JP2010062400A - 光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層の平坦性を高くすると共に、表面酸化しないクラッド層を備えた光半導体素子とする。
【解決手段】ＧａＡｓ基板１０２上に、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２１と、格子緩和したＩｎＧａＡｓ１２２を形成して擬似的なＩｎＧａＡｓ基板する。この基板上に、量子井戸層１３１を下クラッド層１１１と上クラッド層１１３で挟んだ半導体構造を構成する。このとき、下クラッド層１１１をＩｎＡｌＧａＡｓとして活性層の平坦性を高くし、上クラッド層１１３をＩｎＧａＰとして表面酸化（劣化）せず信頼性を向上した。
【選択図】図１

Description

本発明は光半導体素子の高性能化を可能にするため、半導体基板に対して格子定数が異なる半導体を配置した構造を用いた光半導体素子に関するものである。

光源波長として１．３μｍ〜１．５５μｍを用いた光ファイバ通信は、従来、バンドギャップ、格子定数の関係上作製しやすいＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ系のレーザが用いられてきた。

通常、発振特性の改善のために活性層に歪量井戸構造を採用している。一般的に歪量を増大させれば、微分利得の向上によりレーザ特性が改善することが知られているが、大きすぎる歪は結晶性の劣化を招くので、その構成材料としてはＩｎＰ基板との格子定数差を考慮して、井戸層には１％前後の圧縮歪となるＩｎＧａＡｓＰを用い、障壁層にはＩｎＰ基板と格子整合した組成となるＩｎＧａＡｓＰを用いることが一般的である。

このような従来のＩｎＰ基板上レーザでは伝導帯側の量子井戸と障壁層間のバンド不連続が小さいために高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光学利得の低下が生じ、しきい値電流の増加、効率の低下を引き起こす。そのため、しきい値電流の温度依存性を示す特性温度は５０Ｋ程度と低く、温度調整器の使用が不可欠であった。

また同じＩｎＰ基板上において、ＩｎＧａＡｓＰ系より大きなバンド不連続を持つといわれるＩｎＡｌＧａＡｓ系レーザも開発され、ＩｎＧａＡｓＰを用いたレーザと比較して温度特性は改善されているが、ＧａＡｓ基板上の短波長のＩｎＧａＡｓレーザに比べるとその特性はまだ劣っている。さらにＡｌを含んだ材料固有の酸化による信頼性劣化が懸念される。

ＧａＡｓ基板上では比較的短波長の０．７８μｍ、０．８５μｍ、０．９８μｍ、１．０６μｍ帯レーザが実用化されており、特性温度１５０Ｋを超える優れた温度特性を示している。これは伝導帯側の大きなバンドオフセットによるものである。

上記の０．９８μｍや、１．０６μｍ帯レーザで用いられているＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造によって１．３μｍでの発光を得るためにはＩｎ組成を５０％程度に高める必要がある。しかしながら、Ｉｎ組成の増加とともにＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり３次元成長やミスフィット転位が生じるため、１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸の形成は困難である。

この格子定数とバンド構造の問題を改善する手段としてＧａＡｓより格子定数が大きくなるＩｎＧａＡｓ３元基板上レーザが提案された。(K.Otsubo, et. al., IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.)

しかしながらＩｎＧａＡｓ３元基板は基板作製時にＩｎとＧａの物性定数差から組成ゆらぎや欠陥が入りやすく、更に大面積化が難しいために、大量生産が困難という問題があった。また基板そのものが３元混晶であるために、２元のＧａＡｓやＩｎＰに比べると熱伝導率が低いため、半導体レーザや、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）やヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子デバイスなどにおいて、素子内部で発生した熱の放熱が悪く、素子温度を上昇させる問題があった。

またＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓのバッファ層を成長し、擬似的にＩｎＧａＡｓ３元基板を作製する試みもなされてきた。ＧａＡｓ基板上に格子定数が異なる
ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓなどを厚く結晶成長すると、結晶の歪により一部分にミスフィット転位が生じ、その転位の上下で歪が減る方向に格子定数が変化する。これを格子緩和と呼んでいる。これをバッファ層内のみで意図的に生じさせ、バッファ層の上ではＧａＡｓとは格子定数が異なる擬似的なＩｎＧａＡｓ基板を作製する。

しかしながらこの方法ではミスフィット転位や貫通転位を完全にバッファ層中に留めることが困難で、その上に形成した半導体レーザやＨＥＭＴなどの電子デバイスまで到達し、しきい値電流の上昇や漏れ電流の増加、信頼性の低下など特性を劣化させていた。

K.Otsubo, et. al., IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073-1075, 1998.

