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JP2924852B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

光半導体装置及びその製造方法

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JP2924852B2
JP2924852B2 JP9126964A JP12696497A JP2924852B2 JP 2924852 B2 JP2924852 B2 JP 2924852B2 JP 9126964 A JP9126964 A JP 9126964A JP 12696497 A JP12696497 A JP 12696497A JP 2924852 B2 JP2924852 B2 JP 2924852B2
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康隆 阪田
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光半導体装置及びそ
の製造方法に係わり、特に、電流ブロック層での漏れ電
流が少なく、高温あるいは高光出力動作に適した集積型
半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバー通信は幹線系はもとより、
支線系、アクセス系へとその適用範囲は広がる一方であ
り、使用される光半導体レーザへは一層の高性能化や、
新たな機能付加が求められてきている。
【０００３】例えば、幹線系においては高速化ととも
に、長距離伝送を実現するため、変調時の発振スペクト
ルの揺らぎの小さい半導体レーザが必要となる。この半
導体レーザの一例として、電界吸収型光変調器を集積し
た分布帰還型レーザが知られている。
【０００４】一方、アクセス系においては、性能はもと
より、低コスト化の観点から、簡便な実装方法で、光フ
ァイバーと高効率な結合のできる半導体レーザが求めら
れている。この半導体レーザの一例として、発光スポッ
トサイズ変換部を集積した、いわゆるスポットサイズ変
換レーザが知られている。
【０００５】従来から知られている高温、高光出力特性
に優れた半導体レーザの断面構造図を図３に示す。
【０００６】この半導体レーザは、（１００）ｎ−Ｉｎ
Ｐの基板３０１上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア再結合
層３０２、ｎ−ＩｎＰクラッド層３０３、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ活性層３０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０５を液層成
長法（以下、ＬＰＥ、と略す）により形成し、＜０１１
＞方向に平行にキャリア再結合層３０２に達する２本の
平行な溝を作り、それにより活性層３０４を含むメサス
トライプを形成した後、ｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−
ＩｎＰからなるサイリスタ構造の電流ブロック層３０
６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層３０７をＬＰＥによ
り形成した構成となっている。このような半導体レーザ
は特開昭６２−１０２５８３号公報に開示されている。
【０００７】この半導体レーザは電流ブロック層３０６
中にＩｎＰよりバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓＰ
のキャリア再結合層３０２があることにより、高温動作
時や高光出力動作時に、ｎ−ＩｎＰブロック層への電子
の蓄積の抑制し、ｐｎｐｎサイリスタ構造をもつ電流ブ
ロック層のターンオンを防止出来るという特質を備えて
いる。
【０００８】一方、先述の集積型半導体レーザを実現す
る上で、バンドギャップや層厚の異なる導波路層を一括
形成できる選択有機金属気相成長法（以下、選択ＭＯＶ
ＰＥ、と略す）は有力な製造方法として注目され、実用
化が進められている。
【０００９】図４は従来から知られている選択ＭＯＶＰ
Ｅを用いた半導体レーザの断面構造図である。この半導
体レーザは、（１００）ｎ−ＩｎＰの基板４０１上に、
１．５μｍの間隔で一対のＳｉＯ2 ストライブマスクを
＜０１１＞方向に形成し、選択ＭＯＶＰＥによりｎ−Ｉ
ｎＰバッファ層４０２、ＩｎＧａＡｓＰよりなる多重量
子井戸（以下、ＭＱＷ層、と略す）構造をもつ活性層４
０３、ｐ−ＩｎＰクラッド層４０４からなる活性層スト
ライプを形成したのち、ｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−
ＩｎＰ層からなるサイリスタ構造の電流ブロック層４０
５、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層４０６を形成した構
成となっている。この技術は、１９９５年第５６回応用
