JP2023007324A - 半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に優れた半導体光素子を提供することにある。【解決手段】第１導電型の基板と、前記第１導電型の基板の上側に配置された第１導電型の光閉じ込め層と、前記第１導電型の光閉じ込め層の上側に配置された複数の井戸層と障壁層で構成される多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された第２導電型の光閉じ込め層と、前記第１導電型の基板と前記多重量子井戸層との間に配置されたＰＬ安定化層と、を備え、前記ＰＬ安定化層の厚さは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以上であり、前記ＰＬ安定化層の組成波長は、前記多重量子井戸層の前記井戸層の組成波長より短く、前記第１導電型の光閉じ込め層の組成波長より長波である、半導体光素子。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体光素子及びその製造方法に関する。

近年のインターネット社会において、高速大容量の半導体光素子の需要が高まっている。半導体光素子として、例えば直接変調型の半導体レーザや、連続光を発振する半導体レーザなどの半導体レーザが知られている。また連続光のレーザ光を変調して光信号を生成する外部変調器として、電界吸収型変調器やマッハツェンダー型変調器が知られている。これらの半導体光素子の基本的な構造は、多重量子井戸層（ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ））をｐ型半導体とｎ型半導体で挟んだ構造が一般的である。ＭＱＷは、半導体光素子が半導体レーザである場合には光を発生させる層として機能し、変調器である場合には吸収層として機能する。さらに、ＭＱＷを光閉じ込め層（ＳＣＨ層；Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ層）で挟んだ構造も知られている。ＳＣＨ層は、例えばＭＱＷに光を高効率に閉じ込めるために配置される。そのため、ＳＣＨ層の屈折率は、ＭＱＷを形成する井戸層や障壁層の屈折率より小さいことが一般的である。言い換えるとＳＣＨ層の組成波長は、ＭＱＷを形成する井戸層や障壁層の組成波長より短いことが一般的である。ＳＣＨ層の方がＭＱＷより組成波長が短いということは、バンドギャップが大きいことを示し、例えば順方向バイアス下においてはＳＣＨ層からＭＱＷに向かったキャリアはスムーズに移動できる。

特許文献１には、ｎ型のＳＣＨ層を２層設け、半導体基板側に近いほうの第二の閉じ込め層の組成波長が障壁層より長波とした構造が開示されている。本構造によりキャリアの捕獲時間を大きくして、周波数変調効率の増大を図っている。

特開平０７－１８３６１７公報

半導体光素子の特性は、ＭＱＷの品質に強く依存する。ＭＱＷは、例えばＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition法）などの結晶成長手段により作製される。ＳＣＨ層を形成する場合は、ＭＱＷを挟むように上下のＳＣＨ層を一括で（連続で）成長させることが多い。ＭＱＷの品質の評価方法として、ＰＬ測定（Photoluminescence測定）が知られている。ＰＬ測定とは、半導体に外部から励起光を入射して生成されたキャリアの自然放出光を測定することによる半導体評価手法である。励起光源として、評価したい半導体層で吸収される波長の光を発する光源が用いられる。この時、ＭＱＷだけが吸収できる波長の励起光源を用いれば、ＭＱＷからの自然放出光を測定することができる。しかしながら、ＭＱＷとＳＣＨ層の組成波長は近いことが多いため、ＭＱＷだけでなくＳＣＨ層でも吸収できる波長の光を発する光源が使われることも多い。この時、自然放出光のスペクトルとして、ＭＱＷからの自然放出光とＳＣＨ層からの自然放出光の両方を含んだ光のスペクトルが測定される。

自然放出光のスペクトルを解析することで結晶品質を検査することが可能となる。しかしながら、例えば自然放出光の強度が小さい場合には、正確にスペクトルを解析することができない。また量産時において、ロット間で自然放出光のスペクトルの強度が大きく異なる場合、どれが正しいスペクトルなのかの判断が難しい。自然放出光の強度が小さい理由はいくつかある。一つは、ＭＱＷが所望の結晶品質以下であるために、励起光が吸収されず自然放出光が小さくなった場合である。もう一つは、ＭＱＷ自体が励起光を吸収しづらい構造（例えば層厚が薄い場合など）であって、単に励起光の吸収量が少ない場合などである。また一般的には、ＭＱＷからの自然放出光の強度が十分に得られるように励起光の強度は設定されるが、測定ばらつきなどにより半導体素子に所望の励起光が照射されず、結果としてＭＱＷからの自然放出光強度が低下する場合もある。そのため、ＰＬ測定における評価スペクトルの強度が小さい場合に、ＭＱＷの結晶品質が悪いのか、それとも単にＭＱＷが十分に励起光を吸収できない構造であるのか、もしくはＭＱＷに励起光が十分に照射されなかったのか、を判断することができず、ＭＱＷの結晶品質を評価することができない場合がある。

