半導体光デバイス
【課題】 リッジ型半導体光デバイスにおいて高速性と高信頼性を併せ持つ構造を実現する。
【解決手段】 本願発明は、メサストライプの両脇を活性層に達しない深さで矩形状に掘り込んだリッジ型半導体光デバイスにおいて、当該矩形状の底部の一部に導電阻止構造を設けた構造を有する半導体光デバイス装置である。導電阻止構造は、例えば、溝或いは半導体に不純物がイオン注入された構造により達成される。
【解決手段】 本願発明は、メサストライプの両脇を活性層に達しない深さで矩形状に掘り込んだリッジ型半導体光デバイスにおいて、当該矩形状の底部の一部に導電阻止構造を設けた構造を有する半導体光デバイス装置である。導電阻止構造は、例えば、溝或いは半導体に不純物がイオン注入された構造により達成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は半導体材料を用いたレ−ザ装置及び光導波路デバイス或いはそれらを集積化した光集積型半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光記録等、各産業に幅広く使用されている半導体レ−ザは高性能化、特に近年はインタ−ネットの発展に伴う光通信における伝送容量の爆発的な増大により低コストでの高速化が求められている。低コスト化に対して有利なレ−ザとして、作製プロセスが簡単なリッジ型レ−ザが知られている。こうした例は、例えば、T. Fukushimaによりアイ・イ−・イ−・イ− フォトニック テクノロジ− レタ−ズ（IEEE Photonics Technology Letters）、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．９、１９９３、ｐｐ．９６３−９６５に示される（非特許文献１）。リッジ型レ−ザの断面図を図２に例示する。断面構造のように下部クラッド層、ＳＣＨ層を含む活性層、上部クラッド層を順次積層構造に成長し、メサストライプを残して上部のクラッド層を選択エッチングで取り去る構造である。図２において１はｎ型ＩｎＰ基板で下部クラッド層としても働く。２はｎ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層、３はＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸活性層、４はｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層、５はｐ型ＩｎＰの上部クラッド層、６は上部電極８とのオ−ミック接続を得るためのコンタクト層である。このコンタクト層はＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。７はＳｉＯ2の絶縁膜である。コンタクト層６以外で半導体４、５と上部電極８の間で電気的に絶縁しており、電流はコンタクト層を通して活性層の方向へ流れる。９は下部電極である。このリッジ型レ−ザは１回の結晶成長で半導体レ−ザを作製することができるため、２〜３回の結晶成長回数が必要な従来型の埋め込み型半導体レ−ザに対してコスト低減が可能となる。
【０００３】
【非特許文献１】T. Fukushimaによりアイ・イ−・イ−・イ− フォトニック テクノロジ− レタ−ズ（IEEE Photonics Technology Letters）、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．９、１９９３、ｐｐ．９６３−９６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の第１の課題は、リッジ型レ−ザにおいて寄生素子を低減し高速な応答を実現する構造を提供することにある。第２の課題は、寄生素子が小さなリッジ型レ−ザにおいて高信頼性を有する構造を提供することにある。本願発明はこの両課題を満たさんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の第１及び第２の課題は、メサストライプの両脇を活性層に達しない深さで矩形状に掘り込んだリッジ型半導体光デバイス装置において、当該矩形状の底部の一部に導電阻止構造を設けた構造を有する半導体光デバイス装置により達成される。導電阻止構造の代表例は溝或いは半導体に不純物がイオン注入された構造により達成される。
【０００６】
本願発明の代表的な例は、第１導電型の第１のクラッド層領域と、活性層領域と、前記活性層領域の上部に形成されたリッジ型ストライプ形状の第２導電型の第２のクラッド層領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域側の第２の電極と、を少なくとも有する半導体光デバイスである。そして、前記リッジ型ストライプ形状の領域はその両側に所望の細長形状の半導体領域が配され、且つ前記リッジ型ストライプ形状の領域は、前記細長形状の領域との間に前記活性層領域に達しない深さで凹部を形成する。
【０００７】
更に、次の３つの特徴を有する。（１）この凹部の一部に少なくとも導電阻止部を有する。（２）第２の電極は前記第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域の少なくとも一方の上に延在する。（３）リッジ型ストライプ形状領域の光の進行方向に沿う各側面と前記導電阻止部との間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えない。
【０００８】
本願発明の半導体光デバイスとしては、半導体レーザ装置が代表的な例である。この外、光導波路を有し、活性層領域の横方向へのキャリアの拡散を嫌う光デバイスに適用することが出来る。この例は例えば、半導体光変調器などである。あるいは、本願発明は、これらの諸半導体光デバイスを一つの基板に搭載した半導体光集積化装置に適用することが出来る。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明は、リッジ型半導体光デバイスにおいて、高信頼性を保ちながら高速性を確保することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の代表的な形態について詳細の説明を行う。
【００１１】
前記導電阻止部は少なくとも溝部、あるいはイオン注入部を有して構成することが出来る。イオン注入によって、所望半導体領域を高抵抗、あるいは絶縁化する。このイオン注入のための原子としては、例えば、Ｈ、Ｆｅ、Ｔｉなどを用いることが出来る。勿論、導電阻止部はキャリアの面内方向の流れを阻止する手段でありば良い。その他、当該半導体分野で用いている半導体層の高抵抗、あるいは絶縁化の手段を用いることが出来る。
【００１２】
本願発明の主要目的から、導電阻止部は、リッジ型ストライプ形状の領域と各前記第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域との各々の間に形成される凹部の上面より、少なくとも活性層領域の下端に達して設けられることが望ましい。キャリアの横方向への拡散を十分阻止することが出来る。
【００１３】
リッジ型ストライプ形状領域の光の進行方向に沿う各側面と導電阻止部との間隔は、（１）リッジ型のｐ型半導体層とｉ型半導体層との間の容量を低下させることと、（２）ｉ型半導体層中のホールの拡散距離を大きくとって長寿命化を図ること、の２点を考慮して定められる。前者から前記間隔は１０μｍを超えないことが要請される。更に、より好ましくは、７μｍ以下である。一方、後者よりは、当該間隔は２μｍ以上であることが要請される。これらのより詳細な説明は実施例において、実例をもって説明される。
【００１４】
リッジ型ストライプ形状の領域と前記細長形状の領域との高さが略同一であることであること有用である。リッジ型ストライプ形状の領域が開放されず、これを挟む２つの細長形状の領域によって保護される。従って、製造工程中での損傷などが防止される。よって、本半導体光デバイスは高歩留まりで製造がなされる。
【００１５】
活性層領域は、その目的に応じて通例の多重量子井戸構造を採用することが出来る。この場合、当然、歪多重量子井戸構造、歪補償多重量子井戸構造、あるいは単一量子井戸構造などをも用いることが出来る。
【００１６】
又、前記活性層領域は、前記第１及び第２のクラッド層領域側に、前記第１及び第２のクラッド層より屈折率が大きく且つ前記活性層領域の光の遺漏を防ぐ半導体層を配することも可能である。通例、この半導体層は光閉じ込め層と通称されている。勿論、その他の光ガイド層を、必要に応じて用いることが可能である。
【００１７】
半導体光装デバイスを構成する半導体材料自体は通例の材料を、その目的に応じて用いて十分である。光通信用の半導体レーザ装置としては、活性層領域はＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどが多用される。１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯などの波長帯域に応じて材料は選択される。又、クラッド層領域の一部として、ＩｎＡｌＡｓが用いられる。ＩｎＧａＡｓはバンドプロファイルにおいて伝導帯側のバンドの不連続が大きいので、ｐ側クラッド層に使用すると量子井戸層からの電子の漏れをより良好に防ぐことが出来る。
＜実施例１＞
第１の実施例は、本願発明を通信用１.３μｍ帯半導体レ−ザに適用した例である。図１は本例の光の進行方向と交差する断面図である。図１０はその斜視図である。図２より図５は本例の半導体光デバイスを製造する工程順のデバイスの断面図である。
