JP4842983B2 - 半導体光集積素子及びその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、光通信用モジュール、光通信システムの光変調器集積化光源に用いる半導体光集積素子及びその作製方法に関する。

光ファイバ通信の広がりに伴い、メトロアクセス系通信（〜８０ｋｍ）では、現在、温調クーラー付で動作させている半導体レーザと光変調器を、温調クーラー無しで動作させ、それらを低コスト化させる、という需要が広がっている。このような需要を満たすために、半導体レーザと光変調器には、低温から高温にわたる広い範囲の環境温度でも、大きな特性劣化が見られないよう高性能化することが求められている。

光変調器集積化光源となる半導体光集積素子の高温動作化を考えた場合に、多重量子井戸構造のＤＦＢ（Distributed feedback）レーザと多重量子井戸構造の電界吸収型光変調器（ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と称する。）を、どちらもＡｌ系半導体材料（ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料等）を用いて作製、モノリシック集積し、良好な特性を得たという報告が数多くされている（非特許文献１参照）。

M. R. Gokhale, et al., "Uncooled, 10Gb/s 1310nm Electroabsorption Modulated Laser", Optical Fiber Communications Conference, 2003, PD42 Kenichiro Yashiki, et al., "10-GB/s 23-km Penalty-Free Operation of 1310-nm Uncooled EML With Semi-Insulating BH Structure", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No.1, January 1, 2006, PP109-111

Ａｌ系半導体材料は、高温動作に優れる反面、材料の取り扱いの難しさに問題がある。
例えば、半導体レーザ及び半導体光変調器を、バットジョイント（以下、ＢＪと略す。）法を用いて、同一基板上にモノリシック集積する場合には、半導体レーザ又は半導体光変調器のいずれか一方を結晶成長させ、半導体レーザ又は半導体光変調器のいずれか他方となる領域をエッチングし、そのエッチングした領域に半導体レーザ又は半導体光変調器のいずれか他方を結晶成長させるが、Ａｌ系半導体材料はサイドエッチ量が大きいため、結合部分となる部分もエッチングされてしまい、その後の結晶成長のときに、半導体レーザと半導体光変調器との結合部分に空孔が残ってしまう。そのため、半導体レーザと半導体光変調器がきれいに結合されず、その結合効率が劣化し、光出力を減少させることが問題となっていた。

又、Ａｌ系半導体材料は、空気中で容易に酸化してしまうことも問題となっている。
例えば、ＢＪ構造を形成する場合、結合部分となる部分の表面が酸化している状態でＢＪ法を行うと、その部分でうまく結晶成長が出来ず、空孔が残ってしまう。そのため、半導体レーザと半導体光変調器の結合効率が劣化し、光出力を減少させる原因となっていた。

Ａｌ系半導体材料の酸化への対処方法として、半導体レーザ部と半導体光変調器部を一度に成長する選択成長技術が報告されている。この方法では、結晶成長の過程でＡｌ系半導体材料を一度も空気中に出さないために酸化の影響を抑制できると報告されている（非特許文献２）。しかしながら、これらの工程は、全て難易度が高く、歩留まりの向上が難しい、量産に向かないという問題点があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、Ａｌ系半導体材料を用いて同一の基板上に半導体レーザと半導体光変調器を集積する際に、簡便な作製プロセスで、Ａｌ系半導体材料の酸化とサイドエッチの影響を抑制すると共に、結合効率を向上させた半導体光集積素子及びその作製方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る半導体光集積素子は、
同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、
前記活性層と前記変調器層との間に、Ａｌを含まない半導体材料からなる半導体層を設けると共に、前記半導体層の上層に、前記活性層及び前記変調器層の上層にまで延設された、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を設けることにより、前記レーザ部光導波路と前記変調器部光導波路との間に結合部光導波路を設け、
前記共通導波路層以上をリッジ構造に形成し、前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きくすると共に、前記リッジ構造の両側面を半絶縁性半導体材料により埋め込んだことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１の発明に記載の半導体光集積素子において、
Ａｌを含まない半導体材料からなる窓構造部を、当該半導体光集積素子の端部に設け、
前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにしたことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１又は第２の発明に記載の半導体光集積素子において、
前記半絶縁性半導体材料がＲｕによりドープされていることを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第１〜第３の発明のいずれか１つに記載の半導体光集積素子において、
当該半導体光集積素子の発振波長を１．５５μｍとする場合、
前記共通導波路層の組成波長を１．０μｍ以上１．４μｍ以下としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る半導体光集積素子は、
上記第４の発明に記載の半導体光集積素子において、
前記結合部光導波路のリッジ幅を１．０μｍ以上２．０μｍ未満の範囲としたことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る半導体光集積素子の作製方法は、
同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積する半導体光集積素子の作製方法において、
前記半導体基板上に、前記活性層と前記変調器層とを隣接して形成すると共に、前記活性層と前記変調器層との隣接部分を除去し、
除去した前記隣接部分に、Ａｌを含まない半導体材料からなる半導体層を形成し、
前記活性層、前記変調器層及び前記半導体層上に、エッチストップ層を形成し、
前記エッチストップ層上に、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を形成し、
前記共通導波路層上にＡｌを含まない半導体材料からなる上部クラッド層を形成し、
前記共通導波路層以上をリッジ構造に形成し、
前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きく形成し、
前記リッジ構造の両側面を半絶縁性半導体材料により埋め込むことを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る半導体光集積素子の作製方法は、
上記第６の発明に記載の半導体光集積素子の作製方法において、
前記隣接部分を除去する際、当該半導体光集積素子の端部となる前記活性層及び前記変調器層の端部も同時に除去し、
前記半導体層を形成する際、除去した前記端部部分に前記半導体層を同時に形成することにより窓構造部を形成し、前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにすることを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る半導体光集積素子の作製方法は、
上記第６又は第７の発明に記載の半導体光集積素子の作製方法において、
前記半絶縁性半導体材料にＲｕをドープすることを特徴とする。

