(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板と、
Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｓ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１）からなる第１半導体層と、
Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ａｓ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２≦１）からなるｐ側の第２半導体層と、
Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓｙ３Ｐ１−ｙ３（０≦ｘ３≦１，０≦ｙ３≦１）からなるｐ側の第３半導体層と、
Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓｙ４Ｐ１−ｙ４（０≦ｘ４≦１，０≦ｙ４≦１）からなるｐ側の第４半導体層とを備え、
前記ＩｎＰ基板上に、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層、前記第４半導体層がこの順に接して設けられており、
前記第１半導体層と前記第２半導体層とは、その界面において組成が同一になっており、
前記第２半導体層は、バンドギャップが前記第１半導体層の側から前記第３半導体層の側へ向けて連続的に大きくなるように、その組成が連続的に変化しており、
前記第２半導体層と前記第３半導体層とは、その界面において価電子帯の頂上のエネルギーレベルが等しくなる又はほぼ等しくなるように組成が設定されており、
前記第３半導体層は、バンドギャップが前記第２半導体層の側から前記第４半導体層の側へ向けて連続的に大きくなるように、その組成が連続的に変化しており、
前記第３半導体層と前記第４半導体層とは、その界面において組成が同一になっていることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記第１半導体層が、多重量子井戸活性層を構成するバリヤ層であり、
前記バリヤ層の前記第２半導体層が設けられている側とは反対側に、前記多重量子井戸活性層を構成するＡｌｘ５Ｇａｙ５Ｉｎ１−ｘ５−ｙ５Ａｓ（０≦ｘ５≦１，０≦ｙ５≦１）からなる井戸層を備えることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２半導体層が、ｐ側第１光ガイド層であり、
前記第３半導体層が、ｐ側第２光ガイド層であり、
前記第４半導体層が、ｐ側クラッド層であることを特徴とする、請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ｐ側クラッド層が、アンドーピングのクラッド層であり、
前記アンドーピングクラッド層の前記ｐ側第２光ガイド層が設けられている側とは反対側に、Ｉｎｘ６Ｇａ１−ｘ６Ａｓｙ６Ｐ１−ｙ６（０≦ｘ６≦１，０≦ｙ６≦１）からなるｐ型クラッド層を備えることを特徴とする、請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ｐ側クラッド層が、ｐ型クラッド層であることを特徴とする、請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２半導体層と前記第３半導体層とが接する界面において、前記第２半導体層の組成が、前記ＩｎＰ基板に格子整合するＡｌＩｎＡｓになっていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第２半導体層は、前記第３半導体層に接している側の伝導帯の底のエネルギーレベルが前記第１半導体層に接している側よりも２０〜１００ｍｅＶ高くなるように、前記第３半導体層に接している側のＡｌ元素の割合が設定されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第４半導体層が、ｐ側ＩｎＰ層であり、
前記第３半導体層と前記第４半導体層とが接する界面において、前記第３半導体層の組成がＩｎＰになっていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の構成を備えることを特徴とする、電界吸収型変調器。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の構成を備えることを特徴とする、レーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信システムにおける光モジュールを構成する電界吸収型変調器，レーザダイオード，受光素子などのアクティブデバイスに用いて好適の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電界吸収型変調器は、例えば図５の模式的断面図に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１００上に、ＩｎＰ基板にほぼ格子整合する材料によって形成された変調器構造を備えるものとして構成されている。
つまり、従来の電界吸収型変調器は、図５に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１００上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０１、ｎ側光ガイド層（ＳＣＨ層）１０２、アンドープ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０３、ｐ側光ガイド層（ＳＣＨ層）１０４、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０５を順に積層させて、メサ構造を形成し、これを高抵抗ＩｎＰ埋込層１０６で埋め込んだ構造になっている。また、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０５の上面にはｐ側電極１０７が形成されており、ｎ型ＩｎＰ基板１００の裏面にはｎ側電極１０８が形成されている。そして、これらの上下の電極１０７，１０８によってＭＱＷ活性層１０３に逆バイアス電界を与えることで、ＭＱＷ活性層１０３を伝搬する光に対する吸収係数を変化させて、光の強度を変調（強度変調）するようになっている。【０００３】
ここで、ＭＱＷ活性層１０３、及び、このＭＱＷ活性層１０３を上下で挟み込むＳＣＨ層１０２，１０４としては、従来からＩｎＧａＡｓＰ系の材料が用いられてきた。
この場合、図５のＡ−Ａで示す点線に沿うエネルギーバンドダイヤグラムは、図６に示すようになっている。つまり、図６に示すように、エネルギーバンドギャップは、ＭＱＷ活性層１０３の井戸層において最も小さくなっており、ＭＱＷ活性層１０３のバリヤ層、ｎ側及びｐ側ＳＣＨ層１０２，１０４、ｎ型及びｐ型ＩｎＰクラッド層１０１，１０５の順に大きくなっている。【０００４】
特に、ｎ側及びｐ側ＳＣＨ層１０２，１０４では、図６に示すように、エネルギーバンドギャップが、ＭＱＷ活性層１０３（バリヤ層）に接している側からｎ型又はｐ型ＩｎＰクラッド層１０１，１０５に接している側へ向かって徐々に大きくなるように変化している。このようなエネルギーバンドギャップの変化は、ＩｎＰ基板への格子整合条件を満たしつつ、ＩｎＧａＡｓＰの組成を変化させることで可能となる。【０００５】
このように組成が連続的に変化するグレイデッド層をＳＣＨ層（ＳＣＨグレイデッド層）に導入することで、ｐ側，ｎ側共に、エネルギーレベルが連続的に変化するようにして、エネルギーバンドギャップの小さいＭＱＷ活性層１０３とエネルギーバンドギャップの大きいＩｎＰクラッド層１０１，１０５とがエネルギーバンドダイヤグラム上でなめらかに接続されるようにしている。つまり、異なるエネルギーバンドギャップを有する層を接続するための構造として、伝導帯及び価電子帯のエネルギーレベルの不連続（バンド不連続，バンドオフセット）をなくした構造が実現されている。【０００６】
ところで、近年、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料と同様に、ＩｎＰ基板に格子整合する材料の１つであるＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を、ＭＱＷ活性層の材料として用いることが検討されている。
これは、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料と異なり、バンドギャップの小さくなる組成の層とバンドギャップの大きくなる組成の層とを接続する場合に伝導帯のバンドオフセットと価電子帯のバンドオフセットとが異なることに起因して、電界吸収型変調器においてデバイス性能（例えば消光比や温度特性など）を向上させることができるからである。【０００７】
