JP2005317659A - 集積型半導体光デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 デバイスの特性および性能を向上することのできる集積型半導体光デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】 バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有する集積型半導体光デバイスの製造方法において、上記２つの光導波層の一方が形成される第１の領域と他方が形成される第２の領域に跨って誘電体マスクを形成する第１の工程と、上記誘電体マスクを用いて選択成長により上記２つの光導波層を同時に形成する第２の工程とを含む。誘電体マスクは、上記第１の領域におけるパターン幅が上記第２の領域におけるパターン幅より狭い、該第１および第２の領域を規定する一対の誘電体膜２ａ、２ｂと、上記第１の領域において、誘電体膜２ａ、２ｂの両側に設けられた誘電体膜４ａ、４ｂとからなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集積型半導体光デバイス及びその製造方法に関し、特に選択成長により集積された光導波層を含む集積型半導体光デバイス及びその製造方法に関する。

集積型半導体光デバイスは、単機能の光半導体デバイスを組み合わせて機能を実現するものと比較してサイズの縮小などにおいてメリットがあり、近年盛んに開発されている。集積型半導体光デバイスにおいて、「光導波層」は、単に光を導波するためのコア部分を指すわけではなく、集積された各領域の動作の根幹をなす領域の総称として用いられる。例えば、集積された各領域の動作・役割によって光活性層や光変調層なども光導波層の１つである。

光導波層を作製する技術の一つとして、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によるストライプ状誘電体膜（誘電体マスク）を用いた選択成長技術がある。図１７は、選択成長で使用するストライプ状誘電体膜（誘電体マスク）の一例を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。

誘電体マスクは、図１７（ａ）に示すように、ある間隔で配置された幅Ｗｍの一対の誘電体膜２よりなる。一対の誘電体膜２に挟まれた領域が、光導波層となる選択成長部１である。この誘電体マスクを用いて選択成長により光導波層を形成すると、図１７（ｂ）に示すように、選択成長部１において、断面形状が台形の光導波層を得られる。この場合、一対の誘電体膜２の幅Ｗｍおよびその間隔を変えることで、選択成長部１において成長される半導体結晶の組成及び層厚を変化させることができる。非特許文献１には、分布帰還型半導体レーザ（以下ＤＦＢレーザと称する）領域と光変調領域を集積した変調器集積ＤＦＢレーザの作製に、そのような誘電体マスクを用いた選択成長を適用した例、およびその作製したデバイスの特性が記載されている。

一方、選択成長を用いない光集積素子の作製方法としては、例えばバットジョイント成長（以下ＢＪ成長と称する）技術を用いる方法がある。非特許文献２には、このＢＪ成長方法を変調器集積ＤＦＢレーザの作製に用いた結果について記載されている。

以下、変調器集積ＤＦＢレーザを例に、ＢＪ成長により光導波層を作製した場合と選択成長により光導波層を作製した場合のそれぞれの特徴について説明する。

図１８に、非特許文献２に報告されているＢＪ成長を利用して作製された変調器集積ＤＦＢレーザの光導波層の、導波方向における断面図を示す。まず、ｎ−ＩｎＰ基板９９のレーザ側領域に回折格子８８を設けた後、全面に光ガイド層８１、エッチングストッパー層８２、レーザ活性層８３を結晶成長させる。次いで、誘電体マスクなどによりレーザ部の活性層８３を保護しながら変調器を構成する領域にあるレーザ活性層８３を選択エッチングで除去し、その除去した部分に埋め込み再成長により光変調層８４を成長させる。このとき、レーザ活性層８３と光変調層８４はＢＪ成長により接合される。接合後、クラッド層８５、素子分離誘電体層８６、電極８７が順次形成される。

ＢＪ成長によるレーザ活性層８３および光変調層８４の形成においては、選択成長を用いる方法とは異なり、両層８３、８４における光発光や吸収の特性を決めるＭＱＷバンドギャップ波長と光閉じ込めの特性を決める層構造および層厚とを比較的自由に独立設計することができる、という利点がある。しかし、レーザ活性層８３や光変調層８４といった本質的に異なる構造を持つ２つの領域をＢＪ成長によって接合すると、両領域間で光結合損が生じる。このため、光閉じ込め層構造については、レーザ活性層８３と光変調層８４を完全には独立設計することはできない。また、ＢＪ成長プロセスにおけるエッチングおよび再成長では、空隙や異常成長が生じないよう極めて高精度で複雑なプロセスが必要で再現性の確保や低コスト化が難しいという問題があった。

図１９に、非特許文献１に報告されている選択成長を利用して作製された変調器集積ＤＦＢレーザの光導波層の、導波方向における断面図を示す。まず、ｎ−ＩｎＰ基板９９のレーザ側領域に回折格子８８を設けた後、選択成長用の誘電体マスクを形成する。次いで、誘電体マスクを用いてレーザ活性層８３および光変調層８４を選択成長により形成する。その後、誘電体マスクを除去し、クラッド層８５、素子分離誘電体層８６、電極８７を順次形成する。

選択成長では、図２０に示すような一対の誘電体膜２よりなる誘電体マスクを用いる。一対の誘電体膜２に挟まれた成長領域は、例えば約１．５〜２．０μｍの幅とされており、ここにレーザ活性層８３および光変調層８４が選択成長により形成される。この場合、選択成長により形成されるレーザ活性層８３と光変調層８４のそれぞれのバンドギャップ波長および層厚は、誘電体膜２の幅Ｗｍに応じて変化する。よって、レーザ活性層８３と光変調層８４のそれぞれで必要なバンドギャップ波長差になるように幅Ｗｍを設定することで、選択成長により両層を同時に形成することができる。

また、選択成長により形成されるレーザ活性層８３と光変調層８４の接合部においては、光導波路が連続的に接合するようになっている。よって、接合部の光導波方向におけるＭＱＷバンドギャップ波長や層厚の変化が緩やかになるように、誘電体マスクのパターンを設計すれば、接合部で大きな光結合損が生じないようにすることができる、という利点がある。

これまでに、変調器集積ＤＦＢレーザにおいては、光変調領域とＤＦＢレーザ領域のＭＱＷバンドギャップ波長差の最適化や変調器領域のアンドープ層厚の最適化等が検討されており、ある程度の良好な消光比（動的消光比＞１１ｄＢ）と光出力特性（ファイバ出力＞３ｄＢｍ）を得られている。

上述した選択成長技術は、変調器集積ＤＦＢレーザ以外の集積型半導体光デバイスにも適用することができる。必要なバンドギャップ波長差を実現するために生じる層厚変化を許容することができ、かつ、各領域の格子歪みを許容することができる集積型半導体光デバイスであれば、選択成長技術を適用することで、上述した利点を享受できる。なお、誘電体マスクの成長領域の幅は、最大で５０μｍ程度までであり、この範囲内であれば、選択成長によるバンドギャップ波長を制御することができる。
T. Kato et. al.、エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters）、「DFB-LD / MODULATOR INTEGRATED LIGHT SOURCE BY BANDGAP ENERGY CONTROLLED SELECTIVE MOVPE」、第２８巻、第２号、１５３頁〜１５４頁、１９９２年１月１６日（発行） H. Soda et. al.、エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters）、「HIGH-POWER AND HIGH-SPEED SEMI-INSULATING BH STRUCTURE MONOLITHIC ELECTROABSORPTION MODULATOR / DFB LASER LIGHT SOURCE」、第２６巻、第１号、９頁〜１０頁、１９９０年１月４日（発行）

変調器集積ＤＦＢレーザは、さらなる伝送距離の長距離化への対応の必要性から、無電界時の光吸収損失の低減と低電圧動作、レーザの内部損失の低減と高出力化などが要求されている。この要求を達成するためには、光変調領域とＤＦＢ領域のそれぞれにおいて、適切なＭＱＷバンドギャップ波長を実現すると同時に、最適な光閉じこめ率やアンドープ層厚などを実現する必要がある。また、変調器集積ＤＦＢレーザ以外の集積型半導体光デバイスにおいても、集積される各機能領域の光導波層における光閉じ込め率などを最適設計するためには、各領域において適切なバンドギャップ波長と層厚を実現することが重要である。

