JPH04177783A

JPH04177783A - 半導体素子

Info

Publication number: JPH04177783A
Application number: JP2304406A
Authority: JP
Inventors: Kumiko Kaneko; 久美子金子; Yuichi Handa; 祐一半田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-11
Filing date: 1990-11-11
Publication date: 1992-06-24

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、半導体レーザ、半導体光増幅器、受光素子な
どとして用いられる半導体素子に関し、特に、端面ない
し表面が２種類以上の組成の混合物の誘電体薄膜層被葭
された半導体素子に関する［従来の技術］現在、半導体素子は小型、高効率薄の特徴を有し、各種
の応用が進展し、多目的に利用されている。この半導体
素子の光入出力面に誘電体膜を形成し、保護膜、高反射
膜、あるいは反射防止膜（Ａ　Ｒ）として用いられると
、半導体レーザでは高出力化、長刀白化等が得られたり
、受光素子においては、受光効率が向上したり、あるい
は半導体光増幅器においては特性向上が得られる等、半
導体素子全般に重要である。

この中で半導体光増幅器は、将来の光フアイバー伝送や
光データ処理のデバイスとして有望視されている。

この半導体光増幅器は活性層を含む半導体レーザ構造を
有し、その光入出力面に反射防止膜（ＡＲ）コーティン
グを施すことによって、電流注入により高い内部ゲイン
を与えた場合にもレーザ発振が押えられるような構造を
している。このＡＲココ−ィングの良否は半導体光増幅
器の性能を左Ｙｉシ、入力波長スペクトルに対するゲイ
ンの増１）夫（ゲインリップル）を押えるには／＼Ｒを
低く押える必要がある。ゲインリップルを２　ｄ　Ｂと
した場合の穿、−通過ゲインＧとＡ　Ｒ反射率Ｉ（との
条件はＧＲ＜０．１で与えられる。例えばゲイン２０　ｄ　Ｂとした場合の
反射率はＲ≦０．１％となる。

反射率を低減し、波長に対するゲインリップルを解消し
た光増幅器は多波長多重化信号の光増幅に有用であり、
進行波型光増幅器と称される。

ＡＲの手段として、通常、光入出力面に所望の屈折率を
有する誘電体膜なん／４（えは光波長）の厚さで形成し
ている。所望の屈折率は、用いる半導体材料、導波路構
造で異なるが、ＧａＡｓ／Ａ１ＧａＡｓ系のレーザにお
いては最適屈折率の値ばおよそｎミ１．８４である。

この半導体光増幅器の光入出力面にＡＲココ−ィングを
形成する方法としては、Ｔ　ｉｏ　２　、Ｚ　ｒ０２、
Ｍ（ｚＯ等の酸化物、ＡｌＮ、ＳＬ＋ｉＮ４等の窒化物
をスパッタ法、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法、プラズマＣ
ＶＤ法等の真空蒸着法により、単層膜、２層膜あるいは
それ以上の多層膜として形成する方法がある。

例えば、ＳｉＯをＥ　Ｂ蒸着により、制御して１層のＡ
Ｒを作製したり、１層目にＺｎＳを形成し２層目にＭ　
ｇ　Ｆ　２を形成し２層構造ΔＲを形成したりする方法
がある。

［発明が解決しようとしている課題］しかしながら、上記従来例では以下のような問題点があ
った。

１つの材料により形成する単層膜については、半導体素
子に対応した低反射率になるような屈折率を持つ材料が
ない。また、その屈折率に近い材料を使用し、加熱、酸
素導入等によって所望の屈折率を得ようとするが、不均
質であったり、制御範囲が限定される等により安定した
作製条件を維持するのが難しい。

また、２層あるいは多層構造にすると、半導体光増幅器
に対応させて低反射率になるように設計することが出来
るが、各層の膜厚制御が非常に厳しくなり、再現性も困
難である。このように、半導体素子に適した屈折率で作
製条件、膜厚制御を容易に実現しようとするのは非常に
難しい課題であ−っだ。

