(57)【要約】【課題】上部クラッド層における電流の閉じ込め及び電界の閉じ込めを良好にすることが可能な半導体光素子を提供すること。【解決手段】半導体基板ＳＢと、半導体基板ＳＢ上に設けられた半導体メサストライプＭと、半導体メサストライプＭを埋め込む埋込層３０と、半導体メサストライプＭと埋込層３０との間に設けられ、誘電体材料からなる中間層２０とを備え、下部クラッド層Ｃ１は第１ドーパントの添加により第１導電型を示し、上部クラッド層Ｃ２は第２ドーパントの添加により第２導電型を示し、埋込層３０は第３ドーパントの添加により半絶縁性を示し、中間層２０は上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１と埋込層３０との間に設けられ、中間層２０は上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１に接し、埋込層３０は下部クラッド層Ｃ１の側面Ｆ３及びコア層１０の側面Ｆ４に接している半導体光素子１。【選択図】図１
2011040632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた半導体メサストライプと、
前記半導体メサストライプを埋め込む埋込層と、
前記半導体メサストライプと前記埋込層との間に設けられ、誘電体材料からなる中間層と、を備え、
前記半導体メサストライプは、下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層を含み、
前記コア層は、前記半導体基板上において、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられ、
前記下部クラッド層は、第１ドーパントの添加により第１導電型を示し、
前記上部クラッド層は、第２ドーパントの添加により第２導電型を示し、
前記埋込層は、第３ドーパントの添加により半絶縁性を示し、
前記中間層は、前記上部クラッド層の側面と前記埋込層との間に設けられ、
前記中間層は、前記上部クラッド層の前記側面に接し、
前記中間層は、前記半導体メサストライプの上端から前記上部クラッド層の下端までを覆い、
前記埋込層は、前記下部クラッド層の側面及び前記コア層の側面に接している、半導体光素子。
【請求項２】
前記中間層の幅は、１００ｎｍ〜１μｍである、請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記中間層は、ＢＣＢ、ポリイミド、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、及び酸化タンタルのうちのいずれかから構成されている、請求項１または２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記中間層は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから構成されている、請求項１または２に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記埋込層に添加されている前記第３ドーパントは、Ｆｅである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記半導体基板は、ＩｎＰから構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記埋込層は、ＩｎＰから構成されている、請求項１〜６のいずれか一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、光通信、光記録、光計測等に使用される半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザー構造の一つとして、埋め込みヘテロストラクチャー（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、以下、ＢＨと略す）構造がある。ＢＨ構造では、メサストライプの側面が、埋込層で埋め込まれている。例えば、特許文献１では、メサストライプは、コンタクト層、クラッド層(ｐ型上部クラッド層)、活性層、及びバッファ層(ｎ型下部クラッド層)を含んでいる。メサストライプを構成するクラッド層(ｐ型上部クラッド層)として、例えば、Ｚｎドープされたｐ型ＩｎＰが用いられる。また、埋込層として、例えば、ＩｎＰが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
