JPH0351805A

JPH0351805A - 半導体光導波路

Info

Publication number: JPH0351805A
Application number: JP18769889A
Authority: JP
Inventors: ▲はま▼本　貴一; Kiichi Hamamoto; Yoshiro Komatsu; 啓郎小松
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1991-03-06

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】（産業上の利用分野）本発明は低伝撮損失の半導体光導波路の構造に関する。

（従来の技術）近年、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＡｓ１を用いたヘ
テロエピタキシャル構造が光電子集積回路（ＯＢＩＣ）
用技術として注目されている。これは、発光・受光波長
が光ファイバーの入射光最低損失波長付近である１、３
μｍ帯および１．５５μｍ帯にあり、しかも信頼性の点
で優れるＩｎＰ系半導体光デバイスと、ＩｎＰ系半導体
に比べ、既に電子デバイス技術の蓄積のあるＧａＡｓ系
半導４　ｚ子デバイスの組合わせが、現状では０ＥＩＣ
として最適の組合わせと考えられるからである。

従来の０ＥＩＣの場合、発光・受光素子としての半導体
光デバイスと、光デバイス駆動用の半導体電子デバイス
との組合わせであるが、さらに高機能・高集積の光−電
子デバイスを考えた場合、例えば、光信号の分岐・結合
・スイッチングなどの機能をもった０ＢＩＣを考えた場
合、半導体光デバイス間を接続する光導波路が必要にな
ってくる。

この場合、ＩｎＰ系材料を導波路材料として用いると、
その禁制帯幅が使用波長に近く、伝搬損失が大きくなる
と考えられる。報告されているＩｎＰ系光導光導波路搬
損失の最低値は０６４ｄ　Ｂ　／　ｃ　ｍであるが、一
般には伝搬損失はさらに大きい、一方、ＧａＡｓ系光導
波路では、禁制帯幅が使用波長から離れているので、伝
搬損失は小さく０．１５ｄＢ／ｃｍという値が報告され
ている。また、光導波路を作成するＰでの微細加工技術
もＧａＡｓ系の方がＩｎＰ系より格段に優れている。従
って、導波路材料としてはＧａＡｓ系の方が有利と考え
られ、ＩｎＰ基板上のＧａＡｓ系導波路を実現する技術
が要求される。

（発明が解決しようとする課題）このようなＩｎＰ基板上のＧａＡｓ系光導波路の従来の
技術としては、ロー（Ｙ、Ｈ，Ｌｏ）らがアプライド・
フィジックス・レターズ＜Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔ
ｔ、）第５３巻、第１２４２頁に報告したものがある。

ここに報告されている光導波路は、ＩｎＰ基板上に、Ｉ
ｎＰとは格子定数の異なるＧａＡｓ光導波層を分子線エ
ピタキシャル成長法によりバッファ層などを介さずにＩ
ｎＰ基板上に直接成長したヘテロ構造となっている。

しかしながら、このような導波路形成法においては、Ｉ
ｎＰ基板とＧａＡｓ導波層との界面での格子不整合より
転位が生じ、この転位に起因する結晶欠陥による禁制帯
中の深い準位による吸収と、ペテロ界面が平滑でないこ
とによる散乱とによって、大きな伝搬損失が生じる。こ
のため、（１００）方位のＩｎＰ基板上にＧａＡｓ導波
層を形成したもので、１６　ｄ　Ｂ　／　ｃ　ｍの、Ｇ
ａＡｓ導波層の深い単位を減らすことが期待できる３゜
ｏｆｆＩｎＰ基板上にＧａＡｓ導波層を形成したもので
も９．３ｄＢ／ｃｍという大きな伝搬損失が生じるとい
う問題があった。

（課題を解決するための手段）前述の課題を解決するため本発明による半導体光導波路
は、ＩｎＰ基板上に、組成比の異なる２層以上のＩ　ｎ
ＧａＡｓ薄膜より構成されるＩｎＧａＡｓ半導体多層膜
層が積層され、前記ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜上にＧａ
Ａｓ導波層が積層されている。前記１　ｎＧａＡｓ多層
膜層は、ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数の間の
格子定数を有する複数のＩ　ｎＧａＡｓ薄膜が格子定数
の大きいものから順に積層された構造を有している。

