JP5916414B2 - 光半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体を用いたレ−ザ装置である光半導体装置に関し、特に光ファイバの送信光源として用いられる通信用半導体レーザに関する。
インターネットはビジネスから家庭生活に至るまで現代社会に欠かすことのできないインフラストラクチャとして定着し、データ通信、ブログから通信販売、動画、電子書籍やＳＮＳ（Social Networking Service）などに至るまでその適用範囲を広げている。このような適用範囲の拡大によりインターネットを支える光ネットワークのトラフィック量は増加の一途をたどっている。それに伴い高速ルータ装置間の比較的短距離を接続する光通信送受信モジュールの需要が拡大している。伝送速度は従来の１０Ｇｂ／ｓから２５〜４０Ｇｂ／ｓ以上に高速化が進んでいる。最近標準化された１００Ｇｂ／ｓでは１チャンネル当たり２５Ｇｂ／ｓの速度で４つの異なる波長を波長多重することにより大容量伝送を実現している。現在、２５Ｇｂ／ｓ以上のレーン速度では吸収型変調器集積化レーザが実用化されている。しかし、小型化、低消費電力化、低コスト化の要求が強く、直接変調レーザの高速化、低しきい電流化、低電流駆動動作、及び室温から高温までの広範囲温度での動作が待望視されている。特に、半導体レーザの低しきい電流化と低電流駆動条件での高速化は高速光モジュール全体の消費電力を低減する上で重要である。
１０Ｇｂ／ｓ以上の伝送速度の通信用半導体レーザでは発明者らにより非特許文献１に開示されているように活性層に緩和振動周波数が高く高速化が実現できるＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層を適用したリッジ型レーザが主流で実用化されている。
また半導体レーザにおいて電流のリークを抑制する構造としてよく知られているのは埋め込み型（ＢＨ：buried heterostructure）レーザであり、非特許文献２に記載されている高抵抗ＩｎＰ層を上部ｐ型コンタクト層横まで成長させた半絶縁性半導体ＢＨレーザや、特許文献１や非特許文献４に記載されたｐｎ接合の逆方向の電流ブロックを利用したｐｎ型ＢＨレーザがある。近年ではリッジ型レーザの特性を改善するためにＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷを活性層とするＢＨレーザの研究開発が活発化し、非特許文献３に記載された半絶縁性半導体ＢＨレーザや特許文献２に記載されたｐｎ型ＢＨレーザなどが開示されている。
さらに、類似のリーク電流を減らすレーザ構造として特許文献３と特許文献４に開示されている構成がある。特許文献３の構成はリッジ構造の両脇にＦｅ−ＩｎＰ層をストライプ状に埋め込んだ構造になっている。特許文献４ではリッジの外側の活性層付近を不純物により無秩序化し電流狭窄を実現している。
特開２０１０−１３５５０６号公報 特開２００８−０５３６４９号公報 特開平９−４５９９９号公報 特開昭６３−１６９０９４号公報
KoujiNakahara, et al., IEEE Journal of Lightwave Technology,Vol. 22, pp. 159- 165, 2004. TakeshiKurosaki, et al.,IEEE Journal of Lightwave Technology Vol. 14, pp. 2558-2566, 1996. KojiOtsubo, et al., IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics, Vol. 15, pp. 687-693, 2009. Y.Ohkura, et al., Electronics Letters, Vol. 28, pp. 1844-1845, 1992.
リッジ型レーザはエアリッジストライプ下の半導体層での横方向の拡散電流があるため実効的な活性層が広くなり、さらにその外側にも電流が拡散するため無効電流が存在し、しきい電流が大きくなる。緩和振動周波数ｆrは駆動電流Ｉm（＝動作電流−しきい電流）と活性層の幅Ｗa、活性層の長さＬcとの間に以下の関係がある。
Figure 0005916414
リッジ型レーザは上述のように横方向拡散電流による無効電流の影響を受けて実効的な駆動電流が小さくなり、実効的な活性層幅も広くなるため緩和振動周波数ｆrを高くするのには不利な構造と言える。非特許文献２、特許文献１および非特許文献４に記載の埋め込み型レーザでは、リッジ型レーザの横方向拡散電流がないので活性層幅は広がらずメサストライプ幅で決定される。
一般には半絶縁性半導体ＢＨレーザよりｐｎ型ＢＨレーザの方がしきい電流が小さい。ＩｎＰ基板を使用する場合にはＢＨ型レーザはＩｎＧａＡｓＰ層、特にＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層を活性層としたレーザに適用され実用化されてきた。
しかしながら、非特許文献３に記載された半絶縁性半導体ＢＨレーザや特許文献２に記載されたｐｎ型ＢＨレーザでは、ＩｎＧａＡｓＰが活性層の場合に比べてリッジ型のしきい電流の低減の度合いは小さかった。また、ＢＨレーザは電流が狭窄されている割には緩和振動周波数の電流依存性は改善されないという課題があった。さらに、活性層に依らずＢＨレーザの根本的な問題の１つに高温特性が悪いという問題があった。すなわち、ＢＨレーザは室温ではしきい電流が低いものの高温ではしきい電流が高くなるという課題があった。また、ｐｎ型ＢＨレーザの場合には埋め込み層のｐｎ接合に起因する寄生容量のために高速変調動作ができないという課題があった。
また、特許文献３のリッジ構造では、リッジ両脇に設けられたＦｅ−ＩｎＰ層がフォトリソグラフィ工程の公差からリッジストライプに対して２μｍ以上の左右ずれが生じる。この左右ずれは半導体レーザの光横モードが左右非対称になり多モードになる要因となる。さらに活性層への電流も左右非対称であるため横モードが多モードになったり、光ビームが左右に揺らぐ所謂ビームステアリング現象が起こりやすくなる。このことは光通信用半導体レーザでは致命的である。これを防ぐためにリッジストライプとＦｅ−ＩｎＰ埋め込み層は特許文献３の図８に示されるように離して設置する必要がある。この状態では実効的なメサストライプの幅は広くなり特性はリッジ型レーザに近く良好な電流狭窄は得られず、しきい電流の低減効果は小さく高速性も望めない。
また、特許文献４の場合のように、不純物を導入する場合は結晶にダメージが入り結晶欠陥が生じる。Ｓｉ半導体ではイオン注入後のアニール処理により結晶欠陥を回復することができるが、半導体レーザで使用している化合物半導体では不純物導入による結晶欠陥をアニールで完全に取ることは難しい。よって特許文献４では結晶欠陥を通してリーク電流が流れ、それがさらなる結晶欠陥を引き起こし経時的にリーク電流が増大するという信頼性に課題が生じる。
本発明が解決しようとする課題はＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザにおいてしきい電流が小さく低駆動電流での緩和振動周波数が高く、温度特性に優れ、長期信頼性を有する半導体レーザを提供することにある。さらに本発明が解決しようとする課題は上記に加えて横モードが基底モードで安定した動作を示す半導体レーザを提供することにある。また、本発明が解決しようとする課題は上記に加えて寄生容量が小さく高速で動作できる半導体レーザを提供することにある。また、本発明が解決しようとする課題は上記と同じ構造を有する光半導体装置を提供することにある。
上述の課題は、ＩｎＰ半導体基板に形成された光半導体装置であって、第１導電型でエアリッジ状の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の前記ＩｎＰ半導体基板側である下層側に配置され、前記第１クラッド層とは異なる組成を有する層を少なくとも１層含む第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の前記下層側に配置され、Ａｌ元素を有する半導体層が複数重ねられた多層膜であり、量子井戸活性層を有するＡｌ系半導体多層膜と、前記Ａｌ系半導体多層膜の前記下層側に配置され、第２導電型からなる第２クラッド層と、前記第１導電型半導体層及び前記Ａｌ系半導体多層膜が形成する２つの対向する共通の側壁に接する少なくとも１層以上の埋め込み半導体層と、を備え、前記埋め込み半導体層の上層側の端面は、第１導電型半導体層の上層側端面と略同じ高さの面を有し、下層側は少なくともＡｌ系半導体多層膜を覆うように延びている、ことを特徴とする光半導体装置により解決することができる。
