JP3306892B2 - 半導体光集積素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体光集積素子およびその製造方法Info
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- JP3306892B2 JP3306892B2 JP4283192A JP4283192A JP3306892B2 JP 3306892 B2 JP3306892 B2 JP 3306892B2 JP 4283192 A JP4283192 A JP 4283192A JP 4283192 A JP4283192 A JP 4283192A JP 3306892 B2 JP3306892 B2 JP 3306892B2
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Description
の製造方法に係り、特に光通信用モジュール、光通信シ
ステムに用いて好適な半導体光集積素子及びその製造方
法に関する。
より半導体レーザ、光変調器、光スイッチ、光検出器、
光増幅器等の半導体光機能素子の特性を大きく改善でき
ることが知られている。今後、光応用技術の進展に伴い
これらのモノリシック集積化が必要不可欠になると考え
られるが、現状の結晶成長技術では異なる歪量をもつ超
格子構造の集積化は不可能であり実現例もこれまでに無
かった。このため、これまでの集積素子内での動作光の
偏波はTEモ−ドに限定されていた。
集積化する方法として、図1A、Bに示すように、選択
成長を用いて基板面内でのバンドギャップエネルギ−を
制御する方法が提案されている。なお、この種の半導体
光集積素子として関連するものに、例えば、電子情報通
信学会秋季大会C−133、1991年9月5日が挙げ
られる。
方法によれば絶縁マスク1を形成した半導体基板2上に
量子井戸構造3を結晶成長することにより基板面内に量
子井戸層厚の異なる、すなわち、量子準位の異なる量子
井戸光導波路を単一の結晶成長で集積化できる。この場
合、集積する素子の量子井戸層厚及び混晶組成は必要な
絶縁マスク幅から一意に規定されてしまう。このため、
基板面内での歪量制御が不可能であり素子特性の一層の
向上が期待できる歪系の量子井戸構造への応用が困難だ
った。このため集積素子毎に量子井戸層等の素子構造を
最適設計することはできなかった。本発明は、歪量(格
子不整合度、圧縮歪/引張歪)が異なる量子井戸構造の
集積化により半導体光素子の性能を大幅に向上すること
を目的とする。本発明のさらなる目的は、歪量(格子不
整合度、圧縮歪/引張歪)が基板面内で異なる量子井戸
構造を提供することにある。また、前記歪量の組合せに
より、従来では存在しなかった光学特性の偏波面依存性
の異なる光導波路の集積化、および動作光の任意の偏波
面制御が可能な光集積素子及びその好適な作製法を提供
する。
に、本発明者らは、量子井戸結晶層の組成、つまり下地
基板に対する格子不整合量が異なる半導体光集積素子を
提供する。さらに、上記の実現に向けた半導体光集積素
子の製造方法を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により提供するも
のである。
戸構造を有する半導体光集積素子についてその特長を列
挙する。
引張歪を有する量子井戸導波路層を集積した場合、圧縮
歪量子井戸素子では結晶成長面に平行な偏波面を持つ光
(TE偏波光)を、引張歪量子井戸素子では結晶成長面
に垂直な偏波面を持つ光(TM偏波光)をそれぞれ独立
に制御できるため、偏波無依存な光素子や動作光の任意
の偏波面制御が可能な光集積素子を実現することができ
る。
半導体能動素子、引張歪を有する量子井戸導波路層を半
導体受動素子として用いた場合、圧縮歪量子井戸能動素
子から発生するTE偏波光に対し、引張歪受動導波路層
の伝搬損失が大きく低減できる。これは引張歪をもつ半
導体層では光吸収に関し軽い正孔帯が関与するためとに
より、TM偏波光の光吸収が支配的になるためである。
半導体受動素子、引張歪を有する量子井戸導波路層を半
