JP2017163080A - Semiconductor optical element, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信分野などに適用される半導体光素子、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device applied to the field of optical communication and the like, and a method for manufacturing the same.
コヒーレント光通信の普及に伴って、狭線幅の波長可変レーザ素子の需要が高まっている。波長可変レーザ素子の構成および動作原理は、たとえば非特許文献1において詳細に説明されている。一般に、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を狭線幅化するには、共振器を長くする必要がある。
With the spread of coherent optical communication, there is an increasing demand for a tunable laser element having a narrow line width. The configuration and operating principle of the wavelength tunable laser element are described in detail in Non-Patent
波長可変レーザ素子の1つに標本化回折格子(Sampled Grating)を用い、かつバーニア効果を利用した分布ブラッグ反射(DBR)型波長可変レーザがある(たとえば特許文献1)。この波長可変レーザ素子においては、半導体素子内に回折格子の一部が標本化されたDBRミラーを2つ用いる。この2つのDBRミラーの反射スペクトルは、周期がわずかに異なる櫛状のピークを有する形状をしている。また、DBRミラーに電流注入または加熱により屈折率変化を起して、その反射波長特性を可変にできる。2つのDBRミラーの反射ピークを重ね合わせることにより、この重ね合わせた波長で共振器を形成することができる。このとき、共振器長を適切に設計すれば、共振器モードである縦モードの間隔が2つのDBRミラーによる反射ピークの帯域と同程度となり、1つの共振器モードだけが選択され、単一モード発振が実現される。 There is a distributed Bragg reflection (DBR) type wavelength tunable laser using a sampled diffraction grating (Sampled Grating) as one of the wavelength tunable laser elements and utilizing the vernier effect (for example, Patent Document 1). In this tunable laser element, two DBR mirrors in which a part of a diffraction grating is sampled in a semiconductor element are used. The reflection spectra of these two DBR mirrors have a shape having comb-like peaks with slightly different periods. Further, the refractive index change can be caused by current injection or heating in the DBR mirror, and the reflection wavelength characteristic can be made variable. By superimposing the reflection peaks of the two DBR mirrors, a resonator can be formed with this superimposed wavelength. At this time, if the resonator length is appropriately designed, the interval between the longitudinal modes, which are the resonator modes, is approximately the same as the band of the reflection peak by the two DBR mirrors, and only one resonator mode is selected. Oscillation is realized.
狭線幅のレーザ光を実現するための他の方法として、外部共振器構造を用いて共振長を長尺化して、共振器モードのQ値を大きくする方法がある。また、たとえば、2つのリング共振器を用いて共振器を構成した波長可変レーザ素子(たとえば非特許文献2)においては、比較的鋭いリング共振器のフィルタ特性(反射波長特性)の重ね合わせを用いることによって、共振器の構成を自由に設計可能である。 As another method for realizing a laser beam having a narrow line width, there is a method of increasing the Q value of the resonator mode by increasing the resonance length using an external resonator structure. Further, for example, in a wavelength tunable laser element (for example, Non-Patent Document 2) in which a resonator is configured by using two ring resonators, a relatively sharp superposition of the filter characteristics (reflection wavelength characteristics) of the ring resonator is used. Thus, the configuration of the resonator can be freely designed.
上述した構成において、波長の選択方法としては、2つのDBRミラーまたはリング共振器の屈折率を電流注入または加熱によって変化させることで実現している。さらに、加熱方式は特許文献2などに記載されているように、屈折率変化を生じさせたい領域の導波路上にマイクロヒータを設け、加熱の効率をさらに上げるために導波路のコア層下部に低熱伝導層を設けることによって、基板側への熱の流出を抑制している。熱伝導を抑制する低熱伝導層としては、混晶系の半導体層やアルミニウム(Al)を含む半導体層を酸化した酸化層などが用いられる。特に酸化層は、低熱伝導層としての効果が大きいとされている。 In the configuration described above, the wavelength selection method is realized by changing the refractive indexes of two DBR mirrors or ring resonators by current injection or heating. Further, as described in Patent Document 2 and the like, the heating method is provided with a microheater on the waveguide in the region where the refractive index change is desired to be generated, and in order to further increase the efficiency of the heating, it is provided at the lower part of the core layer of the waveguide. By providing the low thermal conductive layer, the outflow of heat to the substrate side is suppressed. As the low thermal conductive layer for suppressing thermal conduction, a mixed crystal semiconductor layer, an oxide layer obtained by oxidizing a semiconductor layer containing aluminum (Al), or the like is used. In particular, the oxide layer is said to have a great effect as a low thermal conductive layer.
しかしながら、本発明者が上述したAlを含む半導体層、具体的にはAlInAs層に対する酸化実験を行ったところ、次のような問題を知見するに至った。 However, when the inventor conducted an oxidation experiment on the above-described semiconductor layer containing Al, specifically, an AlInAs layer, the following problems were found.
すなわち、本発明者が行った酸化実験から、本発明者は、AlInAs層の酸化速度が膜厚に依存することを知見した。さらに、本発明者は、AlInAs層において、酸化速度が極大になる膜厚が存在し、酸化速度が極大になった膜厚を超えると、AlInAs層に対する酸化のばらつきが大きくなることも知見するに至った。これにより、AlInAs層において酸化が全く進行しない部分が生じる可能性もある。 That is, from the oxidation experiment conducted by the present inventor, the present inventor has found that the oxidation rate of the AlInAs layer depends on the film thickness. Furthermore, the present inventor also finds that the AlInAs layer has a film thickness at which the oxidation rate is maximized, and that the oxidation variation with respect to the AlInAs layer increases when the film thickness at which the oxidation rate is maximized is exceeded. It came. As a result, a portion where oxidation does not proceed at all in the AlInAs layer may occur.
AlInAs層において酸化が進行しない場合、AlInAs層を酸化させることによって形成される低熱伝導層を得ることが困難になる。そのため、AlInAs酸化層を用いた半導体素子の製造歩留まりが低下する可能性が生じる。さらに、AlInAs層を酸化させて得られるAlInAs酸化層の膜厚を、所定の膜厚以上にできないことに起因して、AlInAs酸化層による半導体素子における熱閉じ込め効果が限定される可能性も生じる。なお、上述した問題は、低熱伝導層としてAl1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)を用いる場合においても同様である。 When oxidation does not proceed in the AlInAs layer, it becomes difficult to obtain a low thermal conductive layer formed by oxidizing the AlInAs layer. Therefore, there is a possibility that the manufacturing yield of the semiconductor device using the AlInAs oxide layer is lowered. Furthermore, there is a possibility that the thermal confinement effect in the semiconductor element by the AlInAs oxide layer is limited due to the fact that the thickness of the AlInAs oxide layer obtained by oxidizing the AlInAs layer cannot be greater than a predetermined thickness. The above-described problem is that the Al 1-xy Ga x In y As 1-z P z oxide layer (0 <x + y <1, 0 ≦ x <1, 0 <y <1, 0 ≦ z <1) is used as the low thermal conductive layer. The same applies to the case of using 1).
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、酸化速度の膜厚依存性を有する半導体層を有する半導体積層構造において、半導体層の酸化層における面内均一性およびバッチ間安定性を向上させることができる半導体光素子およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide in-plane uniformity and batch-to-batch in an oxide layer of a semiconductor layer in a semiconductor multilayer structure having a semiconductor layer having a film thickness dependence of an oxidation rate. An object of the present invention is to provide a semiconductor optical device capable of improving stability and a method for manufacturing the same.
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、半導体基板の上方に、半導体基板に対して略格子整合する材料からなる第1半導体層と、第1半導体層上に第1半導体層とは異なる組成の第2半導体層とを順次積層した後、第1半導体層の面方向に沿って第1半導体層を酸化する工程を有する半導体光素子の製造方法であって、第1半導体層が、酸化速度が第1半導体層の膜厚依存性を有して第1半導体層における所定の膜厚において極大を有する材料からなり、第1半導体層を所定の膜厚の1.5倍未満の膜厚に形成することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor optical device according to the present invention includes a first semiconductor layer made of a material substantially lattice-matched to a semiconductor substrate above the semiconductor substrate. And a step of sequentially laminating a second semiconductor layer having a composition different from that of the first semiconductor layer on the first semiconductor layer, and then oxidizing the first semiconductor layer along the surface direction of the first semiconductor layer. The first semiconductor layer is made of a material whose oxidation rate has a film thickness dependency of the first semiconductor layer and has a maximum at a predetermined film thickness in the first semiconductor layer. Is formed to a film thickness of less than 1.5 times the predetermined film thickness.
