(57)【要約】【課題】キャリア（電子、ホール）のオーバーフローとｐ型ドーパント拡散による電流ブロック劣化を同時に抑制し、優れた素子特性を有する高性能な埋め込み型半導体光素子を実現する。【解決手段】第１の導電型をもつInP基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層からなる活性領域、第２の導電型を有するクラッド層からなる積層体がメサストライプ状に加工されており、該メサストライプの両側の側壁に接して半導体結晶が埋め込まれた埋め込み型半導体光素子において、少なくともメサの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目がAlPとAlSbの半導体結晶を含むことを特徴とする半導体光素子とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型をもつInP基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層からなる活性領域、第２の導電型を有するクラッド層からなる積層体がメサストライプ状に加工されており、該メサストライプの両側の側壁に接して半導体結晶が埋め込まれた埋め込み型半導体光素子において、
少なくとも該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目がAlPとAlSbの半導体結晶を含むことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記請求項１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶がAlPSb単層膜あるであることを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】
前記請求項１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶がAlP/AlSb多層膜であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
前記請求項１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶がAlP/InP/AlSb/InP多層膜であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項５】
前記請求項１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶にチタン（元素記号：Ti）がドーピングされていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項６】
前記請求項１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶上に積層される第２層目の半導体結晶が半絶縁性InP半導体結晶であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項７】
前記請求項６において、第２層目の半導体結晶である半絶縁性InP半導体結晶を半絶縁化するドーパントがルテニウム（元素記号：Ru）あるいは、鉄（元素記号：Fe）であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項８】
第１の導電型をもつInP基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層からなる活性領域、第２の導電性を有するクラッド層を積層成長する工程と、該積層した成長層をメサストライプ状に加工する工程と、該メサストライプの両側の側壁に接して半導体結晶を埋め込む工程において、
該メサストライプの側壁に接する第１層目のチタンをドーピングしたAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶を成長する工程と、第２層目の半絶縁性InP半導体結晶を成長する工程を含むことを特徴とする半導体光素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性領域の両側を半絶縁性結晶で埋め込んだ埋め込み型半導体光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半絶縁性結晶を埋め込み層とする高抵抗埋め込み構造を半導体レーザなどの半導体光素子に用いると、ｐｎ埋め込み構造を用いた場合より素子容量が小さく、高速変調が可能となることから、活性領域の両側を高抵抗の半絶縁性結晶で埋め込んだ、埋め込み型半導体光素子は大容量光伝送システムに不可欠な光源となっている。
【０００３】
一方、活性層にＡｌ（アルミニウム）を含む半導体結晶からなる量子井戸構造を用いた半導体レーザは、量子井戸層のバンドエネルギーの深さに相当するΔＥｃ（伝導帯バンドエネルギーの不連続量）が大きいため、高い温度においても、キャリアの注入効率の低下が小さく、高温でも良好なレーザ特性が維持できる特徴がある。
