JP5463760B2 - 光導波路集積型半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、光導波路集積型半導体光素子およびその製造方法に関する。
従来、例えば、特開平１０−１７３２９１号公報に開示されているように、基板上に光能動素子と光変調器とを集積した集積型半導体光素子が知られている。集積型半導体光素子においては、一般に、集積された複数の構成間の電気的分離が行われることが好ましい。この点、上記の公報にかかる集積型半導体光素子は、半導体レーザと変調器との間に分離溝を備えている。この分離溝内に、半絶縁性半導体層が埋め込み形成されている。これにより、半導体レーザと光変調器との電気的分離が達成されている。
光能動素子と光導波路を集積したタイプの集積型半導体光素子がある。光導波路は、光導波層と、この光導波層を挟む２つのクラッド層と、を備えている。光能動素子と光導波路の集積構造において、光導波路のクラッド層側面が光能動素子に接している場合、光能動素子と光導波路側との間にクラッド層を介した電流経路が発生しうる。この電流経路を介して光導波路側へと電流がリークしてしまうと、光能動素子の特性を悪化させるおそれがある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、光能動素子部と光導波路部とを備え、光能動素子部のリーク電流を少なく抑えることができる光導波路集積型半導体光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、光導波路集積型半導体光素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた光能動素子部と、
前記半導体基板上において前記光能動素子部と隣接する位置に備えられ、前記半導体基板上に第１のクラッド層、光導波層、第２のクラッド層がこの順に重なり、かつ、前記光導波層が前記光能動素子部と接することにより前記光能動素子部と光結合する光導波路部と、
前記第２のクラッド層と前記光導波層の界面である第１の界面および前記第２のクラッド層と前記光能動素子部の界面である第２の界面に連続的に設けられ、かつ、前記第２のクラッド層の材料よりも電気抵抗の高い材料で構成された高抵抗層と、
を備えることを特徴とする。
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた光能動素子部と、
前記半導体基板上において前記光能動素子部と隣接する位置に備えられ、前記半導体基板上に第１のクラッド層、光導波層、第２のクラッド層がこの順に重なり、かつ、前記光導波層が前記光能動素子部と接することにより前記光能動素子部と光結合する光導波路部と、
前記第２のクラッド層と前記光導波層の界面である第１の界面および前記第２のクラッド層と前記光能動素子部の界面である第２の界面に連続的に設けられ、かつ、前記第２のクラッド層の材料よりも電気抵抗の高い材料で構成された高抵抗層と、
を備えることを特徴とする。
第２の発明は、上記の目的を達成するため、光導波路集積型半導体光素子の製造方法であって、
半導体基板上に、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層がこの順に積み重なった積層構造を作製する工程と、
前記第１のクラッド層上面の前記活性層の隣の領域に、または、前記半導体基板上の前記第１のクラッド層の隣に別途積層した他のクラッド層に、端面が前記活性層の端面と接するように、光導波層を積層する工程と、
前記光導波層にさらに積層されるべき第３のクラッド層の材料に比して電気抵抗の高い材料の層を、前記光導波層の上面および前記第２のクラッド層の側面にエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、
前記エピタキシャル成長工程により得られた前記層に、前記第３のクラッド層を積層する工程と、
前記第１のクラッド層、前記活性層、および前記第２のクラッド層を含む前記積層構造を用いて、光能動素子部を作製する工程と、
前記積層構造の隣に積層された前記光導波層、前記エピタキシャル成長工程により得られた前記層、および前記第３のクラッド層を用いて、光導波路部を作製する工程と、
を備えること特徴とする。
半導体基板上に、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層がこの順に積み重なった積層構造を作製する工程と、
前記第１のクラッド層上面の前記活性層の隣の領域に、または、前記半導体基板上の前記第１のクラッド層の隣に別途積層した他のクラッド層に、端面が前記活性層の端面と接するように、光導波層を積層する工程と、
前記光導波層にさらに積層されるべき第３のクラッド層の材料に比して電気抵抗の高い材料の層を、前記光導波層の上面および前記第２のクラッド層の側面にエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、
前記エピタキシャル成長工程により得られた前記層に、前記第３のクラッド層を積層する工程と、
前記第１のクラッド層、前記活性層、および前記第２のクラッド層を含む前記積層構造を用いて、光能動素子部を作製する工程と、
