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JP3321800B2 - Design method of semiconductor optical integrated device - Google Patents
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JP3321800B2 - Design method of semiconductor optical integrated device - Google Patents

Design method of semiconductor optical integrated device

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JP3321800B2
JP3321800B2 JP18746699A JP18746699A JP3321800B2 JP 3321800 B2 JP3321800 B2 JP 3321800B2 JP 18746699 A JP18746699 A JP 18746699A JP 18746699 A JP18746699 A JP 18746699A JP 3321800 B2 JP3321800 B2 JP 3321800B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光集積素子
に係り、より詳細には、同一チップ内に選択MOVPE
(Metal−OrganicVaporPhaseEpitaxy)成長を用い
て、発光部と受動導波路部のように組成波長が異なる領
域を形成する設計方法に関するものである。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a semiconductor optical integrated device, and more particularly, to a selective MOVPE in the same chip.
(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) The present invention relates to a design method for forming regions having different composition wavelengths, such as a light emitting portion and a passive waveguide portion, using growth.

【0002】[0002]

【従来の技術】選択MOVPE成長法は、一対の成長阻
止膜の間に、化合物半導体層を形成させる際に用いら
れ、各成長阻止膜の幅を変えることによって同一チップ
内での組成波長及び層厚の制御を可能とする手段であ
り、光集積素子の作製プロセスを大幅に簡略化できる利
点がある。
2. Description of the Related Art The selective MOVPE growth method is used when a compound semiconductor layer is formed between a pair of growth inhibition films, and the composition wavelength and the layer thickness within the same chip are changed by changing the width of each growth inhibition film. This is a means for controlling the thickness, and has an advantage that the manufacturing process of the optical integrated device can be greatly simplified.

【0003】図2は、選択MOVPE成長法を用いて活
性層を成長させた状態を示す断面図である。活性層1
は、選択MOVPE成長法によって、一対の成長阻止膜
10の間の開口部に形成する。図2(a)は、成長阻止
膜10の幅が狭い場合であり、開口部における活性層1
の成長レートは、周囲に成長阻止膜のない平坦部分にお
ける成長レートと大きな差がない。図2(b)は、成長
阻止膜幅10の幅が広い場合であり、この場合、開口部
における活性層1の成長レートは、十分に他の部分にお
ける成長レートよりも大きくなる。
FIG. 2 is a sectional view showing a state in which an active layer is grown by using a selective MOVPE growth method. Active layer 1
Is formed in the opening between the pair of growth stop films 10 by the selective MOVPE growth method. FIG. 2A shows a case where the width of the growth blocking film 10 is narrow, and the active layer 1 in the opening is formed.
Is not so different from the growth rate in a flat portion where there is no growth blocking film around. FIG. 2B shows the case where the width of the growth blocking film width 10 is large. In this case, the growth rate of the active layer 1 in the opening is sufficiently higher than the growth rate in other portions.

【0004】上記のように、活性層1は、成長阻止膜幅
10の幅が広くなると、結晶成長が行われる開口部付近
の気相密度分布が高くなり、成長レートが増加する。活
性層1の成長レートは、主にIII族原料の取込み変化
に起因し、成長阻止膜10の幅に比例して増加する。こ
の場合、成長レートの増加に伴い引っ張り歪が増大し、
組成波長が長波長化する。さらに、成長する導波路層が
量子井戸構造の場合には、材料の組成波長変化に加え、
量子井戸幅変化による波長変化が同じ方向で加わる。こ
れにより、同構造では、成長阻止膜変化による大きな波
長組成変化が実現できる。成長阻止膜の幅は、ウエハ面
内での成長阻止膜のパターニングにより容易に変えるこ
とが可能であり、従来では不可能であった同一ウエハ面
内での波長組成制御が可能となる。
[0004] As described above, in the active layer 1, when the width of the growth-inhibiting film 10 is increased, the gas-phase density distribution near the opening where crystal growth is performed increases, and the growth rate increases. The growth rate of the active layer 1 mainly increases due to a change in the incorporation of the group III raw material, and increases in proportion to the width of the growth prevention film 10. In this case, the tensile strain increases with the growth rate,
The composition wavelength increases. Further, when the growing waveguide layer has a quantum well structure, in addition to the change in the composition wavelength of the material,
A wavelength change due to a quantum well width change is applied in the same direction. Thereby, in the same structure, a large wavelength composition change due to a change in the growth blocking film can be realized. The width of the growth blocking film can be easily changed by patterning the growth blocking film in the wafer plane, and the wavelength composition can be controlled in the same wafer plane which has been impossible in the past.

【0005】特開平5−327111号公報には、レー
ザ装置及びその製造方法に関する技術が記載されてい
る。図17は、該公報に記載のレーザ装置の製造方法の
原理図である。このレーザ装置の製造方法では、クラッ
ド層が形成された半導体基板21上に、酸化シリコン又
は窒化シリコンからなるマスク層22を形成する。この
マスク層22の中心付近には、活性層形成予定領域23
となる開口が形成され、この活性層形成予定領域23の
両側の層幅がX方向(レーザ発振方向)に沿って連続的
に広くなるように形成する。
[0005] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-327111 describes a technique relating to a laser device and a method of manufacturing the same. FIG. 17 is a view illustrating the principle of the method for manufacturing a laser device described in the publication. In this method of manufacturing a laser device, a mask layer 22 made of silicon oxide or silicon nitride is formed on a semiconductor substrate 21 on which a cladding layer has been formed. Near the center of the mask layer 22, an active layer formation region 23 is formed.
Is formed so that the layer widths on both sides of the active layer forming region 23 are continuously increased in the X direction (laser oscillation direction).

【0006】図17(a)の形状のマスク層22を用い
て、気相エピタキシャル法で堆積した化合物半導体層
は、図17(b)に示すように、X方向に沿って膜厚が
連続的に厚くなる。この製造方法で形成されたレーザ装
置は、活性層の禁制帯幅も連続的に変化するので、利得
特性の帯域が広くなる。
As shown in FIG. 17B, the compound semiconductor layer deposited by the vapor phase epitaxial method using the mask layer 22 having the shape shown in FIG. 17A has a continuous film thickness in the X direction. Thicker. In the laser device formed by this manufacturing method, the forbidden band width of the active layer also changes continuously, so that the band of the gain characteristic is widened.

【0007】この選択MOVPE技術により、従来プロ
セスでは作製が非常に困難であった、同一共振器内に層
厚テーパ導波路を集積したスポットサイズ変換器集積レ
ーザ(SSC−LD)や、分布帰還型(DFB)半導体
レーザと電界吸収型変調器とを集積した変調器集積光
源、波長可変動作が可能な分布反射受動導波路と半導体
レーザとを集積した分布反射型半導体レーザ等、多くの
半導体光集積素子が容易に作製可能になった。
By this selective MOVPE technique, a spot size converter integrated laser (SSC-LD) in which a layer-thickness tapered waveguide is integrated in the same resonator, a distributed feedback type (DFB) Many semiconductor optical integrations such as a modulator integrated light source in which a semiconductor laser and an electroabsorption modulator are integrated, a distributed reflection semiconductor laser in which a distributed reflection passive waveguide capable of tunable operation and a semiconductor laser are integrated, and the like. The device can be easily manufactured.

【0008】選択MOVPE成長法による素子作製例と
して、同技術を用いて光導波路厚を光軸方向で変調し、
光スポットサイズを変換するSSC−LDの製造方法が
特開平6−165145号公報に開示されている。この
構造図を図3に示す。この例では、選択MOVPEの際
に成長阻止膜のパターンを変えることで、活性層1とテ
ーパ導波路層2とを一括形成する。さらに、成長阻止膜
のパターンを工夫することで、光軸方向に導波路層厚と
組成波長とを変化させ、テーパ導波路層2を形成する。
同構造では、フラットエンドの光ファイバとの結合損失
として、約4dBが得られている。
[0008] As an example of device fabrication by the selective MOVPE growth method, the thickness of an optical waveguide is modulated in the optical axis direction using the same technique.
A method of manufacturing an SSC-LD for converting a light spot size is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-165145. This structural diagram is shown in FIG. In this example, the active layer 1 and the tapered waveguide layer 2 are collectively formed by changing the pattern of the growth blocking film during the selective MOVPE. Further, the taper waveguide layer 2 is formed by changing the waveguide layer thickness and the composition wavelength in the optical axis direction by devising the pattern of the growth blocking film.
In this structure, about 4 dB is obtained as the coupling loss with the flat end optical fiber.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】選択MOVPE成長法
により、活性層とテーパ導波路層とを一括形成する場合
には、良好な発振特性及び結合特性を実現するには、テ
ーパ導波路層の層厚プロファイルの最適設計が必要であ
る。発振特性改善のためには、テーパ導波路層導入部分
での層厚変化を急峻にし、ここでのバンド間遷移に起因
する吸収損失を減少させるのが有効である。しかし、急
峻な層厚変化はモード変換損失を生じさせ、これにより
発振特性が低下するばかりでなく、同時に結合特性も低
下する。このため、良好な発振特性及び結合特性を有す
るSSC−LDを実現するためには、テーパ導波路層の
精密な層厚プロファイル制御が必須である。
In the case where the active layer and the tapered waveguide layer are formed at once by the selective MOVPE growth method, in order to realize good oscillation characteristics and coupling characteristics, the layer of the tapered waveguide layer is required. An optimal design of the thickness profile is required. In order to improve the oscillation characteristics, it is effective to sharpen the change in the layer thickness at the tapered waveguide layer introduction portion and reduce the absorption loss caused by the interband transition here. However, a steep change in layer thickness causes mode conversion loss, which not only degrades oscillation characteristics but also degrades coupling characteristics. For this reason, in order to realize an SSC-LD having excellent oscillation characteristics and coupling characteristics, precise control of the thickness profile of the tapered waveguide layer is essential.

