JP5573386B2 - 半導体光集積素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基板上にレーザダイオードと変調器を集積化した半導体光集積素子及びその製造方法に関する。
近年、基板上にレーザダイオードと変調器を集積化した半導体光集積素子が用いられている。レーザダイオードや変調器の導波路の構造として、コア層の両サイドを半導体で埋め込んだ埋込型導波路や、コア層の両サイドを半導体で埋め込まないハイメサリッジ導波路や、溝がコア層まで達していないローメサリッジ導波路が採用されている(例えば、特許文献1〜3及び非特許文献1参照)。
従来の半導体光集積素子では、レーザダイオードの導波路と変調器の導波路が同じ構造であった。両者が埋込み型導波路の場合は、レーザダイオードでは放熱性がよく良好な高出力特性を示すが、変調器では光の伝搬損失が大きく、かつ容量が大きいため高出力特性と高速変調特性が劣化する。両者がローメサリッジ導波路の場合は、レーザダイオードでは放熱性が埋込み型導波路の場合より低下し高出力特性が劣化し、変調器では容量が大きくなり高速変調特性が劣化する。両者がハイメサリッジ導波路の場合は、レーザダイオードでは放熱性が埋込み型導波路の場合より著しく低下し高出力特性が得られないが、変調器では容量が小さいため良好な高速変調特性が得られる。
このようにレーザダイオードの高出力特性と変調器の高速変調特性の両方を満足する導波路は無い。そこで、レーザダイオードと変調器に異なる構造の導波路を用いることが考えられる。異なる構造の導波路を接続するテーパ状の接続導波路が提案されている(例えば、特許文献3〜6参照)。
特開2008−10484号公報 特開平6−260727号公報 特開2007−227504号公報 特開平7−74396号公報 特開平8−78792号公報 特開2000−193921号公報
しかし、従来のテーパ状の接続導波路では屈折率の高いコア層もテーパ状であるため、レーザダイオードと変調器の接続部での放射損失が大きかった。また、写真製版の重ね合わせ精度の限界によりコア層とハイメサリッジがずれて、放射損失が発生する場合があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はレーザダイオードと変調器の接続部での放射損失を低減することができる半導体光集積素子及びその製造方法を得るものである。
本発明に係る半導体光集積素子は、基板と、前記基板上に集積されたレーザダイオード及び変調器と、前記レーザダイオードから出た光を前記変調器に導く接続導波路とを備え、前記レーザダイオードは、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用し、前記変調器は、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれないハイメサリッジ導波路を採用し、前記レーザダイオード及び前記変調器における前記コア層はそれぞれストライプ状であり、前記接続導波路は、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用し、前記接続導波路の幅は、前記レーザダイオードから前記変調器に向かうほど狭くなり、前記接続導波路における前記コア層の幅は、前記レーザダイオードから前記変調器に向かうほど広くなる
本発明により、レーザダイオードと変調器の接続部での放射損失を低減することができる。
実施の形態1に係る半導体光集積素子を示す上面図である。 図1の領域Xを拡大した上面図である。 図2のA−A´に沿った断面図である。 図2のB−B´に沿った断面図である。 図2のC−C´に沿った断面図である。 実施の形態2に係る半導体光集積素子を示す上面図である。 図6の領域Xを拡大した上面図である。 図7のA−A´に沿った断面図である。 図7のB−B´に沿った断面図である。 図7のC−C´に沿った断面図である。 実施の形態2に係る半導体光集積素子の製造方法を説明するための上面図である。 図11のA−A´に沿った断面図である。 実施の形態2に係る半導体光集積素子の製造方法を説明するための上面図である。 図13のA−A´に沿った断面図である。 図13のB−B´に沿った断面図である。 図13のC−C´に沿った断面図である。 実施の形態2に係る半導体光集積素子の製造方法を説明するための上面図である。 図17のA−A´に沿った断面図である。 実施の形態2に係る半導体光集積素子の製造方法を説明するための上面図である。 図19のA−A´に沿った断面図である。 図19のB−B´に沿った断面図である。 図19のC−C´に沿った断面図である。 比較例に係る半導体光集積素子を示す上面図である。 図23のA−A´に沿った断面図である。 実施の形態3に係る半導体光集積素子を示す上面図である。 