JP3285426B2 - 半導体光集積素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体光集積素子及びその製造方法Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
- H01S5/2077—Methods of obtaining the confinement using lateral bandgap control during growth, e.g. selective growth, mask induced
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光集積素子及びそ
の製造方法、特に異種機能の半導体光素子が同一半導体
基板上に形成された半導体光集積素子及びその製造にお
いて絶縁膜パターニングマスクを用いた領域選択成長を
行なう半導体光集積素子の製造方法に関する。
の製造方法、特に異種機能の半導体光素子が同一半導体
基板上に形成された半導体光集積素子及びその製造にお
いて絶縁膜パターニングマスクを用いた領域選択成長を
行なう半導体光集積素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ、光変調器、光スイッチ、
光検出器、光増幅器等の異種機能の半導体光素子を同一
半導体基板上に集積化する方法として、絶縁膜パターニ
ングマスクを用いた領域選択成長技術が知られている。
この領域選択成長技術は半導体基板上に絶縁膜パターニ
ングマスクを形成し、マスクされていない半導体基板面
が露出している領域に半導体結晶を気相成長する方法で
ある。半導体光素子を作るために、光の伝搬方向に絶縁
膜マスクの幅や半導体基板面の露出領域の幅を変え、混
晶半導体を気相成長すると、混晶半導体結晶を構成する
原子を含む各原料種の気相中の濃度勾配や表面マイグレ
ーションによる実効的な移動距離が原料の種類によって
異なるために、パターニング幅に応じて組成、成長層厚
の異なった混晶半導体層が同一の工程で自動的に形成さ
れる。これによって半導体基板上に半導体レーザ、光変
調器等の異種機能の半導体光素子が同一の製造工程でか
つ異種光素子間の良好な光結合を行なうように形成でき
る。
光検出器、光増幅器等の異種機能の半導体光素子を同一
半導体基板上に集積化する方法として、絶縁膜パターニ
ングマスクを用いた領域選択成長技術が知られている。
この領域選択成長技術は半導体基板上に絶縁膜パターニ
ングマスクを形成し、マスクされていない半導体基板面
が露出している領域に半導体結晶を気相成長する方法で
ある。半導体光素子を作るために、光の伝搬方向に絶縁
膜マスクの幅や半導体基板面の露出領域の幅を変え、混
晶半導体を気相成長すると、混晶半導体結晶を構成する
原子を含む各原料種の気相中の濃度勾配や表面マイグレ
ーションによる実効的な移動距離が原料の種類によって
異なるために、パターニング幅に応じて組成、成長層厚
の異なった混晶半導体層が同一の工程で自動的に形成さ
れる。これによって半導体基板上に半導体レーザ、光変
調器等の異種機能の半導体光素子が同一の製造工程でか
つ異種光素子間の良好な光結合を行なうように形成でき
る。
【０００３】なお、領域選択成長技術による半導体光集
積素子の製造に関する文献として、例えば、１９９１年
電子情報通信学会秋季全国大会講演論文集Ｃー１３１、
並びに１９９２年電子情報通信学会春季全国大会講演論
文集Ｃ−１７８、及び特願平３−１８０７４６号が挙げ
られる。
積素子の製造に関する文献として、例えば、１９９１年
電子情報通信学会秋季全国大会講演論文集Ｃー１３１、
並びに１９９２年電子情報通信学会春季全国大会講演論
文集Ｃ−１７８、及び特願平３−１８０７４６号が挙げ
られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、複
数の異なる層厚や組成の成長層を形成する場合に、厚量
子井戸活性層の周期数を増加する程構造と組成の不均一
性により量子効果が薄れ、光半導体集積素子の特性が低
下することがわかった。更に、領域選択成長技術によっ
て形成された成長層をエッチングによりメサストライプ
とした後、埋込成長により電流阻止層などを形成する工
程を行なう場合、成長層の層厚や組成が一定しない部分
があるため、ホトレジスト工程において高度な合わせ精
度を必要とするため歩留まりが低下しやすい。
数の異なる層厚や組成の成長層を形成する場合に、厚量
子井戸活性層の周期数を増加する程構造と組成の不均一
性により量子効果が薄れ、光半導体集積素子の特性が低
下することがわかった。更に、領域選択成長技術によっ
て形成された成長層をエッチングによりメサストライプ
とした後、埋込成長により電流阻止層などを形成する工
程を行なう場合、成長層の層厚や組成が一定しない部分
があるため、ホトレジスト工程において高度な合わせ精
度を必要とするため歩留まりが低下しやすい。
【０００５】更に図面を用いて詳しく述べると、図１に
示すように、半導体基板１上にマスク幅が光軸方向で変
化する絶縁膜マスク２を形成し、混晶半導体を気相成長
すると、混晶半導体結晶を構成する原子を含む各原料の
気相中の濃度勾配や表面マイグレーションによる実効的
な移動距離が原料種間で異なるために、マスク幅に応じ
