JP2001111170A

JP2001111170A - 光半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001111170A
Application number: JP28702499A
Authority: JP
Inventors: Takashi Akiyama; 傑秋山; Takayuki Yamamoto; 剛之山本; Takuya Fujii; 卓也藤井; Hajime Shoji; 元小路
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-20
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP4541469B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光半導体装置に関し、スポットサイズ変換部の
出射端での光スポットを活性層の中心に重ねるととも
に、活性層とは異なる再結合層を有する場合に光スポッ
トが再結合層に影響されない構造を得ること。【解決手段】半導体基板１上で利得領域とスポットサイ
ズ変換領域とに形成され、かつ、該スポット変換領域で
は光スポットサイズを拡大する形状に形成された活性層
３ａと、前記活性層３ａの上と下に形成されたクラッド
層９，１０と、前記活性層３ａの両側にｐｎ接合を有し
て形成された埋込層６〜８と、前記スポットサイズ変換
領域の前端近傍を除く領域で、少なくとも前記利得領域
での前記埋込層３ａの上又は下に形成され、前記クラッ
ド層９，１０を構成する材料よりもバンドギャップの狭
い材料からなる再結合層６とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置及び
その製造方法に関し、より詳しくは、光スポットサイズ
変換器を備えた光半導体装置及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ通信の適用範囲が広が
っていくとともに、半導体レーザモジュールの小型化、
低コスト化、低消費電力化の観点から、半導体レーザを
温度制御せずに広い環境温度範囲で動作させることが必
要となってきており、諸特性のの温度依存性の低減が必
要となってきている。また、小型化、低コスト化の点で
は温度制御を無くすとともに、半導体レーザとファイバ
との間の結合系を簡略化することも求められており、ス
ポットサイズ変換器を集積した放射角の狭い光半導体素
子の開発が活発になっている。

【０００３】スポットサイズ変換器と半導体レーザを集
積する理由は、半導体レーザではスポットサイズが１μ
ｍ程度と小さいが、半導体レーザに結合される光ファイ
バのスポットサイズは４〜５μｍと大きいので、スポッ
トサイズ変換器によって光出力端のスポットサイズを拡
大することにより、光ファイバのスポットサイズとの差
を小さくして結合効率を改善するためである。

【０００４】スポットサイズ変換器を集積した半導体レ
ーザは、活性層の延長上でテーパ形状の導波路コアを半
導体クラッド層に埋め込んだ構造が主となっている。こ
こでは、特開平7-283490号公報に記載の半導体レーザを
例にとり説明する。以下、この半導体レーザをテーパ導
波路レーザと呼ぶ。テーパ導波路レーザは、原理的に図
１に示すような構造を有しており、光のコアとなる量子
井戸層１０１の膜厚がほぼ一定の第１の領域とその量子
井戸層１０１の膜厚がテーパ状に変化する第２の領域と
に機能的に区分される。

【０００５】それらのうちの第１の領域は、電流が注入
されて光利得を持つレーザ部Ｉであり、第２の領域は、
スポットサイズ変換部IIとなる。そのレーザ部Ｉでは、
導波方向に垂直な面内の光分布は比較的小さく、コアを
中心に集中している。また、スポットサイズ変換部IIで
は、ダブルへテロ構造のコアの膜厚が出射方向に向かっ
て小さくなっている。このような構造によって、光分布
はレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIの出射端に向
かって連続的に拡大される。

【０００６】図１に示したテーパ導波路レーザにおい
て、量子井戸層１０１は、例えば、n-InP よりなるｎ型
クラッド層１０２とp-InP よりなるｐ型クラッド層１０
３により上下から挟まれている。また、ｎ型クラッド層
１０２の下にはｎ側電極１０４が形成され、また、レー
ザ部Ｉ近傍のｐ型クラッド層１０３の上にはｐ側電極１
０５が形成されているそのようなテーパ導波路レーザ１
００においては、良好な電流−光出力特性を得るため
に、効率良くレーザ部Ｉの量子井戸層（活性層ともい
う）１０１に電流を流す必要がある。これと同時に、テ
ーパ導波路レーザ１００と光ファイバ１１０の間の光結
合損失を低く抑えるために、レーザ光の出射端におい
て、出射方向に垂直な面の光強度分布の形状を真円に近
い形にし、また、その光強度分布の中心位置を光導波路
構造の中心位置、即ち、量子井戸層１０１のある位置に
合わせる必要がある。

【０００７】次に、従来のテーパー導波路レーザの構造
について図３(b) に基づいて詳細に説明する。図３(b)
において、ｎ型クラッド層となるn-InP 基板１１２とｐ
型クラッド層となる第１のp-InP 層１１３ａの間に挟ま
れる量子井戸層（活性層）１１１の両側には、ｐｎ逆接
合などの電流阻止機能を有するいわゆる埋込構造１１６
が形成されている。その埋込構造１１６は、レーザ部Ｉ
の活性層１１１にだけ効率良く電流を注入するために設
けられている。

【０００８】テーパ導波路レーザのスポットサイズ変換
部IIとレーザ部Ｉのそれぞれの半導体層の断面構造は、
図４(a),(b) に示すように、それぞれ活性層１１１の膜
厚が異なるだけで、埋込構造１１６を含むそれ以外の構
造に関しては、ほぼ同じ構造を持っている。例えば、埋
込層１１６の上部を構成するn-InP 層（ｎ型ブロック
層）１１６ｂと活性層１１１の中心との最短距離Ａをと
ってみても、スポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉでは
ほぼ同じ長さとなっている。

【０００９】埋込構造１１６のp-InP 層１１６ａの膜厚
を図５(a),(b) に示すように厚くしても、その活性層１
１１の中心とn-InP 層１１６ｂの最短距離Ａはスポット
サイズ変換部IIとレーザ部Ｉではほぼ同じ長さとなって
いる。図１に示したような半導体埋込光導波路を有する
テーパ導波路レーザは次のような工程に沿って作製され
る。

【００１０】まず、図２(a) に示すように、多重量子井
戸構造（ＭＱＷ）を有する量子井戸層１１１とp-InP 層
１１３ａからなるダブルへテロ構造層が堆積されたn-In
P 基板（半導体ウェハ）１１２を用意する。その量子井
戸層１１１は、特開平7-283490号公報に記載された方法
にしたがって、レーザ部Ｉで膜厚が厚く、スポットサイ
ズ変換部IIで膜厚がテーパ状に徐々に薄くなるように形
成される。

【００１１】そして、図２(b) に示すように、ストライ
プパターンを有するSiO₂よりなる誘電体マスク１１７を
通常のフォトリソグラフィー法を用いてp-InP 層１１３
ａの上面に形成する。続いて、誘電体マスク１１７に覆
われない領域のダブルヘテロ構造とn-InP 基板１１２を
エッチングして図２(c) に示すようなメサ構造１１８を
形成する。

【００１２】次に、図３(a) に示すように、メサ構造１
１８の上面に誘電体マスク１１７を残したままで、n-In
P 基板１１２の上に結晶成長を施してメサ構造１１８上
面以外の部分にp-InP 層１１６ａ、n-InP 層１１６ｂを
順に埋め込む。このとき、特開平7-283490号公報に記載
の技術においては、ｐｎ逆接合で構成される埋込構造１
１８が素子全体に渡って一様に成長されるようになって
いる。

【００１３】その後、図３(b) に示すようにメサ構造１
１８上の誘電体膜１１７を除去し、ついで、n-InP 基板
１１２の全体に再度結晶成長を施してp-InP 層１１３ｂ
を形成してメサ構造１１８の上を平坦化する。量子井戸
層１１１の上のp-InP 層１１３ａ、１１３ｂはｐ型クラ
ッド層となる。ところで、活性層上部のｐ型クラッド層
の膜厚をスポットサイズ変換部IIにおいてレーザ部Ｉよ
り厚くしてスポットサイズ変換部IIの屈折率を高くした
構造が、特開平7-74396 号公報の図２に示されている。
この場合、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間の活性
層を除く領域に関しては、特開平7-283490号公報に記載
された素子と同様にスポットサイズ変換部IIとレーザ部
Ｉの間で同じ構造を持つために、ｎ型電流ブロック層と
コア層の中心の間の最短距離も両部の間で等しくなって
いる。このような領域には、電流狭窄機能を持つｐｎ逆
接合などの、活性層やｐ型及びｎ型クラッド層とは元素
組成、ドーピング濃度、屈折率が異なる層が含まれてい
る。

【００１４】尚、集積されるスポットサイズ変換器には
特開平7-283490号公報に記載されている膜厚が変化する
構造の他に幅がテーパ状に変化する構造もある。特開平
7-74396 号公報では、幅テーパ導波路を集積した半導体
レーザの出射端の光強度分布を最適値まで拡大するため
の出射端のコア層の設計精度が厳しいという問題を解決
するための技術を示している。

【００１５】次に、半導体レーザの温度特性について説
明する。光通信用の長波長帯の半導体レーザの温度特性
については、光記録用に用いられているGaAs基板上に作
製された短波長帯レーザに比べて著しく劣ることが古く
から指摘されており、その原因については未だ明らかで
はない。しかし、埋込構造が大半を占める光通信用の半
導体レーザにおいては埋込層でのリーク電流の存在がそ
の温度依存性を更に悪化させていることがよく知られて
いる。

【００１６】リーク電流を抑制するには図４(b) に示さ
れたような、電流ブロック層の位置を最適化することが
あげられるが、更なる対策の１つとして、図６に示すよ
うなＤＣＰＢＨ(Double Channel Planer Buried Hetero
structure)レーザに代表される、ｐｎｐｎ電流ブロック
構造のクラッド層（基板の場合もある）のｎ型層と埋込
層のｐ型層がなすｐｎ接合との間の少なくとも一部にバ
ンドギャップの狭い半導体層（再結合層）を設けた構造
があり、サイリスタ構造の耐圧を上昇させることで漏れ
電流を小さくできることが知られている。

【００１７】図６は、ＤＣＰＢＨ構造の半導体レーザの
断面を示しており、n-InP 基板１２１と第１のp-InP 層
１２３の間に挟まれた量子井戸活性層１２２を有するス
トライプ状のメサ構造を有している。また、メサ構造の
両側にはp-InP 埋込層１２４とn-InP 埋込層１２５が形
成され、その埋込構造とメサ構造の上には第２のn-InP
層１２７が形成されている。これにより、メサ構造の両
側にはn-InP 基板１２１を含めてｐｎｐｎ接合が構成さ
れている。また、メサ構造の両側から少し離れた領域で
は、p-InP 埋込層１２４とn-InP 基板１２１に挟まれた
再結合層１２８が形成されている。その再結合層１２８
は、量子井戸活性層１２２をストライプ状にエッチング
する際、又はメサ形状活性層１２２を選択成長で形成す
る際に、ストライプから離れた部分では活性層１２２を
残したままにしておき、これを再結合層１２８として利
用したものである。選択成長を利用した構造では、スポ
ットサイズ変換器を集積した半導体レーザも、Y Furush
ima et al., IPRM'98 ThP-57において報告されている。

【００１８】一方、図７は、半導体レーザの埋込構造１
１６を形成する際に再結合層１１９を設けた構造であ
る。即ち、再結合層１１９を活性層１１１を含むメサ側
面には成長させずにメサ両脇の基板１１２面上だけに成
長させるという技術が必要となるが、図６に示す素子に
比べると活性層とは独立に再結合層を設計できるという
利点がある。

