JP5093063B2 - 集積化半導体光素子及び半導体光装置 - Google Patents

Description

本発明は、集積化半導体光素子及び半導体光装置に関する。

特許文献１には、半導体光集積素子が記載されている。半導体光集積素子は、ＤＦＢレーザと、変調器と、ＤＦＢレーザと変調器との間に設けられた結合部とを含む。結合部には高抵抗半導体が形成されている。

特許文献２には、半導体発光装置が記載されている。この半導体発光装置は、ＤＦＢレーザ部、分離部及び変調器部を含む。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層、ＭＱＷ活性層、ＭＱＷ吸収層 、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ吸収層、ｐ−ＩｎＰクラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層がＩｎＰ基板上に成長される。ＤＦＢレーザ部と変調器部の間の分離部に、Ｚｎ、Ｃｕ、プロトン、Ｆｅのいずれかを注入して、光導波路部に到達する非発光再結合中心を形成する。ＤＦＢレーザ部と変調器部との間にある分離部のＭＱＷ構造がディスオーダリングされて吸収波長帯が短波長化されている。

特許文献３には、低抵抗接点半導体ダイオードが記載されている。レーザデバイスにおける高度にドープされたｐ型材料の層を、高度にドープされたｎ型材料の層と高度にドープされたｐ型材料の薄い層とに置き換えている。この構成により、低抵抗接点を容易にしている。

非特許文献１には、AｌＧａＩｎＡｓ／AｌＧａＩｎＡｓトンネルジャンクションを用いた垂直共振面発光レーザが記載されている。

非特許文献２には、ｐ^＋ＩｎＧａ（Aｌ）Ａｓ／ｎ^＋ＩｎＧａ（Aｌ）Ａｓトンネルジャンクションを用いた垂直共振面発光レーザが記載されている。
特開昭６４−２８９８４号公報 特開平０８−３３５７４５号公報 特表平２０００−５０１２３８号公報 Elec. Lett. 39(2003) Vol.39 No.5 pp. 437、Electron Letters Online No. 20030288 Jpn. J. Appl. Phys Vol. 39 (2000) pp.1727-1729

基板上に形成された複数の半導体光素子を含む集積半導体光素子では、半導体光素子及び別の半導体光素子が互いに光学的に結合されると共に電気的には互いに分離される。これらの半導体光素子では、活性層は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に位置している。活性層に順方向バイアスが印加されるとき、半導体光素子が発光素子として動作する。活性層に逆方向バイアスが印加されるとき、半導体光素子は受光素子または変調素子として動作する。

特許文献１及び２に記載されている集積素子は、２種類の半導体光素子、つまり半導体レーザ及び変調素子を含む。ｎ型半導体基板の表面は、半導体レーザのための活性層及びｐ型半導体層を含む半導体積層並びに変調素子のための活性層及びｐ型半導体層を含む半導体積層を搭載する。半導体レーザのためのｐ型半導体層上には電極が形成されると共に、変調素子のためのｐ型半導体層上には別の電極が形成される。一方、ｎ型半導体基板の裏面上に共有の電極を形成する。半導体レーザ及び変調素子のための電極は、電気的分離のための特別の構造により電気的に互いに絶縁されている。

特許文献１には、電気的分離のための特別の構造として、高抵抗半導体で埋め込み成長された分離領域が開示されている。この分離領域には、エッチング、埋め込み成長の過程で導波路構造に不連続が形成され、この不連続は光学的な散乱損失を引き起こす。また、この分離領域の形成では、結晶成長の工程が増えて、結果的にプロセスが煩雑になる。

特許文献２では、電気的分離のための特別の構造として、分離領域が開示されている。この分離領域では、ｐ型のキャリアが不活性化されており、このため、当該部分の抵抗値が高い。キャリアの不活性化は、ｐ型クラッドの一部へプロトンやＦｅイオンをイオン注入して結晶欠陥を形成することによって行われる。しかし、イオン注入は、結晶に欠陥を導入するので、デバイスの信頼性が低下される。

