JP6206498B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、インターネットによる動画配信の普及やデータセンターの活用の広がり等に見られるように、インターネットのデータ通信量は増加の一途を辿り、それを支えるフォトニックネットワークの大容量化が進んでいる。ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）においては、これまでの１０ギガbit/s（Gbps）からの高速化を図る１００Gbpsイーサネット（登録商標）（GbE）の標準化が２０１０年６月に完了した。１００GbEでは、４つの波長の異なる２５．８Gbpsの光信号を波長多重して使用される。しかしながら、現在使用されている１００GbE用光モジュールは、サイズや消費電力が大きいという課題があり、更なる普及に向けた取り組みとして小型・低消費電力な光モジュールの仕様が議論されている。
光通信では、半導体レーザを用いて光信号が生成され、光ファイバーによってこの光信号が伝送される。光信号を生成する方法としては、半導体レーザで発生した直流光を外部変調器で変調する方法や、半導体レーザと光変調器がモノリシック集積された変調器集積半導体レーザを用いて半導体レーザで発生した直流光を集積化された光変調器で変調する方法、また、半導体レーザに注入する電流を直接変調する方法がある。これらの中で半導体レーザを直接変調する方法、即ち直接変調方式は、光信号の生成に光変調器を必要としないため、光信号生成装置（送信装置）の構造が簡素であり、且つ光信号生成装置を形成する駆動回路も簡単である。従って、直接変調方式は、光変調器を必要とする他の方法に比べて光モジュールの小型化の点で優れている。更に、異なる４つの波長で発振する直接変調レーザをモノリシック集積したアレイレーザにすることで更なる小型化が期待できる。
半導体レーザの素子構造は、大きく分けて埋込みヘテロ（Buried Hetero：ＢＨ）構造とリッジ導波路構造との２つに分けられる。図１ＡにＢＨ構造を、図１Ｂにリッジ導波路構造を示す。
ＢＨ構造は、図１Ａのように、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上にメサ構造が形成される。ｎ−ＩｎＰ基板１０１上にｎ−ＩｎＰ、活性層材料、ｐ−ＩｎＰ、コンタクト層材料を成長し、これらをｎ−ＩｎＰの途中までエッチングすることで溝１０２を形成する。溝１０２の形成により、下部クラッド層１０３上に、活性層１０４、上部クラッド層１０５、及びコンタクト層１０６を有するメサ構造が形成される。溝１０２内には、再成長により、例えばＦｅがドープされた半絶縁性半導体のＩｎＰが埋め込まれ、高抵抗埋込層１０７が形成される。コンタクト層１０６上にはｐ型電極１０８が、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の裏面にはｎ型電極１０９がそれぞれ形成される。
リッジ導波路構造は、図１Ｂのように、ｎ−ＩｎＰ基板１１１上に下部クラッド層１１２及び活性層１１３が全面に順次形成され、活性層１１３上にリッジ部が形成される。活性層１１３上にｐ−ＩｎＰ及びコンタクト層材料を成長し、これらをｐ−ＩｎＰの途中までエッチングすることで溝１１４を形成する。溝１１４の形成により、活性層１１３上に上部クラッド層１１５及びコンタクト層１１６を有するリッジ部が形成される。コンタクト層１１６上にはｐ型電極１１７が、ｎ−ＩｎＰ基板１１１の裏面にはｎ型電極１１８がそれぞれ形成される。
ＢＨ構造においては、活性層１０４がヘテロ構造の半導体である高抵抗埋込層１０７中に完全に埋め込まれるため、光及びキャリアの閉じ込めを同時に行うことができる。ＢＨ構造では、キャリアが効率良く活性層１０４に注入されるため、半導体レーザの活性層体積の低減には有効な構造である。しかしながら、高さ３μｍを超えるメサを、高抵抗埋込層１０７により平坦に埋め込む必要があるため、その作製は容易ではなく、様々な技術が必要となる。
これに対して、リッジ導波路構造は、活性層１１３の上部に凸形状のリッジ部を形成することで、その部分の等価屈折率が周辺に比べて大きくなることにより光を導波する構造である。この構造では、リッジ部の形成後に再成長を行う必要がなく、ＢＨ構造に比べて作製が容易である。リッジ導波路構造では、活性層１１３が全面に存在するが、リッジ部によって制限された電流注入領域によりレーザ発振に寄与する活性層領域が制限される。しかしながら実際には、注入したキャリアが活性層１１３上の上部クラッド層１１５で広がってしまうため、実効的な活性層幅はリッジ部幅よりも広くなるという欠点がある。また、面内に活性層１１３が連続しているため、注入されたキャリアが水平方向に広がり、レーザ発振に寄与しない無効電流が増えてしまうという欠点もある。更に、リッジ導波路構造でアレイレーザを試作した場合には、活性層１１３上に上部クラッド層１１５が全面に存在し、それぞれの半導体レーザの上部クラッド層１１５が繋がる。そのため、半導体レーザ間の電気抵抗が小さく、電気的なクロストークによる信号劣化が生じてしまうという欠点があった。
リッジ部の直下に存する活性層領域を半絶縁化した層で囲むことで電流注入領域を制限する構造として、不純物拡散による高抵抗化を活性層に達するまで行なうことが提案されている（特許文献１を参照）。しかしながら、不純物拡散では、表面近傍での不純物濃度が最大となり深さ方向に対しては不純物濃度が減少するため、濃度と拡散長を自由に設定することができない。また、ＩｎＰはイオン注入や不純物拡散によりｎ型ＩｎＰをｐ型や半絶縁化することはできるが、ｐ型ＩｎＰをｎ型や高抵抗化することは難しいため、広く使用されている活性層の上部がｐ型クラッドとなるｎ型ＩｎＰ基板上の素子構造には適用できないという問題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、作製が比較的容易なリッジ導波路構造を採用するも、リッジ導波路構造における電流拡散及びレーザ間の電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