前記積層構造の隣に積層された前記光導波層、前記エピタキシャル成長工程により得られた前記層、および前記第３のクラッド層を用いて、光導波路部を作製する工程と、
を備えること特徴とする。
第１の発明によれば、高抵抗層が、光能動素子部と光導波層との間の電流を阻止することができる。従って、光能動素子部のリーク電流を少なくすることができる。
第２の発明によれば、光能動素子部と光導波層との間に高抵抗層を備えた光導波路集積型半導体光素子を製造することができる。この高抵抗層が電流リークを阻止することができるので、光能動素子部のリーク電流を少なくすることができる。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光導波路集積型半導体光素子１０１（以下、単に「半導体光素子１０１」とも呼称する）の構成を示す図である。実施の形態１の半導体光素子１０１は、半導体レーザと光導波路とが集積された集積型半導体光素子である。図１は、半導体光素子１０１を、レーザ光の進行方向と平行に切断した断面を示す。図１に示すように、半導体光素子１０１は、レーザ部２０および光導波路部２１を備えている。図１は、半導体光素子１０１における共振器方向の切断面を示す。
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光導波路集積型半導体光素子１０１（以下、単に「半導体光素子１０１」とも呼称する）の構成を示す図である。実施の形態１の半導体光素子１０１は、半導体レーザと光導波路とが集積された集積型半導体光素子である。図１は、半導体光素子１０１を、レーザ光の進行方向と平行に切断した断面を示す。図１に示すように、半導体光素子１０１は、レーザ部２０および光導波路部２１を備えている。図１は、半導体光素子１０１における共振器方向の切断面を示す。
図１に示すように、半導体光素子１０１は、Ｐ型ＩｎＰ基板である半導体基板１を備えている。半導体基板１には、クラッド層２、活性層３およびクラッド層４が積層されている。クラッド層２は、Ｐ型ＩｎＰクラッド層（キャリア濃度Ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３）である。活性層３は、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層である。クラッド層４は、Ｎ型ＩｎＰクラッド層（キャリア濃度はＮ＝１×１０１８ｃｍ−３）である。
一方、クラッド層２において、上記の活性層３およびクラッド層４の積層構造の隣には、光導波層６、高抵抗層１５およびアンドープ型ＩｎＰ層７が順次積層されている。光導波層６は、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層である。活性層３の端面は、光導波層６の端面と接している。この構成によれば、活性層３からのレーザ光が、光導波層６を通って紙面右側に向かって進行する。
高抵抗層１５は、光導波層６の上面およびクラッド層４の側面を連続的に被覆している。つまり、高抵抗層１５は、アンドープ型ＩｎＰ層７と、光導波層６の上面およびクラッド層４の側面との間の界面に、連続的に設けられている。高抵抗層１５は、本実施形態では、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層である。Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層は、ＩｎＰ層に比べ、移動度が小さいので、電気抵抗が高い。高抵抗層１５として用いるＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層は、ｎドープ、アンドープ、ｐドープ、Ｆｅドープ、酸素ドープ等いずれでも良いが、記載順が後ほど高い電気抵抗を得ることができる。
クラッド層４とアンドープ型ＩｎＰ層７には、ＩｎＰ層５およびコンタクト層８が積層されている。ＩｎＰ層５は、Ｎ型ＩｎＰ層（キャリア濃度Ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３）である。コンタクト層８は、Ｎ型ＩｎＰコンタクト層（キャリア濃度Ｎ＝１×１０１９ｃｍ−３）である。半導体光素子１０１は、分離溝２５を備えている。
上記構成において、分離溝２５の紙面左側にはＮ型電極１０が積層されている。Ｎ型電極１０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕである。そして、Ｎ型電極１０よりも紙面右側には、絶縁膜９が設けられている。絶縁膜９はＳｉＯ２絶縁膜である。分離溝２５内面も絶縁膜９で覆われている。また、半導体基板１の裏面には、Ｐ型電極１１が備えられている。Ｐ型電極１１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕである。
上記構成を備えた半導体光素子１０１において、分離溝２５の紙面左側がレーザ部２０として、分離溝２５の紙面右側が光導波路部２１として、それぞれ機能する。
