特開 2022-83951 半導体光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022083951

(43)【公開日】2022-06-06

(54)【発明の名称】半導体光素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/227 20060101AFI20220530BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20220530BHJP

【ＦＩ】

H01S5/227

H01S5/343

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021017749

(22)【出願日】2021-02-05

(31)【優先権主張番号】P 2020194960

(32)【優先日】2020-11-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】301005371

【氏名又は名称】日本ルメンタム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 厚

(72)【発明者】

【氏名】滝田 隼人

(72)【発明者】

【氏名】浜田 重剛

(72)【発明者】

【氏名】中島 良介

(72)【発明者】

【氏名】荒沢 正敏

(72)【発明者】

【氏名】鷲野 隆

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA22

5F173AB13

5F173AD12

5F173AG08

5F173AJ23

5F173AK08

5F173AP05

(57)【要約】

【課題】長期信頼性優れた半導体光素子を提供することにある。
【解決手段】基板と、前記基板の上に設けられたメサ構造と、前記メサ構造の両脇に接して設けられる半導体埋め込み層と、前記半導体埋め込み層の上部に設けられたＡｕを含む電極と、を備え、前記メサ構造は前記基板側から第１導電型半導体層、多重量子井戸層、第２導電型半導体層で積層され、前記半導体埋め込み層は、前記メサ構造の側部に接して設けられる第１半絶縁性ＩｎＰ半導体層と、前記第１半絶縁性ＩｎＰ層に接して設けられる第１拡散防止層と、前記第１拡散防止層上に設けられる第２半絶縁性ＩｎＰ層とを含み、前記第１拡散防止層のＡｕの拡散定数は、前記第１半絶縁性ＩｎＰ層より小さい半導体光素子。
【選択図】図３ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と
前記基板の上に設けられたメサ構造と、
前記メサ構造の両脇に接して設けられる半導体埋め込み層と、
前記半導体埋め込み層の上部に設けられたＡｕを含む電極と、を備え、
前記メサ構造は、前記基板側から第１導電型半導体層、多重量子井戸層、第２導電型半導体層で積層され、
前記半導体埋め込み層は、前記メサ構造の側部に接して設けられる第１半絶縁性ＩｎＰ半導体層と、前記第１半絶縁性ＩｎＰ層に接して設けられる第１拡散防止層と、前記第１拡散防止層上に設けられる第２半絶縁性ＩｎＰ層とを含み、
前記第１拡散防止層のＡｕの拡散定数は、前記第１半絶縁性ＩｎＰ層より小さい、半導体光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体光素子であって、
前記メサ構造は、さらに前記第２半導体層の上部にコンタクト層を含み、
前記第２半絶縁性ＩｎＰ層は、前記メサ構造から離れるに従って、前記基板の表面からの高さが高くなる斜面部を含み、
前記電極は、前記コンタクト層および前記斜面部の少なくとも一部を覆うように配置され、
前記電極は、前記コンタクト層に接している、半導体光素子。

【請求項3】

請求項２に記載の半導体光素子であって、
前記第２半絶縁性ＩｎＰ層の上に第２拡散防止層をさらに含み、
前記第２拡散防止層は、前記電極の一部と前記第２半絶縁性ＩｎＰ層との間に配置され、
前記第２拡散防止層のＡｕの拡散定数は、前記第２半絶縁性ＩｎＰ層より小さい、半導体光素子。

【請求項4】

請求項１に記載の半導体光素子であって、
前記メサ構造および前記第２半絶縁性ＩｎＰ層の上に跨るように第２導電型半導体層と同一導電型の第３半導体層と、前記第３半導体層と前記電極との間にコンタクト層をさらに含む、半導体光素子。

【請求項5】

請求項１乃至４に記載の半導体光素子であって、
前記第１拡散防止層の前記メサ構造の側面に平行な方向で見た時の先端は、前記基板側から見て前記多重量子井戸層より高い、半導体光素子。

【請求項6】

請求項１乃至５に記載の半導体光素子であって、
前記第１拡散防止層の前記メサ構造の側面に平行な方向で見た時の先端は、前記メサ構造の高さの８０％以上まで及ぶ、半導体光素子。

【請求項7】

請求項１乃至６に記載の半導体光素子であって、
前記メサ構造の側面に垂直な方向で見た時に、前記メサ構造の側面と前記第１拡散防止層との距離は１０ｎｍ以上離れている、半導体光素子。

【請求項8】

請求項１乃至７に記載の半導体光素子であって、
前記第１拡散防止層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓのいずれかである、半導体光素子。

【請求項9】

請求項１乃至８に記載の半導体光素子であって、
前記第１拡散防止層は、アンドープ、ｎ型、ｐ型のいずれかである、半導体光素子。

【請求項10】

請求項１乃至９に記載の半導体光素子であって、
第１拡散防止層は、前記基板に近いほど前記メサ構造の側面からの距離が大きくなる部分を有する、半導体光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、モバイル端末やインターネットなどの通信機器の普及に伴い、光送受信モジュールに高速化及び大容量化が求められている。光送受信モジュールの光源として、半導体光素子が広く使われている。半導体光素子の代表的なものの一つとして埋め込めヘテロ構造（Buried Hetero-structure：ＢＨ構造）が知られている。ＢＨ構造とは、多重量子井戸層を含むメサ構造の両側面を半導体層で埋め込まれた構造であり、高信頼性及び低寄生容量による高速応答性に優れた半導体素子である。メサ構造の両側面を埋め込む半導体層は半絶縁性半導体層やＰＮ接合を含む複数の半導体層で構成されることが知られている。また光源としては直接変調型の半導体レーザや半導体レーザから出射される連続光の変調する電界吸収型変調器（ＥＡ（Electro-Absorption）変調器）が知られている。

