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JP7567435B2 - 半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体光素子およびその製造方法 Download PDF

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Description

本開示は半導体光素子およびその製造方法に関するものである。
光通信などの光源として、半導体レーザ素子と他の光学素子とをバットジョイント方式で集積した半導体光素子が知られている。例えば、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ－ｂａｃｋ）発光領域と、電界吸収型（ＥＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）光変調器とを集積する技術が開発されている（特許文献１および２）。
特開２００２－３２４９３６号公報 特開２０１１－２９５９５号公報
発光領域と変調器領域に、例えば多重井戸量子（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造のコア層を含むメサを設ける。半絶縁性埋込ヘテロ（ＳＩＢＨ：Ｓｅｍｉ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ）構造では、メサを半絶縁性の半導体層で埋め込む。半絶縁性の埋込層を用いることで変調器領域の容量が低下するため、ＳＩＢＨ構造は高速変調に適している。その一方で、半絶縁性の埋込層では発光領域における電流狭窄が不十分であり、電流が埋込層にリークする。このため光出力の増加が難しく、特に高温において高出力の動作が困難である。そこで、高出力化および高速変調が可能な半導体光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体光素子は、光を出射する発光領域と、前記光を変調する変調器領域とを集積した半導体光素子であって、前記発光領域に設けられ、前記光の伝搬方向に延伸し、前記光の伝搬方向に交差する方向に突出し、活性層を含む第１メサと、前記光の伝搬方向に交差する方向における前記第１メサの両側に設けられ、前記第１メサの突出方向に順に積層された第１埋込層および第２埋込層と、前記第１メサおよび前記第２埋込層の上に設けられた第１半導体層と、前記変調器領域に設けられ、前記光の伝搬方向に延伸し、前記光の伝搬方向に交差する方向に突出し、光吸収層を含む第２メサと、前記第２メサの両側に設けられた第３埋込層と、を具備し、前記第１半導体層および前記第１埋込層は第１の導電型を有し、前記第２埋込層は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有し、前記第３埋込層は半絶縁性の半導体層である。
本開示に係る半導体光素子の製造方法は、光を出射する発光領域と、前記光を変調する変調器領域とを集積した半導体光素子の製造方法であって、前記発光領域に活性層を含む第１メサを形成する工程と、前記光の伝搬方向に交差する方向における前記第１メサの両側に、第１埋込層および第２埋込層を、前記第１メサの突出方向に順に積層する工程と、前記第１メサおよび前記第２埋込層の上に第１半導体層を形成する工程と、前記変調器領域に光吸収層を含む第２メサを形成する工程と、前記第２メサの両側に第３埋込層を設ける工程と、を有し、前記第１半導体層および前記第１埋込層は第１の導電型を有し、前記第２埋込層は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有し、前記第３埋込層は半絶縁性の半導体層である。
本開示によれば高出力化および高速変調が可能な半導体光素子およびその製造方法を提供することが可能である。
図１Ａは実施形態に係る半導体光素子を例示する斜視図である。 図１Ｂは図１Ａの線Ａ－Ａに沿ったＸＺ平面内の断面図である。 図２Ａは図１Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図２Ｂは図１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図３は図１Ａの線Ａ－Ａに沿ったＸＹ平面内の断面図である。 図４は半導体光素子の特性を例示する模式図である。 図５Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図５Ｂは図５Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図６は半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図７Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図７Ｂは図７Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図７Ｃは図７Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図８Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