JPH11121787A

JPH11121787A - 集積型光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11121787A
Application number: JP27576397A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kinoshita; 下順一木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐｎ接合をもつ埋込層が、第１の光素子にお
いては、高いキャリア濃度を有し、第２の光素子におい
ては、低いキャリア濃度を有するようにすることができ
ると共に、この埋込層を共通の結晶成長工程により形成
することができる集積型光素子およびその製造方法を提
供することを目的とする。【解決手段】集積型光素子の埋め込み層と接合する部
分に、予めキャリア濃度の高い層と低い層とを共通に形
成しておく。そして、埋め込み層の形成工程に先だっ
て、変調部において不要な層を除去する。このようにす
ることにより、簡易な工程で、レーザ部と変調部の構造
をそれぞれ最適化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積型光素子およ
びその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、
例えば、外部変調器や半導体レーザなどの複数の光素子
がモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）に集積され、
超高速光通信に用いて好適な集積型光素子およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた２．４Ｇｂｐｓ（ギ
ガ・ビット毎秒）や１０Ｇｂｐｓの伝送速度での超高速
光通信システムにおいては、高速で動作させることがで
きる発光素子、光変調器、光増幅素子、および受光素子
などが必要とされている。これらの素子は、単体で用い
るよりも、モノリシックに集積化することにより、電気
的特性、光学的特性を改善することができ、さらに、シ
ステムの構成を簡略化して、信頼性を向上することもで
きる。

【０００３】以下では、このような集積型光素子として
変調器集積型レーザ素子を例に挙げて説明する。変調器
集積型レーザ素子は、単一縦モード波長で発振する分布
帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ＦｅｅｄＢａｃｋＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）と、外
部変調器としての電界吸収型光変調器（ＥＡＭ：Ｅｌｅ
ｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｔｙｐｅｏｐｔｉ
ｃａｌＭｏｄｕｌａｔｏｒ）とをモノリシックに集積
した構成を有する。ここで、ＤＦＢレーザは直流電流に
より駆動され、その光出力がＥＡＭにより高速変調され
る。したがって、このような変調器集積型レーザ素子に
おいては、ＤＦＢレーザに対しては安定した高出力動作
が要求され、また、ＥＡＭに対しては寄生容量を極限ま
で低減した超高速動作が要求される。

【０００４】図７は、変調器集積型レーザの導波路方向
の断面構造を表す概略図である。ここでは、光通信用と
して普及している波長１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系材料を用いた構成例を示した。すなわち、変
調器集積型レーザ素子１００は、レーザ部１００Ａと変
調部１００Ｂとにより構成されている。

【０００５】レーザ部１００Ａにおいては、ｎ型ＩｎＰ
基板１０１の上に、ｎ型クラッド層１０１’、活性層１
０２、およびガイド層１０３が順次積層されている。こ
こで、ｎ型クラッド層１０１’はｎ型ＩｎＰ、活性層１
０２はＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌ
ｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ；多重量子井戸）構造、
ガイド層１０３はそれよりバンドギヤップの大きいＩｎ
ＧａＡｓＰにより構成することができる。また、ガイド
層１０３の上部には回折格子（グレーティング）１０３
Ａが形成されている。

【０００６】一方、光変調部１００Ｂにおいては、ＭＱ
Ｗ活性層１０２と回折格子付きガイド層１０３の一部が
それぞれ除去され、その代わりに、ＩｎＧａＡｓＰから
なるＭＱＷ吸収層１０４とｉ型ＩｎＰ層１０５とが順次
積層されている。ＭＱＷ吸収層１０４は、ＱＣＳＥ（Ｑ
ｕａｎｔｕｍＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＳｔａｒｋＥ
ｆｆｅｃｔ）効果によってＤＦＢレーザ部１００Ａから
の光出力を変調できるように構成されている。

【０００７】このような変調器集積型レーザ素子１００
において、ＤＦＢレーザ部１００Ａの光導波路部分すな
わち同図中の１０２および１０３と、光変調部１００Ｂ
の吸収導波路部分すなわち同図中の１０４との連結部１
０６は、バット・ジョイント（ｂｕｔｔｊｏｉｎｔ）
と呼ばれる。図・・においては、この上に、ｐ−ＩｎＰ
クラッド層１０７およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰオーミック
・コンタクト層１０８が積層されている。あるいは、こ
れらの層は、導波路部分をいわゆる埋込ストライプ構造
にした後に形成されることもある。両デバイスの結合部
１０６の上には、両デバイスの電気的アイソレ−ション
のために、高抵抗のプロトン（ｐｒｏｔｏｎ）照射領域
１０９が設けられる。

【０００８】この埋込みヘテロ構造（ＢＨ：ｂｕｒｉｅ
ｄｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）について、横断
面図を用いてさらに詳細に説明する。図８は、変調器集
積型レーザ素子１００の導波路に垂直な方向の断面構造
を表す概略図である。すなわち、同図は、図７に示した
ａ−ａ’線で切断した断面構造を例示し、ｐ−ｎ接合を
有するＩｎＰ層で埋込まれた埋め込みヘテロ構造を例示
する。