物理学会学術講演会予稿集 ２７ｐ−ＺＡ−７ ｐ９３
０に掲載されている。
【００１０】この半導体レーザは、ＳｉＯ2 ストライプ
マスク幅を変調することにより、ＭＱＷ層のバンドギャ
ップや層厚を変えることが出来、一回の結晶成長で機能
の異なる導波路を形成できるという特質を備えている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術におけ
る問題点は集積型半導体レーザを製造する際歩留まりや
特性が悪化することである。
【００１２】その理由は、バンドギャップや厚さの異な
る層を同一基板上に形成するには、結晶成長と結晶エッ
チングを繰り返し行わなければならずプロセス工程数が
増えることにより製造歩留まりが低下し、またバンドギ
ャップや層厚の異なる導波路を正確に接続させることが
難しく、接続部で光損失が発生するため光出力特性が劣
化する為である。
【００１３】第２の従来技術における問題点は、高温あ
るいは、大電流注入時に電流ブロック層が十分に機能し
ないことである。
【００１４】その理由は、通常、レーザ部は最もバンド
ギャップの小さい構成となるが、選択ＭＯＶＰＥ成長で
はバンドギャップの小さくする光導波路部分すなわち、
レーザ部では成長阻止マスク幅を広くする必要がある。
従って、レーザ部分では活性層両脇のＩｎＰのみで構成
されるｐｎｐｎサイリスタ構造の電流ブロック層の領域
が広いために、電子の蓄積に起因した電流ブロック層の
漏れ電流が大きくなるためである。
【００１５】本発明の目的は、以上の問題点を解決する
もので、高温あるいは、高出力動作適した集積型半導体
レーザとそれを歩留まり良く製造する方法を提供するこ
とにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、電界吸収型変
調器とＤＦＢレーザを集積してなる光半導体装置であっ
て、第１の領域と該第１の領域に隣接する第２の領域を
有するＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の少なくとも前記
第１及び第２の領域の全面を被覆するＩｎＧａＡｓＰ層
と、前記第１の領域上の前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に
被着して形成された前記電界吸収型変調器およびＤＦＢ
レーザとして機能する光導波路層と、前記第２の領域上
の前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着してそこから連続
的に前記光導波路層の側面を被覆する層を含んで前記光
導波路層を埋め込んで形成されたＩｎＰブロック層とを
有することを特徴とするものである。
【００１７】また、電界吸収型変調器とＤＦＢレーザを
集積してなる光半導体装置の製造方法であって、全面に
ＩｎＧａＡｓＰ層が積層されたＩｎＰ基板の領域上に、
幅が導波路方向で変調されている２本のＳｉＯ2 ストラ
イプを形成する工程と、前記ストライプ間に、選択有機
金属気相成長法により多重量子井戸活性層を含む光導波
路を前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成する工
程と、前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成され
たＩｎＰ電流ブロック層により前記光導波路を埋め込む
工程とを有することを特徴とする。
【００１８】また、スポットサイズ変換部が集積された
レーザを有する光半導体装置であって、第１の領域と該
第１の領域に隣接する第２の領域を有するＩｎＰ基板
と、前記ＩｎＰ基板の少なくとも前記第１及び第２の領
域の全面を被覆するＩｎＧａＡｓＰ層と、前記第１の領
域上の前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成され
た前記レーザとスポットサイズ変換部として機能する光
導波路層と、前記第２の領域上の前記ＩｎＧａＡｓＰ層
の上面に被着してそこから連続的に前記光導波路層の側
面を被覆する層を含んで前記光導波路層を埋め込んで形
成されたＩｎＰブロック層とを有することを特徴とする
ものである。
【００１９】また、スポットサイズ変換部が集積された
レーザを有する光半導体装置の製造方法であって、全面
にＩｎＧａＡｓＰ層が積層されたＩｎＰ基板の領域上
に、幅が導波路方向で変調されている２本のＳｉＯ2 ス
トライプを形成する工程と、前記ストライプ間に、選択
有機金属気相成長法により多重量子井戸活性層を含む光
導波路を前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成す
る工程と、前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成
されたＩｎＰ電流ブロック層により前記光導波路を埋め
込む工程とを有することを特徴とする。
【００２０】このような本発明によれば、選択ＭＯＶＰ
Ｅ成長により、バンドギャップや層厚の異なる導波路層
を一括形成し、ＩｎＰ電流ブロック層を形成する集積型
