(57)【要約】【課題】活性層の両側を流れるリーク電流を低減することでレーザの特性を向上できる半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体光素子５１は、半導体基板２ｎ上に設けられた第一クラッド層３ｎ、活性層５、及び第二クラッド層７ｐを含むメサストライプ部２０Ａと、メサストライプ部２０Ａの側面を埋め込むように設けられ、電子及び正孔のうち少なくとも一方を捕獲する作用を有する不純物がドープされた電流ブロック層９と、メサストライプ部２０Ａと電流ブロック層９との間に設けられたｎ型半導体中間層１１Ａ及びｐ型半導体中間層１０Ａと、を備え、ｐ型半導体中間層１０Ａはメサストライプ部２０Ａの側面に接しており、ｎ型半導体中間層１１Ａはｐ型半導体中間層１０Ａと前記電流ブロック層９との間に設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2010010622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられた第一クラッド層、活性層、及び第二クラッド層を含むメサストライプ部と、
前記メサストライプ部の側面を埋め込むように設けられ、電子及び正孔のうち少なくとも一方を捕獲する作用を有する不純物がドープされた電流ブロック層と、
前記メサストライプ部と前記電流ブロック層との間に設けられたｎ型半導体中間層及びｐ型半導体中間層と、を備え、
前記ｐ型半導体中間層は前記メサストライプ部の側面に接しており、
前記ｎ型半導体中間層は前記ｐ型半導体中間層と前記電流ブロック層との間に設けられていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記ｎ型半導体中間層及び前記ｐ型半導体中間層は、前記半導体基板上の部分的な領域に亘って設けられており、前記領域は前記メサストライプ部に隣接す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】
前記不純物はＦｅであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記半導体基板、前記電流ブロック層、前記ｎ型半導体中間層、及び前記ｐ型半導体中間層はＩｎＰ半導体から構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信に使用される半導体レーザの構造の一例として、埋め込みヘテロ型構造（Buried Heterostructure構造、以下ＢＨ構造と略す）がある。ＢＨ構造は、メサストライプ状の活性層の両側面に、半導体材料からなる電流ブロック層が埋め込まれた構造である。電流ブロック層には、活性層の半導体材料よりも高いバンドギャップを有する半導体材料が通常用いられる。半導体レーザの他の構造であるリッジ型構造と比べて、ＢＨ構造の半導体レーザは、活性層に光及び電流を良好に閉じ込めることが可能であるので、高効率の半導体レーザを実現できる。
【０００３】
図６にＢＨ構造の半導体レーザの一例を示す。図６に示す半導体レーザ５６は、カソード電極１０１とアノード電極１１２との間において、ｎ型基板１０２上に、ｎ型下部クラッド層１０３、活性層１０５、ｐ型上部クラッド層１０７、及びｐ型コンタクト層１０８が順に積層されてメサストライプ部が形成され、電流ブロック層１０９が活性層１０５を含むメサストライプ部の両側面を埋め込んでいる。電流ブロック層１０９には、禁制帯中に深い準位を形成可能な不純物（例えばＦｅ）がドープされている。その深い準位に電子又は正孔が捕獲されるので、電流ブロック層１０９は高抵抗の半絶縁層として機能する。従って、半導体レーザ５６の寄生容量を低減できるので、１０ＧＨｚ以上の高速動作が可能である。
【０００４】
非特許文献１〜３には、電流ブロック層に不純物であるＦｅがドープされたＢＨ型半導体レーザの例が記載されている。しかし、電流ブロック層に不純物がドープされたＢＨ型半導体レーザにおいて、電流ブロック層中の不純物と、電流ブロック層と隣接する層中の不純物とは相互拡散を起こしやすい。例えば、特許文献１及び特許文献２には、電流ブロック層中の不純物であるＦｅと、電流ブロック層に隣接するｐ型クラッド層中のｐ型不純物であるＺｎとの間に相互拡散が生じる現象が開示されている。このような相互拡散により、電流ブロック層中にはｐ型不純物が拡散してｐ型キャリア（正孔）が供給されるため、電流ブロック層の抵抗率が下がり、逆に電流ブロック層中の不純物が拡散したメサストライプ部のｐ型クラッド層は、それにより深い準位が形成されてキャリアが捕獲されるため、高抵抗化する。その結果、活性層を含むメサストライプ部は電流が流れにくくなり、一方、電流ブロック層は電流が流れ易くなる。従って、活性層外の電流ブロック層を流れるリーク電流が増え、活性層への電流の注入効率が低下するため、発光効率が低下し、半導体レーザの発振特性が劣化する。
【０００５】
また、不純物ドープで高抵抗化した半導体層は、一般に２種類のキャリア（電子、正孔）のうちのいずれか一方しか捕獲できず、他方のキャリアの流れを阻止できない。例えば
