JP2009004488A - 光集積素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リッジ構造型の光集積素子において、突合せ(BJ)接続成長時のInPのマストランスポート現象により、BJ接続部に窪みができ結晶欠陥が発生しやすくなったり、メサエッチング時にBJ部の断絶が起こったりして、素子信頼性の低下や、素子作製歩留まりの低下を引き起こしていた。
【解決手段】本発明によれば、突合せ接続部上にInGaAsPからなる保護層を設ける。本層は、InPクラッド層に対してエッチング選択性が高いので、メサエッチング後もBJ接続上に残存する。
【選択図】図４

Description

本発明は、リッジ構造型光集積素子、及びその製造方法に関するものである。

近年のインターネット人口の爆発的増大により、情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。光通信で用いられる光源には、より高速な伝送特性が求められている。特に長距離の光通信においては、半導体レーザを直接変調することのみでは対応できないため、半導体レーザの前方に変調器を集積した変調器集積型光源が用いられている。

また、波長多重通信などに対応するため、波長を瞬時に切り替えられる波長可変光源のような付加価値の高い光源も急速に求められている。このような光集積素子においては、光を発生する活性層（レーザ部）の他に、変調器部や波長調整部といった異種多層構造領域が同一基板上に一括形成されている。このような所謂光集積素子の作製方法の一つとして、最初に成長した多層構造領域上にマスクを形成し、不要部分をエッチングにより除去し、異なる多層領域を再成長するプロセスが用いられる。光集積素子において、異種多層構造領域は良好な光結合を実現するために光軸を揃えて形成されている。そのため、本再成長接続プロセスは突合せ (バットジョイント:BJ)接続と一般的に呼ばれる。

光素子の構造には、大きく分けてリッジ構造型と埋込(BH:Buried-hetero)構造型の２種類があり、それぞれに一長一短がある。リッジ構造は、活性層上部のクラッド層をエッチングして数μｍのメサ構造を形成する際に、活性層直上までしかエッチングしない。そのため、光を発生するために最も重要な活性層部分に損傷を与える事が無い。一方、注入したキャリアが活性層上で広がってしまい、レーザ発振に寄与しない無効電流が増えてしまうという欠点がある。片や、BH構造は、メサ形成時に活性層下までエッチングを行い、メサ両脇を半導体で再度埋め込む。活性層は上下左右とも半導体層で完全に閉じ込められる為、キャリアが効率良く活性層に注入され、発振しきい値電流をリッジ構造に対して低減できる。一方、メサエッチング時に活性層に損傷を与える可能性があり、特に酸化しやすいAlを含むInGaAlAs系活性層を含む素子等では、埋め込み成長時の表面処理に特別な工夫が必要な場合がある。レーザ素子としてどちらの構造が好ましいかは、その用途に依存する。そのうち、本発明はリッジ構造型の光集積素子を対象としたものである。

ここでは、リッジ構造型変調器集積化光源を例にとり、従来の技術を説明する。図１(a)は素子の鳥瞰図である。101はn-InP基板、102がレーザ部の多重量子井戸 (MQW:Multiple-quantum-well)１層、103が導波路 (WG: Wave-guide)層、104が変調器部のMQW２層、105がp+-InGaAsコンタクト層、106がp-InPクラッド層である。レーザ部には回折格子107が形成されている。尚、本図では、簡易化のために窓部や電極部は省略した。

レーザ部や変調器部、導波路部には、InGaAsPやInGaAlAsといった半導体材料が一般的に用いられる。(b)はメサA-A’部の断面図である。レーザ部には回折格子が形成され、BJ接続されたMQW層やWG層上全面に、p-InPクラッド層106、及びp+-InGaAsコンタクト層105が形成されている。(c)はメサ脇B-B’部の断面図である。メサエッチングは、InPとのエッチング選択性の高いMQW層102と104、及びWG層103上で停止させる。既に述べたように、リッジ構造型では、素子性能を高める為に無効電流成分を低減する事が重要である。そのため、このようにMQW層直上でメサエッチングを停止させることにより注入キャリアの広がりを極力抑制し、より低しきい値電流でのレーザー発振を図っている。以上の素子の最終形態は、本素子のメサ脇の部分ではBJ接続部が剥き出しになっている。

図２に、図１の素子の作製フローを示す。最初に、工程(a)として、n-InP基板201上に、レーザ部MQW1層203を成長する。このとき、表面保護の為、p-InPキャップ層202を形成しておく場合が殆どである。次に、工程(b)として、ウエハの所望の場所にBJマスク204を形成する。マスクの材質としては、一般的にSiO₂、SiNなどの絶縁体材料が用いられる。次に工程(c)として、204をエッチングマスクとして、p-InPキャップ層202とMQW１層203を除去する。