図８Ｂは図８Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図８Ｃは図８Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図９Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図９Ｂは図９Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図９Ｃは図９Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図１０Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１０Ｂは図１０Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図１０Ｃは図１０Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図１１Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１１Ｂは図１１Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図１１Ｃは図１１Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図１２Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１２Ｂは図１２Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図１２Ｃは図１２Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図１３Ａは半導体光素子の製造方法を例示する平面図である。 図１３Ｂは図１３Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。 図１３Ｃは図１３Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。 図１４Ａは半導体光素子の製造方法を例示する斜視図である。 図１４Ｂは図１４Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１５Ａは半導体光素子の製造方法を例示する斜視図である。 図１５Ｂは図１５Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１６Ａは半導体光素子の製造方法を例示する斜視図である。 図１６Ｂは図１６Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１７Ａは半導体光素子の製造方法を例示する斜視図である。 図１７Ｂは図１７Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図１７Ｃは図１７Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図１８Ａは半導体光素子の製造方法を例示する斜視図である。 図１８Ｂは図１８Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。 図１８Ｃは図１８Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
本開示の一形態は、（１）光を出射する発光領域と、前記光を変調する変調器領域とを集積した半導体光素子であって、前記発光領域に設けられ、前記光の伝搬方向に延伸し、前記光の伝搬方向に交差する方向に突出し、活性層を含む第１メサと、前記光の伝搬方向に交差する方向における前記第１メサの両側に設けられ、前記第１メサの突出方向に順に積層された第１埋込層および第２埋込層と、前記第１メサおよび前記第２埋込層の上に設けられた第１半導体層と、前記変調器領域に設けられ、前記光の伝搬方向に延伸し、前記光の伝搬方向に交差する方向に突出し、光吸収層を含む第２メサと、前記第２メサの両側に設けられた第３埋込層と、を具備し、前記第１半導体層および前記第１埋込層は第１の導電型を有し、前記第２埋込層は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有し、前記第３埋込層は半絶縁性の半導体層である半導体光素子である。発光領域に第１埋込層および第２埋込層を積層することで、強く電流狭窄することができる。活性層に選択的に電流を注入するため、高出力化が可能である。変調器領域に半絶縁性の第３埋込層を設けることで、寄生容量を低減することができ、高速変調が可能である。
（２）前記第１メサは、順に積層された第２半導体層および前記活性層を含み、前記第２メサは、順に積層された第３半導体層、前記光吸収層および前記第４半導体層を含み、前記第２半導体層および前記第３半導体層は前記第２の導電型を有し、前記第４半導体層は前記第１の導電型を有してもよい。活性層の上に第１導電型の第１半導体層が設けられ、活性層の下に第２導電型の第２半導体層が設けられることで、活性層に電流を注入することができる。光吸収層の上に第１導電型の第１半導体層が設けられ、光吸収層の下に第２導電型の第３半導体層が設けられることで、光吸収層に電圧を印加することができる。