【００１９】図６，図７のどちらの構造においても温度
特性の改善が実現されており、InGaAsP 系の半導体レー
ザにおいて閾値電流の特性温度として７０Ｋを越える高
い値が示されている。なお、図６，図７においては、第
２のp-InP 層１２７，１２３ｂの上にはそれぞれp-InGa
Asコンタクト層１２０，１２８が形成されている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図４(a),
(b) に示したテーパ導波路レーザにおいては、活性層の
中心とｎブロック層との距離Ａの最適値がスポットサイ
ズ変換部IIとレーザ部Ｉにおいては異なる。例えば、図
４(a),(b) は、距離Ａの値がレーザ部Ｉにおいて最適化
されて比較的小さい値を持つ構造である、これにより、
効率良く電流Ｂを活性層１１１に流すことができる。こ
れは、図４(b) に示すように、レーザ部Ｉにおいて活性
層１１１の両脇のp-InP 層１１６ａが狭くなり、この部
分をリークする電流量（図中Ｂ）が小さくなるためであ
る。

【００２１】しかし、この埋込構造を採った場合、図４
(a) に示すスポットサイズ変換部IIにおいては、光強度
分布の中心が活性層１１１の中心からｐ型クラッド層１
１３ａ，１１３ｂへとシフトするという問題、或いは活
性層１１１の周辺の屈折率不均一の影響を強く受け、光
分布の形状は真円より歪んだ形状となるという問題が生
じる。これは、距離Ａが短くなることにより、ｎ型ブロ
ック層１１６ｂが活性層１１１に近づき、拡大された光
強度分布がｎ型ブロック層１１６ｂの影響を強く受ける
ためである。ｎ型ブロック層１１６ｂは、ｐ型クラッド
層１１３ｂに比べて小さい屈折率を持つため、拡大され
た光強度分布はｎ型ブロック層１１６ｂを避けてｐ型ク
ラッド層１１３ｂ内に分布するように、中心の位置と分
布形状を変化させる。

【００２２】これに対して、図５(a),(b) は、埋込構造
１１６のp-InP 層１１６ａを厚く形成して距離Ａの値を
図４(a),(b) のそれよりも大きくした構造を採用してい
る。これにより、スポットサイズ変換部IIにおいて、光
強度分布の中心は活性層１１１の中心に重なるし、その
分布形状が真円に近くなる。これは、屈折率の低いｎ型
ブロック層１１６ｂが活性層１１１より遠ざかり、活性
層１１１の周囲が屈折率の高いｐ型半導体で、より均一
に満たされるからである。これにより、光強度分布は、
活性層１１１周辺に均一に分布しやすくなる。

【００２３】しかし、活性層１１１の両脇のp-InP 層１
１６ａが広がると、レーザ部Ｉにおいて電流Ｂのリーク
量が増えるために、活性層１１１に効率よく電流を注入
することができなくなり、素子特性の劣化を招く。以上
のように、図４、図５に述べた構造の半導体レーザを採
用する場合には、スポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉ
の埋込構造１１６は同一となり、それぞれの部分におい
て埋込構造１１６を最適化することができない。即ち、
素子全体に渡って図４の構造を採るか、図５の構造を採
るかどちらかに限られていた。

【００２４】これに対して、JOURNAL OF LIGHTWAVE TEC
HNOLOGY, VOL 15, No 8, pp 1602-1607 (August 1997)
"High-Coupling Efficiency of a 1.3- μｍ Spot-Siz
e Converter Integrated Laser Diode with pn-Buried
Heterostructure for High-Temperature Operation"に
おいては、ｎ型ブロック層の活性層に対する位置を微調
整してこれを最適化する数値計算及び実験が行われてい
る。しかし、この場合にも先に述べたようなトレードオ
フの関係は避けられていない。

【００２５】また、先に引用した特開平 7-74396号公報
に記載された素子の上部クラッド層の膜厚を変化させる
ような構造でも、距離Ａは、スポットサイズ変換部とレ
ーザ部の間で等しくなることは避けられない。ところ
で、温度特性を改善する構造を採用した図６に示す半導
体レーザの活性層１２２と同時に再結合層１２８を形成
した構造は、選択成長を利用したものであり、そのまま
スポットサイズ変換器を集積した報告例がY. Furushima
et al.,IPRM'98 ThP-57 に記載がある。

【００２６】しかし、そのような構造では、活性層と独
立して再結合層を設計できないという不都合がある。こ
れに対して、図７の埋込再成長時に再結合層１１９を成
長した構造は設計の自由度の高いものの、これを図４，
図５に示すようなスポットサイズ変換器を集積した半導
体レーザに適用しようとすると、スポットサイズの小さ
い部分では通常の半導体レーザと同様に光は再結合層１
１９の影響を殆ど受けないが、出射端面に近いスポット
サイズが大きい領域ではこの再結合層１１９での屈折率
差が光のフィールドに影響してしまうという問題があっ
た。

【００２７】埋込層１１６の漏れ電流を抑えるために
は、再結合層１１９のバンドギャップは活性層１１１の
バンドギャップと近くなるように設定することが望まし
い。例えば、１．３μｍ帯の半導体レーザにおいて再結
合層１１９のバンドギャップ波長を１．２μｍ等に設定
する。しかし、活性層１１１とその周りの埋込層１１６
との屈折率差は、活性層１１１とクラッド層１１６の差
と同等になるために、光のフィールドが再結合層１１９
側に引っ張られてしまうことで変形し、光ファイバとの
結合効率が低下してしまう。また、再結合層１１９のバ
ンドギャップ波長と発振波長が近いために再結合層１１
９での吸収も無視できなくなり、スポットサイズ変換器
の損失が増大し、閾値電流の上昇、効率の低下を招いて
しまうという問題があった。

【００２８】なお、図６に示した活性層１２２と同時に
再結合層１２８を形成した構造で、上記したような問題
が生じていないのは、再成長で形成する場合よりも再結
合層１１８の位置が離れているためにスポットサイズの
大きな出射端面でも光のフィールドが殆ど影響されない
からである。しかし、上記したように設計の自由度が低
くなるといった不都合がある。

【００２９】本発明の目的は、スポットサイズ変換部の
出射端での光スポットを活性層の中心に重ねるととも
に、活性層とは異なる再結合層を有する場合に光スポッ
トが再結合層に影響されない構造を有する光半導体素子
を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】（１）上記した課題は、
図８〜図１１に例示するように、半導体基板上で利得領
域とスポットサイズ変換領域とに形成され、かつ、該ス
ポットサイズ変換領域では光のスポットサイズを変化す
る形状に形成されたストライプ状のコア層と、前記コア
層の上と下に形成された第１及び第２のクラッド層と、
前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間
に形成されたｐｎ接合を有する埋込層と、前記スポット
サイズ変換領域の少なくとも前記スポットサイズが拡大
される端面近傍を除いて前記埋込層中に形成され、前記
第１及び第２のクラッド層を構成する材料よりもバンド
ギャップの狭い材料からなる再結合層とを有することを
特徴とする光半導体装置によって解決される。

【００３１】次に、本発明の作用について説明する。本
発明によれば、埋込型光半導体装置において利得領域
（レーザ領域）とスポットサイズ変換領域に形成された
コア層（活性層）の両側方において、利得領域または利
得領域からスポットサイズ変換領域の途中までが拡大す
る部分の前端を除いた部分に、バンドギャップが小さい
再結合層を形成している。

【００３２】これにより、光スポットサイズが拡大する
部分での再結合層による吸収が回避され、スポットサイ
ズ変換器の損失が小さくなり、閾値電流の上昇や効率の
低下が防止される。（２）上記した課題は、図１２〜図１７に例示するよう
に、半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領域
とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では光
のスポットサイズを変化する形状に形成されたストライ
プ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１
及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第１
及び第２のクラッド層の間に形成れたｐｎ接合を有する
埋込層と、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材
料よりもバンドギャップの狭い材料からなり、前記スポ
ットサイズ変換領域において前記活性層と平行な方向で
膜厚又はバンドギャップが変化して前記埋込層に形成さ
れた再結合層とを有することを特徴とする光半導体装置
によって解決される。

【００３３】上記した光半導体装置において、前記再結
合層の前記膜厚は、前記利得領域よりも前記スポットサ
イズ変換領域で値が小さいことが好ましく、前記再結合
層のバンドギャップは、前記利得領域よりも前記スポッ
トサイズ変換領域で値が大きいことが好ましい。また、
上記した課題は、図１２〜図１３に例示するように、活
性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上に形成する
工程と、前記多層構造の上にストライプ状の第１マスク
パターンを形成し、該第１マスクパターンに覆われない
部分の前記多層構造をエッチングして、光閉じ込めを大
きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域を
有するストライプ状のメサ部を形成する工程と、前記メ
サ部のうち前記第１領域において前記メサ部の両側面か
ら離れた領域に第２マスクパターンと第３マスクパター
ンを前記半導体基板の上に配置する工程と、前記第１〜
第３マスクパターンに覆われない領域に、前記第１のク
ラッド層よりもバンドギャップが狭い再結合層を含み且
つ前記第２の領域のうち前記第１領域に隣接しない側の
端部で膜厚が薄くなる層を含む多層構造の埋め込み層を
形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンを除去
した後に、前記メサ部と前記埋込層の上に第２のクラッ
ド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導
体装置の製造方法によって解決する。

【００３４】次に、本発明の作用について説明する。本
発明によれば、コア層（活性層）の両側に形成される再
結合層のうち、スポットサイズ変換領域の端部での膜厚
は利得領域での膜厚に比べて薄く形成されている。した
がって、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層
による吸収が少なくなり、スポットサイズ変換器の損失
が小さく、閾値電流の上昇や効率の低下が抑制される。（３）上記した課題は、図１９〜図２７に例示するよう
に、基板側の一導電型クラッド層と、前記一導電型クラ
ッド層の上に形成された半導体からなるコア層と、前記
コア層の上に形成された反対導電型クラッド層と、元素
組成、不純物濃度、膜厚の少なくとも１つが光導波方向
に沿って連続的に変化し、かつ前記コア層の両側領域に
形成された埋込構造とを有することを特徴とする光半導
体装置によって解決される。

【００３５】上記した光半導体装置において、前記コア
層の膜厚または幅を前記光導波方向に薄くまたは狭く変
化させたスポットサイズ変換領域と、前記コア層の膜厚
または幅を前記光導波方向に実質的に変化させない利得
領域とを有する構造を採用してもよい。この場合、前記
埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記スポットサイズ
変換領域においては、前記利得領域よりも前記ｎ型層と
前記コア層との距離が広がっている構造としてもよい。
また、前記ｐ型層と前記ｎ型層が前記利得領域よりも前
記スポットサイズ変換領域の方が厚く形成される場合
に、前記ｐ型層の膜厚の増加の割合が前記ｎ型層の膜厚
の増加の割合よりも大きくしてもよい。さらに、前記埋
込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ型層の不純物濃
度は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域
の方が低く形成される構造を採用してもよい。さらに、
前記埋込構造は、光導波方向で一導電型層から反対導電
型層に変化する層を有する構造を採用してもよい。

【００３６】また、上記した課題は、半導体基板上に活
性層と上側クラッド層を形成する工程と、前記活性層か
ら前記半導体基板の上部までの一部をエッチングするこ
とによりストライプ状のメサ部を形成する工程と、前記
メサ部の上の第１の領域と、前記メサ部の両側方に離れ
た前記半導体基板の上であって前記メサ部の延びる方向
に形状が変化する形状の第２、第３の領域とを誘電体マ
スクで覆った状態で、前記第１〜第３の領域を除く前記
半導体基板の上に、層数、層厚、元素組成、不純物濃度
のうち少なくとも１つを光の進行方向に沿って連続的に
変化させる埋込構造を形成する工程とを有することを特
徴とする光半導体装置の製造方法によって解決する。

