DE19538648A1

DE19538648A1 - Integrierte Wellenleitervorrichtung und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE19538648A1
Application number: DE19538648A
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Goto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 1996-04-18
Also published as: GB2294361B; GB2294361A; JPH08116135A; GB9521161D0; US6037189A

Description

Diese Erfindung betrifft eine integrierte Wellenleitervor richtung und Herstellungsverfahren für die integrierte Wellenleitervorrichtung. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Wellenleiterlinse, eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse, eine Laserdiode mit einer Wellen leiterlinse und einem Modulator, und andere integrierte optische Vorrichtungen, und Herstellungsverfahren für diese Vorrichtungen.

Die Fig. 11(a)-11(b) sind schematische Diagramme einer Laserdiode (LD) mit einer Wellenleiterlinse gemäß einem Stand der Technik. In der Figur bezeichnet das Bezugszei chen 1 ein n-Inp-Substrat, das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine auf dem n-InP-Substrat 1 ausgebildete n-InP-Überzugs schicht, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen 0,1 µm dicken Wellenleiter, der eine auf der n-InP-Überzugsschicht 3 aus gebildete InGaAs/InGaAsP-Multi-Quantenwannenschicht auf weist, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine p-InP-Über zugsschicht, die auf der n-InP-Überzugsschicht 3 ausgebil det ist, um so den Wellenleiter 2 einzubetten. Der Wellen leiter 2 weist einen Bereich 2a einer laseraktiven Schicht mit einer Breite von ungefähr 1 µm in einem Laserbereich LD und einen Wellenleiterbereich 2b mit einer sich verjüngen den Breite bei einem Wellenleiterbereich (Linsenbereich) L auf, wobei die Breite der Spitze ungefähr 0,3 µm beträgt. Eine Punktfleckgröße der Spitze des sich verjüngenden Wellenleiterbereiches 2b beträgt ungefähr einige µm.

Die Fig. 12(a)-12(b) sind schematische Diagramme einer Laserdiode (LD) mit einer Wellenleiterlinse gemäß einem weiteren Stand der Technik. In diesen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 11(a)-11(b) die selben oder entsprechende Teile. Das Bezugszeichen 22 be zeichnet einen Wellenleiter, das Bezugszeichen 22a bezeich net einen laseraktiven Schichtbereich in einem Laserbereich LD wie in den Fig. 11, und das Bezugszeichen 22b bezeich net einen Wellenleiterbereich 22b mit einer sich verjüngen den Breite in einem Linsenbereich L. Die Dicke der Spitze des Wellenleiterbereiches 22b beträgt ungefähr ein Fünftel von der des Wellenleiters 22a des LD-Bereiches. Hier ist die LD mit einer Wellenleiterlinse eine LD, die eine inte grierte Wellenleiterlinse zum effizienten Übertragen eines Laserstrahles von der LD an eine Lichtleitfaser aufweist.

Üblicherweise ist eine Punktfleckgröße (ungefähr 1 µm) eines Laserstrahles, der durch einen Wellenleiter einer LD hindurchgeleitet wird, viel kleiner als eine Größe des Kerns (ungefähr 10 µm) einer Lichtleitfaser, so daß es schwierig ist, eine Lichtleitfaser direkt mit einer LD zu koppeln, und effizientes Einkoppeln des Lichtes ist nicht durchführbar. Um die oben beschriebene Schwierigkeit zu vermeiden, weitet eine Wellenleiterlinse eine Punktfleck größe eines Laserstrahls von einer LD vor dem Einkoppeln in eine Lichtleitfaser auf. In der Tat wird die Wellenleiter linse wie der Wellenleiterbereich 2b in der Nachbarschaft einer Laserstrahl emittierenden Facette FA schmaler, wie in Fig. 11(a) gezeigt, oder, wie in den Fig. 12(a)-12(b) gezeigt, wie der Wellenleiterbereich 22b dünner, so daß der optische Einschluß reduziert wird, wodurch eine Wellenlei terlinse die Punktfleckgröße eines Laserstrahls auf unge fähr 5 µm ausweitet. Jedoch weist die LD mit einer Wellen leiterlinse gemäß einem Stand der Technik noch Schwierig keiten im Herstellungsverfahren auf, was im folgenden be schrieben werden wird.

Zuerst, um eine hinreichende Punktfleckgröße unter Verwen dung der Struktur von Fig. 11(a) zu erhalten, ist es erfor derlich, daß der schmalste Bereich des Wellenleiters 2 un gefähr 0,3 µm beträgt. Jedoch ist es sehr schwierig, eine Hochpräzisions-Photolithographie und Ätzen in diesen Ab messungen unter Verwendung der LSI-Technik (large scale integration - Großintegration) oder ähnlichem durchzu führen.

Andererseits gibt es die folgenden zwei Herstellungsverfah ren für die Struktur der Fig. 12:

<1< Der LD-Bereich wird dicker gemacht als der Linsenbereich unter Verwendung eines schichtdicken erhöhenden Effektes mittels selektivem Aufwachsen einer Halbleiterschicht unter Verwendung einer Maske.

<2< Der Wellenleiter wird bei einem Linsenbereich in einer sich verjüngenden Gestalt ausgebildet und wird dünner gemacht als der der LD unter Verwendung eines speziellen Ätzverfahrens.

Wobei, wie oben beschrieben, die Dicke der Spitze des Linsenbereiches des Wellenleiters ungefähr ein Fünftel von der des LD-Bereiches beträgt.

Eine Beschreibung des Verfahrens <1< wird gegeben.

Fig. 13(a) zeigt ein Maskenmuster für selektives Aufwachsen für ein Kristallwachstum einer Halbleiterschicht mittels MOCVD (metal organic chemical vapour deposition - metall organische chemische Abscheidung aus der Gasphase) und Fig. 13(b) zeigt ein Dickenprofil entlang C-C′ der unter Verwen dung der Maske aufgewachsenen Halbleiterschicht. In dem Bereich, wo die laseraktive Schicht, die zwischen den Masken 31 für selektives Aufwachsen des LD-Bereiches LD eingeschlossen wird, ausgebildet wird, werden Rohmaterial spezies von der Oberfläche der Maske 31 mittels Gasphasendiffusion im Überschuß zugeführt, so daß die Aufwachsgeschwindigkeit erhöht und die Schicht dick wird, im Vergleich zu der in dem Bereich, der keine Maske aufweist. Da die Stärke der Gasphasendiffusion in Abhängigkeit von den Rohmaterialspezies variiert, variiert die Zusammensetzung der aufwachsenden Schicht in dem Bereich, der von den Masken eingeschlossen wird, im Vergleich zu dem Bereich des Linsenbereiches L, der keine Maske aufweist.

In dem Fall, wo InGaAsP aufgewachsen wird, wird InGaAsP mit einem großen Mischungsverhältnis von In in dem Bereich auf gewachsen, der von den Masken des LD-Bereiches LD einge schlossen wird, da die Stärke der Gasphasendiffusion von In größer ist als die von Ga, wobei In und Ga Elemente der Gruppe III sind. Die Gitterkonstante von InGaAsP nimmt in dem Maße wie die Menge an In zu, so daß der Unterschied in der Gitterkonstante zwischen dem aufwachsenden Kristall und dem Substrat groß ist, wodurch Kristallfehler auftreten und folglich die Qualität des Kristalls verschlechtert wird.

