集積型光導波路素子
【課題】従来の半導体発光装置では一定動作電流での光出力が小さい上、それをマッハーツェンダ型光変調器などの光素子と集積する際にリッジ幅に制限ができ、本来得られるはずの特性を低くして集積しなくてはならず、低コストかつ低消費電力化ができなかった。
【解決手段】リッジを有する半導体発光装置において、リッジとそれ以外の構成要素との屈折率差を低くすることにより単一横モードのままリッジ幅の拡大を可能にし、かつリッジ両側に沿ってほぼ垂直の溝を形成することにより、拡散電流防止と屈折率差増大を防ぎ、かつリッジに回折格子を形成することにより、再成長による特性劣化を防ぎ、かつそれらをマッハーツェンダ型光変調器などの光素子と集積する際、成長回数を増大させることなく、テーパー状の導波路を用いることによりリッジ幅に制限なくマッハーツェンダ型光変調器などの光素子と上記発光装置とを集積する。
【解決手段】リッジを有する半導体発光装置において、リッジとそれ以外の構成要素との屈折率差を低くすることにより単一横モードのままリッジ幅の拡大を可能にし、かつリッジ両側に沿ってほぼ垂直の溝を形成することにより、拡散電流防止と屈折率差増大を防ぎ、かつリッジに回折格子を形成することにより、再成長による特性劣化を防ぎ、かつそれらをマッハーツェンダ型光変調器などの光素子と集積する際、成長回数を増大させることなく、テーパー状の導波路を用いることによりリッジ幅に制限なくマッハーツェンダ型光変調器などの光素子と上記発光装置とを集積する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光装置、および、半導体発光装置と光変調器を集積した集積型光導波路素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体発光装置および半導体発光装置を電界吸収型光変調器と集積した集積型半導体光導波路素子の低消費電力化と低コスト化がますます重要となってきた。半導体発光装置には主にリッジ型と埋込型があり、この内リッジ型は作製が容易で成長回数が少ないので低コスト化に有利な点から、情報用・通信用ともに開発が活発となっている。リッジ型半導体発光装置はn型半導体からなる基板上に、下部クラッド層、多重もしくは単一井戸層、上部クラッド層、リッジを積層することにより形成される。このリッジ型半導体発光装置とリッジを有する電界吸収型光変調器部を共通の基板上に集積して集積型半導体光導波路素子(EA/DFB)が構成される。
【0003】
情報の分野では記録する情報量の増加とともに、その高速記録が要求され、その結果半導体発光装置の高出力化が求められるようになった。それには動作電流を大きくすればよいが、低消費電力化に不利となっている。一方、通信の分野において現在の幹線系と都市系ネットワークでは、伝送速度は2.5Gbit/sあるいは10Gbit/sが主流となっている。このため、送信器の高速変調には光変調器をモノリシックに集積した集積型半導体光導波路素子の形態が低コスト化には有利である。しかし、一方、伝送距離の増大と高ビットレート化とともに消費電力が増大する。そこで、これを低消費電力化する目的で−5〜85℃において温度調節の必要のないEA/DFBの開発が行われるようになった(非特許文献1:OFCNFOEC OFC POSTDEADLINE PAPERS Thursday, March 10, 2005 PDP14)。これを達成するには半導体発光装置の一定動作電流下におけるさらなる光出力の高出力化が必要となっている。このように情報用と通信用ともに半導体発光装置の低消費電力化には一定動作電流下における光出力の高出力化が求められる。
【0004】
半導体発光装置の高出力化の一つの方法はリッジ幅を拡大することである。通常、半導体発光装置では動作電流を大きくすると発熱量が大きくなるため、ある電流値で光出力が飽和してしまい、十分な出力が得られなくなる。それに対し、リッジ幅を拡大した半導体発光装置では電流注入時の電気抵抗が下がるので、その分、発熱量が抑えられ、飽和電流が増大する。その結果、飽和出力も増大し、一定動作電流における光出力が増大する。リッジ幅の拡大は上部クラッド層とリッジの間に上部バッファ層を形成することにより実現できる。上部バッファ層の形成により、積層方向の平均屈折率差がリッジを含む部分とリッジを含まない部分で、上部バッファ層を持たない場合よりも小さくなり、スラブ型導波路でいう、いわゆる、カットオフ幅が増大することになり、横単一モード条件でリッジ幅の拡大が可能となる。
【0005】
別の方法として、半導体発光装置の閾値の上昇を抑制する方法がある。閾値が低ければ一定動作電流における光出力が上昇するので、これにより半導体発光装置の高出力化を図ることができる。閾値の上昇を抑制する方法として、例えば特開2004−214372(特許文献1)に開示されるものがある。これはInP系より形成される従来のリッジ型半導体発光装置のリッジの両側方向にFeを注入した被覆層を再成長によって形成し、これを上部クラッド層へのFe供給源として利用し、上部クラッド層を絶縁化することにより、リッジから注入された電流が上部クラッド層で拡散するのを抑制し閾値の上昇を抑制するものである。これらのレーザをDFB化するとき従来は回折格子をn基板上部や多重井戸層、もしくは上部バッファ層内へ作製していた。
【0006】
一方、EA/DFBについてみると、例えば、埋込型半導体発光装置とリッジ型電界吸収型光変調器を集積した半導体光導波路素子では、それぞれの部分でモードの広がりが異なるため、埋込型とリッジ型の結合部をテーパー状にして集積する特開平8−78792(特許文献2)が提案されている。また、ファイバとの光結合を良好にするために半導体光導波路素子の光の出射側をテーパー状にする特開2000−66046(特許文献3)が提案されている。しかし上記のようなリッジを拡大化したり低閾値化した高出力レーザを集積したものはなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2004−214372号公報
【特許文献2】特開平8−78792号公報
【特許文献3】特開2000−66046号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】OFCNFOEC OFC POSTDEADLINE PAPERS Thursday, March 10, 2005 PDP14
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述したように、半導体発光装置の高出力化のために、上部クラッド層とリッジの間へ上部バッファ層を挿入することが有効であるが、一方で、特にp側のキャリアの横方向への拡散が大きくなり閾値が増大するという問題があった。また、リッジを含む部分とリッジを含まない部分の平均屈折率差が小さくなるので、モード形状が横に広がり遠視野像の広がりが水平方向と垂直方向で大きく異なってきて非対称になる。これはファイバなどの外部との結合損失を増大させる要因となる。
【0010】
上記閾値の上昇を抑制するために、特許文献1に開示される方法の適用が考えられるが、この方法では、被覆層を形成するのに結晶の再成長が必要となる。そのため、低コスト化に不利となる。さらに、半導体発光装置がInP系に限られているので、他の材料、例えばGaAs系の半導体発光装置には適用できない。
【0011】
半導体発光装置の高出力化のために、上部クラッド層とリッジの間へ上部バッファ層を挿入してリッジ幅を大きくすることが有効であるが、この方法はEA/DFBのような集積型半導体光導波路素子の適用には別の問題があった。例えば、半導体発光装置の高出力化のために、半導体発光装置のリッジ幅を2μmにすると、電界吸収型光変調器部での電気容量が増大し帯域が減少する。一方、電界吸収型光変調器部のリッジ幅1.4μmに合わせて、半導体発光装置のリッジ幅を1.4μmにすると、半導体発光装置の熱特性が悪くなり、高出力が得られない。そのためEA/DFBのリッジ幅は、本来の最適リッジ幅とは異なり、総合的な特性は低下するが、それぞれが、機能を発揮しやすい妥協の値として1.6μm程度にして集積していた。
【0012】
さらに回折格子の挿入位置もレーザの特性に影響を与える。従来の回折格子の作製位置はn基板上部や多重井戸層内、または上部バッファ層内であった。多重井戸層内、または上部バッファ層内に回折格子を挿入した場合、回折格子形成後再成長を行うが、その再成長界面にてキャリア濃度変化を起こし、キャリアをトラップしてしまうため高出力化にとって特性劣化を招いてしまう。一方、n基板上部に作製すると上記のような問題は無視できるようになるが、多重井戸層を形成する前に回折格子を形成してしまうため波長の制御性が悪くなってしまう。
【0013】
以上のように上記の方法では低消費電力化と低コスト化を両立するには至っておらず、また集積化のために半導体発光装置と電界吸収型光変調器の設計、特にリッジ幅に制限を受けることになっており、各デバイスが最適条件で集積するには至っていなかった。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、半導体発光装置の高出力化を達成し、さらに、高出力化された半導体発光装置を電界吸収型光変調器と集積した集積型半導体光導波路素子の低消費電力化およびそれぞれの特性を劣化させることなく、低コストに集積する。
【0015】
まず、半導体発光装置をn型半導体基板に下部クラッド層と、多重もしくは単一井戸層、上部クラッド層、上部バッファ層およびリッジから形成する。さらに、前記リッジ両側面部へ前記上部バッファ層に切り込んだ低屈折率の絶縁性の溝を形成することによりリッジより注入される電流の横方向への拡散を抑制し、それにより閾値の上昇を抑制する。
【0016】
また、n型半導体基板に下部クラッド層と、多重もしくは単一井戸層、上部クラッド層、リッジなどから形成される半導体発光装置において、前記リッジ内にリッジを主に構成する半導体材料より高い屈折率を持つ半導体材料で回折格子を形成することにより、回折格子を上部クラッド層へ形成するよりも、回折格子形成後の再成長による不純物混入やキャリア濃度変化に起因する特性劣化なく作製する。
【0017】
一方、EA/DFBのような集積型半導体光導波路素子では、リッジを有する電界吸収型光変調器と半導体発光装置とを集積する際、半導体発光装置のリッジとリッジを有する電界吸収型光変調器のそれぞれのリッジをテーパー状のリッジを有する導波路で結合する。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、高出力で且つ閾値の低い半導体発光装置を実現できるとともに、EA/DFBのような集積型半導体光導波路素子では、半導体発光装置と電界吸収型光変調器の特性をそれぞれの最大の特性を発揮させるものとでき、低光損失に、かつ出射する光の遠視野像の垂直方向と水平方向の広がり方の異方性を抑え、かつ集積時の成長回数を増大させることなく低コストで集積可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の前提となる上部バッファ層を持つ半導体発光装置の製作過程の前半を説明する図である。
【図2】本発明の前提となる上部バッファ層を持つ半導体発光装置の製作過程の後半を説明し、完成状態を示す図である。
【図3】本発明の前提となる半導体発光装置とほぼ同一の構成で、上部バッファ層の無い半導体発光装置を構成して動作特性を比較した結果を示す図である。
【図4】本発明の実施例1の半導体発光装置の製作過程を、図2(a)の構成を出発点として、前半を説明する図である。
【図5】本発明の実施例1の半導体発光装置の製作過程の後半を説明する図である。
【図6】本発明の実施例1の半導体発光装置の完成状態を示す図である。
