JPH08271743A - 半導体光導波路とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
体光導波路において、MOVPE選択成長の手法によ
り、導波路方向でクラッド層の成長速度を制御すること
により、クラッド層に段差が生じない構造を実現し、そ
れにより、制御性、再現性に優れる低反射端面構造を提
供する。 【構成】n−InP基板101上[011]方向に、一
対のSiO2 ストライプマスクを間隔1.5μmで形成
し、この1.5μmの領域へMOVPE選択成長によ
り、活性層104を含む多層構造を形成する。この時、
窓構造の領域ではSiO2 ストライプマスク間隔をゼロ
とすることで、半導体のエッチングを行うことなく窓構
造を作製する。また、窓領域マスク幅をそれ以外の領域
より、大きくしておくことで、次のクラッド層106の
選択成長後、窓領域でクラッド層の段差が発生すること
を防止する。
Description
より作製した半導体光導波路とその製造方法に関する。
ed feedback)レーザ集積型EA(Elec
tro−absorption)変調器は、80km以
上の長距離を高速変調信号(たとえば2.5〜10ギガ
ビット毎秒)を伝送するための光源として重要である。
この集積化光源は、光の出射端である変調器端面での反
射が大きいと、光変調時にDFBレーザへの戻りの光の
影響によりDFBレーザの発振波長変動(チャーピン
グ)が生じる。このチャーピングは長距離伝送において
著しい伝送劣化を引き起こす。したがって、変調器端面
を低反射構造にする必要がある。
バンドギャップエネルギーが導波光のバンドギャップエ
ネルギーよりも大きい窓構造が採用されている。青木ら
によって、1993年電子情報通信学会秋季大会C−9
6にて報告されているDFBレーザ集積電界吸収型変調
器(第1の従来例)では、窓構造領域の多重量子井戸
(MQW)導波路層をエッチングで除去した後にInP
で埋め込み成長することで、窓構造を実現するという手
法が採られている。図6を用いて、第1の従来例につい
て説明する。図6(a)に示されるように、n−InP
基板91上にレーザ領域にのみ、成長阻止マスクとなる
一対のSiO2 マスク92(マスク幅は数十〜数百μ
m)を数十μmの間隙をもって形成し、続いて、図6
(b)に示すように、光ガイド層93、活性層94、ク
ラッド層95、キャップ層96をMOVPE選択成長法
により順次成長させる。
マスク97をマスクにレーザ領域と変調器領域の両方を
メサエッチングして幅1.5〜2.0μmの光導波路を
形成する。このとき、DFBレーザとEA変調器との間
40μmの領域および、変調器側端面20μmをエッチ
ングしている。続いてこのSiO2 マスク97をマスク
に、高抵抗層となるFeドープInP層98を成長さ
せ、光導波路の埋め込みを行う。図6(d)、(e)は
各々、図6(c)のc−c’断面、b−b’断面の埋め
込み形状を示している。
つ良好な光ファイバとの光結合効率を保つためには、窓
構造領域の長さを厳密に制御する必要があるが、第1の
従来例では、窓領域をMQW層のエッチングと埋め込み
再成長で形成しているために、素子間でのばらつきが大
きく、良好な特性を再現性、歩留まり良く作製するのが
困難である。
通信学会春季大会C−226にて報告されているDFB
レーザ/光変調器集積化光源(第2の従来例)では、あ
らかじめ窓構造となる領域に成長阻止マスクを形成し、
MQW構造を成長させない手法を採用している。したが
って、窓構造領域長は最初のマスクパターニングの精度
で決定されるため、通常のフォトレジスト工程を用いた
場合でも1μm以下の精度で実現できる。
する。図7(a)に示すように、n−InP基板101
上へ回折格子をDFBレーザ(DFB−LD)部に形成
した後、SiO2 マスク102を形成する。このとき、
マスク幅はDFB−LD部で17μm、変調器部で8μ
mであり、開口幅が1.5μm〜2.0μmとなるよう
に形成されている。また、窓構造領域となる部分25μ
mには開口部が存在しない形状となっている。SiO2
マスクに挟まれた開口部へ、InGaAsP光ガイド層
103、InGaAs/InGaAsP多重量子井戸
(MQW)活性層104、p−InP層105をMOV
PE選択長により形成する。次に、図7(b)に示すよ
うに、開口部をDFB−LD部、変調器部、窓構造部の
全体に渡り、5〜6μmに幅広げを行い、その開口部
へ、p−InPクラッド層106、p−InGaAsキ
ャップ層107をMOVPE選択成長する。この後、電
極形成プロセスを経て、DFBレーザ/光変調器集積化
光源としている。
御することが可能であるが、図7(b)の縦断面図で表
しているように、変調器と窓領域の間でp−InPクラ
ッド層106に段差が生じてしまう。これは、窓領域に
は、光ガイド層103、MQW活性層104、p−In
P層105がないために、この体積分が段差となって現
れるからである。図8(a)に示すように、クラッド層
