JP3203244B2 - 変調器集積半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザと光
変調器とが突き合わせ結合により集積化された変調器集
積半導体レーザの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図２に
従来例にかかる突き合わせ結合を有する光変調集積化半
導体レーザ製作工程の断面概略図を示す。図２に示すよ
うに、半導体レーザに突き合わせ結合を用いて、光変調
器を集積する場合には、半導体基板０１上の半導体レー
ザの活性層０２の上にパターニングした絶縁体層０３を
形成し（図２（ａ）参照）、絶縁体層０３をマスクとし
て半導体レーザの活性層０２をエッチング除去し（図２
（ｂ）参照）、変調器の光変調に直接関与する光吸収層
０４をパターニングされた絶縁体層０３以外の領域に結
晶成長する工程（図２（ｃ）参照）がとられる。この結
晶成長工程によって、半導体レーザの活性層０２と変調
器の光変調に直接関与する光吸収層０４とが突き合わせ
結合されることになる。

【０００３】このように、変調器の光変調に直接関与す
る光吸収層０４は、パターニングした絶縁体層０３以外
の領域に選択的に成長することになる。その後、図２
（ｄ）に示すように、絶縁体層０３を除去し、引き続き
半導体レーザの活性層０２と変調器の光吸収層０４との
上にクラッド層０５とコンタクト層０６とを順次成長し
て、突き合わせ結合を用いて半導体レーザに光変調器を
集積化した素子の半導体層構造を作製する。

【０００４】次に、図２（ｅ）に示すように、半導体レ
ーザと光変調器との突き合わせ結合部に接し、光変調器
側に位置するコンタクト層０６の全部とクラッド層０５
の一部あるいは全部をエッチング除去して、半導体レー
ザと光変調器との間の電気的分離のための分離溝０８を
形成する。最後に、分離溝０８を挟んだ両側のコンタク
ト層０６の上に変調器に電圧を印加するための電極０９
及び半導体レーザに電流を注入するための電極０１０を
形成し、半導体基板０１の裏面に設置電極０１１を形成
する。

【０００５】突き合せ結合を用いて半導体レーザに光変
調器を集積化した素子において、変調器の光変調に直接
関与する光吸収層０４が多重量子井戸構造の場合には、
パターニングした絶縁体層０３の近傍の空間的に限定さ
れた領域０７で、主として光吸収層の多重量子井戸層の
膜厚が大きくなるために、多重量子井戸構造の最低準位
間の遷移エネルギーが小さくなり、その遷移エネルギー
に相当する波長が長波長側にシフトする。そして、パタ
ーニングした絶縁体層０３から離れるにつれて、その影
響が小さくなり、その遷移エネルギーは一定値に漸近す
る。また、変調器の光変調に関与する光吸収層０４がＩ
ｎＧａＡｓＰからなるバルク材料の場合には、パターニ
ングした絶縁体層０３の近傍の空間的に限定された領域
０７で、主として光吸収層０４のＩｎ組成が相対的に増
加するために、最低準位間の遷移エネルギーが多重量子
井戸構造の場合と同様に小さくなり、その遷移エネルギ
ーに相当する波長が長波長側にシフトする。

【０００６】したがって、光変調に直接関与する光吸収
層０４が多重量子井戸構造の場合でも、ＩｎＧａＡｓＰ
からなるバルク材料の場合でも、パターニングした絶縁
体層０３近傍の空間的に限定された領域０７で、最低準
位間の遷移エネルギーが小さくなり、その遷移エネルギ
ーに相当する波長が長波長側にシフトする。

【０００７】ところで、半導体レーザに光変調器を集積
化した素子では、光変調器の光変調に直接関与する光吸
収層０４の最低準位間の遷移エネルギーに相当する波長
が、波長レーザの発信波長に比べて５０ｎｍ程度短波長
となるように設計される。これによって、光変調器に外
部から電圧を印加しない状態では、半導体レーザからの
発振光は変調器の光吸収層において吸収されることなく
外部に出力される。