ＢＪ成長により光導波層を形成する場合は、上述したように各領域間の接合部で光結合損が生じるという問題がある。加えて、ＢＪ成長プロセスにおけるエッチングおよび再成長において、空隙や異常成長が生じないよう極めて高精度で複雑なプロセスが必要で再現性の確保や低コスト化が難しい。

一方、選択成長により光導波層を形成する場合は、接合部での光結合損を低減することができる。加えて、一度の選択成長で、複数の領域に一括して、各々の領域の機能に対応した活性層、導波層を作製できることから、製造の容易さという観点で有望である。しかしながら、選択成長の場合には、以下のような問題があるため、上記の要求を達成することは困難である。

例えば、同一ウェハ上に機能の異なる２つの領域Ｒ１、Ｒ２を同時に形成する場合で、領域Ｒ１のＭＱＷバンドギャップ波長およびＭＱＷ層厚がその機能に最適となるようにした場合に、同時に作製される領域Ｒ２において不具合を生じる。具体的には、各領域Ｒ１、Ｒ２のＭＱＷバンドギャップ波長の差が最適となるように誘電体マスクのパターン幅を設定した場合に、ＭＱＷバンドギャップ波長差は最適となるが、領域Ｒ２のＭＱＷ層厚が最適値から外れることになる。反対に、各領域Ｒ１、Ｒ２のＭＱＷ層厚差が最適となるように誘電体マスクのパターン幅を設定すると、ＭＱＷ層厚差は最適となるが、領域Ｒ２のＭＱＷバンドギャップ波長が最適値から外れることになる。ＭＱＷ層厚やＭＱＷバンドギャップ波長差が最適値から外れると、集積型半導体光デバイスの特性劣化を招く。このように、選択成長においては、複数の領域を同時に作製する場合に、バンドギャップ波長と層厚を、各領域で独立に最適化することは極めて困難である。

以下、バンドギャップ波長と層厚の関係についてさらに詳細に説明する。

図２１に、同一ウェハ内の領域Ｒ１、Ｒ２に図２０に示したようなマスク幅の異なる誘電体マスクを作製し、領域Ｒ１、Ｒ２を同時に選択成長により形成した場合のバンドギャップ波長と層厚の関係を示す。領域Ｒ１、Ｒ２の層厚をそれぞれｄ１、ｄ２（ｄ２≧ｄ１）、バンドギャップ波長をそれぞれλ１、λ２（ｎｍ）とする。規格化したバンドギャップ波長差Δλを
Δλ＝（λ１−λ２）／λ２
と定義し、規格化した層厚差Δｄを
Δｄ＝（ｄ１−ｄ２）／ｄ２
と定義する。縦軸は規格化バンドギャップ波長差Δλ、横軸は規格化層厚差Δｄである。領域Ｒ１、Ｒ２を同時に選択成長させると、マスク幅の変化に伴ってバンドギャップ波長および層厚が変化する。この場合の、規格化バンドギャップ波長差Δλと規格化層厚差Δｄの関係を示すグラフは、図２１に示すような直線に近い曲線を描くことになる。図２１では、簡単のため、バンドギャップ波長と層厚の関係を直線近似で表している。近似した直線がグラフの原点（領域Ｒ２を特徴づける点）を通る場合は、Δλ／Δｄが傾きに相当し、その値は、単位バンドギャップ波長の変化に伴って生じる層厚の変化量を表す。既存の１．３ｕｍ帯や１．５５ｕｍ帯の光デバイスで一般的に用いられているＩｎＧａＡｓＰ系材料においては、Δλ／Δｄは、導波層構造や発光波長にも因るが、おおよそ６〜１５程度とされている。

Δλ／Δｄが６〜１５程度と大きな場合は、選択成長による集積化の際に、上述したデバイスの特性劣化を招く。例えば、変調器集積分布帰還型半導体レーザでは、最適な逆バイアス電圧で適切な消光比を得られるように変調器部において適切なＭＱＷバンドギャップ波長、アンドープ層厚及び適切な光閉じこめ率を得るための導波層構造を設定すると、ＤＦＢレーザ領域の層厚が最適設計よりも厚くなりすぎてしまい、内部損失の増加などにより光出力が低下してしまう。また、受動導波路集積型の半導体レーザでは、レーザ部で最適な層厚や光閉じ込め率、内部損失になるように設計すると、発光波長に対して十分に波長の短い受動導波路では、層厚が薄くなりすぎて、十分な光閉じ込め効果を得られない。このため、導波路を曲げる場合に、曲率半径を大きくとる必要があり、その結果、素子サイズが大きくなってしまう。

本発明の目的は、上記のような問題点を軽減し、デバイスの特性および性能を向上することのできる集積型半導体光デバイス及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の第１の集積型半導体光デバイスは、バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有し、
前記２つの光導波層は、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２（ただし、ｄ２≧ｄ１）、バンドギャップ波長をλ２とするとき、
Δλ＝（λ１−λ２）／λ２
で与えられる規格化バンドギャップ波長差Δλと、
Δｄ＝（ｄ１−ｄ２）／ｄ２
で与えられる規格化層厚差Δｄとの比Δｄ／Δλが、
０≦Δｄ／Δλ＜５
の条件を満たすように構成されていることを特徴とする。

本発明の第２の集積型半導体光デバイスは、バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有し、
前記２つの光導波層は、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２、バンドギャップ波長をλ２とするとき、ｄ２≧ｄ１、かつ、λ１＜λ２の条件を満たすように構成されていることを特徴とする。

本発明の第３の集積型半導体光デバイスは、バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有し、
前記２つの光導波層は、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２、バンドギャップ波長をλ２とするとき、５０ｎｍ≦λ２−λ１≦８０ｎｍ、かつ、０．８≦ｄ１／ｄ２≦１の条件を満たすように構成されていることを特徴とする。

上記の本発明の第１から第３の集積型半導体光デバイスにおいては、以下のような作用を奏する。

変調器集積型分布帰還型半導体レーザの場合、一般的にバンドギャップ波長変化に対する層厚の変化は小さいことが望ましい。すなわち、Δｄ／Δλの値は、小さい方が望ましい。一般的には、Δｄ／Δλの値が０に近いほどレーザ領域と光変調領域の光閉じ込めの差による光学的反射が小さくなることから有利である。これまでの研究の結果から、素子特性の最適化を考えた場合、Δｄ／Δλの値がおおむね５を下回ると、大幅な特性改善が見られることが解った。図１６に、素子特性の改善が可能な範囲を示す。縦軸は規格化バンドギャップ波長差Δλ、横軸は規格化層厚差Δｄである。図１６中、一点鎖線で示したものは、図２１に示した従来のＩｎＧａＡｓＰ系選択成長の例である。ΔλおよびΔｄの値が斜線で示した領域Ａ、Ｂに収まると、大幅な素子特性の改善を見込める。しかし、従来は、ΔλおよびΔｄの値が領域Ａ、Ｂの範囲から外れているため、素子特性の改善は見込めない。

本発明の第１の集積型半導体光デバイスは、ΔλおよびΔｄの値が領域Ａに収まるようになっているので、素子特性の改善を期待できる。また、本発明の第２の集積型半導体光デバイスは、ΔλおよびΔｄの値が領域Ｂに収まるようになっているので、素子特性の改善を期待できる。

本発明の第３の集積型半導体光デバイスにおいては、「５０ｎｍ≦λ２−λ１≦８０ｎｍ」および「０．８≦ｄ１／ｄ２≦１」という条件を満たすことで、変調器の層厚とレーザ領域の層厚との差に起因するさまざまな特性劣化が改善される。この条件を満たすデバイス構造は、従来の選択成長技術では作製不可能とされていた。

本発明の第１の集積型半導体光デバイスの製造方法は、バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有する集積型半導体光デバイスの製造方法において、前記２つの光導波層の一方が形成される第１の領域と他方が形成される第２の領域に跨って誘電体マスクを形成する第１の工程と、前記誘電体マスクを用いて選択成長により前記２つの光導波層を同時に形成する第２の工程とを含み、前記第１の工程は、前記第１の領域におけるパターン幅が前記第２の領域におけるパターン幅より狭い、該第１および第２の領域を規定する一対の第１の誘電体膜と、前記第１の領域において、前記第１の誘電体膜の両側に設けられ、隣接する誘電体膜との間隔が前記選択成長による結晶成長時の原料種の最短拡散長より短い複数の第２の誘電体膜とからなるパターンを、前記誘電体マスクとして形成する工程を含むことを特徴とする。

