JP2001235713A - 光変調器、半導体光素子、及びそれらの作製方法 - Google Patents

光変調器、半導体光素子、及びそれらの作製方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気抵抗が低く、高周波特性に優れた光変調
器、及びそのような光変調器と半導体レーザ素子とを集
積した半導体光素子を提供する。 【解決手段】 本光変調器10は、n−InP基板12
上に、n−InP層14、AlGaInAs系MQW1
6、GaInAsP層18、p−InP層20、p−A
lInAs層22、p−InP層24、及び、p−Ga
InAs層26からなる積層構造を備える。p−AlI
nAs層、p−InP層、及びp−GaInAs層は、
幅10μmのストライプ状リッジとして形成されてい
る。p−AlInAs層の両側には、p−AlInAs
層中のAlを選択的に酸化してなるAl酸化層28が、
p−AlInAs層の縁からリッジ側面まで3.5μm
の幅で延在している。光変調器は、酸化狭窄構造を備え
ていることにより、p−クラッド層の幅を10μmに広
くすることができるので、デバイス抵抗が低い。また、
酸化狭窄構造を備えているので、リッジ側面荒れの影響
が小さく、周波数特性が良好である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、量子閉じ込めシュ
タルク効果型光変調器、量子閉じ込めシュタルク効果型
光変調器と半導体レーザ素子とを集積させた半導体光素
子、及びそれらの作製方法に関し、更に詳細には、デバ
イス抵抗が低く、かつ周波数特性が良好な光変調器、及
び半導体光素子、並びにそれらの作製方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】超格子構造では、層方向に垂直に電界を
印加したとき、バリヤ層が励起子の解離を防ぐために、
弱い電界では励起子が解離するようなことは生じない。
例えば104 Vの電界が10nm幅の量子井戸に印加さ
れると、井戸は10meVだけ傾く。この程度の電界で
は、量子井戸中の励起子は解離することはなく、光吸収
スペクトルは低エネルギー側にシフトしたピーク構造が
観察される。この現象が量子閉じ込めシュタルク効果
(QCSE)と呼ばれるものである。そして、AlGa
InAs系量子井戸構造を用いて、量子閉じ込めシュタ
ルク効果を利用した量子閉じ込めシュタルク効果型光変
調器が、Journal of Lightwave Technology, Vol.8.No.
7, July 1990等に提案されており、GaInAsP系に
比べ、低電圧動作、及び高速変調が可能であると評価さ
れている。
【0003】以下に、図15を参照して、従来の量子閉
じ込めシュタルク効果型光変調器の構成を説明する。図
15は従来の量子閉じ込めシュタルク効果型光変調器の
構成を示す斜視図である。従来の量子閉じ込めシュタル
ク効果型光変調器(以下、簡単に光変調器と言う)11
0は、図15に示すように、光導波路構造の光変調器で
あって、i層のAlGaInAs/AlInAs多重量
子井戸(MQW)118をp型のクラッド層120及び
n型のクラッド層116で挟んだpin構造を備えて、
InP基板112上に作製されている。光変調器110
は、MBE法(分子線エピタキシー法)等によってn−
InP基板112上に、順次、成膜された、n−InP
層114、n−AlInAsクラッド層116、MQW
118、p−AlInAsクラッド層120、及びp−
InGaAsコンタクト層122の積層構造を備え、p
−コンタクト層122上にp側電極124、InP基板
112の裏面にn側電極126を有する。
【0004】MQW118は、膜厚86ÅのAlGaI
nAs井戸層と膜厚50ÅのAlInAsバリア層との
30周期のペアで構成されていて、n−AlInAsク
ラッド層116、MQW118、p−AlInAsクラ
ッド層120及びp−InGaAsコンタクト層122
は、幅4μm及び長さ90μmから120μmのハイメ
サ型のリッジとして形成されている。また、n−InP
層114及びリッジは、p側電極124を除いてSiO
2 膜で被覆されている。
【0005】光変調器110に、逆バイアス電圧を印加
すると、量子閉じ込めシュタルク効果により、励起子吸
収ピークが長波長側に移動し、レーザ光に対する光吸収
を増加させることができる。この電界効果は、逆バイア
スpin接合を利用するために、小さな駆動電圧で大き
な吸収率の変化を実現することができ、更に、この電界
効果は高速性を有する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のハイメ
サ型光変調器には、以下の問題があった。それは、ハイ
メサ型のリッジを備えているので、リッジ形成時に発生
するリッジ側面荒れの影響により、伝搬光の散乱損失が
生じ、デバイス特性の劣化を招いている。また、リッジ
幅が比較的細いために、抵抗の大きなp−クラッド層で
の抵抗が大きくなり、その結果、デバイス抵抗が大きく
なるという問題もある。さらに、半導体レーザと集積す
る場合において、MQW及びクラッド層の材料がAlを
含むため、選択成長法を用いることが困難である。以上
のことから、優れたデバイス特性を示す高機能の光変調
器、或いは光変調器と半導体レーザ素子とを共通基板上
に集積してなる半導体光素子を作製することが難しい。
【0007】そこで、本発明の目的は、電気抵抗が低
く、高周波特性に優れた光変調器、及びそのような光変
調器と半導体レーザ素子とを共通基板上に集積した半導
体光素子、並びにそれらの作製方法を提供することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る量子閉じ込めシュタルク効果型光変調
器(以下、第1の発明と言う)は、AlGaInAs系
多重量子井戸構造(以下、MQWと言う)と、MQWを
挟む相互に異なる導電型のクラッド層と、MQW上、又
