JP2010062202A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子を形成する半導体層とその下の半導体層とを、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成する場合に、回折格子を埋め込む層の結晶性を向上させ、これにより、高電流注入効率で、高信頼性の光半導体装置を実現する。
【解決手段】光半導体装置の製造方法を、化合物半導体基板１の上方に、第１のＶ族元素を含む第１の化合物半導体層６を形成し、第１の化合物半導体層６上に、第１のＶ族元素と異なる第２のＶ族元素を含む第２の化合物半導体層７を形成し、第２の化合物半導体層７をパターニングして回折格子７Ａを形成し、回折格子７Ａをマスクとして第１の化合物半導体層６を除去し、第１の化合物半導体層６の側面を、第２のＶ族元素を含む化合物半導体膜８で被覆し、回折格子７Ａを、第１のＶ族元素を含む第３の化合物半導体層９で埋め込むようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子を有する光半導体装置及びその製造方法に関する。

例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザのように回折格子を有する光半導体装置は、波長選択性が高く、高性能光半導体装置を実現する上で重要である。
このような回折格子を有する光半導体装置の製造方法としては、結晶成長による光半導体装置の層構造の形成を途中で一旦中断し、パターニングとエッチングによって半導体層の表面に回折格子の凹凸を形成した後、その上に他の半導体層を成長させる手法がある。

ここで、回折格子とレーザ導波路構造を導波する光との結合効率κは、回折格子の凹凸や屈折率差、レーザの活性層からの距離によって決まるため、回折格子の凹凸を構成する溝の深さが製造過程でばらつくと、素子特性もばらついてしまい、歩留まりが著しく低下してしまう。
そこで、回折格子を安定して形成する方法として、回折格子層の下にエッチングストップ層を形成しておき、回折格子層のみを選択的にエッチングし、細線状の回折格子を形成した後、この回折格子が埋め込まれるようにエッチングストップ層と同じ材料からなる埋込層を再成長させることによって、いわゆる埋込型回折格子を形成する方法がある。
Jun-ichi Hashimoto, "GaInNAs DFB Laser with Buried GaAs Grating", IEEE 20th Internal Semiconductor Laser Conference, P9, 2006, pp.57-58

しかしながら、例えば、回折格子層をＧａＡｓ層とし、エッチングストップ層及び埋込層をＩｎＧａＰ層とし、ＧａＡｓのみをエッチングし、ＩｎＧａＰをエッチングしないエッチャントを用いて、ＧａＡｓ回折格子層のみを選択的にエッチングすることで、埋込型回折格子を形成することとすると、回折格子を埋め込む埋込再成長工程を行なう際に、ウェハ表面が、回折格子層を構成するＡｓ系半導体材料と、エッチングストップ層を構成するＰ系半導体材料とが混在した再成長表面となる。

このため、ＩｎＧａＰ層の表面からのＰ抜けを抑制するために、埋込再成長温度までＰ雰囲気で昇温すると、ＧａＡｓ層の表面でＡｓ／Ｐ置換が生じてしまう。この結果、ＧａＡｓ層の表面が荒れてしまう。また、Ａｓ／Ｐ置換を抑制するために昇温時の雰囲気中のＰ圧を下げると、ＩｎＧａＰ層の表面でＰ抜けが発生してしまう。この結果、ＩｎＧａＰ層の表面が荒れてしまう。

また、埋込再成長温度までＡｓ雰囲気で昇温すると、ＩｎＧａＰ層の表面でＡｓ／Ｐ置換が生じてしまう。この結果、ＩｎＧａＰ層の表面が荒れてしまう。また、Ａｓ／Ｐ置換を抑制するために昇温時の雰囲気中のＡｓ圧を下げると、ＧａＡｓ層の表面でＡｓ抜けが発生してしまう。この結果、ＧａＡｓ層の表面が荒れてしまう。
このように、荒れている再成長表面に埋込層を成長させると、埋込層に欠陥などが生じ、結晶性が著しく劣化してしまう。この結果、電流注入効率が低下してしまい、信頼性も低下してしまう。

