JP3941296B2 - 変調器と変調器付き半導体レーザ装置並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用に用いられる変調器と変調器付き半導体レーザ装置並びにその製造方法に係り、特に変調器の配線容量を少なくすることにより周波数特性を改善した変調器と変調器付き半導体レーザ装置並びにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた公衆通信網の普及には、半導体レーザの高性能化とこの半導体レーザを安価に製造することが重要である。
特に半導体レーザの高性能化には、情報量の増大に対応するためのレーザ光の高速変調が必須の要件である。このレーザ光の高速変調には、変調時の波長の変動を小さくして長距離の伝送を可能にするために、通常半導体レーザを一定強度で発振させておいて、電気信号により光の透過量をオン・オフできる変調器を通すことによって変調を行う外部変調方式が採用される。
【０００３】
この外部変調方式に使用される変調器の光の透過量のオン・オフは、変調器の吸収層に逆電界を印加することによるフランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果を用いることにより行われる。この周波数特性は変調器のＣＲ時定数に依存しているので、変調器の容量又は抵抗値を小さくすることが、変調器の周波数特性、つまり高速応答の成否を決める。
【０００４】
またこの外部変調方式では、変調器と半導体レーザとの光結合が難しくまた部品点数も多いことから高価になるというという難点があったが、この難点を克服する方法として、半導体レーザと変調器とをモノリシックに集積化した変調器集積型半導体レーザ装置の開発が行われている。この変調器集積型半導体レーザ装置においても同様に周波数特性は変調器のＣＲ時定数に依存しているので、変調器集積型半導体レーザ装置の変調器の容量又は抵抗値を小さくすることが、変調器集積型半導体レーザ装置の高速応答の成否を決める。
【０００５】
図１１は従来の変調器の斜視図である。また図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面の断面図である。
図１１において、２００は変調器、２２６は変調器メサ部、２２８は溝部である。
２１８は変調器電極、２２０は電極パッドで、電極パッド２２０は２２０ａのパッド電極、２２０ｂのパッド台座からなる。２２２は配線層で、パッド電極２２０ａと変調器電極２１８とを接続している。
２２４は裏面電極である。
【０００６】
図１２において、２０２はｎ型ＩｎＰ基板（以下、「ｎ型」を「ｎ−」で表す。「ｐ型」も同様に「ｐ−」で表す。）、２０４はｎ−ＩｎＰの下クラッド層、２０６は光吸収層、２０８はｐ−ＩｎＰの第１上クラッド層である。
２１０は電流ブロック層で、この電流ブロック層２１０は、ＦｅドープＩｎＰからなる下側の第１埋込層２１０ａ、ｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２１０ｂ、ＦｅドープＩｎＰ層からなる上側の第２埋込層２１０ｃで構成される。
【０００７】
２１２はｐ−ＩｎＰの第２上クラッド層、２１４はｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層、２１６は絶縁膜である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の変調器２００は上記のように構成されていて、変調器２００は次のように動作する。
変調器２００の光吸収層２０６の入射側端面にレーザ光Ｌ１を入力し、もう一方の端面である出射側端面から出力光Ｌ２を出力する。レーザ光Ｌ１を入力した際に、電極パッド２２０を介して変調器電極２１８と裏面電極２２４との間に逆バイアスの信号電圧を印加すると、フランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果により、光吸収層２０６の光の吸収係数が変化する。
【０００９】
即ち信号電圧を印加しないときには、入力光Ｌ１はそのまま光吸収層を通過し出力光Ｌ２が出射され、信号電圧が印加されると入力光Ｌ１は光吸収層２０６において吸収され出力光Ｌ２が出射されない。従って、入力される信号電圧に応じて、光がオン・オフされる。
そしてこの変調器２００の周波数特性は、変調器２００の容量に依存し、その容量は変調器メサ部２２６の容量と電極パッド２２０の容量と配線層２２２の容量の和となる。
【００１０】
電極パッド２２０と変調器メサ部２２６の間は、ワイヤボンディングの際に、変調器メサ部２２６上にワイヤを打って変調器メサ部２２６に損傷を与えることが無いように、例えば５０μｍ程度離す必要がある。
このため溝部２２８を設けて、電極パッド２２０と変調器メサ部２２６とを離隔しつつ、積層構造でつながっているよりも容量を小さくしている。
【００１１】
そして、これらの容量をわずかでも少なくすることによって高速光変調を行うことが可能となるため、不要な容量をできる限り、少なくすることが大切である。
従来の変調器２００の容量のうち、変調器メサ部２２６の容量は変調器メサ部２２６の幅をできるだけ狭くすることにより、光学的に必要な電流ブロック層２１０の幅を確保し、加工上の要請を満足しつつ容量をできるだけ少なくしている。
また電極パッド２２０の寸法は、ワイヤボンディングに必要な寸法で規定され通常（３０μｍ〜５０μｍ）×（３０μｍ〜５０μｍ）である。電極パッド２２０の容量は、変調器メサ部２２６との間に溝部２２８を設け、電極パッド２２０の面積をワイヤボンディングに必要最小限の寸法にすることによりなるべく小さくしている。
【００１２】
しかしながら、溝部２２８上に設けられている配線層２２２は、裏面電極２２４側との間は、絶縁膜２１６を介在させるだけであったので、ここの部分の容量が必ずしも小さくならず、変調器２００の遮断周波数を高くできないという問題点があった。
また、安価な外部変調方式の半導体レーザ装置を目指す半導体レーザと変調器とをモノリシックに集積化した変調器集積型半導体レーザ装置においても、その周波数応答性は変調器の周波数特性に依存しているので、同様に変調器集積型半導体レーザ装置の遮断周波数を高くできないという問題点があった。
【００１３】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、
第１の目的は、変調器において、不要な容量を少なくすることによって遮断周波数を高め、周波数特性の改善された変調器を提供することである。
また第２の目的は、変調器付き半導体レーザ装置において、これに使用される変調器の不要な容量を少なくすることによって遮断周波数を高め、周波数特性の改善された変調器付き半導体レーザ装置を提供することである。
また第３の目的は、変調器の不要な容量を少なくすることによって遮断周波数を高め、周波数特性の改善された変調器及び変調器付き半導体レーザ装置を、容易に製造できる製造方法を提供することである。
【００１４】
なお、半導体レーザ装置の引出電極のパッド部を同一基板上に設けた公知文献として、特開平８−１７２２４２号公報がある。
これは半導体レーザの発光領域兼導波路（活性層）とこの活性層と同じ積層構造の電極パッドを設け、活性層のアノード電極とボンディングパッドとを配線層で接続したもので、この配線層が設けられている絶縁膜の下層については特段の記載はない。
【００１５】
また、電界吸収型光変調器において変調器とこれに隣接するポリイミド層を同一基板上に設けた公知文献として、特開平６−２１６４６４号公報がある。
これは変調器とこれに隣接するポリイミド層の下層にアンドープＩｎＰのバッファ層を設けた構成が示されているが、この構成ではポリイミド層とストライプ状の変調器とが溝でもって分離されていない。
【００１６】
さらに、光導波路構造を形成するときにエッチングストッパ層を使用する公知文献として、特開平１１−９７７９９号公報、特開平１１−８７８３６号公報、および特開平７−２３１１４５号公報がある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る変調器においては、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板の一主面上に配設されるとともに、光吸収層を含みリッジ状に延長された光導波路、この光導波路の両側に配設され基板側から順次積層された第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する電流ブロック層、上記光導波路と上記電流ブロック層の上に形成されたクラッド層、及び上記光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を介して上記クラッド層上に配設された第１の電極膜、を有する変調器部と、この変調器部と溝部を介して離隔され上記半導体基板の一主面上に配設された基台部とこの基台部上に配設された第２の電極膜とを有する電極パッドと、上記変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と上記絶縁体膜とを介して上記半導体基板の一主面上に配設されるとともに、上記第１の電極膜と第２の電極膜とを接続した配線層とを備え、上記変調器部は、上記第１の電極膜と上記クラッド層との間にコンタクト層を更に備え、このコンタクト層の幅が上記クラッド層の上面の幅より狭いことを特徴とするもので、この構成を備えることにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器において、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、配線層の容量が小さくなる。
【００１８】
また、変調器部の電流ブロック層が、第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器において、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、配線層の容量が小さくなる。
【００１９】
またさらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたもので、変調器の構成を簡単にすることができる。
またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたもので、第１の半導体層が完全に除去された変調器を構成することができる。
【００２１】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板の一主面上に配設されるとともに、光吸収層を含みリッジ状に延長された光導波路、この光導波路の両側に配設され基板側から順次積層された第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する電流ブロック層、上記光導波路と上記電流ブロック層の上に形成されたクラッド層、及び上記光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を介して上記クラッド層上に配設された第１の電極膜、を有する変調器部と、この変調器部と溝部を介して離隔され上記半導体基板の一主面上に配設された基台部とこの基台部上に配設された第２の電極膜とを有する電極パッドと、上記変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と上記絶縁体膜とを介して上記半導体基板の一主面上に配設されるとともに、上記第１の電極膜と第２の電極膜とを接続した配線層と、上記半導体基板の一主面上に、上記変調器部の光導波路の延長方向に隣接して配設されるとともに、上記光導波路の光吸収層に接続された活性層を有する半導体レーザ部とを備え、上記半導体レーザ部が光導波路を有し、該光導波路の両側に上記変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造の電流ブロック層を備え、上記半導体レーザ部の電流ブロック層の第１の半導体層と上記変調器部の電流ブロック層の第１の半導体層とが所定の間隔を有し、上記変調器部は、上記第１の電極膜と上記クラッド層との間にコンタクト層を更に備え、このコンタクト層の幅が上記クラッド層の上面の幅より狭いことを特徴とするもので、この構成を備えることにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器を備えた変調器付き半導体レーザ装置において、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、変調器付き半導体レーザ装置の変調器の配線層の容量が小さくなる。
【００２２】
また、変調器部の電流ブロック層が、第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器を備えた変調器集積型半導体レーザ装置で、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、変調器付き半導体レーザ装置の変調器の配線層の容量が小さくなる。
【００２３】
さらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたもので、変調器付き半導体レーザ装置の変調器の構成を簡単にすることができる。
【００２４】
またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたもので、第１の半導体層が完全に除去された変調器を有する変調器付き半導体レーザ装置を構成することができる。
【００２６】
またこの発明に係る変調器の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に光吸収層と第２導電型のクラッド層とを積層したウエハ上に誘電体膜を形成し、この誘電体膜を帯状に形成し、この帯状の誘電体膜をマスクとして、光吸収層を越える深さにウエハをエッチングしリッジ状の光導波路を形成する第１の工程と、帯状の誘電体膜をマスクとして、光導波路の両側に第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを埋め込み成長し電流ブロック層を形成する第２の工程と、誘電体マスクを除去した後、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する第３の工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する第４の工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する第５の工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する第６の工程と、上記第２の工程と上記第３の工程との間に、上記光導波路と上記電流ブロック層の上にクラッド層を形成する工程と、上記クラッド層の上に上記クラッド層の上面の幅より狭い幅のコンタクト層を形成する工程を含むので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備え、高い遮断周波数特性を有する変調器を、簡単な方法で製造することができる。
【００２７】
また、第２の工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備え高い遮断周波数を有する変調器を、簡単な方法で製造することができる。
