JPH08220358A - 導波路型光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は半導体光素子に関し、特に極めて簡
易な作製法で実現可能な信頼性の高く、且つ高出力動作
に優れたリッジ装荷型光導波路素子の素子構造及びその
作製方法を提供することを目的とする。 【構成】 リッジ装荷型光導波路の両脇にリッジを形成
するためのエッチング溝を設け、そのエッチング溝にの
み半導体以外の物質７を充填し平坦化すること、および
エッチング溝の幅を最適な値に設計することにより、素
子の高出力特性および信頼性を飛躍的に向上する光導波
路構造およびその作製方法を開示する。 【効果】 本発明に係る半導体発光素子よれば、信頼性
の高く、且つ高出力動作に優れたリッジ装荷型光導波路
素子を容易な手法で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体光素子に係り、特
に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワー
クに用いる好適な半導体光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】リッジ装荷型光導波素子は作製工程が非
常に簡易であるため、半導体レーザ、光変調器等様々な
導波路型光素子に適用されている。しかし、図２に示す
ような従来のリッジ装荷型光導波素子には構造上以下の
問題点がある。なお図２において、１はｎ型（１００）
ＩｎＰ半導体基板、２はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活
性層、３はｐ型ＩｎＰクラッド層、４はｐ型ＩｎＧａＡ
ｓキャップ、５はシリコン酸化膜、６は上部電極、７は
ポリイミド樹脂膜、８は下部電極である。

【０００３】（１）図２（ａ）に示すように、リッジ部
が平坦でないため電極形成等の後続プロセスが困難であ
る。

【０００４】（２）平坦化のためにしばしば、図２
（ｂ）のようにポリイミド樹脂膜７等が用いられている
が、放熱性が悪いため半導体レーザに適用した場合、特
に高出力化が困難である。また、ポリイミド膜の引っ張
り応力によるストレス等から素子寿命に関する信頼性に
問題が残されている。また、電極を形成する場合、ポリ
イミド膜と電極金属との密着性が極めて悪いため、ワイ
ヤボンディング工程の際電極剥がれがしばしば発生す
る。このため高歩留まり化に難がある。さらに、原理上
リッジ部が完全に平坦にならず、表面段差が０．５〜１
μｍ程度存在するため特に成長表面を下側にしたいわゆ
るジャンクションダウン実装が困難である。このため、
ジャンクションダウン実装が必須な高出力レーザへの適
用は困難であった。

【０００５】なお、（１）のリッジ装荷型レーザとして
関連するものに、例えば１９９４年半導体レーザ国際会
議ＰＤ１０が、（２）のリッジ装荷型レーザとして関連
するものに、例えば１９９３年電子情報通信学会秋季大
会Ｃ−１１３、１９９３年９月が挙げられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、極めて簡易
な作製法で実現可能な高出力でかつ高信頼動作を高歩留
まりで実現可能とするリッジ装荷型レーザの素子構造及
びその作製方法を提供することを目的とする。さらなる
目的は本発明をレーザ、光増幅器、光変調器、光スイッ
チ、光検出器またはこれらのうち少なくとも二者を一体
集積した集積化光導波素子に適用した場合の好適な素子
構造及び製法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、リッジ装荷型光導波路の両脇にリッ
ジを形成するためのエッチング溝を設け、そのエッチン
グ溝にのみ半導体以外の物質を充填し平坦化すること、
およびエッチング溝の幅を最適な値に設計することによ
り、上記問題を解決し素子特性を飛躍的に向上する光導
波路構造およびその作製方法を考案した。

【０００８】

【作用】以下、リッジ装荷型光導波路の両脇にリッジを
形成するためのエッチング溝を設け、そのエッチング溝
にのみ半導体以外の物質を充填すること、およびエッチ
ング溝の幅を最適な値に設計することにより、上記問題
を解決し素子特性を飛躍的に向上する光導波路構造およ
びその作製方法について説明する。