【０００８】光変調器の動作原理は、光変調に直接関与
する光吸収層０４に逆方向電圧を印加することによっ
て、光吸収スペクトル端を長波長側にシフトさせて、半
導体レーザの発振波長に近づけることによって、光変調
器を伝搬する半導体レーザの発振光の吸収量を制御する
ことにある。半導体レーザからの発振光は変調器の光吸
収層において吸収されて、電流として外部に取り出され
るが、その光吸収の割合の空間的な分布は半導体レーザ
と光変調器との境界から離れるにしたがって指数関数的
に激衰する。

【０００９】突き合わせ結合を用いて半導体レーザに光
変調器を集積した素子において、パターニングした絶縁
体層０３近傍の変調器の光吸収層０４の中に、その遷移
エネルギーに相当する波長が長波長側にシフトした空間
的に限定された領域０７が生じることによって、光変調
器に逆方向電圧を印加しない状態、すなわち、本来な
ら、波長レーザからの発振光は変調器の光吸収層０４に
おいて吸収されれることなく外部に出力される状態にお
いて、半導体レーザからの光は、この空間的に限定され
た領域０７によって著しく大きく吸収される。この領域
０７での著しく大きい光吸収は、半導体レーザに光変調
器を集積化した素子からの光出力を無意味に減少させる
ばかりでなく、その大きな光吸収による電流が突き合せ
結合部の近傍の限定された空間に集中していることか
ら、突き合わせ結合部での結晶品質を劣化させて光変調
器の逆バイアス電圧の印加時のリーク電流を増大させ、
結果的に光変調器の消光特性を劣化させる原因となる。
従って、このような空間的に限定された領域０７におけ
る著しく大きい光吸収の発生は、半導体レーザに光変調
器を集積化した素子にとって都合が悪い。

【００１０】図２のようにして作製した従来技術の半導
体レーザに光変調器を集積化した素子では、図２（ｅ）
に示すように、突き合わせ結合部に隣接する光変調器物
質部に、先ず半導体レーザと光変調器間の電気的分離を
形成するための電気的分離溝０８を配置し、次に、光変
調器に逆方向電圧を印加するための電極０９を配置して
いる。それゆえに、従来技術の半導体レーザに光変調器
を集積化した素子においては、光変調に直接関与する光
吸収層内の突き合わせ結合部近傍に存在して、半導体レ
ーザから光変調器に伝搬する光に対して著しく大きな光
吸収を有する空間的に限定された領域０７に対しては、
逆方向電圧の印加も電流注入も行われない構造になって
いる。

【００１１】よって、従来技術においては、光変調に直
接関与する光吸収層０４内の突き合わせ結合部近傍に存
在する著しく大きな光吸収を有する領域０７は、半導体
レーザから伝搬する光を無意味に吸収して素子自体の最
大光出力を減少させ、より大きな光出力が要求される集
積化素子からの光出力を小さくするという望ましくない
効果をもつ、という問題がある。さらに、その局所的な
光吸収に起因する光電流の集中によって、変調器自体の
消光特性も劣化させ、さらには変調器の信頼性も劣化さ
せることになる。したがって、突き合わせ結合を用いて
半導体レーザに光変調器を集積化した素子の高性能化の
ためには、突き合わせ部分近傍の光吸収層０４に生ずる
著しく大きな光吸収を有する空間的に限定された領域０
７を無くすか、あるいはなんらかの方法でこの領域０７
での著しく大きな光吸収を制御することが必須である。

