JPH01186693A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は光通信分野、光情報処理分野に必要な部品で、
同一基板上に発光部、受光部および光導波路等を集積し
た光集積回路や多波長レーザアレイに代表される半導体
装置およびその作製に必要な製造方法に関する。[Detailed Description of the Invention] Industrial Application Field The present invention is a component necessary for the optical communication field and the optical information processing field.
The present invention relates to semiconductor devices, such as optical integrated circuits and multi-wavelength laser arrays, in which a light emitting section, a light receiving section, an optical waveguide, etc. are integrated on the same substrate, and the manufacturing method necessary for manufacturing the same.
従来の技術
光通信分野において、発光素子、受光素子および光制御
素子は必要不可欠な部品である。これらの素子を同一基
板上に集積化した光集積回路は光中継器や光スィッチ等
の基本構成となり、性能。BACKGROUND OF THE INVENTION In the field of optical communications, light emitting elements, light receiving elements, and light control elements are essential components. Optical integrated circuits that integrate these elements on the same substrate form the basic structure of optical repeaters, optical switches, etc., and their performance greatly increases.
信頼性向上の立場から非常に有利である。また近年盛ん
に行なわれている光多重通信では発振波長の異なる光源
(半導体レーザ)が必要で同一基板上に集積化した多波
長レーザアレイは重要となってくる。さらに光情報処理
の分野においても光ディスクやコンパクトディスク等の
光ピツクアップにはこのような構成の光集積回路の出現
が待ち望まれている。This is very advantageous from the standpoint of improving reliability. Furthermore, optical multiplex communications, which have become popular in recent years, require light sources (semiconductor lasers) with different oscillation wavelengths, and multi-wavelength laser arrays integrated on the same substrate are becoming important. Furthermore, in the field of optical information processing, the appearance of optical integrated circuits with such a configuration is eagerly awaited for optical pickups of optical discs, compact discs, and the like.
これらの集積化素子は用途により構造の差はあるが、基
本的に第8図に示す断面構造になっている。ここではI
nP/TnGaAg P糸材料を用いた場合を示しであ
る。1はn−InP基板、2は光導波領域、3は発光領
域、4は受光領域を示す。6〜7はそれぞれInGaA
s P層で5は光導波層、6は活性層、7は受光層であ
る。また8はP −InP層で各領域(2〜4)は分離
溝9で電気的に分離されている。光導波層6.活性層6
.受光層7は同一光軸上に形成され、かつ各層を構成す
るInGaAsP混晶のバンドギャップは光導波層のバ
ンドギャップは活性層のバンドギャップよシ大きく、受
光層のバンドギャップは活性層のバンドギャップより小
さくなければならない。このような構成により発光部2
よシ出射した光波21.22は受光層7゜光導波層6に
高い結合効率で入射され、光パワーのモニターおよび光
波の変調、スイッチ等の制御等複数の機能を有する光集
積回路を得ることができる。各領域を単体素子でハイブ
リッドで構成した場合に比べ、複雑な光学的アライメン
ト、を必要とせず、性能、信頼性の向上を得ることが可
能で、また素子の大幅な小型化を図ることができる。Although the structure of these integrated elements differs depending on the application, they basically have the cross-sectional structure shown in FIG. 8. Here I
This shows the case using nP/TnGaAg P thread material. 1 is an n-InP substrate, 2 is an optical waveguide region, 3 is a light emitting region, and 4 is a light receiving region. 6 to 7 are each InGaA
In the sP layer, 5 is an optical waveguide layer, 6 is an active layer, and 7 is a light receiving layer. Further, 8 is a P-InP layer, and each region (2 to 4) is electrically isolated by an isolation groove 9. Optical waveguide layer 6. active layer 6
.. The light-receiving layer 7 is formed on the same optical axis, and the band gap of the InGaAsP mixed crystal constituting each layer is larger than that of the optical waveguide layer, and the band gap of the light-receiving layer is larger than that of the active layer. Must be smaller than the gap. With such a configuration, the light emitting section 2
The emitted light waves 21 and 22 are incident on the light receiving layer 7° and the optical waveguide layer 6 with high coupling efficiency to obtain an optical integrated circuit having multiple functions such as monitoring optical power, modulating light waves, controlling switches, etc. Can be done. Compared to the case where each region is configured as a hybrid with single elements, it is possible to improve performance and reliability without requiring complicated optical alignment, and it is possible to significantly reduce the size of the element. .