【００２８】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に光吸収層と第２導電型のクラッド層とを積層したウエハ上に誘電体膜を形成し、この誘電体膜を帯状に形成し、この帯状の誘電体膜をマスクとして、光吸収層を越える深さにウエハをエッチングしリッジ状の光導波路を形成する第１の工程と、帯状の誘電体膜をマスクとして、光導波路の両側に第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを埋め込み成長し電流ブロック層を形成する第２の工程と、誘電体マスクを除去した後、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する第３の工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する第４の工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する第５の工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する第６の工程と、上記半導体基板上に上記変調器積層構造の光導波路の延長方向に隣接して、上記光導波路の光吸収層に接続される活性層を有する半導体レーザを形成する第７の工程とを含み、上記第７の工程が、上記半導体レーザの有する光導波路の両側に、上記変調器部と同じ積層構造の電流ブロック層を、該電流ブロック層が有する第１の半導体層と上記変調器部の第１の半導体層とが所定の間隔を有するように形成する工程を含み、上記第２の工程と上記第３の工程との間に、上記光導波路と上記電流ブロック層の上にクラッド層を形成する工程と、上記クラッド層の上に上記クラッド層の上面の幅より狭い幅のコンタクト層を形成する工程と、を含むので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができる。
【００２９】
また、第２の工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１はこの発明の一つの実施の形態に係る変調器の斜視図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面の断面図である。
ここでは一例として幹線通信用として使用される１０Gb/sの電界吸収型外部変調器について説明する。
この実施の形態は、変調器メサ部と電極パッドとを分離する溝部の深さを、ホールトラップ層は貫通するがその下層の第１埋め込み層を残した深さとすることにより、この溝部上に配設される配線層の容量を少なくするものである。
【００３１】
図１において、２は変調器、３は変調器メサ部で変調器メサ部３上に変調器電極３ａが設けられている。４は変調器メサ部３の長手方向側面に溝部５を介して設けられた電極パッドである。電極パッド４はその基台部であるパッド台座４ｂとこのパッド台座４ｂ上に設けられた引出電極４ａとで構成されている。
変調器メサ部３の、長手方向と直交する方向の幅は、光のしみ出しを考慮し、かつ加工のしやすさを考慮して１０〜２０μｍ程度である。
パッド台座４ｂの上面の寸法は（３０〜５０）μｍ×（３０〜５０）程度である。引出電極４ａの寸法は、ほぼパッド台座４ｂの上面の寸法である。
【００３２】
電極パッド４と変調器メサ部３とは、ワイヤボンディングの際に変調器メサ部３が損傷を受けないように、ある程度離隔することが必要があり、電極パッド４は例えば１５μｍ〜３０μｍ程度以上の溝幅を有する溝部５で離され、引出電極４ａのワイヤボンディングを行う処と変調器メサ部３とは５０μｍ程度以上離隔されている。
【００３３】
変調器メサ部３上の変調器電極３ａと電極パッド４上の引出電極４ａは、溝部５に設けられた配線層６によって接続されている。
図２において、１２はｎ−ＩｎＰ基板、１４はｎ−ＩｎＰ基板１２上に配設されたストライプ状をしたｎ−ＩｎＰの下クラッド層である。
【００３４】
１６はアンドープＩｎＧａＡｓＰの光吸収層で、下クラッド層１４の上にストライプ状に配設されている。この光吸収層１６はｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ側光閉込層、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ層、およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐ側光閉込層で構成されている。
この光吸収層１６上にｐ−ＩｎＰの第１上クラッド層１８ａがストライプ状に形成され、この下クラッド層１４と光吸収層１６と第１上クラッド層１８ａとは、幅が１〜２μｍで高さが２〜３μｍ程度のリッジ状の光導波路２０を構成している。光導波路２０の両側には第１の半絶縁性半導体層としてのＦｅドープＩｎＰの第１埋込層２２が光導波路２０の側面上のみならず基板１２上に形成されている。
【００３５】
この第１埋込層２２上に第１の半導体層としてのｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２４が形成され、さらにこのホールトラップ層２４の上層に第２の半絶縁性半導体層としてのＦｅドープＩｎＰの第２埋込層２６が埋め込み形成されている。この第１埋込層２２とホールトラップ層２４と第２埋込層２６とで電流ブロック層２７が構成されている。この第１埋込層２２と第２埋込層２６は光導波路２０の近傍両側で接続されている。
【００３６】
光導波路２０と電流ブロック層２７との上にｐ−ＩｎＰの第２上クラッド層１８ｂが配設され、この第２上クラッド層１８ｂの上にｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層２８が配設されている。
光導波路２０の両側に所定の寸法の電流ブロック層２７を介在させて、コンタクト層２８の表面から電流ブロック層２７のホールトラップ層２４を貫通して第１埋込層２２に至る溝部５が形成され、光導波路２０を中心とし断面台形形状のリッジ状をした変調器積層構造が形成されている。
【００３７】
この変調器積層構造の上に光導波路２０と対向する開口３０を有する絶縁体膜としてのＳｉＯ2膜３２が配設され、このＳｉＯ2膜３２を介して変調器積層構造のコンタクト層２８の表面上に第１の電極膜としての変調器電極３ａが設けられて、変調器メサ部３を構成している。変調器メサ部３の断面台形形状の幅、つまり光導波路２０と直交する方向の幅は、１０〜２０μｍ程度である。
【００３８】
電極パッド４は、コンタクト層２８の表面から第１埋込層２２に至る深さを有する溝部５を介して変調器メサ部３の側部に設けられ、パッド台座４ｂは第１埋込層２２上に変調器部３と同時に形成された、電流ブロック層２７、第２上クラッド層１８ｂ、及びコンタクト層２８と同じ材料構成のパッド積層構造及びこのパッド積層構造の表面上に設けられたＳｉＯ2膜３２とで構成されている。
【００３９】
このパッド台座４ｂ上に第２の電極膜としての、引出電極４ａが配設されている。この引出電極４ａと変調器電極３ａとは、溝部５の第１埋込層２２の上に配設されたＳｉＯ2膜３２上に設けられた配線層６によって接続されている。
ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面側には裏面電極３６が設けられている。
次に変調器２の製造方法を説明する。
図３（ａ）、図３（ｂ）および図４（ａ）、図４（ｂ）は変調器２の製造工程を示す一部断面図である。
【００４０】
ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、下クラッド層１４としてのｎ−ＩｎＰ層、光吸収層１６としてのアンドープＩｎＧａＡｓＰ層、第１上クラッド層１８ａとしてのｐ−ＩｎＰ層を順次結晶成長により積層し、この積層の表面上に誘電体膜として例えばＳｉＯ2膜を形成し、光導波路２０の幅を１〜２μｍに形成するために、６〜７μｍの幅の誘電体ストライプ４０を形成する。
【００４１】
この誘電体膜ストライプ４０をマスクとして、ＨＢｒ系のエッチャントを使用し、ウエットエッチングにより、高さが３〜４μｍ程度のリッジ状の光導波路２０を形成する。この工程の結果を示すのが図３（ａ）である。
またこの場合のエッチングをメタン系ドライエッチングを用いて行ってもよい。
次に誘電体膜ストライプ４０をマスクとして、光導波路２０の両側を第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層、ホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層及び第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層で、順次埋め込み成長を行う。
【００４２】
このとき、第１埋込層２２としてＦｅドープＩｎＰ層上に形成されるホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層は、誘電体膜ストライプ４０のマスクの最奥部では成長されない。このため次に第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層が形成されると、第１埋込層２２としてＦｅドープＩｎＰ層と第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層とが接続する。この工程の結果を示すのが図３（ｂ）である。
【００４３】
次いで、誘電体膜ストライプ４０のマスクを除去した後、第２上クラッド層１８ｂとしてのｐ−ＩｎＰ層、及びコンタクト層２８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を結晶成長させる。この工程の結果を示すのが図４（ａ）である。
次いでフォトリソグラフィ・エッチング工程により、光導波路２０を中心として両側に所定の寸法の幅を残して溝部５をエッチングにより形成し、リッジ状の変調器積層構造を形成する。このとき形成される溝部５は、コンタクト層２８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層の表面からホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層を貫通し、第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層を残したままでエッチングを停止して形成される。同時にこの変調器積層構造の側部に溝部５を介してパッド積層構造を形成する。
【００４４】
この溝部５の形成は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰをエッチングできるＢｒ−メタノール系エッチャントを用いたウエットエッチングやメタン系ドライエッチングにより行うことができる。
この後エッチングマスクを除去し、変調器積層構造とパッド積層構造と溝部５とを含めた全面に絶縁膜、例えばＳｉＯ2膜３２を形成し、フォトリソグラフィ・エッチング工程により、光導波路２０に対向した開口３０を形成する。
【００４５】
エッチングマスクを除去した後、パッド積層構造上にＳｉＯ2膜３２を配設したパッド台座４ｂ上に引出電極４ａを、また開口３０を有するＳｉＯ2膜３２を介して変調器積層構造３３上に変調器電極３ａを形成して変調器メサ部３を形成し、溝部５上にＳｉＯ2膜３２を介して配線層６を形成し、配線層６で引出電極４ａと変調器電極３ａとを接続する。
最後に、 ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面側を研磨により１００μｍ程度に薄くし、裏面電極３６を形成する。この工程の結果を示すのが図４（ｂ）である。
【００４６】
次に動作について説明する。
変調器２において、変調器メサ部３の入射端面側から光吸収層１６を中心とする光導波路２０にレーザ光Ｌ１を入射し、出射端面側から出力光Ｌ２を取り出す。このとき電極パッド４を介して変調器電極３ａと裏面電極３６の間に逆バイアス電圧を印加すると、光吸収層１６に逆方向電界が印加され、フランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果により光吸収層１６の光の吸収係数が変化する。
【００４７】
つまり逆バイアス電圧が印加されていない間は出力光Ｌ２が出射されるが、逆バイアス電圧が印加されている間はレーザ光Ｌ１は光吸収層１６で吸収され、出力光Ｌ２として出射されない。このため逆バイアス電圧の信号電圧をオン・オフすることにより、出力光Ｌ２をオフ・オンすることができる。これにより電気信号が光信号に変換される。
【００４８】
この変調器２の光変調の遮断周波数は、変調器２のＣＲ時定数により決定される。ＣＲ時定数を小さくすること、つまり変調器２の容量又は抵抗値を小さくすることにより、高い周波数の出力光を取り出すことができ、高密度の信号伝達を行うことができる。
【００４９】
変調器２のＣＲ時定数のうち、変調器２の容量について云えば、その容量は変調器メサ部３の容量と電極パッド４の容量と配線層６の容量の和となる。
電極パッド４の寸法はワイヤボンディングに必要な面積で決定され、変調器メサ部３の幅は光の浸み出しを少なくしかつ加工の容易さに対する要請から、また変調器２の長さは光の吸収に必要な長さから決定される。また電極パッド４と変調器メサ部３との間隔はワイヤボンディングの際に変調器メサ部３に損傷を与えないような寸法で規定されるので、この寸法を確保しつつ電極パッド４と変調器メサ部３とを分離する溝部５を設け、積層構造でつながっているよりも容量を小さくしている。
【００５０】
そしてこの実施の形態においては、溝部５の深さはコンタクト層２８の表面からホールトラップ層２４を貫通し第１埋込層２２を残した深さに設定されている。従ってこの溝部５上に形成される配線層６により形成される容量の誘電体膜厚は、ＳｉＯ2膜３２と第１埋込層２２の合成厚みとなり、ＳｉＯ2膜３２のみの場合に比べて配線層６の容量が少なくなる。従って変調器２の出力光の遮断周波数を高くすることができ、延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００５１】
試みに容量の低減効果を試算してみる。
いま電極パッド４の引出電極４ａの寸法を５０μｍ×５０μｍとし、溝部５の寸法を１５μｍとし、第１埋込層２２の厚みを２．５μｍとすると、
（１）電極パッド４の容量は、ＳｉＯ2膜３２と第１埋込層２２の空乏層により決まり・・・０．０２５ｆＦ／μｍ2
（２）溝部５の配線層６の容量（第１埋込層２２無し）・・０．０８７ｆＦ／μｍ2
（３）溝部５の配線層６の容量（第１埋込層２２あり）・・０．０４２ｆＦ／μｍ2
となる。ここでｆＦはフェムト（ｆｅｍｔｏ）・ファラッド（ｆａｒａｄ）を示す。
【００５２】
このように第１埋込層２２を溝部５の下層に残すことにより、溝部５の配線層６の単位面積当りの容量を半減させることができる。
これにより、配線層６の下層に第１埋込層が無い場合には、変調器メサ部３、電極パッド４及び溝部５の配線層６を含めた変調器の素子容量が５３９ｆＦであったのに対し、第１埋込層２２を溝部５の下層に残すことにより５１９ｆＦに低減でき、変調器２の遮断周波数は１１．８ＧＨｚから１２．３ＧＨｚに向上させることができる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００５３】
変形例１
以上の説明では、ホールトラップ層２４を挟んで第１埋込層２２と第２埋込層２６とを配設する構成を説明したが、第２埋込層２６を省略した構成としてもよい。
図５は実施の形態１の変形例１を示す変調器の一部断面図である。
図５において、５０は変調器で、先に説明した実施の形態と同じ符号は同一か又は相当のものであることを示す。
この構成ではホールトラップ層２４の上層には第２埋込層２６が設けられていない。従って変調器の構成が簡単になる。
