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JPH0636457B2 - 半導体レ−ザを組み込むモノリシツク集積光学デバイスの製造方法およびこの方法によつて得られたデバイス - Google Patents

半導体レ−ザを組み込むモノリシツク集積光学デバイスの製造方法およびこの方法によつて得られたデバイス

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JPH0636457B2
JPH0636457B2 JP60501399A JP50139985A JPH0636457B2 JP H0636457 B2 JPH0636457 B2 JP H0636457B2 JP 60501399 A JP60501399 A JP 60501399A JP 50139985 A JP50139985 A JP 50139985A JP H0636457 B2 JPH0636457 B2 JP H0636457B2
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layer
substrate
optical device
laser
monolithic integrated
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メニゴ−，ルイ
カレンコ，アレー
サンソネツテイ，ピエール
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Publication of JPH0636457B2 publication Critical patent/JPH0636457B2/ja
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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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
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
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    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は「光回路」の製造方法に関するものである。一
般に、この用語は増幅器媒体、光共振器を形成する手段
および増幅器媒体から励起された光放射を抽出して外部
および光検出器や電気光学変調器の如き他の種々の構成
要素に案内することを可能とする半導体層を有するデバ
イスを指している。このようなデバイスは、光遠隔通信
に使用される。
本発明はこのような回路をモノリシック集積化すること
を目的とし、すなわち個別に製造された種々の構成要素
を組み立てるのではなく、種々の構成要素を製造するた
めの共通の技術を要求するものである。
背景技術 半導体レーザのモノリシック集積化における困難の一つ
に、増幅器媒体を構成する活性層と結合してコヒーレン
ト光を生成する共振器の製造がある。従来、イオンまた
は化学的作用あるいは機械加工による２つのミラーの製
造、活性層の外部または活性層の内部に設けられる回折
格子型の周期構造を使用するなどの解決策が採られてい
る。
モノリシック集積化における他の問題は、活性層から発
生した光を光学的に案内することができる光透過層を具
備する必要があることである。活性層と光導波管との結
合は、レーザ構造を再び規定し直すことに通じる。
第１図ないし第４図は、これらの問題を更に詳細に示す
ものである。これらの図は、前記の問題の種々の解決策
を呈する幾つかの公知の構造を記載するものである。
第１図に示されるレーザは基板１０、第１閉じ込め層１
１、活性層１２、第２閉じ込め層１３、接点層１４、第
１オーミック接点を形成する金属層１５および基板裏面
にあり第２オーミック接点を形成する金属層１６から構
成される。透明絶縁層１７は、構造体の縁部を被覆す
る。光導波管１８は、レーザの両側に配置される。主要
部の組成および層厚は、例えば以下のようにすることが
できる。
１５：Ｃｒ−Ａｕ １４：ｐ＋ＧａＡｓ １μｍ １３：ｐ＋Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ ２μｍ １２：ｐ＋ＧａＡｓ−Ｓｉ １μｍ １１：ｎ＋Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ ２５μｍ １０：ｎ＋ＧａＡｓ １６：Ａｕ−Ｓｎ １７：ＳｉＯ２ １８：ｎ−ＧａＡｓ １２μｍ この公知の構造体は、１９７５年８月１５日発行のアプ
ライド・フィジックス・レターズ、第２７巻、第４号第