（３）前記第２メサの両側であって、前記第３埋込層の外側に設けられた樹脂層を具備してもよい。寄生容量がさらに低下するため、より高速な変調が可能である。
（４）前記第１半導体層および前記第１埋込層はｐ型のインジウムリンを含み、前記第２埋込層はｎ型のインジウムリンを含んでもよい。第１メサの両側にｐ型の第１埋込層とｎ型の第２埋込層を設けるｐｎ埋込構造により、効果的に電流狭窄を行い、出力を高めることができる。
（５）前記第３埋込層は半絶縁性のインジウムリンを含んでもよい。半絶縁性のインジウムリンにより寄生容量を低下させることで、高速変調が可能となる。
（６）前記第２メサは、前記光の伝搬方向において前記変調器領域側から前記発光領域側に向けて先細りの第１テーパ部と、前記発光領域側から前記変調器領域側に向けて先細りの第２テーパ部と、を有してもよい。第１テーパ部および第２テーパ部により、第１メサと第２メサとの光結合を強め、発光領域と変調器領域との間での光の戻りなどを抑制することができる。
（７）前記第１メサは前記光の伝搬方向に延伸する回折格子を有してもよい。発光領域はＤＦＢレーザとして機能する。
（８）光を出射する発光領域と、前記光を変調する変調器領域とを集積した半導体光素子の製造方法であって、前記発光領域に活性層を含む第１メサを形成する工程と、前記光の伝搬方向に交差する方向における前記第１メサの両側に、第１埋込層および第２埋込層を、前記第１メサの突出方向に順に積層する工程と、前記第１メサおよび前記第２埋込層の上に第１半導体層を形成する工程と、前記変調器領域に光吸収層を含む第２メサを形成する工程と、前記第２メサの両側に第３埋込層を設ける工程と、を有し、前記第１半導体層および前記第１埋込層は第１の導電型を有し、前記第２埋込層は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有し、前記第３埋込層は半絶縁性の半導体層である半導体光素子の製造方法である。発光領域に第１埋込層および第２埋込層を積層することで、強く電流狭窄することができる。活性層に選択的に電流を注入するため、高出力化が可能である。変調器領域に半絶縁性の第３埋込層を設けることで、寄生容量を低減することができ、高速変調が可能である。
（９）前記第２メサを形成する工程は、前記第１メサよりも大きな幅を有する前記第２メサを形成する工程であり、前記第１埋込層および前記第２埋込層を積層する工程は、前記第１メサおよび前記第２メサの両側に前記第１埋込層および前記第２埋込層を積層する工程を含み、前記第２メサの両側の前記第１埋込層および前記第２埋込層を除去し、かつ前記第２メサを細くする工程を有し、前記第３埋込層を設ける工程は、前記細くする工程後の前記第２メサの両側に前記第３埋込層を設ける工程でもよい。第２メサの両側から第１埋込層および第２埋込層が除去され、第３埋込層が形成されるため、寄生容量を効果的に低減することができる。
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体光素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
（半導体光素子）
図１Ａは実施形態に係る半導体光素子１００を例示する斜視図である。図１Ｂは図１Ａの線Ａ－Ａに沿ったＸＺ平面内の断面図である。図２Ａは図１Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。図２Ｂは図１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。埋込層などに生じる傾斜は斜視図では省略している。図３は図１Ａの線Ａ－Ａに沿ったＸＹ平面内の断面図である。Ｘ軸方向は光の伝搬方向である。Ｚ軸方向は層の積層方向であり、Ｘ軸方向に直交する。Ｙ軸方向はＸ軸方向およびＺ軸方向に直交する。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、半導体光素子１００は発光領域１０、導波路領域５２および変調器領域５０を有する、バットジョイント構造の素子である。発光領域１０、導波路領域５２および変調器領域５０はＸ軸方向に沿って順に並ぶ。図１Ｂに示す発光領域１０のＸ軸方向の長さＬ１は例えば３００μｍ以上、６００μｍ以下である。変調器領域５０のＸ軸方向の長さＬ２は例えば５０μｍ以上、２００μｍ以下である。導波路領域５２のＸ軸方向の長さＬ３は例えば２０μｍ以上、１５０μｍ以下である。
図２Ａは発光領域１０の断面図である。発光領域１０は分布帰還型（ＤＦＢ）レーザとして機能する。発光領域１０において、基板１２の上にメサ１３（第１メサ）、埋込層２４、２６および３２、クラッド層２８が設けられている。メサ１３は、基板１２の上面から順に積層された回折格子層１４、クラッド層１６（第２半導体層）、活性層１８、およびクラッド層２０で形成されている。メサ１３は基板１２のＹ軸方向の中央付近に位置し、発光領域１０をＸ軸方向に延伸する。メサ１３の幅Ｗ１は例えば１μｍ～２μｍである。
