JP2021027310A

JP2021027310A - 光半導体素子、光半導体装置

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Publication number: JP2021027310A
Application number: JP2019201007A
Authority: JP
Inventors: 中原　宏治; Koji Nakahara; 宏治中原; 一輝菅; Kazuki Suga
Original assignee: Lumentum Japan Inc
Current assignee: Lumentum Japan Inc
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-02-22
Anticipated expiration: 2039-11-05
Also published as: JP7402014B2

Abstract

【課題】緩和振動周波数が高い光半導体素子又は消光特性に優れた光半導体素子及び光半導体装置を提供する。【解決手段】光を放出又は吸収する半導体光素子は、多重量子井戸層１０５を含む下部構造と、前記下部構造上に配置される上部メサ構造（１０２の一部と１０３〜１０６）と、前記上部メサ構造上に配置される電流注入構造１１１と、を備える。前記の放出又は吸収される光の光軸から見て、前記電流注入構造１１１の前記上部メサ構造と接している部分の横軸は、前記上部メサ構造の横軸よりも小さく、前記電流注入構造１１１の前記上部メサ構造と接している部分はＩｎＰで構成され、前記上部メサ構造の平均屈折率は、前記電流注入構造の前記ＩｎＰの屈折率より高く、前記半導体光素子は、前記上部メサ構造の両側面、及び上面の一部を接して覆う絶縁膜１１４をさらに備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光半導体素子、光半導体装置に関する。

インターネットは現代社会のインフラストラクチャとして益々発展し続けている。高速で長距離通信に優れる光通信はインターネット通信の大部分を占めており、インターネットの通信量の継続的な増大により通信量の大容量化が喫緊の課題となっている。この光通信には光トランシーバが使用されており、高速化、小型化、省電力化が求められている。

光トランシーバには高速性、小型、省電力特性に優れ、内部に含まれる光源としては光ファイバに適合する波長が出力できる半導体レーザが使用されている。半導体レーザを使用した光通信の送信光源には一般に注入電流を大きく変調させ光強度をデジタル変調する直接変調方式が広く適用されている。

特開２０１３−１６５１３３号公報特開２０１８−５６２１２号公報特開２０１８−９３００２号公報

近年の光トランシーバの高速化に伴い、さらなる高速化を実現する半導体レーザが求められている。そのためには緩和振動周波数を大きくすることが有効である。量子井戸を有する半導体レーザにおいて緩和振動周波数は、微分利得の平方根に比例すること、及び利得はキャリア密度の自然対数に対して１次関数的に変化することが知られている。そのため利得を大きくするためにはキャリア密度を大きくする必要があるが、その一方でキャリア密度が大きくなると、微分利得は小さくなってしまい、緩和振動周波数が低下してしまう。

特許文献１、２では、ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザにおいてメサストライプの一部が埋め込まれている埋め込み型レーザが開示されている。特許文献１、２に開示の半導体レーザは、ＩｎＰ半導体基板上にメサストライプが形成されており、メサストライプは上部にＩｎＰクラッド、その下に回折格子や光閉じ込め層（ＳＣＨ層）、多重量子井戸層（ＭＱＷ層）を含んでいる。特許文献１では上部のＩｎＰクラッドより下の半導体多層の両脇にＩｎＰの埋め込み層が配置されている。特許文献２では、上部のクラッド層と回折格子層は埋め込まれておらず、ＭＱＷ層と回折格子層との間に埋め込み層の上面が配置される構造が開示されている。特許文献３では、埋め込まれていない複数のメサ構造を有するアレイ半導体光素子が開示されている。上記の高速化の観点に照らして、上述の引用文献１乃至３で開示された構造より高速化を実現するためには、光閉じ込めを改善する必要がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、緩和振動周波数が高い光半導体素子又は消光特性に優れた光半導体素子及び光半導体装置を提供することにある。

（１）上記課題を解決するために、光を放出又は吸収する半導体光素子は、多重量子井戸層を含む下部構造と、前記下部構造上に配置される上部メサ構造と、前記上部メサ構造上に配置される電流注入構造と、を備え、前記の放出又は吸収される光の光軸から見て、前記電流注入構造の前記上部メサ構造と接している部分の横軸は、前記上部メサ構造の横軸よりも小さく、前記電流注入構造の前記上部メサ構造と接している部分はＩｎＰで構成され、前記上部メサ構造の平均屈折率は、前記電流注入構造の前記ＩｎＰの屈折率より高く、前記半導体光素子は、前記上部メサ構造の両側面、及び上面の一部を接して覆う絶縁膜をさらに備える、ことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光半導体素子であって、光を放出するように構成され、前記上部メサ構造は回折格子層を有し、前記下部構造は、前記上部メサ構造とともに一のメサ構造を構成し、前記下部構造の両側面を埋め込む埋め込み半導体層をさらに備える、ことを特徴とする。