非特許文献１及び２には、垂直共振型面発光レーザが記載されている。垂直共振型面発光レーザは、電流閉じ込めのためのトンネル接合を含む。

本発明は、単一の基板上に作製された２つの半導体光素子を電気的に分離する構造を有する集積化半導体光素子を提供することを目的とし、またこの集積化半導体光素子を含む半導体光装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、第１及び第２の半導体光素子を含む集積化半導体光素子である。この集積化半導体光素子は、（ａ）前記第１の半導体光素子のための第１のエリア及び前記第２の半導体光素子のための第２のエリアを有する主面を有する基板と、（ｂ）前記基板の前記主面上に設けられ、第１導電型半導体からなる第１のクラッド層と、（ｃ）前記基板の前記主面の前記第１のエリア及び前記第１のクラッド層上に設けられた第１の活性層と、（ｄ）前記基板の前記主面の前記第２のエリア及び前記第１のクラッド層上に設けられた第２の活性層と、（ｅ）前記第２の活性層上に設けられ、第２導電型半導体からなる第２のクラッド層と、（ｆ）前記第１の活性層上に設けられ、第１導電型半導体からなる第３のクラッド層と、（ｇ）前記第１の活性層と前記第３のクラッド層との間に設けられたトンネル接合領域とを備える。前記第２のクラッド層及び前記第３のクラッド層はｐｎ接合を構成し、前記トンネル接合領域は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とから構成されるトンネル接合とを含む。

この集積化半導体光素子によれば、第１の活性層と第３のクラッド層との間に設けられたトンネル接合領域により、電子及び正孔の一方から電子及び正孔の他方にキャリアの変換が行われる。これ故に、第１のクラッド層の伝導型が第３のクラッド層の導電型と同じであるけれども、第１の活性層には電子及び正孔が注入可能である。一方、第２のクラッド層と第１のクラッド層との間の第２の活性層に逆バイアスを印加するとき、第２のクラッド層と第３のクラッド層とから構成されるｐｎ接合には、逆バイアスが印加される。これ故に、第１及び第２の半導体光素子が互いに電気的に分離される。

本発明の集積化半導体光素子は、前記基板の前記主面上に設けられ、所定の軸の方向に延びる半導体メサと、前記基板の前記主面及び前記半導体メサの側面上に設けられた埋込層とを更に備えることができる。前記埋込層は、半絶縁性の半導体領域を含み、前記半導体メサは、前記第１の活性層及び前記第２の活性層を含み、前記埋込層は前記第１の活性層の側面上に設けられ、前記埋込層は前記第２の活性層の側面上に設けられ、前記所定の軸は、前記第１のエリアと前記第２のエリアとの境界を横切って延びている。

この集積化半導体光素子によれば、半絶縁性の埋込層が基板の主面及び半導体メサの側面上に設けられる。これ故に、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に加わる電圧は半導体メサ内の第２の活性層に効果的に加わり、第１のクラッド層と第３のクラッド層との間に加わる電圧も半導体メサ内の第２の活性層に効果的に加わる。半絶縁性の埋込層は、集積化半導体光素子に流れる電流を半導体メサに閉じ込める。

本発明の集積化半導体光素子では、前記第１の活性層は、半導体発光素子のために設けられており、前記第２の活性層は、半導体変調素子のために設けられており、前記第１の活性層のフォトルミネッセンス波長は、前記第２の活性層のフォトルミネッセンス波長より大きい。

この集積化半導体光素子によれば、半絶縁性の埋込層は、半導体発光素子に流れる電流を半導体メサに閉じ込める。また、半導体変調素子は、半導体発光素子からの光を変調する。第２のクラッド層と第３のクラッド層とから構成されるｐｎ接合には、逆バイアスが印加される。半導体変調素子及び半導体発光素子が互いに電気的に分離される。

本発明の集積化半導体光素子では、前記トンネル接合領域は前記第１の活性層に接合を成し、前記第１導電型半導体層がｎ型導電性を示し、前記第２導電型半導体層がｐ型導電性を示す。

この集積化半導体光素子によれば、第１のクラッド層から第１の活性層に電子が注入されると共に、トンネル接合領域から第１の活性層に正孔が注入される。

本発明の集積化半導体光素子では、前記第２導電型半導体層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ層を含み、前記ＡｌＧａＩｎＡｓ層には炭素が添加されることができる。

この集積化半導体光素子によれば、炭素ドーパントを用いることにより、トンネル接合領域から活性層へのｐ型ドーパントの拡散を低減できる。ＡｌＧａＩｎＡｓには高いドーピング濃度で炭素を添加できる。

本発明の集積化半導体光素子では、前記第１導電型半導体層が、ＧａＩｎＡｓＰ層を含み、前記ＧａＩｎＡｓＰ層にはｎ型ドーパントが添加されており、前記ＧａＩｎＡｓＰ層は、前記第１の活性層を伝搬する光の波長より短いバンドギャップ波長を提供する組成を有することができる。

この集積化半導体光素子によれば、第１導電型半導体層がＧａＩｎＡｓＰからなるので、トンネル接合領域のｎ型領域のバンドギャップを小さくできる。また、第１の活性層を伝搬する光がトンネル接合領域のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層によって吸収されることを低減できる。

本発明の集積化半導体光素子では、前記第２導電型半導体層は、前記第１導電型半導体層と前記第１の活性層との間に設けられ、前記第２導電型半導体層のバンドギャップは前記第１導電型半導体層のバンドギャップよりも大きいことができる。