【0003】

特許文献１には、ＢＨ構造を有するＥＡ変調器が開示されている。当該ＥＡ変調器はメサストライプの両側をＲｕがドーピングされたＩｎＰ層（埋め込み層）で埋め込まれている。メサストライプはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、ＭＱＷ層（Multiple-Quantum Well）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層、そしてｐ型コンタクト層で構成されている。そして、ｐ型コンタクト層にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されるｐ型電極が接続される。基板（ウエハ）の裏側にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されるｎ型電極が形成されている。ｐ型電極とｎ型電極間に電圧を印可することで、ＥＡ変調器は光を吸収し、変調器として動作する。ｐ型電極は、パッシベーション膜を挟んで埋め込み層の上にも形成されている。また発振器（ＤＦＢレーザ）もほぼ同様の構成となっている。また特許文献２には埋め込み層の異常成長を抑制するための製造方法が開示されている。

【0004】

特許文献３には、ＢＨ構造の上にさらにクラッド層およびコンタクト層を形成する構造が開示されている。本構造は、プレナーＢＨ(Planer BH:ＰＢＨ構造)と呼ばれている。ＰＢＨ構造は、メサ状の両側に埋め込み層が配置され、メサ状の頂上を含み埋め込み層全体にわたってｐ－ＩｎＰクラッド層が配置されている。さらにその上にＰ－ＩｎＰクラッド層を覆うようにｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層が配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２－２９２９号公報

【特許文献2】特開２０１０－２６７６７４号公報

【特許文献3】国際公開第２０１９／２２０５１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

半導体光素子では、電極材料としてＡｕが用いられる。Ａｕは、ＩｎＰに対する拡散速度が非常に速いことが知られている。Ａｕ拡散が進行し、活性層（多重量子井戸層）に到達すると、半導体光素子の特性および信頼性は劣化する。ＩｎＰ基板上に作成されるＢＨ構造の半導体光素子では、例えばＩｎＰにＦｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ（ＳＩ－ＩｎＰ）を埋込材料として用いる。特許文献２に開示されているように、埋め込み成長直後においては、半導体光素子の表面には、メサ構造の直上を除いて埋め込み層が露出するため、最表面はＦｅ－ＩｎＰ層となる。特許文献１に開示されているように、ｐ型電極は半導体層側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが積層された構造となっている。Ｐｔは、Ａｕの半導体層への拡散を抑制するが、半導体層表面の形状等の影響により、Ａｕの拡散を完全に防止することは困難である。そのため、ｐ型電極に含まれるＡｕがＩｎＰで構成される埋め込み層を通って多重量子井戸層まで拡散する恐れがある。さらに特許文献３では上面電極とｐ型ＩｎＰクラッド層との間にｐ型ＩｎＧａＡｓのコンタクト層が配置されている。ＩｎＧａＡｓ層は、ＩｎＰと比較してＡｕの拡散係数は小さく、ｐ型ＩｎＰクラッド層に拡散する恐れが小さい。しかし、製造ばらつきなどによりＩｎＧａＡｓコンタクト層が薄く形成されることなどで、Ａｕが拡散する可能性は０ではない。そしてＡｕが拡散した場合は、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＰ埋め込み層を介して活性層の側面側からＡｕが活性層に拡散する恐れがある。

【0007】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、長期信頼性優れた半導体光素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る半導体光素子は、基板と、前記基板の上に設けられたメサ構造と、前記メサ構造の両脇に接して設けられる半導体埋め込み層と、前記半導体埋め込み層の上部に設けられたＡｕを含む電極と、を備え、前記メサ構造は前記基板側から第１導電型半導体層、多重量子井戸層、第２導電型半導体層で積層され、前記半導体埋め込み層は、前記メサ構造の側部に接して設けられる第１半絶縁性ＩｎＰ半導体層と、前記第１半絶縁性ＩｎＰ層に接して設けられる第１拡散防止層と、前記第１拡散防止層上に設けられる第２半絶縁性ＩｎＰ層とを含み、前記第１拡散防止層のＡｕの拡散定数は、前記第１半絶縁性ＩｎＰ層より小さいことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明により、長期信頼性に優れた半導体光素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の上面図である。

【図2】図１に示す半導体光素子のＡ－Ａ線断面図である。

【図3a】図１に示す半導体光素子のＢ－Ｂ線断面図である。

【図3b】図３ａの一部拡大図である。

【図4a】図１に示す半導体光素子のＣ－Ｃ線断面図である。

【図4b】図４ａの一部拡大図である。

【図5】本発明の第１の実施形態の変形例１に係る図１に示す半導体光素子のＢ－Ｂ線断面の拡大図である。

【図6】本発明の第１の実施形態の変形例２に係る図１に示す半導体光素子のＢ－Ｂ線断面の拡大図である。

【図7】本発明の第１の実施形態の変形例３に係る図１に示す半導体光素子のＢ－Ｂ線断面の拡大図である。

【図8】本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子の上面図である。

【図9】図９に示す半導体光素子のＤ－Ｄ線断面図である。

【図10a】図９に示す半導体光素子のＥ－Ｅ線断面図である。

【図10b】図１０ａの一部拡大図である。

【図11】本発明の第２の実施形態の変形例１に係る図８に示す半導体光素子のＥ－Ｅ線断面の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