発明が解決しようとする課題
しかしながら第8図に示すような同一平面上に異なるバ
ンドギャップのエピタキシャル層(6〜7)を得るには
、一般に各層は組成の異なるInGaAsP層でなけれ
ばならないので複数のエピタキシャル成長が必要となる
。例えばこの場合はまず発光部3を除いて絶縁膜でマス
クした状態でまず1回目の多層エピタキシャル成長を行
ない、次に受光部4を除いてマスクして2回目の成長、
さらに光制御部を除いてマスクして3回目の成長という
ように、計3回のエピタキシャル成長が必要であるばか
シでなく、これに付随した絶縁膜の堆積やフォトリング
ラフィ等の工程が複数回加わフ非常に複雑な製造プロセ
スを必要となる。さらにマスクされた基板上にエピタキ
シャル成長を行なう場合、境界域での異常成長が問題と
なシ各領域2〜4間での光波の結合効率を高めることが
できず、一体化によるメリットを損なうことになる。Problems to be Solved by the Invention However, in order to obtain epitaxial layers (6 to 7) with different band gaps on the same plane as shown in FIG. 8, each layer must generally be an InGaAsP layer with a different composition. Epitaxial growth is required. For example, in this case, first, the first multilayer epitaxial growth is performed with the light emitting part 3 excepted and masked with an insulating film, then the second multilayer epitaxial growth is performed with the light receiving part 4 removed and masked.
Furthermore, it does not require epitaxial growth for a total of three times, such as masking off the light control area and performing the third growth, but also involves multiple steps such as insulating film deposition and photolithography. Additionally, a very complex manufacturing process is required. Furthermore, when epitaxial growth is performed on a masked substrate, abnormal growth in the boundary region becomes a problem, and the coupling efficiency of light waves between each region 2 to 4 cannot be increased, which impairs the benefits of integration. Become.
一方、近年光通信分野において、光多重通信が盛んに研
究開発されている。従って、発振波長の異なる半導体レ
ーザの要求がおき、さらに同一基板上に集積化した多波
長レーザアレイの研究開発も盛んになっている。従来よ
シ開発されてきた波長多重の半導体レーザは第9図のハ
イブリッド型と、第10図のモノリシック型に大別され
る。第9図の構成はヒートシンク4o上にこの場合は3
つの異なる発振波長を持つ半導体レーザ32,33゜3
4をマウントした波長多重レーザである。この素子の欠
点として、各素子それぞれ出射方向を揃える必要があり
組立実装にかなりの負担がかがる。On the other hand, in recent years, optical multiplex communication has been actively researched and developed in the field of optical communication. Therefore, there has been a demand for semiconductor lasers with different oscillation wavelengths, and research and development of multi-wavelength laser arrays integrated on the same substrate has also become active. Wavelength multiplexing semiconductor lasers that have been developed in the past are roughly divided into a hybrid type shown in FIG. 9 and a monolithic type shown in FIG. 10. The configuration shown in Figure 9 has 3
Semiconductor laser 32, 33°3 with two different oscillation wavelengths
This is a wavelength multiplexed laser mounted with 4. A drawback of this element is that it is necessary to align the emission directions of each element, which puts a considerable burden on assembly and mounting.
また、各素子の特性を揃える必要があるため歩留シが悪
いという問題がある。一方、第10図のモノリシック型
の波長多重レーザの構造は同一の基板1上に各半導体レ
ーザ36.37.38それぞれに禁止帯幅の異なる活性
層を有している。したがって、ハイブリッド型のものに
比べ複雑な光学的アライメントを必要とせず、性能なら
びに信頼性の向上が期待できる。しかしながら、各活性
層それぞれに結晶成長を行う必要があるため、そのプロ
セス工程は複雑でありその作製は困難を究める0
以上のように、従来の光集積回路や波長多重型半導体レ
ーザは製造工程が複雑であるばかりでなく、桂能、信頼
性などの向上が得にくいと言う問題点があった。Furthermore, since it is necessary to make the characteristics of each element uniform, there is a problem that the yield is low. On the other hand, in the structure of the monolithic wavelength multiplexed laser shown in FIG. 10, each of the semiconductor lasers 36, 37, and 38 has active layers having different forbidden band widths on the same substrate 1. Therefore, compared to a hybrid type, complicated optical alignment is not required, and improved performance and reliability can be expected. However, since it is necessary to grow crystals for each active layer, the process is complicated and its fabrication is extremely difficult. Not only is it complicated, but it also has problems in that it is difficult to improve performance, reliability, etc.
本発明は、工程上有利な製造方法で多波長レーザあるい
は複合光集積回路を得ることを目的とする。An object of the present invention is to obtain a multi-wavelength laser or a composite optical integrated circuit using a manufacturing method that is advantageous in terms of process.
