JP4014861B2 - Compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザ素子(以下、DFBレーザと言う)と、電界吸収による変調方式を利用した光変調器(以下、EA光変調器と言う)とを突き合わせ(以下、バットジョイントと言う)結合方式により結合、集積化した化合物半導体デバイスに関し、更に詳細には、結合損失が低減され、光吸収が少ない層構造を備え、かつ良好なデバイス特性を示す化合物半導体デバイス、及びその作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光変調器と、光変調器の光源として単一縦モードの半導体レーザ素子とをモノリシックに集積した、光変調器−半導体レーザ素子集積の半導体光素子が開発され、実用化されつつある。
このような集積半導体光素子の一つとして、光変調器には電界による吸収係数の変化を利用する電界吸収型光変調器(以下、EA光変調器と言う)を、EA光変調器の光源には分布帰還型半導体レーザ素子(以下、DFBレーザと言う)を備えた半導体光素子が注目されている。
【0003】
ここで、図5、及び図6(a)から(c)を参照して、従来のEA光変調器−DFBレーザ・集積半導体光素子(以下、EA−DFBレーザと言う)80の構成を説明する。図5は従来のEA−DFBレーザの平面図で、図6(a)は図5の線II−IIに沿った断面図であり、図6(b)は図5の線III−IIIに沿った断面図であり、図6(c)は線IV−IVに沿った断面図である。
従来のEA−DFBレーザ80は、半絶縁性埋め込み層で多重量子井戸構造を含むヘテロ接合構造を埋め込んだ、GaInAsP系SI−BH(Semi-Insulating Buried Heterostructure)型のDFBレーザ80A及びEA光変調器80Bから構成された半導体光素子であって、図6(a)に示すように、DFBレーザ80AとEA光変調器80Bとを一つのn−InP基板上12に導波方向に同軸状でモノリシックに集積させたものである。
【0004】
DFBレーザ80Aは、図6(a)に示すように、EA光変調器80Bと共通のn−InP基板12のDFBレーザ領域上に、膜厚100nmのn−InP下部クラッド層14、バンドギャップ波長λgが1.55μmでGaInAsPからなる井戸数5のSCH−MQW16、膜厚100nmのp−InP上部クラッド層18、バンドギャップ波長λgが1.2μmのGaInAsPからなる膜厚10nmの回折格子形成層20をエッチングして形成された回折格子20aと、p−InPキャップ層22を含む膜厚200nmのp−InP上部クラッド層24と、並びにそれぞれEA光変調器80Bと共通の、膜厚2000nmのp−InP上部クラッド層32及び、膜厚300nmのp−GaInAsコンタクト層38との積層構造を有する。
【0005】
上述の積層構造の下部クラッド層14の上部、SCH−MQW16、上部クラッド層18、回折格子20a、p−InPキャップ層22を含む上部クラッド層24、上部クラッド層32、及びコンタクト層34は、図6(b)に示すように、メサ構造46として形成されている。更に、メサ構造46の両側は、EA光変調器80Bと共通の半絶縁性のFeドープInP層(以下、Fe−InP層と言う)36で埋め込まれている。
SiN膜からなる共通のパッシベーション膜44が、コンタクト層34上の窓50を除いてメサ構造46の両側のFe−InP層36上に成膜されている。
コンタクト層34上には窓50を介してp側電極38が、また、共通のn−InP基板12の裏面には共通のn側電極42が形成されている。
【0006】
EA光変調器80Bは、図6(a)に示すように、DFBレーザ80Aと共通のn−InP基板12のEA光変調器領域上に、膜厚50nmのn−InPバッファー層26、バンドギャップ波長λgが1.50μmのGaInAsPからなる井戸数9のSCH−MQW28、膜厚150nmのp−InP上部クラッド層30、並びにそれぞれDFBレーザ80Aと共通の、膜厚2000nmのp−InP上部クラッド層32及び膜厚300nmのp−GaInAsコンタクト層34との積層構造を有する。
【0007】
上述の積層構造のn−InPバッファー層26の上部、SCH−MQW28、上部クラッド層30、上部クラッド層32、及びコンタクト層34は、導波方向に沿ってメサ構造48として形成されている。更に、メサ構造48の両側はDFBレーザ80Aと共通の半絶縁性のFe−InP層36で埋め込まれている。
SiN膜からなる共通のパッシベーション膜44が、コンタクト層34上の窓52を除いてメサ構造48の両側のFe−InP層36上に成膜されている。
コンタクト層34上には窓を介してp側電極40が、また、共通のn−InP基板12の裏面には共通のn側電極40が形成されている。
【0008】
各層のキャリア濃度は、それぞれ、下部クラッド層14で5×1017cm-3、上部クラッド層24で5×1017cm-3、バッファー層26で5×1017cm-3、上部クラッド層30で5×1017cm-3、上部クラッド層32で1×1018cm-3、コンタクト層38で1×1019cm-3である。
【0009】
上述の従来のEA−DFBレーザ80の作製方法を説明する。図7(a)から(d)は、それぞれ、EA−DFBレーザを作製する際の各工程を示す断面図であり、図8(a)、(b)は、それぞれ、EA−DFBレーザを作製する際のマスクパターンを示す平面図である。
先ず、DFBレーザ領域とEA光変調器領域を有するn−InP基板12上の全面に、GaInAsP系DFBレーザ構造を導波層まで形成する。
即ち、n−InP基板12上全面に、例えばMOCVD法によってn−InP下部クラッド層14、SCH−MQW16、p−InP上部クラッド層18、回折格子形成層20、及びp−InPキャップ層22をエピタキシャル成長させる。
次いで、図7(a)に示すように、キャップ層22及び回折格子形成層20をエッチングして回折格子20aを形成し、続いてp−InP上部クラッド層24をエピタキシャル成長させて、回折格子20aを埋め込むと共に回折格子20a上にクラッド層24を有する積層構造体を形成する。
【0010】
次いで、図7(b)に示すように、DFBレーザ領域の積層構造体を覆う、図8(a)に示すSiNのバットジョイントマスク60を形成し、マスクから露出しているEA光変調器領域に形成された積層構造体をエッチングしてn−InP基板12を露出させる。
続いて、図7(c)に示すように、GaInAsP系EA光変調器構造を露出させたEA光変調器領域のn−InP基板12上に選択成長させる。つまり、n−InP基板12上に、例えばMOCVD法によって、n−InPバッファー層26、SCH−MQW28、p−InP上部クラッド層30をエピタキシャル成長させて、積層構造体を形成する。
