JP5062732B2

JP5062732B2 - 半導体変調器

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Publication number: JP5062732B2
Application number: JP2007048977A
Authority: JP
Inventors: 昌和荒井; 康洋近藤; 亘小林; 恭一木下; 眞一依田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008209863A

Description

本発明は、半導体変調器における光吸収特性を向上するため、歪量子井戸構造の高品質化を実現する技術であって、広い環境温度範囲で安定して動作する光半導体装置に関するものである。

従来、通信波長帯である波長１．３μｍと１．５５μｍで用いることができる電界吸収型変調器は、バンドギャップ、格子定数の関係上作製しやすいＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸を用いて作製されてきた。
電界吸収変調器に量子井戸構造を用いると量子閉じ込めシュタルク効果が利用できる。この効果は量子井戸に垂直に電界を印加することにより、電子と正孔が対になった励起子による光吸収ピークが変化し、小さい印加電圧においても大きな吸収係数変化をもたらすものである。
このような従来の半導体変調器においては、通常、光吸収特性の改善のために、量子井戸中へのキャリアの閉じ込めを十分確保することが重要になる。

しかし、従来のＩｎＰ基板上光半導体変調器では、伝導帯側の量子井戸層と障壁層間のバンドオフセットが小さいために、高温条件下にすると電子のオーバーフローによる光吸収の低下が生じ、消光比の低下が引き起こされる。このため、ペルチェクーラー等の温度調整器の使用が不可欠であった。

また同じＩｎＰ基板上において、ＩｎＧａＡｓＰ系より大きなバンドオフセットを持つといわれるＡｌＧａＩｎＡｓ系の光半導体変調器も開発されているが、高温環境でのペルチェフリー使用を考慮した場合、消光比の低下を抑制するにはまだ不十分であった。

一方、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸構造は前述のＩｎＰ基板に比べ、大きな伝導帯バンドオフセットをもつ。しかしながら、１．３μｍ帯の光の吸収係数を制御するためには、Ｉｎ組成を４０％から５０％程度に高める必要がある。Ｉｎ組成の増加とともに、ＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり、３次元成長やミスフィット転位が生じる。そのため、１．３μｍ以上の波長帯での高品質な量子井戸層の形成は困難である。

この格子不整合とバンドオフセットの問題を改善する手段として、ＧａＡｓより格子定数が大きいＩｎＧａＡｓ３元基板上の歪量子井戸構造が提案された（例えば、非特許文献１参照）。

図２は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層の歪とバンドギャップ波長との関係である。量子井戸層の厚さは１０ｎｍとしている。ここで、ＩｎＧａＡｓ障壁層は基板に格子整合する組成を用いた。
１．３μｍの光の吸収波長を実現するための量子井戸層の歪量は、ＧａＡｓ基板上では３．２％、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板では２．３％、Ｉｎ組成０．２のＩｎＧａＡｓ基板では１．８％となる。
この構造では、量子井戸層と障壁層のＩｎ組成の差を大きくするほどバンド不連続も大きくなるためキャリアオーバーフローの抑制が可能となり、温度特性が向上する。しかしながら、量子井戸層の歪量が大きくなるため、結晶性の劣化が起こる。そのため３元基板上高歪量子井戸の結晶性向上技術が必要となる。

また、半導体変調器の高温動作特性に影響が大きいものとして、素子の熱抵抗の問題がある。ＩｎＧａＡｓ３元基板を半導体変調器構造へ用いた場合、結晶の混晶化により、組成に対して物性値が比例せず、非線形因子が存在する。そのため、２元に比べ３元や４元混晶の物性値は２次関数的な振る舞いを示す。例えばＩｎＧａＡｓは、そのもとになるＩｎＡｓやＧａＡｓに比べ、材料の熱抵抗が上昇する問題がある。図８は、ＩｎＧａＡｓの熱抵抗率のＩｎ組成依存性である。これによるとＩｎ_0.3Ｇａ_0.7ＡｓではＧａＡｓの熱抵抗率２．３に比べ８倍程度高いことがわかる。クラッド層や光吸収層の熱抵抗が上昇することにより、光吸収層で発生した熱がヒートシンクへ逃げる効率が低下し、光吸収層の温度上昇につながる。

さらに、同一基板上に半導体レーザを作製し、集積化した場合には、隣接するレーザからの発熱も加わるため、素子の熱抵抗の影響は大きくなる。

K.Otsubo, et Al.,IEEE Photonics Technology Letter, Vol.10, No.8, pp.1073−1075, 1998.

