JPH0710016B2 - リツジ導波路半導体素子 - Google Patents
リツジ導波路半導体素子Info
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- JPH0710016B2 JPH0710016B2 JP60049175A JP4917585A JPH0710016B2 JP H0710016 B2 JPH0710016 B2 JP H0710016B2 JP 60049175 A JP60049175 A JP 60049175A JP 4917585 A JP4917585 A JP 4917585A JP H0710016 B2 JPH0710016 B2 JP H0710016B2
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- semiconductor
- layer
- ridge waveguide
- semiconductor device
- base portion
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体素子に関する。特に、リッジ導波路レー
ザ素子等のリッジ導波路光学素子に関する。リッジ導波
路とは、薄膜導波路であり、面に沿う特定の狭い帯状の
領域に導波作用があり、その領域が他の部分に対して盛
り上がった形状のものである。リッジ導波路はエッチン
グあるいは選択成長によって形成できる。
ザ素子等のリッジ導波路光学素子に関する。リッジ導波
路とは、薄膜導波路であり、面に沿う特定の狭い帯状の
領域に導波作用があり、その領域が他の部分に対して盛
り上がった形状のものである。リッジ導波路はエッチン
グあるいは選択成長によって形成できる。
本発明は、半導体材料の基底部に対して盛り上がった形
状のリッジ導波路（７″、８″）を設けた半導体素子に
おいて、 リッジ導波路の内部または下部に分布帰還格子（６）を
設けることにより、 製造が容易で、発振効率が優れ、変調速度を高速にで
き、さらに単一モードでレーザ発振する半導体素子を提
供するものである。
状のリッジ導波路（７″、８″）を設けた半導体素子に
おいて、 リッジ導波路の内部または下部に分布帰還格子（６）を
設けることにより、 製造が容易で、発振効率が優れ、変調速度を高速にで
き、さらに単一モードでレーザ発振する半導体素子を提
供するものである。
半導体レーザ素子の構造は、ｐ型半導体の領域からｎ型
半導体の領域の方向に電流を流すｐ−ｎ接合と、電子と
正孔との結合により光子を誘電放射する「活性領域」と
を備えている。活性領域は適当なバンドギャップを有
し、誘電放射時の光子を適度に「閉じ込め」るために、
他の半導体の部分と異なる屈折率を有している。活性領
域の両側の層は「閉じ込め層」と呼ばれている。
半導体の領域の方向に電流を流すｐ−ｎ接合と、電子と
正孔との結合により光子を誘電放射する「活性領域」と
を備えている。活性領域は適当なバンドギャップを有
し、誘電放射時の光子を適度に「閉じ込め」るために、
他の半導体の部分と異なる屈折率を有している。活性領
域の両側の層は「閉じ込め層」と呼ばれている。
半導体レーザ素子は、主に、光ファイバ通信装置に用い
られる。近年製造される二酸化ケイ素の光ファイバは、
ほぼ1.3μｍあるいは1.55μｍの波長で損失が極小とな
り、後者の方がより損失が少ない。このため、1.1ない
し1.65μｍの範囲、さらには1.3ないし1.6μｍの範囲で
動作する素子が特に必要である。これらの波長は、特に
断らない場合には真空中の波長を示す。赤外線の領域で
動作する半導体レーザ素子は、通常は、インジウムリン
InPの領域と、４元系材料のインジウムガリウム砒素リ
ンInxGa1-xAsyP1-yの領域とを含んでいる。ｘおよびｙ
を選択することにより、格子定数を一定にしたままバン
ドギャップの異なる領域を形成することができる。バン
ドギャップは、例えば光ルミネッセンスにより、実験的
に測定することができる。さらに、インジウムリンおよ
びインジウムガリウム砒素リンには、ｐ型またはｎ型の
不純物を添加することができる。
られる。近年製造される二酸化ケイ素の光ファイバは、
ほぼ1.3μｍあるいは1.55μｍの波長で損失が極小とな
り、後者の方がより損失が少ない。このため、1.1ない
し1.65μｍの範囲、さらには1.3ないし1.6μｍの範囲で
動作する素子が特に必要である。これらの波長は、特に
断らない場合には真空中の波長を示す。赤外線の領域で
動作する半導体レーザ素子は、通常は、インジウムリン
InPの領域と、４元系材料のインジウムガリウム砒素リ
ンInxGa1-xAsyP1-yの領域とを含んでいる。ｘおよびｙ
を選択することにより、格子定数を一定にしたままバン
ドギャップの異なる領域を形成することができる。バン
ドギャップは、例えば光ルミネッセンスにより、実験的
に測定することができる。さらに、インジウムリンおよ
びインジウムガリウム砒素リンには、ｐ型またはｎ型の
不純物を添加することができる。
ガリウムアルミニウム砒素の領域およびガリウム砒素の
領域を備えた半導体レーザ素子も通信に使用することが
できる。動作波長は0.9μｍ近傍である。
領域を備えた半導体レーザ素子も通信に使用することが
できる。動作波長は0.9μｍ近傍である。
リッジ導波路レーザ素子については、例えば、カミノー
（Kaminow）およびその共同研究者による文献、 「エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letter
s）」第15巻（1979年）、第763頁から第765頁、 「エレクトロニクス・レターズ」第17巻（1981年）、第
318頁から第320頁、 「エレクトロニクス・レターズ」第19巻（1983年）、第
877頁から第879頁 に詳しい。リッジ導波路レーザ素子のリッジは、横方向
の光ビームを閉じ込める働きをする。しかし、カミノー
およびその共同研究者が用いたリッジの構造では、リッ
ジおよびリッジの両側の溝を覆う誘電体層に窓を設け、
