JPH02275688A - 半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 皮■旦１ 本発明は複数の半導体層からなる半導体光集積素子に関
する。

藍米退ｌ 化合物半導体の代表的なものであるＩＩＩ−Ｖ族化合物
は、各種の電子デバイスや光デバイスについて多くの研
究が行われている。最近では光源である半導体レーザの
研究とともに、半導体レーザと他の光機能デバイスを一
体化して集積する研究が進められている。この半導体レ
ーザを基礎とした光集積回路の実現による光デバイスの
高性能化は、光デバイスの使用形態を高度化するために
重要である。従来、半導体レーザは、そのレーザの構造
における結晶のへき開面を反射器として使用していた。

へき開面は、半導体レーザを単体として用いる場合には
反射器として有効なものである。しかし、このへき開面
が存在することによって結晶構造が断絶するため、光集
積回路を構成させることは不可能である。したがって、
光集積回路を実現するためには、反射器にへき開面以外
のものを使用し、反射器と出力導波路との一体化構造を
実現させる必要がある。

この構造を実現するものとして、例えばＢＪＢ（Ｂｕｔ
ｔ−Ｊｏｉｎｔｅｄ　Ｂｕｉｌｔ−ｉｎｉ型半導体レー
ザが提案されている。このＢＪＢ型半導体レーザは。

ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系の結晶、あるいはＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ系の結晶によるもので、同一基板上に発光
領域と導波領域が形成され、発光領域の活性導波路と導
波領域の出力導波路とが直接結合されている。したがっ
て、活性導波路で発光したレーザ光は、直接結合された
出力導波路に伝搬される。また出力導波路には、共振器
として分布反射器（ＤＢＲ）が形成されている。出力導
波路の半導体材料のバンドギャップは、活性導波路のバ
ンドギャップよりも大きくなるように形成されており、
出力導波路における光の吸収を少なくしている。このよ
うにＢＪＢ型半導体レーザは１発光領域と導波領域の一
体集積化を実現したもので１発光したレーザ光を出力導
波路から光出力として取り出すことができるものである
。

しかし、ＢＪＢ型半導体レーザを含む従来の提案、によ
る装置は、前述した理由によりへき開面以外の反射器を
必要とし、さらに装置の各層の層厚は、活性導波路と出
力導波路との間における位相整合条件を満足させるよう
に選定しなければならないため、厳密な精度が要求され
る。したがって、ＤＢＲ共振器の製作、出力導波路の埋
め込み成長、あるいはレーザストライプ構造の形成など
、装置の各部会形成する際に、エツチング技術およびエ
ピタキシャル技術を繰り返して使用しなければならない
ため、素子の製造工程が複雑であった。また、活性導波
路と出力導波路とか結合しているために、両者の電気的
な絶縁が困難になり、光フィルタ、分波器、あるいは光
スィッチなどを集積化した光デバイスに適用することが
できなかった。

旦−一部 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、同一の基
板上に半導体レーザ素子と他の光機能素子が簡略な製造
工程で形成された半導体光集積素子を提供することを目
的とする。

構−一部 本発明は上記の目的を達成させるため、半導体基板の上
に複数の半導体層が積層された半導体光集積素子は、第
１の絶縁性材料からなる第１の層と、第１の絶縁性材料
の屈折率よりも大きい屈折率を有する第２の絶縁性材料
からなる第２の層と、第２の絶縁性材料の屈折率よりも
小さい屈折率を有する第３の絶縁性材料からなる第３の
層とが半導体基板の主表面に、これに対して実質的に垂
直な方向に順次積層され、この積層された積層部の所定
の領域には発光層を含む発光手段が形成され、発光層は
、積層部の第２の層と結合するように形成されているこ
とを特徴としたものである。以下、本発明の一実施例に
基づいて具体的に説明する６ 第１図には、本発明による集積型半導体発光素子の一実
施例の上面図が示されている。また第２図および第３図
には、それぞれ第１図の素子を一点鎖線ＩＩ−ＩＩで切
断した導波方向の断面図、および同ＩＩＩ−ＩＩＩで切
断した断面図が示されている。

