(57)【要約】【課題】駆動電流を効果的に狭窄できる構造を有する半導体光素子、半導体レーザ素子、半導体光変調素子、及び半導体光集積素子を提供する。【解決手段】半導体光集積素子１は、２つの半導体光素子、すなわち半導体レーザ素子部１ａ及び半導体光変調素子部１ｂを有する。これらの半導体光素子は、基板１０上に一体に形成される。半導体レーザ素子部１ａの光導波路３７は、ｎ型バッファ層１３上に所定の軸方向を長手方向とするメサ状に設けられる。また、高抵抗層１５は、光導波路３７に流れる駆動電流を狭窄する。２つのトレンチ溝２９は、高抵抗層１５に達するとともにｎ型バッファ層１３に達しないように設けられる。【選択図】  図１
2004158562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記主面上に設けられ、活性層を含むストライプ状の光導波路と、
前記光導波路を埋め込んでおり、前記半導体基板の前記主面に交差する方向に順に前記半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、
前記電流ブロック部の前記第２の部分に設けられたトレンチ溝と
を備える、半導体光素子。
【請求項２】
前記電流ブロック部は、Ｆｅが添加されたＩｎＰ半導体からなるブロック半導体層を有する請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記ブロック半導体層の厚さが１μｍ以上である請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記電流ブロック部は、ｎ型ＩｎＰ半導体からなるホールブロック層をさらに有する請求項２または３に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記ブロック半導体層のＦｅ濃度は５×１０１５ｃｍ−３以上である請求項２〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記ブロック半導体層のＦｅ濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下である請求項２〜５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記トレンチ溝の表面に設けられた絶縁膜をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記絶縁膜は、絶縁性シリコン化合物からなる請求項７に記載の半導体光素子。
【請求項９】
主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記主面上に設けられたストライプ状の光導波路と、
前記光導波路を埋め込んで前記光導波路に電流を集中させるように設けられ、前記半導体基板の前記主面に交差する方向に順に前記半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、
前記電流ブロック部の前記第２の部分に設けられたトレンチ溝と
を備え、
前記光導波路は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、
前記活性層は、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に設けられ、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層からキャリアが注入されることにより光が発生する、半導体レーザ素子。
【請求項１０】
主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記主面上に設けられたストライプ状の光導波路と、
前記光導波路を埋め込んでおり、前記半導体基板の前記主面に交差する方向に順に前記半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、
前記電流ブロック部の前記第２の部分に設けられたトレンチ溝と
を備え、
前記光導波路は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、
前記活性層は、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に設けられ、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に印加される電気信号に応じて光を吸収する、半導体光変調素子。
【請求項１１】
主面を有する半導体基板を備え、前記主面は、所定の軸方向に配列されたレーザ素子領域及び光変調素子領域を有しており、
当該半導体光集積素子は、
前記レーザ素子領域上に前記所定の軸方向を長手方向として設けられたストライプ状の第１の光導波路と、
前記光変調素子領域上に前記所定の軸方向を長手方向として設けられたストライプ状の第２の光導波路と、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路を埋め込んでおり、前記半導体基板の前記主面に交差する方向に順に前記半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、
前記電流ブロック部の前記第２の部分に設けられたトレンチ溝と
を備え、
前記第１の光導波路は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、
前記活性層は、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に設けられ、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層からキャリアが注入されることにより光が発生し、
前記第２の光導波路は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、
