JP4164248B2

JP4164248B2 - Semiconductor element, manufacturing method thereof, and semiconductor optical device

Info

Publication number: JP4164248B2
Application number: JP2001299983A
Authority: JP
Inventors: 勝也元田; 薫岡本; 和彦直江
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003110195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は半導体光素子及びその製造方法に関するものである。本願発明は、わけても光通信分野等に用いて有用である。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光素子において、端面反射による戻り光を抑える方法として、ARコートと、いわゆる窓構造がある。このうち、窓構造は活性領域から端面までの距離を設けることで、端面より反射して戻ってきた光が導波路で再結合する確率を小さくすることが可能である。そして、その製造は比較的容易である。従来、メサストライプ構造を有する半導体レーザにおける窓構造は次の方法によって製造されていた。即ち、結晶成長によりレーザ発振のための多層構造を上部のクラッド層も含めて形成した後、エッチング加工により光導波路となるメサストライプを形成する。更に、メサストライプ状の半導体領域の側面及び前方先端領域を１層以上の半導体層で埋め込み成長を行うことで、窓構造を形成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、良好な光射出特性を有する埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置を提供すること、並びにこうした埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置を歩留まり良く製造する方法を提供するものである。
【０００４】
前述のヘテロ型半導体レーザ装置におけるメサストライプ状の半導体積層体を形成する際、Ｂｒ系のエッチャント等でエッチング加工する。しかし、この際、エッチング用のマスク直下に、サイドエッチングが発生する。その状態のまま、メサストライプ状半導体積層体に対して埋込み成長を行うと、完全に埋め込まれない空洞領域が生じるなどの難点が発生した。特に、メサストライプの先端部に空洞領域が存在すると、レーザ光が空洞領域で乱反射し、光出力不足や光強度分布に異常が生ずる。こうした事態に基づいて、半導体光素子の特性に悪影響を及ぼすとともに、その製造歩留を下げる要因にもなっていた。尚、この事実の詳細は後述する。
【０００５】
従来、エッチング加工後、加工されたストライプ状半導体積層体の両側を埋込み成長する際、合わせて、窓領域をも形成していたのに対して、本願発明は、光導波路部分と窓領域を、第２クラッド層を含む化合物半導体で多層成長により形成するものである。この方法によって、前記ストライプ状領域の先端部の空洞領域を無くすことが出来る。
【０００６】
このように、本願発明は、光出力や光強度分布などの素子特性を向上させるとともに、半導体光素子を高歩留で作製すること、又、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、活性層領域を含む所定の多層構造をウェハに成長した後、窓領域に相当する箇所をフォトエッチング工程で完全に除去し、その上から光導波路部分と窓領域に第２クラッド層を含む化合物半導体で多層成長する。この方法によって、空洞領域の無い窓構造を形成することができた。又、窓構造に近接した半導体光素子において、窓領域の導伝性と同じ極性のバイアスを印加する場合は、窓領域への電流リークが懸念されるが、窓領域にイオン注入によるプロトン打込みを行ったり、窓領域に活性層と同じ厚さのＦｅをドーパントとした半絶縁膜を成長することで、電流リークを防止することができ、合わせて、本発明は適用可能である。又、この方法により、ＥＡ変調器集積レーザなど複数の半導体光素子が集積化した構造においても本発明は適用可能であり、汎用性がある。
【０００８】
本願発明の代表的な形態を例示すれば、次の通りである。
【０００９】
その第１の形態は、化合物半導体基板上部に、活性層領域を有する化合物半導体多層積層体と、前記活性層領域を有する化合物半導体多層積層体に光学的に接続され当該半導体素子の光の射出口側を構成する、前記活性層領域より禁制帯幅の大きい第１の化合物半導体層と、前記活性層領域を有する化合物半導体多層積層体の、少なくとも上部に配置される、活性層領域より屈折率が小さい第２の化合物半導体層と、を少なくとも有し、且つ前記第１の化合物半導体層と前記第２の化合物半導体層とが同じ化合物半導体材料の一体の層として形成され
た半導体光素子であると云うことが出来る。この場合、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが別体の層として形成され、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の高さが略同一となしても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
先ず、これまでの窓構造を伴う埋込みヘテロ（ＢＨ：ＢｕｒｉｅｄＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型半導体レーザを説明すると共に、その難点を明らかにし、次いで、本願発明の例を例示する。
【００１１】
例えば、これまで、窓構造を伴う埋込みヘテロ型半導体レーザでは、次の方法を用いている。発振の閾値電流の低減やレーザの横方向モードの安定化のために、エッチング加工でストライプ構造を形成した後、ストライプ構造の両側面を半導体材料で埋め込むことにより光導波路を形成する。この時、同時にストライプ構造の光射出面側に窓構造も同時に形成していた。
【００１２】
ＩｎＰ系の窓構造を有するＢＨ型レーザの一例を次に示す。埋込み成長後の素子構造の一例の断面図を図１、その上面図を図２に示す。又、その製造工程をその工程フローを含めて図３に示す。図３の左側は製造工程順に示した装置の断面図、右側はその製造工程をその工程フロー図である。尚、図３の断面図は光の進行方向に平行な面での断面図である。
【００１３】