【0011】
次に、DFBレーザ領域のバットジョイントマスク60を除去した後、図7(d)に示すように、基板全面にp−InP上部クラッド層32及びp−GaInAsコンタクト層34をエピタキシャル成長させる。
次いで、図8(b)に示す幅2μmのストライプ状の、SiNのストライプマスク64をそれぞれDFBレーザ領域の積層構造体及びEA光変調器領域の積層構造体上に連続して形成し、続いてそれらをマスクにしてドライエッチングを行う。
これにより、DFBレーザ領域には、下部クラッド層14の上部、SCH−MQW16、上部クラッド層18、回折格子20a、p−InPキャップ層22を含む上部クラッド層24、上部クラッド層32、及びコンタクト層34からなるメサ構造46を形成する。
一方、EA光変調器領域には、n−InPバッファー層26の上部、SCH−MQW28、p−InP上部クラッド層30、上部クラッド層32、及びコンタクト層34からなるメサ構造48を形成する。
【0012】
次いで、ストライプマスク64を、DFBレーザ領域及びEA光変調器領域のそれぞれで、選択成長マスクとして使用し、半絶縁性のFe−InP電流ブロッキング層36を埋め込み成長させ、形成したメサ構造46、48の両側を埋め込む。
更に、パッシベーション膜44、p側電極38、40及びn側電極40等を形成することにより、EA−DFBレーザ80を作製することができる。
従来例
上述の従来の作製方法で、本従来例の試料を作製したところ、EA−DFBレーザのデバイス特性として、しきい値電流12mA、3Vバイアス時における消光比15dB、またFFP(ファーフィールドパターン)のノイズが有る、という結果であった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した作製方法に従って作製された従来のEA−DFBレーザには、以下のような問題があった。
第一の問題として、DFBレーザからEA光変調器に入射した光は、図6(a)中に模式的に示すように、結合面でのモードフィールド72aと72bとの相違により、結合損失が大きくなるという問題があった。
ここで、モードフィールドとは、素子の内部を伝播する光の分布形状を言う。結合損失とは、異なるエリア間での光の結合時の損失を言い、モードフィールドの違いに大きく起因する。
更に、本作製方法ではバットジョイント法を用いているため、マスクによる側面成長により、実際は、図9(a)に模式的に示すように、EA光変調器では、結合部附近の膜厚が大きくなる。これにより、結合面でのモードフィールド74aと74bとの相違が更に大きくなるため、結合損失は予想以上に大きくなっていた。
図9(a)に従来のEA−DFBレーザ80で、側面成長を考慮に入れた実際の層構造、及びモードフィールドを示す。
【0014】
結合面での結合損失を抑制するために、従来、モードフィールドが一致するように、DFBレーザ及びEA光変調器のそれぞれの層構造を構成することが試みられている。しかし、この手法では、EA−DFBレーザとしてのデバイスの特性を最適化した構造とは異なる場合が多く、例えば、発振しきい値の増大や消光比の低下のようなデバイス特性を悪化させるという問題があった。
【0015】
第二の問題として、図9(b)に示すように、EA光変調器中でのバンドギャップ波長は、結合面に近づくにつれ、側面成長の無い領域(平坦領域)に比べて長くなるため、光吸収が生じるという問題があった。
即ち、EA光変調器中でのバンドギャップ波長は、側面成長の無い領域(平坦領域)では1500nmであるが、結合面に近づくにつれ少しづつ長くなり、結合面では1550nm程度までになっている。
図9(b)に従来のEA−DFBレーザ80のリッジストライプに沿ったバンドギャップ波長のグラフ示す。
【0016】
更には、これらの結合損失や光吸収は、レーザ光出力が低減したり、消光比が劣化したり、出射光にノイズ多くなるなどの、デバイス特性が悪化する問題を引き起こしていた。
そこで、本発明の目的は、結合損失が低減され、光吸収が少ない層構造を備え、かつ良好なデバイス特性を示す化合物半導体デバイス、及びその作製方法を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、結合部付近での結合損失を抑制するために、バットジョイント成長時のマスクの形状を変えることにより、EA光変調器の結合部付近の膜厚を変化させることを着想し、実験により確認し、本発明を発明するに到った。
即ち、EA光変調器の結合部付近の膜厚を、従来より小さくし、かつDFBレーザの膜厚に近づける構造を形成すれば、結合面でのモードフィールドの相違は小さくなる。
そのためには、バットジョイント成長時に、従来の図8(a)のマスクに代えて、図4(a)に示すようなマスクを用いる。図4(a)に示すマスクは、DFBレーザ領域上のバットジョイントマスク60と、EA光変調器領域上の選択領域成長マスク62からなり、バットジョイントマスク60と選択領域成長マスク62とは、所定の間隔だけ離して配置する。
図4(a)に示すようなマスクを用いることにより、図1に示すように、結合部付近での側面成長による膜厚の増大を狭い領域にとどめ、また、結合面から離れるに従い、膜厚は一旦薄くなり、その後徐々に増大する形状となる。
上記形状をとることにより、図1中に模式的に示すように、結合面でのモードフィールド70と70bとの相違が小さくなり、結合損失は低減する。
【0018】
また、上記の構造は以下の理由で、光吸収を少なくさせる効果がある。
即ち、EA光変調器中のバンドギャップ波長は、前述のようにバットジョイントマスク60のみの場合は、図2(b)の(i)に示すように、接合面に近づくにつれて、波長が長くなる効果がある。また、選択領域成長マスクの場合、図2(b)の(ii)に示すように、選択成長領域マスクの領域から離れるにつれて、波長が短くなる効果がある。
上記のパターンマスクを用いてEA−DFBを形成することにより、この(i)及び(ii)の両方の効果を組み合わせ、図2(b)の(iii)に示すように、結合面に近づくにつれてバンドギャップ波長が少しづつ短くなるような構成をとることができる。
【0019】
そこで、上記目的を達成するために、上記の知見に基づいて、本発明に係る化合物半導体デバイス(以下、第1の発明と言う)は、共通の基板上に、相互に構成の異なる少なくとも2個の化合物半導体光素子を突き合わせ結合方式により結合、集積してなる化合物半導体デバイスにおいて、
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に突き合わせ結合させた第2の化合物半導体光素子の活性層の膜厚が、結合面から離れるに従い減少し一旦最小になり、次いで結合面から離隔するにつれて逓増し所定の膜厚に達していることを特徴としている。