前記活性層は、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に設けられ、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の間に印加される電気信号に応じて光を吸収する、半導体光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光素子、半導体レーザ素子、半導体光変調素子、及び半導体光集積素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長距離大容量通信用として、高速変調された光信号を発生できる半導体レーザ素子といった半導体光素子が必要とされている。図１１は、従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図である。この半導体レーザ素子９００では、ｎ型半導体基板９０２上にｎ型バッファ層９０３が設けられる。ｎ型バッファ層９０３上に第１のｐ型クラッド層９１０が設けられる。そして、ｎ型バッファ層９０３と第１のｐ型クラッド層９１０との間に、活性層９０９が設けられる。こうして、ｎ型バッファ層９０３、第１のｐ型クラッド層９１０、及び活性層９０９によって半導体導波路部９１２が構成される。また、半導体レーザ素子９００は、活性層９０９に流す電流を狭窄するための高抵抗層９０４を備えている。高抵抗層９０４上には、高抵抗層９０４を通過しようとする正孔を阻止するためのｎ型ホールブロック層９０５が設けられる。第１のｐ型クラッド層９１０上及びｎ型ホールブロック層９０５上には、第２のｐ型クラッド層９０６及びコンタクト層９０７が設けられる。コンタクト層９０７上には、アノード電極９１１が設けられる。また、ｎ型半導体基板９０２の裏面には、カソード電極９０１が設けられる。
【０００３】
この半導体レーザ素子９００は、第２のｐ型クラッド層９０６とｎ型ホールブロック層９０５とがｐｎ接合を構成する。このｐｎ接合には寄生容量が生じ、半導体レーザ素子９００を高速に駆動する際に信号波形が歪むなどの影響を生じる。この寄生容量を低減するために、半導体光素子９００には一対のトレンチ溝９１３ａ及び９１３ｂが形成されている。トレンチ溝９１３ａ及び９１３ｂは、高抵抗層９０４、ｎ型ホールブロック層９０５、第２のｐ型クラッド層９０６、及びコンタクト層９０７を分断してバッファ層９０３に達している。あるいは、トレンチ溝９１３ａ及び９１３ｂはｎ型半導体基板９０２に達する。トレンチ溝９１３ａ及び９１３ｂによって接合部分が減るので、寄生容量が低減される。また、高抵抗層９０４と第２のｐ型クラッド層９０６との接合部分が小さくなることにより、高抵抗層９０４を通過する漏れ電流が低減される。トレンチ溝９１３ａ及び９１３ｂの表面には絶縁膜９０８が形成される。
【０００４】
上記した構成と類似の構成を有する半導体レーザ素子としては、以下に示す特許文献１に開示されたものがある。また、トレンチ溝を備えないが、ｐ型クラッド層とｎ型バッファ層との間に高抵抗層を備える半導体レーザ素子として、特許文献２に開示されたものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１６２７０１号公報
【特許文献２】
特開平９−４３５５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は半導体レーザ素子９００といった半導体光素子をより高効率かつ高速に駆動することを検討している。そして、次の課題を見い出した。すなわち、トレンチ溝９１３ａ及び９１３ｂの表面、つまり絶縁膜９０８と半導体領域との間に電流経路が形成されてしまう。そして、この電流経路を通じて第２のｐ型クラッド層９０６とｎ型バッファ層９０３との間にリーク電流が流れてしまい、高抵抗層９０４によって駆動電流を効果的に狭窄することができない。このため、従来の半導体光素子では駆動電流を効率よく活性層９０９へ流すことができない。
【０００７】
本発明は、駆動電流を効果的に狭窄できる構造を有する半導体光素子、半導体レーザ素子、半導体光変調素子、及び半導体光集積素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体光素子は、主面を有する半導体基板と、半導体基板の主面上に設けられ、活性層を含むストライプ状の光導波路と、光導波路を埋め込んでおり、半導体基板の主面に交差する方向に順に半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、電流ブロック部の第２の部分に設けられたトレンチ溝とを備える。
【０００９】
上記した半導体光素子は、トレンチ溝が電流ブロック部の第２の部分に設けられることによって、光導波路とは別個の電流経路がトレンチ溝の側面に形成されないので、光導波路を通らないリーク電流を防ぎ、効果的に駆動電流を狭窄できる。
【００１０】
また、半導体光素子は、電流ブロック部が、Ｆｅが添加されたＩｎＰ半導体からなるブロック半導体層を有することを特徴としてもよい。これによって、高抵抗なブロック半導体層が形成されるので、電流ブロック部は駆動電流を好適に狭窄できる。
【００１１】
また、半導体光素子は、ブロック半導体層の厚さが１μｍ以上であることを特徴としてもよい。これによって、電流ブロック部はブレイクダウンすることなく駆動電流を狭窄できる。
【００１２】
また、半導体光素子は、電流ブロック部が、ｎ型ＩｎＰ半導体からなるホールブロック層をさらに有することを特徴としてもよい。これによって、ブロック半導体層を通過しようとするキャリアを遮ることができるので、電流ブロック部は駆動電流をさらに効率よく狭窄できる。
【００１３】
また、半導体光素子は、ブロック半導体層のＦｅ濃度が５×１０１５ｃｍ−３以上であるとよい。これによって、電流ブロック部はブレイクダウンすることなく駆動電流を狭窄できる。また、半導体光素子は、ブロック半導体層のＦｅ濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であるとよい。これによって、ブロック半導体層に添加されているＦｅが他の層に拡散することなく、信頼性の高い半導体光素子を提供できる。
