JP2876839B2 - 光半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、エピタキシャル成長
により形成したリッヂを有する光半導体素子の製造方法
に関し、特に、信号光を電気変換することなく増幅する
光半導体素子（ＬＤアンプ）の製造方法に関する。
により形成したリッヂを有する光半導体素子の製造方法
に関し、特に、信号光を電気変換することなく増幅する
光半導体素子（ＬＤアンプ）の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光増幅器としては、希土類（Ｅｒ，Ｎｄ
等）添加の光ファイバ増幅器、半導体レーザ増幅器（以
下ＬＤアンプと略する）が光通信用として期待されてい
るが、ＬＤアンプは、特に、軽小、集積可能であり、か
つ、光通信用のどの波長にも対応できる点で注目され、
以下のような文献１〜５の技術報告がある。 １）車他 電子情報通信学会技術研究報告ＯＱＥ８９−
１７（１９８９）４９頁 Electron Letters Vol.25(1989) No.18pp1241 ２）曲他 １９９０年電子情報通信学会秋季全国大会講
演論文集４−１６６ １９９１年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集４
−１９１ ３）M.S.Lin et.al. IEEE Journal of Quantum Electr
onics Vol.26 (1990) pp1772 ４）S.Cole et.al. Electron Letters Vol.25 (1989)
pp314 ５）N.A.Olsson Electron Letters Vol.25 (1989) pp1
050
等）添加の光ファイバ増幅器、半導体レーザ増幅器（以
下ＬＤアンプと略する）が光通信用として期待されてい
るが、ＬＤアンプは、特に、軽小、集積可能であり、か
つ、光通信用のどの波長にも対応できる点で注目され、
以下のような文献１〜５の技術報告がある。 １）車他 電子情報通信学会技術研究報告ＯＱＥ８９−
１７（１９８９）４９頁 Electron Letters Vol.25(1989) No.18pp1241 ２）曲他 １９９０年電子情報通信学会秋季全国大会講
演論文集４−１６６ １９９１年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集４
−１９１ ３）M.S.Lin et.al. IEEE Journal of Quantum Electr
onics Vol.26 (1990) pp1772 ４）S.Cole et.al. Electron Letters Vol.25 (1989)
pp314 ５）N.A.Olsson Electron Letters Vol.25 (1989) pp1
050
【０００３】ＬＤアンプの実用化にあたっては、利得値
の向上、利得値の入射光の偏光による依存性（偏光依存
性、ＴＥ−ＴＭ間利得差）の減少、及び利得値の入射光
の波長による振動（リップル）の減少が図られている。
文献２，３では、偏光依存性をほぼ解消し、かつ十分な
内部利得値（〜２５ｄＢ）を得ている。また、文献１で
は、リップルの振動をほぼ解消している。
の向上、利得値の入射光の偏光による依存性（偏光依存
性、ＴＥ−ＴＭ間利得差）の減少、及び利得値の入射光
の波長による振動（リップル）の減少が図られている。
文献２，３では、偏光依存性をほぼ解消し、かつ十分な
内部利得値（〜２５ｄＢ）を得ている。また、文献１で
は、リップルの振動をほぼ解消している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ＬＤアンプにおける利
得値の偏光依存性は、歪量子井戸構造の採用（文献
２）、幅の狭い（〜４０００Å以下）埋め込みダブル・
ヘテロ活性層を有する構造の採用（文献３）、厚い埋め
込みダブル・ヘテロ活性層を有する構造の採用（文献
４）により、減少された。しかし、文献２の歪量子井戸
構造を用いたＬＤアンプの製造には、工程が多くかか