導体能動素子として用いた場合についても同様な議論が
成立することを付記する。
量子井戸導波路層を導入した場合、発光、光吸収、屈折
率変化などの光学特性に対して全て軽い正孔帯が関与
し、動作光はTM偏波光となる。このため、発光素子に
対しては発光効率の向上、発振波長の安定性や温度特性
の改善、高速動作化等が図れる。また、受動素子に対し
ては吸収係数や屈折率変化の増大、高速動作化、動作光
出力の増大が実現できる。 (4)能動受動素子に共に圧縮歪を有する量子井戸導波
路層を導入した場合、重い正孔の有効質量は1/10程
度にまで軽くなり、軽い正孔と同様の効果が現われる。
このため、(3)と同様の素子性能向上が期待できる。
する光集積素子によりの組合せにより高性能な光集積素
子を実現することが出来る。
引張歪)が異なる量子井戸構造を有する半導体光集積素
子の作製法について説明する。図2に示した半導体基板
2上に絶縁膜パターニングマスク1を形成する。ここ
で、パターニング間の半導体が露出している部分を成長
領域、その幅を成長領域幅と定義する。図2に示すよう
に、成長領域幅が光軸方向で変化するように絶縁膜マス
ク1をパターニングしている。このような絶縁膜パター
ニングマスク1を有する半導体基板2上に図3Aに示す
ように、III/V族の混晶半導体で構成される光導波路
層4、量子井戸層5、量子障壁層6から構成される量子
井戸構造3及びクラッド層7を気相成長する。ここで、
量子井戸層5は格子定数の異なる2種以上のIII族元
素、例えばGaやInで構成されるものとする。この場
合、絶縁膜パターニングマスク上には結晶成長が起こら
ないため、成長領域のみに選択的に成長が起こる(領域
選択成長)。また、絶縁膜パターニングマスク1上に飛
来した成長原料種は成長領域に表面拡散、気相拡散する
ため、目開き長が小さい程、成長速度は増大する。この
時、成長層の組成変化も同時におこる。これは、同族元
素材料間、特にIII族材料間の絶縁膜パターニングマス
ク1上での拡散長が異なるために起こる現象である。例
えば、前出のGaとInではIn原料種の方が拡散長が
大きいため、選択成長により結晶中のIn組成が豊富に
なり、結晶格子定数は下地基板のそれより長くなる。こ
の拡散長や格子定数の大小関係はIII族元素の組合せに
より異なるため領域選択成長により結晶格子定数が下地
基板のそれより短くなる場合も有ることを付記する。ま
た、これらの成長層厚の増大や組成変化は成長領域幅の
減少と共に顕著になる。従って、この組成変化を積極的
に用いれば、量子井戸構造の基板面内での組成、つまり
歪量を成長領域幅により容易に制御することができ、こ
の技術を用いて基板面内に歪量の異なる量子井戸構造を
有する高性能な半導体光集積素子を作製することができ
る。具体的には、図3Aに示した量子井戸構造の結晶成
長において、図3Bに示すように、成長領域幅の大きい
領域bでは量子井戸層5の結晶格子定数を量子障壁層6
のそれよりも予め短く設定し、量子井戸層に引張歪を有
する量子井戸構造とする。この時、前述の組成変化によ
り、目開き長の小さな領域aにおいては量子井戸層に圧
縮歪を有する量子井戸構造が自動的に形成される。ここ
で、光導波路層4、量子障壁層6及びクラッド層7には
後に実施例で示すようにIII族元素組成比が1もしくは
十分大きな混晶半導体を用いているため、図3Bに示す
ように、2領域a、bで成長層組成に大きな差異が生じ
ない。例えば、InxGa1-xAsPにおいてIII族元素
であるInとGaの組成比が共に0.5程度の場合には
2領域で層厚、組成の変化が大きくなるが、いずれかの
元素の組成比が大きくなるに従いこの変化は小さくな
る。このような化合物半導体の組成比が、領域選択成長
における層厚、組成の変化に寄与する度合いは、V族元
素に比べてIII族元素のほうが桁違いに大きい。同族の
元素AとBの組成比をそれぞれ[A]、[B]としたと
き、χ≡[A]/[B]で定義されるχの値が、0.2
5≦χ≦4で大きな変化が得られ、1で最大の変化とな
る。この際、成長条件は目開き長の大きい領域bにおい
て量子井戸層の格子定数が、混晶半導体結晶を構成する