【００１４】
また、半導体光素子は、トレンチ溝の表面に設けられた絶縁膜をさらに備えることを特徴としてもよい。これによって、トレンチ溝が設けられる層を保護することができる。また、この絶縁膜は、絶縁性シリコン化合物からなるとよい。
【００１５】
また、本発明による半導体レーザ素子は、主面を有する半導体基板と、半導体基板の主面上に設けられたストライプ状の光導波路と、光導波路を埋め込んで光導波路に電流を集中させるように設けられ、半導体基板の主面に交差する方向に順に半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、電流ブロック部の第２の部分に設けられたトレンチ溝とを備え、光導波路が、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、活性層が、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の間に設けられ、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層からキャリアが注入されることにより光が発生することを特徴とする。これによって、駆動電流を効率良く光に変換できる半導体レーザ素子を提供できる。
【００１６】
また、本発明による半導体光変調素子は、主面を有する半導体基板と、半導体基板の主面上に設けられたストライプ状の光導波路と、光導波路を埋め込んでおり、半導体基板の主面に交差する方向に順に半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、電流ブロック部の第２の部分に設けられたトレンチ溝とを備え、光導波路が、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、活性層が、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の間に設けられ、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の間に印加される電気信号に応じて光を吸収することを特徴とする。これによって、光を高速に変調できる半導体光変調素子を提供できる。
【００１７】
また、本発明による半導体光集積素子は、主面を有する半導体基板を備え、主面は、所定の軸方向に配列されたレーザ素子領域及び光変調素子領域を有しており、当該半導体光集積素子は、レーザ素子領域上に所定の軸方向を長手方向として設けられたストライプ状の第１の光導波路と、光変調素子領域上に所定の軸方向を長手方向として設けられたストライプ状の第２の光導波路と、第１の光導波路及び第２の光導波路を埋め込んでおり、半導体基板の主面に交差する方向に順に半導体基板上に配置された第１及び第２の部分を有する電流ブロック部と、電流ブロック部の第２の部分に設けられたトレンチ溝とを備え、第１の光導波路が、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、活性層が、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の間に設けられ、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層からキャリアが注入されることにより光が発生し、第２の光導波路が、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、活性層とを有しており、活性層が、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の間に設けられ、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の間に印加される電気信号に応じて光を吸収することを特徴とする。これによって、駆動電流を効率良く光に変換でき、変換された光を高速に変調できる半導体光集積素子を提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による半導体光集積素子の第１実施形態を示す斜視図である。本発明による半導体光集積素子は、２つの半導体光素子、すなわち半導体レーザ素子及び半導体光変調素子を含んでいる。これらの半導体光素子は、活性層を含む光導波路の周囲を半絶縁性半導体で埋め込んだ埋込型半導体光素子である。また、これらの半導体光素子は、基板上に一体に形成される。図２は、図１に示した半導体光集積素子１の基板１０を示す斜視図である。図３は、図１に示した半導体光集積素子１のＩ−Ｉ断面における側面断面図である。図４は、図１に示した半導体光集積素子１のＩＩ−ＩＩ断面における側面断面図である。図５は、図１に示した半導体光集積素子１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における側面断面図である。図１〜図５を参照しながら、以下に本実施形態の半導体光集積素子１を説明する。
【００２０】
半導体光集積素子１は、ｎ型の半導体基板である基板１０を備える。図２を参照すると、基板１０は主面１００を有する。主面１００は、レーザ素子領域１０１及び光変調素子領域１０２を有する。レーザ素子領域１０１及び光変調素子領域１０２は、所定の軸方向に配列される。レーザ素子領域１０１は、第１の領域１０１ａ、第２の領域１０１ｂ、第３の領域１０１ｃ、第４の領域１０１ｄ、第５の領域１０１ｅ、第６の領域１０１ｆ、及び第７の領域１０１ｇを有する。第１の領域１０１ａ〜第７の領域１０１ｇは、それぞれ所定の軸方向に伸びており、所定の軸と交差する方向に順に配列される。また、光変調素子領域１０２は、第１の領域１０２ａ、第２の領域１０２ｂ、第３の領域１０２ｃ、第４の領域１０２ｄ、第５の領域１０２ｅ、第６の領域１０２ｆ、及び第７の領域１０２ｇを有する。第１の領域１０２ａ〜第７の領域１０２ｇは、それぞれ所定の軸方向に伸びており、所定の軸と交差する方向に順に配列される。
【００２１】
