JP2932868B2 - 半導体光集積素子 - Google Patents
半導体光集積素子Info
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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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、特に
ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などの気相成長法を用いて形成
される半導体光集積素子に関する。
ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などの気相成長法を用いて形成
される半導体光集積素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光技術を用いた超高速大容量伝送および
情報処理が急速に進展しており、また一方ＭＯＶＰＥ法
など成長技術の進展により２Ｇｂ／ｓを超える超高速光
半導体素子や量子井戸構造素子、面発光型の半導体レー
ザ、光集積型の光半導体素子など様々な素子の研究開発
が活発に行なわれている。これら素子の開発には波長制
御や波面制御のため高度な回折格子の形成技術が不可欠
である。
情報処理が急速に進展しており、また一方ＭＯＶＰＥ法
など成長技術の進展により２Ｇｂ／ｓを超える超高速光
半導体素子や量子井戸構造素子、面発光型の半導体レー
ザ、光集積型の光半導体素子など様々な素子の研究開発
が活発に行なわれている。これら素子の開発には波長制
御や波面制御のため高度な回折格子の形成技術が不可欠
である。
【０００３】例えば、超高速光半導体素子としては分布
帰還型半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅ
ｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＦＢ ＬＤ）
や分布反射半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂ
ｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＢＲ
ＬＤ）などがある。特に高速直接変調時のもとでも安定
にブラッグ波長で単一軸モード発振が可能となるよう、
素子中央部でπ／２だけ光の位相をずらしたλ／４シフ
トＤＦＢ ＬＤが脚光を浴びている。この位相シフト構
造回折格子の作製にはフォトリソグラフィによる方法の
他、機械的に刻んだ原盤からレプリカを作製する方法な
どがあるが、これらの作製には高速の技術とノウハウを
要する。さらにＭ．Ｏｋａｉ等は、１９９１年米国にて
開催された光通信に関する国際会議ＯＦＣ’９１（Ｏｐ
ｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）のＷＭ３で回折格子ピッチ変
調（Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ Ｐｉｔｃｈ Ｍｏｄｕｌ
ａｔｅｄ）ＤＦＢ−ＬＤにおいて、通常の位相シフトＤ
ＦＢ ＬＤで問題となる空間的な電界分布の不均一（ス
ペーシャル・ホールバーニング）の改善について報告し
ている。
帰還型半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅ
ｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＦＢ ＬＤ）
や分布反射半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂ
ｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｄｉｏｄｅ：ＤＢＲ
ＬＤ）などがある。特に高速直接変調時のもとでも安定
にブラッグ波長で単一軸モード発振が可能となるよう、
素子中央部でπ／２だけ光の位相をずらしたλ／４シフ
トＤＦＢ ＬＤが脚光を浴びている。この位相シフト構
造回折格子の作製にはフォトリソグラフィによる方法の
他、機械的に刻んだ原盤からレプリカを作製する方法な
どがあるが、これらの作製には高速の技術とノウハウを
要する。さらにＭ．Ｏｋａｉ等は、１９９１年米国にて
開催された光通信に関する国際会議ＯＦＣ’９１（Ｏｐ
ｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）のＷＭ３で回折格子ピッチ変
調（Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ Ｐｉｔｃｈ Ｍｏｄｕｌ
ａｔｅｄ）ＤＦＢ−ＬＤにおいて、通常の位相シフトＤ
ＦＢ ＬＤで問題となる空間的な電界分布の不均一（ス
ペーシャル・ホールバーニング）の改善について報告し
ている。
【０００４】また、一般に回折格子には種々の複雑な光
