JP2005064512A - 集積光学装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 集積光学装置の製造につき、従前のイオン注入工程やエッチング工程を行うことなく、光素子間の電気的絶縁を実現する。
【解決手段】 第１導電型の基板３０１上に相互に光学的に連結され、電気的に絶縁されるように集積された第１の光素子３１０及び第２の光素子３２０を含む集積光学装置３００の製造方法であって、半導体基板３０１の上にメサ構造の活性層３０２及び第２導電型のクラッド層３０３を形成する第１ステップと、第２導電型のクラッド層３０３及び活性層３０２を囲むように、半導体基板及び第２導電型のクラッド層の上にＳＩクラッド層３０４を形成する第２ステップと、第１及び第２の光素子領域のＳＩクラッド層３０４に第２導電型の不純物拡散工程によりトレンチ形態の第１伝導層３０５−１及び第２伝導層３０５−２を形成する第３ステップと、を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、少なくとも２個以上の光素子が集積された集積光学装置及びその製造方法に関し、特に、光素子間の電気的絶縁が容易な集積光学装置及びその製造方法に関する。

一般的に、光通信では、１０Ｇｂｐｓ以上の超高速光信号の伝送のために、主に光ファイバでの光損失が少ない１５５０ｎｍの波長帯域を使用しており、電界吸収型光変調器(electro-absorption optical modulator)が結合された分布帰還型レーザーダイオード(Distributed-Feedback Laser Diode；ＤＦＢ ＬＤ)を使用すると、光伝送システムの製作が容易な長所がある。しかしながら、電界吸収型光変調器の場合には、すなわち、電界吸収型光変調器が結合されたレーザー(electro-absorption modulated laser；以下、ＥＭＬと略称する。)を使用すると、その低い光出力により、長距離伝送には効率的で無いという短所がある。従って、光出力を増加させるために、半導体光増幅器(Semiconductor Optical Amplifier；ＳＯＡ)を集積化する方案が提示されている。

このような集積化素子においては、集積されたＤＦＢ ＬＤと電界吸収型光変調器との間の電気的絶縁、ＳＯＡと電界吸収型光変調器との間の電気的絶縁、またはＳＯＡとＤＦＢ ＬＤとの間の電気的絶縁、光的絶縁が、素子の性能を決定する重要な要素になる。

図１は、従来のＰＢＨ(Planarized Buried Hetero-structure；以下、“ＰＢＨ”と略称する。)構造の集積光学装置の構成を示し、図２は、ＥＭＢＨ(Etched Mesa Buried Hetero-structure)構造の集積光学装置の構成を示し、これを通じて、従来の集積光学装置での光素子の相互間の電気的な絶縁方法について説明する。

図１を参照すると、ＰＢＨ構造を有する集積光学装置１００は、第１の光素子１１０、第２の光素子１２０及びこれらの間に介在された電気的絶縁領域１３０で構成される。光素子１１０及び１２０を構成する物質層は、基板１０１の上に形成され、光導波路１０２を共有する構造を有する。光導波路１０２は、クラッド層１０３によって囲まれることが望ましい。なお、光素子１１０及び１２０を構成する物質層についての詳細な構成は省略する。また、図示されていないが、第１の光素子１１０及び第２の光素子１２０は、電流注入のための電極を備える。

ＰＢＨ構造の集積光学装置１００の製造方法は、まず、ｎ−基板１０１の上に活性層及びｐ−クラッド層１０３を成長させてエッチングしてメサ形態の光導波路１０２を形成した後に、この光導波路１０２の周囲をＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層１０４で満たし、基板１０１の全体を覆うｐ＋クラッド層１０５を成長させる。続いて、光導波路１０２の上に位置する第１の光素子１１０及び第２の光素子１２０との間に、光は通過させつつ、電気的には相互に絶縁させるための電気的絶縁領域１３０を形成する。この電気的絶縁領域１３０の形成は、典型的には、イオン注入(ion implantation)によってｐ＋クラッド層１０５の性質を変更する方法、或いはエッチング工程を利用してｐ＋クラッド層１０５をエッチングする方法により実行される。

