JP3924218B2

JP3924218B2 - Semiconductor optical device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3924218B2
Application number: JP2002229088A
Authority: JP
Inventors: 秀樹深野; 孝之山中; 宗久田村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP2004070000A

Description

【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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を有し、該半導体結晶部が、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であるフッ素を導入することによって半絶縁化され、前記リッジ構造および前記半導体結晶部が、誘電体によって埋め込まれ、前記誘電体上に前記光機能部に電気的に接続されたパッド電極が設けら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、前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドであ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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を、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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部に、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、前記第２の工程が、フッ素を含む溶液またはガスによる表面処理とそれに続く熱処理からなるフッ素化処理であることを特徴とする。
【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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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。
【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、前記リッジ構造および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。
【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、前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドであることを特徴とする。
【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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を有し、該半導体結晶部が、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であるフッ素を導入することによって半絶縁化され、前記ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部が、誘電体によって埋め込まれ、前記誘電体上に前記光機能部に電気的に接続されたパッド電極が設けら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、前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドであ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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を、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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部に、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、半絶縁化する第２の工程とを備え、前記第２の工程が、フッ素を含む溶液またはガスによる表面処理とそれに続く熱処理からなるフッ素化処理であることを特徴とする。
【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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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。
【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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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。
【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、前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドであることを特徴とする。
【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ＳｉＯ_２、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ＳｉＯ_２：９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ＳｉＯ_２：９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ＳｉＯ_２、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ＳｉＯ_２：７９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ＳｉＯ_２：７９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】
１ｎ−ＩｎＰ基板
２ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
３多重量子井戸層
４ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６ｐ電極
７ｎ電極
８ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
９厚膜のＳｉＯ_２
１０パッド電極
１１光入射端面
２１ｎ−ＩｎＰ基板
２２ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
２３多重量子井戸層
２４ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
２５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２６ｐ電極
２７ｎ電極
２８ポリイミド
２９光入射端面
６１ｎ−ＩｎＰ基板
６２ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
６３多重量子井戸層
６４ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
６５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６６ｐ電極
６７ｎ電極
６８ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
６９ポリイミド
６１０パッド電極
６１１光入射端面
７１ｎ−ＩｎＰ基板
７２ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
７３ＩｎＧａＡｓ光吸収層
７４ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
７５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
７６リング状ｐ電極
７７ｎ電極
７８ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
７９厚膜のＳｉＯ_２
７１０パッド
８１ｎ−ＩｎＰ基板
８２ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
８３ＩｎＧａＡｓ光吸収層
８４ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
８５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
８６リング状ｐ電極
８７ｎ電極
８８ＩｎＡｌＡｓ半導体結晶部
８９ポリイミド
８１０パッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor optical device having optical functions such as light modulation and light absorption and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
As an example of a semiconductor optical device having optical functions such as light modulation and light absorption, there is a semiconductor optical device composed of a high-mesa optical modulator.
FIG. 2 is a schematic view of a conventional semiconductor optical device composed of a high-mesa optical modulator. In the figure, reference numeral 21 denotes an n-InP substrate, 22 denotes an n-InP lower cladding layer, 23 denotes a multiple quantum well layer, and 24 denotes a p-type quantum well layer. -InP upper cladding layer, 25 is a p-InGaAsP contact layer, 26 is a p-electrode, 27 is an n-electrode, 28 is polyimide, and 29 is a light incident end face.
[0003]
In this conventional semiconductor optical device, an n-InP lower cladding layer 22, a multiple quantum well layer 23, a p-InP upper cladding layer 24, and a p-InGaAsP contact layer 25 are formed on an n-InP substrate 21. The high mesa side surface is embedded with polyimide 28. A p-electrode 26 is formed on the contact layer 25, and an n-electrode 27 is formed under the substrate 21. The multiple quantum well layer 23 functions as an absorption layer that absorbs light, and at the same time functions as a core layer having a higher refractive index than the upper and lower p-InP upper cladding layers 24 and the n-InP lower cladding layer 22. An optical waveguide to be guided is configured.
[0004]
Next, the operation of such a high mesa type optical modulator will be described.
First, the light incident from the light incident end surface 29 is ON / OFF modulated and propagates from the light emitting end surface opposite to the light incident end surface 29 while propagating through the optical waveguide. FIG. 3 shows the dependence of the light absorption characteristics on the wavelength λ of incident light when no voltage is applied between the p-electrode 26 and the n-electrode 27 (OFF) and when a reverse bias is applied (ON). It is a figure. In the figure, the wavelength λ of light incident on the optical modulator is shown as the operating wavelength λs. When no voltage is applied, the light absorption coefficient at the operating wavelength λs is sufficiently small, and incident light is emitted as it is from the light exit surface, but when a reverse bias is applied, the absorption characteristics move to the longer wavelength side. As a result, the absorption of light increases, and the light is not emitted from the emission end. Thus, by turning ON / OFF the reverse bias voltage, the light propagating through the optical waveguide is also turned OFF / ON, and an electric signal can be converted into an optical signal.
