JP2012174938A - 光半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光導波層の断熱性を効率よく高めることができる光半導体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 光半導体素子の製造方法は、半導体基板上に、半導体中間層を形成する工程と、半導体中間層上に光導波層を含む半導体積層体を形成する工程と、その内面に半導体中間層が露出する溝を半導体積層体に形成する工程と、溝の内面に露出した半導体中間層を選択的ウェットエッチングによって除去することで、空隙を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、光半導体素子およびその製造方法に関する。

波長可変半導体レーザなどの光半導体素子においては、内部に光導波層を備える反射領域上に、ヒータが設置される。このヒータを発熱させることによって、光導波層の温度を変化させることができる。その結果、光導波層の屈折率を制御して、光導波層の波長特性を制御することができる。しかしながら、波長可変半導体レーザなどの光半導体素子は、低い消費電力で駆動できることが求められている。そこで、光導波層下に低熱伝導率層を配置して、断熱性を高める技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２７３６４４号公報

より低い消費電力駆動を実現するためには、さらなる断熱性の向上が必要となる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光導波層の断熱性を効率よく高めることができる光半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体素子の製造方法は、半導体基板上に半導体中間層を形成する工程と、前記半導体中間層上に光導波層を含む半導体積層体を形成する工程と、その内面に前記半導体中間層が露出する溝を前記半導体積層体に形成する工程と、前記溝の内面に露出した前記半導体中間層を選択的ウェットエッチングによって除去することで、空隙を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。

前記半導体積層体は、前記光導波層の両側を埋め込んだ埋め込み層を備え、前記溝は、前記光導波層を含む前記埋め込み層の両側に設けられていてもよい。前記半導体基板は、ＩｎＰであり、前記半導体中間層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓＰとしてもよい。前記ウェットエッチングに用いるエッチャントは、過酸化水素水を加えた希釈フッ酸としてもよい。

前記半導体積層体は、前記光導波層に沿って、回折格子とスペース部とからなり、その光学的長さがそれぞれ等しいセグメントが複数設けられたＳＧ−ＤＢＲ構造を有していてもよい。前記半導体積層体は、前記光導波層に沿って、回折格子とスペース部とからなるセグメントが複数設けられ、少なくとも２つのセグメントの光学的長さが異なるＣＳＧ−ＤＢＲ構造を有していてもよい。

前記光導波層に沿って、ヒータが設けられていてもよい。前記半導体中間層は、前記導波路における光伝播方向で複数に分割して設けられていてもよい。前記半導体中間層は、前記セグメントに対して１つずつ、前記光導波層における光伝播方向に複数に分割して設けられていてもよい。

本発明に係る光半導体素子は、半導体基板上に設けられ、内部に光導波層を有する反射領域と、前記半導体基板上に設けられ、前記反射領域の前記光導波層と光結合する利得領域と、を備え、前記反射領域は、前記光導波層よりも前記半導体基板側において、空隙を有することを特徴とするものである。

前記光導波層上にヒータが設けられてなることを特徴とする請求項１０記載の光半導体素子。前記反射領域は、回折格子とスペース部とからなるセグメントが複数設けられ、ＳＧ−ＤＢＲ構造を有していてもよい。前記反射領域は、回折格子とスペース部とからなるセグメントが複数設けられ、少なくとも２つのセグメントの光学的長さが異なるＣＳＧ−ＤＢＲ構造を有していてもよい。前記空隙は、前記光導波層における光伝播方向において、複数に分割されていてもよい。前記空隙は、前記セグメントに対して１つずつ、前記光導波層における光伝播方向に複数に分割して設けられていてもよい。

本発明に係る光半導体素子およびその製造方法によれば、光導波層の断熱性を効率よく高めることができる。

（ａ）は実施例１に係る波長可変半導体レーザの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のα−α線断面図である。 図２は、図１（ａ）のβ−β線断面図である。 波長可変半導体レーザの配置を説明するための図である。 変形例１に係る波長可変半導体レーザの模式的断面図である。 変形例２に係る波長可変半導体レーザの模式的断面図である。 変形例３に係る波長可変半導体レーザの模式的断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、ＳＧ−ＤＢＲ領域の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ＳＧ−ＤＢＲ領域の製造方法の他の例を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、空隙の範囲について説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

