(57)【要約】【課題】光機能部に発生する熱を半導体基板側に分散させることにより、光機能部の温度上昇を抑制でき、光機能部の動作レベルを高い状態に維持すること。【解決手段】ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２と多重量子井戸層３とｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４とｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５とがリッジ幅Ｗのハイメサ構造にて形成されている。このハイメサ側面は、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８を部分的に形成している。半導体結晶部８を部分的に形成したハイメサ周囲部は、厚膜のＳｉＯ２：９により被覆されている。光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるための半導体結晶部８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成し、半導体結晶部８にキャリア発生元素を不活性化したり、又は深い不純物凖位を形成して半導体結晶部８を半絶縁性に変える。【選択図】　　　　図１
2004070000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収機能を有する光機能部を半導体基板上に設け、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子において、
前記光機能部がリッジ構造であるとともに、該光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるために、前記光機能部の周囲に部分的に設けられたＡｌを含む半導体結晶部を有し、
該Ａｌを含む半導体結晶部が、ハイメサ側面及び基板表面を覆うように構成されているとともに、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入することによって半絶縁化されていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記Ａｌを含む半導体結晶部が放熱性を有する構造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】
前記リッジ構造が誘電体によって埋め込まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
光吸収機能を有する光機能部を半導体基板上に設け、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子の製造方法において、
前記光機能部をリッジ構造に形成するとともに、前記光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるためのＡｌを含む半導体結晶部を、前記光機能部の周囲に部分的に形成する第１の工程と、
該第１の工程により形成されたＡｌを含む半導体結晶部に、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入し、該半導体結晶部を半絶縁化する第２の工程と
を備えたことを特徴とする半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程がフッ素化処理を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
前記Ａｌを含む半導体結晶部に放熱性をもたせる工程を備えたことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項７】
前記リッジ構造を誘電体によって埋め込む工程を備えたことを特徴とする請求項４，５又は６に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項８】
光吸収機能を有する光機能部が半導体基板上に形成され、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子において、
前記光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるために、前記光機能部の周囲に部分的に設けられたＡｌを含む半導体結晶部を有し、
該Ａｌを含む半導体結晶部が、ハイメサ側面及び基板表面を覆うように構成されているとともに、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入することによって半絶縁化されていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項９】
前記Ａｌを含む半導体結晶部が放熱性を有する構造であることを特徴とする請求項８に記載の半導体光素子。
【請求項１０】
前記半導体結晶部が誘電体によって埋め込まれていることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体光素子。
【請求項１１】
光吸収機能を有する光機能部を半導体基板上に設け、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子の製造方法において、
前記光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるためのＡｌを含む半導体結晶部を、前記光機能部の周囲に部分的に形成する第１の工程と、
該第１の工程により形成されたＡｌを含む半導体結晶部に、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入し、該半導体結晶部を半絶縁化する第２の工程と
を備えたことを特徴とする半導体光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の工程がフッ素化処理を有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記Ａｌを含む半導体結晶部に放熱性をもたせる工程を備えたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記半導体結晶部を誘電体によって埋め込む工程を備えたことを特徴とする請求項１１，１２又は１３に記載の半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光素子及びその製造方法に関し、より詳細には、光変調や光吸収などの光機能を有する半導体光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光変調や光吸収などの光機能を有する半導体光素子の一例として、ハイメサ型光変調器からなる半導体光素子がある。