以上のように、通信用半導体変調器の温度特性向上のためには３元基板上歪量子井戸変調器が有効であるが、吸収波長を通信波長帯である１．３μｍ以上にするためには量子井戸層の高歪化が必要であり、そのためミスフィット転位の発生等による結晶性の劣化が問題であった。また、高温動作特性の向上のためには、３元結晶を用いた場合の熱抵抗上昇も問題であった。本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは優れた温度特性が期待されるＩｎＧａＡｓ３元基板上の高歪量子井戸構造の結晶性の向上と熱抵抗の低減にある。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体変調器は、３元混晶の半導体結晶Ｉｎ(ｘ)Ｇａ(１−ｘ)Ａｓからなる基板の上に、光吸収層として形成される歪量子井戸構造において、前記半導体結晶Ｉｎ(ｘ)Ｇａ(１−ｘ)Ａｓからなる前記基板の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあり、前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、ＩｎＡｌＡｓまたはＡｌＡｓまたはＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含み、歪量が０より大きく１．５％以下である引っ張り歪障壁層とを交互に複数設けた歪補償構造を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る半導体変調器は、第１の発明において、前記障壁層が前記圧縮歪量子井戸層との界面側にＩｎ(ｚ)Ｇａ(１−ｚ)Ａｓ層を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る半導体変調器は、第１又は第２の発明において、前記歪量子井戸構造による吸収波長が１．３μｍ帯であることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る半導体変調器は、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記圧縮歪量子井戸層の材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかであることを特徴とする。

上述した本発明に係る半導体変調器及び光半導体装置によれば、広い環境温度範囲で安定した動作を実現できる。

本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態は、３元混晶の半導体結晶Ｉｎ(ｘ)Ｇａ(１−ｘ)Ａｓからなる基板上に半導体変調器としての電界吸収型（ＥＡ）光変調器を作製するものである。

以下の実施例において、ＩｎＰとは格子定数の異なるＩｎＧａＡｓ３元基板上に歪量子井戸構造を形成し、電界吸収型変調器に適用した例を説明する。

図１乃至図３に基づいて本発明の第１の実施例を詳細に説明する。図１は本実施例に係る半導体変調器の光の伝播方向に直交する断面図、図２はＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓ基板上歪量子井戸の波長と歪の関係を示すグラフ、図３はＩｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ量子井戸からのフォトルミネッセンススペクトルの歪量依存性を示すグラフである。

本実施例は、３元混晶の半導体結晶ＩｎＧａＡｓ基板上に、波長１．３μｍ帯の電界吸収型光変調器を作製するものである。光吸収領域の障壁層としては、基板に格子整合するＩｎ_0.1Ａｌ_0.9Ａｓを用い、歪補償無しの構造とする。結晶成長は有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行う。層構造を図１に示す。成長温度７００℃、成長圧力７６Torrにおいて、Ｉｎ組成０．１であるｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ基板１上にＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバッファー層を成長する。さらにＳｉを５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層２を１．５μｍの厚さに成長し、その上に光吸収層構造を成長する。

ここで、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上に圧縮歪となるＩｎＧａＡｓ量子井戸を成長する場合、バンドギャップ波長と量子井戸の圧縮歪量の関係は図２のようになる。Ｉｎ組成０．１の基板上で１．３μｍ帯の変調器を形成するには２％以上の歪がかかるため、５００℃程度の低い温度で成長する。また、Ｉｎ組成０．４５及び０．５のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を低温成長し、フォトルミネッセンススペクトルを測定すると図３のようになり、それぞれピーク波長は１．２６μｍ、１．３１μｍが得られ１．３μｍ帯の光吸収層として用いることができることを確認した。