特許文献３に記載のように、Ｆｅがドープされた電流ブロック層では、電子は捕獲出来るが、正孔は捕獲出来ないため、電子に対してのみ高抵抗層として機能する。従って、ｐ型半導体層とＦｅドープ電流ブロック層が直接接触した場合は、電流ブロック層中の深い準位に捕獲されている電子と、隣接するｐ型半導体層から拡散し、電流ブロック層中で捕獲されずに自由に動ける正孔とが再結合してしまいリーク電流が流れてしまう。このような活性層以外を流れるリーク電流は、活性層への電流の注入効率を低下させるため、しきい値電流の上昇やスロープ効率の低下などの半導体レーザの特性劣化を招いていた。
【０００６】
図６で示した半導体レーザに、不純物の相互拡散を防止するための拡散防止層が設けられた構成を図７に示す。図７に示す半導体レーザ５７は、Ｆｅがドープされた電流ブロック層１１９と、Ｚｎがドープされたクラッド層１１７との間に、ＦｅとＺｎとの相互拡散を防止する機能を有するｎ型ＩｎＰ拡散防止層１１１が設けられている。またこの場合、ｎ型ＩｎＰ拡散防止層１１１はクラッド層１１７から電流ブロック層１１９への正孔の侵入を防ぐ、正孔捕獲層としても機能する。従って、本構造によれば、上記不純物相互拡散やｐ型半導体層から電流ブロック層への正孔の拡散によるリーク電流増加に起因する、諸特性の劣化を防止できる。このような半導体光素子は、例えば、特許文献１や特許文献４に開示されている。
【非特許文献１】N. Nordell et al., “MOVPE regrowth of semi-insulating InP aroundreactive ion etched laser mesas”, Electronics letters (1991), vol. 27, no.11,p.926-927
【非特許文献２】T. Higashi et al., “High-temperature CW operation of InGaAsP-InPsemi-insulating buried heterostructure lasers using reactive ion-etchingtechnique”, IEEE photonics technology letters (1995), vol.7, no.8, p.828-829
【非特許文献３】S. Matsumoto et al., “Highly reliable 1.55μm GaInAsP laser diodesburied with semi-insulating iron-doped InP”, Electronics letters (1994), vol.30, no. 16, p.1305-1306
【特許文献１】特開平９−２１４０４５号公報
【特許文献２】特開平１１−１８６６６６号公報
【特許文献３】特開平２−２０６１９２号公報
【特許文献４】特開２００１−２９８２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図７に示す半導体レーザ５７では、活性層１０５にｎ型ＩｎＰ拡散防止層１１１が接触しているので、活性層１０５の両側にｎ型ＩｎＰ拡散防止層１１１を経由したリーク電流が流れる。このリーク電流の主体は、有効質量の軽い、つまり移動度が大きい電子であるため、過大なリーク電流が流れやすく、これは活性層に注入されない無効電流であるため、活性層１０５への電流注入効率の低下による半導体レーザ５７の閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下など、半導体レーザ５７の特性を悪化させるといった問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、活性層の両側を流れるリーク電流を低減することでレーザの特性を向上できる半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体光素子は、半導体基板上に設けられた第一クラッド層、活性層、及び第二クラッド層を含むメサストライプ部と、メサストライプ部の側面を埋め込むように設けられ、電子及び正孔のうち少なくとも一方を捕獲する作用を有する不純物がドープされた電流ブロック層と、メサストライプ部と電流ブロック層との間に設けられたｎ型半導体中間層及びｐ型半導体中間層と、を備え、ｐ型半導体中間層はメサストライプ部の側面に接しており、ｎ型半導体中間層はｐ型半導体中間層と電流ブロック層との間に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
上記した半導体光素子において、メサストライプ部とｎ型半導体中間層との間にｐ型半導体中間層が設けられている。これにより、第一クラッド層又は第二クラッド層等からｎ型半導体中間層への電子の移動が困難となるので、ｎ型半導体中間層にはリーク電流がほとんど流れない。また、ｐ型半導体中間層はメサストライプ部の側面に接しており、正孔の移動に起因してリーク電流が流れるが、正孔の有効質量は電子より一桁大きいため、移動度は逆に一桁小さい。従って、メサストライプ部とｎ型半導体中間層とが直接接触する従来の素子構造と比べて、活性層の両側を流れるリーク電流を少なくとも一桁低減することが可能となる。よって、活性層への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体レーザの特性劣化を低減することが可能となる。
