JPS63186488A - 半導体集積発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、光フアイ
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ｒＤＢＲＪ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ｒＤＦＢ１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１上に発光導波路となるｎ　−１ｎＧ
ａＡｓＰ導波路Ａｓ外発光波長が約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　−Ｉｎ
ＧａＡｓＰキー１”７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　　ＩｎＧａＡ
ｓＰ導波路Ｎ２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５、　　ｐ−１ｎＰ層５及びｐ　−ＩｎＧａ
ＡｓＰ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　−１ｎＧａＡｓＰ導波
路Ａｓ外らなる発光導波路と外部導波路であるｎ−−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ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（ａｌ〜ｆｄ）は従来の集積発光素子の製造工程
ヲ示したものである。まず図（ａｌにおいてｎ　”　−
１ｎＰ基板１上にｎ　−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層２．　
ＩｎＧａＡｓＰ発光層３及びｐ−ＴｎＰ層５を気相エピ
タキシャル法などを用いて成長させる。（ｂｌ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
部分をエツチングにより除去する。図（Ｃ１にいて、Ｓ
ｉＮ膜４０を選択成長マスクとして、ｎ−−４ｎＧａＡ
ｓＰ導波路層４、　　ｎ−−１ｎＰＪｉｉ６及びｐ−１
ｎＰ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
−ＩｎＦ３とｐ　−１ｎＧａＡｓＰ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（ｂｌ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（Ｃ１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、ＤＦＢ　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Ｎ
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、両温波路の結合効率が
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からの光を効率
良く外部導波路に導（ことが可能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直接結合されている近傍で積
層さ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の詳細な説明する。

（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
る過程で生じる両翼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ｆａ）〜（Ｑｌ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２２発光層
３及びｐ−１ｎＰ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ツチングに
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（Ｃ１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をマクスとしてエツ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１０
μ工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−１ｎＰ層５とｐ−ＴｎＧａ
ＡｓＰ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。

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
　−１ｎＰ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、叶Ｂレーザ部分において単−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
を施しである。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である。また、キャップ層８は
ｎ　−１ｎＧａＡｓＰ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−−ＴｎＧａＡｓ
Ｐ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は無反射コーテイング膜であ
る。

なお、同−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発光層３系の材料を例にとって説
明したが、Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系やＡ　ＲＩｎ
ＧａＡｓ／ＴｎＰ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準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、両翼波路の
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
在のエツチング技術ではエツチング端面ば子端にならず
、両翼波路の結合部をエツチングすると外部導波路４が
エツ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問題も解消することがで
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アイバ通信、
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（ａｌ〜（ｄｌ
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（ａｌ〜（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−−［ｎＧａＡｓＰ導波路層、５−ｐ−１ｎＰ層、６
・−ｎ−−１ｎＰＩＪ、　　’７・・−ｐ　　ＩｎＧ３
八ｓＰへャップ層、８　・−・ｎ　−ＩｎＧａＡｓＰキ
ャップ層、　９−ｎ　−−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層、２
０．２１．２２゜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・・・無反射コーテイン
グ膜、１００　、１０１　、１０３・・・回折格子、１
０２・・・４分の１波長シフト部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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前記直接
   結合されている近傍で積層されていることを特徴とする
   半導体集積発光素子。
2. （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ように作用す
   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。