半導体光集積素子１は、レーザ素子領域１０１上に設けられた半導体レーザ素子部１ａと、光変調素子領域１０２上に設けられた半導体光変調素子１ｂとを有する。まず、半導体レーザ素子部１ａについて説明する。
【００２２】
図３を参照すると、半導体レーザ素子部１ａは、カソード電極１２、ｎ型バッファ層１３といった第１導電型半導体層、第１のｐ型クラッド層３１といった第２導電型半導体層、活性層３３、第２のｐ型クラッド層１９、電流ブロック部３７、コンタクト層２１、絶縁膜２４、及びアノード電極２６を備える。電流ブロック部３７は、高抵抗層１５及びホールブロック層１７を有する。
【００２３】
これらの構成のうち、ｎ型バッファ層１３、第１のｐ型クラッド層３１、第２のｐ型クラッド層１９、電流ブロック部３７、及びコンタクト層２１は、基板１０のレーザ素子領域１０１上に設けられる。
【００２４】
ｎ型バッファ層１３は、ｎ型ＩｎＰ半導体からなる。ｎ型バッファ層１３は、第１の部分１３ａと第２の部分１３ｂとを有する。第１の部分１３ａは、主面１００のレーザ素子領域１０１の全域上に設けられる。第２の部分１３ｂは、第１の部分１３ａ上であり且つレーザ素子領域１０１の第４の領域１０１ｄ上に設けられる。
【００２５】
活性層３３は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰからなる。活性層３３は、ｎ型バッファ層１３の第２の部分１３ｂ上に設けられる。また、第１のｐ型クラッド層３１は、活性層３３上に設けられる。換言すれば、活性層３３はｎ型バッファ層１３と第１のｐ型クラッド層３１との間に設けられる。第１のｐ型クラッド層３１は、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる。活性層３３、ｎ型バッファ層１３、及び第１のｐ型クラッド層３１はダブルへテロ構造を構成しており、活性層３３にキャリアが閉じ込められるように構成されている。ｎ型バッファ層１３及び第１のｐ型クラッド層３１から活性層３３へキャリアが注入されることにより光が発生する。また、活性層３３の屈折率がｎ型バッファ層１３及びｐ型クラッド層３１の屈折率よりも大きくなるよう各層の材料が選択される。これにより活性層３３内部に光が閉じ込められ、光を導波する構成となる。
【００２６】
光導波路３５は、ｎ型バッファ層１３、活性層３３、及び第１のｐ型クラッド層３１を含んでおり、メサ状といった形状に構成される。光導波路３３は、活性層３３に光学的に結合された周期的な回折格子であるグレーティング構造３３１（図５に示す）を有している。また、光導波路３５は、所定の軸方向を長手方向とするストライプ状に設けられる。活性層３３及び第１のｐ型クラッド層３１は、ｎ型バッファ層１３の第２の部分１３ｂと同様に、主面１００上のレーザ素子領域１０１の第４の領域１０１ｄ上に設けられており、所定の軸方向に伸びている。
【００２７】
電流ブロック部３７は、メサ状に設けられた光導波路３５に駆動電流を集中させるための要素である。電流ブロック部３７は、高抵抗層１５及びホールブロック層１７を有する。高抵抗層１５の抵抗値は、ホールブロック層の抵抗値よりも大きい。また、電流ブロック部３７は、高抵抗層１５内に第１の部分１５ａ及び第２の部分１５ｂを有する。
【００２８】
高抵抗層１５は、ＦｅをドープされたＩｎＰ半導体からなる半絶縁性半導体層である。高抵抗層１５は、光導波路３５を埋め込んでおり、光導波路３５に流れる駆動電流を集中するよう設けられる。また、高抵抗層１５の第１の部分１５ａ及び第２の部分１５ｂは、半導体基板１０の主面１００に交差する方向に順に配置される。すなわち、第１の部分１５ａは、ｎ型バッファ層１３上であり且つ主面１００のレーザ素子領域１０１の第１の領域１０１ａ〜第３の領域１０１ｃ上及び第５の領域１０１ｅ〜第７の領域１０１ｇ上に設けられる。第２の部分１５ｂは、第１の部分１５ａ上であり且つレーザ素子領域１０１の第１の領域１０１ａ上、第３の領域１０１ｃ上、第５の領域１０１ｅ上、及び第７の領域１０１ｇ上のそれぞれに設けられる。なお、高抵抗層１５は、例えば抵抗率が１０×１０５［Ω・ｍ］以上といった半絶縁性を有する。
【００２９】
ホールブロック層１７は、高抵抗層１５の第２の部分１５ｂ上に設けられる。ホールブロック層１７は、第２のｐ型クラッド層１９とは逆導電型の半導体であるｎ型ＩｎＰ半導体からなる。また、ホールブロック層１７は、第１のｐ型クラッド層３１と接しないように設けられる。ホールブロック層１７は、主面１００からの高さが第１のｐ型クラッド層３１の主面１００からの高さと略等しくなるように設けられる。
【００３０】
第２のｐ型クラッド層１９は、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる。第２のｐ型クラッド層１９は、第１のｐ型クラッド層３１上及びホールブロック層１７上に設けられる。コンタクト層２１は、ｐ型ＧａＩｎＡｓ半導体からなる。コンタクト層２１は、第２のｐ型クラッド層１９上に設けられる。
【００３１】
半導体レーザ素子部１ａは、所定の軸方向に伸びる２つのトレンチ溝２９を備える。２つのトレンチ溝２９のうちの一方は、主面１００のレーザ素子領域１０１の第２の領域１０１ｂ上に位置している。２つのトレンチ溝２９のうちの他方は、レーザ素子領域１０１の第６の領域１０１ｆ上に位置している。トレンチ溝２９の底部は、高抵抗層１５の第２の部分１５ｂに設けられる。すなわち、トレンチ溝２９は、その底面が高抵抗層１５に接するように形成される。トレンチ溝２９の側面は、高抵抗層１５の第２の部分１５ｂ、ホールブロック層１７、第２のｐ型クラッド層１９、及びコンタクト層２１によって形成される。
【００３２】
また、半導体レーザ素子部１ａは、絶縁膜２４、アノード電極２６、及びカソード電極１２をさらに備える。絶縁膜２４は、ＳｉＯ２からなる。絶縁膜２４は、コンタクト層２１のうち第４の領域１０１ｄ上に設けられる部分の表面に開口を有している。絶縁膜２４は、トレンチ溝２９の底面及び側面に設けられる。
【００３３】