この窓を通してリッジの電極を取り付けている。このた
め、リッジが狭くなるほど、素子の発振効率が低下する
傾向がある。原理的には、リッジ導波路レーザ素子の横
方向の閉じ込め効率を、さらに高めることが可能であ
る。
（Kaminow）およびその共同研究者による文献、 「エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letter
s）」第15巻（1979年）、第763頁から第765頁、 「エレクトロニクス・レターズ」第17巻（1981年）、第
318頁から第320頁、 「エレクトロニクス・レターズ」第19巻（1983年）、第
877頁から第879頁 に詳しい。リッジ導波路レーザ素子のリッジは、横方向
の光ビームを閉じ込める働きをする。しかし、カミノー
およびその共同研究者が用いたリッジの構造では、リッ
ジおよびリッジの両側の溝を覆う誘電体層に窓を設け、
この窓を通してリッジの電極を取り付けている。このた
め、リッジが狭くなるほど、素子の発振効率が低下する
傾向がある。原理的には、リッジ導波路レーザ素子の横
方向の閉じ込め効率を、さらに高めることが可能であ
る。
シーメンス社の出願による西ドイツ国特許公開第24 22
287号公報には、プロトン照射した半導体材料に窓を
形成し、この窓を通してリッジの電極を形成する例を開
示している。しかし、この構造でも、リッジが狭くなる
ほど素子の発振効率が低下する。
287号公報には、プロトン照射した半導体材料に窓を
形成し、この窓を通してリッジの電極を形成する例を開
示している。しかし、この構造でも、リッジが狭くなる
ほど素子の発振効率が低下する。
リッジ導波路素子は、高速の変調速度を得ることのでき
る利点がある。これに関しては、特に、上記の1983年の
文献に詳しい。高速の変調速度を得ることができること
により、同等の構成で高速のデータ伝送が可能になる。
る利点がある。これに関しては、特に、上記の1983年の
文献に詳しい。高速の変調速度を得ることができること
により、同等の構成で高速のデータ伝送が可能になる。
半導体レーザ素子の構造を考慮する場合には、「縦」モ
ードの制御も重要な因子となる。通常の半導体レーザ素
子は、異なる出力波長に対応する複数の縦モードで動作
する傾向がある。これに対して、遠距離通信や他の用途
では、レーザ出力が非常に狭い波長領域に集中している
必要がある場合が多い。二酸化ケイ素ファイバを用いた
遠距離通信の場合には、1.3μｍ近傍の波長に比べてフ
ァイバ内の分散が非常に大きい1.55μｍ近傍の波長で通
信を行うために、縦モードの制御が特に重要である。波
長の制御が可能なレーザ素子として、ファブリペローレ
ーザ素子が公知である。しかし、ファブリペローレーザ
素子を光集積回路に集積することは現実的に困難であ
る。
ードの制御も重要な因子となる。通常の半導体レーザ素
子は、異なる出力波長に対応する複数の縦モードで動作
する傾向がある。これに対して、遠距離通信や他の用途
では、レーザ出力が非常に狭い波長領域に集中している
必要がある場合が多い。二酸化ケイ素ファイバを用いた
遠距離通信の場合には、1.3μｍ近傍の波長に比べてフ
ァイバ内の分散が非常に大きい1.55μｍ近傍の波長で通
信を行うために、縦モードの制御が特に重要である。波
長の制御が可能なレーザ素子として、ファブリペローレ
ーザ素子が公知である。しかし、ファブリペローレーザ
素子を光集積回路に集積することは現実的に困難であ
る。
縦モードの制御は、回折格子を用いることにより可能で
ある。回折格子を用いたレーザ素子としては、分布帰還
形レーザ素子が公知である。分布帰還形レーザ素子につ
いては、トンプソン（G.H.B.Thompson）著、ワイリィ
（Willy）社刊の「半導体レーザ（Semiconductor laser
s）」に詳しく説明されている。分布帰還形レーザ素子
では、電流の流れるpn接合が回折格子の下または上に設
けられる。これに対して、ブラグ反射形レーザ素子（分
布反射形レーザ素子）では、pn接合は格子の下には設け
られていない。ここで、「下」、「上」、「上方向」、
「高い」等の用語は、相対的な方向を示すもので、素子
の空間的な方向を示すものではない。
ある。回折格子を用いたレーザ素子としては、分布帰還
形レーザ素子が公知である。分布帰還形レーザ素子につ
いては、トンプソン（G.H.B.Thompson）著、ワイリィ
（Willy）社刊の「半導体レーザ（Semiconductor laser
s）」に詳しく説明されている。分布帰還形レーザ素子
では、電流の流れるpn接合が回折格子の下または上に設
けられる。これに対して、ブラグ反射形レーザ素子（分
布反射形レーザ素子）では、pn接合は格子の下には設け
られていない。ここで、「下」、「上」、「上方向」、
「高い」等の用語は、相対的な方向を示すもので、素子
の空間的な方向を示すものではない。
埋め込みヘテロ構造の分布帰還形レーザ素子のいくつか
の例については、 ウタケ他、「エレクトロニクス・レターズ」第17巻（19
81年）、第961頁から第963頁、 イタヤ他、「エレクトロニクス・レターズ」第18巻（19
82年）、第1006頁から第1008頁、 キタムラ他 「エレクトロニクス・レターズ」第19巻
（1983年）、第840頁から第841頁 に記述されている。埋め込みヘテロ構造により横方向の
光学的閉じ込めが可能であり、低しきい値電流でレーザ
発振を実現できる。出力が38mW程度で単一縦モードの安
定発振が観測されている。しかし、埋め込みヘテロ構造
を形成するためには、正確な成長およびエッチングを複
雑に繰り返す工程を含んでいる。このため、歩留り良く
良好な素子を製造することができない。さらに、埋め込
みヘテロ構造には、逆方向電流を防ぐための層が設けら
れているが、この層が寄生容量となり、変調速度を制限
する。
の例については、 ウタケ他、「エレクトロニクス・レターズ」第17巻（19
81年）、第961頁から第963頁、 イタヤ他、「エレクトロニクス・レターズ」第18巻（19
82年）、第1006頁から第1008頁、 キタムラ他 「エレクトロニクス・レターズ」第19巻
