JP2012222193A

JP2012222193A - 光集積素子の製造方法

Info

Publication number: JP2012222193A
Application number: JP2011087286A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hiratsuka; 健二平塚; Tomokazu Katsuyama; 智和勝山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP5786425B2

Abstract

【課題】２回以上のバットジョイント工程を含む光集積素子の製造方法において、結晶粒の発生を抑え、光導波路構造の側面の凹凸を低減する。
【解決手段】ＩｎＰ基板上に第１の半導体積層部を成長させ、ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に延びる光導波路予定領域Ａの第１の部分を覆う第１のストライプ状部分３１を含むエッチングマスク３０を形成してウェットエッチングを行い、第２の半導体積層部を選択的に成長させ、光導波路予定領域Ａの第１の部分、及び第１の部分と隣接する第２の部分を覆う第２のストライプ状部分５１を含むエッチングマスク５０を形成してウェットエッチングを行い、第３の半導体積層部を選択的に成長させる。第２のストライプ状部分５１の一対の側縁５１ａを、第１のストライプ状部分３１の一対の側縁３１ａよりも内側（光導波路予定領域Ａ寄り）に形成する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、例えば、半導体レーザ、電界吸収型（Electro-Absorption；ＥＡ）光変調器、マッハツェンダー型光変調器といった光素子部が複数集積されて成る光集積素子を製造する方法に関する。

特許文献１には、変調器集積型の半導体レーザ素子が開示されている。この素子では、活性層を有する分布帰還型（Distributed Feedback；ＤＦＢ）レーザ領域と、ＤＦＢレーザ領域に隣接して設けられ、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きいバルク構造の光導波層を有する光導波領域と、バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きく光導波層よりも小さいバルク構造の光吸収層を有するＥＡ変調領域とが、共通の半導体基板上に形成されている。そして、特許文献１には、このような素子を製造する方法として、２回のバットジョイント工程を含む次の方法が記載されている。まず、ＤＦＢレーザ領域の為の半導体積層構造を半導体基板上に成長させたのち、ＤＦＢレーザ領域を覆う第１のマスクを用いて半導体積層構造のエッチングを行う。次に、その第１のマスクを用いて光導波領域の為の半導体積層構造を半導体基板上に選択的に成長させたのち、ＤＦＢレーザ領域及び光導波領域を覆う第２のマスクを用いて半導体積層構造のエッチングを行う。続いて、その第２のマスクを用いてＥＡ変調領域の為の半導体積層構造を半導体基板上に選択的に成長させる。

また、特許文献２には、変調器集積型の半導体レーザ素子が開示されている。この半導体レーザ素子では、２つのＥＡ変調器とレーザダイオードとが共通の半導体基板上にモノリシックに集積されている。２つのＥＡ変調器は、レーザダイオードの一端部に直列に接続されている。そして、この文献には、このような素子を製造する方法として、２回のバットジョイント工程を含む方法が記載されている。なお、２回目のバットジョイント工程において使用されるエッチングマスクの横幅（光導波方向と直交する方向の幅）は、１回目のバットジョイント工程において使用されるエッチングマスクの横幅よりも広く形成されている。

特許文献３には、集積光デバイスの製造方法が記載されている。この製造方法では、２回以上のバットジョイント工程によって３つ以上の光素子部を形成する。なお、この文献に記載された方法においても、２回目以降のバットジョイント工程において使用されるエッチングマスクの横幅は、その直前のバットジョイント工程において使用されるエッチングマスクの横幅よりも広い。

特開２０００−２７７８６９号公報特開２００５−１４２２３０号公報特開２０１０−１６５７５９号公報

近年、光通信に用いられる光モジュールの小型化が重要な課題となっており、光モジュールに搭載される光デバイスを更に小型化することが望まれている。光デバイスの小型化のための技術として、集積化技術がある。例えば、光変調器とレーザ素子とを一つの基板上にモノリシックに集積することによって、光送信器に好適な小型の発光デバイスを提供できる。なお、光変調器の例としては、ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ_３；ＬＮ）を使用したマッハツェンダー変調器や、ＩｎＰ等の半導体からなる半導体マッハツェンダー変調器、ＥＡ変調器などが挙げられる。また、ＬＮを用いた変調器では、構成する材料が半導体材料と異なることから、半導体発光素子等の半導体光部品とモノリシックに集積することは困難である。一方、半導体からなるマッハツェンダー変調器やＥＡ変調器では、容易に、１つの基板上に半導体発光素子等の半導体光部品とモノリシックに集積することができる。特に、半導体マッハツェンダー変調器は、小型に構成でき、動作波長範囲が制限されないので好適である。