【図7】(a)は実施例1の半導体発光装置の特性について説明する図、(b)は上部バッファ層の溝幅とカットオフ幅との関連を評価した特性図である。
【図8】(a)−(c)は本発明の実施例2の半導体発光装置をn型GaAs半導体基板を出発とする構成によって実現した製作過程の主要部と完成状態を示す図である。
【図9】(a)−(e)は本発明の実施例3の集積型光導波路素子の製作過程の前半を説明する図である。
【図10】(a)−(d)は本発明の実施例3の集積型光導波路素子の製作過程の後半を説明する図である。
【図11】本発明の実施例3の集積型光導波路素子の完成状態を示す図である。
【図12】本発明の実施例3の集積型光導波路素子の半導体発光装置のリッジ幅が2.0μmおよび2.5μm、電界吸収型光変調器のリッジ幅が1.4μmの場合について、導波路長を横軸に取り、縦軸に透過率をとって評価した結果を示す図である。
【図13】本発明の集積型光導波路素子を電界吸収型光変調器に代えてマッハ−ツェンダ型光変調器を採用した実施例4の集積型光導波路素子の完成状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の望ましい実施形態を、実施例1乃至4について関連図面を参照して説明する。
【0021】
[実施例1]
まず、本発明を波長1.5μm帯リッジ導波路型半導体発光装置に適用した実施例1について説明する。ただし、図の大きさと実施例1記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。図1および図2を用いて、本発明の前提となる上部バッファ層を持つ半導体発光装置を説明し、その後、リッジ両側面部へ上部バッファ層に切り込んだ低屈折率の絶縁性の溝を形成した本発明の半導体発光装置の実施例を説明する。
【0022】
図1(a)に示すように、n型InP半導体基板1(厚さ2mm)の上へ有機金属気相成長法(MOCVD法)によりn型InPバッファ層2(厚さ0.15μm)、n型InGaAsP系からなる下部クラッド層3(厚さ0.13μm)、1.0%圧縮歪を有するInGaAsP(厚さ7nm、組成波長1.5μm)の井戸層と0.5%引っ張り歪を有するInGaAsP(厚さ12nm、組成波長1.3μm)の障壁層とを6周期積層した多重量子井戸活性層4(厚さ0.114μm)、InGaAsP系からなる上部クラッド層5(厚さ0.1μm)、p型InPからなる上部バッファ層6(厚さ0.2μm)、InGaAsP系からなるエッチング停止層7(厚さ5nm)、p型InPからなる下スペーサ層8(厚さ20nm)、InGaAsP系からなる回折格子層9(厚さ30nm)を積層する。この例では、多重量子井戸活性層の発光波長は約1.5μmである。
【0023】
次に、図1(b)に示すように、回折格子層9上へ公知の干渉露光方式とそれに続くりん酸系溶液でのエッチングを施すことにより、回折格子層9に回折格子を形成する。実施例1では、エッチング停止層7と回折格子層9との間にInPスペーサ層8があるので、フローティング型の回折格子となり、作製毎にエッチング時間が多少異なったとしても回折格子は精度良く作製可能となる。
【0024】
引き続き、図1(c)に示すように、MOCVD法により回折格子を形成した回折格子層9上にp型InP層10(厚さ2.0μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)とInGaAsからなるコンタクト層11(厚さ0.3μm)を積層する。
【0025】
その後、図1(d)に示すように、リッジ(幅2.8μm)を残してエッチング停止層7までエッチングすることで、下スペーサ層8、回折格子層9、p型InP層10およびコンタクト層11よりなるリッジ12の形成を行う。
【0026】
続いて、図2(a)に示すように、熱化学気相蒸着(T−CVD:Thermo-Chemical Vapor Deposition)法によりエッチング停止層7より上側の全面にシリコン酸化膜13(厚さ0.1μm)を形成する。次いで、図2(b)に示すように、リッジ12上部のコンタクト層11上にある絶縁膜(シリコン酸化膜13)の除去を行う。ここで実施例1ではシリコン酸化膜13を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。次に、図2(c)に示すように、リッジ12の両側の絶縁膜13上にポリイミド樹脂層14を設け、ウエハ表面を平坦化する。さらに、リッジ12上部にp電極15とn型InP基板1の裏面にn電極16を形成した後、劈開工程により共振器長300μmの素子を切り出し、後端面に反射率95%の反射膜、前端面に反射率0.1%の低反射膜をコートした。
【0027】
図2(c)に示す半導体発光装置を−5℃〜85℃において動作電流300mAまでの範囲で動作させたところ横単一モードとなることが確認された。また室温、連続発振条件において閾値15〜25mA、発振効率0.3〜0.4W/Aと良好な発振特性を示した。また、動作温度85℃において閾値約35mA、発振効率0.15〜0.2W/Aを得た。
【0028】
図3は、図2(c)に示す半導体発光装置とほぼ同一の構成で、上部バッファ層6の無い半導体発光装置を構成して動作特性を比較した結果を示す図である。図3において、横軸は動作電流を、縦軸は光出力である。実線21は、動作温度が85℃における上部バッファ層6の有る半導体発光装置の特性を、破線22は、同じ温度における上部バッファ層6の無い半導体発光装置の特性を、それぞれ、示す。動作電流が150mAについて比較すると、上部バッファ層6の無い半導体発光装置に対し、上部バッファ層6の有る半導体発光装置の光出力は2割程度上昇した。なお、このときの閾値は上部バッファ層6の有る半導体発光装置の方が5〜10mA大きかった。
【0029】
尚、上述の構成においては、レーザの発振波長即ち、多重量子井戸活性層の発光波長を1.5μmに設定しているが、波長を1.3μm帯に設定した場合においても同様の効果を得ることができるし、分布帰還型でなくとも分布ブラッグ反射型やファブリ−ペロー型でも同様な効果は得られる。またInGaAsP系の替わりにInGaAlAs系を用いても同様な特性の発光装置を得ることができる。さらに上部バッファ層6はInPでなく、InGaAsP系やInGaAlAs系でもよい。
【0030】
半導体発光装置の高出力化のために、上部クラッド層5とリッジ12の間へ上部バッファ層6を挿入してリッジ幅を大きくすることが有効であることが理解できるが、発明が解決しようとする課題及び図3を参照した説明でも述べたように、閾値が増加する問題がある。これを解決するために、本発明の実施例1では、リッジ12の側面に沿って上部バッファ層6に食い込む切込みを設けて多重量子井戸活性層4に流入する電流の拡散を抑制して閾値の増加を防止する。
【0031】
図4(a)は、図2(a)と同じ、エッチング停止層7より上側の全面にシリコン酸化膜13を形成した製作過程の構造を示す図であり、実施例1の半導体発光装置の構成の出発点となる図である。
【0032】
シリコン酸化膜13を形成した後に、ドライエッチング工程により、シリコン酸化膜13を除去する。このときあらかじめリッジ12上部のコンタクト層の部分を厚めにシリコン酸化膜13を形成すると、図4(b)に示すように、リッジ12にシリコン酸化膜13が残り、エッチング停止層7の上面にシリコン酸化膜13に覆われたリッジ12が乗っている形になる。
【0033】
図4(c)は、リッジ12を避けてエッチング停止層7の上面にレジスト膜17を形成した状態を示す図である。
【0034】
図4(d)は、これに続けて、フォトリソグラフィー工程でレジスト膜17を残して、シリコン酸化膜13を除去した状態を示す図である。この状態では、図からわかるように、エッチング停止層7の上にリッジ12が乗り、その周辺のレジスト膜17のみが溝状に除去された状態となる。
【0035】
図5(a)は、図4(d)に示す状態から、溝状に除去されたレジスト膜17をマスクとして、まず、りん酸系溶液によりエッチング停止層7を溝状に除去し、次いで、塩酸系溶液により上部バッファ層6を溝状にエッチングした状態を示す図である。このときエッチング時間を調節することにより溝の深さを調節できる。実施例1では上部バッファ層6の膜厚0.2μmに対し、深さ0.1μmの溝を形成した。また、シリコン酸化膜13の膜厚を0.1μmとしていたので、上部バッファ層6に形成される溝幅も0.1μmとなる。溝はほぼ垂直に形成できた。より具体的には、前記リッジの両側面と前記上部バッファ層との間に幅が0を超えて200nm以下、深さの中央部分の位置で前記基板の面に対して90°±10°の角度を有する溝が形成できる。
【0036】
図に示した実施例では、上部バッファ層6の厚さの半分に溝を形成するものとしたが、上部バッファ層6の厚さの全部に亘って溝を形成するものとしてもよい。この場合、上部バッファ層6を設けることによる閾値の増加を防止するという点では効果があるが、半導体発光装置の出力光のパターンに影響する可能性があるので、どの程度の深さの溝にするかはケースによって考慮するのがよい。
【0037】
図5(b)は、次いで、レジスト膜17を除去した状態を示す図である。この状態は、図1(d)と対比して明らかなように、リッジ12に沿ってエッチング停止層7および上部バッファ層6に溝が形成されている点を除けば、図1(d)と同じである。
【0038】
図5(c)は、図2(a)で説明したと同様に、熱化学気相蒸着(T−CVD:Thermo-Chemical Vapor Deposition)法によりエッチング停止層7より上側の全面にシリコン酸化膜23(厚さ0.1μm)を形成した状態を示す図である。この状態は、一見すると、図4(a)のシリコン酸化膜13と同じように見えるが、図4(a)のシリコン酸化膜13が、リッジ12に沿って溝を形成するために設けられ、用済み後に除去されるのに対して、シリコン酸化膜23は形成された溝を含めて絶縁層を形成するために設けられるものである。
【0039】
図5(d)は、次いで、図2(b)で説明したと同様に、リッジ12上部のコンタクト層11上にある絶縁膜(シリコン酸化膜23)の除去を行う。ここで実施例1ではシリコン酸化膜23を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。
【0040】
図6は、シリコン酸化膜23の上面にポリイミド樹脂24を形成してウエハ表面を平坦化し、次いで、リッジ12の上部にp電極15を形成し、n型InP基板1の裏面にn電極16を形成した状態を示す図である。
【0041】
その後、劈開工程により素子を切り出し、後端面に反射率95%の反射膜、前端面に反射率0.1%の低反射膜をコートして半導体発光装置を完成させる。
【0042】
図7(a)は、図6に示す実施例1の半導体発光装置の特性について説明する図であり、図3と対応させて、上部バッファ層6の無い半導体発光装置の動作特性と、上部バッファ層6を備えた場合の上部バッファ層6の半ばに達する溝の有無について動作特性を比較した結果を示す図である。図3と同様、横軸は動作電流を、縦軸は光出力である。実線21’は、実施例1の半導体発光装置における動作温度が85℃の特性を、破線22は、同じ温度における上部バッファ層6の無い半導体発光装置の特性を、それぞれ、示す。細い実線21は、図3に示した上部バッファ層6に溝を持たない場合の特性を示す。実線21’と破線22を比較して分かるように、実施例1によれば、閾値が同等になり、上部バッファ層6を設けることによる閾値の増加を抑制できる。さらに、実線21’と実線21を比較して分かるように、光出力も増大できる。
【0043】