Als ein weiteres Problem dieses Verfahrens <1< tritt, da der dicke Teil der auf dem Substrat aufwachsenden Schicht fünfmal so dick ist wie der dünne Teil der auf dem Substrat aufwachsenden Schicht (wie oben beschrieben ist es erforder lich, solch einen Unterschied bereitzustellen), ein Höhen unterschied im Grenzbereich zwischen den zwei Teilen auf, und dieser Höhenunterschied kann ein Hindernis im nachfol genden Herstellungsprozeß der Vorrichtung sein.

In dem oben beschriebenen Verfahren <1< ist es erforder lich, die Dicke des LD-Bereiches fünfmal so dick zu machen wie den anderen Bereich. Angenommen, das eine In- GaAs/InGaAsP-Multi-Quantenwannenwellenleiterschicht aufge wachsen wird, variiert die Zusammensetzung (variiert das Verhältnis von In zu Ga und das Verhältnis von As zu P) in dem Bereich selektiven Aufwachsens, der von den Masken ein geschlossen wird, und es ist schwierig, die Dicke des LD- Bereiches genau zu kontrollieren. Als eine Folge treten durch Gitterspannungen infolge der Zusammensetzungsänderung verursachte Schwierigkeiten mit der Kristallqualität und beim präzisen Kontrollieren der Wellenlänge oder ähnliches auf.

Dagegen werden in den folgenden Unterabschnitten zwei Ver fahren für das Verfahren <2< vorgestellt.

Bei dem einen Verfahren, wie in Fig. 14(a) gezeigt, wird zuerst ein Wellenleiter 22 dadurch ausgebildet, daß man die InGaAsP-Schichten 19a-19e und die InP-Ätzstopschichten 14a-14e abwechselnd schichtweise anordnet. Als nächstes wird eine Ätzmaske 20 bei der erforderlichen Position auf der obersten Oberflächenschicht 19a ausgebildet, und unter Verwendung dieser Maske wird die InGaAsP-Schicht 19a mit tels eines Ätzmittels geätzt, d. h. mittels Salpetersäure oder ähnlichem, bis das Ätzen durch eine InP-Ätzstopschicht aufgehalten bzw. gestopt wird. Danach wird der bloßgelegte Bereich der InP-Ätzstopschicht 14a jenseits der InGaAsP- Schicht 19a mittels eines Ätzmittels geätzt, das InP ätzt und InGaAsP nicht ätzt, d. h. mittels Salzsäure, wodurch die zwei oberen Schichten wie in Fig. 14(b) gezeigt ausge bildet werden. Die jeweiligen Schichten 19b, 14b, 19c, 14c, 19d, 14d, 19e und 14e werden nach dem oben beschriebenen Prozeß ausgebildet, und man erhält die Struktur von Fig. 14(b).

Bei dem anderen Verfahren wird, wie in Fig. 15(a) gezeigt, eine dünne Oxidschicht 15 mit einem sich verjüngenden Bereich auf dem Wellenleiter 22 ausgebildet, und der Wellenleiter 22 wird, wie in Fig. 15(b) gezeigt, mittels Ionenfräsen durch die dünne Oxidschicht 15 hindurch geätzt, wodurch ein sich verjüngender Wellenleiterbereich 22b ausgebildet wird, der eine sich verjüngende Dicke aufweist. Diese Verfahren weisen jedoch besondere und komplizierte Prozesse auf, und die Oberfläche der Wellenleiterschicht wird direkt geätzt und darauf ein Kristall-Wiederaufwachsen durchgeführt. Folglich besteht die Gefahr, die Zuverlässig keit bzw. Genauigkeit der Vorrichtung zu verschlechtern.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zum Herstellen integrierter Wellenleitervorrichtungen und integrierte Wellenleitervorrichtungen bereitzustellen, die die oben beschriebenen Nachteile und Schwierigkeiten nicht aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2, 6, 7, 9, 10, 14, 15, 17, 18, 19 bzw. 20.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden eines Steges mit einem Bereich, dessen Breite sich verjüngt, entlang der [001]-Richtung auf einem Halb leitersubstrat; und Aufwachsen einer Schichtstruktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht auf dem Bereich des Steges, dessen Breite aufweist sich verjüngt, wodurch eine integrierte Wellenleitervorrichtung mit einem sich verjüngenden Lichtwellenleiter hergestellt wird, dessen Breite sich verjüngt und der eine Wellenleiterlinse bildet. Folglich werden die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert, und die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Vorrichtung wird erhöht.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Wellenleiter linse.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die integrierte Wellenleitervorrichtung eine optische inte grierte Vorrichtung mit einer Wellenleiterlinse.

Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellenleitervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden eines Steges mit einem Bereich, dessen Breite sich verjüngt, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat; und Aufwachsen einer Schichtstruktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht auf dem Bereich des Steges, dessen Breite sich verjüngt, derart, daß die Schichtstruktur mit einem dreieckigen Querschnitt auf dem Teil des Steges aufgewachsen wird, der sich verjüngt, und die Wellenleiterschicht im Bereich der Spitze des Dreiecks ausgebildet wird, wodurch ein sich verjüngender Lichtwellenleiter erzeugt wird, dessen Breite und Dicke sich verjüngen und der eine Wellenleiterlinse bildet. Folglich wird eine integrierte Wellenleiter vorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt. Folglich erhält man einen integrierten Wellenleiter, bei dem die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und der erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der oben beschriebenen integrierten Wellenleitervorrichtung die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse.

Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellenlei tervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden einer Maske für selektives Aufwachsen, die streifenförmig entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird und einen Bereich aufweist, bei dem sich die Breite einer Apertur verjüngt; und Durchführen eines Kristall wachstums auf dem Halbleitersubstrat mit der Aufwachsmaske, derart, daß eine Schichtstruktur einschließlich einer Wellenleiterschicht bei einem Aperturbereich der Maske für selektives Aufwachsen auf dem Substrat aufgewachsen wird und ein Wellenleiterlinsenteil, dessen Breite sich verjüngt, in der Schichtstruktur ausgebildet wird, wodurch ein sich verjüngender Lichtwellenleiter erzeugt wird, dessen Breite sich verjüngt und der eine Wellenleiterlinse bildet. Folglich wird eine integrierte Wellenleiter vorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt. Folglich werden eine Dicke der Halbleiterschicht und eine Wellenlänge des mit tels des Wellenleiters geführten Lichtes genau kontrol liert, und die integrierte Wellenleitervorrichtung, die die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht, wird erhalten.

Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der oben beschriebenen integrierten Wellenleitervorrichtung die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Wellenleiter linse.

Gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der oben beschriebenen integrierten Wellenleiter vorrichtung die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse.

Gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der oben beschriebenen integrierten Wellenleiter vorrichtung die integrierte Wellenleitervorrichtung eine optische integrierte Vorrichtung mit einer Wellenleiter linse.

Gemäß einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellenleitervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden einer Maske für selektives Aufwachsen, die streifenförmig entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird und die einen Bereich aufweist, bei dem sich die Breite einer Apertur verjüngt; und Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halbleitersubstrat mit der Maske für selektives Aufwachsen, derart, das eine Schichtstruktur einschließlich einer Wellenleiterschicht auf dem Aperturbereich der Maske für selektives Aufwachsen aufgewachsen wird, wobei die Schichtstruktur mit einem dreieckigen Querschnitt auf dem Teil der Apertur aufgewachsen wird, dessen Breite sich verjüngt, und die Wellenleiterschicht im Bereich der Spitze des Dreiecks ausgebildet wird, wodurch ein sich verjüngender Lichtwellenleiter erzeugt wird, dessen Breite und Dicke sich verjüngen. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in der oben beschriebenen integrierten Vorrichtung die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse.

