JP2682421B2 - 半導体光集積回路の製造方法 - Google Patents
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Description
方法に関する。
挟んで対向した成長阻止マスクを設けて、この開口部に
有機金属気相成長法(以下MOVPE)を用いて部分的
に半導体層をエピタキシャル成長する技術(以下選択M
OVPE)が光半導体素子の製造技術として注目されて
いる。この技術を用いると、半導体層をエッチングする
こと無く光導波路素子を製作することが可能で、製造工
程の簡略化、歩留まりの向上が図れる。この選択MOV
PE技術を、III −V族化合物半導体からなる量子井戸
構造のエピタキシャル成長に応用すると、 成長原料種(主としてIII 族の有機金属原料)の気
相中における拡散の成長阻止マスク幅依存性に起因した
固相組成変化 成長速度の成長阻止マスク幅依存性に起因した井戸
層厚変化の相乗効果により、成長阻止マスクの幅を部分
的に変えてわずか1回のMOVPE成長を行うだけで、
同一基板面内でのバンドギャップエネルギー(正確には
価電子帯と伝導帯の第1量子準位間の遷移エネルギー)
制御が実現できる。この技術は、複数の異なったバンド
ギャップエネルギーからなる光機能素子のモノリシック
化が要求される光集積回路の製造方法としてまさに理想
的である。既に、この技術を用いて電界吸収型光変調器
と分布帰還レーザをモノリシック集積した集積化光源
や、波長可変DBRレーザなどが発明者等によって実現
されている。
OVPE技術によるバンドギャップエネルギー制御は、
固相組成変化と成長層厚変化が成長阻止マスク幅依存性
を示す現象を巧みに応用している。バンドギャップエネ
ルギー変化量に対する両効果の割合は、成長条件によっ
て調節することが可能であるが、おおむね同等である。
これは即ち、バンドギャップエネルギー制御のために成
長阻止マスク幅を基板面内で部分的に変化させると、選
択成長層の層厚まで同時に変化してしまうことを意味す
る。
して製作された量子井戸層をドーピングされたクラッド
層で上下からサンドイッチ状に挟み、ここに電流注入あ
るいは電界印加を行なうことで、発光や光吸収などとい
った光機能素子としての作用を実現する。この際、選択
MOVPE成長によってアンドープ層厚まで成長阻止マ
スク幅依存性を示すということは、素子抵抗や逆方向耐
圧といった電気的特性まで成長阻止マスク幅とともに変
化してしまうことになり、結果的に光機能素子ごとに信
頼性に直接関わるパラメータが異なってしまうといった
深刻な問題を招く。また、基板面内で部分的に層厚が著
しく異なる場合には、フォトリソグラフィ等のプロセス
不良など歩留まりにかかわる問題も懸念される。
積回路の製造方法は、ストライプ状の開口部を挟んで対
向し該開口部の長手軸方向の位置に応じて幅が部分的に
異なるような2本の成長阻止膜を半導体基板上に形成す
る工程と、該半導体基板より屈折率が大きく光を伝搬す
る作用を有する光導波層と発光あるいは光吸収の作用を
有する量子井戸層と該光導波層や該量子井戸層より屈折
率の小さなクラッド層とを選択的有機金属気相成長法を
用いて該開口部に連続してエピタキシャル成長する工程
と、該量子井戸層に電流注入あるいは電界印加を行うた
めの電極構造を形成する工程とを有し、少なくとも該量
子井戸層をエピタキシャル成長する際の成長圧力を該光
導波層や該クラッド層をエピタキシャル成長する場合よ
り上昇させることを特徴とする。
ける層厚とバンドギャップエネルギーのマスク幅依存性
が成長圧力に応じて大きく変化する、バンドギャップエ
ネルギー制御選択MOVPE成長技術に特有の現象を巧
みに応用するものである。即ち、大きなバンドギャップ
エネルギー変化が要求される量子井戸層のみ成長圧力を
上昇させることによってバンドギャップエネルギーのマ
スク幅依存性を助長し、基板面内バンドギャップエネル
ギー制御が特に要求されないクラッド層などでは成長圧
力を減少させることによって層厚変化のマスク幅依存性
を抑制する、動的圧力制御選択MOVPE技術を提案す
