JP4249222B2 - 半導体光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体光素子及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4249222B2
JP4249222B2 JP2006508515A JP2006508515A JP4249222B2 JP 4249222 B2 JP4249222 B2 JP 4249222B2 JP 2006508515 A JP2006508515 A JP 2006508515A JP 2006508515 A JP2006508515 A JP 2006508515A JP 4249222 B2 JP4249222 B2 JP 4249222B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
doped
semiconductor
mesa
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006508515A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2005117217A1 (ja
Inventor
龍三 伊賀
康洋 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Publication of JPWO2005117217A1 publication Critical patent/JPWO2005117217A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4249222B2 publication Critical patent/JP4249222B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0265Intensity modulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2222Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special electric properties
    • H01S5/2224Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special electric properties semi-insulating semiconductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2205Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2222Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special electric properties
    • H01S5/2226Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special electric properties semiconductors with a specific doping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3072Diffusion blocking layer, i.e. a special layer blocking diffusion of dopants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/3434Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer comprising at least both As and P as V-compounds

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は、半導体光素子及びその製造方法に関する。
半導体結晶を電流ブロック埋め込み層とする埋め込み構造が、半導体レーザなどの半導体光素子に用いられている。この構造は、電流ブロック機能による半導体レーザの発振閾値の低減、横モード制御による光出力ビームの安定化、半導体埋込みにより活性層からの熱の拡散が良いこと、長期信頼性が向上することなどの利点を有することから、素子の実用化には非常に重要である。
大容量光伝送システムに必要な部品の一つである直接変調レーザは、中・短距離の高速光伝送システムの信号光源として重要な部品であり、低コスト化が強く求められている。具体的には、低コスト化のため、レーザ素子の実装においてペルチェ素子等の冷却機構を用いないアンクールドでの状態で動作させること、および製造歩留まりを向上させることが必要となっている。従って、直接変調レーザの特性としては、より高温で高速動作する特性が望まれている。
直接変調レーザの高温高速動作化のためには、レーザ素子の容量低減と、高温での光出力効率の増大とが求められている。この直接変調レーザの動作原理は、レーザヘの注入電流を変調させることでレーザ光出力を直接変調している。変調速度は、レーザの緩和振動周波数と素子容量に制限される。緩和振動周波数が大きい程、変調速度は増加するが、そのためには、光子寿命の減少、微分利得と光子密度の増大が必要である。
半導体埋込み構造には、大きく分けてハイメサ埋込み構造とローメサ埋込み構造とがある。ハイメサ埋込み構造は、基板上に下部クラッドと活性層と上部クラッドとコンタクト層とが形成され、さらに、絶縁マスクを用いてメサ幅2μm程度でメサ高さ3μm前後の比較的高いメサストライプが形成され、そのメサの両脇を電流ブロック層で埋込み成長して形成される。