【0010】上述したように、選択MOVPE成長法で
は、対向する成長阻止膜パターンを長手方向に沿って変
えることで、比較的自由に組成波長及び層厚の制御が可
能である。しかし、選択MOVPE成長法では、成長阻
止膜パターンをステップ状に変えたとしても、組成波長
及び層厚プロファイルは、気相拡散の影響で約100μ
mの範囲に渡って緩やかに変化するものである。気相拡
散の影響を無視してSSC−LDの成長阻止膜パターン
設計を行った場合の結果を図4に示す。図中丸印は測定
結果を示し、実線は気相拡散を無視して成長阻止膜パタ
ーンを設計した場合の層厚プロファイルの見積もりを示
す。同図において、テーパ導波路層を有する受動導波路
部の傾斜が緩い部分においてのみ、見積もり予測と測定
結果とが一致している。しかし、発振特性に影響を及ぼ
す活性層を有する発光部とテーパ導波路層を有する受動
導波路部の間の境界付近では、両者は大きく異なってお
り、気相拡散を考慮しない成長阻止膜設計では精密な層
厚制御が不可能なことが同図から明らかである。さらに
実測された層厚プロファイルは、発光部と受動導波路部
の間の境界付近の層厚プロファイルが緩やかとなってお
り、これによる吸収損失の増加とこれに伴う発振特性の
低下が懸念される。
[0010] As described above, in the selective MOVPE growth method, the composition wavelength and the layer thickness can be controlled relatively freely by changing the pattern of the growth-inhibiting film opposed to it along the longitudinal direction. However, in the selective MOVPE growth method, even if the growth stop film pattern is changed in steps, the composition wavelength and the layer thickness profile are about 100 μm due to the influence of gas phase diffusion.
It changes gradually over the range of m. FIG. 4 shows the results when the growth blocking film pattern of the SSC-LD was designed ignoring the effect of gas phase diffusion. The circles in the figure show the measurement results, and the solid lines show the estimation of the layer thickness profile in the case where the growth inhibition film pattern is designed ignoring the gas phase diffusion. In the figure, the estimated prediction and the measurement result coincide with each other only in a portion where the inclination of the passive waveguide portion having the tapered waveguide layer is gentle. However, in the vicinity of the boundary between the light emitting portion having the active layer and the passive waveguide portion having the tapered waveguide layer, which greatly affect the oscillation characteristics, the two are greatly different. It is clear from the figure that precise layer thickness control is not possible. Furthermore, in the actually measured layer thickness profile, the layer thickness profile near the boundary between the light emitting section and the passive waveguide section is gentle, which may cause an increase in absorption loss and a decrease in oscillation characteristics due to this. .

【0011】従って、SSC−LDに限らず、素子集積
時の特性低下を抑制し発振特性に優れる光集積素子を選
択MOVPE成長法を用いて一括形成するには、成長中
の気相拡散による間隙部分の気相濃度分布を考慮して成
長阻止膜パターンを設計しなければならない。文献JO
URNALofAppliedPHYSICSVol.
78,p5373によると、気相拡散の影響を調べるた
めには、2次元の拡散方程式を数値的に解かねばなら
ず、多くの計算時間を必要としていた。つまり、最適層
厚プロファイルを実現する成長阻止膜パターンを見出す
には多くの時間を必要とし、現実的ではない。
Therefore, in addition to the SSC-LD, in order to collectively form an optical integrated device having excellent oscillation characteristics by suppressing the deterioration of characteristics at the time of device integration by using the selective MOVPE growth method, a gap due to vapor phase diffusion during growth is required. The growth inhibition film pattern must be designed in consideration of the partial gas phase concentration distribution. Literature JO
URNALofAppliedPHYSICSVol.
According to P.78, p5373, in order to investigate the influence of gas phase diffusion, a two-dimensional diffusion equation had to be solved numerically, and much calculation time was required. In other words, it takes a lot of time to find a growth blocking film pattern that realizes the optimum layer thickness profile, which is not practical.

【0012】上記のような選択MOVPE成長法の問題
点を解決するために、活性層とテーパ導波路のコア層と
を別工程の結晶成長にて作製してSSC−LDを実現す
る構造が文献ELECTRONICSLETTERSV
ol.31,No.21,1838頁に開示されてい
る。同構造にて形成されるテーパ導波路は、レーザ発振
波長に対する吸収損失が小さいため、室温での閾値電流
5.6mA、スロープ効率0.41W/A、最高発振温
度135℃と良好な発振特性を実現している。さらにテ
ーパ導波路集積による光スポットサイズの拡大により、
フラットエンド光ファイバとの結合損失1.8dBと良
好な結合特性も同時に実現している。しかしながら同構
造は複雑であり、このため素子の実用化に際し十分な再
現性、特性の均一性が得られないことが懸念される。
In order to solve the problems of the selective MOVPE growth method as described above, a structure for realizing an SSC-LD by forming an active layer and a core layer of a tapered waveguide by crystal growth in different steps is disclosed in the literature. ELECTRONIC SLETTERSV
ol. 31, No. 21, page 1838. Since the tapered waveguide formed with the same structure has a small absorption loss with respect to the laser oscillation wavelength, it has good oscillation characteristics such as a threshold current at room temperature of 5.6 mA, a slope efficiency of 0.41 W / A, and a maximum oscillation temperature of 135 ° C. Has been realized. Furthermore, by expanding the light spot size by integrating the tapered waveguide,
A good coupling characteristic with a coupling loss of 1.8 dB with the flat-end optical fiber is also realized. However, the structure is complicated, and there is a concern that sufficient reproducibility and uniformity of characteristics cannot be obtained when the device is put to practical use.

【0013】本発明は、上記したような従来の技術が有
する問題点を解決するためになされたものであり、活性
層の発振特性を向上し、テーパ導波路層の結合損失を少
なくする半導体光集積素子を設計し、正確に製造するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to improve the oscillation characteristics of an active layer and reduce the coupling loss of a tapered waveguide layer. The purpose is to design and accurately manufacture integrated devices.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体光集積素子を設計方法は、x―y座
標上でx方向に延びるストライプ状の開口を隔ててy方
向に対向する1対の成長阻止膜を用いて前記開口部に所
望の層を成長する選択MOVPE成長法によって作製さ
れる半導体光素子を設計する方法において、R∞を成長
阻止膜から十分遠方での成長レート、Roを局所的成長
レート、Lxdiff及びLydisffを夫々x方向及びy方向
の拡散長、τ(x,y)を原料寿命として、前記開口部
における前記成長層のx方向及びy方向の成長レートR
x(x)及びRy(y)を夫々、下記一次元拡散方程式: (Lxdiff2・τ(x)・{d2x(x)/dx2}=Rx(x)−Ro(x) ・・・・・ (式1);及び(Lydiff2・τ(y)・{d2y(y)/dy2 }=Ry(y)−R∞ ・・・・・ (式2) を用いて求めることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for designing a semiconductor optical integrated device according to the present invention is directed to a semiconductor optical integrated device which faces in the y direction with a striped opening extending in the x direction on xy coordinates. In a method of designing a semiconductor optical device manufactured by a selective MOVPE growth method in which a desired layer is grown in the opening by using a pair of growth stop films, R∞ is set to a growth rate sufficiently far from the growth stop film; local growth rates R o, L xdiff and L Ydisff respectively x and y directions of the diffusion length, tau (x, y) as a raw material life, said x and y directions of the growth layer grown in the opening Rate R
x (x) and R y (y) are respectively represented by the following one-dimensional diffusion equation: (L xdiff ) 2 · τ (x) · {d 2 R x (x) / dx 2 } = R x (x) −R o (x) ··· (Formula 1); and (L ydiff ) 2 · τ (y) · {d 2 R y (y) / dy 2 } = R y (y) −R∞ ··· It is characterized by using (Equation 2).

