変調特性劣化の要因となってい
た。また、相互拡散により格子間位置にはじき出された
Ｚnは埋込層だけでなく界面を接する活性層にも拡散
し、活性層の発光効率低下を招く問題もあった。 【０００４】この様な問題を解決するため、特開平９−
２１４０４５号公報には、図５に示すように、バッファ
層２２、活性層２３、クラッド層２４及びコンタクト層
２５よりなるメサストライプとＦeドープＩnＰ埋込層２
７との間に、Ｆe拡散防止層２６を挿入する技術が開示
されている。Ｆe拡散防止層２６の具体例としては、ｎ
型ＩnＰ層や空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上
のＦeドープＩnＰ層が開示されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｆe拡
散防止層２６として空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ
^{- 3}以上のＦeドープＩnＰ層を成長するためには、通常の
ＦeドープＩnＰ層の成長温度（５５０〜６４０℃）より
も高い温度（６６０℃）で成長する必要があるため、成
長中にメサストライプ側面が熱変成を起こす。また、Ｆ
e拡散防止層２６としてｎ−ＩnＰ層を挿入すれば、確か
にＦeの拡散を防ぐことは出来るが、ｎ−ＩnＰ層は相対
的に抵抗が低いので、メサ側壁にリークパスが出来る。 【０００６】最近、Ｒuをドーピングした半絶縁性半導
体結晶ではＺnとほとんど相互拡散を起こさないことが
見いだされ、図６に示すように、Ｒuをドーパントとし
た高抵抗埋込層を用いた半導体レーザ作製の報告がなさ
れた("A.Dadger et.al, Applied Physics Letters 73,
N0.26 pp3878-3880 (1998)" "A.van Geelen et. al, 11
th International Conference on Indium Phosphide an
d Related materials TuB 1-2 (1999)")。 【０００７】本発明の目的は、Ｚnが活性層及びＦeドー
プＩnＰ埋込層に拡散しないような構造の埋込型半導体
光素子を提供することにある。特に、メサストライプと
ＦeドープＩnＰ埋込層との間に拡散防止層を挿入した構
造の埋込型半導体光素子において、拡散防止層の材料を
改良し、埋込成長中のメサストライプ側壁の熱変成を防
止し、またメサストライプ側壁のリークパスをなくす構
造の埋込型半導体光素子を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の埋込型半導体光素子は、半導体基板上に、少なくと
も第１の導電型のクラッド層、活性層或いは光吸収層か
らなる活性領域、第２の導電性を有するクラッド層から
なる積層体がメサストライプ状に加工されており、該積
層体の両側がＦeドープＩnＰ層で埋め込まれた埋込型半
導体光素子において、該ＦeドープＩnＰ層と該積層体と
の間に、ルテニウムを添加した層を設けることを特徴と
する。 【０００９】〔作用〕本発明の埋込型半導体光素子で
は、メサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にルテニ
ウム（元素記号：Ｒu）を添加した層を挿入しているた
め、ＦeドープＩnＰ層からメサストライプヘＦeなどの
半絶縁性不純物が拡散することはない。そのため、Ｆe
ドープＩnＰ層の抵抗率の低下することや、メサストラ
イプを構成する層に添加されているＺnなどの不純物が
ＦeドープＩnＰ層や活性層に拡散することもない。これ
は、Ｒuはｐ形不純物との相互拡散を起こさないからで
ある。 【００１０】Ｒuを添加したＩnＰやＩnＡlＡs等の化合
物半導体及びその混晶は半絶縁性である。従って、メサ
ストライプとＦeドープＩnＰ埋込層との間にリークパス
が生じることはない。Ｒuを添加した化合物半導体層の
成長温度は、ＦeドープＩnＰの成長温度と同じかそれよ
りも低い。従って、埋込成長中のメサ側壁の熱変成は抑
制される。 【００１１】特開平９−２１４０４５号公報に開示され
ている半導体レーザでは、メサストライプとＦeドープ
ＩnＰ埋込層との間に、ｎ型ＩnＰ層或いは空格子点濃度