また光通信で用いられる１．３μｍ帯に対応した半導体層の評価を行う場合、励起光源として発振波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザが用いられることが多い。ＩｎＰ系の半導体光素子は、基板にＩｎＰが用いられることが多い。ＹＡＧレーザによる励起光のエネルギーは、ＩｎＰのバンドギャップより小さい。そのため、ＩｎＰ基板上に１．３μｍ帯に対応したＭＱＷを結晶成長した場合、ＹＡＧレーザは、ＩｎＰ基板を励起せずＭＱＷを励起するため、結晶成長された層を単独で評価することに適している。

ここで、１．３μｍ帯の半導体光素子のＳＣＨ層の組成波長は、およそ１．００μｍから１．１μｍに設定される場合がある。しかし結晶成長において、実際に出来上がるＳＣＨ層の組成波長は、製造ばらつきの影響をうける。例えば、ＳＣＨ層の設定波長が１．０５μｍになるように設計したとしても、実際のＳＣＨ層の組成波長が１．０３μｍや１．０７μｍなどになる場合がある。この時、１０６４ｎｍ（１．０６４μｍ）の励起光が入射された場合、励起光はＳＣＨ層で吸収される場合とされない場合が生じる。励起光がＳＣＨ層で吸収されない場合、励起光はＭＱＷのみで吸収され、ＭＱＷからの自然放出光を測定することができるため、ＭＱＷの品質を確認することが可能である。しかし、励起光がＳＣＨ層で吸収される場合、測定されたスペクトルは、ＭＱＷだけではなくＳＣＨ層からの発光を含んだ自然放出光スペクトルである。また、ＭＱＷだけではなくＳＣＨ層でも光が吸収されるため、励起されるキャリアが多くなり、ＭＱＷのみで吸収した場合と比較して、ＭＱＷからの自然放出光の強度が変化する。仮に必ずＳＣＨ層が光吸収をするのであれば、ＳＣＨ層で光が吸収されることを踏まえて積層した半導体層の品質を比較することが可能となる。しかし製造ばらつきによりＳＣＨ層の組成波長がばらつくため、ロット間でＳＣＨ層が光吸収をする場合としない場合が混在すると、ＰＬ測定の結果がばらつくこととなり、正しい半導体多層の品質の確認をすることが困難となる。

本発明は上記の課題に対して、半導体層、特に多重量子井戸層の結晶品質を評価できる構造とし、量産性に優れた半導体光素子を提供することを目的とする。

（１）本開示に係る半導体光素子は、第１導電型の基板と、前記第１導電型の基板の上側に配置された第１導電型の光閉じ込め層と、前記第１導電型の光閉じ込め層の上側に配置された複数の井戸層と障壁層で構成される多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層上に配置された第２導電型の光閉じ込め層と、前記第１導電型の基板と前記多重量子井戸層との間に配置されたＰＬ安定化層と、を備え、前記ＰＬ安定化層の厚さは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以上であり、前記ＰＬ安定化層の組成波長は、前記多重量子井戸層の前記井戸層の組成波長より短く、前記第１導電型の光閉じ込め層の組成波長より長波である、ことを特徴とする。

本発明により、半導体光素子の多重量子井戸層の結晶品質を安定的に検査することが可能となり、ひいては安定した量産性を実現する。

本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の上面図である。 図１に示すＡ－Ａ線断面図である。 第１の実施形態に係る半導体光素子の製造途中の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子の上面図である。 図４に示すＡ－Ａ線断面図である。 図５に示すＡ－Ａ線断面図の拡大図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザの製造途中の断面図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザのバンドダイヤグラムの模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子のＡ－Ａ線断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子のＡ－Ａ線断面図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光素子１の上面図である。半導体光素子１は、半導体レーザである。図２は、光軸に垂直なＡ－Ａ断面の模式図である。半導体光素子１は、ｎ型基板（基板２）の上に、ＰＬ安定化層９、ｎ型光閉じ込め層（ｎ型ＳＣＨ層３）、多重量子井戸層（ＭＱＷ）４、ｐ型ＳＣＨ層５、ｐ型クラッド層６の順で積層された構造を含む。半導体光素子１は、表面電極７と裏面電極８とを有し、ｐクラッド層６には表面電極７が接し、ｎ型（基板２）には裏面電極８が接している。この二つの電極の間に電圧を印可する（電流を注入）することでＭＱＷ４が発光する。なお、ｎ型とｐ型は逆であっても構わない。また電気抵抗を低減するために、ｐ型クラッド層６と表面電極７との間にコンタクト層を配置しても構わない。

ここでＰＬ安定化層９は、ｎ型ＳＣＨ層３よりも組成波長が長波（バンドギャップが小さい）の層である。また、ＰＬ安定化層９は、後述する励起光源の励起光を吸収できる組成波長となっている。