ここで、「第１導電型」とは、ｐ型及びｎ型の一方を意味し、「第２導電型」とはその他方を意味する。また、埋め込み半導体層の上層側の端面は、第１導電型半導体層の上層側端面と略同じ高さの面を一部に有していればよく、全面に渡って同じ高さである必要はない。
上述の課題は、ＩｎＰ半導体基板に形成された光半導体装置であって、第１導電型でエアリッジ状の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の前記ＩｎＰ半導体基板側である下層側に配置され、前記第１クラッド層とは異なる組成を有する層を少なくとも１層含む第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の前記下層側に配置され、Ａｌ元素を有する半導体層が複数重ねられた多層膜であり、量子井戸活性層を有するＡｌ系半導体多層膜と、前記Ａｌ系半導体多層膜の前記下層側に配置され、第２導電型からなる第２クラッド層と、前記第１導電型半導体層及び前記Ａｌ系半導体多層膜が形成する２つの対向する共通の側壁に接する埋め込み半導体層と、を備え、前記側壁に挟まれた前記第１導電型半導体層及び前記Ａｌ系半導体多層膜が形成する形状の中心軸は、第１クラッド層の形状の中心軸となっている、ことを特徴とする光半導体装置により解決することができる。
また、上述の各光半導体装置は、前記埋め込み層の下層側に形成され、前記共通の側壁とは離間して形成される、少なくとも１層以上の下層側埋め込み層と、を更に備えることとしてもよい。
また、上述の光半導体装置において、前記Ａｌ系半導体多層膜は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層からなるＳＣＨ層を有していてもよい。前記埋め込み層は、ｐ型半導体である、或いはドーパントとしてＲｕがドーピングされている、こととしてもよい。
また、上述の光半導体装置において、前記第１導電型半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓを含んでいる、こととしてもよい。
また、上述の光半導体装置において、前記埋め込み半導体層の上層側及び前記第１クラッド層の側面に設けられた酸化膜と、前記酸化膜の上層側で前記第１クラッド層の側面を覆うように設けられた有機絶縁膜又は低応力無機絶縁膜と、を更に備えていてもよい。
また、上述の光半導体装置において、前記共通の側壁間の距離により定められる前記第１導電型半導体層の幅、前記Ａｌ系半導体多層膜の幅、及び前記第１クラッド層の幅は略同じになるようにしてもよい。
従って、本発明の光半導体装置によれば、Ａｌ系元素を有する活性層を備えたＢＨレーザにおいて低しきい電流、高緩和振動周波数、高信頼性を実現することができる。
本発明の光半導体装置である半導体レーザ装置を概略的に示す図である。 図１のＡで示されるレーザ光に垂直な面における断面図である。 Ａｌ系半導体多層膜をメサ形状に形成した直後の断面図である。 庇がないときの埋め込み層の形成の様子を示す図である。 埋め込み層の膜厚を大きくした場合の形状について示す図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ活性層を有する半絶縁性半導体ＢＨレーザ装置の断面を示す図である。 ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層とＦｅドープＩｎＰ埋め込み層の界面を跨ぐ領域のバンド構造図である。 ｎ型ＳＣＨ層とｐ型ＩｎＰ埋め込み層の界面を跨ぐバンド構造図である。 実施例２の半導体レーザ装置における図２と同様に視野による断面図である。 実施例２において、回折格子が有る断面を詳細に説明するための図である。 実施例２において、回折格子が無い断面を詳細に説明するための図である。 実施例２において、光軸方向に平行に切断した縦断面構造を示す図である。 埋め込み層付近のレーザ光に垂直な断面における、電子顕微鏡写真を表した図である。 実施例２の変形例として、埋め込み層を４層とした場合について示す断面図である。 実施例３の半導体レーザ装置における図２と同様に視野による断面図である。 実施例４の半導体レーザ装置における図２と同様に視野による断面図である。 実施例４の変形例として、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層のトンネル接合を活性層の下部に設けた場合について示す図である。 実施例５の半導体レーザ装置のパッシブ導波路集積型短共振器ＤＦＢレーザの一部断面について示す鳥瞰図である。 実施例６の半導体レーザ装置の半導体レーザと吸収型変調器を集積化したＥＡ−ＤＦＢレーザ装置について示す断面図である。
本発明の発明者が鋭意に検討した結果、新たなセルフアライン工法を開発し、エアリッジメサストライプ形状の直下に活性層を含む半導体層をメサ形状することに成功した。この工法に依ればエアリッジメサストライプの左右中心と活性層を含むメサ半導体層の左右中心を一致させることができる。さらに、我々はエアリッジメサストライプが上部に形成され絶縁膜で覆われた特殊なＳｉＯ2マスクにＡｌ系元素を有する多層膜を含むメサ形状を埋め込む場合にエアリッジストライプの下端両脇に絶縁膜の庇がないとＡｌ系元素を含む多層膜（以下Ａｌ系多層膜）が埋め込まれないことを初めて見出した。即ち、図４のように庇が無い場合にはＡｌ系多層膜の側壁に埋め込み層が成長しないのである。庇は上記のセルフアライン工程で中心をずらさずに作成できる。庇の存在により庇の下近傍の埋め込み層の成長を適切に抑制できるためＡｌ系多層膜の側壁にも成長するものと考えられる。さらに我々はこの埋め込み層成長の際、始めにＡｌ系多層膜より下の半導体層の側壁領域に始めに成長し、その後基板に対して平行に埋め込まれることを初めて見出した。従来構造では特許文献２のように成長の初期段階から活性層を含むすべての側壁についていた。
本発明のＢＨ半導体構造によりエアリッジストライプと活性層を含むメサ半導体層の左右中心を一致させることができるので光分布の非対称性や電流の非対称性によるビームステアリングが起こりにくく、安定に横モードが基底モードでストライプ内を導波する。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷを活性層とするＢＨレーザでそれほどしきい電流が低減できない理由としてＩｎＰ埋め込み層とＡｌ系多層膜がＴｙｐｅ−IIになっており、その界面にノッチが形成され２次元電子ガス状のチャネルができるため上下のクラッド間でリークが生じると推察した。本ＢＨ構造によりエアリッジメサストライプと埋め込み層はほとんど分離されているため、側壁からのリーク電流はほとんど無くしきい電流を大幅に低減することができる。さらに、本発明のＢＨ半導体構造によりエアリッジストライプの下に左右中心が一致して活性層があるため、エアリッジストライプの側壁の絶縁物により半導体との屈折率差が大きくなり通常のＢＨ構造に比べて光閉じ込め係数が大きくなる。この効果によりしきい電流の低減と緩和振動周波数の増大を実現することができる。
また、一般的にＢＨ構造において低容量化のためには埋め込み層は半絶縁性半導体層が必須であると考えられてきた。これは通常のｐｎ型ＢＨ構造では各所にできるｐｎ接合による容量が半導体レーザに並列に付いてしまうからである。本発明のＢＨ半導体構造では埋め込み層が片側の導電型に接触している面積が非常に小さいため埋め込み構造で形成されるｐｎ接合の容量を実効的に非常に小さくすることができる。埋め込み層に半絶縁性半導体を使用するよりｐ型半導体を使用するほうが活性層やＳＣＨ層からの電子のリークに対して良好になる。それはフェルミ準位の位置からｐ型半導体のほうが伝導帯側の障壁を大きくできるからである。埋め込み層と活性層やＳＣＨ層がType IIの場合でも界面に生じる２次元電子チャネルをｐ型半導体層のほうが小さくできる。
さらに本ＢＨ半導体構造により第２クラッド層に接する埋め込み層と第２クラッド層の上に位置するＡｌ系多層膜に接する層を明確に埋め分けることができるので従来にない理想的な埋め込み形状を形成できる。これにより良好な電流狭窄が実現できる。以上の効果により半導体レーザの特性としてしきい電流が低く、高温でもしきい電流の上昇が少ない、即ち温度特性の優れた、緩和振動周波数の高く、寄生容量が小さい半導体レーザを実現できる。また、ＭＱＷ活性層やその周りのＳＣＨ層等の側壁が半導体層で埋め込まれるため、それらの側壁界面での結晶欠陥が無い構造を提供できるため、通信用半導体レーザとして求められる長期にわたる信頼性を実現することができる。