【０００４】
したがって、Ａｌを含む半導体結晶の量子井戸構造からなる活性層を高抵抗埋め込み層で埋込んだ半導体レーザは、高温でも優れた素子特性が実現できる。
【０００５】
また近年、半導体レーザは、低価格化の市場要求が強いため、半導体レーザの温度上昇を防ぐためのペルチェ素子を削減することが必須となっており、高い温度でも十分な特性が実現できるＡｌ系活性層の高抵抗埋込み構造レーザは、ペルチェ無し動作による低価格化が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５２０６３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、Ａｌ系活性層を高抵抗埋込み層で埋込む構造には、以下のような課題があった。
【０００８】
Ａｌ系活性層の構造は、量子井戸構造の上下層であるｐ層側、ｎ層側の両方、あるいはｐ層側のみにキャリアストップ層（carrier stop:ＣＳ層）と呼ばれる注入キャリアのオーバーフローを抑制する層が配置される。このＣＳ層には、通常バンドギャップの大きいＩｎＡｌＡｓ（インジウムアルミニウム砒素）層が用いられる。このＣＳ層により、高温においても、注入キャリア（電子）が活性層から上下層にオーバーフロー（溢れ出し）することが抑制され、優れた高温度特性が維持できる。
【０００９】
しかしながら、高抵抗埋込み構造を用いたレーザの場合、活性層から上下層へのキャリアのオーバーフローはＣＳ層により抑制できるものの、メサ構造をなす活性層の両脇の高抵抗埋込み層には、通常ＩｎＰ結晶を用いており、ＩｎＰ層はＩｎＡｌＡｓ層より伝導帯バンドのエネルギーレベルが低いため、活性層のメサ構造の両脇の側壁からＩｎＰ層側にキャリアが漏れだし、活性層へのキャリアの注入効率が低下するため、素子特性が劣化する問題があった。
【００１０】
したがって、キャリア（電子、ホール）のオーバーフローが抑制でき十分な素子特性が得られる高抵抗埋め込み層が必要とされていた。
【００１１】
また、さらに第２の課題として、上述のようなキャリアのオーバーフローのみならず、メサ構造積層体の第２の導電型（通常はｐ型）を有するクラッド層から、ｐ型ドーパント（ホール）であるＺｎ（亜鉛）が埋め込み層に拡散し、電流ブロック特性を劣化させるという問題もあった。
【００１２】
従来は、特許文献１にあるように、ＩｎＧａＰ（インジウムガリウム燐）とＡｌＡｓＳｂ（アルミニウム砒素アンチモン）をメサ脇に積層することにより、ＩｎＧａＰでホールオーバーフローの抑制、ＡｌＡｓＳｂで電子オーバーフローを抑制する方法が先行技術としてあった。
【００１３】
しかしながら、ＡｌＡｓＳｂは、Ｖ族元素にＡｓ（砒素）を含有しているため、ＩｎＧａＰ層との界面、ＩｎＰ埋め込み層との界面には、Ｖ族元素の急峻な切り替えが難しいＡｓ／Ｐの界面が形成され、そのため、界面における膜組成変調、膜質劣化が発生しやすくなり、長期の高信頼性を劣化させる要因となる。
【００１４】
一般的にＳｂ（アンチモン）を含む半導体結晶の高品質化は難しいため、品質劣化要因となるＡｓ／Ｐ界面が存在しないことは必須である。また、酸化しやすいＡｌを含む活性層を埋め込む場合には、ＩｎＧａＰ膜ではなく、酸素のゲッタリング効果を有するＡｌを含む埋め込み層をメサ脇に直接成長する方が、信頼性向上には有効である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するための本発明における半導体光素子では、第１の面方位をもつＩｎＰ基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層からなる活性領域、第２の導電性を有するクラッド層からなる積層体がメサストライプ状に加工されており、そのメサストライプの両側を半絶縁性半導体結晶で埋め込まれた構造で、少なくともメサストライプの側壁に接する第１層目の半導体結晶からなる埋め込み層がＡｌＰ（アルミニウム燐）とＡｌＳｂ（アルミニウムアンチモン）の半導体結晶を含む半導体結晶とすることにより、電子のオーバーフローが抑制でき、同時にＴｉ（チタン）をドーピングすることにより、オーバーフローしたホールをトラップし、かつ埋め込み層に拡散してきたｐ型ドーパントによるホールも同時にトラップすることで、電流ブロック特性を劣化させないようにできる。
【００１６】
ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＰＳｂ（アルミニウム燐アンチモン）の伝導帯のエネルギーレベルは、一般的に用いられているＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰよりも高いため、キャリア（電子）のオーバーフローの抑制効果が期待できる。ＡｌＰ、ＡｌＳｂの伝導体のエネルギーレベルは、ＡｌＰＳｂより高いため、電子オーバーフローの抑制効果がより期待できる。また、ＡｌＰＳｂ混晶は、基板のＩｎＰに対して、格子整合が可能であるため、歪による結晶性劣化の問題がない。
