JP6807691B2 - 半導体光素子、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光素子、及びその製造方法に関する。

ＩｎＰ基板上に、ｎ型半導体層と、光吸収層と、ｐ型半導体層とが順に積層される半導体光素子が一般に用いられている。かかる光吸収層は、意図的に不純物を添加（ドープ）しない真性層（intrinsic層：以下、ｉ層）である。なお、アンドープ層ともいう。かかる半導体光素子は、光吸収層をｐ型半導体層とｎ型半導体層とで鋏む、いわゆるｐｉｎ構造を有しているのが一般的である。近年、かかる半導体光素子の素子特性向上が求められている。

特許３３８４４４７号 特開平３−２７０１８６号公報 特開平６−４５６９８号公報 特開平１０−３２１９０３号公報 特開２００６−１２８４０５号公報

ジャーナルオブアプライドフィジックス，６６巻，６０５頁，１９８９年。

ｐｎ接合で発生する電界により、ｉ層部で発生するキャリアをより速く移動させるためには、光吸収層に印加される電界はより大きく、かつより均一であるのが望ましい。しかしながら、ｐ型半導体層に添加（ドープ）されるｐ型不純物（ドーパント）が多量に光吸収層へ拡散する場合に、半導体光素子に電圧を印加すれば、光吸収層に印加される電界強度がより不均一となってしまう。それゆえ、半導体光素子の素子特性が劣化するという問題が生じてしまう。

従来、ｐ型半導体層から光吸収層へのｐ型不純物の拡散を抑制する試みがなされている。引用文献１に、光吸収層の上部に配置される第１の上部クラッド層と第２の上部クラッド層との間に、不純物拡散防止層を設ける構造を有する電界吸収型光変調器が開示されている。かかる不純物拡散防止層がｐ型半導体層から光吸収層へのｐ型不純物の拡散を抑制している。

また、半導体光素子の素子特性向上には、素子の抵抗や容量を低減させるのが有効である。素子の抵抗低減の観点では、特に抵抗が高くなるｐ型半導体層のｐ型不純物濃度を増大させることが考えられる。しかしながら、ｐ型半導体層のｐ型不純物濃度を増大させると、ｐ型半導体層からｐ型不純物の光吸収層への拡散が増大する場合が発生し、半導体光素子の素子特性を劣化させてしまう。それゆえ、ｐ型不純物の拡散の影響を抑制する技術の開発が望まれる。

発明者らは、上記課題に鑑みて、ｐｉｎ構造を有する半導体光素子におけるｐ型不純物の振る舞いについて、詳細に検討し、その結果、以下の知見を得ている。製造工程において、ＩｎＰ基板上に、ｎ型半導体層、光吸収層、ｐ型半導体層と、順に積層している。そして、前述の通り、素子作製後のｐ型不純物の濃度プロファイルを調べると、ｐ型半導体のｐ型不純物は、光吸収層へ拡散し、さらに、ｎ型半導体層へも拡散していることが分かる。しかしながら、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、光吸収層とｎ型半導体層との界面付近にピークを有している。

本発明は、上記課題に鑑みて、かかる知見に基づいてなされたものであり、本発明は、ｐ型半導体層に添加されるｐ型不純物が光吸収層へ拡散してもなお、光吸収層におけるｐ型不純物の濃度が抑制される半導体光素子及びその製造方法の提供を目的とする。

（１）本発明に係る半導体光素子は、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の上面に接して配置され、積層方向に沿って少なくとも一部はｎ型不純物が添加される、第１半導体層と、前記第１半導体層の上面に接して配置される、光吸収層と、前記光吸収層の上面に接して配置され、積層方向に沿って少なくとも一部はｐ型不純物が添加される、第２半導体層と、を備え、前記第１半導体層において、前記ＩｎＰ基板との界面である第１界面におけるｎ型不純物濃度は、前記光吸収層との界面である第２界面におけるｎ型不純物濃度より高く、前記第１半導体層は、前記第１界面のｎ型不純物濃度より低く、前記第２界面のｎ型不純物濃度よりもｎ型不純物濃度が高い部分を含み、前記第２界面におけるｐ型不純物濃度と比較して、前記第１半導体層は、より高いｐ型不純物濃度となる部分を含む。

（２）上記（１）に記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、単調減少又は等しく変化してもよい。

（３）上記（２）に記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の少なくとも一部において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、階段状に減少してもよい。

（４）上記（２）に記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の少なくとも一部において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、連続的に単調減少してもよい。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の前記第２界面におけるｎ型不純物濃度は、ｎ型不純物が意図的に添加されていない濃度であってもよい。

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の前記第１界面におけるｎ型不純物濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上であってもよい。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第２半導体層に添加されるｐ型不純物は、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎからなる群より選択される１又は複数であり、前記第１半導体層におけるｐ型不純物は、前記第２半導体層に添加されるｐ型不純物と同一であってもよい。

（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記光吸収層は、２以上の井戸層を含む量子多重井戸層であり、前記光吸収層の前記第２界面の側は、前記量子多重井戸層に含まれる前記井戸層のうち、前記ＩｎＰ基板側に最も近くに配置される前記井戸層であり、前記光吸収層の前記第２半導体層との界面である第３界面の側は、前記量子多重井戸層に含まれる前記井戸層のうち、前記ＩｎＰ基板側配置される井戸層から最も遠く配置される前記井戸層であり、電界吸収型光変調器として機能してもよい。

（９）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子であって、ホトダイオードとして機能してもよい。

（１０）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、ＩｎＰ基板の上面に、積層方向に沿って少なくとも一部にｎ型不純物を添加して、第１半導体層を積層する、第１半導体層積層工程と、前記第１半導体層の上面に、光吸収層を積層する、光吸収層積層工程と、と、前記光吸収層の上面に、積層方向に沿って少なくとも一部にｐ型不純物を添加して、第２半導体層を積層する、第２半導体層積層工程と、を備え、前記第１半導体層積層工程において、前記ＩｎＰ基板との界面である第１界面から前記光吸収層との界面である第２界面へ、ｎ型不純物を、単調減少又は等しくなるよう添加し、前記第１半導体層の一部において、前記第１界面に添加するｎ型不純物より少なく、前記第２界面に添加するｎ型不純物よりも多い、前記ｎ型不純物を添加する、ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法であってもよい。

（１１）上記（１０）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１半導体層積層工程において、前記第１半導体層の少なくとも一部に、前記前記第１界面から前記第２界面へ、前記ｎ型不純物を階段状に減少するよう添加してもよい。

