JP2841860B2

JP2841860B2 - 光半導体装置

Info

Publication number: JP2841860B2
Application number: JP33827490A
Authority: JP
Inventors: 幸雄豊田; 信一若林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: JPH04204833A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光情報処理等の分野に広く利用される光半
導体装置に関する。

従来の技術より高度な光情報処理のために、光双安定現象等の非
線形特性を用いた素子の開発が従来からなされている。

代表的な例として、面型光ゲート素子即ち透過型光変
調素子について説明する。第７図は、A.T−omita et a
l.Appl.Phys Lett（アプライドフィジィクスレタ
ー）55 1817（1989）より引用した多重量子井戸を用い
たエタロン変調素子である。３はｎ型InP基板、５はｎ
型InP層、８はｎ電極、12は垂直共振器内InGaAsP/InP多
重量子井戸・吸収層、23は亜鉛拡散層、25はｐ電極、41
はInGaAsエッチングストップ層、52,53はアンドープInP
層である。この素子は、量子閉込めシュタルク効果を用
いかつ誘電体多層膜22による高反射率の鏡面を共振器反
射端面を構成することによりエタロンファブリーペロー
共振器を構成し、これにバイアス電圧印加して多重量子
井戸・吸収層12の吸収率の増加を図っている。16Vの逆
バイアス電圧を印加した時、吸収率が増加し、およそ出
力Poutは入力Pinの1/5に減少する。即ち、電圧印加なる
電気的制御により消光比5:1の光スイッチング動作を実
現している。また、この例以外では、同様の多重量子井
戸層を用いた光双安定現象による光電融合素子（SEED）
などがある。

発明が解決しようとする課題従来の技術で述べた多重量子井戸を用いたエタロン光
変調素子では、面透過型であり集積化に有利であるが、
反面、光スイッチングを行うため十分な消光比を得るた
めには16Vと非常に高い印加電圧が必要である。さらに
応答スピードも遅い。このように、高電圧印加を要する
ということは、素子の接合リークを極力なくす必要があ
り、作製工程上非常に困難を持たらす上、高密度に集積
した場合、それぞれの素子分離も非常に高いものとする
必要がある。また、実際の動作をさせる上で特別の電源
を要する。このように高いバイアス電圧の印加を要する
ことは、云うまでもなく、重大な課題である。

さらに、第７図の素子は電気制御のみの光スイッチン
グに限られ、光制御による光スイッチングは困難であ
る。なぜなら信号光と制御光を同一共振器に同じ方向か
ら同時に入射させる構造のため、出力光に制御光が混在
し、出力光から制御光を分離する必要がある。したがっ
てスイッチングの消光比を十分なものとするには、制御
光のパワーを大きくする必要があるが一方で消光比を大
きくするにはわずかの制御光をも出力光に混入しないよ
うしなければならないからである。

課題を解決するための手段前述の課題を解決するために、以下に示すように本発
明による手段により、光変調や光スイッチング等の動作
に高電圧を必要とせず、しかも変調効率もしくはスイッ
チングの消光比が十分大きく、応答スピードの速い面透
過型素子を提供するものである。

このために、本発明が提供する手段とは、素子基板の
主面に対して垂直方向の共振器を用いた入出力光が透過
型である光半導体装置において、前記垂直共振器内に存
在する吸収層に対して、垂直共振器の方向とは直角の方
向即ち素子基板の主面に対して平行な方向から入力光の
透過率を変化させるための制御光を導入するために、内
部に吸収層を有する素子基板の主面に対して垂直な方向
の垂直共振器と、前記吸収層を共有し、それと交合せる
素子基板に平行な光導波路とを有する構造を提供するこ
とである。

さらに、制御効率を上げる手段として、望ましくは入
力光が出力光として透過するまでの閉込め共振状態を高
めるために前記垂直共振器の反射鏡の反射率を90％とす
ることである。

また、前記素子基板の主面に対して平行な光導波路を
伝播する光が、前記垂直共振器内の吸収層へ効率より注
入され制御効果を上げるため、光導波路の前記吸収層以
外の部分の有効屈折率が吸収層部分の有効屈折率より小
さいことが有効となる。然るに、制御光の効果を向上さ
せるために、前記光導波路の端面に反射鏡を導入し、制
御入力光を共振させることが有効であり、制御光の入力
側では光導波路への注入効率を適切に確保するため劈開
で得られる値もしくはそれ以上の低反射率の反射鏡、他
方では共振閉込め効果を上げるため98％以上の反射率を
有する反射鏡を導入して基板の主面に対して平行な平行
共振器とすることが有効な手段である。