課題を解決するための手段
本発明は上述の課題を解決すべく、半導体基板上に幅の
翼なる第1.第2のメサストライプ領域を形成し、前記
第1.第2のメサストライプ上に、エピタキシャル成長
層よシなるSOOÅ以下の超薄膜層を含むとともにバン
ドギャップの異なる第1、第2の量子井戸層を形成し、
前記第1.第2のメサストライプ上に前記第1.第2の
量子井戸層を含む異なる第1.第2の半導体領域を形成
したことを特徴とする半導体装置であり、幅の異なるメ
サストライプを複数の領域に形成した半導体基板上にエ
ピタキシャル成長法により少なくとも一層以上の厚さS
OOÅ以下の超薄膜層を含む量子井戸層を形成する工程
を有する半導体装置の製造方法である。Means for Solving the Problems The present invention aims to solve the above-mentioned problems by forming a first . forming a second mesa stripe region; On the second mesa stripe, first and second quantum well layers including an ultra-thin film layer of SOO Å or less, such as an epitaxial growth layer, and having different band gaps are formed;
Said 1st. the first mesa stripe on the second mesa stripe. A different first quantum well layer comprising a second quantum well layer. A semiconductor device characterized in that a second semiconductor region is formed, in which at least one layer of thickness S is formed by epitaxial growth on a semiconductor substrate in which mesa stripes with different widths are formed in a plurality of regions.
This is a method for manufacturing a semiconductor device including a step of forming a quantum well layer including an ultra-thin film layer of OO Å or less.
作用
上述の手段により、−回のエピタキシャル成長で、基板
上の複数の領域にバンドギャップエネルギーの相異なる
成長層を同一平面上に形成することができ非常に容易に
光集積回路を作製できるとともに、各領域間での異常成
長がなく良好な光波の結合が行なわれ高性能、高信頼性
を有する光集積回路や、各領域で発振波長の異なる波長
多重型レーザを容易に実現できるものである0実施例
以下、本発明の実施例を従来例と同じ(InGaAsP
/InP系材料を例に記載する。Operation By using the above-mentioned method, growth layers with different band gap energies can be formed on the same plane in multiple regions on the substrate by - times of epitaxial growth, and optical integrated circuits can be manufactured very easily. It is possible to easily realize optical integrated circuits that have high performance and high reliability due to good light wave coupling without abnormal growth between regions, and wavelength multiplexed lasers with different oscillation wavelengths in each region. EXAMPLE Below, the embodiment of the present invention is the same as the conventional example (InGaAsP
/InP-based materials will be described as an example.
まず第1図は本発明の第1の実施例として光導波路と半
導体レーザと光導波路を一体化した外部変調器型レーザ
である。これは半導体レーザで構成される発光部3と光
導波路で構成される光変調部2から成っている。ここで
n−InP基板1上には発光部3においては幅W、のメ
サストライプ11が、光変調部2においては幅W2のメ
サストライプ11′が形成されている0このようなメサ
ストライプ付基板は5i02等のマスクのパターニング
後He、5/H,PO4系エッチャントでエツチングし
たのちマスクを除去すれば容易に形成することができる
。ここでメサストライプ11.11’の段差の高さHは
約2μmである。このInP基板1上に例えば液相エピ
タキシャル成長法(以下LPX法)により InGaA
sP井戸層16bとInP障壁層16&から成る多重量
子井戸構造(MQW)を形成し、さらにP −InPク
ラッド層(膜厚的2μm)を形成する。First, FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, which is an external modulator type laser in which an optical waveguide, a semiconductor laser, and an optical waveguide are integrated. This consists of a light emitting section 3 made up of a semiconductor laser and an optical modulation section 2 made up of an optical waveguide. Here, on the n-InP substrate 1, a mesa stripe 11 with a width W is formed in the light emitting part 3, and a mesa stripe 11' with a width W2 in the light modulation part 2. can be easily formed by patterning a mask such as 5i02, etching with a He, 5/H, PO4 etchant, and then removing the mask. Here, the height H of the step of the mesa stripe 11.11' is approximately 2 μm. InGaA is grown on this InP substrate 1 by, for example, liquid phase epitaxial growth method (hereinafter referred to as LPX method).
A multiple quantum well structure (MQW) consisting of an sP well layer 16b and an InP barrier layer 16& is formed, and further a P-InP cladding layer (2 μm in film thickness) is formed.
第2図はLPK法による多重量子井戸層作製法の概略を
示す成長ボートの断面構造図である。第1図に示すメサ
ストライプの形成されたn −InP基板1は成長ボー
トのスライダー52にはめ込む。FIG. 2 is a cross-sectional structural diagram of a growth boat showing an outline of a method for producing a multiple quantum well layer by the LPK method. The n-InP substrate 1 shown in FIG. 1 on which mesa stripes are formed is fitted into a slider 52 of a growth boat.
ここで最初の状態では基板1はムの位置にある(第2図
(a))。次にスライダー2を右方57ヘスライドし基
板1をメルトホルダー63に収納された工nPメルト5
6 、58’ 、 InGaAsPメルト65に停止す
ることなく接触させ(第2図(a))、InPメルト6
′の右側のB点で停止させる(第2図(C))。Here, in the initial state, the substrate 1 is in the position (FIG. 2(a)). Next, slide the slider 2 to the right 57 and place the substrate 1 into the melt 5 stored in the melt holder 63.
