JP2814906B2 - Optical semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
Optical semiconductor device and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理な
どに用いられる、半導体レーザ単体や、半導体レーザと
半導体光変調器、半導体光アンプ、半導体光導波路など
を同一基板上に集積した光半導体素子の製造方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single semiconductor laser, a semiconductor laser and a semiconductor optical modulator, a semiconductor optical amplifier, a semiconductor optical waveguide, etc., which are used for optical communication and optical information processing, and are integrated on the same substrate. The present invention relates to a method for manufacturing an optical semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】光通信や光情報処理などに用いられる光
源として、半導体レーザ単体の開発が進められてきた
が、最近さらに高度な機能を保持することを目的とし
て、半導体レーザの他に半導体光変調器や半導体光アン
プ、半導体光導波路など各種の半導体光機能素子を同一
基板上にモノリシックに集積化した、半導体光集積回路
の研究開発が活発化している。2. Description of the Related Art A semiconductor laser alone has been developed as a light source used for optical communication and optical information processing, but recently, in addition to a semiconductor laser, a semiconductor laser has been developed in order to maintain more advanced functions. Research and development of semiconductor optical integrated circuits, in which various semiconductor optical functional elements such as modulators, semiconductor optical amplifiers, and semiconductor optical waveguides are monolithically integrated on the same substrate, have been activated.
【0003】半導体光集積回路は異なるバンドギャップ
エネルギー(Eg )を有する光半導体素子の集積構造で
あり製造方法が複雑なため、素子特性の歩留まりや均一
性が低下するという問題があった。こうした問題を克服
するために、誘電体薄膜ストライプマスクを用いた選択
成長による製造方法が特開平4−105383号公報
(特願平2−222928号)に示されている。A semiconductor optical integrated circuit is an integrated structure of optical semiconductor elements having different band gap energies (Eg), and has a problem that the yield and uniformity of element characteristics are reduced due to the complicated manufacturing method. To overcome such a problem, a manufacturing method by selective growth using a dielectric thin film stripe mask is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-105383 (Japanese Patent Application No. 2-222928).
【0004】図4(a)に表面図を、図4(b)に断面
図を示すように、(100)面方位を有するInP半導
体基板1の表面に一対の誘電体薄膜ストライプマスク2
0(幅Wm 、間隔Wg )を形成し、有機金属気相成長法
(MOVPE法)によってマスク20に挟まれた導波領
域21にInGaAs量子井戸を含む多重量子井戸(M
QW)構造5を成長することにより、半導体のメサエッ
チング工程を用いることなく半導体レーザの活性層を形
成することができる。このため、素子構造の均一性が向
上するという特徴がある。さらに選択成長したInGa
As井戸の層厚および混晶組成がWm によって変化する
ため、図4(c)に示すように、MQW構造のバンドギ
ャップエネルギーEg (または発光波長)をマスク幅W
m によって変化させることができる。As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, a pair of dielectric thin film stripe masks 2 are formed on the surface of an InP semiconductor substrate 1 having a (100) plane orientation.
0 (width Wm, interval Wg), and a multiple quantum well (M) including an InGaAs quantum well in a waveguide region 21 sandwiched between masks 20 by metal organic chemical vapor deposition (MOVPE).
By growing the QW) structure 5, it is possible to form an active layer of a semiconductor laser without using a semiconductor mesa etching step. Therefore, there is a feature that the uniformity of the element structure is improved. Further selective growth of InGa
Since the layer thickness and mixed crystal composition of the As well change depending on Wm, as shown in FIG. 4C, the band gap energy Eg (or emission wavelength) of the MQW structure is changed to the mask width W.
can be varied by m.
【0005】このMOVPE選択成長によるEg 制御を
利用すれば、異なるEg を有する光導波構造の接続構造
を1回の結晶成長で作製することができ、半導体光集積
回路の歩留まりが向上するとともに、導波路間の高い結
合効率を得ることができる。図5に波長可変機構を有す
る分布反射型(DBR)半導体レーザを製造した例を示
す(特願平3−067498号参照)。図5(c)に素
子断面図を示す。まず(100)方位n−InP基板1
上のDBR領域33(図5(a))にグレーティングを
形成する。次にn−InGaAsPガイド層2およびn
−InPスペーサ層3を全面に成長した後、図5(a)
に表面図を示すように、表面に一対のSiO2 ストライ
プマスク20を[011]方向に一定の間隔Wg 1 で形
成する。このときマスク幅を活性領域31ではWm 1 、
位相制御領域32およびDBR領域33ではWm 1 ′
(Wm 1 >Wm 1 ′)となるようにする。そしてストラ
イプマスク20に挟まれた導波領域21にn−InPク
ラッド層4、MQW活性層5、p−InPクラッド層6
を選択成長する。If the Eg control by the MOVPE selective growth is used, a connection structure of an optical waveguide structure having different Eg can be manufactured by one crystal growth, and the yield of the semiconductor optical integrated circuit can be improved and the conductivity can be improved. High coupling efficiency between the waveguides can be obtained. FIG. 5 shows an example in which a distributed reflection (DBR) semiconductor laser having a wavelength tunable mechanism is manufactured (see Japanese Patent Application No. 3-067498). FIG. 5C shows a sectional view of the element. First, the (100) -oriented n-InP substrate 1
A grating is formed in the upper DBR region 33 (FIG. 5A). Next, the n-InGaAsP guide layer 2 and n
After the -InP spacer layer 3 is grown on the entire surface, FIG.
As shown in the top view, a pair of SiO 2 stripe masks 20 are formed on the surface at a constant interval Wg 1 in the [011] direction. At this time, the mask width is set to Wm 1 in the active region 31,
Wm 1 'in the phase control region 32 and the DBR region 33
(Wm 1> Wm 1 ′). Then, the n-InP cladding layer 4, the MQW active layer 5, and the p-InP cladding layer 6 are formed in the waveguide region 21 sandwiched between the stripe masks 20.
Select to grow.
【0006】次に図5(b)に示すように、ストライプ
マスク20の対向する側縁部を部分的に除去して導波領
域幅をWg 2 に拡大し、この成長領域23にp−InP
クラッド層7およびp−InGaAs(P)キャップ層
8を選択成長する。成長圧力を76Torr、マスク幅
をWm 1 =10μm、Wm 1 ′=4μmとした時に、活
性領域31およびDBR領域33におけるMQW層5か
らの発光ピーク波長はそれぞれ1.55μmおよび1.
50μmとなり、両者の間に約50nmの波長差が得ら
れている。例えばオーエフシー1992年の講演論文F
B10参照(T.Sasaki et al., Op
tical Fiber Communication
Conference,San Jose,U.S.
A.,1992,Paper FB10)。[0006] Next, as shown in FIG. 5 (b), the opposing side edges of the stripe mask 20 are partially removed to increase the width of the waveguide region to Wg 2, and the p-InP
The clad layer 7 and the p-InGaAs (P) cap layer 8 are selectively grown. When the growth pressure is 76 Torr and the mask width is Wm 1 = 10 μm and Wm 1 ′ = 4 μm, the emission peak wavelengths from the MQW layer 5 in the active region 31 and the DBR region 33 are 1.55 μm and 1.
It is 50 μm, and a wavelength difference of about 50 nm is obtained between the two. For example, EFFC 1992 lecture paper F
B10 (T. Sasaki et al., Op.
physical Fiber Communication
Conference, San Jose, U.S.A. S.
A. , 1992, Paper FB10).
【0007】図5の素子構造では、Eg の大きなDBR
領域33においてもMQW層5はSiO2 ストライプマ
スク20に挟まれた領域に選択的に形成されていた。In the device structure shown in FIG. 5, a DBR having a large Eg is used.
Also in the region 33, the MQW layer 5 was selectively formed in a region sandwiched between the SiO 2 stripe masks 20.