この集積化半導体光素子によれば、第１の活性層を伝搬する光が、トンネル接合領域の第２導電型半導体層によって吸収されることを低減できる。

本発明の集積化半導体光素子は、前記第３のクラッド層上に設けられ、第１導電型半導体からなる第１のコンタクト層と、前記第２のクラッド層上に設けられ、第２導電型半導体からなる第２のコンタクト層とを更に備えることができる。前記第１のコンタクト層のエッジは前記第２のコンタクト層のエッジから離れている。

この集積化半導体光素子によれば、第１のコンタクト層のエッジが第２のコンタクト層のエッジから離れているので、第１のコンタクト層は第２のコンタクト層とｐｎ接合を形成しない。

本発明の集積化半導体光素子では、前記第１及び第２のコンタクト層は前記ｐｎ接合を覆わないことができる。

この集積化半導体光素子によれば、第１のコンタクト層は第２のクラッド層と接合を形成することなく、第２のコンタクト層は第３のクラッド層と接合を形成することない。

本発明の別の側面に係る半導体光装置は、（ａ）上記の集積化半導体光素子と、（ｂ）前記集積化半導体光素子に順方向バイアスを印加するための第１の電源と、（ｃ）前記集積化半導体光素子に逆方向バイアスを印加するための第２の電源とを備える。前記集積化半導体光素子は、前記第３のクラッド層上に設けられた第１の電極と、前記第２のクラッド層上に設けられた第２の電極と、前記基板の裏面上に設けられた第３の電極とをさらに備える。前記第１の電源は、前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続され、前記第２の電源は、前記第２の電極と前記第３の電極との間に接続される。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、単一の基板上に作製された２つの半導体光素子を電気的に分離する構造を有する集積化半導体光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この集積化半導体光素子を含む半導体光装置が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の集積化半導体光素子及び半導体光装置に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を概略的に示す図面である。集積化半導体光素子１１は、第１及び第２の半導体光素子１１ａ、１１ｂを含む。この集積化半導体光素子１１は、基板１３と、第１のクラッド層１５と、第１の活性層１７と、第２の活性層１９と、第２のクラッド層２１と、第３のクラッド層２３と、トンネル接合領域２５とを備える。基板１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。裏面１３ｂは主面１３ａの反対側にある。主面１３ａは、第１の半導体光素子１１ａのための第１のエリア１３ｃ及び第２の半導体光素子１１ｂのための第２のエリア１３ｄを含む。基板１３は、例えば半導体基板からなることができ、半導体基板は、例えばＩｎＰ基板といったIII−Ｖ化合物半導体基板等である。

第１のクラッド層１５は第１導電型半導体からなり、また基板１３の主面１３ａ上に設けられている。第１の活性層１７は、主面１３ａの第１のエリア１３ｃ及び第１のクラッド層１５上に設けられる。第２の活性層１９は、主面１３ａの第２のエリア１３ｄ及び第１のクラッド層１５上に設けられる。第１の活性層１７は第２の活性層１９に突き当て接合されている。第２のクラッド層２１は、第２の活性層１９上に設けられ、第２導電型半導体からなる。第３のクラッド層２３は、第１の活性層１７上に設けられ、第１導電型半導体からなる。トンネル接合領域２７は、第１の活性層１７と第３のクラッド層２３との間に設けられる。第２のクラッド層２１及び第３のクラッド層２３はｐｎ接合２７を構成する。トンネル接合領域２７は、第１導電型半導体層２９、第２導電型半導体層３１、及びトンネル接合３３とを含む。トンネル接合３３は、第１導電型半導体層３１と第２導電型半導体層３３とから構成される。

この集積化半導体光素子１１によれば、第１の活性層１７と第３のクラッド層２３と間に設けられたトンネル接合領域２５により、電子及び正孔の一方から電子及び正孔の他方にキャリアの変換が行われる。これ故に、第１のクラッド層１５の伝導型が第３のクラッド層２３の導電型と同じであるけれども、第１の活性層１７には電子及び正孔が注入可能である。一方、第２のクラッド層２１と第１のクラッド層１５との間の第２の活性層１９に逆バイアスを印加するとき、第２のクラッド層２１と第３のクラッド層２３とから構成されるｐｎ接合３３には、逆バイアスが印加される。第１及び第２の半導体光素子１１ａ、１１ｂが互いに電気的に分離される。