【0020】
本発明に係る別の化合物半導体デバイス(以下、第2の発明と言う)は、共通の基板上に、相互に構成の異なる少なくとも2個の化合物半導体光素子を突き合わせ結合方式により結合、集積してなる化合物半導体デバイスにおいて、
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に突き合わせ結合させた第2の化合物半導体光素子の活性層のバンドギャップ波長は、結合面で最小になり、結合面から離隔するにつれて漸増し所定のバンドギャップに達していることを特徴としている。
【0021】
また、本発明に係る化合物半導体デバイスの作製方法は、共通の基板上に、相互に構成の異なる少なくとも2個の化合物半導体光素子を突き合わせ結合方式により結合、集積してなる化合物半導体デバイスの作製方法において、
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に第2の化合物半導体光素子の層構造を突き合わせ結合させる際、
第1の化合物半導体光素子の積層構造を覆う第1のマスクを形成する工程と、
第1のマスクを使って第2の化合物半導体光素子形成領域上の第1の化合物半導体光素子の積層構造をエッチングする工程と、
第1のマスクから所定寸法離隔して、選択領域成長マスクを第2の化合物半導体光素子形成領域上に形成し、第2の化合物半導体光素子の積層構造を成長させる工程と
を有し、選択領域成長マスクとして、相互に離隔して前記結合面に直交する方向に延在する2個のマスクを形成する。
【0022】
上記の工程の順序は必須ではなく、本発明に係る化合物半導体デバイスの別の作製方法は、共通の基板上に、相互に構成の異なる少なくとも2個の化合物半導体光素子を突き合わせ結合方式により結合、集積してなる化合物半導体デバイスの作製方法において、
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に第2の化合物半導体光素子の層構造を突き合わせ結合させる際、
第1の化合物半導体光素子の積層構造を覆う第1のマスクと、第1のマスクから所定寸法離隔して、選択領域成長マスクを第2の化合物半導体光素子形成領域上に形成する工程と、
第1のマスクと選択領域成長マスクを使って第2の化合物半導体光素子形成領域上の第1の化合物半導体光素子の積層構造をエッチングする工程と、
第2の化合物半導体光素子の積層構造を成長させる工程と
を有し、選択領域成長マスクとして、相互に離隔して前記結合面に直交する方向に延在する2個のマスクを形成する。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る化合物半導体デバイスの実施形態例であり、本実施形態例で説明する化合物半導体デバイスはEA−DFBレーザである。図1は本実施形態例に係るEA−DFBレーザの層構造、及びモードフィールドを示す断面図で、図2(a)は本実施形態例に係るEA−DFBレーザの平面図である。図1の断面図は、図2(a)のI−Iに沿った断面を示す。
本実施形態例のEA−DFBレーザは、EA光変調器の構成が従来技術で説明したEA−DFBレーザと異なることを除いて、従来技術のEA−DFBレーザ80と同じ構成をしている。
本実施形態例のEA−DFBレーザ10は、図1に示すように、半絶縁性埋め込み層で多重量子井戸構造を含むヘテロ接合構造を埋め込んだ、GaInAsP系SI−BH型のDFBレーザ10A及びEA光変調器10Bから構成された半導体光素子であって、DFBレーザ10AとEA光変調器10Bとを一つのn−InP基板上12に導波方向に同軸状でモノリシックに集積させたものである。
【0024】
DFBレーザ10Aは、図1に示すように、EA光変調器10Bと共通のn−InP基板12のDFBレーザ領域上に、膜厚100nmのn−InP下部クラッド層14、バンドギャップ波長λgが1.55μmでGaInAsPからなる井戸数5のSCH−MQW16、膜厚100nmのp−InP上部クラッド層18、バンドギャップ波長λgが1.2μmのGaInAsPからなる膜厚10nmの回折格子形成層20をエッチングして形成された回折格子20aと、p−InPキャップ層22を含む膜厚200nmのp−InP上部クラッド層24と、並びにそれぞれEA光変調器10Bと共通の、膜厚2000nmのp−InP上部クラッド層32及び、膜厚300nmのp−GaInAsコンタクト層34との積層構造を有する。
【0025】
上述の積層構造の下部クラッド層14の上部、SCH−MQW16、上部クラッド層18、回折格子20a、p−InPキャップ層22を含む上部クラッド層24、上部クラッド層32、及びコンタクト層34は、図6(b)に示すように、メサ構造46として形成されている。更に、メサ構造46の両側は、EA光変調器10Bと共通の半絶縁性のFeドープInP層(以下、Fe−InP層と言う)36で埋め込まれている。
SiN膜からなる共通のパッシベーション膜44が、コンタクト層34上の窓50を除いてメサ構造46の両側のFe−InP層36上に成膜されている。
コンタクト層34上には窓50を介してp側電極38が、また、共通のn−InP基板12の裏面には共通のn側電極42が形成されている。
【0026】
EA光変調器10Bは、図1に示すように、DFBレーザ10Aと共通のn−InP基板12のEA光変調器領域上に、膜厚50nmのn−InPバッファー層26、バンドギャップ波長λgが1.52μmのGaInAsPからなる井戸数9のSCH−MQW28、膜厚150nmのp−InP上部クラッド層30、並びにそれぞれDFBレーザ10Aと共通の、膜厚2000nmのp−InP上部クラッド層32及び膜厚300nmのp−GaInAsコンタクト層34との積層構造を有する。
【0027】
上述の積層構造のn−InPバッファー層26の上部、SCH−MQW28、上部クラッド層30、上部クラッド層32、及びコンタクト層34は、導波方向に沿ってメサ構造48として形成されている。更に、メサ構造48の両側は、DFBレーザ10Aと共通の半絶縁性のFe−InP層36で埋め込まれている。
SiN膜からなる共通のパッシベーション膜44が、コンタクト層34上の窓52を除いてメサ構造48の両側のFe−InP層36上に成膜されている。
コンタクト層34上には窓を介してp側電極40が、また、共通のn−InP基板12の裏面には共通のn側電極40が形成されている。
【0028】
各層のキャリア濃度は、それぞれ、下部クラッド層14で5×1017cm-3、上部クラッド層24で5×1017cm-3、バッファー層26で5×1017cm-3、上部クラッド層30で5×1017cm-3、上部クラッド層32で1×1018cm-3、コンタクト層38で1×1019cm-3である。
【0029】