【0008】一方図6は分布帰還型(DFB)半導体レ
ーザと半導体光変調器の集積化光源を構造した例であ
り、エレクトロニクスレターズ27巻2138頁に記載
されている。(M.Aoki et al.,Elec
tronics Letters,Vol.27,p
p.2138,1991)。ここではEg の大きな光変
調器領域38ではMQW構造を全面に形成する構造とな
っている。図6(c)に断面図を示す。製造方法として
は、図6(a)に表面図を示すように、まず一対のSi
O2 ストライプマスク20(幅Wm 1 、間隔Wg 1 )お
よびグレーティング24をDFBレーザ領域34のみに
形成したn−InP基板1の上に、n−InGaAsP
ガイド層2、n−InPスペーサ層3′MQW活性層
5、p−InPクラッド層6を成長する。次に図6
(b)に表面図を示すように、導波領域21の中央に形
成した1本のSiO2 ストライプマスク22(幅Wa 、
Wa 〈Wg 1)を形成し、エッチング溶液を用いて基板
1までメサエッチングし、幅Wa の導波構造を形成す
る。ストライプマスク22を用いて、p−InP電流ブ
ロック層9およびn−InP電流ブロック層10を埋め
込み成長した後、全面にp−InPクラッド層7および
p−InGaAs(P)キャップ層8を成長する。この
例では、導波構造は従来よく用いられている埋め込みヘ
テロ(BH)構造となっている。FIG. 6 shows an example of a structure of an integrated light source of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser and a semiconductor optical modulator, which is described in Electronics Letters, Vol. 27, pp. 2138. (M. Aoki et al., Elec.
tronics Letters, Vol. 27, p
p. 2138, 1991). Here, the MQW structure is formed on the entire surface of the optical modulator region 38 having a large Eg. FIG. 6C shows a cross-sectional view. As a manufacturing method, as shown in a surface view in FIG.
On the n-InP substrate 1 on which the O 2 stripe mask 20 (width Wm 1, interval Wg 1) and the grating 24 are formed only in the DFB laser region 34, n-InGaAsP is formed.
A guide layer 2, an n-InP spacer layer 3 'MQW active layer 5, and a p-InP cladding layer 6 are grown. Next, FIG.
As shown in the surface view of FIG. 2B, one SiO 2 stripe mask 22 (width Wa,
Wa <Wg1) is formed, and the substrate 1 is mesa-etched using an etching solution to form a waveguide structure having a width Wa. After the p-InP current blocking layer 9 and the n-InP current blocking layer 10 are buried and grown using the stripe mask 22, the p-InP cladding layer 7 and the p-InGaAs (P) cap layer 8 are grown on the entire surface. In this example, the waveguide structure is a buried hetero (BH) structure which is conventionally used.
【0009】また光ファイバ通信システムなどにおいて
重要な半導体光アンプを作製する上で、端面反射率の抑
制は重要である。反射率を低減する有効な方法として、
導波層を端面で途切らせてバンドギャップエネルギーの
大きな半導体層で端面を埋め込む、窓構造がある。アイ
オーオーシー 1989年講演論文20C2−2参照。
(I.Cha et al.,100C’89,Kob
e,paper 20C2−2)。また選択成長を用い
て窓構造を形成する方法として、窓領域にマスクを形成
して、導波層が形成されないようにし、その後でクラッ
ド層を埋め込む方法が出願されている(特願平3−21
6027号)。[0009] In manufacturing a semiconductor optical amplifier which is important in an optical fiber communication system, it is important to suppress the end face reflectance. As an effective method to reduce the reflectance,
There is a window structure in which the waveguide layer is interrupted at the end face and the end face is buried with a semiconductor layer having a large band gap energy. IOC, see 1989 Lecture Paper 20C2-2.
(I. Cha et al., 100C'89, Kob.
e, paper 20C2-2). As a method of forming a window structure using selective growth, a method has been filed in which a mask is formed in a window region so that a waveguide layer is not formed, and then a cladding layer is embedded (Japanese Patent Application No. Hei. 21
No. 6027).
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】図5に示した素子製造
方法は、半導体のエッチングを用いることなく、MQW
活性層およびInPクラッド層を選択成長で形成できる
という特徴があり、均一な構造が得られるため、素子特
性の均一性や歩留まりが向上するという特徴がある。し
かし、Eg の大きな領域においてもストライプマスク2
0を用いて選択成長によりMQW構造を形成しているた
め、図4(c)からもわかるように得られるEg 差には
限りがあり、半導体レーザに光導波路などを集積する場
合には光導波路のEg が充分に大きくならず、充分低い
導波損失が得られないという問題点があった。The device manufacturing method shown in FIG. 5 uses an MQW without using semiconductor etching.
The feature is that the active layer and the InP clad layer can be formed by selective growth, and a uniform structure can be obtained, so that the uniformity of device characteristics and the yield can be improved. However, even in a region having a large Eg, the stripe mask 2
Since the MQW structure is formed by selective growth using 0, the Eg difference obtained is limited as can be seen from FIG. 4C, and when an optical waveguide or the like is integrated in a semiconductor laser, However, there is a problem that Eg is not sufficiently large and a sufficiently low waveguide loss cannot be obtained.
【0011】一方図6に示した素子製造方法はEg の大
きな領域でMQW層5を全面成長しているため、比較的
大きなEg 差が得られるという特徴を有している。しか
し、従来用いられている半導体のメサエッチング工程を
含むため、工程が複雑となるとともに、活性層幅のばら
つきによる素子特性のばらつきが生じやすいという問題
点があった。On the other hand, the device manufacturing method shown in FIG. 6 has a feature that a relatively large Eg difference can be obtained because the MQW layer 5 is entirely grown in a region having a large Eg. However, the conventional method involves a mesa etching process of a semiconductor, which complicates the process and causes a problem that the device characteristics are likely to vary due to the variation of the active layer width.
【0012】また選択成長により窓領域を形成した半導
体光アンプにおいては、選択的に形成された導波層の端
部が滑らかに埋め込まれにくいという問題があった。Further, in the semiconductor optical amplifier in which the window region is formed by the selective growth, there is a problem that the end portion of the selectively formed waveguide layer is difficult to be smoothly filled.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの光半導体素子の製造方法は、第1光導波層が全面に
形成された半導体基板上において、ある領域では、少な
くとも量子井戸層からなる第2光導波層がストライプ状
に形成され、一方途切れることなく別の領域では全面に
形成されており、さらに半導体クラッド層がストライプ
状に形成された前記第2光導波層を覆うように、また全
面に形成された前記第2光導波層の上ではストライプ状
の凸部となるようにそれぞれ形成されたことを特徴とす
る光半導体素子である。According to a method of manufacturing an optical semiconductor device for solving the above-mentioned problems, at least a part of a semiconductor substrate having a first optical waveguide layer formed on an entire surface thereof is formed at least from a quantum well layer. A second optical waveguide layer is formed in a stripe shape, while being formed on the entire surface in another region without interruption, and further, a semiconductor cladding layer covers the second optical waveguide layer formed in a stripe shape. The optical semiconductor device is characterized in that the optical semiconductor device is formed so as to form a stripe-shaped projection on the second optical waveguide layer formed on the entire surface.
【0014】または、第1光導波層の層厚が全体にわた
って一定であるのに対し、量子井戸層の層厚が、ストラ
イプ状に形成された領域で他の領域に比べて厚くなって
いることを特徴とする光半導体素子である。Alternatively, while the layer thickness of the first optical waveguide layer is constant throughout, the layer thickness of the quantum well layer is larger in the stripe-shaped region than in other regions. An optical semiconductor device characterized by the following.
