JP4049562B2

JP4049562B2 - 埋込型半導体光素子

Info

Publication number: JP4049562B2
Application number: JP2001269934A
Authority: JP
Inventors: 松幸小笠原; 龍三伊賀; 康洋近藤; 進近藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003078212A

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埋込型半導体光素子に関すものである。特に、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋込層との間に拡散防止層を挿入した構造の埋込型半導体光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半絶縁層を埋込層とする高抵抗埋込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埋込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。
【０００３】
高抵抗埋込層には、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）が埋込界面で相互拡散する問題があった。
その結果、亜鉛が埋込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は埋込層だけでなく界面を接する活性層にも拡散し、活性層の発光効率低下を招く問題もあった。
【０００４】
この様な問題を解決するため、特開平９−２１４０４５号公報には、図５に示すように、バッファ層２２、活性層２３、クラッド層２４及びコンタクト層２５よりなるメサストライプとＦeドープＩnＰ埋込層２７との間に、Ｆe拡散防止層２６を挿入する技術が開示されている。
Ｆe拡散防止層２６の具体例としては、ｎ型ＩnＰ層や空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のＦeドープＩnＰ層が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｆe拡散防止層２６として空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のＦeドープＩnＰ層を成長するためには、通常のＦeドープＩnＰ層の成長温度（５５０〜６４０℃）よりも高い温度（６６０℃）で成長する必要があるため、成長中にメサストライプ側面が熱変成を起こす。
また、Ｆe拡散防止層２６としてｎ−ＩnＰ層を挿入すれば、確かにＦeの拡散を防ぐことは出来るが、ｎ−ＩnＰ層は相対的に抵抗が低いので、メサ側壁にリークパスが出来る。
【０００６】
最近、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起こさないことが見いだされ、図６に示すように、Ｒuをドーパントとした高抵抗埋込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)")。
【０００７】
本発明の目的は、Ｚnが活性層及びＦeドープＩnＰ埋込層に拡散しないような構造の埋込型半導体光素子を提供することにある。
特に、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋込層との間に拡散防止層を挿入した構造の埋込型半導体光素子において、拡散防止層の材料を改良し、埋込成長中のメサストライプ側壁の熱変成を防止し、またメサストライプ側壁のリークパスをなくす構造の埋込型半導体光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の埋込型半導体光素子は、半導体基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、多重量子井戸の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、該積層体の両側がＦeドープＩnＰ層で埋め込まれ、該積層体に電圧を印加するように構成された電界吸収型光変調器である埋込型半導体光素子において、該ＦeドープＩnＰ層と該積層体との間に、ルテニウムを添加した半絶縁層を設けることを特徴とする。
【０００９】
〔作用〕
本発明の埋込型半導体光素子では、メサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にルテニウム（元素記号：Ｒu）を添加した層を挿入しているため、ＦeドープＩnＰ層からメサストライプヘＦeなどの半絶縁性不純物が拡散することはない。
そのため、ＦeドープＩnＰ層の抵抗率の低下することや、メサストライプを構成する層に添加されているＺnなどの不純物がＦeドープＩnＰ層や活性層に拡散することもない。
これは、Ｒuはｐ形不純物との相互拡散を起こさないからである。
【００１０】
Ｒuを添加したＩnＰやＩnＡlＡs等の化合物半導体及びその混晶は半絶縁性である。
従って、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋込層との間にリークパスが生じることはない。
Ｒuを添加した化合物半導体層の成長温度は、ＦeドープＩnＰの成長温度と同じかそれよりも低い。
従って、埋込成長中のメサ側壁の熱変成は抑制される。
【００１１】
