JP2000031587A - 半導体光結晶素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の波長オーダで動作する３次元屈折率変
調構造・２次元屈折率変調構造を備えた半導体光結晶素
子を、穴をあけずに容易に製造することができる半導体
光結晶素子の製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 屈折率変調構造を備えた半導体光結晶
素子Ｓの製造方法であって、屈折率変調構造が少なくと
も、(ア) 基板１上にＡｌ含有の第１の化合物半導体層２
１とＡｌ非含有の第２の化合物半導体層２２の積層構造
２を成長する工程と、(イ) 積層されたＡｌ含有の第１の
化合物半導体層２１の所定の箇所の真下に位置するＡｌ
のみを垂直に選択的に酸化する酸化工程、を経て構成さ
れる３次元屈折率変調構造３Ｄであるか、酸化工程の前
に、Ａｌ含有の第１の化合物半導体層２１とＡｌ非含有
の第２の化合物半導体層２２の積層構造２を混晶化する
工程を行なうことにより構成される２次元屈折率変調構
造２Ｄであることを解決手段とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理、光伝
送などに用いられる半導体レーザ素子、光導波路、光集
積回路などのさまざまな光デバイスなどを構成する基本
構造となる半導体光結晶素子の製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光の波長の１／４ごとに周期的に屈折率
が変化する構造（以下「屈折率変調構造」という）は、
光を効率良く反射することが知られている。１次元の屈
折率変調構造は半導体レーザ素子の反射ミラーに用いら
れ、発振スペクトル幅の狭い高性能な半導体レーザ素子
（「ＤＦＢレーザ」とよばれる）が実現されている。ま
た、１次元の屈折率変調構造は面発光レーザ素子のミラ
ーにも用いられている。この面発光レーザ素子では微小
共振器を構成することにより、レーザ発振に不要な自然
放出による発光が抑制され（自然放出光係数が大き
い）、低しきい値電流で発振する半導体レーザ素子が得
られている。

【０００３】このような周期的に屈折率が変化する構造
を２次元、３次元に拡張すると自然放出光がさらに抑え
られ、発振しきい値のない半導体レーザ素子を実現する
ことができるという理論的予測がある。また、上記の屈
折率変調構造を光導波路に応用すると、曲がり損失のな
い導波路を作製できるという理論的予測もある。

【０００４】従来のこの種の屈折率変調構造を作製する
方法を図６を用いて説明するが、この図は、バルクの半
導体結晶８の面に垂直な方向から３５度傾き、平面視し
て互いに１２０度の角度で交差するようにドリル９で一
箇所に付きそれぞれ３本の穴８ａ・８ａ・８ａをあけた
ものである。バルクの半導体結晶８の屈折率は約３．５
で、穴８ａの部分（空洞）の屈折率はほぼ１であるので
屈折率変調構造（３次元屈折率変調構造３Ｄ´）が形成
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな機械的な方法では、ドリル９の直径を小さくしたり
穴８ａの周期を小さくすることができず、この方法によ
り作製される３次元屈折率変調構造３Ｄ´では、反射さ
れる電磁波（光）がマイクロ波領域（ｃｍ単位）であっ
た。したがって、光通信などで利用される波長帯１〜
１．５μｍで作動させるには、周期を光の波長オーダよ
りも小さくする必要がある。また、屈折率変調構造を構
成する２種類の物質（膜）の厚さを、それぞれ物質内の
光の波長の１／４にする必要がある。

【０００６】なお、光の波長オーダの動作を実現するた
め、ドリル９などの機械的な方法ではなく、エッチング
用マスクに２次元配列の孔をあけてエッチングにより３
次元屈折率変調構造３Ｄ´を作製する方法が考えられる
が、エッチング用のビーム（図６で符号９´で示す）な
どにより斜めに真っ直ぐにエッチングすることは難し
く、現在の進歩したフォトリソグラフィ技術によっても
これまで成功例がない。

【０００７】また、従来の方法ではバルクの半導体結晶
８部分に穴８ａをあけるため、このような穴８ａのある
構造物の上に半導体の結晶を成長させて新たな半導体層
を設ける場合、せっかくあけた穴８ａの中にも新たな半
導体の結晶が成長して穴８ａを塞いでしまうので、結晶
成長に欠かせないＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長
法）、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ法）やＣＢＥ法（ケ
ミカルビームエピタキシ法）などを適用することができ
ないという問題がある。

【０００８】本発明は、光の波長オーダで動作する３次
元屈折率変調構造・２次元屈折率変調構造を備えた半導
体光結晶素子を、穴をあけずに容易に製造することがで
きる半導体光結晶素子の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、屈折率変調構造を備えた半導体光結晶
素子の製造方法であって、前記屈折率変調構造が少なく
とも、(ア) 基板上にＡｌ含有の第１の化合物半導体層と
Ａｌ非含有の第２の化合物半導体層を交互に積層したＩ
ＩＩ−Ｖ族の化合物半導体よりなる積層構造を成長する
積層構造成長工程と、(イ) 前記積層構造の最上層の所定
の箇所より前記基板方向にＯ（酸素）を供給することに
より、積層された前記Ａｌ含有の第１の化合物半導体層
の前記所定の箇所の真下に位置するＡｌのみを垂直に選
択的に酸化し、該酸化部分を前記最上層から平面視して
２次元的に周期配列するように形成する酸化工程、を経
て構成される３次元屈折率変調構造であることを特徴と
した半導体光結晶素子の製造方法を提案する。ＩＩＩ−
Ｖ族の化合物半導体中ではＡｌが極めて容易に酸化され
ること、Ａｌが酸化された該化合物半導体はＡｌｘＯｙ
に転化されること、また、ＡｌｘＯｙの屈折率が元の化
合物半導体の屈折率の約半分の値であることなどによ
り、本発明によれば、半導体光結晶素子に容易に３次元
屈折率変調構造を構成することができる。

