JPH0745906A - 光半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

光半導体素子及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い光出力の半導体レーザを1回の結晶成長
で製造することを可能とする構造及びその製造方法を提
供する。 【構成】 表面が(100)面の半導体の基板10上
に、[011]方向に対し5度以上の角度をなす方向
に、互いに平行な2本のストライプ状のマスク11を、
間隔を空けて形成する。この間隔部に、MOVPEの結
晶成長により、活性層13を含む半導体のメサストライ
プ14を形成し、引き続き一連の結晶成長により、メサ
ストライプを覆って、平坦な上面部を有するクラッド層
15及びキャップ層16を形成する。これにより活性層
を含むメサストライプが、左右から絶縁膜17に挟ま
れ、かつ、メサストライプ及びメサストライプ脇の絶縁
膜が、上下から半導体層及び基板10で挟まれ、活性層
が半導体層で埋め込めれる構造が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、結晶成長法を用いた光
半導体素子の製造方法に関し、特に、基板表面の一部で
結晶成長を行わせる選択成長法を用いて製造した光半導
体素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】選択成長法は、基板上にマスクパターン
を形成し、マスクで被覆されていない基板表面上にのみ
半導体層を結晶成長する方法である。この方法により、
例えば、2μm程度の間隔部をおいて、2本のストライ
プ状のマスクを形成し、その間隔部に、光半導体素子の
活性層、受動導波路層、あるいは光吸収層を含む半導体
のメサストライプを形成することができる。このメサス
トライプを形成するにあたって、選択成長法は、半導体
のエッチングプロセスを利用するのと比べて、再現性に
大変優れている。また、選択成長法によれば、ストライ
プ状のマスクの幅を変えることにより、形成されるメサ
ストライプに含まれる半導体層の組成を変えることがで
きる。この特徴を利用して、バンドギャップエネルギー
の異なる半導体層を含むメサストライプを一括して形成
することができる(バンドギャップエネルギー制御技
術)。このような選択成長法を用いて作成した光半導体
素子の例としては、下記文献に以下のような報告があ
る。 (1)佐々木、他 1991年電子通信学会春季全国大
会講演論文集4−164 (2)特開平5−37092号公報「光半導体素子の製
造方法」 北村 (3)加藤、他 1991年電子情報通信学会秋季全国
大会講演論文集4−C133 文献(1)で佐々木らは、3電極構造の波長可変DBR
−LDを報告している。バンドギャップエネルギー制御
技術により、活性層と受動導波路層を一括で結晶成長
し、さらにその全体をクラッド層で覆う構造となってい
る。佐々木らは、このDBR−LDにおいて、λ=1.
55μm付近の単一波長発振、波長可変幅2.2nm、
光出力15mWのレーザの特性を得ている。
【0003】文献(2)で北村は、半導体光増幅器(L
Dアンプ)を報告している。選択成長法により、従来の
半導体のエッチングプロセスでは形成することが困難で
あった、狭い(4000オングストローム)幅の活性層
を再現よく形成し、利得(入射信号光の増幅度)20d
B、偏光依存度(利得の入射光の偏光による差異)1.