【００５４】
以上の説明では、電極パッド４の構成として、パッド４ｂが変調器メサ部３の電流ブロック層２７と同じ積層構造で構成されている場合について説明したが、パッドを例えばポリイミドなどの絶縁体で形成し、電極パッド４としてもよい。
【００５５】
以上のようにこの実施の形態では、溝部５の配線層６の下層にＳｉＯ2膜３２に加えてＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２を配設することにより、溝部５の配線層６の容量を小さくしたので、変調器の遮断周波数を高めることができる。また変調器メサ部３の電流ブロック層２７が、 ＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２の上に配設されたホールトラップ層２４の上にさらにＦｅドープＩｎＰ層の第２埋込層３２を備えたことにより、ホールトラップ層２４が光導波路２０と完全に離隔され、良好な駆動特性を安定的に得る構成とすることができる。
【００５６】
また電極パッド４のパッド台座４ｂが、変調器メサ部３と同じ積層構造、すなわち、電流ブロック層２７と同じ積層構造の、ＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２の上にホールトラップ層２４配設された積層構造、またはＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２の上にホールトラップ層２４が配設され、さらにＦｅドープＩｎＰ層の第２埋込層３２が配設された積層構造、に加えて、第２上クラッド層２６、コンタクト層２８及びＳｉＯ2層３２で構成されているので、変調器２の構成が簡単になり、安価な変調器２を構成することができる。
【００５７】
実施の形態２
図６はこの発明の他の実施の形態に係る変調器の一部断面図である。図６は図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面での断面図である。
図６において、図１、図２及び図４（ｂ）と同じ符号は同一か相当のものを示す。
この実施の形態２は、実施の形態１のホールトラップ層２４と第１の埋込層２２の間に、ホールトラップ層２４をエッチングする際のエッチング停止層を設けたもので、他の構成は実施の形態１と同じである。
【００５８】
図６において、６０は変調器、６２はエッチング停止層で、 ＦｅドープＩｎＰの第１埋込層２２とｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２４との間に、ホールトラップ層２４に密着して配設されている。層厚みは０．０５μｍ〜０．１μｍ程度である。ウエットエッチングによる選択エッチングを行ってホールトラップ層２４を除去して溝部５を形成するときには、エッチング停止層６２の材料はＩｎＧａＡｓＰである。
【００５９】
またドライエッチングにより、ホールトラップ層２４を除去して溝部５を形成するときには、エッチング停止層６２の材料はＩｎＡｌＡｓとする。
変調器６０の製造方法は、光導波路２０を形成し、このエッチングの時に使用した誘電体膜ストライプ４０をマスクとして光導波路２０の両側を第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層を形成する工程まで実施の形態１の変調器２の製造方法と同じで、この後、溝部５形成の際のエッチング方法に適合した材料によりエッチング停止層６２を埋め込み形成する。この後の工程は実施の形態１の変調器２の製造方法と同じである。
【００６０】
この変調器６０では、ホールトラップ層２４が完全に除去することが可能である。このため溝部５の下層の第１埋込層２２の層厚みを安定的に確保することができるので、溝部５上にＳｉＯ2膜３２を介して形成される配線層６の容量のバラツキが少なくなり、延いては変調器６０の遮断周波数のバラツキを少なくすることができる。
変調器６０の変形例として、実施の形態１の変形例１の場合の第２埋込層２６を備えていない場合に適用しても同様の効果がある。
【００６１】
また、以上の説明では、ホールトラップ層２４をｎ−ＩｎＰ層で形成した場合について説明したが、 ｎ−ＩｎＰ層の代わりに、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層やｎ−ＩｎＡｌＡｓ層を用いてもよい。
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層を用いた場合には、酒石酸と過酸化水素の混合物をエッチャントとして使用し、 ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層を用いた場合には、硝酸をエッチャントとして使用することにより、ＩｎＰと選択エッチングが可能であり、ホールトラップ層２４を完全に除去可能であるので、エッチング停止層６２を用いた場合と同様の効果を奏する。
【００６２】
実施の形態３
図７はこの発明の他の実施の形態に係る変調器の一部断面図である。図７は図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面での断面図である。図７において、図１、図２及び図４（ｂ）と同じ符号は同一か相当のものを示す。
この実施の形態３は、実施の形態１のコンタクト層２８を、光導波路の直上に第２上クラッド層の幅より狭くして対向させたものである。他の構成は実施の形態１と同じである。
【００６３】
図７において、７０は変調器、７２はｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層で、変調積層構造の第２上クラッド層１８ｂの断面形状の幅が１０〜２０μｍ程度であると、このコンタクト層７２の幅は３〜６μｍ程度である。
この変調器７０の製造方法は、実施の形態１の変調器２の図４（ａ）で示された、コンタクト層２８を形成する工程までは同様に形成する。
この後、光導波路２０の直上に第２上クラッド層の幅より狭く、例えば３〜６μｍ程度残るようにフォトリソグラフィ・エッチング工程によりコンタクト層７２を形成し、次いでフォトリソグラフィ・エッチング工程により溝部５を形成し、これにより幅が１０〜２０μｍ程度の断面台形形状の変調器積層構造を形成する。
【００６４】
これ以後の工程は、実施の形態１の変調器２の製造工程と同様である。
先の説明ではコンタクト層７２を形成した後、変調器積層構造を形成するように説明したが、変調器積層構造を形成した後、変調器積層構造の最上層のコンタクト層７２としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を第２上クラッド層の幅より狭くエッチングし、コンタクト層７２を形成してもよい。
【００６５】
実施の形態１のコンタクト層２８では変調器積層構造の幅一杯に形成されており、またコンタクト層２８は低抵抗であるために注入した電流は、コンタクト層２８の幅一杯に拡がるのに対して、この実施の形態の変調器７０ではコンタクト層７２は幅が狭いために、注入した電流がコンタクト層７２の幅一杯に拡がったとしても、キャパシタの電極板が狭くなったのと同じ効果を有し、変調器７０の容量を小さくする効果を奏する。
【００６６】
実施の形態４
図８はこの発明の他の実施の形態に係る変調器付き半導体レーザの斜視図である。
図９は図８のＩＸ−ＩＸ断面の断面図である。図１０は図８のＸ−Ｘ断面の断面図である。
この実施の形態は、変調器と半導体レーザとを半導体基板上にモノリシックに集積し、変調器集積型半導体レーザ装置としてまとめたものである。
【００６７】
図８において、８０は変調器付半導体レーザ、８２は変調器、８４は分離領域、８６は半導体レーザである。８８は半導体レーザのコンタクト電極である。１００は半導体レーザメサ部である。
変調器８２，分離領域８４及び半導体レーザ８６の符号で図１及び図２と同じ符号は同一か又は相当のものであることを示す。また変調器８２のＩＩ−ＩＩ断面は図２に相当のものである。
【００６８】
図９において、ｎ−ＩｎＰ基板１２と裏面電極３６とは、変調器付半導体レーザ８０全体で共用にされている。９０は基板１２上に形成されたストライプ状のｎ−ＩｎＰからなるレーザ下クラッド層である。
【００６９】
９２はレーザ下クラッド層９０上に形成された活性層で、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ側光閉込層、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ層、およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐ側光閉込層で構成されている。９４は活性層９２上に形成されたｐ−ＩｎＰのレーザ第１上クラッド層である。９８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子で、レーザ下クラッド層９０と活性層９２とレーザ第１上クラッド層９４とさらに回折格子９８を含めてリッジ状のレーザ光導波路９６を構成している。
【００７０】
レーザ光導波路９６の両側は、変調器８２と同じ半絶縁性半導体層であるＦｅドープＩｎＰの第１埋込層２２がレーザ光導波路９６の側面上のみならず基板１２上に形成され、さらにこの第１埋込層２２上にｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２４とこのホールトラップ層２４の上層に形成されたＦｅドープＩｎＰの第２埋込層２６で埋め込まれている。この第１埋込層２２とホールトラップ層２４と第２埋込層２６とで電流ブロック層２７が形成されている。
【００７１】
レーザ光導波路９６および第２埋込層２６の上には、変調器８２と同じ第２上クラッド層１８ｂがさらにその上にはコンタクト層２８が形成されている。
レーザ光導波路９６を中心とし、このレーザ光導波路９６の両側に所定の幅を介して、コンタクト層２８表面からホールトラップ層２４を貫通し、第１埋込層２２に至る深さを有する溝部５が配設され、この溝部５によりリッジ状のレーザ積層構造が形成されている。
【００７２】
この溝部５により、レーザ積層構造と変調器の電極パッド４のパッド台座４ｂとの間でホールトラップ層２４を切断することにより、ホールトラップ層２４を経由して流れるリーク電流を防止する。
このレーザ積層構造を覆って、レーザ光導波路９６の直上に開口１０２を有するＳｉＯ2膜３２が設けられ、このＳｉＯ2膜３２を介してレーザ積層構造上にコンタクト電極８８が設けられている。このレーザ積層構造、 ＳｉＯ2膜３２及びコンタクト電極８８により半導体レーザメサ部１００が構成されている。
【００７３】
次に図１０において、変調器８２と半導体レーザ８６とは分離領域８４で連続的に接続されている。すなわち変調器８２と半導体レーザ８６とは基板を共用にし、これらをバットジョイント法で接合する際の接合面１０６を介して連続している。
分離領域８４は第２上クラッド層１８ｂの途中まで堀込まれた分離溝１０４とＳｉＯ2膜３２によって構成され、変調器メサ部３のコンタクト層２８と半導体レーザメサ部１００のコンタクト層２８を切断し電気的に分離している。
また、第２埋込層２６が無い構成では、この分離領域８４で、半導体レーザメサ部１００と変調器メサ部３とのホールトラップ層２４を分断している。
【００７４】
この実施の形態では回折格子９８は活性層９２に沿って第２上クラッド層１８ｂに埋め込まれているが、レーザ下クラッド層９０や基板１２に埋め込まれる場合がある。
【００７５】
次に変調器付半導体レーザ８０の製造方法を説明する。
まずｎ−ＩｎＰ基板１２の上にＭＯＣＶＤ法により、レーザ下クラッド層９０としてのｎ−ＩｎＰ層、活性層９２を構成するｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ層、およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、さらにレーザ第１上クラッド層９４としてのｐ−ＩｎＰ層、及び回折格子９８を形成するｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、キャップ層としてｐ−ＩｎＰ層を順次結晶成長で積層する。
【００７６】
このレーザ第１上クラッド層９４としてのｐ−ＩｎＰ層の上にＳｉＯ2またはＳｉＮなどの誘電体膜を形成し、回折格子９８のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を含みレーザ光導波路９６を形成するためのストライプ状の誘電体膜が残るように誘電体膜をエッチングし、このストライプ状の誘電体膜をマスクとして、変調器８２が形成される領域を含む領域の積層を基板１２が露呈するまでエッチングする。
次にストライプ状の誘電体膜を残したまま、バットジョイント法によるＭＯＣＶＤ法により、変調器８２側の、下クラッド層１４としてのｎ−ＩｎＰ層、光吸収層１６としてのアンドープＩｎＧａＡｓＰ層、第１上クラッド層１８ａとしてのｐ−ＩｎＰ層を順次結晶成長により積層する。
【００７７】
次に、ストライプ状の誘電体膜を除去し、回折格子９８を形成するためにｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を干渉露光法或いは電子ビーム露光法を用いて、格子状にエッチングし、回折格子９８を形成する。この後全面にレーザ第１上クラッド層９４としてのｐ−ＩｎＰ層を成長させる。
この後、改めてＳｉＯ2またはＳｉＮなどの誘電体膜を形成し、幅が６〜７μｍの、変調器８２及び半導体レーザ８６に重なる誘電体ストライプを形成する。
【００７８】
この誘電体ストライプをマスクとして基板１２が露呈するまで、ＨＢｒを用いたウエットエッチングを行い、変調器８２と半導体レーザ８６とに連続した幅が１〜２μｍの光導波路のリッジ形成を行う。
次にこの誘電体ストライプを残した状態で、第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層、ホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層、第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。
ここで、第２埋込層２６を用いないで電流ブロック層２７を構成した場合には、高周波の漏れを防ぐため変調器８２と半導体レーザ８６のホールトラップ層２４を分断するために分離領域８４でホールトラップ層２４をエッチングで除去する。
【００７９】
この後、ＭＯＣＶＤ法によって全面に第２上クラッド層１８ｂしてのｐ−ＩｎＰ層、コンタクト層２８としてのｐ+−ＩｎＧａＡｓ層を結晶成長する。
次いで、分離領域８４に対応するコンタクト層２８および第２上クラッド層１８ｂの上面の一部をエッチングにより除去し、分離溝１０４を形成する。
次いで、コンタクト層２８表面からホールトラップ層２４を貫通し、第１埋込層２２を残す深さの溝部５を形成し、変調器積層構造及び半導体レーザ積層構造を形成する。また同時に、変調器８２の電極パッド４の積層構造をエッチングにより形成する。
【００８０】
この後、全面に絶縁膜３２をスパッタにより形成した後、変調器積層構造及び半導体レーザ積層構造上の電極コンタクト形成部分それぞれの絶縁膜３２の一部を除去し開口３０、開口１０２を形成する。
次いで表面にＴｉ／Ａｕ膜及びＡｕメッキ層を形成し、変調器電極３ａおよび半導体レーザのコンタクト電極８８を形成する。
この後、基板１２の裏面を基板厚みが１００μｍ程度になるまで研削した後、裏面電極３６を形成する。
【００８１】