（３）上記（１）に記載の光半導体素子であって、光を吸収するように構成され、前記下部構造は、前記多重井戸層の上部に設けられる、前記多重井戸層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する下部光閉じ込め層を有し、前記上部メサ構造は、前記下部光閉じ込め層の上部に設けられる、前記多重井戸層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する上部光閉じ込め層を有し、前記下部構造の両側面を埋め込む埋め込み半導体層をさらに備える、ことを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記電流注入構造は、前記上部メサ構造の幅よりも０．０５μm以上狭いことを特徴とする。

（５）上記（４）に記載の光半導体素子であって、前記電流注入構造は、０．１μm以上０．７μm以下の範囲の幅を有することを特徴とする。

（６）上記（５）に記載の光半導体素子であって、前記電流注入構造の高さは、１μｍ未満であることを特徴とする。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記電流注入層を少なくとも２つ以上備えることを特徴とする。

（８）上記（１）に記載の光半導体素子であって、前記多重量子井戸層は、Ａｌ元素を含む多元素からなる層であることを特徴とする。

（９）上記（２）に記載の光半導体素子であって、前記上部メサ構造は、前記電流注入構造より屈折率が大きい光閉じ込め層を有することを特徴とする。

（１０）上記（９）に記載の光半導体素子であって、前記光閉じ込め層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成されることを特徴とする。

（１１）上記（３）に記載の光半導体素子であって、前記上部光閉じ込め層及び前記下部光閉じ込め層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成されることを特徴とする。

（１２）上記（２）に記載の光半導体素子であって、前記回折格子層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成されることを特徴とする。

（１３）本願の光半導体装置は、上記（３）に記載の光半導体素子と、前記光半導体素子と一体的に集積された半導体レーザを有することを特徴とする。

本発明によれば、緩和振動周波数が高く、それにより変調周波数帯域が高い光半導体装置及び光半導体素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の概略構成を示す図である。図１のＡで示された断面における断面図である。図１のＢで示された半導体光素子の共振器方向に平行な縦断面概略図である。本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の断面図である。本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の断面図である。本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の断面図である。本発明の第２実施形態に係る光半導体素子の断面図である。本発明の第２実施形態に係る光半導体素子の断面図である。本発明の第３実施形態に係る図１のＢで示された光半導体素子の縦断面概略図である。本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の断面図である。本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の断面図である。特許文献２及び本発明に基づくΓ_QW/W_m, Γ_QW,及びκの計算結果である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光半導体素子１の概略構成を示す図である。図１に示す光半導体素子は、半導体レーザであって、直方体形状の対向する面に設けられた２つの電極に電圧が印加されることにより、発振領域２からレーザ光３を発振する。

図２は、図１のＡで示された断面における断面図である。図２は、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する半導体レーザの光軸に垂直な断面の模式図である。光半導体素子１は、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１０１、下部クラッドとして働くｐ型ＩｎＰバッファ層１０２、p型InGaAlAs-光閉じ込め（SCH）層１０３、p型InAlAs 電子ストップ層１０４、InGaAlAs-多重量子井戸（MQW）層１０５、n型InGaAlAs-SCH層１０６が順に積層されている。ｐ型InPバッファ層１０２からｎ型InGaAlAs-SCH層１０６は通常の半導体レーザのドーピングや組成等の構成を有する。さらに１０６の直上には厚さ２ｎｍのn型InP層１０７、厚さ６０ｎｍのn型InGaAsP回折格子層１０８、厚さ４０ｎｍのn型InP層１０９、厚さ８０ｎｍのn型InGaAsP層１１０が順に積層されている。１０７〜１１０のｎ型半導体層のドーピング濃度はいずれも１×１０¹⁸cm^-3である。回折格子層１０８は紙面に垂直な方向に回折格子構造を有しており、図１のＢで示された断面は図３のように１０７及び１０９のｎ型InP層の中にｎ型InGaAsP回折格子層１０８が周期的に存在している。図３では完全な周期構造を示しているが実際にはλ/４シフト構造等を導入し単一モード発振を高い歩留りで実現している。光半導体素子１はＤＦＢ型の半導体レーザである。尚、図３において１２０は誘電体低反射コーティング膜、１２１は誘電体高反射コーティング膜である。

