JPH02177585A - 光半導体装置 - 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 本発明は光半導体装置に関するものである。特に光通信
及び光情報処理に用いる光半導体装置に関するものであ
る。

従来の技術 近年、高度な光通信や光情報処理のために、光半導体装
置は高速化、集積化をはかる工夫が行われている。即ち
、高速化をはかるために変調、スイッチング機能と発光
機能と分離し、また集積化のために光の画人出射を実現
する構造が考えられてきた。特に光の面出対についての
従来技術は２種類に大別され、光導波路が基板に垂直に
なっていて直接、光の画人出射が可能なもの（例えば、
面発光レーザ、透過型ＭＱＷ非線形素子）と、基板に平
行に設けられた光導波路構造により基板に平行に進行す
る光を基板に対して垂直に変更する手段を用いて面出対
を可能にするものく例えば、４５°傾斜反射面または２
次回折格子を用いる方法）である。

しかし面発光レーザにおいては利得領域の狭い雑兵振器
構造のレーザであり、十分なレーザ特性を得ることが難
しい。第５図（ａ）に示すような入射光２１ａが過飽和
吸収領域２３を通して出射光２２ａとして出射する透過
型ＭＱＷ非線形素子では、相互作用領域である過飽和吸
収領域２３が小さく十分な非線形特性が得られない。さ
らに共娠器長の短いエタロン共振器構造では、エタロン
と光との相互作用領域が少ないという欠点をカバーする
ために、反射面の反射率を高くして内部での光の閉じ込
めを高くする必要がある。しかしそうすると共振器のＱ
値が高くなり、極端な波長依存性を有することになるの
で、使用する波長を高精度で調整する必要が生じ非常に
使いに（（なる。

第５図（ｂ）に示すような４５°傾斜反射面５を有する
光双安定レーザの構成、動作原理は以下の通りである。

利得領域２５への注入電流を増してい（と、これによる
発光は過飽和吸収領域２３により吸収される。注入電流
の増加に伴い発光強度が強くなり過飽和吸収領域２３へ
の入射光が強（なって一定限度を超えると、吸収が飽和
してそれ以上光強度が強くなっても吸収されなくなり、
端面反射により戻る光量が急激に増加して発振に至る。

説に発振状態から注入電流を下げる場合、前記発振しき
い値の注入電流においては、発振状態にあるため光強度
が強（この状態では吸収が少ないので、さらに注入電流
を下げないと発振停止に至らない。

このようにして光双安定現象が見られる。

４５°傾斜反射面５を有する構造では、基板に平行に進
行する光が反射面５により反射して垂直に進行する時、
光導波路を持たないので発散してしまう。このため損失
が太き（取出し効率が著しく低いものとなる。

また第５図（Ｃ）のように２次回折格子を用いる場合、
利得領域による発光が２次回折格子２７に入射する。２
次回折格子２７が第５図（ｂ）の場合の過飽和吸収領域
２３として作用するので、動作原理は第５図（ｂ）に示
したものと全く同様であり、異なる点は基板に対して垂
直方向に出射光２２ａが出射するだけである。第５図（
Ｃ）では２次回折効率が低いため、垂直出射効率が低く
なり、回折格子２７の奥行方向に単調に減少するという
出射光２２ａの面内分布が生じる。このため光の高い取
出し効率は期待できない。

発明が解決しようとする課題 しかし、かかる構成によれば、十分な光素子特性を有す
る面入射効率あるいは面出射効率の高い光半導体装置が
得られないという問題があった。

上述の問題は以下の理由で生ずる。即ち十分な光素子特
性を有し、半導体基板に平行な光導波路からなる光半導
体装置では、面入射効率あるいは光出力の面取出し効率
が高くできない。一方、面入射効率あるいは光出力の面
取出し効率が高い面透過型光半導体装置では、光の相互
作用領域が狭いため十分な光素子特性が得られない。

