JP2010278278A

JP2010278278A - 光半導体装置

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Publication number: JP2010278278A
Application number: JP2009129845A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujisawa; 剛藤澤; Naoki Fujiwara; 直樹藤原; Wataru Kobayashi; 亘小林; Masakazu Arai; 昌和荒井; Fumiyoshi Kano; 文良狩野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-09

Abstract

【課題】回折格子の温度依存性を低減し、半導体レーザの性能向上を図ることができる光半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体混晶からなる基板１と、基板１の上に積層される下部クラッド層４と、下部クラッド層４の上に積層される活性層２と、活性層２の上に積層される上部クラッド層３とを備える光半導体装置において、上部クラッド層３には光を導波する光導波層３ａを形成し、上部クラッド層３の光導波層３ａの両脇には列状に孔５を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体装置に関する。

現在のＦＴＴＨ（ＦｉｂｅｒＴｏＴｈｅＨｏｍｅ）の広がりから、加入者系での高性能な光デバイスが強く求められており、光源である半導体レーザは、１．３μｍ付近の光が得られ、厳しい温度環境下（例えば、８５℃以上）で動作し、なおかつ低消費電力であることが求められている。

そして、これまでに、低消費電力で高い効率を有し、さらに温度特性の良い光半導体装置として、歪量子井戸半導体レーザが研究開発されてきた。また、光通信の信号として用いるには、半導体レーザから出力された光を０と１の信号に変調する必要があり、その場合には、半導体レーザを駆動する電流を直接変調する直接変調型、又は外部変調器を用いる外部変調型の変調器が開発されてきた。

このような半導体レーザなどの光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。

このような歪量子井戸は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている。

この多重量子井戸に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸には電子が、価電子帯の各量子井戸には正孔（ホール）が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。さらに、光を効率的に閉じ込めるため、例えば上側クラッド層をエッチングして、いわゆるリッジメサ構造（光導波路構造）を形成することで、光ファイバ中のモードと似た形をもつモードに発振させる。

ＩｎＰ基板上に形成された歪量子井戸を用いることで、加入者系光通信で用いられる波長１．３μｍ付近の光を得ることができる。量子井戸の材料には、例えば、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yやＩｎ_1-x-yＡｌ_xＧａ_yＡｓ等が用いられ、所望の波長を発光するように井戸層の厚さや歪量が決定される。しかし、通常量子井戸からの発光スペクトルは非常に広く、そのまま光信号の伝送を行ってしまうと、多数の波長成分が含まれるため光ファイバの波長分散により波形の劣化がはげしくなる。

そのため、より高品質な伝送を行うためには、共振器から取り出される光の波長（縦モード）を単一にすることが求められる。そのために、半導体レーザ中に回折格子を設けることで、単一縦モード発振をするレーザが研究開発されてきた。この回折格子は通常、量子井戸層の上部、又は下部にある、半導体の薄膜を電子ビームにより描画したパターンにそって、光の進行方向に周期的な凸凹をつくることで形成される。通常この凸凹は化学薬品によるウェットエッチングによって形成する。ＩｎＰ基板上に形成する半導体レーザの場合には、量子井戸層の下部、又は上部に回折格子を形成する層を成長した後に回折格子を形成し、その上にさらに活性層、クラッド層を再成長する。

この周期構造にそって伝搬する光は、周期構造による反射波と結合し、ブラッグの回折条件を満足する波長（ブラッグ波長）で強い反射を示すようになる。そのため、共振器のなかにはブラッグ波長の光が優先的に閉じ込められ、その波長でレーザ発振を起こすため、単一縦モード発振が可能となる。このとき、凸凹の深さが深いほど、大きな反射率を得ることができ、浅いほど反射率が小さくなる。この反射率の強さを示す指標として結合係数という値が良く用いられ、結合係数が大きいほど反射が大きく、小さいほど反射が小さくなっている。

結合係数の値はレーザの用途に合わせて設計され、例えば大きな出力パワーを得たい場合には反射率は小さいほうが良いことが知られている。逆に、高速でレーザを変調する場合には反射率は大きいほうが良い。つまり、レーザの用途に応じて最適な結合係数は変化するため、必要に応じて結合係数を好きな値に設定できるようなダイナミックレンジの広い回折格子が望ましい（下記非特許文献１参照）。

