JP3894978B2 - 導波路型半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はシャドウマスクと導波路型半導体光素子及びその製造方法に係り、特に、導波路型半導体光素子用の化合物半導体薄膜の気相成長に用いるのに好適なシャドウマスクと、光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワーク等に用いるのに好適な導波路型半導体光素子、及びこれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術について、以下説明する。
1.従来の導波路型半導体光素子の製造方法
化合物半導体薄膜の膜厚を同一基板面内で変化させ、テーパ状の面内膜厚分布を得ることが出来れば、種々の導波路型半導体光素子の各々において、低価格化、高信頼化、高機能化が可能になるであろうと期待されている。該当する素子例としては、光通信用導波路型光素子、発光波長1μm以下の半導体レーザ素子、光増幅器等がある。例えば、光通信用半導体レーザ素子においてレーザ光を発光する活性層(コアとも呼ばれる)の面内膜厚分布をテーパ状にすることにより、次のような効果が期待される。レーザ素子の光軸方向(即ち、レーザ光の出射端面に対し略垂直な方向)に沿ってテーパ状に膜厚が変えられた活性層においては、活性層を構成する井戸層と障壁層の厚さも連続的に変わる。このため、最終的にバンドギャップ波長も連続的に可変となるので、発振波長の利得帯域幅が広い半導体レーザ素子を実現できる。
【0003】
しかし、この面内膜厚分布を変える膜厚変調技術の導入により、導波路型半導体光素子の製造工程が複雑になる傾向がある。比較的簡易な製造工程で、しかも高い結晶性を有するテーパ状の半導体薄膜を得るには、成長時に膜厚変調することが望ましい。一般に、基板表面と平行な方向の成長原料種の気相拡散を利用できる気相成長法が、テーパ状膜厚分布を得るために利用される。例えば、有機金属気相成長法(MOVPE : metal organic vapor phase epitaxy)を用いた成長膜厚変調技術に関しては、以下に示す3種類の気相成長方法が挙げられる。
【0004】
(a)領域選択成長法:基板に密着する誘電体薄膜マスク近傍の成長速度が増加することを利用する領域選択成長法である。これに関しては、例えば、特開平5−327111号公報並びに1995年春季電子情報通信学会総合大会予稿集SC−4−4に開示されている。特開平5−327111号公報に開示される領域選択成長法では、活性層形成予定領域をその光軸に沿って挾むように酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜は、その幅が光軸に沿って変化するように形成されている。活性層の気相成長時において、当該酸化シリコン膜上に着いた原子又は分子からなる成長原料種が活性層形成予定領域へ向けてドリフトするため、酸化シリコン膜の幅が広いほどより多くの原子が活性層形成予定領域に供給される結果、厚い成長膜が形成される。
【0005】
(b)シャドウマスク成長法1:第一の半導体薄膜を介して基板に密着する第二の半導体薄膜のオーバーハングの下方部分の成長速度を減少させる気相成長法である。これに関しては、例えば、ジャーナル オブ エレクトロニク マテリアルズ、第23巻、第2号、1994年、第225〜232頁(Journal of Electronic Materials, Vol.23, No.2, 1994, pp.225-232)に開示されている。
【0006】
(c)シャドウマスク成長法2:特別に設計した反応室並びに2段構成の基板保持部を用い、位置的に固定されたほぼ全面板状のSi若しくはGaAsマスクに対してGaAs基板を移動して成長することにより、マスクの下方部分の成長速度を減少させる気相成長法である。これに関しては、例えば、アプライド フィジックス レター 第48巻(1)、1986年、第30〜32頁(Appl. Phys. Lett. Vol.48(1), 1986, pp.30-32)に開示されている。
【0007】
しかしながら、上記した従来の成長膜厚変調技術(a)〜(c)のそれぞれの気相成長法は下記に示すような欠点を有する。
【0008】
(a)領域選択成長法の場合:(i)Inと、Ga若しくはAlを共に含む混晶半導体では、面内膜厚変化率の増加と共にIn/Ga(若しくはIn/Al)比が著しく増加する。素子の全領域に渡り成長層厚を臨界膜厚値以下にしなければならないので、素子構造の設計自由度が低下する。(ii)ヘテロ界面における組成遷移層の膜厚が、平坦基板を用いた通常の成長法に比べて増加する。これは、特に多重量子井戸の成長に対して不利である。
【0009】
(b)シャドウマスク成長法1の場合:(i)素子の製造工程が複雑であり製造単価が増す。(ii)膜厚を変調させる方向と直交方向の膜厚平坦性が悪い。(iii)大きい面内膜厚変化率を得るためには、ほぼ大気圧の成長圧力が不可欠である。従って、急俊なヘテロ界面を得るのに適さず、又、装置稼働時の安全性が低下する。
【0010】
(c)シャドウマスク成長法2の場合:(i)従来の気相成長装置を使用できない。(ii)マスクがほぼ全面板状であるため、基本的に生産効率が低い成長方法である。(iii)この成長方法を用いたテーパ導波路集積化半導体光素子の報告例は無い。従って、実用的な成長方法ではないと推測される。
【0011】
2.従来の導波路型半導体光素子
ここでは、一例として、光通信用半導体レーザについて述べる。
【0012】
一般に、半導体レーザ、光増幅器、光変調器等の、半導体光素子の入射/出射ビーム径は、光ファイバのビーム径と比べて1/3から1/5程度と非常に小さい。このためレーザ光を光ファイバに結合する場合、高価な光学レンズ系を用いてビーム径のミスマッチによる光結合効率の低下を防止している。しかし、今後光通信用モジュールの低コスト化を図るためには、半導体レーザと光ファイバ間の簡素な光結合が不可欠である。これに向けて、出射端でのビーム径を拡大出来る半導体レーザが検討されている。この出射端ビ−ム径の拡大にはコア層の膜厚や導波路幅を光軸方向で変調することが必須となる。前者のコア層厚の変調に関しては、上述の製造方法(a)及び(b)の適用が試みられている。
【0013】
なお、成長層厚変調技術として領域選択成長法を用いることにより出射ビーム径を拡大した半導体レーザに関連するものに、例えば、第14回アイ・イー・イー・イー インターナショナル セミコンダクタ レーザ コンファレンスのテクニカル ダイジェスト、W2.4、1994年9月(Technical Digest 14th IEEE International Semiconductor Laser Conference W2.4, Sept.,1994)の文献がある。また、成長層厚変調技術としてシャドウマスク成長法を用いて結晶成長膜を作製することにより出射ビーム径を拡大した半導体レーザに関連するものにジャーナル オブ クリスタル グロウス 145、第875〜880頁、1994年(Journal of Crystal Growth 145, pp.875-880, 1994)の文献が挙げられる。
【0014】
しかし、これらの製造方法により作製されたテーパ導波路集積型半導体レーザ(端面ビームスポット拡大半導体レーザ)の性能は、未だ実用レベルに達していない。この理由の一つとして、高品質な半導体薄膜結晶が得られていないことが挙げられる。例えば、活性層形成予定領域に隣接して誘電体薄膜マスクを設ける領域選択成長法(a)では、活性層や導波路(層)の気相成長時において誘電体薄膜マスクから原子(膜の成長原料)が供給される。このとき、原子の元素別の供給量の割合を制御することは困難であり、所望の組成の膜を正確に形成できない。同じ層を構成する膜の組成が局所的に異なる部分、即ち組成の不均一性を有する部分の層の膜厚が増加した場合、膜内に結晶欠陥をもたらす。まして、膜厚の大きい部分の成長を原子の元素別供給割合が不確定な条件で行う(a)の製造方法では、レーザ発振に対しては許容され得ない結晶欠陥が常に問題となる。この製造方法(a)は現在よく知られた成膜方法であるが、結晶性を劣化させずに(即ち、結晶欠陥を通常の気相成長法と同じレベルに抑えて)コア膜厚比(即ち、素子の活性層の厚さにおける、最大値/出射端部値)を3〜4、又はそれ以上にすることは不可能である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、化合物半導体薄膜結晶の膜厚を結晶性を劣化させずに同一基板面内で変化させたテーパ状の面内膜厚分布を有する導波路型半導体光素子を簡易なプロセスで実現できる製造方法を提供することである。
【0016】
また、この製造方法を用いて低価格化、高信頼化、高機能化が可能な、導波路型半導体光素子及びその製造方法を提供することも目的とする。特に、低しきい値で、高出力かつ温度特性の良い出射ビーム拡大レーザの素子構造及びその製造方法を提供することも目的の一つである。
【0017】
さらに、本発明の目的は複数の導波路型半導体光素子が同一基板上に形成された半導体光集積素子及びその製造方法を提供することにある。
【0018】
また更に、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導波路型集積化半導体光素子に適用した場合の好適な素子構造及び製造方法を提供することも目的とする。
【0019】
また、本発明の他の目的は、化合物半導体薄膜結晶の膜厚を同一基板面内で変調出来るだけでなくその光学的結晶性を高品質な状態で成長可能にするために、気相成長時に使用する新規なシャドウマスク及びその製造方法を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るシャドウマスクは、気相成長装置の反応室内基板保持部に装着した基板に対して接触若しくは近接させて使用し、該基板上の少なくとも所定の領域に半導体薄膜の結晶成長が可能となるように少なくとも目空き部とマスキング部を有し、かつ、基板とは別体のシャドウマスクにおいて、マスキング部の表裏面の少なくとも一方の表面が誘電体キャップ層で覆われていることを特徴とするものである。勿論、マスキング部の全表面が誘電体キャップ層で覆われていてもよい。ただし、シャドウマスクの主材料がInPまたはGaAsの化合物半導体材料から構成される場合には、マスキング部の表面が誘電体キャップ層で覆われていなくてもよい。
【0021】
この場合、前記シャドウマスクにおいて、マスキング部がストライプ状であれば好適である。
【0022】
前記誘電体キャップ層がシリコンの熱酸化膜であれば好適であるが、前記誘電体キャップ層の少なくとも表面層が、SiNx、SiOxNy、Al2O3、a−Siのいずれかであってもよい。
【0023】
また、マスキング部の表裏面の少なくとも一方の表面が、有機金属気相成長法を用いた成長条件ではアモルファス半導体が堆積しない薄膜キャップ層で覆われていてもよい。
【0024】