基板１２の上であってメサ１３のＹ軸方向の両側には２つの埋込層２４（第１埋込層）が設けられている。２つの埋込層２４はメサ１３を挟む。埋込層２４の上に２つの埋込層２６（第２埋込層）が設けられている。２つの埋込層２６は互いに離間し、Ｙ軸方向においてメサ１３を挟む。クラッド層２８はメサ１３および埋込層２６の上に設けられ、２つの埋込層２６の間においてクラッド層２０に接触する。クラッド層２０の上にコンタクト層３０が設けられている。
埋込層３２（第３埋込層）は、基板１２の上に設けられ、メサ１３、埋込層２４および２６、クラッド層２８をＹ軸方向の両側から挟む。コンタクト層３０および埋込層３２の上に絶縁膜３４および３５が順に設けられている。電極３８は絶縁膜３５の上に設けられ、絶縁膜３４および３５の開口部を通じてコンタクト層３０に接触し、コンタクト層３０と電気的に接続される。電極３８は例えばチタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）などの金属で形成される。電極３６は基板１２の下面に設けられ、基板１２と電気的に接続される。電極３６は例えば金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）などの金属で形成される。
活性層１８は、複数の井戸層およびバリア層を含み、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。井戸層およびバリア層は、例えばアンドープのガリウムインジウム砒素リン（ｉ－ＧａＩｎＡｓＰ）、またはアルミニウムガリウムインジウム砒素（ｉ－ＡｌＧａＩｎＡｓ）で形成される。回折格子層１４は例えばインジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）で形成されている。基板１２およびクラッド層１６は例えばｎ型のインジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成され、ｎ型のクラッド層として機能する。埋込層２６はｎ－ＩｎＰで形成されている。ＩｎＰに添加されるｎ型のドーパントは例えばシリコン（Ｓｉ）である。クラッド層２０および２８（これらは第１半導体層に対応する）、埋込層２４は例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。ｐ型のドーパントは例えば亜鉛（Ｚｎ）である。埋込層３２は例えば鉄（Ｆｅ）がドープされた半絶縁性のＩｎＰで形成されている。コンタクト層３０は例えばｐ＋＋型のＩｎＧａＡｓで形成されている。絶縁膜３４および３５は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁体で形成されている。
ｎ型のクラッド層１６、ＭＱＷの活性層１８、ｐ型のクラッド層２０および２８が積層されることで、Ｚ軸方向にメサ１３を含むｐ－ｉ－ｎ構造が形成される。メサ１３の両側には、ｐ型の埋込層２４、ｎ型の埋込層２６、およびｐ型のクラッド層２８が積層され、ｐｎ埋込構造が形成される。
図２Ｂは変調器領域５０の断面図である。変調器領域５０は電界吸収型（ＥＡ）変調器として機能する。変調器領域５０においては、基板１２の上にメサ４３（第２メサ）、埋込層３２、樹脂層４４が設けられている。メサ４３は基板１２のＹ軸方向の中央付近に位置し、変調器領域５０および導波路領域５２をＸ軸方向に延伸する。変調器領域５０において、メサ４３は、基板１２側から順に積層された回折格子層１４、クラッド層１６（第３半導体層）、光吸収層４０、クラッド層２０、クラッド層２８（この２つの層は第４半導体層に対応する）、およびコンタクト層３０で形成されている。メサ４３の幅Ｗ２は例えば１μｍ～２μｍである。基板１２の上であってメサ４３の両側に埋込層３２が設けられている。２つの埋込層３２はメサ４３を挟む。図３に示すように導波路領域５２においてメサ４３は光吸収層４０に代えて導波路層５４を有する。
絶縁膜３４は基板１２の上面、埋込層３２の側面および上面を覆う。絶縁膜３４の上であって埋込層３２の外側に樹脂層４４が設けられている。２つの樹脂層４４は、メサ４３および埋込層３２をＹ軸方向において挟む。樹脂層４４の上に絶縁膜３５が設けられている。絶縁膜３５の上に電極４８が設けられている。電極４８は絶縁膜３５の開口部を通じてコンタクト層３０に接触し、コンタクト層３０に電気的に接続される。
光吸収層４０は，例えば複数の井戸層およびバリア層を含み、多重量子井戸構造を有する。井戸層およびバリア層は、例えばアンドープのガリウムインジウム砒素リン（ｉ－ＧａＩｎＡｓＰ）またはアルミニウムガリウムインジウム砒素（ｉ－ＡｌＧａＩｎＡｓ）で形成される。ｎ型のクラッド層１６、ＭＱＷの光吸収層４０、ｐ型のクラッド層２０が積層されることで、Ｚ軸方向にメサ４３を含むｐ－ｉ－ｎ構造が形成される。樹脂層４４は例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）などで形成されている。電極４８は例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなど金属で形成される。
図１Ｂに示すように、Ｘ軸方向に沿って、変調器領域５０の光吸収層４０、導波路領域５２の導波路層５４、発光領域１０の活性層１８が並ぶ。導波路領域５２の導波路層５４は例えばＩｎＧａＡｓＰで形成され、活性層１８および光吸収層４０に光結合する。Ｚ軸方向においてクラッド層１６とクラッド層２０との間に設けられている。