そこで、回折格子を形成する半導体層とその下の半導体層とを、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成する場合に、回折格子を埋め込む層の結晶性を向上させ、これにより、高電流注入効率で、高信頼性の光半導体装置を実現したい。

このため、光半導体装置の製造方法は、化合物半導体基板の上方に、第１のＶ族元素を含む第１の化合物半導体層を形成する工程と、第１の化合物半導体層上に、第１のＶ族元素と異なる第２のＶ族元素を含む第２の化合物半導体層を形成する工程と、第２の化合物半導体層をパターニングして回折格子を形成する工程と、回折格子をマスクとして前記第１の化合物半導体層を除去する工程と、第１の化合物半導体層の側面を、第２のＶ族元素を含む化合物半導体膜で被覆する工程と、回折格子を、第１のＶ族元素を含む第３の化合物半導体層で埋め込む工程とを備えることを要件とする。

また、光半導体装置は、化合物半導体基板の上方に周期的に形成され、第１のＶ族元素を含む第１の化合物半導体層と、第１の化合物半導体層上に形成され、第１のＶ族元素と異なる第２のＶ族元素を含む第２の化合物半導体層にパターニングされた回折格子と、第１の化合物半導体層の側面を被覆し、第２のＶ族元素を含む化合物半導体膜と、回折格子を埋め込み、第１のＶ族元素を含む第３の化合物半導体層とを備えることを要件とする。

したがって、光半導体装置及びその製造方法によれば、回折格子を形成する半導体層とその下の半導体層とを、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成する場合に、回折格子を埋め込む層の結晶性を向上させることができ、これにより、高電流注入効率で、高信頼性の光半導体装置を実現することができるという利点がある。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について、図１、図２を参照しながら説明する。

本光半導体装置及びその製造方法は、回折格子を形成する半導体層（回折格子層）と回折格子を埋め込む半導体層（エッチングストッパ層及び埋込層）とが異なるＶ族元素によって形成される埋込型回折格子を有する光半導体素子［例えば分布帰還型半導体レーザ（Distributed Feedback Laser；ＤＦＢレーザ）］及びその製造方法に適用することができる。

以下、本光半導体装置をＤＦＢレーザに適用した場合を例に挙げて説明する。
最初に、本光半導体装置（ＤＦＢレーザ）の製造方法について、図１、図２を参照しながら説明する。
まず、図１（Ａ）に示すように、例えば（１００）面を主面とするｐ型ＧａＡｓ基板１（化合物半導体基板）上に、例えば分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）によって、ｐ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２、ｉ型ＧａＡｓ下部光導波層（光ガイド層）３、発光波長が１．３μｍである量子ドット活性層４、ｉ型ＧａＡｓ上部光導波層（光ガイド層）５、ｎ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６［例えば厚さ５ｎｍ；第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第１の化合物半導体層；エッチングストップ層］、及び、ｎ型ＧａＡｓ回折格子層７［例えば厚さ３０ｎｍ；第１のＶ族元素（ここではＰ）と異なる第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む第２の化合物半導体層］を順に積層させて形成する。

次いで、成長炉から取り出して、ＳｉＯ_２膜（図示せず）を成膜し、例えば、電子ビーム露光法や干渉露光法などを用いてパターニングを行ない、エッチングすることで、図１（Ｂ）に示すように、ＧａＡｓ回折格子層７を加工し、光の進行方向に周期的に配置された細線状の回折格子（回折格子パターン）７Ａを形成する。
ここで、エッチャントとして例えばアンモニアと過酸化水素の混合液を用いることで、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６をエッチングせずに、ＧａＡｓ回折格子層７のみを選択的にエッチングすることができる。これにより、回折格子７Ａの高さは、回折格子層７の厚さによって規定され、エッチングの深さによってばらつくことがなく、回折格子７Ａを安定して形成することができる。

