JP2016031970A - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速動作と高出力化を両立することができる光半導体装置を得る。
【解決手段】メサストライプ構造2は、順に積層されたn型InPクラッド層3、活性層4、及びp型InPクラッド層5を有する。埋込層7がメサストライプ構造2の両側に埋め込まれている。活性層4は、井戸層と、炭素が添加されたバリア層とを有する多重量子井戸構造である。埋込層7は、順に積層されたp型InP層10と、FeドープInP層11とを有する。n型InPクラッド層3の側面は、p型InP層10で覆われてFeドープInP層11に接していない。活性層4の側面は、p型InP層10に接していない。
【選択図】図1
【解決手段】メサストライプ構造2は、順に積層されたn型InPクラッド層3、活性層4、及びp型InPクラッド層5を有する。埋込層7がメサストライプ構造2の両側に埋め込まれている。活性層4は、井戸層と、炭素が添加されたバリア層とを有する多重量子井戸構造である。埋込層7は、順に積層されたp型InP層10と、FeドープInP層11とを有する。n型InPクラッド層3の側面は、p型InP層10で覆われてFeドープInP層11に接していない。活性層4の側面は、p型InP層10に接していない。
【選択図】図1
Description
本発明は、高速動作と高出力化を両立することができる光半導体装置に関する。
近年、光通信の高速化が著しく、光半導体装置の高速動作が必要な用途が増えてきている。また、低コストで高速動作を実現するため、高温でも使用可能な分布帰還型半導体レーザを直接高速変調する直接変調型の半導体レーザが求められている。この直接変調型のレーザでは、高速動作のために素子容量を小さくし、かつ高温でも十分な光出力が得られることが必要である。そこで、埋込層にp型半導体層と高抵抗半導体層を用いた構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、高出力化には、レーザの発光領域である活性層及びその周辺における光やキャリアの損失を低減することが有効である。また、高速動作には緩和振動周波数の増大が有効である。そこで、多重量子井戸構造のバリア層にp型ドーパントを添加する変調ドープ構造を用いた素子が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
高い緩和振動周波数を得るために、拡散速度が極めて小さいp型である炭素を活性層のバリア層に添加した変調ドープ構造を用いることが有効である。一方、高速動作のための低容量・低リーク電流を実現するには、埋込層にp型半導体層と高抵抗半導体層を用いる必要がある。これらを組み合わせた場合、p型半導体層から活性層へp型ドーパントが拡散することで、変調ドープ構造が崩れてしまうと共に、光の損失が増えてしまう。従って、高速動作と高出力化を両立することが難しい。なお、p型半導体層が活性層に接しない構造も提案されている(例えば、特許文献3参照)。しかし、この構造ではn型再成長界面ホモ接合化層とn型電流ブロック層が接しており、電子のリーク電流が大きくなり、十分な特性が得られない。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高速動作と高出力化を両立することができる光半導体装置を得るものである。
本発明に係る光半導体装置は、順に積層されたn型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層を有するメサストライプ構造と、前記メサストライプ構造の両側に埋め込まれた埋込層とを備え、前記活性層は、井戸層と、炭素が添加されたバリア層とを有する多重量子井戸構造であり、前記埋込層は、順に積層されたp型半導体層と、Fe又はRuドープの高抵抗半導体層とを有し、前記n型クラッド層の側面は、前記p型半導体層で覆われて前記高抵抗半導体層に接しておらず、前記活性層の側面は、前記p型半導体層に接していないことを特徴とする。
本発明では、n型クラッド層の側面がp型半導体層で覆われて高抵抗半導体層に接していない。これにより、高抵抗半導体層のフェルミレベルを十分に高く維持できるため、活性層から高抵抗半導体層への電子リークが増加しない。また、活性層の側面がp型半導体層に接していない。これにより、p型ドーパントの活性層への拡散が抑制できるため、高出力と共に高速変調動作に必要な低容量と高い緩和振動周波数を実現することができる。よって、高速動作と高出力化を両立することができる。
本発明の実施の形態に係る光半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。n型半導体基板1上にメサストライプ構造2が設けられている。メサストライプ構造2は、順に積層されたn型InPクラッド層3(厚さ100〜2000nm、キャリア濃度0.1〜1x1018cm−3)、活性層4、及びp型InPクラッド層5(厚さ50〜400nm、キャリア濃度0.5〜3x1018cm−3)を有する。n型InPクラッド層3中に回折格子6が設けられている。従って、この光半導体装置は、回折格子6を有する分布帰還型半導体レーザである。