１０２の一部と１０３から１０６は両脇がInP埋め込み層１１２で埋め込まれるメサ構造(以下、下部メサ構造と称する)を成している。InP埋め込み層はp型InPバッファ層１０２に接する層にn型InPの薄膜を形成しその後高抵抗を有するFe或いはＲuをドープした半絶縁性InP層の多層構造になっている。その他、ｐ型半導体層、ｐ型半導体層とｎ型半導体層からなる多層膜、又は高抵抗型半導体層とｐ型半導体層とｎ型半導体層からなる多層膜、のいずれであってもよい。１０７から１１０は両脇がSiO2絶縁膜１１４で覆われている。１０７から１１０にて上部クラッド層１１７を形成しており、半導体レーザ内部ではレーザ光が出射する光軸方向に上部クラッド層１１７、ＳＣＨ層１０３，１０６、ＭＱＷ層１０５、下部クラッド層として機能するＩｎＰバッファ層１０２の組み合わせで導波路が形成され光が導波する。n型InGaAsP層110の上には110より幅の狭いn型InP層の電流注入層111が設置されている。幅が110より狭いので光は多少111内に染み出しているが111では導波しない。従って電流注入層の高さは通常0.2μm以上であれば十分である。勿論プロセス上等の課題に応じて、0.2μmより高くしてもよい。ただし、１μｍ以上大きくした場合は素子抵抗が大きくなる懸念があるため、１μｍ未満、特に０．６μｍ以下が好ましい。上部クラッド層１１７の左右上部は屈折率の低いSiO2で覆われているため光を上部クラッド117以下の領域にほぼ閉じ込めることができる。電流注入層１１１の直上にはドーピング濃度1.5×10¹⁹cm^-3のｎ型InGaAsPコンタクト層１１３が設置されており、ｎ型電極１１５とオーミック接触されている。１１５は通常のオーミックコンタクト用電極多層であればよく、本実施形態ではＴｉ/Ｐｔ/Ａｕを用いている。ｐ型InP基板の下にはＡuＺｎ合金とＴｉ/Ｐｔ/Ａｕの多層構造のｐ型電極１１６が設けられている。１１６も通常のｐ型電極であれば他の構成を用いてもよい。

下部メサ構造の幅Waは約０．９μｍである。プロセスの関係でメサの実際の断面形状は、完全な矩形ではなく、やや曲がった輪郭を有している。上部クラッド層の幅も同様に約０．９μｍである。これらのメサ幅は光を導波させる範囲で差が有ってもよい。１１１の電流注入層の幅は約０．５μｍであり上述のメサ幅より狭く設定されている。また、光を導波しないため特に１１１の左右中心が下のメサ(１０２〜１０６、１０７〜１１０)の左右中心と一致している必要はない。

また、本実施例ではＳｉＯ_２絶縁膜１１４とｎ型電極１１５は接しているがこれらの間の一部、あるいは全てにポリイミド等の絶縁膜を挿入し素子の容量を低減してもよい。

ここで、図２に示す第１実施形態に係る光半導体素子と特許文献２の構造を比較する。半導体レーザでは寄生容量等を無視した真性周波数帯域f_3dBと緩和振動周波数f_rにはf_3dB=1.55f_rの関係があるので高速化には緩和振動周波数f_rを向上させることが肝要である。量子井戸層を活性層とする半導体レーザにおいて緩和振動周波数f_rは１量子井戸当たりの光閉じ込め係数Γ_QW、下部メサ構造の幅W_a、量子井戸層の微分利得dg/dn、駆動電流Ｉ_ｍ（＝動作電流−しきい電流）の間に以下の関係がある。

また、半導体レーザ発振は量子井戸層から発生する光と半導体レーザ内の導波路の光損失α_iとレーザ光を外に出すことによりレーザ内部としては損失となるミラー損失α_mの和、即ちg_m=α_i+α_mが釣り合うときに発振状態となる。単位長さあたりの半導体レーザ内の光学利得gとすると、発振条件は以下で表される。

ここでN_Wは量子井戸数である。また、光学利得gは以下の式で表される。

ここでｎは量子井戸に注入されるキャリア密度、n_trは光学利得gが0となるキャリア密度、aは常数である。式（１）からはΓ_ＱＷ／W_ａが増大するレーザ構造が望ましく、W_aを小さくするほうが望ましいと考えられる。しかし、W_aを小さくするとΓ_QWが小さくなり発振条件の式（２）において光学利得gを大きくする必要がある。gを大きくするためには式（３）より多くのキャリアnを注入する必要があるが、同式からわかるようにgとnの関数として上に凸の関数であり、その微分、即ち微分利得dg/dnはキャリア密度の増大により低下するので式（１）のf_rが低下することになる。よってΓ_ＱＷ／W_ａとΓ_QWの双方が大きくなる構造が必要となる。また、ミラー損失α_mが大きいときも上述と同様に微分利得が下がる要因となるのでα_ｍは低いほうが望ましい。DFBレーザにおいては回折格子の光結合係数κが大きいほどミラー損失α_mが小さくなる。