光半導体素子の一例として、波長可変半導体レーザの全体構成について説明し、次いで光半導体素子の製造方法について説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る波長可変半導体レーザ１００の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のα−α線断面図である。図２は、図１（ａ）のβ−β線断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示したように、波長可変半導体レーザ１００は、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｄ、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａ、ＳＧ−ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂ、および光吸収領域Ｃをこの順に連結させた構造を有する。ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの両側には、光進行方向に沿って溝３０が形成されている。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、波長可変半導体レーザ１００の利得領域として機能する。図１（ｂ）に示すように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、半導体基板１上において、下クラッド層２、活性層３、上クラッド層６、コンタクト層７、および電極８が積層された構造を有する。

ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、波長可変半導体レーザ１００の反射領域として機能する。ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、半導体基板１上において、下クラッド層２、光導波層４、および上クラッド層６が積層された構造を有する。ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ上には、ヒータ１０が設けられている。本実施例においては、上クラッド層６上に、絶縁層９を介してヒータ１０が設けられている。ヒータ１０には、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。

光吸収領域Ｃは、半導体基板１上において、下クラッド層２、光吸収層５、上クラッド層６、コンタクト層１３、および電極１４が積層された構造を有する。光吸収領域Ｃの長さは、例えば、６００μｍ程度である。ＳＯＡ領域Ｄは、半導体基板１上において、下クラッド層２、光増幅層１９、上クラッド層６、コンタクト層２０、および電極２１が積層された構造を有する。なお、絶縁層９は、電極８と電極２１との間にも形成されている。ＳＯＡ領域Ｄの長さは、例えば、６００μｍ程度である。

以上説明したように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、光吸収領域ＣおよびＳＯＡ領域Ｄは、共通の半導体基板１上に一体的に形成されている。そして、活性層３，光導波層４，光吸収層５、および光増幅層１９は、互いに光結合している。ＳＯＡ領域Ｄ側の端面には、ＡＲ膜１６が形成されている。光吸収領域Ｃ側の端面には、反射膜１７が形成されている。

ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２には、回折格子（コルゲーション）１８が形成されている。このＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、複数のセグメントにより構成される。ここでセグメントとは、回折格子１８が設けられている領域と回折格子１８が設けられていないスペース部とが連結された部分を指す。回折格子１８は、下クラッド層２とは異なる屈折率の材料で構成されている。回折格子を構成する材料は、下クラッド層２がＩｎＰの場合、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３を用いることができる。

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターンニングにより形成することができる。回折格子１８に連結したスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで、回折格子１８のパターンが転写されないようにすることで実現できる。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける各セグメントの光学的長さは同一に設計されている。ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける各セグメントの光学的長さも同一に設計されている。ただし、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける各セグメントの光学的長さとＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける各セグメントの光学的長さとは異なっている。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８は、いずれも同一のピッチおよび同一の周期を有している。一例として、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのいずれにおいても、各セグメントに含まれる回折格子１８は、１ピッチ２４０ｎｍ×２０周期＝４．８μｍの長さを有する。そして、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントにおけるスペース部の長さは、６６．０μｍの長さであることから、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの１つのセグメントの長さは７０．８μｍである。また、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各セグメントにおけるスペース部の長さは、７３．１μｍの長さであることから、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの１つのセグメントの長さは７７．９μｍである。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの組み合わせにより、バーニア効果を利用して、所望の波長で安定してレーザ発振させることができる。

なお、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、一例として、それぞれ６つのセグメントを備える。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、４２４．８μｍ程度の長さを有する。また、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、４６７．４μｍ程度の長さを有する。

半導体基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２と上クラッド層６は、活性層３，光導波層４，光吸収層５を上下で光を閉じ込めている。

活性層３は、電流注入により利得を得ることのできる半導体により構成されている。活性層３は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。