るものである。これにより、層厚変化に起因する電気的
特性のばらつきやプロセス不良といった上述の問題点の
改善が期待できる。
PE成長において、マスク幅に対するバンドギャップエ
ネルギー変化量ΔEが成長圧力依存性を示す現象に関し
ては、原料種の消費・拡散・再脱離のバランスが成長圧
力とともに変化するからとの解釈が一般的である。つま
り、成長圧力を上げて原料ガスの流速を下げると、選択
成長領域への原料種拡散を支配する気相中の濃度勾配が
助長されるために成長阻止マスクの横方向への拡散が増
加し、結果としてΔEのマスク幅依存性は大きくなる。
同時に、成長阻止マスク上に到達した原料種のうちで再
脱離過程によって失われる割合も抑制されるため、行き
場を失った原料種の選択成長層への供給量も増加して、
結果的により強いマスク幅依存性を示すことになる。光
集積素子の実現にあたって必要とされる基板面内バンド
ギャップエネルギー制御を行うには、量子井戸層の形成
時にのみ成長圧力を上昇させればよく、この層以外の成
長時には成長圧力を十分下げることによって電気的特性
を支配するアンドープ層厚の成長阻止マスク幅依存性を
緩和することができる。また、同一基板面内での層厚分
布を必要最小限に抑制することで、歩留り劣化を招くプ
ロセス不良も低減できる。その上、本発明では光導波層
の形成時に ・半導体層のウェットエッチングが不要なため、歩留ま
りや均一性に優れる ・導体層のドライエッチングに見られる表面ダメー層は
無いため、不要な吸収損失が皆無 ・原子層オーダの平滑な光導波路側面が成長中に自然形
成されるため、散乱損失が皆無 ・部分成長を繰り返して形成された光導波路接続部(バ
ットジョイント)に見られる反射が皆無 といった、選択MOVPE成長特有の優れた特徴はその
まま生かすことができるため、理想的な光集積回路製造
技術を提供することが可能になる。
る。図2は本発明の第1の実施例である電界吸収型光変
調器とDFBレーザをモノリシック集積した集積化光源
の製造方法を説明する図である。その製造方法を工程順
に説明する。
(100)のn−InP基板101上に、[011]方
向への周期が240nm、深さ30nmの回折格子10
2を部分的に形成し、この回折格子102を設けた部分
をDFBレーザ領域103、回折格子102がなく平坦
な部分を光変調器領域104とする。この基板上に、熱
CVD法を用いてSiO2 膜を形成し、フォトリソグラ
フィ技術とエッチングによって、幅2μmのストライプ
状の開口部105を有し、その両脇の幅がDFBレーザ
領域103で17μm、光変調器領域104で8μm
で、開口部105の長手軸方向がn−InP基板101
の[011]方向に平行であるような一対の成長阻止マ
スク106に加工する。ただし、光変調器領域側の端面
から15μmにわたってはこのストライプ状の開口部1
05の無い窓領域107とする。
ライプ状の開口部105に減圧MOVPE成長装置を用
いて、波長組成1.15μmのn−InGaAsP光導
波層108 (厚さ100nm)、n−InPスペーサ層
109 (厚さ40nm)、波長組成1.3μmのアンド
ープInGaAsPバリア層(厚さ10nm)とアンド
ープInGaAs井戸層(厚さ7nm)からなる7周期
のアンドープ量子井戸層110、波長組成1.15μm
のアンドープInGaAsPホール加速層111 (厚さ
40nm)、p−InPクラッド層112 (厚さ200
nm)を連続して選択MOVPE成長する。この際、成
長圧力は波長組成1.15μmのn−InGaAsP光
導波層108、n−InPスペーサ層109、波長組成
1.15μmのアンドープInGaAsPホール加速層
111、p−InPクラッド層112で25Torr、
アンドープ量子井戸層110で150Torrとしてい
る。また、アンドープInGaAs井戸層および波長組
成1.3μmのアンドープInGaAsPバリア層がD
FBレーザ領域103においてn−InP基板101へ
格子整合するように成長条件を調節する。アンドープ量
子井戸層110のバンドギャップ波長は、DFBレーザ