【0015】本発明の半導体光集積素子の設計方法は、
実測値と良く合う計算方法により、所望の層厚プロファ
イルで半導体光集積回路を製造することができる。
The method for designing a semiconductor optical integrated device according to the present invention comprises:
A semiconductor optical integrated circuit with a desired layer thickness profile can be manufactured by a calculation method that matches well with the actually measured value.

【0016】本発明の半導体光集積素子の設計方法で
は、y方向である開口部の幅を制限すること、又は、y
方向の成長レートを実験結果より求めることが好まし
い。この場合、より精密に所望の層厚プロファイルで製
造することができる。
In the method of designing a semiconductor optical integrated device according to the present invention, the width of the opening in the y direction is limited, or
It is preferable to determine the growth rate in the direction from the experimental results. In this case, it can be manufactured more precisely with a desired layer thickness profile.

【0017】また、本発明の選択成長法は、x方向に延
びるストライプ状の開口を隔ててy方向に対向する1対
の成長阻止膜を用いて、前記開口部に発光部及び導波路
部のための成長層を選択成長する選択成長法であって、
前記成長阻止膜は、形成される発光部及び導波路部に夫
々対応してx方向に順次に並ぶ第1部分及び第2部分を
有し、前記第1部分は、実質的に平坦な幅を有する平坦
幅領域と、該平坦幅領域に続き該平坦幅領域よりも幅が
広い広幅領域とを有し、前記第2部分は前記平坦幅領域
よりも幅が狭い狭幅領域を有することを特徴とする。
In the selective growth method according to the present invention, the light-emitting portion and the waveguide portion are formed in the opening by using a pair of growth inhibiting films opposed to each other in the y direction with a stripe-shaped opening extending in the x direction. Selective growth method for selectively growing a growth layer for
The growth blocking film has a first portion and a second portion sequentially arranged in the x direction corresponding to the light emitting portion and the waveguide portion to be formed, respectively, and the first portion has a substantially flat width. A flat region having a flat width region, a wide region having a width wider than the flat width region following the flat width region, and the second portion has a narrow region having a width smaller than the flat width region. And

【0018】本発明の選択成長法によると、形成される
導波路部の成長層の厚みzが、発光部との境界部分から
位置xを変数とすると、z=x8の曲線に形成され、この
8乗曲線に従う成長層の厚みが特に良好な特性を与える
ことが判明した。
[0018] According to selective growth of the present invention, the thickness z of the growth layers of the waveguide section to be formed, when the position x as a variable from the boundary portion between the light emitting portion, is formed on the curve of z = x 8, It has been found that the thickness of the grown layer according to the eighth power curve gives particularly good characteristics.

【0019】前記平坦幅領域と広幅領域との境界は単に
ステップ状とすることができ、或いは、広幅領域が複数
のステップを有する階段状に形成することも出来る。
The boundary between the flat width region and the wide region can be simply formed in a step shape, or the wide region can be formed in a step shape having a plurality of steps.

【0020】また、上記に代えて、前記成長阻止膜は、
形成される発光部及び導波路部に夫々対応してx方向に
順次に並ぶ第1部分及び第2部分を有し、前記第1部分
は、実質的に平坦な幅を有する平坦幅領域と、該平坦幅
領域に続き第2部分に向かって幅が拡がる拡幅領域とを
有し、前記第2部分は第1部分との境界から遠ざかるに
従って幅が狭まる狭幅領域を有するとすることも出来
る。
Further, instead of the above, the growth blocking film may be
A first portion and a second portion sequentially arranged in the x direction corresponding to the light emitting portion and the waveguide portion to be formed, wherein the first portion has a flat width region having a substantially flat width; Following the flat width region, there may be a widened region that increases in width toward the second portion, and the second portion may have a narrow width region in which the width decreases as the distance from the boundary with the first portion increases.

【0021】ここで、成長阻止膜の寸法として、前記平
坦幅領域の幅をWとすると、前記拡幅領域の長さが0.
1W〜10Wで幅が1.2W〜3Wであり、前記狭幅領
域の長さが2W〜20Wで末端の幅が0.1W以下であ
るとすることが好ましい。更に好ましくは、前記拡幅領
域の長さが0.3W〜0.7Wで幅が1.3W〜1.7
Wであり、前記狭幅領域の長さが7W〜9Wである。掛
かる形状を採用すると、特に良好な8乗曲線の膜厚分布
が得られ、良好な特性の成長膜が得られる。
Here, assuming that the width of the flat width region is W as the dimension of the growth blocking film, the length of the widened region is 0.1 mm.
It is preferable that the width is 1 W to 10 W, the width is 1.2 W to 3 W, the length of the narrow region is 2 W to 20 W, and the width of the terminal is 0.1 W or less. More preferably, the width of the widened region is 0.3 W to 0.7 W and the width is 1.3 W to 1.7.
W, and the length of the narrow region is 7 W to 9 W. When a curved shape is adopted, a particularly good film thickness distribution of an eighth power curve is obtained, and a grown film having good characteristics is obtained.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】半導体光素子の製造方法に先立っ
て、本発明の選択MOVPE成長法で使用する層厚プロ
ファイルの設計方法について述べる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to a method of manufacturing a semiconductor optical device, a method of designing a layer thickness profile used in a selective MOVPE growth method of the present invention will be described.

【0023】本発明では、新たに導出する1次元拡散方
程式を用いて簡易に選択MOVPE成長法時の層厚プロ
ファイルを解析する。さらに導出した1次元拡散方程式
を反復計算し所望の層厚プロファイルを実現する選択M
OVPE成長法用マスクパターンを求める。
In the present invention, the layer thickness profile during the selective MOVPE growth method is simply analyzed using the newly derived one-dimensional diffusion equation. Further, a selection M for iteratively calculating the derived one-dimensional diffusion equation to realize a desired layer thickness profile
Obtain a mask pattern for the OVPE growth method.

【0024】文献JournalofAppliedP
hysicsVol.78,5373頁によれば、選択
MOVPEでのウエハ面内の各点における成長レートは
以下の2次元拡散方程式より求めることができる。 {∂2R(x,y)/∂x2}+{∂2R(x,y)/∂
2}={R(x,y)−R∞}/{(Ldiff2・τ
(x,y)} ・・・・・ (式1) ここでR(x,
y)は基板表面での成長レート、R∞は成長阻止膜から
十分遠方での成長レート、Ldiffは拡散長、τ(x,
y)は原料寿命をそれぞれ表す。式1は2次元の偏微分
方程式であるから、これを数値的に解くには多くの計算
時間を要する。
Reference JournalofAppliedP
physicsVol. According to pages 78 and 5373, the growth rate at each point on the wafer surface in the selected MOVPE can be obtained from the following two-dimensional diffusion equation. {∂ 2 R (x, y) / ∂x 2 } + {∂ 2 R (x, y) / ∂
y 2 } = {R (x, y) -R} / {(L diff ) 2 · τ
(X, y)} (1) where R (x,
y) is the growth rate on the substrate surface, R∞ is the growth rate sufficiently far from the growth stop film, L diff is the diffusion length, τ (x,
y) represents the raw material life, respectively. Since Equation 1 is a two-dimensional partial differential equation, solving it numerically requires a lot of calculation time.

【0025】計算を簡単にするため以下の仮定を行い、
式1をより扱いやすい形にする。図5に仮定した座標系
を示す。先ず選択MOVPE成長法領域が2μm以下の
狭幅ストライプを仮定し、マイグレーションによる成長
阻止膜10の開口部分でのy方向成長速度変調を無視す
る。さらに成長阻止膜開口部分の成長レートのみに注目
し、対向する酸化膜外側の成長領域を無視すると、2次
元拡散方程式は二つの1次元拡散方程式に分離され、そ
の一方の1次元拡散方程式から成長阻止膜開口部分のx
方向層厚プロファイルを求めることができる。 (Lxdiff2・τ(x)・{d2x(x)/dx2}=Rx(x)−Ro(x)・ ・・・・(式2)
To simplify the calculation, the following assumptions are made:
Make Equation 1 more manageable. FIG. 5 shows the assumed coordinate system. First, a selective MOVPE growth region is assumed to be a narrow stripe of 2 μm or less, and the growth rate modulation in the y direction at the opening of the growth inhibition film 10 due to migration is ignored. Furthermore, if attention is paid only to the growth rate of the opening portion of the growth blocking film and the growth region outside the opposite oxide film is ignored, the two-dimensional diffusion equation is separated into two one-dimensional diffusion equations. X at the opening of the blocking film
A directional layer thickness profile can be determined. (L xdiff ) 2 · τ (x) · {d 2 R x (x) / dx 2 } = R x (x) −R o (x) (2)