半導体レーザにおいて、あらかじめ、ＩｎＰ基板上にＩ
ｎＧａＡｓＰ層を設けておくことにより、電流ブロック
層が、光導波路を形成するための選択ＭＯＶＰＥ成長時
に用いるＳｉＯ2 ストライプ幅の幅に依存せず、十分に
機能する。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に本発明を図面を参照して説明
する。
【００２２】図１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本発明の
第１の実施の形態の電界吸収型変調器を集積したＤＦＢ
レーザの製造工程（Ａ）および構造（Ｂ）の概観を示し
た断面斜視図である。
【００２３】まず、本素子の製造方法を以下に説明す
る。（１００）面方位のｎ−ＩｎＰ基板１０１のレーザ
部１０２に、干渉露光とウェットエッチングにより＜０
１１＞方向に周期２４１．７ｎｍの回折格子１０３を形
成する。
【００２４】次に、ＭＯＶＰＥ成長により成長圧力７５
Ｔｏｒｒ、成長温度６２５℃で、層厚０．１μｍ、キャ
リア濃度５×１０17ｃｍ-3でバンドギャップ波長が１．
１３μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１０４を形成する。
【００２５】次に、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 を１５０
ｎｍ堆積させ、＜０１１＞方向に間隔が１．５μｍ、幅
はレーザ部１０２で１８μｍ、長さ５００μｍ、変調器
部１０５では幅５μｍ、長さ２００μｍとなるパターン
に通常のフォトリソグラフィをウェットエッチングによ
り加工し成長阻止マスク１０６を形成する。
【００２６】次に、選択ＭＯＶＰＥ成長により成長圧力
７５Ｔｏｒｒ、成長温度６２５℃でレーザ部１０２でバ
ンドギャップ波長組成が１．５６μｍとなるような層厚
６ｎｍの０．５％歪ＩｎＧａＡｓＰウェルと層厚８ｎｍ
のバンドギャップ波長が１．１３μｍのバリア層をもつ
８周期のＭＱＷ活性層、層厚６０ｎｍ、キャリア濃度５
×１０17ｃｍ-3でバンドギャップ波長が１．１３μｍの
ＩｎＧａＡｓＰ光閉じこめ層、層厚０．１μｍ、キャリ
ア濃度５×１０17ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰクラッド層を順次
形成し導波路メサ１０７を形成する。このとき、変調器
部１０５のＭＱＷ層のバンドギャップ波長は１．４７μ
ｍとなる。
【００２７】次に、成長阻止マスク１０６を除去した
後、ウエハー全面にメサ上に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）
を３００ｎｍ堆積させた後、フォトリソグラフィとウェ
ットエッチングにより、メサ上にＳｉＯ2 パターンを形
成する。
【００２８】次に、選択ＭＯＶＰＥ成長により、成長圧
力７５Ｔｏｒｒ、成長温度６２５℃で層厚０．３μｍ、
キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰ層、層厚１
μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＩｎＰ層、
層厚０．２μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3のｐ−
ＩｎＰ層を順次積層し、ＳｉＯ2 マスクを除去した後、
ＭＯＶＰＥ成長により、成長圧力７５Ｔｏｒｒ、成長温
度６２５℃で層厚１．５μｍ、キャリア濃度１×１０18
ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰ層を成長してサイリスタ構造の電流
ブロック層１０８を形成し、層厚０．２μｍ、キャリア
濃度５×１０18ｃｍ-3のＩｎＧａＡｓキャップ層１０９
を順次積層する。
【００２９】次に、ウェットエッチングにより幅１０μ
ｍのメサストライプを形成する。
【００３０】その後、ＳｉＯ2 １１０を３５０ｎｍ堆積
させ、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチング
により、コンタクト用の窓を開け、Ｔｉ／Ａｕをそれぞ
れ１００／３００ｎｍスパッタ法により堆積させ、通常
のフォトリソグラフィとウェットエッチングにより変調
器部１０５、レーザ部１０２にそれぞれパット構造のｐ
側電極１１１を形成した後、ウエハーを厚さ１００μｍ
に研磨し、裏面にｎ側電極１１２となるＴｉ／Ａｕをそ
れぞれ１００／３００ｎｍスパッタ法により堆積させ、
Ｎ2 雰囲気中でシンターを行う。
【００３１】最後にレーザ部１０２、変調器部１０５の
中央で劈開し、レーザ側の端面に反射率９０％の高反射
膜１１３、変調器側に反射率０．１％の低反射膜１１４
を形成し素子が完成する。
【００３２】この第１の実施の形態では、レーザの発振
しきい値８ｍＡ、２００ｍＡでの光出力として５０ｍＷ
と従来の２倍以上の高出力が得られ、２Ｖの逆バイアス
電圧を変調器に印加したところ１５ｄＢ以上の良好な消
光比が得られた。また、変調速度２．５Ｇｂ／ｓで１５
０ｋｍのノーマルファイバによる伝送実験において、ペ
