JP4638753B2 - 半導体光素子および半導体光素子の製造方法 - Google Patents

半導体光素子および半導体光素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は光通信分野等に係る半導体光素子、半導体光素子の製造方法および光モジュールに関する。
近年の光通信システムの高速化、高機能化に伴い、その光源として、波長安定性に優れた半導体レーザが必要とされており、単一波長性に優れた分布帰還型半導体レーザ(DFB(Distributed FeedBack)レーザ)が用いられている。
DFBレーザは、レーザ構造内に設けられた回折格子によって発振波長を規定しているため単一波長性に優れている。埋込みヘテロ型DFBレーザは、結晶成長によりレーザ発振のための多層構造を形成した後、干渉露光装置とウェットエッチングにより周期的段差を有する回折格子パターンを上側ガイド層上に形成し、この段差を埋込むようにP型InPクラッド層とコンタクト層を結晶成長した後、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し、半導体メサ側面及び先端領域を半絶縁性の化合物半導体で埋込むことで形成していた。この構造では、厚さ数10nmの回折格子層を上側ガイド層表面にウェットエッチングにより形成する。しかし、ウェットエッチングは、深さ方向の制御性が悪く、回折格子の厚さの変数である光出力、閾値電流、スロープ効率(光出力―電流曲線の傾き)等のレーザ特性劣化の要因となっていた。
回折格子層の深さ制御性を向上させる構造として、回折格子層の下にエッチング停止層となるInP層を有するフローティング型回折格子がある。特許文献1には、フローティング型回折格子の構造で、深さ方向のばらつきが無く、安定した素子特性を得ることができることが記載されている。
特開2004−179274号公報
しかし、p型InPクラッド層を成長する際、回折格子であるInGaAsP層とエッチング停止層であるInP層とでp型ドーパントの固溶濃度が異なる。このため、特許文献1に記載された構造では、光出力、閾値電流やスロープ効率などの素子特性に影響を及ぼす活性層近傍へのドーパントの熱拡散量が、回折格子の有無や開口幅に依存しやすいという問題点がある。この結果、特許文献1に記載された半導体光素子も、半導体光素子の製造歩留りを下げ得る要因を含んでいる。
本発明の目的は、素子特性に影響を及ぼす、活性層近傍へのドーパントの熱拡散量が回折格子の有無や開口幅に依存しない半導体光素子、その製造方法および光モジュールを提供することにある。
上記目的を達成するために、半導体光素子をInGaAsP層で構成される回折格子とp型InPクラッド層の間に、InGaAsP薄膜層を挿入する構造とした。この構造では、活性層上の全領域にp型ドーパントの固溶濃度が高い拡散防止層が存在することとなり、p型InPクラッド層成長時の活性層近傍へのドーパントの熱拡散量が回折格子の有無や開口幅に依存しなくなり、安定した光出力、閾値電流、スロープ効率を得ることができる。
本発明によれば、結晶成長工程でのドーパントの熱拡散に起因した半導体光素子のレーザ特性および製造歩留りを飛躍的に向上させることができる。
以下本発明の実施の形態について、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、実質同一の部材に付いては同じ参照番号を振り、繰り返しての説明を省略する。
半導体光素子にかかる実施例1を図1および図2を用いて説明する。ここで、図1は、フローティング型回折格子を備えた埋込みヘテロ型半導体レーザの斜視図であり、図2は図1の導波路部での断面図である。
図1および図2を参照しながら、半導体光素子100の製造プロセスを説明する。まず、InP基板1に、下側ガイド層2、InGaAsP多重量子井戸活性層4、InGaAsP上側ガイド層3、InPエッチング停止層5、回折格子となるInGaAsP層6、InGaAsP層6の保護層であるInPキャップ層(図示せず)の順に多層構造を有機金属気相成長法(MOCVD法)により形成する。次に、InPキャップ層を除去後、レジストを塗布し、干渉露光装置により回折格子層6上に約200nm周期のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、ウェットエッチングによりInGaAsP層6を選択的にエッチングし周期的段差(回折格子)を形成する。この際、エッチングは回折格子層6の下部にあるInPエッチング停止層5にて停止する。このため、レーザの発振波長を決める要因の一つである回折格子Duty(回折格子間隔/回折格子周期)およびレーザ出力を決める要因の一つである格子深さの制御が容易である。