【0012】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体光素子１の上面図である。半導体光素子１は、半導体レーザ１０と電界吸収型変調器（ＥＡ変調器）１１とが一体的に集積されている変調器集積半導体レーザである。なお、本実施形態では集積型の例を示すが、本発明は半導体レーザ単体またはＥＡ変調器単体であっても発明の効果は得られる。半導体光素子１は、半導体レーザ１０と、導波路１２と、ＥＡ変調器１１とがこの順で互いに光学的に接続された集積素子である。半導体レーザ１０は連続光を出射し、導波路１２は半導体レーザ１０の出射光をＥＡ変調器１１に伝達する。ＥＡ変調器１１は、半導体レーザ１０の発振波長に対応した光を吸収する多重量子井戸層を備えている。導波路１２を通過してＥＡ変調器１１に入光した連続光は、ＥＡ変調器１１にて強度変調され、２値や４値等の変調光信号に変換される。ＥＡ変調器１１から出射された変調光信号は、前方端面１３から出射される。なお、前方端面付近に他の構造、例えば絶縁性のＩｎＰなどを配置した窓構造を備えていても良い。前方端面１３には図示しない誘電体無反射膜が形成されている。また半導体レーザ１０の逆側の端面である後方端面１４には、図示しない誘電体高反射膜が形成されている。また詳細は後述するが、半導体レーザ１０からＥＡ変調器１１まではメサ構造を備えており、その両側は半導体埋め込み層で埋め込まれた埋め込み型半導体素子となっている。

【0013】

図２は、半導体光素子１の光軸に平行なＡ－Ａ断面の模式図となっている。ベースとなるｎ－ＩｎＰ基板３０（基板）に半導体レーザ１０、導波路１２、そしてＥＡ変調器１１が集積されている。ここでｎ－ＩｎＰ基板３０は第１導電型半導体層でもある。半導体レーザ１０は、例えば、１．３μｍ帯で発振するＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザである。なお、半導体レーザ１０は、１．５５μｍ帯で発振するＤＢＦであっても構わない。さらには、半導体レーザ１０は、ＤＦＢレーザに限らず、ＦＰ(Fabry-Perot)レーザ、ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)レーザ、ＤＲ(Distributed Reflector)レーザであっても構わない。半導体レーザ１０は、レーザ部多重量子井戸層３１と、レーザ部多重量子井戸層３１の上部に設けられた回折格子層３２を備えている。回折格子層３２の格子間およびその上にはｐ－ＩｎＰクラッド層３３（第２導電型半導体層）が設けられている。なお、図示はしていないがレーザ部多重量子井戸層３１の上下にはそれぞれ光閉じ込め層が設けられている。またｐ－ＩｎＰクラッド層３３の最上部にはコンタクト層４２（図４ｂ参照）が設けられている。コンタクト層４２は、レーザ部電極３４（第２導電側電極）と電気的かつ物理的に接続している。ｎ－ＩｎＰ基板３０の裏面側にはほぼ全面を覆うように裏面電極３５（第１導電側電極）が設けられている。半導体レーザ１０は、レーザ部電極３４と裏面電極３５との間に電界が印可（電流を注入）されることで、連続光を発振する。ここでは１．３μｍ帯で発振するようにレーザ部多重量子井戸層３１の組成波長等および回折格子層３２の格子間隔は設定される。

【0014】

ＥＡ変調器１１は、変調器部多重量子井戸層３９を備えている。なお、図示はしていないが変調器部多重量子井戸層３９の上下にはそれぞれ光閉じ込め層が設けられている。変調器部多重量子井戸層３９は、電界が印可された際に半導体レーザ１０の出射光を吸収する構造を備えている。変調器部多重量子井戸層３９の上部にはｐ－ＩｎＰクラッド層３３が配置されている。なお、ここでは半導体レーザ１０に設けられているｐ－ＩｎＰクラッド層３３と同じものが形成されているが、異なるものであっても構わない。ｐ－ＩｎＰクラッド層３３の上部には変調器電極４０（第２導電側電極）が配置されている。変調器電極４０は、ｐ－ＩｎＰクラッド層３３の上部に配置されたコンタクト層４２と電気的かつ物理的に接続されている。コンタクト層４２は、半導体レーザ１０に設けられた層と同じものであるが、異なるものであっても構わない。変調器電極４０と裏面電極３５との間に逆バイアスを印可することで光吸収が行われる。変調器電極４０は、メサ構造の上部に設けられた略長方形状の変調器メサ電極４０ａと楕円形状の変調器パッド電極４０ｂで構成される。変調器メサ電極４０ａと変調器パッド電極４０ｂとの間は細い引き出し電極で繋がっている。また説明の便宜上変調器電極４０を複数の部分に分けているが、その構造自体は同じ一体的なものである。また変調器パッド電極４０ｂは、楕円形状に限定されず、四角形状でも角が丸められている四角形状、円形状であっても構わない。変調器パッド電極４０ｂにはＥＡ変調器１１へ電気信号を伝達するためのシグナルワイヤ（図示なし）が接続される。

【0015】

導波路１２は、導波路部半導体層３８を備えている。導波路部半導体層３８は、半導体レーザ１０の出射光を吸収しない半導体層である。例えばバルク層である。また、導波路部半導体層３８の上下には光閉じ込め層が配置されても良い。導波路部半導体層３８の上部にはｐ－ＩｎＰクラッド層３３が配置されている。なお、ここでは半導体レーザ１０に設けられているｐ－ＩｎＰクラッド層３３と同じものが形成されているが、異なるものであっても構わない。導波路１２のｐ－ＩｎＰクラッド層３３の構成は、半導体レーザ１０に設けられているものと同一であるが、厚みが異なる。導波路１２のｐ－ＩｎＰクラッド層３３は、半導体レーザ１０のｐ－ＩｎＰクラッド層３３と比較すると薄くなっている。これはＥＡ変調器１１と半導体レーザ１０との間の電気アイソレーションを高めるためである。