て、組成、層厚の異なった半導体層３、４、５が形成さ
れる。そのため（ｄ）に（ａ）のｘ−ｘ’部の断面図を
示すように、領域ａ−１とａ−２が同一の製造工程で結
晶成長されているため、領域ａ−１とａ−２の遷移領域
は極めて滑らかに結合し、各領域に形成される異種機能
光素子間の光結合率は極めてよい。
示すように、半導体基板１上にマスク幅が光軸方向で変
化する絶縁膜マスク２を形成し、混晶半導体を気相成長
すると、混晶半導体結晶を構成する原子を含む各原料の
気相中の濃度勾配や表面マイグレーションによる実効的
な移動距離が原料種間で異なるために、マスク幅に応じ
て、組成、層厚の異なった半導体層３、４、５が形成さ
れる。そのため（ｄ）に（ａ）のｘ−ｘ’部の断面図を
示すように、領域ａ−１とａ−２が同一の製造工程で結
晶成長されているため、領域ａ−１とａ−２の遷移領域
は極めて滑らかに結合し、各領域に形成される異種機能
光素子間の光結合率は極めてよい。
【０００６】しかしながら、量子井戸活性層４を成長さ
せる場合、例えば、マスク間の目開き幅を狭く（２μｍ
程度）すると、拡大図（ｂ）に示すように、量子井戸活
性層４の井戸層６（ＩｎＧａＡｓ）と障壁層（ＩｎＧａ
ＡｓＰ）７の成長時間をそれぞれ一定にしても、井戸層
６及び障壁層７の膜厚と組成が成長方向で変化する。
せる場合、例えば、マスク間の目開き幅を狭く（２μｍ
程度）すると、拡大図（ｂ）に示すように、量子井戸活
性層４の井戸層６（ＩｎＧａＡｓ）と障壁層（ＩｎＧａ
ＡｓＰ）７の成長時間をそれぞれ一定にしても、井戸層
６及び障壁層７の膜厚と組成が成長方向で変化する。
【０００７】気相成長での成長材料種の気相拡散長は、
領域選択成長で通常用いられる４０〜８０Torrの成長圧
力では３０〜４０μｍ程度である。この条件で、たとえ
ば目開き幅を広く（８０μｍ程度）にした場合、拡大図
（ｃ）に示ように、混晶半導体層の、光軸と直交する面
内方向に膜厚と組成が分布を生じる。マスクに近接する
ほど膜厚が増加し、マスクに近接するほどＩｎ組成が増
加する。この結果、量子井戸活性層の周期数を増加する
ほど構造と組成の不均一性により量子サイズ効果が薄
れ、光半導体集積素子の特性が低下する。また、（ｃ）
では、光軸と直交する面内方向で量子井戸活性層の発光
波長分布が弓状になり、マスクに近接する程長波長側に
シフトする。そのため、マスクの無い基板上に結晶成長
した場合と比べて量子井戸からの発光スペクトル半値幅
が増加し、素子特性が低下する。更に、上述のようにし
て形成された成長層を幅１μｍ程度のメサ状にエッチン
グする場合、位置がずれると発光波長が変化するので歩
留まりが低下する。
領域選択成長で通常用いられる４０〜８０Torrの成長圧
力では３０〜４０μｍ程度である。この条件で、たとえ
ば目開き幅を広く（８０μｍ程度）にした場合、拡大図
（ｃ）に示ように、混晶半導体層の、光軸と直交する面
内方向に膜厚と組成が分布を生じる。マスクに近接する
ほど膜厚が増加し、マスクに近接するほどＩｎ組成が増
加する。この結果、量子井戸活性層の周期数を増加する
ほど構造と組成の不均一性により量子サイズ効果が薄
れ、光半導体集積素子の特性が低下する。また、（ｃ）
では、光軸と直交する面内方向で量子井戸活性層の発光
波長分布が弓状になり、マスクに近接する程長波長側に
シフトする。そのため、マスクの無い基板上に結晶成長
した場合と比べて量子井戸からの発光スペクトル半値幅
が増加し、素子特性が低下する。更に、上述のようにし
て形成された成長層を幅１μｍ程度のメサ状にエッチン
グする場合、位置がずれると発光波長が変化するので歩
留まりが低下する。
【０００８】本発明の目的は、領域選択成長技術によっ
て単一基板上に複数の異種光素子を形成する場合に、成
長層の層厚や組成を精度よく形成できる半導体光集積素
子の製造方法を実現することである。本発明の他の目的
は、領域選択成長技術によって形成された成長層からメ
サストライプを形成後、埋込成長により電流阻止層を形
成する工程をより容易に高歩留まりで行なう半導体光集
積素子の製造方法を実現することである。
て単一基板上に複数の異種光素子を形成する場合に、成
長層の層厚や組成を精度よく形成できる半導体光集積素
子の製造方法を実現することである。本発明の他の目的
は、領域選択成長技術によって形成された成長層からメ
サストライプを形成後、埋込成長により電流阻止層を形
成する工程をより容易に高歩留まりで行なう半導体光集
積素子の製造方法を実現することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、半導体基板上に形成した絶縁膜パターニ
ングマスクを用いた領域選択成長技術を用いることによ
り、同一の結晶成長工程で半導体基板上の任意の位置の
成長層のバンドギャップエネルギーが制御された異種光
機能素子の製造法において、少なくとも１機能素子の光
導波路部を形成するための絶縁膜パターニングマスク間
の目開き幅（成長領域幅）及びマスク幅の最適寸法を見
出し、その最適寸法に基づいて光半導体素子を製造す
る。すなわち、複数の半導体光素子の少なくとも１つの
半導体光素子の光導波路部が形成される絶縁膜パターニ
ングマスク間の目開き幅を１０乃至３０μｍとする、ま
た、上記半導体光集積素子の光導波路部の両側に位置す
る上記絶縁膜パターニングマスク間の光軸と直交する方
向の幅を１６乃至８００μｍとする。上記異種光機能素