第２図からもわかるように、この実施例の構造は、基板
１０１の同一基板上のＡ部に活性部導波層１０３を含む
半導体レーザ素子部２００が形成され、基板１０１上の
Ｂ部には出力導波層２５１を含む出力導波層部２５０が
形成されている。この積層構造をより詳細に説明すると
、ｎ型ガリウム・砒素（ＧａＡｓｌ基板１０１の上にａ
−ＳｉＯクラッド層２５５．クラッド層２５５の屈折率
よりも大きい屈折率を有するａ−３ｉＯＮからなる出力
導波層２５１．クラ・ンド層２５５と同じ屈折率を有す
るａ−５ｉｏクラッド層２５６．および多結晶層２４１
が順次積層されている。また、多結晶層２４１の一部に
は基板１０１に向って溝１８０が形成されており、溝１
８０の下部は図示のように基板１０１に達している。溝
１８０の底面２１１である基板１０１の表面にはｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層１１５゜ｎ−Ａｌ０．４２Ｇａａ、　
５８ＡＳクラッド層１２４．アンドープ活性導波層１０
３．　ｐ−ＡＩｏ、４２Ｇａｏ、５８Ａｓクラッド層］
０４．およびｐ−ＧａＡｓキャップ層１３５が順次積層
され、半導体レーザ素子部２００を形成している。なお
、後述するように半導体レーザ素子部２００の積層構造
を形成する際、半導体レーザ素子部２００の活性導波層
１０３と、出力導波層部２５０の出力導波層２５１の位
置が整合するように各層の層厚が制御されている。

ｐ側電極１０６は多結晶層２４１　Ｊよびｐ−ＧａＡｓ
キャップ層１３５の上部に形成され、ｎ側電極１０７は
基板１０１の裏面、つまり各層の積層側と反対側の基板
面に形成されている。

なお、この素子の半導体レーザ素子部２００と出力導波
層部２５０との結合側でない一方の面は、この結晶構造
のへき開面２１０が露呈している。

以上の構造を有する半導体光集積素子は１発光部２００
の活性領域で発光した光を、活性導波層１０３から直接
、出力導波層部２５０の出力導波層２５１に入射させ、
伝搬させることができる。

第７図には、本発明を適用した集積型半導体発光素子の
他の実施例を導波方向で切断した断面が示されている。

この実施例の素子では、第１図の素子の半導体レーザ素
子部２００の共振器をなしている一方の面のへき開面２
１０の上に、たとえばＡｕ／ＳｉＯ□膜などからなる高
反射膜２７２が形成されている。

この実施例の素子の構造によれば、半導体レーザ素子部
２００のへき開面２１０の上には高反射膜２７２が形成
されていることから、発光した光を実質的に出力導波層
２５１からだけ放出させることができるため、高い光出
力を得ることができる。

なお、高反射膜２７２は、例えばＡｕ／５ｉＯ７を使用
する場合は、半導体レーザ素子部２００のへき開面２１
０の上にＳ　ｉＯ２層２７３．およびＡｕ層２７４を順
次形成させることによって得られる。５１０２層２７３
の形成は電子ビーム蒸着法などを使用することができ、
Ａｕ層２７４の形成には真空蒸着法などを使用すること
ができる。なお、Ａｕ層２７４はｐ側電極１０６および
ｎ側電極１０７がショートしないように形成されている
。

第８図には、本発明を適用した集積型半導体発光素子の
他の実施例を導波方向で切断した断面が示されている。

この実施例の素子では、第１図の素子におけるのと同様
な半導体レーザ素子部２００と出力導波層部２５０との
間に溝１８１が形成されている。

この実施例の素子の構造によれば、同一基板４０１上に
形成された半導体レーザ素子部２００と出力導波層部２
５０との間に溝１８１が形成されていることから、半導
体レーザ素子部２００の活性導波層１０３と、出力導波
層部２５０の出力導波層２５１との界面近傍における光
結合損失を低減させることができる。