以下、上述の検討によって得られた本発明の光半導体装置に係る実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１には、本発明の実施例１に係る光半導体装置である半導体レーザ装置２００が概略的に示されている。この図に示されるように、半導体レーザ装置２００は、直方体形状の対向する面に設けられた２つの電極に電圧を印加することにより、発振領域２０１からレーザ光２０２が発振される装置である。
図２は、図１のＡで示された断面における断面図であり、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する半導体レーザの光軸に垂直な断面の模式図である。この図に示されるように、半導体レーザ装置２００は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3で厚さは５００ｎｍの下部クラッド層のｎ型ＩｎＰバッファ層２と、ＭＱＷ下に配置されるドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが１００ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層３と、７周期で井戸層５．５ｎｍ、障壁層７ｎｍで１．３μｍ帯で発光する歪ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層４と、ドーピング濃度８×１０17ｃｍ-3で厚さが３０ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層５と、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが５０ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層６と、ドーピング濃度８×１０17ｃｍ-3で厚さが３０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層７と、上部クラッド層で高さ１．５μｍのエアリッジを形成するドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｐ型ＩｎＰクラッド層８と、ドーピング濃度３×１０17ｃｍ-3のp型ＩｎＰ埋め込み層９と、１０はＩｎＧａＡｓコンタクト層１０と、ＳｉＯ2絶縁膜１１と、ポリイミド等の有機絶縁膜１２と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成されているｐ型電極１３と、ＡｕＧｅ系をコンタクト電極とするｎ型電極１４とにより構成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層８のエアリッジの下端の幅は１．５μｍである。有機絶縁膜１２は低応力の絶縁膜であれば有機無機を問わない。以下の説明において、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層３、歪ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層４、及びｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層５を合わせて、単に「Ａｌ系半導体多層膜」又は「Ａｌ系多層膜」と参照される。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層７は、「導電型半導体層」と参照される。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層７は、ｐ型ＩｎＰクラッド層８とは異なる組成を有するｐ型半導体層である。
ここでエアリッジストライプに対して左右中心が一致するように活性層を含むＡｌ系多層膜をメサ形成するセルフアライン法を簡単に説明する。図３はエアリッジストライプ下のＡｌ系半導体多層膜をメサ形状に形成した直後のストライプ軸に垂直な断面の模式図である。図３において、埋め込み成長のためのＳｉＯ2マスク１５は、まずエアリッジストライプを形成するために使用したＳｉＯ2マスクに庇が形成されるように作製される。この形状は例えば、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０をウェットエッチすることで得られる。その後、ＨＣｌとＨ3ＰＯ4の混合液にて選択ウェットエッチを行い、ｐ型ＩｎＰクラッド層８をリッジストライプ状に形成する。この際、エッチストップ層７でエッチングは停止する。その後、熱ＣＶＤ等を用いてＳｉＯ2を再度成膜する。そして上部庇をマスクとしてドライエッチにてエッチストップ層７上のＳｉＯ2膜に庇に相当する領域を形成する。その後、ドライエッチやウェットエッチを使用してエッチストップ層７からｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層３と下部クラッドに相当するバッファ層２の一部までをエッチングする。エッチング深さは０．４５μｍである。その際、サイドエッチを導入することで図２のような庇をエアリッジストライプに対して左右対称に形成することができる。この工程では始めのＳｉＯ2マスク１５以外にはフォトリソグラフィ工程がないセルフアライン工程であるのでエアリッジに対して左右対称に形成できるのである。本実施例ではエッチストップ層７の幅はエアリッジ幅より少しだけ広い１．５２μｍである。また、エアリッジ下端からの庇の長さは０．４２μｍであった。
図３のメサ形状形成後にＭＯＣＶＤにてドーピング濃度３×１０17ｃｍ-3のｐ型ＩｎＰ埋め込み層９を埋め込む。埋め込む厚さは庇の高さ、即ちＡｌ系多層膜の側壁が十分埋め込まれ、さらにエッチストップ層まで達するまで埋め込む。
庇まで埋め込みが達すると庇の下に沿ってｐ型ＩｎＰ埋め込み層９が埋まるので成長後には少なくともメサ形状の最上部付近、つまり導電型半導体層の上端面付近で、埋め込み層９は横方向に延び、略同じ高さになる。この領域で通常は基板に対して平行になる。しかし、庇が薄く成長時に力を受けたり、熱膨張の関係で曲がったり、埋め込み時間が短かったりすれば並行にはならず、多少傾く。その望ましい範囲は下方向の角度をマイナスとすると−４５〜＋３０°である。
庇がないときには、図４に示されるように、埋め込み層９は、Ａｌ系半導体多層膜の側壁には成長せずＡｌが入っていない層で止まってしまい、そこから外側に向かって（１１１）Ｂ面が出る形状となった。これは上のエアリッジ形状のＳｉＯ2マスクからの原料ガスのマイグレーションが多く、成長しやすいＩｎＰ層、ここではｎ型ＩｎＰバッファ層２上が早く成長する。そして（１１１）Ｂ面が出るように成長してしまうとＡｌ系半導体多層膜の側壁は溝の中に入ったようになってしまい、原料ガス供給が少なくなり成長しないと考えられる。庇があることで成長しやすいｎ型ＩｎＰバッファ層２付近の成長が抑制されるため、Ａｌ系半導体多層膜の側壁も半導体が埋め込まれると考えられる。このような側壁にも半導体が埋め込まれる庇の長さは８０ｎｍ〜１．５μｍであった。また、詳細な検討からエッチング深さに関してはＡｌ系半導体多層膜の途中でエッチングを止めエッチング底面にＡｌ系半導体多層膜が露出している状態では埋め込み成長後の半導体表面のモホロジーが悪かった。少なくともエッチング深さとしてはＡｌ系半導体多層膜の最下部以下にエッチングする必要がある。望ましいエッチング深さの最大値はＡｌ系側壁が埋め込まれるという観点からＡｌ系半導体多層膜の最下部から２μｍであった。
尚、本実施例の埋め込み工程において埋め込み膜厚を大きくした場合には図５のように庇の外側で埋め込み層の最上部が上部クラッド層の最下部より高くなる。このような形状でもレーザの特性自体は変わらないことは言うまでもない。
本実施例では、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層９のドーピング濃度は３×１０17ｃｍ-3としたが、下部のｎ型ＩｎＰバッファ層２からの電流ブロック特性と活性層へのｐ型ドーパントの拡散等を考慮するとドーピング濃度は０．７×１０17から１．１×１０18ｃｍ-3が望ましい。
