JPH10144990A

JPH10144990A - 導波路型光素子

Info

Publication number: JPH10144990A
Application number: JP29615196A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoki; 雅博青木; Hiroshi Sato; 宏佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は半導体光素子に関し、特に極めて簡
易な作製法で実現可能な信頼性の高く、且つ高出力動作
に優れたリッジ装荷型光導波路素子の素子構造及びその
作製方法を提供することを目的とする。さらなる目的は
本発明のリッジ装荷型光導波路素子をジャンクションダ
ウン実装した光モジュールの好適な構造及び製法を提供
することにある。【解決手段】リッジ装荷型光導波路の両脇にリッジを
形成するためのエッチング溝を設け、そのエッチング溝
にのみ半導体以外の物質を充填し平坦化すること、およ
びエッチング溝の幅を最適な値に設計することにより、
素子の高出力特性および信頼性を飛躍的に向上する光導
波路構造およびその作製方法を開示する。【効果】本発明に係る半導体発光素子よれば、信頼性
の高く、且つ高出力動作に優れたリッジ装荷型光導波路
素子を容易な手法で実現できる。本発明を用いれば、素
子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この
素子を適用した光通信システムの大容量化、長距離化を
容易に実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体光素子に係
り、特に光通信用モジュール、光通信システム、光ネッ
トワ−クに用いる好適な半導体光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】リッジ装荷型光導波素子は作製工程が非
常に簡易であるため、半導体レ−ザ、光変調器、導波路
型受光素子等様々な導波路型光素子に適用されている。
しかし、従来のリッジ装荷型光導波素子は構造上、リッ
ジ部が平坦でないため、成長層表面を下側に実装したい
わゆるジャンクションダウン実装が困難である。このた
め、ジャンクションダウン実装が必須な高出力レ−ザや
実装の簡素化から低コストモジュールの実現に不可欠な
パッシブアライメント実装への適用は困難であった。

【０００３】なお、この種のリッジ装荷型光導波素子と
して関連するものに、例えば１９９４年半導体レ−ザ国
際会議ＰＤ１０が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、簡易な作製
法で実現でき、さらにジャンクションダウン実装に適用
可能な高出力でかつ高信頼動作を高歩留まりで実現可能
とするリッジ装荷型光素子の構造及びその作製方法を提
供することを目的とする。さらなる目的は光導波路また
は光ファイバが設けられた実装基板上に本発明のリッジ
装荷型光素子を実装した光モジュールを提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らはリッジ装荷型光導波路（即ち、組成の
異なる複数の半導体を積層してなる光素子の一部の半導
体層を積層方向に対し凸状に形成したもの）の両脇にリ
ッジを形成するためのエッチング溝を設け、そのエッチ
ング溝に半導体以外の物質を充填すること、およびエッ
チング溝の幅を最適な値に設計することにより、上記問
題を解決し素子特性を飛躍的に向上する光導波路構造お
よびその作製方法を考案した。積層方向に対して凸状に
形成された半導体層（いわゆる、リッジ）の側方に形成
される半導体以外の物質は、エッチング溝のみに充填さ
れることが望ましい。その理由は、ジャンクションダウ
ン実装におけるリッジ状（又は、上部）に形成された電
極層とヒートシンク等のパッケージ部材との接合精度が
高まるからである。

【０００６】本発明の本質は、本発明者の実験的知見に
基づくものであり、詳細は後述の発明の実施の形態で明
らかにされる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を実施例１乃
至５とこれらに関連する図１〜図５に示した実施の形態
を以て説明する。

【０００８】＜実施例１＞図１Ａに示すように、ｎ型
（１００）ＩｎＰ半導体基板１０１上に公知の手法によ
りＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）下側光ガイ
ド層０．１５μｍ、６．０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組
成波長１．３７μｍ）を井戸層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａ
ＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）を障壁層とする７周期
の多重量子井戸構造、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１
０μｍ）上側光ガイド層０．０５μｍからなる多重量子
井戸活性層１０２、ｐ型ＩｎＰクラッド層１．７μｍ１
０３、ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層０．２μｍ１０４を
順次形成する（図１Ｂ）。