（１２）上記（１０）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１半導体層積層工程において、前記第１半導体層の少なくとも一部に、前記前記第１界面から前記第２界面へ、前記ｎ型不純物を連続的に単調減少するよう添加されていてもよい。

（１３）上記（１０）乃至（１２）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１半導体層積層工程において、前記第２界面の部分に、ｎ型不純物を添加しなくてもよい。

本発明により、ｐ型半導体層に添加されるｐ型不純物が光吸収層へ拡散してもなお、光吸収層におけるｐ型不純物の濃度が抑制される半導体光素子及びその製造方法が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザの斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザの光変調器部の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザの光変調器部のバンド及び原子濃度を示す概略図である。 本発明にかかる不純物の濃度プロファイルを示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザの光変調器部の構造を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザの光変調器部のバンド及び原子濃度を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザの光変調器部のバンド及び原子濃度を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態に係るＰＩＮホトダイオードの断面図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の斜視図である。半導体光変調器集積レーザ１の構造を説明するために、光導波路の中心を貫く延伸方向と基板の積層方向とを含む断面と、該延伸方向に垂直な方向と該積層方向とを含む断面とを示すよう、一部が仮想的に取り除かれている。

図１に示す通り、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１は、光変調器部２と、レーザ部３と、光変調器部２とレーザ部３とを光学的に接続する光導波路部４と、を備えている。光変調器部２は電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器）として機能し、レーザ部３は分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザとして機能する。レーザ部３は、連続光を出射する光源であれば、ＤＦＢレーザに限定されることはなく、他のレーザであってもよい。

半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２は、ｎ型ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＰ基板１１の上面に接して配置され、積層方向に沿って少なくとも一部はｎ型不純物が添加される、第１半導体層１２と、第１半導体層１２の上面に接して配置される、光吸収層１３と、光吸収層１３の上面に接して配置され、積層方向に沿って少なくとも一部はｐ型不純物が添加される、第２半導体層１４と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５と、パッシベーション膜１６と、上部電極１７と、を含んでいる。ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面全体に、下部電極１８が配置されている。

半導体光変調器集積レーザ１のレーザ部３は、ｎ型ＩｎＰ基板１１と、第１半導体層１２と、レーザ部多重量子井戸層２１と、内部に回折格子層２２を含む第２半導体層１４と、レーザ部ｐ型コンタクト層２４と、パッシベーション膜１６と、レーザ部上部電極２５と、を含んでいる。半導体光変調器集積レーザ１の光導波路部４は、ｎ型ＩｎＰ基板１１と、第１半導体層１２と、導波路層２０と、第２半導体層１４と、を含んでいる。当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１は、光変調器部２の第１半導体層１２に添加するｎ型不純物（ドーパント）に特徴があり、レーザ部３及び光導波路部４の構成は、公知の構成から適切に選択すればよい。

半導体光変調器集積レーザ１は、メサストライプ構造を有し、メサストライプ構造の両側をＦｅドープＩｎＰ埋め込み層２６で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）を有している。パッシベーション膜１６は、光変調器部２とレーザ部３各々の上側電極とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５との接触部分を除き、半導体光変調器集積レーザ１の上面全体に配置される。

図２は、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２の構造を示す図であり、図１に示す領域Ａを模式的に表したものである。前述の通り、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、第１半導体層１２と、光吸収層１３と、第２半導体層１４と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５とが、順に接して配置される。図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、（高濃度の）ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１（ｎ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚５０ｎｍ）と、ｎ型光ガイド層１０２と、多重量子井戸層１０３と、ｐ型光ガイド層１０６と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７（ｐ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚２０００ｎｍ）と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５（ｐ型濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、膜厚３００ｎｍ）とが、順に接して配置される。多重量子井戸層１０３は、意図的に不純物が添加されていないｉ層であり、２以上の井戸層１０４と、障壁層１０５と、が交互に重ねて繰り返される多重量子井戸層である。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５に添加されるｐ型不純物は、亜鉛（Ｚｎ）である。ここで、多重量子井戸層１０３の井戸層１０４及び障壁層１０５はＩｎＧａＡｓＰ系半導体層によって構成され、多重量子井戸層１０３の上下にそれぞれ配置されるｐ型光ガイド層１０６及びｎ型光ガイド層１０２も、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体層によって構成される。

当該実施形態に係る光吸収層１３は、光導波路を透過する光を吸収する半導体層であり、本明細書において、光吸収層が多重量子井戸層である場合に、光吸収層は、多重量子井戸層に含まれる２以上の井戸層のうち、最下層に位置する井戸層（基板側に最も近くに配置される井戸層）から最上層に位置する井戸層（基板から最も遠くに配置される井戸層）と定義する。その定義により、当該実施形態に係る第１半導体層１２は、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１と、ｎ型光ガイド層１０２と、最下層に位置する障壁層１０５（アンドープ、膜厚１０ｎｍ）と、によって構成される。すなわち、第１半導体層１２の一部であるｎ型ＩｎＰクラッド層１０１及びｎ型光ガイド層１０２は、ｎ型不純物が添加されており、障壁層１０５はｉ層である。ｎ型光ガイド層１０２は、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（ｎ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍ）と、低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（アンドープ、膜厚１００ｎｍ）と、がｎ型ＩｎＰ基板１１から離れる方向へ順に積層され構成される。なお、当該実施形態において、ｎ型不純物はシリコン（Ｓｉ）である。

また、当該実施形態に係る第２半導体層１４は、最上層に位置する障壁層１０５と、ｐ型光ガイド層１０６と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７と、が順に積層され構成される。すなわち、第２半導体層１４の一部であるｐ型光ガイド層１０６及びｐ型ＩｎＰクラッド層１０７はｐ型不純物が添加されており、障壁層１０５はｉ層である。なお、当該実施形態に係る第２半導体層１４に添加（ドープ）するｐ型不純物（ドーパント）は亜鉛（Ｚｎ）である。

図３は、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２のバンド及び原子濃度を示す概略図である。横軸ｘは、図２に矢印で示す、光吸収層１３の途中から下方へｎ型ＩｎＰ基板１１の上部に至るまでの位置であり、図３は、それぞれの位置におけるバンドエネルギー（上図）と原子濃度プロファイル（下図）とを、示している。図３の下図は、ｎ型不純物及びｐ型不純物（ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパント）の原子濃度プロファイルを、実線及び破線で、それぞれ示している。図３の上図に示す通り、光吸収層１３において、障壁層１０５のバンドエネルギーが井戸層１０４より高く、障壁層として機能している。第１半導体層１２において、下方から上方にかけて、バンドエネルギーは段階的に低くなっている。すなわち、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１のバンドエネルギーはｎ型ＩｎＰ基板１１のバンドエネルギーと等しく、ｎ型光ガイド層１０２のバンドエネルギーはより低く、障壁層１０５のバンドエネルギーは、さらに低くなっている。