ＬａｒｒｙＡ．Ｃｏｌｄｒｅｎ、外１名、"ＤｉｏｄｅＬａｓｅｒｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ"、ＡＷｉｌｅｙ‐Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ、１９９５年、ｐ．２７２−２７３Ｒ．Ｄ．Ｍａｒｔｉｎ、外６名、"ＣＷＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｎＩｎＧａＡｓ‐ＧａＡｓ‐ＡｌＧａＡｓＬａｔｅｒａｌｌｙ‐ＣｏｕｐｌｅｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ（ＬＣ‐ＤＦＢ）ＲｉｄｇｅＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ"、ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．７、ＮＯ．３、１９９５年３月、ｐ．２４４−２４６Ｍ．Ｋａｍｐ、外４名、"Ｌｏｗ‐ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｈｉｇｈ‐ｑｕａｎｔｕｍ‐ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｌａｔｅｒａｌｌｙｇａｉｎ‐ｃｏｕｐｌｅｄＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋｌａｓｅｒｓ"、ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．７４、ＮＯ．４、１９９９年１月２５日、ｐ．４８３−４８５Ｍ．Ｋａｍｐ、外７名、"Ｌａｔｅｒａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ‐ａｍａｔｅｒｉａｌｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｗａｙｔｏｃｏｍｐｌｅｘｃｏｕｐｌｅｄＤＦＢｌａｓｅｒｓ"、Ｏｐｔｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ、ＶＯＬ．１７、２００１年、ｐ．１９−２５

上述したように、量子井戸層の上部、又は下部にある半導体薄膜に回折格子を形成することで単一縦モード発振が達成できるが、凸凹の深さの最大、最小値には限界がある。例えば、凸凹の深さが１ｎｍという回折格子を形成することはほぼ不可能であり、仮に形成できたとしても、その後、別の層を回折格子の上に形成する段階で焼きなまされて平らになってしまう。焼きなましによる平坦化を防ぐには少なくとも１５ｎｍ程度は必要であることが実験的に知られている。また、あまりに凸凹が深いと、これも回折格子上に別の層を再成長していく段階で、結晶の品質が悪くなり、レーザの特性に悪影響を及ぼす。

これらのことから、通常用いられている半導体レーザの結合係数は３０〜１００ｃｍ^-1程度となっている。また、半導体の屈折率は温度に非常に敏感で、アクセス系で用いられるような劣悪な温度環境化では、回折格子の特性そのものが変化してしまい、レーザの出力、変調特性に悪影響を及ぼす。また、この方法で回折格子を形成する場合には、１枚の半導体ウェハ上で回折格子の深さを変えるためには同じ工程を何度も繰り返す必要があり、実際上、１種類の深さの回折格子しか形成できない。

ＧａＡｓ基板上に形成する、可視光波長帯のレーザに関しては、メサの両脇に回折格子を形成する、いわゆる横方向結合型の回折格子が提案されている（上記非特許文献２参照）。この構造の場合には回折格子形成後にクラッド層の再成長の必要は無いが、クラッド層の表面に回折格子を形成するため、光電界との相互作用が小さく結合係数はせいぜい５〜３０ｃｍ^-1程度となっており、高速変調時に必要となる大きな結合係数を得ることは困難である。

また、ドライエッチングにより数ｎｍのオーダーの深さを掘るため、ウェハ内での深さのばらつきが大きくなってしまう。そして、従来の方法と同様に、１枚のウェハ内で複数の結合係数の回折格子を形成する場合には、深さを変えるために何度も同じ工程を繰り返す必要がある。

このため、エッチングによる深さのばらつきを回避するために、エッチングで凹凸を形成するのではなく、金属であるＣｒを蒸着して横方向結合の回折格子を形成する方法も提案されているが、結合係数が小さいことに変わりはなく、また、金属では半導体や誘電体に比べて、光の損失が桁違いに大きくなるので、実用上有効であるとは言えない（上記非特許文献３，４参照）。

以上の課題に鑑み、本発明は、半導体薄膜中に回折格子を形成せず、光導波層の両脇に光の波長程度の周期をもつ孔を設けることで、回折格子の結合係数を自在にあやつることを可能にするとともに、１枚の半導体ウェハ上で異なる結合係数をもつ回折格子の一括形成を可能にし、また、その孔をガラスなどの絶縁体で埋めることで、回折格子の温度依存性を低減し、半導体レーザの性能向上を図ることができる光半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
半導体混晶からなる基板と、
前記基板の上に積層される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に積層される活性層と、
前記活性層の上に積層される上部クラッド層と
を備える光半導体装置において、
前記上部クラッド層には光を導波する光導波層が形成され、
前記上部クラッド層の前記光導波層の脇には列状に孔が形成されている
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、第１の発明に係る光半導体装置において、
前記孔は光の波長程度の周期で形成されている
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記孔は絶縁体で埋められている
ことを特徴とする。

