JP2005286196A - 光集積素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】バットジョイントを持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ基板３は、所定の軸Ａｘに沿って配列された第１〜第３の領域３ａ、３ｂ、３ｃを有する。クラッド層５は第１〜第３の領域３ａ〜３ｃ上に設けられ、クラッド層７は第１〜第３の領域３ａ〜３ｃ上に設けられ、半導体領域９は、クラッド層５と第２のクラッド層７との間に設けられている。半導体領域９の第１〜第３の部分９ａ、９ｂ、９ｃは、それぞれ、ＧａＡｓ基板３の第１の領域３ａ〜第３の領域３ｃ上に設けられている。第１の部分９ａの厚さｄ１は第３の部分９ｃの厚さｄ３より大きい。第２の部分９ｂの厚さｄ２は、第１の部分９ａから第３の部分９ｃに向かう軸に沿って薄くなる。第１の部分９ａの量子井戸構造は、１．３ｅＶより小さい禁制帯幅を有する。第３の部分９ｃの量子井戸構造は第１の部分９ａの禁制帯幅より大きな禁制帯幅を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光集積素子に関する。
文献１（特開昭６３―１９６０８８号公報）は、半導体レーザが記載されている。半導体レーザでは、レーザの共振器の端面となる部分に亜鉛が拡散された超格子層を有する。亜鉛拡散領域は、レーザ端面にレーザ光に対する窓領域として働く。この窓領域により、レーザ端面の破壊や劣化を防止している。
文献２(特開２００１−１４８５３１公報)には、半導体光デバイスが記載されている。この半導体光デバイスは、ＧａＡｓ半導体基板上に設けられた光導波路部及び光増幅部を有する。光増幅部は、２つの半導体光増幅器を含む。光導波路部は、２つの光導波路を含む光学素子を含む。これらの光導波路は、それぞれ、光半導体増幅器に光学的に接続されている。各半導体光増幅器は、ＧａＸＩｎ１−ＸＮＹＡｓ１−Ｙ半導体から成る活性層と、第１導電型クラッド層および第２導電型クラッド層を有する。各光導波路は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体またはＧａＡｓ半導体から成るコア半導体層、第１のクラッド半導体層および第２のクラッド半導体層を有する。
特開昭６３―１９６０８８号公報 特開２００１−１４８５３１公報
波長１マイクロメートル以上の長波長帯における光集積素子は、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰ系材料を用いて、現在入手可能な３インチのＩｎＰウエハを用いて作製される。ＩｎＰ半導体よりも大きなバンドギャップを有する半導体は、ＩｎＰ半導体に格子整合しない。これ故に、活性層の半導体とこの活性層の周囲に設けられる光閉じ込め層およびクラッド層の半導体との間のバンドギャップ差をさらに大きくできず、活性層へのキャリア閉じ込めを向上させることができない。
文献１では、共振器の端面を保護する発明に関しており、光集積素子に関する発明ではない。一方、文献２には、長波長帯の光集積素子が記載されている。この光集積素子は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いる活性層を含み、ＧａＩｎＮＡｓ半導体はＧａＡｓ半導体に格子整合するので、ＧａＩｎＮＡｓ系光集積素子は、６インチといった大ロ径のＧａＡｓ基板を用いて作製される。この光集積素子では、光閉じ込め層およびクラッド層は、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰ半導体から形成されることができ、これらの半導体は、比較的大きなバンドギャップを有する。
この光集積素子では、光増幅素子といった能動素子で処理される光が光導波路といった受動素子で吸収されることを防ぐために、受動素子の導波層のバンドギャップは、能動素子の活性層のバンドギャップよりも大きくすることが必要である。受動素子の導波層に能動素子の活性層を光学的に結合するために、光集積素子はバットジョイント構造を有している。
バットジョイント構造では、能動素子のエピタキシャル層の構造は、受動素子の該構造と異なるので、導波層を伝搬する光のモードフィールド径と活性層を伝搬する光との間のモードフィールド径との間には、無視できない差があり、したがって、導波層と活性層とのジョイントで反射が生じる。
また、バットジョイント構造を形成するために能動素子のためのエピタキシャル層を形成した後に、受動素子のためのエピタキシャル層を活性層の端部上に成長する。この結晶成長のとき、受動素子のためのエピタキシャル層が異常成長することがある。この異常成長により、活性層と導波層との光学的な結合が低下される。その結果、このバットジョイントにおいて光の反射が大きくなる。
本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面によれば、光集積素子は、（ａ）所定の軸に沿って配列された第１、第２および第３の領域を有するＧａＡｓ基板と、（ｂ）前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第１のクラッド層と、（ｃ）前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第２のクラッド層と、（ｄ）前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられており量子井戸構造を有する半導体領域とを備え、前記第２の領域は、前記第１の領域と前記第３の領域との間に設けられており、前記半導体領域は、前記ＧａＡｓ基板の前記第１の領域上に設けられており第１の厚さを有する第１の部分と、前記ＧａＡｓ基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分と、前記ＧａＡｓ基板の前記第３の領域上に設けられており第３の厚さを有する第３の部分とを有しており、前記第１の部分の厚さは、前記第３の部分の厚さより大きく、前記第２の部分の厚さは、前記第１の部分から前記第３の部分に向かう軸に沿って薄くなっており、前記第１の部分の量子井戸構造は、１．３エレクトロンボルトより小さいバンドギャップを有しており、前記第３の部分の量子井戸構造は、前記第１の部分のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。
ＧａＡｓ基板を用いて作製されており１．３エレクトロンボルトより小さい長波長領域の光の処理する光集積素子が提供される。第１の部分〜第３の部分を有する半導体領域が第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に設けられているので、この光集積素子はバッドジョイント構造を用いない。
本発明に係る光集積素子では、前記半導体領域は、少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含むようにしてもよい。
この光集積素子によれば、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体は、ＧａＡｓ基板に好適であり、また長波長領域の光を処理できる光集積素子を提供できる。
本発明に係る光集積素子では、前記半導体領域は、少なくともガリウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含むようにしてもよい。
この光集積素子によれば、ガリウム元素、ヒ素元素および窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体は、ＧａＡｓ基板に好適であり、また長波長領域の光を処理できる光集積素子を提供できる。
本発明に係る光集積素子では、前記III−Ｖ化合物半導体は、アンチモン元素および燐元素の少なくともいずれか一方を構成元素としてさらに含むことができる。