Gemäß einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellenleitervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden eines Bereiches auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates, wobei der Bereich ein Material aufweist oder eine Oberflächenbeschaffenheit besitzt, die im Vergleich zu der Substratoberfläche des Halbleitersubstrates Kristalle leicht anhaften oder eine Kristallschicht leicht aufwachsen lassen; und Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Bereich und Ausbilden einer Halbleiterschicht einschließlich einer Wellenleiterschicht, deren Dicke auf der Substratoberfläche kontrolliert wird, derart, daß eine Dicke der Schicht auf dem Bereich, der von den Bereichen eingeschlossen wird, relativ dünn wird. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einer achzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellenleitervorrichtung die folgenden Schritte auf: Ausbilden gegenüberliegender Dickenkontrolbereiche, die jeweils mehrere streifenförmige Halbleiterschichten aufweisen, die jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit (111)B-Kristallflächen als seitlichen Oberflächen besitzen, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat; und Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halbleitersubstrat und Aufwachsen einer Halbleiterschicht struktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht, deren Dicke kontrolliert wird, derart, daß die Schicht, die in dem Bereich, der von den Dickenkontrolbereichen eingeschlossenen wird, eine bestimmte Zusammensetzung aufweist, dort dicker wird als in dem anderen Bereich. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Gemäß einem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt. Folglich wird eine integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt, bei der die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes mit hoher Präzision kontrolliert sind und die erhöhte Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit aufweist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen integrierter Wellenleitervorrich tungen bereitzustellen, das die Schichtdicke während des Aufwachsens einer Halbleiterschicht präzise kontrolliert, eine durch Gitterspannungen verursachte Verschlechterung der Kristallqualität verhindert und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes genau bzw. fehlerfrei kontrolliert.

Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Herstellen einer Wellenleiterlinse, einer Laserdiode (LD) mit einer Wellenleiterlinse, einer LD mit einer Wellenleiterlinse und einem Modulator, und einer optischen integrierten Vorrichtung mit einer Wellenleiter linse bereitzustellen, die mittels des obigen Herstellungs verfahrens für die integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt werden.

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der gegenwärti gen Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden aus führ lichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen; es versteht sich jedoch, daß die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Ausführungs formen nur der Veranschaulichung dienen, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Anwendungs bereiches der Erfindung für Fachleute aus dieser ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht, die ein Herstellungs verfahren für eine Laserdiode (LD) mit einer Wellenleiterlinse mit einer Breite, die sich in einem Linsenbereich verjüngt, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht, die ein Herstellungs verfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse mit einer Breite, die sich in einem Linsenbereich verjüngt, gemäß einer ersten, in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Einbettungsstruktur für die LD mit einer Wellen leiterlinse gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 4 eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für eine Herstellung einer Einbettungs struktur für die LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 5(a)-5(b) schematische Ansichten, die eine LD mit einer Wellenleiterlinse mit einer Breite und einer Dicke, die sich in einem Linsenbereich verjüngen, gemäß einer zweiten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung veran schaulichen;

Fig. 6(a)-6(b) schematische Ansichten, die ein Herstellungs verfahren für eine LD mit einer Wellenleiter linse mit einer Breite, die sich in einem Linsenbereich verjüngt, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Fig. 7(a)-7(b) schematische Ansichten, die ein Herstellungs verfahren für eine LD mit einer Wellenleiter linse mit einer Breite und einer Dicke, die sich in einem Linsenbereich verjüngen, gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung veranschaulichen;

Fig. 8(a) eine schematische Ansicht, die ein Herstellungs verfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse mit einer Breite, die sich in einem Linsenbereich verjüngt, veranschaulicht, und Fig. 8(b) ein Profil, das eine Schichtdicke unter Verwendung eines selektiven Aufwachsens zeigt, gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9(a) eine schematische Ansicht, die ein Herstellungs verfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse veranschaulicht, bei dem eine InGaAs-Quantenwan nenschicht mit sich verjüngender Dicke in einem Linsenbereich ausgebildet wird, und 9(b), 9(c) und 9(d) Profile, die jeweils eine Gesamt schichtdicke, einer InGaAs-Schichtdicke und eine InP-Schichtdicke zeigen, bei Verwendung des selektiven Aufwachsens gemäß einer sechsten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine schematische Ansicht, die als ein Beispiel für eine nach der fünften und der sechsten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung herge stellte optische integrierte Vorrichtung eine LD mit einem Modulator veranschaulicht;

Fig. 11(a)-11(b) strukturelle schematische Ansichten, die eine LD mit einer Wellenleiterlinse mit einer Breite, die sich verjüngt, gemäß einem Stand der Technik veranschaulichen;

Fig. 12(a)-12(b) strukturelle schematische Ansichten, die eine LD mit einer Wellenleiterlinse mit einer Dicke, die sich verjüngt, gemäß einem Stand der Technik veranschaulichen;

Fig. 13(a)-13(b) schematische Ansichten und ein Profil, die ein Verfahren zeigen, bei dem eine Schicht dicke in Abhängigkeit von einem Dicken inkrementeffekt durch das selektive Auf wachsen gemäß einem Stand der Technik verändert wird;

Fig. 14(a)-14(b) strukturelle schematische Ansichten, die ein Verfahren veranschaulichen, bei dem eine Wellenleiterdicke in einem Linsen bereich in einer sich verjüngenden Gestalt gemäß einem Stand der Technik variiert wird;

Fig. 15(a)-15(b) schematische Ansichten, die ein Verfahren veranschaulichen, bei dem eine Wellen leiterdicke in einem Linsenbereich in einer sich verjüngenden Gestalt gemäß einem Stand der Technik variiert wird; und

Fig. 16 eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Struktur einer InGaAs/InGaAsP-Quantenwannen schicht in der vorliegenden Erfindung veranschau licht.

Ausführungsform 1

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Laserdiode (LD) mit einer Wellen leiterlinse veranschaulicht, welches eine integrierte Wellenleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser ersten Ausführungsform wird eine LD mit einer Wellenleiterlinse hergestellt, die eine Steg-Einbettungsstruktur aufweist. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein n-InP- Substrat, das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen im Zentrum des n-InP-Substrates ausgebildeten Steg, das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine auf dem Steg 5 aufgewachsene n-InP- Überzugsschicht und das Bezugszeichen 42 bezeichnet eine InGaAs/InGaAsP-Multi-Quantenwannenschicht, die als eine aktive Schicht und eine Wellenleiterschicht der LD fungiert, die beispielsweise eine Bandlückenenergie für die Oszillationen eines Lasers mit einer Wellenlänge von 1,3 µm besitzt und eine Zusammensetzung aufweist, die mit dem Gitter von InP zusammenpaßt. Der LD-Bereich LD 42a fungiert als eine laseraktive Schicht, und der sich verjüngende Linsenbereich L 42b fungiert als eine Wellenleiterschicht. Zusätzlich, wie in Fig. 16 gezeigt, ist die InGaAs/InGaAsP- Multi-Quantenwannenschicht 42 beispielsweise aus 5 nm dicken InGaAs-Wannenschichten 16 und 10 nm dicken InGaAsP- Sperrschichten 17, die abwechselnd schichtweise angeordnet sind, und aus 50 nm dicken optischen Einschlußschichten 18, die jene zwischen sich einschließen, gebildet. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine auf der InGaAs/InGaAsP- Mulit-Quantenwannenschicht 42 ausgebildete p-InP- Überzugsschicht.