次に、工程(d)として、変調器部のMQW２層206とp-InPキャップ層205を再成長する。これにより、MQW１層とMQW２層は一時的にBJ接続される。次に、工程(e)として、先のマスク204を除去した後、レーザ部と変調器部の所望の場所にBJマスク207を形成する。次に工程(f)として、エッチングによりp-InPキャップ層202, 205とMQW１層とMQW２層を除去する。さらに、工程(g)として、WG層209、及びp-InPキャップ層208をBJ再成長し、レーザ部、導波路部、変調器部が光学的に接続される。工程(g)では、レーザ部、変調器部に対して、２箇所同時にBJ接続する。既に述べたように、工程(d)の時点でレーザ部と変調器部は光学的に接続されているが、MQW２層を再成長した際の選択成長効果により、マスク近傍にバンドギャップの小さい遷移領域ができ、光の吸収損失が生じる。この遷移領域を除去する為にWG層を導入しており、素子の高性能化の点で重要である。

次に、工程(h)として、先のマスク207を除去し、レーザ部に回折格子を形成した後、素子全面に、p-InPクラッド層211とp+-InGaAsコンタクト層210を成長する。続いて工程(i)として、ストライプ上のメサマスク212を形成する。最後に工程(j)として、p+-InGaAsコンタクト層210、p-InPクラッド層211の順にエッチングで除去してメサを形成する。p-InPクラッド層211のエッチングは、Asを含む半導体材料で形成されているMQW１層、MQW２層及び、WG層で停止する。その結果、素子の最終形態として、p-InPクラッド層が除去された部分では、BJ接続部表面が剥き出しとなる。その後は、通常の素子作製方法を用いてパッシベーション膜形成、ポリイミドによる平坦化、電極形成等を施し、素子として完成する。

特開2002-243964号公報 特開2004-349422号公報 特開2002-329921号公報

次に、BJ接続を用いて作製するリッジ構造型光集積素子作製時の課題を述べる。詳細を図３に示した。ここで、301はInP基板、302はWG層、303はInPキャップ層、304は絶縁体マスク、305はInPキャップ層、306はMQW層である。

第一の課題は、BJ接続部の窪みによる結晶欠陥の発生である。BJ再成長は、通常の平坦基板上への成長とは異なり、先に成長したMQW側壁部への特殊な成長であるため、特に接続部近傍を平滑に接続するためには工夫が必要である。特許文献１（特開2002-243964）に記載の発明では、BJ成長前に、マスク下の部分に適度なサイドエッチングを施すことにより、マスク上からの選択成長効果を抑制し、平滑な接続が得られると記載されている。

このようなサイドエッチング後、MQW部は、マスクの奥に引っ込んだ形となる。実際の結晶成長は550-700℃位の基板温度で実施されるが、本成長のために基板温度を昇温させる際、マスク直下のInPキャップ層305が、In原子のマストランスポートにより下側に垂れることがある。その結果、BJ成長後に、図３(a-1)のＡ部のような形状となってしまう。このような素子を図２のフローに従って作製した場合、図２(j)のメサエッチング工程後、図３(a-2)に示したように、InP除去後にＡ部に窪みが発生してしまう。窪み部分は結晶接続が不十分で結晶欠陥が容易に発生しやすい。窪みが発生する部分は、クラッド層を除去しており、実際に素子として動作する部分ではない。しかしながら、メサ部から注入された電流は数μｍの距離は広がるため、結局p-InPクラッド層の無いメサ脇の部分にも流れ、Ａ部に到達する可能性が高い。そこに種となる結晶欠陥があると、それが急速に増殖してしまい、長時間の通電後には結晶欠陥がメサ部の素子領域にまで到達し、素子特性の劣化を引き起こす。

第二の課題は、BJ部におけるメサエッチング後のBJ部の断絶である。先に課題一のところで述べた基板温度昇温中には、InPキャップ層の垂れ下がりに加え、下地のInPが這い上がるという現象も起こることがある。このような問題は、特許文献２（特開2004-349422）でも指摘されている。本現象も、同様にIn原子のマストランスポートによるものである。上下のInPからIn原子のマストランスポートが生じる結果、BJ成長後には、図3(b-1)のＢ部に示したようにBJ接続間にInPが挟まった構造となってしまう。このような素子を図２のフローに従って作製した場合、図２(j)のメサエッチング工程後、図３(b-2)に示したように、Ｂ部のInP部分がエッチングされ、BJ部が断絶してしまう。エッチングは横方向にも進行するため、メサ脇からメサ下部にまで容易に到達する。本素子は正常に動作しないので、素子作製歩留まりを大幅に低下させてしまう。
本発明は、以上に述べたBJ接続部に起因したリッジ構造型光集積素子作製に特有の課題を解決しようとするものである。