図25のA−A´に沿った断面図である。 実施の形態3に係る半導体光集積素子の変形例を示す上面図である。 実施の形態4に係る半導体光集積素子を示す上面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体光集積素子について図面を参照して説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体光集積素子を示す上面図である。1つのn型InP基板10上に、レーザダイオード12、変調器14、レーザダイオード12から出た光を変調器14に導く接続導波路16、及び、変調器14から出た光を出射端面18に導く出射導波路20が集積されている。
レーザダイオード12は分布帰還型レーザ(Distributed Feedback Laser)である。レーザダイオード12の電流注入される領域とチップの周囲とは、溝22,24により電気的に分離されている。レーザダイオード12にp電極26(アノード電極)が設けられている。
変調器14は、光分波器28、アーム30,32、及び光合波器34を有するマッハツェンダー(MZ: Mach-Zehnder)変調器である。光分波器28及び光合波器34はMMI(Multimode interferometer)である。アーム30,32にそれぞれ電圧を印加するための電極36,38及びボンディングパッド40,42が設けられている。
図2は、図1の領域Xを拡大した上面図である。図3は図2のA−A´に沿った断面図であり、図4は図2のB−B´に沿った断面図であり、図5は図2のC−C´に沿った断面図である。
レーザダイオード12では、n型InP基板10上にn型InPクラッド層44、コア層46、p型InPクラッド層48、回折格子50、及びp型InPクラッド層52が積層され、これらはストライプ状にパターニングされている。コア層46の両サイドは、コア層46よりバンドギャップエネルギーが大きいp型InP層54、n型InP層56、及びFeドープInP層58(半導体)により埋め込まれている。このように、レーザダイオード12は、コア層46の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用している。
さらに、p型InPクラッド層52及びFeドープInP層58上にp型InPクラッド層60とp型コンタクト層62が積層されている。埋込層に溝22,24が形成されている。全面がパッシベーション膜64で保護されている。パッシベーション膜64の開口を介してp電極26がp型コンタクト層62に接続されている。n型InP基板10の下面にn電極66(カソード電極)が接続されている。
変調器14では、n型InP基板10上にn型InPクラッド層68、コア層70、p型InPクラッド層72が積層され、これらはストライプ状にパターニングされている。コア層70の両サイドはパッシベーション膜64で保護され、その外側は空気又はポリイミド74などの半導体以外の材料で埋め込まれている。このように、変調器14は、コア層70の両サイドが半導体で埋め込まれないハイメサリッジ導波路を採用している。
接続導波路16では、n型InP基板10上にn型InPクラッド層68、コア層70、p型InPクラッド層72が積層され、これらはストライプ状にパターニングされている。このコア層70の両サイドは、コア層70より屈折率が低いp型InP層54、n型InP層56、及びFeドープInP層58(半導体)により埋め込まれている。このように、接続導波路16は、コア層70の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用している。
ここで、レーザダイオード12のコア層46は活性層であり、変調器14のコア層70は変調層であり、接続導波路16のコア層70は光が伝播する光伝播層である。コア層46,70は、コア層46,70より屈折率が小さいクラッド層に上下から挟まれる。従って、光はコア層46,70付近に閉じ込められながら伝搬する。
また、レーザダイオード12の幅は、レーザダイオード12における2つの溝22,24の間隔により規定される。具体的にはレーザダイオード12の幅は4um以上である。接続導波路16の幅は、接続導波路16における2つの溝22,24の間隔により規定され、レーザダイオード12から変調器14に向かうほど狭くなる。具体的には接続導波路16の幅は3.5umから1.5umに変化する。接続導波路16の長さは50um〜1mm、例えば100umである。特に、光損失の観点から接続導波路16の長さが100um以下であることが好ましい。
また、本実施の形態の特徴として、レーザダイオード12、接続導波路16、及び変調器14におけるコア層46,70はそれぞれストライプ状であり、幅が同じである。具体的にはコア層46,70の幅は1〜3um、例えば1.5umである。