集積化半導体光素子１１は、第１のコンタクト層３５及び第２のコンタクト層３７とを更に備えることができる。第１のコンタクト層３５は、第３のクラッド層２３上に設けられると共に、第２のコンタクト層３７は、第２のクラッド層２１上に設けられる。また、第１のコンタクト層３５は第１導電型半導体からなる一方で、第２のコンタクト層３７は第２導電型半導体からなる。第１のコンタクト層３５は第２のコンタクト層３７と接合を形成することができる。第１のコンタクト層３５は第２のコンタクト層３７から隔置されることができる。

本実施例では、図１に示されるように、第１のコンタクト層３５は第２のコンタクト層３７から離れている。第１のコンタクト層３５のドーパント濃度は第３のクラッド層２３のドーパント濃度より大きく、第２のコンタクト層３７のドーパント濃度は第２のクラッド層２１のドーパント濃度より大きい。第１のコンタクト層３５の導電型は第２のコンタクト層３７の導電型と反対である。第１のコンタクト層３５のエッジ３５ａは第２のコンタクト層３７のエッジ３７ａから離れているので、第１及び第２のコンタクト層３５、３７はｐｎ接合を構成しない。共に高い濃度のｐ型及びｎ型半導体層が接合を形成することを避けることができる。

また、ｐｎ接合２７は第１及び第２のコンタクト層３５、３７で覆われていない。この集積化半導体光素子１１によれば、第１のコンタクト層３５は第２のクラッド層２１と接合を形成することなく、第２のコンタクト層３７は第３のクラッド層２３と接合を形成することない。

集積化半導体光素子１１は、第３のクラッド層２３上に設けられた第１の電極３９と、第２のクラッド層２１上に設けられた第２の電極４１と、基板１３の裏面１３ｂ上に設けられた第３の電極４３とをさらに備えることができる。第１の電極３９は、コンタクト層３５を覆う絶縁膜の開口を介してコンタクト層３５に接触している。第２の電極４１は、コンタクト層３７を覆う絶縁膜の開口を介してコンタクト層３７に接触している。第１の電極３９は第２の電極４１から隔置されている。

図２（ａ）は、図１に示された集積化半導体光素子においてI−I線に沿って取られた断面を示す図面であり、また図２（ｂ）は、図１に示された集積化半導体光素子においてII−II線に沿って取られた断面を示す図面である。

集積化半導体光素子１１は、半導体メサ４５及び埋込層４７を更に備えることができる。半導体メサ４５は、基板１３の主面１３ａ上に設けられ、また所定の軸Ａｘの方向に延びる。所定の軸Ａｘは第１のエリア１３ａと第２のエリア１３ｂとの境界を越えて延びている。半導体メサ４５は、第１の活性層１７及び第２の活性層１９を含む。半導体メサ４５は、第１の半導体光素子１１ａのための第１のメサ部４５ａ及び第２の半導体光素子１１ｂのための第２のメサ部４５ｂを含む。第１のメサ部４５ａは、第１のクラッド層（例えばｎ型）１５、第１の活性層１７、トンネル接合領域（例えばｎ＋／ｐ＋接合）２５、第３のクラッド層（例えばｎ型層）２３、及び第１のコンタクト層（例えばｎ型層）３５を含む。第２のメサ部４５ｂは、第１のクラッド層（例えばｎ型層）１５、第２の活性層１９、第２のクラッド層（例えばｐ型層）２１、及び第２のコンタクト層（例えばｐ型層）３７を含む。

埋込層４７は、第１の活性層１７及び第２の活性層１９に加わる電圧が半導体メサ４５に加わるように作用する。埋込層４７は、基板１３の主面１３ａ及び半導体メサ４５の側面４５ｃ上に設けられる。埋込層４７は第１のメサ部４５ａ及び活性層１７の側面上に設けられ、埋込層４７は第２のメサ部４５ｂ及び活性層１９の側面上に設けられる。埋込層４７は、例えば半絶縁性半導体領域を含むことができ、この半絶縁性半導体領域は、基板１３の主面１３ａ及び半導体メサ４５の側面４５ａ上に設けられる。半絶縁性半導体領域は、ＦｅまたはＲｕ等の添加により作製される。

この集積化半導体光素子１１によれば、半絶縁性半導体領域が基板１３の主面１３ａ及び半導体メサ４５の側面４５ａ上に設けられるので、第１のクラッド層１５と第２のクラッド層２１との間に加わる電圧は半導体メサ４５内の第２の活性層１９に実効的に加わり、第１のクラッド層１５と第３のクラッド層２３との間に加わる電圧も半導体メサ４５内の第１の活性層１７に実効的に加わる。半絶縁性の半導体領域は、集積化半導体光素子１１に流れる電流を半導体メサ４５に閉じ込める。

集積化半導体光素子１１の一例では、第１の活性層１７は半導体発光素子のために設けられると共に、第２の活性層１９は半導体変調素子のために設けられる。第１の活性層１７のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長は、第２の活性層１９のＰＬ波長より大きい。