上記課題を解決する第９の発明に係る半導体光集積素子の作製方法は、
上記第６〜第８の発明のいずれか１つに記載の半導体光集積素子の作製方法において、
当該半導体光集積素子の発振波長を１．５５μｍとする場合、
前記共通導波路層の組成波長が１．０μｍ以上１．４μｍ以下となる組成から、前記共通導波路層を構成することを特徴とする。

上記課題を解決する第１０の発明に係る半導体光集積素子の作製方法は、
上記第９の発明に記載の半導体光集積素子の作製方法において、
前記結合部光導波路のリッジ幅を１．０μｍ以上２．０μｍ未満の範囲で形成することを特徴とする。

本発明によれば、極めて容易な作製プロセスで、Ａｌ系半導体材料を用いる際の酸化、サイドエッチといった問題を抑制し、集積化した光素子間の結合効率を、少なくとも８０％以上、更には、９０％以上にすることが可能である。その結果として、低温から高温までの広い動作温度範囲で、特性劣化の小さな高信頼性の半導体光集積素子を実現することが出来る。

以下、本発明に係る半導体光集積素子及びその作製方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜１．構成＞
図１は、本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例を示す斜視図である。又、図２〜図５は、図１に示す半導体光集積素子の断面図であり、図２が、その導波方向に沿う断面図、図３が、その半導体レーザ部の断面図、図４が、その結合部の断面図、図５が、その半導体光変調器部の断面図である。最初に、図１〜図５を参照して、その構成を説明する。

本発明に係る半導体光集積素子は、ＥＡ−ＤＦＢレーザと呼ばれるものであり、Ａｌを含む半導体材料（以降、Ａｌ系半導体材料と呼ぶ。）からなる活性層１１を備える半導体レーザ部（以降、レーザ部と略す。）１の光導波路と、Ａｌ系半導体材料からなる変調器層１２を備える半導体光変調器部（以降、変調器部と略す。）２の光導波路とを、同一の基板１０上にモノリシック集積したものである。更に、レーザ部１と変調器部２との間に形成された結合部３の光導波路と、レーザ部１の端部側方に形成された窓構造部４の光導波路と、変調器部２の端部側方に形成された窓構造部５の光導波路とを有する。

レーザ部１は、下層側から、ｎ−メタルからなる下部電極２０と、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌ系半導体材料からなり、レーザ光を発振する活性層１１と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層１４と、Ａｌを含まない半導体材料（以降、非Ａｌ系半導体材料と呼ぶ。）であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１５と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１６と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１８と、ｐ−メタルからなる上部電極１９とから構成され、活性層１１の上方には回折格子が形成されている。レーザ部１において、活性層１１、エッチストップ層１４、共通導波路層１５が、コア層を構成している。

この共通導波路層１５は、活性層１１及び後述の半導体層１３、変調器層１２の上層側（基板１０とは反対側）に、活性層１１、半導体層１３及び変調器層１２の導波方向に沿って、素子全長（窓構造部４〜レーザ部１〜結合部３〜変調器部２〜窓構造部５）に渡って延設されており、エッチストップ層１４、上部クラッド層１６と共に、非Ａｌ系半導体材料から形成されている。そして、共通導波路層１５以上の層、具体的には、共通導波路層１５及び上部クラッド層１６は、リッジ構造に形成されて、その導波方向に沿った両側面が、Ｒｕ（ルテニウム）ドープのＩｎＰからなる埋込層１７により埋め込まれた構造となっている。

変調器部２は、下層側から、ｎ−メタルからなる下部電極２０と、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、Ａｌ系半導体材料からなり、活性層１１から発振されたレーザ光を変調する変調器層１２と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層１４と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１５と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１６と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１８と、ｐ−メタルからなる上部電極１９とから構成されている。変調器部２において、変調器層１２、エッチストップ層１４、共通導波路層１５が、コア層を構成している。

結合部３は、活性層１１と変調器層１２とを光結合する役割を果たすものであり、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１３と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層１４と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１５と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１６とから構成される。結合部３においては、共通導波路層１５がコア層を構成している。

窓構造部４、５は、下層側から、ｎ−ＩｎＰからなり、下部クラッド層となる基板１０と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＰ又はｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層１３と、ｉ−ＩｎＰからなるエッチストップ層１４と、非Ａｌ系半導体材料であるｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる共通導波路層１５と、ｐ−ＩｎＰからなる上部クラッド層１６とから構成される。窓構造部４、５は、結合部３と略同等の構成を有しており、ここでも、共通導波路層１５がコア層を構成している。この窓構造部４、５は、Ａｌ系半導体材料から形成された活性層１１及び変調器層１２の端面が空気に触れないようにする役割を果たすものであり、そのため、基板１０の上面であり、かつ、活性層１１及び変調器層１２の側端面に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層１３を形成することにより、活性層１１及び変調器層１２の端面を覆うような構造としている。