はp型クラッド層中に形成され、Al酸化層からなる電
流狭窄層とを有する積層構造を化合物半導体基板上に備
え、少なくとも電流狭窄層を含む上部積層構造が、スト
ライプ状リッジとして形成され、Al酸化層は、Alを
含む被酸化層中のAlを選択的に酸化してなる電流狭窄
層としてリッジの両側面から内方に延在し、かつ、リッ
ジの一方の側面から内方に延びるAl酸化層と、リッジ
の他方の側面から内方に延びるAl酸化層との間には、
Alを含む被酸化層が、未酸化のままで延在することを
特徴としている。
【0009】本発明では、リッジの両側面側にAl酸化
層からなる電流狭窄層を備えた構造を有するので、リッ
ジ内のクラッド層の幅が従来の量子閉じ込めシュタルク
効果型光変調器に比べて広いので、電気抵抗が低くな
る。また、Al酸化層による電流狭窄構造を備えること
により、リッジ側面荒れの影響が小さくなり、光の伝搬
損失が低減する。これらの効果により、周波数特性の向
上も得られる。また、Alを含む被酸化層として、例え
ばAlInAs層を使用することができる。
【0010】本発明に係る半導体光素子(以下、第2の
発明と言う)は、GaInAsP系、又はAlGaIn
As系半導体レーザ素子と、光変調器の導波方向が半導
体レーザ素子の光出射方向の延長線上にあるように、半
導体レーザ素子と共通のInP基板上に集積された、請
求項1又は2に記載の量子閉じ込めシュタルク効果型光
変調器とを備えていることを特徴としている。本発明で
は、半導体レーザ素子が埋め込みヘテロ構造(BH)レ
ーザ素子であって、半導体レーザ素子と光変調器との接
続領域で、半導体レーザ素子を構成する少なくとも一部
の化合物半導体層と光変調器を構成する少なくとも一部
の化合物半導体層とが、突き合わせ接続されているか、
又は、半導体レーザ素子がリッジ導波路型レーザ素子で
あって、半導体レーザ素子と光変調器との接続領域で、
半導体レーザ素子を構成する各化合物半導体層と光変調
器を構成する各化合物半導体層とが連続している。
【0011】本発明の半導体光素子は、電気抵抗が低
く、優れた周波数特性を有する光変調器と半導体レーザ
素子とを集積させたものである。
【0012】本発明に係る量子閉じ込めシュタルク効果
型光変調器の作製方法(以下、第1の発明方法と言う)
は、InP基板上に、AlGaInAs系多重量子井戸
構造(以下、MQWと言う)、MQWを挟む相互に異な
る導電型のクラッド層、及びMQW上にAlを含む被酸
化層を有する積層構造を形成する工程と、少なくともA
lを含む被酸化層を含む積層構造をストライプ状リッジ
に加工する工程と、リッジ側面から内方に、Alを含む
被酸化層中のAlを選択的に酸化して、Al酸化層を生
成すると共にリッジ中央部にAlを含む被酸化層を未酸
化のまま残存させる工程とを有することを特徴としてい
る。
【0013】本発明に係る半導体光素子の作製方法(以
下、第2の発明方法と言う)は、突き合わせ構造の半導
体光素子の作製方法であって、半導体レーザ素子を構成
する第1の積層構造をInP基板全面に形成する工程
と、半導体レーザ素子領域の第1の積層構造上に選択成
長用マスクを形成する工程と、光変調器領域の第1の積
層構造を除去してInP基板を露出させる工程と、請求
項6に記載の各工程を実施して、光変調器領域のInP
基板上に量子閉じ込めシュタルク効果型光変調器の第2
の積層構造を形成する工程とを備え、かつ、第2の積層
構造を形成する工程では、MQWの井戸層を除くAl系
化合物半導体層を成膜する際、マスク上に生成する多結
晶をエッチングするエッチングガスを成膜原料ガスに添
加することを特徴としている。
【0014】本発明に係る半導体光素子の別の作製方法
(以下、第3の発明方法と言う)は、連続接続構造の半
導体光素子の作製方法であって、半導体レーザ素子領域
に選択領域成長用マスクを形成させる工程と、選択領域
成長法によって、半導体レーザ素子を構成する積層構造
のうちMQW及びMQWを挟む上下クラッド層をInP
基板全面に形成する工程と、次いで、Alを含む被酸化
層、及び少なくとも第2の上クラッド層を成膜する工程
と、少なくともAlを含む被酸化層を含む積層構造をス
トライプ状リッジに加工する工程と、リッジ側面から内
方に、Alを含む被酸化層中のAlを選択的に酸化し
て、Al酸化層を生成すると共にリッジ中央部にAlを
含む被酸化層を未酸化のまま残存させる工程とを備え、
選択領域成長工程では、MQWの井戸層を除くAl系化
合物半導体層を成膜する際、マスク上に生成する多結晶
をエッチングするエッチングガスを成膜原料ガスに添加
することを特徴としている。
【0015】第2及び第3の発明方法では、MQWの井
戸層を除くAl系化合物半導体層を成膜する際、マスク
上に生成する多結晶をエッチングするエッチングガス、
例えばCBr4 ガスを成膜原料ガスに添加することによ
り、マスク上の多結晶成長が抑制され、良好な選択成長
が可能となる。即ち、エッチングガスの導入により、A
l系化合物半導体層の選択領域成長が容易になるので、
光変調器と半導体レーザ素子とを共通基板上に集積化す
ることが可能となる。また、原料ガスへのCBr4 の導
入により、Cがドーピングされるので、これを利用し
て、障壁層の成膜の際のみにCBr4 を導入することに
より、変調ドープ構造を容易に形成することができる。
CBr4 の添加率は、原料ガスに対して5mol%以上
50mol%以下が望ましい。また、Cを含まないエッ
チャント、例えばHClを導入すると、Cのドーピング
がないので、井戸層の成膜の際に用いることも可能であ
る。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明
する。光変調器の実施形態例 本実施形態例は、第1の発明に係る光変調器の実施形態
の一例であって、図1は本実施形態例の光変調器の構成
を示す断面図である。本実施形態例の光変調器10は、
図1に示すように、n−InP基板12上に、順次、エ
ピタキシャル成長した、n−InPクラッド層14、A
lGaInAs系多重量子井戸(以下、MQWと言う)