【0016】

図３ａは、ＥＡ変調器１１の光軸に垂直なＢ－Ｂ断面の模式図である。メサ構造は、ｎ－ＩｎＰ基板３０の一部と、変調器部多重量子井戸層３９とｐ－ＩｎＰクラッド層３３、そしてコンタクト層４２（図３ｂ参照）で構成されている。メサ構造の両側は、埋め込み層（ＢＨ層）３６で埋め込まれている。メサ構造の上部から片側のＢＨ層の上部に渡って変調器電極４０が配置されている。変調器電極４０は、ＢＨ層３６側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造となっている。Ｔｉは、他の金属と半導体との接着強度をあげるために設けられており、同様の効果が得られれば他の金属であっても構わない。Ｐｔは、Ａｕが半導体層側に拡散することを防止するバリア層としての機能を持つ。同様の効果が得られれば他の金属であっても構わない。例えば、Ｐｔに代えてＰｄが配置されてもよい。なおＰｔ層があったとしてもＡｕはその隙間などから半導体層側に拡散する場合がある。また、ＢＨ層３６の上部においては、変調器電極４０とＢＨ層３６との間に絶縁膜（パッシベーション膜）３７が配置されている。ここでは、絶縁膜３７はＳｉＯ２膜であるがこれに限定されない。なお、絶縁膜３７と変調器パッド電極４０ｂとの間に他の酸化膜があっても構わない。ｎ－ＩｎＰ基板３０の裏面には裏面電極３５が形成されている。ＢＨ層３６は、メサ構造の両脇の一部および変調器電極４０の下部にのみ形成されており、ＢＨ層３６が形成されていない領域は、ｎ－ＩｎＰ基板３０の上に絶縁膜３７が形成された構造である。

【0017】

図３ｂは、図３ａの点線四角で囲った領域の拡大図である。図３ａでは図示していないが、半導体素子１のＢＨ層３６は、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａ、第１拡散防止層３６ｂ、第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃの３層構成となっている。第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃは、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａより厚い層である。ＢＨ層３６は、メサ構造の頂点から図面上左右方向に、斜面部を含んでいる。すなわち、ＢＨ層３６は、メサ構造から離れるに従って、ｎ－ＩｎＰ基板３０の表面からの高さが高くなる斜面部を有する。メサ構造の片側（図３ｂの左側）には斜面部の途中までＢＨ層３６が形成されている。逆側（図３ｂの右側）には斜面部の右側に水平領域がある。第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａと第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃは、Ｆｅがドーピングされた半絶縁性のＩｎＰ層である。なお、それに限らずＲｕをドーピングしても構わない。また第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａと第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃが異なるドーパントであっても構わない。第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａと第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃは接した領域で一体となっているが、製造段階では異なる層として形成されている。第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃの上面には第２拡散防止層４３が配置されている。第２拡散防止層４３は、主として第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃの水平領域に配置されているが、斜面部を覆うように水平領域と比較して薄く形成されている。なお、第２拡散防止層４３は、斜面部に形成されない場合もある。第１拡散防止層３６ｂ及び第２拡散防止層４３は、アンドープのＩｎＧａＡｓである。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰと比較してＡｕの拡散定数が十分に小さい。なお、これに限定されず、第１拡散防止層３６ｂ及び第２拡散防止層４３は、ｐ型、ｎ型、そして半絶縁性の半導体のいずれであっても構わない。またＩｎＰよりＡｕの拡散定数が小さければ、他の材料でも構わなく、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓであっても構わない。

【0018】

第１拡散防止層３６ｂは、ｎ－ＩｎＰ基板３０に略平行な領域と、メサ構造の積層方向に略平行な領域と、で構成されている。ここでは説明の簡略化のために曲る領域は直角で示しているが、実際は曲線を含みなだらかに曲がる場合もある。また、メサ構造の積層方向に略平行な領域において、図面上、第１拡散防止層３６ｂはメサ構造の側面に平行であるが、第１拡散防止層３６ｂはメサ構造の側面に対して一定の角度で形成されてもよい。すなわち、メサ構造の積層方向に略平行な領域の第１拡散防止層３６ｂは、基板に近いほどメサ構造の側面からの距離が大きくなるように形成されてもよい。また、メサ構造の積層方向に略平行な領域の厚みは、ｎ－ＩｎＰ基板３０に略平行な領域の厚みより薄くなっている。メサ構造の積層方向に略平行な領域の先端は、メサ構造の頂点まで及ばずｐ－ＩｎＰクラッド層３３の途中までとなっている。