（1983年）、第840頁から第841頁 に記述されている。埋め込みヘテロ構造により横方向の
光学的閉じ込めが可能であり、低しきい値電流でレーザ
発振を実現できる。出力が38mW程度で単一縦モードの安
定発振が観測されている。しかし、埋め込みヘテロ構造
を形成するためには、正確な成長およびエッチングを複
雑に繰り返す工程を含んでいる。このため、歩留り良く
良好な素子を製造することができない。さらに、埋め込
みヘテロ構造には、逆方向電流を防ぐための層が設けら
れているが、この層が寄生容量となり、変調速度を制限
する。
本発明は、以上の問題点を軽減または解決し、製造が容
易で変調速度が高速であるリッジ導波路半導体素子を提
供することを目的とする。
易で変調速度が高速であるリッジ導波路半導体素子を提
供することを目的とする。
本発明のリッジ導波路半導体素子は、半導体材料により
形成された基底部と、この基底部から盛り上がった形状
で、基底部内の光の伝搬方向を横方向に閉じ込めるとと
もに、上面に電気的な接続のための金属層が設けられて
基底部への電流の流れの範囲を限定する第一の半導体部
（リッジ）とを備えたリッジ導波路半導体素子におい
て、第一の半導体部の上面の下に沿ってこの素子の少な
くとも一部に回折格子（分布帰還格子）が設けられたこ
とを特徴とする。
形成された基底部と、この基底部から盛り上がった形状
で、基底部内の光の伝搬方向を横方向に閉じ込めるとと
もに、上面に電気的な接続のための金属層が設けられて
基底部への電流の流れの範囲を限定する第一の半導体部
（リッジ）とを備えたリッジ導波路半導体素子におい
て、第一の半導体部の上面の下に沿ってこの素子の少な
くとも一部に回折格子（分布帰還格子）が設けられたこ
とを特徴とする。
ここでいう「上面」は基底部から離れる側の面をいう。
第一の半導体部との間に溝を介して基底部から盛り上が
った形状の第二の半導体部をさらに備え、この第二の半
導体部の上面には誘電体材料の層が設けらることが望ま
しい。この場合に、溝の表面には金属も誘電体材料も実
質的に設けられていないことが望ましい。回折格子は、
第二の半導体部内またはその下まで延長されていること
が望ましい。
った形状の第二の半導体部をさらに備え、この第二の半
導体部の上面には誘電体材料の層が設けらることが望ま
しい。この場合に、溝の表面には金属も誘電体材料も実
質的に設けられていないことが望ましい。回折格子は、
第二の半導体部内またはその下まで延長されていること
が望ましい。
第一の半導体部は幅が１μｍないし15μｍであることが
望ましい。また、回折格子は閉じ込め層境界に形成され
た周期的な波型であることが望ましい。
望ましい。また、回折格子は閉じ込め層境界に形成され
た周期的な波型であることが望ましい。
この素子は分布帰還レーザとして構成されることが望ま
しい。
しい。
第一の半導体部はインジウムリン層を含み、基底部はガ
リウムインジウムヒ素リン活性層を含むことがよい。
リウムインジウムヒ素リン活性層を含むことがよい。
動作波長は1.1ないし1.65μｍがよい。
リッジ導波路にはその表面に電極が設けられ、基底部へ
の電流の流れの範囲を限定する。さらに、基底部に直接
に光学的閉じ込めを行う効果がある。十分な閉じ込め効
果を得るためには、リッジの幅を15μｍより狭くするこ
とが適当であり、望ましくは10μｍ以下、さらには５μ
ｍより狭いことが望ましい。一般的には、この幅は１μ
ｍ以上であり、通常は２μｍまたはそれ以上である。こ
のように狭くするとリッジの強度が問題になるが、この
リッジの上の金属層を電極および熱溜（ヒートシンク）
に取り付けるときに、このリッジ導波路と溝を隔てて設
けられた盛り上がった形状の半導体層についても電極お
よび熱溜に接触させれば、リッジを補強できる。この半
導体層を以下「補強部」という。補強部の表面に誘電体
層を設けておけば、基底部に流れる電流をリッジの領域
に制限することができる。
の電流の流れの範囲を限定する。さらに、基底部に直接
に光学的閉じ込めを行う効果がある。十分な閉じ込め効
果を得るためには、リッジの幅を15μｍより狭くするこ
とが適当であり、望ましくは10μｍ以下、さらには５μ
ｍより狭いことが望ましい。一般的には、この幅は１μ
ｍ以上であり、通常は２μｍまたはそれ以上である。こ
のように狭くするとリッジの強度が問題になるが、この
リッジの上の金属層を電極および熱溜（ヒートシンク）
に取り付けるときに、このリッジ導波路と溝を隔てて設
けられた盛り上がった形状の半導体層についても電極お
よび熱溜に接触させれば、リッジを補強できる。この半
導体層を以下「補強部」という。補強部の表面に誘電体
層を設けておけば、基底部に流れる電流をリッジの領域
に制限することができる。
補強部の上には、誘電体層に加え、その上にさらに金属
層を設けてもよい。この金属層は半導体に電気的に接触
するわけではない。半導体素子を銅製のスタッド等に取
り付け、これを熱溜および電極として用いてリッジの領
域だけに電流を供給するのであるが、補強部の上の金属
層は、この取り付けを容易にするためのものである。
層を設けてもよい。この金属層は半導体に電気的に接触
するわけではない。半導体素子を銅製のスタッド等に取
り付け、これを熱溜および電極として用いてリッジの領
域だけに電流を供給するのであるが、補強部の上の金属
層は、この取り付けを容易にするためのものである。
補強部の上の誘電体層の上に二つの金属層、例えばチタ
ンとその上に金、または亜鉛とその上に金を設けること
により、良好な接着を実現できる。
ンとその上に金、または亜鉛とその上に金を設けること
により、良好な接着を実現できる。
本発明の半導体素子は光学素子であり、半導体材料の活
性層と、その上側および下側でそれぞれレーザ光を閉じ
込める閉じ込め層とが設けられる。使用する半導体材料
によっては、リッジを閉じ込め層として用いることもで
きる。その場合には、基底部から閉じ込め層を除去して
もよい。さらに、可能な場合には、活性層および一方ま
たは双方の閉じ込め層を基底部ではなくリッジ内に設け