【0015】または、半導体基板上に第1光導波層を含
む半導体多層膜を全面に結晶成長する工程と、対向する
2本の第1誘電体薄膜ストライプを局所的に形成する工
程と、少なくとも量子井戸構造を含む第2光導波層を前
記第1誘電体薄膜ストライプの対向する内側の成長領域
には選択的に成長すると同時に前記第1誘電体薄膜スト
ライプが形成されていない領域には全面に成長する工程
と、前記第1誘電体薄膜ストライプを除去する工程と、
対向する2本の第2誘電体薄膜ストライプを、前記第1
誘電体薄膜ストライプに挟まれた領域に形成された前記
第2光導波層を挟むように基板全面に形成する工程と、
前記第2誘電体薄膜ストライプに挟まれた成長領域に、
半導体クラッド層を含む半導体多層膜を選択成長する工
程を含むことを特徴とする光半導体素子の製造方法であ
る。Alternatively, a step of crystal-growing a semiconductor multilayer film including a first optical waveguide layer over the entire surface of a semiconductor substrate, a step of locally forming two opposing first dielectric thin film stripes, and A second optical waveguide layer including a well structure is selectively grown in a growth region inside the first dielectric thin film stripe opposite to the first dielectric thin film stripe, and is entirely grown in a region where the first dielectric thin film stripe is not formed. Performing the step of removing the first dielectric thin film stripe;
The two opposing second dielectric thin film stripes are
Forming the entire surface of the substrate so as to sandwich the second optical waveguide layer formed in the region sandwiched by the dielectric thin film stripes;
In a growth region sandwiched between the second dielectric thin film stripes,
A method for manufacturing an optical semiconductor device, comprising a step of selectively growing a semiconductor multilayer film including a semiconductor cladding layer.
【0016】または、上記の光半導体素子の製造方法に
おいて、前記第1誘電体薄膜ストライプまたは前記第2
誘電体薄膜ストライプのストライプ幅を、ストライプ方
向で変化させることを特徴とする光半導体素子の製造方
法である。Alternatively, in the above-mentioned method for manufacturing an optical semiconductor device, the first dielectric thin film stripe or the second dielectric thin film stripe
A method for manufacturing an optical semiconductor device, characterized in that a stripe width of a dielectric thin film stripe is changed in a stripe direction.
【0017】または、上記の光半導体素子の製造方法に
おいて、前記第1誘電体薄膜ストライプまたは前記第2
誘電体薄膜ストライプに挟まれた成長領域幅を、ストラ
イプ方向で変化させることを特徴とする光半導体素子の
製造方法である。Alternatively, in the above-described method for manufacturing an optical semiconductor device, the first dielectric thin film stripe or the second dielectric thin film stripe may be formed.
A method of manufacturing an optical semiconductor device, characterized in that a width of a growth region sandwiched between dielectric thin film stripes is changed in a stripe direction.
【0018】または、上記の光半導体素子の製造方法に
おいて、前記第2誘電体薄膜ストライプが前記光導波路
領域の一部において曲線状に形成されることを特徴とす
る光半導体素子の製造方法である。Alternatively, in the above method for manufacturing an optical semiconductor device, the second dielectric thin film stripe is formed in a curved shape in a part of the optical waveguide region. .
【0019】[0019]
【作用】MOVPE選択成長では、選択的に形成したリ
ッジ構造の側面が非常に平滑な結晶面となるため、光導
波路を作製した時に散乱による導波損失が大幅に低減す
るという特徴がある。この特徴を生かした、低損失なリ
ッジ光導波路が提案されている(特願平3−01941
1号)。図7にリッジ光導波路の構造を示す。図7
(b)に断面図を示す。InP半導体基板1の表面にI
nGaAsPガイド層2、InPスペーサ層3を積層し
た後、図7(a)に表面図を示すように、一対のSiO
2 ストライプマスク22(幅Wm 2 、間隔Wg 2 )を形
成し、挟まれた成長領域23にInPクラッド層7を選
択成長する。このとき、半導体基板の面方位を(10
0)、ストライプマスク22の方向を[011]方向と
すると、選択的に形成されたクラッド層7の側面は平滑
な(111)B面となる。こうして作製したリッジ光導
波路において、きわめて低い導波損失が得られている。In the MOVPE selective growth, the side face of the selectively formed ridge structure has a very smooth crystal face, so that there is a feature that when an optical waveguide is manufactured, waveguide loss due to scattering is greatly reduced. A low-loss ridge optical waveguide utilizing this feature has been proposed (Japanese Patent Application No. 3-01941).
No. 1). FIG. 7 shows the structure of the ridge optical waveguide. FIG.
(B) shows a cross-sectional view. The surface of the InP semiconductor substrate 1 has I
After laminating the nGaAsP guide layer 2 and the InP spacer layer 3, as shown in the surface view of FIG.
A two- stripe mask 22 (width Wm 2, interval Wg 2) is formed, and the InP cladding layer 7 is selectively grown in the interposed growth region 23. At this time, the plane orientation of the semiconductor substrate is set to (10
0), assuming that the direction of the stripe mask 22 is the [011] direction, the side surface of the selectively formed cladding layer 7 is a smooth (111) B surface. In the ridge optical waveguide fabricated in this manner, extremely low waveguide loss is obtained.
【0020】本発明の光半導体素子の製造方法を用いて
半導体光集積回路を製造する場合に、MQW層の形成に
おいては、Eg の大きな領域では図6の例と同様にスト
ライプマスクを用いずに全面に形成すると同時に、その
他のEg の比較的小さな領域では図5の例と同様にスト
ライプマスクを用いて選択的に形成する。続く導波構造
の形成においては、導波領域では図7の例と同様にIn
P層を選択成長してリッジ導波構造を形成すると同時
に、その他の領域では図5の例と同様にInPクラッド
層をMQW層を覆うように選択的に形成する。こうして
図5〜図7に示された従来例の利点だけを採用すること
により、Eg 差の大きなMQW導波層を有する半導体光
集積回路を、半導体のメサエッチングを用いずに製造す
ることができる。なおMQW層を全面に成長した領域で
は、MQW層の層厚が薄くなるため、導波路内の伝搬モ
ードを安定に保つため、あらかじめ別の導波層を全面に
成長している。When a semiconductor optical integrated circuit is manufactured by using the method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention, in the formation of an MQW layer, a stripe mask is not used in a region having a large Eg as in the example of FIG. At the same time as forming the entire surface, other regions having a relatively small Eg are selectively formed using a stripe mask as in the example of FIG. In the subsequent formation of the waveguide structure, In the waveguide region, as in the example of FIG.
At the same time as forming the ridge waveguide structure by selectively growing the P layer, an InP cladding layer is selectively formed in other regions so as to cover the MQW layer as in the example of FIG. By employing only the advantages of the conventional example shown in FIGS. 5 to 7, a semiconductor optical integrated circuit having an MQW waveguide layer having a large Eg difference can be manufactured without using mesa etching of a semiconductor. . In the region where the MQW layer is grown on the entire surface, another layer is previously grown on the entire surface in order to keep the propagation mode in the waveguide stable because the layer thickness of the MQW layer is thin.
【0021】[0021]
【実施例】以下本発明の半導体光集積素子の実施例につ
いて述べる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the semiconductor optical integrated device of the present invention will be described below.
【0022】図1は波長可変DBRレーザの製造方法を
表す図である。図1(a)および(b)はそれぞれ1回
目と2回目の選択成長におけるストライプマスクのパタ
ーンを表す表面図であり、図1(c)および(d)はそ
れぞれ結晶成長終了後の活性領域とDBR領域の構造を
示す断面図である。本素子は3回の結晶成長によって製
造される。FIG. 1 is a diagram showing a method of manufacturing a tunable DBR laser. FIGS. 1A and 1B are surface views showing the pattern of a stripe mask in the first and second selective growths, respectively. FIGS. 1C and 1D show the active region and the active region after the completion of the crystal growth, respectively. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a DBR region. This device is manufactured by three crystal growths.
【0023】まず(100)方位n−InP基板1のD
BR領域33上にグレーティングを形成する。続いて全
面に、n−InGaAsPガイド層2(層厚100n
m、キャリア濃度1×1018cm-3)、n−InPスペ
ーサ層3(層厚70nm、キャリア濃度1×1018cm
-3)を成長する。次に、図1(a)に示すように、一対
のSiO2 ストライプマスク20(幅Wm 1 =30μ
m、間隔Wg 1 =1.5μm)を活性領域31のみに
[001]方向に形成する。そして、n−InPクラッ
ド層4(層厚50nm、キャリア濃度1×1018c
m-3)、MQW活性層5(7層のInGaAsウェルお
よびInGaAsPバリアからなり、ウェル厚およびバ
リア厚はそれぞれは7nmと15nm)、p−InPク
ラッド層6(層厚200nm、キャリア濃度7×1017
cm-3)を成長する。First, the D of the (100) -oriented n-InP substrate 1
A grating is formed on the BR region 33. Subsequently, an n-InGaAsP guide layer 2 (layer thickness 100 n
m, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ), n-InP spacer layer 3 (layer thickness 70 nm, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ).