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。n型半導体基板1上にメサストライプ構造2が設けられている。メサストライプ構造2は、順に積層されたn型InPクラッド層3(厚さ100〜2000nm、キャリア濃度0.1〜1x1018cm−3)、活性層4、及びp型InPクラッド層5(厚さ50〜400nm、キャリア濃度0.5〜3x1018cm−3)を有する。n型InPクラッド層3中に回折格子6が設けられている。従って、この光半導体装置は、回折格子6を有する分布帰還型半導体レーザである。
埋込層7がメサストライプ構造2の両側に埋め込まれている。メサストライプ構造2と埋込層7の上に、p型InPコンタクト層8(厚さ100〜3000nm、キャリア濃度1〜10x1018cm−3)とp型InGaAsコンタクト層9(厚さ100〜3000nm、キャリア濃度1〜10x1018cm−3)が順に積層されている。なお、p型InGaAsコンタクト層9の代わりにp型InGaAsP層を形成してもよい。
活性層4はAl元素を含むIII−V化合物半導体(例えばAlGaInAs)からなり、井戸層と、炭素が添加されたバリア層とを有する多重量子井戸構造である。埋込層7は、順に積層されたp型InP層10(厚さ50〜600nm、キャリア濃度0.1〜1x1018cm−3)と、FeドープInP層11(厚さ1000〜4000nm、キャリア濃度0.01〜9x1018cm−3)と、n型InP層12(厚さ50〜1000nm、キャリア濃度1〜10x1018cm−3)とを有する。n型InPクラッド層3の側面は、p型InP層10で覆われてFeドープInP層11に接していない。活性層4の側面はp型InP層10に接していない。
続いて、本実施の形態の製造方法を説明する。図2〜5は本発明の実施の形態1に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図である。
まず、図2に示すように、面方位(100)のn型半導体基板1上にn型InPクラッド層3、活性層4、及びp型InPクラッド層5を順に積層する。n型InPクラッド層3の内部の回折格子6には、必要な発振波長となるように回折格子のグレーティングを干渉露光や電子ビーム露光等を用いて形成する。
次に、図3に示すように、この積層構造の一部をSiO2等の絶縁膜マスク13で覆う。次に、図4に示すように、絶縁膜マスク13で覆われていない部分をドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより2〜5μm程度の深さでエッチングしてメサストライプ構造2を形成する。
次に、図5に示すように、メサストライプ構造2の両側に、埋込層7としてp型InP層10、FeドープInP層11、及びn型InP層12を順に積層する。ここで、Al元素を含むIII−V化合物半導体を用いた活性層4の場合、活性層4の側面に酸化層ができることにより、活性層4の側面にp型InP層10が成長しない。このため、通常の製造工程では、成長槽内にHClを添加して、この酸化層を除去してから埋込層を成長させる。しかし、本実施の形態ではこのHCl添加による酸化層除去を行わずにp型InP層10を成長させる。これにより、p型InP層10は活性層4の側面に接触しない構造となる。次に、HCl添加により酸化層を除去した後、FeドープInP層11とn型InP層12を成長させる。
次に、絶縁膜マスク13を除去し、図1に示すように、p型InPコンタクト層8とp型InGaAsコンタクト層9を成長させる。その後、電流を注入するレーザ部のコンタクト層上に電極を形成し、n型半導体基板1を適切な厚さに研削し、その裏面に電極を形成する。結晶のへき開面を利用して光学端面を形成し、端面に反射率を制御するためのコーティングを施す。装置間を切り離することで光半導体装置が完成する。
本実施の形態の効果を比較例と比較しながら説明する。図6は比較例に係る半導体装置を示す断面図である。比較例では活性層4の側面がp型InP層10に接しているため、p型InP層10から活性層4へp型ドーパントであるZnが拡散することで、変調ドープ構造が崩れてしまうと共に、光の損失が増えてしまう。一方、本実施の形態では活性層4の側面がp型InP層10に接していない。これにより、p型ドーパントの活性層4への拡散が抑制できるため、高出力と共に高速変調動作に必要な低容量と高い緩和振動周波数を実現することができる。
また、本実施の形態では、n型InPクラッド層3の側面がp型InP層10で覆われてFeドープInP層11に接していない。これにより、FeドープInP層11のフェルミレベルを十分に高く維持できるため、活性層4からFeドープInP層11への電子リークが増加しない。よって、本実施の形態では高速動作と高出力化を両立することができる。