に段差が生じると、この段差部で導波光の一部が反射さ
れ導波路に戻ってしまうため、窓構造が低反射構造とし
て機能しない問題がある。
れた第1の従来例では、窓構造領域の多重量子井戸(M
QW)導波路層をエッチングした後にInPで埋め込み
成長することで、窓構造を実現するという手法が採られ
ている。したがって、変調器側端面を低反射構造とする
ための良好な窓構造を再現性、歩留まり良く作製するの
が困難である。
の従来例では、窓構造の形成において、半導体のエッチ
ング工程を必要としているため、制御性、再現性よく、
高歩留まりで作製することができる。しかしながら、変
調器部と窓構造部との間で、p−InPクラッド層に段
差が発生し、この段差部で新たな反射が発生するという
問題がある。
ものであり、その目的とするところは、第1に変調器側
端面で導波光の反射が少ない窓構造を備えた半導体光導
波路の構造及びその製造方法を提供することであり、第
2にこの様な構造を制御性、再現性よく高歩留まりで実
現しうるようにすることである。
路端部のバンドギャップエネルギーが導波光のエネルギ
ーよりも大きい窓構造付半導体光導波路において、光導
波路のクラッド層が導波路方向に窓領域と非窓領域の間
で段差を持たない半導体光導波路構造が得られる。
ンドギャップエネルギーが導波光のエネルギーよりも大
きい窓構造付半導体光導波路において、光導波路のクラ
ッド層厚が導波路方向に窓領域が非窓領域よりも大きい
半導体光導波路構造が得られる。
部領域に開口部を有さず、この非開口部のマスク幅が開
口部のマスク幅に比べ広くなった一対のストライプマス
クを形成する工程と、開口部へダブルヘテロ構造からな
るコア層を選択的にエピタキシャル成長する工程と、開
口部の開口幅を非開口部も含め広げる工程と、開口部に
クラッド層を選択的にエピタキシャル成長する工程とを
含む窓構造付半導体光導波路の製造方法が得られる。
一部領域に開口部を有さない一対のストライプマスクを
形成する工程と、開口部へダブルヘテロ構造からなるコ
ア層を選択的にエピタキシャル成長する工程と、非開口
部における開口幅が開口部の開口幅より狭くなる様に幅
広げを行う工程と、広げられた開口部にクラッド層を選
択的にエピタキシャル成長する工程とを含む窓構造付半
導体光導波路の製造方法が得られる。
一部領域に開口部を有さず、この非開口部のマスク幅が
開口部のマスク幅に比べ広くなった一対のストライプマ
スクを形成する工程と、開口部へダブルヘテロ構造から
なるコア層を選択的にエピタキシャル成長する工程と、
非開口部における開口幅が開口部の開口幅より狭くなる
様に幅広げを行う工程と、開口部にクラッド層を選択的
にエピタキシャル成長する工程とを含む窓構造付半導体
光導波路の製造方法が得られる。
て図面を用いて説明する。図1は、窓構造を持つDFB
−LD/光変調器集積化光源の構造斜視図である。この
構造では、EA変調器と窓構造との間に、p−InPク
ラッド層の段差が存在せず、窓構造が低反射構造として
機能する。またこの構造は、半導体層のエッチング工程
を用いることなく実現されている。従って、従来の窓構
造を持つ光導波路デバイスの製造工程において、半導体
層のエッチング時にエッチャントの温度や濃度あるいは
攪拌の仕方などの違いにより発生していた工程ばらつき
を、非常に低く抑えることが可能である。
いて説明する。図7に第2の従来例を示したが、図7
(b)のようにp−InPクラッド層が窓構造領域で段
差が発生する。図8(a)に示しているように、p−I
nPクラッド層に段差があると、この段差部で導波光の
一部が反射され導波路に戻ってしまうため、窓構造が低
反射構造として機能しない。理想的な窓構造とするため
には、p−InPクラッド層の段差が存在しない(図8
(b))か、あるいは、窓領域のp−InPクラッド層
の方が導波路領域のそれよりも厚くなる必要がある。
nPクラッド層の成長速度が、変調器部より窓構造の方
が大きくなるような構造を実現すればよい。本発明で
は、この様な構造を実現する手段として2つの方法を提
案する。
部のそれより大きくする方法、第2の方法は、窓領域の
p−InPクラッド層の成長幅を変調器部のそれより狭
くする方法である。第1の手法について、図4(a),
(b)を用いて説明する。成長は、成長温度625度、
成長圧力75トールのMOVPE(有機金属気相成長
法)で行い、原料として、トリメチルインジウム(TM
In)、ホスフィン(PH3 )、ジエチルジンク(DE
Zn)を用いた。p−InPクラッド層の成長幅を5μ
m一定とし、変調器部と窓領域とのマスク幅の差Md
と、p−InPクラッド層の段差Cdとの関係を調べた
グラフを示している。第1の従来例のように、Md=0
μmの場合、Cd=0.5μmの段差が生じる。そこ
で、Mdを増加させると、Cdは単調に減少し、Md=
5μmのちょどCd=0となった。
で説明できる。成長領域で原料消費が行われるのに対
し、成長阻止マスクに覆われた領域では原料が消費され
ないため、成長領域とマスク領域とで原料種の気相中の
