JPH09331106A - 半導体光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
する際、すべての量子井戸のPLスペクトルのピーク波
長を一致させることができる選択成長法を提供する。 【解決手段】 選択成長で多重量子井戸(MQW)6を
成長する際、成長位置に対する成長レート増加率を考慮
し、MQW6の各層の成長時間を変調させることで、各
量子井戸の層厚を等しくすることができ、各量子井戸の
PLピーク波長を等しくすることが可能となる。この成
長法を用いれば、選択成長でMQWを作製する場合、す
べての量子井戸層のPLピーク波長を一致させることが
できるため、利得を必要とするような半導体デバイス、
例えば、半導体レーザ,半導体光増幅器,光変調器等を
作製する上で非常に有効である。
Description
造方法に関する。
ける、ストライプ状誘電体マスクを用いた選択成長は、
誘電体マスクの幅を変えることのみで、誘電体マスクに
挾まれた成長領域に成長される半導体結晶の組成及び層
厚を変化させることができるため、光集積素子等を作製
する基本技術として研究が盛んに行われている。
電体マスクのパターンを示す模式図である。従来の選択
成長法では、InP等の半導体基板1上に、幅1.5μ
mの成長領域2を挾んで対向する一対のストライプ状薄
膜の誘電体マスク5を形成し、MOVPEを用いて、I
nGsAsP等の四元結晶を成長領域2に選択的に成長
させる。このとき、成長される結晶組成波長、及び結晶
層厚は、前記誘電体マスク5の幅を変えることのみで制
御でき、半導体レーザ,光変調器,光増幅器等の光素子
を集積した光集積素子を一括形成できるため、光集積素
子の作製法として非常に有望である。参考文献として
は、例えば、(報告例1)ジャーナルオブクリスタルグ
ロース(JCG),第132巻,第435頁−第443
頁,1993年が挙げられる。
り広い場合に、成長領域2に成長される量子井戸構造の
バンドギャップ波長が、より長波長側にシフトする。例
えば、図6(a)の誘電体マスク5を用いて多重量子井
戸(MQW)を結晶成長すると、マスク幅の広い領域a
の量子井戸バンドギャップ波長を1.55μmとし、マ
スク幅の狭い領域bの量子井戸バンドギャップ波長を
1.48μmとすることができ、領域aを半導体レーザ
に、領域bを光変調器とすることで、簡単に半導体レー
ザ/光変調器集積化光源が作製できる。図6(b)中、
6は多重量子井戸層,14,15は光閉じ込め層,16
はクラッド層である。
mの狭幅の成長領域への選択成長で光集積素子の心臓部
である活性層の多重量子井戸層(MQW)6を成長する
場合、図6(b)に示すように、各量子井戸層6の層厚
は、上層になるにしたがって厚くなり、量子井戸バンド
ギャップ波長も長波長側へシフトするという問題があっ
た。
ッセンス(PL)ピーク波長が異なり、活性層全体とし
てのPLスペクタルの半値幅を十分に狭くできなかっ
た。これは、半導体レーザの活性層の単位注入電流あた
りの利得の低下を招き、たとえレーザの共振器等の構造
を最適化した光集積素子であっても、その特性を十分に
発揮させることができなかった。
たストライプ状誘電体薄膜に挾まれた、光導波路領域
へ、半導体多重量子井戸構造を選択的に結晶成長する工
程を含む半導体光素子の製造方法において、前記多重量
子井戸構造を成長する際、各量子井戸層の成長時間、又
は原料ガス流量を変調させ、すべての量子井戸のPLス
ペクトルのピーク波長を一致させることができる選択成
長法を提供することにある。
め、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、半導体基
板上に形成されたストライプ状誘電体薄膜に挾まれた光
導波路領域へ、半導体多重量子井戸構造を選択的に結晶
成長する工程を含む半導体光素子の製造方法であって、
前記多重量子井戸構造を成長する際、各量子井戸層の成
長時間を異ならせるものである。
は、半導体基板上に形成されたストライプ状誘電体薄膜
に挾まれた光導波路領域へ、半導体多重量子井戸構造を
選択的に結晶成長する工程を含む半導体光素子の製造方
法であって、前記多重量子井戸構造を成長する際、各量
子井戸層の原料ガス流量を異ならせるものである。
る。
板に最も近い最下層が最も長く、上層になるに従って短
くなるものである。
体基板に最も近い最下層が最も多く、上層になるに従っ
て、少なくなるものである。
時に用いるIII族原料種が、Ga,In、またはAl
を含む有機金属であり、V族原料種が、As,P、また
はNを含んでいるものである。
原理について説明する。図1に、InP基板1上に幅3
0μmの誘電体マスク5を用い、1.5μm幅の成長領
域2へ、組成波長1.46μmのInGaAsP層を選
択成長した場合のInP基板1に対して垂直方向の位置