この説明では、まず半導体レーザ８６の光導波路９６を先に形成し、エッチングによって変調器８２を形成する領域の積層を除去した後、バットジョイント法により後で変調器８２の光導波路２０の積層部分を形成するように説明したが、逆に変調器８２の光導波路２０を先に形成し、後にバットジョイント法により半導体レーザ８６の光導波路９６の積層部分を形成してもよい。
【００８２】
次に変調器付半導体レーザ８０の動作について説明する。
上記のように構成された変調器付半導体レーザ８０は、半導体レーザのコンタクト電極８８と裏面電極３６との間に順バイアス電圧を印加し活性層９２に電流を注入し、半導体レーザ８６で発光させたレーザ光を分離領域８４を介して変調器８２に導く。
【００８３】
変調器８２には電極パッド４の引出電極４ａを介して、変調器電極３ａと裏面電極３６との間にの間で逆バイアスの変調信号電圧を印加する。変調信号電圧が印加されると、光吸収層１６に逆方向電界が印加され、フランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果により光の吸収係数が変化する。
【００８４】
つまり逆バイアス電圧が印加されていない間は出力光Ｌ２が出射されるが、逆バイアス電圧が印加されている間はレーザ光は光吸収層１６で吸収され、出力光Ｌ２として出射されない。このため逆バイアス電圧の信号電圧をオン・オフすることにより、出力光Ｌ２をオフ・オンすることができる。これにより電気信号が光信号に変換される。
【００８５】
変調器付半導体レーザ８０の遮断周波数は、変調器８２の光変調の周波数特性、つまり変調器８２のＣＲ時定数により決定される。このＣＲ時定数を小さくすること、すなわち変調器８２の容量又は抵抗値を小さくすることにより、高い周波数の出力光を取り出すことができ、高密度の信号伝達を行うことができる。
【００８６】
変調器８２のＣＲ時定数のうち、変調器８２の容量について云えば、その容量は変調器メサ部３の容量と電極パッド４の容量と配線層６の容量の和となる。
電極パッド４の寸法はワイヤボンディングに必要な面積で決定され、変調器メサ部３の幅は光の浸み出しを少なくすること及び加工上の要請から、また変調器８２の長さは光の吸収に必要な長さから決定される。
【００８７】
また電極パッド４と変調器メサ部３との間隔はワイヤボンディングの際に変調器に損傷を与えないような寸法で規定されるので、電極パッド４と変調器メサ部３とを分離する溝部５を設け、積層構造でつながっているよりも容量を小さくしている。
【００８８】
そしてこの実施の形態４においては、変調器８２の溝部５の深さはコンタクト層２８の表面からホールトラップ層２４を貫通し、第１埋込層２２を残した深さに設定されている。従ってこの溝部５上に形成される配線層６により形成される容量の誘電体層厚みは、ＳｉＯ2膜３２と第１埋込層２２の合成厚みとなり、ＳｉＯ2膜３２のみの場合に比べて配線層６の容量が少なくなり、変調器２の出力光の遮断周波数を高くすることができる。延いては変調器付レーザ８０の出力光の周波数を高くすることができ、信号伝達の高密度化を図ることができる。
【００８９】
またこの実施の形態４においては、使用する変調器８２として実施の形態１の変調器について説明したが、実施の形態２及び実施の形態３の変調器を使用しても同様の効果がある。この場合実施の形態３の変調器を使用する際に変調器８２とともに半導体レーザ８６のコンタクト層も、変調器８２と同様に幅を狭くして延長しても良い。
【００９０】
またこの実施の形態４においては、変調器８２と半導体レーザ８６とをモノリシックに集積した装置について説明したが、取付基板に実施の形態１乃至３の変調器を配設し、この変調器の吸収層に光が入射するように、半導体レーザを取付けて、変調器付半導体レーザ装置としても、信号伝達の高密度化が可能となることはいうまでもない。
【００９１】
【発明の効果】
この発明に係る変調器および変調器付き半導体レーザ装置並びその製造方法は以上に説明したような構成又は工程を備えているので、以下のような効果を有する。
【００９２】
この発明に係る変調器においては、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層が変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と絶縁体膜とを介して半導体基板の一主面上に配設されたので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器において、配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性のよい変調器を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９３】
さらに、変調器部の電流ブロック層が、第１の半導体層上に第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器において、配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性のよい変調器を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９４】
さらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたので、変調器の構成が簡単になり、安価な変調器を構成することができる。またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたので、第１の半導体層を完全に除去された変調器を構成でき、駆動特性のよい変調器を得ることができる。
【００９５】
また変調器部が、第１の電極膜と導波路との間にコンタクト層をさらに備え、このコンタクト層の幅が導波路とその両側に配設された電流ブロック層との幅より狭い構成としたので、変調器部の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性のよい変調器を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９６】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置は、変調器の第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層が、変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と絶縁体膜とを介して半導体基板の一主面上に配設されたので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器において、変調器の配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性の良い変調器付き半導体レーザ装置を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９７】
また、変調器部の電流ブロック層を、第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器を備えた変調器付き半導体レーザ装置において、配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性の良い変調器付き半導体レーザ装置を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９８】
さらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたもので、変調器の構成が簡単になり、安価な変調器付き半導体レーザ装置を構成することができる。
【００９９】
またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたもので、第１の半導体層が完全に除去された変調器と半導体レーザとを構成でき、半導体レーザのリーク電流が少なく、駆動特性のよい変調器を備えた変調器付き半導体レーザ装置を得ることができる。
【０１００】
また変調器が、第１の電極膜と光導波路との間にコンタクト層をさらに備え、このコンタクト層の幅が光導波路とその両側に配設された電流ブロック層との幅より狭い構成としたので、変調器の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性の良い変調器付き半導体レーザ装置を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【０１０１】
またこの発明に係る変調器の製造方法は、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する工程と、を含むので電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備えた、高い遮断周波数を有する変調器を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器を提供できる。
【０１０２】
さらに、第１導電型の第１の半導体層を形成した後、第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備えた、高い遮断周波数を有する変調器を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器を提供できる。
【０１０３】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置の製造方法は、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する工程とを含む変調器の製造工程及び半導体基板上に変調器積層構造の光導波路の延長方向に隣接して、光吸収層に接続される活性層を有する半導体レーザを形成する工程とを含むので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器付き半導体レーザ装置を提供することができる。
【０１０４】
また、変調器の製造工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器付き半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る変調器の斜視図である。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ断面の断面図である。
【図３】 この発明に係る変調器の製造工程を示す素子の断面図である。
【図４】 この発明に係る変調器の製造工程を示す素子の断面図である。
【図５】 この発明に係る変調器の一部断面図である。
【図６】 この発明に係る変調器の一部断面図である。
【図７】 この発明に係る変調器の一部断面図である。
【図８】 この発明に係る変調器付き半導体レーザ装置の斜視図である。
【図９】 図８のＩＸ−ＩＸ断面の断面図である。
【図１０】 図８のＸ−Ｘ断面の断面図である。
【図１１】 従来の変調器の斜視図である。
【図１２】 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面の断面図である。
【符号の説明】
１２ 半導体基板、 １６ 光吸収層、 ２０ 光導波層、 ２２ 第１埋込層、 ２４ ホールトラップ層、 ２７ 電流ブロック層、 ３２ＳｉＯ2膜、 ３ａ 変調器電極、 ３ 変調器メサ部、 ５ 溝部、４ｂ パッド台座、 ４ａ 引出電極、 ４ 電極パッド、 ６ 配線層、 ２６ 第２埋込層、 ６２ エッチング停止層、 ７２ コンタクト層、 ９２ 活性層、 ８６ 半導体レーザ
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信用に用いられる変調器と変調器付き半導体レーザ装置並びにその製造方法に係り、特に変調器の配線容量を少なくすることにより周波数特性を改善した変調器と変調器付き半導体レーザ装置並びにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを用いた公衆通信網の普及には、半導体レーザの高性能化とこの半導体レーザを安価に製造することが重要である。
特に半導体レーザの高性能化には、情報量の増大に対応するためのレーザ光の高速変調が必須の要件である。このレーザ光の高速変調には、変調時の波長の変動を小さくして長距離の伝送を可能にするために、通常半導体レーザを一定強度で発振させておいて、電気信号により光の透過量をオン・オフできる変調器を通すことによって変調を行う外部変調方式が採用される。
【０００３】
この外部変調方式に使用される変調器の光の透過量のオン・オフは、変調器の吸収層に逆電界を印加することによるフランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果を用いることにより行われる。この周波数特性は変調器のＣＲ時定数に依存しているので、変調器の容量又は抵抗値を小さくすることが、変調器の周波数特性、つまり高速応答の成否を決める。
【０００４】
またこの外部変調方式では、変調器と半導体レーザとの光結合が難しくまた部品点数も多いことから高価になるというという難点があったが、この難点を克服する方法として、半導体レーザと変調器とをモノリシックに集積化した変調器集積型半導体レーザ装置の開発が行われている。この変調器集積型半導体レーザ装置においても同様に周波数特性は変調器のＣＲ時定数に依存しているので、変調器集積型半導体レーザ装置の変調器の容量又は抵抗値を小さくすることが、変調器集積型半導体レーザ装置の高速応答の成否を決める。
【０００５】
図１１は従来の変調器の斜視図である。また図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面の断面図である。
図１１において、２００は変調器、２２６は変調器メサ部、２２８は溝部である。
２１８は変調器電極、２２０は電極パッドで、電極パッド２２０は２２０ａのパッド電極、２２０ｂのパッド台座からなる。２２２は配線層で、パッド電極２２０ａと変調器電極２１８とを接続している。
２２４は裏面電極である。
【０００６】
図１２において、２０２はｎ型ＩｎＰ基板（以下、「ｎ型」を「ｎ−」で表す。「ｐ型」も同様に「ｐ−」で表す。）、２０４はｎ−ＩｎＰの下クラッド層、２０６は光吸収層、２０８はｐ−ＩｎＰの第１上クラッド層である。
２１０は電流ブロック層で、この電流ブロック層２１０は、ＦｅドープＩｎＰからなる下側の第１埋込層２１０ａ、ｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２１０ｂ、ＦｅドープＩｎＰ層からなる上側の第２埋込層２１０ｃで構成される。
【０００７】
２１２はｐ−ＩｎＰの第２上クラッド層、２１４はｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層、２１６は絶縁膜である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の変調器２００は上記のように構成されていて、変調器２００は次のように動作する。
変調器２００の光吸収層２０６の入射側端面にレーザ光Ｌ１を入力し、もう一方の端面である出射側端面から出力光Ｌ２を出力する。レーザ光Ｌ１を入力した際に、電極パッド２２０を介して変調器電極２１８と裏面電極２２４との間に逆バイアスの信号電圧を印加すると、フランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果により、光吸収層２０６の光の吸収係数が変化する。
【０００９】
