JP2633921B2 - 導波路付光デバイス装置の製造方法 - Google Patents
導波路付光デバイス装置の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光伝送システムあるいは光集積回路におい
て用いられる、超格子光機能デバイスと光導波路を結合
させた導波路付光機能デバイスの製造方法に関するもの
である。
て用いられる、超格子光機能デバイスと光導波路を結合
させた導波路付光機能デバイスの製造方法に関するもの
である。
近年、光デバイスの集積化の研究が進められている。
その中で、超格子を用いた光デバイスは注目を浴びてお
り、超格子光デバイスと導波路の結合は、集積化の基本
となると考えられる。一般に、光機能デバイスと導波路
を結合させる場合、導波路部分に対する要求条件とし
て、 使用波長に対して低損失であること デバイス部分と導波路部分とで、軸ずれが無いこと が挙げられる。
その中で、超格子を用いた光デバイスは注目を浴びてお
り、超格子光デバイスと導波路の結合は、集積化の基本
となると考えられる。一般に、光機能デバイスと導波路
を結合させる場合、導波路部分に対する要求条件とし
て、 使用波長に対して低損失であること デバイス部分と導波路部分とで、軸ずれが無いこと が挙げられる。
従来、光デバイスと導波路を結合させる方法として
は、上記の条件を満たすために、導波路層として使用波
長に対して透明な結晶を再成長させる方法がある。その
中の一つとして、バット・ジョイント構造を取り上げ、
GaAs−AlGaAs系多重量子井戸（MQW）変調器と入力導波
路の集積構造について説明する。超格子を利用した変調
器は、電界を超格子に印加した時に、吸収端が長波長側
にシフトし、吸収係数が変化すること（量子閉じ込めシ
ュタルク効果−QCSE効果）を利用して光のオン／オフの
変調を行なっている。使用波長は、超格子吸収端より数
nm長波長であるため光が透過するオン状態においても、
10〜20cm-1の吸収が存在する。このため、導波路部分に
変調器と同じ構造のものを用いると、損失が大きくな
る。これを解決するために従来、導波路部分は使用波長
に対して透明な結晶を再成長させて作製している。
は、上記の条件を満たすために、導波路層として使用波
長に対して透明な結晶を再成長させる方法がある。その
中の一つとして、バット・ジョイント構造を取り上げ、
GaAs−AlGaAs系多重量子井戸（MQW）変調器と入力導波
路の集積構造について説明する。超格子を利用した変調
器は、電界を超格子に印加した時に、吸収端が長波長側
にシフトし、吸収係数が変化すること（量子閉じ込めシ
ュタルク効果−QCSE効果）を利用して光のオン／オフの
変調を行なっている。使用波長は、超格子吸収端より数
nm長波長であるため光が透過するオン状態においても、
10〜20cm-1の吸収が存在する。このため、導波路部分に
変調器と同じ構造のものを用いると、損失が大きくな
る。これを解決するために従来、導波路部分は使用波長
に対して透明な結晶を再成長させて作製している。
第６図を参照して従来の集積構造について説明する。
集積構造は、以下のような順序で作製される。まず最
初に、ｎ−GaAs基板１上にｎ−AlGaAsクラッド層２、ｉ
−超格子層３、ｐ−AlGaAsクラッド層４、ｐ−GaAsキャ
ップ層５を順次成長する（第６図（Ａ））。次に変調器
部分を残して導波路を再成長する部分をエッチングして
ｎ−GaAs基板の上まですべて除去する（第６図
（Ｂ））。さらに、導波路部分、すなわちｎ−クラッド
層2,導波路層６およびｐ−クラッド層４を再成長する。
その際、導波路層６は、変調器の超格子に比べて吸収端
波長が短い結晶を成長し、透明な導波路層を形成する
（第６図（Ｃ））。
初に、ｎ−GaAs基板１上にｎ−AlGaAsクラッド層２、ｉ
−超格子層３、ｐ−AlGaAsクラッド層４、ｐ−GaAsキャ
ップ層５を順次成長する（第６図（Ａ））。次に変調器
部分を残して導波路を再成長する部分をエッチングして
ｎ−GaAs基板の上まですべて除去する（第６図
（Ｂ））。さらに、導波路部分、すなわちｎ−クラッド
層2,導波路層６およびｐ−クラッド層４を再成長する。
その際、導波路層６は、変調器の超格子に比べて吸収端
波長が短い結晶を成長し、透明な導波路層を形成する
（第６図（Ｃ））。
しかしながら、上記集積構造によれば、導波路部作製
時のエッチングによって結合界面が空気中に露出してし
まうため、導波路を再成長したときに、界面部分に非発
光中心や、光散乱の原因となる欠陥が生じ、デバイスと
導波路の結合効率が劣化するという問題点があった。ま
た、この結合を行なうには、エッチングが１回、成長が
２回必要であるため、作製方法が煩雑になるという問題
点があった。
時のエッチングによって結合界面が空気中に露出してし