光吸収層５は、波長可変半導体レーザ１００の発振波長に対して、吸収特性を有する材料が選択される。光吸収層５としては、その吸収端波長が例えば波長可変半導体レーザ１００の発振波長に対して長波長側に位置する材料が選択される。

光吸収層５は、例えば、量子井戸構造で構成することが可能であり、例えばＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．２８Ｉｎ_０．７２Ａｓ_０．６１Ｐ_０．３９（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造を有する。また、光吸収層５はバルク半導体であってよく、例えばＧａ_０．４６Ｉｎ_０．５４Ａｓ_０．９８Ｐ_０．０２からなる材料を選択することもできる。なお、光吸収層５は、活性層３と同じ材料で構成してもよい。その場合、活性層３と光吸収層５とを同一工程で作製することができるため、製造工程が簡素化される。

コンタクト層７，１３は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁層９は、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。ヒータ１０は、ＮｉＣｒ等で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０は、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されている。

電極８，１４、電源電極１１およびグランド電極１２は、金等の導電性材料からなる。半導体基板１の裏面には、裏面電極１５が形成されている。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、光吸収領域ＣおよびＳＯＡ領域Ｄにまたがって形成されている。

ＡＲ膜１６は、１．０％以下の反射率を有する端面膜であり、実質的にその端面が無反射となる特性を有する。一方、反射膜１７は、ＡＲ膜１６と比較して有意の反射率を有しており、具体的には１０％以上の反射率を実現する端面膜である。なお、ここで反射率とは、波長可変半導体レーザ１００の内部に対する反射率を指す。

光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。コンタクト層２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶からなる。なお、光増幅層１９と活性層３とを同じ材料で構成することもできる。この場合、光増幅層１９と活性層３とを同一工程で作製することができるため、製造工程が簡素化される。

次に、この波長可変半導体レーザ１００の光伝播方向に直角な断面構造について説明する。図２は、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける断面構造を説明するための図である。図２に示すように、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、下クラッド層２、光導波層４および上クラッド層６が積層された構造と、その両側を埋め込む高抵抗層５１を備えている。

そして、光導波層４の下部には、その光伝播方向に沿って空隙２２が形成されている。光導波層４を含む半導体領域５０は、空隙２２の両端に位置する壁によって支持されている。半導体領域５０は、空隙２２と絶縁膜９とによって挟まれた半導体積層体のことである。図１（ｂ）の例では、壁はＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂと光吸収領域Ｃとの境界およびＳＧ−ＤＢＲ領域ＢとＳＧ−ＤＦＢ領域Ａとの境界に位置している。

続いて、波長可変半導体レーザ１００の動作について説明する。図３に示したように、波長可変半導体レーザ１００は、温度制御装置（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）２００上に設置されている。温度制御装置２００は、ペルチェ素子によって波長可変半導体レーザ１００の温度を制御する装置である。

まず、電極８に所定の駆動電流を供給するとともに温度制御装置２００によって、波長可変半導体レーザ１００の温度を所定の値に制御する。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの利得スペクトルが制御される。また、ヒータ１０を所定の温度で発熱させる。これにより、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの光導波層４の屈折率が決定されて、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの反射スペクトルが制御される。利得スペクトルと反射スペクトルとの重ね合わせによって発振波長が選択される。また、電極２１に所定の電流を供給することによって、光増幅層１９に利得が与えられる。それにより、レーザ光が増幅される。この増幅されたレーザ光は、フロント側端面（ＳＯＡ領域Ｄ側）から外部に出力される。

