JPH05110208A - Semiconductor optical wave guide and its production - Google Patents
Semiconductor optical wave guide and its productionInfo
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- JPH05110208A JPH05110208A JP29386791A JP29386791A JPH05110208A JP H05110208 A JPH05110208 A JP H05110208A JP 29386791 A JP29386791 A JP 29386791A JP 29386791 A JP29386791 A JP 29386791A JP H05110208 A JPH05110208 A JP H05110208A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、低損失でかつ微小なス
ポットサイズを有する半導体光導波路およびその製造方
法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical waveguide having a low loss and a minute spot size, and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】化合物半導体の選択成長を用いた低損失
光導波路に関しては、既にその伝搬特性が報告（小松
他，１９９１年電子情報通信学会秋季大会予稿 Ｃ−１
３２）されており、この光導波路の製作方法は、半導体
光導波路の低損失化技術の一つとして重要である。2. Description of the Related Art Propagation characteristics of low-loss optical waveguides using selective growth of compound semiconductors have already been reported (Komatsu et al., 1991 Autumn Meeting of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers C-1).
32), and this method of manufacturing an optical waveguide is important as one of the techniques for reducing the loss of a semiconductor optical waveguide.
【０００３】図４は従来の選択リッジ成長ＩｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＰ光導波路の構成を示す斜視図である。同図に
おいて、１は（１００）ｎ−ＩｎＰ基板、２はｎ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ導波層、３はｎ−ＩｎＰクラッド層、４は選
択成長したｎ−ＩｎＰクラッド層、５はＳｉＯ2 マスク
である。また、６は選択成長によるリッジ側面であり、
（１１１）面である。７は選択成長したリッジ構造であ
る。FIG. 4 shows a conventional selective ridge growth InGaAs.
It is a perspective view which shows the structure of a P / InP optical waveguide. In the figure, 1 is a (100) n-InP substrate and 2 is n-In.
A GaAsP waveguide layer, 3 is an n-InP cladding layer, 4 is a selectively grown n-InP cladding layer, and 5 is a SiO 2 mask. Further, 6 is a ridge side surface by selective growth,
It is the (111) plane. Numeral 7 is a ridge structure selectively grown.
【０００４】このような選択成長によるリッジ構造７で
は、リッジ側面６が平滑な（１１１）結晶面となり、エ
ッチングなどによってリッジ構造を形成した場合に比べ
て散乱損失を低減することが可能となり、低損失光導波
路を実現することができる。In the ridge structure 7 formed by such selective growth, the ridge side surface 6 becomes a smooth (111) crystal face, and scattering loss can be reduced as compared with the case where the ridge structure is formed by etching or the like, which is low. A lossy optical waveguide can be realized.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た（１１１）面６は、（１００）ｎ−ＩｎＰ基板１の表
面に対して約５４度の傾きをもつために（１００）ｎ−
ＩｎＰ基板１の表面と平行な方向の導波光のスポットサ
イズを決定するリッジ構造７の幅を一定値以上に細くす
ることができない。例えば基板表面と平行な方向の光閉
じ込めを決定するリッジ構造７の高さを実用上十分と考
えられる１．５μｍとすると、仮に選択成長したリッジ
構造７の上端面の幅を０μｍとした場合でも、この選択
成長したリッジ構造７の下端面の幅は２．１８μｍ以下
にはならない。However, since the (111) plane 6 described above has an inclination of about 54 degrees with respect to the surface of the (100) n-InP substrate 1, (100) n-
The width of the ridge structure 7 that determines the spot size of the guided light in the direction parallel to the surface of the InP substrate 1 cannot be made thinner than a certain value. For example, assuming that the height of the ridge structure 7 that determines light confinement in the direction parallel to the substrate surface is 1.5 μm, which is considered to be practically sufficient, even if the width of the upper end surface of the selectively grown ridge structure 7 is 0 μm. The width of the lower end surface of the selectively grown ridge structure 7 does not become 2.18 μm or less.