ここで従来のＢＨレーザとの違いについて比較する。図６は非特許文献３に記載されたものと同様なＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ活性層を有する半絶縁性半導体ＢＨレーザである。図６において、Ｆｅがドーピングされた半絶縁性半導体のＩｎＰ層２０、及びＳｉＯ2保護膜２１を除き、符号の意味は図２と同様である。図７には、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層３とＩｎＰ層２０の界面を跨ぐ領域のバンド構造図が示されている。図７は半導体レーザに電圧が印加され電流が流れている状態でのバンド構造図である。従ってそれぞれ点線でし示したＦｅ−ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層のフェルミレベルは一致せず、後者のほうが高くなる。バリア層やＳＣＨ層はバンドギャップが大きいものが選ばれるのでこの両者のバンド不連続はＴｙｐｅ−IIとなる。このような場合界面の伝導帯側にノッチ２０５ができてそれが電圧印加により深くなる。よってＦｅ−ＩｎＰは一般的には電子に対して半絶縁性を示すが、Ａｌ系半導体多層膜の界面ではこのノッチ２０５を通して電子がリークしp側に流れていくものと考えられる。ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷを活性層とする半絶縁性ＢＨレーザのしきい電流がそれほど低減しないのはこのような理由にあると考えられる。一方、本実施例では埋め込み層にｐ型ＩｎＰ層を適用している。この場合の先ほどのｎ型ＳＣＨ層と埋め込み層の界面を跨ぐバンド構造図は図８になる。図８は前述と同様に電圧が印加され電流が流れている状態である。ｐ−ＩｎＰのフェルミレベルが低い分、界面のノッチ２０７成分が小さくなるので界面を通って流れる電子は少なくなる。さらにエアリッジ形状の上部クラッドへ流れる電流のパスの幅が５〜７のｐ型層の側壁のみで非常に狭いのでリーク電流は非常に小さくなる。
また、従来のｐ型やｎ型半導体を使用して埋め込むＢＨレーザの場合、ｐｎ接合による寄生容量が大きいという問題があった。本実施例のレーザではその実効的な寄生容量は小さいことが判明した。即ち、図２において主な寄生容量はｎ型ＩｎＰバッファ層２とｐ型ＩｎＰ埋め込み層９との間にあるｐｎ接合である。しかし、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層９と５〜７の層の接触面積が狭いためここで等価的に大きな抵抗成分が生じる。そのため実効的な容量成分は小さくなる。さらに容量を小さくする場合にはエアリッジから数μｍ程度外側の場所にｐ型ＩｎＰ埋め込み層９からｎ型ＩｎＰバッファ層２まで貫くようにアイソレーション溝を形成すれば良い。
本実施例では埋め込み層にｐ−ＩｎＰを適用したが、半絶縁性ＩｎＰ、即ち、ＲｕやＦｅをドーピングしたＩｎＰを適用しても良い。我々はＲｕやＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰでも活性層等がＡｌを含む層の場合には庇が無いとメサ形状の側壁には半導体を埋め込むことができなかった。半絶縁性半導体を埋め込み層とする場合、上述のようにｐ−ＩｎＰ層で埋め込むよりリーク電流の観点では劣ると考えられる。しかし、エアリッジ形状の上部クラッドへ流れる電流のパスの幅が５〜７のｐ型層の側壁のみなので非常に狭く従来の半絶縁性半導体ＢＨレーザと比較して埋め込み層界面を介したリーク電流は小さいと考えられる。
本実施例ではエアリッジ下のメサ形状の最上部のメサ幅（ここではエッチストップ層７の幅）はエアリッジの下端幅よりも少し広い１．５２μｍとしたが幅はエアリッジの下端幅よりも狭くとも良い。狭い場合にはＩｎＰ埋め込み層９はｐ型ＩｎＰクラッド層８に接触し、リークパスに成り得る。しかし、その接触の幅が狭ければリーク電流は小さいと考えられる。リーク電流の観点から望ましいエアリッジ下のメサ形状の最上部のメサ幅はエアリッジ最下部のメサ幅に対して−０．５〜＋１．５μｍである。ここで最大値は電流が横方向に十分拡散しうる範囲とレーザ発振時の光分布が十分に届く範囲で決定される。さらに望ましい範囲は−０．３〜＋０．７μｍであり、この範囲ではリーク電流が小さく、最大値は光閉じ込め係数が大きくなる範囲である。
また、エアリッジ下端の幅はレーザ発振光の横モードが基底モードで発振する０．７〜２．５μｍが望ましい。光閉じ込め係数やレーザ素子の抵抗を考慮すると０．９〜１．８μｍがさらに望ましい。
本実施例ではＡｌ系活性層の脇が半導体で埋め込まれているので界面での結晶欠陥が非常に少なく長期信頼性が得られる。イオン注入による電流ブロック層形成では結晶欠陥が残留するため、光ファイバ通信用に要求される２０年の長期信頼性は実現することが困難である。
本発明の優れたリーク電流遮断特性を反映して共振器長２００μｍで前端面７０％、後端面９０％の素子は室温において、２５℃にて１．５ｍＡの低しきい電流を得ることができた。また、８５℃の高温においても３．８ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず６５Ｋと良好な値であった。
スロープ効率は２５℃、８５℃においてそれぞれ０．２８Ｗ／Ａ、０．２５Ｗ／Ａと良好であった。
また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆrの傾きは２５℃、８５℃においてそれぞれ３．４ＧＨｚ／ｍＡ1/2、３．２ＧＨｚ／ｍＡ1/2と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は３．２×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
実施例１における、ここまでの説明では、レーザの両端面に高反射膜を施したFabry-Perotレーザについて記述したが、ＤＦＢレーザにも適用することができる。回折格子は例えばエッチストップ層７を下部まで達しない領域まで彫り込んで形成する構成がある。この場合、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層７の厚さを８０ｎｍとして５０ｎｍの深さまで回折格子をドライエッチとウェットエッチを使用して彫り込む。本ＤＦＢレーザは共振器長２００μｍで前端面が０．１％以下の無反射コーティング、後端面が９０％の高反射コーティングを施し、後端面から６０μｍの位置にλ／４のシフトを設けた２００ｎｍ周期の回折格子を適用した。本ＤＦＢレーザのしきい電流は２５℃、８５℃においてそれぞれ１．７ｍＡ、４．５ｍＡの低しきい電流を得ることができた。特性温度は低いしきい電流にも拘らず６２Ｋと良好な値を得た。スロープ効率は２５℃、８５℃においてそれぞれ０．２５Ｗ／Ａ、０．２２Ｗ／Ａと良好であった。駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆrの傾きは２５℃、８５℃においてそれぞれ４．２ＧＨｚ／ｍＡ1/2、３．５ＧＨｚ／ｍＡ1/2と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は２．４×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。本例ではＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層に直接回折格子を形成したが、回折格子を彫り込む厚さの組成波長を変えて回折格子の結合係数を向上させても良い。また、回折格子を上部ＩｎＰクラッド層中に形成する所謂フローティング型回折格子を用いても同様の効果を得られる。
図９は、本発明の実施例２に係る光半導体装置である半導体レーザ装置３００について示す図であり、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振するＤＦＢ半導体レーザの光軸に垂直な断面の模式図である。この図に示されるように、半導体レーザ装置３００は、ｐ型ＩｎＰ基板７１と、ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3で厚さが２μｍの下部クラッド層であるｐ型ＩｎＰバッファ層７２と、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが５０ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層７３と、ＭＱＷ下に配置されるドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが５０ｎｍ、組成波長が０．９４μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層７４と、５周期で井戸層９ｎｍ、障壁層１０ｎｍで１．