領域103において1.55μm、光変調器領域104
において1.48μmになる。
マスク106のストライプ状の開口部105をDFBレ
ーザ領域103で幅7μm、光変調器領域104で幅5
μmまで、フォトリソグラフィ技術とエッチングによっ
て拡幅し、ここにアンドープ1nP電界緩和層113
(厚さ40nm)、p−InP埋め込み層114(厚さ
1.4μm)、p+ −InGaAsコンタクト層115
(厚さ200nm)を選択MOVPEによって成長す
る。DFBレーザ領域103と光変調器領域104の電
気的分離を行うため、両領域の境界から光変調器領域側
に長さ25μmにわたってp+ −InGaAsコンタク
ト層115を除去し、分離領域116とする。
全体に絶縁膜117(厚さ0.3μm)を形成し、埋め
込み成長後の頂上部でp+ −InGaAsコンタクト層
115が残っている部分にのみフォトリソグラフィ技術
とエッチングによって絶縁膜に開口を設ける。Ti/A
u電極118を蒸着し、フォトリソグラフィ技術とエッ
チングによって電極パターンニングを行う。n−InP
基板101を100μm厚に研磨後、裏面にTi/Au
電極119を蒸着する。
120、DFBレーザ領域側の端面に高反射膜121を
形成する。(なお、本実施例で記述されている各層厚
は、DFBレーザ領域の開口部に選択成長されたものの
値である)このようにして製作された集積化光源では、
DFBレーザ領域103に電流注入していくと、回折格
子102のピッチおよびこの領域の断面構造より求まる
実効屈折率で決定される波長で単一軸モード発振する。
また光変調器領域104のアンドープ量子井戸層110
(以下、光吸収層)では、この波長における無バイアス
時の光吸収が実用上問題ない程度に抑制されるよう、バ
ンドギャップエネルギーを1.48μmに設定してあ
る。この光吸収層へ電界を印加すると、量子閉じ込めシ
ュタック効果(QCSE)によって透過光に対する吸収
係数が増加するため、光強度変調器として動作する。
印加すると、光吸収層は200kV/cmもの強電界で
バイアスされるため、QCSEにより1.55μmの発
振波長に対する吸収係数は4300cm-1も増加する。
全7層からなる井戸層への光閉じ込め係数が4%あるの
で、素子長を200μmとすれば15dBの消光比が得
られる。
では、光変調器側の出射端面に反射が存在する場合、光
変調器領域104を往復して反射光がDFBレーザ領域
103にフィードバックされる。この残留端面反射が光
強度変調を通じて動的に変化することにより、発振波長
が光強度変調とともにわずかに変動する波長チャーピン
グと呼ばれる現象が生じ、光ファイバ中を長距離伝送さ
せた後の光信号波形劣化を招く。実用上問題の無いレベ
ルまで波長変動を抑制するためには、およそ0.1%以
下の端面反射率が要求されるが、光デバイス製造に通常
用いられている低反射膜の反射率は成膜装置性能上の制
約から平均して1%程度であり、集積化光源に要求され
る極低反射率を実現するのは極めて困難である。通常の
低反射膜でもこの極低反射率を実現可能な方法として本
実施例では光変調器側端面に長さ15μmにわたって第
1回目の選択成長層が存在しない窓領域107を設けて
いる。光変調器領域104を通過後に窓領域107との
境界に達した光は、横方向の光閉じ込めが無いこの窓領
域107を円錐状に広がりながら伝搬して端面に達す
る。この端面で反射された光のうち、光変調器領域10
4の光吸収層に再結合できるのは端面に垂直入射した成
分のみであるため、低反射膜と組み合わせることで実効
的に0.1%以下の反射率を比較的簡単に実現できる。
5μm、しきい値電流10mAで単一軸モード発振し
た。また、DFBレーザ領域103から光変調器領域1
04への光の結合効率は100%であり、光変調器側端
面から10mWの出射光パワーを得た。また、光変調器
領域104に3Vの電圧を印加すると15dBの消光比
が得られた。DFBレーザ領域103と光変調器領域1
04との間の抵抗は10kΩと、実用上問題ない程度の
電気的分離が実現できた。また、本実施例による集積化