【０００９】この構造の素子の作成に際しては、まず、
上述したｐ−ＩｎＰクラッド層１０７とコンタクト層１
０８を成長する前に、活性層１０２とガイド層１０３と
吸収層４とを１．２μｍ幅のメサ・ストライプ（ｍｅｓ
ａ−ｓｔｒｉｐｅ）形状になるようにエッチングする。
次に、このストライプの両脇２μｍの外側に図示しない
Ｓｉ０２膜を堆積して結晶成長を妨害し、ストライプと
その両脇に、ｐ−ＩｎＰ層１０７とコンタクト層１０８
を、やはりメサ・ストライプ状に成長する。全体をＳｉ
０２絶縁膜１２０で覆った後、選択成長されたメサ・ス
トライプの上面にＳｉ０２絶縁膜１２０の開口部１２５
を設け、ｐ側電極１３０を形成する。また、裏面にはｎ
側電極１４０を形成する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図８に示した
構造では、活性層１０２の両脇において、ｎ型ＩｎＰ基
板１０１とｐ型ＩｎＰクラッド層１０７とのホモ接合１
５０が形成される。このホモ接合は、集積型素子１００
のレーザ部１００Ａについてみると、レーザ発振動作時
には順接合として機能する。一方、ＩｎＰ層１０７と活
性層１０２との間にはヘテロ接合が形成される。これら
のホモ接合とヘテロ接合とは飽和電流密度が異なるため
に、注入電流を活性層に狭窄することができる。なお、
他のＢＨ構造では、この上に図示しない逆接合を形成し
て更に電流を狭窄する工夫がなされることも多い。

【００１１】しかし、効果的に電流を狭窄するために
は、このホモ接合におけるＩｎＰ層１０１’および１０
７のキャリア濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であること
が望ましく、ｐ型不純物であるＺｎが活性層１０２に拡
散しやすくなる直前の１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度とすること
がさらに望ましい。その理由は、キャリア濃度が低くな
ると、ＩｎＰホモ接合１５０の飽和電流密度が下がり、
ヘテロ接合における飽和電流密度との差が小さくなっ
て、活性層に電流を集中できなくなり、電流リークが生
じてレーザの出力が低下するからである。

【００１２】一方、集積型素子１００の変調部１００Ｂ
についてみると、ＩｎＰのホモ接合には、逆バイアスが
印加される。しかし、ＩｎＰ層１０１’およびＩｎＰ層
１０７のキャリア濃度がいずれも５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上
であると、ｐｎ接合の寄生容量が大きくなり、２．４Ｇ
ｂｐｓや１０Ｇｂｐｓにおける高速動作が困難になる。
高速動作を実現するためには、埋込領域の接合を形成す
るＩｎＰ層１０１’あるいはＩｎＰ層１０７のキャリア
濃度は５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることが望ましく、で
きれば１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることがさらに望まし
い。

【００１３】このように、集積型光素子のレーザ部１０
０Ａと変調部１００Ｂとの間では、ＩｎＰ層１０１’あ
るいはＩｎＰ層１０７の最適なキャリア濃度が異なる。
従って、従来は、これらのＩｎＰ層を共通にすると、レ
ーザ部１００Ａと変調部１００Ｂの性能を両立すること
ができないという問題があった。

【００１４】また、それぞれの部分について、ＩｎＰ層
１０１’あるいはＩｎＰ層１０７を別々に成長しようと
すると、製造プロセスや結晶成長工程は極めて複雑とな
り、集積型光素子１００の製作が困難になるという問題
があった。

【００１５】一方、図９は、第２の従来例として、半絶
縁性ＩｎＰ層を用いた埋め込み型構造を例示する概略横
断面図である。すなわち、同図は図７のａ−ａ’線で切
断した断面構造を例示し、活性層１０２の両脇は、ｐ型
ＩｎＰの代わりに、鉄（Ｆｅ）がドープされて半絶縁性
（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）とされたＩｎＰ層
１６０により埋め込まれている。しかし、ＩｎＰにおい
ては十分に高い絶縁性が実現されていない。また、ｐ−
ＩｎＰ層１０７に含有されるＺｎとＩｎＰ層１６０に含
有されるＦｅとが相互拡散を生じるために、界面におい
て絶縁性が劣化しやすい。従って、図９に示した構造に
おいても、注入電流を活性層１０２に狭窄することが容
易でないという問題があった。