【0019】

ここで本発明の効果を説明する。課題で示したように電極に含まれるＡｕは、ＩｎＰに対して拡散する性質がある。特許文献１に開示されている構造の場合、電極とＩｎＰで構成された埋め込み層との間に絶縁膜３７が挟まれていない領域がある。具体的には、当該領域は、埋め込み層の斜面部と水平な領域の一部である。この電極とＩｎＰが接触する領域を通って、ＡｕがＩｎＰ埋め込み層を通過し、変調器多重量子井戸層３９まで拡散した場合、結晶クラックなどが発生し特性や信頼性が低下する。しかし、本実施形態においては、ＢＨ層３６が第１拡散防止層３６ｂを含んでいる。第１拡散防止層３６ｂは、ＩｎＧａＡｓで構成され、ＩｎＰと比較してＡｕが拡散しにくい性質がある。第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃに拡散したＡｕは、第１拡散防止層３６ｂによりトラップされ、変調器部多重量子井戸層３９まで及ぶことがないため特性劣化や長期信頼性を確保することが可能となる。第１拡散防止層３６ｂは、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａと第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃとを完全には分断していないため、隙間を通ってＡｕが変調器部多重量子井戸層３９まで拡散する可能性は残る。しかしながら、第１拡散防止層３６ｂにより、Ａｕの拡散量を大幅に低減させることが可能となり、実用に耐えうる十分な信頼性は得られる。第１拡散防止膜３６ｂの先端は、少なくとも変調器多重量子井戸層３９を超える高さまで形成されていることが望ましい。

【0020】

図３ｂの横方向で見て、第１拡散防止層３６ｂは変調器部多重量子井戸層３９から１０ｎｍ以上離れていることが好ましい。第1拡散防止層３６ｂとメサ部分が電気的に接続した場合、容量増となり、高周波特性が低下する。一方、Ａｕ拡散防止の点からはメサと第１拡散防止層３６ｂとの距離は２００ｎｍ以下が望ましい。

【0021】

第１拡散防止層３６ｂの厚みは１ｎｍ以上あればＡｕ拡散防止効果は十分得られる。そして電気的・光学的な影響を抑えるためには５ｎｍ以下が好ましい。

【0022】

さらに、本実施形態では第２拡散防止層４３を有する。第２拡散防止層４３は、変調器電極４０と第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃとの間に配置され、Ａｕが第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃに拡散することを防止している。ここでは、第２拡散防止層４３はアンドープのＩｎＧａＡｓであるが、これに限定されない。また、第２拡散防止層４３は、第１拡散防止層３６ｂと異なる組成であっても構わない。上述したようにＢＨ層３６の斜面部における第２拡散防止層４３は薄い、もしくは完全に形成されない場合がある。しかし、本実施形態は第１拡散防止層３６ｂを備えているため、第２拡散防止層４３でトラップしきれなかったＡｕが変調器多重量子井戸層３９に拡散することを防止することが可能となる。なお、ここでは最もＡｕの拡散防止効果が大きい二つの拡散防止層を備えて例を説明したが、第１拡散防止層３６ｂだけでも十分な効果が得られるため、第２拡散防止層４３はなくても構わない。

【0023】

図４ａは、図１に示す半導体レーザ１０の光軸に垂直なＣ－Ｃ断面の模式図である。メサ構造は、ｎ－ＩｎＰ基板３０の一部と、レーザ部多重量子井戸層３１とｐ－ＩｎＰクラッド層３３、そしてコンタクト層４２で構成されている。ｐ－ＩｎＰクラッド層３３には回折格子層３２が含まれている（図４ｂ参照）。メサ構造の両側は、ＢＨ層３６で埋め込まれている。レーザ部電極３４は、メサ構造の両側のＢＨ層３６上およびメサ構造の上面に渡って広く配置されている。レーザ部電極３４は、ＢＨ層３６側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造となっている。またＢＨ層３６の上部においては、レーザ部電極３４とＢＨ層３６との間に絶縁膜３７が配置されている。

【0024】

図４ｂは、図４ａの点線四角で囲った領域の拡大図である。ＢＨ層３６は、ＥＡ変調器１１と同様の構成となっている。つまりＢＨ層３６は、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａ、第１拡散防止層３６ｂ、第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃの３層構成となっている。その配置の位置や組成等については図３ｂで説明したものと同様である。そのため、半導体レーザ１０においてもＥＡ変調器１１と同様に、Ａｕがレーザ部多重量子井戸層３１に拡散することを防止することが可能となり、信頼性に優れた半導体素子を提供することができる。

【0025】

ここで半導体素子１の製造方法を説明する。公知の多層成長技術、ＢＪ技術、およびフォトリソグラフィ技術を用いてＢＨ層３６を形成する直前までプロセス行う。この状態では半導体レーザ１０、導波路１２、ＥＡ変調器１１それぞれがメサ構造（ハイメサ）となって繋がっている状態であり、メサ構造の側面には何も形成されていない。メサ構造の頂点には酸化膜マスクが形成されている。次にＦｅを添加した第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａをＭＯＣＶＤ法によって結晶成長させる。この時、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａは、メサ構造の側面とメサ構造脇の水平領域（ｎ－ＩｎＰ基板３０の表面）の全体を覆うように結晶成長する。ここではメサ構造の頂点のコンタクト層４２を覆うまで成長する。メサ構造の側面に図面上横方向に１０ｎｍの厚さを積んだ後に、第１拡散防止層３６ｂを成長させる。この時、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａから第１拡散防止層３６ｂへの切り替え時に、結晶装置の炉体からウエハを取り出さず、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａと第１拡散防止層３６ｂは連続して多層成長される。これは後述する第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃおよび第２拡散防止層４３の結晶成長についても同様である。第１拡散防止層３６ｂは、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａの表面を覆うように成長されるが、メサ構造の側面に略平行に形成された第１拡散防止層３６ｂは、高さ方向については、メサ構造の頂点まで届かずｐ－ＩｎＰクラッド層３３の途中まで成長される。第１拡散防止層３６ｂをメサ構造の側面から離れる方向に向かって２ｎｍ積んだ後、第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃを成長させる。第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃはメサ構造の高さを超えた後は、図３ｂ等に示すように、メサ構造から離れるに従って高くなる斜面部を含む形状で成長される。第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃを６μｍ積んだ後、第２拡散防止層４３を水平領域の厚さで１００ｎｍ成長させる。この時、第２拡散防止層４３は、斜面部において１００ｎｍより薄い領域や成長されない領域が生じる。最後にメサ構造の上のマスクを除去して、ＢＨ層３６及び第２拡散防止層４３の形成が完了する。

