半導体光素子
【課題】放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子を提供すること。
【解決手段】半導体レーザ１００は、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体レーザにおいて、Ａｌ系材料で構成された活性層１０５と、活性層１０５の上の境界層１０８Ａと、境界層１０８Ａの上の、Ａｌを含有しない導波層１０９を有するリッジ１１１と、境界層１０８Ａの上のリッジを埋め込む埋め込み層１１２とを備える。境界層１０８Ａは、リッジ１１１を形成するためのエッチングにより露出する表面とＡｌ含有層である上側ＳＣＨ層１０６との間に存在し、上側ＳＣＨ層１０６や量子井戸活性層１０５が露出して酸化することを回避する。導波層１０９は、リッジ１１１内部にありエッチングにより側面が露出するが、Ａｌを含有しないので、Ａｌ含有層が露出することによる酸化の問題は生じない。
【解決手段】半導体レーザ１００は、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体レーザにおいて、Ａｌ系材料で構成された活性層１０５と、活性層１０５の上の境界層１０８Ａと、境界層１０８Ａの上の、Ａｌを含有しない導波層１０９を有するリッジ１１１と、境界層１０８Ａの上のリッジを埋め込む埋め込み層１１２とを備える。境界層１０８Ａは、リッジ１１１を形成するためのエッチングにより露出する表面とＡｌ含有層である上側ＳＣＨ層１０６との間に存在し、上側ＳＣＨ層１０６や量子井戸活性層１０５が露出して酸化することを回避する。導波層１０９は、リッジ１１１内部にありエッチングにより側面が露出するが、Ａｌを含有しないので、Ａｌ含有層が露出することによる酸化の問題は生じない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関し、より詳細には、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムは、インターネットやブロードバンドの普及により高速、大容量化が必然となっている。ここで使われる光通信用レーザは過密で、過酷な温度条件下にあり、その消費電力を下げて小型化しつつも、温調を伴わずに高温でも安定に動作することが求められている。
【０００３】
このような背景において、近年、光通信用レーザとして、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体レーザ（Ａｌ系半導体レーザ）が用いられ始めてきた。Ａｌ系半導体レーザでは、ＩｎＰに格子整合するＡｌ系材料ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａとＡｌの組成比によるバンドギャップの変化から、光通信で用いられる波長帯に対して最適な量子井戸構造を選択でき、高温動作においても十分な特性を示すレーザを実現することができる。
【０００４】
これまでのＡｌ系半導体レーザは、例えば特許文献１に記載されているようなリッジ構造を用いたものがほとんどであった。リッジ型半導体レーザは、埋め込み型半導体レーザと比較して製造工程数が少ないので容易に作成できる利点があるものの、電流注入による発熱に対する放熱性が悪い。とりわけ高温時の動作で発熱の影響が大きくなる。
【０００５】
放熱性を改善するために、活性層および導波層を有するリッジを埋め込み層で埋め込む埋め込みリッジ構造を用いることが行われている（特許文献２に記載の構造を参照）。具体的には、ＧａＡｓ基板上に活性層（ＩｎＧａＡｓＰ）を有し、その上層のＩｎ1-xＧａxＰ（ｘ＝０．４９）からなるリッジ構造を形成した後、リッジ構造の両脇を（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）xＩｎ1-xＰ（ｘ＝０．５）で埋め込んだ構造である。ここで、電子、ホールのリッジ構造への閉じ込めのため、埋め込み層はリッジ構造に比べてエネルギーバンドギャップが大きい。また、この場合には埋め込み層に比べてリッジ構造の方が屈折率が高いので、リッジ型レーザと同様にリッジ溝下部の活性層に光を閉じ込めることができる（特許文献３を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−５６０４７号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７２５号公報
【特許文献３】特開平９−２６６３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、この構造をＩｎＰ基板上の長波長帯レーザに適用する場合には以下のような問題が生じる。一般的に、ＩｎＰ基板上の長波長帯レーザの埋め込み層には、電子、ホールの閉じ込めと光の閉じ込めを考慮してエネルギーバンドギャップが大きく屈折率の小さいＩｎＰが用いられる。ＩｎＰは後述するように混晶半導体に比べて埋め込み成長過程での組成揺らぎがなく高品質の結晶の埋め込み成長ができるという利点もある。しかしながら、ＩｎＰ基板上の活性層にＡｌ系材料、クラッド層にＩｎＰを用いたリッジ構造をＩｎＰで埋め込んだ場合には、当然のことながら上層は全面ＩｎＰとなりリッジ構造は存在しなくなる。この場合には活性層への電子、ホールの閉じ込めと光の閉じ込めがなされないので、レーザ光はマルチモードでの発振となりシングルモードで発振しなくなる。
【０００８】
また、活性層の両脇にも埋め込み層を形成する埋め込み型レーザ構造とする場合（特許文献２を参照）では、Ａｌ含有層の酸化という問題がある。埋め込みリッジ構造とするために導波層と活性層とを有するリッジを形成するエッチング工程において、活性層等のＡｌ含有層の側面が表面に現れて酸化してしまう。この酸化により、残留酸素による歩留り低下、特性劣化、および信頼性低下が引き起こされてしまう。同様の問題が、波長変調器等、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において発生する。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において、前記ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の上の前記活性層と、前記活性層の前記ＩｎＰ基板と対向する面の上の境界層と、前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、前記リッジを埋め込む埋め込み層とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記埋め込み層は、ＩｎＰであることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記埋め込み層は、ＦｅまたはＲｕがドーピングされていて、半絶縁性であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記導波層の屈折率は、前記埋め込み層の屈折率より高く、かつ、前記活性層の屈折率より低いことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰのフォトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上、かつ、活性層のフォトルミネッセンス発光波長未満であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記導波層は、前記導波層の層厚が０．０２μｍ以上０．３５μｍ以下、かつ、前記リッジの幅が０．５μｍ以上２．６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかにおいて、前記リッジは、前記導波層の前記境界層と対向する面の上に、クラッド層をさらに有し、前記境界層の屈折率は前記導波層より低く、前記クラッド層の屈折率は前記導波層より低いことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかにおいて、動作する波長帯が１．３ミクロン帯または１．５５ミクロン帯であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において、Ａｌ系材料で構成された活性層と、活性層の上の境界層と、境界層の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、境界層の上のリッジを埋め込む埋め込み層とを備えることにより、放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。本明細書において用いられる用語「上に」は、特段の定めがない限り、第１の構成要素が第２の構成要素の真上に存在する場合だけでなく、第１の構成要素と第２の構成要素との間に介在要素が存在する場合も包含することが意図されている。