【０００９】図１（ａ），(ｂ）に本発明によるリッジ
装荷型光導波路構造の一例を示す。リッジ導波路はＩｎ
Ｐ半導体基板１上に形成され、コア層２、クラッド層３
を含む多層膜構造をリッジ加工し、さらにポリイミド等
の絶縁性樹脂膜をリッジ両脇に設けられた一対の溝部の
みに形成することにより得られる。溝部の横幅は２〜４
０μｍに設定されている。さらに本構造をレーザ、変調
器等に適用する場合には図示のように上部、下部に電極
を形成する。

【００１０】本構造の採用による改善点は以下の通りで
ある。

【００１１】（１）まず、素子の電気実装の際、ワイヤ
ボンディングを行う電極パッド下にポリイミド等の有機
絶縁性樹脂膜がなく、電極が接触する材料はＳｉＯ２膜
のような無機材料であるため通常のワイヤボンディング
に必要な十分な電極の密着強度が得られる。このため、
実装歩留まり、素子の耐震性に関する信頼性等が大きく
向上する。

【００１２】（２）ポリイミド等の有機絶縁性樹脂膜が
リッジ両脇の２〜４０μｍと素子内の僅かな領域のみに
しか存在しないため、リッジ導波路型光素子の劣化の主
要因である膜の引っ張り応力等による面内ストレスが殆
どない。また、ポリイミドが電極に覆われ素子の表面に
露出しないため耐湿性に優れた構造が容易に得られる。
このため、素子の長期寿命も大きく改善できる。

【００１３】（３）素子の表面形状が完全に平坦化され
るため、これをジャンクションダウン実装した場合、リ
ッジ部とヒートシンクとが半田を介して完全に密着す
る。このため、本構造を半導体レーザに適用した場合、
高光出力時に発生するジュール熱を効率的にヒートシン
ク側に逃がすことができる。また、上記のリッジ両脇の
溝幅を十分狭くすることにより発光層であるリッジ部で
発生するジュール熱を効率的に素子表面に放出できる。
従って、本構造を用いるとレーザ高出力化の本質的な制
限要因である熱飽和を大きく低減できる。また、低価格
実装に必須である配線パターンを施したヒートシンク上
へのへのワイヤレスジャンクションダウン実装にも適用
できる。

【００１４】以上のようにリッジ装荷型光導波路の両脇
にリッジを形成するためのエッチング溝を設け、そのエ
ッチング溝にのみ半導体以外の物質を充填すること、お
よびエッチング溝の幅を最適な値に設計することによ
り、上記問題を解決し素子特性を飛躍的に向上できるこ
とを示した。

【００１５】上記原理を光増幅器、光変調器、光スイッ
チ、光検出器またはこれらのうち少なくとも二者を一体
集積した集積化光導波素子等に適用した場合においても
上記と全く同様の効果が得られることは言うまでもな
い。また、図１ではリッジ形状が逆メサの場合について
示したが従来型である順メサ形状、垂直メサ形状のリッ
ジ導波路に適用した場合においても上記と全く同様の効
果が得られることは言うまでもない。また、図１ではＩ
ｎＰ系半導体レーザについて示したが、ＧａＡｓ、Ｇａ
Ｎ、Ｓｉ等他の全ての半導体光導波路素子適用した場合
においても上記と全く同様の効果が得られることは言う
までもない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図３〜図７を用いて
説明する。

【００１７】（実施例１）図３（ａ）に示すように、ｎ
型（１００）ＩｎＰ半導体基板１１上に公知の手法によ
りＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）下側光ガイ
ド層０．１５μｍ、６．０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組
成波長１．３７μｍ）を井戸層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａ
ＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）を障壁層とする７周期
の多重量子井戸構造、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１
０μｍ）上側光ガイド層０．０５μｍからなる多重量子
井戸活性層１２、ｐ型ＩｎＰクラッド層２．０μｍ１
３、ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層０．２μｍ１４を図３
（ｂ）のように順次形成する。次に公知の手法によりキ
ャップ層１４をストライプ幅５．０μｍ、ストライプ両
脇の溝幅５μｍのストライプ構造に加工する。ここでス
トライプ方向は［０１１］とする。続いて、臭化水素酸
と燐酸の混合水溶液によるウェットエッチングを用い
て、図３（ｃ）に示すような（１１１）Ａ面を側壁にも
つ逆メサ断面形状のリッジ導波路を形成する。