光半導体装置の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に並列して互いに接合する活性層及び半導体層と、前記活性層の上方のみに前記活性層に位置整合して局在する第１の上部クラッド層と、前記半導体層の上方のみに前記半導体層に位置整合して局在する第２の上部クラッド層と、前記活性層よりも上方に形成されて前記活性層を導波する光を閉じ込める凸状の第３の上部クラッド層とを含み、前記半導体層は、前記活性層よりも大きなバンドギャップを有し、且つ前記第３の上部クラッド層の下方の面内に位置する。
光半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板上に下部クラッド層を形成する工程と、前記下部クラッド層上に並列して互いに接合する活性層及び半導体層を形成する工程と、前記活性層及び前記半導体層よりも上方に形成されて前記活性層を導波する光を閉じ込める凸状の上部クラッド層を形成する工程とを含み、前記半導体層は、前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する。
上記の諸態様によれば、作製が比較的容易なリッジ導波路構造を採用するも、リッジ導波路構造における電流拡散及びレーザ間の電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い光半導体装置が実現する。
以下、光半導体装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、通信用光源として用いるリッジ導波路構造の波長１．３μｍ帯半導体レーザを例示し、その構成を製造方法と共に説明する。
図２Ａ〜図９は、第１の実施形態によるリッジ導波路構造の半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
第１の実施形態では、通信用光源として用いるリッジ導波路構造の波長１．３μｍ帯半導体レーザを例示し、その構成を製造方法と共に説明する。
図２Ａ〜図９は、第１の実施形態によるリッジ導波路構造の半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図２Ａに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、下部クラッド層１２、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１３、及びｐ−ＩｎＰ層１４を順次形成する。
詳細には、ｎ−ＩｎＰ基板１１の（１００）面上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal
Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ｎ−ＩｎＰを厚さ０．３μｍ程度に、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＩｎＡｓからなるバリア層を多重積層したＭＱＷ活性層を厚さ０．２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ０．１５μｍ程度に順次成長する。以上により、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、下部クラッド層１２、ＭＱＷ層１３及びｐ−ＩｎＰ層１４が積層形成される。ＭＯＶＰＥ法の代わりに、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いても良い。
詳細には、ｎ−ＩｎＰ基板１１の（１００）面上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal
Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ｎ−ＩｎＰを厚さ０．３μｍ程度に、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＩｎＡｓからなるバリア層を多重積層したＭＱＷ活性層を厚さ０．２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ０．１５μｍ程度に順次成長する。以上により、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、下部クラッド層１２、ＭＱＷ層１３及びｐ−ＩｎＰ層１４が積層形成される。ＭＯＶＰＥ法の代わりに、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いても良い。
続いて、図２Ｂに示すように、エッチングマスク１５を形成する。
詳細には、ｐ−ＩｎＰ層１４の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、リッジ部を形成する部位のみにＳｉＯ２を残す。以上により、ｐ−ＩｎＰ層１４上にエッチングマスク１５が形成される。
詳細には、ｐ−ＩｎＰ層１４の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、リッジ部を形成する部位のみにＳｉＯ２を残す。以上により、ｐ−ＩｎＰ層１４上にエッチングマスク１５が形成される。
続いて、図２Ｃに示すように、活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａを形成する。
詳細には、エッチングマスク１５を用いて、ｐ−ＩｎＰ層１４及びＭＱＷ層１３をエッチングする。これにより、ＭＱＷ層１３及びｐ−ＩｎＰ層１４はエッチングマスク１５下の部位のみ残して除去され、下部クラッド層１２上に活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａが形成される。第１の上部クラッド層１４ａのｐ−ＩｎＰのｐ濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度である。