図２は、従来のハイメサ型光変調器からなる半導体光素子の概略図で、図中符号２１はｎ−ＩｎＰ基板、２２はｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、２３は多重量子井戸層、２４はｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、２５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、２６はｐ電極、２７はｎ電極、２８はポリイミド、２９は光入射端面を示している。
【０００３】
この従来の半導体光素子においては、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２２と多重量子井戸層２３とｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２４とｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２５とが形成されており、ハイメサ側面は、ポリイミド２８により埋め込まれている。また、コンタクト層２５の上にｐ電極２６が形成され、基板２１の下にｎ電極２７が形成されている。多重量子井戸層２３は、光を吸収する吸収層として機能すると同時に、上下のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２４とｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２２より屈折率の高いコア層として機能し、それらは光を導波する光導波路を構成している。
【０００４】
次に、このようなハイメサ型光変調器の動作について説明する。
まず、光入射端面２９から入射した光は、光導波路を伝搬する間に、ＯＮ／ＯＦＦ変調されて光入射端面２９の反対の光出射端面から出射される。図３は、ｐ電極２６とｎ電極２７との間に電圧を印加していない（ＯＦＦ）時と逆バイアスを印加した（ＯＮ）時における光吸収特性の入射光の波長λに対する依存性を示した図である。図中、この光変調器に入射する光の波長λを動作波長λｓとして示した。電圧が印加されていない場合には、動作波長λｓにおける光の吸収係数は十分小さく、入射光は光出射面からそのまま出射されるが、逆バイアスが印加されると吸収特性が長波長側に移動するため、光の吸収が大きくなり、出射端からは出射されなくなる。このようにして、逆バイアス電圧をＯＮ／ＯＦＦすることにより、光導波路を伝搬する光もＯＦＦ／ＯＮされ、電気信号を光信号に変換できる。
【０００５】
このハイメサ型光変調器からなる半導体光素子において、光を吸収する多重量子井戸層２３は、ハイメサ側面の両側を比誘電率が小さなポリイミドで囲まれているので寄生電気容量Ｃは小さい。一方、多重量子井戸層２３のハイメサ側面の両側をポリイミドの代わりに半導体で完全に埋め込んだ構造のものでは、半導体の比誘電率が大きいため寄生電気容量Ｃは大きくなる。このため、Ｃと負荷抵抗ＲからなるＣＲ定数制限による変調周波数限界は、低比誘電率のポリイミドなどの材料で埋め込んだものの方が大きくなり、高速変調に適している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の半導体光素子では、逆バイアス印加時に光吸収により発生したキャリアが電流として流れるため、逆バイアス電圧Ｖと発生電流Ｉの積で表されるジュール熱がハイメサ構造よりなるリッジ部分に発生する。また、上述した従来の半導体光素子は、断面構造がハイメサ構造であり、リッジ構造の両側は、半導体に比べ熱伝導率が数桁小さいポリイミドのため、発生した熱はリッジ部分の外側へはほとんど伝わらない。
【０００７】
このため、リッジ部分に熱が溜まり、図４に示すような熱の分布が生じる。このような熱の滞留により、リッジ型光導波路部の温度が上昇すると、多重量子井戸層の光吸収特性が変化して変調特性が劣化する。また、大きな光パワー入射により発生電流が大きくなったり、逆バイアス電圧が大きい状態で使用すると、大きなジュール熱により半導体光素子が劣化したり、さらに激しい場合には破壊に到ることになる。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光機能部に発生する熱を効果的に半導体基板側に分散させることにより、光機能部の温度上昇を抑制でき、素子特性の劣化や大きな光パワーが入射したり、駆動電圧が大きくなっても、光機能部の動作レベルを高い状態に維持でき、素子動作の安定性や信頼性の向上を可能にした半導体光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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、光吸収機能を有する光機能部を半導体基板上に設け、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子において、前記光機能部がリッジ構造であるとともに、該光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるために、前記光機能部の周囲に部分的に設けられたＡｌを含む半導体結晶部を有し、該Ａｌを含む半導体結晶部が、ハイメサ側面及び基板表面を覆うように構成されているとともに、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入することによって半絶縁化されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記Ａｌを含む半導体結晶部が放熱性を有する構造であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記リッジ構造が誘電体によって埋め込まれていることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、光吸収機能を有する光機能部を半導体基板上に設け、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子の製造方法において、前記光機能部をリッジ構造に形成するとともに、前記光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるためのＡｌを含む半導体結晶部を、前記光機能部の周囲に部分的に形成する第１の工程と、該第１の工程により形成されたＡｌを含む半導体結晶部に、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