導波路領域５２にコンタクト層３０は設けられていない。変調器領域５０のコンタクト層３０および電極４８と、発光領域１０のコンタクト層３０および電極３８との間は、絶縁膜３４および３５によって絶縁されている。電極３６は発光領域１０、導波路領域５２および変調器領域５０に設けられている。回折格子層１４のうち発光領域１０内の部分に、Ｘ軸方向に沿って延伸する周期的な凹凸が設けられている。当該凹凸が回折格子１５として機能する。活性層１８に回折格子が設けられてもよい。
図３は活性層１８、光吸収層４０および導波路層５４を含む断面を図示する。図３に示すように、メサ４３のうち導波路領域５２の部分はテーパ部４３ａおよび４３ｂを有する。具体的には、回折格子層１４、クラッド層１６および２０、導波路層５４にテーパ部４３ａおよび４３ｂが形成されている。２つのテーパ部のうちテーパ部４３ａは、発光領域１０側に位置し、Ｘ軸方向に沿って、変調器領域５０側から発光領域１０側に向けて先細りである。テーパ部４３ｂは、変調器領域５０側に位置し、Ｘ軸方向に沿って、発光領域１０側から変調器領域５０側に向けて先細りである。テーパ部４３ａおよび４３ｂのＸ軸方向に対する傾斜角度は例えば１０°以下である。
Ｘ軸方向において、樹脂層４４は半導体光素子１００の端部からテーパ部４３ｂの中央付近まで延伸する。樹脂層４４と光吸収層４０との間における埋込層３２の幅Ｗ３は例えば０．３μｍである。
電極３８および３６を用いて発光領域１０の活性層１８に電流を注入することで、Ｘ軸方向に光が出射される。回折格子１５によって発振波長は例えば１．５５ｎｍに制御される。導波路層５４のバンドギャップは光のエネルギーより大きいため、導波路層５４は光を吸収しにくい。電極４８および電極３６を用いて変調器領域５０の光吸収層４０に電圧を印加することで、光吸収層４０の吸収率を変化させ、光を変調する。変調光は半導体光素子１００の端面から出射される。テーパ部４３ｂが設けられているため、発光領域１０と変調器領域５０との結合が強くなり、光の損失が抑制される。テーパ部４３ａが設けられているため、変調器領域５０から発光領域１０への光の戻りが抑制される。
図２Ａに示すように、発光領域１０においては、ｐ型の埋込層２４、ｎ型の埋込層２６およびｐ型のクラッド層２８を積層しているため、電流が埋込層２６でブロックされ埋込層２６および２４を通じてＺ軸方向に流れにくい。一方、活性層１８の上にはｐ型のクラッド層２０および２８が積層され、下にはｎ型のクラッド層１６が設けられている。ｐｎ埋込構造によって効果的な電流狭窄を行い、クラッド層２８を通じて活性層１８に選択的に電流を入力することで、高出力化が可能である。
図４は半導体光素子の特性を例示する模式図である。横軸は発光領域１０に入力する電流を表し、縦軸は光出力を表す。実線は実施形態の特性を表す。破線は比較例の特性を表す。比較例では、発光領域１０および変調器領域５０の両方に半絶縁性の埋込層３２が設けられ、発光領域１０に埋込層２４および２６が設けられていない。
電流が増加するにつれて光出力は増加する。しかし、比較例においては電流がＩ１以上になると光出力が線形に増加しなくなり、さらに電流が増加すると光出力が減少する。半絶縁性の埋込層３２による電流狭窄が不十分であり、電流がリークし、効率的な電流注入が困難になる。例えば７５℃など室温（約２５℃）よりも高温において、光出力の低下が発生しやすい。
一方、実施形態においては、電流がＩ１以上においても光出力は線形に増加する。埋込層２４および２６によるｐｎ埋込構造によって、埋込層３２よりも強い電流狭窄が可能であり、光出力を高めることができる。例えば高温においても高出力動作を行い、高い光出力を得ることが可能である。
図２Ｂに示すように、変調器領域５０においては、メサ４３の両側に半絶縁性の埋込層３２が設けられている。ｐｎ埋込構造の発光領域１０に比べて変調器領域５０の寄生容量が低下し、高速変調が可能である。
（製造方法）
図５Ａから図１８Ｃを参照し、半導体光素子１００の製造方法を説明する。図５Ａ、図６、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、図１２Ａおよび図１３Ａは半導体光素子１００の製造方法を例示する平面図である。図１４Ａ、図１５Ａ、図１６Ａ、図１７Ａ、および図１８Ａは半導体光素子１００の製造方法を例示する斜視図である。図５Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ、図１２Ｂおよび図１３Ｂは対応する平面図の線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。図７Ｃ、図８Ｃ、図９Ｃ、図１０Ｃ、図１１Ｃ、図１２Ｃおよび図１３Ｃは対応する平面図の線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。図１４Ｂ、図１５Ｂ、図１６Ｂ、図１７Ｃおよび図１８Ｃは対応する斜視図の線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。図１７Ｂおよび図１８Ｂは対応する斜視図の線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。斜視図においては、埋込層の表面などに生じうる傾斜を省略し、表面を平面として図示している。