ｎ型不純物（ドーパント）の濃度プロファイルは、図３の下図にｎ型濃度（濃度は任意）として示されており、設計とほぼ同じプロファイルとなっており、ｎ型ＩｎＰ基板１１のｎ型濃度が最も高く、第１半導体層１２において、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がそれより低く、低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層及び障壁層１０５は、バックグラウンドレベルとほぼ等しい程度まで低くなっている。第１半導体層１２よりｎ型不純物は光吸収層１３へほとんど拡散しないので、光吸収層１３のｎ型濃度はバックグラウンドレベルとほぼ等しい程度まで低くなっている。ｎ型不純物がかかる濃度プロファイルとなっていることにより、図３の下図に示す通り、ｐ型不純物（ドーパント）の濃度プロファイルは、第１半導体層１２において、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層の界面又はその近傍で、ピークを有している。光吸収層１３において、図３の下図はあくまで概略図であるが、ｐ型濃度プロファイルはバックグラウンドレベルに近い程度まで低くなっている。

ここで、ｎ型ＩｎＰ基板１１と第１半導体層１２との界面を第１界面、第１半導体層１２と光吸収層１３との界面を第２界面、光吸収層１３と第２半導体層１４との界面を第３界面と、それぞれ定義する。

当該実施形態に係る第１半導体層１２において、第１界面（ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１の第１界面に接する部分）におけるｎ型不純物濃度は、第２界面（障壁層１０５の第２界面に接する部分）におけるｎ型不純物濃度より高く、第１半導体層１２は、第１界面のｎ型不純物濃度より低く、第２界面のｎ型不純物濃度より高い部分を含む。ここでは、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層の界面（及び／又はその近傍）がそれに該当する。当該実施形態において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って第１界面から第２界面へ（上向きに）、単調減少又は等しく変化しており、特に、当該実施形態は、第１半導体層１２において階段状に減少している。よって、当該実施形態は、第１半導体層１２の少なくとも一部において、階段状に減少する場合となっている。当該実施形態に係る第１半導体層１２のように、第１界面から第２界面に亘って、階段状に減少するのがさらに望ましい。第１半導体層１２の第２界面は、アンドープの障壁層１０５である。よって、第２界面の上下において、ｎ型不純物濃度は実質的に一致するので、第１半導体層１２の第２界面におけるｎ型不純物はｎ型不純物が意図的に添加されていない濃度であるのが、さらに望ましく、当該実施形態では、アンドープの障壁層１０５が配置されている。なお、本明細書において、単調減少は、階段状における段差部分の急激な減少を含んでいる。実際の濃度プロファイルにおいて、かかる段差部分では微分係数の絶対値は非常に大きな値を持つが無限大には発散しないからである。

第２半導体層１４に含まれるｐ型不純物（ドーパント）が、光吸収層１３へ拡散し、さらに第１半導体層１２へ拡散する。当該実施形態では、ｎ型ＩｎＰ基板１１へのｐ型不純物の拡散はほとんどなくバックグラウンドレベルであり、第１半導体層１２において、ｐ型不純物濃度は、積層方向に沿って第１界面から第２界面へ（上向きに）、第１界面におけるバックグラウンドレベルから徐々に増加し、ピーク値に達し、その後、徐々に減少し、第２界面におけるバックグラウンドレベルに達している。当該実施形態では、光吸収層１３のｐ型不純物濃度の平均濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３である。

第２界面又はその近傍でｐ型不純物濃度はピークを形成せず、第１半導体層１２の内部、第２界面よりも下方（ｎ型ＩｎＰ基板１１側）において、ｐ型不純物濃度はピークを形成する。よって、第２界面におけるｐ型不純物濃度と比較して、第１半導体層１２は、より高いｐ型不純物濃度となる部分を含んでいる。ｐ型不純物濃度のピークが第２界面より下方へ位置することにより、ｐ型不純物が光吸収層１３へ拡散してもなお、光吸収層１３におけるｐ型不純物の濃度が抑制されている。

以下、発明者らが得ている知見に基づき、本発明の原理について考察する。

図４は、本発明にかかる不純物（ドーパント）の濃度プロファイルを示す概略図である。図の横軸は、第２半導体層１４の途中から下方へ第１半導体層１２の内部へ及ぶ位置を示しており、図の縦軸は、原子濃度である。本発明に係るｎ型不純物及びｐ型不純物（ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパント）の原子濃度プロファイルを、実線及び破線で、それぞれ示している。図４は、本発明に係る半導体光素子のｎ型及びｐ型濃度に加えて、比較のために、従来技術に係る半導体光素子のｎ型及びｐ型濃度を示している。

理解を容易にするために、従来技術に係る半導体光素子において、第１半導体層では、積層方向に沿って一定のｎ型不純物濃度となるよう設計し、積層されている。第２半導体層でも同様に、第３界面から少なくとも所定の高さまで一定のｐ型不純物濃度となるよう設計し、積層されている。素子作製後、Ｓｉ等のｎ型不純物はほとんど拡散しないため、ほぼ設計通りの濃度プロファイルが得られる。これに対して、第２半導体層に添加（ドープ）されるｐ型不純物は、光吸収層へ拡散し、さらに、第１半導体層へも拡散する。前述の通り、ｐ型不純物は第２界面付近に蓄積し、第２界面又はその近傍にｐ型不純物濃度はピークを形成する。光吸収層において、第２界面から上方へ、ｐ型不純物濃度のピークの裾が広がるので、光吸収層のｐ型不純物濃度の上昇を招いている。

第２界面又はその近傍に発生するｐ型不純物濃度のピークの起源について、発明者らが検討したところ、以下の知見を得ている。非特許文献１の記載によれば、ｐ型不純物濃度のピークは、ｐ型不純物とｎ型不純物との相互作用に起因するとされる。よって、図４に示すｐ型不純物の濃度プロファイルにおけるピークは、マイナス（負）に帯電したアクセプター（受容）原子が拡散し、かかるアクセプター原子が、プラスに帯電したドナー（供与）原子と電気的に相互作用して蓄積することによるものと推測される。ここで、従来のｎ型半導体層のｎ型不純物のドーピング濃度は、素子に広く使用されている１×１０^１８ｃｍ^−３以上としている。