【0026】

次に、ＥＡ変調器１１の寄生容量を低減するためにＢＨ層３６を除去する。最終的に残したい領域にマスクをして、ドライエッチイングやウェットエッチイングを用いて第２拡散防止層４３およびＢＨ層３６を除去する。この時、第２拡散防止層４３はサイドエッチが大きくなることを防止する効果もある。また所望のエッチング量を得るために時間制御で行うことが一般的だが、ＢＨ層３６は約６μｍと厚い層であるため、エッチング量が半導体光素子内やウエハ面内でばらつく恐れがある。しかし、第１拡散防止層３６ｂと第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃは異なる材料であるため、選択エッチング技術により確実に第１拡散防止層３６ｂに到達するまで第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ｃを除去することが可能となり、ばらつきを抑えることができる。第１拡散防止層３６ｂからｎ－ＩｎＰ基板３０までの厚みはそれほどないため、通常のエッチングで十分にエッチング量を制御することが可能である。

【0027】

次に、全面に絶縁膜３７を形成する。さらに、半導体レーザ１０およびＥＡ変調器１１のメサ頂点及びＢＨ層３６の斜面部の絶縁膜３７を除去しスルーホールを形成する。そしてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕのレーザ部電極３４、変調器電極４０を形成する。続いてｎ－ＩｎＰ基板３０を所望の厚さに研磨した後、裏面に裏面電極３５を形成し、ウエハは完成する。ウエハをバーに切り出し、前方端面１３に誘電体無反射膜を、後方端面１４に誘電体高反射膜を形成する。最後にバーから各素子を切り出して、図１に示す半導体素子１が完成する。

【0028】

［変形例１］
図５は、図１に示すＥＡ変調器１１の変形例１にかかるＢ－Ｂ線断面図である。図３ｂとの違いは、第１拡散防止層３６ｂの先端がより高く伸びている点である。本願発明は多重量子井戸層へのＡｕの拡散を防止することが最大の目的であるため、図５で見た時の横方向において、多重量子井戸層の側面側に第１拡散防止層３６ｂが重なっている必要がある。そして、より多重量子井戸層へのＡｕ拡散を防止するためには、第１拡散防止層３６ｂの先端は、メサ構造の高さの８０％以上超える領域まで及んでいることが好ましい。ここでメサ構造の高さは、ｎ－ＩｎＰ基板３０の表面（ＢＨ層３６の底部）からコンタクト層４２の頂部までの距離である。さらに好ましくは、第１拡散防止層３６ｂの先端は、メサ構造の高さ以上まで及ぶことが望ましい。

【0029】

［変形例２］
図６は、図１に示すＥＡ変調器１１の変形例１にかかるＢ－Ｂ線断面図である。図３ｂとの違いは、第１拡散防止層３６ｂが２層構造となっている点である。ここでは第１拡散防止層３６ｂはアンドープのＩｎＧａＡｓとアンドープのＩｎＧａＡｓＰで構成されている。異なる半導体層を組み合わせることで、さらなるＡｕ拡散の低減を図ることが可能となる。これに限らず、第１拡散防止層３６ｂはＩｎＰよりＡｕの拡散定数が小さい半導体層の複数の組み合わせで構成してもよい。また本思想は第２拡散防止層４３についても同様である。また半導体レーザ１０においても同様の構造を採用してよい。

【0030】

［変形例３］
図７は、図１に示すＥＡ変調器１１の変形例２にかかるＢ－Ｂ線断面図である。図３ｂとの違いは、ＢＨ層３６の構成である。本変形例ではＢＨ層３６はｎ－ＩｎＰ基板３０側から、第１半絶縁性ＩｎＰ層３６ａ１、第１拡散防止層３６ｂ１、第２半絶縁性ＩｎＰ層３６ａ２、第３拡散防止層３６ｂ２、そして第３半絶縁性ＩｎＰ層３６ａ３の５層構成となっている。言い換えると、ＢＨ層３６の中にＡｕに対する二つの拡散防止層が含まれている。半絶縁性ＩｎＰ層は、第１の実施形態で説明した層のいずれかを選択すればよく、二つの拡散防止層も同様である。また、第３拡散防止層３６ｂ２は、メサ構造の８０％以上の高さまで覆っている必要はない。本発明の効果を得るためには、メサ構造に最も近い拡散防止層（ここでは第１拡散防止層３６ｂ１）が変調器多重量子井戸層３９の側面側を覆っていれば十分である。なお、ＢＨ層中に２層以上の拡散防止層を挟んでも構わないが、ＢＨ層の全体の結晶品質等の観点からは少ないほうが好ましい。また半導体レーザ１０においても同様の構造を採用してよい。