【００３７】次に、本発明の作用について説明する。本
発明によれば、コア層（活性層）と埋込構造のｎ型層と
の距離について、利得領域では狭く、スポットサイズ変
換領域では広くするようにした。したがって、スポット
サイズ変換領域では、光強度の中心はコア層の中心に重
なり、真円に近くなる。これと同時に、利得領域では、
コア層とｎ型層の間隔が小さくなるために、電流狭窄効
果が高くなって電流を効率よく活性層に注入することが
できる。

【００３８】従って、本発明によれば、良好な電流−光
出力特性を持ち、かつ、素子と光ファイバとの結合損失
が小さく、優れた素子を得ることができる。また、本発
明によれば、埋込構造中のｎ型層の不純物濃度をスポッ
トサイズ変換領域では低くし、利得領域では高くしてい
るので、スポットサイズ変換領域でのｎ型層の屈折率を
小さくして光分布を良好にすることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】そこで、以下に本発明の実施形態
を図面に基づいて説明する。（第１の実施の形態）図８，図９は本発明の第１実施形
態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。

【００４０】まず、図８(a) に示すように、ｎ型（n-）
InP 基板１の（１００）面上にn-InP バッファ層２を形
成した後に、そのバッファ層２の上にSiO₂よりなる第１
の誘電体膜１５を形成し、ついで、第１の誘電体膜１５
をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレー
ザ部Ｉにストライプ状の第１の開口１５ａを形成すると
ともにスポットサイズ変換部IIではそれよりも広い第２
の開口１５ｂを形成する。

【００４１】その後に、誘電体膜１５の第１及び第２の
開口１５ａ，１５ｂから露出しているバッファ層２の上
にアンドープの量子井戸活性層３、膜厚０．５μｍの第
１のp-InP 層４を減圧有機金属気相成長（減圧ＭＯＶＰ
Ｅ）法により形成すると、それらの層３，４は、第１の
開口１５ａ内では厚くなるとともに、第２の開口１５ｂ
内ではレーザ部Ｉから遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄
くなるような膜厚テーパ形状となる。

【００４２】次に、第１の誘電体膜１５を除去した後
に、SiO₂よりなる第２の誘電体膜１６を全体に形成し、
この第２の誘電体膜１６をフォトリソグラフィー法によ
りパターニングしてレーザ部Ｉからスポットサイズ変換
部IIに延びる幅１．５μｍ程度のストライプ状のパター
ンを第１のp-InP 層４の上に形成する。そして、図８
(b) に示すように、ストライプ状の第２の誘電体膜１６
をマスクに使用して、第１のp-InP 層４からn-InP 基板
１の上部までをエッチングにより除去して高さ２μｍ程
度のメサ部５を形成する。そのエッチングは、ウェット
エッチングを用いても良いが、次の結晶成長段階での再
結合層成長の制御の点からはドライエッチングによりほ
ぼ垂直に近い側面を備えたメサ部５を形成することが望
ましい。ドライエッチングとして、例えばエタン、水
素、酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）法を用いる。ドライエッチングを用いる場合
には、ドライエッチング後にメサ部５側面のダメージ層
を硫酸系の溶液で除去する。

【００４３】続いて、CH₃Cl 又はHCl 等の塩素含有ガス
を流している結晶成長雰囲気で、減圧ＭＯＶＰＥ法によ
りアンドープInP 層（不図示）を０．１μｍ、バンドギ
ャップ波長１．２μｍのInGaAsP よりなる再結合層６を
０．１μｍ形成する。再結合層６の成長時にはメサ部５
の側面の成長速度がなくなる量の塩素含有ガスを結晶成
長雰囲気中に導入し、再結合層６はメサ部５の側面には
成長せずに、メサ部５の両脇のn-InP 基板１の（１０
０）面上にのみ成長する。一方、アンドープInP層の成
長時には塩素含有ガスを流さないか、もしくは、異常成
長を抑える程度に塩素含有ガスを成長雰囲気内に微量導
入することにより活性層３の側面を覆うことが、次に再
結合層の一部を選択エッチングに除去するためには望ま
しい。

【００４４】その再結合層６を構成するInGaAsP のバン
ドギャップは、基板や後述する埋込層を構成するInP の
バンドギャップよりも狭くなっている。その再結合層６
は、単層又は多層の量子井戸構造を有していてもよい。
ここで、結晶成長を一旦停止してn-InP 基板１を結晶成
長雰囲気から取り出してレーザ部Ｉの領域、又は、レー
ザ部Ｉからスポットサイズ変換部Ｉの一部にかけた領域
をレジスト（不図示）で覆った状態で、InP に対して選
択性のあるエッチング液、例えば、硫酸、過酸化水素水
及び水の混合液を用いて、図８(c) に示すように、再結
合層６を選択的にパターニングしてスポットサイズ変換
部IIの領域全部又はその先端近傍を除去するとともに、
レーザ部Ｉにはそのまま残す。再結合層６は、例えばス
ポットサイズ変換部IIの前端から後方へ１５０μｍに至
る領域まで除去するようにする。

【００４５】次に、レジストを除去し、さらにストライ
プ状の第２の誘電体膜１６を残した状態で、図９(a) に
示すように、減圧ＭＯＶＰＥ法によって膜厚０．９μｍ
の第２のp-InP 層７と膜厚０．７μｍのn-InP 層８と膜
厚０．１μｍの第３のp-InP層９を埋込層としてメサ部
の両側方に形成する。その第２のp-InP 層７は、再結合
層６とその前方のn-InP 基板１の上に形成されるととも
に、ストライプ状にパターニングされたメサ部５の側面
にも形成される。また、n-InP 層８は、いわゆる電流ブ
ロック層と呼ばれるものであり、第２のp-InP 層７の上
に形成されるとともに、メサ部５の近傍で盛り上がって
膜厚が厚く形成される。

【００４６】これにより、スポットサイズ変換部IIに形
成された埋込層は、その前端から後方１５０μｍの範囲
では、通常の構造となっている。その後に、第２の誘電
体膜１６を除去した後に、図９(b) に示すように、減圧
ＭＯＶＰＥ法により、第１のp-InP 層４と第３のp-InP
層９の上に膜厚４μｍの第３のp-InP 層１０を形成し、
続いて膜厚０．５μｍのp-InGaAsよりなるコンタクト層
１１を形成する。

【００４７】なお、第２のp-InP 層７からコンタクト層
９の各結晶層の膜厚は、メサ部５の近傍とメサ部５から
離れた場所では膜厚が異なっているが、上記したそれら
の膜厚はメサ部分から離れた平坦面上の値とする。次
に、コンタクト層１１の上のレーザ部Ｉ近傍にTi/Pt/Au
を材料とするｐ側電極１２を形成し、ついでAuGe/Au を
材料とするｎ側電極１３を形成すると、図１０に示すよ
うな膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザが形成さ
れる。

【００４８】以上のような工程により形成された膜厚テ
ーパ導波路を集積した半導体レーザでは、活性層３に量
子井戸構造を用いてスポットサイズ変化部で膜厚がテー
パ状に変化し、出射端面近傍では量子井戸構造の吸収端
波長が短波長へシフトするために、スポットサイズ変換
部IIの導波路を構成する活性層３がレーザ光に対して透
明となるので、その前端部には電流を注入する必要がな
くなる。このため、ｐ側電極１２は後端面から３５０μ
ｍの領域に形成する。

【００４９】活性層３の構造は、本発明の効果に影響を
与えないが、例えばレーザ部Ｉの平坦領域において、圧
縮歪み０．７％で膜厚６ｎｍのInGaAsP 層よりなる井戸
層と、圧縮率０．１％でバンドギャップ波長が１．１μ
ｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP層からなる障壁層との７層
の歪量子井戸構造３ａを備え、その上と下に圧縮歪０．
１％でバンドギャップ波長が１．１μｍで厚さ７０ｎｍ
のInGaAsP よりなるＳＣＨ層３ｂを備えた構造を有して
いて、波長１．３μｍで動作する構造となっている。

【００５０】以上のようにスポットサイズの小さなレー
ザ部Ｉのメサ部の側方に再結合層６を形成するととも
に、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIの
前端近傍領域では再結合層６が存在せずに屈折率差によ
る光のフィールドの歪みや損失の影響が生じない。ま
た、電流注入によりレーザ発振のための利得を与えるス
ポットサイズが小さいレーザ部Ｉの活性層３の平坦な領
域では、両脇にInGaAsP 再結合層６があり、温度特性改
善の効果が得られる。また、電流注入領域も後端面から
３５０μｍの領域に存在するために再結合層６が部分的
に形成されていても十分な効果を得ることができる。（第２の実施の形態）第１の実施の形態ではｎ型InP 基
板を使用したが、ｐ型（p-）InP 基板を使用して膜厚テ
ーパ導波路を集積した半導体レーザを形成することもで
き、その実施形態を以下に説明する。

【００５１】図１１(a) は、膜厚テーパ導波路を集積し
た半導体レーザのレーザ部の断面図、図１１(b) はスポ
ットサイズ変換部の断面図である。図１１(a),(b) にお
いて、p-InP 基板２１の上には、第１実施形態と同じ量
子井戸構造の活性層２３と第１のn-InP 層２４が形成さ
れている。その活性層２３と第１のn-InP 層２４は、第
１実施形態で示した第１の誘電体膜をp-InP 基板２１上
に形成した状態で減圧ＭＯＶＰＥ法により結晶成長され
ている。従って、活性層２３は、レーザ部Ｉでは図１１
(a) に示すように膜厚が厚くて平坦になっているが、ス
ポットサイズ変換部では図１１(b) に示すように前端に
向けて徐々に膜厚が薄くなっている。

【００５２】また、第１のn-InP 層２４からp-InP 基板
２１の上部までは、第１実施形態と同様に、ストライプ
状の第２の誘電体膜をマスクに使用してストライプ状に
パターニングされてメサ部２５が形成されている。ま
た、そのメサ部２５の側壁とp-InP 基板２１の上面には
第１のp-InP 層２２が形成されている。さらに、ストラ
イプ状の第２の誘電体膜を残した状態で、メサ部２５の
両側の第１のp-InP 層２２上には第２のn-InP 層２６と
第２のp-InP 層２７とInGaAsP再結合層２８が順に形成
されている。その後に、第２のp-InP 層２７に対して選
択制のあるエッチング溶液、例えば硫酸、過酸化水素
水、水の混合液を用いてスポットサイズが大きくなって
いるスポットサイズ変換部IIの前端面から１５０μｍ後
方の領域で再結合層２８を除去する。

【００５３】次に、メサ部２５の上に残っている第２の
誘電体膜を除去した後に、第１のn-InP 層２４と再結合
層２８と第２のp-InP 層２７を覆う第３のn-InP 層２９
を４．０μｍの厚さに形成し、さらに、n-InGaAsP コン
タクト層３０を０．５μｍの厚さに成長することで結晶
層構造は完了する。この後に、レーザ部Ｉ近傍のコンタ
クト層３０の上にｎ側電極３１を形成し、さらに、p-In
P 基板２１の下面にｐ側電極３２を形成する。

【００５４】この実施形態においても、第１実施形態と
同様に、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部
IIの前端面近傍領域は通常の埋込構造であるために、屈
折率差による光のフィールドの歪みや損失の影響は生じ
ない。また、スポットサイズの小さなレーザ部Ｉでは両
脇にInGaAsP 再結合層２８があり、温度特性改善の効果
が得られる。