ここで、光導波層４の屈折率を変化させる手段として、キャリア効果、熱光学効果、電圧効果などを用いることができる。本実施例においては、熱光学効果を用いている。熱光学効果は屈折率変化で光学損失を引き起こさないため、本実施例に係る波長可変半導体レーザ１００は、良好な特性を示す。しかしながら、温度による波長変化量は１℃あたり約０．１ｎｍ程度である。したがって、発振波長を３．６ｎｍシフトさせるためには、３６℃の温度変化が必要となる。このような大きい温度変化を実現するには、ヒータ１０が発生する熱を効率よく光導波層４に伝える必要がある。本実施例に係る波長可変半導体レーザ１００は、光導波層４の下部に空隙２２を有している。空隙２２は、半導体基板１と光導波層４との間を空間により熱的に分離する。これにより、ヒータ１０が発生する熱が空隙２２よりも下方へ伝わりにくくなる。また、光導波層４を含む半導体領域５０の両側にメサ溝３０を設けられていることから、ヒータ１０が発生する熱が半導体領域５０の両側へ伝わりにくくなる。以上により、本実施例においては、ヒータ１０が発生する熱が半導体領域５０に留まり易くなる。その結果、光導波層４の温度を効率よく制御することができる。

なお、図示しないが、本実施例に係るＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのヒータ１０の代わりに電流注入によるキャリア効果を利用して、光導波層４の屈折率を制御する場合であっても、本実施例と同様の構成を採用することができる。温度制御装置２００によって制御された半導体基板１の温度による熱光学効果により、上記キャリア効果以外の要因で、光導波層４が屈折率変動を受けてしまう。このような場合において、前記した如き空隙２２を設ければ、その熱的分離の効果により、上記熱光学効果の影響を低減できる。

なお、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいては空隙が設けられていないため、温度制御装置２００と活性層３との間で、効率よく熱が伝達する。それにより、温度制御装置２００を用いてＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの屈折率を効率よく制御することができる。

（変形例１）
図１（ｂ）の波長可変半導体レーザ１００では、半導体領域５０が空隙２２の両側の壁の部分によって保持されていた。本変形例は、空隙２２を複数に分割し、半導体領域５０を前記壁と、空隙２２の間に位置する柱部とで支持する構造を採用したものである。

図４は、変形例１に係る波長可変半導体レーザ１０１の模式的断面図である。波長可変半導体レーザ１０１が図１（ｂ）の波長可変半導体レーザ１００と異なる点は、空隙２２の配置箇所である。図４に示したように、空隙２２は、光伝播方向において、複数に分割されている。空隙２２は、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各セグメントそれぞれに対応して柱部が位置するように配置することが好ましい。柱部を各セグメントに対応して配置する場合この柱部は、各セグメントのスペース部あるいは回折格子１８の下方、あるいはその両方に跨った部分に配置することができる。ただし、柱部の位置は全てのセグメントにおいてそろっていることが好ましい。これは、柱部により伝導される熱の影響が、各セグメントにおいて同等になるためである。

例えば、空隙２２の長さを３９μｍ程度とし、柱部の長さを３９μｍ程度とすることができる。柱部の位置は、各セグメントにおいてそろって設けられる。なお、柱部を回折格子１８とスペース部に跨った位置に形成する場合、柱部が回折格子１８の両側に接続するスペース部に同じだけはみ出すように設けることが好ましい。

（変形例２）
図５は、変形例２に係る波長可変半導体レーザ１０２の模式的断面図である。波長可変半導体レーザ１０２が図４の波長可変半導体レーザ１００と異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの代わりにもう一つのＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅが設けられ、ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢとＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅとの間に利得領域Ｆおよび位相調整領域Ｇが設けられている点である。

利得領域Ｆは、半導体基板１上において、下クラッド層２、利得層２５、上クラッド層６、コンタクト層２６、および電極２７が積層された構造を有する。利得層２５は、例えば互いに組成の異なる井戸層Ｇａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）と障壁層Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）が積層された構造を有する。コンタクト層２６は、例えばＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる。ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅは、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂと同様の構成を有する。ただし、ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢとＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅとで、セグメントの長さが異なっている。

位相調整領域Ｇは、基板１上に、下クラッド層２、導波路コア２８、上クラッド層６、絶縁膜９、およびヒータ１０が積層された構造を有する。導波路コア２８は、例えばバルクであり、例えばＧａ_０．２８Ｉｎ_０．７２Ａｓ_０．６１Ｐ_０．３９からなる導波層である。なお、位相調整領域Ｇも、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂと同様に、溝３０によってメサ状に形成されている。