【００１８】続いて公知の手法により図３（ｄ）のよう
に基板全面に厚さ０．１５μｍのシリコン酸化膜１５を
形成した後、ポリイミド樹脂１６を回転塗布しその後、
所定の熱処理を施す。次に図３（ｅ）に示すように、エ
ッチバック法を用いて溝部以外でシリコン酸化膜が露出
するまでポリイミド樹脂をエッチングする。次に図３
（ｆ）のようにフォトレジスト１７をリッジ部形成し、
リッジ上部のシリコン酸化膜１５を除去する。最後に公
知の手法により図３（ｇ）のとおり上部電極１８、下部
電極１９を形成した後、劈開工程により共振器長３００
μｍの素子に切り出した。後端面には反射率８０％の高
反射膜２０を公知の手法により形成した。図３（ｈ）は
完成素子の構造である。

【００１９】作製した素子の２５μｍφ金線での電極剪
断強度はの６ｇ以上と十分な電極の密着強度を確認し
た。また、室温、連続条件において発振波長は１．３μ
ｍ、発振しきい値８〜９ｍＡ、発振効率０．５０Ｗ／Ａ
と良好な発振特性を示した。また、８５℃の高温条件に
おいてもしきい値は１８〜２２ｍＡ、発振効率は０．３
５Ｗ／Ａ程度と良好であった。また、素子の長期信頼性
を８５℃の高温条件下で評価したところ１０万時間以上
に渡って安定な動作を示した。

【００２０】（実施例２）図４（ａ）,（ｂ）は実施例
１とほぼ同様な手法で波長１．４８μｍで発振する高出
力半導体レーザを作製した例である。活性層の横幅は
２．５、ストライプ両脇の溝幅は３．５μｍとし、１．
４８μｍ歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３１で発
生するジュール熱が効率的に放熱されるように設定し
た。共振器長１２００μｍの素子に切り出した後、前端
面には３％の低反射膜３２、後端面には反射率９０％の
高反射膜３３を公知の手法により形成した。素子を炭化
シリコンヒートシンク上にジャンクションダウンで実装
し評価したところ、室温、連続条件において発振しきい
値は約３５ｍＡ、発振効率０．４０Ｗ／Ａと良好な発振
特性を示した。また、印加電流６００ｍＡで光出力２０
０ｍＷを得た。また、良好な放熱構造を反映して熱飽和
の少ない電流−光出力特性を再現性良く得た。また、素
子の長期信頼性を５０℃の高温条件下で評価したところ
良好な素子特性を反映して５０万時間以上に渡って安定
な動作を示した。本素子をエルビウム添加ファイバ増幅
器の励起光源として用いることにより、雑音強度の低い
良好な光増幅特性を確認した。

【００２１】(実施例３）図５（ａ），(ｂ）は実施例１
とほぼ同様な手法で波長０．９８μｍで発振する高出力
半導体レーザを作製した例である。ｎ型（１００）Ｇａ
Ａｓ半導体基板４１上に公知の手法によりｎ型ＩｎＧａ
ＰまたはＡｌＧａＡｓバッファ層２．０μｍ４２、４０
ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長０．７７μｍ）を障
壁層、６．０ｎｍ厚の歪ＩｎＧａＡｓ（組成波長１．２
０μｍ）を井戸層とする単一量子井戸活性層４３、ｐ型
ＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓクラッド層２．０μｍ４
４、ｐ型ＧａＡｓキャップ層０．２μｍ４５を順次形成
する。次に実施例１と同様にキャップ層４５を活性層幅
２．５μｍ、ストライプ両脇の溝幅３．５μｍのストラ
イプ構造に加工し、０．９８μｍ歪ＩｎＧａＡｓ単一量
子井戸活性層４３で発生するジュール熱が効率的に放熱
されるように設定してある。共振器長１２００μｍの素
子に切り出した後、前端面には３％の低反射膜４６、後
端面には反射率９０％の高反射膜４７を公知の手法によ
り形成した。素子を炭化シリコンヒートシンク上にジャ
ンクションダウンで実装し評価したところ、室温、連続
条件において発振しきい値は約１５ｍＡ、発振効率０．
９０Ｗ／Ａと良好な発振特性を示した。また、印加電流
２５０ｍＡで光出力２３０ｍＷを得た。また、良好な放
熱構造を反映して熱飽和の少ない電流−光出力特性を再
現性良く得た。また、素子の長期信頼性を５０℃の高温
条件下で評価したところ良好な素子特性を反映して５０
万時間以上に渡って安定な動作を示した。本素子をエル
ビウム添加ファイバ増幅器の励起光源として用いること
により、雑音強度の低い良好な光増幅特性を確認した。