この後、この周期的段差を埋込むようにMOCVD法により、InGaAsP層6と略同一組成のInGaAsP薄膜層16とp型InPクラッド層8とコンタクト層9をエピタキシャル成長する。
エピタキシャル成長工程では、基板全体が約600℃に加熱されるため、p型InPクラッド層8からのドーパントの熱拡散が起こる。しかし、活性層上の全領域にドーパントの固溶濃度が高いInGaAsP層が存在するので、ドーパントの熱拡散量が回折格子の有無や開口幅に依存しない。この結果、安定した光出力、閾値電流、スロープ効率を得ることができる。
続いて、光導波路となる半導体メサを形成するため、CVD法で形成した厚さ300nmのSiO膜(図示せず)をマスクとして、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、活性層幅2μmの逆メサ形状となるメサストライプ構造を形成する。その後、SiOを除去し、今度は逆にSiO膜(図示せず)を半導体メサ上に形成する。このSiOマスクとした選択成長法により、半導体メサの両脇(両側)についてFeをドーパントとした半絶縁膜(Fe−InP)11で埋込み成長する。
ストライプ状のSiO膜を除去した後、CVD法により厚さ500nmのパッシベーション膜12を基板全体に形成する。電流注入領域となる半導体メサ上のパッシベーション膜のみ、フォトリソグラフィーとエッチングにより開口し、EB蒸着法によりTi/Pt/Auから成る厚さ1μm程度のp側電極13を形成する。次いで、イオンミリングによりp側電極13をパタニングした後、基板裏面を100μm厚まで研磨処理し、n側電極14形成、半導体と金属とを相互拡散させる電極アロイの工程を経る。
これらの工程を経た後、素子長が200μmとなるようにウェハをバー状にへき開し、へき開面に反射保護膜15(図1の\\\)を形成した後、チップ状に素子を分離する。
本実施例の半導体光素子は、25℃動作にて、閾値電流を10mAから5.0mAに低減することができた。また、スロープ効率を0.2W/Aから0.33W/Aに向上させることができた。さらに、最大光出力を66%向上させることができた。
本実施例の半導体光素子は、結晶成長工程でのドーパントの熱拡散に起因した半導体レーザの製造歩留りを飛躍的に向上させることができた。
ここで、活性層材料としては、InGaAsPを用いたが、InGaAlAsであっても良いし、これらに限られない。また、本実施例では、回折格子及び薄膜層にInGaAsPを挙げたが、InGa(1−x)As(1−y)(0≦x≦1、0≦y≦1)結晶でも適用できることは言うまでもない。さらに、本実施例では、埋め込みヘテロ構造としたが、リッジ導波路構造にも適用できる。
また、上述した実施例では半導体レーザで説明したが、電界吸収型の変調器を集積したEA/DFB(Electro Absorption/Distributed FeedBack)レーザであっても良い。両者はともに半導体光素子である。
InGaAsP薄膜層16は、InGaAsP層6と屈折率が概ね等しければよい。また、InGaAsP薄膜層16は、p型InPクラッド層のドーパントが前記活性層の方向へ熱拡散することを抑制する拡散防止層といえる。上述した変形例は、本明細書の他の実施例でも適用できる。
半導体光素子にかかる実施例2を図3および図4を用いて説明する。ここで、図3は、フローティング型回折格子を備えたリッジ導波路型半導体レーザの斜視図であり、図4は、図3の導波路部脇の溝部分での断面図である。
