JP2780687B2 - 半導体光集積素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体光集積素子およびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上に異
なる機能の複数の光機能素子を集積化した半導体光集積
素子およびその製造方法に関するものである。
なる機能の複数の光機能素子を集積化した半導体光集積
素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】同一半導体基板上に異なる機能の半導体
光素子（半導体レーザ、波長制御器、光変調器、光増幅
器、光スイッチ、光検出器等の異種光素子等）を集積化
することができれば、超小型で信頼性の高いシステムを
構築することが可能になる。この場合に、各光素子を集
積化した光集積素子においては、各々の素子に応じて最
適な光導波層構造を作製することが望ましい。
光素子（半導体レーザ、波長制御器、光変調器、光増幅
器、光スイッチ、光検出器等の異種光素子等）を集積化
することができれば、超小型で信頼性の高いシステムを
構築することが可能になる。この場合に、各光素子を集
積化した光集積素子においては、各々の素子に応じて最
適な光導波層構造を作製することが望ましい。
【０００３】図８は、２つの光機能素子を集積化した半
導体光集積素子の構造を模式的に示した断面図である。
同図に示されるように、半導体基板１１上には、第１光
機能素子部を構成する領域ａにおいては第１光導波路層
２が形成され、第２光機能素子部を構成する領域ｂにお
いては第２光導波路層３が形成されている。第１、第２
光導波路層２、３上にはクラッド層４ａが形成されてい
る。この光集積素子の従来の作製方法では、半導体基板
１１上全面に第１光導波層２を成長させ、次に、この第
１光導波路層の一部を選択的にエッチング除去して図示
の光導波路層２にパターニングした後、第２光導波路層
３を再成長させこれを図示のようにパターニングする方
法が用いられていた。この作製法では、各光機能素子に
最適な光導波層構造を形成することが可能であるが、そ
の工程の複雑さから製作が困難で、コストが高くつき、
また光導波路層３の成長時に光導波路層２と光導波路層
３の境界で異常成長が生じ、二つの素子間の光結合効率
が悪くなる等の問題があった。この問題を解決する一手
段として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた
選択成長技術がある。
導体光集積素子の構造を模式的に示した断面図である。
同図に示されるように、半導体基板１１上には、第１光
機能素子部を構成する領域ａにおいては第１光導波路層
２が形成され、第２光機能素子部を構成する領域ｂにお
いては第２光導波路層３が形成されている。第１、第２
光導波路層２、３上にはクラッド層４ａが形成されてい
る。この光集積素子の従来の作製方法では、半導体基板
１１上全面に第１光導波層２を成長させ、次に、この第
１光導波路層の一部を選択的にエッチング除去して図示
の光導波路層２にパターニングした後、第２光導波路層
３を再成長させこれを図示のようにパターニングする方
法が用いられていた。この作製法では、各光機能素子に
最適な光導波層構造を形成することが可能であるが、そ
の工程の複雑さから製作が困難で、コストが高くつき、
また光導波路層３の成長時に光導波路層２と光導波路層
３の境界で異常成長が生じ、二つの素子間の光結合効率
が悪くなる等の問題があった。この問題を解決する一手
段として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた
選択成長技術がある。
【０００４】図９は、この選択成長法を用いて形成した
半導体光集積素子を説明するための斜視図である。半導
体基板１１の上に、対向するストライプ状の誘電体成長
阻止マスク５を形成し（開口部の幅Ｗｇが１．５μｍ
で、マスク幅Ｗｍは各光素子領域に応じて異なる）、そ
の後、光導波路層２および３を一括して成長させる。こ
の従来技術に関する参考文献としては、例えば、ジャー
ナルオブクリスタルグロース（ＪＣＧ）１９９３年、第
１３２巻、第４３５頁−第４４３頁が挙げられる。この
方法では、マスク幅に応じて開口部に形成される結晶組
成および層厚が異なるため、１回の結晶成長で組成およ
び層厚の異なる光導波路層が作製でき、光集積素子の作
製工程の大幅な簡単化が可能であり、且つ集積化された
各光素子間で高い光結合効率が得られる等、高性能な光
集積素子の作製が可能である。
半導体光集積素子を説明するための斜視図である。半導
体基板１１の上に、対向するストライプ状の誘電体成長
阻止マスク５を形成し（開口部の幅Ｗｇが１．５μｍ
で、マスク幅Ｗｍは各光素子領域に応じて異なる）、そ
の後、光導波路層２および３を一括して成長させる。こ
の従来技術に関する参考文献としては、例えば、ジャー
ナルオブクリスタルグロース（ＪＣＧ）１９９３年、第
１３２巻、第４３５頁−第４４３頁が挙げられる。この
方法では、マスク幅に応じて開口部に形成される結晶組
成および層厚が異なるため、１回の結晶成長で組成およ
び層厚の異なる光導波路層が作製でき、光集積素子の作
製工程の大幅な簡単化が可能であり、且つ集積化された
各光素子間で高い光結合効率が得られる等、高性能な光
集積素子の作製が可能である。
【０００５】図１０は、この選択成長法を用いて作製さ
れた、ＳＩ（step-index）−ＳＣＨ（separate confine
ment hetero-structure)構造の多重量子井戸光導波路を
有する光集積素子の断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上
