JP3735566B2 - 半導体光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に用いる半導体光素子に関し、特に、半絶縁性基板を用いたハイメサリッジ構造の半導体光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、全体が７００で表される、従来の半導体光変調器素子の斜視図である。
半導体光変調素子７００は、半絶縁性ＩｎＰの基板１を含む。基板１の上には、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５が、順次積層されている。ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３は、単一組成の層であっても、量子井戸構造であっても良い。
最上層のコンタクト層５から、下部クラッド層２の途中までは、メサエッチングされてリッジ部１０が形成されている（ハイメサリッジ構造）。基板１上には、リッジ部１０の片側に下部クラッド層２が残されている。
リッジ部のコンタクト層５の上には、Ｔｉ／Ａｕアノード電極６が設けられている。また、下部クラッド層２の上には、Ｔｉ／Ａｕカソード電極７が設けられている。
【０００３】
半導体光変調器素子７００では、一の端面（入射側端面）から、光吸収層３近傍に入った入射光２１が、他の端面（出射側端面）から出射光２２として出る。この時、半導体光変調器素子７００のアノード電極６とカソード電極７との間に、電圧（変調電気信号）を印加すると、フランツケルディッシュ効果、又は量子閉じ込めシュタルク効果により、半導体層である光吸収層３の光吸収係数が変化する。これにより、出射側の端面より、強度変調された出射光２２が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カソード電極７のオーミック接合抵抗を十分小さくするためには、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２のキャリア濃度を７×１０１８ｃｍ−３以上とする必要がある。
しかしながら、以下の式（１）からわかるように、キャリア濃度が高いほど、半導体の光吸収係数（自由キャリア損失）は大きくなる（H. C. Casey, Jr and M..B. Panish, "Heterostructure Lasers", Academic Press, (1978), Chapter .3）。
【０００５】
αｆｃ：自由キャリア損失
ｎ、ｐ：電子、正孔密度（単位：ｃｍ−３）
【０００６】
このため、下部クラッド層２のキャリア濃度を高くするほど、半導体光変調器素子７００から出射する出射光２２の強度が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、半絶縁性基板を用いたハイメサリッジ構造の半導体光素子において、良好なオーミック接合が得られ、かつ光強度の低下を防止した半導体光素子の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハイメサリッジ構造を有する導波路型の半導体光素子であって、半絶縁性基板と、該半絶縁性基板上に形成されたリッジ部であって、該半絶縁性基板上に順次積層された下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層とを含むリッジ部とを備え、該下部クラッド層が、リッジ部から側方に延在して、上面に電極が載置された高濃度層と、該高濃度層よりキャリア濃度が低く、該コア層に接した低濃度層とを含むことを特徴とする半導体光素子である。
かかる半導体光素子では、下部クラッド層が、高濃度層と低濃度層からなり、高濃度層上に電極が設けられているため、電極のオーミック抵抗が小さくなる。また、コア層の近傍は低濃度層となっているため、光の吸収損失が低減できる。従って、かかる構造を用いることにより、電極のオーミック特性が良好であり、かつ光強度の低下が少ない半導体光素子を提供できる。
【０００９】
上記高濃度層のキャリア濃度は、好適には略７×１０１８ｃｍ−３以上、略１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度であり、上記低濃度層のキャリア濃度は、好適には略１×１０１７ｃｍ−３以上、略３×１０１７ｃｍ−３以下の濃度である。
【００１０】
上記半絶縁性基板、上記下部クラッド層に含まれる上記低濃度層及び上記高濃度層、及び上記上部クラッド層は、例えばＩｎＰからなり、上記コア層がＩｎＧａＡｓＰからなるとする構成が考えられる。
【００１１】
上記低濃度層の膜厚は、好適には、略０．１μｍ以上、略０．６μｍ以下である。
発光モードを基本モードに維持しながら、低濃度層での光吸収損失を抑えることができるからである。
【００１２】
上記低濃度層の膜厚は、更に好適には、略０．１μｍ以上、略０．５μｍ以下である。
【００１３】
また、上記低濃度層と上記高濃度層との間に、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＡｓからなるエッチングストッパ層を含むものであっても良い。
かかるエッチングストッパ層を有することにより、リッジ部を正確に形成でき、製造歩留りが向上する。このため、半導体光素子を安価に提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる半導体光変調器素子であり、図１（ａ）に斜視図を、図１（ｂ）に、（ａ）のＩ−Ｉ方向の断面図を示す。
【００１５】
