JP3266728B2 - 導波路型光素子の製造方法 - Google Patents

導波路型光素子の製造方法

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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1237Lateral grating, i.e. grating only adjacent ridge or mesa

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  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光素子に係り、特
に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワー
クに用いる好適な半導体光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】リッジ装荷型光導波素子は結晶成長が1
回で済むため、埋込構造のレーザに比べ作製工程が非常
に簡易である。これを用いたインジウム燐系のリッジ装
荷型レーザでは良好な素子信頼性も報告されるに至って
いる。しかし、従来のインジウム燐系のリッジ装荷型レ
ーザでは図1に示すように塩酸系のウェットエッチング
を用いて形成する矩形断面形状のリッジ70を用いてい
るため以下の問題点がある。
【0003】(1)活性層上部の電極接触幅と活性層の
発光層幅がほぼ同一であるため素子抵抗の低減の観点か
ら発光領域幅となるリッジ断面の幅を2μm以上に設定
する必要がある。このため横モードの安定化、10mA
以下の発振しきい値の低減が実現するのが困難である。
さらに、素子抵抗が比較的大きいことから、熱飽和現象
により高出力動作が制限される。
【0004】(2)発光領域幅の狭窄化が困難であるこ
とから素子の寄生容量の低減が困難である。
【0005】(3)リッジ上部に電極接触のための絶縁
層窓を設ける際、リソグラフィーのあわせ精度が非常に
厳しい。
【0006】なお、このリッジ装荷型レーザとして関連
するものに、例えば24−26頁1993年3月が挙げ
られる。また、後者に関連するものに、1993年電子
情報通信学会春季大会C−159、1993年3月が挙
げられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、極めて簡易
な作製法で実現可能な低しきい値で、高出力かつ高速度
動作を可能とするインジウム燐系リッジ装荷型レーザの
素子構造及びその作製方法を提供することを目的とす
る。さらなる目的は本発明をレーザ、光増幅器、光変調
器、光スイッチ、光検出器またはこれらのうち少なくと
も二者を一体集積したインジウム燐系集積化光導波素子
に適用した場合の好適な素子構造及び製法を提供するこ
とにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、インジウム燐系リッジ装荷型光導波
路の側壁形状を逆メサ形状にすることにより、電極接触
幅の拡大、発光領域の狭窄化を通じて素子特性を大きく
向上する光導波路構造およびその作製方法を考案した。
【0009】
【作用】以下、インジウム燐系リッジ装荷型光導波路の
側壁形状を逆メサ形状にすることにより、電極接触幅の
拡大、発光領域の狭窄化を通じて素子特性を大きく向上
する、光導波路構造およびその作製方法について説明す
る。
【0010】図2Aに示すように、n型(100)In
P半導体基板1上に公知の手法によりInGaAsP
(組成波長1.30μm)活性層0.1μm2、p型I
nPスペーサ層0.1μm3、10nm厚のInGaA
sP(組成波長1.10μm)エッチング停止層4、p
型InPクラッド層2.0μm5、p型InGaAsキ
ャップ層0.2μm6を順次形成する。
【0011】次に公知の手法によりキャップ層6を幅
4.4μmのストライプ構造に加工する。ここでストラ
イプ方向は[011]とする。続いて、臭化水素酸水溶
液または臭化水素酸と燐酸の混合水溶液によるウェット
エッチングを用いて、図2Bに示すような逆メサ形状を
有するリッジ導波路形状を形成する。ここで、リッジの
側壁には上記エッチング液による侵食速度が最も遅い
(111)A面が自然形成される。この結果、電極接触
幅を4.4μmと広く保ったまま発光領域幅となるメサ
のくびれの幅は1.5μmに狭窄化できる。
【0012】続いて公知の手法により基板全面に図2C
に示すような厚さ0.5μmのシリコン酸化膜7を形成
