JP2012256712A - Semiconductor optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信および各種の光信号処理に用いられるメサストライプ構造の光導波路を有する半導体光デバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device having an optical waveguide having a mesa stripe structure used for optical communication and various optical signal processing.
従来の半導体光デバイスの構造を図2に示す。n−InPからなる基板11上には、n−InPからなる第一のクラッド層12が積層されている。第一クラッド層12上には、ノンドープのInGaAsP系のバルクからなる第一光閉じ込め層13が積層されている。第一光閉じ込め層13上には、ノンドープのInGaAsP系のMQW(Multiple−Quantum−Well:多重量子井戸)またはバルクからなる、レーザ活性層もしくは電界吸収型変調器の光吸収層(以下「レーザ活性層または光吸収層」と記載)14が積層されている。レーザ活性層または光吸収層14上には、ノンドープのInGaAsP系のバルクからなる第二光閉じ込め層15が積層されている。第二光閉じ込め層15上には、p−InPからなる第二クラッド層16が積層されている。第二クラッド層16上には、p−InGaAsからなるコンタクト層17が積層されている。
The structure of a conventional semiconductor optical device is shown in FIG. A
前記各層12〜17は、メサストライプ構造となるように、不要な領域の積層構造がエッチング除去され、前記コンタクト層17上にp型電極19を設けるため、絶縁性を有する材料(例えばSiO2やポリイミド(東レ:UR3800))で当該メサストライプの両脇部分18が広く埋め込まれている(以下「絶縁層」と記載)。また、前記n−InPからなる基板11の下面、もしくは前記n−InPからなる基板11に上面から接するように形成されたコンタクトホールを通して、n型電極20が設けられている(非特許文献1参照)。
In each of the
ちなみに、図2中では、メサストライプ構造を明瞭にするために、メサストライプ右側の絶縁層18部を透明のように表現し、恰も内部が見えているかのような構成にしてある(図1、図5も同様である)。
Incidentally, in FIG. 2, in order to clarify the mesa stripe structure, the
このようなpinダイオード構造からなるリッジ型の半導体光デバイスにおいては、光閉じ込め層への電流注入や逆バイアスの印加によって、レーザ活性層または光吸収層14からのレーザ発振や、当該層14における光吸収ピーク波長の短波長から長波長側へのシフトを利用することにより、レーザ出力や入力した光の強度変調を行うことができる。すなわち、レーザ活性層または光吸収層14における電気―光変換特性を利用することで光デバイスとして機能するように設計されている。
In the ridge type semiconductor optical device having such a pin diode structure, the laser oscillation from the laser active layer or the
前述したような半導体光デバイスでは、注入した電流をレーザ光に変換することや、入射した信号光の一部を吸収して透過光の強度を変換することにより、光デバイスとしての特性を発揮する。したがって、上記半導体光デバイスでは、電気信号による光特性の制御効率が非常に重要となっている。そのため、半導体光デバイスにおいてレーザ活性層または光吸収層の特性が光の伝搬方向にわたって一様な特性を有することが望まれる。 The semiconductor optical device as described above exhibits characteristics as an optical device by converting the injected current into laser light, or by absorbing part of the incident signal light and converting the intensity of transmitted light. . Therefore, in the semiconductor optical device, the control efficiency of the optical characteristics by the electric signal is very important. Therefore, it is desired that the characteristics of the laser active layer or the light absorption layer in the semiconductor optical device be uniform over the light propagation direction.
しかしながら、半導体光デバイスの信頼性に関わる問題として、光信号の入出力部に当たるメサストライプ端部付近ではデバイス構造によってレーザ活性層または光吸収層とその周囲の層に大きな歪み応力が加わることが分かってきた(特許文献1参照)。 However, as a problem related to the reliability of semiconductor optical devices, it is found that a large strain stress is applied to the laser active layer or the light absorption layer and the surrounding layers depending on the device structure near the edge of the mesa stripe corresponding to the input / output part of the optical signal. (See Patent Document 1).