【0026】ここで、Lxdiffはストライプが形成され
ている[011]方向の拡散長、Rx(x)はx方向の
成長レート、Ro(x)は気相拡散が無いとした場合の
成長阻止膜幅で決まる局所的な成長レートを示す。一
方、成長阻止膜幅Wmを変えた場合の成長阻止膜開口部
分での成長レートは以下の拡散方程式から求めることが
できる。 (Lydiff2・τ(y)・{d2y(y)/dy2}=Ry(y)−R∞・・・・ ・(式3) ここで、Lydiffはy方向の拡散長を示す。中のLydiff
は成長阻止膜端で通常用いられている拡散長を示す。一
方、式2中のLxdiffはストライプ状選択成長用成長阻
止膜により生じた、ウエハ上での気相濃度分布による成
長阻止膜開口部での[011]方向気相拡散長を示す。
従って、式3を用いて成長阻止膜開口部分での成長阻止
膜幅に対する成長レートを求め、これをRo(x)とし
て式2に代入することで、成長阻止膜開口部分のx方向
の膜厚プロファイルを求めることができる。
Here, L xdiff is the diffusion length in the [011] direction in which the stripe is formed, R x (x) is the growth rate in the x direction, and R o (x) is the value when there is no gas phase diffusion. This shows the local growth rate determined by the width of the growth inhibiting film. On the other hand, the growth rate at the opening of the growth blocking film when the width Wm of the growth blocking film is changed can be obtained from the following diffusion equation. (L ydiff ) 2 · τ (y) · {d 2 R y (y) / dy 2 } = R y (y) −R} (Equation 3) where L ydiff is in the y direction. Indicates the diffusion length. L ydiff in
Indicates the diffusion length commonly used at the edge of the growth inhibiting film. On the other hand, L xdiff in Equation 2 represents the [011] direction vapor phase diffusion length at the opening of the growth barrier film due to the vapor phase concentration distribution on the wafer, which is generated by the stripe-shaped growth inhibitory film for selective growth.
Therefore, the growth rate with respect to the width of the growth inhibition film at the opening of the growth inhibition film is obtained by using Expression 3, and this is substituted into Expression 2 as Ro (x), whereby the film in the x direction at the opening of the growth inhibition film is obtained. A thickness profile can be determined.

【0027】しかし、式3においては、成長阻止膜上で
の原料吸着寿命が無限大でなく、有限値を仮定しないと
実験結果を説明できない等、解析モデルとして不十分な
部分がある。従って、本モデルではWmに対しての成長
レートは実験結果を用い、これを式2中のRo(x)に
代入してx方向の膜厚プロファイルを求めることとし
た。
However, in Equation 3, there is an insufficiency as an analytical model, for example, the raw material adsorption life on the growth inhibiting film is not infinite, and the experimental results cannot be explained unless a finite value is assumed. Therefore, in the present model, the growth rate with respect to Wm is determined by using the experimental result, and this is substituted for R o (x) in Expression 2 to determine the film thickness profile in the x direction.

【0028】一方、式2は非同次線形微分方程式である
から、その一般解を解析的に求めることができる。しか
し、ここでは任意の成長阻止膜パターン形状への対応を
容易にするため、差分法を用いて数値的に式2を解くこ
ととした。成長阻止膜の開口部分の原料寿命を1とし
て、式2を差分化すると次式を得る。例えば、成長阻止
膜幅Wmが25μm〜100μmの範囲にあれば、Δx
=1μmとすることにより、良い近似が得られる。 (Rxi-1)−(2・Rxi)+(Rxi+1)−{Δx・Rxi
/(Lxdiff2}=−{Δx・Roi/(Lxdiff2
・・・・・ (式4) 境界条件は、Wmが変化してい
る部分から十分に離れ、且つ気相濃度分布が均一の部分
でRx(x)がWmで決まる局所的な成長レートR
o(x)に等しいとして次式により与えた。 Rx0=Ro1・・・・・(式5)(Rxk+1)=Rok・・・
・・(式6)ここでkは端点での格子番号を示す。境界
条件を考慮すると端点での差分方程式は次式となる。 Rx2−(2・Rx1)−{Δx・Rx1/(Lxdiff2}=−{Δx・Ro1/(Lxd iff2}−Ro1・・・・・(式7) (Rxk-1)−(2・Rxk)−{Δx・Rxk/(Lxdiff2}=−{Δx・Rok/ (Lxdiff2}−Rok・・・・・(式8) (式4)〜(式8)をまとめて行列表示すると(式9)
を得る。
Equation 2 is a non-homogeneous linear differential equation.
From, the general solution can be obtained analytically. Only
Here, we need to deal with any pattern
For ease, solve Equation 2 numerically using the difference method.
And Assuming that the material life at the opening of the growth inhibition film is 1,
Then, when Expression 2 is differentiated, the following expression is obtained. For example, stop growth
If the film width Wm is in the range of 25 μm to 100 μm, Δx
By setting = 1 μm, a good approximation can be obtained. (Rxi-1)-(2 · Rxi) + (Rxi + 1)-{Δx · Rxi
/ (Lxdiff)Two} =-{Δx · Roi/ (Lxdiff)Two
... (Equation 4) As for the boundary condition, Wm is changing.
Where the gas phase concentration distribution is sufficiently far away from
In Rx(X) is the local growth rate R determined by Wm
oIt was given by the following equation as being equal to (x). Rx0= Ro1..... (Equation 5) (Rxk + 1) = ROK...
(Equation 6) Here, k indicates a grid number at an end point. boundary
Considering the conditions, the difference equation at the end point is as follows. Rx2− (2 · Rx1)-{Δx · Rx1/ (Lxdiff)Two} =-{Δx · Ro1/ (Lxd iff )Two} -Ro1..... (Equation 7) (Rxk-1)-(2 · Rxk)-{Δx · Rxk/ (Lxdiff)Two} =-{Δx · ROK/ (Lxdiff)Two} -ROK... (Equation 8) When (Equation 4) to (Equation 8) are collectively displayed as a matrix (Equation 9)
Get.

【0029】[0029]

【数1】 (Equation 1)

【0030】式9を簡略化すると、式10が得られる。 E・R=Ro・・・・・(式10) ここでEは式9左辺の行列、Rは、式9左辺の縦ベクト
ル、Roは式9右辺の縦ベクトルをそれぞれ示す。各点
での成長レートは、次式に示すように、式11の連立方
程式を解くことで求めることができる。 R=E-1・Ro・・・・・(式11) この様に、本モデルは数百元の連立1次方程式を解くの
みなので、計算を短時間で終了できるのが大きな特徴で
ある。
Equation 10 is obtained by simplifying equation 9. E · R = R o ····· (Equation 10) where E is the formula 9 the matrix on the left, R represents shows column vector of Formula 9 left, R o is a column vector of Formula 9 right respectively. The growth rate at each point can be obtained by solving the simultaneous equations of Expression 11 as shown in the following expression. R = E -1 · R o ····· (Equation 11) As described above, since the present model only solves a system of linear equations of several hundred elements, a major feature is that the calculation can be completed in a short time. .

【0031】続いて、反復計算により任意層厚プロファ
イルを実現する選択MOVPE用成長阻止膜パターンを
逆算する方法を示す。最適プロファイルを実現する成長
阻止膜パターンは、求める層厚プロファイルRmと初期
値として与える目標層厚プロファイルPとの残差がある
範囲に入るまで式12を反復計算するとともに、式2か
ら求められる式13を用いて逐次膜厚プロファイルを計
算することで求めた。 Rom=(Rom−1)+γ・(P−Rm-1)・・・・・(式12) Rm =E-1・(Y・Rom)・・・・・(式13) ここで、Pは目標膜厚プロファイルを要素として有する
縦ベクトル、γは緩和係数であり反復計算が収束しやす
いように、ここでは0.333を用いた。また、ベクト
ルR及びRoの添字mは反復回数を示し、さらにYは次
式に示す境界条件を含んだ行列である。
Next, a method of back-calculating the growth inhibition film pattern for the selected MOVPE for realizing an arbitrary layer thickness profile by iterative calculation will be described. Growth stop layer pattern to achieve the optimum profile, as well as iterative equation 12 to fall within a certain range residuals between the target layer thickness profile P to give a layer thickness profile R m and the initial value obtaining determined from Equation 2 It was obtained by calculating the film thickness profile sequentially using Equation 13. R om = (R om -1) + γ · (P−R m−1 ) (Equation 12) R m = E −1 (Y · R om ) (Equation 13) Here, P is a longitudinal vector having a target film thickness profile as an element, and γ is a relaxation coefficient. Here, 0.333 is used so that iterative calculation can be easily converged. Also, the subscript m of the vector R and R o indicates the number of iterations, a further Y is a matrix containing the boundary conditions shown in the following equation.