３μｍ帯で発光する歪ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層７５と、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが５０ｎｍ、組成波長が１．０〜１．１５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層７６と、エッチストップ層や回折格子層などのｎ型半導体多層膜７７と、上部クラッド層で高さ１．６μｍのエアリッジを形成するドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰクラッド層７８と、ＩｎＰ多層埋め込み層７９と、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８０と、ＳｉＯ2絶縁膜８１と、ポリイミド等の有機絶縁膜８２と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されているｎ型電極８３と、ＡｕＺｎ系をコンタクト電極とするｐ型電極８４とを有している。ここで、エアリッジの下端の幅は１．５μｍであり、有機絶縁膜８２は低応力の絶縁膜であれば有機無機を問わない。ここで、ｎ型半導体多層膜７７は、ｎ型ＩｎＰクラッド層７８とは異なる組成を有する、後述するエッチストップ層７７ａを含むｎ型半導体層である。
回折格子周りの多層構造と埋め込み層を詳細に説明したのが図１０Ａ及び１０Ｂである。図１０Ａは回折格子が有る断面図で、図１０Ｂが回折格子が無い断面図であり、図１０Ａと図１０Ｂとは２００ｎｍ周期（１００ｎｍ毎）で形成されている。図１０Ａ及び１０Ｂに示されるように、図９のｎ型半導体多層膜７７は、厚さ３０ｎｍでドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ、或いはＩｎＧａＡｌＡｓのエッチストップ層７７ａと、厚さ１０ｎｍでドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰスペーサ層７７ｂと、厚さ５０ｎｍでドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７７ｃとの３層で構成されている。本回折格子は所謂フローティング型回折格子であり、ＩｎＰ内にＩｎＧａＡｓＰ回折格子が浮いている構造である。即ち、エアリッジストライプの中心で光軸方向に平行に切断した縦断面構造は図１１のようになる。縦断面構造ではｎ型ＩｎＰスペーサ層７７ｂとｎ型ＩｎＰクラッド層７８はつながっており、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７７ｃがＩｎＰ層の中に浮いているような構造となる。図１０Ａ及び１０Ｂを比べると回折格子層７７ｃとスペーサ層７７ｂの分だけエアリッジストライプの底部の高さが違う。よってこのような構造で前述の庇を形成した場合、庇が光軸方向に平行な方向に波打つような構造となる。このような庇になっても埋め込み形状や特性は変わらない。
図９のＩｎＰ多層埋め込み層７９は、図１０Ａ及び１０Ｂに示されるように、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ７０ｎｍのｎ型ＩｎＰ埋め込み層７９ａと、ドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3で厚さ１５０ｎｍのＲｕドープＩｎＰ埋め込み層７９ｂと、ドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3で厚さ３００ｎｍのｐ型ＩｎＰ埋め込み層７９ｃとの３層で構成されている。図１０Ａ及び１０Ｂに示されるように、本実施例のＩｎＰ多層埋め込み層７９はｎ型ＩｎＰ埋め込み層７９ａ及びＲｕドープＩｎＰ埋め込み層７９ｂが、ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層７３より下に配置されていることが特徴である。我々は本発明の構造に関して埋め込み形状を詳細に検討した。図１２はその実験結果の一例であり、エアリッジストライプ方向に垂直な断面で観察した電子顕微鏡写真の埋め込み層部付近の拡大図である。本写真は実施例１のようなｎ型ＩｎＰ基板上に作製されたものであり、ｎ型ＩｎＰバッファ層９１と、ＩｎＧａＡｌＡｓ或いはＩｎＡｌＡｓで構成されたＡｌ系多層膜９２と、ｐ型ＩｎＰクラッド層９３と、ＳｉＯ2マスク９４とが示されている。本写真からは直接には判別しにくいが、埋め込み形状から分るようにエアリッジストライプの両下端外側に約３００ｎｍの庇が形成されている。埋め込み層９５は埋め込み形状が良く分るようにＩｎＰとＩｎＧａＡｓを周期的に多層化されている。図１２に示されるように、埋め込み層９５は、まず始めにＡｌ系多層膜９２の下端まで埋め込まれ、その後Ａｌ系多層膜の側壁をほぼ平坦に埋め込まれることが初めて分った。前述のように従来構造では特許文献２のように成長の初期段階から活性層を含むすべての側壁についていた。このような特徴的な成長過程から図１０Ａ及び１０Ｂのような埋め込み多層構成が可能となった。尚、本写真から分るようにセルフアライン工程を反映してエアリッジストライプに対して左右中心が一致してＡｌ系多層膜とその下部のＩｎＰ層がメサ形成されている。
また、Ａｌ系多層膜からはほぼ平坦に成長するのも本構造の特徴である。よって本実施例で７９ａのｎ型ＩｎＰ埋め込み層をＡｌ系層より下に配置し、７９ｂのＲｕドープＩｎＰ埋め込み層をＭＱＷ活性層より下のＡｌ系半導体膜まで配置し、その上を７９ｃのｐ型ＩｎＰ埋め込み層とする構成も容易かつ再現性良くできる。
本実施例の埋め込み多層構造によりｐ型ＩｎＰバッファ層から埋め込み層へ入ろうとする正孔はｎ型ＩｎＰ埋め込み層７９ａでブロックされ、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層７６とｎ型半導体多層膜７７のｎ型半導体層からの電子はｐ型ＩｎＰ埋め込み層でブロックされる。また高抵抗のＲｕドーピング層により埋め込み層で形成される寄生容量を実効的に低減することができるので低しきい電流と高速性を併せ持ったＤＦＢレーザを実現することが出来る。本実施例のＤＦＢレーザは前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、後端面には９５％の高反射コーティングを施した。共振器長は２００μｍであり、後端面から４０μｍの位置にλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。本素子は２５℃、８５℃のしきい電流がそれぞれ、１．６ｍＡ、４．２ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず６２Ｋと良好な値であった。
スロープ効率は２５℃、８５℃においてそれぞれ０．２２Ｗ／Ａ、０．１９Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆrの傾きは２５℃、８５℃においてそれぞれ５．２ＧＨｚ／ｍＡ1/2、４．１ＧＨｚ／ｍＡ1/2と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は１．９×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
本実施例では埋め込み層は３層であったが、Ａｌ系多層膜より下をｎ型ＩｎＰ埋め込み層とし、Ａｌ系多層膜の側壁をＲｕドープＩｎＰとしても良い。或いは、図１３のようにＡｌ系多層膜より下をｎ型ＩｎＰ埋め込み層７９ａと、ｐ型のＡｌ系多層膜の一部の側壁までをＲｕドープＩｎＰ埋め込み層７９ｂと、ＭＱＷ活性層を含むＡｌ系多層膜の側壁をｐ型ＩｎＰ埋め込み層７９ｃと、ｎ型の多層膜の一部の側壁をＲｕドープＩｎＰ埋め込み層７９ｄとで埋め込むの４層構成としても良い。また、本実施例では回折格子層はフローティング型回折格子を適用したが、実施例１のようにＩｎＧａＡｓＰエッチストップに連続して成長したＩｎＧａＡｓＰ層を回折格子としても良い。
図１４は、本発明の実施例３に係る光半導体装置である半導体レーザ装置４００について示す図であり、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振するＤＦＢ半導体レーザの光軸に垂直な断面の模式図である。本実施例は実施例２と似ており、ｐ型ＩｎＰ基板７１上に形成されたＤＦＢレーザである。違いは、ｎ型ＳＣＨ層９９がＩｎＧａＡｓＰで構成されていることである。ｎ型ＳＣＨ層９９をＩｎＧａＡｌＡｓではなくＩｎＧａＡｓＰにすることにより埋め込み層との界面のバンド構造が図７や図８に示されているＴｙｐｅ−IIではなく、Ｔｙｐｅ−ＩになるのでＳＣＨ層内の伝導帯側の電子が埋め込み層側にリークすることなく効率的に閉じ込められる。埋め込み層は実施例２で示されたいずれの埋め込み構造でも良くＴｙｐｅ−Ｉ構造により良好に電子が狭窄される。回折格子構造はフローティング構造、ＩｎＧａＡｓＰエッチストップに連続して成長したＩｎＧａＡｓＰ層を回折格子とした構造いずれでも良いことは言うまでもない。