上記の本発明の第１の集積型半導体光デバイスの製造方法においては、以下のような作用を奏する。

これまで公知となっていたＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いた選択成長では、ＭＱＷバンドギャップ波長と層厚は１対１で対応しており、自由に設計することは不可能であった。本発明の第１の集積型半導体光デバイスの製造方法によれば、第１の領域におけるパターン幅が第２の領域におけるパターン幅より狭い、該第１および第２の領域を規定する一対の第１の誘電体膜と、前記第１の領域において、前記第１の誘電体膜の両側に設けられ、隣接する誘電体膜との間隔が前記選択成長による結晶成長時の原料種の最短拡散長より短い複数の第２の誘電体膜とからなる誘電体マスクを用いることで、従来は不可能とされていたバンドギャップ波長と層厚の個別の制御に、ある程度の自由度を持たせることを可能としている。よって、必要なバンドギャップ波長差を実現した場合でも、変調器領域において、変調器動作において必要な動作電圧（できるだけ低い方が望ましく、２Ｖ以下が必要）と消光比（できるだけ大きい方が望ましく、動的に１５ｄＢ以上が必要）から求められる望ましいアンドープ層厚とするとともに、レーザ領域において最適なアンドープ層厚とすることができる。また、変調器集積分布帰還型半導体レーザにおいて、最適な逆バイアス電圧で適切な消光比を得られるように変調器部において適切なＭＱＷバンドギャップ波長、アンドープ層厚及び適切な光閉じこめ率を得るための導波層構造を設定した場合に、ＤＦＢレーザ領域の層厚が厚くなり過ぎることはない。さらに、受動導波路集積型の半導体レーザにおいて、レーザ部で最適な層厚や光閉じ込め率、内部損失になるように設定した場合でも、受動導波路の層厚が薄くなり過ぎることもない。

本発明の第２の集積型半導体光デバイスの製造方法は、バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有する集積型半導体光デバイスの製造方法において、前記２つの光導波層の形成領域を規定する誘電体マスクを形成する第１の工程と、前記誘電体マスクを用いて選択成長により前記２つの光導波層を同時に形成する第２の工程とを含み、前記選択成長による結晶成長時の原料種として、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ａｌを用いることを特徴とする。ＩＩＩ族構成元素であるＡｌを添加した場合のＭＱＷバンドギャップの変化に対する層厚の変化量は、Ａｌを添加しない場合よりも小さくなる。よって、この製造方法においても、上記本発明の第１の集積型半導体光デバイスの製造方法と同様な作用を奏する。

上記の第１および第２の集積型半導体光デバイスの製造方法のいずれによっても、上述した本発明の第１から第３の集積型半導体光デバイスの作製が可能である。

以上説明したように、本発明の集積型半導体光デバイスによれば、従来の選択成長技術では作製が不可能とされていたデバイス構造、すなわち、最適なＭＱＷバンドギャップ波長および層厚を有するデバイス構造を実現することができ、素子特性の改善を図ることができる。

本発明の集積型半導体光デバイスの製造方法によれば、例えば、変調器集積ＤＦＢレーザにおいて、適切な逆バイアス電圧によって適切な消光比を得るために必要な変調器領域の設計と内部損失低減などを得るために必要なＤＦＢレーザ部領域の設計の両立が可能になっているので、従来のものと比べて、大幅な素子特性の改善を図ることができる。また、光活性領域及び光導波領域を有する導波路集積型半導体レーザにおいて、ＭＱＷバンドギャップ波長を離しつつ、層厚を大きく変えない設計が可能であるので、導波路の曲げ半径（曲率半径）を小さくしても十分な光閉じ込め効果を得られるとともに、素子サイズを小さくすることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法において用いられる誘電体マスクの一部を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。

図１を参照すると、誘電体マスクは、幅Ｗ_m1の一対の誘電体膜２ａ、２ｂと、この一対の誘電体膜２ａ、２ｂを挟むようにその両側に配置された、幅Ｗ_m2（＞Ｗ_m1）の誘電体膜４ａ、４ｂとを有する。誘電体膜２ａ、２ｂはストライプ状のパターンであって、ほぼ平行に配置されている。誘電体膜４ａ、４ｂもストライプ状のパターンであって、誘電体膜２ａ、２ｂとほぼ平行になるように配置されている。

一対の誘電体膜２ａ、２ｂによって挟まれた選択成長部１が、光導波層が形成される領域である。誘電体膜２ａと誘電体膜４ａとで挟まれた選択成長部３ａおよび誘電体膜２ｂと誘電体膜４ｂとで挟まれた選択成長部３ｂは、いずれも光導波路として用いられることのない、ＩＩＩ族原料の濃度を制御するための領域である。選択成長部３ａ、３ｂの幅は、ともにＷ_sである。この幅Ｗ_sは、選択成長による結晶成長時の原料種（ＩＩＩ族原料）の最短拡散長より短い。

図１に示した誘電体マスクを用いて選択成長により半導体基板上に光導波層を形成する場合、選択成長部３ａ、３ｂの幅Ｗ_sを変化させることで、選択成長部１に形成される光導波層のＩＩＩ族原料の濃度を制御することができ、これによりバンドギャップ波長および層厚を変化させることができる。この場合のバンドギャップ波長および層厚の変化は、従来の誘電体マスク（図１の構成における、一対の誘電体膜２ａ、２ｂのみで構成されたもの）を用いた場合のバンドギャップ波長および層厚の変化と異なる。

図２に、ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた１．５μｍ帯のバルクを成長した場合のバンドギャップ波長と層厚の関係について、図１に示した誘電体マスクを用いた場合と図１７に示した誘電体マスクを用いた場合のグラフを示す。選択成長により形成された光導波層の層厚（ｎｍ）を縦軸、バンドギャップ波長（ｎｍ）を横軸にとっている。図２中、丸印でプロットしたものが、図１に示した誘電体マスクを用い、選択成長部３ａ、３ｂの幅Ｗ_sを変化させた場合のバンドギャップ波長と層厚の関係を示したものである。また、三角印でプロットしたものが、図１７に示した誘電体マスクを用い、幅Ｗｍを変化させた場合のバンドギャップ波長と層厚の関係を示したものである。

図２のグラフから分かるように、図１に示した誘電体マスクを用いた場合は、図１７に示した誘電体マスクを用いた場合に対して、層厚１４０ｎｍ付近でおおよそ５０ｎｍのＰＬ（フォトルミネッセンス）波長差を持たせることができる。本実施形態の製造方法では、この効果に着目し、選択成長により同時形成される２つの領域のうちの一方に図１に示した誘電体マスクを適用し、他方に図１７に示した誘電体マスクを適用することで、従来は不可能とされていたバンドギャップ波長と層厚の個別の制御に、ある程度の自由度を持たせることを可能としている。なお、この層厚及びＰＬ波長の絶対値は、ＩｎとＧａの比及びＡｓとＰの比で変更することが可能である。ＩｎとＧａの比が変化すると、上記効果の程度は変化するが、概して同様の効果を得ることができる。

本実施形態の製造方法によれば、例えば、選択成長により同時形成される２つの領域について、バンドギャップ波長差を持たせ、かつ、層厚をほぼ一定とする、といった、従来は不可能とされていた構造を実現することが可能である。よって、本実施形態の製造方法を変調器集積分布帰還型半導体レーザに適用すれば、最適な逆バイアス電圧で適切な消光比を得られるように変調器部において適切なＭＱＷバンドギャップ波長、アンドープ層厚及び適切な光閉じこめ率を得るための導波層構造を設定した場合に、ＤＦＢレーザ領域の層厚を最適設計の範囲内に収めることができる。また、本実施形態の製造方法を受動導波路集積型の半導体レーザに適用すれば、レーザ部で最適な層厚や光閉じ込め率、内部損失になるように設計した場合に、受動導波路の層厚を最適設計の範囲内に収めることができる。