半導体基板４、例えばＩｎＰ基板上に、活性層領域を含む半導体積層領域３が搭載される。この上部に第２のクラッド層２、例えばｐ型ＩｎＰ層が形成される。こうして、光導波路を形成するために第２クラッド層を含む多層構造体が形成される（図３のA）。この上部に約３００ｎｍのＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にてシリコン酸化膜（以下、ＳｉＯ₂膜と記載する）１を形成し、所望形状にて加工しマスクとする（図３のＢ）。図２にこのマスク１の平面形状が示される。このマスクを用いて、臭化（Ｂｒ）メタノールをエッチャントとしたウェットエッチングにより、前記半導体積層体をメサストライプ構造に加工する。この際［０１１］方向のエッチングレートが大きいことから、ストライプ先端に最大で１０μm程度のサイドエッチング２０が生じる（図３のＣ）。従って、このまま、この後、半絶縁膜である鉄（Ｆｅ）含有のＩｎＰにて、埋込み成長を行うと、マスク１のひさし２１が、埋込み成長原料がマスク１の下部に入り込むのを妨害する。この為、マスク１の直下には、窓構造部の半導体層６とストライプ状半導体積層体２との間に空洞５が生じることになる（図３のＤ）。このような構造は、光出力や光強度分布などの素子特性に悪影響を与える。
【００１４】
これに対して、本願発明の代表的な方法は次の方法である。即ち、（１）少なくとも第２のクラッド層を除いて、活性層領域を含む半導体多層膜構造を形成した後、フォトエッチング工程により窓領域の活性層を完全に除去する。（２）活性層領域先端の窓領域の半導体層領域を、前記半導体多層膜構造の上部への第２クラッド層の形成工程と同一工程で形成する。
【００１５】
本願発明のＢＨ型レーザへの適用例を次に示す。本願発明の素子の一例の断面図を図４に示す。図４は光の進行方向に平行な面での素子の断面図である。図５はＢＨ型レーザ用のストライプ構造を加工する際のエッチング用マスクの平面図である。又、その製造工程を工程フローを含めて図６に示す。図６の左側は製造工程順に示した装置の断面図、右側はその製造工程をその工程フロー図である。図７は光の進行方向に交差する面での素子の断面図である。尚、図７の断面図は光の進行方向に平行な面での断面図である。
【００１６】
ｎ型ＩｎＰ基板４上に、〜０．３μｍの厚さの活性層領域となるＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）構造３を結晶成長により形成する（図６のＡ）。窓領域となる箇所以外の部分にフォトレジストマスク７を形成し、Ｈ₃ＰＯ₄、Ｈ₂Ｏ₂及びＨ₂Ｏの混液をエッチャントとして、５分間のエッチングを行う（図６のＢ）。前記混液の混合比は、Ｈ₃ＰＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：１０である。このエッチャントはＩｎＰに対してほぼ１００%の選択性があるため、窓領域の選択エッチングが可能となる。又、活性層の材料がＩｎＧａＡｓＰ以外にもＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成され、ウェットエッチングによる選択エッチングが不可能な場合でも、ＣＨ₄系あるいはＣｌ₂系のドライエッチングで完全に除去することが可能である。
【００１７】
このようにして、窓領域の活性層領域を含む半導体多層構造体を除去する。そして、この工程で用いたレジストを剥離した後、窓領域と光導波路部分の上部を含んで、厚さ約２．０μmの第２クラッド層としてｐ型ＩｎＰ層２を形成する。更に、この上部に、ＩｎＧａＡｓＰのキャップ層８０を約０．２μmの厚さに成長する（図６のＣ）。
【００１８】
次いで、ＢＨ型レーザの為のストライプ状半導体積層体部を通例のエッチングによって形成する。メサストライプ構造を形成する際には、従来と異なり、窓領域部にもストライプ状マスク１を形成することで、サイドエッチングによる影響を回避する（図６のＤ）。図５にこのマスク１の上面図が示される。図５の領域Ａは半導体レーザ部、領域Ｃは窓領域である。図７は本例のＢＨレーザ素子の光の進行方向に交差する面での断面図である。前記ＢＨ型レーザの為のストライプ状半導体積層体部の幅は、ｄで示される。
【００１９】
メサエッチング後、半絶縁膜である鉄（Ｆｅ）含有のＩｎＰにて、埋込み成長を行う。この時、埋込まれるのはメサストライプ構造７０の側面部７１、７２である。図５、図７を参酌し、この状態は理解されるであろう。半導体積層体の上部と半導体基板の裏面に、各々電極３１、３０を形成する。図４及び図７が本例の半導体光素子の二つの断面図である。尚、完成された半導体光素子では、光射出端面等に保護膜が形成されるが、図では通例のものに付き省略されている。
【００２０】
こうして作製された窓領域は光導波路部分と同一材料で形成され、空洞領域も存在しない。本実施例により作製した構造により、光出力、光強度分布の素子特性を飛躍的に向上することができた。
＜実施例２＞
実施例２は光導波路部分及び窓領域上に第２クラッド層を成長する前に、窓領域にのみ鉄（Ｆｅ）ドープのＩｎＰ層８を活性層領域３と同じ厚さに部分成長する場合である。この例の光の進行方向と平行な面での断面図を図８に示す。即ち、窓領域８と第２のクラッド層２の材料を別体に構成する例である。その他は図４の実施例１と同様である。
【００２１】
Ｆｅドープ層８の部分成長は、実施例１におけるフォトレジストを約０．３μmのＳｉO₂やＳｉＮなどの絶縁物に変更することで選択成長が可能となる。その後、絶縁物マスクはＢＨＦに１分以上浸漬することで容易に除去可能である。絶縁物マスク除去後、実施例１と同様に第２クラッド成長し、その後、通例のプロセスにて半導体光装置を製造する。尚、光射出端面等に保護膜が形成されるが、図では省略されている。
【００２２】
窓領域に活性層と同じ厚さのＦｅドープ層を形成することで、光導波路先端部にｐｎ接合により生じる容量を低減できる。この為、ＥＡ変調器を集積化した半導体レーザ装置などにおいては、動特性、伝送特性などの特性向上にもつながる。
＜実施例３＞
実施例３は実施例２において、部分成長する半導体層８にＦｅドープした活性層材料よりバンドギャップの大きいＩｎＧａＡｓＰ系の多層構造を活性層領域３と同じ厚さ形成する場合である。この例の光の進行方向と平行な面での断面図は図８と同様である。従って、この例も窓領域８と第２のクラッド層２の材料を別体に構成されている。又、図示されていないが、発光端面に保護膜ないしは反射膜などが被覆されることは通例の技術で十分である。その他は図８の実施例２と同様である。
【００２３】