なお、溝１８１の形成には、ＲＩＥエツチング法などの
エツチング技術を使用することができる。このエツチン
グは、ｐ側電極１０６を形成する前にレジスト／　Ｓ　
１０２　／レジストの３層マスクなどによるエツチング
マスクを使用してＡｒ−Ｃ１ｚ系のガスにより行なわれ
る。エツチングによる満１８１の下部は、この例では基
ｍ　１０１に達するように形成されているが、ｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層１１５に達する程度に形成されていれば
よい。

第４図には、本発明を適用した集積型半導体発光素子の
他の実施例を導波方向で切断した断面が示されている。

この実施例の素子では、第１図の素子におけるのと同様
な半導体レーザ素子部２００と出力導波層部２５０との
間に溝１８１が形成され。

また半導体レーザ素子部２００の共振器をなしている一
方の面のへき開面２１０の上に、たとえばＡｕ／ＳｉＯ
□膜などからなる高反射膜２７２が形成されている。

この実施例の素子の構造によれば、同一基板１０１上に
形成された半導体レーザ素子部２００と出力導波層部２
５０との間に溝１８１が形成されていることから、半導
体レーザ素子部２００の活性導波層１０３と、出力導波
層部２５０の出力導波層２５１との界面近傍における光
結合損失を低減させることができる６さらに、半導体レ
ーザ素子部２００のへき開面２１０の上には高反射膜２
７２が形成されていることから、発光した光を実質的に
出力導波層２５１からだけ放出させることができるため
、高い光出力を得ることができる。

第９図には、本発明を適用した集積型半導体発光素子の
他の実施例を導波方向で切断した断面が示されている。

この実施例の素子では、第１図の素子における多結晶層
２４１をクラッド層２５６上に設けず、かつ各層の層厚
を図示のように設定することによって素子表面を平坦化
したものである。

この素子は後述する製造工程において、結晶成長条件を
適切に選択し、多結晶層２４１をクラッド層２５６上に
堆積させないようにし、また、各層の層厚を制御して形
成される。

第１０図には本発明を適用した集積型半導体発光素子の
他の実施例を導波方向で切断した断面が示されている。

この実施例の素子では、第９図の素子の一方の面のへき
開面２１０の上に、高反射膜２７２が形成されている。

この実施例の素子の構造によれば、半導体レーザ素子部
２００のへき開面２１０の上には高反射膜２７２が形成
されていることから、発光した光を実質的に出力導波層
２５１からだけ放出させることができるため、高い光出
力を得ることができる。

第１１図には本発明を適用した集積型半導体発光素子の
他の実施例を導波方向で切断した断面が示されている。

この実施例の素子では、第１Ｃ１図の素子の分離溝１８
１の形状を半導体レーザ素子部２００側で垂直、出力導
波層部２５０側で傾斜させたものである。この分離溝１
８１は後述するようにドライエツチング技術を用いて形
成される。

第５Ａ図〜第５Ｄ図には、第１図の実施例の素子の製造
工程の一例が示されている。

まず、ｎ型ＧａＡｓ　ｆｌｏ［ｌ）基ｍ　１０１の上に
プラズマＣＶＤ法などを使用してａ−５ｉＯを約２μｍ
堆積させてクラッド層２５５（屈折率ｎｘ）を形成し、
クラッド層２５５の上にａ−５ｉＯＮを約２μｍ堆積さ
せて出力導波層２５１（屈折率ｒ＋ｚｌを形成する。さ
らに出力導波層２５１のに上にａ−５ｉＯを約２μｍ堆
積させることによってクラッド層２５６（屈折率ｎ３１
　を形成する（第５Ａ図）　なお、これらの各層の屈折
率は、ｎ　２　＞　１１・ｎ３の関係を有するように形
成させる。