一方、光制御ではなく、低電圧印加による電気的制御
を可能とするための手段として、前記の基板の主面に対
して平行な光導波路もしくはこれと結合せる他の光導波
路に、電流注入による利得動作が可能となる構造と、前
記光導波路の両端面に98％以上の反射率と有する反射鏡
を導入した共振器構造が有効である。

さらに、光双安定動作を可能とする手段として、基板
主面に対して平行な光導波路の一部を利得を有する活性
層として、また他の一部を吸収層として用いることが有
効である。

作用本発明による課題解決のための具体的な手段は次のよ
うな理由により、光制御、光スイッチング等の素子特性
の向上、動作機能拡大、高速化及び集積化に効果的に作
用する。

即ち、本発明による手段によれば、多重量子井戸等の
吸収層の吸収率を変化させるために、直接吸収層に高い
バイアス電圧を印加する必要がなく、多重量子井戸等の
吸収層の全ての部分へ有効に吸収層の吸収率を制御する
ための光注入が実現できるからである。なぜなら、基板
面と垂直方向にある共振器中の基板面と平行な多重量子
井戸等の吸収層へ、基板面に平行に設けられ当該吸収層
と有効に結合せる光導波路により、高い結合効率で制御
光が注入され、当該吸収層全域へ伝播するからである。
しかも、変調もしくはスイッチング等を行う信号光の入
出力方向は、制御光の進行方向と直角であるため、混入
による特性劣化が発生しない。勿論、基板面に平行に設
けられ光導波路への制御光の導入には、高いバイアス電
圧が不要であることは明らかである。

実施例実施例（１）本発明による第１の実施例を第１図および第２図によ
り説明する。第１図（ａ），（ｂ）は、作製した光半導
体装置の概略を示す平面図および断面図であり（ｃ）は
基板の主面に平行な光導波路の断面図を示す。（ｂ），
（ｃ）は（ａ）におけるＩ−Ｉ′およびII−II′断面で
ある。作製手順を第２図とともに述べる。ｎ型InP基板
３上に気相成長法により、ｎ型InGaAsPエッチングスト
ップ層（λｇ〜1.1μｍ）４、ｎ型InPクラッド層５、ア
ンドープInGaAsP/InP多重量子井戸層（量子井戸層とバ
リア層は10対、λｇ〜1.3μｍ）11、ｐ型InPクラッド層
６、およびｐ型InGaAsPキャップ層（λｇ〜1.1μｍ）７
を順次成長する。このようにして作製した光半導体装置
用ウェーハの断面図を第２図（ａ）に示す。

次に、幅10μｍのストライプ状のSiO₂マスク100をフ
ォトリソグラフィにより形成し、ストップ層４までエッ
チングして基板の主面に平行な光導波路１を形成する。
即ち、この幅10μｍのストライプパターンにより形成さ
れたリッジ状部分の多重量子井戸層11とｎ型およびｐ型
のクラッド層６より構成される構造は後述の工程により
InP層により埋込まれることにより基板の主面に平行な
光導波路１が作製されるのである。但し、ストライプ状
マスク100は、ストライプ方向に200μｍ間隔で直径20μ
ｍの円状の穴部分（ストライプが途切れている）を形成
しておく。これより、エッチング後のリッジは、200μ
ｍ間隔で長さ20μｍの切断部分が存在する。エッチング
後、再びリッジが途切れている部分に直径20μｍφのSi
O₂マスク101をつける。このようにしたものの１本のリ
ッジ部分の斜視図を第２図（ｂ）に示す。

然る後に、SiO₂マスク100.101を付着したまま結晶成
長を行うことにより、SiO₂マスク部分100,101表面に
は、結晶が成長されず選択成長を行うことが出来る。結
果として第２図（ｅ）に示すように基板主面に平行な光
導波路１が埋込まれ、その光導波路１は直径20μｍφの
穴20によって切断されている状態となる。（ｃ）は、Si
O₂マスク100,101を剥離後のものである。埋込み層は
（ｃ）に示すように、ｐ型InP層61、ｎ型InP層51、ｐ型
InGaAsPキャップ層（λｇ〜1.1μｍ）を順次成長し、リ
ッジ部と表面が完全に平坦になるように膜厚調整して作
製する。なお、（ｅ）でＩ−Ｉ′は第１図（ａ）のＩ−
Ｉ′に対応するもので断面図の断面位置を示す。