まうため、導波路を再成長したときに、界面部分に非発
光中心や、光散乱の原因となる欠陥が生じ、デバイスと
導波路の結合効率が劣化するという問題点があった。ま
た、この結合を行なうには、エッチングが１回、成長が
２回必要であるため、作製方法が煩雑になるという問題
点があった。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、再成長工程を経
る事なく光導波路部の吸収損失を低減し、かつ光デバイ
ス部と光導波路部との接続界面の質の向上を図ることの
できる光導波路付光機能デバイスを提供することにあ
る。
る事なく光導波路部の吸収損失を低減し、かつ光デバイ
ス部と光導波路部との接続界面の質の向上を図ることの
できる光導波路付光機能デバイス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、本発明は超格子構
造を有する半導体積層構造の所定部分をSiO2で被覆する
第１の工程と、前記半導体積層構造にGaAs基板を重ねた
状態で、水素雰囲気中で熱処理することによって前記所
定部分を混晶化し導波路部分とする第２の工程とを有す
ることを特徴とする。
造を有する半導体積層構造の所定部分をSiO2で被覆する
第１の工程と、前記半導体積層構造にGaAs基板を重ねた
状態で、水素雰囲気中で熱処理することによって前記所
定部分を混晶化し導波路部分とする第２の工程とを有す
ることを特徴とする。
本発明によれば、まず、超格子を有する光機能デバイ
スの構造を持つ結晶を成長し、その後、光導波路部の超
格子を混晶化する事により、エッチング、再成長工程を
経ることなく、集積構造を作製することが可能である。
また、光機能デバイス部と、光導波路部の界面は、エッ
チング等で空気中にさらされることがないため、界面に
おいて、非発光中心や、光の散乱の原因となる欠陥が少
ない。従って、光デバイス部と光導波路部の結合効率
は、上昇する。
スの構造を持つ結晶を成長し、その後、光導波路部の超
格子を混晶化する事により、エッチング、再成長工程を
経ることなく、集積構造を作製することが可能である。
また、光機能デバイス部と、光導波路部の界面は、エッ
チング等で空気中にさらされることがないため、界面に
おいて、非発光中心や、光の散乱の原因となる欠陥が少
ない。従って、光デバイス部と光導波路部の結合効率
は、上昇する。
第１図は、本発明方法によって作製された導波路付光
デバイス装置の第１の例を示す斜視図で、変調器と導波
路を集積した例である。第１図において、１はGaAsから
なる基板、９は基板１上に積層されたｎ−GaAsからなる
バッファ層、２はバッファ層９上に積層されたｎ−AlGa
Asからなるクラッド層、３はクラッド層２上に積層され
た超格子でGaAs（80A）AlAs（80A）を交互に100周期積
層させた構造からなっている。その吸収端λｇは、8200
Åであり、変調器部となる。10は超格子を後述する方法
で混晶化させた部分で、その吸収端λｇalloyは、7500
Åであり、光導波路部を形成する。４は超格子層３、混
晶化超格子層10上に積層されたｐ−AlGaAsからなるクラ
ッド層、５はクラッド層４上に積層されたｐ−GaAsから
なるキャップ層、11はキャップ層５上に蒸着したCrAuか
らなる電極である。
デバイス装置の第１の例を示す斜視図で、変調器と導波
路を集積した例である。第１図において、１はGaAsから
なる基板、９は基板１上に積層されたｎ−GaAsからなる
バッファ層、２はバッファ層９上に積層されたｎ−AlGa
Asからなるクラッド層、３はクラッド層２上に積層され
た超格子でGaAs（80A）AlAs（80A）を交互に100周期積
層させた構造からなっている。その吸収端λｇは、8200
Åであり、変調器部となる。10は超格子を後述する方法
で混晶化させた部分で、その吸収端λｇalloyは、7500
Åであり、光導波路部を形成する。４は超格子層３、混
晶化超格子層10上に積層されたｐ−AlGaAsからなるクラ
ッド層、５はクラッド層４上に積層されたｐ−GaAsから
なるキャップ層、11はキャップ層５上に蒸着したCrAuか
らなる電極である。
また、この導波路付光変調器の構造パラメータは、例
えば、変調器の長さ100μm,光導波路幅５μｍ、超格子
層厚1.6μｍである。
えば、変調器の長さ100μm,光導波路幅５μｍ、超格子
層厚1.6μｍである。
次に上記構成による導波路付光変調器の作製方法につ
いて説明する。
いて説明する。
まず、分子線エピタキシー（MBE）あるいは有機金属
気相成長法（MOCVD）等の原子層レベルでの膜厚制御が
可能な結晶成長法を用いて、基板１上に厚さ0.5μｍの
ｎ−バッファ層９、厚さ２μｍのｎ−AlGaAsクラッド層
２、変調器となる厚さ1.6μｍの超格子層３、厚さ１μ