以下、本実施形態の製造方法の一例として、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系選択成長に適用し、１．５５μｍ帯変調器集積型ＤＦＢレーザを作製した例について説明する。図３は、本実施例に用いる誘電体マスクを示す模式図、図４及び図５の（ａ）〜（ｈ）は、製造手順を説明するための図である。

図３を参照すると、誘電体マスクは、光変調領域（ＭＯＤ）およびレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）の両領域に亘って形成された一対の誘電体膜１２ａ、１２ｂと、光変調領域（ＭＯＤ）において、この一対の誘電体膜１２ａ、１２ｂを挟むようにその両側に配置された誘電体膜１４ａ、１４ｂとからなる。誘電体膜１２ａ、１２ｂは、平行に配置されたストライプ状のパターンであって、レーザ領域における幅Ｗ_mDFBは光変調領域における幅Ｗ_mMより広くなっている。誘電体膜１２ａ、１２ｂによって挟まれた選択成長部１１が、光導波層として用いられる領域である。選択成長部１１の幅は、光変調領域およびレーザ領域の両領域に亘って一定である。

誘電体膜１４ａ、１４ｂは、誘電体膜１２ａ、１２ｂと平行に配置されたストライプ状のパターンであって、その幅はともにＷ_mM2とされている。誘電体膜１２ａと誘電体膜１４ａとで挟まれた選択成長部１３ａおよび誘電体膜１２ｂと誘電体膜４ｂとで挟まれた選択成長部１３ｂは、いずれも光導波路として用いられることのない、ＩＩＩ族原料の濃度を制御するための領域である。選択成長部１３ａ、１３ｂの幅は、ともにＷ_sである。

誘電体膜１２ａ、１２ｂの、光変調領域とレーザ領域の境界部（接合部）付近の部分は、幅Ｗ_mDFBから幅Ｗ_mMとなるように幅が連続的に減少するテーパ形状になっている。誘電体膜１４ａ、１４ｂの、光変調領域とレーザ領域の境界部（接合部）付近の部分は幅が連続的に減少している。

次に、図４及び図５の（ａ）〜（ｈ）を参照して製造手順を具体的に説明する。

まず、半導体基板９９のレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）に、ウェットエッチングにより回折格子８８を形成する（図４（ａ）参照）。ＤＦＢレーザの発振波長を１．５５μｍとするため、ここでは、回折格子８８の周期（グレーティング周期）は２４０ｎｍとしている。

続いて、回折格子８８が形成された半導体基板９９上に、図３に示した誘電体マスクを形成する（図４（ｂ）参照）。この誘電体マスクは、ＳｉＯ₂膜をＣＶＤ法によって堆積し、パターニングすることにより作製する。選択成長部１１の幅は１．７μｍである。変調器領域のＰＬ波長を１．４９μｍとし、この波長になるように、誘電体膜１２ａ、１２ｂの幅Ｗ_s及びＷ_mM、誘電体膜１４ａ、１４ｂの幅Ｗ_mM2の値を設定する。具体的には、幅Ｗ_sは１０μｍ、幅Ｗ_mMは４μｍ、幅Ｗ_mM2は１０μｍである。誘電体膜１２ａ、１２ｂの幅Ｗ_mDFBは１０μｍである。

続いて、誘電体マスクを形成した半導体基板９９に対して、成長圧力９８．６ｋＰａ、成長温度６２５℃で、８層のＭＱＷ層（井戸は１．５μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ、障壁は１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ）を選択成長する。この選択成長後の結晶層構造（光導波路部の構造）は、図４（ｃ）に示すように、光ガイド層８１、レーザ活性層８３および光変調層８４、クラッド層８５が基板側から順次積層されたものとなる。

上記のようにして選択成長した後、ＳｉＯ₂膜を堆積し、選択成長部１１上にのみＳｉＯ₂膜１００が残るように残りの領域のＳｉＯ₂膜をエッチングで除去する（図４（ｄ）参照）。

その後、光導波路部の両側に層厚１．５μｍのFe-InP埋め込み電流ブロック層９０を成長する（図４（ｅ）参照）。図４（ｅ）には、光導波路部分を導波方向に垂直な方向に切断した場合の断面構造が示されている。電流ブロック層９０の形成後、ＳｉＯ₂膜１００をエッチングで除去し、厚さ２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層９２、厚さ０．３μｍのｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９１を成長圧力１０ｋＰａで成長する（図５の（ｆ）および（ｇ）参照）。図５（ｆ）は、光導波路部を導波方向に沿って切断した断面図、図５（ｇ）は、光導波路部を導波方向に垂直な方向に切断した断面図である。

コンタクト層９１の形成後、レーザ領域と変調器領域を電気的に分離するため、コンタクト層９１を一部除去し、そこにプロトン注入を行い、全面にＳｉＯ₂膜を成膜し、電流注入用窓を形成する。さらに、Ｃｒ／Ａｕ上部ｐ電極１０２およびＡｕＧｅＮｉ下部ｎ電極１０３をスパッタ法で成膜する（図５（ｈ）参照）。最後に、レーザ領域長が４５０μｍ、変調器領域長が２００μｍとなるようにへき開し、光出射側端面となるへき開面に低反射コーティングを施す。

以上の手順で１．５５μｍ帯変調器集積型ＤＦＢレーザを作製する。図６は、作製した変調器集積型ＤＦＢレーザの外観図である。光導波層１１０が、変調器領域およびレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）の両領域に亘って形成されており、レーザ領域における層厚は、変調器領域における層厚より少し厚くなっている。光導波層１１０は、変調器領域においては、最適な逆バイアス電圧で適切な消光比を得られるように、適切なＭＱＷバンドギャップ波長及びアンドープ層厚と適切な光閉じこめ率を得るための導波層構造とされており、レーザ領域における層厚は最適設計の範囲内とされている。

上述した製造方法における特徴は、図３に示した誘電体マスクを用いた選択成長による光導波層の形成にある。この選択成長によれば、変調器領域とレーザ領域のバンドギャップ波長差を最適化するとともに、変調器領域における層厚の変化を低く抑えることができる。

図３に示した誘電体マスクと図２０に示した従来の誘電体マスクについて、ウェハに対して成長圧力９８．６ｋＰａ、成長温度６２５℃で、８層のＭＱＷ層（井戸は１．５μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ、障壁は１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ）で選択成長した場合のＰＬ波長と層厚を調べた。図３に示した誘電体マスクを用いた場合は、変調器領域のＰＬ波長を約７５ｎｍ変化させた場合で、レーザ領域の層厚の変化を約１６％に抑えることができた。図２０に示した従来の誘電体マスクを用いた場合は、層厚の変化は約２４％であった。これらの結果を規格化波長差Δλと規格化層厚差Δｄの比Δｄ／Δλで表すと、それぞれおおよそ３．６、５．２となる。

変調器集積型ＤＦＢレーザを考えた場合、一般的にバンドギャップ波長変化に対して、層厚の変化は小さいことが望ましい。すなわち、Δｄ／Δλの値は、小さい方が望ましく、一般的には０に近いほどレーザ領域と光変調器領域の光閉じ込めの差による光学的反射が小さくなることから有利である。素子特性の最適化を考えた場合、Δｄ／Δλの値がおおむね５を下回ると、大幅な特性改善が見られることがこれまでの実験結果から得られている。

図７に、図３に示した誘電体マスクを用いた場合のΔｄ／Δλの値と図２０に示した従来の誘電体マスクを用いた場合のΔｄ／Δλの値を示す。縦軸は規格化層厚差Δｄで、横軸は規格化波長差Δλである。図７中、破線（大）が図３に示した誘電体マスクを用いた場合の例、一点鎖線が従来の誘電体マスクを用いた場合の例である。図３に示した誘電体マスクを用いた場合は、Δｄ／Δλの値が「５」を下回るため、特性改善を図ることが可能である。一方、従来の誘電体マスクを用いた場合は、Δｄ／Δλの値が「５」を大きく超えるため、本発明のような特性改善を見込むことはできない。