5dBの特性を得ている。
【0004】文献(3)で加藤らは、光変調器集積型D
FB−LDを報告している。この素子においても、バン
ドギャップエネルギー制御技術により、活性層及び光吸
収層を一括で結晶成長し、さらに、それ全体をクラッド
層で覆う構造となっている。この光変調器集積型DFB
−LDにおいては、λ=1.55μmの単一波長で発振
し、光出力1.8mWで、消光比22dB(2V印加
時)の変調特性を得ている。文献(1),(2)及び
(3)の例とも、活性層、受動導波路層、あるいは光吸
収層を、上下、左右とも半導体で埋め込まれた、埋め込
み型である。
【0005】文献(1),(2)及び(3)の報告で用
いられた選択成長法により、半導体レーザ、LDアンプ
あるいは光変調器を製造する一例の概要を図7(a)−
(d)を用いて示す。図7(a)−(d)は、素子長手
方向([011]方向)を横断する断面図である。以下
の手順で半導体レーザを製造する。 (100)表面の露出したn型のInP基板70上
で、[011]方向に、間隔2μmをおいて、厚さ10
00オングストローム、幅10μmのSiO2 膜からな
る2本のストライプ状のマスク71を形成する。 選択成長法により、上記2μmの間隔に、バッファ層
79、活性層72(λ=1.55μm組成のInGaA
sP結晶、厚さ2000オングストローム)、クラッド
層78を含む半導体のメサストライプ73を形成する
(図7(a))。 メサストライプ73脇のマスク71を部分的に除去す
る(図7(b))。 選択成長法により、メサストライプ73を覆って、ク
ラッド層74(p型InP結晶、厚さ1.5μm)及び
キャップ層75(p+ InGaAs結晶、厚さ2000
オングストローム)を形成する(図7(c))。 全体を厚さ1000オングストロームのSiO2 から
なる絶縁膜76で覆い、キャップ層75上のみ、絶縁膜
76を除去し、電極77(Au(厚さ4000オングス
トローム)/Ti(厚さ500オングストローム))で
覆う(図7(d))。
【0006】図7(d)に示される半導体レーザにおい
て、電流の経路は、キャップ層75→クラッド層74→
クラッド層78→活性層72→バッファ層79→基板7
0となる。基板70として、p型の基板を用いた場合
は、クラッド層74,78及びキャップ層75のドーピ
ングの型がn型、バッファ層79のドーピングがp型と
なり、電流は逆に基板70からキャップ層75に流れ
る。いずれの場合も、必ず、図7(d)中の太線で示す
ところの、クラッド層74と基板70の間の界面80
が、pnホモ接合部となる。
【0007】この構造で、光変調器を製造する場合は、
活性層72を光吸収層で置き換えればよい。これによ
り、Franz−Keldysh効果を利用した光電界
吸収型の光変調器(以下EA−変調器と略す)となる。
【0008】文献(1)に示した素子では、バンドギャ
ップエネルギー制御技術を利用して、図7(d)の活性
層72に直列に、受動導波路層が形成されている。ま
た、文献(3)に示した素子では、バンドギャップエネ
ルギー制御技術を利用して、図7(d)の活性層72に
直列に、光吸収層が形成されている。なお、文献
(1),(2)及び(3)とも、ストライプ状のマスク
は、[011]方向に形成されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来、選択成長を用い
て光半導体素子を製造する場合、図7を用いて、説明し
たように、2回の結晶成長を行う必要がある。また、こ
れにともない、図7(b)に示すマスクパターニングが
必要になる。このように、従来の製造方法は、結晶成長
を2回行わなければならず、またマスクパターニングを
必要とするので、作業時間が長くなるという欠点があ
る。
【0010】さらに、従来の選択成長法を用いて、光半
導体素子を製造した場合、以下のような問題を生じてい
た。
【0011】従来の選択成長法を用いて、半導体レーザ
あるいは半導体光増幅器(LDアンプ)を製造すると、
図7(d)の埋め込み型の構造となる。図7(d)の構
造の問題は、注入電流の一部が活性層72を通らず、p
nホモ接合部となる界面80をのり越えて流れてしま
う。このため、従来、選択成長法を用いて製造した半導
体レーザは、50mW以上の光出力を得ることができな
かった。
【0012】また、選択成長法を用いて製造したLDア
ンプでは、25dB以上の光出力を得ることが困難であ
った。