図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿って半導体光素子１０１を切断した断面を示す。つまり、図２は、図１における光導波路部２１を、共振器方向と垂直に切断した断面の図である。図２に示すように、半導体光素子１０１の光導波路部２１は、埋め込み層１２、１３、１４を備えている。埋め込み層１２は、Ｐ型ＩｎＰ埋込み層（キャリア濃度はＰ＝１×１０１８ｃｍ−３）である。埋め込み層１３は、Ｎ型ＩｎＰ埋込み層（キャリア濃度はＮ＝１×１０１９ｃｍ−３）である。埋め込み層１４は、ＦｅドープＩｎＰ埋込み層（キャリア濃度はＦｅ＝４×１０１６ｃｍ−３）である。
［実施の形態１の動作および効果］
以下、半導体光素子１０１の動作について説明する。レーザ部２０に電流を注入すると、クラッド層４から活性層３へと電子が流れ、活性層３で電子とホールが結合し、活性層３の端面からレーザ光が放射される。放射されたレーザ光は、光導波層６を通って、図１の右方向へと進行、出射される。
以下、半導体光素子１０１の動作について説明する。レーザ部２０に電流を注入すると、クラッド層４から活性層３へと電子が流れ、活性層３で電子とホールが結合し、活性層３の端面からレーザ光が放射される。放射されたレーザ光は、光導波層６を通って、図１の右方向へと進行、出射される。
ここで、高抵抗層１５の効果を、比較例を用いて説明する。図１４〜１６は、比較例として示す光導波路集積型半導体光素子２００（以下、単に「半導体光素子２００」とも呼称する）の構成を示す。比較例として示す半導体光素子２００は、実施の形態１にかかる半導体光素子１０１とは異なり、高抵抗層１５を備えていない。図１４は、図１との比較用に対応位置を示した断面図であり、図１５は、図２との比較用に対応位置を示した断面図である。この半導体光素子２００においてレーザ部２０に電流を注入すると、図１６の太線矢印に示すように電子が流れ、活性層３で電子とホールが結合し、レーザ光が放射される。この時、一部の電子が、点線矢印に示すように、光導波路部２１側へと流れてしまう。この電流はレーザ光の発光に寄与せずにリーク電流成分となり、この電流リークがレーザ部２０の電流光出力特性を悪化させてしまう。
これに対し、実施の形態１にかかる半導体光素子１０１は、高抵抗層１５を備えている。高抵抗層１５が、クラッド層４からアンドープ型ＩｎＰ層７への電子の流れと、アンドープ型ＩｎＰ層７から光導波層６への電子の流れの両方を、阻止することができる。これにより、リーク電流を低減することができる。その結果、レーザ部２０の電流光出力特性の悪化を防ぐことができる。
なお、高抵抗層１５は、本実施形態では、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層である。酸素ドープされたＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層は高い電気抵抗を有するので、高抵抗層１５にこれを用いることが好適である。ここで、酸素ドープＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層をＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相分解法）で成長する際、酸素ガスを流すことによってドーピングすることもできる。しかしながら、ＭＯＣＶＤ炉内に酸素ガスを流すことは、装置メインテナンス上好ましく無い。そこで、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層を低Ｖ／III比に構成することにより、ＭＯＣＶＤ炉内に酸素ガスを流さずに酸素ドーピングすることができる。その結果、ＭＯＣＶＤ装置のメインテナンスの不具合を避けつつ、高抵抗層１５として酸素ドープＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層を設けることができる。なお、実施の形態１では、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層のＶ／III比を、具体的には１００以下とする。但し、ＭＯＣＶＤ炉内に酸素ガスを流さずに酸素がドーピングされる程度に、Ｖ／III比を低くすればよく、１００よりも大きな比であっても良い。
なお、上述した実施の形態１においては、半導体基板１が、前記第１の発明における「半導体基板」に、レーザ部２０が、前記第１の発明における「光能動素子部」に、光導波路部２１が、前記第１の発明における「光導波路部」に、高抵抗層１５が、前記第１の発明における「高抵抗層」に、それぞれ相当している。
尚且つ、上述した実施の形態１においては、クラッド層２が、前記第１の発明における「第１のクラッド層」に、光導波層６が、前記第１の発明における「光導波層」に、アンドープ型ＩｎＰ層７が、前記第１の発明における「第２のクラッド層」に、それぞれ相当している。つまり、実施の形態１では、クラッド層２が、前記第１の発明における「光能動素子部」の構成と、前記第１の発明における「光導波路部」の「第１のクラッド層」の、両方の構成を兼ねている。
［実施の形態１の製造方法］
以下、図３〜１３を用いて、実施の形態１にかかる半導体光素子１０１の製造方法を説明する。図３〜１３は、半導体光素子１０１の製造フローを示す。
以下、図３〜１３を用いて、実施の形態１にかかる半導体光素子１０１の製造方法を説明する。図３〜１３は、半導体光素子１０１の製造フローを示す。
