JP6758546B1 - 半導体光集積素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体光集積素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

半導体基板（２）の表面に形成された半導体レーザ部（６０）と、半導体レーザ部（６０）から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する光導波路（１４）が設けられたスポットサイズ変換部（７０）と、スポットサイズ変換部（７０）のレーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタＰＤ部（５０）とを備え、モニタＰＤ部（５０）のＰＤアノード電極（１３）とＰＤカソード電極（１５）は、一部の領域が絶縁膜（１６ｂ）を介して対向し、モニタＰＤ部のサージ耐圧が向上する。

Description

本願は、半導体光集積素子およびその製造方法に関するものである。
近年，光ファイバ通信における伝送容量の増大への対応を求められており、高いビットレートを高密度の素子、光学部材の実装により実現するために、従来のような半導体光源とモニタＰＤ（フォトダイオード、Photodiode）を独立させてモジュール化する形態に代えて、モニタＰＤの機能を光源素子内に集積する構造の素子の需要が拡大している。
特開昭６３−２２２４８５号公報（第３頁右上欄第１４行目〜右下欄第１３行目、第４図）
特許文献１では、モニタＰＤ部はメサ型の構造となっているため、一般にモニタＰＤ単体素子において使用されるプレーナ型と比較し、サージ電圧印加時の吸収層への電流密度が高くなるため、サージ耐圧が１００Ｖ未満と小さいという問題があった。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、モニタＰＤ部のサージ耐圧を向上させた半導体光集積素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本願に開示される半導体光集積素子は、半導体基板の表面に形成された半導体レーザ部と、前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する光導波路が設けられた光伝搬部と、前記光伝搬部の前記レーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタフォトダイオード部とを備え、前記モニタフォトダイオード部の一の電極の一部の領域は、前記モニタフォトダイオード部の他の電極の一部の領域、および／または前記半導体レーザ部の表面側の電極の一部の領域と絶縁膜のみを挟んで対向していることを特徴とする。
本願に開示される半導体光集積素子の製造方法は、半導体基板の表面に形成された半導体レーザ部から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する光導波路が設けられた光伝搬部に、前記光伝搬部の前記レーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタフォトダイオード部を形成する工程を備え、前記モニタフォトダイオード部を形成する工程は、前記モニタフォトダイオード部の一の電極の一部の領域が、前記モニタフォトダイオード部の他の電極一部の領域、および／または半導体レーザ部の表面側の電極の一部の領域と絶縁膜のみを挟んで対向するように形成することを特徴とする。
本願によれば、絶縁膜を介して対向させた２層電極間にキャパシタンスが形成されるため、人体からの電荷の一部がこのキャパシタンスに一部蓄電され、モニタＰＤに加わる電圧が低減されるので、モニタＰＤ部のサージ耐圧が向上する。
実施の形態１に係る半導体光集積素子の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の構成を示す上面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の構成を示す断面図である。 実施の形態１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。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の製造方法の手順を説明するためのフローチャート図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の製造方法を説明するための上面図である。 実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の製造方法の手順を説明するためのフローチャート図である。 実施の形態２に係る半導体光集積素子の構成を示す上面図である。 実施の形態２に係る半導体光集積素子の他の構成を示す上面図である。 実施の形態３に係る半導体光集積素子の構成を示す上面図である。 実施の形態３に係る半導体光集積素子の他の構成を示す上面図である。
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の構成を示す共振器方向の断面図であり、図２は、上面図である。図３は、図２のＡＡの矢視位置での半導体光集積素子の断面図である。