【0013】また、図7(d)の構造の変調器(EA−
変調器)の場合、逆電圧をかけ、光吸収層72に電界を
かけることにより、入射光を消光し、変調を起こす。こ
のとき、pnホモ接合部となるところのクラッド層74
と基板70が、通常の不純物ドーピング濃度(5×10
17cm-3程度)である場合、電極の持つ電気容量なども
含めた全電気容量が3pF以上となった。広い(2.4
GHz程度以上)変調帯域を得るには、全電気容量を2
pF以下とする必要がある。
【0014】本発明の目的は、1回の成長で、活性層及
びそれを覆う埋め込み層を形成することにより、結晶成
長に係わる作業を従来と比べて半分とし、かつ、マスク
パターニングを不要とする光半導体素子の製造方法を提
供することにある。
【0015】本発明の他の目的は、注入した電流すべて
を活性層に通すことにより、高光出力あるいは高利得を
得ることのできる光半導体素子を提供することにある。
【0016】本発明のさらに他の目的は、全電気容量を
2pF以下とし、変調帯域2.4GHz以上を得ること
のできる光半導体素子を提供することにある。
【0017】本発明のさらに他の目的は、上記の光半導
体素子の構造を、再現性に優れる選択成長法を用いて製
造する方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】表面が(100)面の半
導体基板上に、[011]方向に対し5度以上の角度を
なす方向に、互いに平行な、2本のストライプ状のマス
クを形成したのち、半導体基板の表面が露出するところ
の、2本のマスクに挟まれた間隔部において、結晶成長
により、活性層を含む第1半導体層のメサストライプを
形成する工程と、引続き一連の結晶成長により、メサス
トライプを第2半導体層で埋め込む工程とを、少なくと
も含む光半導体素子の製造方法によって、半導体基板上
の活性層を含む第1半導体層のメサストライプが、両側
から絶縁膜に挟まれ、かつ、メサストライプ及びメサス
トライプ脇の絶縁膜の上部に、メサストライプを埋め込
む第2半導体層が形成される構造を、少なくとも有する
光半導体素子を作成する。
【0019】
【作用】半導体レーザあるいは光増幅素子(LDアン
プ)において、注入した電流がすべて活性層を通るよう
にするには、図8(a)のように、活性層81を絶縁膜
からなるマスク82で挟む構造にすればよい。なお図8
(a)において、86は基板、87はバッファ層、84
はクラッド層、85はキャップ層を示している。
【0020】また、光変調器(EA−変調器)におい
て、逆電圧をかけたとき、クラッド層と基板の間に電荷
が溜らないようにするには、その間に、誘電率の低い絶
縁膜よりなるマスク82が挿入された図8(a)のよう
な構造であればよい。例えば、比誘電率2.2程度のS
iO2 が厚さ2000オングストローム以上挿入された
ならば、全電気容量が2pF以下にでき、変調帯域2.
4GHz以上を得ることができる。
【0021】選択成長を用いた製造方法で、図8(a)
の構造を形成するには、結晶成長により、活性層を含む
メサストライプ83を形成した後、引続き一連の結晶成
長によりクラッド層84及びキャップ層85を形成する
ことが考えられる。しかしながら、従来、実際にこの工
程で、クラッド層84及びキャップ層85を形成する
と、図8(b)に示すように、中央部で突起した形状と
なった。これは、ストライプ状のマスク82を[01
1]方向に形成していたためである。[011]方向に
形成した場合、図9(a)−(d)に示すように、マス
ク91の間に結晶成長により形成される半導体層92
は、(111)B面の側面を有する台形(図9(a))
から三角形(図9(b))に成長し、その後、三角形が
相似的に大きくなるように(図9(c),(d))成長
する。キャップ層85(図8(b))の上に電極構造を
形成するには、プロセス技術上、キャップ層85の水平
面がなければ困難である。
【0022】本発明では、ストライプ状のマスクの方向
を、[011]方向に対し5度以上の角度に形成した。
この場合、マスク91の間においては、図10(a)−
(c)に示すように、台形状の半導体層92(図10
(a))が形成された後、台形のいずれの側面の法線方
向にも、半導体層が成長し、台形が相似的に大きくなる
ように(図10(b),(c))、半導体層92が形成
されていく。従って、この場合、一連の結晶成長で、ク
ラッド層84およびキャップ層85を形成すると、図8