【0032】[0032]

【数2】 (Equation 2)

【0033】この様にして、1次元拡散方程式の反復計
算により選択MOVPEに用いる成長阻止膜パターンを
設計すれば、所望の層厚プロファイルを1回の試作で得
ることができる。
In this way, by designing a growth inhibition film pattern to be used for selective MOVPE by iterative calculation of a one-dimensional diffusion equation, a desired layer thickness profile can be obtained by one trial production.

【0034】以下、本発明の一実施形態例の半導体光集
積素子の製造方法について図面を参照して説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor optical integrated device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0035】(実施形態例1)本発明の解析モデルにお
いて、計算上必要となるパラメータは拡散長のみであ
る。ここでは、図5に示すように発光部と受動導波路部
との境界付近をステップ状に変化させた成長阻止膜パタ
ーンを用いて選択MOVPE成長法を行い、この層厚プ
ロファイルの測定結果と計算結果とをフィッティングさ
せることで拡散長を求めた。その結果成長圧力75to
rrの減圧成長では35μm、また常圧成長では20μ
mと求まった。図6は本実施形態例にて示した1次元拡
散方程式による層厚プロファイルの計算結果と測定結果
の比較を示す。選択MOVPE成長法には、同図中に示
した成長阻止膜パターンを用いた。減圧成長、常圧成長
ともに計算結果と実験結果とは極めて良く一致してお
り、本実施形態例による解析モデルを用いれば、成長阻
止膜パターンに対する層厚プロファイルを精度良く予測
できることが判る。 h(x)=h2 +(h1−h2)・[1−{x/(Lssc)}]8 ・・・・・ ( 式15)
(Embodiment 1) In the analysis model of the present invention, the only parameter required for calculation is the diffusion length. Here, as shown in FIG. 5, a selective MOVPE growth method is performed using a growth-blocking film pattern in which the vicinity of the boundary between the light-emitting portion and the passive waveguide portion is changed in a step-like manner. The diffusion length was determined by fitting the result to the diffusion length. As a result, the growth pressure is 75 to
35 μm for rr under reduced pressure growth and 20 μm for normal pressure growth
m. FIG. 6 shows a comparison between the calculation result of the layer thickness profile by the one-dimensional diffusion equation shown in the present embodiment and the measurement result. In the selective MOVPE growth method, the growth inhibition film pattern shown in FIG. The calculation results and the experimental results agree very well in both the reduced pressure growth and the normal pressure growth, and it is understood that the analysis model according to the present embodiment can accurately predict the layer thickness profile for the growth inhibition film pattern. h (x) = h 2 + (h 1 −h 2 ) · [1- {x / (L ssc )}] 8 (15)

【0036】(実施形態例2)図7は、本発明の第2実
施形態例によって製造されたSSC−LDの断面図であ
る。テーパ導波路層の層厚プロファイルは次式に示す8
のべき乗分布となる様に、選択MOVPE成長法に用い
る成長阻止膜パターンを図1(a)のように決定した。
(Embodiment 2) FIG. 7 is a sectional view of an SSC-LD manufactured according to a second embodiment of the present invention. The thickness profile of the tapered waveguide layer is expressed by the following equation:
The growth inhibition film pattern used in the selective MOVPE growth method was determined as shown in FIG.

【0037】式15は、所望の層厚プロファイルを実現
するために理論的に導入されたもので、h1は活性層の
層厚、h2はテーパ導波路層出射端での層厚、Lsscは層
厚テーパ導波路の領域長を示す。目的とする層厚プロフ
ァイルを図8に示す。ターゲットとした層厚プロファイ
ルは、発光部では平坦で膜厚変動が無く、テーパ導波路
を有する受動導波路部の導入部分では急激に層厚が薄く
なる。これにより、テーパ導波路導入部分での組成波長
変化を大きくし、その部分での吸収損失を低減する。
Equation 15 is theoretically introduced to realize a desired layer thickness profile, where h 1 is the layer thickness of the active layer, h 2 is the layer thickness at the exit end of the tapered waveguide layer, and L ssc indicates the region length of the layer thickness tapered waveguide. FIG. 8 shows the desired layer thickness profile. The target layer thickness profile is flat in the light emitting portion and has no variation in film thickness, and the layer thickness is sharply reduced in the introduction portion of the passive waveguide portion having the tapered waveguide. As a result, the composition wavelength change at the tapered waveguide introduction part is increased, and the absorption loss at that part is reduced.

【0038】図1(b)に、本発明で示した1次元拡散
方程式の反復計算により、8乗の層厚プロファイルを実
現する選択MOVPE成長法に用いる成長阻止膜パター
ンを求める様子を示す。20回の反復計算により求めら
れた成長阻止膜パターンの特徴は、活性層1とテーパ導
波路層2との間の境界で、デルタ関数的に成長阻止膜幅
が増大していることにある。これにより、テーパ導波路
導入部での急峻な層厚変化を実現する。図9に、本発明
の1次元拡散方程式の反復計算による成長阻止膜パター
ンから求められる層厚プロファイルと式15の8のべき
乗プロファイルの計算結果の比較を示す。両者は非常に
よく一致しており、本実施形態例による設計方法が選択
MOVPE成長法のマスク設計に極めて有効なことが判
る。加えて今回得られた層厚プロファイルでは従来の成
長阻止膜パターンで生じていた活性層での層厚変化とこ
れに伴う組成波長変化とが生じていないため、発振特性
の向上を図ることができる。テーパ導波路の集積によ
り、出射端の導波路厚は活性層の部分と比べて1/3に
減少しており、ここでの光スポットサイズが拡大される
とともにアスペクト比が改善され、良好な単一モード光
ファイバとの直接結合特性を実現することができる。
FIG. 1B shows a state in which a growth inhibition film pattern used for the selective MOVPE growth method for realizing an eight-thick layer thickness profile is obtained by iterative calculation of the one-dimensional diffusion equation shown in the present invention. The feature of the growth blocking film pattern obtained by the 20 repetitive calculations is that the growth blocking film width increases in a delta function at the boundary between the active layer 1 and the tapered waveguide layer 2. Thereby, a steep change in the layer thickness at the tapered waveguide introduction portion is realized. FIG. 9 shows a comparison between the layer thickness profile obtained from the growth-blocking film pattern by the iterative calculation of the one-dimensional diffusion equation of the present invention and the calculation result of the power-of-eight profile of equation (15). The two values agree very well, and it is understood that the design method according to the present embodiment is extremely effective for mask design by the selective MOVPE growth method. In addition, in the layer thickness profile obtained this time, since the change in the layer thickness in the active layer and the change in the composition wavelength due to the change in the layer do not occur in the conventional growth-blocking film pattern, the oscillation characteristics can be improved. . Due to the integration of the tapered waveguide, the thickness of the waveguide at the emission end is reduced to 1/3 of that of the active layer, the light spot size is increased here, the aspect ratio is improved, Direct coupling characteristics with a one-mode optical fiber can be realized.

【0039】本発明の第2実施形態例の作製方法をSS
C−LDの製造工程に沿って、図10〜図15を参照し
て説明する。まずn−InP基板の(001)面上に、
熱CVD法により厚さ100nmのSiO2膜からなる
成長阻止膜10を堆積する。続いてフォトリソグラフィ
工程により、選択MOVPEに用いるレジストパターン
を形成する。希釈した弗酸を用いて成長阻止膜10をエ
ッチングし、成長に用いる基板が完成する。ここまでの
工程で作製されたSSC−LDを図10に示す。選択M
OVPEには図1(a)に示した成長阻止膜パターンを
用い、n−InPクラッド層を100nm、1.13μ
m波長組成のInGaAsPよりなる第一のSCH層を
60nm、MQW(多重量子井戸)層、1.13μm波
長組成InGaAsPよりなる第二のSCH層を60n
m、p−InPクラッド層を100nm、順次にエピタ
キシャル成長する。本作製方法では活性層に加えテーパ
導波路層も選択MOVPEにより一括形成する。MQW
層は7つの1.4μm波長組成InGaAsよりなる井
戸層とその間に挟まれる1.13μm波長組成InGa
Asよりなる障壁層から構成されたもので、活性層1で
の井戸層の厚さは7nm、障壁層の厚さは15nmと
し、発振波長が1.3μmとなる様に設計した。
The manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is represented by SS
A description will be given along the manufacturing process of the C-LD with reference to FIGS. First, on the (001) plane of the n-InP substrate,
A growth inhibition film 10 made of a 100 nm thick SiO2 film is deposited by a thermal CVD method. Subsequently, a resist pattern used for selective MOVPE is formed by a photolithography process. The growth stopper film 10 is etched using the diluted hydrofluoric acid to complete a substrate used for growth. FIG. 10 shows the SSC-LD manufactured by the steps up to here. Selection M
For the OVPE, the growth blocking film pattern shown in FIG.
The first SCH layer made of InGaAsP having an m wavelength composition is 60 nm, the MQW (multiple quantum well) layer is 60 nm, and the second SCH layer made of InGaAsP having a 1.13 μm wavelength composition is 60 n.
The m and p-InP cladding layers are epitaxially grown in order of 100 nm. In this manufacturing method, in addition to the active layer, a tapered waveguide layer is formed at a time by selective MOVPE. MQW
The layers are seven well layers composed of 1.4 μm wavelength InGaAs and a 1.13 μm wavelength InGa sandwiched between the well layers.
The active layer 1 was designed so that the thickness of the well layer was 7 nm, the thickness of the barrier layer was 15 nm, and the oscillation wavelength was 1.3 μm.

