(57)【要約】【課題】メサストライプ構造の光導波路を有するリッジ型の半導体光デバイスのレーザ活性層または光吸収層の特性を向上させる。【解決手段】メサストライプ上に設けられた電極２９を、応力低減用スリット２９‐１によって光伝搬方向に少なくとも２つ以上の領域に分離することにより、レーザ活性層または光吸収層２４に加わる応力を低減し、さらに、必要に応じて当該電極２９のメサストライプ端部付近における分離領域のサイズを小さくすることで、特に応力が集中するメサストライプ端部付近の応力を低減させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メサストライプ構造の少なくとも光導波路を有するリッジ型の半導体光デバイスにおいて、当該メサストライプ上に、光伝搬方向に少なくとも２つ以上の領域に応力低減用スリットを介して分離した電極が設けられていることを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項２】
前記電極が、前記メサストライプに対して斜めに構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
前記電極の各領域のサイズが、不均一に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
少なくとも３つ以上の領域に分離した前記電極の各領域のサイズが、前記メサストライプ端部に近付くほど小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
前記電極が、前記メサストライプ上から離れた領域では１つの電極となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信および各種の光信号処理に用いられるメサストライプ構造の光導波路を有する半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体光デバイスの構造を図２に示す。ｎ−ＩｎＰからなる基板１１上には、ｎ−ＩｎＰからなる第一のクラッド層１２が積層されている。第一クラッド層１２上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のバルクからなる第一光閉じ込め層１３が積層されている。第一光閉じ込め層１３上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）またはバルクからなる、レーザ活性層もしくは電界吸収型変調器の光吸収層（以下「レーザ活性層または光吸収層」と記載)１４が積層されている。レーザ活性層または光吸収層１４上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のバルクからなる第二光閉じ込め層１５が積層されている。第二光閉じ込め層１５上には、ｐ−ＩｎＰからなる第二クラッド層１６が積層されている。第二クラッド層１６上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１７が積層されている。
【０００３】
前記各層１２〜１７は、メサストライプ構造となるように、不要な領域の積層構造がエッチング除去され、前記コンタクト層１７上にｐ型電極１９を設けるため、絶縁性を有する材料（例えばＳｉＯ2やポリイミド（東レ：ＵＲ３８００））で当該メサストライプの両脇部分１８が広く埋め込まれている（以下「絶縁層」と記載）。また、前記ｎ−ＩｎＰからなる基板１１の下面、もしくは前記ｎ−ＩｎＰからなる基板１１に上面から接するように形成されたコンタクトホールを通して、ｎ型電極２０が設けられている（非特許文献１参照）。
【０００４】
ちなみに、図２中では、メサストライプ構造を明瞭にするために、メサストライプ右側の絶縁層１８部を透明のように表現し、恰も内部が見えているかのような構成にしてある（図１、図５も同様である）。
【０００５】
このようなｐｉｎダイオード構造からなるリッジ型の半導体光デバイスにおいては、光閉じ込め層への電流注入や逆バイアスの印加によって、レーザ活性層または光吸収層１４からのレーザ発振や、当該層１４における光吸収ピーク波長の短波長から長波長側へのシフトを利用することにより、レーザ出力や入力した光の強度変調を行うことができる。すなわち、レーザ活性層または光吸収層１４における電気―光変換特性を利用することで光デバイスとして機能するように設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許４６０７２３５