メサストライプから埋込層へのリーク電流を防ぎ、メサストライプ領域へ電流を良好に狭窄するために、半絶縁性の埋込層を用いる。半絶縁性を得るために、Ｆｅなどのドーパントが埋込層に添加される。Ｆｅ添加の埋込層の禁制帯中には、Ｆｅドーパントによる深い準位が形成される。深い準位は、埋込層中の電子を捕獲するので、電子に対して高抵抗となる。しかしながら、埋込層の結晶成長時や電極形成時などの熱履歴により、ｐ型クラッド層にドープされているＺｎと、埋込層にドープされているＦｅとは、相互拡散する。その結果、Ｆｅドープの埋め込み層中にはｐ型ドーパントであるＺｎが拡散するため、埋め込み層の抵抗率が下がり、逆にＦｅが拡散したｐ型クラッド層は高抵抗化する。従って、メサストライプ中の高抵抗化したｐ型クラッド層よりも、その横の低抵抗化した埋め込み層の方が、電流が流れやすくなるため、メサストライプ部のｐ型クラッド層脇の埋め込み層を伝ってリーク電流が流れるようになる。また別の要因として、Ｆｅドープの埋め込み層は上記のように、電子は捕獲できるがホール(正孔)は捕獲出来ない。即ち、電子に対してのみ、高抵抗層として機能する。従って、ｐ型クラッド層とＦｅドープの埋め込み層が直接接触した場合は、ｐ型クラッド層から埋め込み層にホールが流れ込み、トラップされている電子と再結合するため、本要因によってもリーク電流が流れてしまう。これらのリーク電流は活性層に注入されない無効電流であり、素子の発光効率を低下させ、発振特性を劣化させる要因となる
【０００５】
特許文献１では、上記ドーパントの相互拡散や埋込層へのホールの注入によるリーク電流を抑制するために、埋込層とメサストライプとの間にＦｅ拡散防止層を設けている。具体的には、特許文献１では、ｎ型ＩｎＰからなるＦｅ拡散防止層を採用している。Ｆｅ拡散防止層を構成する材料は、半導体材料であり誘電体材料ではない。また、バッファ層(下部クラッド層)はｎ型ＩｎＰからなり、クラッド層(上部クラッド層)はｐ型ＩｎＰからなり、コンタクト層はｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。メサストライプの側面上には、ｎ型ＩｎＰからなるＦｅ拡散防止層が設けられている。故に、Ｆｅ拡散防止層と、コンタクト層及びクラッド層との接合は、ＰＮ接合である。しかしながら、このようなＰＮ接合の形成は素子容量の増加を招く。特に通常Ｆｅ拡散防止層は高ドープされているため、これにより形成されるＰＮ接合は、素子容量の大幅な増加を招き、高速動作が困難化する。また、特許文献１の構造では、活性層を含むメサストライプ部にｎ型Ｆｅ拡散防止層が接触する構造となっている。本拡散防止層の導入により、上記ｐ型上部クラッド層から埋め込み層へのリーク電流は抑制されるが、一方、本散防止層中を通り、メサストライプ側面を流れる新規のリーク電流が生じる。特に、本散防止層を流れるキャリアは移動度が大きい電子であるため、これによる大きなリーク電流が流れやすい。その結果、活性層への電流の注入効率が低下し、素子特性の悪化を引き起こす可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上部クラッド層に添加されたドーパントが埋込層へ拡散すること、及び埋込層に添加されたドーパントが上部クラッド層へ拡散することを抑制し、拡散防止層を経由してメサストライプ側面を流れるリーク電流の発生を防ぎ、且つ拡散防止層付加による素子容量増加に起因する、高速性の悪化を生じない半導体光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた半導体メサストライプと、半導体メサストライプを埋め込む埋込層と、半導体メサストライプと埋込層との間に設けられ、誘電体材料からなる中間層と、を備え、半導体メサストライプは、下部クラッド層、コア層、及び上部クラッド層を含み、コア層は、半導体基板上において、下部クラッド層と上部クラッド層との間に設けられ、下部クラッド層は、第１ドーパントの添加により第１導電型を示し、上部クラッド層は、第２ドーパントの添加により第２導電型を示し、埋込層は、第３ドーパントの添加により半絶縁性を示し、中間層は、上部クラッド層の側面と埋込層との間に設けられ、中間層は、上部クラッド層の側面に接し、中間層は、半導体メサストライプの上端から上部クラッド層の下端までを覆い、埋込層は、下部クラッド層の側面及びコア層の側面に接していることを特徴とする。
【０００８】
この半導体光素子によれば、誘電体材料からなる中間層が、半導体メサストライプと埋込層との間に設けられている。当該中間層は、半導体メサストライプの上端から上部クラッド層の下端までを覆い、上部クラッド層の側面に接している。故に、中間層と上部クラッド層との接合は、ＰＮ接合ではない。中間層は誘電体材料で形成されているため、上部クラッド層内の第２ドーパントが埋込層へ相互拡散することを防止し、埋込層内の第３ドーパントが上部クラッド層へ相互拡散することを防止する。よって、埋込層と上部クラッド層との間に、ドーパントの相互拡散に起因したリーク経路が形成されない。また中間層は誘電体材料で形成されているため、これが上部クラッド層と埋込層との間に設けられることにより、上部クラッド層から埋め込み層へのホール等のキャリアの拡散も阻止でき、これによるリーク電流も抑制できる。従って本中間層は、特許文献１の従来構造におけるＦｅ拡散防止層と同等の効果を有する。次に、従来構造に対する本発明の構造の利点を説明する。まず本発明の構造では、中間層を構成する誘電体材料は絶縁性なので、中間層にはリーク電流は流れない。従って、従来構造で問題であった、中間層(Ｆｅ拡散防止層)を通ってメサストライプ側面を流れるリーク電流の発生を回避できる。更に、上記のように誘電体材料の中間層は、上部クラッド層との間にＰＮ接合を形成しないので、中間層を加えても素子容量は増大しない。従って、従来のｎ型半導体層のＦｅ拡散防止層を中間層に用いた場合に生じた、素子容量の増加に起因する高速性の悪化も生じない。