6, 58', contact with InGaAsP melt 65 without stopping (Fig. 2(a)), and InP melt 6
Stop at point B on the right side of ' (Figure 2 (C)).
さらにスライダー62を反対方向68へム点までスライ
ドして基板1を各メルト(56,56’、!55)に接
触させ(第2図(d))、第2図(&)の状態に戻す。Furthermore, slide the slider 62 in the opposite direction to the hem point 68 to bring the substrate 1 into contact with each melt (56, 56', !55) (Fig. 2 (d)), and return to the state shown in Fig. 2 (&). .
この動作をくり返すことにより第1図(b) 、 (0
)に示すようにメサストライプ付InP基板1上にIn
GaA!IP井戸層151LとInP障壁層15bから
成る多重量子井戸層(MQW層)15が得られる0ここ
で単−量子井戸層の場合は第2図e)から(C)までの
一方向のスライドのみの工程だけでよい0
第1図(b) 、 (0)はそれぞれ第1図(&)にお
ける発光部断面五−ム′ 、光変調部所面B−B’であ
る。By repeating this operation, Figure 1(b), (0
), InP substrate 1 with mesa stripe is coated with InP.
GaA! A multiple quantum well layer (MQW layer) 15 consisting of an IP well layer 151L and an InP barrier layer 15b is obtained.In the case of a single quantum well layer, only one direction slide from e) to (C) in Fig. 2 is obtained. 1(b) and 1(0) are the cross-sections of the light emitting section 5-mm' and the light modulating section BB' in FIG. 1(&), respectively.
ここで1はn −InP基板、16はInGaムsP/
InPMQW層(15a InP障壁層、 1s b
InGaAgP井戸層)、8はP −InP層、11.
11’はメサストライプである。Here, 1 is an n-InP substrate, 16 is an InGamus sP/
InPMQW layer (15a InP barrier layer, 1s b
(InGaAgP well layer), 8 is a P-InP layer, 11.
11' is a mesa stripe.
LPK法でこのようなメサ構造上にエピタキシャル成長
した場合、メサストライプ上の膜厚は通常の平坦部に成
長した場合より薄く、またストライプ11.11’の幅
に大きく依存することが判明した。It has been found that when epitaxial growth is performed on such a mesa structure using the LPK method, the film thickness on the mesa stripe is thinner than when grown on a normal flat area, and that it largely depends on the width of the stripe 11, 11'.
第3図にIn。8Gao2ムSO,46PO,54井戸
層の膜厚とストライプ幅の関係を示す。ここで成長はス
ライド成長で行ない、成長温度590℃、スライドスピ
ード30■/S、基板の幅は10圏成長ボートのメルト
穴の幅は7mである。またメサの段差は1μmである。In Figure 3. The relationship between the film thickness and stripe width of the 8Gao2 SO, 46PO, and 54 well layers is shown. The growth was carried out by slide growth at a growth temperature of 590°C, a slide speed of 30/S, and a substrate width of 10 m.The width of the melt hole of the growth boat was 7 m. Further, the level difference in the mesa is 1 μm.
第3図に示すように、メサストライプ上に形成されるI
nGaAsP井戸層15bの膜厚はメサストライプの幅
に大きく依存する。平坦部の膜厚(幅OO)は200人
程蒸着あるのに対しストライプ幅が狭くなるにつれ膜厚
は減少し3μm以下になると全く成長しない。これはメ
サの段差部分へのメルト中の溶質の集中によりストライ
プ上のメルトの実効的過飽和度が減少するためである。As shown in Figure 3, I formed on the mesa stripe.
The thickness of the nGaAsP well layer 15b largely depends on the width of the mesa stripe. The film thickness (width OO) on the flat part is about 200 evaporations, but as the stripe width becomes narrower, the film thickness decreases, and when it becomes less than 3 μm, it does not grow at all. This is because the effective supersaturation degree of the melt on the stripe decreases due to the concentration of solute in the melt on the stepped portion of the mesa.
このように幅3〜30μmの範囲でストライプ幅によっ
てエピタキシャル層の膜厚を制御することができること
になる。In this way, the thickness of the epitaxial layer can be controlled by changing the stripe width within the range of 3 to 30 μm.