次に、図１（Ｃ）に示すように、ＧａＡｓ回折格子層７に形成された回折格子パターン７Ａをマスクとして、回折格子７Ａの直下のＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６だけが残るように、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６を周期的にエッチングして除去する。ここで、エッチャントとして例えば塩酸を用いることで、ＧａＡｓ上部光導波層５をエッチングせずに、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６のみを選択的にエッチングすることができる。

これにより、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面のみが表面に露出することになり、それ以外の表面は、ＧａＡｓ回折格子層７の上面及び側面、ＧａＡｓ上部光導波層５の表面によって構成されることになる。
このように、ＧａＡｓ回折格子層７に形成された回折格子パターン７Ａの溝部（凹部）の底面を構成していたＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６（ＧａＡｓ回折格子層７に回折格子７Ａを形成する際にエッチングストップ層として機能し、その表面が露出したＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６）を除去し、その下に形成されているＧａＡｓ上部光導波層５の表面を露出させることによって、表面に露出するＩｎＧａＰの全表面に対する割合を小さくする。

つまり、回折格子７Ａを形成するＧａＡｓ回折格子層７（Ａｓ系半導体材料からなる半導体層）とその下のＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６（Ｐ系半導体材料からなる半導体層）とを、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成する場合、後述するように、回折格子７Ａを埋め込むＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を成長（再成長）させる再成長表面はＡｓ系半導体材料とＰ系半導体材料とが混在したものとなるが、上述のように、回折格子７Ａを形成した後に、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６をエッチングし、底面にＧａＡｓ上部光導波層５を露出させることで、表面に露出するＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の面積を小さくする。

そして、再び成長炉に入れ、図１（Ｄ）に示すように、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面をＧａＡｓ膜８［第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む化合物半導体膜］で被覆する。つまり、回折格子７Ａが形成されたＧａＡｓ回折格子層７と同じ半導体材料からなる膜（ＧａＡｓ膜）でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆する。これにより、後述するように、回折格子７Ａを埋め込むＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を成長（再成長）させる再成長表面はＶ族元素としてＡｓのみを含むものとなる。

例えば、圧力５０ｔｏｒｒ、反応室内の総流量７Ｌｍの条件で、図２に示すように、ＡｓＨ_３流量８ｃｃｍのＡｓ雰囲気中で、１０分間で４００℃に昇温し、ＧａＡｓの原料ガスを供給して、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面（側壁）が覆われるようにＧａＡｓ膜８（ＧａＡｓ薄膜；ＧａＡｓ被膜）を形成する。
この場合、本発明者の鋭意研究によると、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を覆うＧａＡｓ膜８の厚さ（膜厚）は、その側面で２ｎｍよりも少ないと、その後に成長（再成長）させるＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の表面の結晶性が悪く、結晶欠陥の指標であるエッチピット密度（Etch-pit density；ＥＰＤ）が大きくなる［例えばＥＰＤ＞１０^８ｃｍ^−２となる］。このため、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を覆うＧａＡｓ膜８の厚さは、その側面で２ｎｍ以上にするのが好ましい。

一方、回折格子パターン７Ａの溝部の底面でＧａＡｓ膜８が５ｎｍよりも厚く堆積してしまうと、回折格子７Ａの深さが変化してしまい、結合係数の変化量が大きくなりすぎてしまうため、回折格子パターン７Ａの溝部の底面に堆積するＧａＡｓ膜８の厚さは５ｎｍ以下にするのが好ましい。
なお、本実施形態では、露出したＧａＡｓ上部光導波層５の表面全面を覆うようにＧａＡｓ膜８を形成しているが、これに限られるものではない。つまり、本実施形態では、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の下に形成されている上部光導波層５もＧａＡｓによって形成されているため、ＧａＡｓ膜８はＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面のみを覆うように形成すれば良く、ＧａＡｓ上部光導波層５の表面全面を覆っていなくても良い。