本開示は、ＰＬ安定化層９に特徴がある。ＰＬ安定化層９の効果について説明するために、半導体光素子１の製造手順について説明する。まず、図３に示すように基板２の上面全面にＰＬ安定化層９、ｎ型ＳＣＨ層３、ＭＱＷ４、ｐ型ＳＣＨ層５、キャップ層１０を結晶成長する。結晶成長後、ＭＱＷ４の結晶品質を確認するためにＰＬ測定を行う。ＰＬ測定は、キャップ層１０の表面からＭＱＷ４およびＰＬ安定化層９が吸収できる波長の励起光を入射し、半導体光素子１からの自然放出光（ＰＬ光）を測定することで行われる。基板２側から励起光を入射することも可能だが、他の層と比較して十分に厚い基板２によって励起光が吸収・散乱される可能性があるため、安定した評価のためにはキャップ層１０側から入射させることが好ましい。なお、キャップ層１０はＰＬ測定等の製造中の他のプロセス中にｐ型ＳＣＨ層５より下の層を保護するために設けられている層であり、最終的には残らない層である。そのため、キャップ層１０を配置してなくても構わない。

ＰＬ測定では、各層のバンドギャップに応じた波長の波長スペクトルを測定する。ＰＬ測定は、この波長スペクトルの発光強度、半値幅等を評価することで結晶品質を確認する手法である。ＭＱＷ４の結晶品質を確認するためには、励起光の波長がＭＱＷ４を構成する井戸層の組成波長より短波である必要がある。この時、井戸層が薄く、十分に励起光を吸収できない場合がある。また、ｎ型ＳＣＨ３とｐ型ＳＣＨ５の組成波長が励起光の波長より短波である場合は、二つのＳＣＨ層では励起光は吸収されない。結果として、ＭＱＷ４から出力されるＰＬ光の強度が小さく、正確なＰＬ測定ができないことがある。しかし、本開示においてはＰＬ安定化層９が配置されているため、安定したＰＬ測定を実現できる。ＰＬ安定化層９は、励起光を吸収できる組成波長で形成されている。そのため、ＭＱＷ４で吸収されなかった励起光（ＭＱＷ４を透過した励起光）は、ＰＬ安定化層９で吸収される。ＰＬ安定化層９で吸収された励起光により電子とホール（キャリア）が生成される。生成されたキャリアの一部は、熱などのエネルギーによりＭＱＷ４に移動する。移動したキャリアはＭＱＷ４で再結合し、ＰＬ光が出力される。そのためＭＱＷ４からのＰＬ光の強度が増加し、正確なＰＬ測定を実現できる。なお、ＰＬ安定化層９の組成波長はＭＱＷ４の井戸層の組成波長より短波である。もしＰＬ安定化層９の組成波長が井戸層より長波である場合、ＰＬ安定化層９で励起されたキャリアはＰＬ安定化層９で再結合し、半導体光素子１からのＰＬ光はＰＬ安定化層９からの発光がメインとなる。そのためＭＱＷ４のＰＬ光が小さくなりＭＱＷ４の結晶評価ができなくなる。またＰＬ安定化層９の組成波長は、ｎ型ＳＣＨ層３の組成波長より長波であることが望ましい。ＰＬ安定化層９の組成波長よりもｎ型ＳＣＨ層３の組成波長の方が長波の場合、ｎ型ＳＣＨ層３でも励起光を吸収できるため、ＰＬ安定化層９がなくてもＰＬ測定を安定して行うことができる。この場合、ＰＬ安定化層９は不要となる。ただし、後述するようにｎ型ＳＣＨ層３が励起光を吸収できる組成波長であっても、ＰＬ安定化層９が効果を発揮する場合もある。

ここで、ＰＬ安定化層９の層厚は、ＭＱＷ４の層厚の半分以上であることが好ましい。またＭＱＷ４を除いた励起光を吸収できる層の合計膜厚の２倍以上の厚さとすることで、安定したＰＬ測定を実現できる。例えば、ｎ型ＳＣＨ層３とｐ型ＳＣＨ層５（以下、ｎ型ＳＣＨ層３とｐ型ＳＣＨ層５を合わせて単にＳＣＨ層と呼称する）も励起光を吸収できる組成波長とした場合、ＳＣＨ層で生成されたキャリアはＭＱＷ４に移動し、ＰＬ光として出力される。しかしＳＣＨ層が薄い場合は、供給されるキャリアは少なく、ＰＬ光強度は小さいままである。しかしｎ型ＳＣＨ層３とｐ型ＳＣＨ層５の合計膜厚の２倍以上の厚みを持つＰＬ安定化層９が配置されていれば、キャリアを十分に供給することが可能となる。

