JPS6364384A - 光半導体集積装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信や光情報処理の分野、特に、大容量光
信号の伝送が必要な分野において、波長多重光源もしく
は出力が安定化された半導体レーザ光源として利用され
る。

〔従来の技術〕

従来報告されている３波長以−ヒの波長多重半導体レー
ザは、分布帰還形のレーザであり、波長の違いが１　、
２　ｎ　ｍ　程度しかないばかりでなく、その製作が非
常に困難であった。（光応用計測制御システムの研究開
発成果発表会論文集　昭和５９年６月（光応用システム
技術研究組合列）第１２３頁から第１２８頁もしくは第
４４回応用物理学会学術講演会、予稿集　昭和５８年秋
、第９７頁。

参照 また、半導体レーザに、光検出器を千ノリシックに作り
付けその動作を＠認した例は、アプライド・オプテイク
ス２３　（６）　　（１９８４年）第７７９頁から第７
８１頁（Ａｐｐｌ、０ｐｔｉｃｓ、　２３　（６）、　
（１９８４）Ｐｐ、７７９−７８１．）に報告されてい
る。但し。

光検出器の受光感度は、レーザからの距離や、活性領域
の構造等に依存する。そこで、このモノリシック光検出
器の感度向上が望まれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来技術においては、多重化された光出力の個々の
成分となる波長の間隔が最大でわずか］、、２ｎｍ　で
ある。しかも、波長範囲を選択する自由度が十分ではな
い。従って、多重化された光ビームを分波する場合に、
十分な分解能を得ることが容易でない。

しかも、前記従来技術は、分布帰環形のレーザを用いる
ため、作製が容易でない。

本発明の第１目的は、十分な波長間隔（例えば、０−０
．２μｍ）を持ち、かつ広い波長選択性（例えば、Ｇ　
ａ　Ａ　ｓを用いると０．６〜０．９ｇｍ、工ｎＰを用
いると０．８〜１．７μｍ）のある、波長多重半導体レ
ーザを、比軟的容易に作製することにあり、第２の目的
は、前記公知例を改善して光検出器の感度向上を計り、
特に、多重量子井戸を活性層に用いて、低閾値レーザと
高感度光検出器とのモノリシックな集積化を実現するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記第１の目的は、活性層に量子井戸を用い、かつ、そ
の井戸層厚みを変化させることにより、達成される。

この井戸層厚みを変化させる手段としては次の方法があ
る。

１、活性層の結晶成長において、各構成レーザの位置で
成長面が異なった傾斜を持つように、あらかじめ基板に
、傾斜角の異なる斜面を設けておいた後、全体に同一条
件で量子井戸層を成長させる。

第１図参照。

２、活性層の結晶成長に、選択成長の技術を適用し、各
構成レーザの活性層中の量子井戸層の厚さを個別的に調
整する。

また、前記第２の目的は、光検出器の活性層（量子井戸
の場合は井戸層）を、レーザダイオードの活性層（井戸
層）より厚くすることによって達成される。

〔作用〕

量子井戸の結晶成長において、原料元素の供給方向に直
角に基板が置かれた場合が、一般に、一番成長速度が速
い。基板上の成長面が、この状態から角度αだけ傾くと
、成長厚さはｃｏｓα　倍薄くなる。そして、量子井戸
層の厚さｄと、レーザ発振波長λとの間には次の関係が
ある。

λ＝Ａ−ｄ２　　　　　　　　　　　　（１）但しＡは
材料によって異る定数である。

例えば、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　ｏ、ａＡ　Ｑ　
ｏ、ｚＡ　ｓを材料とした量子井戸の場合、伝導電子の
みを考えると、この関係は、概略第２図のようになる。

（詳しくは価電子のエネルギーも考１＠すべきであるが
、その変化は１指示さいので無視した。） 従って、結晶成畏時の成長面の傾斜角と、レーザ発振波
長とが、第２図のように結びつけられる。