[0005]
In the semiconductor optical device composed of this high mesa type optical modulator, the multiple quantum well layer 23 that absorbs light has a small parasitic electric capacitance C because both sides of the high mesa side surface are surrounded by polyimide having a small relative dielectric constant. On the other hand, in the structure in which both sides of the high-mesa side surface of the multiple quantum well layer 23 are completely embedded with a semiconductor instead of polyimide, the parasitic capacitance C increases because the relative dielectric constant of the semiconductor is large. For this reason, the modulation frequency limit due to the CR constant limitation composed of C and the load resistance R becomes larger when the material is embedded with a material such as polyimide having a low relative dielectric constant, which is suitable for high-speed modulation.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional semiconductor optical device, carriers generated by light absorption when a reverse bias is applied flow as a current. Therefore, Joule heat represented by the product of the reverse bias voltage V and the generated current I has a high mesa structure. Occurs in the part. The above-described conventional semiconductor optical device has a high-mesa cross-sectional structure, and both sides of the ridge structure are polyimide whose thermal conductivity is several orders of magnitude smaller than that of the semiconductor. I don't get it.
[0007]
For this reason, heat accumulates in the ridge portion, and heat distribution as shown in FIG. 4 occurs. When the temperature of the ridge-type optical waveguide portion rises due to such heat retention, the light absorption characteristics of the multiple quantum well layer change and the modulation characteristics deteriorate. Also, if the generated current becomes large due to large light power incidence, or if the reverse bias voltage is large, the semiconductor optical device deteriorates due to large Joule heat, or if it is severe, it will be destroyed.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to increase the temperature of the optical function unit by effectively dispersing heat generated in the optical function unit to the semiconductor substrate side. Even if the device characteristics deteriorate, large optical power is incident, or the drive voltage increases, the operation level of the optical function unit can be maintained at a high level, and the device operation stability and reliability can be improved. An object of the present invention is to provide a semiconductor optical device and a method for manufacturing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the present invention, an optical functional unit having a light absorption function is provided on a semiconductor substrate, and heat is generated by carriers generated by light absorption. In the optical element, the optical functional part has a ridge structure, and is provided partially around the optical functional part in order to disperse heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate.Made of InAlAs or InGaAlAsHaving a semiconductor crystal part,HalfImpurities to inactivate carrier generation elements or to form deep impurity defects while the conductor crystal part covers the high mesa side surface and the substrate surfaceFluorineIs semi-insulated by introducingThe ridge structure and the semiconductor crystal part are embedded with a dielectric, and a pad electrode electrically connected to the optical function part is provided on the dielectric.It is characterized by that.
[0010]
  The invention according to claim 2 is the same as the invention according to claim 1,HalfThe conductor crystal portion has a structure having heat dissipation.
[0011]
  The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2,The dielectric is SiO ₂ Or polyimideIt is characterized by that.
[0012]
  According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor optical device manufacturing method in which an optical functional unit having a light absorption function is provided on a semiconductor substrate, and heat is generated by carriers generated by light absorption. Forming a ridge structure and dispersing heat generated in the optical functional unit to the semiconductor substrateMade of InAlAs or InGaAlAsA first step of partially forming a semiconductor crystal portion around the optical function portion; and the first step.Made of InAlAs or InGaAlAsA second step of introducing into the semiconductor crystal part an impurity for inactivating a carrier generating element or forming a deep impurity defect, and semi-insulating the semiconductor crystal part.The second step is a fluorination treatment comprising a surface treatment with a fluorine-containing solution or gas and a subsequent heat treatment.It is characterized by that.
[0013]
  The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4,The semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs has a step of providing heat dissipation.It is characterized by that.
[0014]
  Further, the invention according to claim 6 is the invention according to claim 4 or 5,Step of filling the ridge structure and the semiconductor crystal part with a dielectricIt is provided with.
[0015]
  The invention according to claim 7 is the invention according to claim 4, 5 or 6,The dielectric is SiO ₂ Or polyimideIt is characterized by that.
[0016]
  According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor optical device in which an optical functional part having a light absorption function is formed on a semiconductor substrate and heat is generated by carriers generated by light absorption, the optical functional part is generated in the optical functional part. In order to disperse heat to the semiconductor substrate, it was partially provided around the optical function unitMade of InAlAs or InGaAlAsHaving a semiconductor crystal part,HalfImpurities to inactivate carrier generation elements or to form deep impurity defects while the conductor crystal part covers the high mesa side surface and the substrate surfaceFluorineIs semi-insulated by introducingThe semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs is embedded with a dielectric, and a pad electrode electrically connected to the optical function part is provided on the dielectric.It is characterized by that.
[0017]
  Further, the invention described in claim 9 is the invention described in claim 8, whereinHalfThe conductor crystal portion has a structure having heat dissipation.
[0018]
  Further, the invention described in claim 10 is the invention described in claim 8 or 9, whereinThe dielectric is SiO ₂ Or polyimideIt is characterized by that.