本発明は、上述の問題点に鑑みて試されたもので、十分
な光素子特性を有する面入射効率あるいは面出射効率の
高い光半導体装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は上述の課題を解決するため、半導体基板に対し
て平行な第１の光導波路と、前記第１の光導波路と結合
する前記半導体基板に対して垂直な第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に、光の
進行方向を前記半導体基板に対して平行から垂直、ある
いは垂直から平行に変更する手段を備えたものである。

作用 本発明は上述の構成によって、半導体基板に平行な第１
の光導波路により十分な光素子特性が得られる。また半
導体基板に垂直な第２の光導波路と光の進行方向を変更
する手段により、光の進行方向を半導体基板に対して平
行から垂直、あるいは垂直から平行へと効率的に変更で
き、光信号の面入射効率あるいは光出力の面取出し効率
を向上させることができる。

実施例 （実施例１） 第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例による光
双安定素子の製造工程図である。以下第１図を用いて半
導体基板の表面に垂直な光導波路を形成した場合につい
て説明する。

まずｎ型ＩｎＰ基板６上に順次、ｎ型１ｎＰクラッド層
３ａ、基板６に平行な光導波路となるアンド−１１ｎＧ
、ＡＭＰ／１．Ｐ多層量子井戸（ＭＯＷ　）構造膜（活
性層）２．Ｐ型１ｎＰクラッド層３ｂ。

Ｐ型１ｒＩＧ、ＡｓＰキャップ層７を成長する。

ＭＱＷを構成しているＩｎＧ、Ａ、Ｐの組成はバンドギ
ャップの波長表示で１．３μｍである（第１図（ａ）参
照）。

通常のフォトリソグラフィ、エツチング工程を用いて、
輻３μｍのストライプを形成する。この時ストライプ部
分以外のエツチングは基板表面まで行う。次に電流ブロ
ック層としてＦｅ　ドープ高抵抗！。２層３１で埋込む
。第１図（ａ）はこのようにして作製した半導体基板の
ストライプ中心線上の断面図である。また第１図（ｅ）
に示す斜視図の手前断面部分により、ＭＱＷ構造膜２が
Ｆ、ドープ１．２層３１で埋込まれている様子がわかる
。

その後、再びフォトリソグラフィ、エツチング工程を用
いて、前記ストライプ上に縦横２０μｍのエツチング穴
を３００μｍ間隔で作成する。

エツチング穴の底面は、前記ＭＱＷ構造膜２０表面であ
る。このエツチング穴に選択成長により半絶縁層である
Ｆ０ドープＩｎＰ８を成長する。さらにこの成長部分８
の中心に矩形状の穴９をエツチングにより形成する〈第
１図■参照）。

次に選択成長によりこのエツチング穴９をＭＱＷ構造膜
２と同一の組成のＩ　ｎ　Ｇ　＊　Ａ　−Ｐで埋める。

このようにして垂直光導波路１を形成する（第１図（Ｃ
）参照）。

次に反応性イオンビームエツチングを用いて、平行光導
波路２方向の幅２０μｍの４５°傾斜を有するエツチン
グ穴４を選択的に形成し、平行光導波路２と垂直光導波
路１との交線上に４５°傾斜反射面５となるエツチング
側面が位置するようにする。最後に垂直光導波路端面窓
ｉｆを５ｉ０２［１１１２でコートし、ＭＱＷ構造膜２
上方にＰ型電極１３，１．Ｐ基板６裏面にｎ電極１４を
形成して、襞間により光双安定素子をチップ化する。第
１図（ｅ）は、このように試作した素子の斜視図である
。