ｍのｐ−AlGaAsクラッド層４、厚さ0.2μｍのｐ−GaAs
キャップ層５を順次エピタキシャル成長させる。次に、
プラズマCVD法あるいはECRプラズマ蒸着装置により、ｐ
−GaAsキャップ層５の全面に厚さ0.2μｍのSiO2膜11を
形成する。さらに、変調器となる部分の上部にあるSiO2
膜を除去して窓を開け、このウェハのSiO2でコートされ
たｐ−GaAsキャップ層５側とGaAsウェハとを重ねた状態
で、水素雰囲気中で昇温速度30℃/sec、熱処理温度950
℃、熱処理時間30secの条件で熱処理する。この熱処理
によってSiO2膜11の下部、すなわち光導波路部分の超格
子は混晶化され、混晶化超格子層10が形成される。続い
て、変調器部分、導波路部分が線状の凸状態（リブ型導
波路）になるように、平滑性に優れた反応性イオンエッ
チング法により加工する。最後に、混晶化されなかった
超格子層３の上部のｐ−GaAsキャップ層５側にCrAu電極
12、ｎ−GaAs基板１側にAuGeNi電極（図示せず）を蒸着
により形成することで作製が完了する。
気相成長法（MOCVD）等の原子層レベルでの膜厚制御が
可能な結晶成長法を用いて、基板１上に厚さ0.5μｍの
ｎ−バッファ層９、厚さ２μｍのｎ−AlGaAsクラッド層
２、変調器となる厚さ1.6μｍの超格子層３、厚さ１μ
ｍのｐ−AlGaAsクラッド層４、厚さ0.2μｍのｐ−GaAs
キャップ層５を順次エピタキシャル成長させる。次に、
プラズマCVD法あるいはECRプラズマ蒸着装置により、ｐ
−GaAsキャップ層５の全面に厚さ0.2μｍのSiO2膜11を
形成する。さらに、変調器となる部分の上部にあるSiO2
膜を除去して窓を開け、このウェハのSiO2でコートされ
たｐ−GaAsキャップ層５側とGaAsウェハとを重ねた状態
で、水素雰囲気中で昇温速度30℃/sec、熱処理温度950
℃、熱処理時間30secの条件で熱処理する。この熱処理
によってSiO2膜11の下部、すなわち光導波路部分の超格
子は混晶化され、混晶化超格子層10が形成される。続い
て、変調器部分、導波路部分が線状の凸状態（リブ型導
波路）になるように、平滑性に優れた反応性イオンエッ
チング法により加工する。最後に、混晶化されなかった
超格子層３の上部のｐ−GaAsキャップ層５側にCrAu電極
12、ｎ−GaAs基板１側にAuGeNi電極（図示せず）を蒸着
により形成することで作製が完了する。
第２図は、上記方法により形成した導波路付光デバイ
ス装置の光導波路部と変調器部の吸収スペクトルを示す
図で、横軸が光の波長、縦軸が相対吸収係数を示してい
る。第２図によれば、変調器部分の吸収端λｇは、8200
Åで、熱処理後も熱処理前の吸収端位置（8250Å）とほ
とんど変わらず、超格子の特徴である励起子の吸収ピー
クも観測され、超格子の特徴を維持している。光導波路
部分に相当する混晶化された超格子の吸収端λｇalloy
は7500Åであり、λｇに対して700Å短波長側へシフト
している。このことにより、変調器の使用波長（λｇ近
傍）においては、光導波路部分は透明であることがわか
る。
ス装置の光導波路部と変調器部の吸収スペクトルを示す
図で、横軸が光の波長、縦軸が相対吸収係数を示してい
る。第２図によれば、変調器部分の吸収端λｇは、8200
Åで、熱処理後も熱処理前の吸収端位置（8250Å）とほ
とんど変わらず、超格子の特徴である励起子の吸収ピー
クも観測され、超格子の特徴を維持している。光導波路
部分に相当する混晶化された超格子の吸収端λｇalloy
は7500Åであり、λｇに対して700Å短波長側へシフト
している。このことにより、変調器の使用波長（λｇ近
傍）においては、光導波路部分は透明であることがわか
る。
次に、この導波路付光デバイス装置の動作について説
明する。第３図は動作概念図である。第３図に示すよう
に、変調器部分に変調電気信号を乗せた逆バイアスを印
加し、変調器部分の吸収端を変化させることにより、使
用波長に対する透過率を変化させる。これにより、導波
路を通過してきた光をオン／オフし、光の変調を行う。
第４図は導波路付変調器の光出力を示す図であり、実線
Ａが本実施例の光出力を示しており、点線Ｂは従来の装
置の光出力を示している。第４図に示すように、従来の
ものでは、変調器への入射前および入射後の光が、導波
路部分で損失を受けオン状態における光出力が減少して
しまうのに対して、本実施例では、変調器への入射前お
よび入射後の光が導波路部分を通過する際、導波路部分
で受ける損失が小さいため、出力がほとんど減少しな
い。本実施例により、オン／オフ比は１桁以上向上す
る。
明する。第３図は動作概念図である。第３図に示すよう
に、変調器部分に変調電気信号を乗せた逆バイアスを印
加し、変調器部分の吸収端を変化させることにより、使