が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のＦeドープＩnＰ層からな
るＦe拡散防止層を挿入しているが、本発明の埋込型半
導体光素子ではルテニウムを添加した層を挿入している
点が異なる。そのため、本発明のルテニウムを添加した
層は拡散防止と同時に電流ブロック層としても十分働
く。従って、メサストライプ側壁にリークパスを生じな
い。 【００１２】Ｒuを添加した層が拡散防止と同時に電流
ブロック層としても機能する点が、作用効果の点で従来
例と異なる点である。特開平９−２１４０４５号公報に
は拡散を防ぐ効果しか開示していない。例え、Ｆe拡散
防止層として空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上
のＦeドープＩnＰ層を用いることが開示されているとし
ても、このＦeドープＩnＰ層が電流ブロック層となるほ
ど十分な高抵抗を示すとは述べていない。ましてや、空
格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上であっては、欠
陥密度が高すぎて十分な高抵抗になるとは考えられな
い。 【００１３】 【発明の実施の形態】以下、実施例を用いて説明する。
本発明の一実施例に係る埋込型半導体光素子を図１に示
す。本実施例は、ＭＱＷを光吸収層にした電界吸収型光
変調器（ＥＡ変調器という）である。 【００１４】面方位（１００）のｎ型ＩnＰ基板１上
に、層厚０．２μｍのＳeドープｎ型ＩnＰクラッド層
２、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩ
nＧaＡsＰガイド層３、層厚０．１５μｍの吸収端波長
１．５０μｍのノンドープＩnＧaＡlＡs／ＩnＡlＡs歪
ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層４、層厚４０ｎｍの発
光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
５、層厚１．５μｍのＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層
６、層厚０．３μｍのＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層
７の順に積層されている。 【００１５】ここで、光吸収層４以外の化合物半導体層
は特に断らない限り、ＩnＰ基板１に格子整合する組成
である。この積層されたものは、幅２μｍで高さ３μｍ
程度のメサストライプに加工され、更に、メサストライ
プの両側が、Ｒuを添加したＩnＰ層９とＦeを添加した
ＩnＰ層１０で埋め込まれている。メサストライプとＦe
ドープＩnＰ層１０との間に、拡散防止層としてＲuドー
プＩnＰ層９が挿入されている点が、従来例と異なる。 【００１６】このＲuドープＩnＰ層９の厚さは、０．０
５μｍから０．５μｍ程度であり、望ましくは０．１μ
ｍである。また、Ｒu添加量はＲuドープＩnＰが十分半
絶縁性になる量が望ましい。更に、拡散防止層はＲuド
ープＩnＰに限られるわけではなく、ＲuをドープしたＩ
nＧaＡlＡs，ＩnＡlＡs，ＩnＧaＡsＰなどの基板に格子
整合する組成を持つ化合物半導体混晶でも同様の効果を
奏する。 【００１７】次に具体的な効果について説明する。本発
明の効果を確認にするために、埋込構造を変えた比較例
１，２と本発明を比較した。比較例１は、メサストライ
プをポリイミドだけで埋め込んだもの、比較例２はメサ
ストライプをＦeドープＩnＰ層だけで埋め込んだもので
ある。本発明と比較例１，２の電界吸収型変調器のフォ
トカレントスペクトルを図２に示す。図２（ａ），
（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、比較例１、比較例２及び本
発明の場合である。パラメータは素子に印加した電圧で
ある。入射光はＴＭモードである。 【００１８】比較例１の場合には、図２（ａ）に示すよ
うに、明瞭な励起子吸収が見られる。そして、印加電圧
の増加に伴い吸収端が長波長側にシフトしている。これ
は、ほぼ理想的な量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳ
Ｅ）である。 【００１９】比較例２の場合には、図２（ｂ）に示すよ