図１から図３に示すように、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１は、半導体レーザ（ＬＤ、Laser diode）部６０と、前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する、電流注入を行わない光導波路が設けられた光伝搬部であるスポットサイズ変換部７０と、前記スポットサイズ変換部の前記レーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタＰＤ部５０とで構成され、カソード電極１、厚さ約１００ミクロンのｎ型インジウムリン基板２、ｎ−ＩｎＰバッファ層３、ｎ−ＩｎＰクラッド層４、半導体レーザ部６０の活性層５、ＦｅドープＩｎＰ電流ブロック層２１、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２２、ｐ型インジウムリン（以下ｐ−ＩｎＰと略す）クラッド層７、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８、９、ＬＤアノード電極１０、ＬＤアノード下地電極３３、スポットサイズ変換器７０のｉ−ＩｎＧａＡｓＰよりなる光導波路１４、モニタＰＤ部５０のアンドープインジウムリン（以下ｉ−ＩｎＰと略す）電界緩和層１１、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１２、ＰＤアノード電極１３、ＰＤカソード電極１５、ＳｉＯ２の絶縁膜１６ａ、１６ｂなどにより形成される。
本実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の光導波路１４は、レーザ光の伝搬方向に厚さまたは幅が均一なコア層を有するように設けたが、これに限るものではない。例えば、図４に示すように、レーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層を有する光導波路１４１を設けてもよい。なお、光導波路は、素子の端面まで延在するコア層を有する光導波路１４２（図５参照）であっても、素子の端面まで延在していない窓構造のコア層を有する光導波路１４（図１参照）であってもよい。図５（ａ）は、実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢＢの矢視位置での断面図である。また、図６に示すように、レーザ光の伝搬方向に幅が広がるコア層を有するフレア形光導波路１４３としてもよい。図６（ａ）は、実施の形態１に係る半導体光集積素子の他の構成を示す断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣＣの矢視位置での断面図である。
本願の半導体光集積素子１０１は、コンタクト層９を含む上部にｐｎ接合を有するメサ型の受光部であるモニタＰＤ部５０において、モニタＰＤ部５０に接続されたアノード電極とカソード電極、またはモニタＰＤ部５０の電極とＬＤアノード電極が、一部の領域が絶縁膜１６ｂを介して対向していることを特徴とする。
図１から図３において、モニタＰＤ５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５は、一部の領域が絶縁膜１６ｂを挟んで対向することで、キャパシタ構造を形成している。そのキャパシタンスＣは、対向する面積をＳ、比誘電率をε、真空の誘電率をε０、絶縁膜の厚さをｄとして、
Ｃ＝εε０Ｓ／ｄ
で表わされる。例えば、絶縁膜がＳｉＯ２であって、絶縁膜厚さｄが０．２μｍ、比誘電率εが３．８、面積Ｓが１．５Ｅ−７ｍ２の場合、Ｃは５０．５ｐＦとなる。
ＪＥＤＥＣ（ＪＥＤＥＣ半導体技術協会、ＪＥＤＥＣ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ) ＪＥＳＤ２２−Ａ１１４規格において、人体のキャパシタンスは約１００ｐＦとされているので、人体からの電荷の一部が人間の手を伝わってモニタＰＤのＰＤカソード電極またはＰＤアノード電極を経由してこのキャパシタンスに流入し、一部蓄電される場合、モニタＰＤに加わる電圧は、
Ｖ＝１００ｐＦ／（Ｃ＋１００ｐＦ）Ｖ０
となり（Ｖ０は外部から印加されるサージ電圧）、上記の例の場合、モニタＰＤへ印加されるサージ電圧は約３３％低減される。
このように、絶縁膜を介して対向させた２層電極間にキャパシタンスが形成されるため、人体からの電荷の一部がこのキャパシタンスに一部蓄電され、モニタＰＤに加わる電圧が低減されるので、モニタＰＤ部のサージ耐圧が向上する。また、モニタＰＤ部のサージ耐圧が向上するので、本製品に関わる製造現場などでのＥＳＤ（ＥｌｅｃｔｒｏＳｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ、静電気放電）レベルの管理を緩和することが可能となり、生産性の向上に寄与する。
次に、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の２層電極の製造方法について、図７および図８に基づき説明する。図７は、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の２層電極の製造方法を説明するための上面図である。図８は、実施の形態１に半導体光集積素子１０１の２層電極の製造方法の手順を説明するためのフローチャート図である。