【００１８】
図１の例では、ｎ型ＩｎＰ基板１は下部クラッド層としても働く。勿論、半導体基板上にクラッド層を形成する形態も用い得る。このＩｎＰ基板１の上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層２、井戸層３が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.２％、アンド−プＩｎＧａＡｓＰ歪多重量子井戸活性層、キャリア濃度６×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層４、キャリア濃度８×１０17ｃｍ-3で厚さ１.５μｍのｐ型ＩｎＰの上部クラッド層５、ＩｎＰに整合したｐ型ＩｎＧａＡｓ層のコンタクト層６の各層が積層される（図２）。アンド−プＩｎＧａＡｓＰ歪多重量子井戸活性層は、井戸層３が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.２％、障壁層が厚さ１０ｎｍで５層の総厚０.０９μｍである。
【００１９】
この多層基板上に幅１．７μｍのストライプとその両脇に設けた第２のストライプ領域を食刻用マスク３０ａを用いて形成したコンタクト層６を除去する（図３）。その際、エッチング液はＩｎＧａＡｓコンタクト層のみをエッチングする燐酸、過酸化水素、水の混合液を用いる。その後、食刻用マスクを除去し、ストライプ状に形成されたＩｎＧａＡｓ層をマスクとしてＩｎＰｓ層のみを選択エッチングする塩酸と燐酸の混合液で垂直なストライプ形状を形成する。エッチングはガイド層４上で停止する（図４）。
【００２０】
次いで、食刻用マスク３０ｂを用いて、半導体積層体（３、４）に溝１０を形成する。溝の幅は概ね２μｍより１０μｍ程度である（図５）。食刻用マスクを除去し、絶縁膜７を形成する。上部電極層８を設ける領域の絶縁膜を除去し、この領域を覆って上部電極層８を形成す（図１）。この場合、上部電極層８は第２のストライプ領域１１の少なくとも一方に延在させることが肝要である。そして、図１及び図１０に明示されるように、電極パッド８ｂは厚膜領域に配置される。
【００２１】
層７はＳｉＯ2の絶縁膜であり、層６のコンタクト層以外で半導体層４、５と上部電極８の間で電気的に絶縁しており、電流はコンタクト層を通して活性層方向に流れる。層９は下部電極である。層１１はｐ型ＩｎＰ層である。このｐ型ＩｎＰ層は、メサストライプ５の領域と略同じ高さになっている。この為、製造プロセス中にメサストライプ領域を傷つけるのを防ぎ、素子の高信頼性及び高歩留まり化を実現する。層８ｂは電極８につながっている電極パッドで、ワイヤボンディングやはんだ接続により外部の回路に接続される。電極パッド部は絶縁膜７の厚さ分メサストライプより低いため、ワイヤボンディング時にメサストライプに傷をつける可能性が低い。
【００２２】
領域１０が、導電阻止構造である。この領域１０は幅２.５μｍ、深さ０.３μｍの溝である。この溝により、図７の等価回路で例示される梯子型の寄生素子が途中で分断される。このために寄生素子が小さくなり、素子を高速動作とすることができる。
［従来の代表例であるリッジ型レ−ザとの比較検討］
ここで、本願発明と従来の代表例であるリッジ型レ−ザとの比較検討を行っておこう。
【００２３】
リッジ型レ−ザ装置は高速化の観点からは課題がある。即ち、前述の図６において上部電極８からの注入された電流は上部クラッド層５を通して下方向に流れ、活性層３に達する。しかし、４のｐ型ガイド層より下では電流の横方向拡散が存在する。図７に当該領域の部分拡大図を例示する。本問題の理解を容易となす為、図７に電流の流れを模式的に示す。尚、図６及び図７で図１等と同等の部位は同じ符号で示される。リッジ型レ−ザには図７のような容量と抵抗の梯子型の寄生素子が存在するため、横方向への電流拡散により寄生素子へ電流が流れ込んで高速化の障害となる。図７において３０１−１〜３０１−４は活性層を介したｐｎ半導体による容量で、３０２−１〜３０２−３はｐ型ガイド層が有する抵抗である。この梯子型寄生素子は一般に時定数の大きな応答となるためレ−ザの高速化の妨げとなっていた。この寄生素子の影響は特に符号４のｐ型のガイド層を厚くしたり、キャリア濃度を上げると顕著となる。この場合、前者は絶縁膜７や電極８のストレスが活性層へ伝わるのを防ぐために必要であり、後者はレ−ザの素子抵抗を下げるのに必要となる。よって寄生素子とのトレ−ドオフとなっているのが実情であった。又、図６の構造のリッジ型レ−ザではリッジストライプが半導体基板上にとび出ているため、絶縁膜成膜や電極形成等のプロセス時にストライプ部にダメ−ジを受けるため信頼性が低いという難点もあった。本願発明は、これらの諸難点を克服することが出来る。
【００２４】
さて、次に、本願発明での導電阻止部の設け方について、詳細を説明する。図１における溝とメサストライプの距離Ｗmiとレ−ザの光出力の立下り時間ｔfの関係を図１１に示す。横軸が溝とメサストライプの距離Ｗmi、縦軸がレ−ザの光出力の立下り時間ｔfである。溝が無い場合（無溝）のｔfは極めて遅く１５０ｐsであった。一方、溝を導入した場合にはｔfは速くなり、特にＷmiが７μｍ以下で３０ｐs以下のｔfが得られている。Ｗmiによりｔfが変化するのは寄生素子が分布定数的に配置されているからである。次に、Ｗmiと信頼性について調べた。図１２に本実施例の半導体レ−ザにおけるＷmiとのエ−ジング試験から得られた推定寿命時間の関係を示す。横軸が溝とメサストライプの距離Ｗmi、縦軸が推定寿命である。エ−ジング試験は８５℃で１０ｍＷの一定光出力で行った。図１２から明らかなようにＷmiが２μｍ以上において、１.８×１０5時間以上の高信頼性が得られることが理解される。図１１及び図１２の結果より、Ｗmiは２μｍ以上、１０μｍを超えない範囲、より好ましくは２μｍ以上、７μｍ以下が望ましいことが理解される。
【００２５】
本実施例の半導体レ−ザは、Ｗmi＝５μｍである。そして、当該素子は、共振器長は３００μｍ、前方５０％、後方９０％の端面コ−ティングにおいて２５℃でしきい電流１０ｍＡ、スロ−プ効率０.４２Ｗ／Ａ、８５℃で２２ｍＡ、スロ−プ効率０.２３Ｗ／Ａの通常のレ−ザ特性が得られた。この特性は、リッジ型の同等のレ−ザ特性である。更に、優れた低容量化を反映して、立下り時間は３５ｐsと非常に小さく、−４０℃〜８５℃の温度範囲において２.５Ｇｂ／ｓの高速動作を実現することができた。又、８５℃、１０ｍＷにおいて、２.３×１０5時間の高い信頼性を得ることができた。
＜実施例２＞
本願発明の第２の実施例を、図８の断面構造図を使って説明する。本例は、本発明の導電阻止構造にイオン注入された領域を有する構造の半導体レ−ザである。
【００２６】
導電阻止構造以外の構造は、実施例１と同じ１.３μｍ帯半導体レ−ザである。従って、その詳細説明は省略する。導電阻止構造は、フォトレジストをマスクとしてＨ、即ち、水素原子をイオン注入し、１×１０18ｃｍ-3の不純物濃度、且つ幅４μｍのイオン注入領域１０ｂである。ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ、あるいはＩｎＧａＡｌＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体では、Ｈのイオン注入により抵抗率が増加し半絶縁性を示すため、図７に例示される寄生素子をイオン注入領域で遮断することができる。
【００２７】
図８において本実施例の半導体レ−ザのイオン注入領域とメサストライプの距離Ｗmiは６μｍであり、共振器長２５０μｍ、前方７０％、後方９０％の端面コ−ティングにおいて２５℃でしきい電流８ｍＡ、スロ−プ効率０.４７Ｗ／Ａ、８５℃で１７ｍＡ、スロ−プ効率０.２８Ｗ／Ａのレ−ザ特性が得られた。この特性は通常のリッジ型の同等である。更に、優れた低容量化を反映して、立下り時間は３８ｐsと非常に小さく、−４０〜８５℃において２.５Ｇｂ／ｓの高速動作を実現することができた。又、８５℃、１０ｍＷにおいて２.３×１０5時間の高い信頼性を得ることができた。尚、本実施例においてイオン注入領域の幅は４μｍであったが、注入領域を１１のｐ−ＩｎＰ層まで広げても良い。又、イオン種はＨだけではなく、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｆ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に導入され、当該半導体材料が半絶縁性を示す元素を用いることが出来る。
＜実施例３＞
第３の実施例は本発明を通信用１.３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓを量子井戸活性層とする半導体レ−ザに適用した例である。図９にレーザ光の進行方向に交差する断面での構造を示す。
【００２８】