【００１６】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
ある。すなわち、その目的は、ｐｎ接合をもつ埋込層
が、レーザ部において高出力特性を保証し、変調部にお
いて低容量の高速動作を支持できると共に、この埋込層
を共通の結晶成長工程により形成することができる変調
器集積型レーザ素子およびその製造方法を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明による
集積型光素子は、同一の基板上に形成された第１の光素
子と第２の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子で
あって、前記第１の光素子と前記第２の光素子のそれぞ
れは、導波路と、前記導波路を埋め込むように形成され
ている埋め込み半導体領域と、前記導波路の周囲の前記
埋め込み半導体領域の中に形成されたｐｎ接合と、を有
し、前記第１の光素子の前記ｐｎ接合を構成している半
導体のいずれかは、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のキャリア濃
度を有し、前記第２の光素子の前記ｐｎ接合を構成して
いる半導体のいずれかは、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下のキャ
リア濃度を有するものして構成され、それぞれの光素子
について最適な濃度のｐｎ接合を形成することができ
る。

【００１８】また、本発明による集積型光素子は、同一
の第１導電型の基板上に形成された第１の光素子と第２
の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子であって、
前記第１の光素子は少なくとも、前記基板上に形成され
た第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層
の上に形成された第１導電型の第２の半導体層と、前記
第２の半導体層の上にストライプ状に形成された第１の
導波路と、前記導波路を埋め込むように形成され、前記
導波路の周囲において、前記第２の半導体層と接触して
ｐｎ接合を形成している第２導電型の第３の半導体層
と、を有し、前記第２の光素子は少なくとも、前記基板
上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、前記第
１の半導体層の上にストライプ状に形成され、前記第１
の導波路と連結されている第２の導波路と、前記導波路
を埋め込むように形成され、前記導波路の周囲におい
て、前記第１の半導体層と接触してｐｎ接合を形成して
いる第２導電型の第３の半導体層と、を有し、前記第１
の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で
あり、前記第２の半導体層のキャリア濃度は、５×１０
¹⁶ｃｍ^-3以下であるものとして構成され、それぞれの光
素子について最適な濃度のｐｎ接合を形成することがで
きる。

【００１９】ここで、前記第２の光素子は、前記第１の
半導体層と前記第２の導波路との間にストライプ状に設
けられた、前記第２の半導体層をさらに有するものして
構成しても良い。

【００２０】また、本発明による集積型光素子として
は、半導体レーザ素子と光変調器とを組み合わせたも
の、あるいは半導体レーザ素子とフォトダイオードとを
組み合わせたものとすることが好適である。

【００２１】一方、本発明による集積型光素子の製造方
法は、同一の半導体基板上に形成された第１の光素子と
第２の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子の製造
方法であって、第１導電型の前記半導体基板上に、第１
導電型の第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の
半導体層の上に、前記第１の半導体層よりもキャリア濃
度が高い第１導電型の第２の半導体層を形成する工程
と、前記第２の光素子となる部分において、前記第２の
半導体層のうちの少なくとも一部をエッチング除去して
前記第１の半導体層を露出させる工程と、前記第２の半
導体層と前記露出された前記第１の半導体層の上に第２
導電型の第３の半導体層を形成する工程と、を備えたも
のして構成され、従来と比べて結晶成長工程を増やすこ
となく、それぞれの光素子について最適なｐｎ接合を形
成することができる。

【００２２】また、本発明による集積型光素子の製造方
法は、第１導電型の前記半導体基板上に、第１導電型の
第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層
の上に、前記第１の半導体層よりもキャリア濃度が高い
第１導電型の第２の半導体層を形成する工程と、前記第
２の半導体層の上に、前記第１の光素子のためのストラ
イプ状の第１の導波路を形成する工程と、前記第２の光
素子となる部分において、前記第２の半導体層の上に第
２の導波路となる半導体層を堆積する工程と、前記第２
の導波路となる半導体層と前記第２の半導体層とを共に
部分的にエッチング除去することにより、前記第２の導
波路を形成するとともに、その周囲に前記第１の半導体
層を露出させる工程と、前記第１の導波路と前記第２の
導波路とをそれぞれ埋め込むように、第２導電型の第３
の半導体層を形成する工程と、を備えたものして構成さ
れ、従来と比べて結晶成長工程を増やすことなく、それ
ぞれの光素子について最適なｐｎ接合を形成することが
できる。

【００２３】あるいは、本発明による集積型光素子の製
造方法は、第１導電型の前記半導体基板上に、第１導電
型の第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導
体層の上に、前記第１の半導体層よりもキャリア濃度が
高い第１導電型の第２の半導体層を形成する工程と、前
記第２の半導体層の上に、前記第１の光素子のためのス
トライプ状の第１の導波路を形成する工程と、前記第２
の光素子となる部分において、前記第２の半導体層を除
去して前記第１の半導体層を露出させる工程と、前記露
出された前記第１の半導体層の上に前記第２の光素子の
ためのストライプ状の第２の導波路を形成する工程と、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とをそれぞれ埋め
込むように、第２導電型の第３の半導体層を形成する工
程と、を備えたものして構成され、従来と比べて結晶成
長工程を増やすことなく、それぞれの光素子について最
適なｐｎ接合を形成することができる。