特開平９−２１４０４５号公報に開示されている半導体レーザでは、メサストライプとＦeドープＩnＰ埋込層との間に、ｎ型ＩnＰ層或いは空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のＦeドープＩnＰ層からなるＦe拡散防止層を挿入しているが、本発明の埋込型半導体光素子ではルテニウムを添加した層を挿入している点が異なる。
そのため、本発明のルテニウムを添加した層は拡散防止と同時に電流ブロック層としても十分働く。
従って、メサストライプ側壁にリークパスを生じない。
【００１２】
Ｒuを添加した層が拡散防止と同時に電流ブロック層としても機能する点が、作用効果の点で従来例と異なる点である。
特開平９−２１４０４５号公報には拡散を防ぐ効果しか開示していない。
例え、Ｆe拡散防止層として空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上のＦeドープＩnＰ層を用いることが開示されているとしても、このＦeドープＩnＰ層が電流ブロック層となるほど十分な高抵抗を示すとは述べていない。
ましてや、空格子点濃度が５．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上であっては、欠陥密度が高すぎて十分な高抵抗になるとは考えられない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を用いて説明する。
本発明の一実施例に係る埋込型半導体光素子を図１に示す。
本実施例は、ＭＱＷを光吸収層にした電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器という）である。
【００１４】
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ＩnＧaＡlＡs／ＩnＡlＡs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ＩnＧaＡsコンタクト層７の順に積層されている。
【００１５】
ここで、光吸収層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が、Ｒuを添加したＩnＰ層９とＦeを添加したＩnＰ層１０で埋め込まれている。
メサストライプとＦeドープＩnＰ層１０との間に、拡散防止層としてＲuドープＩnＰ層９が挿入されている点が、従来例と異なる。
【００１６】
このＲuドープＩnＰ層９の厚さは、０．０５μｍから０．５μｍ程度であり、望ましくは０．１μｍである。
また、Ｒu添加量はＲuドープＩnＰが十分半絶縁性になる量が望ましい。
更に、拡散防止層はＲuドープＩnＰに限られるわけではなく、ＲuをドープしたＩnＧaＡlＡs，ＩnＡlＡs，ＩnＧaＡsＰなどの基板に格子整合する組成を持つ化合物半導体混晶でも同様の効果を奏する。
【００１７】
次に具体的な効果について説明する。
本発明の効果を確認にするために、埋込構造を変えた比較例１，２と本発明を比較した。
比較例１は、メサストライプをポリイミドだけで埋め込んだもの、比較例２はメサストライプをＦeドープＩnＰ層だけで埋め込んだものである。
本発明と比較例１，２の電界吸収型変調器のフォトカレントスペクトルを図２に示す。
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、比較例１、比較例２及び本発明の場合である。パラメータは素子に印加した電圧である。入射光はＴＭモードである。
【００１８】
比較例１の場合には、図２（ａ）に示すように、明瞭な励起子吸収が見られる。
そして、印加電圧の増加に伴い吸収端が長波長側にシフトしている。
これは、ほぼ理想的な量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）である。
【００１９】
比較例２の場合には、図２（ｂ）に示すように、明瞭な励起子吸収が見られず、印加電圧の増加に伴う吸収端のシフトも見られない。
ただ、長波長側の吸収が相対的に増加しているだけである。
これは、ＦeドープＩnＰ層からメサストライプヘＦeが拡散したために、素子特性が劣化したことを示している。
つまり、ｐ型ＩnＰクラッド層に拡散したＦeがＺnを格子間位置に叩き出し、その格子間位置のＺnが光吸収層に拡散して素子特性を劣化させたものである。
【００２０】
本発明の場合には、励起子吸収は明瞭でないものの、図２（ｃ）に示すように、印加電圧の増加に伴う吸収端のシフトが明瞭に示されている。
この様に、比較例２の場合と異なり素子劣化が生じなかった原因は、メサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にＲuドープＩnＰ層を挿入しているため、ＦeドープＩnＰ層からメサストライプヘのＦeの拡散が防止されたからである。
【００２１】
次に、電界吸収型変調器の素子容量を比較した。
本発明と２つの比較例１，２におけるメサストライプの幅と高さ及び素子長が同じもの同士を比較した。
比較例１の場合は５ｐＦであり、比較例２の場合は１０ｐＦであった。
比較例２において素子容量が増加した原因は、メサストライプを構成するｐ型ＩnＰクラッド及びｐ型ＩnＧaＡsコンタクト層がＦeドープＩnＰ層と接触しているため、ＺnとＦeの相互拡散によりＺnがＦeドープＩnＰ層に拡散したためである。
【００２２】
つまり、Ｚnが拡散することによってＦeドープＩnＰ層がｐ型に変化し、素子容量が増加した。
しかし、比較例１の場合にはＺn拡散が起こらないので素子容量は低いままである。
一方、本発明の電界吸収型変調器の素子容量は６ｐＦであり、比較例１とほぼ同じである。