に、ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層６、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ／ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層７、ＧａＩｎＡｓＰ
上部光閉じ込め層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層４が順次選
択成長されている。選択成長に用いた成長阻止マスクの
マスク幅Ｗｍは、第１光機能素子部の方が第２の光機能
素子部よりも広くなっているため、光閉じ込め層６、８
および多重量子井戸層７の層厚は第１光機能素子部の方
が厚くなる。その結果、光閉じ込め層６、８および多重
量子井戸層７のバンドギャップエネルギーは、第１光機
能素子部よりも第２光機能素子部の方が高くなってい
る。第１、第２光機能素子部のそれぞれのバンドダイア
グラム（価電子帯側のみ）を図の左右に示す。
れた、ＳＩ（step-index）−ＳＣＨ（separate confine
ment hetero-structure)構造の多重量子井戸光導波路を
有する光集積素子の断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板１上
に、ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層６、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ／ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層７、ＧａＩｎＡｓＰ
上部光閉じ込め層８、ｐ−ＩｎＰクラッド層４が順次選
択成長されている。選択成長に用いた成長阻止マスクの
マスク幅Ｗｍは、第１光機能素子部の方が第２の光機能
素子部よりも広くなっているため、光閉じ込め層６、８
および多重量子井戸層７の層厚は第１光機能素子部の方
が厚くなる。その結果、光閉じ込め層６、８および多重
量子井戸層７のバンドギャップエネルギーは、第１光機
能素子部よりも第２光機能素子部の方が高くなってい
る。第１、第２光機能素子部のそれぞれのバンドダイア
グラム（価電子帯側のみ）を図の左右に示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、異なる領域で
異なる組成を成長させるために用いているパラメータが
主として成長阻止マスク５の幅のみであった従来の選択
成長法では、マスク幅に応じて結晶組成や層厚が一義的
に決まってしまうため、異なる領域で似通った層構造の
光導波路しか一括形成できず、集積化された各光素子の
機能に応じた好適な光導波層構造を同時に作製すること
はできなかった。
異なる組成を成長させるために用いているパラメータが
主として成長阻止マスク５の幅のみであった従来の選択
成長法では、マスク幅に応じて結晶組成や層厚が一義的
に決まってしまうため、異なる領域で似通った層構造の
光導波路しか一括形成できず、集積化された各光素子の
機能に応じた好適な光導波層構造を同時に作製すること
はできなかった。
【０００７】例えば、図１０に示す多重量子井戸光導波
路を有する光集積素子において、分布ブラッグ反射（Di
stributed Bragg Reflector;ＤＢＲ）型の波長可変レー
ザを形成する場合を想定すると、図１０の第１光機能素
子部に活性領域が、第２光機能素子部に波長制御領域を
構成することになる。波長可変ＤＢＲレーザにおいて
は、良好なレーザ発振特性を得るためには、活性領域
（第１光機能素子部）において、注入キャリアを効率よ
く多重量子井戸層７内に閉じ込めることによって光学利
得を高める必要がある。一方、電流注入によって広い波
長制御範囲を得るためには、波長制御領域（第２光機能
素子部）において、注入キャリアを光閉じ込め層６およ
び８も含めた光導波路層３全体に広く分布させて、光の
感じる屈折率変化を大きくさせる必要がある。
路を有する光集積素子において、分布ブラッグ反射（Di
stributed Bragg Reflector;ＤＢＲ）型の波長可変レー
ザを形成する場合を想定すると、図１０の第１光機能素
子部に活性領域が、第２光機能素子部に波長制御領域を
構成することになる。波長可変ＤＢＲレーザにおいて
は、良好なレーザ発振特性を得るためには、活性領域
（第１光機能素子部）において、注入キャリアを効率よ
く多重量子井戸層７内に閉じ込めることによって光学利
得を高める必要がある。一方、電流注入によって広い波
長制御範囲を得るためには、波長制御領域（第２光機能
素子部）において、注入キャリアを光閉じ込め層６およ
び８も含めた光導波路層３全体に広く分布させて、光の
感じる屈折率変化を大きくさせる必要がある。
【０００８】注入キャリアを効率よく多重量子井戸層７
内に閉じ込めるには、量子井戸構造を挟む光閉じ込め層
の組成をバンドギャップエネルギーが量子井戸構造から
外側に向かって高くなるように徐々に変化させたＧＲＩ
Ｎ（graded-index）−ＳＣＨ構造を活性領域に導入する
ことが有効である。これによって、量子井戸層へのキャ
リア注入効率が高くなり低しきい値電流発振等の優れた
発振特性が得られる。一方、電流注入によって屈折率を
大きく変化させることが求められる受動領域では、導波
路層を光閉じ込め層の組成がほぼ一様なＳＩ−ＳＣＨ構
造とすることが望ましい。ＳＩ−ＳＣＨ構造とすること
によって注入キャリアの光閉じ込め層へのオーバーフロ
ーを利用した大きな屈折率変化を得ることができるため
