JP2016134522A - 光半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体レーザ部と光導波路部の間の電気的分離と高い光結合効率を両立することができる光半導体装置を得る。【解決手段】光導波路層８の上クラッド層９は、半導体レーザ部２のｐ型クラッド層６よりキャリア濃度が低い第１の低キャリア濃度層１０と、第１の低キャリア濃度層１０上に形成されたＦｅドープＩｎＰ層１１とを有する。リーク電流抑制層１４は、ｐ型半導体層１３のサイドに配置されたＦｅドープＩｎＰ層１５を有する。第１の低キャリア濃度層１０はｐ型クラッド層６の側面に接する側壁部１２を有する。ＦｅドープＩｎＰ層１１は、第１の低キャリア濃度層１０の側壁部１２を介してｐ型クラッド層６のサイドに配置され、ｐ型クラッド層６に接していない。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ部と光導波路部を集積した光半導体装置において、半導体レーザ部と光導波路部の間の電気的分離と高い光結合効率を両立することができる光半導体装置に関する。
光半導体装置において、半導体レーザと光導波路や光変調器などを集積することにより小型化や高性能化が進んでいる。基板上に半導体レーザに代表される光能動素子と光導波路を集積した集積型光半導体装置が知られている。一般に集積型光半導体装置では集積された複数の構成間の電気的分離が行われる。半導体レーザ部及び光導波路部上に設けられたｐ型半導体層は半導体レーザ部に電流を供給する必要から高抵抗層ではない。そこで、半導体レーザ部と光導波路部の間においてｐ型半導体層に分離溝を設けることで、半導体レーザ部と光導波路部を電気的に分離した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第５４６３７６０号公報
半導体レーザ部からの信号光を光導波路部に高い結合効率で結合する必要がある。しかし、半導体レーザ部と光導波路部を電気的に分離する分離溝を深くすると半導体レーザ部からの光を光導波路部に結合する際に光の反射や散乱が発生し、高い結合効率が得られないという問題がある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は半導体レーザ部と光導波路部の間の電気的分離と高い光結合効率を両立することができる光半導体装置を得るものである。
本発明に係る光半導体装置は、ｎ型半導体基板と、前記ｎ型半導体基板上に形成され、メサストライプ状に加工された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型クラッド層とを有する半導体レーザ部と、前記ｎ型半導体基板上において前記活性層の光出力側に形成され、メサストライプ状に加工された光導波路層と、前記光導波路層上に形成された上クラッド層とを有する光導波路部と、前記活性層及び前記光導波路層の両側を埋め込む半導体の電流狭窄層と、前記半導体レーザ部上に形成されたｐ型半導体層と、前記光導波路部上に形成されたリーク電流抑制層とを備え、前記上クラッド層は、前記ｐ型クラッド層よりキャリア濃度が低い第１の低キャリア濃度層と、前記第１の低キャリア濃度層上に形成された第１のＦｅドープ半導体層とを有し、前記リーク電流抑制層は、前記ｐ型半導体層のサイドに配置された第２のＦｅドープ半導体層を有し、前記第１の低キャリア濃度層は前記ｐ型クラッド層の側面に接する側壁部を有し、前記第１のＦｅドープ半導体層は、前記第１の低キャリア濃度層の前記側壁部を介して前記ｐ型クラッド層のサイドに配置され、前記ｐ型クラッド層に接していないことを特徴とする。
本発明では、半導体レーザ部上のｐ型半導体層のサイドに第２のＦｅドープ半導体層を設けたことにより、半導体レーザ部上のｐ型半導体層から光導波路部へのリーク電流を抑制することができる。また、第２のＦｅドープ半導体層を設けても、半導体レーザ部からの光を光導波路部に結合する際に光の反射や散乱は発生しない。従って、半導体レーザ部と光導波路部の間の電気的分離と高い光結合効率を両立することができる。
本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す断面図である。 図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。 比較例に係る光半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る光半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す断面図である。図１は光半導体装置の共振器方向、即ちレーザ光の進行方向と平行に切断した断面図である。この光半導体装置は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に半導体レーザ部２と光導波路部３とが集積された集積型光半導体装置である。