【0031】

［第２の実施形態］
図８は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体光素子１０１の上面図である。半導体光素子１０１は、半導体レーザ１１０と電界吸収型変調器（ＥＡ変調器）１１１とが一体的に集積されている変調器集積半導体レーザである。なお、本実施形態では集積型の例を示すが、本発明は半導体レーザ単体またはＥＡ変調器単体であっても発明の効果は得られる。半導体光素子１０１は、半導体レーザ１１０と、導波路１２と、ＥＡ変調器１１１とがこの順で互いに光学的に接続された集積素子である。半導体レーザ１１０は連続光を出射し、導波路１１２は半導体レーザ１１０の出射光をＥＡ変調器１１１に伝達する。ＥＡ変調器１１１は、半導体レーザ１１０の発振波長に対応した光を吸収する多重量子井戸層を備えている。導波路１１２を通過してＥＡ変調器１１１に入光した連続光は、ＥＡ変調器１１１にて強度変調され、２値や４値等の変調光信号に変換される。ＥＡ変調器１１１から出射された変調光信号は、前方端面１１３から出射される。なお、前方端面付近に他の構造、例えば絶縁性のＩｎＰなどを配置した窓構造を備えていても良い。前方端面１１３は図示しない誘電体無反射膜が形成されている。また、半導体光素子１０１の逆側の端面である後方端面１１４には、図示しない誘電体高反射膜が形成されている。また詳細は後述するが、半導体レーザ１１０からＥＡ変調器１１１まではメサ構造を備えており、その両側は、半導体埋め込み層で埋め込まれた埋め込み型半導体素子となっている。さらに埋め込み層の上面にクラッド層が形成されたＰＢＨ構造を備えている。

【0032】

図９は、半導体光素子１０１の光軸に平行なＤ－Ｄ断面の模式図となっている。ベースとなるｎ－ＩｎＰ基板１３０（基板）に半導体レーザ１１０、導波路１１２、そしてＥＡ変調器１１１が集積されている。ここでｎ－ＩｎＰ基板１３０は、第１導電型半導体層でもある。半導体レーザ１１０は、例えば、１．３μｍ帯で発振するＤＦＢレーザである。なお、半導体レーザ１１０は、１．５５μｍ帯で発振するＤＦＢレーザであっても構わない。さらには半導体レーザ１１０は、ＤＦＢレーザに限らず、ＦＰレーザ、ＤＢＲレーザ、ＤＲレーザであっても構わない。半導体レーザ１１０は、レーザ部多重量子井戸層１３１と、レーザ部多重量子井戸層１３１の上部に設けられた回折格子層１３２を備えている。回折格子層１３２の格子間およびその上には第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３（第２導電型半導体層）が設けられている。なお、図示はしていないがレーザ部多重量子井戸層１３１の上下にはそれぞれ光閉じ込め層が設けられている。また第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３の上には第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１（第３半導体層）が設けられている。図９では説明の便宜上第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３と第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１との界面に点線を示しているが、製造後は一体的なｐ－ＩｎＰクラッド層となりその界面は明らかではない場合がある。第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１の上面にはコンタクト層１５２（図１０ｂ参照）が設けられている。コンタクト層１５２は、レーザ部電極１３４（第２導電側電極）と電気的かつ物理的に接続している。ｎ－ＩｎＰ基板１３０の裏面側にはほぼ全面を覆うように裏面電極１３５（第１導電側電極）が設けられている。半導体レーザ１１０は、レーザ部電極１３４と裏面電極１３５との間に電界が印可（電流を注入）されることで、連続光を発振する。ここでは１．３μｍ帯で発振するようにレーザ部多重量子井戸層１３１の組成波長等および回折格子層１３２の格子間隔が設定される。

【0033】

ＥＡ変調器１１１は、変調器部多重量子井戸層１３９を備えている。なお、図示はしていないが変調器部多重量子井戸層１３９の上下にはそれぞれ光閉じ込め層が設けられている。変調器部多重量子井戸層１３９は、電界が印可された際に半導体レーザ１１０の出射光を吸収する構造を備えている。変調器部多重量子井戸層１３９の上部には第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３が配置されている。なお、ここでは半導体レーザ１１０に設けられている第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３と同じものが形成されているが、異なるものであっても構わない。第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３の上部には第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１、その上面にはコンタクト層１５２（図示無し）が設けられている。第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１およびコンタクト層１５２は半塔体レーザ１１０に設けられた層と同じものであるが異なるものであっても構わない。コンタクト層１５２の上には変調器電極１４０（第２導電側電極）が配置されている。変調器電極１４０は、コンタクト層１５２と電気的かつ物理的に接続されている領域を含む。変調器電極１４０と裏面電極１３５との間に逆バイアスを印可することで光吸収が行われる。変調器電極１４０は、メサ構造の上部に設けられた略長方形状の変調器メサ電極１４０ａと楕円形状の変調器パッド電極１４０ｂで構成される。変調器メサ電極１４０ａと変調器パッド電極１４０ｂとの間は細い引き出し電極で繋がっている。また説明の便宜上変調器電極１４０を複数の部分に分けているが、その構造自体は同じ一体的なものである。また変調器パッド電極１４０ｂは楕円形状に限定されず、四角形状でも角が丸められている四角形状、円形状であっても構わない。変調器パッド電極１４０ｂにはＥＡ変調器１１へ電気信号を伝達するためのシグナルワイヤ（図示なし）が接続される。

【0034】

導波路１１２は導波路部半導体層１３８を備えている。導波路部半導体層１３８は、半導体レーザ１１０の出射光を吸収しない半導体層である。例えば導波路部半導体層１３８は、バルク層である。また導波路部半導体層１３８の上下には光閉じ込め層を配置しても良い。導波路部半導体層１３８の上部には第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３が配置されている。その上には第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１が設けられている。なお、ここでは半導体レーザ１１０に設けられている第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３、第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１と同じものが形成されているが、異なるものであっても構わない。導波路１１２の第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１の構成は、半導体レーザ１１０に設けられているものと同一であるが、厚みが異なる。導波路１１２の第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１は、半導体レーザ１１０の第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１と比較すると薄くなっている。これはＥＡ変調器１１１と半導体レーザ１１０との間の電気アイソレーションを高めるためである。