前記薄膜キャップ層の少なくとも表面層が金属であってもよく、その場合、該薄膜キャップ層の少なくとも表面層がタングステンまたはタングステンシリサイドのいずれかであれば好適である。
【0025】
また、前記シャドウマスクにおいて、マスキング部を構成する主材料は半導体、セラミックス、合金または高融点金属を用いることができ、前記半導体としてはSi,InP,またはGaAsのいずれでもよく、前記合金としてはタングステンシリサイド等があり、前記高融点金属としてはタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブのいずれであってもよい。
【0026】
さらに、前記シャドウマスクにおいて、主材料がSiからなるマスキング部は、シャドウマスクの主平面に対して鉛直方向で、且つ、マスキング部の少なくとも一方向での断面構造が台形であって、該台形をなす辺が{100}面と{111}面から構成されていることを特徴とするものである。この場合、シャドウマスクの製造方法は、KOH水溶液で選択領域的に異方性エッチングすることにより、Si基板に貫通孔を形成すればよい。
【0027】
また、前記シャドウマスクがマスキング部を支持する枠部を含む場合、表裏面の少なくとも何れか一方の面上でマスキング部と枠部間に段差が有り、枠部の厚さがマスキング部の厚さより大きくてもよいし、枠部とマスキング部の厚さが等しくてもよい。
【0028】
また、本発明の導波路型半導体光素子の製造方法は、半導体基板上に少なくとも基板より高い屈折率を有する材料からなるコア層と、コア層よりも低い屈折率を有する材料からなるクラッド層をコア層の上下に有し、コア層の膜厚が素子内で連続且つ滑らかに変化する導波路型光素子の製造方法において、気相成長による結晶成長の際に、前記半導体基板とは別個の、マスキング部と目空き部とマスキング部を支える枠部とを有するシャドウマスクをマスキング部と半導体基板間が所定の空間距離を隔てて対向するように前記半導体基板上に基板保持具を介して載置することにより半導体薄膜の成長を行い、シャドウマスクのマスキング部と対向する前記コア層となる半導体基板表面領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の厚さを、シャドウマスクの目空き部と対向する半導体基板表面領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の厚さよりも薄くしたことを特徴とする。
【0029】
この場合、少なくとも半導体基板表面と対向する側とは反対側のシャドウマスク面(特にマスキング部)が、成長温度を上回る融点の主材料からなる誘電体等の薄膜キャップ層で覆われているシャドウマスクを使用すれば好適である。
【0030】
また、上記シャドウマスクとして、マスキング部がこれを支える枠部よりも所定の厚さだけ薄い厚さを有する場合には、該シャドウマスクを半導体基板上に載置して半導体薄膜結晶を気相成長装置の反応室内にて成長すればよい。
【0031】
このようにして製造した導波路型半導体光素子は、容易にコア層膜厚が徐々に薄くなる構造、すなわち高品質な光学的結晶性を有するテーパ状の面内膜厚分布を有する構造となるので、レーザの特性を劣化させることなく、このテーパ状コア層により容易にビームスポットを拡大することができる。従って、出射ビーム拡大レーザを実現することができ、このレーザとファイバとを結合損失を小さく容易に結合することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
本発明に係るシャドウマスクの好適な実施形態は、気相成長装置の反応室内基板保持部に装着した基板に対して接触若しくは近接させて使用し、例えば図1及び図2に示すように、該基板上の少なくとも所定の領域に半導体薄膜の結晶成長が可能となるように少なくとも目空き部3とストライプ状のマスキング部2を有し、かつ、基板21とは別体のシャドウマスク1であって、マスキング部の表裏面の少なくとも一方の表面を誘電体キャップ層、例えばシリコン酸化膜6で覆うように構成したものである。
【0033】
上記のシャドウマスク1を用いて気相成長を行うと、マスキング部2と対向する基板表面での半導体薄膜の成長速度が、目空き部3に対向する基板表面での成長速度よりも遅くなり、マスキング部2の直下から目空き部3に向かって滑らかに厚くなるテーパ状で結晶性のよい半導体薄膜層が得られる。
【0034】
このようにして得られるテーパ状半導体薄膜を、導波路型半導体発光素子の製造方法における活性層の形成に適用した実施形態によれば、活性層の厚さが端面に向かって徐々に薄くなる構造を容易に達成できる。この時、導波路幅を端面に向かってテーパ状に広げる構造を組み合わせることにより、端面に向かって活性層の厚さがテーパ状に薄くなると共に活性層幅がテーパ状に広くなるので、光ファイバ結合損失の小さい良好な特性の端面ビームスポット拡大機能を有する導波路型半導体光素子を得ることができる。
【0035】
【実施例】
以下、本発明の実施例につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0036】
<実施例1>
まず、本発明の導波路型半導体光素子の製造方法で用いる新規なシャドウマスクと、このシャドウマスクにより結晶成長時の面内成長膜厚制御を達成できることとを、InP系III−V族化合物半導体材料の場合を例に述べる。
【0037】
熱酸化膜で覆われている面方位(100)のSi基板からホトリソグラフィ技術とKOH水溶液を用いた異方性ウエットエッチングにより、図1(a)の平面図に示す形状のシャドウマスク1を作製する。図1(b)は、同図(a)中にA−A’線で示す部分の断面図である。シャドウマスク1は、マスキング部2と目空き部3、及び、枠部4から構成される。シャドウマスク1の主材料はSi5であり、全表面がSiの熱酸化膜6で覆われている。この場合、図1(b)に示すように、ストライプ状のマスキング部2の側壁は{111}面となり、角度θは約54度である。図1において、aは目空き部3の幅、bはマスキング部2の上面の幅、およびcはマスキング部2の厚さを示している。
【0038】
ここで、図13の工程断面図を用いて、上記シャドウマスク1の製造方法を簡単に説明する。
まず、(100)Si基板5を表面酸化して基板全面を熱酸化膜6aで覆う(図13(a))。このSi基板上の一方の表面の熱酸化膜6aを、フォトリソグラフィ技術を用いて図1(a)に示すような形にパターニングする。すなわち、熱酸化膜6aを領域選択的に除去する(図13(b))。
【0039】
次に、このパターニングされた熱酸化膜6aをマスクに、KOH水溶液を用いた異方性エッチングを行い、Si基板5の穴空けを行う。この時、Si基板5の厚さは150から300μm程度の厚さのものを用いるので、{111}面も図示したように少しサイドエッチされる(図13(c))。
【0040】
その後、熱酸化膜6aを全面除去し(図13(d))、引き続き表面酸化を行い熱酸化膜6を全表面上に形成する(図13(e))。表裏面を逆にすると、枠部4とマスキング2の厚さが等しい図1に示したシャドウマスク1が得られる。
【0041】
次に、図2(a)に示すように、基板保持具11にn型(100)InP基板21とシャドウマスク1を装着する。シャドウマスク1とInP基板21間の距離dは、数十μm程度の空間距離を有している。尚、この空間距離はこの値に限定されるものではなく、必要に応じて適当な距離のものを用いることができる。この基板保持具11をMOVPE装置の反応室内に通常の成長と同様に装着する。シャドウマスク1を使用しないで通常の減圧成長した場合の膜厚条件、すなわちアンドープInP22、InPに格子整合するアンドープInxGa(1-x)As23(x=0.53、組成波長1.67μm)、およびInP22の膜厚が各々500nmとなるような膜厚条件のダブルヘテロ構造を、シャドウマスク1を用いて成長する。その結果、図3に示すような断面形状の多層膜が自動的に形成される。尚、図3ではマスキング部2の直下の部分を中心に、シャドウマスク1の目空き部3の幅aとマスキング部の幅bを足した長さ分だけを示している。
【0042】
目空き部3が鉛直投影されるInP基板21上の表面領域、すなわち目空き部3と対向するInP基板21の領域上では、図3の領域eに示す様に膜厚が平坦な成長層が得られる。この領域eでは、InP22とInxGa(1-x)As23の膜厚、及び、膜23のIn組成xは、シャドウマスク1を使用しない通常の成長時とほぼ等しい。一方、マスキング部2が鉛直投影されるInP基板21上の表面領域、すなわちマスキング部2と対向するInP基板21の領域上では、図3の領域fに示す様に、InP22とInxGa(1-x)As23の両者共成長膜厚が減少し、膜厚がテーパ状の成長層が得られる。これは、気相中の濃度境界層からInP基板21に向けて垂直方向に拡散する成長原料がマスキング部2で遮られ、基板21面と平行な方向に拡散する成長原料のみが供給されるためである。成長層22〜23の基板に対するテーパ角は、マスキング部2のサイズ並びに構造、あるいは、シャドウマスク1とInP基板21間の距離dを変化させることにより制御可能である。膜厚が最も薄くなっているInP基板21上では、InP22とInxGa(1-x)As23の膜厚は領域eにおける膜厚のそれぞれ約1/5となる。又、テーパ領域fの膜厚が薄くなるほどInxGa(1-x)As23のIn組成xは減少する。臨界膜厚と組成変化(歪率)の関係から、テーパ領域fではミスフィット転位等は生じにくい。尚、テーパ領域fにおけるIn組成xの減少は、気相中でのIn原料種とGa原料種の拡散係数の差に起因する。
【0043】
次に、化合物半導体薄膜の光学的結晶性がシャドウマスクの表面材料に依存することについて述べる。シャドウマスクのマスキング部2の断面が、図2(b)のIに示す様な構造の他に、IIとIIIに示す断面構造のシャドウマスク1も作製する。IIに示した構造のシャドウマスクでは、InP基板21側に対向する面と反対側の表面が、Siの熱酸化膜6で覆われている。IIIに示した構造のシャドウマスクでは、InP基板21側に対向する面の表面が、Siの熱酸化膜6で覆われている。なお、マスキング部2がIからIIIの構造のシャドウマスク1の枠部4でもそれぞれ同じ表面材料である。これらのシャドウマスク1を用いて冒頭で述べた結晶成長と同じ条件、すなわちシャドウマスクを用いない通常の成長方法で膜厚が各々500nmとなるような条件で、同構造のInP22とInxGa(1-x)As23のダブルヘテロ構造を成長する。その結果、図2(b)のIに示した構造のシャドウマスク1の場合と同様に、図3に示した成長構造が得られる。これら図2BのIからIIIに示した構造の領域eのみを、室温大気中でフォトルミネッセンス(PL)測定をする。IおよびIIに示した構造のシャドウマスク1を用いて成長した場合には、図4に示す相対的にPL強度の高い方のスペクトラムAが得られる。このスペクトラムAのPL強度と半値全幅は、シャドウマスク1を使用しない通常の減圧成長時と同等である。IIIに示した構造の場合は、相対的に半分程度のPL強度のスペクトラムBが得られ、半値全幅も若干増加するが、実用上差し支えない範囲である。