(a)に示すように、水平面を有するキャップ層85が
形成される。この方法により、キャップ層85の上に電
極を形成することが可能となり、光半導体素子を製造す
ることができる。
【0023】
【実施例】第1の実施例 本発明を利用した第1の実施例である半導体レーザの斜
視図を図1に示す。図1に示す半導体レーザを、本発明
を利用して、以下の順序で製造した。説明に用いる図4
(a)は基板の上からみた図であり、図4(b)−
(d)は、図4(a)にA−A線に示すように、素子長
手方向([011]方向)を横断する断面図である。 表面(100)面のn型InP基板10上に、[01
1]方向に対して5度の角度をなす方向に、厚さ100
0オングストローム、幅10μmのSiO2 膜からなる
互いに平行な2本のストライプ状のマスク11を、2μ
mの間隔を空けて形成した(図4(a))。 上記の間隔部に、MOVPEの結晶成長により、バッ
ファ層12(n型InP結晶)、活性層13(発振波長
λ=1.48μmとなるMQW層、厚さ40オングスト
ロームのInGaAs層を6層及び厚さ130オングス
トロームのInGaAsP層を5層含む)を含むメサス
トライプ14を形成した(図4(b))。 引続き一連の結晶成長により、メサストライプ14を
覆って、クラッド層15(p型InP結晶、高さ2.5
μm)及びキャップ層16(p+ 型InGaAs結晶、
厚さ0.3μm)を形成した(図4(c))。 全面をSiO2 の絶縁膜17(厚さ2000オングス
トローム)で覆い、キャップ層16の水平面上のみ、絶
縁膜17を除去し、電極18(Au(厚さ4000オン
グストローム)/Ti(厚さ500オングストロー
ム))を基板上全面に付着した(図4(d))。 アロイ処理、裏面研磨、及び裏面電極の付着後、へき
開により素子長1mmに切り出し、片端面を反射率95
%被覆、反対側片端面を無反射被覆して、図1に示す半
導体レーザを製造した。
【0024】以上の手順で製造した図1に示す半導体レ
ーザに、500mAの電流を注入したところ、無反射被
覆側から、従来素子よりも高い光出力を得ることができ
た。
【0025】選択成長法は、半導体レーザを製造するに
あたって、再現性に優れる技術であったが、従来、選択
成長法を用いて、光出力50mW以上の半導体レーザを
製造するのは困難であった。
【0026】本発明によれば、上記に示した通り、選択
成長法を用いて、これより高い光出力の半導体レーザを
製造することができた。
【0027】また、本発明により、従来2回であった成
長回数が1回となり、結晶成長に係わる作業時間が半分
となった。
【0028】第2の実施例 本発明を利用した第2の実施例の半導体光増幅器(LD
アンプ)の斜視図を図2に示す。図2に示すLDアンプ
を、本発明を利用して、以下の手順で製造した。説明に
用いる図5(d)は基板の上から見た図であり、図5
(b)は、図5(a)にA−A線で示すように、素子長
手方向([011]方向)を横断する断面図である。 表面が(100)面のn型InP基板20上に、[0
11]方向に対して10度の角度をなす方向に、厚さ7
00オングストローム、幅10μmのSiO2 膜からな
る、互いに平行な2本のストライプ状のマスク21を、
0.7μmの間隔を空けて形成した(図5(a))。 上記の間隔部に、MOVPEにより、バッファ層22
(n型InP結晶)、活性層23(厚さ3000オング
ストローム、λ=1.31μm組成のInGaAsP
層)からなるメサストライプ24を形成した。活性層2
3の幅は、厚みの中央部で、5000オングストローム
となった(図5(b))。 第1の実施例と同様に、引続き一連のMOVPEによ
り、メサストライプ24を覆って、クラッド層25(p
型InP結晶)及びキャップ層26(p+ 型InGaA
s結晶)を形成した。クラッド層25の高さは1.5μ
m、キャップ層26の厚さは0.3μmとした(図
2)。 第1の実施例と同様に、全面をSiO2 の絶縁膜27
(厚さ2000オングストローム)で覆い、キャップ層
26の水平面上のみ絶縁膜27を除去し、電極28(A
u(厚さ4000オングストローム)/Ti(厚さ50
0オングストローム))を基板上全面に付着した(図
2)。 アロイ処理、裏面研磨、及び裏面電極の付着後、へき
開により素子長500μmに切り出し、両端面を無反射
被覆して、図2に示すLDアンプを製造した。
【0029】以上の手順で製造した図2に示すLDアン