本実施例においては、光吸収層構造は、Ｉｎ組成が０．４５であって、波長１．３μｍの光の吸収係数を制御するのに最適な離調量を持った吸収波長を有するＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、Ｉｎ組成が０．１であって、基板に格子整合するＩｎ_0.1Ａｌ_0.9Ａｓ障壁層を配したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ歪量子井戸構造３とした。ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層は厚さ７ｎｍ、ＩｎＡｌＡｓ障壁層は厚さ１０ｎｍとした。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ歪量子井戸構造３は、６層のＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層と、７層のＩｎＡｌＡｓ障壁層とを交互に設けた６層量子井戸光吸収層である。

図１に戻り説明を続けると、歪量子井戸構造３の上に、亜鉛を５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層４を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２ｘ１０¹⁹(ｃｍ^-3)ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層５を成長する。

このコンタクト層５の上にスパッタリングでＳｉO₂層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによって幅２μｍ程度のストライプ状のマスクを形成する。このマスクを用いてドライエッチングおよびウェットエッチングにより幅２μｍ、高さ３μｍのメサストライプを形成する。このメサストライプの両脇をポリイミドで埋め込んでポリイミド埋め込み層６とし、基板１を研磨後に上下にそれぞれｐ電極７、ｎ電極８を形成し、リッジ構造へ加工し、波長１．３μｍの光を制御する電界吸収型光変調器を作製した。

本実施例によれば、電界吸収型光変調器は、室温において消光比は２Ｖ変化時に２０dＢ以上の消光比が得られた。また８５℃の高温下においても１５dＢ以上の消光比が得られ、広い環境温度範囲において変動が小さく、安定した動作を実現した。

図４に基づいて、本発明の第２の実施例を詳細に説明する。図４は、本実施例に係る半導体変調器の光の伝播方向に直交する断面図である。

実施例１では光吸収領域の障壁層として基板に格子整合するＩｎ_0.1Ａｌ_0.9Ａｓを用いて電界吸収型光変調器を作製したが、本実施例は、光吸収領域の障壁層として、基板に対して引張り歪となるＡｌＡｓを用いて歪補償バリア構造とした、波長１．３μｍ帯の電界吸収型光変調器を作製するものである。これにより、高歪の量子井戸層を用いた場合に、平均歪を低減させる効果があり、結晶性の向上が期待できる。また、ＡｌＡｓを用いることで、エネルギーバンドギャップを大きくすることができ、量子井戸と障壁層の間でより大きなバンドオフセットを持たせることができ、キャリア閉じ込め効果を増大させることができる。

以下、図１に示し上述した部材と同一の部材については、同一符号を付して重複する説明は適宜省略する。

本実施例に係る半導体変調器の作製方法を以下に述べる。図４に示すように、ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ基板１上にＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバッファー層を成長し、さらにＳｉを５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層２を１．５μｍの厚さに成長し、その上に光吸収層構造を成長する。

光吸収層は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＡｌＡｓ障壁層を配したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ歪量子井戸構造２３である。ＡｌＡｓ歪補償層は厚さが１０ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ歪量子井戸構造２３は、８つのＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層と、９つの引張り歪となるＡｌＡｓ障壁層を交互に設けた８層量子井戸光吸収層である。圧縮歪量子井戸層にはＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓを用い、厚さは１０ｎｍとする。

更に、歪量子井戸構造２３の上に亜鉛を５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層４を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２ｘ１０¹⁹(ｃｍ^-3)ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層５を成長する。この成長後のウェハをリッジ型へ加工することにより、波長１．３μｍの光を制御する電界吸収型光変調器を作製した。

この実施例の変調器では伝導帯と価電子帯のバンドオフセット比が６．５：３．５であり、またＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓのバンドギャップ差が大きいという特徴があり、伝導帯のバンドオフセットは７３０ｍｅＶと大きな値となる。これによりキャリア閉じ込めを十分に確保することが可能となり、駆動電圧の低減と、環境温度にも左右されにくい変調器を実現した。