半導体光変調器素子１００は、半絶縁性ＩｎＰの基板１を含む。基板１の上には、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層（コア層）３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５が、順次積層されている。ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３は、単一組成の層であっても、量子井戸構造であっても良い。
最上層のコンタクト層５から、下部クラッド層２の途中までは、メサエッチングされてリッジ部１０が形成されている（ハイメサリッジ構造）。基板１上には、リッジ部１０の片側に下部クラッド層２が残されている。リッジ部１０の幅は、例えば２μｍである。
上部クラッド５上にはＴｉ／Ａｕからなるアノード電極６が設けられ、下部クラッド層２の上には、Ｔｉ／Ａｕからなるカソード電極７が設けられている。
【００１６】
本実施の形態にかかる半導体光変調器素子１００では、更に、下部クラッド層２が、上層の高濃度層２ａと、下層の低濃度層２ｂとからなる。図１に示すように、高濃度層２ａは、リッジ部１０の側方にも広がっている。一方、低濃度層２ｂは、リッジ部１０のみに形成されている。
【００１７】
図２は、ｎ型のＩｎＰ層にオーミック電極を接触させた場合の、ＩｎＰ層のキャリア濃度と、コンタクト抵抗率との関係である。図２からわかるように、電極が良好なオーミック接触となるための目標値であるコンタクト抵抗率１×１０−６Ωｃｍ−２を実現するためには、ＩｎＰ層のキャリア濃度を７×１０１８ｃｍ−３以上とすることが必要となる。従って、カソード電極７とオーミック接触する高濃度層２のキャリア濃度は、例えば７×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１８】
一方、上述の式（１）から、光吸収係数（αｆｃ）を１０ｃｍ−１以下として、光吸収損失を抑えるためには、光吸収層３に接する低濃度層２ｂのキャリア濃度は、３×１０１７ｃｍ−３以下とする必要がある。このため、低濃度層２ｂのキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上、３×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１９】
図３は、図１に示す半導体光変調器素子１００における、低濃度層（低濃度ｎ−ＩｎＰクラッド層）２ｂの膜厚と、光導波路での光吸収係数との関係である。図３では、濃度層２ｂのキャリア濃度を３×１０１７ｃｍ−３、その吸収係数を０．９ｃｍ−１とし、また、高濃度層２ａのキャリア濃度を７×１０１８ｃｍ−３、その吸収係数を０．９ｃｍ−１とした。
図３に示すように、低濃度層２ｂの膜厚を０．５〜０．６μｍより大きくすると、光導波路の光分布が、基本モード（単一モード）から高次モードに移る。従って、基本モードの光分布を得るためには、低濃度層２ｂの膜厚を、０．６μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下とする必要がある。
一方、低濃度層２ｂでの光吸収損失を抑えるために、低濃度層２ｂの光吸収係数は、少なくとも０．５ｃｍ−１以下である必要がある。従って、図３より、低濃度層２ｂの膜厚は、少なくとも約０．１μｍ以上とする必要がある。
以上の結果より、低濃度層２ｂの膜厚は、好適には約０．１μｍ以上、約０．６μｍ以下であり、更に好適には、約０．１μｍ以上、約０．５μｍ以下である。
【００２０】
このように、半導体光変調器素子１００では、クラッド層２が、高濃度層２ａと低濃度層２ｂからなり、カソード電極７が高濃度層２ａ上に設けられているため、カソード電極７のオーミック抵抗が小さくなる。また、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３の近傍は低濃度層２ｂとなっているため、光の吸収損失を低減できる。従って、かかる構造を用いることにより、カソード電極７のオーミック特性が良好であり、かつ光強度の低下が少ない半導体光変調器素子１００を提供できる。
【００２１】
次に、図４を参照しながら、半導体光変調器素子１００の製造方法について説明する。図４は、図１のＩ−Ｉ方向における断面図であり、図中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２２】
かかる製造方法では、まず、図４（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１を準備し、その上に、有機金属気相成長法を用いて、高キャリア濃度ｎ−ＩｎＰの高濃度層２ａ、低キャリア濃度ｎ−ＩｎＰの低濃度層２ｂ、ＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３、ｐ−ＩｎＰの上部クラッド層４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層５を順次、結晶成長させる。
各層の層厚は、例えば、高濃度層２ａが１．５μｍ、低濃度層２ｂが０．３μｍ、光吸収層３が０．３μｍ、上部クラッド層４が１．５μｍ、そしてコンタクト層５が０．３μｍとする。また、各層のキャリア濃度は、特に、低濃度層２ｂが３×１０１７ｃｍ−１、高濃度層２ａが７×１０１８ｃｍ−１とする。
なお、高濃度層２ａと低濃度層２ｂから、下部クラッド層２が形成される。また、ＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３は、単一組成の層であっても、量子井戸構造であっても良い。
【００２３】