【００５５】ところで、上記した第１、第２の実施形態
では、選択成長を用いて作製した膜厚テーパ導波路を集
積した素子について説明したが、膜厚テーパ導波路の集
積を異なる成長で直接接合によって行っても良い。この
場合も、テーパ導波路の全体をレーザ光に対して透明な
材料を用いることができるので、電流注入はスポットサ
イズの小さな活性層を有する領域のみとなるために同様
な効果が得られる。

【００５６】また、スポットサイズ変換器を導波路の厚
さは一定で幅が端面に向かって狭くなっているいわゆる
幅テーパ導波路として、レーザ部の両側に再結合層を選
択的に配置しても良い。この場合には、スポットサイズ
の大きな領域でも吸収端波長が変化しないので、素子全
体に電流注入を行ってスポットサイズ変換部での光吸収
を防止する必要があるために、レーザ部では再結合層が
部分的に存在することになるので温度特性向上等の効果
は存在するが、温度特性向上等の効果は第１実施形態に
比べて小さくなる。なお、幅テーパ導波路の基本的構造
は次の実施形態で説明する。

【００５７】また、ここまでの実施形態では、両端面を
反射鏡としたファブリペロー型の素子を示したが、他の
構造のデバイス、例えばスポットサイズの小さな領域に
回折格子を設けたＤＦＢレーザや、両端面ともにスポッ
ト変換部を集積して低反射コートを施した半導体光増幅
器等においても、利得領域の側方に再結合層を設けて、
スポットサイズ変換部の出射端近傍で再結合層を除去す
る構造を採用すれば上記したと同様な効果が得られる。（第３の実施の形態）上記した第１及び第２の実施の形
態では、レーザ部Ｉ又はレーザ部Ｉからスポットサイズ
変換部IIの途中まで再結合層を形成するようにしたが、
レーザ部Ｉ及びスポットサイズ変換部IIの双方に再結合
層を形成する構造について以下に説明する。

【００５８】図１２、図１３及び図１４は、本発明の第
３の実施形態の幅テーパ導波路を集積した半導体レーザ
を形成する工程を示す斜視図である。まず、図１２(a)
に示すように、ＭＯＶＰＥ法等の結晶成長法を用いてn-
InP基板４１の上に不純物濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³で膜
厚０．５μｍのn-InP バッファ層４２を形成し、続い
て、アンドープの量子井戸活性層４３と不純物濃度５×
１０¹⁷／ｃｍ³で膜厚０．５μｍの第１のp-InP クラッ
ド層４４を形成する。

【００５９】その活性層４３の構造は、本発明の効果に
影響を与えないが、例えば、圧縮歪１．０％で膜厚６ｎ
ｍのInGaAsP よりなる井戸層と、格子整合でバンドギャ
ップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP よりな
る障壁層とからなる７層の歪量子井戸構造であり、その
歪み量子井戸構造の上と下には、格子整合でバンドギャ
ップ波長１．０５μｍで厚さ３０ｎｍのInGaAsP よりな
るＳＣＨ層４３ａ、４３ｂが形成され、これにより波長
１．３μｍで動作するようになっている。

【００６０】次に、第１のp-InP クラッド層４４の上に
膜厚２５０ｎｍのSiO₂よりなる誘電体膜を形成し、フォ
トリソグラフィー法によりその誘電体膜をパターニング
して光進行方向に沿って第１のマスクパターン４５ａ
と、第１のマスクパターン４５ａの両側方に１２μｍ離
れて第２、第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃを形成
する。

【００６１】第１のマスクパターン４５ａは略ストライ
プ形状を有し、素子領域の後端から光進行方向に３００
μｍの間の領域では幅が１．５μｍと一定であり、出射
端から２００μｍから２５μｍの範囲の領域では前端
（出射端）に向けて幅が線形に減少して出射端から２５
μｍ離れた部分では幅が０．７μｍとなっている。第２
のマスクパターン４５ｂと第３のマスクパターン４５ｃ
は、それぞれ素子領域の後端から３５０μｍの間の領域
であって第１のマスクパターンからそれぞれ１２μｍ離
れた領域の全面に形成されている。

【００６２】そのような第１〜第３のパターンを用い
て、図１２(b) に示すように、第１のp-InP クラッド層
４４からn-InP 基板４１の上部までをエッチングして、
第１〜第３のパターン４５ａ〜４５ｃの下には、それぞ
れ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃを形
成する。そのエッチング方法は、ウェットエッチングを
用いても良いが、次の結晶成長段階で形成される再結合
層の成長の制御の点からは、ドライエッチングによりほ
ぼ垂直に近いメサ部を形成することが望ましい。ドライ
エッチングとしては、例えばエタン、水素及び酸素の混
合ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。

【００６３】そのような第１〜第３のメサ部４６ａ〜４
６ｃを形成した後に、それらのメサ部４６ａ〜４６ｃの
側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、ＭＯＶ
ＰＥ法を用いて第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃの周
囲に、２回目の結晶成長工程に移る。即ち、図１２(c)
に示すように、第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃの周
囲のn-InP 基板４１の上に、膜厚０．１μｍのアンドー
プInP 層（不図示）と、バンドギャップ波長１．２μｍ
で厚さが０．１μｍのアンドープInGaAsP よりなる再結
合層４７と、不純物濃度２×１０¹⁸/cm³で膜厚０．９μ
ｍのp-InP 層４８、不純物濃度２×１０¹⁸/cm³で膜厚
０．７μｍのn-InP 層４９、不純物濃度２×１０ ¹⁸/cm³
で膜厚０．１μｍのp-InP 層５０ａを順に成長する。p-
InP 層４８とn-InP 層４９は、一般に埋め込み層と呼ば
れる。

【００６４】ところで、図１２，図１３は、素子の構造
を模式的に示した図であるために、埋込層４８，４９を
ほぼ平坦に描いているが、結晶基板上の結晶成長では実
際の厚さは均一ではなく、メサ部４６ａ〜４６ｃ近傍で
は選択成長効果等により変化換する。このような結晶成
長を行うと、素子領域の後端面近傍はマスクで覆われて
いる領域が広いために、より多くの原材料が第１のメサ
部４６ａと４６ｂ、４６ｃに挟まれた狭い結晶成長領域
に流れ込んで結晶成長速度が速くなり、結晶成長層の厚
さは出射端面に比べて厚くなる。さらに、本実施形態の
ようにInとGaの２つのIII 族元素を含む化合物の場合に
は、選択成長による原材料の成長部への原料供給量の増
大効果がInの方がGaに比べて大きいために、厚さが増大
すると同時にバンドギャップ波長が長波長化する。な
お、上記した厚さ、濃度、バンドギャップ波長は全て後
端面近傍の値である。

【００６５】また、InGaAsP よりなる再結合層４７の成
長中は、結晶成長雰囲気にCH₃Cl やHCl 等の塩素を含ん
だガスを同時に反応雰囲気へ供給することで図示するよ
うにInGaAsP 再結合層４７をメサ部４６ａ〜４６ｃの側
面（活性層の両面）上には成長させず、第１のメサ部４
６ａの両脇の基板４１面上のみに成長させることを可能
にしている。本実施形態では、素子領域の前端面のInGa
AsP 再結合層４７の厚さは後端面の近傍の約１／３とな
っており、バンドギャップ波長も１．１３μｍと短波に
なっている。

【００６６】再結合層４７の下のアンドープInP 層（不
図示）については、メサ部の側面をまず半導体で覆って
しまう必要があるので、再結合層４７とは逆にCH₃Cl 等
の塩素系ガスを添加しないか、又は、メサ部の頂部近傍
の異常成長を抑制できる程度の微量の添加に留める。３
層目のp-InP 層４８とそれ以降の層については、層厚分
布が逆につかない方が望ましい。このため、本実施形態
では、再結合層４７までは成長雰囲気の圧力を１００〜
１５０Torrに設定して、レーザ部Ｉとスポットサイズ変
換部IIとの成長速度を異ならせて選択成長する一方で、
３層目とそれ以降の層では成長圧力を１０〜３０Torr程
度まで下げて選択成長の効果が殆ど起こらないようにし
ている。これにより、本実施形態では３層目以降の層厚
の低減は出射端面近傍においても後端面の厚さの約３０
％に留まっている。また、塩素系ガスについては、３層
目とそれ以降の層の成長の際に、一層目のアンドープIn
P 層（不図示）の成長と同様に微量導入を行っている。

【００６７】以上のような埋込層４８，４９、p-InP 層
５０ａの成長を終えた後に、第１〜第３のマスクパター
ン４５ａ〜４５ｃを除去する。その後に、図１３に示す
ように、ＭＯＶＰＥ法による３回目の結晶成長により、
全面に第２のp-InP クラッド層５０ｂを４μｍの厚さに
形成し、p-InGaAsP コンタクト層３８を０．５μｍの厚
さに成長することにより、結晶層の成長の工程は終了す
る。

【００６８】この後に、コンタクト層３８の上にｐ側電
極３９を形成し、n-InP 基板４１の下面にｎ側電極４０
を形成する。そして、両端面を劈開した後に、必要なら
ばその端面に反射防止膜等を塗布して素子を完成させ
る。第２及び第３のメサ部４６ｂ、４６ｃを除いた素子
の斜視図を示すと、図１４のようになる。以上のような
本実施形態によれば、再結合層４７は、レーザ部Ｉでは
ほぼ均一の膜厚であり、スポットサイズ変化部では光進
行方向の前端に向けて徐々に薄くなっているので、電流
注入によりレーザ発振のための利得を与えるスポットサ
イズが小さなレーザ部Ｉの平坦領域では両脇に厚いInGa
AsP 再結合層４７があり、温度特性改善の効果が得られ
る一方、スポットサイズ変換部IIではスポットサイズの
大きな前端面近傍ではInGaAsP 再結合層４７の厚さが薄
くかつバンドギャップ波長が短波長化しているために、
吸収、屈折率ともに低下しており、InP のみで埋め込ん
だ従来の構造に比べると影響はゼロではないものの、吸
収による動作特性の低下及び高屈折率による光のフィー
ルドの歪みの影響を結晶成長回数を増やすことなく実現
できる。（第４の実施の形態）第１実施形態において、図１０に
示した膜厚テーパ導波路レーザでは、前端近傍から再結
合層６を除去した構造を採用しているが、第３実施形態
で示したように、前端近傍で再結合層を薄くする構造を
採用しても良い。

【００６９】即ち、図１５に示すように、メサ部５の両
側に埋込層７，８を形成する前に、メサ部５の両側に再
結合層１７を形成する。その再結合層１７は、レーザ部
Ｉでは膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIの前端近傍
では膜厚が薄くなっている。なお、再結合層１７以外の
構造は第１実施形態と同じであって、図１５において図
１０と同じ符号は同じ要素を示している。

【００７０】再結合層１７の具体的な層構造としては、
厚さ４ｎｍでバンドギャップ波長が１．３μｍのInGaAs
P よりなる井戸層と、厚さが１０ｎｍでバンドギャップ
波長が１．１μｍのInGaAsP よりなる障壁層とを有する
１０層の多重量子井戸構造があげられる。そのような量
子効果を用いることで層厚の低下が吸収端波長をより短
波化するために、スポットサイズの大きなスポットサイ
ズ変換部IIでの吸収及び屈折率の低減の効果が大きい。