続いて、上記の半導体光集積素子の動作について説明する。レーザダイオード12に順方向電流を流すとレーザ発振が生じて、レーザダイオード12からレーザ光が出射される。この光は接続導波路16を伝搬して変調器14の光分波器28に入射され、光分波器28で2つに分波され、アーム30,32にそれぞれ伝搬される。さらに、アーム30,32を通過した光は光合波器34で合波されて、出射導波路20を伝搬して出射端面18から出射される。
変調器14では、印加電圧に伴う屈折率変化によりアーム30,32の導波路の光学長を変えることで、レーザ光を変調することができる。具体的には、変調器14の電極36,38に異なる大きさの電圧を印加すると、アーム30,32の屈折率がお互いに異なる値となる。この屈折率の差をΔn、アーム30,32で電圧がかかる部分の長さをL、アーム30,32中を伝搬する光の波長をλとすると、アーム30,32を通過後の光に位相差Δφ=Δn・L・2π/λが発生する。
この位相差Δφがnπ(nは0又は偶数)を満たす場合、アーム30,32を通過した光は光合波器34で強め合う。一方、位相差Δφがkπ(kは奇数)を満たす場合、アーム30,32を通過した光は光合波器34で打ち消し合う。このようにアーム30,32に印加する電圧により、光の強度を変調することができる。また、位相差Δφがnπの状態と(n+2)πの状態を往復するように変調電圧を変調器14に印加すると、光の位相変調が可能である。
続いて、実施の形態1の効果について説明する。レーザダイオード12は埋込型導波路を採用しているため、レーザダイオード12は放熱性がよく、良好な高出力特性を示す。また、埋込型導波路の熱抵抗は数十℃/Wと低く、ポリイミドなどの有機材料やガラス系の材料で埋め込んだハイメサリッジ導波路の熱抵抗の半分以下である。従って、100mA以上の動作電流をコア層46に流しても光出力の熱飽和等が発生しない。また、コア層46の両サイドが品質のよい半導体結晶で埋め込まれていると、コア層46の両サイドの劣化が抑制されて高い信頼性を得ることができる。仮にコア層46の両サイドをポリイミドなどで埋め込むと、表面再結合が発生し効率も劣化する。
また、変調器14はハイメサリッジ導波路を採用している。ハイメサリッジ導波路では、光やマイクロ波の損失の大きい半導体がコア層70の両サイドにないため、光およびマイクロ波に対して低損失になる。また、電気容量が小さいため、高速変調が可能である。
また、接続導波路16の幅は、レーザダイオード12から変調器14に向かうほど狭くなる。従って、接続導波路16の平面形状はテーパ状であり、接続導波路16において埋込型導波路からハイメサリッジ導波路へと変化する。ただし、接続導波路16のコア層70はストライプ状であり、その幅はほぼ一定である。即ち、接続導波路16のコア層70の幅を変化させずに、その両サイドの埋込層の幅を変化させる。従って、レーザダイオード12、接続導波路16、及び変調器14におけるコア層46,70はそれぞれストライプ状であり、幅が同じである。このため、レーザダイオード12と変調器14の接続部での放射損失を低減することができる。レーザダイオード12から変調器14への光の伝搬効率は、計算上100%になる。
なお、n型InP基板10の代わりに、p型InP基板や半絶縁性InP基板を用いてもよい。ただし、n型InP基板を用いた場合、上面側がp型半導体となり、p型InP基板を用いた場合よりも、レーザダイオード12と変調器14の間の電気的アイソレーションが高くなる。また、変調器14に進行波型電極を採用することもできる。ただし、その場合は特にマイクロ波の損失が小さいことが必須である。
また、レーザダイオード12のコア層46はAlGaInAs系又はInGaAsP系の多重量子井戸であり、そのバンドギャップ波長は1.2〜1.62umである。変調器14のアーム30,32のコア層70は、AlGaInAs系又はInGaAsP系の多重量子井戸であり、そのバンドギャップ波長は.1〜1.55umである。即ち、コア層70のバンドギャップ波長がレーザダイオード12の発振波長より短くなるようにする。変調器14のアーム30,32以外、接続導波路16及び出射導波路20のコア層70は、アーム30,32のコア層70と同じ多重量子井戸でもよいし、バンドギャップ波長がレーザダイオード12の発振波長より短いAlGaInAs系又はInGaAsP系のバルク又は多重量子井戸を別途形成してもよい。コア層46,70は、選択成長してもよいし、Butt−joint成長により別途成長して接続してもよい。
また、レーザダイオード12、接続導波路16、及び変調器14において、それぞれ溝22,24の深さを変えてもよい。例えば、レーザダイオード12における溝22,24の深さを7um、接続導波路16における溝22,24の深さを5um、変調器14における溝22,24の深さを4umとする。