この光集積素子によれば、アンチモン元素および燐元素をさらに含むIII−Ｖ化合物半導体は、ＧａＡｓ基板に好適であり、また長波長領域の光を処理できる光集積素子を提供できる。アンチモンは、サーファクタントとして、ＧａＩｎＮＡｓ半導体等の三次元成長を抑制し、ＧａＩｎＮＡｓ半導体等の結晶性を改善できる。また、燐は、ＧａＮＡｓ半導体およびＧａＩｎＮＡｓ半導体の局所的結晶歪みを低減でき、結晶成長中の窒素（Ｎ）の結晶への取り込み量を増大できる。
本発明に係る光集積素子では、前記半導体領域は、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰのいずれかから成る半導体層を含むことができる。
この光集積素子によれば、これらの半導体材料が、少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体として、１．３エレクトロンボルトより小さい長波長領域の光の処理する光集積素子のために使用できる。
本発明に係る光集積素子では、前記第１のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成り、前記第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成るようにしてもよい。
この光集積素子によれば、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体によれば、高バンドギャップのクラッド層が提供される。
本発明に係る光集積素子は、（ｅ）前記半導体領域上に設けられた半導体リッジを埋め込んでおり前記半導体領域上に設けられらブロック領域を更に備えるようにしてもよい。
この埋め込みリッジ型の光集積素子は、電流狭窄のために該半導体領域をエッチングすること無く作製されるので、該素子特性は、エッチング界面における欠陥に起因して劣化しない。
本発明に係る光集積素子は、（ｅ）前記半導体領域並びに前記第１および第２のクラッド層を含む半導体メサを埋め込んでおり前記ＧａＡｓ基板上に設けられたブロック領域を更に備えることができる。
埋め込み型の光集積素子では、ブロック領域およびクラッド層は、半導体領域を囲んでいる。キャリアの閉じ込めに優れる。
本発明に係る光集積素子では、前記ブロック領域は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成ることができる。
この光集積素子によれば、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体によれば、高バンドギャップのブロック領域が提供される。
本発明に係る光集積素子は、（ｆ）前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第１の光閉じ込め層と、（ｇ）前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第２の光閉じ込め層とを更に備え、前記半導体領域は、前記第１の光閉じ込め層と前記第２の光閉じ込め層との間に設けられていることができる。
この光集積素子によれば、第１〜第３の部分を有する半導体領域が第１の光閉じ込め層と第２の光閉じ込め層との間に設けられているので、バッドジョイント構造を用いない。また、ＧａＡｓ基板を用いて作製されており長波長領域の光の処理する光集積素子が提供される。
本発明に係る光集積素子では、前記第１の部分の量子井戸構造は井戸層およびバリア層を含んでおり、前記第２の部分の量子井戸構造は井戸層およびバリア層を含んでおり、前記第３の部分の量子井戸構造は井戸層およびバリア層を含んでおり、前記第１の部分の前記井戸層の厚さは前記第３の部分の前記井戸層の厚さより大きく、前記第１の部分の前記バリア層の厚さは前記第３の部分の前記バリア層の厚さより大きく、前記第２の部分の前記井戸層および前記バリア層の厚さは、前記第１の部分から前記第３の部分に向かう軸に沿って薄くなっていることができる。
この光集積素子によれば、選択成長により、第１の部分の厚さが第３の部分の厚さと異なっている半導体領域が提供される。これ故に、第１の部分の量子井戸構造は第３の部分の量子井戸構造と異なる。また、第２の部分の量子井戸構造の厚さは、第１の部分から第３の部分に向かう軸に沿って変化している。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子を提供することできる。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の光集積素子、およびこの光集積素子を作製する方法に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、本実施の形態に係る半導体光集積素子を示す図面である。図１（Ｂ）は、半導体領域の構造を示す図面である。図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示されたI−I線に沿った断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示されたII−II線に沿った断面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示されたIII−III線に沿った断面図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ａ）に示されたIＶ−IＶ線に沿った断面図である。
光集積素子１は、ＧａＡｓ基板３（例えばｎ型）と、第１のクラッド層５（例えばｎ型）と、第２のクラッド層７（例えばｐ型）と、半導体領域９（例えばアンドープ）とを備える。ＧａＡｓ基板３は、所定の軸Ａｘに沿って配列された第１の領域３ａ、第２の領域３ｂおよび第３の領域３ｃを有する。第２の領域３ｂは第１の領域３ａと第３の領域３ｃとの間に設けられている。第１のクラッド層５は、第１導電型を有しており、またＧａＡｓ基板３の第１〜第３の領域３ａ、３ｂ、３ｃ上に設けられている。第２のクラッド層７は、第２導電型を有しており、またＧａＡｓ基板３の第１〜第３の領域３ａ、３ｂ、３ｃ上に設けられている。半導体領域９は、第１のクラッド層５と第２のクラッド層７との間に設けられている。半導体領域９は、ＧａＡｓ基板３の第１の領域３ａ上に設けられた第１の部分９ａと、ＧａＡｓ基板３の第２の領域３ｂ上に設けられた第２の部分９ｂと、ＧａＡｓ基板３の第３の領域３ｃ上に設けられた第３の部分９ｃとを有している。第１の部分９ａは、図１（Ｂ）に示されるように、量子井戸構造を有しており、この量子井戸構造は、１．３エレクトロンボルト（１エレクトロンボルトは１．６０２×１０−１９ジュールであり、本技術分野の慣用に従い、本件において単位エレクトロンボルトを用いる）より小さいバンドギャップを持つ。第３の部分９ｃのバンドギャップは、第１の部分９ａのバンドギャップと異なる。
この光集積素子１では、第１〜第３の部分９ａ、９ｂ、９ｃを有する半導体領域９が第１のクラッド層５と第２のクラッド層７との間に設けられているので、バットジョイント構造を用いない。光集積素子１は、ＧａＡｓ基板３を用いて作製されており１．３エレクトロンボルトより小さい長波長領域の光の処理できる。
図２（Ｂ）、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）に示されるように、半導体領域９の第１〜第３の部分９ａ、９ｂ、９ｃは、それぞれの量子井戸構造を有している。半導体領域９では、第１の部分９ａは第１の厚さｄ１を有しており、第３の部分９ｃは第３の厚さｄ３を有している。第１の部分９ａの厚さｄ１は第３の部分９ｃの厚さｄ３より大きい。第２の部分９ｂの厚さｄ２は、図１（Ａ）および図２（Ａ）に示されるように、第１の部分９ａから第３の部分９ｃに向かう軸に沿って薄くなっている。第１の部分９ａの量子井戸構造は、１．３エレクトロンボルト以下のバンドギャップを有する。第２および３の部分９ｂ、９ｃの量子井戸構造は、第１の部分９ａのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。