-3 ) to grow. Next, as shown in FIG. 1A, a pair of SiO 2 stripe masks 20 (width Wm 1 = 30 μm)
m, an interval Wg 1 = 1.5 μm) is formed only in the active region 31 in the [001] direction. Then, the n-InP cladding layer 4 (layer thickness 50 nm, carrier concentration 1 × 10 18 c
m −3 ), MQW active layer 5 (consisting of 7 layers of InGaAs well and InGaAsP barrier, with well and barrier thicknesses of 7 nm and 15 nm, respectively), p-InP cladding layer 6 (layer thickness of 200 nm, carrier concentration of 7 × 10 17
cm −3 ).
【0024】上記の層厚は、活性領域31のストライプ
マスク20に挟まれた導波領域21に選択的に形成され
たリッジ構造における値であり、全面成長した位相制御
領域32およびDBR構造33での層厚はその約1/3
となる。いったんストライプマスク20を除去した後、
図1(b)に示すように、再び一対のSiO2 ストライ
プマスク22(幅Wm 2 =10μm、間隔Wg 2 =6μ
m)を[011]方向に、導波領域21が中心になるよ
うに全領域に形成する。そしてp−InPクラッド層7
(層厚1.5μm、キャリア濃度7×1017cm-3)、
p−InGaAsキャップ層8(層厚300nm、キャ
リア濃度1×1019cm-3)を成長する。層厚はいずれ
も、ストライプマスク22に挟まれた成長領域23に選
択的に形成された構造での値である。The above-mentioned layer thickness is a value in the ridge structure selectively formed in the waveguide region 21 sandwiched between the stripe masks 20 in the active region 31, and in the phase control region 32 and the DBR structure 33 grown over the entire surface. Layer thickness is about 1/3
Becomes Once the stripe mask 20 is removed,
As shown in FIG. 1B, a pair of SiO 2 stripe masks 22 (width Wm 2 = 10 μm, interval Wg 2 = 6 μm) are again formed.
m) is formed in the entire region in the [011] direction such that the waveguide region 21 is at the center. And the p-InP cladding layer 7
(Layer thickness 1.5 μm, carrier concentration 7 × 10 17 cm −3 ),
A p-InGaAs cap layer 8 (layer thickness 300 nm, carrier concentration 1 × 10 19 cm −3 ) is grown. Each of the layer thicknesses is a value in a structure selectively formed in the growth region 23 sandwiched between the stripe masks 22.
【0025】この選択成長により、図1(c)、(d)
に示すようにp−InPクラッド層7は活性領域31で
はMQW層を覆うように成長し、位相制御領域32およ
びDBR領域33では選択的に形成される。すなわち、
前者は図5(c)、後者は図7(b)に類似した構造と
なる。両者の導波領域における境界部は途切れなく形成
されている。またMQW活性層は成長圧力150Tor
rで成長しており、図4(c)に示すように、76To
rrで成長する場合に比べてマスク幅による発光ピーク
波長のシフト量が大きくなる。この結果、活性領域とD
BR領域の発光ピーク波長はそれぞれ1.55μm、
1.40μmとなった。従来は図5(a)に示すよう
に、DBR領域では幅Wm 1 ′=4μmのマスクに挟ま
れた領域に選択的にMQW構造を形成しており、成長圧
力も76Torrであったため、発光ピーク波長は1.
50μmであった。By this selective growth, FIGS. 1 (c) and 1 (d)
The p-InP cladding layer 7 grows so as to cover the MQW layer in the active region 31 and is selectively formed in the phase control region 32 and the DBR region 33 as shown in FIG. That is,
The former has a structure similar to FIG. 5C, and the latter has a structure similar to FIG. 7B. The boundary between the two waveguide regions is formed without interruption. The MQW active layer has a growth pressure of 150 Torr.
r, and as shown in FIG.
The shift amount of the emission peak wavelength due to the mask width is larger than in the case of growing at rr. As a result, the active region and D
The emission peak wavelength in the BR region is 1.55 μm,
It was 1.40 μm. Conventionally, as shown in FIG. 5A, in the DBR region, an MQW structure is selectively formed in a region sandwiched between masks having a width of Wm 1 ′ = 4 μm, and the growth pressure is 76 Torr. The wavelength is 1.
It was 50 μm.
【0026】このように、本発明の素子製造方法を用い
ることにより、波長差を50nmから150nmに拡大
できた。こうして結晶成長を終了した後、全面にSiO
2 膜を形成し、各領域の導波領域上のみストライプ状に
窓を開けて、p側電極をp−InGaAsキャップ層の
上にパタン状に形成するとともに、n−InP基板上に
n側電極を形成した。活性領域31、位相制御領域32
およびDBR領域33の長さはそれぞれ600μm、1
50μm、300μmとした。As described above, the wavelength difference can be increased from 50 nm to 150 nm by using the device manufacturing method of the present invention. After completion of the crystal growth in this manner, SiO
Two films are formed, a window is opened in a stripe shape only on the waveguide region of each region, a p-side electrode is formed in a pattern on the p-InGaAs cap layer, and an n-side electrode is formed on the n-InP substrate. Was formed. Active region 31, phase control region 32
And DBR region 33 have a length of 600 μm, 1
50 μm and 300 μm.
【0027】試作した素子の特性を評価した結果、しき
い値電流は平均9mAで、30mW以上の光出力が得ら
れた。またDBR領域に電流を20mAまで注入するこ
とにより、光出力を10mWに保ったままで、モードと
びを伴いながら5nm以上の波長可変幅を得ることがで
きた。さらに位相制御領域に電流を10mAまで注入す
ることにより、モードとびが生じた波長領域をすべてカ
バーすることができた。従来の選択成長による構造(図
5)では、活性領域と位相制御領域の波長差が充分でな
かったため、位相制御領域に電流注入しても完全にカバ
ーできなかった。As a result of evaluating the characteristics of the prototype device, the threshold current was 9 mA on average, and an optical output of 30 mW or more was obtained. Further, by injecting a current up to 20 mA into the DBR region, it was possible to obtain a wavelength tunable width of 5 nm or more with mode jumps while maintaining the optical output at 10 mW. Further, by injecting a current up to 10 mA into the phase control region, it was possible to cover the entire wavelength region where the mode jump occurred. In the conventional structure formed by selective growth (FIG. 5), since the wavelength difference between the active region and the phase control region was not sufficient, even if current was injected into the phase control region, it could not be completely covered.
【0028】本発明により波長差を拡大できたため、従
来の3電極波長可変DBRレーザ′例えばエレクトロニ
クスレターズ23巻403頁(1987年)参照(S.
Murata et al.,Electronics
Letters,vol.23,pp.403,19
87)と同様の準連続波長可変動作を実現した上に、半
導体のメサエッチングを用いない製造方法の特徴である
高い歩留まり、均一性を維持することができた。 第2
の実施例について述べる。図2(a)はDFBレーザ、
半導体光アンプと光導波路を集積した素子の、MQW構
造の成長時のマスクパターンを示す表面図である。図1
(a)と同様に、一対のSiO2 ストライプマスク20
がDFB領域34および半導体光アンプ領域35のみに
形成されている。素子の層構造は図1の例と同じであ
り、グレーティングはDFB領域34のみに形成されて
いる。素子特性評価の結果、半導体光アンプの内部利得
20dB、光導波路での導波損失15cm-1を得た。ま
た光アンプと光導波路の結合部における結合効率は95
%以上の値と見積もられた。Since the wavelength difference can be increased by the present invention, a conventional three-electrode wavelength-tunable DBR laser, for example, see Electronics Letters, vol. 23, p. 403 (1987) (S.