【０００６】実際に導波光の基板表面に平行な方向のス
ポットサイズを決定する主要な要因は、この選択成長し
たリッジ構造の下端面であるので、従来の選択リッジ成
長光導波路では、導波光の基板表面に平行な方向のスポ
ットの半値全幅を２μｍ程度以下にすることが不可能で
ある。また、選択成長したリッジ構造の上端面に電圧印
加または電流注入のための金属電極を形成する場合に
は、導波光の基板表面に平行な方向のスポットサイズを
決定する選択成長したリッジ構造の下端面の幅は、さら
に広くなり、基板表面に平行な方向の導波モードが単一
の横モードから複数の横モードがたつ状態になることが
十分に予測される。この単一横モードでない導波状態
は、光導波路デバイスへの応用を考えた場合には、極め
て不適当である。したがってスポットサイズの小さい単
一横モードの光導波路を形成するためには、従来とは異
なる新たな低損失光導波路構造が必要である。Since the lower end surface of the selectively grown ridge structure is the main factor that actually determines the spot size of the guided light in the direction parallel to the substrate surface, in the conventional selective ridge growth optical waveguide, the guided light It is impossible to set the full width at half maximum of the spot in the direction parallel to the substrate surface to about 2 μm or less. When a metal electrode for voltage application or current injection is formed on the upper end surface of the selectively grown ridge structure, the spot size of the guided light parallel to the substrate surface is determined. The width of the end face becomes wider, and it is sufficiently predicted that the guided mode in the direction parallel to the substrate surface changes from a single transverse mode to a plurality of transverse modes. This guided state that is not a single transverse mode is extremely unsuitable when considering application to an optical waveguide device. Therefore, in order to form a single transverse mode optical waveguide having a small spot size, a new low loss optical waveguide structure different from the conventional one is required.
【０００７】したがって本発明は前述した従来の課題を
解決するためになされたものであり、その目的は、微小
なスポットサイズを有する低損失な選択リッジ成長光導
波路を実現可能とした半導体光導波路およびその製造方
法を提供することにある。Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to realize a semiconductor optical waveguide and a low loss selective ridge growth optical waveguide having a minute spot size. It is to provide the manufacturing method.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、化合物半導体の｛１１１｝面をもつ
基板上にストライプ状の間隙をもつ選択成長用マスクを
用いてその間隙部分に光導波路用単結晶膜を側面を基板
面に対して垂直に選択成長させた構造を有している。In order to achieve such an object, the present invention uses a mask for selective growth having a stripe-shaped gap on a substrate having a {111} plane of a compound semiconductor, and the gap portion thereof is used. In addition, it has a structure in which a single crystal film for an optical waveguide is selectively grown with its side surface perpendicular to the substrate surface.
【０００９】[0009]
【作用】本発明における半導体光導波路は、選択成長に
よって形成したリッジ構造の側面が基板表面に対して垂
直となる。この選択リッジ構造により、従来不可能であ
ったような微小なスポットサイズを有する選択成長リッ
ジ光導波路が実現可能となる。また、リッジ側面が平滑
な選択成長界面を有するので、低損失な光導波路の形成
が可能となる。In the semiconductor optical waveguide of the present invention, the side surface of the ridge structure formed by selective growth is perpendicular to the substrate surface. This selective ridge structure makes it possible to realize a selectively grown ridge optical waveguide having a minute spot size, which has been impossible in the past. Moreover, since the side surface of the ridge has a smooth selective growth interface, it is possible to form an optical waveguide with low loss.