次に、フォトリングラフィ技術を使用して＜０ＴＩ）お
よび＜０１１）の方向にエツチングを行ない、凹部１８
０を形成する（第５Ｂ図）。この凹部１８０を形成した
ことにより、絶縁層による光出力導波路が形成されたこ
とになる。このエツチングは、たとえば幅が約１０ａｍ
、長さが約３００μｍのスノットパターンを使用して行
われ、エツチングによる凹部１８０の下部が基板１０１
に達する程度にする。この場合のエツチング技術として
は、ＨＦとＮＨ４Ｆを使用する、いわゆるバッフアート
ぶつ酸１ＢＩＩＦ）などの化学エツチング、あるいはＣ
Ｆ４＋０２系を使用するＲＩＥ法などのドライエツチン
グなどを使用することができる。

エツチングにより形成させた凹部１８０の底面、つまり
基板１０１の土にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１５゜ｎ−
Ａｌｏ、　４２ＧａＯ，５ｓＡｓクラッド層１２４．Ｇ
ａＡｓ活性導波層１０３、　ｐ−ＡＩｏ、４２Ｇａｏ、
５８Ａｓクラッド層１０４．およびｐ−ＧａＡｓキャッ
プ層１３５を順次、エピタキシャル成長させる（第５Ｃ
図）。この各層の成長の際、活性導波層１０３と出力導
波層２５１とが結合するように、各層の層厚を制御する
。なお、層１１５．１２４１０３、１０４および１３５
をエピタキシャル成長させる際、絶縁層２５６の上に多
結晶層２４１が図示のように堆積することがある。しか
し、結晶の成長条件を適切に選択すれば、多結晶層２４
１を堆積させないようにすることもできる。なおエピタ
キシャル成長法としては、たとえば有機金属気相成長法
を使用することができる。

凹部１８０内に以上の各層を形成させた後、積層部の上
面の多結晶層２４１およびｐ−ＧａＡｓキャップ層１３
５の上にｐ型オーミック電極１０６を形成し、基板１０
１の裏面、つまり各層の積層側と反対側の基板面にｎ型
オーミック電極１０７を形成する。画電極を形成した後
、四部１８０の所定の位置、たとえば第５Ｄ図に示す位
置Ａ−Ａでこの結晶構体をへき開し、半導体レーザ素子
部２００を完成させる。

以上の製造方法によって第１図の実施例の素子を得るこ
とができる。このように、第１図の実施例の素子では、
同一の基板１０１の上に絶縁層の形成とエピタキシャル
成長とをそれぞれ１回ずつ行なうことによって、半導体
レーザ素子部２００と出力４彼層部２５０が形成される
。

なお、凹部１８０内に形成したｎ−Ａｌｏ、　４２Ｇａ
Ｏ，５ａＡ３クラッド層１２４．およびｐ−Ａｌｏ、　
４２ＧａＯ，５ｓＡｓクラッド層１０４のＡＩ組成比は
９本実施例で示した値以外のものを使用してもよいこと
は、言うまでもない。

その他の実施例の素子も同様の方法により製造される。

例えば第９図、第１Ｏ図および第１１図の素子は、結晶
成長条件を適切に選択し、多結晶層２４１をクラッド層
２５６上に堆積させないようにし、また、各層の層厚を
制御して形成される。

参考のため、従来の出力導波路付集積レーザであるＢＪ
Ｂ型半導体レーザの一例の構造を第６図に示す。図を見
るとわかるように、この従来例の素子はＩｎＰ基板ｌ上
のａ部に、ＧａＩｎＡｓＰ活性導波層２、ＧａＩロＡｓ
Ｐメルトバック防止層３、ＩｎＰクラッド層４、および
ＩロＰキャップ層５からなる発光領域が形成され、また
ｂ部には、活性導波層２のバンドギャップよりも大きい
バンドギャップを有するＧａ１ｎＡｓＰ出力導波層６が
活性導波層２に結合するように形成されている。また、
出力導波層６の上部には、出力導波層６における光の吸
収を少なくするため、分布反射器（ＤＢＲ）　７が形成
されている。