原子の絶縁膜パターニングマスク1上での、ガス組成や
移動距離が元素間で異なるために、パターニング幅に応
じて成長層の組成及び層厚が異なった量子井戸構造3が
自動的に形成される。領域a、bは同一の結晶成長で形
成されているため2領域は極めて滑らかに結合してお
り、結合損失が著しく低減され、光結合効率はほぼ10
0%となる。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、InGaAsP四元層及びInGa
As三元層をInP基板上に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成長層の下地基板に
対する格子不整合度を調べた結果の一例である。結晶成
長は図の挿絵に示すように、全て成長領域幅は20μm
一定とし、マスク幅がゼロつまり通常の成長の場合格子
不整が負、マスク幅50μmの場合格子整合する様な条
件で行った。図に示すように、同一基板上で、異なった
マスク幅に設定することにより、歪量の異なる量子井戸
構造を複数種、任意に設定することができる。図5は量
子井戸層厚増大及び前述の井戸層組成変化による量子井
戸構造の等価的なエネルギ−ギャップ変化をPLピ−ク
波長により表した結果の一例である。従来の方法では圧
縮歪によるエネルギ−ギャップの縮小効果のみを用いて
いたため、エネルギーギャップ制御幅は100meV程
度に制限されていたが、本発明によれば負の歪も用いる
ことによりエネルギーギャップ制御幅を従来の2倍程度
まで拡大できる。このため、本技術の光集積素子応用へ
の設計自由度が大きく向上する。
て説明する。
した領域(成長領域幅)が、回折格子9が形成されてい
る領域と形成されていない領域とで光導波路方向に異な
るようなSiO2、SiNX、a−Si等の絶縁物パター
ニングマスク10を形成する。次に、このパターニング
基板上にIn0.85Ga0.15As0.33P0.67四元導波路層
11、InxGa1-xAs三元量子井戸層12及びIn0.
85Ga0.15As0.33P0.67四元量子障壁層13で構成さ
れる多重量子井戸構造14、およびp−InPクラッド
層15を順次、有機金属気相成長法で結晶成長する。図
4から2領域の目開き長をそれぞれ45μm、60μm
とすることによって、利得ピーク波長をそれぞれ1.4
8μm、1.56μmに設定すると同時に量子井戸構造
の格子歪量をそれぞれ−0.5%、+0.5%に設定す
る。このようにして各半導体層を形成した後、上部電極
16、下部電極17を通常の蒸着法等により形成して半
導体光集積素子を得る。本構造を、それぞれ光変調器、
分布帰還型レーザとして用いることにより電界吸収型変
調器集積化光源を実現できる。図7は更に埋込構造、電
流狭窄構造を公知の方法により導入した実施例の素子構
造である。変調器への引張歪導入により利得ピーク波長
を1.48μmに保ったまま量子井戸層厚を無歪の場合
の約1.5倍の60Åに広げることが出来る。電界吸収
効果は井戸層厚の4乗にほぼ比例するため、電界吸収効
果は5倍に増大する。これにより、変調器の駆動電圧を
従来の半分に、変調時のチャ−ピングを1/10程度に
まで低減でき、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た。
の量子井戸層をそれぞれ−1.5%、−1.0%の引張
歪を有する量子井戸層14で置き換え、更に埋込構造、
電流狭窄構造を公知の方法により導入した実施例の素子
構造である。この場合、発振光はTMモ−ドとなり、レ
−ザ発光、光吸収には従来の重い正孔帯に替わり軽い正
孔帯が関与する。このため、レ−ザの発振波長の安定
性、変調器の変調効率、高速性を大きく改善することが
できる。
り、2領域の利得ピーク波長をそれぞれ1.50μm、
1.55μmに設定すると同時に量子井戸構造の格子歪
量をそれぞれ−1.0%、0.5%に設定する。このよ
うにして各半導体層を形成した後、上部分離電極16、
下部電極17を通常の蒸着法等により形成して半導体光
集積素子を得る。本構造を、それぞれTE、TMモ−ド