本実施例のＤＦＢレーザは前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、後端面には９０％の高反射コーティングを施した。共振器長は２００μｍであり、後端面から３５μｍの位置にλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。本素子は２５℃、８５℃のしきい電流がそれぞれ、１．２ｍＡ、３．１ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず６３Ｋと良好な値であった。
スロープ効率は２５℃、８５℃においてそれぞれ０．２１Ｗ／Ａ、０．１８Ｗ／Ａと良好であった。
また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆrの傾きは２５℃、８５℃においてそれぞれ５．８ＧＨｚ／ｍＡ1/2、４．５ＧＨｚ／ｍＡ1/2と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は２．７×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
図１５は、本発明の実施例３に係る光半導体装置である半導体レーザ装置５００について示す図であり、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振するＤＦＢ半導体レーザの光軸に垂直な断面の模式図である。この図に示されるように、半導体レーザ装置５００は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に下部クラッド層であるドーピング濃度は１×１０18ｃｍ-3で厚さは５００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２と、ＭＱＷ下に配置されるドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが１００ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層３と、７周期で井戸層５．５ｎｍ、障壁層７ｎｍで１．３μｍ帯で発光する歪ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層４と、ドーピング濃度８×１０17ｃｍ-3で厚さが３０ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層５と、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さが１０〜５０ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層６と、１．５×１０18ｃｍ-3以上に高濃度ドーピングされた厚さ３０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層１００と、２×１０18ｃｍ-3以上に高濃度ドーピングされた上部の一部に高さ４０ｎｍの凹凸の回折格子が光軸方向に垂直（図１５の紙面に平行）に形成された厚さ８０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０１と、エアリッジ形状のｎ型ＩｎＰクラッド層７８と、ＩｎＰ多層埋め込み層１０２と、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８０と、ＳｉＯ２絶縁膜８１と、ポリイミド等の有機絶縁膜１２と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されているｎ型電極８３と、ＡｕＧｅ系をコンタクト電極とするｎ型電極１４とを有している。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層１００及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０１は、ｎ型ＩｎＰクラッド層７８とは異なる組成を有するｎ型半導体層である。
ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層１００とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０１とは、トンネル接合を形成しており、特に両者の界面付近で１０19ｃｍ-3台にドーピング濃度を上げることにより低い接合抵抗を実現できるため、エアリッジ部の上部クラッド層をｐ型層にするより素子全体の抵抗を下げることができる。それにより抵抗とパッド等の寄生容量で発生するＲＣ時定数を小さくすることができ、さらに電流注入時の発熱を抑えることができる。ここで、エアリッジの下端の幅は１．５μｍであり、有機絶縁膜８２は低応力の絶縁膜であれば有機無機を問わない。
ＩｎＰ多層埋め込み層１０２は、厚さ１００ｎｍのＲｕドープの半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０２ａと、ドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3で厚さ２００ｎｍのｐ型ＩｎＰ埋め込み層１０２ｂと、厚さ１００ｎｍでＲｕドープの半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０２ｃとの３層で構成されている。
本実施例ではトンネル接合領域の幅をＲｕ−ＩｎＰ埋め込み層で狭窄しているため良好なトンネル接合特性が得られ、素子抵抗が小さな半導体レーザを実現することが可能である。本実施例のＤＦＢレーザは前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、後端面には９５％の高反射コーティングを施した。共振器長は２００μｍであり、後端面から３５μｍの位置にλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。本素子は２５℃、８５℃のしきい電流がそれぞれ、１．４ｍＡ、４ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず５７Ｋと良好な値であった。スロープ効率は２５℃、８５℃においてそれぞれ０．２０Ｗ／Ａ、０．１６Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆrの傾きは２５℃、８５℃においてそれぞれ５．４ＧＨｚ／ｍＡ1/2、４．３ＧＨｚ／ｍＡ1/2と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は１．２×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
尚、本実施例のトンネル接合の一部或いは全体をエアリッジ内に入れても同様の効果が得られる。また、本実施例ではトンネル接合のｎ型層と回折格子層が兼用の層になっていたが、別にしてフローティング型の回折格子構造を採用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、トンネル接合のｐ型層はＩｎＧａＡｌＡｓを用いたがＩｎＧａＡｌＡｓＳｂを用いるとトンネル接合のＴｙｐｅ−II接合バンド不連続が大きくなり良好なトンネル特性が得られる。
また、本実施例では活性層の上部にトンネル接合を設けたが、図１６のようにｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層１００、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０１のトンネル接合を活性層の下部に設ける構造でも良い。この場合、トンネル接合層より上のメサ形状の部分は図１６のように実施例３の構成、或いは実施例２の構成にすれば良い。また、トンネル接合層の側壁は図１６のようにＲｕドープＩｎＰ層１０２ａで埋め込み、それより上の層はｐ型ＩｎＰ層１０２ｂで埋め込めばよい。