入し、該半導体結晶部を半絶縁化する第２の工程とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第２の工程がフッ素化処理を有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記Ａｌを含む半導体結晶部に放熱性をもたせる工程を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、請求項４，５又は６に記載の発明において、前記リッジ構造を誘電体によって埋め込む工程を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明は、光吸収機能を有する光機能部が半導体基板上に形成され、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子において、前記光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるために、前記光機能部の周囲に部分的に設けられたＡｌを含む半導体結晶部を有し、該Ａｌを含む半導体結晶部が、ハイメサ側面及び基板表面を覆うように構成されているとともに、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入することによって半絶縁化されていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記Ａｌを含む半導体結晶部が放熱性を有する構造であることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の発明において、前記半導体結晶部が誘電体によって埋め込まれていることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１に記載の発明は、光吸収機能を有する光機能部を半導体基板上に設け、光吸収により発生したキャリアにより熱が発生する半導体光素子の製造方法において、前記光機能部で発生した熱を前記半導体基板へ分散させるためのＡｌを含む半導体結晶部を、前記光機能部の周囲に部分的に形成する第１の工程と、該第１の工程により形成されたＡｌを含む半導体結晶部に、キャリア発生元素を不活性化又は深い不純物凖位を形成するための不純物を導入し、該半導体結晶部を半絶縁化する第２の工程とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、前記第２の工程がフッ素化処理を有することを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１１又は１２に記載の発明において、前記Ａｌを含む半導体結晶部に放熱性をもたせる工程を備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１１，１２又は１３に記載の発明において、前記半導体結晶部を誘電体によって埋め込む工程を備えたことを特徴とする。
【００２３】
このように、本発明の半導体光素子は、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＡｌを含む半導体結晶部を、光機能部の周囲に部分的に形成し、このＡｌを含む半導体結晶部に、キャリア発生元素を不活性化したり深い不純物凖位を形成する不純物を導入して半絶縁化していることにより、光機能部にジュール熱が留まらず、光機能部が形成された領域が熱に起因した特性劣化や損傷を受けることが小さくなる。また、熱を半導体基板に分散させるために、光機能部と格子整合する結晶を用いているため、光機能部との界面で格子不整合に伴うようなリーク電流の増大や欠陥の導入がなく、素子特性の劣化も抑えられ、信頼性上も大変優れている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の半導体光素子の実施例１について説明するための構成図で、図中符号１はｎ−ＩｎＰ基板、２はｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、３は多重量子井戸層、４はｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、６はｐ電極、７はｎ電極、８は熱を半導体基板に分散させるための半絶縁性化されたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部、９は厚膜のＳｉＯ２、１０はパッド電極、１１は光入射端面を示している。
【００２５】
この実施例１においては、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２と多重量子井戸層３とｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４とｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５とがリッジ幅Ｗのハイメサ構造にて形成されている。このハイメサ側面は、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるための半導体結晶部８を部分的に形成している。半導体結晶部を部分的に形成したハイメサ周囲部は、厚膜のＳｉＯ２：９により被覆されている。
【００２６】
また、コンタクト層５の上にｐ電極６が形成され、基板１の下にｎ電極７が形成されている。多重量子井戸層３は、光を吸収する吸収層として機能すると同時に、上下のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４とｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２より屈折率の高いコア層として機能し、それらは光を導波する光導波路を構成している。
【００２７】
光入射端面１１から入射した光は、光導波路を伝搬する間に、ＯＮ／ＯＦＦ変調されて光入射端面１１の反対の光出射端面から出射される。側方より入射された光は、逆バイアスを印加した多重量子井戸層にて吸収され、その結果、光吸収により発生したキャリアが電流として流れる。このため、逆バイアス電圧Ｖと発生電流Ｉの積で表されるジュール熱がハイメサ構造よりなる光機能部に発生する。高速化のためには、接合容量を小さくする必要があり、このため、光吸収領域面積は、例えば、５０ＧＨｚの帯域を満足させるためには、１ミクロン幅（Ｗ）、７５ミクロン長以下程度に小さくする必要がある。このため、単位面積あたりの光電流は、高速化すればするほど大きくなり、従って、単位面積あたりの発熱量も大きく増大することになる。
【００２８】