図９において、ｎ型ＩｎＰ基板１は、下部クラッド層としても働く。層１２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ０.１μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓの第２下部クラッド層、層２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層３はアンド−プＩｎＧａＡｌＡｓ 歪補償型多重量子井戸活性層、層４はキャリア濃度６×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層１３はキャリア濃度９×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓの第２上部クラッド層、層１４はキャリア濃度５×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのエッチングストップ層である。尚、前述のアンド−プＩｎＧａＡｌＡｓ歪補償型多重量子井戸活性層は、井戸層が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.４％、障壁層が厚さ８ｎｍで引っ張り歪０.６％である７層の総厚０.１０６μｍである。
【００２９】
ＩｎＡｌＡｓ層１２は燐酸と塩酸のエッチング液にはエッチングされるため１３のエッチングストップ層を設けて選択エッチングできるように構成してある。層５はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ１.５μｍのｐ型ＩｎＰの第１上部クラッド層である。そして、発光部を含む領域は、幅１.６μｍのリッジ型のメサストライプとなっている。層６は上部電極８とのオ−ミック接続を得るためのコンタクト層であり、ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。層７はＳｉＯ2の絶縁膜であり、コンタクト層６以外で半導体層４、５と上部電極８の間で電気的に絶縁しており、電流はコンタクト層を通して活性層に向かって流れる。層９は下部電極である。領域１１はｐ型ＩｎＰ層でメサストライプ領域５と略同じ高さになっており、製造プロセス中にメサストライプを傷つけるのを防ぐことが出来る。この為、素子の高信頼性及び高歩留まり化を実現することが出来る。層８ｂは電極８につながっている電極パッドで、ワイヤボンディングやはんだ接続により外部の回路に接続される。電極パッド部は絶縁膜７の厚さ分メサストライプより低いため、ワイヤボンディング時にメサストライプに傷をつける可能性が低い。
【００３０】
溝１０が導電阻止構造である。この溝は幅２.５μｍ、深さ０.５μｍである。この溝により図７の等価回路で示される梯子型の寄生素子が途中で分断される。この為、寄生素子が小さくなり高速動作することができる。本実施例では上部第２クラッド層１２とエッチングストップ層１３があり、活性層上部に搭載される積層体の厚さが厚くなっているため寄生素子の抵抗成分（図７の３０２に相当）が小さくなる。この為、図７に示された横方向の梯子型寄生素子の影響は大きくなる。よって、本願発明の導電阻止構造は極めて有効な構造と言える。本実施例の半導体レ−ザはＷmi＝６μｍであり、共振器長２００μｍ、前方４０％、後方９０％の端面コ−ティングにおいて２５℃でしきい電流７ｍＡ、スロ−プ効率０.２４Ｗ／Ａ、８５℃で１３.５ｍＡ、スロ−プ効率０.１９Ｗ／Ａのレ−ザ特性が得られた。この特性は通常のリッジ型レ−ザと同等のレ−ザ特性である。更に、優れた低容量化を反映して立下り時間は３０ｐsと非常に小さく、０℃〜８５℃において１０Ｇｂ／ｓの高速動作を実現することができた。又、８５℃、１０ｍＷにおいて２.５×１０5時間の高い信頼性を得ることができた。
＜実施例４＞
本願発明による第４の実施例は半導体レ−ザとレ−ザ光を変調するＥＡ(Electro−absoroptioｎ)型光変調器が集積化された光集積化デバイスに適用したものである。本願発明は、半導体レーザ部を含むこのような光集積素子に十分適用される。
【００３１】
図１３に光集積デバイスのリッジメサストライプに平行な方向の縦断面図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１に各領域が搭載される。領域１９が光集積化デバイスのレ−ザ領域、領域２１がＥＡ型変調器領域、そして領域２０が領域１９と領域２１を接続する遷移領域である。
【００３２】
レ−ザ領域において、層３は波長１.５５μｍで発振する活性層領域である。この活性層領域は、アンド−プＩｎＧａＡｌＡｓ歪補償型多重量子井戸活性層から構成される。この構成の具体例は、例えば、井戸層が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.４％、障壁層が厚さ８ｎｍで、引っ張り歪０.６％である。全体で１０層、総膜厚が０.１４８μｍである。層１２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で、厚さ０.１μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓの第２下部クラッド層、層２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で、厚さ０.０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層４はキャリア濃度０.５×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層１３はキャリア濃度４×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓの第２上部クラッド層、層１４はキャリア濃度１×１０17ｃｍ-3で、厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのエッチングストップ層である。層５はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ１.５μｍのｐ型ＩｎＰの第１上部クラッド層である。発光部を含む領域は、幅１.６μｍのリッジ型のメサストライプとなっている。層６は上部電極８とのオ−ミック接続を得るためのコンタクト層であり、ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。層９は下部電極で１６は半導体レ−ザ部の後端面反射膜で反射率は９０％ある。
【００３３】
本例の半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子のＤＦＢ（Distributed FeedBack; 分布帰還型）構造１５により単一発振モ−ドを得ている。ＥＡ型変調領域２１では多重量子井戸層３ｂのバンドギャップはレ−ザ領域の多重量子井戸層より大きくなるように作製されている。８ｃはＥＡ型変調器を駆動するための電極である。これらの多重量子井戸活性層は選択成長法を使って一括して異なるバンドギャップを作製するため、バンドギャップの遷移領域２０が存在する。１７は反射率０.６％以下の反射防止膜でさらに実効的な反射率を低減するためＩｎＰ層の窓構造１８を設けている。
【００３４】
変調器集積化デバイスでは、レ−ザ部は常時レ−ザ発光させておき、その前にあるＥＡ変調器部でレ−ザ光を高速変調する。変調器内の多重量子井戸層３ｂは変調器の電極８ｃに逆電圧を加えると量子閉じ込めシュタルク効果によりレ−ザ光は変調器で吸収され、レ−ザ光は外部に出ない。変調器部上部電極８cに電圧を加えないときにはレ−ザ光は変調器で吸収されずに外部にレ−ザ光が出力される。
【００３５】
図１４は本実施例を上方から見た図である。同図での符号はこれまでと同様の部位を示す。高速性が要求されるのはＥＡ変調器部であるため、本実施例では導電阻止構造である溝１０はＥＡ部に設けられている。溝は遷移領域まで掘り込んである。更に、本実施例ではメサストライプ脇に、高分子樹脂、例えば、ポリイミド膜２３を埋め込んで、絶縁膜との容量をも減らしてさらなる低容量を実現している。
【００３６】
ＥＡ部の断面構造を図１５に示す。メサストライプ脇をポリイミド膜２３で埋め込んでいることと、多重量子井戸層３ｂがＥＡのバンドギャップであること以外は実施例１と同様の形状となっている。このＥＡ変調器集積化光デバイスは立ち下がり時間は１５ｐsときわめて小さく、３８ＧＨｚの高周波応答特性と低チャ−ピングよる伝送速度毎秒２０Ｇｂ／ｓでの通常分散ファイバへの最大伝送距離４０ｋｍを得ることができた。更に、寿命も６５℃、１０ｍＷにおいて２×１０6時間の高い信頼性を得ることができた。
【００３７】
本実施例ではＥＡ型光変調器光集積デバイスについて説明したが、マッハツェンダ型の光変調光集積デバイスなどにも同様に適用できることは言うまでもない。又、光のモ−ドの大きさを変換する、モ−ド拡大器光集積デバイスにも同様に適用することができる。さらに、レ−ザを横方向に集積化したレ−ザアレイ等に対しても適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本願発明の一つの実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図２】図２は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した一つの断面図である。
【図３】図３は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した別の断面図である。
【図４】図４は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した別の断面図である。
【図５】図５は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した別の断面図である。
【図６】図６は従来の半導体レ−ザの例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図７】図７は従来の半導体レ−ザにおける寄生素子の分布を等価回路で説明する為の図である。