【００２１】
（実施例１）
実施例１は、半導体光素子として、加入者用光伝送システムで用いられる１．３μｍ帯半導体レーザを作製したものであり、図１は、本実施例に係る半導体レーザの断面構造を示している。半導体レーザ１００の構造を、作製手順に沿って説明する。
【００２２】
ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に１００ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰバッファ層１０２を成長した後、ＩｎＰに格子整合した５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層１０３、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層１０４、量子井戸活性層１０５（量子井戸層：７ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ、障壁層：１０ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１０周期、フォトルミネッセンス発光波長：１．３μｍ）、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層１０６、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層１０７、２００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰ層１０８ＡおよびＢ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０９、および５００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ａを順次成長する。これらの層の成長には、ＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法を用いることができる。
【００２３】
次に、酸化膜をマスクとして、エッチングによりリッジ１１１を形成する。リッジ１１１を形成する時のエッチングは、ウエット、ドライ等、方法を問わない。エッチングはｐ−ＩｎＰ層１０８Ｂで止め、Ａｌを含有する上側ＳＣＨ層１０６までは達しないようにする。上側ガイド層１０７はＡｌを含有しないので、ｐ−ＩｎＰ層１０８Ａを通って上側ガイド層１０７内までエッチングを行ってもよい。リッジの幅Ｗは、導波層１０９の厚さｄおよび組成により決定される。
【００２４】
次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、１０００ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ埋め込み層１１２をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。その後、成長炉からウエハを取り出し、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。
【００２５】
次に、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ａと同一の材料であるｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ｂを、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ａおよびｎ−ＩｎＰ埋め込み層１１２の上に、ＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により５００ｎｍ形成する。
【００２６】
次に、２００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１３、ｐ側オーミック電極１１４、およびｎ側オーミック電極１１５を形成した後、へき開により、一対の共振器端面を形成する。その後、後端面にスパッタ法によりα−Ｓｉ／ＳｉＯ2高反射膜を形成し、チッピングして半導体レーザチップを得る。
【００２７】
図２は、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０９の組成を、室温でのフォトトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上１．２５μｍ以下となるようにした場合の、リッジの幅Ｗおよび導波層の厚さｄを変数とした半導体レーザの特性の分布を示している。リッジに量子井戸活性層を有しない本実施例に係る半導体レーザにおいても、導波層１０９の厚さｄおよび組成ならびにリッジの幅Ｗにより導波路の横方向の屈折率分布を制御して、横方向の光の閉じ込めを制御することが可能となり、十分な特性の半導体レーザを実現することができる。図２に示すように、導波層の厚さｄが０．０２μｍ以上０．３５μｍ以下程度、幅Ｗが０．５μｍ以上２．６μｍ以下である場合に所望の特性が得られる。図中の白の領域になるように幅Ｗと厚さｄを設定する。
【００２８】
リッジの幅Ｗを２．０μｍ、導波層の厚さｄを０．２μｍとして試作した素子は、閾値電流約５ｍＡで室温連続発振し、平均発振波長は１３１０ｎｍであった。９５℃での動作でも２．５Ｇｂ／ｓの変調でのアイパターンでも明瞭なアイ開口がみられていた。
【００２９】
また、３０素子について環境温度９５℃の条件下で１０ｍＷ定光出力連続動作させたところ、すべての素子で１万時間以上安定に動作した。
【００３０】
本実施例に係る半導体レーザは、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体レーザにおいて、Ａｌ系材料で構成された活性層と、活性層の上の境界層と、境界層の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、境界層の上のリッジを埋め込む埋め込み層とを備えることを特徴とする。
【００３１】
ｐ−ＩｎＰ層１０８Ａに対応するリッジ１１１と活性層と活性層１０５との間の境界層は、リッジ１１１を形成するためのエッチングにより露出する表面とＡｌ含有層である上側ＳＣＨ層１０６との間に存在し、上側ＳＣＨ層１０６や量子井戸活性層１０５が露出して酸化することを回避する。
【００３２】
導波層１０９は、リッジ１１１内部にありエッチングにより側面が露出するが、Ａｌを含有しないので、Ａｌ含有層が露出することによる酸化の問題は生じず、半導体レーザ１００の特性劣化等を引き起こさない。
【００３３】
埋め込み層１１２は、リッジ１１１に隣接してそれを埋め込むことで、放熱性の改善をもたらす。
【００３４】
このように、本実施例に係る半導体レーザは、放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子である。
【００３５】
混晶比が１０パーセントオーダーの混晶半導体でリッジ１１１のような平坦ではない表面を埋め込んだ場合、例えば、ＧａＡｓ基板上に活性層（ＩｎＧａＡｓＰ）を有し、その上層のＩｎ1-xＧａxＰ（ｘ＝０．４９）からなるリッジ構造の両脇を（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）xＩｎ1-xＰ（ｘ＝０．５）で埋め込んだ場合、リッジ近傍において埋め込み成長中に複数の結晶面方位が現れる。各結晶面方位により元素の取り込まれる割合が所望の割合とは異なるため、リッジ近傍での組成比が所望の格子整合状態からずれて、埋め込み層からリッジおよび境界層に応力が発生し、転位や欠陥等の機械的劣化に結びつく。したがって、混晶比が１０パーセントオーダーの混晶半導体は用いず、混晶比が数パーセントオーダーの混晶半導体を用いることで、埋め込み層の組成変動に起因する機械的劣化を低減し、半導体光素子の特性や信頼性の向上を図ることができる。特に、２元化合物半導体結晶であるＩｎＰを用いれば、組成変動が生じず、機械的劣化がより抑えられる。