これに対して、図４に示す本発明の一例に係る半導体光素子では、第１半導体層１２におけるｎ型不純物の濃度プロファイルは、積層方向に沿って第１界面から第２界面へ階段状に減少している。ｐ型不純物とｎ型不純物との相互作用によるｐ型不純物濃度のピークは、第２界面付近には形成されず、第１半導体層１２の内部であって、第２界面よりも下方に（ＩｎＰ基板側に）形成される。ｐ型不純物濃度のピークの裾が上方へ広がるが、光吸収層におけるｐ型不純物濃度を、従来技術に係る半導体光素子と比べて低減することが可能となる。光吸収層はｉ層（アンドープ層）であり、ｉ層のキャリア濃度は、通常１×１０^１６ｃｍ^−３以下のｎ型である。素子作製後のｉ層の不純物濃度の観点で言えば、光吸収層は、ｎ型不純物が低濃度に添加（ドープ）されたと、広義に解釈し得る。

図４に示す本発明の一例に係る半導体光素子では、第１半導体層１２におけるｎ型不純物の濃度プロファイルは、３段階となっており、３段階の不純物濃度を、第２界面から第１界面へかけて、それぞれ第１濃度、第２濃度、及び第３濃度とする。第１濃度及び第２濃度は十分に低いため、拡散してきたｐ型不純物と第１濃度／第２濃度のｎ型不純物との相互作用が小さい。それゆえ、第２界面と、第１濃度から第２濃度に急峻に変化する位置には、ｐ型不純物濃度はピークを形成しない。これに対して、第３濃度は十分に高く、ｐ型不純物と第３濃度のｎ型不純物との相互作用が大きい。それゆえ、第２濃度から第３濃度に急峻に変化する位置又はその近傍に、ｐ型不純物濃度はピークを形成する。

引用文献１では、光吸収層の上部に配置されるｐ型半導体層に不純物拡散防止層を設け、ｐ型半導体層に添加（ドープ）されるｐ型不純物の光吸収層へ拡散自体を抑制している。よって、光吸収層とｎ型半導体層との界面やｎ型半導体層の内部におけるｐ型不純物の濃度は低減されており、本発明の問題が発生しにくい構造となっている。これに対して、本発明に係る半導体光素子では、第１半導体層に含まれるｐ型不純物が、光吸収層及び第１半導体層へ拡散することを許容しつつ、ｐ型不純物濃度のピークを第２界面より第１半導体層の内部へ（ＩｎＰ基板側へ）移動させることにより、光吸収層におけるｐ型不純物濃度の上昇を抑制しており、従来技術とは技術的思想が全く異なっている。

特許文献２乃至５に、ｎ型半導体層において、活性層に近接した部分のｎ型不純物濃度を低減させる構造を有するＧａＡｓ系の半導体レーザが開示されている。特許文献２乃至５のいずれも、ｎ型半導体層のうち、活性層に近い側のｎ型不純物濃度を低減させることにより、活性層と高濃度のｎ型半導体層（ｎ型ドープ層）とが隣接していた場合に生じる問題を解決するためのものである。特許文献２では、高濃度にｎ型不純物が添加されるとき、ＡｌＧａＩｎＰ層が結晶的に劣化することが問題であった。特許文献３では、高濃度に添加（ドープ）されるｐ型クラッド層、及びｎ型クラッド層から、活性層内へｐ型、又はｎ型不純物が拡散することが問題であった。特許文献４及び５では、高濃度のｎ型半導体層に添加されるｎ型不純物自体の拡散が問題であった。特許文献２乃至５のいずれにも、第２半導体層に添加されるｐ型不純物が、第１半導体層において高濃度に添加されるｎ型不純物と相互作用してトラップされることにより、光吸収層の不純物濃度が上昇するとの本発明の課題について記載はなく、特許文献２乃至５のいずれに記載の課題は、本発明の課題とは全く異なっており、特許文献２乃至５に開示されるＧａＡｓ系の半導体レーザでは、光吸収層とｎ型半導体層との界面やｎ型半導体層の内部におけるｐ型不純物の濃度は低減されており、本発明の問題が発生しにくいものと考えられる。引用文献１と同様に、引用文献２乃至５のいずれに記載のＧａＡｓ系の半導体レーザは、そもそも光吸収層を有しておらず、本発明とは全く異なる構造を有している。以上、本発明の原理について説明した。

以下に、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の製造方法について記述する。当該実施形態において、半導体層の成長方法として、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-organic vapor phase epitaxy）法を用いる。ここで、キャリアガスとして、水素を用いる。ＩＩＩ族元素の原料は、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。Ｖ族元素の原料には、アルシン（ＡｓＨ_３）とフォスフィン（ＰＨ_３）を用いる。また、ｎ型不純物（ドーパント）の原料には、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を、ｐ型不純物（ドーパント）の原料には、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いている。埋め込み層に添加する鉄（Ｆｅ）の有機金属の原料として、フェロセンを用いる。なお、結晶成長法は、ＭＯＶＰＥ法のみに限定されるものではなく、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、化学ビーム成長（ＣＢＥ：Chemical Beam Epitaxy）法、有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ：Metal-organic Molecular Beam Epitaxy）法などの手法においても、半導体光変調器集積レーザ１の半導体構造を作製できる場合は、適当な方法を採用することが出来る。また、ＩＩＩ族、Ｖ族、不純物（ドーパント）、その他の原料についても、上記のものに限定されることはなく、広く適用することが出来る。

ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面に、第１半導体層１２を積層し（第１半導体層積層工程）、続いて、第１半導体層１２の上面に、光吸収層１３を積層する（光吸収層積層工程）。実際には、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上面に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１と、ｎ型光ガイド層１０２と、多重量子井戸層１０３と、ｐ型光ガイド層１０６と、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、を積層する。なお、多重量子井戸層１０３の最下層の障壁層１０５の積層は、第１半導体層積層工程に含まれ、最上層の障壁層１０５の積層は、後述する第２半導体層積層工程に含まれる。ｐ型ＩｎＰキャップ層は、積層した半導体層を保護するために形成される。第１半導体層積層工程において、所望の濃度ファイルとなるよう、ｎ型不純物の原料であるジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を流量を調整する。前述の通り、ｎ型光ガイド層１０２は、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層とからなる。ｎ型光ガイド層１０２を形成する工程において、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体層を形成する４元素の原料ガスの流量の割合を一定とし、ｎ型不純物の原料ガスの流量を（高濃度に添加するための）第１の値から（低濃度に添加するための）第２の値に急峻に変化させている。なお、多重量子井戸層１０３の最下層の障壁層１０５には、ｎ型不純物を添加していない。