波長可変半導体レーザ１０２においては、電極２７に所定の駆動電流を注入することによって利得層２５で光が発生する。また、ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅの各ヒータ１０の発熱量を個別に制御することによって、ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅの反射スペクトルが個別に制御される。さらに、位相調整領域Ｇのヒータ１０の発熱量を制御することによって、ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅによって選択された所望の反射スペクトルにおいて、所望の発振波長に調整される。なお、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅ、および位相調整領域Ｇは、それぞれヒータの代わりに電流注入による屈折率制御を行うことも可能である。

図５の例では、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ，Ｅおよび位相調整領域Ｇのすべてに空隙２２が形成されている。なお、空隙２２はＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ，Ｅおよび位相調整領域Ｇのいずれか一だけに設けることもできる。空隙２２あるいは柱部の配置については、変形例１と同様である。本変形例においても空隙２２が設けられていることから、ヒータ１０が発生する熱が空隙２２よりも下方へ伝わりにくくなる。それにより、導波路コア２８の断熱性を効率よく高めることができる。

（変形例３）
図６（ａ）は、変形例３に係る波長可変半導体レーザ１０３の模式的平面図である。図６（ｂ）は、波長可変半導体レーザ１０３の模式的断面図である。波長可変半導体レーザ１０３が図４の波長可変半導体レーザ１００と異なる点は、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの変わりにＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｈを備えている点である。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＨがＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂと異なる点は、各セグメントの光学的長さが異なる点およびヒータ１０が複数設けられている点である。各ヒータ１０には、それぞれ、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。

また、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈにおいては、少なくとも２つのセグメントの光学的長さが、互いに異なっている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈの波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。一方、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける各セグメントの光学的長さは、実質的に互いに同一である。これらＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈの組み合わせにより、バーニア効果を利用して、所望の波長で安定してレーザ発振させることができる。

本変形例においては、一例として、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈ内には、異なる光学的長さを有する３つのセグメントグループＸ，Ｙ，Ｚがある。それぞれセグメントグループＸは３つ、セグメントグループＹは２つ、セグメントグループＺは２つのセグメントが設けられ、合計７つのセグメントが設けられている。例えば、回折格子１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈのセグメントにおいて、同一のピッチおよび同一の周期を有し、１ピッチ２４０ｎｍ×２０周期＝４．８μｍの長さを有する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに最も近いセグメントグループＸのスペース部の長さは、１２０．２μｍの長さを有することから、セグメントグループＸのセグメントの長さは１２５．０μｍである。セグメントグループＸの隣に配置されたセグメントグループＹのスペース部は、１１５．２μｍの長さを有することから、セグメントグループＹのセグメントの長さは１２０．０μｍである。セグメントグループＹの隣に配置されたセグメントグループＺのスペース部の長さは、１２５．２μｍの長さを有することから、セグメントグループＺのセグメントの長さは１３０．０μｍである。これらのことより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈは、８７５μｍ程度の長さを有する。それぞれのセグメントグループには、セグメントグループ内のセグメントをまたぐようにヒータ１０が設けられている。

また、このときのＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、一例として、６つのセグメントを備える。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのセグメントのスペース部の長さは、１３２．７μｍの長さを有することから、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントの長さは、１３７．５μｍである。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、８２５μｍ程度の長さを有する。

本変形例においては、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈの半導体基板１において、光導波層４の延伸方向に沿って空隙２２が形成されている。本変形例においては、空隙２２が複数に分割されており、空隙２２あるいは柱部の配置については、変形例１と同様である。前記したように、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈには、セグメント長の異なるグループが存在するが、空隙２２と柱部が各セグメントに与える影響が無視できる場合には、空隙２２と柱部の配置関係は、変形例１と同様でよい。