光増幅器として用い、電流注入によりTE、TMモ−ド
の増幅率を独立に制御することにより極めて容易に偏波
無依存の光増幅器を実現できる。図9は更に埋込構造、
電流狭窄構造を公知の方法により導入した実施例の素子
構造である。これにより、光増幅器の偏波無依存性を完
全に除去することができる。また、電流注入または電圧
印加によりTEまたはTMモ−ドの増幅率及び吸収係数
を独立に制御することにより、TE、TMモ−ドフィル
タを構成できる。
した領域(成長領域幅)が回折格子9が形成されている
領域と形成されていない領域とで光導波路方向に幅の異
なるSiO2、SiNX、a−Si等の絶縁物からなるパ
ターニングマスク10を形成する。次に、このパターニ
ング基板上にIn0.85Ga0.15As0. 33P0.67四元導
波路層11、InxGa1-xAs三元量子井戸層12及び
In0.85Ga0.15As0.33P0.67四元量子障壁層13で
構成される多重量子井戸層14、およびp−InPクラ
ッド層15を順次、有機金属気相成長法で結晶成長す
る。この際、目開き領域に成長される三元、四元結晶の
組成は図4に示したようにパターニングマスクのマスク
幅によって変化する。図4から2領域のマスク幅をそれ
ぞれ30μm、70μmとすることによって、利得ピー
ク波長をそれぞれ1.25μm、1.55μmに設定する
と同時に量子井戸構造の格子歪量をそれぞれ−1%、+
1%に設定する。このようにして各半導体層を形成した
後、上部電極16、下部電極17を通常の蒸着法等によ
り形成して半導体光集積素子を得る。本構造を、それぞ
れ分布反射器18、活性領域19として用いることによ
り分布反射型レ−ザを実現できる。図10は更に埋込構
造、電流狭窄構造を公知の方法により導入した実施例の
素子構造である。この場合、圧縮歪を有する活性層19
で発生するTE光に対して引張歪を有する分布反射器1
8はほぼ無損失となるためレ−ザの発振しきい値の低
減、スペクトル線幅の低減を達成できる。本実施例では
活性領域を圧縮歪量子井戸、分布反射器18を引張歪量
子井戸で構成した。
ッチの実現例である。図12に示すようなSiO2、S
iNX、a−Si等の絶縁物からなるパターニングマス
ク10を有するn−InP基板8上に利得ピーク波長が
1.45μmで井戸層に−1%の引張歪を有する量子井
戸構造14を形成する。この際、領域a、cでは利得ピ
ーク波長が1.50μmで井戸層に+0.5%の圧縮
歪、領域bには利得ピーク波長が1.55μmで井戸層
に+1.0%の圧縮歪となるようにマスク幅、成長領域
幅を調整する。図11Bは更に埋込構造、導波路構造、
電流狭窄構造を公知の方法により導入した実施例の素子
構造である。このように、圧縮、引張両歪を有する量子
井戸構造を面内に配置することにより、光反射部、光増
幅部は図11に示すようにTE、TMモ−ド両偏波光に
対してそれぞれ独立に制御することが可能となる。この
実施例によれば、ごく低損失、高消光比、完全偏波無依
存の光スイッチを極めて容易に実現できる。
2の分布帰還型レーザ及び光変調器集積素子21とその
光軸上に球レンズ22を介し先球ファイバ23を固定
し、さらに変調駆動回路24を内蔵した光通信用送信モ
ジュール25である。本モジュール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作
り出せる。
の光増幅器26とその光軸上に球レンズ22を介し2本
の先球ファイバ23を固定し、さらに駆動回路27を内
蔵した光通信用中継モジュール28である。本モジュー
ルを用いればTE、TMモ−ドの増幅率を独立に制御す
ることにより極めて容易に完全に偏波無依存の光中継モ
ジュールを実現できる。
系光通信システムである。送信装置29は送信モジュー
ル25とこのモジュール25を駆動するための駆動系3
0とを有する。モジュール25からの光信号がファイバ
31を通って受信装置32内の受光部33で検出され
る。本実施例に係る光通信システムによれば100km
以上の無中継光伝送が容易に実現できる。これはチャー
ピングが著しく低減される結果、ファイバ31の分散に