【０００９】
また、中間層の幅は、１００ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。中間層として１００ｎｍ〜１μｍ程度の幅があれば、上記埋込層と上部クラッド層との間のドーパントの相互拡散や、上部クラッド層から埋込層へのホール等のキャリアの拡散を抑制する拡散防止層として、中間層を良好に機能させることができる。
【００１０】
また、中間層は、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ポリイミド、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、及び酸化タンタルのうちのいずれかの誘電体材料から構成されていることが好ましい。中間層が当該材料のいずれかであることにより、第２ドーパントが上部クラッド層から埋込層に拡散することや、第３ドーパントが埋込層から上部クラッド層に拡散することを効果的に抑制できる。
【００１１】
また、誘電体中間層は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから構成されていることが好ましい。窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムは、良好な熱伝導性を有する。故に、半導体メサストライプ内の熱は、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムからなる中間層を介して、外部に放出される。よって、熱に起因する信頼性の低下を抑制できる。
【００１２】
また、埋込層内の第３ドーパントは、Ｆｅであることが好ましい。Ｆｅドーパントは、埋込層の禁制帯中に深い準位を形成する。深い準位が、埋込層中の電子を捕獲する。従って、埋込層を、電子による電流をブロックする機能を有する層として、好適に用いることができる。
【００１３】
また、半導体基板は、ＩｎＰから構成されていることが好ましい。半導体基板がＩｎＰから構成されていることにより、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどといった光通信用の長波長帯光素子構成に必要な半導体材料を、基板上に結晶性良くエピタキシャル成長できる。従って、当該半導体材料などで構成された半導体光素子は、光通信用の受光デバイス及び発光デバイスなどに好適に利用できる。
【００１４】
また、埋込層は、ＩｎＰから構成されていることが好ましい。ＩｎＰのバンドギャップは、コア層に用いられる半導体材料のバンドギャップより高い。故に、埋込層にＩｎＰを用いることにより、コア層へキャリアを強く閉じ込めることができる。また、ＩｎＰの屈折率は、コア層に用いられる半導体材料の屈折率よりも低い。故に、埋込層にＩｎＰを用いることにより、コア層へ光を強く閉じ込めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上部クラッド層に添加されたドーパントが埋込層へ拡散すること、及び埋込層に添加されたドーパントが上部クラッド層へ拡散することを抑制し、中間層を経由してメサストライプ側面を流れるリーク電流の発生を回避でき、且つ中間層付加に起因する高速性の悪化も生じない半導体光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る半導体光素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は、半導体光素子の製造方法の一例を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、半導体光素子の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｂ）は、半導体光素子の製造方法の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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す。
【００１８】
（第１実施形態）
本発明の好適な第１実施形態を図１〜図５を参照して説明する。図１〜５には、ＸＹＺ直交座標系Ｓが示されている。図１は、半導体光素子１の構造を概略的に示す断面図である。図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。図３〜５は、半導体光素子の製造方法の一例を示す断面図である。以下、半導体光素子１が、ＢＨ構造のファブリーペロー型半導体レーザーである例を説明する。
【００１９】