第１の電極３９と第３の電極４３との間には順方向バイアスが印加される。第２の電極４１と第３の電極４３との間には逆方向バイアスが印加される。第１の電極３９は第１のコンタクト層３５に接触を成し、第２の電極４１は第２のコンタクト層３９に接触を成す。

この集積化半導体光素子１１によれば、埋込層４７は、半導体発光素子に流れる電流を半導体メサ４５に閉じ込める。また、半導体変調素子は、半導体発光素子からの光を変調する。第２のクラッド層２１と第３のクラッド層２３とから構成されるｐｎ接合２７には、逆バイアスが印加される。故に、半導体変調素子及び半導体発光素子が互いに電気的に分離される。

集積化半導体光素子１１の構成例を以下に示す。この素子は、基板上に設けられた半導体レーザ及び電界吸収型変調器を含む。
基板１３：ｎ型ＩｎＰ基板
第１のクラッド層１５：ＳｉドープＩｎＰ
トンネル接合領域２５（第１導電型高濃度半導体層／第２導電型高濃度半導体層）：高濃度ＳｉドープＧａＩｎＡｓＰ／高濃度ＣドープＡｌＧａＩｎＡｓ
第１の活性層１７：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
第２の活性層１９：アンドープＧａＩｎＡｓＰ
第２のクラッド層２１：ＺｎドープＩｎＰ
第３のクラッド層２３：ＳｉドープＩｎＰ
第１のコンタクト層３５：ＳｉドープＧａＩｎＡｓ
第２のコンタクト層３７：ＺｎドープＧａＩｎＡｓ
埋込層４７：ＦｅドープＩｎＰ。

集積化半導体光素子１１では、トンネル接合領域２５は第１の活性層１７に接合を成す。第１導電型半導体層２９がｎ型導電性を示し、第２導電型半導体層３１がｐ型導電性を示す。第２導電型半導体層３１は第１導電型半導体層２９と第１の活性層１７との間に設けられる。第１のクラッド層１５から第１の活性層１７に電子が注入されると共に、トンネル接合領域２５から第１の活性層１７に正孔が注入される。第２導電型半導体層３１のバンドギャップは第１導電型半導体層２９のバンドギャップよりも大きいことができる。第１の活性層１７を伝搬する光がトンネル接合領域２５の第２導電型半導体層３１によって吸収されることを低減できる。

トンネル接合領域２５では、第２導電型半導体層３１がＡｌＧａＩｎＡｓ層を含み、このＡｌＧａＩｎＡｓ層には炭素が添加されることができる。炭素ドーパントを用いることにより、トンネル接合領域２５から活性層１７へのｐ型ドーパントの拡散を低減できる。ＡｌＧａＩｎＡｓには高いドーピング濃度で炭素を添加できる。

トンネル接合領域２５では、第１導電型半導体層２９がＧａＩｎＡｓＰ層を含み、このＧａＩｎＡｓＰにはｎ型ドーパントが添加されることができる。第１導電型半導体層２９がＧａＩｎＡｓＰからなるとき、トンネル接合領域２５のｎ型領域を小さくバンドギャップの材料で形成できる。また、ＧａＩｎＡｓＰ層は、第１の活性層１７を伝搬する光の波長より短いバンドギャップ波長を提供する組成を有することができる。第１の活性層１７を伝搬する光がトンネル接合領域２５のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層によって吸収されることを低減できる。

図３は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を含む半導体光装置を概略的に示す図面である。半導体光装置１０は、上記の集積化半導体光素子１１と、第１の電源５１と、第２の電源５３とを備える。第１の電源５１は、集積化半導体光素子１１の第１の半導体光素子１１ａに順方向バイアスを印加するために準備される。第２の電源５３は、集積化半導体光素子１１の第２の半導体光素子１１ｂに逆方向バイアスを印加するために準備される。第１の電源５１は第１の電極３９と第３の電極４３との間に接続されると共に、第２の電源５３は第２の電極４１と第３の電極４３との間に接続される。第２の電源５３には例えば変調信号Ｓを印加することができる。

（実施例）
図４〜図７を参照しながら、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を作製する方法を説明する。図４〜図７には、直交座標系Ｓが示されている。図４（ａ）に示すように、トンネル注入構造を有するレーザを構成する半導体積層６３を成長する。以下の作製において、結晶成長のための有機金属気相成長法を用いる。ｎ型ＩｎＰ基板６１を準備する。具体的には、ｎ型ＩｎＰ基板６１の主面６１ａ上に、ＳｉドープＩｎＰ下部クラッド層６５、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６７、トンネル接合領域６９（ＣドープＡｌＧａＩｎＡｓ６９ａ及びＳｉドープＧａＩｎＡｓＰ６９ｂからなる領域）、ＳｉドープＩｎＰ上部クラッド層７１、ＳｉドープＧａＩｎＡｓコンタクト層７３を順に成長する。下部クラッド層６５は、半導体レーザ部のための第１の半導体領域６５ａ及び変調器部のための第２の半導体領域６５ｂを含む。

