JP3654435B2 - 半導体光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【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高抵抗埋め込み型半導体光素子及びその製造方法に関すものである。
【０００２】
【従来の技術】
半絶縁層を埋め込み層とする高抵抗埋め込み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埋め込み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。
埋込成長の際の再成長界面には、メサ加工のダメージや再成長時の不純物に起因する欠陥が多数存在し、素子動作時にはリーク電流の原因となる。
そのため、半導体レーザの場合には、閾値電流の増加や効率の低下、温度特性の劣化などを招く。
【０００３】
高抵抗埋め込み層には、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）が埋め込み界面で相互拡散する問題があった。
その結果、亜鉛が埋め込み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は埋め込み層だけでなく界面を接する活性層にも拡散し、活性層の発光効率を低下させる問題もあった。
【０００４】
この様な問題を解決するため、図１１に示すように、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋め込み層７との間に、Ｆe拡散防止層３６を挿入する技術が開示されている（特開平９−２１４５号公報）。
最近、ルテニウム（元素記号：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おこさないことが見いだされている。
そして、図１２に示す様に、Ｒuをドーパントとした高抵抗埋め込み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, 11th International Conference on Indium Phosphide and Related materials TuB 1-2 (1999)")。
【０００５】
半導体レーザ（ＬＤ）と電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の集積素子があり、この素子では、半導体レーザと電界吸収型光変調器は同じ導波路構造と埋込構造を持つものが多い。
半導体レーザ部では、メサからのＺn拡散を促進して再成長界面の欠陥を不活性にすることが、リーク電流をなくす上で必要である。
しかし、電界吸収型光変調器部では、Ｚn拡散のために素子容量が増加すると高速変調が不可能になる。
従って、Ｚn拡散を適度な広がりに制御する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ｐ型不純物の半絶縁埋め込み層への拡散を制御可能な構造を有する半導体光素子及びその製造方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的のための本発明の半導体光素子は、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、該積層体の両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込まれた埋め込み型半導体光素子において、該半絶縁性半導体結晶は、該第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層、該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層、の順に配されていることを特徴とする。
【０００８】
前記目的のための本発明の半導体光素子の製造方法は、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を形成する工程、該積層体をメサストライプ状に加工する工程、該積層体の両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込む工程からなる埋め込み型半導体光素子の製造方法において、該半絶縁性半導体結晶で埋め込む際に、該第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層、該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層の順に形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明の特徴は、メサストライプ状の積層体を埋め込む半絶縁性半導体結晶が、第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層（以後、拡散促進層と略称する）と該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層（以後、半絶縁層と略称する）からなり、拡散促進層がメサストライプ側壁と半絶縁層の間に挿入されていることである。
拡散促進層にはｐ型不純物との相互拡散を促進する半絶縁不純物が添加されていることが特徴である。
この点において、従来のｐ型不純物の拡散を防止するために設けられた拡散防止層と異なる。
【００１０】
本願発明の拡散防止層はｐ型不純物との相互拡散を促進する半絶縁不純物が添加されているが、従来の拡散防止層は拡散を防止するためにＩnＡlＧaＡs等の混晶膜を用いていた。
また、拡散促進層の外側に配された半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が含まれている。
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層と半絶縁層の界面で制限されることになる。
ｐ型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物の代表例はＦeであり、ｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物の代表例はＲuである。
【００１１】
〔作用〕
拡散促進層にはｐ型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物が添加されているので、埋込成長を行っている過程で接触しているｐ型クラッド層からｐ型不純物が拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、ｐ型クラッド層と拡散促進層との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が添加されているので、半絶縁層へのｐ型不純物の拡散は起こり難い。
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層までに制限される。
ＩnＰ等の化合物半導体を半絶縁化する半絶縁不純物には、ｐ型不純物との相互拡散が起こり易いものと起こり難いものがある。
前者の代表例はＦeであり、後者の代表例はＲuである。
この両者を適切に組み合わせてｐ型クラッド層からの拡散の広がりを制御することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を用いて説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例の構造を図１に示す。
図１は、ＭＱＷを活性層にした半導体レーザの断面である。
図１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の発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ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の順に積層されている。
【００１３】
ここで、活性層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を、Ｆeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、メサ側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間、及びＳeドープｎ型ＩnＰクラッド層２表面とＲu添加ＩnＰ層１０との間にある。
その厚さは、必要に応じて変えることができる。
また、Ｆeの添加量もＺn拡散を誘発するに足だけの量が添加されていればよい。
【００１４】
Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＲu添加量は、この層が十分半絶縁化するにたるだけの添加量が必要である。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、埋込成長を行っている過程で接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、少なくともメサ側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間にあれば良い。
Ｓeドープｎ型ＩnＰクラッド層２表面とＲu添加ＩnＰ層１０との間には必ずしも必要ではない。
【００１５】
メサの直上以外の表面にＳiＯ2保護膜１１が形成され、メサ直上のＩnＧaＡsコンタクト層７の表面にはｐ型電極１２が形成され、更にｎ型ＩnＰ基板１の裏面にはｎ型電極１３が形成されている。
ここで、従来の埋め込み型半導体光素子との相違について説明する。
従来との相違は、メサストライプの側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間に、拡散促進層となるＦe添加ＩnＰ層９が挿入されていることである。
このため、Ｆe添加ＩnＰ層９には埋込成長を行っている過程で、接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散しｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
Ｚn拡散が限定されるため、不要な素子容量の増加が避けられ、高速変調が可能となる。
【００１６】
次に具体的な効果について説明する。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍ，０．４μｍ及び０．８μｍの３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ層の厚さとはメサ脇の厚さを意味する。
３種類の素子とも抵抗率は約１０8Ωｃｍ以上であり、十分高抵抗な埋め込み層が形成されていることが分かった。
チップ化した半導体レーザの小信号変調特性は、３ｄＢ帯域で、ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．８μｍの場合は約８ＧＨｚ，０．４μｍの場合は約１５ＧＨｚ，０．１μｍの場合は約１５ＧＨｚであった。
発振閾値及び光出力効率は、ＦeドープＩnＰ層の厚さに無関係に一定で、それぞれ約１０ｍＡと約３５％であった。
【００１７】
つまり、ＦeドープＩnＰ層の厚さに依存して素子容量が変化する以外、素子特性は良好であった。
つまり、拡散促進層であるＦeドープＩnＰ層の厚さによりＺn拡散の広がりが制限を受けるため、ＦeドープＩnＰ層の厚さが薄いほど素子容量が低下している。
しかしながら、拡散促進層であるＦeドープＩnＰ層の存在によりＺn拡散が促進され、ｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減され、発振閾値が低く光出力効率の高い半導体レーザが得られた。
【００１８】
本実施例に係る半導体レーザの製造方法について、図２を参照して説明する。先ず、図２（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の発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ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。
【００１９】
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１に格子整合する組成である。
次に、図２（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２（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、Ｆeを添加したＩnＰ９とＲuを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｆeを添加したＩnＰ層の成長には、Ｆeの原料として公知のフェロセン（Ｃp2Ｆe）を用いて行った。
層厚は成長時間で制御した。
【００２０】
また、Ｒuを添加したＩnＰ層の成長では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。
この後、図２（ｄ）に示すように、ＳiＯ2マスク８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。
【００２１】
ＦeドープＩnＰ層９へのＦeドープ量について述べる。
ＦeドープＩnＰ層９の厚さを０．４μｍとし、Ｆeドープ量を０．３×１０17ｃｍ-3，０．７×１０17ｃｍ-3，１．０×１０17ｃｍ-3の３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ量とは半導体結晶中に添加されたＦe原子のうち電子トラップ或いは正孔トラップとして活性化されたＦeの濃度を意味する。
Ｆeドープ量が０．３×１０17ｃｍ-3の場合の発振閾値は２０ｍＡであり、０．７×１０17ｃｍ-3の場合は１０ｍＡであり１．０×１０17ｃｍ-3の場合も１０ｍＡであった。
【００２２】
つまり、Ｆeドープ量が０．３×１０17ｃｍ-3の場合は、ＦeドープＩnＰ層９へのＺn拡散が十分起こらず、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦeドープＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が十分不活性化され無いために、リーク電流が増加し発振閾値が増加した。
しかし、Ｆeドープ量が０．７×１０17ｃｍ-3以上の場合には、ＦeドープＩnＰ層９へのＺn拡散が十分起こり、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦeドープＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が十分不活性化され、そのためリーク電流が減少し発振閾値が低下した。
【００２３】
〔実施例２〕
本実施例は、多重量子井戸層にＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰを用いた電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）に関するものである。
素子の構造は実施例１とほぼ同じなので、図１及び図２を用いて説明する。
先ず、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ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ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ｐ型ＩnＧaＡsコンタクト層７の順に積層した。
【００２４】
ここで、光吸収層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。
次に、図２（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２（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、Ｆeを添加したＩnＰ９とＲuを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｆeを添加したＩnＰ層の成長には、公知の原料を用いて行った。
【００２５】
また、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。この後、図２（ｄ）に示すように、ＳiＯ2マスク８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。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍ，０．４μｍ及び０．８μｍの３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ層の厚さとはメサ腺の厚さを意味する。
３種類の素子ともの抵抗率は約１０8Ωｃｍ以上であった。
【００２６】
チップ化した電界吸収型光変調器の小信号変調特性は、３ｄＢ帯域で、ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．８μｍの場合は約１０ＧＨｚ，０．４μｍの場合は約１５ＧＨｚ，０．１μｍの場合は約２０ＧＨｚであった。
これは、ＦeドープＩnＰ層の厚さの減少により素子容量が減少し、その結果変調帯域が広がったことを意味する。