以上の構造を有するこの従来の素子は、発光領域で発光
した光を活性導波層２に結合された出力導波層６に直接
伝搬させるものである。しかしこの素子は、活性導波層
２と出力導波層６とが結合していることから１両者の間
の電気的な絶縁が困難であり、光フィルタ、分波器ある
いは光スィッチなどを集積化する光デバイスに適用する
ことができないという欠点があった。また、この素子の
構造では分布反射器７を形成させなければならず、さら
には活性導波層２と出力導波層６の間における位相整合
条件を満足させるために、各層の層厚を廠格に調整しな
ければならなかった。したがって、各層を形成する際、
エツチングおよびエピタキシャル成長を繰り返して行わ
なければならないため、製造工程が複雑となり、素子の
製造が困難であった。

しかし、本発明による素子では、出力導波層部２５０が
ａ−５ｉＯクラッド層２５５．ａ−５ｉＯＮ出力導波層
２５１およびａ−３ｉＯクラッド層２５６の絶縁層によ
り形成されているため、出力導波層だけでなく光スィッ
チなど他の光機能素子を形成させることが可能である。

しかも、同一の基板１０１の上に、出力導波層部２５０
を形成するための堆積と半導体レーザ素子部２００を形
成するためのエピタキシャル成長とをそれぞれ１回ずつ
行なうことによって、素子構造を形成できるため、半導
体光集積素子の製造が容易である。

なお、実施例の素子では出力導波層部２５０の形成にａ
−３ｉＯ／ａ−５ｉＯＮの絶縁層を使用したが、ａ−５
ｉＯ／ａ−５ｉＯＮ以外の、例えば酸化ケイ素、あるい
は窒化ケイ素など他の絶縁性材料を使用することも可能
である。

効−一里 本発明によれば、発光領域を含む発光部と、この発光部
の発光領域で発光した光を伝搬させるための導波部とが
同一基板上に形成され、しかも導波部が複数の絶縁層に
より形成されているため、同一基板上に導波層以外の光
機能素子を集積化させることができる。また、発光部お
よび導波部をそれぞれ１回のエピタキシャル成長および
堆積によって同一基板上に形成させることができるため
、半導体光集積素子の製造が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による半導体光・集積素子の一実施例
を示す上面図。 第２図は、第１図に示された半導体光集積素子を一点鎖
線ＩＩ−ＩＩで切断した断面図。 第３図は、第１図に示された素子を一点鎖線ＩＩＩ−Ｉ
ＩＩで切断した断面図、 第４図は、本発明による半導体光集積素子の他の実施例
を示す断面図、 第５Ａ図〜第５Ｄ図は、第１図に示された半導体光集積
素子の製造工程を示す断面図。 第６図は、従来の半導体光集積素子の一例を示す断面図
、 第７図ないし第１１図は、本発明による半導体光集積素
子の他の実施例を示す断面図である。 。　の竺１の３日 １０１、、　、　、基板 １０３、、　、　、活性導波層 １０６、、　、　、　り側電極 １０７、、　、　、　ｎ側電極 １８０、、　、　、溝 ２０（］、、　、　、半導体レーザ素子部２５０、、　
、　　出力導波層部 ２５１、、　、　、出力導波層 ２５５、２５６．　、クラッド層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板の上に複数の半導体層が積層された半導体光
   集積素子において、該素子は、 第１の絶縁性材料からなる第１の層と、 第１の絶縁性材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する
   第２の絶縁性材料からなる第２の層と、 第２の絶縁性材料の屈折率よりも小さい屈折率を有する
   第３の絶縁性材料からなる第３の層とが前記半導体基板
   の主表面に、該主表面に対して実質的に垂直な方向に順
   次積層され、 該積層された積層部の所定の領域には発光層を含む発光
   手段が形成され、 該発光層は、前記積層部の第２の層と結合するように形
   成されていることを特徴とする半導体光集積素子。