した後、リッジ上面に3.4μm幅のシリコン酸化膜窓
8を通常のリソグラフィー及びエッチング工程により形
成する。この場合、リッジの上面の幅は4.4μmと十
分広いため、図1に示した従来構造での窓あけ工程に比
べリソグラフィーのあわせ精度は0.5μm程度と大き
く緩和される。また、この窓あけ工程にいわゆるフォト
レジストのエッチバック法を用いた場合においても、本
案の逆メサ構造の場合にはエッチバック量が多くなった
場合においてもメサの側壁の酸化シリコン膜が露出しな
いため、窓あけ工程の再現性が大きく向上する。
【0013】最後に電極工程の後、劈開工程により共振
器長300μmの素子に切り出した。片側端面反射率7
0%の高反射膜を施した。図2Dは完成素子の断面形状
である。作製した素子は室温、連続条件においてしきい
値8〜10mA、発振効率0.40W/Aと良好な特性
を示した。また、素子の順方向抵抗は約2オームと図1
に示した従来型の約1/2〜2/3に低減できた。この
素子抵抗の減少および発光領域幅を1.5μmにまで狭
窄化したことを反映して素子の周波数帯域は20GHz
以上である。また、成長層側を下側に実装した900μ
m長の素子では最大200mWの高出力動作を得た。
【0014】以上のようにリッジ装荷型レーザにおいて
リッジの側壁を逆メサ形状とすることにより、低しき
い、高効率、高出力化が容易に実現できるだけでなく、
素子の高速周波数帯域も拡大できることを示した。
【0015】また、上記原理を光増幅器、光変調器、光
スイッチ、光検出器またはこれらのうち少なくとも二者
を一体集積した集積化光導波素子等に適用した場合にお
いても上記と全く同様の効果が得られることは言うまで
もない。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図3〜図8を用いて
説明する。
【0017】(実施例1)図3Aに示すように、回折格
子11を有するn型(100)InP半導体基板12上
に公知の手法によりInGaAsP(組成波長1.10
μm)下側光ガイド層0.15μm13、6.0nm厚
のInGaAsP(組成波長1.37μm)14を井戸
層、8nm厚のInGaAsP(組成波長1.10μ
m)を障壁層15とする7周期のMQW構造、InGa
AsP(組成波長1.10μm)上側光ガイド層0.0
5μm16、p型InPクラッド層2.0μm17、p
型InGaAsキャップ層0.2μm18を順次形成す
る。
【0018】次に公知の手法によりキャップ層18を幅
4.4μmのストライプ構造に加工する。ここでストラ
イプ方向は[011]とする。続いて、臭化水素酸と燐
酸の混合水溶液によるウェットエッチングを用いて、図
3Bに示すような(111)A面を側壁にもつ逆メサ断
面形状のリッジ導波路を形成する。
【0019】続いて公知の手法により基板全面に図3C
に示すような厚さ0.15μmのシリコン酸化膜19を
形成した後、リッジ上面にエッチバック法を用いてシリ
コン酸化膜窓20を形成する。最後に電極工程の後、劈
開工程により共振器長300μmの素子に切り出した。
前端面には反射率1%程度の低反射膜、後端面には反射
率90%の高反射膜を公知の手法により形成した。図3
Dは完成素子の断面形状である。
【0020】作製した素子は室温、連続条件においてし
きい値6〜9mA、発振効率0.45W/Aと良好な発
振特性を示した。また、85℃の高温条件においてもし
きい値は20〜25mA、発振効率は0.30W/A程
度と良好であった。また、素子の長期信頼性を100℃
の高温条件下で評価したところ1万時間以上に渡って安
定な動作を示した。
【0021】(実施例2)図4Aにおいて、基板の一部
分に一定周期240.5nmの回折格子31が形成され
た(100)n−InP基板32上にSiO2マスク3
3を回折格子31が形成されている領域の一部に公知の
手法で形成する。ここで、マスクは幅18μmの2本の
ストライプからなり、その間隔は16μmである。次に
減圧有機金属気相成長法を用いて図4Bに示すようにI
nGaAsP(組成波長1.15μm)下側光ガイド層
0.15μm34、格子定数がInPのそれより0.3
%短い6.5nm厚のInGaAs35を井戸層、8n
m厚のInGaAsP(組成波長1.15μm)を障壁
層36とする7周期のMQW構造を成長する。次に、S
iO2マスク33を公知の手法により除去した後、In
GaAsP(組成波長1.15μm)上側光ガイド層
0.03μm37、およびp型InPクラッド層2.0
μm38、p型InGaAsキャップ層0.2μm39
を成長する。