子の主要なものとして、半導体レーザ、光変調器、光ス
イッチ、光検出器、光増幅器がある。
に、本発明は、半導体基板上に形成した絶縁膜パターニ
ングマスクを用いた領域選択成長技術を用いることによ
り、同一の結晶成長工程で半導体基板上の任意の位置の
成長層のバンドギャップエネルギーが制御された異種光
機能素子の製造法において、少なくとも１機能素子の光
導波路部を形成するための絶縁膜パターニングマスク間
の目開き幅（成長領域幅）及びマスク幅の最適寸法を見
出し、その最適寸法に基づいて光半導体素子を製造す
る。すなわち、複数の半導体光素子の少なくとも１つの
半導体光素子の光導波路部が形成される絶縁膜パターニ
ングマスク間の目開き幅を１０乃至３０μｍとする、ま
た、上記半導体光集積素子の光導波路部の両側に位置す
る上記絶縁膜パターニングマスク間の光軸と直交する方
向の幅を１６乃至８００μｍとする。上記異種光機能素
子の主要なものとして、半導体レーザ、光変調器、光ス
イッチ、光検出器、光増幅器がある。
【００１０】本発明の半導体光集積素子の製造方法には
領域選択成長によって形成された成長層をエッチングし
てメサ構造とする工程を持つ場合も含まれる。領域選択
成長によって形成された成長層の半導体の主なものは、
井戸層をＩｎＧａＡｓ、障壁層をＩｎＧａＡｓＰとした
多重井戸層を初め、井戸層をＩｎＧａＡｓＰとした多重
井戸層の外に、他の材料、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ，
ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｌＡｓＰ、ＩｎＡ
ｓＰ，ＧａＡｓＰについても適用できる。
領域選択成長によって形成された成長層をエッチングし
てメサ構造とする工程を持つ場合も含まれる。領域選択
成長によって形成された成長層の半導体の主なものは、
井戸層をＩｎＧａＡｓ、障壁層をＩｎＧａＡｓＰとした
多重井戸層を初め、井戸層をＩｎＧａＡｓＰとした多重
井戸層の外に、他の材料、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ，
ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｌＡｓＰ、ＩｎＡ
ｓＰ，ＧａＡｓＰについても適用できる。
【００１１】
【作用】図２に示す半導体基板１上に絶縁膜パターニン
グマスク２を形成後、選択成長して得られる混晶半導体
層８の膜厚ｄの分布は次の式で表現できる。 ｄ＝Ａｅｘｐ（−ｘ／Ｌ）＋ｄ0 ここでＡは定数、ＬはIII族原料種の気相拡散長、ｄ0は
マスク２から十分に離れてマスクの影響が無い位置の膜
厚を意味する。上記目開き幅の上限値である３０μｍは
III族原料種の気相拡散長Ｌの１．０〜０．１２５の範
囲となる。成長層の層厚、組成を制御するためには、少
なくとも一部の光機能素子のための目開き幅は気相拡散
長Ｌ以下である必要があり、本発明における目開き幅１
０乃至３０μｍはこの条件を満たす。
グマスク２を形成後、選択成長して得られる混晶半導体
層８の膜厚ｄの分布は次の式で表現できる。 ｄ＝Ａｅｘｐ（−ｘ／Ｌ）＋ｄ0 ここでＡは定数、ＬはIII族原料種の気相拡散長、ｄ0は
マスク２から十分に離れてマスクの影響が無い位置の膜
厚を意味する。上記目開き幅の上限値である３０μｍは
III族原料種の気相拡散長Ｌの１．０〜０．１２５の範
囲となる。成長層の層厚、組成を制御するためには、少
なくとも一部の光機能素子のための目開き幅は気相拡散
長Ｌ以下である必要があり、本発明における目開き幅１
０乃至３０μｍはこの条件を満たす。
【００１２】また、成長層の層厚が平坦になるためにも
マスク間の目開き幅が３０μｍ以下である必要である。
一方、素子の製造工程における電極、ホトレジスト等の
あわせ精度より１０μｍ以上が必要である。更に、歪率
（格子不整合度）、成長方向の成長速度の増加の観点よ
り、目開き幅は５μｍ以上が望ましい。本発明における
目開き幅１０乃至３０μｍはこの条件も満たす。目開き
幅１０乃至３０μｍとして基板上に混晶半導体を気相成
長すると、目開き幅上のIII族原料種の半導体光集積素
子の濃度分布が均一になり、目開き幅上に選択的に形成
される半導体層３、４、５の組成及び膜厚は光軸と直交
する面内方向に平坦な分布が得られる。その結果、たと
えば、量子井戸層４の井戸層６にＩｎＧａＡｓ、障壁層
７にＩｎＧａＡｓＰを用いた場合の量子井戸層発光波長
は、図３に示すように均一な分布を示す。
マスク間の目開き幅が３０μｍ以下である必要である。
一方、素子の製造工程における電極、ホトレジスト等の
あわせ精度より１０μｍ以上が必要である。更に、歪率
（格子不整合度）、成長方向の成長速度の増加の観点よ
り、目開き幅は５μｍ以上が望ましい。本発明における
目開き幅１０乃至３０μｍはこの条件も満たす。目開き
幅１０乃至３０μｍとして基板上に混晶半導体を気相成
長すると、目開き幅上のIII族原料種の半導体光集積素
子の濃度分布が均一になり、目開き幅上に選択的に形成
される半導体層３、４、５の組成及び膜厚は光軸と直交
する面内方向に平坦な分布が得られる。その結果、たと
えば、量子井戸層４の井戸層６にＩｎＧａＡｓ、障壁層
７にＩｎＧａＡｓＰを用いた場合の量子井戸層発光波長
は、図３に示すように均一な分布を示す。