活性層と比べてバンドギャップの大きい組成で構成されていれば、窓領域にも導波路構造を形成することになる。これにより光導波路より出射されたビームがしぼられるため、縦方向の光強度分布が向上する。又、活性層の材料もＩｎＧａＡｓＰに限定するものではなく、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成されていても、窓部のバンドギャップが大きければ、本願発明の適用が可能である。
＜実施例４＞
実施例４は、窓領域に隣接する半導体光素子において、その窓領域の導伝性と同じ極性のバイアスを印加するような場合の例である。
【００２４】
こうした個所に本願を適用する場合、窓領域部への電流リークを防ぐため、電流ストッパー層を設ける必要がある。電流リーク防止は、実施例２のようにＦｅをドープした活性層と同じ厚さの半導体層を部分成長することでも可能であるが、次の方法も有用である。即ち、この方法は、フォトエッチング工程により窓部の活性層を除去した後、イオン注入によるプロトン打込みで高抵抗を形成し、電流のストッパー層とするものである。
【００２５】
この例の光の進行方向と平行な面での断面図を図９に示す。半導体基板４のｎ型ＩｎＰ基板に光素子の活性層領域を含む半導体多層構造体３が積層される。図６の例と同様に、当該半導体多層構造体３の窓構造の領域を食刻する。そして、窓構造領域を除去した底面にプロトンを打ち込み高抵抗層１０を形成する。こうして準備した半導体基体に、前記の例と同様にｐ型ＩｎＰ層２を結晶成長する。領域２−１が窓領域、領域２−２が第２のクラッド層である。尚、符号８０はコンタクト層、符号３０、３１は各々ｎ側電極、ｐ側電極である。又、図示されていないが、発光端面に保護膜ないしは反射膜などが被覆されることは通例の技術で十分である。
＜実施例５＞
実施例５は、端面反射による戻り光をさらに抑える目的で窓領域を厚膜化した構造が必要な例である。
【００２６】
図１０は窓領域の厚膜化の為のマスクの例を示す平面図である。図１１は厚膜の窓領域を有する半導体発光素子の断面図である。図１１は光の進行方向に平行な面での断面図である。尚、光射出端面等に保護膜が形成されるが、図では省略されている。
【００２７】
ｎ型ＩｎＰ層の中、第２のクラッド層に相当する領域は前述の例と同様であるが、領域５０は、通例の窓領域の厚さよりｈの厚さだけ厚くなった厚膜の窓領域となっている。レーザ光４２は問題なく発光端面より射出される。他方、本願発明によれば、大きな角度で射出されたレーザ光４１も結晶の上面５１に達することなく発光端面より射出される。レーザ光４１が結晶の上面に達するとこの面での反射などにより雑音等を引き起こすこととなる。
【００２８】
次に、この厚膜化した窓領域５０の形成法を略述する。半導体基板４に活性層領域を有する半導体多層薄膜積層体３を形成する。そして、通例のフォトエッチング工程により窓領域部の活性層領域を有する半導体多層薄膜積層体３を除去した後、ＳｉＯ₂やＳｉＮなどの絶縁膜を材料とした選択成長マスク１１−１、１１−２を、後に導波構造となりうる部分４−１の両側に形成する。図１０がこの状態を示す上面図である。尚、符号３は前記活性層領域を有する半導体多層薄膜積層体の上面を示す。符号４の領域は半導体基板４の上面が露出された領域である。符号４−２の領域は領域４−１と同じ半導体基板面を示している。その後、第２のクラッド層を含む化合物半導体で多層成長すると、選択成長により窓領域が厚膜化する。この原理自体はこれまでに知られたもので、選択成長マスク（１１−１、１１−２）上に被着する元素がその両側の半導体領域に移動することによる。又、選択成長マスク間の距離を変化させることで、図１１に示す厚膜化した部分の距離hを制御することが可能である。その他の部分は他の実施例と同様であるので詳細説明は省略する。
＜実施例６＞
実施例６は半導体レーザ、ＥＡ変調器などの半導体光素子を複数集積化した光集積回路の例である。その一例であるＥＡ変調器付き半導体レーザ（ＬＤ）装置主要部の断面図を図１２に示す。図１２は光の進行方向に平行な面での断面図である。図１３はその電極配置を示す平面図である。
【００２９】
図１２及び図１３の領域Ａはレーザ素子部、領域Ｂは光変調部、領域Ｃは窓領域である。化合物半導体基板であるｎ型ＩｎＰ基板４上に、半導体レーザ素子部Ａの活性層領域を含む半導体多層膜構造３、及び光変調器部Ｂの半導体多層膜構造３が積層される。光変調器部Ｂの半導体多層膜構造５５は通例の活性領域及び光導波路が形成されている。この半導体多層膜構造５５の光射出部に隣接した一部が削除されている。そして、この上部に上部クラッド層及び窓構造を構成するｐ型ＩｎＰ層が形成される。ｎ型ＩｎＰ基板の裏面にｎ側電極１４と、これに対抗して、レーザ部のｐ側電極１３及び光変調器部のｐ側電極１２が配される。本例では、レーザ部Ａと光変調部Ｂの間は溝１５によって分離されている。尚、光射出端面等に保護膜が形成されるが、断面図では省略されている。
【００３０】
尚、本例に対するレーザ部Ａ、光変調部Ｂ、及び窓領域Ｃの製造については、実施例１〜５と同様のプロセスで製造することが可能である。
【００３１】
又、本願発明は、半導体レーザ・アレーなど半導体光素子が集積化されたデバイスにも当然適用可能である。図１４はこうした半導体レーザ・アレーの例を示す平面図である。所定の基体６１に、上部電極６２、活性層領域を含む光導波路部６３、窓領域６４、及び溝部６５の配置が示される。レーザ光は符号６０で示される。この本願発明の窓領域の構成により良好な光射出特性を確保することが出来る。又、これに伴い、製造歩留まりの向上も見られる。
【００３２】
以上、詳述したように、本願発明に係わる構造を有する半導体光素子は、窓領域に空洞が存在せず、活性層に高率良く電流を注入できるため、光出力や光強度分布などの素子特性とともに歩留が飛躍的に向上する。また、窓部にＦｅドープした導波構造を形成した場合は、光導波路より出射されたビームがしぼられるため、縦方向の光強度分布が向上する。
【００３３】
以下、本願発明の主な諸形態を列挙する。
【００３４】
本願の第１の形態は、第１クラッド層となるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体基板上に、活性層を含む多層と、第１クラッド層と極性の異なる第２クラッド層の積層構造をエピタキシャル成長により形成し、光導波路をストライプ状メサエッチング及び１層以上の化合物半導体層で埋め込み成長することにより形成する埋込みヘテロ構造を有する半導体光素子において、活性層先端の窓領域を第２クラッド層を含む多層成長により同時成長することを特徴とした半導体光素子及びその製造方法である。
【００３５】
本願の第２の形態は、前記第１項において、窓領域を第２クラッド層と同一の化合物半導体により形成することを特徴とした半導体光素子及びその製造方法である。
【００３６】