【００１０】また、請求項２は、屈折率変調構造を備え
た半導体光結晶素子の製造方法であって、前記屈折率変
調構造が少なくとも、(ア) 基板上にＡｌ含有の第１の化
合物半導体層とＡｌ非含有の第２の化合物半導体層を交
互に積層したＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体よりなる積層
構造を成長する積層構造成長工程と、(イ) 前記積層構造
の所定の領域に位置する前記Ａｌ含有の第１の化合物半
導体層と前記Ａｌ非含有の第２の化合物半導体層とを、
前記積層構造の最上層から前記基板に向けて垂直に混晶
化する混晶化工程と、(ウ) 前記混晶化した部分の最上部
の所定の箇所より前記基板方向にＯを供給することによ
り、該混晶化した部分の前記所定の箇所の真下に位置す
るＡｌのみを垂直に選択的に酸化し、該酸化部分を前記
最上部から平面視して２次元的に周期配列するように形
成する酸化工程、を経て構成される２次元屈折率変調構
造であることを特徴とする。これによれば、半導体光結
晶素子に容易に２次元屈折率変調構造を構成することが
できる。

【００１１】さらに、本発明は、前記混晶化工程が、
(ア) 前記積層構造の最上層の所定の箇所にマスクを形成
した後、(イ) 該マスクを基に、前記積層構造のうちマス
クが形成されていない部分より前記基板方向へ不純物を
拡散させるか、または、前記基板方向へイオンを注入す
ることにより、積層された前記第１の化合物半導体層と
前記第２の化合物半導体層を垂直に混晶化すること、よ
りなることを特徴とした請求項２に記載の半導体光結晶
素子の製造方法を提案する（請求項３）。これによれ
ば、確実に第１の化合物半導体層と第２の化合物半導体
層を混晶化することができる。

【００１２】また、請求項４では、前記酸化工程が、
(ア) 前記積層構造上もしくは前記混晶化した部分上に２
次元的に周期配列した孔を有する酸化用マスクを形成す
る工程により該酸化用マスクを形成した後、前記孔の部
分から前記基板方向へ酸素を含む気体を熱拡散すること
により酸素を供給して垂直に酸化するか、または、前記
孔の部分から前記基板方向へ酸素イオンを注入して酸素
を供給しアニールすることにより垂直に酸化するか、
(イ) あるいは、前記積層構造上もしくは前記混晶化した
部分上に酸素の収束イオンビームを照射して前記基板方
向に酸素イオンを垂直に注入して酸素を供給し、該注入
箇所が平面視して２次元配列をなすように走査して垂直
に酸化することを特徴とした請求項１乃至請求項３に記
載のいずれか１項に記載の半導体光結晶素子の製造方法
を提案する。これによれば、確実にＡｌ含有の第１の化
合物半導体層中の特定の箇所に存在するＡｌのみを選択
的に酸化して、当該部分をＡｌｘＯｙに転化することが
できる。

【００１３】また、本発明は、前記半導体光結晶素子に
活性層を形成する場合は、該活性層の上下あるいは両端
に前記３次元屈折率変調構造もしくは前記２次元屈折率
変調構造を形成したことを特徴とした請求項１乃至請求
項４のいずれか１項に記載の半導体光結晶素子の製造方
法を提案する（請求項５）。これによれば、自然放出光
の少ない半導体レーザ素子を確実に提供することができ
る。

【００１４】さらに、本発明は、前記第１の化合物半導
体層がＡｌ組成ｘ＝０．０２〜１．０のＡｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓであり、前記第２の化合物半導体層がＧａＡｓである
ことを特徴とした請求項１乃至請求項５のいずれか１項
に記載の半導体光結晶素子の製造方法を提案する。これ
によれば、酸化工程において、確実にＡｌＧａＡｓ層中
の特定箇所のＡｌのみを選択的に酸化してＡｌｘＯｙに
転化し、容易に屈折率変調構造を作製することができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】≪第１の実施形態》本発明の第１
の実施形態を図により詳細に説明する。図１は、本発明
の第１の実施形態に係る３次元屈折率変調構造を概念的
に示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態
に係る３次元屈折率変調構造を半導体レーザ素子に応用
した例の概念的斜視図を示す。ここで、（ａ）は活性層
を３次元屈折率変調構造の中に埋め込むように設けた半
導体レーザ素子の要部の概念的斜視図を、（ａ´）は活
性部分を拡大した斜視図を、（ｂ）は活性層の左右に３
次元屈折率変調構造を作製した半導体レーザ素子の要部
の概念的斜視図を、それぞれ示す。また、図３は、本発
明の第１の実施形態に係る３次元屈折率変調構造を２次
元光導波路に応用した例の概念的斜視図である。