半導体レーザ部２は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層４、活性層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６を有する。ｎ型ＩｎＰクラッド層４に回折格子７が形成されており、半導体レーザ部２は分布帰還型半導体レーザである。ｎ型ＩｎＰクラッド層４のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。活性層５は厚さ０．２μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層である。ｐ型ＩｎＰクラッド層６のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。
光導波路部３は活性層５の光出力側に形成されている。光導波路部３は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層４、光導波路層８、上クラッド層９を有する。光導波路層８は厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ光導波層である。活性層５の端面は光導波路層８の端面と接し、活性層５からのレーザ光が光導波路層８を通って紙面右側に向かって進行する。
上クラッド層９は、低キャリア濃度ＩｎＰ層１０と、低キャリア濃度ＩｎＰ層１０上に形成されたＦｅドープＩｎＰ層１１とを有する。低キャリア濃度ＩｎＰ層１０はｐ型ＩｎＰクラッド層６よりキャリア濃度が低く、電気抵抗が高い。ＦｅドープＩｎＰ層１１のキャリア濃度は５×１０１６ｃｍ−３である。ｐ型ＩｎＰクラッド層６の厚さ０．２μｍに対して、低キャリア濃度ＩｎＰ層１０とＦｅドープＩｎＰ層１１の厚さはそれぞれ０．１μｍである。
低キャリア濃度ＩｎＰ層１０は、光導波路層８の上面とｐ型ＩｎＰクラッド層６の側面を連続的に被覆し、ｐ型ＩｎＰクラッド層６の側面に接する側壁部１２を有する。ＦｅドープＩｎＰ層１１は、低キャリア濃度ＩｎＰ層１０の上面及び側面を連続的に被覆し、低キャリア濃度ＩｎＰ層１０の側壁部１２を介してｐ型ＩｎＰクラッド層６のサイドに配置され、ｐ型ＩｎＰクラッド層６に接していない。
ｐ型ＩｎＰ層１３が半導体レーザ部２上に形成されている。ｐ型ＩｎＰ層１３のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。リーク電流抑制層１４が光導波路部３上、即ちＦｅドープＩｎＰ層１１及び低キャリア濃度ＩｎＰ層１０の側壁１２上に形成されている。リーク電流抑制層１４は、ｐ型ＩｎＰ層１３のサイドに配置されたＦｅドープＩｎＰ層１５を有する。ＦｅドープＩｎＰ層１５はｐ型ＩｎＰ層１３の側面に接する。ＦｅドープＩｎＰ層１５のキャリア濃度は５×１０１６ｃｍ−３である。
ｐ型ＩｎＰ層１３上にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕのｐ型電極１６が形成されている。ＦｅドープＩｎＰ層１５上にはＳｉＯ２絶縁膜１７が形成されている。ｎ型ＩｎＰ基板１上の裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕのｎ型電極１８が形成されている。
図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。即ち、図２は半導体レーザ部２を共振器方向と垂直に切断した断面図である。図３は図１のＩＩＩ−ＩＶに沿った断面図である。即ち、図３は光導波路部３を共振器方向と垂直に切断した断面図である。半導体レーザ部２と光導波路部３の積層構造はメサストライプ状に加工されている。半導体の電流狭窄層１９が活性層５及び光導波路層８の両側を埋め込む。電流狭窄層１９は順に積層されたｐ型ＩｎＰ埋込み層２０、ＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１、ｎ型ＩｎＰ埋込み層２２を有する。ｐ型ＩｎＰ埋込み層２０のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。ＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１のキャリア濃度は５×１０１６ｃｍ−３である。ｎ型ＩｎＰ埋込み層２２のキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３である。