まず最初に、図７（ａ）に示すように、ｎ型インジウムリン基板２の表面に半導体の結晶成長およびモニタＰＤ部を形成する領域のメサエッチングを施し、表面全面にＳｉＯ２の絶縁膜１６ａをスパッタリング等により形成した後、半導体レーザ部６０のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８とのコンタクト領域である開口部１０ａと、モニタＰＤ部５０のｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１２とのコンタクト領域である開口部１５ａをドライエッチング等により形成する（ステップＳ８０１）。
続いて、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜１６ａの表面に各開口部１０ａ、１５ａを埋めるように、半導体レーザ部６０のＬＤアノード下地電極３３、モニタＰＤ部のＰＤカソード電極１５を形成する（ステップＳ８０２）。
次いで、図７（ｃ）に示すように、ＬＤアノード下地電極３３およびモニタＰＤ部５０のＰＤカソード電極１５まで形成したｎ型インジウムリン基板２の表面全面に、ＳｉＯ２の絶縁膜１６ｂをスパッタリング等により形成する（ステップＳ８０３）。
続いて、図７（ｄ）に示すように、ＬＤアノード下地電極３３とのコンタクト領域である開口部１０ｂ、ＰＤカソード電極１５とのコンタクト領域である開口部１５ｂ、１５ｃ、およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９とのコンタクト領域である開口部１３ａ、１３ｂをドライエッチング等により形成する（ステップＳ８０４）。
最後に、図７（ｅ）に示すように、絶縁膜１６ｂの表面に、ＬＤアノード電極１０と、ＰＤアノード電極１３を形成する（ステップＳ８０５）。このとき、ＰＤアノード電極１３は、絶縁膜１６ｂを介してＰＤカソード電極１５と対向する領域Ｓａ、Ｓｂを形成する。
なお、本実施の形態１では、絶縁膜１６ａ、１６ｂをＳｉＯ２としたが、ＳｉＮまたはＳｉ等の材料よりなる絶縁膜でもよく、これにより同様の効果を有する。また、半導体レーザ部の活性層５の材料および構造は、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸、ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸、ＧａＩｎＡｌＮ多重量子井戸等が使用できる。
また、半導体レーザ部６０のＬＤアノード電極１０、モニタＰＤ部５０のＰＤカソード電極１３およびＰＤアノード電極１５の材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕが使用できる。また、電流ブロック層２１、２２の構造は、ｐ−ＩｎＰ、ｎ−ＩｎＰ、ｐ−ＩｎＰを順に積層した構造であってもよい。
図９は、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の他の構成を示す断面図である。図９に示すように、この半導体光集積素子１０１では、モニタＰＤ５０のＰＤアノード電極１３がモニタＰＤのＰＤカソード電極１５の下方に設けられている。これにより、半導体光集積素子１０１の他の構成においても、モニタＰＤ５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５は、一部の領域が絶縁膜１６ｂを介して対向しており、キャパシタ構造を形成している。
図１０は、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の他の２層電極の製造方法を説明するための上面図である。図１１は、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の他の２層電極の製造方法の手順を説明するためのフローチャート図である。以下に、実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１の他の２層電極の製造方法について、図１０および図１１に基づき説明する。
まず最初に、図１０（ａ）に示すように、ｎ型インジウムリン基板２の表面に半導体の結晶成長およびモニタＰＤ部を形成する領域のメサエッチングを施し、表面全面にＳｉＯ ２の絶縁膜１６ａをスパッタリング等により形成した後、半導体レーザ部６０のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８とのコンタクト領域である開口部１０ａと、モニタＰＤ部５０のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９とのコンタクト領域である開口部１３ａ、１３ｂをドライエッチング等により形成する（ステップＳ１１０１）。
続いて、図１０（ｂ）に示すように、絶縁膜１６ａの表面に各開口部１０ａ、１３ａ、１３ｂを埋めるように、半導体レーザ部６０のＬＤアノード下地電極３３、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３を形成する（ステップＳ１１０２）。