【0022】次に実施例1と同様に公知の手法により図
4Cに示すようにキャップ層39を幅4.4μmのスト
ライプ構造に加工する。ここでストライプ方向は[01
1]とする。続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液に
よるウェットエッチングを用いて、(111)A面を側
壁にもつ逆メサ断面形状のリッジ導波路を形成する。
【0023】続いて公知の手法により基板全面に厚さ
0.6μmのシリコン酸化膜40を形成した後、リッジ
上面にエッチバック法を用いてシリコン酸化膜窓41を
形成する。最後に図4Dに示すように電極工程の後、劈
開工程により素子長600μmの素子に切り出し、前端
面には反射率0.1%の低反射膜、後端面には反射率9
0%の高反射膜を公知の手法により形成し光変調器集積
分布帰還型レーザを作製する。
【0024】作製した素子は室温、連続条件においてし
きい値15〜20mA、発振効率0.20W/Aと良好
な発振特性を示した。また、リッジ幅の狭窄化を反映し
て20GHzの変調帯域が得られた。また、本素子を用
いて毎秒10Gb/sの光伝送を行い伝送後の信号品質
劣化のない良好な伝送特性を確認した。
【0025】(実施例3)図5において、(100)n
−InP基板51上に公知の手法によりn型InGaA
sP(組成波長1.15μm)下側光ガイド層0.05
μm52、9nm厚のInGaAsP(組成波長1.5
0μm)を井戸層、8nm厚のInPを障壁層とする2
0周期のMQW構造53、InGaAsP(組成波長
1.15μm)上側光ガイド層0.05μm54、およ
びp型InPクラッド層2.0μm55、p型InGa
Asキャップ層0.2μm56を成長する。次に実施例
1と同様に公知の手法によりキャップ層56を図5に示
すような幅4.0μmの分岐導波路構造に加工する。こ
こで導波路方向は[011]とする。続いて、臭化水素
酸と燐酸の混合水溶液によるウェットエッチングを用い
て、(111)A面を側壁にもつ逆メサ断面形状のリッ
ジ導波路を形成する。
【0026】続いて公知の手法により基板全面に厚さ
0.6μmのシリコン酸化膜57を形成した後、リッジ
上面にエッチバック法を用いてシリコン酸化膜窓を形成
する。最後に電極工程の後、劈開工程により素子長1.
4mmに切り出し、両端面には反射率1%の低反射膜を
公知の手法により形成し干渉型光変調器を作製する。
【0027】作製した素子は動作電圧3Vの良好な変調
特性を示した。滑らかなリッジ側壁形状を反映して素子
の全損失は7dBと少ない。また、リッジ幅の狭窄化を
反映して20GHzの変調帯域が得られた。また、本素
子を用いて毎秒10Gb/sの光伝送を行い伝後の信号
品質劣化のない良好な伝送特性を確認した。
【0028】(実施例4)図6は実施例1とほぼ同様の
手法でレーザアレイを10チャンネル同一基板上に作製
した例である。活性層には公知の手法により1.3μm
歪InGaAsP多重量子井戸構造61が導入されてい
る。低しきい値化を目的として発光領域幅は1μm、共
振器長は150μmであり、素子の両端面には反射率8
0%、90%の高反射膜が形成されている。室温連続動
作条件における全チャンネルの発振しきい値は2〜3m
A、発振効率は0.45〜0.47W/Aである。本素
子をコンピュータボード間の光配線用光源として用いる
ことにより、発光遅延、伝送遅延の少ない良好な伝送特
性を確認した。
【0029】(実施例5)図7は実施例1とほぼ同様の
手法で85℃以上のの高温で動作可能な分布帰還型レー
ザを作製した例である。活性層には公知の手法により
1.3μm歪InGaAsP多重量子井戸構造61高出
力化、良好な温度特性を目的として発光領域幅は1.5
μm、共振器長は300μmであり、素子の両端面には
反射率1%の低反射膜、90%の高反射膜が形成されて
いる。室温連続動作条件における発振しきい値は5〜8
mA、発振効率は0.40〜0.43W/Aである。ま
た100℃連続動作条件における発振しきい値は25〜
30mA、発振効率は0.27〜0.32W/Aであ
る。本素子を加入者系光通信システムの光源として用い
ることにより、高温動作時にも良好な伝送特性を確認し
た。
【0030】(実施例6)図8は実施例1とほぼ同様の
手法で1.48μmで発振する高出力レーザを作製した
例である。活性層には公知の手法により歪InGaAs
P多重量子井戸構造62が導入されている。高出力化、
良好な温度特性を目的として発光領域幅は1.5μm、
共振器長は800μmであり、素子の両端面には反射率
5%の低反射膜、90%の高反射膜が形成されている。