本願の第３の形態は、前記第１、２項において、第２クラッド層成長前に、窓領域にのみFeドープした多層構造を部分成長することを特徴とした半導体光素子及びその製造方法である。
【００３７】
本願の第４の形態は、前記第３項において、窓領域に活性層よりもバンドギャップの大きい多層構造を部分成長することを特徴とした半導体光素子及びその製造方法である。
【００３８】
本願の第５の形態は、前記第１、２項において、窓領域を有する半導体光素子においてその窓領域の導伝性と同じ極性のバイアスを印加することを特徴とした半導体光素子及びその製造方法である。
【００３９】
本願の第６の形態は、前記第１〜５項において、光導波路先端窓領域を少なくとも第２クラッド層より厚膜化することを特徴とした半導体光素子及びその製造方法である。
【００４０】
本願の第７の形態は、前記第１〜６項において、半導体光素子を複数集積化したことを特徴とする半導体光素子及びその製造方法である。
【００４１】
【発明の効果】
本願発明は、良好な光射出特性を有する埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置を提供することが出来る。並びに本願発明はこうした埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置を歩留まり良く製造する方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はＢＨ型レーザ素子の光の光の進行方向に平行な面での断面図である。
【図２】図２は図１のＢＨ型レーザ素子の製造段階での上面図である。
【図３】図３はＢＨ型レーザ素子の製造工程順に示した素子の断面図及びその主要工程のフローを示す図である。
【図４】図４は本願発明の一実施例を示すＢＨ型レーザ素子の光の進行方向と平行な面での断面図である。
【図５】図５は本願発明の一実施例を示す図４のＢＨ型レーザ素子の平面図である。
【図６】図６は本願発明の一実施例の製造工程順に示す素子の断面図及び主要な製造工程フローを示す図である。
【図７】図７は本願発明の一実施例を示す図４のＢＨ型レーザ素子の光の進行方向に交差する面での断面図である。
【図８】図８は本願発明の別な実施例である半導体レーザ素子の光の進行方向に平行な面での断面図である。
【図９】図９は窓領域にプロトン打込みを用いた本願発明の別な実施例である半導体レーザ素子の光の進行方向に平行な面での断面図である。
【図１０】図１０は本願発明の更に別な実施例である素子における、選択成長マスク形成後の上面図である。
【図１１】図１１は厚膜の窓領域を有する本願発明の更に別な実施例である、半導体レーザ素子の光の進行方向に平行な面での断面図である。
【図１２】図１２は本願発明の更に別な実施例であるＥＡ変調器付き半導体レーザ素子の光の進行方向に平行な面での断面図である。
【図１３】図１３は本願発明の更に別な実施例であるＥＡ変調器付き半導体レーザ素子の平面図である。
【図１４】図１４は半導体レーザ・アレーの例の主要部を示す平面図である。
【符号の説明】
１…ＳｉO₂膜、２…ｐ−ＩｎＰ層、３…活性層を含む多層構造、４…ｎ−ＩｎＰ基板、５…空洞領域、６…Ｆｅ−ＩｎＰ層、７…レジスト、８…ＦｅドープＩｎＰ層あるいはＦｅドープＩｎＧａＡｓＰ系の多層構造、９…活性層よりバンドギャップの大きい半導体材料多層構造、１０…プロトン打込み層、１１…絶縁膜、１２…ＥＡ部のｐ側電極、１３…ＬＤ部のｐ電極、１４…ｎ側電極、３０…基板側電極、３１…上部電極、８０…コンタクト層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical device and a manufacturing method thereof. The present invention is particularly useful in the field of optical communication.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor optical device, there are an AR coat and a so-called window structure as a method for suppressing return light due to end face reflection. Among these, by providing a distance from the active region to the end face in the window structure, it is possible to reduce the probability that the light reflected and returned from the end face is recombined in the waveguide. And its manufacture is relatively easy. Conventionally, a window structure in a semiconductor laser having a mesa stripe structure has been manufactured by the following method. That is, after a multilayer structure for laser oscillation is formed by crystal growth including the upper cladding layer, a mesa stripe that becomes an optical waveguide is formed by etching. Further, the window structure is formed by embedding and growing the side surface and the front tip region of the mesa stripe semiconductor region with one or more semiconductor layers.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a buried hetero semiconductor laser device having good light emission characteristics and a method for manufacturing such a buried hetero semiconductor laser device with a high yield.