【００２４】ここで、本発明による集積型光素子として
は、半導体レーザ素子と光変調器とを組み合わせたも
の、あるいは半導体レーザ素子と受光素子とを組み合わ
せたものが好適であり、前記第１の半導体層のキャリア
濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であり、前記第２の半導
体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下とするこ
とが望ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】集積型光素子においては、例え
ば、レーザ部では埋込層への無効漏れ電流を少なくし、
変調部では超高速動作を達成するために容量を極度に低
減する必要がある。この目的のため、ｐｎ接合を形成す
る埋込接合部のキャリア濃度は、レーザ部では高くし、
変調部では低くすることが望ましい。これを実現するた
めに、本発明によれば、集積型光素子の埋め込み層と接
合する部分に、予めキャリア濃度の高い層と低い層とを
共通に形成しておく。そして、埋め込み層の形成工程に
先だって、変調部において不要な層を除去する。このよ
うにすることにより、簡易な工程で、レーザ部と変調部
の構造をそれぞれ最適化することができる。

【００２６】以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形
態について説明する。図１は、本発明による集積型光素
子の概略構成を表す模式図である。すなわち、同図は、
変調器集積型レーザ素子１０の導波路に沿った方向の断
面構造を表す概略図である。

【００２７】また、図２および図３は、それぞれ、図１
のａ−ａ’線、ｂ−ｂ’線で切断した横断面図である。

【００２８】本発明においては、ｎ型ＩｎＰ基板１１の
上に、キャリア濃度の低いｎ−型ＩｎＰ層とキャリア濃
度の高いｎ型ＩｎＰ層８０とが積層されている。

【００２９】その構成を、概説すると以下の如くであ
る。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上に、ｎ^-型ＩｎＰ層
７０が形成されている。この層７０のキャリア濃度は５
×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、ｐｎ接合の空乏層の伸びに余裕
を持たせるために、層厚は約２μｍとされている。次
に、ｎ^-型ＩｎＰ層７０の上に、キャリア密度が１×１
０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＩｎＰ層８０が積層されている。この
層の層厚は、例えば約０．２μｍとすることができる。

【００３０】さらに、レーザ部１０Ａにおいては、ｎ型
ＩｎＰ層８０の上に、活性層１２、ガイド層１３、ｐ型
クラッド層１７およびｐ型コンタクト層１８が順次積層
されている。ここで、活性層１２は、例えば、組成の異
なるＩｎＧａＡｓＰ層を周期的に積層したＭＱＷ構造と
し、ガイド層１３はそれよりバンドギャップの大きいＩ
ｎＧａＡｓＰにより構成することができる。また、ガイ
ド層１３の上部には回折格子１３Ａが形成され、ＤＦＢ
レーザとして動作するように構成されている。

【００３１】一方、変調部１０Ｂにおいては、ＭＱＷ活
性層１２と回折格子付きガイド層１３がそれぞれ除去さ
れ、その代わりに、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ吸収
層１４とｉ型ＩｎＰ層１５とが順次積層されている。Ｍ
ＱＷ吸収層１４は、ＱＣＳＥ効果によってＤＦＢレーザ
部１０Ａからの光出力を変調できるように構成されてい
る。なお、前述したＩｎＰ層７０および８０は、レーザ
部１０Ａおよび変調部１０Ｂにおいて、それぞれｎ型ク
ラッド層としての役割も有する。

【００３２】図２および図３に示したように、活性層１
２、ガイド層１３および吸収層１４は、それぞれメサ・
エッチングにより、ストライプ状にエッチングされて、
導波路ストライプ構造を構成している。また、変調部１
０Ｂにおいては、このメサ・エッチング工程に際して、
ｎ型ＩｎＰ層８０も同様にメサ・エッチングされてスト
ライプ状に形成され、キャリア濃度が低いｎ^-型ＩｎＰ
層７０の表面が露出される。

【００３３】さらに、このメサ・エッチングされたスト
ライプを覆うようにして、ｐ型ＩｎＰ層１７が形成さ
れ、埋め込み構造が形成されている。また、ｐ型ＩｎＰ
層１７の上には、ｐ型コンタクト層１８が積層され、レ
ーザ部１０Ａと変調部１０Ｂとの接続部においては、こ
れらを電気的に絶縁するためにプロトンが照射されて高
抵抗化された領域１９が形成されている。さらに、素子
の表面は、酸化シリコンなどによる保護膜２０により覆
われ、その開口を介して、ｐ側電極３０が接続されてい
る。また、ｎ型基板１１の裏面には、ｎ側電極４０が形
成されている。

【００３４】本発明によれば、図２に示したように、レ
ーザ部１０Ａの活性層１２の両脇において、埋め込み層
であるｐ型ＩｎＰクラッド層１７は、ｎ型ＩｎＰ層１８
とｐｎ接合５０を形成する。ここで、ｎ型ＩｎＰ層１８
はキャリア濃度が高いので、レーザの発振動作のために
順方向に電流を流した時に、ＩｎＰホモ接合５０の飽和
電流密度を高く維持して電流リークを抑制することがで
きる。つまり、活性層に電流を効果的に集中することが
でき、レーザの出力を向上することができる。