さらに、製造時のばらつきによりＳＣＨ層の組成波長が設計値とずれることがある。例えばＳＣＨ層の組成波長と励起光の波長とが近接しているとき、製造ばらつきによりＳＣＨ層の組成波長が励起光を吸収する波長となる場合と、吸収しない波長となる場合がある。ＳＣＨ層における励起光の吸収の有無により、ＭＱＷに供給されるキャリア量が変化し、ＭＱＷからのＰＬ光強度が変化することになる。しかし、ＰＬ安定化層９が配置されていれば、ＳＣＨ層における励起光の吸収の有無に関わらず、安定してキャリアをＭＱＷに供給することが可能となる。ＰＬ安定化層９が含まれる構造において、ＳＣＨ層における励起光の有無によりＭＱＷで発生するＰＬ光の強度は変化しうるが、ＭＱＷで発生するＰＬ光のスペクトル形状は安定するため、ＰＬ測定を安定して行うことができる。

［第２の実施形態］
図４は、本開示の第２の実施形態にかかる半導体光素子２０１の上面図である。半導体光素子１は、半導体レーザ２１１、電界吸収型変調器（ＥＡ変調器）２１３、導波路２１２が一体的に集積されている変調器集積半導体レーザである。なお、本実施形態では集積型の例を示すが、本開示は、半導体レーザ単体またはＥＡ変調器単体であっても効果を得ることができる。半導体光素子２０１は、半導体レーザ２１１と、導波路２１２と、ＥＡ変調器２１３とがこの順で互いに光学的に接続された集積素子である。半導体レーザ２１１は連続光を出射し、導波路２１２は半導体レーザ２１１の出射光をＥＡ変調器２１３に伝達する。ＥＡ変調器２１３は半導体レーザ２１１の発振波長に対応した光を吸収する多重量子井戸層を備えている。導波路２１２を通過してＥＡ変調器２１３に入光した連続光は、ＥＡ変調器２１３にて強度変調され、２値や４値等の変調光信号に変換される。ＥＡ変調器２１３から出射された変調光信号は、前方端面２２１から出射される。なお、前方端面２２１付近に他の構造、例えば半絶縁性のＩｎＰなどを配置した窓構造を備えていても良い。前方端面２２１には図示しない誘電体無反射膜が形成されている。また、半導体レーザ２１１の逆側の端面である後方端面２２２には、図示しない誘電体高反射膜が形成されている。また詳細は後述するが、半導体光素子１は、半導体レーザ２１１からＥＡ変調器２１３までメサ構造を備えており、その両側は半導体埋め込み層（ＢＨ層２１５）で埋め込まれた埋め込み型半導体素子となっている。

図５は、半導体レーザ２１１の光軸に垂直なＡ－Ａ断面の模式図である。メサ構造は基板２０２（ｎ－ＩｎＰ基板）の一部、レーザ部多重量子井戸層２０４、ｐ型クラッド層２１６、そして図６に示すｐ型コンタクト層２１８で構成されている。ここではｐ型クラッド層２１６はｐ－ＩｎＰ層で構成されている。メサ構造の両側は埋め込み層（ＢＨ層２１５）で埋め込まれている。メサ構造の詳細は後述する。ＢＨ層２１５の上面には一部を除いて絶縁膜２１９が配置されている。絶縁膜２１９は、例えばＳｉＯ_２膜である。絶縁膜２１９の上面の一部とメサ構造の頂部に渡ってレーザ部電極２０７が配置されている。また、基板２０２の裏面には裏面電極２０８が配置されている。レーザ部電極２０７と裏面電極２０８との間に電圧を印可（電流を注入）することで半導体レーザ２１１は連続光を発生する。

図６は、図５に示す半導体レーザ２１１のメサ構造付近の拡大図である。メサ構造は、基板２０２の一部、ＰＬ安定化層２０９、ｎ型光閉じ込め層（ＳＣＨ層）２０３、レーザ部多重量子井戸層２０４、ｐ型ＳＣＨ層２０５、ｐ型クラッド層２１６、そしてｐ型コンタクト層２１８で構成されている。また、ｐ型ＳＣＨ層２０５には回折格子が形成されており、半導体レーザ２１１は１．３μｍ帯で発振するＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザである。さらには、半導体レーザ２１１はＤＦＢレーザに限らず、ＦＰ(Fabry-Perot)レーザ、ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)レーザ、ＤＲ(Distributed Reflector)レーザであっても構わない。