光源を用いて2.5Gb/s帯における80km伝送を
行なったところ、波長チャーピングが十分抑制されて符
号誤りの無い、良好な伝送特性を実現できた。
の第2の実施例である波長可変分布ブラッグ反射型(D
BR)レーザの製造方法を説明する図である。この製造
方法を製作工程順に説明する。
(100) のn−InP基板201上に、[011]方
向への周期が240nm、深さ30nmの回折格子20
2を部分的に形成し、この回折格子202を設けた部分
をDBR領域203、また回折格子が無い領域を2分し
たうちのDBR領域に近い方を位相制御領域204およ
びDBR領域から遠い方を活性領域205とする。この
基板上に、熱CVD法を用いてSiO2 膜を形成し、フ
ォトリソグラフィ技術とエッチングによって、幅2μm
のストライプ状の開口部206を有し、その両脇の幅が
DBRレーザ領域203で12μm、位相制御領域20
4で8μm、活性領域205で17μmで、開口部20
6の長手軸方向がn−InP基板201の[011]方
向に平行であるような一対の成長阻止マスク207に加
工する。
ライプ状の開口部206に減圧MOVPE成長装置を用
いて、波長組成1.15μmのn−InGaAsP光導
波層208(厚さ100nm)、n−InPスペーサ層
209(厚さ40nm)、波長組成1.3μmのアンド
ープInGaAsPバリア層(厚さ10nm)とアンド
ープInGaAs井戸層(厚さ7nm)からなる7周期
のアンドープ量子井戸層210、波長組成1.15μm
のアンドープInGaAsPホール加速層211(厚さ
40nm)、p−InPクラッド層212(厚さ200
nm)を連続して選択MOVPE成長する。この際、成
長圧力は波長組成1.15μmのn−InGaAsP光
導波層208、n−InPスペーサ層209、波長組成
1.15μmのアンドープInGaAsPホール加速層
211、p−InPクラッド層212で25Torr、
アンドープ量子井戸層210で150Torrとしてい
る。また、アンドープInGaAs井戸層および波長組
成1.3μmのアンドープInGaAsPバリア層が活
性領域205においてn−InP基板101へ格子整合
するように成長条件を調節する。アンドープ量子井戸層
210のバンドギャップ波長は、DBR領域203、位
相制御領域204、活性領域205においてそれぞれ
1.51μm,1.48μm、1.55μmになる。
マスク207を内側から幅2μmずつエッチング除去し
てストライプ状の開口部206を拡幅し、ここにアンド
ープInPスペーサ層213(厚さ40nm)、p−I
nP埋め込み層214(厚さ1.4μm)、p+ −In
GaAsコンタクト層215(厚さ200nm)を選択
MOVPEによって成長する。各領域間の電気的分離を
行うため、各領域の境界に均等にまたがる部分を長さ2
5μmにわたってp+ −InGaAsコンタクト層21
5を除去し、分離領域216とする。
全体に絶縁膜217(厚さ0.3μm)を形成し、埋め
込み成長後の頂上部でp+ −InGaAsコンタクト層
215が残っている部分にのみフォトリソグラフィ技術
とエッチングによって絶縁膜217に開口を設ける。T
i/Au電極218を蒸着し、フォトリソグラフィ技術
とエッチングによって電極パターニングを行う。n−I
nP基板201を100μm厚に研磨後、裏面にTi/
Au電極219を蒸着する。最後に、DBR領域側の端
面に低反射膜220、活性領域側の端面に高反射膜22
1を形成する。(なお、本実施例で記述されている各層
厚は、活性領域の開口部に選択成長されたものの値であ
る)このようにして製作された波長可変DBRレーザで
は、活性領域205に電流注入していくと、回折格子2
02のピッチおよびDBR領域203の断面構造より求
まる実効屈率率で決定される波長で単一軸モード発振す
る。またDBR領域203に電流注入していくと、プラ
ズマ分散効果による屈折率減少に伴って、発振波長は軸
モードジャンプを繰り返しながら短波側に向かって離散
的に変化する。さらに、共振器内を往復する光の位相整