Murata et al. , Electronics
Letters, vol. 23 pp. 403,19
In addition to realizing the quasi-continuous wavelength tunable operation similar to 87), high yield and uniformity, which are features of the manufacturing method without using mesa etching of a semiconductor, could be maintained. Second
An example will be described. FIG. 2A shows a DFB laser,
FIG. 11 is a front view showing a mask pattern of an element in which a semiconductor optical amplifier and an optical waveguide are integrated when an MQW structure is grown. FIG.
As in (a), a pair of SiO 2 stripe masks 20
Are formed only in the DFB region 34 and the semiconductor optical amplifier region 35. The layer structure of the element is the same as that of the example of FIG. 1, and the grating is formed only in the DFB region 34. As a result of the device characteristic evaluation, an internal gain of the semiconductor optical amplifier was 20 dB, and a waveguide loss in the optical waveguide was 15 cm −1 . The coupling efficiency at the coupling section between the optical amplifier and the optical waveguide is 95.
% Value was estimated.
【0029】本発明の半導体光アンプへの実施例とし
て、窓領域で導波層を全面成長することにより、窓領域
での損失を高くしないまま低い端面反射率を実現した。
具体的には図2(b)に表面図を示すように、活性領域
31のみにSiO2 ストライプマスク20を形成してM
QW構造からなる導波層を導波領域21に選択的に形成
し、窓領域37においては全面に成長する。次に、図2
(c)に表面図を示すように、ストライプマスク22を
全面に形成し、クラッド層の成長を行う。このとき、マ
スク22に挟まれた成長領域23の幅Wg 2 を、活性領
域31より窓領域37で広くすることにより、窓領域で
の内部損失を低減した。作製した活性領域長300μ
m、窓領域長各30μmの素子において、内部利得25
dB、端面反射率10-5を実現した。As an embodiment of the semiconductor optical amplifier of the present invention, a low end face reflectivity is realized without increasing the loss in the window region by growing the entire waveguide layer in the window region.
Specifically, as shown in the top view of FIG. 2B, an SiO 2 stripe mask 20 is formed only in the active region 31 and M
A waveguide layer having a QW structure is selectively formed in the waveguide region 21, and grows over the entire surface of the window region 37. Next, FIG.
(C) As shown in the surface view, a stripe mask 22 is formed on the entire surface, and a cladding layer is grown. At this time, the width Wg 2 of the growth region 23 sandwiched between the masks 22 was made wider in the window region 37 than in the active region 31 to reduce the internal loss in the window region. Active region length 300μ
m and a window region length of 30 μm each, an internal gain of 25
A dB and an end face reflectivity of 10 −5 were realized.
【0030】波長可変DBRレーザと半導体光変調器を
2チャンネルごとに集積し、さらに半導体光導波路によ
る合波器を用いて半導体光アンプを接続した構造の半導
体光集積回路の実施例について述べる。図3は製造方法
を示す表面図である。DBR領域33のみにグレーティ
ングを形成したn−InP基板1の全面に、n−InG
aAsPガイド層2(層厚100nm、キャリア濃度1
×1018cm-3)、n−InPスペーサ層3(層厚70
nm、キャリア濃度1×1018cm-3)を成長する。An embodiment of a semiconductor optical integrated circuit having a structure in which a wavelength tunable DBR laser and a semiconductor optical modulator are integrated for every two channels, and a semiconductor optical amplifier is connected using a multiplexer using a semiconductor optical waveguide will be described. FIG. 3 is a front view showing the manufacturing method. An n-InG substrate is formed on the entire surface of the n-InP substrate 1 having a grating formed only in the DBR region 33.
aAsP guide layer 2 (layer thickness 100 nm, carrier concentration 1
× 10 18 cm -3 ), n-InP spacer layer 3 (layer thickness 70
and a carrier concentration of 1 × 10 18 cm −3 ).
【0031】次に、図3(a)に示すように、一対のS
iO2 ストライプマスク20を活性領域31、光変調器
領域38および光アンプ領域35に[011]方向に形
成する。このときマスク幅は活性領域31および光アン
プ領域35で30μm、光変調領域38で15μmとし
た。光アンプ領域でのストライプマスク20は、1組の
活性領域、光変調器領域におけるストライプマスク20
の中間の位置に配置してある。また各領域での導波領域
21の幅は1.5μmと一定とした。各領域の長さは、
活性領域600μm、DBR領域150μm、光変調器
領域200μm、光導波路領域1500μm、光アンプ
領域300μmである。Next, as shown in FIG.
An iO 2 stripe mask 20 is formed in the active region 31, the optical modulator region 38, and the optical amplifier region 35 in the [011] direction. At this time, the mask width was 30 μm in the active region 31 and the optical amplifier region 35 and 15 μm in the light modulation region 38. The stripe mask 20 in the optical amplifier region is a set of the active region and the stripe mask 20 in the optical modulator region.
It is located in the middle position of. The width of the waveguide region 21 in each region was fixed at 1.5 μm. The length of each area is
The active region is 600 μm, the DBR region is 150 μm, the optical modulator region is 200 μm, the optical waveguide region is 1500 μm, and the optical amplifier region is 300 μm.
【0032】そして、n−InPクラッド層4(層厚5
0nm、キャリア濃度1×1018cm-3)、MQW活性
層5(7層のInGaAsウェルおよびInGaAsP
バリアからなり、ウェル厚およびバリア厚はそれぞれは
7nmと15nm)、p−InPクラッド層6(層厚2
00nm、キャリア濃度7×1017cm-3)を成長す
る。上記の層厚は、活性領域31のマスクストライプ2
0に挟まれた導波領域21に選択的に形成された構造に
おける値である。Then, the n-InP cladding layer 4 (layer thickness 5
0 nm, carrier concentration 1 × 10 18 cm −3 ), MQW active layer 5 (seven layers of InGaAs well and InGaAsP
A barrier was formed, and the well thickness and the barrier thickness were 7 nm and 15 nm, respectively, and the p-InP clad layer 6 (layer thickness 2
It is grown to a thickness of 00 nm and a carrier concentration of 7 × 10 17 cm −3 ). The above layer thickness is the same as that of the mask stripe 2 of the active region 31.
This is a value in a structure selectively formed in the waveguide region 21 sandwiched between 0.
【0033】いったんマスクストライプ20を除去した
後、図3(b)に表面図を示すように、再び一対のSi
O2 マスクストライプ22(幅10μm、間隔6μm)
を、導波領域21が中心になるように全領域に形成す
る。このとき隣り合った2つの光変調器が一つの光アン
プに接続されるように光導波路領域36では曲線状にマ
スクパターンを形成しているが、マスクに挟まれたリッ
ジ成長領域23の幅は全領域で6μm一定としている。
そしてp−InPクラッド層7(層厚1.5μm、キャ
リア濃度7×1017cm-3)、p−InGaAsキャッ
プ層8(層厚300nm、キャリア濃度1×1019cm
-3)を成長する。層厚はいずれも、成長領域23に選択
的に形成された構造での値である。After the mask stripe 20 is once removed, as shown in the surface view of FIG.
O 2 mask stripe 22 (width 10 μm, interval 6 μm)
Is formed over the entire region such that the waveguide region 21 is at the center. At this time, a mask pattern is formed in a curved shape in the optical waveguide region 36 so that two adjacent optical modulators are connected to one optical amplifier, but the width of the ridge growth region 23 sandwiched between the masks is It is constant at 6 μm in the entire region.
Then, the p-InP cladding layer 7 (layer thickness 1.5 μm, carrier concentration 7 × 10 17 cm −3 ) and the p-InGaAs cap layer 8 (layer thickness 300 nm, carrier concentration 1 × 10 19 cm 3 )
-3 ) to grow. Each layer thickness is a value in a structure selectively formed in the growth region 23.