【0044】
図2(b)のIIIに示した構造のシャドウマスク1を使用した場合に光学的結晶性が低下した主要因は、以下の様に説明できる。結晶成長時、表面がSi5のシャドウマスク1上には、アモルファス状のInP22やInGaAs23が堆積する。これらのアモルファス半導体からは蒸気圧の高いP並びにAs分子が容易に再蒸発する。これらの分子は成長原料と反応して気相中で核生成を生じ、この核が成長層に取り込まれる。或いは、再蒸発したAsやP分子が汚染物等の付加物を伴って成長層に取り込まれる。その結果、結晶欠陥や非発光再結合センターが生じる。これに対し、図2(b)のIとIIに示した構造のシャドウマスク1を使用した場合は、表面がSiの熱酸化膜6であるため、シャドウマスクク1上には多結晶のInP22並びにInGaAs23が堆積し得る。これら多結晶半導体からは成長材料を構成する原子や分子は容易には再蒸発しない。従って、図3の領域e表面上で生ずる成長プロセスは、シャドウマスク1を使用しない通常の成長プロセスと変わりが無い。従って、得られる半導体薄膜の光学的結晶性は劣化しない。尚、成長条件や熱酸化膜6の表面状態等によっては、シャドウマスク1上には全く堆積物が生じないことも有り得る。この場合、図3に示した領域eの、テーパ領域f寄り部分で成長速度増加現象が生じ易い。これは、誘電体薄膜マスクを利用する周知の領域選択成長法と同様な原理である。この現象が特定の半導体光素子の構造に対して不適である場合もあるが、各種条件を最適化することにより平坦な成長層の形成は可能である。
【0045】
先に述べた従来の面内成長膜厚制御法の(a)〜(c)に比べて、本発明のシャドウマスクを用いる面内成長膜厚制御法の利点は以下の通りである。
【0046】
(a)領域選択成長法との比較:1.素子全領域に渡り成長層膜厚を臨界膜厚以下にすることが容易である。そのため、光学的結晶性が劣化しにくい。2.ヘテロ界面における組成遷移層の膜厚増加が無い。従って、高性能な導波路型半導体光素子に不可欠な歪多重量子井戸の高品質化に対して有利である。特に前者に関しては、結晶欠陥の生じやすい膜厚の大きい層を通常の気相成長と同じ条件でできる点で有利である。このことは、実用化レベルのみならず膜厚の大きい部分を結晶欠陥フリーとしたレーザ素子を先述のコア膜厚比が3〜4、又はそれ以上で製造することを可能とする。
【0047】
(b)シャドウマスク成長法1との比較:1.導波路型半導体光素子の製造工程を減少できる。その結果、製造単価の低下が期待できる。2.膜厚を変調させる方向と直交する方向の膜厚平坦性に優れているので製造歩留まりが高まる。3.通常の成長圧力(減圧)が利用できる。従って、急俊なヘテロ界面を得るのが容易であり、又、装置稼働時にキャリヤガス並びに原材料ガスが漏洩する確率は比較的低い。
【0048】
(c)シャドウマスク成長法2との比較:1.従来の気相成長装置を使用できるのでコスト面で有利である。2.マスキング部がストライプ状であるため比較的高い生産効率が可能となる。3.テーパ導波路集積化半導体光素子を作製出来る実用的な成長方法である。
【0049】
以上、InGaAsP系材料を用いて説明したが、InGaAlAs系材料やその他の半導体材料にも適用可能なことは言うまでもない。又、成長圧力を常圧760Torr近辺としても、本発明のシャドウマスクを用いた面内成長膜厚制御の効果を利用できることは勿論である。
【0050】
また、本実施例ではシャドウマスク1を図2に示したように、基板保持具11を介してInP半導体基板21と所定距離dを維持する場合であった。基板保持具11を用いる代わりに、例えば、シャドウマスクの枠部4の半導体基板21と対向する面の酸化膜6は残し、マスキング部2の半導体基板21と対向する面の酸化膜6を選択的に除去して、酸化膜6の厚さ分の段差を設け、シャドウマスク1を半導体基板21上に載置してもよい。この場合の半導体基板21とシャドウマスク1のマスキング部2との所定距離dは、酸化膜厚分の距離となる。
【0051】
<実施例2>
次に、実施例1で述べたシャドウマスク1、即ち断面が逆台形(半導体基板側に向けて狭くなる)且つ少なくとも半導体基板と対向する面と反対側に誘電体薄膜が形成されているシャドウマスクを用いた導波路型半導体光素子の製造方法について、光通信用の波長1.3μm帯で動作する端面ビームスポット拡大半導体レーザを例に説明する。
【0052】
先ず、300μmの厚さの(100)Si基板表面片側に、厚さ1μmの熱酸化膜を形成する。このSi基板を領域選択的に穴空けし、図1(a)に示す様な上面図のシャドウマスク1を作製する。Si基板の目空き部3を形成する穴空け、すなわち貫通孔の形成は、従来のフォトリソグラフィおよびKOH水溶液を用いた異方性ウェットエッチングで容易に可能である。その後、熱酸化膜は全て除去する。引き続き、新たに厚さ1μmの熱酸化膜6をシャドウマスク1の全表面上に形成すると、図1に示すシャドウマスク1が完成する。主材料はSi5であり、サイズは以下の通りである。目空き部3の幅a:772μm、マスキング部2の横幅b:228μm、マスキング部2および枠部4の厚さc:150μm、θ:54度。ここでマスキング部2の側面の面方位は{111}面となる。ここでは一例として、シャドウマスク1は2インチ基板用に設計したので、50mm四方の寸法値であり、枠部4の幅は3mmである。つまり、図面上では2本しか示していないが、実際にはストライプ状のマスキング部2の数は46本である。このシャドウマスク1は、次の工程での使用方法に耐え得る機械的強度を有する。
【0053】
次に、気相成長用基板保持具11に、面方位(100)のn型InP半導体基板21及び上記シャドウマスク1を図2(a)に示す様に置く。続いて、MOVPE法により結晶成長を行う。基板温度は600℃、反応管圧力は75Torrである。この場合、シャドウマスク1の最下表面とInP基板21の上側表面間の距離dは、約150μmである。マスキング部2のストライプ方向とInP基板21の[01−1]方向が平行となるように、シャドウマスク1を基板保持具11上に設置する。InP基板21表面上で、目空き部3の中央部付近が鉛直投影される領域すなわち、図5(a)に示した領域eの中央付近の成長構造において、以下の数値になるように成長条件を設定する。0.2μm厚のn型InP層24、0.1μm厚のn型InGaAsP(組成波長1.10μm)25、6周期の歪多重量子井戸活性層26、0.05μm厚のp型InGaAsP(組成波長1.10μm)層27、0.1μm厚のp型InP層28を順次形成する。ここで、歪多重量子井戸活性層26は、図5(a)中に部分拡大図で示したように、6.0nm厚で1%の圧縮歪を持つInGaAsP(組成波長1.45μm)井戸層41と、10nm厚のInGaAsP(組成波長1.10μm)障壁層42とから構成される。成長後、上記化合物半導体が積層されたInP基板21を劈開し走査型電子顕微鏡で膜厚測定した。その結果、図5(a)に示すように、マスキング部2の中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部3の中央部付近が鉛直投影される領域の約1/5に低下していることが判った。尚、図5(a)ではマスキング部2の直下の部分を中心に、シャドウマスク1の目空き部3の幅aとマスキング部の幅bを足した長さ分だけを示してある。
【0054】
続いて、一旦供給ガスを停止してシャドウマスク1を取外してから、MOVPE法により、再びp型InP層28を5μmと0.2μm厚の高濃度p型InGaAs層29の結晶成長を順次行う。
【0055】
図5(b)の斜視図上に破線で示すように、半導体多層膜のD−D’線、E−E’線、F−F’線、G−G’線、H−H’線と、これらに直交するI−I’線、J−J’線、K−K’線とで仕切られた単位ごとに、テーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造の加工を施す。まず、半導体多層膜の内の0.2μm厚の高濃度p型InGaAs層29(キャップ層となる)を、ストライプパターン55の部分だけ除去する。ストライプパターン55は、半導体多層膜の切片のx軸に沿って形成される(図5(b)参照)。この2つのストライプパターン55に囲まれたストライプ状の領域が、リッジストライプ導波路となる。
【0056】
続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液でp型InP層28(クラッド層となる)をウェットエッチングして溝を形成する。これにより、ストライプパターン55に囲まれたp型InP層28は図6の部分拡大図A1,A2に示すように逆メサ型(即ち断面が凡そ逆台形となる)のリッジ(Ridge:隆起物)に成形される。
【0057】
次に、半導体多層膜切片の上面にシリコン酸化膜52を成膜し、ポリイミド樹脂51を回転塗布する。表面全面をドライエッチングするエッチバック法により溝の内部以外のポリイミド樹脂を除去してから、逆メサ型p型InP層28上部のp型InGaAs層29の上面に形成されたシリコン酸化膜52を除去する。
【0058】
最後に、例えばTi/Pt/Auからなる上部電極(p型電極)54を、逆メサ型p型InP層28上部のp型InGaAs層29の上面に接続するように形成し、例えばAuGe/Ni/Pd/Auからなる下部電極(n型電極)53を形成して、D−D’線、E−E’線、F−F’線、G−G’線、H−H’線に従いyz表面に平行に切断し、またI−I’線、J−J’線、K−K’線に従いxz表面に平行に切断して、その切片として半導体レーザ素子を得る。この場合、レーザ出射端は図5(b)のyz面に略平行となる。ここで図6中の部分拡大図A2に示すようにリッジの底面の幅gは2.5μmであるが、図6中の部分拡大図A1に示すようにレーザ出射端ではリッジの底面の幅h=8.0μmにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は150μm、全素子長は500μmである。レーザ後端面には反射率70%の高反射膜を施した。なお、図6の部分拡大図B1に示すように、コア層は出射端面方向に向かってテーパ状に膜厚が薄く変化している。
【0059】
作製した素子は室温、連続条件において、しきい値6〜8mA、発振効率0.50W/Aと良好な特性を示した。室温での発振波長は1.3μmであった。また、図7の注入電流−光出力カーブIIに示すように、85℃の高温動作においてもしきい値18〜22mA、発振効率0.33W/Aとビーム拡大機構の無い従来構造の注入電流−光出力カーブIと遜色無い特性が得られた。リッジ幅g=2.5μmの後端面でのビームスポット径は、約1.5μmであった。これに対し、リッジ幅h=8.0μmの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は5倍に拡大され7.5μmであった。このレーザとコア径10μmの単一モードファイバとの結合を行ったところ結合損失2dB以下を水平、垂直方向の位置決め精度±3μmで実現した。又、素子の長期信頼性を85℃の高温条件下で評価したところ10万時間以上の推定寿命を確認した。なお、従来例として示した注入電流−光出力カーブIは誘電体薄膜マスクを利用する従来の領域選択成長法により作製したほぼ同構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザである。