この発明はＧａＡｓなどの基板上に格子緩和を目的としたバッファ層を結晶成長し、その上に半導体レーザ構造のためのクラッド層や活性層を結晶成長する際に問題となる表面のラフネスを解決するものである。

ＧａＡｓ基板上に格子緩和を意図的に生じさせるバッファ層を成長する際に、この格子緩和は面内で均一に生じさせることが困難である。そのためバッファ層上でも局所的に残留歪が生じたり、結晶方位の部分的な傾きが生じてしまう。この上に、従来のＩｎＧａＡｓ基板上半導体レーザのクラッド層として用いられるＩｎＧａＰ層を結晶成長すると、下地となる層の局所的な歪や部分的な結晶方位の傾きにより、表面の組成や成長速度が影響を受け、凹凸が生じたり、新たな貫通転位を生じ、その上に形成した半導体レーザのクラッド層の平坦性を損なわせ、導波する光の散乱損失を生じ、レーザ特性の悪化をもたらしていた。

本発明ではこれらの問題を解決するために、基板上に適当なバッファ層を導入し、その上のクラッド層の材料を最適化することで、高品質な光半導体素子を実現することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、表面の格子定数が０．５６７ｎｍから０．５７８ｎｍである半導体基板と、
前記半導体基板上に、量子井戸構造からなる活性層を、該活性層の屈折率より低い屈折率を持つクラッド層で挟んだ半導体構造を有する光半導体素子において、
基板側のクラッド層をＩｎＡｌＧａＡｓ層により形成し、基板と反対側のクラッド層をＩｎＧａＰ層により形成したことを特徴とする。

また本発明の構成は、前記二つのクラッド層は、その格子定数が等しくなるような組成であることを特徴としたり、
前記二つのクラッド層は、その屈折率が等しくなるような組成であることを特徴とする。

また本発明の構成は、前記半導体基板が、ＧａＡｓ基板と、該ＧａＡｓ基板上に成長したバッファ層と、該バッファ層上に成長したＧａＡｓより格子定数が大きく格子緩和した半導体層で構成されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、前記半導体層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであり、前記バッファ層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであり、前記バッファ層の格子定数が前記半導体層の格子定数よりも大きいことを特徴とする。

また本発明の構成は、前記光半導体素子において、量子井戸構造からなる前記活性層の利得を持つ波長が１．１〜１．４μｍであることを特徴とする。

また本発明の構成は、前記光半導体素子において、前記半導体基板と反対側の前記クラッド層を埋め込む埋め込み構造を構成する電流ブロック層として、Ｒｕドープ半絶縁性半導体結晶を用いたことを特徴とする。

上記課題を解決するため、数多くの実験的検討を行った結果、本発明者らは、有機金属気相成長法を用いてＧａＡｓ基板上にバッファ層及び格子緩和させたＩｎＧａＡｓ層を成長した後、この上にクラッド層として用いるＩｎＡｌＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層を成長したところ、ＩｎＡｌＧａＡｓ層の方が表面の平坦性が高く良質な結晶性が得られることを見出し、この知見に基づいて本発明に至ったものである。

例えばＧａＡｓ基板上にＳｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上に厚さ１６００ｎｍのＳｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層はＩｎ組成０．１２の組成で一定としている。この上にＳｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層を３００ｎｍ成長する。これらのＩｎＧａＡｓ層の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ族とIII族のモル比率（Ｖ／III比）は２０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。バッファ上に成長したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層はほぼ格子緩和されており、擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。

ここではＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層と同じ格子定数をもつＩｎＧａＰとＩｎＡｌＧａＡｓ層を同じ膜厚成長し、その表面状態を評価した。このときのＩｎＧａＰのＩｎ組成は０．５８であり、さらにこのＩｎＧａＰと同じ屈折率をもつときのＩｎＡｌＧａＡｓの組成はＩｎ：０．０９、Ａｌ：０．６１、Ｇａ：０．３である。このＩｎＧａＰとＩｎＡｌＧａＡｓをそれぞれ１．５μｍの厚さをバッファ層上に成長した。

原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により、表面の粗さを測定した。測定範囲は２５ミクロン角の領域とした。Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層は表面ラフネスを示す指標となるＲＭＳ値１７．６ｎｍであったのに対し、Ｉｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓ層はＲＭＳ値１．４ｎｍであった。このことから、活性層に影響を与える活性層下部のクラッド層にはＩｎＡｌＧａＡｓ層の導入が有効であることを確認した。