てもよい。
性層と、その上側および下側でそれぞれレーザ光を閉じ
込める閉じ込め層とが設けられる。使用する半導体材料
によっては、リッジを閉じ込め層として用いることもで
きる。その場合には、基底部から閉じ込め層を除去して
もよい。さらに、可能な場合には、活性層および一方ま
たは双方の閉じ込め層を基底部ではなくリッジ内に設け
てもよい。
波型の分布帰還格子は、活性層の上または下の、屈折率
が不連続となる界面、特に閉じ込め層の外面に設ける。
分布帰還格子の波型は、上の閉じ込め層の上の面に設け
ることが特に便利である。
が不連続となる界面、特に閉じ込め層の外面に設ける。
分布帰還格子の波型は、上の閉じ込め層の上の面に設け
ることが特に便利である。
基底部の材料としては、下から順に、InP、InGaAsP下側
閉じ込め層、InAsAsP活性層およびInGaAsP上側閉じ込め
層を用いることが適している。リッジ導波路の部分は、
基底部側から順に、InP層と、多量にドープされたInGaA
sまたはInGaAsP層とにより構成することが望ましい。上
の層は、金属と低電気抵抗で接続するためのものであ
る。
閉じ込め層、InAsAsP活性層およびInGaAsP上側閉じ込め
層を用いることが適している。リッジ導波路の部分は、
基底部側から順に、InP層と、多量にドープされたInGaA
sまたはInGaAsP層とにより構成することが望ましい。上
の層は、金属と低電気抵抗で接続するためのものであ
る。
第１図ないし第５図は本発明実施例の半導体素子を製造
する工程を段階的に示す同一面の断面図であり、第６図
は最終的な素子の上の部分の断面図である。これらの図
は理解のために概略的に描いており、拡大比については
実際の素子と必ずしも一致していない。
する工程を段階的に示す同一面の断面図であり、第６図
は最終的な素子の上の部分の断面図である。これらの図
は理解のために概略的に描いており、拡大比については
実際の素子と必ずしも一致していない。
第１図は製造方法の第一段階の工程を示す。
基板として厚さが200μｍで多量にイオウＳがドープさ
れたn+型100インジウムリンInP基板１を用い、このInP
基板１の100面２の上に、液相エピタキシにより、三つ
の４元系材料（図中ではＱで示す）層、すなわちガリウ
ムインジウム砒素リンGaInAsP層３、４、５をそれぞれ
0.2μｍの厚さに順番に成長させた。GaInAsP層３はテル
ルTeをドープしたｎ型であり、その組成比はGa0.17In
0.83As0.36Ｐ0.64であり、そのバンドギャップは、光ル
ミネッセッスによる測定では、1.15μｍの波長に対応す
る値であった。GaInAsP層４は不純物をドープしていな
い真性半導体であり、その組成比はGa0.39In0.61As0.88
Ｐ0.12であり、バンドギャップは1.52μｍであった。Ga
InAsP層５は、亜鉛をドープしたｐ型であることを除け
ば、GaInAsP層３と同等である。後で詳しく説明する
が、GaInAsP層４は、最終的な素子では活性層となる。
また、GaInAsP層３、５は、上および下の閉じ込め層
（「緩衝層」）となる。
れたn+型100インジウムリンInP基板１を用い、このInP
基板１の100面２の上に、液相エピタキシにより、三つ
の４元系材料（図中ではＱで示す）層、すなわちガリウ
ムインジウム砒素リンGaInAsP層３、４、５をそれぞれ
0.2μｍの厚さに順番に成長させた。GaInAsP層３はテル
ルTeをドープしたｎ型であり、その組成比はGa0.17In
0.83As0.36Ｐ0.64であり、そのバンドギャップは、光ル
ミネッセッスによる測定では、1.15μｍの波長に対応す
る値であった。GaInAsP層４は不純物をドープしていな
い真性半導体であり、その組成比はGa0.39In0.61As0.88
Ｐ0.12であり、バンドギャップは1.52μｍであった。Ga
InAsP層５は、亜鉛をドープしたｐ型であることを除け
ば、GaInAsP層３と同等である。後で詳しく説明する
が、GaInAsP層４は、最終的な素子では活性層となる。
また、GaInAsP層３、５は、上および下の閉じ込め層
（「緩衝層」）となる。
次に、電子ビームを照射したレジストマスクを用いて、
GaInAsP層５を化学的エッチングにより波状層６を形成
し、分布帰還格子とした。この方法については、ウエス
トブルック（Westbrook）等の論文、「エレクトロニク
ス・レターズ」第18巻（1982年）、第863頁から第865頁
に説明されている。分布帰還格子の波型の周期は、＜１
０＞方向に周期0.46μｍのマスクを用いて形成した。
この化学的エッチングは異方性エッチングであるため、
111A面に対するエッチング速度が非常に小さい。したが
って、111A面を側面とする三角の溝が形成され、そこで
エッチングの進行が制限される。溝の深さはほぼ0.16μ
ｍである。エッチングの進行が自動的に制限されるた
め、再現性が良く、レーザの帰還の強さを制御できる。
GaInAsP層５を化学的エッチングにより波状層６を形成
し、分布帰還格子とした。この方法については、ウエス
トブルック（Westbrook）等の論文、「エレクトロニク
ス・レターズ」第18巻（1982年）、第863頁から第865頁
に説明されている。分布帰還格子の波型の周期は、＜１
０＞方向に周期0.46μｍのマスクを用いて形成した。
この化学的エッチングは異方性エッチングであるため、
111A面に対するエッチング速度が非常に小さい。したが
って、111A面を側面とする三角の溝が形成され、そこで
エッチングの進行が制限される。溝の深さはほぼ0.16μ
ｍである。エッチングの進行が自動的に制限されるた
め、再現性が良く、レーザの帰還の強さを制御できる。
波型の形状をしたGaInAsP層５の上には、亜鉛Znをドー
プしたｐ型のInP層７を大気圧の有機金属化学気相成長
（MOCVD）により成長させた。格子の完全性を公知の手
段により保った。この手段については、ヨーロッパ特許
出願第84.300240.3およびネルソン（Nelson）等の論
文、「エレクトロニクス・レターズ」第19巻（1983