従って、本発明の目的は、この課題に鑑み、半導体素子
に適した屈折率で作製条件、膜厚制御が再現性よ（実現
出来るような構成を有する半導体素子を提供することに
ある。

［課題を解決する為の手段］上記目的を達成する本発明による半導体素子においては
、半導体素子の少な（とも１つの端面ないし表面（例え
ば光入出力面）に誘電体薄膜層を設け、その誘電体薄膜
層が２種類以上の組成の混合物であることにより、容易
に半導体素子に適した屈折率で膜厚制御が再現性よく誘
電体薄膜層を形成することができ、半導体素子の性能を
、その素子の機能に合わせて向上させることが出来る。

特に本発明では、半導体素子に適した屈折率を制御出来
るので、半導体素子の端面に反射防止膜（ＡＲ）、反射
膜、保護膜などとして誘電体薄膜層を適切に形成でき、
例えば半導体レーザ、半導体光増幅器、フォトディテク
タ等の実現に有効である。

［実施例］以下に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１実施例の特徴を良（表わす図面で
あり、同図において、１は半導体基板、２は半導体基鈑
端面に形成したＺ　ｒ　Ｏ２＋　Ａ　１□０３薄膜層を
示す。本実施例において、基板１ばｎ型ＧａＡｓ結晶基
板とし、５〜８はＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤで形成した
エビ層である。５はＰ”　ＧａＡｓキャップ層、６ばｎ
型Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ、　ｓクラッド層、７はＧａＡｓ
活性層、８はＰ型Ａ　Ｉ　ＧａＡｓクラッド層、３．４
はＡｕ電極である。

本実施例では半導体基板］−の光入出力面に、Ｚｒ　Ｏ
２＋　Ａ　ｌ□０３薄膜層２をん／４の膜厚となるよう
にモニターを行ない、ＥＢ蒸着等の真空蒸着法により、
ＡＲココ−ィングの形成をした。

第２図は。活性層７厚０．１μｍとした場合の増幅され
る光の波長（’Ｊ、８：３ｇｍにおける導波路の反射率
とＡＲ２の膜厚の関係を示している。各グラフはパラメ
ーターとして、屈折率ｎを１゜７８〜１．９０とした場
合を示している。これから薄膜層２の屈折率としてｎ＝
１．７８〜１．９０とすれば、はぼ０．１％の反射率を
実現することが可能であることが分かる。

第３図はＺｒ０ｚ＋Ａ］−ｚｏ３の混合比（ｗｔ％）と
屈折率との関係を示している。このグラフより、Ｚ　ｒ
　０２　＋　Ａ　１．２０３膜２の屈折率ｎが１．７８
〜１．９０である範囲はＺｒＯｚ４ｗｔ％−−Ｚ　ｒ　
Ｏ２８ｗ　ｔ％が最適であり、Ｚｒ０ｚ　２ｗｔ％〜Ｚ
ｒＯ２１５ｗｔ％であれば作製条件を変えることによっ
て屈折率の制御が可能であることが分かる。

本実施例は、混合物の少なくとも１種類が酸化物である
例である。

次に本発明の第２実施例を説明する。

本実施例は第１実施例と同様な半導体基板を用いている
。この半導体基板の光入出力面にΔＩＮ＋ＡｌｚＯＪ薄
膜層を２．／４の膜厚となるようにモニターを行ない、
ＥＢ蒸着等の真空蒸着法にｊ：すＡＲココ−ィングを形
成した。