【００３６】
また、埋め込み層にＦｅまたはＲｕをドーピングすると、埋め込み層を半絶縁性半導体にして、寄生容量が低減することができる。したがって、ＦｅまたはＲｕをドーピングすることにより高速変調が可能な半導体レーザを実現し、半導体光素子の特性や信頼性の向上を図ることができる。
【００３７】
また、導波層にフォトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上１．２５μｍ以下であるＩｎＧａＡｓＰを用いて説明したが、導波層の屈折率が埋め込み層の屈折率より高く、かつ、前記活性層の屈折率より低いものであれば他のフォトルミネッセンス発光波長の材料でもよい。本実施例においては、導波層において活性層で発光された光の一部が閉じ込められることにより、結果的にリッジ構造下部の活性層での光の閉じ込めが増加してレーザ特性が向上する。ここで導波層の屈折率が低すぎる場合（フォトルミネッセンス波長が１．０μｍ未満）には、導波層における光の閉じ込めが不十分となりリッジ構造下部の活性層での光の閉じ込めが不十分となりレーザ特性が向上しない。また、導波層の屈折率が高すぎる場合（フォトルミネッセンス発光波長が活性層のフォトルミネッセンス発光波長より大きい場合）には、導波層における光の閉じ込めが高すぎて活性層とともに導波層でレーザ発振が生じてしまい、レーザ発振光がマルチモードとなり、シングルモードにならないので問題となる。
【００３８】
また、境界層またはクラッド層にＩｎＰを用いたが、境界層の屈折率が導波層より低く、クラッド層の屈折率が導波層より低ければ、ＩｎＧａＡｓＰなどの他の材料でも構わない。
【００３９】
また、活性層が量子井戸構造である場合について説明したが、Ａｌを含む活性層であればよく、ＩｎＧａＡｌＡｓなどのＡｌを含む単一組成の化合物半導体からなるものであっても構わない。ただし、ＩｎＰとの格子不整合が増大すると歪緩和が生じ結晶品質が劣化するので適さない。
【００４０】
また、半導体レーザについて説明したが、変調器（実施例３）、半導体増幅器、半導体変調器集積レーザ（例えば、ＥＡ−ＤＦＢレーザ）等のＡｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子についても適用可能である。
【００４１】
本実施例においては、従来リッジ構造においてＩｎＰだけにより構成されていたクラッド層に新たに屈折率の高い導波層を導入して、さらに両脇を結晶品質の良好なＩｎＰ結晶で埋め込んだ。この屈折率の高い導波層の存在により光がリッジ構造下部の活性層に閉じ込められるようになりシングルモードの発振を可能にして良好なレーザ特性を示す。
【００４２】
（実施例２）
実施例２は、半導体光素子として、１０Ｇｂｐｓイーサネット（登録商標）用光伝送システムで用いられる１．３μｍ帯分布帰還型半導体レーザを作製したものであり、図３は、本実施例に係る半導体レーザの断面構造を示している。半導体レーザ３００の構造を、作製手順に沿って説明する。
【００４３】
ｐ−ＩｎＰ基板３０１上に１００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰバッファ層３０２を成長した後、ＩｎＰに格子整合した５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層３０３、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層３０４、量子井戸活性層３０５（量子井戸層：７ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ、障壁層：１０ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１０周期、フォトルミネッセンス発光波長：１．３μｍ）、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層３０６をＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により順次形成する。
【００４４】
さらに、８０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層３０７、２０ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ層３０８ＡをＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により引き続き形成する。
【００４５】
次に通常の干渉露光法によるフォトリソグラフィーとエッチングにより上側ガイド層３０７およびｎ−ＩｎＰ層３０８Ａの一部を周期的にエッチング除去し、回折格子３１６を基板全面に形成する。回折格子３１６の周期は２０１ｎｍである。分布帰還型半導体レーザを作製する場合には、回折格子３１６を形成する上側ガイド層３０７にはＡｌを含まないようにする。引き続き、Ｐ−ＩｎＰ層３０８ＡおよびＢを合わせて３００ｎｍ形成し、ついでｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層３０９、ｎ−ＩｎＰクラッド層３１０ＡをＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により形成する。
【００４６】
次に、酸化膜をマスクとして、エッチングによりリッジ３１１を形成する。このときのエッチングはウエット、ドライ等、方法を問わない。エッチングはｎ−ＩｎＰ層３０８Ｂで止める。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとしてＦｅまたはＲｕを含むＩｎＰ埋め込み層３１２をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。
【００４７】
その後成長炉からウエハを取り出し、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。そして、ｎ−ＩｎＰクラッド層３１０Ｂ、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３１３をＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により形成する。
【００４８】
ｎ側オーミック電極３１４およびｐ側オーミック電極３１５を形成した後、へき開により、一対の共振器端面を形成する。その後、前端面にはＥＢ蒸着法によりＳｉＯ2／ＴｉＯ2低反射膜を形成し、後端面にスパッタ法によりα−Ｓｉ／ＳｉＯ2高反射膜を形成し、チッピングして半導体レーザチップを得る。
【００４９】
リッジの幅Ｗを２．０μｍ、導波層の厚さｄを０．２μｍとして試作した素子は、閾値電流約６ｍＡで室温連続発振し、平均発振波長は１３１０ｎｍであった。９５℃での動作でも１０Ｇｂ／ｓの変調でのアイパターンでも明瞭なアイ開口がみられていた。また、３２素子について環境温度９５℃の条件下で１０ｍＷ定光出力連続動作させたところ、すべての素子で１万時間以上安定に動作した。
【００５０】
同様の結果は、リッジの埋め込み後にクラッド層の再成長を行わない図４に示すような半導体レーザでも得られている。半導体レーザ４００では、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層３０９の上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０１およびｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０２を形成し、ついでエッチングを行いリッジ４０３を形成する。リッジ４０３を埋め込み層４０４で埋め込んだ後、ｎ側オーミック電極４０５およびｐ側オーミック電極４０６を形成する。
【００５１】
本実施例においては、従来リッジ構造においてＩｎＰだけにより構成されていたクラッド層に新たに屈折率の高い導波層を導入して、さらに両脇を結晶品質の良好なＩｎＰ結晶で埋め込んだ。この屈折率の高い導波層の存在により光がリッジ構造下部の活性層に閉じ込められるようになりシングルモードの発振を可能にして良好なレーザ特性を示す。
【００５２】
以上実施例２について具体的に説明したが、実施例１と同様に多くの変形を施すことができることに留意されたい。
