JP2587628B2 - 半導体集積発光素子 - Google Patents

半導体集積発光素子

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JP2587628B2 JP62017252A JP1725287A JP2587628B2 JP 2587628 B2 JP2587628 B2 JP 2587628B2 JP 62017252 A JP62017252 A JP 62017252A JP 1725287 A JP1725287 A JP 1725287A JP 2587628 B2 JP2587628 B2 JP 2587628B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、発光素子と外部導波路とが同一の半導体基
板上に集積された半導体集積発光素子に係わり、特に発
光素子の発光導波路と外部導波路の結合の構造に関する
ものである。
(従来技術とその問題点) 半導体レーザなどの半導体発光素子は、小型,高効
率,高信頼などの特徴を有しているため、光ファイバ通
信や光情報処理の分野に広く用いられており、光エレク
トロニクスの分野において中核をなす素子となってい
る。一方、光エレクトロニクスの分野の拡大,高機能化
が進みつつあり、発光素子に変調用の外部導波路を集積
したものや、グレーティング外部導波路を集積して分布
ブラッグ反射形(以下「DBR」と略す)レーザを構成し
たり、さらには、グレーティング外部導波路の延長上に
変調機能を付加したりした半導体集積発光素子の開発が
重要になってきている。
発光素子と外部導波路とを同一の基板に集積する場
合、発光素子の発光導波路と外部導波路との光学的な結
合をどのように実現するかが、製造性を含めた技術上の
課題となっている。
両方の導波路を光学的に結合させる手法としては、両
者の端を直接つないだ形の直接結合が結合効率が高く、
かつ製造誤差の許容度も大きいため最も有望と考えられ
ており、実際に検討が進められている。第1図は発光素
子として発光導波路が周期的な凹凸構造を有し、分布帰
還形(以下「DFB」と略す)レーザとして作用し、これ
と電気吸収効果によりレーザ出力光を変調するための外
部導波路を有する変調素子を集積した従来例である。n+
−InP基板上に発光導波路となるn−InGaAsP導波路層2
(発光波長が約1.3μmの組成)とInGaAsP発光層3(発
光波長約1.55μmの組成)が積層され、さらにp−InP
層5とp−InGaAsPキャップ層7がその上に積層されて
いる。周期的な凹凸からなるグレーティング(あるいは
回折格子)100がn+−InP基板1とn−InGaAsP導波路層
2との境界に形成されており、発光層3に電流を注入す
ることにより凹凸の周期と屈折率で決まるブラッグ波長
付近で単一波長発振する。レーザ出力は発光導波路に接
続された変調用の外部導波路であるn-−InGaAsP導波路
層4(発光波長が約1.47μmの組成)に導波される。外
部導波路4の上にはn-−InP層6,P−InP層5及びp−InG
aAsPキャップ層7が積層されている。電極20,22を介し
て発光層3に電流が注入され、電極21,22を介して外部
導波路層4に電界が印加される。プロトン照射高抵抗領
域30により、発光素子部と変調素子部が電気的に分離さ
れている。電極20,22を介して一定電流を発光層3に流
して安定な単一波長発振を得るとともに、その出力を電
極21,22を介した電界印加による外部導波路4の電気吸
収効果を用いて強度変調することにより、高速変調にお
いても、スペクトル幅の広がりの極めて小さい優れた集
積発光素子が実現される。
第1図において、発光層3とn−InGaAsP導波路層2
からなる発光導波路と外部導波路であるn-−InGaAsP導
波路層4とが直接結合されているが、両方の導波路の端
をこのように単純につないだ構造は、製造上問題があ
る。
第2図(a)〜(d)は従来の集積発光素子の製造工
程を示したものである。まず図(a)においてn+−InP
基板1上にn−InGaAsP導波路層2,InGaAsP発光層3及び
P−InP層5を気相エピタキシャル法などを用いて成長
させる。(b)においてSiN膜40をマスクとして、外部
導波路を成長させる部分をエッチングにより除去する。
図(c)において、SiN膜40を選択成長マスクとして、n
-−InGaAsP導波路層4,n-−InP層6及びP−InP層5を成
長させる。SiN膜40を除去した後、図(d)のように全
面にP−InP5とp−InGaAsPキャップ層7を成長させ
る。このようにして、第1図のような発光導波路(2,
3)と外部導波路4とを直接結合した構造が実現され
る。しかるに、図(b)の工程でSiN膜40を形成する
際、P−InP層5に多くの欠陥が導入されるため、発光
層3の発光効率が著しく低下する。また図(c)の工程
でSiN膜40をマスクとして選択成長を行うと、結合部で
異常成長が起こるとともに、SiN膜40からエピタキシャ