本発明の一態様に係る半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、第1半導体層と第2半導体層とを交互に複数積層する工程を含むことを特徴とする。これにより、膜厚に上限がある酸化された第1半導体層を低熱伝導層として用いる場合に、積層する酸化された第1半導体層の層数を調整することによって、所望の断熱効果を確保することができる。 The method for manufacturing a semiconductor optical device according to one aspect of the present invention is characterized in that, in the above invention, the method includes a step of alternately stacking a plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers. Accordingly, when the oxidized first semiconductor layer having an upper limit in film thickness is used as the low thermal conductive layer, a desired heat insulating effect is secured by adjusting the number of the oxidized first semiconductor layers to be stacked. be able to.
本発明の一態様に係る半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、半導体基板がInP基板からなるとともに、第1半導体層が、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)からなることを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor optical device according to one aspect of the present invention, in the above invention, the semiconductor substrate is an InP substrate, and the first semiconductor layer is an Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer. (0 <x + y <1, 0 ≦ x <1, 0 <y <1, 0 ≦ z <1).
本発明の一態様に係る半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、第1半導体層が少なくとも2層の第2半導体層によって挟まれた構成において、第1半導体層と第2半導体層との間の少なくとも一方に、第1半導体層のバンドギャップと第2半導体層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有するバンドギャップ中間層を形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、アクティブ素子とパッシブ素子とを同一基板上にモノリシックに集積する場合に、アクティブ素子の動作電圧を低減できる。 According to another aspect of the invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor optical device, wherein the first semiconductor layer is sandwiched between at least two second semiconductor layers. Forming a band gap intermediate layer having a band gap between the band gap of the first semiconductor layer and the band gap of the second semiconductor layer in at least one of the gaps. Thereby, when the active element and the passive element are monolithically integrated on the same substrate, the operating voltage of the active element can be reduced.
本発明の一態様に係る半導体光素子の製造方法は、この構成において、バンドギャップ中間層は、第1半導体層および第2半導体層がn型半導体層である場合にn型AlGaInAs層からなり、第1半導体層および第2半導体層がp型半導体層である場合にp型GaInAsP層からなることを特徴とする。 In this configuration, the method for manufacturing a semiconductor optical device according to one aspect of the present invention is such that the band gap intermediate layer includes an n-type AlGaInAs layer when the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are n-type semiconductor layers, When the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are p-type semiconductor layers, the p-type GaInAsP layer is used.
本発明の一態様に係る半導体光素子の製造方法は、この構成において、バンドギャップ中間層を、第1半導体層に対して、第1半導体層および第2半導体層における多数キャリアの移動方向に沿った上流側に形成することを特徴とする。 According to the method of manufacturing a semiconductor optical device according to one aspect of the present invention, in this configuration, the band gap intermediate layer is moved along the moving direction of majority carriers in the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with respect to the first semiconductor layer. It is characterized by being formed on the upstream side.
本発明の一態様に係る半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、第1半導体層の上方に導波路層を形成した後、導波路層の上方に加熱部を形成する工程を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor optical device according to one aspect of the present invention includes the step of forming a heating portion above the waveguide layer after forming the waveguide layer above the first semiconductor layer in the above invention. It is characterized by.
本発明に係る半導体光素子は、InP基板の上方に、InP基板に対して略格子整合するAl1-x-yGaxInyAs1-zPz層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)が酸化されたAl1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層を少なくとも1層有する低熱伝導層と、低熱伝導層におけるAl1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層が均質に設けられた領域の上層に設けられた導波路層と、導波路層の上層に設けられた加熱部と、を有することを特徴とする。 The semiconductor optical device according to the present invention has an Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer (0 <x + y <1, 0 ≦ x <) substantially lattice-matched to the InP substrate above the InP substrate. 1, 0 <Al in y <1,0 ≦ z <1) and the low thermal conductive layer having at least one layer of Al 1-xy Ga x in y as 1-z P z oxidized layer oxidized, low thermal conducting layer 1 a waveguide layer provided in an upper layer of a region where the -xy Ga x In y As 1-z Pz oxide layer is uniformly provided, and a heating unit provided in the upper layer of the waveguide layer And
本発明の一態様に係る半導体光素子は、上記の発明において、InP基板の上方に、アクティブ機能を有するアクティブ素子とパッシブ機能を有するパッシブ素子とがモノリシックに設けられていることを特徴とする。 The semiconductor optical element according to one embodiment of the present invention is characterized in that, in the above invention, an active element having an active function and a passive element having a passive function are monolithically provided above an InP substrate.
本発明の一態様に係る半導体光素子は、この構成において、低熱伝導層がパッシブ素子の少なくとも一部の下層に選択的に設けられていることを特徴とする。 In this configuration, the semiconductor optical device according to one embodiment of the present invention is characterized in that the low thermal conductive layer is selectively provided in at least a part of the lower layer of the passive device.
本発明の一態様に係る半導体光素子は、上記の発明において、アクティブ素子は、半導体光増幅器、DFB型レーザ、およびDBR型レーザの少なくとも1つであることを特徴とする。 The semiconductor optical device according to one embodiment of the present invention is characterized in that, in the above invention, the active element is at least one of a semiconductor optical amplifier, a DFB laser, and a DBR laser.
本発明の一態様に係る半導体光素子は、上記の発明において、パッシブ素子は、導波路、およびリング共振型フィルタの少なくとも1つであることを特徴とする。 The semiconductor optical device according to one embodiment of the present invention is characterized in that, in the above invention, the passive element is at least one of a waveguide and a ring resonance filter.
本発明の一態様に係る半導体光素子は、上記の発明において、アクティブ素子の少なくとも一部の下層に、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)が設けられ、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層がAl1-x-yGaxInyAs1-zPz層と異なる組成の別の半導体層によって挟まれた構成において、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層と別の半導体層との間の少なくとも一方に、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層のバンドギャップと別の半導体層のバンドギャップとの間のバンドギャップを有するバンドギャップ中間層が設けられていることを特徴とする。これにより、アクティブ素子とパッシブ素子とを同一基板上にモノリシックに集積した構造において、アクティブ素子の動作電圧を低減できる。 In the semiconductor optical device according to one embodiment of the present invention, in the above invention, an Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer (0 <x + y <1, 0 ≦ x <1, 0 <y <1, 0 ≦ z <1), and the Al 1-xy Ga x In y As 1-z P z layer is formed of Al 1-xy Ga x In y As 1-z P In a structure sandwiched by another semiconductor layer having a composition different from that of the z layer, at least one of the Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer and the other semiconductor layer is provided with Al 1 -xy Ga A band gap intermediate layer having a band gap between the band gap of the x In y As 1-z P z layer and the band gap of another semiconductor layer is provided. Thereby, in the structure where the active element and the passive element are monolithically integrated on the same substrate, the operating voltage of the active element can be reduced.
本発明の一態様に係る半導体光素子は、この構成において、バンドギャップ中間層は、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層および別の半導体層がn型半導体層である場合にn型AlGaInAs層からなり、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層および別の半導体層がp型半導体層である場合にp型GaInAsP層からなることを特徴とする。 In the semiconductor optical device according to one embodiment of the present invention, in this configuration, the band gap intermediate layer is an Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer and the other semiconductor layer is an n-type semiconductor layer. And an n 1 -type AlGaInAs layer, and a p 1 -type GaInAsP layer when the Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer and the other semiconductor layer are p-type semiconductor layers.
本発明の一態様に係る半導体光素子は、上記の発明において、バンドギャップ中間層は、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層に対して、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層および別の半導体層における多数キャリアの移動方向に沿った上流側に設けられていることを特徴とする。 Semiconductor optical device according to an embodiment of the present invention, in the above invention, the band gap intermediate layer, with respect to Al 1-xy Ga x In y As 1-z P z layer, Al 1-xy Ga x In y The As 1-z Pz layer and another semiconductor layer are provided on the upstream side in the moving direction of majority carriers.
本発明に係る半導体光素子およびその製造方法によれば、酸化速度の膜厚依存性を有する半導体層を有する半導体積層構造において、半導体層における面内均一性およびバッチ間安定性を向上させることが可能となる。 According to the semiconductor optical device and the method for manufacturing the same according to the present invention, in a semiconductor multilayer structure having a semiconductor layer having a film thickness dependence of oxidation rate, in-plane uniformity and batch-to-batch stability in the semiconductor layer can be improved. It becomes possible.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、以下の実施形態の説明に用いる「上」または「上方」並びに「下」または「下方」はそれぞれ、基板の主面に対して直角に遠ざかる向き並びに基板の主面に近づく向きを示し、半導体装置の実装状態における上下方向ではない点にも留意する必要がある。また、図中で適宜xyz座標軸を示し、これにより方向を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. In the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals as appropriate, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships between elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included. Further, “upper” or “upper” and “lower” or “lower” used in the description of the following embodiments indicate a direction away from the main surface of the substrate and a direction approaching the main surface of the substrate, respectively. It should also be noted that the semiconductor device is not mounted in the vertical direction when mounted. In addition, xyz coordinate axes are appropriately shown in the drawing, and directions will be described.