【００２２】（実施例４）図６（ａ），(ｂ)は実施例１
とほぼ同様な手法で光変調器集積分布帰還型レーザを作
製した例である。図において、基板の一部分に一定周期
２４０．５ｎｍの回折格子５１が形成された（１００）
ｎ−ＩｎＰ基板５２上に公知の手法により１．５５μｍ
帯分布帰還型レーザ活性層と電界吸収型光変調器光吸収
層との集積構造を形成する。次に、ｐ型ＩｎＰクラッド
層２．０μｍ５５、ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層０．２
μｍ５６を基板全面に形成する。

【００２３】次に実施例１と同様の手法によりキャップ
層５９をストライプ下側幅２．０μｍのストライプ構造
に加工し、リッジ形状をポリイミド樹脂膜により平坦化
する。最後に電極工程の後、劈開工程により素子長６０
０μｍの素子に切り出し、前端面には反射率０．１％の
反射防止膜５７、後端面には反射率９０％の高反射膜５
８を公知の手法により形成し光変調器集積分布帰還型レ
ーザを作製する。

【００２４】作製した素子は室温、連続条件においてし
きい値１５〜２０ｍＡ、発振効率０．１５Ｗ／Ａと良好
な発振特性を示した。また、リッジ幅の狭窄化を反映し
て２０ＧＨｚの変調帯域が得られた。また、本素子を用
いて毎秒１０Ｇｂ／ｓの光伝送を行い伝送後の信号品質
劣化のない良好な伝送特性を確認した。

【００２５】（実施例５）図７（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,
（ｄ）は実施例１とほぼ同様な手法で出射ビームを拡大
した機能を有する波長１．３０μｍ帯半導体レーザを作
製した例である。出射ビームスポット拡大の目的から図
に示すように多重量子井戸活性層６１の層厚は公知の手
法により出射部で薄く設計されている。また、活性層幅
となるリッジの横幅は２．５μｍから出射部で５．０μ
ｍまでテーパ状に拡大されている。ストライプ両脇の溝
幅は３．５μｍである。共振器長５００μｍの素子に切
り出した後、後端面には反射率９０％の高反射膜２０を
公知の手法により形成した。ワイヤレス実装が必須な低
価格実装のため本素子をシリコンヒートシンク上にジャ
ンクションダウンで実装し評価したところ、室温、連続
条件において発振しきい値は約７〜９ｍＡ、発振効率
０．４５Ｗ／Ａと良好な発振特性を示した。また、８５
℃の高温条件においてもしきい値は１８〜２２ｍＡ、発
振効率は０．３５Ｗ／Ａ程度と良好であった。一方、出
射端でのビームスポットは約３．５μｍであり本素子を
平坦端面形状のファイバと結合させたところ、結合損失
５ｄＢ以下を水平方向の合わせ精度誤差±３μｍで実現
した。さらに、素子の長期信頼性を８５℃の高温条件下
で評価したところ１０万時間以上に渡って安定な動作を
示した。本素子を加入者系光通信システムの低コストモ
ジュールの光源として用いることにより、高温時の特性
劣化の少ない発振特性、位置合わせ許容誤差の大きなフ
ァイバ結合特性を反映して良好な特性を確認した。