また、ＧａＡｓ膜８でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆する際の温度が４５０℃よりも高いと、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面においてＡｓ／Ｐ置換やＶ族抜けが多くなり、再成長表面で結晶欠陥が生じやすくなり、その後に再成長させるＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の表面のエッチピット密度が大きくなる（ＥＰＤ＞１０^８ｃｍ^−２）。このため、ＧａＡｓ膜８でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆する工程は、４５０℃以下の低い温度で行なうのが好ましい。これにより、再成長させるＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の結晶性を良くすることができる。

また、ＧａＡｓ膜８でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆するまでの昇温中は（４５０℃以下の温度では）、雰囲気中のＡｓ圧（Ａｓ分圧）が高いほどＡｓＨ_３から分解した水素ラジカルによる表面クリーニング効果が強くなるため、再成長表面がきれいになり、その後に再成長させるＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の結晶性が向上する。このため、ＧａＡｓ膜８でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆する工程の前に、Ａｓを含む雰囲気で昇温する昇温工程（第１昇温工程）は、雰囲気中のＡｓ圧を高くするのが好ましい。

なお、本実施形態では、第１昇温工程を４５０℃以下の温度で行っているため、Ａｓ圧を高くしてもＡｓ／Ｐ置換が起こることがなく、その後に再成長させるＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の結晶性が悪くなることはない。また、本実施形態では、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の下に形成されている上部光導波層５もＧａＡｓによって形成されているため、Ａｓ圧を高くしてもＡｓ／Ｐ置換が起こることがなく、その後に再成長させるＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の結晶性が悪くなることはない。

このようにして、低温・高Ａｓ圧という条件下で、ＧａＡｓ膜８でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆した後、埋込再成長温度まで昇温し、高温・低Ａｓ圧という条件下で、図１（Ｅ）に示すように、ＧａＡｓ回折格子層７に形成された回折格子７Ａを埋め込む埋込再成長を行なう。
ここでは、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６と同じ半導体材料からなるｎ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９［第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第３の化合物半導体層；埋込層］を成長させて、ＧａＡｓ回折格子層７に形成された回折格子７Ａを埋め込む。

例えば、図２に示すように、ＡｓＨ_３流量０．４ｃｃｍのＡｓ雰囲気中で、１０分間で６００℃（例えば５５０℃〜７００℃の高温）まで昇温した後、ＩｎＧａＰの原料ガスを供給して、ＧａＡｓ回折格子層７に形成された回折格子７Ａが埋め込まれるようにｎ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を形成する。
この場合、ＧａＡｓ膜８で被覆後、ｎ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を形成するまでの昇温中は、雰囲気中のＡｓ圧を低くすることで、高温・高Ａｓ分圧雰囲気で多くなるＧａＡｓマストランスポート量を少なくすることができ、回折格子７Ａの変形を抑制することができる。このため、ＧａＡｓ膜８でＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆した後、ｎ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を形成する前に、Ａｓを含む雰囲気中で昇温する昇温工程（第２昇温工程）は、雰囲気中のＡｓ圧を低くするのが好ましい。なお、本実施形態では、回折格子７Ａを埋め込むＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９をさせる再成長表面はＶ族元素としてＡｓのみを含むものとなっているため、Ａｓ圧を低くしてもＡｓ抜け（Ｖ族抜け）が起こることがなく、その後に再成長させるＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の結晶性が悪くなることはない。

このように、本実施形態では、第２昇温工程における雰囲気中のＡｓ圧は、第１昇温工程における雰囲気中のＡｓ圧よりも低くなっている。
上述のように、ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面をＧａＡｓ膜８で被覆し、回折格子７Ａを埋め込むＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を成長（再成長）させる再成長表面がＶ族元素としてＡｓのみを含むものとした後で、ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９を形成するため、埋込再成長温度まで昇温させる昇温工程において生じていたＶ族抜けやＡｓ／Ｐ置換を抑制することができる。この結果、ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９の結晶性が良くなり、高電流注入効率、かつ、高信頼性の素子を作製することが可能となる。