【００１３】成長を阻止する絶縁膜パターニングマスク
２の幅は、半導体光集積素子の機能により定まる発光波
長及び目開き幅に応じて決定している。素子作製時は１
μｍ程度のメサ状に加工する工程があるが、メサ位置が
ずれた場合でも波長は変化せず歩留まりが向上する。ま
た、微小領域でのメサ内横方向の発光波長が均一なため
素子特性は向上する。更に、この場合、成長膜厚に比べ
て目開き幅は十分広く、結晶成長が生じにくい（１１
１）Ｂ面によるマスク効果は無視できるほど小さい。そ
のため、成長方向の井戸層６及び障壁層７の膜厚、組成
は一定であり、量子サイズ効果が損なわれることは無い
ので素子特性は向上する。
２の幅は、半導体光集積素子の機能により定まる発光波
長及び目開き幅に応じて決定している。素子作製時は１
μｍ程度のメサ状に加工する工程があるが、メサ位置が
ずれた場合でも波長は変化せず歩留まりが向上する。ま
た、微小領域でのメサ内横方向の発光波長が均一なため
素子特性は向上する。更に、この場合、成長膜厚に比べ
て目開き幅は十分広く、結晶成長が生じにくい（１１
１）Ｂ面によるマスク効果は無視できるほど小さい。そ
のため、成長方向の井戸層６及び障壁層７の膜厚、組成
は一定であり、量子サイズ効果が損なわれることは無い
ので素子特性は向上する。
【００１４】図４は、原料ガス供給量、成長温度等の成
長条件を一定にし、量子井戸層４を有機金属気相成長し
た場合の、パターニングマスク幅に対する発光波長を調
べた結果である。ここでは、井戸層６をＩｎＧａＡｓ三
元層及び障壁層７をＩｎＧａＡｓＰ四元層とした場合の
一例を示す。量子井戸構造では、目開き幅とマスク幅の
組み合わせに応じて井戸層、障壁層の成長層厚、組成が
異なった量子井戸構造が自動的に形成され、量子準位に
差が生じる。図のように、同一基板上で異なったマスク
幅を設定することにより、発光波長を複数種、自由に設
定することができる。
長条件を一定にし、量子井戸層４を有機金属気相成長し
た場合の、パターニングマスク幅に対する発光波長を調
べた結果である。ここでは、井戸層６をＩｎＧａＡｓ三
元層及び障壁層７をＩｎＧａＡｓＰ四元層とした場合の
一例を示す。量子井戸構造では、目開き幅とマスク幅の
組み合わせに応じて井戸層、障壁層の成長層厚、組成が
異なった量子井戸構造が自動的に形成され、量子準位に
差が生じる。図のように、同一基板上で異なったマスク
幅を設定することにより、発光波長を複数種、自由に設
定することができる。
【００１５】また、量子井戸層をＩｎＧａＡｓＰ四元層
とし、パターニングマスク幅に対する発光波長を調べた
結果を図５に示す。これら図４及び図５の例では、マス
ク幅が０μｍ（マスクを設けない場合）における発光波
長をそれぞれ１.２５μｍ 及び１.４２μｍ に設定して
いるが、半導体集積光素子の機能に応じて発光波長を任
意に設定することはいうまでもない。これら両構造を例
えば、狭エネルギーギャップ側導波路層を半導体発光素
子、広エネルギーギャップ側導波路層を半導体受動素子
として用いることにより、一回の結晶成長で異種機能を
有する複数の半導体集積光素子を同一基板上に極めて容
易に集積化できる。
とし、パターニングマスク幅に対する発光波長を調べた
結果を図５に示す。これら図４及び図５の例では、マス
ク幅が０μｍ（マスクを設けない場合）における発光波
長をそれぞれ１.２５μｍ 及び１.４２μｍ に設定して
いるが、半導体集積光素子の機能に応じて発光波長を任
意に設定することはいうまでもない。これら両構造を例
えば、狭エネルギーギャップ側導波路層を半導体発光素
子、広エネルギーギャップ側導波路層を半導体受動素子
として用いることにより、一回の結晶成長で異種機能を
有する複数の半導体集積光素子を同一基板上に極めて容
易に集積化できる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。 ＜実施例１＞図６は、本発明の半導体光集積素子の製造
方法の第１実施例の製造工程における半導体光集積素子
の斜視図を示す。ｎ−ＩｎＰ基板１上の領域ｅに１６乃
至８００μｍの範囲の幅をもつ絶縁膜パターニングマス
ク２を形成し、領域ｆにはマスクは形成しない（マスク
幅＝０μｍ）。上記パターニングマスク２の目開き幅
（成長領域）は１０乃至３０μｍの範囲内の値である。
パタニング基板１上に有機金属気相成長法で化合物半導
体混晶３、４及び５を結晶成長する。上記絶縁膜パター
ニングマスク２の幅及び目開き幅範囲では、形成された
化合物半導体混晶４を構成する多重井戸層の井戸層６及
び障壁層７は平坦かつ均一の厚さの層となる。
る。 ＜実施例１＞図６は、本発明の半導体光集積素子の製造
方法の第１実施例の製造工程における半導体光集積素子
の斜視図を示す。ｎ−ＩｎＰ基板１上の領域ｅに１６乃
至８００μｍの範囲の幅をもつ絶縁膜パターニングマス
ク２を形成し、領域ｆにはマスクは形成しない（マスク
幅＝０μｍ）。上記パターニングマスク２の目開き幅
（成長領域）は１０乃至３０μｍの範囲内の値である。
パタニング基板１上に有機金属気相成長法で化合物半導
体混晶３、４及び５を結晶成長する。上記絶縁膜パター
ニングマスク２の幅及び目開き幅範囲では、形成された
化合物半導体混晶４を構成する多重井戸層の井戸層６及
び障壁層７は平坦かつ均一の厚さの層となる。
【００１７】＜実施例２＞図７は、本発明の半導体光集