一方第4図はInGaASP井戸層膜厚とバンドギャッ
プ波長の関係を示す。厚さ500Å以上の通常のエピタ
キシャル層の場合膜厚の変化によってバンドギャップ波
長はほとんど変化しないが、” 500Å以下の量子井
戸層を形成した場合は量子サイズ効果によりバンドギャ
ップ波長は井戸層厚の減少とともに短波側にシフトする
。発光部3のストライプ幅30μm 、光変調部のスト
ライプ幅W2をe7zmとした場合、第1図、第3図か
ら理解されるように井戸層16bの膜厚は発光部3にお
いては200人であるのに対し、光変調部2においては
50人である。一方この時のMQW層15のバンドギャ
ップ波長は前者で1.3μmであるのに対し、後者では
1.23μmと70nm程の差が′生じる。従って発光
部3から発した波長1.3μmの光波は光変調部2にお
ける光導波層での吸収はほとんどなく、低損失で導波す
ることができる。On the other hand, FIG. 4 shows the relationship between the InGaASP well layer thickness and bandgap wavelength. In the case of a normal epitaxial layer with a thickness of 500 Å or more, the band gap wavelength hardly changes with changes in film thickness, but when a quantum well layer of 500 Å or less is formed, the band gap wavelength decreases due to the quantum size effect. Assuming that the stripe width of the light emitting section 3 is 30 μm and the stripe width W2 of the light modulating section is e7zm, the film thickness of the well layer 16b is equal to that of the light emitting section, as understood from FIGS. 1 and 3. 3, there are 200 people, while in the optical modulation section 2, there are 50 people.On the other hand, the bandgap wavelength of the MQW layer 15 at this time is 1.3 μm in the former, but 1.23 μm in the latter. There is a difference of about 70 nm from the light emitting section 3.Therefore, the light wave with a wavelength of 1.3 .mu.m emitted from the light emitting section 3 is hardly absorbed by the optical waveguide layer in the optical modulating section 2, and can be guided with low loss.
またこのように形成された発光部3の活性層6と光変調
部20光導波層6は同一エピタキシャル層で同一光軸上
にあるので光波の結合効率は80%以上の高い値を得る
ことができ、軸ずれの不安定性の心配は全くない。Furthermore, since the active layer 6 of the light emitting section 3 and the optical waveguide layer 6 of the light modulating section 20 formed in this way are the same epitaxial layer and are on the same optical axis, it is possible to obtain a high value of light wave coupling efficiency of 80% or more. There is no need to worry about instability due to axis misalignment.
また発光部3には回折格子を形成して分布帰還型レーザ
構成することによりへき開面のいらない高品質のレーザ
光を得ることができる。さらに両領域間のp −InP
層8を分離エツチングすることによって光変調部2に独
立に電界印加もしくは電流注入を行なうことができ、電
気光学効果やキャリヤ注入効果および量子シュタルク効
果による吸収係数や屈折率変化を利用した光変調等の光
制御を行なうことができる。Furthermore, by forming a diffraction grating in the light emitting section 3 to configure a distributed feedback laser, it is possible to obtain high quality laser light that does not require a cleavage plane. Furthermore, p -InP between both regions
By separately etching the layer 8, it is possible to independently apply an electric field or inject a current to the optical modulation section 2, and it is possible to perform optical modulation using the absorption coefficient and refractive index change due to the electro-optical effect, carrier injection effect, and quantum Stark effect, etc. Light control can be performed.
このように本発明による光集積回路およびその製造法で
は非常に容易な方法で高性能、高機能の光集積回路を得
ることができる。As described above, with the optical integrated circuit and the manufacturing method thereof according to the present invention, a high performance and highly functional optical integrated circuit can be obtained in a very simple manner.
尚、第1の実施例においては、幅の異なる2つのメサス
トライプ領域によるI nG2LA!! P / I
n P 系外部変調器構造に示したが、同一基板上に
受光領域を含む場合も同様である。この場合は受光領域
として第3のストライプ幅を有するメサ領域を形成し、
メサストライプの幅を発光領域もしくは光導波領域より
大きくすることにより、この領域においてバンドギャッ
プを他の領域より小さくすることができ、発光領域およ
び光導波領域からの光を効率良く受光することができる
。またメサストライプをInP基板上でなく、既に成長
されたエピタキシャル層上に形成する場合も全く同一で
ある。In the first embodiment, InG2LA! is formed by two mesa stripe regions having different widths. ! P/I
Although the n P external modulator structure is shown, the same applies to the case where the light receiving area is included on the same substrate. In this case, a mesa region having a third stripe width is formed as a light receiving region,
By making the width of the mesa stripe larger than that of the light emitting region or the optical waveguide region, the bandgap can be made smaller in this region than in other regions, and light from the light emitting region and the optical waveguide region can be efficiently received. . Further, the process is exactly the same when the mesa stripe is formed not on the InP substrate but on an already grown epitaxial layer.
また2本の溝(ダブルチャンネル)を形成してメサスト
ライプ領域を形成することができる。Furthermore, a mesa stripe region can be formed by forming two grooves (double channels).
次に、本発明の第2の実施例としての多波長レーザに関
して同じ(InGaAsP / InP系の半導体材料
を用いて説明する。Next, a multi-wavelength laser as a second embodiment of the present invention will be explained using the same (InGaAsP/InP-based semiconductor material).
第6図は本発明の第2の実施例として3波多重半導体レ
ーザを示す01oはn型InP基板、11゜12、13
はそれぞれストライプ幅6μm、15μm。FIG. 6 shows a three-wave multiplexed semiconductor laser as a second embodiment of the present invention. 01o is an n-type InP substrate, 11° 12, 13
The stripe widths are 6 μm and 15 μm, respectively.