[0004]
When forming a mesa stripe semiconductor stack in the above hetero semiconductor laser device, etching is performed with a Br-based etchant or the like. However, at this time, side etching occurs directly under the etching mask. When embedded growth is performed on the mesa stripe semiconductor stacked body in this state, there is a problem that a hollow region that is not completely embedded is generated. In particular, if there is a cavity region at the tip of the mesa stripe, the laser light is diffusely reflected in the cavity region, resulting in insufficient light output and abnormal light intensity distribution. Based on such a situation, the characteristics of the semiconductor optical device are adversely affected and the manufacturing yield is lowered. Details of this fact will be described later.
[0005]
Conventionally, after embedding and embedding and growing on both sides of the processed stripe-shaped semiconductor laminate, the window region is also formed together, whereas the present invention provides the optical waveguide portion and the window region, The compound semiconductor including the second cladding layer is formed by multilayer growth. By this method, it is possible to eliminate the cavity region at the tip of the stripe region.
[0006]
Thus, the present invention is to improve device characteristics such as light output and light intensity distribution, to fabricate a semiconductor optical device at a high yield, and to provide a manufacturing method thereof.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, after a predetermined multilayer structure including an active layer region is grown on a wafer, a portion corresponding to the window region is completely removed by a photoetching process, and a second cladding layer is formed on the optical waveguide portion and the window region from above. Multi-layer growth with compound semiconductor containing By this method, a window structure without a cavity region could be formed. Also, in a semiconductor optical device close to the window structure, when a bias having the same polarity as the conductivity of the window region is applied, current leakage to the window region is a concern, but proton implantation by ion implantation is performed on the window region. Or by growing a semi-insulating film using Fe as a dopant having the same thickness as the active layer in the window region, current leakage can be prevented, and the present invention is also applicable. In addition, the present invention can be applied to a structure in which a plurality of semiconductor optical elements such as an EA modulator integrated laser are integrated by this method, and is versatile.
[0008]
An example of a typical embodiment of the present invention is as follows.
[0009]
The first embodiment is a compound semiconductor multilayer stack having an active layer region on a compound semiconductor substrate, and a light emission port of the semiconductor element optically connected to the compound semiconductor multilayer stack having the active layer region. A first compound semiconductor layer having a forbidden band width larger than that of the active layer region, and a compound semiconductor multilayer stack having the active layer region, and having a refractive index higher than that of the active layer region. A semiconductor optical device having at least a small second compound semiconductor layer, and wherein the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are formed as an integral layer of the same compound semiconductor material. I can say that. In this case, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer may be formed as separate layers, and the heights of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer may be substantially the same. .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Example 1>
First, a buried heterostructure (BH) type semiconductor laser having a conventional window structure will be described, the difficulty thereof will be clarified, and then an example of the present invention will be exemplified.
[0011]
For example, the following method has been used so far in a buried hetero semiconductor laser with a window structure. In order to reduce the oscillation threshold current and stabilize the laser transverse mode, after forming a stripe structure by etching, an optical waveguide is formed by embedding both sides of the stripe structure with a semiconductor material. At the same time, a window structure was simultaneously formed on the light emission surface side of the stripe structure.
[0012]
An example of a BH type laser having an InP-based window structure is shown below. FIG. 1 shows a cross-sectional view of an example of the element structure after buried growth, and FIG. 2 shows a top view thereof. Moreover, the manufacturing process including the process flow is shown in FIG. The left side of FIG. 3 is a sectional view of the apparatus shown in the order of the manufacturing process, and the right side is a process flow diagram of the manufacturing process. The cross-sectional view of FIG. 3 is a cross-sectional view in a plane parallel to the light traveling direction.
[0013]
A semiconductor stacked region 3 including an active layer region is mounted on a semiconductor substrate 4, for example, an InP substrate. A second cladding layer 2, for example, a p-type InP layer, is formed on this. Thus, a multilayer structure including the second cladding layer is formed to form the optical waveguide (A in FIG. 3). A silicon oxide film (hereinafter referred to as SiO ₂ film) 1 is formed on the upper portion by CVD (Chemical Vapor Deposition) of about 300 nm, and processed into a desired shape to form a mask (B in FIG. 3). FIG. 2 shows the planar shape of the mask 1. Using this mask, the semiconductor laminate is processed into a mesa stripe structure by wet etching using bromide (Br) methanol as an etchant. At this time, since the etching rate in the [011] direction is large, a side etching 20 of about 10 μm at the maximum occurs at the stripe tip (C in FIG. 3). Accordingly, if embedded growth is subsequently performed with iron (Fe) -containing InP that is a semi-insulating film, the eaves 21 of the mask 1 prevents the embedded growth material from entering the lower portion of the mask 1. For this reason, a cavity 5 is formed immediately below the mask 1 between the semiconductor layer 6 of the window structure and the stripe-shaped semiconductor laminate 2 (D in FIG. 3). Such a structure adversely affects device characteristics such as light output and light intensity distribution.
[0014]
In contrast, a typical method of the present invention is the following method. That is, (1) after forming a semiconductor multilayer structure including an active layer region excluding at least the second cladding layer, the active layer in the window region is completely removed by a photoetching process. (2) The semiconductor layer region of the window region at the tip of the active layer region is formed in the same step as the step of forming the second cladding layer on the semiconductor multilayer structure.