【００１１】
また、上記した半導体光素子において、ｎ型半導体中間層及びｐ型半導体中間層は、半導体基板上の部分的な領域に亘って設けられており、その領域はメサストライプ部に隣接することを特徴としても良い。
【００１２】
上記した構成の半導体光素子は、例えば、半導体基板上にメサストライプ部を形成した後、メサストライプ部の側面、及びメサストライプ部を除く半導体基板上の領域にｐ型半導体中間層及びｎ型半導体中間層を成長させることで実現できる。しかし、ｐ型半導体中間層及びｎ型半導体中間層には寄生容量がわずかに存在する。そこで、半導体基板上においてメサストライプ部に隣接する部分的な領域に限定してｐ型半導体中間層及びｎ型半導体中間層を設けることによって、メサストライプ部以外の基板全面にｐ型半導体中間層及びｎ型半導体中間層が形成された素子構造に比べて、寄生容量の増加を抑制し、高速動作への影響を低減できる。
【００１３】
上記した半導体光素子において、Ｆｅが電流ブロック層にドープされていても良い。図６に示した従来の素子構造では、ｐ型クラッド層などのｐ型半導体層に添加されたｐ型不純物とＦｅとが容易に相互拡散してしまうので、図７に示した構成が多く採用されてきたが、前述したように図７の構成では活性層の両側面にリーク電流が流れ易い。対して、本発明による半導体光素子は、ｐ型半導体中間層の挿入によりそのようなリーク電流を効果的に低減することができる。また、ｎ型半導体中間層は、図７の従来構造の場合と同様に、Ｚｎ等のｐ型不純物とＦｅの相互拡散を防ぎ、且つｐ型半導体層から電流ブロック層への正孔の拡散を防ぐ、正孔捕獲層としても機能する。よって、活性層への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体レーザの特性劣化を低減することが可能である。
【００１４】
また、上記した半導体光素子において、半導体基板、電流ブロック層、ｎ型半導体中間層、及びｐ型半導体中間層はＩｎＰ半導体から構成されていることが好ましい。ＩｎＰ半導体はＧａＩｎＡｓＰ系材料のうち最大のバンドギャップを有するので、これを電流ブロック層、ｎ型半導体中間層、及びｐ型半導体中間層に用いれば、活性層へキャリアをより効果的に閉じ込めることができる。さらに、ＩｎＰ半導体はＧａＩｎＡｓＰ系材料のうち最小の屈折率を有するので、これを電流ブロック層、ｎ型半導体中間層、及びｐ型半導体中間層に用いれば、活性層へ発振光をより効果的に閉じ込めることができる。更に、ＩｎＰ半導体はＡｌを含まないので酸化されにくく、且つ２元混晶なのでメサストライプ部側面の段差のある領域に成長しても格子整合が維持される。従って、メサストライプ部側面に対して良好な結晶成長が可能である。従って、良好な発振特性を実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、活性層の両側を流れるリーク電流を低減することでレーザの特性を向上できる半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。  
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明に係る半導体光素子５１の断面構造を示す模式図である。以下、図１を参照しながら、半導体光素子５１の構成について説明する。
【００１８】
半導体光素子５１はＢＨ構造のファブリペロー型半導体レーザである。半導体光素子５１は、カソード電極１ｎ、ｎ型半導体基板２ｎ、メサストライプ部２０Ａ、電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、ｎ型半導体中間層１１Ａ、及びアノード電極１２ｐを備えている。メサストライプ部２０Ａは、ｎ型下部クラッド層３ｎ、下部光閉じ込め層４、活性層５、上部光閉じ込め層６、ｐ型上部クラッド層７ｐ、及びｐ型コンタクト層８ｐを含む。
【００１９】
ｎ型半導体基板２ｎは本実施形態における半導体基板である。例えば、ｎ型半導体基板２ｎとしてＩｎＰ半導体基板が挙げられる。
【００２０】
活性層５は、後述するｎ型下部クラッド層３ｎ上に設けられている。活性層５は、例えば、バルク層や、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された量子井戸構造から構成されている。これらの層を構成する材料として、例えばＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＡｓ等が挙げられる。活性層５は通常アンドープとすることで、光の吸収損失を抑えるが、必要に応じて、活性層５はｐ型不純物やｎ型不純物がドープされても良い。一例としては、量子井戸層とバリア層とが共にアンドープのＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る量子井戸活性層が挙げられる。