り、より簡易に製造できる方法が望まれる。
得値の偏光依存性は、歪量子井戸構造の採用（文献
２）、幅の狭い（〜４０００Å以下）埋め込みダブル・
ヘテロ活性層を有する構造の採用（文献３）、厚い埋め
込みダブル・ヘテロ活性層を有する構造の採用（文献
４）により、減少された。しかし、文献２の歪量子井戸
構造を用いたＬＤアンプの製造には、工程が多くかか
り、より簡易に製造できる方法が望まれる。
【０００５】文献３の幅の狭い活性層を有するＬＤアン
プは、製造工程に困難があり、再現性よく形成すること
が難しい。その文献では、エッチング工程により、幅の
狭いダブル・ヘテロ活性層を含む化合物半導体のメサス
トライプを切り出す。この際、レジストを幅（〜４００
０Å以下）にパターニングするが、これは大変困難であ
る。また、この幅の化合物半導体のメサストライプを、
通常のウェットエッチング工程により、再現性よく切り
出すことは、さらに難しい。
プは、製造工程に困難があり、再現性よく形成すること
が難しい。その文献では、エッチング工程により、幅の
狭いダブル・ヘテロ活性層を含む化合物半導体のメサス
トライプを切り出す。この際、レジストを幅（〜４００
０Å以下）にパターニングするが、これは大変困難であ
る。また、この幅の化合物半導体のメサストライプを、
通常のウェットエッチング工程により、再現性よく切り
出すことは、さらに難しい。
【０００６】文献４の厚い活性層を有するＬＤアンプで
は、ＬＤアンプ駆動時において、活性層における注入キ
ャリア密度が低下するので、利得値の減少が避けられな
い。
は、ＬＤアンプ駆動時において、活性層における注入キ
ャリア密度が低下するので、利得値の減少が避けられな
い。
【０００７】以上のようなわけで、従来、偏光依存性が
小さく、かつ、十分な利得（〜２０ｄＢ以上）の得られ
るＬＤアンプを、容易に製造することができなかった。
小さく、かつ、十分な利得（〜２０ｄＢ以上）の得られ
るＬＤアンプを、容易に製造することができなかった。
【０００８】また、ＬＤアンプ特性上の課題として、利
得に生じるリップルが挙げられる。これは、アンプ内の
導波路を進行する信号光が、ＬＤアンプ素子端面におい
て反射することに起因している。
得に生じるリップルが挙げられる。これは、アンプ内の
導波路を進行する信号光が、ＬＤアンプ素子端面におい
て反射することに起因している。
【０００９】本発明は、偏光依存性およびリップルを解
消し、かつ十分な利得が得られる光半導体素子の製造方
法の提供を目的としている。
消し、かつ十分な利得が得られる光半導体素子の製造方
法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、半導体基板上に、ストライプ状の空隙
または間隔を有するマスクを形成する工程と、該半導体
基板の露出した空隙部のみに、活性層を含む半導体のリ
ッヂをエピタキシャル成長する工程と、該リッヂを覆っ
て半導体クラッド層をエピタキシャル成長する工程とを
少なくとも有する光半導体素子の製造方法であって、該
活性層の幅を該活性層の層厚の２倍以内にすることを特
徴とする光半導体素子の製造方法を提供する。
め、本発明では、半導体基板上に、ストライプ状の空隙
または間隔を有するマスクを形成する工程と、該半導体
基板の露出した空隙部のみに、活性層を含む半導体のリ
ッヂをエピタキシャル成長する工程と、該リッヂを覆っ
て半導体クラッド層をエピタキシャル成長する工程とを
少なくとも有する光半導体素子の製造方法であって、該
活性層の幅を該活性層の層厚の２倍以内にすることを特
徴とする光半導体素子の製造方法を提供する。
【００１１】また、上記製造方法において、２本以上の
ストライプ状の該空隙部を直列に形成し、２本の該空隙
部の間の領域には、活性層が途切れる窓構造を形成する
ことにより、一層よく上記課題を解決する。
ストライプ状の該空隙部を直列に形成し、２本の該空隙
部の間の領域には、活性層が途切れる窓構造を形成する
ことにより、一層よく上記課題を解決する。
【００１２】
【作用】バルク活性層を有するＬＤアンプの利得の偏光