うに、明瞭な励起子吸収が見られず、印加電圧の増加に
伴う吸収端のシフトも見られない。ただ、長波長側の吸
収が相対的に増加しているだけである。これは、Ｆeド
ープＩnＰ層からメサストライプヘＦeが拡散したため
に、素子特性が劣化したことを示している。つまり、ｐ
型ＩnＰクラッド層に拡散したＦeがＺnを格子間位置に
叩き出し、その格子間位置のＺnが光吸収層に拡散して
素子特性を劣化させたものである。 【００２０】本発明の場合には、励起子吸収は明瞭でな
いものの、図２（ｃ）に示すように、印加電圧の増加に
伴う吸収端のシフトが明瞭に示されている。この様に、
比較例２の場合と異なり素子劣化が生じなかった原因
は、メサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にＲuド
ープＩnＰ層を挿入しているため、ＦeドープＩnＰ層か
らメサストライプヘのＦeの拡散が防止されたからであ
る。 【００２１】次に、電界吸収型変調器の素子容量を比較
した。本発明と２つの比較例１，２におけるメサストラ
イプの幅と高さ及び素子長が同じもの同士を比較した。
比較例１の場合は５ｐＦであり、比較例２の場合は１０
ｐＦであった。比較例２において素子容量が増加した原
因は、メサストライプを構成するｐ型ＩnＰクラッド及
びｐ型ＩnＧaＡsコンタクト層がＦeドープＩnＰ層と接
触しているため、ＺnとＦeの相互拡散によりＺnがＦeド
ープＩnＰ層に拡散したためである。 【００２２】つまり、Ｚnが拡散することによってＦeド
ープＩnＰ層がｐ型に変化し、素子容量が増加した。し
かし、比較例１の場合にはＺn拡散が起こらないので素
子容量は低いままである。一方、本発明の電界吸収型変
調器の素子容量は６ｐＦであり、比較例１とほぼ同じで
ある。従って、ＦeドープＩnＰ層へのＺnの拡散は起こ
っていないことが判る。つまり、メサストライプとＦe
ドープＩnＰ層との間にＲuドープＩnＰ層を挿入してい
るため、ＦeドープＩnＰ層へのＺnの拡散が防止された
からである。 【００２３】本発明による電界吸収型変調器における印
加電圧と透過光強度との関係を図３に示す。入射光がＴ
ＥモードとＴＭモードの場合の両方を示した。入射光の
波長は１．５５μｍである。印加電圧がゼロの場合に
は、透過光強度はＴＥモードとＴＭモードに対して各々
６．６ｄＢと７．３ｄＢである。印加電界の増加に伴い
２つのモードに対する透過光強度は同じように減少し、
モードによる透過光強度の差は１ｄＢ以内である。 【００２４】本実施例に係る電界吸収型変調器の製造方
法を図４に示す。先ず、図４（ａ）に示すように面方位
（１００）のｎ型ＩnＰ基板１上に、層厚０．２μｍの
Ｓeドープｎ型ＩnＰクラッド層２、層厚４０ｎｍの発光
波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層３、
層厚０．１５μｍの吸収端波長１．５０μｍのノンドー
プＩnＧaＡlＡs／ＩnＡlＡs歪ＭＱＷ（多重量子井戸）
活性層４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンド
ープＩnＧaＡsＰガイド層５、層厚１．５μｍのＺnドー
プｐ型ＩnＰクラッド層６、層厚０．３μｍのＺnドープ
ＩnＧaＡsコンタクト層７の順に積層した。ここで、活
性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、ＩnＰ基
板に格子整合する組成である。 【００２５】次に図４（ｂ）に示すように、ＳiＯ₂８を
マスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によ
り、幅２μｍで高さ３μｍ程度のメサストライプを形成
した。引き続き、図４（ｃ）に示すように、メサストラ
イプを形成した基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、Ｒuを
添加したＩnＰ層９とＦeを添加したＩnＰ層１０（層厚
３μｍ）を成長させた。Ｒuを添加したＩnＰ層９の成長
ではＲuの原料としてビスジメチルペンタディエニルル
テニウムbis(η 5-2,4-dimethylpentadienyl)ruthenium
（II）を用いた。成長温度は５８０℃から６４０℃の間
であり、典型的には６００℃である。層厚は成長時間で