このように一つの基板上に複数の光素子部が集積化されたデバイス（以下、光集積素子という）を製造する方法の一つとして、次に述べるバットジョイント法がある。図１３及び図１４は、一般的なバットジョイント法を説明するための図である。まず、図１３（ａ）に示されるように、第１の光素子部の為の第１の半導体積層構造１１０を半導体基板１００上に成長させる。次に、図１３（ｂ）に示されるように、第１の半導体積層構造１１０の一部をエッチングマスク１１２により覆う。そして、図１４（ａ）に示されるように、エッチングマスク１１２に覆われていない第１の半導体積層構造１１０の部分をエッチングにより除去する。続いて、図１４（ｂ）に示されるように、第１の半導体積層構造１１０が除去された領域上に第２の光素子部の為の第２の半導体積層構造１１４を成長させる。このとき、第２の半導体積層構造１１４の成長方法として、例えば有機金属気相成長法（OrganoMetaric Vapor Phase Epitaxy；ＯＭＶＰＥ）が好適である。以上の工程を所定回数繰り返すことにより、上述したような光集積素子が得られる。

図１５（ａ）は、図１４（ｂ）に示されるXVａ−XVａ線に沿った断面（光導波方向に沿った断面）を示す図である。また、図１５（ｂ）は、図１４（ｂ）に示されるXVｂ−XVｂ線に沿った断面（光導波方向に垂直な断面）を示す図である。図１５（ａ）に示されるように、第１の半導体積層構造１１０の端面１１０ａは、いわゆる順メサ形状を有することが好ましい。端面１１０ａが順メサ形状を有することによって、第１の半導体積層構造１１０の端面１１０ａに隣接して再成長する第２の半導体積層構造１１４を均等に成長させ、第２の半導体積層構造１１４に含まれる光導波層等を平坦に形成することができるからである。第１の半導体積層構造１１０がＩｎＰ系の半導体から成る場合、このような端面１１０ａの順メサ形状は、例えば端面１１０ａの延在方向をＩｎＰ系半導体の＜０−１１＞方向に沿うように定めるとともに、図１４（ａ）に示されたエッチング工程をウェットエッチングにより行うことによって好適に実現される。また、このように端面１１０ａの延在方向を定めると、図１５（ｂ）に示されるように、端面１１０ａと直交する方向（すなわち光導波方向）に沿った第１の半導体積層構造１１０の側面１１０ｂは逆メサ形状となる。

ところで、３つ以上の光素子部を備える光集積素子を上述したバットジョイント法により製造する場合、前述した特許文献２，３に記載されているように、２回目以降のバットジョイント工程におけるエッチングマスクの横幅を、直前のバットジョイント工程におけるエッチングマスクの横幅より広くすることが一般的である。しかしながら、本発明者は、このような場合には以下に述べる課題が生じることを見出した。

図１６（ａ）は、２回目のバットジョイント工程後における光集積素子の光導波方向に沿った断面の様子を示す図である。また、図１６（ｂ）は、２回目のバットジョイント工程後における光集積素子の光導波方向に垂直な断面の様子を示す図である。２回目のバットジョイント工程では、まず、第１の半導体積層構造１１０の全部と第２の半導体積層構造１１４の一部とをエッチングマスク１１６により覆う。そして、エッチングマスク１１６に覆われていない第２の半導体積層構造１１４の部分をエッチングにより除去し、第２の半導体積層構造１１４が除去された領域上に第３の光素子部の為の第３の半導体積層構造１１８を成長させる。しかし、前述したように第１の半導体積層構造１１０の側面１１０ｂが逆メサ形状を有するので、図１６（ｂ）に示されるように、側面１１０ｂに隣接して再成長する第２の半導体積層構造１１４が平坦に成長せず、窪み１１４ａが生じてしまうことがある。この場合、エッチングマスク１１６が窪み１１４ａを覆うように形成されるので、エッチングマスク１１６にも窪みが生じる。その状態で第３の半導体積層構造１１８を成長させると、エッチングマスク１１６の窪みに結晶成長の原料が滞留し、結晶粒１２０が形成されてしまう。