Eine Beschreibung eines Herstellungsverfahrens für die LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß der ersten Ausführungs form wird gegeben.

Ein streifenförmiger Steg 5 wird entlang der [011]-Richtung auf einer Oberfläche des n-InP-Substrates 1 ausgebildet, das eine mittels Photolithographie und Ätzen ausgebildete (100)-Oberfläche aufweist. Die Breite des Steges 5 beträgt in dem LD-Bereich LD 4 µm, und 0,8 µm bei einer emittieren den Kristallfläche in dem Linsenbereich L, und die Breite wird in dem Linsenbereich L in einer sich verjüngenden Gestalt variiert.

Die jeweiligen Halbleiterschichten 3, 42 und 4 werden auf dem Substrat 1 mittels MOCVD (metal organic chemical vapour deposition-metallorganische chemische Abscheidung aus der Gasphase) aufgewachsen. Dann werden die jeweiligen Halblei terschichten 3, 42 und 4 auf dem Steg 5 zu einer Anordnung aufgewachsen, die als seitliche Oberflächen (111)B- Kristallflächen aufweist, während das Aufwachsen weiter geht. Wenn in einer Querschnittsansicht senkrecht zu dem streifenförmigen Steg 5 betrachtet, bildet die (111)B- Kristallfläche wie in Fig. 2 gezeigt mit der Substratoberfläche einen Winkel von ungefähr 55°. Wenn die n-InP-Überzugschicht 3 ungefähr 2 µm dick ist, kann die Breite der Wellenleiterschicht 42 beträchtlich schmaler als die des Stegs 5 gemacht werden, da die Wellenleiterschicht 42 auf der oberen Kante der im Querschnitt trapezförmigen n-InP-Überzugsschicht 3 aufgewachsen wird. Beispielsweise wird die Wellenleiterschicht 42 mit einer Breite von 1,5 µm auf dem Steg mit einer Breite von 4 µm in dem LD-Bereich LD ausgebildet, bzw. die Wellenleiterschicht 42 wird mit einer Breite von 0,3 µm auf dem Steg mit einer Breite von 0,8 µm im Bereich der Spitze des sich verjüngenden Linsenbereiches L ausgebildet.

Danach wird die p-InP-Überzugsschicht 4 ausgebildet, um die Wellenleiterschicht 42 einzubetten, was eine zu der Wellen leiterschicht 2 der in Fig. 11(a) gezeigten Vorrichtung ähnliche Struktur ergibt. Es gibt verschiedene Verfahren, um die Schicht 42 einzubetten, und irgendein Verfahren kann angewendet werden. Zum Beispiel werden die Halbleiter schichten 3, 42 und 4 ebenfalls außerhalb des Stegs aufge wachsen, was zwecks Klarheit in Fig. 2 nicht gezeigt ist, aber in Fig. 3 gezeigt ist.

Dann wird desweiteren eine p-InP-Schicht 6 auf den im Quer schnitt trapezförmigen Bereich, der die Halbleiterschichten 3, 42 und 4 auf dem Steg 5 umfaßt, aufgewachsen bis ein perfekt dreieckiger Bereich ausgebildet ist. Nachdem der dreieckige Bereich, der die Halbleiterschichten 3, 42, 4 und 6 umfaßt, vollendet wurde, geht das nachfolgende Aufwachsen wie in Fig. 3 gezeigt nur auf dem Bereich außerhalb des Steges 5 weiter.

Demgemäß wird der dreieckige Bereich, der die Halbleiter schichten 3, 42, 4 und 6 umfaßt, durch aufeinanderfolgendes Aufwachsen einer n-InP-Stromsperrschicht 7 und einer p-InP- Schicht 8 eingebettet. Die in Fig. 3 gezeigte Einbettungs struktur wird durch einen Einzelschritt-MOCVD-Prozeß voll endet. In der in Fig. 3 gezeigten Einbettungsstruktur fließt ein intensiver Strom von einer p-Stirnflächen elektrode 9 und einer n-Stirnflächenelektrode 10 zu der Schicht 42, die als eine aktive Schicht der LD fungiert, infolge der pnp-Stromsperrstruktur, die die Schichten 8, 7 und 6 umfaßt, wodurch der Strom wie in einer herkömmlichen BH (Buried Heterostructure - eingebettete Heterostruktur) wirkungsvoll zu den Laseroszillationen beiträgt.

Andere Verfahren zum Herstellen der Einbettungsstruktur können verwendet werden. Zum Beispiel wird, wie in Fig. 4 gezeigt, eine Maske 41 auf der oberen Oberfläche des im Querschnitt trapezförmigen Bereiches, der die Halbleiter schichten 3, 42 und 4 auf dem Steg 5 umfaßt, ausgebildet, und die oben beschriebenen jeweiligen Halbleiterschichten und desweiteren ein Teil des Steges 5 des Halbleiter substrates 1 werden unter Verwendung der Maske geätzt. Danach wird das selektive einbettende Aufwachsen der Strom sperrschichten, die die Halbleiterschichten 6, 7 und 8 umfassen, durchgeführt, wodurch die BH unter Verwendung des herkömmlichen Verfahrens hergestellt wird.

Bei der LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß dieser ersten Ausführungsform wird, wenn die Halbleiterschichten auf dem Steg entlang der [011]-Richtung aufgewachsen werden, durch das Ausbilden des Stegs, dessen Breite ungefähr 0,8 µm beträgt, ein Wellenleiter hergestellt, der eine sehr schmale, spitz zusammenlaufende bzw. sich verjüngende Spitze mit einer Breite von ungefähr 0,3 µm aufweist. Das Ausbilden des Stegs mit einer Breite von 0,8 µm ist viel leichter als mit 0,3 µm, und die Wellenleiterbreite wird genau kontrolliert mittels der Breite und der Oberfläche des Kristallwachstums des Steges 5. Daher sind die Kontrollierbarkeit und Präzision der Wellenleiterbreite erhöht, wodurch man eine LD mit einer Wellenleiterlinse mit hoher Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit erhält.

Ausführungsform 2

Fig. 5(a) ist ein schematisches Diagramm, das ein Her stellungsverfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung erklärt, und Fig. 5(b) ist eine Schnittansicht der Fig. 5(a) entlang der Richtung des Wellenleiters. Obwohl die zweite Ausführungsform ebenfalls auf dem Prinzip der ersten Ausführungsform basiert, baut sie eher auf einer Art Kombination des in Fig. 11 und Fig. 12 gezeigten Stands der Technik auf, d. h. die Dicke des Wellenleiters des Linsen bereiches verjüngt sich, und die Breite verjüngt sich eben falls.

In den Fig. 5(a)-5(b) bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1(a)-1(b) dieselben oder entsprechende Teile, und das Bezugszeichen 82 bezeichnet einen Wellen leiter, der eine InGaAs/InGaAsP-Multi-Quantenwannenschicht aufweist, und ein Wellenleiterbereich 82b in dem Linsen bereich des Wellenleiters ist so gefertigt, daß er eine sich verjüngende Breite und Dicke aufweist.