ところで、例えばＡｌＧａＡｓで形成された回折格子をＧａＡｓで埋め込むようにすると、曝露されて酸化したＡｌＧａＡｓの表面の酸化物を除去するためにクリーニング工程が必要になる。クリーニング工程として高温・高Ａｓ圧過程を経ると、マストランスポートによって回折格子が変形し、回折格子のピッチや深さが変化してしまう。このため、回折格子の結合係数κが安定せず、素子特性にばらつきが生じる。

これに対し、本実施形態では、上述のように、回折格子７Ａを埋め込む第１及び第２の上部クラッド層６，９がＩｎＧａＰから成り、回折格子７ＡがＧａＡｓから成り、上述のような昇温工程ではＧａＡｓはマストランスポートしにくい材料特性を有する。このため、昇温工程での回折格子７Ａの変形を抑制でき、回折格子７Ａの結合係数κを制御しやすい。

次に、図１（Ｅ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法によって、ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層１０を成長させる。
次いで、ＧａＡｓコンタクト層１０の表面にＳｉＯ_２を成膜し、パターニングによってマスクを形成し、ＧａＡｓコンタクト層１０及びＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９をエッチングして、図１（Ｆ）に示すように、リッジ構造１２を形成する。

続いて、例えばフッ化水素酸によってＳｉＯ_２マスクを除去した後、再び、図１（Ｆ）に示すように、ＳｉＯ_２を成膜してリッジ導波路のパッシベーション膜１３とし、上部及び下部に電流注入用の電極１４，１５を形成する。
最後に、アレー状にへき開後、端面コーティングを施して、光半導体装置（ＤＦＢレーザ）が完成する。素子の共振器構造は設計によっていろいろな構造をとりうるが、例えば素子長を３００μｍとし、前端面に無反射コーティングを施し、後端面に高反射コーティングを施せば良い。

このようにして製造された光半導体装置（ここではＤＦＢレーザ）は、ｐ型ＧａＡｓ基板（化合物半導体基板）１の上方に回折格子７Ａと同一周期で周期的に形成されたｎ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６［第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第１の化合物半導体層；エッチングストップ層］と、ｎ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の直上のみに形成され、ｎ型ＧａＡｓ回折格子層７［第１のＶ族元素（ここではＰ）と異なる第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む第２の化合物半導体層］にパターニングされた回折格子７Ａと、ｎ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層６の側面を被覆するＧａＡｓ膜８［第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む化合物半導体膜］と、回折格子７Ａを埋め込むｎ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層９［第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第３の化合物半導体層；埋込層］とを備える［図１（Ｅ）参照］。

したがって、本実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法によれば、回折格子７Ａを形成する半導体層７とその下の半導体層６とを、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成する場合に、回折格子７Ａを埋め込む層９の結晶性を向上させることができ、これにより、高電流注入効率で、高信頼性の光半導体装置を実現することができるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法について、図３を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる光半導体装置（ＤＦＢレーザ）及びその製造方法は、上述の第１実施形態のものに対し、図３に示すように、ｎ型半導体基板２０を用い、量子井戸活性層２８を採用し、活性層２８の下方に回折格子２４Ａを設けている点が異なる。なお、図３では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
本光半導体装置は、以下のようにして製造される。

まず、図３（Ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板２０（化合物半導体基板）上に、例えばＭＯＶＰＥ法によって、ｎ型ＩｎＧａＰ層２１、ｎ型ＧａＡｓ層２２、ｎ型ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３［例えば厚さ５ｎｍ；第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第１の化合物半導体層；エッチングストップ層］、及び、ｎ型ＧａＡｓ回折格子層２４［第１のＶ族元素（ここではＰ）と異なる第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む第２の化合物半導体層］を順に積層させて形成する。