一方、ローメサ埋込み構造は、基板上に下部クラッドと活性層と上部クラッドの一部とが形成され、絶縁マスクを用いてメサ幅2μm程度でメサ高さ1.5μm前後の比較的低いメサストライプが形成されている。さらに、そのメサの両脇を電流ブロック層で埋込み成長し、絶縁マスクを除去した後、上部オーバークラッド層とコンタクト層とを成長させて、ローメサ埋込み構造が完成する。直接変調半導体レーザなどのレーザ素子において、高温での光出力効率を向上させるためには、ハイメサ埋込み構造よりローメサ埋込み構造が適している。その理由は、上部電極の面積は、ハイメサ埋込み構造よりローメサ埋込み構造の方が大きくとれるため、素子抵抗が低減できるからである。
また、ローメサ埋込み構造は、メサの高さが低いため、埋込み成長がハイメサ埋込み構造より容易で異常成長が発生しにくく、結晶性の良い埋込み層が形成できる。しかしながら、ローメサ埋込み構造の場合、電流ブロック機能を十分に働かせるために必要な埋込み層の厚さにするためには、埋込み層の表面の高さは、メサの高さより高くなるため、メサを埋め込んだ後の表面は凹凸形状となる。この凹凸形状の上に、さらにオーバークラッド層とコンタクト層を成長させると、その凹凸形状がコンタクト層まで残ってしまう。オーバークラッド層は通常2元系膜であるが、コンタクト層は通常3元混晶以上の多元系膜であるので、コンタクト層の組成に変調が発生する。その結果、オーバークラッド層とコンタクト層との間に格子不整合が発生するため、歪みによる結晶性の劣化が発生するという問題があった。
この問題は、素子特性の劣化は勿論、面内歩留まりやrun−to−runの再現性の劣化を引き起こす。コンタクト層の成長前、すなわちオーバークラッド層を成長した後の凹凸形状が、コンタクト層の結晶性に問題を与えない程度に平坦化される必要がある。
また、半導体光素子を作製するために用いる基板の伝導型は、素子特性に与える影響が大きい。接触抵抗がn型半導体に比べて大きいp型半導体を、大きい接触面積がとれる下部基板電極とすることで、素子抵抗が低減でき、素子特性を向上させることができる。高速動作が求められる直接変調半導体レーザでは、基板がp型基板であれば、レーザ駆動用のドライバーとして高速動作に優れたnpn型トランジスタ回路との整合性がとれる利点がある。従って、半導体レーザ素子、とくに直接変調レーザにおいては、p型墓板上のローメサ埋め込み素子構造が有効であり、さらに、高い素子特性を持ち、製造歩留まりとrun−to−runの再現性を向上させる素子構造および製造方法が、素子の低コスト化のために不可欠である。
米国特許第5470785号明細書 A.Dadger et. al, "Ruthenium: A superior compensator of InP", App1ied physics Letters Vol.73, No.26, pp.3878-3880, 1998 A.van Geelen et. Al,"Ruthenium doped high power 1.48μm SIPBH laser",11th International conference on lndium Phosphide and related materials TuBl-2, 1999
p型基板上のローメサ埋め込み素子構造において、高い素子特性を持たせ、製造歩留まりとrun−to−runの再現性を向上させるためには、コンタクト層の成長前、すなわちオーバークラッド層を成長した後の凹凸形状を、コンタクト層の結晶性に問題を与えない程度に平坦化しなければならないという課題があった。
上記課題を解決するために、Znがドーパントされたp型InP基板上に、少なくともp型のクラッド層、活性層及びn型クラッド層からなるメサストライプ状の積層体があり、該積層体の両側が電流ブロック層で埋め込まれ、該電流ブロック層と前記積層体の上にn型オーバークラッド層及びn型コンタクト層が配置されている半導体光素子において、電流ブロック層を、RuがドーパントされたInP結晶からなる高抵抗層であり、n型オーバークラッド層を、電流ブロック層と前記積層体の上面の凹凸を平坦化するために、SeがドーパントされたInP結晶とした。
好ましくは、Seのドーピング濃度は、5×1018cm−3以上が好適である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。通常、p型基板上に形成したローメサ構造を埋め込んだ後の素子の断面形状は、凹凸をもった断面形状となり、従来の方法ではオーバークラッド層とコンタクト層を形成すると凹凸形状が残ってしまう。その結果、3元系以上の混晶を用いるコンタクト層の結晶品質の制御が困難となり、素子の特性を著しく劣化させることになる。そこで、本実施形態では、ローメサ構造を埋め込んだ後に、凹凸をもった断面形状を平坦化する性質を持つ結晶からなるオーバークラッド層を用いる。
本実施形態は、p型基板上に形成したローメサ埋込み構造の素子である。メサを埋め込んだ後の表面の凹凸形状を平坦化する性質を持つ結晶からなるオーバークラッド層を用いて、メサの両側を電流ブロック層で埋め込んだ後に、素子特性を劣化させないコンタクト層の結晶性が得られる様にする。このように、表面の凹凸形状を平坦化する性質を持つ結晶からなるオーバークラッド層を用いるため、メサの両側を埋め込んだ後に形成される凹凸のある表面であっても、オーバークラッド層の表面が平坦となる。そのため、オーバークラッド層の上にコンタクト層を形成しても、素子特性を劣化させないコンタクト層を得ることができる。