また、前記１　ｎＧａＡｓ半導体多層膜層が、ＩｎＰと
格子整合するＩｎＧａＡｓ薄膜とＩｎＰの格子定数とＧ
ａＡｓの格子定数の中間の格子定数を有するＩ　ｎＧａ
Ａｓ薄膜とが交互に２層以上積層された第１の多層膜層
と、ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数の中間の格
子定数を有する前記Ｉ　ｎＧａＡｓ薄膜とＧａＡｓ薄膜
とが交互に２層以上積層された第２の多層膜層とにより
形成されている。

（作用）一般に、ペテロ接合においては、両者に格子定数の不整
合があると両者の間の界面に内部応力が集中し、内部応
力が材料の弾性限界を越えるとミスフィツト転位が生じ
る。半導体光導波路において、基板と光導波路の間の界
面および導波層にこのような転位が生ずると、ＧａＡｓ
結晶の禁制帯中に深い単位が生じてしまい、大きな伝搬
損失の要因となる。ＩｎＰとＧａＡｓでは格子定数の差
が３．７％と大きく、ＩｎＰ基板上に直接ＧａＡｓ導波
層を形成すると、ＩｎＰ基板とＧａＡｓ導波層の間の界
面に転位が生じ、この転位は導波層中へも伝搬する。ま
た、−成人気中にさらしなＩｎＰ基板の表面には酸化膜
等が形成され凹凸が生じ、この上に直接ＧａＡｓを形成
すると平滑な界面が得られない。

これに対して、本発明においては、Ｉ　ｎＧａＡｓ薄膜
から構成される半導体多層膜層をＩｎＰ基板とＧａＡｓ
導波層との間に設けている。この時、Ｉ　ｎＧａＡｓ薄
膜の膜厚を臨界膜厚以下にすれば、転位がその層より上
層に伝搬することを防ぐことができる。従って、深い準
位に起因する伝搬損失を大幅に低減することが可能とな
る。さらに、ＩｎＰ基板表面に酸化膜等が存在しても、
本発明においてはＩ　ｎＧａＡｓ半導体多層膜層をまず
成長し、その直後にＧａＡｓ導波層を成長するので、Ｇ
ａＡｓ導波層とＩ　ｎＧａＡｓ多層膜層の界面は平滑で
ある。このため、界面での散乱による損失を低減化する
ことができる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）と（ｂ）は本発明における半導体光導波路
の第１の実施例を示す構造図である。

本実施例の半導体光導波路は、ＩｎＰ基板１上に、第１
図（ｂ）に示すような組成の異なるＩｎＧａＡｓ薄膜か
らなる半導体多層膜層２が形成され、この半導体多層膜
層２の上に、ＧａＡｓ導波層３が形成され、その上に、
ストライプ状のリブ部を有するＡ　Ｉ　ＧａＡｓクラγ
ド層４が設けられた構造である。ここで、ＩｎＰ基板１
は波長１．３μｍ　〜１．５５ｕｍでＧａＡｓ導波層３
に比べその屈折率が小さく、また、半導体多層膜層２は
ＧａＡｓ導波層３に比べ十分に薄いので、ＩｎＰ基板ｌ
はクラッド層として利用することができる。

まず、第１図に示した半導体光導波路の製造方法につい
て簡単に述べる。上記の半導体多層膜層２、ＧａＡｓ導
波層３、ＡｌＧａＡｓクラッド層４ともすべて、有機金
属気相成長法により、反応圧力１００Ｔｏｒｒ、成長温
度摂氏６５０度にて作成する。

半導体多層膜層２は、原料としアルシン、トリメチルイ
ンジウム、トリメチルガリウムを用い、Ｉ−ｎＰとＧａ
Ａｓの格子定数の差を６等分に分割した格子定数を有す
るＩ　ｎＧａＡｓ薄膜を格子定数の大きいものから順に
１０ｎｍずつ形成した構成とする。すなわち、第１図（
ｂ）に示すように、Ｉ　ｎ　ｏ、ｓｓＧ　ａ　０．４７
Ａ　Ｓ薄膜１１、Ｉ　ｎｏ、４４Ｇ　ａ　ｏ、　ｓｉＡ
　ｓ薄ＷＡ１２、Ｉ　ｎ　ｏ、　ｓｓＧ　ａ　０．６Ｓ
Ａ　８薄膜１３、Ｉ　ｎ　０．２４Ｇ　ａ　Ｏ，？４Ａ
　Ｓ薄膜１４、Ｉ　ｎ　ｏ、　１ａＧ　ａ　ｏ、ｓ２Ａ
　ｓ薄膜層５、Ｉｎｏ、ｏ＊Ｇ　ａ　ｏ、　＊１Ａ　Ｓ
薄ＷＡ１６を、この順に１０ｎｍずつ形成する。