レーザ部１の活性層１３は、更に詳細には、基板１０側から、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）層２１、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ（Multiple Quantum Wall；多重量子井戸）層２２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層２３、ＩｎＡｌＡｓからなるキャリアストップ層２４、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層２５からなり、ＳＣＨ層２１、ＭＱＷ層２２、ＳＣＨ層２３、キャリアストップ層２４は、Ａｌ系半導体材料から構成されている。

又、変調器部２の変調器層１２は、基板１０側から、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層３１、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層３２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＳＣＨ層３３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層３４からなり、ＳＣＨ層３１、ＭＱＷ層３２、ＳＣＨ層３３は、Ａｌ系半導体材料から構成されている。

＜２．製造方法＞
次に、図１〜図５を参照しながら、図６（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｆ）を用いて、本発明に係る半導体光集積素子の作製方法を説明する。

（１）まず、ｎ−ＩｎＰの基板１０上に、Ａｌ系半導体材料からなる活性層１１を結晶成長させる（図６（ａ））。

（２）次に、最初に集積したいレーザ部１の部分の試料表面に誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク４１を形成する（図６（ｂ））。このマスク４１は、変調器部２の部分の試料表面には開口部を有することになる。マスク４１としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜を成膜し、通常の露光方法でレジストパターンを形成した後、ＣＦ系のプラズマエッチングにより作製すればよい。

（３）次に、マスク４１を用いて、マスク４１のかかっていない部分、つまり、変調器部２となる部分の活性層１１のみをウェットエッチングにより除去する（図６（ｃ））。この際、変調器部２となる部分においては、活性層１１までは溶かすが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は溶かさないような溶液を用いてウェットエッチングを行う。

（４）次に、ウェットエッチングの後、通常のＢＪ法により、変調器層１２を結晶再成長する。本実施例における作製方法の場合も、この時点では、サイドエッチや酸化の影響は避けることができず、活性層１１と変調器層１２との結合部分に空孔部４２が残ってしまう（図６（ｄ））。

空孔部４２が残った状態では、活性層１１と変調器層１２がきれいに結合されなくなる。この状態のままでは、従来と同様に、活性層１１と変調器層１２の結合効率が低下し、光出力を減少させることが問題となってしまう。そこで、図７（ａ）〜（ｆ）以降の手順を経て、結合部３、共通導波路層１５を形成すると共に、半導体光集積素子を形成することにより、簡易な作製プロセスで、結合効率の低下を抑制するようにしている。

（５）具体的には、空孔部４２がある部分の試料表面に開口部を有すると共に、活性層１１の空孔部４２とは反対側の端部及び変調器層１２の空孔部４２とは反対側の端部、つまり、半導体光集積素子の両端部の試料表面に開口部を有するように、誘電体絶縁膜（例えば、酸化絶縁膜）のマスク４３を形成する（図７（ａ））。マスク４３としては、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜を成膜し、通常の露光方法でレジストパターンを形成した後、ＣＦ系のプラズマエッチングにより作製する。

（６）次に、マスク４３を用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングにより、空孔部４３を含む領域と素子端部の領域を除去する（図７（ｂ））。つまり、後に結合部３となる部分を一旦除去することにより、空孔部４３を除去している。この際、活性層１１１、変調器層１２までは除去するが、ｎ−ＩｎＰの基板１０は除去しないようにしている。ドライエッチング加工には、塩素、臭素等のハロゲン系ガス、又は、メタン、エタン等の炭化水素ガス、又は、アルゴンガス等を用いる。又、ウェットエッチングには、酸溶液等を用いる。

（７）次に、エッチングにより除去した部分に、非Ａｌ系半導体材料からなる半導体層１３をＭＯＶＰＥ法で結晶成長する（図７（ｃ））。なお、半導体層１３としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いる。

（８）次に、マスク４３を、ＨＦ系溶液によるウェットエッチング、又は、ＣＦ系ガスによるドライエッチングにより除去した後、非Ａｌ系半導体材料からなるエッチストップ層１４及び共通導波路層１５を順に結晶成長させる。その後、レーザ部１に回折格子を形成し、上部クラッド層１６をＭＯＶＰＥ法により全面に成長する（図７（ｄ））。このようにして、レーザ部１と変調器部２との間の結合部３と、素子端部の窓構造部４、５が同時に形成される。

（９）引き続き、コンタクト層１８を、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長する（図７（ｅ））。

（１０）コンタクト層１８の結晶成長後、試料表面に光導波路形成用の誘電体絶縁膜マスクを形成し、共通導波路層１５、上部クラッド層１６、コンタクト層１８を光導波路状にエッチング加工する。光導波路状にエッチング加工する際、除去対象部分においては、共通導波路層１５までを除去し、エッチストップ層１４で止めるような溶液を用いて行う（図１、図３〜図５参照）。

（１１）その後、形成した光導波路の両側面に、ＭＯＶＰＥ法により、電流ブロック層として、ＲｕドープのＩｎＰからなる埋込層１７を成長させた（図１、図３〜図５参照）。Ｒｕの原料としては、ビスエチルシクロペンタディエニルルテニウム（bis(ethylcycloPentadienyl)ruthenimm(II)）を用いた。