しかしながら、本実施例の半導体光素子では、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのアンドープ又は低ＳｉドープのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成し、さらに、フッ酸による表面処理と４００℃の熱処理、つまりフッ素化処理を実施している。この処理により、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８中にフッ素原子が進入し、キャリア発生元素を不活性化したり、または、深い不純物凖位を形成してＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８を半絶縁性に変える。
【００２９】
このことにより、電気的には導通性はないが、熱的には良好な伝熱性ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部が形成される。これにより、光機能部の電気的特性を劣化させることなく、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させることが可能となり、ポリイミドのみによる埋め込み構造（従来構造）に比べ格段に熱伝導性が向上し、極めて効率的に半導体基板部へ熱が放散される。
【００３０】
また、リッジ構造の両縁より光導波特性にほぼ影響のでない程度（数μｍ）離れたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部上に、熱伝導率が半導体よりもさらに大きい金属膜（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）を設けることにより、横方向への熱伝導速度が等価的に増大し、放熱性がさらに向上する。
【００３１】
図５は、実施例１における半導体光素子のリッジ断面における熱の分布模式図である。これにより、光機能部にジュール熱が留まらず、光機能部が形成された領域が熱に起因した特性劣化や損傷を受けることが小さくなった。
【００３２】
また、半絶縁化されたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８の上層部は、誘電率の小さな厚膜のＳｉＯ２：９にて被覆されている。このため、パッド１０の直下に寄生する付加容量は、十分小さく抑えることが可能であり、帯域５０ＧＨｚの動作が実現できた。この実施例では、基板としてｎ−ＩｎＰを用いているが、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、その上にｎ−ＩｎＰまたはｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を設け、これに部分的にｎ電極を形成するような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。
【００３３】
なお、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に再成長により形成するが、その成長時間が、上面がほぼ平坦になるまで埋め込む従来の場合に比べ短いため、たとえ異常成長が起きてもメサ頭部が完全に埋まってしまうような問題が発生しない。
【００３４】
また、フッ素化処理は、フッ素を含む溶液、ガスやプラズマガスなどとそれに続く熱処理によりフッ素がＡｌ系結晶中に導入されればよく、溶液種やガス種、また、熱処理温度及び熱処理時間は、適当に選択すればよい。
【００３５】
なお、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８の代わりに、半絶縁化のためにＦｅを成長過程にてドーピングしたＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを形成することも可能であるが、Ｆｅはｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４中のｐドーパント（Ｚｎなど）と相互拡散するため、部分成長したメサ側面の結晶部は半絶縁性とならず、一部または大半がｐ化してしまい、電気的導通性が発生し、電気容量の増大が起き、高速動作が困難となる。
【００３６】
この実施例では、熱を分散させるための半導体結晶部としてＩｎＡｌＡｓを用いているが、ＩｎＧａＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓＳｂなどの他の材料系でもよい。また、この実施例は、コア層が多重量子井戸層よりなる光変調機能を有する光変調素子に関するものであるが、光機能部が受光機能を有する場合（受光素子）や発光機能を有する場合（発光素子）についても同様の構造が、同様に適用できることは言うまでもない。
【００３７】
［実施例２］
図６は、本発明の半導体光素子の実施例２について説明するための構成図で、図中符号６１はｎ−ＩｎＰ基板、６２はｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、６３は多重量子井戸層、６４はｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、６５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、６６はｐ電極、６７はｎ電極、６８は熱を半導体基板に分散させるための半絶縁性化されたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部、６９はポリイミド、６１０はパッド電極、６１１は光入射端面を示している。
【００３８】
この実施例２においては、ｎ−ＩｎＰ基板６１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２と多重量子井戸層６３とｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６４とｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６５とがリッジ幅Ｗのハイメサ構造にて形成されている。ハイメサ側面は、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるための半導体結晶部６８を部分的に形成している。半導体結晶部を部分的に形成したハイメサ周囲部はポリイミド６９により埋め込まれている。
【００３９】
また、コンタクト層６５の上にｐ電極６６が形成され、基板６１の下にｎ電極６７が形成されている。多重量子井戸層６３は、光を吸収する吸収層として機能すると同時に、上下のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６４とｎ−ＩｎＰ下部クラッド層６２より屈折率の高いコア層として機能し、それらは光を導波する光導波路を構成している。