アノード電極２６は、第１の部分２６ａ、第２の部分２６ｂ、及び第３の部分２６ｃを有する。第１の部分２６ａは、レーザ素子領域１０１の第４の領域１０１ｄ上且つ絶縁膜２４上に設けられており、絶縁膜２４の開口を介してコンタクト層２１に接している。第３の部分２６ｃは、レーザ素子領域１０１の第１の領域１０１ｄ上且つ絶縁膜２４上に設けられる。第２の部分２６ｂは、第１の部分２６ａと第３の部分２６ｃとを互いに繋ぐように絶縁膜２４上に設けられる。また、カソード電極１２は、基板１０の主面１００とは反対側の面上に設けられる。
【００３４】
図６（ａ）は、半導体レーザ素子部１ａ内部における駆動電流の流れを示す図である。図６（ａ）を参照して、半導体レーザ素子部１ａの動作について説明する。
【００３５】
カソード電極１２とアノード電極２６との間に駆動装置が接続される。アノード電極２６に正の駆動電圧が印加されて駆動電流Ｉ１が提供される。駆動電流Ｉ１は、コンタクト層２１及び第２のｐ型クラッド層１９を介して光導波路３５に提供される。
【００３６】
このとき、駆動電流Ｉ１の一部である駆動電流Ｉ２は、コンタクト層２１及び第２のｐ型クラッド層１９内部において拡がり、第２のｐ型クラッド層１９内部のトレンチ溝２９側面付近を流れる。駆動電流Ｉ２は電流ブロック部３７の高抵抗層１５によって狭窄され、図６（ａ）に示すように光導波路３５へ集中する。また、電流ブロック部３７内部にホールブロック層１７が存在することによって、正孔が第２のｐ型クラッド層１９から高抵抗層１５を通過してｎ型バッファ層１３へ移動することを防いでいる。こうして、駆動電流が流れる経路を電流ブロック部３７によって効果的に狭窄し、駆動電流を光導波路３５へ集中している。
【００３７】
光導波路３５は、既に述べたとおり第１のｐ型クラッド層３１、活性層３３、及びｎ型バッファ層１３の第２の部分１３ｂを有する。光導波路３５に駆動電流が提供されることにより、第１のｐ型クラッド層３１及びｎ型バッファ層１３それぞれから活性層３３へキャリアが流れる。キャリアは活性層３３内部に閉じこめられ、活性層３３内部において光が発生する。光導波路３５が活性層３３と光学的に結合されたグレーティング構造３３１を有することによって、特定波長のレーザ光が活性層３３から所定の軸方向に出射される。
【００３８】
本実施形態による半導体光集積素子１の半導体レーザ素子部１ａが有する効果について説明する。半導体レーザ素子部１ａは、第２のｐ型クラッド層１９から光導波路３５へ提供される駆動電流を電流ブロック部３７によって狭窄し、光導波路３５へ集中させている。また、トレンチ溝３９が電流ブロック部３７の第２の部分１５ｂに設けられることによって、電流ブロック部３７と絶縁層２４との間に存在する電流経路がｎ型バッファ層１３に達しない。
【００３９】
ここで、図６（ｂ）は図１１に示した従来の半導体レーザ素子内部における駆動電流の流れを示す図である。アノード電極９１１とカソード電極９０１との間に駆動装置が接続され、アノード電極９１１から駆動電流Ｉ３が供給される。駆動電流Ｉ３は、第１のｐ型クラッド層９１０及び活性層９０９に提供される。このとき、駆動電流Ｉ３の一部である駆動電流Ｉ４は、第２のｐ型クラッド層９０６の両側面から電流経路Ａを通ってｎ型バッファ層９０３に達する。そして、駆動電流Ｉ４は基板９０２を通ってカソード電極９０１に達する。このように、従来の半導体レーザ素子では電流経路Ａが存在するために活性層９０９を通らない駆動電流Ｉ４、すなわちリーク電流が生じ、駆動電流を効果的に狭窄できない。
【００４０】
これに対し、本実施形態による半導体レーザ素子部１ａによれば、第２のｐ型クラッド層１９の側面からｎ型バッファ層１３へ達するような、光導波路３５とは別個の電流経路が形成されないので、第２のｐ型クラッド層１９とｎ型バッファ層１３との間にリーク電流が流れることを防げる。よって、半導体レーザ素子部１ａに印加される駆動電流を効果的に狭窄できる。駆動電流を光導波路３５へ効率よく流すことができるので、半導体レーザ素子１ａを高効率にできる。そして、駆動電流を効率良く光に変換できる半導体レーザ素子を提供できる。
【００４１】
また、半導体レーザ素子部１ａでは、第２のｐ型クラッド層が第２の領域１０１ｂ上及び第５の領域１０１ｅ上に設けられていない。換言すれば、２つのトレンチ溝２９を備えることによって、第２のｐ型クラッド層１９が分離される。ここで、これらの第２のｐ型クラッド層のうち、２つのトレンチ溝２９に挟まれた部分に駆動電流が流れる。トレンチ溝２９を備えることにより、トレンチ溝２９がない場合に比べ、第２のｐ型クラッド層とｎ型バッファ層１３との間に生じる寄生容量を低減できる。本実施形態による半導体レーザ素子部１ａは、トレンチ溝２９を設けることによるリーク電流といった悪影響を防いでいるので、トレンチ溝２９を好適に設けることができる。
【００４２】
また、半導体レーザ素子部１ａは、電流ブロック部３７がホールブロック層１７を有している。これによって、高抵抗層１５を通過して第２のｐ型クラッド層１９とｎ型バッファ層１３との間を流れようとする正孔を遮ることができるので、さらに効果的に駆動電流を狭窄できる。
【００４３】
また、半導体レーザ素子部１ａは、絶縁膜２４を備えることが好ましい。これによって、高抵抗層１５、ホールブロック層１７、第２のｐ型クラッド層１９、及びコンタクト層２１を保護することができる。
【００４４】
次に、半導体光変調素子部１ｂについて説明する。図４を参照すると、半導体光変調素子部１ｂは、カソード電極１２、ｎ型バッファ層１４といった第１導電型半導体層、第１のｐ型クラッド層３２といった第２導電型半導体層、光吸収層３４といった活性層、第２のｐ型クラッド層２０、電流ブロック部３８、コンタクト層２２、絶縁膜２４、及びアノード電極２８を備える。電流ブロック部３８は、高抵抗層１６といったブロック半導体層及びホールブロック層１８を有する。
【００４５】
これらの構成のうち、ｎ型バッファ層１４、第１のｐ型クラッド層３２、光吸収層３４、第２のｐ型クラッド層２０、電流ブロック部３８、及びコンタクト層２２は、基板１０の光変調素子領域１０２上に設けられる。
【００４６】
ｎ型バッファ層１４は、ｎ型ＩｎＰ半導体からなる。ｎ型バッファ層１４は、第１の部分１４ａと第２の部分１４ｂとを有する。第１の部分１４ａは、主面１００の光変調素子領域１０２の全域上に設けられる。第２の部分１４ｂは、第１の部分１４ａ上であり且つ光変調素子領域１０２の第４の領域１０２ｄ上に設けられる。