次に消光比を比較すると、ＦeドープＩnＰ層の厚さが厚いほど消光比が劣化する傾向がある。
【００２７】
これは、ＺnがＦeドープ Ｐ層に拡散する際に、Ｚn−Ｆe相互拡散によりＦeドープＩnＰ層からｐ型ＩnＰクラッド層にＦeが拡散するためである。
拡散したＦeはキックアウトメカニズムでＺnを格子間に追い出す。
追い出されたＺnは、光吸収層に拡散する。
ＦeドープＩnＰ層が厚いほど相互拡散によりｐ型ＩnＰクラッド層に入るＦeの量が多くなるため、それだけ光吸収層に拡散するＺnが多くなる。
そのため、光吸収層にかかる電界が弱まり、消光比が劣化する。
【００２８】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例の構造を図３に示す。
本実施例は、電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）をモノリシック集積した集積化光源（ＥＡ−ＤＦＢ）に関するものである。
電界吸収型光変調器部と分布帰還型半導体レーザ部、及び両者の間の溝部からなる。
素子は共通の基板である面方位（１００）のｎ型ＩnＰ基板１上に形成されている。
【００２９】
電界吸収型光変調器部の構成は、前記の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１０３、層厚０．１５μｍの吸収端波長１．５０μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層１０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層１０５、層厚１．５μｍのＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層１０６、層厚０．３μｍのＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層１０７の順に積層されている。
【００３０】
ここで、光吸収層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。
それが、幅２μｍで高さ３μｍ程度のメサストライプに形成され、その両側面をＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、埋込成長を行っている過程で接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
【００３１】
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１１２を形成し、更に基板側に共通のｎ型電極１３を形成した。
分布帰還型半導体レーザ部の構成は、前記の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２０３、層厚０．１５μｍの発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層２０４、上面に回折格子が形成されている層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０５、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。
【００３２】
ここで、活性層以外の化合物半導体層は特に断らない限り、ＩnＰ基板に格子整合する組成である。
それが、幅２μｍで高さ３μｍ程度のメサストライプに形成され、その両側面をＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、埋込成長を行っている過程で接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
【００３３】
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２１２を形成し、更に基板側に共通のｎ型電極１３を形成した。
溝部においては、光吸収層１０４と活性層２０４はバットジョイントで結合している。
また、電気的な絶縁を行うために、ＩnＧaＡsコンタクト層７は除去されている。
メサストライプ構造、埋め込み層のＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０は、電界吸収型光変調器部、分布帰還型半導体レーザ部及び溝部に共通のものである。
埋め込み層のＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０は、一括形成されたものである。
【００３４】
電界吸収型光変調器と分布帰還型半導体レーザを比較すると、半絶縁埋込に関して相容れない要求条件がある。
即ち、分布帰還型半導体レーザ部では、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からのＺn拡散を促進して再成長界面の欠陥を不活性化してしまうことが、リーク電流をなくす上で必要である。
しかし、電界吸収型光変調器部では、Ｚn拡散のために素子容量が増加すると高速変調が不可能になる。
この相容れない要求を満足するために、埋め込み層のＦeを添加したＩnＰ層９の厚さを最適化する必要がある。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍ，０．４μｍ及び０．８μｍの３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ層の厚さとはメサ脇の厚さを意味する。
【００３５】
３種類の素子ともの電界吸収型光変調器部及び分布帰還型半導体レーザ部の抵抗率は約１０8Ωｃｍ以上であった。
チップ化した素子の分布帰還型半導体レーザ部の発振閾値及び光出力効率は、ＦeドープＩnＰ層の厚さに無関係に一定で、それぞれ約１０ｍＡと約３５％であった。
これは、電界吸収型光変調器部に印加する逆バイアスをゼロにした時の値である。
次に、分布帰還型半写体レーザ部を一定の注入貫流の下に発振させ、電界吸収型光変調器部でこの発振光を変調させ、その特性を比較した。
電界吸収型光変調器の小信号変調特性は、３ｄＢ帯域で、ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．８μｍの場合は約１０ＧＨｚ，０．４μｍの場合は約１５ＧＨｚ，０．１μｍの場合は約２０ＧＨｚであった。
これは、ＦeドープＩnＰ層の厚さの減少により素子容量が減少し、その結果変調帯域が広がったことを意味する。
【００３６】
次に消光比を比較すると、ＦeドープＩnＰ層の厚さが厚いほど消光比が劣化する傾向がある。
これは、ＺnがＦeドープＩnＰ層に拡散する際に、Ｚn−Ｆe相互拡散によりＦeドープＩnＰ層からｐ型ＩnＰクラッド層にＦeが拡散するためである。
拡散したＦeはキックアウトメカニズムでＺnを格子間に追い出す。
追い出されたＺnは、光吸収層に拡散する。
【００３７】
ＦeドープＩnＰ層が厚いほど相互拡散によりｐ型ＩnＰクラッド層入るＦeの量が多くなるため、それだけ光吸収層に拡散するＺnが多くなる。
そのため、光吸収層にかかる電界が弱まり、消光比が劣化する。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍの場合は、分布帰還型半導体レーザ部の発振閾値が低く、発光効率が高く、しかも電界吸収型光変調器部の変調帯域も高い。
この様に、メサストライプの側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間に、拡散促進層となるＦe添加ＩnＰ層９が挿入されたことにより、半絶縁埋込に関して相容れない要求条件を満足したＥＡ−ＤＦＢが得られた。
【００３８】
本実施例に係る半導体レーザの製造方法について、図４〜図１０を参照して説明する。
先ず、図４に示すように面方位（１００）のｎ型ＩnＰ基板１上にＭＯＶＰＥ法により層厚０．２μｍのＳeをドーパントとする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２０３、層厚０．１５μｍの発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層２０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０５を成長する。
【００３９】
次に、図５に示す様に、電界吸収型光変調器を作製する予定の領域にある前記積層体（層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０３、層厚０．１５μｍの発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層２０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０５、エッチングして除去する。