次に、図４（ｂ）に示すように、メタン、酸素、及び水素の混合ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングにより、ハイメサリッジ型の光導波路構造を形成する。リッジ部１０の幅（図面の横方向）は約２μｍ、リッジ部の高さ（図面の上下方向）は約２．５μｍとする。
【００２４】
最後に、図４（ｃ）に示すように、レジストマスク（図示せず）を形成し、電子ビーム蒸着法によりＴｉ／Ａｕ層を形成し、リフトオフ法を用いてアノード電極６及びカソード電極７を形成する。以上の工程で、図１に示す、ハイメサリッジ型の光導波路構造を有する半導体光変調器素子１００が完成する。
【００２５】
図５は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。図５は、図１（ａ）のＩ−Ｉと同じ方向の断面図であり、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２６】
半導体光変調器素子２００では、下部クラッド層２を構成する高濃度層２ａと低濃度層２ｂとの間に、エッチングストッパ層８が設けられている。他の構成は、半導体光変調器素子１００と同じである。
エッチングストッパ層８は、リッジ部のエッチング工程において、特に低濃度層２ｂに対するエッチング選択比の高い材料が用いられる。半導体光変調器素子２００では、低濃度層２ｂがＩｎＰからなるので、エッチングストッパ層８には、例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＡｓを用いる。エッチングストッパ層８のキャリア濃度は、上部にカソード電極７が形成されることから、高濃度層２ａと同じく１〜３×１０１８ｃｍ−３程度が好ましい。また、膜厚は１０〜２００ｎｍ程度が好ましい。
【００２７】
このように、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＡｓからなるエッチングストッパ層８を挿入することにより、メタン、酸素、及び水素の混合ガスをエッチングガスに用いてリッジ部１０を形成する工程において、エッチング量の制御性が上がり、製造歩留りが向上する。このため、半導体光変調器素子２００の低コスト化が可能となる。
【００２８】
図６は、全体が３００で表される、本実施の形態にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。図６は、図１（ａ）のＩ−Ｉと同じ方向の断面図であり、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２９】
半導体光変調器素子３００では、下層クラッド層２と同様に、上部クラッド層４を、ｎ−ＩｎＰの高濃度層４ａとｎ−ＩｎＰの低濃度層４ｂから形成されている。他の構成は、半導体光変調器素子１００と同じである。
【００３０】
高濃度層４ａは、例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３、膜厚が１．５μｍであり、低濃度層４ｂは、例えば、キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３、膜厚が０．３μｍである。
【００３１】
このように、半導体光変調器素子３００では、クラッド層４が、高濃度層４ａと低濃度層４ｂからなり、アノード電極６が高濃度層４ａ上に設けられているため、アノード電極６のオーミック抵抗が小さくなる。また、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３の近傍は低濃度層４ｂとなっているため、光の吸収損失を低減できる。
従って、かかる構造を用いることにより、アノード電極６のオーミック特性が良好であり、かつ光強度の低下が少ない半導体光変調器素子３００を提供できる。
【００３２】
実施の形態２．
図７は、全体が４００で表される、本実施の形態にかかる半導体光変調器素子の断面図である。図７は、図１（ａ）のＩ−Ｉと同じ方向の断面図であり、図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３３】
半導体光変調器素子４００では、下部クラッド層２を、バンドギャップエネルギの小さいナローギャップ層２ｃとバンドギャップエネルギの大きいワイドギャップ層２ｄから構成する。
ナローギャップ層２ｃには、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層を用いるが、代わりにｎ−ＩｎＧａＡｓ層を用いても良い。また、ワイドギャップ層２ｄには、実施の形態１と同じくｎ−ＩｎＰ層を用いる。他の構成は、半導体光変調器素子１００と同じである。
【００３４】
かかる半導体光変調器素子４００では、カソード電極７が、バンドギャップエネルギの小さいナローギャップ層２ｃ上に設けられているため、オーミック接合部の抵抗が小さくなる。
一方、ＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３に隣接する下部クラッド層２は、ワイドギャップ層２ｄとなっているため、バンドギャップが大きく、ワイドギャップ層２ｄでの光の吸収損失が小さくなる。
従って、半導体光変調器素子４００では、カソード電極が良好なオーミック特性を有し、かつ、光強度の低下を防止できる。
【００３５】
実施の形態３．
図８は、全体が５００で表される、本実施の形態にかかる半導体光変調器素子５００の斜視図である。図８中、図７と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
半導体光変調器素子５００では、下層クラッド層２を構成するナローギャップ層２ｃと、ワイドギャップ層２ｄとが、回折格子１１を形成している。図８に示すように、回折格子１１は、リッジ部１０の長手方向（光の進行方向）に向って繰り返し構造となっている。これにより、ブラッグ波長を有する光の透過効率が向上する。