バットジョイント構造を有する光集積素子では、受動素子の導波層のための結晶成長は、能動素子の活性層のための結晶成長と別個に行われる。このために、個々の結晶成長の条件により、それぞれの量子井戸構造を制御しなければならない。個々の結晶成長の条件を個別に制御して、所望の量子井戸構造を作製することは容易でない。一方、光集積素子１では、半導体領域９を選択成長により形成することによって、半導体領域９の第１の部分９ａおよび第３の部分９ｃに形成される電子素子のための量子井戸構造がより簡単に制御される。結晶成長の際に用いる選択成長用マスクの幅に応じて、半導体領域９の量子井戸構造のバンドギャップを変更できるので、バンドエンジニアリングが容易である。
好適な実施例では、第１の部分９ａは、長波長領域の光（０．９５マイクロメートル以上の波長成分を含む光）を発生する活性層であることができ、また第２の部分９ｂは、量子井戸構造を有する光導波路であることができる。ＧａＡｓ基板３は、（１００）面の表面３ｅを有する低抵抗な第１導電型の半導体から成ることができる。
一実施例では、半導体領域９は、少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含む。窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体はＧａＡｓ基板３に好適であり、この半導体層によれば、バンドギャップが１．３エレクトロンボルト以下の長波長領域の光を処理できる光集積素子が提供される。
また、好適な実施例では、半導体領域９は、少なくともガリウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含む。ガリウム元素、ヒ素元素および窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体は、ＧａＡｓ基板３に好適であり、この半導体層によれば、長波長領域の光を処理できる光集積素子が提供される。
さらに、光集積素子１では、上記のIII−Ｖ化合物半導体は、アンチモン元素および燐元素の少なくともいずれか一方を構成元素としてさらに含むことができる。アンチモン元素および燐元素をさらに含むIII−Ｖ化合物半導体は、ＧａＡｓ基板３に好適であり、このIII−Ｖ化合物半導体によれば、長波長領域の光を処理できる。アンチモン元素（Ｓｂ）はサーファクタントとして、ＧａＩｎＮＡｓの３次元成長を抑制するので、ＧａＩｎＮＡｓの結晶性が改善される。また、燐元素（Ｐ）は、例えば次のような寄与がある。ＧａＮＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓの局所的結晶歪を低減することができ、また、結晶成長中の窒素（Ｎ）の結晶への取り込み量を増大させる。
光集積素子１では、半導体領域９は、ＧａＮＡｓ半導体、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓＳｂ半導体、ＧａＮＡｓＰ半導体、ＧａＮＡｓＳｂＰ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰのいずれかから成る半導体層を含むことができる。この光集積素子１によれば、例示として示された該半導体材料が、少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体として利用できる。
第１および第２のクラッド層５、７のバンドギャップは、半導体領域９（９ａ、９ｂ、９ｃ）のバンドギャップより大きい。光集積素子１が半導体発光素子を含む場合、第１および第２のクラッド層５、９は、半導体領域にキャリアを閉じ込めることができる。
また、第１および第２のクラッド層５、７の屈折率は、半導体領域９（９ａ、９ｂ、９ｃ）の屈折率より小さい。第１および第２のクラッド層５、９は、半導体領域に光を閉じ込めることができる。
光集積素子１では、第１のクラッド層５は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成ることができる。第２のクラッド層７は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成ることができる。ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体によれば、高バンドギャップのクラッド層５、７が提供される。
この光集積素子１は、第１の光閉じ込め層１１（例えばアンドープ）および第２の光閉じ込め層１３（例えばアンドープ）を更に備えることができる。半導体領域９は、第１の光閉じ込め層１１と第２の光閉じ込め層１３との間に設けられている。第１の光閉じ込め層１１はＧａＡｓ基板３の第１〜第３の領域３ａ、３ｂ、３ｃ上に設けられており、また第２の光閉じ込め層１３はＧａＡｓ基板３の第１〜第２の領域３ａ、３ｂ、３ｃ上に設けられている。半導体領域９は、第１の光閉じ込め層１１と第２の光閉じ込め層１３との間に設けられている。第１の光閉じ込め層１１および第２の光閉じ込め層１３のバンドギャップは、第１のクラッド層５および第２のクラッド層７のバンドギャップより小さい。光閉じ込め層１１、１３は、半導体領域９にキャリアを閉じ込め、第１および第２のクラッド層５、７は、半導体領域９に光を閉じ込める。好適な実施例では、第１の光閉じ込め層１１および第２の光閉じ込め層１３は、ＧａＡｓ半導体、ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＡｌＧａＡｓ半導体、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれかからなる。
この光集積素子１によれば、第１の部分９ａ、第２の部分９ｂおよび第３の部分９ｃを有する半導体領域９が第１の光閉じ込め層１１と第２の光閉じ込め層１３との間に設けられているので、バッドジョイント構造を用いない。また、ＧａＡｓ基板３を用いて作製されており長波長領域の光の処理する光集積素子１が提供される。
この光集積素子１は、半導体から成るブロック領域１５を更に備える。ブロック領域１５は、半導体領域９上に設けられた半導体リッジ１７を埋め込んでおり、半導体領域９上に設けられている。この光集積素子１によれば、リッジ型の光集積素子が提供される。ブロック領域１５は、例えば、高抵抗な半導体から成り、また半導体リッジ１７に電流を閉じ込めるために設けられる。
光集積素子１では、ブロック領域１６は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成ることができる。ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体によれば、高バンドギャップのブロック領域が提供される。
この光集積素子１は、ブロック領域１５および半導体リッジ１７上に設けられた第３のクラッド層１９（例えばｐ型）を含むことができる。第３のクラッド層１９は、第２導電型の半導体から成り、また半導体領域９の屈折率より小さな屈折率を有している。
この光集積素子１は、第３のクラッド層１９上に設けられたコンタクト層２１（例えばｐ型）を更に備えることができる。コンタクト層２１は、第２導電型の半導体から成り、また低抵抗な半導体から成る。光集積素子１の第１の半導体光素子１ａは、第１の電極２３および第２の電極２５を含む、第１の電極２３はコンタクト層１９上に設けられており、第２の電極２５はＧａＡｓ基板３の裏面３ｄ上に設けられている。例えば、第１の電極２３はアノード電極として用いられ、また第２の電極２５はカソード電極として用いられる。さらに、この光集積素子１は、第３のクラッド層１９上に設けられ第２の半導体光素子１ｂのための別のコンタクト層および第３の電極を更に備えることができる。このコンタクト層および第３の電極は、コンタクト層２１および電極２３とそれぞれ分離されている。
光集積素子に好適的な半導体材料を示せば、
クラッド層：ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体、ＡｌＧａＡｓ半導体、ＧａＩｎＡｓＰ半導体
光閉じ込め層：ＧａＡｓ半導体、ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＡｌＧａＡｓ半導体、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体