これはＩｎＧａＰ層は格子緩和させたバッファ層の残留歪や結晶方位の部分的な傾き影響に敏感で、表面のラフネスが生じたり、界面から上部の層への貫通転位が生じてしまい、一方ＩｎＡｌＧａＡｓ層ではそれらの影響に鈍感であり、平坦性が高い結晶が得られると考えられる。

しかしながら、通常の半導体レーザでは、活性層の上のクラッド層をエッチングして、幅の狭い導波路のリッジ構造とし、横モードの制御を行なう。そのため、活性層より上部のクラッド層は剥き出しとなるため、酸化に弱いＡｌを含んだＩｎＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体を用いることは信頼性の観点から困難とされている。また、リッジの横を半導体で埋め込んだレーザ構造を作製する場合においても、Ａｌを含んだ層は表面が酸化されてしまうため、埋め込みの際に隙間ができるなどの困難が生じる。
そこで、活性層より上部のクラッド層にはＩｎＧａＰを用いた構造を提案した。

これにより、活性層の下は平坦性の高いＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層を用いることができ、活性層における貫通転位や組成分布などの影響を抑えることができる。さらに、活性層上部のクラッド層は酸化しにくい、ＩｎＧａＰ層により、信頼性を確保することができる。このＩｎＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰはその組成を調整することで、屈折率と格子定数を等しくすることができるため、光の分布に影響を与えることなく、レーザのクラッド層として用いることができる。

これらにより、ＧａＡｓ基板より大きな格子定数の擬似的なＩｎＧａＡｓ基板を作製した上に高性能な半導体レーザを作製することが可能となる。

本発明の光半導体素子では、量子井戸構造からなる活性層の利得を持つ波長が１．１〜１．４μｍを達成することができる。

本発明によれば、ＧａＡｓ基板上に格子緩和を目的としたＩｎＧａＡｓバッファ層を成長し、その上に緩和したＩｎＧａＡｓ層を成長してできる擬似的なＩｎＧａＡｓ基板の上に、平坦性が高く、リッジ構造や埋め込み構造を作製可能なクラッド層を形成することができる。

また、バッファ層により、ＧａＡｓとＩｎＰの間の格子定数の擬似的な基板を実現できることで、ＩｎＧａＡｓに対するＩｎＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＰの間のバンドギャップ差を大きくすることができ、伝導帯のバンドオフセットが大きな量子井戸を持った光半導体素子が実現できる。これにより高温環境下においてもキャリアのオーバーフローを抑え、特性の変化の小さい動作の実現が可能となる。

またＩｎＧａＡｓ３元基板で問題となっていた基板の放熱性の悪さも改善されるため、素子全体の発熱を抑えた高温度特性動作が可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の実施例１は、ＩｎＧａＡｓバッファ上にＩｎＧａＡｓを積層したリッジＬＤである。その構造を作製方法と共に以下に述べる。

図１は本発明による化合物半導体の一実施形態（実施例１）に係るレーザダイオード１００を示す層構造図である。図１に示すように、ｐ型にドープしたＩｎＧａＰ上部クラッド層１１３とｎ型にドープしたＩｎＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１１１で活性層を挟んだダブルヘテロレーザ構造を作製する。成長は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行った。

ＧａＡｓ基板１０２上にＳｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上に厚さ１６００ｎｍのＳｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層１２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２１はＩｎ組成０．１２の組成で一定としている。この上にＳｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層１２２を３００ｎｍ成長する。これらのＩｎＧａＡｓ層１２１，１２２の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ族とIII族のモル比率（Ｖ／III比）は２０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。バッファ層１２１上に成長したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層１２２はほぼ格子緩和されており、擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。

この上にＳｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ−Ｉｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓクラッド層１１１を成長する。Ｉｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓクラッド層１１１の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比は４０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。

その上に活性層として、圧縮歪量子井戸層の両側に、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）１３１を成長する。量子井戸の歪は１．７％、膜厚は８ｎｍとし、フォトルミネッセンス発光波長は１．２５μｍであった。

歪量子井戸構造（量子井戸層）１３１の上に成長温度６８０°Ｃにおいて亜鉛を５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層１１３を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２×１０¹⁹（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層１０３を成長する。ＩｎＧａＰクラッド層１１３の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比は２３０、成長速度は３．０μｍ／秒とする。
クラッド層１１１，１１３は上述した組成であるため、両者の格子定数や屈折率が等しくなっている。