【００３６】
具体的には、回折格子１１は、ＩｎＧａＡｓＰ（ナローギャップ層２ｃ）／ＩｎＰ（ワイドギャップ層２ｄ）の繰り返し構造からなる。また、回折格子のピッチ（格子間隔）は、半導体光変調器素子５００に入射する光の波長（導波路内での波長）の略１／２とする。例えば、波長１．５５μｍの光が半導体光変調器素子５００に入射して変調される場合には、回折格子１１のピッチは略２４００Åとなる。
回折格子１１のピッチをこのように設定することにより、波長１．５５μｍ近傍の光の伝播特性が向上し、光の伝播損失の低減が可能となる。
【００３７】
なお、回折格子１１は、ナローギャップ層２ｃのリッジ部形成領域に、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を用いて、所定のピッチの凹凸を形成した後に、ワイドギャップ層２ｄ等を有機金属気相成長法を用いて堆積させ、実施の形態１と同じ方法でリッジ部１０を形成することにより作製する。
【００３８】
このように、半導体光変調器素子５００では、下層クラッド層２が回折格子１１を有することにより、光の伝播損失が抑制でき、低損失の半導体光変調器素子とすることができる。
【００３９】
図９は、全体が６００で表される、本実施の形態にかかる他の半導体光変調器素子である。
半導体光変調器素子６００では、上層クラッド層４とコンタクト層５との間に回折格子１２が形成されている。回折格子１２では、ＩｎＰ（上層クラッド層４）／ＩｎＧａＡｓ（コンタクト層５）の繰り返し構造が、リッジ部１０の長手方向に形成され、ピッチは、半導体光変調器素子６００に入射する光の波長の略１／２となっている。
【００４０】
半導体光変調器素子６００では、光吸収層３の上部に回折格子１２を形成することにより、光の伝播損失を抑制し、低損失の半導体光変調器素子としている。
【００４１】
なお、以上の実施の形態で説明した半導体光変調器素子において、半導体層の導電型（ｐ型、ｎ型）を逆にすることも可能である。
また、実施の形態１〜３では、光吸収層３をＩｎＧａＡｓＰ層としたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いることもできる。
また、実施の形態１〜３では、ＩｎＰ基板を用いた場合について述べたが、基板にＧａＡｓ半絶縁性基板を用い、クラッド層をＡｌＧａＡｓ層又はＧａＡｓ層、光吸収層をＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層としても構わない。
更に、本実施の形態１〜３では、半導体光変調器素子について説明したが、導波路型フォトディテクタ等の受光素子にも適用することができる。また、実施の形態１及び２の構造については、レーザダイオード等の発光素子にも適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、半絶縁性基板を用いたハイメサリッジ構造の半導体光素子において、電極のオーミック特性が良好で、かつ光損失の少ない半導体光素子が提供できる。
【００４３】
また、かかる半導体光素子を、安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調器素子の斜視図である。
【図２】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調器素子の断面図である。
【図３】 ＩｎＰ層のキャリア濃度とコンタクト抵抗率との関係である。
【図４】 ＩｎＰクラッド層の膜厚と光吸収係数との関係である。
【図５】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調器素子の製造工程の断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態１にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態２にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態３にかかる半導体光変調器素子の斜視図である。
【図９】 本発明の実施の形態３にかかる他の半導体光変調器素子の斜視図である。
【図１０】 従来の半導体光変調器素子の斜視図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 下層クラッド層、２ａ 高濃度層、２ｂ 低濃度層、３ 光吸収層、４ 上層クラッド層、５ コンタクト層、６ アノード電極、７ カソード電極、１０ リッジ部、１００ 半導体光変調器素子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信等に用いる半導体光素子に関し、特に、半絶縁性基板を用いたハイメサリッジ構造の半導体光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、全体が７００で表される、従来の半導体光変調器素子の斜視図である。
半導体光変調素子７００は、半絶縁性ＩｎＰの基板１を含む。基板１の上には、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５が、順次積層されている。ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３は、単一組成の層であっても、量子井戸構造であっても良い。