メサを埋め込んだ後の表面の凹凸形状を平坦化するオーバークラッド層の一例は、セレン(Se)をドーピングした半導体結晶である。このオーバークラッド層は、ドーピングするSeの濃度が高いほど、平坦化の効果が大きく、Seのドーピング濃度が5×1018cm-3以上であることが望ましい。具体的には、p型InP基板上に形成したローメサ埋込み構造の素子でSeのドーピング濃度が5×1018cm-3以上のInP結晶をn型オーバークラッド層に用いることにより、平坦化のより効果的な結果が得られる。詳しくは、実施例1を参照して後述する。
ローメサ埋込み構造の素子に適用可能な埋込み構造には、半絶縁性半導体結晶を用いた高抵抗埋込み層のみから形成される構造、pn半導体埋込み構造、および半絶縁性半導体結晶を用いた高抵抗埋込み層とn型半導体とを用いた埋込み構造がある。これらいずれの埋込み構造においても、本実施形態における優れた効果が得られる。上記の3種類の埋込み構造の中では、ローメサ埋込み構造素子の素子特性、面内歩留まり、run−to−runの再現性をより向上させるために、素子の電流ブロック埋込み構造がシンプルな構造であることが望ましい。
複雑な多層埋込み構造は、リーク電流増加による素子特性の劣化、基板面内での歩留まりの低下、およびrun−to−runの再現性低下の要因となる。電流ブロック埋込み構造をシンプルな構造にするためには、半絶縁性半導体結晶からなる高抵抗層のみを用いた構造を用いると良い。しかしながら、半絶縁性半導体結晶を用いた高抵抗埋込み層には、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Feと、p型基板のドーパントである亜鉛(Zn)が埋め込み成長界面で相互拡散する問題があった。
その結果、ZnがFeをドープした埋め込み層中に深く拡散し、埋め込み層の半絶縁性を劣化させ、電流ブロック機能を低下させるため、素子特性の劣化の要因となっていた。最近、Ruをドーピングした半絶縁性半導体結晶は、Znとほとんど相互拡散を起こさないことが見いだされ、n型InP基板上に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が、作製されている(例えば、非特許文献1,2参照)。そこでRuをドーパントとした半絶縁性結晶からなる高抵抗層で埋込めば、シンプルな埋込み構造が実現し、素子特性、製造歩留まり、再現性の向上により良い効果が得られる。
本実施形態によれば、優れた素子の特性、基板面内の製造歩留まりの向上、良好なrun−to−runの再現性を実現することができる。また、Ruをドーパントとした半絶縁性結晶からなる高抵抗層で埋込めば、シンプルな埋込み構造が実現し、素子特性と製造歩留まり、再現性により良い効果が得られる。特に、直接変調半導体レーザに本発明を応用した場合には、低コスト化を図ることができる。
図1A〜図1Gに、本発明の第1の実施例にかかる半導体素子の製造工程を示す。MQWを活性層にした直接変調半導体DFBレーザの断面図である。先ず、図1Aに示すように、面方位(100)のZnドープp型InP基板1上に、有機金属気相成長法(MOVPE)法により、層厚0.5μmのZnドープp型InPクラッド層2、層厚0.05μmのノンドープInGaAsP下部光閉じ込め(SCH)層3、層厚0.15μmの発光波長1.3μmのノンドープInGaAsP/InGaAsP歪多重量子井戸(MQW)活性層4、層厚0.05μmのノンドープInGaAsP上部光閉じ込め(SCH)層5を順に成長させた。InGaAsP上部光閉じ込め(SCH)層5の上部に回折格子を形成した後、層厚0.2μmのSeドープn型InPクラッド層6を成長させた。
次に、図1Bに示すように、SiO2をマスク7としてRIE(反応性イオンエッチング)により、幅2μmで高さ1.5μm程度のメサストライプを形成した。引き続き、図1Cに示すように、メサストライプの両側における基板上に、MOVPE法により、電流ブロック層として、RuドープInP層8(層厚3μm)を成長させた。Ruの原料は、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウム(bis (ethylcyclopentadienyl) ruthenium (II))を用いた。RuドープInP層8の層厚は、メサ近傍の盛り上がった埋め込み領域から離れ、平坦となった領域(図1Cの符号a,a’)において3μmである。
図1Dに示すように、SiO2よりなるマスク7を除去すると、深さ1.5μm以上のV字型に近い溝構造が形成される。この溝の凹凸形状を平坦化するため、図1Eに示すように、Seをドーピングしたn型InPオーバークラッド層9を、MOVPE成長させる。
オーバークラッド層にドーピングするSeの濃度について説明する。Seのドーピング濃度を増加すると平坦化の度合いが増すことが、本願発明者の一人である近藤により明らかにされている(例えば、特許文献1参照)。これを基に、平坦化の度合いに対するSeのドーピング濃度の影響を説明する。図2Aに示すように、幅2.1μm、高さ1.0μmのリッジ型メサ101の上に、層厚1.0μmのZnドープp型InP(102)を成長させ、さらに層厚0.8μmのSeドープn型InP(103)を成長させたときの、平坦化の度合いを計測した。Seドープn型InP(103)のメサ上の層厚をdとし、メサから離れた平坦な領域の層厚をdとし、平坦化の度合いd/dで表す。すなわち、d/dが小さいほど平坦化の度合いが高いことを意味する。
図2Bに、Seのドーピング濃度と平坦化の度合いの関係を示す。Seのドーピング濃度が増加するに従って、d/dが減少し、平坦化の度合いが高くなることがわかる。そして、d/dが1/2以下になるSeのドーピング濃度は、5×1018cm−3以上であった。
本実施例においては、Seをドーピングしたn型InPオーバークラッド層の層厚が、d/d<1/2となれば、平坦な領域における層厚の増加を極力抑えながら、溝の凹凸形状を平坦化することができ、素子の作製に適用することができる。