この結晶粒１２０は、エッチングマスク１１６を除去した後においてもウエハ上に残留する。光集積素子の製造工程では、バットジョイント工程の後に光導波路構造を形成するが、その際に光導波路構造の為のエッチングマスクをフォトリソグラフィ技術により形成する。しかし、このフォトリソグラフィの際に上述した結晶粒１２０がレジストの広がりを妨げて光導波路付近のレジスト厚さにばらつきが生じる。その結果、形成されたエッチングマスクの横幅（すなわち光導波路幅）にばらつきが生じるので、エッチング後の光導波路構造の側面に凹凸が生じる。この凹凸は光導波路を伝搬する光を散乱させ、導波損失を生じさせてしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、２回以上のバットジョイント工程を含む光集積素子の製造方法において、結晶粒の発生を抑え、光導波路構造の側面の凹凸を低減することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による光集積素子の製造方法は、（１）ＩｎＰ結晶の＜１００＞方向、または＜１００＞方向に対して５°以下の角度で傾斜した方向を法線方向とする主面を有するＩｎＰ基板の主面上に、第１の光導波層を含む第１の半導体積層部を成長させる第１の成長工程と、（２）ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に延びる光導波路予定領域の第１の部分を覆う第１のストライプ状部分を含む第１のエッチングマスクを第１の半導体積層部上に形成する第１のエッチングマスク形成工程と、（３）第１のエッチングマスクを用いて第１の半導体積層部にウェットエッチングを施す第１のエッチング工程と、（４）第２の光導波層を含む第２の半導体積層部を、第１のエッチングマスクを用いて主面上に選択的に成長させたのち、第１のエッチングマスクを除去する第２の成長工程と、（５）光導波路予定領域の第１の部分、及び第１の部分と隣接する第２の部分を覆う第２のストライプ状部分を含む第２のエッチングマスクを第１及び第２の半導体積層部上に形成する第２のエッチングマスク形成工程と、（６）第２のエッチングマスクを用いて第１及び第２の半導体積層部にウェットエッチングを施す第２のエッチング工程と、（７）第３の光導波層を含む第３の半導体積層部を、第２のエッチングマスクを用いて主面上に選択的に成長させる第３の成長工程とを備え、第２のエッチングマスク形成工程の際に、ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に沿った第２のストライプ状部分の一対の側縁を、ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に沿った第１のストライプ状部分の一対の側縁よりも光導波路予定領域寄りに形成することを特徴とする。

この光集積素子の製造方法では、第１の成長工程、第１のエッチングマスク形成工程、第１のエッチング工程、及び第２の成長工程によって１回目のバットジョイントが行われる。そして、ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に光導波路予定領域が延びているので、この光導波路予定領域上の第１の半導体積層部の端面は順メサ形状となり、側面は逆メサ形状となる。しかし、この光集積素子の製造方法では、その後の第２のエッチングマスク形成工程において、第２のエッチングマスクにおける第２のストライプ状部分の一対の側縁を、第１のエッチングマスクにおける第１のストライプ状部分の一対の側縁よりも内側（光導波路予定領域寄り）に形成している。すなわち、第２のエッチングマスクの側縁は図１６（ｂ）に示された窪み１１４ａよりも内側に位置し、第２のエッチングマスクは窪み１１４ａを覆わない。したがって、第２のエッチングマスクの表面に窪みは生じないので、結晶成長原料の滞留による結晶粒１２０の発生を抑え、光導波路構造の側面の凹凸を低減することができる。

また、上述した光集積素子の製造方法では、第１のエッチングマスクが、ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向における第１のストライプ状部分の端部と繋がっており該方向と交差する方向に延びる部分を更に含み、第２のエッチングマスクが、ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向における第２のストライプ状部分の端部と繋がっており該方向と交差する方向に延びる部分を更に含んでもよい。

本発明によれば、２回以上のバットジョイント工程を含む光集積素子の製造方法において、結晶粒の発生を抑え、光導波路構造の側面の凹凸を低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる一工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる回折格子形成工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図３は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第１の成長工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図４は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第１のエッチングマスク形成工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図５は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第１のエッチング工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図６は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第２の成長工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図７は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第２のエッチングマスク形成工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図８は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第２のエッチング工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図９は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる第３の成長工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図１０は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる一工程を示す図である。（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる各工程を示す図である。図１２は、第２のエッチングマスク形成工程にて形成される第２のエッチングマスクの平面図である。図１３は、一般的なバットジョイント法を説明するための図である。図１４は、一般的なバットジョイント法を説明するための図である。図１５（ａ）は、図１４（ｂ）に示されるXVａ−XVａ線に沿った断面を示す図である。図１５（ｂ）は、図１４（ｂ）に示されるXVｂ−XVｂ線に沿った断面を示す図である。図１６（ａ）は、２回目のバットジョイント工程後における光集積素子の光導波方向に沿った断面の様子を示す図である。図１６（ｂ）は、２回目のバットジョイント工程後における光集積素子の光導波方向に垂直な断面の様子を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光集積素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、＜０１１＞方向とは、［０１１］方向およびこれと等価な方向を含む。＜０−１１＞方向、＜１００＞方向についても同様である。