【００７１】その障壁層の材料としてはInP を用いても
よい。この場合、障壁高さが高くなるために吸収端波長
の短波化は大きくなるという利点、及び、埋込層に用い
る材料が２種類となり、InP 層については他の埋込層と
同一材料なためにメサ部５の側面に成長してもよいこと
から、成長条件の範囲が緩くなるという利点があるが、
障壁層１７がキャリア溜めとならないために、温度特性
改善の効果はやや小さくなる。

【００７２】なお、再結合層１７を形成する場合には、
例えば、図８の状態で、図１２(a)に示した第２及び第
３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃをメサ部５の側方の
n-InP 基板１上に形成すれば、スポットサイズ変換部II
で再結合層１７を膜厚テーパ形状に形成することができ
る。なお、そのような量子井戸構造の再結合層１７と同
一構造を、第３実施形態の幅テーパ導波路を集積した半
導体レーザの再結合層４７に用いても良い。（第５の実施の形態）第２の実施の形態ではp-InP 基板
２１を使用して膜厚テーパ導波路を集積した半導体レー
ザを形成したものであり、その再結合層２８は、レーザ
部Ｉのみに形成した構造を有している。しかし、第４実
施形態で示したように、その再結合層を前端近傍で薄く
する構造を採用してもよい。

【００７３】即ち、図１６に示すように、メサ部２５の
両側に埋込層２６，２７を形成した後に、メサ部２５の
両側に再結合層３７を形成する。その再結合層３７は、
レーザ部Ｉでは膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIの
前端近傍では膜厚が薄くなっている。なお、再結合層３
７以外の構造は第２実施形態と同じであって、図１６に
おいて図１１と同じ符号は同じ要素を示している。

【００７４】再結合層３７の具体的な層構造としては、
第４実施形態と同じような多重量子井戸構造があげられ
る。そのような量子効果を用いることで層厚の低下が吸
収端波長をより短波化するために、スポットサイズの大
きなスポットサイズ変換部IIでの吸収及び屈折率の低減
の効果が大きい。再結合層３７を形成する場合には、第
３の実施の形態と同様に活性層をストライプ状のメサに
加工する際のマスクパターンに図１２(a) に示した第２
及び第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃを形成し、エ
ッチングによりメサ加工した後に、埋込層２６、２７の
成長に引き続き再結合層３７を形成することでスポット
サイズ変換部IIで再結合層３７を膜厚テーパ形状にする
ことができる。

【００７５】この場合、再結合層３７は、活性層２３よ
りも上に位置するためにｎ型基板のようにメサ部の側面
には成長させずに基板上にのみ成長させるという条件は
なくなり、製作は容易になる。この場合も、第３実施形
態と同様に、再結合層３７以外のInP 層の成長時には層
厚変化を抑えるために低い成長圧力で成長する。（第６の実施の形態）図１７は、スポットサイズ変換器
を集積した半導体光増幅器の活性層の側方の基板上に再
結合層を形成した実施形態を示している。

【００７６】図１７において、n-InP 基板５１の上には
第３実施形態と同じ量子井戸構造を有する活性層５２と
第１のp-InP クラッド層５３が形成され、第１のクラッ
ド層５３からn-InP 基板５１の上部までは、それぞれ略
ストライプ状にエッチングされてメサ部５４となってい
る。そのエッチングの際には、ストライプ状の誘電体膜
（不図示）が第１のp-InP クラッド層の上に形成されて
いる。

【００７７】その活性層５２は、中央の利得領域では幅
が１．３μｍと一定であり、その光進行方向の前方の第
１の導波路領域では幅が前方に徐々に狭くなって前端で
は０．５μｍとなり、さらに、後端側の第２の導波路領
域では幅が後方に徐々に狭くなって後端では０．５μｍ
となっている。そのメサ部５４の両側方のn-InP 基板５
１の上には、ＭＯＶＰＥ法により、InGaAsP よりなる井
戸層とInP よりなる障壁層を有する量子井戸構造の再結
合層５５が形成されている。その再結合層５５は、利得
領域では膜厚が一定で厚く、第１の導波路領域では前方
に徐々に薄くなり、また、第２の導波路領域では後方に
徐々に薄くなっている。

【００７８】その再結合層５５の上には、ＭＯＶＰＥ法
によって第１のn-InP 層５６、第１のp-InP 層５７、第
２のn-InP 層５８が順に形成されている。そのような結
晶成長を終えた後に、ストライプ状の誘電体膜を除去
し、さらに、ＭＯＶＰＥ法により全体に第２のp-InP ク
ラッド層５９、p-InGaAsP コンタクト層６０を形成す
る。また、コンタクト層６０の上にｐ側電極（不図示）
を形成し、さらに、n-InP 基板５１の底面にｎ側電極
（不図示）を形成する。

【００７９】そのような半導体光増幅素子では、スポッ
トサイズ変換器は直接結合で形成した幅テーパ導波路を
用いている。スポットサイズ変換器を集積した素子で
は、光ファイバ等の外部の光導波路と直接結合をするた
めに素子の活性層５２に結合しないで素子を透過してし
まういわゆる迷光が発生しやすく、消光比があがらない
という問題がある。

【００８０】しかし、本実施形態の光半導体素子では、
上記した実施形態で温度特性改善のために再結合層とし
て用いていた量子井戸構造の層に迷光を吸収するための
機能を持たせている。この場合、スポットサイズの大き
い第１及び第２の導波路領域では、再結合層５５の吸収
が利得特性を劣化させるので、吸収を抑えることが必要
となり、層厚を薄くしてバンドギャップ波長を短波化す
ることは有効である。

【００８１】この場合には、埋込層中に設けられた多重
量子井戸構造は迷光を吸収するために設置しているの
で、再結合層５５の上にのみに第１のn-InP 層５７を成
長した後に、第１のp-InP 層、第２のn-InP 層、第２の
p-InP クラッド層５９の電流ブロック構造が成長されて
いる。なお、図１７では、第１の光導波路領域の前端と
第２の光導波路領域の後端で活性層５２が露出するよう
な構造となっているが、図１８に示すように、それらの
前端と後端から中央寄りに離れた位置で終端し、その上
のn-InP 層５８を窓構造５８ａにしてもよい。これによ
れば、前端面及び後端面には多重量子井戸構造の再結合
層５５が存在する構造となる。（第７の実施の形態）本発明では、スポットサイズ変換
部において、光のスポットが活性層から外れることを防
止するための構造を備えたテーパ導波路レーザとその製
造方法について説明する。

【００８２】まず、図１９(a) に示すように、ｎ型（n
-）InP 基板６１の（１００）面上にn-InP クラッド層
６２を形成する。また、n-InP クラッド層６２上にSiO₂
よりなる第１の誘電体膜６３を形成し、ついで、第１の
誘電体膜６３をフォトリソグラフィー法によりパターニ
ングしてレーザ部Ｉに＜１１０＞方向に長いストライプ
状の第１の開口６３ａを形成するとともにスポットサイ
ズ変換部IIではそれよりも広い第２の開口６３ｂを形成
する。

【００８３】その後に、第１の誘電体膜６３の第１及び
第２の開口６３ａ，６３ｂから露出しているn-InP クラ
ッド層６２上にアンドープの量子井戸活性層（コア層）
６４、第１のp-InP クラッド層６５をＭＯＶＰＥ法によ
り順に形成すると、それらの層６４，６５は、第１の開
口６３ａ内ではほぼ一定の厚さになるとともに、第２の
開口６３ｂ内では＜１１０＞方向でレーザ部Ｉから遠ざ
かるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形
状となる。その量子井戸活性層６４は、例えば、圧縮歪
１．０％で膜厚６ｎｍのInGaAsP よりなる井戸層と、バ
ンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAs
P よりなる障壁層とからなる７層の歪量子井戸構造であ
り、その歪量子井戸構造の上と下には、格子整合でバン
ドギャップ波長１．０５μｍで厚さ３０ｎｍのInGaAsP
よりなるＳＣＨ層（不図示）が形成され、これにより波
長１．３μｍで動作するようになっている。

【００８４】次に、第１の誘電体膜６３をバッファドフ
ッ酸により除去した後に、SiO₂よりなる第２の誘電体膜
を全体に形成し、この第２の誘電体膜を図１９(b) に示
すようにパターニングして光進行方向に沿ってストライ
プ状の第１のマスクパターン６６ａを形成し、さらに、
第１のマスクパターン６６ａの両側方に離れて第２、第
３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃを形成する。

【００８５】即ち、図２０に示すように、第１のマスク
パターン６６ａは、幅が１．８μｍであり、光進行方向
に延びるストライプ形状を有している。また、第２のマ
スクパターン６６ｂと第３のマスクパターン６６ｃは、
それぞれスポットサイズ変換部IIの前端及びその近傍の
領域であって第１のマスクパターン６６ａを挟んで互い
に８０μｍの距離で離れ、それぞれ１１０μｍの幅を有
して形成されている。

【００８６】なお、第２の誘電体膜のパターニングは、
フォトレジスト（不図示）をマスクとして使用し、バッ
ファドフッ酸をエッチング液として用いるフォトリソグ
ラフィー法により行われる。そして、第１〜第３のマス
クパターン６６ａ〜６６ｃを形成した後に、フォトレジ
ストは有機溶液により剥離される。そのような第１〜第
３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに覆われない領域の
第１のp-InP クラッド層６５からn-InP 基板６１の上部
までのダブルヘテロ構造をエッチングすることにより、
第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃの下には、
図１９(c) に示すようにそれぞれ高さ２μｍの第１〜第
３のメサ部６７ａ〜６７ｃを形成する。そのエッチング
は、炭化水素系ガスを用いる例えば反応性イオンエッチ
ング法を用いる。

【００８７】そのような第１〜第３のメサ部６７ａ〜６
７ｃを形成し、それらのメサ部６７ａ〜６７ｃの側面の
ダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、第１〜第３の
メサ部６７ａ〜６７ｃの間とその周辺のn-InP 基板６１
上に結晶成長を行う。即ち、図２２に示すように、第１
〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに覆われない領
域に、ＭＯＶＰＥ法により第１のp-InP 層６８ａとn-In
P 層６８ｂを埋込層６８として形成する。

【００８８】ＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長において、
第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃ上では原料
が消費されずにその周辺の領域に過剰に供給されるため
に、第１のマスクパターン６６ａと第２のマスクパター
ン６６ｂに挟まれた領域と、第１のマスクパターン６６
ａと第３のマスクパターン６６ｃに挟まれた領域で結晶
成長レートが最も大きくなり、さらに、第２及び第３の
マスクパターン６６ｃ、６６ｂに挟まれない領域での結
晶成長レートが小さくなる。ただし、第２及び第３のマ
スクパターン６６ｃ、６６ｂに挟まれない領域であって
も第１のマスクパターン６６ａの近傍では膜厚が比較的
厚くなって盛り上が生じてしまう。

【００８９】また、ＭＯＶＰＥ成長においては、n-InP
層６８ｂを成長する際のｎ型ドーパントの原料ガスとし
てシラン（SiH4）を用いると、成長レートが大きくなる
ほど結晶中へのシリコンの取り込まれ量は小さくなる。
これにより、成長レートの大きいスポットサイズ変換部
IIではｎ型ドーパントの濃度が小さくなる。また、InGa
AsP 等の半導体を成長する場合には、マスク近傍におい
てInの方がGaより多く成長領域に供給される。そのた
め、マスク周辺の成長レートが大きい領域ではよりInの
組成が大きくなる。