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。活性層4の側面が、n型InPクラッド層3及びp型InPクラッド層5の側面に対して埋込層7側に突き出ている。その他の構造及び効果は実施の形態と同様である。
図7は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置を示す断面図である。活性層4の側面が、n型InPクラッド層3及びp型InPクラッド層5の側面に対して埋込層7側に突き出ている。その他の構造及び効果は実施の形態と同様である。
続いて、本実施の形態の製造方法を説明する。まず、実施の形態1と同様に、面方位(100)のn型半導体基板1上にn型InPクラッド層3、活性層4、及びp型InPクラッド層5を積層し、メサストライプ構造2を形成する。次に、メサストライプ構造2のn型InPクラッド層3とp型InPクラッド層5の側面を薬液処理や成長槽内でのHClエッチングなどにより、50〜200nm程度エッチングし、活性層4が突き出た構造とする。次に、メサストライプ構造2の両側に、埋込層7としてp型InP層10、FeドープInP層11、及びn型InP層12を順に積層する。この時、p型InP層10の厚さが100〜500nm程度であれば、実施の形態1のような活性層4の側面の酸化膜が無くても、活性層4の段差により活性層4の側面へのp型InP層10の成長が抑制される。これにより、p型InP層10は活性層4の側面に接触しない構造となる。その後の工程は実施の形態1と同様である。
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。活性層4の幅が、n型InPクラッド層3及びp型InPクラッド層5の幅よりも狭い。その他の構造及び効果は実施の形態と同様である。
図8は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。活性層4の幅が、n型InPクラッド層3及びp型InPクラッド層5の幅よりも狭い。その他の構造及び効果は実施の形態と同様である。
続いて、本実施の形態の製造方法を説明する。まず、実施の形態1と同様に、面方位(100)のn型半導体基板1上にn型InPクラッド層3、活性層4、及びp型InPクラッド層5を積層し、メサストライプ構造2を形成する。次に、メサストライプ構造2の活性層4の側面を薬液処理などにより50〜200nm程度エッチングする。次に、メサストライプ構造2の両側に、埋込層7としてp型InP層10、FeドープInP層11、及びn型InP層12を順に積層する。この時、p型InP層10の厚さが100〜500nm程度であれば、実施の形態1のような活性層4の側面の酸化膜が無くても、活性層4の段差により活性層4の側面へのp型InP層10の成長が抑制される。これにより、p型InP層10は活性層4の側面に接触しない構造となる。その後の工程は実施の形態1と同様である。
実施の形態4.
図9は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態1との違いは、1x1017cm−3未満のp型のキャリア濃度を持つ低キャリア濃度InP層14が、p型InP層10、及び活性層4の側面に設けられることである。この低キャリア濃度InP層14は1x1017cm−3未満のp型の低キャリア濃度InP層である。このため、低キャリア濃度InP層14内のp型ドーパントであるZnの活性層4への拡散がほとんどない。従って、変調ドープ構造を崩すことがなく、光の損失などへの影響を抑制することができる。特に多重量子井戸構造のバリア層のバンドギャップが広く、多重量子井戸部から電子が埋込層側にオーバーフローする場合にはこれを抑制することができる。その他の構造及び効果は実施の形態1と同様である。
図9は、本発明の実施の形態4に係る半導体装置を示す断面図である。実施の形態1との違いは、1x1017cm−3未満のp型のキャリア濃度を持つ低キャリア濃度InP層14が、p型InP層10、及び活性層4の側面に設けられることである。この低キャリア濃度InP層14は1x1017cm−3未満のp型の低キャリア濃度InP層である。このため、低キャリア濃度InP層14内のp型ドーパントであるZnの活性層4への拡散がほとんどない。従って、変調ドープ構造を崩すことがなく、光の損失などへの影響を抑制することができる。特に多重量子井戸構造のバリア層のバンドギャップが広く、多重量子井戸部から電子が埋込層側にオーバーフローする場合にはこれを抑制することができる。その他の構造及び効果は実施の形態1と同様である。