よる信号劣化がやはり著しく低減されることに基づく。
複数の量子井戸層厚、歪量(格子不整合度、圧縮歪/引
張歪)が異なる量子井戸構造の集積化により半導体光素
子の性能を大幅に向上することができる。また本発明に
係る半導体光集積素子の製造方法によれば、複数の量子
井戸層厚、歪量(格子不整合度、圧縮歪/引張歪)が基
板面内で異なる量子井戸構造を実現できる。また、前記
歪量の組合せにより、従来では存在しなかった偏波面依
存性の異なる光導波路の集積化し、動作光の任意の偏波
面制御が可能な光集積素子及びその好適な作製法を提供
することができる。
量子井戸構造、4…光導波路層、5…量子井戸層、6…
量子障壁層、7…クラッド層、8…n−InP基板、9
…回折格子、10…パタ−ニングマスク、11…InG
aAsP導波路層、12…InGaAs三元量子井戸
層、13…InGaAsP量子障壁層、14…多重量子
井戸構造、15…p−InPクラッド層、16…上部電
極、17…下部電極、18…分布反射器、19…活性
層、20…サブマウント、21…光変調器集積素子、2
2…球レンズ、23…先球ファイバ、24…変調駆動回
路、25…光通信用送信モジュール、26…偏波無依存
光増幅器、27…モジュール駆動系、28…光通信用中
継モジュール、29…送信装置、30…送信モジュール
駆動系、31…光ファイバ、32…受信装置、33…受
光部。
Claims (8)
- 【請求項1】化合物半導体からなる第1の光導波層を有
する半導体レーザの他に、化合物半導体からなる第2の
光導波層を有する半導体光変調器を同一半導体基板面内
に有する半導体光集積素子の製造方法において、前記第
1の光導波層を構成する複数の結晶成長層の少なくとも
1つが基板と異なる第1の格子定数を持ち、前記第2の
光導波層を構成する複数の結晶成長層の少なくとも1つ
が基板と異なる第2の格子定数を持ち、かつ、前記第1
の格子定数と前記第2の格子定数とは異なる値であり、
前記第1および第2の光導波層のコア層の形成は1回の
選択成長により行うものであり、前記第1の光導波層を
形成する領域と前記第2の光導波層を形成する領域のそ
れぞれにおいて前記基板面上のマスク幅(但し、マスク
幅は0以上である。)と成長領域幅の両方を調整するこ
とにより前記第1の光導波層と前記第2の光導波層のそ
れぞれにおいてバンドギャップと歪み量とを調整するこ
とを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。 - 【請求項2】前記結晶成長層は、有機金属気相成長法に
より形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体
光集積素子の製造方法。 - 【請求項3】化合物半導体からなる第1の光導波層を有
するTE偏波光を増幅する第1の半導体光増幅器の他に、
化合物半導体からなる第2の光導波層を有するTM偏波光
を増幅する第2の半導体光増幅器を同一半導体基板面内
に有する半導体光集積素子の製造方法において、前記第
1の光導波層を構成する複数の結晶成長層の少なくとも
1つが基板と異なる第1の格子定数を持ち、前記第2の
光導波層を構成する複数の結晶成長層の少なくとも1つ
が基板と異なる第2の格子定数を持ち、かつ、前記第1
の格子定数と前記第2の格子定数とは異なる値であり、
前記第1および第2の光導波層のコア層の形成は1回の
選択成長により行うものであり、前記第1の光導波層を
形成する領域と前記第2の光導波層を形成する領域のそ
れぞれにおいて前記基板面上のマスク幅(但し、マスク
幅は0以上である。)と成長領域幅の両方を調整するこ
とにより前記第1の光導波層と前記第2の光導波層のそ
れぞれにおいてバンドギャップと歪み量とを調整するこ
とを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。 - 【請求項4】前記結晶成長層は、有機金属気相成長法に
より形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体
光集積素子の製造方法。 - 【請求項5】化合物半導体からなる第1の光導波層を有