【図８】図８は本願発明の別な実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図９】図９は本願発明の別な実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図１０】図１０は本願発明の実施例の１つを示す斜視図である。
【図１１】図１１は本願発明の係る立下り時間とメサストライプと導電阻止構造までの関係の例を示す図である。
【図１２】図１２は本願発明の係る推定寿命時間とメサストライプと導電阻止構造までの関係の例を示す図である。
【図１３】図１３は本願発明の別な実施例の１つを示すメサストライプに平行な縦断面図である。
【図１４】図１４は本願発明の別な実施例の１つを示す上面図である。
【図１５】図１５は本願発明の別な実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：ｎ型ＩｎＰ基板（下部クラッド層）、２：ｎ型ガイド層、３：量子井戸活性層、４：ｐ型ガイド層、５：上部クラッド層、６：コンタクト層、７：絶縁膜、８：上部電極、８ｂ：上部電極パッド、９：下部電極、１０:電流阻止構造（溝）
１０ｂ：電流阻止構造（イオン注入領域）、１１：ｐ型ＩｎＰ層、１２：第２下部クラッド層、１３：第２上部クラッド層、１４：エッチングストップ層、１５：回折格子層、１６：後面反射膜、１７：前面反射膜、１８：ＩｎＰ窓構造、１９：レ−ザ領域、２０：遷移領域、２１：ＥＡ型変調領域、２２：窓領域、２３：ポリイミド樹脂。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は半導体材料を用いたレ−ザ装置及び光導波路デバイス或いはそれらを集積化した光集積型半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光記録等、各産業に幅広く使用されている半導体レ−ザは高性能化、特に近年はインタ−ネットの発展に伴う光通信における伝送容量の爆発的な増大により低コストでの高速化が求められている。低コスト化に対して有利なレ−ザとして、作製プロセスが簡単なリッジ型レ−ザが知られている。こうした例は、例えば、T. Fukushimaによりアイ・イ−・イ−・イ− フォトニック テクノロジ− レタ−ズ（IEEE Photonics Technology Letters）、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．９、１９９３、ｐｐ．９６３−９６５に示される（非特許文献１）。リッジ型レ−ザの断面図を図２に例示する。断面構造のように下部クラッド層、ＳＣＨ層を含む活性層、上部クラッド層を順次積層構造に成長し、メサストライプを残して上部のクラッド層を選択エッチングで取り去る構造である。図２において１はｎ型ＩｎＰ基板で下部クラッド層としても働く。２はｎ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層、３はＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸活性層、４はｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層、５はｐ型ＩｎＰの上部クラッド層、６は上部電極８とのオ−ミック接続を得るためのコンタクト層である。このコンタクト層はＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。７はＳｉＯ2の絶縁膜である。コンタクト層６以外で半導体４、５と上部電極８の間で電気的に絶縁しており、電流はコンタクト層を通して活性層の方向へ流れる。９は下部電極である。このリッジ型レ−ザは１回の結晶成長で半導体レ−ザを作製することができるため、２〜３回の結晶成長回数が必要な従来型の埋め込み型半導体レ−ザに対してコスト低減が可能となる。
【０００３】
【非特許文献１】T. Fukushimaによりアイ・イ−・イ−・イ− フォトニック テクノロジ− レタ−ズ（IEEE Photonics Technology Letters）、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．９、１９９３、ｐｐ．９６３−９６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の第１の課題は、リッジ型レ−ザにおいて寄生素子を低減し高速な応答を実現する構造を提供することにある。第２の課題は、寄生素子が小さなリッジ型レ−ザにおいて高信頼性を有する構造を提供することにある。本願発明はこの両課題を満たさんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の第１及び第２の課題は、メサストライプの両脇を活性層に達しない深さで矩形状に掘り込んだリッジ型半導体光デバイス装置において、当該矩形状の底部の一部に導電阻止構造を設けた構造を有する半導体光デバイス装置により達成される。導電阻止構造の代表例は溝或いは半導体に不純物がイオン注入された構造により達成される。
【０００６】
本願発明の代表的な例は、第１導電型の第１のクラッド層領域と、活性層領域と、前記活性層領域の上部に形成されたリッジ型ストライプ形状の第２導電型の第２のクラッド層領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域側の第２の電極と、を少なくとも有する半導体光デバイスである。そして、前記リッジ型ストライプ形状の領域はその両側に所望の細長形状の半導体領域が配され、且つ前記リッジ型ストライプ形状の領域は、前記細長形状の領域との間に前記活性層領域に達しない深さで凹部を形成する。
【０００７】
更に、次の３つの特徴を有する。（１）この凹部の一部に少なくとも導電阻止部を有する。（２）第２の電極は前記第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域の少なくとも一方の上に延在する。（３）リッジ型ストライプ形状領域の光の進行方向に沿う各側面と前記導電阻止部との間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えない。
【０００８】
本願発明の半導体光デバイスとしては、半導体レーザ装置が代表的な例である。この外、光導波路を有し、活性層領域の横方向へのキャリアの拡散を嫌う光デバイスに適用することが出来る。この例は例えば、半導体光変調器などである。あるいは、本願発明は、これらの諸半導体光デバイスを一つの基板に搭載した半導体光集積化装置に適用することが出来る。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明は、リッジ型半導体光デバイスにおいて、高信頼性を保ちながら高速性を確保することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の代表的な形態について詳細の説明を行う。
【００１１】
前記導電阻止部は少なくとも溝部、あるいはイオン注入部を有して構成することが出来る。イオン注入によって、所望半導体領域を高抵抗、あるいは絶縁化する。このイオン注入のための原子としては、例えば、Ｈ、Ｆｅ、Ｔｉなどを用いることが出来る。勿論、導電阻止部はキャリアの面内方向の流れを阻止する手段でありば良い。その他、当該半導体分野で用いている半導体層の高抵抗、あるいは絶縁化の手段を用いることが出来る。
【００１２】
本願発明の主要目的から、導電阻止部は、リッジ型ストライプ形状の領域と各前記第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域との各々の間に形成される凹部の上面より、少なくとも活性層領域の下端に達して設けられることが望ましい。キャリアの横方向への拡散を十分阻止することが出来る。
【００１３】
リッジ型ストライプ形状領域の光の進行方向に沿う各側面と導電阻止部との間隔は、（１）リッジ型のｐ型半導体層とｉ型半導体層との間の容量を低下させることと、（２）ｉ型半導体層中のホールの拡散距離を大きくとって長寿命化を図ること、の２点を考慮して定められる。前者から前記間隔は１０μｍを超えないことが要請される。更に、より好ましくは、７μｍ以下である。一方、後者よりは、当該間隔は２μｍ以上であることが要請される。これらのより詳細な説明は実施例において、実例をもって説明される。
【００１４】
リッジ型ストライプ形状の領域と前記細長形状の領域との高さが略同一であることであること有用である。リッジ型ストライプ形状の領域が開放されず、これを挟む２つの細長形状の領域によって保護される。従って、製造工程中での損傷などが防止される。よって、本半導体光デバイスは高歩留まりで製造がなされる。
【００１５】
活性層領域は、その目的に応じて通例の多重量子井戸構造を採用することが出来る。この場合、当然、歪多重量子井戸構造、歪補償多重量子井戸構造、あるいは単一量子井戸構造などをも用いることが出来る。
【００１６】
又、前記活性層領域は、前記第１及び第２のクラッド層領域側に、前記第１及び第２のクラッド層より屈折率が大きく且つ前記活性層領域の光の遺漏を防ぐ半導体層を配することも可能である。通例、この半導体層は光閉じ込め層と通称されている。勿論、その他の光ガイド層を、必要に応じて用いることが可能である。
【００１７】