【００５３】
（実施例３）
実施例３は、半導体光素子として、１．５５μｍ波長帯変調器を作製したものであり、図５は、本実施例に係る変調器の構造を示している。変調器５００は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上にｎ−ＩｎＰバッファ層５０２（層厚：１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｌＡｓ（フォトルミネッセンス発光波長：１．１μｍ、層厚：１００ｎｍ）ガイド層５０３、量子井戸活性層５０４、およびＩｎＧａＡｌＡｓ（フォトルミネッセンス発光波長：１．１μｍ、層厚：１００ｎｍ）ガイド層５０５を備える。量子井戸活性層５０４は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪井戸層（層厚：８ｎｍ）とＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層（層厚：５ｎｍ）からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。この量子井戸活性層のフォトルミネッセンス発光波長は１．５５μｍである。
【００５４】
ガイド層５０５の上に、２０ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ層５０６Ａ、２８０ｎｍ厚の５０６Ｂ、導波層５０７、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０８、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０９を積層した後、エッチングをしてリッジ５１０形成する。リッジ５１０を埋め込み層５１１で埋め込んだ後、ｐ型オーミック電極５１３を形成し、基板５０１の上に、ｎ側オーミック電極５１２を形成する。
【００５５】
導波層５０７に用いるＩｎＧａＡｓＰのフォトルミネッセンス発光波長は１．３μｍである。
【００５６】
リッジの幅Ｗを２．０μｍ、導波層の厚さｄを０．２μｍとして試作した変調器の特性を測定したところ、９５℃で１０Ｇｂ／ｓの高温高速動作が確認された。また、良好な信頼性も確認された。
【００５７】
上述の実施例１〜３においては、半導体光素子が動作する波長帯が１．３μｍである半導体レーザと１．５５μｍである半導体変調器について説明したが、半導体光素子が動作する波長帯が１．３ミクロン帯または１．５５ミクロン帯であれば本発明の構成を適用することができる。また、ＩｎＰ基板上に作製される半導体光素子である本願発明は、他の波長帯についても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体レーザの断面構造を示した図である。
【図２】リッジの幅Ｗおよび導波層の厚さｄを変数とした半導体レーザの特性の分布を示す図である。
【図３】本発明の実施例２に係る半導体レーザの断面構造を示した図である。
【図４】本発明の実施例２に係る半導体レーザの変形形態を示した図である。
【図５】本発明の実施例３に係る変調器の断面構造を示した図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 半導体レーザ
１０１ ｎ−ＩｎＰ基板
１０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３ ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層
１０４ ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層
１０５ 量子井戸活性層（活性層に対応）
１０６ ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層
１０７ ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層
１０８Ａ ｐ−ＩｎＰ層（境界層に対応）
１０８Ｂ ｐ−ＩｎＰ層
１０９ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
１１０Ａ、Ｂ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１１１ リッジ
１１２ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層
１１３ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１４ ｐ側オーミック電極
１１５ ｎ側オーミック電極
３００ 半導体レーザ
３０１ ｐ−ＩｎＰ基板
３０２ ｐ−ＩｎＰバッファ層
３０３ ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層
３０４ ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層
３０５ 量子井戸活性層（活性層に対応）
３０６ ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層
３０７ ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層
３０８Ａ ｎ−ＩｎＰ層（境界層に対応）
３０８Ｂ ｎ−ＩｎＰ層
３０９ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
３１０Ａ、Ｂ ｎ−ＩｎＰクラッド層
３１１ リッジ
３１２ ＩｎＰ埋め込み層
３１３ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３１４ ｎ側オーミック電極
３１５ ｐ側オーミック電極
３１６ 回折格子
４００ 半導体レーザ
４０１ ｎ−ＩｎＰクラッド層
４０２ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０３ リッジ
４０４ ＩｎＰ埋め込み層
４０５ ｎ側オーミック電極
４０６ ｐ側オーミック電極
５００ 変調器
５０１ ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
５０３ ＩｎＧａＡｌＡｓガイド層
５０４ 量子井戸活性層（活性層に対応）
５０５ ＩｎＧａＡｌＡｓガイド層
５０６Ａ ｎ−ＩｎＰ層
５０６Ｂ ｎ−ＩｎＰ層
５０７ 導波層
５０８ ｎ−ＩｎＰクラッド層
５０９ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５１０ リッジ
５１１ 埋め込み層
５１２ ｎ側オーミック電極
５１３ ｐ側オーミック電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関し、より詳細には、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムは、インターネットやブロードバンドの普及により高速、大容量化が必然となっている。ここで使われる光通信用レーザは過密で、過酷な温度条件下にあり、その消費電力を下げて小型化しつつも、温調を伴わずに高温でも安定に動作することが求められている。
【０００３】
このような背景において、近年、光通信用レーザとして、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体レーザ（Ａｌ系半導体レーザ）が用いられ始めてきた。Ａｌ系半導体レーザでは、ＩｎＰに格子整合するＡｌ系材料ＩｎＧａＡｌＡｓのＧａとＡｌの組成比によるバンドギャップの変化から、光通信で用いられる波長帯に対して最適な量子井戸構造を選択でき、高温動作においても十分な特性を示すレーザを実現することができる。
【０００４】
これまでのＡｌ系半導体レーザは、例えば特許文献１に記載されているようなリッジ構造を用いたものがほとんどであった。リッジ型半導体レーザは、埋め込み型半導体レーザと比較して製造工程数が少ないので容易に作成できる利点があるものの、電流注入による発熱に対する放熱性が悪い。とりわけ高温時の動作で発熱の影響が大きくなる。
【０００５】