図7(b)は、上部バッファ層6の溝幅とカットオフ幅との関連を評価した特性図であり、横軸に溝幅、縦軸にカットオフ幅を示す。先にも述べたように、リッジ幅の拡大で半導体発光装置の高出力化が計れるが、一方では、単一モード条件にとってはリッジ幅の拡大はマイナスとなる。実施例1に示すように、本発明では、上部バッファ層6を持ち、上部バッファ層6での電流拡散を防止する溝を設けることにより、リッジ幅の拡大を効果的に実現できる。単一モードを満足できる条件の下で、溝幅とカットオフ幅との関連を評価した結果を図7(b)に示す。上述したように、溝幅0.1μmでカットオフ幅(リッジ幅)2.8μmが実現できたが、溝幅0.2μmでもカットオフ幅(リッジ幅)2.8μmが実現できる。しかし、これ以上溝幅が広くなるとカットオフ幅は小さくなってしまうことが分かる。なお、前記した特開2004-214372のように、再成長によって絶縁層を形成した場合について、検討した結果を合わせて表記した。再成長によっては、InP系を再成長させる場合結晶の面がでるため溝の角度は126°以上となり、溝幅0.1μmは形成できず、本発明のように大きなカットオフ幅では単一モードを満足できない。
【0044】
実施例1の半導体発光装置を−5℃〜85℃において動作電流300mAまでの範囲で動作させたところ図7(a)に示す動作特性が得られ、横単一モードとなることが確認された。また、図7(b)の結果から、溝幅は作製誤差などを考慮すると0.8μm以下にするのが望ましいことがわかる。
【0045】
遠視野像について評価したところ、上部バッファ層6を持つだけで、リッジ12の側面に沿った溝が形成されていない半導体発光装置では、遠視野像の広がりは基板1に対し垂直方向では45°、水平方向では20°であった。これに対して、実施例1の半導体発光装置では、遠視野像の広がりは基板1に対し垂直方向では45°、水平方向では25°となり、広がり方の異方性が緩和されていることが確認された。
【0046】
さらに、実施例1の半導体発光装置は、室温、連続発振条件において閾値10〜20mA、発振効率0.3〜0.4W/Aと良好な発振特性を示した。また、動作温度85℃において閾値約20〜30mA、発振効率0.15〜0.2W/Aを得た。85℃において上部バッファ層がない半導体発光装置と同程度の閾値で、動作電流が150mAのときの光出力は2〜4割程度上昇した。
【0047】
尚、実施例1においては、レーザの発振波長、すなわち、多重量子井戸活性層の発光波長を1.5μmに設定しているが、波長を1.3μm帯に設定した場合においても同様の効果を得ることができるし、分布帰還型でなくとも分布ブラッグ反射型やファブリ−ペロー型でも同様な効果は得られる。また、作製方法が異なっていても同様な角度を有する溝を形成することができれば、同様な効果を得られるのは言うまでもない。またInGaAsP系の替わりにInGaAlAs系を用いても良い。また、シリコン酸化膜を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。
【0048】
また、実施例1では、上部クラッド層に回折格子を作製することにより、光変調器領域の吸収端波長に合わせ適切な発振波長となる回折格子の作製が可能となり、分布帰還型半導体発光装置の発振光の波長と光変調器領域の吸収端波長の差(ΔH)を一定に保つことが可能となるメリットが有る。
【0049】
[実施例2]
本発明を適用した半導体発光装置は、n型InP半導体基板を出発とする構成に代えて、n型GaAs半導体基板を出発とする構成によっても実現できる。図8(a)−(c)はn型GaAs半導体基板を出発とする構成によって実現した半導体発光装置を実施例2として示す図である。
【0050】
実施例2に示す半導体発光装置は、出発点となる基板を異にすることにより、材料および一部の製作過程が異なるが、類似した手順で構成できるので、説明は簡略化する。
【0051】
図8(a)に示すように、n型GaAs半導体基板(厚さ2mm)31の上に、MO−CVD法により、n型GaAsバッファ層(膜厚0.5μm)32、n型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)からなる下部クラッド層(膜厚2.5μm)33、1.1%圧縮歪を有するGaInP(厚さ6nm)の井戸層と0.7%引っ張り歪を有する(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.45)(厚さ6nm)の障壁層とを2周期積層した多重量子井戸活性層(厚さ0.024μm)34、p型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.50)からなる上部クラッド層(膜厚0.02μm)35、(AlxGa1−x)0.5In0.5Pからなる上部バッファ層(膜厚0.3μm)36、(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)からなる層(膜厚2.0μm)40、GaAsからなるコンタクト層(膜厚0.2μm)41を積層する。この例では、多重量子井戸活性層の発光波長は約0.66μmである。
【0052】
図8(b)に示すように、その後、ドライエッチング工程により、上部バッファ層36の表面が露出するまでエッチングして、リッジ42の形成を行う。リッジ42の幅は1.7μmとした。
【0053】
その後、図4(a)−(d)および図5(a)−(d)と同様な過程を経て、図8(c)に示すように、n型GaAs半導体基板を出発とする構成によって半導体発光装置が実現できる。ここで、43はシリコン酸化膜であり、実施例1のシリコン酸化膜23に対応する絶縁層である。44は、ポリイミド樹脂であり、シリコン酸化膜43の上面に設けられてウエハ表面を平坦化する。実施例1のポリイミド樹脂24に対応する。45,46は、それぞれ、p,n電極であり、実施例1のp,n電極15,16に対応する。また、劈開工程により素子を切り出し、後端面に反射率92%の反射膜、前端面に反射率7%の低反射膜をコートする。実施例2の半導体発光装置は、ファブリ−ペロー型のレーザとなるので、リッジ42に回折格子層を形成する必要は無い。
【0054】
実施例2でも、リッジ42に沿って、エッチングにより溝を形成する際、エッチング時間を調節することにより溝の深さの調節が可能となる。実施例2では上部バッファ層36の膜厚0.3μmに対し、幅0.1μm、深さ0.1μmの溝を形成した。また溝の角度はほぼ垂直のものが形成できた。
【0055】
実施例2の半導体発光装置を−10℃〜80℃において動作電流450mAまでの範囲で動作させたところ横単一モードとなることが確認された。このように形成された溝が形成されてもリッジ幅を拡大できることを確認した。また室温、連続発振条件において閥値40〜55mA、発振効率1.0〜1.2W/Aと良好な発振特性を示した。このように上部バッファ層がない半導体発光装置と同程度の閥値で、動作電流が400mAのときの光出力は2〜4割程度上昇した。
【0056】
尚、実施例2においては、半導体発光装置の発振波長即ち、多重量子井戸活性層の発光波長を0.66μmに設定しているが、それ以外の波長に設定した場合においても同様の効果を得ることができる。以上のようにして作製した半導体発光装置はDVD用のLDへ適用可能となる。
【0057】
[実施例3]
本発明を適用した集積型光導波路素子の実施形態の一例を、図9(a)−(e)、図10(a)−(d)および図11を参照して説明する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【0058】
図9(a)に示すように、まず、n型InP半導体基板51(厚さ2mm)上へMO−CVD法によりn型InPバッファ層52(膜厚0.5μm)、n型InGaA1As(組成波長0.92μm)からなる電界吸収型光変調器下部クラッド層53(膜厚0.1μm)、0.6%圧縮歪を有するInGaA1Asの井戸層(膜厚7nm、組成波長1.5μm)を、0.6%の引張り歪を有するInGaA1Asの障壁層(膜厚10nm、組成波長1.35μm)の9周期の多重量子井戸活性層54、InGaA1As(組成波長0.92μm)からなる電界吸収型光変調器上部クラッド層55(膜厚0.1μm)を積層する。
【0059】
図9(b)に示すように、次いで、電界吸収型光変調器に対応する幅(例えば、300μm)を残しn型InPバッファ層52の表面までエッチングを行う。
【0060】
図9(c)に示すように、次に、n型InGaAsP(組成波長1.10μm)からなる導波路下部クラッド層56(膜厚0.1μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)からなる導波路コア57(膜厚0.16μm)、InGaAsP(組成波長1.15μm)からなる導波路上部クラッド層58(0.1μm)を積層する。
【0061】
図9(d)に示すように、次いで、長さ300μmの電界吸収型光変調器と長さ150μmの導波路を残しn型Inpバッファ層52の表面までエッチングを行う。
【0062】
図9(e)に示すように、次いで、発光装置のn型InGaAsP(組成波長1.10μm)からなる下部クラッド層59を0.13μm、1.0%圧縮歪を有するInGaAsPの井戸層(膜厚7nm、組成波長1.5μm)、0.5%の引張り歪を有するInGaASPの障壁層(膜厚12nm、組成波長1.3μm)とする5周期の多重量子井戸活性層60、InGaAsP(組成波長1.10μm)からなる上部クラッド層61(膜厚0.10μm)、p型InPからなる上部バッファ層62(膜厚0.2μm)、InGaAsP(組成波長1.3)からなるエッチング停止層63(膜厚0.005μm)、p型InPからなる下スペーサ層64(膜厚0.02μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)からなる回折格子層65(膜厚0.03μm)を積層する。多重量子井戸活性層の発光波長は約1.5μmである。
【0063】
図10(a)に示すように、次に、回折格子層65上へ公知の干渉露光方式と、それに続くりん酸系溶液でのエッチングにより、回折格子層65へ回折格子を形成する。さらに、電界吸収型光変調器へ窓66を形成する。エッチング停止層63と回折格子層65との間にInpからなる下スペーサ層64があるのでフローティング型の回折格子となり、エッチング時間が多少違っても回折格子は精度良く作製可能となる。
【0064】
図10(b)に示すように、引き続き、MO−CVD法により回折格子を形成した回折格子層65、上部クラッド層58上および窓66の形成されたn型InPバッファ層52上にp型InP層67(膜厚2.0μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)とInGaAsからなるコンタクト層68(膜厚0.3μm)を積層する。ここで、p型InP層67は膜厚2.0μmが、他の層と比較して桁違いに厚いので、積層された表面は実質的に平坦化される。
【0065】
図10(c)に示すように、その後、電界吸収型光変調器上部クラッド層55、導波路上部クラッド層58および発光装置エッチング停止層63までエッチングして、リッジ69の形成を行う。このとき、発光装置のリッジ幅を2.5μmとし、また電界吸収型光変調器のリッジ幅を1.5μmとした。そしてこれらをつなぐ導波路のリッジの幅は発光装置部から電界吸収型光変調器部に向かって連続的に変化するようテーパー状にした。
【0066】
図10(d)に示すように、次に導波路のコンタクト層68を除去し、発光装置と電界吸収型光変調器のコンタクト層を分離した。
【0067】
