JPH0766502A

JPH0766502A - 光半導体装置及びその形成方法

Info

Publication number: JPH0766502A
Application number: JP21600693A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Tabuchi; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】光半導体装置に関し、光能動素子と光導波路を
モノリシックに形成するとともに、その光導波路の端面
でのコア層の幅方向と厚み方向の光ピームの径を大きく
すること。【構成】ｐｎ接合又はｐｉｎ接合の半導体よりなる光能
動素子35を含むとともに、前記光能動素子35の光入力部
か出力部の少なくとも一方に一体的に形成され、かつ、
前記光能動素子35から遠ざかるにつれて膜厚が薄くて幅
が広いコア層20と、該コア層20を囲むクラッド層15，22
とからなる導波路36を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置及びその
製造方法に関し、より詳しくは、光プリンタや光ディス
ク装置などの情報処理装置の光源に使用される高出力半
導体レーザ、光増幅に使用される半導体レーザ増幅器、
又は、光通信装置の送信機に使用される半導体レーザ或
いはその受信機に使用されるフォトダイオードなどの光
能動素子と光導波路とを有する光半導体装置及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザにおいては、光導波路の光
閉じ込めが強いほど、即ち光スポット径が小さいほど発
振閾値が小さくなって発光効率が向上するが、光スポッ
ト径が小さくなるほど光ファイバとの結合は困難にな
る。また、エレビウムがドープされた光ファイバを使用
するファイバ形光増幅器の励起用レーザ、或いは、光デ
ィスクの情報書込み用の半導体レーザなどの高出力が要
求される半導体レーザでは、レーザ端面において光パワ
ー密度が高くなり、端面損傷が起こり易くなるという問
題がある。さらに、半導体レーザ増幅器においては、光
閉じ込めが強いと、光出力が飽和し易いという欠点をも
つ。

【０００３】また、フォトダイオードについては、応答
速度が速く、しかも量子効率が高いものが要求され、さ
らに、パラレル受信機を構成する場合には薄型化が可能
でかつ電気配線が容易なものが求められている。この要
求を満たすフォトダイオードとして端面入射の導波路型
フォトダイオードがある。この導波路型フォトダイオー
ドにおいても、光り閉じ込めが強いほど導波路を短くで
き、これにより接合容量が少なくなって高速応答が可能
になる。しかも、クラッド層のフリーキャリア吸収のよ
うな光吸収の無効成分が減少して量子効率が高くなり、
感度が高くなる。

【０００４】このような事情から、光通信や光情報処理
の分野では、内部で光閉じ込めが強く、端面で光閉じ込
めが弱い光導波路を有する半導体レーザ、半導体レーザ
増幅器、フォトダイオードが求められている。そこで、
図２３と図２４(a),２４(b) に示すように、半導体より
なる光ビーム径変換用の導波路が提案されている。図２
３に示す半導体導波路は、例えば1992年電子情報通信学
会秋季大会講演番号C-201 において記載され、図２４に
示す半導体導波路は、例えば1992年電子情報通信学会秋
季大会講演番号C-202 において提案されている。

【０００５】図２３の光ビーム径変換用導波路は、InP
基板１と、InP クラッド層２に上下左右を囲まれたInGa
AsP コア層３とを有している。InGaAsP コア層３の横方
向の幅は、一方の端面では広く、他方の端面に近づくほ
ど狭くなっており、その幅の変化によって幅が狭くなっ
た側で光ビーム径が横方向に広がる。そのInGaAsP コア
層３は厚さが均一であり、その平面パターンは、露光マ
スクを使用するリソグラフィー技術により形成される。

【０００６】従って、その半導体導波路は、横方向の光
ビーム径の変換には有効であるが、縦方向（層の厚み方
向）の光ビーム径の変換が行われない。ところで、半導
体を使用する光導波路においては、一般的に、コア層の
幅方向よりも厚み方向の光ビーム径が小さいので、光フ
ァイバー、光半導体素子などとの光結合効率の向上には
縦方向の光ビーム径の変換が重要となる。図２３に示す
光ビーム径変換用の半導体導波路では、層の厚み方向の
光ビーム径が変換されないので、その半導体光導波路と
光ファイバなどとの光結合効率の向上には大きな効果が
期待できない。

【０００７】結合効率を高めるために、その光ビーム径
変換用の半導体導波路と導波路形フォトダイオードを一
体的な構造にすることも考えられるが、それらのコア層
の厚さ及び組成が光軸方向で均一になるために、半導体
導波路の端面も光吸収領域となり、光損失が大きくな
る。さらに、その端面にＰＮ接合が露出しているために
暗電流が大きくなってしまう。その暗電流がやや大きく
なると、非常に高感度が要求される場合にはＳ／Ｎ比が
劣化するという問題がある。

【０００８】これに対して、図２４に示す光ビーム径変
換用の半導体導波路は、膜の厚み方向に光ビーム径が変
換される構造となっている。その半導体導波路は、InP
基板４の上に積層された第一のInP クラッド層５と、そ
の上に形成されたInP 井戸とInAlAs障壁からなる多重量
子井戸（ＭＱＷ）層６と、ＭＱＷ層６の上に形成された
第二のInP クラッド層７を有している。また、ＭＱＷ層
６の中には、InGaAsP コア層８が形成され、その一端の
膜厚はＭＱＷ層６内で薄くなっている。なお、ＭＱＷ層
６は、コア層８に対してクラッド層となり、第一及び第
二のInP クラッド層５，７に対してはコア層となる。

【０００９】このような半導体導波路内で進行する光
は、ＭＱＷ層６に閉じ込められ、さらにコア層７内で大
きく閉じ込められることになる。光ビーム径は、コア層
８の膜厚が変化する部分で変換されることになる。な
お、図２４(b) における３つの山状のパターンは、光電
界の強度分布を示している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図２４に示
すコア層８は、破線で引出された拡大図に示すように、
InGaAsP 層８ａとInP 層８ｂを交互に積層した構造を有
し、そのInP 層８ｂをエッチングストップ層として使用
してInGaAsP 層８ｂを階段状にパターニングし、これに
よりコア層８の膜厚を階段状に変化させている。