ル成長層4,6及び5に不純物や欠陥が導入され、結晶性
が著しく劣化する。これらの結果、DFEレーザ動作にお
いて発振しきい値が大きくなるとともに、電気吸収効果
による外部導波路を用いた変調も困難になる。
以上のように、従来の半導体集積発光素子では、発光
層3の発光効率が著しく低く、かつ外部導波路4の結晶
性が悪く、実際には発光しないかあるいは発光しても発
振しきい値電流が約700mAと高く実質上の発光素子とし
ての機能が達成されなかった。また、発光導波路と外部
導波路との結合部がすき間なく完全に結合することは現
在の製造技術では困難であり、両導波路の結合効率が低
下するという本質的な欠点があった。
(発明の目的及び特徴) 本発明は、上述した従来技術の欠点を解決するために
なされたもので、発光層を含む発光導波路と外部導波路
とが同一の横方向の光閉じ込め構造を有し、発光導波路
からの光を効率よく外部導波路に導くことが可能であ
り、発振しきい値が低い実用的な半導体集積発光素子を
提供することを目的とする。
本発明の特徴は、発光層を含む発光導波路とこれに直
接結合された外部導波路とが同一の横方向の光閉じ込め
構造を有するとともにその直接結合されている近傍のみ
で積層されており、その積層の結合部分が半導体集積発
光素子内に埋め込まれていることにある。
(発明の構成及び作用) 以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。
(実施例1) 第3図は本発明による第1の実施例の断面模式図であ
る。なお、以下の説明では従来例の第1図と同一構成部
分には同一番号を付して説明の重複を省く。第3図から
明らかなように、本発明と従来例との相違点は、外部導
波路4が発光導波路との結合部近傍のみで発光導波路の
上に積層されて形成されている点である。結合部分をこ
のような構造にすることによって、第1図の従来構造を
製造する過程で生じる両導波路の不完全結合を取り除く
ことができ、結合効率の良い半導体集積発光素子を提供
することができる。
第4図(a)〜(e)は本発明による半導体集積発光
素子構造の製造工程例を示したものである。第2図に示
した従来構造の製造工程との大きな違いはSiN膜40など
の選択成長用マスクを用いないことである。すなわち、
第4図(a)の如く基板1の上に導波路層2,発光層3及
びp−InP層5を結晶成長したのち、同図(b)に示す
ように外部導波路を形成する領域をエッチングによって
除去する際には、SiN膜40の代りにフォトレジスト膜41
をマスクとして用い、図(c)のように外部導波路等の
成長は全面に行う。しかる後、図(d)のように発光導
波路上部の成長層を再びフォトレジスト膜42をマクスと
してエッチングによって除去する。この時、結合部近傍
で、外部導波路が発光導波路上部に残るようにしなけれ
ば、結合部がとぎれてしまう。両方の導波路が積層され
る長さは数μmで十分であるが、約10μm程度に長くし
ても素子特性への影響は殆どない。図(e)のように、
さらにp−InP層5とP−InGaAsPキャップ層7を全体に
成長させれば、第3図の構造が実現される。このような
構成により、発光導波路と外部導波路とは同一の横方向
の光閉じ込め構造を有することになる。
本発明者等の実験結果によれば、第3図のような集積
発光素子を作製して動作させたところ、DFBレーザの発
振しきい値電流が20〜30mAと極めて小さい値が得られ
た。同時に外部導波路領域のn−InP層6とp−InP層5
との間のpn逆方向耐電圧約40Vが得られるとともに、電
気吸収効果に基づく良好な変調特性が得られた。
(実施例2) 第5図は本発明による第2の実施例であり、第3図に
おけるプロトン照射高抵抗領域30の代りに、亜鉛拡散領
31をDFBレーザの部分と変調部分に別々に形成して両者
の電気的分離を行った例である。また、DFBレーザ部分
において単一波長性を向上させるため、グレーティング
101にλ/4シフト102を設けかつ素子の両端面に無反射コ
ーティング膜50,51を施してある。ちなみに、λ/4シフ
ト102は変調部側への光出力が大きくなるようにグレー
ティングの中央部より変調部側へずらしてある。また、
キャップ層8はn−InGaAsPを用いている。
(実施例3) 第6図は本発明による第3の実施例であり、外部導波
路がグレーティング導波路の場合である。発光導波路は
InGaAsP発光層3のみで構成されており、その両端に外
部導波路であるn-−InGaAsP導波路層9(発光波長が約
1.3μmの組成に対応)が直接結合されている。本発明
により、結合部近傍において発光層3の上に外部導波路
9が積層されており、良質な結合部が実現される。グレ
ーティング103が発光導波路の両端に形成されており、
電極23,25を介して発光層3に電流を注入することによ
りDBRレーザとして単一波長発振するとともに電極24,25
を介してグレーティングの施されていない外部導波路の
部分に電界を印加すれば、レーザ出力光の位相変調を行