【0034】すなわち、図1に示したDBRレーザの製
作例と同一の方法によって、複数の機能素子の集積構造
を一括して3回の結晶成長で製造できる。本発明では光
導波路がリッジ構造となるため、従来作製が困難であっ
た曲線導波路も容易に形成できる。That is, the integrated structure of a plurality of functional elements can be manufactured at once by crystal growth three times by the same method as the example of manufacturing the DBR laser shown in FIG. In the present invention, since the optical waveguide has a ridge structure, a curved waveguide which has been conventionally difficult to manufacture can be easily formed.
【0035】活性領域、DBR領域、光変調器領域と光
アンプ領域にそれぞれパタン電極を形成し、素子特性と
評価した。その結果、光アンプ側端面から各チャンネル
ごとに20mW以上の光出力が得られた。また、光変調
器部に振幅2Vの電圧を印加したときの消光比15dB
が得られ、2.5Gb/sの変調において良好な被変調
光波形が得られた。また連続した10素子におけるしき
い値電流と光出力は、それぞれ8〜15mA、18〜2
8mWであり、均一性も良好であった。A pattern electrode was formed in each of the active region, the DBR region, the optical modulator region, and the optical amplifier region, and the device characteristics were evaluated. As a result, an optical output of 20 mW or more was obtained for each channel from the optical amplifier side end face. An extinction ratio of 15 dB when a voltage having an amplitude of 2 V is applied to the optical modulator.
Was obtained, and a good modulated optical waveform was obtained in the modulation of 2.5 Gb / s. The threshold current and light output of 10 continuous elements are 8 to 15 mA and 18 to 2 mA, respectively.
It was 8 mW, and the uniformity was good.
【0036】以下光集積素子の実施例を示す図面を用い
て本発明をより詳細に説明する。図8(a)は本発明の
1実施例である波長可変DBR−LD、マッハツエ ンダ
(MZ)光変調器、光導波路、合波器、光アンプを集積
化した光集積素子の平面図である。同一の半導体基板上
に波長可変DBR−LD41、MZ光変調器42が直列
に配置され、MZ光変調器42からの出力光が導波路4
3で合波器であるスターカップラ44に導かれ、さらに
光増幅器45によって一括して増幅される構成となって
いる。このような素子を実現するには以下のようにすれ
ば良い。すなわち部分的に回折格子を形成した半導体基
板46上に、波長可変レーザ41、光増幅器45が形成
される部分に部分的に絶縁膜マスク47、48を形成す
る。回折格子はDBR領域49の部分のみに形成されて
いる。活性領域50を形成する部分ではマスク幅が広
く、DBR領域49を形成する部分ではマスク幅が狭く
なるようにした。マスク幅はそれぞれ15μm,8μm
とした。MQW構造の波長組成は、活性領域、DBR領
域、平坦部でそれぞれ1.55μm,1.48μm,
1.40μmであった。平坦部での組成がレーザの発振
波長1.55μmにたいして十分透明であることが確認
できた。マスクの間隔は1.5μmであり、そこに埋め
込み型のMQW導波路層が自動的に形成できる。マスク
の長さは活性領域、DBR領域でそれぞれ400μm,
200μmとした。また光増幅器45の部分では、マス
クの幅、長さ、間隔はそれぞれ15μm,600μm、
1.5μmとした。このようにマスクを形成した基板4
6上にInGaAs,InGaAsP(波長組成1.2
μm)からなる多重量子井戸構造を成長した。膜厚は平
坦部でいづれも60Aとなるようにした。マスク47と
48との間の領域は長さ2mmとした。この段階で、マ
スクの間の領域にはMQW導波路がメサ構造の中に含ま
れるかたちで形成され、一方、マスクの無い領域では平
坦に形成される。このようにして得た半導体構造に、全
体に再度マスクを形成し、波長可変LD41、光増幅器
45となる部分のマスクを一部除去して、メサ構造を覆
うようにクラッド層51を形成する。この際、MZ光変
調器42、導波路43、スターカプラ44を構成する部
分を図のようにパターニングして、クラッド層12と同
時にリッジ14を形成する。クラッド層の幅は6μm,
リッジ14の幅は底面で4μmとした。これによってD
BR−LD、あるいは光増幅器の部分の断面は図8
(b)のような埋め込み構造に、またMZ光変調器42
の部分の断面は図8(c)に示すようなリッジ導波路構
造になる。MZ光変調器の位相変調部は長さ600μ
m,曲線導波路3は全長800μmとした。この実施例
では4つのDBR−LD、4つのMZ光変調器をモノリ
シックに集積した。このような素子に部分的に電極を形
成することにより、所望の光集積素子を得る。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings showing embodiments of the optical integrated device. FIG. 8A is a plan view of an optical integrated device in which a wavelength tunable DBR-LD, a Mach-Zehnder (MZ) optical modulator, an optical waveguide, a multiplexer, and an optical amplifier are integrated according to an embodiment of the present invention. . The wavelength tunable DBR-LD 41 and the MZ optical modulator 42 are arranged in series on the same semiconductor substrate, and the output light from the MZ optical modulator 42 is
At 3, the light is guided to a star coupler 44, which is a multiplexer, and is further collectively amplified by an optical amplifier 45. In order to realize such an element, the following may be performed. That is, the insulating film masks 47 and 48 are formed partially on the semiconductor substrate 46 on which the diffraction grating is partially formed, where the wavelength tunable laser 41 and the optical amplifier 45 are formed. The diffraction grating is formed only in the DBR region 49. The portion where the active region 50 is formed has a wide mask width, and the portion where the DBR region 49 is formed has a narrow mask width. Mask width is 15 μm and 8 μm respectively
And The wavelength composition of the MQW structure is 1.55 μm, 1.48 μm,
1.40 μm. It was confirmed that the composition at the flat portion was sufficiently transparent for the laser oscillation wavelength of 1.55 μm. The mask interval is 1.5 μm, and a buried MQW waveguide layer can be automatically formed there. The length of the mask is 400 μm for each of the active region and the DBR region.
The thickness was 200 μm. In the portion of the optical amplifier 45, the width, length, and interval of the mask are 15 μm and 600 μm, respectively.
It was 1.5 μm. The substrate 4 on which the mask is formed as described above
6, InGaAs, InGaAsP (wavelength composition 1.2)
μm) was grown. The film thickness was set to be 60 A in the flat portion. The area between the masks 47 and 48 was 2 mm in length. At this stage, the MQW waveguide is formed in the region between the masks so as to be included in the mesa structure, while the region without the mask is formed flat. A mask is again formed on the whole of the semiconductor structure obtained in this manner, a part of the mask which becomes the wavelength tunable LD 41 and the optical amplifier 45 is partially removed, and a cladding layer 51 is formed so as to cover the mesa structure. At this time, portions constituting the MZ optical modulator 42, the waveguide 43, and the star coupler 44 are patterned as shown in the figure, and the ridge 14 is formed simultaneously with the cladding layer 12. The width of the cladding layer is 6 μm,
The width of the ridge 14 was 4 μm at the bottom. This gives D
The cross section of the BR-LD or optical amplifier is shown in FIG.
In the embedded structure as shown in FIG.
The cross section of the portion has a ridge waveguide structure as shown in FIG. The phase modulator of the MZ optical modulator has a length of 600μ
m, the curved waveguide 3 had a total length of 800 μm. In this embodiment, four DBR-LDs and four MZ optical modulators are monolithically integrated. A desired optical integrated device is obtained by partially forming electrodes on such a device.
【0037】このような素子において、DBR−LDの
発振しきい値電流約20mA、光出力10mW、波長可
変範囲5nmを得た。MZ光変調器は3.5Vで動作
し、その時の消光比として15dB程度の特性を得た。
MZ光変調器、光導波路、スターカップラでの全損失は
約20dBであり、光増幅器によって損失補償すること
により、各チャンネルからのチップ光出力として+8d
Bm程度の値を得た。このような素子は、例えば波長間
隔4nmに設定し、10Gb/sの高速で光信号を送信
でき、高速の波長多重光通信用光源として非常に有用性
が高い。In such a device, the oscillation threshold current of the DBR-LD was about 20 mA, the optical output was 10 mW, and the wavelength variable range was 5 nm. The MZ optical modulator operated at 3.5 V, and obtained an extinction ratio of about 15 dB at that time.