次いで、成長炉から取り出して、ＳｉＯ_２膜（図示せず）を成膜し、例えば、電子ビーム露光法や干渉露光法などを用いてパターニングを行ない、エッチングすることで、図３（Ｂ）に示すように、ＧａＡｓ回折格子層２４を加工し、光の進行方向に周期的に配置された細線状の回折格子（回折格子パターン）２４Ａを形成する。
次に、図３（Ｃ）に示すように、ＧａＡｓ回折格子層２４に形成された回折格子パターン２４Ａをマスクとして、回折格子２４Ａの直下のＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３だけが残るように、ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３を周期的にエッチングして除去する。

そして、再び成長炉に入れ、図３（Ｃ）に示すように、ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３の側面をＧａＡｓ膜２５［第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む化合物半導体膜］で被覆する。つまり、回折格子２４Ａが形成されたＧａＡｓ回折格子層２４Ａと同じ半導体材料からなる膜（ＧａＡｓ膜）でＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３の側面を被覆する。これにより、後述するように、回折格子２４Ａを埋め込むＩｎＧａＰ下部第２クラッド層２６を成長（再成長）させる再成長表面はＶ族元素としてＡｓのみを含むものとなる。

例えば、Ａｓ雰囲気中で４００℃まで昇温し、ＧａＡｓの原料ガスを供給して、ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３の側面（側壁）が覆われるようにＧａＡｓ膜２５（ＧａＡｓ薄膜；ＧａＡｓ被膜）を形成する。
このようにして、ＧａＡｓ膜２５でＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３の側面を被覆した後、埋込再成長温度まで昇温し、ＧａＡｓ回折格子層２４に形成された回折格子２４Ａを埋め込む埋込再成長を行なう。

ここでは、例えばＭＯＶＰＥ法によって、ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３と同じ半導体材料からなるｎ型ＩｎＧａＰ下部第２クラッド層２６［第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第３の化合物半導体層；埋込層］を成長させて、ＧａＡｓ回折格子層２４に形成された回折格子２４Ａを埋め込む。
例えば、Ａｓ雰囲気中で６００℃まで昇温した後、ＩｎＧａＰの原料ガスを供給して、ＧａＡｓ回折格子層２４に形成された回折格子２４Ａが埋め込まれるようにｎ型ＩｎＧａＰ下部第２クラッド層２６を形成する。

次に、図３（Ｄ）に示すように、ｎ型ＩｎＧａＰ下部第２クラッド層２６上に、ｎ型ＧａＡｓ下部光導波層２７（光ガイド層）、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層２８、ｐ型ＧａＡｓ上部光導波層２９（光ガイド層）、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３０、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３１を順に積層させて形成する。
次いで、ＧａＡｓコンタクト層３１の表面にＳｉＯ_２を成膜し、パターニングによってマスクを形成し、ＧａＡｓコンタクト層３１、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３０、ＧａＡｓ上部光導波層２９、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層２８、ＧａＡｓ下部光導波層２７をエッチングして、図３（Ｅ）に示すように、リッジ構造３２を形成する。

続いて、例えばフッ化水素酸によってＳｉＯ_２マスクを除去した後、再び、図３（Ｅ）に示すように、ＳｉＯ_２を成膜してリッジ導波路３２のパッシベーション膜３３とし、上部及び下部に電流注入用の電極３４，３５を形成する。
最後に、アレー状にへき開後、端面コーティングを施して、光半導体装置（ＤＦＢレーザ）が完成する。素子の共振器構造は設計によっていろいろな構造をとりうるが、例えば素子長を３００μｍとし、前端面に無反射コーティングを施し、後端面に高反射コーティングを施せば良い。