まず、本発明の実施形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った実験および鋭意検討について説明する。図1は、AlInAs層の酸化実験を行うための半導体積層体を示す断面図である。 First, in describing embodiments of the present invention, experiments and diligent studies conducted by the present inventors to solve the above-described problems will be described in order to facilitate understanding of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor stacked body for conducting an oxidation experiment of an AlInAs layer.
本発明者は、図1に示すように、InP基板101上に、有機金属化学気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)により、InP層と互いに膜厚が異なるAlInAs層とを交互に積層させた。これにより、InP基板101上に、膜厚が互いに異なる4層のAlInAs層102a,102b,102c,102dがそれぞれ、互いにInP層103a,103b,103cをそれぞれ介して積層されて、半導体積層体100が形成される。ここで、AlInAs層102a,102b,102c,102dの膜厚はそれぞれ、50nm、100nm、150nm、200nmとし、その組成はInP基板101と略格子整合する組成とし、具体的にはたとえばAl0.48In0.52Asとする。
As shown in FIG. 1, the inventor alternately forms InP layers and AlInAs layers having different film thicknesses on an
さらに、AlInAs層102d上にInP層103dを形成した後、ストライプ状の窒化シリコン(SiNx)層104を形成する。その後、SiNx層104をマスクとして、たとえば塩素系のガスを用いたドライエッチング法によって、半導体積層体100に対してInP基板101が露出するまで異方性エッチングを行って、メサストライプを形成する。これにより、4層のAlInAs層102a,102b,102c,102dの側面を露出させる。
Further, an
その後、側面が露出したAlInAs層102a〜102dが積層された半導体積層体100に対して、水蒸気雰囲気下においてアニールを行う。これにより、AlInAs層102a〜102dの露出した側面から酸化が行われる。ここで、一般に、酸化温度を高くすると酸化速度が増加して、製造時間を短縮することができる。ところが、酸化温度を高くしすぎると、露出したInP層においてリン抜けと考えられる表面荒れが発生することから、酸化温度は520℃以下が好ましい。一方、酸化温度が低すぎると酸化速度が低下して製造において処理時間が増加するため、酸化速度は、450℃以上が好ましい。
Thereafter, annealing is performed in a water vapor atmosphere on the semiconductor stacked
上述した温度範囲内において、半導体積層体100に対して水蒸気雰囲気中でのアニールによる酸化処理をたとえば60分間行った後、劈開によって半導体積層体100の断面を形成した。そして、SEM(Scanning Electron Microscope)を用いて、断面に現れたAlInAs層102a〜102dにおける酸化された領域の幅を評価した。
Within the above-mentioned temperature range, the
図2は、水蒸気雰囲気中でのアニールによる酸化温度を480℃、500℃および520℃とした場合における、AlInAs層102a〜102dにおいて露出した側面から酸化された領域の幅(酸化層幅)の膜厚依存性を示すグラフである。なお、図2のグラフに示す酸化幅は、一方の側面から酸化された場合の酸化幅を示す。図2から、酸化層幅はAlInAs層の膜厚に依存し、所定の膜厚、この酸化実験においては100nmの場合に極大となることが分かる。すなわち、本発明者が行った酸化実験によって、AlInAs層の酸化速度がAlInAs層の膜厚に依存することが判明した。以下、酸化層幅が極大、すなわち酸化速度が極大になるAlInAs層の膜厚を「最適膜厚」という。
FIG. 2 shows a film having a width (oxide layer width) of a region oxidized from the side surface exposed in the
本発明者は、半導体積層体100において酸化されたAlInAs層に対してさらに検討を行った。その結果、AlInAs層の膜厚が最適膜厚を超えると、AlInAs層の酸化のばらつきが大きくなることが判明した。AlInAs層における酸化のばらつきは、最適膜厚の1.5倍以上になるとさらに大きくなり、AlInAs層の層内の位置、例えばこの実験においてはストライプ方向の断面の位置によっては、酸化が全く進行していない非酸化領域が存在することも判明した。さらに、本発明者の知見によれば、上述した酸化速度の傾向は、AlInAs層の酸化のみならず、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)の酸化の場合においても同様に存在する。
The inventor further studied the AlInAs layer oxidized in the semiconductor stacked
そのため、酸化したAlInAs層(AlInAs酸化層)を低熱伝導層として用いて半導体光素子を製造する場合、半導体光素子の製造歩留りが低下する可能性が生じる。また、AlInAs酸化層の膜厚を所定の膜厚以上に形成できないことから、半導体光素子における熱閉じ込め効果が限定される可能性も生じる。 Therefore, when a semiconductor optical device is manufactured using an oxidized AlInAs layer (AlInAs oxide layer) as a low thermal conductive layer, the manufacturing yield of the semiconductor optical device may be lowered. Moreover, since the film thickness of the AlInAs oxide layer cannot be formed more than a predetermined film thickness, there is a possibility that the thermal confinement effect in the semiconductor optical device is limited.
本発明者は、上述した酸化実験により得た知見に基づき、上述の問題点を解決するために鋭意検討を行った。そして、本発明者は、半導体素子にAlInAs酸化層を用いる場合、AlInAs層の膜厚を酸化速度が飽和する膜厚に対して、0.5倍を超えて1.5倍未満、好適には1.3倍以下の膜厚とすることを想起した。すなわち、本発明者は、上述した酸化処理によって、あらかじめAlInAs層の酸化速度における膜厚依存性のデータを取得し、AlInAs層の酸化における最適膜厚を導出して、AlInAs層の膜厚を規定する方法を想起するに至った。以下に説明する実施形態は、以上の検討に基づいて案出されたものである。 The present inventor has intensively studied to solve the above-mentioned problems based on the knowledge obtained by the above-described oxidation experiment. And when this inventor uses an AlInAs oxide layer for a semiconductor element, the film thickness of an AlInAs layer exceeds 0.5 times and less than 1.5 times with respect to the film thickness with which an oxidation rate is saturated, Recalling that the film thickness is 1.3 times or less. That is, the present inventor obtains data on the film thickness dependence in the oxidation rate of the AlInAs layer in advance by the oxidation treatment described above, derives the optimum film thickness in the oxidation of the AlInAs layer, and defines the film thickness of the AlInAs layer. I came up with a way to do it. The embodiment described below has been devised based on the above examination.
(第1の実施形態)
次に、上述した本発明者による鋭意検討に基づいた第1の実施形態による波長可変レーザ素子について説明する。図3は、第1の実施形態による波長可変レーザ素子の模式的な斜視図である。
(First embodiment)
Next, the wavelength tunable laser device according to the first embodiment based on the above-described diligent study by the present inventors will be described. FIG. 3 is a schematic perspective view of the wavelength tunable laser device according to the first embodiment.