【００１１】しかし、このような方法でコア層８の膜厚
を変化させることは、パターニングを何度も繰り返すこ
とになるので、スループットが低下する。ところで、こ
のような半導体導波路を発光素子とモノリシクに集積す
ると、コア層８と発光素子の活性層が同じ層となるの
で、コア層８の膜厚を変えるための加工の際に、発光素
子の活性層の結晶に欠陥が入り易くなり、発光素子の特
性が劣化するおそれがある。また、その半導体導波路と
受光素子とをモノリシックに集積する場合にも、その受
光素子の吸収層に欠陥が入りやすくなり、受光素子の特
性が劣化するおそれがある。

【００１２】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、半導体レーザ、発光ダイオード、フォト
ダイオード等の光能動素子と光導波路をモノリシックに
形成するとともに、その光導波路の端面でのコア層の幅
方向と厚み方向の光ピームの径を大きくすることができ
る光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図５
(b) 、図６に例示するように、中央部から端部にかけて
膜厚が薄くなるコア層20と、該コア層20を囲むクラッド
層15, 22からなる光ビーム径変換導波路36を有すること
を特徴とする光半導体装置によって達成する。または、
ｐｎ接合又はｐｉｎ接合の半導体よりなる光能動素子35
を有するとともに、前記光能動素子35の光入力部か出力
部の少なくとも一方に一体的に形成され、かつ、前記光
能動素子35から遠ざかるにつれて膜厚が薄くなるコア層
20と、該コア層20を囲むクラッド層15，22とからなる導
波路36を有することを特徴とする光半導体装置により達
成する。

【００１４】または、前記コア層20は、中央部から端部
にかけて幅が広くなることを特徴とする前記光半導体装
置。または、前記光能動素子35は、半導体レーザ、半導
体レーザ増幅器、端面発光型発光ダイオード、導波路型
フォトダイオード、半導体光変調器のうちの少なくとも
１つであることを特徴とする光半導体装置により達成す
る。

【００１５】または、前記導波路36のコア層20は、前記
光能動素子35から離れるほどエネルギーバンドギャップ
が大きいことを特徴とする光半導体装置により達成す
る。または、前記導波路36の前記コア層20と前記クラッ
ド層15，22の屈折率差は、前記光能動素子35から離れる
ほど小さくなっていることを特徴とする光半導体装置に
より達成する。

【００１６】または、前記導波路36の前記クラッド層1
5，22は、不純物が注入されない半導体より形成されて
いることを特徴とする光半導体装置により達成する。ま
たは、前記導波路36の前記クラッド層15，22と前記光能
動素子35のクラッド層15, 22は互いに絶縁されているこ
とを特徴とする光半導体装置によって達成する。

【００１７】または、半導体基板11の上に誘電体膜16を
形成する工程と、前記誘電体膜16をパターニングするこ
とにより、長細い能動素子形成領域12と、該能動素子形
成領域12の少なくとも一方の端部に繋がって該端部から
遠ざかにつれて幅が広くなる略扇形の導波路形成領域17
とを開口する窓18を形成する工程と、前記誘電体膜16の
前記窓18から露出した前記半導体基板11の上に半導体を
選択的に成長することにより、膜厚を前記能動素子形成
領域12で最も厚く、かつ前記導波路形成領域17では前記
能動素子形成領域12から遠ざかるにつれて膜厚が薄くな
る第一のクラッド層15、コア層20及び第二のクラッド層
22を連続的に形成する工程と、前記半導体基板11の下に
第一の電極33を形成する工程と、前記第二のクラッド層
22のうちの少なくとも前記能動素子形成領域に第二の電
極34を形成する工程とを有することを特徴とする光半導
体装置の形成方法により達成する。

【００１８】または、半導体基板51の上に誘電体膜16を
形成する工程と、前記誘電体膜16をパターニングするこ
とにより、細長い能動素子形成領域57と、該能動素子形
成領域57の少なくとも一方の端部に繋がって該端部から
遠ざかにつれて幅が広くなる略扇形の導波路形成領域58
とを開口する窓18を形成する工程と、前記誘電体膜16の
前記窓18から露出した前記半導体基板51の上に半導体を
選択的に成長することにより、膜厚を前記能動素子形成
領域57で最も厚く、かつ前記導波路形成領域58では前記
能動素子形成領域57から遠ざかるにつれて膜厚が薄くな
る第一のクラッド層54、コア層55及び第二のクラッド層
56を連続して形成する工程と、前記能動素子形成領域57
にある前記第一のクラッド層54、前記コア層55及び前記
第二のクラッド層56の一部をエッチングにより除去して
凹部59を形成する工程と、前記凹部59内に半導体を成長
することにより、導波路型光能動素子を形成する工程
と、半導体基板51の下に第一の電極64を形成し、前記導
波路型光能動素子の上に第二の電極63を形成する工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の形成方法によ
り達成する。

【００１９】または、前記誘電体膜16の前記窓18のうち
の前記導波路形成領域の部分は、同じ割合で幅が広がる
か、又は階段状に幅が広がっていることを特徴とする光
半導体装置の形成方法により達成する。

【００２０】

【作用】本発明によれば、光能動素子の光入力部、光
出力部の少なくとも一方に、光導波路のコア層を連続的
に形成するとともに、そのコア層の膜厚が光能動素子か
ら離れるほど薄く、そのコア層の幅が光能動素子から離
れるほど広くなるようにしている。

【００２１】このため、光能動素子から光が出力される
場合には、その光は光導波路のコア層を通って幅方向に
広がるとともに、コア層の厚さ方向には先端部に進むに
つれて光の閉じ込めが弱くなるので光ビーム径が大きく
なる。また、その反対に光導波路から光が入力する場合
には、コア層の内部に入るにつれて光閉じ込めが強くな
って光ビーム径は小さくなり光能動素子に到達すること
になる。