半導体光装デバイスを構成する半導体材料自体は通例の材料を、その目的に応じて用いて十分である。光通信用の半導体レーザ装置としては、活性層領域はＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどが多用される。１．３μｍ帯あるいは１．５μｍ帯などの波長帯域に応じて材料は選択される。又、クラッド層領域の一部として、ＩｎＡｌＡｓが用いられる。ＩｎＧａＡｓはバンドプロファイルにおいて伝導帯側のバンドの不連続が大きいので、ｐ側クラッド層に使用すると量子井戸層からの電子の漏れをより良好に防ぐことが出来る。
＜実施例１＞
第１の実施例は、本願発明を通信用１.３μｍ帯半導体レ−ザに適用した例である。図１は本例の光の進行方向と交差する断面図である。図１０はその斜視図である。図２より図５は本例の半導体光デバイスを製造する工程順のデバイスの断面図である。
【００１８】
図１の例では、ｎ型ＩｎＰ基板１は下部クラッド層としても働く。勿論、半導体基板上にクラッド層を形成する形態も用い得る。このＩｎＰ基板１の上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層２、井戸層３が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.２％、アンド−プＩｎＧａＡｓＰ歪多重量子井戸活性層、キャリア濃度６×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層４、キャリア濃度８×１０17ｃｍ-3で厚さ１.５μｍのｐ型ＩｎＰの上部クラッド層５、ＩｎＰに整合したｐ型ＩｎＧａＡｓ層のコンタクト層６の各層が積層される（図２）。アンド−プＩｎＧａＡｓＰ歪多重量子井戸活性層は、井戸層３が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.２％、障壁層が厚さ１０ｎｍで５層の総厚０.０９μｍである。
【００１９】
この多層基板上に幅１．７μｍのストライプとその両脇に設けた第２のストライプ領域を食刻用マスク３０ａを用いて形成したコンタクト層６を除去する（図３）。その際、エッチング液はＩｎＧａＡｓコンタクト層のみをエッチングする燐酸、過酸化水素、水の混合液を用いる。その後、食刻用マスクを除去し、ストライプ状に形成されたＩｎＧａＡｓ層をマスクとしてＩｎＰｓ層のみを選択エッチングする塩酸と燐酸の混合液で垂直なストライプ形状を形成する。エッチングはガイド層４上で停止する（図４）。
【００２０】
次いで、食刻用マスク３０ｂを用いて、半導体積層体（３、４）に溝１０を形成する。溝の幅は概ね２μｍより１０μｍ程度である（図５）。食刻用マスクを除去し、絶縁膜７を形成する。上部電極層８を設ける領域の絶縁膜を除去し、この領域を覆って上部電極層８を形成す（図１）。この場合、上部電極層８は第２のストライプ領域１１の少なくとも一方に延在させることが肝要である。そして、図１及び図１０に明示されるように、電極パッド８ｂは厚膜領域に配置される。
【００２１】
層７はＳｉＯ2の絶縁膜であり、層６のコンタクト層以外で半導体層４、５と上部電極８の間で電気的に絶縁しており、電流はコンタクト層を通して活性層方向に流れる。層９は下部電極である。層１１はｐ型ＩｎＰ層である。このｐ型ＩｎＰ層は、メサストライプ５の領域と略同じ高さになっている。この為、製造プロセス中にメサストライプ領域を傷つけるのを防ぎ、素子の高信頼性及び高歩留まり化を実現する。層８ｂは電極８につながっている電極パッドで、ワイヤボンディングやはんだ接続により外部の回路に接続される。電極パッド部は絶縁膜７の厚さ分メサストライプより低いため、ワイヤボンディング時にメサストライプに傷をつける可能性が低い。
【００２２】
領域１０が、導電阻止構造である。この領域１０は幅２.５μｍ、深さ０.３μｍの溝である。この溝により、図７の等価回路で例示される梯子型の寄生素子が途中で分断される。このために寄生素子が小さくなり、素子を高速動作とすることができる。
［従来の代表例であるリッジ型レ−ザとの比較検討］
ここで、本願発明と従来の代表例であるリッジ型レ−ザとの比較検討を行っておこう。
【００２３】
リッジ型レ−ザ装置は高速化の観点からは課題がある。即ち、前述の図６において上部電極８からの注入された電流は上部クラッド層５を通して下方向に流れ、活性層３に達する。しかし、４のｐ型ガイド層より下では電流の横方向拡散が存在する。図７に当該領域の部分拡大図を例示する。本問題の理解を容易となす為、図７に電流の流れを模式的に示す。尚、図６及び図７で図１等と同等の部位は同じ符号で示される。リッジ型レ−ザには図７のような容量と抵抗の梯子型の寄生素子が存在するため、横方向への電流拡散により寄生素子へ電流が流れ込んで高速化の障害となる。図７において３０１−１〜３０１−４は活性層を介したｐｎ半導体による容量で、３０２−１〜３０２−３はｐ型ガイド層が有する抵抗である。この梯子型寄生素子は一般に時定数の大きな応答となるためレ−ザの高速化の妨げとなっていた。この寄生素子の影響は特に符号４のｐ型のガイド層を厚くしたり、キャリア濃度を上げると顕著となる。この場合、前者は絶縁膜７や電極８のストレスが活性層へ伝わるのを防ぐために必要であり、後者はレ−ザの素子抵抗を下げるのに必要となる。よって寄生素子とのトレ−ドオフとなっているのが実情であった。又、図６の構造のリッジ型レ−ザではリッジストライプが半導体基板上にとび出ているため、絶縁膜成膜や電極形成等のプロセス時にストライプ部にダメ−ジを受けるため信頼性が低いという難点もあった。本願発明は、これらの諸難点を克服することが出来る。
【００２４】
さて、次に、本願発明での導電阻止部の設け方について、詳細を説明する。図１における溝とメサストライプの距離Ｗmiとレ−ザの光出力の立下り時間ｔfの関係を図１１に示す。横軸が溝とメサストライプの距離Ｗmi、縦軸がレ−ザの光出力の立下り時間ｔfである。溝が無い場合（無溝）のｔfは極めて遅く１５０ｐsであった。一方、溝を導入した場合にはｔfは速くなり、特にＷmiが７μｍ以下で３０ｐs以下のｔfが得られている。Ｗmiによりｔfが変化するのは寄生素子が分布定数的に配置されているからである。次に、Ｗmiと信頼性について調べた。図１２に本実施例の半導体レ−ザにおけるＷmiとのエ−ジング試験から得られた推定寿命時間の関係を示す。横軸が溝とメサストライプの距離Ｗmi、縦軸が推定寿命である。エ−ジング試験は８５℃で１０ｍＷの一定光出力で行った。図１２から明らかなようにＷmiが２μｍ以上において、１.８×１０5時間以上の高信頼性が得られることが理解される。図１１及び図１２の結果より、Ｗmiは２μｍ以上、１０μｍを超えない範囲、より好ましくは２μｍ以上、７μｍ以下が望ましいことが理解される。
【００２５】
本実施例の半導体レ−ザは、Ｗmi＝５μｍである。そして、当該素子は、共振器長は３００μｍ、前方５０％、後方９０％の端面コ−ティングにおいて２５℃でしきい電流１０ｍＡ、スロ−プ効率０.４２Ｗ／Ａ、８５℃で２２ｍＡ、スロ−プ効率０.２３Ｗ／Ａの通常のレ−ザ特性が得られた。この特性は、リッジ型の同等のレ−ザ特性である。更に、優れた低容量化を反映して、立下り時間は３５ｐsと非常に小さく、−４０℃〜８５℃の温度範囲において２.５Ｇｂ／ｓの高速動作を実現することができた。又、８５℃、１０ｍＷにおいて、２.３×１０5時間の高い信頼性を得ることができた。
＜実施例２＞
本願発明の第２の実施例を、図８の断面構造図を使って説明する。本例は、本発明の導電阻止構造にイオン注入された領域を有する構造の半導体レ−ザである。
【００２６】
導電阻止構造以外の構造は、実施例１と同じ１.３μｍ帯半導体レ−ザである。従って、その詳細説明は省略する。導電阻止構造は、フォトレジストをマスクとしてＨ、即ち、水素原子をイオン注入し、１×１０18ｃｍ-3の不純物濃度、且つ幅４μｍのイオン注入領域１０ｂである。ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ、あるいはＩｎＧａＡｌＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体では、Ｈのイオン注入により抵抗率が増加し半絶縁性を示すため、図７に例示される寄生素子をイオン注入領域で遮断することができる。
【００２７】
図８において本実施例の半導体レ−ザのイオン注入領域とメサストライプの距離Ｗmiは６μｍであり、共振器長２５０μｍ、前方７０％、後方９０％の端面コ−ティングにおいて２５℃でしきい電流８ｍＡ、スロ−プ効率０.４７Ｗ／Ａ、８５℃で１７ｍＡ、スロ−プ効率０.２８Ｗ／Ａのレ−ザ特性が得られた。この特性は通常のリッジ型の同等である。更に、優れた低容量化を反映して、立下り時間は３８ｐsと非常に小さく、−４０〜８５℃において２.５Ｇｂ／ｓの高速動作を実現することができた。又、８５℃、１０ｍＷにおいて２.３×１０5時間の高い信頼性を得ることができた。尚、本実施例においてイオン注入領域の幅は４μｍであったが、注入領域を１１のｐ−ＩｎＰ層まで広げても良い。又、イオン種はＨだけではなく、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｆ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に導入され、当該半導体材料が半絶縁性を示す元素を用いることが出来る。
＜実施例３＞
第３の実施例は本発明を通信用１.３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓを量子井戸活性層とする半導体レ−ザに適用した例である。図９にレーザ光の進行方向に交差する断面での構造を示す。