図3に示すように、波長可変レーザ素子1は、1.55μm帯でレーザ発振し、レーザ光L1を出力するように構成されている。波長可変レーザ素子1は、共通の基部B上に形成された、第1の導波路部10と第2の導波路部20とを備える。基部Bはたとえばn型InP基板からなる。なお、基部Bの裏面にはn側電極30が形成されている。n側電極30は、たとえばAuGeNiを含んで構成され、基部Bとオーミック接触する。
As shown in FIG. 3, the wavelength
第1の導波路部10は、導波路部11、半導体積層部12、p側電極13、およびTiからなるマイクロヒータ14,15を備える。第1の導波路部10は、いわゆるアクティブ素子であってアクティブ領域を構成する。導波路部11は、半導体積層部12内にz方向に延伸するように形成されている。第1の導波路部10内には、回折格子装荷型利得部11aおよび位相調整部11bが配置されている。半導体積層部12は、半導体層が積層して構成されており、導波路部11に対してクラッド部の機能等を備える。
The
p側電極13は、半導体積層部12上において、回折格子装荷型利得部11aに沿うように配置されている。なお、半導体積層部12にはSiNx保護膜が形成されており、p側電極13はSiNx保護膜に形成された開口部を介して半導体積層部12に接触している。加熱部としてのマイクロヒータ14は、半導体積層部12のSiNx保護膜上において、位相調整部11bに沿うように配置されている。加熱部としてのマイクロヒータ15は、半導体積層部12のSiNx保護膜上において、p側電極13に沿うように配置されている。
The p-
第2の導波路部20は、2分岐部21、2つのアーム部22,23、リング状導波路24、およびTiからなるマイクロヒータ25を備える。第2の導波路部20は、いわゆるパッシブ素子であってパッシブ領域を構成する。2分岐部21は、1×2型の多モード干渉型(MMI)導波路21aを含む1×2型の分岐型導波路で構成され、2ポート側が2つのアーム部22,23のそれぞれに接続されるとともに1ポート側が第1の導波路部10側に接続されている。2分岐部21により、2つのアーム部22,23は、その一端が統合され、導波路部11と光学的に結合される。
The
アーム部22,23は、いずれもz方向に延伸し、リング状導波路24を挟むように配置されている。アーム部22,23はリング状導波路24と近接し、いずれも同一の結合係数κでリング状導波路24と光学的に結合している。κの値はたとえば0.2である。アーム部22,23とリング状導波路24とは、リング共振型フィルタRF1を構成している。また、リング共振型フィルタRF1と2分岐部21とは、反射ミラーM1を構成している。光導波路の加熱を行う加熱部としてのマイクロヒータ25はリング状であり、リング状導波路24を覆うように形成されたSiNx保護膜上に配置されている。
Each of the
第1の導波路部10と第2の導波路部20は、互いに光学的に接続された回折格子装荷型利得部11aの回折格子層11abと反射ミラーM1とによって、レーザ共振器C1を構成している。回折格子装荷型利得部11aの利得部としての活性コア層11aaと位相調整部11bとはレーザ共振器C1内に配置される。
The
図4は、第2の導波路部20のうちのリング状導波路24を、図3のyz平面に平行な面に沿って切断したIV−IV線の断面図である。図4に示すように、リング状導波路24は、基部Bを構成するn型InP基板41上に、低熱伝導層42a、下部クラッド層43、導波路層としての光導波層44、および上部クラッド層45が順次積層されたハイメサ導波路構造を有する。
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV, in which the ring-shaped
低熱伝導層42aは、被酸化層としてのAl1-x-yGaxInyAs1-zPz層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)が側端部から酸化されて形成されたAl1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層からなる。低熱伝導層42aは、パッシブ素子の全体または少なくとも一部の下層に設けられる。具体的に低熱伝導層42aは、たとえば、x=z=0としたn型AlInAs層42が側端部から酸化されたAlInAs酸化層からなる。n型AlInAs層42の組成は、n型InP基板41と略格子整合する組成であって、第1の実施形態においてたとえばAl0.48In0.52As層(x=1,y=0.52,z=0)である。n型AlInAs層42の膜厚は、上述した最適膜厚の0.5倍以上1.5倍未満であり、好適には1.3倍以下である。この第1の実施形態において具体的に、n型AlInAs層42の最適膜厚がたとえば100nmであり、膜厚としては50nm以上150nm未満、好適には130nm以下、ここでは100nmとする。下部クラッド層43はn型InP層からなり、下部クラッド層43の下部は、酸化されていないn型AlInAs層42上にまで延伸された部分を有する。これにより、少なくとも酸化されていないn型AlInAs層42上に延伸された部分において、n型AlInAs層42と上層の下部クラッド層43とが連結されている。光導波層44は、バンドギャップ波長が1300nmのGaInAsP層からなる。上部クラッド層45は、p型InP層からなる。
The low thermal
ハイメサ導波路構造を構成する低熱伝導層42a、下部クラッド層43、光導波層44、および上部クラッド層45と、下部クラッド層43の下部のn型AlInAs層42上に延伸した部分とは、保護膜としての誘電体層46に覆われている。誘電体層46は、たとえばSiNx膜や酸化シリコン(SiO2)膜、またはSiO2膜とSiNx膜との積層膜からなる。
The low thermal
第2の導波路部20のその他の構成要素である2分岐部21およびアーム部22,23も上述と同様のハイメサ導波路構造を有し、誘電体層で覆われている。すなわち、第2の導波路部20は、第1の導波路部10の第1の導波路構造とは異なる第2の導波路構造を有する。
The
リング状導波路24を構成するハイメサ導波路構造体の上方の誘電体層46上には、マイクロヒータ25が設けられている。ハイメサ導波路構造体の側面側には、この側面をカバーする樹脂層48が設けられている。樹脂層48の上面とマイクロヒータ25の上面には、マイクロヒータ25の上面において電気的に接続された引き出し配線49が設けられている。引き出し配線49は、外部からマイクロヒータ25に通電を行うための配線であり、マイクロヒータ25に通電を行うことにより、マイクロヒータ25の設置領域の下方を低熱伝導層42aの上層まで加熱できる。低熱伝導層42aは、少なくとも上部クラッド層45、光導波層44、および下部クラッド層43の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。これにより、低熱伝導層42aは、マイクロヒータ25による加熱をさらに下層に伝達させないための断熱層として機能する。引き出し配線49は、たとえばTi/Au層、Ti/Pt/Au層、Cr/Au層、またはMo/Au層などからなる。なお、樹脂層48の部分を空間にした状態で引き出し配線49を設ける、いわゆるエアブリッジの構造としても良い。
A
(ハイメサ導波路構造体の製造方法)
次に、上述したハイメサ導波路構造の製造方法について説明する。まず、上述した図1に示すように、互いに膜厚が異なり組成が略等しい複数の半導体層を、この半導体層とは組成が異なる他の半導体層を介して複数積層させた半導体積層体を形成する。続いて、この半導体積層体に対してアニールによる酸化処理を行った後、SEMを用いて酸化層幅を評価することによって、最適膜厚を導出する。この第1の実施形態においては、被酸化層としての半導体層はAl0.48In0.52As層とし、他の半導体層はInP層とする。
(Manufacturing method of high mesa waveguide structure)
Next, a manufacturing method of the above-described high mesa waveguide structure will be described. First, as shown in FIG. 1 described above, a semiconductor stacked body is formed by stacking a plurality of semiconductor layers having mutually different film thicknesses and substantially equal compositions via another semiconductor layer having a composition different from that of the semiconductor layer. To do. Subsequently, after the oxidation process by annealing is performed on the semiconductor stacked body, the optimum film thickness is derived by evaluating the oxide layer width using the SEM. In the first embodiment, the semiconductor layer as the oxidized layer is an Al 0.48 In 0.52 As layer, and the other semiconductor layers are InP layers.
以上の前提となる酸化実験による最適膜厚の導出が終了した後、基部Bを構成するn型InP基板41上に、たとえばMOCVD法によって、n型AlInAs層42、下部クラッド層43となるn型InP層、光導波層44となるGaInAsP層、および上部クラッド層45となるp型InP層を順次形成する。
After derivation of the optimum film thickness by the above-described oxidation experiment is completed, the n-
次に、上部クラッド層45となるp型InP層の上面にたとえばSiNx膜を形成して、リング状や直線状のアームなどのハイメサ導波路構造の形状にパターニングする。続いて、このSiNx膜をエッチングマスクとして、たとえば塩素系ガスを用いたドライエッチングによる異方性エッチングを行う。下部クラッド層43の下部が残る状態でエッチングを行った後、エッチングマスクを除去する。続いて、ハイメサ導波路構造の積層部分と下部クラッド層43の下部の延伸部分を含めた領域にエッチングマスクを形成した後、たとえば塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。これにより、酸化層を形成したい所望の領域の下部クラッド層43の下部の残部、およびn型AlInAs層42がエッチングされて、第1半導体層としてのn型AlInAs層42の一端部が露出される。なお、下部クラッド層43の下部の残部、およびn型AlInAs層42のエッチングは、ウエットエッチング法により行っても良い。
Next, for example, a SiN x film is formed on the upper surface of the p-type InP layer to be the upper clad
その後、側面が露出したn型AlInAs層42を含むハイメサ導波路構造の積層体に対して、水蒸気雰囲気下において450℃以上520℃以下の温度でアニールを行う。これによって、n型AlInAs層42において、露出した端部からn型AlInAs層42の面方向に沿って酸化が進行する。この酸化は、ハイメサ導波路構造の下部の領域におけるn型AlInAs層42が酸化されるまで実行する。なお、酸化処理における酸化時間は、上述した最適膜厚の導出のための酸化処理において得られた酸化速度のデータと、ハイメサ導波路構造の幅の設計値などとに基づいて決定される。これにより、ハイメサ導波路構造の下部に、n型AlInAs層42が均一に酸化されて、幅方向に沿って均質なAlInAs酸化層からなる低熱伝導層42aが形成される。
After that, annealing is performed at a temperature of 450 ° C. or more and 520 ° C. or less in a water vapor atmosphere on the high mesa waveguide structure laminate including the n-
次に、全面にたとえばSiNx膜を形成することにより誘電体層46を形成する。その後、ハイメサ導波路構造の上方で誘電体層46上に、たとえばリフトオフマスクを用いたリフトオフ法によって、Ti層などの金属層をマイクロヒータ25の形状に形成する。また、ハイメサ導波路構造の側部に樹脂を埋め込んで樹脂層48を形成した後、マイクロヒータ25上の少なくとも一部および樹脂層48上にたとえばTi/Au層、Ti/Pt/Au層またはCr/Au層を形成することにより、引き出し配線49を形成する。以上により、下部に低熱伝導層42aが設けられているとともに上部にマイクロヒータ25が設けられたハイメサ導波路構造が製造される。
Next, a
以上説明した第1の実施形態によれば、あらかじめ酸化実験により被酸化層であるAlInAs層などの半導体層の最適膜厚を導出し、この最適膜厚に対して0.5倍以上1.5倍未満の膜厚の半導体層を形成した後、半導体層の露出端部から酸化処理を行っている。これにより、AlInAs酸化層などの半導体酸化層を均質に形成できる。そのため、酸化速度の膜厚依存性を有する半導体層を有する半導体積層構造において、半導体酸化層の面内均一性およびバッチ間安定性を向上させることができるので、半導体光素子の製造歩留りの向上による低コスト化を実現できる。 According to the first embodiment described above, an optimum film thickness of a semiconductor layer such as an AlInAs layer that is an oxidized layer is derived in advance by an oxidation experiment, and 0.5 times or more of this optimum film thickness is 1.5 times. After forming a semiconductor layer having a thickness less than double, oxidation treatment is performed from the exposed end of the semiconductor layer. Thereby, a semiconductor oxide layer such as an AlInAs oxide layer can be formed uniformly. Therefore, in a semiconductor laminated structure having a semiconductor layer having a film thickness dependence of oxidation rate, in-plane uniformity and batch-to-batch stability of the semiconductor oxide layer can be improved, thereby improving the manufacturing yield of the semiconductor optical device. Cost reduction can be realized.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態による半導体光素子について説明する。なお、以下の説明および図面においては、発明の理解を容易にするために、ハイメサ導波路構造体における樹脂層、誘電体層および引き出し配線等の記載を省略した積層構造について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a semiconductor optical device according to the second embodiment of the present invention will be described. In the following description and drawings, in order to facilitate understanding of the invention, a laminated structure in which the resin layer, the dielectric layer, the lead-out wiring, and the like in the high mesa waveguide structure are omitted will be described.