【００９０】このような原理から、第２、第３のマスク
パターン６６ｂ、６６ｃの形状、位置に対応してストラ
イプ状の第１のメサ部６７ａの両脇の埋込層６８の膜
厚、ドーピング濃度、混晶組成が光の導波方向に沿って
連続的に変化する。この性質を利用して、第１のメサ部
６７ａの両脇のマスク形状を最適化することにより、素
子の埋込層６８を光の導波方向に沿って変化させ、各領
域において最適な構造とすることができる。

【００９１】本実施形態では、第１〜第３のマスクパタ
ーン６６ａ〜６６ｃのそれぞれの間に挟まれたスポット
サイズ変換部IIでの結晶成長速度は、第２及び第３のマ
スクパターン６６ｂ、６６ｃに挟まれないレーザ部Ｉで
の結晶成長速度に比べて約２倍としている。さらに、n-
InP 層６８ｂのシリコンの濃度は第１〜第３のマスクパ
ターン６６ａ〜６６ｃに挟まれたスポットサイズ変換部
IIで小さくしている。

【００９２】例えば、レーザ部Ｉにおけるp-InP 層６８
ａとn-InP 層６８ｂの膜厚をそれぞれ０．６μｍ、１．
０μｍとする。また、成長レートが相対的に大きくなっ
ているスポットサイズ変換部IIにおいては、p-InP 層６
８ａとn-InP 層６８ｂの膜厚を、それぞれ前端で１．２
μｍ、２．０μｍとしている。但し、これらの膜厚は第
１のメサ部６７ａから４μｍ離れた領域の埋込層６８の
成長面が（１００）面に平行になっている部分での値で
ある。

【００９３】また、p-InP 層６８ａのドーパント濃度を
２×１０¹⁸/cm³としてある。更に、n-InP 層６８ｂのド
ーパント濃度は、成長速度の大きいスポットサイズ変換
部IIで１×１０¹⁸/cm³、成長速度の小さいレーザ部Ｉで
２×１０¹⁸/cm³となされている。以上のような埋込層６
８の形成を終えた後に、第１〜第３のマスクパターン６
６ａ〜６６ｃをバッファドフッ酸によって除去した後
に、再びＭＯＶＰＥ法により基板全面に第２のp-InP ク
ラッド層６９、p-InGaAsコンタクト層７０を成長し、少
なくとも活性層６４の膜厚が一定な領域、即ち、レーザ
部Ｉとなる部分の基板６１の上方の面を平坦化する。

【００９４】上記した実施形態では、レーザ部Ｉに比べ
てスポットサイズ変換部IIにおける埋込層６８の膜厚が
大きくなる。従って、第１のメサ部６７ａの両脇での埋
込層６８の盛り上がりが大きくなり、この領域における
p-InP クラッド層６９，p-InGaAsコンタクト層７０の平
坦化が従来技術と同様の膜厚では困難である。これらの
層６９，７０を平坦化しようとする場合には、ＭＯＶＰ
Ｅ成長において、原料ガスにCH₃Cl ガスを適量添加する
平坦化成長技術を用いると、その平坦化を促進すること
ができる。

【００９５】その後に、レーザ部Ｉのコンタクト層７０
の上にｐ側電極７１を形成し、さらに、n-InP 基板６１
の下にｎ側電極７２を形成する。以上のような工程によ
り形成された光半導体装置では、活性層６４は図２１に
示すようにクラッド層６２と埋込層６８に囲まれてレー
ザ部Ｉではほぼ一定の膜厚、スポットサイズ変換部IIで
は膜厚がテーパ形状に変化している。また、レーザ部Ｉ
の光進行方向に対して垂直の断面形状は図２２(a) に示
すようになり、またスポットサイズ変換部IIの光進行方
向に対して垂直の断面形状は図２２(b) に示すようにな
る。

【００９６】次に、本実施形態における作用効果を説明
する。図２２(a) において、活性層６４周辺の屈折率の
高いp-InP 層６８ａはレーザ部Ｉにおいて薄くなる。こ
れは、レーザ部Ｉにおいては埋込層６８の成長レートが
小さくなることに起因する。その結果、レーザ部Ｉにお
ける活性層６４とn-InP 層６８ｂとの間隔Ａが狭くなっ
て、活性層６４とn-InP 層６８ｂの間隙に流れる電流量
が小さくなり、活性層６４への電流の注入効率が高くな
る。

【００９７】一方、図２２(b) において、活性層６４周
辺の屈折率の高いp-InP 層６８ａはスポットサイズ変換
部IIにおいて十分に厚くなり、n-InP 層６８ｂと活性層
６４との距離Ａがレーザ部よりも広がる。これは、スポ
ットサイズ変換部IIにおいては埋込層６８の成長レート
が大きくなることに起因する。その結果、スポットサイ
ズ変換部IIにおける光分布の中心は活性層６４の中心か
らズレないでその周辺に広がる。

【００９８】さらに、スポットサイズ変換部IIでは埋込
層６８のn-InP 層６８ｂのドーパント濃度が小さくなっ
ていることから、この部分における屈折率はレーザ部Ｉ
に比べると大きくなり、周囲のp-InP 層６８ａ、６９の
屈折率に近づいている。これにより、スポットサイズ変
換部IIにおいて導波方向に垂直な面内の光分布の歪みの
発生が抑制され、真円に近い形状になる。

【００９９】この実施形態において本質的なことは、ス
ポットサイズ変換部IIにおいて、活性層６４の周囲の屈
折率が高い部分の断面積を大きくすることと、活性層の
周辺の埋込構造の屈折率分布を小さくすることである。
したがって、これらの構造が実現される限り、埋込層の
構成の元素組成、ドーパントの種類、濃度、或いは活性
層の両側の複雑な埋込層の形状などによらず、上記した
ような効果を得ることができる。

【０１００】しかも、本実施形態では、図２(b) に示し
た従来技術と比較してマスクのパターニングのためのフ
ォトマスクの変更だけであり、従来技術に比べて何ら工
程が複雑化せず、極めて簡単に図２１、図２２に示した
構造が得られる。（第８の実施の形態）第７の実施の形態では、スポット
サイズ変換部IIにおける埋込層６８の層厚がレーザ部Ｉ
に比べて例えば約２倍程度に大きくなる。これに従っ
て、第１のメサ部６７ａの両脇での埋込層６８のn-InP
層６８ｂの最上面の盛り上がりがスポットサイズ変換部
において従来技術を用いたときよりも大きくなる。この
盛り上がりを防止するために塩素添加成長技術を導入し
て盛り上がり量を小さくすることも可能であるが、レー
ザ部Ｉでの電流狭窄効果を考慮するとあまり用いたくは
ない。

【０１０１】そこで、埋込層の全体の凹凸差を小さくす
るために、埋込層６８を成長する際に、p-InP 層６８ａ
の成長時とn-InP 層６８ｂの成長時とで成長圧力を変化
させるのが好ましい。例えば、p-InP 層６８ａを成長さ
せる時の成長圧力を１００Torrに設定し、また、n-InP
層６８ｂを成長する時の成長圧力を１０Torrと小さく設
定すると、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIとのp-
InP 層６８ａの成長レートの差を、n-InP 層６８ｂの成
長レートの差よりも大きくすることができる。これによ
り、例えば、p-InP 層６８ａの膜厚はスポットサイズ変
換部IIで１．２μｍ、レーザ部Ｉで０．６μｍと差が大
きく変化するが、n-InP 層６８ｂの膜厚はスポットサイ
ズ変換部IIでは１．５μｍ、レーザ部Ｉで１．０μｍと
なって差が小さくなる。

【０１０２】これにより、活性層６４周辺のp-InP 層６
８ａの断面積はスポットサイズ変換部IIにおいて第７実
施形態と同様に大きくなるが、n-InP 層６８ｂについて
はスポットサイズ変換部IIでは第７実施形態よりも薄く
なる。従って、埋込層の全体の盛り上がりを小さく抑え
ながら、p-InP 層６８ａのみを厚くすることが可能にな
り、その埋込層６８を形成した後に、第２のp-InP クラ
ッド層６９、p-InGaAsコンタクト層７０の最上面の平坦
化が比較的容易になる。（第９の実施の形態）第８実施形態では、埋込層６８の
うちスポットサイズ変換部IIでのp-InP 層の膜厚を増や
し、n-InP 層の膜厚を薄くする方法として成長圧力を変
化させる方法を採用している。本実施形態では、p-InP
層とn-InP 層の間に中間層を形成することによってp-In
P 層の膜厚を増加させることについて説明する。

【０１０３】図２３(a) は、本実施形態に係るテーパ導
波路レーザのレーザ部Ｉでの光進行方向に垂直な断面を
示し、図２３(b) は、そのスポットサイズ変換部IIでの
光進行方向に垂直な断面を示している。なお、図２３
(a),(b) において、図２２(a),(b) と同じ符号は同じ要
素を示している。本実施形態の光半導体素子は、埋込層
６８の形成工程を除いて、第７実施形態と同じ工程で形
成される。

【０１０４】その埋込層６８は、第６実施形態で示した
p-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの間に中間層６８ｃが
形成されている。その中間層６８ｃは、p-InP 層６８ａ
とn-InP 層６８ｂと同じ結晶成長工程で形成される。イ
ンジウムのソースガスとしてはトリメチルインジウム、
リンのソースガスとしてはホスフィンを使用し、また、
ｐ型ドーパント原料としてのジエチルジンク（Zn(C₂H₅)
₂)）と、ｎ型ドーパント原料としてのシラン（SiH₄）を
同時に使用する。この場合、結晶成長速度の小さい領域
ではｎ型ドーパントであるシリコンが取り込まれやす
く、ｐ型ドーパントである亜鉛にはそのような性質がな
い。

【０１０５】従って、シランとジメチルジンクの流量を
調整することにより、結晶成長速度の小さいレーザ部Ｉ
では中間層６８ｃをｎ型にするとともに、結晶成長速度
の大きなスポットサイズ変換部IIでは中間層６８ｃをｐ
型にすることが可能になる。例えば、レーザ部Ｉでの中
間層６８ｃは例えば不純物濃度５×１０¹⁷/cm³のｎ型と
なり、スポットサイズ変換部IIでの中間層６８ｃは例え
ば不純物濃度５×１０ ¹⁸/cm³のｐ型となる。

【０１０６】その中間層６８ｃの膜厚をレーザ部Ｉにお
いて０．２μｍに設定する。また、レーザ部１では、中
間層６８ｃの上に形成されるn-InP 層６８ｂの膜厚を第
７実施形態よりも０．２μｍ薄くし、p-InP 層６８ａの
膜厚を第７実施形態と同じにすると、埋込層６８全体の
膜厚は第７実施形態とほぼ同じになる。これにより、ス
ポットサイズ変換部IIの埋込層６８では、ｐ型の中間層
６８ｃを含めたp-InP 層の膜厚は厚くなって、n-InP 層
６８ｂと活性層６４の距離Ａは第７実施形態よりもさら
に大きくなって光出射端での良好な光分布が得られる。（第１０実施の形態）第７〜第９実施形態では、n-InP
基板を用いて光半導体素子を構成することについて説明
したが、本実施形態では、p-InP 基板を用いて光半導体
素子を構成することについて説明する。

【０１０７】まず、図１９(a) に示すと同様な工程に沿
って、ｐ型（p-）InP 基板８１上にp-InP クラッド層８
２、アンドープの量子井戸活性層８４、第１のn-InP ク
ラッド層８５をＭＯＶＰＥ法により順に形成することに
より、それらの層を図２４(a) に示すようにレーザ部Ｉ
ではほぼ一定の厚さにするとともに、スポットサイズ変
換部IIではレーザ部Ｉから光進行方向に遠ざかるにつれ
て徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状とする。
その量子井戸活性層８４は、例えば第７実施形態の量子
井戸活性層６４と同じ構造とする。