次に光双安定素子の動作原理を以下説明する。

素子に用いているＭＱＷ層２の励起子による吸収ピーク
は逆バイアス印加による電場の下で長波長側ヘシフトす
るので、この電場印加時のピーク波長に近い波長の光を
入射させ光強度を上げていくと、吸収量に応じて電場が
減少してい（ため、光強度が立上りしきい値を超えると
急速に吸収されなくなり光出力が増大する。逆に光強度
を強い方から減少させる過程では、前記立上りしきい値
ではまだ電場が小さい状態であるため吸収されず、光出
力は強い状態にある。従って立上りしきい値より光強度
を下げないと吸収が起らない。このように光強度を増加
させる場合と強い状態から減少させる場合の違いから双
安定現象が生じる。

第２図は本発明の第１の実施例と従来例による光双安定
素子の特性図を示す。従来技術との比較を行うため、第
１図（ａ）に示したウェーハを用いて直接、反応性イオ
ンビームエツチングにより片側垂直、片側４５°傾斜エ
ツチングを行い、電極形成を施して作成した光双安定素
子を第６図に示す。

第２図（ａ）は端面入力２面出力の場合を示し、素子特
性を評価するため逆バイアス５ｖを印加し、垂直端面倒
からシングルモードファイバにより波長１．３μｍの入
射光２１ａを入射させて、垂直光出力である出射光２２
ａを同じシングルモードファイバに取込み測定した。実
線は本発明の第１の実施例であり、点線は従来例を示す
。この結果が示すように、本発明の第１の実施例は従来
例に比べて、約２倍の光出力取出し効率が得られている
。

第２図（へ）は面入力、端面出力の場合を示し、素子特
性を評価するため同様に入射光２１ｂを入射させて、出
射光２２ｂを測定した。光の逆行の原理で自明のように
、面入射効率は約２倍向上する。さらにこの場合は、光
双安定ヒステリシスの立上りに必要な入射パワーも面入
射効率を反映して大幅に改善される。

垂直光導波路１は電極１３．１４から隔離されていて、
その周囲は鉄ドープの半絶縁層８で囲まれているため、
素子へのバイアス印加でこの垂直光導波路による電気的
リークが発生しない。このことは、逆バイアス印加素子
にとって非常に重要である。またこの場合、垂直光導波
路１の周囲を絶縁体にしても良いことは言うまでもない
。

さらに、この素子について１００時間の動作試験を行う
と、経時変化が１０％程度認められるので、エツチング
穴４にポリイミドを埋込んで特性を調べると、埋込まな
い素子と比べ経時変化は殆・んど起らず信頼性が向上す
る。これは、ポリイミドで埋込まない場合、エツチング
穴が空気にさらされているため劣化したことによること
は明白である。また本実施例ではポリイミドで埋込んだ
が、４５°反射面の全反射条件即ち、反射の境界面を与
えるための物質の屈折率が光導波路（平行または垂直光
導波路）の有効屈折率Ｎ　ｅ　Ｆ　ｆのＪ２分の１より
小さいことが満足されていれば、如何なる材料でも同様
の効果が生じることは明らかである。

また、本実施例では光の進行方向を変更する手段として
、４５°傾斜面を用いているが、光の進行方向を変更す
る手段として２次回折格子を用いる構造でも同様の効果
があることは明白である。

即ち４５°に傾斜した反射面の代りに、半導体基板に平
行な光導波路と同軸上で結合した２次回折格子光導波路
の全領域にわたり屈折率が周囲より高い材料で基板表面
まで埋込むことにより、垂直光導波路を形成すれば、第
５図（Ｃ）に示すような従来例の場合より垂直出射光の
取り込み効率が向上する。それは、従来例では光が直接
空気中に放射されるので、放射光が発散するからである
。特に２次回折格子の軸に対して横方向の発散は、活性
層幅に依存し横モード拡がりを生ずるので、２次回折格
子を用いた本実施例の効果は非常に大きいものとなる。

（実施例２） 第３図（ａ）〜（ｇ）は本発明の第２の実施例による光
双安定素子の製造工程図である。以下第３図を用いて半
導体基板の表面および裏面にそれぞれ垂直な光導波路を
形成した場合について説明する。