さらに、直径20μｍの穴の部分をのぞいた部分全面に
再びSiO₂マスクをつけた後、３回目の成長を行う。光導
波路１の切断部分である直径20μｍφの穴の部分20が選
択成長により、ｎ型InP50、アンドープInGaAsP/InP多重
量子井戸層（量子井戸）層とバリア層は20対、（λｇ〜
1.3μｍ）12、アンドープInP層20、InGaAsP/InP多層膜
（反射ピーク波長1.3μｍ）21を順次成長する。但し、
ｎ型InP層50の厚さは第１回の成長で作製したｎ型InP層
５と同一にして、アンドープInGaAsP/InP多重量子井戸
層12が同じく第１回目の成長で作製したアンドープInGa
AsP/InP多重量子井戸層11と平坦に接続されるようにす
る。アンドープInP層20のキャリア濃度は10¹⁴/cm³以下
となるように成長する。次に、基板の裏面のこの直径20
μｍの円形層部分の同一の位置に深さがストップ層４に
達する直径20μｍφの穴をエッチングで形成した後、こ
の穴に誘電体多層膜22を形成する。反射率のピーク波長
は1.3μｍとする。この様子は、第１図（ｂ），（ｃ）
で示されている。第１図（ｂ）は、第２図（ｃ）に示す
Ｉ−Ｉ′の位置に対応した位置での断面図である。第１
図（ｂ）は素子の完成図を示すものであるが前述の工程
による作製結果については、中央上部を詳細に見ること
により説明される。

このようにして、直径20μｍφの垂直共振器２が形成
できる。この垂直共振器２は、共振器内部に多重量子井
戸層よりなる吸収層12を有しており、強い光注入により
吸収飽和を容易に引き起すことができる。同時にこの吸
収層12を共有し、垂直共振器２と直角交叉せる光導波路
１により効率的に吸収率を制御する制御光注入ができる
構造となっている。さらにこの垂直共振器の中心部分を
第１図（ｂ）に示すように、直径15μｍφの亜鉛拡散を
行う。これによりｐ型拡散層23が形成される。

次に、ｐ電極13,14、ｎ電極８を形成し、チップ状に
劈開すれば、本発明による光半導体装置の作製が完了す
る。但し、垂直共振器部分のｐ電極24は、図に示すよう
に直径15μｍの亜鉛拡散領域23に一致させ、透明電極に
より形成する。なお、ｎ電極は、平行光導波路用のもの
と共用とする。

次に、素子の特性および光変調スイッチング動作につ
いて述べる。基板に平行な光導波路はその両端面91,92
は劈開で作製され、反射率が約0.3の平行反射鏡を有し
て共振器を構成しているので電流励起によりレーザ発振
する。この場合第１図（ｂ）の左右両方のｐ電極13,14
を結線しておく。しきい値電流を約100mA、また、垂直
共振器２のｐおよびｎ電極24,8の間に逆バイアス電圧Ｖ
を印加して、波長1.3μｍの光の透過率の変化をみる
と、印加しない時（Ｖ＝０）に対する透過光の強度はＶ
＝−20Vで〜1/5である。このような静特性の素子に第１
図（ｂ）に示すようにシングルモードファイバを用い
て、第１図（ｂ）に示すように素子上面の透明電極24を
通して垂直共振器２に波長1.3μｍの光Pinを注入する
と、基板に平行な光導波路１によるレーザへの電流I₁に
対する透過出力Poutは第３図のようになる。Poutは、し
きい値電流（I_1th＝100mA）以上で徐々に増加し、吸収
層の吸収が飽和すると急激に増加し、その後はほぼ一定
である。この時電圧は2V以下と低く、従来例のような高
い電圧を印加しなくても光のスイッチングが可能であ
る。また、基板に平行な光導波路よりなるレーザのスイ
ッチングは、通常の半導体レーザと同様の速度であり、
〜200psecであり、透過光のスイッチング速度も、これ
によって決っており、同じ速度で行われることが確認で
きる。ここで、垂直共振器部分の多重量子井戸層の層数
を平行な光導波路のそれの倍にした理由は、垂直共振器
モードの光が、平行な光導波路へもれにくくするため、
有効屈折率を大きくする目的のためである。