図11は実施例3の集積型光導波路素子の完成した状態を示す図である。これは、図10(d)に示す構成に続けて、以下の工程の実施により得られる。図5(c)で説明したように、T−CVD法により電界吸収型光変調器上部クラッド層55、導波路上部クラッド層58および発光装置エッチング停止層63より上側の全面にシリコン酸化膜70(厚さ0.1μm)を形成する。次いで、図5(d)で説明したように、半導体発光装置と電界吸収型光変調器のリッジ69上部のコンタクト層68上にある絶縁膜の除去を行う(この際、導波路上部にはシリコン酸化膜70が残る)。ここで、実施例3ではシリコン酸化膜を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。次に、図6で説明したように、ポリイミド樹脂71によりウエハ表面を平坦化する。最後に、半導体発光装置のコンタクト層68の上にp電極72、電界吸収型光変調器のコンタクト層68の上にp電極73を形成し、n型InP基板51の裏面にn電極74を形成の後、劈開工程により素子を切り出し、後端面に反射率95%の反射膜、前端面に反射率0.1%の低反射膜をコートした。
【0068】
実施例3では、エッチング停止層63の上に回折格子65が形成されているので、上部クラッド層61や上部バッファ層62の中へ回折格子を形成するのとは異なり、4回の成長で集積が可能となる。尚、電界吸収型光変調器と導波路、半導体発光装置の成長の順番はこれに限るものではない。また半導体発光装置の材料としてInGaAsP系の替わりに、実施例2で説明したように、InGaAlAs系を採用することができる。さらに、電界吸収型光変調器の材料としてInGaAlAs系の替わりにInGaAsP系を使用してもよい。
【0069】
実施例3では、リッジ幅は半導体発光装置の領域では2.0μm、電界吸収型光変調器の領域では1.4μmとし、両者を結ぶ導波路は長さが150μmとしてテーパー状に結合するものとした。この結果、半導体発光装置のリッジと電界吸収型光変調器のリッジとを光損失がほとんどない状態で結合することができた。
【0070】
図12は、半導体発光装置のリッジ幅が2.0μmおよび2.5μm、電界吸収型光変調器のリッジ幅が1.4μmの場合について、導波路長を横軸に取り、縦軸に透過率をとって評価した結果を示す図である。図からわかるように、それぞれ、導波路長が10μmから150μmの範囲で、実質的に同じ特性が得られる。したがって、極端な段差がある形で結合するのでなければ、テーパーの傾きにはあまり影響を受けずに結合できる。さらに窓66を設けることにより、光ファイバとの光結合が容易となり、結合損失を3dB以下に抑えることが可能となった。
【0071】
さらに、実施例3の集積型光導波路素子の遠視野像を測定したところ、半導体発光装置単体での広がりが基板に対し垂直方向では45°、水平方向では20°だったが、実施例3記載の集積型半導体導波路素子では、垂直方向では45°、水平方向では35°となり、広がり方の異方性が緩和されていることが確認された。半導体発光装置の動作電流は−5℃〜85℃において70〜150mAの範囲で動作させた。また電界吸収型光変調器のp電極73へ印加する電圧を−5℃〜85℃においてオフセットバイアスを最適に調節し、変調振幅電圧を2.5V以下にすることにより光出力1dBm以上、動的消光比10dB以上、帯域10Gbps以上を得ることができた。これにより、−5℃〜85℃において温度調節の必要なくビットレート10Gbpsにおいて、伝送距離40km以上で良好なアイ開口を得ることが可能となった。
【0072】
なお、実施例3の集積型光導波路素子の半導体発光装置は、図1,2で説明した本発明の前提となる半導体発光装置と同じ構成としたが、実施例1で説明した図6に示す溝つきの構造としてよい。
【0073】
[実施例4]
本発明を適用した集積型光導波路素子の実施例4として、電界吸収型光変調器に代えてマッハ−ツェンダ型光変調器を採用した集積型光導波路素子の一例を、図13を用いて説明する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【0074】
図13は実施例4の集積型光導波路素子の構成を示す図である。実施例4の集積型光導波路素子は半導体発光装置LDと、導波路WGと、マッハ−ツェンダ型光変調器MZ及び窓66とがn型InP基板1、InPバッファ層2上に形成され、カスケードに結合されたものである。半導体発光装置LDは、図1,2を参照して説明した本発明の前提としての半導体発光装置と同じ構成であり、同じ参照符号を付した。導波路WGは図9−11を参照して説明した実施例2の集積型光導波路素子の構成における導波路と同じであるが、図が煩雑となるので、参照符号は省略した。マッハ−ツェンダ型光変調器MZは、導波路WGに接続されるとともに二つの光路81,82に分路された後、再び合路されて窓66に接続される。二つの光路81,82の内の一つの光路81には、コンタクト層11が形成される。また、二つの光路81,82にも、導波路WGと同様に、導波路下部クラッド層56、InGaAsP(組成波長1.3μm)からなる導波路コア57、InGaAsP(組成波長1.15μm)からなる導波路上部クラッド層58を積層する。
【0075】
製作工程について簡単に説明すると、まず、図1(c)に示したのと同様に、半導体発光装置LDを積層した後、導波路WGおよびマッハ−ツェンダ型光変調器MZの領域の部分をInPバッファ層2の面までエッチングして、その上に導波路分56−58を積層する。窓66を形成した後、p型InP層およびコンタクト層11を積層する。この状態は、図10(b)に示す状況と同様になる。その後、図10(c),(d)に示すのと同様にして、図13に示す構成が得られる。この後、図11と同様にして、実施例4の集積型光導波路素子が完成するが、図示は省略した。
【0076】
ここで、二つの光路81,82のそれぞれの光路長は、半導体発光装置LDの発信周波数の波長の1/2だけ異なるように構成される。光路81のコンタクト層11に接続される電極と基板1の下面に設けられる電極との間に加えられる電圧が所定の値になると、光路81の屈折率が変化して、透過的な光路長が変化して、例えば、光路81,82のそれぞれの光路長が等しくなるようになされる。その結果、電極間に電圧が無ければ、光信号は出されず、電極間に電圧が印加されると光信号が出されることになる。
【0077】
なお、実施例4においても、例えば、半導体発光装置LDのリッジ幅は2.0μm、マッハ−ツェンダ型光変調器MZのリッジ幅は1.0μmとして、両者を光損失がほとんどなく結合できるように、導波路WGのリッジにテーパーを持たせた。さらに、窓66により光ファイバとの光結合が容易となり、かつ結合損失を3dB以下に抑えることが可能となった。半導体発光装置LDの動作電流は−5℃〜85℃において70〜150mAの範囲で動作させた。またマッハ−ツェンダ型光変調器の電極11へ印加する電圧は−5℃〜85℃においてオフセットバイアスを最適に調節し、変調用振幅電圧を2.5V以下にすることにより光出力3dBm以上、動的消光比10dB以上、帯域10Gbps以上を得ることができた。これにより、−5℃〜85℃において温度調節の必要なくビットレート10Gbpsにおいて、伝送距離40km以上で良好なアイ開口を得ることが可能となった。
【0078】
尚、マッハ−ツェンダ光変調器MZはこれに限るものでなく、これと同等な機能を備える光導波路素子であっても構わない。さらに光変調器以外にも光増幅器などとの集積も可能である。
【符号の説明】
【0079】
1…n型InP半導体基板、2…n型InPバッファ層、3…n型InGaAsP下部クラッド層、4…多重量子井戸活性層、5…InGaAsP上部クラッド層、6…p型InP上部バッファ層、7…InGaAsPエッチング停止層、8…p型InP下スペーサ層、9…InGaAsP回折格子層、10…p型InP層、11…InGaAsPとInGaAsからなるInGaAsコンタクト層、12…リッジ、13…シリコン酸化膜、14…ポリイミド樹脂層、15…p電極、16…n電極、17…レジスト膜、23…シリコン酸化膜、24…ポリイミド樹脂層、31…n型GaAs半導体基板、32…n型GaAsバッファ層、33…n型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)下部クラッド層、34…多重量子井戸活性層、35…p型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.50)上部クラッド層、36…(AlxGa1−x)0.5In0.5Pからなる上部バッファ層、40…(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)層、41…GaAsコンタクト層、42…リッジ、43…シリコン酸化膜、44…ポリイミド樹脂、45…p電極、46…n電極、51…n型InP半導体基板、52…n型InPバッファ層、53…n型InGaA1As電界吸収型光変調器下部クラッド層、54…多重量子井戸活性層、55…InGaA1As電界吸収型光変調器上部クラッド層、56…n型InGaAsP導波路下部クラッド層、57…InGaAsP導波路コア、58…InGaAsP導波路上部クラッド層、59…n型InGaAsP下部クラッド層、60…多重量子井戸活性層、61…InGaAsP上部クラッド層、62…p型InP上部バッファ層、63…InGaAsPエッチング停止層、64…p型InP下スペーサ層、65…回折格子層、66…窓、67…p型InP層、68…InGaAsPとInGaAsからなるコンタクト層、69…リッジ、70…シリコン酸化膜、71…ポリイミド樹脂、72…p電極、73…p電極、74…n電極、81…光路、82…光路、LD…半導体発光装置、WG…導波路、MZ…マッハ−ツェンダ型光変調器。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光装置、および、半導体発光装置と光変調器を集積した集積型光導波路素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体発光装置および半導体発光装置を電界吸収型光変調器と集積した集積型半導体光導波路素子の低消費電力化と低コスト化がますます重要となってきた。半導体発光装置には主にリッジ型と埋込型があり、この内リッジ型は作製が容易で成長回数が少ないので低コスト化に有利な点から、情報用・通信用ともに開発が活発となっている。リッジ型半導体発光装置はn型半導体からなる基板上に、下部クラッド層、多重もしくは単一井戸層、上部クラッド層、リッジを積層することにより形成される。このリッジ型半導体発光装置とリッジを有する電界吸収型光変調器部を共通の基板上に集積して集積型半導体光導波路素子(EA/DFB)が構成される。
【0003】
情報の分野では記録する情報量の増加とともに、その高速記録が要求され、その結果半導体発光装置の高出力化が求められるようになった。それには動作電流を大きくすればよいが、低消費電力化に不利となっている。一方、通信の分野において現在の幹線系と都市系ネットワークでは、伝送速度は2.5Gbit/sあるいは10Gbit/sが主流となっている。このため、送信器の高速変調には光変調器をモノリシックに集積した集積型半導体光導波路素子の形態が低コスト化には有利である。しかし、一方、伝送距離の増大と高ビットレート化とともに消費電力が増大する。そこで、これを低消費電力化する目的で−5〜85℃において温度調節の必要のないEA/DFBの開発が行われるようになった(非特許文献1:OFCNFOEC OFC POSTDEADLINE PAPERS Thursday, March 10, 2005 PDP14)。これを達成するには半導体発光装置の一定動作電流下におけるさらなる光出力の高出力化が必要となっている。このように情報用と通信用ともに半導体発光装置の低消費電力化には一定動作電流下における光出力の高出力化が求められる。
【0004】