【００１７】
また、ＡｌＰ／ＡｌＳｂ多層構造は歪補償構造を形成することが可能である。さらにＡｌＰ／ＩｎＰ／ＡｌＳｂ／ＩｎＰの多層構造を用いることで、ＡｌＳｂ層、ＡｌＰ層をＩｎＰ層で挟みこみ、結晶品質を劣化させないようにできる。
【００１８】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１９】
（発明の構成１）
第１の導電型をもつInP基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層からなる活性領域、第２の導電型を有するクラッド層からなる積層体がメサストライプ状に加工されており、該メサストライプの両側の側壁に接して半導体結晶が埋め込まれた埋め込み型半導体光素子において、
少なくとも該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目がAlPとAlSbの半導体結晶を含むことを特徴とする半導体光素子。
【００２０】
（発明の構成２）
前記発明の構成１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶がAlPSb単層膜あるであることを特徴とする半導体光素子。
【００２１】
（発明の構成３）
前記発明の構成１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶がAlP/AlSb多層膜であることを特徴とする半導体光素子。
【００２２】
（発明の構成４）
前記発明の構成１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶がAlP/InP/AlSb/InP多層膜であることを特徴とする半導体光素子。
【００２３】
（発明の構成５）
前記発明の構成１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶にチタン（元素記号：Ti）がドーピングされていることを特徴とする半導体光素子。
【００２４】
（発明の構成６）
前記発明の構成１において、該メサストライプの側壁に接する該半導体結晶からなる埋め込み層の第１層目のAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶上に積層される第２層目の半導体結晶が半絶縁性InP半導体結晶であることを特徴とする半導体光素子。
【００２５】
（発明の構成７）
前記発明の構成６において、第２層目の半導体結晶である半絶縁性InP半導体結晶を半絶縁化するドーパントがルテニウム（元素記号：Ru）あるいは、鉄（元素記号：Fe）であることを特徴とする半導体光素子。
【００２６】
（発明の構成８）
第１の導電型をもつInP基板上に、少なくとも第１の導電型のクラッド層、活性層からなる活性領域、第２の導電性を有するクラッド層を積層成長する工程と、該積層した成長層をメサストライプ状に加工する工程と、該メサストライプの両側の側壁に接して半導体結晶を埋め込む工程において、
該メサストライプの側壁に接する第１層目のチタンをドーピングしたAlPとAlSbの半導体結晶を含む半導体結晶を成長する工程と、第２層目の半絶縁性InP半導体結晶を成長する工程を含むことを特徴とする半導体光素子の作製方法。
【発明の効果】
【００２７】
以上記載したように、従来の技術では、Ａｌを含む半導体結晶の量子井戸構造からなる活性層を高抵抗埋め込み層で埋込む場合、キャリアのオーバーフローを抑制するため、メサ脇の障壁層には、InGaP/AlAsSb層、InAlAs結晶、InAlGaAs結晶またはInGaAsP結晶が用いられていた。
【００２８】
これに対し本発明によれば、メサの側壁に接する第1層目の埋め込み層にチタンをドーピングしたAlPとAlSbの半導体混晶を含む半導体結晶を用いることで、キャリアのオーバーフローをより効果的に抑制し、かつｐ型ドーパントの拡散による電流ブロック機能劣化を抑制することができ、優れた素子特性、高信頼性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（a）〜（c）は本発明の実施例１の半導体素子の製造工程順の断面図である。
【図２】（a）〜（c）は本発明の実施例２の半導体素子の製造工程順の断面図である。
【図３】（a）〜（c）は本発明の実施例３の半導体素子の製造工程順の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
以下に直接変調レーザに適用した場合の実施例で説明する。
【００３１】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例の半導体素子の構造を示す製造工程順の断面図である。これは、MQWを活性層にした半導体レーザの断面図である。
【００３２】