3011mのメサストライプである。14はn型InP
層、15は活性層である多重量子井戸層、16はp型I
nP層、17はp型InGaAgP コニyタクト層で
ある。メサストライプ11.12.13の高さは約2μ
mである。この半導体レーザの作製は、まずn型InP
基板上に8102などのマスクのパタ−y後、HCI
/ H3PO4系エッチャントでエツチングの後マスク
を除去し、メサを形成する。メサとしてはダブルチャン
ネルを形成することによっても得ることができる。この
メサを有するInP基板上に例えば液相成長法によりn
型InP層14を厚み○、sμm成長後、1.3 μm
帯InGaAsP 量子井戸層と1.06μm帯InG
aAsP 障壁層からなる多重量子井戸層を成長し、そ
の後、連続して顆次p型InP層16およびp型InG
aASP ニア :yタクト層を成長する。液相成長
法でこのよりなメサ構造上にエピタキシャル成長した場
合、メサストライプ上の膜厚は通常の平坦部に比べ薄く
なり、また、各ストライプ11.12.13の幅に大き
く依存し、前述した第3図に示すように1.3μm帯I
nGaAsP 井戸層の膜厚とストライプ幅の関係を示
す。ここで第1の実施例と同じく成長は基板をスライド
させながら成長するスライド成長法で行い、成長温度5
90’C,スライド速度309/!160゜基板の幅は
10 F1a1+成長ボートのメルト穴の長さは7簡で
ある。また、メサの高さは2μmである。It is a 3011m mesa stripe. 14 is n-type InP
15 is a multi-quantum well layer which is an active layer, and 16 is a p-type I layer.
The nP layer 17 is a p-type InGaAgP contact layer. The height of mesa stripe 11, 12, 13 is approximately 2μ
It is m. The fabrication of this semiconductor laser begins with n-type InP
After patterning a mask such as 8102 on the substrate, HCI
/ After etching with H3PO4-based etchant, the mask is removed to form a mesa. A mesa can also be obtained by forming a double channel. On the InP substrate having this mesa, for example, n is grown by liquid phase growth method.
The thickness of the type InP layer 14 is 1.3 μm after s μm growth.
band InGaAsP quantum well layer and 1.06μm band InG
A multi-quantum well layer consisting of an aAsP barrier layer is grown, and then a condylar p-type InP layer 16 and a p-type InG layer are successively grown.
aASP Near: Grow y tact layer. When epitaxial growth is performed on this mesa structure using the liquid phase growth method, the film thickness on the mesa stripes becomes thinner than that on a normal flat part, and also depends largely on the width of each stripe. As shown in Figure 3, 1.3 μm band I
The relationship between the thickness of the nGaAsP well layer and the stripe width is shown. Here, as in the first embodiment, the growth was performed using the slide growth method in which the substrate is grown while sliding, and the growth temperature was 5.
90'C, slide speed 309/! The width of the 160° substrate is 10. The length of the melt hole in the F1a1+ growth boat is 7. Further, the height of the mesa is 2 μm.
ここで、メサ部11と13の発光波長を比較すると、第
3図によりメサ部11の井戸層の膜厚が200人である
のに対し、メサ部13のそれは60人となり第4図よシ
波長差は約701mと大きな差が得られる。600Å以
上の通常のエピタキシャル層では膜厚に対して禁止帯波
長の変化は小さいが、600Å以下の量子井戸層を形成
することにより大きい変化が得られるものである。以上
のような第6図のエビ構成で第6図のような半導体レー
ザを作製する。18はn型電極、19はp型電極、2o
は各素子間の電気的分離溝である0このような素子構成
にすることにより波長1.3711mを中心とする3波
多重の半導体レーザが得られる。Here, when comparing the emission wavelengths of mesa parts 11 and 13, the film thickness of the well layer of mesa part 11 is 200 as shown in Fig. 3, while that of mesa part 13 is 60, as shown in Fig. 4. A large wavelength difference of about 701 m can be obtained. In a normal epitaxial layer with a thickness of 600 Å or more, the change in forbidden band wavelength is small with respect to the film thickness, but a large change can be obtained by forming a quantum well layer with a thickness of 600 Å or less. A semiconductor laser as shown in FIG. 6 is manufactured using the structure shown in FIG. 6 as described above. 18 is an n-type electrode, 19 is a p-type electrode, 2o
is an electrical isolation groove between each element. With such an element configuration, a three-wave multiplexed semiconductor laser centered on a wavelength of 1.3711 m can be obtained.