半導体発光装置の高出力化の一つの方法はリッジ幅を拡大することである。通常、半導体発光装置では動作電流を大きくすると発熱量が大きくなるため、ある電流値で光出力が飽和してしまい、十分な出力が得られなくなる。それに対し、リッジ幅を拡大した半導体発光装置では電流注入時の電気抵抗が下がるので、その分、発熱量が抑えられ、飽和電流が増大する。その結果、飽和出力も増大し、一定動作電流における光出力が増大する。リッジ幅の拡大は上部クラッド層とリッジの間に上部バッファ層を形成することにより実現できる。上部バッファ層の形成により、積層方向の平均屈折率差がリッジを含む部分とリッジを含まない部分で、上部バッファ層を持たない場合よりも小さくなり、スラブ型導波路でいう、いわゆる、カットオフ幅が増大することになり、横単一モード条件でリッジ幅の拡大が可能となる。
【0005】
別の方法として、半導体発光装置の閾値の上昇を抑制する方法がある。閾値が低ければ一定動作電流における光出力が上昇するので、これにより半導体発光装置の高出力化を図ることができる。閾値の上昇を抑制する方法として、例えば特開2004−214372(特許文献1)に開示されるものがある。これはInP系より形成される従来のリッジ型半導体発光装置のリッジの両側方向にFeを注入した被覆層を再成長によって形成し、これを上部クラッド層へのFe供給源として利用し、上部クラッド層を絶縁化することにより、リッジから注入された電流が上部クラッド層で拡散するのを抑制し閾値の上昇を抑制するものである。これらのレーザをDFB化するとき従来は回折格子をn基板上部や多重井戸層、もしくは上部バッファ層内へ作製していた。
【0006】
一方、EA/DFBについてみると、例えば、埋込型半導体発光装置とリッジ型電界吸収型光変調器を集積した半導体光導波路素子では、それぞれの部分でモードの広がりが異なるため、埋込型とリッジ型の結合部をテーパー状にして集積する特開平8−78792(特許文献2)が提案されている。また、ファイバとの光結合を良好にするために半導体光導波路素子の光の出射側をテーパー状にする特開2000−66046(特許文献3)が提案されている。しかし上記のようなリッジを拡大化したり低閾値化した高出力レーザを集積したものはなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2004−214372号公報
【特許文献2】特開平8−78792号公報
【特許文献3】特開2000−66046号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】OFCNFOEC OFC POSTDEADLINE PAPERS Thursday, March 10, 2005 PDP14
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述したように、半導体発光装置の高出力化のために、上部クラッド層とリッジの間へ上部バッファ層を挿入することが有効であるが、一方で、特にp側のキャリアの横方向への拡散が大きくなり閾値が増大するという問題があった。また、リッジを含む部分とリッジを含まない部分の平均屈折率差が小さくなるので、モード形状が横に広がり遠視野像の広がりが水平方向と垂直方向で大きく異なってきて非対称になる。これはファイバなどの外部との結合損失を増大させる要因となる。
【0010】
上記閾値の上昇を抑制するために、特許文献1に開示される方法の適用が考えられるが、この方法では、被覆層を形成するのに結晶の再成長が必要となる。そのため、低コスト化に不利となる。さらに、半導体発光装置がInP系に限られているので、他の材料、例えばGaAs系の半導体発光装置には適用できない。
【0011】
半導体発光装置の高出力化のために、上部クラッド層とリッジの間へ上部バッファ層を挿入してリッジ幅を大きくすることが有効であるが、この方法はEA/DFBのような集積型半導体光導波路素子の適用には別の問題があった。例えば、半導体発光装置の高出力化のために、半導体発光装置のリッジ幅を2μmにすると、電界吸収型光変調器部での電気容量が増大し帯域が減少する。一方、電界吸収型光変調器部のリッジ幅1.4μmに合わせて、半導体発光装置のリッジ幅を1.4μmにすると、半導体発光装置の熱特性が悪くなり、高出力が得られない。そのためEA/DFBのリッジ幅は、本来の最適リッジ幅とは異なり、総合的な特性は低下するが、それぞれが、機能を発揮しやすい妥協の値として1.6μm程度にして集積していた。
【0012】
さらに回折格子の挿入位置もレーザの特性に影響を与える。従来の回折格子の作製位置はn基板上部や多重井戸層内、または上部バッファ層内であった。多重井戸層内、または上部バッファ層内に回折格子を挿入した場合、回折格子形成後再成長を行うが、その再成長界面にてキャリア濃度変化を起こし、キャリアをトラップしてしまうため高出力化にとって特性劣化を招いてしまう。一方、n基板上部に作製すると上記のような問題は無視できるようになるが、多重井戸層を形成する前に回折格子を形成してしまうため波長の制御性が悪くなってしまう。
【0013】
以上のように上記の方法では低消費電力化と低コスト化を両立するには至っておらず、また集積化のために半導体発光装置と電界吸収型光変調器の設計、特にリッジ幅に制限を受けることになっており、各デバイスが最適条件で集積するには至っていなかった。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、半導体発光装置の高出力化を達成し、さらに、高出力化された半導体発光装置を電界吸収型光変調器と集積した集積型半導体光導波路素子の低消費電力化およびそれぞれの特性を劣化させることなく、低コストに集積する。
【0015】
まず、半導体発光装置をn型半導体基板に下部クラッド層と、多重もしくは単一井戸層、上部クラッド層、上部バッファ層およびリッジから形成する。さらに、前記リッジ両側面部へ前記上部バッファ層に切り込んだ低屈折率の絶縁性の溝を形成することによりリッジより注入される電流の横方向への拡散を抑制し、それにより閾値の上昇を抑制する。
【0016】
また、n型半導体基板に下部クラッド層と、多重もしくは単一井戸層、上部クラッド層、リッジなどから形成される半導体発光装置において、前記リッジ内にリッジを主に構成する半導体材料より高い屈折率を持つ半導体材料で回折格子を形成することにより、回折格子を上部クラッド層へ形成するよりも、回折格子形成後の再成長による不純物混入やキャリア濃度変化に起因する特性劣化なく作製する。
【0017】
一方、EA/DFBのような集積型半導体光導波路素子では、リッジを有する電界吸収型光変調器と半導体発光装置とを集積する際、半導体発光装置のリッジとリッジを有する電界吸収型光変調器のそれぞれのリッジをテーパー状のリッジを有する導波路で結合する。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、高出力で且つ閾値の低い半導体発光装置を実現できるとともに、EA/DFBのような集積型半導体光導波路素子では、半導体発光装置と電界吸収型光変調器の特性をそれぞれの最大の特性を発揮させるものとでき、低光損失に、かつ出射する光の遠視野像の垂直方向と水平方向の広がり方の異方性を抑え、かつ集積時の成長回数を増大させることなく低コストで集積可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の前提となる上部バッファ層を持つ半導体発光装置の製作過程の前半を説明する図である。
【図2】本発明の前提となる上部バッファ層を持つ半導体発光装置の製作過程の後半を説明し、完成状態を示す図である。
【図3】本発明の前提となる半導体発光装置とほぼ同一の構成で、上部バッファ層の無い半導体発光装置を構成して動作特性を比較した結果を示す図である。
【図4】本発明の実施例1の半導体発光装置の製作過程を、図2(a)の構成を出発点として、前半を説明する図である。
【図5】本発明の実施例1の半導体発光装置の製作過程の後半を説明する図である。
【図6】本発明の実施例1の半導体発光装置の完成状態を示す図である。
【図7】(a)は実施例1の半導体発光装置の特性について説明する図、(b)は上部バッファ層の溝幅とカットオフ幅との関連を評価した特性図である。
【図8】(a)−(c)は本発明の実施例2の半導体発光装置をn型GaAs半導体基板を出発とする構成によって実現した製作過程の主要部と完成状態を示す図である。
【図9】(a)−(e)は本発明の実施例3の集積型光導波路素子の製作過程の前半を説明する図である。
【図10】(a)−(d)は本発明の実施例3の集積型光導波路素子の製作過程の後半を説明する図である。
【図11】本発明の実施例3の集積型光導波路素子の完成状態を示す図である。
【図12】本発明の実施例3の集積型光導波路素子の半導体発光装置のリッジ幅が2.0μmおよび2.5μm、電界吸収型光変調器のリッジ幅が1.4μmの場合について、導波路長を横軸に取り、縦軸に透過率をとって評価した結果を示す図である。
【図13】本発明の集積型光導波路素子を電界吸収型光変調器に代えてマッハ−ツェンダ型光変調器を採用した実施例4の集積型光導波路素子の完成状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の望ましい実施形態を、実施例1乃至4について関連図面を参照して説明する。
【0021】
[実施例1]
まず、本発明を波長1.5μm帯リッジ導波路型半導体発光装置に適用した実施例1について説明する。ただし、図の大きさと実施例1記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。図1および図2を用いて、本発明の前提となる上部バッファ層を持つ半導体発光装置を説明し、その後、リッジ両側面部へ上部バッファ層に切り込んだ低屈折率の絶縁性の溝を形成した本発明の半導体発光装置の実施例を説明する。
【0022】
図1(a)に示すように、n型InP半導体基板1(厚さ2mm)の上へ有機金属気相成長法(MOCVD法)によりn型InPバッファ層2(厚さ0.15μm)、n型InGaAsP系からなる下部クラッド層3(厚さ0.13μm)、1.0%圧縮歪を有するInGaAsP(厚さ7nm、組成波長1.5μm)の井戸層と0.5%引っ張り歪を有するInGaAsP(厚さ12nm、組成波長1.3μm)の障壁層とを6周期積層した多重量子井戸活性層4(厚さ0.114μm)、InGaAsP系からなる上部クラッド層5(厚さ0.1μm)、p型InPからなる上部バッファ層6(厚さ0.2μm)、InGaAsP系からなるエッチング停止層7(厚さ5nm)、p型InPからなる下スペーサ層8(厚さ20nm)、InGaAsP系からなる回折格子層9(厚さ30nm)を積層する。この例では、多重量子井戸活性層の発光波長は約1.5μmである。
【0023】
次に、図1(b)に示すように、回折格子層9上へ公知の干渉露光方式とそれに続くりん酸系溶液でのエッチングを施すことにより、回折格子層9に回折格子を形成する。実施例1では、エッチング停止層7と回折格子層9との間にInPスペーサ層8があるので、フローティング型の回折格子となり、作製毎にエッチング時間が多少異なったとしても回折格子は精度良く作製可能となる。
【0024】
引き続き、図1(c)に示すように、MOCVD法により回折格子を形成した回折格子層9上にp型InP層10(厚さ2.0μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)とInGaAsからなるコンタクト層11(厚さ0.3μm)を積層する。
【0025】
その後、図1(d)に示すように、リッジ(幅2.8μm)を残してエッチング停止層7までエッチングすることで、下スペーサ層8、回折格子層9、p型InP層10およびコンタクト層11よりなるリッジ12の形成を行う。
【0026】