詳細には、エッチングマスク１５を用いて、ｐ−ＩｎＰ層１４及びＭＱＷ層１３をエッチングする。これにより、ＭＱＷ層１３及びｐ−ＩｎＰ層１４はエッチングマスク１５下の部位のみ残して除去され、下部クラッド層１２上に活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａが形成される。第１の上部クラッド層１４ａのｐ−ＩｎＰのｐ濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度である。
続いて、図３Ａに示すように、下部クラッド層１２上で活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａと接合される半導体層１６ａおよび第２の上部クラッド層１６ｂを形成する。
詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、例えばｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体として、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．２μｍ程度に、ｉ−ＩｎＰを厚さ０．１５μｍ程度に順次再成長する。以上により、半導体層１６ａのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層及び第２のクラッド層１６ｂのｉ−ＩｎＰ層が積層されてなり、活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａとバットジョイント接合されてなる半導体層１６ａが形成される。
詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、例えばｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）型半導体として、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．２μｍ程度に、ｉ−ＩｎＰを厚さ０．１５μｍ程度に順次再成長する。以上により、半導体層１６ａのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層及び第２のクラッド層１６ｂのｉ−ＩｎＰ層が積層されてなり、活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａとバットジョイント接合されてなる半導体層１６ａが形成される。
続いて、図３Ｂに示すように、エッチングマスク１５を除去する。
詳細には、所定の薬液、例えばバッファードフッ酸を用いたウェット処理により、エッチングマスク１５を除去する。
詳細には、所定の薬液、例えばバッファードフッ酸を用いたウェット処理により、エッチングマスク１５を除去する。
続いて、図４に示すように、エッチング停止層１７、ｐ−ＩｎＰ層１８、及びＩｎＧａＡｓ層１９を順次形成する。
詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、第１の上部クラッド層１４ａ上及び第２の上部クラッド層１６ｂ上の全面に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．０２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ１．５μｍ程度に、ＩｎＧａＡｓを厚さ０．３μｍ程度に順次成長する。以上により、エッチング停止層１７、ｐ−ＩｎＰ層１８、及びＩｎＧａＡｓ層１９が積層形成される。
詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、第１の上部クラッド層１４ａ上及び第２の上部クラッド層１６ｂ上の全面に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．０２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ１．５μｍ程度に、ＩｎＧａＡｓを厚さ０．３μｍ程度に順次成長する。以上により、エッチング停止層１７、ｐ−ＩｎＰ層１８、及びＩｎＧａＡｓ層１９が積層形成される。
続いて、図５に示すように、エッチングマスク２０を形成する。
詳細には、ＩｎＧａＡｓ層１９の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、レーザごと（リッジ部ごと）に分離するための溝の形成部位を露出するようにＳｉＯ２を残す。以上により、ＩｎＧａＡｓ層１９上にエッチングマスク２０が形成される。
詳細には、ＩｎＧａＡｓ層１９の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、レーザごと（リッジ部ごと）に分離するための溝の形成部位を露出するようにＳｉＯ２を残す。以上により、ＩｎＧａＡｓ層１９上にエッチングマスク２０が形成される。
続いて、図６に示すように、第３の上部クラッド層１８ａ及びコンタクト層１９ａを形成する。
詳細には、エッチングマスク２０を用いて、先ずＩｎＧａＡｓ層１９をエッチングする。引き続き、ＩｎＰのみを選択的にエッチングするエッチャントを用いて、ｐ−ＩｎＰ層１８をウェットエッチングする。このとき、エッチング停止層１７が存することにより、エッチャントが半導体層１６や第１の上部クラッド層１４ａに浸透することなく、確実にｐ−ＩｎＰ層１８のみエッチングされる。以上により、エッチング停止層１７上に第３の上部クラッド層１８ａ及びコンタクト層１９ａが形成される。第３の上部クラッド層１８ａ及びコンタクト層１９ａからリッジ部が構成される。リッジ部幅は、例えば２μｍ程度となる。ここで、第１の上部クラッド層１４ａは、活性層１３ａの上方のみに活性層１３ａに位置整合して局在している。第２の上部クラッド層１６ｂは、半導体層１６ａの上方のみに半導体層１６ａに位置整合して局在している。ｐ−ＩｎＰ層１８は、半導体層１６ａの上方のみに半導体層１６ａに位置整合して局在している。第３の上部クラッド層１８ａは、活性層１３ａよりも上方に活性層１３ａに位置整合して形成されている。