図１（ａ）にあるように、面方位(100)のｎ型InP基板（1）上に、ｎ型InPクラッド層（2）、ｎ型InAlGaAsクラッド層（3）、ｎ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層（4）、ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層（5、SCH：Separated Confinement Heterostructure、分離閉じ込めヘテロ構造）、ノンドープInAlGaAs/InAlGaAs歪 MQW（Multiple Quantum Well、多重量子井戸）活性層（6）、ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層（7）、ｐ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層（8）、ｐ型InPクラッド層（9）、ｐ型インジウムガリウム砒素燐（InGaAsP）コンタクト層(10)の順に積層した。
【００３３】
ここで、活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、InP基板に格子整合する組成である。
【００３４】
次に図１（ｂ）に示すように、SiO2(11)をマスクとしてRIE（反応性イオンエッチング）により、幅2μmで高さ3μm程度のメサストライプを形成した。
【００３５】
次に図１（ｃ）に示すように、メサストライプの両側に、半絶縁性半導体結晶で埋め込んだ。半絶縁性埋込み層は、メサストライプの両側の側壁に接して基板面にかけて、Ti（チタン）をドープしたAlPSb（12）の単層膜を成長し、その上にRu（ルテニウム）でドープされたRuドープInP埋込み層（13）を成長した。
【００３６】
Tiは、オーバーフローしたキャリアであるホールと、埋め込み層に拡散してきたｐ型ドーパントのZnにより発生するホールの双方を効率的にトラップする役割をし、Ruは、さらに漏れ出したホールと電子の両方をトラップすることができる。
【００３７】
RuはZnとの相互拡散を発生させないため、Znの異常拡散を抑制することもできる。
【００３８】
以上の埋め込み層構造を用いることで、極めて優れた電流ブロック特性を有する埋め込み型半導体光素子を実現できる。
【００３９】
上記のようにホールは基本Tiでトラップされるので、InP埋込み層（13）には、Ru（ルテニウム）に替えて電子のみをトラップできるFe（鉄）をドーパントとして用いることも可能である。
【００４０】
チップ化し作製した半導体レーザの小信号変調特性は、3dB帯域は、85℃で約10GHzであった。発振しきい値は、約16.5mA＠85℃で、光出力効率は、約22％＠85℃であった。したがって、優れた変調特性、光出力特性が得られた。
【００４１】
（実施例２）
図２は本発明の第２の実施例の半導体素子の構造を示す製造工程順の断面図である。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、面方位(100)のｎ型InP基板（101）上に、ｎ型InPクラッド層（102）、ｎ型InAlGaAsクラッド層（103）、ｎ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層（104）、ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層（105）、ノンドープInAlGaAs/InAlGaAs歪 MQW（多重量子井戸）活性層（106）、ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層（107）、ｐ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層（108）、ｐ型InPクラッド層（109）、ｐ型インジウムガリウム砒素燐（InGaAsP）コンタクト層(110)の順に積層した。
【００４３】
ここで、活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、InP基板に格子整合する組成である。
【００４４】
次に図２（ｂ）に示すように、SiO2(111)をマスクとしてRIE（反応性イオンエッチング）により、幅2μmで高さ3μm程度のメサストライプを形成した。
【００４５】
次に図２（ｃ）に示すように、メサストライプの両側は、半絶縁性半導体結晶で埋め込んだ。本実施例２においては、半絶縁性埋込み層は、メサストライプの両側の側壁に接して基板面にかけて、TiをドープしたAlP/AlSb多層構造（112）を成長し、その上にRuドープInP埋込み層（113）を成長した。
【００４６】
実施例１と同様に、InP埋込み層（113）には、Ru（ルテニウム）に替えてFe（鉄）をドーパントとして用いることも可能である。
【００４７】
AlP/AlSb多層構造（112）は、InPに対して歪補償した層構造とした。
【００４８】
これは、AlP、AlSbは単層の場合InPに対して格子整合せず、歪を有するため、結晶品質が低下する場合があるが、歪みを打ち消しあう歪み補償構造とすることで、より高品質な結晶を成長することができるからである。
【００４９】