【００１０】[0010]
【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。 （実施例１）図１は本発明による半導体光導波路の一実
施例による構成を示す斜視図である。同図において、
（１１１）面をもつＩｎＰ基板９上に、ＩｎＧａＡｓＰ
からなる光導波層１０とＩｎＰからなるクラッド層１１
とを順次成長した後、ストライプ状の間隙をもつ選択成
長用ＳｉＯ2 マスク１３を形成し、その間隙の部分にＩ
ｎＰからなるクラッド層１２をリッジ形状として選択成
長した構造を有している。なお、１４は選択成長したリ
ッジ側面で（０ バー１ １）面、１５は選択成長したリ
ッジ側面で（０ １ バー１）面、１６は選択成長したリ
ッジ構造、１７は導波光のフィード分布である。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an embodiment of a semiconductor optical waveguide according to the present invention. In the figure,
On the InP substrate 9 having the (111) plane, InGaAsP
Optical waveguide layer 10 made of InP and clad layer 11 made of InP
After sequentially growing and, a SiO 2 mask 13 for selective growth having a stripe-shaped gap is formed, and I is formed in the gap.
It has a structure in which the cladding layer 12 made of nP is selectively grown in a ridge shape. In addition, 14 is a (0 bar 1 1) plane on the side surface of the selectively grown ridge, 15 is a (0 1 bar 1) plane on the side surface of the selectively grown ridge, 16 is a ridge structure selectively grown, and 17 is a feed distribution of guided light. is there.
【００１１】このように構成された選択成長リッジ構造
１６は、その側面が極めて平滑な（０ バー１ １）面１
４と（０ １ バー１）面１５とを有しており、これらの
結晶面は（１１１）面をもつＩｎＰ基板９の表面に対し
て垂直となる。この選択成長したリッジ形状の幅は、選
択成長用ＳｉＯ2 マスク１３に形成した間隙部の幅によ
って制御することができ、リッジ構造の幅は（１１１）
面をもつＩｎＰ基板９の表面に垂直な方向に対して一定
値となる。選択成長用ＳｉＯ2 マスク１３に形成した間
隙部の幅は、フォトリソグラフィーにより１μｍ以下に
まで細くすることが十分に可能である。したがって本実
施例の選択リッジ成長したＩｎＰクラッド層１２をもつ
光導波路を用いれば、微小なスポットサイズをもつ低損
失な単一横モード光導波路を実現することができる。The selectively grown ridge structure 16 thus constructed has a (0 bar 11) plane 1 whose side surface is extremely smooth.
4 and the (O 1 bar 1) plane 15, and these crystal planes are perpendicular to the surface of the InP substrate 9 having the (111) plane. The width of the selectively grown ridge shape can be controlled by the width of the gap formed in the selective growth SiO 2 mask 13, and the width of the ridge structure is (111).
It has a constant value in the direction perpendicular to the surface of the InP substrate 9 having a plane. The width of the gap formed on the selective growth SiO 2 mask 13 can be sufficiently reduced to 1 μm or less by photolithography. Therefore, by using the optical waveguide having the InP clad layer 12 on which the selective ridge growth of the present embodiment is applied, a low loss single transverse mode optical waveguide having a minute spot size can be realized.
【００１２】（実施例２）図２は本発明による半導体光
導波路の他の実施例を示す斜視図である。同図におい
て、（１１１）面をもつＩｎＰ基板１８上にＩｎＰから
なるクラッド層を予め成長した後、ストライプ状の間隙
をもつ選択成長用ＳｉＯ2 マスク２１を形成し、その間
隙部分にＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層１９と、Ｉｎ
Ｐからなるクラッド層２０とをリッジ形状として選択成
長した構造を有している。なお、２２は選択成長したリ
ッジ側面で（０ バー１ １）面、２３は選択成長したリ
ッジ側面で（０ １ バー１）面、２４は選択成長したリ
ッジ構造、２５は導波光のフィード分布である。(Embodiment 2) FIG. 2 is a perspective view showing another embodiment of the semiconductor optical waveguide according to the present invention. In the figure, after a clad layer made of InP is preliminarily grown on an InP substrate 18 having a (111) plane, a SiO 2 mask 21 for selective growth having a stripe-shaped gap is formed, and the gap portion is made of InGaAsP. Optical waveguide layer 19 and In
It has a structure in which a cladding layer 20 made of P and a ridge shape are selectively grown. Reference numeral 22 denotes a (0 bar 1 1) plane on the side surface of the selectively grown ridge, 23 is a (0 1 bar 1) plane on the side surface of the selectively grown ridge, 24 is a ridge structure selectively grown, and 25 is a feed distribution of guided light. is there.