また、接続導波路16は光の損失を低減するために、コア層の上層又は下層のキャリア濃度を1E17cm−3以下の低キャリア濃度としてもよく、上下層とも光の損失の少ないn型としてもよい。
また、接続導波路16にp型コンタクト層62を設けないことが好ましい。これにより、光の損失が小さくなり、かつレーザダイオード12と変調器14との間のアイソレーション抵抗も高くなる。
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係る半導体光集積素子を示す上面図である。図7は、図6の領域Xを拡大した上面図である。図8は図7のA−A´に沿った断面図であり、図9は図7のB−B´に沿った断面図であり、図10は図7のC−C´に沿った断面図である。実施の形態2では、接続導波路16におけるコア層70の幅がレーザダイオード12から変調器14に向かうほど広くなる。
続いて、実施の形態2に係る半導体光集積素子の製造方法について説明する。まず、図11及び図12に示すように、n型InP基板10上に、コア層46,70を有する半導体積層構造76を形成する。半導体積層構造76は、レーザダイオード12を形成する領域においてn型InP基板10上にn型InPクラッド層44、コア層46、p型InPクラッド層48、回折格子50、及びp型InPクラッド層52を積層し、変調器14及び接続導波路16を形成する領域においてn型InP基板10上にn型InPクラッド層68、コア層70、p型InPクラッド層72を積層したものである。
次に、図13〜図16に示すように、絶縁膜78をマスクとして半導体積層構造76をパターニングしてリッジ構造80を形成する。レーザダイオード12及び変調器14を形成する領域におけるリッジ構造80はストライプ状である。ただし、レーザダイオード12を形成する領域におけるリッジ構造80の幅は、変調器14を形成する領域におけるリッジ構造80の幅よりも狭い。また、接続導波路16を形成する領域におけるリッジ構造80の幅は、レーザダイオード12から変調器14に向かうほど広くなる。
次に、図17及び図18に示すように、リッジ構造80の両サイドをp型InP層54、n型InP層56、及びFeドープInP層58で埋め込む。その後、絶縁膜78を除去し、p型InPクラッド層60とp型コンタクト層62を積層する。
次に、図19〜図22に示すように、絶縁膜82をマスクとしてリッジ構造80、p型InP層54、n型InP層56、及びFeドープInP層58をエッチングして溝22,24を形成する。これにより、レーザダイオード12、変調器14、及び接続導波路16を形成する。この際に、レーザダイオード12及び接続導波路16が埋込型導波路になり、変調器14がハイメサリッジ導波路になるようにする。また、接続導波路16の幅がレーザダイオード12から変調器14に向かうほど狭くなるようにする。例えば、接続導波路16の幅は3.5umから1.5umに変化する。一方、接続導波路16が形成される領域におけるリッジ構造80の幅は1.5umから3.5umに変化する。
続いて、実施の形態2の効果について比較例と比較しながら説明する。図23は、比較例に係る半導体光集積素子を示す上面図である。図24は図23のA−A´に沿った断面図である。比較例では、実施の形態1と同様に、接続導波路16のコア層70がストライプ状であり、その幅は一定である。
ここで、コア層46,70の位置精度と、溝22,24間の変調器14のハイメサリッジ導波路の位置精度とは、それぞれ写真製版の精度により決まる。しかし、写真製版の重ね合わせ精度の限界によりコア層70の中央がハイメサリッジ導波路の中央から1um程度ずれる場合が多い。このため、比較例では、変調器14内でコア層70が一部だけになり、光が伝搬しにくくなり放射損失が発生する。
一方、実施の形態2では、接続導波路16のコア層70の幅がレーザダイオード12から変調器14に向かうほど広くなる。従って、コア層70の中央がハイメサリッジ導波路の中央からずれても、変調器14内に全てのコア層70が収まる。このため、レーザダイオード12と変調器14の接続部での放射損失を低減することができる。
例えば、レーザダイオード12のコア層46の幅と変調器14の幅を共に1.5umとすると、コア層70を接続導波路16内で1.5umから3.5umに広げれば、コア層70の中央がハイメサリッジ導波路の中央から±1umずれても変調器14内に全てのコア層70が収まる。なお、接続導波路16内でコア層70の幅が1.5um以上に広がるが、光は基本モードで伝搬することがシミュレーションと実測で確認された。一方、コア層46,70の幅を均一に3.5umにした場合は、レーザダイオード12の埋込導波路内で光が高次モード化してしまった。
実施の形態3.