積素子の製造方法の第２実施例の製造工程における半導
体光集積素子の斜視図を示す。図７（ａ）に示すよう
に、ｎ−ＩｎＰ基板１上に半導体基板が露出した領域
（目開き領域）が、光導波路方向に回折格子１０が形成
されている領域（ｅ）と形成されていない領域（ｆ）と
で異なるように、領域（ｅ）ではＳｉＯ2、ＳｉＮｘ等
の絶縁物からなるパターニングマスク２を形成する。絶
縁膜パターニングマスク２の幅は１６乃至８００μｍの
範囲、目開き幅（成長領域）は１０乃至３０μｍの範囲
の値である。領域（ｆ）では、絶縁膜パターニングマス
クは設けられない。次に、上記に１部にマスク２を設け
た基板１上にＩｎＧａＡｓＰ四元導波路層３、ＩｎＧａ
Ａｓ井戸層６、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層７からなる量子井
戸構造４及びｐ−ＩｎＰクラッド層５を順次、有機金属
気相成長法で結晶成長する。マスク幅及び目開き幅の異
なる２領域ｅ，ｆにおいて井戸層、障壁層の層厚、組成
が異なった、量子井戸構造４が自動的に形成される。こ
のため、２領域ｅ及びｆで量子井戸構造の量子準位が異
なり、これにより光導波路方向に等価的にバンドギャッ
プ波長の異なる光導波路構造ができる。図８は、図７
（ａ）の光軸方向ｘ−ｘ´の断面図である。
積素子の製造方法の第２実施例の製造工程における半導
体光集積素子の斜視図を示す。図７（ａ）に示すよう
に、ｎ−ＩｎＰ基板１上に半導体基板が露出した領域
（目開き領域）が、光導波路方向に回折格子１０が形成
されている領域（ｅ）と形成されていない領域（ｆ）と
で異なるように、領域（ｅ）ではＳｉＯ2、ＳｉＮｘ等
の絶縁物からなるパターニングマスク２を形成する。絶
縁膜パターニングマスク２の幅は１６乃至８００μｍの
範囲、目開き幅（成長領域）は１０乃至３０μｍの範囲
の値である。領域（ｆ）では、絶縁膜パターニングマス
クは設けられない。次に、上記に１部にマスク２を設け
た基板１上にＩｎＧａＡｓＰ四元導波路層３、ＩｎＧａ
Ａｓ井戸層６、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層７からなる量子井
戸構造４及びｐ−ＩｎＰクラッド層５を順次、有機金属
気相成長法で結晶成長する。マスク幅及び目開き幅の異
なる２領域ｅ，ｆにおいて井戸層、障壁層の層厚、組成
が異なった、量子井戸構造４が自動的に形成される。こ
のため、２領域ｅ及びｆで量子井戸構造の量子準位が異
なり、これにより光導波路方向に等価的にバンドギャッ
プ波長の異なる光導波路構造ができる。図８は、図７
（ａ）の光軸方向ｘ−ｘ´の断面図である。
【００１８】次に（ｂ）に示すように、各成長層３、
４、５及び基板１の一部をＢｒ系エッチャントによりメ
サ状にエッチング加工する。その後図７（ｃ）に示すよ
うに、有機金属気相成長法、あるいは、液相エピタキシ
（ＬＰＥ）法、ケミカルビームエピタキシ（ＣＢＥ）
法、有機金属分子線エピタキシ（ＭＯＭＢＥ）法等によ
り電流阻止層９を埋込成長する。図４から２領域（ｅ）
及び（ｆ）のマスク幅をそれぞれ１００μｍ及び５５μ
ｍとすることによって、利得ピーク波長をそれぞれ１．
５５μｍ及び１．４５μｍに設定することができる。領
域（ｅ）及び（ｆ）をそれぞれ分布帰還型レーザ、光変
調器スイッチとして用いることにより、極めて容易に高
性能、高信頼の光集積素子を実現することができる。こ
のように従来の埋込成長工程を取り入れることにより、
半導体光集積素子においても従来の単一の半導体レーザ
と同様の生産性が得られる。
４、５及び基板１の一部をＢｒ系エッチャントによりメ
サ状にエッチング加工する。その後図７（ｃ）に示すよ
うに、有機金属気相成長法、あるいは、液相エピタキシ
（ＬＰＥ）法、ケミカルビームエピタキシ（ＣＢＥ）
法、有機金属分子線エピタキシ（ＭＯＭＢＥ）法等によ
り電流阻止層９を埋込成長する。図４から２領域（ｅ）
及び（ｆ）のマスク幅をそれぞれ１００μｍ及び５５μ
ｍとすることによって、利得ピーク波長をそれぞれ１．
５５μｍ及び１．４５μｍに設定することができる。領
域（ｅ）及び（ｆ）をそれぞれ分布帰還型レーザ、光変
調器スイッチとして用いることにより、極めて容易に高
性能、高信頼の光集積素子を実現することができる。こ
のように従来の埋込成長工程を取り入れることにより、
半導体光集積素子においても従来の単一の半導体レーザ
と同様の生産性が得られる。
【００１９】図９は、本発明の方法によって得られた半
導体光集積素子の構造を示す斜視図である。埋込構造を
形成し、また、電流狭窄構造導入後の素子構造を示す。
なお、半絶縁の性質を示す、例えば、鉄ドープＩｎＰ半
導体層を含む電流阻止層を埋込構造に用いた場合、寄生
容量がより低減出来、高速変調用の半導体光集積素子の
変調帯域の向上が可能となる。ところで、図９に示す半
導体光集積素子のメサ内多重量子井戸構造４のバンドギ
ャップ波長はレーザ部と変調器部で異なり、また、遷移
領域を除きレーザ部と変調器部それぞれにおいて均一で
ある。ここで、レーザ部と変調器部それぞれにおいて、
全ての井戸層間並びに障壁層間の膜厚と組成の変動率が
それぞれ１％以下である。成長方向に多重量子井戸構造
の井戸層並びに障壁層の膜厚と組成がほぼ一定であるの
で量子サイズ効果が十分に発揮され、良好な特性を有す
る半導体光集積素子が得られる。