【００２１】
ｎ型下部クラッド層３ｎはｎ型半導体基板２ｎ上に設けられている。ｎ型下部クラッド層３ｎは本実施形態における第一クラッド層である。ｐ型上部クラッド層７ｐは活性層５の上に設けられている。ｐ型上部クラッド層７ｐは本実施形態における第二クラッド層である。一般に、ｎ型下部クラッド層３ｎ及びｐ型上部クラッド層７ｐには、ｎ型不純物又はｐ型不純物を含むＩｎＰ半導体が用いられるが、これに限定されず、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＡｓ半導体等も使用される。但し、活性層５へのキャリア注入を効率良く行うため、ｎ型下部クラッド層３ｎ及びｐ型上部クラッド層７ｐは、活性層５や後述する下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６よりもバンドギャップの高い材料から構成されることが望ましい。
【００２２】
下部光閉じ込め層４はｎ型下部クラッド層３ｎと活性層５との間に設けられている。また、上部光閉じ込め層６はｐ型上部クラッド層７ｐと活性層５との間に設けられている。下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６には、前述した活性層５に使用可能な材料と同じ材料を用いることが出来る。また、下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６は通常アンドープとすることで光の吸収損失を抑えるが、必要に応じて、下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６はｐ型不純物やｎ型不純物がドープされても良い。下部光閉じ込め層４と上部光閉じ込め層６には例えばＧａＩｎＡｓＰ半導体を使用できる。
【００２３】
下部光閉じ込め層４のバンドギャップは、ｎ型下部クラッド層３ｎのバンドギャップよりも小さく、活性層５のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。また、上部光閉じ込め層６のバンドギャップは、ｐ型下部クラッド層７ｐのバンドギャップよりも小さく、活性層５のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。これにより、ｎ型下部クラッド層３ｎから注入されたキャリア（電子）は、下部光閉じ込め層４によって阻止されること無く、活性層５へ効率よく注入される。一方、ｐ型下部クラッド層７ｐから注入されたキャリア（正孔）は、上部光閉じ込め層６によって阻止されること無く、活性層５へ効率よく注入される。
【００２４】
上記のようなバンドギャップの大小関係が満たされる場合、下部光閉じ込め層４の屈折率は、ｎ型下部クラッド層３ｎの屈折率よりも大きく、活性層５の屈折率よりも小さい。また、上部光閉じ込め層６の屈折率は、ｐ型上部クラッド層７ｐの屈折率よりも大きく、活性層５の屈折率よりも小さい。従って、ｎ型下部クラッド層３ｎ及びｐ型上部クラッド層７ｐは、活性層５において発生した光を、活性層５、下部光閉じ込め層４、及び上部光閉じ込め層６に閉じ込めるように働き、その結果、活性層５への光の閉じ込めが強められる。
【００２５】
このような下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６を備える半導体光素子５１は、活性層５へのキャリアの注入を阻害することなく、活性層５への光の閉じ込めを強めることが出来るので、発振特性や温度特性が改善される。特に、活性層５が薄膜の量子井戸構造の場合、それ単独では活性層５への光閉じ込めが不充分のため、発振が困難である。従って、下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６を備えることが望ましい。この場合、活性層５が量子井戸構造であっても、光閉じ込め層の働きにより、活性層５への光の閉じ込めを有意に強めることが出来、良好な発振特性や温度特性が得られる。但し、下部光閉じ込め層４及び上部光閉じ込め層６は必須では無く、例えば活性層５が厚いバルク層からなる場合等、ｎ型下部クラッド層３ｎ、活性層５、及びｐ型上部クラッド層７ｐのみの構成において発振に必要な光の閉じ込めが得られる場合は、省略されてもよい。
【００２６】
電流ブロック層９は、メサストライプ部２０Ａの側面を埋め込むように設けられている。電流ブロック層９には通常ＩｎＰ半導体が使用されるが、これに限定されず、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等も使用される。
【００２７】
電流ブロック層９には、高抵抗化のため、キャリア（電子及び正孔のうち少なくとも一方）を捕獲できる深い準位を形成できる不純物がドープされている。このような不純物が電流ブロック層９にドープされることで、抵抗率が１０８Ωｃｍを超える高抵抗の電流ブロック層９を得ることが出来る。電流ブロック層９にドープされる不純物としてＦｅが挙げられる。