図４（ｂ）に示されるように、半導体レーザ部のための半導体積層６３の表面の一部分をマスク７５で覆う。マスク７５を用いて半導体積層６３をエッチングして、半導体積層６３ａを形成すると共に変調器のための第２の半導体領域６５ｂを露出させる。半導体積層６３ａは、ＳｉドープＩｎＰ下部クラッド層６５、活性層６７ｃ、トンネル接合領域６９ｃ、ＳｉドープＩｎＰ上部クラッド層７１ｃ、ＳｉドープＧａＩｎＡｓコンタクト層７３ｃを含む。

ドライエッチングを用いて下部クラッド層６５が露出するまで変調器のための半導体積層６３をエッチングした後に、図５に示されるように、変調器部のための半導体積層６３ｂを成長する。具体的には、変調器部の光吸収層であるＧａＩｎＡｓＰ活性層７５、ＺｎドープＩｎＰクラッド層７７、Ｚｎドープコンタクト層７９を成長する。活性層６７ｃと活性層７５が互いに光学的に結合した突き当て接合（バットジョイント）構造を形成する。

図６及び図７は、集積化半導体光素子の半導体レーザ部において取られた断面を示す。変調器部においては活性層及び該活性層上の半導体層が半導体レーザ部と異なるけれども、以下の工程によって同様に加工される。図６（ａ）に示されるように、半導体積層６３ａ、６３ｂ上に、ストライプ状の絶縁体マスク８１を作製する。絶縁体マスク８１の幅は例えば１．５マイクロメートルであり、また例えばシリコン酸化膜からなる。次いで、図６（ｂ）に示されるように、絶縁体マスク８１を用いて、半導体積層６３ａ、６３ｂをエッチングして、半導体メサ８３を形成する。このエッチングは下部クラッド層６５に達するように行われる。半導体メサ８３は、半導体レーザ部のために第１のメサ部８３ｃと変調器部のための第２のメサ部８３ｄとを含む。メサ部８３ｃは、下部クラッド層６５ａ、活性層６７ｄ、トンネル接合領域６９ｄ、上部クラッド層７１ｄ、コンタクト層７３ｄを含む。メサ部８３ｄは、下部クラッド層６５ａ、活性層７５ｄ、上部クラッド層７７ｄ、コンタクト層７９ｄを含む。

この後に、図７（ａ）に示されるように、マスク８１を用いて、有機金属気相成長法を用いて、鉄ドープＩｎＰ層を成長して、半導体メサ８３を埋め込む。ＩｎＰにドーピングされたＦｅは電子トラップを生成するので、電子に対しては高抵抗を有する。半導体メサ８３の上のマスク８１を除去した後に、図７（ｂ）に示されるように、表面保護膜８７を形成する。表面保護膜８７は例えばシリコン酸化膜である。

半導体レーザ部及び変調器部の上面の表面保護膜８７にそれぞれ開口８７ａ、８７ｂを形成する。これらの開口８７ａ、８７ｂには、それぞれ、コンタクト層７３ｄ、７９ｄを露出される。コンタクト層７３ｄ、７９ｄ上に、それぞれ、半導体レーザ部及び変調器部のために第１及び第２の電極８９ａ、８９ｂを形成する。第１及び第２の電極８９ａ、８９ｂは、それぞれ、開口８７ａ、８７ｂを介してコンタクト層７３ｄ、７９ｄに接触する。第１及び第２の電極８９ａ、８９ｂは、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる。また、基板６１の裏面６１ｂの全面上に、第３の電極８９ｃを形成する。第３の電極８９ｃは、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉからなる。

これらの工程によって、集積化半導体光素子のための基板生産物Ｐが作製された。この基板生産物Ｐを劈開することによって、個々に分離された集積半導体光素子が作製される。

この実施例では、活性層がＧａＩｎＡｓＰからなるけれども、互いに異なる組成のＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ積層を含む多重量子井戸構造を用いることができ、また量子細線構造の活性層も使用可能である。また、半導体レーザ部は、分布帰還のために回折格子層を形成することができ、回折格子層は活性層の上または下に設けられることができる。

集積化半導体光素子において組み合わせる半導体光素子として、半導体レーザの他に、光変調器等が使用される。集積化半導体光素子は、３つ以上の半導体光素子を含むことができる。