図１に示すように、半導体光素子１では、半導体メサストライプＭが基板上に設けられており、この基板には半導体基板ＳＢを用いることができる。埋込層３０は、半導体メサストライプＭを埋め込んでいる。半導体メサストライプＭは、下部クラッド層Ｃ１、コア層１０、上部クラッド層Ｃ２、及びコンタクト層１７を含んでいる。下部クラッド層Ｃ１は半導体基板ＳＢ上に設けられている。コア層１０は、半導体基板ＳＢ上において、下部クラッド層Ｃ１と上部クラッド層Ｃ２との間に設けられている。コア層１０は下部クラッド層Ｃ１上に設けられている。上部クラッド層Ｃ２はコア層１０上に設けられている。コンタクト層１７は、上部クラッド層Ｃ２上に設けられている。下部クラッド層Ｃ１は、第１ドーパントの添加により第１導電型を示す。上部クラッド層Ｃ２は、第２ドーパントの添加により第２導電型を示す。コンタクト層１７は、第２ドーパントの添加により第２導電型を示す。埋込層３０は、第３ドーパントの添加により半絶縁性を示す。
【００２０】
誘電体材料からなる中間層２０は、半導体メサストライプＭと埋込層３０の間に設けられている。中間層２０は、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１と埋込層３０との間に設けられている。中間層２０は、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１に接して接合Ｊ１を形成する。中間層２０は、半導体メサストライプＭの上端Ｍａから上部クラッド層Ｃ２の下端Ｃ２ｂまでの半導体メサストライプＭの側面を覆っている。埋込層３０は、下部クラッド層Ｃ１の側面Ｆ３及びコア層１０の側面Ｆ４に接している。埋込層３０は、下部クラッド層Ｃ１の側面Ｆ３に接し接合Ｊ３を形成する。また、埋込層３０は、コア層１０の側面Ｆ４に接して接合Ｊ４を形成する。
【００２１】
この半導体光素子１によれば、誘電体材料からなる中間層２０が、半導体メサストライプＭと埋込層３０との間に設けられている。この中間層２０は、半導体メサストライプＭの上端Ｍａから上部クラッド層Ｃ２の下端Ｃ２ｂまでの半導体メサストライプＭの側面を覆い、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１に接している。故に、中間層２０と上部クラッド層Ｃ２との接合Ｊ１は、誘電体材料と半導体材料との接合であり、ＰＮ接合ではない。中間層２０は、上部クラッド層Ｃ２内の第２ドーパントが埋込層３０へ相互拡散することを防止し、埋込層３０内の第３ドーパントが上部クラッド層Ｃ２へ相互拡散することを防止する。よって、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１と埋込層３０との間に、ドーパント相互拡散に起因したリーク電流の経路が形成されない。また、中間層２０は誘電体材料で形成されているため、中間層２０がメサストライプＭと埋込層３０との間に設けられることにより、上部クラッド層Ｃ２から埋め込み層３０へのホール等のキャリアの拡散も阻止でき、これによるリーク電流も抑制できる。従って中間層２０は従来構造におけるＦｅ拡散防止層と同等の効果を有する。また、中間層２０を構成する誘電体材料は絶縁性なので、中間層２０にはリーク電流は流れない。従って、従来構造で問題であった、中間層２０を通ってメサストライプＭの側面を流れるリーク電流の発生を回避できる。更に、上記のように誘電体材料の中間層２０は上部クラッド層Ｃ２との間にＰＮ接合を形成しないので、中間層を付加しても素子容量は増大せず、従って、従来構造で生じた、ｎ型半導体中間層（Ｆｅ拡散防止層）付加時の素子容量の増加に起因する高速性の悪化も生じない。
【００２２】
中間層２０は、コンタクト層１７の側面Ｆ２と埋込層３０の間に設けられている。中間層２０は、コンタクト層１７の側面Ｆ２に接して接合Ｊ２を形成する。中間層２０とコンタクト層１７との接合Ｊ２は、誘電体材料と半導体材料との接合であり、ＰＮ接合ではない。中間層２０は、第１部分２１及び第２部分２２を有する。中間層２０の第１部分２１の幅Ｗ１及び第２部分２２の幅Ｗ２は、それぞれ数１００ｎｍ以上であり、例えば、それぞれ１００ｎｍ〜１μｍである。中間層２０として１００ｎｍ〜１μｍ程度の幅があれば、上記埋込層３０と上部クラッド層Ｃ２との間のドーパントの相互拡散や、上部クラッド層Ｃ２から埋め込み層３０へのホール等のキャリアの拡散を抑制する拡散防止層として中間層２０を良好に機能させることができる。
【００２３】
中間層２０は、ＢＣＢ、ポリイミド、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、及び酸化タンタルのうちのいずれかの誘電体材料から構成されていることが好ましい。中間層２０が上記材料のいずれかであることにより、第２ドーパントが上部クラッド層Ｃ２から埋込層３０へ拡散することや、第３ドーパントが埋込層３０から上部クラッド層Ｃ２へ拡散することを効果的に抑制できる。
【００２４】