なお、ここではSeのドーピングについて述べたが、同じVI族元素である硫黄(S)、テルル(Te)についても、ドーピング濃度を増加すると、平坦化の度合いが増すことが知られている。
図1Eに示すように、層厚2μmでSeドーピング濃度が6×1018cm−3のn型InPオーバークラッド層9をMOVPE成長させることで、電流ブロック層成長後の凹凸形状を平坦化した。ここで、n型InPオーバークラッド層9の層厚とは、メサ近傍のRuドープInP層8が盛り上がった埋め込み領域から離れ、平坦となった領域(図1Eの符号a,a’)における厚さである。
その後、図1Fに示すように、層厚0.4μmのSeをドーパントとするn型インジウムガリウム砒素燐(InGaAsP)コンタクト層10をMOVPE成長させた。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。
次に、図1Gに示すように、n型電極11、基板側にp型電極12を形成した。この後、図示しないが、素子全体の容量をできるだけ下げるために、図1Bに示したメサストライプから、離れたところにある不要なRuドープInP層8、n型InPオーバークラッド層9およびコンタクト層10をドライエッチングにより除去し、メサストライプを含むようなメサ形状に加工した。このとき、素子全体の層厚は、できるだけ薄い方がメサ形状を最適化しやすく、素子容量を減少させることができ、素子の特性を劣化させない点で有利である。一方、半絶縁層であるRuドープInP層8の層厚は、素子容量の低減と順方向リーク電流の低減のために、できるだけ厚い方がよい。従って、n型InPオーバークラッド層9の層厚は、できるだけ薄い方が素子全体の層厚の増加を抑えることができるので、素子特性の向上に有利である。溝の凹凸形状を平坦化する場合に、Seのドーピング濃度を増加して、より薄いn型InPオーバークラッド層9で平坦化することができれば、本発明の効果がより一層発揮される。
図3に、上述した素子を用いて作製した直接変調半導体レーザの小信号特性の温度依存性を示す。半導体レーザの3dB帯域は、チップ温度が25℃で約25GHz、85℃で約18GHz、95℃で約15GHzである。発振しきい値は、チップ温度が25℃で約6mA、95℃で約32mAである。光出力効率は、チップ温度が25℃で約0.38W/A、95℃で約0.16W/Aである。
一方、n型InPオーバークラッド層9のSeのドーピング濃度が、5×1018cm−3より小さい場合には、表面の凹凸形状の平坦化が不十分である。そのため、n型InGaAsPコンタクト層10の結晶性が劣化し、素子特性の劣化を生ずる。
次に、RuドープInP層8の層厚がさらに厚い場合について説明する。n型InPオーバークラッド層9のSeのドーピング濃度を8×1018cm−3とし、層厚1μmとして、直接変調半導体レーザを作製した。このとき、RuドープInP層8の層厚は、4μmである。直接変調半導体レーザの小信号特性は、3dB帯域が、チップ温度が25℃で約28GHz、95℃で約17GHzであった。発振しきい値は、チップ温度が25℃で約5mA、95℃で約27mAであった。光出力効率は、チップ温度が25℃で約0.40W/A、95℃で約0.18W/Aであった。図3に示した直接変調半導体レーザと比較して、素子特性が向上していることがわかる。
さらに、n型InPオーバークラッド層9のSeのドーピング濃度を2×1019cm−3とし、直接変調半導体レーザを作製した。このとき、RuドープInP層8の層厚は、5μmである。n型InPオーバークラッド層9は、メサ近傍のRuドープInP層8が盛り上がった埋め込み領域から離れ、平坦となった領域ではほとんど成長せず、V字型に近い溝構造で成長して、凹凸形状を平坦化した。直接変調半導体レーザの小信号特性は、3dB帯域が、チップ温度が25℃で約30GHz、95℃で約19GHzであった。発振しきい値は、チップ温度が25℃で約5mA、95℃で約24mAであった。光出力効率は、チップ温度が25℃で約0.42W/A、95℃で約0.20W/Aであった。上述した直接変調半導体レーザと比較して、さらに、素子特性が向上していることがわかる。
このように、電流ブロック層であるRuドープInP層8の層厚が増大することにより、直接変調半導体レーザの順方向リーク電流が低減するので、光出力効率が増加し、素子容量が減少することにより、変調特性が著しく向上している。
従来から、電流ブロック層である半絶縁層の層厚を増加させて、素子特性を向上することが試みられている。しかし、半絶縁層の層厚の増加により、溝の凹凸形状が深くなり、溝を埋め込んで平坦化することが困難となる上に、素子の層厚全体が増加した。これに対して、オーバークラッド層の層厚を、より薄くするために、さらに平坦化が困難となるという問題があった。本実施形態によれば、Seドーピング濃度が5×1018cm−3以上のn型InPオーバークラッド層を用いることにより、より薄いオーバークラッド層と、より厚い半絶縁層を形成することができるので、直接変調半導体レーザの素子特性を向上することができる。
図4A〜図4Gに、本発明の第2の実施例にかかる半導体素子の製造工程を示す。MQWを活性層にした直接変調半導体DFBレーザの断面図である。先ず、図4Aに示すように、面方位(100)のZnドープp型InP基板21上に、有機金属気相成長法(MOVPE)法により、層厚0.5μmのZnドープp型InPクラッド層22、層厚0.05μmのノンドープInGaAsP下部光閉じ込め(SCH)層23、層厚0.15μmの発光波長1.3μmのノンドープInGaAsP/InGaAsP歪多重量子井戸(MQW)活性層24、層厚0.05μmのノンドープInGaAsP上部光閉じ込め(SCH)層25を順に成長させた。InGaAsP上部光閉じ込め(SCH)層25の上部に回折格子を形成した後、層厚0.2μmのSeドープn型InPクラッド層26を成長させた。