（製造方法）
図７（ａ）〜図７（ｇ）は、上記のＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ，Ｅ、位相調整領域ＧまたはＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈの製造方法を説明するための図である。図７（ａ）〜図７（ｇ）は、各工程における模式的断面図を表している。まず、図７（ａ）に示すように、半導体基板１の第１主面に、半導体中間層４０を成長させる。例えば、半導体中間層４０として、半導体基板１と格子整合する半導体を用いる。半導体基板１としてＩｎＰを用いる場合には、半導体中間層４０として、ＩｎＰを含む半導体を用いる。具体的には、半導体中間層４０として、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓＰなどのＩｎＰと格子整合する半導体混晶を用いる。半導体中間層４０の厚みは、一例として、１．２５μｍである。なお、後述するウェットエッチング処理が適度な速度で行うことができればよいため、半導体中間層４０の厚みは、０．５μｍあれば十分である。

その後、半導体中間層４０のうち、空隙２２が形成される領域以外の領域に対して、ドライエッチング処理を施す。一例として、ＩＣＰドライエッチャーを用い、アンテナパワーを２００Ｗとし、バイアスパワーを１００Ｗとし、ＳｉＣｌ_４／Ａｒ流量を０．１ｓｃｃｍとし、ＡＰＣ圧を０．８Ｐａとし、半導体基板１の温度を１５０℃とすることができる。なお、図７（ａ）の工程において、ドライエッチング処理後に残る半導体中間層４０の幅は、空隙２２より大きくてもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、半導体中間層４０をｎ型ＩｎＰで埋め込み、埋め込みに用いたｎ型ＩｎＰに対して平坦化エッチを施す。平坦化されたｎ型ＩｎＰは、半導体基板１の一部として機能する。次いで、図７（ｃ）に示すように、平坦化したｎ型ＩｎＰ上に、回折格子１８を構成する層、バッファ層２ａ、光導波層４を構成する層、およびバッファ層６ａを成長させる。それにより、半導体基板１の第１主面に、半導体積層体が形成される。なお、回折格子１８が設けられていない箇所においては、回折格子１８を構成する層を除去した後に、下クラッド層２を構成する層を成長させる。また、バッファ層２ａは、ｎ型ＩｎＰであり、下クラッド層２としても機能する。バッファ層６は、ｐ型ＩｎＰである。

次に、図７（ｄ）に示すように、図７（ｃ）の工程で成長させた半導体積層体の半導体中間層４０の略中央部を含む領域が残るように、ドライエッチング処理を施す。一例として、ＩＣＰドライエッチャーを用い、アンテナパワーを２００Ｗとし、バイアスパワーを１００Ｗとし、ＳｉＣｌ_４／Ａｒ流量を０．１ｓｃｃｍとし、ＡＰＣ圧を０．８Ｐａとし、半導体基板１の温度を１５０℃とすることができる。図７（ｄ）の工程においては、半導体基板１が露出しかつ半導体中間層４０が露出する前に、ドライエッチング処理を終了する。このエッチングが終了した時点での半導体積層体の高さは、例えば１．０μｍである。また、その幅は、例えば、１．５μｍである。

次に、図７（ｅ）に示すように、図７（ｄ）の工程で形成されたメサ上および図７（ｄ）の工程で除去された領域上に埋め込み層として機能する高抵抗層５１を成長させる。高抵抗層５１は、例えばＦｅドープＩｎＰである。さらに、上クラッド層６および高抵抗層５１の上面全体に、０．６μｍ程度の厚みの絶縁膜９を形成する。また、図７（ｄ）のメサの上方の絶縁膜９上に、ヒータ１０を形成する。

次いで、図７（ｆ）に示すように、絶縁膜９および高抵抗層５１にドライエッチング処理を施すことで、図１（ａ）の溝３０を形成する。図７（ｆ）の工程においては、半導体中間層４０よりも深い位置までドライエッチング処理を施す。メサの側面に半導体中間層４０が露出する。一例として、半導体中間層４０よりも１．０μｍ以下の深さまでドライエッチング処理してもよい。また、一例として、メサの幅が５．０μｍとなり、溝３０の幅が４．０μｍになるようにドライエッチング処理してもよい。一例として、ＩＣＰドライエッチャーを用い、アンテナパワーを２００Ｗとし、バイアスパワーを１００Ｗとし、ＳｉＣｌ_４／Ａｒ流量を０．１ｓｃｃｍとし、ＡＰＣ圧を０．８Ｐａとし、半導体基板１の温度を１５０℃とすることができる。