しかしながら、イオン注入工程による方法は、１回以上のフォトリソグラフィ(photolithography)工程が伴われ、注入されたイオンによって半導体の結晶構造に損傷をもたらす虞があり、さらに、装備が高価であるという短所がある。また、エッチング工程による方法は、同様にフォト工程が必要であり、過度なエッチングによって光導波路が損傷されるケースが頻繁に発生するので、工程費用が高く、歩留まりが安定していないという短所がある。さらに、広い面積にわたってｐ＋クラッド層が形成されているので、これによる静電容量を減少させるために、追加的なエッチング工程が要求されるなどの問題点がある。

図２を参照すると、ＥＭＢＨ構造を有する集積光学装置２００は、第１の光素子２１０、第２の光素子２２０及びこれらの間に介在された電気的絶縁領域２３０を有する。ＥＭＢＨ構造を有する集積光学装置２００は、活性層、ｐ−クラッド層２０３及び ｐ＋クラッド層２０４をｎ-基板２０１の上に形成した後に、これをエッチングしてメサ形態の光導波路２０２を形成し、光導波路２０２の周囲をＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層２０５で満たす。

ＥＭＢＨ構造を有する集積光学装置は、光導波路２０２の上にのみｐ＋クラッド層２０３を備えるので、静電容量を小さくすることができる。従って、周囲の不要なｐ＋クラッド層をエッチングする必要がない、という長所がある。

しかしながら、ＰＢＨ構造を有する集積光学装置と同様に、光素子２００がｐ＋クラッド層に連結されているので、これをイオン注入工程またはエッチング工程で絶縁させなければならず、各工程が有する問題点をそのままに抱えている。また、ＥＭＢＨ構造の集積光学装置は、電流注入のためのｐ＋クラッド層の幅が狭いので、これにより、ｐ＋クラッド層と電極との接触抵抗を含んだ抵抗が大きくなり、電極周辺の形状が鋭く変わって薄い電極の場合に切れる場合もある。

上記背景に鑑みて、本発明の目的は、従来のようなイオン注入工程やエッチング工程を行うことなく、光素子間の電気的絶縁を実現する集積光学装置及びその製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明によれば、第１導電型の基板上に相互に光学的に連結され、電気的に絶縁されるように集積された第１及び第２の光素子を含み、前記第１及び第２の光素子は、前記第１及び第２の光素子が共有するように前記基板上にメサ構造で形成された活性層と、前記活性層の上に形成された第２導電型のクラッド層と、前記活性層及び前記第２導電型のクラッド層の側壁を囲むように前記基板上に形成されたＳＩクラッド層と、前記第１及び第２の光素子のそれぞれへの電流注入のために、前記ＳＩクラッド層の上面にトレンチ形態で形成され、前記ＳＩクラッド層によって相互に電気的に絶縁された第２導電型の第１伝導層及び第２伝導層と、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記第１伝導層及び第２伝導層は、第２導電型の不純物拡散層からなり、前記活性層の下の周辺で前記第２導電型の不純物が拡散されることを防止するために、前記ＳＩクラッド層の内に形成された不純物拡散防止層をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明は、第１導電型の基板上に相互に光学的に連結され、電気的に絶縁されるように集積された第１及び第２の光素子を含む集積光学装置の製造方法であって、前記半導体基板の上にメサ構造の活性層及び第２導電型のクラッド層を形成する第１ステップと、前記第２導電型のクラッド層及び活性層を囲むように、前記半導体基板及び前記第２導電型のクラッド層の上にＳＩクラッド層を形成する第２ステップと、前記第１及び第２の光素子領域の前記ＳＩクラッド層に第２導電型の不純物拡散工程によりトレンチ形態の第１伝導層及び第２伝導層を形成する第３ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に従う集積光学装置は、素子の上部に電気的絶縁特性を有する半導体層を形成し、電流注入が必要な素子の上部にのみ不純物拡散工程を通じて電流が流れることができる構造を形成することによって、製造工程を簡素化することができる。また、エッチング工程またはイオン注入による活性層の変形または損傷をもたらさないので、光伝送特性を改善することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。

図３は、本発明の好適な第１の実施形態による集積光学装置３００の構成を概略的に示す。集積光学装置３００は、ｎ-半導体基板３０１の上に集積された第１の光素子３１０、第２の光素子３２０及びこれら間の電気的絶縁のための電気的絶縁領域３３０を含んで構成される。本実施形態において、第１の光素子３１０はＤＦＢ ＬＤであり、第２の光素子は、電界吸収型光変調器である。