依存性は、光増幅を行う領域（活性層）内に光（進行
波）が閉じ込められる割合（光の閉じ込め率）が、偏光
依存性を持つことに起因している。通常、埋め込みダブ
ル・ヘテロ型ＬＤアンプにおいて、積層方向の閉じ込め
率は、ＴＥ光の方が大きい。これは、スラブ型導波路に
おいて、光が活性層の外に浸み出て進行する割合に関
し、ＴＭ光の方がＴＥ光よりも大きいという事情によ
る。同様の事情で、ＬＤ横手方向（ダブル・ヘテロ活性
層幅方向）に関しては、逆にＴＭ光の浸みだしの方がＴ
Ｅ光のそれよりも小さく、積層方向にＴＭ光の閉じ込め
率が小さいところを補償する。総合した光増幅を行う領
域への光閉じ込め率の偏光依存性に関しては、積層方向
の閉じ込め率による影響が支配的であるため、ＴＥ光に
対するほうが大きくなる。このため、利得はＴＥ光の方
が大きくなる。
依存性は、光増幅を行う領域（活性層）内に光（進行
波）が閉じ込められる割合（光の閉じ込め率）が、偏光
依存性を持つことに起因している。通常、埋め込みダブ
ル・ヘテロ型ＬＤアンプにおいて、積層方向の閉じ込め
率は、ＴＥ光の方が大きい。これは、スラブ型導波路に
おいて、光が活性層の外に浸み出て進行する割合に関
し、ＴＭ光の方がＴＥ光よりも大きいという事情によ
る。同様の事情で、ＬＤ横手方向（ダブル・ヘテロ活性
層幅方向）に関しては、逆にＴＭ光の浸みだしの方がＴ
Ｅ光のそれよりも小さく、積層方向にＴＭ光の閉じ込め
率が小さいところを補償する。総合した光増幅を行う領
域への光閉じ込め率の偏光依存性に関しては、積層方向
の閉じ込め率による影響が支配的であるため、ＴＥ光に
対するほうが大きくなる。このため、利得はＴＥ光の方
が大きくなる。
【００１３】上記の利得の偏光依存性を解消するには、
活性層の幅を活性層の厚み程度にまで狭くし、すなわ
ち、活性層の幅を活性層の層厚の２倍以内にすることに
より、活性層の断面形状を対象形に近づけ、活性層内へ
の光の閉じ込め率の偏光依存性を減少させればよい。本
発明によれば、上記断面形状の活性層を製造工程上も問
題なく形成することができる。
活性層の幅を活性層の厚み程度にまで狭くし、すなわ
ち、活性層の幅を活性層の層厚の２倍以内にすることに
より、活性層の断面形状を対象形に近づけ、活性層内へ
の光の閉じ込め率の偏光依存性を減少させればよい。本
発明によれば、上記断面形状の活性層を製造工程上も問
題なく形成することができる。
【００１４】本発明により、活性層を有するリッヂをエ
ピタキシャル成長する場合、エピタキシャル成長の特性
から、リッヂ上部に行くに従いリッヂ幅が狭くなるよう
に、リッヂを形成することができる。図１に示すよう
に、〔１００〕面の露出した化合物半導体基板上に、
〔０１１〕方向にストライプ状の空隙または間隔を有す
るマスクを形成し、リッヂをエピタキシャル成長すれ
ば、〔１１１〕面の側面を有するリッヂが５５°方向に
形成される。この特性を利用すれば、成長条件を制御す
ることにより、任意の高さのところに、任意の（狭い）
幅の活性層を容易に形成することができる。
ピタキシャル成長する場合、エピタキシャル成長の特性
から、リッヂ上部に行くに従いリッヂ幅が狭くなるよう
に、リッヂを形成することができる。図１に示すよう
に、〔１００〕面の露出した化合物半導体基板上に、
〔０１１〕方向にストライプ状の空隙または間隔を有す
るマスクを形成し、リッヂをエピタキシャル成長すれ
ば、〔１１１〕面の側面を有するリッヂが５５°方向に
形成される。この特性を利用すれば、成長条件を制御す
ることにより、任意の高さのところに、任意の（狭い）
幅の活性層を容易に形成することができる。
【００１５】利得のリップルは、素子端面で進行波が反
射することに起因している。素子端面での反射を解消す
るには、素子端部に、導波路である活性層が途切れる窓
構造を設けることが有効である。
射することに起因している。素子端面での反射を解消す
るには、素子端部に、導波路である活性層が途切れる窓
構造を設けることが有効である。
【００１６】
【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図２は本発明の一実施例の方法により製造したＬ
