JP2842387B2 - 半導体光集積素子の製造方法 - Google Patents

半導体光集積素子の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光情報処
理などに用いられる、半導体レーザーや光導波路などを
集積した半導体光集積素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信や光情報処理に用いられる光半導
体デバイスには、よりいっそうの高性能化高機能化が要
求されるようになってきている。そのためには、半導体
レーザやフォトダイオードなどの素子単体の高性能化・
高機能化はもとより、それらの素子を組み合わせて集積
化を行っていくことが重要である。各種素子を集積化し
て半導体光集積素子(PIC;フォトニック・インテグ
レーテッド・サーキット)を作製するにあたっては、各
素子をいかに半導体基板上に配置していくか、またいか
に設計通りの構造に作製するかが重要である。
【0003】PICの従来例として、半導体レーザ(L
D)2素子と合波器,光導波路を集積した構造を図6に
示す。図6(a)はPICの概略を示す平面図、図6
(b)はPICの構造を示す斜視図である。活性層3は
レーザ領域のみに存在し、ガイド層10はレーザ領域と
導波路領域全体にわたって存在する。例として活性層3
に波長1.55μm 組成のInGaAsPを用いた場
合、ガイド層10には波長1.3μm 組成のInGaA
sPを用いている。電流をレーザ領域のみに流し、2つ
のレーザ素子間の電気的絶縁をとるために、高抵抗In
P13で埋め込まれた高抵抗埋め込み構造とし、メサエ
ッチングを用いている。
【0004】このPICの作製工程を述べる。結晶成長
には有機金属気相成長法(MOVPE)を用いるのが一
般的である。まず、n−InP基板1の上に、n−In
GaAsPガイド層10、InGaAsP活性層3、p
−InPクラッド層4を成長した後、SiO2 膜を選択
マスクとして導波路領域のp−InPクラッド層4、I
nGaAsP活性層3を除去し、InGaAsPガイド
層およびp−InPクラッド層(図中には示されていな
い)を埋め込み成長する。次に、SiO2 膜をマスクと
してメサエッチングし、Feドープ高抵抗InP層13
を埋め込み成長する。SiO2 膜を除去した後、さら
に、前面にp−InPクラッド層5およびP+ −InG
aAsキャップ層7を成長する。レーザ領域と導波路領
域の間、および二つのレーザ素子の間に絶縁用の溝をエ
ッチングにより形成してから、全面にSiO2 膜21を
堆積し、レーザ部の上部を窓開けしてp側のパッド電極
32を、また基板側にn側電極33を形成して完成す
る。この例では、二つのレーザ素子の発振波長の制御は
できないが、分布帰還型(DFB)溝にすれば、グレー
ティングのピッチを変えたり、多電極構造にするなどし
て多波長光源とすることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このような、PICの
作製には、導波路を形成する層構造を精密に制御するこ
とが重要である。層厚はMOVPEなどの気相成長法を
用いれば充分に制御が可能であるが、導波路幅は従来、
SiO2 などをマスクとして用いたメサエッチングによ
り制御しており、サイドエッチングなどにより充分な制
御性が得られないなどの問題があった。
【0006】またレーザ領域の活性層と導波路領域のガ
イド層を形成するために、活性層を全面に成長してか
ら、導波路領域の活性層を選択エッチングして除去し、
ガイド層を埋め込み成長していた。活性層とガイド層は
光学的に結合し、接合部分での散乱が少ない構造にする
必要があり、埋め込み成長によりそのような構造を作製
するのは困難であった。
【0007】
【0008】
【課題を解決するための手段】 上記の課題を解決するた
めの半導体光集積素子の製造方法は、 レーザ領域と変調
器領域を有する半導体光集積素子の製造方法において、
2本の平行なストライプ状誘電体薄膜を、結晶成長領域
が光導波構造幅で一定の幅のストライプ状開口部となる
ようにし、かつストライプ方向の幅が前記レーザ領域よ