【００２８】
図９において、ｎ型ＩｎＰ基板１は、下部クラッド層としても働く。層１２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ０.１μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓの第２下部クラッド層、層２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層３はアンド−プＩｎＧａＡｌＡｓ 歪補償型多重量子井戸活性層、層４はキャリア濃度６×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層１３はキャリア濃度９×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓの第２上部クラッド層、層１４はキャリア濃度５×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのエッチングストップ層である。尚、前述のアンド−プＩｎＧａＡｌＡｓ歪補償型多重量子井戸活性層は、井戸層が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.４％、障壁層が厚さ８ｎｍで引っ張り歪０.６％である７層の総厚０.１０６μｍである。
【００２９】
ＩｎＡｌＡｓ層１２は燐酸と塩酸のエッチング液にはエッチングされるため１３のエッチングストップ層を設けて選択エッチングできるように構成してある。層５はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ１.５μｍのｐ型ＩｎＰの第１上部クラッド層である。そして、発光部を含む領域は、幅１.６μｍのリッジ型のメサストライプとなっている。層６は上部電極８とのオ−ミック接続を得るためのコンタクト層であり、ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。層７はＳｉＯ2の絶縁膜であり、コンタクト層６以外で半導体層４、５と上部電極８の間で電気的に絶縁しており、電流はコンタクト層を通して活性層に向かって流れる。層９は下部電極である。領域１１はｐ型ＩｎＰ層でメサストライプ領域５と略同じ高さになっており、製造プロセス中にメサストライプを傷つけるのを防ぐことが出来る。この為、素子の高信頼性及び高歩留まり化を実現することが出来る。層８ｂは電極８につながっている電極パッドで、ワイヤボンディングやはんだ接続により外部の回路に接続される。電極パッド部は絶縁膜７の厚さ分メサストライプより低いため、ワイヤボンディング時にメサストライプに傷をつける可能性が低い。
【００３０】
溝１０が導電阻止構造である。この溝は幅２.５μｍ、深さ０.５μｍである。この溝により図７の等価回路で示される梯子型の寄生素子が途中で分断される。この為、寄生素子が小さくなり高速動作することができる。本実施例では上部第２クラッド層１２とエッチングストップ層１３があり、活性層上部に搭載される積層体の厚さが厚くなっているため寄生素子の抵抗成分（図７の３０２に相当）が小さくなる。この為、図７に示された横方向の梯子型寄生素子の影響は大きくなる。よって、本願発明の導電阻止構造は極めて有効な構造と言える。本実施例の半導体レ−ザはＷmi＝６μｍであり、共振器長２００μｍ、前方４０％、後方９０％の端面コ−ティングにおいて２５℃でしきい電流７ｍＡ、スロ−プ効率０.２４Ｗ／Ａ、８５℃で１３.５ｍＡ、スロ−プ効率０.１９Ｗ／Ａのレ−ザ特性が得られた。この特性は通常のリッジ型レ−ザと同等のレ−ザ特性である。更に、優れた低容量化を反映して立下り時間は３０ｐsと非常に小さく、０℃〜８５℃において１０Ｇｂ／ｓの高速動作を実現することができた。又、８５℃、１０ｍＷにおいて２.５×１０5時間の高い信頼性を得ることができた。
＜実施例４＞
本願発明による第４の実施例は半導体レ−ザとレ−ザ光を変調するＥＡ(Electro−absoroptioｎ)型光変調器が集積化された光集積化デバイスに適用したものである。本願発明は、半導体レーザ部を含むこのような光集積素子に十分適用される。
【００３１】
図１３に光集積デバイスのリッジメサストライプに平行な方向の縦断面図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１に各領域が搭載される。領域１９が光集積化デバイスのレ−ザ領域、領域２１がＥＡ型変調器領域、そして領域２０が領域１９と領域２１を接続する遷移領域である。
【００３２】
レ−ザ領域において、層３は波長１.５５μｍで発振する活性層領域である。この活性層領域は、アンド−プＩｎＧａＡｌＡｓ歪補償型多重量子井戸活性層から構成される。この構成の具体例は、例えば、井戸層が厚さ６ｎｍで圧縮歪１.４％、障壁層が厚さ８ｎｍで、引っ張り歪０.６％である。全体で１０層、総膜厚が０.１４８μｍである。層１２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で、厚さ０.１μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓの第２下部クラッド層、層２はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で、厚さ０.０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層４はキャリア濃度０.５×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０８μｍｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのガイド層、層１３はキャリア濃度４×１０17ｃｍ-3で厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓの第２上部クラッド層、層１４はキャリア濃度１×１０17ｃｍ-3で、厚さ０.０５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのエッチングストップ層である。層５はキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で厚さ１.５μｍのｐ型ＩｎＰの第１上部クラッド層である。発光部を含む領域は、幅１.６μｍのリッジ型のメサストライプとなっている。層６は上部電極８とのオ−ミック接続を得るためのコンタクト層であり、ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓが使用される。層９は下部電極で１６は半導体レ−ザ部の後端面反射膜で反射率は９０％ある。
【００３３】
本例の半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子のＤＦＢ（Distributed FeedBack; 分布帰還型）構造１５により単一発振モ−ドを得ている。ＥＡ型変調領域２１では多重量子井戸層３ｂのバンドギャップはレ−ザ領域の多重量子井戸層より大きくなるように作製されている。８ｃはＥＡ型変調器を駆動するための電極である。これらの多重量子井戸活性層は選択成長法を使って一括して異なるバンドギャップを作製するため、バンドギャップの遷移領域２０が存在する。１７は反射率０.６％以下の反射防止膜でさらに実効的な反射率を低減するためＩｎＰ層の窓構造１８を設けている。
【００３４】
変調器集積化デバイスでは、レ−ザ部は常時レ−ザ発光させておき、その前にあるＥＡ変調器部でレ−ザ光を高速変調する。変調器内の多重量子井戸層３ｂは変調器の電極８ｃに逆電圧を加えると量子閉じ込めシュタルク効果によりレ−ザ光は変調器で吸収され、レ−ザ光は外部に出ない。変調器部上部電極８cに電圧を加えないときにはレ−ザ光は変調器で吸収されずに外部にレ−ザ光が出力される。
【００３５】
図１４は本実施例を上方から見た図である。同図での符号はこれまでと同様の部位を示す。高速性が要求されるのはＥＡ変調器部であるため、本実施例では導電阻止構造である溝１０はＥＡ部に設けられている。溝は遷移領域まで掘り込んである。更に、本実施例ではメサストライプ脇に、高分子樹脂、例えば、ポリイミド膜２３を埋め込んで、絶縁膜との容量をも減らしてさらなる低容量を実現している。
【００３６】
ＥＡ部の断面構造を図１５に示す。メサストライプ脇をポリイミド膜２３で埋め込んでいることと、多重量子井戸層３ｂがＥＡのバンドギャップであること以外は実施例１と同様の形状となっている。このＥＡ変調器集積化光デバイスは立ち下がり時間は１５ｐsときわめて小さく、３８ＧＨｚの高周波応答特性と低チャ−ピングよる伝送速度毎秒２０Ｇｂ／ｓでの通常分散ファイバへの最大伝送距離４０ｋｍを得ることができた。更に、寿命も６５℃、１０ｍＷにおいて２×１０6時間の高い信頼性を得ることができた。
【００３７】
本実施例ではＥＡ型光変調器光集積デバイスについて説明したが、マッハツェンダ型の光変調光集積デバイスなどにも同様に適用できることは言うまでもない。又、光のモ−ドの大きさを変換する、モ−ド拡大器光集積デバイスにも同様に適用することができる。さらに、レ−ザを横方向に集積化したレ−ザアレイ等に対しても適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本願発明の一つの実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図２】図２は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した一つの断面図である。