【０００９】次に公知の手法（例えば、特開平７−２２
１３８７号公報参照）によりキャップ層１０４をストラ
イプ幅４．４μｍ、ストライプ両脇の溝幅１０μｍのス
トライプ構造に加工する。ここでストライプ方向は［０
１１］とする。続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液
によるウェットエッチングを用いて、図１Ｃに示すよう
な（１１１）Ａ面を側壁にもつ逆メサ断面形状のリッジ
導波路を形成する。

【００１０】続いて熱ＣＶＤ法により基板全面に厚さ
０．１５μｍのシリコン酸化膜１０５を形成した後、ネ
ガ型フォトレジスト１０６を回転塗布し（図１Ｄ）、エ
ッチバック法を用いて溝部以外でシリコン酸化膜が露出
するまでネガ型フォトレジスト１０６をエッチングする
（図１Ｅ）。次にポジ型フォトレジスト１０７をリッジ
上部の周辺数μｍの領域以外にパターニングし、リッジ
上部のシリコン酸化膜１０５を除去する（図１Ｆ）。フ
ォトレジスト１０６、１０７を除去した後、上部電極１
０８を形成する。上部電極は斜め蒸着法を用いて、リッ
ジの側壁にも電極が形成されるようにした。次に、ポリ
イミド樹脂１０９を回転塗布し、エッチバック法を用い
て溝部以外のポリイミド樹脂１０９をエッチング除去し
た（図１Ｇ）。下部電極１１０形成の後、劈開工程によ
り共振器長３００μｍの素子に切り出した。後端面には
反射率８０％の高反射膜１１１を公知の手法により形成
した。図１Ｈは完成素子の構造である。素子は金錫半田
を用いてジャンクションダウンで炭化シリコンヒートシ
ンク上に実装した。即ち、図示せざるも上部電極１０８
がＡｕ−Ｓｎソルダ（半田）によってヒートシンクに接
合され、相互に電気的導通を取った。溝部のポリイミド
樹脂１０９の効果を確認するため、ポリイミド樹脂１０
９が無い同様のレーザも作製し特性を比較した。

【００１１】ポリイミド樹脂１０９の無い素子ではジャ
ンクションダウン実装後に５〜8０ｍＡのしきい値上昇
や発振停止が生じる等、発振特性が大きく劣化した。実
装後の素子の断面観察により、この特性劣化は、実装中
リッジ両脇の溝部に入り込んだ金錫半田が冷却硬化時に
生じる引っ張り応力により、リッジ部にストレス応力が
発生し、これによりリッジ構造自体が破壊されているた
めであることが分かった。

【００１２】一方、ポリイミド樹脂１０９を有する素子
は室温、連続条件において発振波長は１．３μｍ、発振
しきい値１０〜１２ｍＡ、発振効率０．５０Ｗ／Ａと良
好な発振特性を示した。また、８５℃の高温条件におい
てもしきい値は１８〜２２ｍＡ、発振効率は０．３５Ｗ
／Ａ程度と良好であった。また、素子の長期信頼性を８
５℃の高温条件下で評価したところ１０万時間以上に渡
って安定な動作を示した。

【００１３】このような実験データの比較から明らかな
ように、本発明の本質はリッジ状に形成された半導体層
の側方（側面）に当該半導体層とは熱膨張率が大きく異
なる半田等が形成されないようにリッジ装荷型光導波路
を形成することにある。しかし、リッジ側方にリッジと
は逆導電型の半導体層を形成して光導波路を構成する半
導体の積層構造に流れる電流を制限しようとすると、リ
ッジ側方に寄生容量が発生して光導波路素子の特性を低
下させるリスクが高くなる。そこで、本発明者はリッジ
側方を半導体以外の絶縁層で埋め込む（埋込層を形成す
る）ことを着想した。