ウエハの所望の場所（光変調器部２となる領域）にマスクパターンを形成し、これをエッチングマスクとして、レーザ部３及び光導波路部４となる領域にある、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、ｐ型光ガイド層１０６と、多重量子井戸層１０３と、を除去する。次に、ウエハを成長炉内に導入し、レーザ部多重量子井戸層２１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と、回折格子層２２と、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、をバットジョイント（ＢＪ：Butt-joint）再成長する。なお、レーザ部多重量子井戸層２１は、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体層である。なお、本工程にて、レーザ部３及び光導波路部４となる領域において、さらにｎ型光ガイド層１０２を除去したり、さらにｎ型光ガイド層１０２とｎ型ＩｎＰクラッド層１０１とを除去したりしても構わない。その際は、必要に応じてレーザ部３となる領域にあるｎ型クラッド層やｎ型光ガイド層をレーザ部多重量子井戸層２１の下部に成長させればよい。

さらに、先のマスクパターンを除去した後、光変調器部２となる領域とレーザ部３となる領域とに再度ＢＪマスクを形成し、エッチングにより光導波路部４となる領域にあるｐ型ＩｎＰキャップ層と、回折格子層２２と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と、レーザ部多重量子井戸層２１と、を除去する。

次に、光導波路部４となる領域に、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層２０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層と、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、をＢＪ再成長する。ここでは、光変調器部２及びレーザ部３の２箇所と同時にＢＪ接続している。なお、本工程にて、光導波路部４となる領域において、さらにｎ型光ガイド層１０２を除去したり、さらにｎ型光ガイド層１０２とｎ型ＩｎＰクラッド層１０１とを除去したりしても構わない。その際は、必要に応じて光導波路部４となる領域にあるｎ型クラッド層やｎ型光ガイド層を導波路層２０の下部に成長させればよい。

ウエハを成長炉から取り出した後マスクを除去し、回折格子層２２を所望の波長が得られるようにエッチングをして回折格子を形成する。その後、ウエハを炉体内に導入し、ウエハ全面に、亜鉛（Ｚｎ）が添加（ドープ）されるｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型コンタクト層とを、順に形成する（第２半導体層積層工程）。なお、ｐ型コンタクト層は、ｐ型不純物としてＺｎが添加されるＩｎＧａＡｓ系半導体層である。光変調器部２となる領域において、ｐ型ＩｎＰクラッド層はｐ型ＩｎＰクラッド層１０７であり、ｐ型コンタクト層はｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５である。また、レーザ部において、ｐ型コンタクト層はレーザ部ｐ型コンタクト層２４である。

以上説明した半導体多層構造に、メサストライプマスクを形成し、エッチングによりメサストライプ構造以外の部分を除去した後、適切な前処理を行い、ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層２６にて埋めこみ成長を行う。なお、出射光の反射による戻り光を防ぐため、光変調器部２側の光の出射端は、ＦｅドープＩｎＰ層により埋め込まれており、いわゆる窓構造となっている。光導波路部４となる領域にあるｐ型コンタクト層を除去し、光変調器部２とレーザ部３とを素子分離した後、通常の素子作製方法を用いてパッシベーション膜１６を全面に形成し、メサストライプ構造の上面に形成されるパッシベーション膜１６のうち、光変調器部２の上部電極１７となる領域やレーザ部３のレーザ部上部電極２５となる領域とに重なる部分を除去する。そして、光変調器部２の上部電極１７、レーザ部３のレーザ部上部電極２５、及び下部電極１８などの形成を施し、素子として完成する。このようにして作製した当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１は、２５Ｇ動作時の変調特性が良好であり、消光カーブも急峻であった。以上、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の製造方法について説明した。

なお、ここでは半導体光変調器集積レーザ１は、メサストライプ構造の両脇を半絶縁性の埋め込み半導体層で埋め込むＢＨ構造を有しているが、これに限定されることはない。当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１が、埋め込み行程を行わないリッジ構造を有していても、当該実施形態に係る効果は得られる。また、当該実施形態では、多重量子井戸層１０３の上に、ｐ型半導体層（ｐ型光ガイド層１０６）が直接積層されているが、これに限定されることもない。例えば、多重量子井戸層１０３の上に、低濃度のｐ型半導体層が積層されてもよいし、ｐ型半導体層と多重量子井戸層１０３との間にアンドープの半導体層を配置してもよい。

近年のインターネット人口の爆発的増大により、情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられる。光通信に用いられる光源には、主として半導体レーザ素子が用いられている。伝送距離１０ｋｍ程度までの短距離用途向けには、半導体レーザを直接電気信号で駆動する直接変調方式が用いられている。一方、伝送距離１０ｋｍを超えるような長距離の光通信向けには、半導体レーザを直接変調することのみでは対応できないため、連続発振させた半導体レーザと光変調器を集積した半導体光変調器集積レーザが用いられおり、かかるレーザに当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１は最適である。

光変調器部２では、素子に逆バイアスを印加して、レーザ部３で発生する光を光吸収層１３で吸収することで光信号の変調を行っている。多重量子井戸のｐ型不純物濃度が低いために、多重量子井戸の各層に印可される電界強度が均一となり、光吸収層１３で発生したキャリアを高速で排出し、高速動作をすることが出来ている。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２の構造を示す図である。当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２は、第１半導体層１２、及び第２半導体層１４の構造が第１の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１と異なっているが、それ以外については、第１の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１と同じ構造をしている。

第１の実施形態及び第２の実施形態においてともに、多重量子井戸層１０３は、井戸層１０４と、障壁層１０５と、が交互に重ねて繰り返されている。第１の実施形態に係る多重量子井戸層１０３では、２以上の井戸層１０４のうち最下層となる井戸層１０４のさらに下側に障壁層１０５が配置されるのに対して、第２の実施形態に係る多重量子井戸層１０３では、最下層となる井戸層１０４が多重量子井戸層１０３の最下層であり、最下層となる井戸層１０４の下側に障壁層１０５が配置されていない。よって、当該実施形態に係る第１半導体層１２は、第１の実施形態と異なり、最下層の障壁層１０５を含んでいない。第１半導体層１２と光吸収層１３との界面である第２界面は、ｎ型光ガイド層１０２（第１半導体層１２側）と、多重量子井戸層１０３における最下層となる井戸層１０４と、の界面である。さらに、後述する通り、第１半導体層１２のｎ型不純物濃度の分布が第１の実施形態と異なっている。

第１半導体層１２は、ｎ型ＩｎＰ基板１１側から、（高濃度）ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１（ｎ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍ）と、ｎ型光ガイド層１０２と、によって構成されるが、ｎ型光ガイド層１０２は、低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（ｎ型濃度３×１０^１７ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍ）と、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（ｎ型濃度１×１０^１５ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍ）で構成される。