【００４７】
光吸収層３４は、ｎ型バッファ層１４の第２の部分１４ｂ上に設けられる。また、第１のｐ型クラッド層３２は、光吸収層３４上に設けられる。換言すれば、光吸収層３４はｎ型バッファ層１４と第１のｐ型クラッド層３２との間に設けられる。第１のｐ型クラッド層３２は、ｐ型ＩｎＰ半導体からなる。光吸収層３４、ｎ型バッファ層１４、及び第１のｐ型クラッド層３２はダブルへテロ構造を構成しており、光吸収層３４にキャリアが閉じ込められるように構成されている。光吸収層３４の屈折率がｎ型バッファ層１４及びｐ型クラッド層３２の屈折率よりも大きくなるよう各層の材料が選択される。これにより光吸収層３４内部に光が閉じ込められ、光を導波する構成となる。また、光吸収層３４のエネルギー帯は、半導体レーザ素子部１ａの活性層３３のエネルギー帯よりも大きい。
【００４８】
光吸収層３４は半導体レーザ素子部１ａの活性層３３に光学的に結合されており、活性層３３において発生するレーザ光を受ける。光導波路３６は、ｎ型バッファ層１４の第２の部分１４ｂ、光吸収層３４、及び第１のｐ型クラッド層３２を含んでメサ状といった形状に構成される。また、光導波路３６は、所定の軸方向を長手方向とするストライプ状に設けられる。光吸収層３４及び第１のｐ型クラッド層３２は、ｎ型バッファ層１４の第２の部分１４ｂと同様に、主面１００上の光変調素子領域１０２の第４の領域１０２ｄ上に設けられており、所定の軸方向に伸びている。
【００４９】
電流ブロック部３８は、光導波路３６へ変調電圧を効果的に印加するための要素である。電流ブロック部３８は、高抵抗層１６及びホールブロック層１８を有する。高抵抗部１６の抵抗値は、ホールブロック層１８の抵抗値よりも大きい。また、電流ブロック部３８は、高抵抗層１６内に第１の部分１６ａ及び第２の部分１６ｂを有する。
【００５０】
高抵抗層１６は、ＦｅをドープされたＩｎＰ半導体からなる。高抵抗層１６は、光導波路３６を埋め込んでいる。高抵抗層１６の第１の部分１６ａ及び第２の部分１６ｂは、半導体基板１０の主面１００に交差する方向に順に配置される。すなわち、第１の部分１６ａは、ｎ型バッファ層１４上であり且つ主面１００の光変調素子領域１０２の第１の領域１０２ａ〜第３の領域１０２ｃ上及び第５の領域１０２ｅ〜第７の領域１０２ｇ上に設けられる。第２の部分１６ｂは、第１の部分１６ａ上であり且つ光変調素子領域１０２の第１の領域１０２ａ上、第３の領域１０２ｃ上、第５の領域１０２ｅ上、及び第７の領域１０２ｇ上のそれぞれに設けられる。
【００５１】
ホールブロック層１８は、第２のｐ型クラッド層２０とは逆導電型のｎ型半導体からなる。ホールブロック層１８は、高抵抗層１６の第２の部分１６ｂ上に設けられる。ホールブロック層１８は、半導体レーザ素子部１ａのホールブロック層１７と同様の機能及び構成を有する。第２のｐ型クラッド層２０は、半導体レーザ素子部１ａの第２のｐ型クラッド層１９と同様の構成を有する。また、コンタクト層２２は、半導体レーザ素子部１ａのコンタクト層２１と同様の構成を有する。よって、ホールブロック層１８、第２のｐ型クラッド層２０、及びコンタクト層２２についての詳細な説明を省略する。
【００５２】
半導体光変調素子部１ｂは、所定の軸方向に伸びる２つのトレンチ溝３０を備える。２つのトレンチ溝３０のうち一方は、主面１００の光変調素子領域１０２の第２の領域１０２ｂ上に位置している。２つのトレンチ溝３０のうち他方は、主面１００の光変調素子領域１０２の第６の領域１０２ｆ上に位置している。トレンチ溝３０の底部は、高抵抗層１６の第２の部分１６ｂに設けられる。すなわち、トレンチ溝３０は、その底面が高抵抗層１６に接するように形成される。トレンチ溝３０の側面は、高抵抗層１６の第２の部分１６ｂ、ホールブロック層１８、第２のｐ型クラッド層２０、及びコンタクト層２２によって形成される。２つのトレンチ溝３０のそれぞれは、半導体レーザ素子部１ａの２つのトレンチ溝２９のそれぞれと繋がって２本の溝を構成している。
【００５３】
また、半導体光変調素子部１ｂは、絶縁膜２４、アノード電極２８、及びカソード電極１２をさらに備える。これらのうち、絶縁膜２４及びカソード電極１２は半導体レーザ素子部１ａにおける絶縁膜２４及びカソード電極１２と共用される。
【００５４】
アノード電極２８は、第１の部分２８ａ、第２の部分２８ｂ、及び第３の部分２８ｃを有する。第１の部分２８ａは、光変調素子領域１０２の第４の領域１０２ｄ上且つ絶縁膜２４上に設けられており、絶縁膜２４の開口を介してコンタクト層２２に接している。第３の部分２８ｃは、光変調素子領域１０２の第７の領域１０２ｇ上且つ絶縁膜２４上に設けられる。第２の部分２８ｂは、第１の部分２８ａと第３の部分２８ｃとを互いに繋ぐように絶縁膜２４上に設けられる。
【００５５】
以上の構成を有する半導体光変調素子部１ｂの動作について説明する。アノード電極２８とカソード電極１２との間に、アノード電極２８側が負になるように変調電圧が印加される。この変調電圧は、半導体光集積素子１から外部へ出力する信号が光信号に含まれるようにレーザ光を変調する。変調電圧は、コンタクト層２６、及び第２のｐ型クラッド層２０を介して光導波路３６に印加される。こうして、ｎ型バッファ層１４及び第１のｐ型クラッド層３２の間に変調電圧が印加される。このとき、電流ブロック部３８によって変調電圧は光導波路３６へ効果的に印加される。
【００５６】
光導波路３６に変調電圧が印加されることにより、光吸収層３４内部においてレーザ光が変調される。つまり、光吸収層３４は、変調電圧による電界が印加されると量子閉じ込めシュタルク効果によって吸収波長がシフトする。これにより、光吸収層３４は、変調電圧の絶対値がある所定の値以上のときは活性層３３から提供されたレーザ光を吸収する。また、光吸収層３４は、変調電圧の絶対値がある所定の値以下のときはレーザ光を吸収せずに、活性層３３に接する面に対向する面からレーザ光を出力する。このようにして、光吸収層３４は活性層３３から受けたレーザ光を変調する。