ＧａＡｓ導波層３は、原料として、アルシン、トリメチ
ルガリウムを用い、０．５μｍ程度形成する。

ＡｌＧａＡｓクラッド層４は、アルシン、トリメチルア
ルミ、トリメチルガリウムを用いて形成した後、通常の
フォトリングラフィ法とエツチング法によりストライプ
状にエツチングし、リブ形の導波路を形成する。クラッ
ド層４の厚さはリブ導波路部分で１μｍ程度、それ以外
の部分で０．２μｍ程度とする。

次に、上述の製造方法により得られた第１図に示した構
造の半導体光導波路の伝搬損失が従来よりも改善される
原理を以下に説明する。

本実施例においては、第１図に示すように、ＩｎＰ基板
１上に、Ｉ　ｎＧａＡｓ薄膜からなる半導体多層膜層２
がＩｎＰとＧａＡｓの格子定数の差を６等分に分割した
格子定数を有するＩ　ｎＧａＡｓ薄膜を格子定数の大き
いものから厘に１゜ｎｍずつ形成される多層ＷＡＭとし
て形成されている。

このため、ＩｎＰ基板１上と最初に形成されるＩ　ｎＧ
ａＡｓ＃ＧａＡｓ導波層数の差、以降に形成されるそれ
ぞれの隣り合うＩ　ｎＧａＡｓ薄ＰＩＡＮＪ間での格子
定数との差、そして、Ｉ　ｎＧａＡｓ半導体多層膜層２
の最上層のＩ　ｎＧａＡｓ薄膜層とＧａＡｓ導波層３と
の格子定数の差は、いずれもＩｎＰとＧａＡｓとの格子
定数の差に比べて小さい、従って、ＩｎＰ基板１と最初
に形成されるＩ　ｎ　ｏ、　ｓｓＧ　ａ　ｏ、　４７Ａ
　Ｓ薄膜層１１との界面、以降に形成されるそれぞれの
隣り合うＩ　ｎＧａＡｓ薄膜層間での界面、そしてＩ　
ｎＧａＡｓ半導体多層膜層２の最上層のＩ　ｎ　ｏ、　
ｏ豐Ｇ　ａ　ｏ、　ｔ　ｔ　Ａ　ｓ薄膜層１６とＧａＡ
ｓ導波層３での界面においては、ＩｎＰ基板上に直接Ｇ
ａＡｓを形成する場合に比べ、界面で格子不整合により
生ずる転位を極端に減らすことができる。

また、前述の各界面において転位が生じても、Ｉ　ｎＧ
ａＡｓ多層膜層２が薄膜によって構成されているなめ、
転位をＧａＡｓ導波層３には伝えない効果をもっている
。このため、ＧａＡｓ導波層３の結晶欠陥による禁制帯
中の深い単位を低減できる。さらに、ＩｎＰ基板１上に
酸化膜等が形成されていても、Ｉ　ｎＧａＡｓ多層膜層
２を成長した直後にＧａＡｓ導波層３を成長するので、
ＧａＡｓ導波層３を成長する際にはＩ　ｎＧａＡｓ多層
膜層２の上には酸化膜等は無い状態であり、ＧａＡｓ導
波層３とＩｎＧａＡｓ多層膜層２との界面として平滑な
ものが得られる０以上の原理に基づき、本発明を用いる
と、従来に比べて大幅に伝搬損失が低減されたＩｎＰ基
板上のＧａＡｓ光導波路を得ることができる。

第２図（ａ）と（ｂ）は本発明における半導体光導波路
の第２の実施例を示す構造図である。

ＩｎＰ基板２１上に、組成の異なるＩ　ｎＧａＡｓ薄膜
からなる半導体多層膜層２２が形成され、半導体多層膜
層２２の上に、ＧａＡｓ導波層２３が形成され、その上
に、ストライプ状のリブ部を有するＡｌＧａＡｓクラッ
ド層２４が設けられた半導体光導波路構造となっている
。ここで、ＩｎＰ基板２１は波長１．３μｍ〜１．５５
．ｔｃｍでＧａＡｓ導波層２３に比べその屈折率が小さ
く、また、半導体多層膜層２２はＧａＡｓ導波層２３に
比べ十分に薄いので、ＩｎＰ基板２１はクラッド層とし
て利用することができる。