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“InGaAsP/InGaAsP Multiple-Quantum-Well Modulator with Improved Saturation Intensity and Bandwidth Over 20 GHz", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 4, NO. 7, JULY 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したような半導体光デバイスでは、注入した電流をレーザ光に変換することや、入射した信号光の一部を吸収して透過光の強度を変換することにより、光デバイスとしての特性を発揮する。したがって、上記半導体光デバイスでは、電気信号による光特性の制御効率が非常に重要となっている。そのため、半導体光デバイスにおいてレーザ活性層または光吸収層の特性が光の伝搬方向にわたって一様な特性を有することが望まれる。
【０００９】
しかしながら、半導体光デバイスの信頼性に関わる問題として、光信号の入出力部に当たるメサストライプ端部付近ではデバイス構造によってレーザ活性層または光吸収層とその周囲の層に大きな歪み応力が加わることが分かってきた（特許文献１参照）。
【００１０】
さらに、レーザ活性層にかかる応力についてシミュレートしたところ、やはり従来の電極構造ではメサストライプ端部に近付くにしたがって応力負荷が大きくなっていることが分かった。
【００１１】
このことは、半導体光デバイスの信頼性低下の他、半導体光デバイスの特性を劣化させる要因にもなる可能性がある。つまり、メサストライプ端部付近のレーザ活性層または光吸収層とその周囲の層に大きな歪み応力が加わることでレーザ活性層または光吸収層の特性の均一性が失われる可能性を示している。これは、半導体光デバイスの特性向上を図る上で解決すべき重要な問題である。
【００１２】
この歪み応力については、半導体表面を汚れや電気的な問題から保護するための絶縁層と半導体との熱膨張係数の違い、絶縁層上に形成された電極メタル（以下「電極」と記載）と絶縁層や半導体との熱膨張係数の違い、さらに半導体、絶縁層、メタルなどの異なる材料を張り合わせたことによって生じる膜応力が原因となって起きることが分かっている。
【００１３】
例えば図３（ａ）に示すように、熱膨張係数の大きい金属膜（例：Ａｕ／１４．２×１０-6／℃）ａを半導体基板（例：ＩｎＰ／４．５６×１０-6／℃）ｂ上に構成する場合、金属膜と半導体の熱膨張係数の違いによって半導体基板が反るなどの形状変化としても観察されている。
【００１４】
このため、半導体光デバイスの特性改善に当たってこの応力の影響を少なくすることが非常に重要である。本発明は、半導体光デバイスのレーザ活性層または光吸収層とその周囲の層にかかる応力の低減を図ることによって、レーザ活性層または光吸収層の特性ばらつきがデバイス内で抑えられるような構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する第１の発明に係る半導体光デバイスは、
メサストライプ構造の少なくとも光導波路を有するリッジ型の半導体光デバイスにおいて、当該メサストライプ上に、光伝搬方向に少なくとも２つ以上の領域に応力低減用スリットを介して分離した電極が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第２の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第１の発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記電極が、前記メサストライプに対して斜めに構成されていることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第３の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第１または第２の発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記電極の各領域のサイズが、不均一に構成されていることを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第４の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第３の発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
少なくとも３つ以上の領域に分離した前記電極の各領域のサイズが、前記メサストライプ端部に近付くほど小さくなるように構成されていることを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第５の発明に係る半導体光デバイスは、
上記第１乃至第４いずれか１つの発明に記載の半導体光デバイスにおいて、
前記電極が、前記メサストライプ上から離れた領域では１つの電極となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