導体光集積素子の構造を示す斜視図である。埋込構造を
形成し、また、電流狭窄構造導入後の素子構造を示す。
なお、半絶縁の性質を示す、例えば、鉄ドープＩｎＰ半
導体層を含む電流阻止層を埋込構造に用いた場合、寄生
容量がより低減出来、高速変調用の半導体光集積素子の
変調帯域の向上が可能となる。ところで、図９に示す半
導体光集積素子のメサ内多重量子井戸構造４のバンドギ
ャップ波長はレーザ部と変調器部で異なり、また、遷移
領域を除きレーザ部と変調器部それぞれにおいて均一で
ある。ここで、レーザ部と変調器部それぞれにおいて、
全ての井戸層間並びに障壁層間の膜厚と組成の変動率が
それぞれ１％以下である。成長方向に多重量子井戸構造
の井戸層並びに障壁層の膜厚と組成がほぼ一定であるの
で量子サイズ効果が十分に発揮され、良好な特性を有す
る半導体光集積素子が得られる。
【００２０】＜実施例３＞図１０は、本発明の半導体光
集積素子の製造方法の第３の実施例の一製造工程におけ
る半導体光集積素子の斜視図である。本実施例は、実施
例２のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸
構造４をＩｎＧａＡｓＰ層活性層１３で置き換えた構造
である。本実施例も、目開き領域に成長される四元結晶
の組成はパターニングマスク幅、並びにマスク間の目開
き幅の組み合わせを、図５の特性から２領域（ｅ）及び
（ｆ）のマスク幅をそれぞれ９０μｍ及び０μｍとする
ことによって、利得ピーク波長をそれぞれ１.５５μｍ
及び１.４２μｍに設定して、それぞれ分布帰還型レー
ザ及び光変調器スイッチとしている。図１１は、図１０
の構造に更に埋込構造、電流狭窄構造導入後の半導体光
集積素子の斜視図である。
集積素子の製造方法の第３の実施例の一製造工程におけ
る半導体光集積素子の斜視図である。本実施例は、実施
例２のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸
構造４をＩｎＧａＡｓＰ層活性層１３で置き換えた構造
である。本実施例も、目開き領域に成長される四元結晶
の組成はパターニングマスク幅、並びにマスク間の目開
き幅の組み合わせを、図５の特性から２領域（ｅ）及び
（ｆ）のマスク幅をそれぞれ９０μｍ及び０μｍとする
ことによって、利得ピーク波長をそれぞれ１.５５μｍ
及び１.４２μｍに設定して、それぞれ分布帰還型レー
ザ及び光変調器スイッチとしている。図１１は、図１０
の構造に更に埋込構造、電流狭窄構造導入後の半導体光
集積素子の斜視図である。
【００２１】＜実施例４＞図１２は、本発明の半導体光
集積素子の製造方法の第４の実施例によって製造された
半導体光集積素子の斜視図である。本実施においては、
基板１の一部分に回折格子１０を形成し、パターニング
マスクが形成されたｎ−ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡ
ｓＰ導波路層３、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰからな
る量子井戸構造４及びｐ−ＩｎＰクラッド層５を順次、
有機金属気相成長法で結晶成長する。図４の特性からマ
スク幅を１００μｍ及び０μｍとすることによって、利
得ピーク波長をそれぞれ１．５５μｍ及び１．２５μｍ
に設定する。本構造を、それぞれ活性領域、位相調整領
域、受動分布反射領域として用いることにより、極めて
容易に狭線幅、広波長掃引、高信頼の波長可変分布反射
型レーザを構成する。
集積素子の製造方法の第４の実施例によって製造された
半導体光集積素子の斜視図である。本実施においては、
基板１の一部分に回折格子１０を形成し、パターニング
マスクが形成されたｎ−ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡ
ｓＰ導波路層３、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰからな
る量子井戸構造４及びｐ−ＩｎＰクラッド層５を順次、
有機金属気相成長法で結晶成長する。図４の特性からマ
スク幅を１００μｍ及び０μｍとすることによって、利
得ピーク波長をそれぞれ１．５５μｍ及び１．２５μｍ
に設定する。本構造を、それぞれ活性領域、位相調整領
域、受動分布反射領域として用いることにより、極めて
容易に狭線幅、広波長掃引、高信頼の波長可変分布反射
型レーザを構成する。
【００２２】＜実施例５＞図１３は、本発明の半導体光
集積素子の製造方法の第４の実施例によって製造された
半導体光集積素子の斜視図を示す。本実施においては、
基板１の一部分に回折格子１０を形成し、パターニング
マスクが形成されたｎ−ＩnＰ基板１上に、ＩｎＧａＡ
ｓＰ導波路層３、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰからな
る量子井戸構造４及びｐ−ＩｎＰクラッド層５を順次、
有機金属気相成長法で結晶成長する。図４からマスク幅
を１００μｍ及び１８０μｍとすることによって、利得
ピーク波長をそれぞれ１．５５μｍ及び１．６０μｍに
設定する。それぞれ活性領域、光検出領域を分布帰還型
レーザ及び光検出器として用いることにより、極めて容
易に高性能、高信頼の光検出器集積型分布帰還型レーザ
を構成している。
集積素子の製造方法の第４の実施例によって製造された