Wie in der Fig. 5(a) gezeigt, geht das Kristallwachstum auf dem Steg 5 weiter bis sein Querschnitt ein perfekt drei eckiger Bereich wird, mit Seitenflächen, die einen Winkel von ungefähr 55° bezüglich der Substratoberfläche aufweisen. Das Dreieck ist höher als der Steg breit ist. Wenn der Wellenleiter in der Nähe der Spitze des Dreiecks unter Verwendung dieser Eigenschaft des Kristallwachstums ausgebildet wird, wird die Wellenleiterbreite bei dem schmalen Bereich des Stegs eingeengt bzw. beschränkt, und der Wellenleiter wird allmählich in dem Maße dünner ausgebildet wie der Steg schmaler wird, da das Kristallwachstum auf dem Steg nicht weitergeht, wenn die Bildung eines perfekten Dreieckes vollendet ist. Fig. 5(b) ist eine Schnittansicht, die das Zentrum des Stegs entlang der Richtung des Wellenleiters zeigt. In der Figur bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 dieselben oder entsprechende Teile.

In dem Linsenbereich LD besitzt der Wellenleiter 82 eine sich verjüngende Breite und eine sich verjüngende Dicke, wodurch die Punktfleckgröße des sich durch den Wellenleiter 82 hindurch ausbreitenden Lichtes effektiv aufgeweitet und die optische Kopplungsgüte in die Lichtleitfaser hinein in großem Ausmaß erhöht wird.

Außerdem, wenn die Dicke des Wellenleiters in einer sich verjüngenden Gestalt unter Verwendung des oben beschriebe nen Verfahrens <1< nach dem Stand der Technik gefertigt wird, tritt eine Änderung des Mischungsverhältnisses in dem Bereich selektiven Aufwachsens, der zwischen den Masken eingeschlossen ist, auf, wodurch Gitterspannungen erzeugt werden, so daß eine Verschlechterung der Kristallqualität auftritt, wohingegen in diesem Verfahren diese Änderung des Mischungsverhältnisses und Verschlechterung der Kristall qualität nicht auftritt, wodurch das Problem nicht auf tritt, bei dem die Kontrolle der Wellenlänge schwierig ist.

In dem oben beschriebenen Verfahren <2< nach dem Stand der Technik wird die Spitze des Wellenleiters schrittweise durch wiederholtes Ätzen ausgebildet, so daß der Wellen leiter in einer sich verjüngenden Gestalt gefertigt wird, wobei die dünne Oxidschicht mit sich verjüngender Dicke auf der Halbleiterschicht und der Halbleiter mit einer sich verjüngenden Dicke mittels Ionenfräsen durch die dünne Oxidschicht hindurch ausgebildet wird, und wobei ein Problem darin besteht, daß besondere und komplizierte Prozesse erforderlich sind und die Oberfläche der Wellenleiterschicht direkt geätzt und darauf Kristall- Wiederaufwachsen durchgeführt wird, so daß die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Vorrichtung verschlechtert werden kann, wohingegen in dieser Ausführungsform die komplizierten Ätzprozesse und das Wiederaufwachsen nicht erforderlich sind, wodurch die Verschlechterung der Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Vorrichtung nicht auftreten kann.

Folglich wird in der LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß dieser zweiten Ausführungsform ein Wellenleiter in der Nähe der Spitze des Dreiecks unter Verwendung der Eigenschaften des Kristallwachstums ausgebildet, bei dem ein im Querschnitt dreieckiger Bereich auf dem Steg 5 ausgebildet wird, wodurch sich die Wellenleiterbreite verjüngt und die Schichtdicke allmählich in dem Maße dünner wird wie der Steg schmaler wird. Folglich wird der Wellenleiter mit hoher Kontrollierbarkeit und Genauigkeit ausgebildet, so daß die optische Punktfleckgröße wirkungsvoll ausgeweitet und die optische Kopplungsgüte erhöht wird.

Ausführungsform 3

Fig. 6(a) ist ein schematisches Diagramm, das ein Her stellungsverfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht, und Fig. 6(b) ist eine Draufsicht, die ein Muster der bei diesem Verfahren verwendeten Maske für selektives Aufwachsen veranschaulicht. In dieser dritten Ausführungs form werden, wie in den Fig. 6(a)-6(b) gezeigt, die streifenförmigen Masken 61 mit sich verengender bzw. verjüngender Apertur in dem Linsenbereich L entlang der [011]-Richtung auf dem Substrat 1 ausgebildet, und die benötigten Halbleiterschichten 3, 42 und 4 werden mittels selektiven Aufwachsens unter Verwendung der Masken ausgebildet, nicht gemäß der ersten Ausführungsform, bei der der Steg 5 auf dem Substrat 1 ausgebildet wurde und die Halbleiterschichten 3, 42 und 4 darauf aufgewachsen wurden. Auf der zwischen den Masken 61 eingeschlossenen Apertur 61a wird Kristallwachstum wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform durchgeführt und eine Breite WG eines Wellenleiters wird einfach und präzise dadurch kontrolliert, daß man die Maskenaperturbreite WMA und die Maskenbreite WM verändert.

In dem Fall, wo ein selektives Aufwachsen unter Verwendung der Masken 61 durchgeführt wird, nimmt die Aufwachs geschwindigkeit in dem Maße zu wie die Breite WMA einer Maskenapertur schmaler gemacht und die Maskenbreite WM breiter gemacht wird. Mit anderen Worten, es ist erforderlich, daß die Maskenbreite WMA in Richtung auf die Spitze der Linse zu schmäler wird, so daß die Aufwachsgeschwindigkeit bei dem Linsenbereich L und bei dem LD-Bereich miteinander übereinstimmen.

Bei dem Herstellungsverfahren für eine LD mit einer Wellen leiterlinse gemäß der dritten Ausführungsform wird ein selektives Aufwachsen unter Verwendung einer streifenförmigen Maske 61 durchgeführt, die entlang der [011]-Richtung ausgebildet ist und die in dem Linsenbereich L eine sich verengende Aperturbreite aufweist, und die benötigten Halbleiterschichten, die einen Wellenleiter bereich bilden, werden ausgebildet, wodurch ein Wellenleiter mit einer sehr schmalen, sich verjüngenden Spitze der Breite 0,3 µm mit hoher Kontrollierbarkeit und Genauigkeit hergestellt wird.

Ausführungsform 4

Fig. 7(a) ist ein schematisches Diagramm, das ein Her stellungsverfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung veranschaulicht, und Fig. 7(b) ist eine Draufsicht, die ein Muster einer in dem Verfahren verwendeten Maske für selektives Aufwachsen veranschaulicht. Obwohl diese kurze Ausführungsform ebenfalls auf dem Prinzip der ersten Aus führungsform beruht, verjüngt sich die Dicke des Wellen leiters des Linsenbereiches, und die Breite verjüngt sich ebenfalls. Folglich baut diese vierte Ausführungsform auf einer Art Kombination des in Fig. 11 und Fig. 12 gezeigten Stands der Technik auf.

Das Aufwachsen des Kristalls auf der Maskenapertur geht weiter bis sein Querschnitt ein perfektes Dreieck ist, mit Seitenflächen, die, wie in Fig. 7(a) gezeigt, einen Winkel von ungefähr 55° bezüglich der Substratoberfläche aufwei sen. Das Dreieck ist höher als die Maskenaperturbreite breit ist. Ein Wellenleiter wird in der Nähe der Spitze des Dreiecks unter Verwendung dieser Eigenschaft des Kristall wachstums ausgebildet, wodurch die Breite des Wellenleiters bei dem schmalen Bereich der Maskenapertur eingeengt bzw. beschränkt wird und das Aufwachsen auf der Maskenapertur nicht weiter geht, wenn die Bildung des Dreieckes vollendet ist. Folglich wird die Schichtdicke allmählich dünner wenn die Maskenapertur schmäler wird.