【００２２】この結果、光能動素子と光ファイバーとの
光結合の効率は、その光導波路を介することにより良く
なる。しかも、光導波路と光能動素子とが一体に形成さ
れるので外部からの位置合わせが不用になって光結合損
失が少なくなる。また、光導波路のコア層のエネルギー
バンドギャップは、光能動素子から遠ざかるにつれて大
きくなるようにしているので、光能動素子が半導体レー
ザや半導体レーザ増幅器である場合に、レーザ発振され
た波長の光は光導波路によって吸収さされにくく、光半
導体装置における吸収損失が低減する。

【００２３】さらに、導波路のコア層とクラッド層との
屈折率の差を、光能動素子から遠ざかるにつれて小さく
しているので、光ビーム径は光能動素子から遠い位置で
大きく、近い位置で小さくなり、その光導波路を介在さ
せることにより光能動素子と光ファイバとの結合効率が
さらに向上する。ところで、光導波路のクラッド層をノ
ンドープの半導体により形成すると、フリーキャリアに
よる光吸収が少なくなり、光強度の減衰が抑制される。
また、光導波路と光能動素子のクラッド層とを溝により
分離すると、光能動素子の寄生容量が低減する。

【００２４】なお、コア層の幅を一定にした場合でも、
コア層が薄くなるほど、接合に垂直方向のみならず接合
に平行な方向の光の閉じ込めも弱くなるので、その効果
の程度は比較的小さいが同様な効果が得られる。

【００２５】

【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。（ａ）本発明の第１実施例の説明図１〜図４は、本発明の第１実施例に係る光半導体装置
の製造工程を示す斜視図、図５は、その製造工程の一部
の断面図、図６は、完成した光半導体装置の部分を切り
欠いた斜視図を示している。

【００２６】次に、図１(a) に示す状態になるまでを説
明する。まず、n-InP 基板１１の表面の半導体レーザ形
成領域１２を含む領域に、干渉露光法によって回折格子
１３を形成する。その回折格子１３は、導波路方向に一
定のピッチで繰り返す凹凸から構成される。続いて、エ
ピタキシャル成長法により、組成を示す波長λｇが１．
１５μｍのn-InGaAsP を１５０nmの厚さに堆積し、これ
によりガイド層１４を形成する。さらに、その上にn-In
P バッファ層１５を１０nmの厚さに形成する。

【００２７】この後に、熱ＣＶＤ法によりSiO₂、Si_xN
_y等の誘電体膜１６を形成した後に、半導体レーザ形成
領域１２と導波路形成領域１７の誘電体膜１６をリソグ
ラフィー法により開口して、箆状の窓１８を形成する。
その半導体レーザ形成領域１２の形状は、導波路方向に
長い長方形であり、また、導波路形成領域１７の形状
は、その半導体レーザ形成領域１２の端部から遠ざかる
につれて一定の角度で連続的に幅が広くなる扇形とその
先端を横切る四角形とを合わせた形状となっている。半
導体レーザ形成領域１２の端部の窓１８の幅Ｗ₁は１５
〜２０μｍ、導波路形成領域１７の扇形部の裾の幅Ｗ₂
は１５０〜２００μｍとなっている。

【００２８】次に、図１(b) に示すように、第一のInGa
AsP ガイド層１９をエピタキシャル成長し、さらに、３
つのInGaAs井戸層とこれらを挟む波長λｇ１．３μｍの
InGaAsP 障壁層からなるＭＱＷ層２０、第二のInGaAsP
ガイド層２１、p-InP クラッド層２２及びn-InGaAsP エ
ッチングストップ層２３を順にエピタキシャル成長す
る。

【００２９】なお、窓１８から露出したn-InP クラッド
層１５の表面を僅かにエッチングした後に、InGaAsP ガ
イド層１９〜エッチングストップ層２３を形成してもよ
い。クラッド層１５の表面を清浄化するためである。そ
れらの半導体層１９〜２３は、成長核のない誘電体膜１
６の上では成長せずに、窓１８の領域だけに選択的に成
長する。しかも、それらの半導体層１９〜２３の膜厚
は、図７に示すように、窓１８のパターン幅Ｗに依存
し、幅Ｗが大きくなるほど結晶成長速度が小さくなって
最終的な膜厚は薄くなる。従って、窓１８を通してバッ
ファ層１４の上に積層された各半導体層１９〜２３は、
半導体レーザ形成領域１２で最も厚く、その端部から導
波路形成領域１７の先端部に向けて徐々に薄くなってい
く。

【００３０】例えば、ＭＱＷ層２０に関して、半導体レ
ーザ形成領域１２におけるInGaAs井戸層２０ａの厚さを
６nm、InGaAsP 障壁層２０ｂの厚さを１６nmとすれば、
導波路形成領域１７の先端部でInGaAs井戸層２０ａの厚
さは１．５nm、InGaAsP 障壁層２０ｂの厚さは４nmとな
る。したがって、そのエネルギーバンドは、半導体レー
ザ形成領域１２では図８(a) に示すようになり、導波路
形成領域１７では図８(b) に示すようになる。

【００３１】なお、導波路形成領域１７の先端部でのガ
イド層１９，２１の膜厚を１０nmとし、p-InP クラッド
層２２の膜厚とInGaAsP エッチングストップ層２３の半
導体レーザ形成領域１２における膜厚をそれぞれ５００
nm、１０nmとする。次に、誘電体膜１６を除去した後
に、別な誘電体膜を熱ＣＶＤ法により形成し、これをリ
ソグラフィー技術によりパターニングして、図２(a) に
示すように、エッチングストップ層２３の上面の一部を
覆うマスクパターン２４を形成する。このマスクパター
ン２４は、エッチングストップ層２３の上面の両側の縁
部を露出する箆のような形状である。例えば、半導体レ
ーザ形成領域１２での幅Ｗ₃が１．５μｍの長方形であ
り、導波路形成領域１７においては先端の幅Ｗ₄が８μ
ｍの扇形とその先端から幅を変えずに延ばした四角形と
を合わせた形状である。