活性層、光導波路層の井戸層：ＧａＮＡｓ半導体、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓＳｂ半導体、ＧａＮＡｓＰ半導体、ＧａＮＡｓＳｂＰ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ半導体
活性層、光導波路層のバリア層：ＧａＡｓ半導体、ＧａＩｎＡｓ半導体
ブロック層：ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体、ＡｌＧａＡｓ半導体
コンタクト層：ＧａＡｓ半導体
である。
図３（Ａ）は、光集積素子１の第１の部分１ａ（以下、第１の半導体光素子１ａと記す）の量子井戸構造のバンドギャップを示す図面であり、図３（Ｂ）は、光集積素子１の第２の部分１ｂに設けられた量子井戸構造のバンドギャップを示す図面である。図３（Ｃ）は、光集積素子１の第３の部分１ｃ（以下、第２の半導体光素子１ｃに記す）の量子井戸構造のバンドギャップを示す図面である。
第１の半導体光素子１ａは、図３（Ａ）に示される量子井戸構造を有する。第１の部分９ａの量子井戸構造は、井戸層２７ａおよびバリア層２９ａを含む。好適な実施例では、第１の部分９ａは多重量子井戸構造を有する。井戸層２７ａおよびバリア層２９ａを含む量子井戸構造は急峻な接合を有している。
第１の半導体光素子１ｃは、図３（Ｃ）に示される量子井戸構造を有する。第３の部分９ｃの量子井戸構造は、井戸層２７ｃおよびバリア層２９ｃを含む。好適な実施例では、第３の部分９ｃは多重量子井戸構造を有する。井戸層２７ｃおよびバリア層２９ｃを含む量子井戸構造は急峻な接合を有している。
光集積素子１の第２の部分１ｂは、図３（Ｂ）に示される量子井戸構造を有する。第２の部分９ｂの量子井戸構造は、井戸層２７ｂおよびバリア層２９ｂを含む。好適な実施例では、第２の部分９ｂは多重量子井戸構造を有する。井戸層２７ｂおよびバリア層２９ｂを含む量子井戸構造は急峻な接合を有している。
第１の部分９ａの井戸層２７ａの厚さは第３の部分９ｃの井戸層２７ｃの厚さより大きい。第１の部分９ａのバリア層２９ａの厚さは第３の部分９ｃのバリア層２９ｃの厚さより大きい。第２の部分９ｂの井戸層２７ｂの厚さは、第１の部分９ａの井戸層２７ａと第３の部分９ｃの井戸層２７ｃとの間の厚さであり、第２の部分９ｂのバリア層２９ｂの厚さは第１の部分９ａのバリア層２７ａと第３の部分９ｃのバリア層２９ｃとの間の厚さである。第２の部分９ｂの井戸層２７ｂおよびバリア層２９ｂの厚さは、第１の部分９ａから第３の部分９ｃに向かう軸に沿って薄くなっている。
第１の半導体素子１ａにおけるモードフィールド径は、第２の半導体素子１ｃにおけるモードフィールド径と異なっている。しかしながら、第２の部分９ｂの井戸層２７ｂおよびバリア層２９ｂの厚さが徐々に変化するので、第１の半導体光素子１ａと第２の半導体光素子１ｃとの繋ぎ目において光の反射は小さい。
第３の部分９ｃの量子井戸構造の周期Ｄ３は、第１の部分９ａの量子井戸構造の周期Ｄ１より小さい。第２の部分９ｂの量子井戸構造の周期Ｄ２は、周期Ｄ１と周期Ｄ３との間にある。第３の部分９ｃの量子井戸構造のエネルギＥ３は、第１の部分９ａの量子井戸構造のエネルギＥ１より大きい。また、第２の部分９ｂの量子井戸構造のエネルギＥ２は、第１の部分９ａの量子井戸構造のエネルギＥ１と第３の部分９ｃの量子井戸構造の基底状態のエネルギＥ３との間の値である。故に、第１の半導体光素子１ａからの光は、吸収による減衰無しに第２の半導体光素子１ｃの光導波路を伝搬することができる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子が提供される。
（第２の実施の形態）
次いで、図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、光集積素子を作製する方法を示す図面である。これらの図面および引き続く説明では、ＧａＡｓウエハ上に作製される一光集積素子を示す。
図４（Ａ）に示されるように、複数のIII−Ｖ化合物半導体層をＧａＡｓウエハ４１上に堆積する。この堆積は、例えば有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）装置を用いて行われる。まず、第１のクラッド層４３をＧａＡｓウエハ４１に成長する。ＧａＡｓウエハ４１には、多数の光集積素子が形成される。図４（Ａ）〜図６（Ｂ）は、単一の光集積素子の部分を示している。該一素子のための第１、第２および第３の領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃは、所定の軸に沿って配列されており、それぞれ、図１（Ａ）に示された光集積素子のＧａＡｓ基板の第１、第２および第３の部分３ａ、３ｂ、３ｃに対応する。
図４（Ｂ）に示されるように、第１のクラッド層４３上にマスク４２を作製する。マスク４２は、所定の軸Ａｘに沿って配列された第１、第２および第３の部分４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有する。マスク４２は、ストライプ領域Ｓの幅Ｗ０を規定している。マスク４２の第１の領域４２ａはマスク幅Ｗ１を有しており、第２の領域４２ｂはマスク幅Ｗ２を有しており、第３の領域４２ｃはマスク幅Ｗ３を有している。マスク幅Ｗ１はマスク幅Ｗ３より大きく、マスク幅Ｗ２は、第１の部分４２ａから第３の部分４２ｃに向けて所定の軸Ａｘに沿って徐々に小さくなっている。
図４（Ｃ）に示されるように、このマスク４２を用いて、第１の光閉じ込め層４５、活性領域４７および第２の光閉じ込め層４９を順に第１のクラッド層４３、に選択成長する。一実施例では、活性領域４７は、３つの半導体層を含む。活性領域４７の第１、第２および第３の部分４７ａ、４７ｂ、４７ｃは、それぞれ、マスク４２の第１、第２および第３の部分４２ａ、４２ｂ、４２ｃの働きにより形成される。この結果、ＧａＡｓウエハ４１の第１の領域４１ａ上には第１の部分４７ａが設けられ、第２の領域４１ｂ上には第２の部分４７ｂが設けられ、第３の領域４１ｃ上には第３の部分４７ｃが設けられる。既に説明したように、第１の部分４７ａは第３の部分４７ｃより厚く、第２の部分４７ｂの厚さは徐々に変化している。
結晶成長中においては、マスク４２上に到達した原料は堆積すること無くマスク４２に沿って拡散して、半導体表面が露出している領域に堆積する。つまり、ストライブ領域Ｓへの原料は、マスク領域４２ａから最も多く拡散される。一方、マスク領域４２ｃからの拡散が最も少ない。したがって、ストライブ領域Ｓにおける活性領域４７の成長速度は、マスク領域４２ａに挟まれるストライプ領域がマスク領域４２ｃに挟まれるストライプ領域に比べて大きい。量子井戸構造を形成した場合、活性領域４７の厚みはマスク領域４２ａにおいて大きくなり、量子効果によるエネルギーシフトは小さく、活性領域４７の実効的なバンドギャップのおいては、マスク領域４２ａに挟まれるストライプ領域がマスク領域４２ｃに挟まれるストライプ領域に比べて小さくなる。このような結晶構造を持つ活性領域４７に光導波路を形成することによって、バンドギャッフの大きい受動素子とバンドギャップの小さい能動素子をモノリシックに集積した光素子を作製することができる。また、マスク領域４２ｂの形状を変化させることによって、ストライフ領域Ｓにおけるストライプ領域Ｓの長手方向にわたってバンドギャッブのプロファイルを制御でき、活性領域４７ａのモードフィールド径が、活性領域４７ｃのモードフィールド径と異なっても、導波損失を発生させることなく滑らかに活性領域４７ａを活性領域４７ｃに接続することが可能となる。
図４（Ｄ）に示されるように、活性領域４７の選択成長の後に、マスク４２を除去する。次いで、第２のクラッド層５１をＧａＡｓウエハ４１に成長する。ＧａＡｓウエハ４１および第１のクラッド層４３は第１の導電型を有しており、第２のクラッド層５１は第２の導電型を有する。活性領域４７は、第１の実施の形態で説明したように、井戸層およびバリア層を含む量子井戸構造を有している。第１の半導体光素子のための半導体領域がＧａＡｓウエハ４１の第１の領域４１ａ上に形成されており、第２の半導体光素子のための半導体領域がＧａＡｓウエハ４１の第３の領域４１ｃ上に形成されている。