このようにして製造された光半導体装置（ここではＤＦＢレーザ）は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０（化合物半導体基板）の上方に回折格子２４Ａと同一周期で周期的に形成されたｎ型ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３［第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第１の化合物半導体層；エッチングストップ層］と、ｎ型ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３の直上のみに形成され、ｎ型ＧａＡｓ回折格子層２４［第１のＶ族元素（ここではＰ）と異なる第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む第２の化合物半導体層］にパターニングされた回折格子２４Ａと、ｎ型ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層２３の側面を被覆するＧａＡｓ膜２５［第２のＶ族元素（ここではＡｓ）を含む化合物半導体膜］と、回折格子２４Ａを埋め込むｎ型ＩｎＧａＰ下部第２クラッド層２６［第１のＶ族元素（ここではＰ）を含む第３の化合物半導体層；埋込層］とを備える［図３（Ｄ）参照］。

なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここではその説明を省略する。
したがって、本光半導体装置及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、回折格子２４Ａを形成する半導体層２４とその下の半導体層２３とを、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成する場合に、回折格子２４Ａを埋め込む層２６の結晶性を向上させることができ、これにより、高電流注入効率で、高信頼性の光半導体装置を実現することができるという利点がある。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、ＩｎＧａＰクラッド層の側面を被覆するＧａＡｓ膜は、ＧａＡｓの原料ガスを供給して形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、ＧａＡｓの原料ガスを供給しないで、回折格子７Ａ（２４Ａ）を埋め込むＩｎＧａＰクラッド層９（２６）を再成長させるための埋込再成長温度まで昇温する昇温工程中にマストランスポートが起こるようにし、これによってＩｎＧａＰクラッド層６（２３）の側面を覆うようにしても良い［図４（Ａ），（Ｂ）参照］。例えば、上述の各実施形態の昇温工程において、４３０℃まで昇温した後、ＧａＡｓの原料ガスを供給せずにＡｓＨ_３を供給したままの状態で（Ａｓ雰囲気中で）、４３０℃の状態を３０分程度保持することで、マストランスポートを生じさせることができる。つまり、Ａｓ雰囲気中で高温アニールを行なうことでマストランスポートを生じさせることができる。なお、図４では、上述の第１実施形態（図１参照）及び第２実施形態（図３参照）と同一のものには同一の符号を付している。

また、上述の各実施形態では、ＩｎＧａＰクラッド層の側面を被覆する膜をＧａＡｓ膜とし、回折格子を形成する半導体材料（ＧａＡｓ）と同じ半導体材料によって形成しているが、これに限られるものではなく、少なくとも、回折格子を形成する半導体材料とＶ族元素が同じ半導体材料によって形成されていれば良い。
また、上述の各実施形態では、回折格子の下のクラッド層（第１クラッド層；エッチングストッパ層）と、回折格子を埋め込むクラッド層（第２クラッド層；埋込層）とを同じ半導体材料（ＩｎＧａＰ）によって形成しているが、これに限られるものではなく、これらのクラッド層を異なる半導体材料（Ｖ族元素を含む半導体材料）によって形成しても良い。例えば、第１クラッド層をＩｎＧａＰによって形成し、第２クラッド層をＩｎＡｌＡｓによって形成しても良い。

また、上述の各実施形態では、回折格子をＧａＡｓによって形成し、回折格子の下のクラッド層（第１クラッド層；エッチングストッパ層）及び回折格子を埋め込むクラッド層（第２クラッド層；埋込層）をＩｎＧａＰによって形成しているが、これに限られるものではなく、異なるＶ族元素を含む半導体材料によって形成されていれば良い。例えば、回折格子をＩｎＧａＰやＩｎＡｌＧａＰによって形成し、第１及び第２クラッド層をＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓによって形成しても良い。