上記課題を解決する為に、我々は、次の素子構造を考案した。具体的には、半導体基板上に形成され、少なくとも1箇所以上の第１の光導波路と第２の光導波路との二つの光導波路を突合せ接続方式により集積させた光導波路領域と、これらの上下に位置して光を閉じ込めるクラッド層とを有し、前記光導波路領域と上側クラッド層との間に位置し、第１の光導波路と第２の光導波路との突合せ接続部を跨ぐように第1の保護半導体多層膜が形成されているリッジ導波路型光集積素子において、メサ構造を形成するために前記上側クラッド層が除去された領域において、前記第1の保護半導体多層膜が、前記突合せ接続部の一部、又は全部を被覆していることを特徴とするリッジ導波路型光集積素子である。本素子を作製するため、次の製造方法を発明した。

具体的には、半導体基板上に第１の光導波路用半導体層を形成する工程と、前記第１の光導波路用半導体層上に形成された第１のエッチングマスクを用いて、前記第１の光導波路用半導体層をエッチングにより除去し第１の半導体光素子形成予定領域をパターンニングする工程と、エッチングにより前記第１の光導波路用半導体層が除去された前記半導体基板上の領域に、第２の光導波路用半導体層を結晶成長させ、前記第１および第２の光導波路用半導体層とをBJ接続方式により集積する工程とを少なくとも１回以上、尚且つ、少なくとも１箇所以上有し、前記突合せ接続方式により形成された前記第１の光導波路用半導体層と前記第２の光導波路用半導体層との突合せ接続部を露出させるように形成され前記第１のエッチングマスクの端部より内側に端部を有する第１の保護膜形成用マスクを形成する工程と、前記第１の保護膜形成用マスクを用いて、前記半導体基板上に選択的に第１の保護半導体多層膜を結晶成長する工程と、前記第１の保護膜形成用マスクを除去した後に上部クラッド層およびコンタクト層を含む第１の半導体多層膜を結晶成長する工程と、前記第１の半導体多層膜上に形成したメサマスクを用いて、前記第１の半導体多層膜の領域を前記第１および第２の光導波路用半導体層、及び第１の保護半導体多層膜の所望の表面領域が露出するまでエッチングにより除去することによって、前記第１乃至第２の光導波路用半導体層、及び第１の保護半導体多層膜上にメサ構造を形成する工程とを有することを特徴とするリッジ構造型光集積素子の製造方法である。

図４に、本発明を適用したリッジ構造型変調器集積化光源を示す。図４(a)は素子の鳥瞰図である。401はn-InP基板、402がレーザ部のMQW１層、403は上記第１の保護半導体多層に相当するBJ保護層、404が光変調器部のMQW２層、405がInGaAsコンタクト層、406がp-InPクラッド層、407がWG層である。レーザ部には回折格子408が形成されている。尚、本図では、簡易化のために窓部や電極部は省略した。図からわかるように、レーザ部、変調器部の主要部を除き、BJ接続部を含む素子の全面がBJ保護層403により被覆されている。

尚、本図でも、簡易化のために窓部や電極部は省略した。(b)はメサA-A’部の断面図、(c)はメサ脇B-B’部の断面図である。BJ保護層403が、BJ接続部を越えてレーザ、及び光変調器領域の一部まで形成されている様子が判る。BJ保護層は、InPに対してエッチング選択性のあるInGaAsP系材料が最も好ましく、そのため、MQW１層402とMQW２層404、及びBJ保護層403上でメサエッチングを停止させることができる。本素子の最終形態においては、BJ接続部は、BJ保護層403により被覆されており、従来素子のように剥き出しにならない。BJ保護層403は、膜厚が数ｎｍ〜数10ｎｍで十分である。先に述べたように、BJ保護層として用いる材料はWG層と同じInGaAsP系材料であるため、WG層を光が伝播する際に損失を与えることは無い。WG層には電流を流さないので、導波路層上に積層したことによる特性上の影響も殆ど無い。