年）、第34頁から第36頁に詳しい。これを実施するた
め、100℃で、トリメチルインジウム、トリエチルリ
ン、ジメチル亜鉛、リン酸、および水素を試料上に通過
させ、この後に試料を急速に650℃に加熱して成長させ
た。InP層７の厚さは約1.5μｍであった。
プしたｐ型のInP層７を大気圧の有機金属化学気相成長
（MOCVD）により成長させた。格子の完全性を公知の手
段により保った。この手段については、ヨーロッパ特許
出願第84.300240.3およびネルソン（Nelson）等の論
文、「エレクトロニクス・レターズ」第19巻（1983
年）、第34頁から第36頁に詳しい。これを実施するた
め、100℃で、トリメチルインジウム、トリエチルリ
ン、ジメチル亜鉛、リン酸、および水素を試料上に通過
させ、この後に試料を急速に650℃に加熱して成長させ
た。InP層７の厚さは約1.5μｍであった。
次に、再びMOCVDにより、多量に亜鉛Znをドープしたp+
型のInGaAs層８を約0.1μｍの厚さに成長させた。このI
nGaAs層８は三元系材料（図中ではＴで示す）であり、
組成比は、In0.53Ga0.47Asであった。
型のInGaAs層８を約0.1μｍの厚さに成長させた。このI
nGaAs層８は三元系材料（図中ではＴで示す）であり、
組成比は、In0.53Ga0.47Asであった。
第１図の構造を完成させるため、シランおよび酸素を用
いて、化学気相成長により、厚さ0.2μｍの二酸化ケイ
素SiO2層９をInGaAs層８の上に成長させた。
いて、化学気相成長により、厚さ0.2μｍの二酸化ケイ
素SiO2層９をInGaAs層８の上に成長させた。
この後に、InP基板１を化学エッチングにより100μｍに
薄くし、レーザの裏面電極（すなわち薄くされたInP基
板１の下側の電極）を、スズSnと金Auとを蒸着して形成
した。
薄くし、レーザの裏面電極（すなわち薄くされたInP基
板１の下側の電極）を、スズSnと金Auとを蒸着して形成
した。
第２図は第１図に示した工程の次の工程を示す。
この工程では、まず、0.1μｍのチタンTi層10および0.1
μｍの金Au層11をSiO2層９上に蒸着した。次に、厚さ約
１μｍのポジレジスト（コダック820）をAu層11上に塗
布し、回折格子と直角の帯状の部分が除去されるよう
に、帯状の窓13の部分に光を照射してレジスト12および
12′の部分を残し、これをマスクとして使用する。帯状
の窓13を一つのウェハ上に２μｍ、４μｍ、６μｍおよ
び15μｍの幅で形成した。
μｍの金Au層11をSiO2層９上に蒸着した。次に、厚さ約
１μｍのポジレジスト（コダック820）をAu層11上に塗
布し、回折格子と直角の帯状の部分が除去されるよう
に、帯状の窓13の部分に光を照射してレジスト12および
12′の部分を残し、これをマスクとして使用する。帯状
の窓13を一つのウェハ上に２μｍ、４μｍ、６μｍおよ
び15μｍの幅で形成した。
第３図はさらに次の工程を示す。
以上の工程により得られた構造物を40ミリリットルの水
にヨウ化カリ4gおよびヨウ素1gを溶かした溶液で、20℃
で１ないし1.5分間処理した。この溶液は、Au層11をエ
ッチングする。次に、「カウントダウン二酸化ケイ素エ
ッチ（10:1）」により20℃で２ないし2.5分間処理し、T
i層10およびSiO2層９をエッチングした。この結果、InG
aAs層８の上の部分がアンダカットされる。これにTi線
およびAu線を熱して蒸着し、露出している半導体（InGa
As層８）に、窓の形状のTi層14およびAu層15を形成し
た。同時に、Ti層16、16′、Au層17、17′が、レジスト
12、12′の上に堆積した。Ti線およびAu線のフィラメン
トは、ターゲットから10cm離し、それぞれの堆積した金
属の厚さは約0.1μｍであった。
にヨウ化カリ4gおよびヨウ素1gを溶かした溶液で、20℃
で１ないし1.5分間処理した。この溶液は、Au層11をエ
ッチングする。次に、「カウントダウン二酸化ケイ素エ
ッチ（10:1）」により20℃で２ないし2.5分間処理し、T
i層10およびSiO2層９をエッチングした。この結果、InG
aAs層８の上の部分がアンダカットされる。これにTi線
およびAu線を熱して蒸着し、露出している半導体（InGa
As層８）に、窓の形状のTi層14およびAu層15を形成し
た。同時に、Ti層16、16′、Au層17、17′が、レジスト
12、12′の上に堆積した。Ti線およびAu線のフィラメン
トは、ターゲットから10cm離し、それぞれの堆積した金
属の厚さは約0.1μｍであった。
これにより得られた構造物をアセトンに２分間浸し、レ
ジスト12、12′を除去した。レジスト12、12′に伴っ
て、Ti層16、16′、Au層17、17′も除去された。
ジスト12、12′を除去した。レジスト12、12′に伴っ
て、Ti層16、16′、Au層17、17′も除去された。
第４図は以上の工程により得られた構造物を示す。
この構造物には、金属層（Ti層14およびAu層15）および
この層から分離された二つの誘電体層（SiO2層９、
９′）が形成されている。これらの二つの誘電体の上に
は、この場合には、Ti層10、Au層11およびTi層10′、Au
層11′が形成されている。金属層と誘電体層の端との間
の距離は約４μｍである。
この層から分離された二つの誘電体層（SiO2層９、
９′）が形成されている。これらの二つの誘電体の上に
は、この場合には、Ti層10、Au層11およびTi層10′、Au
層11′が形成されている。金属層と誘電体層の端との間
の距離は約４μｍである。
この構造物を16重量％のヨウ素酸（HIO3）水溶液で20秒
ないし１分間処理した。この溶液はInGaAs層８に反応す
る。次に、濃塩酸と90％正リン酸（H3PO5）との体積比
１対１の混合液、20℃で30秒ないし40秒間処理した。こ
の混合液はGaInAsP層８とほとんど反応せずに、InP層７
と反応する。
ないし１分間処理した。この溶液はInGaAs層８に反応す
る。次に、濃塩酸と90％正リン酸（H3PO5）との体積比