上述の実施形態例のEA−DFBレーザ10の作製方法を説明する。本実施形態例のEA−DFBレーザ10は、バットジョイント成長時のマスクパターンが、従来のEA−DFBレーザ80のバットジョイント成長時のマスクパターンと異なることを除いて、同じ作製方法で作製することができる。
図3(a)から(d)に、実施形態例の作製方法でEA−DFBレーザを作製する際の各工程の断面図を、図4に、本実施形態例の作製方法でEA−DFBレーザを作製する際のパットジョイント作製時のマスクパターンの平面図を示す。
先ず、DFBレーザ領域とEA光変調器領域を有するn−InP基板12上の全面に、GaInAsP系DFBレーザ構造を導波層まで形成する。
即ち、n−InP基板12上全面に、例えばMOCVD法によってn−InP下部クラッド層14、SCH−MQW16、p−InP上部クラッド層18、回折格子形成層20、及びp−InPキャップ層22をエピタキシャル成長させる。
次いで、図3(a)に示すように、キャップ層22及び回折格子形成層20をエッチングして回折格子20aを形成し、続いてp−InP上部クラッド層24をエピタキシャル成長させて、回折格子20aを埋め込むと共に回折格子20a上にクラッド層24を有する積層構造体を形成する。
【0030】
次いで、図3(b)に示すように、DFBレーザ領域の積層構造体を覆う、図4に示すSiNのバットジョイントマスク60を形成し、マスクから露出しているEA光変調器領域66に形成された積層構造体をエッチングしてn−InP基板12を露出させる。
続いて、露出させたn−InP基板12上に、図4に示すSiNの選択領域成長マスク62を形成する。
そして、バットジョイントマスク60及び選択領域成長マスク62を選択成長マスクとして、GaInAsP系EA光変調器構造をn−InP基板12上の露出させた領域に選択成長させる。
つまり、図3(c)に示すように、n−InP基板12上の露出させた領域に、例えばMOCVD法によって、n−InPバッファー層26、SCH−MQW28、p−InP上部クラッド層30をエピタキシャル成長させて、積層構造体を形成する。
【0031】
次に、図3(d)に示すように、バットジョイントマスク60を除去した後、選択領域成長マスク62の領域を除く基板全面にp−InP上部クラッド層32及びp−GaInAsコンタクト層34をエピタキシャル成長させる。
次いで、図8(b)に示す幅2μmのストライプ状の、SiNのストライプマスク64を、上記の選択領域成長マスク62を構成する2つのマスクの中央付近に、かつそれぞれDFBレーザ領域の積層構造体及びEA光変調器領域の積層構造体上に連続して形成し、続いてそれらをマスクにしてドライエッチングを行う。
これにより、DFBレーザ領域には、下部クラッド層14の上部、SCH−MQW16、上部クラッド層18、回折格子20a、p−InPキャップ層22を含む上部クラッド層24、上部クラッド層32、及びコンタクト層34からなるメサ構造46を形成する。
一方、EA光変調器領域には、n−InPバッファー層26の上部、SCH−MQW28、p−InP上部クラッド層30、上部クラッド層32、及びコンタクト層34からなるメサ構造48を形成する。
【0032】
次いで、選択領域成長マスク62を除去した後、SiNのストライプマスク64を、DFBレーザ領域及びEA光変調器領域のそれぞれで、選択成長マスクとして使用し、半絶縁性のFe−InP電流ブロッキング層36を埋め込み成長させ、形成したメサ構造46、48の両側を埋め込む。
更に、パッシベーション膜44、p側電極38、40及びn側電極40等を形成することにより、結合損失が低減され、かつ光吸収が少ない構成を備えたEA−DFBレーザ10を作製することができる。
【0033】
尚、本実施形態例では本発明に係る化合物半導体デバイスの例として、EA−DFBレーザを挙げたが、本発明は本実施形態例に限られるものではない。
例えば、レーザダイオード、フォトダイオード、導波路、半導体光アンプ等を集積した他の集積デバイスでも、本発明を用いることにより、結合損失が低減された構成を形成することができる。
また、デバイス構造についても、本実施形態例ではSI−BHの例を示したが、SI−PBH(Semi-Insulating Planar Buried Heterostructure)、p/n埋込、リッジ構造等、また、それらを組み合せたデバイスでも、本発明の考え方により、結合部の特性を向上させることができる。
更に、材料についても、本実施形態例ではGaInAsPを用いたが、例えばAlGaAs系、AlGaInAs系等や、それらを組み合せた場合にも、本発明を適用することができる。
【0034】
具体例
上述の本実施形態例の具体例として、バットジョイントマスク60及び選択領域成長マスク62の寸法、及び各マスク間の間隔として、図4(a)で、LDFBを300μm、LEA1を30μm、LEA2を300μm、WEA1を10μm、WDFBを30μm、WEA2を10μmとした。
【0035】
上述の寸法で、本具体例の試料を作製したところ、EA−DFBレーザのデバイス特性として、しきい値電流10mA、3Vバイアス時における消光比21dBが得られ、またFFP(ファーフィールドパターン)のノイズは無かった。
上記結果から、本実施形態例のEA−DFBレーザは、従来例のEA−DFBレーザと比べてのデバイス特性が向上したと評価できる。
【0036】
尚、上記バットジョイントマスク60を形成する工程で、選択領域成長マスク62をバットジョイントマスク60と同時に形成し、以下同様の工程を経ることにより、同様の効果を奏する構造が得られる。
即ち、図3(a)に示す積層構造体に、図4に示すバットジョイントマスク60と選択領域成長マスク62を形成し、マスクから露出しているEA光変調器領域66のみをエッチングして、図3(b)に示すように、n−InP基板12を露出させる。
続いて、バットジョイントマスク60及び選択領域成長マスク62を選択成長マスクとして、図3(c)に示すように、GaInAsP系EA光変調器構造をn−InP基板12上の露出させた領域66に選択成長させる。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、バットジョイント成長時に、バットジョイントマスクとは別に、選択領域成長マスクを組み合せて使用することにより、結合損失が低減され、光吸収が少ない層構造を備え、かつ良好なデバイス特性を示す化合物半導体デバイスを実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例に係るEA−DFBレーザの層構造、及びモードフィールドを示す断面図である。
【図2】図2(a)は、実施形態例に係るEA−DFBレーザの平面図であり、図2(b)は、実施形態例のEA−DFBレーザの各位置でのバンドギャップ波長を示すグラフである。