【００５７】
本実施形態による半導体光集積素子１の、半導体光変調素子部１ｂが有する効果について説明する。半導体光変調素子部１ｂは、第２のｐ型クラッド層２０から光導波路３６を通らずにｎ型バッファ層１４へ流れる電流を電流ブロック部３８によって防いでいる。これによって、光導波路３６へ変調電流を効果的に印加している。また、電流ブロック部３８は、第２の領域１０２ｂ上及び第６の領域１０２ｆ上に設けられる第１の部分１６ａを有する。これによって、電流ブロック部３８と絶縁層２４との間に存在する電流経路がｎ型バッファ層１４へ達しないので、第２のｐ型クラッド層２０とｎ型バッファ層１４との間にこの電流経路を通るリーク電流が流れることを防げる。これにより、変調電圧を光導波路３６へ効率よく印加することができるので、半導体光変調素子部１ｂを高効率にできる。
【００５８】
また、半導体光変調素子部１ｂがトレンチ溝３０を備えることによって、第２のｐ型クラッド層２０とｎ型バッファ層１４との間に生じる寄生容量を低減できるので、半導体光変調素子部１ｂはレーザ光を高速に変調できる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図７（ａ）〜図７（ｃ）、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第２実施形態による半導体光素子の製造方法を説明する図である。以下、本実施形態を第１実施形態による半導体レーザ素子部１ａの製造方法を例に説明する。
【００６０】
図７（ａ）を参照すると、ｎ型ＩｎＰ半導体からなる基板１０に、有機金属気相成長法によりｎ型ＩｎＰ半導体１３０（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を厚さ１μｍに積層する。その上に、発光波長１．３μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ半導体３３０を有機金属気相成長法により厚さ０．５μｍに積層する。その上に、ｐ型ＩｎＰ半導体３１０（キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３）を有機金属気相成長法により厚さ０．５μｍに積層する。
【００６１】
次に図７（ｂ）を参照すると、通常のリソグラフィー技術を用い、第１のｐ型クラッド層３１の表面にＳｉＮを厚さ０．１μｍに成膜して、所定の軸方向を長手方向とするマスク４５を形成する。そして、２．０μｍの深さまでエッチングを行い、メサ状の光導波路３５を形成する。このとき、第２の部分１３ｂを含むｎ型バッファ層１３、活性層３３、第１のｐ型クラッド層３１が形成される。
【００６２】
図７（ｃ）を参照すると、エッチングされた部分にＦｅがドープされて半絶縁性を有するＩｎＰ半導体１５０を有機金属気相成長法により積層する。ＦｅドープＩｎＰ半導体１５０の厚さは１．０μｍ以上が好ましく、本実形態では１．８μｍに積層している。また、ＦｅドープＩｎＰ半導体１５０のＦｅ濃度は５×１０１５ｃｍ−３以上５×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。本実施形態では、ＦｅドープＩｎＰ半導体１５０のＦｅ濃度を１×１０１６ｃｍ−３としている。
【００６３】
そして、ＦｅドープＩｎＰ半導体１５０上に、ｎ型ＩｎＰ半導体１７０（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を有機金属気相成長法により厚さ０．２μｍに積層する。この結果、ＦｅドープＩｎＰ半導体１５０に光導波路３５が埋め込まれる。マスク４５を除去した後、第１のｐ型半導体層３１上及びｎ型ＩｎＰ半導体１７０上に、ｐ型ＩｎＰ半導体１９０（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を厚さ１．５μｍに成長させる。その上に、ｐ型ＧａＩｎＡｓ半導体２１０（キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）を厚さ０．５μｍに成長させる。
【００６４】
図８（ａ）を参照すると、通常のリソグラフィー技術を用い、ｐ型ＧａＩｎＡｓ半導体２１０の表面にＳｉＮを厚さ０．１μｍに成膜することにより、所定の軸方向を長手方向とするマスク４７をｐ型ＧａＩｎＡｓ半導体２１０の表面の中央及び両端部に形成する。そして、ＦｅドープＩｎＰ半導体１５０に達するとともにｎ型バッファ層１３に達しない深さまでエッチングを行い、２つのトレンチ溝２９を形成する。こうして、トレンチ溝２９が設けられた高抵抗層１５が形成される。また、トレンチ溝２９によって分断されたホールブロック層１７、第２のｐ型クラッド層１９、及びコンタクト層２１が形成される。高抵抗層１５及びホールブロック層１７が形成されることにより、電流ブロック部３７が設けられる。
【００６５】
図８（ｂ）を参照すると、マスク４７を除去した後、トレンチ溝２９の表面に絶縁膜２４を成膜する。絶縁膜２４はＳｉＯ２といった絶縁性シリコン化合物からなり、厚さ０．３μｍに成膜される。そして、絶縁膜２４上にアノード電極２６を形成し、基板３の主面１００とは反対側の面にカソード電極１２を形成する。こうして、半導体光素子が完成される。
【００６６】
図９は、本実施形態による半導体レーザ素子部１ａの特性と、図１１に示した従来の半導体光素子の特性との比較を示すグラフである。図９は、縦軸に閾値電流、横軸に温度を示している。また、グラフＡは本実施形態による半導体レーザ素子部１ａを、グラフＢは従来の半導体光素子を表す。
【００６７】
また、下の表１は図９に示したグラフの具体的数値を示す表である。
【００６８】
【表１】
2004158562.tif 000003
【００６９】
図９及び表１を参照すると、本実施形態による半導体レーザ素子部１ａの閾値電流は、すべての温度において従来の半導体光素子の閾値電流よりも小さいことがわかる。このように本実施形態によれば、半導体光素子の閾値電流を低減し、高効率にできる。特に、温度が高い場合にはその効果が大きい。すなわち、上記した実施形態による半導体光素子は、高温でのリーク電流の低減に特に有効である。