図３に示すようにＰ型ＩｎＰ半導体基板１上に、ＭＯＣＶＤ法により、クラッド層２としてＰ型ＩｎＰ層を結晶成長する。さらにクラッド層２の上に、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層を活性層３として、Ｎ型ＩｎＰ層をクラッド層４として、それぞれ結晶成長する。
次に、図４に示すように、クラッド層４の上にＳｉＯ２絶縁膜２２を形成し、パターニング、ドライエッチングを行うことにより、活性層３とクラッド層４の紙面右側部分をエッチング除去する。エッチング除去された部分が、光導波層６としてＩｎＧａＡｓＰ層が形成される部分である。
次に、図５に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、光導波層６としてのＩｎＧａＡｓＰ層を形成する。さらに、ＭＯＣＶＤ法により、光導波層６の上面およびクラッド層４の側面に対して、高抵抗層１５としてのＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層を成長させる。これにより、高抵抗層１５が光導波層６の上面およびクラッド層４の側面を被覆し、リーク電流経路の遮断機能が得られる。
また、実施の形態１にかかる製造方法では、高抵抗層１５の形成の際、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層のＶ／III比を１００以下にする。これにより、ＭＯＣＶＤ炉内に酸素ガスを流すことなくＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層への酸素ドーピングを実現する。
なお、Ｖ／III比の調節ではなく、低成長温度（例えば６００℃以下）にてＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層を成長させることにより、酸素ガスを流さずに酸素ドーピングを実現してもよい。
高抵抗層１５の形成後、さらに、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープ型ＩｎＰ層７を成長する。
次に、図６〜９を用いて製造フローの説明を行う。図６〜９は、製造途中の半導体光素子１０１を、図５におけるＣ−Ｃ線の位置で切断した断面を示す。つまり、図６〜９は、レーザ部２０が形成される部位を、共振器方向に垂直な面に沿って切断した断面図である。
上述したアンドープ型ＩｎＰ層７の成長後、ＳｉＯ２絶縁膜２２をエッチング除去する。そして、ＳｉＯ２絶縁膜２３を成膜、パターニングすることにより、図６に示す構成を得る。次に、図７に示すように、ウェットエッチング等により、リッジを形成する。さらに、図８に示すように、ＭＯＣＶＤ法でＰ型ＩｎＰ埋め込み層１２、埋め込み層１３としてのＮ型ＩｎＰブロック層１３、半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ埋込み層１４を成長する。その後、図９に示すように、ＳｉＯ２絶縁膜２３をエッチング除去する。
次に、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤ法でＮ型ＩｎＰ層５、Ｎ型ＩｎＰコンタクト層８を成長する。次に、図１１に示すように、ＳｉＯ２絶縁膜２４を成膜、パターニングする。次いで、ドライエッチング等により分離溝２５を形成し、ＳｉＯ２絶縁膜２４をエッチング除去することにより、図１２に示す構成を得る。続いて、図１３に示すように、ＳｉＯ２絶縁膜９を形成、Ｐ型電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１１、Ｎ型電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）１０を形成する。以上により、レーザ部２０および光導波路部２１が得られる。
なお、本実施形態にかかる製造方法、ＭＯＣＶＤ法において、例えば下記の原料ガスを使用することができる。
Ｉｎの材料：トリメチルインジウム
Ｇａの材料：トリエチルガリウム
Ａｌの材料：トリメチルアルミニウム
Ａｓの材料：アルシン
Ｐの材料：ホスフィン
Ｆｅの材料：フェロセン
Ｐ型ドーパントの材料：ジエチルジンク
Ｎ型ドーパントの材料：硫化水素
Ｉｎの材料：トリメチルインジウム
Ｇａの材料：トリエチルガリウム
Ａｌの材料：トリメチルアルミニウム
Ａｓの材料：アルシン
Ｐの材料：ホスフィン
Ｆｅの材料：フェロセン
Ｐ型ドーパントの材料：ジエチルジンク
Ｎ型ドーパントの材料：硫化水素
また、実施の形態１における各層の厚さは、例えば、活性層３を０．２μｍ、光導波層６を０．２μｍ、クラッド層４を１μｍとし、高抵抗層１５を１００ｎｍとすることができる。
実施の形態２．
図１７は、本発明の実施の形態２にかかる光導波路集積型半導体光素子１０２（以下、単に「半導体光素子１０２」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０２の構成は、高抵抗層１５を備えない点および光導波路部２１における半絶縁性ＩｎＰ層１６を備える点を除き、半導体光素子１０１の構成と同じである。以下、重複を避けるために、同一若しくは相当する構成には同一符号を付し、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