【００１２】本発明は、突き合わせ結合を用いて半導体
レーザに光変調器を集積化した半導体光集積化素子にお
いて、半導体結晶成長法を用いた突き合わせ結合形成時
に、光変調器内の光吸収層の中で、突き合わせ結合部近
傍の空間的に限定された領域に生じる半導体レーザから
の光に対して著しく大きい光吸収をもつ領域に対して順
方向電圧を印加して電流を注入することによって、この
領域での不必要な光吸収を低減、あるいは無くすことに
よって、半導体レーザに光変調器を集積化した半導体光
集積化素子からの絶対的な光出力を大きくさせ、且つこ
の半導体光集積素子の光変調器の消光特性の劣化を防止
し、素子の信頼性を向上を図ることを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決する本
発明の変調器集積半導体レーザの製造方法は、半導体レ
ーザと光変調器とを集積化した変調器集積半導体レーザ
の製造方法において、半導体基板の上に、第一の光閉じ
込め層（１３）とレーザの活性層（１４）と第二の光閉
じ込め層（１５）とを成長する工程と、パターニングし
た絶縁体膜をマスクとして、前記第一の光閉じ込め層
（１３）と前記活性層と前記第二の光閉じ込め層（１
５）の一部をエッチング除去する工程と、選択的半導体
結晶成長法によって、前記活性層（１４）と光吸収層
（１６）とが突き合わせ結合するように光変調器を成長
する工程と、前記光変調器の一部であって、前記突き合
わせ結合部近傍のエネルギーギャップが狭くなった光吸
収層に、電流を注入する手段を形成する工程とを有する
ことを特徴とする。そして、本発明で製造される変調器
集積半導体レーザは、半導体レーザと光変調器とが突き
合わせ結合により集積化された変調器集積半導体レーザ
において、前記変調器の一部であって、前記突き合わせ
結合部近傍のエネルギーギャップが狭くなった光吸収層
に、電流を注入する手段を有する。

【００１４】すなわち、本発明は、突き合わせ結合を用
いて半導体レーザに光変調器を集積化した素子におい
て、半導体レーザと光変調器間の突き合わせ結合を半導
体結晶成長法を用いて形成する際に、突き合わせ結合部
分から十分に離れた光変調器の光吸収層に比べて、バン
ドギャップ波長が長く、半導体レーザから光変調器側へ
伝搬する発振光を著しく大きく吸収して、半導体レーザ
と光変調器からなる集積化光源からの全光出力を減少さ
せる原因となるような光変調器領域内の突き合わせ結合
部近傍の光吸収層に生じる空間的に限定された領域に対
して、電流を注入することによって、半導体レーザから
突き合わせ結合部を通って、光変調器に伝搬する光が上
述したような光変調器側の突き合わせ結合部近傍の光吸
収層に生じる空間的に限定された領域で著しく吸収され
ないようにするか、あるいは半導体レーザから突き合わ
せ結合部を通って、光変調器に伝搬する光に対して利得
をもつようにしたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。

【００１６】図１は本実施の形態における突き合わせ結
合を用いて分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レーザに光変調
器を集積化した半導体光集積化素子の光伝搬方向の断面
構造を示す。図１に示すように、ｎ型半導体基板１２の
上に光閉じ込め層１３とレーザの活性層１４と光閉じ込
め層１５とを順次成長し、これら三つの層をパターニン
グした絶縁体膜をマスクとして用いて、その一部を半導
体基板１２表面までエッチング除去し、引き続いて選択
的半導体結晶成長法によって、変調器の光吸収層１６を
突き合わせ結合するように光閉じ込め層１３とレーザの
活性層１４と光閉じ込め層１５に接続する。この選択的
半導体結晶成長時に、突き合わせ結合部近傍の光吸収層
１６の空間的に限定された領域１７には、該領域１７よ
り突き合わせ結合部から離れた部分の光吸収層１６に比
べて遷移エネルギーに相当する波長が長波長側にシフト
した波長結晶が形成される。

【００１７】次に、光閉じ込め層１５の上に、回折格子
１８を形成し、ｐ型クラッド層１９とレーザ部のｐ型コ
ンタクト層２２と変調器のｐ型コンタクト層２０を成長
する。次に、レーザのｐ型電極２３と変調器のｐ型電極
２１を形成し、波長基板１２の裏面にｎ型電極２４を形
成する。