即ち信号電圧を印加しないときには、入力光Ｌ１はそのまま光吸収層を通過し出力光Ｌ２が出射され、信号電圧が印加されると入力光Ｌ１は光吸収層２０６において吸収され出力光Ｌ２が出射されない。従って、入力される信号電圧に応じて、光がオン・オフされる。
そしてこの変調器２００の周波数特性は、変調器２００の容量に依存し、その容量は変調器メサ部２２６の容量と電極パッド２２０の容量と配線層２２２の容量の和となる。
【００１０】
電極パッド２２０と変調器メサ部２２６の間は、ワイヤボンディングの際に、変調器メサ部２２６上にワイヤを打って変調器メサ部２２６に損傷を与えることが無いように、例えば５０μｍ程度離す必要がある。
このため溝部２２８を設けて、電極パッド２２０と変調器メサ部２２６とを離隔しつつ、積層構造でつながっているよりも容量を小さくしている。
【００１１】
そして、これらの容量をわずかでも少なくすることによって高速光変調を行うことが可能となるため、不要な容量をできる限り、少なくすることが大切である。
従来の変調器２００の容量のうち、変調器メサ部２２６の容量は変調器メサ部２２６の幅をできるだけ狭くすることにより、光学的に必要な電流ブロック層２１０の幅を確保し、加工上の要請を満足しつつ容量をできるだけ少なくしている。
また電極パッド２２０の寸法は、ワイヤボンディングに必要な寸法で規定され通常（３０μｍ〜５０μｍ）×（３０μｍ〜５０μｍ）である。電極パッド２２０の容量は、変調器メサ部２２６との間に溝部２２８を設け、電極パッド２２０の面積をワイヤボンディングに必要最小限の寸法にすることによりなるべく小さくしている。
【００１２】
しかしながら、溝部２２８上に設けられている配線層２２２は、裏面電極２２４側との間は、絶縁膜２１６を介在させるだけであったので、ここの部分の容量が必ずしも小さくならず、変調器２００の遮断周波数を高くできないという問題点があった。
また、安価な外部変調方式の半導体レーザ装置を目指す半導体レーザと変調器とをモノリシックに集積化した変調器集積型半導体レーザ装置においても、その周波数応答性は変調器の周波数特性に依存しているので、同様に変調器集積型半導体レーザ装置の遮断周波数を高くできないという問題点があった。
【００１３】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、
第１の目的は、変調器において、不要な容量を少なくすることによって遮断周波数を高め、周波数特性の改善された変調器を提供することである。
また第２の目的は、変調器付き半導体レーザ装置において、これに使用される変調器の不要な容量を少なくすることによって遮断周波数を高め、周波数特性の改善された変調器付き半導体レーザ装置を提供することである。
また第３の目的は、変調器の不要な容量を少なくすることによって遮断周波数を高め、周波数特性の改善された変調器及び変調器付き半導体レーザ装置を、容易に製造できる製造方法を提供することである。
【００１４】
なお、半導体レーザ装置の引出電極のパッド部を同一基板上に設けた公知文献として、特開平８−１７２２４２号公報がある。
これは半導体レーザの発光領域兼導波路（活性層）とこの活性層と同じ積層構造の電極パッドを設け、活性層のアノード電極とボンディングパッドとを配線層で接続したもので、この配線層が設けられている絶縁膜の下層については特段の記載はない。
【００１５】
また、電界吸収型光変調器において変調器とこれに隣接するポリイミド層を同一基板上に設けた公知文献として、特開平６−２１６４６４号公報がある。
これは変調器とこれに隣接するポリイミド層の下層にアンドープＩｎＰのバッファ層を設けた構成が示されているが、この構成ではポリイミド層とストライプ状の変調器とが溝でもって分離されていない。
【００１６】
さらに、光導波路構造を形成するときにエッチングストッパ層を使用する公知文献として、特開平１１−９７７９９号公報、特開平１１−８７８３６号公報、および特開平７−２３１１４５号公報がある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る変調器においては、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板の一主面上に配設されるとともに、光吸収層を含みリッジ状に延長された光導波路、この光導波路の両側に配設され基板側から順次積層された第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する電流ブロック層、上記光導波路と上記電流ブロック層の上に形成されたクラッド層、及び上記光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を介して上記クラッド層上に配設された第１の電極膜、を有する変調器部と、この変調器部と溝部を介して離隔され上記半導体基板の一主面上に配設された基台部とこの基台部上に配設された第２の電極膜とを有する電極パッドと、上記変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と上記絶縁体膜とを介して上記半導体基板の一主面上に配設されるとともに、上記第１の電極膜と第２の電極膜とを接続した配線層とを備え、上記変調器部は、上記第１の電極膜と上記クラッド層との間にコンタクト層を更に備え、このコンタクト層の幅が上記クラッド層の上面の幅より狭いことを特徴とするもので、この構成を備えることにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器において、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、配線層の容量が小さくなる。
【００１８】
また、変調器部の電流ブロック層が、第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器において、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、配線層の容量が小さくなる。
【００１９】
またさらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたもので、変調器の構成を簡単にすることができる。
またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたもので、第１の半導体層が完全に除去された変調器を構成することができる。
【００２１】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板の一主面上に配設されるとともに、光吸収層を含みリッジ状に延長された光導波路、この光導波路の両側に配設され基板側から順次積層された第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する電流ブロック層、上記光導波路と上記電流ブロック層の上に形成されたクラッド層、及び上記光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を介して上記クラッド層上に配設された第１の電極膜、を有する変調器部と、この変調器部と溝部を介して離隔され上記半導体基板の一主面上に配設された基台部とこの基台部上に配設された第２の電極膜とを有する電極パッドと、上記変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と上記絶縁体膜とを介して上記半導体基板の一主面上に配設されるとともに、上記第１の電極膜と第２の電極膜とを接続した配線層と、上記半導体基板の一主面上に、上記変調器部の光導波路の延長方向に隣接して配設されるとともに、上記光導波路の光吸収層に接続された活性層を有する半導体レーザ部とを備え、上記半導体レーザ部が光導波路を有し、該光導波路の両側に上記変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造の電流ブロック層を備え、上記半導体レーザ部の電流ブロック層の第１の半導体層と上記変調器部の電流ブロック層の第１の半導体層とが所定の間隔を有し、上記変調器部は、上記第１の電極膜と上記クラッド層との間にコンタクト層を更に備え、このコンタクト層の幅が上記クラッド層の上面の幅より狭いことを特徴とするもので、この構成を備えることにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器を備えた変調器付き半導体レーザ装置において、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、変調器付き半導体レーザ装置の変調器の配線層の容量が小さくなる。
【００２２】
また、変調器部の電流ブロック層が、第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器を備えた変調器集積型半導体レーザ装置で、配線層と半導体基板の間に絶縁体膜に加えて第１の半絶縁性半導体層が配設されたことにより、変調器付き半導体レーザ装置の変調器の配線層の容量が小さくなる。
【００２３】
さらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたもので、変調器付き半導体レーザ装置の変調器の構成を簡単にすることができる。
【００２４】
またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたもので、第１の半導体層が完全に除去された変調器を有する変調器付き半導体レーザ装置を構成することができる。
【００２６】
またこの発明に係る変調器の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に光吸収層と第２導電型のクラッド層とを積層したウエハ上に誘電体膜を形成し、この誘電体膜を帯状に形成し、この帯状の誘電体膜をマスクとして、光吸収層を越える深さにウエハをエッチングしリッジ状の光導波路を形成する第１の工程と、帯状の誘電体膜をマスクとして、光導波路の両側に第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを埋め込み成長し電流ブロック層を形成する第２の工程と、誘電体マスクを除去した後、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する第３の工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する第４の工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する第５の工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する第６の工程と、上記第２の工程と上記第３の工程との間に、上記光導波路と上記電流ブロック層の上にクラッド層を形成する工程と、上記クラッド層の上に上記クラッド層の上面の幅より狭い幅のコンタクト層を形成する工程を含むので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備え、高い遮断周波数特性を有する変調器を、簡単な方法で製造することができる。
【００２７】
また、第２の工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備え高い遮断周波数を有する変調器を、簡単な方法で製造することができる。
【００２８】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に光吸収層と第２導電型のクラッド層とを積層したウエハ上に誘電体膜を形成し、この誘電体膜を帯状に形成し、この帯状の誘電体膜をマスクとして、光吸収層を越える深さにウエハをエッチングしリッジ状の光導波路を形成する第１の工程と、帯状の誘電体膜をマスクとして、光導波路の両側に第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを埋め込み成長し電流ブロック層を形成する第２の工程と、誘電体マスクを除去した後、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する第３の工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する第４の工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する第５の工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する第６の工程と、上記半導体基板上に上記変調器積層構造の光導波路の延長方向に隣接して、上記光導波路の光吸収層に接続される活性層を有する半導体レーザを形成する第７の工程とを含み、上記第７の工程が、上記半導体レーザの有する光導波路の両側に、上記変調器部と同じ積層構造の電流ブロック層を、該電流ブロック層が有する第１の半導体層と上記変調器部の第１の半導体層とが所定の間隔を有するように形成する工程を含み、上記第２の工程と上記第３の工程との間に、上記光導波路と上記電流ブロック層の上にクラッド層を形成する工程と、上記クラッド層の上に上記クラッド層の上面の幅より狭い幅のコンタクト層を形成する工程と、を含むので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができる。
【００２９】
また、第２の工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１はこの発明の一つの実施の形態に係る変調器の斜視図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面の断面図である。
ここでは一例として幹線通信用として使用される１０Gb/sの電界吸収型外部変調器について説明する。
この実施の形態は、変調器メサ部と電極パッドとを分離する溝部の深さを、ホールトラップ層は貫通するがその下層の第１埋め込み層を残した深さとすることにより、この溝部上に配設される配線層の容量を少なくするものである。
【００３１】
図１において、２は変調器、３は変調器メサ部で変調器メサ部３上に変調器電極３ａが設けられている。４は変調器メサ部３の長手方向側面に溝部５を介して設けられた電極パッドである。電極パッド４はその基台部であるパッド台座４ｂとこのパッド台座４ｂ上に設けられた引出電極４ａとで構成されている。
変調器メサ部３の、長手方向と直交する方向の幅は、光のしみ出しを考慮し、かつ加工のしやすさを考慮して１０〜２０μｍ程度である。
パッド台座４ｂの上面の寸法は（３０〜５０）μｍ×（３０〜５０）程度である。引出電極４ａの寸法は、ほぼパッド台座４ｂの上面の寸法である。
【００３２】
電極パッド４と変調器メサ部３とは、ワイヤボンディングの際に変調器メサ部３が損傷を受けないように、ある程度離隔することが必要があり、電極パッド４は例えば１５μｍ〜３０μｍ程度以上の溝幅を有する溝部５で離され、引出電極４ａのワイヤボンディングを行う処と変調器メサ部３とは５０μｍ程度以上離隔されている。
【００３３】
変調器メサ部３上の変調器電極３ａと電極パッド４上の引出電極４ａは、溝部５に設けられた配線層６によって接続されている。
図２において、１２はｎ−ＩｎＰ基板、１４はｎ−ＩｎＰ基板１２上に配設されたストライプ状をしたｎ−ＩｎＰの下クラッド層である。
【００３４】
１６はアンドープＩｎＧａＡｓＰの光吸収層で、下クラッド層１４の上にストライプ状に配設されている。この光吸収層１６はｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ側光閉込層、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ層、およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐ側光閉込層で構成されている。