図１〜図１１は、本発明の一実施形態に係る光集積素子の製造方法に含まれる各工程を示す図である。なお、これらの図において、（ａ）は製造途中の光集積素子の斜視図であり、（ｂ）はその光導波路予定領域を通る側断面を示す図である。以下の製造方法により製造される光集積素子は、レーザ素子部、光変調素子部、及びこれらの間に配置される光導波路部といった３つの光素子部を備える。

まず、図１に示されるように、第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＰ基板１０を用意する。ＩｎＰ基板１０は主面１０ａ及び裏面１０ｂを有している。主面１０ａの法線方向Ｖは、ＩｎＰ基板１０を構成するＩｎＰ結晶の＜１００＞方向と一致しているか、若しくは＜１００＞方向に対して５°以下の角度で傾斜している。換言すれば、主面１０ａは、ＩｎＰ結晶の（１００）面を含むか、若しくは（１００）面に対して５°以下の角度で傾斜した面を含む。主面１０ａには、ＩｎＰ基板１０を構成するＩｎＰ結晶の＜０１１＞方向に延びる光導波路予定領域Ａが含まれる。光導波路予定領域Ａには、レーザ素子部となるべき第１の部分Ａ１、光導波路部となるべき第２の部分Ａ２、及び光変調素子部となるべき第３の部分Ａ３が含まれる。

次に、図２に示されるように、ＩｎＰ基板１０の主面１０ａにおいて想定される光導波路予定領域Ａの第１の部分Ａ１に複数の溝を形成することにより、レーザ素子部のための回折格子１０ｃを形成する。回折格子１０ｃのための複数の溝は、例えば干渉露光法やナノインプリント法によって好適に形成される。回折格子１０ｃのための複数の溝は、図中の所定方向Ｂと交差する方向に延びており、回折格子１０ｃの周期構造は所定方向Ｂに沿って繰り返されている。一実施例では、所定方向Ｂは、ＩｎＰ基板１０の＜０１１＞方向と一致している。回折格子１０ｃのための複数の溝は、ＩｎＰ基板１０の＜０１１＞方向と交差する方向、例えば＜０−１１＞方向に延びている。

続いて、図３に示されるように、第１の半導体積層部２０をＩｎＰ基板１０の主面１０ａ上に成長させる（第１の成長工程）。第１の半導体積層部２０は、下部光閉じ込め層２１、活性層２２、上部光閉じ込め層２３、クラッド層２４、下部キャップ層２５、及び上部キャップ層２６を含んでいる。下部光閉じ込め層２１は、例えばノンドープＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば５０ｎｍである。活性層２２は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰから成るバリア層及び井戸層が交互に積層されて成る多重量子井戸（Multiple Quantum Well；ＭＱＷ）構造を有しており、電流供給を受けて例えば波長１．５５μｍのフォトルミネッセンス光を発する。なお、活性層２２は、本実施形態における第１の光導波層である。上部光閉じ込め層２３は、例えばノンドープＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば５０ｎｍである。クラッド層２４は、第２導電型（例えばｐ型）のＩｎＰから成り、その厚さは例えば０．５μｍである。下部キャップ層２５は、例えば第２導電型のＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば２０ｎｍである。上部キャップ層２６は、例えば第２導電型のＩｎＰから成り、その厚さは例えば２０ｎｍである。下部光閉じ込め層２１、活性層２２、上部光閉じ込め層２３、クラッド層２４、下部キャップ層２５、及び上部キャップ層２６は、例えば有機金属気相成長法（OrganoMetaric Vapor Phase Epitaxy；ＯＭＶＰＥ）によって好適に成長する。