【００１４】ところで埋込層を有機絶縁膜樹脂で形成す
る場合、当該樹脂を溶剤で溶かした流体としてリッジ側
方に供給する。しかし、これを固めて素子を形成する段
階で樹脂表面（リッジ上面側）が凹状又は凸状に形成さ
れることがある。前者の場合、半田等が凹面に入り込ん
でリッジに応力を掛ける危険性があり、また後者の場
合、ある程度の隆起は許容されるものの、その最上面が
リッジ状部に形成された電極層の上面より高くなるとジ
ャンクションダウン実装の精度を損なう危険性がある。
このような問題は、エピタキシャル成長によるリッジ埋
込みができない半導体以外の材料に普遍的に生じ得る。
そこで本発明では、リッジ導波路を形成するエッチング
溝に充填される半導体以外の材料からなる領域を、その
上面がリッジ上面以上且つ当該リッジ上部に形成される
電極層上面以下となり、望ましくはリッジ間に形成され
たエッチ溝のみに形成することが重要になる。この望ま
しき構成を達成するには、充填物質の選定（例えば、ポ
リイミド）やリッジ間の距離（エッチング溝の横幅）の
設定（例えば、２乃至４０μｍとする）ことが重要とな
る。

【００１５】上記実施例ではリッジ形状が逆メサの場合
について示したが従来型である順メサ形状、垂直メサ形
状のリッジ導波路に適用した場合においても上記と全く
同様の効果が得られることは言うまでもない。また、上
記実施例ではＩｎＰ系半導体レーザについて示したが、
ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ等他の全ての半導体光導波路素
子適用した場合においても上記と全く同様の効果が得ら
れることは言うまでもない。

【００１６】＜実施例２＞図２は実施例１とほぼ同様な
手法で出射ビームを拡大した機能を有する波長１．３０
μｍ帯半導体レーザを作製した例である。出射ビームス
ポット拡大の目的から図に示すように多重量子井戸活性
層２０１の層厚は出射部で薄く設計されている。出射ビ
ームスポット拡大に応じｐ型ＩｎＰクラッド層は４μｍ
厚とした。また、活性層幅となるリッジの横幅は２．０
μｍから出射部で７．０μｍまでフレアテーパ状に拡大
されている。ストライプ両脇の溝幅は１０μｍである。
共振器長５００μｍの素子に切り出した後、後端面には
反射率９０％の高反射膜を公知の手法により形成した。
ワイヤレス実装が必須な低価格実装のため本素子をシリ
コンヒ−トシンク上にジャンクションダウンで実装し評
価したところ、室温、連続条件において発振しきい値は
約９〜１２ｍＡ、発振効率０．４５Ｗ／Ａと良好な発振
特性を示した。また、８５℃の高温条件においてもしき
い値は２２〜２８ｍＡ、発振効率は０．３５Ｗ／Ａ程度
と良好であった。一方、出射端でのビームスポットは約
３．５μｍであり本素子を平坦端面形状のファイバと結
合させたところ、結合損失５ｄＢ以下を水平方向の合わ
せ精度誤差±３μｍで実現した。さらに、素子の長期信
頼性を８５℃の高温条件下で評価したところ１０万時間
以上に渡って安定な動作を示した。本素子を加入者系光
通信システムの低コストモジュールの光源として用いる
ことにより、高温時の特性劣化の少ない発振特性、位置
合わせ許容誤差の大きなファイバ結合特性を反映して良
好な特性を確認した。