実施例１の場合と興なり先ず、ｎ型１ｎＰ基板６上にｎ
型１ｎＧ、Ａ、Ｐ層２０を０．２μｍ成長させて、基板
裏面エツチング時のストップ層を設ける。その後、実施
例１と同様の各層の成長を行う（第３図（ａ）参照）。

以後、実施例１と全く同様の工程により第３図（ｅ）の
ように、基板６表面側に垂直光導波路１を形成し、反応
性イオンビームエツチングにより第３図（ロ）に示すよ
うに４５°傾斜反射面５を形成する。次に、厚さが９０
μｍになるまで基板６の裏面を研磨した後、基板６の裏
面に対してフォトリソグラフィを用いて、基板表面側の
垂直光導波路の位置より３００μｍずらして幅１００μ
ｍの矩形状にエツチングをストップ層となるｎ型１ｎＧ
、Ａ、Ｐ層２０に達するまで行なう。

その後、このストップ層２０から基板に平行な光導波路
２までを輻３μｍの矩形穴を形成し、選択成長により基
板表面側と全（同様に裏面に垂直光導波路１５を形成す
る（第３図（ｅ）参照）。その後、基板表面と同様に反
応性イオンビームエツチングにより４５°傾斜反射面１
６を形成した後、電極を形成する。表面側の電極１３形
成は実施例１と同じであるが、裏面のｎ型電極１４につ
いては勿論、垂直光導波路１５表面を覆わないようにす
る。このように形成した素子の断面が第３図（ｆ）であ
り、斜視図が第３図（ｇ）である。

この光双安定素子の特性評価は、実施例１と同様にシン
グルモードファイバによる入射及び光出力の取出しで行
った。実施例１の結果である第２図（ａ）と入力依存性
は同じであるが、光出力は約２倍となる。従って従来例
と比べおよそ４倍の効果が見られる。

（実施例３） 第４図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ本発明の第３の実
施例による面発光レーザの断面図および斜視図を示す。

以下、本発明の第３の実施例による面発光レーザの製造
方法を説明する。

実施例１の光双安定素子の作成工程と同様に第１図（Ｃ
）まで作成する。次に第４図に示すように、基板に平行
な光導波路（レーザの活性層）２からの光がわずかたけ
傾斜エツチング穴４の反対側光導波路へ注入されるよう
に、全反射条件よりわずかに反射条件をずらすために、
エツチング穴４を光導波路１，２の有効屈折率Ｎ　ｓ　
ｆ　ｆの１丁分の１よりわずかに大きい屈折率の５ｔＯ
ｘｌｌｌ（Ｘ〜１）１７で埋込む。次にｓｉｏ、膜１７
及び垂直光導波路１の上部端面を５１０２膜１２でコー
トし、この部分を除きＰ型電極１３ａ、１３ｂ、ｎ型電
極１４を形成する。その後、平行光導波路２に沿った方
向に垂直光導波路１を有する側を長さ２００μｍ、それ
と反対側は８０μｍの長さで骨間してチップを作成後、
垂直光導波路を有する側の骨間端面にＳ、０２膜１８．
Ａｕ薄ｌ１１９を付着する。

これによりこの端面の反射率は１００％となりこの部分
から光は出射されず、垂直光導波路１の端面から集中的
に光が出射される。

また第４図（ａ）に示すように、エツチング穴４に埋込
んだＳｉ０．１７に対してレーザ素子とは反対側の表面
であるＰ型キャップ層７よりモニタ用受光素子のＰ型電
極１３ｂを取り出す。

傾斜反射界面の入射側媒体の屈折率即ち、光導波路の屈
折率Ｎ　ｅ　ｆ　ｆは、発振スペクトルの縦モード間隔
から約３．４５と推定される一方、透過側の屈折率即ち
、５ｉｎｘの屈折率は約２．６であるのでこれはＮｅｒ
ｒ／Ｊ’−７＝２．４３よりわずかに大きい。従って水
平光導波路２からの光は全反射条件かられずかにずれる
ため、一部は反射されず透過する。また両者の屈折率の
差が小さいので、この透過の発散角度は小さく１０°以
下になる。このため、モニタ用受光素子の感度は十分得
られる。基板に垂直に出射するレーザ光の微分効率は５
０％以上であり、発振しきい値電流も１５ｍＡ以下と低
い。