次に、図4Bに示すように、SiOをマスク27としてRIE(反応性イオンエッチング)により、幅2μmで高さ1.5μm程度のメサストライプを形成した。引き続き、図4Cに示すように、メサストライプの両側における基板上に、MOVPE法により、電流ブロック層として、n型InP層28(層厚0.5μm)成長させ、さらにFeドープInP層29(層厚3μm)を成長させた。Feの原料としてフェロセンを用いた。
図4Dに示すように、SiOよりなるマスク27を除去すると、V字型に近い溝構造が形成される。この溝の凹凸形状を平坦化するため、図4Eに示すように、層厚2μmでSeのドーピング濃度が6×1018cm−3のn型InPオーバークラッド層30を、MOVPE成長させた。
その後、図4Fに示すように、層厚0.4μmのSeをドーパントとするn型インジウムガリウム砒素燐(InGaAsP)コンタクト層31をMOVPE成長させた。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。
次に、図4Gに示すように、n型電極32、基板側にp型電極33を形成した。この後、実施例1と同様のメサ加工を行った。
上述した素子を用いて作製した直接変調用半導体レーザの小信号特性を測定した。半導体レーザの3dB帯域は、チップ温度が25℃で約22GHz、95℃で約11GHzである。発振閾値は、チップ温度が25℃で約7mA、95℃で約35mAである。光出力効率は、チップ温度が25℃で約0.35W/A、95℃で約0.15W/Aである。
図5A〜図5Gに、本発明の第3の実施例にかかる半導体素子の製造工程を示す。MQWを活性層にした直接変調半導体DFBレーザの断面図である。先ず、図5Aに示すように、面方位(100)のZnドープp型InP基板41上に、有機金属気相成長法(MOVPE)法により、層厚0.5μmのZnドープp型InPクラッド層42、層厚0.05μmのノンドープInGaAsP下部光閉じ込め(SCH)層43、層厚0.15μmの発光波長1.3μmのノンドープInGaAsP/InGaAsP歪多重量子井戸(MQW)活性層44、層厚0.05μmのノンドープInGaAsP上部光閉じ込め(SCH)層45を順に成長させた。InGaAsP上部光閉じ込め(SCH)層45の上部に回折格子を形成した後、層厚0.2μmのSeドープn型InPクラッド層46を成長させた。
次に、図5Bに示すように、SiOをマスク47としてRIE(反応性イオンエッチング)により、幅2μmで高さ1.5μm程度のメサストライプを形成した。引き続き、図5Cに示すように、メサストライプの両側における基板上に、MOVPE法により、電流ブロック層として、p型InP層48(層厚0.6μm)、n型InP層49(層厚0.6μm)、p型InP層50(層厚0.6μm)を順に成長させた。
図5Dに示すように、SiOよりなるマスク47を除去すると、V字型に近い溝構造が形成される。この溝の凹凸形状を平坦化するため、図5Eに示すように、層厚2μmでSeのドーピング濃度が6×1018cm−3のn型InPオーバークラッド層51を、MOVPE成長させた。
その後、図5Fに示すように、層厚0.4μmのSeをドーパントとするn型インジウムガリウム砒素燐(InGaAsP)コンタクト層52をMOVPE成長させた。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。
次に、図5Gに示すように、n型電極53、基板側にp型電極54を形成した。この後、実施例1と同様のメサ加工を行った。
上述した素子を用いて作製した直接変調用半導体レーザの小信号特性を測定した。半導体レーザの3dB帯域は、チップ温度が25℃で約15GHz、95℃で約8GHzである。発振閾値は、チップ温度が25℃で約8mA、95℃で約35mAである。光出力効率は、チップ温度が25℃で約0.35W/A、95℃で約0.15W/Aである。
本実施形態では、レーザの活性層にInGaAsP多重量子井戸(MQW)層を取り扱っているが、InP−InGaAsP−InGaAs系、InAlAs−InGaA1As−InGaAs系など、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。また、電流ブロック埋込み構造は、上記の実施例以外の層構造であっても同様な効果が得られる。上述した実施例では、半導体レーザについて述べたが、光変調器、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。
上述したように、本実施形態は、半導体レーザなどの半導体光素子に関し、埋め込み成長を行った後に表面が凹凸になった場合でも、表面が平坦になる性質を持つ結晶からなるオーバークラッド層を用いることにより、素子特性を劣化させないコンタクト層が得られる。
本発明は、半導体レーザに限らず、光変調器、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。
本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例1にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 平坦化の度合いを測定した素子の構造を示す断面図である。 Seのドーピング濃度と平坦化の度合いの関係を示す図である。 直接変調半導体レーザの小信号特性の温度依存性を示す図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例2にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例3にかかる半導体素子の製造工程を示す断面図である。