【0040】ここで、図1(a)に示した、特に良好な
膜厚プロファイルを与える成長阻止膜のパターンを詳細
に説明する。図18は、この成長阻止膜パターンの拡大
図である。一対の成長阻止膜10は、開口を挟んで対称
形状に配置されており、幅が平坦である発光部の平坦幅
領域における幅をWとすると、成長阻止膜10の各部の
好ましい寸法は、その平坦領域の端部から発光部と導波
路部との境界部分迄の長さL12は0.1W〜10Wの
範囲にあり、境界部分の幅W1は1.2W〜3Wの範囲
である。また、その境界部から導波路の端部までの好ま
しい長さL23は2W〜10Wの範囲にある。導波路末
端での幅W2は0.2W以下である。
Here, the pattern of the growth inhibiting film which gives a particularly good film thickness profile shown in FIG. 1A will be described in detail. FIG. 18 is an enlarged view of this growth blocking film pattern. The pair of growth blocking films 10 are arranged symmetrically with the opening interposed therebetween. When the width in the flat width region of the light emitting portion having a flat width is W, a preferable dimension of each portion of the growth blocking film 10 is as follows. The length L12 from the end of the flat region to the boundary between the light emitting unit and the waveguide is in the range of 0.1 W to 10 W, and the width W1 of the boundary is in the range of 1.2 W to 3 W. The preferred length L23 from the boundary to the end of the waveguide is in the range of 2W to 10W. The width W2 at the end of the waveguide is 0.2 W or less.

【0041】更に好ましい形状の成長阻止膜の寸法とし
ては、L12が0.3W〜0.7W、W1が1.3W〜
1.7Wであり、L23が7W〜9Wである。
As the dimensions of the growth inhibiting film having a more preferable shape, L12 is 0.3 W to 0.7 W, and W1 is 1.3 W to 1.3 W.
1.7 W, and L23 is 7 W to 9 W.

【0042】図15は、このパターン設計による成長阻
止膜で形成された層厚プロファイルの測定結果と、式1
5を使用した8乗分布となる層厚プロファイルの計算結
果との比較を示すグラフである。丸印は測定結果を示
し、実線は目標とした式15で表される層厚プロファイ
ルを示している。両者は極めて良く一致し、本設計手法
を用いれば高精度に層厚プロファイルが制御可能なこと
が判る。
FIG. 15 shows the measurement results of the layer thickness profile formed of the growth inhibition film by this pattern design, and the expression 1
5 is a graph showing a comparison with a calculation result of a layer thickness profile that becomes an eighth power distribution using No. 5; The circles indicate the measurement results, and the solid line indicates the target layer thickness profile represented by Expression 15. Both agree very well, and it can be seen that the layer thickness profile can be controlled with high accuracy by using this design method.

【0043】成長層は、成長阻止膜上には成長せず、こ
の間隙部分のn−InP基板8上に選択的に成長する。
活性層1とテーパ導波路2とを一括形成した後に、弗酸
を用いてSiO2膜からなる成長阻止膜10を除去す
る。これを図11に示す。導波路を形成後、再び全面に
SiO2膜による成長阻止膜10を堆積させる。その後
セルフアラインプロセスにより、直接形成した導波路の
頂上にのみ成長阻止膜10が形成されるように、他の成
長阻止膜10は弗酸により除去する。これを図12に示
す。この成長阻止膜10をマスクにして再びMOVPE
成長を行い、p−InP電流ブロック層3を0.7μ
m、n−InP電流ブロック層4を0.7μm、順次に
形成する。これを図13に示す。
The growth layer does not grow on the growth blocking film but grows selectively on the n-InP substrate 8 in the gap.
After the active layer 1 and the tapered waveguide 2 are formed at once, the growth blocking film 10 made of a SiO2 film is removed using hydrofluoric acid. This is shown in FIG. After the formation of the waveguide, a growth inhibition film 10 of a SiO2 film is deposited again on the entire surface. After that, the other growth blocking films 10 are removed by hydrofluoric acid by a self-alignment process so that the growth blocking films 10 are formed only on the tops of the waveguides directly formed. This is shown in FIG. MOVPE is again performed using this growth stop film 10 as a mask.
After the growth, the p-InP current blocking layer 3 was set to 0.7 μm.
The m and n-InP current blocking layers 4 are formed in order of 0.7 μm. This is shown in FIG.

【0044】次に成長阻止膜10を除去してからp−I
nPクラッド層5を形成する。p−InPクラッド層5
は、スポットサイズ拡大により光フィールドの一部が電
極に到達しない様に、5μmと通常のLD構造よりも厚
くする。またp−InPクラッド層5成長後は、p−I
nGaAsコンタクト層6を成長し電極とのオーミック
コンタクトが取り易い構造とする。これを図14に示
す。続いて全面にSiO2膜を形成し、これをフォトリ
ソグラフィ工程によりパターニングして、活性層1にの
み電流が流れるように開口部を形成する。両面にTiA
uからなるp電極7とn電極9とを形成後、430℃で
の電極アロイを行い素子が完成する。
Next, after removing the growth inhibiting film 10, the p-I
An nP cladding layer 5 is formed. p-InP cladding layer 5
Is made thicker than a normal LD structure to 5 μm so that a part of the light field does not reach the electrode due to the enlargement of the spot size. After the growth of the p-InP cladding layer 5, pI
The nGaAs contact layer 6 is grown to have a structure that allows easy ohmic contact with the electrode. This is shown in FIG. Subsequently, an SiO2 film is formed on the entire surface, and the SiO2 film is patterned by a photolithography process, and an opening is formed so that a current flows only in the active layer 1. TiA on both sides
After forming the p-electrode 7 and the n-electrode 9 made of u, an electrode alloy is formed at 430 ° C. to complete the device.

【0045】ウエハから発光部の長さを300μm、受
動導波路部の長さを200μmとして素子を切り出し、
特性の評価を行った。発光部の端面に95%の高反射コ
ーティングを施したところ、室温でのしきい値電流は4
mAと低く、また85℃の場合においても14mAと良
好な発振特性を実現した。従来は、0.38W/Aの外
部微分量子効率であったものが、25℃、85℃の場合
に対して夫々、0.5W/A、0.45W/Aと良好で
あった。同素子の水平放射角、垂直放射角は10度、1
1度と狭い値を実現した。これは通常のLDで得られて
いる放射角の30°と比べると約1/3の値である。こ
れにより通常用いられる1.3μm零分散ファイバとの
結合損失は、従来3.5dBであったものが1.5dB
と良好になった。発振しきい値電流の温度依存性を表わ
す特性温度は、従来40Kであったものが、今回60K
と改善された。
The device was cut out from the wafer with the length of the light emitting portion being 300 μm and the length of the passive waveguide portion being 200 μm.
The properties were evaluated. When a high reflection coating of 95% was applied to the end face of the light emitting portion, the threshold current at room temperature was 4%.
As a result, a good oscillation characteristic of 14 mA was realized even at 85 ° C. Conventionally, the external differential quantum efficiency of 0.38 W / A was better at 0.5 ° C. and 0.45 W / A at 25 ° C. and 85 ° C., respectively. The horizontal and vertical radiation angles of the element are 10 degrees and 1
A narrow value was realized once. This is about 1/3 of the radiation angle of 30 ° obtained by a normal LD. As a result, the coupling loss with the 1.3 μm zero-dispersion fiber which is usually used is 1.5 dB instead of the conventional 3.5 dB.
And became better. The characteristic temperature representing the temperature dependence of the oscillation threshold current has been 40K in the past, but has now been increased to 60K.
And improved.

【0046】また、結合損失が1dB上昇する位置トレ
ランスは1.8μmと安価な実装方式であるパッシブア
ライメントにも十分適応できる良好な結合特性を同時に
実現した。従来、光ファイバとのモード不整合が大きな
通常構造の半導体レーザにて得られる結合損失が10d
Bであることを考慮すると、本実施形態例では、8.5
dBもの結合特性の改善がテーパ導波路の集積により実
現することができた。
Further, the position tolerance at which the coupling loss increases by 1 dB is 1.8 μm, and a good coupling characteristic which can sufficiently be applied to passive alignment, which is an inexpensive mounting method, is also realized. Conventionally, coupling loss obtained by a semiconductor laser having a normal structure having a large mode mismatch with an optical fiber is 10 d.
Considering that B is 8.5, in the present embodiment example, 8.5.
Improvement in the coupling characteristics of dB can be realized by integration of the tapered waveguide.