【００３５】ここで、ｐｎ接合５０の順方向飽和電流密
度を高く維持するためには、ｎ型ＩｎＰ層８０のキャリ
ア濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることが望まし
い。

【００３６】一方、図３に示したように、変調部１０Ｂ
の吸収層１４の両脇においては、埋め込み層であるｐ型
ＩｎＰクラッド層１７は、ｎ^-型ＩｎＰ層７０とｐｎ接
合５０’を形成する。ここで変調器の動作に際しては、
ｐｎ接合５０’に対して逆バイアスが印加されが、ｎ^-
型ＩｎＰ層７０のキャリア濃度が低いので、ｐｎ接合の
寄生容量が低い。すなわち、逆バイアスの印加により形
成される空乏層は、キャリア濃度が低く且つ層厚が厚い
ｎ^-型ＩｎＰ層７０の中を伸びることができるために、
ｐｎ接合５０’の接合容量が低減され、変調部１０Ｂを
高速で動作させることができるようになる。ここで、ｐ
ｎ接合５０’の寄生容量を十分に低減するためには、ｎ
^-型ＩｎＰ層７０のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3
以下であることが望ましい。

【００３７】次に、本発明による集積型光素子１０の製
造方法について、図１〜図３を参照しつつ説明する。ま
ず、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上に、ｎ^-型ＩｎＰ層７０と
ｎ型ＩｎＰ層８０とをエピタキシャル成長する。この結
晶成長法としては、例えば、有機金属化学気相成長法
（ＭＯＣＶＤ）や、液相成長法（ＬＰＥ）、化学ビーム
・エピタキシャル法（ＣＢＥ）などを用いることができ
る。また、層７０のキャリア濃度は約５Ｅ１５ｃｍ−３
で、層厚は約２μｍとすることができる。この層７０の
キャリア濃度や層厚は、ｐｎ接合に逆バイアスを印加し
たときに生ずる空乏層が伸びることができるように適宜
決定することが望ましい。一方、層８０のキャリア密度
は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3で、層厚は約０．２μｍとするこ
とができる。但し、これらの層のキャリア濃度や層厚
は、素子のその他の構造パラメータや結晶成長方法に応
じて適宜調節することができる。また、ｎ^-型ＩｎＰ層
７０の成長に先だって、基板１１の上に図示しないＩｎ
Ｐなどのバッファ層を適宜成長しても良い。

【００３８】次に、活性層１２、ガイド層１３をエピタ
キシャル成長する。結晶成長法は、前述ものと同様の方
法を用いることができる。さらに、ガイド層１３の上に
回折格子１３Ａを形成する。この形成方法としては、例
えば、ガイド層１３の上に感光性レジストを塗布し、僅
かに波長が異なる２種類の光による干渉パターンを用い
てレジストを露光、現像し、このレジスト・パターンを
マスクにして、ガイド層１３の表面部分を臭化水素（Ｈ
Ｂｒ）を含むエッチング液などによりエッチングする方
法を挙げることができる。

【００３９】次に、変調部１０Ｂとなるべき箇所のガイ
ド層１３と活性層１２とをエッチング除去する。そし
て、この除去部分に、ＭＱＷ吸収層１４とｉ型ＩｎＰ層
１５とを結晶成長する。

【００４０】さらに、活性層１２とガイド層１３、およ
び吸収層１４とｉ型ＩｎＰ層１５とをストライプ状にマ
スクして、メサ・エッチングにより、導波路ストライプ
を形成する。この際に、レーザ部１０Ａにおいては、ｎ
型ＩｎＰ層８０の表面が露出するまでエッチングを行
う。また、変調部１０Ｂにおいては、ｎ^-型ＩｎＰ層７
０の表面が露出するまでエッチングを行う。このエッチ
ング工程は、ＩｎＰ層７０とＩｎＰ層８０との界面で厳
密に停止させる必要はなく、多少、ＩｎＰ層７０をオー
バー・エッチングしても良い。

【００４１】次に、これらの導波路ストライプの両側約
２μｍの領域のみを露出させて、その外側に図示しない
酸化シリコン・マスクを形成し、この露出部分に、ｐ型
ＩｎＰクラッド層１７およびｐ型コンタクト層１８を順
次結晶成長する。このようにして、活性層１２や吸収層
１４の導波路ストライプを埋め込むようにして、ＩｎＰ
クラッド層１７をストライプ状に選択成長することがで
きる。

【００４２】次に、ウェーハの表面全体を酸化シリコン
やレジスト、金（Ａｕ）などのマスクで保護し、レーザ
部１０Ａと変調部１０Ｂとの接合部分を開口して、プロ
トンを照射することにより、高抵抗領域１９を形成す
る。この高抵抗領域１９により、レーザ部１０Ａと変調
部１０Ｂとを電気的に絶縁することができる。