詳細には、エッチングマスク２０を用いて、先ずＩｎＧａＡｓ層１９をエッチングする。引き続き、ＩｎＰのみを選択的にエッチングするエッチャントを用いて、ｐ−ＩｎＰ層１８をウェットエッチングする。このとき、エッチング停止層１７が存することにより、エッチャントが半導体層１６や第１の上部クラッド層１４ａに浸透することなく、確実にｐ−ＩｎＰ層１８のみエッチングされる。以上により、エッチング停止層１７上に第３の上部クラッド層１８ａ及びコンタクト層１９ａが形成される。第３の上部クラッド層１８ａ及びコンタクト層１９ａからリッジ部が構成される。リッジ部幅は、例えば２μｍ程度となる。ここで、第１の上部クラッド層１４ａは、活性層１３ａの上方のみに活性層１３ａに位置整合して局在している。第２の上部クラッド層１６ｂは、半導体層１６ａの上方のみに半導体層１６ａに位置整合して局在している。ｐ−ＩｎＰ層１８は、半導体層１６ａの上方のみに半導体層１６ａに位置整合して局在している。第３の上部クラッド層１８ａは、活性層１３ａよりも上方に活性層１３ａに位置整合して形成されている。
続いて、図７に示すように、エッチング停止層１７をエッチングする。
詳細には、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントを用いて、エッチング停止層１７をウェットエッチングする。このとき、一般にＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントは、ＩｎＧａＡｓをエッチングする性質をもつためＩｎＧａＡｓ層からなるコンタクト層１９ａが、例えば０．０５μｍエッチングされる。以上により、溝２１が形成され、レーザごと（リッジ部ごと）に電気的に分離される。第１の上部クラッド層１４ａの光の導波方向に垂直な断面の端部は、第２の上部クラッド層１８ａを画定する溝２１の下方に位置する。
詳細には、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントを用いて、エッチング停止層１７をウェットエッチングする。このとき、一般にＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントは、ＩｎＧａＡｓをエッチングする性質をもつためＩｎＧａＡｓ層からなるコンタクト層１９ａが、例えば０．０５μｍエッチングされる。以上により、溝２１が形成され、レーザごと（リッジ部ごと）に電気的に分離される。第１の上部クラッド層１４ａの光の導波方向に垂直な断面の端部は、第２の上部クラッド層１８ａを画定する溝２１の下方に位置する。
続いて、図８に示すように、保護膜２２及び溝２１を埋め込むＢＣＢ２３を形成する。
詳細には、先ず、溝２１の内壁面を覆うように全面に絶縁膜、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。これにより、保護膜２２が形成される。
次に、保護膜２２を介して溝２１内を埋め込むように、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）２３を形成する。
詳細には、先ず、溝２１の内壁面を覆うように全面に絶縁膜、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。これにより、保護膜２２が形成される。
次に、保護膜２２を介して溝２１内を埋め込むように、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）２３を形成する。
続いて、図９に示すように、開口２２ａを埋め込みコンタクト層１９ａと電気的に接続されるｐ電極２４が形成する。
次に、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面を研磨して、素子厚を例えば１５０μｍ程度に薄化する。そして、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面上にｎ電極２５が形成する。
次に、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面を研磨して、素子厚を例えば１５０μｍ程度に薄化する。そして、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面上にｎ電極２５が形成する。
しかる後、所定のアレイ化、端面膜へのコーティング等の諸工程を経て、本実施形態によるリッジ導波路構造の半導体レーザが形成される。
本実施形態によるリッジ導波路構造の半導体レーザでは、第１の上部クラッド層１４ａ及び第３の上部クラッド層１８ａからなる上部クラッド層が活性層１３ａの上方のみに当該活性層１３ａに位置整合して局在形成されている。第３の上部クラッド層１８ａ及びコンタクト層１９ａからなるリッジ部の下方において、活性層１３ａ下の下部クラッド層１２が全面に形成されている。ここで、活性層１３ａは、両脇が半導体層１６ａのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層により挟まれている。活性層１３ａ上の第１の上部クラッド層１４ａは、両脇が第２の上部クラッド層１６ｂのｉ−ＩｎＰ層に挟まれた構造とされている。活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａの幅はリッジ部幅よりも大きく、リッジ部の根元両側から横方向に２μｍ程度離れた部位の直下まで活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａが存している。活性層１３ａ及び第１の上部クラッド層１４ａの外側には、これらと接合された半導体層１６ａが形成されている。