に対する成長レート増加率(誘電体マスク5を用いない
InP基板1に全面成長したときの成長レートを基準と
している。)の実験結果を示す。成長条件としては、温
度635度,圧力150torrを用いた。この実験結
果から垂直方向の成長位置が高くなるにしたがって、成
長レートが増加していることを見いだした。
InGaAsP層の断面が台形状となるために、InG
aAsP層の成長位置が垂直方向に高くなるにつれて、
実質的な成長領域幅が狭くなっていくことが原因と考え
られる。つまり、In,Ga等の原料種の供給量が一定
であるにもかかわらず、成長領域幅が狭くなるために、
単位面積当たりの原料供給量が増えて、垂直方向の成長
レートが増加するのである。
7nm,バリア厚12nm)の成長位置をInP基板1
から0.2μmの位置とすると、各層を同じ成長時間で
最上層まで成長した場合、最上層のウエル厚は、最下層
のウエル厚より14%も厚くなる。このことから、成長
位置に対する成長レート増加率を考慮し、MQW各層の
成長時間、又は成長流量を変調させることで、各量子井
戸の層厚を等しくすることができ、各量子井戸のPLピ
ーク波長を等しくできることを見いだした。
間の変調例を、また図2(a)と同じ効果がある別の方
法として、図2(b)に原料ガス流量を変調させた場合
の変調例を示す。そして、この成長時間、又は原料ガス
流量の変調法を適用した場合の、InGaAsPウエル
(組成波長1.46μm+圧縮歪0.7%)/InGa
AsPバリア(組成波長1.25μm)の7層MQWの
PL半値幅の励起強度依存性を図2(c)に示す。
いない従来の選択成長を適用した場合のMQWのPL半
値幅の実験結果も示す。同じ励起強度の場合、従来の選
択成長のPL半値幅に比べて、本発明の成長時間、又は
成長流量の変調法を適用した選択成長で作製したMQW
のPL半値幅は、10meVも狭いものが得られ、本発
明の有効性が確認された。
図5を用いて製造工程順に説明する。
布帰還型(DFB)半導体レーザ/光変調器集積化光源
に適用した場合を光導波路に沿って断面した斜視図であ
る。
11上の活性領域に、干渉露光法等を用いて深さ30n
mの回折格子12を形成する。この回折格子12が形成
された基板上へ、図3(b)に示すように<011>方
向に、SiO2成長阻止マスク13を、マスク幅が活性
領域で30μm,受動領域で20μmとなるようにパタ
ーン化し、1.5μm幅の成長領域2を挾んで対向する
ように形成する。
に、n−InGaAsP光閉じ込め層14(活性領域で
の組成波長1.2μm)を選択成長し、InGaAsP
ウエル/InGaAsPバリアの7層多重量子井戸層6
を、本発明の成長時間変調法(図2(a))を用いて選
択成長する。
め層15,p−InPクラッド層16を選択成長する。
このとき、7層多重量子井戸層6のPLピーク波長は、
活性領域で1.55μm,受動領域で1.48μmとな
るように設定されている。
成長領域2の幅を6μmに広げ、成長阻止マスク13の
マスク幅を前領域で4μmになるように再度形成し、こ
のマスク13を用いてp−InP埋め込み層17(層厚
2μm)を選択成長する。
入のための窓を形成した後、上部電極19,下部電極2
0を通常のスパッタ法等により形成して、活性領域をD
FBレーザに、受動領域を光変調器として用い、へき開
後両端面を低反射コーティングすることで、DFBレー
ザ/光変調器集積化光源を得ることができた。
化光源(DFBレーザ部300μm,光変調器部300
μm)は、レーザ特性が、発振しきい値電流で従来の1
/2,効率は1.5倍になり、従来、両端面劈開の状態
で室温25℃で光出力20mW程度で光出力の飽和が生
じていたものが、光出力30mWまで出力飽和のない特
性を達成することができた。
ポットサイズ変換器集積化半導体レーザに適用した断面
斜視図である。
11上に、図4(b)に示すように<011>方向に、
SiO2成長阻止マスク13を、マスク幅が活性領域で
50nμm,受動領域で4μmとなるようにパターン化
し、1.5μm幅の成長領域2を挾んで対向するように
形成する。
1上に、n−InGaAsP光閉じ込め層14(活性領
域での組成波長1.12μm)を選択成長し、InGa
AsPウエル/InGaAsPバリアの7層多重量子井
戸層6を本発明である成長時間変調法(図2(a))を
用いて選択成長する。
め層15,p−InPクラッド層16を選択成長する。
このとき、7層多重量子井戸層6のPLピーク波長は、
活性領域で1.3μm,受動領域で1.18μmとなる
ように設定されている。
長領域2の幅を6μmに広げ、成長阻止マスク13のマ
スク幅を全領域で2μmになるように再度形成し、この
マスクを用いてp−InP埋め込み層17(層厚2μ
m)を選択成長する。
注入する活性領域にのみSiO2膜18に窓を開けた