In dem Herstellungsverfahren für eine LD mit einer Wellen leiterlinse gemäß der vierten Ausführungsform werden die den Wellenleiter bildenden Halbleiterschichten auf einfache Weise ausgebildet, und die Kontrollierbarkeit und Genau igkeit der Wellenleiterbreite werden in großem Ausmaß erhöht. Zusätzlich wird, da sich sowohl die Wellen leiterbreite als auch die Wellenleiterdicke verjüngen bzw. spitz zusammenlaufen, die Punktfleckgröße wirksam aufge weitet und die optische Kopplungsgüte in die Lichtfaser hinein in großem Ausmaß erhöht.

Obwohl in den ersten bis vierten Ausführungsformen eine LD mit einer Wellenleiterlinse beschrieben wurde, kann auch eine einfache Wellenleiterlinse gebildet werden, und eine optische integrierte Vorrichtung, die einen optischen Verstärker und einen Modulator oder ähnliches über einen Wellenleiter integriert, kann ebenfalls gebildet werden.

Ausführungsform 5

Fig. 8(a) ist ein schematisches Diagramm, das ein Masken muster für selektives Aufwachsen zum Erklären eines Herstellungsverfahrens für eine LD mit einer Wellen leiterlinse gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein n-InP-Substrat, das Bezugszeichen 111 bezeichnet ein Paar von gegen überliegenden selektiven Masken, die auf dem n-InP-Substrat 1 ausgebildet sind und Materialien aufweisen, die im Vergleich zu der Oberfläche des Substrates 1 eine Eigenschaft besitzen, derart, daß Kristallisation leicht stattfindet, oder die solch eine entsprechende Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Als diese Masken für selektives Aufwachsen können eine dünne SiO₂- oder SiN_x- Schicht verwendet werden, bei der die "baumelnden" Bindungen (dangling bonds) der Oberfläche infolge von Schäden durch Ioneninjektion erhöht wurden.

Die dünne Schicht reagiert in diesem Zustand während des Kristallaufwachsens leicht mit den Materialspezies, und ein Aufwachskern wird gebildet, wodurch die dünne Schicht in einen Zustand versetzt wird, bei dem Kristallisation leicht auftritt, im Vergleich mit der Oberfläche des Substrates 1.

Diese Kristallisation findet auf der Maske leicht statt, unter der Bedingung, daß der Aufwachsdruck sich dem atmosphärischen Druck (1,01·10⁵ Pa (760 Torr)) nähert oder die Aufwachstemperatur niedrig ist (um 400°C-500°C).

In der fünften Ausführungsform werden die Masken 111 für selektives Aufwachsen bei dem Bereich gebildet, der einen Linsenbereich L bildet, und Schichten einschließlich einer Wellenleiterschicht werden mittels MOCVD ausgebildet, und folglich findet die Kristallisation auf den Masken 111 leicht statt, so daß die Aufwachsgeschwindigkeit vermindert wird und die Schichtdicke in dem Bereich 1a auf dem Substrat 1, der von den Masken 111 eingeschlossen wird, verglichen mit dem Bereich 1b, wo die Maske 111 nicht aus gebildet sind, dünn ist. Mit anderen Worten, eine bei dem LD-Bereich LD aufgewachsene Halbleiterschicht wird dazu gebracht, dick zu werden, indem man, im Gegensatz zum Stand der Technik, eine Maske für selektives Aufwachsen bei dem Linsenbereich ausbildet.

Bei dem in den Fig. 13 gezeigten Stand der Technik wird eine Halbleiterschicht einschließlich einer laseraktiven Schicht unter Verwendung einer Maske bei dem LD-Bereich LD durch selektives Aufwachsen ausgebildet, wodurch die Schichtdicke der Halbleiterschicht erhöht wird, worauf eine Zusammensetzungsänderung oder Verschlechterung der Kristallqualität der Halbleiterschicht bei dem LD-Bereich folgt. Da ein Wellenleiter bei dem oben beschriebenen LD- Bereich LD als ein aktiver Bereich für die Oszillationen eines Lasers fungiert, verursacht die Verschlechterung der Kristallqualität bei dem LD-Bereich eine Verschlechterung der Eigenschaften und Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der LD.

Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stand der Technik, wird der Linsenbereich L in der fünften Ausführungsform mittels selektiven Aufwachsen ausgebildet. Da dieser Linsenbereich L als ein inaktiver passiver Wellenleiter fungiert, haben, sogar wenn die Kristallqualität verschlechtert wird, die Eigenschaften und eine Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Vorrichtung keinen großen Effekt. Die Kristallqualität wird in diesem Fall nicht verschlechtert, da der LD-Bereich, der als ein aktiver Bereich für die Oszillationen eines Lasers fungiert, in einem Bereich ohne eine Maske ausgebildet wird.

Dementsprechend umfaßt die fünfte Ausführungsform das Aus bilden eines Bereiches, der Materialien mit einer Eigen schaft aufweist, bei der es, im Vergleich zu dem oben be schriebenen Substrat, leicht ist, einen Kristall anzuhaften und aufwachsen zu lassen, oder eines Bereiches, der solch eine entsprechende Substratoberflächenbeschaffenheit auf weist, und das Ausbilden einer Halbleiterschicht ein schließlich einer Wellenleiterschicht, derart, daß die Schichtdicke so kontrolliert wird, daß sie relativ dünn bei dem Bereich wird, der zwischen den oben beschriebenen Bereichen auf dem Halbleitersubstrat eingeschlossen ist. Daher werden die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes genau kontrolliert und eine Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der Vorrichtung wird erhöht.

Ausführungsform 6

Fig. 9(a) ist ein schematisches Diagramm, das ein Her stellungsverfahren für eine LD mit einer Wellenleiterlinse gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und zeigt ein Substrat, bei dem das selektive Aufwachsen der Halbleiterschichten nach dem Herstellungsverfahren durchgeführt wurde. In Fig. 9(a) bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein n-InP-Substrat, das Bezugszeichen 121 bezeichnet streifenförmige Halbleiter schichten, die so entlang der [011]-Richtung ausgebildet wurden, daß sie jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit entsprechenden (111)B-Kristallflächen als Seitenflächen be sitzen, und die streifenförmigen Halbleiterschichten 121 bilden ein Paar von Schichtdicken-Kontrollbereichen 120, die ein Paar von Gruppen aus drei streifenförmigen Halb leiterschichten 121 aufweisen, die einander gegenüberliegen und den Bereich zum Ausbilden eines streifenförmigen Bereiches der laseraktiven Schicht zwischen sich ein schließen. Die dreieckigen und streifenförmigen Halb leiterschichten 121 werden mittels Schichtbildung mit Musterung unter Verwendung einer dünnen SiO₂-Schicht und Durchführen von Naßätzen auf dem Substrat 1 ausgebildet.