実施例（２）本発明による第２の実施例を第４図により説明する。
実施例（１）で示したチップをそのまま用いる。即ち実
施例（１）で作製したチップの基板に平行な光導波路の
劈開による両端面（第１図（ｂ）に示す91,92）にSiO₂
膜93をコートし、然る後にその上から金を蒸着により〜
3000A程度付着する94。但し、チップの電極13,14に接触
しない様にする。このようにした素子の断面図を第４図
（ａ）に示す。勿論、金の蒸着の方法では電極のショー
トが発生しやすいので、Si/SiO₂等の多層膜により高反
射率を実現できる。層数を増やして制御性よく形成する
ことで反射率を98％以上できる。この場合この平行な光
導波路よりなるレーザの発振光は外部に取出すことは出
来ないが、垂直共振器内の吸収層へ光注入は非常に効率
よく行われる。

レーザへの注入電流I₁に対する垂直共振器の透過出力
特性は第４図（ｂ）の通りである。これから基板に平行
な光導波路よりなるレーザのしきい値は〜70mAであるこ
とが分る。このレーザの出力は取れないためモニター出
来ないが、実施例（１）より、２倍以上の効率向上があ
ることが分る。

実施例（３）本発明による第３の実施例を第５図で説明する。

実施例（１）で示したチップをそのまま用いる。即ち
実施例（１）で作製したチップの基板に平行な光導波路
の劈開による２つの端面の一方には、実施例（２）と同
様の方法で反射率100％の鏡面を作製する。端面のもう
一方は、Si/SiO₂多層膜95をコートする方法で反射率を
〜５％にする。作製した素子の断面図を第５図（ａ）に
示す。このように作製した基板に平行な光導波路による
共振器のレーザ発振のしきい値電流は〜100mAである。

この素子の動作特性を第５図（ｂ）に示す。実施例
（１），（２）では、電流即ち電気制御により光スイッ
チングの動作であったが、ここでは、光制御による光ス
イッチングが実現できる。（ｂ）は、バイアス電流とし
てしきい値より若干低い電流を通電しておき、図（ａ）
に示すように低反射率端面側から光を注入し、透過光出
力の変化を測定すると（ｂ）のようになる。この（ｂ）
は平行光導波路への光入力依存性を示す。これにより光
制御による光スイッチングが容易に行われることが分
る。また、応答速度も〜200psecと十分に速い。この実
施例では、光を注入する側の基板に平行な光導波路の端
面の反射率を多層膜のコーティングにより低下させ入射
効率の向上をはかったが、特にコーティングせずに、劈
開面のままでも光制御による光スイッチングが可能であ
る。

実施例（４）本発明による第４の実施例を第６図により説明する。
第６図の（ａ）で示す様に、素子は、基板に平行な光導
波路１に対する垂直共振器の位置が、実施例（１）の場
合と異なり、中心よりずらして作製する。この点以外は
全く実施例（１）と同様である。垂直共振器２の位置
は、平行光導波路１の片方１−１が130μｍ、他方１−
２が50μｍとなるように定める。交叉部分である垂直共
振器内の吸収層12を含めると平行光導波路即ち共振器を
構成した場合の共振器長は、実施例（１）の場合と同様
200μｍである。平行光導波路のうち50μｍの方には電
流を印加せず、130μｍの方１−１のみに電流を通電し
ていくと、多重量子井戸層が可飽和吸収現像を示す吸収
層として作用するため電流−光出力特性にヒステレシス
現像が生ずる。垂直共振器２へ入射する入力光が余り強
くなり場合、入力光自身による吸収飽和が生じないた
め、前述の電流−光出力特性に対応して、垂直共振器内
の吸収層へ制御光が注入されることになり、第６図
（ｂ）に示すような、透過光出力特性が得られる。

図より、明らかなように、制御電流に対する透過出力
が実施例（１）〜（３）の場合と異なり、明白なしきい
値特性、さらに光双安定現象を示す。このことは、光論
理演算へ適用する場合、特性上大きな向上が見られ、さ
らに、光メモリへの適用も可能であることは明白であ
る。