【００１６】◎３次元屈折率変調構造の作製 図１により、３次元屈折率変調構造３Ｄの作製方法をＡ
ｌＡｓ層２１（アルミニウム・ひ素）／ＧａＡｓ層２２
（ガリウム・ひ素）よりなる化合物半導体層を交互に積
層した積層構造２を例にあげて説明する。

【００１７】まず、基板１に化合物半導体の積層構造２
を作製する。積層構造２の作製は、基板１上に分子線エ
ピタキシ法などで、ＡｌＡｓ層２１（Ａｌ含有の第１の
化合物半導体層）、その上にＧａＡｓ層２２（Ａｌ非含
有の第２の化合物半導体層）というように、両者を交互
にそれぞれ０．１２μｍずつ結晶成長させて積み重ねる
積層構造２を作製する。各層の厚さは物質内の光の波長
の１／４程度の値が屈折率変調構造作製の面から好まし
い。なお、基板１は、格子整合した良好な結晶を成長さ
せるため、ＧａＡｓ基板１を使うのがよい。

【００１８】積層構造２作製の際、各ＡｌＡｓ層２１及
び各ＧａＡｓ層２２の厚さに多少のバラツキがあっても
許容される。また、これらを積層する数は、それぞれ３
層ずつ程度でも、それより多くてもよい。さらに、基板
１上にどちらの化合物半導体層を最初に作製するか、最
後にどちらの化合物半導体層を作製するかは自由であ
る。

【００１９】次に、この積層構造２中の各ＡｌＡｓ層２
１の特定箇所のＡｌのみを酸化して、当該部分のＡｌＡ
ｓをＡｌx Ｏｙ２１ａに転化する。ここで、ｘはＡｌ組
成を示し、ｙはＯ組成を示す。酸化は、積層構造２の最
上層の所定の箇所より前記基板１方向にＯ（酸素）を供
給することにより行い、積層されたＡｌＡｓ層２１・２
１・・の前記所定の箇所の真下に位置するＡｌのみを垂
直に選択的に酸化してＡｌｘＯｙ２１ａに転化し、該酸
化（転化）部分が最上層から平面視して２次元的に周期
配列するように形成する。

【００２０】具体的には、まず、積層構造２の上に選択
酸化用マスクＭｏとして働くＳｉＮ（窒化珪素）、Ｎｉ
（ニッケル）あるいはＣｒ（クロム）などの膜を付着さ
せる。そして、この膜の部分のみに、例えば電子ビーム
露光とエッチングにより直径０．１２μｍの２次元周期
配列の孔Ｈをあけ、酸化用マスクＭｏとする。孔Ｈの口
径は、各化合物半導体層の厚さと同程度の０．１２μｍ
程度がよい。なお、孔Ｈの形状は、図１などでは円形で
あるが、楕円形でも方形であってもよい。

【００２１】次に、窒素ガスを８０℃に熱した純水中を
通過させて水蒸気で湿らせ、これを４００℃に加熱して
ある積層構造２が形成された半導体ウェハに２０〜３０
分間流し暴露する。この操作により、窒素ガス中の水蒸
気は、酸化用マスクＭｏにあけられた孔Ｈを通して、積
層された各ＡｌＡｓ層２１・２１・・の、当該孔Ｈの下
方（基板１方向）に位置するＡｌＡｓ部分のＡｌのみを
順次選択的に酸化して当該部分をＡｌｘＯｙ２１ａに転
化する。一方、酸化用マスクＭｏで覆われている部分の
下方に位置するＡｌＡｓは酸化されないでそのまま残
る。この部分は図１などにおいて符号２１ｂで示す。な
お、図１などにおいて、斜線がクロスして描かれている
模様の部分（符号２１ａ）は、酸化によりＡｌｘＯｙに
転化された部分を示す。また、斜線のみで描かれている
模様の部分（符号２１ｂ）は、ＡｌｘＯｙに転化されな
かった部分を示す。

【００２２】このように、垂直方向にのみ選択的な酸化
が行なえるのは、ＡｌＡｓが水蒸気によりＡｌｘＯｙ２
１ａに転化する関係上、水蒸気は水平方向に拡散するよ
りも、垂直方向（基板１方向）に、より拡散し易くなる
からである。なお、ＧａＡｓ層２２は水蒸気の透過の障
害にならない。また、Ａｌ以外のＩＩＩ−Ｖ族元素はこ
の条件では酸化されることはない。この酸化工程によ
り、Ａｌとともに第１の化合物半導体層（ＡｌＡｓ層）
２１を構成していたＡｓは、窒素の気流などにより系外
に運び去られる。