また、異なる材料系からなるＩｎＧａＡｓＰ系ＳＣＨグレイデッド層とＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層とを接続する場合に、その界面に生じるバンド不連続を解消するために、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に、ＭＱＷ活性層と同じＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いることも検討されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３４１０９２号公報
【非特許文献１】N.C. Frateschi et al. "High performance uncooled C-band, 10 Gbit/s InGaAlAs MQW electroabsorption modulator integrated to semiconductor amplifier in laser-integrated modules", Electronics Letters, vol.40, No.2, p.140-141, 22 January 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述のように、エネルギーバンドダイヤグラム上のバンド不連続をなくすことは、電界吸収型変調器において、高速かつ高光入力動作を実現するために重要である。
つまり、バンド不連続があると、ＭＱＷ活性層において光が吸収されて発生したホール及び電子（キャリヤ）が、それぞれ、ｐ側電極，ｎ側電極まで移動する際に、高速移動が阻害される。また、バンド不連続によって移動が妨げられたキャリヤが、バンド不連続部分に蓄積してしまい、ＭＱＷ活性層に印加される電界を変化させてしまう。この結果、変調器の高速応答特性が劣化してしまうことになる。したがって、バンド不連続をなくすことが、電界吸収型変調器の高速かつ高光入力動作を実現し、高速応答特性が劣化してしまうのを防止するのに重要である。【０００９】
特に、このようなバンド不連続によって生じる課題は、電子が移動するｎ側よりもホールが移動するｐ側において顕著である。このため、ＭＱＷ活性層よりもｐ側の層構造において、バンド不連続をなくすことが重要である。
一方、上述のように、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料と比較してバンドオフセット比（伝導帯のバンドオフセット値と価電子帯のバンドオフセット値との比）が異なるＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料をＭＱＷ活性層に用いることによって、ＭＱＷ活性層の井戸層とバリヤ層との間のバンドオフセットは、伝導帯のバンドオフセット値ΔＥｃが価電子帯のバンドオフセット値ΔＥｖと比較して相対的に大きくなるため、変調器の性能向上が見込まれている。【００１０】
しかしながら、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層を、ＩｎＧａＡｓＰ系材料又はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層を介して、ｐ側ＩｎＰクラッド層に接続する場合に、これらの層のいずれかの界面においてバンド不連続が生じてしまい、これにより、価電子帯にエネルギー障壁が生じてしまったり、伝導帯にポテンシャル井戸が生じてしまったりすることになる。これは、価電子帯の頂点のエネルギー位置Ｅｖ及び伝導帯の底のエネルギー位置ＥｃのバンドギャップＥｇに対する変化が異なる２つの材料系からなる層を接続する場合に特有の問題である。【００１１】
この結果、ＭＱＷ活性層で光を吸収することによって発生したホール及び電子（キャリヤ）が、それぞれ、ｐ側電極，ｎ側電極へ高速に移動することが阻害され、変調器の高速動作が得られないことになる。
以下、詳しく説明する。
まず、伝導帯のバンドオフセットと価電子帯のバンドオフセットとの比（バンドオフセット比）が材料によって異なることについて、詳しく説明する。【００１２】
図７は、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料のそれぞれにおいて、その組成を変化させてバンドギャップＥｇを変化させた場合に、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖが、バンドギャップＥｇに対してどのように変化するかを示す図である。なお、ここでは、ＩｎＰの価電子帯のエネルギー位置を基準にしている。【００１３】
この図７から、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ、価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖの変化の様子は、両材料系の間で異なっていることが分かる。つまり、両材料系とも、最もバンドギャップが小さくなる組成はＩｎＧａＡｓで同じであるが、バンドギャップＥｇが大きくなるように組成を変化させていった場合、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置ＥｖのバンドギャップＥｇに対する変化の割合（傾き）は、２つの材料系の間で異なっていることが分かる。【００１４】
この結果、同じバンドギャップＥｇにおいてＩｎＧａＡｓＰ系の材料とＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料とを比較した場合、図７に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料の伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖは、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料の伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖと比較して、常に高い位置にあり、両材料系の間で一致しないことが分かる。つまり、ＩｎＧａＡｓを除くと、両材料系の間で、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ、価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖの両方を同時に一致させることは、両材料系においてどのようにバンドギャップＥｇを選ぼうとも不可能であることが分かる。【００１５】
また、図７に示すように、それぞれの材料系において、バンドギャップの小さくなる組成（Ｅｇ１）の層と、バンドギャップの大きくなる組成（Ｅｇ２）の層とを選び、これらの層を接続した場合、どちらの材料系においても、伝導帯及び価電子帯の両方で、エネルギーレベルの不連続、即ち、バンドオフセット（伝導帯のバンドオフセット値をΔＥｃとし、価電子帯のバンドオフセット値をΔＥｖとする）が生じるが、これらのバンドオフセット値ΔＥｃ，ΔＥｖが両材料系の間で異なっていることが分かる。【００１６】
つまり、両材料系を比較すると、伝導帯のバンドオフセット値ΔＥｃと価電子帯のバンドオフセット値ΔＥｖを足した値（ΔＥｃ＋ΔＥｖ）は、両材料系の間で等しく、これらの層のバンドギャップの差ΔＥｇ（ΔＥｇ＝Ｅｇ２−Ｅｇ１）に一致するものの、伝導帯のバンドオフセット値ΔＥｃと価電子帯のバンドオフセット値ΔＥｖとの比（ΔＥｃ／ΔＥｖ；バンドオフセット比）は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料の方がＩｎＧａＡｓＰ系の材料よりも大きくなることが分かる。【００１７】
一方、半導体レーザや電界吸収型変調器などに用いられるＭＱＷ活性層においては、井戸層とバリヤ層との間で、このようなバンドオフセット（ΔＥｃ，ΔＥｖ）が生じるが、これらの層のバンドギャップの差ΔＥｇが同じ場合、伝導帯のバンドオフセット値ΔＥｃを価電子帯のバンドオフセット値ΔＥｖと比較して相対的に大きくとれる材料を用いるのが、良好な素子特性を得る上で有利とされている。この点、上述のように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料の方が有利となるため、ＭＱＷ活性層の材料として、その導入が検討されている。【００１８】
ここで、図８は、ＩｎＰ基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料からなるＭＱＷ活性層を有する電界吸収型変調器のエネルギーバンドダイヤグラムを示している。なお、図８ではＭＱＷ活性層からｐ型ＩｎＰクラッド層までの部分を抜き出して示している。