後、上部電極19,下部電極20を通常のスパッタ法等
により形成する。受動領域は、光導波路厚が光出力端に
向かってテーパー状に薄くなるため、光のスポットサイ
ズ変換器として機能する。
化光源(活性領域200μm,スポットサイズ変換器部
400nm)は、従来の一定の成長時間で成長したMQ
W構造を有するレーザに比べ、レーザ特性が、発振しき
い値電流で従来の1/2,効率は1.3倍になり、従
来、端面に、前方低反射率,後方高反射率のコーティン
グを施した状態で室温25℃で片側光出力60mW程度
で光出力の飽和が生じていたものが、光出力100mW
まで出力飽和のない特性を達成することができた。
発光レーザに適用した場合を示す断面斜視図である。
板21上に、図5(b)に示すように、SiO2成長阻
止マスク13を、内径(開口部:成長領域)が5μm,
外形が20μmとなるように形成する。
に、n−AlAs/GaAsのDBR構造22,層厚2
40nmのGaAsP光閉じ込め層23,InGaAs
(層厚8nm)/GaAs(層厚12nm)の3層MQ
W層24,層厚240nmのGaAs光閉じ込め層2
3,p−AlAs/GaAsのDBR構造25を選択成
長によって形成する。このとき、基板の垂直方向位置に
対するGaAs,AlAs等混晶の成長レート変化率を
考慮した、本発明の成長時間変調を取り入れることで、
n−AlAs/GaAsのDBR構造22の各周期,3
層MQW層24の各量子井戸の層厚,p−AlAs/G
aAsのDBR構造25の各周期を一致させる。
埋め込み、電流注入のための窓を形成した後、上部電極
19,下部電極20を通常のスパッタ法等により形成し
て、面発光レーザを得ることができた。こうして作製し
た共振器長5μmの面発光レーザは、レーザ特性が、発
振しきい値電流で従来の1/4,効率は1.5倍になっ
た。
の材料、例えばInGaAsN/GaAs系,Al系等
の材料を用いた選択成長においても有効である。
るすべての半導体デバイスにおいても有効である。尚、
本発明の実施形態では、成長領域の幅が1.5μmのス
トライプ、及び直径5μmの円領域への選択成長につい
て述べたが、成長領域の幅、及び径が更に大きな場合で
も、本発明は有効である。但し、成長領域の幅、及び径
が10μmを越えると、従来技術の問題である井戸層の
ばらつきは軽減されていくため、本発明は選択成長領域
幅、又は径が10μm以下のときに、特に有効である。
択成長により、多重量子井戸を作製する場合、すべての
量子井戸層のPLピーク波長を一致させることができる
ため、利得を必要とするような半導体デバイス、例え
ば、半導体レーザ,半導体光増幅器,光変調器等を作製
する上で非常に有望である。
うな場合にも、共振器の周期をすべて一致させることが
できるため、回折効率の高い共振器を実現できるという
利点も有する。
の断面斜視図、(b)はマスクを示す平面図である。
の断面斜視図、(b)はマスクを示す平面図である。
の斜視図、(b)はマスクを示す平面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成されたストライプ状
誘電体薄膜に挾まれた光導波路領域へ、半導体多重量子
井戸構造を選択的に結晶成長する工程を含む半導体光素
子の製造方法であって、 前記多重量子井戸構造を成長する際、各量子井戸層の成
長時間を異ならせることを特徴とする半導体光素子の製
造方法。 - 【請求項2】 半導体基板上に形成されたストライプ状
誘電体薄膜に挾まれた光導波路領域へ、半導体多重量子
井戸構造を選択的に結晶成長する工程を含む半導体光素
子の製造方法であって、 前記多重量子井戸構造を成長する際、各量子井戸層の原
料ガス流量を異ならせることを特徴とする半導体光素子
の製造方法。 - 【請求項3】 光導波路領域幅が10μm以下であるこ
とを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体光素子の
製造方法。 - 【請求項4】 各量子井戸層の成長時間は、半導体基板
に最も近い最下層が最も長く、上層になるに従って短く
なることを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子の
製造方法。 - 【請求項5】 各量子井戸層の原料ガス流量は、半導体
基板に最も近い最下層が最も多く、上層になるに従っ
て、少なくなることを特徴とする請求項2に記載の半導
体光素子の製造方法。 - 【請求項6】 半導体基板がInPであり、結晶成長時
に用いるIII族原料種が、Ga,In、またはAlを
含む有機金属であり、V族原料種が、As,P、または
Nを含んでいることを特徴とする請求項1,2,3,4
又は5に記載の半導体光素子の製造方法。
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