【００２３】この酸化工程により２．９あったＡｌＡｓ
の屈折率が屈折率１．５のＡｌｘＯｙ２１ａに転化す
る。一方ＧａＡｓは酸化されずそのまま残るので、屈折
率は３．５程度のままである。従って、これにより得ら
れる３次元の周期的な構造は、屈折率の比が有効な光反
射が生ずるために必要な値、すなわち、フォトニックバ
ンドギャップが開くために必要な値である２よりも大き
くなり、良好な３次元屈折率変調構造３Ｄが作製でき
る。

【００２４】上記では、Ａｌの選択的酸化には水蒸気を
用いたが、酸素Ｏ２や他の酸素を含むガスを用いること
もできる。また、後で説明するが他の方法によっても選
択的に酸化することができる。

【００２５】なお、ここでは、ＡｌＡｓ層２１／ＧａＡ
ｓ層２２の積層構造２を例に挙げたが、例えば、第１の
化合物半導体２１がＡｌ組成ｘ＝０．０２〜１．０（モ
ル分率）のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓであり（ｘが１．０の場合
はＡｌＡｓになる）、第２の化合物半導体２２がＧａＡ
ｓであってもよい。

【００２６】上記のように、Ａｌ組成ｘの下限値は０．
０２以上であればよいが、酸化によりＡｌＧａＡｓがＡ
ｌｘＯｙに転化すること、すなわち、酸化によりＧａお
よびＡｓが失われＡｌの酸化物のみが残ること（サイズ
が変化すること）を考慮すると、Ａｌ組成ｘの下限値は
０．３以上であることが好ましい。Ａｌ組成ｘが０．３
以上であれば、優れた３次元屈折率変調構造３Ｄを半導
体光結晶素子中に作製することができる。

【００２７】◎酸化工程の他の方法 Ａｌ含有の第１の化合物半導体層２１の特定部分のＡｌ
のみを酸化する方法（酸化工程）には、上記の方法の他
に数種類の方法が考えられるが、以下に酸化工程の他の
方法について説明する。

【００２８】1) まず、上記と同様、酸化用マスクＭｏ
を設けて、これを基に酸化を行なう方法を説明する。こ
の方法は、積層構造２上に２次元周期配列をした孔Ｈを
あけた酸化用マスクＭｏを設けるところまでは同じであ
る。

【００２９】次に、酸化用マスクＭｏを基に、酸素イオ
ンをこの孔Ｈの直上から例えば、４０、１５０、３０
０、５００、８００ｋeVと異なる５つの加速電圧で、そ
れぞれ１０²⁰個／ｃｍ²ずつ注入する。加速電圧を変え
るのは、酸素イオンの注入深さを変えるためであり、こ
れにより、深さ数μｍにわたって酸素イオンを垂直方向
（基板１の方向）に注入することができる。

【００３０】酸素イオン注入後、例えば、４００℃で１
５分間アニールする。アニールすることによりＡｌが選
択的に酸化され、Ａｌを含んだ第１の化合物半導体層２
１の当該部分がＡｌｘＯｙ２１ａに転化される。また、
アニールにより、酸素イオンが上記の水蒸気の場合と同
様に基板１の方向に拡散して行き、酸化用マスクＭｏの
直下に位置するＡｌが順次酸化されて行くことになる。
また、Ａｓなど第１の化合物半導体層２１を構成する材
料はアニール中に系外に運び去られる。

【００３１】2) また、これとは別の方法として、酸化
用マスクＭｏを使用しない酸化方法を説明する。この方
法では、酸素の収束イオンビームを用いるが、この場合
は酸素イオンを２次元周期配列を成すように走査してス
ポット的に注入する。

【００３２】注入後、上記と同様アニールなどの熱処理
により、第１の化合物半導体層２１中の酸素イオンを注
入した部分のみを酸化してＡｌｘＯｙ２１ａに転化す
る。なお、収束イオンビームの口径は、上記と同様の理
由により０．１２μｍ程度の径がよい。この酸化方法の
場合は、酸化用マスクＭｏの作製（および除去）が不要
というメリットがある。

【００３３】以上説明した酸化方法であれば、第１の化
合物半導体層２１がＡｌＡｓよりなる場合はもちろんＡ
ｌＧａＡｓよりなる場合でも実用上問題のない３次元屈
折率変調構造３Ｄを作製することができる。なお、第１
の化合物半導体層２１がＡｌＧａＡｓである場合は、Ａ
ｌ組成ｘが０．０２以上あればＡｌＧａＡｓを酸化して
ＡｌｘＯｙ２１ａに転化し、３次元屈折率変調構造３Ｄ
を作製することができるが、良質な３次元屈折率変調構
造３Ｄを作製する観点からは、Ａｌ組成ｘが０．３以上
あることが好ましい。

【００３４】したがって、上記の方法によれば、３次元
屈折率変調構造３Ｄを備えた半導体光結晶素子（導体レ
ーザ素子や光導波路など・・）を容易に製造することが
できる。

【００３５】◎半導体レーザ素子への応用 1) 図２（ａ）は、上記のようにして作製した３次元屈
折率変調構造３Ｄを半導体レーザ素子Ｌｏに応用した例
である。この例では、積層構造２の中心部分に活性部分
４１が埋め込まれるように作製してある。なお、図２
（ａ）は、ｐ型クラッド層３２の上に酸化用マスクＭｏ
を設けた状態を示す図である。