The total loss in the MZ optical modulator, the optical waveguide, and the star coupler is about 20 dB. By compensating the loss by the optical amplifier, the chip optical output from each channel is + 8d.
A value of about Bm was obtained. Such an element can transmit an optical signal at a high speed of 10 Gb / s, for example, with a wavelength interval of 4 nm, and is very useful as a high-speed light source for wavelength-division multiplexed optical communication.
【0038】図9は本発明の実施例である波長可変レー
ザと光スイッチの集積素子の作製工程を示す図である。
図9(a)に示すように部分的にマスク61を形成し、
その基板の上にマスク部分を除いてInGaAsP系の
MQW構造を成長する。マスクの形成された部分と、平
坦部でのMQW層の波長組成はそれぞれ1.55μm,
1.38μmであった。マスクを形成した部分には回折
格子を形成してあり、DFB−LD62が形成される。
マスクの長さは400μm、光スイッチ63となる平坦
部分は長さ2mmとした。これに全面に絶縁膜を形成
し、図9(b)のようにパターニングする。あらかじめ
マスク61を形成していた部分には埋め込み構造の活性
導波路が形成され、埋め込み構造のDFB−LDとして
動作させることができる。またマスクを形成していなか
った部分にはリッジ導波路構造の方向性結合器型光スイ
ッチを形成することができる。DFB−LDの導波路部
分では活性層の幅1.5μm,埋め込み層の幅8μm,
光スイッチ部分ではリッジ導波路の幅4μmとした。部
分的に電極を形成し、さらにDFB−LDにはPtの加
熱抵抗線を形成することにより、抵抗加熱型の波長可変
DFB−LDとし、所望の光集積素子を得た。FIG. 9 is a view showing a process of manufacturing an integrated element of a wavelength tunable laser and an optical switch according to an embodiment of the present invention.
A mask 61 is partially formed as shown in FIG.
An InGaAsP-based MQW structure is grown on the substrate except for the mask portion. The wavelength composition of the MQW layer at the portion where the mask is formed and the wavelength composition of the MQW layer at the flat portion are 1.55 μm, respectively.
1.38 μm. A diffraction grating is formed in the portion where the mask is formed, and the DFB-LD 62 is formed.
The length of the mask was 400 μm, and the flat portion to be the optical switch 63 was 2 mm long. An insulating film is formed on the entire surface and patterned as shown in FIG. An active waveguide having a buried structure is formed in a portion where the mask 61 has been formed in advance, and can be operated as a DFB-LD having a buried structure. Further, a directional coupler type optical switch having a ridge waveguide structure can be formed in a portion where the mask is not formed. In the waveguide portion of the DFB-LD, the width of the active layer is 1.5 μm, the width of the buried layer is 8 μm,
In the optical switch portion, the width of the ridge waveguide was 4 μm. A desired optical integrated device was obtained by partially forming electrodes and further forming a heating resistance wire of Pt on the DFB-LD to obtain a resistance heating type variable wavelength DFB-LD.
【0039】このような素子でPt抵抗に流す電流を数
十mA程度に制御することにより、4nm程度の範囲の
波長可変動作を得ることができる。実際には2波長の波
長可変DFB−LDを形成した。抵抗加熱型のDFB−
LDでは波長切り換えのスイッチング時間は数msであ
り、それらをあらかじめ数十GHzの周波数間隔に設定
しておき、光スイッチに電圧を印可することにより、1
ns程度の切り換え時間でスイッチングする事ができ
る。By controlling the current flowing through the Pt resistor to about several tens mA with such an element, a wavelength tunable operation in a range of about 4 nm can be obtained. Actually, a tunable DFB-LD having two wavelengths was formed. Resistance heating type DFB-
In the LD, the switching time for wavelength switching is several milliseconds, and these are set in advance at frequency intervals of several tens of GHz, and a voltage is applied to the optical switch so that 1
Switching can be performed in a switching time of about ns.
【0040】以上のように本発明では、選択MOVPE
成長技術を巧みに応用することにより、埋め込み型の導
波路とリッジ構造の導波路を一括して形成する事ができ
るため、実施例に示したような光通信などへの応用上き
わめて有用な光集積素子を実現する事ができる。As described above, according to the present invention, the selective MOVPE
By skillfully applying the growth technology, it is possible to form a buried waveguide and a ridge-structured waveguide at the same time. An integrated device can be realized.
【0041】なお本発明の実施例では波長可変光源とし
て2電極のDBR−LDや抵抗加熱型のDFB−LDを
示したが、これらに限るものではなく、3電極DFB−
LDや、3電極DBR−LD,垂直結合フィルタ型波長
可変LD,複合共振器型波長可変LD等、種々の構造の
素子を用いてなんら差し支えない。さらに光スイッチと
して方向性結合器型のものを示したが、これに限るもの
ではない。用いる材料系ももちろんここで示したInG
aAsP系に限るものではない。In the embodiment of the present invention, a two-electrode DBR-LD or a resistance heating type DFB-LD is shown as a variable wavelength light source.
There is no problem using elements having various structures such as an LD, a three-electrode DBR-LD, a vertical coupling filter type wavelength variable LD, and a composite resonator type wavelength variable LD. Further, a directional coupler type optical switch has been described, but the present invention is not limited to this. The material system used is of course the InG shown here.
It is not limited to the aAsP system.
【0042】[0042]
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光半導体素
子は優れた特性を有し、歩留りが高い。また本発明の光
半導体素子の製造方法を用いることにより、MOVPE
選択成長によって製造した半導体光集積回路において、
半導体のメサエッチング工程を用いないままでMQW構
造のバンドギャップエネルギーのシフト量を従来より拡
大して素子を製造することが可能となった。本発明を用
いることにより、DBR半導体レーザの特性を従来の選
択成長を利用した素子に比べて改善することができた。
また、半導体レーザと半導体光変調器、半導体光アンプ
などの光半導体素子を、光導波路を用いて集積した構造
の各種半導体光集積回路や、窓構造を有する半導体光ア
ンプの製造についても適用した。こうして、従来複雑な
製造方法によっていた半導体光集積回路を、簡単な方法
で製造することにより良好な素子特性と高い均一性を両
立することが可能となった。As described above, the optical semiconductor device of the present invention has excellent characteristics and a high yield. Also, by using the method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention, MOVPE
In a semiconductor optical integrated circuit manufactured by selective growth,
It has become possible to manufacture a device by increasing the shift amount of the band gap energy of the MQW structure without using a mesa etching process of a semiconductor as compared with the related art. By using the present invention, the characteristics of a DBR semiconductor laser can be improved as compared with a device using conventional selective growth.
The present invention was also applied to the manufacture of various semiconductor optical integrated circuits having a structure in which a semiconductor laser, a semiconductor optical modulator, and a semiconductor optical amplifier such as a semiconductor optical amplifier were integrated using an optical waveguide, and a semiconductor optical amplifier having a window structure. In this way, it is possible to achieve both good device characteristics and high uniformity by manufacturing a semiconductor optical integrated circuit, which has conventionally been a complicated manufacturing method, by a simple method.
【図1】本発明の請求項1、2、3の発明による分布反
射型半導体レーザの製造方法の一実施例を示す表面図お
よび断面図である。FIG. 1 is a front view and a sectional view showing an embodiment of a method for manufacturing a distributed reflection type semiconductor laser according to the first, second and third aspects of the present invention.
【図2】本発明の請求項1、2、3、4、5の発明によ
る分布帰還型半導体レーザ、半導体光アンプと光導波路
の集積素子および窓構造付き半導体光アンプの製造方法
の一実施例を示す表面図である。FIG. 2 is an embodiment of a method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser, an integrated device of a semiconductor optical amplifier and an optical waveguide, and a semiconductor optical amplifier with a window structure according to the first, second, third, fourth and fifth aspects of the present invention; FIG.