なお、図８に示すエネルギーバンドダイヤグラムを持つ電界吸収型変調器は、ＭＱＷ活性層の材料以外は上述の電界吸収型変調器の構造（図５参照）と同じであり、ＭＱＷ活性層のｐ側に、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなるｐ側光ガイド層（ＳＣＨ層；グレイデッド層）及びｐ型ＩｎＰクラッド層を備えている。また、ＭＱＷ活性層の井戸層，バリヤ層のバンドギャップＥｇも、上述の電界吸収型変調器（図６参照）と同じにしている。【００１９】
ここでは、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いているため、図８に示すように、ＭＱＷ活性層の井戸層とバリヤ層との間に生じるバンドオフセット、特に、伝導帯のバンドオフセット値ΔＥｃと価電子帯のバンドオフセット値ΔＥｖとの比（ΔＥｃ／ΔＥｖ）に注目してみると、図８に示すように、バンドオフセット比（ΔＥｃ／ΔＥｖ）は、上述のＭＱＷ活性層にＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた場合（図６参照）と比較して大きくなっている。【００２０】
一方、ＭＱＷ活性層の最もｐ側に位置するバリヤ層と、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層との境界に注目してみると、上述のＭＱＷ活性層にＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた場合（図６参照）には、この境界にバンド不連続が生じていないのに対し、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いた場合には、図８に示すように、伝導帯及び価電子帯の両方でバンド不連続（バンドオフセット）が生じていることが分かる。【００２１】
これは、図７からも理解できるように、ＭＱＷ活性層のＡｌＧａＩｎＡｓ系のバリヤ層と、ＩｎＧａＡｓＰ系のＳＣＨグレイデッド層との間で、バンドギャップＥｇを等しくしたとしても、伝導帯及び価電子帯のエネルギー位置Ｅｃ，Ｅｖが異なってしまうことに起因している。
このように、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いる場合、ＩｎＧａＡｓＰ系とＡｌＧａＩｎＡｓ系という異なる材料系を接続する必要があるため、バンド不連続が生じてしまうことになる。つまり、従来のように、ＭＱＷ活性層にＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いる場合（図６参照）には、ＭＱＷ活性層、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層の全てが、同じＩｎＧａＡｓＰ系の材料によって構成されるため、このような課題は生じていなかったのに対し、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いようとすると、ＩｎＧａＡｓＰ系とＡｌＧａＩｎＡｓ系という異なる材料系を接続することが必要になり、バンド不連続が生じてしまうという、新たな課題が生じることになる。【００２２】
上述したように、伝導帯及び価電子帯においてバンド不連続が生じてしまうと、変調器の高速動作を実現する上で障害となる。
特に、価電子帯におけるバンド不連続は、ＭＱＷ活性層で光の吸収によって発生したホールに対してエネルギー障壁となり、この部分にホールが蓄積してしまい、その結果、変調器の高速応答特性を劣化させることになる。【００２３】
また、伝導帯においても、図８に示すように、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層のＭＱＷ活性層のバリヤ層に接している側のエネルギー位置Ｅｃが、ＭＱＷ活性層のバリヤ層よりも低くなっており、この部分に電子に対するポテンシャル井戸が形成されている。ＭＱＷ活性層で光の吸収によって発生したキャリヤのうち、電子については、素早くｎ側のＳＣＨ層、ｎ型ＩｎＰクラッド層を介して、ｎ側電極まで到達させる必要があるが、このように、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層において電子に対するポテンシャル井戸が形成されてしまうと、ＭＱＷ活性層で発生した電子が、この部分にトラップされてしまうことになる。その結果、反対側のｎ側電極へ高速に電子を移動させることができなくなり、変調器の高速動作を実現する上で問題となる。【００２４】
ところで、このようなｐ側の価電子帯におけるバンド不連続をなくすために、図９のエネルギーバンドダイヤグラムに示すように、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層のＭＱＷ活性層のバリヤ層に接している側のバンドギャップを、上述の場合（図８参照）よりも小さくすること、即ち、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料からなるバリヤ層のバンドギャップよりも小さくすることが考えられる。【００２５】
つまり、ｐ側の価電子帯におけるバンド不連続をなくすために、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層のバリヤ層に接している側の価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖが、例えば図１０に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料からなるバリヤ層の価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖと等しくなるように、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層のバリヤ層に接している側の組成を設定することが考えられる。【００２６】
しかしながら、このようにＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層のバリヤ層に接している側の組成を設定すると、図１０に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料からなるバリヤ層と、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層のバリヤ層に接している側とで、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃの差が大きくなってしまい、図９に示すように、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層とバリヤ層とが接している部分に、電子に対するポテンシャル井戸が形成されてしまうことになる。この結果、このポテンシャル井戸に電子がトラップされてしまうことになり、変調器の高速動作を実現する上で問題となる。【００２７】
このほか、上述のように、異なる材料系からなるＩｎＧａＡｓＰ系ＳＣＨグレイデッド層とＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層とを接続する場合に、その界面に生じるバンド不連続を解消するために、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に、ＭＱＷ活性層と同じＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いることも検討されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。
このように、ＭＱＷ活性層と同様に、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いると、図１１のエネルギーバンドダイヤグラムに示すように、ＭＱＷ活性層のバリヤ層とｐ側ＳＣＨグレイデッド層とは、伝導帯，価電子帯ともにバンド不連続がなく、なめらかに接続されることになる。【００２８】
しかしながら、この場合、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層とｐ型ＩｎＰクラッド層との間の界面を見てみると、図１１に示すように、価電子帯において、ホールに対するエネルギー障壁（ポテンシャル障壁）となるバンド不連続が生じてしまうことが分かる。
したがって、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を用いたとしても、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層とｐ型ＩｎＰクラッド層との間の界面において、ホールのｐ側電極までの高速移動が阻害されてしまい、結果として、変調器の高速動作を実現する上で問題となる。【００２９】