この光吸収層１６上にｐ−ＩｎＰの第１上クラッド層１８ａがストライプ状に形成され、この下クラッド層１４と光吸収層１６と第１上クラッド層１８ａとは、幅が１〜２μｍで高さが２〜３μｍ程度のリッジ状の光導波路２０を構成している。光導波路２０の両側には第１の半絶縁性半導体層としてのＦｅドープＩｎＰの第１埋込層２２が光導波路２０の側面上のみならず基板１２上に形成されている。
【００３５】
この第１埋込層２２上に第１の半導体層としてのｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２４が形成され、さらにこのホールトラップ層２４の上層に第２の半絶縁性半導体層としてのＦｅドープＩｎＰの第２埋込層２６が埋め込み形成されている。この第１埋込層２２とホールトラップ層２４と第２埋込層２６とで電流ブロック層２７が構成されている。この第１埋込層２２と第２埋込層２６は光導波路２０の近傍両側で接続されている。
【００３６】
光導波路２０と電流ブロック層２７との上にｐ−ＩｎＰの第２上クラッド層１８ｂが配設され、この第２上クラッド層１８ｂの上にｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層２８が配設されている。
光導波路２０の両側に所定の寸法の電流ブロック層２７を介在させて、コンタクト層２８の表面から電流ブロック層２７のホールトラップ層２４を貫通して第１埋込層２２に至る溝部５が形成され、光導波路２０を中心とし断面台形形状のリッジ状をした変調器積層構造が形成されている。
【００３７】
この変調器積層構造の上に光導波路２０と対向する開口３０を有する絶縁体膜としてのＳｉＯ2膜３２が配設され、このＳｉＯ2膜３２を介して変調器積層構造のコンタクト層２８の表面上に第１の電極膜としての変調器電極３ａが設けられて、変調器メサ部３を構成している。変調器メサ部３の断面台形形状の幅、つまり光導波路２０と直交する方向の幅は、１０〜２０μｍ程度である。
【００３８】
電極パッド４は、コンタクト層２８の表面から第１埋込層２２に至る深さを有する溝部５を介して変調器メサ部３の側部に設けられ、パッド台座４ｂは第１埋込層２２上に変調器部３と同時に形成された、電流ブロック層２７、第２上クラッド層１８ｂ、及びコンタクト層２８と同じ材料構成のパッド積層構造及びこのパッド積層構造の表面上に設けられたＳｉＯ2膜３２とで構成されている。
【００３９】
このパッド台座４ｂ上に第２の電極膜としての、引出電極４ａが配設されている。この引出電極４ａと変調器電極３ａとは、溝部５の第１埋込層２２の上に配設されたＳｉＯ2膜３２上に設けられた配線層６によって接続されている。
ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面側には裏面電極３６が設けられている。
次に変調器２の製造方法を説明する。
図３（ａ）、図３（ｂ）および図４（ａ）、図４（ｂ）は変調器２の製造工程を示す一部断面図である。
【００４０】
ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、下クラッド層１４としてのｎ−ＩｎＰ層、光吸収層１６としてのアンドープＩｎＧａＡｓＰ層、第１上クラッド層１８ａとしてのｐ−ＩｎＰ層を順次結晶成長により積層し、この積層の表面上に誘電体膜として例えばＳｉＯ2膜を形成し、光導波路２０の幅を１〜２μｍに形成するために、６〜７μｍの幅の誘電体ストライプ４０を形成する。
【００４１】
この誘電体膜ストライプ４０をマスクとして、ＨＢｒ系のエッチャントを使用し、ウエットエッチングにより、高さが３〜４μｍ程度のリッジ状の光導波路２０を形成する。この工程の結果を示すのが図３（ａ）である。
またこの場合のエッチングをメタン系ドライエッチングを用いて行ってもよい。
次に誘電体膜ストライプ４０をマスクとして、光導波路２０の両側を第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層、ホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層及び第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層で、順次埋め込み成長を行う。
【００４２】
このとき、第１埋込層２２としてＦｅドープＩｎＰ層上に形成されるホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層は、誘電体膜ストライプ４０のマスクの最奥部では成長されない。このため次に第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層が形成されると、第１埋込層２２としてＦｅドープＩｎＰ層と第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層とが接続する。この工程の結果を示すのが図３（ｂ）である。
【００４３】
次いで、誘電体膜ストライプ４０のマスクを除去した後、第２上クラッド層１８ｂとしてのｐ−ＩｎＰ層、及びコンタクト層２８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を結晶成長させる。この工程の結果を示すのが図４（ａ）である。
次いでフォトリソグラフィ・エッチング工程により、光導波路２０を中心として両側に所定の寸法の幅を残して溝部５をエッチングにより形成し、リッジ状の変調器積層構造を形成する。このとき形成される溝部５は、コンタクト層２８としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層の表面からホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層を貫通し、第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層を残したままでエッチングを停止して形成される。同時にこの変調器積層構造の側部に溝部５を介してパッド積層構造を形成する。
【００４４】
この溝部５の形成は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰをエッチングできるＢｒ−メタノール系エッチャントを用いたウエットエッチングやメタン系ドライエッチングにより行うことができる。
この後エッチングマスクを除去し、変調器積層構造とパッド積層構造と溝部５とを含めた全面に絶縁膜、例えばＳｉＯ2膜３２を形成し、フォトリソグラフィ・エッチング工程により、光導波路２０に対向した開口３０を形成する。
【００４５】
エッチングマスクを除去した後、パッド積層構造上にＳｉＯ2膜３２を配設したパッド台座４ｂ上に引出電極４ａを、また開口３０を有するＳｉＯ2膜３２を介して変調器積層構造３３上に変調器電極３ａを形成して変調器メサ部３を形成し、溝部５上にＳｉＯ2膜３２を介して配線層６を形成し、配線層６で引出電極４ａと変調器電極３ａとを接続する。
最後に、 ｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面側を研磨により１００μｍ程度に薄くし、裏面電極３６を形成する。この工程の結果を示すのが図４（ｂ）である。
【００４６】
次に動作について説明する。
変調器２において、変調器メサ部３の入射端面側から光吸収層１６を中心とする光導波路２０にレーザ光Ｌ１を入射し、出射端面側から出力光Ｌ２を取り出す。このとき電極パッド４を介して変調器電極３ａと裏面電極３６の間に逆バイアス電圧を印加すると、光吸収層１６に逆方向電界が印加され、フランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果により光吸収層１６の光の吸収係数が変化する。
【００４７】
つまり逆バイアス電圧が印加されていない間は出力光Ｌ２が出射されるが、逆バイアス電圧が印加されている間はレーザ光Ｌ１は光吸収層１６で吸収され、出力光Ｌ２として出射されない。このため逆バイアス電圧の信号電圧をオン・オフすることにより、出力光Ｌ２をオフ・オンすることができる。これにより電気信号が光信号に変換される。
【００４８】
この変調器２の光変調の遮断周波数は、変調器２のＣＲ時定数により決定される。ＣＲ時定数を小さくすること、つまり変調器２の容量又は抵抗値を小さくすることにより、高い周波数の出力光を取り出すことができ、高密度の信号伝達を行うことができる。
【００４９】
変調器２のＣＲ時定数のうち、変調器２の容量について云えば、その容量は変調器メサ部３の容量と電極パッド４の容量と配線層６の容量の和となる。
電極パッド４の寸法はワイヤボンディングに必要な面積で決定され、変調器メサ部３の幅は光の浸み出しを少なくしかつ加工の容易さに対する要請から、また変調器２の長さは光の吸収に必要な長さから決定される。また電極パッド４と変調器メサ部３との間隔はワイヤボンディングの際に変調器メサ部３に損傷を与えないような寸法で規定されるので、この寸法を確保しつつ電極パッド４と変調器メサ部３とを分離する溝部５を設け、積層構造でつながっているよりも容量を小さくしている。
【００５０】
そしてこの実施の形態においては、溝部５の深さはコンタクト層２８の表面からホールトラップ層２４を貫通し第１埋込層２２を残した深さに設定されている。従ってこの溝部５上に形成される配線層６により形成される容量の誘電体膜厚は、ＳｉＯ2膜３２と第１埋込層２２の合成厚みとなり、ＳｉＯ2膜３２のみの場合に比べて配線層６の容量が少なくなる。従って変調器２の出力光の遮断周波数を高くすることができ、延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００５１】
試みに容量の低減効果を試算してみる。
いま電極パッド４の引出電極４ａの寸法を５０μｍ×５０μｍとし、溝部５の寸法を１５μｍとし、第１埋込層２２の厚みを２．５μｍとすると、
（１）電極パッド４の容量は、ＳｉＯ2膜３２と第１埋込層２２の空乏層により決まり・・・０．０２５ｆＦ／μｍ2
（２）溝部５の配線層６の容量（第１埋込層２２無し）・・０．０８７ｆＦ／μｍ2
（３）溝部５の配線層６の容量（第１埋込層２２あり）・・０．０４２ｆＦ／μｍ2
となる。ここでｆＦはフェムト（ｆｅｍｔｏ）・ファラッド（ｆａｒａｄ）を示す。
【００５２】
このように第１埋込層２２を溝部５の下層に残すことにより、溝部５の配線層６の単位面積当りの容量を半減させることができる。
これにより、配線層６の下層に第１埋込層が無い場合には、変調器メサ部３、電極パッド４及び溝部５の配線層６を含めた変調器の素子容量が５３９ｆＦであったのに対し、第１埋込層２２を溝部５の下層に残すことにより５１９ｆＦに低減でき、変調器２の遮断周波数は１１．８ＧＨｚから１２．３ＧＨｚに向上させることができる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００５３】
変形例１
以上の説明では、ホールトラップ層２４を挟んで第１埋込層２２と第２埋込層２６とを配設する構成を説明したが、第２埋込層２６を省略した構成としてもよい。
図５は実施の形態１の変形例１を示す変調器の一部断面図である。
図５において、５０は変調器で、先に説明した実施の形態と同じ符号は同一か又は相当のものであることを示す。
この構成ではホールトラップ層２４の上層には第２埋込層２６が設けられていない。従って変調器の構成が簡単になる。
【００５４】
以上の説明では、電極パッド４の構成として、パッド４ｂが変調器メサ部３の電流ブロック層２７と同じ積層構造で構成されている場合について説明したが、パッドを例えばポリイミドなどの絶縁体で形成し、電極パッド４としてもよい。
【００５５】
以上のようにこの実施の形態では、溝部５の配線層６の下層にＳｉＯ2膜３２に加えてＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２を配設することにより、溝部５の配線層６の容量を小さくしたので、変調器の遮断周波数を高めることができる。また変調器メサ部３の電流ブロック層２７が、 ＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２の上に配設されたホールトラップ層２４の上にさらにＦｅドープＩｎＰ層の第２埋込層３２を備えたことにより、ホールトラップ層２４が光導波路２０と完全に離隔され、良好な駆動特性を安定的に得る構成とすることができる。
【００５６】
また電極パッド４のパッド台座４ｂが、変調器メサ部３と同じ積層構造、すなわち、電流ブロック層２７と同じ積層構造の、ＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２の上にホールトラップ層２４配設された積層構造、またはＦｅドープＩｎＰ層の第１埋込層２２の上にホールトラップ層２４が配設され、さらにＦｅドープＩｎＰ層の第２埋込層３２が配設された積層構造、に加えて、第２上クラッド層２６、コンタクト層２８及びＳｉＯ2層３２で構成されているので、変調器２の構成が簡単になり、安価な変調器２を構成することができる。
【００５７】
実施の形態２
図６はこの発明の他の実施の形態に係る変調器の一部断面図である。図６は図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面での断面図である。
図６において、図１、図２及び図４（ｂ）と同じ符号は同一か相当のものを示す。
この実施の形態２は、実施の形態１のホールトラップ層２４と第１の埋込層２２の間に、ホールトラップ層２４をエッチングする際のエッチング停止層を設けたもので、他の構成は実施の形態１と同じである。
【００５８】
図６において、６０は変調器、６２はエッチング停止層で、 ＦｅドープＩｎＰの第１埋込層２２とｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２４との間に、ホールトラップ層２４に密着して配設されている。層厚みは０．０５μｍ〜０．１μｍ程度である。ウエットエッチングによる選択エッチングを行ってホールトラップ層２４を除去して溝部５を形成するときには、エッチング停止層６２の材料はＩｎＧａＡｓＰである。
【００５９】
またドライエッチングにより、ホールトラップ層２４を除去して溝部５を形成するときには、エッチング停止層６２の材料はＩｎＡｌＡｓとする。
変調器６０の製造方法は、光導波路２０を形成し、このエッチングの時に使用した誘電体膜ストライプ４０をマスクとして光導波路２０の両側を第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層を形成する工程まで実施の形態１の変調器２の製造方法と同じで、この後、溝部５形成の際のエッチング方法に適合した材料によりエッチング停止層６２を埋め込み形成する。この後の工程は実施の形態１の変調器２の製造方法と同じである。
【００６０】
この変調器６０では、ホールトラップ層２４が完全に除去することが可能である。このため溝部５の下層の第１埋込層２２の層厚みを安定的に確保することができるので、溝部５上にＳｉＯ2膜３２を介して形成される配線層６の容量のバラツキが少なくなり、延いては変調器６０の遮断周波数のバラツキを少なくすることができる。
変調器６０の変形例として、実施の形態１の変形例１の場合の第２埋込層２６を備えていない場合に適用しても同様の効果がある。
【００６１】
また、以上の説明では、ホールトラップ層２４をｎ−ＩｎＰ層で形成した場合について説明したが、 ｎ−ＩｎＰ層の代わりに、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層やｎ−ＩｎＡｌＡｓ層を用いてもよい。