【００２８】
但し、電流ブロック層９にドープされる不純物はＦｅに限定される必要は無く、電流ブロック層９中に深い準位を形成して、電流ブロック層９を高抵抗化できる任意の不純物を使用できる。例えば、電流ブロック層９にドープされるＦｅ以外の不純物として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属が好ましい。
【００２９】
ｐ型コンタクト層８ｐはｐ型上部クラッド層７ｐ上に設けられている。ｐ型コンタクト層８ｐはアノード電極１２ｐとのオーミックコンタクトのために設けられている。ｐ型コンタクト層８ｐの構成材料としては、高濃度にｐ型ドープされたＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＡｓ半導体が挙げられる。
【００３０】
カソード電極１ｎ及びアノード電極１２ｐは給電用の電極である。アノード電極１２ｐはｐ型コンタクト層８ｐ上に設けられており、カソード電極１ｎはｎ型半導体基板２ｎの裏面上に設けられている。
【００３１】
ｎ型半導体中間層１１Ａ及びｐ型半導体中間層１０Ａは、メサストライプ部２０Ａと電流ブロック層９との間に設けられている。そして、ｐ型半導体中間層１０Ａはメサストライプ部２０Ａの側面に接しており、ｎ型半導体中間層１１Ａは、ｐ型半導体中間層１０Ａと電流ブロック層９との間に設けられている。本実施形態では、ｎ型半導体中間層１１Ａはｐ型半導体中間層１０Ａ及び電流ブロック層９に接している。
【００３２】
ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａを構成する材料として、上述したようなＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等の半導体材料が挙げられる。電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、及びｎ型半導体中間層１１Ａは、活性層５よりもバンドギャップの高い半導体材料からなることが好ましい。この場合、活性層５と、電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、及びｎ型半導体中間層１１Ａとのバンドギャップ差に起因するヘテロ障壁が形成され、これにより、活性層５へのキャリア閉じ込め作用が強化される。またこの場合、電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、及びｎ型半導体中間層１１Ａの屈折率よりも、活性層５の屈折率の方が高くなるため、活性層５への光の閉じ込め作用が強められ、その結果、誘導放出が効率よく生じる。従って、発振特性の改善が図られる。
【００３３】
バンドギャップの高い半導体材料として、例えばＩｎＰ半導体が挙げられる。ＩｎＰはＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料のうち最大のバンドギャップを有するため、これを電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、及びｎ型半導体中間層１１Ａに用いれば、活性層５とこれらの層との間に最大のヘテロ障壁が形成される。従って、活性層５へキャリアを最も強く閉じ込めることが出来る。またＩｎＰは、ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料のうち最小の屈折率を有するため、これを電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、及びｎ型半導体中間層１１Ａに用いれば、活性層５とこれらの層との間に最大の屈折率差が得られる。従って、活性層５へ発振光を最も強く閉じ込めることが出来る。
【００３４】
更にＩｎＰは、Ａｌを含まないので酸化されにくく、且つ２元混晶なのでメサストライプ部２０Ａの側面の段差のある領域に成長しても格子整合が維持される。従ってＩｎＰを用いれば、メサストライプ部２０Ａに対し、ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａや電流ブロック層９を、結晶性良く埋め込み、再成長させることが出来る。以上の諸理由により、ＩｎＰをこれらの層に用いることで、良好な発振特性を実現できる。但し、電流ブロック層９やｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａが、このようなバンドギャップ条件を満たさない場合でも発振は可能である。
【００３５】
以上において、ｐ型不純物として例えばＺｎ、ｎ型不純物として例えばＳやＳｉが挙げられる。
【００３６】