特許文献３（特開2002-329921）においては、BJ接続部の段差における光の揺らぎを低減する為に、素子全面に段差低減層を形成する発明が開示されている。素子構造はBH型である。この場合、素子領域であるMQW領域上にも余分な層が挿入される形になるため、素子の最適設計が阻害されることや無効電流の拡がりを促進してしまうことで素子特性の劣化が懸念される。一方、本発明では、レーザ、及び光変調器領域の主要部はBJ保護層で覆わないようにしているため、レーザ部、変調器部のMQW層の構造は最適設計した通りに保たれ、且つ無効電流成分を増大させることもない。以上により、本発明の製造方法を用いることにより、信頼性の高い素子を高歩留まりで作製できる。

図５に、図４の素子の作製フローを示す。工程(a)-(g)までは図２と共通のため省略し、その後の工程を(h’)-(l’)として記述する。工程(a)-(g)の後、例えば工程(h’)のマスク502の形状を、図５(h’)の通りとする。最も単純なマスク形成法の一例は、工程(j)の後、マスクを一旦除去し、再度形成すれば良い。他には、工程(j)で形成したマスクを再利用する方法も考えられる。ここで、503はInPキャップ層、504は導波路層、505は、変調器部の多重量子井戸層である。次に、工程(i’)として、InPキャップ層503を除去した後に、BJ保護層507、及びInPキャップ層506を形成する。InPキャップ層503の除去方法は、通常のウエットエッチングや、結晶成長炉体内で、BJ保護層成長直前にハロゲン系のガスを照射するIn-situ エッチングでも良い。In-situエッチングの場合、真空炉内での工程なので、再成長表面の汚染をより少なくできる。次に工程(j’)として、レーザ部に回折格子を形成した後、素子全面に、p-InPクラッド層509とp+-InGaAsコンタクト層508を成長する。続いて工程(k’)として、ストライプ上のメサマスク510を形成する。最後に工程(l’)として、p+-InGaAsコンタクト層508、p-InPクラッド層509の順にエッチングで除去してメサを形成する。p-InPクラッド層509のエッチングは、Asを含む半導体材料で形成されているMQW１層、MQW２層及び、BJ保護層507でほぼ停止する。その結果、素子の最終形態としてp-InPクラッド層509が除去された領域のBJ接続部は、BJ保護層507により完全に被覆されることとなる。その後は、通常の素子作製方法を用いてパッシベーション膜形成、ポリイミドによる平坦化、電極形成等を施し、素子として完成する。

次に本発明の効果を説明する。図６に示すのは、メサエッチング後のBJ接続部の断面図である。ここで、601はInP基板、602はWG層、603はBJ保護層、604は量子井戸(MQW)層である。BJ保護層としては、InGaAsP系材料が好ましい。最初に図６(a)に示すBJ成長後の窪みの問題に対する効果を説明する。BJ保護層として用いるInGaAsP系材料は、Inを50%以上含んでいるためマストランスポートしやすく、図６(a)のC部に示すようにBJ接続部の窪みを容易に埋めることができる。また、本材料系は酸化の影響を受けにくい為、長期間大気に曝されても結晶欠陥が発生・増殖しにくい。よって、メサ形成後に、本BJ保護層が存在することによって、多少の電流の回り込みがあったとしても、BJ接続部に起因する結晶欠陥の発生を抑制することができ、素子の信頼性を改善できる。次に図６(b)に示すBJ断絶の問題に対する効果を説明する。既に述べたように、InGaAsP系材料はInPに対して、高いエッチング選択性を有する。よって、BJ接続部にInPが挟まっていても、その上部が図６(a)のＤ部に示すように、BJ保護層603で覆われているため、その下のInPをメサエッチングで貫通させることは無く、素子作製歩留まりが改善される。

図６(a)に示したように、BJ保護層を形成するMQW側の形成端(d)は、BJ接続部から張り出す距離として、0.01μｍ以上10μｍ以下の範囲となっていることが好ましい。InP層が挟まっている場合、その部分は差し引かなくてはならない。下限値の0.01μｍは、メサエッチング時の過剰なエッチング時間を考慮して決定されるものである。InPクラッド層のメサエッチング時に用いる薬液は、InGaAsP層に対する選択性が非常に高いが、それでも若干はInGaAsP層がエッチングされる。通常、メサエッチング時には、エッチング残りを抑制するため、過剰な時間分、エッチングを行う。その際、BJ保護層がBJ接続方向に向かって横方向に若干エッチングされることが起こりうるため、BJ接続部から0.01μｍ以上のマージンを設け、過剰なメサエッチングにより接続部が剥き出しにならないようにしておく事が重要である。一方、上限である10μｍは、素子特性上への影響を考慮して決定される。無効電流成分の増大を裂ける為、BJ保護層を避けて電極を形成する場合、BJ接続部から離れている距離が10μｍ以内であれば、拡散によってBJ保護層下のMQW層までにキャリアが広がり、MQW部全面をレーザ部、或いは変調器部領域として寄与させることができる。