[0015]
An example of application of the present invention to a BH type laser is shown below. A cross-sectional view of an example of the element of the present invention is shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the element in a plane parallel to the light traveling direction. FIG. 5 is a plan view of an etching mask when processing a stripe structure for a BH type laser. The manufacturing process including the process flow is shown in FIG. The left side of FIG. 6 is a sectional view of the apparatus shown in the order of the manufacturing process, and the right side is a process flow diagram of the manufacturing process. FIG. 7 is a cross-sectional view of the element at a plane crossing the light traveling direction. The cross-sectional view of FIG. 7 is a cross-sectional view in a plane parallel to the light traveling direction.
[0016]
On the n-type InP substrate 4, an InGaAsP MQW (Multi-Quantum-Well) structure 3 serving as an active layer region having a thickness of ˜0.3 μm is formed by crystal growth (A in FIG. 6). Photoresist mask 7 is formed in a portion other than the window region, and etching is performed for 5 minutes using a mixed solution of H ₃ PO ₄ , H ₂ O ₂ and H ₂ O as an etchant (B in FIG. 6). The mixing ratio of the mixed solution is H ₃ PO ₄ : H ₂ O ₂ : H ₂ O = 1: 1: 10. Since this etchant has a selectivity of almost 100% with respect to InP, selective etching of the window region becomes possible. Even if the material of the active layer is made of III-V group compound semiconductor materials such as GaAs, InGaP, GaAlAs, InGaAlP, InGaAlAs, etc. in addition to InGaAsP, even if selective etching by wet etching is impossible, CH ₄ -based or Cl It can be completely removed by _two- system dry etching.
[0017]
In this way, the semiconductor multilayer structure including the active layer region of the window region is removed. Then, after removing the resist used in this step, the p-type InP layer 2 is formed as a second cladding layer having a thickness of about 2.0 μm including the window region and the upper portion of the optical waveguide portion. Further, an InGaAsP cap layer 80 is grown on the upper portion to a thickness of about 0.2 μm (FIG. 6C).
[0018]
Next, a striped semiconductor stacked body portion for the BH type laser is formed by usual etching. When forming the mesa stripe structure, unlike the conventional case, the stripe mask 1 is formed also in the window region portion to avoid the influence of side etching (D in FIG. 6). FIG. 5 shows a top view of the mask 1. Region A in FIG. 5 is a semiconductor laser portion, and region C is a window region. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along a plane that intersects the light traveling direction of the BH laser element of this example. The width of the striped semiconductor stacked body for the BH type laser is indicated by d.
[0019]
After mesa etching, buried growth is performed with iron (Fe) -containing InP which is a semi-insulating film. At this time, the side portions 71 and 72 of the mesa stripe structure 70 are buried. This state will be understood with reference to FIGS. Electrodes 31 and 30 are formed on the top of the semiconductor stack and the back surface of the semiconductor substrate, respectively. 4 and 7 are two cross-sectional views of the semiconductor optical device of this example. In the completed semiconductor optical device, a protective film is formed on the light emitting end face or the like, but it is omitted in the drawing because it is a usual one.
[0020]
The window region thus produced is formed of the same material as the optical waveguide portion, and there is no cavity region. With the structure manufactured according to this example, the device characteristics of the light output and light intensity distribution could be dramatically improved.
<Example 2>
In the second embodiment, before the second cladding layer is grown on the optical waveguide portion and the window region, the iron (Fe) -doped InP layer 8 is partially grown in the same thickness as the active layer region 3 only in the window region. is there. FIG. 8 shows a cross-sectional view in a plane parallel to the light traveling direction in this example. That is, this is an example in which the material of the window region 8 and the second cladding layer 2 is configured separately. Others are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
[0021]
The partial growth of the Fe-doped layer 8 can be selectively grown by changing the photoresist in Example 1 to an insulator such as about 0.3 μm of SiO ₂ or SiN. Thereafter, the insulator mask can be easily removed by immersing in BHF for 1 minute or longer. After the insulator mask is removed, the second cladding is grown in the same manner as in Example 1, and then a semiconductor optical device is manufactured by a usual process. In addition, although a protective film is formed on the light emission end face or the like, it is omitted in the drawing.
[0022]
By forming the Fe doped layer having the same thickness as the active layer in the window region, the capacitance generated by the pn junction at the tip of the optical waveguide can be reduced. For this reason, in a semiconductor laser device in which an EA modulator is integrated, characteristics such as dynamic characteristics and transmission characteristics are improved.
<Example 3>
Example 3 is a case where an InGaAsP-based multilayer structure having a larger band gap than the active layer material Fe-doped on the partially grown semiconductor layer 8 in Example 2 is formed to the same thickness as the active layer region 3. The cross-sectional view in the plane parallel to the light traveling direction in this example is the same as FIG. Therefore, the material of the window region 8 and the second cladding layer 2 is also configured separately in this example. Although not shown, it is sufficient to use a conventional technique to cover the light emitting end face with a protective film or a reflective film. Others are the same as those of the second embodiment shown in FIG.
[0023]
If it is composed of a composition having a larger band gap than the active layer, a waveguide structure is also formed in the window region. As a result, since the beam emitted from the optical waveguide is squeezed, the light intensity distribution in the vertical direction is improved. In addition, the material of the active layer is not limited to InGaAsP, and even if it is made of a III-V group compound semiconductor material such as GaAs, InGaP, GaAlAs, InGaAlP, InGaAlAs, etc. The invention can be applied.
<Example 4>
Example 4 is an example in which a bias having the same polarity as the conductivity of the window region is applied to the semiconductor optical element adjacent to the window region.