次に、本実施形態の半導体光素子５１によって得られる作用及び効果について、以下に説明する。まず、ｎ型半導体中間層１１Ａは、ｐ型上部クラッド層７ｐに含まれるＺｎ等のｐ型不純物と、電流ブロック層９に含まれるＦｅとの相互拡散を防ぎ、且つｐ型上部クラッド層７ｐから電流ブロック層９への正孔の侵入を防ぐ正孔捕獲層としても機能する。従って、これらの問題による半導体光素子５１の特性劣化を防ぐことが可能となる。
【００３７】
そして、ｎ型半導体中間層１１Ａとメサストライプ部２０Ａとの間にｐ型半導体中間層１０Ａが設けられているので、ｐ型半導体中間層１０Ａとｎ型半導体中間層１１Ａとによるヘテロ障壁が形成される。これにより、ｎ型下部クラッド層３ｎやｎ型半導体基板２ｎからｎ型半導体中間層１１Ａへの電子の移動が困難となる。従って、ｎ型半導体中間層１１Ａにおいて、リーク電流は殆ど流れない。一方、ｐ型半導体中間層１０Ａにおいて、ｐ型上部クラッド層７ｐやｐ型コンタクト層８ｐからのリーク電流が流れる。しかし、ｐ型半導体中間層１０Ａを流れる電流の主体は正孔であり、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも一桁大きいので、正孔の移動度は電子の移動度よりも一桁小さい。従って、移動度の小さい正孔に起因する電流は、移動度の大きい電子に起因する電流よりも一桁小さい。つまり、ｎ型半導体中間層がメサストライプ部に直接接している従来の構造と比べて、活性層の両側を流れるリーク電流を少なくとも一桁は低減することが可能となる。よって、従来構造で問題であった活性層５の両側面を流れるリーク電流に起因する、活性層５への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体光素子５１の特性劣化を低減することが可能となる。
【００３８】
なお、ｎ型半導体中間層１１Ａ及びｐ型半導体中間層１０Ａを設けると、寄生容量の増加による高速動作特性の悪化が懸念されるが、ｐ型半導体中間層１０Ａの厚さは、５０〜１０００ｎｍ程度の厚さが望ましく、例えば２００ｎｍ程度といった薄さでよく、電流ブロック層９の厚みに比べれば無視できる。つまり、ｐ型半導体中間層１０Ａの体積は、電流ブロック層９の体積に比べれば無視できる程小さいので、ｐ型半導体中間層１０Ａを設けても、寄生容量の増加は微小である。従って、高速動作への影響はほとんど無い。
【００３９】
Ｆｅが電流ブロック層にドープされている場合、図６に示した従来の素子構造では、ｐ型上部クラッド層などの半導体層に添加された不純物（例えばＺｎ）とＦｅとが容易に相互拡散してしまうので、図７に示した構成が多く採用されてきた。しかし、前述したように図７の構成では活性層の両側面にリーク電流が流れ易い。対して、本発明による半導体光素子５１はそのようなリーク電流を効果的に低減することができる。よって、活性層５への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体光素子５１の特性劣化を低減することが可能である。また、前述したＴｉ、Ｃｒ、Ｃｏ等の遷移金属が電流ブロック層９にドープされている場合も同様に、活性層５の両側面のリーク電流に起因する半導体光素子５１の特性劣化を低減することが可能である。
【００４０】
次に、図２を参照しつつ、図１に示す半導体光素子５１の製造工程について説明する。成長装置として、例えば有機金属気相成長（Organic Metallic Vapor Phase Epitaxy）装置等の一般的な半導体結晶成長装置を使用できる。
【００４１】
まず図２（ａ）に示す１回目の成長工程において、ｎ型半導体基板２ｎ上に、ｎ型下部クラッド層３ｎ、下部光閉じ込め層４、活性層５、上部光閉じ込め層６、ｐ型上部クラッド層７ｐ、及びｐ型コンタクト層８ｐをこの順にエピタキシャル成長させる。そして、メサストライプ部２０Ａ形成用の誘電体マスク３０を所定の領域にパターニングする。誘電体マスク３０として、ＳｉＮやＳｉＯ２等の誘電体膜が使用される。
【００４２】
次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングによりエッチングを行う。すると図２（ｂ）に示すように、誘電体マスク３０が設けられた領域以外はｎ型半導体基板２ｎの表層までエッチングされ、ストライプ状のメサストライプ部２０Ａが形成される。但し、ｎ型半導体基板２ｎまでのエッチングは必須では無く、場合によってはｎ型下部クラッド層３ｎの最下部、或いはこの層中の所定の深さまでのエッチングで終了しても良い。
【００４３】
さらに、図２（ｃ）に示す２回目の成長工程において、誘電体マスク３０を残存させた状態で、ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａをメサストライプ部２０Ａの側面上及びメサストライプ部２０Ａを除くｎ型半導体基板２ｎ上にエピタキシャル成長させる。更にメサストライプ部２０Ａを埋め込むように電流ブロック層９を連続してエピタキシャル成長させる。その後、誘電体マスク３０を除去し、研磨等により、ｎ型半導体基板２ｎを劈開可能な厚さ(１００μｍ以下)まで薄くする。
【００４４】