半導体層１６ａのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層は、ＩｎＰに格子整合する発光波長１．１８μｍ（バンドギャップエネルギー １．０５ｅＶ）の組成で形成され、発光波長１．３μｍ（バンドギャップエネルギー０．９５ｅＶ）の組成で形成された活性層１３ａよりもバンドギャップが大きい。活性層１３ａがバントギャップの大きな半導体層１６ａに挟まれているため、活性層１３ａに注入されたキャリアの横方向への拡散が抑制され、活性層１３ａにキャリアを効率良く注入することができる。
活性層１３ａの上部の第１の上部クラッド層１４ａは、活性層１３ａの直上にのみ存在し、溝２１でｉ−ＩｎＰ層１６ｂに接合している。夫々のリッジ部における同じ導電型の第３の上部クラッド層１８ａが溝２１の一部までしか存在しないため、夫々のリッジ部の第３の上部クラッド層１８ａが電気的に絶縁され、レーザ間のクロストークが抑制される。第１の上部クラッド層１４ａは、両脇をｉ−ＩｎＰ層１６ｂにより挟まれている。そのため、リッジ部によって制限された電流が活性層の直上で広がる電流拡散を抑制する効果が得られる。これに対して、例えば特許文献２の構成では、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層が夫々のレーザ間で分離されておらず、本実施形態の構成と異なることは自明である。
半導体層１６ａのｉ−ＩｎＧａＡｓＰは、その屈折率が３．３９であり、活性層１３ａの等価屈折率３．４０と略等しくなっている。これに対して、ＢＨ構造の場合には、例えば屈折率３．２０のＩｎＰを用いて横方向に光を閉じ込める構造となっているが、本実施形態では横方向に光を閉じ込める構造とはなっていない。本実施形態による半導体レーザは、活性層１３ａの上方に凸型のリッジ部を形成することで、その部分の等価屈折率が周辺に比べて大きくなることにより光を導波する構成を採っており、ＢＨ構造の半導体レーザとは異なるものである。
図１０は、本実施形態の半導体レーザにおける電流−光出力特性について、比較例との比較に基づいてシミュレーションで調べた結果を示す特性図である。
比較例として、図１（ｂ）に示した、活性層１１３が全面に形成された構造を採用した。レーザ発振する閾値電流の値が、比較例では３３ｍＡであるのに対して、本実施形態では１９ｍＡに低減している。このことより、本実施形態では比較例に比べてキャリアが効率良く活性層に注入されていることが確認された。
比較例として、図１（ｂ）に示した、活性層１１３が全面に形成された構造を採用した。レーザ発振する閾値電流の値が、比較例では３３ｍＡであるのに対して、本実施形態では１９ｍＡに低減している。このことより、本実施形態では比較例に比べてキャリアが効率良く活性層に注入されていることが確認された。
以上説明したように、本実施形態によれば、作製が比較的容易なリッジ導波路構造を採用するも、リッジ導波路構造における電流拡散及びレーザ間の電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い半導体レーザが実現する。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、リッジ導波路構造の分布反射型（Distributed
Reflector）レーザを例示し、その構成を製造方法と共に説明する。
図１１Ａ〜図１８は、第２の実施形態による分布反射型レーザの製造方法を工程順に示す、光の導波方向に垂直な方向に沿った概略断面図であり、図１９は図１８に対応した、光の導波方向に平行な方向に沿った概略断面図である。
第２の実施形態では、リッジ導波路構造の分布反射型（Distributed
Reflector）レーザを例示し、その構成を製造方法と共に説明する。
図１１Ａ〜図１８は、第２の実施形態による分布反射型レーザの製造方法を工程順に示す、光の導波方向に垂直な方向に沿った概略断面図であり、図１９は図１８に対応した、光の導波方向に平行な方向に沿った概略断面図である。
先ず、図１１Ａに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板３１上に、下部クラッド層３２、回折格子層３３、スペーサ層３４、多重量子井戸（ＭＱＷ）層３５、及びｐ−ＩｎＰ層３６を順次形成する。
詳細には、先ず、ｎ−ＩｎＰ基板３１の（１００）面上に、例えばＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰを厚さ０．３μｍ程度に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．１μｍ程度に、及びキャップ層となるｎ−ＩｎＰを順次成長する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ及びｎ−ＩｎＰをリソグラフィー及びエッチングにより加工する。以上により、ｎ−ＩｎＰ基板３１上に、ｎ−ＩｎＰの下部クラッド層３２及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子層３３が形成される。
詳細には、先ず、ｎ−ＩｎＰ基板３１の（１００）面上に、例えばＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰを厚さ０．３μｍ程度に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．１μｍ程度に、及びキャップ層となるｎ−ＩｎＰを順次成長する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ及びｎ−ＩｎＰをリソグラフィー及びエッチングにより加工する。以上により、ｎ−ＩｎＰ基板３１上に、ｎ−ＩｎＰの下部クラッド層３２及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子層３３が形成される。