即ち、成長面の傾斜角に応じて、量子井戸層の厚さが決
まり、量子エネルギーレベルが決る。それに従って、レ
ーザの発振波長が、違ってくるわけである。

選択成長によって量子井戸層を変える場合も、（１）式
に従って、レーザ発振波長に差がつけられる。

また、光検出器をモニターとして有する半導体レーザダ
イオードにおいては、光検出器の活性層の厚さが、レー
ザダイオードの活性層よりも厚い事により、レーザから
広がりを持って出た光をより多く受光することができる
。

特に、量子井戸を活性層に持つ構造の場合は、井戸層の
厚みが厚い程、光吸収や発光に対応するエネルギーレベ
ル間隔が小さくなる。従って、光検出器の量子井戸を、
レーザの量子井戸より厚くすることによって、レーザ光
の光子エネルギーが。

検出器の検出下限よりも常に十分大きい状態に保持する
ことができる。従って、レーザの駆動によって、レーザ
出力光の成長（光子エネルギー）が変動しても、十分な
感度で検出することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

実施例１ 第１図を用いて説明する先ず、ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板
（厚さ約４００μｍ）に−塩素（Ｃ（＋２）ガスを用い
た反応性イオンビーｌトエッチング（１？、Ｔｌ３Ｅ。

Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ
）法によって、基板底面トノなす角度が各に２０”　、
３０’　、４０”（α＝２０’　、α＋β＝３０”　、
α＋β＋γ＝４０°）の斜面を伶る。各斜面の幅は１０
０μｍである（Ａ＝Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝１００μｍ）、この斜
面形成は、不要部分をホトレジストで被覆し、かつ、イ
オンビームを基板に対して傾猥させてエツチングする方
法で行う。

次に、得られた基板上に、有機金属熱分止（ＭＯＣＶｒ
）、　Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａ］
　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法によって、順
次下記のエピタキシャル層を成長させる。即ち、ｎ型Ｇ
ａｏ、ｓｓＡ　Ｄ、　０．４ＦＩＡＳクラッド層（厚さ
１　、５〜２　μｍ　）　、Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ　／Ｇａｏ
、ａＡα０．２Ａｓ多重量子井戸（鋸板底面と平行部分
において井戸層１２３．５　ｎ　ｍ、バリヤ層５ｎｍ）
、ｐ型Ｇ　ａ　Ｏ，１ｌＦ）Ａ　Ｑ　０．４６Ａ　Ｓク
ラット層（厚さ０．３ｐｍ）、ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓブロ
ック層（厚さ０．８μｍ）。次に、ホトレジストを用い
て、ｎ型ＧａＡｓ層の一部（第１図１０）に、幅５ｐｍ
の切れ目を、化学蝕刻と、ＲＴＴ’３Ｆとの組み合わせ
によって形成する。この部分（第１図１０）が電流の径
路となる。

さらにこの上から、　ＭＯＣＶＤによって、ｐ型Ｇ　ａ
　Ｏ，！１５Ａ　Ｑ　０．４３Ａ　Ｓ　　クラッド層（
厚さ１．５〜１５０ｕｍ）、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（
ｌｕさ０．３〜５μｍ）を成長させる。この２層の成長
に当っては、基板を傾けることによって、ブロック層ま
での成長でできた表面の段差を紛和するようにもってゆ
く。即ち、第１図り領域が原料ガスの流入方向に直角と
なり、最大の成長速度を持つように、基板を傾けて設置
する。

次に、スパッタリングで被着させたＳ　ｉ　ＮＮをマス
クとして、Ｚｎを選択拡散させ電流径路を形成する。特
に、ｐ型キャップ層とｐ’！クラッド層の厚さが、場所
によって大きく異なる場合は、個個のレーザ位置におい
て、異なった深さの拡散を行い、第１図に示すように、
キャップ層を十分に貫通させる。