最後に、図２（ｄ）に示すように、蒸着やスパッタといった方法により、ｎ型半導体基板２ｎの裏面にカソード電極１ｎを形成し、またｐ型コンタクト層８ｐの上にアノード電極１２ｐを形成することで、図１で示したＢＨ型の半導体レーザである半導体光素子５１が完成する。以上の説明から判るように、本製造方法においては、２回目の成長工程において、ｐ型半導体中間層１０Ａ、ｎ型半導体中間層１１Ａ、及び電流ブロック層９を一括して成長できるため、従来構造と同じ製造プロセスで製造することが可能であり、構造変更に伴う製造負荷やコストの増加は殆ど生じない。
【００４５】
以上、本実施形態において、ｎ型半導体基板２ｎを用いた半導体光素子５１を示したが、これに限定されず、ｐ型半導体基板を用いても同様の素子構造を作製できる。その一例を図３に示す。図３は、ＢＨ構造の半導体レーザである半導体光素子５３を示す模式図である。半導体光素子５３の素子構造は、半導体基板の導電型の変更に伴い、上下のクラッド層とコンタクト層、及び上下の電極の導電型(ｐ型、ｎ型)が図１の半導体光素子５１と逆になっている以外は、半導体光素子５１の構造と同じである。
【００４６】
半導体光素子５３は、アノード電極１ｐ及びカソード電極１２ｎとの間に、ｐ型半導体基板２ｐ上に設けられたメサストライプ部２０Ｂ、電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ａ、及びｎ型半導体中間層１１Ａを備える。メサストライプ部２０Ｂは、ｐ型下部クラッド層３ｐ、下部光閉じ込め層４、活性層５、上部光閉じ込め層６、ｎ型上部クラッド層７ｎ、及びｎ型コンタクト層８ｎを含む。
【００４７】
ｎ型半導体中間層１１Ａ及びｐ型半導体中間層１０Ａは、メサストライプ部２０Ｂと電流ブロック層９との間に設けられている。そして、ｐ型半導体中間層１０Ａはメサストライプ部２０Ｂの側面に接しており、ｎ型半導体中間層１１Ａは、ｐ型半導体中間層１０Ａと電流ブロック層９との間に設けられている。ｎ型半導体中間層１１Ａはｐ型半導体中間層１０Ａに接している。そして、電流ブロック層９はｎ型半導体中間層１１Ａに接している。
【００４８】
図３に示す半導体光素子５３においても、図１の半導体光素子５１と同じ作用により、従来構造で問題であった活性層の両側面を流れるリーク電流を少なくとも一桁は低減できるので、活性層５への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体光素子５３の特性劣化を低減することが可能となる。
【００４９】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る半導体光素子５４の断面構造を示す模式図である。以下、図４を参照しながら、半導体光素子５４の構成について説明する。第１実施形態では、ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａが、メサストライプ部２０Ａの側面と、メサストライプ部２０Ａ以外のｎ型半導体基板２ｎ上の全面とに亘って設けられた半導体光素子５１を示したが、第２実施形態では、ｐ型半導体中間層１０Ｂ及びｎ型半導体中間層１１Ｂが、メサストライプ部２０Ａの側面と、メサストライプ部２０Ａ以外のｎ型半導体基板２ｎ上の部分的な領域Ｐとに亘って設けられる半導体光素子５４を示す。
【００５０】
図４に示すように、半導体光素子５４はＢＨ構造のファブリペロー型半導体レーザである。半導体光素子５４は、カソード電極１ｎ、ｎ型半導体基板２ｎ、メサストライプ部２０Ａ、電流ブロック層９、ｐ型半導体中間層１０Ｂ、ｎ型半導体中間層１１Ｂ、及びアノード電極１２ｐを備えている。メサストライプ部２０Ａは、ｎ型下部クラッド層３ｎ、下部光閉じ込め層４、活性層５、上部光閉じ込め層６、ｐ型上部クラッド層７ｐ、及びｐ型コンタクト層８ｐを含む。なお、これらの構成のうち、カソード電極１ｎ、ｎ型半導体基板２ｎ、メサストライプ部２０Ａ、電流ブロック層９、及びアノード電極１２ｐに関しては、第１実施形態の構成と同じなので詳細な説明を省略する。
【００５１】
ｐ型半導体中間層１０Ｂ及びｎ型半導体中間層１１Ｂは、メサストライプ部２０Ａと電流ブロック層９との間に設けられている。そして、ｐ型半導体中間層１０Ｂはメサストライプ部２０Ａの側面に接しており、ｎ型半導体中間層１１Ｂは、ｐ型半導体中間層１０Ｂと電流ブロック層９との間に設けられている。さらに、ｎ型半導体中間層１１Ｂはｐ型半導体中間層１０Ｂ及び電流ブロック層９に接している。そして、ｐ型半導体中間層１０Ｂ及びｎ型半導体中間層１１Ｂは、ｎ型半導体基板２ｎ上の部分的な領域Ｐに亘って設けられており、その部分的な領域Ｐはメサストライプ部２０Ａに隣接する。
【００５２】
本実施形態の半導体光素子５４においてもメサストライプ部２０Ａの側面がｐ型半導体中間層１０Ｂで覆われるため、第１実施形態で説明した半導体光素子５１と同じ作用により、従来構造で問題であった活性層の両側面を流れるリーク電流を少なくとも一桁は低減できるので、活性層５への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体光素子５４の特性劣化を低減することが可能となる。
【００５３】