続いて、本実施の形態の製造方法を説明する。まず、実施の形態1と同様に、面方位(100)のn型半導体基板1上にn型InPクラッド層3、活性層4、及びp型InPクラッド層5を積層してメサストライプ構造2を形成した後、メサストライプ構造2の両側に埋込層7としてp型InP層10を成長する。ここで、Al元素を含むIII−V化合物半導体を用いた活性層4の場合、活性層4の側面に酸化層ができることにより、活性層4の側面にp型InP層10が成長しない。このため、通常の製造工程では、成長槽内にHClを添加して、この酸化層を除去してから埋込層を成長させる。しかし、本実施の形態ではこのHCl添加による酸化層除去を行わずにp型InP層10を成長させる。これにより、p型InP層10は活性層4の側面に接触しない構造となる。次に、HCl添加により酸化層を除去した後、1x1017cm−3未満のp型のキャリア濃度を持つ低キャリア濃度InP層14をp型InP層10、及び活性層4の側面に形成する。その後、実施の形態1と同様に、FeドープInP層11、及びn型InP層12を順に積層する。以降の工程は実施の形態1と同様である。
実施の形態5.
図10は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置を示す断面図である。p型半導体基板15上にメサストライプ構造2が設けられている。メサストライプ構造2は、順に積層されたp型InPクラッド層5(厚さ100〜2000nm、キャリア濃度0.5〜3x1018cm−3)、活性層4、及びn型InPクラッド層3(厚さ50〜1000nm、キャリア濃度0.5〜1x1018cm−3)を有する。n型InPクラッド層3中に回折格子6が設けられている。従って、この光半導体装置は、回折格子6を有する分布帰還型半導体レーザである。
図10は、本発明の実施の形態5に係る半導体装置を示す断面図である。p型半導体基板15上にメサストライプ構造2が設けられている。メサストライプ構造2は、順に積層されたp型InPクラッド層5(厚さ100〜2000nm、キャリア濃度0.5〜3x1018cm−3)、活性層4、及びn型InPクラッド層3(厚さ50〜1000nm、キャリア濃度0.5〜1x1018cm−3)を有する。n型InPクラッド層3中に回折格子6が設けられている。従って、この光半導体装置は、回折格子6を有する分布帰還型半導体レーザである。
埋込層7がメサストライプ構造2の両側に埋め込まれている。メサストライプ構造2と埋込層7の上に、n型InPコンタクト層16(厚さ100〜3000nm、キャリア濃度1〜10x1018cm−3)とn型InGaAsコンタクト層17(厚さ100〜3000nm、キャリア濃度1〜10x1018cm−3)が順に積層されている。なお、n型InGaAsコンタクト層17の代わりにn型InGaAsP層を形成してもよい。
活性層4はAl元素を含むIII−V化合物半導体(例えばAlGaInAs)からなり、井戸層と、炭素が添加されたバリア層とを有する多重量子井戸構造である。埋込層7は、順に積層されたp型InP層10(厚さ50〜600nm、キャリア濃度0.1〜1x1018cm−3)と、RuドープInP層18(厚さ1000〜4000nm、キャリア濃度0.01〜9x1018cm−3)と、p型InP層19(厚さ100〜2000nm、キャリア濃度1〜10x1018cm−3)とを有する。
n型InPクラッド層3の側面は、p型InP層10で覆われてRuドープInP層18に接していない。活性層4の側面はp型InP層10に接していない。これにより、実施の形態1と同様に高速動作と高出力化を両立することができる。なお、実施の形態4と同様にp型InP層10及び活性層4の側面とRuドープ層との間に、1x1017cm−3未満のp型のキャリア濃度を持つ低キャリア濃度InP層を挿入しても良い。
続いて、本実施の形態の製造方法を説明する。まず、面方位(100)のp型半導体基板15上にp型InPクラッド層5、活性層4、及びn型InPクラッド層3を順に積層する。n型InPクラッド層3の内部の回折格子6には、必要な発振波長となるように回折格子のグレーティングを干渉露光や電子ビーム露光等を用いて形成する。
次に、この積層構造の一部をSiO2等の絶縁膜マスクで覆う。次に、絶縁膜マスクで覆われていない部分をドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより2〜5μm程度の深さでエッチングしてメサストライプ構造2を形成する。
次に、メサストライプ構造2の両側に、埋込層7としてp型InP層10、RuドープInP層18、及びp型InP層19を順に積層する。ここで、実施の形態1と同様にHCl添加による活性層4の側面の酸化層除去を行わずにp型InP層10を成長させる。これにより、p型InP層10は活性層4の側面に接触しない構造となる。次に、HCl添加により酸化層を除去した後、RuドープInP層18とn型InP層12を成長させる。
次に、絶縁膜マスクを除去し、n型InPコンタクト層16とn型InGaAsコンタクト層17を成長させる。その後、電流を注入するレーザ部のコンタクト層上に電極を形成し、n型半導体基板1を適切な厚さに研削し、その裏面に電極を形成する。結晶のへき開面を利用して光学端面を形成し、端面に反射率を制御するためのコーティングを施す。装置間を切り離すことで光半導体装置が完成する。
実施の形態6.
