JPH04369269A - 光集積回路の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の吸収，反射を低減
した高性能モノリシック光集積回路の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体モノリシック光集積回路は、少な
くとも２つの半導体光素子を同一基板上に集積した構成
を有している。個々の半導体光素子は受動素子でも良い
が、他の光集積回路、例えば石英基板上に構成した光集
積回路に比較した場合、半導体光集積回路では、能動素
子をモノリシックに集積できる点が大きな特長となって
いる。ここで、受動素子とは、導波路，フィルタ，変調
器等であり、能動素子とは、レーザ，光増幅器等である
。前者は、集積回路中を走る信号光に対してできるだけ
透明である必要があるため、使用される半導体材料の禁
制帯幅エネルギは、信号光エネルギより大きく取られる
。これに対して後者は、電子系から光信号系にエネルギ
を渡す必要があり、使用される半導体材料の禁制帯幅エ
ネルギは信号光エネルギの近傍に取られる。したがって
受動素子と能動素子とを含むモノリシック光集積回路を
製作するためには、禁制帯幅エネルギの異なる材料を同
一基板上に形成し、両者の間で光を結合させる必要があ
る。

【０００３】従来より、禁制帯幅エネルギの異なる材料
を同一基板上に形成する第１の方法は、突き合わせ結合
法（バットジョイント法）と呼ばれる方法で、半導体基
板の面に平行な方向で光結合を行う。この方法をレーザ
と導波路との集積を例として図７に断面構造で示す。図
において、基板４に共通クラッド層３，レーザ活性層１
１，レーザクラッド層３１を成長させた後、突き合わせ
結合部２でメサ加工によりレーザ活性層１１，レーザク
ラッド層３１の一部を取り除き、レーザ活性層１１と異
なる禁制帯幅エネルギをもつ導波路コア層１２次いで導
波路クラッド層３２を埋め込み成長する。

【０００４】また、第２の方法は、図８に示すように１
本の連続した導波路のコア部に近接させて能動素子を配
置し、半導体基板面に垂直な方向で光結合を行う方法で
ある。この場合には、クラッド層３を介して導波路コア
層１２，レーザ活性層１１を順次成長した後、レーザ活
性層１１，レーザクラッド層３１の一部をエッチングに
より取り除く。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た第１の方法によると、突き合わせ結合部２で禁制帯幅
、したがって屈折率が急峻に変化するので、結合部２で
の反射並びに散乱を低減することが困難である。また、
再成長を行う際にクラッド層３の一部がマストランスポ
ート現象により突き合わせ結合部２の導波路コア部に輸
送され、結合効率を著しく低下させる等の問題があった
。さらに前述した第２の方法によると、導波路コア部か
ら染み出すエバネセント光を介して光結合を実現するた
め、強い結合が得られないという問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、反射，散乱の極めて少ない突き合わ
せ結合を、再成長を行うことなく実現するために量子井
戸構造を用い、かつこの量子井戸構造の実効禁制帯幅エ
ネルギが予め半導体基板上に形成しておいた選択成長マ
スクの形状により、制御可能であることを利用するもの
である。

【０００７】

【作用】一般に酸化膜あるいは　窒化膜を選択成長マス
クとした有機金属気相成長法等においては、選択成長マ
スク上に飛来した原料分子の一部は再度気相中に脱離す
るが、残りは分解し、あるいは未分解のままマスク上を
拡散し、マスクで覆われずに半導体基板が現れている部
分に到達してエピタキシャル成長に寄与する。したがっ
て供給量を空間的に一様に保つと、成長領域の近傍にマ
スクがある場合は無い場合に比べて主にＩＩＩ族元素の
供給量が多くなるため、厚い半導体層が成長する。また
、混晶組成もマスクの存在により影響を受け、例えばＩ
ｎｘＧａ１−ｘＡｓ混晶の組成Ｘは大きくなる。これら
の効果は、マスクまでの距離が小さく、マスクの面積が
大きいほど大きくなる。一方、量子井戸構造の実効禁制
帯幅エネルギは、井戸層と障壁層のそれぞれの禁制帯幅
エネルギと厚さに依存するが、主として井戸層の禁制帯
幅エネルギと厚さに依存する。例えば井戸層の厚さの増
大とともに低エネルギとなる。したがって選択成長マス
クを施した基板上に有機金属気相成長法等により量子井
戸構造を成長させれば、主として井戸層の禁制帯幅エネ
ルギと井戸層厚の面内分布により、量子井戸構造の実効
禁制帯幅エネルギが異なる領域を同一基板上に１回の成
長のみで形成できる。また、分子線エピタキシー法では
、拡散距離は、有機金属気相成長法等に比べて拡散距離
が小さいが、分子線エピタキシー法の一種であるマイグ
レーションエンハンストエピタキシー法等を用いれば表
面拡散が促進され、上記の作用が利用できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。