当該実施形態に係る第２半導体層１４に添加（ドープ）されるｐ型不純物（ドーパント）はマグネシウム（Ｍｇ）である点が、第１の実施形態と異なっているが、第２半導体層１４のそれ以外の構造は第１の実施形態と同じである。なお、ｐ型不純物の原料として、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いている。

図６は、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２のバンド及び原子濃度を示す概略図である。図６の横軸及び縦軸は、図３と同様である。図６の上図に示す通り、第１半導体層１２において、下方から上方にかけて、バンドエネルギーは段階的に低くなっている。しかし、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１の膜厚が１００ｎｍで、ｎ型光ガイド層１０２の膜厚が２００ｎｍなので、バンドエネルギーが段階的に低下する箇所が、第１実施形態と異なっている。

第１の実施形態と同様に、当該実施形態において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って第１界面から第２界面へ（上向きに）、単調減少又は等しく変化しており、特に、当該実施形態では、第１半導体層１２において階段状に減少している。よって、当該実施形態は、第１半導体層１２の少なくとも一部において、階段状に減少する場合となっている。第１の実施形態と同様に、当該実施形態に係る第１半導体層１２のように、第１界面から第２界面に亘って、階段状に減少するのがさらに望ましい。図６の下図に示す通り、ｎ型不純物（ドーパント）の濃度プロファイルは、ｎ型ＩｎＰ基板１１のｎ型濃度が最も高く、第１半導体層１２において、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１がそれより低く、低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がｎ型ＩｎＰクラッド層１０１よりさらに低く、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層が低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層がさらに低くなっており、バックグラウンドレベルとなっている。そして、光吸収層１３はでは、同じくバックグラウンドレベルとなっている。すなわち、第２半導体層１２において、ｎ型不純物の濃度プロファイルは、第１界面から第２界面へかけて３段階の階段状となっている。

これに対して、第１半導体層１２におけるｎ型不純物濃度のプロファイルに応じて、図６の下図に示す通り、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、第１半導体層１２において、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１とｎ型光ガイド層１０２（低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層）の界面又はその近傍で、ピークを有している。すなわち、第１半導体層１２において、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、第１半導体層１２の内部であって、第２界面よりも下方に（ＩｎＰ基板側に）ピークを形成する。かかるピークが出現する当該界面よりも上方には、ｎ型不純物濃度が急峻に変化する、低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層とアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層との界面が存在する。かかる界面の上下はともにＩｎＧａＡｓＰ半導体層であり、半導体層を構成する多元素は一致している。連続する工程でｎ型不純物の原料ガスの流量のみを変化して積層しているので、界面の上下で、エネルギーバンドは一定であり、組成や波長組成がともに同一である。

当該実施形態に係る光変調器部２においても、ｎ型ＩｎＰ基板１１に存在するｐ型不純物濃度のピークの裾が上方へ広がるが、ｐ型不純物濃度のピークが第２界面よりも下方に位置することにより、光吸収層１３におけるｐ型不純物濃度を大幅に低減でき、その平均濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３である。当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１は、２５Ｇ動作時の変調波形の改善が実現している。

［第３の実施形態］
第１及び第２の実施形態に係る光変調器部２の多重量子井戸層１０３はＩｎＧａＡｓＰ系半導体層によって構成され、多重量子井戸層１０３の上下にそれぞれ配置されるｐ型光ガイド層１０６及びｎ型光ガイド層１０２も、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体層によって構成される。これに対して、本発明の第３の実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２の多重量子井戸層１０３の井戸層１０４及び障壁層１０５は、ともにＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体層によって構成され、多重量子井戸層１０３の上下にそれぞれ配置されるｐ型光ガイド層１０６及びｎ型光ガイド層１０２も、ＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体層である。すなわち、当該実施形態にかかる光変調器部２の第１半導体層１２、光吸収層１３、及び第２半導体層１４それぞれの少なくとも一部の構造が、第１及び第２の実施形態とは異なる材料系半導体によって実現されている。さらに、第１半導体層１２におけるｎ型不純物の濃度プロファイルが後述する通り、第１及び第２の実施形態と異なっている。それ以外については、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２と同じ構造をしている。

当該実施形態に係る光変調器部２の構造は、図２に示す第１の実施形態に係る光変調器部２の構造に対応しており、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１（ｎ型濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚５０ｎｍ）と、ｎ型光ガイド層１０２（膜厚２００ｎｍ）と、多重量子井戸層１０３と、ｐ型光ガイド層１０６と、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５と、が順に接して配置される。なお、多重量子井戸層１０３における最下層の障壁層１０５はアンドープであり、膜厚が１０ｎｍである。なお、ＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体層の積層には、Ａｌの有機金属原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いている。

図７は、当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１の光変調器部２のバンド及び原子濃度を示す概略図である。図７の横軸及び縦軸は、図３及び図６と同様である。図７の上図に示す通り、バンドエネルギーは、構成する材料が異なることによる違いを除いて、図３の上図に示す第１の実施形態と同様である。

第１及び第２の実施形態と同様に、当該実施形態において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って第１界面から第２界面へ（上向きに）、単調減少又は等しく変化している。しかしながら、当該実施形態では、第１半導体層１２において、第１半導体層１２（ｎ型光ガイド層１０２）の途中から連続的に（傾斜的に）減少し、バックグラウンドレベルに達し、その後、バックグランドレベルを維持して第２界面に至っている。よって、第１半導体層１２の少なくとも一部において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、連続的に単調減少する場合となっている。なお、当該実施形態では、第１半導体層１２の一部において、ｎ型ＩｎＰ基板１１のｎ型不純物濃度と同程度の高濃度からバックグランドレベルに連続的に変化している。ｐ型不純物濃度のピークをより下方へ位置させるという観点では、第１半導体層１２の第２界面におけるｎ型不純物が意図的に添加されていない濃度であるのが望ましく、当該実施形態では、アンドープの障壁層１０５が配置されている。第１半導体層１２におけるｎ型不純物のかかる濃度ファイルは、ｎ型光ガイド層１０２を形成する際に、ｎ型不純物の原料であるジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）の流量を調整することにより、ｎ型不純物濃度を下方から上方へ１．５×１０^１８ｃｍ^−３から１×１０^１６ｃｍ^−３へ連続的に変化させることが出来る。

これに対して、第１半導体層１２におけるｎ型不純物濃度のプロファイルに応じて、図７の下図に示す通り、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、第１半導体層１２において、ｎ型光ガイド層１０２の内部の位置にピークを有している。すなわち、第１半導体層１２において、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、第１半導体層１２の内部であって、第２界面よりも下方に（ＩｎＰ基板側に）にピークを形成する。