放熱性を改善するために、活性層および導波層を有するリッジを埋め込み層で埋め込む埋め込みリッジ構造を用いることが行われている（特許文献２に記載の構造を参照）。具体的には、ＧａＡｓ基板上に活性層（ＩｎＧａＡｓＰ）を有し、その上層のＩｎ1-xＧａxＰ（ｘ＝０．４９）からなるリッジ構造を形成した後、リッジ構造の両脇を（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）xＩｎ1-xＰ（ｘ＝０．５）で埋め込んだ構造である。ここで、電子、ホールのリッジ構造への閉じ込めのため、埋め込み層はリッジ構造に比べてエネルギーバンドギャップが大きい。また、この場合には埋め込み層に比べてリッジ構造の方が屈折率が高いので、リッジ型レーザと同様にリッジ溝下部の活性層に光を閉じ込めることができる（特許文献３を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−５６０４７号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７２５号公報
【特許文献３】特開平９−２６６３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、この構造をＩｎＰ基板上の長波長帯レーザに適用する場合には以下のような問題が生じる。一般的に、ＩｎＰ基板上の長波長帯レーザの埋め込み層には、電子、ホールの閉じ込めと光の閉じ込めを考慮してエネルギーバンドギャップが大きく屈折率の小さいＩｎＰが用いられる。ＩｎＰは後述するように混晶半導体に比べて埋め込み成長過程での組成揺らぎがなく高品質の結晶の埋め込み成長ができるという利点もある。しかしながら、ＩｎＰ基板上の活性層にＡｌ系材料、クラッド層にＩｎＰを用いたリッジ構造をＩｎＰで埋め込んだ場合には、当然のことながら上層は全面ＩｎＰとなりリッジ構造は存在しなくなる。この場合には活性層への電子、ホールの閉じ込めと光の閉じ込めがなされないので、レーザ光はマルチモードでの発振となりシングルモードで発振しなくなる。
【０００８】
また、活性層の両脇にも埋め込み層を形成する埋め込み型レーザ構造とする場合（特許文献２を参照）では、Ａｌ含有層の酸化という問題がある。埋め込みリッジ構造とするために導波層と活性層とを有するリッジを形成するエッチング工程において、活性層等のＡｌ含有層の側面が表面に現れて酸化してしまう。この酸化により、残留酸素による歩留り低下、特性劣化、および信頼性低下が引き起こされてしまう。同様の問題が、波長変調器等、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において発生する。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において、前記ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の上の前記活性層と、前記活性層の前記ＩｎＰ基板と対向する面の上の境界層と、前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、前記リッジを埋め込む埋め込み層とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記埋め込み層は、ＩｎＰであることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記埋め込み層は、ＦｅまたはＲｕがドーピングされていて、半絶縁性であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記導波層の屈折率は、前記埋め込み層の屈折率より高く、かつ、前記活性層の屈折率より低いことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰのフォトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上、かつ、活性層のフォトルミネッセンス発光波長未満であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記導波層は、前記導波層の層厚が０．０２μｍ以上０．３５μｍ以下、かつ、前記リッジの幅が０．５μｍ以上２．６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかにおいて、前記リッジは、前記導波層の前記境界層と対向する面の上に、クラッド層をさらに有し、前記境界層の屈折率は前記導波層より低く、前記クラッド層の屈折率は前記導波層より低いことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかにおいて、動作する波長帯が１．３ミクロン帯または１．５５ミクロン帯であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において、Ａｌ系材料で構成された活性層と、活性層の上の境界層と、境界層の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、境界層の上のリッジを埋め込む埋め込み層とを備えることにより、放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。本明細書において用いられる用語「上に」は、特段の定めがない限り、第１の構成要素が第２の構成要素の真上に存在する場合だけでなく、第１の構成要素と第２の構成要素との間に介在要素が存在する場合も包含することが意図されている。
【００２１】
（実施例１）
実施例１は、半導体光素子として、加入者用光伝送システムで用いられる１．３μｍ帯半導体レーザを作製したものであり、図１は、本実施例に係る半導体レーザの断面構造を示している。半導体レーザ１００の構造を、作製手順に沿って説明する。
【００２２】
ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に１００ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰバッファ層１０２を成長した後、ＩｎＰに格子整合した５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層１０３、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層１０４、量子井戸活性層１０５（量子井戸層：７ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ、障壁層：１０ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１０周期、フォトルミネッセンス発光波長：１．３μｍ）、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層１０６、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層１０７、２００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰ層１０８ＡおよびＢ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０９、および５００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ａを順次成長する。これらの層の成長には、ＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法を用いることができる。
【００２３】
次に、酸化膜をマスクとして、エッチングによりリッジ１１１を形成する。リッジ１１１を形成する時のエッチングは、ウエット、ドライ等、方法を問わない。エッチングはｐ−ＩｎＰ層１０８Ｂで止め、Ａｌを含有する上側ＳＣＨ層１０６までは達しないようにする。上側ガイド層１０７はＡｌを含有しないので、ｐ−ＩｎＰ層１０８Ａを通って上側ガイド層１０７内までエッチングを行ってもよい。リッジの幅Ｗは、導波層１０９の厚さｄおよび組成により決定される。
【００２４】
次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとして、１０００ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ埋め込み層１１２をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。その後、成長炉からウエハを取り出し、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。