この上にスパッタリングでＳｉＯ₂層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによってストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングおよびウエットエッチングにより幅１．７μｍのメサストライプを形成する。即ち、ドライエッチングにより層厚１．５μｍのＩｎＧａＰクラッド層１１３のうち層厚１．３μｍを加工する。その後、残りの層厚０．２μｍを塩酸と燐酸を混合した溶液によりウエットエッチングすることにより下層の量子井戸層１３１のＩｎＧａＡｓ層をエッチングすることなくＩｎＧａＰクラッド層１１３だけを選択的にエッチングして、幅１．７μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミド埋め込み層１１２で埋め込み、基板を研磨後に上下に電極１０１，１０４を形成し、リッジレーザへ加工する。

作製したレーザは、発振波長が１．２６μｍであり、共振器長３００ミクロンの素子において閾値電流８ｍＡ、光出力は室温で１０ｍＷを実現した。また環境温度で１３５°Ｃまでの動作を達成した。
本実施例では有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）法を用いたが、この他に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）やガスソース分子線エピタキシー法、有機金属分子線エピタキシー法でも可能である。

本発明の実施例２は、ＥＡ変調器への適用例であり、ＩｎＧａＡｓ量子井戸、１．３μｍ帯用のＥＡ変調器である。
実施例１ではレーザを作製したが、量子井戸を用いた電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の作製も可能である。その構造を作製方法と共に以下に述べる。

図２は、本発明の実施例２に係るＥＡ変調器２００を実現するための方法を示している。図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２０２上に成長圧力７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比１０にてＳｉを２×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上にＳｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１０００ｎｍのＩｎＧａＡｓバッファ層２２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層２２１はＩｎ組成０．１３とする。この上にＳｉを８×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層２２２を３００ｎｍ成長する。バッファ層２２１上に成長したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層２２２はほぼ格子緩和されており、擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。

この上にＳｉを８×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ−Ｉｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓクラッド層２１１を成長し、その上に光吸収層として、圧縮歪量子井戸層の両側に、伸縮歪となるＧａＡｓ障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸光吸収層）２３１を成長する。この量子井戸は６層とした。

歪量子井戸構造（量子井戸光吸収層）２３１の上に亜鉛を８×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープされたｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層２１３を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２×１０¹⁹（ｃｍ^-3）ドープされた厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層２０３を成長する。
クラッド層２１１，２１３は上述した組成であるため、両者の格子定数や屈折率が等しくなっている。

この上にスパッタリングでＳｉＯ₂層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによって幅２μｍのストライプ状のマスクを形成する。塩酸と燐酸を混合した溶液によりウエットエッチングすることにより上部ｐクラッド層２１３を選択的にエッチングし、逆メサストライプを形成する。この両脇をポリイミド埋め込み層２１２で埋め込み、基板を研磨後に上下に電極２０１，２０４を形成し、リッジ構造へ加工し、波長１．３μｍの光を制御する電界吸収型変調器を作製する。

このＥＡ変調器２００は、室温において１．３μｍの入射光に対して、７ｄＢ以上の消光比が得られる。

本発明の実施例３は、ＩｎＧａＡｓバッファ上にＩｎＧａＡｓを積層したＲｕ−ＢＨＬＤである。その構造を作製方法と共に以下に述べる。

図３は本発明による化合物半導体の一実施形態（実施例３）に係るＲｕ−ＢＨＬＤ３００を示す層構造図である。図３に示すように、ｐ型にドープしたＩｎＧａＰ上部クラッド層３１３とｎ型にドープしたＩｎＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３１１で活性層を挟んだダブルヘテロレーザ構造を作製する。成長は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行った。

ＧａＡｓ基板３０２上にＳｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ層を成長し、その上に厚さ１６００ｎｍのＳｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層３２１を成長する。ＩｎＧａＡｓバッファ層３２１はＩｎ組成０．１２の組成で一定としている。この上にＳｉを５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層３２２を３００ｎｍ成長する。これらのＩｎＧａＡｓ層３２１，３２２の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ族とIII族のモル比率(Ｖ／III比）は２０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。バッファ３２１上に成長したＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層３２２はほぼ格子緩和されており、擬似的なＩｎＧａＡｓ基板とみなすことができる。