波面変換機能をもたせることができるので、これをうま
く組み合わせることにより集積化が可能となる。このよ
うな回折格子の格子線は円形、曲線、不等周期など特殊
な形状となり、また特に集積化のため部分的に回折格子
を形成する場合などでは、そのパターン描画には従来コ
ンピュータ制御電子ビーム法など複雑かつ高度な技術が
必要であった。
波面変換機能をもたせることができるので、これをうま
く組み合わせることにより集積化が可能となる。このよ
うな回折格子の格子線は円形、曲線、不等周期など特殊
な形状となり、また特に集積化のため部分的に回折格子
を形成する場合などでは、そのパターン描画には従来コ
ンピュータ制御電子ビーム法など複雑かつ高度な技術が
必要であった。
【０００５】また結晶成長技術として近年、有機金属気
相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキー
（ＭＢＥ）法等の薄膜結晶成長技術の急速な進展に伴
い、単原子層の厚さの精度で急峻な組成変化を持った良
質な半導体ヘテロ接合界面が製作されるようになった。
これらヘテロ接合によって形成されるポテンシャル井戸
構造、超格子構造では電子の波動性に起因する特異な光
学特性、電気特性を有しておりデバイス応用への研究開
発が活発化している。最近、Ｏ．カイザーは１９９１年
のジャーナル・オブ・クリスタル・グロース誌第１０７
巻９８９−９９８頁（Ｏ．Ｋａｙｓｅｒ：Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１０７（１
９９１）９８９−９９８）でＳｉＯ2 をマスクとした場
合の選択成長について詳細に報告している。また、Ｔ．
カトー等は１９９１年の国際会議ＥＣＯＣ’９１（Ｅｕ
ｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉ
ｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）のＷｅＢ７−１で
上記の選択成長のメカニズムを応用した光変調器集積型
ＤＦＢ−ＬＤに関して報告している。
相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキー
（ＭＢＥ）法等の薄膜結晶成長技術の急速な進展に伴
い、単原子層の厚さの精度で急峻な組成変化を持った良
質な半導体ヘテロ接合界面が製作されるようになった。
これらヘテロ接合によって形成されるポテンシャル井戸
構造、超格子構造では電子の波動性に起因する特異な光
学特性、電気特性を有しておりデバイス応用への研究開
発が活発化している。最近、Ｏ．カイザーは１９９１年
のジャーナル・オブ・クリスタル・グロース誌第１０７
巻９８９−９９８頁（Ｏ．Ｋａｙｓｅｒ：Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１０７（１
９９１）９８９−９９８）でＳｉＯ2 をマスクとした場
合の選択成長について詳細に報告している。また、Ｔ．
カトー等は１９９１年の国際会議ＥＣＯＣ’９１（Ｅｕ
ｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉ
ｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）のＷｅＢ７−１で
上記の選択成長のメカニズムを応用した光変調器集積型
ＤＦＢ−ＬＤに関して報告している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし前述のような周
期変調や曲線、不等周期など特殊形状の回折格子の形成
は従来、高度の形成技術が必要であり、またその作製方
法も複雑なものであったため、複雑な回折格子と光半導
体素子とを組み込むような半導体光集積素子の形成は非
常に困難であった。
期変調や曲線、不等周期など特殊形状の回折格子の形成
は従来、高度の形成技術が必要であり、またその作製方
法も複雑なものであったため、複雑な回折格子と光半導
体素子とを組み込むような半導体光集積素子の形成は非
常に困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、回折格子を形
成した半導体基板上に半導体光導波路層を積層した導波
部と、発光部或いは受光部のうち少なくとも一方を集積
してなる半導体光集積素子において、上記光導波路層の
層厚あるいは屈折率の少なくとも一方を半導体基板面内
において変化させることを特徴とする。
成した半導体基板上に半導体光導波路層を積層した導波
部と、発光部或いは受光部のうち少なくとも一方を集積
してなる半導体光集積素子において、上記光導波路層の
層厚あるいは屈折率の少なくとも一方を半導体基板面内
において変化させることを特徴とする。
【０００８】
【作用】本発明では、回折格子を形成した半導体基板上
に積層した半導体光導波路層の層厚あるいは屈折率の少
なくとも一方を半導体基板面内において変化させること