【００２５】
次に、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ａと同一の材料であるｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ｂを、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０Ａおよびｎ−ＩｎＰ埋め込み層１１２の上に、ＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により５００ｎｍ形成する。
【００２６】
次に、２００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１３、ｐ側オーミック電極１１４、およびｎ側オーミック電極１１５を形成した後、へき開により、一対の共振器端面を形成する。その後、後端面にスパッタ法によりα−Ｓｉ／ＳｉＯ2高反射膜を形成し、チッピングして半導体レーザチップを得る。
【００２７】
図２は、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層１０９の組成を、室温でのフォトトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上１．２５μｍ以下となるようにした場合の、リッジの幅Ｗおよび導波層の厚さｄを変数とした半導体レーザの特性の分布を示している。リッジに量子井戸活性層を有しない本実施例に係る半導体レーザにおいても、導波層１０９の厚さｄおよび組成ならびにリッジの幅Ｗにより導波路の横方向の屈折率分布を制御して、横方向の光の閉じ込めを制御することが可能となり、十分な特性の半導体レーザを実現することができる。図２に示すように、導波層の厚さｄが０．０２μｍ以上０．３５μｍ以下程度、幅Ｗが０．５μｍ以上２．６μｍ以下である場合に所望の特性が得られる。図中の白の領域になるように幅Ｗと厚さｄを設定する。
【００２８】
リッジの幅Ｗを２．０μｍ、導波層の厚さｄを０．２μｍとして試作した素子は、閾値電流約５ｍＡで室温連続発振し、平均発振波長は１３１０ｎｍであった。９５℃での動作でも２．５Ｇｂ／ｓの変調でのアイパターンでも明瞭なアイ開口がみられていた。
【００２９】
また、３０素子について環境温度９５℃の条件下で１０ｍＷ定光出力連続動作させたところ、すべての素子で１万時間以上安定に動作した。
【００３０】
本実施例に係る半導体レーザは、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体レーザにおいて、Ａｌ系材料で構成された活性層と、活性層の上の境界層と、境界層の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、境界層の上のリッジを埋め込む埋め込み層とを備えることを特徴とする。
【００３１】
ｐ−ＩｎＰ層１０８Ａに対応するリッジ１１１と活性層と活性層１０５との間の境界層は、リッジ１１１を形成するためのエッチングにより露出する表面とＡｌ含有層である上側ＳＣＨ層１０６との間に存在し、上側ＳＣＨ層１０６や量子井戸活性層１０５が露出して酸化することを回避する。
【００３２】
導波層１０９は、リッジ１１１内部にありエッチングにより側面が露出するが、Ａｌを含有しないので、Ａｌ含有層が露出することによる酸化の問題は生じず、半導体レーザ１００の特性劣化等を引き起こさない。
【００３３】
埋め込み層１１２は、リッジ１１１に隣接してそれを埋め込むことで、放熱性の改善をもたらす。
【００３４】
このように、本実施例に係る半導体レーザは、放熱性を改善しつつＡｌ含有層の酸化が低減された、Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子である。
【００３５】
混晶比が１０パーセントオーダーの混晶半導体でリッジ１１１のような平坦ではない表面を埋め込んだ場合、例えば、ＧａＡｓ基板上に活性層（ＩｎＧａＡｓＰ）を有し、その上層のＩｎ1-xＧａxＰ（ｘ＝０．４９）からなるリッジ構造の両脇を（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）xＩｎ1-xＰ（ｘ＝０．５）で埋め込んだ場合、リッジ近傍において埋め込み成長中に複数の結晶面方位が現れる。各結晶面方位により元素の取り込まれる割合が所望の割合とは異なるため、リッジ近傍での組成比が所望の格子整合状態からずれて、埋め込み層からリッジおよび境界層に応力が発生し、転位や欠陥等の機械的劣化に結びつく。したがって、混晶比が１０パーセントオーダーの混晶半導体は用いず、混晶比が数パーセントオーダーの混晶半導体を用いることで、埋め込み層の組成変動に起因する機械的劣化を低減し、半導体光素子の特性や信頼性の向上を図ることができる。特に、２元化合物半導体結晶であるＩｎＰを用いれば、組成変動が生じず、機械的劣化がより抑えられる。
【００３６】
また、埋め込み層にＦｅまたはＲｕをドーピングすると、埋め込み層を半絶縁性半導体にして、寄生容量が低減することができる。したがって、ＦｅまたはＲｕをドーピングすることにより高速変調が可能な半導体レーザを実現し、半導体光素子の特性や信頼性の向上を図ることができる。
【００３７】
また、導波層にフォトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上１．２５μｍ以下であるＩｎＧａＡｓＰを用いて説明したが、導波層の屈折率が埋め込み層の屈折率より高く、かつ、前記活性層の屈折率より低いものであれば他のフォトルミネッセンス発光波長の材料でもよい。本実施例においては、導波層において活性層で発光された光の一部が閉じ込められることにより、結果的にリッジ構造下部の活性層での光の閉じ込めが増加してレーザ特性が向上する。ここで導波層の屈折率が低すぎる場合（フォトルミネッセンス波長が１．０μｍ未満）には、導波層における光の閉じ込めが不十分となりリッジ構造下部の活性層での光の閉じ込めが不十分となりレーザ特性が向上しない。また、導波層の屈折率が高すぎる場合（フォトルミネッセンス発光波長が活性層のフォトルミネッセンス発光波長より大きい場合）には、導波層における光の閉じ込めが高すぎて活性層とともに導波層でレーザ発振が生じてしまい、レーザ発振光がマルチモードとなり、シングルモードにならないので問題となる。
【００３８】
また、境界層またはクラッド層にＩｎＰを用いたが、境界層の屈折率が導波層より低く、クラッド層の屈折率が導波層より低ければ、ＩｎＧａＡｓＰなどの他の材料でも構わない。
【００３９】
また、活性層が量子井戸構造である場合について説明したが、Ａｌを含む活性層であればよく、ＩｎＧａＡｌＡｓなどのＡｌを含む単一組成の化合物半導体からなるものであっても構わない。ただし、ＩｎＰとの格子不整合が増大すると歪緩和が生じ結晶品質が劣化するので適さない。
【００４０】
また、半導体レーザについて説明したが、変調器（実施例３）、半導体増幅器、半導体変調器集積レーザ（例えば、ＥＡ−ＤＦＢレーザ）等のＡｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子についても適用可能である。
【００４１】
本実施例においては、従来リッジ構造においてＩｎＰだけにより構成されていたクラッド層に新たに屈折率の高い導波層を導入して、さらに両脇を結晶品質の良好なＩｎＰ結晶で埋め込んだ。この屈折率の高い導波層の存在により光がリッジ構造下部の活性層に閉じ込められるようになりシングルモードの発振を可能にして良好なレーザ特性を示す。
【００４２】
（実施例２）
実施例２は、半導体光素子として、１０Ｇｂｐｓイーサネット（登録商標）用光伝送システムで用いられる１．３μｍ帯分布帰還型半導体レーザを作製したものであり、図３は、本実施例に係る半導体レーザの断面構造を示している。半導体レーザ３００の構造を、作製手順に沿って説明する。
【００４３】