第４図はＡｌＮ十八１へ０３の混合比（ｗｔ％）と屈折
率との関係を示している。このグラフより、Δ］、　Ｎ
　＋　Ａ　ｌ　２０３の屈折率ｎが１．７８−１９．０
である範囲はＡ　１．　Ｎ　７　ｗ　ｔ；％−ＡｌＮ２
５　ｗｔ％が最適であり、またＩ−’１１　Ｎ　ｌ　ｗ
　ｔ％〜Ａ１、　Ｎ　３５　ｗ　ｔ％であれば作製条件
を変えることによって屈折率の制御が可能であることが
分かる。

本実施例は、混合物の少な（とも１種類が窒化物である
例であり、構造は第１図と実質的に同じである。

このＡＲココ−ィングを光入出力面の片側に形成した半
導体素子は半導体レーザとして使用できる。また、上記
実施例でば、Ｚ　ｒ　Ｏ２→−Ａ１□Ｏｓ　、ＡｌＮ＋
Ａ１２０３の組み合わせを示したが、酸化物や窒化物を
含まない組み合わせなど、これ以外の組み合わせでも良
い。材料の屈折率ｎが１．８４より高いものをＡ群とし
、例えばＴｉＯ２、Ｌａｚ　　Ｏ３、Ｎ１）２　０３　
　、　　ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、　　Ｓｉ　　３
　Ｎｄ　　、　　Ｚｎ５ｅ、　ＰｒｚＯ：＋、５ｒＯ１
Ｇｄ２０３　、Ｓｒｒ＋ｚ　０３等があり、屈折率ｎが
１．８４より低いものをＢｎとし、例えばＡＬａＯ：＋
、ＳｉＯ２，Ｙ＊０３．ＭｇＦ、！、ＣｅＦａ　、Ｍｇ
Ｏ，ＮｄＦ２　ＰｂＦ２等があり、これらＡ群、Ｂ群の
組み合わせで屈折率が１゜７８〜１．９０になる組成比
であればいずわでもよ１ハ。イ列えば、ＺｒＯ，！十Ｙ
２Ｏ３であれば、その時のＺ　ｒ　０２の組成比が５　
ｗ　ｔ％〜５０ｗｔ％が制御範囲であり、Ｔ　ｉ　Ｏ□
＋、へ１０゜の組み合わせでばＴｉＯ□の組成比が１０
ｗｔ％〜５０ｗｔ％等でも良い。

第５図は本発明による半導体素子を外部共振器型レーザ
に用いた例を示す。本実施例においてはＡＲココ−ィン
グ１０は片面のみとし、他面はん／２コーティングある
いはノンコートである。

この片面ＡＲ半導体増幅器１１の作製プロセスは上記実
施例と全く同じである。外部共振器レーザは前後の結合
レンズ１２、Ｉ３、光増幅器１１、反射ブレーズドグレ
ーティング１４から構成され、グレーティング】４への
光波の入射角を変えることによって発振波長を選択する
ことができる。通常のＧ　ａ　Ａ　ｓ活性層を用いるこ
とで波長選択幅２０　ｎ　ｍ以上を達成し、かつ５ｍＷ
以上の高出力動作が安定して行なわれる。

第６図は本発明による半導体素子を半導体光増幅器に用
いて波長多重送受信システムに適用した例を示す。本実
施例においてＡＲココ−ィングは両面に形成されている
。

この半導体光増幅器はゲインリップルの測定によりＡＲ
ココ−ィングの反射率０．１％以下であることが分かっ
た。半導体光増幅器を閾値電流より少し小さい定電流注
入状態とし、外部からレンズ或は光ファイバによって光
波を人力させ半導体光増幅器に結合させることにより、
増幅光波を得ることができる。こうして内部ゲイン２０
〜３０ｄＢを達成している。

第６図は上記半導体光増幅器を波長多重送受信システム
に適用した場合のシステム概念図である゜同図において
、２０は上記の光増幅器、２Ｊば送信部、２２は受信部
、２３．２４は夫々合波、分波器、２５は伝送光ファイ
バである。こうした構成により、波長８３０ｎｍ及び８
４０ｎｍの信号を多重化し、光増幅器２０で高ゲイン、
低リップルで増幅し、１００　Ｍ　ｂ　ｐ　ｓ以上の伝
送速度でクロストークのない信号の授受が可能となる。