第２図に示した半導体光導波路の製造方法について簡単
に説明する。上記の半導体多層膜層２２、半導体導波路
２３、半導体クラッド層２４ともすべて、有機金属気相
成長法により、反応圧力１００Ｔｏｒｒ、成長温度摂氏
６５０度にて作成する。

半導体多層膜層２２は、原料としてアルシン、ホスフィ
ン、トリメチルインジウム、トリメチルガリウムを用い
、第２図゛（ｂ）に示すように、ＩｎＰと同じ格子定数
を有するＩ　ｎ　ｏ、　ｓｓＧ　ａ　ｏ、　４？Ａｓ薄
ＷＡ３１とＩｎＰとＧａＡｓの中間の格子定数を有する
Ｉ　ｎｏ２＊Ｇ　ａｏ、ｔ４Ａ　ｓ薄膜３２を交互に１
０ｎｍずつ５回形成し、その後に、ＧａＡｓ薄Ｊｌ！３
３とＩｎＰとＧａＡｓの中間の格子定数を有するＩ　ｎ
　０．２４Ｇ　ａ　ｏ、　７４Ａ　Ｓ薄膜３４を、交互
に１０ｎｍずつ５回形成し、更に、その後に、ＧａＡｓ
薄膜３５を形成する。

半導体導波層２３は、原料として、アルシン、トリメチ
ルガリウムを用い、０．５μｍ程度形成する。

半導体クラッド層２４は、アルシン、トリメチルアルミ
、トリメチルガリウムを用い形成した後、通常のフォト
リソグラフィ法とエツチング法によりストライプ状にエ
ツチングし、リブ形の導波路を形成する。クラッド層２
４の厚さはリブ導波路部分で１μｍ程度、それ以外の部
分で０．２μｍ棺度とする。

以上が本発明による半導体光導波路の第２の実施例の構
成および製造方法の一例であり、上述の製造方法により
得られた第２図に示した構造の半導体光導波路の伝搬損
失が従来よりも改善される原理を以下に説明する。

本実施例においては、第２図（ａ）に示すようにＩｎＰ
基板２１に、Ｉ　ｎＧａＡｓ薄膜からなる半導体多層膜
層２２が第２図（ｂ）のよう°に、Ｉ　ｎ　ｏ、　、ｓ
Ｇ　ａ　０．４７Ａ　ｓ薄１１ｆｉ３１とＩｎ＋＋＊６
Ｇａｏ、７４ＡＳ薄ｒ！！Ａ３２とが交互に１０ｎｍず
つ５回形成され、その後に、ＧａＡｓ薄膜３３とＩｎＯ
，２６Ｇ　ａ　０．７４Ａ　Ｓ薄膜３４を、交互に１０
ｎｍずつ形成され、更に、ＧａＡｓ薄膜３５が形成され
る多層膜層として形成されている。このため、ＩｎＰ半
導体基板２１の格子定数と最初に形成されるＩ　ｎＧａ
Ａｓ＊膜層３１の格子定数の差、およびＩ　ｎＧａＡｓ
半導体多層膜層２２の最上層のＧａＡｓ薄膜層３５の格
子定数とＧａＡｓ導波層２３の格子定数の差はなく、最
初に形成されるＩ　ｎＧａＡｓ薄膜層３１以降に形成さ
れる、それぞれの隣り合うＩ　ｎＧａＡｓ薄膜層間での
格子定数との差は、いずれもＩｎＰとＧａＡｓとの格子
定数の差に比べ小さい。

従って、第１の実施例の原理と同様に、界面での格子不
整合により生ずる転位を極端に減らすことができ、また
、転位をＧａＡｓ導波層２３には伝えない効果ももち、
さらに、ＧａＡｓ導波層２３とＩ　ｎＧａＡｓ多層膜層
２２との界面として平滑なものが得られるので、本発明
を用いると、従来に比べて大幅に伝搬損失が低減された
ＩｎＰ基板上のＧａＡｓ光導波路を得ることができる。