[0019]
  According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor optical device in which an optical functional unit having a light absorption function is provided on a semiconductor substrate, and heat is generated by carriers generated by light absorption. For dispersing generated heat to the semiconductor substrateMade of InAlAs or InGaAlAsA first step of partially forming a semiconductor crystal portion around the optical function portion; and the first step.Made of InAlAs or InGaAlAsA second step of semi-insulating the semiconductor crystal portion by introducing an impurity for inactivating a carrier generating element or forming a deep impurity defect.The second step is a fluorination treatment comprising a surface treatment with a fluorine-containing solution or gas and a subsequent heat treatment.It is characterized by that.
[0020]
  The invention according to claim 12 is the invention according to claim 11,The semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs has a step of providing heat dissipation.It is characterized by that.
[0021]
  The invention described in claim 13 is the invention described in claim 11 or 12,A step of burying a semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs with a dielectric;It is provided with.
[0022]
  The invention as set forth in claim 14 is the invention as set forth in claim 11, 12 or 13,The dielectric is SiO ₂ Or polyimideIt is characterized by that.
[0023]
Thus, in the semiconductor optical device of the present invention, the semiconductor crystal part containing Al for dispersing the heat generated in the optical function part to the semiconductor substrate is partially formed around the optical function part, and this Al is formed. The semiconductor functional part is inactivated by introducing impurities that inactivate the carrier generation element or forming deep impurity sites, so that Joule heat does not stay in the optical functional part and the optical functional part is formed. It is less likely that the affected area is subject to deterioration or damage due to heat. Also, since crystals that lattice match with the optical functional part are used to disperse heat to the semiconductor substrate, there is no increase in leakage current and no introduction of defects at the interface with the optical functional part due to lattice mismatch. Degradation of device characteristics is also suppressed, and reliability is extremely excellent.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a semiconductor optical device according to a first embodiment of the present invention, in which reference numeral 1 denotes an n-InP substrate, 2 denotes an n-InP lower cladding layer, 3 denotes a multiple quantum well layer, 4 Is a p-InP upper cladding layer, 5 is a p-InGaAsP contact layer, 6 is a p-electrode, 7 is an n-electrode, 8 is a semi-insulating InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat to the semiconductor substrate, and 9 is Thick film SiO₂Reference numeral 10 denotes a pad electrode, and 11 denotes a light incident end face.
[0025]
In the first embodiment, an n-InP lower clad layer 2, a multiple quantum well layer 3, a p-InP upper clad layer 4, and a p-InGaAsP contact layer 5 are formed on an n-InP substrate 1 with a ridge width W. It is formed with a structure. The high mesa side surface partially forms a semiconductor crystal portion 8 for dispersing heat generated in the optical functional portion to the semiconductor substrate. The high mesa periphery where the semiconductor crystal part is partially formed is thick SiO₂: 9
[0026]
A p-electrode 6 is formed on the contact layer 5, and an n-electrode 7 is formed under the substrate 1. The multiple quantum well layer 3 functions as an absorption layer that absorbs light, and at the same time functions as a core layer having a higher refractive index than the upper and lower p-InP upper cladding layers 4 and the n-InP lower cladding layer 2. An optical waveguide to be guided is configured.
[0027]
The light incident from the light incident end face 11 is ON / OFF-modulated while propagating through the optical waveguide, and is emitted from the light emitting end face opposite to the light incident end face 11. Light incident from the side is absorbed by the multiple quantum well layer to which a reverse bias is applied, and as a result, carriers generated by the light absorption flow as current. For this reason, Joule heat represented by the product of the reverse bias voltage V and the generated current I is generated in the optical functional unit having the high mesa structure. In order to increase the speed, it is necessary to reduce the junction capacitance. For this reason, in order to satisfy the band of 50 GHz, for example, the area of the light absorption region is about 1 micron width (W) and 75 micron length or less. It needs to be small. For this reason, the photocurrent per unit area increases as the speed increases, and the amount of heat generated per unit area also increases greatly.
[0028]
However, in the semiconductor optical device of the present embodiment, the undoped or low Si doped InAlAs semiconductor crystal part 8 for dispersing the heat generated in the optical function part to the semiconductor substrate is selectively formed in the peripheral part of the high mesa structure. Furthermore, surface treatment with hydrofluoric acid and heat treatment at 400 ° C., that is, fluorination treatment is performed. By this treatment, fluorine atoms enter the InAlAs semiconductor crystal part 8 to inactivate the carrier generation element or form deep impurity defects to change the InAlAs semiconductor crystal part 8 to semi-insulating.
[0029]
As a result, a thermally conductive InAlAs semiconductor crystal part which is not electrically conductive but is thermally favorable is formed. This makes it possible to disperse the heat generated in the optical functional unit to the semiconductor substrate without degrading the electrical characteristics of the optical functional unit, and it is much more thermally conductive than the polyimide-embedded structure (conventional structure). And the heat is dissipated to the semiconductor substrate portion very efficiently.
[0030]
In addition, a metal film (for example, Ti / Au) having a thermal conductivity larger than that of the semiconductor is formed on the InAlAs semiconductor crystal part that is separated from the both edges of the ridge structure by a degree (several μm) that hardly affects the optical waveguide characteristics. By providing, the heat conduction speed in the lateral direction is equivalently increased, and the heat dissipation is further improved.
[0031]
FIG. 5 is a schematic view of heat distribution in the ridge cross section of the semiconductor optical device in the first embodiment. As a result, the Joule heat does not stay in the optical function part, and the region where the optical function part is formed is less likely to be deteriorated or damaged due to heat.