図１２はΓ_QWとκのΓ_QW/W_a依存性について特許文献２の実施例１と実施例３、及び本発明の本実施例の計算結果であり、活性層幅W_aを変えて計算している。図１２において白抜きマーカは左軸のΓ_QWであり、黒マーカはκの値であり、四角マーカは特許文献２の実施例１、三角マーカは特許文献２の実施例３、丸マーカは本特許の本実施例に基づく計算結果である。図１２から分かるように特許文献２の実施例１ではΓ_QWとΓ_QW/W_aは比較的高い値にあるが、κが小さくなっている。逆に特許文献２の実施例３ではκが大きいがΓ_QWとΓ_QW/W_aは低くなっている。これらに対して本特許の本実施例ではΓ_QW ,Γ_QW/W_a,及びκの全てが高い値となっている。これは次の理由による。すなわち本構成では、上部クラッド層１１７の上部に配置された電流注入層１１１には光がほとんど広がらないため、限られた領域に光が閉じこめられる。故に、Γ_QW ,Γ_QW/W_aの双方が大きくなる。さらに光が閉じこめられた上部クラッド層１１７内に回折格子１０８があるためκも大きくなる。特許文献２において、ＩｎＰで埋め込まれていない回折格子層の上部には回折格子層と同じ幅のＩｎＰクラッド層が配置されている。そのため光はこのＩｎＰクラッドにも広がり、回折格子層より下の層に十分に光を閉じ込めることが出来ない。一方、本実施形態では回折格子層を含む上部クラッド層の上のＩｎＰ層はあくまで電流注入のために設けられた層であり、光を閉じ込めるクラッド層としての機能は非常に小さい。これは、上部クラッド層と比較してメサ幅を狭くした効果による。本構造は、光を上部クラッド層以下の構造内に十分に閉じ込め、同じメサ幅において光閉じ込め率を向上させることができる。またこの効果には、上部クラッド層１１７の平均屈折率が、電流注入層１１１の主要な要素であるＩｎＰの屈折率より高いことも寄与している。特に上部クラッド層１１７に光閉じ込め層として機能するn型InGaAsP層１１０が含まれることで、より効果的に上部クラッド層１１７側に光を集めることができる。その結果、高速応答性に優れた半導体レーザが実現され得る。さらに、ＭＱＷ層の脇を半導体で埋め込むことでメサ側部におけるリーク電流の低減、ＭＱＷ層と外気との遮断を実現することで信頼性にも優れる。

第１実施形態に係る優れたリーク電流遮断特性を反映して共振器長１５０μｍで前端面０．３％以下の反射防止膜、後端面９５％の高反射膜を施した光半導体素子１は、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆｒの傾きは２５℃，８５℃においてそれぞれ６．６ＧＨｚ／ｍＡ^１／２，４．８ＧＨｚ／ｍＡ^１／２と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は３．２×１０^５時間と高い信頼性を得ることができた。

本実施形態では下部メサ構造の幅W_aを0.9μmとしたが、Γ_QWがとΓ_QW /W_aが高い範囲であれば良く0.4〜1.4μmの間が望ましい。上部クラッド層はプロセスのばらつきやΓ_QW,κの値向上等を考慮して0.4μｍ以上でかつ、Wa-0.2μm〜Wa+0.05μmが望ましい。電流注入層は光を上部クラッド層に閉じ込める観点から少なくとも上部クラッド層幅よりも0.05μm以上狭い範囲でかつ0.1μm以上0.7μm未満の範囲が望ましい。

本実施形態の上部クラッド層１１７は図４のようにｎ型InP層１０７とｎ型InGaAsP回折格子層１０８で構成されるものでも同様の結果が得られる。本構成おいても、上部クラッド層１１７の平均屈折率は電流注入層１１１のＩｎＰより屈折率は高い。図４においてはｎ電極１１５とＳｉＯ_２絶縁膜１１４の間に有機絶縁膜であるポリイミドが挿入されており、素子全体の容量が低減されている。また、図５のように上部クラッド層１１７をn型InP層１０７、ｎ型InGaAsP層１１８、n型InP層１１９、n型InGaAsP回折格子層１０８、n型InP層１０９、n型InGaAsP層１１０の多層構造で構成されるものでも同様の効果が得られる。

また、上部クラッド層１１７の上にある電流注入層では光の導波への寄与はほとんどないので図６のように電流注入層１１１を２つに分けてもよい。同様に電流注入層を３つ以上しても同様の効果が得られ得る。本構成とすることで素子抵抗を低減することが可能となる。

本実施形態ではｐ型InP基板上に形成され、ＭＱＷ層より上の半導体層をｎ型半導体で構成した半導体レーザについて述べたが、本実施形態の埋め込み構造はリーク電流が小さいためｐ型半導体とｎ型半導体を全て逆にした半導体レーザ構造でも動作する。この場合、電流注入層１１１が抵抗率の高いｐ型半導体となるが、光は導波しないため高さを低くできるため抵抗の増大は抑えることができる。