【００３６】この半導体レーザ素子Ｌｏの製造方法を説
明すると、まず、Ａｌ含有の第１の化合物半導体層２１
とＡｌ非含有の第２の化合物半導体層２２を交互に積層
してなるｎ型クラッド層３１を基板１上に成長させる。
ｎ型クラッド層３１には必要に応じてｎ型ドーパントが
ドーピングされる。この段階で上記の酸化マスクＭｏを
設けるなどの酸化方法によりｎ型クラッド層３１に３次
元屈折率変調構造３Ｄを作製する。

【００３７】次に、酸化用マスクＭｏが設けてある場合
はこれを除去した後、この上に上記と同様Ａｌ含有の第
１の化合物半導体層２１とＡｌ非含有の第２の化合物半
導体層２２を交互に積層して活性層４を作製する。

【００３８】ついで、活性層４の上に酸化用マスクＭｏ
を形成し、これを基に３次元屈折率変調構造３Ｄを作製
するが、酸化用マスクＭｏには中央部分には孔Ｈをあけ
ず周囲の部分のみに孔Ｈをあける。この酸化用マスクを
基に、活性層４の周辺部分のみに３次元屈折率変調構造
３Ｄを作製する。この酸化用マスクＭｏに穴を設けなか
った部分が半導体レーザ素子Ｌｏの活性部分４１にな
る。これを図２（ａ´）に示す。なお、酸化条件を適当
に選択することによりＡｌの酸化を、活性層４の下部に
位置するｎ型クラッド層３１の部分には及ばないように
することができる。

【００３９】酸化工程が酸化用マスクＭｏを必要としな
い方法である場合は、活性層４の中央部分を避けて酸素
の収束イオンビームを照射して、酸化工程を行なうこと
になる。

【００４０】酸化工程が終了したら不要な酸化用マスク
Ｍｏを除去し、活性層４の上に上記と同様、Ａｌ含有の
第１の化合物半導体層２１とＡｌ非含有の第２の化合物
半導体層２２を交互に積層してなるｐ型クラッド層３２
を作製する。このｐ型クラッド層３２にはｐ型のドーパ
ントがドーピングしてある。

【００４１】次に、ｐ型クラッド層３２の上に、ｎ型ク
ラッド層３１に３次元屈折率変調構造３Ｄを作製したも
のと同様の酸化用マスクＭｏを形成し、これを基に３次
元屈折率変調構造３Ｄをｐ型クラッド層３２にも作製す
る（図２（ａ））。なお、酸化条件を適当に選択するこ
とによりＡｌの酸化を、ｐ型クラッド層３２の部分のみ
に留めることができる。

【００４２】2) 図２（ｂ）は、３次元屈折率変調構造
３Ｄを半導体レーザ素子Ｌｏに応用した別の例で、上記
の製造方法と同様の方法で、半導体レーザ素子Ｌｏの上
面と下面にそれぞれｎ型クラッド層３１およびｐ型クラ
ッド層３２を形成し、活性層４（ｉ層）の相対する２面
に３次元屈折率変調構造３Ｄ・３Ｄを作製している。こ
の面が半導体レーザ素子Ｌｏの反射ミラーの役割を果た
す構成となっている。

【００４３】半導体レーザ素子Ｌｏを上記1)・2)のよう
な構成にし、両クラッド部分３１・３２から電流（電
子、正孔）を注入すると、３次元屈折率変調構造３Ｄ部
分はＡｌＡｓが酸化してＡｌｘＯｙ２１ｂになっている
ため隣接するＧａＡｓ層２２もキャリアが空乏化し電流
が流れないので効率よく活性層４（ｉ層）に電子・正孔
のキャリア注入が行なわれ、効率よくレーザＬが発振さ
れる。

【００４４】◎光導波路への応用 また、３次元屈折率変調構造３Ｄは、光導波路にも応用
することができ、曲がり損失の少ない光導波路を提供す
ることができる。以下に、本発明の製造方法を２次元光
導波路Ｌｇに応用した例を記載する（図３参照）。

【００４５】まず、基板１上にＡｌＧａＡｓよりなる化
合物半導体層を成長させる。これが、光閉じ込め用のク
ラッド層３になる。

【００４６】このクラッド層３の上に、Ａｌ含有の第１
の化合物半導体層２１とＡｌ非含有の第２の化合物半導
体層２２が交互に積層した積層構造２を成長させる。こ
の積層構造２の一部がコア層５となるため、クラッド層
３よりも高い屈折率の材料で作ることが必要である。逆
にいえば、クラッド層３は屈折率の値が相対的に小さい
材料（上記のＡｌＧａＡｓなど）が適している。

【００４７】これに、上記の方法（酸化工程）により酸
化を行ない３次元屈折率変調構造３Ｄを作製する。な
お、図３に示すように、光の通路になるコア層５の部分
は酸化を行なわない。酸化工程は、酸化用マスクＭｏを
形成する方法・形成しない方法のどちらでもよい。