16、GaInAsP光閉じ込め層18、p−InPク
ラッド層20、p−AlInAs被酸化層22、p−I
nPクラッド層24、及び、p−GaInAsコンタク
ト層26からなるAlGaInAs系積層構造を備えて
いる。
【0017】n−InPクラッド層14は、膜厚が10
0nm、キャリア濃度が5×1017cm-3であり、MQ
W16は、λgが1.52μmであり、GaInAsP
光閉じ込め層18は、膜厚が10nm、λgが1.2μ
mであり、p−InPクラッド層20は、膜厚が150
nm、キャリア濃度が5×1017cm-3であり、p−A
lInAs被酸化層22は、膜厚が100nm、キャリ
ア濃度が1×1018cm-3であり、p−InPクラッド
層24は、膜厚が2000nm、キャリア濃度が1×1
18cm-3であり、p−GaInAsコンタクト層26
は膜厚が300nm、キャリア濃度が1×1019cm-3
である。MQW構造は、GaInAs井戸層(9nm)
と、AlInAsバリア層(5nm)の10ペアから形
成される。
【0018】積層構造のうち、p−AlInAs被酸化
層22、p−InPクラッド層24、及びp−GaIn
Asコンタクト層26は、幅10μmのストライプ状リ
ッジとして形成されている。p−AlInAs被酸化層
22の両側には、p−AlInAs層22中のAlを選
択的に酸化してなるAl酸化層28が、p−AlInA
s層22の縁からリッジ側面まで3.5μmの幅で延在
している。
【0019】リッジを含む積層構造上には、リッジ上部
を除いてSiN膜30が絶縁膜兼保護膜として成膜され
ている。リッジ上部のSiN膜30の窓を介してp−G
aInAsコンタクト層26上にTi/Pt/Auの積
層金属膜からなるp側電極32、及びInP基板12の
裏面にAuGeNi/Auからなるn側電極34が形成
されている。
【0020】従来の光変調器では、幅3μm程度のリッ
ジを有し、抵抗率の高いp−クラッド層の幅が細いた
め、デバイス抵抗は8Ωと大きかった。一方、本実施形
態例の光変調器10のデバイス抵抗は、6.8Ωであっ
た。これは、光変調器10は、酸化狭窄構造を備えてい
ることにより、p−クラッド層の幅を10μmに広くす
ることができるので、デバイス抵抗を低減することがで
きたことによる。酸化狭窄構造がない従来の光変調器の
場合、特性周波数が20GHzであったのに対し、酸化
狭窄構造を有する本実施形態例の光変調器10の場合
は、25GHzであって、デバイスの周波数特性が向上
している。
【0021】光変調器の作製方法の実施形態例 本実施形態例は、第1の発明方法に係る光変調器の作製
方法を実施形態例の光変調器10の作製に適用した実施
形態の一例であって、図2(a)から(c)は本実施形
態例の方法に従って光変調器を作製した際の工程毎の断
面図である。先ず、図2(a)に示すように、InP基
板12上に、MOCVD法によって、順次、膜厚が10
0nmでキャリア濃度が5×1017cm-3のn−InP
クラッド層14、λg=1.52μmのAlGaInA
s系MQW16、膜厚が10nmでλg=1.2μmの
GaInAsP光閉じ込め層18、膜厚が150nmで
キャリア濃度が5×1017cm-3のp−InPクラッド
層20、及び膜厚が100nmで1×1018cm-3のp
−AlInAs被酸化層22をエピタキシャル成長させ
る。
【0022】更に、膜厚が2000nmで、キャリア濃
度が1×1018cm-3のp−InPクラッド層24、及
び、膜厚が300nmで、キャリア濃度が1×1019
-3のp−GaInAsコンタクト層26をエピタキシャ
ル成長させる。
【0023】次に、図2(b)に示すように、p−Ga
InAsコンタクト層26、p−InPクラッド層2
4、及びp−AlInAs被酸化層22をエッチングし
て幅10μmのストライプ状リッジとして形成すると共
にリッジの脇にp−InP層20を露出させる。次い
で、既知の条件で既知の方法によって酸化処理をリッジ
内のp−GaInAs被酸化層26に施して、リッジの
両側面からそれぞれ内方に延在するp−AlInAs層
26中のAlを選択的に酸化して、幅3.5μmのAl
酸化層28をリッジの両側面からそれぞれ内方に生成さ
せる。
【0024】次いで、図2(c)に示すように、リッジ
を含む積層構造上にSiN膜46を成膜し、続いてリッ
ジ上のSiN膜46を除去し、p−GaInAsコンタ
クト層26を露出させた窓を形成する。次に、p−Ga
InAs層26上にTi/Pt/Auの積層金属膜から
なるp側電極32、及びInP基板12の裏面にAuG
eNi/Auからなるn側電極34を形成する。これに
より、実施形態例の光変調器10を形成することができ
る。
【0025】半導体光素子の実施形態例1 本実施形態例は、第2の発明に係る半導体光素子を光変
調器付き半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例で
あって、図3は本実施形態例の半導体光素子の平面的構
成を示す平面図、図4は本実施形態例の半導体光素子を
構成する半導体レーザ素子の構成を示す断面図、及び図
5は半導体レーザ素子と光変調器との接続領域の構成を
示す断面図である。本実施形態例の半導体光素子36
は、図3に示すように、光導波路38を挟んでほぼ対向
した配置で半導体レーザ素子40と実施形態例の光変調
器10とを一つの共通基板上に集積した半導体光素子で
ある。そして、半導体光素子36は、いわゆる光変調器
と突き合わせ接続型(Butt−Joint 型)の半導体レーザ
素子であって、半導体光素子40の少なくとも一部の層
と光変調器10の少なくとも一部の層とは光導波路38
の構造内で突き合わせ接続している。
【0026】半導体レーザ素子40は、BH(Buried H
eterostructure、埋め込み構造)のGaInAsP系の
分布帰還型半導体レーザ素子(DFB−LD、以下、D
FB−LDと言う)であって、図4に示すように、光変
調器10と共通のn−InP基板12に上に、n−In
Pクラッド層44、発光波長1550nmのGaInA