また、ＩｎＰ基板にＦｅ等がドーピングされた半絶縁性基板を用いてＩｎＰバッファ層１０２からｐ型或いはｎ型をドーピングした半導体レーザでも同様の効果が得られる。また、実施形態では単一の半導体レーザ素子について述べているが、光半導体素子１がＩｎＰ半導体基板上に複数並んで配置されるアレイ型の光半導体装置に適用しても同様の効果が得られる。

また、本実施形態の図面では記載していないが、埋め込み層に起因する容量等を低減するため、下部メサ構造端から0.5μｍ以上離れた領域にアイソレーションメサ溝を設けてもよい。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る光半導体素子の断面図である。図８は光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する光半導体素子の光軸に垂直な断面の模式図である。第２実施形態に係る光半導体素子は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板２０１上にn型InGaAlAs-SCH層２０３、p型InAlAs層２０４、InGaAlAs-MQW層２０５、p型InGaAlAs-SCH層２０６、p型InGaAlAsエッチストップ層２０２、p型InP層２０７、p型InGaAsP回折格子層２０８、p型InP層２０９、p型InGaAsP層２１０が順に積層されている。n型InGaAlAs-SCH層２０３からｐ型回折格子層２０８は通常の半導体レーザのドーピングや組成等の構成を有する。回折格子層２０８は図８の紙面に垂直な方向に回折格子構造を有している。

ｐ型ＩｎＰ層２０７からp型InGaAsP層２１０で上部クラッド層２１７を形成しており、２０７より下の層は上部クラッド層を中心に左右に広がった下部構造を構成する。下部構造と上部クラッド層２１７によりリッジ構造が構成されている。p型InGaAsP層２１０上には上部クラッド層２１７より幅の狭いp型InP電流注入層２１１が設置されている。幅は上部クラッド層２１７より狭く多少の光の染み出しがあるが導波はしない。従って電流注入層の高さは通常0.2μm以上あれば十分である。プロセス等の課題に応じて、この値より高くてもよい。本実施形態では２１１の高さを０．５μｍに設定している。上部クラッド層２１７の左右上部は屈折率の低いSiO2絶縁膜２１４で覆われているためレーザ構造内で導波する光を上部クラッド層２１７に閉じ込めることができる。電流注入層211の直上にはドーピング濃度２×10¹⁹cm^-3のｐ型InGaAsコンタクト層２１３が設置されており、ｐ型電極２１５とオーミック接触されている。ｐ型電極２１５は通常のオーミックコンタクト用電極であれば良く、本実施形態ではＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いている。ｎ型InP基板の下にはＡｕＧｅ系のオーミックコンタクト電極を用いて電気的に接続している。

上部クラッド層２１７の幅は１.０μｍである。電流注入層２１１の幅は上部クラッド層より狭く本実施形態では０．５μｍである。光は導波しないため必ずしも上部クラッド層２１７の中心と電流注入層２１１の中心は一致しなくともよい。本実施形態では電流注入層２１１の幅を０．５μｍとしたが、電流注入層は光を上部クラッド層に閉じ込める観点から少なくとも上部クラッド層幅よりも0.05μm以上狭い範囲でかつ0.1μm以上0.7μm未満の範囲が望ましい。

本実施形態では、上部クラッド層は回折格子の上側にp型InGaAsP層２１０が積層されている。InGaAsP層２１０はp型InP電流注入層２１１より屈折率が大きく、光の閉じ込め率が高い。つまり、上部クラッド層２１７の平均屈折率はｐ型ＩｎＰ電流注入層２１１の屈折率より大きい。そのため、導波する光はp型InP電流注入層２１１への漏れ出しが十分に抑制され、上部クラッド層がSiO2絶縁膜２１４に覆われている効果も加え、上部クラッド層側に強く光を閉じ込めることが可能となる。その結果、高周波特性に優れた半導体レーザを実現できる。

本実施形態は従来のリッジ型レーザに比較してκとΓ_QWは同等であるが、Γ_QW/W_aが１割から２割増大し、その分、緩和振動周波数frが向上し周波数帯域も増大した。尚、図７には記載していないが上部クラッド層２１７の端から２μｍ以上離れた位置に低容量化のためのアイソレーション溝を設置してもよい。

第２実施形態に係る光半導体素子は前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、後端面には９５％の高反射コーティングを施した。また、共振器長は１４０μｍであり、後端面から４０μｍの位置に等価的なλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。第２実施形態に係る光半導体素子は２５℃，８５℃のしきい電流がそれぞれ、７．３ｍＡ，１５．１mAとリッジ型レーザとしては低しきい電流であった。しきい電流の特性温度は８２Ｋと良好な値であった。

スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．２８Ｗ／Ａ，０．２１Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆｒの傾きは２５℃，８５℃においてそれぞれ５．２ＧＨｚ／ｍＡ^１／２，３．９ＧＨｚ／ｍＡ^１／２と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は１．９×１０^５時間と高い信頼性を得ることができた。

本実施形態の上部クラッド層２１７は図８のようにｐ型InP層２０７とｐ型InGaAsP回折格子層２０８で構成されるものでも同様の結果が得られる。

［第３実施形態］
図９、図１０及び図１１は、本発明の第３実施形態に係る光半導体装置の断面図である。上述の第１及び第２実施形態が、直接変調方式を採用している（すなわち下に存在するメサ構造よりも横幅の狭い電流注入構造を半導体レーザに採用している）のに対し、本実施形態は、上記電流注入構造を半導体吸電界吸収型変調器にも採用している。より詳細には本実施形態は、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する半導体レーザと、電界吸収型変調器が集積化された光半導体装置である。図９は光軸に平行な断面の模式図である。図９において図面左側の多層は半導体レーザの領域であり、図面右側の多層は電界吸収型変調器、中央付近は半導体レーザと電界吸収型変調器を光学的に接続する導波路層である。半導体レーザ領域の光軸に垂直な断面図を図１０に示す。図１０において半導体レーザはn型InP基板３０１上にn型InGaAsP-SCH層３０３、InGaAsP-MQW層３０５、p型InGaAsP-SCH層３０６、p型InP層３０７、p型InGaAsP回折格子層３０８、p型InP層３０９、ｐ型InGaAsP層３１０が順次積層されている。ｎ型InGaAsP-SCH層３０３からｐ型InGaAsP回折格子層３０８は通常の半導体レーザのドーピングや組成、膜厚、回折格子構造等の構成を有している。n型ＩｎＰ基板３０１の一部とｎ型InGaAsP-SCH層３０３、InGaAsP-MQW層３０５、p型InGaAsP-SCH層３０６は幅１．０μｍのメサ構造を成しており左右は高抵抗のＦｅ或いはＲｕをドーピングしたＩｎＰ層３１８で埋め込まれている。ｐ型InGaAsP層３１０はドーピング濃度１×１０¹⁸cm^-3で厚さ70nmである。図９に示すように回折格子層３０８はｐ型ＩｎＰ層３０７，３０９の中に周期的に存在している。図９では概略的に一様な周期構造を有するように示しているが、実際にはλ/4シフト構造等を導入することによって、単一モード発振が高い歩留りで実現されている。

p型InP層３０７からｐ型InGaAsP層３１０で幅１．０μｍのメサ構造の上部クラッド層３１７を形成しており、左右と上の一部はＳiO₂絶縁膜３１４で覆われている。ｐ型InGaAsP層３１０上には上部クラッド層３１７より狭い幅０．５μｍの電流注入層３１１が形成されている。電流注入層３１１の幅が上部クラッド層３１７より狭いため、多少の光が３１１内に染み出しているが３１１では共振器方向に光は導波しない。上部クラッド層３１７、ＳＣＨ層３０６，３０３、ＭＱＷ層３０５、下部クラッド層として機能するｎ型ＩｎＰ基板３０１の組み合わせで共振器方向に光は導波する。電流注入層３１１上にはp型InGaAsコンタクト層３１３が設置されｐ型電極３１５にオーミック接続されている。電流注入層３１１は光が導波しないのでその高さは低くて良く0.2μｍ以上であれば十分である。プロセス上等の課題に応じて、0.2μmより高くてもよい。また、光が導波しないので電流注入層３１１の中心は下のメサ構造３１７の中心と一致している必要はない。

図９の右側の多層構造である電界吸収型変調器の光軸に垂直な断面図を図１１に示す。図１１においてｎ型ＩｎＰ基板３０１上にEA部n型InGaAsP-SCH層３０３’、EA部InGaAsP-MQW層３０５’、EA部p型InGaAsP-SCH層（下部光閉じ込め層）３０６’、ｐ型ＩｎＰ層３０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層（上部光閉じ込め層）３１０が順次積層されている。EA部p型InGaAsP-SCH層３０６’とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層３１０は、EA部InGaAsP-MQW層３０５’よりも大きなバンドギャップを有する。すなわちEA部p型InGaAsP-SCH層３０６’とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層３１０は、EA部InGaAsP-MQW層３０５’よりも小さな屈折率を有する。EA部n型InGaAsP-SCH層３０３’からEA部p型InGaAsP-SCH層３０６’は通常の電界吸収型変調器のドーピングや組成、膜厚の構成を有している。ｐ型ＩｎＰ層３０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層３１０は図９の左側の半導体レーザ領域と同一の構成である。ｎ型Ｉｎｐ基板３０１の一部とEA部n型InGaAsP-SCH層３０３’、EA部InGaAsP-MQW層３０５’、EA部p型InGaAsP-SCH層３０６’は幅１．０μｍのメサ構造を成しており、左右は高抵抗のＦｅ或いはＲｕをドーピングしたＩｎＰ層３１２で埋め込まれている。このＩｎＰ層３１２は図９の左側の半導体レーザ領域と同一の構成である。