続いて、図４に示されるように、第１のエッチングマスク３０を第１の半導体積層部２０上に形成する（第１のエッチングマスク形成工程）。第１のエッチングマスク３０は、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮといったシリコン化合物からなり、第１のストライプ状部分３１と部分３２とを含んでいる。第１のストライプ状部分３１は、所定方向ＢすなわちＩｎＰ基板１０の＜０１１＞方向に延びており、ＩｎＰ基板１０上において想定される光導波路予定領域Ａの第１の部分Ａ１を覆っている。第１のストライプ状部分３１は、所定方向Ｂに沿った一対の側縁３１ａと、所定方向Ｂと交差する端縁３１ｂとを有している。一対の側縁３１ａの間隔（すなわち第１のストライプ状部分３１の横幅）Ｗ１は、例えば５０μｍ以上、８０μｍ以下である。端縁３１ｂは、レーザ素子部と光導波路部との境界を画定する。また、部分３２は、所定方向Ｂにおける第１のストライプ状部分３１の端部と繋がっており、所定方向Ｂと交差する方向（本実施形態では＜０−１１＞方向）に延びている。なお、第１のエッチングマスク３０は、ＳｉＯ_２膜やＳｉＮ膜といったシリコン化合物膜を、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）等により第１の半導体積層部２０上に形成したのち、通常のフォトリソグラフィ技術によってこのシリコン化合物膜を部分的にエッチングすることによって好適に形成される。

続いて、図５に示されるように、第１のエッチングマスク３０を用いて第１の半導体積層部２０にウェットエッチングを施す（第１のエッチング工程）。具体的には、まず、塩酸と過酸化水素水と水との体積比が１：１：４である混合液を用いて、上部キャップ層２６をエッチングする。なお、この混合液に含まれる塩酸の濃度は３６重量パーセント、過酸化水素水の割合は３１重量パーセントである。このような混合液をエッチャントとして用いることにより、上部キャップ層２６の端面に対するサイドエッチングを抑制することができる。次に、硫酸と過酸化水素水と水との体積比が１：１：１である混合液を用いて、下部キャップ層２５をエッチングする。この混合液に含まれる硫酸の濃度は９６重量パーセントである。このような混合液をエッチャントとして用いることにより、下部キャップ層２５の端面に対するサイドエッチングが発生し、第１のエッチングマスク３０及び上部キャップ層２６が庇状となって残る。なお、この庇の深さは例えば４００ｎｍである。続いて、臭化水素と水との体積比が２：１である混合液を用いて、クラッド層２４をエッチングする。なお、この混合液に含まれる臭化水素の濃度は４７重量パーセントである。このような混合液をエッチャントとして用いることにより、ＩｎＰ結晶の（１１１）Ａ面、若しくは（１１１）Ａ面に近い結晶面がクラッド層２４の端面に現れ、該端面が順メサ形状となる。クラッド層２４の端面と上部キャップ層２６端面とに対するサイドエッチングは、下部キャップ層２５の端面と同じ深さで停止する。続いて、上部光閉じ込め層２３、活性層２２、及び下部光閉じ込め層２１を、硫酸と過酸化水素水と水との体積比が１５：１：１である混合液を用いてエッチングする。このエッチングは、ＩｎＰ基板１０に到達することにより停止する。こうして、第１の半導体積層部２０のうち第１のエッチングマスク３０に覆われた部分を除く部分がＩｎＰ基板１０上から除去される。

なお、上述した第１のエッチング工程により形成される第１の半導体積層部２０の端面２０ａ（バットジョイント接続面）の形状は、ＩｎＰ結晶の（１１１）Ａ面が現れることにより、図１５（ａ）に示されたような順メサ形状となる。一方、第１の半導体積層部２０の側面２０ｂの形状は、ＩｎＰ結晶の（１１１）Ａ面が現れることにより、図１５（ｂ）に示されたような逆メサ形状となる。

続いて、図６に示されるように、第１のエッチングマスク３０を残したまま、第２の半導体積層部４０をＩｎＰ基板１０の主面１０ａ上に選択的に成長させる（第２の成長工程）。第２の半導体積層部４０は、光導波層４１、クラッド層４２、下部キャップ層４３、及び上部キャップ層４４を含んでいる。光導波層４１は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば１００ｎｍである。なお、光導波層４１は、本実施形態における第２の光導波層である。クラッド層４２は、第１導電型のＩｎＰから成り、その厚さは例えば０．５μｍである。下部キャップ層４３及び上部キャップ層４４は、第２導電型であることを除いて、例えば第１の半導体積層部２０の下部キャップ層２５及び上部キャップ層２６と同様の構成を有する。光導波層４１、クラッド層４２、下部キャップ層４３、及び上部キャップ層４４は、例えばＯＭＶＰＥ装置を用いて好適に形成される。なお、この第２の成長工程では、第２の半導体積層部４０が、順メサ形状の第１の半導体積層部２０の端面２０ａに沿って這い上がるように成長し、庇状の部分でその成長が止まる。したがって、第１の半導体積層部２０の端面２０ａ付近において、第２の半導体積層部４０に含まれる各層（特に光導波層４１）は平坦に形成される。一方、逆メサ形状の第１の半導体積層部２０の側面２０ｂ（図５（ａ）を参照）の付近では、第２の半導体積層部４０の成長が滞るため、第１の半導体積層部２０との間に、図１５（ｂ）に示されたような形状の窪みＤが生じる。このような第２の半導体積層部４０を成長したのち、第１のエッチングマスク３０をフッ酸により除去する。