また、上述の各実施形態では、ＧａＡｓ基板を用いているが、これに限られるものではなく、化合物半導体基板であれば良い。

（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法を説明するための模式的断面図であって、（Ａ）〜（Ｅ）は光の進行方向に沿う断面図であり、（Ｆ）は光の進行方向に直交する方向に沿う断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる光半導体装置の製造方法に含まれる再成長工程における温度の変化とＶ族ガス流量の変化を示すシーケンス図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の第２実施形態にかかる光半導体装置及びその製造方法を説明するための模式的断面図であって、（Ａ）〜（Ｄ）は光の進行方向に沿う断面図であり、（Ｅ）は光の進行方向に直交する方向に沿う断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の各実施形態の変形例にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１ ｐ型ＧａＡｓ基板（化合物半導体基板）
２ ｐ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
３ ｉ型ＧａＡｓ下部光導波層
４ 量子ドット活性層
５ ｉ型ＧａＡｓ上部光導波層
６ ｎ型ＩｎＧａＰ上部第１クラッド層（エッチングストップ層）
７ ｎ型ＧａＡｓ回折格子層
７Ａ 回折格子（回折格子パターン）
８ ＧａＡｓ膜
９ ｎ型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層
１０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１２ リッジ構造
１３ パッシベーション膜
１４，１５ 電極
２０ ｎ型ＧａＡｓ基板（化合物半導体基板）
２１ ｎ型ＩｎＧａＰ層
２２ ｎ型ＧａＡｓ層
２３ ｎ型ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層（エッチングストップ層）
２４ ｎ型ＧａＡｓ回折格子層
２４Ａ 回折格子（回折格子パターン）
２５ ＧａＡｓ膜
２６ ｎ型ＩｎＧａＰ下部第２クラッド層
２７ ｎ型ＧａＡｓ下部光導波層
２８ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層
２９ ｐ型ＧａＡｓ上部光導波層
３０ ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
３１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３２ リッジ構造
３３ パッシベーション膜
３４，３５ 電極

Claims (6)

1. 化合物半導体基板の上方に、第１のＶ族元素を含む第１の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第１の化合物半導体層上に、前記第１のＶ族元素と異なる第２のＶ族元素を含む第２の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記第２の化合物半導体層をパターニングして回折格子を形成する工程と、
   前記回折格子をマスクとして前記第１の化合物半導体層を除去する工程と、
   前記第１の化合物半導体層の側面を、前記第２のＶ族元素を含む化合物半導体膜で被覆する工程と、
   前記回折格子を、前記第１のＶ族元素を含む第３の化合物半導体層で埋め込む工程とを備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
2. 前記第３の化合物半導体層を形成する工程の前に、前記第２のＶ族元素を含む雰囲気で昇温する工程を含むことを特徴とする、請求項１記載の光半導体装置の製造方法。
3. 前記化合物半導体膜で被覆する工程の前に、前記第２のＶ族元素を含む雰囲気で昇温する第１昇温工程と、
   前記化合物半導体膜で被覆する工程の後、前記第３の化合物半導体層を形成する工程の前に、前記第２のＶ族元素を含む雰囲気で昇温する第２昇温工程とを含み、
   前記第２昇温工程における雰囲気中のＡｓ圧は、前記第１昇温工程における雰囲気中のＡｓ圧よりも低いことを特徴とする、請求項１記載の光半導体装置の製造方法。
4. 前記第１のＶ族元素は、Ｐであり、
   前記第２のＶ族元素は、Ａｓであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
5. 前記第１の化合物半導体層は、ＩｎＧａＰを含み、
   前記第２の化合物半導体層は、ＧａＡｓを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
6. 化合物半導体基板の上方に周期的に形成され、第１のＶ族元素を含む第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上に形成され、前記第１のＶ族元素と異なる第２のＶ族元素を含む第２の化合物半導体層にパターニングされた回折格子と、
   前記第１の化合物半導体層の側面を被覆し、前記第２のＶ族元素を含む化合物半導体膜と、
   前記回折格子を埋め込み、前記第１のＶ族元素を含む第３の化合物半導体層とを備えることを特徴とする光半導体装置。

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