上記第１の発明によれば、レーザ活性層または光吸収層に加わる歪み応力を低減させ、レーザ活性層または光吸収層の特性ばらつきを抑えることができる。
【００２１】
上記第２の発明によれば、レーザ活性層または光吸収層に加わる歪み応力をさらに低減させることができる。
【００２２】
上記第３及び第４の発明によれば、さらに、歪み応力が大きいレーザ活性層または光吸収層の端部の応力を特に抑えることができる。
【００２３】
上記第５の発明によれば、さらに、分割された各電極の領域に同じ電気信号が一箇所から供給でき、従来の半導体光デバイス同様の駆動回路の構成や簡便な駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体光デバイスの構造図である。
【図２】従来の半導体光デバイスの構造図である。
【図３】熱膨張係数の異なる材料を用いた半導体基板の反りの模式図である。（ａ）は一様な金属膜を構成した半導体基板、（ｂ）は金属膜が分割された半導体基板に関する。
【図４】従来の半導体光デバイスと本発明の実施例１に係る半導体光デバイスそれぞれのメサストライプ端部のレーザ活性層にかかる応力分布図である。
【図５】本発明の実施例２に係る半導体光デバイスの構造図である。
【図６】本発明の実施例２に係る半導体光デバイスの構造を上から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る半導体光デバイスを、実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
本発明の実施例１に係る半導体光デバイスの構造を図１に示す。ｎ−ＩｎＰからなる基板２１上には、ＳｉドープまたはＳｎドープのｎ−ＩｎＰからなる第一クラッド層２２が積層されている。第一クラッド層２２上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のバルクからなる第一光閉じ込め層２３が積層されている。第一光閉じ込め層２３上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のＭＱＷからなるレーザ活性層または光吸収層２４が積層されている。レーザ活性層または光吸収層２４上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のバルクからなる第二光閉じ込め層２５が積層されている。第二光閉じ込め層２５上には、Ｚｎドープのｐ−ＩｎＰからなる第二クラッド層２６が積層されている。第二クラッド層２６上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２７が積層されている。
【００２７】
前記２２〜２７の層がメサストライプ構造となるように、領域２８は、例えば、メタン系のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）加工により２μｍ程度の幅で基板表面から３μｍ程度の深さエッチングされ、東レ製のＵＲ３８００ポリイミド等の絶縁層で埋め込まれている。
【００２８】
また、前記ｎ−ＩｎＰからなる基板２１の下面にはｎ型電極３０が設けられている。各デバイスは、チップ幅、チップ長さがそれぞれ３００μｍ、２００μｍとなるように劈開によって切り出されており、劈開端面に無反射コーティング等が施されている。
【００２９】
ちなみに、図１の前記コンタクト層２７上に設けられたｐ型電極２９は、メサストライプ上において応力低減用スリット２９‐１を介していくつかの領域に分割してある。
【００３０】
前述の図３（ａ）に示すような従来の半導体基板に比較し、図３（ｂ）のように金属膜ａをいくつかの領域に分割すると、応力が緩和されて反りが小さくなると期待される。
【００３１】
さらに、図４に示すように、従来の電極構造ではレーザ活性層２４はメサストライプ端部に近付くにしたがって応力負荷が大きくなっていくことがシミュレートにより判明したため、メサストライプ端部では電極を小さく分割することで電極の応力集中をなくす設計にしている。
【００３２】
つまり、従来の電極構造に比較して、実施例１の半導体光デバイスでは、例えばｐ型電極２９が応力低減用スリット２９‐１を介して７つの領域に分割されており（図１中では、煩雑さを避けるためｐ型電極２９を５つの領域に分割したような表現にしてある）、また、比較的応力の影響が少ないメサストライプ中央部付近ではｐ型電極２９を大きく分割し、メサストライプ端部に近づくにしたがって電極のサイズが小さく分割されているため、電極から受ける大きな応力による影響を低減することができ、図４に示すように、最も応力の集中するメサストライプ端部におけるレーザ活性層２４が受ける応力は、従来構造のデバイスが８−４６ＭＰａであったものが、本実施例では１４−３３ＭＰａまで低減されている。
【００３３】