【0060】
ここで、ファイバ結合損失の膜厚減少係数k依存性を図22に示す。同図中に模式的に示した導波路型半導体光素子の断面図において、半導体層Iは基板もしくはクラッド層(InP等)、半導体層IIは基板もしくはクラッド層よりも屈折率の高いコア層(InGaAsP等)、半導体層IIIはクラッド層、jは素子後端面でのコア層膜厚である。半導体層IIの膜厚がj/kとなる素子前端面で光ファイバと結合する。一般的に光通信用モジュールや光通信システムの仕様上、3dB以下ファバ結合損失が必須となる。従って、図22より膜厚減少係数kは2以上が必要となる。出射端でのコア層の膜厚値をd0(=j/k),光素子内部でのコア層の最大膜厚値をdmax(=j)とすれば、0< d0/dmax ≦0.5の範囲内に設定する必要がある。この関係は、後述する導波路型半導体光素子の各実施例においても成り立つ。
【0061】
本実施例の製造方法で作製した端面ビームスポット拡大半導体レーザの特性が良好な理由の一つは、レーザの基本構造と作製工程がシャドウマスク1を使用しない通常の製造方法と殆ど同一であるため、ビーム拡大機能の導入による悪影響が殆ど無いためである。半導体薄膜、特に、レーザ能動領域の歪多重量子井戸層26の光学的結晶性が十分に高いことがその理由の一つであることは言うまでもない。また、上記したように前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は後端面でのビームスポット径1.5μmに比べて5倍に拡大されている。これは、本構造ではリッジ幅が広くなると共に活性層膜厚も薄くなるため、次第に活性層への光閉じ込め作用が弱くなり、光強度の分布が周辺に滲み出しやすくなってゆくためである。この場合、テーパ長を150μmと十分大きく取ることにより、光の散乱が十分少なく抑えられる。このため、レーザとコア径10μmの単一モードファイバとの結合を行なっても、結合損失2dB以下を水平、垂直方向の位置決め精度±3μmで実現出来た。以上のようにシャドウマスク成長による面内コア層厚変調構造、及び、加工による導波路幅変調構造を組み合わせることによりレーザの特性を劣化させることなく、端面ビ−ムスポット拡大半導体レ−ザを実現できた。
【0062】
ところで、発光波長1μm程度以下の短波長帯レーザの高出力動作時の劣化は光密度分布の高い端面での結晶劣化であると見做されている。一方、本製造方法では、半導体結晶の品質を損なうこと無くビームスポット径を広げることが出来る。そのため、出射端面での光密度の低減による高出力動作時の端面結晶劣化の低減に寄与できる。従って、本発明の製造方法によれば、波長1μm程度以下の短波長帯レーザの素子寿命の改善も可能である。
【0063】
上述した本発明の導波路型半導体光素子の製造方法は、波長0.3〜1.7μm帯の波長域の導波路型半導体素子に広く適用できる。例えば、白紫色〜赤色〜近赤外の範囲である波長0.3〜1.7μm帯の波長域は、III-V族化合物半導体で構成でき、短波長の0.3μm帯で発光する半導体レーザはデジタルビデオディスクの書込み用光源等に応用できる。0.3μm帯の半導体レーザの基本的な素子構造は、実施例15で述べる0.98μm帯半導体レーザとほぼ同様である。波長0.3μm帯で発光する半導体レーザの構成材料の一例としては、活性層が窒化ガリウム(GaN)の井戸層と窒化アルミニウム(AlN)の障壁層からなる歪量子井戸層、その活性層を上下から挾み込むクラッド層にAlN、基板にSiCなどの構成が挙げられる。また、波長1.7μm帯の導波路型半導体光素子は光検出器に応用され、その基本的な素子構造は1.3〜1.55μm帯の半導体レーザと同様である。波長1.7μm帯で発光する導波路型半導体光素子の構成材料の一例としては、活性層がInGaAsSbの井戸層とGaSbからなる歪量子井戸層、その活性層を上下から挾み込むクラッド層にGaSb、基板にGaSbなどの構成が挙げられる。
【0064】
<実施例3>
図15および図16を用いて、基板保持具11を使用せずにシャドウマスクを直接半導体基板上に載置し、実施例2と同様の端面ビームスポット拡大半導体レーザを形成する場合の導波路型半導体光素子の製造方法について説明する。
【0065】
図16(a)はシャドウマスク1の上面図であり、本実施例ではストライプ状のマスキング部2の幅は100μm、目空き部3の幅が900μmである。図16(b)は、シャドウマスク1を半導体基板上に載置してMOVPE法により後述する多層膜70を成長した後における、図16(a)中にA−A’線で示した部分の断面斜視図である。ただし、図面上ではマスキング部2は2本しか示していないが、実際には多数のストライプ状のマスキング部2がある。
【0066】
(100)Si基板表面に厚さ1μmの熱酸化膜6を形成し、このSi基板を用いて図16(a)に示すようにシャドウマスク1を作製する。このシャドウマスク1は、従来のフォトリソグラフィ技術およびKOH水溶液を用いた異方性ウェットエッチングにより容易に作製できる。マスキング部のストライプ側壁の面方位は、{111}面である。詳細には、後述する実施例7の図14に示した製造方法により作製すればよい。ただし、本実施例の場合、枠部4とマスキング部2の段差を1μmとなるようにエッチングしている。
【0067】
次に、このシャドウマスク1をn型InP半導体基板21上に載置する。この場合、シャドウマスク1は、図16(b)に示すように、マスキング部2の最下表面はInP基板21より1μmだけ浮くことになる。なお、シャドウマスク1として、図15(a)の底面図、図15(b)の断面斜視図に示すように熱酸化膜6を枠部4を除き除去したタイプを使用してもよい。ただし、シャドウマスク1としては、実施例1において図2(b)で説明したように、少なくとも基板21と対向する面と反対側の面に酸化膜6を残しておいた方が成長膜の結晶性がより良好である。また、シャドウマスクのマスキング部2のストライプ方向はInP基板の[01−1]方向と平行になるようにシャドウマスク1を載置する。
【0068】
続いて、多層膜70として、0.2μm厚のn型InPバッファ層24、0.1μm厚のn型InGaAsP下側光ガイド層(組成波長1.10μm)25、6.0nm厚で1%の圧縮歪を持つInGaAsP(組成波長1.45μm)を井戸層、10nm厚のInGaAsP(組成波長1.10μm)を障壁層とする6周期の歪多重量子井戸活性層26、0.05μm厚のInGaAsP(組成波長1.10μm)上側光ガイド層27、0.1μm厚のp型InPクラッド層28を、MOVPE法により順次結晶成長を行う。成長層の膜厚を表面段差計で測定した結果、図16(b)に示すように、シャドウマスク1のマスキング部2の直下の成長膜厚は目空き部3のマスキング部2から十分離れた領域の約1/5に低下していることが判った。
【0069】
続いて、シャドウマスク1をInP基板21上から取外した後、再度p型InPクラッド層28を5μmと、0.2μm厚の高濃度のp型InGaAsキャップ層29を順次形成する。
【0070】
次に、実施例2と同様にテーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造に加工する。すなわち、0.2μm厚の高濃度のp型InGaAsキャップ層29をストライプパターン55の部分だけ除去し、この2つのストライプパターン55に囲まれたストライプ状の領域がリッジストライプ導波路となる。
【0071】
続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液でp型InPクラッド層28をウェットエッチングして溝を形成する。これにより、ストライプパターン55に囲まれたp型InP層28は、図16(c)中の部分拡大図A1,A2に示すように逆メサ型(即ち断面が凡そ逆台形となる)のリッジに成形される。
【0072】
次に、半導体多層膜切片の上面にシリコン酸化膜52を成膜し、ポリイミド樹脂51を回転塗布する。エッチバック法により溝の内部以外のポリイミド樹脂を除去してから、逆メサ型p型InP層28上部のp型InGaAs層29の上面に形成されたシリコン酸化膜52を除去する。
【0073】
最後に、上部電極(p型電極)54を逆メサ型p型InP層28上部のp型InGaAs層29の上面に接続するように形成し、下部電極(n型電極)53を形成後、実施例2と同様に切断すれば、図16(c)に示すレーザ構造が得られる。ここで、図16(c)中の部分拡大図A2に示すようにリッジの底面の幅gは2.5μmであるが、部分拡大図A1に示すようにレーザ出射端ではリッジの底面の幅hは8.0μmにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は150μm、全素子長は500μmである。レ−ザ後端面には反射率70%の高反射膜を施した。なお、出射端面の活性層の膜厚は、図16(c)中の部分拡大図B1に示すように、端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【0074】
作製した素子は、室温、連続条件において、しきい値6〜8mA、発振効率0.50W/Aと良好な特性を示した。室温での発振波長は1.3μmであった。また、85℃の高温動作においてもしきい値18〜22mA、発振効率0.40W/Aとビ−ム拡大機構の無い従来構造と遜色無い特性が得られた。リッジ幅8.0μmの前端面からのレーザ出射ビ−ムのスポット径は7.5μmと、リッジ幅2.5μmの後端面でのビ−ムスポット径の約1.5μmに比べて5倍に拡大された。このレーザとコア径10μmの単一モ−ドファイバとの結合を行ったところ結合損失2dB以下を水平、垂直方向の位置決め精度±3μmで実現した。また、素子の長期信頼性を90℃の高温条件下で評価したところ10万時間以上の推定寿命を確認した。
【0075】
従って、シャドウマスク1として、枠部4の厚さをマスキング部2の厚さよりも大きく形成した構造の場合には、基板保持具11を用いずに、シャドウマスク1を半導体基板21上に直接載置して結晶層を成長しても、実施例2と同様に、良好な端面ビーム拡大半導体レーザを得ることができた。
【0076】
尚、このシャドウマスク1を実施例2と同様に基板保持具に載置し、所定距離を確保して結晶層を成長しても差し支えないことは勿論である。
【0077】
<実施例4>
図8(a)を用いて、シャドウマスク1の表面材料が実施例1と異なる場合の例について述べる。図8(a)は、実施例1の図1(b)に対応するマスキング部2の断面構造図である。
【0078】