仮に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層のｐ型ＩｎＰクラッド層に接している側のバンドギャップが図１１に示すものよりも大きくなるように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層のｐ型ＩｎＰクラッド層に接している側の組成を選ぶことができれば、価電子帯において、ｐ型ＩｎＰクラッド層との界面に生じるバンド不連続をなくすことも可能であるが、実際には、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の組成をバンドギャップが最も大きくなるようにしたとしても、即ち、ｐ側ＳＣＨグレイデッド層にＡｌＩｎＡｓを用いたとしても、価電子帯の頂上のエネルギー位置Ｅｖは、ｐ型ＩｎＰクラッド層のそれと一致しないため、価電子帯においてバンド不連続を完全になくすことはできない。【００３０】
このように、いずれか一方の材料系からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層を用いて、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるｐ型クラッド層（ｐ型ＩｎＰクラッド層）という２つの材料系からなる層を接続しようとすると、どのようにしても、価電子帯におけるバンド不連続と伝導帯におけるポテンシャル井戸の両方を同時に解消することができない。【００３１】
なお、ここでは、電界吸収型変調器における課題として説明してきたが、上述の電界吸収型変調器と同様の構成を備えるレーザダイオード，受光素子などのアクティブデバイスにおいても同様の課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層とを接続する構成を備える場合であっても、良好な素子特性が得られるようにした、半導体装置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】
【００３２】
このため、本発明の半導体装置は、ＩｎＰ基板と、Ａｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｓ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１）からなる第１半導体層と、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｉｎ１−ｘ２−ｙ２Ａｓ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２≦１）からなるｐ側の第２半導体層と、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓｙ３Ｐ１−ｙ３（０≦ｘ３≦１，０≦ｙ３≦１）からなるｐ側の第３半導体層と、Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓｙ４Ｐ１−ｙ４（０≦ｘ４≦１，０≦ｙ４≦１）からなるｐ側の第４半導体層とを備え、ＩｎＰ基板上に、第１半導体層、第２半導体層、第３半導体層、第４半導体層がこの順に接して設けられている。特に、第１半導体層と第２半導体層とは、その界面において組成が同一になっている。また、第２半導体層は、バンドギャップが第１半導体層の側から第３半導体層の側へ向けて連続的に大きくなるように、その組成が連続的に変化している。さらに、第２半導体層と第３半導体層とは、その界面において価電子帯の頂上のエネルギーレベルが等しくなる又はほぼ等しくなるように組成が設定されている。また、第３半導体層は、バンドギャップが第２半導体層の側から第４半導体層の側へ向けて連続的に大きくなるように、その組成が連続的に変化している。さらに、第３半導体層と第４半導体層とは、その界面において組成が同一になっている。
【００３３】
具体的には、第１半導体層は多重量子井戸活性層を構成するバリヤ層である。この場合、バリヤ層の第２半導体層が設けられている側とは反対側に、多重量子井戸活性層を構成するＡｌx5Ｇａy5Ｉｎ1-x5-y5Ａｓ（０≦ｘ５≦１，０≦ｙ５≦１）からなる井戸層を備える。
また、第１半導体層はバルク活性層であっても良い。【００３４】
さらに、第２半導体層はｐ側第１光ガイド層であり、第３半導体層はｐ側第２光ガイド層であり、第４半導体層はｐ側クラッド層である。
ここで、ｐ側クラッド層がアンドーピングのクラッド層である場合、アンドーピングクラッド層のｐ側第２光ガイド層が設けられている側とは反対側に、Ｉｎx6Ｇａ1-x6Ａｓy6Ｐ1-y6（０≦ｘ６≦１，０≦ｙ６≦１）からなるｐ型クラッド層を備える。【００３５】
また、ｐ側クラッド層はｐ型クラッド層であっても良い。
特に、第２半導体層と第３半導体層とが接する界面において、第２半導体層の組成が、ＩｎＰ基板に格子整合するＡｌＩｎＡｓになるようにすれば良い。
また、第２半導体層は、第３半導体層に接している側の伝導帯の底のエネルギーレベルが第１半導体層に接している側よりも２０〜１００ｍｅＶ高くなるように、第３半導体層に接している側のＡｌ元素の割合を設定しても良い。【００３６】
また、第４半導体層がｐ側ＩｎＰ層である場合、第３半導体層と第４半導体層とが接する界面において、第３半導体層の組成がＩｎＰになるようにすれば良い。
また、第４半導体層上に金属電極を備えていても良い。
本発明の電界吸収型変調器やレーザダイオードは、上述の構成を備えるものとして構成される。
【発明の効果】
【００３７】
したがって、本発明の半導体装置によれば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層とを接続する構成を備える場合であっても、良好な素子特性が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる半導体装置のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる半導体装置のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図５】従来の電界吸収型変調器の構成を示す模式的断面図である。
【図６】従来の電界吸収型変調器のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図７】ＩｎＧａＡｓＰ系の材料及びＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料における伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置ＥｖのバンドギャップＥｇに対する変化を示す図である。
【図８】本発明の課題を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図９】本発明の課題を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１０】ＩｎＧａＡｓＰ系の材料及びＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料における伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置ＥｖのバンドギャップＥｇに対する変化を示す図であって、本発明の課題を説明するための図である。
【図１１】本発明の課題を説明するためのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【符号の説明】
【００３９】
１  ｎ型ＩｎＰ基板
２  ｎ型ＩｎＰクラッド層
３  ＩｎＧａＡｓＰ系ｎ側ＳＣＨグレイデッド層（ｎ側光ガイド層）
４  ＡｌＧａＩｎＡｓ系多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）
５  ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（ｐ側第１光ガイド層）
６  ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（ｐ側第２光ガイド層）
７  ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側クラッド層
８  高抵抗ＩｎＰ埋込層（半絶縁性ＩｎＰ埋込層）
９  ｐ側電極（金属電極）
１０  ｎ側電極（金属電極）
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体装置について、図１，図２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなるＭＱＷ活性層を備える電界吸収型変調器であって、電流狭窄構造として半絶縁性埋込ヘテロ構造（ＳＩ−ＢＨ構造；Semi-Insulating Buried Heterostructure）を採用したものである。【００４１】