【００３２】次に、図２(b) に示すように、マスクパタ
ーン２４の両側方にあるエッチングストップ層２２とn-
InP 基板１１の上部までを連続してエッチングし、これ
により、最終的な半導体レーザと光ビーム径変換用の導
波路の幅が画定される。即ち、半導体レーザの活性層の
幅は１．５μｍ、導波路の先端は８μｍとなる。この後
に、図２(c) に示すように、マスクパターン２４の両側
に露出したn-InP 基板１１の上に、鉄がドープされたIn
P 高抵抗層２５をエピタキシャル法により埋め込む。続
いて、図３(a) に示すように、n-InP 電流ブロック層２
６とInGaAsP エッチングストップ層２７を高抵抗層２５
の上にエピタキシャル成長する。

【００３３】次に、図３(b) に示すようにマスクパター
ンを除去した後に、図３(c) に示すように、導波路形成
領域１７の先端部での膜厚が２．５μｍ以上になるよう
にノンドープInP クラッド層２８をエピタキシャル成長
する。図５(a) は、図３(c)のＸ−Ｘ線断面図である。
ここでp-InP を使用せずにノンドープInP を形成したの
は、光ビーム径変換導波路におけるフリーキャリアによ
る光吸収を低減するためである。

【００３４】さらに、図４(a) に示すように、誘電体膜
２９を形成し、これをパターニングして半導体レーザ形
成領域１２とその周辺に窓３０を形成し、この窓３０か
ら露出したInP クラッド層２８を選択的にエッチングす
る。この場合、InGaAsP エッチングストップ層２３，２
７によりエッチング深さが制御される。ついで、電流ブ
ロック層２６をエッチングしないエッチング液を使用し
て窓３０から露出したエッチングストップ層２３，２７
を選択的に除去した後に、図４(b) に示すように、窓３
０を通してp-InP クラッド層２２の上にp-InP クラッド
層３１をエピタキシャル成長して、クラッド層３１とノ
ンドープInP クラッド層２８との平坦化を図る。

【００３５】この後に、図４(c) に示すように、ノンド
ープInP クラッド層２８とその下方のp-InP クラッド層
２２、および、InGaAsP エッチングストップ層２３，２
７、電流ブロック層２６をパターニングして、半導体レ
ーザ形成領域１２と導波路形成領域１７を分離する溝３
２を形成する。このパターニングの際に、ガイド層２１
を最終的にエッチングストプ層として機能させる。

【００３６】さらに、n-InP 基板１１の下面にｎ電極３
３を形成するとともに、半導体レーザ形成領域１２のp-
InP クラッド層３１の上にｐ電極３４を形成する。これ
により、図５(b) 、図６に示すようなモノリシックなＢ
Ｈ型半導体レーザ３５と光ビーム径変換導波路３６の形
成工程が終了する。なお、図５(b) は、図４(c) のＹ−
Ｙ線断面図である。

【００３７】なお、コア層となるＭＱＷ層２０の幅を一
定にしてもよく、この場合には、図２(b) におけるマス
ク２４の幅を例えばＷ₃と一定にすればよい。上記した
半導体レーザ３５は、ｎ電極３３とｐ電極３４の間に電
流を流すことによって発振し、そのレーザ光を光ビーム
径変換導波路３６に出力すると、そのレーザ光は、ＭＱ
Ｗ層２０に閉じ込められて進行する。

【００３８】このとき、光ビーム径変換導波路３６にお
けるＭＱＷ層２０は、半導体レーザ３５から遠ざかるに
つれて膜厚が薄くなって膜厚方向の光ビーム径が広がっ
てくる。これは、図９に示すように、導波路３６のコア
層であるＭＱＷ層２０は、その膜厚Ｄが薄くなるにつれ
て光の閉じ込めが弱くなるという性質があるために、半
導体レーザ３５の厚さＤ₁のＭＱＷ層２０から出た光
は、光ビーム径変換導波路３６の厚さＤ₂の先端部では
膜厚方向に広がっている。

【００３９】即ち、図１０に示すように、半導体レーザ
３５での光電界の強度分布Ｐ₁は、ＭＱＷ層２０で急峻
に強くなっているのに対し、光ビーム径変換導波路３６
の先端部での光電界の強度分布Ｐ₂はブロードな状態と
なり、その端部に接続されるファイバ３７の光強度分布
Ｐ₃とほぼ同じようになっている。これにより、上記し
た光ビーム径変換導波路３６を介して半導体レーザ３５
と光ファイバ３７との結合効率が良好になることがわか
る。

【００４０】また、ＭＱＷ層２０では、図８(a),(b) に
示すように井戸層が薄いほど価電子帯側の量子準位と伝
導帯側の量子準位とのエネルギーパンドギャップが大き
くなり、しかも、膜厚が薄くなるほど価電子帯と伝導帯
のエネルギーバンドギャップ（Ｅｇ₁＜Ｅｇ₂）が大き
くなる。これは、図１１(a) に示すような半導体層の厚
さＤとエネルギーバンドギャップの変化量ΔＥｇの関係
から明らかである。

【００４１】そして、エネルギーギャップが大きくなる
と、図１１(b) に示すように、半導体レーザ３５から出
力される波長λ₀の光は、波長光ビーム径変換導波路３
６の吸収波長帯よりも長くなるために吸収されにくくな
る。この結果、光ビーム径変換導波路３６における光強
度の低下は少なくなって光ファイバ３７へ出力される光
の強度は大きくなる。

【００４２】しかも、InGaAs井戸層２０ａとInGaAsP 障
壁層２０ｂを比べると、井戸層の膜厚の変化量は大き
い。ＭＱＷの屈折率は、井戸層と障壁層の厚みを加味し
た屈折率の厚さの平均とみなすことができる。従って、
光ビーム径変換導波路３６の先端のＭＱＷ層２０は、半
導体レーザ３５のＭＱＷ層２０よりも屈折率が小さくな
り、その上下のクラッド層２２との屈折率差が低下して
光のビーム径が大きくなる。