また、中間層２０は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムから構成されていることが好ましい。窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムは、良好な熱伝導性を有する。故に、半導体メサストライプＭ内の熱は、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムの中間層２０を介して、外部に放出できる。よって、熱に起因する信頼性の低下を抑制できる。
【００２５】
半導体メサストライプＭは、所定方向Ａｘに延在している。所定方向Ａｘは、例えばＹ軸方向に平行である。図２に示すように、上部クラッド層Ｃ２は、この所定方向Ａｘに延在している。中間層２０は、上部クラッド層Ｃ２の延在方向と平行して、所定方向Ａｘに延在している。上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１は、第１側面Ｆ１ａ及び第２側面Ｆ１ｂを含む。中間層２０の第１部分２１は、上部クラッド層Ｃ２の第１側面Ｆ１ａに接している。中間層２０の第２部分２２は、上部クラッド層Ｃ２の第２側面Ｆ１ｂに接している。また、同様に、コンタクト層１７は、上記所定方向Ａｘに延在している。図１に示すように、コンタクト層１７の側面Ｆ２は、第１側面Ｆ２ａ及び第２側面Ｆ２ｂを含む。中間層２０の第１部分２１は、コンタクト層１７の第１側面Ｆ２ａに接している。中間層２０の第２部分２２は、コンタクト層１７の第２側面Ｆ２ｂに接している。よって、上部クラッド層Ｃ２及びコンタクト層１７は、埋込層３０と接していない。
【００２６】
埋込層３０は、第１部分３１及び第２部分３２を含む。埋込層３０の第１部分３１は、中間層２０の第１部分２１に接している。埋込層３０の第２部分３２は、中間層２０の第２部分２２に接している。
【００２７】
半導体基板ＳＢは、ＩｎＰから構成されていることが好ましい。半導体基板ＳＢがＩｎＰから構成されていることにより、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどといった光通信用の長波長帯光素子構成に必要な半導体材料を基板上に結晶性良くエピタキシャル成長できる。当該半導体材料などで構成された半導体光素子１は、光通信用の受光デバイス及び発光デバイスなどに好適に利用できる。半導体基板ＳＢは、例えばｎ型である。
【００２８】
図１に示されるように、コア層１０は、下部光閉じ込め層１１、活性層１２、及び上部光閉じ込め層１３を含むことができる。本実施形態では、半導体光素子１が半導体レーザーであるので、コア層１０は光導波路として機能する。活性層１２には、例えばバルク層が用いられる。また、活性層１２には、量子井戸層及びバリア層が交互に積層された量子井戸構造を使用できる。活性層１２を構成する半導体材料としては、例えばＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等がある。コア層１０を構成する下部光閉じ込め層１１、活性層１２、及び上部光閉じ込め層１３の屈折率は、上部クラッド層Ｃ２の屈折率より大きく、また下部クラッド層Ｃ１の屈折率より大きい。また、例えば半導体光素子１が電界吸収型変調器である場合、活性層１２は光吸収層として機能する。活性層１２をアンドープとすることにより、光吸収損を抑えることができる。
【００２９】
下部光閉じ込め層１１及び上部光閉じ込め層１３を構成する半導体材料としては、例えばＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等がある。下部光閉じ込め層１１及び上部光閉じ込め層１３はアンドープとすることにより、光吸収損を抑えることができる。
【００３０】
下部光閉じ込め層１１のバンドギャップは、下部クラッド層Ｃ１のバンドギャップより小さく、活性層１２のバンドギャップより大きいことが望ましい。上部光閉じ込め層１３のバンドギャップは、上部クラッド層Ｃ２のバンドギャップより小さく、活性層１２のバンドギャップより大きいことが望ましい。このバンドギャップの大小関係により、下部クラッド層Ｃ１及び上部クラッド層Ｃ２から注入されたキャリアは、活性層１２へ効率よく注入される。
【００３１】
また、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１１は、下部クラッド層Ｃ１の屈折率と、活性層１２の屈折率との間の屈折率を有している。上部光閉じ込め層１３は、上部クラッド層Ｃ２の屈折率と、活性層１２の屈折率との間の屈折率を有している。よって、活性層１２への光閉じ込めが強められる。従って、良好な発振特性が得られる。特に、活性層１２が量子井戸構造である場合、下部光閉じ込め層１１及び上部光閉じ込め層１３により、活性層１２への光閉じ込めを有意に増大させることができる。従って、より良好な発振特性が得られる。但し、下部光閉じ込め層１１及び上部光閉じ込め層１３は必須では無い。例えば活性層１２がバルクである場合等、活性層１２のみで発振に必要な光閉じ込めが得られる場合には、下部光閉じ込め層１１及び上部光閉じ込め層１３を省略してもよい。
【００３２】