【００４８】次に、必要に応じて酸化用マスクＭｏを除
去し２次元光導波路Ｌｇとする。なお、上部のクラッド
層は空気などがその役割を果たす。図３において符号６
により表されている丸い部分は、酸化によりＡｌｘＯｙ
に転化された部分２１ａがその下方に存在することを示
すものである。このような構成にすると光導波路の曲が
り損失を極めて小さくすることができる。なお、このよ
うな２次元光導波路Ｌｇは、直角に曲げても光損失がな
いことが理論的に示されている。

【００４９】《第２の実施形態》本発明の第２の実施形
態を図により詳細に説明する。図４は、本発明の第２の
実施形態に係る２次元屈折率変調構造の作製例を示す概
念的斜視図である。ここで、（ａ）は混晶化した後を、
（ｂ）は混晶化した部分に２次元屈折率変調構造を作製
した例を、それぞれ示す。図５は、本発明の第２の実施
形態に係る２次元屈折率変調構造を半導体レーザ素子に
応用した例の要部の概念的斜視図を示す。

【００５０】◎２次元屈折率変調構造の作製 図４・図５により、２次元屈折率変調構造２Ｄを備えた
半導体光結晶素子Ｓの製造方法をＡｌＡｓ層２１／Ｇａ
Ａｓ層２２よりなる化合物半導体層を交互に積層した積
層構造２を例に、半導体レーザ素子Ｌｏに応用したもの
について説明する。

【００５１】この実施形態では、ＧａＡｓ層２２が約１
０ｎｍ程度と薄い（物質内の光の波長の１／４よりもは
るかに薄い）ものを使用するが、このような厚さのＧａ
Ａｓ層２２の使用により、いわゆる量子効果を用いて半
導体レーザ素子Ｌｏなどの半導体光結晶素子Ｓの高性能
化を図ることができる。

【００５２】まず、基板１に化合物半導体の積層構造２
を作製するが、Ａｌ含有の第１の化合物半導体層２１、
Ａｌ非含有の第２の化合物半導体層２２、基板１とも第
１の実施形態のものと同様でよい。ここでは、上記のよ
うにＡｌＡｓ層２１とＧａＡｓ層２２である。積層構造
２の作製は、第１の実施形態と同様に分子線エピタキシ
法などが利用される。

【００５３】次に、積層構造２の特定部分に位置するＡ
ｌＡｓとＧａＡｓを混晶化させて、混晶化されたＡｌＧ
ａＡｓ層７にする。これは、積層構造２の最上層の所定
の領域に混晶化用マスクＭｍを形成し、これを基に、混
晶化用マスクＭｍで覆われていない部分に位置する積層
構造２を構成するＡｌＡｓ層２１中のＡｌＡｓとＧａＡ
ｓ層２２中のＧａＡｓを垂直に混晶化する。なお、混晶
化は、不純物を基板１の方向に熱で拡散するか、あるい
は、イオンを基板１の方向に向けて注入することにより
行なわれる。図４（ａ）は、混晶化した後の状態を示す
図である。

【００５４】混晶化されたＡｌＧａＡｓ層７の組成は、
もとのＡｌＡｓ層２１とＡｌＧａ層２２の厚さにより決
まるが、混晶化工程の後に行なわれる酸化工程では、第
１の実施形態の場合と同様に、混晶化されたＡｌＧａＡ
ｓ層７のＡｌ組成ｘが０．０２以上であればＡｌのみを
選択的に酸化してＡｌｘＯｙ２１ａに転化することがで
きる。但し、Ａｌ組成ｘが高い方が酸化し易いので、混
晶化されたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層７のＡｌ組成ｘが０．３
以上、より好ましくは０．５以上になるようにＡｌＡｓ
層２１の厚みを決定するのがよい。

【００５５】次いで、上記により混晶化した部分７の所
定箇所を選択的に酸化して２次元屈折率変調構造２Ｄを
作製する。この際には、第１の実施形態で３次元屈折率
変調構造３Ｄを作製したものと同様の酸化方法が使われ
るが、この方法が適用される化合物半導体層が積層構造
２ではなく、混晶化されたＡｌＧａＡｓ層７という単一
種類の化合物半導体層であるため、形成される屈折率変
調構造も３次元ではなく２次元屈折率変調構造２Ｄとな
る。この点、第１の実施形態の場合と異なる。

【００５６】図４（ｂ）は、２次元屈折率変調構造２Ｄ
を作製した後の状態を示す図であるが、図中の丸い部分
（符号６）はＡｌｘＯｙ２１ａが下部に存在する箇所を
示している。すなわち、当該部分は、混晶化されたＡｌ
ＧａＡｓ層７が酸化によりＡｌｘＯｙに転化された部分
であり、混晶化した部分７の所定箇所を最上部から基板
１に達するように円柱状にＡｌｘＯｙに転化されてい
る。

【００５７】積層構造２の両脇に２次元屈折率変調構造
２Ｄを作製したら、必要に応じて不要な酸化用マスクＭ
ｏ（図示せず）などを除去し、次いで、その上面及び下
面にそれぞれｎ型クラッド層３１、ｐ型クラッド層３２
を取り付け半導体レーザ素子Ｌｏとする（図５）。な
お、ｎ型クラッド層３１は、通常は最初から積層構造２
を作る基板１と同一の基板上に作られる。