図１７は、本発明の実施例５に係る光半導体装置である半導体レーザ装置６００のパッシブ導波路集積型短共振器ＤＦＢレーザの鳥瞰図であり、内部構造が分るようにレーザストライプの中心から半分の一部を切り欠きして図示している。図１７に示されるように、半導体レーザ装置６００は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、でドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3で厚さが５００ｎｍである下部クラッド層のｎ型ＩｎＰバッファ層２と、ＭＱＷ層とその両脇に設置されたＳＣＨ層、電子ストップ層等を含むＡｌを含む半導体多層膜であり、例えは実施例１の符号３から６に相当する半導体多層膜１０３と、ドーピング濃度８×１０17ｃｍ-3で厚さが８０ｎｍであり、上方に高さ５０ｎｍの回折格子の凹凸が形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層兼回折格子層１０４と、上部クラッド層で高さ１．５μｍのエアリッジを形成するドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｐ型ＩｎＰクラッド層８と、ドーピング濃度３×１０17ｃｍ-3であり、エアリッジの外側の両脇４μｍのところにアイソレーション用溝が形成されたｐ−ＩｎＰ埋め込み層９と、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０と、ＳｉＯ2絶縁膜１１と、ポリイミド等の有機絶縁膜１２と、ｐ型電極１３と、ｎ型電極１４とを有している。なお、エアリッジの下端の幅は１．４μｍであり、有機絶縁膜１２は低応力の絶縁膜であれば有機無機を問わない。また、上述のアイソレーション用溝は高速化のためにさらなる容量低減を目的として形成されている。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層兼回折格子層１０４は、ｐ型ＩｎＰクラッド層８とは異なる組成を有するｐ型半導体層である。
アンドープのＩｎＧａＡｓＰパッシブ導波路１０５が形成されている端面には無反射コーティング膜が形成され、その反対側のＡｌを含む半導体多層膜１０３が形成されいる方の端面には高反射コーティング膜が形成されている。素子の形成方法としては半導体多層膜１０３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層兼回折格子層１０４までの半導体層を結晶成長し、パッシブ導波路１０５を結晶成長する。その後、回折格子を形成し、ｐ−ＩｎＰクラッド層８とＩｎＧａＡｓコンタクト層１０を結晶成長する。その後、実施例１で述べた方法と同様にエアリッジストライプを形成してからセルフアライン形成でＳｉＯ2の庇を形成しエアリッジ両脇の半導体層をエッチング後にｐ型ＩｎＰ埋め込み層９を結晶成長して埋め込む。ＩｎＧａＡｓＰパッシブ導波路１０５があっても実施例１と同様な埋め込み型エアリッジストライプ構造が形成できる。本実施例の構造では活性層の長さＬcを短くすることができるので（１）式から分るように緩和振動周波数を増大させることができる。従って高速動作が可能となる。
本実施例では活性層の長さは１００μｍであり、ＩｎＧａＡｓＰパッシブ導波路１０５を含めた前後端面間の長さは２００μｍである。また後端面から２０μｍの位置にλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。本素子は２５℃、８５℃のしきい電流がそれぞれ、１．１ｍＡ，２．９ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず６２Ｋと良好な値であった。スロープ効率は２５℃、８５℃においてそれぞれ０．２６Ｗ／Ａ、０．２０Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆｒの傾きは２５℃、８５℃においてそれぞれ６．２ＧＨｚ／ｍＡ1/2、４．５ＧＨｚ／ｍＡ1/2と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は１．７×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
本実施例ではｎ−ＩｎＰ基板上に形成した導波路集積型短共振器ＤＦＢレーザについて記したが、実施例２、３のようにｐ−ＩｎＰ基板上に形成した導波路集積型短共振器ＤＦＢレーザも同様に作製できることは言うまでもない。また、本実施例では埋め込み層はｐ−ＩｎＰ層であったが、ＲｕやＦｅをドープした半絶縁性ＩｎＰ層を埋め込んでも良く、また、異なる導電型や半絶縁性のＩｎＰ層の多層構造でも良いことは言うまでもない。さらに、実施例４のようにトンネル接合を用いても形成しても良好な効果を得ることができ、回折格子層はフローティング型を用いても同様の効果を得ることができる。
図１８は、本発明の実施例５に係る光半導体装置である半導体レーザと吸収型変調器を集積化したＥＡ−ＤＦＢレーザ装置７００であり、エアリッジストライプの中心部を光軸方向に平行に切断した縦断面図である。図１８に示されるように、ＥＡ−ＤＦＢレーザ装置７００は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3で厚さが８００ｎｍである下部クラッド層のｎ型ＩｎＰバッファ層２と、ＭＱＷ層とその両脇に設置されたＳＣＨ層、電子ストップ層等を含むＡｌを含む半導体多層膜であり、例えは実施例１の３から６に相当する半導体多層膜１０３と、ドーピング濃度８×１０１７ｃｍ-3で厚さが３０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ或いはＩｎＧａＡｌＡｓのエッチストップ層１０６と、フローティング型のＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１０８と、上部クラッド層で高さ１．６μｍのエアリッジを形成するドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3のｐ型ＩｎＰクラッド層８と、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０と、ＳｉＯ２絶縁膜１１とレーザ領域のｐ型電極１３と、ｎ型電極１４と、アンドープのＩｎＧａＡｓＰパッシブ導波路１０５と、ＩｎＧａＡｌＡｓのＭＱＷがＳＣＨ層に挟まれたＡｌを含む半導体多層膜の吸収型変調器１０７と、無反射コーティング膜１１１と、高反射コーティング膜１１２と、吸収型変調器のｐ型電極１０９と、レーザ部と変調器部を電気的に絶縁領域であり、上部クラッド層８にプロトンをイオン注入した領域１１３を有している。ここで、ＩｎＧａＡｌＡｓのエッチストップ層１０６は、ｐ型ＩｎＰクラッド層８とは異なる組成を有するｐ型半導体層である。
鳥瞰図としては実施例５の図１７と類似の構造となり、上部クラッド層８がエアリッジストライプ形状となり、エアリッジストライプの直下の吸収型変調器、パッシブ導波路層、及びレーザ部のみが残り、それらの両脇が図１７のようにＩｎＰ層で埋め込まれる。但し、実施例５ではｐ型ＩｎＰ層で埋め込んでいたのに対して本実施例ではＲｕをドープした半絶縁性ＩｎＰで埋め込んでいる。吸収型変調器は逆バイアスをかけて使用するためである。吸収型変調器を埋め込み構造にすることにより変調器のＭＱＷに掛かる実効的な電界成分の損失が小さくなり、また、光閉じ込め係数が従来のＢＨ構造に比べて大きいため、非常に効率の良い吸収型変調器となっている。
本実施例のＥＡ−ＤＦＢレーザはしきい電流が２５℃で４ｍＡ、８５℃で８ｍＡとＥＡ−ＤＦＢレーザ部としは非常に小さく、ＥＡ部の光閉じ込め係数の向上と実効電界の向上により０．８Ｖppの駆動電圧にて遮断周波数５７ＧＨｚの良好な吸収型変調器を実現することができた。０℃から８５℃の温度範囲で０．８Ｖpp動作にて５０Ｇｂ／ｓで消光比８．７ｄＢの良好な動作を得ることが出来た。また１０Ｇｂ／ｓの１．２Ｖpp動作では８０ｋｍの光ファイバ伝送でパワーペナルティ１．２ｄＢをビットエラーレート１０-13まで得ることができた。また、レーザ部の信頼性は２．７××１０5時間であり、吸収型変調器部の信頼性は４．７×１０5時間であり、非常に高い信頼性を得ることができた。
尚、本実施例ではｎ−ＩｎＰ基板上に形成したＥＡ−ＤＦＢレーザについて記したが、実施例２、３のようにｐ−ＩｎＰ基板上に形成したＥＡ−ＤＦＢレーザも同様に作製できることは言うまでもない。また、また、本実施例では埋め込み層はＲｕをドープした半絶縁性ＩｎＰ層であったが、Ｆｅをドープした半絶縁性ＩｎＰ層を埋め込んでも良く、また、異なる導電型や半絶縁性のＩｎＰ層の多層構造でも良いことは言うまでもない。さらに、実施例４のようにトンネル接合を用いても形成しても良好な効果を得ることができ、回折格子層はフローティング型ではなくエッチストップ層と兼用し上部の一部に回折格子を形成しても同様の効果を得ることができる。