うことができる。なお、52,53は無反射コーティング膜
である。
なお、同一発明者等が「半導体集積光変調素子」の名
称で同日特許出願している発明に従って、外部導波路層
4の禁制帯幅Egをレーザの発振波長のエネルギhνより
も30〜40meV大きくなるように外部導波路層4の半導体
材料を選択して用いれば、光の変調スペクトル幅の狭い
外部変調素子が得られる。
以上はInGaAsP/InP系の材料を例にとって説明した
が、AlGaAs/GaAs系やAlGaAs/InP系など他の材料にも同
様に適用することができる。さらに、それらの材料で構
成される多重量子井戸層を用いることもでき、その場
合、説明で用いた禁制帯幅は量子井戸単位で定まる実効
的な禁制帯幅となる。また、横モード安定化のためのス
トライプ構造については特に触れなかったが、埋め込み
ストライプ構造やリッジ導波路ストライプ構造等の従来
の技術がすべて適用可能である。
(発明の効果) 以上述べたように、本発明のように発光層を含む発光
導波路と直接結合された外部導波路とが直接結合されて
いる近傍で積層された構造にすることにより、両導波路
の結合効率を大幅に高めることが可能となり、DFBレー
ザと電気吸収変調素子あるいはDBRレーザと変調素子が
同一基板上に集積された半導体集積発光素子が実現され
る。さらに、本発明のような導波路構造にすることによ
り、従来の第2図(c)のエピタキシャル成長時に生じ
る層4,5及び6の異状成長(結合部付近で層4,5及び6が
異状***)をなくすことができる。また、現在のエッチ
ング技術ではエッチング端面は平坦にならず、両導波路
の結合部をエッチングすると外部導波路4がエッチング
されてしまい発光導波路との間にすきまを生じ、結合効
率を大幅に低下するという欠点があるが、このような問
題も本発明により解消することができる。従って、本発
明の構造にすれば製造技術も極めて容易にすることが可
能である。
本発明による高性能発光素子は超高速光ファイバ通
信,コヒーレント光ファイバ通信,波長多重光ファイバ
通信、さらには光情報処理など光エレクトロニクスの高
度応用分野に適用され、その効果は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例の断面模式図、第2図は(a)〜(d)
は従来例の製造工程を示す断面図、第3図は本発明によ
る第1の実施例の断面模式図、第4図(a)〜(e)は
第3図の実施例の製造工程を示す断面図、第5図と第6
図は本発明による第2及び第3の実施例の断面模式図で
ある。 1……n+−InP基板、2……n−InGaAsP導波路層、3…
…InGaAsP発光層、4……n-−InGaAsP導波路層、5……
p−InP層、6……n-−InP層、7…p−InGaAsPキャッ
プ層、8……n−InGaAsPキャップ層、9……n-−InGaA
sP導波路層、20,21,22,23,24,25……電極、30……プロ
トン照射高抵抗領域、31……亜鉛拡散領域、40……SiN
膜、41,42……フォトレジスト膜、50,51,52,53……無反
射コーティング膜、100,101,103……回折格子、102……
4分の1波長シフト部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 英明 東京都目黒区中目黒2丁目1番23号 国 際電信電話株式会社研究所内 (72)発明者 久代 行俊 東京都目黒区中目黒2丁目1番23号 国 際電信電話株式会社研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−234585(JP,A) 特開 昭60−100491(JP,A) 特開 昭61−70779(JP,A) 特開 昭61−32586(JP,A) 特開 昭61−274384(JP,A) Keigo Iizuka,Engi neering Optics,Sec and Edition,Spriro gor−Verlag(1983年),P P.463−464

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発光層を含む発光導波路と、該発光導波路
    に直接結合された外部導波路とを有する半導体集積発光
    素子において、前記発光導波路と前記外部導波路とが同
    一の横方向の光閉じ込め構造を有するとともに前記直接
    結合されている近傍の領域のみで積層されており、当該
    積層の結合部分が該半導体集積発光素子内に埋め込まれ
    ていることを特徴とする半導体集積発光素子。
  2. 【請求項2】前記外部導波路が電気吸収効果により前記
    発光導波路から出射される光出力を強度変調する作用を
    するように構成されていることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の半導体集積発光素子。
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