（１２）その後、結合部３において電極分離を行う領域を開口すると共に、窓構造部４、５の領域を開口したマスクパターンを用いて、レーザ部１の光導波路と変調器部２の光導波路の間のコンタクト層１８を除去して、互いの電極分離を行うと共に、同時に、窓構造部４、５のコンタクト層１８も除去する。その後、レーザ部１と変調器部２の上方に各々上部電極層１９を形成し、基板１０の裏面側に下部電極２０を形成する（図７（ｆ））。

従来技術では、結合効率の低下を回避するため、難易度の高いプロセスを必要としていたが、本発明では、上述した作製方法を用いることにより、難易度の高い作製プロセスの使用を回避し、簡単な作製プロセスで、結合効率の高い半導体光集積素子を実現することができる。

上述したように、本発明に係る半導体光集積素子においては、レーザ部１と変調器部２とを光結合する結合部３を備えると共に、レーザ部１の活性層１１、変調器部２の変調器層１２及び結合部３の半導体層１３の上層に共通導波路層１５を備えており、更に、導波路となる構成のうち、Ａｌを含まない共通導波路層１５以上の層をリッジ構造とする埋め込み導波路構造としている。

活性層１１、変調器層１２及び半導体層１３の上層に共通導波路層１５を備えることにより、共通導波路層１５のみをリッジ構造に含む構造として、リッジ構造幅の加工により、共通導波路層１５のみの幅を制限することができる。その結果、活性層１１及び変調器層１２の下層側に共通導波路層を備える場合に比べて、横方向の光閉じ込めを増加させて、レーザ部、結合部、変調器部において、導波光を良好に導波させるという利点を有する。

又、本発明に係る半導体光集積素子においては、リッジ構造の両脇をＲｕドープＩｎＰ半絶縁性半導体からなる埋込層１７で埋め込むので、電流狭窄、放熱性に優れ、その結果、放熱性に優れるので信頼性も向上するという利点も有する。なお、本実施例においては、リッジ構造の両側面を埋め込む半絶縁性半導体材料にＲｕドープされたものを用いているが、Ｆｅ等の他の不純物がドープされたものを用いてもよい。

更に、埋込層１７で埋め込む際には、Ａｌ系半導体材料から構成される活性層１１、変調器層１２自体が加工（エッチング）されることがないため、Ａｌ系半導体表面（埋め込み後は埋め込み界面）が大気に露出することがなく、酸化されることがない。Ａｌ系半導体表面が酸化した場合には、結晶品質を劣化させ、素子特性の劣化を招くが、本発明に係る半導体光集積素子においては、Ａｌ系半導体表面が大気に露出することがなく、酸化されることなく加工が行われるので、素子特性が良好であるという利点も有する。

このような構成により、本発明に係る半導体光集積素子においては、活性層１１から放出された光は、活性層１１と共通導波路層１５との間をシングルモードで導波され、更に、共通導波路層１５と変調器層１２との間もシングルモードで導波されて、高い効率で窓構造部５の端面から出射されることになる。

＜３．最適な構成条件＞
本発明に係る半導体光集積素子は、上述した基本構成だけでも様々な利点を有するが、後述するように、埋め込み導波路幅等を最適な条件に設定することで、導波路をシングルモードとすると共に、レーザ部１と結合部３及び結合部３と変調器部２の結合効率を８０％以上とすることができる。そこで、結合効率を８０％以上にする構成条件について、以下、図８〜図２７を参照して、詳細に説明する。

なお、図８〜図２７に示すグラフ、フィールド分布は、光導波路等の設計の際にシミュレーションを行う計算ソフト「APSS」（バージョン：２．３ｇ、Apollo Photonics社製）を用いて検証している。

＜３ａ．共通導波路層の組成＞
最初に、共通導波路層１５の組成について述べる。
共通導波路層１５には、非Ａｌ系半導体材料であるＩｎＧａＡｓＰが用いられている。ここで、共通導波路層１５を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成について、組成によって決まるフォトルミネッセンス測定における発光波長（組成波長又はＰＬ波長）を用いて説明する。図８に、ＰＬ波長の温度依存性を示す。又、１．５５μｍ波長帯のＤＦＢ−ＬＤの発振波長の温度依存性も示す。

図８に示すように、温度が２０℃から１００℃まで増加すると、ＰＬ波長１．５μｍにおいては、デチューニング量Δλが０．０５μｍから０．００８μｍへ変化し、ＰＬ波長１．４μｍにおいては、デチューニング量Δλが０．１５μｍから０．１０８μｍへ変化し、ＰＬ波長１．３μｍにおいては、デチューニング量Δλが０．２５μｍから０．２０８μｍへ変化し、ＰＬ波長１．２μｍにおいては、デチューニング量Δλが０．３５μｍから０．３０８μｍへ変化し、ＰＬ波長１．１μｍにおいては、デチューニング量Δλが０．４５μｍから０．４０８μｍへ変化している。このとき、ＰＬ波長は０．５−０．７ｎｍ／℃で増加している。一方、ＤＦＢ−ＬＤの発振波長は、１．５５μｍから１．５５８μｍへ変化し、このとき、発振波長は０．１ｎｍ／℃で増加している。このように、高温になると、共通導波路層１５のＰＬ波長がＤＦＢ−ＬＤの発振波長に近づいていく。