【図３】図３は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した別の断面図である。
【図４】図４は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した別の断面図である。
【図５】図５は本願発明の一つの実施例の半導体光デバイスの製造工程順に示した別の断面図である。
【図６】図６は従来の半導体レ−ザの例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図７】図７は従来の半導体レ−ザにおける寄生素子の分布を等価回路で説明する為の図である。
【図８】図８は本願発明の別な実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図９】図９は本願発明の別な実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図１０】図１０は本願発明の実施例の１つを示す斜視図である。
【図１１】図１１は本願発明の係る立下り時間とメサストライプと導電阻止構造までの関係の例を示す図である。
【図１２】図１２は本願発明の係る推定寿命時間とメサストライプと導電阻止構造までの関係の例を示す図である。
【図１３】図１３は本願発明の別な実施例の１つを示すメサストライプに平行な縦断面図である。
【図１４】図１４は本願発明の別な実施例の１つを示す上面図である。
【図１５】図１５は本願発明の別な実施例における光の進行方向と交差する面での断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：ｎ型ＩｎＰ基板（下部クラッド層）、２：ｎ型ガイド層、３：量子井戸活性層、４：ｐ型ガイド層、５：上部クラッド層、６：コンタクト層、７：絶縁膜、８：上部電極、８ｂ：上部電極パッド、９：下部電極、１０:電流阻止構造（溝）
１０ｂ：電流阻止構造（イオン注入領域）、１１：ｐ型ＩｎＰ層、１２：第２下部クラッド層、１３：第２上部クラッド層、１４：エッチングストップ層、１５：回折格子層、１６：後面反射膜、１７：前面反射膜、１８：ＩｎＰ窓構造、１９：レ−ザ領域、２０：遷移領域、２１：ＥＡ型変調領域、２２：窓領域、２３：ポリイミド樹脂。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１のクラッド層領域と、活性層領域と、前記活性層領域の上部に形成され且つ光の進行方向に長手方向を有する第２導電型の第２のクラッド層領域を含む領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域を含む領域側の第２の電極と、を少なくとも有し、
前記第２のクラッド層領域を含む領域は、その両側に当該第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域が少なくとも配され、且つ前記第２のクラッド層領域を含む領域は、前記第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の各半導体領域との間の双方に、前記活性層領域に達しない空間が存在し、前記各空間の前記活性層領域側の底面の所望位置で、且つ前記活性層領域を含む半導体積層体側に、半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域を少なくとも有し、
前記第２の電極は、前記第２のクラッド層領域を含む領域より前記第１及び第２の半導体領域の内の少なくとも一方の上に延在し、且つ前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から前記導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えないことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項２】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は少なくとも溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域はイオン注入部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は、前記第２のクラッド層領域を含む領域と前記第１及び第２の各半導体領域との各々の間に形成される空間の前記活性層領域側の底面に当たる面より、少なくとも前記活性層領域の下端に達して設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から最近接にある前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ７μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項６】
前記第２のクラッド層領域を含む領域と、第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域との高さが略同一であることであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項７】
前記活性層領域は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項８】
前記活性層領域は、前記第１及び第２のクラッド層領域側に、前記第１及び第２のクラッド層より屈折率が大きく且つ前記活性層領域の光の遺漏を防ぐ半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項９】
前記半導体光デバイスが半導体レーザ装置を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項１０】
半導体レーザ発振部とこれとは別異の半導体素子部とを同一基板に少なくとも有し、
前記半導体レーザ発振部が、第１導電型の第１のクラッド層領域と、活性層領域と、前記活性層領域の上部に形成された第２導電型の第２のクラッド層領域を有する細長領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域側の第２の電極と、を少なくとも有し、
前記第２のクラッド層領域を有する細長領域は、その両側に前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と対向面を有する半導体領域が配され、且つ前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と前記前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と対向面を有する半導体領域との間の双方に、前記活性層領域に達しない空間が存在し、
前記各空間の前記活性層領域側の底面の所望位置で、且つ前記活性層領域を含む半導体積層体側に、半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域を少なくとも有し、
前記第２の電極は、前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と対向面を有する半導体領域の少なくとも一方の上に延在し、且つ前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えないことを特徴とする集積型光半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は少なくとも溝部を有することを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域はイオン注入部を有することを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は、前記第２のクラッド層領域を含む領域と前記第１及び第２の各半導体領域との各々の間に形成される空間の前記活性層領域側の底面に当たる面より、少なくとも前記活性層領域の下端に達して設けられることを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体素子部がレーザ光の変換部であることを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１５】
前記活性層領域は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１６】
前記第２の電極は前記空間の外側に延在して配されることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項１７】
第１導電型の第１のクラッド層領域と活性層領域とを少なくとも有する半導体積層体と、この半導体積層体の上部に光の進行方向に、前記半導体積層体側の面とで凹部を形成する二つの細長形状の第１及び第２の半導体領域と、前記凹部内に光の進行方向に延在する第２導電型の第２のクラッド層領域を有する細長形状の第３の半導体領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域側の第２の電極とを少なくとも有し、且つ前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域との間並びに前記第２の半導体領域と前記第３の半導体領域との間に存する前記凹部底面の所望位置で、且つ前記活性層領域を含む半導体積層体側に、半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域が配置され、