sP系多重量子井戸(MQW)46、回折格子が形成さ
れているGaInAsP層48、及びp−InPクラッ
ド層50からなる積層構造を備えている。そして、積層
構造のうち、n−InPクラッド層44の上部、MQW
46、GaInAsP層48、及びp−InPクラッド
層50は、ストライプ状リッジとして形成され、かつリ
ッジの両側面がp−InPブロッキング層52及びn−
InPブロッキング層54で埋め込まれていて、pn接
合による電流狭窄領域が形成されている。
【0027】更に、p−InPクラッド層50上及びn
−InPブロッキング層54上にp−InPクラッド層
56及びp−GaInAsコンタクト層58が形成され
ている。p−InP層56及びp−GaInAs層58
は、それぞれ、光変調器10のp−InP層24及びp
−GaInAs層26との共通層として形成されてい
る。また、p−GaInAs層58の上には、Ti/P
t/Auの積層金属膜からなるp側電極60、及びIn
P基板12の裏面に光変調器10のn側電極34と共通
のn側電極62が設けてある。
【0028】n−InPクラッド層44は、膜厚100
nm、キャリア濃度が5×1017cm-3であり、MQW
46はλgが1.55μmであり、GaInAsP層4
8は膜厚が10nm、λgが1.2μmであって、回折
格子が形成されている。また、p−InPクラッド層5
0は膜厚が200nm、キャリア濃度が5×1017cm
-3である。埋め込み層のp−InP層52は、膜厚50
0nm、キャリア濃度が1×10 18cm-3であり、n−
InP層54は、膜厚が500nmでキャリア濃度が1
×1018cm-3である。また、p−InPクラッド層5
6は、膜厚が2000nm、キャリア濃度が1×1018
cm-3であり、p−GaInAsコンタクト層58は、
膜厚が300nmで、キャリア濃度が1×1019-3
ある。
【0029】半導体レーザ素子40と光変調器10との
接続領域では、図5に示すように、光変調器10のn−
InPクラッド層14、AlGaInAs系MQW1
6、GaInAsP光閉じ込め層18、p−InPクラ
ッド層20、p−AlInAs被酸化層22、及びp−
InPクラッド層23と、半導体レーザ素子40のn−
InPクラッド層44、GaInAsP系多重量子井戸
(MQW)46、回折格子が形成されているGaInA
sP層48、及びp−InPクラッド層50とが、それ
ぞれ、突き合わせ接続している。尚、p−InPクラッ
ド層23は、p−AlInAs被酸化層22の保護膜と
して形成されている。
【0030】半導体光素子の作製方法の実施形態例2 本実施形態例は、第2の発明方法に係る半導体光素子の
作製方法を上述の半導体光素子36の作製に適用した実
施形態の一例であって、図6(a)から(c)、図7
(d)から(f)、及び図8(g)と(h)は、それぞ
れ、本実施形態例の方法に従って半導体光素子を作製す
る際の工程毎の断面図である。 (1)DFB−LD構造の形成工程 図6(a)に示すように、既知の方法によって、n−I
nP基板12の全面にGaInAsP系分布帰還型半導
体レーザ素子40(以下、DFB−LD40と言う)の
積層構造を形成する。先ず、膜厚100nmでキャリア
濃度が5×1017cm-3のn−InPクラッド層44、
λg=1.55μmのGaInAsP系多重量子井戸
(MQW)46及び膜厚が10nmでλg=1.2μm
のGaInAsP層48からなる導波層をエピタキシャ
ル成長させる。次いで、既知の方法によってGaInA
sP層48に回折格子を形成する。更に、膜厚が200
nmでキャリア濃度が5×1017cm-3のp−InPク
ラッド層50をエピタキシャル成長させる。
【0031】次に、光変調器10領域、及びDFB−L
D40領域の全域上にSiN膜を成膜し、続いてパター
ニングして、図6(b)に示すように、DFB−LD4
0領域の電流注入領域のみを覆うマスク51を成膜す
る。次いで、SiN膜のマスク51を使って、エッチン
グして、DFB−LD領域のp−InPクラッド層5
0、GaInAsP層48、MQW46、及びn−In
Pクラッド層14の上部をストライプ状リッジに加工す
る。続いて、SiN膜のマスク51を選択成長法のマス
クとして使って、リッジの両側に膜厚500nmでキャ
リア濃度が1×1018cm-3のp−InPブロッキング
層52及び膜厚が500nmでキャリア濃度が1×10
18cm-3のn−InPブロッキング層54を選択成長さ
せ、リッジを埋め込むと共にDFB−LD40の電流狭
窄領域を形成する。
【0032】以上の工程を経ることにより、DFB−L
D40領域では、図6(b)に示す積層構造が形成さ
れ、光変調器10領域及び接続領域では、DFB−LD
40領域のストライプ状リッジの長手方向に見て、図6
(c)に示す積層構造ガ形成される。
【0033】(2)AlGaInAs系光変調器構造の
形成工程 先ず、マスク51を除去し、次いで図7(d)に示すよ
うに、DFB−LD40領域のみにSiN膜からなるマ
スク55を形成する。次いで、光変調器10領域に形成
されている図6(c)に示す積層構造をInP基板12
までエッチングして、InP基板12を露出させる。続
いて、図7(e)に示すように、膜厚が100nmでキ
ャリア濃度が5×1017cm-3のn−InPクラッド層
14、λg=1.52μmのAlGaInAs系MQW
16、膜厚が10nmでλg=1.2μmのGaInA
sP光閉じ込め層18、膜厚が50nmでキャリア濃度
が5×1017cm-3のp−InPクラッド層20、膜厚
が100nmで1×1018cm-3のp−AlInAs被
酸化層22、及び膜厚10nmで1×1018cm-3のp
−InPクラッド層23をエピタキシャル成長させる。
尚、p−InPクラッド層23は、p−AlInAs被
酸化層22の保護膜として機能する。
【0034】MQW16の障壁層及びp−AlInAs
層38をエピタキシャル成長させる際には、5mol%
から50mol%の添加率でCBr4 ガスを原料ガス中