従って、ＦeドープＩnＰ層へのＺnの拡散は起こっていないことが判る。
つまり、メサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にＲuドープＩnＰ層を挿入しているため、ＦeドープＩnＰ層へのＺnの拡散が防止されたからである。
【００２３】
本発明による電界吸収型変調器における印加電圧と透過光強度との関係を図３に示す。
入射光がＴＥモードとＴＭモードの場合の両方を示した。
入射光の波長は１．５５μｍである。
印加電圧がゼロの場合には、透過光強度はＴＥモードとＴＭモードに対して各々６．６ｄＢと７．３ｄＢである。
印加電界の増加に伴い２つのモードに対する透過光強度は同じように減少し、モードによる透過光強度の差は１ｄＢ以内である。
【００２４】
本実施例に係る電界吸収型変調器の製造方法を図４に示す。
先ず、図４（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の吸収端波長１．５０μｍのノンドープＩnＧaＡlＡs／ＩnＡlＡs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。
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基板に格子整合する組成である。
【００２５】
次に図４（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４（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、Ｒuを添加したＩnＰ層９とＦeを添加したＩnＰ層１０（層厚３μｍ）を成長させた。
Ｒuを添加したＩnＰ層９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。
成長温度は５８０℃から６４０℃の間であり、典型的には６００℃である。
層厚は成長時間で制御した。
【００２６】
Ｆeを添加したＩnＰ層１０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。
成長温度はＲuドープＩnＰの成長温度と同じ温度である。
この後、図１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ｎ型電極１３を形成した。
【００２７】
このように説明したように本発明は、ＦeドープＩnＰ埋め込み型半導体光素子の高性能化を実現するもので、ＦeドープＩnＰ層とメサストライプの間にルテニウム（Ｒu）を添加した層を配する点が特徴である。
これによりメサストライプを構成するｐ型層に添加されているＺn等の不純物がＦeドープＩnＰ層や活性層に拡散するのを防止すると同時にメサストライプとＦeドープＩnＰ層との間の電流リークを抑制することが可能となる。
【００２８】
【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、本発明によれば、メサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にＦe拡散防止層としてルテニウムを添加した層を挿入しているため、ＦeドープＩnＰ層からメサストライプヘＦeなどの半絶縁性不純物が拡散することはない。
そのため、ＦeドープＩnＰ層の抵抗率の低下することや、メサストライプを構成する層に添加されているＺnなどの不純物がＦeドープＩnＰ層や活性層に拡散することもない。
Ｒuを添加した層は、半絶縁性結晶となるためメサストライプとＦeドープＩnＰ層との間にリークパスが形成されることはない。
また、Ｒu添加層の成長温度はＦeドープＩnＰ層の成長温度と同じかそれよりも低くすることが出来るので、埋め込み成長中にメサストライプの側壁の熱変成を招くことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る電界吸収型変調器の構造を示す断面斜視図である。
【図２】本発明と比較例の電界吸収型変調器のフォトカレントスペクトルを示すグラフである。
【図３】本発明による電界吸収型変調器における印加電圧と透過光強度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の電界吸収型変調器の製造方法を示す工程図である。
【図５】従来例１の説明図である（特開平９−２１４０４５号公報）。
【図６】従来例２の説明図である（van Geelen et. al,(1999)）。
【符号の説明】
１ｎ型ＩnＰ基板
２Ｓe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ＩnＧaＡlＡs／ＩnＡlＡs歪ＭＱＷ（多重量子井戸）光吸収層
５ノンドープＩnＧaＡsＰガイド層
６Ｚnドープｐ型ＩnＰクラッド層
７ＺnドープＩnＧaＡsコンタクト層
８ＳiＯ₂マスク
９Ｒuを添加したＩnＰ層
１０Ｆeを添加したＩnＰ層
１１ＳiＯ₂保護膜
１２ｐ型電極
１３ｎ型電極

Claims

半導体基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、多重量子井戸の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、該積層体の両側がＦeドープＩnＰ層で埋め込まれ、該積層体に電圧を印加するように構成された電界吸収型光変調器である埋込型半導体光素子において、該ＦeドープＩnＰ層と該積層体との間に、ルテニウムを添加した半絶縁層を設けることを特徴とする埋込型半導体光素子。