図４〜図１３は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。図７〜図１０は図６のＩ−ＩＩに沿って切断した断面を示す。即ち、図７〜図１０は半導体レーザ部２を共振器方向と垂直に切断した断面図である。
まず、図４に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層４をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。電子ビーム露光を用いて回折格子７を形成した後、ｎ型ＩｎＰクラッド層４を追加再成長する。ｎ型ＩｎＰクラッド層４上にＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸の活性層５とｐ型ＩｎＰクラッド層６を結晶成長させる。
次に、図５に示すように、ｐ型ＩｎＰクラッド層６上にＳｉＯ２絶縁膜２３を形成し、パターニング、ドライエッチングを行うことにより活性層５とｐ型ＩｎＰクラッド層６の紙面右側部分をエッチング除去する。
次に、図６に示すように、エッチング除去した部分にＩｎＧａＡｓＰの光導波路層８をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。さらに、光導波路層８の上面及びｐ型ＩｎＰクラッド層６の側面に対して低キャリア濃度ＩｎＰ層１０をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。ＦｅドープＩｎＰ層１１をｐ型ＩｎＰクラッド層６に接しないよう結晶成長させる。その後、ＳｉＯ２絶縁膜２３をエッチング除去する。
次に、図７に示すように、ＳｉＯ２絶縁膜２４を成膜、パターニングする。次に、図８に示すように、ドライエッチング等によりリッジを形成する。次に、図９に示すようにｐ型ＩｎＰ埋込み層２０、ＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１、ｎ型ＩｎＰ埋込み層２２をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。その後、ＳｉＯ２絶縁膜２４をエッチング除去する。
次に、図１０に示すように、半導体レーザ部２のｐ型ＩｎＰ層１３をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。次に、図１１に示すように、ＳｉＯ２絶縁膜２５を形成し、パターニング、ドライエッチングを行うことにより、ｐ型ＩｎＰ層１３の紙面右側部分をエッチング除去する。
次に、図１２に示すように、エッチング除去した部分にＦｅドープＩｎＰ層１５をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。その後、ＳｉＯ２絶縁膜２５をエッチング除去する。次に、図１３に示すように、ＳｉＯ２絶縁膜１７、ｐ型電極１６、ｎ型電極１８を形成する。以上の工程により本実施の形態に係る光半導体装置が製造される。
続いて、本実施の形態に係る光半導体装置の動作について説明する。半導体レーザ部２に電流を注入すると、ｐ型ＩｎＰ層１３とｐ型ＩｎＰクラッド層６を介して活性層５に電流が流れ、活性層５でレーザ光が放射される。そのレーザ光は光導波路層８を通って図１の右方向へと進行し、出射される。
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図１４は比較例に係る光半導体装置を示す断面図である。比較例では光導波路部３上にＦｅドープＩｎＰ層１５ではなく、半導体レーザ部２上と同様にｐ型ＩｎＰ層１３が形成されている。半導体レーザ部２と光導波路部３の間においてｐ型ＩｎＰ層１３に分離溝２６を設けることで、半導体レーザ部２と光導波路部３を電気的に分離している。その他の構成は本実施の形態と同様である。
図２のような埋込層を用いた場合、半導体レーザ部２にて高い電流注入効率を得るためにはｐ型ＩｎＰクラッド層６の厚さを５０〜２００ｎｍ程度とする必要がある。半導体レーザ部２と光導波路部３の十分に電気的な分離を行うためには、分離溝２６の底部をｐ型ＩｎＰクラッド層６の上端から１μｍ程度まで接近させる必要がある。この時、半導体レーザ部２側からの導波光はｐ型ＩｎＰクラッド層６の方向に広がりを持つため、その導波光が分離溝２６の側面に干渉することで、反射や散乱を引き起こし、光導波路部３との光結合効率が十分に確保できない。