【００４３】次に、ウェーハの表面全体を保護膜２０に
より覆い、ｐ型コンタクト層１８の上に開口を形成し
て、ｐ側電極３０を形成する。なお、前述したプロトン
の照射は、このｐ側電極３０の形成工程の後に実施して
も良い。このようにすれば、ｐ側電極３０をマスクとし
て利用することができるので、照射の際のマスクの形成
工程を省略することができる。最後に、基板１１の裏面
にｎ側電極４０を形成し、素子毎に分離して、変調器集
積型レーザ素子１０が完成する。

【００４４】本発明によれば、従来と比べて結晶成長工
程を増やすことなく、レーザ部と変調部とに、それぞれ
最適なＩｎＰ接合を設けることができる。すなわち、レ
ーザ部と変調部とにおいて、キャリア濃度が異なるｎ型
ＩｎＰ層とｎ^-型ＩｎＰ層とをそれぞれ別々に成長しよ
うとすると、いずれかのＩｎＰ層を成長した後に、ウェ
ーハを一端、結晶成長装置から取り出して、部分的にエ
ッチング処理やマスクを形成して、再び結晶成長装置に
導入して、選択成長を行う必要があった。しかし、本発
明によれば、一度の結晶成長工程においてｎ^-型ＩｎＰ
層７０とｎ型ＩｎＰ層８０とを連続的に積層し、変調部
１０Ｂにおいてｎ型ＩｎＰ層８０を除去することによ
り、レーザ部１０Ａと変調部１０Ｂとにおいてそれぞれ
最適のＩｎＰ接合を形成することができる。つまり、本
発明によれば、簡略な工程により、高い歩留まりで高性
能な変調器集積型レーザ素子を製造することができる。
なお、図１および図３に示した例においては、変調部１
０Ｂの吸収層１４の下にｎ型ＩｎＰ層８０をストライプ
状に残した構造について説明した。しかし、本発明はこ
れに限定されるものではない。すなわち、変調部１０Ｂ
において、ｎ型ＩｎＰ層８０をすべて除去し、露出した
ｎ^-型ＩｎＰ層７０の上に吸収層１４を形成するように
しても良い。このようにした場合には、レーザ部１０Ａ
の活性層１２やガイド層１３との光軸を合わせるため
に、吸収層１４を厚く形成する必要がある。しかし、キ
ャリア濃度が高いｎ型ＩｎＰ層８０を除去することによ
り、ｎ型ＩｎＰ層８０のストライプの側面とｐ型ＩｎＰ
層１７との間で形成されるｐｎ接合に伴う寄生容量を解
消することができる。

【００４５】次に、本発明による第２の集積型光素子に
ついて説明する。図４〜図６は、本発明による第２の集
積型光素子の概略構成を例示する模式図である。すなわ
ち、図４は、発光素子と受光素子とを集積化した集積型
光素子９０の導波路に沿った方向の断面構造を表す概略
図である。また、図５および図６は、それぞれ、図４の
ａ−ａ’線、ｂ−ｂ’線で切断した横断面図である。

【００４６】これらの図に表した集積型光素子９０は、
レーザ部９０Ａと受光部９０Ｂとからなる。レーザ部９
０Ａは、埋め込み型の導波路を有するＤＦＢレーザ素子
であり、受光部９０Ｂは、ｐ型半導体層とｎ型半導体層
との間にｉ型の光吸収層が導波路状に埋め込まれた、い
わゆる埋め込み導波路型のｐｉｎフォトダイオードであ
る。

【００４７】この集積型光素子９０においても、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１１の上に、キャリア濃度の低いｎ^-型ＩｎＰ
層とキャリア濃度の高いｎ型ＩｎＰ層８０とが積層され
ている。レーザ部９０Ａの構成は、図１および図２に関
して前述したものと概略同様とすることができ、同一の
部分には同一の符合を付して詳細な説明を省略する。

【００４８】レーザ部９０Ａにおいては、図５に示した
ように、埋め込み部分のｐｎ接合５１は、キャリア濃度
が高いＩｎＰにより形成されている。従って、前述した
ように、順方向に電流を流したレーザ駆動の際の飽和電
流密度を高く維持して、活性層１２に電流を集中するこ
とができる。

【００４９】一方、受光部９０Ｂは、ＩｎＧａＡｓある
いはＩｎＧａＡｓＰなどからなる光吸収層９５を有す
る。この光吸収層９５は、レーザ部９０Ａの活性層１２
およびガイド層１３からの光を、バット・ジョイントを
介して受け、吸収して電気信号に変換する。ここで、フ
ォトダイオードである受光部９０Ｂは、ｎ型ＩｎＰ層７
０とｐ型ＩｎＰ層１７とにより形成されるｐｎ接合５
１’に逆バイアスを印加する必要がある。従って、受光
部９０Ｂの高速動作を実現するためには、このｐｎ接合
の寄生容量を低減する必要がある。ここで、ｐｎ接合５
０’の寄生容量を十分に低減するためには、ｎ^-型Ｉｎ
Ｐ層７０のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であ
ることが望ましい。また、その層厚は、ｐｎ接合の空乏
層が十分に伸びるように、２μｍ以上とすることが望ま
しい。