まず、本発明者の知見によれば、第1の実施形態による半導体光素子において、マイクロヒータ25によって発生する熱が、n型InP基板41側に熱伝導するのを抑制するためには、低熱伝導層42aの膜厚を大きくすることが望ましい。これに対し、上述したように、n型AlInAs層42を露出した端部から酸化させて低熱伝導層42aを形成する場合、酸化速度や酸化状態のばらつきを抑制した酸化の安定性を考慮すると、n型AlInAs層42において許容できる膜厚には最適膜厚に基づいた上限が存在する。上述した第1の実施形態においては、最適膜厚の1.5倍未満の150nm未満が低熱伝導層42aの膜厚の限界となる。
First, according to the knowledge of the present inventor, in the semiconductor optical device according to the first embodiment, in order to suppress the heat generated by the
そこで、本発明者はさらに鋭意検討を行い、低熱伝導層として形成する半導体層の1層の膜厚を最適膜厚の1.5倍未満とした上で、この低熱伝導層を他の半導体層を介して複数積層させた多層膜構造とする方法を想起した。これにより、積層方向に沿った低熱伝導層の合計の膜厚を大きくできるので、第1の実施形態による低熱伝導層42aの膜厚を大きくする効果と同等の効果が得られる。図5は、この第2の実施形態によるハイメサ導波路構造体を示す断面図である。
Therefore, the present inventor has conducted further studies and made the thickness of one of the semiconductor layers formed as the low thermal conductive layer less than 1.5 times the optimum film thickness, and this low thermal conductive layer was used as another semiconductor layer. A method of creating a multilayer film structure in which a plurality of layers are stacked via a substrate is recalled. Thereby, since the total film thickness of the low thermal conductive layers along the stacking direction can be increased, an effect equivalent to the effect of increasing the film thickness of the low thermal
図5(a)に示すように、第2の実施形態によるハイメサ導波路構造体50においては、n型InP基板41上に、n型InP層51、第1低熱伝導層52a、n型InP層53、および第2低熱伝導層54aが順次積層されている。第1低熱伝導層52aは、AlInAs酸化層からなり、第2半導体層としてのn型InP層51,53に挟まれた構成を有する。第2低熱伝導層54a上には、第1の実施形態と同様に、下部クラッド層43、光導波層44、上部クラッド層45およびマイクロヒータ25が順次積層されて設けられている。第2低熱伝導層54aは、AlInAs酸化層からなり、第2半導体層としてのn型InP層53およびn型InP層からなる下部クラッド層43に挟まれた構成を有する。第1低熱伝導層52a、n型InP層53、および第2低熱伝導層54aにより、実質的に、第1低熱伝導層52aおよび第2低熱伝導層54aの合計の膜厚分の低熱伝導層が構成される。
As shown in FIG. 5A, in the high
次に、図5(a)に示すハイメサ導波路構造体50の製造方法について説明する。すなわち、図5(b)に示すように、n型InP基板41上に、たとえばMOCVD法により、n型InP層51、n型AlInAs層52、n型InP層53およびn型AlInAs層54を順次形成する。その後、同様にMOCVD法により、n型AlInAs層54上に、下部クラッド層43となるn型InP層、光導波層44となるGaInAsP層、および上部クラッド層45となるp型InP層を順次形成する。
Next, a manufacturing method of the high
次に、上部クラッド層45となるp型InP層の上面にたとえばSiNx膜を形成して、ハイメサ導波路構造体50の形状にパターニングする。続いて、SiNx膜をマスクとして、たとえば塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、異方性エッチングを行う。これにより、n型AlInAs層52,54の側部の面を露出させる。
Next, for example, a SiN x film is formed on the upper surface of the p-type InP layer to be the
その後、側面が露出したn型AlInAs層52,54を含むハイメサ導波路構造体50に対して、水蒸気雰囲気下において450℃以上520℃以下の温度でアニールを行う。これにより、n型AlInAs層52,54の露出した端部の面から酸化が進行して、被酸化層としてのn型AlInAs層52,54が酸化され、均質なAlInAs酸化層が形成される。すなわち、ハイメサ導波路構造体50の幅方向に沿ってAlInAs酸化層が均質に形成されて第1低熱伝導層52aおよび第2低熱伝導層54aが構成される。n型AlInAs層52,54に対する酸化条件と、下部クラッド層43、光導波層44、および上部クラッド層45の製造方法とについては、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
Thereafter, the high
この第2の実施形態においては、被酸化層としてのAlInAs層を、InP層によって挟んだ状態に複数層、具体的には2層設けている。これにより、n型InP層53、第1低熱伝導層52aおよび第2低熱伝導層54aを低熱伝導層として機能させることができる。すなわち、低熱伝導層は、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層を少なくとも1層有して構成すれば良い。そのため、AlInAs層のように、酸化する際に許容される膜厚に制限がある場合であっても、膜厚が大きい低熱伝導層と同様の機能が得られる。さらに、低熱伝導層として所望される断熱効率を確保するために、3層以上の所定層数のAlInAs酸化層をそれぞれ、InP層などの他の半導体層を介して設けて低熱伝導層を構成することも可能である。
In the second embodiment, a plurality of layers, specifically two layers, are provided in a state where an AlInAs layer as an oxidized layer is sandwiched between InP layers. As a result, the n-
なお、第2の実施形態においては、n型AlInAs層52,54を挟む他の半導体層をn型InP層51,53およびn型InP層からなる下部クラッド層43としているが、他の半導体層としてn型InP層以外の半導体層を用いることも可能である。他の半導体層としては、n型InP基板41に略格子整合するとともに、AlInAs層の酸化速度に対して酸化速度の選択比が可能な限り大きく、かつ光導波層44を透過する光の波長に対して透明なバンドギャップを有する材料から構成するのが望ましい。具体的に、他の半導体層は、たとえば、GaInAsP層、GaInAs層、AlGaInAs層、またはAlGaInAsP層、または、これらの多層膜を用いることが可能である。
In the second embodiment, the other semiconductor layer sandwiching the n-type AlInAs layers 52 and 54 is the
この第2の実施形態によれば、AlInAs酸化層を多層膜構造にして低熱伝導層を構成していることにより、マイクロヒータ25によって加熱された熱のn型InP基板41側への熱伝導が抑制される。これにより、ハイメサ導波路構造体50からn型InP基板41への熱の流出を抑制でき、マイクロヒータ25で加熱した熱をより効率的に導波路に閉じ込めることができる。したがって、より少ない電力投入量で屈折率を変化させて、導波する光の波長を大きく変化させることができるので、たとえば波長可変レーザなどの半導体光素子において低消費電力化を実現できる。
According to the second embodiment, since the AlInAs oxide layer has a multilayer film structure and the low thermal conductive layer is configured, the heat conduction from the heat heated by the
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態による半導体光素子としての、集積型半導体レーザ素子について説明する。図6は、第3の実施形態による集積型半導体レーザ素子200の平面図である。集積型半導体レーザ素子200は、アクティブ領域に設けられたアクティブ素子と、パッシブ領域に設けられたパッシブ素子とがモノリシックに集積された半導体光素子である。
(Third embodiment)
Next, an integrated semiconductor laser element as a semiconductor optical element according to the third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a plan view of an integrated
図6に示すように、第3の実施形態による集積型半導体レーザ素子200は、複数のアクティブ素子としてのDFB(Distributed Feedback)型レーザのレーザストライプ210−1〜210−n(nは2以上の整数)と、パッシブ素子としての複数の光導波路220−1〜220−nと、パッシブ素子としての多モード干渉型(Multi-Mode Interferometer:MMI)光合流器230と、半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)240とを1つの半導体基板上に集積した構造を有する。
As shown in FIG. 6, the integrated