１対１の混合液、20℃で30秒ないし40秒間処理した。こ
の混合液はGaInAsP層８とほとんど反応せずに、InP層７
と反応する。
第５図は、以上の工程により得られた構造物を示す。
第５図では、InGaAs層８およびInP層７の側壁が、垂直
にエッチングされたように示している。しかし、現実に
は垂直にはならない。「問題点を解決するための手段」
の項および「作用」の項で用いた用語と対応させると、
基底部はInP基板１およびGaInAsP層３、４、５により構
成される。レーザ素子のリッジ導波路はInP層７″およ
びInGaAs層８″により構成される。補強部はInP層７お
よびInGaAs層８、InP層７′およびInGaAs層８′により
構成される。リッジ上にはTi層14およびAu層15からなる
電極が設けられ、他の部分は誘電体のSiO2層９、９′が
設けられている。溝20、21の内側には、実質的に誘電体
も金属層を設けられていない。
にエッチングされたように示している。しかし、現実に
は垂直にはならない。「問題点を解決するための手段」
の項および「作用」の項で用いた用語と対応させると、
基底部はInP基板１およびGaInAsP層３、４、５により構
成される。レーザ素子のリッジ導波路はInP層７″およ
びInGaAs層８″により構成される。補強部はInP層７お
よびInGaAs層８、InP層７′およびInGaAs層８′により
構成される。リッジ上にはTi層14およびAu層15からなる
電極が設けられ、他の部分は誘電体のSiO2層９、９′が
設けられている。溝20、21の内側には、実質的に誘電体
も金属層を設けられていない。
第６図は以上の工程により得られた半導体素子の一例を
示す。
示す。
従来の半導体素子製造方法と同様に、上述の全ての工程
を一枚のウェハ上に行い、複数の素子に切り分けた。第
６図に示した半導体素子は、切り分けられた素子の一例
である。第６図には、リッジと分布帰還格子の相対的な
方向を明確にするため、補強部については省略した。素
子の端面18は劈開面であり、面19等の他の三つの面は、
分布帰還格子により選択されるモード以外のファブリペ
ローレーザモードを抑制するように削られた面である。
第６図におけるリッジの側部の傾斜は任意に描いてい
る。実際には、第７図の走査電子顕微鏡写真に示すよう
に、反対の方向に傾斜している。
を一枚のウェハ上に行い、複数の素子に切り分けた。第
６図に示した半導体素子は、切り分けられた素子の一例
である。第６図には、リッジと分布帰還格子の相対的な
方向を明確にするため、補強部については省略した。素
子の端面18は劈開面であり、面19等の他の三つの面は、
分布帰還格子により選択されるモード以外のファブリペ
ローレーザモードを抑制するように削られた面である。
第６図におけるリッジの側部の傾斜は任意に描いてい
る。実際には、第７図の走査電子顕微鏡写真に示すよう
に、反対の方向に傾斜している。
この半導体素子を、金メッキした半円筒状のスタッドの
長方形の面上に、インジウムを用いてろう付けした。ス
タッドは、電極として用いると同時に熱溜として用いら
れる。「上側」、すなわちAu層11、15、11′が、ろう付
けにより接続される。しかし、SiO2層９、９′で絶縁さ
れるために、スタッドと電気的に接続されるのは、リッ
ジの部分、すなわち、InP層７″およびInGaAs層８″だ
けである。溝20、21にはインジウムは流れ込まない。基
底部の下側、すなわち裏面には、メタライゼーションを
施してこれに裏面電極をろう付けする。
長方形の面上に、インジウムを用いてろう付けした。ス
タッドは、電極として用いると同時に熱溜として用いら
れる。「上側」、すなわちAu層11、15、11′が、ろう付
けにより接続される。しかし、SiO2層９、９′で絶縁さ
れるために、スタッドと電気的に接続されるのは、リッ
ジの部分、すなわち、InP層７″およびInGaAs層８″だ
けである。溝20、21にはインジウムは流れ込まない。基
底部の下側、すなわち裏面には、メタライゼーションを
施してこれに裏面電極をろう付けする。
第８図は試作した半導体素子の電流対連続波光出力特性
を示す。
を示す。
半導体素子の試験として、スタッドと裏面電極との間に
正の電圧を印加し、劈開された端面18からの出力光を観
測した。第８図は、長さが300μｍでリッジの幅が２μ
ｍの半導体素子を用いて、20℃で連続発振を行った結果
を示す。しきい値電流は約45mAであった。最も高い微分
量子化効率は、一方の面からの27％であった。最大連続
発振出力は約15mWであった。
正の電圧を印加し、劈開された端面18からの出力光を観
測した。第８図は、長さが300μｍでリッジの幅が２μ
ｍの半導体素子を用いて、20℃で連続発振を行った結果
を示す。しきい値電流は約45mAであった。最も高い微分
量子化効率は、一方の面からの27％であった。最大連続
発振出力は約15mWであった。
第９図はこの半導体素子の連続波放射スペクトルを示
す。
す。
この図に示すように、1.48μｍ近傍の波長に対応する完
全な単一縦モードのレーザ出力が得られた。励起電流お
よびレーザ光出力電力が増加しても、活性層の温度上昇
に伴う緩やかな出力波長の移動以外には、スペクトルは
変化しなかった。
全な単一縦モードのレーザ出力が得られた。励起電流お
よびレーザ光出力電力が増加しても、活性層の温度上昇
に伴う緩やかな出力波長の移動以外には、スペクトルは
変化しなかった。
第10図はこの半導体素子の予備的な応答速度測定で得ら
れたオシロ波形を示す写真である。
れたオシロ波形を示す写真である。
この半導体素子の応答速度の傾向を調べるために、予備
的な応答速度測定を行った。この応答速度測定では、被
測定半導体素子にあらかじめしきい値電流を供給し、短
い（約3ns）50mAの電流パルスを50Ωの線を介して供給
した。このパルスは、10から90％への上昇時間および90
から10％への下降時間がほぼ同じで、200psより小さ
い。レーザ光出力の検出にはInGaAsのPIN形フォトダイ
オードを用いた。この測定方法については、モス（R.H.