【0047】(実施形態例3)実施形態例2では反復計
算により求めた成長阻止膜パターンを用いる素子作製方
法に関して述べた。しかしながら実際の素子作製におい
ては、実施形態例2で用いた活性層とテーパ導波路層と
の境界で、成長阻止膜幅がデルタ関数的に増加するパタ
ーンの形成が困難な場合もある。その場合には、このデ
ルタ関数的な成長阻止膜幅の増加を矩形で近似すること
も可能である。図16は、活性層とテーパ導波路層境界
の成長阻止膜幅を25μmから35μm急激に増加させ
た場合の計算結果を示す。図中Wは成長阻止膜幅が25
μmから35μmに増加している幅を示す。Wを22μ
mとすることで、最適層厚プロファイルの8乗分布にほ
ぼ等しくなるのが判る。さらにWを変化させることでL
D部での層厚平坦性を制御可能なことが判る。図16に
示した成長阻止膜パターンを用いて、本発明実施形態例
2と同様の作製手順によりSSC−LDを作製する事が
できる。
(Embodiment 3) In Embodiment 2, a method of manufacturing a device using a growth-blocking film pattern obtained by iterative calculation has been described. However, in actual device fabrication, it may be difficult to form a pattern in which the growth blocking film width increases in a delta function at the boundary between the active layer and the tapered waveguide layer used in the second embodiment. In that case, it is possible to approximate the increase in the delta-function growth blocking film width with a rectangle. FIG. 16 shows a calculation result when the growth blocking film width at the boundary between the active layer and the tapered waveguide layer is sharply increased from 25 μm to 35 μm. In the figure, W indicates a growth inhibition film width of 25.
The width increases from μm to 35 μm. W is 22μ
It can be seen that by setting m, the distribution becomes almost equal to the eighth power distribution of the optimum layer thickness profile. By further changing W, L
It can be seen that the layer thickness flatness at the portion D can be controlled. An SSC-LD can be manufactured by the same manufacturing procedure as in Embodiment 2 of the present invention using the growth blocking film pattern shown in FIG.

【0048】また、上記実施形態例の半導体光集積素子
の設計方法は、設計された成長阻止膜パターンが、1つ
の突起形状に代えて階段形状を有する突起形状を設ける
こともできる。この場合も同様な効果が得られる。
In the method of designing a semiconductor optical integrated device according to the above-described embodiment, the designed growth prevention film pattern may be provided with a projection shape having a step shape instead of one projection shape. In this case, the same effect can be obtained.

【0049】(その他の実施形態例)上記した例ではフ
ァブリペロー構造としたが、LD部とテーパ導波路の間
に受動導波路を設け、ここに回折格子を形成するDBR
レーザ構造としても良い。また、LD部に回折格子を形
成するDFBレーザ構造としてもよい。同一基板上にD
FBレーザと変調器とを形成し、本実施形態例に述べた
のと同様の設計方法により成長阻止膜パターンを設計
し、変調器集積化光源としても良い。さらに、上記した
実施形態例では、MQWをInGaAsP/InP系材
料によって構成しているが、AlGaAs/GaAs系
材料、AlGaInP/GaInP系材料、ZnSe
系、GaN系その他の化合物半導体材料を使用したもの
であってもよい。
(Other Embodiments) In the above example, the Fabry-Perot structure is used. However, a passive waveguide is provided between the LD portion and the tapered waveguide, and a DBR for forming a diffraction grating is provided here.
A laser structure may be used. Further, a DFB laser structure in which a diffraction grating is formed in the LD section may be used. D on the same substrate
An FB laser and a modulator may be formed, and a growth blocking film pattern may be designed by the same design method as described in the present embodiment, to form a modulator integrated light source. Further, in the above-described embodiment, the MQW is made of the InGaAsP / InP-based material, but the AlGaAs / GaAs-based material, the AlGaInP / GaInP-based material, and the ZnSe are used.
GaN-based or other compound semiconductor materials may be used.

【0050】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明の半導体光集積素子の設計方
法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものでな
く、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施
した半導体光集積素子の設計方法も、本発明の範囲に含
まれる。
The present invention has been described based on the preferred embodiment. However, the method of designing a semiconductor optical integrated device of the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and is not limited to the above embodiment. A method of designing a semiconductor optical integrated device in which various modifications and changes have been made from the configuration of the embodiment is also included in the scope of the present invention.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体光
集積素子の設計方法では、選択MOVPE成長法に用い
る成長阻止膜パターンを1次元拡散方程式を用いて設計
することにより、精密なテーパ導波路形状の制御を可能
とし良好な発振特性を有するSSC−LDを実現する設
計法を与えることができる。
As described above, in the method of designing a semiconductor optical integrated device according to the present invention, the growth inhibition film pattern used for the selective MOVPE growth method is designed by using a one-dimensional diffusion equation, so that a precise taper guide can be obtained. It is possible to provide a design method capable of controlling the wave path shape and realizing an SSC-LD having good oscillation characteristics.

【0052】さらに本手法は、SSC−LDのみなら
ず、変調器集積化光源、波長可変光源、波長選択光源な
ど選択MOVPE成長法を用いて作製する光集積素子の
マスク設計にも利用でき、この場合、素子集積時の特性
低下を防ぎ、特性を大きく向上させることができる。
Further, the present method can be used not only for SSC-LD but also for mask design of an optical integrated device manufactured by using a selective MOVPE growth method such as a modulator integrated light source, a variable wavelength light source, and a wavelength selective light source. In this case, the characteristics can be prevented from deteriorating during element integration, and the characteristics can be greatly improved.

【0053】さらに本発明は、光モジュールの低価格化
を進めるのみならず、加入者系光通信システムにおいて
も低価格化を進める上で非常に重要となる。
Further, the present invention is very important not only for reducing the price of an optical module but also for reducing the price of a subscriber optical communication system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第2実施形態例で用いる成長阻止膜パ
ターンの概略図と計算結果を示すグラフである。
FIG. 1 is a schematic diagram of a growth blocking film pattern used in a second embodiment of the present invention and a graph showing calculation results.

【図2】選択MOVPE成長法において成長阻止膜幅の
変化により活性層が成長する様子を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which an active layer is grown due to a change in a growth blocking film width in a selective MOVPE growth method.

【図3】特開平6−165145号公報に記載のSSC
−LDの構造図である。
FIG. 3 shows an SSC described in JP-A-6-165145.
It is a structural diagram of -LD.

【図4】従来技術による層厚プロファイル設計例と測定
結果の比較である。
FIG. 4 is a comparison between a design example of a layer thickness profile according to the related art and measurement results.

【図5】本発明で仮定した座標系である。FIG. 5 is a coordinate system assumed in the present invention.

【図6】本発明の第1実施形態例で用いた層厚プロファ
イルの計算結果と測定結果の比較を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a comparison between a calculation result and a measurement result of a layer thickness profile used in the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第2実施形態例によって製造されたS
SC−LDの断面図である。
FIG. 7 shows an S manufactured according to the second embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of SC-LD.

【図8】本発明の第2実施形態例が目的とする層厚プロ
ファイルを示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a target layer thickness profile of the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の1次元拡散方程式の反復計算による成
長阻止膜パターンから求められる層厚プロファイルの測
定結果と式15の8のべき乗プロファイルの計算結果と
の比較をしたグラフである。
FIG. 9 is a graph comparing a measurement result of a layer thickness profile obtained from a growth inhibition film pattern by an iterative calculation of a one-dimensional diffusion equation of the present invention with a calculation result of a power-of-eight profile of Equation (15).

【図10】本実施形態例の製造工程の第1段階で製造さ
れたSSC−LDの構造図である。
FIG. 10 is a structural diagram of the SSC-LD manufactured in the first stage of the manufacturing process according to the embodiment.

【図11】本実施形態例の製造工程の第2段階で製造さ
れたSSC−LDの構造図である。
FIG. 11 is a structural diagram of an SSC-LD manufactured in a second stage of the manufacturing process according to the embodiment.

【図12】本実施形態例の製造工程の第3段階で製造さ
れたSSC−LDの構造図である。
FIG. 12 is a structural diagram of an SSC-LD manufactured in a third stage of the manufacturing process according to the embodiment.

【図13】本実施形態例の製造工程の第4段階で製造さ
れたSSC−LDの構造図である。
FIG. 13 is a structural diagram of an SSC-LD manufactured in a fourth stage of the manufacturing process according to the embodiment.

【図14】本実施形態例の製造工程の第5段階で製造さ
れたSSC−LDの構造図である。
FIG. 14 is a structural diagram of the SSC-LD manufactured in the fifth stage of the manufacturing process according to the embodiment.