Durch die dreieckigen und streifenförmigen Halbleiter schichten 121 wird ein Muster bei den Bereichen gebildet, die den Bereich LD zum Ausbilden der laseraktiven Schicht zwischen sich einschließen, und Schichten einschließlich einer Wellenleiterschicht werden mittels MOCVD ausgebildet. Die Konstruktion der Schicht ist ähnlich zu der in der ersten Ausführungsform. Das InGaAs (Wannenschicht) in der InGaAs/InGaAsP-Multi-Quantenwannenwellenleiterschicht 42 wächst praktisch nicht auf der (111)B-Kristallfläche eines Kristalls, womit die InGaAs/InGaAsP-Multi-Quantenwannen wellenleiterschicht 42 in dem Dreiecksmusterbereich 121 des Schichtdicken-Kontrollbereiches 120 nicht aufwächst. Die Materialspezies werden im Überschuß mittels Gasphasen diffusion zu dem Bereich zugeführt, der zwischen dem Dreiecksmuster eingeschlossen ist, um den streifenförmigen Bereich der laseraktiven Schicht auszubilden, unter Verwendung desselben Prinzips wie der Stand der Technik, der eine in Fig. 13 gezeigte Maske verwendet, wodurch die Schichtdicke in diesem Bereich erhöht wird.

Dementsprechend ist das InGaAs, wie in Fig. 9(c) gezeigt, in dem LD-Bereich LD, verglichen mit dem anderen Bereich, dick, andererseits wächst InP, wie in Fig. 9(d) gezeigt, auf der (111)B-Kristallfläche eines Kristalls auf, so daß eine Vergrößerung der Schichtdicke mittels Gasphasen diffusion nicht auftritt, und als Ergebnis erhält man, wie in Fig. 9(d) gezeigt, eine gleichmäßige Dicke über den ganzen Bereich hinweg. Die in Fig. 9(b) gezeigte Schichtdickenverteilung betrifft die Gesamtschichtdicke.

Eine Punktfleckgröße des sich durch einen Wellenleiter hin durch ausbreitenden Lichtes wird hauptsächlich durch die Dicke der InGaAs-Schicht für den optischen Einschluß bestimmt, und hängt nicht von den Dicken der InP-Überzugs schichten 3 und 4 ab, die die InGaAs-Schicht zwischen sich einschließen. Folglich, um zu bewirken, das der Wellen leiter Linsenfunktion ausübt, ist das Verhältnis der Dicken der InGaAs-Schicht in dem LD-Bereich LD und im Bereich der Spitze des Linsenbereiches L auf 5 : 1 eingestellt. Ein Vorteil des Erhöhens der Dicke der InGaAs-Schicht ist die Verringerung des Höhenunterschiedes. Beträgt im einzelnen die Wellenleiterdicke 0,2 µm und die jeweiligen Dicken der InP-Überzugsschichten 3 und 4 0,5 µm, so wird die Gesamtdicke der Halbleiterschicht größtenteils durch die Dicke des InP bestimmt. Bei dem Verfahren, nur die Dicke der InGaAs-Schicht zu erhöhen, wird, da kein Unterschied zwischen der Dicken des InP in dem Linsenbereich und in dem LD-Bereich besteht, der Höhenunterschied im Vergleich zu dem in Fig. 3 gezeigten Stand der Technik in dem Grenzbereich in einem großen Ausmaß reduziert.

Gemäß dieser sechsten Ausführungsform werden mehrere streifenförmige Halbleiterschichten mit einem dreieckigen Querschnitt und mit (111)B-Kristallflächen als Seiten flächen entlang der [011]-Richtung in einem Paar von Schichtdicken-Kontrollbereichen, die sich auf einem Halbleitersubstrat gegenüberliegen, ausgebildet. Ein Kristallwachstum wird auf dem Halbleitersubstrat durch geführt und eine Halbleiterschicht einschließlich einer optischen Wellenleiterschicht wird so aufgewachsen, daß die Schicht, die eine bestimmte Zusammensetzung aufweist, in dem Bereich, der von den Schichtdicken-Kontrollbereichen eingeschlossen wird, dicker wird als die Schichtdicke in anderen Bereichen. Folglich werden die Dicke der Halbleiterschicht und die Wellenlänge des mittels des Wellenleiters geführten bzw. geleiteten Lichtes genau bzw. fehlerfrei kontrolliert, und man erhält eine hochgenaue LD mit einer Wellenleiterlinse. Außerdem wird das Verfahren, das das in den fünften und sechsten Ausführungsformen beschriebene selektive Aufwachsen verwendet, nicht nur auf eine LD mit einer Linse angewendet, sondern auch auf jede Vorrichtung, die unter Verwendung des selektiven Aufwachsens hergestellt wird, z. B., eine LD mit einem Modulator, eine optische integrierte Vorrichtung und ähnliches.

Bei einer LD mit einem Modulator ist, wie in Fig. 10 gezeigt, die Multi-Quantenwannenwellenleiterschicht 132 in dem Bereich (132a) des DFB-Lasers LD dicker als in dem Bereich (132c) des Modulators M, und ein effektiver Band lückenenergiewert des Wellenleiters in dem Bereich (132c) des Modulators M ist relativ größer als der in dem Bereich (132a) des DFB-Lasers LD.

Jedoch wird der von dem Bereich des DFB-Lasers LD erzeugte Laserstrahl in dem Bereich des Modulators M nicht ausgelöscht und von der Facette emittiert (EIN-Zustand) wenn die Vorspannung am Modulator M nicht anliegt, und der Laserstrahl wird infolge des QCSE (Quantum Confining Size Effect - Quanteneinschlußgrößeneffekt) der Quantenwannen schicht und im AUS-Zustand ausgelöscht, wenn die Sperr vorspannung an dem Modulator M anliegt.

Die integrierte optische Vorrichtung ist eine monolithische integrierte Vorrichtung, in der eine LD und ein PD (Photodetektor), ein Schalter, ein Koppler, ein optischer Verstärker oder ähnliches bei bzw. mit dem Wellenleiter verbunden sind, dessen effektive Bandlückenenergie durch das oben beschriebene Verfahren kontrolliert werden.

Claims

1. Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden eines Steges (5) mit einem Bereich, dessen Breite sich verjüngt, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1); und
Aufwachsen einer Schichtstruktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht (42) auf dem Bereich des Steges (5), dessen Breite sich verjüngt, derart, daß ein Wellen leiterlinsenteil (42b), dessen Breite sich verjüngt, in der Schichtstruktur ausgebildet wird, wodurch eine integrierte Wellenleitervorrichtung mit einem sich verjüngenden Licht wellenleiter hergestellt wird. (Fig. 1).

2. Integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt mit tels eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden eines Steges (5) mit einem Bereich, dessen Breite sich verjüngt, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1); und
Aufwachsen einer Schichtstruktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht (42) auf dem Bereich des Steges (5), dessen Breite sich verjüngt, derart, daß ein Wellen leiterlinsenteil (42b), dessen Breite dich verjüngt, in der Schichtstruktur ausgebildet wird, wodurch eine integrierte Wellenleitervorrichtung mit einem sich verjüngenden Licht wellenleiter hergestellt wird. (Fig. 1).

3. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Wellenleiterlinse ist.

4. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse ist.

5. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine optische integrierte Vorrichtung mit einer Wellenleiter linse ist.

6. Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden eines Steges (5) mit einem Bereich, dessen Breite sich verjüngt, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1); und
Aufwachsen einer Schichtstruktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht (82) auf dem Bereich des Steges (5), dessen Breite sich verjüngt, derart, daß ein Wellen leiterlinsenteil (82b), dessen Breite sich verjüngt, in der Schichtstruktur ausgebildet wird, wobei die Schichtstruktur mit einem dreieckigen Querschnitt auf dem Teil des Steges (5) aufgewachsen wird, dessen Breite sich verjüngt, und die Wellenleiterschicht (82) im Bereich der Spitze des Dreiecks ausgebildet wird, wodurch ein sich verjüngender Licht wellenleiter erzeugt wird, dessen Breite und Dicke sich verjüngen und der eine Wellenleiterlinse bildet. (Fig. 5).

7. Integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt mit tels eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden eines Steges (5) mit einem Bereich, dessen Breite sich verjüngt, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1); und
Aufwachsen einer Schichtstruktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht (82) auf dem Bereich des Steges (5), dessen Breite sich verjüngt, derart, daß ein Wellen leiterlinsenteil (82b), dessen Breite sich verjüngt, in der Schichtstruktur ausgebildet wird, wobei die Schichtstruktur mit einem dreieckigen Querschnitt auf dem Teil des Steges (5) aufgewachsen wird, dessen Breite sich verjüngt, und die Wellenleiterschicht (82) im Bereich der Spitze des Dreiecks ausgebildet wird, wodurch ein sich verjüngender Licht wellenleiter erzeugt wird, dessen Breite und Dicke sich verjüngen und der eine Wellenleiterlinse bildet. (Fig. 5).

8. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse ist.

9. Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden einer Maske (61) für selektives Aufwachsen, die streifenförmig entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet wird und die einen Bereich aufweist, bei dem sich die Breite einer Apertur (61a) verjüngt; und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halb leitersubstrat (1) mit der Maske (61) für selektives Auf wachsen, derart, daß eine Schichtstruktur einschließlich einer Wellenleiterschicht (42) im Bereich der Apertur (61a) der Maske (61) für selektives Aufwachsen auf dem Substrat (1) aufgewachsen wird und ein Wellenleiterlinsenteil (42b), dessen Breite sich verjüngt, in der Schichtstruktur ausge bildet wird, wodurch ein sich verjüngender Lichtwellen leiter erzeugt wird, dessen Breite sich verjüngt und der eine Wellenleiterlinse bildet. (Fig. 6).

10. Integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt mit tels eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden einer Maske (61) für selektives Aufwachsen, die streifenförmig entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet wird und die einen Bereich aufweist, bei dem sich die Breite einer Apertur (61a) verjüngt; und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halb leitersubstrat (1) mit der Maske (61) für selektives Auf wachsen, derart, daß eine Schichtstruktur einschließlich einer Wellenleiterschicht (42) im Bereich der Apertur (61a) der Maske (61) für selektives Aufwachsen auf dem Substrat (1) aufgewachsen wird und ein Wellenleiterlinsenteil (42b), dessen Breite sich verjüngt, in der Schichtstruktur ausge bildet wird, wodurch ein sich verjüngender Lichtwellen leiter erzeugt wird, dessen Breite sich verjüngt und der eine Wellenleiterlinse bildet. (Fig. 6).

11. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Wellenleiterlinse ist.

12. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse ist.

13. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine optische integrierte Vorrichtung mit einer Wellenleiter linse ist.

14. Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden einer Maske (61) für selektives Aufwachsen, die streifenförmig entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet wird und die einen Bereich aufweist, bei dem sich die Breite einer Apertur verjüngt; und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halb leitersubstrat (1) mit der Maske (61) für selektives Auf wachsen, derart, daß eine Schichtstruktur einschließlich einer Wellenleiterschicht (82) auf der Apertur der Maske (61) für selektives Aufwachsen aufgewachsen wird, wobei die Schichtstruktur mit einem dreieckigen Querschnitt auf dem Bereich der Apertur aufgewachsen wird, dessen Breite sich verjüngt, und die Wellenleiterschicht (82) im Bereich der Spitze des Dreiecks ausgebildet wird, wodurch ein sich ver jüngender Lichtwellenleiter erzeugt wird, dessen Breite und Dicke sich verjüngen. (Fig. 7).

15. Integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt mit tels eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden einer Maske (61) für selektives Aufwachsen, die streifenförmig entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet wird und die einen Bereich aufweist, bei dem sich die Breite einer Apertur verjüngt; und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halb leitersubstrat (1) mit der Maske (61) für selektives Auf wachsen, derart, daß eine Schichtstruktur einschließlich einer Wellenleiterschicht (82) auf der Apertur der Maske (61) für selektives Aufwachsen aufgewachsen wird, wobei die Schichtstruktur mit einem dreieckigen Querschnitt auf dem Bereich der Apertur aufgewachsen wird, dessen Breite sich verjüngt, und die Wellenleiterschicht (82) im Bereich der Spitze des Dreiecks ausgebildet wird, wodurch ein sich ver jüngender Lichtwellenleiter erzeugt wird, dessen Breite und Dicke sich verjüngen. (Fig. 7).

16. Integrierte Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Wellenleitervorrichtung eine Laserdiode mit einer Wellenleiterlinse ist.

17. Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden eines Bereiches (111) auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates (1), wobei der Bereich (111) ein Material aufweist oder eine Oberflächenbeschaffenheit be sitzt, die im Vergleich zu der Substratoberfläche auf dem Substrat (1) Kristalle leicht anhaften oder eine Kristall schicht leicht aufwachsen lassen; und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Bereich (111) und Ausbilden einer Halbleiterschicht einschließlich einer Wellenleiterschicht, deren Dicke auf der Substrat oberfläche so kontrolliert wird, daß eine Dicke der Schicht auf dem Bereich (1a), der von den Bereichen (111) einge schlossenen wird, relativ dünn ist. (Fig. 8).

18. Integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt mit tels eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden eines Bereiches (111) auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrates (1), wobei der Bereich (111) ein Material aufweist oder eine Oberflächenbeschaffenheit be sitzt, die im Vergleich zu der Substratoberfläche auf dem Substrat (1) Kristalle leicht anhaften oder eine Kristall schicht leicht aufwachsen lassen; und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Bereich (111) und Ausbilden einer Halbleiterschicht einschließlich einer Wellenleiterschicht, deren Dicke auf der Substrat oberfläche so kontrolliert wird, daß eine Dicke der Schicht auf dem Bereich (1a), der von den Bereichen (111) einge schlossenen wird, relativ dünn ist (Fig. 8).

19. Herstellungsverfahren für eine integrierte Wellen leitervorrichtung mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden gegenüberliegender Dickenkontrollbereiche (120), die jeweils mehrere streifenförmige Halbleiter schichten (121) aufweisen, die jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit (111)B-Kristallflächen als seitlichen Ober flächen besitzen, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1); und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halb leitersubstrat (1) und Aufwachsen einer Halbleiterschicht struktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht, deren Dicke so kontrolliert wird, daß die Schicht, die in dem Bereich, der von den Dickenkontrolbereichen (120) ein geschlossenen wird, eine bestimmte Zusammensetzung auf weist, dort dicker wird als in dem anderen Bereich. (Fig. 9).

20. Integrierte Wellenleitervorrichtung hergestellt mit tels eines Verfahrens mit den Verfahrensschritten:
Ausbilden gegenüberliegender Dickenkontrollbereiche (120), die jeweils mehrere streifenförmige Halbleiter schichten (121) aufweisen, die jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit (111)B-Kristallflächen als seitlichen Ober flächen besitzen, entlang der [011]-Richtung auf einem Halbleitersubstrat (1); und
Durchführen eines Kristallwachstums auf dem Halb leitersubstrat (1) und Aufwachsen einer Halbleiterschicht struktur einschließlich einer Lichtwellenleiterschicht, deren Dicke so kontrolliert wird, daß die Schicht, die in dem Bereich, der von den Dickenkontrolbereichen (120) ein geschlossenen wird, eine bestimmte Zusammensetzung auf weist, dort dicker wird als in dem anderen Bereich. (Fig. 9).