ＰＬ安定化層２０９は、厚みが１００ｎｍであり組成波長が１．１μｍであるアンドープのＩｎＧａＡｓＰ層で構成されている。ｎ型ＳＣＨ層２０３は、厚みが２５ｎｍであり組成波長が１．０５μｍであるｎ型のＩｎＧａＡｓＰで構成されている。またｐ型ＳＣＨ層２０５は、厚みが２５ｎｍであり、組成波長が１．０５μｍであるｐ型のＩｎＧａＡｓＰで構成されている。レーザ部多重量子井戸層２０４は、複数の障壁層と井戸層が交互に配置されている。なお、レーザ部多重量子井戸層２０４は、障壁層から始まり障壁層で終わっている。ここでは井戸層、障壁層とも厚みは８ｎｍとした。障壁層はアンドープのＩｎＧａＡｓＰで組成波長が１．０８μｍであり、井戸層はアンドープのＩｎＧａＡｓＰで組成波長が１．２８μｍである。レーザ部多重量子井戸層２０４全体で１．３μｍ帯に対応した組成となっている。ｐ型クラッド層２１６は、ｐ型のＩｎＰ層であり、厚みは１５００ｎｍである。なお、ここで記載している組成波長や厚さは、本開示の効果が得られる構造を詳細に説明するために挙げた一例に過ぎず、異なる組成波長や層厚でも本開示の効果は得られる。

本開示は、ＰＬ安定化層２０９に特徴がある。ＰＬ安定化層２０９の効果について説明するために、半導体光素子２０１の製造手順、特に半導体レーザ２１１の製造手順について説明する。まず、図７に示すように基板２０２の上面全面にＰＬ安定化層２０９、ｎ型ＳＣＨ層２０３、レーザ部多重量子井戸層２０４、ｐ型ＳＣＨ層２０５、ｐ型ＩｎＰキャップ層２１０を結晶成長させる。なお、基板２０２とＰＬ安定化層２０９との間に、ｎ－ＩｎＰバッファ層を配置しても良い。結晶成長後、レーザ部多重量子井戸層２０４の結晶品質を確認するためにＰＬ測定を行う。ＰＬ測定は、ｐ型ＩｎＰキャップ層２１０の表面側から発振波長が１０６４ｎｍであるＹＡＧレーザを照射し、半導体レーザ２１１における発光（ＰＬ光）を測定することで行われる。

ＹＡＧレーザの出力光（励起光）は、１０６４ｎｍ（１．０６４μｍ）であるから、本波長より長波の組成波長を有する層で吸収され、１．０６４μｍより短波の組成波長を有する層は透過する。本構成の場合、励起光は井戸層とＰＬ安定化層２０９にて吸収される。

図８にＹＡＧレーザが入光した際の半導体レーザ２１１の光吸収について模式的に示したバンドダイヤグラムを示す。励起光は井戸層で吸収され、電子とホールの対が生成される。電子とホールが再結合することでレーザ部多重量子井戸層２０４のバンドギャップに対応した波長スペクトルのＰＬ光が出力される。励起光はすべてが井戸層で吸収されるわけではなく、基板２０２まで到達する。この時、ＰＬ安定化層２０９によっても励起光は吸収される。ＰＬ安定化層２０９で吸収された励起光により電子とホール（キャリア）が生成される。生成されたキャリアの一部は、熱などのエネルギーによりレーザ部多重量子井戸層２０４側に移動する。移動したキャリアはレーザ部多重量子井戸層２０４で再結合し、ＰＬ光が出力される。ＰＬ安定化層２０９は１００ｎｍの厚みがあるため、励起光を十分に吸収し、レーザ部多重量子井戸層２０４にはＰＬ発光のためのキャリアが十分に供給される。これにより、レーザ部多重量子井戸層２０４で出力されるＰＬ光は、品質を確認にするに十分な強度となる。

ここで、課題で示したように１．３μｍ帯の半導体光素子のＳＣＨ層は、ＹＡＧレーザの波長と近い場合が多い。本実施形態ではｎ型ＳＣＨ層２０３、ｐ型ＳＣＨ層２０５とも１．０５μｍとしている。しかし設計上の組成波長が１．０５μｍであったとしても、設計波長に対して±０．０３μｍ程度の製造ばらつきが生じる。仮に長波側にばらついた場合、ＳＣＨ層の組成波長が、１．０６４μｍの波長の光を吸収する組成波長になることがある。逆にＳＣＨ層の組成波長が短波側にばらつくと１．０６４μｍから離れることになる。その結果、励起光の吸収量にばらつきが生じる。ＳＣＨ層の組成波長が長波側にシフトした場合、励起光は吸収され、レーザ部多重量子井戸層２０４にはキャリアが供給され、ＰＬ光強度は増加する。一方、ＳＣＨ層の組成波長が短波側にシフトした場合は、励起光は吸収されず、井戸層のみで吸収されるため、ＳＣＨ層が長波側にシフトした場合と比較してＰＬ光強度が小さい場合がある。つまり、同じ構造の半導体光素子を複数枚製造した時に、出来上がったＳＣＨ層の組成波長によってＰＬ光強度が変動し、どれが正しいＰＬ測定となっているかが判断しづらくなる。そのため安定した量産が困難となる。