【０１０８】次に、SiO₂よりなる誘電体膜を第１のn-In
P クラッド層８５の上に形成し、この誘電体膜を図２４
(b) に示すようにパターニングして光進行方向に沿って
ストライプ状の第１のマスクパターン８６ａを形成し、
さらに、第１のマスクパターン８６ａの両側方に離れて
第２、第３のマスクパターン８６ｂ、８６ｃを形成す
る。

【０１０９】即ち、図２５に示すように、第１のマスク
パターン８６ａは、幅が１．８μｍ、長さが５００μｍ
であり、光進行方向に延びるストライプ形状を有してい
る。また、第２のマスクパターン８６ａと第３のマスク
パターン８６ｃは、それぞれレーザ領域の後端からスポ
ットサイズ変換領域の後端にかけた領域であって、第１
のマスクパターン８６ａを挟んで互いに８０μｍの距離
で離れ、それぞれ１１０μｍの幅を有して形成されてい
る。

【０１１０】そのような第１〜第３のマスクパターン８
６ａ〜８６ｃに覆われない領域の第１のn-InP 層８５か
らp-InP 基板８１の上部までのダブルヘテロ構造をエッ
チングすることにより、第１〜第３のマスクパターン８
６ａ〜８６ｃの下には、図２４(c) に示すようにそれぞ
れ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部８７ａ〜８７ｃを形
成する。

【０１１１】その後に、エッチングにより発生したメサ
部８７ａ〜ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去し
た後に、誘電体膜８６ａ〜８６ｃに覆われない領域のp-
InP基板８１上に結晶選択成長を行う。即ち、図２６に
示すように、誘電体膜８６ａ〜８６ｃに覆われない領域
に、ＭＯＶＰＥ法により第１のn-InP 層８９ａ、n-InP
層８９ｂと第２のp-InP 層８９ｃを埋込層８９として形
成する。なお、第１のn-InP 層８９ｂは、メサ部８７側
面とp-InP 基板８１上面に沿って薄く形成される。

【０１１２】ＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長において、
誘電体膜８６ａ〜８６ｃ上では原料が消費されずにその
周辺の領域に過剰に供給されるために、誘電体膜８６ａ
と８６ｂに挟まれた領域と、誘電体膜８６ｂと８６ｃに
挟まれた領域で結晶成長レートが最も大きくなる。しか
し、マスクパターン８６ｂ、８６ｃに挟まれない領域で
は結晶成長レートが小さくなる。

【０１１３】従って、埋込層８８の膜厚分布は、スポッ
トサイズ変換部IIよりもレーザ部Ｉの方が厚くなる。ま
た、埋込層８９の成長圧力については、n-InP 層８９ｂ
の成長時には１００Torrとし、第１及び第２のp-InP 層
８９ａ、８９ｃの成長時には１０Torrとすると、レーザ
部Ｉとスポットサイズ変換部IIでの結晶成長速度の差を
比較すると、n-InP 層８９ｂの成長速度の差は、p-InP
層８９ａ、８９ｂの成長速度の差よりも大きくなる。

【０１１４】これにより、スポットサイズ変換部IIにお
いては、n-InP 層８９ｂの膜厚が従来技術に比べて薄く
なって活性層８４の周囲のp-InP 層の領域が厚くなるの
で、第７実施形態と同様に導波路方向に垂直な面内で良
好な光分布が得られる。なお、レーザ部Ｉにおける第
１のp-InP 層８９ａの膜厚を０．２μｍ、n-InP 層８９
ｂの膜厚を０．８μｍ、第２のp-InP 層８９ｃの膜厚を
０．６μｍとする。また、スポットサイズ変換部IIにお
ける第１のp-InP 層８９ａの膜厚を０．１３μｍ、n-In
P 層８９ｂの膜厚を０．４μｍ、第２のp-InP 層８９ｃ
の膜厚を０．４μｍとする。

【０１１５】次に、誘電体膜８６ａ〜８６ｃをバッファ
ドフッ酸によって除去した後に、再びＭＯＶＰＥ法によ
り基板全面に第２のp-InP クラッド層９０、p-InGaAsコ
ンタクト層９１を成長し、少なくとも活性層８４の膜厚
が一定な領域、即ち、レーザ部Ｉとなる部分の基板６１
の上方の面を平坦化する。その後に、レーザ部Ｉのコン
タクト層９１の上にｐ側電極９２を形成し、さらに、n-
InP 基板８１の下にｎ側電極９３を形成する。

【０１１６】以上のような工程により形成された光半導
体装置では、活性層８４は図２６に示すようにクラッド
層８２，８５，９０と埋込層８９に囲まれてレーザ部Ｉ
ではほぼ一定の膜厚、スポットサイズ変換部IIでは膜厚
がテーパ形状に変化している。また、レーザ部Ｉの光進
行方向に対して垂直の断面形状は図２７(a) に示すよう
になり、またスポットサイズ変換部IIの光進行方向に対
して垂直の断面形状は図２７(b) に示すようになる。

【０１１７】次に、本実施形態における作用効果を説明
する。図２７(a) において、活性層８４両側の屈折率の
高いp-InP 層８９ａはレーザ部Ｉにおいて薄くなってい
る。その結果、レーザ部Ｉにおける活性層８４とn-InP
層８９ｂとの間隔が狭くなって、活性層８４とn-InP 層
８９ｂの間隙に流れる電流が小さくなり、活性層８４へ
の電流の注入効率が高くなる。

【０１１８】図２７(b) において、活性層８４周辺の屈
折率の高いn-InP 層８９ｂはスポットサイズ変換部IIに
おいて十分に薄くなる。その結果、スポットサイズ変換
部IIにおける光分布の中心は活性層８４の中心からズレ
ないでその周辺に均一に広がる。なお、本実施形態にお
いても、第９実施形態と同様に、埋込層８９内で、レー
ザ部Ｉではｎ型、スポットサイズ変換領域IIではｐ型に
なるような中間層をn-InP 層８９ｂと第２のp-InP 層８
９ｃの間に形成してもよい。｛付記｝（１）半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領
域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では
光のスポットサイズを変化する形状に形成されたストラ
イプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第
１及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第
１及び第２のクラッド層の間に形成されたｐｎ接合を有
する埋込層と、前記スポットサイズ変換領域の少なくと
も前記スポットサイズが拡大される端面近傍を除いて前
記埋込層中に形成され、前記第１及び第２のクラッド層
を構成する材料よりもバンドギャップの狭い材料からな
る再結合層とを有することを特徴とする光半導体装置。（２）前記再結合層は、前記第１のクラッド層寄り又は
前記第２のクラッド層寄りに形成されることを特徴とす
る（１）に記載の光半導体装置。（３）前記スポットサイズ変換領域において、前記コア
層は前端に向けて膜厚又は幅がテーパ状に小さくなって
いることを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。（４）前記再結合層は、量子井戸層を有する多重量子井
戸構造を有することを特徴とする（１）に記載の光半導
体装置。（５）前記コア層は量子井戸層を含む多重量子井戸層か
らなり、前記スポットサイズ変換領域で厚さが変化する
ことを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。（６）半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領
域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では
光のスポットサイズを変化する形状に形成されたストラ
イプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第
１及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第
１及び第２のクラッド層の間に形成れたｐｎ接合を有す
る埋込層と、前記第１及び第２のクラッド層を構成する
材料よりもバンドギャップの狭い材料からなり、前記ス
ポットサイズ変換領域において前記活性層と平行な方向
で膜厚又はバンドギャップが変化して前記埋込層に形成
された再結合層とを有することを特徴とする光半導体装
置。（７）前記再結合層の前記膜厚は、前記利得領域よりも
前記スポットサイズ変換領域で値が小さい、もしくは前
記再結合層の前記バンドギャップは前記利得領域よりも
前記スポットサイズ変換領域で値が大きいことを特徴と
する（６）に記載の光半導体装置。（８）前記再結合層は、前記第１及び第２クラッド層の
うちの一導電型層と前記埋込層の反対導電型層とに挟ま
れていることを特徴とする（６）に記載の光半導体装
置。（９）前記再結合層は、前記第１及び第２クラッド層の
うちの第１導電型層と前記埋込層の第１導電型層とに挟
まれていることを特徴とする（６）に記載の光半導体装
置。（１０）前記再結合層は、量子効果の生じる厚さ以下の
層が少なくとも一層有することを特徴とする（６）に記
載の光半導体装置。（１１）前記再結合層は、前記第１及び第２のクラッド
層と同一材料からなる障壁層と、該障壁層よりもバンド
ギャップが狭い井戸層とを有する多重量子井戸構造を有
していることを特徴とする（６）に記載の光半導体装
置。（１２）活性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上
に形成する工程と、前記多層構造の上にストライプ状の
第１マスクパターンを形成し、該第１マスクパターンに
覆われない部分の前記多層構造をエッチングして、光閉
じ込めを大きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする
第２領域を有するストライプ状のメサ部を形成する工程
と、前記メサ部のうち前記第１領域において前記メサ部
の両側面から離れた領域に第２マスクパターンと第３マ
スクパターンを前記半導体基板の上に配置する工程と、
前記第１〜第３マスクパターンに覆われない領域に、前
記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭い再結合
層を含み且つ前記第２の領域のうち前記第１領域に隣接
しない側の端部で膜厚が薄くなる層を含む多層構造の埋
め込み層を形成する工程と、前記第１〜第３マスクパタ
ーンを除去した後に、前記メサ部と前記埋込層の上に第
２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴と
する光半導体装置の製造方法。（１３）前記再結合層は、塩素を含むガスを導入した雰
囲気中で成長されることを特徴とする（１２）に記載の
光半導体装置の製造方法。（１４）前記埋込層を形成する際に、前記再結合層の成
長圧力はその他の層の成長圧力よりも高いことを特徴と
する（１２）又は（１３）に記載の光半導体装置の製造
方法。（１５）基板側の一導電型クラッド層と、前記一導電型
クラッド層の上に形成された半導体からなるコア層と、
前記コア層の上に形成された反対導電型クラッド層と、
元素組成、不純物濃度、膜厚の少なくとも１つが光導波
方向に沿って連続的に変化し、かつ前記コア層の両側領
域に形成された埋込構造とを有することを特徴とする光
半導体装置。（１６）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ
型層又は前記ｐ型層のうち少なくとも一方の厚さが光り
の導波方向に変化していることを特徴とする（１５）に
記載の光半導体装置。（１７）前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に
薄くまたは狭く変化させたスポットサイズ変換領域と、
前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に実質的に
変化させない利得領域とを有することを特徴とする（１
５）に記載の光半導体装置。（１８）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ス
ポットサイズ変換領域においては、前記利得領域よりも
前記ｎ型層と前記コア層との距離が広がっていることを
特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。（１９）前記ｎ型層と前記ｎ型層が前記利得領域よりも
前記スポットサイズ変換領域の方が厚く形成される場合
に、前記ｐ型層の膜厚の増加の割合が前記ｎ型層の膜厚
の増加の割合よりも大きいことを特徴とする（１７）に
記載の光半導体装置。（２０）前記一導電型クラッド層がｐ型クラッド層の場
合に、前記埋込構造中のｎ型層の膜厚は、前記利得領域
よりも前記スポットサイズ変換領域の方が薄く形成され
ることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。（２１）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ
型層の不純物濃度は、前記利得領域よりも前記スポット
サイズ変換領域の方が低く形成されることを特徴とする
（１７）に記載の光半導体装置。（２２）前記埋込構造は、光導波方向で一導電型層から
反対導電型層に変化する層を有することを特徴とする
（１５）に記載の光半導体装置。（２３）半導体基板上に活性層と上側クラッド層を形成
する工程と、前記活性層から前記半導体基板の上部ま
での一部をエッチングすることによりストライプ状のメ
サ部を形成する工程と、前記メサ部の上の第１の領域
と、前記メサ部の両側方に離れた前記半導体基板の上で
あって前記メサ部の延びる方向に形状が変化する形状の
第２、第３の領域とを誘電体マスクで覆った状態で、前
記第１〜第３の領域を除く前記半導体基板の上に、層
数、層厚、元素組成、不純物濃度のうち少なくとも１つ
を光の進行方向に沿って連続的に変化させる埋込構造を
形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置
の製造方法。（２４）前記埋込構造の成長方法としてＭＯＶＰＥ法を
用い、前記埋込構造を構成するｎ型層を形成する際に不
純物の原料としてシランを用いることを特徴とする（２
３）に記載の光半導体装置の製造方法。（２５）前記埋込構造の成長において、圧力を変化させ
ることを特徴とする（２３）に記載の光半導体装置の製
造方法。