集積化半導体光素子の駆動時に、順方向に電流を流す半導体光素子の活性層の上部にトンネル注入構造を設けることにより、本実施例における技術的な利点が得られる。トンネル注入構造は、高濃度にドープされたｐ型半導体層と、高濃度にドープされたｎ型半導体層で構成される。このｐ型半導体層には、埋込層の鉄と相互拡散をおこさない炭素（Ｃ）ドーパントを添加することが好ましい。また、ｐ型半導体層の材料としては、バンドギャップの大きなＡｌＧａＩｎＡｓ及びＡｌＡｓ等を用いることができる。また、高濃度にドープされたｎ型半導体層には、ＧａＩｎＡｓＰ等を用いることができ、このＧａＩｎＡｓＰは、光素子の動作波長よりも大きいバンドギャップ波長を有し、ＩｎＰよりも小さいバンドギャップを有する。このｎ型半導体層による光吸収を低減できる。トンネル注入構造のｐ型半導体層及びｎ型半導体層の厚みは、いずれも１０ｎｍ程度であることが好ましい。半導体レーザ部のＳｉドープＧａＩｎＡｓコンタクト層の一部及び変調器部のＺｎドープＧａＩｎＡｓコンタクト層の一部の少なくともいずれか一方を両素子のジョイント部において除去して、両ＧａＩｎＡｓコンタクト層の接触を避けると、集積化半導体光素子内の両素子間における電気的絶縁を高めることができる。

半導体レーザ部では、活性層はｎ型下部クラッド層とｎ型上部クラッド層との間に設けられている。ＦｅドープＩｎＰ層は、活性層、ｎ型下部クラッド層及びｎ型上部クラッド層の側面を覆っているので、電流閉じ込めを確実に行うことができる。また、半導体メサ内にトンネル接合領域が含まれるので、トンネル接合領域におけるｐｎ接合の面積が縮小される。活性層およびトンネル接合領域をエッチングしないリッジ構造では、高濃度にドーピングされたトンネル接合領域による寄生キャパシタンスが増大しリーク電流が増大するけれども、寄生キャパシタンスやリーク電流による性能低下は、本実施例における埋込半導体メサ構造によれば改善される。

集積化半導体光素子においては、集積された半導体光素子間の光結合の損失を減らすと共に、電気的な絶縁性を高める必要がある。特に、順方向にバイアスする半導体光素子ＬＤと逆方向にバイアスする半導体光素子ＥＡの集積においては、両者の電位差が大きくなるので、素子間の絶縁性をより高める必要がある。図８は、トンネル接合領域を含まない構造（活性層がｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に形成される構造）の概略的な素子構造とその等価回路Ｂとを示す図面である。この等価回路Ｂを図３に示された等価回路Ａと比べるとき、等価回路Ｂの電気的な絶縁性が十分でないことが理解される。これ故に、逆方向にバイアスされた光変調器部に変調信号を印加すると、漏れ電流により半導体レーザ部に流れる電流が変調を受ける。この寄生変調によって、レーザ発振波長の揺らぎが引き起こされ、結果的に光伝送特性が劣化する。

等価回路Ｂでは、変調器部に印加された変調信号により、素子間抵抗Ｒを介して電流が変調器部から半導体レーザ部に流れて、半導体レーザ部に電位変動を引き起こす。一方、等価回路Ａでは、図３に示すように変調器部と半導体レーザ部との間にはｐｎ接合ダイオードが接続される。この集積化半導体光素子１１において、変調器部に逆バイアスを印加すると、逆方向接続されたダイオードが集積素子間に挿入されたようになり、変調器部のクラッド層と半導体レーザ部のクラッド層との間には、良好な絶縁性が得られる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を概略的に示す図面である。 図２は、図１に示された集積化半導体光素子においてI−I線及びII−II線に沿って取られた断面を示す図面である。 図３は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を含む半導体光装置を概略的に示す図面である。 図４は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図５は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る集積化半導体光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図８は、トンネル接合領域を含まない構造の等価回路Ｂを示す図面である。

符号の説明

１０…半導体光装置、１１…集積化半導体光素子、１３…基板、１５…第１のクラッド層、２５…トンネル接合領域、２９…第１導電型高濃度半導体層、３１…第２導電型高濃度半導体層、２７…ｐｎ接合、１７…第１の活性層、１９…第２の活性層、２１…第２のクラッド層、２３…第３のクラッド層、３５…第１のコンタクト層、３７…第２のコンタクト層、３９…第１の電極、４１…第２の電極、４３…第３の電極、４５…半導体メサ、４７…埋込層、５１…第１の電源、５３…第２の電源、６１…ｎ型ＩｎＰ基板、６５…ＳｉドープＩｎＰ下部クラッド層、６７…ＧａＩｎＡｓＰ活性層、６９…トンネル接合領域、６９ａ…ＣドープＡｌＧａＩｎＡｓ、６９ｂ…ＳｉドープＧａＩｎＡｓＰ、７１…ＳｉドープＩｎＰ上部クラッド層、７３、７９…ＳｉドープＧａＩｎＡｓコンタクト層、８１…マスク、８３…半導体メサ、８７…表面保護膜、８７ａ、８７ｂ…開口、８９ａ、８９ｂ…電極