尚、本発明のすべての実施例においてエアリッジメサストライプ形状の直下の活性層を含むＡｌを含む半導体層をメサ形状に形成する際に、さらに下のＩｎＰ層も同時にエッチングしていたが、Ａｌを含む半導体層までをエッチングする形状にしても同様の効果を得ることができる。
１ ｎ型ＩｎＰ基板
２ ｎ型ＩｎＰバッファ層（下部クラッド層）
３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層
４ ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層
５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層
６ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層
７ エッチストップ層
８ ｐ型ＩｎＰクラッド層（上部クラッド層）
９ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１０ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１ ＳｉＯ2絶縁膜
１２ ポリイミド等の有機絶縁膜、或いは低応力無機絶縁膜
１３ Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されているｐ型電極
１４ ＡｕＧｅ系をコンタクト電極ｎ型電極
１５ ＳｉＯ2マスク
２０ Ｆｅ−ＩｎＰ埋め込み層
２１ ＳｉＯ2保護膜
７１ ｐ型ＩｎＰ基板
７２ ｐ型ＩｎＰバッファ層（下部クラッド層）
７３ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層
７４ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層
７５ ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層
７６ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層
７７ ｎ型半導体多層膜
７７ａ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ或いはＩｎＧａＡｌＡｓエッチストップ層
７７ｂ ｎ型ＩｎＰスペーサ層
７７ｃ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
７８ ｎ型ＩｎＰクラッド層（上部クラッド層）
７９ ＩｎＰ多層埋め込み層
７９ａ ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
７９ｂ ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層
７９ｃ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
７９ｄ ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層
８０ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８１ ＳｉＯ2絶縁膜
８２ ポリイミド等の有機絶縁膜、或いは低応力無機絶縁膜
８３ ｎ型電極
８４ ｐ型電極
９１ ｎ型ＩｎＰバッファ層
９２ ＩｎＧａＡｌＡｓ 或いはＩｎＡｌＡｓの多層膜
９３ ｐ型ＩｎＰクラッド層
９４ ＳｉＯ2マスク
９５ 埋め込み層
９９ ｎ型ＳＣＨ層
１００ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ層
１０１ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１０２ａ ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層
１０２ｂ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１０２ｃ ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層
１０３ 半導体多層膜
１０４ ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層兼回折格子層
１０５ パッシブ導波路
１０６ エッチストップ層
１０７ 吸収型変調器
１０８ フローティング型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
１０９ 電界吸収型変調器用ｐ型電極
１１１ 無反射コーティング膜
１１２ 高反射コーティング膜
１１３ プロトンイオン注入領域
２００ 半導体レーザ装置
２０１ 発振領域
２０２ レーザ光

Claims (8)

  1. ＩｎＰ半導体基板に形成された光半導体装置であって、
    第１導電型でエアリッジ状の第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の前記ＩｎＰ半導体基板側である下層側に配置され、前記第１クラッド層とは異なる組成を有する層を少なくとも１層含む第１導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層の前記下層側に配置され、Ａｌ元素を有する半導体層が複数重ねられた多層膜であり、量子井戸活性層を有するＡｌ系半導体多層膜と、
    前記Ａｌ系半導体多層膜の前記下層側に配置され、第２導電型からなる第２クラッド層と、
    前記第１導電型半導体層及び前記Ａｌ系半導体多層膜が形成する２つの対向する共通の側壁に接する少なくとも１層以上の埋め込み半導体層と、を備え、
    前記埋め込み半導体層の上層側の端面は、前記第１導電型半導体層の上層側端面と略同じ高さの面を有し、下層側は少なくとも前記Ａｌ系半導体多層膜を覆うように延びている、ことを特徴とする光半導体装置。
  2. 請求項１に記載の光半導体装置であって、
    前記側壁に挟まれた前記第１導電型半導体層及び前記Ａｌ系半導体多層膜が形成する形状の中心軸は、前記第１クラッド層の形状の中心軸となっている、ことを特徴とする光半導体装置。
  3. 請求項１又は２に記載の光半導体装置であって、
    前記埋め込み層の下層側に形成され、前記共通の側壁とは離間して形成される、少なくとも１層以上の下層側埋め込み層と、を更に備える、ことを特徴とする光半導体装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体装置であって、
    前記Ａｌ系半導体多層膜は、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰ層からなるＳＣＨ層を有している、
    ことを特徴とする光半導体装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光半導体装置であって、
    前記埋め込み層がｐ型半導体である、或いはドーパントとしてＲｕがドーピングされている、ことを特徴とする光半導体装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光半導体装置であって、
    前記第１導電型半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓを含んでいる、ことを特徴とした光半導体装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体装置であって、
    前記埋め込み半導体層の上層側及び前記第１クラッド層の側面に設けられた酸化膜と、
    前記酸化膜の上層側で前記第１クラッド層の側面を覆うように設けられた有機絶縁膜又は低応力無機絶縁膜と、を更に備える、ことを特徴とする光半導体装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光半導体装置であって、
    前記共通の側壁間の距離により定められる前記第１導電型半導体層の幅、前記Ａｌ系半導体多層膜の幅、及び前記第１クラッド層の幅は略同じである、ことを特徴とする光半導体装置。
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