２４１〜２４３頁に発表されたシー・イー・ハーウィッ
ツ等による「集積ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓダブルヘテロ
構造レーザ」と題された論文中に記載されている。
第２図に示された構造体もまた活性層が結合された光導
波管を備えるが、しかしそれは分「布ブラッグ・リフレ
クタを備えた集積ツインガイドレーザ」あるいその略称
である「ＤＢＲ−ＩＴＧレーザ」と呼ばれる構造を採
る。
図示のごとくレーザは、ｎ型ＩｎＰ基板３０、ＧａｕＩ
ｎ1-u ＡｓｖＰ1-v （ｕおよびｖ＜１）からなる層２
８、ｎ型ＩｎＰ閉じ込め層２６、ＧａｘＩｎ1-x Ａｓｙ
Ｐ1-y （ｘおよびｙ＜１）からなる活性層３１、ｐ型Ｇ
ａＩｎＡｓＰ層３２、ｐ型ＩｎＰ層３５、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ接点層３６およびＡｕ層４０から構成される。回折格
子は、分離層２６上に形成される。電気的絶縁層は、Ｓ
ｉＯ２層２４により形成される。
このような構造体は、１９８０年６月５日発行のエレク
トロニクス・レターズ、第１６巻、第１２号に発表され
たケイ・ウタカ等による「複数の一次分布ブラッグ・リ
フレクタを有する１．５〜１．６μｍＧａＩｎＡｓＰ／
ＩｎＰ集積ツイン・ガイドレーザ」と題された論文中に
記載されている。
各層の屈折率は図面の左方部に示されている。層２８の
屈折率は、隣接する層２６および３０の屈折率よりも大
きく、層２８中に光を案内するのに好都合である。
また知られているように、レーザの回折格子は増幅器媒
体の両端部にではなく、該増幅器媒体に沿って分布させ
ることができ、その場合分布帰還型あるいはＤＦＢレー
ザとなる。
かかるデバイスは、第３図に示される。このデバイス
は、ｎ型ＧａＡｓ基板７０、ｎ型Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 Ａｓ
層７２、ｐ型ＧａＡｓ活性層７４、ｐ型Ｇａ0.8 Ａｌ
0.2 Ａｓ層７６、前記層７６上方にあり分布格子を形成
するｐ型Ｇａ0.93 Ａｌ0.07Ａｓ層７８、ｐ型Ｇａ0.7
Ａｌ0.3 Ａｓ層８０、活性層の上方にありＺｎ拡散によ
りｐ型にドープされたＧａ0.9 Ａｌ0.1 Ａｓ層８１およ
び導電層８３から構成される。発光は、レーザの活性層
の外部にあり非ドープのＧａ0.9 Ａｌ0.1 Ａｓ層８４が
上方にあるｐ型Ｇａ0.7 Ａｌ0.3 Ａｓ層８２を組み込ま
れた光導波管により導出される。
このような構造体は、１９７７年４月発光のアイ・イー
・イー・イー・ジャーナル・オブ・クァンタム・エレク
トロニクス、第ＱＥ−１３巻、第４号、第２２０〜２２
３頁に発表されたケイ・アイキ等による「分布帰還ダイ
オードレーザをモノリシック集積化した周波数多重光
源」と題された論文中に記載されている。
最後に、実質上同一の活性層９１および９３を有するレ
ーザ９０および光検出器９２を集積化した光デバイスを
第４図に示す。これらの層は、既述された原理により光
導波管９４に光学的に結合される。このような構造体
は、１９７９年２月発行のアイ・イー・イー・イー・ジ
ャーナル・オブ・クァンタム・エレクトロニクス、第Ｑ
Ｅ−１５巻、第２号、第７２〜８２頁に発表されたジェ
イ・エル・メルツ等による「湿式化学エッチングによる
ＧａＡｓ光集積回路」と題された論文中に記載されてい
る。
これら全ての方法は、活性層と光導波管との間のあまり
良くない結合（第２図および第４図の変形例）や複数の
エピタキシ作業を必要とする（第１図および第３図の変
形例）等の欠点がある。
発明の開示 本発明は、これらの欠点を除去することを目途とする。
そのために本発明は、単一エピタキシ作業のみで活性層
と光導波管として機能する層の間を良好に結合する方法
を提供するものである。
本発明は、特に、基板上にエピタキシにより半導体層を
積層することにより少なくとも一つの半導体レーザと光
導波管とを組み込んでなるモノリシック集積光学デバイ
スの製造方法において、 基板に２つの異なる高さレベル、すなわち下方レベルと
上方レベルとからなり段差（ｈ）を有する少なくとも一
つの段部を形成し、 基板上に単一気相エピタキシ法により第１閉じ込め層、
レーザからの放射光を透過する光透過性物質からなる案
内層、第２閉じ込め層、活性層、第３閉じ込め層および
接点層を連続して堆積するとともに、 光透過性物質をその屈折率が該光透過性物質に隣接する
閉じ込め層の屈折率よりも大きくなるように選択し、 かつ前記活性層の中間面と前記案内層の中間面との間の
距離（ｄ）と基板段部の段差（ｈ）とが等しく、しかも
基板の下方レベル上に形成された下方積層の活性層が基
板の上方レベル上に形成された上方積層の案内層と同一
レベルとなるように設定し、レーザを構成する前記下方
積層の活性層の面内から発せられた光を光導波管として