なお本実施例では、光の進行方向を平行から垂直に変更
するために４５°傾斜反射面を用いたが、２次回折格子
を用いても作成の具体的方法を若干変更する必要がある
が、同様に作成可能である。

以上の実施例１〜３はいずれもＩｎＰ系半導体を用いて
行ったが、Ｇ、Ａｓ系等の他の光半導体素子への適用も
全く同様の効果があることは明白である。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明は、半導体基板
に平行な光導波路により十分な光素子特性が得られる。

また半導体基板に垂直な光導波路と光の進行方向を変換
する手段により、光の進行方向を半導体基板に対して平
行から垂直、あるいは垂直から平行へと効率的に変更で
き、光信°号の面入射効率あるいは光出力の面取出し効
率を向上させることができる。さらに光半導体装置の高
速化、高密度集積化が実現可能となる効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施例による光
双安定素子の製造工程図、第２図（ａ）　、　（ｂ）は
本発明の第１の実施例と従来例による光双安定素子の特
性図、第３図（ａ）〜（ｇ）は本発明の第２の実施例に
よる光双安定素子の製造工程図、第４図（ａ）　、　（
ｂ）はそれぞれ本発明の第３の実施例による面発光レー
ザの断面図および斜視図、第５図（ａ）〜（Ｃ）は従来
例による光半導体装置の斜視図、第６図は従来例による
光双安定素子の斜視図である。 １・・・・・・垂直光導波路、２・・・・・・平行光導
波路、３ａ・・・・・・ｎ型１．Ｐクラッド−層、３ｂ
・・・・・・Ｐ型ＩｎＰクラッド層、４．９・・・・・
・エツチング穴、５・・・・・・４５°傾斜反射面、６
・・・・・・ｎ型夏ｎＰ基板、７・・・・・・Ｐ型■イ
Ｇ、ＡｓＰキャップ層、８・・・・・・ＦｅドープＩ。 Ｐ、１１・・・・・・垂直光導波路端面窓、１２．１８
−・・・Ｓ１０を膜、１３．１３ａ、１３ｂ・・・・・
・Ｐ型電極、１４・・・・・・ｎ型電極、１５・・・・
・・裏面の垂直光導波路、１６・・・・・・裏面４５°
傾斜反射面、１７・・・・・・Ｓ　ｉ　Ｏ，ＩＩＩ、１
９・・・・・・ＡＩＪ薄膜、２０””””ｎ型１ｎＧ、
Ａ、Ｐ層、２１ａ、２１ｂ＝入射光、２２ａ、２２ｂ・
・・・・・出射光、３１・・・・・・Ｆ０ドープ高抵抗
Ｉ、Ｐ層。 第 図 （（Ｌ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板に対して平行な第１の光導波路と、前
   記第１の光導波路と結合する前記半導体基板に対して垂
   直な第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２
   の光導波路の間に、光の進行方向を前記半導体基板に対
   して平行から垂直、あるいは垂直から平行に変更する手
   段とを備えてなる光半導体装置。
2. （２）光の進行方向を半導体基板に対して平行から垂直
   、あるいは垂直から平行に変更する手段が、前記半導体
   基板に対して４５°に傾斜した反射面と、前記反射面に
   対して前記半導体基板に平行な第１の光導波路と反対側
   に位置して、前記第１の光導波路の有効屈折率の√２分
   の１より大きい屈折率を有する光伝播媒質からなる特許
   請求の範囲第１項記載の光半導体装置。
3. （３）半導体基板に対して垂直な第２の光導波路の周囲
   が絶縁体または半絶縁体からなることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の光半導体装置。