一方、上述したようにＰＬ安定化層２０９を他の層と比較して十分に厚くし、かつＹＡＧレーザの光を確実に吸収する組成波長とすることで、ＰＬ安定化層２０９が、確実に励起光を吸収しレーザ部多重量子井戸層２０４にキャリアを供給することが可能となる。ある一定量の電子が供給されば、ＰＬ光の強度は安定する。安定した光吸収を行うためには、ＰＬ安定化層２０９の厚みが１００ｎｍ以上であることが好ましい。さらに、例えばＳＣＨ層の組成波長がばらつき、ＳＣＨ層が励起光を吸収しキャリアを生成したとすると、そのキャリアもレーザ部多重量子井戸層２０４に移動してＰＬ光として観測される。そのため、ＳＣＨ層の組成波長のばらつきは、ＰＬ光の強度がばらつく要因となる。これを避けるために、ＳＣＨ層で吸収される光に対してＰＬ安定化層２０９で吸収される光が十分に多くすることにより、ＳＣＨ層の光吸収の影響を低減することが可能となる。そのため、ＰＬ安定化層２０９の厚さは、ｎ型ＳＣＨ層２０３より厚いことが好ましい。さらに、ＰＬ安定化層の厚さは、レーザ部多重量子井戸層２０４を除いたＹＡＧレーザ光を吸収できる組成波長の層の合計膜厚の２倍以上の厚さが好ましい。ここではＹＡＧレーザ光を吸収できる組成波長の層とは、組成波長が１．０６４μｍより短波である層を示す。励起光源がＹＡＧレーザではない場合は、励起光を吸収できる組成波長の層とは、その励起光源の波長より短波の層を示す。本実施形態においては、製造ばらつきによりＹＡＧレーザ光を吸収する可能性がある層は、ｎ型ＳＣＨ層２０３とｐ型ＳＣＨ層２０５である。この二つの層の合計は５０ｎｍである。一方、ＰＬ安定化層２０９の膜厚は１００ｎｍであり、ＳＣＨ層の組成波長のばらつきによりＰＬ光強度への影響を低減することが可能となっている。従って、本開示はＳＣＨ層の組成波長が１．０３μｍ以上１．０９μｍ以下の場合に、特に有効な発明となる。

さらに、出来上がったＰＬ安定化層２０９の組成波長のばらつきによる影響を避けるため、ＰＬ安定化層２０９の組成波長は１．１μｍ以上であることが好ましい。またＰＬ安定化層２０９の組成波長は、井戸層の組成波長より短波であることが好ましい。ＰＬ安定化層２０９の組成波長が井戸層より長波の場合は、キャリアがレーザ部多重量子井戸層２０４にて再結合する前にＰＬ安定化層２０９で再結合する率が多くなり、十分にレーザ部多重量子井戸層２０４にキャリアを供給することができなくなる。さらに、隣接するｎ型ＳＣＨ層２０３との間のエネルギー障壁が大きすぎるとＰＬ安定化層２０９で発生したキャリアがレーザ部多重量子井戸層２０４側に移動しづらくなる。そのため、ＰＬ安定化層２０９は、隣接する層との間のエネルギー障壁が組成波長換算で、０．２３μｍ以下となることが好ましい。本実施形態においては、ＰＬ安定化層２０９の組成波長は、１．２８μｍ以下であることが好ましい。また本開示は、ＰＬ安定化層２０９の組成波長がｎ型ＳＣＨ層２０３の組成波長より長波の場合に特に有効である。ｎ型ＳＣＨ層２０３の組成波長の方がＰＬ安定化層２０９の組成波長より長波の場合は、ＹＡＧレーザ光はｎ型ＳＣＨ層２０３で吸収され、ＰＬ安定化層２０９がなくても励起光は吸収され、ＰＬ安定化層２０９を配置することのメリットは小さくなる。もっとも、より多くのキャリアをレーザ部多重量子井戸層２０４に供給するという観点では、ＰＬ安定化層２０９を配置するメリットはある。

また、ＰＬ安定化層２０９は、基板２０２やｎ型ＳＣＨ層２０３と比較して低濃度のｎ型層もしくはアンドープ層であることが好ましい。ここで低濃度とは、キャリア濃度が１×１０＾１７／ｃｍ３未満であることを示す。またアンドープ層とは、意図的に不純物をドーピングしていない層を示し、バックグラウンドレベルで不純物が含まれている場合も含む。ＰＬ安定化層２０９を高濃度、例えば１×１０＾１７／ｃｍ^３以上の濃度のｎ型層とした場合、実質的なエネルギーギャップが大きくなる。つまりＰＬ安定化層２０９の実効的な吸収波長が短波にシフトする。その結果、励起光を吸収できない組成となりＰＬ測定の安定性が低下する可能性が生じる。