さらに、レーザ活性層にかかる応力についてシミュレートしたところ、やはり従来の電極構造ではメサストライプ端部に近付くにしたがって応力負荷が大きくなっていることが分かった。 Furthermore, when the stress applied to the laser active layer was simulated, it was found that the stress load increased as the distance from the end of the mesa stripe approached the conventional electrode structure.
このことは、半導体光デバイスの信頼性低下の他、半導体光デバイスの特性を劣化させる要因にもなる可能性がある。つまり、メサストライプ端部付近のレーザ活性層または光吸収層とその周囲の層に大きな歪み応力が加わることでレーザ活性層または光吸収層の特性の均一性が失われる可能性を示している。これは、半導体光デバイスの特性向上を図る上で解決すべき重要な問題である。 This may be a factor of degrading the characteristics of the semiconductor optical device as well as reducing the reliability of the semiconductor optical device. That is, there is a possibility that the uniformity of the characteristics of the laser active layer or the light absorption layer may be lost by applying a large strain stress to the laser active layer or the light absorption layer near the edge of the mesa stripe and the surrounding layers. This is an important problem to be solved in order to improve the characteristics of the semiconductor optical device.
この歪み応力については、半導体表面を汚れや電気的な問題から保護するための絶縁層と半導体との熱膨張係数の違い、絶縁層上に形成された電極メタル(以下「電極」と記載)と絶縁層や半導体との熱膨張係数の違い、さらに半導体、絶縁層、メタルなどの異なる材料を張り合わせたことによって生じる膜応力が原因となって起きることが分かっている。 Regarding this strain stress, the difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer and the semiconductor to protect the semiconductor surface from dirt and electrical problems, the electrode metal formed on the insulating layer (hereinafter referred to as "electrode") and It has been found that this is caused by a difference in thermal expansion coefficient between the insulating layer and the semiconductor and a film stress caused by bonding different materials such as a semiconductor, an insulating layer, and a metal.
例えば図3(a)に示すように、熱膨張係数の大きい金属膜(例:Au/14.2×10-6/℃)aを半導体基板(例:InP/4.56×10-6/℃)b上に構成する場合、金属膜と半導体の熱膨張係数の違いによって半導体基板が反るなどの形状変化としても観察されている。 For example, as shown in FIG. 3A, a metal film (eg, Au / 14.2 × 10 −6 / ° C.) a having a large thermal expansion coefficient is applied to a semiconductor substrate (eg, InP / 4.56 × 10 −6 / In the case of the structure on [° C.] b, it is also observed as a shape change such as the semiconductor substrate warping due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal film and the semiconductor.
このため、半導体光デバイスの特性改善に当たってこの応力の影響を少なくすることが非常に重要である。本発明は、半導体光デバイスのレーザ活性層または光吸収層とその周囲の層にかかる応力の低減を図ることによって、レーザ活性層または光吸収層の特性ばらつきがデバイス内で抑えられるような構造を提供することを目的とする。 Therefore, it is very important to reduce the influence of this stress in improving the characteristics of the semiconductor optical device. The present invention provides a structure in which variations in characteristics of a laser active layer or a light absorption layer can be suppressed in the device by reducing stress applied to the laser active layer or the light absorption layer of the semiconductor optical device and its surrounding layers. The purpose is to provide.
上記課題を解決する第1の発明に係る半導体光デバイスは、
メサストライプ構造の少なくとも光導波路を有するリッジ型の半導体光デバイスにおいて、当該メサストライプ上に、光伝搬方向に少なくとも2つ以上の領域に応力低減用スリットを介して分離した電極が設けられていることを特徴とする。
A semiconductor optical device according to a first invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In a ridge-type semiconductor optical device having at least an optical waveguide having a mesa stripe structure, electrodes separated by stress reduction slits are provided on at least two regions in the light propagation direction on the mesa stripe. It is characterized by.