作用する前記上方積層の案内層を貫通させて案内させる
ことを特徴とする半導体レーザを組み込むモノリシック
集積光学デバイスの製造方法に関する。
この方法は、従来技術に関連して既述された考察に従っ
て、使用される共振器の形式（加工ミラー、活性層外部
の回折格子）や得られる最終構造（レーザと光検出器と
の結合等）により種々の変形例を有することができる。
本発明はまた、基板上に形成されたエピタキシャル積層
体からなる少なくとも一つの半導体レーザと光導波管と
を組み込んでなるモノリシック集積光学デバイスにおい
て、 ２つの異なる高さレベル、すなわち下方レベルと上方レ
ベルとからなり段差（ｈ）を有する少なくとも一つの段
部が形成された基板と、 前記基板上に連続して堆積された第１閉じ込め層、レー
ザからの放射光を透過する光透過性物質からなる案内
層、第２閉じ込め層、活性層、第３閉じ込め層および接
点層とから構成されるとともに、 前記光透過性物質は隣接する閉じ込め層の屈折率よりも
大きな屈折率を有し、 かつ前記活性層の中間面と前記案内層の中間面との間の
距離（ｄ）が基板段部の段差（ｈ）に等しく、しかも基
板の下方レベル上に形成された下方積層の活性層が基板
の上方レベル上に形成された上方積層の案内層と同一レ
ベルとなるように設定されており、レーザを構成する前
記下方積層の活性層の面内で発生したレーザ光が光導波
管として作用する前記上方積層の案内層を貫通して案内
されることを特徴とする半導体レーザを組み込むモノリ
シック集積光学デバイスに関する。
図面の簡単な説明 本発明を、限定されない実施例および添付図面を参照し
て以下に詳細に説明する。
第１図は、出力光導波管を有する加工面を備える既述し
たレーザを示す概略図、 第２図は、活性の外部に配置されかつ結合光導波管の上
方に位置する回折格子を備える既述したレーザを示す概
略図、 第３図は、出力ガイドを備える既述した分布反応レーザ
を示す概略図、 第４図は、光導波管により結合されたレーザおよび光検
出器を備えた既述の集積デバイスを示す概略図、 第５図は、本発明の方法を説明するための構造体の断面
図、 第６図は、リフレクタが格子である場合を示す本発明の
一実施例、 第７図は、レーザと光検出器または電気光学変調器とを
備える構造体を示す本発明の他の実施例である。
好適な実施例の詳細な説明 本発明の基本思想は、基板上の気相エピタキシ（有機金
属あるいは分子ジェットによる）層は基板形状に厳密に
追従して成長し、しかも異なる高さレベル間の遷移領域
はその組成において阻害されることがないという２つの
事実に基づくものである。
本発明において気相エピタキシのこれらの特性は、基板
の２つの段上に堆積された層の順序の変化をもたらし、
光を一方の層から他方の層に直接注入するために使用さ
れる、 そのためには、段の高さは層の活性領域が光透過層に面
するように選択されなければならない。光透過層がガイ
ド機能を有するためには、低い屈折率を有する２つの層
により囲まれるだけで十分である。例えば、当該層がＡ
ｌｘＧａ1-x Ａｓからなるならば、隣接層はｙ＞ｘの関
係を満足するＡｌｙＧａ1-y Ａｓから形成される。
各層の層厚および組成は、回路に求められる特性を基に
選択される。活性層から隣接層への微かな起伏による光
の移動（指向性カプラにおいて使用される効果）が無い
ようにあらゆる努力がなされなければならない。
第５図は、本発明による方法をその一般的な概念におい
て説明するものである。例えば、（００１）面ＧａＡｓ
半絶縁性基板１００上に、高さｈ（例えば１．５μｍ）
の段部１０２が化学的またはイオン加工により形成され
る。この段部は、例えば（１１０）面に平行な劈開面に
対して平行である。次いで、半導体層即ち、基板が半絶
縁性であるため回路の共通接点として作用する厚さ０．
５μｍの第１のｎ＋型ＧａＡｓ導電層１０４、ガイド用
光学的閉じ込め層して作用する厚さ３μｍのｎ型Ａｌ
0.25Ｇａ0.75Ａｓ層１０６、ガイドとして作用する厚さ
１μｍのｎ型Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層１０８、先行層お
よび後続層の光学的閉じ込め層として作用する厚さ１μ
ｍのｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ層１１０、レーザ用活性
層として作用する厚さ０．２μｍのＧａＡｓ層１１２、
活性層用閉じ込め層として作用する厚さ１．３μｍのｐ
型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ層１１４および厚さ０．５μｍ
のｐ＋型ＧａＡｓ接点層１１６が気相エピタキシによる
堆積される。
これにより２つの積層の半導体層、即ち低い基板レベル
上に堆積した下方積層１２０ｉ（第５図中左方部）およ
び高い基板レベル上に堆積した上方積層１２０ｓ（同図
