JP4998238B2 - 集積型半導体光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、バットジョイント接合された第1及び第2の半導体光素子がInP基板上に集積され、第1及び第2の半導体光素子はBeがドープされたInGaAsコンタクト層を有する集積型半導体光素子に関し、特に良好な表面モホロジーを保ちつつ、コンタクト抵抗を低減することができる集積型半導体光素子に関するものである。
InP基板上に形成されたIII−V族化合物半導体において、p型のドーパントとしてベリリウム(Be)が使用される。Beは、一般的にp型ドーパントとして使用される亜鉛(Zn)に比べて拡散長が短い。従って、Beを電界吸収型(EA)光変調器のp型ドーパントとして使用すると、吸収層へ拡散されるドーパントの濃度を低減することができる。これにより、吸収層の電界が均一化して、消光特性が向上する(例えば、非特許文献1参照)。
Y. Miyazaki et.al, Journal of Applied Physics, vol.93, no.7, pp.3823-3826 (2003)
しかし、Beを高濃度にドープすると、結晶の表面モホロジーが悪化する。特に、EA変調器集積型レーザのような集積型半導体光素子では、2つの半導体光素子がバットジョイント(butt joint、突き合わせ)結合され、このバットジョイント結合の近傍では表面が平坦でない。このため、上記のBeドープによる表面モホロジーの悪化が顕著になる。
また、n型InP基板上に形成された半導体レーザやEA変調器は、p側の最表面層としてInGaAsコンタクト層を有する。そして、p側電極とのコンタクト抵抗を低減させるために、コンタクト層をp型に高濃度ドーピングしている。しかし、バットジョイント接合された集積型素子では、p型ドーパントとしてBeを使用する場合、上記の表面モホロジーの悪化により、コンタクト層のドーピング濃度を高くすることができない。これにより、コンタクト抵抗が増加するため、動作電圧、消費電力、変調速度等の特性が悪化してしまうという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、良好な表面モホロジーを保ちつつ、コンタクト抵抗を低減することができる集積型半導体光素子を得るものである。
本発明に係る集積型半導体光素子は、バットジョイント接合された第1及び第2の半導体光素子がInP基板上に集積され、前記第1及び第2の半導体光素子は、Beがドープされた複数のInGaAsコンタクト層を有し、前記複数のInGaAsコンタクト層はそれぞれBeドーピング濃度が異なり、前記複数のInGaAsコンタクト層のうち最表面にある層は、Beドーピング濃度が7×10 18 cm −3 以上、厚みが250nm以下である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、良好な表面モホロジーを保ちつつ、コンタクト抵抗を低減することができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る集積型半導体光素子の光導波路方向の断面図である。この集積型半導体光素子は、分布帰還型(DFB)の半導体レーザ1(第1の半導体光素子)と電界吸収型(EA)の光変調器2(第2の半導体光素子)が、同一のn型InP基板3(InP基板)上にモノリシックに集積された光変調器集積半導体レーザである。半導体レーザ1と光変調器2は、アイソレーション部4により電気的分離されている。半導体レーザ1と光変調器2により、レーザ光を生成し、出射するための光導波路が構成されている。
n型InP基板3上にn型InPクラッド層5が形成されている。その上に、半導体レーザ1として、ノンドープInGaAsPの分離閉じ込めヘテロ構造(SCH)層6、ノンドープInGaAsP/InGaAsP多重量子井戸で構成される活性層7、ノンドープInGaAsPのSCH層8が積層されている。一方、光変調器2として、ノンドープInGaAsのSCH層9、ノンドープInGaAsP/InGaAsP多重量子井戸で構成される吸収層10、ノンドープInGaAsのSCH層11が積層されている。SCH層8には周期的エッチングにより回折格子12が形成されている。半導体レーザ1のSCH層6,8及び活性層7と光変調器2のSCH層9,11及び活性層10はバットジョイント接合されている。
半導体レーザ1のSCH層8及び光変調器2のSCH層11上に、p型InPクラッド層13が形成され、その上に、Beがドープされたp型InGaAsコンタクト層14が形成されている。即ち、半導体レーザ1及び光変調器2は、最表面層としてp型InGaAsコンタクト層14を有する。このp型InGaAsコンタクト層14はアイソレーション部4において除去されている。p型InGaAsコンタクト層14上に、半導体レーザ1のp型電極15と光変調器2のp型電極16がそれぞれ形成されている。n型InP基板3の下面にn型電極17が形成されている。
本実施の形態は、p型InGaAsコンタクト層14は、Beドーピング濃度が7×1018cm−3以上、厚みdが300nmより薄いことを特徴とする。この構成による効果について以下に詳細に説明する。