チップ化し作製した半導体レーザの発振しきい値は、85℃で約16mA、光出力効率は、85℃で約23％であった。したがって、優れたな変調特性、光出力特性が得られた。
以上の実施例では、半導体レーザ単体について述べたが、半導体レーザに光変調器を集積した集積素子に有効であることは言うまでもない。
【００５０】
（実施例３）
図３は本発明の第３の実施例の半導体素子の構造を示す製造工程順の断面図である。
【００５１】
図３（ａ）に示すように、面方位(100)のｎ型InP基板（201）上に、ｎ型InPクラッド層（202）、ｎ型InAlGaAsクラッド層（203）、ｎ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層（204）、ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層（205）、ノンドープInAlGaAs/InAlGaAs歪 MQW（多重量子井戸）活性層（206）、ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層（207）、ｐ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層（208）、ｐ型InPクラッド層（209）、ｐ型インジウムガリウム砒素燐（InGaAsP）コンタクト層(210)の順に積層した。
【００５２】
ここで、活性層以外の化合物半導体は特に断らない限り、InP基板に格子整合する組成である。
【００５３】
次に図３（ｂ）に示すように、SiO2(211)をマスクとしてRIE（反応性イオンエッチング）により、幅2μmで高さ3μm程度のメサストライプを形成した。
【００５４】
次に図３（ｃ）に示すように、メサストライプの両側は、半絶縁性半導体結晶で埋め込んだ。本実施例３においては、半絶縁性埋込み層は、メサストライプの両側の側壁に接して基板面にかけて、TiをドープしたAlP/InP/AlSb/InP多層構造（212）を成長し、その上にRuドープInP埋込み層（213）を成長した。
【００５５】
実施例１、２と同様に、InP埋込み層（213）には、Ru（ルテニウム）に替えて電子のみをトラップするFe（鉄）をドーパントとして用いることも可能である。
【００５６】
本実施例３においては、InPに対して歪補償構造となるAlP/AlSb多層構造のAlP層とAlSb層の間にInP層を挿入したAlP/InP/AlSb/InP多層構造とした点を特徴とする。
【００５７】
チップ化し作製した半導体レーザの発振しきい値は、85℃で約16mA、光出力効率は、85℃で約24％であった。したがって、優れたな変調特性、光出力特性が得られた。
【００５８】
以上の実施例では、半導体レーザ単体について述べたが、半導体レーザに光変調器を集積した集積素子にも有効な構造であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上の実施例で詳細に説明したように、本発明によれば、Alを含む半導体結晶の量子井戸構造からなる活性層を高抵抗埋め込み層で埋込む場合、埋込み層にInP結晶より伝導帯バンドのエネルギーレベルが高く、ｐ型ドーパントを補償するドーパントがドープされている半導体結晶、具体的にはTi（チタン）をドーピングしたAlPSbあるいは、AlP/AlSb多層構造、AlP/InP/AlSb/InP多層構造を用いることによって、キャリア（電子、ホール）のオーバーフローとｐ型ドーパント拡散による電流ブロック劣化を同時に抑制し、優れた素子特性を得ることができる。
【００６０】
そのため、高性能な埋め込み型半導体光素子が得られるという顕著な効果を奏する。
【符号の説明】
【００６１】
１，１０１，２０１    ｎ型ＩｎＰ基板
２，１０２，２０２    ｎ型ＩｎＰクラッド層
３，１０３，２０３    ｎ型InAlGaAsクラッド層
４，１０４，２０４    ｎ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層
５，１０５，２０５    ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層
６，１０６，２０６    ノンドープInAlGaAs/InAlGaAs歪 MQW（多重量子井戸）活性層
７，１０７，２０７    ノンドープInAlGaAsＳＣＨ層
８，１０８，２０８    ｐ型InAlAsキャリアストップ（ＣＳ）層
９，１０９，２０９    ｐ型InPクラッド層
１０，１１０，２１０  ｐ型InGaAsPコンタクト層
１１，１１１，２１１  SiO2マスク
１２，１１２，２１２  TiドープのAlPSb、AlP/AlSb多層構造、あるいはAlP/InP/AlSb/InP多層構造
１３，１１３，２１３  Ruドープ半絶縁性InP埋込み層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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