【００４３】一方、光ビーム径変換導波路３６のＭＱＷ
層２０の幅方向については、そのＭＱＷ層２０の幅が出
力端で広くなっているので、その中に閉じ込められた光
のビーム径もその幅の変化に応じて幅（横）方向に広く
なる。なお、ＭＱＷ層２０が薄くなると、ＭＱＷ層２０
の幅が一定であっても、膜厚方向のみならず膜厚に垂直
な方向（横方向）の光閉じ込めも弱くなるので、光ビー
ム径が広がり、結合効率が向上する効果が得られる。

【００４４】次に、コア径１０μｍの光ファイバ３７と
上記した光ビーム径変換導波路２６の先端とを直接突き
合わせた場合の結合損失を計算したところ図１２のよう
な結果が得られた。図１２において、横軸は、光ファイ
バ３７のズレ（移動量）を示し、縦軸は結合損失を示し
ている。また、図１２において、放射線状の実線は垂直
方向（ＭＱＷ層の膜厚方向）、放射線状の破線は水平方
向（ＭＱＷ層の幅方向）の結合損失を示している。

【００４５】これに対して、図１３(a) に示すようなＭ
ＱＷ構造を有する従来の半導体レーザと光ファイバを直
接突き合わせた場合の結合損失を調べると、図１３(b)
のような結果が得られた。これにより、本実施例の方が
結合損失が３ｄＢ程度少ないことが分かった。ところ
で、上記した光半導体装置と光ファイバ３７とを無調整
で結合することが望まれるので、図１４にその一例を示
す。

【００４６】図１４において、シリコンウェハ４１を複
数に区画して、それぞれの区画には、図６に示す光半導
体装置を固定するためのボンィングパッド４２と光ファ
イバ３７の先端部を載せるＶ溝４３が形成されている。
また、光半導体装置を載せる領域には、半導体レーザ３
５のｐ電極３４と接続する引出電極４４が形成されてい
る。なお、Ｖ溝４３は、シリコンウェハ４１の表面を覆
う誘電体膜４５に形成された窓を通してＫＯＨ溶液によ
りエッチングすることにより形成される。なお、光半導
体装置の光出力部とＶ溝４３の位置が一致するように、
予め、Ｖ溝４３とボンディングパッド４２の位置を設定
しておく。

【００４７】そして、シリコンウェハ４１を各区画毎に
チップ状に分割してから、半導体レーザ３５のｐ電極３
４を引出電極４４に接続してチップ上にボンディングし
た後に、光ファイバ３７をＶ溝４３に入れて固定すると
結合が終了する。なお、上記した半導体レーザ３５と光
ビーム径変換導波路３６は、溝３２によって電気的に分
離されているので、半導体レーザ駆動用の電流が光ビー
ム径変換導波路３６に流れることはなく、しかも、半導
体レーザ３５の寄生容量が増加することもない。

【００４８】なお、ｐ電極３４の光ビーム径変換導波路
３６寄りの部分を分離して、ここに逆バイアスをかける
と光を吸収することになるので、図１０に示すように、
ｐ電極３４Ａを分離することにより、半導体レーザ３５
と光ビーム径変換導波路３６との間に電界吸収型光変調
器４０を形成してもよい。（ｂ）本発明の第２実施例の説明上記した実施例では、光ビーム径変換導波路３６を構成
する半導体層１９〜２３の膜厚を変えるために、図１
(a) に示すような箆状の窓１８を有するマスクを使用し
ている。そして、その窓１８の導波路形成領域７は一定
の角度で連続して広がった略扇形となっているが、図１
５(a) に示すように、幅が変化しない部分３８Ａ〜３８
Ｄと広がる部分３８Ｅ〜３８Ｈとを交互に形成して、略
階段状に広がるようなパターンの窓３８としてもよい。

【００４９】これによれば、窓光ビーム径変換導波路３
７の半導体層１９〜２３の膜厚は、図１５(b) に示すよ
うにその先端部にかけて階段状に変化し薄層化すること
になり、その特性は、第１実施例とほとんど同じにな
る。なお、半導体層１９〜２３の厚み方向に生じる段差
はできるだけ小さい方がよいので、マスクの窓１８の幅
の変化は、できるだけ多くの段によることが好ましい。
ただし、光吸収係数の差を大きくしたい領域では、その
幅の変化を大きくして半導体層の厚みの変化を大きくし
てもよい。（ｃ）本発明の第３実施例の説明半導体レーザと光ビーム径変換導波路をモノリシックに
形成した光半導体装置を量産する方法の一例を次に説明
する。

【００５０】量産のためには、図１(a) に示す半導体ビ
ーム形成領域１２同士と光ビーム径変換導波路領域１７
同士を、図１６に示すように直列に繰り返して接続した
形状の窓３８Ａを所定の間隔をあけて誘電体膜１６Ａに
並列に複数個配置する。その後に、第１実施例で述べた
ような工程を経ることにより、基板の上に半導体レーザ
と光ビーム径変換導波路を有する光半導体装置が連続的
に複数個形成される。そこで、基板１１をカットライン
Ｌ₁₁〜Ｌ_{1 4}、Ｌ₂₁〜Ｌ₂₆に沿って劈開して光半導体装
置を個々に分離すればよい。（ｄ）本発明の第４実施例の説明上記した第１実施例では、ＭＱＷ層２０の上下にガイド
層１９，２１を設けているが、これらを設けない構造に
してもよい。そのエネルギーバンドは図１７のようにな
る。

【００５１】しかし、光ビーム径変換導波路３６の先端
部に近づくほど井戸層や障壁層が数nmと薄くなるので、
ガイド層１９，２１がない場合には、幅（横）方向の屈
折率の差が小さすぎて光の閉じ込めが弱くなる。そこ
で、例えば図１８に示すように、光ビーム径変換導波路
３６の最上のクラッド層２８をＭＱＷ層２０と同じ平面
形状にしたリッジ構造を採用する。これにより、クラッ
ド層２８の両側が外気となって横モードがガイドされ、
光の閉じ込めが良くなる。

【００５２】そのクラッド層２８をリッジ構造にするた
めには、図１８(a) に示すように、半導体レーザ３５と
光ビーム径変換導波路３６とを分離する溝３２をポリイ
ミド等の絶縁剤３８により埋め込んで平坦化し、つい
で、SiO₂、 SiN等の誘電体膜をマスクにしてフォトリソ
グラフィー法によりクラッド層２８をパターニングして
リッジ構造を形成する。その後に、図１８(b) に示すよ
うにｎ電極３３、ｐ電極３４を形成すればよい。