膜厚の一実施例によれば、
第１のクラッド層４３：１５００ナノメートル
第２のクラッド層５１：１５００ナノメートル
第１の光閉じ込め層４５：１００ナノメートル
第２の光閉じ込め層４９：１００ナノメートル
第１の領域４１ａにおいて
活性領域４７：５０ナノメートル
第３の領域４１ｃにおいて
活性領域４７：４０ナノメートル
である。
引き続いて、光集積素子を作製する方法を説明する。図５（Ａ）に示されるように、半導体層の積層物６５上に、誘電体膜といったマスク６７を形成する。誘電体膜としては、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等を用いることができる。
図５（Ｂ）に示されるように、このマスク６７とエッチャントを用いて、第２のクラッド層５１を部分的にエッチングする。エッチングされた第２のクラッド層５１ａは、光閉じ込め層４９の表面を覆う第１の部分５１ｂと、該第１の部分５１ｂ上に位置する第２の部分５１ｃとから成る。第２の部分５１ｃは、所定の軸の方向に伸びるリッジストライプである。第２の部分５１ｃの形状は、所定の軸の向きおよびエッチャントの種類に依って変わる。
図５（Ｃ）に示されるように、半導体から成るブロック層６９が、マスク６７を除去すること無く、エッチングされている第２のクラッド層５１ａ上に形成される。ブロック層６９は、マスク６７上には堆積されること無く、第２のクラッド層５１ａの第１の部分５１ａ上に選択的に成長される。この成長により、リッジ形状の第２の部分５１ｃが埋め込まれる。ブロック層６９は、電極からのキャリアをリッジ形状の第２の部分５１ｃに閉じ込めるために用いられる。この半導体層６９は、例えばＯＭＶＰＥ装置を用いて成長される。一実施例では、ブロック層６９は、高抵抗の半導体から成ることができる。また、別の実施例では、ブロック層６９は、第２のクラッド層５１ａの導電型と異なる導電型を有することができる。
図６（Ａ）に示されるように、第２のクラッド層５１ａおよびブロック層６９上に、第３のクラッド層７１およびコンタクト層７３を順に堆積する。第３のクラッド層７１およびコンタクト層７３の導電型は、第２のクラッド層５１ａの導電型と同じである。これらの半導体層７１、７３は、例えばＯＭＶＰＥ装置を用いて成長される。
図６（Ｂ）に示されるように、コンタクト層７３上に第１の電極７５を形成すると共に、ＧａＡｓウエハ４１の裏面に第２の電極７７を形成する。この結果、光集積素子７９が得られる。
光集積素子７９では、単一の結晶成長によって成長された半導体領域を第１の半導体光素子のための活性領域（例えば、能動素子の活性層）及び第２の半導体光素子のための活性領域（例えば、受動素子の導波路層）として使用するために、第１の半導体光素子の量子井戸構造の（活性層）と第２の半導体光素子の量子井戸構造（導波路層）との間にバンドギャップ差を選択成長により実現している。この光集積素子７９では、第１の半導体光素子の量子井戸構造が第２の半導体光素子の量子井戸構造と異なる点を除いて、第１および第２の半導体素子の構造を実質的に同一にできる。また、第１および第２の半導体光素子の量子井戸構造（活性層および導波層）は、選択成長用のマスクを用いて一緒に成長される。第１および第２の半導体光素子との間の量子井戸構造の違いに起因して、第１の半導体光素子を伝搬する導波光のモード形状は、第２の半導体光素子を伝搬する導波光のモード形状と異なっている。これ故に、第１の半導体光素子を伝搬する光のモードフィールド径は、第２の半導体光素子を伝搬する光のモードフィールド径とわずかに異なる。しかしながら、第１の半導体光素子と第２の半導体光素子との間に設けられた遷移領域（第２の部分）において、モードフィールド径が徐々に変化するので、第１の半導体光素子と第２の半導体光素子との間のインターフェースでの導波光の反射は、ほぼ抑えられる。また、この光集積素子７９の構造によれば、量子井戸構造を有する活性領域をエッチングする必要が無いので、バットジョイント構造に対して、以下のような利点がある。
（１）バットジョイント構造に比べて、第１の半導体光素子と第２の半導体光素子とのジョイント部において光パワーの損失が小さい。バットジョイント構造では、例えば、第１の半導体光素子のエピタキシャル膜の積層構造は第２の半導体光素子のエピタキシャル膜の積層構造と異なるので、それぞれの素子を伝搬する光のモードフィールド径の差は無視できない。これ故に、第１の半導体光素子と第２の半導体光素子とのジョイント部で無視できない反射が生じる。また、第２の半導体光素子のためのエピタキシャル膜を成長するとき、第１の半導体光素子のエピタキシャル膜の端面おいて半導体結晶の異常成長が生じて、ジョイント部による反射が大きくなることもある。
（２）第１および第２の半導体光素子のための光導波路を形成するためにエッチングを用いない。例えば、バットジョイント構造では、第１の半導体光素子のための光導波路を形成するためにウエットエッチングを用いる。エッチングレートのばらつきがエッチング液の撹絆速度および濃度のばらつきに起因して生じ、これにより半導体光素子の光学特性が大きく影響される。ウエットエッチングを用いて導波路構造を形成する場合、エッチング液の濃度、エッチング温度、撹搾速度等を管理しても、エッチングレートを調整することが容易ではなく、結果的に、エッチングの再現性が維持することが容易でない。ドライエッチングを用いて導波路構造を形成する場合、エッチングされる結晶に与えるダメージが小さくないこともある。
（３）第１および第２の半導体光素子のための光導波路を形成するための半導体結晶の成長およびエッチングの回数を低減できる。例えば、バッドジョイント構造では、量子井戸構造のエッチングと複数の量子井戸構造のための複数の結晶成長とが必要であるので、エッチング条件の制御および結晶成長の制御といったプロセス負荷が小さくない。
一方、本実施の形態の方法によれば、選択成長を用いることで、第１から第３の領域の量子井戸構造を制御でき、また、バンドエンジニアリングも容易になる。
また、本実施例に係る埋め込みリッジ型光集積素子では、横モード閉じ込めに活性層及び導波層のエッチングが不要なので、このエッチングによる欠陥に起因して光集積素子の特性は劣化せず、それ故に光集積素子の信頼性が高められる。また、水平横方向の光閉じ込めが強すぎないので、導波光の染み出しが大きくできる。光の合分波器の方向性結合部に用いる場合、結合される隣接導波路間の距離を大きくでき、プロセスマージンを大きくできる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子を作製する方法が提供される。
（第３の実施の形態）
図７（Ａ）は、第３の実施の形態に係る半導体光集積素子を示す図面である。図７（Ｂ）は、半導体領域の構造を示す図面である。
光集積素子１０１は、ＧａＡｓ基板３（例えばｎ型）と、第１のクラッド層１０５（例えばｎ型）と、第２のクラッド層１０７（例えばｐ型）と、半導体領域１０９（例えばアンドープ）とを備える。ＧａＡｓ基板３は、所定の軸Ａｘに沿って配列された第１の領域３ａ、第２の領域３ｂおよび第３の領域３ｃを有する。第１のクラッド層１０５は、第１導電型を有しており、またＧａＡｓ基板３の第１〜第３の領域３ａ、３ｂ、３ｃ上に設けられている。第２のクラッド層１０７は、第２導電型を有しており、またＧａＡｓ基板３の第１〜第３の領域３ａ、３ｂ、３ｃ上に設けられている。半導体領域１０９は、第１のクラッド層１０５と第２のクラッド層１０７との間に設けられている。半導体領域１０９は、ＧａＡｓ基板３の第１の領域３ａ上に設けられた第１の部分１０９ａと、ＧａＡｓ基板３の第２の領域３ｂ上に設けられた第２の部分１０９ｂと、ＧａＡｓ基板３の第３の領域３ｃ上に設けられた第３の部分１０９ｃとを有している。第１の部分１０９ａは、図７（Ｂ）に示されるように、量子井戸構造を有しており、この量子井戸構造は、１．３エレクトロンボルトより小さいバンドギャップを持つ。第１の部分１０９ａのバンドギャップは、第３の部分１０９ｃのバンドギャップと異なる。