また、半導体光素子５１のｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａには寄生容量がわずかに存在する。そこで、本実施形態の半導体光素子５４のように、ｎ型半導体基板２ｎ上においてメサストライプ部２０Ａに隣接する部分的な領域Ｐに限定してｐ型半導体中間層１０Ｂ及びｎ型半導体中間層１１Ｂを設けることにより、メサストライプ部以外の基板全面にｐ型半導体中間層及びｎ型半導体中間層が形成された半導体光素子５１に比べて、寄生容量の増加を抑制し、高速動作への影響を低減できる。
【００５４】
次に、図５を参照しつつ、図４に示す半導体光素子５４の製造工程について説明する。まず、図５（ａ）〜（ｂ）に示すように、ｎ型半導体基板２ｎ上にｎ型下部クラッド層３ｎからｐ型コンタクト層８ｐまでエピタキシャル成長させ、誘電体マスク３０を用いてメサストライプ部２０Ａを形成した後、ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａをエピタキシャル成長させる工程までは、第１実施形態と同じ工程である。
【００５５】
その後、図５（ｃ）に示すように、誘電体マスク３０と、メサストライプ部２０Ａと、ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａのメサストライプ部２０Ａに隣接する部分的な領域Ｐとをレジスト４０で覆い、エッチングを行う。エッチングにより、ｐ型半導体中間層１０Ａ及びｎ型半導体中間層１１Ａのレジスト４０で覆われていない領域は除去される。
【００５６】
そして、図５（ｄ）に示すように、レジスト４０を除去すれば、メサストライプ部２０Ａの側面に接し、且つｎ型半導体基板２ｎ上のメサストライプ部２０Ａに隣接する部分的な領域Ｐに亘って設けられたｐ型半導体中間層１０Ｂ及びｎ型半導体中間層１１Ｂが得られる。
【００５７】
さらに、電流ブロック層９をエピタキシャル成長させることにより、メサストライプ部２０Ａとｐ型半導体中間層１０Ｂ及びｎ型半導体中間層１１Ｂとが電流ブロック層９で埋め込まれた素子構造が得られる。
【００５８】
最後に、図５（ｅ）に示すように、第１実施形態と同様に、研磨等によりｎ型半導体基板２ｎを劈開可能な厚さ（１００μｍ以下）まで薄くした後、ｎ型半導体基板２ｎの裏面にカソード電極１ｎを形成し、またｐ型コンタクト層８ｐの上にアノード電極１２ｐを形成することで、図４で示したＢＨ型の半導体レーザである半導体光素子５４が完成する。
【００５９】
以上、本発明による半導体光素子をファブリペロー型半導体レーザに適用する例を示したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、分布帰還（Distributed Feedback：ＤＦＢ）型半導体レーザや分布ブラッグ反射（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）等、他の構造の半導体レーザに本発明を適用することも可能である。また、例えば、本発明をＬＥＤや電界吸収型光変調器、マッハツェンダー型光変調器、半導体光増幅器（ＳＯＡ）等他の半導体光素子へ適用することも可能である。これら全ての素子形態において本発明を適用すれば、従来構造で問題であった活性層の両側面を流れるリーク電流を少なくとも一桁は低減できるので、活性層への電流注入効率の低下による、閾値電流の増加、及び発振スロープ効率の低下といった半導体光素子の特性劣化を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、第１実施形態の半導体光素子５１を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態の半導体光素子５１の製造方法を示す工程図である。
【図３】図３は、第１実施形態の半導体光素子５３を示す模式図である。
【図４】図４は、第２実施形態の半導体光素子５４を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｅ）は、第２実施形態の半導体光素子５４の製造方法を示す工程図である。
【図６】図６は、従来の半導体レーザ５６を示す模式図である。
【図７】図７は、従来の半導体レーザ５７を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６１】
２ｎ…ｎ型半導体基板、３ｎ…ｎ型下部クラッド層、５…活性層、７ｐ…ｐ型上部クラッド層、１０Ａ…ｐ型半導体中間層、１１Ａ…ｎ型半導体中間層、２０Ａ…メサストライプ部、５１…半導体光素子。
【図１】
2010010622.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010010622.tif 000007
【図６】
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【図７】
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