によって、周期変調や特殊形状の回折格子を実現するも
のである。以下に、この原理について図を用いて説明す
る。
に積層した半導体光導波路層の層厚あるいは屈折率の少
なくとも一方を半導体基板面内において変化させること
によって、周期変調や特殊形状の回折格子を実現するも
のである。以下に、この原理について図を用いて説明す
る。
【０００９】図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は（ａ）
のＡＡ断面図である。図４（ｂ）のように一定周期の回
折格子７を形成したＩｎＰ半導体基板２０上に、ＳｉＯ
2 薄膜を形成後パターニングしてＳｉＯ2 マスク２２を
設ける。このＳｉＯ2 薄膜は結晶成長時のマスクとして
作用し、その幅を変化させることにより選択成長部２３
に成長する半導体層の層厚および組成を制御することが
できる。
のＡＡ断面図である。図４（ｂ）のように一定周期の回
折格子７を形成したＩｎＰ半導体基板２０上に、ＳｉＯ
2 薄膜を形成後パターニングしてＳｉＯ2 マスク２２を
設ける。このＳｉＯ2 薄膜は結晶成長時のマスクとして
作用し、その幅を変化させることにより選択成長部２３
に成長する半導体層の層厚および組成を制御することが
できる。
【００１０】図５（ａ）は、ＭＯＶＰＥ法を用いて上記
ＩｎＰ半導体基板２０上にＩｎＰに格子整合する成長条
件でＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：λg ＝１．
３μｍ）を成長させた場合を示す断面図である。この場
合、選択成長部２３内の領域ＩすなわちＳｉＯ2 マスク
２２の幅が狭い部分ではＳｉＯ2 マスク２２から十分離
れた成長部２４に比べその層厚は厚く組成は長波長（バ
ンドギャップは小）となり、同様に領域ＩＩすなわちＳ
ｉＯ2 マスク幅の広い部分では領域Ｉに比べ更に層厚は
厚く、また図５（ｂ）に示すように組成は長波長すなわ
ち屈折率は大きくなるため、領域Ｉおよび領域ＩＩにお
ける回折格子の実効的な周期は異なる。このようにして
マスクの幅や形状を変化させることにより任意の周期、
形状の回折格子を容易に形成することが可能となる。
ＩｎＰ半導体基板２０上にＩｎＰに格子整合する成長条
件でＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長：λg ＝１．
３μｍ）を成長させた場合を示す断面図である。この場
合、選択成長部２３内の領域ＩすなわちＳｉＯ2 マスク
２２の幅が狭い部分ではＳｉＯ2 マスク２２から十分離
れた成長部２４に比べその層厚は厚く組成は長波長（バ
ンドギャップは小）となり、同様に領域ＩＩすなわちＳ
ｉＯ2 マスク幅の広い部分では領域Ｉに比べ更に層厚は
厚く、また図５（ｂ）に示すように組成は長波長すなわ
ち屈折率は大きくなるため、領域Ｉおよび領域ＩＩにお
ける回折格子の実効的な周期は異なる。このようにして
マスクの幅や形状を変化させることにより任意の周期、
形状の回折格子を容易に形成することが可能となる。
【００１１】
【実施例】本発明について図面を参照して説明する。図
１および図２は本発明の第１の実施例の斜視図で、図１
は基板部分を、図２はこの基板を用いた面発光型光集積
素子を示している。図１に示すように、一定周期の回折
格子２を部分的に形成したＩｎＰ半導体基板１の上にＳ
ｉＯ2 マスク３，４を形成したものである。マスク３の
幅は回折格子の方法に沿って変化している。またマスク
４の幅はレーザを形成する部分５の両脇で広く、光導波
路形成部６で狭く形成されている。
１および図２は本発明の第１の実施例の斜視図で、図１
は基板部分を、図２はこの基板を用いた面発光型光集積
素子を示している。図１に示すように、一定周期の回折
格子２を部分的に形成したＩｎＰ半導体基板１の上にＳ
ｉＯ2 マスク３，４を形成したものである。マスク３の
幅は回折格子の方法に沿って変化している。またマスク
４の幅はレーザを形成する部分５の両脇で広く、光導波
路形成部６で狭く形成されている。
【００１２】その後、図２に示すように光導波路層７、
活性層８（選択成長部において１．５５μｍ組成のＩｎ
ＧａＡｓＰ、層厚：０．１２μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層９（選択成長部において層厚：０．２μｍ、キャリ
ア濃度：７ｘ１０17ｃｍ-3）を順次積層した。さらにＳ
ｉＯ2 マスクをレーザ部以外に形成し、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層１０（層厚は約０．２５μｍ、キャリア
濃度：８ｘ１０18ｃｍ-3）を積層した。このコンタクト
層１０と基板１の裏面に電極（図示せず）を設けて半導
体レーザを形成した。半導体レーザから出射した光は回
折格子によって回折され出射光１１となる。
活性層８（選択成長部において１．５５μｍ組成のＩｎ