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ：Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などにより、基板１２の上に、回折格子層１４、クラッド層１６、および活性層１８を順にエピタキシャル成長する。
図６に示すように、活性層１８の上に例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）のマスク６０を設ける。活性層１８のうち発光領域１０のメサ１３となる部分はマスク６０に覆われる。活性層１８のうちマスク６０から露出する部分をエッチングで除去し、エッチング後に光吸収層４０および導波路層５４をエピタキシャル成長する。光吸収層４０および導波路層５４の厚さは活性層１８の厚さに等しい。その後、マスク６０を取り除き、図６では不図示のｐ－ＩｎＰのクラッド層２０を成長する。
図７Ａから図７Ｃに示すように、クラッド層２０の上にマスク６２を設ける。マスク６２はＸ軸方向において基板１２の一端から他端まで延伸し、クラッド層２０のＹ軸方向の中央部を覆う。変調器領域５０におけるマスク６２のＹ軸方向の幅は例えば１０μｍであり、発光領域１０における幅は例えば１～２μｍである。マスク６２の幅は、変調器領域５０から発光領域１０に向けて徐々に小さくなる。すなわち、マスク６２はＸ軸方向に沿って先細りのテーパ部６２ａを有する。回折格子層１４、クラッド層１６および２０、活性層１８、光吸収層４０のうち、マスク６２から露出する部分をエッチングで除去する。エッチングは例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライエッチング、またはウェットエッチングなどである。図７Ｂに示すように、発光領域１０にメサ１３が形成される。図７Ｃに示すように、変調器領域５０にメサ４３が形成される。メサ１３および４３の両側に基板１２が露出する。メサ４３の幅はメサ１３の幅より大きい。メサ４３にはマスク６２のテーパ部６２ａが転写され、図３のテーパ部４３ａが形成される。
図８Ａから図８Ｃに示すように、例えばＯＭＶＰＥ法などにより、マスク６２から露出する基板１２の表面に、埋込層２４および２６を順にエピタキシャル成長する。原料ガスとともにｐ型のドーパントを成長装置に導入することで、ｐ－ＩｎＰの埋込層２４を成長する。ドーパントをｎ型のドーパントに切り替え、ｎ－ＩｎＰの埋込層２６を成長する。成長の後、マスク６２は除去する。
図９Ａから図９Ｃに示すように、例えばＯＭＶＰＥ法などにより、メサ１３および４３、埋込層２６の上に、クラッド層２８およびコンタクト層３０を順にエピタキシャル成長する。
図１０Ａから図１０Ｃに示すように、コンタクト層３０の上にマスク６４を設ける。図１０Ａに示すように、マスク６４の幅は、発光領域１０から変調器領域５０に向けて徐々に小さくなり、例えば１０μｍから１～２μｍに変化する。すなわち、マスク６４はＸ軸方向に沿って先細りのテーパ部６４ａを有する。図１０Ｂに示すように、マスク６４の幅はメサ１３の幅より大きい。図１０Ｃに示すように、マスク６４の幅はメサ４３の幅より小さい。
図１１Ａから図１１Ｃに示すように、エッチングにより、埋込層２４および２６、クラッド層２８、コンタクト層３０のうちマスク６４から露出する部分を除去する。図１１Ｂに示すように、マスク６４の幅はメサ１３の幅より大きいため、メサ１３の両側に埋込層２４および２６が残存する。メサ１３および埋込層２６の上にはクラッド層２８およびコンタクト層３０が残存する。図１１Ｃに示すように、メサ４３は細く加工され、メサ４３の両側から埋込層２４および２６、クラッド層２８ならびにコンタクト層３０は除去される。メサ４３の上にはクラッド層２８およびコンタクト層３０が残存する。メサ４３にはマスク６４のテーパ部６４ａが転写され、図３のテーパ部４３ｂが形成される。
図１２Ａから図１２Ｃに示すように、マスク６４から露出する基板１２の表面に、半絶縁性の埋込層３２をエピタキシャル成長する。図１２Ｂに示すように、Ｙ軸方向において、埋込層３２はメサ１３の両側であって、埋込層２４および２６、クラッド層２８およびコンタクト層３０の外側に位置する。図１２Ｃに示すように、埋込層３２はメサ４３の両側に設けられる。埋込層３２の形成後、マスク６４は除去する。
図１３Ａから図１３Ｃに示すように、マスク６６を設ける。図１３Ｂに示すように、マスク６６は発光領域１０の全体を覆う。図１３Ｃに示すように、マスク６６はメサ４３の全体および埋込層３２の一部を覆う。埋込層３２のうちＹ軸方向外側はマスク６６から露出する。
図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、エッチングを行い、埋込層３２のうちＹ軸方向外側の部分を除去する。埋込層３２のうちマスク６６に覆われた部分は残存する。エッチングによって基板１２の上面および埋込層３２の側面が露出する。エッチング後、マスク６６は除去する。
図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより、コンタクト層３０の上面、埋込層３２の上面および側面、基板１２の上面に絶縁膜３４を設ける。マスク６６を除去せず、絶縁膜３４の一部として利用してもよい。