である。即ち、活性領域にはＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を、
そして受動領域にはＳＩ−ＳＣＨ構造を導入することが
理想とされる。しかし、従来の選択成長で形成した多重
量子井戸光導波路は図１０にバンド構造図を示したよう
に、活性領域と波長制御領域ともほぼ相似形をなしてい
るため、前述したような、注入キャリアの分布に関して
２つの光機能素子部の間で相矛盾するような分布をさせ
ることは不可能であった。したがって、ＧＲＩＮ−ＳＣ
Ｈ構造とＳＩ−ＳＣＨ構造とが混在する光集積素子を形
成するには、結晶成長とパターニングを複数回繰り返す
製法を採用せざるをえず、光集積素子を高機能化しよう
とすると、工程の複雑化を招く上に光結合率が低下する
という問題が生じた。
内に閉じ込めるには、量子井戸構造を挟む光閉じ込め層
の組成をバンドギャップエネルギーが量子井戸構造から
外側に向かって高くなるように徐々に変化させたＧＲＩ
Ｎ（graded-index）−ＳＣＨ構造を活性領域に導入する
ことが有効である。これによって、量子井戸層へのキャ
リア注入効率が高くなり低しきい値電流発振等の優れた
発振特性が得られる。一方、電流注入によって屈折率を
大きく変化させることが求められる受動領域では、導波
路層を光閉じ込め層の組成がほぼ一様なＳＩ−ＳＣＨ構
造とすることが望ましい。ＳＩ−ＳＣＨ構造とすること
によって注入キャリアの光閉じ込め層へのオーバーフロ
ーを利用した大きな屈折率変化を得ることができるため
である。即ち、活性領域にはＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を、
そして受動領域にはＳＩ−ＳＣＨ構造を導入することが
理想とされる。しかし、従来の選択成長で形成した多重
量子井戸光導波路は図１０にバンド構造図を示したよう
に、活性領域と波長制御領域ともほぼ相似形をなしてい
るため、前述したような、注入キャリアの分布に関して
２つの光機能素子部の間で相矛盾するような分布をさせ
ることは不可能であった。したがって、ＧＲＩＮ−ＳＣ
Ｈ構造とＳＩ−ＳＣＨ構造とが混在する光集積素子を形
成するには、結晶成長とパターニングを複数回繰り返す
製法を採用せざるをえず、光集積素子を高機能化しよう
とすると、工程の複雑化を招く上に光結合率が低下する
という問題が生じた。
【０００９】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、高い利得を必要とする活
性領域と電流注入によって大きな屈折率変化を生じさせ
る必要のある受動領域とを集積化する場合のように、異
なる特性が要求される複数の光機能素子をそれぞれの要
求を満たしつつ同時に形成しうるようにすることであ
る。
たものであって、その目的は、高い利得を必要とする活
性領域と電流注入によって大きな屈折率変化を生じさせ
る必要のある受動領域とを集積化する場合のように、異
なる特性が要求される複数の光機能素子をそれぞれの要
求を満たしつつ同時に形成しうるようにすることであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による半導体光集積素子は、光導波方向に連
続する少なくとも２つの光機能領域からなり、各光機能
領域は単層または多層の量子井戸層とそれを挟む光閉じ
込め層からなる多層構造光導波層を有するものであっ
て、少なくとも１つの光機能領域における前記光導波層
は光閉じ込め層の組成が前記量子井戸層に向かってその
バンドギャップエネルギーが小さくなるように層厚方向
に変化するＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造をなしており、かつ、
他の少なくとも１つの光機能領域の光導波層は光閉じ込
め層の組成がほぼ一定のＳＩ−ＳＣＨ構造をなしている
ことを特徴としている。
めの本発明による半導体光集積素子は、光導波方向に連
続する少なくとも２つの光機能領域からなり、各光機能
領域は単層または多層の量子井戸層とそれを挟む光閉じ
込め層からなる多層構造光導波層を有するものであっ
て、少なくとも１つの光機能領域における前記光導波層
は光閉じ込め層の組成が前記量子井戸層に向かってその
バンドギャップエネルギーが小さくなるように層厚方向
に変化するＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造をなしており、かつ、
他の少なくとも１つの光機能領域の光導波層は光閉じ込
め層の組成がほぼ一定のＳＩ−ＳＣＨ構造をなしている
ことを特徴としている。
【００１１】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体光集積素子の製造方法は、（１）半導体基板上
に、少なくとも一対の、幅広の第１の領域とこれより幅
の狭い第２の領域とを有す誘電体成長阻止マスクを一定
の間隔を隔てて形成する工程と、（２）前記誘電体成長
阻止マスクをマスクとして前記半導体基板上に下部光閉
じ込め層を有機金属気相成長法により結晶成長させる工
程と、（３）前記誘電体成長阻止マスクをマスクとして
前記下部光閉じ込め層上に、該下部光閉じ込め層のバン
ドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネル
ギーを有する単層または多層の量子井戸層を有機金属気
相成長法により結晶成長させる工程と、（４）前記誘電
体成長阻止マスクをマスクとして量子井戸層上に該量子
井戸層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギ
ャップエネルギーを有する上部光閉じ込め層を有機金属
気相成長法により結晶成長させる工程と、を有し、前記
第（２）の工程においては、反応室の圧力を連続的また
は段階的に上昇させ、前記第（４）の工程においては、
反応室の圧力を連続的または段階的に下降させることを
ことを特徴としている。
半導体光集積素子の製造方法は、（１）半導体基板上
に、少なくとも一対の、幅広の第１の領域とこれより幅
の狭い第２の領域とを有す誘電体成長阻止マスクを一定
の間隔を隔てて形成する工程と、（２）前記誘電体成長
阻止マスクをマスクとして前記半導体基板上に下部光閉
じ込め層を有機金属気相成長法により結晶成長させる工
程と、（３）前記誘電体成長阻止マスクをマスクとして
前記下部光閉じ込め層上に、該下部光閉じ込め層のバン
ドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネル
ギーを有する単層または多層の量子井戸層を有機金属気
相成長法により結晶成長させる工程と、（４）前記誘電
体成長阻止マスクをマスクとして量子井戸層上に該量子
井戸層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギ
ャップエネルギーを有する上部光閉じ込め層を有機金属
気相成長法により結晶成長させる工程と、を有し、前記
第（２）の工程においては、反応室の圧力を連続的また
は段階的に上昇させ、前記第（４）の工程においては、
反応室の圧力を連続的または段階的に下降させることを
ことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明においては、図１に示すように、半
導体基板上に対向するストライプ状の誘電体成長阻止マ
スク５を形成する。マスク５のマスク幅は、領域ａでＷ
ｍ１、領域ｂでＷｍ２と領域ａ側で幅広となっており、
開口幅は、両領域に共通にＷｇとなっている。ここで、
マスク幅と開口幅は例えば、Ｗｍ１＝３０μｍ、Ｗｍ２
＝４μｍ、Ｗｇ＝１．５μｍになされる。
て説明する。本発明においては、図１に示すように、半
導体基板上に対向するストライプ状の誘電体成長阻止マ
スク５を形成する。マスク５のマスク幅は、領域ａでＷ
ｍ１、領域ｂでＷｍ２と領域ａ側で幅広となっており、
開口幅は、両領域に共通にＷｇとなっている。ここで、
マスク幅と開口幅は例えば、Ｗｍ１＝３０μｍ、Ｗｍ２
＝４μｍ、Ｗｇ＝１．５μｍになされる。
【００１３】このマスクを介して半導体基板上にＭＯＣ
ＶＤ法を用いて、光導波路層（下部光閉じ込め層、多重
量子井戸層、上部光閉じ込め層）を構成するＩｎＧａＡ
ｓＰ等の混晶半導体層を順次選択成長させると、領域
ａ、ｂの開口部にマスク幅に応じた成長層厚および組成
の異なった四元半導体層が形成される。この際に、成長
時の反応管圧力を変えることにより、マスク幅に対する
成長層厚変動率、組成変動率を制御することができる。
ＶＤ法を用いて、光導波路層（下部光閉じ込め層、多重
量子井戸層、上部光閉じ込め層）を構成するＩｎＧａＡ
ｓＰ等の混晶半導体層を順次選択成長させると、領域
ａ、ｂの開口部にマスク幅に応じた成長層厚および組成
の異なった四元半導体層が形成される。この際に、成長
時の反応管圧力を変えることにより、マスク幅に対する
成長層厚変動率、組成変動率を制御することができる。
【００１４】図２は、ＩｎＰ基板上に成長させたＩｎＧ
ａＡｓＰ四元混晶のマスク幅に対する組成波長変化の成
長時反応管圧力依存性を調べた結果である。この実験で
は、成長時反応管圧力７６Torrの時、マスク幅４μｍ付
近において格子整合する原料流量構成で実験を行ってい
る。この過程において、３０μｍ幅マスクの領域では、
３５Torrから１５０Torrの圧力変動に対する組成波長変
動が大きく、マスク幅が狭くなるにつれて圧力変化に対
する組成波長変動が小さくなることが見出された。この
ことから、成長時の反応管圧力変化に対する結晶組成波
長の変化率は、マスク幅に依存していることが分かり、
この原理を利用すると適切なマスク幅と原料流量構成お
よび、成長時反応管圧力変化を設定することにより、異
なる領域にＳＩ−ＳＣＨ構造とＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を
同時に形成できる。このことについて、以下により詳し
く説明する。
ａＡｓＰ四元混晶のマスク幅に対する組成波長変化の成
長時反応管圧力依存性を調べた結果である。この実験で
は、成長時反応管圧力７６Torrの時、マスク幅４μｍ付
近において格子整合する原料流量構成で実験を行ってい
る。この過程において、３０μｍ幅マスクの領域では、
３５Torrから１５０Torrの圧力変動に対する組成波長変
動が大きく、マスク幅が狭くなるにつれて圧力変化に対
する組成波長変動が小さくなることが見出された。この
ことから、成長時の反応管圧力変化に対する結晶組成波
長の変化率は、マスク幅に依存していることが分かり、
この原理を利用すると適切なマスク幅と原料流量構成お
よび、成長時反応管圧力変化を設定することにより、異
なる領域にＳＩ−ＳＣＨ構造とＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を
同時に形成できる。このことについて、以下により詳し
く説明する。
【００１５】図３は、図１に示したマスクを適用した半
導体基板の領域ａの光導波路層をＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
に、この光導波路層と連結する領域ｂの光導波路層をＳ
Ｉ−ＳＣＨ構造にするための成長プログラム例（成長圧
力の時間変化）とそれに対応するＧａＩｎＡｓＰ四元混
晶の組成波長変化を示している。成長時間ｔ0 〜ｔ1の