【００７０】
半導体光素子は、本実施形態のように絶縁膜が例えばＳｉＯ２といった絶縁性シリコン化合物からなるとよい。これによって、Ｆｅを添加されたＩｎＰ半導体からなる高抵抗層１５と絶縁膜との間での界面準位形成を抑えることができ、保護膜として有効である。
【００７１】
また、本実施形態による半導体光素子は、電流ブロック部３７が、Ｆｅを添加されたＩｎＰ半導体からなる高抵抗層１５を有する。半導体光素子はこのような高抵抗層を有することが好ましく、これによって、電流ブロック部は駆動電流を好適に狭窄できる。
【００７２】
また、半導体光素子は、本実施形態のように高抵抗層１５の厚さが１μｍ以上であることが好ましい。これによって、電流ブロック部３７はブレイクダウンすることなく安定してｎ型バッファ層１３と第２のｐ型クラッド層１９とを分離できるので、安定して駆動電流を狭窄できる。
【００７３】
また、半導体光素子は、本実施形態のように高抵抗層１５のＦｅ濃度が５×１０１５ｃｍ−３以上であるとよい。これによって、高抵抗層１５はブレイクダウンすることなく安定してｎ型バッファ層１３と第２のｐ型クラッド層１９とを分離でき、安定して駆動電流を狭窄できる。また、高抵抗層１５のＦｅ濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下であるとよい。これによって、高抵抗層１５に添加されているＦｅが他の層に拡散することなく、半導体光素子の信頼性を高めることができる。
【００７４】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本実施形態による半導体光素子の逆方向耐圧を示すグラフである。図１０（ａ）は、高抵抗層１５のＦｅ濃度を５×１０１５ｃｍ−３としている。高抵抗層１５の厚さは１．５μｍである。図１０（ｂ）は、高抵抗層１５のＦｅ濃度を１×１０１６ｃｍ−３としている。高抵抗層１５の厚さは１．０μｍである。図１０（ａ）、図１０（ｂ）ともに縦軸に電流、横軸に電圧を示している。なお、温度はともに８５℃である。
【００７５】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）によると、高抵抗層１５の厚さを１．５μｍにするとＦｅ濃度が５×１０１５ｃｍ−３以上であれば逆方向耐圧、すなわちブレークダウン電圧を充分大きくできることがわかる。あるいはＦｅ濃度を１×１０１６ｃｍ−３に上げると、厚さ１μｍ以上であればブレークダウン電圧を充分大きくできることがわかる。また、８５℃といった高温時においても、リーク電流を効果的に低減できていることがわかる。
【００７６】
本発明による半導体光素子、半導体レーザ素子、半導体光変調素子、及び半導体光集積素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した各実施形態ではＩｎＰを基板とするＩｎＧａＡｓＰ系の半導体光素子を説明したが、他の材料を用いる半導体光素子においても上記した各実施形態と同様の効果が得られる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明による半導体光素子、半導体レーザ素子、半導体光変調素子、及び半導体光集積素子によれば、光導波路を通らないリーク電流を低減できる構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による半導体光集積素子の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した半導体光集積素子の基板を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した半導体光集積素子のＩ−Ｉ断面における側面断面図である。
【図４】図４は、図１に示した半導体光集積素子のＩＩ−ＩＩ断面における側面断面図である。
【図５】図５は、図１に示した半導体光集積素子のＩＩＩ−ＩＩＩ断面における側面断面図である。
【図６】図６（ａ）は、半導体レーザ素子部内部における駆動電流の流れを示す図である。図６（ｂ）は図１１に示す従来の半導体レーザ素子内部における駆動電流の流れを示す図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第２実施形態による半導体光素子の製造方法を説明する図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第２実施形態による半導体光素子の製造方法を説明する図である。
【図９】図９は、第２実施形態による半導体レーザ素子の特性と、従来の半導体光素子の特性との比較を示すグラフである。
【図１０】図１０（ａ）及び図１９（ｂ）は、第２実施形態による半導体光素子の逆方向耐圧を示すグラフである。
【図１１】図１１は、従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…半導体光集積素子、１ａ…半導体レーザ素子部、１ｂ…半導体光変調素子部、１０…基板、１２…カソード電極、１３、１４…ｎ型バッファ層、１５、１６…高抵抗層、１７、１８…ホールブロック層、１９、２０…第２のｐ型クラッド層、２１、２２…コンタクト層、２４…絶縁膜、２６、２８…アノード電極、３１、３２…第１のｐ型クラッド層、３３…活性層、３４…光吸収層、３５、３６…光導波路、３７、３８…電流ブロック部。
【図１】
2004158562.tif 000004
【図２】
2004158562.tif 000005
【図３】
2004158562.tif 000006
【図４】
2004158562.tif 000007
【図５】
2004158562.tif 000008
【図６】
2004158562.tif 000009
【図７】
2004158562.tif 000010
【図８】
2004158562.tif 000011
【図９】
2004158562.tif 000012
【図１０】
2004158562.tif 000013
【図１１】
2004158562.tif 000014