図11は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置を示す断面図である。回折格子6が無い点以外は実施の形態1の構成と同様である。製造方法は実施の形態1において回折格子6の形成工程を省いた方法である。この光半導体装置は、回折格子6を有しないファブリペロー型半導体レーザである。この場合でも実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
図11は、本発明の実施の形態6に係る半導体装置を示す断面図である。回折格子6が無い点以外は実施の形態1の構成と同様である。製造方法は実施の形態1において回折格子6の形成工程を省いた方法である。この光半導体装置は、回折格子6を有しないファブリペロー型半導体レーザである。この場合でも実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
なお、実施の形態1〜6において、各層の厚さ、キャリア濃度、材料などは必ずしも上記の例に限定されるものではない。例えばn型InPクラッド層3と活性層4の間及び活性層4とp型InPクラッド層5の間にそれぞれ光閉じ込め層としてAlInAs層又はAlGaInAs層を設けてもよい。また、p型InPクラッド層5からのp型ドーパントの拡散を抑制するために、抵抗が上昇しない程度にキャリア濃度を調整した低キャリア濃度InP層(厚さ10〜200nm程度)をp型InPクラッド層5と活性層4の間に配置してもよい。その他、本発明の効果が発揮できる構成であれば種々の変型が可能である。
2 メサストライプ構造、3 n型InPクラッド層(n型クラッド層)、4 活性層、5 p型InPクラッド層(p型クラッド層)、7 埋込層、10 p型InP層(p型半導体層)、11 FeドープInP層(高抵抗半導体層)、14 低キャリア濃度InP層(低キャリア濃度層)、18 RuドープInP層(高抵抗半導体層)
Claims (7)
- 順に積層されたn型クラッド層、活性層、及びp型クラッド層を有するメサストライプ構造と、
前記メサストライプ構造の両側に埋め込まれた埋込層とを備え、
前記活性層は、井戸層と、炭素が添加されたバリア層とを有する多重量子井戸構造であり、
前記埋込層は、順に積層されたp型半導体層と、Fe又はRuドープの高抵抗半導体層とを有し、
前記n型クラッド層の側面は、前記p型半導体層で覆われて前記高抵抗半導体層に接しておらず、
前記活性層の側面は、前記p型半導体層に接していないことを特徴とする光半導体装置。 - 前記活性層の側面が、前記n型クラッド層及び前記p型クラッド層の側面に対して前記埋込層側に突き出ていることを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記活性層の幅が、前記n型クラッド層及び前記p型クラッド層の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の光半導体装置。
- 前記活性層の側面及び前記p型半導体層と前記高抵抗半導体層との間に設けられ、1x1017cm−3未満のp型のキャリア濃度を持つ低キャリア濃度層を更に備えることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の光半導体装置。
- 前記光半導体装置は、回折格子を有する分布帰還型半導体レーザであることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の光半導体装置。
- 前記光半導体装置は、回折格子を有しないファブリペロー型半導体レーザであることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の光半導体装置。
- 前記n型クラッド層、前記活性層、及び前記p型クラッド層がn型半導体基板側から順に積層されているか、又は、前記p型クラッド層、前記活性層、及び前記n型クラッド層がp型半導体基板側から順に積層されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の光半導体装置。
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