つまり、本電界吸収型変調器は、例えば図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２と、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料からなるｎ側ＳＣＨグレイデッド層（ｎ側光ガイド層）３と、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなるアンドーピングの多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）４と、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層（ｐ側第１光ガイド層）５と、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料からなるｐ側ＳＣＨグレイデッド層（ｐ側第２光ガイド層）６と、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料からなるｐ側クラッド層（ここではｐ側ＩｎＰクラッド層）７と、高抵抗ＩｎＰ埋込層（半絶縁性ＩｎＰ埋込層）８と、ｐ側電極（金属電極）９と、ｎ側電極（金属電極）１０とを備えるものとして構成される。【００４２】
このように、本実施形態では、ＭＱＷ活性層４とｐ側クラッド層７との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる第１グレイデッド層５とＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料からなる第２グレイデッド層６とをこの順に積層させた２層構造のＳＣＨ層が設けられている。
なお、ここでは、ｐ側クラッド層７は、ｐ型の導電性を有するｐ型クラッド層としているが、これに限られるものではなく、アンドーピングのクラッド層としても良い。この場合、アンドーピングのクラッド層の直上にｐ型クラッド層を設けることになる。【００４３】
本電界吸収型変調器では、例えば図１に示すように、ＭＱＷ活性層４、ＳＣＨグレイデッド層３，５，６及びクラッド層２，７を含むメサ構造が形成され、その両側に、メサ構造が埋め込まれるように高抵抗ＩｎＰ埋込層８が形成されている。そして、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側にｎ側電極１０が設けられており、ｐ側クラッド層７上にｐ側電極９が設けられている。【００４４】
本実施形態では、ＭＱＷ活性層４は、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎ1-x1-y1Ａｓ（０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１）からなるバリヤ層（第１半導体層）と、Ａｌx5Ｇａy5Ｉｎ1-x5-y5Ａｓ（０≦ｘ５≦１，０≦ｙ５≦１）からなる井戸層とを交互に積層させた構造になっている。
そして、ＭＱＷ活性層４のうち、最もｐ側電極９に近い側のバリヤ層の直上には、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎ1-x2-y2Ａｓ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２≦１）からなるＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５が形成されている。また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層５の直上にＩｎx3Ｇａ1-x3Ａｓy3Ｐ1-y3（０≦ｘ３≦１，０≦ｙ３≦１）からなるＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６が形成されている。さらに、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層６の直上にＩｎx4Ｇａ1-x4Ａｓy4Ｐ1-y4（０≦ｘ４≦１，０≦ｙ４≦１）からなるｐ側クラッド層（第４半導体層）７が形成されている。つまり、ＩｎＰ基板１上に、バリヤ層（第１半導体層）、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６、ｐ側クラッド層（第４半導体層）７がこの順に接して設けられている。【００４５】
なお、ｐ側クラッド層７をアンドーピングのクラッド層とする場合には、このアンドーピングクラッド層の直上にＩｎx6Ｇａ1-x6Ａｓy6Ｐ1-y6（０≦ｘ６≦１，０≦ｙ６≦１）からなるｐ型クラッド層が形成されることになる。
ここで、図２は、本電界吸収型変調器のＭＱＷ活性層からｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までのエネルギーバンドダイヤグラムを示している。【００４６】
まず、図２に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層４のうち、最もｐ側電極９に近い側のバリヤ層（第１半導体層）とＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５とは、これらの層が接する界面において組成が同一になっている。
そして、図２に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５は、バンドギャップがバリヤ層（第１半導体層）の側からＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６の側へ向けて連続的に大きくなるように、その組成が連続的に変化している。【００４７】
例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５のバンドギャップが、バリヤ層（第１半導体層）の側と比較してＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６の側で大きくなるように、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６の側のＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５は、バンドギャップの大きなＡｌＧａＩｎＡｓ層、あるいは、Ｇａを含まないＡｌＩｎＡｓ層になっている。【００４８】
また、図２に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６とは、これらの層が接する界面において価電子帯の頂上のエネルギーレベルＥｖが等しくなるように組成が設定されている。
さらに、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６は、バンドギャップがＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）５の側からｐ側クラッド層（第４半導体層）７の側へ向けて連続的に大きくなるように、その組成が連続的に変化している。【００４９】
そして、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）６とｐ側クラッド層（第４半導体層）７とは、これらの層が接する界面において組成が同一になっている。ここでは、ｐ側クラッド層７をｐ側ＩｎＰクラッド層としているため、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層６とｐ側ＩｎＰクラッド層７とが接する界面において、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（ｐ側第２光ガイド層）６の組成がＩｎＰになっている。【００５０】
このように、本電界吸収型変調器では、ＭＱＷ活性層４からｐ側クラッド層７（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までの間の価電子帯に、ホールに対してエネルギー障壁となるようなバンド不連続が存在しない。このため、本電界吸収型変調器では、ＭＱＷ活性層４において光吸収によって発生したホールがｐ側電極９まで高速に移動することができるようになり、その結果、変調器の高速動作が実現される。【００５１】
一方、伝導帯には、図２に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層５とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層６とが接している部分に、電子に対するポテンシャル井戸が形成される。