この光集積素子１０１では、第１〜第３の部分１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃを有する半導体領域１０９が第１のクラッド層１０５と第２のクラッド層１０７との間に設けられているので、バッドジョイント構造を用いない。光集積素子１０１は、ＧａＡｓ基板３を用いて作製されており、１．３エレクトロンボルトより小さい長波長領域の光の処理できる。
好適な実施例では、第１の部分１０９ａは、長波長領域の波長成分を含む光を発生する活性層であることができ、また第２および第３の部分１０９ｂ、１０９ｃは、量子井戸構造を有する光導波路であることができる。
光集積素子１０１では、光集積素子１と同様に、半導体領域１０９の第１〜第３の部分１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃは、それぞれの量子井戸構造を有している。第１の部分１０９ａの厚さは第３の部分１０９ｃの厚さより大きい。第２の部分１０９ｂの厚さは、第１の部分１０９ａから第３の部分１０９ｃに向かう軸に沿って薄くなっている。第３の部分１０９ｃの量子井戸構造は、第１の部分１０９ａのバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。
光集積素子１０１では、半導体領域１０９を選択成長により形成することによって、半導体領域１０９の第１の領域１０９ａおよび第３の領域１０９ｃの量子井戸構造をより簡単に制御できる。結晶成長の際に用いる選択成長用マスクの幅に応じて、半導体領域１０９の量子井戸構造のバンドギャップを変更できるので、バンドエンジニアリングが容易である。
一実施例では、光集積素子１０１の半導体領域１０９は、光集積素子１と同様に、少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含む。また、好適な実施例では、光集積素子１０１の半導体領域１０９は、光集積素子１と同様に、少なくともガリウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含む。さらに、光集積素子１０１のIII−Ｖ化合物半導体は、アンチモン元素および燐元素の少なくともいずれか一方を構成元素としてさらに含むことができる。
光集積素子１０１は、半導体領域１０９、第１のクラッド層１０５の一部および第２のクラッド層１０７を含む半導体メサ１１７を含む。半導体メサ１１７は、第１の光閉じ込め層１１１（例えばアンドープ）および第２の光閉じ込め層１１３（例えばアンドープ）を更に備えることができる。半導体領域１０９は、第１の光閉じ込め層１１１と第２の光閉じ込め層１１３との間に設けられている。第１の光閉じ込め層１１１は、ＧａＡｓ基板３の第１および第２の領域３ａ、３ｂ上に設けられている。第２の光閉じ込め層１１３は、ＧａＡｓ基板３の第１および第２の領域３ａ、３ｂ上に設けられている。半導体領域１０９は、第１の光閉じ込め層１１１と第２の光閉じ込め層１１３との間に設けられている。第１の光閉じ込め層１１１および第２の光閉じ込め層１１３のバンドギャップは、第１のクラッド層１０５および第２のクラッド層１０７のバンドギャップより小さい。半導体メサ１１７内において、第１の部分１０９ａ、第２の部分１０９ｂおよび第３の部分１０９ｃを有する半導体領域１０９が第１の光閉じ込め層１１１と第２の光閉じ込め層１１３との間に設けられているので、バッドジョイント構造を用いない。また、ＧａＡｓ基板３を用いて作製されており長波長領域の光の処理する光集積素子１０１が提供される。
この光集積素子１０１は、半導体から成るブロック領域１１５を更に備える。ブロック領域１１５は、半導体メサ１１７を埋め込んでおり、第１のクラッド層１０５の第１の部分１０５ｂ上に設けられている。この光集積素子１０１によれば、埋め込み型光集積素子が提供される。ブロック領域１１５は、例えば、ＰＮ埋め込み構造を含むことができる。ブロック領域１１５は、例えば、第２導電型のブロック層１１５ａおよび第１導電型ブロック層１０５ｂを含んでおり、半導体メサ１１７に電流を閉じ込めるために設けられる。
光集積素子１０１では、ブロック領域１１５は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成ることができる。ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体によれば、高バンドギャップのブロック領域が提供される。
この光集積素子１０１は、ブロック領域１１５および半導体メサ１１７上に設けられた第３のクラッド層１９（例えばｐ型）を含むことができる。第３のクラッド層１９は、第２導電型の半導体から成り、また半導体領域９の屈折率より小さな屈折率を有している。
この光集積素子１０１は、第３のクラッド層１９上に設けられたコンタクト層２１（例えばｐ型）を更に備えることができる。光集積素子１０１の第１の半導体光素子１０１ａは、第１の電極２３および第２の電極２５を含む。第１の電極２３はコンタクト層１９上に設けられており、第２の電極２５はＧａＡｓ基板３の裏面３ｄ上に設けられている。
光集積素子１０１は、光集積素子１と同様な半導体材料を用いて作製されることができる。第１の半導体光素子１０１ａは、図７（Ｂ）に示される量子井戸構造を有する。第２の半導体光素子１０１ｂの量子井戸構造は、図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）に示されるように、第１の半導体光素子１０１ａの量子井戸構造に比べて薄い。光集積素子１と同じく、第３の部分１０９ｃの量子井戸構造の周期は第１の部分１０９ａの量子井戸構造の周期より小さい。第３の部分１０９ｃの量子井戸構造のエネルギ準位差は、第１の部分１０９ａの量子井戸構造のエネルギ準位差より大きい。故に、第１の半導体光素子１０１ａからの光は、吸収により減衰無しに第２の半導体光素子１０１ｂの光導波路を伝搬することができる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子が提供される。
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態に係る光集積素子を示す図面である。この光集積素子１０２は、第２のクラッド層１１０、光閉じ込め層１１４、活性領域１０８、光閉じ込め層１１２を含む半導体メサ１１８を有する。半導体メサ１１８は、第１のクラッド層１０６を含まない。半導体メサ１１８が、第１のクラッド層１０６に対して選択的にエッチングされる。
第２のクラッド層１１０の材料は、例えばＡｌＧａＩｎＰ半導体またはＧａＩｎＰ半導体であることができる。光閉じ込め層１１２、１１４の材料は、ＡｌＧａＡｓ半導体、ＧａＡｓ半導体、またはＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＡｓＰ半導体である。活性領域１０８の井戸層の材料は、ＧａＮＡｓ半導体、ＧａＩｎＮＡｓ半導体、ＧａＮＡｓＳｂ半導体、ＧａＮＡｓＰ半導体、ＧａＮＡｓＳｂＰ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体、ＧａＩｎＮＡｓＰ半導体、またはＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ半導体であることができる。選択的なエッチングは、これらの材料、および塩酸系エッチャントといった選択エッチング液を用いることによって可能である。
この光集積素子１０２では、第１のクラッド層１０６がエッチング停止層として働くので、半導体メサ１１８の深さの再現性および面内均一性が改善される。また、半導体メサ１１８の幅は該メサの深さに応じて変るので、上記の改善によって、半導体メサ１１８の幅の再現性および面内均一性も向上する。この結果、光集積素子１０２がレーザダイオードを含むとき、レーザ特性の再現性および面内均一性も向上する。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子が提供される。
（第５の実施の形態）