本実施例のように、基板に対して、圧縮歪となる量子井戸において、障壁層の全部または一部に、基板に対して格子定数の小さい引張り歪のＧａＡｓまたはＡｌＡｓ層を導入することにより、歪補償構造になり、歪による転位の発生が緩和される。また高歪量子井戸成長には低温成長が必要であるが、そのような条件においても２元結晶は３元で見られるような相分離が原理的に生じないため、結晶性は向上できる。さらに３元混晶に変えて、２元のＧａＡｓまたはＡｌＡｓ層を用いることで最も温度が上昇する活性層での基板の垂直方向、面内方向への熱伝導性を向上させる効果も生じる。そのため、半導体変調器の光吸収層温度の上昇が抑えられ、高温環境下でも安定した動作を実現することが可能となる。

図５に基づいて、本発明の第３の実施例を詳細に説明する。図５は、本実施例に係る半導体変調器の光の伝播方向に直交する断面図である。

実施例１、２ではＩｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板を用いて波長１．３μｍ帯用の電界吸収型光変調器を作製する例を説明したが、本実施例では基板のＩｎ組成を高め、１．５５μｍ帯用の電界吸収型光変調器の作製を可能とした例について説明する。

以下、図１に示し上述した部材と同一の部材には、同一符号を付して重複する説明は適宜省略する。

本実施例に係る半導体変調器の作製方法を以下に述べる。図５に示すように、ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ基板３１上にＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓバッファー層を成長し、さらにＳｉを５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｎ−Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐクラッド層３２を１．５μｍの厚さに成長し、その上に光吸収層構造を成長する。

光吸収層は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＩｎＡｌＡｓ障壁層を配したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ歪量子井戸構造３３である。ＩｎＡｌＡｓ歪補償層は厚さが１０ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ歪量子井戸構造３３は、６層のＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層と、７層のＩｎＡｌＡｓ障壁層を交互に設けた６層量子井戸光吸収層である。ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層にはＩｎ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓを用い、厚さは１０ｎｍとする。

更に、歪量子井戸構造３３の上に亜鉛を５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｐ−Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐクラッド層３４を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２ｘ１０¹⁹(ｃｍ^-3)ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓコンタクト層３５を成長する。この成長後のウェハをリッジ型へ加工することにより、波長１．５５μｍの光を制御する電界吸収型光変調器を作製した。

本実施例によれば、電界吸収型光変調器は、室温において消光比は２Ｖ変化時に１０dＢ以上の消光比が得られた。

図６に基づいて本発明の第４の実施例を詳細に説明する。図６は、本実施例に係る光半導体装置の導波路方向に沿った断面図である。

実施例１乃至実施例３では電界吸収型光変調器についての例を述べたが、本実施例では、半導体変調器を半導体レーザと同一基板上に集積した光半導体装置、より詳しくは、電界吸収型光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ＥＡ−ＤＦＢレーザについて説明する。

図６に示すように、本実施例に係る光半導体装置は、電界吸収型光変調器９と分布帰還型半導体レーザ１０とを同一基板上にモノリシック集積したものである。以下に、本実施例に係る光半導体装置の作製方法を説明する。

まず、分布帰還型半導体レーザ１０部分の構成を説明する。ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ基板１上にＳｉをドープしたｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバッファー層を成長し、さらにＳｉを５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)ドープしたｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42ｐクラッド層１１を１．５μｍの厚さに成長し、その上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層１２を導入する。その上に活性層構造を成長する。

活性層は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＧａＡｓ障壁層を配したＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造１３である。ＧａＡｓ歪補償層は厚さが１５ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造１３は、３層のＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層と、４層のＧａＡｓ障壁層とを交互に設けた３層量子井戸活性層である。ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層は、波長１．３μｍで発振させるためＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓを用い、厚さは１０ｎｍとした。

そして、歪量子井戸構造１３の上に４０ｎｍの厚さのノンドープのＩｎＧａＡｓＰガイド層１４を成長し、回折格子を形成し、その上をＩｎＧａＰクラッド層１５で埋め込む。

上述した分布帰還型半導体レーザ１０部分と後述する変調器９部分を結合させるためには、バットジョイント技術を用いる。具体的には、レーザ構造成長層の上にスパッタリングでＳｉO₂マスクをつけ、ウェットエッチングにより量子井戸活性層を幅１５μｍ、長さ４００μｍの島形状に形成する。即ち、幅１５μｍ、長さ４００μｍの領域のみに量子井戸活性層を残した状態とする。その状態で変調器構造を成長することにより、レーザのメサ部分の周りに変調器構造が成長され、集積化される。