下部クラッド層Ｃ１及び上部クラッド層Ｃ２には半導体材料が使用される。下部クラッド層Ｃ１及び上部クラッド層Ｃ２に用いられる半導体材料の例として、例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等が挙げられる。活性層１２へのキャリア注入を効率良く行うため、下部クラッド層Ｃ１及び上部クラッド層Ｃ２は、活性層１２のバンドギャップや、下部光閉じ込め層１１のバンドギャップ及び上部光閉じ込め層１３のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料からそれぞれ構成されることが好ましい。上述のように、下部クラッド層Ｃ１には第１ドーパントが添加され、上部クラッド層Ｃ２には第２ドーパントが添加されている。下部クラッド層Ｃ１に添加されている第１ドーパントは、例えばｎ型であり、上部クラッド層Ｃ２に添加される第２ドーパントは、例えばｐ型である。上部クラッド層Ｃ２内の第２ドーパントは、好ましくはＺｎである。上部クラッド層Ｃ２内における第２ドーパントの濃度は、好ましくは１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３である。
【００３３】
埋込層３０には、高抵抗化のために、キャリアを捕獲できる深い準位を形成できる第３ドーパントが添加されている。埋込層３０は、例えば１０８Ωｃｍを超える高抵抗を有する。埋込層３０内の第３ドーパントは、Ｆｅであることが好ましい。Ｆｅドーパントは、埋込層３０の禁制帯中に深い準位を形成する。深い準位が、埋込層３０中の電子を捕獲する。従って、埋込層３０を、電流（電子）をブロックする機能を有する層として、好適に用いることができる。埋込層３０内における第３ドーパントの濃度は、好ましくは２×１０１６〜1×１０１７ｃｍ−３である。
【００３４】
埋込層３０のバンドギャップは、活性層１２のバンドギャップよりも高いことが好ましい。この場合、埋込層３０と活性層１２のバンドギャップ差に起因して、埋込層３０と活性層１２との界面にヘテロ障壁が形成される。故に、活性層１２へのキャリア閉じ込めが強化される。また、上記バンドギャップ関係が成立する場合、埋込層３０の屈折率が、活性層１２の屈折率より低くなる。従って、活性層１２への光閉じ込めが強められ、その結果、誘導放出が効率良く生じる。従って、良好な発振特性が得られる。
【００３５】
埋込層３０には半導体材料が使用される。埋込層３０に用いられる半導体材料の例として、例えば、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等が挙げられる。特に、埋込層３０は、ＩｎＰから構成されていることが好ましい。ＩｎＰは、ＧａＩｎＡｓＰ系材料中、最大のバンドギャップを有する。従って、ＩｎＰのバンドギャップは、コア層１０に用いられる半導体材料のバンドギャップより高い。故に、埋込層３０にＩｎＰを用いることにより、コア層１０へキャリアを強く閉じ込めることができる。また、ＩｎＰはＧａＩｎＡｓＰ系材料中、最小の屈折率を有する。従って、ＩｎＰの屈折率は、コア層１０に用いられる半導体材料の屈折率よりも低い。故に、埋込層３０にＩｎＰを用いることにより、コア層１０へ光を強く閉じ込めることができる。更に、ＩｎＰはＡｌを含まないため、酸化されにくい。また、埋込層３０がＩｎＰである場合、ＩｎＰは２元混晶のため、メサストライプＭ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Ｍに対し、埋込層３０を結晶性良く埋め込み再成長出来る。
【００３６】
コンタクト層１７として、高ドープのＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＡｓが用いられる。コンタクト層１７は、例えばｐ型である。半導体基板ＳＢの裏面には、下部電極Ｅ１が形成されている。埋込層３０、コンタクト層１７、及び中間層２０上には、上部電極Ｅ２が形成されている。コンタクト層１７は、上部電極Ｅ２とオーミックコンタクトを形成する。
【００３７】
一例の半導体光素子１では、
半導体基板ＳＢ：ｎ型ＩｎＰ、１００μｍ厚
下部クラッド層Ｃ１：ｎ型ＩｎＰ、２μｍ厚
下部光閉じ込め層１１：アンドープＧａＩｎＡｓＰ、６０ｎｍ厚
活性層１２：量子井戸構造（アンドープＧａＩｎＡｓＰの量子井戸層、７ｎｍ厚と、アンドープＧａＩｎＡｓＰのバリア層、１０ｎｍ厚の積層）
上部光閉じ込め層１３：アンドープＧａＩｎＡｓＰ、６０ｎｍ厚
上部クラッド層Ｃ２：ｐ型ＩｎＰ、２μｍ厚
コンタクト層１７：ｐ型ＧａＩｎＡｓ、０．５μｍ厚
埋込層３０：ＦｅドープのＩｎＰ、５μｍ厚
中間層２０：ＢＣＢ、２．５２μｍ厚、幅２００ｎｍ
である。
【００３８】
本実施形態において、ｐ型ドーパントとして、例えばＺｎを用いることができる。また、ｎ型ドーパントとして、例えばＳやＳｉを使用できる。
【００３９】