次いで、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、埋め込みヘテロ構造の光集積素子を作製する方法を示す図面である。
第２の実施の形態に記載される方法を用いて、複数のIII−Ｖ化合物半導体層をＧａＡｓウエハ４１上に堆積する。第１のクラッド層４３、第１の光閉じ込め層４５、活性領域４７、第２の光閉じ込め層４９および第２のクラッド層５１をＧａＡｓウエハ４１に成長する。活性領域４７は、第１の実施の形態で説明したように、井戸層およびバリア層を含む量子井戸構造を有している。第１の半導体光素子のための活性領域、第２の半導体光素子のための活性領域および遷移領域が、それぞれ、ＧａＡｓウエハ４１の第１の領域４１ａおよび第３の領域４１ｃ上、および第２の領域４１ｂに選択成長される。
第２の実施の形態に記載された方法を同様に用いて、能動素子のための活性領域および受動素子のための導波領域に選択成長により堆積して、受動素子および能動素子の両者がモノリシックに集積する光集積素子のためにエピタキシャルウエハＥ（図４（Ｄ）参照）を作製する。第２の半導体光素子のための活性領域のバンドギャップは、第１の半導体光素子のための活性領域のバンドギャップより大きい。
引き続いて、このエピタキシャルウエハＥを用いて、光集積素子を作製する方法を説明する。図９（Ａ）に示されるように、半導体層の積層物６５上に、誘電体膜といったマスク１６７を形成する。誘電体膜としては、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等を用いることができる。
図９（Ｂ）に示されるように、このマスク１６７とエッチャントを用いて、第１の光閉じ込め層４５、活性領域４７、第２の光閉じ込め層４９、第２のクラッド層５１をエッチングすると共に、第１のクラッド層４３を部分的にエッチングする。エッチングされた第１の光閉じ込め層１４５ａ、活性領域１４７ｄ、第２の光閉じ込め層１４９ａおよび第２のクラッド層１５１ａは、半導体メサ１１７を形成する。また、エッチングされた第１のクラッド層１４３ａは、ＧａＡｓウエハ４３の表面を覆う第１の部分１４３ａと、該第１の部分１４３ａ上に位置する第２の部分１４３ｂとから成る。第２の部分１４３ｂは、所定の軸の方向に伸びるメサストライプであり、半導体メサ１１７に含まれる。半導体メサ１１７の形状は、所定の軸の向きおよびエッチャントの種類に依って変わる。
図９（Ｃ）に示されるように、ブロック領域１６９が、マスク１６７を除去すること無く、エッチングされている第１のクラッド層１４３ａ上に形成される。ブロック領域１６９は、マスク１６７上には堆積されること無く、第１のクラッド層１４３の第１の部分１４３ａ上に選択的に成長される。この成長により、半導体メサ１１７が埋め込まれる。ブロック層１６９は、電極からのキャリアを半導体メサ１１７に閉じ込めるために用いられる。この半導体層１６９は、例えばＯＭＶＰＥ装置を用いて成長される。一実施例では、ブロック領域１６９は、ブロック領域１６９は、第１のクラッド層１４３ａの導電型と異なる導電型を有する第１の半導体層１６９ａと、第２のクラッド層１５１ａの導電型と異なる導電型を有する第２の半導体層１６９ｂとを含むことができる。第２の半導体層１６９ｂは、第１の半導体層１６９ａ上に形成され、これによりＰＮ分離を実現している。また、別の実施例では、ブロック層１６９は、高抵抗の半導体から成ることができる。
図１０（Ａ）に示されるように、第２のクラッド層１５１ａおよびブロック層１６９上に、第３のクラッド層１７１およびコンタクト層１７３を順に堆積する。第３のクラッド層１７１およびコンタクト層１７３の導電型は、第２のクラッド層１５１ａの導電型と同じである。これらの半導体層１７１、１７３は、例えばＯＭＶＰＥ装置を用いて成長される。
図１０（Ｂ）に示されるように、コンタクト層１７３上に第１の電極１７５を形成すると共に、ＧａＡｓウエハ４１の裏面に第２の電極１７７を形成する。この結果、光集積素子１７９が得られる。
光集積素子１７９では、第１の半導体光素子（例えば、能動素子）の活性層及び第２の半導体光素子（例えば、受動素子）の導波路層が、選択成長により単一の結晶成長工程で形成される。この選択成長により、第２の半導体光素子の量子井戸構造（導波路層）のバンドギャップは、第１の半導体光素子の量子井戸構造（導波路層）のバンドギャップより大きくなる。この光集積素子１７９では、第１の半導体光素子の量子井戸構造が第２の半導体光素子の量子井戸構造と異なる点を除いて、第１および第２の半導体素子の構造を実質的に同一にできる。第１および第２の半導体光素子との間の量子井戸構造の違いが小さいので、第１の半導体光素子を伝搬する導波光のモード形状と第２の半導体光素子を伝搬する導波光のモード形状との差が小さい。これ故に、第１の半導体光素子と第２の半導体光素子との間のインターフェースでの導波光の反射を十分に小さくできる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、バットジョイント構造を持たずＧａＡｓ基板を用いる光集積素子を作製する方法が提供される。
図１１（Ａ）は、ＧａＡｓ系の材料を用いる量子井戸構造を示す図面であり、図１１（Ｂ）は、ＩｎＰ系の材料を用いる量子井戸構造を示す図面である。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）において、実線は、厚い量子井戸構造のバンドダイアグラムを示しており、破線は、薄い量子井戸構造のバンドダイアグラムを示している。
少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体からなる量子井戸構造の活性領域とＧａＡｓ基板とを組み合わせる光集積素子では、量子井戸構造の井戸層とバリア層との障壁差を大きくできる。例えば、ＩｎＰ系材料を用いる量子井戸構造では、ＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップは、それぞれ、１．３５エレクトロンボルト、０．９５エレクトロンボルトであるので、バンドギャップ差は０．４エレクトロンボルトである。一方、ＧａＡｓ系材料を用いる量子井戸構造では、例えば、ＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＮＡｓ半導体のバンドギャップは、それぞれ、１．９エレクトロンボルト、０．９５エレクトロンボルトであるので、バンドギャップ差は０．９５エレクトロンボルトである。
厚さＷｉｄｔｈ１、Ｗｉｄｔｈ２をそれぞれ有する量子井戸構造を選択成長により形成する場合、井戸層とバリア層とのエネルギ差が大きいＧａＡｓ系量子井戸構造のエネルギシフト△ＥＧａＡｓは、ＩｎＰ系量子井戸構造のエネルギシフト△ＥＩｎＰより大きい。故に、ＧａＡｓ系量子井戸構造では、量子井戸構造の厚さのより少ない変化によって大きなエネルギシフトを得ることができる。このため、選択成長マスクの設計自由度が従来のＩｎＰ系に比べて非常に大きくなり、多様なデバイスを簡単なマスク構成で実現できる。また、受動素子と能動素子間での量子井戸厚（光導波路厚）の変化が少なくて良いので、接合部分でのモードフィールド不整合による損失をより低下することができる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。光集積素子において集積される能動素子としては、例えば、発光ダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅素子、電界吸収型変調素子、マッハツェンダ型光変調素子、方向性結合型光変調素子、およびフォトダイオード等の受光素子といったものが挙げられる。また、受動素子としては、例えば直線および曲線の光導波路、およびＹ分岐素子、方向性結合器、ＭＭＩ、ＡＷＧといった光合分波器が挙げられる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