レーザストライプ210−1〜210−nは、各々活性層が幅2μmで長さ600μmのストライプ状の埋め込み型ハイメサ導波路構造を有する端面発光型DFB型レーザである。レーザストライプ210−1〜210−nは、集積型半導体レーザ素子200の一端において幅方向Wにたとえば25μmピッチで形成されている。レーザストライプ210−1〜210−nは、各レーザストライプに備えられた回折格子の間隔を互いに異ならせることにより、出力光の波長が1530nm〜1570nmの範囲で相違するように構成されている。また、レーザストライプ210−1〜210−nのレーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子200の設定温度を変化させることにより調整することができる。すなわち、集積型半導体レーザ素子200は、駆動するレーザストライプ210−1〜210−nの切り替えと温度制御により、広い波長可変範囲を実現している。
Each of the laser stripes 210-1 to 210-n is an edge-emitting DFB type laser having an embedded high mesa waveguide structure in which an active layer has a width of 2 μm and a length of 600 μm. The laser stripes 210-1 to 210-n are formed at one end of the integrated
MMI光合流器230は集積型半導体レーザ素子200の中央部付近に形成されている。また、光導波路220−1〜220−nはレーザストライプ210−1〜210−nとMMI光合流器230との間に形成されており、レーザストライプ210−1〜210−nとMMI光合流器230とを光学的に接続する。半導体光増幅器240は、集積型半導体レーザ素子200のレーザストライプ210−1〜210−nとは反対側の一端側に形成されている。
The MMI
次に、この集積型半導体レーザ素子200の動作を説明する。まず、レーザストライプ210−1〜210−nの中から選択した1つのレーザストライプを駆動する。次に、複数の光導波路220−1〜220−nのうちの駆動するレーザストライプ210−1〜210−nのいずれかと光学的に接続している光導波路220−1〜220−nのいずれかは、駆動するレーザストライプからの出力光を導波する。MMI光合流器230は、光導波路220−1〜220−nを導波した光を通過させて出力ポートから出力する。半導体光増幅器240は、MMI光合流器230から出力した光を増幅して出力端から出力する。この半導体光増幅器240は、駆動するレーザストライプ210−1〜210−nからの出力光のMMI光合流器230による光の損失を補い、出力端から所望の強度の光出力を得るために用いられる。
Next, the operation of the integrated
図7は、図6におけるレーザストライプのVII−VII線に沿った断面図である。図7に示すように、レーザストライプ210は、埋め込み型DFBレーザ部260を有する。埋め込み型DFBレーザ部260の基部Bは、裏面にn側電極270が設けられたn型InP基板250の主面上に、n型AlInAs層251およびn型AlInAs層251が酸化された領域からなる低熱伝導層251aと、n型InP層252とが順次積層されて構成されている。n型InP層252の上層には、回折格子装荷型利得部253aが設けられている。回折格子装荷型利得部253aは、活性層253aaと、活性層253aaの近傍かつ直上に活性層253aaに沿って設けられたλ/4シフト付回折格子からなる回折格子層253abとを有する。
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII of the laser stripe in FIG. As shown in FIG. 7, the
活性層253aaは、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層を含んで構成された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を上下から挟んだ下部および上部光閉じ込め層とを有し、電流注入によって発光する。活性層253aaの多重量子井戸構造を構成する井戸層およびバリア層は、各々組成が異なるInGaAsPからなる。活性層253aaからの発光波長は、この第3の実施形態においては1.55μm帯である。下部および上部光閉じ込め層は、InGaAsPからなる。下部および上部光閉じ込め層のバンドギャップ波長は、活性層253aaのバンドギャップ波長より短い波長に設定されている。回折格子層253abは、ストライプの方向(紙面垂直方向)に沿ってp型InGaAsP層にλ/4シフト付回折格子が形成され、回折格子の溝はp型InPで埋め込まれた構成を有する。回折格子層253abのp型InGaAsP層のバンドギャップ波長は活性層253aaのバンドギャップ波長より短いことが好ましく、たとえば1.2μmである。 The active layer 253aa has a multiple quantum well structure including a plurality of well layers and a plurality of barrier layers stacked alternately, and a lower and upper optical confinement layer sandwiching the multiple quantum well structure from above and below. And emit light by current injection. The well layer and the barrier layer constituting the multiple quantum well structure of the active layer 253aa are made of InGaAsP having different compositions. The emission wavelength from the active layer 253aa is in the 1.55 μm band in the third embodiment. The lower and upper optical confinement layers are made of InGaAsP. The band gap wavelengths of the lower and upper optical confinement layers are set to be shorter than the band gap wavelength of the active layer 253aa. The diffraction grating layer 253ab has a configuration in which a diffraction grating with λ / 4 shift is formed in a p-type InGaAsP layer along the stripe direction (perpendicular to the paper surface), and a groove of the diffraction grating is buried with p-type InP. The band gap wavelength of the p-type InGaAsP layer of the diffraction grating layer 253ab is preferably shorter than the band gap wavelength of the active layer 253aa, for example, 1.2 μm.
回折格子装荷型利得部253aが含まれる部分の半導体積層部254は、たとえば以下のような構成を有する。半導体積層部254は、基部Bを構成するn型InP基板250上のn型InP層252上に、n型InPからなり下部クラッド層の機能を有するn型半導体層254aを有している。n型半導体層254a上に活性層253aaが積層されている。さらに活性層253aa上には、p型InPからなるスペーサ層254bが積層されている。スペーサ層254b上には回折格子層253abが積層されている。活性層253aa、スペーサ層254bおよび回折格子層253abは、エッチングなどによって、1.55μm帯の光をシングルモードで光導波するのに適した幅(例えば1.8μm)にされたストライプメサ構造とされている。ストライプメサ構造の両脇(紙面左右方向)は、p型InP埋め込み層254cおよびn型InP電流ブロッキング層254dからなる電流ブロッキング構造を有した埋込み構造となっている。さらに、回折格子層253abおよび埋込構造の上には、p型半導体層254eが積層されている。p型半導体層254eは、p型InPからなるクラッド層254eaと、クラッド層254ea上に積層したp型InGaAsからなり半導体積層部254の最上層を形成するコンタクト層254ebとから構成される。p型半導体層254eは、少なくとも活性層253aaの直上からその両脇の埋め込み構造の一部にわたって設けられている。半導体積層部254には半導体積層部254を覆うようにSiN保護膜258が形成されている。p側電極255はTi/Pt/Auから構成され、コンタクト層254eb上に形成されて、SiN保護膜258の開口部258aを介してコンタクト層254ebとオーミック接触している。以上の構成により、n側電極270およびp側電極255から活性層253aaへの電流注入が可能になっている。さらに、マイクロヒータ257は、p側電極255とマイクロヒータ257とを絶縁するために半導体積層部254に設けられたSiN保護膜259上に、p側電極255に沿うように配置されている。
For example, the semiconductor stacked
この第3の実施形態によれば、アクティブ素子とパッシブ素子とをモノリシックに集積させた集積型半導体レーザ素子200において、n型InP基板250上にn型AlInAs層251が酸化された領域からなる低熱伝導層251aが設けられていることにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、第3の実施形態による集積型半導体レーザ素子200に、第2の実施形態による複数層の低熱伝導層の構成を適用することも可能である。
According to the third embodiment, in the integrated
(第4の実施形態)
次に、本発明を適用可能な第4の実施形態による集積型半導体光素子について説明する。図8は、第4の実施形態による集積型半導体光素子である波長可変レーザ素子を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, an integrated semiconductor optical device according to a fourth embodiment to which the present invention is applicable will be described. FIG. 8 is a sectional view showing a wavelength tunable laser element that is an integrated semiconductor optical element according to the fourth embodiment.