【００５８】このようにして作られる半導体レーザ素子
Ｌｏ（図５）の屈折率変調構造は２次元屈折率変調構造
２Ｄであり、３次元屈折率変調構造３Ｄより性能は劣る
ものの、これまで実用化されている１次元のＤＦＢ構造
を有する面発光レーザより、自然発光が抑制されるた
め、しきい値電流が低い半導体レーザ素子Ｌｏを提供す
ることができる。

【００５９】なお、上記混晶化されたＡｌＧａＡｓ層７
は、ドーピングするドーパントの種類によりｐ型あるい
はｎ型にすることも可能である。したがって、混晶化工
程と同時にあるいは混晶化工程の後に混晶化部分の一方
をｎ型クラッド層３１、他方をｐ型クラッド層３２とす
る構造とすれば、電子、正孔を横方向から活性層４に注
入する半導体レーザ素子Ｌｏを作ることもできる。

【００６０】上記第１の実施形態及び第２の実施形態で
は、Ａｌ含有の第１の化合物半導体層２１がＡｌＡｓ、
ＡｌＧａＡｓ、Ａｌ非含有の第２の化合物半導体層２２
がＧａＡｓよりなる場合について説明したが、Ａｌ含有
の第１の化合物半導体層２１の材料としては、ＡｌＧａ
Ｐ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＰなどのＩＩＩ−
Ｖの元素よりなる３元・４元の化合物半導体を用いるこ
ともできる。また、Ａｌ非含有の第２の化合物半導体層
２２の材料としては、ＩＩＩ−Ｖの元素よりなるＩｎＡ
ｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＳｂ、Ｇ
ａＡｓＳｂなどの化合物半導体を用いることができる。

【００６１】すなわち、これら材料によっても、上記の
方法により酸化及び混晶化することができ、２次元や３
次元の屈折率変調構造を備えた半導体光結晶素子Ｓを製
造することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、従来困難であった光の波長の１／４程度の構造を
持つ３次元屈折率変調構造３Ｄを、半導体部分に穴をあ
けずに、半導体光結晶素子Ｓ中に容易に作り出すことが
できる。３次元屈折率変調構造３Ｄを半導体レーザ素子
に適用すると、自然放出光が極めて小さく、かつ、しき
い値の低い半導体レーザ素子Ｌｏを提供することができ
る。また、その製造も極めて容易である。また、３次元
屈折率変調構造３Ｄを光導波路に適用すると、曲り損失
が極端に小さな２次元光導波路Ｌｇを提供することがで
き。また、その製造も極めて容易である。

【００６３】また、本発明の方法によれば、極めて容易
に２次元屈折率変調構造２Ｄを半導体光結晶素子Ｓ中に
作り出すことができる。これを半導体レーザ素子に適用
する場合には、混晶化工程を活用することにより、活性
層４と２次元屈折率変調構造２Ｄの両者を、同じ基板１
上に同時に成長させた同一の化合物半導体の積層構造２
を基にして作製できるため、性能のよい半導体レーザ素
子Ｌｏとすることができる。

【００６４】さらに、本発明の方法は、幅広くＩＩＩ−
Ｖ族の半導体材料に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態に係る３次元屈折
率変調構造を概念的に示す斜視図である。

【図２】 本発明の第１の実施形態に係る３次元屈折
率変調構造を半導体レーザ素子に応用した例の概念的斜
視図を示す。（ａ）は活性層を３次元屈折率変調構造の
中に埋め込むように設けた半導体レーザ素子の要部の概
念的斜視図を、（ａ´）は活性部分を拡大した斜視図
を、（ｂ）は活性層の左右に３次元屈折率変調構造を作
製した半導体レーザ素子の要部の概念的斜視図を、それ
ぞれ示す。

【図３】 本発明の第１の実施形態に係る３次元屈折
率変調構造を２次元光導波路に応用した例の概念的斜視
図である。

【図４】 本発明の第２の実施形態に係る２次元屈折
率変調構造の作製例を示す概念的斜視図である。（ａ）
は混晶化した後を、（ｂ）は混晶化した部分に２次元屈
折率変調構造を作製した例を、それぞれ示す。