本発明によれば、回折格子の温度依存性を低減し、半導体レーザの性能向上を図ることができる光半導体装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。本発明に係る光半導体装置における回折格子結合係数の光導波層中心からの距離依存性を示した図である。本発明の第２の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。本発明の第３の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。本発明の第４の実施例に係る光半導体装置の構造を示した平面図である。本発明の第５の実施例に係る光半導体装置の構造を示した斜視図である。

以下、本発明に係る光半導体装置を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

以下、本発明に係る光半導体装置の第１の実施例について説明する。
図１に示すように、本実施例に係る光半導体装置は、半導体混晶からなる基板１と、下部クラッド層４と、量子井戸層、バリア層及び回折格子形成層を含む活性層２と、上部クラッド層３と、上部クラッド層３に形成された光を導波する光導波層３ａと、上部クラッド層３の光導波層３ａの両脇に列状に形成した孔５とを備えている。なお、本実施例においては、孔５は、ある孔５の中心からその隣の孔５の中心までの距離が光の波長程度となる周期で形成するものとした。

そして、基板１はｎ型のＩｎＰ、下部クラッド層４はｎ型のＩｎＰ、活性層２は多重量子井戸構造、上部クラッド層３はｐ型のＩｎＰにより構成されている。このような構造により、本実施例に係る光半導体装置は、半導体レーザを構成している。

次に、本実施例に係る光半導体装置の製造方法について説明する。
はじめに、基板１上に、下部クラッド層４、活性層２、上部クラッド層３の順に結晶成長させる。
次に、上部クラッド層３をウェットエッチング又はドライエッチングすることにより光導波層（メサ）３ａを形成し、同じくウェットエッチング又はドライエッチングにより回折格子のための孔５を形成する。
次に、スパッタリングにより絶縁膜を表面につけて孔５を埋めた後、電極形成プロセス後、へき開により長さ１００〜１０００μｍの半導体レーザを作製して完成となる。

ここで、本発明に係る光半導体装置における、光導波層３ａの幅ｔ＝１μｍの場合の回折格子の結合係数κのコア中心からの距離Ｌ依存性を図２に示す。なお、ここでは孔５の形は正方形とし、その１辺の長さをｄとする。図２から分かるように、光導波層３ａからの孔５の距離が近いほど結合係数が大きく、遠いほど結合係数が小さくなる。また、孔５の大きさｄが大きいほど結合係数が大きくなる。そのダイナミックレンジは１０〜３００ｃｍ‐¹までに亘り、孔５の大きさと光導波層３ａからの距離を調節することで、さらに拡大することができる。

本発明に係る光半導体装置の作製上の利点は、結合係数の大きさに関わらず、作製するための工程や難しさは全て同じであることにある。従来の回折格子により結合係数の小さい回折格子を形成する場合、焼きなましによる凸凹の平坦化が問題であったのに対し、本発明に係る光半導体装置においては孔５を小さくする必要は無く、単純に光導波層３ａからの距離を大きくするだけでよい。

また、全ての層を形成した後に回折格子を形成できることから、従来構造で結合係数を大きくした場合（凸凹が深い場合）の回折格子上の層のクオリティを心配する必要が無く、工程も一段階短縮される。そして、結合係数は孔５の大きさと、光導波層３ａからの孔５の距離によって決まることから、一枚のウェハ上でいくつもの種類の回折格子を同時に形成することが可能である。

なお、孔５の深さについては、結合係数の大きさに効いてくるのは、光電界を横切る部分であるので、十分に孔５の深さを深くしておけば、結合係数の大きさは安定するため、加工の仕方による性能のばらつきが小さい。また、孔５の内部はガラスなどの絶縁体で埋めることから、元々半導体との屈折率差が大きい（例えば、半導体３．５程度、ガラス１．４５程度）ため、多少屈折率が変化したとしても、回折格子としての性能に大きな影響は無い。

なお、本実施例に係る光半導体装置においては、孔５の形は正方形としたが、長方形であっても、円であっても、その他多角形であってもかまわない。また、孔５は光導波層３ａの両脇にそれぞれ１列に形成したが、複数列形成してもかまわないし、片側にのみ形成してもかまわない。

以下、本発明に係る光半導体装置の第２の実施例について説明する。
図３に示すように、本実施例に係る光半導体装置は、孔５が複数列形成されている。なお、本実施例に係る光半導体装置は、孔５が複数列形成されている以外は、第１の実施例と同様の構造である。本実施例に係る光半導体装置によれば、第１の実施例の効果に加え、結合係数をより大きくすることができるという効果が得られる。