第１の光素子３１０及び第２の光素子３２０を構成する物質層は、ｎ-半導体基板３０１の上に形成され、相互に光学的に連結されるように活性層３０２を共有する構造を有する。活性層３０２の上には、ｐ-クラッド層３０３が位置し、メサ構造の活性層３０２及びｐ-クラッド層３０３の側壁を囲むようにＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層３０４が形成される。前記ＳＩクラッド層３０４の代わりに非ドーピング(undopped)クラッド層で構成されることもできる。

図３に示すように、第１の光素子３１０及び第２の光素子３２０のそれぞれへの電流注入のための第１伝導層３０５−１及び第２伝導層３０５−２が、ＳＩクラッド層３０４の上面からトレンチ形態で形成される。第１伝導層３０５−１及び第２伝導層３０５−２は、ｐ-型不純物の拡散工程によって形成され、ＳＩクラッド層３０４によって相互に電気的に絶縁される。

図４は、本発明の好適な第２の実施形態による集積光学装置４００の構成を概略的に示す。集積光学装置４００は、ｎ-半導体基板４０１の上に集積された第１の光素子４１０、第２の光素子４２０、及びこれら間の電気的絶縁領域４３０を含んで構成される。また、この集積光学装置４００は、上述した第１の実施形態と同様に、第１の光素子４１０及び第２の光素子４２０が共有するように（第１導電型の）ｎ-半導体基板４０１上にメサ構造で形成された活性層４０２と、該活性層４０２の上に形成された（第２導電型の）ｐ-クラッド層４０３と、活性層４０２及びｐ-クラッド層４０３の側壁を囲むように基板４０１上に形成されたＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層４０４（４０４−１及び４０４−２）と、第１，第２の光素子４１０，４２０のそれぞれへの電流注入のために、ＳＩクラッド層４０４の上面にトレンチ形態で形成され、ＳＩクラッド層４０４によって相互に電気的に絶縁された第２導電型の第１伝導層４０５−１及び第２伝導層４０５−２と、を備えている。なお、図４において、ＳＩクラッド層４０４−１及び４０４−２との間に形成されたｐ-型不純物拡散防止層４０６を除いては、図３に示す第１の実施形態の構成と同一であるので、冗長を避けるため、以下の説明では、不純物拡散防止層４０６についてのみ詳細に説明するものとする。

ｐ-型不純物拡散防止層４０６は、第１伝導層４０５−１及び第２伝導層４０５−２の形成のためのｐ-型不純物の拡散工程のときに、ｐ-型不純物が活性層４０２の周辺の下に拡散されることを防止し、第１ＳＩクラッド層４０４−１と第２ＳＩクラッド層４０４−２との間に形成される。ｐ-型不純物拡散防止層４０６は、前記注入される不純物と異なる導電型のｎ-型クラッド層または第３ＳＩクラッド層を用いて具現化されることができる。このときに、第３ＳＩクラッド層は、前記第１ＳＩクラッド層４０４−１、第２ＳＩクラッド層４０４−２とは異なり、ｐ-型不純物が良く拡散されない特性を有する。このような特性は、ＳＩ物質にＣｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，及びＰｔなどの遷移金属またはＬａ，Ｃｅ，及びＰｒなどのランタニド系元素またはＡｃ，Ｔｈ，及びＰａなどのアクチニウム系元素を添加して実現することができる。

図５は、本発明に従うレーザーダイオードを有する集積光学装置の特性を示すグラフである。横軸は電流(Ｉ)を示し、縦軸は電圧(Ｖ)、光パワー(Ｐｏ)、レーザー効率(ＳＥ)、抵抗(Ｒｄ)をそれぞれ示す。レーザーの発振開始電流(Ｉｔｈ)は６．７１ｍＡであり、これは、１０ｍＡ程度の既存の一般レーザーの発振開始電流と類似している数値であることがわかる。