図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、樹脂層４４を絶縁膜３４の上面および側面に設ける。図１６Ｂに示すように、樹脂層４４は、メサ４３および埋込層３２の両側を埋め込む。
図１７Ａに示すように、例えば研磨などで樹脂層４４のうち上側の部分を除去し、樹脂層４４の上面と発光領域１０の絶縁膜３４の上面とを同程度の高さとする。その後、コンタクト層３０のうち、発光領域１０と変調器領域５０との間の部分をエッチングなどで除去し、発光領域１０と変調器領域５０との間で絶縁する（図１Ｂ参照）。図１７Ａから図１７Ｃに示すように、樹脂層４４および絶縁膜３４の上面に絶縁膜３５を設ける。
図１８Ａに示すように、電極３６、３８および４８を設ける。図１８Ｂおよび図１８Ｃに示すように、レジストパターニングおよびエッチングなどで、絶縁膜３４および３５に開口部を設ける。蒸着などで絶縁膜３５の上に電極３８および４８を設け、基板１２の裏面に電極３６を設ける。以上の工程で半導体光素子１００が形成される。
本実施形態によれば、図２Ａに示すように、発光領域１０に活性層１８を含むメサ１３が設けられている。ｐ型のクラッド層２８を通じて、活性層１８に電流を注入する。メサ１３の両側にｐ型の埋込層２４とｎ型の埋込層２６とが積層したｐｎ埋込構造によって、埋込層への電流のリークは抑制され、電流狭窄を強めることができる。メサ１３の活性層１８に選択的に電流を注入することで、高い光出力を得ることができる。特に図４に示したように、高温・高出力でも良好な特性を発揮することができる。例えばデータセンタなどにおける光通信に半導体光素子１００を用いることができる。
図２Ｂに示すように、変調器領域５０に光吸収層４０を含むメサ４３の両側に半絶縁性の埋込層３２が設けられている。変調器領域５０の寄生容量は発光領域１０に比べて低下するため、高速での変調が可能である。実施形態によれば、高出力化および高速変調の両立が可能である。
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、活性層１８および光吸収層４０の下にｎ型のクラッド層１６が設けられ、活性層１８および光吸収層４０の上にｐ型のクラッド層２０および２８が設けられる。発光領域１０のメサ１３には、活性層１８を含むｐ－ｉ－ｎ構造が形成される。一方、メサ１３の両側にはｐ型の埋込層２４とｎ型の埋込層２６とを積層したｐｎ埋込構造が設けられる。このため活性層１８に集中的に電流を注入することができる。変調器領域５０のメサ４３には、光吸収層４０を含むｐ－ｉ－ｎ構造が形成される。メサ４３の両側には半絶縁性の埋込層３２が設けられている。寄生容量を低下させ、かつ光吸収層４０に電圧を印加することができる。高出力化と高速変調の両立が可能である。
図２Ｂに示すように、メサ４３の両側には樹脂層４４が設けられている。樹脂層４４によって寄生容量をさらに低下させることができるため、より高速での光変調が可能である。
埋込層２４、クラッド層２０および２８はｐ－ＩｎＰで形成されている。基板１２、埋込層２４およびクラッド層１６はｎ－ＩｎＰで形成されている。ＩｎＰによりｐｎ埋込構造を形成することができる。埋込層３２はＦｅをドープした半絶縁性のＩｎＰで形成されており、寄生容量を低減することができる。これらの層にはＩｎＰ以外の化合物半導体を用いてもよい。ｐ型の層とｎ型の層とは交互に積層すればよく、積層の順番は実施形態とは逆にしてもよい。
図１１Ｃに示すようにメサ４３の両側の埋込層２４および２６を除去し、メサ４３を細く加工した後、図１２Ｃに示すようにメサ４３の両側に埋込層３２を設ける。メサ４３の両側にｐｎ埋込構造が残存せず、埋込層３２が形成されるため、寄生容量を効果的に低減することができる。
図７Ｂおよび図７Ｃに示す工程において、メサ１３の幅はメサ４３より小さい。図１１Ｃに示す工程で、変調器領域５０のメサ４３はメサ１３と同程度に細く加工される。こうした工程において、図３に示すテーパ部４３ａおよび４３ｂが形成される。メサ１３と、変調器領域５０のメサ４３との間に例えば数μｍ以下のわずかな位置ずれが生じる恐れがある。テーパ部４３ａおよび４３ｂによって、発光領域１０と変調器領域５０との光結合を強め、変調器領域５０から発光領域１０への光の戻りを抑制することができる。テーパ部４３ａおよび４３ｂのＸ軸方向に対する傾斜角度は例えば５°以上、１０°以下である。埋込層の異常成長を抑制することができる。
図３では導波路層５４のＸ軸方向の一端がテーパ部４３ｂの先端に位置し、導波路層５４の他端がテーパ部４３ａの先端よりも発光領域１０側に例えば５μｍほど突出する。導波路層５４の一端がテーパ部４３ｂの先端より変調器領域５０側に突出してもよいし、発光領域１０側に位置してもよい。導波路層５４の他端がテーパ部４３ａの先端と同じ位置にあってもよいし、テーパ部４３ａの先端より変調器領域５０側にあってもよい。
メサ１３の回折格子層１４には回折格子１５が設けられている。発光領域１０はＤＦＢレーザとして機能する。回折格子１５は回折格子層１４以外の層に設けられてもよい。発光領域１０はＤＦＢレーザ以外のレーザとして機能してもよい。変調器領域５０はＥＡ変調器以外の変調器として機能してもよい。
以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 発光領域