次に、回折格子層３３上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＩｎＰを厚さ０．１μｍ程度に、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる井戸層とＡｌＧａＩｎＡｓからなるバリア層を多重積層したＭＱＷ活性層を厚さ０．２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ０．１μｍ程度に順次再成長する。以上により、回折格子層３３上に、スペーサ層３４、ＭＱＷ層３５、及びｐ−ＩｎＰ層３６が積層形成される。ここで、スペーサ層３４は、回折格子層３３と活性層３５との距離が０．１μｍ程度となるように形成する。
続いて、図１１Ｂに示すように、エッチングマスク３７を形成する。
詳細には、ｐ−ＩｎＰ層３６の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、リッジ部を形成する部位のみにＳｉＯ２を残す。以上により、ｐ−ＩｎＰ層３６上にエッチングマスク３７が形成される。
詳細には、ｐ−ＩｎＰ層３６の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、リッジ部を形成する部位のみにＳｉＯ２を残す。以上により、ｐ−ＩｎＰ層３６上にエッチングマスク３７が形成される。
続いて、図１１Ｃに示すように、活性層３５ａ及び第１の上部クラッド層３６ａを形成する。
詳細には、エッチングマスク３７を用いて、ｐ−ＩｎＰ層３６及びＭＱＷ層３５をエッチングする。これにより、ＭＱＷ層３５及びｐ−ＩｎＰ層３６はエッチングマスク３７下の部位のみ残して除去され、スペーサ層３４上に活性層３５ａ及び第１の上部クラッド層３６ａが形成される。
詳細には、エッチングマスク３７を用いて、ｐ−ＩｎＰ層３６及びＭＱＷ層３５をエッチングする。これにより、ＭＱＷ層３５及びｐ−ＩｎＰ層３６はエッチングマスク３７下の部位のみ残して除去され、スペーサ層３４上に活性層３５ａ及び第１の上部クラッド層３６ａが形成される。
続いて、図１２Ａに示すように、スペーサ層３４上で活性層３５ａ及び第１の上部クラッド層３６ａと接合される半導体層３８ａおよび第２の上部クラッド層３８ｂを形成する。詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、不純物元素、例えばＦｅがドープされたＩｎＧａＡｓＰ（ＦｅドープＩｎＧａＡｓＰ）を厚さ０．２５μｍ程度に、ＦｅドープＩｎＰを厚さ０．０５μｍ程度に順次再成長する。以上により、ＦｅドープＩｎＧａＡｓＰ層３８ａ及びＦｅドープＩｎＰ層３８ｂが積層されてなり、活性層３５ａ及び第１の上部クラッド層３６ａとバットジョイント接合されてなる半導体層３８ａが形成される。半導体層３８ａは、不純物として深いアクセプタ準位を形成するＦｅがドープされているため、電子を捕獲する半絶縁性半導体となり高抵抗化される。
本実施形態では、半導体層３８ａにドープする不純物元素としてＦｅを挙げ、電子を捕獲する半絶縁性半導体を用いた構造を例示するが、例えば、ＲｕやＴｉ等の正孔を捕獲する不純物元素を添加した半絶縁半導体を用いても同様の効果を得ることができる。
続いて、図１２Ｂに示すように、エッチングマスク３７を除去する。
詳細には、所定の薬液、例えばバファードフッ酸を用いたウェット処理により、エッチングマスク３７を除去する。
詳細には、所定の薬液、例えばバファードフッ酸を用いたウェット処理により、エッチングマスク３７を除去する。
続いて、図１３に示すように、エッチング停止層３９、ｐ−ＩｎＰ層４０、及びＩｎＧａＡｓ層４１を順次形成する。
詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、第１の上部クラッド層３６ａ上及び第２の上部クラッド層３８ｂ上の全面に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．０２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ１．５μｍ程度に、ＩｎＧａＡｓを厚さ０．３μｍ程度に順次成長する。以上により、エッチング停止層３９、ｐ−ＩｎＰ層４０、及びＩｎＧａＡｓ層４１が積層形成される。
詳細には、ＭＯＶＰＥ法等により、第１の上部クラッド層３６ａ上及び第２の上部クラッド層３８ｂ上の全面に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰを厚さ０．０２μｍ程度に、ｐ−ＩｎＰを厚さ１．５μｍ程度に、ＩｎＧａＡｓを厚さ０．３μｍ程度に順次成長する。以上により、エッチング停止層３９、ｐ−ＩｎＰ層４０、及びＩｎＧａＡｓ層４１が積層形成される。
続いて、図１４に示すように、エッチングマスク４２を形成する。
詳細には、ＩｎＧａＡｓ層４１の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、レーザごと（リッジ部ごと）に分離するための溝の形成部位を露出するようにＳｉＯ２を残す。以上により、ＩｎＧａＡｓ層４１上にエッチングマスク４２が形成される。
詳細には、ＩｎＧａＡｓ層４１の全面に絶縁材料、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。このＳｉＯ２をリソグラフィーにより加工し、レーザごと（リッジ部ごと）に分離するための溝の形成部位を露出するようにＳｉＯ２を残す。以上により、ＩｎＧａＡｓ層４１上にエッチングマスク４２が形成される。
続いて、図１５に示すように、第３の上部クラッド層４０ａ及びコンタク
ト層４１ａを形成する。