室温連続動作条件における発振しきい値は25〜32m
A、発振効率は0.40〜0.43W/Aである。また
最大光出力400mWを得た。本素子をエルビウム添加
ファイバ増幅器の励起光源として加入者系光通信システ
ムの光源として用いることにより、雑音強度の低い良好
な光増幅特性を確認した。
【0031】
【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子よれば、動
作電流、動作電圧の低く、且つ高速特性の優れたインジ
ウム燐系リッジ装荷型光導波路の側壁形状を逆メサ形状
にすることにより、電極接触幅の拡大、発光領域の狭窄
化を通じて素子特性を大きく向上できる。本発明を用い
れば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでな
く、この素子を適用した光通信システムの大容量化、長
距離化を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術を説明するための図。
【図2】本発明の作用を説明するための図。
【図3】本発明の実施例を説明するための図。
【図4】本発明の実施例を説明するための図。
【図5】本発明の実施例を説明するための図。
【図6】本発明の実施例を説明するための図。
【図7】本発明の実施例を説明するための図。
【図8】本発明の実施例を説明するための図。
【符号の説明】
1…n型(100)InP半導体基板、2…InGaA
sP活性層、3…p型InPスペーサ層、4…InGa
AsPエッチング停止層、5…p型InPクラッド層、
6…p型InGaAsキャップ層、7…シリコン酸化
膜、8…シリコン酸化膜窓、11…回折格子、12…n
型(100)InP半導体基板、13…InGaAsP
下側光ガイド層、14…InGaAsP井戸層、15…
InGaAsP障壁層、16…InGaAsP上側光ガ
イド層、17…p型InPクラッド層、18…p型In
GaAsキャップ層、19…シリコン酸化膜、20…シ
リコン酸化膜窓、31…回折格子、32…n型(10
0)InP基板、33…SiO2マスク、34…InG
aAsP下側光ガイド層、35…InGaAs井戸層、
36…InGaAsPを障壁層、37…InGaAsP
上側光ガイド層、38…p型InPクラッド層、39…
p型InGaAsキャップ層、40…シリコン酸化膜、
41…シリコン酸化膜窓、51…n型(100)InP
基板、52…n型InGaAsP下側光ガイド層、53
…InGaAsP/InP−MQW活性層、54…In
GaAsP上側光ガイド層、55…p型InPクラッド
層、56…p型InGaAsキャップ層、57…シリコ
ン酸化膜、61…1.3μm歪InGaAsP多重量子
井戸構造、62…1.48μm歪InGaAsP多重量
子井戸構造。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−43691(JP,A) 特開 平1−215089(JP,A) 特開 平4−12306(JP,A) 特開 平4−263214(JP,A) 特公 昭56−62386(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(100)面方位を有するインジウム燐基板上
    に少なくとも活性層、エッチング停止層とインジウム燐
    クラッド層およびキャップ層を順次形成し、 前記インジウム燐クラッド層が露出するように前記キャ
    ップ層を[011]方向にストライプ形状加工した後、臭化
    水素酸水溶液又は臭化水素酸と燐酸との混合水溶液によ
    るウエットエッチングにより、前記エッチング停止層を
    ストッパとして前記インジウム燐クラッド層をエッチン
    グして前記インジウム燐クラッド層の側壁を(111)A面か
    らなる逆メサ形状とすることを特徴とした導波路型光素
    子の製造方法。
  2. 【請求項2】前記活性層の基板側と反対側の面は略平坦
    であり、その上部に前記リッジ構造の前記インジウム燐
    クラッド層および前記キャップ層が設けられていること
    を特徴とする請求項1記載の導波路型光素子の製造方
    法。
  3. 【請求項3】前記逆メサ形状を有する導波路型光素子の
    シリコン酸化膜を形成した後、前記リッジ上面にシリコ
    ン酸化膜窓を形成し、その上に電極を形成することを特
    徴とする請求項1または2記載の導波路型光素子の製造
    方法。
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