合条件を、位相制御領域204への電流注入によって調
節すると、離散的に変化した発振波長間でも発振が可能
になり、発振波長の疑似連続チューニングが実現でき
る。
は、活性領域205への注入電流が15mAで単一軸モ
ード発振し、最大光出力15mWを得た。また、DBR
領域203に60mAの電流注入を行うことにより、最
大波長可変幅7nmを得た。さらに、位相制御領域20
4への電流注入も同時に行うことで発振波長の疑似連続
チューニング特性を実現した。
積回路の製造方法では、バンドギャップエネルギー制御
選択MOVPE成長において従来問題となっていた成長
層厚のマスク幅依存性を、成長中に圧力を動的に変化さ
せることで必要最小限に抑制可能である。これから、半
導体レーザや光変調器、光フィルター、半導体光増幅
器、受光器等の光機能素子をモノリシック化した光集積
回路を、簡単かつ高均一・高歩留りで実現可能であり、
電気的・光学的な特性向上ならびに信頼性の向上も期待
できる。
いられている、選択MOVPEにおける成長膜厚と成長
阻止マスク幅の関係の成長圧力依存性を説明する図であ
る。(a)は断面図、(b)はマスク幅と層厚の関係を
示す図。
FBレーザと電界吸収型光変調器をモノリシック化した
集積化光源の製造方法を説明する平面図であり、(b)
〜(d)は集積化光源の製造方法を工程順に説明する
(a)におけるA−A′での断面図である。
長可変DBRレーザの構造を説明する平面図であり、
(b)〜(d)は波長可変DBRレーザの製造方法を工
程順に説明する(a)におけるB−B′での断面図であ
る。
光導波層(厚さ100nm) 109 n−InPスペーサ層(厚さ40nm) 110 アンドープInGaAs/InGaAsP量
子井戸層(バリア層の波長組成1.3μm) 111 波長組成1.15μmのアンドープInGa
AsPホール加速層(厚さ40nm) 112 p−InPクラッド層(厚さ200nm) 113 アンドープInPスペーサ層(厚さ40n
m) 114 p−InP埋め込み層(厚さ1.4μm) 115 p+ −InGaAsコンタクト層(厚さ20
0nm) 116 分離領域 117 絶縁膜 118,119 Ti/Au電極 120 低反射膜 121 高反射膜 201 面方位が(100) のn−InP基板 202 回折格子 203 DSR領域 204 位相制御領域 205 活性領域 206 幅2μmのストライプ状の開口部 207 成長阻止マスク 208 波長組成1.15μmのn−InGaAsP
光導波層(厚さ100nm) 209 n−InPスペーサ層(厚さ40nm) 210 アンドープInGaAs/InGaAsP量
子井戸層(バリア層の波長組成1.3μm) 211 波長組成1.15μmのアンドープInGa
AsPホール加速層(厚さ40nm) 212 p−InPクラッド層(厚さ200nm) 213 アンドープInPスペーサ層(厚さ40n
m) 214 p−InP埋め込み層(厚さ1.4μm) 215 p+ −InGaAsコンタクト層(厚さ20
0nm) 216 分離領域 217 絶縁膜 218,219 Ti/Au電極 220 低反射膜 221 高反射膜
Claims (1)
- 【請求項1】 半導体光集積回路の製造方法であって、
ストライプ状の開口部を挟んで対向し該開口部の長手軸
方向の位置に応じて幅が部分的に異なるような2本の成
長阻止膜を半導体基板上に形成する工程と、該半導体基
板より屈折率が大きく光を伝搬する作用を有する光導波
層と発光あるいは光吸収の作用を有する量子井戸層と該
光導波層や該量子井戸層より屈折率の小さなクラッド層
とを選択的有機金属気相成長法を用いて該開口部に連続
してエピタキシャル成長する工程と、該量子井戸層に電
流注入あるいは電界印加を行うための電極構造を形成す
る工程とを有し、少なくとも該量子井戸層をエピタキシ
ャル成長する際の成長圧力を該光導波層や該クラッド層
をエピタキシャル成長する場合より上昇させることを特
徴とする半導体光集積回路の製造方法。
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