JP7359333B1 - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

基板（１６）と、基板（１６）の上に形成され、レーザ光を発生する活性層（２０）と、基板（１６）の上に形成され、活性層（２０）と隣接し、レーザ光を変調する変調層（２２）と、活性層（２０）および変調層（２２）の上に形成されたクラッド層（２４）と、クラッド層（２４）の上に形成されたコンタクト層（２６）と、を備え、変調層（２２）の上面には、活性層（２０）側の端部に１突起（２８）が形成され、クラッド層（２４）の上面には、１突起（２８）の鉛直上方に２突起（３０）が形成され、コンタクト層（２６）は、２突起（３０）によってレーザ光の光軸方向に分断されている。

Description

本開示は、光半導体装置およびその製造方法に関する。

近年の移動体通信システムやクラウドサービスにおいてデータ通信量は急速に増大しつつあり、膨大なデータ通信量を高速、かつ大量に処理するには、光半導体装置の高速化と多量の光半導体装置が必要である。

例えば特許文献１には、半導体レーザと光変調器とを同一半導体基板上に集積し、それぞれにコンタクト層を有する光半導体装置が開示されている。かかる光半導体装置では、半導体レーザと光変調器の上部に、エピタキシャル成長の手法を用いてｐ型半導体層である低抵抗なコンタクト層を形成する。コンタクト層のうち、半導体レーザと光変調器との接続箇所の上をエッチングで除去してアイソレーショントレンチを形成することでコンタクト層を分断し、相互に流れる電流を抑制している。

特開２０００－２７５４６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された光半導体装置では、半導体レーザと光変調器の間にアイソレーショントレンチを形成し、さらにこのアイソレーショントレンチを埋めるという複雑な工程を必要としており、結果、工程数が増大し、大量生産を阻害する要因となっている。

本開示は上記の問題を解消するためになされたもので、工程数が増大することなくコンタクト層を分断することができる光半導体装置およびその製造方法を得ることを目的としている。

本開示にかかる光半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上に形成され、レーザ光を発生する活性層と、半導体基板の上に形成され、活性層と隣接し、レーザ光を変調する光変調層と、活性層および光変調層の上に形成されたクラッド層と、クラッド層の上に形成されたコンタクト層と、を備え、光変調層の上面には、活性層側の端部に第１の突起が形成され、クラッド層の上面には、第１の突起の鉛直上方に第２の突起が形成され、コンタクト層は、第２の突起によってレーザ光の光軸方向に分断されており、活性層の直上はクラッド層であり、クラッド層は単一の層である。

本開示にかかる光半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に、レーザ光を発生する活性層を形成する工程と、活性層の上に、絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜を選択成長マスクとして、半導体基板の上に、活性層と隣接し、上面には活性層側の端部に第１の突起を有し、レーザ光を変調する光変調層を形成する工程と、絶縁膜を除去する工程と、活性層および光変調層の上に、第１の突起の鉛直上方において上面に第２の突起を有し、単一の層からなるクラッド層を形成する工程と、クラッド層の上に、第２の突起によってレーザ光の光軸方向に分断されたコンタクト層を形成する工程と、を備え、クラッド層を形成する工程において、活性層の直上はクラッド層となるようにクラッド層を形成する。

本開示によれば、工程数が増大することなくコンタクト層を分断することができる光半導体装置およびその製造方法を得られる。

実施の形態１にかかる光半導体装置の斜視図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態２にかかる光半導体装置の断面図である。 実施の形態２にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態３にかかる光半導体装置の断面図である。 実施の形態３にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態３にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態４にかかる光半導体装置の断面図である。 実施の形態４にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１にかかる光半導体装置１０の斜視図を図１に示す。図１におけるＡ－Ａ断面を図２に示す。光半導体装置１０はリッジ型の光変調器付き半導体レーザであり、レーザ部１２と、レーザ部１２に隣接する変調器部１４とを備える。光半導体装置１０には、レーザ部１２から変調器部１４にかけてストライプ状のメサ部１８が形成されている。メサ部１８は、レーザ部１２においては活性層２０、クラッド層２４およびコンタクト層２６を有し、変調器部１４においては光変調層２２、クラッド層２４およびコンタクト層２６を有する。レーザ部１２では活性層２０においてメサ部１８のストライプ方向に共振するレーザ光が発生する。変調器部１４では光変調層２２において活性層２０からのレーザ光を透過・吸収することで変調する。変調器部１４で変調されたレーザ光はメサ部１８の変調器部１４側の端面から出射される。