図６は、第１の光素子であるレーザーダイオードに電流(LD CURRENT)を注入した場合の第２の光素子であるモジュレータで測定される電流量(Imod)をそれぞれ示す。図６に示すように、レーザーダイオードに注入される電流が増加すると、モジュレータに流れる電流も増加し、これを通じてレーザーダイオードから放出される光がモジュレータに注入される。また、下記表１は、従来技術及び本発明による隣接した光素子間の電気的な絶縁に関連したデータを示す。

上述した構成を有する本発明に従う集積光学装置の製造工程は、次の通りである。

図７Ａ乃至図７Ｄは、図４に示した集積光学装置４００を製造する過程を示す。

図７Ａを参照すると、ｎ-半導体基板４０１の上に、活性層４０２と、ｐ-クラッド層４０３とを順次形成した後に、ＳｉＯ_２マスク４４０を使用したエッチング工程によって、メサ構造のｐ-クラッド層４０３及び活性層４０２を形成する。このときに、エッチングされるｐ-クラッド層４０３，活性層４０２，及びｎ-半導体基板４０１の総厚さは、例えば、３μｍ程度である。

次に、図７Ｂを参照すると、ｐ-クラッド層４０３、活性層４０２、及びｎ-半導体基板４０１のエッチングによって形成されたメサ周囲でＳＩクラッド層４０４−１及びｎ-クラッド層４０６を成長させて平坦化させた後に、ＳｉＯ_２マスク４４０を除去する。ｎ-クラッド層４０６は、ｐ-型不純物拡散工程の際に、ｐ-型不純物が活性層４０２の周辺の下に拡散されることを防止する機能を担うものであり、非ドーピングクラッド層や、或いはｐ−型不純物が良く拡散されない特性を有するＳＩクラッド層に置き換えられることもできる。

続いて、図７Ｃを参照すると、前記平坦化された構造の全体の上部に（第２の）ＳＩクラッド層４０４−２を形成する。

次に、図７Ｄを参照すると、ＳＩクラッド層４０４−２の上部にマスクパターン(図示せず)を使用して第１伝導層４０５−１及び第２伝導層４０５−２を形成するための所定の領域を露出させる。露出された領域に蒸着(evaporation)またはスパッターリング(sputtering)などの方法にて、ｐ-型不純物をドーピングした後に、所定時間の間加熱してｐ-型不純物がＳＩクラッド層４０４−２の中（内部）に拡散されるようにする。拡散時間及び温度は、活性層４０２の上部にまで不純物が拡散されるように調節し、使用可能なｐ-型不純物としては、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｄ，またはＨｇなどが挙げられる。

以上、本発明の詳細について具体的な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲及び該範囲と均等なものにより定められるべきである。

従来のＰＢＨ構造を有する集積光学装置の構成を示す図である。 従来のＥＭＢＨ構造を有する集積光学装置の構成を示す図である。 本発明の好適な第１の実施形態による集積光学装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の好適な第２の実施形態による集積光学装置の構成を概略的に示す図である。 本発明に従うレーザーダイオードが含まれている集積光学装置の特性を示す図である。 第１の光素子であるレーザーダイオードに電流を注入した場合の第２の光素子であるモジュレータで測定される電流量を示す図である。 図４の集積光学装置を製造する過程を示す図である。 図４の集積光学装置を製造する過程を示す図である。 図４の集積光学装置を製造する過程を示す図である。 図４の集積光学装置を製造する過程を示す図である。

符号の説明

３００，４００ 集積光学装置
３０１，４０１ ｎ-半導体基板（第１導電型の基板）
３１０，４１０ 第１の光素子（ＤＦＢ ＬＤ）
３２０，４２０ 第２の光素子（電界吸収型光変調器）
３３０，４３０ 電気的絶縁領域
３０２，４０２ 活性層
３０３，４０３ ｐ-クラッド層
３０４ ＳＩクラッド層
３０５−１，４０５−１ 第１伝導層
３０５−２，４０５−２ 第２伝導層
４０４−１，４０４−２ ＳＩクラッド層
４０６ ｎ-クラッド層（不純物拡散防止層）

Claims (13)