尚、本発明は上記の実施例に限定されるものではない、
第１の実施例では、半導体多層膜２においてＩｎＰとＧ
ａＡｓの格子定数の差を６等分に分割したが、ＧａＡｓ
導波層２へ転位を伝えない範囲であれば、等分に分割す
る必要はなく、分割数も６である必要はない、また、第
２の実施例では、半導体多層膜２２においてＩｎＰとＧ
ａＡｓの中間の格子定数をもつＩ　ｎ　１１．２４Ｇ　
ａ　１１．７４Ａ　Ｓ薄膜を用いたが、ＧａＡｓ導波層
２２へ転位を伝えない範囲であれば、中間である必要は
ない。

（発明の効果）以上述べたように、本発明によれば、ＩｎＰ基板上に直
接ＧａＡｓ導波層が形成された半導体光導波路に比べ、
ＩｎＰ基板とＧａＡｓ導波層の間の界面における転位が
抑えられ、あるいは転位がＧａＡｓ導波層に伝わること
が抑えられ、導波層の結晶欠陥に起因する禁制帯中の深
い単位を低減でき、伝搬損失が低減される。さらに、Ｇ
ａＡｓ導波層とＩ　ｎＧａＡｓ多層膜層との界面として
もより平滑なものが得られるので、界面での散乱も抑え
られ、伝搬損失がさらに低減化される。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）と（ｂ）は本発明の第１の実施例の半導体
光導波路の梢遺図とそのｌ　ｎＧａＡｓ多層膜層２の構
成を示す図、第２図（ａ）と（ｂ）は本発明の第２の実
施例の半導体光導波路の梢遺図とそのＩ　ｎＧａＡｓ多
層膜層２２の構成を示す図である。ｌ・・・ＩｎＰ基板、２・・・Ｉ　ｎＧａＡｓ薄膜から
なる半導体多層膜層、３・・・ＧａＡｓ導波層、４・・
・Ａ　Ｉ　ＧａＡｓクラッド層、ｌ　ｌ　”・Ｉ　ｎｏ
、ｓｓＧ　ａ　ｏ、　４？Ａ　Ｓ薄膜、１２　・・・Ｉ
　ｎ　Ｏ，４４Ｇ　ａ　ｏ、　ａｓＡ　Ｓ薄膜、１３　
・”　Ｉ　ｎ　ｏ、　ｓｓＧ　ａ　ｏ、　ａｓＡ　Ｓ薄
膜、１４　・・・Ｉ　ｎ　（１，２４Ｇ　ａ　Ｏ，？４
Ａ　８薄膜、１５””　Ｉ　ｎｏ、＋ｓＧ　ａ　ｏ、　
ｓ２Ａ　Ｓ薄膜、１６　”・Ｉ　ｎ　（１，ａｅＧ　ａ
　ｏ、　ａｓＡ　８薄膜、２１　・・・Ｉ　ｎ　Ｐ基板
、２２−ＩｎＧａＡｓ薄膜からなる半導体多層膜層、２
３・・・ＧａＡｓ導波層、２４・・・ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層、３１・・・Ｉ　ｎｏ、５ｓｃａｏ、ｔｔＡｓｔ
ｖＪｌｌ［，３２・”ｌｎｏ、２ａＧ　ａ　ｏ、　？４
Ａ　８薄膜、３３＝ＧａＡｓ薄膜、３４　・・・Ｉ　ｎ
　（１，２４Ｇ　ａ　０．７４Ａ　Ｓ薄膜、３５＝Ｇａ
Ａｓ薄膜。（ａ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＩｎＰ基板上に、組成比の異なる２層以上のＩｎ
ＧａＡｓ薄膜より構成されるＩｎＧａＡｓ半導体多層膜
層が積層され、前記ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜上にＧａ
Ａｓ導波層が積層されていることを特徴とする半導体光
導波路。
（２）前記ＩｎＧａＡｓ多層膜層が、前記ＩｎＰの格子
定数と前記ＧａＡｓの格子定数のあいだの格子定数を有
する複数のＩｎＧａＡｓ薄膜が格子定数の大きいものか
ら順に積層された構造であることを特徴とする請求項１
に記載の半導体光導波路。
（３）前記ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜層が、ＩｎＰと格
子整合するＩｎＧａＡｓ薄膜とＩｎＰの格子定数とＧａ
Ａｓの格子定数の中間の格子定数を有するＩｎＧａＡｓ
薄膜とが交互に２層以上積層された第１の多層膜層と、
ＩｎＰの格子定数とＧａＡｓの格子定数の中間の格子定
数を有する前記ＩｎＧａＡｓ薄膜とＧａＡｓ薄膜とが交
互に２層以上積層された第２の多層膜層とにより形成さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光導
波路。