光半導体装置１０は半導体基板１６を備える。半導体基板１６は例えばｎ型ＩｎＰから成る。

半導体基板１６の上に活性層２０が形成されている。活性層２０は例えばＩｎＰから成り、歪多重量子井戸構造を有する。この構造により、光半導体装置１０から出力されるレーザ光の高出力化および低歪化が実現できる。

半導体基板１６の上に、活性層２０に隣接して光変調層２２が形成されている。光変調層２２は例えばＩｎＧａＡｓＰから成り、量子井戸構造を有する。光変調層２２の上面には、活性層２０側の端部に、第１の突起２８が形成されている。第１の突起２８は活性層２０の上面よりも高い位置まで突出している。

活性層２０および光変調層２２の上にクラッド層２４が形成されている。クラッド層２４は例えばＺｎをドープしたｐ型ＩｎＰから成り、ｐ型濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３であり、厚さは１μｍである。クラッド層２４の上面には第２の突起３０が形成されている。この第２の突起３０は第１の突起２８の鉛直上方に形成されている。ここで鉛直とは、半導体基板１６の上面に対する鉛直を指す。

クラッド層２４の上にコンタクト層２６が形成されている。コンタクト層２６は例えばＺｎをドープしたｐ型ＩｎＰから成り、ｐ型濃度は１×１０^１９ｃｍ^－３であり、厚さは４００ｎｍである。コンタクト層２６は、第２の突起３０によってレーザ光の光軸方向（図２の左右方向）に分断されている。第２の突起３０の高さは、分断されたコンタクト層２６の電気的分離性を高めるために、コンタクト層２６の厚さ以上とする。また、コンタクト層２６の厚さは、電流を活性層２０、光変調層２２に均等に流す必要があり、またコンタクト層２６自体のキャリア濃度を保持するために４００ｎｍ以上が望ましい。

メサ部１８の上面および側面と、半導体基板１６の上面を覆う保護膜３２が形成されている。メサ部１８の上面における保護膜３２には、レーザ部１２と変調器部１４それぞれに開口部が形成され、この開口部を介してコンタクト層２６と電気的に接続されるレーザ電極３４、変調器電極３６が形成されている。これらの電極は例えば下からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されている。また、半導体基板１６の裏面には裏面電極３８が形成されている。裏面電極３８は例えば半導体基板１６に近い方からＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕで構成されている。

ここで、光半導体装置１０の製造方法を説明する。

まず図３のように、半導体基板１６の上に活性層２０を形成する。形成には例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いる。

次に、活性層２０の上にストライプ状に形成した絶縁膜４０をエッチングマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などを用いて活性層２０を半導体基板１６に達するまでドライエッチングし、図４の構造を得る。絶縁膜４０は例えばＳｉＯ_２から成り、スパッタ法および写真製版技術を用いて形成する。

次に図５のように、絶縁膜４０を選択成長マスクとし、ＭＯＣＶＤ法によって半導体基板１６の上に光変調層２２を埋め込むように形成する。光変調層２２の形成時、絶縁膜４０の上に流入した原料ガスの一部は光変調層２２側（図５の右側）に流れるため、光変調層２２には活性層２０側の端部にオーバーグロースが生じる。その結果、光変調層２２には第１の突起２８が形成される。

次に図６のように、絶縁膜４０を除去する。

次に図７のように、活性層２０および光変調層２２の上にクラッド層２４を形成する。形成には例えばＭＯＣＶＤ法を用いる。このとき、クラッド層２４には、第１の突起２８の鉛直上方に、第２の突起３０が形成される。

次に図８のように、クラッド層２４の上にＭＯＣＶＤ法を用いてコンタクト層２６を形成する。このとき、塩素系ガス（例えばＨＣｌ）を添加しながら成長させる。これにより、第２の突起３０の上にできる成長層が削られながらコンタクト層２６が成長するため、コンタクト層２６はレーザ光の光軸方向に分断されて形成される。また、成長温度の範囲は５５０～６５０℃とする。このように高温下で成長させるため、マストランスポートの効果がアシストされ、第２の突起３０の上面では１１１Ｂ面に対してコンタクト層２６が成長しない。なお図８では第２の突起３０の上面のどこにもコンタクト層２６が成長しないように示したが、最上部にはコンタクト層２６が成長することもある。しかし、第２の突起３０の左右の傾斜部分にはコンタクト層２６が成長しないため、コンタクト層２６が第２の突起３０で左右方向に分断されることに変わりはない。

次に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法でメサ用絶縁膜をクラッド層２４およびコンタクト層２６の上に形成し、転写プロセスでストライプ状にパターニングし、メサ用絶縁膜をドライエッチング加工する。次に、メサ用絶縁膜をマスクとしてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）装置にて塩素系ガスでコンタクト層２６、クラッド層２４、活性層２０および光変調層２２を基板までドライエッチング加工し、ストライプ状のメサ部１８を形成する。