【００１７】＜実施例３＞図３は実施例１とほぼ同様な
手法で波長１．４８μｍで発振する高出力半導体レーザ
を作製した例である。活性層の横幅は２．０、ストライ
プ両脇の溝幅は１０μｍとし、１．４８μｍ歪ＩｎＧａ
ＡｓＰ多重量子井戸活性層３０１で発生するジュ−ル熱
が効率的に放熱されるように設定した。共振器長１２０
０μｍの素子に切り出した後、前端面には３％の低反射
膜３０２、後端面には反射率９５％の高反射膜３０３を
形成した。素子を炭化シリコンヒートシンク上にジャン
クションダウンで実装し評価したところ、室温、連続条
件において発振しきい値は約３５ｍＡ、発振効率０．４
０Ｗ／Ａと良好な発振特性を示した。また、印加電流６
００ｍＡで光出力２００ｍＷを得た。また、リッジ側壁
の電極金属による良好な放熱構造を反映して熱飽和の少
ない電流−光出力特性を再現性良く得た。また、素子の
長期信頼性を５０℃の高温条件下で評価したところ良好
な素子特性を反映して５０万時間以上に渡って安定な動
作を示した。本素子をエルビウム添加ファイバ増幅器の
励起光源として用いることにより、雑音強度の低い良好
な光増幅特性を確認した。

【００１８】＜実施例４＞図４は実施例２、３とほぼ同
様な手法で波長０．９８μｍで発振する高出力半導体レ
ーザを作製した例である。ｎ型（１００）ＧａＡｓ半導
体基板４０１上に公知の手法によりｎ型ＩｎＧａＰまた
はＡｌＧａＡｓバッファ層２．０μｍ４０２、４０ｎｍ
厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長０．７７μｍ）を障壁
層、６．０ｎｍ厚の歪ＩｎＧａＡｓ（組成波長１．２０
μｍ）を井戸層とする単一量子井戸活性層４０３、ｐ型
ＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓクラッド層２．０μｍ４
０４、ｐ型ＧａＡｓキャップ層０．２μｍ４０５を順次
形成する。また、活性層幅となるリッジの横幅は２．０
μｍから出射部で７．０μｍまでフレアテ−パ状に拡大
されている。ストライプ両脇の溝幅は１０μｍとし、
０．９８μｍ歪ＩｎＧａＡｓ単一量子井戸活性層４０３
で発生するジュ−ル熱が効率的に放熱されるように設定
してある。リッジ溝および側壁を覆うように電極１０８
を形成した後、薄いポリイミド樹脂４０６を溝部に形成
した後、共振器長１２００μｍの素子に切り出し、前端
面には３％の低反射膜４０７、後端面には反射率９５％
の高反射膜４０８を形成した。素子を炭化シリコンヒ−
トシンク上にジャンクションダウンで実装し評価したと
ころ、室温、連続条件において発振しきい値は約１５ｍ
Ａ、発振効率０．９０Ｗ／Ａと良好な発振特性を示し
た。また、印加電流２５０ｍＡで光出力２３０ｍＷを得
た。また、リッジ側壁の電極金属による良好な放熱構造
を反映して熱飽和の少ない電流−光出力特性を再現性良
く得た。また、素子の長期信頼性を５０℃の高温条件下
で評価したところ良好な素子特性を反映して５０万時間
以上に渡って安定な動作を示した。本素子をエルビウム
添加ファイバ増幅器の励起光源として用いることによ
り、雑音強度の低い良好な光増幅特性を確認した。

【００１９】＜実施例５＞図５は実施例１または２の半
導体レーザを光ファイバが装着されたシリコン基板上に
実装した、光モジュールを作製した例である。図におい
て、（１００）シリコン基板５０１の一部分に形成され
たＶ型溝５０２に光ファイバ５０３を固定し、ファイバ
端面部に実施例１または実施例２の波長１．３μｍの半
導体レーザ５０４および導波路型受光素子５０５をジャ
ンクダウン実装する。レーザ、光ファイバ間およびレー
ザ、受光素子間の光軸位置合わせにはシリコン基板５０
１、半導体レーザ５０４、受光素子５０５に各々設けら
れた位置決め用のマーカを用いた。

【００２０】素子は室温、連続条件において発振波長は
１．３μｍ、発振しきい値１０〜１２ｍＡ、ファイバ結
合効率は実施例１の半導体レーザで約５％、実施例２の
半導体レ−ザでは狭窄化されたビーム形状を反映して約
５０％と良好な結合特性を示した。また、８５℃の高温
条件においてもしきい値は１８〜２２ｍＡ。また、素子
の長期信頼性を８５℃、８５％の高温高湿条件下で評価
したところ１０万時間以上に渡って安定な動作を示し
た。