に添加する。Al系化合物半導体層の選択成長の際、多
結晶がSiNマスク上に生成するために、良質のAl系
化合物半導体層を成長させることが難しい。そこで、エ
ッチャントとしてCBr4 ガスを原料ガス中に添加し、
SiNマスク上に生成する多結晶をエッチングして除去
することにより、良好な膜質のAl系化合物半導体層を
選択成長させることができる。また、MQW16の障壁
層の成長の際にCBr4 を添加することにより、Cが障
壁層にドーピングされるため、変調ドープ構造を容易に
形成することができる。尚、エッチャントとして、Cを
含まないエッチャント、例えばHClを添加すると、C
の混入がないので、井戸層の成長の際にも、多結晶の生
成防止のために、エッチャントを用いることもできる。
【0035】以上の工程を経ることにより、DFB−L
D40領域では、図7(d)に示す積層構造が維持さ
れ、光変調器10領域では、図7(e)に示す積層構造
が形成され、DFB−LD40領域と光変調器10領域
との接続領域では、DFB−LD40領域のストライプ
状リッジの長手方向に見て図7(f)に示す積層構造が
形成される。
【0036】(3)p−InPクラッド層及びGaIn
Asコンタクト層の成膜 次いで、DFB−LD40領域からSiNマスク55を
除去し、基板全面に膜厚が2000nmで、キャリア濃
度が1×1018cm-3のp−InPクラッド層24(5
6)、及び、膜厚が300nmで、キャリア濃度が1×
1019-3のp−GaInAsコンタクト層26(5
8)をエピタキシャル成長させる。
【0037】以上の工程を経ることにより、DFB−L
D領域では、図8(g)に示す積層構造が形成され、光
変調器10領域では、図2(a)に示す積層構造が形成
され、DFB−LD40領域と光変調器10領域との接
続領域では、DFB−LD40領域のストライプ状リッ
ジの長手方向に見て、図8(h)に示す積層構造が形成
される。
【0038】(4)光変調器領域に酸化狭窄領域の形成 次に、DFB−LD40領域全面及び光変調器10領域
の電流注入領域を覆うマスク(図示せず)を形成し、光
変調器10領域のp−AlInAs被酸化層22、p−
InPクラッド層24、及びp−GaInAsコンタク
ト層26をエッチングして、DFB−LD40領域の電
流注入領域の延長線上に、図2(b)に示すように、幅
10μmのストライプ状リッジ状に形成すると共にp−
InPクラッド層20を露出させる。次いで、酸化処理
を施して、光変調器10領域のリッジの両側面からそれ
ぞれ内方にp−AlInAs層22中のAlを選択的に
酸化して、図2(b)に示すように、幅3.5μmのA
l酸化層28をリッジの両側面に生成すると共にリッジ
中央部に未酸化のp−AlInAs被酸化層22を残存
させる。次いで、光変調器10のp−InP層20上及
びリッジに沿ってSiN膜30を成膜し、続いてリッジ
上のSiN膜46を除去して窓を開け、p−GaInA
s層26を露出させる。
【0039】(5)電極形成 次に、相互に離間させるようにして、DFB−LD40
領域及び光変調器10領域上に、図4及び図1に示すよ
うに、それぞれ、Ti/Pt/Auの積層金属膜からな
るp側電極60、及びp側電極32を形成し、InP基
板12の裏面にAuGeNi/Auからなる共通のn側
電極34を形成する。
【0040】尚、先ず、AlGaInAs系光変調器構
造を形成し、次いで、GaInAsP系DFB−LD構
造を再成長で形成する方法もある。この場合、SiN膜
等の成長防止マスク上に多結晶の析出は見られないもの
の、DFB−LDの活性層が再成長層となるため、マス
クエッジ付近での量子井戸特性が、マスクの影響の無い
領域と異なってしまうため、デバイスとしての特性の劣
化を招く。従って、実施形態例2の半導体光素子の作製
では、AlGaInAs系光変調器を2回目の成長工程
で形成する方が好ましい。そして、その際、CBr4
のエッチャントの添加は、非常に効果的である。
【0041】本実施形態例の方法で作製した半導体光素
子36では、DFB−LD40は、通常の作製プロセス
に従って作製されているので、通常のDFB−LDと同
じレーザ特性が得られている。そして、光変調器10
は、前述のように優れた特性を備えている。
【0042】半導体光素子の実施形態例2 本実施形態例は、第2の発明に係る半導体光素子を光変
調器付き半導体レーザ素子に適用した実施形態の別の例
であって、図9は本実施形態例の半導体光素子の構成を
示す平面図、図10は本実施形態例の半導体光素子の半
導体レーザ素子の構成を示す断面図、図11は本実施形
態例の半導体光素子の光変調器の構成を示す断面図、及
び図12は半導体レーザ素子と光変調器との接続領域の
構成を示す断面図である。本実施形態例の半導体光素子
66は、図9に示すように、実施形態例1の半導体光素
子と同様に、半導体レーザ素子70と光変調器100と
を一つの共通基板上に集積した半導体光素子であって、
半導体光素子70の各層と光変調器100の各層は、選
択領域成長で、膜厚組成を変化させたものであり、同一
のものである。
【0043】半導体レーザ素子70は、リッジ導波路型
のDFB−LDであって、図10に示すように、n−I
nP基板72上に、順次、エピタキシャル成長した、n
−InPクラッド層74、AlGaInAs系MQW7
6、回折格子が形成されたGaInAsP層78、p−
InPクラッド層80、p−InPクラッド層81、p
−AlInAs被酸化層82、p−InPクラッド層8
4、及び、p−GaInAsコンタクト層86からなる
AlGaInAs系積層構造を備えている。
【0044】n−InPクラッド層74は、膜厚が10
0nm、キャリア濃度が5×1017cm-3であり、MQ
W76は、発光波長が1.55μmであり、GaInA
sP層78は、膜厚が8nm、λgが1.2μmであ
り、p−InPクラッド層80及びp−InPクラッド
層81は、それぞれ、膜厚が100nm、キャリア濃度
が5×1017cm-3であり、p−AlInAs被酸化層
