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Info
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- Optical Integrated Circuits (AREA)
Description
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。
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。
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。
とから素子の寄生容量の低減が困難である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (3)
- 【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。 - 【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。 - 【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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