最上層のコンタクト層５から、下部クラッド層２の途中までは、メサエッチングされてリッジ部１０が形成されている（ハイメサリッジ構造）。基板１上には、リッジ部１０の片側に下部クラッド層２が残されている。
リッジ部のコンタクト層５の上には、Ｔｉ／Ａｕアノード電極６が設けられている。また、下部クラッド層２の上には、Ｔｉ／Ａｕカソード電極７が設けられている。
【０００３】
半導体光変調器素子７００では、一の端面（入射側端面）から、光吸収層３近傍に入った入射光２１が、他の端面（出射側端面）から出射光２２として出る。この時、半導体光変調器素子７００のアノード電極６とカソード電極７との間に、電圧（変調電気信号）を印加すると、フランツケルディッシュ効果、又は量子閉じ込めシュタルク効果により、半導体層である光吸収層３の光吸収係数が変化する。これにより、出射側の端面より、強度変調された出射光２２が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カソード電極７のオーミック接合抵抗を十分小さくするためには、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２のキャリア濃度を７×１０１８ｃｍ−３以上とする必要がある。
しかしながら、以下の式（１）からわかるように、キャリア濃度が高いほど、半導体の光吸収係数（自由キャリア損失）は大きくなる（H. C. Casey, Jr and M..B. Panish, "Heterostructure Lasers", Academic Press, (1978), Chapter .3）。
【０００５】
ｎ、ｐ：電子、正孔密度（単位：ｃｍ−３）
【０００６】
このため、下部クラッド層２のキャリア濃度を高くするほど、半導体光変調器素子７００から出射する出射光２２の強度が低下するという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、半絶縁性基板を用いたハイメサリッジ構造の半導体光素子において、良好なオーミック接合が得られ、かつ光強度の低下を防止した半導体光素子の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハイメサリッジ構造を有する導波路型の半導体光素子であって、半絶縁性基板と、該半絶縁性基板上に形成されたリッジ部であって、該半絶縁性基板上に順次積層された下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層とを含むリッジ部とを備え、該下部クラッド層が、リッジ部から側方に延在して、上面に電極が載置された高濃度層と、該高濃度層よりキャリア濃度が低く、該コア層に接した低濃度層とを含むことを特徴とする半導体光素子である。
かかる半導体光素子では、下部クラッド層が、高濃度層と低濃度層からなり、高濃度層上に電極が設けられているため、電極のオーミック抵抗が小さくなる。また、コア層の近傍は低濃度層となっているため、光の吸収損失が低減できる。従って、かかる構造を用いることにより、電極のオーミック特性が良好であり、かつ光強度の低下が少ない半導体光素子を提供できる。
【０００９】
上記高濃度層のキャリア濃度は、好適には略７×１０１８ｃｍ−３以上、略１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度であり、上記低濃度層のキャリア濃度は、好適には略１×１０１７ｃｍ−３以上、略３×１０１７ｃｍ−３以下の濃度である。
【００１０】
上記半絶縁性基板、上記下部クラッド層に含まれる上記低濃度層及び上記高濃度層、及び上記上部クラッド層は、例えばＩｎＰからなり、上記コア層がＩｎＧａＡｓＰからなるとする構成が考えられる。
【００１１】
上記低濃度層の膜厚は、好適には、略０．１μｍ以上、略０．６μｍ以下である。
発光モードを基本モードに維持しながら、低濃度層での光吸収損失を抑えることができるからである。
【００１２】
上記低濃度層の膜厚は、更に好適には、略０．１μｍ以上、略０．５μｍ以下である。
【００１３】
また、上記低濃度層と上記高濃度層との間に、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＡｓからなるエッチングストッパ層を含むものであっても良い。
かかるエッチングストッパ層を有することにより、リッジ部を正確に形成でき、製造歩留りが向上する。このため、半導体光素子を安価に提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる半導体光変調器素子であり、図１（ａ）に斜視図を、図１（ｂ）に、（ａ）のＩ−Ｉ方向の断面図を示す。
【００１５】
半導体光変調器素子１００は、半絶縁性ＩｎＰの基板１を含む。基板１の上には、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層（コア層）３、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５が、順次積層されている。ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３は、単一組成の層であっても、量子井戸構造であっても良い。
最上層のコンタクト層５から、下部クラッド層２の途中までは、メサエッチングされてリッジ部１０が形成されている（ハイメサリッジ構造）。基板１上には、リッジ部１０の片側に下部クラッド層２が残されている。リッジ部１０の幅は、例えば２μｍである。
上部クラッド５上にはＴｉ／Ａｕからなるアノード電極６が設けられ、下部クラッド層２の上には、Ｔｉ／Ａｕからなるカソード電極７が設けられている。
【００１６】