前記第２の電極は、前記第２のクラッド層領域を含む領域より、前記第１および第２の半導体領域の少なくとも一方側の前記凹部の外部に延在し、
前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えないことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項１】
第１導電型の第１のクラッド層領域と、活性層領域と、前記活性層領域の上部に形成され且つ光の進行方向に長手方向を有する第２導電型の第２のクラッド層領域を含む領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域を含む領域側の第２の電極と、を少なくとも有し、
前記第２のクラッド層領域を含む領域は、その両側に当該第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域が少なくとも配され、且つ前記第２のクラッド層領域を含む領域は、前記第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の各半導体領域との間の双方に、前記活性層領域に達しない空間が存在し、前記各空間の前記活性層領域側の底面の所望位置で、且つ前記活性層領域を含む半導体積層体側に、半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域を少なくとも有し、
前記第２の電極は、前記第２のクラッド層領域を含む領域より前記第１及び第２の半導体領域の内の少なくとも一方の上に延在し、且つ前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から前記導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えないことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項２】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は少なくとも溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域はイオン注入部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は、前記第２のクラッド層領域を含む領域と前記第１及び第２の各半導体領域との各々の間に形成される空間の前記活性層領域側の底面に当たる面より、少なくとも前記活性層領域の下端に達して設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から最近接にある前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ７μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項６】
前記第２のクラッド層領域を含む領域と、第２のクラッド層領域を含む領域の長手方向と並存する長手方向を有する第１及び第２の半導体領域との高さが略同一であることであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項７】
前記活性層領域は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項８】
前記活性層領域は、前記第１及び第２のクラッド層領域側に、前記第１及び第２のクラッド層より屈折率が大きく且つ前記活性層領域の光の遺漏を防ぐ半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項９】
前記半導体光デバイスが半導体レーザ装置を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項１０】
半導体レーザ発振部とこれとは別異の半導体素子部とを同一基板に少なくとも有し、
前記半導体レーザ発振部が、第１導電型の第１のクラッド層領域と、活性層領域と、前記活性層領域の上部に形成された第２導電型の第２のクラッド層領域を有する細長領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域側の第２の電極と、を少なくとも有し、
前記第２のクラッド層領域を有する細長領域は、その両側に前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と対向面を有する半導体領域が配され、且つ前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と前記前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と対向面を有する半導体領域との間の双方に、前記活性層領域に達しない空間が存在し、
前記各空間の前記活性層領域側の底面の所望位置で、且つ前記活性層領域を含む半導体積層体側に、半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域を少なくとも有し、
前記第２の電極は、前記第２のクラッド層領域を有する細長領域と対向面を有する半導体領域の少なくとも一方の上に延在し、且つ前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えないことを特徴とする集積型光半導体装置。
【請求項１１】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は少なくとも溝部を有することを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域はイオン注入部を有することを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域は、前記第２のクラッド層領域を含む領域と前記第１及び第２の各半導体領域との各々の間に形成される空間の前記活性層領域側の底面に当たる面より、少なくとも前記活性層領域の下端に達して設けられることを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体素子部がレーザ光の変換部であることを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１５】
前記活性層領域は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の集積型光半導体装置。
【請求項１６】
前記第２の電極は前記空間の外側に延在して配されることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項１７】
第１導電型の第１のクラッド層領域と活性層領域とを少なくとも有する半導体積層体と、この半導体積層体の上部に光の進行方向に、前記半導体積層体側の面とで凹部を形成する二つの細長形状の第１及び第２の半導体領域と、前記凹部内に光の進行方向に延在する第２導電型の第２のクラッド層領域を有する細長形状の第３の半導体領域と、前記第１のクラッド層領域側の第１の電極と、前記第２のクラッド層領域側の第２の電極とを少なくとも有し、且つ前記第１の半導体領域と前記第３の半導体領域との間並びに前記第２の半導体領域と前記第３の半導体領域との間に存する前記凹部底面の所望位置で、且つ前記活性層領域を含む半導体積層体側に、半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域が配置され、
前記第２の電極は、前記第２のクラッド層領域を含む領域より、前記第１および第２の半導体領域の少なくとも一方側の前記凹部の外部に延在し、
前記第２のクラッド層領域を含む領域の光の進行方向に沿う各側面と、この各側面から前記半導体層の層面に沿った方向の導電性を阻止する領域の側面との最短の間隔が２μｍ以上且つ１０μｍを超えないことを特徴とする半導体光デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−２０５４９９（Ｐ２００８−２０５４９９Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０３４８６（Ｐ２００８−１０３４８６）
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【分割の表示】特願２００１−２５９１４１（Ｐ２００１−２５９１４１）の分割
【原出願日】平成１３年８月２９日（２００１．８．２９）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【分割の表示】特願２００１−２５９１４１（Ｐ２００１−２５９１４１）の分割
【原出願日】平成１３年８月２９日（２００１．８．２９）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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