半導体レーザ領域と同様にp型InP層３０７からｐ型InGaAsP層３１０で幅１．０μｍのメサ構造の上部クラッド層３１７を形成しており、左右と上の一部はＳiO₂絶縁膜３１４で覆われている。ｐ型InGaAsP層３１０上には上部クラッド層３１７より狭い幅０．５μｍの電流注入層３１１’が形成されている。電流注入層３１１’の幅が上部クラッド層３１７より狭いため、多少の光が３１１’内に染み出しているが３１１’では共振器方向に光は導波しない。上部クラッド層３１７、ＳＣＨ層３０３’，３０６’、ＭＱＷ層３０５’、下部クラッド層として機能するｎ型ＩｎＰ基板３０１の組み合わせで導波路が形成され電界吸収型変調器内の光軸方向に光は導波する。電流注入層３１１’上にはp型InGaAsコンタクト層３１３’が設置されｐ型電極３１５’にオーミック接続されている。電流注入層３１１’は光が導波しないのでその高さは低くて良く0.2μｍ以上であれば十分である。電界吸収型変調器の領域では低容量化のためにSiO2絶縁膜３１４とｐ型電極３１５’の間にポリイミド膜３２２が挿入されている。

図９における中央付近は半導体レーザと電界吸収型変調器を光学的に接続する導波路層（WG部）は電界吸収型変調器と類似の構造を有している。光軸に垂直な断面構造は省略する。WG部下側InGaAsP-SCH層３２３、WG部InGaAsPコア層３２４、WG部上側InGaAsP-SCH層３２５からなる幅１．０μｍのメサ構造を有し、このメサ構造の左右はＦｅ或いはＲｕがドーピングされたＩｎＰ層３１２で埋め込まれる。上部クラッド層は電界吸収型変調器領域と同様にp型InP層３０７とｐ型InGaAsP層３１０で構成され幅１．０μｍのメサ構造を有する。上部クラッドのメサ構造の脇はＳｉＯ２絶縁膜が設置されている。導波路層には電流を流す必要がないためコンタクト層と電極は無い。また、半導体レーザ領域と電界吸収型変調器の電気的な抵抗を上げるため、電流注入層３１１’の膜厚は０．１μｍと低くしている。

本実施形態では通常の埋め込み型構造の電界吸収型変調器よりもＭＱＷ３０５‘の光閉じ込め係数が約５％から約１５％程度高くなるため、より低い変調電圧振幅で光を変調することができる。或いはより変調器長が短い構成で高い消光比を得ることができる。これは、上部クラッド層３１７にＩｎＧａＡｓＰ上部光閉じ込め層３１０が含まれており、電流注入層３１１’より平均屈折率が高いことと、電流注入層３１１‘の幅が上部クラッド層３１７の幅より狭いことに起因する。また、半導体レーザも光閉じ込め係数が増大するため、低しきい電流でレーザ発振が可能となる。

第３実施形態に係る半導体レーザと電界吸収型変調器が集積化された光半導体装置は、電界吸収型変調器が設置されている側の前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、半導体レーザが設置されている側の後端面には９０％の高反射コーティングを施した。半導体レーザの共振器長は３００μｍであり、後端面から３５μｍの位置にλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。第３実施形態に係る半導体レーザ領域は２５℃，８５℃のしきい電流がそれぞれ、６．７ｍＡ，１４．２ｍＡの低しきい電流であった。

電界吸収型変調器の変調器長は７０μｍであり、従来技術と比較して、約２割から約５割短くできるのでEA部n型InGaAsP-SCH層３０３‘、EA部InGaAsP-MQW層３０５‘、EA部p型InGaAsP-SCH層３０６‘で構成されるpinダイオードの容量を小さくすることができる。本実施形態では電界吸収型変調器の電極を含めた全体の容量を0.13pFまで小さくすることができた。この低い容量を反映して電界吸収型変調器が集積化された光半導体装置は64GHzの高い帯域を得ることができた。さらに半導体レーザ領域、及び変調器領域共に８５℃における推定寿命時間は２．８×１０^５時間と高い信頼性を得ることができた。

本実施形態では半導体レーザ領域と電界吸収型変調器領域のＭＱＷ層とＳＣＨ層をInGaAsPの半導体層として使用したが、InGaAlAsの半導体層を使用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

なお、本発明では単体の半導体レーザ、及び半導体レーザと電界吸収型変調器を集積した光装置について述べたが、半導体レーザの前方にパッシブ導波路を備えた集積型半導体レーザやマッハツェンダ型変調器を集積したＭＺ変調器集積型半導体レーザを同様に作成できることは言うまでもない。