続いて、図2(a)に示すように、熱化学気相蒸着(T−CVD:Thermo-Chemical Vapor Deposition)法によりエッチング停止層7より上側の全面にシリコン酸化膜13(厚さ0.1μm)を形成する。次いで、図2(b)に示すように、リッジ12上部のコンタクト層11上にある絶縁膜(シリコン酸化膜13)の除去を行う。ここで実施例1ではシリコン酸化膜13を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。次に、図2(c)に示すように、リッジ12の両側の絶縁膜13上にポリイミド樹脂層14を設け、ウエハ表面を平坦化する。さらに、リッジ12上部にp電極15とn型InP基板1の裏面にn電極16を形成した後、劈開工程により共振器長300μmの素子を切り出し、後端面に反射率95%の反射膜、前端面に反射率0.1%の低反射膜をコートした。
【0027】
図2(c)に示す半導体発光装置を−5℃〜85℃において動作電流300mAまでの範囲で動作させたところ横単一モードとなることが確認された。また室温、連続発振条件において閾値15〜25mA、発振効率0.3〜0.4W/Aと良好な発振特性を示した。また、動作温度85℃において閾値約35mA、発振効率0.15〜0.2W/Aを得た。
【0028】
図3は、図2(c)に示す半導体発光装置とほぼ同一の構成で、上部バッファ層6の無い半導体発光装置を構成して動作特性を比較した結果を示す図である。図3において、横軸は動作電流を、縦軸は光出力である。実線21は、動作温度が85℃における上部バッファ層6の有る半導体発光装置の特性を、破線22は、同じ温度における上部バッファ層6の無い半導体発光装置の特性を、それぞれ、示す。動作電流が150mAについて比較すると、上部バッファ層6の無い半導体発光装置に対し、上部バッファ層6の有る半導体発光装置の光出力は2割程度上昇した。なお、このときの閾値は上部バッファ層6の有る半導体発光装置の方が5〜10mA大きかった。
【0029】
尚、上述の構成においては、レーザの発振波長即ち、多重量子井戸活性層の発光波長を1.5μmに設定しているが、波長を1.3μm帯に設定した場合においても同様の効果を得ることができるし、分布帰還型でなくとも分布ブラッグ反射型やファブリ−ペロー型でも同様な効果は得られる。またInGaAsP系の替わりにInGaAlAs系を用いても同様な特性の発光装置を得ることができる。さらに上部バッファ層6はInPでなく、InGaAsP系やInGaAlAs系でもよい。
【0030】
半導体発光装置の高出力化のために、上部クラッド層5とリッジ12の間へ上部バッファ層6を挿入してリッジ幅を大きくすることが有効であることが理解できるが、発明が解決しようとする課題及び図3を参照した説明でも述べたように、閾値が増加する問題がある。これを解決するために、本発明の実施例1では、リッジ12の側面に沿って上部バッファ層6に食い込む切込みを設けて多重量子井戸活性層4に流入する電流の拡散を抑制して閾値の増加を防止する。
【0031】
図4(a)は、図2(a)と同じ、エッチング停止層7より上側の全面にシリコン酸化膜13を形成した製作過程の構造を示す図であり、実施例1の半導体発光装置の構成の出発点となる図である。
【0032】
シリコン酸化膜13を形成した後に、ドライエッチング工程により、シリコン酸化膜13を除去する。このときあらかじめリッジ12上部のコンタクト層の部分を厚めにシリコン酸化膜13を形成すると、図4(b)に示すように、リッジ12にシリコン酸化膜13が残り、エッチング停止層7の上面にシリコン酸化膜13に覆われたリッジ12が乗っている形になる。
【0033】
図4(c)は、リッジ12を避けてエッチング停止層7の上面にレジスト膜17を形成した状態を示す図である。
【0034】
図4(d)は、これに続けて、フォトリソグラフィー工程でレジスト膜17を残して、シリコン酸化膜13を除去した状態を示す図である。この状態では、図からわかるように、エッチング停止層7の上にリッジ12が乗り、その周辺のレジスト膜17のみが溝状に除去された状態となる。
【0035】
図5(a)は、図4(d)に示す状態から、溝状に除去されたレジスト膜17をマスクとして、まず、りん酸系溶液によりエッチング停止層7を溝状に除去し、次いで、塩酸系溶液により上部バッファ層6を溝状にエッチングした状態を示す図である。このときエッチング時間を調節することにより溝の深さを調節できる。実施例1では上部バッファ層6の膜厚0.2μmに対し、深さ0.1μmの溝を形成した。また、シリコン酸化膜13の膜厚を0.1μmとしていたので、上部バッファ層6に形成される溝幅も0.1μmとなる。溝はほぼ垂直に形成できた。より具体的には、前記リッジの両側面と前記上部バッファ層との間に幅が0を超えて200nm以下、深さの中央部分の位置で前記基板の面に対して90°±10°の角度を有する溝が形成できる。
【0036】
図に示した実施例では、上部バッファ層6の厚さの半分に溝を形成するものとしたが、上部バッファ層6の厚さの全部に亘って溝を形成するものとしてもよい。この場合、上部バッファ層6を設けることによる閾値の増加を防止するという点では効果があるが、半導体発光装置の出力光のパターンに影響する可能性があるので、どの程度の深さの溝にするかはケースによって考慮するのがよい。
【0037】
図5(b)は、次いで、レジスト膜17を除去した状態を示す図である。この状態は、図1(d)と対比して明らかなように、リッジ12に沿ってエッチング停止層7および上部バッファ層6に溝が形成されている点を除けば、図1(d)と同じである。
【0038】
図5(c)は、図2(a)で説明したと同様に、熱化学気相蒸着(T−CVD:Thermo-Chemical Vapor Deposition)法によりエッチング停止層7より上側の全面にシリコン酸化膜23(厚さ0.1μm)を形成した状態を示す図である。この状態は、一見すると、図4(a)のシリコン酸化膜13と同じように見えるが、図4(a)のシリコン酸化膜13が、リッジ12に沿って溝を形成するために設けられ、用済み後に除去されるのに対して、シリコン酸化膜23は形成された溝を含めて絶縁層を形成するために設けられるものである。
【0039】
図5(d)は、次いで、図2(b)で説明したと同様に、リッジ12上部のコンタクト層11上にある絶縁膜(シリコン酸化膜23)の除去を行う。ここで実施例1ではシリコン酸化膜23を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。
【0040】
図6は、シリコン酸化膜23の上面にポリイミド樹脂24を形成してウエハ表面を平坦化し、次いで、リッジ12の上部にp電極15を形成し、n型InP基板1の裏面にn電極16を形成した状態を示す図である。
【0041】
その後、劈開工程により素子を切り出し、後端面に反射率95%の反射膜、前端面に反射率0.1%の低反射膜をコートして半導体発光装置を完成させる。
【0042】
図7(a)は、図6に示す実施例1の半導体発光装置の特性について説明する図であり、図3と対応させて、上部バッファ層6の無い半導体発光装置の動作特性と、上部バッファ層6を備えた場合の上部バッファ層6の半ばに達する溝の有無について動作特性を比較した結果を示す図である。図3と同様、横軸は動作電流を、縦軸は光出力である。実線21’は、実施例1の半導体発光装置における動作温度が85℃の特性を、破線22は、同じ温度における上部バッファ層6の無い半導体発光装置の特性を、それぞれ、示す。細い実線21は、図3に示した上部バッファ層6に溝を持たない場合の特性を示す。実線21’と破線22を比較して分かるように、実施例1によれば、閾値が同等になり、上部バッファ層6を設けることによる閾値の増加を抑制できる。さらに、実線21’と実線21を比較して分かるように、光出力も増大できる。
【0043】
図7(b)は、上部バッファ層6の溝幅とカットオフ幅との関連を評価した特性図であり、横軸に溝幅、縦軸にカットオフ幅を示す。先にも述べたように、リッジ幅の拡大で半導体発光装置の高出力化が計れるが、一方では、単一モード条件にとってはリッジ幅の拡大はマイナスとなる。実施例1に示すように、本発明では、上部バッファ層6を持ち、上部バッファ層6での電流拡散を防止する溝を設けることにより、リッジ幅の拡大を効果的に実現できる。単一モードを満足できる条件の下で、溝幅とカットオフ幅との関連を評価した結果を図7(b)に示す。上述したように、溝幅0.1μmでカットオフ幅(リッジ幅)2.8μmが実現できたが、溝幅0.2μmでもカットオフ幅(リッジ幅)2.8μmが実現できる。しかし、これ以上溝幅が広くなるとカットオフ幅は小さくなってしまうことが分かる。なお、前記した特開2004-214372のように、再成長によって絶縁層を形成した場合について、検討した結果を合わせて表記した。再成長によっては、InP系を再成長させる場合結晶の面がでるため溝の角度は126°以上となり、溝幅0.1μmは形成できず、本発明のように大きなカットオフ幅では単一モードを満足できない。
【0044】
実施例1の半導体発光装置を−5℃〜85℃において動作電流300mAまでの範囲で動作させたところ図7(a)に示す動作特性が得られ、横単一モードとなることが確認された。また、図7(b)の結果から、溝幅は作製誤差などを考慮すると0.8μm以下にするのが望ましいことがわかる。
【0045】
遠視野像について評価したところ、上部バッファ層6を持つだけで、リッジ12の側面に沿った溝が形成されていない半導体発光装置では、遠視野像の広がりは基板1に対し垂直方向では45°、水平方向では20°であった。これに対して、実施例1の半導体発光装置では、遠視野像の広がりは基板1に対し垂直方向では45°、水平方向では25°となり、広がり方の異方性が緩和されていることが確認された。
【0046】
さらに、実施例1の半導体発光装置は、室温、連続発振条件において閾値10〜20mA、発振効率0.3〜0.4W/Aと良好な発振特性を示した。また、動作温度85℃において閾値約20〜30mA、発振効率0.15〜0.2W/Aを得た。85℃において上部バッファ層がない半導体発光装置と同程度の閾値で、動作電流が150mAのときの光出力は2〜4割程度上昇した。
【0047】
尚、実施例1においては、レーザの発振波長、すなわち、多重量子井戸活性層の発光波長を1.5μmに設定しているが、波長を1.3μm帯に設定した場合においても同様の効果を得ることができるし、分布帰還型でなくとも分布ブラッグ反射型やファブリ−ペロー型でも同様な効果は得られる。また、作製方法が異なっていても同様な角度を有する溝を形成することができれば、同様な効果を得られるのは言うまでもない。またInGaAsP系の替わりにInGaAlAs系を用いても良い。また、シリコン酸化膜を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。
【0048】
また、実施例1では、上部クラッド層に回折格子を作製することにより、光変調器領域の吸収端波長に合わせ適切な発振波長となる回折格子の作製が可能となり、分布帰還型半導体発光装置の発振光の波長と光変調器領域の吸収端波長の差(ΔH)を一定に保つことが可能となるメリットが有る。
【0049】
[実施例2]
本発明を適用した半導体発光装置は、n型InP半導体基板を出発とする構成に代えて、n型GaAs半導体基板を出発とする構成によっても実現できる。図8(a)−(c)はn型GaAs半導体基板を出発とする構成によって実現した半導体発光装置を実施例2として示す図である。
【0050】
実施例2に示す半導体発光装置は、出発点となる基板を異にすることにより、材料および一部の製作過程が異なるが、類似した手順で構成できるので、説明は簡略化する。
【0051】