【００１３】このように構成された選択成長リッジ構造
２４においてもその側面が極めて平滑な（０ バー１
１）面２２と（０ １ バー１）面２３とを有しており、
これらの結晶面は（１１１）面をもつＩｎＰ基板１８の
表面に対して垂直となる。したがって本実施例に示した
光導波路を用いた場合にも前述した実施例１と全く同様
に微小なスポットサイズをもつ低損失な単一横モード光
導波路を実現することができる。Also in the selective growth ridge structure 24 thus constructed, the side surface thereof is extremely smooth (0 bar 1
1) plane 22 and (0 1 bar 1) plane 23,
These crystal planes are perpendicular to the surface of the InP substrate 18 having the (111) plane. Therefore, even when the optical waveguide shown in this embodiment is used, a low loss single transverse mode optical waveguide having a minute spot size can be realized just as in the above-mentioned first embodiment.
【００１４】（実施例３）図３は本発明による半導体光
導波路の製造方法の一実施例を説明する工程の斜視図で
ある。同図において、まず、図３（ａ）に示すように化
合物半導体の（１１１）面をもつＩｎＰ基板２６上に図
３（ｂ）に示すように例えばＳｉＯ2 などの選択成長用
マスク２７を通常の形成手段によりストライプ状の間隙
部２８をもつようにして形成する。次に図３（ｃ）に示
すように選択成長用マスク２７間の間隙部２８内にスト
ライプ形状を有する光導波路用単結晶膜２９を有機金属
を用いた気相成長技術を用いて選択成長させる。これに
よって平滑な側壁表面をもち、かつ基板表面に対して垂
直な側壁をもつようなリッジ光導波路が容易に形成され
る。(Embodiment 3) FIG. 3 is a perspective view of steps for explaining an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor optical waveguide according to the present invention. In FIG. 3, first, as shown in FIG. 3A, a mask 27 for selective growth such as SiO 2 is usually formed on an InP substrate 26 having a (111) plane of a compound semiconductor as shown in FIG. 3B. Is formed so as to have the stripe-shaped gap 28. Next, as shown in FIG. 3C, an optical waveguide single crystal film 29 having a stripe shape is selectively grown in the gap 28 between the selective growth masks 27 using a vapor phase growth technique using an organic metal. . As a result, a ridge optical waveguide having a smooth side wall surface and a side wall perpendicular to the substrate surface is easily formed.
【００１５】なお、前述した実施例では、光導波層とし
てＩｎＧａＡｓＰを用いた場合について説明したが、光
導波層に例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる
多重量子井戸構造を用いた場合においても、本発明の特
徴を何ら損なわれるものではない。In the above-described embodiment, the case where InGaAsP is used as the optical waveguide layer has been described. It does not hurt anything.
【００１６】また、前述した実施例では、ＩｎＰ系の材
料を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、他の材料、例えばＧａＡｓ系を
用いた場合においても、本発明の特徴は全く同様であ
る。Further, in the above-mentioned embodiment, the case where the InP-based material is used has been described, but the present invention is not limited to this, and when other materials such as the GaAs-based material are used, The features of the present invention are exactly the same.
【００１７】なお、前述した実施例においては、選択成
長用マスクとしてＳｉＯ2 を用いた場合について説明し
たが、この他にＳｉＮ，ＳｉＮx などを用いても良い。In the above-described embodiment, the case where SiO 2 is used as the selective growth mask has been described, but SiN, SiN x or the like may be used instead.