上記の手順によりＰＬ測定により半導体レーザ２１１の品質確認を行った後に、既知のリソグラフィ技術、バットジョイント法、結晶成長法などを用いてＥＡ変調器２１３についても多層成長を行う。ＥＡ変調器２１３を作成する場合においても、半導体レーザ２１１と同様にＰＬ安定化層２０９を配置することでＥＡ変調器の多重量子井戸層の品質確認を行うことが可能となる。同様に導波路２１２を形成し、全体にｐ型クラッド層２１６、ｐ型コンタクト層２１８を形成する。ｐ型クラッド層２１６を形成する前に、半導体レーザ２１１のｐ型ＳＣＨ層２０５に回折格子を形成している。多層成長後にメサ構造を形成し、メサ構造の両側にＢＨ層２１５を形成する。さらに、表面に絶縁膜２１９、レーザ部電極２０７、変調器部電極２２５を形成する。さらに、基板２０２を薄く研磨した後、裏面に裏面電極２０８を形成する。最後にチッピングすることで半導体光素子２０１は完成する。

ＰＬ安定化層２０９は、ｎ型ＳＣＨ層２０３に対してバンドギャップが小さい。一般的には、多重量子井戸層４の障壁層からベースとなる基板２０２に向かって徐々にバンドギャップは大きくなるように構成することで、キャリアの移動をスムーズにしている。そのため、半導体光素子２０１は、実駆動時においてＰＬ安定化層２０９がキャリアの移動の障壁となる場合がある。しかし、半導体レーザ２１１は連続光を発振させるため、キャリアの移動の速度をそれほど気にする必要はない。従って、本開示に係るＰＬ安定化層２０９が含まれていても実使用に十分に対応することが可能である。ＥＡ変調器２１３や本構造を直接変調型半導体レーザに適用した場合、場合によっては対応できる変調速度を制限する場合がある。この場合、ＰＬ安定化層２０９をできるだけ薄くし、かつ隣接する層とのバンドギャップを小さくすることで対応速度低下の影響を抑えることが可能となる。具体的には１．３μｍ帯に対応した半導体光素子の場合、ＰＬ安定化層２０９の組成波長を製造ばらつきの影響を受けても確実に光吸収が可能となる１．１μｍ以上とし、厚みを３００ｎｍ以下とすることが好ましい。その他の波長帯については、第１の実施形態で示した厚さ等にすることが好ましい。

さらに、ＰＬ安定化層２０９は、多重量子井戸層４からみてｎ側に配置することが好ましい。ｐ側に配置した場合は、ＰＬ安定化層２０９がアンドープであるために大きなエネルギー障壁を発生させ、半導体レーザであっても特性への影響が大きくなる。なお、ＰＬ安定化層２０９はＹＡＧレーザ光を吸収できる組成波長であれば、ＩｎＧａＡｓＰに限定されない。例えばＰＬ安定化層２０９は、ＩｎＧａＡｓＡｌであっても構わない。

［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態に係る半導体光素子３０１の断面図である。第１の実施形態との違いは、ＰＬ安定化層９とｎ型ＳＣＨ層３の位置が逆である点のみである。

第３の実施形態では、ＰＬ安定化層９が多重量子井戸層４に近いことで、ＰＬ測定時により安定してキャリアを供給することが可能となる。ただし、第１の実施形態と比較して多重量子井戸層４の光閉じ込め率が低下する。光閉じ込め率が低下する場合は、メリットとして内部損失が低減し、より高出力のレーザ光を発振させることが可能となる。デメリットして、アンドープ層の厚い層（ＰＬ安定化層９）が多重量子井戸層４に近接しているために、多重量子井戸層４にかかる電界強度が低下することにある。例えば、本構造を半導体レーザではなくＥＡ変調器に適用した場合は、消光比が低下するというデメリットがある。

［第４の実施形態］
図１０は、第４の実施形態に係る半導体光素子４０１の断面図である。第１の実施例との違いは、ＰＬ安定化層が二つの層に分けて配置されている点である。基板２側から第１ＰＬ安定化層４０９ａ、ｎ型ＳＣＨ層３、第２ＰＬ安定化層４０９ｂ、多重量子井戸層４の順で積層されている。第１ＰＬ安定化層４０９ａと第２ＰＬ安定化層４０９ｂとも同じ組成波長であり、共にアンドープ層である。

本実施形態では、第１ＰＬ安定化層４０９ａと第２ＰＬ安定化層４０９ｂの合計膜厚は第１の実施形態のＰＬ安定化層９と同じである。そのため、第１の実施形態で説明した通り、ＰＬ測定の安定性を得ることが可能となる。さらに、ＰＬ安定化層を二つに分けているため、一つのＰＬ安定化層を設ける場合と比較して、変調動作させた際のキャリアの停滞を抑制することが可能となる。本実施形態は、例えば変調動作をさせる半導体レーザやＥＡ変調器において特に有効である。なお、本実施形態ではＰＬ安定化層を二つの層で構成したが、これに限らず３層に分けても構わない。複数のＰＬ安定化層間にはＳＣＨ層を挟んでも良いし他の層を挟んでいても構わない。複数のＰＬ安定化層を設ける場合、各ＰＬ安定化層の組成波長は上述した範囲であり、アンドープとすることが好ましい。さらに複数のＰＬ安定化層の合計膜厚を１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好ましい。