濃度勾配が生じる。この結果、気相中横方向拡散が発生
し、成長領域へ過剰の原料供給が行われる。このためマ
スク幅が広いほど濃度勾配が大きくなり、その結果、原
料供給量が増加し、成長速度が大きくなる。従って、M
dを5μm以上にすれば、p−InPクラッド層は平坦
あるいは、窓構造部の方が高くなり、過剰は反射は発生
しない。
(b)を用いて説明する。成長条件は、第1の手法と同
じである。変調器部でのp−InPクラッド層の成長幅
を6μmとし、窓構造部のp−InPクラッド層成長幅
Wcとp−InPクラッド層の段差Cdとの関係を調べ
たグラフを示している。第1の従来例のように、Wcを
変調器部と同じ大きさの時は、Cd=0.5μmの段差
が生じる。そこで、Wcを減少させると、Cdは単調に
減少し、Wc=4μmの時ちょうどCd=0となった。
狭くすると、同じ量の原料供給が行われた場合、同じ体
積分の成長をするために、縦方向の成長速度が大きくな
るためである。従って、Mdを4μm以下にすれば、p
−InPクラッド層は平坦あるいは、窓構造部の方が高
くなり、過剰な反射は発生しない。
る。図1、図2を参照して本発明の第1の実施例につい
て説明する。図2は第1のを実施例を説明するための工
程断面図であり、図1は第1の実施例により作製された
DFBレーザ/光変調器集積化光源の斜視図である。
P基板101上の一部(DFB−LD領域)に回折格子
100を形成する。この後、CVD法によりSiO2 を
堆積し、これをn−InP基板101の<011>方向
へストライプが向くようにパターニングして、SiO2
マスク102を形成する。マスク間隔は1.5μmであ
り、マスク幅はDFBレーザ部で18μm、変調器部で
6μmとした。また窓構造領域では、マスク間隔をあけ
ず、かつ、マスクの張り出しを変調器部から5μm(図
4でMd=5μmに対応)とした。
sP光ガイド層103、InGaAsP/InGaAs
P MQW活性層104、およびp−InP層105を
MOVPE選択成長によりエピタキシャル成長させる。
次に、図2(b)のように、SiO2 マスク102を、
DFBレーザ部、変調器部、窓領域部全体に対して5μ
m幅に幅広げを行う。次に、p−InPクラッド層10
6、p−InPキャップ層107をMOVPE選択成長
によりエピタキシャル成長させる。このとき、導波路方
向断面で見ると、p−InPクラッド層106に段差は
発生していない。
器の間25μmのp−InGaAsPキャップ層107
を除去することで、素子分離を行った後、電極形成プロ
セスを行う。さらにDFBレーザ側端面に光反射膜コー
ティング(70%)、変調器側端面に低反射膜コーティ
ング(1%)を施し、図1の様なDFBレーザ/光変調
器集積化光源とした。
変調器集積化光源を評価たところ、変調器側端面での反
射率は、0.01%以下と見積られた。レーザ発振波長
は1.552μm、閾値電流6mA、スロープ効率0.
24W/A、最大光出力30mWの素子が90%の歩留
まりで実現できた。また、変調器に2Vの逆バイアスを
印加したときの消光比は25dBであった。また、DF
Bレーザに50mAの電流注入を行った状態で、変調器
に2.5ギガビット毎秒の疑似ランダム信号を0Vと−
2Vのバイアスで変調し、1.3μm零分散ファイバ1
20kmを伝送させたところ、10-11 でのビットエラ
ーレートでのパワーペナルティーは0.1dB以下であ
った。
て説明する。図3は第2の実施例を説明するための工程
断面図である。まず、図3(a)に示すように、n−I
nP基板101上の一部(DFB−LD領域)に回折格
子100を形成する。この後、CVD法によりSiO2
を堆積し、これをn−InP基板101の<011>方
向へストライプが向くようにパターニングして、SiO
2 マスク102を形成する。マスク間隔は1.5μmで
あり、マスク幅はDFBレーザ部で18μm、変調器部
で6μmとした。また窓構造領域ではマスク間隔をあけ
ていない。
sP光ガイド層103、InGaAsP/InGaAs
P MQW活性層104、およびp−InP層105を
MOVPE選択成長によりエピタキシャル成長させる。
次に、図3(b)のように、SiO2 マスク102を、
DFBレーザ部、変調器部に対して6μm幅に、窓領域
に対しては4μmに幅広げを行う。次に、p−InPク
ラッド層106、p−InGaAsキャップ層107を
MOVPE選択成長によりエピタキシャル成長させる。
このとき、導波路方向断面で見ると、p−InPクラッ
ド層106に段差は発生していない。
器の間25μmのp−InGaAsキャップ層107を
除去することで、素子分離を行った後、電極形成プロセ
スを行う。さらにDFBレーザ側端面に光反射膜コーテ
ィング(70%)、変調器側端面に低反射膜コーティン
グ(1%)を施しDFBレーザ/光変調器集積化光源と
した。
変調器集積化光源を評価たところ、変調器側端面での反
射率は、0.01%以下と見積られた。レーザ発振波長
は1.552μm、閾値電流6mA、スロープ効率0.