次に、図７（ｇ）に示すように、半導体中間層４０に対し、選択的ウェットエッチング処理を施すことによって、半導体中間層４０を除去する。この場合、埋め込み層（高抵抗層５１）によって光導波層４を含む構造が埋め込まれているため、選択的ウェットエッチングによって光導波層４が損傷されることが回避できる。なお、選択的ウェットエッチングにおけるエッチャントと半導体中間層４０との組み合わせは、半導体中間層４０に対する選択比が半導体基板１に対する選択比よりも高くなるように選択される。

半導体中間層４０としてＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓＰなどを用いる場合には、エッチャントとして、過酸化水素水を加えた希釈フッ酸を用いることができる。例えば、２５℃のエッチャントを用いて４分程度エッチングすることによって、半導体中間層４０を除去することができる。最後に、半導体基板１の裏面に裏面電極１５を形成することによって、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ，Ｅ、位相調整領域ＧまたはＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈが完成する。

なお、溝３０の深さが１０．０μｍ以下のとき、溝３０の幅を３．０μｍ以上にすることで、エッチャントを溝３０の底まで流入させ、半導体中間層４０を除去することができる。さらに、溝３０の幅を６．０μｍ以上にすることで、残渣を残すことなく半導体中間層４０を除去することができる。なお、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈも同様の製造方法で形成することができる。

（製造方法の他の例）
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ，Ｅ、位相調整領域ＧまたはＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈの製造方法の他の例を説明するための図である。図８（ａ）〜図８（ｃ）は、各工程における模式的断面図を表している。まず、図７（ａ）〜図７（ｅ）の工程を実施する。なお、図７（ａ）の工程においては、半導体中間層４０の幅を、空隙２２よりも大きくしておく。

次に、図８（ａ）に示すように絶縁膜９および高抵抗層５１にドライエッチング処理を施すことで、図１（ａ）の溝３０を形成する。図８（ａ）の工程においては、半導体中間層４０が露出するまでドライエッチング処理を施す。一例として、半導体中間層４０よりも１．０μｍ以下の深さまでドライエッチング処理してもよい。一例として、ＩＣＰドライエッチャーを用い、アンテナパワーを２００Ｗとし、バイアスパワーを１００Ｗとし、ＳｉＣｌ_４／Ａｒ流量を０．１ｓｃｃｍとし、ＡＰＣ圧を０．８Ｐａとし、半導体基板１の温度を１５０℃とすることができる。

次に、図８（ｂ）に示すように、半導体中間層４０に対し、選択的ウェットエッチング処理を施すことによって、半導体中間層４０を除去する。図８（ｂ）の例では、エッチャントとして、過酸化水素水を加えた希釈フッ酸を用いることができる。例えば、２５℃のエッチャントを用いて３分程度エッチングすることによって、半導体中間層４０を除去することができる。次に、図８（ｃ）に示すように、半導体基板１の裏面に裏面電極１５を形成することによって、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ，Ｅ、位相調整領域ＧまたはＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈが完成する。

なお、溝３０の深さが１０．０μｍ以下のとき、溝３０の幅を３．０μｍ以上にすることで、エッチャントを溝３０の底まで流入させ、半導体中間層４０を除去することができる。さらに、溝３０の幅を６．０μｍ以上にすることで、残渣を残すことなく半導体中間層４０を除去することができる。なお、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｈも同様の製造方法で形成することができる。

図８（ａ）〜図８（ｃ）の例では、ウェットエッチング処理を施す際の半導体中間層４０の露出面積が大きくなる。それにより、図７（ａ）〜図７（ｇ）の工程と比較して、ウェットエッチングの処理時間を短縮化することができる。なお、半導体中間層４０の厚みが小さく半導体中間層４０を露出させることが困難である場合には、図７（ａ）〜図７（ｇ）の工程が有利である。