82は、膜厚が100nm、キャリア濃度が1×1018
cm-3であり、p−InPクラッド層84は、膜厚が2
000nm、キャリア濃度が1×1018cm-3であり、
p−GaInAsコンタクト層26は膜厚が300n
m、キャリア濃度が1×1019cm-3である。
【0045】n−InP基板72上の積層構造、即ち、
n−InPクラッド層74、MQW76、回折格子が形
成されたGaInAsP層78、p−InPクラッド層
80、p−InPクラッド層81、p−AlInAs被
酸化層82、p−InPクラッド層84、及び、p−G
aInAsコンタクト層86は、幅10μmのストライ
プ状リッジ状に形成されている。p−AlInAs被酸
化層82の両側には、p−AlInAs被酸化層82中
のAlを選択的に酸化してなるAl酸化層88がp−A
lInAs層82の縁からリッジ側面まで3.5μmの
幅で延在している。
【0046】リッジを含む積層構造上には、リッジ上部
を除いてSiN膜90が絶縁膜兼保護膜として成膜され
ている。リッジ上部のSiN膜90の窓を介してp−G
aInAs層86上にTi/Pt/Auの積層金属膜か
らなるp側電極92、及びInP基板72の裏面にAu
GeNi/Auからなるn側電極94が形成されてい
る。
【0047】光変調器100は、図11に示すように、
半導体レーザ素子70と共通のn−InP基板72上
に、それぞれ、半導体レーザ素子70と各層と連続して
いる、n−InPクラッド層74、AlGaInAs系
MQW76、GaInAsP光閉じ込め層78、p−I
nPクラッド層80、p−InPクラッド層81、p−
AlInAs被酸化層82、p−InPクラッド層8
4、及び、p−GaInAsコンタクト層86からなる
AlGaInAs系積層構造を備えている。但し、光変
調器100のn−InPクラッド層74、MQW76、
GaInAsP層78、及びp−InPクラッド層80
は、キャリア濃度が半導体レーザ素子70のそれぞれの
層と同じであるものの、膜厚は薄く、n−InPクラッ
ド層74、GaInAsP層78、及びp−InPクラ
ッド層80は、それぞれ、80nm、、6nm、及び8
0nmであり、GaInAsP層78には、回折格子が
形成されていない。また、MQWは、λgが1.52μ
mとなるように制御している。また、p−InPクラッ
ド層81、p−AlInAs被酸化層82、p−InP
クラッド層84、及び、p−GaInAsコンタクト層
86は、膜厚及びキャリア濃度とも、半導体レーザ素子
70と同じである。
【0048】光変調器100では、n−InP基板72
上の積層構造は、半導体レーザ素子70と同様に、半導
体レーザ素子70のストライプ状リッジに連続して、幅
10μmのストライプ状リッジ状に形成されている。ま
た、p−AlInAs被酸化層82の両側には、p−A
lInAs被酸化層82中のAlを選択的に酸化してな
るAl酸化層88がp−AlInAs被酸化層82の縁
からリッジ側面まで3.5μmの幅で延在している。リ
ッジを含む積層構造上には、リッジ上部を除いてSiN
膜90が絶縁膜兼保護膜として成膜されている。リッジ
上部のSiN膜90の窓を介してp−GaInAsコン
タクト層86上にTi/Pt/Auの積層金属膜からな
るp側電極102、及びInP基板72の裏面にAuG
eNi/Auからなるn側電極94が形成されている。
【0049】本実施形態例の半導体光素子66では、図
12に示すように、半導体光素子70の各層と光変調器
100の各層は接続領域で相互に連続している。
【0050】半導体光素子の作製方法の実施形態例2 本実施形態例は、第3の発明に係る半導体光素子の作製
方法を上述の実施形態例2の半導体光素子66の作製に
適用した実施形態の一例であって、図13(a)から
(d)及び図14(e)から(g)は、それぞれ、本実
施形態例の方法に従って半導体光素子を作製する際の工
程毎の断面図である。 (1)マスクの形成 先ず、図13(a)に示すように、n−InP基板72
の半導体レーザ素子70の形成領域上に、SiN膜で所
定のマスクパターンを有する選択領域成長用マスク73
を形成する。選択領域成長用マスク73のマスクパター
ンは、マスク幅Wが30μmでマスクギャップGが20
μmである。
【0051】(2)第1の積層構造の形成 次いで、図13(a)に示すように、MOCVD法によ
り、選択領域成長法によって、基板全面に、キャリア濃
度が5×1017cm-3のn−InPクラッド層74、A
lGaInAs系MQW76、及び、λg=1.2μm
のGaInAsP層78、キャリア濃度が5×1017
-3のp−InPクラッド層80をエピタキシャル成長
させる。
【0052】このとき、各層の膜厚は、選択領域成長用
マスク73の影響のない光変調器100領域では、n−
InPクラッド層74で40nm、GaInAsP層7
8で6nm、p−InPクラッド層80で8nmとす
る。半導体レーザ素子70では、選択領域成長用マスク
73のマスク効果によって、n−InPクラッド層74
で50nm、GaInAsP層78で8nm、p−In
Pクラッド層80で10nmとなる。また、MQW76
は、光変調器100領域ではλg =1.52μmとな
り、一方、半導体レーザ素子70領域ではλg =1.5
5μmとなる。尚、Al系の化合物半導体層、つまりM
QW76の障壁層をエピタキシャル成長させる際には、
原料ガスにエッチャントとしてCBr4 ガスを添加す
る。次いで、選択領域成長用マスク73を除去して、半
導体レーザ素子70領域のGaInAsP層78に既知
の方法によって、回折格子を形成する。
【0053】この結果、半導体レーザ100領域では、
図13(c)に示す積層構造が、また接続領域では図1
3(d)に示す積層構造が、それぞれ、形成される。
【0054】(3)第2の積層構造の形成 基板全面に、p−InP膜厚が100nmでキャリア濃
度が5×1017cm-3のp−InPクラッド層81、膜
厚が100nmでキャリア濃度が1×1018cm-3のp
−AlInAs被酸化層82、膜厚が2000nmで、
