JP4638753B2 - 半導体光素子および半導体光素子の製造方法 - Google Patents
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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。
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３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。
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３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ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２を除去し、今度は逆にＳｉＯ２膜（図示せず）を半導体メサ上に形成する。このＳｉＯ２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ＳｉＯ２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。
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。
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、ＩｎｘＧａ(１−ｘ）ＡｓｙＰ(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。
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。
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ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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