する半導体レーザと、化合物半導体からなる第2の光導
波層を有する半導体光変調器とを同一半導体基板面内に
有する半導体光集積素子において、前記第1の光導波層
を構成する複数の結晶成長層の少なくとも1つが基板と
異なる第1の格子定数を持ち、前記第2の光導波層を構
成する複数の結晶成長層の少なくとも1つが基板と異な
る第2の格子定数を持ち、かつ、前記第1の格子定数と
前記第2の格子定数とは異なる値であり、前記第1の光
導波層と前記第2の光導波層とは1回の選択成長により
滑らかに結合しており、前記第1の光導波層を形成する
領域と前記第2の光導波層を形成する領域のそれぞれに
おいて前記基板面上のマスク幅(但し、マスク幅は0以
上である。)と成長領域幅の両方を調整することにより
前記第1の光導波層と前記第2の光導波層のそれぞれに
おいてバンドギャップと歪み量とが調整されていること
を特徴とする半導体光集積素子。 - 【請求項6】請求項5に記載の前記半導体光集積素子
と、この半導体光集積素子からの出力光を外部に導波す
るための導波手段と、この導波手段に上記半導体光集積
素子からの出力光を集光するための集光手段と、上記半
導体光集積素子を駆動するための駆動手段とを有する光
通信用モジュール。 - 【請求項7】請求項5記載の半導体光集積素子を有する
送信手段と、この送信手段からの出力光を外部に導波す
るための導波手段と、この導波手段からの出力光を受信
するための受信手段とを有する光通信システム。 - 【請求項8】化合物半導体からなる第1の光導波層を有
するTE偏波光を増幅する第1の半導体光増幅器と、化合
物半導体からなる第2の光導波層を有するTM偏波光を増
幅する第2の半導体光増幅器とを同一半導体基板面内に
有する半導体光集積素子において、前記第1の光導波層
を構成する複数の結晶成長層の少なくとも1つが基板と
異なる第1の格子定数を持ち、前記第2の光導波層を構
成する複数の結晶成長層の少なくとも1つが基板と異な
る第2の格子定数を持ち、かつ、前記第1の格子定数と
前記第2の格子定数とは異なる値であり、前記第1の光
導波層と前記第2の光導波層とは1回の選択成長により
滑らかに結合しており、前記第1の光導波層を形成する
領域と前記第2の光導波層を形成する領域のそれぞれに
おいて前記基板面上のマスク幅(但し、マスク幅は0以
上である。)と成長領域幅の両方を調整することにより
前記第1の光導波層と前記第2の光導波層のそれぞれに
おいてバンドギャップと歪み量とが調整されていること
を特徴とする半導体光集積素子。
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---|---|---|---|
JP4283192A JP3306892B2 (ja) | 1992-02-28 | 1992-02-28 | 半導体光集積素子およびその製造方法 |
EP93103158A EP0558089B1 (en) | 1992-02-28 | 1993-02-26 | Semiconductor optical integrated device and method of manufacture thereof, and light receiver using said device |
DE69331979T DE69331979T2 (de) | 1992-02-28 | 1993-02-26 | Optische integrierte Halbleitervorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Verwendung in einem Lichtempfänger |
US08/024,084 US5574289A (en) | 1992-02-28 | 1993-03-01 | Semiconductor optical integrated device and light receiver using said device |
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