ｎ型光ガイド層１０２において、かかるピークよりも上方には、ｎ型不純物濃度が連続的に減少している。かかる部分はＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体層であり、半導体層を構成する多元素は一致している。連続する工程でｎ型不純物の原料ガスの流量のみを変化して積層しているので、かかる部分のエネルギーバンドは一定であり、かかる部分における組成や波長組成がともに同一である。

当該実施形態に係る光変調器部２においても、ｎ型ＩｎＰ基板１１に存在するｐ型不純物濃度のピークの裾が上方へ広がるが、光吸収層１３におけるｐ型不純物濃度を大幅に低減できており、その平均濃度は、８×１０^１５ｃｍ^−３である。当該実施形態に係る半導体光変調器集積レーザ１は、１０Ｇ動作時の変調特性が良好であり、消光カーブも急峻である。

以上、本発明に係る半導体光素子として、半導体光変調器集積レーザについて説明したが、これに限定されることはない。以下に、本発明に係る半導体光素子が、受光素子として機能する場合について説明する。

［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係るＰＩＮホトダイオード５０の断面図である。鉄（Ｆｅ）が添加（ドープ）される半絶縁性ＩｎＰ基板５１の上に、ｎ型ＩｎＰコンタクト層５２（ｎ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍ）と、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３と、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層５４（８００ｎｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５５（ｐ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚１００ｎｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５６と、が順に接して積層される。かかる半導体多層構造は、円錐台形状に外側が除去されている。かかる半導体多層構造の上面には、パッシベーション膜５７が形成されるとともに、所定の形状にスルーホールが設けられ、スルーホールを通して、ｐ型電極６１がｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５６と、ｎ型電極６２がｎ型ＩｎＰコンタクト層５２と、それぞれ電気的に接続されている。ここで、第１半導体層は、ｎ型ＩｎＰコンタクト層５２と、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３と、によって構成され、第２半導体層はｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５５によって構成される。第１半導体層（ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３）に添加されるｎ型不純物が以下に示す例による濃度プロファイルの分布をとることにより、当該実施形態に係るＰＩＮホトダイオード５０においても、第１乃至第３の実施形態と同様に、第１半導体層において、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、第１半導体層の内部であって、第２界面よりも下方に（ＩｎＰ基板側に）形成される。

ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３は、ｎ型濃度が異なる複数の層によって構成されている。第１の例において、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３は、下方から上方へ、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層（ｎ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚７０ｎｍ）と、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層（膜厚３０ｎｍ）とが、下方から上方へ重ねて配置される多層である。第２の例において、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３は、下方から上方へ、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層（ｎ型濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、膜厚５０ｎｍ）と、低濃度ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層（ｎ型濃度１×１０^１６ｃｍ^−３、膜厚３０ｎｍ）とが、下方から上方へ重ねて配置される多層である。

当該実施形態においても、第１半導体層（ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層５３）において、ｐ型不純物の濃度プロファイルは、第１半導体層の内部であって、第２界面よりも下方に（ＩｎＰ基板側に）形成される。ｐ型不純物濃度のピークの裾が上方へ広がるが、光吸収層（アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層５４）におけるｐ型不純物濃度を低減できている。

以上、本発明の実施形態に係る半導体光素子、及びその製造方法について説明した。本発明は、上記実施形態に限定されることなく、広く適用できることは言うまでもない。ＥＡ変調器に限定されず、他の変調器であってもよいし、ＰＩＮホトダイオードに限定されず、他のホトダイオードであっても、さらに他の受光素子であってもよい。以下、本発明に係る半導体光素子において望ましい構造について考察する。

上記実施形態では、第２半導体層に添加されるｐ型不純物として、ＺｎとＭｇを示したが、これに限定されることはなく、ベリリウム（Ｂｅ）であってもよい。第２半導体層に添加されるｐ型不純物は、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎからなる群より選択される１又は複数であるのが望ましい。第１半導体層におけるｐ型不純物は、第２半導体層に添加されるｐ型不純物と同一である。

第１半導体層において、ｎ型不純物濃度が第１界面側から第２界面側へ変化する部分について考察する。ｎ型不純物濃度が階段状に減少する場合、当該階段状に減少する１又は複数の部分のうち、少なくとも１つの部分は、ヘテロ界面が出現しないのが望ましい。かかる部分の前後において、半導体層を構成する多元素が同一であるのが望ましい。多元素の組成（各元素の割合）が実質的に同一であるのがさらに望ましい。組成波長が実質的に同一であるのがさらに望ましい。かかる部分を形成する工程において、半導体層を構成する多元素の原料ガスの流量の割合を一定とし、ｎ型不純物の原料ガスの流量を急峻に変化することで、かかる部分を形成することができる。

ｎ型不純物濃度が連続的に単調減少する場合、かかる部分には、ヘテロ界面が出現しないのが望ましい。よって、かかる部分において、半導体層を構成する多元素が同一であるのが望ましい。多元素の組成が実質的に同一であるのがさらに望ましい。組成波長が実質的に同一であるのがさらに望ましい。かかる部分を形成する工程において、半導体層を構成する多元素の原料ガスの流量の割合を一定とし、ｎ型不純物の原料ガスの流量を急峻に変化することで、かかる部分を形成することができる。

発明者らが詳細に検討の結果、ｎ型不純物とｐ型不純物との相互作用は、ｎ型濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３と同等かそれ以上になると、強くなる傾向があるとの知見を得ている。よって、第１半導体層の第１界面におけるｎ型不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３以上が望ましい。第１半導体層のｎ型不純物濃度は、第１界面から第２界面へ単調減少又は等しく変化するので、第１半導体層の第２界面におけるｎ型不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３未満が望ましく、５×１０^１７ｃｍ^−３以下がさらに望ましい。

第１半導体層において、ｎ型不純物とｐ型不純物との相互作用が強くなるｎ型不純物濃度（以下、臨界濃度とする）と比べて十分に低いｎ型不純物領域や、より高いｎ型不純物領域に、ヘテロ界面が存在していてもｐ型濃度プロファイルへ与える影響は小さい。なお、ここで「十分に低い」とは臨界濃度の５０％以下が望ましい。しかしながら、臨界濃度又はそれ以下であっても近傍のｎ型不純物領域において、ヘテロ界面が存在していると、ｐ型不純物がかかる界面にトラップされやすくなり、第１半導体層におけるｐ型不純物がピークを形成する位置がより上方（第２界面側）となり得る。それゆえ、かかる領域において、ヘテロ界面が出現しないように、半導体層を構成する多元素の原料ガスの流量の割合を一定とし、ｎ型不純物の原料ガスの流量を変化させて、半導体層を積層させるのが望ましい。第２の実施形態において、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層１０２における低濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層とアンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層との界面がこれに該当し、ヘテロ界面とはなっていない。また、第３の実施形態において、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層におけるｎ型不純物濃度が連続的に変化する部分がこれに該当し、かかる部分にヘテロ界面は出現していない。これらの構造は、出現するｐ型不純物濃度のピークをより下方へ位置することに寄与している。