【００２６】上記実施例ではリッジ形状が逆メサの場合
について示したが従来型である順メサ形状、垂直メサ形
状のリッジ導波路に適用した場合においても上記と全く
同様の効果が得られることは言うまでもない。また、上
記実施例ではＩｎＰ系半導体レーザについて示したが、
ＧａＡｓ、ＧａＮ、Ｓｉ等他の全ての半導体光導波路素
子適用した場合においても上記と全く同様の効果が得ら
れることは言うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子よれば、信
頼性の高く、且つ高出力動作に優れたリッジ装荷型光導
波路素子を容易な手法で実現できる。本発明を用いれ
ば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでな
く、この素子を適用した光通信システムの大容量化、長
距離化を容易に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するための図。

【図２】従来の技術を説明するための図。

【図３】本発明の実施例を説明するための図。

【図４】本発明の実施例を説明するための図。

【図５】本発明の実施例を説明するための図。

【図６】本発明の実施例を説明するための図。

【図７】本発明の実施例を説明するための図。

【符号の説明】

１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、２…ＩｎＧａＡ
ｓＰ多重量子井戸活性層、３…ｐ型ＩｎＰクラッド層、
４…ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層、５…シリコン酸化
膜、６…上部電極、７…ポリイミド樹脂膜、８…下部電
極、１１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１２…多
重量子井戸活性層、１３…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１４
…ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層、１５…シリコン酸化
膜、１６…ポリイミド樹脂膜、１７…フォトレジスト、
１８…上部電極、１９…下部電極、２０…高反射膜、３
１…１．４８μｍ歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造、
３２…低反射膜、３３…高反射膜、４１…ｎ型（１０
０）ＩｎＰ半導体基板、４２…ＩｎＧａＰまたはＡｌＧ
ａＡｓバッファ層、４３…０．９８μｍ歪ＩｎＧａＡｓ
単一量子井戸活性層、４４…ｐ型ＩｎＧａＰまたはＡｌ
ＧａＡｓクラッド層、４５…ｐ型ＧａＡｓキャップ層、
４６…低反射膜、４７…高反射膜、５１…回折格子、５
２…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、５３…１．５５
μｍ帯分布帰還型レーザ活性層、５４…電界吸収型光変
調器光吸収層、５５…ｐ型ＩｎＰクラッド層、５６…ｐ
型ＩｎＧａＡｓキャップ層、５７…反射防止膜、５８…
高反射膜、６１…層厚変調多重量子井戸活性層。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に形成されたリッジ装荷型光
   導波素子においてリッジ部の両脇にリッジを形成するた
   めのエッチング溝を有し、該エッチング溝にのみ半導体
   以外の物質が充填されていることを特徴とする導波路型
   光素子。
2. 【請求項２】リッジ導波路に電流または電圧印加のため
   の電極構造を有し且つボンディングパッド電極下に該充
   填物質が存在しないことを特徴とする請求項１記載の導
   波路型光素子。
3. 【請求項３】ボンディングパッド電極下に無機絶縁膜を
   有することを特徴とする請求項２記載の導波路型光素
   子。
4. 【請求項４】リッジ両側のエッチング溝の横幅が２μｍ
   以上４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至
   ３のいずれかに記載の導波路型光素子。
5. 【請求項５】リッジ両側のエッチング溝の充填物質がポ
   リイミド樹脂であることを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれかに記載の導波路型光素子。
6. 【請求項６】リッジ両側の側壁が（１１１）Ａ結晶面で
   あることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載
   の導波路型光素子。
7. 【請求項７】リッジ両側の側壁が（０１−１）結晶面で
   あることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載
   の導波路型光素子。
8. 【請求項８】リッジ両側の側壁が順メサ形状を有するこ
   とを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の導波
   路型光素子。
9. 【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の導波路
   型光素子を基本導波構造としたレーザ、光増幅器、光変
   調器、光スイッチ、光検出器またはこれらのうち少なく
   とも二者を一体集積した集積化光導波素子。