また、光の反射や散乱を避けるために分離溝２６の底部をｐ型ＩｎＰクラッド層６の上端から離した場合、電気的な分離が不十分となり、一部の電流が図１５の点線矢印に示すように光導波路部３側へと流れてしまう。この電流はレーザ光の発光に寄与せずにリーク電流成分となり、この電流リークが電流光出力特性を悪化させてしまう。
これに対して、本実施の形態では、ｐ型ＩｎＰ層１３とＦｅドープＩｎＰ層１５の間に分離溝は形成されていない。その代わりに半導体レーザ部２上のｐ型ＩｎＰ層１３のサイドに高抵抗層としてＦｅドープＩｎＰ層１５を設けたことにより、半導体レーザ部２上のｐ型ＩｎＰ層１３から光導波路部３へのリーク電流を抑制することができる。また、低キャリア濃度ＩｎＰ層１０とＦｅドープＩｎＰ層１１も高抵抗層として作用する。そして、ＦｅドープＩｎＰ層１５を設けても、半導体レーザ部２からの光を光導波路部３に結合する際に光の反射や散乱は発生しない。従って、半導体レーザ部２と光導波路部３の間の電気的分離と高い光結合効率を両立することができる。
また、半導体レーザ部２のｐ型ＩｎＰクラッド層６と光導波路部３のＦｅドープＩｎＰ層１１の間に低キャリア濃度ＩｎＰ層１０の側壁部１２が存在するため、ＦｅとＺｎの相互拡散による高抵抗化が進まない。従って、半導体レーザ部２の活性層５への電流注入阻害を抑制することができるため、半導体レーザ部２の電流光出力特性の悪化を防ぐことができる。
また、ＦｅドープＩｎＰ層１５はｐ型ＩｎＰ層１３の側面に接する。半導体層中でドーパントとして用いられたＦｅとＺｎは相互拡散が極めて大きいため、ＦｅドープＩｎＰ層１５とｐ型ＩｎＰ層１３との間でＦｅとＺｎの相互拡散が発生する。従って、両者の境界部分でｐ型ＩｎＰ層１３のｐ型キャリア濃度が減少し、高抵抗化が進む。これにより、ｐ型ＩｎＰ層１３とＦｅドープＩｎＰ層１５の間の抵抗が更に高くるため、ＦｅドープＩｎＰ層１５だけを高抵抗化した場合よりもリーク電流を低減することができる。
実施の形態２．
図１５は、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、リーク電流抑制層１４は、ｐ型ＩｎＰ層１３よりキャリア濃度が低い低キャリア濃度ＩｎＰ層２７を更に有する。低キャリア濃度ＩｎＰ層２７はｐ型ＩｎＰ層１３の側面に接する側壁部２８を有する。ＦｅドープＩｎＰ層１５は、低キャリア濃度ＩｎＰ層２７の側壁部２８を介してｐ型ＩｎＰ層１３のサイドに配置され、ｐ型ＩｎＰ層１３に接していない。その他の構成は実施の形態１と同様である。
半導体レーザ部２上のｐ型ＩｎＰ層１３と光導波路部３上のＦｅドープＩｎＰ層１５の間に低キャリア濃度ＩｎＰ層２７の側壁部２８が存在するため、ＦｅとＺｎの相互拡散による高抵抗化が進まない。従って、本来導電性が必要な半導体レーザ部２上のｐ型ＩｎＰ層１３の高抵抗化を防ぐことができる。これにより、半導体レーザ部２の活性層５への電流注入阻害を抑制しつつ、かつ半導体レーザ部２のｐ型ＩｎＰ層１３から光導波路部３へのリーク電流を抑制することができる。
実施の形態３．
図１６は、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す断面図である。図１７は光導波路部３を共振器方向と垂直に切断した断面図である。ｐ型ＩｎＰ層１３が半導体レーザ部２、光導波路部３、及び電流狭窄層１９上に形成されている。
半導体レーザ部２の両側を埋め込む電流狭窄層１９は、実施の形態１の図２と同様にｐ型ＩｎＰ埋込み層２０、ＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１、ｎ型ＩｎＰ埋込み層２２を有する。一方、光導波路層８の両側を埋め込む電流狭窄層１９は、ｐ型ＩｎＰ埋込み層２０とＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１である。