続いて、図７に示されるように、第２のエッチングマスク５０を形成する（第２のエッチングマスク形成工程）。この第２のエッチングマスク５０は、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮといったシリコン化合物からなり、第２のストライプ状部分５１と部分５２とを含んでいる。第２のストライプ状部分５１は、第１の半導体積層部２０上から第２の半導体積層部４０上にわたって形成される。更に、第２のストライプ状部分５１は、所定方向ＢすなわちＩｎＰ基板１０の＜０１１＞方向に延びており、ＩｎＰ基板１０上において想定される光導波路予定領域Ａの第１の部分Ａ１、および該第１の部分Ａ１と隣接する第２の部分Ａ２を覆う。第２のストライプ状部分５１は、所定方向Ｂに沿った一対の側縁５１ａと、所定方向Ｂと交差する端縁５１ｂとを有している。端縁５１ｂは、光導波路部と光変調素子部との境界を画定する。また、部分５２は、所定方向Ｂにおける第２のストライプ状部分５１の端部と繋がっており、所定方向Ｂと交差する方向（本実施形態では＜０−１１＞方向）に延びている。なお、第２のエッチングマスク５０は、前述した第１のエッチングマスク３０と同様の形成方法によって好適に形成される。

ここで、図１２は、第２のエッチングマスク５０の平面図である。同図には、第１のエッチングマスク３０の平面形状を示す仮想線も併せて示されている。同図に示されるように、第２のストライプ状部分５１の一対の側縁５１ａの間隔（すなわち第２のストライプ状部分５１の横幅）Ｗ２は、第１のストライプ状部分３１の一対の側縁３１ａの間隔（すなわち第１のストライプ状部分３１の横幅）Ｗ１より狭い。横幅Ｗ２の好適な範囲は、例えば３０μｍ以上、６０μｍ以下である。更に、第２のストライプ状部分５１の一対の側縁５１ａは、ＩｎＰ基板１０の主面１０ａの法線方向から見て、第１のストライプ状部分３１の一対の側縁３１ａよりも内側（光導波路予定領域Ａ寄り）に形成される。換言すれば、第２のエッチングマスク５０は、第１の半導体積層部２０の側面２０ｂと第２の半導体積層部４０との境界部分を避けて形成される。これにより、本実施形態では、第１の半導体積層部２０と第２の半導体積層部４０との間に生じる窪みＤが、第２のエッチングマスク５０によって覆われることなく露出することとなる。なお、第１のストライプ状部分３１の側縁３１ａと、第２のストライプ状部分５１の側縁５１ａとの間隔Ｗ３は、５μｍ以上であることが好ましい。また、第２のストライプ状部分５１の側縁５１ａは、光導波路予定領域Ａから平面方向に１０μｍ以上離れていることが好ましい。

続いて、図８に示されるように、第２のエッチングマスク５０を用いて第１の半導体積層部２０及び第２の半導体積層部４０にウェットエッチングを施す（第２のエッチング工程）。なお、具体的なエッチング方法は、前述した第１のエッチング工程と同様である。この工程によって、第１の半導体積層部２０及び第２の半導体積層部４０のうち第２のエッチングマスク５０に覆われた部分を除く部分がＩｎＰ基板１０上から除去される。また、このとき、第１の半導体積層部２０と第２の半導体積層部４０との間に生じた窪みＤの周辺部も併せて除去される。