１００℃でのＤＦＢ−ＬＤの動作時において、十分な光出力を得るためには、デチューニング量Δλが０．１μｍ必要である。これは、１００℃でのＰＬ波長が１．４５μｍ以上になると、ＤＦＢ−ＬＤの光を共通導波路層１５が吸収するため光出力が低下するからである。そこで、１００℃でＤＦＢ−ＬＤが発振するためには、図８より、室温時のＰＬ波長、即ち、共通導波路層１５に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長は、１．４μｍ以下であることが必要である。なお、１．３０μｍ波長帯のＤＦＢ−ＬＤの場合は、同様の事情から、共通導波路層１５に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長は、１．１５μｍ以下であることが必要である。

次に、共通導波路層１５に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成と、レーザ部１と共通導波路層１５との結合効率について述べる。一般的に、光素子において良好な動作特性を示すためには、素子／導波路間の結合効率は８０％以上必要である。

図９〜図１１は、レーザ部と結合部との結合効率について、結合部の導波路幅Ｗ_P依存性を示すグラフであり、図９はＰＬ波長が１．１μｍのとき、図１０はＰＬ波長が１．２μｍのとき、図１１はＰＬ波長が１．３μｍのときである。又、共通導波路層１５の層厚ｄは共に０．２μｍである。

導波路幅Ｗ_Pが１．０〜２．０μｍの場合において、ＰＬ波長が１．１μｍの場合には、結合効率は８０％未満であるが、ＰＬ波長が１．２μｍ、１．３μｍのときには、８０％以上になる。このように、共通導波路層１５の層厚ｄが０．２μｍのときは、共通導波路層１５に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長は１．２μｍ以上であることが有効である。

共通導波路層１５の他の層厚ｄについても、図９〜図１１に示すような依存性を確認し、それらを図１２にまとめてみた。図１２からわかるように、共通導波路層１５の層厚ｄが０．５μｍ以上のときは、ＰＬ波長は１．０μｍ以上であればよく、共通導波路層１５の層厚ｄが０．３μｍ以上０．５μｍ未満のときは、ＰＬ波長は１．１μｍ以上であればよく、共通導波路層１５の層厚ｄが０．２μｍ以上０．３μｍ未満のときは、ＰＬ波長は１．２μｍ以上であればよく、共通導波路層１５の層厚ｄが０．１μｍ以上０．２μｍ未満のときは、ＰＬ波長は１．３μｍ以上であれば有効である。

このように、１．５５μｍ波長帯のＤＦＢ−ＬＤを用いる場合は、共通導波路層１５に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長は、１．０μｍ以上、１．４μｍ以下で有効である。又、１．３０μｍ波長帯のＤＦＢ−ＬＤを用いる場合は、同様に、共通導波路層１５に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長は、１．０μｍ以上、１．１５μｍ以下であると有効である。

＜３ｂ．共通導波路層の層厚＞
次に、共通導波路層１５の層厚ｄについて説明する。共通導波路層１５の層厚ｄは、０．１μｍ未満になると結合効率が低下して、素子特性が低下するので、０．１μｍ以上であることが望ましい。一方、０．６μｍより厚くなると、共通導波路層１５の光閉じ込めが増大する一方、レーザ部１の活性層１１の光閉じ込めが低下して、レーザの特性が低下（閾値電流の増大等）するので、０．６μｍ以下であることが望ましい。更に、層厚を０．３５μｍ以下にすると、閾値電流が更に低減するので有効である。

このように、共通導波路層１５の層厚ｄは、０．１μｍ以上、０．６μｍ以下であると有効であり、０．１μｍ以上、０．３５μｍ以下であることがより望ましい。

＜３ｃ．レーザ部導波路幅、変調器部導波路幅＞
次に、レーザ部１の共通導波路層１５の幅、即ち、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lについて説明する。レーザ部１からの発振光は共通導波路層１５をシングルモードで導波しなくてはならない。

図１３〜図１５は、共通導波路層１５における導波光の導波形態（フィールド分布）を示す図であり、図１３はレーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．５μｍのときであり、図１４はレーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．７μｍのときであり、図１５はレーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．８μｍのときである。又、共に、共通導波路層１５のＰＬ波長は１．３μｍ、層厚ｄは０．２μｍである。

なお、図１３〜図１５においては、埋め込み導波路断面が左右対称の構造であるので、計算を軽減するため、右半分のみの計算で導波光の導波形態を求め、右半分だけを示している。又、図中の符号１５は共通導波路を、図中のドットの分布は光のフィールド分布を示しており、濃いドットの部分が最もフィールド強度が強く、薄いドットの部分が最もフィールド強度が弱いことを示している。

図１３においては、共通導波路層１５の中央に導波光が導波しており、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．３μｍのときは、シングルモードで導波していることがわかる。
又、図１４においては、この図が埋め込み導波路断面の右半分だけを示していることを考慮すると、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．７μｍのときは、マルチモードの光のフィールドが結合していないこと、つまり、シングルモードであることを表している。
一方、図１５においては、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．８μｍのときは、マルチモードの光のフィールドが結合して、光がマルチモード導波していることを示している。
このように、共通導波路層１５のＰＬ波長が１．３μｍのときは、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．８μｍ未満である必要がある。