Claims (10)

1. 第１及び第２の半導体光素子を含む集積化半導体光素子であって、
   前記第１の半導体光素子のための第１のエリア及び前記第２の半導体光素子のための第２のエリアを有する主面を有する基板と、
   前記基板の前記主面上に設けられ、第１導電型半導体からなる第１のクラッド層と、
   前記基板の前記主面の前記第１のエリア及び前記第１のクラッド層上に設けられた第１の活性層と、
   前記基板の前記主面の前記第２のエリア及び前記第１のクラッド層上に設けられた第２の活性層と、
   前記第２の活性層上に設けられ、第２導電型半導体からなる第２のクラッド層と、
   前記第１の活性層上に設けられ、第１導電型半導体からなる第３のクラッド層と、
   前記第１の活性層と前記第３のクラッド層との間に設けられたトンネル接合領域と
   を備え、
   前記第１の活性層は前記第２の活性層に突き当て接合されており、
   前記第２のクラッド層及び前記第３のクラッド層はｐｎ接合を構成し、
   前記トンネル接合領域は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とから構成されるトンネル接合とを含む、ことを特徴とする集積化半導体光素子。
2. 前記基板の前記主面上に設けられ、所定の軸の方向に延びる半導体メサと、
   前記基板の前記主面及び前記半導体メサの側面上に設けられた埋込層と
   を更に備え、
   前記埋込層は、半絶縁性の半導体領域を含み、
   前記半導体メサは、前記第１の活性層及び前記第２の活性層を含み、
   前記埋込層は前記第１の活性層の側面上に設けられ、
   前記埋込層は前記第２の活性層の側面上に設けられ、
   前記所定の軸は、前記第１のエリアと前記第２のエリアとの境界を横切って延びている、ことを特徴とする請求項１に記載された集積化半導体光素子。
3. 前記第１の活性層は、半導体発光素子のために設けられており、
   前記第２の活性層は、半導体変調素子のために設けられており、
   前記第１の活性層のフォトルミネッセンス波長は、前記第２の活性層のフォトルミネッセンス波長より大きい、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された集積化半導体光素子。
4. 前記トンネル接合領域は前記第１の活性層に接合を成し、
   前記第１導電型半導体層がｎ型導電性を示し、
   前記第２導電型半導体層がｐ型導電性を示す、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された集積化半導体光素子。
5. 前記第２導電型半導体層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ層を含み、
   前記ＡｌＧａＩｎＡｓ層には炭素が添加されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された集積化半導体光素子。
6. 前記第１導電型半導体層が、ＧａＩｎＡｓＰ層を含み、
   前記ＧａＩｎＡｓＰ層にはｎ型ドーパントが添加されており、
   前記ＧａＩｎＡｓＰ層は、前記第１の活性層を伝搬する光の波長より短いバンドギャップ波長を提供する組成を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された集積化半導体光素子。
7. 前記第２導電型半導体層は、前記第１導電型半導体層と前記第１の活性層との間に設けられ、
   前記第２導電型半導体層のバンドギャップは前記第１導電型半導体層のバンドギャップよりも大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された集積化半導体光素子。
8. 前記第３のクラッド層上に設けられ、第１導電型半導体からなる第１のコンタクト層と、
   前記第２のクラッド層上に設けられ、第２導電型半導体からなる第２のコンタクト層と
   を更に備え、
   前記第１のコンタクト層のエッジは前記第２のコンタクト層のエッジから離れている、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された集積化半導体光素子。
9. 前記第１及び第２のコンタクト層は前記ｐｎ接合を覆わない、ことを特徴とする請求項８に記載された集積化半導体光素子。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された集積化半導体光素子と、
    前記集積化半導体光素子に順方向バイアスを印加するための第１の電源と、
    前記集積化半導体光素子に逆方向バイアスを印加するための第２の電源と
    を備え、
    前記集積化半導体光素子は、前記第３のクラッド層上に設けられた第１の電極と、前記第２のクラッド層上に設けられた第２の電極と、前記基板の裏面上に設けられた第３の電極とをさらに備え、
    前記第１の電源は、前記第１の電極と前記第３の電極との間に接続され、
    前記第２の電源は、前記第２の電極と前記第３の電極との間に接続される、ことを特徴とする半導体光装置。

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