図１７は、本発明の実施の形態２にかかる光導波路集積型半導体光素子１０２（以下、単に「半導体光素子１０２」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０２の構成は、高抵抗層１５を備えない点および光導波路部２１における半絶縁性ＩｎＰ層１６を備える点を除き、半導体光素子１０１の構成と同じである。以下、重複を避けるために、同一若しくは相当する構成には同一符号を付し、適宜に説明を省略ないしは簡略化する。
実施の形態１では、高抵抗層１５によって、リーク電流を抑制した。一方、実施の形態２では、半絶縁性ＩｎＰ層１６によって、実施の形態１とは異なる構成によりリーク電流を抑制する。
半絶縁性ＩｎＰ層１６は、例えば、ＦｅドープＩｎＰ層やＲｕドープＩｎＰ層とすることができる。半絶縁性ＩｎＰ層１６により、クラッド層４から半絶縁性ＩｎＰ層１６への電子の流れ、および、半絶縁性ＩｎＰ層１６から光導波層６への電子の流れが阻止される。これにより、リーク電流を低減することができる。その結果、レーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３にかかる光導波路集積型半導体光素子１０３（以下、単に「半導体光素子１０３」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０３は、実施の形態１にかかる半導体光素子１０１においてアンドープ型ＩｎＰ層７を半絶縁性ＩｎＰ層１６に置換した点を除き、半導体光素子１０１の構成と同じである。
図１８は、本発明の実施の形態３にかかる光導波路集積型半導体光素子１０３（以下、単に「半導体光素子１０３」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０３は、実施の形態１にかかる半導体光素子１０１においてアンドープ型ＩｎＰ層７を半絶縁性ＩｎＰ層１６に置換した点を除き、半導体光素子１０１の構成と同じである。
高抵抗層１５と半絶縁性ＩｎＰ層１６の両方が備えられることにより、クラッド層４と光導波層６の間の電子の流れが、より一層阻止される。これによりリーク電流を低減することができ、結果、レーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
実施の形態４．
図１９は、本発明の実施の形態４にかかる光導波路集積型半導体光素子１０４（以下、単に「半導体光素子１０４」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０４の構成は、高抵抗層１７を備える点を除き、半導体光素子１０１の構成と同じである。
図１９は、本発明の実施の形態４にかかる光導波路集積型半導体光素子１０４（以下、単に「半導体光素子１０４」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０４の構成は、高抵抗層１７を備える点を除き、半導体光素子１０１の構成と同じである。
高抵抗層１７は、図１９に示すように、アンドープ型ＩｎＰ層７の上面に設けられる。実施の形態４では、高抵抗層１７は、高抵抗層１５と同様に、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層とする。高抵抗層１７としてのＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層は、ｎドープ、アンドープ、ｐドープ、Ｆｅドープ、酸素ドープ等いずれでも良く、記載順が後ほど抵抗は高い。ただし、高抵抗層１５と高抵抗層１７は、材料やドーピングが異なってもよい。また、酸素ドープに関しては、実施の形態１で述べた低Ｖ／III比や低温成長による手法を利用してもよい。
高抵抗層１７により、Ｎ型ＩｎＰ層５からアンドープ型ＩｎＰ層７への電子の流れが阻止される。すなわち、図１６において点線矢印で示した、比較例の半導体光素子２００においてＮ型ＩｎＰ層５を通って流れるリーク電流を、低減することができる。これにより、高抵抗層１５によるリーク電流低減の効果に加えて、さらにリーク電流を低減することができる。その結果、さらにレーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
実施の形態５．
図２０は、本発明の実施の形態５にかかる光導波路集積型半導体光素子１０５（以下、単に「半導体光素子１０５」とも呼称する）の構成を示す図である。上記説明した実施の形態１〜４にかかる半導体光素子では、半導体基板１として、Ｐ型ＩｎＰ基板が用いられている。これに対し、下記に述べる実施の形態５、およびこれ以降に述べる実施の形態６〜８では、半導体基板１として、Ｎ型ＩｎＰ基板が用いられる。
図２０は、本発明の実施の形態５にかかる光導波路集積型半導体光素子１０５（以下、単に「半導体光素子１０５」とも呼称する）の構成を示す図である。上記説明した実施の形態１〜４にかかる半導体光素子では、半導体基板１として、Ｐ型ＩｎＰ基板が用いられている。これに対し、下記に述べる実施の形態５、およびこれ以降に述べる実施の形態６〜８では、半導体基板１として、Ｎ型ＩｎＰ基板が用いられる。