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層を用いた場合には、酒石酸と過酸化水素の混合物をエッチャントとして使用し、 ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層を用いた場合には、硝酸をエッチャントとして使用することにより、ＩｎＰと選択エッチングが可能であり、ホールトラップ層２４を完全に除去可能であるので、エッチング停止層６２を用いた場合と同様の効果を奏する。
【００６２】
実施の形態３
図７はこの発明の他の実施の形態に係る変調器の一部断面図である。図７は図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面での断面図である。図７において、図１、図２及び図４（ｂ）と同じ符号は同一か相当のものを示す。
この実施の形態３は、実施の形態１のコンタクト層２８を、光導波路の直上に第２上クラッド層の幅より狭くして対向させたものである。他の構成は実施の形態１と同じである。
【００６３】
図７において、７０は変調器、７２はｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層で、変調積層構造の第２上クラッド層１８ｂの断面形状の幅が１０〜２０μｍ程度であると、このコンタクト層７２の幅は３〜６μｍ程度である。
この変調器７０の製造方法は、実施の形態１の変調器２の図４（ａ）で示された、コンタクト層２８を形成する工程までは同様に形成する。
この後、光導波路２０の直上に第２上クラッド層の幅より狭く、例えば３〜６μｍ程度残るようにフォトリソグラフィ・エッチング工程によりコンタクト層７２を形成し、次いでフォトリソグラフィ・エッチング工程により溝部５を形成し、これにより幅が１０〜２０μｍ程度の断面台形形状の変調器積層構造を形成する。
【００６４】
これ以後の工程は、実施の形態１の変調器２の製造工程と同様である。
先の説明ではコンタクト層７２を形成した後、変調器積層構造を形成するように説明したが、変調器積層構造を形成した後、変調器積層構造の最上層のコンタクト層７２としてのｐ−ＩｎＧａＡｓ層を第２上クラッド層の幅より狭くエッチングし、コンタクト層７２を形成してもよい。
【００６５】
実施の形態１のコンタクト層２８では変調器積層構造の幅一杯に形成されており、またコンタクト層２８は低抵抗であるために注入した電流は、コンタクト層２８の幅一杯に拡がるのに対して、この実施の形態の変調器７０ではコンタクト層７２は幅が狭いために、注入した電流がコンタクト層７２の幅一杯に拡がったとしても、キャパシタの電極板が狭くなったのと同じ効果を有し、変調器７０の容量を小さくする効果を奏する。
【００６６】
実施の形態４
図８はこの発明の他の実施の形態に係る変調器付き半導体レーザの斜視図である。
図９は図８のＩＸ−ＩＸ断面の断面図である。図１０は図８のＸ−Ｘ断面の断面図である。
この実施の形態は、変調器と半導体レーザとを半導体基板上にモノリシックに集積し、変調器集積型半導体レーザ装置としてまとめたものである。
【００６７】
図８において、８０は変調器付半導体レーザ、８２は変調器、８４は分離領域、８６は半導体レーザである。８８は半導体レーザのコンタクト電極である。１００は半導体レーザメサ部である。
変調器８２，分離領域８４及び半導体レーザ８６の符号で図１及び図２と同じ符号は同一か又は相当のものであることを示す。また変調器８２のＩＩ−ＩＩ断面は図２に相当のものである。
【００６８】
図９において、ｎ−ＩｎＰ基板１２と裏面電極３６とは、変調器付半導体レーザ８０全体で共用にされている。９０は基板１２上に形成されたストライプ状のｎ−ＩｎＰからなるレーザ下クラッド層である。
【００６９】
９２はレーザ下クラッド層９０上に形成された活性層で、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰのｎ側光閉込層、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ層、およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰのｐ側光閉込層で構成されている。９４は活性層９２上に形成されたｐ−ＩｎＰのレーザ第１上クラッド層である。９８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子で、レーザ下クラッド層９０と活性層９２とレーザ第１上クラッド層９４とさらに回折格子９８を含めてリッジ状のレーザ光導波路９６を構成している。
【００７０】
レーザ光導波路９６の両側は、変調器８２と同じ半絶縁性半導体層であるＦｅドープＩｎＰの第１埋込層２２がレーザ光導波路９６の側面上のみならず基板１２上に形成され、さらにこの第１埋込層２２上にｎ−ＩｎＰのホールトラップ層２４とこのホールトラップ層２４の上層に形成されたＦｅドープＩｎＰの第２埋込層２６で埋め込まれている。この第１埋込層２２とホールトラップ層２４と第２埋込層２６とで電流ブロック層２７が形成されている。
【００７１】
レーザ光導波路９６および第２埋込層２６の上には、変調器８２と同じ第２上クラッド層１８ｂがさらにその上にはコンタクト層２８が形成されている。
レーザ光導波路９６を中心とし、このレーザ光導波路９６の両側に所定の幅を介して、コンタクト層２８表面からホールトラップ層２４を貫通し、第１埋込層２２に至る深さを有する溝部５が配設され、この溝部５によりリッジ状のレーザ積層構造が形成されている。
【００７２】
この溝部５により、レーザ積層構造と変調器の電極パッド４のパッド台座４ｂとの間でホールトラップ層２４を切断することにより、ホールトラップ層２４を経由して流れるリーク電流を防止する。
このレーザ積層構造を覆って、レーザ光導波路９６の直上に開口１０２を有するＳｉＯ2膜３２が設けられ、このＳｉＯ2膜３２を介してレーザ積層構造上にコンタクト電極８８が設けられている。このレーザ積層構造、 ＳｉＯ2膜３２及びコンタクト電極８８により半導体レーザメサ部１００が構成されている。
【００７３】
次に図１０において、変調器８２と半導体レーザ８６とは分離領域８４で連続的に接続されている。すなわち変調器８２と半導体レーザ８６とは基板を共用にし、これらをバットジョイント法で接合する際の接合面１０６を介して連続している。
分離領域８４は第２上クラッド層１８ｂの途中まで堀込まれた分離溝１０４とＳｉＯ2膜３２によって構成され、変調器メサ部３のコンタクト層２８と半導体レーザメサ部１００のコンタクト層２８を切断し電気的に分離している。
また、第２埋込層２６が無い構成では、この分離領域８４で、半導体レーザメサ部１００と変調器メサ部３とのホールトラップ層２４を分断している。
【００７４】
この実施の形態では回折格子９８は活性層９２に沿って第２上クラッド層１８ｂに埋め込まれているが、レーザ下クラッド層９０や基板１２に埋め込まれる場合がある。
【００７５】
次に変調器付半導体レーザ８０の製造方法を説明する。
まずｎ−ＩｎＰ基板１２の上にＭＯＣＶＤ法により、レーザ下クラッド層９０としてのｎ−ＩｎＰ層、活性層９２を構成するｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ層、およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、さらにレーザ第１上クラッド層９４としてのｐ−ＩｎＰ層、及び回折格子９８を形成するｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、キャップ層としてｐ−ＩｎＰ層を順次結晶成長で積層する。
【００７６】
このレーザ第１上クラッド層９４としてのｐ−ＩｎＰ層の上にＳｉＯ2またはＳｉＮなどの誘電体膜を形成し、回折格子９８のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を含みレーザ光導波路９６を形成するためのストライプ状の誘電体膜が残るように誘電体膜をエッチングし、このストライプ状の誘電体膜をマスクとして、変調器８２が形成される領域を含む領域の積層を基板１２が露呈するまでエッチングする。
次にストライプ状の誘電体膜を残したまま、バットジョイント法によるＭＯＣＶＤ法により、変調器８２側の、下クラッド層１４としてのｎ−ＩｎＰ層、光吸収層１６としてのアンドープＩｎＧａＡｓＰ層、第１上クラッド層１８ａとしてのｐ−ＩｎＰ層を順次結晶成長により積層する。
【００７７】
次に、ストライプ状の誘電体膜を除去し、回折格子９８を形成するためにｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層を干渉露光法或いは電子ビーム露光法を用いて、格子状にエッチングし、回折格子９８を形成する。この後全面にレーザ第１上クラッド層９４としてのｐ−ＩｎＰ層を成長させる。
この後、改めてＳｉＯ2またはＳｉＮなどの誘電体膜を形成し、幅が６〜７μｍの、変調器８２及び半導体レーザ８６に重なる誘電体ストライプを形成する。
【００７８】
この誘電体ストライプをマスクとして基板１２が露呈するまで、ＨＢｒを用いたウエットエッチングを行い、変調器８２と半導体レーザ８６とに連続した幅が１〜２μｍの光導波路のリッジ形成を行う。
次にこの誘電体ストライプを残した状態で、第１埋込層２２としてのＦｅドープＩｎＰ層、ホールトラップ層２４としてのｎ−ＩｎＰ層、第２埋込層２６としてのＦｅドープＩｎＰ層をＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。
ここで、第２埋込層２６を用いないで電流ブロック層２７を構成した場合には、高周波の漏れを防ぐため変調器８２と半導体レーザ８６のホールトラップ層２４を分断するために分離領域８４でホールトラップ層２４をエッチングで除去する。
【００７９】
この後、ＭＯＣＶＤ法によって全面に第２上クラッド層１８ｂしてのｐ−ＩｎＰ層、コンタクト層２８としてのｐ+−ＩｎＧａＡｓ層を結晶成長する。
次いで、分離領域８４に対応するコンタクト層２８および第２上クラッド層１８ｂの上面の一部をエッチングにより除去し、分離溝１０４を形成する。
次いで、コンタクト層２８表面からホールトラップ層２４を貫通し、第１埋込層２２を残す深さの溝部５を形成し、変調器積層構造及び半導体レーザ積層構造を形成する。また同時に、変調器８２の電極パッド４の積層構造をエッチングにより形成する。
【００８０】
この後、全面に絶縁膜３２をスパッタにより形成した後、変調器積層構造及び半導体レーザ積層構造上の電極コンタクト形成部分それぞれの絶縁膜３２の一部を除去し開口３０、開口１０２を形成する。
次いで表面にＴｉ／Ａｕ膜及びＡｕメッキ層を形成し、変調器電極３ａおよび半導体レーザのコンタクト電極８８を形成する。
この後、基板１２の裏面を基板厚みが１００μｍ程度になるまで研削した後、裏面電極３６を形成する。
【００８１】
この説明では、まず半導体レーザ８６の光導波路９６を先に形成し、エッチングによって変調器８２を形成する領域の積層を除去した後、バットジョイント法により後で変調器８２の光導波路２０の積層部分を形成するように説明したが、逆に変調器８２の光導波路２０を先に形成し、後にバットジョイント法により半導体レーザ８６の光導波路９６の積層部分を形成してもよい。
【００８２】
次に変調器付半導体レーザ８０の動作について説明する。
上記のように構成された変調器付半導体レーザ８０は、半導体レーザのコンタクト電極８８と裏面電極３６との間に順バイアス電圧を印加し活性層９２に電流を注入し、半導体レーザ８６で発光させたレーザ光を分離領域８４を介して変調器８２に導く。
【００８３】
変調器８２には電極パッド４の引出電極４ａを介して、変調器電極３ａと裏面電極３６との間にの間で逆バイアスの変調信号電圧を印加する。変調信号電圧が印加されると、光吸収層１６に逆方向電界が印加され、フランツケルディッシュ効果或いは量子閉込めシュタルク効果により光の吸収係数が変化する。
【００８４】
つまり逆バイアス電圧が印加されていない間は出力光Ｌ２が出射されるが、逆バイアス電圧が印加されている間はレーザ光は光吸収層１６で吸収され、出力光Ｌ２として出射されない。このため逆バイアス電圧の信号電圧をオン・オフすることにより、出力光Ｌ２をオフ・オンすることができる。これにより電気信号が光信号に変換される。
【００８５】
変調器付半導体レーザ８０の遮断周波数は、変調器８２の光変調の周波数特性、つまり変調器８２のＣＲ時定数により決定される。このＣＲ時定数を小さくすること、すなわち変調器８２の容量又は抵抗値を小さくすることにより、高い周波数の出力光を取り出すことができ、高密度の信号伝達を行うことができる。
【００８６】
変調器８２のＣＲ時定数のうち、変調器８２の容量について云えば、その容量は変調器メサ部３の容量と電極パッド４の容量と配線層６の容量の和となる。
電極パッド４の寸法はワイヤボンディングに必要な面積で決定され、変調器メサ部３の幅は光の浸み出しを少なくすること及び加工上の要請から、また変調器８２の長さは光の吸収に必要な長さから決定される。
【００８７】
また電極パッド４と変調器メサ部３との間隔はワイヤボンディングの際に変調器に損傷を与えないような寸法で規定されるので、電極パッド４と変調器メサ部３とを分離する溝部５を設け、積層構造でつながっているよりも容量を小さくしている。
【００８８】
そしてこの実施の形態４においては、変調器８２の溝部５の深さはコンタクト層２８の表面からホールトラップ層２４を貫通し、第１埋込層２２を残した深さに設定されている。従ってこの溝部５上に形成される配線層６により形成される容量の誘電体層厚みは、ＳｉＯ2膜３２と第１埋込層２２の合成厚みとなり、ＳｉＯ2膜３２のみの場合に比べて配線層６の容量が少なくなり、変調器２の出力光の遮断周波数を高くすることができる。延いては変調器付レーザ８０の出力光の周波数を高くすることができ、信号伝達の高密度化を図ることができる。
【００８９】
またこの実施の形態４においては、使用する変調器８２として実施の形態１の変調器について説明したが、実施の形態２及び実施の形態３の変調器を使用しても同様の効果がある。この場合実施の形態３の変調器を使用する際に変調器８２とともに半導体レーザ８６のコンタクト層も、変調器８２と同様に幅を狭くして延長しても良い。
【００９０】
またこの実施の形態４においては、変調器８２と半導体レーザ８６とをモノリシックに集積した装置について説明したが、取付基板に実施の形態１乃至３の変調器を配設し、この変調器の吸収層に光が入射するように、半導体レーザを取付けて、変調器付半導体レーザ装置としても、信号伝達の高密度化が可能となることはいうまでもない。
【００９１】
【発明の効果】
この発明に係る変調器および変調器付き半導体レーザ装置並びその製造方法は以上に説明したような構成又は工程を備えているので、以下のような効果を有する。
【００９２】
この発明に係る変調器においては、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層が変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と絶縁体膜とを介して半導体基板の一主面上に配設されたので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器において、配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性のよい変調器を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９３】