次に、メサ用絶縁膜を除去したあと、図９のように保護膜３２を第２の突起３０およびコンタクト層２６の上（およびメサ部１８の側面と半導体基板１６の上）に成膜する。次に、転写プロセスを用いてレーザ部１２と変調器部１４それぞれにおいて保護膜３２に開口部を形成する。次に、この開口部それぞれにレーザ電極３４、変調器電極３６を形成する。次に、半導体基板１６の裏面に裏面電極３８を形成する。次に、レーザ光の光軸方向と直角にへき開し、へき開面をコーティングし、光半導体装置１０を得る。

以上より、この実施の形態によれば、第２の突起３０を形成しているため、コンタクト層２６の成長と分断を同時にＭＯＣＶＤ装置の中で実施できる。よって、工程数が増大することなくコンタクト層２６を分断することができる。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる光半導体装置５０の断面を図１０に示す。実施の形態１とは異なり、光半導体装置５０の光変調層６２は、活性層２０との接続箇所付近だけでなく、全体的に厚みが増している。すなわち、光変調層６２の上面はどの位置においても活性層２０の上面よりも高い位置にある。

光半導体装置５０の製造方法は、実施の形態１と比較して、活性層２０を半導体基板１６に達するまでドライエッチングする工程（図４の工程）までに違いはない。図４の工程のあと、光変調層６２の上面がどの位置においても活性層２０の上面よりも高くなるように光変調層６２を形成し、図１１の構造を得る。これ以降の製造工程は実施の形態１と同様である。

このように光変調層６２を厚くすると、実施の形態１において記載した効果に加え、光変調層６２の高さ方向の製造ばらつきを許容できるようになる。

実施の形態３．
実施の形態３にかかる光半導体装置９０の断面を図１２に示す。実施の形態１とは異なり、光半導体装置９０のクラッド層１０４は活性層２０の上より光変調層２２の上のほうが厚い。

光半導体装置９０の製造方法は、実施の形態１と比較して、絶縁膜４０を除去する工程（図６の工程）までに違いはない。図６の工程のあと、光変調層２２の上に、第１の突起２８の鉛直上方に第３の突起１１１を有する第１のクラッド層１２１を形成し、図１３の構造を得る。次に図１４のように、活性層２０および第１のクラッド層１２１の上に、第２のクラッド層１２２を形成する。第２のクラッド層１２２は第３の突起１１１を有する。第１のクラッド層１２１と第２のクラッド層１２２を合わせたものがクラッド層１０４である。これ以降の製造工程は実施の形態１と同様である。

このように変調器部９４におけるクラッド層１０４の厚みを増すことで、実施の形態１において記載した効果に加え、高いキャリア濃度で形成されたコンタクト層１０６と光変調層２２との距離が長くなるため、光のロスが削減され、光出力が大きくなる。また、出射するレーザ光の形状（ファーフィールドパターン）の乱れが小さい。

なお、実施の形態２に実施の形態３の特徴を追加してもよい。

実施の形態４．
実施の形態４にかかる光半導体装置１３０の断面を図１５に示す。実施の形態１とは異なり、光半導体装置１３０は第２の突起１５０の上面およびコンタクト層１４６の上面が同一平面上にある。

光半導体装置１３０の製造方法は、実施の形態１と比較して、コンタクト層２６を成長する工程（図８の工程）までに違いはない。図８の工程のあと、Ｂｒを含む液体を用いたウェットエッチングを行うことで第２の突起１５０およびコンタクト層１４６の平坦化を実施し、図１６の構造を得る。これ以降の製造工程は実施の形態１と同様である。

このように第２の突起１５０およびコンタクト層１４６を平坦化すると、実施の形態１において記載した効果に加え、漏れ電流および寄生容量を低減できる。この実施の形態では第２の突起１５０の高さが低くなり、第２の突起１５０の側面の面積が減少しているため、レーザ部１３２側の第２の突起１５０の側面から変調器部１３４へ流出する漏れ電流、および、変調器部１３４側の第２の突起１５０の側面からレーザ部１３２へ流出する漏れ電流が低減される。またこの実施の形態では第２の突起１５０の側面の面積が減少しているため、クラッド層１４４、光変調層２２、半導体基板１６からなるＰ－Ｉ－Ｎ（ＩはＩｎｔｒｉｎｓｉｃの意）構造の寄生容量が低減される。

なお、全ての実施の形態において、半導体基板がｐ型であってもよい。その場合、クラッド層、コンタクト層はｎ型である。また、光半導体装置はリッジ型に限らず、埋込み型レーザであってもよい。