【図3】図3(a)から(d)は実施形態例の作製方法でEA−DFBレーザを作製する際の各工程の断面図である。
【図4】図4は実施形態例の作製方法でEA−DFBレーザを作製する際のパットジョイント作製時のマスクパターンを示す平面図である。
【図5】従来のEA−DFBレーザの平面図である。
【図6】図6(a)は、図5で線II−IIに沿った断面図であり、図6(b)は、図5で線III−IIIに沿った断面図であり、図6(c)は、図5で線IV−IVに沿った断面図である。
【図7】図7(a)から(d)は従来の作製方法でEA−DFBレーザを作製する際の各工程の断面図である。
【図8】図8(a)及び(b)は従来の作製方法でEA−DFBレーザを作製する際のマスクパターンを示す平面図である。
【図9】図9(a)は従来のEA−DFBレーザで、側面成長を考慮に入れた実際の、層構造、及びモードフィールドを示す断面図であり、図9(b)は従来のEA−DFBレーザの各位置でのバンドギャップ波長を示すグラフである。
【符号の説明】
10 実施形態例のEA−DFBレーザ
10A DFBレーザ
10B EA光変調器
12 n−InP基板
14 n−InP下部クラッド層
16 λgが1.55μmのGaInAsPからなるSCH−MQW
18 p−InP上部クラッド層
20 回折格子形成層
20a 回折格子
22 p−InPキャップ層
24 p−InP上部クラッド層
26 n−InP下部クラッド層
28 λgが1.50μmのGaInAsPからなるSCH−MQW
30 p−InP上部クラッド層
32 p−InP上部クラッド層
34 p−GaInAsコンタクト層
36 Fe−InP電流ブロッキング層
38 DFBレーザ領域のp側電極
40 EA光変調器領域のp側電極
42 n側電極
44 SiNパッシベーション膜
46 DFBレーザ領域のメサ構造
48 EA光変調器領域のメサ構造
50 DFBレーザ領域の窓
52 EA光変調器領域の窓
60 バットジョイントマスク
62 選択領域成長マスク
64 ストライプマスク
66 マスクから露出しているEA光変調器領域
70a、70b、70c、72a、72b、74a、74b、74c モードフィールド
80 従来のEA−DFBレーザ
80A DFBレーザ領域
80B EA光変調器領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a distributed feedback semiconductor laser element (hereinafter referred to as a DFB laser) and an optical modulator (hereinafter referred to as an EA optical modulator) using a modulation method based on electroabsorption are abutted (hereinafter referred to as a butt joint). More specifically, the present invention relates to a compound semiconductor device bonded and integrated by a bonding method, and more specifically, a compound semiconductor device having a layer structure with reduced coupling loss, low light absorption, and good device characteristics, and a method for manufacturing the compound semiconductor device It is about.
[0002]
[Prior art]
An optical modulator-semiconductor laser element integrated semiconductor optical element in which an optical modulator and a single longitudinal mode semiconductor laser element as a light source of the optical modulator are monolithically integrated has been developed and put into practical use.
As one of such integrated semiconductor optical elements, an electroabsorption optical modulator (hereinafter referred to as an EA optical modulator) that utilizes a change in absorption coefficient due to an electric field is used as an optical modulator, and a light source of the EA optical modulator. In particular, a semiconductor optical device including a distributed feedback semiconductor laser device (hereinafter referred to as a DFB laser) has attracted attention.
[0003]
Here, with reference to FIGS. 5 and 6A to 6C, the configuration of a conventional EA optical modulator-DFB laser / integrated semiconductor optical device (hereinafter referred to as EA-DFB laser) 80 will be described. To do. 5 is a plan view of a conventional EA-DFB laser, FIG. 6 (a) is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 5, and FIG. 6 (b) is taken along line III-III in FIG. FIG. 6C is a cross-sectional view taken along line IV-IV.