しかしながら、この部分とＭＱＷ活性層４を構成するバリヤ層との間には、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層５によるポテンシャル障壁が形成されているため、ＭＱＷ活性層４で発生した電子が、このポテンシャル障壁を乗り越えてポテンシャル井戸まで達して、蓄積することはない。つまり、電子に対する実効的なポテンシャル井戸は形成されない。このため、ＭＱＷ活性層４において光吸収によって発生した電子がｎ側電極まで高速に移動することができるようになり、その結果、変調器の高速動作が実現される。【００５２】
したがって、本実施形態にかかる半導体装置（電界吸収型変調器）によれば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層４とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層７とを接続する構成を備える場合であっても、良好な素子特性が得られるという利点がある。
具体的には、ＭＱＷ活性層４にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることでデバイス性能（例えば消光比や温度特性など）を向上させることができる。つまり、ＭＱＷ活性層４にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることで、井戸層とバリヤ層との間の伝導帯バンドオフセット値ΔＥｃの価電子帯バンドオフセット値ΔＥｖに対する比（バンドオフセット比；ΔＥｃ／ΔＥｖ）が大きく取れるようになり、従来のＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ活性層４を用いた変調器と比較して、変調特性を改善することができ、優れた特性が得られるようになる。【００５３】
また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなるＭＱＷ活性層４とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）７とを接続する場合に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層４からＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）７までの間に価電子帯のバンド不連続や伝導帯の実効的なポテンシャル井戸が存在しないため、ＭＱＷ活性層４において光吸収によって発生したホールや電子というキャリヤが、それぞれ、ｐ側電極９、ｎ側電極１０まで高速に移動することができるようになり、その結果、高速動作や高速応答特性などの性能向上を実現できるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体装置について説明する。【００５４】
本実施形態にかかる半導体装置（電界吸収型変調器）は、上述の第１実施形態の電界吸収型変調器の具体的な構成例であって、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）とが接する界面において、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）の組成が、ＩｎＰに格子整合するＡｌＩｎＡｓになっている点に特徴がある。なお、基本的な構成は、上述の第１実施形態のものと同じである。【００５５】
ここで、以下の表１は、本実施形態にかかる電界吸収型変調器の層構造、各層のバンドギャップ、膜厚、ドーパント、ドーピング濃度を示している。【００５６】
【表１】
0004843672.tif 000002
【００５７】
本電界吸収型変調器は、表１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ系ｎ側ＳＣＨグレイデッド層、ＡｌＧａＩｎＡｓ系アンドープＭＱＷ活性層（第１半導体層）、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）、アンドーピングＩｎＰクラッド層（第４半導体層）、ｐ型ＩｎＰクラッド層（第４半導体層）を、この順に積層した構造になっている。なお、表１では省略しているが、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面側にはｎ側電極（金属電極）が設けられており、ｐ側クラッド層の表面上にはｐ側電極（金属電極）が設けられている。【００５８】
本実施形態では、表１に示すように、ｎ型ＩｎＰクラッド層上に形成されるＩｎＧａＡｓＰ系ｎ側ＳＣＨグレイデッド層は、その膜厚が６０ｎｍであり、アンドーピングとなっている。また、ＩｎＧａＡｓＰ系ｎ側ＳＣＨグレイデッド層の組成は、ｎ型ＩｎＰ基板に接している側でＩｎＰになっており、反対のＭＱＷ活性層に接している側でＭＱＷ活性層を構成するバリヤ層と同じバンドギャップ（１．０３ｅＶ）となる組成（ＩｎＧａＡｓＰ）になっている。【００５９】
ＭＱＷ活性層を構成するバリヤ層は、表１に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなり、バンドギャップが１．０３ｅＶとなる組成（ＡｌＧａＩｎＡｓ）になっている。
ＭＱＷ活性層を構成する井戸層は、表１に示すように、バリヤ層と同じＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなり、その組成は、ＭＱＷ活性層の吸収端波長が１．４９μｍとなるように決められており、バンドギャップとしては０．８３ｅＶ以下の値になっている。ＭＱＷ活性層の吸収端波長をこのように設定しているのは、本変調器を１．５５μｍの入力光に対して用いるためである。【００６０】
本実施形態では、表１に示すように、バリヤ層、井戸層はともに膜厚が７ｎｍであり、井戸層を合計８層にしている。また、ＭＱＷ活性層はアンドーピングである。
ＭＱＷ活性層上には、表１に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層が形成されている。このＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層は、その膜厚が３０ｎｍであり、アンドーピングとなっている。また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の組成は、ＭＱＷ活性層を構成するバリヤ層に接している側でバリヤ層と同じバンドギャップ（１．０３ｅＶ）となる組成（ＡｌＧａＩｎＡｓ）となっており、反対側のＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に接している側でバンドギャップが１．５０ｅＶとなる組成（ＡｌＩｎＡｓ）となっている。【００６１】
ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層上には、表１に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層が形成されている。このＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層は、その膜厚が３０ｎｍであり、アンドーピングとなっている。また、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の組成は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に接している側でバンドギャップが１．２３ｅＶとなる組成（ＩｎＧａＡｓＰ）となっており、反対側のｐ型ＩｎＰクラッド層に接している側でＩｎＰとなっている。【００６２】
ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層上には、表１に示すように、アンドーピングのＩｎＰクラッド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層がこの順に形成されている。これらの層の膜厚は、それぞれ、５０ｎｍ、１．５μｍである。
このような層構造を有する本電界吸収型変調器のＭＱＷ活性層からｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までのエネルギーバンドダイヤグラムは、図３に示すようになる。【００６３】
図３に示すように、本電界吸収型変調器では、ＭＱＷ活性層の最もｐ側のバリヤ層からｐ型ＩｎＰクラッド層までの間の価電子帯に、ホールに対するエネルギー障壁となるようなバンド不連続が存在しないことが分かる。このため、ＭＱＷ活性層において光吸収によって発生したホールがｐ側電極まで高速で移動することができ、ＭＱＷ活性層とｐ型ＩｎＰクラッド層との間に蓄積することがない。【００６４】