【００４０】
光入射端面６１１から入射した光は、光導波路を伝搬する間に、ＯＮ／ＯＦＦ変調されて光入射端面６１１の反対の光出射端面から出射される。側方より入射された光は、逆バイアスを印加した多重量子井戸層にて吸収され、その結果、光吸収により発生したキャリアが電流として流れる。このため、逆バイアス電圧Ｖと発生電流Ｉの積で表されるジュール熱がハイメサ構造よりなる光機能部に発生する。高速化のためには、接合容量を小さくする必要があり、このため、光吸収領域面積は、例えば、５０ＧＨｚの帯域を満足させるためには、１ミクロン幅（Ｗ）、７５ミクロン長以下程度に小さくする必要がある。このため、単位面積あたりの光電流は、高速化すればするほど大きくなり、従って、単位面積あたりの発熱量も大きく増大することになる。
【００４１】
しかしながら、本実施例の半導体光素子では、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのアンドープ又は低ＳｉドープのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部６８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成し、さらに、フッ酸による表面処理と４００℃の熱処理、つまりフッ素化処理を実施している。この処理により、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部６８中にフッ素原子が進入し、キャリア発生元素を不活性化したり、または、深い不純物凖位を形成してＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部６８を半絶縁性に変える。
【００４２】
このことにより、電気的には導通性はないが、熱的には良好な伝熱性ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部が形成される。これにより、光機能部の電気的特性を劣化させることなく、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させることが可能となり、ポリイミドのみによる埋め込み構造（従来構造）に比べ格段に熱伝導性が向上し、極めて効率的に半導体基板部へ熱が放散される。
【００４３】
また、リッジ構造の両縁より光導波特性にほぼ影響のでない程度（数μｍ）離れたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部上に、熱伝導率が半導体よりもさらに大きい金属膜（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）を設けることにより、横方向への熱伝導速度が等価的に増大し、放熱性がさらに向上する。
【００４４】
図５は、実施例２における半導体光素子のリッジ断面における熱の分布模式図である。これにより、光機能部にジュール熱が留まらず、光機能部が形成された領域が熱に起因した特性劣化や損傷を受けることが小さくなった。
【００４５】
また、半絶縁化されたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部６８の上層部は、誘電率の小さなポリイミド６９にて、平坦化埋め込みを行っている。このため、パッド６１０の直下に寄生する付加容量は、十分小さく抑えることが可能であり、帯域５０ＧＨｚの動作が容易に実現できた。この実施例では、基板としてｎ−ＩｎＰを用いているが、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、その上にｎ−ＩｎＰまたはｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を設け、これに部分的にｎ電極を形成するような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。
【００４６】
なお、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に再成長により形成するが、その成長時間が、上面がほぼ平坦になるまで埋め込む従来の場合に比べ短いため、たとえ異常成長が起きてもメサ頭部が完全に埋まってしまうような問題が発生しない。
【００４７】
また、フッ素化処理は、フッ素を含む溶液、ガスやプラズマガスなどとそれに続く熱処理によりフッ素がＡｌ系結晶中に導入されればよく、溶液種やガス種、また、熱処理温度及び熱処理時間は、適当に選択すればよい。
【００４８】
なお、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部６８の代わりに、半絶縁化のためにＦｅを成長過程にてドーピングしたＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを形成することも可能であるが、Ｆｅはｐ−ＩｎＰ上部クラッド層６４中のｐドーパント（Ｚｎなど）と相互拡散するため、部分成長したメサ側面の結晶部は半絶縁性とならず、一部または大半がｐ化してしまい、電気的導通性が発生し、電気容量の増大が起き、高速動作が困難となる。
【００４９】
この実施例では、熱を分散させるための半導体結晶部としてＩｎＡｌＡｓを用いているが、ＩｎＧａＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓＳｂなどの他の材料系でもよい。
【００５０】
また、この実施例は、コア層が多重量子井戸層よりなる光変調機能を有する光変調素子に関するものであるが、光機能部が受光機能を有する場合（受光素子）や発光機能を有する場合（発光素子）についても同様の構造が、同様に適用できることは言うまでもない。
【００５１】
［実施例３］
図７は、本発明の半導体光素子の実施例３について説明するための構成図で、図中符号７１はｎ−ＩｎＰ基板、７２はｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、７３はＩｎＧａＡｓ光吸収層、７４はｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、７５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、７６はリング状ｐ電極、７７はｎ電極、７８は熱を半導体基板に分散させるための半絶縁性化されたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部、７９は厚膜のＳｉＯ２、７１０はパッドを示している。