間に線形的に反応管圧力を３５Torr〜１５０Torrへ上昇
させると、３０μｍマスク領域の下部光閉じ込め層のＧ
ａＩｎＡｓＰ四元混晶の組成波長は１．１μｍから１．
３μｍに線形的に変化し、ｔ2 〜ｔ3 の間に線形的に成
長圧力を１５０Torrから３５Torrへ下降させると、上部
光閉じ込め層の四元混晶の組成波長は１．３μｍ〜１．
１μｍに線形的に変化する。この結果、マスク幅３０μ
ｍの領域ａの光導波路層にはＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造が形
成される。一方、マスク幅４μｍの領域ｂに形成される
下部および上部光閉じ込め層の四元混晶の組成波長は、
ほぼ１．１μｍで一定であり、したがって、この領域で
はＳＩ−ＳＣＨ構造の光導波路層が形成される。
導体基板の領域ａの光導波路層をＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
に、この光導波路層と連結する領域ｂの光導波路層をＳ
Ｉ−ＳＣＨ構造にするための成長プログラム例（成長圧
力の時間変化）とそれに対応するＧａＩｎＡｓＰ四元混
晶の組成波長変化を示している。成長時間ｔ0 〜ｔ1の
間に線形的に反応管圧力を３５Torr〜１５０Torrへ上昇
させると、３０μｍマスク領域の下部光閉じ込め層のＧ
ａＩｎＡｓＰ四元混晶の組成波長は１．１μｍから１．
３μｍに線形的に変化し、ｔ2 〜ｔ3 の間に線形的に成
長圧力を１５０Torrから３５Torrへ下降させると、上部
光閉じ込め層の四元混晶の組成波長は１．３μｍ〜１．
１μｍに線形的に変化する。この結果、マスク幅３０μ
ｍの領域ａの光導波路層にはＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造が形
成される。一方、マスク幅４μｍの領域ｂに形成される
下部および上部光閉じ込め層の四元混晶の組成波長は、
ほぼ１．１μｍで一定であり、したがって、この領域で
はＳＩ−ＳＣＨ構造の光導波路層が形成される。
【００１６】図４は、このようにして作製された半導体
光集積素子の模式断面図および各領域でのバンドダイア
グラム（価電子帯側のみ）である。これは、ｎ−ＩｎＰ
基板１上に、図１に示す成長阻止マスクを形成した後、
第１、第２光導波路層２、３を選択成長させ、その後ｐ
−ＩｎＰクラッド層４を成長させたものである。図４に
示すように、マスク幅３０μｍの領域の光導波路層２
は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造に形成され、マスク幅４μｍ
の領域の光導波路層３は、ＳＩ−ＳＣＨ構造に形成され
ている。
光集積素子の模式断面図および各領域でのバンドダイア
グラム（価電子帯側のみ）である。これは、ｎ−ＩｎＰ
基板１上に、図１に示す成長阻止マスクを形成した後、
第１、第２光導波路層２、３を選択成長させ、その後ｐ
−ＩｎＰクラッド層４を成長させたものである。図４に
示すように、マスク幅３０μｍの領域の光導波路層２
は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造に形成され、マスク幅４μｍ
の領域の光導波路層３は、ＳＩ−ＳＣＨ構造に形成され
ている。
【００１７】上述したように、光増幅が行われる活性領
域では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を導入することにより、
量子井戸層へのキャリア注入効率を高くして、低しきい
値電流発振特性を得ることができる。一方、波長制御領
域のような受動領域では、導波路層をＳＩ−ＳＣＨ構造
とすることにより、注入キャリアの光閉じ込め層へのオ
ーバーフローを利用した大きな屈折率変化を得ることが
でき、大きな可変波長を実現できる。したがって、本発
明をＤＢＲ波長可変レーザに適用することにより、発振
しきい値電流が低く可変波長範囲の広い半導体レーザを
得ることができる。
域では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を導入することにより、
量子井戸層へのキャリア注入効率を高くして、低しきい
値電流発振特性を得ることができる。一方、波長制御領
域のような受動領域では、導波路層をＳＩ−ＳＣＨ構造
とすることにより、注入キャリアの光閉じ込め層へのオ
ーバーフローを利用した大きな屈折率変化を得ることが
でき、大きな可変波長を実現できる。したがって、本発
明をＤＢＲ波長可変レーザに適用することにより、発振
しきい値電流が低く可変波長範囲の広い半導体レーザを
得ることができる。
【００１８】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図６は、本発明の一実施例である波長可変
ＤＢＲレーザを示す斜視図であり、図５はその製造途中
段階での斜視図である。図５に示すように、（１００）
面を主面とするｎ−ＩｎＰ基板１上へ＜０１１＞方向に
領域ａ、ｂ、ｃを設け、領域ｃにのみピッチ約２４０ｎ
ｍの回折格子１４を形成する。領域ａからｃにかけて幅
が異なる誘電体成長阻止マスク５を、１．５μｍ開口部
（成長領域）を挟んで対向するように形成する。この
時、領域ａ、ｂ、ｃのマスク幅はそれぞれ３０μｍ、４
μｍ、４μｍである。
て説明する。図６は、本発明の一実施例である波長可変
ＤＢＲレーザを示す斜視図であり、図５はその製造途中
段階での斜視図である。図５に示すように、（１００）
面を主面とするｎ−ＩｎＰ基板１上へ＜０１１＞方向に
領域ａ、ｂ、ｃを設け、領域ｃにのみピッチ約２４０ｎ
ｍの回折格子１４を形成する。領域ａからｃにかけて幅
が異なる誘電体成長阻止マスク５を、１．５μｍ開口部