A conventional EA-DFB
[0004]
As shown in FIG. 6A, the DFB
[0005]
The upper part of the
A
A p-
[0006]
As shown in FIG. 6A, the EA optical modulator 80B includes an n-
[0007]
The upper part of the n-
A
A p-
[0008]
The carrier concentration of each layer is 5 × 10 5 in the lower cladding layer 14.17cm-35 × 10 5 for the upper cladding layer 2417cm-35 × 10 in the
[0009]
A method for manufacturing the above-described conventional EA-DFB
First, a GaInAsP-based DFB laser structure is formed up to the waveguide layer on the entire surface of the n-
That is, the n-InP
Next, as shown in FIG. 7A, the
[0010]
Next, as shown in FIG. 7B, the SiN
Subsequently, as shown in FIG. 7C, the GaInAsP-based EA optical modulator structure is selectively grown on the n-
[0011]
Next, after removing the
Next, a stripe-shaped
Thus, in the DFB laser region, the upper portion of the lower
On the other hand, in the EA optical modulator region, a
[0012]
Next, the
Furthermore, the EA-
Conventional example
When the sample of this conventional example was manufactured by the above-described conventional manufacturing method, the device characteristics of the EA-DFB laser were as follows: threshold current 12 mA, extinction ratio 15 dB at 3 V bias, and FFP (far field pattern) noise. It was the result that there was.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional EA-DFB laser manufactured according to the above-described manufacturing method has the following problems.
As a first problem, the light incident on the EA optical modulator from the DFB laser has a coupling loss due to the difference between the mode fields 72a and 72b on the coupling surface, as schematically shown in FIG. There was a problem of getting bigger.
Here, the mode field refers to the distribution shape of light propagating inside the element. The coupling loss refers to a loss at the time of coupling of light between different areas, and is largely caused by a difference in mode fields.
Furthermore, since this fabrication method uses the butt joint method, the film thickness near the coupling portion is actually large in the EA optical modulator due to side growth by the mask, as schematically shown in FIG. Become. As a result, the difference between the mode fields 74a and 74b on the coupling surface is further increased, and the coupling loss is larger than expected.
FIG. 9A shows an actual layer structure and a mode field in consideration of side growth in the conventional EA-
[0014]
In order to suppress the coupling loss at the coupling surface, conventionally, it has been attempted to configure the layer structures of the DFB laser and the EA optical modulator so that the mode fields match. However, this method is often different from the structure in which the device characteristics of the EA-DFB laser are optimized, and there is a problem that, for example, the device characteristics such as an increase in the oscillation threshold and a decrease in the extinction ratio are deteriorated. was there.
[0015]
As a second problem, as shown in FIG. 9B, the band gap wavelength in the EA optical modulator becomes longer as compared with the region without a side growth (flat region) as it approaches the coupling surface. There was a problem that light absorption occurred.
In other words, the band gap wavelength in the EA optical modulator is 1500 nm in the region where there is no side growth (flat region), but gradually increases as it approaches the coupling surface, and reaches about 1550 nm on the coupling surface.
FIG. 9B shows a graph of the band gap wavelength along the ridge stripe of the conventional EA-
[0016]
Furthermore, these coupling losses and light absorption have caused problems that device characteristics deteriorate, such as a reduction in laser light output, a deterioration in extinction ratio, and an increase in noise in the emitted light.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a compound semiconductor device having a layer structure with reduced coupling loss, low light absorption, and good device characteristics, and a method for manufacturing the compound semiconductor device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has conceived to change the film thickness in the vicinity of the coupling portion of the EA optical modulator by changing the shape of the mask at the time of butt joint growth in order to suppress coupling loss in the vicinity of the coupling portion, It confirmed by experiment and came to invent this invention.
That is, if the structure in which the film thickness in the vicinity of the coupling portion of the EA optical modulator is made smaller than that of the conventional one and close to the film thickness of the DFB laser is formed, the difference in mode field on the coupling surface is reduced.
For this purpose, a mask as shown in FIG. 4A is used instead of the conventional mask shown in FIG. The mask shown in FIG. 4A includes a butt
By using a mask as shown in FIG. 4A, as shown in FIG. 1, the increase in film thickness due to side growth in the vicinity of the coupling portion is limited to a narrow region, and as the distance from the coupling surface increases, the film thickness increases. Is once thinned and then gradually increases in shape.
By taking the above shape, as schematically shown in FIG. 1, the difference between the mode fields 70 and 70b on the coupling surface is reduced, and the coupling loss is reduced.
[0018]
Moreover, said structure has the effect of reducing light absorption for the following reasons.
That is, the band gap wavelength in the EA optical modulator becomes longer as approaching the bonding surface as shown in (i) of FIG. 2B when only the butt
By forming EA-DFB using the above pattern mask, the effects of both (i) and (ii) are combined, and as shown in (iii) of FIG. The band gap wavelength can be shortened little by little.
[0019]
Therefore, in order to achieve the above object, based on the above knowledge, at least two compound semiconductor devices according to the present invention (hereinafter referred to as the first invention) have different configurations on a common substrate. In a compound semiconductor device in which compound semiconductor optical elements are bonded and integrated by a butt bonding method,
The film thickness of the active layer of the second compound semiconductor optical device that is butt-bonded to the bonding surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate isDecreases as you move away fromIt is characterized by being minimized and then gradually increasing as the distance from the bonding surface reaches a predetermined film thickness.
[0020]
Another compound semiconductor device according to the present invention (hereinafter referred to as a second invention) is formed by coupling and integrating at least two compound semiconductor optical elements having different configurations on a common substrate by a butt coupling method. In the compound semiconductor device
The band gap wavelength of the active layer of the second compound semiconductor optical device butt-bonded to the coupling surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate is minimized at the coupling surface and is separated from the coupling surface. It is characterized by gradually increasing and reaching a predetermined band gap.