【００５３】次に、コア径１０μｍの光ファイバ３７と
上記した光ビーム径変換導波路２６の先端とを直接突き
合わせた場合の結合損失を計算したところ図１９のよう
な結果が得られ、図１２に示す第１実施例よりも良い結
果が得られた。（ｅ）本発明の第５実施例の説明第１実施例の光ビーム径変換導波路３６では、コア層と
なるＭＱＷ層２０の上下のクラッド層１５，２２，２８
を半導体レーザ３５のそれと同じ材料としているが、図
20(a) に示すように、半導体レーザ３５のクラッド層よ
りも屈折率の小さい材料、例えばInGaAsP からクラッド
層１５Ａ，２２Ａを形成してもよい。

【００５４】これによれば、光ビーム径変換導波路３６
における光の閉じ込めがさらに小さくなって、膜厚方向
の光ビーム径をさらに大きくすることができる。さらに
クラッド層１５Ａ，２２Ａをノンドープにすると、フ
リーキャリアによる光吸収が低減する。なお、ガイド層
２１とクラッド層２２の間にはInGaAsP エッチングスト
ップ層２３Ａを設け、これにより光ビーム径変換導波路
３６にあるクラッド層２２，２８を除去する際のエッチ
ング深さを調整し、そのエッチングの後に上側のノンド
ープInGaAsクラッド層２２Ａを形成する。（ｆ）本発明の第６施例の説明第１実施例では、光ビーム径変換導波路に接続する能動
素子として半導体レーザを用いたが、フォトダイオード
であってもよい。

【００５５】半導体レーザ３５に逆バイアスを形成すれ
ば、その素子は、ｐｉｎ接合構造の端面導波型フォトダ
イオードとして機能する。また、ｐｎ接合のフォトダイ
オードや、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合の端面発光型の発
光ダイオードを光能動素子としてもよい。この場合、特
に図示しないが、そのフォトダイオード又は発光ダイオ
ードに接続される光ビーム径変換導波路のコア層の構造
は、その光能動素子の光吸収層又は活性層と同じにな
る。

【００５６】また、フォトダイオードを光ビーム径変換
導波路と一体的に形成する場合に、例えば図２０(b) に
示すように、フォトダイオード形成領域に凹部を形成
し、その中にフォトダイオードを形成するようにしても
よい。その工程を簡単に説明する。まず、n-InP 基板５
１の上にn-InP バッファ層５２、InGaAsP エッチングス
トップ層５３を順に形成した後に、例えば図１(a) 、図
１４(a) に示すと同じような略箆状の窓を有する誘電体
マスクを使用し、その窓を通してエッチングストップ層
５３の上にn-InP クラッド層５４、InGaAsコア層５５、
ノンドープInP クラッド層５６を形成する。このときコ
ア層５５とその上下のクラッド層５４，５６は、フォト
ダイード５７の領域では厚く、光ビーム径変換導波路５
８の領域の先端部にゆくほど薄くなる。これは、第１実
施例と同じ原理による。

【００５７】その後に、エッチングストップ層５３の上
の半導体のうちフォトダイオード５７の形成領域にある
ものを除去して凹部５９を形成し、その中に、n-InP 層
６０、i-InGaAs層６１、p-InP 層６２を順に積層してフ
ォトダイオード５７のｐｉｎ接合部分を形成する。そし
て、最後に、そのp-InP 層６２にｐ電極６３を形成し、n
-InP 基板５１の下にｎ電極６４を形成する。

【００５８】このような構造のフォトダイオード５７に
逆バイアス電圧を印加した状態で、光ビーム径変換導波
路５８を伝搬した光がそのフォトダイオード５７のi-In
GaAs層６０に入射すると、電極６３，６４間に電流が流
れることになる。このとき、フォトダイオード５７の前
後にあるコア層５５のエネルギーバンドギャップを光波
長換算で１．３μｍより短い波長にすると、i-InGaAs層
６１は、コア層５５よりも厚くてエネルギーバンドギャ
ップが小さくなり、１．３μｍよりも長い波長帯の光の
使用が可能になり、光吸収係数や光閉じ込め効率が向上
し、短い吸収層で高い量子効率が得られる。

【００５９】なお、凹部５９に埋め込むフォトダイオー
ド５７は通常の不純物拡散によるｐｎ接合型にしてもよ
い。ところで、図２１に示すように、凹部５９の前と後
にそれぞれ光ビーム径変換導波路５８Ａ，５８Ｂを形成
し、入力側のその導波路５８Ａに複数の波長の光信号λ
₁＋λ₂＋λ₃を入力し、凹部５９に形成されるフォト
ダイオード５７によって特定の波長の信号λ₁だけを取
り出し、その残りの信号を出力側の導波路５８Ｂから出
力するようにしてもよい。

【００６０】この場合のフォトダイード５７のコア層の
材料は、特定の波長の光だけを取り出せるようなエネル
ギーバンドギャップの半導体を選択する必要がある。（ｈ）本発明の第７実施例の説明図２２は、進行波型レーザ増幅器と光ビーム径変換導波
路をモノリシックに形成した光半導体装置である。

【００６１】この装置は、n-InP 基板６１の上に、n-In
P バッファ層６２、n-InP クラッド層６３を形成し、そ
の上にi-InGaAsとi-InGaAsP からなるＭＱＷにより構成
されるコア／活性層６４を形成した後に、その中央にp-
InP クラッド層６５、p-InPコンタクト層６６を形成し
たものである。また、n-InP 基板６１の下にはｎ電極６
７が形成され、コンタクト層６６にはｐ電極６８が接続
されている。

【００６２】この光半導体装置において、n-InP クラッ
ド層６３から上方の各半導体層は、その中央領域で最も
厚く、その前後の端部に近づくほど薄くなるようにして
いる。そして、膜厚の変化する半導体層が形成される２
つの領域は、光ビーム径変換導波路６９Ａ，６９Ｂとな
り、その中央の領域の半導体層により半導体レーザ増幅
器７０が構成される。