本実施形態の製造方法により作製した変調器集積型半導体レーザにおいては、閾値５ｍＡで発振し、変調器に１．５Ｖの逆バイアスをかけることで、光出力を−２１ｄＢ変化させることができ、最大光出力３０ｍＷという良好な特性を示した。従来の変調器集積型半導体レーザと比較して、閾値を−２ｍＡ分低減でき、最大光出力で１０ｍＷ程度の改善を達成することができ、素子特性が大幅に向上した。

（実施形態２）
Δｄ／Δλの値が「５」を下回るようにする方法として、図３に示した誘電体マスクを用いる方法以外に、ＩＩＩ族構成元素として、Ｉｎ、Ｇａ以外にＡｌを用いる方法がある。図８に、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層およびＩｎＧａＡｓＰ活性層のそれぞれについて、導波層のＭＱＷバンドギャップ波長と規格化層厚のマスク幅依存性を示す。縦軸は規格化層厚、横軸はＰＬ波長（ｎｍ）である。図８中、菱形の印でプロットしたものがＩｎＧａＡｌＡｓ活性層のもの、丸印でプロットしたものがＩｎＧａＡｓＰ活性層のものである。図８の例から、Ａｌを添加することによって、ＭＱＷバンドギャップの変化に対して、層厚の変化量が十分小さな値にとどまっていることがわかる。これは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層を用いる場合と比較して、Ａｌを添加したＩｎＧａＡｌＡｓ活性層を用いた場合は、Δｄ／Δλの値が小さくなることを意味している。ここでは、ＩＩＩ族構成元素として、Ｉｎ、Ｇａ以外にＡｌを用いる製造方法について説明する。

図９の（ａ）〜（ｈ）は、本発明の第２の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法を説明するための図である。この実施形態は、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ系選択成長に適用し、１．３μｍ帯変調器集積型ＤＦＢレーザを作製した例である。

まず、半導体基板９９のレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）に、ウェットエッチングにより回折格子８８を形成する（図９（ａ）参照）。ＤＦＢレーザの発振波長を１．３μｍとするため、ここでは、回折格子８８の周期（グレーティング周期）は２００ｎｍとしている。さらに、回折格子８８の段差を１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ成長で埋め、グレーティング層を完成する（図９（ｂ）参照）。ＩｎＧａＡｓＰ成長で埋めた層が、光ガイド層８１となる。

続いて、回折格子８８が形成された半導体基板９９上に、図２０に示した誘電体マスクを形成する（図９（ｃ）参照）。この誘電体マスクは、ＳｉＯ₂膜をＣＶＤ法によって堆積し、パターニングすることにより作製する。選択成長部の幅は１．５μｍである。変調器領域およびレーザ領域のＰＬ波長の目標値は、それぞれ１．２５μｍ、１．３２μｍである。ＩｎＧａＡｌＡｓ材料では、減圧ＭＯＶＰＥ法を用いる場合であっても、Ａｌ添加の効果で、マスク幅を大きく変化させなくてもバンドギャップ波長を変化させることができる。このことを考慮し、目標の波長を得られるように、変調器領域における誘電体膜の幅Ｗ_mMを６μｍ、レーザ領域における誘電体膜の幅Ｗ_mDFBを１３μｍとした。

続いて、誘電体マスクを形成した半導体基板９９に対して、成長圧力１０．０ｋＰａで８層のＭＱＷ層（井戸は圧縮歪ＩｎＡｌＧａＡｓ、障壁はＩｎＧａＡｌＡｓ）を選択成長により形成する。この選択成長後の結晶層構造（光導波路部の構造）は、図９（ｄ）に示すように、光ガイド層８１、レーザ活性層８３および光変調層８４、クラッド層８５が基板側から順次積層されたものとなる。

上記のようにして選択成長した後、ＳｉＯ₂膜を堆積し、選択成長部１１上にのみＳｉＯ₂膜１００が残るように残りの領域のＳｉＯ₂膜をエッチングで除去する（図９（ｅ）参照）。

その後、光導波路部の両側に層厚１．５μｍのFe-InP埋め込み電流ブロック層９０を成長する（図９（ｆ）参照）。図９（ｆ）には、光導波路部分を導波方向に垂直な方向に切断した場合の断面構造が示されている。電流ブロック層９０の形成後、ＳｉＯ₂膜１００をエッチングで除去し、厚さ２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層９２、厚さ０．３μｍのｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９１を成長圧力１０ｋＰａで成長する（図９の（ｇ）および（ｈ）参照）。図９（ｇ）は、光導波路部を導波方向に沿って切断した断面図、図９（ｈ）は、光導波路部を導波方向に垂直な方向に切断した断面図である。

コンタクト層９１の形成後、レーザ領域と変調器領域を電気的に分離するため、コンタクト層９１を一部除去し、そこにプロトン注入を行い、全面にＳｉＯ₂膜を成膜し、電流注入用窓を形成する。さらに、Ｃｒ／Ａｕ上部ｐ電極およびＡｕＧｅＮｉ下部ｎ電極をスパッタ法で成膜する。最後に、レーザ領域長が３００μｍ、変調器領域長が１５０μｍとなるようにへき開し、光出射側端面となるへき開面に低反射コーティングを施すことで、１．３μｍ帯変調器集積型ＤＦＢレーザが完成する。

上述した製造方法によれば、変調器領域のＰＬ波長を約７０ｎｍ変化させた場合の層厚の変化を約１９％程度に抑えることができる。これを規格化波長差Δλと規格化層厚差Δｄの比Δｄ／Δλで表すと、おおよそ３．６である。このように、Ａｌを含む導波層材料を用いることで、従来の誘電体マスクを用いた場合であっても、従来に比べて層厚の変化量をさらに小さくすることができる。よって、変調器領域とレーザ領域のバンドギャップ波長差を最適化するとともに、変調器領域における層厚の変化を低く抑えることができる。

図１０に、本実施形態によるＩｎＧａＡｌＡｓ系選択成長におけるΔｄ／Δλの値と従来のＩｎＧａＡｓＰ系選択成長におけるのΔｄ／Δλの値を示す。縦軸は規格化層厚差Δｄで、横軸は規格化波長差Δλである。図１０中、実線がＩｎＧａＡｌＡｓ系選択成長の例、一点鎖線が従来のＩｎＧａＡｓＰ系選択成長の例（図７と同じ）である。ＩｎＧａＡｌＡｓ系選択成長の場合は、Δｄ／Δλの値が「５」を下回るため、特性改善を図ることが可能である。一方、従来のＩｎＧａＡｓＰ系選択成長の場合は、Δｄ／Δλの値が「５」を大きく超えるため、本発明のような特性改善を見込むことはできない。

本実施形態の製造方法により作製した変調器集積型半導体レーザにおいては、閾値４ｍＡで発振し、変調器に２Ｖの逆バイアスをかけることで、光出力を−１８ｄＢ変化させることができ、良好な特性を示した。

（実施形態３）
図１１は、本発明の第３の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法において用いられる誘電体マスクを示す図である。この誘電体マスクは、受動導波路集積ＤＦＢレーザに適用されるものであり、受動導波路領域およびレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）の両領域に亘って形成された一対の誘電体膜１２ａ、１２ｂと、受動導波路領域において、この一対の誘電体膜１２ａ、１２ｂを挟むようにその両側に配置された誘電体膜１４ａ、１４ｂとからなる。レーザ領域における誘電体膜１２ａ、１２ｂのパターンは、基本的には図３に示したもの同じものである。受動導波路領域においては、誘電体膜１２ａ、１２ｂの間の選択領域１１が湾曲しており、この湾曲に合せて誘電体膜１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂのパターンも湾曲している。湾曲したパターンとしている以外は、基本的には図３に示したものと同様である。

本実施形態の製造方法では、上記のように構成された誘電体マスクを用いた選択成長により受動導波路領域およびレーザ領域の両領域に同時に光導波層を形成する。以下、本実施形態の製造方法の一例として、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系選択成長により作製される１．５５μｍ帯受動導波路集積ＤＦＢレーザの製造手順を説明する。