【００５２】
この実施例３においては、ｎ−ＩｎＰ基板７１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層７２とＩｎＧａＡｓ光吸収層７３とｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７４とｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７５とが形成されている。ハイメサ側部には、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるための半導体結晶部７８を部分的に形成している。半導体結晶部を部分的に形成したハイメサ部分周囲は厚膜のＳｉＯ２：７９により被覆されている。また、コンタクト層７５の上にリング状ｐ電極７６が形成され、基板７１の下にｎ電極７７が形成されている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層７３は、光を吸収する吸収層として機能している。
【００５３】
上方よりリング電極を通過してきた入射光は、逆バイアスを印加した光吸収層にて吸収され、光吸収により発生したキャリアが電流として流れる。このため、逆バイアス電圧Ｖと発生電流Ｉの積で表されるジュール熱がハイメサ構造よりなる光機能部に発生する。高速化のためには、接合容量を小さくする必要があり、このため、光吸収領域面積は、例えば、５０ＧＨｚの帯域を満足させるためには、１０ミクロン径以下程度に小さくする必要がある。このため、単位面積あたりの光電流は、高速化すればするほど大きくなり、従って、単位面積あたりの発熱量も大きく増大することになる。
【００５４】
また、断面構造はハイメサ構造であり、光機能部の周囲は半導体に比べ熱伝導率が数桁小さいポリイミドのため、発生した熱は光機能部の外部側方へはほとんど伝わらない。このため、光機能部部分に熱が溜まる。このような熱の滞留により、光機能部の温度が上昇すると、光吸収特性が変化し、受光特性が変化する。また、大きな光パワー入射により発生電流が大きくなったり、逆バイアス電圧が大きい状態で使用すると、大きなジュール熱により、素子が劣化または破壊することになる。
【００５５】
しかしながら、本実施例の半導体光素子では、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのアンドープ又は低ＳｉドープのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部７８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成し、さらに、フッ酸による表面処理と４００℃の熱処理、つまりフッ素化処理を実施している。この処理により、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部７８中にフッ素原子が進入し、キャリア発生元素を不活性化したり、または、深い不純物凖位を形成してＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部７８を半絶縁性に変える。
【００５６】
このことにより、電気的には導通性はないが、熱的には良好な伝熱性ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部が形成される。これにより、光機能部の電気的特性を劣化させることなく、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させることが可能となり、ポリイミドのみによる埋め込み構造（従来構造）に比べ格段に熱伝導性が向上し、極めて効率的に半導体基板部へ熱が放散される。
【００５７】
また、ハイメサ構造の周囲縁より光学特性にほぼ影響のでない程度（数μｍ）離れたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部上に、熱伝導率が半導体よりもさらに大きい金属膜（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）を設けることにより、横方向への熱伝導速度が等価的に増大し、放熱性がさらに向上する。
【００５８】
図９は、実施例３における半導体光素子のメサ断面における熱の分布模式図である。これにより、光機能部にジュール熱が留まらず、光機能部が形成された領域が熱に起因した特性劣化や損傷を受けることが小さくなった。
【００５９】
また、半絶縁化ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部７８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成しており、その上層部は、誘電率の小さな厚膜のＳｉＯ２：７９にて被覆されている。このため、パッド７１０の直下に寄生する付加容量は、十分小さく抑えることが可能であり、帯域５０ＧＨｚの動作が実現できた。この実施例では、基板としてｎ−ＩｎＰを用いているが、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、その上にｎ−ＩｎＰまたはｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を設け、これに部分的にｎ電極を形成するような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。
【００６０】
なお、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に再成長により形成するが、その成長時間が、上面がほぼ平坦になるまで埋め込む従来の場合に比べ短いため、たとえ異常成長が起きてもメサ頭部が完全に埋まってしまうような問題が発生しない。
【００６１】
また、フッ素化処理は、フッ素を含む溶液、ガスやプラズマガスなどとそれに続く熱処理によりフッ素がＡｌ系結晶中に導入されればよく、溶液種やガス種、また、熱処理温度及び熱処理時間は、適当に選択すればよい。
【００６２】
なお、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部７８の代わりに、半絶縁化のためにＦｅを成長過程にてドーピングしたＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを形成することも可能であるが、Ｆｅはｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７４中のｐドーパント（Ｚｎなど）と相互拡散するため、部分成長したメサ側面の結晶部は半絶縁性とならず、一部または大半がｐ化してしまい、電気的導通性が発生し、電気容量の増大が起き、高速動作が困難となる。