【００６３】その半導体膜の厚さの変化は、例えば図１
(a) 、図１４(a) に示すようなマスクを２つ繋げたよう
な中央で幅が狭い窓を有する別のマスクを使用してエピ
タキシャル成長することより達成される。この場合、半
導体レーザ増幅器７０と光ビーム径変換導波路６９Ａ，
６９Ｂとの結合がよいばかりでなく、光ビーム径変換導
波路６９Ａ，６９Ｂの露出端部のビーム径が大きくなる
ので光ファイバ７１，７２との結合効率がよい。これに
より、トータルな光増幅率が大きくなる。

【００６４】なお、光ビーム径変換導波路６９Ａ，６９
Ｂの上にもｐ電極６８を形成してーよい。ところで、図
２２に示す光半導体装置では、半導体レーザ増幅器７０
と光ビーム径変換導波路６９Ａ，６９Ｂのコア／活性層
６４はｐｉｎ接合となっているが、レーザ増幅器７０の
活性層６４をｐｎ接合とする場合には、光ビーム径変換
導波路６９Ａ，６９Ｂのコア層６４も同じくｐｎ接合と
する。

【００６５】なお、この半導体レーザ増幅器７０は、電
極６７，６８に正バイアスをかけて駆動されるが、逆バ
イアスを印加すると、光を吸収するので、図２２に示す
光半導体装置をこれを電界吸収型光変調器としても使用
することも可能である。図２２に示すような光半導体装
置を量産する場合には、図１６に示すような窓３８Ａを
有する誘電体膜１６Ａを形成し、その窓３８Ａの上に選
択的に半導体を形成した後に、Ｌ₁₁、Ｌ₁₃とＬ₂₁、
Ｌ₂₂、Ｌ₂₃、Ｌ₂₄、Ｌ₂₅、Ｌ₂₆に沿って劈開すればよ
い。（ｉ）本発明のその他の実施例の説明上記した実施例において、光ビーム径変換導波路の上側
に電極を形成しなかったり、クラッド層を構成する半導
体をノンドープとすることによって、半導体の光の伝搬
損失を低減しているが、クラッド層に不純物をドープす
る場合にはその厚さをできるだけ抑えるとフリーキャリ
ア吸収が低減されて光の伝搬損失は低減する。

【００６６】なお、上記した光半導体装置を最適設計し
た場合には、９０％以上の最大結合効率が得られ、さら
に、結合効率が３ｄＢ低下する結合トレランスとして垂
直（縦）方向５μｍ、水平（横）方向６μｍという大き
な値が得られる。

【００６７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、光能
動素子の光入力部、光出力部の少なくとも一方に、光導
波路のコア層を連続的に形成するとともに、そのコア層
の膜厚が光能動素子から離れるほど薄く、そのコア層の
幅が光能動素子から離れるほど広くなるようにしてい
る。

【００６８】このため、光能動素子から光が出力される
場合には、その光は光導波路のコア層を通って幅方向に
広がるとともに、コア層の厚さ方向には先端部に進むに
つれて光の閉じ込めが弱くなるので、光ビーム径が大き
くなる。また、その反対に光導波路から光が入力する場
合には、コア層の内部に入るにつれて光閉じ込めが強く
なって光ビーム径は小さくなり光能動素子に到達するこ
とになり、光能動素子と光ファイバーとの光結合の効率
を良くすることが可能になる。

【００６９】しかも、光導波路と光能動素子とが一体に
形成されるので両者の位置合わせが自動的に行われ、位
置ずれに起因する光結合損失を除去することができる。
また、光導波路のコア層のエネルギーバンドギャップ
は、光能動素子から遠ざかるにつれて大きくなるように
しているので、光能動素子として半導体レーザや半導体
レーザ増幅器を使用すると、レーザ発振された波長の光
は光導波路によって吸収さされにくくなり、光半導体装
置における吸収損失を低減できる。

【００７０】さらに、導波路のコア層とクラッド層との
屈折率の差を、光能動素子から遠ざかるにつれて小さく
しているので、光ビーム径の変化がさらに拡大され、光
能動素子と光ファイバとの結合効率をさらに向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光半導体装置の製造
工程を示す斜視図（その１）である。

【図２】本発明の第１実施例に係る光半導体装置の製造
工程を示す斜視図（その２）である。

【図３】本発明の第１実施例に係る光半導体装置の製造
工程を示す斜視図（その３）である。

【図４】本発明の第１実施例に係る光半導体装置の製造
工程を示す斜視図（その４）である。

【図５】本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程
の一部を示す断面図である。

【図６】本発明の第１実施例の光半導体装置を示す斜視
断面図である。

【図７】本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程
において、マスクパターンの窓の幅の大きさとその窓内
での半導体の成長速度との関係を示す図である。

【図８】本発明の第１実施例に係る光半導体装置のＭＱ
Ｗ層のエネルギーバンドギャップを示す図である。

【図９】本発明の第１実施例に係る光半導体装置の光ビ
ーム径変換導波路のコア層の厚さとビーム径との関係を
示す図である。

【図１０】本発明の第１実施例に係る光半導体装置のコ
ア層の光電界強度と活性層の光電界強度の関係を示す図
である。

【図１１】本発明の第１実施例に係る光半導体装置のＭ
ＱＷ層の井戸と障壁を構成する材料の厚さとエネルギー
バンドギャップの変化量の関係を示す特性図、および、
それらの層の厚さの相違による波長と光吸収係数の関係
を示す特性図である。