この上にＳｉを１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）ドープした厚さ１．５μｍのｎ−Ｉｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓクラッド層３１１を成長する。Ｉｎ_0.09Ａｌ_0.61Ｇａ_0.3Ａｓクラッド層３１１の成長条件は反応炉内の圧力が７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／III比は４０、成長速度は１．２μｍ／秒とする。

その上に活性層として、圧縮歪量子井戸層の両側に、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層を配した歪量子井戸構造（量子井戸層）３３１を成長する。量子井戸の歪は１．７％、膜厚は８ｎｍとし、フォトルミネッセンス発光波長は１．２５μｍであった。

歪量子井戸構造（量子井戸層）３３１の上に成長温度６８０°Ｃにおいて亜鉛を５×１０¹⁷（ｃｍ^-3）ドープしたｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐエッチング停止層３４１を５０ｎｍ導入する。この上にｐ−ＩｎＧａＡｓガイド層３４２を１００ｎｍ導入する。さらにこの上にｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐ層３４３を５０ｎｍ導入する。

ここで、一旦成長を止め、ＳｉＯ₂層を堆積し、フォトリソグラフィにてマスクをつける。ＳｉＯ₂層をフッ酸にてエッチングし、レジストを除去する。その後ウエットエッチングでメサ形状を作製する。ＩｎＧａＰ層３４３は塩酸と燐酸を混合した溶液によりエッチングを行う。ＩｎＧａＡｓガイド層３４２は硫酸と過酸化水素水と水を混合した溶液によりエッチングを行う。この際に、硫酸と過酸化水素水と水を混合した溶液はＩｎＧａＰエッチング停止層３４１を溶かすことができないので、エッチングをＩｎＧａＰエッチング停止層３４１に入ったところで止めることができる。

この後、Ｒｕをドープした高抵抗ＩｎＧａＰ埋め込み層３１２を成長する。その後、ＳｉＯ₂層も除去し、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層３１３およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０３を成長する。基板を研磨後に上下に電極３０１，３０４を形成し、レーザへ加工する。
クラッド層３１１，３１３は上述した組成であるため、両者の格子定数や屈折率が等しくなっている。

作製したレーザは、発振波長が１．２６μｍであり、共振器長３００ミクロンの素子において１０ｍＷの出力で８５°Ｃまでのレーザ発振を実現できる。

また本実施例においては、ＩｎＧａＡｓガイド層３４２により光の横閉じ込めが可能になる。
また本実施例においてはＲｕドープ高抵抗ＩｎＧａＰを埋め込み層３１２に用いているので、ポリイミドを用いた場合に比べて放熱性に優れるので高温での素子特性（高周波特性）に優れる。

上述した実施例１〜実施例３において本発明の具体的な実施形態を説明したが、これらについは各種の変形をすることができる。
そこで、各種の変形をした実施形態をまとめて、実施例４として以下に説明する。

上記各実施例ではＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層１１１，２１１，３１１にはＳｉを用いてｎ型ドープしたが、Ｓｅ、Ｓ等のほかのドーパントを用いても良い。また、バッファ層１２１，２２１，３２１の１部または全部をアンドープにしても効果は得られる。但し、電気伝導性がｎ型ドープを用いた場合に比べて劣るので素子抵抗が高くなる可能性がある。

上記各実施例ではＩｎＧａＰクラッド層１１３，２１３，３１３には亜鉛を用いてｐ型ドープしたが、Ｂｅ等のほかのドーパントを用いても良い。また、クラッド層１１３，２１３，３１３の１部または全部をアンドープにしても効果は得られる。但し、電気伝導性がｐ型ドープを用いた場合に比べて劣るので素子抵抗が高くなる可能性がある。

上記各実施例では下層のＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層１１１，２１１，３１１をｎ型、上層のＩｎＧａＰクラッド層１１３，２１３，３１３をｐ型にした。一方、ｐ型基板を用い、下層のＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層１１１，２１１，３１１をｐ型、上層のＩｎＧａＰクラッド層１１３，２１３，３１３をｎ型にした場合には、下層のｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓの方がバンドギャップが大きく、下層のｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓへの電子のオーバーフローが抑制できるという効果を奏する。
このように、下層のクラッド層をｐ−ＩｎＡｌＧａＡｓにする場合はＺｎドープだけでなくＣ（カーボン）ドープも可能である。