本実施形態では、活性層１２の側面Ｆ４には、半導体から成る埋込層３０が埋め込まれており、誘電体から成る中間層２０と活性層１２の側面Ｆ４との接触が避けられるので、結晶欠陥は生じにくい。より具体的に説明すると、中間層２０に用いる誘電体材料と、メサストライプＭを構成する半導体材料とは異種材料であるため、両者の界面は結晶学的に不連続である。従って、メサストライプＭと誘電体中間層２０を接合した場合は、中間層２０と接するメサストライプＭの側面には多数のダングリングボンドが残存し、これに起因してメサストライプＭの側面に結晶欠陥が生じやすい。特に電流注入により、多量のキャリア(電子、正孔)が注入される活性層１２においては、注入された電子と正孔が、上記ダングリングボンドに起因する欠陥を介して非発光再結合する際に放出される熱エネルギーにより、新たな欠陥の増殖が促進されるため、多数の欠陥が活性層１２のメサ側面Ｆ４上に生成されやすい。これは活性層１２の発光効率の低下や結晶性劣化をもたらし、半導体光素子１の特性や信頼性を悪化させる原因となる。そこで、本発明においては、図１に示す通り、メサストライプＭの側面のうち、埋込層３０との接触を避けたい、第２ドーパントがドープされた上部クラッド層Ｃ２の側面部Ｆ１、及びコンタクト層１７の側面Ｆ２をカバーするのに必要最小限の領域にだけ、誘電体中間層２０を挿入している。この場合、活性層１２は半導体である埋込層３０で埋め込まれており、活性層１２の側面と中間層２０との接触が避けられるため、上記のような活性層と誘電体層の界面における欠陥生成に起因する素子特性や信頼性の悪化を回避できる。
【００４０】
また、誘電体材料からなる中間層２０と半導体材料から成るメサストライプＭは熱膨張係数が大きく異なるため、メサストライプＭと中間層２０が接合した場合、両者の界面にはこれに起因する結晶歪の応力が蓄積されやすく、これは素子の特性や信頼性の悪化要因となる。そこで本実施形態の構造では、メサストライプＭの側面のうち、埋め込み層３０との接触を避けたい、第２ドーパントがドープされた上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１、及びコンタクト層１７の側面Ｆ２を保護するのに必要最小限の側面領域にだけ、誘電体中間層２０を形成している。この場合、コア層１０の側面Ｆ４及び下部クラッド層Ｃ１の側面Ｆ３は、熱膨張係数がこれらの層と同等な半導体材料から構成された埋め込み層３０で埋め込まれているため、これらの層と埋め込み層の界面には、熱膨張係数の差に起因する応力は生じない。従って、上記中間層２０と半導体メサストライプＭの熱膨張係数の差に起因する素子の特性や信頼性の悪化を最小限に抑制することが可能となる。
【００４１】
また、誘電体材料は熱伝導性が悪いため、メサストライプＭが中間層２０で埋め込まれると、電流注入時に活性層１２で生じた熱がメサストライプＭの外部に放熱されにくくなり、メサストライプＭに過剰な熱エネルギーが蓄積されやすくなる。これも素子の特性や信頼性の悪化要因となる。そこで、この問題を軽減するため、本実施例の構造では、誘電体中間層２０は上記のように必要最小限の領域に形成されており、それ以外の領域は、半導体材料から成り熱伝導性が良い、埋め込み層３０で埋め込まれている。これにより、メサストライプＭから外部への放熱性が改善され、メサストライプＭに過剰な熱エネルギーが蓄積されるのを回避できる。従って、熱ストレスによる特性や信頼性の劣化を軽減できる。
【００４２】
また、下部クラッド層Ｃ１がｎ型である場合、下部クラッド層Ｃ１には例えばＳｉやＳなどのｎ型ドーパントが添加される。埋込層３０にはＦｅなどのドーパントが添加される。しかし、ＳｉやＳは、Ｆｅと相互拡散しにくい。また、Ｆｅ添加の埋込層３０は、電子を多数トラップし、電子に対して高抵抗である。従って、ｐ型上部クラッド層Ｃ２の場合とは異なり、ｎ型の下部クラッド層Ｃ１が、埋込層３０に直接に接していても、埋込層３０と下部クラッド層Ｃ１との間におけるドーパントの相互拡散や、埋め込み層３０への電子の侵入に起因するリーク電流は発生せず、従って、これによる素子特性の劣化は生じない。従って、図１に示す例では、中間層２０は、下部クラッド層Ｃ１と埋込層３０との間には設けられていない。
【００４３】
また、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１の最下端部Ｃ２ｂまで、中間層２０で確実に覆われるようにするために、図１の領域Ｒに示すように、中間層２０は、上部光閉じ込め層１３の側面の一部に接していても良い。
【００４４】
以下に、図３〜図５を用いて半導体光素子１の製造方法の一例を説明する。結晶成長のために有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）法を使用する。半導体基板ＳＢを準備する。図３（ａ）に示すように、第１回目の結晶成長工程において、下部クラッド層Ｃ１、下部光閉じ込め層１１、活性層１２、上部光閉じ込め層１３、上部クラッド層Ｃ２、及びコンタクト層１７を半導体基板ＳＢ上に順に成長する。
【００４５】