一方、伝導帯を見てみると、ＭＱＷ活性層の最もｐ側のバリヤ層とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の間に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層による高さ３１０ｍｅＶのエネルギー障壁が形成されている。このような高さのエネルギー障壁が形成されているため、ＭＱＷ活性層において光吸収によって発生した電子が、このエネルギー障壁を越えて、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層との界面に形成されているポテンシャル井戸に落ち込み、そこに蓄積されることはない。【００６５】
したがって、本実施形態にかかる半導体装置（電界吸収型変調器）によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層とを接続する構成を備える場合であっても、良好な素子特性が得られるという利点がある。
具体的には、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることでデバイス性能（例えば消光比や温度特性など）を向上させることができる。つまり、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることで、井戸層とバリヤ層との間の伝導帯バンドオフセット値ΔＥｃの価電子帯バンドオフセット値ΔＥｖに対する比（バンドオフセット比；ΔＥｃ／ΔＥｖ）が大きく取れるようになり、従来のＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ活性層を用いた変調器と比較して、変調特性を改善することができ、優れた特性が得られるようになる。【００６６】
また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなるＭＱＷ活性層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）とを接続する場合に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層からＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までの間に価電子帯のバンド不連続や伝導帯の実効的なポテンシャル井戸が存在しないため、ＭＱＷ活性層において光吸収によって発生したホールや電子というキャリヤが、それぞれ、ｐ側電極、ｎ側電極まで高速に移動することができるようになり、その結果、高速動作や高速応答特性などの性能向上を実現できるという利点がある。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる半導体装置について説明する。【００６７】
本実施形態にかかる半導体装置（電界吸収型変調器）は、上述の第２実施形態のものに対し、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）及びＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）の膜厚及び組成が異なっている。
ここで、以下の表２は、本実施形態にかかる電界吸収型変調器の層構造、各層のバンドギャップ、膜厚、ドーパント、ドーピング濃度を示している。【００６８】
【表２】
0004843672.tif 000003
【００６９】
本実施形態では、表２に示すように、ＭＱＷ活性層上に形成されたＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の膜厚は２０ｎｍであり、アンドーピングとなっている。また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の組成は、ＭＱＷ活性層を構成するバリヤ層に接している側でバリヤ層と同じバンドギャップ（１．０３ｅＶ）となる組成（ＡｌＧａＩｎＡｓ）となっており、反対側のＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に接している側でバンドギャップが１．１１ｅＶとなる組成（ＡｌＧａＩｎＡｓ）となっている。【００７０】
このように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層は、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に接している側で、Ｇａ元素を含む組成になっており、上述の第２実施形態のもの（ＡｌＩｎＡｓ）と比較して、Ａｌ元素の割合が小さい組成となっている。一般に、Ａｌ元素の割合が大きいＡｌＧａＩｎＡｓ系（ＡｌＩｎＡｓも含む）の半導体材料からなる層を含む構造は、素子作製プロセスが困難であるため、本実施形態のように、比較的Ａｌ元素の割合が小さいＡｌＧａＩｎＡｓを、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に用いることで、容易に素子作製が行なえるという利点がある。【００７１】
一方、このようにＡｌ元素の割合が小さい組成にすると、後述するように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層によるエネルギー障壁の高さが低くなってしまうが、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）は、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）に接している側の伝導帯の底のエネルギーレベルがバリヤ層（第１半導体層）に接している側よりも２０〜１００ｍｅＶ高くなるように、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）に接している側のＡｌ元素の割合を設定すれば良い。【００７２】
このＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層上には、表２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層が形成されている。このＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層は、その膜厚が４０ｎｍであり、アンドーピングとなっている。また、ＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の組成は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層に接している側でバンドギャップが０．９７ｅＶとなる組成（ＩｎＧａＡｓＰ）となっており、反対側のｐ型ＩｎＰクラッド層に接している側でＩｎＰとなっている。【００７３】
なお、その他の層構造は、上述の第２実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
このような層構造を有する本電界吸収型変調器のＭＱＷ活性層からｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までのエネルギーバンドダイヤグラムは、図４に示すようになる。【００７４】
図４に示すように、本電界吸収型変調器では、ＭＱＷ活性層の最もｐ側のバリヤ層からｐ型ＩｎＰクラッド層までの間の価電子帯に、ホールに対するエネルギー障壁となるようなバンド不連続が存在しないことが分かる。このため、ＭＱＷ活性層において光吸収によって発生したホールがｐ側電極まで高速で移動することができ、ＭＱＷ活性層とｐ型ＩｎＰクラッド層との間に蓄積することがない。【００７５】
一方、伝導帯を見てみると、ＭＱＷ活性層の最もｐ側のバリヤ層とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層の間に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層による高さ５３ｍｅＶのエネルギー障壁が形成されている。なお、このエネルギー障壁は、上述の第２実施形態のものと比較して低いが、室温における熱励起ゆらぎｋBＴ（ｋBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）が、２５ｍｅＶであることを考慮すると、電子に対する十分に大きなエネルギー障壁となりうる。【００７６】
このため、ＭＱＷ活性層において光吸収によって発生した電子が、このエネルギー障壁を越えて、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層との界面に形成されているポテンシャル井戸に落ち込み、そこに蓄積されることはない。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置（電界吸収型変調器）によれば、上述の第２実施形態のものと同様に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層とを接続する構成を備える場合であっても、良好な素子特性が得られるという利点がある。【００７７】