ｐ−ＩｎＰ基板３０１上に１００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰバッファ層３０２を成長した後、ＩｎＰに格子整合した５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層３０３、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層３０４、量子井戸活性層３０５（量子井戸層：７ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ、障壁層：１０ｎｍ厚ＩｎＧａＡｌＡｓ層、１０周期、フォトルミネッセンス発光波長：１．３μｍ）、５０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層３０６をＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により順次形成する。
【００４４】
さらに、８０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層３０７、２０ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ層３０８ＡをＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により引き続き形成する。
【００４５】
次に通常の干渉露光法によるフォトリソグラフィーとエッチングにより上側ガイド層３０７およびｎ−ＩｎＰ層３０８Ａの一部を周期的にエッチング除去し、回折格子３１６を基板全面に形成する。回折格子３１６の周期は２０１ｎｍである。分布帰還型半導体レーザを作製する場合には、回折格子３１６を形成する上側ガイド層３０７にはＡｌを含まないようにする。引き続き、Ｐ−ＩｎＰ層３０８ＡおよびＢを合わせて３００ｎｍ形成し、ついでｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層３０９、ｎ−ＩｎＰクラッド層３１０ＡをＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により形成する。
【００４６】
次に、酸化膜をマスクとして、エッチングによりリッジ３１１を形成する。このときのエッチングはウエット、ドライ等、方法を問わない。エッチングはｎ−ＩｎＰ層３０８Ｂで止める。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマスクとしてＦｅまたはＲｕを含むＩｎＰ埋め込み層３１２をＭＯＶＰＥ法により選択成長する。
【００４７】
その後成長炉からウエハを取り出し、選択成長マスクとして用いた酸化膜をエッチングにより除去する。そして、ｎ−ＩｎＰクラッド層３１０Ｂ、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３１３をＭＯＶＰＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＣＢＥ法により形成する。
【００４８】
ｎ側オーミック電極３１４およびｐ側オーミック電極３１５を形成した後、へき開により、一対の共振器端面を形成する。その後、前端面にはＥＢ蒸着法によりＳｉＯ2／ＴｉＯ2低反射膜を形成し、後端面にスパッタ法によりα−Ｓｉ／ＳｉＯ2高反射膜を形成し、チッピングして半導体レーザチップを得る。
【００４９】
リッジの幅Ｗを２．０μｍ、導波層の厚さｄを０．２μｍとして試作した素子は、閾値電流約６ｍＡで室温連続発振し、平均発振波長は１３１０ｎｍであった。９５℃での動作でも１０Ｇｂ／ｓの変調でのアイパターンでも明瞭なアイ開口がみられていた。また、３２素子について環境温度９５℃の条件下で１０ｍＷ定光出力連続動作させたところ、すべての素子で１万時間以上安定に動作した。
【００５０】
同様の結果は、リッジの埋め込み後にクラッド層の再成長を行わない図４に示すような半導体レーザでも得られている。半導体レーザ４００では、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層３０９の上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層４０１およびｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０２を形成し、ついでエッチングを行いリッジ４０３を形成する。リッジ４０３を埋め込み層４０４で埋め込んだ後、ｎ側オーミック電極４０５およびｐ側オーミック電極４０６を形成する。
【００５１】
本実施例においては、従来リッジ構造においてＩｎＰだけにより構成されていたクラッド層に新たに屈折率の高い導波層を導入して、さらに両脇を結晶品質の良好なＩｎＰ結晶で埋め込んだ。この屈折率の高い導波層の存在により光がリッジ構造下部の活性層に閉じ込められるようになりシングルモードの発振を可能にして良好なレーザ特性を示す。
【００５２】
以上実施例２について具体的に説明したが、実施例１と同様に多くの変形を施すことができることに留意されたい。
【００５３】
（実施例３）
実施例３は、半導体光素子として、１．５５μｍ波長帯変調器を作製したものであり、図５は、本実施例に係る変調器の構造を示している。変調器５００は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上にｎ−ＩｎＰバッファ層５０２（層厚：１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｌＡｓ（フォトルミネッセンス発光波長：１．１μｍ、層厚：１００ｎｍ）ガイド層５０３、量子井戸活性層５０４、およびＩｎＧａＡｌＡｓ（フォトルミネッセンス発光波長：１．１μｍ、層厚：１００ｎｍ）ガイド層５０５を備える。量子井戸活性層５０４は、ＩｎＧａＡｓ圧縮歪井戸層（層厚：８ｎｍ）とＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層（層厚：５ｎｍ）からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である。この量子井戸活性層のフォトルミネッセンス発光波長は１．５５μｍである。
【００５４】
ガイド層５０５の上に、２０ｎｍ厚のｎ−ＩｎＰ層５０６Ａ、２８０ｎｍ厚の５０６Ｂ、導波層５０７、ｎ−ＩｎＰクラッド層５０８、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０９を積層した後、エッチングをしてリッジ５１０形成する。リッジ５１０を埋め込み層５１１で埋め込んだ後、ｐ型オーミック電極５１３を形成し、基板５０１の上に、ｎ側オーミック電極５１２を形成する。
【００５５】
導波層５０７に用いるＩｎＧａＡｓＰのフォトルミネッセンス発光波長は１．３μｍである。
【００５６】
リッジの幅Ｗを２．０μｍ、導波層の厚さｄを０．２μｍとして試作した変調器の特性を測定したところ、９５℃で１０Ｇｂ／ｓの高温高速動作が確認された。また、良好な信頼性も確認された。
【００５７】
上述の実施例１〜３においては、半導体光素子が動作する波長帯が１．３μｍである半導体レーザと１．５５μｍである半導体変調器について説明したが、半導体光素子が動作する波長帯が１．３ミクロン帯または１．５５ミクロン帯であれば本発明の構成を適用することができる。また、ＩｎＰ基板上に作製される半導体光素子である本願発明は、他の波長帯についても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体レーザの断面構造を示した図である。
【図２】リッジの幅Ｗおよび導波層の厚さｄを変数とした半導体レーザの特性の分布を示す図である。
【図３】本発明の実施例２に係る半導体レーザの断面構造を示した図である。
【図４】本発明の実施例２に係る半導体レーザの変形形態を示した図である。
【図５】本発明の実施例３に係る変調器の断面構造を示した図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 半導体レーザ
１０１ ｎ−ＩｎＰ基板
１０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３ ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層
１０４ ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層
１０５ 量子井戸活性層（活性層に対応）
１０６ ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層