Moss）他、「ブリティッシュ・テレコム・ジャーナル
（British Telecom Jurnal）」第１巻（1983年）、第７
頁から第22頁に詳しく説明されている。第10図のオシロ
波形では、90％から10％への下降時間が750psより短
い。この値は、電極の接続が完全でなく、これを補償す
る手立てもとっていないので、本発明により製造される
半導体素子の本質的な性能の最大の値の限度より非常に
大きい。これに対して、長波長のレーザ光を出力するダ
ブルチャネル・プレーナ埋め込みヘテロ構造のファブリ
ペローレーザ素子を用いて同様の測定を行ったところ、
下降時間が1ns以上であった。したがって、本発明の方
法により製造される分布帰還形レーザ素子の応答速度は
非常に高速であると予想される。
的な応答速度測定を行った。この応答速度測定では、被
測定半導体素子にあらかじめしきい値電流を供給し、短
い（約3ns）50mAの電流パルスを50Ωの線を介して供給
した。このパルスは、10から90％への上昇時間および90
から10％への下降時間がほぼ同じで、200psより小さ
い。レーザ光出力の検出にはInGaAsのPIN形フォトダイ
オードを用いた。この測定方法については、モス（R.H.
Moss）他、「ブリティッシュ・テレコム・ジャーナル
（British Telecom Jurnal）」第１巻（1983年）、第７
頁から第22頁に詳しく説明されている。第10図のオシロ
波形では、90％から10％への下降時間が750psより短
い。この値は、電極の接続が完全でなく、これを補償す
る手立てもとっていないので、本発明により製造される
半導体素子の本質的な性能の最大の値の限度より非常に
大きい。これに対して、長波長のレーザ光を出力するダ
ブルチャネル・プレーナ埋め込みヘテロ構造のファブリ
ペローレーザ素子を用いて同様の測定を行ったところ、
下降時間が1ns以上であった。したがって、本発明の方
法により製造される分布帰還形レーザ素子の応答速度は
非常に高速であると予想される。
参照例として、実施例と同様にしてファブリペロー・リ
ッジ導波波レーザ素子を作成した。ただし、参照例では
分布帰還格子を設けず、全ての半導体層の成長に液相エ
ピタキシャルを用いた。これに対して実施例では、分布
帰還波型の破損を防ぐため、MOCVDを用いていた。
ッジ導波波レーザ素子を作成した。ただし、参照例では
分布帰還格子を設けず、全ての半導体層の成長に液相エ
ピタキシャルを用いた。これに対して実施例では、分布
帰還波型の破損を防ぐため、MOCVDを用いていた。
レーザの特性を第一実施例と同様にして測定したので、
その結果を第11図および第12図に示す。
その結果を第11図および第12図に示す。
第11図は素子の電流に対する光出力特性を示す図であ
り、第12図は素子の放射スペクトルを示す。第12図から
明らかなように、分布帰還格子を設けないと、いくつか
のモードが生じてしまう。
り、第12図は素子の放射スペクトルを示す。第12図から
明らかなように、分布帰還格子を設けないと、いくつか
のモードが生じてしまう。
以上説明したように、本発明のリッジ導波路半導体素子
は、発振効率が高く、光ファイバ通信の光源等に用いて
大きな効果がある。
は、発振効率が高く、光ファイバ通信の光源等に用いて
大きな効果がある。
第１図は本発明第実施例素子を製造する方法における最
初の工程を示す断面図。 第２図は実施例素子の製造工程を示す断面図。 第３図は実施例素子の製造工程を示す断面図。 第４図は実施例素子の製造工程を示す断面図。 第５図は実施例素子の断面図。 第６図は斜視図。 第７図は実施例素子の走査電子顕微鏡写真。 第８図は実施例素子の電流対連続光出力特性を示す図。 第９図は実施例素子の連続出力スペクトルを示す図。 第10図は実施例素子の応答速度のオシロ波形写真。 第11図は参照例素子電流対連続光出力特性を示す図。 第12図は参照例素子の連続出力スペクトルを示す図。 １……InP基板、２……100面、３、４、５……GaInAsP
層、６……波状層、７、７′、７″……InP層、８、
８′、８″……InGaAs層、９、９′……SiO2層、10、1
0′、14、16、16′……Ti層、11、11′、15、17、17′
……Au層、12、12′……レジスト、18……端面、19……
面
初の工程を示す断面図。 第２図は実施例素子の製造工程を示す断面図。 第３図は実施例素子の製造工程を示す断面図。 第４図は実施例素子の製造工程を示す断面図。 第５図は実施例素子の断面図。 第６図は斜視図。 第７図は実施例素子の走査電子顕微鏡写真。 第８図は実施例素子の電流対連続光出力特性を示す図。 第９図は実施例素子の連続出力スペクトルを示す図。 第10図は実施例素子の応答速度のオシロ波形写真。 第11図は参照例素子電流対連続光出力特性を示す図。 第12図は参照例素子の連続出力スペクトルを示す図。 １……InP基板、２……100面、３、４、５……GaInAsP
層、６……波状層、７、７′、７″……InP層、８、
８′、８″……InGaAs層、９、９′……SiO2層、10、1
0′、14、16、16′……Ti層、11、11′、15、17、17′
……Au層、12、12′……レジスト、18……端面、19……
面
フロントページの続き (72)発明者 アンドリユー・ウイリアム・ネルソン イギリス国・アイピー11・９エスエフ・サ フオーク・フエリクストーエケンダルグリ ーン13番地 (56)参考文献 特開 昭51−80187（ＪＰ，Ａ)
Claims (9)
- 【請求項１】半導体材料により形成された基底部と、 この基底部から盛り上がった形状で、前記基底部内の光
の伝搬方向を横方向に閉じ込めるとともに、上面に電気
的な接続のための金属層が設けられて前記基底部への電
流の流れの範囲を限定する第一の半導体部と を備えた リッジ導波路半導体素子において、 前記第一の半導体部の上面の下に沿ってこの素子の少な
くとも一部に回折格子が設けられた ことを特徴とするリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項２】半導体材料により形成された基底部と、 この基底部から盛り上がった形状で、前記基底部内の光
の伝搬方向を横方向に閉じ込めるとともに、上面に電気
的な接続のための金属層が設けられて前記基底部への電
流の流れの範囲を限定する第一の半導体部と を備えた リッジ導波路半導体素子において、 前記第一の半導体部の上面の下に沿ってこの素子の少な
くとも一部に回折格子が設けられ、 前記第一の半導体部との間に溝を介して前記基底部から
盛り上がった形状の第二の半導体部を備え、 この第二の半導体部の上面には誘電体材料の層が設けら