図8に示すように、第4の実施形態による波長可変レーザ素子である集積型半導体レーザ素子300においては、バックミラーとしてのDBR(Distributed Bragg Reflector)ミラーである第1サンプルドグレーティング導波路部301、位相調整導波路部302、利得導波路部303、フロントミラーとしてのDBRミラーである第2サンプルドグレーティング導波路部304、および半導体光増幅器(SOA)305から構成されている。
As shown in FIG. 8, in the integrated
集積型半導体レーザ素子300において、パッシブ素子としての、第1サンプルドグレーティング導波路部301、位相調整導波路部302、および第2サンプルドグレーティング導波路部304により、パッシブ領域が構成される。第1サンプルドグレーティング導波路部301、位相調整導波路部302、および第2サンプルドグレーティング導波路部304は、ハイメサ構造を有する。また、アクティブ素子としての利得導波路部303およびSOA305により、アクティブ領域が構成される。利得導波路部303およびSOA305は、埋込構造を有する。
In the integrated
集積型半導体レーザ素子300は、n型InP基板310の主面上に、n型AlInAs層320、下部クラッド層330、コア層340、上部クラッド層350が順次積層されている。上部クラッド層350の上面には、アクティブ領域に選択的に、InGaAsコンタクト層(図示せず)を介してp側電極361が設けられているとともに、パッシブ領域に選択的にマイクロヒータ362が設けられている。n型InP基板310の裏面には、n側電極370が設けられている。n型InP基板310、n型AlInAs層320、下部クラッド層330、コア層340、および上部クラッド層350の積層体におけるレーザ光の出射端面には、無反射膜380が設けられている。ここで、n型AlInAs層320の膜厚は、第1の実施形態と同様にして決定され、あらかじめ酸化実験により得られた最適膜厚に対して、0.5倍以上1.5倍未満、好適には1.3倍以下の膜厚に設定される。この第4の実施形態においてn型AlInAs層320の膜厚はたとえば100nmである。
In the integrated
パッシブ領域における位相調整導波路部302は、n型InP基板310の主面上に、低熱伝導層321、下部クラッド層330、導波路コア層343、上部クラッド層350、およびマイクロヒータ362が順次積層されている。n型InP基板310は、裏面にn側電極370が設けられている。低熱伝導層321は、酸化されたn型AlInAs層320からなる。低熱伝導層321は、位相調整導波路部302における少なくとも一部または全体の下層に設けられている。下部クラッド層330はn型半導体層としてのn型InP層からなり、上部クラッド層350はp型半導体層としてのp型InP層からなる。導波路コア層343は、バンドギャップ波長がたとえば1.3μmに調整されたGaInAsP層からなる。
The phase adjusting
パッシブ領域の第1サンプルドグレーティング導波路部301および第2サンプルドグレーティング導波路部304は、n型InP基板310の主面上に、低熱伝導層321、下部クラッド層330、グレーティング層342、上部クラッド層350、およびマイクロヒータ362が順次積層されている。裏面にn側電極370が設けられたn型InP基板310は、位相調整導波路部302と共有されている。低熱伝導層321は、酸化されたn型AlInAs層320からなる。低熱伝導層321は、第1サンプルドグレーティング導波路部301および第2サンプルドグレーティング導波路部304における少なくとも一部または全体の下層に設けられている。下部クラッド層330は、n型半導体層としてのn型InP層からなる。上部クラッド層350は、p型半導体層としてのp型InP層からなる。グレーティング層342は、短周期のグレーティングが形成されたグレーティング領域が所定の周期で配置されたGaInAsP層からなる。
The first sampled grating
アクティブ領域における利得導波路部303およびSOA305は、n型InP基板310の主面上に、n型AlInAs層320、下部クラッド層330、活性層341、上部クラッド層350、およびInGaAsコンタクト層(図示せず)を介したp側電極361が、順次積層されて構成されている。n型InP基板310、下部クラッド層330、および上部クラッド層350は、第1サンプルドグレーティング導波路部301、位相調整導波路部302、および第2サンプルドグレーティング導波路部304と共有されている。n型AlInAs層320は低熱伝導層321の酸化されていない被酸化領域である。活性層341は、多重量子井戸(MQW)構造を有するGaInAsP層からなる。
The
集積型半導体レーザ素子300においては、積層方向に沿ったマイクロヒータ362とn型InP基板310との間に、n型AlInAs層320が酸化された低熱伝導層321が設けられていることにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第4の実施形態による集積型半導体レーザ素子300におけるパッシブ領域において、第2の実施形態による複数層の低熱伝導層の構成を適用することも可能である。
In the integrated
また、図8に示す集積型半導体レーザ素子300のように、同一基板上にアクティブ機能を有するアクティブ素子と、パッシブ機能を有するパッシブ素子(導波路)とをモノリシックに集積する場合がある。この場合、図8に示すように、アクティブ素子の下地となるエピタキシャル層とパッシブ素子の下地となるエピタキシャル層とが共有されることが多い。アクティブ素子の下方の領域には、被酸化領域であるAlInAs層の一部が、InP層やInP基板などの他の組成を有する半導体層(以下、他の半導体層)によって挟まれた状態で設けられる。他の半導体層と酸化されていないAlInAs層との界面には、バンドギャップの不連続に起因するヘテロ接合のスパイクが生じる。このスパイクは、AlInAs層がn型に形成された場合、すなわちAlInAs層が他のn型半導体層に挟まれた場合、多数キャリアである電子の移動の障害になる。また、スパイクは、AlInAs層がp型に形成された場合、すなわちAlInAs層が他のp型半導体層に挟まれた場合、多数キャリアであるホールの移動の障害になる。このような障害によって、アクティブ素子とパッシブ素子とを同一基板上に形成したモノリシック集積素子において、アクティブ素子における動作電圧の上昇を招く可能性が生じる。
Further, like the integrated
そこで、本発明者は、図8に示すような、アクティブ素子とパッシブ素子とを同一基板上にモノリシック集積した半導体光素子に、AlInAs層が他の半導体層によって挟まれた構造を採用する場合について、さらに検討を行った。そして、本発明者は、他の半導体層とAlInAs層との界面に、バンドギャップが他の半導体層のバンドギャップとAlGaAsのバンドギャップとの間である半導体層を設ける方法を想起した。これにより、他の半導体層とAlInAs層との界面に生じるスパイクを緩和させることができるので、アクティブ素子の動作電圧の上昇を抑制できる。 Therefore, the inventor adopts a structure in which an AlInAs layer is sandwiched between other semiconductor layers in a semiconductor optical device in which an active device and a passive device are monolithically integrated on the same substrate as shown in FIG. Further investigations were made. The inventor has conceived a method of providing a semiconductor layer having a band gap between the band gap of another semiconductor layer and the band gap of AlGaAs at the interface between the other semiconductor layer and the AlInAs layer. Thereby, spikes generated at the interface between the other semiconductor layer and the AlInAs layer can be alleviated, so that an increase in the operating voltage of the active element can be suppressed.