図8(a)に示すように、n型GaAs半導体基板(厚さ2mm)31の上に、MO−CVD法により、n型GaAsバッファ層(膜厚0.5μm)32、n型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)からなる下部クラッド層(膜厚2.5μm)33、1.1%圧縮歪を有するGaInP(厚さ6nm)の井戸層と0.7%引っ張り歪を有する(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.45)(厚さ6nm)の障壁層とを2周期積層した多重量子井戸活性層(厚さ0.024μm)34、p型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.50)からなる上部クラッド層(膜厚0.02μm)35、(AlxGa1−x)0.5In0.5Pからなる上部バッファ層(膜厚0.3μm)36、(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)からなる層(膜厚2.0μm)40、GaAsからなるコンタクト層(膜厚0.2μm)41を積層する。この例では、多重量子井戸活性層の発光波長は約0.66μmである。
【0052】
図8(b)に示すように、その後、ドライエッチング工程により、上部バッファ層36の表面が露出するまでエッチングして、リッジ42の形成を行う。リッジ42の幅は1.7μmとした。
【0053】
その後、図4(a)−(d)および図5(a)−(d)と同様な過程を経て、図8(c)に示すように、n型GaAs半導体基板を出発とする構成によって半導体発光装置が実現できる。ここで、43はシリコン酸化膜であり、実施例1のシリコン酸化膜23に対応する絶縁層である。44は、ポリイミド樹脂であり、シリコン酸化膜43の上面に設けられてウエハ表面を平坦化する。実施例1のポリイミド樹脂24に対応する。45,46は、それぞれ、p,n電極であり、実施例1のp,n電極15,16に対応する。また、劈開工程により素子を切り出し、後端面に反射率92%の反射膜、前端面に反射率7%の低反射膜をコートする。実施例2の半導体発光装置は、ファブリ−ペロー型のレーザとなるので、リッジ42に回折格子層を形成する必要は無い。
【0054】
実施例2でも、リッジ42に沿って、エッチングにより溝を形成する際、エッチング時間を調節することにより溝の深さの調節が可能となる。実施例2では上部バッファ層36の膜厚0.3μmに対し、幅0.1μm、深さ0.1μmの溝を形成した。また溝の角度はほぼ垂直のものが形成できた。
【0055】
実施例2の半導体発光装置を−10℃〜80℃において動作電流450mAまでの範囲で動作させたところ横単一モードとなることが確認された。このように形成された溝が形成されてもリッジ幅を拡大できることを確認した。また室温、連続発振条件において閥値40〜55mA、発振効率1.0〜1.2W/Aと良好な発振特性を示した。このように上部バッファ層がない半導体発光装置と同程度の閥値で、動作電流が400mAのときの光出力は2〜4割程度上昇した。
【0056】
尚、実施例2においては、半導体発光装置の発振波長即ち、多重量子井戸活性層の発光波長を0.66μmに設定しているが、それ以外の波長に設定した場合においても同様の効果を得ることができる。以上のようにして作製した半導体発光装置はDVD用のLDへ適用可能となる。
【0057】
[実施例3]
本発明を適用した集積型光導波路素子の実施形態の一例を、図9(a)−(e)、図10(a)−(d)および図11を参照して説明する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【0058】
図9(a)に示すように、まず、n型InP半導体基板51(厚さ2mm)上へMO−CVD法によりn型InPバッファ層52(膜厚0.5μm)、n型InGaA1As(組成波長0.92μm)からなる電界吸収型光変調器下部クラッド層53(膜厚0.1μm)、0.6%圧縮歪を有するInGaA1Asの井戸層(膜厚7nm、組成波長1.5μm)を、0.6%の引張り歪を有するInGaA1Asの障壁層(膜厚10nm、組成波長1.35μm)の9周期の多重量子井戸活性層54、InGaA1As(組成波長0.92μm)からなる電界吸収型光変調器上部クラッド層55(膜厚0.1μm)を積層する。
【0059】
図9(b)に示すように、次いで、電界吸収型光変調器に対応する幅(例えば、300μm)を残しn型InPバッファ層52の表面までエッチングを行う。
【0060】
図9(c)に示すように、次に、n型InGaAsP(組成波長1.10μm)からなる導波路下部クラッド層56(膜厚0.1μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)からなる導波路コア57(膜厚0.16μm)、InGaAsP(組成波長1.15μm)からなる導波路上部クラッド層58(0.1μm)を積層する。
【0061】
図9(d)に示すように、次いで、長さ300μmの電界吸収型光変調器と長さ150μmの導波路を残しn型Inpバッファ層52の表面までエッチングを行う。
【0062】
図9(e)に示すように、次いで、発光装置のn型InGaAsP(組成波長1.10μm)からなる下部クラッド層59を0.13μm、1.0%圧縮歪を有するInGaAsPの井戸層(膜厚7nm、組成波長1.5μm)、0.5%の引張り歪を有するInGaASPの障壁層(膜厚12nm、組成波長1.3μm)とする5周期の多重量子井戸活性層60、InGaAsP(組成波長1.10μm)からなる上部クラッド層61(膜厚0.10μm)、p型InPからなる上部バッファ層62(膜厚0.2μm)、InGaAsP(組成波長1.3)からなるエッチング停止層63(膜厚0.005μm)、p型InPからなる下スペーサ層64(膜厚0.02μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)からなる回折格子層65(膜厚0.03μm)を積層する。多重量子井戸活性層の発光波長は約1.5μmである。
【0063】
図10(a)に示すように、次に、回折格子層65上へ公知の干渉露光方式と、それに続くりん酸系溶液でのエッチングにより、回折格子層65へ回折格子を形成する。さらに、電界吸収型光変調器へ窓66を形成する。エッチング停止層63と回折格子層65との間にInpからなる下スペーサ層64があるのでフローティング型の回折格子となり、エッチング時間が多少違っても回折格子は精度良く作製可能となる。
【0064】
図10(b)に示すように、引き続き、MO−CVD法により回折格子を形成した回折格子層65、上部クラッド層58上および窓66の形成されたn型InPバッファ層52上にp型InP層67(膜厚2.0μm)、InGaAsP(組成波長1.3μm)とInGaAsからなるコンタクト層68(膜厚0.3μm)を積層する。ここで、p型InP層67は膜厚2.0μmが、他の層と比較して桁違いに厚いので、積層された表面は実質的に平坦化される。
【0065】
図10(c)に示すように、その後、電界吸収型光変調器上部クラッド層55、導波路上部クラッド層58および発光装置エッチング停止層63までエッチングして、リッジ69の形成を行う。このとき、発光装置のリッジ幅を2.5μmとし、また電界吸収型光変調器のリッジ幅を1.5μmとした。そしてこれらをつなぐ導波路のリッジの幅は発光装置部から電界吸収型光変調器部に向かって連続的に変化するようテーパー状にした。
【0066】
図10(d)に示すように、次に導波路のコンタクト層68を除去し、発光装置と電界吸収型光変調器のコンタクト層を分離した。
【0067】
図11は実施例3の集積型光導波路素子の完成した状態を示す図である。これは、図10(d)に示す構成に続けて、以下の工程の実施により得られる。図5(c)で説明したように、T−CVD法により電界吸収型光変調器上部クラッド層55、導波路上部クラッド層58および発光装置エッチング停止層63より上側の全面にシリコン酸化膜70(厚さ0.1μm)を形成する。次いで、図5(d)で説明したように、半導体発光装置と電界吸収型光変調器のリッジ69上部のコンタクト層68上にある絶縁膜の除去を行う(この際、導波路上部にはシリコン酸化膜70が残る)。ここで、実施例3ではシリコン酸化膜を絶縁膜としているが、シリコン窒化膜等を用いることも可能である。次に、図6で説明したように、ポリイミド樹脂71によりウエハ表面を平坦化する。最後に、半導体発光装置のコンタクト層68の上にp電極72、電界吸収型光変調器のコンタクト層68の上にp電極73を形成し、n型InP基板51の裏面にn電極74を形成の後、劈開工程により素子を切り出し、後端面に反射率95%の反射膜、前端面に反射率0.1%の低反射膜をコートした。
【0068】
実施例3では、エッチング停止層63の上に回折格子65が形成されているので、上部クラッド層61や上部バッファ層62の中へ回折格子を形成するのとは異なり、4回の成長で集積が可能となる。尚、電界吸収型光変調器と導波路、半導体発光装置の成長の順番はこれに限るものではない。また半導体発光装置の材料としてInGaAsP系の替わりに、実施例2で説明したように、InGaAlAs系を採用することができる。さらに、電界吸収型光変調器の材料としてInGaAlAs系の替わりにInGaAsP系を使用してもよい。
【0069】
実施例3では、リッジ幅は半導体発光装置の領域では2.0μm、電界吸収型光変調器の領域では1.4μmとし、両者を結ぶ導波路は長さが150μmとしてテーパー状に結合するものとした。この結果、半導体発光装置のリッジと電界吸収型光変調器のリッジとを光損失がほとんどない状態で結合することができた。
【0070】
図12は、半導体発光装置のリッジ幅が2.0μmおよび2.5μm、電界吸収型光変調器のリッジ幅が1.4μmの場合について、導波路長を横軸に取り、縦軸に透過率をとって評価した結果を示す図である。図からわかるように、それぞれ、導波路長が10μmから150μmの範囲で、実質的に同じ特性が得られる。したがって、極端な段差がある形で結合するのでなければ、テーパーの傾きにはあまり影響を受けずに結合できる。さらに窓66を設けることにより、光ファイバとの光結合が容易となり、結合損失を3dB以下に抑えることが可能となった。
【0071】
さらに、実施例3の集積型光導波路素子の遠視野像を測定したところ、半導体発光装置単体での広がりが基板に対し垂直方向では45°、水平方向では20°だったが、実施例3記載の集積型半導体導波路素子では、垂直方向では45°、水平方向では35°となり、広がり方の異方性が緩和されていることが確認された。半導体発光装置の動作電流は−5℃〜85℃において70〜150mAの範囲で動作させた。また電界吸収型光変調器のp電極73へ印加する電圧を−5℃〜85℃においてオフセットバイアスを最適に調節し、変調振幅電圧を2.5V以下にすることにより光出力1dBm以上、動的消光比10dB以上、帯域10Gbps以上を得ることができた。これにより、−5℃〜85℃において温度調節の必要なくビットレート10Gbpsにおいて、伝送距離40km以上で良好なアイ開口を得ることが可能となった。
【0072】
なお、実施例3の集積型光導波路素子の半導体発光装置は、図1,2で説明した本発明の前提となる半導体発光装置と同じ構成としたが、実施例1で説明した図6に示す溝つきの構造としてよい。
【0073】
[実施例4]
本発明を適用した集積型光導波路素子の実施例4として、電界吸収型光変調器に代えてマッハ−ツェンダ型光変調器を採用した集積型光導波路素子の一例を、図13を用いて説明する。ただし図は飽くまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【0074】