右方部）が形成される。これら２つの積層は同一の化学
組成を有するが、両積層の各層のレベルは高さｈずつ変
位した状態となる。
層１０８、１１０および１１２は、層１０８の中間面お
よび層１１２の中間面との間の距離ｄが段部１０２の段
差ｈに等しくなるような層厚さを有する。従って、下方
積層１２０ｉの層１１２は上方積層１２０ｓの層１０８
と対向する。
第５図において、２つの積層１２０ｉと１２０ｓとの間
の挿入部分は所望の最終構造に依存するために明示して
いない。第６図は、層が連続してしかも基板段部として
採用された形状が非常に傾斜した領域で結合された場合
を示している。第７図は、２つの積層がチャンネルによ
り分離された他の実施例を示す。
第５図に戻り、ある用途においては上方積層１２０ｓの
層１１２、１１４および１１６が有用では無い場合があ
り、その場合にはそれらの層をエッチングにより除去で
きることは明確である。層１１４および１１６の層厚が
適当に選択されるならば、デバイスは平らな上面形状を
有する。
また部品、特に半導体レーザを製造するために下方積層
１２０ｉは通常の作業、例えば活性帯を画成するための
プロトン照射や層１１６上にオーミック接点を形成する
ための金属層の蒸着処理等が施される。
第５図の左方および右方に、各層の屈折率が示されてい
る。構造体の右方部においてガイド層として使用される
層１０８は、隣接する層１０６および１１０の屈折率よ
りも高い屈折率を有することが判る。
第６図は、基板１００が２つの段部１０２′、１０
２″、即ち下方レベル１２０ｉを取り囲む２つの上方レ
ベル１２０ｓ′および１２０ｓ″を有する変形例を示
す。この実施例によれば、層１１０はそのガイド特性に
ブラッグリフレクタの形成を可能とするような周期的変
調構造（１２５′、１２５″）が付与されるように適当
な処理が施される。得られる構造体は、最終的に中央発
光部（活性層１１２）および共振器を形成する２つの反
射部（１２０ｓ′、１２０ｓ″）から構成されるＤＢＲ
レーザである。
中央積層１２０ｉと２つの上方積層１２０ｓ′および１
２０ｓ″との間の段部により形成される急峻な中間面
は、中央部１２０ｉと末端部１２０ｓ′および１２０
ｓ″との間にミラーを形成することなく活性層１１２か
ら２つのガイドへの光の直接伝播を可能にする。
本発明による方法によれば、また当然のことながら第３
図に関連する原理に従って分布帰還構造体（ＤＢＲレー
ザ）を得ることも可能である。
最後に、第７図は２つの積層間の中間部が、チャンネル
１２１が形成するように通常のエッチングにより加工さ
れた変形例を示す。これによりミラー１２３が出現し、
他のミラー１２５が劈開により形成される。これは、一
方が加工により他方が劈開により形成された２つのミラ
ーを有するレーザとなり、レーザは外部光導波管に向け
て発光する。
第７図に示されるデバイスにより、必要ならば（ｐ型エ
ピタキシャル層の全部または一部がデバイスの２つの部
分のレベリングの間中保持されるならば）ショットキー
ダイオードまたはｐ−ｎ接合に逆バイアスをかけること
によりガイドを通過する光に電気光学的作用を与えるこ
とができる。
本発明による方法の主要部分が、単一エピタキシ作業の
可能性に基礎を置いていることは明らかである。記憶さ
れたデバイスと同様のデバイスを製造するために、幾つ
かの工程を採ることも可能であり、例えば、最初に基板
の一側にガイド構造を堆積し、次いで他側に増幅構造を
堆積して（２つの副構造体の整合における重要な問題に
関連する。）、その後構造体を被覆して横方向の閉じ込
めを確保することも可能である。しかしながら、このよ
うな方法では３つのエピタキシ作業を必要とする。本発
明によれば、単一エピタキシ作業により活性層とガイド
との間の整合を自動的行うことが可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メニゴ−，ルイ フランス、91440 ブ−レ・シユ−ル・イ ヴエツト、アヴニユ・デ・テイジユ−ル 85 (72)発明者 カレンコ，アレー フランス、92260 フオンタネー‐オー- ロゼ、アヴニユ・フオツホ68 (72)発明者 サンソネツテイ，ピエール フランス、95014 パリ、リユ・バジヨー 13 (56)参考文献 特開 昭58−216486（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上にエピタキシにより半導体層を積層
    することにより少なくとも一つの半導体レーザと光導波
    管とを組み込んでなるモノリシック集積光学デバイスの
    製造方法において、 基板に２つの異なる高さレベル、すなわち下方レベルと
    上方レベルとからなり段差（ｈ）を有する少なくとも一
    つの段部を形成し、 基板上に単一気相エピタキシ法により第１閉じ込め層、
    レーザからの放射光を透過する光透過性物質からなる案