図3および図4を参照しながら、半導体光素子200の製造プロセスを説明する。まず、光導波路を形成するためInP基板1にn型InAlAs層17、InGaAlAs多重量子井戸活性層18、p型InAlAs層19、InPエッチング停止層5、回折格子層となるInGaAsP層6、InGaAsP層6の保護層であるInPキャップ層(図示せず)の順に多層構造を有機金属気相成長法(MOCVD法)により形成する。次に、InPキャップ層を除去し、レジストを塗布後、干渉露光装置によりInGaAsP層6の導波路を形成する部分上に約200nm周期のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、ウェットエッチングにより回折格子層6を選択的にエッチングし周期的段差を形成する。
その後、この周期的段差を埋込むようにMOCVD法により、回折格子層と屈折率がほぼ同じInGaAsP薄膜層16とp型InPクラッド層8とコンタクト層9をエピタキシャル成長する。
エピタキシャル成長工程では、基板全体が約600℃に加熱されるため、p型InPクラッド層8からのドーパントの熱拡散が起こる。しかし、活性層上の全領域にドーパントの固溶濃度が高いInAlAs層19が存在するので、ドーパントの熱拡散量が回折格子の有無や開口幅に依存しない。この結果、安定した光出力、閾値電流、スロープ効率を得ることができる。
CVD法で形成した厚さ300nmのSiO膜(図示せず)をマスクとして、コンタクト層9をストライプ幅2.0μm、ストライプ両脇(両側)の溝幅10μmのストライプ構造に加工する。
次に、SiO膜を全面除去後、ストライプ構造に加工されたコンタクト層9をマスクとして、塩酸と燐酸の混合液によるウェットエッチングを用いてp型InPクラッド層8を選択エッチングし、逆メサ形状のリッジ導波路を形成する。
InGaAsP薄膜層16が無い場合は、逆メサ形状のリッジ導波路を形成する際、p型InPクラッド層8のエッチングは、InPエッチング停止層5をもエッチングし、p型InAlAs層18で停止する。このため、加工プロセス中で、結晶表面にAlを含んだ材料が露出する。このAlが酸化し、酸化したAl表面を介したリーク電流成分が発生し、閾値電流を増加させる要因となっていた。これに対し、本実施例では、p型InPクラッド層8のエッチングはInGaAsP薄膜層16で停止するため、その下方に位置するp型InAlAs層19は製造プロセス中に露出せず、酸化しない。このため低閾値電流の低減および高スロープ効率化を実現することができる。
続いて、CVD法により厚さ500nmのSiO2パッシベーション膜12を基板全体に形成し、電流注入領域となる半導体メサ上のパッシベーション膜のみ、フォトリソグラフィーとエッチングにより開口し、EB蒸着法によりTi/Pt/Auから成る厚さ1μm程度のp側電極13を形成する。次いで、イオンミリングによりp側電極13をパタニング(図示省略)した後、基板裏面を100μm厚まで研磨処理し、n側電極14形成、電極アロイ等の工程を経る。
これらの工程を経た後、素子長が200μmとなるようにウェハをバー状にへき開し、へき開面に反射保護膜15を形成した後、チップ状に素子を分離する。
本実施例の半導体レーザは、高温でのレーザ特性が良好なAl系リッジ型構造なので、85℃という高温動作にて、閾値電流を22mAから16mAに低減することができた。また、スロープ効率を0.15W/Aから0.2W/Aに向上させることができた。さらに、最大光出力を66%向上させることができた。
本実施例に拠れば、半導体レーザの低閾値電流化及び高スロープ効率化を実現することができ、高品質な半導体光素子を高歩留りで作製することができた。
なお、活性層はInGaAsPでも他の材料であっても良い。InGaAsP薄膜層16は、拡散防止層でも、エッチング停止層でもある。
光モジュールにかかる実施例3について、図5を用いて説明する。ここで、図5は光モジュールの構成を説明するブロック図である。
図5において、光モジュール300は、溝部を形成したシリコン基板23の溝部に光ファイバ22を装着し、光ファイバ23に調芯するように半導体レーザ200がシリコン基板23に装着されている。また、導波路受光素子21は半導体レーザの後方光をモニタするように、シリコン基板23に実装されている。半導体レーザ200と導波路受光素子21とは、それぞれボンディングワイヤ24でシリコン基板23に設けた端子25、26に接続され、端子25、26は図示しない外部端子に接続される。
光モジュール300は、図示しない筐体を含む。筐体は、光ファイバの入力端とシリコン基板23に実装された光部品を収容する。