次いで、図１０（ｃ）に示すように、ＬＤアノード下地電極３３およびモニタＰＤ部のＰＤアノード電極１３まで形成したｎ型インジウムリン基板２の表面全面に、ＳｉＯ２の絶縁膜１６ｂをスパッタリング等により形成する（ステップＳ１１０３）。
続いて、図１０（ｄ）に示すように、ＬＤアノード下地電極３３とのコンタクト領域である開口部１０ｂ、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１２とのコンタクト領域である開口部１５ａおよびＰＤアノード電極１３とのコンタクト領域である開口部１３ｃ、１３ｄをドライエッチング等により形成する（ステップＳ１１０４）。
最後に、図１０（ｅ）に示すように、絶縁膜１６ｂの表面に、ＬＤアノード電極１０と、ＰＤカソード電極１５を形成する（ステップＳ１１０５）。このとき、ＰＤカソード電極１５は、絶縁膜１６ｂを介してＰＤアノード電極１３と対向する領域Ｓａ、Ｓｂを形成する。
以上のように、本実施の形態１に係る半導体光集積素子１０１によれば、半導体基板１の表面に形成された半導体レーザ部６０と、半導体レーザ部６０から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する光導波路１４が設けられたスポットサイズ変換部７０と、スポットサイズ変換部７０のレーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタＰＤ部５０とを備え、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５は、一部の領域が絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしたので、絶縁膜を介して対向させた２層電極間にキャパシタンスが形成されるため、人体からの電荷の一部がこのキャパシタンスに一部蓄電され、モニタＰＤに加わる電圧が低減されるので、モニタＰＤ部のサージ耐圧が向上する。また、モニタＰＤ部のサージ耐圧が向上するので、本製品に関わる製造現場などでのＥＳＤレベルの管理を緩和することが可能となり、生産性の向上に寄与する。
また、光導波路１４をレーザ光の伝搬方向に厚さまたは幅が一様なコア層を有するように設けた場合だけでなく、レーザ光の伝搬方向に幅が広がるコア層を有するフレア形光導波路とした場合、コア層が素子の端面まで延在していている場合、および 素子の端面まで延在していない窓構造の場合においても同様の効果を得ることができる。その理由は、モニタＰＤのＥＳＤ耐性は，光導波路の構造および構造の差によるモニタ電流量の差には依存しないからである。
実施の形態２．
実施の形態１では、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５の一部の領域が絶縁膜１６ｂを介して対向する場合について示したが、実施の形態２では、モニタＰＤ部のＰＤカソード電極と半導体レーザ部の表面側電極とが対向する場合について示す。
図１２は、実施の形態２に係る半導体光集積素子１０２の構成を示す上面図である。図１２に示すように、モニタＰＤ５０のＰＤカソード電極１５と半導体レーザ部６０の表面側のＬＤアノード下地電極３３は、一部の領域が絶縁膜１６ｂを介して対向する領域Ｓｃを形成する。実施の形態２による半導体光集積素子１０２のその他の構成および製造方法については、実施の形態１の半導体光集積素子１０１（図７、図８）と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
このように、ＰＤカソード電極１５と半導体レーザ部６０のＬＤアノード下地電極３３とが対向することによりキャパシタンスが形成され、サージ電圧が低減されるだけでなく、実施の形態１よりもキャパシタンスが大きくなるため、さらにサージ耐圧の改善に寄与する。
以上のように、本実施の形態２に係る半導体光集積素子１０２によれば、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５の一部の領域が、絶縁膜１６ｂを介して対向するだけでなく、ＰＤカソード電極１５と半導体レーザ部６０の表面側の電極であるＬＤアノード下地電極３３の一部の領域が、絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしたので、サージ電圧が低減されるだけでなく、実施の形態１よりもさらにサージ耐圧の改善に寄与する。
なお、本実施の形態２では、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５の一部の領域と、ＰＤカソード電極１５と半導体レーザ部６０の表面側のＬＤアノード下地電極３３の一部の領域の両方が、絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしたが、これに限るものではない。例えば、ＰＤカソード電極１５と半導体レーザ部６０の表面側のＬＤアノード下地電極３３の一部の領域のみが、絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしてもよい（図１３参照）。この場合も、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