【図１２】本発明の第１実施例に係る光半導体装置と光
ファイバとを接続する場合の結合損失特性図である。

【図１３】従来の半導体レーザと光ファイバとを接続す
る際の結合損失特性図である。

【図１４】本発明の第１実施例に係る光半導体装置と光
ファイバとの接続装置の一例を示す斜視図である。

【図１５】本発明の第２実施例の光半導体装置を形成す
る際に使用するマスクを示す斜視図と、その光半導体装
置を示す断面図である。

【図１６】本発明の第３実施例の光半導体装置を量産す
る場合に使用するマスクを示す斜視図である。

【図１７】本発明の第４実施例の光半導体装置のＭＱＷ
層のエネルギーバンドギャップの図である。

【図１８】本発明の第４実施例の光半導体装置の製造工
程の一部を示す斜視図である。

【図１９】本発明の第４実施例に係る光半導体装置と光
ファイバとを接続する場合の結合損失特性図である。

【図２０】本発明の第５実施例に係る光半導体装置を示
す断面図、及び、本発明の第６実施例に係る光半導体装
置を示す断面図である。

【図２１】本発明の第６実施例に係る光半導体装置の別
な構造を示す断面図である。

【図２２】本発明の第７実施例に係る光半導体装置を示
す断面図である。

【図２３】従来の光ビーム径変換導波路の第１例を示す
斜視図である。

【図２４】従来の光ビーム径変換導波路の第２例を示す
斜視図及び断面図である。

【符号の説明】

１１ n-InP 基板１２半導体レーザ形成領域１３回折格子１４ n-InGaAsP ガイド層１５ n-InP ガイド層１６誘電体膜１７導波路形成領域１８窓１９ガイド層２０ＭＱＷ層２１ガイド層２２クラッド層２３エッチングストップ層２４マスクパターン２５高抵抗層２６電流ブロック層２７エッチングストップ層２８ノンドープInP クラッド層２９誘電体膜３０窓３１ p-InP クラッド層３２溝３３ｎ電極３４ｐ電極３５半導体レーザ３６光ビーム径変換導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部から端部にかけて膜厚が薄くなるコ
ア層（20）と、該コア層（20）を囲むクラッド層（15,
22）とからなる光ビーム径変換導波路（36）を有するこ
とを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】ｐｎ接合又はｐｉｎ接合の半導体よりなる
光能動素子（35）を有するとともに、前記光能動素子（35）の光入力部か出力部の少なくとも
一方に一体的に形成され、かつ、前記光能動素子（35）
から遠ざかるにつれて膜厚が薄くなるコア層（20）と、
該コア層（20）を囲むクラッド層（15，22）とからなる
導波路（36）を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】前記コア層（20）は、中央部から端部にか
けて幅が広くなることを特徴とする請求項１、２記載の
光半導体装置。
【請求項４】前記光能動素子（35）は、半導体レーザ、
半導体レーザ増幅器、端面発光型発光ダイオード、導波
路型フォトダイオード、半導体光変調器のうちの少なく
とも１つであることを特徴とする請求項２記載の光半導
体装置。
【請求項５】前記導波路（36）のコア層（20）は、前記
光能動素子（35）から離れるほどエネルギーバンドギャ
ップが大きいことを特徴とする請求項２記載の光半導体
装置。
【請求項６】前記導波路（36）の前記コア層（20）と前
記クラッド層（15，22）の屈折率差は、前記光能動素子
（35）から離れるほど小さくなっていることを特徴とす
る請求項２記載の光半導体装置。
【請求項７】前記導波路（36）の前記クラッド層（15，
22）は、不純物が注入されない半導体より形成されてい
ることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項８】前記導波路（36）の前記クラッド層（15，
22）と前記光能動素子（35）のクラッド層（15, 22）は
互いに絶縁されていることを特徴とする請求項２記載の
光半導体装置。
【請求項９】半導体基板（11）の上に誘電体膜（16）を
形成する工程と、前記誘電体膜（16）をパターニングすることにより、長
細い能動素子形成領域（12）と、該能動素子形成領域
（12）の少なくとも一方の端部に繋がって該端部から遠
ざかにつれて幅が広くなる略扇形の導波路形成領域（1
7）とを開口する窓（18）を形成する工程と、前記誘電体膜（16）の前記窓（18）から露出した前記半
導体基板（11）の上に半導体を選択的に成長することに
より、膜厚を前記能動素子形成領域（12）で最も厚く、
かつ前記導波路形成領域（17）では前記能動素子形成領
域（12）から遠ざかるにつれて膜厚が薄くなる第一のク
ラッド層（15）、コア層（20）及び第二のクラッド層
（22）を連続的に形成する工程と、前記半導体基板（11）の下に第一の電極（33）を形成す
る工程と、前記第二のクラッド層（22）のうちの少なくとも前記能
動素子形成領域に第二の電極（34）を形成する工程とを
有することを特徴とする光半導体装置の形成方法。
【請求項１０】半導体基板（51）の上に誘電体膜（16）
を形成する工程と、前記誘電体膜（16）をパターニングすることにより、細
長い能動素子形成領域（57）と、該能動素子形成領域
（57）の少なくとも一方の端部に繋がって該端部から遠
ざかにつれて幅が広くなる略扇形の導波路形成領域（5
8）とを開口する窓（18）を形成する工程と、前記誘電体膜（16）の前記窓（18）から露出した前記半
導体基板（51）の上に半導体を選択的に成長することに
より、膜厚を前記能動素子形成領域（57）で最も厚く、
かつ前記導波路形成領域（58）では前記能動素子形成領
域（57）から遠ざかるにつれて膜厚が薄くなる第一のク
ラッド層（54）、コア層（55）及び第二のクラッド層
（56）を連続して形成する工程と、前記能動素子形成領域（57）にある前記第一のクラッド
層（54）、前記コア層（55）及び前記第二のクラッド層
（56）の一部をエッチングにより除去して凹部（59）を
形成する工程と、前記凹部（59）内に半導体を成長することにより、導波
路型光能動素子を形成する工程と、半導体基板（51）の下に第一の電極（64）を形成し、前
記導波路型光能動素子の上に第二の電極（63）を形成す
る工程とを有することを特徴とする光半導体装置の形成
方法。
【請求項１１】前記誘電体膜（16）の前記窓（18）のう
ちの前記導波路形成領域の部分は、同じ割合で幅が広が
るか、又は階段状に幅が広がっていることを特徴とする
請求項９又は１０記載の光半導体装置の形成方法。