１２ 基板
１３、４３ メサ
１４ 回折格子層
１６、２０、２８ クラッド層
１８ 活性層
２４、２６、３２ 埋込層
３０ コンタクト層
３４、３５ 絶縁膜
３６、３８、４８ 電極
４０ 光吸収層
４４ 樹脂層
５０ 変調器領域
５２ 導波路領域
５４ 導波路層
４３ａ、４３ｂ、６２ａ、６４ａ テーパ部
６０、６２、６４、６６ マスク
１００ 半導体光素子

Claims (9)

  1. 光を出射する発光領域と、前記光を変調する変調器領域とを集積した半導体光素子であって、
    前記発光領域に設けられ、前記光の伝搬方向に延伸し、前記光の伝搬方向に交差する方向に突出し、活性層を含む第１メサと、
    前記光の伝搬方向に交差する方向における前記第１メサの両側に設けられ、前記第１メサの突出方向に順に積層された第１埋込層および第２埋込層と、
    前記第１メサおよび前記第２埋込層の上に設けられた第１半導体層と、
    前記変調器領域に設けられ、前記光の伝搬方向に延伸し、前記光の伝搬方向に交差する方向に突出し、光吸収層を含む第２メサと、
    前記発光領域および前記変調器領域に設けられ、前記変調器領域では前記第２メサの両側に設けられ、前記発光領域では前記第１埋込層および前記第２埋込層の前記第１メサとは反対の位置に設けられた第３埋込層と、を具備し、
    前記第１半導体層および前記第１埋込層は第１の導電型を有し、
    前記第２埋込層は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有し、
    前記第３埋込層は半絶縁性の半導体層であり、鉄がドープされた半絶縁性のインジウムリンで形成されている半導体光素子。
  2. 前記第１メサは、順に積層された第２半導体層および前記活性層を含み、
    前記第２メサは、順に積層された第３半導体層、前記光吸収層および第４半導体層を含み、
    前記第２半導体層および前記第３半導体層は前記第２の導電型を有し、
    前記第４半導体層は前記第１の導電型を有する請求項１に記載の半導体光素子。
  3. 前記第２メサの両側であって、前記第３埋込層の外側に設けられた樹脂層を具備する請求項１または請求項２に記載の半導体光素子。
  4. 前記第１半導体層および前記第１埋込層はｐ型のインジウムリンを含み、
    前記第２埋込層はｎ型のインジウムリンを含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  5. 前記発光領域と前記変調器領域との間に設けられた導波路領域を具備し、
    前記第２メサは前記変調器領域と前記導波路領域とに設けられ、
    前記第２メサは、前記光の伝搬方向において前記導波路領域側から前記発光領域側に向けて先細りの第１テーパ部と、前記導波路領域側から前記変調器領域側に向けて先細りの第２テーパ部と、を有し、
    前記第１テーパ部の両側に前記第１埋込層および前記第２埋込層が設けられ、
    前記第２テーパ部の両側に前記第３埋込層が設けられている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  6. 前記光の伝搬方向に対する前記第１テーパ部および前記第２テーパ部の傾斜角度は１０°以下である請求項５に記載の半導体光素子。
  7. 前記第１メサは前記光の伝搬方向に延伸する回折格子を有する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  8. 光を出射する発光領域と、前記光を変調する変調器領域とを集積した半導体光素子の製造方法であって、
    前記発光領域に活性層を含む第１メサを形成する工程と、
    前記光の伝搬方向に交差する方向における前記第１メサの両側に、第１埋込層および第２埋込層を、前記第１メサの突出方向に順に積層する工程と、
    前記第１メサおよび前記第２埋込層の上に第１半導体層を形成する工程と、
    前記変調器領域に光吸収層を含む第２メサを形成する工程と、
    前記第２メサの両側、および前記第１埋込層および前記第２埋込層の前記第１メサとは反対の位置に、第３埋込層を設ける工程と、を有し、
    前記第１半導体層および前記第１埋込層は第１の導電型を有し、
    前記第２埋込層は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有し、
    前記第３埋込層は半絶縁性の半導体層であり、鉄がドープされた半絶縁性のインジウムリンで形成されている半導体光素子の製造方法。
  9. 前記第２メサを形成する工程は、前記第１メサよりも大きな幅を有する前記第２メサを形成する工程であり、
    前記第１埋込層および前記第２埋込層を積層する工程は、前記第１メサおよび前記第２メサの両側に前記第１埋込層および前記第２埋込層を積層する工程を含み、
    前記第２メサの両側の前記第１埋込層および前記第２埋込層を除去し、かつ前記第２メサを細くする工程を有し、
    前記第３埋込層を設ける工程は、前記細くする工程後の前記第２メサの両側に前記第３埋込層を設ける工程を含む請求項８に記載の半導体光素子の製造方法。
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