共通導波路層１５の他のＰＬ波長についても、図１３〜図１５に示すような導波形態を確認し、それらを図１６にまとめてみた。なお、共通導波路層１５の層厚ｄは全て０．２μｍである。図１６からわかるように、共通導波路層１５のＰＬ波長が１．１μｍ以上１．２μｍ未満では、埋め込み導波路幅Ｗ_Lは１．０μｍ以上２．６μｍ以下、ＰＬ波長が１．２μｍ以上１．３μｍ未満では、埋め込み導波路幅Ｗ_Lは１．０μｍ以上２．０以下、ＰＬ波長が１．３μｍ以上１．４μｍ未満では、埋め込み導波路幅Ｗ_Lは１．０μｍ以上１．８μｍ以下、ＰＬ波長が１．４μｍ以上１．５μｍ未満では、埋め込み導波路幅Ｗ_Lは１．０μｍ以上１．６μｍ以下が有効である。

なお、本発明において、共通導波路層１５の層厚ｄは、０．１μｍ以上０．６μｍ以下の範囲であることが望ましいが、これは、埋め込み導波路幅Ｗ_Lに比べて小さい（狭い）ので、導波光モードの依存性に影響は与えない。

又、変調器部２の共通導波路層１５の幅、即ち、変調器部２の埋め込み導波路幅Ｗ_Eについても、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lと同様の依存性を示す。従って、ここでは、その説明は割愛する。

＜３ｄ．結合部導波路幅＞
次に、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pについて説明する。
前述の図１１で示したように、ＰＬ波長１．３μｍ、層厚０．２μｍの共通導波路層１５において、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．０μｍのときは、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pは、１．０μｍより１．２μｍ〜１．５μｍの方が、結合効率が高い。同様に、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．２μｍのときは、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pは、１．２μｍより１．５μｍの方が、結合効率が高い。

このように、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lよりも大きい場合に、結合効率が向上し有効である。これは、図９に示したＰＬ波長１．１μｍのとき、図１０に示したＰＬ波長１．２μｍのときにも、同様である。又、変調器部２の埋め込み導波路幅Ｗ_Eに対しても、同様である。従って、Ｗ_P＞Ｗ_L及びＷ_P＞Ｗ_Eとすると、結合効率が向上し有効である。

なお、本発明において、共通導波路層１５の層厚ｄは、０．１μｍ以上０．６μｍ以下の範囲であることが望ましいが、これは、埋め込み導波路幅Ｗ_Pに比べて小さい（狭い）ので、導波光モードの依存性に影響は与えない。

一方、共通導波路層１５のＰＬ波長が１．２μｍ（図１０参照）、１．３μｍ（図１１参照）のときに、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが広くなると、結合効率が減少する場合がある。これは、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが広い場合において、導波光モードがマルチモードになるためである。

例えば、共通導波路層１５のＰＬ波長が１．３μｍ、導波路厚が０．２μｍのときに、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pを変化させた場合、導波光の導波形態は、図１７〜図２０に示すようになる。なお、図１７〜図２０においても、図１３〜図１５と同様に、埋め込み導波路断面は左右対称であるので、右半分だけを示しており、又、図中の符号１５は共通導波路を、図中のドットの分布は光のフィールド分布を示している。

図１７に、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．０μｍのときの１次モードの導波光の形態を示す。結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．０μｍのときには、１次モード導波光のフィールドが導波路中央部（Ｙ座標：０μｍ）に集中しており、シングルモードで導波していることがわかる。

図１８に、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．７μｍのときの１次モードの導波光の形態を示す。結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．７μｍのときにも、１次モード導波光のフィールドが導波路中央部（Ｙ座標：０μｍ）に集中しており、シングルモードで導波していることがわかる。

図１９に、図１８と同じ導波路構造（結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．７μｍ）について、高次（２次）モードの導波光の形態を示す。高次モード導波光のフィールドは、導波路端部で発散しており、高次モードでは結合していないこと、即ち、導波していないことがわかる。

一方、図２０に、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが２．０μｍのときの高次（２次）モードの導波光の形態を示す。高次モード導波光のフィールドが、導波路端部近傍に集中しており、高次モードで導波していることがわかる。このことは、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが２．０μｍのときに、シングルモードでなく、マルチモードで光が導波していることを示す。

このように導波光モードは、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが広い場合、マルチモードになる。以上のように、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pの値が２．０μｍ未満の範囲において、導波光はシングルモードで導波する。又、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pは１．０μｍ未満の範囲においては高精度で導波路構造を作製することが困難である。以上より、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pの値は、１．０μｍ以上２．０μｍ未満の範囲において有効である。

＜３ｅ．閉じ込め＞
次に、レーザ部１の活性層１１、共通導波路層１５、変調器部２の変調器層１２の光閉じ込めについて述べる。

図２１に、レーザ部１の活性層１１の光閉じ込め係数について、その共通導波路のＰＬ波長依存性を示し、図２２に、レーザ部１の共通導波路層１５の光閉じ込め係数について、その共通導波路のＰＬ波長依存性を示す。ここでは、共に、共通導波路層１５の層厚ｄを０．２μｍとし、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lを、１．２μｍ、１．５μｍ、１．７μｍ、２．０μｍとして確認した。