第１半導体層のうち、積層方向に沿って第２界面から下方へ３０ｎｍ以上の領域は、ｎ型不純物を意図的に添加しない（アンドープ）又は臨界濃度に比べて十分に低いのが望ましい。ここで、「十分に低い」とは臨界濃度の５０％以下が望ましい。第１半導体層のうち、積層方向に沿って第２界面から下方へ３０ｎｍ以上の領域は、５×１０^１７ｃｍ^−３以下がさらに望ましい。第１半導体層のうち、積層方向に沿って第２界面から下方へ３０ｎｍ以上の領域は、アンドープであるのがさらに望ましい。

かかる領域が長くなれば、ｐ型不純物のピークを第２界面より下方に出現させることが出来るが、素子特性に影響を及ぼすことになる。それゆえ、素子特性の劣化抑制のために、第１半導体層内の素子抵抗を１Ω以下に低減することが望ましい。かかる領域における平均抵抗率をρｎ、素子長さをＬ、素子のメサ幅ｗとするとき、かかる領域の上限膜厚ｔは、ｔ＝（ｗ・Ｌ）／ρｎで求まる値以下であるのが望ましい。典型的な半導体光素子において、上限膜厚ｔは５００ｎｍ程度である。以上、本発明に係る半導体光素子の望ましい構造について考察している。

１ 半導体光変調器集積レーザ、２ 光変調器部、３ レーザ部、４ 光導波路部、１１ ｎ型ＩｎＰ基板、１２ 第１半導体層、１３ 光吸収層、１４ 第２半導体層、１５ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１６ パッシベーション膜、１７ 上部電極、１８ 下部電極、２０ 導波路層、２１ レーザ部多重量子井戸層、２２ 回折格子層、２４ レーザ部ｐ型コンタクト層、２５ レーザ部上部電極、２６ ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層、５１ 半絶縁性ＩｎＰ基板、５２ ｎ型ＩｎＰコンタクト層、５３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層、５４ アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層、５５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層、５６ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、６１ ｐ型電極、６２ ｎ型電極、１０１ ｎ型ＩｎＰクラッド層、１０２ ｎ型光ガイド層、１０３ 多重量子井戸層、１０４ 井戸層、１０５ 障壁層、１０６ ｐ型光ガイド層、１０７ ｐ型ＩｎＰクラッド層。

Claims (13)

1. ＩｎＰ基板と、
   前記ＩｎＰ基板の上面に接して配置され、積層方向に沿って少なくとも一部はｎ型不純物が添加される、第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上面に接して配置される、光吸収層と、
   前記光吸収層の上面に接して配置され、積層方向に沿って少なくとも一部はｐ型不純物が添加される、第２半導体層と、
   を備え、
   前記第１半導体層において、前記ＩｎＰ基板との界面である第１界面におけるｎ型不純物濃度は、前記光吸収層との界面である第２界面におけるｎ型不純物濃度より高く、
   前記第１半導体層は、前記第１界面のｎ型不純物濃度より低く、前記第２界面のｎ型不純物濃度よりもｎ型不純物濃度が高い部分を含み、
   前記第２界面におけるｐ型不純物濃度と比較して、前記第１半導体層は、より高いｐ型不純物濃度となる部分を含み、
   前記光吸収層は意図的に不純物が添加されない、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
2. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記第１半導体層において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、単調又は直線的に減少する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
3. 請求項２に記載の半導体光素子であって、
   前記第１半導体層の少なくとも一部において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、階段状に減少する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
4. 請求項２に記載の半導体光素子であって、
   前記第１半導体層の少なくとも一部において、ｎ型不純物濃度は、積層方向に沿って前記第１界面から前記第２界面へ、連続的に単調減少する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記第１半導体層の前記第２界面におけるｎ型不純物濃度は、ｎ型不純物が意図的に添加されていない濃度である、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記第１半導体層の前記第１界面におけるｎ型不純物濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上である、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記第２半導体層に添加されるｐ型不純物は、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎからなる群より選択される１又は複数であり、
   前記第１半導体層におけるｐ型不純物は、前記第２半導体層に添加されるｐ型不純物と同一である、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記光吸収層は、２以上の井戸層を含む量子多重井戸層であり、
   前記光吸収層の前記第２界面の側は、前記量子多重井戸層に含まれる前記井戸層のうち、前記ＩｎＰ基板側に最も近くに配置される前記井戸層であり、
   前記光吸収層の前記第２半導体層との界面である第３界面の側は、前記量子多重井戸層に含まれる前記井戸層のうち、前記ＩｎＰ基板側配置される井戸層から最も遠く配置される前記井戸層であり、
   電界吸収型光変調器として機能する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   ホトダイオードとして機能する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
10. ＩｎＰ基板の上面に、積層方向に沿って少なくとも一部にｎ型不純物を添加して、第１半導体層を積層する、第１半導体層積層工程と、
    前記第１半導体層の上面に、光吸収層を積層する、光吸収層積層工程と、
    前記光吸収層の上面に、積層方向に沿って少なくとも一部にｐ型不純物を添加して、第２半導体層を積層する、第２半導体層積層工程と、
    を備え、
    前記第１半導体層積層工程において、前記ＩｎＰ基板との界面である第１界面から前記光吸収層との界面である第２界面へ、ｎ型不純物を、単調又は直線的に減少するよう添加し、前記第１半導体層の一部において、前記第１界面に添加するｎ型不純物より少なく、前記第２界面に添加するｎ型不純物よりも多い、前記ｎ型不純物を添加し、
    前記光吸収層は意図的に不純物が添加されない、
    ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
11. 請求項１０に記載の半導体光素子の製造方法であって、
    前記第１半導体層積層工程において、前記第１半導体層の少なくとも一部に、前記第１界面から前記第２界面へ、前記ｎ型不純物を階段状に減少するよう添加する、
    ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
12. 請求項１０に記載の半導体光素子の製造方法であって、
    前記第１半導体層積層工程において、前記第１半導体層の少なくとも一部に、前記第１界面から前記第２界面へ、前記ｎ型不純物を連続的に単調減少するよう添加されている、
    ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
13. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、
    前記第１半導体層積層工程において、前記第２界面の部分に、ｎ型不純物を添加しない、
    ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。

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