上記課題を解決する第2の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第1の発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記電極が、前記メサストライプに対して斜めに構成されていることを特徴とする。
A semiconductor optical device according to a second invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the semiconductor optical device according to the first invention,
The electrode is configured to be inclined with respect to the mesa stripe.
上記課題を解決する第3の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第1または第2の発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記電極の各領域のサイズが、不均一に構成されていることを特徴とする。
A semiconductor optical device according to a third invention for solving the above-mentioned problem is as follows.
In the semiconductor optical device according to the first or second invention,
The size of each area | region of the said electrode is comprised unevenly, It is characterized by the above-mentioned.
上記課題を解決する第4の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第3の発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
少なくとも3つ以上の領域に分離した前記電極の各領域のサイズが、前記メサストライプ端部に近付くほど小さくなるように構成されていることを特徴とする。
A semiconductor optical device according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the semiconductor optical device according to the third invention,
The size of each region of the electrode separated into at least three or more regions is configured to be smaller as it approaches the end of the mesa stripe.
上記課題を解決する第5の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第1乃至第4いずれか1つの発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記電極が、前記メサストライプ上から離れた領域では1つの電極となっていることを特徴とする。
A semiconductor optical device according to a fifth invention for solving the above-mentioned problem is as follows.
In the semiconductor optical device according to any one of the first to fourth inventions,
The electrode is a single electrode in a region away from the mesa stripe.
上記第1の発明によれば、レーザ活性層または光吸収層に加わる歪み応力を低減させ、レーザ活性層または光吸収層の特性ばらつきを抑えることができる。 According to the first aspect of the invention, the strain stress applied to the laser active layer or the light absorption layer can be reduced, and variations in characteristics of the laser active layer or the light absorption layer can be suppressed.
上記第2の発明によれば、レーザ活性層または光吸収層に加わる歪み応力をさらに低減させることができる。 According to the second aspect, the strain stress applied to the laser active layer or the light absorption layer can be further reduced.
上記第3及び第4の発明によれば、さらに、歪み応力が大きいレーザ活性層または光吸収層の端部の応力を特に抑えることができる。 According to the third and fourth aspects of the present invention, the stress at the end of the laser active layer or the light absorption layer having a large strain stress can be particularly suppressed.
上記第5の発明によれば、さらに、分割された各電極の領域に同じ電気信号が一箇所から供給でき、従来の半導体光デバイス同様の駆動回路の構成や簡便な駆動が可能となる。 According to the fifth aspect of the invention, the same electric signal can be supplied from one place to each of the divided electrode regions, and the drive circuit configuration and the simple driving similar to those of the conventional semiconductor optical device can be realized.
以下、本発明に係る半導体光デバイスを、実施例により図面を用いて詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a semiconductor optical device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings by way of examples.