図２２に示すように、共通導波路のＰＬ波長が増加すると、共通導波路層１５の光閉じ込め係数が増加する一方、図２１に示すように、活性層１１の光閉じ込め係数が低下することがわかる。これは、ＰＬ波長が長波になるに従い、材料の屈折率は大きくなるため、光のフィールドは共通導波路に強く閉じ込められるようになり、その分、活性層１１の閉じ込め係数は減少するからである。共通導波路のＰＬ波長が１．２μｍ以上のとき、共に、結合効率が８０％以上になる。このとき、共通導波路層１５の光閉じ込め係数が０．２２〜０．２５以上になり、一方、活性層の１１光閉じ込め係数が０．２１以下になる。

又、図２３に、レーザ部１の活性層１１の光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性を示し、図２４に、レーザ部１の共通導波路層１５の光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性を示す。ここでは、共に、共通導波路層１５の層厚ｄを０．２μｍとし、共通導波路のＰＬ波長を１．１μｍ、１．２μｍ、１．３μｍ、１．４μｍとして確認した。

図２３に示すように、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが大きくなるに従い、活性層１１の閉じ込め係数が減少していることが分かる。
又、図２４に示すように、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが大きくなるに従い、共通導波路層１５の閉じ込め係数が増大していることが分かる。

以上の内容に基づいて、良好な素子特性を示す場合の光閉じ込めについて、以下に説明する。

図２５に、レーザ部１（活性層１１、共通導波路層１５）の光閉じ込め係数について、そのレーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性を示す。なお、共通導波路のＰＬ波長は１．３μｍであり、共通導波路層１５の層厚ｄは０．２μｍである。
図２５に示すように、レーザ部１の埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．０μｍ以上２．０μｍ以下において、活性層１１の光閉じ込め係数は０．２程度、共通導波路層１５の光閉じ込め係数は０．２７〜０．３程度である。

図２６に、結合部３（共通導波路層１５）の光閉じ込め係数について、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_P依存性を示す。なお、共通導波路のＰＬ波長は１．３μｍであり、共通導波路層１５の層厚ｄは０．２μｍである。
図２６に示すように、結合部３の埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．０μｍ以上２．０μｍ以下において、共通導波路層１５の光閉じ込め係数は０．２８〜０．３１程度である。

図２７に、変調器部２（変調器層１２、共通導波路層１５）の光閉じ込め係数について、変調器部２の埋め込み導波路幅Ｗ_E依存性を示す。なお、共通導波路のＰＬ波長は１．３μｍであり、共通導波路層１５の層厚ｄは０．２μｍである。
図２７に示すように、変調器部２の埋め込み導波路幅Ｗ_Eが１．０μｍ以上２．０μｍ以下において、変調器層１２の光閉じ込め係数は０．２７〜０．２８程度、共通導波路層１５の光閉じ込め係数は０．２５〜０．２７程度である。

このように、本発明に係る半導体光集積素子における構成条件として、共通導波路層の組成（ＰＬ波長）、共通導波路層の層厚ｄ、レーザ部導波路幅Ｗ_L、変調器部導波路幅Ｗ_E、結合部導波路幅Ｗ_Pを、上述した範囲に設定すれば、導波光モードをシングルモードとすると共に、結合効率を８０％以上とすることができる。

本発明に係る半導体光集積素子は、光通信用モジュール、光通信システムにおける光変調器集積化光源に好適なものであり、特に、温度調節用クーラー無しで動作させる低コストの光通信用モジュール、光通信システムに用いて好適なものである。

本発明に係る半導体光集積素子の実施形態の一例を示す斜視図である。 図１に示す半導体光集積素子の導波方向に沿う断面図である。 図１に示す半導体光集積素子のレーザ部の断面図である。 図１に示す半導体光集積素子の結合部の断面図である。 図１に示す半導体光集積素子の変調器部の断面図である。 図１に示す半導体光集積素子の作製方法（前半）を説明する図である。 図１に示す半導体光集積素子の作製方法（後半）を説明する図である。 １．５５μｍ波長帯のＤＦＢ−ＬＤの発振波長及び共通導波路のＰＬ波長について、その温度依存性を示すグラフである。 レーザ部と結合部との結合効率について、共通導波路のＰＬ波長が１．１μｍ、厚さが０．２μｍのときの結合部の導波路幅Ｗ_P依存性を示すグラフである。 レーザ部と結合部との結合効率について、共通導波路のＰＬ波長が１．２μｍ、厚さが０．２μｍのときの結合部の導波路幅Ｗ_P依存性を示すグラフである。 レーザ部と結合部との結合効率について、共通導波路のＰＬ波長が１．３μｍ、厚さが０．２μｍのときの結合部の導波路幅Ｗ_P依存性を示すグラフである。 レーザ部と結合部との結合効率について、共通導波路のＰＬ波長及び共通導波路層厚に対する依存性をまとめたものである。 図１に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．５μｍのときの導波光のフィールド分布を示す計算結果である。 図１に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．７μｍのときの導波光のフィールド分布を示す計算結果である。 図１に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Lが１．８μｍのときの導波光のフィールド分布を示す計算結果である。 図１に示す半導体光集積素子におけるレーザ部の共通導波路において、そのマルチモード限界条件について、厚さ０．２μｍの共通導波路のＰＬ波長及び埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性をまとめたものである。 図１に示す半導体光集積素子における結合部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．０μｍのときの導波光のシングルモードのフィールド分布を示す計算結果である。 図１に示す半導体光集積素子における結合部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．７μｍのときの導波光のシングルモードのフィールド分布を示す計算結果である。 図１に示す半導体光集積素子における結合部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Pが１．７μｍのときの導波光の高次モードのフィールド分布を示す計算結果である。 図１に示す半導体光集積素子における結合部の共通導波路において、埋め込み導波路幅Ｗ_Pが２．０μｍのときの導波光の高次モードのフィールド分布を示す計算結果である。 レーザ部の活性層の光閉じ込め係数について、その共通導波路のＰＬ波長依存性を示すグラフである。 レーザ部の共通導波路層の光閉じ込め係数について、その共通導波路のＰＬ波長依存性を示すグラフである。 レーザ部の活性層の光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性を示すグラフである。 レーザ部の共通導波路層の光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性を示すグラフである。 レーザ部における光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_L依存性を示すグラフである。 結合部における光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_P依存性を示すグラフである。 変調器部における光閉じ込め係数について、その埋め込み導波路幅Ｗ_E依存性を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体レーザ部
２ 半導体光変調器部
３ 結合部
４、５ 窓構造部
１０ 基板
１１ 活性層
１２ 変調器層
１３ 半導体層
１４ エッチストップ層
１５ 共通光導波路層
１６ 上部クラッド層
１７ 埋込層
１８ コンタクト層
１９ 上部電極層
２０ 下部電極層