ナルティが１ｄＢ以下と、良好な結果が得られた。
【００３３】図２（Ａ），（Ｂ）は本発明の第２の実施
の形態のスポットサイズ変換部付半導体レーザの製造工
程（Ａ）および構造（Ｂ）の概観を示した断面斜視図で
ある。本素子の製造方法を以下に説明する。
【００３４】（１００）面方位のｎ−ＩｎＰ基板２０１
上にＭＯＶＰＥ成長により成長圧力７５Ｔｏｒｒ、成長
温度６２５℃で、層厚６０ｎｍ、キャリア濃度５×１０
17ｃｍ-3でバンドギャップ波長が１．０５μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層２０２を形成する。
【００３５】次に、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 を１５０
ｎｍ堆積させ、＜０１１＞方向に間隔が１．５μｍ、幅
はレーザ部で６０μｍ、長さ３００μｍ、スポットサイ
ズ部では幅６０μｍから５μｍ、長さ２００μｍにわた
って順次変化するパターンに通常のフォトリソグラフィ
をウェットエッチングにより加工し成長阻止マスク２０
３を形成する。
【００３６】次に、選択ＭＯＶＰＥ成長により成長圧力
７５Ｔｏｒｒ、成長温度６２５℃でレーザ部２０４でバ
ンドギャップ波長組成が１．３μｍとなるような層厚４
ｎｍの１．０％歪ＩｎＧａＡｓＰウェルと層厚８ｎｍの
バンドギャップ波長が１．１３μｍのバリア層をもつ７
周期のＭＱＷ活性層、層厚６０ｎｍ、キャリア濃度５×
１０17ｃｍ-3でバンドギャップ波長が１．１３μｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ光閉じこめ層、層厚０．１μｍ、キャリア
濃度５×１０17ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰクラッド層を順次形
成し導波路メサ２０５を形成する。
【００３７】このとき、スポットサイズ変換部２０６で
は、各層厚１／３になるまでなだらかに薄くなってい
る。
【００３８】次に、ウエハー全面にメサ上にＳｉＯ2 を
３００ｎｍ堆積させた後、フォトリソグラフィとウェッ
トエッチングにより、メサ上にＳｉＯ2 パターンを形成
する。
【００３９】次に、選択ＭＯＶＰＥ成長により、成長圧
力７５Ｔｏｒｒ、成長温度６２５℃で層厚０．３μｍ、
キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰ層、層厚１
μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＩｎＰ層、
層厚０．２μｍ、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3のｐ−
ＩｎＰ層を順次積層する。
【００４０】その後、メサ上のＳｉＯ2 を除去し、ＭＯ
ＶＰＥ成長により、成長圧力７５Ｔｏｒｒ、成長温度６
２５℃で層厚４．０μｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ
-3のｐ−ＩｎＰ層を成長してサイリスタ構造の電流ブロ
ック層２０７を形成し、層厚０．２μｍ、キャリア濃度
５×１０18ｃｍ-3のＩｎＧａＡｓキャップ層２０８をさ
らに積層する。
【００４１】次に、ＳｉＯ2 ２０９を３５０ｎｍ堆積さ
せ、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチングに
より、コンタクト用の窓を開け、Ｔｉ／Ａｕをそれぞれ
１００／３００ｎｍスパッタ法により堆積させ、ｐ側電
極２１０を形成した後、ウエハーを１００μｍに研磨
し、裏面にｎ側電極２１１となるＴｉ／Ａｕをそれぞれ
１００／３００ｎｍスパッタ法により堆積させ、Ｎ2 雰
囲気中でシンターを行う。
【００４２】最後にレーザ部２０４、スポットサイズ変
換部２０６の中央で劈開し、レーザ部側の端面に反射率
９５％の高反射膜２１２、スポットサイズ変換部側に反
射率３０％の低反射膜２１３を形成し素子が完成する。
【００４３】この第２の実施の形態では、レーザの室温
で発振しきい値６ｍＡ、光出力２０ｍＷ時の駆動電流と
して４０ｍＡが得られた。特に、８５℃において、発振
しきい値１５ｍＡ、光出力２０ｍＷ時の駆動電流として
７５ｍＡと従来に比べ、駆動電流を３０％以上低減出来
るという良好な結果が得られた。またレーザ光の放射角
は１３°×１３°と良好なスポットサイズ変換特性が得
られた。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、あらか
じめＩｎＰよりバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓＰ
を設けたＩｎＰ基板上に、ＩｎＰ電流ブロック層を備え
た集積型半導体レーザであって、層厚、組成の異なる光
導波路層を選択ＭＯＶＰＥ成長により一括形成する。こ
れにより、高温あるいは高出力動作に適した集積型半導
体レーザが歩留まり良く実現できる。その理由は、層
厚、組成の異なる光層波路を形成するため、選択ＭＯＶ
ＰＥ成長時にＳｉＯ2 ストライプマスク幅を変調する