具体的には、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることでデバイス性能（例えば消光比や温度特性など）を向上させることができる。つまり、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることで、井戸層とバリヤ層との間の伝導帯バンドオフセット値ΔＥｃの価電子帯バンドオフセット値ΔＥｖに対する比（バンドオフセット比；ΔＥｃ／ΔＥｖ）が大きく取れるようになり、従来のＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ活性層を用いた変調器と比較して、変調特性を改善することができ、優れた特性が得られるようになる。【００７８】
また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなるＭＱＷ活性層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）とを接続する場合に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層からＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までの間に価電子帯のバンド不連続や伝導帯の実効的なポテンシャル井戸が存在しないため、ＭＱＷ活性層において光吸収によって発生したホールや電子というキャリヤが、それぞれ、ｐ側電極、ｎ側電極まで高速に移動することができるようになり、その結果、高速動作や高速応答特性などの性能向上を実現できるという利点がある。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態にかかる半導体装置について説明する。【００７９】
本実施形態では、本発明をレーザダイオードに適用している点で、上述の各実施形態で本発明を電界吸収型変調器に適用しているのと異なる。つまり、本実施形態にかかる半導体装置は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなるＭＱＷ活性層を備えるレーザダイオードであって、電流狭窄構造として半絶縁性埋込ヘテロ構造（ＳＩ−ＢＨ構造；Semi-Insulating Buried Heterostructure）を採用したものである。【００８０】
なお、本レーザダイオードは、基本的に、上述の各実施形態にかかる電界吸収型変調器と同様の構成を備えるものとすれば良い。但し、ＭＱＷ活性層からの発光波長を１．５５μｍとするために、上述の第２、第３実施形態のものよりもバンドギャップが小さくなるような組成（例えばバンドギャップが０．８０ｅＶ以下になるような組成）の井戸層をＭＱＷ活性層に用いている。これにより、レーザダイオードの発振波長を１．５５μｍとすることができる。【００８１】
したがって、本実施形態にかかる半導体装置（レーザダイオード）によれば、上述の各実施形態のものと同様に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる層とを接続する構成を備える場合であっても、良好な素子特性が得られるという利点がある。
具体的には、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることでデバイス性能（例えば温度特性など）を向上させることができる。つまり、ＭＱＷ活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ系の半導体材料を用いることで、井戸層とバリヤ層との間の伝導帯バンドオフセット値ΔＥｃの価電子帯バンドオフセット値ΔＥｖに対する比（バンドオフセット比；ΔＥｃ／ΔＥｖ）が大きく取れるようになり、高温におけるレーザ特性を改善することができ、良好な高温特性が得られるようになる。【００８２】
また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなるＭＱＷ活性層とＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）とを接続する場合に、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層からＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側クラッド層（ここではｐ型ＩｎＰクラッド層）までの間のｐ側の価電子帯にバンド不連続が存在しない。一般に、バンド不連続のある界面においては、ノッチやスパイクなどが形成され、素子抵抗が増大する要因となる。また、一般に、レーザダイオードは、良好な素子特性を得るためには素子抵抗が小さい方が望ましい。したがって、本実施形態のように、バンド不連続が存在しない構造のレーザダイオードは、素子抵抗が小さくなり、良好な素子特性が得られることになる。【００８３】
一方、伝導帯にエネルギー障壁が形成されており、実効的なポテンシャル井戸が存在しないため、ＭＱＷ活性層に注入された電子（キャリヤ）がオーバーフローしてトラップされてしまうのを防止でき、良好な素子特性が得られることになる。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、本発明を電界吸収型変調器やレーザダイオードに適用した場合を例に説明しているが、これに限られるものではない。【００８４】
本発明は、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置ＥｖのバンドギャップＥｇに対する変化が異なるＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料（ＩｎＰを含む）からなる層を接続する場合に、これらの層の間にＡｌＧａＩｎＡｓ系のグレイデッド層とＩｎＧａＡｓＰ系のグレイデッド層をこの順番で挿入し、これらの層の組成を適切に設定することで、２つの材料系からなる層を、価電子帯のバンド不連続や伝導帯における電子に対する実効的なポテンシャル井戸が存在しない状態で接続するというものである。【００８５】
このため、本発明は、伝導帯の底のエネルギー位置Ｅｃ及び価電子帯の頂上のエネルギー位置ＥｖのバンドギャップＥｇに対する変化が異なるＡｌＧａＩｎＡｓ系材料からなる層とＩｎＧａＡｓＰ系材料（ＩｎＰを含む）からなる層を接続する構成を備える半導体装置に広く適用することができる。例えば、本発明は受光素子などの他の素子に適用することもできる。【００８６】
したがって、ＭＱＷ活性層に用いられるＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の組成やｐ側クラッド層に用いられるＩｎＧａＡｓＰ系材料の組成は、上述の各実施形態のものに限定されるものではない。
また、これらの層を接続するＡｌＧａＩｎＡｓ系及びＩｎＧａＡｓＰ系の両材料系のグレイデッド層についても、その組成、膜厚、ドーピング濃度などは、上述の各実施形態のものに限定されるものではない。【００８７】
さらに、上述の各実施形態では、ｐ側の価電子帯のバンド不連続を完全になくすように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）とが、これらの層が接する界面において価電子帯の頂上のエネルギーレベルがほぼ等しくなるように組成が設定されているが、これに限られるものではない。【００８８】
例えば、価電子帯のバンド不連続が多少残存していても（例えば数ｍｅＶ程度のバンドオフセットが生じていても）、本発明と同等の効果を得ることができるため、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第２半導体層）とＩｎＧａＡｓＰ系ｐ側ＳＣＨグレイデッド層（第３半導体層）とが、これらの層が接する界面において価電子帯の頂上のエネルギーレベルがほぼ等しくなるように組成を設定しても良い。【００８９】
また、上述の各実施形態では、本発明を、ＡｌＧａＩｎＡｓ系ＭＱＷ活性層を有する半導体装置に適用する場合を例に説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ系のバルク活性層（第１半導体層）を有する半導体装置に適用することもできる。
また、上述の各実施形態では、本発明を、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成された半導体装置に適用した場合を例に説明しているが、これに限られるものではなく、本発明はｐ型ＩｎＰ基板上に形成された半導体装置に適用することもできる。【００９０】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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