Claims (3)

  1. Znがドーパントされたp型InP基板上に、少なくともp型のクラッド層、活性層及びn型クラッド層からなるメサストライプ状の積層体があり、該積層体の両側が電流ブロック層で埋め込まれ、該電流ブロック層と前記積層体の上にn型オーバークラッド層及びn型コンタクト層が配置されている半導体光素子において、
    前記電流ブロック層は、RuがドーパントされたInP結晶からなる高抵抗層であり、
    前記n型オーバークラッド層は、前記電流ブロック層と前記積層体の上面の凹凸を平坦化するために、SeがドーパントされたInP結晶であることを特徴とする半導体光素子。
  2. 請求項1に記載の半導体光素子において、前記Seのドーピング濃度は、5×1018cm−3以上であることを特徴とする半導体光素子。
  3. Znがドーパントされたp型InP基板上に、少なくともp型のクラッド層、活性層及びn型クラッド層からなる積層体を形成する工程と、
    前記積層体をメサストライプ状に加工する工程と、
    前記メサストライプ状の積層体の両側を、RuがドーパントされたInP半導体結晶からなる電流ブロック層で埋め込む工程と、
    前記電流ブロック層と前記積層体の上面の凹凸を平坦化するために、SeがドーパントされたInP結晶からなるn型オーバークラッド層を形成する工程と、
    前記n型オーバークラッド層の上にn型コンタクト層を形成する工程と
    を備えたことを特徴とする半導体光素子の製造方法。
JP2006508515A 2004-05-26 2005-05-26 半導体光素子及びその製造方法 Active JP4249222B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004155785 2004-05-26
JP2004155785 2004-05-26
PCT/JP2005/009656 WO2005117217A1 (ja) 2004-05-26 2005-05-26 半導体光素子及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2005117217A1 JPWO2005117217A1 (ja) 2008-04-03
JP4249222B2 true JP4249222B2 (ja) 2009-04-02