半導体光集積素子の斜視図を示す。本実施においては、
基板１の一部分に回折格子１０を形成し、パターニング
マスクが形成されたｎ−ＩnＰ基板１上に、ＩｎＧａＡ
ｓＰ導波路層３、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰからな
る量子井戸構造４及びｐ−ＩｎＰクラッド層５を順次、
有機金属気相成長法で結晶成長する。図４からマスク幅
を１００μｍ及び１８０μｍとすることによって、利得
ピーク波長をそれぞれ１．５５μｍ及び１．６０μｍに
設定する。それぞれ活性領域、光検出領域を分布帰還型
レーザ及び光検出器として用いることにより、極めて容
易に高性能、高信頼の光検出器集積型分布帰還型レーザ
を構成している。
【００２３】＜実施例６＞図１４は、本発明による半導
体光集積素子を用いた光通信用送信モジュールの構成を
示す図である。実施例２の分布帰還型レーザ、光変調器
集積素子１１とその光軸上に球レンズ１６を介し先球フ
ァイバ１７を固定し、さらに変調駆動回路１８を配置し
て光通信用送信モジュール１９を構成している。本光通
信用送信モジュール１９を用いれば高ファイバ光出力、
低チャーピングの高速送信光信号を容易に得ることがで
きる。
体光集積素子を用いた光通信用送信モジュールの構成を
示す図である。実施例２の分布帰還型レーザ、光変調器
集積素子１１とその光軸上に球レンズ１６を介し先球フ
ァイバ１７を固定し、さらに変調駆動回路１８を配置し
て光通信用送信モジュール１９を構成している。本光通
信用送信モジュール１９を用いれば高ファイバ光出力、
低チャーピングの高速送信光信号を容易に得ることがで
きる。
【００２４】＜実施例７＞図１５は、本発明による半導
体光集積素子を用いた光通信用システムの構成を示す図
である。同図において、送信装置２１には、実施例６の
送信モジュール１９及び送信制御回路２０が装着され、
送信モジュール１９からの送信光信号は光ファイバ１２
によって受信装置１５に伝送される。受信装置１５は光
通信用送信モジュール２２及び受信制御回路１４が装着
され、幹線系光通信システムを構成している。本システ
ムによれば１００ｋｍ以上の無中継光伝送が容易に実現
できる。
体光集積素子を用いた光通信用システムの構成を示す図
である。同図において、送信装置２１には、実施例６の
送信モジュール１９及び送信制御回路２０が装着され、
送信モジュール１９からの送信光信号は光ファイバ１２
によって受信装置１５に伝送される。受信装置１５は光
通信用送信モジュール２２及び受信制御回路１４が装着
され、幹線系光通信システムを構成している。本システ
ムによれば１００ｋｍ以上の無中継光伝送が容易に実現
できる。
【００２５】
【発明の効果】光導波路が形成される絶縁膜パターニン
グマスク間の目開き幅及びマスク幅をそれぞれ１０乃至
３０μｍの範囲、１６乃至８００μｍの範囲の値とする
ことにより、容易に成長方向に均一な膜厚、組成の井戸
層、障壁層からなる量子井戸層を形成することができ
る。また、量子井戸層を有する導波路において、光軸と
直交方向に平坦な面内発光波長分布が得られる。更に、
従来の埋込工程の適用が平易に行える。これらのことか
ら高性能量子井戸構造光素子を同一基板上に極めて容易
に集積化でき、かつ高歩留まりな光半導体素子の作製が
可能となる。
グマスク間の目開き幅及びマスク幅をそれぞれ１０乃至
３０μｍの範囲、１６乃至８００μｍの範囲の値とする
ことにより、容易に成長方向に均一な膜厚、組成の井戸
層、障壁層からなる量子井戸層を形成することができ
る。また、量子井戸層を有する導波路において、光軸と
直交方向に平坦な面内発光波長分布が得られる。更に、
従来の埋込工程の適用が平易に行える。これらのことか
ら高性能量子井戸構造光素子を同一基板上に極めて容易
に集積化でき、かつ高歩留まりな光半導体素子の作製が
可能となる。
【図１】従来の技術を説明するための半導体素子の図
【図２】本発明の作用説明のための図
【図３】本発明の作用説明のための特性図
【図４】本発明の作用説明のための特性図
【図５】本発明の作用説明のための特性図
【図６】本発明の半導体発光素子の製造方法の第１の実
施例の製造工程における半導体発光素子の斜視図
施例の製造工程における半導体発光素子の斜視図
【図７】本発明の半導体発光素子の製造方法の第２の実
施例の製造工程における半導体発光素子の斜視図
施例の製造工程における半導体発光素子の斜視図
【図８】図７（ａ）の光軸方向ｘ−ｘ´の断面図
【図９】本発明の半導体発光素子の製造方法の第２の実
施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
【図１０】本発明の半導体発光素子の製造方法の第３の
実施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
実施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
【図１１】図１０の構造に更に埋込構造、電流狭窄構造
導入後の半導体発光素子の斜視図
導入後の半導体発光素子の斜視図
【図１２】本発明の半導体発光素子の製造方法の第４の
実施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