上記各実施例では下層のＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層１１１，２１１，３１１の層厚を１．５μｍ、上層のＩｎＧａＰクラッド層１１３，２１３，３１３の層厚を１．５μｍとしたが、層厚はこれに限らず他の厚さでかまわないが、０．５μｍ以上２．０μｍ以下の範囲が望ましい。有限要素法で解析した結果、０．５μｍ以上の層厚のバッファ層とクラッド層を用いれば光の漏れはほとんどなく活性層に良好に光が閉じこめられる。また、２．０μｍより厚い層厚では電気抵抗、熱抵抗が増加するという問題が生じる。

上記各実施例ではＧａＡｓ基板１０２，２０２，３０２と、該ＧａＡｓ基板上に成長したバッファ層１２１，２２１，３２１と、該バッファ層上に成長したＧａＡｓより格子定数が大きく格子緩和した半導体層１２２，２２２，３２２で構成されている半導体基板を用いたが、表面の格子定数が０．５６７ｎｍ以上０．５７８ｎｍ以下である半導体基板であればよい。

上記各実施例においてバッファ層１２１，２２１，３２１にＩｎＧａＡｓを用いたが、ＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。但し、ＩｎＧａＡｓを用いたほうがＩｎＡｌＡｓを用いた場合に比べて表面のラフネスが小さい。これは、成長表面でのＧａの反応性がＡｌに比べて低いため、表面のマイグレーションが大きいためと考えられる。

上記各実施例においては、半導体基板１０２，２０２、３０２にＧａＡｓを用い、半導体層１２２，２２２，３２２にＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ用いたが、半導体層１２２，２２２，３２２は半導体基板１０２，２０２、３０２より格子定数が大きくかつその格子定数差が１．５％以下である格子緩和した半導体層であればよい。
例えば、ＧａＡｓ基板上でＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓでもよく、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＮでもよい。この場合、バッファ層１２１，２２１，３２１には歪量が半導体層に対して２、３割大きいものを用いることが望ましく、ＩｎＡｌＡｓの半導体層に対してＩｎＧａＡｓのバッファ層を用いてもよく、ＩｎＧａＡｓの半導体層に対してＧａＡｓＳｂのバッファ層を用いてもよい。

本発明の実施例１に係るレーザダイオードを示す断面図。 本発明の実施例２に係るＥＡ変調器を示す断面図。 本発明の実施例３に係るＲｕ−ＢＨＬＤを示す断面図。

符号の説明

１００ レーザダイオード
２００ ＥＡ変調器
３００ Ｒｕ−ＢＨＬＤ
１０２，２０２，３０２ ＧａＡｓ基板
１１１，２１１，３１１ ＩｎＡｌＧａＡｓクラッド層
１１３，２１３，３１３ ＩｎＧＰクラッド層
１２１，２２１，３２１ ＩｎＧａＡｓバッファ層
１２２，２２２，３２２ ＩｎＧａＡｓ層
１３１，３３１ 量子井戸層
２３１ 量子井戸光吸収層

Claims (7)

1. 表面の格子定数が０．５６７ｎｍから０．５７８ｎｍである半導体基板と、
   前記半導体基板上に、量子井戸構造からなる活性層を、該活性層の屈折率より低い屈折率を持つクラッド層で挟んだ半導体構造を有する光半導体素子において、
   基板側のクラッド層をＩｎＡｌＧａＡｓ層により形成し、基板と反対側のクラッド層をＩｎＧａＰ層により形成したことを特徴とする光半導体素子。
2. 前記二つのクラッド層は、その格子定数が等しくなるような組成であることを特徴とする請求項１の光半導体素子。
3. 前記二つのクラッド層は、その屈折率が等しくなるような組成であることを特徴とする請求項１または請求項２の光半導体素子。
4. 前記半導体基板が、ＧａＡｓ基板と、該ＧａＡｓ基板上に成長したバッファ層と、該バッファ層上に成長したＧａＡｓより格子定数が大きく格子緩和した半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項の光半導体素子。
5. 前記半導体層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであり、前記バッファ層がＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであり、前記バッファ層の格子定数が前記半導体層の格子定数よりも大きいことを特徴とする請求項４の光半導体素子。
6. 前記光半導体素子において、量子井戸構造からなる前記活性層の利得を持つ波長が１．１〜１．４μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項の光半導体素子。
7. 前記光半導体素子において、前記半導体基板と反対側の前記クラッド層を埋め込む埋め込み構造を構成する電流ブロック層として、Ｒｕドープ半絶縁性半導体結晶を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項の光半導体素子。

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