Family

ID=35451197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006508515A Active JP4249222B2 (ja) 2004-05-26 2005-05-26 半導体光素子及びその製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7701993B2 (ja)
EP (1) EP1750336B1 (ja)
JP (1) JP4249222B2 (ja)
CN (1) CN100421321C (ja)
WO (1) WO2005117217A1 (ja)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4850757B2 (ja) * 2007-03-08 2012-01-11 日本電信電話株式会社 波長可変半導体レーザ素子及びその制御装置、制御方法
JP4787207B2 (ja) * 2007-05-17 2011-10-05 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
JP2008294076A (ja) * 2007-05-22 2008-12-04 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザ素子
JP5223439B2 (ja) * 2007-05-28 2013-06-26 ソニー株式会社 半導体発光素子
WO2008146651A1 (ja) * 2007-05-28 2008-12-04 Sony Corporation 半導体発光素子
JP2009016590A (ja) * 2007-07-05 2009-01-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光半導体装置
JP5029239B2 (ja) * 2007-09-13 2012-09-19 日本電気株式会社 半導体光素子およびその製造方法
JP2010287804A (ja) * 2009-06-15 2010-12-24 Mitsubishi Electric Corp 半導体光素子
JP2011029595A (ja) * 2009-06-26 2011-02-10 Opnext Japan Inc 光モジュール及び集積型半導体光素子及びその製造方法
JP5489702B2 (ja) * 2009-12-24 2014-05-14 三菱電機株式会社 半導体光素子および集積型半導体光素子
JP5916414B2 (ja) * 2012-02-09 2016-05-11 日本オクラロ株式会社 光半導体装置
US8829993B2 (en) 2012-10-30 2014-09-09 Eta Devices, Inc. Linearization circuits and methods for multilevel power amplifier systems
JP6421901B1 (ja) * 2018-03-26 2018-11-14 三菱電機株式会社 半導体装置の製造方法
CN109510062A (zh) * 2018-12-28 2019-03-22 全磊光电股份有限公司 掩埋dfb激光器及其制备方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61180493A (ja) * 1985-02-05 1986-08-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レ−ザ素子の製造方法
JP2550714B2 (ja) 1989-07-21 1996-11-06 日本電気株式会社 高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザ
JP3047049B2 (ja) 1991-10-07 2000-05-29 日本電信電話株式会社 埋込み構造半導体レーザの製造方法
US5260230A (en) 1991-07-12 1993-11-09 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Method of manufacturing buried heterostructure semiconductor laser
JP3132054B2 (ja) 1991-07-12 2001-02-05 日本電信電話株式会社 埋込み構造半導体レーザの製造方法
JP2823476B2 (ja) 1992-05-14 1998-11-11 三菱電機株式会社 半導体レーザおよびその製造方法
JPH06177482A (ja) 1992-12-10 1994-06-24 Fujitsu Ltd 半導体レーザの製造方法
JP3038424B2 (ja) 1993-03-29 2000-05-08 日本電信電話株式会社 埋め込み構造半導体レーザとその製造方法
JPH07162091A (ja) 1993-12-09 1995-06-23 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 埋め込み構造半導体レーザの製造方法
JP3256769B2 (ja) 1993-12-28 2002-02-12 日本電信電話株式会社 埋め込み構造半導体レーザの製造方法
JPH08250808A (ja) 1995-03-15 1996-09-27 Toshiba Corp 半導体装置およびその製造方法
JPH09283846A (ja) 1996-04-11 1997-10-31 Ricoh Co Ltd 半導体レーザの製造方法
JP4100817B2 (ja) 1999-02-15 2008-06-11 株式会社リコー 半導体発光素子
JP2000260714A (ja) * 1999-03-08 2000-09-22 Nec Corp 有機金属気相成長による成膜方法及びこれを用いた半導体レーザの製造方法
JP3484394B2 (ja) * 2000-04-12 2004-01-06 Necエレクトロニクス株式会社 光半導体装置およびその製造方法
JP4072937B2 (ja) * 2001-05-11 2008-04-09 日本電信電話株式会社 半導体光素子
JP2003060311A (ja) 2001-08-21 2003-02-28 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体光素子及びその製造方法
JP2004119467A (ja) 2002-09-24 2004-04-15 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置