用波長に対する透過率を変化させる。これにより、導波
路を通過してきた光をオン／オフし、光の変調を行う。
第４図は導波路付変調器の光出力を示す図であり、実線
Ａが本実施例の光出力を示しており、点線Ｂは従来の装
置の光出力を示している。第４図に示すように、従来の
ものでは、変調器への入射前および入射後の光が、導波
路部分で損失を受けオン状態における光出力が減少して
しまうのに対して、本実施例では、変調器への入射前お
よび入射後の光が導波路部分を通過する際、導波路部分
で受ける損失が小さいため、出力がほとんど減少しな
い。本実施例により、オン／オフ比は１桁以上向上す
る。
また、この超格子の量子閉じこめシュタルク効果（QC
SE効果）を利用した変調器は、動作速度を遅くすると、
オン／オフスイッチとしても機能するため、本実施例は
スイッチ＋導波路としても利用可能である。
SE効果）を利用した変調器は、動作速度を遅くすると、
オン／オフスイッチとしても機能するため、本実施例は
スイッチ＋導波路としても利用可能である。
また、本構造をスイッチとして用いた場合、逆バイア
スではなく、順バイアスをかけて用いることも可能であ
る。超格子吸収端波長の光を入射した場合、電流を流さ
ないときは、スイッチ部（超格子部分）は光を吸収し
て、オフとなり、電流を流すとスイッチ部はゲインを生
じ、入射光が増幅され、オン状態となる。以上により、
スイッチ動作が行なわれる。
スではなく、順バイアスをかけて用いることも可能であ
る。超格子吸収端波長の光を入射した場合、電流を流さ
ないときは、スイッチ部（超格子部分）は光を吸収し
て、オフとなり、電流を流すとスイッチ部はゲインを生
じ、入射光が増幅され、オン状態となる。以上により、
スイッチ動作が行なわれる。
第５図は、本発明方法によって作製された導波路付光
デバイス装置の第２の例を示す斜視図で、ディテクタと
導波路を集積した例である。実施例１とほぼ同一構造で
あるが、導波路部７がディテクタ部13の片側だけについ
ている。ディテクタ部13に逆バイアスを印加しておき、
導波路を光が通過して、ディテクタ部分に到達すると、
光電流が流れ、電気信号として外部に取り出すことがで
きる。この際、光は、ディテクタ部分と、導波路部分の
結合部分でほとんど損失を受けない。
デバイス装置の第２の例を示す斜視図で、ディテクタと
導波路を集積した例である。実施例１とほぼ同一構造で
あるが、導波路部７がディテクタ部13の片側だけについ
ている。ディテクタ部13に逆バイアスを印加しておき、
導波路を光が通過して、ディテクタ部分に到達すると、
光電流が流れ、電気信号として外部に取り出すことがで
きる。この際、光は、ディテクタ部分と、導波路部分の
結合部分でほとんど損失を受けない。
以上説明した実施例では、GaAs−AlGaAs系材料を用い
た場合について述べたが、本発明がInGaAsP−InP、InGa
As−InAlAs等の材料にも適用可能なことは言うまでもな
い。また、電界印加の手段として実施例に示したｐ−ｎ
接合の他、ショットキー接合またはMIS構造も適用可能
である。
た場合について述べたが、本発明がInGaAsP−InP、InGa
As−InAlAs等の材料にも適用可能なことは言うまでもな
い。また、電界印加の手段として実施例に示したｐ−ｎ
接合の他、ショットキー接合またはMIS構造も適用可能
である。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、異種
の半導体を交互に積層させた超格子を用いた光機能デバ
イスと光導波路を結合させた導波路型光デバイス装置に
おいて、超格子の一部を、SiO2を堆積した後、アニール
することにより混晶化させ、超格子吸収端波長の光に対
して、低損失な光導波路を、再成長する事なく、光機能
デバイス部と効率よく結合させて形成できる利点があ
る。
の半導体を交互に積層させた超格子を用いた光機能デバ
イスと光導波路を結合させた導波路型光デバイス装置に
おいて、超格子の一部を、SiO2を堆積した後、アニール
することにより混晶化させ、超格子吸収端波長の光に対
して、低損失な光導波路を、再成長する事なく、光機能
デバイス部と効率よく結合させて形成できる利点があ
る。
第１図は本発明によって作製された導波路付光デバイス
装置の第１の例としての導波路付変調器の斜視図、 第２図は混晶化した超格子の吸収スペクトルを示す図、 第３図は、導波路付変調器の動作を示す図、 第４図は、導波路付変調器の光出力を示す図、 第５図は、本発明によって作製された導波路付光デバイ
ス装置の第２の例としての導波路付ディテクタの斜視
図、 第６図は、従来の超格子変調器と導波路の結合を示す図
である。 １……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−AlGaAsクラッド層、３