図２０に示すように、半導体光素子１０５は、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。半導体基板３１には、クラッド層３２、活性層３、クラッド層３４が積層されている。それぞれ、クラッド層３２は、Ｎ型ＩｎＰクラッド層（キャリア濃度Ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３）、活性層３は、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層、クラッド層３４は、Ｐ型ＩｎＰクラッド層（キャリア濃度Ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３）である。また、クラッド層３２における活性層３の隣には、光導波層６が設けられている。実施の形態１〜４と同じく、光導波層６はＩｎＧａＡｓＰ層である。
実施の形態１と同様に、高抵抗層１５およびアンドープ型ＩｎＰ層７が、光導波層６にさらに積層されている。高抵抗層１５の具体的構成などは、これまでに述べた各実施の形態で説明したとおりである。
クラッド層３４の上面およびアンドープ型ＩｎＰ層７の上面には、Ｐ型ＩｎＰ層３５が積層されている。Ｐ型ＩｎＰ層３５には、分離溝が設けられている。Ｐ型ＩｎＰ層３５は、キャリア濃度Ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３である。Ｐ型ＩｎＰ層３５には、さらに、コンタクト層３８、ＳｉＯ２絶縁膜９、Ｐ型電極４０が設けられている。コンタクト層３８は、Ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層（キャリア濃度Ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３）、Ｐ型電極４０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕである。また、半導体基板３１の裏面には、Ｎ型電極４１（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）が設けられている。以上のように、レーザ部２０および光導波路部２１が集積された半導体光素子１０５が構成される。
図２１は、図２０におけるＢ−Ｂ線に沿って半導体光素子１０５を切断した断面を示す。つまり、図２１は、図２０における光導波路部２１を、共振器方向と垂直に切断した断面の図である。図２１に示すように、半導体光素子１０５の光導波路部２１は、埋め込み層１２、１３、１４および４２を備えている。埋め込み層１２、１３、１４は実施の形態１と同じ構成である。一方、埋め込み層４２は、Ｎ型ＩｎＰ埋込み層（キャリア濃度Ｎ＝１×１０１９ｃｍ−３）である。
高抵抗層１５は、実施の形態１と同じく、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層である。高抵抗層１５により、アンドープ型ＩｎＰ層７を介してクラッド層３４と光導波層６の間で電流がリークするのを阻止できる。このため、リーク電流を低減することができる。その結果、レーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
実施の形態６．
図２２は、本発明の実施の形態６にかかる光導波路集積型半導体光素子１０６（以下、単に「半導体光素子１０６」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０６は、実施の形態５の半導体光素子１０５と同様に、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。
図２２は、本発明の実施の形態６にかかる光導波路集積型半導体光素子１０６（以下、単に「半導体光素子１０６」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０６は、実施の形態５の半導体光素子１０５と同様に、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。
半導体光素子１０６は、Ｎ型ＩｎＰ基板とＰ型ＩｎＰ基板という相違、およびこの相違に伴う各層の違いを除けば、基本的に、実施の形態２にかかる半導体光素子１０２と同様の特徴的構成を備えている。すなわち、半導体光素子１０６は、実施の形態２の半導体光素子１０２と同様に、例えばＦｅドープＩｎＰ層やＲｕドープＩｎＰ層からなる半絶縁性ＩｎＰ層１６を備えている。半絶縁性ＩｎＰ層１６の具体的構成などは、これまでに述べた各実施の形態で説明したとおりである。
半絶縁性ＩｎＰ層１６の高抵抗により、半絶縁性ＩｎＰ層１６を介したクラッド層３４と光導波層６の間での電流リークが抑制される。これによりリーク電流を低減することができる。その結果、レーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
実施の形態７．
図２３は、本発明の実施の形態７にかかる光導波路集積型半導体光素子１０７（以下、単に「半導体光素子１０７」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０７は、実施の形態５、６にかかる半導体光素子と同様に、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。