詳細には、エッチングマスク４２を用いて、先ずＩｎＧａＡｓ層４１をエッチングする。引き続き、ＩｎＰのみを選択的にエッチングするエッチャントを用いて、ｐ−ＩｎＰ層４０をウェットエッチングする。このとき、エッチング停止層３９が存することにより、エッチャントが第１の上部クラッド層３６ａや第２の上部クラッド層３８ｂに浸透することなく、確実にｐ−ＩｎＰ層４０のみエッチングされる。以上により、エッチング停止層３９上に第２の上部クラッド層４０ａ及びコンタクト層４１ａが形成される。第３の上部クラッド層４０ａ及びコンタクト層４１ａからリッジ部が構成される。リッジ部幅は、例えば２μｍ程度となる。
ト層４１ａを形成する。
詳細には、エッチングマスク４２を用いて、先ずＩｎＧａＡｓ層４１をエッチングする。引き続き、ＩｎＰのみを選択的にエッチングするエッチャントを用いて、ｐ−ＩｎＰ層４０をウェットエッチングする。このとき、エッチング停止層３９が存することにより、エッチャントが第１の上部クラッド層３６ａや第２の上部クラッド層３８ｂに浸透することなく、確実にｐ−ＩｎＰ層４０のみエッチングされる。以上により、エッチング停止層３９上に第２の上部クラッド層４０ａ及びコンタクト層４１ａが形成される。第３の上部クラッド層４０ａ及びコンタクト層４１ａからリッジ部が構成される。リッジ部幅は、例えば２μｍ程度となる。
続いて、図１６に示すように、エッチング停止層３９をエッチングする。
詳細には、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントを用いて、エッチング停止層３９をウェットエッチングする。このとき、一般にＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントは、ＩｎＧａＡｓをエッチングする性質をもつため、ＩｎＧａＡｓ層からなるコンタクト層４１ａが、例えば０．０５μｍエッチングされる。以上により、溝４３が形成され、レーザごと（リッジ部ごと）に電気的に分離される。第１の上部クラッド層３６ａの光の導波方向に垂直な断面の端部は、第３の上部クラッド層４０ａを画定する溝４３の下方に位置する。
詳細には、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントを用いて、エッチング停止層３９をウェットエッチングする。このとき、一般にＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとのエッチング選択性の大きなエッチャントは、ＩｎＧａＡｓをエッチングする性質をもつため、ＩｎＧａＡｓ層からなるコンタクト層４１ａが、例えば０．０５μｍエッチングされる。以上により、溝４３が形成され、レーザごと（リッジ部ごと）に電気的に分離される。第１の上部クラッド層３６ａの光の導波方向に垂直な断面の端部は、第３の上部クラッド層４０ａを画定する溝４３の下方に位置する。
続いて、図１７に示すように、保護膜４４及び溝４３を埋め込むＢＣＢ４５を形成する。
詳細には、先ず、溝４３の内壁面を覆うように全面に絶縁膜、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。これにより、保護膜４４が形成される。
次に、保護膜４４を介して溝４３内を埋め込むように、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）４５を形成する。
詳細には、先ず、溝４３の内壁面を覆うように全面に絶縁膜、例えばＳｉＯ２をＣＶＤ法等により堆積する。これにより、保護膜４４が形成される。
次に、保護膜４４を介して溝４３内を埋め込むように、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）４５を形成する。
続いて、図１８に示すように、ｐ電極４６及びｎ電極４７を形成する。
詳細には、先ず、保護膜４４をリソグラフィー及びドライエッチングで加工し、コンタクト層４１ａの表面の一部を露出する開口４４ａを形成する。
次に、開口４４ａを埋め込みコンタクト層４１ａと電気的に接続されるｐ電極４６を形成する。
次に、ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面を研磨して、素子厚を例えば１５０μｍ程度に薄化する。そして、ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面上にｎ電極４７が形成される。
詳細には、先ず、保護膜４４をリソグラフィー及びドライエッチングで加工し、コンタクト層４１ａの表面の一部を露出する開口４４ａを形成する。
次に、開口４４ａを埋め込みコンタクト層４１ａと電気的に接続されるｐ電極４６を形成する。
次に、ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面を研磨して、素子厚を例えば１５０μｍ程度に薄化する。そして、ｎ−ＩｎＰ基板３１の裏面上にｎ電極４７が形成される。
しかる後、所定のアレイ化、前端面及び後端面への無反射（ＡＲ）膜のコーティング等の諸工程を経て、本実施形態によるリッジ導波路構造の分布反射型レーザが形成される。
本実施形態によるリッジ導波路構造の分布反射型レーザでは、活性層３５ａが両脇を半絶縁性の半導体層３８ａのバットジョイント再成長層に挟まれており、強い電流狭窄構造とされている。半導体層３８のＦｅドープＩｎＧａＡｓＰ層３８ａは、ＩｎＰに格子整合する発光波長１．２μｍ（バンドギャップエネルギー１．０３ｅＶ）の組成で形成され、発光波長１．３μｍ（バンドギャップエネルギー０．９５ｅＶ）の組成で形成された活性層３５ａよりもバンドギャップが大きい。このように、活性層３５ａがバントギャップの大きな半導体層３８ａに挟まれ、強い電流狭窄構造とされているため、キャリアが活性層３５ａに効率良く注入される。
また、複数（図示の例では２つ）のレーザの第１の上部クラッド層３６ａ及び第３の上部クラッド層４０ａがバットジョイント再成長層により電気的に絶縁されているため、簡便なプロセスでそれぞれのレーザを独立に駆動させる構造を形成することができる。また、ＤＢＲ部であるリッジ部を同じ工程により集積できるため、プロセス工数を増加させることなくパッシブ集積素子を作製することが可能である。