以上により、本発明の製造方法を用いることにより、従来素子の課題が解決され、信頼性の高い素子を、高い歩留まりで作製することができる。尚、BJ保護層は、特にメサ脇部を中心にしてBJ接続部に跨って形成されていれば良く、図４に記載のBJ保護層と全く同一形状では無く、その一部が除去された構成でも本発明の効果を得る事ができることは言うまでも無い。

本発明の製造方法によれば、BJ接続方式を用いて作製するリッジ構造型光集積デバイスにおいて、BJ接続上に保護層を設ける。それにより、BJ接続作製に起因する素子信頼性低下や歩留まり低下の問題を解決でき、設計通りの素子を作製することができる。

以下、本発明の実施例を図４、図７、図８を用いて説明する。
＜実施例１＞
第１の実施例は、既に述べたようにリッジ構造型変調器集積化光源に適用したものである。成長方法としては、有機金属気相成長(MOVPE:Metal-organic vapor phase epitaxy)法を用いた。III族元素の原料は、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルインジウム(TMI)、トリメチルアルミニウム(TMA)を用いた。V族元素の原料には、アルシン(AsH₃)とフォスフィン(PH₃)を用いた。また、n型ドーパントとしてはジシラン(Si₂H₆)を、p型ドーパントとしてはジメチル亜鉛(DMZ)を用いた。尚、成長法としては、MOVPEのみに限定されるものではなく、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、化学ビーム成長（CBE: Chemical Beam Epitaxy）法、有機金属分子線エピタキシー(MOMBE: Metal-organic Molecular Beam Epitaxy)法などを用いても良い。

図４(a)に素子の鳥瞰図を示す。尚、本図では、簡易化のために窓部や電極部は省略した。また、素子作製フローは、既に図２(a)-(g)と図５(h’)-(l’)に示した通りである。最初に、n-InP基板401上に、InGaAlAs系からなるレーザ部MQW１層402を成長する。このとき、表面保護の為、p-InPキャップ層を形成しておく場合が殆どである。次にウエハの所望の場所にBJマスクを形成し、これをエッチングマスクとして、p-InPキャップ層とInGaAlAs-MQW１層402を除去する。次に、ウエハを成長炉内に導入し、InGaAlAs系からなる変調器部のMQW２層404とp-InPキャップ層を再成長する。

次に、先のマスクを除去した後、レーザ部、変調基部の所望の場所にBJマスクを形成し、エッチングによりMQW１層402、MQW２層404とp-InPキャップ層を除去する。さらに、InGaAsPからなるWG層407、及びp-InPキャップ層をBJ再成長する。ここでは、レーザ部、変調器部の２箇所同時にBJ接続した。本ウエハを一旦成長炉から取り出し、マスクを一度除去して、先のマスクがあった領域の内側に再度マスクを形成する。ウエハを再度成長炉内に導入し、塩素を含むガスによりp-InPキャップ層を除去した後に、WG層407と同一組成のInGaAsPからなるBJ保護層403、及びp-InPキャップ層を形成する。ウエハを成長炉から取り出した後マスクを除去し、レーザ部MQW１層402上に回折格子408を形成する。

その後、ウエハを炉体内に導入し、p-InPクラッド層406とp+-InGaAsコンタクト層405を成長して、結晶成長工程を終了する。次に、ストライプ上のメサマスクを形成する。続いて、p+-InGaAsコンタクト層405、p-InPクラッド層406の順にエッチングで除去してメサを形成する。その後は、通常の素子作製方法を用いてパッシベーション膜形成、ポリイミドによる平坦化、電極形成等を施し、素子として完成する。