本実施例の光モジュールは、高温でのレーザ特性が良好なAl系リッジ型構造なので、85℃という高温動作にて、閾値電流を22mAから16mAに低減することができた。また、スロープ効率を0.15W/Aから0.2W/Aに向上させることができた。さらに、最大光出力を66%向上させることができた。
本実施例の光モジュールは、半導体レーザが高歩留りなので安価で作製することができた。
なお、本実施例で半導体レーザは、実施例2の半導体レーザ200の代わりに、実施例1の半導体レーザ100であっても良い。この場合、光モジュールは、25℃動作にて、閾値電流を10mAから5.0mAに低減することができる。また、スロープ効率を0.2W/Aから0.33W/Aに向上させることができる。さらに、最大光出力を66%向上させることができる。
フローティング型回折格子を有する埋込みヘテロ型半導体レーザの斜視図である。 図1の導波路部での断面図である。 フローティング型回折格子を有するリッジ導波路型半導体レーザの斜視図である。 図3の導波路脇の溝部分での断面図である。 光モジュール構成を説明するブロック図である。
符号の説明
1…半導体基板、2…下側ガイド層、3…上側ガイド層、4…活性層、5…InPエッチング停止層、6…回折格子となるInGaAsP層、8…p型InPクラッド層、9…コンタクト層、11…Fe−InP埋込み層、12…パッシベーション膜、13…p側電極、14…n側電極、15…反射膜、16…InGaAsP薄膜層、17…n型InAlAs層、18…InGaAlAs活性層、19…p型InAlAs層、20…半導体レーザ、21…導波路受光素子、22…光ファイバ、23…シリコン基板、24…Auワイヤ、25…端子、26…端子、100…半導体レーザ、200…半導体レーザ、300…光モジュール。

Claims (5)

  1. InP基板上に、下側ガイド層と、活性層と、上側ガイド層と、回折格子層のエッチング停止層と、前記回折格子層をパタニングしたInGaAsP回折格子層と、p型InPクラッド層とがこの順に形成された半導体光素子であって、
    前記InGaAsP回折格子と前記p型InPクラッド層との間に前記p型InPクラッド層のドーパントが前記活性層の方向への熱拡散することを抑制する拡散防止層として、前記InGaAsP回折格子と同一組成のInGaAsP薄膜層を有することを特徴とする半導体光素子。
  2. 請求項1に記載の半導体光素子であって、
    前記活性層はInGaAsPまたはInGaAlAsであることを特徴とする半導体光素子。
  3. InP基板上に、下側ガイド層と活性層と上側ガイド層とInPエッチング停止層とInGaAsP回折格子層とを成長するステップと、
    導波路の形成部の前記InGaAsP回折格子層に回折格子を加工するステップと、
    前記InGaAsP回折格子上に、p型InPクラッド層のドーパントが前記活性層の方向へ熱拡散することを抑制するための拡散防止層として前記InGaAsP回折格子と同一組成のInGaAsP薄膜層と、前記p型InPクラッド層とを成長するステップとを含む半導体光素子の製造方法。
  4. 請求項3に記載の半導体光素子の製造方法であって、
    前記導波路の両側の前記p型InPクラッド層を、前記拡散防止層までエッチングするステップをさらに含む半導体光素子の製造方法。
  5. InP基板に、InAlAs下側ガイド層とInGaAlAs活性層とInAlAs上側ガイド層とInPエッチング停止層とInGaAsP回折格子層とを成長するステップと、
    導波路の形成部の前記InGaAsP回折格子層にInGaAsP回折格子を加工するステップと、
    前記InGaAsP回折格子上に、p型InPクラッド層のドーパントが前記活性層の方向への熱拡散することを抑制する拡散防止層として、前記InGaAsP回折格子と同一組成のInGaAsP薄膜層と、前記p型InPクラッド層とを成長するステップと、
    前記導波路の両側の前記p型InPクラッド層を、前記拡散防止層までエッチングするステップとを含む半導体光素子の製造方法。
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