Also Published As

Publication number Publication date
US7701993B2 (en) 2010-04-20
CN100421321C (zh) 2008-09-24
WO2005117217A1 (ja) 2005-12-08
EP1750336B1 (en) 2012-04-04
JPWO2005117217A1 (ja) 2008-04-03
EP1750336A4 (en) 2010-08-11
US20080137703A1 (en) 2008-06-12
CN1898842A (zh) 2007-01-17
EP1750336A1 (en) 2007-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4249222B2 (ja) 半導体光素子及びその製造方法
JP3654435B2 (ja) 半導体光素子及びその製造方法
CN106972345B (zh) 形成半导体光学器件的方法及半导体光学器件
US6426515B2 (en) Semiconductor light-emitting device
US4635268A (en) Semiconductor laser device having a double heterojunction structure
US8073029B2 (en) Semiconductor optical device
US20080037607A1 (en) Semiconductor laser diode with a ridge structure buried by a current blocking layer made of un-doped semiconductor grown at a low temperature and a method for producing the same
JP2004179274A (ja) 光半導体装置
EP1251610B1 (en) Semiconductor optical device and the fabrication method
US5960257A (en) Method distributed feedback semiconductor laser for fabricating
US6990131B2 (en) Semiconductor optical device and method of manufacturing the same
JP3809941B2 (ja) 電界吸収型光変調器
US20100328753A1 (en) Optical module, integrated semiconductor optical device and manufacturing method thereof
Sakata et al. All-selective MOVPE-grown 1.3-/spl mu/m strained multi-quantum-well buried-heterostructure laser diodes
JP2005286192A (ja) 光集積素子
JP4072937B2 (ja) 半導体光素子
JPH1022579A (ja) 光導波路構造とこの光導波路構造を用いた半導体レーザ、変調器及び集積型半導体レーザ装置
JP2010021430A (ja) 半導体光素子
JP2894186B2 (ja) 光半導体装置
JP4072938B2 (ja) 半導体光素子及びその製造方法
JP2005209909A (ja) 半導体光素子及びその製造方法
JP2007103581A (ja) 埋込型半導体レーザ
JP2966982B2 (ja) 半導体レーザ
JP6487236B2 (ja) 半導体光素子、及びその製造方法
JP2019102585A (ja) 光デバイス

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080711

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080909

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081226

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090114

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120123

Year of fee payment: 3

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 4249222

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120123

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130123

Year of fee payment: 4

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350