【００１８】次に、この分布帰還（ＤＦＢ）型半導体レ
ーザに光変調器を集積化した半導体光集積化素子を劈開
によって切り出した後、レーザ側端面に高反射膜２６
と、変調器側端面に低反射膜２５とを形成する。

【００１９】上記工程によって、分布帰還（ＤＦＢ）型
半導体レーザに光変調器を集積化した半導体光集積化素
子のレーザ部３０と電気的分離溝２８と変調器部２７と
が形成され、変調された光出力は変調器側の低反射膜２
５を持つ端面から得られる。

【００２０】ここで、突き合わせ結合部近傍の光吸収層
１６の空間的に限定された上記領域１７には、該領域１
７より突き合わせ結合部近傍の光吸収層１６に比べて遷
移エネルギーに相当する波長が長波長側にシフトした波
長結晶が形成されるが、この領域１７は、変調器に逆バ
イアス電圧を印加しない状態において、本来なら半導体
レーザからの発振光を吸収しない状態であるべきにもか
かわらず著しく大きい光吸収をもち、半導体光集積化素
子の光出力を無意味に減少させ、突き合わせ結合部近傍
の光吸収層の空間的に限定された領域１７に光電流の集
中を引き起こして変調器の消光特性劣化の原因となる。

【００２１】この問題を解決するために、電気的分離溝
２８を突き合わせ結合部から変調器２７側に移動し、か
つレーザのｐ型電極２３を上記領域１７の直上まで延長
させて、上記領域１７に電流を注入する電流注入領域２
９を形成する。

【００２２】この電流注入領域２９によって、半導体レ
ーザからの発振光は、上記領域１７において吸収される
ことがなくなり、半導体光集積化素子の光出力３１が無
意味に減少されることが無くなり、領域１７での局所的
な光吸収に伴う光電流の集中による変調器の消光特性劣
化という問題が回避されることになる。

【００２３】

【発明の効果】以上、実施の形態と共に、詳細に説明し
たように、本発明によれば、半導体レーザに光変調器を
集積化した半導体光集積化素子からの絶対的な光出力を
大きくさせ、且つこの半導体光集積素子の光変調器の消
光特性の劣化を防止し、素子の信頼性を向上を図ること
ができることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体光集積化素子の光伝搬方向の断面構造の
概略図である。

【図２】従来技術の突き合わせ結合をもつ光変調器集積
化半導体レーザの断面概略図である。

【符号の説明】

１２ ｎ型半導体基板 １３ 光閉じ込め層 １４ レーザの活性層 １５ 光閉じ込め層 １６ 光吸収層 １７ 領域 １８ 回折格子 １９ ｐ型クラッド層 ２０ 変調器のｐ型コンタクト層 ２２ レーザ部のｐ型コンタクト層 ２３ レーザのｐ型電極 ２４ ｎ型電極 ２５ 低反射膜 ２６ 高反射膜 ２７ 変調器部 ２８ 分離溝 ２９ 電流注入領域 ３０ レーザ部 ３１ 光出力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/12 G02F 1/025 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザと光変調器とを集積化した
   変調器集積半導体レーザの製造方法において、 半導体基板の上に、第一の光閉じ込め層（１３）とレー
   ザの活性層（１４）と第二の光閉じ込め層（１５）とを
   成長する工程と、 パターニングした絶縁体膜をマスクとして、前記第一の
   光閉じ込め層（１３）と前記活性層と前記第二の光閉じ
   込め層（１５）の一部をエッチング除去する工程と、 選択的半導体結晶成長法によって、前記活性層（１４）
   と光吸収層（１６）とが突き合わせ結合するように光変
   調器を成長する工程と、 前記光変調器の一部であって、前記突き合わせ結合部近
   傍のエネルギーギャップが狭くなった光吸収層に、電流
   を注入する手段を形成する工程とを有することを特徴と
   する変調器集積半導体レーザの製造方法。