【００２１】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子よれば、信
頼性の高く、且つ高出力動作に優れたリッジ装荷型光導
波路素子を容易な手法で実現できる。本発明を用いれ
ば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでな
く、この素子を適用した光通信システムの大容量化、長
距離化を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための図である。

【図２】本発明の実施例を説明するための図である。

【図３】本発明の実施例を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例を説明するための図である。

【図５】本発明の実施例を説明するための図である。

【符号の説明】

１０１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１０２…
多重量子井戸活性層、１０３…ｐ型ＩｎＰクラッド層、
１０４…ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層、１０５…シリコ
ン酸化膜、１０６…ネガ型フォトレジスト、１０７…ポ
ジ型フォトレジスト、１０８…上部電極、１０９…ポリ
イミド樹脂、１１０…下部電極、１１１…高反射膜１１
１、３０１…歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層、３
０２…低反射膜、３０３…高反射膜、４０１…ｎ型（１
００）ＧａＡｓ半導体基板、４０２…ｎ型ＩｎＧａＰま
たはＡｌＧａＡｓバッファ層、４０３…単一量子井戸活
性層、４０４…ｐ型ＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓクラ
ッド層、４０５…ｐ型ＧａＡｓキャップ層、４０６…ポ
リイミド樹脂、４０７…低反射膜、４０８…高反射膜、
５０１…（１００）シリコン基板、５０２…Ｖ型溝、５
０３…光ファイバ、５０４…波長１．３μｍの半導体レ
ーザ、５０５…導波路型受光素子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成されたリッジ導波路の
一部または全領域に電流または電圧を印加するための電
極構造を有し、且つ該リッジ導波路の両脇にリッジを形
成するためのエッチング溝を有する半導体導波路型光素
子において、リッジ上部に電流または電圧を印加するた
めの絶縁膜窓を有し、少なくともリッジ部の上面、底
面、側面及びエッチング溝の底面、側面は全て該電極構
造により覆われており、さらに該エッチング溝部にのみ
半導体以外の物質が該電極構造を覆うように充填されて
いることを特徴とする半導体導波路型光素子。
【請求項２】エッチング溝部の横幅が２から４０μｍで
あることを特徴とする特許請求範囲第１項の半導体導波
路型光素子。
【請求項３】エッチング溝部の充填物質がポリイミド樹
脂であることを特徴とする特許請求範囲第１、２項の半
導体導波路型光素子。
【請求項４】導波路が形成された側の面が下側になるよ
うに実装されたことを特徴とする特許請求範囲第１〜３
項の半導体導波路型光素子。
【請求項５】導波路が形成された側の素子表面に実装基
板との接着時に用いる薄膜半田が形成されていることを
特徴とする特許請求範囲第１〜４項の半導体導波路型光
素子。
【請求項６】リッジ両側の側壁が（１１１）Ａ結晶面で
あることを特徴とする特許請求範囲第１〜５項の半導体
導波路型光素子。
【請求項７】リッジ両側の側壁が（０１−１）結晶面で
あることを特徴とする特許請求範囲第１〜５項の半導体
導波路型光素子。
【請求項８】実装基板に素子を固着するための薄膜半田
電極を素子の表面に有することを特徴とする特許請求範
囲第１〜７項の半導体導波路型光素子。
【請求項９】特許請求範囲第１〜８項の半導体導波路を
基本構造とした半導体レーザダイオード
【請求項１０】特許請求範囲第１〜８項の半導体導波路
を基本構造とした導波路型受光ダイオード
【請求項１１】光導波路または光ファイバが設けられた
実装基板上に特許請求範囲第８項の半導体レーザまたは
特許請求範囲第９項の導波路型受光ダイオードのどちら
か一方もしくは両者が実装されていることをことを特徴
とした送受信モジュール。