24W/A、最大光出力30mWの素子が88%の歩留
まりで実現できた。また、変調器に2Vの逆バイアスを
印加したときの消光比は27dBであった。また、DF
Bレーザに50mAの電流注入を行った状態で、変調器
に2.5ギガビット毎秒の疑似ランダム信号を0Vと−
2Vのバイアスで変調し、1.3μm零分散ファイバ1
20kmを伝送させたところ、10-11 でのビットエラ
ーレートでのパワーペナルティーは0.1dB以下であ
った。
は、1.5μm帯のInGaAsP型についてのみ説明
したが、MOVPE選択成長が可能な系であれば、同様
な構造が実現可能である。また上記実施例では、DFB
レーザ/光変調器集積化光源のへの適用についてのみ述
べたが、本発明はDFBレーザ/光変調器集積化光源に
限らず、窓構造を備えた光導波路構造を必要とする他の
デバイスについても適用が可能である。
端面を実現するための窓構造をともなった半導体光導波
路において、MOVPE選択成長の手法により、導波路
方向でクラッド層の成長速度を制御することにより、ク
ラッド層に段差が生じない構造を提供するため、以下の
効果を奏することができる。変調器側端面で導波光の
反射が少ない窓構造を備えた半導体光導波路の構造及び
その製造方法を提供することでができる。この様な構
造を、制御性、再現性よく高歩留まりで実現しうるよう
にすることができる。
レーザ/光変調器集積化光源の斜視図である。
の工程断面図である。
するための工程断面図である。
の成長特性曲線および光導波路断面図である。
の成長特性曲線および光導波路断面図である。
の工程図である。
の工程断面図である。
の光導波路断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 光導波路端部のバンドギャップエネルギ
ーが導波光のエネルギーよりも大きい窓構造付半導体光
導波路において、該光導波路のクラッド層が導波路方向
に窓領域と非窓領域の間で段差を持たないことを特徴と
する半導体光導波路。 - 【請求項2】 光導波路端部のバンドギャップエネルギ
ーが導波光のエネルギーよりも大きい窓構造付半導体光
導波路において、該光導波路のクラッド層厚が導波路方
向に窓領域と非窓領域よりも大きいことを特徴とする半
導体光導波路。 - 【請求項3】 半導体基板上に、一部領域に開口部を有
さず、該非開口部のマスク幅が開口部のマスク幅に比べ
広くなった一対のストライプマスクを形成する工程と、
該開口部へダブルヘテロ構造からなるコア層を選択的に
エピタキシャル成長する工程と、前記開口部の開口幅を
前記非開口部も含め広げる工程と、該広げられた開口部
にクラッド層を選択的にエピタキシャル成長する工程と
を含むことを特徴とする半導体光導波路の製造方法。 - 【請求項4】 半導体基板上に、一部領域に開口部を有
さない一対のストライプマスクを形成する工程と、該開
口部へダブルヘテロ構造からなるコア層を選択的にエピ
タキシャル成長する工程と、前記非開口部における開口
幅が前記開口部の開口幅より狭くなる様に幅広げを行う
工程と、該広げられた開口部にクラッド層を選択的にエ
ピタキシャル成長する工程とを含むことを特徴とする半
導体光導波路の製造方法。 - 【請求項5】 半導体基板上に、一部領域に開口部を有
さず、該非開口部のマスク幅が開口部のマスク幅に比べ
広くなった一対のストライプマスクを形成する工程と、
該開口部へダブルヘテロ構造からなるコア層を選択的に
エピタキシャル成長する工程と、前記非開口部における
開口幅が前記開口部の開口幅より狭くなる様に幅広げを
行う工程と、該広げられた開口部にクラッド層を選択的
にエピタキシャル成長する工程とを含むことを特徴とす
る半導体光導波路の製造方法。
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