【００６３】
この実施例では、熱を分散させるための半導体結晶部としてＩｎＡｌＡｓを用いているが、ＩｎＧａＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓＳｂなどの他の材料系でもよい。
【００６４】
また、この実施例は、光機能部が受光機能を有する受光素子に関するものであるが、光機能部が光変調機能を有する場合（光変調素子）や発光機能を有する場合（発光素子）についても同様の構造が、同様に適用できることは言うまでもない。
【００６５】
［実施例４］
図８は、本発明の半導体光素子の実施例４について説明するための構成図で、図中符号８１はｎ−ＩｎＰ基板、８２はｎ−ＩｎＰ下部クラッド層、８３はＩｎＧａＡｓ光吸収層、８４はｐ−ＩｎＰ上部クラッド層、８５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、８６はリング状ｐ電極、８７はｎ電極、８８は熱を半導体基板に分散させるための半絶縁性化されたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部、８９はポリイミド、８１０はパッドを示している。
【００６６】
この実施例４においては、ｎ−ＩｎＰ基板８１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層８２とＩｎＧａＡｓ光吸収層８３とｐ−ＩｎＰ上部クラッド層８４とｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層８５とが形成されている。ハイメサ側部には、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるための半導体結晶部８８を部分的に形成している。半導体結晶部を部分的に形成したハイメサ部分周囲はポリイミド８９により埋め込まれている。また、コンタクト層８５の上にリング状ｐ電極８６が形成され、基板８１の下にｎ電極８７が形成されている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層８３は、光を吸収する吸収層として機能している。
【００６７】
上方よりリング電極を通過してきた入射光は、逆バイアスを印加した光吸収層にて吸収され、光吸収により発生したキャリアが電流として流れる。このため、逆バイアス電圧Ｖと発生電流Ｉの積で表されるジュール熱がハイメサ構造よりなる光機能部に発生する。高速化のためには、接合容量を小さくする必要があり、このため、光吸収領域面積は、例えば、５０ＧＨｚの帯域を満足させるためには、１０ミクロン径以下程度に小さくする必要がある。このため、単位面積あたりの光電流は、高速化すればするほど大きくなり、従って、単位面積あたりの発熱量も大きく増大することになる。
【００６８】
また、断面構造はハイメサ構造であり、光機能部の周囲は半導体に比べ熱伝導率が数桁小さいポリイミドのため、発生した熱は光機能部の外部側方へはほとんど伝わらない。このため、光機能部部分に熱が溜まる。このような熱の滞留により、光機能部の温度が上昇すると、光吸収特性が変化し、受光特性が変化する。また、大きな光パワー入射により発生電流が大きくなったり、逆バイアス電圧が大きい状態で使用すると、大きなジュール熱により、素子が劣化または破壊することになる。
【００６９】
しかしながら、本実施例の半導体光素子では、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのアンドープ又は低ＳｉドープのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成し、さらに、フッ酸による表面処理と４００℃の熱処理、つまりフッ素化処理を実施している。この処理により、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８８中にフッ素原子が進入し、キャリア発生元素を不活性化したり、または、深い不純物凖位を形成してＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８８を半絶縁性に変える。
【００７０】
このことにより、電気的には導通性はないが、熱的には良好な伝熱性ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部が形成される。これにより、光機能部の電気的特性を劣化させることなく、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させることが可能となり、ポリイミドのみによる埋め込み構造（従来構造）に比べ格段に熱伝導性が向上し、極めて効率的に半導体基板部へ熱が放散される。
【００７１】
また、ハイメサ構造の周囲縁より光学特性にほぼ影響のでない程度（数μｍ）離れたＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部上に、熱伝導率が半導体よりもさらに大きい金属膜（例えば、Ｔｉ／Ａｕ）を設けることにより、横方向への熱伝導速度が等価的に増大し、放熱性がさらに向上する。
【００７２】
図９は、実施例４における半導体光素子のメサ断面における熱の分布模式図である。これにより、光機能部にジュール熱が留まらず、光機能部が形成された領域が熱に起因した特性劣化や損傷を受けることが小さくなった。
【００７３】
また、半絶縁性化ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８８をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に形成しており、その上層部は、誘電率の小さなポリイミド８９にて、平坦化埋め込みを行っている。このため、パッド８１０の直下に寄生する付加容量は、十分小さく抑えることが可能であり、帯域５０ＧＨｚの動作が容易に実現できた。この実施例では、基板としてｎ−ＩｎＰを用いているが、半絶縁性ＩｎＰ基板を用い、その上にｎ−ＩｎＰまたはｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を設け、これに部分的にｎ電極を形成するような形態であっても、同様な特性が得られることは言うまでもない。
【００７４】
なお、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部をハイメサ構造の周囲部分に部分選択的に再成長により形成するが、その成長時間が、上面がほぼ平坦になるまで埋め込む従来の場合に比べ短いため、たとえ異常成長が起きてもメサ頭部が完全に埋まってしまうような問題が発生しない。
【００７５】