続いて、図９に示されるように、第２のエッチングマスク５０を残したまま、第３の半導体積層部６０をＩｎＰ基板１０の主面１０ａ上に選択的に成長させる（第３の成長工程）。第３の半導体積層部６０は、下部光閉じ込め層６１、光吸収層６２、上部光閉じ込め層６３、クラッド層６４、下部キャップ層６５、及び上部キャップ層６６を含んでいる。下部光閉じ込め層６１は例えば第１導電型のＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば５０ｎｍである。光吸収層６２は例えばノンドープＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば１００ｎｍである。なお、光吸収層６２は、本実施形態における第３の光導波層である。光吸収層６２のバンドギャップエネルギーは、第１の半導体積層部２０の活性層２２のバンドギャップエネルギーより大きく、且つ、第２の半導体積層部４０の光導波層４１のバンドギャップエネルギーより小さい。上部光閉じ込め層６３は例えば第２導電型のＩｎＧａＡｓＰから成り、その厚さは例えば５０ｎｍである。クラッド層６４は、第２導電型のＩｎＰから成り、その厚さは例えば０．５μｍである。下部キャップ層６５及び上部キャップ層６６は、例えば第１の半導体積層部２０の下部キャップ層２５及び上部キャップ層２６と同様の構成を有する。これらの半導体層６１〜６６は、例えばＯＭＶＰＥ装置を用いて好適に形成される。こうして第３の半導体積層部６０を成長させたのち、第２のエッチングマスク５０をフッ酸により除去する。

続いて、図１０に示されるように、エッチングマスク７０を形成する。このエッチングマスク７０は、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮといったシリコン化合物からなり、第１の半導体積層部２０上、第２の半導体積層部４０上、及び第３の半導体積層部６０上にわたって形成される。また、このエッチングマスク７０は、図２に示された光導波路予定領域Ａの全域を覆うように所定方向ＢすなわちＩｎＰ基板１０の＜０１１＞方向に沿ってストライプ状に延びている。なお、エッチングマスク７０は、前述した第１のエッチングマスク３０と同様の形成方法によって好適に形成される。

続いて、図１１（ａ）に示されるように、第１の半導体積層部２０、第２の半導体積層部４０及び第３の半導体積層部６０のうちエッチングマスク７０から露出した部分に対してエッチングを施す。このエッチングの深さは、ＩｎＰ基板１０の主面１０ａに達する。この工程によって、所定方向Ｂに沿って延びる光導波路構造であるメサ構造８０が形成される。

続いて、図１１（ｂ）に示されるように、エッチングマスク７０を残したまま、埋込領域８１をＩｎＰ基板１０の主面１０ａ上に選択的に成長させる。この埋込領域８１は、半絶縁性の半導体（例えばＦｅがドープされたＩｎＰ）によって好適に構成される。その後、エッチングマスク７０をフッ酸により除去する。そして、ＳｉＯ_２やＳｉＮといったシリコン化合物からなる保護膜を、例えばＣＶＤ法を用いてメサ構造８０上及び埋込領域８１上に形成する。メサ構造８０と電極とのコンタクトの為の開口をこの保護膜に形成したのち、該開口を覆うように金属電極を蒸着させる。また、ＩｎＰ基板１０の裏面１０ｂを研磨することによりＩｎＰ基板１０の厚さを１００μｍ〜３５０μｍ程度としたのち、裏面１０ｂ上に金属電極を蒸着させる。そして、これらの金属電極の合金化処理を行う。

最後に、ＩｎＰ基板１０や上述した各半導体層を含む基板生産物をチップ状に分割することによって、レーザ素子部、光変調素子部、及びこれらの間に配置される光導波路部といった３つの光素子部を備えた光集積素子が得られる。

以上に説明した本実施形態による光集積素子の製造方法によって得られる効果について説明する。上述した光集積素子の製造方法では、図３に示された第１の成長工程、図４に示された第１のエッチングマスク形成工程、図５に示された第１のエッチング工程、及び図６に示された第２の成長工程によって１回目のバットジョイントが行われる。そして、ＩｎＰ基板１０の＜０１１＞方向に光導波路予定領域Ａが延びているので、この光導波路予定領域Ａと交差する第１の半導体積層部２０の端面２０ａは順メサ形状となり、側面２０ｂは逆メサ形状となる。しかし、その後の第２のエッチングマスク形成工程（図７、図１２）において、第２のエッチングマスク５０における第２のストライプ状部分５１の一対の側縁５１ａを、第１のエッチングマスク３０における第１のストライプ状部分３１の一対の側縁３１ａよりも内側（光導波路予定領域Ａ寄り）に形成している。すなわち、第２のエッチングマスク５０の側縁５１ａは窪みＤよりも内側に位置し、第２のエッチングマスク５０は窪みＤを覆わない。したがって、第２のエッチングマスク５０の表面に窪みは生じないので、結晶成長原料の滞留による結晶粒の発生を抑えることができる。これにより、図１０に示されたエッチングマスク７０の形成工程におけるフォトリソグラフィの際にレジストの広がりが妨げられず、エッチングマスク７０の横幅のばらつきが抑えられるので、メサ構造８０の側面に凹凸が生じることを抑制できる。