1 半導体レーザ、2 発光領域、3 レーザ光、101 p型InP基板、102 p型InPバッファ層（下部クラッド層）、103 p型InGaAlAs-SCH層、104 p型InAlAs電子ストップ層、105 InGaAlAs-MQW層、106 n型InGaAlAs-SCH層、107 n型InP層、108 n型InGaAsP回折格子層、109 n型InP層、110 n型InGaAsP層、111 n型InP電流注入層、112 高抵抗InP埋め込み層、113 n型InGaAsPコンタクト層、114 SiO₂絶縁膜、115 n型電極、116 p型電極、117 上部クラッド層、118 n型InGaAsP層、119 n型InP層、120 誘電体無反射コーティング膜、121 誘電体高反射コーティング膜、122 ポリイミド膜、201 n型InP基板、202 p型InGaAlAsエッチストップ層、203 n型InGaAlAs-SCH層、204 p型InAlAs層、205 InGaAlAs-MQW層、206 p型InGaAlAs-SCH層、207 p型InP層、208 p型InGaAsP回折格子層、209 p型InP層、210 p型InGaAsP層、211 p型InP電流注入層、213 p型InGaAsコンタクト層、215 p型電極、216 n型電極、217 上部クラッド層、301 n型InP基板、303 n型InGaAsP-SCH層、305 InGaAsP-MQW層、306 p型InGaAsP-SCH層、307 p型InP層、308 p型InGaAsP回折格子層、309 p型InP層、310 ｐ型InGaAsP層、311 p型電流注入層、313 p型InGaAsコンタクト層、315 p型電極、303’ EA部n型InGaAsP-SCH層、305’ EA部InGaAsP-MQW層、306’ EA部p型InGaAsP-SCH層、323 WG部下側InGaAsP-SCH層、324 WG部InGaAsPコア層、325 WG部上側InGaAsP-SCH層、312 高抵抗（半絶縁性）InP層、317 上部クラッド層。

Claims

光を放出又は吸収する半導体光素子であって、
多重量子井戸層を含む下部構造と、
前記下部構造上に配置される上部メサ構造と、
前記上部メサ構造上に配置される電流注入構造と、を備え、
前記の放出又は吸収される光の光軸から見て、前記電流注入構造の前記上部メサ構造と接している部分の横軸は、前記上部メサ構造の横軸よりも小さく、
前記電流注入構造の前記上部メサ構造と接している部分はＩｎＰで構成され、
前記上部メサ構造の平均屈折率は、前記電流注入構造の前記ＩｎＰの屈折率より高く、
前記半導体光素子は、前記上部メサ構造の両側面、及び上面の一部を接して覆う絶縁膜をさらに備える、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項１に記載の光半導体素子であって、
光を放出するように構成され、
前記上部メサ構造は回折格子層を有し、
前記下部構造は、前記上部メサ構造とともに一のメサ構造を構成し、
前記下部構造の両側面を埋め込む埋め込み半導体層をさらに備える、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項１に記載の光半導体素子であって、
光を吸収するように構成され、
前記下部構造は、前記多重井戸層の上部に設けられる、前記多重井戸層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する下部光閉じ込め層を有し、
前記上部メサ構造は、前記下部光閉じ込め層の上部に設けられる、前記多重井戸層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する上部光閉じ込め層を有し、
前記下部構造の両側面を埋め込む埋め込み半導体層をさらに備える、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光半導体素子であって、
前記電流注入構造は、前記上部メサ構造の幅よりも０．０５μm以上狭い、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項４に記載の光半導体素子であって、
前記電流注入構造は、０．１μm以上０．７μm以下の範囲の幅を有する、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項５に記載の光半導体素子であって、
前記電流注入構造の高さは、１μｍ未満である、
ことを特徴とする、光半導体素子
請求項１乃至６のいずれかに記載の光半導体素子であって、
前記電流注入層を少なくとも２つ以上備える、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項１に記載の光半導体素子であって、
前記多重量子井戸層は、Ａｌ元素を含む多元素からなる層である、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項２に記載の光半導体素子であって、
前記上部メサ構造は、前記電流注入構造より屈折率が大きい光閉じ込め層をさらに有する、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項９に記載の光半導体素子であって、
前記光閉じ込め層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成される、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項３に記載の光半導体素子であって、
前記上部光閉じ込め層及び前記下部光閉じ込め層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成される、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項２に記載の光は導体素子であって、
前記回折格子層は、ＩｎＧａＡｓＰで構成される、
ことを特徴とする、光半導体素子。
請求項３に記載の光半導体素子と、
前記光半導体素子と一体的に集積された半導体レーザを有する、
光半導体装置。