【０１１９】

【発明の効果】以上述べたように第１の発明によれば、
埋込型光半導体装置において利得領域（レーザ領域）と
スポットサイズ変換領域に形成されたコア層（活性層）
の両側方において、利得領域または利得領域からスポッ
トサイズ変換領域の前端近傍を除いた領域に、バンドギ
ャップが小さい再結合層を形成したので、光スポットサ
イズが拡大する部分での再結合層による吸収が回避さ
れ、スポットサイズ変換器の損失を小さくし、閾値電流
の上昇や効率の低下を防止することができる。

【０１２０】第２の発明によれば、コア層（活性層）の
両側に形成される再結合層のうち、スポットサイズ変換
領域の端部での膜厚を利得領域での膜厚に比べて薄く形
成したので、光スポットサイズが拡大する部分での再結
合層による吸収を少なくし、スポットサイズ変換器の損
失を小さくし、閾値電流の上昇や効率の低下を抑制でき
る。

【０１２１】第３の発明によれば、コア層（活性層）と
埋込構造のｎ型層との距離について、利得領域では狭
く、スポットサイズ変換領域では広くするようにしたの
で、スポットサイズ変換領域では、光強度の中心はコア
層の中心に重ね、真円に近くすることができる。これと
同時に、利得領域では、コア層とｎ型層の間隔が小さく
なるために、電流狭窄効果が高くなって電流を効率よく
活性層に注入することができる。従って、良好な電流−
光出力特性を持ち、かつ、素子と光ファイバとの結合損
失が小さく、優れた素子を得ることができる。

【０１２２】また、第３の発明によれば、埋込構造中の
ｎ型層の不純物濃度をスポットサイズ変換領域では低く
し、利得領域では高くしているので、スポットサイズ変
換領域でのｎ型層の屈折率を小さくして光分布を良好に
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術に係るテーパ導波路レーザの側断面図
である。

【図２】従来技術に係るテーパ導波路レーザの製造工程
を示す斜視図（その１）である。

【図３】従来技術に係るテーパ導波路レーザの製造工程
を示す斜視図（その２）である。

【図４】従来技術に係る第１のテーパ導波路レーザの光
進行方向に垂直な断面図である。

【図５】従来技術に係る第２のテーパ導波路レーザの光
進行方向に垂直な断面図である。

【図６】従来のＤＣＰＢＨレーザの断面図である。

【図７】従来の埋込型半導体レーザの断面図である。

【図８】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製
造工程を示す斜視図（その１）である。

【図９】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製
造工程を示す斜視図（その２）である。

【図１０】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の
斜視図である。

【図１１】本発明の第２実施形態に係る光半導体素子を
示す断面図である。

【図１２】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の
製造工程を示す斜視図（その１）である。

【図１３】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の
製造工程を示す斜視図（その２）である。

【図１４】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の
斜視図である。

【図１５】本発明の第４実施形態に係る光半導体素子の
斜視図である。

【図１６】本発明の第５実施形態に係る光半導体素子を
示す断面図である。

【図１７】本発明の第６実施形態に係る第１の光半導体
増幅素子を示す斜視図である。

【図１８】本発明の第６実施形態に係る第２の光半導体
増幅素子を示す斜視図である。

【図１９】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の
製造工程を示す斜視図である。

【図２０】本発明の第７実施形態における結晶成長工程
で用いるマスクと基板との配置関係を示す平面図であ
る。

【図２１】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の
斜視図である。

【図２２】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の
断面図である。

【図２３】本発明の第９実施形態に係る光半導体素子の
断面図である。

【図２４】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子
の製造工程を示す斜視図である。

【図２５】本発明の第１０実施形態における結晶成長工
程で用いるマスクと基板との配置関係を示す平面図であ
る。

【図２６】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子
の斜視図である。

【図２７】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子
の断面図である。

【符号の説明】

Ｉ…レーザ部、ＩＩ…スポットサイズ変換部、１…n-In
P 基板、２…バッファ層、３…活性層、４…p-InP 層、
５…メサ部、６…再結合層、７…p-InP 層、８…n-InP
層、９…p-InP 層、１０…n-InP 層、１１…コンタクト
層、１２…ｐ側で、１３…ｎ側電極、１７…再結合層、
２１…p-InP 基板、２２…p-InP 層、２３…活性層、２
４…n-InP クラッド層、２５…メサ部、２６…n-InP
層、２７…p-InP 層、２８…再結合層、２９…n-InP ク
ラッド層、３０…コンタクト層、３１…ｎ側電極、３２
…ｐ側電極、３７…再結合層、４１…n-InP 基板、４２
…n-InP バッファ層、４３…活性層、４４…p-InP クラ
ッド層、４５ａ〜４５ｃ…マスクパターン、４６ａ〜４
６ｃ…メサ部、４７…再結合層、４８…p-InP 層、４９
…n-InP 層、５０ａ、５０ｂ…p-InP クラッド層、３８
…コンタクト層、３９…ｐ側電極、４０…ｎ側電極、６
１…n-InP 基板、６２…n-InP クラッド層、６３…誘電
体膜、６４…活性層、６５…p-InP クラッド層、６６ａ
〜６６ｃ…マスクパターン、６７ａ〜６７ｃ…メサ部、
６８ａ…p-InP 層、６８ｂ…n-InP 層、６８ｃ…中間
層、６８…埋込層、６９…クラッド層、７０…コンタク
ト層、７１…ｐ側電極、７２…ｎ側電極、８１…p-InP
基板、８２…p-InP クラッド層、８３…誘電体膜、８４
…活性層、８５…n-InP クラッド層、８６…誘電体膜、
８７…メサ部、８８ａ、８８ｂ…マスクパターン、８９
ａ…p-InP 層、８９ｂ…n-InP 層、８９ｃ…p-InP 層、
８９…埋込層、９０…n-InP クラッド層、９１…コンタ
クト層、９２…ｐ側電極、９３…ｎ側電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井卓也神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者小路元神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA22 AA55 AA74 AA87 AA88 BA01 CA12 CB02 CB07 CB09 CB10 CB22 DA05 DA25 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上で利得領域とスポットサイズ
変換領域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領
域では光のスポットサイズを変化する形状に形成された
ストライプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１及び第２のクラッ
ド層と、前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間
に形成されたｐｎ接合を有する埋込層と、前記スポットサイズ変換領域の少なくとも前記スポット
サイズが拡大される端面近傍を除いて前記埋込層中に形
成され、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材料
よりもバンドギャップの狭い材料からなる再結合層とを
有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】半導体基板上で利得領域とスポットサイズ
変換領域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領
域では光のスポットサイズを変化する形状に形成された
ストライプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１及び第２のクラッ
ド層と、前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間
に形成れたｐｎ接合を有する埋込層と、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材料よりもバ
ンドギャップの狭い材料からなり、前記スポットサイズ
変換領域において前記活性層と平行な方向で膜厚又はバ
ンドギャップが変化して前記埋込層に形成された再結合
層とを有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】前記再結合層の前記膜厚は、前記利得領域
よりも前記スポットサイズ変換領域で値が小さい、もし
くは前記再結合層の前記バンドギャップは前記利得領域
よりも前記スポットサイズ変換領域で値が大きいことを
特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】前記再結合層は、量子効果の生じる厚さ以
下の層が少なくとも一層有することを特徴とする請求項
２に記載の光半導体装置。
【請求項５】活性層を含む多層構造を第１のクラッド層
の上に形成する工程と、前記多層構造の上にストライプ状の第１マスクパターン
を形成し、該第１マスクパターンに覆われない部分の前
記多層構造をエッチングして、光閉じ込めを大きくする
第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域を有するス
トライプ状のメサ部を形成する工程と、前記メサ部のうち前記第１領域において前記メサ部の両
側面から離れた領域に第２マスクパターンと第３マスク
パターンを前記半導体基板の上に配置する工程と、前記第１〜第３マスクパターンに覆われない領域に、前
記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭い再結合
層を含み且つ前記第２の領域のうち前記第１領域に隣接
しない側の端部で膜厚が薄くなる層を含む多層構造の埋
め込み層を形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンを除去した後に、前記メ
サ部と前記埋込層の上に第２のクラッド層を形成する工
程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方
法。
【請求項６】基板側の一導電型クラッド層と、前記一導電型クラッド層の上に形成された半導体からな
るコア層と、前記コア層の上に形成された反対導電型クラッド層と、元素組成、不純物濃度、膜厚の少なくとも１つが光導波
方向に沿って連続的に変化し、かつ前記コア層の両側領
域に形成された埋込構造とを有することを特徴とする光
半導体装置。
【請求項７】前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方
向に薄くまたは狭く変化させたスポットサイズ変換領域
と、前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に実質
的に変化させない利得領域とを有することを特徴とする
請求項６に記載の光半導体装置。
【請求項８】前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記スポットサイズ変換領域においては、前記利得領域
よりも前記ｎ型層と前記コア層との距離が広がっている
ことを特徴とする請求項７に記載の光半導体装置。
【請求項９】前記ｎ型層と前記ｎ型層が前記利得領域よ
りも前記スポットサイズ変換領域の方が厚く形成される
場合に、前記ｐ型層の膜厚の増加の割合が前記ｎ型層の
膜厚の増加の割合よりも大きいことを特徴とする請求項
７に記載の光半導体装置。
【請求項１０】前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ型層の不純物濃度は、前記利得領域よりも前記ス
ポットサイズ変換領域の方が低く形成されることを特徴
とする請求項７に記載の光半導体装置。
【請求項１１】前記埋込構造は、光導波方向で一導電型
層から反対導電型層に変化する層を有することを特徴と
する請求項６に記載の光半導体装置。
【請求項１２】半導体基板上に活性層と上側クラッド層
を形成する工程と、前記活性層から前記半導体基板の上部までの一部をエッ
チングすることによりストライプ状のメサ部を形成する
工程と、前記メサ部の上の第１の領域と、前記メサ部の両側方に
離れた前記半導体基板の上であって前記メサ部の延びる
方向に形状が変化する形状の第２、第３の領域とを誘電
体マスクで覆った状態で、前記第１〜第３の領域を除く
前記半導体基板の上に、層数、層厚、元素組成、不純物
濃度のうち少なくとも１つを光の進行方向に沿って連続
的に変化させる埋込構造を形成する工程とを有すること
を特徴とする光半導体装置の製造方法。