    内層、第２閉じ込め層、活性層、第３閉じ込め層および
    接点層を連続して堆積するとともに、 光透過性物質をその屈折率が該光透過性物質に隣接する
    閉じ込め層の屈折率よりも大きくなるように選択し、 かつ前記活性層の中間面と前記案内層の中間面との間の
    距離（ｄ）と基板段部の段差（ｈ）とが等しく、しかも
    基板の下方レベル上に形成された下方積層の活性層が基
    板の上方レベル上に形成された上方積層の案内層と同一
    レベルとなるように設定し、レーザを構成する前記下方
    積層の活性層の面内から発せられた光を光導波管として
    作用する前記上方積層の案内層を貫通させて案内させる
    ことを特徴とする半導体レーザを組み込むモノリシック
    集積光学デバイスの製造方法。
  2. 【請求項２】前記第１閉じ込め層を蒸着する前に、半絶
    縁性基板上に導電層を蒸着することを特徴とする請求の
    範囲第１項に記載の半導体レーザを組み込むモノリシッ
    ク集積光学デバイスの製造方法。
  3. 【請求項３】前記上方積層および下方積層が同一高さと
    なるように、上方積層の上方に位置する層の全部あるい
    は一部をエッチングすることを特徴とする請求の範囲第
    １項に記載の半導体レーザを組み込むモノリシック集積
    光学デバイスの製造方法。
  4. 【請求項４】前記上方積層の案内層上の第２閉じ込め層
    に分布回折格子構造を付与することを特徴とする請求の
    範囲第１項に記載の半導体レーザを組み込むモノリシッ
    ク集積光学デバイスの製造方法。
  5. 【請求項５】基板上に形成されたエピタキシャル積層体
    からなる少なくとも一つの半導体レーザと光導波管とを
    組み込んでなるモノリシック集積光学デバイスにおい
    て、 ２つの異なる高さレベル、すなわち下方レベルと上方レ
    ベルとからなり段差（ｈ）を有する少なくとも一つの段
    部が形成された基板と、 前記基板上に連続して堆積された第１閉じ込め層、レー
    ザからの放射光を透過する光透過性物質からなる案内
    層、第２閉じ込め層、活性層、第３閉じ込め層および接
    点層とから構成されるとともに、 前記光透過性物質は隣接する閉じ込め層の屈折率よりも
    大きな屈折率を有し、 かつ前記活性層の中間面と前記案内層の中間面との間の
    距離（ｄ）が基板段部の段差（ｈ）に等しく、しかも基
    板の下方レベル上に形成された下方積層の活性層が基板
    の上方レベル上に形成された上方積層の案内層と同一レ
    ベルとなるように設定されており、レーザを構成する前
    記下方積層の活性層の面内で発生したレーザ光が光導波
    管として作用する前記上方積層の案内層を貫通して案内
    されることを特徴とする半導体レーザを組み込むモノリ
    シック集積光学デバイス。
  6. 【請求項６】前記第１閉じ込め層と半絶縁性基板との間
    に導電層を備えることを特徴とする請求の範囲第５項に
    記載の半導体レーザを組み込むモノリシック集積光学デ
    バイス。
  7. 【請求項７】前記上方積層および下方積層が同一高さと
    なるように、上方積層の上方に位置する層の全部あるい
    は一部をエッチングされていることを特徴とする請求の
    範囲第５項に記載の半導体レーザを組み込むモノリシッ
    ク集積光学デバイス。
  8. 【請求項８】前記下方積層は２つの上方積層間に延在
    し、下方積層の活性層から発せられた光は２つの上方積
    層の案内層を透過して案内されるとともに、上方積層の
    案内層の上に位置する第２閉じ込め層は分布回折格子構
    造を備えることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の
    半導体レーザを組み込むモノリシック集積光学デバイ
    ス。
  9. 【請求項９】前記下方積層はレーザを構成するととも
    に、エッチングにより形成されたチャンネルにより上方
    積層から分離されることを特徴とする請求の範囲第５項
    に記載の半導体レーザを組み込むモノリシック集積光学
    デバイス。
  10. 【請求項１０】前記上方積層は電気光学的機能、特に光
    検出または光変調機能を備えることを特徴とする請求の
    範囲第９項に記載の半導体レーザを組み込むモノリシッ
    ク集積光学デバイス。
JP60501399A 1984-03-30 1985-03-29 半導体レ−ザを組み込むモノリシツク集積光学デバイスの製造方法およびこの方法によつて得られたデバイス Expired - Lifetime JPH0636457B2 (ja)

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