また、この実施例の場合では、電流制御の場合のみ示
したが、しきい値直前あるいは光双安定状態の中心の電
流値に電流をバイアスして、平行光導波路に制御光を注
入することで、透過光を制御することが可能である。

また、全ての実施例で、垂直共振器上の電極に通電し
た結果について省略したが、適当な逆バイアスを印加す
ることにより、特性が改善される。

実施例ではInGaAsP/InP系材料による説明を述べた
が、他のAlGaAs/GaAs系等他の半導体レーザ材料を用い
ても同様の効果を生ずることは明白である。

発明の効果光変調および光スイッチ等の光情報処理を行う素子に
対して、電気制御の場合従来技術の如く高いバイアス電
圧の印加が不要となるばかりではなく、高速応答を可能
にする効果がある。さらに、第３の実施例でも見られる
ように従来技術では困難であった光制御による変調、ス
イッチングをも容易に可能とし、かつ、制御光が信号、
出力光に混入しない等集積化にとって重要な利点を生ず
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の光半導体装置の平面
図、同図（ｂ），（ｃ）は同図（ａ）のＩ−Ｉ′,II−I
I′断面図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は第１図の
装置の作製工程図、第３図は第１図の装置の垂直共振器
の透過光出力の平行光導波路によるレーザの駆動電流I₁
に対する依存性を示す図、第４図、第５図、第６図
（ａ）は本発明の第２〜第４の実施例の光半導体装置の
断面図、第６図（ｂ）は同図（ａ）の装置の透過光出力
の平行光導波路によるレーザの駆動電流依存性を示す
図、第７図は従来の装置の断面図である。１……基板に平行な光導波路、２……垂直共振器、３…
…ｎ型InP基板、４……ｎ型InGaAsP（λｇ〜1.1μｍ）
エッチングストップ層、５……ｎ型InP層、６……ｐ型I
nP層、７……ｐ型InGaAsP（λｇ〜1.1μｍ）キャップ
層、８……ｎ電極、11……平行光導波路用InGaAsP/InP
多重量子井戸層、12……垂直共振器内InGaAsP/InP多重
量子井戸・吸収層、13,14……ｐ電極、20……アンドー
プInP層、21……InGaAsP/InP多層膜反射面、22……誘導
体多層膜反射面、23……亜鉛拡散層、24……透明ｐ電
極、51……ｎ型InP層、61……ｐ型InP層、91,92……劈
開端面、93……SiO₂絶縁膜、94……全反射膜、95……Si
O₂/Si多層膜・低反射面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/35 G02F 1/015

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】化合物半導体基板主面と平行な方向に一対
の平行反射鏡を有し、前記の一対の反射鏡の間に光吸収
層を有する構造よりなる前記基板主面に対して垂直方向
に形成された垂直光共振器と、前記光吸収層の少なくと
も一部を共有し前記光共振器と交合せる前記基板主面に
平行な共振器構造を有する光導波路とを具備し、前記光
共振器を透過せる光を前記光導波路中を伝播せる光によ
り制御可能にしたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】垂直光共振器を構成せる一対の平行反射鏡
の反射率が共に90％以上であることを特徴とした請求項
１記載の光半導体装置。
【請求項３】垂直光共振器と基板主面に平行な光導波路
が共有せる部分の光吸収層の有効屈折率が、前記光導波
路の前記共有せる部分以外の部分の有効屈折率より大き
いことを特徴とした請求項１記載の光半導体装置。
【請求項４】基板主面に平行な光導波路の少なくとも一
部へ電流注入が可能な構造を有し、前記光導波路の少な
くとも一部が利得するものであり、かつ前記光導波路の
両端面に反射率が98％以上の一対の平行反射鏡を形成し
て前記基板主面に対し平行な方向に形成された平行光共
振器を構造体として有することを特徴とした請求項１記
載の光半導体装置。
【請求項５】基板主面に平行な光導波路の両端面のうち
一方の端面に反射率98％以上の反射鏡を形成し、他方の
端面に対しては劈開によって得られる反射鏡もしくは前
記反射鏡の反射率の値より小さい反射率を有する反射鏡
を形成して前記基板主面に対して平行な方向に形成され
た平行光共振器を構造体として有することを特徴とした
請求項１記載の光半導体装置。
【請求項６】基板主面に対して平行な光導波路の一部を
利得を有する活性層として、また他の一部を吸収層とし
て用いることを特徴とする請求項１記載の光半導体装
置。