１０，５０，９０，１３０ 光半導体装置、１６ 半導体基板、２０ 活性層、２２，６２ 光変調層、２４，６４，１０４ クラッド層、２６，６６，１０６，１４６ コンタクト層、２８ 第１の突起、３０，７０，１１０，１５０ 第２の突起、４０ 絶縁膜、１１１ 第３の突起、１２１ 第１のクラッド層、１２２ 第２のクラッド層

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上に形成され、レーザ光を発生する活性層と、
   前記半導体基板の上に形成され、前記活性層と隣接し、前記レーザ光を変調する光変調層と、
   前記活性層および前記光変調層の上に形成されたクラッド層と、
   前記クラッド層の上に形成されたコンタクト層と、
   を備え、
   前記光変調層の上面には、前記活性層側の端部に第１の突起が形成され、
   前記クラッド層の上面には、前記第１の突起の鉛直上方に第２の突起が形成され、
   前記コンタクト層は、前記第２の突起によって前記レーザ光の光軸方向に分断されており、
   前記活性層の直上は前記クラッド層であり、前記クラッド層は単一の層である
   光半導体装置。
2. 前記光変調層の上面はどの位置においても前記活性層の上面よりも高い位置にある
   請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記クラッド層は、前記活性層の上より前記光変調層の上のほうが厚い
   請求項１に記載の光半導体装置。
4. 前記第２の突起の上面および前記コンタクト層の上面が同一平面上にある
   請求項１に記載の光半導体装置。
5. 半導体基板の上に、レーザ光を発生する活性層を形成する工程と、
   前記活性層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜を選択成長マスクとして、前記半導体基板の上に、前記活性層と隣接し、上面には前記活性層側の端部に第１の突起を有し、前記レーザ光を変調する光変調層を形成する工程と、
   前記絶縁膜を除去する工程と、
   前記活性層および前記光変調層の上に、前記第１の突起の鉛直上方において上面に第２の突起を有し、単一の層からなるクラッド層を形成する工程と、
   前記クラッド層の上に、前記第２の突起によって前記レーザ光の光軸方向に分断されたコンタクト層を形成する工程と、
   を備え、
   前記クラッド層を形成する工程において、前記活性層の直上は前記クラッド層となるように前記クラッド層を形成する
   光半導体装置の製造方法。
6. 前記光変調層を形成する工程において、前記光変調層の上面がどの位置においても前記活性層の上面よりも高くなるように前記光変調層を形成する
   請求項５に記載の光半導体装置の製造方法。
7. 前記コンタクト層を形成する工程において、塩素系ガスを添加しながら前記コンタクト層を形成する
   請求項５または６に記載の光半導体装置の製造方法。
8. 半導体基板の上に、レーザ光を発生する活性層を形成する工程と、
   前記活性層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜を選択成長マスクとして、前記半導体基板の上に、前記活性層と隣接し、上面には前記活性層側の端部に第１の突起を有し、前記レーザ光を変調する光変調層を形成する工程と、
   前記絶縁膜を除去する工程と、
   前記活性層および前記光変調層の上に、前記第１の突起の鉛直上方において上面に第２の突起を有するクラッド層を形成する工程と、
   前記クラッド層の上に、前記第２の突起によって前記レーザ光の光軸方向に分断されたコンタクト層を形成する工程と、
   を備え、
   前記クラッド層を形成する工程において、前記光変調層の上に、前記第１の突起の鉛直上方に第３の突起を有する第１のクラッド層を形成したあとに、前記活性層および前記第１のクラッド層の上に第２のクラッド層を形成することにより、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層を合わせた前記クラッド層を形成する
   光半導体装置の製造方法。
9. 半導体基板の上に、レーザ光を発生する活性層を形成する工程と、
   前記活性層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜を選択成長マスクとして、前記半導体基板の上に、前記活性層と隣接し、上面には前記活性層側の端部に第１の突起を有し、前記レーザ光を変調する光変調層を形成する工程と、
   前記絶縁膜を除去する工程と、
   前記活性層および前記光変調層の上に、前記第１の突起の鉛直上方において上面に第２の突起を有するクラッド層を形成する工程と、
   前記クラッド層の上に、前記第２の突起によって前記レーザ光の光軸方向に分断されたコンタクト層を形成する工程と、
   前記コンタクト層を形成する工程のあと、Ｂｒを含む液体を用いたウェットエッチングを行うことにより、前記第２の突起の上面および前記コンタクト層の上面が同一平面上にあるように、前記第２の突起の上面および前記コンタクト層の上面を平坦化する工程を備えた
   光半導体装置の製造方法。

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