[0021]
In addition, a method for manufacturing a compound semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a compound semiconductor device in which at least two compound semiconductor optical elements having different configurations are coupled and integrated on a common substrate by a butt coupling method. In
When the layer structure of the second compound semiconductor optical device is butt-bonded to the bonding surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate,
Forming a first mask covering the laminated structure of the first compound semiconductor optical device;
Etching the stacked structure of the first compound semiconductor optical device on the second compound semiconductor optical device formation region using the first mask;
Forming a selective region growth mask on the second compound semiconductor optical device formation region at a predetermined distance from the first mask, and growing a stacked structure of the second compound semiconductor optical device;
As a selective area growth mask, separated from each otherOrthogonal to the coupling surfaceTwo masks extending in the direction are formed.
[0022]
The order of the above steps is not essential, and another method for producing a compound semiconductor device according to the present invention is to combine at least two compound semiconductor optical elements having different configurations on a common substrate by a butt-coupling method. In a method for producing an integrated compound semiconductor device,
When the layer structure of the second compound semiconductor optical device is butt-bonded to the bonding surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate,
A first mask covering the laminated structure of the first compound semiconductor optical device, and a step of forming a selective region growth mask on the second compound semiconductor optical device formation region, separated from the first mask by a predetermined dimension;
Etching the stacked structure of the first compound semiconductor optical device on the second compound semiconductor optical device formation region using the first mask and the selective region growth mask;
Growing a laminated structure of the second compound semiconductor optical device;
As a selective area growth mask, separated from each otherOrthogonal to the coupling surfaceTwo masks extending in the direction are formed.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below specifically and in detail with reference to the accompanying drawings.
Example embodiment
This embodiment is an embodiment of the compound semiconductor device according to the present invention, and the compound semiconductor device described in this embodiment is an EA-DFB laser. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a layer structure and a mode field of an EA-DFB laser according to this embodiment, and FIG. 2A is a plan view of the EA-DFB laser according to this embodiment. The cross-sectional view of FIG. 1 shows a cross section taken along line II in FIG.
The EA-DFB laser of the present embodiment has the same configuration as the EA-
As shown in FIG. 1, the EA-
[0024]
As shown in FIG. 1, the
[0025]
The upper part of the lower
A
A p-
[0026]
As shown in FIG. 1, the EA
[0027]
The upper part of the n-
A
A p-
[0028]
The carrier concentration of each layer is 5 × 10 5 in the lower cladding layer 14.17cm-35 × 10 5 for the upper cladding layer 2417cm-35 × 10 in the
[0029]
A method for manufacturing the EA-
3 (a) to 3 (d) are cross-sectional views of respective steps when producing an EA-DFB laser by the production method of the embodiment, and FIG. 4 shows an EA-DFB laser by the production method of this embodiment. The top view of the mask pattern at the time of producing the pad joint at the time of producing is shown.
First, a GaInAsP-based DFB laser structure is formed up to the waveguide layer on the entire surface of the n-
That is, the n-InP lower clad
Next, as shown in FIG. 3A, the
[0030]
Next, as shown in FIG. 3B, the SiN butt
Subsequently, a SiN selective
Then, using the butt
That is, as shown in FIG. 3C, the n-
[0031]
next,As shown in FIG.After the butt
Next, a stripe-shaped
Thus, in the DFB laser region, the upper portion of the lower
On the other hand, in the EA optical modulator region, a
[0032]
Next, after the selective
Furthermore, by forming the
[0033]
In this embodiment, an EA-DFB laser is used as an example of the compound semiconductor device according to the present invention. However, the present invention is not limited to this embodiment.
For example, even in other integrated devices in which laser diodes, photodiodes, waveguides, semiconductor optical amplifiers, and the like are integrated, a configuration with reduced coupling loss can be formed by using the present invention.
In addition, regarding the device structure, an example of SI-BH is shown in the present embodiment, but SI-PBH (Semi-Insulating Planar Buried Heterostructure), p / n buried, ridge structure, and the like are combined. Even in a device, the characteristics of the coupling portion can be improved by the concept of the present invention.
Further, regarding the material, GaInAsP is used in the present embodiment, but the present invention can also be applied to, for example, an AlGaAs system, an AlGaInAs system, or a combination thereof.
[0034]
Concrete example
As a specific example of the above-described embodiment, the dimensions of the butt
[0035]
When the sample of this specific example was fabricated with the above-mentioned dimensions, the device characteristics of the EA-DFB laser were such that a threshold current of 10 mA, an extinction ratio of 21 dB at 3 V bias, and FFP (far field pattern) noise were obtained. There was no.
From the above results, it can be evaluated that the device characteristics of the EA-DFB laser of this embodiment example are improved compared to the EA-DFB laser of the conventional example.
[0036]
In the step of forming the butt
That is, the butt
Subsequently, using the butt
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, when a butt joint is grown, a selective region growth mask is used in combination with the butt joint mask, thereby reducing coupling loss, having a layer structure with less light absorption, and good device characteristics. The compound semiconductor device which shows is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a layer structure and a mode field of an EA-DFB laser according to an embodiment.
FIG. 2A is a plan view of an EA-DFB laser according to an embodiment, and FIG. 2B shows a band gap wavelength at each position of the EA-DFB laser according to the embodiment. It is a graph to show.
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views of respective steps when an EA-DFB laser is manufactured by the manufacturing method of the embodiment.
FIG. 4 is a plan view showing a mask pattern when a pad joint is manufactured when an EA-DFB laser is manufactured by the manufacturing method of the embodiment.
FIG. 5 is a plan view of a conventional EA-DFB laser.
6 (a) is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 5, and FIG. 6 (b) is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. (C) is sectional drawing which followed the line IV-IV in FIG.
FIGS. 7A to 7D are cross-sectional views of respective steps when an EA-DFB laser is manufactured by a conventional manufacturing method.