引き続き、図６に示す様に電界吸収型光変調器を作製する予定域に、ＭＯＶＰＥ法により、下から層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層１０３、層厚０．１５μｍの吸収端波長１．５０μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層１０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層１０５を成長する。
【００４０】
このとき、電界吸収型光変調器の光吸収層１０４と分布帰還型半導体レーザの活性層２０４はバットジョイントにより結合される。
更に、図７に示す様に、分布帰還型半導体レーザの作製予定域のＩnＧaＡsＰガイド層２０５の表面に回折格子を形成する。
そして、図８に示す様に全面に層厚１．５μｍのＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６と層厚０．３μｍのＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層７をＭＯＶＰＥ法により成長する。
その後、図９に示す様に、ＳiＯ2をマスク２５としてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、幅２μｍで高さ２μｍ程度のメサストライプを形成する。
【００４１】
電界吸収型光変調器部も分布帰還型半導体レーザ部も同じメサストライプの構造である。
最後に、図１０に示す様に、メサストライプを形成した基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、Ｆeを添加したＩnＰ９とＲuを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｆeを添加したＩnＰ層の成長には、公知の原料を用いて行った。
また、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。この後、図２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、更に基板側に共通のｎ型電極１３を形成した。
【００４２】
以上の実施例では、埋め込み層としてＩnＰ結晶を用いているが、ＩnＧaＡlＡs，ＩnＡlＡs，ＩnＧaＡsＰといったＩnＰに格子整合する材料系に有効であること、また多重量子井戸層にＩnＧaＡsＰ，ＩnＧaＡlＡs，ＩnＡlＡsのＭＱＷ層を取り扱っているが、ＩnＰ−ＩnＧaＡsＰ−ＩnＧaＡs系、ＩnＡlＡs，ＩnＧaＡlＡs−ＩnＧaＡs系をはじめとするＩnＰを基板とするすべての系におけるバルク層、多重量子井戸層等の構造に有効であることはいうまでもない。
また、ｐ型不純物としてＺn，ｎ型不純物としてＳeを取り上げているが、これらと同じ導電形を持つ他の添加物を用いても本発明は同様な効果を実現できる。
【００４３】
そして、実施例では、半導体レーザ、光変調器について述べたが、半導体アンプ、フォトダイオード等の他の半導体素子や、単体素子だけでなく、半導体レーザに光変調器を集積した素子、半導体アンプと光変調器を集積した素子等の集積素子に有効であることは言うまでもない。
このように説明したように、本発明は、埋め込み型半導体光素子の高性能化を実現するものであり、埋め込みに使う半絶縁半導体結晶が不純物拡散を促進する層と不純物拡散を抑制する層の２層を含む点に特徴があり、これにより埋め込み界面でのリーク電流を低減できると同時に素子容量の増大を抑制することが可能となる。
【００４４】
【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、本発明では、メサストライプを埋め込む半絶縁性半導体結晶が、第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む拡散促進層と該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む半絶縁層とからなり、拡散促進層がメサストライプ側壁と半絶縁層の間に挿入されていること、拡散促進層にはｐ型不純物との相互拡散を促進する半絶縁不純物が添加されていることが特徴である。
また、拡散促進層の外側に配された半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が含まれている。
【００４５】
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層と半絶縁層の界面で制限されることになる。
拡散促進層にはｐ型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物が添加されているので、埋込成長を行っている過程で接触しているｐ型クラッド層からｐ型不純物が拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、ｐ型クラッド層と拡散促進層との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が添加されているので、半絶縁層へのｐ型不純物の拡散は起こり難い。
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層までに制限される。
以上の理由により、本発明を用いれば、ｐ型不純物の半絶縁埋め込み層への拡散を制御可能な構造を有する半導体光素子及びその製造方法を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施例を示す構造図である。
【図２】本発明の第１及び第２の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す構造図である。
【図４】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図１０】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図１１】従来例の説明図である。
【図１２】従来例の説明図である。
【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ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層又は光吸収層
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 Ｆeを添加したＩnＰ層
１０ Ｒuを添加したＩnＰ層
１１ ＳiＯ2保護膜
１２ ｐ型電極
１３ ｎ型電極
１０３ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
１０４ ノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層
１０５ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
１１２ ｐ型電極
２０３ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
２０４ ノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層
２０５ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
２１２ ｐ型電極
【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高抵抗埋め込み型半導体光素子及びその製造方法に関すものである。
【０００２】
【従来の技術】
半絶縁層を埋め込み層とする高抵抗埋め込み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埋め込み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。
埋込成長の際の再成長界面には、メサ加工のダメージや再成長時の不純物に起因する欠陥が多数存在し、素子動作時にはリーク電流の原因となる。
そのため、半導体レーザの場合には、閾値電流の増加や効率の低下、温度特性の劣化などを招く。
【０００３】
高抵抗埋め込み層には、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）が埋め込み界面で相互拡散する問題があった。
その結果、亜鉛が埋め込み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は埋め込み層だけでなく界面を接する活性層にも拡散し、活性層の発光効率を低下させる問題もあった。
【０００４】