次に、金属の蒸着とりフトオフ、あるいは、金属の蒸着
とイオンミリング等の方法によって、ｐ側型ｐｉ（第１
図、７）を形成する。

その後、研磨によって、基板を約１００〜１５０μｍの
厚さまで薄くする。そして、裏面に金Ｊ４を蒸着してｎ
偏置（４（第１図、９）を形成する。

最後に、レーザキャビティを襞間によって作り、スクラ
イブシこよって、個々のチップに分離する。

以上のようにして作成した素子の特性は次のようになっ
た。各レーザの発振波長は、活性層と基板との角度の小
さい方からそれぞれ、０．８５００μｍ。

０．８４７２μｍ　、　０．８４３０７ｚ　ｍ　、　０
．８３５４μｍ　、であった。

波長間隔は２．８〜７．６Ｅｍ　（２８〜７６人）であ
る。Ｐ側の電極が各レーザ毎に個別に設けられているの
で、各波長のレーザを独立して’Ｑ’ｈ＞できた。各々
のレーザが電流狭窄構造と導波構造とを持つので、各々
、縦モード及び横モードが単一である。各レーザの閾値
は４０〜６０ｍＡであった。

実施例２ 本発明の他の実施例を以下に説明する。　、レーザ活性
層の中の量子井戸層の厚さを変える方法として、選択的
結晶成長を行う。即ち、先の実施例と同じ順に、同様の
多層成長を行うが、活性層だけは、各レーザを個別的に
成長する。

例えば、量子井戸層厚みが１２３．５　ｎ　ｍ　のレー
ザＡ（第１図）の活性層を成長する時には、他のレーザ
、ｒ３．Ｃ，Ｄ部分は、ＣＶＤ法で被着したＳｉＯ２膜
で被覆し、Ａ部分に選択成長した。

従って、この場合は基板に斜面を形成する必要はない。

以下の製作手順は全く先の実施例と同様である。また特
性に関しても先の例と同様である。

実施例３ 第３図を用いて説明するｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１７上
に、ダブルへテロ構造１６を、ＭＯＣＶＤ　（Ｍｅｔａ
ｌＯｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、有機金属熱分解）法によって成長
させる。本レーザダブルへテロ構造は、ｎ型Ｇ　ａ　Ｇ
、り６Ａ　Ｑ、　Ｑ、４３Ａ　Ｓクラッド層（２μｍ厚
）、多重量子井戸（ＭＱＷ）１５゜ｐ型Ｇ　ａ　０．６
５Ａ　Ｑ　０．４１１Ａ　Ｓクラッド層（０，３μｍ厚
）、ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　電流ブロックｌ（０，８μｍ
厚、中央活性領域では蝕刻除去）、Ｐ型 Ｇ　ａ　０．１１ＦＩＡ　Ｑ　０．４６Ａ　Ｓクラッド
層（１、５μｍ厚）、及び、ｐ型ＧａＡｓキャップＮ　
（０、３μｍＪ！５）から成っている６活性層の多重量
子井戸は、ノンドープＧａＡｓ井戸層（７ｎｍ厚）と、
Ｇ　ａ　ｏ、ａＡ　（ｌ　ｏ、２Ａｓバリヤ層（５ｎｍ
厚）との、５回相互繰り返し構造である。

光検出器部分１−１については、第５＠に示すように、
基板にあらかじめ傾斜（角度１０°〜６ｏ°）をつけて
おく。かつ、ＭＯＣＶＤ等による結晶成長の時、この光
検出部の成長速度が、レーザ部分の成長速度より大きく
なるような角度に基板を傾けて成長を行う。例えば、基
板の中で、光検出器となる部分に、傾め方向からのイオ
ンビーム等によって、３０″の傾斜をつけた。次に、　
ＭＯＣＶＤの成長室において、この基板を１４．７°　
傾けて保持する。このようにしてレーザ部分を、水平面
から１４．７°傾けると、成長層厚さが、光検出器部分
のｅｏｓ　ｌ　４　、７°倍だけ薄くなる。一般に、原
料ガスや分子線の放出方向が、最も結晶成長が速い。

従って、傾斜角がＯ（第５図）の場合は、ｃｏｓ　０倍
だけ薄くなる。従って、光検出器の活性層１４は、レー
ザの活性層より厚くなる。

次に、レーザ及び光検出器に電極を、金属の蒸着とりフ
トオフ法によって形成した。

最後に、レーザ１２と光検出器］】とを分離するために
、）か１３を設ける６塩素ガス（ＣＱｚ）を主体にした
反応性イオンビーｌトエッチング（ＲＩ　Ｂ　Ｅ）法、
あるいは、リン酸（Ｈ３ＰＯｔ）と過酸化水素水（Ｉ−
Ｉ２０２）の溶液による化学蝕刻法等によって、基板に
至る深さ１０μｍの分離溝を作った。この分離溝の幅は
１１００ＩＬであった。