また、フッ素化処理は、フッ素を含む溶液、ガスやプラズマガスなどとそれに続く熱処理によりフッ素がＡｌ系結晶中に導入されればよく、溶液種やガス種、また、熱処理温度及び熱処理時間は、適当に選択すればよい。
【００７６】
なお、ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部８８の代わりに、半絶縁化のためにＦｅを成長過程にてドーピングしたＩｎＰやＩｎＡｌＡｓを形成することも可能であるが、Ｆｅはｐ−ＩｎＰ上部クラッド層８４中のｐドーパント（Ｚｎなど）と相互拡散するため、部分成長したメサ側面の結晶部は半絶縁性とならず、一部またｈ大半がｐ化してしまい、電気的導通性が発生し、電気容量の増大が起き、高速動作が困難となる。
【００７７】
この実施例では、熱を分散させるための半導体結晶部としてＩｎＡｌＡｓを用いているが、ＩｎＧａＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓＳｂなどの他の材料系でもよい。
【００７８】
また、この実施例は、光機能部が受光機能を有する受光素子に関するものであるが、光機能部が光変調機能を有する場合（光変調素子）や発光機能を有する場合（発光素子）についても同様の構造が、同様に適用できることは言うまでもない。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光機能部で発生した熱を半導体基板に分散させるためのＡｌを含む半導体結晶部を、光機能部の周囲に部分的に形成し、このＡｌを含む半導体結晶部に、キャリア発生元素を不活性化したり深い不純物凖位を形成する不純物を導入して半絶縁化しているので、光機能の電気的な劣化なしに光機能部に発生する熱を効果的に半導体基板側に分散させることが可能となり、光機能部の温度上昇を抑制でき、熱に起因した特性劣化や損傷を受けることが小さくなる。このため、大きな光パワーが入射したり、駆動電圧が大きくなっても、光機能部の動作レベルを高い状態に維持でき、従って、素子動作の安定性や信頼性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の半導体光素子の実施例１について説明するための構成図である。
【図２】
従来のハイメサ型光変調器からなる半導体光素子の概略構造図である。
【図３】
電圧を印加していない時と逆バイアスを印加した時における光吸収特性の入射
光の波長λに対する依存性を示した図である。
【図４】
ハイメサ構造のリッジ導波路の両側をポリイミドで埋め込まれた半導体光素子のリッジ断面における熱の分布模式図である。
【図５】本発明の実施例１及び２に係わる半導体光素子のリッジ断面における熱の分布模式図である。
【図６】本発明の半導体光素子の実施例２について説明するための構成図である。
【図７】本発明の半導体光素子の実施例３について説明するための構成図である。
【図８】本発明の半導体光素子の実施例４について説明するための構成図である。
【図９】本発明の実施例３及び４に係わる半導体光素子のメサ断面における熱の分布模式図である。
【符号の説明】
１　ｎ−ＩｎＰ基板
２　ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
３　多重量子井戸層
４　ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
５　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６　ｐ電極
７　ｎ電極
８　ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
９　厚膜のＳｉＯ２
１０　パッド電極
１１　光入射端面
２１　ｎ−ＩｎＰ基板
２２　ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
２３　多重量子井戸層
２４　ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
２５　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２６　ｐ電極
２７　ｎ電極
２８　ポリイミド
２９　光入射端面
６１　ｎ−ＩｎＰ基板
６２　ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
６３　多重量子井戸層
６４　ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
６５　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６６　ｐ電極
６７　ｎ電極
６８　ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
６９　ポリイミド
６１０　パッド電極
６１１　光入射端面
７１　ｎ−ＩｎＰ基板
７２　ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
７３　ＩｎＧａＡｓ光吸収層
７４　ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
７５　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
７６　リング状ｐ電極
７７　ｎ電極
７８　ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
７９　厚膜のＳｉＯ２
７１０　パッド
８１　ｎ−ＩｎＰ基板
８２　ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
８３　ＩｎＧａＡｓ光吸収層
８４　ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
８５　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
８６　リング状ｐ電極
８７　ｎ電極
８８　ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
８９　ポリイミド
８１０　パッド
【図１】
2004070000.tif 000003
【図２】
2004070000.tif 000004
【図３】
2004070000.tif 000005
【図４】
2004070000.tif 000006
【図５】
2004070000.tif 000007
【図６】
2004070000.tif 000008
【図７】
2004070000.tif 000009
【図８】
2004070000.tif 000010
【図９】
2004070000.tif 000011