Ｄアンプを示す斜視図である。図３は図２Ａ−Ａ′線に
沿って基板１の表面に垂直な平面で切断して得られるそ
のＬＤアンプの断面図である。このＬＤアンプは以下の
手順で作製した。 （１）ｎ−ＩｎＰの基板１の表面（１００面）に、幅
１．５μｍ長さ３００μｍの空隙部を有する幅２１．５
μｍのストライプ状のＳｉＯ2 薄膜のマスクを形成する
（図４）。 （２）基板の表面が露出している上記空隙部に、選択的
に、エピタキシャル成長によりｎクラッド層２及びｉ活
性層３を含むリッヂを形成する。活性層３は層厚２００
０オングストローム、幅４０００オングストロームであ
る（図５）。 （３）上記空隙部を６．５μｍに広げるように、マスク
の内側をエッチングする（図６）。 （４）６．５μｍに広がった上記空隙部に、上記リッヂ
を覆ってエピタキシャル成長により、ｐクラッド層４及
び窓構造５を同時に形成し、さらに、Ｐ+ キャップ層６
を形成する（図７）。 （５）一旦ストライプ状のマスクを除去した後、全面を
ＳｉＯ2 の絶縁膜７で被覆する（図８）。 （６）Ｐ+ キャップ層６の上面の絶縁膜を抜き去った
後、Ａｕ／Ｔｉの電極８を付ける（図９）。 （７）へき開により長さ３５０μｍの素子に切り出す
（図２，図３）。 （８）両端面にＡＲ被覆を施す。
する。図２は本発明の一実施例の方法により製造したＬ
Ｄアンプを示す斜視図である。図３は図２Ａ−Ａ′線に
沿って基板１の表面に垂直な平面で切断して得られるそ
のＬＤアンプの断面図である。このＬＤアンプは以下の
手順で作製した。 （１）ｎ−ＩｎＰの基板１の表面（１００面）に、幅
１．５μｍ長さ３００μｍの空隙部を有する幅２１．５
μｍのストライプ状のＳｉＯ2 薄膜のマスクを形成する
（図４）。 （２）基板の表面が露出している上記空隙部に、選択的
に、エピタキシャル成長によりｎクラッド層２及びｉ活
性層３を含むリッヂを形成する。活性層３は層厚２００
０オングストローム、幅４０００オングストロームであ
る（図５）。 （３）上記空隙部を６．５μｍに広げるように、マスク
の内側をエッチングする（図６）。 （４）６．５μｍに広がった上記空隙部に、上記リッヂ
を覆ってエピタキシャル成長により、ｐクラッド層４及
び窓構造５を同時に形成し、さらに、Ｐ+ キャップ層６
を形成する（図７）。 （５）一旦ストライプ状のマスクを除去した後、全面を
ＳｉＯ2 の絶縁膜７で被覆する（図８）。 （６）Ｐ+ キャップ層６の上面の絶縁膜を抜き去った
後、Ａｕ／Ｔｉの電極８を付ける（図９）。 （７）へき開により長さ３５０μｍの素子に切り出す
（図２，図３）。 （８）両端面にＡＲ被覆を施す。
【００１７】上記手順により作製した光増幅用素子（Ｌ
Ｄアンプ）の特性を評価した。その結果、注入電流１２
０ｍＡにおいて、波長１．３μｍのレーザ光を該光増幅
用素子に入射させたところ、内部利得２０ｄＢ以上、偏
光依存性（ＴＥ−ＴＭ間利得差）１．５ｄＢ以下、リッ
プル０．０５ｄＢ程度の特性を得ることができた。
Ｄアンプ）の特性を評価した。その結果、注入電流１２
０ｍＡにおいて、波長１．３μｍのレーザ光を該光増幅
用素子に入射させたところ、内部利得２０ｄＢ以上、偏
光依存性（ＴＥ−ＴＭ間利得差）１．５ｄＢ以下、リッ
プル０．０５ｄＢ程度の特性を得ることができた。
【００１８】上記実施例において、図２，図３に示され
る各数値にとらわれる必要はない。また、上記実施例に
おいて、図に示される活性層、クラッド層、キャップ
層、及び窓構造部の組成にとらわれる必要はない。さら
に、上記実施例において、絶縁膜としてＳｉＯ2 以外の
絶縁膜を用いてもよい。また、上記実施例において、他
の組成の電極を用いてもよい。
る各数値にとらわれる必要はない。また、上記実施例に
おいて、図に示される活性層、クラッド層、キャップ
層、及び窓構造部の組成にとらわれる必要はない。さら
に、上記実施例において、絶縁膜としてＳｉＯ2 以外の
絶縁膜を用いてもよい。また、上記実施例において、他
の組成の電極を用いてもよい。
【００１９】上記実施例は、請求項２に記載された窓構
造付きのＬＤアンプの、製造方法及び素子特性に関する