以上によって作製した素子のエネルギー状態を模式的に
示すと第６図のようになる。レーザ部分１２の量子井戸
幅（Ｌ２）が、光検出器１１の量子井戸幅（Ｌｌ）より
、約３．４％狭い。従って、レーザの井戸層厚さが７ｎ
ｍの場合、レーザの方の遷移エネルギー差２４は、光検
出器の遷移エネルギー差２：３より、約７．３ｍｅ’＋
７　大きい。この値は、レーザに多量に電流を注入する
ことによる発振エネルギーの低下量（バンド・シュリン
ケツジ）を補う。従って、当該レーザ光のエネルギーは
。

当該光検出器のエネルギー下限２３に対して、十分な値
を持ち、安定した光検出が実現した。

なお、レーザの量子井戸層のツクさが７ｎｍの場合、前
述の傾斜角θと、光検出器の伝導電子のエネルギーレベ
ルとの関係は、第７図のようになる。

伝導電子だけでなく、価電子帯内の正孔（ホール）につ
いても同様の傾向が現れるが、その変化量は、約１７１
０である。従って、遷移エネルギーの差（第６閉中、２
３及び２４の差）は、第５図上の、縦軸の位置の差によ
って、１ズ略近（以できる。

例えば、（１００）面を表面とする基板に。

（１１１，）面から成る傾斜面をつけた場合は、θ＝５
４°４４′であるので、エネルギー差は約７５ｍｅＶと
なる。

さらに、本素子の場合、多重量子井戸において、井戸層
（ＧａＡｓ）の屈折率は３．６５３であり、バリヤ層（
Ｇ　ａ　ｏ、ｓＡ　Ｑ　０．２Ａ　Ｓ　）の屈折率は：
Ｌ５３３である。従って、第５図に示す傾斜角Ｏが、］
４．７°　に至るまで、一端井戸層に入った光は、バリ
ヤ層との界面で全反射するため、井戸層内に閉じ込めら
れる。即ち、レーザの活性層と光検出器の活性層との間
に、７５°に至るまでの角度がついても、そのために光
が活性層の外部へ逃げる量は少い。

実方色例４ 本発明の他の実施例？次に述べる。基本的には先の実施
例と同様であるが、活性層の成長を、レーザ部分と、光
検出器部分とを別々に行うことによって、両部会の活性
層厚み（量子井戸層の厚さ）に差をつけた。即ち、不要
部分を、５ｊＯ２゜Ｓ　ｉＮ、ＡＱｘＯｓ等のガラス質
膜によって被費することによって、選択結晶成長をする
。その結果、第４図に示すように、光検出部の活性層Ｌ
　４を。

レーザ活性層１５よりＩｉ　くする。この厚さの差と、
遷起エネルギー差との関係は、先の例と同じく。

第７図の関係から求まる。３１は伝導電子のエネルギー
レベル、３２は結晶成長面の傾き、３３は（１１１）面
の傾きである。

本実施例においても、先の実施例と全く同様の効果が実
現した。多重量子井戸を用いた場合の効果についても、
先の実施例の場合と全く同様であり、その原理は第６図
に示す通りである。

実施例５ 量子井戸を活性層に用いる場合、不純物元素のドーピン
グによって、量子井戸の実効的な幅を狭くすることがで
きる（バンド・ミクシング効果）。

即ち、レーザ部分の量子井戸にだけ選択ドーピングを行
うことによって、第１の実施例と同様の効果を得た。ド
ーピングの方法としては、選択成長。

イオン打込み等を利用した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発振波長の異なる複数個のレーザを、
単一チップにモノリシックに集積し、任意の波長範囲に
おいて、任意の波長間隔を持つ、波長多重光源を実現さ
せることができろ。ＧａＡｓを材料とすると、波長範囲
は０．６〜０．９μｍ、ＩｎＰを材料に使うと、波長範
囲は、０．８〜１．７μｍである。集積したレーザの波
長間隔を、活性層の量子井戸層の厚みによって、任意（
例えばＯ〜０．２μｍ）に設定することができる。