さらに第2のエピタキシャル成長によって埋め込み構造
を採用すればよりレーザの特性を向上でき&0尚、この
第2の実施例においてInGaムsP/InP系の材料
について説明したが、ムlG!Lム5ZGaAs系など
他の化合物半導体材料においても有効であることは言う
までもない。また、エピタキシャル成長に関して液相成
長法で説明したが、有機金属気相成長法や分子線エビ成
長法についても成長条件の最適化をはかることによって
原理的に可能であることは言うまでもない。Furthermore, if a buried structure is adopted by the second epitaxial growth, the characteristics of the laser can be further improved. It goes without saying that the present invention is also effective for other compound semiconductor materials such as LM5ZGaAs. Furthermore, while epitaxial growth has been explained using liquid phase growth, it goes without saying that metal organic vapor phase growth and molecular beam epitaxy are also possible in principle by optimizing the growth conditions.
一方第7図(a)はメサストライプ上に形成されたMQ
W層の断面31M写真(倍率3500倍)である。同(
b) 、 (0)はそれぞれ平坦部40と幅6μmのメ
サストライプ11上におけるX、Y部のMQW層16の
拡大写真(倍率17000倍)である。 。On the other hand, Fig. 7(a) shows the MQ formed on the mesa stripe.
This is a 31M cross-sectional photograph of the W layer (3500x magnification). same(
b) and (0) are enlarged photographs (magnification: 17,000 times) of the MQW layer 16 in the X and Y parts on the flat part 40 and the mesa stripe 11 with a width of 6 μm, respectively. .
この図からMQW層16における井戸層厚は前者で〜4
00人であるのに対し後者で〜1oO人であり、大きく
膜厚が異なシ、両者間でバンドギャップエネルギーが大
きく異なることが認められる。From this figure, the well layer thickness in the MQW layer 16 is ~4
00 people, while the latter is ~100 people, and it is recognized that the film thickness is greatly different and the band gap energy is greatly different between the two.
発明の効果
以上、本発明による半導体素子およびその製造方法は、
幅の相異なるメサストライプが形成された複数の領域を
有する半導体基板上に、エピタキシャル成長により少な
くとも一層以上の500Å以下の超薄膜層を含むエピタ
キシャル層を形成することを特徴とするものであり、−
回のエピタキシャル成長で、基板上の複数の領域にバン
ドギャップエネルギーの相異なる成長層を得ることがで
きるものである。また各領域を受光2発光、光導波領域
とすることにより、各領域間での良好な光波の結合が行
なわれ高性能、高信頼性を有する光集積回路や、各領域
を半導体レーザとすることにより、発振波長が大きく異
なる多波長レーザを得ることができ、その有用性は大で
ある。In addition to the effects of the invention, the semiconductor device and method for manufacturing the same according to the present invention have the following advantages:
It is characterized by forming an epitaxial layer including at least one ultra-thin film layer of 500 Å or less by epitaxial growth on a semiconductor substrate having a plurality of regions in which mesa stripes with different widths are formed, -
With multiple epitaxial growth steps, growth layers with different band gap energies can be obtained in multiple regions on the substrate. In addition, by making each area a light-receiving, two-emitting, and optical waveguide area, good light wave coupling between each area is achieved, resulting in an optical integrated circuit with high performance and high reliability, and each area can be used as a semiconductor laser. As a result, it is possible to obtain a multi-wavelength laser with greatly different oscillation wavelengths, and its usefulness is great.
第1図(IL)は本発明の第1の実施例による光集積回
路の平面図、第1図(1)) 、 ((りは同(&)の
五−人′ 。
B−B’線断面図、第2図(&)〜(d)は本発明によ
る量子井戸構造の作製方法の概略工程断面図、第3図は
実施例におけるメサストライプ幅(W)とInGaAS
P 井戸層厚の関係を示す図、第4図は同じく井戸層
厚とバンドギャップ波長の関係図、第5図は本発明の第
2の実施例の3波多重半導体レーザのエビ構造断面図、
第6図は同3波多重レーザの断面図、第7図(IL)
、 (b) 、 (0)はメサストライプ上のMQW結
晶層の電子顕微鏡による断面31M写真、第8図は従来
における代表的な光集積回路の構造断面図、第9図は従
来のハイブリッド型の波長多重半導体レーザの構造断面
図、第1o図は従来のモノリシック型波長多重型半導体
レーザの構造断面図である。
1・・・・・・InP基板、2・・・・・・光変調部、
3・・・・・・発光部、6・・・・・・光導波層、6・
・・・・・活性層、11〜13・・・・・・メサストラ
イプ、16・・・・・・MQW層、16・・・・・・p
−InP層、20・・・・・・分離溝。
代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第1
図
(a)
←発光部3−−令く一光変訓部2−
第1図
第2図
A I3
33図
(pmノ
メサストライク°幅
第4図
In8aAsFHしP層 ax
(A〕第5図
第 6 図
ん 20
メプ部
第7図
Iaノ ・丁
/
第8図
第9図
第10図FIG. 1 (IL) is a plan view of an optical integrated circuit according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2(&) to (d) are schematic process sectional views of the method for manufacturing a quantum well structure according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing the mesa stripe width (W) and InGaAS in the example.