【００１８】さらに前述した実施例では、（１１１）面
をもつＩｎＰ基板上の選択成長リッジ光導波路について
説明したが、本発明の選択成長リッジ光導波路は、他の
｛１１１｝面をもつＩｎＰ基板、例えば（１ バー１ バ
ー１）面をもつＩｎＰ基板を用いた場合にも全く同様の
特徴をもつことは言うまでもない。Further, in the above-mentioned embodiment, the selective growth ridge optical waveguide on the InP substrate having the (111) plane was explained, but the selective growth ridge optical waveguide of the present invention is an InP substrate having another {111} plane. Needless to say, even when an InP substrate having a (1 bar 1 bar 1) plane is used, the same characteristics are obtained.
【００１９】また、本発明に係わる光導波路では、選択
成長したリッジ構造を１μｍ程度にまで細くできる上に
その側面が基板表面に対して垂直であるので、少なくと
も２本の本実施例の光導波路を互いに平行に配置するこ
とによって結合長の短い方向性結合器を構成することが
可能である。Further, in the optical waveguide according to the present invention, since the selectively grown ridge structure can be thinned to about 1 μm and the side surface thereof is perpendicular to the substrate surface, at least two optical waveguides of this embodiment are provided. It is possible to construct a directional coupler having a short coupling length by arranging the two parallel to each other.
【００２０】[0020]
【発明の効果】以上、説明したように本発明による半導
体光導波路によれば、化合物半導体の｛１１１｝面をも
つ基板上にストライプ状のマスクを形成し、このマスク
間に基板面に対して垂直な側面を有する光導波路用単結
晶膜を設けたことにより、この光導波路用単結晶膜によ
って側面が極めて平滑で基板表面に対して垂直となるリ
ッジ構造が得られるので、従来不可能であった微小なス
ポットサイズを有する低損失な選択リッジ成長光導波路
が容易に実現可能となる。また、本発明による半導体光
導波路の製造方法によれば、化合物半導体の｛１１１｝
面をもつ基板上にストライプ状の間隙をもつ選択成長用
マスクを形成し、この間隙部に光導波路用単結晶膜を選
択成長させることにより、前述した選択リッジ構造が容
易にかつ高精度で形成することができる。さらにリッジ
構造側面の基板表面に対する垂直性により、本発明に係
わる少なくとも２本の半導体光導波路を互いに平行にか
つ近接して配置できるので、結合長の短い方向性結合器
を構成することが可能となるなどの極めて優れた効果が
得られる。As described above, according to the semiconductor optical waveguide of the present invention, a stripe-shaped mask is formed on a substrate having a compound semiconductor {111} plane, and the mask is formed between the masks with respect to the substrate surface. By providing an optical waveguide single crystal film having vertical side surfaces, this optical waveguide single crystal film provides a ridge structure in which the side surfaces are extremely smooth and perpendicular to the substrate surface. A low loss selective ridge growth optical waveguide having a small spot size can be easily realized. Further, according to the method for producing a semiconductor optical waveguide of the present invention, the compound semiconductor {111}
A selective ridge structure is formed easily and with high accuracy by forming a selective growth mask with a stripe-shaped gap on a substrate with a plane and selectively growing an optical waveguide single crystal film in this gap. can do. Further, since the side surface of the ridge structure is perpendicular to the substrate surface, at least two semiconductor optical waveguides according to the present invention can be arranged in parallel and close to each other, so that a directional coupler having a short coupling length can be constructed. It is possible to obtain an extremely excellent effect such as
【図１】本発明による半導体光導波路の一実施例による
構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an embodiment of a semiconductor optical waveguide according to the present invention.
【図２】本発明による半導体光導波路の他の実施例によ
る構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of another embodiment of the semiconductor optical waveguide according to the present invention.