また、本実施形態では、光導波方向と交差する方向に延びる部分３２を第１のエッチングマスク３０が含んでおり、同様に、光導波方向と交差する方向に延びる部分５２を第２のエッチングマスク５０が含んでいる。これらの部分３２，５２を各エッチングマスク３０，５０が含むことによって、これらのエッチングマスク３０，５０を避けて選択的に成長する半導体積層部４０，６０が、盛り上がり等を生じることなく平坦に成長することができる。

本発明による光集積素子の製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではレーザ素子部、光変調素子部、光導波路部といった３つの光素子部を備える光集積素子を製造する方法について説明したが、本発明は、４つ以上の光素子部を備える光集積素子を製造する場合にも適用でき、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本発明では、バットジョイント工程を繰り返す度にエッチングマスクのストライプ状部分の側縁が徐々に光導波路予定領域に近づくが、最後のバットジョイント工程にて形成されるエッチングマスクのストライプ状部分の側縁は、光導波路予定領域から１０μｍ以上外側に位置することが好ましい。

また、本実施形態では、第１及び第２のエッチングマスク３０，５０が部分３２，５２を含むことによってその平面形状がＴ字状となっているが、第１及び第２のエッチングマスクは、第１及び第２のストライプ状部分のみからなってもよい。

１０…ＩｎＰ基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１０ｃ…回折格子、２０…第１の半導体積層部、２０ａ…端面、２０ｂ…側面、２１…下部光閉じ込め層、２２…活性層、２３…上部光閉じ込め層、２４…クラッド層、２５…下部キャップ層、２６…上部キャップ層、３０…第１のエッチングマスク、３１…第１のストライプ状部分、３１ａ…側縁、３１ｂ…端縁、３２…部分、４０…第２の半導体積層部、４１…光導波層、４２…クラッド層、４３…下部キャップ層、４４…上部キャップ層、５０…第２のエッチングマスク、５１…第２のストライプ状部分、５１ａ…側縁、５１ｂ…端縁、５２…部分、６０…第３の半導体積層部、６１…下部光閉じ込め層、６２…光吸収層、６３…上部光閉じ込め層、６４…クラッド層、６５…下部キャップ層、６６…上部キャップ層、７０…エッチングマスク、８０…メサ構造、８１…埋込領域、Ａ…光導波路予定領域、Ａ１…第１の部分、Ａ２…第２の部分、Ａ３…第３の部分、Ｂ…所定方向、Ｖ…法線方向。

Claims

ＩｎＰ結晶の＜１００＞方向、または＜１００＞方向に対して５°以下の角度で傾斜した方向を法線方向とする主面を有するＩｎＰ基板の前記主面上に、第１の光導波層を含む第１の半導体積層部を成長させる第１の成長工程と、
前記ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に延びる光導波路予定領域の第１の部分を覆う第１のストライプ状部分を含む第１のエッチングマスクを前記第１の半導体積層部上に形成する第１のエッチングマスク形成工程と、
前記第１のエッチングマスクを用いて前記第１の半導体積層部にウェットエッチングを施す第１のエッチング工程と、
第２の光導波層を含む第２の半導体積層部を、前記第１のエッチングマスクを用いて前記主面上に選択的に成長させたのち、前記第１のエッチングマスクを除去する第２の成長工程と、
前記光導波路予定領域の前記第１の部分、及び前記第１の部分と隣接する第２の部分を覆う第２のストライプ状部分を含む第２のエッチングマスクを前記第１及び第２の半導体積層部上に形成する第２のエッチングマスク形成工程と、
前記第２のエッチングマスクを用いて前記第１及び第２の半導体積層部にウェットエッチングを施す第２のエッチング工程と、
第３の光導波層を含む第３の半導体積層部を、前記第２のエッチングマスクを用いて前記主面上に選択的に成長させる第３の成長工程と
を備え、
前記第２のエッチングマスク形成工程の際に、前記ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に沿った前記第２のストライプ状部分の一対の側縁を、前記ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向に沿った前記第１のストライプ状部分の一対の側縁よりも前記光導波路予定領域寄りに形成することを特徴とする、光集積素子の製造方法。
前記第１のエッチングマスクは、前記ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向における前記第１のストライプ状部分の端部と繋がっており該方向と交差する方向に延びる部分を更に含み、前記第２のエッチングマスクは、前記ＩｎＰ基板の＜０１１＞方向における前記第２のストライプ状部分の端部と繋がっており該方向と交差する方向に延びる部分を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の光集積素子の製造方法。