プに、200mAの電流を注入したところ、λ=1.3
1μmの入射光に対して、従来より高利得を得ることが
できた。
【0030】また、入射光の偏向状態による利得の差異
はほとんどなかった。選択成長法は、LDアンプを製造
するにあたって、再現性に優れる技術であったが、従
来、選択成長法を用いて、利得25dB以上の高い利得
を有するLDアンプを製造するのは困難であった。
【0031】本発明によれば、選択成長法を用いて、高
い利得のLDアンプを製造することができた。
【0032】また、本発明により、従来、2回であった
成長回数が1回となり、結晶成長に係わる作業時間が半
分となった。
【0033】第3の実施例 本発明の第3の実施例である光変調器(EA−変調器)
の斜視図を図3に示す。図3に示すEA−変調器を、本
発明を利用して、以下の手順で製造した。説明に用いる
図6(a)−(c)は、素子長手方向を横断する断面図
である。 表面が(100)面のn型InP基板30上に、2μ
m程度の間隔を有する、厚さ3000オングストロー
ム、幅15μmのSiO2 からなる、2本のストライプ
状のマスク31を、[011]方向に対して10度の角
度をなす方向に形成した。 上記の間隔部を、MOVPEにより、バッファ層32
(n型InP結晶)で埋め込み、その上に、光吸収層3
3(λ=1.45μm組成のInGaAsP、厚さ25
00オングストローム)を形成し、さらに第1,第2の
実施例と同様に、引続き一連のMOVPEにより、光吸
収層33を覆って、クラッド層34(p型InP結晶)
及びキャップ層35(p+ 型InGaAs結晶)を形成
した。クラッド層34の高さは1.5μm、キャップ層
35の厚さは0.3μmとした(図6(a))。 ストライプ状のマスクの外側の半導体層39の表面層
を、すくなくとも1μm以上、エッチングにより除去し
た(図6(b))。 全面をSiO2 のパッシベーション膜36(厚さ20
00オングストローム)で覆い、全面をポリイミド37
で埋めた(図6(c))。 キャップ層35の水平面上のみ、ポリイミド37及び
パッシベーション膜36を除去し、電極38(Au(厚
さ4000オングストローム)/Ti(厚さ500オン
グストローム))をつけた。その後、ポリイミド37及
び電極38を、図3に示す様にパターニングした。 アロイ処理、裏面研磨、及び裏面電極の付着後、これ
を、素子長300μmにへき開により切り出し、端面を
無反射被覆し、図3に示すEA−変調器を製造した。
【0034】以上の手順により、図3に示すEA−変調
器を製造したところ、消光比20dB、素子内部の光損
失3dB、素子内部の光損失3dB、変調帯域5GHz
の特性を得ることができた。
【0035】選択成長は、EA−変調器を製造するにあ
たって、再現性に優れる技術であったが、従来、選択成
長法を用いて、変調帯域2.4GHz以上のEA−変調
器を製造するのは困難であった。本発明によれば、上記
に示した通り、選択成長を用いて、変調帯域2.4GH
z以上のEA−変調器を製造することができた。
【0036】また、本発明により、従来2回であった成
長回数が1回となり、結晶成長に係わる作業時間が半分
となった。なお、本変調器は、埋め込み型であるので、
光ファイバとの結合損失に関しては、2.5dBと良好
な値を得ることができた。
【0037】本発明を利用した第1,第2及び第3の実
施例に示した、半導体レーザ、LDアンプ及びEA−変
調器の製造において、p型基板を用い、各実施例に記載
の各層のドーピングの型を反転させた素子を製造すれ
ば、各実施例と同様の結果を得ることができる。ストラ
イプ状のマスク11,21,31、絶縁膜17,27及
びパッシベーション膜36としては、PSG、SION
等の、他の絶縁膜を用いても良い。また、キャップ層1
6,26及び35、電極18,28及び38に関して
は、各実施例に示したものならず、他の組成、他の材料
を用いても、なんら差し支えない。
【0038】第1の実施例に示した半導体レーザにおい
ては、活性層13として、バルク(λ=1.48μmと
なる均一組成の)活性層を用いてもよい。また、発振波
長がλ=1.3μmあるいは1.55μmとなる組成の
層を用いてもよい。
【0039】第2の実施例に示したLDアンプにおい
て、活性層23として、λ=1.55μm組成のInG
aAsPバルク層を用いれば、λ=1.55μmの入射
光に対して、第1の実施例と同様の利得を得ることがで
きる。