りも前記変調器領域の方が狭くなるように半導体表面に
形成する工程と、前記誘電体薄膜をマスクとして、MO
VPE成長により前記結晶成長領域に量子井戸構造を含
む半導体層を選択的に結晶成長する工程とを含むことを
特徴とする。
【0009】(作用)本発明の根本をなす平坦基板上の
選択成長の様子を図1に示す。図1(a)に示すよう
に、(100)方位半導体基板1上に選択成長用薄膜2
1を形成し、〈011〉および〈0−11〉方向のスト
ライプ状に薄膜21を選択的に除去し、MOVPEによ
ってDH構造を成長すると、図1(b)に示したように
成長層の側面は〈0−11〉ストライプに沿っては(1
11)A面が、また〈011〉方向に沿っては(11
1)B面が形成される。また各成長層の表面は(10
0)面を形成しており、界面も非常にフラットである。
混晶の組成も、薄膜のストライプ幅が極端に広くなけれ
ば面内で均一であり、光半導体素子やPICの活性層や
導波路層に充分適用できる。また側面は(111)面と
なるため、薄膜21のパターニングが精密であれば、成
長層幅の制御性も非常によくなるという特徴がある。
【0010】また、この選択成長では、薄膜のストライ
プ幅を変えることによって、成長層厚を変化させること
ができる。
【0011】図4にストライプ幅と成長速度の関係を測
定した結果の一例を示す。ストライプ幅が広いほど成長
速度は高くなる。これは、薄膜上からマイグレーション
して半導体表面に到達する成長種の量が増加するためで
ある。このことから、選択成長層の層厚を制御すること
が可能になる。量子井戸構造を選択成長して、ウェル層
厚を変えれば、量子井戸構造の等価屈折率や発光エネル
ギーを局所的に変えることが可能になり、PIC作製の
自由度が増す。
【0012】
【発明の実施の形態】第1の実施例として、多重量子井
戸(MQW)構造の活性層を有する分布帰還型(DF
B)半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器をモノリ
シックに集積したPICへ応用した結果について述べ
る。このPICは半導体レーザからの発生した光を変調
器で発振変調し、変調器側面から出射するもので、従来
の半導体レーザを直接変調した場合と比べて、高速変調
時のスペクトル広がり(チャーピング)が狭いという特
長があり、次世代光通信用デバイスとして研究開発が行
われている。
【0013】従来のレーザ領域の活性層(波長1.55
μm 組成)を全面に成長してから、変調器領域の活性層
を選択エッチングして除去し、吸収層(波長約1.4μ
m 組成)を選択成長していた。活性層と吸収層は光学的
に結合し、接合部での散乱が少ない構造にする必要があ
り、選択成長によりそのような構造を作製するのは困難
であった。
【0014】一方、本発明を用いれば、SiO2 膜の幅
を変えることにより、選択成長したMQW構造の層厚を
変えることができるので、活性層、吸収層を同時に成長
することが可能となり、成長回数が減るばかりか、結合
効率の高い接合を得ることができる。
【0015】図5はMQWのウェル層をInGaAs、
バリア層をInGaAsPとした時の、ウェル層厚とM
QWの発光波長の関係を計算した結果である。バリアの
InGaAsPを波長1.3μm 組成と1.15μm 組
成にした場合について示してある。この図により、バリ
アを1.15μm 組成にした場合、ウェル厚約80オン
グストロームで波長1.55μm 、約30オングストロ
ームで1.4μm となることがわかる。この計算結果と
図4のSiO2 ストライプ幅と成長速度の関係より、レ
ーザ領域はストライプ幅20μm 、変調器領域はストラ
イプ幅2μm とした。
【0016】図2(a)はMQW構造を選択成長した状
態を示している。グレーティングはn−InP基板1の
レーザ領域のみに形成し、その上にn−InGaAsP
ガイド層10(波長1.3μm 組成、キャリア濃度1×
1018cm-3、層厚1000オングストローム)、MQW
活性層兼吸収層11、p−InPクラッド層4(キャリ
ア濃度5×1017cm-3、層厚500オングストローム)
を選択成長した。MQWはウェル数4で層厚はレーザ領
域がInGaAsウェル厚78オングストローム、1.