図2は、InP基板上にBeドープのp型InGaAsコンタクト層を形成し、その上にp型電極であるTi/Pt/Auを形成した場合のコンタクト抵抗率の測定結果である。横軸はInGaAsコンタクト層のBeドーピング濃度であり、縦軸はコンタクト抵抗率である。Beドーピング濃度の増加に伴いコンタクト抵抗率が下がることが分かる。
よって、上記のようにp型InGaAsコンタクト層14のBeドーピング濃度を7×1018cm−3以上にすることで、コンタクト抵抗率を十分に下げることができるため、高速変調、低消費電力・低発熱の光変調器集積半導体レーザを実現することができる。
また、バットジョイント接合された半導体レーザと光変調器を有機金属気相成長法(MOCVD)により成長した後に表面状態を測定した。InGaAsコンタクト層のBeドーピング濃度を5×1018cm−3、厚みを1000nmとした場合、数点のモホロジー荒れがあるもののほぼ良好な表面モホロジーとなっていた。一方、厚みを同じにしてBeドーピング濃度を1×1019cm−3に上げた場合、バットジョイント結合の近傍で表面モホロジーが悪化していた。このようにInGaAsコンタクト層のBeドーピング濃度が高いほど表面モホロジーが悪化する。
しかし、前述のようにコンタクト抵抗率を下げるため、p型InGaAsコンタクト層14のBeドーピング濃度を7×1018cm−3以上にする必要がある。そこで、InGaAsコンタクト層のBeドーピング濃度を1×1019cm−3と高くし、厚みを250nm,100nmと薄くしたところ、両者ともに良好な表面モホロジーが得られた。
よって、上記のようにp型InGaAsコンタクト層14のBeドーピング濃度を7×1018cm−3以上にしても、p型InGaAsコンタクト層14の厚みを300nmより薄くすることで、良好な表面モホロジーを得ることができる。
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2に係る集積型半導体光素子の光導波路方向の断面図である。実施の形態1と異なる構成についてのみ説明する。
p型InPクラッド層13上に、Beがドープされたp型InGaAsコンタクト層18とp型InGaAsコンタクト層19が積層されている。即ち、半導体レーザ1及び光変調器2は、最表面層としてp型InGaAsコンタクト層18,19を有する。このp型InGaAsコンタクト層18とp型InGaAsコンタクト層19はそれぞれBeドーピング濃度が異なる。そして、p型InGaAsコンタクト層18,19のうち最表面にあるp型InGaAsコンタクト層19は、Beドーピング濃度が7×1018cm−3以上、厚みが300nmより薄い。また、p型InGaAsコンタクト層18は、Beドーピング濃度が5×1018cm−3で、厚みは400nmである。これにより、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、p型InGaAsコンタクト層18の厚みを200nmにしても実施の形態1と同様の効果を得ることができた。
また、InGaAsコンタクト層全体の厚み、即ちp型InGaAsコンタクト層18とp型InGaAsコンタクト層19の厚みの合計を、実施の形態1のようにp型InGaAsコンタクト層14だけの時よりも厚くすることができる。これにより、素子の構造設計の自由度を向上することができる。例えば、InGaAsはInPに比べ金属の拡散が小さいため、電極金属が活性層まで沈み込み素子が劣化するのを阻止する役割があるが、InGaAsコンタクト層を厚くすることでその効果をより顕著にすることができる。また、本実施の形態では、p型InGaAsコンタクト層18のBeドーピング濃度をp型InGaAsコンタクト層19のBeドーピング濃度より低くしたが、p型InGaAsコンタクト層18のBeドーピング濃度をp型InGaAsコンタクト層19のBeドーピング濃度より高くしてもよい。こうすることによって、表面モホロジーの悪化を防ぎつつ、InPクラッド層との間の抵抗を下げることができる。
なお、本実施の形態では、p型InGaAsコンタクト層が2層の場合について説明したが、これに限らず、p型InGaAsコンタクト層をBeドーピング濃度が異なる3層以上の積層構造としてもよい。
本発明の実施の形態1に係る集積型半導体光素子の光導波路方向の断面図である。 InP基板上にBeドープのp型InGaAsコンタクト層を形成し、その上にp型電極であるTi/Pt/Auを形成した場合のコンタクト抵抗率の測定結果である。 本発明の実施の形態2に係る集積型半導体光素子の光導波路方向の断面図である。
符号の説明
1 半導体レーザ(第1の半導体光素子)
2 光変調器(第2の半導体光素子)
3 n型InP基板(InP基板)
14,18,19 p型InGaAsコンタクト層(InGaAsコンタクト層)

Claims (1)

  1. バットジョイント接合された第1及び第2の半導体光素子がInP基板上に集積され、
    前記第1及び第2の半導体光素子は、Beがドープされた複数のInGaAsコンタクト層を有し、
    前記複数のInGaAsコンタクト層はそれぞれBeドーピング濃度が異なり、
    前記複数のInGaAsコンタクト層のうち最表面にある層は、Beドーピング濃度が7×1018cm−3以上、厚みが250nm以下であることを特徴とする集積型半導体光素子。
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