まず、半導体基板のレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）に、ウェットエッチングにより回折格子を形成する。ＤＦＢレーザの発振波長を１．５６μｍとするため、ここでは、回折格子の周期（グレーティング周期）は２３１．５ｎｍとしている。さらに、この回折格子の段差を１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ成長で埋め、グレーティング層を完成する。

続いて、回折格子が形成された半導体基板上に、図１１に示した誘電体マスクを形成する。この誘電体マスクは、ＳｉＯ₂膜をＣＶＤ法によって堆積し、パターニングすることにより作製する。選択成長部１１の幅は３．０μｍである。受動導波路領域のバンドギャップ波長を１．４０μｍ、レーザ領域のバンドギャップ波長を１．５７μｍと設定し、この設定波長になるように、誘電体膜１２ａ、１２ｂの幅Ｗ_s、Ｗ_mM、幅Ｗ_mDFBと誘電体膜１４ａ、１４ｂの幅Ｗ_mM2の値を設定する。具体的には、幅Ｗ_sは１５μｍ、幅Ｗ_mMは４μｍ、幅Ｗ_mDFBは２１μｍ、幅Ｗ_mM2は１０μｍである。

続いて、誘電体マスクを形成した半導体基板に対して、成長圧力９８．６ｋＰａ、成長温度６２５℃で、８層のＭＱＷ層（井戸は１．５μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ、障壁は１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ）を選択成長する。この選択成長により、受動導波路領域およびレーザ領域の両領域に同時に光導波路部（受動導波路およびレーザ活性層部）が形成される。

上記のようにして選択成長した後、ＳｉＯ₂膜を堆積し、選択成長部１１上にのみＳｉＯ₂膜が残るように残りの領域のＳｉＯ₂膜をエッチングで除去する。

その後、光導波路部の両側に層厚１．５μｍのＦｅ−ＩｎＰ埋め込み電流ブロック層を成長する。電流ブロック層形成後、ＳｉＯ₂膜をエッチングで除去し、厚さ２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層、厚さ０．３μｍのｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を成長圧力１０ｋＰａで成長する。

コンタクト層の形成後、レーザ領域と受動導波路領域を電気的に分離するため、コンタクト層を一部除去し、全面にＳｉＯ₂膜を成膜し、電流注入用窓を形成する。さらに、Ｃｒ／Ａｕ上部ｐ電極およびＡｕＧｅＮｉ下部ｎ電極をスパッタ法で成膜する。最後に、レーザ領域長が９００μｍとなるようにへき開し、光出射側端面となるへき開面に低反射コーティングを施す。

以上の手順で１．５５μｍ帯受動導波路集積ＤＦＢレーザを作製する。図１２は、作製した受動導波路集積ＤＦＢレーザの外観図である。光導波層１２０が、受動導波路領域およびレーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）の両領域に亘って連続的に形成されており、レーザ領域における層厚は、受動導波路領域における層厚より少し厚くなっている。光導波層１２０の受動導波路領域の部分は湾曲している。

上述した製造方法における特徴は、図１１に示した誘電体マスクを用いた選択成長による光導波層の形成にある。この選択成長によれば、レーザ部で最適なバンドギャップ波長および層厚や光閉じ込め率および内部損失を得られるように設計した場合でも、受動導波路領域における層厚の変化を低く抑えることができる。具体的には、図１１に示した誘電体マスクを形成したウェハに対して、成長圧力９８．６ｋＰａ、成長温度６２５℃で、３層のＭＱＷ層（井戸は１．５μｍ組成圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ、障壁は１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ）を選択成長した場合、受動導波路領域のＰＬ波長を約１７５ｎｍ変化させた場合の層厚の変化を約５４％に抑えることができた。これを、規格化波長差Δλと規格化層厚差Δｄの比Δｄ／Δλで表すと、おおよそ４．１であった。このように、図１１に示した誘電体マスクを用いる本実施形態の製造方法においては、Δｄ／Δλの値が「５」を下回るため、素子特性の改善を図ることが可能であるとともに、受動導波路領域においても十分な光閉じ込め効果を得られる。また、受動導波路領域において、導波路を曲げる場合にも、曲率半径をより小さくすることができ、その結果、素子サイズも小さくなる。本実施形態の製造方法により作製した受動導波路集積型半導体レーザは、閾値３０ｍＡで発振し、最高出力２５０ｍＷを得ることができた。また、導波路の曲率半径を８００μｍとしても、光損失を１ｄＢ以下にすることができた。

（実施形態４）
上述した第１および第２の実施形態を組み合わせることも可能である。具体的には、第２の実施形態の製造手順において、誘電体マスクとして図３に示した誘電体マスクを用いる。こうすることで、さらなる素子特性の改善を図ることができる。

図１３に、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｌＡｓ導波層のＭＱＷバンドギャップと規格化層厚のマスク幅依存性を示す。縦軸は層厚（ｎｍ）で、横軸はＰＬ波長（ｎｍ）である。図１３中、菱形印でプロットしたものが、図１７に示した誘電体マスクを用いた場合のマスク幅依存性、三角の印でプロットしたものが、図１に示した誘電体マスクを用いた場合のマスク幅依存性である。これから分かるように、連続的に接合される２つの領域の一方に図１に示した誘電体マスクを、他方に図１７に示した誘電体マスクを用いるとともに、Ａｌを添加した導波層材料を用いることで、両領域の間でＭＱＷバンドギャップ波長を３４ｎｍ程度変化させても、層厚が変化しない、という製造条件を実現することが可能となる。よって、第２の実施形態のものよりも、バンドギャップ波長と層厚の個別制御の自由度がより高くなる。

以下、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ系選択成長により作製される１．３μｍ帯変調器集積型ＤＦＢレーザを例に、本実施形態の製造方法を具体的に説明する。製造手順については、図３に示した誘電体マスクを使用する以外は、第２の実施形態で説明した手順と同じであるので、ここでは、誘電体マスクのパターン幅の設定値と、それにより得られるΔｄ／Δλの値について簡単に説明する。

変調器領域のＰＬ波長を１．４９μｍとして、この波長となるように誘電体膜１２ａ、１２ｂの幅Ｗ_s、Ｗ_mM、幅Ｗ_mDFBと誘電体膜１４ａ、１４ｂの幅Ｗ_mM2の値を設定する。具体的には、幅Ｗ_sは３０μｍ、幅Ｗ_mMは４μｍ、幅Ｗ_mDFBは１３μｍ、幅Ｗ_mM2は２０μｍである。また、選択成長部１１の幅は１．５μｍである。この誘電体マスクについて、ウェハに対して成長圧力１０．０ｋＰａで８層のＭＱＷ層（井戸は圧縮歪ＩｎＡｌＧａＡｓ、障壁はＩｎＧａＡｌＡｓ）を選択成長により形成する。この場合、変調器領域のＰＬ波長を約７０ｎｍ変化させた場合の層厚の変化を約１２％程度に抑えることができた。これを規格化波長差Δλと規格化層厚差Δｄの比Δｄ／Δλで表すと、おおよそ２．２である。このように、Ａｌを含む導波層材料を用い、かつ、図３に示した誘電体マスクを用いることで、層厚の変化量をさらに小さくすることができる。よって、変調器領域とレーザ領域のバンドギャップ波長差を最適化するとともに、変調器領域における層厚の変化を低く抑えることができる。本実施形態の製造方法により作製した変調器集積型半導体レーザは、閾値４ｍＡで発振し、変調器に逆バイアスをかけることで、光出力を−２０ｄＢ変化させることができ、良好な特性を示した。また、最大光出力も５ｍＷ程度高くなった。

（実施形態５）
第１乃至第４の実施形態の説明では、ウェハ上に１つのレーザ素子を形成するようになっているが、同一ウェハ上に複数のレーザ素子を形成することも可能である。

以下、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ系選択成長により作製される１．３μｍ帯受動導波路集積ＤＦＢレーザを例に、第４の実施形態の製造方法で、同一ウェハ上に複数のレーザ素子を形成する場合の手順を簡単に説明する。