まず、厚さ300μmの(100)Si基板表面の片側面に、厚さ1μmの熱酸化膜6を形成する。このSi基板を領域選択的に穴空けし、図1(a)に示す様な上面図のシャドウマスク1を作製する。Si基板の穴空けは、ホトリソグラフィ技術を用いて熱酸化膜6をパターニングし、このパターニングされた熱酸化膜をマスクにKOH水溶液を用いた異方性ウェットエッチングを行えばよい。実施例1と同様に側面が{111}面で、その側面の角度θが約54度の逆台形の断面構造が得られる。
【0079】
次に、シャドウマスクとして使用するときに半導体基板と対向する側の面だけに熱酸化膜6を残すように選択的に除去した後、スパッタリング法によりタングステンシリサイド(WSi)7を熱酸化膜6を残した面とは反対側の表面に形成する。その結果、主材料がシリコン(Si)5から構成されるマスキング部2の断面が図8(a)に示す様な構造のシャドウマスク1が完成する。シャドウマスク1のサイズ及び形状は、実施例1とほぼ同じである。このシャドウマスク1を使用し、実施例2と同じ製造方法及び構造の端面スポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例2の場合と同様に、良好な特性が得られた。尚、結晶成長条件は実施例2とは若干異なる。
【0080】
<実施例5>
図8(b)を用いて、シャドウマスク1の表面材料が実施例1と異なる場合の別の例について述べる。図8(b)は、実施例1の図1(b)に対応するマスキング部2の断面構造図である。
【0081】
まず、厚さ300μmのセラミックス板(Al2O3)8を切断あるいは研磨等の加工法により領域選択的に穴空けし、図1(a)に示す様な上面図のシャドウマスク1を作製する。セラミックス板の加工は切断や研磨等による機械的な手法を用いるので、洗浄して金属等の汚染物を除去する。次にスパッタリング法を用い、このシャドウマスク1の表裏面上に薄膜アルミナ(Al2O3)9を堆積する。その結果、主材料がセラミックス(Al2O3)8であり、マスキング部2の断面が図8(b)に示す様な構造のシャドウマスク1が完成する。
【0082】
マスキング部2の断面形状は、図示の如く矩形である。このシャドウマスク1は、使用するのに十分な機械的強度を有するだけでなく、再利用も可能となる。このシャドウマスク1を使用し、実施例2と同じ製造方法及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例2の場合と同様に良好な特性が得られた。尚、シャドウマスク1のサイズや結晶成長条件は実施例2とは若干異なる。また、セラミックス板の厚さは150μmでも使用可能であるが、強度の面から300μmの厚さが望ましい。さらに、アルミナの代わりにアモルファスシリコン(a−Si)あるいはタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ等の高融点金属を堆積してシャドウマスク1を形成しても同様の効果が得られる。またタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ等の高融点金属板をセラミックス板の代わりに用いても同様である。高融点金属板の貫通孔の形成には、機械加工を行えばよい。
【0083】
<実施例6>
図8(c)を用いて、シャドウマスク1の表面材料が実施例1と異なる場合の更に別の例について述べる。図8(c)は、実施例1の図1(b)に対応するマスキング部2の断面構造図である。
【0084】
まず、厚さ150μmの面方位(1−10)のSi基板の表裏面に厚さ1μmの熱酸化膜6を形成する。このSi基板を領域選択的に穴空けし、図1(a)に示す様な上面図のシャドウマスク1を作製する。Si基板の穴空け、すなわち貫通孔の形成は、フォトリソグラフィ技術を用いて熱酸化膜6をパターニングし、このパターニングされた熱酸化膜をマスクにKOH水溶液を用いた異方性ウェットエッチングを行えばよい。実施例1と同様に側面が{111}面であるが、この場合は側面の角度は90度の矩形の断面構造が得られる。
【0085】
続いて、シャドウマスク1として使用する場合に半導体基板と対向する面と反対側の面となる熱酸化膜6上に、MOVPE法により、約1μm厚のアンドープInP多結晶層10を形成する。InP多結晶層10は、通常よりも成長温度を低く、例えば400℃から500℃程度の間に設定することにより容易に形成可能である。その結果、主材料がSi5であり、マスキング部2の断面が図8(c)に示す様なシャドウマスク1が完成する。シャドウマスク1の主材料がSi5なので、厚さ150μmでも十分な機械的強度は得られる。
【0086】
このシャドウマスク1を使用し、実施例2と同じ製造方法及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例2の場合と同様に良好な特性が得られた。尚、シャドウマスク1のサイズや結晶成長条件は実施例2とは若干異なる。また、実施例4から実施例6で述べたシャドウマスク1の主材料の融点が、半導体成長層の成長温度を上回る必要があることは勿論である。
【0087】
更に、Si基板の代わりにInP基板やGaAs基板を用いても同様のシャドウマスクを形成することができる。ただし、Si基板に比べて強度が弱いので厚さは300μm以上が望ましい。フォトリソグラフィ時のパターニング用マスク材料としては、SiOx等の誘電体薄膜やフォトレジスト等を使用できる。貫通孔を形成するためのエッチャントには、InP基板に対してはHBr水溶液またはブロムメタノール(Br−CH3OH)を使用し、GaAs基板に対してはブロムメタノールを使用すればよい。シャドウマスク最表面がむき出しのInPやGaAsであっても、或いは誘電体薄膜で被覆されていても、高品質の結晶成長膜が得られるので、導波路型半導体光素子に充分使用可能である。
【0088】
<実施例7>
図9および図14を用いて、断面構造が実施例1と異なるシャドウマスクについて述べる。図9(a)は本実施例のシャドウマスクの上面図であり、図9(b)は上面図中にB−B’線で示した部分の断面図である。
【0089】
図9(b)に示した断面構造から分かるように、本実施例のシャドウマスク1は枠部4とマスキング部2間に段差があり、枠部4の厚さCがマスキング部2の厚さiよりも大きい。次に、このようなシャドウマスク1の製造方法を図14に示した工程断面図により説明する。
【0090】
まず、厚さ300μmの(100)Si基板5の表面両面に、厚さ1μmの熱酸化膜6aを形成する(図14(a))。このSi基板上の一方の表面の熱酸化膜6aを、フォトリソグラフィ技術を用いて図9(a)の上面図に示すような形にパターニングする。即ち、熱酸化膜6aを領域選択的に除去する(図14(b))。ただし、このとき次の異方性エッチング工程でストライプ状のマスキング部2となる部分の熱酸化膜6aのパターンは、300μmの異方性エッチングを行ったときにサイドエッチにより無くなる幅としておく。この場合、5μm幅にした。
【0091】
次に、このパターニングされた熱酸化膜6aをマスクに、KOH水溶液を用いた異方性エッチングを行い、Si基板5の穴空けを行う(図14(c))。マスキング部2となる部分の断面形状は、熱酸化膜6aがサイドエッチされてなくなるので{111}面で挾まれたピラミッド状となる。枠部4となる部分は充分な熱酸化膜6aが残っているので、マスキング部2となる部分の厚さよりも厚く、段差ができる。この段差はマスキング部2となる部分の熱酸化膜6aがサイドエッチで丁度無くなった時点から、異方性エッチングのオーバーエッチングにより所望の差が得られる。図14(c)ではオーバーエッチにより段差を設けた場合を示している。
【0092】
その後、熱酸化膜6aを全面除去し(図14(d))、引き続き表面酸化を行い1μm厚さの熱酸化膜6を全表面上に形成する(図14(e))。表裏面を逆にすると、図9(b)に示す断面構造の枠部4とマスキング部2の厚さが異なるシャドウマスク1が得られる。本実施例では、枠部4の厚さcは300μmであるのに対し、マスキング部2の厚さiは約150μmまで減少したシャドウマスク1を一例として示した。その他のサイズは、目空き部3の幅a:782μm、マスキング部2の横幅b:218μmである。ここで、マスキング部2の(100)面に対して斜めの面は{111}面となる。
【0093】
このようにして形成したシャドウマスク1を面方位(100)のn型InP基板21上に直接接触するように置いて、MOVPE法により結晶成長を行う。成長条件は、実施例2と同じである。シャドウマスク1を(100)n型InP基板21上に載置した場合、マスキング部2の最下表面とInP基板21の上側表面間の距離は、約150μmである。このシャドウマスク1を使用し、実施例2と同じ製造方法及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例2の場合と同様に良好な特性が得られた。
【0094】
<実施例8>
本発明に係る導波路型半導体光素子の一実施例として、図10に示したように、同一基板上に一体形成された波長1.3μm帯で動作する端面ビームスポット拡大半導体レーザアレーについて説明する。
【0095】
p型InP基板31上への結晶成長は、シャドウマスク1を用いて実施例2と同様にMOVPE法により行う。図10に示すように、成長構造は、p型InP基板31上に、p型InP層28、p型InGaAsP(組成波長1.10μm)層27、6周期の歪多重量子井戸活性層26、n型InGaAsP(組成波長1.10μm)25、n型InP層24を順次積層した多層膜構造である。ここで、歪多重量子井戸活性層26は、図10(a)中の拡大図に示した様に、6.0nm厚で1%の圧縮歪を持つInGaAsP(組成波長1.45μm)井戸層41と、10nm厚のInGaAsP(組成波長1.10μm)障壁層42から構成される。この場合、シャドウマスク1の最下表面とp型InP基板31の上側表面間の距離は約200μmである。その他の成長条件は、実施例2と同じである。成長後の膜厚測定では、マスキング部2の中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部3の中央部付近が鉛直投影される領域の約1/3に低下していることが判った。
【0096】
次に、シリコン酸化膜をマスクとし、ウエットエッチャントを用いて活性層となる上記成長層をメサ状にエッチングする。この時、同時にレーザ前端面となる側のメサストライプ導波路幅をテーパ状に広げる。
【0097】
続いて、シャドウマスク1を取外しMOVPE法により、p型InP層28、n型InP層24、p型InP層28からなる電流阻止層を成長する。成長後、SiO2マスクを除去し、再びn型InP層24、高濃度のn型InGaAsP32の結晶成長をMOVPE法により順次行う。
【0098】