１０７ ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層
１０８Ａ ｐ−ＩｎＰ層（境界層に対応）
１０８Ｂ ｐ−ＩｎＰ層
１０９ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
１１０Ａ、Ｂ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１１１ リッジ
１１２ ｎ−ＩｎＰ埋め込み層
１１３ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１４ ｐ側オーミック電極
１１５ ｎ側オーミック電極
３００ 半導体レーザ
３０１ ｐ−ＩｎＰ基板
３０２ ｐ−ＩｎＰバッファ層
３０３ ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層
３０４ ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ＳＣＨ層
３０５ 量子井戸活性層（活性層に対応）
３０６ ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ＳＣＨ層
３０７ ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層
３０８Ａ ｎ−ＩｎＰ層（境界層に対応）
３０８Ｂ ｎ−ＩｎＰ層
３０９ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
３１０Ａ、Ｂ ｎ−ＩｎＰクラッド層
３１１ リッジ
３１２ ＩｎＰ埋め込み層
３１３ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３１４ ｎ側オーミック電極
３１５ ｐ側オーミック電極
３１６ 回折格子
４００ 半導体レーザ
４０１ ｎ−ＩｎＰクラッド層
４０２ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０３ リッジ
４０４ ＩｎＰ埋め込み層
４０５ ｎ側オーミック電極
４０６ ｐ側オーミック電極
５００ 変調器
５０１ ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
５０３ ＩｎＧａＡｌＡｓガイド層
５０４ 量子井戸活性層（活性層に対応）
５０５ ＩｎＧａＡｌＡｓガイド層
５０６Ａ ｎ−ＩｎＰ層
５０６Ｂ ｎ−ＩｎＰ層
５０７ 導波層
５０８ ｎ−ＩｎＰクラッド層
５０９ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５１０ リッジ
５１１ 埋め込み層
５１２ ｎ側オーミック電極
５１３ ｐ側オーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において、
前記ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板の上の前記活性層と、
前記活性層の前記ＩｎＰ基板と対向する面の上の境界層と、
前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、
前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、前記リッジを埋め込む埋め込み層と
を備えることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記埋め込み層は、ＩｎＰであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記埋め込み層は、ＦｅまたはＲｕがドーピングされていて、半絶縁性であることを特徴とする請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記導波層の屈折率は、前記埋め込み層の屈折率より高く、かつ、前記活性層の屈折率より低いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項４に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰのフォトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上、かつ、活性層のフォトルミネッセンス発光波長未満であることを特徴とする請求項５に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記導波層は、前記導波層の層厚が０．０２μｍ以上０．３５μｍ以下、かつ、前記リッジの幅が０．５μｍ以上２．６μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記リッジは、前記導波層の前記境界層と対向する面の上に、クラッド層をさらに有し、
前記境界層の屈折率は前記導波層より低く、前記クラッド層の屈折率は前記導波層より低いことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項９】
動作する波長帯が１．３ミクロン帯または１．５５ミクロン帯であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項１】
Ａｌ系材料で構成された活性層を有するＩｎＰ基板上の半導体光素子において、
前記ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板の上の前記活性層と、
前記活性層の前記ＩｎＰ基板と対向する面の上の境界層と、
前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、Ａｌを含有しない導波層を有するリッジと、
前記境界層の前記活性層と対向する面の上の、前記リッジを埋め込む埋め込み層と
を備えることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記埋め込み層は、ＩｎＰであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記埋め込み層は、ＦｅまたはＲｕがドーピングされていて、半絶縁性であることを特徴とする請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記導波層の屈折率は、前記埋め込み層の屈折率より高く、かつ、前記活性層の屈折率より低いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項４に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記導波層は、ＩｎＧａＡｓＰのフォトルミネッセンス発光波長が１．０μｍ以上、かつ、活性層のフォトルミネッセンス発光波長未満であることを特徴とする請求項５に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記導波層は、前記導波層の層厚が０．０２μｍ以上０．３５μｍ以下、かつ、前記リッジの幅が０．５μｍ以上２．６μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記リッジは、前記導波層の前記境界層と対向する面の上に、クラッド層をさらに有し、
前記境界層の屈折率は前記導波層より低く、前記クラッド層の屈折率は前記導波層より低いことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体光素子。
【請求項９】
動作する波長帯が１．３ミクロン帯または１．５５ミクロン帯であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の半導体光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２８２９７５（Ｐ２００８−２８２９７５Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２５６０５（Ｐ２００７−１２５６０５）
【出願日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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