[0032]
In addition, the upper layer portion of the semi-insulated InAlAs semiconductor crystal portion 8 is made of a thick SiO2 film having a small dielectric constant.₂: 9 For this reason, the additional capacitance parasitic directly under the pad 10 can be suppressed to a sufficiently small value, and an operation in a band of 50 GHz can be realized. In this embodiment, n-InP is used as the substrate. However, a semi-insulating InP substrate is used, an n-InP or n-InGaAsP contact layer is provided thereon, and an n-electrode is partially formed thereon. Needless to say, the same characteristics can be obtained even in such a form.
[0033]
Note that an InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate is formed by partial selective regrowth in the peripheral part of the high mesa structure, but the growth time becomes substantially flat. Therefore, even if abnormal growth occurs, the problem that the mesa head is completely buried does not occur.
[0034]
The fluorination treatment may be performed by introducing fluorine into the Al-based crystal by a fluorine-containing solution, gas, plasma gas, etc. and subsequent heat treatment, and the solution species and gas species, and the heat treatment temperature and heat treatment time are: What is necessary is just to select suitably.
[0035]
Instead of the InAlAs semiconductor crystal part 8, it is possible to form InP or InAlAs doped with Fe in the growth process for semi-insulation, but Fe is p in the p-InP upper cladding layer 4. Due to interdiffusion with dopants (Zn and the like), the partially grown mesa side crystal part is not semi-insulating, and part or most of the crystal part is converted to p, resulting in electrical conductivity and increased capacitance. Wake up and high speed operation becomes difficult.
[0036]
In this embodiment, InAlAs is used as a semiconductor crystal part for dispersing heat, but other material systems such as InGaAlAs and AlGaAsSb may be used. This embodiment relates to a light modulation element having a light modulation function in which the core layer is formed of a multiple quantum well layer. However, when the light function part has a light receiving function (light receiving element) or a light emitting function ( Needless to say, the same structure can be applied to the light emitting element).
[0037]
[Example 2]
FIG. 6 is a block diagram for explaining Example 2 of the semiconductor optical device of the present invention, in which reference numeral 61 denotes an n-InP substrate, 62 denotes an n-InP lower cladding layer, 63 denotes a multiple quantum well layer, 64 Is a p-InP upper cladding layer, 65 is a p-InGaAsP contact layer, 66 is a p-electrode, 67 is an n-electrode, 68 is a semi-insulating InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat to the semiconductor substrate, 69 is Polyimide, 610 is a pad electrode, and 611 is a light incident end face.
[0038]
In the second embodiment, an n-InP lower cladding layer 62, a multiple quantum well layer 63, a p-InP upper cladding layer 64, and a p-InGaAsP contact layer 65 are formed on an n-InP substrate 61 with a ridge width W. It is formed with a structure. The high mesa side surface partially forms a semiconductor crystal portion 68 for dispersing heat generated in the optical function portion to the semiconductor substrate. The high mesa peripheral part in which the semiconductor crystal part is partially formed is buried with polyimide 69.
[0039]
A p-electrode 66 is formed on the contact layer 65, and an n-electrode 67 is formed under the substrate 61. The multiple quantum well layer 63 functions as an absorption layer that absorbs light, and at the same time functions as a core layer having a higher refractive index than the upper and lower p-InP upper cladding layers 64 and n-InP lower cladding layers 62. An optical waveguide to be guided is configured.
[0040]
The light incident from the light incident end surface 611 is ON / OFF modulated and propagates from the light emitting end surface opposite to the light incident end surface 611 while propagating through the optical waveguide. Light incident from the side is absorbed by the multiple quantum well layer to which a reverse bias is applied, and as a result, carriers generated by the light absorption flow as current. For this reason, Joule heat represented by the product of the reverse bias voltage V and the generated current I is generated in the optical functional unit having the high mesa structure. In order to increase the speed, it is necessary to reduce the junction capacitance. For this reason, in order to satisfy the band of 50 GHz, for example, the area of the light absorption region is about 1 micron width (W) and 75 micron length or less. It needs to be small. For this reason, the photocurrent per unit area increases as the speed increases, and the amount of heat generated per unit area also increases greatly.
[0041]
However, in the semiconductor optical device of the present embodiment, the undoped or low Si doped InAlAs semiconductor crystal portion 68 for dispersing the heat generated in the optical functional portion to the semiconductor substrate is selectively formed in the peripheral portion of the high mesa structure. Furthermore, surface treatment with hydrofluoric acid and heat treatment at 400 ° C., that is, fluorination treatment is performed. By this treatment, fluorine atoms enter the InAlAs semiconductor crystal part 68 to inactivate the carrier generation element, or to form a deep impurity defect to change the InAlAs semiconductor crystal part 68 to semi-insulating.
[0042]
As a result, a thermally conductive InAlAs semiconductor crystal part which is not electrically conductive but is thermally favorable is formed. This makes it possible to disperse the heat generated in the optical functional unit to the semiconductor substrate without degrading the electrical characteristics of the optical functional unit, and it is much more thermally conductive than the polyimide-embedded structure (conventional structure). And the heat is dissipated to the semiconductor substrate portion very efficiently.
[0043]
In addition, a metal film (for example, Ti / Au) having a thermal conductivity larger than that of the semiconductor is formed on the InAlAs semiconductor crystal part that is separated from the both edges of the ridge structure by a degree (several μm) that hardly affects the optical waveguide characteristics. By providing, the heat conduction speed in the lateral direction is equivalently increased, and the heat dissipation is further improved.
[0044]