さらに、変調器部の電流ブロック層が、第１の半導体層上に第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器において、配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性のよい変調器を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９４】
さらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたので、変調器の構成が簡単になり、安価な変調器を構成することができる。またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたので、第１の半導体層を完全に除去された変調器を構成でき、駆動特性のよい変調器を得ることができる。
【００９５】
また変調器部が、第１の電極膜と導波路との間にコンタクト層をさらに備え、このコンタクト層の幅が導波路とその両側に配設された電流ブロック層との幅より狭い構成としたので、変調器部の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性のよい変調器を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９６】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置は、変調器の第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層が、変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と絶縁体膜とを介して半導体基板の一主面上に配設されたので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する構成の変調器において、変調器の配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性の良い変調器付き半導体レーザ装置を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９７】
また、変調器部の電流ブロック層を、第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことにより、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを有する構成の変調器を備えた変調器付き半導体レーザ装置において、配線層の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性の良い変調器付き半導体レーザ装置を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【００９８】
さらに電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたもので、変調器の構成が簡単になり、安価な変調器付き半導体レーザ装置を構成することができる。
【００９９】
またさらに第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたもので、第１の半導体層が完全に除去された変調器と半導体レーザとを構成でき、半導体レーザのリーク電流が少なく、駆動特性のよい変調器を備えた変調器付き半導体レーザ装置を得ることができる。
【０１００】
また変調器が、第１の電極膜と光導波路との間にコンタクト層をさらに備え、このコンタクト層の幅が光導波路とその両側に配設された電流ブロック層との幅より狭い構成としたので、変調器の容量が小さくなり、変調器の遮断周波数が高くなり、周波数特性の良い変調器付き半導体レーザ装置を構成できる。延いては高密度の信号伝達を行うことができる。
【０１０１】
またこの発明に係る変調器の製造方法は、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する工程と、を含むので電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備えた、高い遮断周波数を有する変調器を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器を提供できる。
【０１０２】
さらに、第１導電型の第１の半導体層を形成した後、第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備えた、高い遮断周波数を有する変調器を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器を提供できる。
【０１０３】
またこの発明に係る変調器付き半導体レーザ装置の製造方法は、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する工程と、半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する工程と、光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する工程と、絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する工程とを含む変調器の製造工程及び半導体基板上に変調器積層構造の光導波路の延長方向に隣接して、光吸収層に接続される活性層を有する半導体レーザを形成する工程とを含むので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器付き半導体レーザ装置を提供することができる。
【０１０４】
また、変調器の製造工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成するので、変調器の電流ブロック層が第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層と第２の半絶縁性半導体層とを備えた、高い周波数特性を有する変調器付き半導体レーザ装置を簡単な方法で製造することができ、延いては安価で周波数特性のよい変調器付き半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る変調器の斜視図である。
【図２】 図１のＩＩ−ＩＩ断面の断面図である。
【図３】 この発明に係る変調器の製造工程を示す素子の断面図である。
【図４】 この発明に係る変調器の製造工程を示す素子の断面図である。
【図５】 この発明に係る変調器の一部断面図である。
【図６】 この発明に係る変調器の一部断面図である。
【図７】 この発明に係る変調器の一部断面図である。
【図８】 この発明に係る変調器付き半導体レーザ装置の斜視図である。
【図９】 図８のＩＸ−ＩＸ断面の断面図である。
【図１０】 図８のＸ−Ｘ断面の断面図である。
【図１１】 従来の変調器の斜視図である。
【図１２】 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面の断面図である。
【符号の説明】
１２ 半導体基板、 １６ 光吸収層、 ２０ 光導波層、 ２２ 第１埋込層、 ２４ ホールトラップ層、 ２７ 電流ブロック層、 ３２ＳｉＯ2膜、 ３ａ 変調器電極、 ３ 変調器メサ部、 ５ 溝部、４ｂ パッド台座、 ４ａ 引出電極、 ４ 電極パッド、 ６ 配線層、 ２６ 第２埋込層、 ６２ エッチング停止層、 ７２ コンタクト層、 ９２ 活性層、 ８６ 半導体レーザ
Claims (12)
- 第１導電型の半導体基板と、
この半導体基板の一主面上に配設されるとともに、光吸収層を含みリッジ状に延長された光導波路、この光導波路の両側に配設され基板側から順次積層された第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する電流ブロック層、上記光導波路と上記電流ブロック層の上に形成されたクラッド層、及び上記光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を介して上記クラッド層上に配設された第１の電極膜、を有する変調器部と、
この変調器部と溝部を介して離隔され上記半導体基板の一主面上に配設された基台部とこの基台部上に配設された第２の電極膜とを有する電極パッドと、
上記変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と上記絶縁体膜とを介して上記半導体基板の一主面上に配設されるとともに、上記第１の電極膜と第２の電極膜とを接続した配線層とを備え、
上記変調器部は、上記第１の電極膜と上記クラッド層との間にコンタクト層を更に備え、このコンタクト層の幅が上記クラッド層の上面の幅より狭いことを特徴とする変調器。 - 変調器部の電流ブロック層が第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことを特徴とする請求項１記載の変調器。
- 電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の変調器。
- 第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の変調器。
- 第１導電型の半導体基板と、
この半導体基板の一主面上に配設されるとともに、光吸収層を含みリッジ状に延長された光導波路、この光導波路の両側に配設され基板側から順次積層された第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを有する電流ブロック層、上記光導波路と上記電流ブロック層の上に形成されたクラッド層、及び上記光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を介して上記クラッド層上に配設された第１の電極膜、を有する変調器部と、
この変調器部と溝部を介して離隔され上記半導体基板の一主面上に配設された基台部とこの基台部上に配設された第２の電極膜とを有する電極パッドと、
上記変調器部から延在する第１の半絶縁性半導体層と上記絶縁体膜とを介して上記半導体基板の一主面上に配設されるとともに、上記第１の電極膜と第２の電極膜とを接続した配線層と、
上記半導体基板の一主面上に、上記変調器部の光導波路の延長方向に隣接して配設されるとともに、上記光導波路の光吸収層に接続された活性層を有する半導体レーザ部とを備え、
上記半導体レーザ部が光導波路を有し、該光導波路の両側に上記変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造の電流ブロック層を備え、上記半導体レーザ部の電流ブロック層の第１の半導体層と上記変調器部の電流ブロック層の第１の半導体層とが所定の間隔を有し、
上記変調器部は、上記第１の電極膜と上記クラッド層との間にコンタクト層を更に備え、このコンタクト層の幅が上記クラッド層の上面の幅より狭いことを特徴とする変調器付き半導体レーザ装置。 - 変調器部の電流ブロック層が第１の半導体層上にさらに第２の半絶縁性半導体層を備えたことを特徴とする請求項５記載の変調器付き半導体レーザ装置。
- 電極パッドの基台部が、変調器部の電流ブロック層と同じ積層構造を備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の変調器付き半導体レーザ装置。
- 第１の半絶縁性半導体層と第１の半導体層との間に、第１の半導体層よりもエッチング速度が小さい第２の半導体層をさらに備え、この第２の半導体層の上に配設された絶縁体膜を介して配線層が配設されたことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の変調器付き半導体レーザ装置。
- 第１導電型の半導体基板上に光吸収層と第２導電型のクラッド層とを積層したウエハ上に誘電体膜を形成し、この誘電体膜を帯状に形成し、この帯状の誘電体膜をマスクとして、光吸収層を越える深さにウエハをエッチングしリッジ状の光導波路を形成する第１の工程と、
帯状の誘電体膜をマスクとして、光導波路の両側に第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを埋め込み成長し電流ブロック層を形成する第２の工程と、
誘電体マスクを除去した後、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する第３の工程と、
半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する第４の工程と、
光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する第５の工程と、
絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する第６の工程とを含み、
上記第２の工程と上記第３の工程との間に、上記光導波路と上記電流ブロック層の上にクラッド層を形成する工程と、上記クラッド層の上に上記クラッド層の上面の幅より狭い幅のコンタクト層を形成する工程を含むことを特徴とする変調器の製造方法。 - 第２の工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成することを特徴とする請求項９記載の変調器の製造方法。
- 第１導電型の半導体基板上に光吸収層と第２導電型のクラッド層とを積層したウエハ上に誘電体膜を形成し、この誘電体膜を帯状に形成し、この帯状の誘電体膜をマスクとして、光吸収層を越える深さにウエハをエッチングしリッジ状の光導波路を形成する第１の工程と、
帯状の誘電体膜をマスクとして、光導波路の両側に第１の半絶縁性半導体層と第１導電型の第１の半導体層とを埋め込み成長し電流ブロック層を形成する第２の工程と、
誘電体マスクを除去した後、光導波路とその両側の電流ブロック層とを所定の形状に残し、第１の半絶縁性半導体層が露呈するまでエッチングし変調器積層構造を形成する第３の工程と、
半導体基板上の一部に変調器積層構造の側面を介して離隔された電極パッドの基台部を形成する第４の工程と、
光導波路の頂面に対向した開口を有する絶縁体膜を、変調器積層構造上及び露呈した第１の半絶縁性半導体層上に形成する第５の工程と、
絶縁体膜の開口を介して変調器積層構造上に第１の電極膜を形成するとともに電極パッドの基台部上に第２の電極膜を形成し、第１の電極膜と第２の電極膜とを接続する配線層を形成する第６の工程と、
上記半導体基板上に上記変調器積層構造の光導波路の延長方向に隣接して、上記光導波路の光吸収層に接続される活性層を有する半導体レーザを形成する第７の工程とを含み、
上記第７の工程が、上記半導体レーザの有する光導波路の両側に、上記変調器部と同じ積層構造の電流ブロック層を、該電流ブロック層が有する第１の半導体層と上記変調器部の第１の半導体層とが所定の間隔を有するように形成する工程を含み、
上記第２の工程と上記第３の工程との間に、上記光導波路と上記電流ブロック層の上にクラッド層を形成する工程と、上記クラッド層の上に上記クラッド層の上面の幅より狭い幅のコンタクト層を形成する工程を含むことを特徴とする変調器付き半導体レーザ装置の製造方法。 - 第２の工程において、第１導電型の第１の半導体層を形成した後さらに第２の半絶縁性半導体層を埋め込み成長し電流ブロック層を形成することを特徴とする請求項１１記載の変調器付き半導体レーザ装置の製造方法。
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