この様な問題を解決するため、図１１に示すように、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋め込み層７との間に、Ｆe拡散防止層３６を挿入する技術が開示されている（特開平９−２１４５号公報）。
最近、ルテニウム（元素記号：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おこさないことが見いだされている。
そして、図１２に示す様に、Ｒuをドーパントとした高抵抗埋め込み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, 11th International Conference on Indium Phosphide and Related materials TuB 1-2 (1999)")。
【０００５】
半導体レーザ（ＬＤ）と電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）の集積素子があり、この素子では、半導体レーザと電界吸収型光変調器は同じ導波路構造と埋込構造を持つものが多い。
半導体レーザ部では、メサからのＺn拡散を促進して再成長界面の欠陥を不活性にすることが、リーク電流をなくす上で必要である。
しかし、電界吸収型光変調器部では、Ｚn拡散のために素子容量が増加すると高速変調が不可能になる。
従って、Ｚn拡散を適度な広がりに制御する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ｐ型不純物の半絶縁埋め込み層への拡散を制御可能な構造を有する半導体光素子及びその製造方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的のための本発明の半導体光素子は、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、該積層体の両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込まれた埋め込み型半導体光素子において、該半絶縁性半導体結晶は、該第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層、該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層、の順に配されていることを特徴とする。
【０００８】
前記目的のための本発明の半導体光素子の製造方法は、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を形成する工程、該積層体をメサストライプ状に加工する工程、該積層体の両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込む工程からなる埋め込み型半導体光素子の製造方法において、該半絶縁性半導体結晶で埋め込む際に、該第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層、該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層の順に形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明の特徴は、メサストライプ状の積層体を埋め込む半絶縁性半導体結晶が、第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層（以後、拡散促進層と略称する）と該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層（以後、半絶縁層と略称する）からなり、拡散促進層がメサストライプ側壁と半絶縁層の間に挿入されていることである。
拡散促進層にはｐ型不純物との相互拡散を促進する半絶縁不純物が添加されていることが特徴である。
この点において、従来のｐ型不純物の拡散を防止するために設けられた拡散防止層と異なる。
【００１０】
本願発明の拡散防止層はｐ型不純物との相互拡散を促進する半絶縁不純物が添加されているが、従来の拡散防止層は拡散を防止するためにＩnＡlＧaＡs等の混晶膜を用いていた。
また、拡散促進層の外側に配された半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が含まれている。
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層と半絶縁層の界面で制限されることになる。
ｐ型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物の代表例はＦeであり、ｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物の代表例はＲuである。
【００１１】
〔作用〕
拡散促進層にはｐ型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物が添加されているので、埋込成長を行っている過程で接触しているｐ型クラッド層からｐ型不純物が拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、ｐ型クラッド層と拡散促進層との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が添加されているので、半絶縁層へのｐ型不純物の拡散は起こり難い。
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層までに制限される。
ＩnＰ等の化合物半導体を半絶縁化する半絶縁不純物には、ｐ型不純物との相互拡散が起こり易いものと起こり難いものがある。
前者の代表例はＦeであり、後者の代表例はＲuである。
この両者を適切に組み合わせてｐ型クラッド層からの拡散の広がりを制御することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を用いて説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例の構造を図１に示す。
図１は、ＭＱＷを活性層にした半導体レーザの断面である。
図１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の発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ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の順に積層されている。
【００１３】
ここで、活性層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を、Ｆeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、メサ側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間、及びＳeドープｎ型ＩnＰクラッド層２表面とＲu添加ＩnＰ層１０との間にある。
その厚さは、必要に応じて変えることができる。
また、Ｆeの添加量もＺn拡散を誘発するに足だけの量が添加されていればよい。
【００１４】
Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＲu添加量は、この層が十分半絶縁化するにたるだけの添加量が必要である。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、埋込成長を行っている過程で接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、少なくともメサ側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間にあれば良い。
Ｓeドープｎ型ＩnＰクラッド層２表面とＲu添加ＩnＰ層１０との間には必ずしも必要ではない。
【００１５】
メサの直上以外の表面にＳiＯ2保護膜１１が形成され、メサ直上のＩnＧaＡsコンタクト層７の表面にはｐ型電極１２が形成され、更にｎ型ＩnＰ基板１の裏面にはｎ型電極１３が形成されている。
ここで、従来の埋め込み型半導体光素子との相違について説明する。
従来との相違は、メサストライプの側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間に、拡散促進層となるＦe添加ＩnＰ層９が挿入されていることである。
このため、Ｆe添加ＩnＰ層９には埋込成長を行っている過程で、接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散しｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