ＧａＡｓＰ、層厚：０．１２μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層９（選択成長部において層厚：０．２μｍ、キャリ
ア濃度：７ｘ１０17ｃｍ-3）を順次積層した。さらにＳ
ｉＯ2 マスクをレーザ部以外に形成し、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層１０（層厚は約０．２５μｍ、キャリア
濃度：８ｘ１０18ｃｍ-3）を積層した。このコンタクト
層１０と基板１の裏面に電極（図示せず）を設けて半導
体レーザを形成した。半導体レーザから出射した光は回
折格子によって回折され出射光１１となる。
【００１３】このように、半導体レーザ、光導波路層と
回折格子を上記方法により一体化することによって、容
易に面発光型レーザを形成できた。なお、図には半導体
レーザ等は１個のみ示したが、複数個設けることによっ
て面発光型光集積素子が形成できる。
回折格子を上記方法により一体化することによって、容
易に面発光型レーザを形成できた。なお、図には半導体
レーザ等は１個のみ示したが、複数個設けることによっ
て面発光型光集積素子が形成できる。
【００１４】図３は、本発明の第２の実施例の集積型受
光素子を示す斜視図である。第１の実施例に示した方法
と同様な方法で部分的に一定周期の回折格子１５を形成
したＩｎＰ半導体基板１上に光導波路層１６を成長する
ことによって、複数の光導波路層において実効的に周期
の異なる回折格子１５を形成できる。これら光導波路の
端部に受光素子１７を同一の基板上に形成することによ
り波長選択性を有する集積型受光素子を形成した。
光素子を示す斜視図である。第１の実施例に示した方法
と同様な方法で部分的に一定周期の回折格子１５を形成
したＩｎＰ半導体基板１上に光導波路層１６を成長する
ことによって、複数の光導波路層において実効的に周期
の異なる回折格子１５を形成できる。これら光導波路の
端部に受光素子１７を同一の基板上に形成することによ
り波長選択性を有する集積型受光素子を形成した。
【００１５】以上の実施例はＩｎＰ系半導体を例に説明
したが、ＧａＡｓ系半導体においても有効である。
したが、ＧａＡｓ系半導体においても有効である。
【００１６】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば、
回折格子を形成した半導体基板上に半導体光導波路層を
積層した導波部と、発光部或いは受光部のうち少なくと
も一方を集積してなる半導体光集積素子において、上記
光導波路層の層厚あるいは屈折率の少なくとも一方を半
導体基板面内において変化させることにより、周期変調
や曲線、不等周期など複雑で特殊形状の回折格子等の形
成が容易である半導体光集積素子を実現できる。
回折格子を形成した半導体基板上に半導体光導波路層を
積層した導波部と、発光部或いは受光部のうち少なくと
も一方を集積してなる半導体光集積素子において、上記
光導波路層の層厚あるいは屈折率の少なくとも一方を半
導体基板面内において変化させることにより、周期変調
や曲線、不等周期など複雑で特殊形状の回折格子等の形
成が容易である半導体光集積素子を実現できる。
【図１】本発明の第１の実施例の基板部分を示す斜視図
である。
である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す斜視図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は本発明の作用を説明するため
の平面図およびＡＡ断面図である。
の平面図およびＡＡ断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明の作用を説明するため
の断面図と屈折率分布を示す図である。
の断面図と屈折率分布を示す図である。
１，２０ 半導体基板 ２，１５，２１ 回折格子 ３，４，２２ ＳｉＯ2 マスク ７ 光導波路層 ８ 活性層 ９ クラッド層 １０ コンタクト層 １６，２５ 光導波路 １７ 受光素子
Claims (2)
- 【請求項１】 回折格子を形成した半導体基板上に半導
体光導波路層を積層した導波部と、発光部或いは受光部
のうち少なくとも一方を集積してなる半導体光集積素子
において、前記光導波路層の層厚或いは屈折率の少なく
とも一方が、気相成長を用いた領域選択成長により、前
記回折格子の軸方向において変化していることを特徴と
する半導体光集積素子。 - 【請求項２】 複数の回折格子が形成された半導体基板
上に半導体光導波路層を積層した導波部と、発光部或い
は受光部のうち少なくとも一方が複数集積されてなる半
導体光集積素子において、前記光導波路層の層厚或いは
屈折率の少なくとも一方が、気相成長を用いた領域選択
成長により、前記複数の回折格子間で異なっていること
を特徴とする半導体光集積素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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