図２３は、本発明の実施の形態７にかかる光導波路集積型半導体光素子１０７（以下、単に「半導体光素子１０７」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０７は、実施の形態５、６にかかる半導体光素子と同様に、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。
半導体光素子１０７は、Ｎ型ＩｎＰ基板とＰ型ＩｎＰ基板という相違、およびこの相違に伴う各層の違いを除けば、基本的に、実施の形態３にかかる半導体光素子１０３と同様の特徴的構成を備えている。すなわち、半導体光素子１０７は、高抵抗層１５と半絶縁性ＩｎＰ層１６の両方を備えている。高抵抗層１５、半絶縁性ＩｎＰ層１６の具体的構成などは、これまでに述べた各実施の形態で説明したとおりである。
高抵抗層１５と半絶縁性ＩｎＰ層１６の両方が備えられることにより、クラッド層３４と光導波層６の間の電流のリークが、より一層阻止される。これによりリーク電流を低減することができ、結果、レーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
実施の形態８．
図２４は、本発明の実施の形態８にかかる光導波路集積型半導体光素子１０８（以下、単に「半導体光素子１０８」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０８は、実施の形態５〜７にかかる半導体光素子と同様に、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。
図２４は、本発明の実施の形態８にかかる光導波路集積型半導体光素子１０８（以下、単に「半導体光素子１０８」とも呼称する）の構成を示す図である。半導体光素子１０８は、実施の形態５〜７にかかる半導体光素子と同様に、Ｎ型ＩｎＰ基板である半導体基板３１を備えている。
半導体光素子１０８は、図２４に示すように、アンドープ型ＩｎＰ層７の上面に設けられた高抵抗層１７を備えている。言い換えると、半導体光素子１０８は、実施の形態５にかかる半導体光素子１０５に対し、実施の形態４で説明した高抵抗層１７を適用したものである。
高抵抗層１７により、Ｐ型ＩｎＰ層３５とアンドープ型ＩｎＰ層７の間の電流リークが阻止される。このため、高抵抗層１５によるリーク電流低減の効果に加えて、さらにリーク電流を低減することができる。その結果、さらにレーザ部２０の電流光出力特性を良くすることができる。
なお、実施の形態１〜８にかかる半導体光素子１０１〜１０８は、光能動素子であるレーザ部２０と、光導波路部２１とが集積された光導波路集積型半導体光素子である。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。光変調器や光増幅器などの光能動素子と、光導波路とが隣接して集積されている構成にも、実施の形態１〜８で述べた構成と同様に、高抵抗層１５、１７や半絶縁性ＩｎＰ層１６の構成を組み合わせることができる。
また、本発明にかかる光導波路集積型半導体光素子は、実施の形態１で示した材料以外の材料によって構成されても良い。つまり、例えばＩＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなど、あらゆる半導体材料のなかから適宜に選択された材料により、レーザ部２０および光導波路部２１が構成されてもよい。この場合にも、クラッド層４側面と光導波層６上面とを覆う高抵抗層１５を、適宜に材料やドーピングの種類を選択して設ければよい。具体的には、例えば、高抵抗層１５の材料として、酸素が添加されたＡｌＧａＡｓを用いることもできる。
なお、半導体材料の成長に最適とされる成長温度は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓは６００〜６３０℃、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓは６００〜７５０℃、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰは６５０〜７５０℃、ＡｌＧａＮ、ＧａＮは１０００〜１１００℃、ＩｎＧａＮは７００〜８００℃である。前述した実施の形態１にかかる製造方法において低成長温度で高抵抗層１５の成長を行うにあたっては、高抵抗層１５の材料に応じて、上記列挙した最適成長温度の下限温度よりも低温で高抵抗層１５の成長をしてもよい。
１０１〜１０８ 光導波路集積型半導体光素子（半導体光素子）
１ 半導体基板
２ クラッド層
３ 活性層
４ クラッド層
５ Ｎ型ＩｎＰ層
６ 光導波層
７ アンドープ型ＩｎＰ層
８ コンタクト層
９ ＳｉＯ２絶縁膜
１０ Ｎ型電極
１１ Ｐ型電極
１２、１３、１４ 埋め込み層
１５、１７ 高抵抗層
１６ 半絶縁性ＩｎＰ層
２０ レーザ部
２１ 光導波路部
２２ ＳｉＯ２絶縁膜
２３ ＳｉＯ２絶縁膜
２４ ＳｉＯ２絶縁膜
２５ 分離溝
３１ 半導体基板
３２ クラッド層
３４ クラッド層
３５ Ｐ型ＩｎＰ層
３８ コンタクト層
４０ Ｐ型電極
４１ Ｎ型電極
４２ 埋め込み層
１ 半導体基板
２ クラッド層
３ 活性層
４ クラッド層
５ Ｎ型ＩｎＰ層
６ 光導波層
７ アンドープ型ＩｎＰ層
８ コンタクト層
９ ＳｉＯ２絶縁膜