製造方法としては、実施の形態１と同様に埋込層を形成した後、絶縁膜などを用いてパターンニング、ドライエッチングなどで光導波路部３のみｎ型ＩｎＰ埋込み層２２を除去する。その後、絶縁膜を除去し、光導波路部３上にＦｅドープＩｎＰ層１５の代わりにｐ型ＩｎＰ層１３を形成する。その他の工程は実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、光導波路層８の両側を埋め込む電流狭窄層１９の最上層がＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１であり、このＦｅドープＩｎＰ埋込み層２１がｐ型ＩｎＰ層１３に接している。両者の間でＦｅとＺｎの相互拡散が起こり、ｐ型ＩｎＰ層１３の下部が高抵抗層として作用する。これにより、半導体レーザ部２のｐ型ＩｎＰ層１３から光導波路部３へのリーク電流を抑制することができる。また、この構成では半導体レーザ部２からの光を光導波路部３に結合する際に光の反射や散乱は発生しない。従って、半導体レーザ部２と光導波路部３の間の電気的分離と高い光結合効率を両立することができる。
なお、実施の形態１〜３にかかる光半導体装置は半導体レーザ部２と光導波路部３が集積された光導波路集積型光半導体装置である。しかし、本発明はこれに限られるものではない。光変調器や光増幅器などの光能動素子と光導波路とが隣接して集積されている構成にも実施の形態１〜３と同様の構成を適用することができる。また、製造方法や使用する材料は実施の形態１〜３で示したものに限られず、同様の効果が得られれば、構成や製造方法は必ずしも上述の内容に限定するものではない。
１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ 半導体レーザ部、３ 光導波路部、５ 活性層、６ ｐ型ＩｎＰクラッド層、８ 光導波路層、９ 上クラッド層、１０ 低キャリア濃度ＩｎＰ層、１１，１５ ＦｅドープＩｎＰ層、１２，２８ 側壁部、１３ ｐ型ＩｎＰ層、１４ リーク電流抑制層、１９ 電流狭窄層、２１ ＦｅドープＩｎＰ埋込み層、２７ 低キャリア濃度ＩｎＰ層

Claims (4)

  1. ｎ型半導体基板と、
    前記ｎ型半導体基板上に形成され、メサストライプ状に加工された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型クラッド層とを有する半導体レーザ部と、
    前記ｎ型半導体基板上において前記活性層の光出力側に形成され、メサストライプ状に加工された光導波路層と、前記光導波路層上に形成された上クラッド層とを有する光導波路部と、
    前記活性層及び前記光導波路層の両側を埋め込む半導体の電流狭窄層と、
    前記半導体レーザ部上に形成されたｐ型半導体層と、
    前記光導波路部上に形成されたリーク電流抑制層とを備え、
    前記上クラッド層は、前記ｐ型クラッド層よりキャリア濃度が低い第１の低キャリア濃度層と、前記第１の低キャリア濃度層上に形成された第１のＦｅドープ半導体層とを有し、
    前記リーク電流抑制層は、前記ｐ型半導体層のサイドに配置された第２のＦｅドープ半導体層を有し、
    前記第１の低キャリア濃度層は前記ｐ型クラッド層の側面に接する側壁部を有し、
    前記第１のＦｅドープ半導体層は、前記第１の低キャリア濃度層の前記側壁部を介して前記ｐ型クラッド層のサイドに配置され、前記ｐ型クラッド層に接していないことを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記第２のＦｅドープ半導体層は前記ｐ型半導体層の側面に接することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
  3. 前記リーク電流抑制層は、前記ｐ型半導体層よりキャリア濃度が低い第２の低キャリア濃度層を更に有し
    前記第２の低キャリア濃度層は前記ｐ型半導体層の側面に接する側壁部を有し、
    前記第２のＦｅドープ半導体層は、前記第２の低キャリア濃度層の前記側壁部を介して前記ｐ型半導体層のサイドに配置され、前記ｐ型半導体層に接していないことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
  4. ｎ型半導体基板と、
    前記ｎ型半導体基板上に形成され、メサストライプ状に加工された活性層を有する半導体レーザ部と、
    前記ｎ型半導体基板上において前記活性層の光出力側に形成され、メサストライプ状に加工された光導波路層を有する光導波路部と、
    前記活性層及び前記光導波路層の両側を埋め込む半導体の電流狭窄層と、
    前記半導体レーザ部、前記光導波路部、及び前記電流狭窄層上に形成されたｐ型半導体層とを備え、
    前記光導波路層の両側を埋め込む前記電流狭窄層の最上層がＦｅドープ半導体層であり、
    前記Ｆｅドープ半導体層は前記ｐ型半導体層に接していることを特徴とする光半導体装置。
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