なお、図７（ａ）〜図８（ｃ）の例では、メサ部の形成前に絶縁膜９が形成されているが、それに限られない。例えば、半導体中間層４０の除去後に絶縁膜９を形成してもよい。この場合、メサ部の側面、溝３０の底面、溝３０のメサ部と異なる側面にも絶縁膜９が形成される。なお、絶縁膜９は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の絶縁体からなる保護膜で形成されている。

（空隙の幅）
図９（ａ）および図９（ｂ）は、空隙２２の幅について説明するための図である。図９（ａ）に示すように、空隙２２は、一方の溝３０から他方の溝３０まで形成されていてもよい。図９（ａ）の例は、図８（ｃ）の例に対応している。また、図９（ｂ）を参照して、空隙２２は、両方の溝３０のメサと反対側まで伸びていてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 半導体基板
２ 下クラッド層
３ 活性層
４ 光導波層
５ 光吸収層
６ 上クラッド層
７ コンタクト層
８，１４ 電極
１０ ヒータ
１１ 電源電極
１２ グランド電極
１３ コンタクト層
１５ 裏面電極
１６ ＡＲ膜
１７ ＨＲ膜
１８ 回折格子
１００ 波長可変半導体レーザ

Claims (15)

1. 半導体基板上に、半導体中間層を形成する工程と、
   前記半導体中間層上に光導波層を含む半導体積層体を形成する工程と、
   その内面に前記半導体中間層が露出する溝を前記半導体積層体に形成する工程と、
   前記溝の内面に露出した前記半導体中間層を選択的ウェットエッチングによって除去することで、空隙を形成する工程と、を含むことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
2. 前記半導体積層体は、前記光導波層の両側を埋め込んだ埋め込み層を備え、前記溝は、前記光導波層を含む前記埋め込み層の両側に設けられてなることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子の製造方法。
3. 前記半導体基板は、ＩｎＰであり、
   前記半導体中間層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓＰであることを特徴とする請求項１または２記載の光半導体素子の製造方法。
4. 前記ウェットエッチングに用いるエッチャントは、過酸化水素水を加えた希釈フッ酸であることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子の製造方法。
5. 前記半導体積層体は、前記光導波層に沿って、回折格子とスペース部とからなり、その光学的長さがそれぞれ等しいセグメントが複数設けられたＳＧ−ＤＢＲ構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光半導体素子の製造方法。
6. 前記半導体積層体は、前記光導波層に沿って、回折格子とスペース部とからなるセグメントが複数設けられ、少なくとも２つのセグメントの光学的長さが異なるＣＳＧ−ＤＢＲ構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光半導体素子の製造方法。
7. 前記光導波層に沿って、ヒータが設けられてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光半導体素子の製造方法。
8. 前記半導体中間層は、前記導波路における光伝播方向で複数に分割して設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光半導体素子の製造方法。
9. 前記半導体中間層は、前記セグメントに対して１つずつ、前記光導波層における光伝播方向に複数に分割して設けられることを特徴とする請求項５または６記載の光半導体素子の製造方法。
10. 半導体基板上に設けられ、内部に光導波層を有する反射領域と、
    前記半導体基板上に設けられ、前記反射領域の前記光導波層と光結合する利得領域と、を備え、
    前記反射領域は、前記光導波層よりも前記半導体基板側において、空隙を有することを特徴とする光半導体素子。
11. 前記光導波層上にヒータが設けられてなることを特徴とする請求項１０記載の光半導体素子。
12. 前記反射領域は、回折格子とスペース部とからなるセグメントが複数設けられ、ＳＧ−ＤＢＲ構造を有することを特徴とする請求項１０記載の光半導体素子。
13. 前記反射領域は、回折格子とスペース部とからなるセグメントが複数設けられ、少なくとも２つのセグメントの光学的長さが異なるＣＳＧ−ＤＢＲ構造を有することを特徴とする請求項１０記載の光半導体素子。
14. 前記空隙は、前記光導波層における光伝播方向において、複数に分割されてなることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の光半導体素子。
15. 前記空隙は、前記セグメントに対して１つずつ、前記光導波層における光伝播方向に複数に分割して設けられることを特徴とする請求項１２または１３記載の光半導体素子。

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