１０ Ｎ型電極
１１ Ｐ型電極
１２、１３、１４ 埋め込み層
１５、１７ 高抵抗層
１６ 半絶縁性ＩｎＰ層
２０ レーザ部
２１ 光導波路部
２２ ＳｉＯ２絶縁膜
２３ ＳｉＯ２絶縁膜
２４ ＳｉＯ２絶縁膜
２５ 分離溝
３１ 半導体基板
３２ クラッド層
３４ クラッド層
３５ Ｐ型ＩｎＰ層
３８ コンタクト層
４０ Ｐ型電極
４１ Ｎ型電極
４２ 埋め込み層
Claims (11)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた光能動素子部と、
前記半導体基板上において前記光能動素子部と隣接する位置に備えられ、前記半導体基板上に第１のクラッド層、光導波層、第２のクラッド層がこの順に重なり、かつ、前記光導波層が前記光能動素子部と接することにより前記光能動素子部と光結合する光導波路部と、
前記第２のクラッド層と前記光導波層の界面である第１の界面および前記第２のクラッド層と前記光能動素子部の界面である第２の界面に連続的に設けられ、かつ、前記第２のクラッド層の材料よりも電気抵抗の高い材料で構成された高抵抗層と、
を備えることを特徴とする光導波路集積型半導体光素子。 - 前記光能動素子部は、前記半導体基板に第１導電型クラッド層、活性層、および前記第１導電型の反対の導電型である第２導電型クラッド層がこの順に積層されてなりかつ前記活性層の端面からレーザ光を発するレーザ素子部であり、
前記光導波層の端面が、前記レーザ素子部の前記活性層の前記端面と接し、
前記第２のクラッド層の側面が、前記第２導電型クラッド層の側面と隣接し、
前記第２の界面は、前記第２のクラッド層の前記側面と前記第２導電型クラッド層の前記側面との界面であることを特徴とする請求項１記載の光導波路集積型半導体光素子。 - 前記高抵抗層が、前記光導波層の上面と前記第２導電型クラッド層の前記側面の両方を覆うように前記光導波層の前記上面および前記第２導電型クラッド層の前記側面にエピタキシャル成長した層であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路集積型半導体光素子。
- 前記高抵抗層の前記材料が、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の光導波路集積型半導体光素子。
- 前記高抵抗層が、Ｖ族元素とIII族元素を含み、
前記高抵抗層のＶ／III比が、酸素がドーピングされる程度に低いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の光導波路集積型半導体光素子。 - 前記高抵抗層の前記Ｖ／III比が１００以下であることを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載の光導波路集積型半導体光素子。
- 前記第２のクラッド層が、半絶縁性半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光導波路集積型半導体光素子。
- 前記第２のクラッド層の前記第１の界面とは反対側の面に、前記第２のクラッド層の材料よりも電気抵抗の高い材料で構成された第２高抵抗層を、さらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光導波路集積型半導体光素子。
- 半導体基板上に、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層がこの順に積み重なった積層構造を作製する工程と、
前記第１のクラッド層上面の前記活性層の隣の領域に、または、前記半導体基板上の前記第１のクラッド層の隣に別途積層した他のクラッド層に、端面が前記活性層の端面と接するように、光導波層を積層する工程と、
前記光導波層にさらに積層されるべき第３のクラッド層の材料に比して電気抵抗の高い材料の層を、前記光導波層の上面および前記第２のクラッド層の側面に連続的に設けるようにエピタキシャル成長させるエピタキシャル成長工程と、
前記エピタキシャル成長工程により得られた前記層に、前記第３のクラッド層を積層する工程と、
前記第１のクラッド層、前記活性層、および前記第２のクラッド層を含む前記積層構造を用いて、光能動素子部を作製する工程と、
前記積層構造の隣に積層された前記光導波層、前記エピタキシャル成長工程により得られた前記層、および前記第３のクラッド層を用いて、光導波路部を作製する工程と、
を備えること特徴とする光導波路集積型半導体光素子の製造方法。 - 前記エピタキシャル成長工程は、酸素ドーピングが可能な程度に低い温度でＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相分解法）法を行う工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の光導波路集積型半導体光素子の製造方法。
- 前記エピタキシャル成長工程は、酸素がドーピングされる程度に低いＶ／III比でＶ族元素とIII族元素を用いたエピタキシャル成長を行うことにより、前記層を成長させることを特徴とする請求項９または１０に記載の光導波路集積型半導体光素子の製造方法。
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