その後、SiO252を化学気相成長(CVD:chemical vapor deposition)法により堆積し、フォトリソグラフィ技術によりSiO252上にコンタクト穴を空けた後、上部電極54と下部電極53を形成すれば、図10(a)に示すレーザアレー構造が完成する。シャドウマスク1を用いて結晶成長を行ったので、図10(b)に示したように、リッジストライプ部分は素子の出射端面に向かって薄くなるようにテーパ化している。メサストライプ導波路の素子端面から離れた中央部分ではメサ幅は1.0μmであるが、レーザ出射端では3.0μmにまでテーパ状に広げられている。ストライプのメサ幅が漸次変化するテーパ領域長は100μm、全素子長は300μmである。同一アレー内の素子数は10個である。レーザ前端面には反射率70%の反射膜を施し、後端面には反射率90%の高反射膜を施した。なお、本実施例の半導体レーザは、導波路の光の伝搬方向と垂直な方向の光の閉じ込め構造が埋込ヘテロ構造である。
【0099】
作製した素子は室温、連続条件において、しきい値2〜3mA、発振効率0.35W/Aと良好な特性を示した。室温での発振波長は1.3μmであった。また、85℃の高温動作においてもしきい値4〜6mA、発振効率0.20W/Aとビーム拡大機構の無い従来構造と遜色無い特性が得られた。テーパ化されていない後端面でのビームスポット径は約1.5μmであった。これに対し、テーパ化された前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は約3倍に拡大され4.5μmであった。このレーザとコア径10μmの単一モードファイバとの結合を行ったところ結合損失3dB以下を水平、垂直方向の位置決め精度±3μmで実現した。同一アレー内素子間の特性バラツキは、ビーム拡大機構の無い同様な半導体レーザアレーと遜色無かった。又、素子の長期信頼性を85℃の高温条件下で評価したところ10万時間以上の推定寿命を確認した。尚、シャドウマスク1としては、実施例1および実施例4〜7で述べた構造のいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【0100】
また、メサストライプ導波路の幅は、上記値に限らず、素子の中央での導波路幅は実用上1〜2.5μmの範囲が可能であり、出射端での幅は中央での幅よりも2〜5μm幅広にすればスポット拡大効果が得られる。
【0101】
<実施例9>
本発明に係る半導体光素子の別の実施例として、図11に示した構造の波長1.55μm帯で動作する半導体レーザ光増幅器について説明する。
【0102】
n型InP基板21上への結晶成長は、シャドウマスク1を用いて実施例2と同様にMOVPE法により行う。この時、n型InP基板21表面上で、シャドウマスクの目空き部3の中央部付近が鉛直投影される領域の成長構造は、各層が以下の数値になるように形成した。0.2μm厚のn型InP層24、0.15μm厚のn型InGaAsP(組成波長1.20μm)層33、0.1μm厚のInGaAsP(組成波長1.55μm)バルク活性層34、0.05μm厚のp型InGaAsP(組成波長1.20μm)層35、0.1μm厚のp型InP層28を順次形成する。その他の成長条件は、実施例2と同じである。成長後の膜厚測定では、マスキング部2の中央部と対向する表面、すなわち中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部3の中央部付近が鉛直投影される領域の約1/5に低下していることが判った。
【0103】
続いて、シャドウマスク1をとり外した後、再度MOVPE法により、実施例2と同様に5μm厚のp型InP層28と0.2μm厚の高濃度p型InGaAs層(不図示)の結晶成長を順次行う。
【0104】
次に、実施例2と同じレーザ作製法を用いて図11中に示した部分拡大図B1に示すようなテーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造に加工する。ここでリッジの底面の幅gは素子中央部の断面の部分拡大図A3に示すように2.5μmであるが、レーザ入/出射端面では部分拡大図A1に示すようにリッジの底面の幅hは7.5μmにまでテーパ状に広げられている。なお、他方の入/出射端面A2の部分拡大図はA1と同じであるので省略した。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は150μm、全素子長は700μmである。また、素子の両端面には反射率0.05%の反射防止膜を施した。
【0105】
作製した素子は室温、連続条件において、印加電流100mAにおいてチップ利得25dBを得、TE、TMモード間の利得差は0.5dB以下と良好である。また、飽和出力は10dBmであった。また、リッジ幅h=7.5μmの入/出射端面でのビームスポット径は、約6μmと従来型に比べて4倍に拡大された。この光増幅器とコア径10μmの単一モードファイバとの結合を行ったところ、水平及び垂直方向の位置決め精度±3μmで、片端面当たりの結合損失2dB以下を実現できた。なお、リッジ幅は上記値に限るものではなく、導波路中央でのリッジ幅1.5〜3.0μmの範囲に対して、光の入/出射端で3〜8μm幅広にすればスポット拡大効果が実用上問題無く得られる。
【0106】
<実施例10>
本発明に係る半導体光素子のまた別の実施例として、基板保持具11を用いないでシャドウマスクを基板上に直接載置して製造した場合であって、活性層に量子井戸層を用いて波長1.55μm帯で動作する図17(c)に示したような構造の半導体レーザ光増幅器について説明する。
【0107】
図17(a)に示したように、シャドウマスク1の構造としては、実施例3で述べたものと同じであるが、マスキング部2及び枠部4は酸化膜6で覆われているものを用いる。ただし、本実施例では目空き部3の幅は1300μmであり、マスキング部2と枠部4間の段差は0.5μmである。このシャドウマスク1をn型InP半導体基板21上に載置して、MOVPE法により後述する多層膜を成長した後における、図17(a)中にA−A’線で示した部分に対応する断面斜視図を示したのが図17(b)である。同図から分かるように、シャドウマスク1のマスキング部2の最下表面はInP基板21より0.5μmだけ浮いた状態である。マスキング部2のストライプ方向は、InP基板21の[01−1]方向となるようにシャドウマスク1を載置する。
【0108】
このようにシャドウマスク1をInP基板21上に設置した後、MOVPE法により結晶成長を次の順に行う。すなわち、n型InPバッファ層24を0.2μm、n型InGaAsP下側光ガイド層(組成波長1.15μm)33’を0.05μm、6.0nm厚で0.45%の引っ張り歪を持つInGaAs(組成波長1.60μm)を井戸層、10nm厚のInGaAsP(組成波長1.15μm)障壁層とする6周期の歪多重量子井戸活性層66、InGaAsP(組成波長1.15μm)上側光ガイド層35’を0.05μm、p型InPクラッド層28を0.1μmを順次形成する。成長層の膜厚を表面段差計で測定した結果、図17(b)に示すように、シャドウマスク1のマスキング部2の直下の成長膜厚は、マスキング部2から十分離れた目空き部3の領域の約1/10に低下していることが判った。続いて、シャドウマスク1を取外した後、再度MOVPE法を用いてp型InPクラッド層28を5μm、高濃度のp型InGaAsキャップ層29を0.2μmとなるように順次形成する。
【0109】
次に実施例2と同様のレーザ作製法を用いて図17(c)中に示した部分拡大図B1に示すようなテーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造に加工する。ここで、リッジの底面の幅は素子中央部の断面の部分拡大図A3に示すように2.5μmであるが、レーザ入/出射端面では部分拡大図A1,A2に示すようにレーザ入/出射端では7.0μmにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は150μm、全素子長は700μmである。素子の両端面には反射率0.05%の反射防止膜を施した。
【0110】
作製した素子は室温、連続条件において、印加電流100mAにおいてチップ利得25dBを得、TE、TMモード間の利得差は0.5dB以下と良好である。飽和出力は10dBmであった。
【0111】
また、リッジ幅7.0μmの入/出射端面でのビームスポット径は約6μmと従来型に比べて4倍に拡大された。この光増幅器とコア径10μmの単一モードファイバとの結合を行ったところ片端面当たりの結合損失2dB以下を水平、垂直方向の位置決め精度±3μmで実現した。
【0112】
<実施例11>
シャドウマスク1を使用した結晶成長において、成長原料と共にエッチングガスを供給して本発明の導波路型半導体光素子の製造方法について述べる。
【0113】
まず、実施例1で述べた図1に示すシャドウマスク1を作製した。基本的には実施例1と同じ方法及び条件で結晶成長した。但し、シャドウマスク1と基板21間の距離dは実施例1の1/3である50μmとした。MOVPE法による結晶成長時には、キャリヤガスと成長原料の他にエッチングガスである塩化メチル(CH3Cl)を供給した。更に、比較のために、エッチングガスを使用しない場合についても同様に行った。CH3Clの供給量は、シャドウマスク1を使用せずにCH3Clを供給する結晶成長において成長層の光学的結晶が低下しない程度に設定した。成長時間も各々適正化した。
【0114】
成長後、表面形状測定器と走査型電子顕微鏡で膜厚測定した。図12(a)はエッチングガスであるCH3Clを同時供給して成長した場合の断面図であり、図12(c)はエッチングガスを使用せずに成長した場合の断面図である。両者共、マスキング部2の中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部3の中央部付近が鉛直投影される領域eの約1/5〜1/7に低下していることが判った。
【0115】
次に、実施例2と同じ製造工程及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製した。図12(a)の成長層の場合は、実施例2の半導体レーザと同等の良好な特性が得られた。図12(c)の成長層の場合、実施例2の半導体レーザに準ずる特性、すなわちスペクトラムの半値全幅が5nm増加した程度の実用上問題が無い特性が得られた。尚、図12(b)は6周期の歪多重量子井戸活性層26の部分拡大図である。
【0116】
次に、図12(a)と図12(c)に示した成長層断面図の膜厚平坦性に関して述べる。図12(a)に示した断面構造では領域eの表面が平坦であるのに対して、図12(c)に示した断面構造では領域f寄りの領域eで非平坦な膜厚増加領域が生じている。この膜厚増加は、誘電体薄膜マスクを利用する従来の領域選択成長法と同様な原理である。実施例2では見られなかった膜厚増加現象が図12(c)で生じているのは、主として、距離dとシャドウマスク1の厚さとの合計値の違いに起因する。この合計値が200μmと小さい本実施例では、エッチングガスを使用しない図12(c)の場合は、マスキング部2上で局所的に濃度の高い成長原料が基板面方向に気相拡散し、マスキング部2直下近傍での成長速度増加に寄与した。