本実施の形態にかかる半導体光変調器素子１００では、更に、下部クラッド層２が、上層の高濃度層２ａと、下層の低濃度層２ｂとからなる。図１に示すように、高濃度層２ａは、リッジ部１０の側方にも広がっている。一方、低濃度層２ｂは、リッジ部１０のみに形成されている。
【００１７】
図２は、ｎ型のＩｎＰ層にオーミック電極を接触させた場合の、ＩｎＰ層のキャリア濃度と、コンタクト抵抗率との関係である。図２からわかるように、電極が良好なオーミック接触となるための目標値であるコンタクト抵抗率１×１０−６Ωｃｍ−２を実現するためには、ＩｎＰ層のキャリア濃度を７×１０１８ｃｍ−３以上とすることが必要となる。従って、カソード電極７とオーミック接触する高濃度層２のキャリア濃度は、例えば７×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１８】
一方、上述の式（１）から、光吸収係数（αｆｃ）を１０ｃｍ−１以下として、光吸収損失を抑えるためには、光吸収層３に接する低濃度層２ｂのキャリア濃度は、３×１０１７ｃｍ−３以下とする必要がある。このため、低濃度層２ｂのキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上、３×１０１７ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１９】
図３は、図１に示す半導体光変調器素子１００における、低濃度層（低濃度ｎ−ＩｎＰクラッド層）２ｂの膜厚と、光導波路での光吸収係数との関係である。図３では、濃度層２ｂのキャリア濃度を３×１０１７ｃｍ−３、その吸収係数を０．９ｃｍ−１とし、また、高濃度層２ａのキャリア濃度を７×１０１８ｃｍ−３、その吸収係数を０．９ｃｍ−１とした。
図３に示すように、低濃度層２ｂの膜厚を０．５〜０．６μｍより大きくすると、光導波路の光分布が、基本モード（単一モード）から高次モードに移る。従って、基本モードの光分布を得るためには、低濃度層２ｂの膜厚を、０．６μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下とする必要がある。
一方、低濃度層２ｂでの光吸収損失を抑えるために、低濃度層２ｂの光吸収係数は、少なくとも０．５ｃｍ−１以下である必要がある。従って、図３より、低濃度層２ｂの膜厚は、少なくとも約０．１μｍ以上とする必要がある。
以上の結果より、低濃度層２ｂの膜厚は、好適には約０．１μｍ以上、約０．６μｍ以下であり、更に好適には、約０．１μｍ以上、約０．５μｍ以下である。
【００２０】
このように、半導体光変調器素子１００では、クラッド層２が、高濃度層２ａと低濃度層２ｂからなり、カソード電極７が高濃度層２ａ上に設けられているため、カソード電極７のオーミック抵抗が小さくなる。また、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３の近傍は低濃度層２ｂとなっているため、光の吸収損失を低減できる。従って、かかる構造を用いることにより、カソード電極７のオーミック特性が良好であり、かつ光強度の低下が少ない半導体光変調器素子１００を提供できる。
【００２１】
次に、図４を参照しながら、半導体光変調器素子１００の製造方法について説明する。図４は、図１のＩ−Ｉ方向における断面図であり、図中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２２】
かかる製造方法では、まず、図４（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１を準備し、その上に、有機金属気相成長法を用いて、高キャリア濃度ｎ−ＩｎＰの高濃度層２ａ、低キャリア濃度ｎ−ＩｎＰの低濃度層２ｂ、ＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３、ｐ−ＩｎＰの上部クラッド層４、及びｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層５を順次、結晶成長させる。
各層の層厚は、例えば、高濃度層２ａが１．５μｍ、低濃度層２ｂが０．３μｍ、光吸収層３が０．３μｍ、上部クラッド層４が１．５μｍ、そしてコンタクト層５が０．３μｍとする。また、各層のキャリア濃度は、特に、低濃度層２ｂが３×１０１７ｃｍ−１、高濃度層２ａが７×１０１８ｃｍ−１とする。
なお、高濃度層２ａと低濃度層２ｂから、下部クラッド層２が形成される。また、ＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３は、単一組成の層であっても、量子井戸構造であっても良い。
【００２３】
次に、図４（ｂ）に示すように、メタン、酸素、及び水素の混合ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングにより、ハイメサリッジ型の光導波路構造を形成する。リッジ部１０の幅（図面の横方向）は約２μｍ、リッジ部の高さ（図面の上下方向）は約２．５μｍとする。
【００２４】
最後に、図４（ｃ）に示すように、レジストマスク（図示せず）を形成し、電子ビーム蒸着法によりＴｉ／Ａｕ層を形成し、リフトオフ法を用いてアノード電極６及びカソード電極７を形成する。以上の工程で、図１に示す、ハイメサリッジ型の光導波路構造を有する半導体光変調器素子１００が完成する。
【００２５】
図５は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。図５は、図１（ａ）のＩ−Ｉと同じ方向の断面図であり、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２６】