以上説明したように、本実施形態によれば、作製が比較的容易なリッジ導波路構造を採用するも、リッジ導波路構造における電流拡散及びレーザ間の電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い分布反射型レーザが実現する。
上記した第１及び第２の実施形態では、活性層にＡｌＧａＩｎＡｓを用い、バットジョイント成長層にＩｎＧａＡｓＰを用いた構造について説明しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、必要に応じてＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓＳｂ等の混晶半導体を適宜用いても良い。
上記した第１及び第２の実施形態では、ｎ型基板上に形成された上部クラッド層の導電型がｐ型である素子構造について説明しているが、この構成に限定されるものではない。例えば、ｐ型基板や高抵抗基板上に上部クラッド層を形成しても良く、また上部クラッド層の導電型がｎ型の素子構造に用いても同様の効果を得ることができる。
上記した第１及び第２の実施形態では、レーザ素子について説明したが、光を増幅する活性層を有している光機能素子等に用いても同様の効果が得られる。またこれらを組み合わせたモノリシック集積した光半導体集積素子についても同様の効果を得ることができる。
本発明によれば、作製が比較的容易なリッジ導波路構造を採用するも、リッジ導波路構造における電流拡散及びレーザ間の電気的なクロストークを抑制した信頼性の高い光半導体装置が実現する。
Claims (8)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成され、前記下部クラッド層よりも小さいバンドギャップを有する半導体の活性層と、
前記活性層の上方のみに前記活性層に位置整合して局在し、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し、前記下部クラッド層の上面との距離が３μｍ以下の上面を有する半導体の第１の上部クラッド層と、
前記下部クラッド層の前記活性層と接する面と同じ面に形成され、前記活性層と並列して互いに接合し、前記第１の上部クラッド層の上面を超えない高さを有し、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有する半導体の半導体層と、
前記半導体層の上方のみに前記半導体層に位置整合して局在し、前記半導体層よりも小さい屈折率を有する半導体の第２の上部クラッド層と、
前記第１の上部クラッド層の上方のみに形成され、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有する半導体の第３の上部クラッド層と
を備える光半導体装置。 - 光の導波方向に垂直な断面において、前記下部クラッド層上に並列して互いに接合する前記活性層及び前記半導体層の接合部は、前記第３の上部クラッド層を画定する溝の下方に位置することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記第１の上部クラッド層と前記第３の上部クラッド層との間に、エッチング停止層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。
- 前記半導体層は、ｉ型半導体又は半絶縁性半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
- 半導体基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層上に、前記下部クラッド層よりも小さいバンドギャップを有する半導体の活性層を形成する工程と、
前記活性層の上方のみに前記活性層に位置整合して局在し、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有し、前記下部クラッド層の上面との距離が３μｍ以下の上面を有する半導体の第１の上部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の前記活性層と接する面と同じ面に、前記活性層と並列して互いに接合し、前記第１の上部クラッド層の上面を超えない高さを有し、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有する半導体の半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の上方のみに前記半導体層に位置整合して局在し、前記半導体層よりも小さい屈折率を有する半導体の第２の上部クラッド層を形成する工程と、
前記第１の上部クラッド層の上方のみに形成され、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有する半導体の第３の上部クラッド層を形成する工程と
を有する光半導体装置の製造方法。 - 前記光半導体装置を形成する工程は、光の導波方向に垂直な断面において、前記下部クラッド層上に並列して互いに接合する前記活性層及び前記半導体層の接合部が、前記第３の上部クラッド層を画定する溝の下方に位置するように形成することを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記第１の上部クラッド層及び前記第２の上部クラッド層の上方にエッチング停止層を形成し、
前記エッチング停止層を用いて、前記第１の上部クラッド層の上方のみに存在するように、前記第３の上部クラッド層をエッチング形成することを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置の製造方法。 - 前記半導体層は、ｉ型半導体又は半絶縁性半導体であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
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