Ｚn拡散が限定されるため、不要な素子容量の増加が避けられ、高速変調が可能となる。
【００１６】
次に具体的な効果について説明する。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍ，０．４μｍ及び０．８μｍの３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ層の厚さとはメサ脇の厚さを意味する。
３種類の素子とも抵抗率は約１０8Ωｃｍ以上であり、十分高抵抗な埋め込み層が形成されていることが分かった。
チップ化した半導体レーザの小信号変調特性は、３ｄＢ帯域で、ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．８μｍの場合は約８ＧＨｚ，０．４μｍの場合は約１５ＧＨｚ，０．１μｍの場合は約１５ＧＨｚであった。
発振閾値及び光出力効率は、ＦeドープＩnＰ層の厚さに無関係に一定で、それぞれ約１０ｍＡと約３５％であった。
【００１７】
つまり、ＦeドープＩnＰ層の厚さに依存して素子容量が変化する以外、素子特性は良好であった。
つまり、拡散促進層であるＦeドープＩnＰ層の厚さによりＺn拡散の広がりが制限を受けるため、ＦeドープＩnＰ層の厚さが薄いほど素子容量が低下している。
しかしながら、拡散促進層であるＦeドープＩnＰ層の存在によりＺn拡散が促進され、ｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減され、発振閾値が低く光出力効率の高い半導体レーザが得られた。
【００１８】
本実施例に係る半導体レーザの製造方法について、図２を参照して説明する。先ず、図２（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の発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ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。
【００１９】
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１に格子整合する組成である。
次に、図２（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２（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、Ｆeを添加したＩnＰ９とＲuを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｆeを添加したＩnＰ層の成長には、Ｆeの原料として公知のフェロセン（Ｃp2Ｆe）を用いて行った。
層厚は成長時間で制御した。
【００２０】
また、Ｒuを添加したＩnＰ層の成長では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。
この後、図２（ｄ）に示すように、ＳiＯ2マスク８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。
【００２１】
ＦeドープＩnＰ層９へのＦeドープ量について述べる。
ＦeドープＩnＰ層９の厚さを０．４μｍとし、Ｆeドープ量を０．３×１０17ｃｍ-3，０．７×１０17ｃｍ-3，１．０×１０17ｃｍ-3の３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ量とは半導体結晶中に添加されたＦe原子のうち電子トラップ或いは正孔トラップとして活性化されたＦeの濃度を意味する。
Ｆeドープ量が０．３×１０17ｃｍ-3の場合の発振閾値は２０ｍＡであり、０．７×１０17ｃｍ-3の場合は１０ｍＡであり１．０×１０17ｃｍ-3の場合も１０ｍＡであった。
【００２２】
つまり、Ｆeドープ量が０．３×１０17ｃｍ-3の場合は、ＦeドープＩnＰ層９へのＺn拡散が十分起こらず、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦeドープＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が十分不活性化され無いために、リーク電流が増加し発振閾値が増加した。
しかし、Ｆeドープ量が０．７×１０17ｃｍ-3以上の場合には、ＦeドープＩnＰ層９へのＺn拡散が十分起こり、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦeドープＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が十分不活性化され、そのためリーク電流が減少し発振閾値が低下した。
【００２３】
〔実施例２〕
本実施例は、多重量子井戸層にＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰを用いた電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）に関するものである。
素子の構造は実施例１とほぼ同じなので、図１及び図２を用いて説明する。
先ず、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ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ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ｐ型ＩnＧaＡsコンタクト層７の順に積層した。
【００２４】
ここで、光吸収層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。
次に、図２（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２（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、Ｆeを添加したＩnＰ９とＲuを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｆeを添加したＩnＰ層の成長には、公知の原料を用いて行った。
【００２５】
また、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。この後、図２（ｄ）に示すように、ＳiＯ2マスク８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。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍ，０．４μｍ及び０．８μｍの３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ層の厚さとはメサ腺の厚さを意味する。
３種類の素子ともの抵抗率は約１０8Ωｃｍ以上であった。
【００２６】
チップ化した電界吸収型光変調器の小信号変調特性は、３ｄＢ帯域で、ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．８μｍの場合は約１０ＧＨｚ，０．４μｍの場合は約１５ＧＨｚ，０．１μｍの場合は約２０ＧＨｚであった。
これは、ＦeドープＩnＰ層の厚さの減少により素子容量が減少し、その結果変調帯域が広がったことを意味する。
次に消光比を比較すると、ＦeドープＩnＰ層の厚さが厚いほど消光比が劣化する傾向がある。
【００２７】
これは、ＺnがＦeドープ Ｐ層に拡散する際に、Ｚn−Ｆe相互拡散によりＦeドープＩnＰ層からｐ型ＩnＰクラッド層にＦeが拡散するためである。
拡散したＦeはキックアウトメカニズムでＺnを格子間に追い出す。
追い出されたＺnは、光吸収層に拡散する。
ＦeドープＩnＰ層が厚いほど相互拡散によりｐ型ＩnＰクラッド層に入るＦeの量が多くなるため、それだけ光吸収層に拡散するＺnが多くなる。
そのため、光吸収層にかかる電界が弱まり、消光比が劣化する。
【００２８】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例の構造を図３に示す。
本実施例は、電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）と分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）をモノリシック集積した集積化光源（ＥＡ−ＤＦＢ）に関するものである。
電界吸収型光変調器部と分布帰還型半導体レーザ部、及び両者の間の溝部からなる。
素子は共通の基板である面方位（１００）のｎ型ＩnＰ基板１上に形成されている。
【００２９】