れた ことを特徴とするリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項３】溝の表面は半導体材料が露出した特許請求
の範囲第２項に記載のリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項４】回折格子は第二の半導体部内またはその下
まで延長された特許請求の範囲第２項または第３項に記
載のリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項５】第一の半導体部は幅が１μｍないし15μｍ
である特許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれかに
記載のリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項６】回折格子は閉じ込め層境界に形成された周
期的な波型である特許請求の範囲第２項ないし第５項の
いずれかに記載のリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項７】分布帰還レーザとして構成された特許請求
の範囲第２項ないし第６項のいずれかに記載のリッジ導
波路半導体素子。 - 【請求項８】第一の半導体部はインジウムリン層を含
み、前記基底部はガリウムインジウムヒ素リン活性層を
含む特許請求の範囲第２項ないし第７項のいずれかに記
載のリッジ導波路半導体素子。 - 【請求項９】動作波長が1.1ないし1.65μｍである特許
請求の範囲第２項ないし第８項のいずれかに記載のリッ
ジ導波路半導体素子。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB848406432A GB8406432D0 (en) | 1984-03-12 | 1984-03-12 | Semiconductor devices |
| GB8406432 | 1984-03-12 |
Related Child Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9003392A Division JPH07112098B2 (ja) | 1984-03-12 | 1992-03-12 | 半導体素子の製造方法 |
| JP9309250A Division JPH10145008A (ja) | 1984-03-12 | 1997-10-22 | リッジ導波路半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61179588A JPS61179588A (ja) | 1986-08-12 |
| JPH0710016B2 true JPH0710016B2 (ja) | 1995-02-01 |
Family
ID=10557944
Family Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60049175A Expired - Lifetime JPH0710016B2 (ja) | 1984-03-12 | 1985-03-12 | リツジ導波路半導体素子 |
| JP9003392A Expired - Lifetime JPH07112098B2 (ja) | 1984-03-12 | 1992-03-12 | 半導体素子の製造方法 |
| JP9309250A Pending JPH10145008A (ja) | 1984-03-12 | 1997-10-22 | リッジ導波路半導体素子 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9003392A Expired - Lifetime JPH07112098B2 (ja) | 1984-03-12 | 1992-03-12 | 半導体素子の製造方法 |
| JP9309250A Pending JPH10145008A (ja) | 1984-03-12 | 1997-10-22 | リッジ導波路半導体素子 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP0156566B2 (ja) |
| JP (3) | JPH0710016B2 (ja) |
| AT (1) | ATE64244T1 (ja) |
| CA (1) | CA1228936A (ja) |
| DE (1) | DE3583053D1 (ja) |
| GB (1) | GB8406432D0 (ja) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2175442B (en) * | 1985-05-15 | 1989-05-24 | Stc Plc | Laser manufacture |
| JPS62257783A (ja) * | 1986-04-30 | 1987-11-10 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
| JPH02188729A (ja) * | 1989-01-17 | 1990-07-24 | Sharp Corp | 光学素子の回析格子製造方法 |
| GB2228617A (en) * | 1989-02-27 | 1990-08-29 | Philips Electronic Associated | A method of manufacturing a semiconductor device having a mesa structure |
| GB8907304D0 (en) * | 1989-03-31 | 1989-05-17 | British Telecomm | Distributed feedback lasers |
| US5069561A (en) * | 1990-07-24 | 1991-12-03 | Gte Laboratories Incorporated | Monolithically integrated ridge waveguide semiconductor optical preamplifier |
| JPH04162689A (ja) * | 1990-10-26 | 1992-06-08 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体発光装置の製造方法 |
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