また、本発明による波長多重光源からの、波長多重光ビ
ー１１は、その広がりが狭く、複雑な光学系を用いるこ
となく、容易に、光ファイバーに結合できる。

さらに、本発明によれば、光検出器の活性層厚を、レー
ザダイオードの活性層厚よりも厚くでき、従ってレーザ
から出た広がりのある出力光の多くを受光できる。特に
、活性層に量子井戸を用いた場合には、受光器の受光エ
ネルギー下限を、レーザの出力光エネルギーに比較して
、十分な低さに作ることができる。そのエネルギー差は
、Ｏ〜１５　ｍ　ｅ　Ｖの範囲で任意に設定できる。従
って、従来の多重量子井戸形の素子における受光効率（
ｒｅｓｐｏｎｓｉｖ、１ｔｙ）　５　μＡ　／　ｍ　Ｗ
を、１桁以上改善し、５０〜５００μＡ　／　ｍ　Ｗに
及ぶ高効率が達成された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１に示す装置の断面図、第２図
は本発明における波長多重化の原理及び効果を示す図、
第３図は本発明の装置の外観図、第４図は実施例４に示
す装置の断面図、第５図は実施例３に示す装置の断面図
、第６図は本発明の動作原理を示す図、第７図は本発明
の効果を示す回である。 １・・・傾斜面を持つ基板、２・・・ｎ型クラッド層、
３・・・多重量子井戸活性層、４・・・ブロック層、５
・・・ｎ型クラッド層、６・・・キャップ層、７・・・
Ｐ側＝ｇ　Ｄｉ、８・・・拡散による７！！流径路、９
・・・ｎ側電極、１０・・・電流径路、α、β、γ・・
・傾斜角、Ａ、Ｈ，Ｃ，Ｄ・・・各個別レーザ、１１・
・・光検出器、１２・・・レーザダイオード、１３・・
・た刻分離溝、１４・・・光検出器の活性層、１５・・
・レーザダイオードの活性層、１６・・・ダブルへテロ
構造、１７・・・基板、１８・・・金属電極、１９・・
・基板につけた斜面、０・・・斜面の１■斜角、２３・
・・光検出器光吸収遷移エネルギー、２４・・・レーザ
遷移エネルギー、２５・・・レーザ発光遷移、２６・・
・レーザ光、２７・・・光吸収遷移、Ｌｌ・・・光検出
器内の量子井戸層厚、ＬＸ・・・レーザダイオード内の
量子井戸層厚、３１・・・量子井戸層厚が７ｎｍの場合
の、伝導電子レベル（但し、量子井戸の底を基準とする
）、３２・・・量子井戸層厚が７ｎｍの場合の、結晶成
長面の傾き、３３・・（１１１）面の傾き（但し、　（
１００）面を基準とする）。 代理人　弁理士　小川勝男、　　＼ ３１５　ノ　Ｌもこ） ラツミ　　シリ；（メスケη、） ￥５４図 第５図 ／／、１次出茎　　／４尤検と芥Ｄ５釘引／７茶ｆ夫第
Δ口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一基板上に半導体レーザダイオードおよび／もし
   くは光検出器を集積した光半導体集積装置において、該
   レーザダイオードおよび流光検出器の活性層の厚さが異
   なることを特徴とする光半導体集積装置。 ２、上記活性層が量子井戸（ｑｕｎｔｕｍｗｅｌｌ：Ｑ
   Ｗ）であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の光半導体集積装置。 ３、上記光半導体集積装置が、各活性層の厚さを異なる
   ようにした波長多重半導体レーザであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光半導体集積装置。 ４、上記基板が傾斜面を有し、上記量子井戸層が選択結
   晶成長技術にて形成されてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第２もしくは第３項記載の光半導体集積装置。 ５、上記半導体レーザダイオードが複数個であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１もしくは２項記載の光半
   導体集積装置。 ６、上記光検出器の活性層の厚さが上記半導体レーザの
   活性層の厚さより大きいことを特徴とする特許請求の範
   囲第１、３および４項のいずれかに記載の光半導体集積
   装置。