さらに、図1のように、メサストライプ上で分割されている電極はメサストライプ上から離れた領域では一つになっている。このことにより、分割された各電極の領域に同じ電気信号が一箇所から供給でき、従来の半導体光デバイス同様の駆動回路の構成や簡便な駆動が可能となる。
【００３４】
尚、レーザ活性層または光吸収層２４に用いる材料はＩｎＧａＡｓＰ以外でも良い。また、基板２１についてもＩｎＰ基板に限定されるものではなく、例えばＧａＡｓなどの他材料から成る基板でも良い。さらに、本実施例ではｎタイプの基板２１上に半導体デバイスを構成した例を示したが、ｐタイプの導電性を有した基板や半絶縁性の基板上に構成した半導体デバイスでも良い。
【実施例２】
【００３５】
本発明の実施例２に係る半導体光デバイスの構造を図５、図６に示す。ｎ−ＩｎＰからなる基板３１上には、ＳｉドープまたはＳｎドープのｎ−ＩｎＰからなる第一クラッド層３２が積層されている。第一クラッド層３２上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のバルクからなる第一光閉じ込め層３３が積層されている。第一光閉じ込め層３３上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のＭＱＷからなるレーザ活性層または光吸収層３４が積層されている。レーザ活性層または光吸収層３４上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ系のバルクからなる第二光閉じ込め層３５が積層されている。第二閉じ込め層３５上には、Ｚｎドープのｐ−ＩｎＰからなる第二クラッド層３６が積層されている。第二クラッド層３６上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３７が積層されている。
【００３６】
当該３２〜３７の層がメサストライプ構造となるよう領域３８は、例えば、メタン系のＲＩＥ加工により２μｍ程度の幅で基板表面から３μｍ程度の深さにエッチングされ、東レ製のＵＲ３８００ポリイミド等の絶縁層で埋め込まれている。
【００３７】
また、前記コンタクト層３７上には、ｐ型電極３９が設けられている。各デバイスは、チップ幅、チップ長さがそれぞれ３００μｍ、２００μｍとなるように劈開によって切り出されており、劈開端面に無反射コーティング等を施されている。
【００３８】
チップ設計の簡単化を図りつつ、レーザ活性層または光吸収層が電極から受ける応力を低減するため、実施例２の半導体光デバイスにおいては、メサストライプ上に構成される電極の一部を櫛形にし、応力低減用スリット３９‐１が入った構成となっている。
【００３９】
電極の一部を櫛形にしたことによって、レーザ活性層または光吸収層への電流注入が不均一にならないように、メサストライプ上の全面を覆うような薄い電極メタル（以下「薄膜電極」と記載）を構成し、当該薄膜電極の上に櫛形の電極を構成している。薄膜電極を例えば１０００Å以下の厚さにしておくと応力影響は無視できる程度に小さくなる。
【００４０】
また、櫛形の電極は、例えば分割された電極の領域を１０μｍの幅とし、その間の応力低減用スリット３９‐１の幅を１０μｍとして配置されるような構成とすればよい。
【００４１】
さらに、メサストライプに対して櫛形の電極が斜めに配置されるように構成することで、光導波路にかかる応力負荷を分散することも可能である。
【００４２】
尚、レーザ活性層または光吸収層３４に用いる材料はＩｎＧａＡｓＰ以外でも良い。また、基板３１についてもＩｎＰ基板に限定されるものではなく、例えばＧａＡｓなどの他材料から成る基板でも良い。さらに、本実施例ではｎタイプの基板３１上に半導体デバイスを構成した例を示したが、ｐタイプの導電性を有した基板や半絶縁性の基板上に構成した半導体デバイスでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、光通信および各種の光信号処理に用いられる半導体光デバイスとして好適である。
【符号の説明】
【００４４】
１１，２１，３１  ｎ−ＩｎＰ  基板
１２，２２，３２  ｎ−ＩｎＰ  第一クラッド層
１３，２３，３３  ＩｎＧａＡｓＰ  第一光閉じ込め層
１４，２４，３４  ＩｎＧａＡｓＰ  レーザ活性層または光吸収層
１５，２５，３５  ＩｎＧａＡｓＰ  第二光閉じ込め層
１６，２６，３６  ｐ−ＩｎＰ  第二クラッド層
１７，２７，３７  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ  コンタクト層
１８，２８，３８  メサストライプ脇の埋込み領域（絶縁層）
１９，２９，３９  ｐ型電極
２０，３０，４０  ｎ型電極
２９‐１，３９‐１  応力低減用スリット
ａ  金属膜（Ａｕ）
ｂ  半導体基板（ＩｎＰ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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