FIG. 5 is a schematic view of heat distribution in the ridge cross section of the semiconductor optical device according to the second embodiment. As a result, the Joule heat does not stay in the optical function part, and the region where the optical function part is formed is less likely to be deteriorated or damaged due to heat.
[0045]
Further, the upper layer part of the semi-insulated InAlAs semiconductor crystal part 68 is planarized and embedded with polyimide 69 having a small dielectric constant. For this reason, the additional capacitance parasitic directly under the pad 610 can be suppressed to a sufficiently small value, and the operation in the band 50 GHz can be easily realized. In this embodiment, n-InP is used as the substrate. However, a semi-insulating InP substrate is used, an n-InP or n-InGaAsP contact layer is provided thereon, and an n-electrode is partially formed thereon. Needless to say, the same characteristics can be obtained even in such a form.
[0046]
Note that an InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate is formed by partial selective regrowth in the peripheral part of the high mesa structure, but the growth time becomes substantially flat. Therefore, even if abnormal growth occurs, the problem that the mesa head is completely buried does not occur.
[0047]
The fluorination treatment may be performed by introducing fluorine into the Al-based crystal by a fluorine-containing solution, gas, plasma gas, etc. and subsequent heat treatment, and the solution species and gas species, and the heat treatment temperature and heat treatment time are: What is necessary is just to select suitably.
[0048]
Instead of the InAlAs semiconductor crystal portion 68, it is possible to form InP or InAlAs doped with Fe in the growth process for semi-insulation, but Fe is p in the p-InP upper cladding layer 64. Due to interdiffusion with dopants (Zn and the like), the partially grown mesa side crystal part is not semi-insulating, and part or most of the crystal part is converted to p, resulting in electrical conductivity and increased capacitance. Wake up and high speed operation becomes difficult.
[0049]
In this embodiment, InAlAs is used as a semiconductor crystal part for dispersing heat, but other material systems such as InGaAlAs and AlGaAsSb may be used.
[0050]
This embodiment relates to a light modulation element having a light modulation function in which the core layer is formed of a multiple quantum well layer. However, when the light function part has a light receiving function (light receiving element) or a light emitting function ( Needless to say, the same structure can be applied to the light emitting element).
[0051]
[Example 3]
FIG. 7 is a block diagram for explaining Example 3 of the semiconductor optical device of the present invention. In the figure, reference numeral 71 is an n-InP substrate, 72 is an n-InP lower cladding layer, 73 is an InGaAs light absorption layer, 74. Is a p-InP upper cladding layer, 75 is a p-InGaAsP contact layer, 76 is a ring-shaped p-electrode, 77 is an n-electrode, 78 is a semi-insulating InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat to the semiconductor substrate, 79 is thick SiO₂, 710 indicates a pad.
[0052]
In the third embodiment, an n-InP lower cladding layer 72, an InGaAs light absorbing layer 73, a p-InP upper cladding layer 74, and a p-InGaAsP contact layer 75 are formed on an n-InP substrate 71. A semiconductor crystal part 78 for dispersing heat generated in the optical function part to the semiconductor substrate is partially formed on the high mesa side part. Around the high mesa part where the semiconductor crystal part is partially formed is thick SiO₂: 79. A ring-shaped p-electrode 76 is formed on the contact layer 75, and an n-electrode 77 is formed under the substrate 71. The InGaAs light absorption layer 73 functions as an absorption layer that absorbs light.
[0053]
Incident light that has passed through the ring electrode from above is absorbed by the light absorption layer to which a reverse bias is applied, and carriers generated by light absorption flow as current. For this reason, Joule heat represented by the product of the reverse bias voltage V and the generated current I is generated in the optical functional unit having the high mesa structure. In order to increase the speed, it is necessary to reduce the junction capacitance. For this reason, in order to satisfy the band of 50 GHz, for example, the area of the light absorption region needs to be reduced to about 10 microns or less. For this reason, the photocurrent per unit area increases as the speed increases, and the amount of heat generated per unit area also increases greatly.
[0054]
Moreover, since the cross-sectional structure is a high mesa structure, and the periphery of the optical function part is polyimide whose thermal conductivity is several orders of magnitude smaller than that of the semiconductor, the generated heat is hardly transmitted to the outside of the optical function part. For this reason, heat accumulates in the optical function part. When the temperature of the optical function unit rises due to such heat retention, the light absorption characteristics change and the light receiving characteristics change. In addition, if the generated current increases due to large light power incidence or the device is used in a state where the reverse bias voltage is large, the element is deteriorated or broken due to large Joule heat.
[0055]
However, in the semiconductor optical device of this example, an undoped or low Si doped InAlAs semiconductor crystal part 78 for dispersing heat generated in the optical function part to the semiconductor substrate is selectively formed in the peripheral part of the high mesa structure. Furthermore, surface treatment with hydrofluoric acid and heat treatment at 400 ° C., that is, fluorination treatment is performed. By this treatment, fluorine atoms enter the InAlAs semiconductor crystal part 78 to inactivate the carrier generation element or to form deep impurity defects to change the InAlAs semiconductor crystal part 78 to semi-insulating.
[0056]
As a result, a thermally conductive InAlAs semiconductor crystal part which is not electrically conductive but is thermally favorable is formed. This makes it possible to disperse the heat generated in the optical functional unit to the semiconductor substrate without degrading the electrical characteristics of the optical functional unit, and it is much more thermally conductive than the polyimide-embedded structure (conventional structure). And the heat is dissipated to the semiconductor substrate portion very efficiently.
[0057]
In addition, a metal film (for example, Ti / Au) having a thermal conductivity higher than that of the semiconductor is provided on the InAlAs semiconductor crystal part that is separated from the peripheral edge of the high mesa structure by a degree that does not substantially affect the optical characteristics (several μm). As a result, the heat conduction speed in the lateral direction is equivalently increased, and the heat dissipation is further improved.