次いで、コンタクト層１７の一部上に、半導体メサストライプ形成用の第１誘電体マスク５０を形成する。第１誘電体マスク５０には、窒化シリコンや酸化シリコン等の誘電体材料を用いることができる。ドライエッチングまたはウエットエッチングを用いてエッチングを行う。図３（ｂ)に示すように、エッチングにより、第１誘電体マスク５０直下以外は、半導体基板ＳＢの一部までエッチングされ、ストライプ状の半導体メサストライプＭが形成される。半導体メサストライプＭは、下部クラッド層Ｃ１、下部光閉じ込め層１１、活性層１２、上部光閉じ込め層１３、上部クラッド層Ｃ２、及びコンタクト層１７を含む。なお、半導体基板ＳＢまでのエッチングは必須では無く、場合によっては下部クラッド層Ｃ１までのエッチングで終了しても良い。図３（ｃ）に示すように、第２回目の結晶成長工程において、半導体メサストライプＭの側面を埋込層３０で埋め込む。
【００４６】
中間層用の孔を形成するために、図４（ａ）に示すように、第１誘電体マスク５０及び埋込層３０上に、別のマスク５１を形成する。マスク５１にも窒化シリコンや酸化シリコン等の誘電体材料を用いることができる。更に、中間層用の孔が形成される領域以外の埋込層３０の領域を図４（ａ）に示すように、レジスト５２でカバーする。次に、レジスト５２でカバーされていない領域のマスク５１をエッチングし、エッチング完了後、不要となったレジスト５２を除去すれば、図４（ｂ）に示すように、中間層用の孔を形成する領域以外の埋込層３０の表面上に、マスク５１をエッチングして作製された、第２誘電体マスク５１Ａ，５１Ｂが形成され、メサストライプＭ上には第１誘電体マスク５０が形成された構造が得られる。第２誘電体マスク５１Ａ，５１Ｂは、第１誘電体マスク５０の両端から所定の間隔をあけて形成される。第１誘電体マスク５０及び第２誘電体マスク５１Ａ，５１Ｂを用いて、ドライエッチングなどのエッチングを行う。エッチングにより、図４（ｃ）に示すように、埋込層３０と、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１及びコンタクト層１７の側面Ｆ２との間に、孔４１が形成される。孔４１は、中間層を形成するのに必要な深さや幅で形成される。図４（ｂ）では、孔４１を、コンタクト層１７の側面Ｆ２、上部クラッド層Ｃ２の側面Ｆ１、及び上部光閉じ込め層１３の上端部分の側面を露出させるような深さで形成する例を示す。
【００４７】
第１誘電体マスク５０及び第２誘電体マスク５１Ａ，５１Ｂを除去する。図４（ｄ）に示すように、孔４１内と、埋込層３０及びコンタクト層１７上とに、ＢＣＢなどの誘電体材料２０ａを塗布する。ドライエッチングにより、孔４１内以外の余分な誘電体材料２０ａを除去して、図５（ａ）に示すように、中間層２０を得る。中間層２０は、第１部分２１と第２部分２２を含む。
【００４８】
次に、まず埋込層３０、コンタクト層１７、及び中間層２０上に上部電極Ｅ２を形成する。その後、研磨等により、半導体基板ＳＢを劈開可能な厚さ、例えば１００μｍ以下の厚さまで薄くする。最後に、図５（ｂ）に示すように、半導体基板ＳＢの裏面に下部電極Ｅ１を形成する。以上のようにして、本発明の半導体光素子１を得る。
【００４９】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、半導体基板ＳＢがｎ型である例を示したが、半導体基板ＳＢはｐ型であってもよい。半導体基板ＳＢをｐ型とする場合、例えば、下部クラッド層Ｃ１をｐ型とし、上部クラッド層Ｃ２及びコンタクト層１７をｎ型とすることができる。
【００５０】
また、上記実施形態では、不純物としてＦｅがドープされた埋込層３０を用いる例を示したが、埋込層３０に添加される不純物は、Ｆｅである必要はなく、例えばＴｉ、Ｃｒ、及びＣｏ等の遷移金属でも良い。
【００５１】
また、上記実施形態では、半導体光素子１がファブリーペロー型半導体レーザーである例を示したが、半導体光素子１は、分布帰還型（ＤＦＢ）型半導体レーザーや分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザー等の他の半導体レーザーでも良い。また、半導体光素子１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電界吸収型光変調器、マッハツェンダー型光変調器、及び半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの半導体レーザー以外の光素子にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体光素子、ＳＢ…半導体基板、Ｍ…半導体メサストライプ、Ｃ１…下部クラッド層、Ｃ２…上部クラッド層、１０…コア層、１１…下部光閉じ込め層、１２…活性層、１３…上部光閉じ込め層、１７…コンタクト層、２０…中間層、２１…第１部分、２２…第２部分、３０…埋込層、３１…第１部分、３２…第２部分、Ｅ１…下部電極、Ｅ２…上部電極。
【図１】
2011040632.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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