[0024]
When the present application is applied to such a place, it is necessary to provide a current stopper layer in order to prevent current leakage to the window region. Although current leakage can be prevented by partially growing a semiconductor layer having the same thickness as the active layer doped with Fe as in the second embodiment, the following method is also useful. That is, in this method, the active layer in the window portion is removed by a photoetching process, and then a high resistance is formed by proton implantation by ion implantation to form a current stopper layer.
[0025]
FIG. 9 shows a cross-sectional view in a plane parallel to the light traveling direction in this example. The semiconductor multilayer structure 3 including the active layer region of the optical element is stacked on the n-type InP substrate of the semiconductor substrate 4. Similar to the example of FIG. 6, the window structure region of the semiconductor multilayer structure 3 is etched. Then, protons are implanted into the bottom surface from which the window structure region is removed to form the high resistance layer 10. The p-type InP layer 2 is crystal-grown on the semiconductor substrate thus prepared in the same manner as in the above example. Region 2-1 is a window region, and region 2-2 is a second cladding layer. Reference numeral 80 denotes a contact layer, and reference numerals 30 and 31 denote an n-side electrode and a p-side electrode, respectively. Although not shown, it is sufficient to use a conventional technique to cover the light emitting end face with a protective film or a reflective film.
<Example 5>
The fifth embodiment is an example in which a structure in which the window region is thickened is required for the purpose of further suppressing the return light due to the end face reflection.
[0026]
FIG. 10 is a plan view showing an example of a mask for thickening the window region. FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device having a thick window region. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the light traveling direction. In addition, although a protective film is formed on the light emission end face or the like, it is omitted in the drawing.
[0027]
The region corresponding to the second cladding layer in the n-type InP layer is the same as that in the above example, but the region 50 is a thick window region that is thicker than the usual window region by a thickness h. It has become. The laser beam 42 is emitted from the light emitting end face without any problem. On the other hand, according to the present invention, the laser beam 41 emitted at a large angle is also emitted from the light emitting end face without reaching the upper surface 51 of the crystal. When the laser beam 41 reaches the upper surface of the crystal, noise or the like is caused by reflection on this surface.
[0028]
Next, a method for forming the thickened window region 50 will be briefly described. A semiconductor multilayer thin film stack 3 having an active layer region is formed on a semiconductor substrate 4. Then, after removing the semiconductor multilayer thin film stack 3 having the active layer region of the window region by a usual photoetching process, selective growth masks 11-1 and 11-2 made of an insulating film such as SiO ₂ or SiN are used. Are formed on both sides of the portion 4-1, which can later become a waveguide structure. FIG. 10 is a top view showing this state. Reference numeral 3 denotes the upper surface of the semiconductor multilayer thin film stack having the active layer region. An area 4 is an area where the upper surface of the semiconductor substrate 4 is exposed. A region denoted by reference numeral 4-2 indicates the same semiconductor substrate surface as the region 4-1. Thereafter, when the compound semiconductor including the second cladding layer is grown in a multilayer manner, the window region is thickened by selective growth. This principle itself is known so far, and is because the elements deposited on the selective growth masks (11-1, 11-2) move to the semiconductor regions on both sides thereof. Further, by changing the distance between the selective growth masks, the distance h of the thickened portion shown in FIG. 11 can be controlled. Since other parts are the same as those of the other embodiments, detailed description thereof is omitted.
<Example 6>
Example 6 is an example of an optical integrated circuit in which a plurality of semiconductor optical elements such as a semiconductor laser and an EA modulator are integrated. A cross-sectional view of the main part of a semiconductor laser (LD) device with an EA modulator as an example is shown in FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the light traveling direction. FIG. 13 is a plan view showing the electrode arrangement.
[0029]
In FIGS. 12 and 13, area A is a laser element section, area B is a light modulation section, and area C is a window area. On the n-type InP substrate 4 which is a compound semiconductor substrate, the semiconductor multilayer structure 3 including the active layer region of the semiconductor laser element part A and the semiconductor multilayer structure 3 of the optical modulator part B are laminated. The semiconductor multilayer structure 55 of the optical modulator portion B is formed with a usual active region and an optical waveguide. A part of the semiconductor multilayer structure 55 adjacent to the light emitting portion is deleted. Then, an upper clad layer and a p-type InP layer constituting a window structure are formed on the upper portion. An n-side electrode 14 and a p-side electrode 13 of the laser part and a p-side electrode 12 of the optical modulator part are arranged on the back surface of the n-type InP substrate. In this example, the laser part A and the light modulation part B are separated by a groove 15. In addition, although a protective film is formed on the light emission end face or the like, it is omitted in the sectional view.
[0030]
In addition, about manufacture of the laser part A, the light modulation part B, and the window area | region C with respect to this example, it is possible to manufacture with the process similar to Examples 1-5.
[0031]
The present invention is naturally applicable to devices in which semiconductor optical elements are integrated, such as a semiconductor laser array. FIG. 14 is a plan view showing an example of such a semiconductor laser array. Arrangement of the upper electrode 62, the optical waveguide portion 63 including the active layer region, the window region 64, and the groove portion 65 is shown on the predetermined base 61. The laser beam is indicated by reference numeral 60. Good light emission characteristics can be secured by the structure of the window region of the present invention. Along with this, an improvement in manufacturing yield is also seen.
[0032]
As described above in detail, the semiconductor optical device having the structure according to the present invention does not have a cavity in the window region and can inject current into the active layer with high efficiency. Along with the characteristics, the yield is dramatically improved. In addition, when the Fe-doped waveguide structure is formed in the window portion, the beam emitted from the optical waveguide is squeezed, so that the light intensity distribution in the vertical direction is improved.
[0033]
Listed below are the main aspects of the present invention.