（成長領域）を挟んで対向するように形成する。この
時、領域ａ、ｂ、ｃのマスク幅はそれぞれ３０μｍ、４
μｍ、４μｍである。
【００１９】次に、このマスクが形成された基板上に、
ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層６、ＧａＩｎＡｓＰ／
ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層７、ＧａＩｎＡｓＰ上部
光閉じ込め層８、およびｐ−ＩｎＰクラッド層４を、図
３に示す成長プログラムにしたがって順次選択成長させ
る。この時、開口部に成長する四元混晶の光閉じ込め層
６、８および多重量子井戸層７の組成は、領域ａと領域
ｂ、ｃとで異なり、光閉じ込め層６、８の組成は、領域
ａで厚さ方向に緩やかに変化し（組成波長１．１μｍ〜
１．３μｍ、層厚は両層とも０．３μｍ）、また領域
ｂ、ｃで厚さ方向にほぼ一定の組成（組成波長１．１μ
ｍ、層厚は両層とも０．１５μｍ）となる。その結果、
領域ａではＧＲＩＮ−ＳＣＨ光導波路層構造が、領域
ｂ、ｃではＳＩ−ＳＣＨ光導波路層構造が形成される。
ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層６、ＧａＩｎＡｓＰ／
ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層７、ＧａＩｎＡｓＰ上部
光閉じ込め層８、およびｐ−ＩｎＰクラッド層４を、図
３に示す成長プログラムにしたがって順次選択成長させ
る。この時、開口部に成長する四元混晶の光閉じ込め層
６、８および多重量子井戸層７の組成は、領域ａと領域
ｂ、ｃとで異なり、光閉じ込め層６、８の組成は、領域
ａで厚さ方向に緩やかに変化し（組成波長１．１μｍ〜
１．３μｍ、層厚は両層とも０．３μｍ）、また領域
ｂ、ｃで厚さ方向にほぼ一定の組成（組成波長１．１μ
ｍ、層厚は両層とも０．１５μｍ）となる。その結果、
領域ａではＧＲＩＮ−ＳＣＨ光導波路層構造が、領域
ｂ、ｃではＳＩ−ＳＣＨ光導波路層構造が形成される。
【００２０】更に、領域ａの多重量子井戸層７（ＧａＩ
ｎＡｓＰ量子井戸組成波長１．６μｍ、層厚７ｎｍ／Ｇ
ａＩｎＡｓＰバリア組成波長１．３μｍ、層厚１０ｎ
ｍ）の利得ピーク波長を１．５５μｍ、領域ｂ、ｃの多
重量子井戸層７（ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸組成波長１．
３μｍ、層厚３ｎｍ／ＧａＩｎＡｓＰバリア組成波長
１．１μｍ、層厚５ｎｍ）の利得ピーク波長を１．２５
μｍに形成することができた。このようにして、各半導
体層を形成した後、マスク開口幅が全領域（ａ、ｂ、
ｃ）で６μｍになる成長阻止マスクを新たに形成し、こ
のマスクを用いて、図６に示すようにｐ−ＩｎＰ埋め込
み層９（層厚１．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法により結晶成
長させる。最後に、全面にＳｉＯ2 膜１０を形成し電極
用の窓開けを行った後、上部電極１２、下部電極１３を
通常のスパッタ法等により形成して本実施例による半導
体光集積素子の製作が完了する。本実施例素子の断面構
造を図７に示す。領域ａを活性領域に、領域ｂを位相調
整領域に、領域ｃの回折格子を含む部分をＤＢＲ領域と
することにより、極めて容易に高性能な波長１．５５μ
ｍ帯の波長可変ＤＢＲレーザを実現することができた。
ｎＡｓＰ量子井戸組成波長１．６μｍ、層厚７ｎｍ／Ｇ
ａＩｎＡｓＰバリア組成波長１．３μｍ、層厚１０ｎ
ｍ）の利得ピーク波長を１．５５μｍ、領域ｂ、ｃの多
重量子井戸層７（ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸組成波長１．
３μｍ、層厚３ｎｍ／ＧａＩｎＡｓＰバリア組成波長
１．１μｍ、層厚５ｎｍ）の利得ピーク波長を１．２５
μｍに形成することができた。このようにして、各半導
体層を形成した後、マスク開口幅が全領域（ａ、ｂ、
ｃ）で６μｍになる成長阻止マスクを新たに形成し、こ
のマスクを用いて、図６に示すようにｐ−ＩｎＰ埋め込
み層９（層厚１．５μｍ）をＭＯＣＶＤ法により結晶成
長させる。最後に、全面にＳｉＯ2 膜１０を形成し電極
用の窓開けを行った後、上部電極１２、下部電極１３を
通常のスパッタ法等により形成して本実施例による半導
体光集積素子の製作が完了する。本実施例素子の断面構
造を図７に示す。領域ａを活性領域に、領域ｂを位相調
整領域に、領域ｃの回折格子を含む部分をＤＢＲ領域と
することにより、極めて容易に高性能な波長１．５５μ
ｍ帯の波長可変ＤＢＲレーザを実現することができた。
【００２１】素子長７００μｍ（活性領域長３００μ
ｍ、位相調整領域長１００μｍ、ＤＢＲ領域長３００μ
ｍ）の素子を作製したところ、従来、両端面劈開の状態
で室温２５℃で発振しきい値電流が１５ｍＡであったも
のが、発振しきい値電流６ｍＡでレーザ発振を示し、最
大光出力１５ｍＷが得られた。また、波長可変幅は制御
電流１５０ｍＡに対して、従来８ｎｍであったものが１
０ｎｍが得られた。
ｍ、位相調整領域長１００μｍ、ＤＢＲ領域長３００μ
ｍ）の素子を作製したところ、従来、両端面劈開の状態
で室温２５℃で発振しきい値電流が１５ｍＡであったも
のが、発振しきい値電流６ｍＡでレーザ発振を示し、最
大光出力１５ｍＷが得られた。また、波長可変幅は制御
電流１５０ｍＡに対して、従来８ｎｍであったものが１
０ｎｍが得られた。
【００２２】本発明は、高い利得を必要とする光素子、
例えばレーザの活性領域や半導体光アンプと大きな屈折
率変化を必要とする光素子（光変調器、光スイッチ、波