以上により、２種類以上の組成の混合物により形成した
薄膜層を採用することにより、高い光出力においても増
幅動作を安定に行なうことが出来るＡＲココ−ィングを
有する半導体光増幅器を構成できることが分かった。

以上は基板に垂直な端面に本発明を適用する例について
述べた。基板と平行な表面、例えばＳｉ受光素子の集積
デバイスの一部や面発光型の発光素子、先導波路の人出
力部などの光入出力部に本発明を実施しても同様の効果
が得られることは言うまでもない。

［発明の効果１以上説明した様に、本発明によれば、半導体素子の少な
くとも１つの端面ないし表面に誘電体薄膜層を設け、そ
の薄膜層が２種類以上の組成の混合物であることにより
、容易に半導体素子に適した屈折率で、作製条件、膜厚
制御が再現性よく上記薄膜層を形成することができ、各
種の半導体素子の性能を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の断面図、第２図はＡＲコ
コ−ィングの反射率と膜厚と屈折率の関係を示すグラフ
、第３図は誘電体薄膜の混合物の混合比と屈折率の関係
を示すグラフ、第４図は他の混合物の混合比と屈折率の
関係を示すグラフ、第５図は本発明の半導体素子を外部
共振器型レーザに用いた例を示す図、第６図は本発明の
半導体素子を半導体光増幅器に用いた例を示す図である
１・・・・−半導体基板、２．１０・・・・・誘電体薄
膜層、３．４・・・・・電極、５〜８・・・・・エビ層
、１１．２０・・・・・半導体光増幅器、１２．１３・
・・・・結合レンズ、１４・・・・・ブレーズドグレー
ティング、２１・・・・−送信部、２２・・・・・受信
部、２３・・・・・合波器、２４・・・・・分波器、２
５・・・・・伝送光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】１、半導体素子の少なくとも１つの面が誘電体薄膜で被
覆されており、その誘電体薄膜が２種類以上の組成の混
合物であることを特徴とする半導体素子。２、前記誘電体薄膜は半導体素子の光入出力面を被覆し
ている請求項１記載の半導体素子。３、前記誘電体薄膜が少なくとも１種類は酸化物である
請求項１又は２記載の半導体素子。４、前記誘電体薄膜が少なくとも１種類は窒化物である
請求項１又は２記載の半導体素子。５、前記誘電体薄膜は酸化物、窒化物を含まない請求項
１又は２記載の半導体素子。６、前記誘電体薄膜がＺｒＯ＿２＋Ａｌ＿２Ｏ＿３から
なり、ＺｒＯ＿２の組成比が２ｗｔ％〜１５ｗｔ％であ
る請求項１又は２記載の半導体素子。７、前記ＺｒＯ＿２の組成比が４ｗｔ％〜８ｗｔ％であ
る請求項６記載の半導体素子。８、前記誘電体薄膜がＡｌＮ＋Ａｌ＿２Ｏ＿３からなり
、ＡｌＮの組成比が１ｗｔ％〜３５ｗｔ％である請求項
１又は２記載の半導体素子。９、前記ＡｌＮの組成比が７ｗｔ％〜２５ｗｔ％である
請求項８記載の半導体素子。１０、前記誘電体薄膜がＺｒＯ＿２＋Ｙ＿２Ｏ＿３から
なり、ＺｒＯ＿２の組成比が５ｗｔ％〜５０ｗｔ％であ
る請求項１又は２記載の半導体素子。１１、前記誘電体薄膜がＴｉＯ＿２＋ＡｌＯ＿２からな
り、前記ＴｉＯ＿２の組成比が１０ｗｔ％〜５０ｗｔ％
である請求項１又は２記載の半導体素子。