[0034]
In the first embodiment of the present application, a multilayer structure including an active layer and a second cladding layer having a polarity different from that of the first cladding layer are formed by epitaxial growth on a III-V compound semiconductor substrate serving as a first cladding layer. In a semiconductor optical device having a buried heterostructure formed by embedding and growing an optical waveguide with stripe mesa etching and one or more compound semiconductor layers, the window region at the tip of the active layer is formed by multilayer growth including the second cladding layer. A semiconductor optical device characterized by simultaneous growth and a method for manufacturing the same.
[0035]
A second form of the present application is the semiconductor optical device according to the first aspect, wherein the window region is formed of the same compound semiconductor as the second cladding layer, and a method for manufacturing the same.
[0036]
A third form of the present application is the semiconductor optical device according to the first and second items, wherein the Fe-doped multilayer structure is partially grown only in the window region before the second cladding layer is grown, and the manufacturing method thereof. is there.
[0037]
A fourth form of the present application is the semiconductor optical device according to the third item, wherein a multilayer structure having a band gap larger than that of the active layer is partially grown in the window region, and a manufacturing method thereof.
[0038]
According to a fifth aspect of the present application, in the first and second items, a semiconductor optical device having a window region is applied with a bias having the same polarity as the conductivity of the window region, and its manufacture. Is the method.
[0039]
A sixth form of the present application is the semiconductor optical device according to any of the first to fifth items, wherein the optical waveguide tip window region is made thicker than at least the second cladding layer, and a method for manufacturing the same.
[0040]
A seventh aspect of the present application is a semiconductor optical device according to any one of Items 1 to 6, wherein a plurality of semiconductor optical devices are integrated, and a method for manufacturing the same.
[0041]
【The invention's effect】
The present invention can provide a buried hetero semiconductor laser device having good light emission characteristics. In addition, the present invention can provide a method for manufacturing such a buried hetero semiconductor laser device with a high yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the light traveling direction of a BH type laser element.
FIG. 2 is a top view of the BH type laser device of FIG. 1 at the manufacturing stage.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an element shown in the order of manufacturing steps of a BH type laser element, and a diagram showing a flow of its main process.
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the light traveling direction of a BH type laser device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of the BH type laser device of FIG. 4 showing one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an element shown in the order of manufacturing steps according to an embodiment of the present invention and a diagram showing a main manufacturing step flow.
FIG. 7 is a cross-sectional view of the BH type laser element of FIG. 4 showing an embodiment of the present invention, taken along a plane crossing the light traveling direction.
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the light traveling direction of a semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the light traveling direction of a semiconductor laser device according to another embodiment of the present invention using proton implantation in the window region.
FIG. 10 is a top view of a device according to still another embodiment of the present invention after formation of a selective growth mask.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device in a plane parallel to the light traveling direction, which is still another embodiment of the present invention having a thick window region.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device with an EA modulator according to still another embodiment of the present invention on a plane parallel to the light traveling direction.
FIG. 13 is a plan view of a semiconductor laser device with an EA modulator according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a plan view showing the main part of an example of a semiconductor laser array.
[Explanation of symbols]
1 ... SiO ₂ film, 2 ... p-InP layer, a multilayer structure including a 3 ... active layer, 4 ... n-InP substrate, 5 ... cavity region, 6 ... Fe-InP layer, 7 ... resist, 8 ... Fe-doped InP Or a Fe-doped InGaAsP-based multilayer structure, 9... Semiconductor material multilayer structure having a larger band gap than the active layer, 10... Proton implanted layer, 11. Insulating film, 12. Electrode, 14 ... n-side electrode, 30 ... substrate-side electrode, 31 ... upper electrode, 80 ... contact layer.

Claims

A compound semiconductor multilayer stack having a multiple quantum well structure having an InGaAsP active layer region on an n-type InP substrate of the compound semiconductor, and a compound semiconductor multilayer stack having the active layer region and optically connected to the compound semiconductor multilayer stack The first compound semiconductor layer made of P-InP having a forbidden band width larger than that of the active layer region, which constitutes the light exit side, and the compound semiconductor multilayer stack having the active layer region, are disposed above the compound semiconductor multilayer stack. And a second compound semiconductor layer made of P-InP having a refractive index smaller than that of the active layer region, and the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are made of the same compound semiconductor material. And the first compound semiconductor layer is formed on a region where the compound semiconductor multilayer stack is partially removed. .

The semiconductor optical device according to claim 1, wherein a thickness of the first compound semiconductor layer is larger than a thickness of the second compound semiconductor layer.

2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the second compound semiconductor layer is one of a group consisting of a single layer, a multilayer film, and a multilayer film having a quantum well structure.

4. A semiconductor optical device, wherein a plurality of the semiconductor optical elements according to claim 1 are mounted on one compound semiconductor substrate.

A compound semiconductor multilayer stack having a multiple quantum well structure having an InGaAsP active layer region is formed on the compound semiconductor n-type InP substrate, and then the compound semiconductor multilayer stack having the active layer region is striped. Further, the compound semiconductor layer is processed so that one end face thereof is located at a position retracted from the end face on the light emission port side of the semiconductor element, and then embedded in the compound semiconductor multilayer stack having the stripe-shaped active layer region A first compound semiconductor layer formed on an end face side of the light emitting port side of the semiconductor element, and a compound semiconductor multilayer stack having the stripe-shaped active layer region Forming a compound semiconductor layer in which the second compound semiconductor layer formed thereon is P-InP of the same material and embeds the compound semiconductor multilayer stack; A method of manufacturing a semiconductor optical device, wherein a P-InP compound semiconductor layer formed in the same process and embedded in the compound semiconductor multilayer stack has a larger forbidden band width and a lower refractive index than the active layer region. .