15μm 組成InGaAsPバリア厚150オングスト
ロームであり、変調器領域がウェル厚34オングストロ
ーム、バリア厚66オングストロームであった。また活
性層幅は2.0μm であった。変調器側端面の反射率を
抑制するために端面に未成長領域を設けたウインドウ構
造とした。続いて全面にp−InP層5(キャリア濃度
5×1017cm-3、層厚0.5μm )を成長し、さらにS
iO2 膜をレーザ共振器方向には幅10μm 、間隔30
μm のダブルストライプ状に、またレーザと変調器の境
界には幅10μm ノシングルストライプ状にパターニン
グして、p−InP層(キャリア濃度1×1018cm-3
層厚1.0μm )およびP+ −InGaAsキャップ層7
(層厚0.3μm 、キャリア濃度1×1019cm-3)を選
択成長して活性層・吸収層への電流・電界の狭窄、およ
びレーザ領域と変調器領域の電気的絶縁を図った。最後
に再びSiO2 膜21を形成して活性層、吸収層の上部
に窓開けして、p側電極32をパッド状に形成し、基板
1側にもn側電極33を形成した。完成図が図2(b)
である。へき開したレーザ領域長は400μm 、変調器
領域長は200μm とした。また、レーザ側端面には反
射率80%の高反射コーティングを施した。
【0017】典型的な素子の発振しきい値電流は18m
Aで、最大CW光出力は25mWであった。発振波長は
1.545μm であり、変調領域に−5V印加したとき
の消光比は25dBであった。
【0018】また、消光特性から見積もった結合効率は
95%と高い値が得られた。このように、本発明の選択
成長により活性層と吸収層を同時に成長する技術によ
り、良好な結合導波路構造が容易に作製できることが確
認された。
【0019】次に、第2の実施例として、図6に示した
2波長半導体レーザアレイと光導波路を集積したPIC
を本発明の選択成長を用いて作製した結果について図3
を参照しながら述べる。図3(a)は、はじめにDH構
造を選択成長した際のSiO2 膜21のパターンであ
る。各領域ともSiO2 ストライプに囲まれた成長領域
の幅は2μm であり、SiO2 ストライプ幅は一方のレ
ーザ領域で15μm 、もう一方のレーザ領域と導波路領
域は5μm とした。図3(c),(d)は完成した素子
の断面図である(切断方向は図3(a)に示してあ
る)。まずn−InP基板1の上に、n−InGaAs
Pガイド層10(波長1.3μm 組成、キャリア濃度1
×1018cm-3、層厚約1000オングストローム)、n
−InPエッチングストップ層12(キャリア濃度1×
1018cm-3、層厚約400オングストローム)、MQW
活性層11、p−InPクラッド層4(キャリア濃度5
×1017cm-3、層厚約500オングストローム)を成長
した。MQWはウェル数4で、層厚は一方のレーザ領域
がInGaAsウェル層70オングストローム、InG
aAsP(波長1.3μm 組成)バリア厚150オング
ストロームであり、もう一方のレーザ領域がウェル厚5
0オングストローム、バリア厚110オングストローム
であった。次に図3(b)に示すようにSiO2 膜をパ
ターニングし、レーザ領域以外のp−InPクラッド層
4およびMQW活性層11、n−InPエッチングスト
ップ層12を選択エッチングし、ノンドープInGaA
sP導波路層14(波長1.3μm 組成、層厚1500
オングストローム)を埋め込み成長した。
【0020】次に、図3(c),(d)に示すように、
p−InP層5(キャリア濃度1×1017cm-3、層厚
0.5μm )、p−InP層(キャリア濃度1×1018
cm-3、層厚10μm )、およびP+ −InGaAsキャ
ップ層7(層厚0.3μm 、キャリア濃度1×1019cm
-3)を選択成長した後、SiO2 膜21の窓開けしたレ
ーザ活性層の上面にp側パッド電極32を、基板側にn
側電極33を形成した。レーザ共振器長300μm 、レ
ーザ間隔は50μm 、導波路長は250μm とし、出射
端面はウィンドウ構造とした。
【0021】このツインレーザの典型的な発振しきい値
電流は15mAで、発振波長は1.552μm と1.5
28μm であった。導波路端面からの最大光出力は20
mAであった。このように、ストライプ幅を変えること
にMQWレーザの発振波長を変えることができ、こうし
た技術はさまざまな集積光デバイスへの応用が可能あ
る。
【0022】なお実施例では導波路領域のMQW活性層
11をエッチングした後導波路層14を埋め込み成長す
る工程を用いたが、SiO2 ストライプの幅などの成長
条件を変えることによって、第1の実施例のように選択
成長で一括形成することは可能である。
【0023】なお、上記各実施例においては、選択成長