が、その幅に依存せず高温あるいは高出力動作時にも充
分な電流ブロック機能を持った電流ブロック層を形成す
ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体変調器を集
積したＤＦＢレーザの製造工程及び構造を示す図であ
る。
【図２】本発明の第２の実施の形態のスポットサイズ変
換部集積型半導体レーザの製造工程及び構造を示す図で
ある。
【図３】高温、高光出力特性に改良した従来技術の半導
体レーザを示す図である。
【図４】選択ＭＯＶＰＥを用いた従来技術の半導体レー
ザを示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＩｎＰ基板 １０２ レーザ部 １０３ 回折格子 １０４ ＩｎＧａＡｓＰ層 １０５ 変調器部 １０６ 成長阻止マスク １０７ 導波路メサ １０８ 電流ブロック層 １０９ ＩｎＧａＡｓキャップ層 １１０ ＳｉＯ2 １１１ ｐ側電極 １１２ ｎ側電極 １１３ 高反射膜 １１４ 低反射膜 ２０１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２０２ ＩｎＧａＡｓＰ層 ２０３ 成長阻止マスク ２０４ レーザ部 ２０５ 導波路メサ ２０６ スポットサイズ変換部 ２０７ 電流ブロック層 ２０８ ＩｎＧａＡｓキャップ層 ２０９ ＳｉＯ2 ２１０ ｐ側電極 ２１１ ｎ側電極 ２１２ 高反射膜 ２１３ 低反射膜 ３０１ 基板 ３０２ キャリア再結合層 ３０３ クラッド層 ３０４ 活性層 ３０５ クラッド層 ３０６ 電流ブロック層 ３０７ キャップ層 ４０１ 基板 ４０２ バッファ層 ４０３ 活性層 ４０４ クラッド層 ４０５ 電流ブロック層 ４０６ キャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−330665（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−102583（ＪＰ，Ａ) 1997年電子情報通信学会総合大会 Ｃ −４−48 ｐ．420 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．28［２ ］（1992）ｐ．153−154 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電界吸収型変調器およびＤＦＢレーザを
    集積してなる光半導体装置であって、第１の領域と該第
    １の領域に隣接する第２の領域を有するＩｎＰ基板と、
    前記ＩｎＰ基板の少なくとも前記第１及び第２の領域の
    全面を被覆するＩｎＧａＡｓＰ層と、前記第１の領域上
    の前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成された前
    記電界吸収型変調器およびＤＦＢレーザとして機能する
    光導波路層と、前記第２の領域上の前記ＩｎＧａＡｓＰ
    層の上面に被着してそこから連続的に前記光導波路層の
    側面を被覆する層を含んで前記光導波路層を埋め込んで
    形成されたＩｎＰブロック層とを有することを特徴とす
    る光半導体装置。
  2. 【請求項２】 スポットサイズ変換部が集積されたレー
    ザを有する光半導体装置であって、第１の領域と該第１
    の領域に隣接する第２の領域を有するＩｎＰ基板と、前
    記ＩｎＰ基板の少なくとも前記第１及び第２の領域の全
    面を被覆するＩｎＧａＡｓＰ層と、前記第１の領域上の
    前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成された前記
    レーザとスポットサイズ変換部として機能する光導波路
    層と、前記第２の領域上の前記ＩｎＧａＡｓＰ層の上面
    に被着してそこから連続的に前記光導波路層の側面を被
    覆する層を含んで前記光導波路層を埋め込んで形成され
    たＩｎＰブロック層とを有することを特徴とする光半導
    体装置。
  3. 【請求項３】 全面にＩｎＧａＡｓＰ層が積層されたＩ
    ｎＰ基板の領域上に、２本のＳｉＯ2 ストライプを形成
    する工程と、前記ストライプ間に、選択有機金属気相成
    長法により多重量子井戸活性層を含む光導波路を前記Ｉ
    ｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成する工程と、前記
    ＩｎＧａＡｓＰ層の上面に被着して形成されたＩｎＰ電
    流ブロック層により前記光導波路を埋め込む工程とを有
    することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記光導波路を形成する工程において、
    前記２本のストライプの幅が導波路方向で変調されてい
    ることを特徴とする請求項３記載の光半導体装置の製造
    方法。
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