ものであるが、窓構造なしのＬＤアンプに関しては、以
下の製造方法で製造した。 （１）ｎ−ＩｎＰの基板１の表面（１００面）に、２本
の幅１０μｍのストライプ状のＳｉＯ2 薄膜のマスク
を、間隔１．５μｍを空けて形成する（図１０）。
造付きのＬＤアンプの、製造方法及び素子特性に関する
ものであるが、窓構造なしのＬＤアンプに関しては、以
下の製造方法で製造した。 （１）ｎ−ＩｎＰの基板１の表面（１００面）に、２本
の幅１０μｍのストライプ状のＳｉＯ2 薄膜のマスク
を、間隔１．５μｍを空けて形成する（図１０）。
【００２０】以下、上記実施例の（２）段以降と同じ。
ただし、（４）段で窓構造は形成されない。
ただし、（４）段で窓構造は形成されない。
【００２１】上記手順で形成した窓構造なしのＬＤアン
プの評価を行った。その結果、注入電流１２０ｍＡにお
いて、波長１．３μｍのレーザ光を該光増幅用素子に入
射させたところ、内部利得２０ｄＢ以上、偏光依存性
（ＴＥ−ＴＭ間利得差）１．５ｄＢ以下、リップル０．
５ｄＢ程度の特性を得ることができた。
プの評価を行った。その結果、注入電流１２０ｍＡにお
いて、波長１．３μｍのレーザ光を該光増幅用素子に入
射させたところ、内部利得２０ｄＢ以上、偏光依存性
（ＴＥ−ＴＭ間利得差）１．５ｄＢ以下、リップル０．
５ｄＢ程度の特性を得ることができた。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば、十分な利得を有し、利
得の偏光依存性が小さく、かつ、利得のリップルが小さ
いＬＤアンプを、プロセス上も簡易に製造することがで
きる。
得の偏光依存性が小さく、かつ、利得のリップルが小さ
いＬＤアンプを、プロセス上も簡易に製造することがで
きる。
【図１】本発明におけるエピタキシャル成長工程におい
て形成されたリッヂを示す断面図。
て形成されたリッヂを示す断面図。
【図２】本発明の一実施例の方法により製造されたＬＤ
アンプを示す斜視図。
アンプを示す斜視図。
【図３】図２におけるＡ−Ａ′線を含み、基板に垂直な
平面で切断して得られるそのＬＤアンプの断面図。
平面で切断して得られるそのＬＤアンプの断面図。
【図４】その実施例においてマスクを形成した基板の上
面図。
面図。
【図５】その実施例においてリッヂを形成し、図４のａ
−ａ′の位置で切断して得られる基板の断面図。
−ａ′の位置で切断して得られる基板の断面図。
【図６】その実施例において、マスクの内側をエッチン
グしたときの基板の上面図。
グしたときの基板の上面図。
【図７】図６の基板上に更にエピタキシャル成長をした
ときにおける基板の断面図。
ときにおける基板の断面図。
【図８】図７の構造を絶縁膜７で被膜した基板の断面
図。
図。
【図９】図８の絶縁膜７をキャップ層６の上面で抜き去
って電極８を形成した基板の断面図。
って電極８を形成した基板の断面図。
【図１０】窓構造を設けない構造の本発明の方法の一実
施例においてマスクを形成した基板の上面図。
施例においてマスクを形成した基板の上面図。
１ 基板 ２ ｎクラッド層 ３ ｉ活性層 ４ ｐクラッド層 ５ 窓構造 ６ ｐ+ キャップ層 ７ 絶縁膜 ８ 電極
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体基板上に、ストライプ状の空隙ま
たは間隔を有するマスクを形成する工程と、該半導体基
板の露出した空隙部のみに、活性層を含む半導体のリッ
ヂをエピタキシャル成長する工程と、該リッヂを覆って
半導体クラッド層をエピタキシャル成長する工程とを少
なくとも有する光半導体素子の製造方法であって、該活
性層の幅を該活性層の層厚の２倍以内にすることを特徴
とする光半導体素子の製造方法。 - 【請求項２】 前記請求項１に記載の光半導体素子の製
造方法において、２本以上のストライプ状の該空隙部を
直列に形成し、２本の該空隙部の間の領域には、活性層
が途切れる窓構造を形成することを特徴とする光半導体
素子の製造方法。
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