キャリア濃度が1×1018cm-3のp−InPクラッド
層84、及び膜厚が300nmで、キャリア濃度が1×
1019cm-3のp−GaInAsPコンタクト層86を
エピタキシャル成長させる。これにより、半導体レーザ
素子70領域では、図14(e)に示す積層構造が、光
変調器100領域では、図14(f)に示す積層構造
が、光の進行方向の断面では、図14(g)に示す積層
構造が、それぞれ、形成される。
【0055】(4)DFB−LD領域及び光変調器領域
にリッジの形成 半導体レーザ素子70領域及び光変調器100領域のn
−InP基板72上の積層構造、即ちp−GaInAs
Pコンタクト層86、p−InPクラッド層84、p−
AlInAs被酸化層82、p−InPクラッド層8
1、p−InPクラッド層80、GaInAsP層7
8、MQW76、及びn−InPクラッド層74をエッ
チングして、幅10μmのストライプ状リッジを、それ
ぞれ、半導体レーザ素子70領域及び変調器100領域
の同一ストライプ上に形成する。
【0056】(5)DFB−LD領域及び光変調器領域
に酸化狭窄領域の形成 次いで、半導体レーザ素子70領域及び光変調器100
領域のリッジに酸化処理を施して、リッジの両側面から
それぞれ内方にp−AlInAs被酸化層82中のAl
を選択的に酸化して、幅3.5μmのAl酸化層88を
リッジの両側面に生成する。次いで、半導体レーザ素子
70領域及び光変調器100上にSiN膜90を成膜
し、続いてリッジ上のSiN膜90を除去して窓を開口
し、それぞれ、p−GaInAsP層86を露出させ
る。
【0057】(6)電極形成 次に、光導波路68上の一部を除いて、半導体レーザ素
子70領域及び光変調器100領域上に、それぞれ、T
i/Pt/Auの積層金属膜からなるp側電極92及び
102を形成し、更に、InP基板72の裏面にAuG
eNi/Auからなるn側電極94を形成する。これに
より、図10に示す半導体光素子70及び図11に示す
光変調器100とを図12に示す光導波路68で接続し
た半導体光素子66を作製することができる。
【0058】本実施形態例の方法によれば、実施形態例
1の方法と同様に特性の優れた半導体光素子を容易に作
製することができる。
【0059】
【発明の効果】第1の発明によれば、リッジの両側面に
Al酸化層からなる電流狭窄層を備えた構造を有するの
で、リッジ内のクラッド層の幅を従来の量子閉じ込めシ
ュタルク効果型光変調器より広くすることができるか
ら、電気抵抗が低くなく、また、Al酸化層による電流
狭窄構造を備えることにより、リッジ側面荒れの影響が
小さくなり、光の伝搬損失が低減し、従って周波数特性
が良好な光変調器を実現することができる。第2の発明
によれば、第1の発明に係る光変調器と半導体レーザ素
子とを共通基板上に集積させた半導体光素子を実現して
いる。第1の発明方法は本発明に係る光変調器を容易に
作製できる方法を実現し、第2及び第3の発明方法は、
それぞれ、本発明に係る半導体光素子の作製方法を実現
している。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例の光変調器の構成を示す断面図であ
る。
【図2】図2(a)から(c)は実施形態例の方法に従
って光変調器を作製した際の工程毎の断面図である。
【図3】実施形態例1の半導体光素子の平面的構成を示
す平面図である。
【図4】実施形態例1の半導体光素子を構成する半導体
レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図5】実施形態例1の半導体レーザ素子と光変調器と
の接続領域の構成を示す断面図である。
【図6】図6(a)から(c)は、それぞれ、実施形態
例1の方法に従って半導体光素子を作製する際の工程毎
の断面図である。
【図7】図7(d)から(f)は、それぞれ、図6
(c)に続いて、実施形態例1の方法に従って半導体光
素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図8】図8(g)と(h)は、それぞれ、図7(f)
に続いて、実施形態例1の方法に従って半導体光素子を
作製する際の工程毎の断面図である。
【図9】実施形態例2の半導体光素子の構成を示す平面
図である。
【図10】実施形態例2の半導体光素子の半導体レーザ
素子の構成を示す断面図である。
【図11】実施形態例2の半導体光素子の光変調器の構
成を示す断面図である。
【図12】実施形態例2の半導体レーザ素子と光変調器
との接続領域の構成を示す断面図である。
【図13】図13(a)から(d)は、それぞれ、実施
形態例2の方法に従って半導体光素子を作製する際の工
程毎の断面図である。
【図14】図14(e)から(g)は、それぞれ、図1
3(d)に続いて、実施形態例2の方法に従って半導体
光素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図15】従来の量子閉じ込めシュタルク効果型光変調
器の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 実施形態例の光変調器 12 n−InP基板 14 n−InPクラッド層 16 AlGaInAsからなるMQW 18 GaInAsP光閉じ込め層 20 p−InPクラッド層 22 p−AlInAs被酸化層 24 p−InPクラッド層 26 p−GaInAsコンタクト層 28 Al酸化層 30 SiN膜 32 p側電極 34 n側電極 36 実施形態例1の半導体光素子 40 半導体レーザ素子 44 n−InPクラッド層 46 GaInAsP多重量子井戸(MQW) 48 回折格子が形成されているGaInAsP層 50 p−InPクラッド層 52 p−InPブロッキング層 54 n−InPブロッキング層 56 p−InPクラッド層 58 p−GaInAsコンタクト層 60 p側電極 62 n側電極 66 実施形態例の半導体光素子 70 半導体レーザ素子 72 n−InP基板 74 n−InPクラッド層 