このようにして作製した素子のしきい値電流は15ｍＡ、20-85℃の範囲で、冷却器無しで10GHzの良好な変調特性を示し、また、長時間動作でも素子特性は劣化せず高い素子信頼性を示した。また、素子の作製歩留まりも高かった。尚、レーザや変調器のMQWとして、InGaAlAs系材料のみでなく、InGaAsP系の材料や、それにSbやNを添加した材料を用いることもできる。
＜実施例２＞
第２の実施例は、本発明を短共振器DBRレーザに適用したものである。本レーザは、第６６回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.1016 青木等7p-ZN-18に報告されているように、共振器長を非常に短くして、低しきい値電流での高速動作を目指した新しい光源である。成長方法としては、ここでもMOVPE法を用いたが、それに限定されるものでは無く、同一の効果が得られれば他の手法でも良い。用いた原料は、実施例１と同様である。

図７(a)に素子の鳥瞰図を示す。尚、本図では、簡易化のために窓部や電極部は省略した。また、素子作製フローは、実施例１と類似である。最初に、n-InP基板701上に、InGaAlAs系からなるレーザ部MQW層702を成長する。このとき、表面保護の為、p-InPキャップ層を形成しておく場合が殆どである。次にウエハの所望の場所にBJマスクを形成し、これをエッチングマスクとして、p-InPキャップ層とInGaAlAs-MQW層702を除去する。

次に、ウエハを成長炉内に導入し、InGaAsPからなるWG層707を形成した。ここでは、レーザ部のみの１箇所をBJ接続した。本ウエハを一旦成長炉から取り出し、マスクを一度除去して、BJ接続部を露出するような形状のマスクを形成する。ウエハを再度成長炉内に導入し、塩素を含むガスによりp-InPキャップ層を除去した後に、WG層と若干組成の異なるInGaAsPからなるBJ保護層703、及びp-InPキャップ層をBJ接続部を跨るように形成した。ウエハを成長炉から取り出した後マスクを除去し、p-InPキャップ層とBJ保護層703上に回折格子704を形成する。

その後、ウエハを炉体内に導入し、p-InPクラッド層706とp+-InGaAsコンタクト層705を成長して、結晶成長工程を終了する。次に、ストライプ上のメサマスクを形成する。続いて、p+-InGaAsコンタクト層705、p-InPクラッド層706の順にエッチングで除去してメサを形成する。その後は、通常の素子作製方法を用いてパッシベーション膜形成、ポリイミドによる平坦化、電極形成等を施し、素子として完成する。
レーザ部の長さ50μｍ、素子長200μｍの素子は、100℃にて、10ｍＡにて10GHzで動作した。また、長時間動作でも素子特性は劣化せず高い素子信頼性を示した。また、素子の作製歩留まりも高かった。
＜実施例３＞
第３の実施例は、本発明をアレイ型の光集積素子に応用した例である。図８に素子の鳥瞰図を示す。尚、本図では、簡易化のために窓部や電極部は省略した。本素子は、並列に並べた４チャンネルのレーザから出射した光を導波路を通して合波器で一つの導波路に収束させ、一つの変調器で変調する素子の例である。図８の803がレーザ部MQW層、807が変調器部MQW層であり、これらの間は合波器808と導波路810で接続されている。成長方法としては、ここでもMOVPE法を用いたが、それに限定されるものでは無く、同一の効果が得られれば他の手法でも良い。用いた原料は、実施例１に加え、Feのドーパントしてフェロセンを用いた。

最初に、n-InP基板801上に、InGaAsP系からなるレーザ部MQW１層803を成長する。このとき、表面保護の為、p-InPキャップ層を形成しておく場合が殆どである。次にウエハの所望の場所にBJマスクを形成し、これをエッチングマスクとして、p-InPキャップ層とInGaAsP-MQW１層803を除去する。４チャンネルのレーザであるので、４箇所にマスクを形成する必要がある。次に、ウエハを成長炉内に導入し、InGaAsP系からなる変調器部のMQW層807とp-InPキャップ層を再成長する。次に、先のマスクを除去した後、レーザ部、変調基部の所望の場所にBJマスクを形成し、エッチングによりMQW層とp-InPキャップ層を除去する。さらに、InGaAsPからなるWG層802、及びp-InPキャップ層をBJ再成長する。ここでは、４チャンネルのレーザ部、１つの変調器部の合計５箇所を同時にBJ接続した。

本ウエハを一旦成長炉から取り出し、マスクを一度除去してマスクがあった領域の内側に再度マスクを形成する。本マスクにより、p-InPキャップ層をウエットエッチングにより除去した後、ウエハを再度成長炉内に導入し、WG層802と同一組成のInGaAsPからなるBJ保護層806、及びp-InPキャップ層を形成する。ウエハを成長炉から取り出した後マスクを除去し、レーザ部MQW１層803上に回折格子を形成する。その後、ウエハを炉体内に導入し、p-InPクラッド層804とp+-InGaAsコンタクト層805を成長する。