電界吸収型光変調器９部分の構成は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層の両側に、引張り歪となるＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ障壁層を配したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ歪量子井戸構造４３である。Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ歪補償層は厚さが１０ｎｍである。歪量子井戸構造４３は、６層のＩｎＧａＡｓ圧縮歪量子井戸層と７層のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ障壁層を交互に設けた６層量子井戸光吸収層である。量子井戸層は波長１．３μｍの光の吸収係数を制御するのに最適な離調量を持った吸収波長をもつ組成であるＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓを用い、厚さは１０ｎｍとした。

バットジョイント成長の後に、マスクを除去し、再度ＳｉO₂を堆積し、フォトリソグラフィ技術によりストライプ状のマスクを新しく形成する。これをマスクとしてＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、幅２μｍで高さ１．６μｍ程度のメサストライプを形成した。引き続き、メサストライプの両側の基板１上に、ＭＯＶＰＥ法により電流ブロック層として、ＲｕドープのＩｎＧａＰ層を層厚３μｍ成長させた。Ｒｕの原料として、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。

更に、ＳｉO₂からなるマスクをHＦにより除去し、層厚１．５μｍでZｎドーピング濃度が５ｘ１０¹⁷(ｃｍ^-3)であるｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐオーバークラッド層４，１５を成長した。その上にｐ型に２ｘ１０¹⁹(ｃｍ^-3)ドープした厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層５を成長した。なお、電気的な絶縁を行うため、レーザ部１０と変調器部９の間のＩｎＧａＡｓコンタクト層は除去する。基板１を研磨後に上下にそれぞれｐ電極７、ｎ電極８を形成する。

本実施例によれば、ＥＡ−ＤＦＢレーザは閾値電流１８ｍＡ、特性温度９０K、消光比は２０dＢ以上で高温下においても、レーザの閾値電流の変動が小さく、安定した動作を実現した。

以上全ての実施例において、電界吸収型光変調器およびレーザの量子井戸には上記のＩｎＧａＡｓの他に、ＧａＩｎNＡｓやＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどを用いることができる。

また、障壁層においては、基板であるＩｎＧａＡｓのＩｎ組成が０．１の時に障壁層としてＧａＡｓを用いる場合にＧａＡｓの引っ張り歪の歪量は０．７%程度であり、基板であるＩｎＧａＡｓのＩｎ組成が０．２の時に障壁層としてＧａＡｓを用いる場合にＧａＡｓの引っ張り歪の歪量は１．５%程度であり、障壁層としては歪量が１．５%以下である場合が有効である。

更に、障壁層の材料は上記の他に、ＩｎまたはＡｌまたはＧａと、Ａｓとを含むもの、例えば、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＧａNＡｓ，ＧａＩｎNＡｓ，ＧａＡｓＰなどを用いることができる。

また、障壁層が、量子井戸層との界面側にＩｎ(ｚ)Ｇａ(１−ｚ)Ａｓ層を有するようにしてもよい。例えば、図７に示すように、障壁層を基板に対して引張り歪となるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪補償障壁層とし、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸層の両側に厚さ５ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層を配し、更に厚さ１５ｎｍのＧａＡｓ歪補償障壁層を配す構成とする、換言すると、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ障壁層を、量子井戸層とＧａＡｓ歪補償障壁層の間に配するようにしてもよい。

このように、障壁層が、量子井戸層との界面側にＩｎ(ｚ)Ｇａ(１−ｚ)Ａｓ層を有する構成とすれば、ＩｎＧａＡｓ３元基板上圧縮歪量子井戸において、障壁層またはその一部に、基板に対して格子定数の小さい引っ張り歪層（例えば、ＧａＡｓ層）を導入することにより歪補償構造になり、量子井戸を多層化した際の歪による転位、欠陥の発生が緩和される。
さらに結晶的に安定した２元結晶は３元、４元の材料で問題となる相分離などが無いため、結晶性向上が可能となる。
また３元材料に比べ熱抵抗が低いため、放熱性が向上し、素子全体の発熱を抑えた高温度特性動作が可能となる。

ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層におけるＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ(ｚ)Ｇａ(１−ｚ)Ａｓ）はなくてもよく、ＧａＡｓのみからなるものであってよい。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層におけるＩｎＧａＡｓの層厚は５ｎｍでなくてもよく、ＧａＡｓ層の層厚も１５ｎｍでなくてもよい。また、障壁層におけるＩｎＧａＡｓのＩｎ組成は０より大きく量子井戸層のＩｎＧａＡｓのＩｎ組成未満であることが望ましい。但し、ＧａＡｓの層厚が厚すぎる場合、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が小さく層厚が厚すぎる場合等に障壁層の引張り歪が大きすぎると結晶が劣化する。
また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層においてＧａＡｓに若干量のＩｎが含まれた場合、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ障壁層におけるＧａＡｓをＩｎ組成ｙが０より大きく０．０５以下であるＩｎ(ｙ)Ｇａ(１−ｙ)Ａｓに代えた場合でも同様の効果を奏する。

また、クラッド層に用いる材料としては、上述したＩｎＧａＰのほかに、大きなバンドギャップを有するＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどを用いることも可能である。

また上述した実施例ではリッジを絶縁体のポリイミドで埋め込んだが、ＢＣＢでの埋め込みやＦｅやＲｕをドーピングしたＩｎＧａＰやＩｎＡｌＡｓなどの半絶縁の半導体で埋め込むこともできる。

また、半導体結晶Ｉｎ(ｘ)Ｇａ(１−ｘ)Ａｓからなる基板１の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあればよい。

さらに、歪量子井戸構造によって吸収係数を制御される光の波長が１．１〜１．６μｍであれば、上述した実施例を良好に適用することができる。

本発明は、半導体変調器における光吸収特性を向上するため、歪量子井戸構造の高品質化を実現する技術であって、広い環境温度範囲で安定して動作する光半導体装置に適用可能である。

本発明の実施例１に係る半導体変調器の断面図である。ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓ基板上歪量子井戸の波長と歪の関係を示すグラフである。Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸からのフォトルミネッセンススペクトルの歪量依存性を示すグラフである。本発明の実施例２に係る半導体変調器の断面図である。本発明の実施例３に係る半導体変調器の断面図である。本発明の実施例４に係る光半導体装置の断面図である。本発明の他の例に係る量子井戸活性層のＩｎ組成変化を示す説明図である。ＩｎＧａＡｓ３元混晶の熱抵抗のＩｎ組成依存性を示す特性図である。

符号の説明

１ｎ−Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ基板
２，１１ｎ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層
３Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ／Ｉｎ_0.1Ａｌ_0.9Ａｓ量子井戸構造
４，１５ｐ−Ｉｎ_0.58Ｇａ_0.42Ｐクラッド層
５Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層
６ポリイミド
７ｐ電極
８ｎ電極
９電界吸収型光変調器
１０分布帰還型半導体レーザ
１２，１４ＩｎＧａＡｓＰガイド層
１３Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造
２３Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造
３１ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ基板
３２ｎ−Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐクラッド層
３３Ｉｎ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造
３４ｐ−Ｉｎ_0.78Ｇａ_0.22Ｐクラッド層
３５Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓコンタクト層
４３Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ／Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ量子井戸構造

Claims

３元混晶の半導体結晶Ｉｎ(ｘ)Ｇａ(１−ｘ)Ａｓからなる基板の上に、光吸収層として形成される歪量子井戸構造において、
前記半導体結晶Ｉｎ(ｘ)Ｇａ(１−ｘ)Ａｓからなる前記基板の組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲にあり、
前記歪量子井戸構造は、圧縮歪量子井戸層と、ＩｎＡｌＡｓまたはＡｌＡｓまたはＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含み、歪量が０より大きく１．５％以下である引っ張り歪障壁層とを交互に複数設けた歪補償構造を有する
ことを特徴とする半導体変調器。
前記障壁層が前記圧縮歪量子井戸層との界面側にＩｎ(ｚ)Ｇａ(１−ｚ)Ａｓ層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体変調器。
前記歪量子井戸構造による吸収波長が１．３μｍ帯であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体変調器。
前記圧縮歪量子井戸層の材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体変調器。