【００５０】本発明によれば、ｎ型ＩｎＰ層７０は、キ
ャリア濃度が低く、その層厚を厚くすることができるの
で、受光部９０Ｂの埋め込み部分のｐｎ接合５１’の空
乏層が伸びて寄生容量を低減し、高速動作させることが
できる。

【００５１】以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施
の形態について説明した。しかし、本発明は、前述した
具体例に限定されない。この他にも、例えば、埋め込み
型導波路を有する光増幅素子と受光素子とを集積した集
積型光素子や、光変調器と光増幅器とを集積した集積型
光素子などについても本発明を同様に適用して、同様の
効果を得ることができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。まず、本発明に
よれば、複数の光素子を集積した集積型光素子におい
て、それぞれの光素子について、最適なｐｎ接合を形成
することができる。例えば、レーザと光変調器とを組み
合わせた場合については、キャリア濃度が高いｐｎ接合
を形成することにより、レーザの発振動作のために順方
向に電流を流した時に、ＩｎＰ接合の飽和電流密度を高
く維持して電流リークを抑制することができる。つま
り、活性層に電流を効果的に集中することができ、レー
ザの出力を向上することができる。一方、変調部におい
ては、キャリア濃度の低いｐｎ接合を形成することがで
き、寄生容量が低減され、変調部を高速で動作させるこ
とができるようになる。

【００５３】また、本発明によれば、レーザと光変調器
との組み合わせに限らず、例えば、レーザと受光素子
や、光増幅素子と受光素子、あるいは光変調器と光増幅
器などを組み合わせた集積型光素子において、それぞれ
の光素子について最適なキャリア濃度のｐｎ接合を形成
することができ、これらの性能を極限まで向上すること
ができるようになる。

【００５４】さらに、本発明によれば、従来と比べて結
晶成長工程を増やす必要がない。すなわち、光素子のそ
れぞれの部分において、一度の結晶成長工程においてキ
ャリア濃度が異なる半導体層を連続的に積層し、それぞ
れの光素子部分において適宜除去することにより、それ
ぞれ最適の接合を形成することができる。つまり、本発
明によれば、簡略な工程により、高い歩留まりで高性能
な集積型光素子を製造することができる。以上説明した
ように、本発明によれば、最適な素子構造を有する光素
子を組み合わせた集積型光素子を、簡易な工程により高
い歩留まりで得ることができ、産業上のメリットは多大
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による集積型光素子の概略構成を表す模
式図である。すなわち、同図は、変調器集積型レーザ素
子１０の導波路に沿った方向の断面構造を表す概略図で
ある。

【図２】図１のａ−ａ’線で切断した横断面図である。

【図３】図１のｂ−ｂ’線で切断した横断面図である。

【図４】本発明による第２の集積型光素子の概略構成を
例示する模式図である。すなわち、発光素子と受光素子
とを集積化した集積型光素子９０の導波路に沿った方向
の断面構造を表す概略図である。