[0058]
FIG. 9 is a schematic view of heat distribution in the mesa cross section of the semiconductor optical device in Example 3. As a result, the Joule heat does not stay in the optical function part, and the region where the optical function part is formed is less likely to be deteriorated or damaged due to heat.
[0059]
Further, a semi-insulated InAlAs semiconductor crystal part 78 is selectively formed in the peripheral part of the high mesa structure, and the upper layer part thereof is a thick SiO SiO film having a small dielectric constant.₂: 79. For this reason, the additional capacitance parasitic directly under the pad 710 can be suppressed to a sufficiently small value, and an operation in a band of 50 GHz can be realized. In this embodiment, n-InP is used as the substrate. However, a semi-insulating InP substrate is used, an n-InP or n-InGaAsP contact layer is provided thereon, and an n-electrode is partially formed thereon. Needless to say, the same characteristics can be obtained even in such a form.
[0060]
Note that an InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate is formed by partial selective regrowth in the peripheral part of the high mesa structure, but the growth time becomes substantially flat. Therefore, even if abnormal growth occurs, the problem that the mesa head is completely buried does not occur.
[0061]
The fluorination treatment may be performed by introducing fluorine into the Al-based crystal by a fluorine-containing solution, gas, plasma gas, etc. and subsequent heat treatment, and the solution species and gas species, and the heat treatment temperature and heat treatment time are: What is necessary is just to select suitably.
[0062]
Instead of the InAlAs semiconductor crystal part 78, it is possible to form InP or InAlAs doped with Fe in the growth process for semi-insulation, but Fe is p in the p-InP upper cladding layer 74. Due to interdiffusion with dopants (Zn and the like), the partially grown mesa side crystal part is not semi-insulating, and part or most of the crystal part is converted to p, resulting in electrical conductivity and increased capacitance. Wake up and high speed operation becomes difficult.
[0063]
In this embodiment, InAlAs is used as a semiconductor crystal part for dispersing heat, but other material systems such as InGaAlAs and AlGaAsSb may be used.
[0064]
In addition, this embodiment relates to a light receiving element in which the optical function unit has a light receiving function, but also in the case where the optical function unit has a light modulation function (light modulation element) and a light emitting function (light emitting element). It goes without saying that similar structures can be applied as well.
[0065]
[Example 4]
FIG. 8 is a block diagram for explaining Example 4 of the semiconductor optical device of the present invention. In the figure, reference numeral 81 denotes an n-InP substrate, 82 denotes an n-InP lower cladding layer, 83 denotes an InGaAs light absorption layer, 84. Is a p-InP upper cladding layer, 85 is a p-InGaAsP contact layer, 86 is a ring-shaped p-electrode, 87 is an n-electrode, 88 is a semi-insulating InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat to the semiconductor substrate, 89 indicates a polyimide, and 810 indicates a pad.
[0066]
In the fourth embodiment, an n-InP lower cladding layer 82, an InGaAs light absorbing layer 83, a p-InP upper cladding layer 84, and a p-InGaAsP contact layer 85 are formed on an n-InP substrate 81. On the high mesa side portion, a semiconductor crystal portion 88 is partially formed for dispersing heat generated in the optical function portion to the semiconductor substrate. The periphery of the high mesa portion where the semiconductor crystal portion is partially formed is buried with polyimide 89. A ring-shaped p-electrode 86 is formed on the contact layer 85, and an n-electrode 87 is formed below the substrate 81. The InGaAs light absorption layer 83 functions as an absorption layer that absorbs light.
[0067]
Incident light that has passed through the ring electrode from above is absorbed by the light absorption layer to which a reverse bias is applied, and carriers generated by light absorption flow as current. For this reason, Joule heat represented by the product of the reverse bias voltage V and the generated current I is generated in the optical functional unit having the high mesa structure. In order to increase the speed, it is necessary to reduce the junction capacitance. For this reason, in order to satisfy the band of 50 GHz, for example, the area of the light absorption region needs to be reduced to about 10 microns or less. For this reason, the photocurrent per unit area increases as the speed increases, and the amount of heat generated per unit area also increases greatly.
[0068]
Moreover, since the cross-sectional structure is a high mesa structure, and the periphery of the optical function part is polyimide whose thermal conductivity is several orders of magnitude smaller than that of the semiconductor, the generated heat is hardly transmitted to the outside of the optical function part. For this reason, heat accumulates in the optical function part. When the temperature of the optical function unit rises due to such heat retention, the light absorption characteristics change and the light receiving characteristics change. In addition, if the generated current increases due to large light power incidence or the device is used in a state where the reverse bias voltage is large, the element is deteriorated or broken due to large Joule heat.
[0069]
However, in the semiconductor optical device of this embodiment, an undoped or low Si-doped InAlAs semiconductor crystal portion 88 for dispersing heat generated in the optical function portion to the semiconductor substrate is selectively formed in the peripheral portion of the high mesa structure. Furthermore, surface treatment with hydrofluoric acid and heat treatment at 400 ° C., that is, fluorination treatment is performed. By this treatment, fluorine atoms enter the InAlAs semiconductor crystal part 88 to inactivate the carrier generation element or to form deep impurity defects to change the InAlAs semiconductor crystal part 88 to semi-insulating.
[0070]
As a result, a thermally conductive InAlAs semiconductor crystal part which is not electrically conductive but is thermally favorable is formed. This makes it possible to disperse the heat generated in the optical functional unit to the semiconductor substrate without degrading the electrical characteristics of the optical functional unit, and it is much more thermally conductive than the polyimide-embedded structure (conventional structure). And the heat is dissipated to the semiconductor substrate portion very efficiently.