【0040】第3の実施例に示したEA−変調器の製造
において、光吸収層33として、発振波長λ=1.45
μmとなるMQW層(例えば、厚さ30オングストロー
ムのInGaAs層6層、及びλ=1.3μm組成の厚
さ130オングストロームのInGaAsP層5層を交
互に含む層)を用いれば、第1及び第2の実施例と同様
の結果を得ることができる。
【0041】
【発明の効果】選択成長法は、半導体レーザあるいはL
Dアンプ等の素子を製造するにあたって、再現性に優れ
る技術であったが、選択成長法を用いて製造された素子
の構造では、注入電流(素子に注入する電流)の一部が
活性層を通らずに流れてしまった。このため、光出力5
0mW以上の半導体レーザ、あるいは利得25dB以上
の利得を有するLDアンプを製造するのは困難であっ
た。
【0042】本発明の構造では、活性層を絶縁膜で挟
み、これより、注入電流が活性層に集中して流れるよう
にした。また、本発明により、その様な構造を、選択成
長法を用いて、かつ、1回の結晶成長で形成することを
可能とした。これにより、従来より高い光出力の半導体
レーザ、及び従来より高い利得のLDアンプを製造する
のことができた。
【0043】また、選択成長法は、EA−変調器を製造
するにあたっても、再現性に優れる技術であるが、図7
(d)に示す埋め込み型で、電気容量が2pF以下のE
A−変調器を製造するのが困難であった。
【0044】本発明の構造で、電気容量を小さく(1p
F以下)抑えることができた。
【0045】また、本発明により、その様な構造を、選
択成長法を用いて、かつ、1回の結晶成長で形成するこ
とができた。これにより、変調帯域5GHz以上を得る
ことができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を利用して製造した半導体レーザの斜視
図である。
【図2】本発明を利用して製造した半導体光増幅器(L
Dアンプ)の斜視図である。
【図3】本発明を利用して製造した光変調器(EA−変
調器)の斜視図である。
【図4】図1に示した半導体レーザの製造手順を説明す
る図である。
【図5】図2に示したLDアンプの製造手順を説明する
図である。
【図6】図3に示したEA−変調器の製造手順を説明す
る図である。
【図7】選択成長法を用いて半導体レーザ等の光半導体
素子を製造するときの、従来の手順を示す図である。
【図8】一連のMOVPEの選択成長法により形成され
た、活性層を含むメサストライプ、クラッド層及びキャ
ップ層からなる構造を示す図である。
【図9】従来の製造方法の半導体層の成長過程を示す図
である。
【図10】本発明の製造方法の半導体層の成長過程を示
す図である。
【符号の説明】
10,20,30,70,86,90,100 基板 11,21,31,71,82,91,101 マスク 12,22,32,79,87 バッファ層 13,23,33,72,81 活性層 14,24,73,83 メサストライプ 15,25,34,74,78,84 クラッド層 16,26,35,75,85 キャップ層 17,27,76 絶縁膜 18,28,38,77 電極 36 パッシベーション膜 37 ポリイミド 39 外側の半導体層 80 界面 92,102 半導体層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上の活性層を含む第1半導体層
    のメサストライプが、両側から絶縁体に挟まれ、かつ、
    前記メサストライプ及び前記メサストライプ脇の前記絶
    縁膜の上部に、前記メサストライプを埋め込む第2の半
    導体層が形成された構造を、少なくとも有することを特
    徴とする光半導体素子。
  2. 【請求項2】表面が(100)面の半導体基板上に、
    [011]方向に対して5度以上の角度をなす方向に、
    互いに平行な、2本のストライプ状のマスクを形成する
    工程と、 前記半導体基板の前記表面が露出するところの、2本の
    前記マスクに挟まれた間隔部において、結晶成長によ
    り、活性層を含む第1半導体層のメサストライプを形成
    する工程と、 引き続き一連の結晶成長により、前記メサストライプを
    第2半導体層で埋め込む工程とを、 少なくとも含むことを特徴とする光半導体素子の製造方
    法。
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