本発明の実施例1に係る半導体光デバイスの構造を図1に示す。n−InPからなる基板21上には、SiドープまたはSnドープのn−InPからなる第一クラッド層22が積層されている。第一クラッド層22上には、ノンドープのInGaAsP系のバルクからなる第一光閉じ込め層23が積層されている。第一光閉じ込め層23上には、ノンドープのInGaAsP系のMQWからなるレーザ活性層または光吸収層24が積層されている。レーザ活性層または光吸収層24上には、ノンドープのInGaAsP系のバルクからなる第二光閉じ込め層25が積層されている。第二光閉じ込め層25上には、Znドープのp−InPからなる第二クラッド層26が積層されている。第二クラッド層26上には、p−InGaAsからなるコンタクト層27が積層されている。
FIG. 1 shows the structure of a semiconductor optical device according to Example 1 of the present invention. On the
前記22〜27の層がメサストライプ構造となるように、領域28は、例えば、メタン系のRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)加工により2μm程度の幅で基板表面から3μm程度の深さエッチングされ、東レ製のUR3800ポリイミド等の絶縁層で埋め込まれている。
The
また、前記n−InPからなる基板21の下面にはn型電極30が設けられている。各デバイスは、チップ幅、チップ長さがそれぞれ300μm、200μmとなるように劈開によって切り出されており、劈開端面に無反射コーティング等が施されている。
An n-
ちなみに、図1の前記コンタクト層27上に設けられたp型電極29は、メサストライプ上において応力低減用スリット29‐1を介していくつかの領域に分割してある。
Incidentally, the p-
前述の図3(a)に示すような従来の半導体基板に比較し、図3(b)のように金属膜aをいくつかの領域に分割すると、応力が緩和されて反りが小さくなると期待される。 Compared to the conventional semiconductor substrate as shown in FIG. 3A, when the metal film a is divided into several regions as shown in FIG. 3B, it is expected that the stress is relaxed and the warpage is reduced. The
さらに、図4に示すように、従来の電極構造ではレーザ活性層24はメサストライプ端部に近付くにしたがって応力負荷が大きくなっていくことがシミュレートにより判明したため、メサストライプ端部では電極を小さく分割することで電極の応力集中をなくす設計にしている。
Furthermore, as shown in FIG. 4, in the conventional electrode structure, it was found by simulation that the stress load increases as the laser
つまり、従来の電極構造に比較して、実施例1の半導体光デバイスでは、例えばp型電極29が応力低減用スリット29‐1を介して7つの領域に分割されており(図1中では、煩雑さを避けるためp型電極29を5つの領域に分割したような表現にしてある)、また、比較的応力の影響が少ないメサストライプ中央部付近ではp型電極29を大きく分割し、メサストライプ端部に近づくにしたがって電極のサイズが小さく分割されているため、電極から受ける大きな応力による影響を低減することができ、図4に示すように、最も応力の集中するメサストライプ端部におけるレーザ活性層24が受ける応力は、従来構造のデバイスが8−46MPaであったものが、本実施例では14−33MPaまで低減されている。
That is, compared with the conventional electrode structure, in the semiconductor optical device of Example 1, for example, the p-
さらに、図1のように、メサストライプ上で分割されている電極はメサストライプ上から離れた領域では一つになっている。このことにより、分割された各電極の領域に同じ電気信号が一箇所から供給でき、従来の半導体光デバイス同様の駆動回路の構成や簡便な駆動が可能となる。 Further, as shown in FIG. 1, the number of electrodes divided on the mesa stripe is one in a region away from the mesa stripe. As a result, the same electric signal can be supplied from one place to the divided electrode regions, and a drive circuit configuration and simple driving similar to those of a conventional semiconductor optical device can be realized.
尚、レーザ活性層または光吸収層24に用いる材料はInGaAsP以外でも良い。また、基板21についてもInP基板に限定されるものではなく、例えばGaAsなどの他材料から成る基板でも良い。さらに、本実施例ではnタイプの基板21上に半導体デバイスを構成した例を示したが、pタイプの導電性を有した基板や半絶縁性の基板上に構成した半導体デバイスでも良い。
The material used for the laser active layer or the
本発明の実施例2に係る半導体光デバイスの構造を図5、図6に示す。n−InPからなる基板31上には、SiドープまたはSnドープのn−InPからなる第一クラッド層32が積層されている。第一クラッド層32上には、ノンドープのInGaAsP系のバルクからなる第一光閉じ込め層33が積層されている。第一光閉じ込め層33上には、ノンドープのInGaAsP系のMQWからなるレーザ活性層または光吸収層34が積層されている。レーザ活性層または光吸収層34上には、ノンドープのInGaAsP系のバルクからなる第二光閉じ込め層35が積層されている。第二閉じ込め層35上には、Znドープのp−InPからなる第二クラッド層36が積層されている。第二クラッド層36上には、p−InGaAsからなるコンタクト層37が積層されている。
5 and 6 show the structure of the semiconductor optical device according to Example 2 of the present invention. A
当該32〜37の層がメサストライプ構造となるよう領域38は、例えば、メタン系のRIE加工により2μm程度の幅で基板表面から3μm程度の深さにエッチングされ、東レ製のUR3800ポリイミド等の絶縁層で埋め込まれている。
The
また、前記コンタクト層37上には、p型電極39が設けられている。各デバイスは、チップ幅、チップ長さがそれぞれ300μm、200μmとなるように劈開によって切り出されており、劈開端面に無反射コーティング等を施されている。
A p-
チップ設計の簡単化を図りつつ、レーザ活性層または光吸収層が電極から受ける応力を低減するため、実施例2の半導体光デバイスにおいては、メサストライプ上に構成される電極の一部を櫛形にし、応力低減用スリット39‐1が入った構成となっている。 In order to reduce the stress that the laser active layer or the light absorption layer receives from the electrode while simplifying the chip design, in the semiconductor optical device of Example 2, a part of the electrode configured on the mesa stripe is formed in a comb shape. The slit 39-1 for stress reduction is included.