【図５】 本発明の第２の実施形態に係る２次元屈折
率変調構造を半導体レーザ素子に応用した例の要部の概
念的斜視図を示す。

【図６】 従来例による３次元屈折率変調構造の製造
を示す斜視図である。

【符号の説明】

３Ｄ ；３次元屈折率変調構造 ３Ｄ´；３次元屈折率変調構造（従来例、斜めに穴をあ
けるもの） ２Ｄ ；２次元屈折率変調構造 Ｌｇ ；２次元光導波路 Ｌｏ ；半導体レーザ素子 Ｌ ；レーザ（レーザ光） Ｍｍ ；混晶化用マスク Ｍｏ ；酸化用マスク Ｈ ；孔（酸化用マスクにあけられた孔） Ｓ ；半導体光結晶素子 ｘ ；Ａｌ組成 ｙ ；Ｏ組成 １ ；基板（ＧａＡｓ基板） ２ ；積層構造 ２１；第１の化合物半導体層（例えばＡｌＡｓ層） ２１ａ…酸化によりＡｌｘＯｙに転化された部分（Ａｌ
ｘＯｙ） ２１ｂ…ＡｌｘＯｙに転化されなかった部分 ２２；第２の化合物半導体層（例えばＧａＡｓ層） ３ ；クラッド層 ３１；ｎ型クラッド層 ３２；ｐ型クラッド層 ４ ；活性層（ｉ層） ４１；活性部分 ５ ；コア層（光導波路のコア部分） ６ ；ＡｌｘＯｙが下部に存在する箇所を示す ７ ；混晶化した部分（混晶化されたＡｌＧａＡｓ
層） ８ ；バルクの半導体結晶 ８ａ ；穴（バルクの半導体結晶にあけられた穴） ８ｂ ；屈折率が異なる部分 ９ ；ドリル ９´ ；エッチング用のビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹ノ内 弘和 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AB09 AB10 AB17 AB18 AC11 AF04 AF20 CA12 DA52 DA64 HA15 HA20 5F073 AA75 AB17 CA02 CA04 CA05 CA07 CA12 CA13 CA14 CA15 DA12 DA14 DA27 EA23

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈折率変調構造を備えた半導体光結晶
   素子の製造方法であって、前記屈折率変調構造が少なく
   とも、（ア） 基板上にＡｌ含有の第１の化合物半導体
   層とＡｌ非含有の第２の化合物半導体層を交互に積層し
   たＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体よりなる積層構造を成長
   する積層構造成長工程と、（イ） 前記積層構造の最上
   層の所定の箇所より前記基板方向にＯ（酸素）を供給す
   ることにより、積層された前記Ａｌ含有の第１の化合物
   半導体層の前記所定の箇所の真下に位置するＡｌのみを
   垂直に選択的に酸化し、該酸化部分を前記最上層から平
   面視して２次元的に周期配列するように形成する酸化工
   程、を経て構成される３次元屈折率変調構造であること
   を特徴とした半導体光結晶素子の製造方法。
2. 【請求項２】 屈折率変調構造を備えた半導体光結晶
   素子の製造方法であって、前記屈折率変調構造が少なく
   とも、（ア） 基板上にＡｌ含有の第１の化合物半導体
   層とＡｌ非含有の第２の化合物半導体層を交互に積層し
   たＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体よりなる積層構造を成長
   する積層構造成長工程と、（イ） 前記積層構造の所定
   の領域に位置する前記Ａｌ含有の第１の化合物半導体層
   と前記Ａｌ非含有の第２の化合物半導体層とを、前記積
   層構造の最上層から前記基板に向けて垂直に混晶化する
   混晶化工程と、（ウ） 前記混晶化した部分の最上部の
   所定の箇所より前記基板方向にＯを供給することによ
   り、該混晶化した部分の前記所定の箇所の真下に位置す
   るＡｌのみを垂直に選択的に酸化し、該酸化部分を前記
   最上部から平面視して２次元的に周期配列するように形
   成する酸化工程、を経て構成される２次元屈折率変調構
   造であることを特徴とした半導体光結晶素子の製造方
   法。
3. 【請求項３】 前記混晶化工程が、（ア） 前記積層
   構造の最上層の所定の箇所にマスクを形成した後、
   （イ） 該マスクを基に、前記積層構造のうちマスクが
   形成されていない部分より前記基板方向へ不純物を拡散
   させるか、または、前記基板方向へイオンを注入するこ
   とにより、積層された前記第１の化合物半導体層と前記
   第２の化合物半導体層を垂直に混晶化すること、よりな
   ることを特徴とした請求項２に記載の半導体光結晶素子
   の製造方法。
4. 【請求項４】 前記酸化工程が、（ア） 前記積層構
   造上もしくは前記混晶化した部分上に２次元的に周期配
   列した孔を有する酸化用マスクを形成する工程により該
   酸化用マスクを形成した後、前記孔の部分から前記基板
   方向へ酸素を含む気体を熱拡散することにより酸素を供
   給して垂直に酸化するか、または、前記孔の部分から前
   記基板方向へ酸素イオンを注入して酸素を供給しアニー
   ルすることにより垂直に酸化するか、（イ） あるい
   は、前記積層構造上もしくは前記混晶化した部分上に酸
   素の収束イオンビームを照射して前記基板方向に酸素イ
   オンを垂直に注入して酸素を供給し、該注入箇所が平面
   視して２次元配列をなすように走査して垂直に酸化する
   こと、よりなることを特徴とした請求項１乃至請求項３
   に記載のいずれか１項に記載の半導体光結晶素子の製造
   方法。
5. 【請求項５】 前記半導体光結晶素子に活性層を形成
   する場合は、該活性層の上下あるいは両端に前記３次元
   屈折率変調構造もしくは前記２次元屈折率変調構造を形
   成することを特徴とした請求項１乃至請求項４のいずれ
   か１項に記載の半導体光結晶素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記第１の化合物半導体層がＡｌ組成
   ｘ＝０．０２〜１．０のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓであり、前記
   第２の化合物半導体層がＧａＡｓであることを特徴とす
   る請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体
   光結晶素子の製造方法。