次に、導波路810、合波器808を形成するため、レーザ部と変調器部全面をマスクで被覆した。露出している領域において、p+-InGaAsコンタクト層805を除去した後、図８の点線に示すような構造のマスクを形成し、ドライエッチングを用いて、p-InPクラッド層804、BJ保護層806、WG層802の積層部分を除去した。続いて、先のドライエッチングで除去した領域に、FeをドーピングしたInP埋込み層809を成長した。レーザ部と変調器部のマスクを除去した後、導波路と合波器領域全面にマスクを形成して埋込み領域を被覆した後、露出しているレーザ部、変調器部領域にストライプ上のメサマスク５箇所を形成する。次に、p+-InGaAsコンタクト層805、p-InPクラッド層804の順にエッチングで除去してメサを形成する。その後は、通常の素子作製方法を用いてパッシベーション膜形成、ポリイミドによる平坦化、電極形成等を施し、素子として完成する。

第１チャンネルから第４チャンネルまで並列に並んだレーザから発生した光は、合波器808を介して変調器に入射し、変調される。本実施例では、レーザの第１チャンネルから第４チャンネルまでの４チャンネルの発振波長をそれぞれ、1540ｎｍ、1545ｎｍ、1550ｎｍ、1555ｎｍと5ｎｍ間隔で異なる波長に設定した。このような並列構造にすることにより、必要に応じて、所望の波長を有するチャンネルに電流を流すことで、所望の波長を取り出すことができる。尚、本実施例ではチャンネル数を４、波長間隔を5ｎｍとしたが、必要に応じたチャンネル数、及び波長間隔に設定することで、選択できる波長の数、及び、波長領域を所望の値に設定できる。本素子は、所望の波長の光を取り出すことができ、10GHzの変調動作を実現した。BJ接続数が多いにも関わらず、高い素子作製歩留まりを示した。

（ａ）は、従来の変調器集積型レーザの鳥瞰図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその別の断面図。 （ａ）〜（ｊ）は、従来の変調器集積型レーザの作製フローを示す図。 （ａ）および（ｂ）は、従来のBJ集積素子における問題点を説明する図。 （ａ）は、本発明による変調器集積型レーザの鳥瞰図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその別の断面図。 （ｈ‘）〜（ｊ’）は、本発明による変調器集積型レーザの作製フローを示す図。 本発明の効果を説明する図。 本発明による短共振器DBR型レーザの構造図。 本発明による変調器集積４チャンネルレーザアレイ素子の構造図。

符号の説明

101…n-InP基板、
102…レーザ部の多重量子井戸層、
103…導波路層、
104…変調器部の多重量子井戸層、
105…p+-InGaAsコンタクト層、
106…p-InPクラッド層、
107…回折格子、
201…n-InP基板、
202…p-InPキャップ層、
203…レーザ部の多重量井戸層、
204…絶縁体マスク、
205…InPキャップ層、
206…変調器部の多重量子井戸層、
207…絶縁体マスク、
208…InPキャップ層、
209…導波路層、
210…p+-InGaAsコンタクト層、
211…p-InPクラッド層、
212…絶縁体マスク、
301…InP基板、
302…導波路層、
303…InPキャップ層、
304…絶縁体マスク、
305…InPキャップ層、
306…多重量子井戸層、
401…n-InP基板、
402…レーザ部の多重量子井戸層、
403…バットジョイント保護層、
404…変調器部の多重量子井戸層、
405…p+-InGaAsコンタクト層、
406…p-InPクラッド層、
407…導波路層、
408…回折格子、
501…n-InP基板、
502…絶縁体マスク、
503…InPキャップ層、
504…導波路層、
505…変調器部の多重量子井戸層、
506…InPキャップ層、
507…バットジョイント保護層、
508…p+-InGaAsコンタクト層、
509…p-InPクラッド層、
510…絶縁体マスク、
511…レーザ部の多重量子井戸層、
601…InP基板、
602…導波路層、
603…バットジョイント保護層、
604…多重量子井戸層、
701…n-InP基板、
702…レーザ部の多重量子井戸層、
703…バットジョイント保護層、
704…回折格子、
705…p+-InGaAsコンタクト層、
706…p-InPクラッド層、
707…導波路層、
801…n-InP基板、
802…導波路層、
803…レーザ部の多重量子井戸層、
804…p-InPクラッド層、
805…p+-InGaAsコンタクト層、
806…バットジョイント保護層、
807…変調器部の多重量子井戸層、
808…合波器、
809…FeドープInP埋込層、
810…導波路層。