図25は、実施の形態3に係る半導体光集積素子を示す上面図である。図26は、図25のA−A´に沿った断面図である。実施の形態3では、出射導波路20は、コア層70の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用している。そして、出射導波路20の幅は、出射導波路20における2つの溝22,24の間隔により規定され、変調器14から出射端面18に向かうほど広くなる。また、出射導波路20のコア層70の幅は、変調器14から出射端面18に向かうほど狭くなる。
ハイメサリッジ導波路は光の閉じ込め量が大きいため、光の出射角が広くなる。そこで、本実施の形態のようにハイメサリッジ導波路を埋込型導波路に再変することで、出射端面18で埋込型導波路となるために光の出射角を狭くすることができる。
図27は、実施の形態3に係る半導体光集積素子の変形例を示す上面図である。変形では、出射導波路20は、コア層70が出射端面18の近傍で途切れた窓構造84を更に備える。この窓構造84により出射端面18からの反射戻り光を低減することができる。また、ハイメサリッジ導波路に直接に窓構造を付けた場合に比べて、出射端面18付近での光の閉じ込め量が小さくなる。このため、窓構造84の長さのばらつきに対してトレランスが大きくなるため、窓構造84の長さが劈開精度によって±20um程度ばらついても安定して光を取り出すことができる。
実施の形態4.
図28は、実施の形態4に係る半導体光集積素子を示す上面図である。実施の形態4では、変調器として電界吸収型の変調器86を用いている。実施の形態2と同様に、接続導波路16のコア層70の幅がレーザダイオード12から変調器86に向かうほど広くなる。このため、実施の形態2と同様に、レーザダイオード12と変調器86の接続部での放射損失を低減することができる。
10 n型InP基板(基板)
12 レーザダイオード
14,86 変調器
16 接続導波路
18 出射端面
20 出射導波路
46,70 コア層
54 p型InP層(半導体)
56 n型InP層(半導体)
58 FeドープInP層(半導体)
76 半導体積層構造
80 リッジ構造
84 窓構造

Claims (4)

  1. 基板と、
    前記基板上に集積されたレーザダイオード及び変調器と
    前記レーザダイオードから出た光を前記変調器に導く接続導波路とを備え、
    前記レーザダイオードは、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用し、
    前記変調器は、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれないハイメサリッジ導波路を採用し、
    前記レーザダイオード及び前記変調器における前記コア層はそれぞれストライプ状であり、
    前記接続導波路は、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用し、
    前記接続導波路の幅は、前記レーザダイオードから前記変調器に向かうほど狭くなり、
    前記接続導波路における前記コア層の幅は、前記レーザダイオードから前記変調器に向かうほど広くなることを特徴とする半導体光集積素子。
  2. 前記基板上に集積され、前記変調器から出た光を出射端面に導く出射導波路を更に備え、
    前記出射導波路は、コア層の両サイドが半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用し、
    前記出射導波路の幅は、前記変調器から前記出射端面に向かうほど広くなり、
    前記出射導波路における前記コア層の幅は、前記変調器から前記出射端面に向かうほど狭くなることを特徴とする請求項1に記載の半導体光集積素子。
  3. 前記出射導波路は、前記コア層が前記出射端面の近傍で途切れた窓構造を更に備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体光集積素子。
  4. 基板上に、コア層を有する半導体積層構造を形成する工程と、
    前記半導体積層構造をパターニングしてリッジ構造を形成する工程と、
    前記リッジ構造の両サイドを半導体で埋め込む工程と、
    前記リッジ構造及び前記半導体をエッチングして、レーザダイオード、変調器、及び前記レーザダイオードから出た光を前記変調器に導く接続導波路を形成する工程とを備え、
    前記レーザダイオードを形成する領域における前記リッジ構造の幅は、前記変調器を形成する領域における前記リッジ構造の幅よりも狭く、
    前記接続導波路を形成する領域における前記リッジ構造の幅は、前記レーザダイオードから前記変調器に向かうほど広くなり、
    前記レーザダイオード及び前記接続導波路は、前記コア層の両サイドが前記半導体で埋め込まれた埋込型導波路を採用し、
    前記変調器は、前記コア層の両サイドが前記半導体で埋め込まれないハイメサリッジ導波路を採用し、
    前記接続導波路の幅は、前記レーザダイオードから前記変調器に向かうほど狭くなることを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。
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