【０００９】（実施例１）図１に本発明の第１の実施例
を多重量子井戸（ＭＱＷ）レーザとＭＱＷ光導波路の集
積を例として示す。この組み合わせの集積素子は、極短
パルス発生等の応用が期待されているモードロックレー
ザの基本構造であるが、レーザと導波路の接続部での反
射の低減が素子特性に大きく影響すると考えられている
。幅および間隔がともに１００μｍで長さが３００μｍ
のストライプ状酸化膜５で部分的に覆われたｎ−ＩｎＰ
基板４上に、まずｎ−ＩｎＰクラッド層を０．１μｍ次
いで５〜７ｎｍのＩｎＧａＡｓを井戸層とし波長１．３
μｍ相当のＩｎＧａＡｓＰ１０ｎｍを障壁層とする量子
井戸構造６層からなる活性層，波長１．３μｍ相当のＩ
ｎＧａＡｓＰガイド層０．１μｍ，最後にｐ−ＩｎＰ上
部クラッド層を１μｍ成長させた。成長厚さはいずれも
選択マスクパターンが無い基板上もしくは選択マスクパ
ターンから十分に離れた場所において得られる値である
。この構造では、量子井戸構造部分をコアとし、ＩｎＰ
をクラッドとする導波路が形成されている。酸化膜５で
囲まれた領域６と回りに酸化膜５の無い領域７を結ぶ線
上の各点でフォトルミネッセンス測定を実施し、禁制帯
幅エネルギに対応するピーク波長を示したのが図２であ
る。図２から明かなように１００μｍの範囲内でピーク
波長は１．５４μｍから１．４８μｍに滑らかに変化し
ている。屈折率も同様な傾向を示した。遷移領域の長さ
はストライプ状酸化膜５の間隔にほぼ比例して小さくな
った。すなわち１回の成長で基板面内方向に滑らかに接
続する導波路構造が得られた。

【００１０】酸化膜５の幅と間隔をともに１０μｍとし
、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層を成長後、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰオーミック接触層を成長し、領域６から領域７の方
向に幅４μｍのリッジ導波路８を形成し、全長約２ｍｍ
の導波路付ＭＱＷレーザを製作した。レーザの閾値電流
は１０ｍＡであり、接合部での反射に起因する複合キャ
ビティ効果は見られず、また、同一ウエハ上の各素子間
でのばらつきも極めて少ない等本発明の集積化法が有効
であることが示された。

【００１１】（実施例２）２つの領域の禁制帯幅エネル
ギは、ストライプ状酸化膜５の間隔で調整することが可
能である。これを図３に示す。図において、領域９は、
領域１０に対して小さい禁制帯幅エネルギを持つので、
領域９にＭＱＷレーザ，領域１０にＭＱＷ光導波路を構
成できる。

【００１２】（実施例３）図４に示すようにストライプ
状酸化膜５の間隔は一定とし、幅を変えることによって
も同様の効果を期待できる。この場合は、領域１１は領
域１２に対して大きい禁制帯幅エネルギを持つので、領
域１１にＭＱＷ光導波路，領域１２にＭＱＷレーザを構
成できる。

【００１３】（実施例４）本発明の実施例４は、酸化膜
５に代えて図５に示すように微細な酸化膜のラインアン
ドスペースパターン１３，１４を施す方法である。拡散
距離がラインアンドスペースのピッチに比べて十分大き
い場合は、第１の実施例と同様な効果が期待できる。領
域１５，１６の実効禁制帯幅エネルギは、ラインアンド
スペースのスペースファクタに依存し、本実施例では、
ラインアンドスペースパターン１３のスペースファクタ
の方がラインアンドスペースパターン１４のそれより大
きいので、領域１５の方が領域１６より小さい禁制帯幅
エネルギとなる。したがって領域１５にＭＱＷレーザ，
領域１６にＭＱＷ光導波路を構成できる。

【００１４】以上の実施例では、ＭＱＷレーザとＭＱＷ
光導波路の集積を例としたが、他の能動素子，受動素子
でも良いことは言うまでもない。

【００１５】（実施例５）実施例４において、拡散距離
がラインアンドスペースのピッチ並びに領域１５あるい
は　領域１６の幅と同程度の場合には、領域１５あるい
は　領域１６の実効禁制帯幅エネルギはラインアンドス
ペースの周期で変調を受けた構造となる。分子線エピタ
キシー法のように拡散距離が短い場合には、光学グレー
ティングの周期に近い構造が可能であり、１回の成長の
みで光導波路の一部にグレーティングフィルタを集積で
きる。