Claims (10)

1. 半導体基板上に第１の光導波路用半導体層を形成する工程と、
   前記第１の光導波路用半導体層上に形成された第１のエッチングマスクを用いて、前記第１の光導波路用半導体層をエッチングにより除去し第１の半導体光素子形成予定領域をパターンニングする工程と、
   エッチングにより前記第１の光導波路用半導体層が除去された前記半導体基板上の領域に、第２の光導波路用半導体層を結晶成長させ、前記第１および第２の光導波路用半導体層とを突合せ接続方式により集積する工程とを少なくとも１回以上、尚且つ、少なくとも１箇所以上有し、
   前記突合せ接続方式により形成された前記第１の光導波路用半導体層と前記第２の光導波路用半導体層との突合せ接続部を露出させるように形成され前記第１のエッチングマスクの端部より内側に端部を有する第１の保護膜形成用マスクを形成する工程と、
   前記第１の保護膜形成用マスクを用いて、前記半導体基板上に選択的に第１の保護半導体多層膜を結晶成長する工程と、
   前記第１の保護膜形成用マスクを除去した後に上部クラッド層およびコンタクト層を含む第１の半導体多層膜を結晶成長する工程と、
   前記第１の半導体多層膜上に形成したメサマスクを用いて、前記第１の半導体多層膜の領域を前記第１および第２の光導波路用半導体層、及び第１の保護半導体多層膜の所望の表面領域が露出するまでエッチングにより除去することによって、前記第１乃至第２の光導波路用半導体層、及び第１の保護半導体多層膜上にメサ構造を形成する工程とを有することを特徴とするリッジ構造型光集積素子の製造方法。
2. 前記第１の保護半導体多層膜は、前記第１の光導波路用半導体層の周辺領域と、前記第２の光導波路用半導体層上の全面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリッジ構造型光集積素子の製造方法。
3. 前記第１の光導波路用半導体層は、光を発生、或いは吸収する多重量子井戸層であり、前記第２の光導波路用半導体層は、光を伝搬させる半導体バルク多層であることを特徴とする請求項１に記載のリッジ構造型光集積素子の製造方法。
4. 前記第１の光導波路用半導体層と前記第２の光導波路用半導体層との突合せ接続部において、
   前記第１の保護半導体多層膜の形成端が、前記第１の光導波路用半導体層表面上を前記突合せ接続部からの距離にして0.01μｍ以上10μｍ以下の範囲で覆うように張り出していることを特徴とする請求項１に記載のリッジ構造型光集積素子の製造方法。
5. 前記半導体基板、及び前記第１乃至第２の光導波路用半導体層、及び前記第１の保護半導体多層膜を形成する材料は、In、Ga、Al、As、P、Sb、Nの中から選ばれるIII-V族化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載のリッジ構造型光集積素子の製造方法。
6. 半導体基板上に形成され、少なくとも１箇所以上の第１の光導波路と第２の光導波路の二つの光導波路を突合せ接続方式により集積させた光導波路領域と、
   前記光導波路領域の上下に形成され光を閉じ込める上側クラッド層と下側クラッド層とをそれぞれ有し、
   リッジ導波路のメサ構造を形成するために前記上側クラッド層が除去された領域において、
   前記光導波路領域と前記上側クラッド層との間に、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との突合せ接続部を跨ぐように形成された第１の保護半導体多層膜が、前記突合せ接続部の少なくとも一部、或いは全部を被覆していることを特徴とするリッジ導波路型光集積素子。
7. 前記第１の保護半導体多層膜は、前記第１の光導波路周辺の一部と前記第２の光導波路領域の全面に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のリッジ導波路型光集積素子。
8. 前記第１の光導波路は、光を発生、或いは吸収する多重量子井戸層であり、前記第２の光導波路は光を伝搬させる半導体バルク多層であることを特徴とする請求項６に記載のリッジ導波路型光集積素子。
9. 前記第１の保護半導体多層膜が形成される領域に関して、第１の光導波路側の形成端は、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との突合せ接続部からの距離として、0.01μｍ以上10μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項６に記載のリッジ導波路型光集積素子。
10. 前記半導体基板、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、及び前記半導体多層膜を形成する材料は、In、Ga、Al、As、P、Sb、Nの中から選ばれるIII-V族化合物半導体であることを特徴とする請求項６に記載のリッジ導波路型光集積素子。

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