FIGS. 8A and 8B are plan views showing mask patterns when an EA-DFB laser is manufactured by a conventional manufacturing method.
FIG. 9A is a sectional view showing a layer structure and a mode field of a conventional EA-DFB laser in consideration of side growth, and FIG. 9B is a conventional EA-DFB laser. -It is a graph which shows the band gap wavelength in each position of a DFB laser.
[Explanation of symbols]
10 EA-DFB Laser of Embodiment
10A DFB laser
10B EA optical modulator
12 n-InP substrate
14 n-InP lower cladding layer
SCH-MQW made of GaInAsP with 16 λg of 1.55 μm
18 p-InP upper cladding layer
20 Diffraction grating forming layer
20a diffraction grating
22 p-InP cap layer
24 p-InP upper cladding layer
26 n-InP lower cladding layer
28 SCH-MQW made of GaInAsP with λg of 1.50 μm
30 p-InP upper cladding layer
32 p-InP upper cladding layer
34 p-GaInAs contact layer
36 Fe-InP current blocking layer
38 p-side electrode in DFB laser region
40 p-side electrode in EA light modulator region
42 n-side electrode
44 SiN passivation film
46 Mesa structure of DFB laser region
48 Mesa structure of EA optical modulator area
50 DFB laser window
52 EA light modulator window
60 Butt Joint Mask
62 selective area growth mask
64 stripe mask
66 EA light modulator area exposed from mask
70a, 70b, 70c, 72a, 72b, 74a, 74b, 74c Mode field
80 Conventional EA-DFB laser
80A DFB laser region
80B EA optical modulator area
Claims (4)
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に突き合わせ結合させた第2の化合物半導体光素子の活性層の膜厚が、結合面から離れるに従い減少し一旦最小になり、次いで結合面から離隔するにつれて漸増し所定の膜厚に達していることを特徴とする化合物半導体デバイス。In a compound semiconductor device in which at least two compound semiconductor optical elements having different configurations are coupled and integrated on a common substrate by a butt coupling method.
The film thickness of the active layer of the second compound semiconductor optical device butt-bonded to the bonding surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate decreases as the distance from the bonding surface decreases , and then temporarily minimizes. A compound semiconductor device characterized by increasing gradually as the distance from the bonding surface reaches a predetermined film thickness.
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に突き合わせ結合させた第2の化合物半導体光素子の活性層のバンドギャップ波長は、結合面で最小になり、結合面から離隔するにつれて逓増し所定のバンドギャップ波長に達していることを特徴とする化合物半導体デバイス。In a compound semiconductor device in which at least two compound semiconductor optical elements having different configurations are coupled and integrated on a common substrate by a butt coupling method.
The band gap wavelength of the active layer of the second compound semiconductor optical device butt-bonded to the coupling surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate is minimized at the coupling surface and is separated from the coupling surface. The compound semiconductor device is characterized in that it gradually increases as it reaches a predetermined band gap wavelength.
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に第2の化合物半導体光素子の層構造を突き合わせ結合させる際、
第1の化合物半導体光素子の積層構造を覆う第1のマスクを形成する工程と、
第1のマスクを使って第2の化合物半導体光素子形成領域上の第1の化合物半導体光素子の積層構造をエッチングする工程と、
第1のマスクから所定寸法離隔して、選択領域成長マスクを第2の化合物半導体光素子形成領域上に形成し、第2の化合物半導体光素子の積層構造を成長させる工程と
を有し、選択領域成長マスクとして、相互に離隔して前記結合面に直交する方向に延在する2個のマスクを形成することを特徴とする化合物半導体デバイスの作製方法。In a method for producing a compound semiconductor device in which at least two compound semiconductor optical elements having different configurations are coupled and integrated on a common substrate by a butt coupling method.
When the layer structure of the second compound semiconductor optical device is butt-bonded to the bonding surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate,
Forming a first mask covering the laminated structure of the first compound semiconductor optical device;
Etching the stacked structure of the first compound semiconductor optical device on the second compound semiconductor optical device formation region using the first mask;
Forming a selective region growth mask on the second compound semiconductor optical device formation region at a predetermined distance from the first mask, and growing a stacked structure of the second compound semiconductor optical device. A method of manufacturing a compound semiconductor device, comprising forming two masks as region growth masks that are separated from each other and extend in a direction perpendicular to the coupling surface .
基板上に形成されている第1の化合物半導体光素子の結合面に第2の化合物半導体光素子の層構造を突き合わせ結合させる際、
第1の化合物半導体光素子の積層構造を覆う第1のマスクと、第1のマスクから所定寸法離隔して、選択領域成長マスクを第2の化合物半導体光素子形成領域上に形成する工程と、
第1のマスクと選択領域成長マスクを使って第2の化合物半導体光素子形成領域上の第1の化合物半導体光素子の積層構造をエッチングする工程と、
第2の化合物半導体光素子の積層構造を成長させる工程と
を有し、選択領域成長マスクとして、相互に離隔して前記結合面に直交する方向に延在する2個のマスクを形成することを特徴とする化合物半導体デバイスの作製方法。In a method for producing a compound semiconductor device in which at least two compound semiconductor optical elements having different configurations are coupled and integrated on a common substrate by a butt coupling method.
When the layer structure of the second compound semiconductor optical device is butt-bonded to the bonding surface of the first compound semiconductor optical device formed on the substrate,
A first mask covering the laminated structure of the first compound semiconductor optical device, and a step of forming a selective region growth mask on the second compound semiconductor optical device formation region, separated from the first mask by a predetermined dimension;
Etching the stacked structure of the first compound semiconductor optical device on the second compound semiconductor optical device formation region using the first mask and the selective region growth mask;
Forming a stacked structure of a second compound semiconductor optical device, and forming two masks that are separated from each other and extend in a direction perpendicular to the coupling surface as a selective region growth mask. A method for manufacturing a compound semiconductor device.
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