電界吸収型光変調器部の構成は、前記の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１０３、層厚０．１５μｍの吸収端波長１．５０μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層１０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層１０５、層厚１．５μｍのＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層１０６、層厚０．３μｍのＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層１０７の順に積層されている。
【００３０】
ここで、光吸収層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。
それが、幅２μｍで高さ３μｍ程度のメサストライプに形成され、その両側面をＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、埋込成長を行っている過程で接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
【００３１】
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１１２を形成し、更に基板側に共通のｎ型電極１３を形成した。
分布帰還型半導体レーザ部の構成は、前記の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２０３、層厚０．１５μｍの発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層２０４、上面に回折格子が形成されている層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０５、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。
【００３２】
ここで、活性層以外の化合物半導体層は特に断らない限り、ＩnＰ基板に格子整合する組成である。
それが、幅２μｍで高さ３μｍ程度のメサストライプに形成され、その両側面をＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
Ｆe添加ＩnＰ層９は、埋込成長を行っている過程で接触しているＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からＺnが拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６とＦe添加ＩnＰ層９との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、Ｒu添加ＩnＰ層１０へのＺnの拡散は起こり難いため、Ｚn拡散はＦe添加ＩnＰ層９までに制限される。
【００３３】
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２１２を形成し、更に基板側に共通のｎ型電極１３を形成した。
溝部においては、光吸収層１０４と活性層２０４はバットジョイントで結合している。
また、電気的な絶縁を行うために、ＩnＧaＡsコンタクト層７は除去されている。
メサストライプ構造、埋め込み層のＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０は、電界吸収型光変調器部、分布帰還型半導体レーザ部及び溝部に共通のものである。
埋め込み層のＦeを添加したＩnＰ層９とＲuを添加したＩnＰ層１０は、一括形成されたものである。
【００３４】
電界吸収型光変調器と分布帰還型半導体レーザを比較すると、半絶縁埋込に関して相容れない要求条件がある。
即ち、分布帰還型半導体レーザ部では、Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層６からのＺn拡散を促進して再成長界面の欠陥を不活性化してしまうことが、リーク電流をなくす上で必要である。
しかし、電界吸収型光変調器部では、Ｚn拡散のために素子容量が増加すると高速変調が不可能になる。
この相容れない要求を満足するために、埋め込み層のＦeを添加したＩnＰ層９の厚さを最適化する必要がある。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍ，０．４μｍ及び０．８μｍの３種類となる素子を作製し、その特性を比較した。
ここでＦeドープＩnＰ層の厚さとはメサ脇の厚さを意味する。
【００３５】
３種類の素子ともの電界吸収型光変調器部及び分布帰還型半導体レーザ部の抵抗率は約１０8Ωｃｍ以上であった。
チップ化した素子の分布帰還型半導体レーザ部の発振閾値及び光出力効率は、ＦeドープＩnＰ層の厚さに無関係に一定で、それぞれ約１０ｍＡと約３５％であった。
これは、電界吸収型光変調器部に印加する逆バイアスをゼロにした時の値である。
次に、分布帰還型半写体レーザ部を一定の注入貫流の下に発振させ、電界吸収型光変調器部でこの発振光を変調させ、その特性を比較した。
電界吸収型光変調器の小信号変調特性は、３ｄＢ帯域で、ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．８μｍの場合は約１０ＧＨｚ，０．４μｍの場合は約１５ＧＨｚ，０．１μｍの場合は約２０ＧＨｚであった。
これは、ＦeドープＩnＰ層の厚さの減少により素子容量が減少し、その結果変調帯域が広がったことを意味する。
【００３６】
次に消光比を比較すると、ＦeドープＩnＰ層の厚さが厚いほど消光比が劣化する傾向がある。
これは、ＺnがＦeドープＩnＰ層に拡散する際に、Ｚn−Ｆe相互拡散によりＦeドープＩnＰ層からｐ型ＩnＰクラッド層にＦeが拡散するためである。
拡散したＦeはキックアウトメカニズムでＺnを格子間に追い出す。
追い出されたＺnは、光吸収層に拡散する。
【００３７】
ＦeドープＩnＰ層が厚いほど相互拡散によりｐ型ＩnＰクラッド層入るＦeの量が多くなるため、それだけ光吸収層に拡散するＺnが多くなる。
そのため、光吸収層にかかる電界が弱まり、消光比が劣化する。
ＦeドープＩnＰ層の厚さが０．１μｍの場合は、分布帰還型半導体レーザ部の発振閾値が低く、発光効率が高く、しかも電界吸収型光変調器部の変調帯域も高い。
この様に、メサストライプの側壁とＲu添加ＩnＰ層１０との間に、拡散促進層となるＦe添加ＩnＰ層９が挿入されたことにより、半絶縁埋込に関して相容れない要求条件を満足したＥＡ−ＤＦＢが得られた。
【００３８】
本実施例に係る半導体レーザの製造方法について、図４〜図１０を参照して説明する。
先ず、図４に示すように面方位（１００）のｎ型ＩnＰ基板１上にＭＯＶＰＥ法により層厚０．２μｍのＳeをドーパントとする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２０３、層厚０．１５μｍの発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層２０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０５を成長する。
【００３９】
次に、図５に示す様に、電界吸収型光変調器を作製する予定の領域にある前記積層体（層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０３、層厚０．１５μｍの発光波長１．５５μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層２０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層２０５、エッチングして除去する。
引き続き、図６に示す様に電界吸収型光変調器を作製する予定域に、ＭＯＶＰＥ法により、下から層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層１０３、層厚０．１５μｍの吸収端波長１．５０μｍのノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層１０４、層厚４０ｎｍの発光波長１．３μｍのノンドープＩnＧaＡsＰガイド層１０５を成長する。
【００４０】
このとき、電界吸収型光変調器の光吸収層１０４と分布帰還型半導体レーザの活性層２０４はバットジョイントにより結合される。
更に、図７に示す様に、分布帰還型半導体レーザの作製予定域のＩnＧaＡsＰガイド層２０５の表面に回折格子を形成する。
そして、図８に示す様に全面に層厚１．５μｍのＺnドープｐ型ＩnＰクラッド層６と層厚０．３μｍのＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層７をＭＯＶＰＥ法により成長する。