【0117】
一方、エッチングガスを併用する図12(a)の良好な膜厚平坦性が得られる理由は、以下のように考えられる。InP基板21上の気相中において、成長に寄与する主なIII族気相拡散種はInClとGaClである。これらの拡散種は、塩化物ガスを使用しない通常のMOVPE成長時に生ずるIII族拡散種に比べて極めて揮発性が高い。従って、マスキング部2上で局所的に濃度の高い成長原料が基板面方向に気相拡散する過程で、成長層表面ではなく、基板21上方の気相中に取り込まれ易い。実際、誘電体薄膜マスクを利用する従来の領域選択成長法において塩素系III族有機金属を使用した場合、指数関数的な膜厚プロファイルから得られる気相拡散長は極めて短かいことが知られている。以上の様に、エッチングガスを同時供給する本製造方法によれば、面内膜厚分布を制御して成長層の平坦化を行なうことができる。
【0118】
尚、エッチングガスとしては、CH3Clの他に、塩化水素(HCl)ガスでもよく、アミン基またはアミノ基を含む原料ガスを用いても同様の効果が得られた。
【0119】
<実施例12>
本発明に係る導波路型半導体光素子のまた別の実施例として、波長1.55μm帯で動作する図18に模式的に示した干渉型光変調器について説明する。
【0120】
変調器活性層には9.0nm厚のInGaAsP(組成波長1.57μm)を井戸層、5nm厚のInAlAs(組成波長0.86μm)を障壁層とする25周期の多重量子井戸活性層61が導入されている。この活性層61は、シャドウマスク1を用いてMOVPE法により形成している。シャドウマスク1の構造としては、これまでの実施例1,実施例4〜7で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【0121】
リッジの横幅は、単一モード条件から変調器内部では1.5μmであるがレーザ出射端では6.0μmにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は150μm、全素子長は1400μmである。素子の両端面には反射率1%の反射防止膜を施した。尚、入/出射端面の活性層の膜厚は、図18中の部分拡大図B1,B2に示すように、それぞれ端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【0122】
作製した素子のリッジ幅6μmの入/出射端面でのビームスポット径は約5μmと従来型に比べて約3倍に拡大された。この光変調器とコア径10μmの単一モードファイバとの結合を行ったところ、水平及び垂直方向の位置決め精度±2μmで、片端面当たりの結合損失2dB以下を実現した。このため、変調器の全挿入損失を10dB以下に低減できた。また、変調器の駆動電圧は3V、変調帯域は17GHzと良好であった。さらに、ファイバ位置を意図的に±1μmずらした場合においても変調器の特性に変化は無かった。なお、図18において、参照符号21は面方位(100)のn型InP基板、51はポリイミド樹脂、53は下部電極、54は上部電極である。
【0123】
<実施例13>
本発明に係る導波路型半導体光素子の更に別の実施例として、波長1.48μmで発振する図19に示した高出力レーザについて説明する。なお、図19において、実施例2の図6に示した構成要素と同じ部分には、同じ参照符号を付してある。
【0124】
活性層には、発光波長1.48μmの歪InGaAsP多重量子井戸構造81が導入されている。この活性層は、シャドウマスク1を用いてMOVPE法により形成している。シャドウマスク1の構造としては、これまでの実施例1,実施例4〜7で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【0125】
高出力化、安定な横単一モード動作を目的として発光領域幅すなわちリッジ幅は部分拡大図A2に示すように入射端面部で2.4μm、部分拡大図A1に示すように出射端面部で5μm、リッジ幅が漸次変化するテーパ長は200μm、共振器長は1200μmとした。素子の前端面には反射率3%の低反射膜、後端面には90%の高反射膜が形成されている。尚、部分拡大図B1に示すように活性層の膜厚も出射端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【0126】
得られた本実施例の高出力レーザの特性は、室温連続動作条件における発振しきい値が25〜32mA、発振効率が0.40〜0.43W/Aである。最大光出力は350mWを得た。また、リッジ幅5μmの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は4.5μmである。この高出力レーザを、セラミックス基板上に温度調整器、レンズ、および光ファイバと一体化してモジュール化したところファイバとの低結合損失1.0dBを反映して最大モジュール出力280mW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。
【0127】
<実施例14>
本発明に係る導波路型半導体光素子のまた別の実施例として、1.55μmで発振する図20に示した高出力分布帰還型レーザについて説明する。なお、図20において、実施例2の図6に示した構成要素と同じ部分には、同じ参照符号を付してある。
【0128】
活性層には、発光波長1.55μmの歪InGaAsP多重量子井戸構造91、及び周期241nmの回折格子92が導入されている。この活性層は、シャドウマスク1を用いてMOVPE法により形成している。シャドウマスク1の構造としては、これまでの実施例1,実施例4〜7で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。また、回折格子92の形成は、位相シフト法や二重レジスト法など周知の方法を用いて形成すればよい。
【0129】
高出力化、安定な横単一モード動作を目的として、部分拡大図A2に示すように入射端面部での発光領域幅は2.4μm、部分拡大図A1に示すように出射端面部での発光領域幅は5μm、リッジ幅が漸次変化するテーパ長は150μm、共振器長は600μmとした。素子の前端面には反射率1%の低反射膜、後端面には90%の高反射膜が形成されている。尚、部分拡大図B1に示すように活性層の膜厚は出射端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【0130】
このようにして得られた本実施例の高出力分布帰還型レーザの特性は、室温連続動作条件における発振しきい値が15〜18mA、発振効率が0.35〜0.40W/Aである。最大光出力は、150mWを得た。また、リッジ幅5μmの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は4.5μmである。このレーザを実施例13と同様にモジュール化したところ低結合損失1.0dBを反映して最大モジュール出力120mWを得た。
【0131】
<実施例15>
本発明に係る導波路型半導体光素子の別の実施例として、0.98μmで発振する図21に示した高出力半導体レーザについて説明する。なお、図21において、実施例2の図6に示した構成要素と同じ部分には、同じ参照符号を付してある。
【0132】
まず、面方位(100)のn型GaAs半導体基板101上に、n型In0.51Ga0.49Pバッファ層102を2.0μm、n型GaAs層を0.01μmとなるようにMOVPE法を用いて順次形成する。上記0.01μmのn型GaAs層を、例えば硫酸と過酸化水素と水の混合液を用いて全面除去する。この後、シャドウマスク1を用いて、InGaAsP(組成波長0.70μm)下側光ガイド層104を0.05μm、6.0nm厚のIn0.17Ga0.83Asを井戸層とし、8nm厚のInGaAsP(組成波長0.70μm)を障壁層とする単一量子井戸活性層105、InGaAsP(組成波長0.70μm)上側光ガイド層106を0.05μm、p型In0.51Ga0.49Pクラッド層を0.1μm、およびp型GaAsキャップ層を0.01μmとなるようにMOVPE法により順次形成する。尚、シャドウマスク1の構造としては、これまでの実施例1,実施例4〜7で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【0133】
この成長層の膜厚を表面段差計で測定した結果、シャドウマスクのマスキング部2直下の成長膜厚はマスキング部2から十分離れた目空き部3の中央部領域の膜厚よりも約1/5に低下していることが判った。
【0134】
続いて、シャドウマスク1を取外し、0.01μmの上記p型GaAsキャップ層を除去した後、再度p型In0.51Ga0.49Pクラッド層109を5.0μm、高濃度のp型GaAsキャップ層110を0.2μmをMOVPE法により順次形成する。
【0135】
次に、実施例2と同様にして図21に示すようなリッジストライプレーザ構造に加工する。尚、図21において、参照符号51はポリイミド樹脂、52はSiO2,53は下部電極、54は上部電極である。高出力化、安定な横単一モ−ド動作を目的として、部分拡大図A2に示すように入射端面部の発光領域幅は2.4μm、部分拡大図A1に示すように出射端面部で5μm、部分拡大図B1に示すように活性層の膜厚はテーパ状に薄くなっており、このテーパ長は200μm、共振器長は900μmとした。また、素子の前端面には反射率1%の低反射膜、後端面には90%の高反射膜が形成されている。
【0136】
このようにして得られた本実施例の波長0.98μm帯の高出力半導体レーザの特性は、室温連続動作条件における発振しきい値が12〜15mA、発振効率が0.60〜0.70W/Aである。最大光出力は、400mWを得た。また、リッジ幅0.5μmの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は4.5μmである。このレーザを実施例13と同様にモジュール化したところ、光ファイバとの低結合損失1.0dBを反映して最大モジュール出力は320mWが得られた。また、この波長帯レーザの高出力動作時の劣化は光密度分布の高い端面の結晶劣化であることが知られている。しかし、本実施例ではビームスポット径を簡単に広げることができるため、出射端面での光密度の低減により高出力動作時の端面結晶劣化を大きく低減できる。このため、素子の予測寿命は100万時間以上である。
【0137】
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。
【0138】
尚、ビ−ム拡大による端面光密度の低減による素子寿命改善効果は波長1μm程度以下の全ての高出力半導体レーザに適用できることは言うまでもない。
【0139】