半導体光変調器素子２００では、下部クラッド層２を構成する高濃度層２ａと低濃度層２ｂとの間に、エッチングストッパ層８が設けられている。他の構成は、半導体光変調器素子１００と同じである。
エッチングストッパ層８は、リッジ部のエッチング工程において、特に低濃度層２ｂに対するエッチング選択比の高い材料が用いられる。半導体光変調器素子２００では、低濃度層２ｂがＩｎＰからなるので、エッチングストッパ層８には、例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＡｓを用いる。エッチングストッパ層８のキャリア濃度は、上部にカソード電極７が形成されることから、高濃度層２ａと同じく１〜３×１０１８ｃｍ−３程度が好ましい。また、膜厚は１０〜２００ｎｍ程度が好ましい。
【００２７】
このように、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＡｓからなるエッチングストッパ層８を挿入することにより、メタン、酸素、及び水素の混合ガスをエッチングガスに用いてリッジ部１０を形成する工程において、エッチング量の制御性が上がり、製造歩留りが向上する。このため、半導体光変調器素子２００の低コスト化が可能となる。
【００２８】
図６は、全体が３００で表される、本実施の形態にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。図６は、図１（ａ）のＩ−Ｉと同じ方向の断面図であり、図５中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２９】
半導体光変調器素子３００では、下層クラッド層２と同様に、上部クラッド層４を、ｎ−ＩｎＰの高濃度層４ａとｎ−ＩｎＰの低濃度層４ｂから形成されている。他の構成は、半導体光変調器素子１００と同じである。
【００３０】
高濃度層４ａは、例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３、膜厚が１．５μｍであり、低濃度層４ｂは、例えば、キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３、膜厚が０．３μｍである。
【００３１】
このように、半導体光変調器素子３００では、クラッド層４が、高濃度層４ａと低濃度層４ｂからなり、アノード電極６が高濃度層４ａ上に設けられているため、アノード電極６のオーミック抵抗が小さくなる。また、ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３の近傍は低濃度層４ｂとなっているため、光の吸収損失を低減できる。
従って、かかる構造を用いることにより、アノード電極６のオーミック特性が良好であり、かつ光強度の低下が少ない半導体光変調器素子３００を提供できる。
【００３２】
実施の形態２．
図７は、全体が４００で表される、本実施の形態にかかる半導体光変調器素子の断面図である。図７は、図１（ａ）のＩ−Ｉと同じ方向の断面図であり、図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３３】
半導体光変調器素子４００では、下部クラッド層２を、バンドギャップエネルギの小さいナローギャップ層２ｃとバンドギャップエネルギの大きいワイドギャップ層２ｄから構成する。
ナローギャップ層２ｃには、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層を用いるが、代わりにｎ−ＩｎＧａＡｓ層を用いても良い。また、ワイドギャップ層２ｄには、実施の形態１と同じくｎ−ＩｎＰ層を用いる。他の構成は、半導体光変調器素子１００と同じである。
【００３４】
かかる半導体光変調器素子４００では、カソード電極７が、バンドギャップエネルギの小さいナローギャップ層２ｃ上に設けられているため、オーミック接合部の抵抗が小さくなる。
一方、ＩｎＧａＡｓＰの光吸収層３に隣接する下部クラッド層２は、ワイドギャップ層２ｄとなっているため、バンドギャップが大きく、ワイドギャップ層２ｄでの光の吸収損失が小さくなる。
従って、半導体光変調器素子４００では、カソード電極が良好なオーミック特性を有し、かつ、光強度の低下を防止できる。
【００３５】
実施の形態３．
図８は、全体が５００で表される、本実施の形態にかかる半導体光変調器素子５００の斜視図である。図８中、図７と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
半導体光変調器素子５００では、下層クラッド層２を構成するナローギャップ層２ｃと、ワイドギャップ層２ｄとが、回折格子１１を形成している。図８に示すように、回折格子１１は、リッジ部１０の長手方向（光の進行方向）に向って繰り返し構造となっている。これにより、ブラッグ波長を有する光の透過効率が向上する。
【００３６】
具体的には、回折格子１１は、ＩｎＧａＡｓＰ（ナローギャップ層２ｃ）／ＩｎＰ（ワイドギャップ層２ｄ）の繰り返し構造からなる。また、回折格子のピッチ（格子間隔）は、半導体光変調器素子５００に入射する光の波長（導波路内での波長）の略１／２とする。例えば、波長１．５５μｍの光が半導体光変調器素子５００に入射して変調される場合には、回折格子１１のピッチは略２４００Åとなる。
回折格子１１のピッチをこのように設定することにより、波長１．５５μｍ近傍の光の伝播特性が向上し、光の伝播損失の低減が可能となる。
【００３７】
なお、回折格子１１は、ナローギャップ層２ｃのリッジ部形成領域に、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を用いて、所定のピッチの凹凸を形成した後に、ワイドギャップ層２ｄ等を有機金属気相成長法を用いて堆積させ、実施の形態１と同じ方法でリッジ部１０を形成することにより作製する。