……ｉ−超格子層、４……ｐ−AlGaAsクラッド層、５…
…ｐ−GaAsキャップ層、６……導波路層、７……変調器
部分、８……導波路部分、９……ｎ−GaAsバッファ層、
10……ｉ−混晶化超格子層（導波路部）、11……SiO
2膜、12……ｐ−電極層、13……ディテクタ部。
装置の第１の例としての導波路付変調器の斜視図、 第２図は混晶化した超格子の吸収スペクトルを示す図、 第３図は、導波路付変調器の動作を示す図、 第４図は、導波路付変調器の光出力を示す図、 第５図は、本発明によって作製された導波路付光デバイ
ス装置の第２の例としての導波路付ディテクタの斜視
図、 第６図は、従来の超格子変調器と導波路の結合を示す図
である。 １……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−AlGaAsクラッド層、３
……ｉ−超格子層、４……ｐ−AlGaAsクラッド層、５…
…ｐ−GaAsキャップ層、６……導波路層、７……変調器
部分、８……導波路部分、９……ｎ−GaAsバッファ層、
10……ｉ−混晶化超格子層（導波路部）、11……SiO
2膜、12……ｐ−電極層、13……ディテクタ部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮澤 丈夫 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−1292（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−6876（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−219828（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】超格子構造を有する半導体積層構造の所定
部分をSiO2で被覆する第１の工程と、 前記半導体積層構造にGaAs基板を重ねた状態で、水素雰
囲気中で熱処理することによって前記所定部分を混晶化
し導波路部分とする第２の工程とを有することを特徴と
する導波路付光デバイス装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63226510A JP2633921B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | 導波路付光デバイス装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63226510A JP2633921B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | 導波路付光デバイス装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0274918A JPH0274918A (ja) | 1990-03-14 |
| JP2633921B2 true JP2633921B2 (ja) | 1997-07-23 |
Family
ID=16846255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63226510A Expired - Fee Related JP2633921B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | 導波路付光デバイス装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2633921B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07230066A (ja) * | 1994-02-18 | 1995-08-29 | Hitachi Ltd | 半導体光変調器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH065786B2 (ja) * | 1984-06-21 | 1994-01-19 | 日本電気株式会社 | 半導体装置 |
| JPS621292A (ja) * | 1985-06-26 | 1987-01-07 | Mitsubishi Electric Corp | 光電子素子 |
-
1988
- 1988-09-12 JP JP63226510A patent/JP2633921B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0274918A (ja) | 1990-03-14 |
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