長制御器）が集積されたその他の光集積素子にも適用可
能である。また、本発明は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系
以外の材料を用いた光集積素子についても適用が可能で
ある。また、実施例では、ＳｉＯ2 マスクの開口幅を
１．５μｍとする例について説明したが、このマスクの
もっと広くしてあるいは狭くして選択成長を行うことも
可能である。また、実施例では、導波路層を挟むクラッ
ド層をも成長阻止マスクを介して成長させていたが、ｐ
側またはｎ側のクラッド層あるいは両方のクラッド層を
導波路層形成用のマスクを介さずに成長させるようにす
ることもできる。
例えばレーザの活性領域や半導体光アンプと大きな屈折
率変化を必要とする光素子（光変調器、光スイッチ、波
長制御器）が集積されたその他の光集積素子にも適用可
能である。また、本発明は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系
以外の材料を用いた光集積素子についても適用が可能で
ある。また、実施例では、ＳｉＯ2 マスクの開口幅を
１．５μｍとする例について説明したが、このマスクの
もっと広くしてあるいは狭くして選択成長を行うことも
可能である。また、実施例では、導波路層を挟むクラッ
ド層をも成長阻止マスクを介して成長させていたが、ｐ
側またはｎ側のクラッド層あるいは両方のクラッド層を
導波路層形成用のマスクを介さずに成長させるようにす
ることもできる。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体光集積素子の製造方法によれば、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ型
光導波路層構造とＳＩ−ＳＣＨ型光導波路層構造を一回
の結晶成長で一括して形成することができる。したがっ
て、本発明によれば、高い利得を必要とする光素子と大
きな屈折率変化を必要とする光素子等が集積化された光
集積素子（例えば波長可変レーザ等）を、各光素子間の
光結合効率をほぼ１００％として形成することができ
る。また、この高機能の光集積素子を複雑なプロセスを
採用することなく極めて容易に形成することができる。
体光集積素子の製造方法によれば、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ型
光導波路層構造とＳＩ−ＳＣＨ型光導波路層構造を一回
の結晶成長で一括して形成することができる。したがっ
て、本発明によれば、高い利得を必要とする光素子と大
きな屈折率変化を必要とする光素子等が集積化された光
集積素子（例えば波長可変レーザ等）を、各光素子間の
光結合効率をほぼ１００％として形成することができ
る。また、この高機能の光集積素子を複雑なプロセスを
採用することなく極めて容易に形成することができる。
【図１】本発明の実施の形態を説明するためのマスクパ
ターン図である。
ターン図である。
【図２】本発明の実施の形態を説明するための成長圧力
と組成波長との関係を示す図である。
と組成波長との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態を説明するための結晶成長
プログラム図である。
プログラム図である。
【図４】本発明の実施の形態を説明するための断面図と
バンドダイアグラムである。
バンドダイアグラムである。
【図５】本発明の一実施例を説明するための製造途中段
階での斜視図である。
階での斜視図である。
【図６】本発明の一実施例を説明するための斜視図であ
る。
る。
【図７】本発明の一実施例を説明するための断面図とバ
ンドダイアグラムである。
ンドダイアグラムである。
【図８】第１の従来例を説明するための断面図である。
【図９】第２の従来例を説明するための斜視図である。
【図１０】第２の従来例を説明するための断面図とバン
ドダイアグラムである。
ドダイアグラムである。
１・・・ｎ−ＩｎＰ基板、 ２・・・第１光導波路
層、 ３・・・第２光導波路層、 ４・・・ｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層、 ４ａ・・・クラッド層、５・・・
誘電体成長阻止マスク、 ６・・・ＧａＩｎＡｓＰ下
部光閉じ込め層、７・・・ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡ
ｓＰ多重量子井戸層、 ８・・・ＧａＩｎＡｓＰ上部
光閉じ込め層、 ９・・・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層、
１０・・・ＳｉＯ2 膜、 １１・・・半導体基板、
１２・・・上部電極、 １３・・・下部電極、 １
４・・・回折格子
層、 ３・・・第２光導波路層、 ４・・・ｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層、 ４ａ・・・クラッド層、５・・・
誘電体成長阻止マスク、 ６・・・ＧａＩｎＡｓＰ下
部光閉じ込め層、７・・・ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡ
ｓＰ多重量子井戸層、 ８・・・ＧａＩｎＡｓＰ上部
光閉じ込め層、 ９・・・ｐ−ＩｎＰ埋め込み層、
１０・・・ＳｉＯ2 膜、 １１・・・半導体基板、
１２・・・上部電極、 １３・・・下部電極、 １