【００３８】
このように、半導体光変調器素子５００では、下層クラッド層２が回折格子１１を有することにより、光の伝播損失が抑制でき、低損失の半導体光変調器素子とすることができる。
【００３９】
図９は、全体が６００で表される、本実施の形態にかかる他の半導体光変調器素子である。
半導体光変調器素子６００では、上層クラッド層４とコンタクト層５との間に回折格子１２が形成されている。回折格子１２では、ＩｎＰ（上層クラッド層４）／ＩｎＧａＡｓ（コンタクト層５）の繰り返し構造が、リッジ部１０の長手方向に形成され、ピッチは、半導体光変調器素子６００に入射する光の波長の略１／２となっている。
【００４０】
半導体光変調器素子６００では、光吸収層３の上部に回折格子１２を形成することにより、光の伝播損失を抑制し、低損失の半導体光変調器素子としている。
【００４１】
なお、以上の実施の形態で説明した半導体光変調器素子において、半導体層の導電型（ｐ型、ｎ型）を逆にすることも可能である。
また、実施の形態１〜３では、光吸収層３をＩｎＧａＡｓＰ層としたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いることもできる。
また、実施の形態１〜３では、ＩｎＰ基板を用いた場合について述べたが、基板にＧａＡｓ半絶縁性基板を用い、クラッド層をＡｌＧａＡｓ層又はＧａＡｓ層、光吸収層をＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層としても構わない。
更に、本実施の形態１〜３では、半導体光変調器素子について説明したが、導波路型フォトディテクタ等の受光素子にも適用することができる。また、実施の形態１及び２の構造については、レーザダイオード等の発光素子にも適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、半絶縁性基板を用いたハイメサリッジ構造の半導体光素子において、電極のオーミック特性が良好で、かつ光損失の少ない半導体光素子が提供できる。
【００４３】
また、かかる半導体光素子を、安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調器素子の斜視図である。
【図２】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調器素子の断面図である。
【図３】 ＩｎＰ層のキャリア濃度とコンタクト抵抗率との関係である。
【図４】 ＩｎＰクラッド層の膜厚と光吸収係数との関係である。
【図５】 本発明の実施の形態１にかかる半導体光変調器素子の製造工程の断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態１にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態２にかかる他の半導体光変調器素子の断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態３にかかる半導体光変調器素子の斜視図である。
【図９】 本発明の実施の形態３にかかる他の半導体光変調器素子の斜視図である。
【図１０】 従来の半導体光変調器素子の斜視図である。
【符号の説明】
１ 基板、２ 下層クラッド層、２ａ 高濃度層、２ｂ 低濃度層、３ 光吸収層、４ 上層クラッド層、５ コンタクト層、６ アノード電極、７ カソード電極、１０ リッジ部、１００ 半導体光変調器素子。
Claims (6)
- ハイメサリッジ構造を有する導波路型の半導体光素子であって、
半絶縁性基板と、
該半絶縁性基板上に形成されたリッジ部であって、該半絶縁性基板上に順次積層された下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層とを含むリッジ部とを備え、
該下部クラッド層が、リッジ部から側方に延在して、上面に電極が載置された高濃度層と、該高濃度層よりキャリア濃度が低く、該コア層に接した低濃度層とを含むことを特徴とする半導体光素子。 - 上記高濃度層のキャリア濃度が、略７×１０１８ｃｍ−３以上、略１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度であり、上記低濃度層のキャリア濃度が、略１×１０１７ｃｍ−３以上、略３×１０１７ｃｍ−３以下の濃度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- 上記半絶縁性基板、上記下部クラッド層に含まれる上記低濃度層及び上記高濃度層、及び上記上部クラッド層がＩｎＰからなり、上記コア層がＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
- 上記低濃度層の膜厚が、略０．１μｍ以上、略０．６μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体光素子。
- 上記低濃度層の膜厚が、略０．１μｍ以上、略０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体光素子。
- 上記低濃度層と上記高濃度層との間に、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＡｓからなるエッチングストッパ層を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体光素子。
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