まず、半導体基板上の各レーザ領域（ＤＦＢ−ＬＤ）に、ウェットエッチングにより回折格子を形成する。ここでは、第１乃至第３のレーザ素子を作るものとする。第１、第２、第３のレーザ素子の発振波長は、それぞれ１．２８μｍ、１．３μｍ、１．３２μｍとする。これに対応し、グレーティング周期を、１９７ｎｍ、２００ｎｍ、２０３ｎｍと設定し、各レーザ領域にウェットエッチングで回折格子を形成する。その後、回折格子の段差を１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ成長で生めてグレーティング層を完成する。

続いて、グレーティング層上の、各レーザ素子の変調器領域に図３に示した誘電体マスクを形成する。この誘電体マスクは、ＳｉＯ₂膜をＣＶＤ法によって堆積し、パターニングすることにより作製する。第１、第２、第３のレーザ素子の変調器領域のＰＬ波長（目標値）は、それぞれ１．２３μｍ、１．２５μｍ、１．２７μｍとする。また、第１、第２、第３のレーザ素子のレーザ領域のＰＬ波長（目標値）は、それぞれ１．３０μｍ、１．３２μｍ、１．３４μｍとする。この設定波長になるように、誘電体膜１２ａ、１２ｂの幅Ｗ_s、Ｗ_mM、幅Ｗ_mDFBと誘電体膜１４ａ、１４ｂの幅Ｗ_mM2の値を設定する。具体的には、第１のレーザ素子においては、幅Ｗ_sは３０μｍ、幅Ｗ_mMは４μｍ、幅Ｗ_mM2は２０μｍ、幅Ｗ_mDFBは１２．８μｍとし、第２のレーザ素子においては、幅Ｗ_sは２０μｍ、幅Ｗ_mMは４μｍ、幅Ｗ_mM2は２０μｍ、幅Ｗ_mDFBは１５μｍとし、第３のレーザ素子においては、幅Ｗ_sは１４μｍ、幅Ｗ_mMは４μｍ、幅Ｗ_mM2は２０μｍ、幅Ｗ_mDFBは１７．５μｍとする。

続いて、誘電体マスクを形成した半導体基板に対して、成長圧力９８．６ｋＰａで、８層のＭＱＷ層（井戸は圧縮歪ＩｎＡｌＧａＡｓ、障壁はＩｎＧａＡｌＡｓ）を選択成長する。この選択成長により、第１乃至第３のレーザ素子のそれぞれにおいて、変調器領域およびレーザ領域の両領域に同時に光導波路部（変調層およびレーザ活性層部）が形成される。

上記のようにして選択成長した後、ＳｉＯ₂膜を堆積し、選択成長部１１上にのみＳｉＯ₂膜が残るように残りの領域のＳｉＯ₂膜をエッチングで除去する。

その後、光導波路部の両側に層厚１．５μｍのＦｅ−ＩｎＰ埋め込み電流ブロック層を成長する。電流ブロック層形成後、ＳｉＯ₂膜をエッチングで除去し、厚さ２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層、厚さ０．３μｍのｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を成長圧力１０ｋＰａで成長する。

コンタクト層の形成後、レーザ領域と受動導波路領域を電気的に分離するため、コンタクト層を一部除去し、全面にＳｉＯ₂膜を成膜し、電流注入用窓を形成する。さらに、Ｃｒ／Ａｕ上部ｐ電極およびＡｕＧｅＮｉ下部ｎ電極をスパッタ法で成膜する。最後に、第１乃至第３のレーザ素子のそれぞれについて、レーザ領域長が３００μｍ、変調器領域長が１５０μｍとなるようにへき開し、光出射側端面となるへき開面に低反射コーティングを施す。

上述した製造方法によれば、第１乃至第３のレーザ素子のそれぞれにおいて、変調器領域のＰＬ波長を約７０ｎｍ変化させた場合の層厚の変化を約１０〜１３％程度に抑えることができる。これを規格化波長差Δλと規格化層厚差Δｄの比Δｄ／Δλで表すと、おおよそ１．８〜２．３である。よって、本実施形態においても、素子特性の改善を図ることができる。

以上説明した各実施形態の製造方法を用いることで、従来の選択成長技術では作製が不可能とされていた、Δｄ／Δλの値が「５」を下回るようなデバイス、具体的には、ΔｄおよびΔλの値が図１４に示す特性図の斜線で示した領域Ａ、Ｂ内に収まるようなデバイスを実現することができ、これにより素子特性の改善を図ることができる。

ここで、ΔｄおよびΔλの値が領域Ａ、Ｂ内に収まる条件について簡単に説明する。選択成長により形成される少なくとも２つの光導波層、すなわち、バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層において、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２（ただし、ｄ２≧ｄ１）、バンドギャップ波長をλ２とするとき、規格化バンドギャップ波長差Δλと規格化層厚差Δｄの比Δｄ／Δλが、「０≦Δλ／Δｄ＜５」の条件を満たす場合、ΔｄおよびΔλの値が領域Ａ内に収まる。また、「ｄ２≧ｄ１、λ１＜λ２」の条件を満たす場合、ΔｄおよびΔλの値が領域Ｂ内に収まる。よって、これらの条件のいずれかを満たせば、素子特性の改善を図ることができる。

また、各実施形態の製造方法を用いることで、「５０ｎｍ≦λ２−λ１≦８０ｎｍ」、「０．８≦ｄ１／ｄ２≦１」という条件を満たす、従来は作製不可能とされていたデバイス構造を実現することができる。変調器集積型分布帰還型半導体レーザを考えた場合、「λ２−λ１」が「５０ｎｍ」より小さくなる場合は、変調器を無バイアスにしたときのロスが大きく、光出力が減少することになる。反対に、「λ２−λ１」が「８０ｎｍ」を超えると、十分な消光を得ることができない。実験的には、「０．８≦ｄ１／ｄ２≦１」の条件を満たすことで、変調器の層厚とレーザ領域の層厚との差に起因するさまざまな特性劣化が見え難くなる。よって、素子特性の改善を図ることができる。

さらに、実施形態１もしくは４の製造方法を用いることで、λ２−λ１＜５０ｎｍであってもｄ２≧ｄ１を満たす、従来は作製不可能とされていた変調器集積型分布帰還型半導体レーザを実現できる。このときレーザを高出力化し変調器を無バイアス化した際のロスを無視できる場合、レーザ部の井戸層厚が薄く大きな歪を導入した井戸層が実現できることから、微分利得が大きく線幅増大係数の小さいレーザ部を実現できる。これにより反射戻り光耐性の大きい変調器集積型分布帰還型半導体レーザを実現することもできる。

以上、各実施形態で説明した製造手順および誘電体マスクの構成は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、誘電体マスクとして、光導波層の成長領域を規定する一対の誘電体膜の外側に設けられる誘電体膜の数が複数であってもよい。

図１５は、一対の誘電体膜の外側に複数の誘電体膜を有する誘電体マスクを示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａの断面図である。幅Ｗ_m1の一対の誘電体膜２ａ、２ｂと、この一対の誘電体膜２ａ、２ｂを挟むようにその両側に配置された、幅Ｗ_m2の複数の誘電体膜４ａ、４ｂとを有する。これら誘電体膜２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂはストライプ状のパターンであって、ほぼ平行に配置されている。誘電体膜２ａ、２ｂの間の選択成長部１が、光導波層が形成される領域である。各誘電体膜４ａ間の選択成長部３ａおよび各誘電体膜４ｂ間の選択成長部３ｂは、いずれも光導波路として用いられることのない、ＩＩＩ族原料の濃度を制御するための領域である。選択成長部３ａ、３ｂの幅は、選択成長による結晶成長時の原料種（ＩＩＩ族原料）の最短拡散長より短い。このような選択成長部３ａ、３ｂを複数用意することによって、バンドギャップ波長および層厚の個別制御の自由度をより高くすることが可能となる。