【図3】本発明の請求項1、2、3、4、6の発明によ
る半導体光集積回路の製造方法の一実施例を示す表面図
である。FIG. 3 is a front view showing an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor optical integrated circuit according to the first, second, third, fourth and sixth aspects of the present invention.
【図4】選択成長の作用と効果を説明するための図であ
る。FIG. 4 is a diagram for explaining the function and effect of selective growth.
【図5】従来の発明による、分布反射型半導体レーザの
製造方法を示す表面図および断面図である。5A and 5B are a front view and a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a distributed reflection semiconductor laser according to a conventional invention.
【図6】従来の発明による、分布帰還型半導体レーザと
半導体光変調器の集積化光源の製造方法を示す表面図お
よび断面図である。6A and 6B are a front view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an integrated light source of a distributed feedback semiconductor laser and a semiconductor optical modulator according to a conventional invention.
【図7】従来の発明による、リッジ型光導波路の製造方
法を示す表面図および断面図である。7A and 7B are a front view and a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a ridge-type optical waveguide according to a conventional invention.
【図8】波長可変レーザとマッハツェンダー光変調器、
光導波路、合波器、光アンプを集積化した光集積素子の
平面図である。FIG. 8 shows a wavelength tunable laser and a Mach-Zehnder optical modulator,
FIG. 3 is a plan view of an optical integrated device in which an optical waveguide, a multiplexer, and an optical amplifier are integrated.
【図9】波長可変レーザと光スイッチの集積素子の製作
工程を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process of an integrated element of a wavelength tunable laser and an optical switch.
1 n−InP基板 2 n−InGaAsPガイド層 3 n−InPスペーサ層 4 n−InPクラッド層 5 MQW活性層 6 p−InPクラッド層 7 p−InPクラッド層 8 p−InGaAs(P)キャップ層 9 p−InPブロック層 10 n−InPブロック層 20 SiO2 ストライプマスク 21 導波領域 22 SiO2 ストライプマスク 23 成長領域 24 グレーティング 31 活性領域 32 位相制御領域 33 DBR領域 34 DFB領域 35 半導体光アンプ領域 36 光導波路領域 37 窓領域 38 半導体光変調器領域 41 波長可変DFB−LD 42 MZ光変調器 43 導波路 44 スターカップラ 45 光増幅器 46 基板 47 マスク 48 マスク 49 DFB領域 50 活性領域 51 クラッド層 52 リッジ 61 マスク 62 DFB−LD 63 光スイッチReference Signs List 1 n-InP substrate 2 n-InGaAsP guide layer 3 n-InP spacer layer 4 n-InP clad layer 5 MQW active layer 6 p-InP clad layer 7 p-InP clad layer 8 p-InGaAs (P) cap layer 9 p -InP blocking layer 10 n-InP blocking layer 20 SiO 2 stripe masks 21 waveguiding regions 22 SiO 2 stripe masks 23 growth region 24 grating 31 active region 32 the phase control region 33 DBR region 34 DFB region 35 the semiconductor optical amplifier region 36 waveguide Area 37 Window area 38 Semiconductor optical modulator area 41 Wavelength tunable DFB-LD 42 MZ optical modulator 43 Waveguide 44 Star coupler 45 Optical amplifier 46 Substrate 47 Mask 48 Mask 49 DFB area 50 Active area 51 Cladding layer 52 Ridge 61 Mask 6 2 DFB-LD 63 Optical switch
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−100291(JP,A) 特開 平4−105383(JP,A) 特開 平4−243216(JP,A) 特開 平4−303982(JP,A) 特開 平5−82909(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-100291 (JP, A) JP-A-4-105383 (JP, A) JP-A-4-243216 (JP, A) JP-A-4- 303982 (JP, A) JP-A-5-82909 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01S 3/18
Claims (6)
基板上において、 ある領域では、少なくとも量子井戸層からなる第2光導
波層が前記第1光導波層上にストライプ状に形成され、
この領域に続く別の領域では、前記第2光導波層が前記
第1光導波層上の全面に形成され、 さらに前記ある領域では半導体クラッド層がストライプ
状に形成された前記第2光導波層を覆うように形成さ
れ、前記別の領域では半導体クラッド層が前記第2光導
波層の上ではストライプ状の凸部となるようにそれぞれ
形成されたことを特徴とする光半導体素子。1. A semiconductor substrate having a first optical waveguide layer formed on the entire surface thereof. In a certain region, a second optical waveguide layer comprising at least a quantum well layer is formed in a stripe shape on the first optical waveguide layer. ,
In another region subsequent to this region, the second optical waveguide layer is formed on the entire surface of the first optical waveguide layer, and in the certain region, the second optical waveguide layer is formed by forming a semiconductor cladding layer in a stripe shape. Wherein the semiconductor cladding layer is formed on the second optical waveguide layer so as to form a stripe-shaped projection in the another region.
光導波層の層厚が全体にわたって一定であるのに対し、
量子井戸層の層厚が、ストライプ状に形成された領域で
他の領域に比べて厚くなっていることを特徴とする光半
導体素子。2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein:
While the thickness of the optical waveguide layer is constant throughout,
An optical semiconductor device, wherein the thickness of a quantum well layer is thicker in a stripe-shaped region than in other regions.
体多層膜を全面に結晶成長する工程と、 対向する2本の第1誘電体薄膜ストライプを局所的に形
成する工程と、 少なくとも量子井戸構造を含む第2光導波層を前記第1
誘電体薄膜ストライプの対向する内側の成長領域には選
択的に成長すると同時に前記第1誘電体薄膜ストライプ
が形成されていない領域には全面に成長する工程と、 前記第1誘電体薄膜ストライプを除去する工程と、 対向する2本の第2誘電体薄膜ストライプを、前記第1
誘電体薄膜ストライプに挟まれた領域に形成された前記
第2光導波層を挟むように基板全面に形成する工程と、 前記第2誘電体薄膜ストライプに挟まれた成長領域に、
半導体クラッド層を含む半導体多層膜を選択成長する工
程とを含むことを特徴とする光半導体素子の製造方法。3. A step of crystal-growing a semiconductor multilayer film including a first optical waveguide layer on the entire surface of a semiconductor substrate, a step of locally forming two opposing first dielectric thin film stripes, and The second optical waveguide layer including a well structure is formed by the first optical waveguide layer.
A step of selectively growing in a growth region on the inside of the dielectric thin film stripe opposite thereto and growing the entire surface in a region where the first dielectric thin film stripe is not formed; and removing the first dielectric thin film stripe. And forming two opposing second dielectric thin film stripes into the first dielectric thin film stripe.
Forming the entire surface of the substrate so as to sandwich the second optical waveguide layer formed in the region sandwiched by the dielectric thin film stripes;
Selectively growing a semiconductor multilayer film including a semiconductor cladding layer.
いて、前記第1誘電体薄膜ストライプまたは前記第2誘
電体薄膜ストライプのストライプ幅を、ストライプ方向
で変化させることを特徴とする光半導体素子の製造方
法。4. The method of manufacturing an optical semiconductor device according to claim 3, wherein a stripe width of said first dielectric thin film stripe or said second dielectric thin film stripe is changed in a stripe direction. Manufacturing method.
いて、前記第1誘電体薄膜ストライプまたは前記第2誘
電体薄膜ストライプに挟まれた成長領域幅を、ストライ
プ方向で変化させることを特徴とする光半導体素子の製
造方法。5. The method of manufacturing an optical semiconductor device according to claim 3, wherein a width of a growth region sandwiched between the first dielectric thin film stripe and the second dielectric thin film stripe is changed in a stripe direction. Manufacturing method of an optical semiconductor device.
いて、前記第2誘電体薄膜ストライプが前記光導波路領
域の一部において曲線状に形成されることを特徴とする
光半導体素子の製造方法。6. The method of manufacturing an optical semiconductor device according to claim 3, wherein said second dielectric thin film stripe is formed in a curved shape in a part of said optical waveguide region. .
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