その後、図９に示す様に、ＳiＯ2をマスク２５としてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、幅２μｍで高さ２μｍ程度のメサストライプを形成する。
【００４１】
電界吸収型光変調器部も分布帰還型半導体レーザ部も同じメサストライプの構造である。
最後に、図１０に示す様に、メサストライプを形成した基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、Ｆeを添加したＩnＰ９とＲuを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｆeを添加したＩnＰ層の成長には、公知の原料を用いて行った。
また、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。この後、図２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、更に基板側に共通のｎ型電極１３を形成した。
【００４２】
以上の実施例では、埋め込み層としてＩnＰ結晶を用いているが、ＩnＧaＡlＡs，ＩnＡlＡs，ＩnＧaＡsＰといったＩnＰに格子整合する材料系に有効であること、また多重量子井戸層にＩnＧaＡsＰ，ＩnＧaＡlＡs，ＩnＡlＡsのＭＱＷ層を取り扱っているが、ＩnＰ−ＩnＧaＡsＰ−ＩnＧaＡs系、ＩnＡlＡs，ＩnＧaＡlＡs−ＩnＧaＡs系をはじめとするＩnＰを基板とするすべての系におけるバルク層、多重量子井戸層等の構造に有効であることはいうまでもない。
また、ｐ型不純物としてＺn，ｎ型不純物としてＳeを取り上げているが、これらと同じ導電形を持つ他の添加物を用いても本発明は同様な効果を実現できる。
【００４３】
そして、実施例では、半導体レーザ、光変調器について述べたが、半導体アンプ、フォトダイオード等の他の半導体素子や、単体素子だけでなく、半導体レーザに光変調器を集積した素子、半導体アンプと光変調器を集積した素子等の集積素子に有効であることは言うまでもない。
このように説明したように、本発明は、埋め込み型半導体光素子の高性能化を実現するものであり、埋め込みに使う半絶縁半導体結晶が不純物拡散を促進する層と不純物拡散を抑制する層の２層を含む点に特徴があり、これにより埋め込み界面でのリーク電流を低減できると同時に素子容量の増大を抑制することが可能となる。
【００４４】
【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、本発明では、メサストライプを埋め込む半絶縁性半導体結晶が、第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む拡散促進層と該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む半絶縁層とからなり、拡散促進層がメサストライプ側壁と半絶縁層の間に挿入されていること、拡散促進層にはｐ型不純物との相互拡散を促進する半絶縁不純物が添加されていることが特徴である。
また、拡散促進層の外側に配された半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が含まれている。
【００４５】
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層と半絶縁層の界面で制限されることになる。
拡散促進層にはｐ型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物が添加されているので、埋込成長を行っている過程で接触しているｐ型クラッド層からｐ型不純物が拡散し、ｐ型に変化する。
そのため、ｐ型クラッド層と拡散促進層との界面に存在する欠陥が不活性となり、リーク電流が低減される。
しかしながら、半絶縁層にはｐ型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物が添加されているので、半絶縁層へのｐ型不純物の拡散は起こり難い。
そのため、ｐ型不純物の拡散は拡散促進層までに制限される。
以上の理由により、本発明を用いれば、ｐ型不純物の半絶縁埋め込み層への拡散を制御可能な構造を有する半導体光素子及びその製造方法を提供することができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施例を示す構造図である。
【図２】本発明の第１及び第２の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す構造図である。
【図４】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図１０】本発明の第３の実施例の製造方法を示す工程図である。
【図１１】従来例の説明図である。
【図１２】従来例の説明図である。
【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ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層又は光吸収層
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 Ｆeを添加したＩnＰ層
１０ Ｒuを添加したＩnＰ層
１１ ＳiＯ2保護膜
１２ ｐ型電極
１３ ｎ型電極
１０３ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
１０４ ノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層
１０５ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
１１２ ｐ型電極
２０３ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
２０４ ノンドープＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ歪ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層
２０５ ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
２１２ ｐ型電極
Claims (6)
- 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、該積層体の両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込まれた埋め込み型半導体光素子において、該半絶縁性半導体結晶は、該第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層、該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層の順に配されていることを特徴とする半導体光素子。
- 前記第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物は鉄であり、前記第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物はルテニウムであることを特徴とする請求項１記載の半導体光素子。
- 前記半導体光素子は半導体レーザと電界吸収型光変調器をモノリシック集積した集積化光源であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光素子。
- 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を形成する工程、該積層体をメサストライプ状に加工する工程、該積層体の両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込む工程からなる埋め込み型半導体光素子の製造方法において、該半絶縁性半導体結晶で埋め込む際に、該第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物を含む層、該第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物を含む層の順に形成することを特徴とする半導体光素子の製造方法。
- 前記第２導電型不純物の拡散を促進する半絶縁不純物は鉄であり、前記第２導電型不純物の拡散を抑制する半絶縁不純物はルテニウムであることを特徴とする請求項４記載の半導体光素子の製造方法。
- 前記半導体光素子は半導体レーザと電界吸収型光変調器をモノリシック集積した集積化光源であることを特徴とする請求項４又は５記載の半導体光素子の製造方法。
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