【００１６】（実施例６）本発明の第６の実施例では、
図６に示す選択マスクを用いる。この場合には、領域１
７は領域１８の方向に向かって徐々に実効禁制帯幅エネ
ルギが大きくなる構造が得られる。このような構造は、
スーパールミネッセントダイオードの発光波長幅の拡大
に極めて有効である。領域１８は領域１７を導波する光
に対して透明であるから、導波路付スーパールミネッセ
ントダイオードが１回のエピタキシャル成長で得られる
。

【００１７】また、前述した実施例において、ＩｎＰ基
板の全面に形成された絶縁膜とＩｎＰ基板との間に同じ
く全面にＩｎＧａＡｓの薄層（例えば５０ｎｍ以下）を
設け、絶縁膜のフォトリソグラフィ後、そのエッチング
ダメージを受けているＩｎＧａＡｓ層を除去することに
より、ダメージフリーなＩｎＰ表面を露出させることに
より高品質な選択成長層を形成することができる。

【００１８】なお、前述した実施例においては、ＩｎＧ
ａＡｓＰ系材料を例として説明したが、ＧａＡｌＡｓ系
，ＩｎＧａＡｌＡｓ系でも同様な効果が得られることは
言うまでもない。また、絶縁膜としては、酸化膜，窒化
膜等の選択成長マスクになる材料であれば何でも良い。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、再
成長を行うことなく、１回の成長で能動素子と受動素子
を接続・集積化することが可能となるので、製作工程が
簡略化されて歩留まりが高く、さらに接続部の屈折率が
滑らかに変化させることができるので、反射，散乱損失
を少なく保ったまま、多数の素子の集積化が容易となる
等の極めて優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光集積回路の製造方法の第１の実
施例を説明する図である。

【図２】第１の実施例における禁制帯幅エネルギの変化
の実測例を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例を説明する図である。

【図４】本発明の第３の実施例を説明する図である。

【図５】本発明の第４の実施例および第５の実施例を説
明する図である。

【図６】本発明の第６の実施例を説明する図である。

【図７】従来の光集積回路の製造方法の第１の方法を説
明する図である。

【図８】従来の光集積回路の製造方法の第２の方法を説
明する図である。

【符号の説明】

１１　　　レーザ活性層 １２　　　導波路コア層 ２　　　　突き合わせ結合部 ２１　　　結合光 ３　　　　クラッド層 ３１　　　クラッド層 ３２　　　クラッド層 ４　　　　基板 ５　　　　酸化膜 ６　　　　禁制帯幅エネルギが小となる領域７　　　　
禁制帯幅エネルギが大となる領域８　　　　リッジ型導
波路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁膜により選択成長マスクが形成さ
   れた半導体基板上に行う選択エピタキシャル成長におい
   て、前記選択エピタキシャル成長層に少なくとも１層の
   量子井戸構造を含み、前記選択成長マスクとして平行に
   配置された２本のストライプ状絶縁膜を１組として基本
   マスクを構成し、前記基本マスクと選択成長マスクの無
   い領域との組み合わせを用いることを特徴とする光集積
   回路の製造方法。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記絶縁膜の幅と
   間隙の一方が異なる少なくとも２つの基本マスクを間隙
   の中心線を一直線上に配置した組み合わせを用いること
   を特徴とする光集積回路の製造方法。
3. 【請求項３】　　請求項１において、前記絶縁膜の幅と
   間隙の両方が異なる少なくとも２つの基本マスクを間隙
   の中心線を一直線上に配置した組み合わせを用いること
   を特徴とする光集積回路の製造方法。
4. 【請求項４】　　請求項１において、前記絶縁膜が複数
   の微細絶縁膜ストライプで形成され、前記微細絶縁膜ス
   トライプのラインアンドスペースが異なることを特徴と
   する光集積回路の製造方法。
5. 【請求項５】　　請求項１において、前記絶縁膜が間隙
   間の対向距離が異なる非平行配置した組み合わせを用い
   ることを特徴とする光集積回路の製造方法。
6. 【請求項６】　　請求項１〜請求項５のいずれかにおい
   て、前記半導体基板上にＩｎＧａＡｓ層を有する基板を
   用い、前記ＩｎＧａＡｓ層を選択エッチングする工程を
   選択エピタキシャル成長工程の前に設けたことを特徴と
   する光集積回路の製造方法。