以上のように、多重量子井戸層とｎ型半導体基板との間にＰＬ安定化層を配置することで、ＰＬ測定におけるＰＬ強度を安定化させることが可能となり、正しい結晶品質の検査を行うことが可能となる。

また、多重量子井戸層４と基板２との間には、ＰＬ安定化層とＳＣＨ層のみが配置される例を示したが、これに限らず他の層があっても構わない。さらに、第３の実施形態および第４の実施形態で示した思想を第２の実施形態と組み合わせても構わない。

１、半導体光素子、２ 基板、３ ｎ型ＳＣＨ層、４ 多重量子井戸層、５ ｐ型ＳＣＨ層、６ クラッド層、７ 表面電極、８ 裏面電極、９ ＰＬ安定化層、１０ キャップ層、２０１ 半導体光素子、２０２ 基板、２０３ ｎ型ＳＣＨ層、２０４ レーザ部多重量子井戸層、２０５ ｐ型ＳＣＨ層、２０７ レーザ部電極、２０８ 裏面電極、２０９ ＰＬ安定化層、２１０ ｐ型ＩｎＰキャップ層、２１１ 半導体レーザ、２１２ 導波路、２１３ ＥＡ変調器、２１５ ＢＨ層、２１６ ｐ型クラッド層、２１８ ｐ型コンタクト層、２１９ 絶縁膜、２２１ 前方端面、２２２ 後方端面、２２５ 変調器部電極、３０１ 半導体光素子、４０１ 半導体光素子、４０９ａ 第１ＰＬ安定化層、４０９ｂ 第２ＰＬ安定化層。

Claims (15)

1. 第１導電型の基板と、
   前記第１導電型の基板の上側に配置された第１導電型の光閉じ込め層と、
   前記第１導電型の光閉じ込め層の上側に配置された複数の井戸層と障壁層で構成される多重量子井戸層と、
   前記多重量子井戸層上に配置された第２導電型の光閉じ込め層と、
   前記第１導電型の基板と前記多重量子井戸層との間に配置されたＰＬ安定化層と、を備え、
   前記ＰＬ安定化層の厚さは、前記多重量子井戸層の厚みの半分以上であり、
   前記ＰＬ安定化層の組成波長は、前記多重量子井戸層の前記井戸層の組成波長より短く、前記第１導電型の光閉じ込め層の組成波長より長波である、
   半導体光素子。
2. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記ＰＬ安定化層のキャリア濃度は、アンドープまたは１×１０＾１７／ｃｍ^３未満である、半導体光素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体光素子であって、
   前記ＰＬ安定化層の組成波長は、前記多重量子井戸層のＰＬ測定時に用いる励起光の波長より長波である、半導体光素子。
4. 請求項３に記載の半導体光素子であって、
   前記ＰＬ安定化層の厚さは、前記第１導電型の光閉じ込め層と前記第２導電型の光閉じ込め層の合計膜厚の２倍以上である、半導体光素子。
5. 請求項４に記載の半導体光素子であって、
   前記第１導電型の光閉じ込め層及び前記第２導電型の光閉じ込め層の組成波長は、前記励起光の波長より長波である、半導体光素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載の半導体光素子であって、
   前記ＰＬ安定化層は、複数層であって、
   前記ＰＬ安定化層の厚さは、前記複数層の合計の厚さである、半導体光素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記ＰＬ安定化層は、前記第１導電型の基板と前記第１導電型の光閉じ込め層との間に配置されている、半導体光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記ＰＬ安定化層は、前記多重量子井戸層と前記第１導電型の光閉じ込め層との間に配置されている、半導体光素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である、半導体光素子。
10. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体光素子であって、
    前記多重量子井戸層は１．３μｍ帯を発光また吸収し、
    前記ＰＬ安定化層の組成波長は、１．１μｍ以上であり、
    前記ＰＬ安定化層の厚さは、前記第１導電型の光閉じ込め層より厚い、半導体光素子。
11. 請求項１０に記載の半導体光素子であって、
    前記ＰＬ安定化層の組成波長は、１．２８μｍ以下である、半導体光素子。
12. 請求項１０または１１に記載の半導体光素子であって、
    前記第１導電型の光閉じ込め層および前記第２導電型の光閉じ込め層の組成波長は、１．０３μｍ以上１．０９μｍ以下である、半導体光素子。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の半導体光素子であって、
    前記ＰＬ安定化層の厚さは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、半導体光素子。
14. 請求項６に記載の半導体光素子であって、
    前記複数層の合計の厚さは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、半導体光素子。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の半導体光素子であって、
    前記半導体光素子は、半導体レーザである、半導体光素子。
    

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