76 MQW 78 回折格子が形成されているGaInAsP層 80 p−InPクラッド層 81 p−InPクラッド層 82 p−AlInAs被酸化層 84 p−InPクラッド層 86 p−GaInAsコンタクト層 88 Al酸化層 90 SiN膜 92 p側電極 94 n側電極 100 光変調器 102 p側電極 110 従来の量子閉じ込めシュタルク効果型光変調器 112 n−InP基板 114 n−InP層 116 n−AlInAsクラッド層 118 MQW 120 p−AlInAsクラッド層 122 p−InGaAsコンタクト層 124 p側電極 126 n側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H079 AA02 AA13 BA01 CA05 DA16 EA03 EA07 EB06 HA04 JA07 KA18 5F073 AA07 AA11 AA22 AA74 AB21 CA12 CA15 DA27

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 AlGaInAs系多重量子井戸構造
    (以下、MQWと言う)と、MQWを挟む相互に異なる
    導電型のクラッド層と、MQW上又はp型クラッド層中
    に形成され、Al酸化層からなる電流狭窄層とを有する
    積層構造を化合物半導体基板上に備え、 少なくとも電流狭窄層を含む上部積層構造が、ストライ
    プ状リッジとして形成され、 Al酸化層は、Alを含む被酸化層中のAlを選択的に
    酸化してなる電流狭窄層としてリッジの両側面から内方
    に延在し、かつ、リッジの一方の側面から内方に延びる
    Al酸化層と、リッジの他方の側面から内方に延びるA
    l酸化層との間には、Alを含む被酸化層が、未酸化の
    ままで延在することを特徴とする量子閉じ込めシュタル
    ク効果型光変調器。
  2. 【請求項2】 Alを含む被酸化層が、AlInAs層
    であることを特徴とする請求項1に記載の量子閉じ込め
    シュタルク効果型光変調器。
  3. 【請求項3】 GaInAsP系、又はAlGaInA
    s系半導体レーザ素子と、 光変調器の導波方向が半導体レーザ素子の光出射方向の
    延長線上にあるように、半導体レーザ素子と共通のIn
    P基板上に集積された、請求項1又は2に記載の量子閉
    じ込めシュタルク効果型光変調器とを備えていることを
    特徴とする半導体光素子。
  4. 【請求項4】 半導体レーザ素子が埋め込みヘテロ構造
    (BH)レーザ素子であって、半導体レーザ素子と光変
    調器との接続領域で、半導体レーザ素子を構成する少な
    くとも一部の化合物半導体層と光変調器を構成する少な
    くとも一部の化合物半導体層とが、突き合わせ接続され
    ていることを特徴とする請求項3に記載の半導体光素
    子。
  5. 【請求項5】 半導体レーザ素子がリッジ導波路型レー
    ザ素子であって、半導体レーザ素子と光変調器との接続
    領域で、半導体レーザ素子を構成する各化合物半導体層
    と光変調器を構成する各化合物半導体層とが連続してい
    ることを特徴とする請求項3に記載の半導体光素子。
  6. 【請求項6】 InP基板上に、AlGaInAs系多
    重量子井戸構造(以下、MQWと言う)、MQWを挟む
    相互に異なる導電型のクラッド層、及びMQW上にAl
    を含む被酸化層を有する積層構造を形成する工程と、 少なくともAlを含む被酸化層を含む積層構造をストラ
    イプ状リッジに加工する工程と、 リッジ側面から内方に、Alを含む被酸化層中のAlを
    選択的に酸化して、Al酸化層を生成すると共にリッジ
    中央部にAlを含む被酸化層を未酸化のまま残存させる
    工程とを有することを特徴とする量子閉じ込めシュタル
    ク効果型光変調器の作製方法。
  7. 【請求項7】 請求項4に記載の半導体光素子の作製方
    法であって、 半導体レーザ素子を構成する第1の積層構造をInP基
    板全面に形成する工程と、 半導体レーザ素子領域の第1の積層構造上に選択成長用
    マスクを形成する工程と、 光変調器領域の第1の積層構造を除去してInP基板を
    露出させる工程と、 請求項6に記載の各工程を実施して、光変調器領域のI
    nP基板上に量子閉じ込めシュタルク効果型光変調器の
    第2の積層構造を形成する工程とを備え、 かつ、第2の積層構造を形成する工程では、MQWの井
    戸層を除くAl系化合物半導体層を成膜する際、マスク
    上に生成する多結晶をエッチングするエッチングガスを
    成膜原料ガスに添加することを特徴とする半導体光素子
    の作製方法。
  8. 【請求項8】 請求項5に記載の半導体光素子の作製方
    法であって、 半導体レーザ素子領域に選択領域成長用マスクを形成す
    る工程と、 選択領域成長法によって、半導体レーザ素子を構成する
    積層構造のうちMQW及びMQWを挟む上下クラッド層
    をInP基板全面に形成する工程と、 次いで、Alを含む被酸化層、及び少なくとも第2の上
    クラッド層を成膜する工程と、 少なくともAlを含む被酸化層を含む積層構造をストラ
    イプ状リッジに加工する工程と、 リッジ側面から内方に、Alを含む被酸化層中のAlを
    選択的に酸化して、Al酸化層を生成すると共にリッジ
    中央部にAlを含む被酸化層を未酸化のまま残存させる
    工程とを備え、選択領域成長工程では、MQWの井戸層
    を除くAl系化合物半導体層を成膜する際、マスク上に
    生成する多結晶をエッチングするエッチングガスを成膜
    原料ガスに添加することを特徴とする半導体光素子の作
    製方法。
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