P A diagram showing the relationship between the well layer thickness, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the well layer thickness and the bandgap wavelength, and FIG.
Figure 6 is a cross-sectional view of the three-wave multiplexed laser, Figure 7 (IL)
, (b), (0) are 31M cross-sectional photographs of the MQW crystal layer on the mesa stripe taken with an electron microscope, Figure 8 is a structural cross-sectional view of a typical conventional optical integrated circuit, and Figure 9 is a cross-sectional view of a conventional hybrid type. FIG. 1o is a structural sectional view of a conventional monolithic wavelength multiplexed semiconductor laser. 1... InP substrate, 2... Light modulation section,
3... Light emitting part, 6... Optical waveguide layer, 6.
...Active layer, 11-13...Mesa stripe, 16...MQW layer, 16...p
-InP layer, 20... Separation groove. Name of agent: Patent attorney Toshio Nakao and 1 other person No. 1
Figure (a) ←Light emitting part 3--Reikuichikou Henkei part 2- Figure 1 Figure 2 A I3 Figure 33 (pm Nomesa Strike ° Width Figure 4 In8aAsFH and P layer ax
(A) Fig. 5 Fig. 6 Fig. 20 Mep part Fig. 7 Ia No. / Fig. 8 Fig. 9 Fig. 10
Claims (7)
ライプ領域を形成し、前記第1、第2のメサストライプ
領域上に、エピタキシャル成長層よりなる500Å以下
の超薄膜層を含むとともにバンドギャップの異なる第1
、第2の量子井戸層を形成し、前記第1、第2のメサス
トライプ上に前記第1、第2の量子井戸層を含む異なる
第1、第2の半導体領域を形成したことを特徴とする半
導体装置。(1) First and second mesa stripe regions having different widths are formed on a semiconductor substrate, and an ultra-thin film layer of 500 Å or less made of an epitaxial growth layer is formed on the first and second mesa stripe regions, and a band 1st with different gap
, a second quantum well layer is formed, and different first and second semiconductor regions including the first and second quantum well layers are formed on the first and second mesa stripes. semiconductor devices.
波領域もしくはそのいずれか2つであることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。(2) The semiconductor device according to claim 1, wherein the first and second regions are a light emitting region, a light receiving region, an optical waveguide region, or any two thereof.
発光波長の異なる発光領域であることを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の半導体装置。(3) The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum well layer is an active layer, and the first and second regions are light emitting regions having different emission wavelengths.
された半導体基板上に、エピタキシャル成長法により少
なくとも一層以上の厚さ500Å以下の超薄膜層を含む
量子井戸層を形成するとともに、前記第1および第2の
メサストライプ上に前記量子井戸層より成りバンドギャ
ップエネルギーが相異なる第1、第2の領域をそれぞれ
形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。(4) forming a quantum well layer including at least one ultra-thin film layer with a thickness of 500 Å or less by epitaxial growth on a semiconductor substrate on which first and second mesa stripes with different widths are formed; 1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming first and second regions each made of the quantum well layer and having different band gap energies on the first and second mesa stripes.
とする特許請求の範囲第4項記載の半導体装置の製造方
法。(5) The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the epitaxial growth method is a liquid phase method.
徴とする特許請求の範囲第4項記載の半導体装置の製造
方法。(6) The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the width of the mesa stripe is 3 μm or more.
であることを特徴とする特許請求の範囲第4項記載の半
導体装置の製造方法。(7) The semiconductor substrate is InP and the ultra-thin film layer is InGaAsP
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, characterized in that:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP580988A JPH069277B2 (en) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
US07/296,020 US4961198A (en) | 1988-01-14 | 1989-01-12 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP580988A JPH069277B2 (en) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01186693A true JPH01186693A (en) | 1989-07-26 |
JPH069277B2 JPH069277B2 (en) | 1994-02-02 |
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ID=11621410
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP580988A Expired - Fee Related JPH069277B2 (en) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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JP (1) | JPH069277B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0602579A1 (en) * | 1992-12-15 | 1994-06-22 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and method of making the semiconductor laser |
JP2009302138A (en) * | 2008-06-10 | 2009-12-24 | Opnext Japan Inc | Semiconductor laser device, and method of manufacturing the same |
JP2012109630A (en) * | 2006-08-10 | 2012-06-07 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor optical integrated element |
-
1988
- 1988-01-14 JP JP580988A patent/JPH069277B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0602579A1 (en) * | 1992-12-15 | 1994-06-22 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and method of making the semiconductor laser |
JP2012109630A (en) * | 2006-08-10 | 2012-06-07 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor optical integrated element |
JP2009302138A (en) * | 2008-06-10 | 2009-12-24 | Opnext Japan Inc | Semiconductor laser device, and method of manufacturing the same |
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JPH069277B2 (en) | 1994-02-02 |
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