また、本発明の製造方法では、ＭＯＶＰＥ成長時に異なる拡散長を持つＩＩＩ族原料の組み合わせで効果が認められると考えられるので、選択成長により形成される光導波層はＩｎ、Ｇａ、ＡｌのＩＩＩ族原料以外の材料を含むものとしてもよい。望ましくは、光導波層は、導波層材料がＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、ＩＩＩ族原子として少なくともＩｎ、Ｇａ、Ａｌの３つを含み、かつ、ＩＩＩ族原子に占める平均のＡｌ原子組成が１０％以上、５０％以下である。Ａｌ原子組成が１０％以上であれば、バンドギャップ波長および層厚の個別制御の自由度が従来に比べて高くなる、という効果がより顕著なものとなり、デバイスに適用する上で十分な効果（特性改善）を期待できる。Ａｌ原子組成が５０％を超えた場合は、ＩｎＰに対して必ず伸長歪となり、デバイスへの適用が困難となる。Ａｌ原子組成が大きいほど、より大きな効果を得られることから、この観点からすれば、Ａｌ原子組成の上限は特に限定されるものではない。

さらに、図１、３及び１５に示した誘電体マスクを用いる製造方法においては、Ｉｎ，ＧａのＩＩＩ族原料以外を含むものであっても有効である。例えば、本発明の製造方法は、ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｌＡｓＰ／ＩｎＰ系においても有効である。また、本発明の製造方法は、変調器集積型ＤＦＢレーザをはじめとして、選択成長で作製する大部分の集積型半導体光デバイスの特性を改善することができる。

また、本発明では、選択成長部の幅が０．５μｍ〜５０μｍ程度の範囲において、上述した作用効果が顕著となる。特に、選択成長部の幅が０．５μｍ〜４．０μｍの範囲においては、半導体エッチングをすることなく導波路形成ができる。これにより、集積型光デバイスの作製がさらに容易になる。また、この場合は、導波路作製工程において、エッチング中や、その後のプロセスで、活性層材料が大気中に暴露されることがないため、酸化等により特性変化し易い元素（例えばＡｌ系材料）で活性層を形成する場合に極めて有望である。

本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法において用いられる誘電体マスクの一部を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。 本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法において用いられる誘電体マスクを用いた場合のバンドギャップ波長と層厚の関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法において用いられる誘電体マスクの一例を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法を説明するための図である。 （ｆ）〜（ｈ）は、本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法により作製された変調器集積型ＤＦＢレーザの光導波層の斜視図である。 本発明の第１の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法を適用した場合の規格化層厚差Δｄと規格化波長差Δλの関係を示す特性図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層とＩｎＧａＡｓＰ活性層におけるＭＱＷバンドギャップ波長と規格化層厚のマスク幅依存性を示す特性図である。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の第２の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法を適用した場合の規格化層厚差Δｄと規格化波長差Δλの関係を示す特性図である。 本発明の第３の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法において用いられる誘電体マスクを示す図である。 本発明の第２の実施形態である集積型半導体光デバイスの製造方法により作製された変調器集積型ＤＦＢレーザの光導波層の斜視図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓ導波層のＭＱＷバンドギャップと規格化層厚のマスク幅依存性を示す特性図である。 素子特性の改善が可能なΔｄおよびΔλの値の範囲を示す特性図である。 本発明の集積型半導体光デバイスの製造方法に適用可能な他の誘電体マスクを示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａの断面図である。 素子特性の改善が可能なΔｄおよびΔλの値の範囲と従来の選択成長技術で得られるΔｄ／Δλの値を示す特性図である。 従来の選択成長技術で用いられるストライプ状誘電体膜（誘電体マスク）の一例を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。 従来のＢＪ成長を利用して作製された変調器集積ＤＦＢレーザの光導波層の断面図である。 従来の選択成長を利用して作製された変調器集積ＤＦＢレーザの光導波層の断面図である。 従来の選択成長で使用される誘電体マスクを示す図である。 従来の選択成長技術を適用した場合の規格化層厚差Δｄと規格化波長差Δλの関係を示す特性図である。

符号の説明

１、３ａ、３ｂ、１１、１３ａ、１３ｂ、 選択成長部
２、２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ 誘電体膜
８１ 光ガイド層
８２ エッチングストッパ層
８３ レーザ活性層
８４ 光変調層
８５ クラッド層
８７ 電極
８８ 回折格子
９０ 電流ブロック層
９１ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９２ ｐ−ＩｎＰクラッド層
９９ 半導体基板
１００ ＳｉＯ₂膜
１０２ ｐ電極
１０３ ｎ電極
１１０、１２０ 光導波層

Claims (11)

1. バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有し、
   前記２つの光導波層は、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２（ただし、ｄ２≧ｄ１）、バンドギャップ波長をλ２とするとき、
   Δλ＝（λ１−λ２）／λ２
   で与えられる規格化バンドギャップ波長差Δλと、
   Δｄ＝（ｄ１−ｄ２）／ｄ２
   で与えられる規格化層厚差Δｄとの比Δｄ／Δλが、
   ０≦Δｄ／Δλ＜５
   の条件を満たすように構成されていることを特徴とする集積型半導体光デバイス。
2. バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有し、
   前記２つの光導波層は、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２、バンドギャップ波長をλ２とするとき、ｄ２≧ｄ１、かつ、λ１＜λ２の条件を満たすように構成されていることを特徴とする集積型半導体光デバイス。
3. バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有し、
   前記２つの光導波層は、一方の光導波層の層厚をｄ１、バンドギャップ波長をλ１とし、他方の光導波層の層厚をｄ２、バンドギャップ波長をλ２とするとき、５０ｎｍ≦λ２−λ１≦８０ｎｍ、かつ、０．８≦ｄ１／ｄ２≦１の条件を満たすように構成されていることを特徴とする集積型半導体光デバイス。
4. 前記他方の光導波層により分布帰還型半導体レーザが構成され、前記一方の光導波層により、前記分布帰還型半導体レーザから発振したレーザ光を光変調する光変調器が構成される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集積型半導体光デバイス。
5. 前記一方の光導波層が光導波領域、前記他方の光導波層が光活性領域である、請求項１に記載の集積型半導体光デバイス。
6. 前記２つの光導波層は、導波層材料がＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、ＩＩＩ族原子として少なくともＩｎ、Ｇａ、Ａｌの３つを含み、かつ、ＩＩＩ族原子に占める平均のＡｌ原子組成が１０％以上、５０％以下である、請求項１から５のいずれか１項に記載の集積型半導体光デバイス。
7. バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有する集積型半導体光デバイスの製造方法において、
   前記２つの光導波層の一方が形成される第１の領域と他方が形成される第２の領域に跨って誘電体マスクを形成する第１の工程と、
   前記誘電体マスクを用いて選択成長により前記２つの光導波層を同時に形成する第２の工程とを含み、
   前記第１の工程は、前記第１の領域におけるパターン幅が前記第２の領域におけるパターン幅より狭い、該第１および第２の領域を規定する一対の第１の誘電体膜と、前記第１の領域において、前記第１の誘電体膜の両側に設けられ、隣接する誘電体膜との間隔が前記選択成長による結晶成長時の原料種の最短拡散長より短い複数の第２の誘電体膜とからなるパターンを、前記誘電体マスクとして形成する工程を含むことを特徴とする集積型半導体光デバイスの製造方法。
8. 前記一対の第１の誘電体膜の間隔が０．５μｍ以上、５０．０μｍ以下である、請求項７に記載の集積型半導体光デバイスの製造方法。
9. 前記原料種が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、ＩＩＩ族原子として少なくともＩｎ、Ｇａ、Ａｌを含み、かつ、ＩＩＩ族原子に占める平均のＡｌ原子組成が１０％以上、５０％以下である、請求項７または８に記載の集積型半導体光デバイスの製造方法。
10. バンドギャップ波長が導波方向に連続的に変化する領域を介して接合された少なくとも２つの光導波層を有する集積型半導体光デバイスの製造方法において、
    前記２つの光導波層の形成領域を規定する誘電体マスクを形成する第１の工程と、
    前記誘電体マスクを用いて選択成長により前記２つの光導波層を同時に形成する第２の工程とを含み、
    前記選択成長による結晶成長時の原料種として、少なくともＩｎ、Ｇａ、Ａｌを含むことを特徴とする、集積型半導体光デバイスの製造方法。
11. 前記原料種がＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、ＩＩＩ族原子に占める平均のＡｌ原子組成が１０％以上、５０％以下である、請求項１０に記載の集積型半導体光デバイスの製造方法。
    
    

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