【図５】図４のａ−ａ’線で切断した横断面図である。

【図６】図４のｂ−ｂ’線で切断した横断面図である。

【図７】変調器集積型レーザの導波路方向の断面構造を
表す概略図である。

【図８】変調器集積型レーザ素子１００の導波路に垂直
な方向の断面構造を表す概略図である。

【図９】第２の従来例として、半絶縁性ＩｎＰ層を用い
た埋め込み型構造を例示する概略横断面図である。

【符号の説明】

１０、９０、１００集積型光素子１０Ａ、９０Ａ、１００Ａレーザ部１０Ｂ、１００Ｂ変調部１１、１０１ｎ型ＩｎＰ基板１２、１０２活性層１３、１０３ガイド層１３Ａ、１０３Ａ回折格子１４、１０４吸収層１５、１０５ｉ型ＩｎＰ層１６、１０６バット・ジョイント１７、１０７ｐ型クラッド層１８、１０８ｐ型コンタクト層１９、１０高抵抗層３０、１３０ｐ側電極５０、５０’、５１、５１’、１５０ｐｎ接合４０、１４０ｎ側電極７０ｎ^-型ＩｎＰ層８０ｎ型ＩｎＰ層９０Ｂ受光部９５吸収層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一の基板上に形成された第１の光素子と
第２の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子であっ
て、前記第１の光素子と前記第２の光素子のそれぞれは、導
波路と、前記導波路を埋め込むように形成されている埋
め込み半導体領域と、前記導波路の周囲の前記埋め込み
半導体領域の中に形成されたｐｎ接合と、を有し、前記第１の光素子の前記ｐｎ接合を構成している半導体
のいずれかは、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のキャリア濃度を
有し、前記第２の光素子の前記ｐｎ接合を構成している半導体
のいずれかは、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下のキャリア濃度を
有することを特徴とする集積型光素子。
【請求項２】同一の第１導電型の基板上に形成された第
１の光素子と第２の光素子とを少なくとも備えた集積型
光素子であって、前記第１の光素子は少なくとも、前記基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層
と、前記第１の半導体層の上に形成された第１導電型の第２
の半導体層と、前記第２の半導体層の上にストライプ状に形成された第
１の導波路と、前記導波路を埋め込むように形成され、前記導波路の周
囲において、前記第２の半導体層と接触してｐｎ接合を
形成している第２導電型の第３の半導体層と、を有し、前記第２の光素子は少なくとも、前記基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層
と、前記第１の半導体層の上にストライプ状に形成され、前
記第１の導波路と連結されている第２の導波路と、前記導波路を埋め込むように形成され、前記導波路の周
囲において、前記第１の半導体層と接触してｐｎ接合を
形成している第２導電型の第３の半導体層と、を有し、前記第１の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上であり、前記第２の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下であるものとして構成されていることを特徴とす
る集積型光素子。
【請求項３】前記第２の光素子は、前記第１の半導体層
と前記第２の導波路との間にストライプ状に設けられ
た、前記第２の半導体層をさらに有することを特徴とす
る請求項２記載の集積型光素子。
【請求項４】前記第１の光素子は、半導体レーザ素子で
あり、前記第２の光素子は、光変調器であり、前記第１の半導体層の層厚は、前記第２の半導体層の層
厚よりも厚いものとして構成されていることを特徴とす
る請求項２または３に記載の集積型光素子。
【請求項５】前記第１の光素子は、半導体レーザ素子で
あり、前記第２の光素子は、フォトダイオードであり、前記第１の半導体層の層厚は、前記第２の半導体層の層
厚よりも厚いものとして構成されていることを特徴とす
る請求項２または３に記載の集積型光素子。
【請求項６】同一の半導体基板上に形成された第１の光
素子と第２の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子
の製造方法であって、第１導電型の前記半導体基板上に、第１導電型の第１の
半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体層よりも
キャリア濃度が高い第１導電型の第２の半導体層を形成
する工程と、前記第２の光素子となる部分において、前記第２の半導
体層のうちの少なくとも一部をエッチング除去して前記
第１の半導体層を露出させる工程と、前記第２の半導体層と前記露出された前記第１の半導体
層の上に第２導電型の第３の半導体層を形成する工程
と、を備えたことを特徴とする集積型光素子の製造方法。
【請求項７】同一の半導体基板上に形成された第１の光
素子と第２の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子
の製造方法であって、第１導電型の前記半導体基板上に、第１導電型の第１の
半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体層よりも
キャリア濃度が高い第１導電型の第２の半導体層を形成
する工程と、前記第２の半導体層の上に、前記第１の光素子のための
ストライプ状の第１の導波路を形成する工程と、前記第２の光素子となる部分において、前記第２の半導
体層の上に第２の導波路となる半導体層を堆積する工程
と、前記第２の導波路となる半導体層と前記第２の半導体層
とを共に部分的にエッチング除去することにより、前記
第２の導波路を形成するとともに、その周囲に前記第１
の半導体層を露出させる工程と、前記第１の導波路と前記第２の導波路とをそれぞれ埋め
込むように、第２導電型の第３の半導体層を形成する工
程と、を備えた集積型光素子の製造方法。
【請求項８】同一の半導体基板上に形成された第１の光
素子と第２の光素子とを少なくとも備えた集積型光素子
の製造方法であって、第１導電型の前記半導体基板上に、第１導電型の第１の
半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体層よりも
キャリア濃度が高い第１導電型の第２の半導体層を形成
する工程と、前記第２の半導体層の上に、前記第１の光素子のための
ストライプ状の第１の導波路を形成する工程と、前記第２の光素子となる部分において、前記第２の半導
体層を除去して前記第１の半導体層を露出させる工程
と、前記露出された前記第１の半導体層の上に前記第２の光
素子のためのストライプ状の第２の導波路を形成する工
程と、前記第１の導波路と前記第２の導波路とをそれぞれ埋め
込むように、第２導電型の第３の半導体層を形成する工
程と、を備えた集積型光素子の製造方法。
【請求項９】前記第１の光素子は、レーザ素子であり、前記第２の光素子は、光変調器であり、前記第１の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上であり、前記第２の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか
１つに記載の集積型光素子の製造方法。
【請求項１０】前記第１の光素子は、レーザ素子であ
り、前記第２の光素子は、受光素子であり、前記第１の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上であり、前記第２の半導体層のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか
１つに記載の集積型光素子の製造方法。