以下、本発明に係る光半導体装置の第３の実施例について説明する。
図４に示すように、本実施例に係る光半導体装置は、櫛形の孔５ａが形成されている。なお、本実施例に係る光半導体装置は、櫛形の孔５ａが形成されている以外は、第１の実施例と同様の構造である。本実施例に係る光半導体装置によれば、第１の実施例の効果に加え、製造が容易になるという効果が得られる。

以下、本発明に係る光半導体装置の第４の実施例について説明する。
図５に示すように、本実施例に係る光半導体装置は、光導波層３ａの両脇に列状に形成した孔５のうち、１つだけ大きさの異なる孔５ｂが形成されている。なお、本実施例に係る光半導体装置は、光導波層３ａの両脇の孔５のうち、１つだけ大きさの異なる孔５ｂが形成されている以外は、第１の実施例と同様の構造である。

このように、均一回折格子中に周期を乱す大きさの異なる孔５ｂを形成することにより、意図的な位相変化を起こし、発振波長の単一モード化を強めることが可能となる。なお、孔５の列は複数列形成してもかまわない。

以下、本発明に係る光半導体装置の第５の実施例について説明する。
本実施例においては、第１の実施例に係る光半導体装置における回折格子結合定数を安定化し、ウェハ内で統一させることができる方法について説明する。

図６に示すように、本実施例に係る光半導体装置は、第１のエッチングストップ層６と第２のエッチングストップ層７と、第１のエッチングストップ層６の上に第１の上部クラッド層８と、第１のエッチングストップ層６と第２エッチングストップ層７との間に第２の上部クラッド層９を備えている。

なお、第１のエッチングストップ層６と第２のエッチングストップ層７は、１．１μｍにＰＬ発光波長を有するＩｎＧａＡｓＰ混晶とし、それぞれ厚さ２０ｎｍとする。また、第２の上部クラッド層９はｎ型のＩｎＰとする。また、活性層２以下の層構造は第１の実施例に係る光半導体装置と同様である。

次に、本実施例に係る光半導体装置の製造方法について説明する。
はじめに、第１の上部クラッド層８は、第１の実施例と同様にドライエッチングとウェットエッチングとの組み合わせによりメサストライプ形状に加工する。このときのメサ加工の最終工程においては、第１の上部クラッド層８はエッチングすることができ、第１のエッチングストップ層６はエッチングしないような選択エッチャントを用いる。

本実施例においては、具体的には、塩酸とリン酸の混合エッチャントを選択エッチャントとして用いた。これにより、メサストライプ以外の箇所の第１の上部クラッド層８を全て除去し、第１エッチングストップ層６を露出させる。

次に、孔５を形成するためのマスクパタンを形成し、このマスクにより第２の上部クラッド層９に達するまで第１のエッチングストップ層６をドライエッチングする。
次に、ドライエッチングにより加工された第１のエッチングストップ層６をエッチングマスクとして、第２の上部クラッド層９をウェットエッチングする。

このとき、エッチングは第２のエッチングストップ層７に達して停止するため、孔５の深さは第１のエッチングストップ層６と第２の上部クラッド層９との和となる。これにより、孔５の深さをウェハ面内で統一することができる。そして、半導体の各層は、結晶成長により成膜され、オングストロームオーダの均質性を有するため、回折格子結合定数を一定にすることができる。

以上に説明したように、本発明に係る光半導体装置によれば、結合係数を自在に設計でき、なおかつ、作製が容易で、温度変化にも強い半導体レーザの回折格子を実現することができる。これにより、回折格子の温度依存性を低減し、半導体レーザの性能向上を図ることができる光半導体装置を提供することができる。

本発明は、例えば、光半導体装置、特に、歪量子井戸層や回折格子を有する半導体レーザに利用することが可能である。

１基板
２活性層
３上部クラッド層
３ａ光導波層
４下部クラッド層
５孔
５ａ大きさの異なる孔
５ｂ櫛形の孔
６第１のエッチングストップ層
７第２のエッチングストップ層
８第１の上部クラッド層
９第２の上部クラッド層

Claims

半導体混晶からなる基板と、
前記基板の上に積層される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に積層される活性層と、
前記活性層の上に積層される上部クラッド層と
を備える光半導体装置において、
前記上部クラッド層には光を導波する光導波層が形成され、
前記上部クラッド層の前記光導波層の脇には列状に孔が形成されている
ことを特徴とする光半導体装置。
前記孔は光の波長程度の周期で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記孔は絶縁体で埋められている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。