制御した。 【００２６】Ｆeを添加したＩnＰ層１０の成長には、Ｆ
eの原料として公知のフェロセン（Ｃp₂Ｆe）を用いて行
った。成長温度はＲuドープＩnＰの成長温度と同じ温度
である。この後、図１に示すように、ＳiＯ₂マスクを除
去し、メサの直上以外の表面にＳiＯ₂保護膜１１を形成
した後、ｐ型電極１２を形成し、更に基板側にｎ型電極
１３を形成した。 【００２７】このように説明したように本発明は、Ｆe
ドープＩnＰ埋め込み型半導体光素子の高性能化を実現
するもので、ＦeドープＩnＰ層とメサストライプの間に
ルテニウム（Ｒu）を添加した層を配する点が特徴であ
る。これによりメサストライプを構成するｐ型層に添加
されているＺn等の不純物がＦeドープＩnＰ層や活性層
に拡散するのを防止すると同時にメサストライプとＦe
ドープＩnＰ層との間の電流リークを抑制することが可
能となる。 【００２８】 【発明の効果】以上、実施例に基づいて詳細に説明した
ように、本発明によれば、メサストライプとＦeドープ
ＩnＰ層との間にＦe拡散防止層としてルテニウムを添加
した層を挿入しているため、ＦeドープＩnＰ層からメサ
ストライプヘＦeなどの半絶縁性不純物が拡散すること
はない。そのため、ＦeドープＩnＰ層の抵抗率の低下す
ることや、メサストライプを構成する層に添加されてい
るＺnなどの不純物がＦeドープＩnＰ層や活性層に拡散
することもない。Ｒuを添加した層は、半絶縁性結晶と
なるためメサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にリ
ークパスが形成されることはない。また、Ｒu添加層の
成長温度はＦeドープＩnＰ層の成長温度と同じかそれよ
りも低くすることが出来るので、埋め込み成長中にメサ
ストライプの側壁の熱変成を招くことがない。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例に係る電界吸収型変調器の構
造を示す断面斜視図である。 【図２】本発明と比較例の電界吸収型変調器のフォトカ
レントスペクトルを示すグラフである。 【図３】本発明による電界吸収型変調器における印加電
圧と透過光強度との関係を示すグラフである。 【図４】本発明の電界吸収型変調器の製造方法を示す工
程図である。 【図５】従来例１の説明図である（特開平９−２１４０
４５号公報）。 【図６】従来例２の説明図である（van Geelen et. al,
(1999)）。 【符号の説明】 １ ｎ型ＩnＰ基板 ２ Ｓeドープｎ型ＩnＰクラッド層 ３ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層 ４ ノンドープＩnＧaＡlＡs／ＩnＡlＡs歪ＭＱＷ（多
重量子井戸）光吸収層 ５ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層 ６ Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層 ７ ＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層 ８ ＳiＯ₂マスク ９ Ｒuを添加したＩnＰ層 １０ Ｆeを添加したＩnＰ層 １１ ＳiＯ₂保護膜 １２ ｐ型電極 １３ ｎ型電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 康洋 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 近藤 進 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA22 AA74 BA01 CA17 CB12 DA25 EA15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 半導体基板上に、少なくとも第１の導電
   型のクラッド層、活性層或いは光吸収層からなる活性領
   域、第２の導電性を有するクラッド層からなる積層体が
   メサストライプ状に加工されており、該積層体の両側が
   ＦeドープＩnＰ層で埋め込まれた埋込型半導体光素子に
   おいて、該ＦeドープＩnＰ層と該積層体との間に、ルテ
   ニウムを添加した層を設けることを特徴とする埋込型半
   導体光素子。