[0071]
In addition, a metal film (for example, Ti / Au) having a thermal conductivity higher than that of the semiconductor is provided on the InAlAs semiconductor crystal part that is separated from the peripheral edge of the high mesa structure by a degree that does not substantially affect the optical characteristics (several μm). As a result, the heat conduction speed in the lateral direction is equivalently increased, and the heat dissipation is further improved.
[0072]
FIG. 9 is a schematic view of heat distribution in the mesa cross section of the semiconductor optical device in Example 4. As a result, the Joule heat does not stay in the optical function part, and the region where the optical function part is formed is less likely to be deteriorated or damaged due to heat.
[0073]
Further, the semi-insulating InAlAs semiconductor crystal part 88 is partially selectively formed in the peripheral part of the high mesa structure, and the upper layer part is flattened and buried with polyimide 89 having a low dielectric constant. For this reason, the additional capacitance parasitic directly under the pad 810 can be suppressed to be sufficiently small, and the operation in the band 50 GHz can be easily realized. In this embodiment, n-InP is used as the substrate. However, a semi-insulating InP substrate is used, an n-InP or n-InGaAsP contact layer is provided thereon, and an n-electrode is partially formed thereon. Needless to say, the same characteristics can be obtained even in such a form.
[0074]
Note that an InAlAs semiconductor crystal part for dispersing heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate is formed by partial selective regrowth in the peripheral part of the high mesa structure, but the growth time becomes substantially flat. Therefore, even if abnormal growth occurs, the problem that the mesa head is completely buried does not occur.
[0075]
The fluorination treatment may be performed by introducing fluorine into the Al-based crystal by a fluorine-containing solution, gas, plasma gas, etc. and subsequent heat treatment, and the solution species and gas species, and the heat treatment temperature and heat treatment time are: What is necessary is just to select suitably.
[0076]
Instead of the InAlAs semiconductor crystal part 88, it is possible to form InP or InAlAs doped with Fe in the growth process for semi-insulation, but Fe is p in the p-InP upper cladding layer 84. Due to interdiffusion with dopant (Zn, etc.), the partially grown crystal part on the side surface of the mesa is not semi-insulating, and part or most of the crystal is turned into p, resulting in electrical conductivity and increased capacitance. Occurs and high-speed operation becomes difficult.
[0077]
In this embodiment, InAlAs is used as a semiconductor crystal part for dispersing heat, but other material systems such as InGaAlAs and AlGaAsSb may be used.
[0078]
In addition, this embodiment relates to a light receiving element in which the optical function unit has a light receiving function, but also in the case where the optical function unit has a light modulation function (light modulation element) and a light emitting function (light emitting element). It goes without saying that similar structures can be applied as well.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the semiconductor crystal part containing Al for dispersing the heat generated in the optical function part to the semiconductor substrate is partially formed around the optical function part, and this Al is contained. The semiconductor crystal part is semi-insulated by introducing impurities that inactivate the element that generates carriers or forms deep impurity potentials, so that the heat generated in the optical function part is effective without electrical deterioration of the optical function. Therefore, it can be dispersed to the semiconductor substrate side, the temperature rise of the optical function part can be suppressed, and the characteristic deterioration and damage due to heat are reduced. For this reason, even if a large optical power is incident or the driving voltage is increased, the operation level of the optical function unit can be maintained at a high level, and thus the stability and reliability of the device operation can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining Example 1 of a semiconductor optical device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic structural diagram of a semiconductor optical device comprising a conventional high mesa type optical modulator.
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the light absorption characteristics on the wavelength λ of incident light when no voltage is applied and when a reverse bias is applied.
FIG. 4 is a schematic view of heat distribution in a ridge section of a semiconductor optical device in which both sides of a ridge waveguide having a high mesa structure are embedded with polyimide.
FIG. 5 is a schematic view of heat distribution in the ridge section of the semiconductor optical device according to the first and second embodiments of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram for explaining Example 2 of the semiconductor optical device of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram for explaining Example 3 of the semiconductor optical device of the present invention.
FIG. 8 is a block diagram for explaining Example 4 of the semiconductor optical device of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view of heat distribution in a mesa cross section of a semiconductor optical device according to Examples 3 and 4 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 n-InP substrate
2 n-InP lower cladding layer
3 Multiple quantum well layers
4 p-InP upper cladding layer
5 p-InGaAsP contact layer
6 p-electrode
7 n electrode
8 InAlAs semiconductor crystal part
9 Thick SiO₂
10 Pad electrode
11 Light incident end face
21 n-InP substrate
22 n-InP lower cladding layer
23 Multiple quantum well layers
24 p-InP upper cladding layer
25 p-InGaAsP contact layer
26 p-electrode
27 n-electrode
28 Polyimide
29 Light incident end face
61 n-InP substrate
62 n-InP lower cladding layer
63 Multiple quantum well layers
64 p-InP upper cladding layer
65 p-InGaAsP contact layer
66 p-electrode
67 n-electrode
68 InAlAs semiconductor crystal part
69 Polyimide
610 Pad electrode
611 Light incident end face
71 n-InP substrate
72 n-InP lower cladding layer
73 InGaAs light absorption layer
74 p-InP upper cladding layer
75 p-InGaAsP contact layer
76 Ring-shaped p-electrode
77 n-electrode
78 InAlAs semiconductor crystal part
79 Thick SiO₂
710 pad
81 n-InP substrate
82 n-InP lower cladding layer
83 InGaAs light absorption layer
84 p-InP upper cladding layer
85 p-InGaAsP contact layer
86 Ring-shaped p-electrode
87 n electrode
88 InAlAs semiconductor crystal part
89 Polyimide
810 pad