【図３】本発明による半導体光導波路の製造方法の一実
施例による工程を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a process according to an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor optical waveguide according to the present invention.
【図４】従来の半導体光導波路の構成を示す斜視図であ
る。FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a conventional semiconductor optical waveguide.
９ （１１１）面をもつＩｎＰ基板 １０ ＩｎＧａＡｓＰ光導波層 １１ ＩｎＰクラッド層 １２ ＩｎＰクラッド層 １３ 選択成長用ＳｉＯ2 マスク １４ （０ バー１ １）面 １５ （０ １ バー１）面 １６ 選択成長したリッジ構造 １７ 導波光のフィード分布 １８ （１１１）面をもつＩｎＰ基板 １９ ＩｎＧａＡｓＰ光導波層 ２０ ＩｎＰクラッド層 ２１ 選択成長用ＳｉＯ2 マスク ２２ （０ バー１ １）面 ２３ （０ １ バー１）面 ２４ 選択成長したリッジ構造 ２５ 導波光のフィード分布 ２６ （１１１）面をもつＩｎＰ基板 ２７ 選択成長用マスク ２８ ストライプ状の間隙部 ２９ 光導波路用単結晶膜 9 InP substrate having (111) plane 10 InGaAsP optical waveguide layer 11 InP clad layer 12 InP clad layer 13 SiO2 mask for selective growth 14 (0 bar 1 1) surface 15 (0 1 bar 1) surface 16 Ridge structure selectively grown 17 Feed distribution of guided light 18 InP substrate having (111) plane 19 InGaAsP optical waveguide layer 20 InP clad layer 21 SiO2 mask for selective growth 22 (0 bar 1 1) surface 23 (0 1 bar 1) surface 24 selectively grown Ridge structure 25 Feed distribution of guided light 26 InP substrate having (111) plane 27 Mask for selective growth 28 Striped gap 29 Single crystal film for optical waveguide
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡部 直也 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Naoya Watanabe 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nihon Telegraph and Telephone Corporation
Claims (5)
上にストライプ状のマスクを形成し、このマスク間に前
記基板面に対して垂直な側面を有する光導波路用単結晶
膜を設けたことを特徴とする半導体光導波路。1. A stripe-shaped mask is formed on a substrate having a {111} plane of a compound semiconductor, and a single crystal film for an optical waveguide having a side surface perpendicular to the substrate surface is provided between the masks. Is a semiconductor optical waveguide.
晶膜は屈折率の高い光導波層と、前記光導波層よりも屈
折率の低いクラッド層とからなることを特徴とする半導
体光導波路。2. The semiconductor optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide single crystal film includes an optical waveguide layer having a high refractive index and a clad layer having a refractive index lower than that of the optical waveguide layer. ..
晶膜は屈折率の低いクラッド層からなることを特徴とす
る半導体光導波路。3. The semiconductor optical waveguide according to claim 1, wherein the single crystal film for optical waveguide comprises a clad layer having a low refractive index.
晶膜のうち、屈折率の高い光導波層として量子井戸構造
または多重量子井戸構造を有することを特徴とする半導
体光導波路。4. The semiconductor optical waveguide according to claim 2, wherein the optical waveguide single crystal film has a quantum well structure or a multiple quantum well structure as an optical waveguide layer having a high refractive index.
上にストライプ状の間隙をもつ選択成長用マスクを形成
し、前記間隙部に光導波路用単結晶膜を選択成長させる
ことを特徴とする半導体光導波路の製造方法。5. A selective growth mask having a stripe-shaped gap is formed on a substrate having a {111} plane of a compound semiconductor, and a single crystal film for an optical waveguide is selectively grown in the gap. Manufacturing method of semiconductor optical waveguide.
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|---|---|---|---|
| JP29386791A JP3254466B2 (en) | 1991-10-15 | 1991-10-15 | Semiconductor optical waveguide and method of manufacturing the same |
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