用マスクとなる誘電体膜にSiO2膜を用いたが、Si
3 4 膜等他の誘電体膜でもよい。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の作製方法を
用いれば、メサエッチングが不要となり、均一な活性
層、導波路幅が制御よく作製できる。それだけでなく、
マスク幅を変えることにより成長層厚を変えることがで
き、MQW構造の発光波長や実効屈折率を変えることが
可能である。これらの技術を用いることにより、従来複
雑なプロセスを必要としていた各種半導体光集積素子
(PIC)を比較的容易に、また制御性よく作製するこ
とが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の概念を表す構造図である。
【図2】本発明を用いて作製したDFB半導体レーザと
半導体光変調器とを集積したPICの作製方法と素子構
造を表す図である。
【図3】本発明を用いて作製した2波長半導体レーザと
光導波路との集積素子の作製方法と素子構造を表す図で
ある。
【図4】ストライプ幅と成長速度の関係を表す図であ
る。
【図5】MQW構造のウェル厚と発光波長の関係を表す
図である。
【図6】図3と同じ2波長半導体レーザと光導波路の集
積素子の従来の作製方法による構造を表す図である。
【符号の説明】
1 n−InP基板 3 InGaAsP活性層 4 p−InPクラッド層 5 p−InPクラッド層 6 p−InP層 7 P+ −InGaAsキャップ層 10 n−InGaAsガイド層 11 MQW活性層 12 n−InPエッチングストップ層 13 高抵抗InP埋め込み層 14 InGaAsP導波路層 21 SiO2 膜 32 p側電極 33 n側電極

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ領域と変調器領域を有する半導体
    光集積素子の製造方法において、2本の平行なストライ
    プ状誘電体薄膜を、結晶成長領域が光導波構造幅で一定
    の幅のストライプ状開口部となるようにし、かつストラ
    イプ方向の幅が前記レーザ領域よりも前記変調器領域の
    方が狭くなるように半導体表面に形成する工程と、前記
    誘電体薄膜をマスクとして、MOVPE成長により前記
    結晶成長領域に量子井戸構造を含む半導体層を選択的に
    結晶成長する工程とを含むことを特徴とする半導体光集
    積素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 グレーティングが形成されたレーザ領域
    と変調器領域とを有する半導体光集積素子の製造方法に
    おいて、2本の平行なストライプ状誘電体薄膜を、結晶
    成長領域が光導波構造幅で一定の幅のストライプ状開口
    部となるようにし、かつストライプ方向の幅が前記レー
    ザ領域よりも前記変調器領域の方が狭くなるように半導
    体表面に形成する工程と、前記誘電体薄膜をマスクとし
    て、MOVPE成長により前記結晶成長領域に量子井戸
    構造を含む半導体層を選択的に結晶成長する工程とを含
    むことを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 互いに発振波長の異なるレーザ領域を有
    する半導体光集積素子の製造方法において、2本の平行
    なストライプ状誘電体薄膜を、結晶成長領域が光導波構
    造幅で一定の幅のストライプ状開口部となるようにし、
    かつ一のレーザ領域は他のレーザ領域とストライプの幅
    が異なるように半導体表面に形成する工程と、前記誘電
    体薄膜をマスクとして、MOVPE成長により前記結晶
    成長領域に量子井戸構造を含む半導体層を選択的に結晶
    成長する工程とを含むことを特徴とする半導体光集積素
    子の製造方法。
  4. 【請求項4】 互いに発振波長の異なるレーザ領域と導
    波路領域とを有する半導体光集積素子の製造方法におい
    て、2本の平行なストライプ状誘電体薄膜を、結晶成長
    領域が光導波構造幅で一定の幅のストライプ状開口部と
    なるようにし、かつ一のレーザ領域は他のレーザ領域と
    ストライプの幅が異なるように半導体表面に形成する工
    程と、前記誘電体薄膜をマスクとして、MOVPE成長
    により前記結晶成長領域に量子井戸構造を含む半導体層
    を選択的に結晶成長する工程とを含むことを特徴とする
    半導体光集積素子の製造方法。
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