実施の形態２では、モニタＰＤ部５０のＰＤカソード電極１５と半導体レーザ部６０の表面側電極とが対向する場合について示したが、実施の形態３では、モニタＰＤ部のＰＤアノード電極と半導体レーザ部の表面側電極とが対向する場合について示す。
図１４は、実施の形態３に係る半導体光集積素子１０３の構成を示す上面図である。図１４に示すように、モニタＰＤ５０のＰＤアノード電極１３と半導体レーザ部６０の表面側のＬＤアノード下地電極３３は、一部の領域が絶縁膜１６ｂを介して対向する領域Ｓｄを形成する。実施の形態３による半導体光集積素子１０３のその他の構成および製造方法については、実施の形態１の半導体光集積素子１０１（図２〜図４）と同様であり、対応する部分には同符号を付してその説明を省略する。
このように、ＰＤアノード電極１３と半導体レーザ部６０のＬＤアノード下地電極３３とが対向することによりキャパシタンスが形成され、サージ電圧が低減されるだけでなく、実施の形態１よりもキャパシタンスが大きくなるため、さらにサージ耐圧の改善に寄与する。
以上のように、本実施の形態３に係る半導体光集積素子１０３によれば、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５の一部の領域が、絶縁膜１６ｂを介して対向するだけでなく、ＰＤアノード電極１３と半導体レーザ部６０の表面側の電極であるＬＤアノード下地電極３３の一部の領域が、絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしたので、サージ電圧が低減されるだけでなく、実施の形態１よりもさらにサージ耐圧の改善に寄与する。
なお、本実施の形態２では、モニタＰＤ部５０のＰＤアノード電極１３とＰＤカソード電極１５の一部の領域と、ＰＤアノード電極１３と半導体レーザ部６０の表面側のＬＤアノード下地電極３３の一部の領域の両方が、絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしたが、これに限るものではない。例えば、ＰＤアノード電極１３と半導体レーザ部６０の表面側のＬＤアノード下地電極３３の一部の領域のみが、絶縁膜１６ｂを介して対向するようにしてもよい（図１５参照）。この場合も、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
２ ｎ型インジウムリン基板、１３ ＰＤアノード電極、１４ 光導波路、１５ ＰＤカソード電極、１６ｂ 絶縁膜、３３ ＬＤアノード下地電極、５０ モニタＰＤ部、６０ 半導体レーザ部、７０ スポットサイズ変換部（光伝搬部）、１０１、１０２，１０３ 半導体光集積素子。

Claims (7)

  1. 半導体基板の表面に形成された半導体レーザ部と、
    前記半導体レーザ部から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する光導波路が設けられた光伝搬部と、
    前記光伝搬部の前記レーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタフォトダイオード部と
    を備え、
    前記モニタフォトダイオード部の一の電極の一部の領域は、前記モニタフォトダイオード部の他の電極の一部の領域、および／または前記半導体レーザ部の表面側の電極の一部の領域と絶縁膜のみを挟んで対向していることを特徴とする半導体光集積素子。
  2. 前記一の電極はアノード電極であり、前記他の電極はカソード電極であ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. 前記一の電極はカソード電極であり、前記他の電極はアノード電極であ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。
  4. 前記光伝搬部の前記光導波路は、前記レーザ光の伝搬方向に先細りするテーパー形状であるコア層を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
  5. 半導体基板の表面に形成された半導体レーザ部から出射されたレーザ光を伝搬するためのコア層を有する光導波路部が設けられた光伝搬部に、前記光伝搬部の前記レーザ光の伝搬方向に対して側方に設けられたモニタフォトダイオード部を形成する工程を備え、
    前記モニタフォトダイオード部を形成する工程は、
    前記モニタフォトダイオード部の一の電極の一部の領域が、前記モニタフォトダイオード部の他の電極一部の領域、および／または半導体レーザ部の表面側の電極の一部の領域と絶縁膜のみを挟んで対向するように形成することを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。
  6. 前記一の電極はアノード電極であり、前記他の電極はカソード電極であることを特徴とする請求項５に記載の半導体光集積素子の製造方法。
  7. 前記一の電極はカソード電極であり、前記他の電極はアノード電極であることを特徴とする請求項５に記載の半導体光集積素子の製造方法。
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