図9は、図8の破線丸囲み部分を拡大した断面図である。図9に示すように、第2半導体層や別の半導体層としてのn型InP層からなる下部クラッド層330とn型AlInAs層320との間にバンドギャップ中間層320aが設けられている。また、第2半導体層や別の半導体層としてのn型InP層であるn型InP基板310とn型AlInAs層320との間にバンドギャップ中間層320bが設けられている。バンドギャップ中間層320a,320bは、InPのバンドギャップとAlInAsのバンドギャップとの間のバンドギャップを有する。この第4の実施形態のように、バンドギャップ中間層320a,320bがn型半導体から形成されてn側に設けられる場合、ヘテロ接合の伝導帯側のスパイクを抑制するために、バンドギャップ中間層320a,320bは、バンドギャップ波長が0.95〜1.10μmのn型AlGaInAs層から構成するのが望ましい。一方、バンドギャップ中間層320a,320bが、p型半導体から形成されてp側に形成される場合、ヘテロ接合の価電子帯側のスパイクを抑制するために、バンドギャップ中間層320a,320bは、バンドギャップ波長が0.85〜1.05μmのp型GaInAsP層から構成するのが望ましい。なお、バンドギャップ中間層320a,320bは、組成が異なる複数のステップ状の半導体層や組成がグラジュアルに変化するグレーデッド層から構成することも可能である。
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a portion surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 9, a band gap
以上の構成を有する半導体積層体は、次のように製造する。すなわち、まず、n型InP基板310上に、たとえばMOCVD法により、n型AlGaInAs層からなるバンドギャップ中間層320bを形成する。続いて、MOCVD法により、バンドギャップ中間層320b上に、n型AlInAs層320を形成する。その後、MOCVD法により、n型AlInAs層320上にn型AlGaInAs層からなるバンドギャップ中間層320aおよび下部クラッド層330を順次形成する。その後、第1の実施形態と同様の方法によって、ハイメサ形状の半導体積層体を形成してn型AlInAs層320の一端部を露出させた後、n型AlInAs層320の面方向に沿って、パッシブ領域におけるn型AlInAs層320を酸化して、低熱伝導層321を形成する。なお、バンドギャップ中間層320a,320bの材料および組成は、上述したように被酸化層としての酸化されていないAlInAs層がn型半導体層に挟まれているか、p型半導体層に挟まれているかのいずれかに応じて決定される。
The semiconductor laminated body having the above configuration is manufactured as follows. That is, first, a band gap
以上により、AlInAs層(n型AlInAs層320)が、InP層(n型InP基板310、下部クラッド層330)に挟まれた構造において、AlInAs層とInP層との界面に、AlInAsのバンドギャップとInPのバンドギャップとの間のバンドギャップを有するバンドギャップ中間層が設けられる。これにより、AlInAs層とInP層との界面に発生するバンドギャップの不連続に起因したヘテロ接合のスパイクを緩和できる。したがって、アクティブ素子とパッシブ素子とをモノリシックに集積した半導体光素子において、下地層となるエピタキシャル層をアクティブ素子とパッシブ素子とによって共有しても、スパイクの緩和によってアクティブ素子の動作電圧の上昇を抑制できる。
As described above, in the structure in which the AlInAs layer (n-type AlInAs layer 320) is sandwiched between InP layers (n-
第4の実施形態によるバンドギャップ中間層320a,320bは、少なくとも多数キャリアの移動方向に沿った上流側の一方にのみ設けた場合であっても上述したスパイクを緩和することができるので、同様の効果を得ることができる。この場合、バンドギャップ中間層は、多数キャリアの移動方向に沿って、被酸化層として酸化されていないn型AlInAs層320に対して上流側、すなわちバンドギャップ中間層320bの位置に設けるのがより望ましい。これによって、n型InP基板310とn型AlInAs層320との間において、ヘテロ接合のスパイクの段差を緩やかにできるので、多数キャリアの移動の障害を緩和することができる。
The band gap
また、第4の実施形態においては、被酸化層としてのn型AlInAs層320と、下部クラッド層330およびn型InP基板310との両界面にそれぞれ、バンドギャップ中間層320a,320bを設けている。これによって、一方の界面にのみバンドギャップ中間層を設けた場合と異なり、酸化されるn型AlInAs層320が同一の半導体層に挟まれる状態になるため、n型AlInAs層320を酸化した後のAlInAs酸化層の非対称性を緩和することができる。
In the fourth embodiment, band gap
なお、第4の実施形態によるバンドギャップ中間層320a,320bは、アクティブ素子とパッシブ素子とを同一基板上にモノリシックに集積させた半導体光素子に適用することができ、第4の実施形態と同様の効果を得ることができる。具体的には、第1の実施形態による波長可変レーザ素子1、および第3の実施形態による集積型半導体レーザ素子200においても、バンドギャップ中間層320a,320bを適用することによって、同様の効果を得ることができる。
Note that the band gap
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible. For example, the numerical values given in the above embodiment are merely examples, and different numerical values may be used as necessary.
また、上述した実施形態においては、n型AlInAs層42を単一の組成のAlInAsから構成しているが、必ずしも単一の組成でなくても良い。具体的には、Al1-x-yGaxInyAs1-zPz層とAl1-p-qGapInqAs1-rPr層(0≦x+y<1、0≦p+q<1、x≠p、y≠q、z≠r)とを交互に積層させた、いわゆる歪み補償の構造にしても良い。
Further, in the above-described embodiment, the n-
1 波長可変レーザ素子
10 第1の導波路部
11 導波路部
11a 回折格子装荷型利得部
11aa,253aa 活性コア層
11ab,253ab 回折格子層
11b 位相調整部
12 半導体積層部
13,255,361 p側電極
14,15,25,257,362 マイクロヒータ
20 第2の導波路部
21a 多モード干渉導波路
22,23 アーム部
24 リング状導波路
30,270,370 n側電極
41,250,310 n型InP基板
42,52,54,61,251,320 n型AlInAs層
42a,61a,251a,321 低熱伝導層
43,330 下部クラッド層
44 光導波層
45,350 上部クラッド層
46 誘電体層
48 樹脂層
49 引き出し配線
50 ハイメサ導波路構造体
51,53,252 n型InP層
52a 第1低熱伝導層
54a 第2低熱伝導層
200 集積型半導体レーザ素子
240 半導体光増幅器
253a 回折格子装荷型利得部
254 半導体積層部
254a n型半導体層
254b,254ea スペーサ層
254c p型InP埋め込み層
254d n型InP電流ブロッキング層
254e p型半導体層
254eb コンタクト層
258,259 SiN保護膜
258a 開口部
260 導波路部
300 集積型半導体レーザ素子
301 第1サンプルドグレーティング導波路部
302 位相調整導波路部
303 利得導波路部
304 第2サンプルドグレーティング導波路部
320a,320b バンドギャップ中間層
340 コア層
341 活性層
342 グレーティング層
343 導波路コア層
380 無反射膜
C1 レーザ共振器
L1 レーザ光
M1 反射ミラー
RF1 リング共振型フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wavelength variable laser element 10 1st waveguide part 11 Waveguide part 11a Diffraction grating loading type gain part 11aa, 253aa Active core layer 11ab, 253ab Diffraction grating layer 11b Phase adjustment part 12 Semiconductor laminated part 13,255,361 p side Electrode 14, 15, 25, 257, 362 Micro heater 20 Second waveguide portion 21a Multimode interference waveguide 22, 23 Arm portion 24 Ring-shaped waveguide 30, 270, 370 N-side electrode 41, 250, 310 n-type InP substrate 42, 52, 54, 61, 251 and 320 n-type AlInAs layers 42a, 61a, 251a and 321 Low thermal conductive layers 43 and 330 Lower cladding layer 44 Optical waveguide layer 45 and 350 Upper cladding layer 46 Dielectric layer 48 Resin layer 49 Lead-out wiring 50 High mesa waveguide structure 51, 53, 252 n-type In Layer 52a First low thermal conductive layer 54a Second low thermal conductive layer 200 Integrated semiconductor laser device 240 Semiconductor optical amplifier 253a Diffraction grating loaded gain unit 254 Semiconductor stacked unit 254a N-type semiconductor layer 254b, 254ea Spacer layer 254c p-type InP buried layer 254d n-type InP current blocking layer 254e p-type semiconductor layer 254eb contact layer 258, 259 SiN protective film 258a opening 260 waveguide section 300 integrated semiconductor laser device 301 first sampled grating waveguide section 302 phase adjustment waveguide section 303 Gain waveguide section 304 Second sampled grating waveguide section 320a, 320b Band gap intermediate layer 340 Core layer 341 Active layer 342 Grating layer 343 Waveguide core layer 380 Non-reflective film C1 Laser resonance L1 laser beam M1 reflection mirror RF1 ring resonance filter
Claims (15)
前記第1半導体層が、酸化速度が前記第1半導体層の膜厚依存性を有して前記第1半導体層における所定の膜厚において極大を有する材料からなり、前記第1半導体層を前記所定の膜厚の1.5倍未満の膜厚に形成する
ことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 A first semiconductor layer made of a material substantially lattice-matched to the semiconductor substrate is disposed above the semiconductor substrate, and a second semiconductor layer having a composition different from that of the first semiconductor layer is sequentially formed on the first semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor optical device comprising a step of oxidizing the first semiconductor layer along the surface direction of the first semiconductor layer after being stacked,
The first semiconductor layer is made of a material whose oxidation rate has a film thickness dependency of the first semiconductor layer and has a maximum at a predetermined film thickness in the first semiconductor layer, and the first semiconductor layer is formed into the predetermined semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor optical device, wherein the film thickness is less than 1.5 times the film thickness.
前記InP基板に対して略格子整合するAl1-x-yGaxInyAs1-zPz層(0<x+y<1、0≦x<1、0<y<1、0≦z<1)が酸化されたAl1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層を少なくとも1層有する低熱伝導層と、
前記低熱伝導層における前記Al1-x-yGaxInyAs1-zPz酸化層が均質に設けられた領域の上層に設けられた導波路層と、
前記導波路層の上層に設けられた加熱部と、を有する
ことを特徴とする半導体光素子。 Above the InP substrate,
Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z layer (0 <x + y <1, 0 ≦ x <1, 0 <y <1, 0 ≦ z <1) substantially lattice-matched to the InP substrate A low thermal conductive layer having at least one Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z oxide layer in which is oxidized;
A waveguide layer provided in an upper layer of the region where the Al 1 -xy Ga x In y As 1 -z P z oxide layer in the low thermal conductive layer is provided uniformly;
And a heating section provided in an upper layer of the waveguide layer.
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