1. 第１導電型の基板上に相互に光学的に連結され、電気的に絶縁されるように集積された第１及び第２の光素子を含み、前記第１及び第２の光素子は、
   前記第１及び第２の光素子が共有するように前記基板上にメサ構造で形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成された第２導電型のクラッド層と、
   前記活性層及び前記第２導電型のクラッド層の側壁を囲むように前記基板上に形成されたＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層と、
   前記第１及び第２の光素子のそれぞれへの電流注入のために、前記ＳＩクラッド層の上面にトレンチ形態で形成され、前記ＳＩクラッド層によって相互に電気的に絶縁された第２導電型の第１伝導層及び第２伝導層と、
   を備えることを特徴とする集積光学装置。
2. 前記第１伝導層及び第２伝導層は、
   第２導電型の不純物拡散層である請求項１記載の集積光学装置。
3. 前記活性層の下の周辺で前記第２導電型の不純物が拡散されることを防止するために、前記ＳＩクラッド層の内に形成された不純物拡散防止層をさらに備える請求項２記載の集積光学装置。
4. 前記第１の光素子は、ＤＦＢ ＬＤ(Distributed-Feedback Laser Diode)であり、前記第２の光素子は、電界吸収型光変調器(electro-absorption optical modulator)である請求項１記載の集積光学装置。
5. 前記不純物拡散防止層は、遷移金属元素、ランタニド系元素、及びアクチニウム系元素のうちのいずれか１つを含むＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層である請求項３記載の集積光学装置。
6. 第１導電型の基板上に相互に光学的に連結され、電気的に絶縁されるように集積された第１及び第２の光素子を含む集積光学装置の製造方法であって、
   前記半導体基板の上にメサ構造の活性層及び第２導電型のクラッド層を形成する第１ステップと、
   前記第２導電型のクラッド層及び活性層を囲むように、前記半導体基板及び前記第２導電型のクラッド層の上にＳＩクラッド層を形成する第２ステップと、
   前記第１及び第２の光素子領域の前記ＳＩクラッド層に第２導電型の不純物(dopant)拡散工程によりトレンチ形態の第１伝導層及び第２伝導層を形成する第３ステップと、
   を含むことを特徴とする集積光学装置の製造方法。
7. 前記第１ステップは、
   前記半導体基板の上に活性層及び第２導電型のクラッド層を順次に蒸着するステップと、
   前記第２導電型のクラッド層の上に第１マスクパターンを形成した後に、これを利用したエッチング工程を通じて前記第２導電型のクラッド層及び活性層を順次にエッチングしてメサ構造を形成するステップと、
   を備える請求項６記載の集積光学装置の製造方法。
8. 前記第２ステップは、
   前記メサ構造の周囲で第１ＳＩクラッド層を成長させて平坦化するステップと、
   前記第１マスクパターンを除去するステップと、
   前記第１ＳＩクラッド層が形成された全体の基板上部に第２ＳＩクラッド層を形成するステップと、
   を備える請求項７記載の集積光学装置の製造方法。
9. 前記第３ステップは、
   前記第２ＳＩクラッド層の上部に第２マスクパターンを形成して所定の第１伝導層及び第２伝導層の形成領域を露出させるステップと、
   前記露出した領域に第２導電型の不純物をドーピングするステップと、
   所定の温度で加熱して前記第２導電型の不純物が前記活性層の上部にまで拡散されるようにするステップと、
   を備える請求項８記載の集積光学装置の製造方法。
10. 前記第２ステップは、
    前記メサ構造の周囲で第１ＳＩクラッド層及び不純物拡散防止層を形成して平坦化するステップと、
    前記第１マスクパターンを除去するステップと、
    前記第１ＳＩクラッド層が形成された全体の基板上部に第２ＳＩクラッド層を形成するステップと、
    を備える請求項６記載の集積光学装置の製造方法。
11. 前記第１の光素子は、ＤＦＢ ＬＤ(Distributed-Feedback Laser Diode)であり、前記第２の光素子は、電界吸収型光変調器(electro-absorption optical modulator)である請求項１０記載の集積光学装置の製造方法。
12. 前記不純物拡散防止層は、
    遷移金属元素、ランタニド系元素、及びアクチニウム系元素のうちのいずれか１つを含むＳＩ(Semi-Insulating)クラッド層である請求項１０記載の集積光学装置の製造方法。
13. 前記第２導電型不純物は、ｐ−型不純物である請求項６記載の集積光学装置の製造方法。

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