４・・・回折格子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−15092（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−100291（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−314657（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−291695（ＪＰ，Ａ) 電子情報通信学会論文誌 Ｃ−Ｉ Ｖ ＯＬ，Ｊ75−Ｃ−Ｉ，ＮＯ．５，ＰＰ. 387−395 （1992／５／25) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 H01L 27/15 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 光導波方向に連続する少なくとも２つの
光機能領域からなり、各光機能領域は単層または多層の
量子井戸層とそれを挟む光閉じ込め層からなる多層構造
光導波層を有する半導体光集積素子において、少なくと
も１つの光機能領域における前記光導波層は光閉じ込め
層の組成が前記量子井戸層に向かってそのバンドギャッ
プエネルギーが小さくなるように層厚方向に変化するＧ
ＲＩＮ（graded-index）−ＳＣＨ（separate confineme
nt hetero-structure)構造をなしており、かつ、他の少
なくとも１つの光機能領域の光導波層は光閉じ込め層の
組成がほぼ一定のＳＩ（step-index）−ＳＣＨ構造をな
していることを特徴とする半導体光集積素子。 - 【請求項２】 多層構造光導波層は、各領域間で各層毎
に滑らかに連続した層として形成されていることを特徴
とする請求項１記載の半導体光集積素子。 - 【請求項３】 ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を有し光増幅機能
を有する第１の光機能領域と、ＳＩ−ＳＣＨ構造を有し
位相調整機能を有する第２の光機能領域と、ＳＩ−ＳＣ
Ｈ構造を有し可変波長選択機能を有する第３の光機能領
域と、がこの順に形成されていることを特徴とする請求
項１または２記載の半導体光集積素子。 - 【請求項４】 光導波層を形成する各半導体層がＧａＩ
ｎＡｓＰの四元混晶から形成されていることを特徴とす
る請求項１、２または３記載の半導体光集積素子。 - 【請求項５】 （１）半導体基板上に、少なくとも一対
の、幅広の第１の領域とこれより幅の狭い第２の領域と
を有する誘電体成長阻止マスクを一定の間隔を隔てて形
成する工程と、 （２）前記誘電体成長阻止マスクをマスクとして前記半
導体基板上に下部光閉じ込め層を有機金属気相成長法に
より結晶成長させる工程と、 （３）前記誘電体成長阻止マスクをマスクとして前記下
部光閉じ込め層上に、該下部光閉じ込め層のバンドギャ
ップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを
有する単層または多層の量子井戸層を有機金属気相成長
法により結晶成長させる工程と、 （４）前記誘電体成長阻止マスクをマスクとして前記量
子井戸層上に該量子井戸層のバンドギャップエネルギー
より大きいバンドギャップエネルギーを有する上部光閉
じ込め層を有機金属気相成長法により結晶成長させる工
程と、を有する半導体光集積素子の製造方法であって、
前記第（２）の工程においては、反応室の圧力を連続的
または段階的に上昇させ、前記第（４）の工程において
は、反応室の圧力を連続的または段階的に下降させるこ
とをことを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7294945A JP2780687B2 (ja) | 1995-10-19 | 1995-10-19 | 半導体光集積素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7294945A JP2780687B2 (ja) | 1995-10-19 | 1995-10-19 | 半導体光集積素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09116235A JPH09116235A (ja) | 1997-05-02 |
| JP2780687B2 true JP2780687B2 (ja) | 1998-07-30 |
Family
ID=17814320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7294945A Expired - Lifetime JP2780687B2 (ja) | 1995-10-19 | 1995-10-19 | 半導体光集積素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2780687B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4938709B2 (ja) * | 2008-03-13 | 2012-05-23 | 日本電信電話株式会社 | 光半導体装置の作製方法 |
-
1995
- 1995-10-19 JP JP7294945A patent/JP2780687B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 電子情報通信学会論文誌 Ｃ−Ｉ ＶＯＬ，Ｊ７５−Ｃ−Ｉ，ＮＯ．５，ＰＰ．３８７−３９５ （１９９２／５／２５） |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09116235A (ja) | 1997-05-02 |
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