実施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
【図１３】本発明の半導体発光素子の製造方法の第４の
実施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
実施例によって製造された半導体発光素子の斜視図
【図１４】本発明による半導体発光素子を用いた光通信
用送信モジュールの構成を示す図
用送信モジュールの構成を示す図
【図１５】本発明による半導体発光素子を用いた光通信
用システムの構成を示す図
用システムの構成を示す図
１：ｎ−ＩｎＰ基板 １２：光ファイバ ２：絶縁物パタ−ニングマスク １３：活性層 ３：導波路層 １４：受信制御回
路 ４：量子井戸構造 １５：受信装置 ５：ｐ−ＩｎＰクラッド層 １６：球レンズ ６：井戸層 １７：先球ファイ
バ ７：障壁層 １８：変調駆動回
路 ８：選択成長層 １９：光通信用送
信モジュ−ル ９：電流阻止層 ２０：送信制御回
路 １０：回折格子 ２１：送信装置 １１：光変調器集積素子 ２２：光通信用受
信モジュ−ル
路 ４：量子井戸構造 １５：受信装置 ５：ｐ−ＩｎＰクラッド層 １６：球レンズ ６：井戸層 １７：先球ファイ
バ ７：障壁層 １８：変調駆動回
路 ８：選択成長層 １９：光通信用送
信モジュ−ル ９：電流阻止層 ２０：送信制御回
路 １０：回折格子 ２１：送信装置 １１：光変調器集積素子 ２２：光通信用受
信モジュ−ル
フロントページの続き (72)発明者 谷渡 剛 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平５−29602（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−369269（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−198392（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (10)
- 【請求項１】単一の半導体基板上に量子井戸構造を有す
る第１の光素子と量子井戸構造を有し、前記第１の光素
子とはその機能が異なる第２の光素子とを光軸が一致す
るように集積して形成するために、前記第１の光素子を
形成するための第１の領域に一対の矩形状マスクをその
目開き幅が１０乃至３０μｍで、前記マスクの前記直交
する方向の幅が１６至８００μｍとなるように形成する
と共に、前記第２の光素子を形成するための前記第１の
領域に隣接した第２の領域はマスク幅０μｍとし、 前記半導体基板の少なくとも第１、第２の領域上に３族
原料種を用いた有機金属気相成長法により結晶成長させ
て選択成長により積層された量子井戸層のバンドギャッ
プを制御し、前記選択成長によって積層された成長層を
エッチングし、メサストライプを形成後埋め込み成長に
より電流阻止層を設け、前記第１及び第２の光素子を同
時に形成することを特徴とする半導体光集積素子の製造
方法。 - 【請求項２】請求項１に記載の半導体光集積素子の製造
方法において、前記選択成長のステップは更にIII-V族
化合物半導体層を形成するステップを含むことを特徴と
する半導体光集積素子の製造方法。 - 【請求項３】前記第１の光素子が半導体レーザであり、
前記第２の光素子が光変調器であることを特徴とした請
求項１に記載の半導体光集積素子の製造方法。 - 【請求項４】請求項１に記載の半導体光集積素子の製造
方法によって製造され、前記第１及び第２の光素子の多
重量子井戸層からなる集積導波路は連続し、前記第１及
び第２の光素子の多重量子井戸層間の結合部で、成長層
の厚さ及び組成の少なくとも一方が単調に変化する集積
導波路を有する半導体光集積素子。 - 【請求項５】前記第１及び第２の光素子の集積導波路の
歪量が異なることを特徴とする請求項４記載の半導体光
集積素子。 - 【請求項６】バンドギャップエネルギーが等しい導波路
のメサストライプ内で、前記多重量子井戸の全ての井戸
層間及び障壁層間の組成並びに膜厚の変動率がそれぞれ
１％以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体
光集積素子。 - 【請求項７】前記集積導波路のうち狭エネルギーギャッ
プ導波路層を分布帰還型半導体レーザ、広エネルギーギ
ャップ導波路層を半導体光変調器として構成したことを
特徴とする請求項４に記載の半導体光集積素子。 - 【請求項８】前記集積導波路のうち狭エネルギーギャッ
プ導波路層が分布帰還型半導体レーザ、広エネルギーギ
ャップ導波路層が光スイッチとして構成されたことを特
徴とする請求項４に記載の半導体光集積素子。 - 【請求項９】前記導波路層のうち狭エネルギーギャップ
導波路層が活性領域、広エネルギーギャップ導波路層が
分布反射器領域又は光波位相調整領域として構成された
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体光集積素子。 - 【請求項１０】前記集積導波路のうち狭エネルギーギャ
ップ導波路層が光検出器、広エネルギーギャップ導波路
層が分布帰還型半導体レーザとして構成されたことを特
徴とする請求項４に記載の半導体光集積素子。
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