以上、シャドウマスク成長法による面内膜厚制御と横幅を変調したテーパ導波路を組み合わせることにより、導波路型光素子のファイバ結合効率と位置合わせの許容誤差を大きく改善できることを、本発明の好適な実施例を用いて示したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、同様な作製で実現可能なファイバ結合にて用いる全ての導波路型光素子に適用可能であり、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは勿論である。
【0140】
【発明の効果】
前述した実施例から明らかなように、本発明に係る導波路型半導体発光素子の製造方法によれば、結晶成長時に半導体薄膜の膜厚を同一基板面内で変調し、且つ、その光学的結晶性を高品質とすることが出来るので、光ファイバとの光結合が容易で且つ動作電流、動作電圧の低く、且つ高速特性の優れたリッジ装荷型光導波素子を極めて容易に実現できる。
【0141】
また、本発明に係る導波路型半導体光素子の製造方法によれば、優れた素子特性を有すると共に長期間の使用に耐え得る実用的なテーパ導波路集積型半導体光素子や集積素子を作製できる。
【0142】
更に本発明に係る導波路型半導体光素子は、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素子を適用することにより光通信システムの低価格化、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】本発明のシャドウマスクの一実施例を模式的に示し、(a)はシャドウマスクの平面図、(b)はマスキング部の断面図である。
【図2】本発明のシャドウマスクの使用例を示す図であり、(a)は半導体基板上に基板保持具を用いてシャドウマスクを載置した状態を示す断面図、(b)はシャドウマスクのマスキング部における3種類の構造例を示す拡大断面図である。
【図3】本発明のシャドウマスクを用いて形成した多層膜の形状を示す断面模式図である。
【図4】図2(b)に示したマスキング部の構造の違いによる成長膜のPLスペクトラム強度特性を示す特性線図である。
【図5】本発明のシャドウマスクを用いた製造方法により形成した多層膜の概略構成を示し、(a)は要部断面図、(b)は全体斜視図である。
【図6】本発明の製造方法により形成した導波路型半導体光素子の一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図7】シャドウマスクを用いて形成した本発明の導波路型半導体光素子と、従来の領域選択成長法により形成した導波路型半導体光素子の注入電流−光出力特性線図である。
【図8】シャドウマスクのマスキング部の種々の構造をそれぞれ示す断面図である。
【図9】シャドウマスクの別の実施例を示すそれぞれ(a)平面図と(b)要部断面図である。
【図10】本発明の製造方法により形成した導波路型半導体レーザアレーの一実施例を示し、(a)は要部断面図、(b)は(a)に示したC−C’線の断面図である。
【図11】本発明の製造方法により形成した導波路型半導体レーザ光増幅器の一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図12】本発明のシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時のエッチングガスの有無による形状の違いを模式的に示す断面図および部分拡大図である。
【図13】シャドウマスクの製造方法の一実施例を主要工程順に示す断面図である。
【図14】シャドウマスクの製造方法の別の実施例を主要工程順に示す断面図である。
【図15】シャドウマスクの別の実施例を示し、(a)はシャドウマスクの底面図、(b)はこのシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時の要部断面斜視図である。
【図16】シャドウマスクのまた別の実施例を示し、(a)はシャドウマスクの平面図、(b)はこのシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時の要部断面斜視図、(c)はこれにより形成した導波路型半導体光素子の一実施例を示す斜視図と部分拡大図である。
【図17】シャドウマスクのまた別の実施例を示し、(a)はシャドウマスクの平面図、(b)はこのシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時の要部断面斜視図、(c)はこれにより形成した導波路型半導体レーザ光増幅器の別の実施例を示す斜視図と部分拡大図である。
【図18】本発明の製造方法により形成した干渉型光変調器の一実施例を示す斜視図である。
【図19】本発明の製造方法により形成した高出力レーザの一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図20】本発明の製造方法により形成した高出力分布帰還型レーザの一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図21】本発明の製造方法により形成した高出力半導体レーザの別の実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図22】テーパ状導波路の膜厚減少係数とファイバ結合損失の関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
1…シャドウマスク、2…マスキング部、3…目空き部、4…枠部、5…Si、6…熱酸化膜(SiOx)、7…タングステンシリサイド(WSi)、8…セラミックスアルミナ、9…薄膜アルミナ、10…InP多結晶層、11…基板保持具、21…(100)InP基板、22…アンドープInP、23…アンドープInGaAs、24…n型InP、25…n型InGaAsP(組成波長1.10μm)、26…歪多重量子井戸活性層、27…p型InGaAsP層(組成波長1.10μm)、28…p型InP層、31…p型InP基板、32…高濃度n型InGaAsP、33…n型InGaAsP(組成波長1.20μm)、33’…n型InGaAsP下側光ガイド層(組成波長1.15μm)、34…InGaAsPバルク活性層、35…p型InGaAsP(組成波長1.20μm)、35’…InGaAsP上側光ガイド層(組成波長1.15μm)、41…InGaAsP井戸層、42…InGaAsP障壁層、51…ポリイミド樹脂、52…シリコン酸化膜、53…下部電極(n型電極)、54…上部電極(p型電極)、61…多重量子井戸活性層、66…歪多重量子井戸活性層、81…歪InGaAsP多重量子井戸構造(発光波長1.48μm)、91…歪InGaAsP多重量子井戸構造(発光波長1.55μm)、92…回折格子、101…n型GaAs基板、102…n型In0.51Ga0.49Pバッファ層、104…InGaAsP下側光ガイド層(組成波長0.70μm)、105…単一量子井戸活性層、106…InGaAsP上側光ガイド層(組成波長0.70μm)、109…p型In0.51Ga0.49Pクラッド層、110…高濃度p型GaAsキャップ層。
Claims (6)
- 化合物半導体基板上に前記基板よりも高い屈折率値を有する材料からなるコア層と、前記コア層よりも低い屈折率値を有する材料からなるクラッド層を前記コア層の上下に有し、
前記コア層の膜厚が素子内で連続且つ滑らかに変化する導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、
気相成長における結晶成長の際に、前記基板とは別個の、複数個のマスキング部と複数個の目空き部と、各々の前記マスキング部を支える一の枠部とを有するシャドウマスクを準備し、
前記マスキング部と前記基板との間隙が所定値を維持して対向するように、前記基板上方に前記シャドウマスクを載置した状態とし、その状態で、前記シャドウマスクを介在させて前記シャドウマスク上方から前記基板表面に気相ガスを供給し、その供給により、気相成長で結晶成長を行って半導体薄膜を成長させ、その成長により、前記マスキング部と対向する前記コア層となる前記基板表面領域の中央部での前記半導体薄膜の厚さを、前記目空き部と対向する前記コア層となる前記基板表面領域の中央部での前記半導体薄膜の厚さよりも薄くなるようにしたものであり、前記半導体薄膜の相対的に薄い部分が前記コア層の一端部寄りの部分となり、前記半導体薄膜の相対的に厚い部分が前記コア層の一端部寄り以外の部分となるものであり、前記枠部外周の平面形状は四角であり、各々の前記マスキング部の平面形状は長方形であり、各々の前記目空き部は四角形の目空きとなっており、前記マスキング部と前記目空き部とは交互に並んであり、
前記マスキング部の延在方向と交差する方向の前記マスキング部の断面形状は逆台形であり、その逆台形の平行な2辺のうち、短い辺の側が前記基板表面と対向するように位置していることを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記シャドウマスクを基板保持具を介して前記基板上方に配置する請求項1記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記シャドウマスクは表裏面の少なくとも何れか一方の面上で前記マスキング部と前記枠部間に段差が有り、前記枠部の厚さが前記マスキング部の厚さよりも大きいシャドウマスクである請求項1記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
- 請求項2または請求項3に記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、有機金属気相成長を行う際にキャリアガスと原料ガスと共にエッチングガスを流すことを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
- 請求項4に記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、エッチングガスとして塩化水素、塩化メチル、アミン基を含む原料、若しくはアミノ基を含む原料ガスを用いることを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
- 請求項1に記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、
シャドウマスクのマスキング部と対向するコア層となる半導体基板表面の領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の膜厚値をd0とし、シャドウマスクの目空き部と対向する半導体基板表面領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の最大膜厚値をdmaxとしたときに、膜厚値をd0と最大膜厚値dmaxの関係が、
0<d0/dmax≦0.5
の不等式で表されることを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
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