【図15】本実施形態例で用いた層厚プロファイルの測
定結果と計算結果を比較したグラフである。
FIG. 15 is a graph comparing a measurement result and a calculation result of a layer thickness profile used in the present embodiment.

【図16】本発明の実施形態例を説明するための図であ
る。
FIG. 16 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention.

【図17】特開平5−327111号公報に記載のレー
ザ装置の製造方法の原理図である。
FIG. 17 is a view illustrating the principle of a method for manufacturing a laser device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-327111.

【図18】図1(a)の成長阻止膜パターンの拡大図で
ある。
FIG. 18 is an enlarged view of the pattern of the growth blocking film shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 活性層 2 テーパ導波路層 3 p−InP電流ブロック層 4 n−InP電流ブロック層 5 p−InPクラッド層 6 p−InGaAsコンタクト層 7 p電極 8 n−InP基板 9 n電極 10 成長阻止膜 11 間隙部 21 半導体基板 22 マスク層 23 活性層形成予定領域 REFERENCE SIGNS LIST 1 active layer 2 tapered waveguide layer 3 p-InP current blocking layer 4 n-InP current blocking layer 5 p-InP cladding layer 6 p-InGaAs contact layer 7 p electrode 8 n-InP substrate 9 n electrode 10 growth inhibiting film 11 Gaps 21 Semiconductor substrate 22 Mask layer 23 Active layer formation region

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−176827(JP,A) Journal of Applie d Physics,78[9],p. 5373−5386 Journal of Crysta l Growth,51,p.581−586 1995年(平成7年)秋季応物学会予稿 集,26a−ZE−1 p.179 1999年(平成11年)秋季応物学会予稿 集,3a−ZE−36 p.978 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 27/15 ────────────────────────────────────────────────── (5) References JP-A-7-176827 (JP, A) Journal of Applied Physics, 78 [9], p. 5373-5386 Journal of Crystal Growth, 51, p. 581-586 1995 (Heisei 7) Autumn Proceedings of the Japan Society for Applied Biology, 26a-ZE-1 p. 179 1999 (Heisei 11) Autumn Proceedings of the Society of Applied Biological Sciences, 3a-ZE-36 p. 978 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 27/15

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 x−y座標上でx方向に延びるストライ
プ状の開口を隔ててy方向に対向する1対の成長阻止膜
を用いて前記開口部に所望の層を成長する選択MOVP
E成長法によって作製される半導体光素子を設計する方
法において、 R∞を成長阻止膜から十分遠方での成長レート、Ro
局所的成長レート、Lxdiff及びLydisffを夫々x方向
及びy方向の拡散長、τ(x,y)を原料寿命として、
前記開口部における前記成長層のx方向及びy方向の成
長レートRx(x)及びRy(y)を夫々、下記一次元拡
散方程式: (Lxdiff2・τ(x)・{d2x(x)/dx2}= Rx(x)−Ro(x) ・・・・・ (式1);及び (Lydiff2・τ(y)・{d2y(y)/dy2}= Ry(y)−R∞ ・・ ・・・ (式2)を用いて求め、 前記Rx(x)及びRy(y)と、所望の層厚プロファイ
ルとから局所的な成長レートを求め、 前記局所的な成長レートに基づいて、選択成長マスクの
プロファイルを求めることを特徴とする半導体光素子の
設計方法。
1. A selective MOVP in which a desired layer is grown in said opening by using a pair of growth-inhibiting films opposed in the y direction with a stripe-shaped opening extending in the x direction on the xy coordinate.
A method for designing a semiconductor optical element manufactured by E growth method, the growth rate at a sufficiently distant to R∞ from growth arrest film, local growth rates R o, L xdiff and L Ydisff respectively x and y directions The diffusion length of τ (x, y) is the material life,
The growth rates R x (x) and R y (y) of the growth layer in the x direction and the y direction at the opening are respectively represented by the following one-dimensional diffusion equation: (L xdiff ) 2 · τ (x) · {d 2 R x (x) / dx 2 } = R x (x) −R o (x) (Equation 1); and (L ydiff ) 2 · τ (y) · {d 2 R y (y ) / Dy 2 } = R y (y) −R∞ (Equation 2), and is locally determined from the R x (x) and R y (y) and a desired layer thickness profile. A method for designing a semiconductor optical device, comprising: obtaining a selective growth rate; and obtaining a profile of a selective growth mask based on the local growth rate.
【請求項2】 前記開口部の幅が2μm以下である、請
求項1に記載の半導体光素子の設計方法。
2. The method according to claim 1, wherein the width of the opening is 2 μm or less.
【請求項3】 式2に代えて、y方向の成長レートRy
(y)を実験結果で求めることを特徴とする請求項1又
は2に記載の半導体光素子の設計方法。
3. A growth rate R y in the y-direction instead of Equation 2.
3. The method according to claim 1, wherein (y) is obtained from an experimental result.
【請求項4】 y方向の成長レートRy(y)を、式2
を差分法によって解くことで求めることを特徴とする請
求項1又は2に記載の半導体光素子の設計方法。
4. The growth rate R y (y) in the y direction is given by
3. The method for designing a semiconductor optical device according to claim 1, wherein the value is obtained by solving the following equation.
【請求項5】 x方向に延びるストライプ状の開口を隔
ててy方向に対向する1対の成長阻止膜を用いて、前記
開口部に発光部及び導波路部のための成長層を選択成長
する選択成長法であって、 前記成長阻止膜は、形成される発光部及び導波路部に夫
々対応してx方向に順次に並ぶ第1部分及び第2部分を
有し、前記第1部分は、実質的に平坦な幅を有する第1
の平坦幅領域と、該第1の平坦幅領域に続き該第1の平
坦幅領域よりも幅が広い広幅領域とを有し、前記第2部
分は前記第1の平坦幅領域よりも幅が狭い第2の平坦幅
領域を有することを特徴とする選択成長法。
5. A growth layer for a light emitting portion and a waveguide portion is selectively grown in said opening by using a pair of growth inhibiting films opposed to each other in a y direction with a stripe-shaped opening extending in the x direction interposed therebetween. In the selective growth method, the growth blocking film has a first portion and a second portion sequentially arranged in the x direction corresponding to a light emitting portion and a waveguide portion to be formed, respectively. A first having a substantially flat width
And a wide region having a width wider than the first flat width region following the first flat width region, wherein the second portion has a width larger than that of the first flat width region. A selective growth method having a narrow second flat width region.
【請求項6】 前記第1の平坦幅領域と広幅領域との境
界がステップ状である、請求項5に記載の選択成長法。
6. The selective growth method according to claim 5, wherein a boundary between the first flat width region and the wide region is step-shaped.
【請求項7】 x方向に延びるストライプ状の開口を隔
ててy方向に対向する1対の成長阻止膜を用いて、前記
開口部に発光部及び導波路部のための成長層を選択成長
する選択成長法であって、 前記成長阻止膜は、形成される発光部及び導波路部に夫
々対応してx方向に順次に並ぶ第1部分及び第2部分を
有し、前記第1部分は、実質的に平坦な幅を有する平坦
幅領域と、該平坦幅領域に続き第2部分に向かって幅が
拡がる拡幅領域とを有し、前記第2部分は第1部分との
境界から遠ざかるに従って幅が狭まる狭幅領域を有する
ことを特徴とする選択成長法。
7. A growth layer for a light emitting section and a waveguide section is selectively grown in said opening by using a pair of growth inhibiting films opposed to each other in a y direction with a striped opening extending in the x direction interposed therebetween. In the selective growth method, the growth blocking film has a first portion and a second portion sequentially arranged in the x direction corresponding to a light emitting portion and a waveguide portion to be formed, respectively. A flat-width region having a substantially flat width; and a wide-width region following the flat-width region and increasing in width toward a second portion, wherein the second portion has a width that increases with distance from a boundary with the first portion. A selective growth method characterized by having a narrow region in which the width of the substrate is reduced.
【請求項8】 前記平坦幅領域の幅をWとすると、前記
拡幅領域の長さが0.1W〜10Wでその最大幅が1.
2W〜3Wであり、前記狭幅領域の長さが2W〜20W
で末端の幅が0.2W以下である、請求項7に記載の選
択法。
8. Assuming that the width of the flat width region is W, the length of the widened region is 0.1 W to 10 W and the maximum width is 1.
2 W to 3 W, and the length of the narrow region is 2 W to 20 W.
The selection method according to claim 7, wherein the width of the terminal is 0.2 W or less.
【請求項9】 前記拡幅領域の長さが0.3W〜0.7
Wでその最大幅が1.3W〜1.7Wであり、前記狭幅
領域の長さが7W〜9Wである、請求項8に記載の選択
法。
9. The length of the widened area is 0.3 W to 0.7 W
9. The selection method according to claim 8, wherein the maximum width of W is 1.3W to 1.7W, and the length of the narrow region is 7W to 9W.
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