図１（Ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体光集積素子を示す図面である。図１（Ｂ）は、半導体領域の構造を示す図面である。 図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示されたI−I線に沿った断面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示されたII−II線に沿った断面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）に示されたIII−III線に沿った断面図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ａ）に示されたIＶ−IＶ線に沿った断面図である。 図３（Ａ）は、光集積素子の第１の部分の量子井戸構造のバンドギャップを示す図面であり、図３（Ｂ）は、光集積素子の第２の部分に設けられた量子井戸構造のバンドギャップを示す図面である。図３（Ｃ）は、光集積素子の第３の部分の量子井戸構造のバンドギャップを示す図面である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）および図４（Ｄ）は、第２の実施の形態に係るリッジ型の光集積素子を作製する方法を示す図面である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、光集積素子を作製する方法を示す図面である。 図６（Ａ）および図５（６）は、光集積素子を作製する方法を示す図面である。 図７（Ａ）は、第３の実施の形態に係る半導体光集積素子を示す図面である。図７（Ｂ）は、半導体領域の構造を示す図面である。 図８は、第４の実施の形態に係る光集積素子を示す図面である。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、第５の実施の形態に係る埋め込みヘテロ構造の光集積素子を作製する方法を示す図面である。 図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、第５の実施の形態に係る埋め込みヘテロ構造の光集積素子を作製する方法を示す図面である。 図１１（Ａ）は、ＧａＡｓ系の材料を用いる量子井戸構造を示す図面であり、図１１（Ｂ）は、ＩｎＰ系の材料を用いる量子井戸構造を示す図面である。
符号の説明
１…光集積素子、３…ＧａＡｓ基板、５…第１のクラッド層、７…第２のクラッド層、９…半導体領域、１１…第１の光閉じ込め層、１３…第２の光閉じ込め層、１７…半導体リッジ、１９…第３のクラッド層、２１…コンタクト層、２３、２５…電極、４１…ＧａＡｓウエハ、４３…第１のクラッド層、４５…第１の光閉じ込め層、４７…活性領域、４９…第２の光閉じ込め層、５１、５１ａ…第２のクラッド層、１０１、１０２…光集積素子、１０５…第１のクラッド層、１０７…第２のクラッド層、１０９…半導体領域、１１７…半導体メサ、１１１…第１の光閉じ込め層、１１３…第２の光閉じ込め層

Claims (11)

  1. 所定の軸に沿って配列された第１、第２および第３の領域を有するＧａＡｓ基板と、
    前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第１のクラッド層と、
    前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第２のクラッド層と、
    前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられており量子井戸構造を有する半導体領域と
    を備え、
    前記第２の領域は、前記第１の領域と前記第３の領域との間に設けられており、
    前記半導体領域は、前記ＧａＡｓ基板の前記第１の領域上に設けられており第１の厚さを有する第１の部分と、前記ＧａＡｓ基板の前記第２の領域上に設けられた第２の部分と、前記ＧａＡｓ基板の前記第３の領域上に設けられており第３の厚さを有する第３の部分とを有しており、
    前記第１の部分の前記第１の厚さは、前記第３の部分の前記第３の厚さより大きく、
    前記第２の部分の第２の厚さは、前記第１の部分から前記第３の部分に向かう軸に沿って薄くなっており、
    前記第１の部分の量子井戸構造は、１．３エレクトロンボルトより小さいバンドギャップを有しており、
    前記第３の部分の量子井戸構造は、前記第１の部分のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する、ことを特徴とする光集積素子。
  2. 前記半導体領域は、少なくとも窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含むことを特徴とする請求項１に記載された光集積素子。
  3. 前記半導体領域は、少なくともガリウム元素、ヒ素元素および窒素元素を含むIII−Ｖ化合物半導体から成る半導体層を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された光集積素子。
  4. 前記III−Ｖ化合物半導体は、アンチモン元素および燐元素の少なくともいずれか一方を構成元素としてさらに含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載された光集積素子。
  5. 前記半導体領域は、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰのいずれかから成る半導体層を含むことを特徴とする請求項１に記載された光集積素子。
  6. 前記第１のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成り、
    前記第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成る、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された光集積素子。
  7. 前記半導体領域上に設けられた半導体リッジを埋め込んでおり前記半導体領域上に設けられたブロック領域を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された光集積素子。
  8. 前記半導体領域並びに前記第１および第２のクラッド層を含む半導体メサを埋め込んでおり前記ＧａＡｓ基板上に設けられたブロック領域を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された光集積素子。
  9. 前記ブロック領域は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体、ＧａＩｎＰ半導体およびＡｌＧａＡｓ半導体から成ることを特徴とする請求項７または請求項８に記載された光集積素子。
  10. 前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第１の光閉じ込め層と、
    前記ＧａＡｓ基板の前記第１〜第３の領域上に設けられた第２の光閉じ込め層とを更に備え、
    前記半導体領域は、前記第１の光閉じ込め層と前記第２の光閉じ込め層との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された光集積素子。
  11. 前記第１の部分の量子井戸構造は、井戸層およびバリア層を含んでおり、
    前記第２の部分の量子井戸構造は、井戸層およびバリア層を含んでおり、
    前記第３の部分の量子井戸構造は、井戸層およびバリア層を含んでおり、
    前記第１の部分の前記井戸層の厚さは、前記第３の部分の前記井戸層の厚さより大きく、
    前記第１の部分の前記バリア層の厚さは、前記第３の部分の前記バリア層の厚さより大きく、
    前記第２の部分の前記井戸層および前記バリア層の厚さは、前記第１の部分から前記第３の部分に向かう軸に沿って薄くなっている、ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載された光集積素子。
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