Claims

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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を有し、
該半導体結晶部が、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であるフッ素を導入することによって半絶縁化され、
前記リッジ構造および前記半導体結晶部が、誘電体によって埋め込まれ、
前記誘電体上に前記光機能部に電気的に接続されたパッド電極が設けられていることを特徴とする半導体光素子。In a semiconductor optical device in which an optical function part having a light absorption function is provided on a semiconductor substrate and heat is generated by carriers generated by light absorption,
The optical functional part has a ridge structure, and a semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs partially provided around the optical functional part in order to disperse heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate Have
Semi-insulating semi conductor crystal unit, together with is configured to cover the mesa side surface and the substrate surface, by introducing fluorine as an impurity for the carrier generating element to form a passivation or deep impurity凖位ized,
The ridge structure and the semiconductor crystal part are embedded by a dielectric;
A semiconductor optical device, wherein a pad electrode electrically connected to the optical function part is provided on the dielectric .

前記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。The semiconductor optical device according to claim 1, before Symbol semiconductors crystal unit is characterized in that it is a structure having a heat dissipation property.

前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドであ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。The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the dielectric is SiO ₂ or polyimide .

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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を、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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部に、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、半絶縁化する第２の工程と
を備え、
前記第２の工程が、フッ素を含む溶液またはガスによる表面処理とそれに続く熱処理からなるフッ素化処理であることを特徴とする半導体光素子の製造方法。In a method of manufacturing a semiconductor optical device in which an optical functional part having a light absorption function is provided on a semiconductor substrate, and heat is generated by carriers generated by light absorption,
The optical functional part is formed in a ridge structure, and a semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs for partially distributing the heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate is partially formed around the optical functional part A first step of:
A second step of semi-insulating the semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs formed in the first step by introducing an impurity for inactivating a carrier generating element or forming a deep impurity position; equipped with a,
The method of manufacturing a semiconductor optical device, wherein the second step is a fluorination treatment including a surface treatment with a solution or gas containing fluorine and a subsequent heat treatment .

前記ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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に記載の半導体光素子の製造方法。 5. The method of manufacturing a semiconductor optical device according to claim 4, further comprising the step of imparting heat dissipation to the semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs .

前記リッジ構造および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４又は５に記載の半導体光素子の製造方法。 6. The method of manufacturing a semiconductor optical device according to claim 4, further comprising a step of filling the ridge structure and the semiconductor crystal part with a dielectric .

前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドである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。 The method of manufacturing a semiconductor optical device according to claim 4, wherein the dielectric is SiO ₂ or polyimide .

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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を有し、
該半導体結晶部が、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であるフッ素を導入することによって半絶縁化され、
前記ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部が、誘電体によって埋め込まれ、
前記誘電体上に前記光機能部に電気的に接続されたパッド電極が設けられていることを特徴とする半導体光素子。In a semiconductor optical device in which an optical function part having a light absorption function is formed on a semiconductor substrate and heat is generated by carriers generated by light absorption,
In order to disperse the heat generated in the optical functional unit to the semiconductor substrate, a semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs partially provided around the optical functional unit,
Semi-insulating semi conductor crystal unit, together with is configured to cover the mesa side surface and the substrate surface, by introducing fluorine as an impurity for the carrier generating element to form a passivation or deep impurity凖位ized,
The semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs is buried with a dielectric,
A semiconductor optical device, wherein a pad electrode electrically connected to the optical function part is provided on the dielectric .

前記ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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。9. The semiconductor optical device according to claim 8, wherein the semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs has a heat dissipation structure.

前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドであ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。The semiconductor optical device according to claim 8, wherein the dielectric is SiO ₂ or polyimide .

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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部を、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ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる半導体結晶部に、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、半絶縁化する第２の工程と
を備え、
前記第２の工程が、フッ素を含む溶液またはガスによる表面処理とそれに続く熱処理からなるフッ素化処理であることを特徴とする半導体光素子の製造方法。In a method of manufacturing a semiconductor optical device in which an optical functional part having a light absorption function is provided on a semiconductor substrate, and heat is generated by carriers generated by light absorption,
A first step of partially forming a semiconductor crystal part made of InAlAs or InGaAlAs for dispersing heat generated in the optical functional part to the semiconductor substrate, around the optical functional part;
A second step of semi-insulating the semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs formed in the first step by introducing an impurity for inactivating a carrier generating element or forming a deep impurity position; equipped with a,
The method of manufacturing a semiconductor optical device, wherein the second step is a fluorination treatment including a surface treatment with a solution or gas containing fluorine and a subsequent heat treatment .

前記ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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に記載の半導体光素子の製造方法。 12. The method of manufacturing a semiconductor optical device according to claim 11, further comprising the step of imparting heat dissipation to the semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs .

前記ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓからなる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又は１２に記載の半導体光素子の製造方法。 13. The method of manufacturing a semiconductor optical device according to claim 11, further comprising a step of embedding the semiconductor crystal portion made of InAlAs or InGaAlAs with a dielectric .

前記誘電体がＳｉＯ _２またはポリイミドである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。 The method of manufacturing a semiconductor optical device according to claim 11, wherein the dielectric is SiO ₂ or polyimide .