電極の一部を櫛形にしたことによって、レーザ活性層または光吸収層への電流注入が不均一にならないように、メサストライプ上の全面を覆うような薄い電極メタル(以下「薄膜電極」と記載)を構成し、当該薄膜電極の上に櫛形の電極を構成している。薄膜電極を例えば1000Å以下の厚さにしておくと応力影響は無視できる程度に小さくなる。 A thin electrode metal that covers the entire surface of the mesa stripe (hereinafter referred to as “thin film electrode”) so that the current injection into the laser active layer or the light absorption layer does not become non-uniform by forming a part of the electrode in a comb shape. And a comb-shaped electrode is formed on the thin film electrode. For example, if the thickness of the thin film electrode is set to 1000 mm or less, the influence of stress is reduced to a negligible level.
また、櫛形の電極は、例えば分割された電極の領域を10μmの幅とし、その間の応力低減用スリット39‐1の幅を10μmとして配置されるような構成とすればよい。 For example, the comb-shaped electrode may be configured such that the divided electrode region has a width of 10 μm and the stress reduction slit 39-1 has a width of 10 μm therebetween.
さらに、メサストライプに対して櫛形の電極が斜めに配置されるように構成することで、光導波路にかかる応力負荷を分散することも可能である。 Furthermore, it is also possible to disperse the stress load applied to the optical waveguide by arranging the comb-shaped electrodes to be inclined with respect to the mesa stripe.
尚、レーザ活性層または光吸収層34に用いる材料はInGaAsP以外でも良い。また、基板31についてもInP基板に限定されるものではなく、例えばGaAsなどの他材料から成る基板でも良い。さらに、本実施例ではnタイプの基板31上に半導体デバイスを構成した例を示したが、pタイプの導電性を有した基板や半絶縁性の基板上に構成した半導体デバイスでも良い。
The material used for the laser active layer or the
本発明は、光通信および各種の光信号処理に用いられる半導体光デバイスとして好適である。 The present invention is suitable as a semiconductor optical device used for optical communication and various optical signal processing.
11,21,31 n−InP 基板
12,22,32 n−InP 第一クラッド層
13,23,33 InGaAsP 第一光閉じ込め層
14,24,34 InGaAsP レーザ活性層または光吸収層
15,25,35 InGaAsP 第二光閉じ込め層
16,26,36 p−InP 第二クラッド層
17,27,37 p−InGaAsP コンタクト層
18,28,38 メサストライプ脇の埋込み領域(絶縁層)
19,29,39 p型電極
20,30,40 n型電極
29‐1,39‐1 応力低減用スリット
a 金属膜(Au)
b 半導体基板(InP)
11, 21, 31 n-
19, 29, 39 p-
b Semiconductor substrate (InP)
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