【0035】

図１０ａは、ＥＡ変調器１１１の光軸に垂直なＥ－Ｅ断面の模式図である。ＥＡ変調器１１１は、メサ構造とその上の第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１以降の層とで大きく二つのパーツで構成されている。メサ構造は、ｎ－ＩｎＰ基板１３０の一部と、変調器部多重量子井戸層１３９と第１ｐ－ＩｎＰクラッド層１３３で構成されている。メサ構造の両側は埋め込み層（ＢＨ層）１３６で埋め込まれている。ＢＨ層１３６の上には第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１がメサ構造およびメサ構造の両側のＢＨ層の上面全面に渡って広く形成されている。第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１の上面にはｐ型ＩｎＧａＡｓで構成されたコンタクト層１５２が設けられている。コンタクト層１５２の上には、メサ構造の上部を除いてＳｉＯ２の絶縁膜１３７が設けられている。絶縁膜１３７の上面およびコンタクト層１５２の上面に変調器電極１４０が設けられている。

【0036】

図１０ｂは、図１０ａの点線四角で囲った領域の拡大図である。図１０ａでは図示していないが、半導体素子１のＢＨ層１３６は、第１半絶縁性ＩｎＰ層１３６ａ、第１拡散防止層１３６ｂ、第２半絶縁性ＩｎＰ層１３６ｃの３層構成となっている。第２半絶縁性ＩｎＰ層１３６ｃは、第１半絶縁性ＩｎＰ層１３６ａより厚い層である。ＢＨ層１３６の詳細は第１の実施形態で示したＢＨ層３６と同じである。ただし、第１の実施形態のＢＨ層３６では斜面部があったが、第２の実施形態のＢＨ層１３６では斜面部はあってもなくても構わない。

【0037】

本実施形態によれば、第１の実施形態で示した効果と同様の効果が得られる。つまり、変調器多重量子井戸層１３１の側部に第１拡散防止層１３６ｂが配置されていることでＡｕ拡散の影響を低減することが可能となる。また本実施形態では、コンタクト層１５２が第２拡散防止層として機能する。さらに、本構造は半導体レーザ１１０でも同様であり、半導体レーザ１１０においてもＡｕ拡散の影響を低減することが可能となる。

【0038】

［変形例１］
図１１は、図８に示すＥＡ変調器１１１の変形例１にかかるＥ－Ｅ線断面図である。図１０ｂとの違いは、第１拡散防止層３６ｂの先端が第２ｐ－ＩｎＰクラッド層１５１に接する領域まで伸びている点である。本構成によれば第２半絶縁性ＩｎＰ層１３６ｃに拡散したＡｕが変調器多重量子井戸層１３９に及ぶことを大幅に低減することが可能となる。なお、第１の実施形態の変形例１で示した構造と同様に第１拡散防止層１３６ｂの先端はメサ高さの８０％以上超える領域まで及んでいることが好ましい。

【0039】

第１の実施形態で示した種々の変形例は第１の実施形態にも適用可能であることは言うまでもない。

【0040】

なお、上記実施形態では基板はｎ－ＩｎＰ基板で説明したが、これに限定されずｐ－ＩｎＰ基板として、上記説明とは極性が逆の構造であっても構わない。さらに半絶縁性基板であっても構わない。半絶縁性基板の場合は、半絶縁性基板の上にｎ型の半導体層（第１導電型半導体層）を配置すればよい。

【符号の説明】

【0041】

１ 半導体光素子、１０ 半導体レーザ、１１ 電界吸収型変調器、１２ 導波路、１３ 前方端面、１４ 後方端面、３０ ｎ－ＩｎＰ基板、３１ レーザ部多重量子井戸層、３２ 回折格子層、３３ ｐ－ＩｎＰクラッド層、３４ レーザ部電極、３５ 裏面電極、３６ 埋め込み層、３６ａ，３６ａ１ 第１半絶縁性ＩｎＰ層、３６ｂ，３６ｂ１ 第１拡散防止層、３６ｃ，３６ａ２ 第２半絶縁性ＩｎＰ層、３６ｂ２ 第３拡散防止層、３６ａ３ 第３半絶縁性ＩｎＰ層、３７ 絶縁膜、３８ 導波路部半導体層、３９ 変調器部多重量子井戸層、４０ 変調器電極、４０ａ 変調器メサ電極，４０ｂ 変調器パッド電極、４２ コンタクト層、４３ 第２拡散防止層、１０１ 半導体光素子、１１０ 半導体レーザ、１１１ 電界吸収型変調器、１１２ 導波路、１１３ 前方端面、１１４ 後方端面、１３０ ｎ－ＩｎＰ基板、１３１ レーザ部多重量子井戸層、１３２ 回折格子層、１３３ 第１ｐ－ＩｎＰクラッド層、１３４ レーザ部電極、１３５ 裏面電極、１３６ 埋め込み層、１３６ａ 第１半絶縁性ＩｎＰ層、１３６ｂ 第１拡散防止層、１３６ｃ 第２半絶縁性ＩｎＰ層、１３７ 絶縁膜、１３８ 導波路部半導体層、１３９ 変調器部多重量子井戸層、１４０ 変調器電極、１４０ａ 変調器メサ電極，１４０ｂ 変調器パッド電極、１５１ 第２ｐ－ＩｎＰクラッド層、１５２ コンタクト層。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10a】

【図10b】

【図11】