図13は実施例4の集積型光導波路素子の構成を示す図である。実施例4の集積型光導波路素子は半導体発光装置LDと、導波路WGと、マッハ−ツェンダ型光変調器MZ及び窓66とがn型InP基板1、InPバッファ層2上に形成され、カスケードに結合されたものである。半導体発光装置LDは、図1,2を参照して説明した本発明の前提としての半導体発光装置と同じ構成であり、同じ参照符号を付した。導波路WGは図9−11を参照して説明した実施例2の集積型光導波路素子の構成における導波路と同じであるが、図が煩雑となるので、参照符号は省略した。マッハ−ツェンダ型光変調器MZは、導波路WGに接続されるとともに二つの光路81,82に分路された後、再び合路されて窓66に接続される。二つの光路81,82の内の一つの光路81には、コンタクト層11が形成される。また、二つの光路81,82にも、導波路WGと同様に、導波路下部クラッド層56、InGaAsP(組成波長1.3μm)からなる導波路コア57、InGaAsP(組成波長1.15μm)からなる導波路上部クラッド層58を積層する。
【0075】
製作工程について簡単に説明すると、まず、図1(c)に示したのと同様に、半導体発光装置LDを積層した後、導波路WGおよびマッハ−ツェンダ型光変調器MZの領域の部分をInPバッファ層2の面までエッチングして、その上に導波路分56−58を積層する。窓66を形成した後、p型InP層およびコンタクト層11を積層する。この状態は、図10(b)に示す状況と同様になる。その後、図10(c),(d)に示すのと同様にして、図13に示す構成が得られる。この後、図11と同様にして、実施例4の集積型光導波路素子が完成するが、図示は省略した。
【0076】
ここで、二つの光路81,82のそれぞれの光路長は、半導体発光装置LDの発信周波数の波長の1/2だけ異なるように構成される。光路81のコンタクト層11に接続される電極と基板1の下面に設けられる電極との間に加えられる電圧が所定の値になると、光路81の屈折率が変化して、透過的な光路長が変化して、例えば、光路81,82のそれぞれの光路長が等しくなるようになされる。その結果、電極間に電圧が無ければ、光信号は出されず、電極間に電圧が印加されると光信号が出されることになる。
【0077】
なお、実施例4においても、例えば、半導体発光装置LDのリッジ幅は2.0μm、マッハ−ツェンダ型光変調器MZのリッジ幅は1.0μmとして、両者を光損失がほとんどなく結合できるように、導波路WGのリッジにテーパーを持たせた。さらに、窓66により光ファイバとの光結合が容易となり、かつ結合損失を3dB以下に抑えることが可能となった。半導体発光装置LDの動作電流は−5℃〜85℃において70〜150mAの範囲で動作させた。またマッハ−ツェンダ型光変調器の電極11へ印加する電圧は−5℃〜85℃においてオフセットバイアスを最適に調節し、変調用振幅電圧を2.5V以下にすることにより光出力3dBm以上、動的消光比10dB以上、帯域10Gbps以上を得ることができた。これにより、−5℃〜85℃において温度調節の必要なくビットレート10Gbpsにおいて、伝送距離40km以上で良好なアイ開口を得ることが可能となった。
【0078】
尚、マッハ−ツェンダ光変調器MZはこれに限るものでなく、これと同等な機能を備える光導波路素子であっても構わない。さらに光変調器以外にも光増幅器などとの集積も可能である。
【符号の説明】
【0079】
1…n型InP半導体基板、2…n型InPバッファ層、3…n型InGaAsP下部クラッド層、4…多重量子井戸活性層、5…InGaAsP上部クラッド層、6…p型InP上部バッファ層、7…InGaAsPエッチング停止層、8…p型InP下スペーサ層、9…InGaAsP回折格子層、10…p型InP層、11…InGaAsPとInGaAsからなるInGaAsコンタクト層、12…リッジ、13…シリコン酸化膜、14…ポリイミド樹脂層、15…p電極、16…n電極、17…レジスト膜、23…シリコン酸化膜、24…ポリイミド樹脂層、31…n型GaAs半導体基板、32…n型GaAsバッファ層、33…n型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)下部クラッド層、34…多重量子井戸活性層、35…p型(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.50)上部クラッド層、36…(AlxGa1−x)0.5In0.5Pからなる上部バッファ層、40…(AlxGa1−x)0.5In0.5P(x=0.60)層、41…GaAsコンタクト層、42…リッジ、43…シリコン酸化膜、44…ポリイミド樹脂、45…p電極、46…n電極、51…n型InP半導体基板、52…n型InPバッファ層、53…n型InGaA1As電界吸収型光変調器下部クラッド層、54…多重量子井戸活性層、55…InGaA1As電界吸収型光変調器上部クラッド層、56…n型InGaAsP導波路下部クラッド層、57…InGaAsP導波路コア、58…InGaAsP導波路上部クラッド層、59…n型InGaAsP下部クラッド層、60…多重量子井戸活性層、61…InGaAsP上部クラッド層、62…p型InP上部バッファ層、63…InGaAsPエッチング停止層、64…p型InP下スペーサ層、65…回折格子層、66…窓、67…p型InP層、68…InGaAsPとInGaAsからなるコンタクト層、69…リッジ、70…シリコン酸化膜、71…ポリイミド樹脂、72…p電極、73…p電極、74…n電極、81…光路、82…光路、LD…半導体発光装置、WG…導波路、MZ…マッハ−ツェンダ型光変調器。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1光導波路素子と第2光導波路素子とがカスケードに結合された集積型光導波路素子において、
前記第1光導波路素子は、
第1導電型半導体層の上に配置された井戸層と、
前記井戸層の上に配置された第2導電型半導体層と、
前記第2導電型半導体層の上に配置された第1電極と、
前記第1導電型半導体層の下に配置された第2電極と、を有し、
かつ、
前記井戸層よりも上の前記第2導電型半導体層でリッジが構成されており、
前記第2光導波路素子は、
前記第1導電型半導体層の上で前記第1光導波路素子の井戸層とカスケードに結合され、分路され、さらに、分路された後再び合路する第1リッジ導波路コアと、前記分路に電圧を印加する電極とを備えたマッハーツェンダ型光変調器であることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項2】
請求項1において、
前記第1光導波路素子、第3光導波路素子、前記第2光導波路素子の順にカスケード結合される前記第3光導波路素子を備え、
前記第3光導波路素子は、
前記第1導電型半導体層の上にある第2リッジ導波路コアと、
前記第2リッジ導波路コアの上にある絶縁膜と、を有し、
前記第2リッジ導波路コアは、前記第1光導波路素子の井戸層及び前記第2光導波路素子の前記第1リッジ導波路コアとカスケードに結合されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項3】
請求項1において、
前記第1光導波路素子、前記第2光導波路素子、第4光導波路素子の順にカスケード結合された前記第4光導波路素子を備え、
前記第4光導波路素子は窓を構成することを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項4】
請求項1において、
前記第1光導波路素子の井戸層はInGaAlAsで構成され、
前記第2光導波路素子の第1リッジ導波路コアは前記井戸層よりも組成波長が短いInGaAsPで構成されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項5】
請求項2において、
前記第1光導波路素子の井戸層はInGaAsPで構成され、
前記第2光導波路素子の第1リッジ導波路コアは前記井戸層よりも組成波長が短いInGaAsPで構成され、
前記第3光導波路素子の第2リッジ導波路コアは前記井戸層よりも組成波長が短いInGaAsPで構成されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項1】
第1光導波路素子と第2光導波路素子とがカスケードに結合された集積型光導波路素子において、
前記第1光導波路素子は、
第1導電型半導体層の上に配置された井戸層と、
前記井戸層の上に配置された第2導電型半導体層と、
前記第2導電型半導体層の上に配置された第1電極と、
前記第1導電型半導体層の下に配置された第2電極と、を有し、
かつ、
前記井戸層よりも上の前記第2導電型半導体層でリッジが構成されており、
前記第2光導波路素子は、
前記第1導電型半導体層の上で前記第1光導波路素子の井戸層とカスケードに結合され、分路され、さらに、分路された後再び合路する第1リッジ導波路コアと、前記分路に電圧を印加する電極とを備えたマッハーツェンダ型光変調器であることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項2】
請求項1において、
前記第1光導波路素子、第3光導波路素子、前記第2光導波路素子の順にカスケード結合される前記第3光導波路素子を備え、
前記第3光導波路素子は、
前記第1導電型半導体層の上にある第2リッジ導波路コアと、
前記第2リッジ導波路コアの上にある絶縁膜と、を有し、
前記第2リッジ導波路コアは、前記第1光導波路素子の井戸層及び前記第2光導波路素子の前記第1リッジ導波路コアとカスケードに結合されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項3】
請求項1において、
前記第1光導波路素子、前記第2光導波路素子、第4光導波路素子の順にカスケード結合された前記第4光導波路素子を備え、
前記第4光導波路素子は窓を構成することを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項4】
請求項1において、
前記第1光導波路素子の井戸層はInGaAlAsで構成され、
前記第2光導波路素子の第1リッジ導波路コアは前記井戸層よりも組成波長が短いInGaAsPで構成されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【請求項5】
請求項2において、
前記第1光導波路素子の井戸層はInGaAsPで構成され、
前記第2光導波路素子の第1リッジ導波路コアは前記井戸層よりも組成波長が短いInGaAsPで構成され、
前記第3光導波路素子の第2リッジ導波路コアは前記井戸層よりも組成波長が短いInGaAsPで構成されていることを特徴とする集積型光導波路素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2010−239151(P2010−239151A)
【公開日】平成22年10月21日(2010.10.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−142603(P2010−142603)
【出願日】平成22年6月23日(2010.6.23)
【分割の表示】特願2006−44887(P2006−44887)の分割
【原出願日】平成18年2月22日(2006.2.22)
【出願人】(301005371)日本オプネクスト株式会社 (311)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年10月21日(2010.10.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年6月23日(2010.6.23)
【分割の表示】特願2006−44887(P2006−44887)の分割
【原出願日】平成18年2月22日(2006.2.22)
【出願人】(301005371)日本オプネクスト株式会社 (311)
【Fターム(参考)】
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