Claims (10)

1. 同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積した半導体光集積素子において、
   前記活性層と前記変調器層との間に、Ａｌを含まない半導体材料からなる半導体層を設けると共に、前記半導体層の上層に、前記活性層及び前記変調器層の上層にまで延設された、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を設けることにより、前記レーザ部光導波路と前記変調器部光導波路との間に結合部光導波路を設け、
   前記共通導波路層以上をリッジ構造に形成し、前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きくすると共に、前記リッジ構造の両側面を半絶縁性半導体材料により埋め込んだことを特徴とする半導体光集積素子。
2. 請求項１に記載の半導体光集積素子において、
   Ａｌを含まない半導体材料からなる窓構造部を、当該半導体光集積素子の端部に設け、
   前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにしたことを特徴とする半導体光集積素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半導体光集積素子において、
   前記半絶縁性半導体材料がＲｕによりドープされていることを特徴とする半導体光集積素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の半導体光集積素子において、
   当該半導体光集積素子の発振波長を１．５５μｍとする場合、
   前記共通導波路層の組成波長を１．０μｍ以上１．４μｍ以下としたことを特徴とする半導体光集積素子。
5. 請求項４に記載の半導体光集積素子において、
   前記結合部光導波路のリッジ幅を１．０μｍ以上２．０μｍ未満の範囲としたことを特徴とする半導体光集積素子。
6. 同一の半導体基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を備えるレーザ部光導波路とＡｌを含む半導体材料からなる変調器層を備える変調器部光導波路とをモノリシック集積する半導体光集積素子の作製方法において、
   前記半導体基板上に、前記活性層と前記変調器層とを隣接して形成すると共に、前記活性層と前記変調器層との隣接部分を除去し、
   除去した前記隣接部分に、Ａｌを含まない半導体材料からなる半導体層を形成し、
   前記活性層、前記変調器層及び前記半導体層上に、エッチストップ層を形成し、
   前記エッチストップ層上に、Ａｌを含まない半導体材料からなる共通導波路層を形成し、
   前記共通導波路層上にＡｌを含まない半導体材料からなる上部クラッド層を形成し、
   前記共通導波路層以上をリッジ構造に形成し、
   前記結合部光導波路のリッジ幅を、前記レーザ部光導波路及び前記変調器部光導波路のリッジ幅より大きく形成し、
   前記リッジ構造の両側面を半絶縁性半導体材料により埋め込むことを特徴とする半導体光集積素子の作製方法。
7. 請求項６に記載の半導体光集積素子の作製方法において、
   前記隣接部分を除去する際、当該半導体光集積素子の端部となる前記活性層及び前記変調器層の端部も同時に除去し、
   前記半導体層を形成する際、除去した前記端部部分に前記半導体層を同時に形成することにより窓構造部を形成し、前記活性層及び前記変調器層の端面を前記窓構造部で覆って、空気中に露出しないようにすることを特徴とする半導体光集積素子の作製方法。
8. 請求項６又は請求項７に記載の半導体光集積素子の作製方法において、
   前記半絶縁性半導体材料にＲｕをドープすることを特徴とする半導体光集積素子の作製方法。
9. 請求項６から請求項８のいずれか１つに記載の半導体光集積素子の作製方法において、
   当該半導体光集積素子の発振波長を１．５５μｍとする場合、
   前記共通導波路層の組成波長が１．０μｍ以上１．４μｍ以下となる組成から、前記共通導波路層を構成することを特徴とする半導体光集積素子の作製方法。
10. 請求項９に記載の半導体光集積素子の作製方法において、
    前記結合部光導波路のリッジ幅を１．０μｍ以上２．０μｍ未満の範囲で形成することを特徴とする半導体光集積素子の作製方法。

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