JP2013165201A - 半導体光素子、半導体光モジュール、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は，導波路側面が半絶縁性半導体により埋め込まれたＢＨ構造と，平滑なテーパーミラーとを両立することにある。
【解決手段】 基板１０１と、基板面上のある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を出射端面として光を出射する活性層１０２と、基板上に設けられ、４側面のうち長手方向の２側面を覆う埋め込み層１０６と、活性層上および活性層の出射端面の延長線上の基板上に設けられたクラッド層１０４と、活性層１０２の延長線上に設けられた、活性層１０２からの光を反射するミラー１０７とを有し、ミラー１０７は、クラッド層１０４に形成されていることを特徴とする半導体光素子。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は，半導体光素子、それを用いた光モジュールおよびその製造方法に関する。特に、半導体レーザやフォトダイオードに代表される半導体光素子に関する。

ブロードバンドネットワークの急激な普及に伴い，基幹，メトロ，アクセス系といった数ｋｍ以上の長距離だけではなく，伝送装置間（数ｍ〜数百ｍ）或いは装置内（数ｃｍ〜数十ｃｍ）といった近距離についても，大容量データを遅延なく処理するため，光通信システムの導入が検討されている。こうした背景のもと，光通信用モジュールの高速化，小型化，低消費電力化が重要な課題となっている。

このような光モジュールの光源デバイスには，高温での高速・高出力動作，光ファイバとの高効率光結合，省スペース・低コスト実装などが強く求められる。本発明は，前記高速・小型・低消費電力光モジュールに好適な，半導体光素子を安価に提供するものである。

光通信用モジュールの高速化，小型化，低消費電力化を実現するのに好適な光源デバイスとして，基板面内方向に共振器が構成され，かつ共振器の主出射光が入射する位置にミラーが配置されているか，又は基板面内方向に共振器の一部のみが構成され，かつ前記基板面上の共振器内にミラーが配置されている光素子が提案されている。また，該光素子にレンズを集積し，信号光を集光することで光ファイバへの結合効率を高める構造も提案されている。

この，ミラーにより主たる信号光を基板表面方向に出射するレーザは，高温での高出力動作，高速動作，レンズ集積による光結合損の低減などさまざまなメリットがあり，近年では８５°Ｃ，２５Ｇｂｐｓの優れた動作なども報告されている。

一般に，半導体レーザの低消費電力化には，活性層を半絶縁性の半導体で埋め込む，いわゆる埋め込みヘテロ（ＢＨ： Ｂｕｒｉｅｄ−Ｈｅｔｅｒｏ）構造が有効である。例えば，光通信用半導体レーザの代表的な材料であるＩｎＰを基板に用いたレーザでは，鉄（Ｆｅ）などをドーピングした半絶縁性（ＳＩ： Ｓｅｍｉ Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）ＩｎＰが，埋め込み層として用いられる。レーザ活性層を抵抗の高いＳＩ−ＩｎＰで埋め込むことにより，発光に寄与しないリーク電流を低減することができ，低電流動作が可能になる。

特許文献１の図７には，埋め込み層に形成されたミラーにより、主たる信号光を基板表面方向に出射するレーザをＢＨ構造にするための製作方法が開示されている。特許文献１（特に図７）に開示されているような手順で，ＢＨ型構造を有する，ミラーにより主たる信号光を基板表面方向に出射するレーザを作製することができる。

特開２００８−２７７４４５号公報

しかしながら，上述のように開示された従来技術では，ＢＨ構造において良好なミラーを形成することが難しく，光結合効率などの特性に歩留りが生じてしまうことが分かった。これは，特許文献１の図７に示した半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１６の選択成長時に，ミラーを形成すべき領域の平坦性が劣化してしまうためである。

選択成長時に，誘電体マスク１１０上に供給された埋め込み層の原料は，マスク上に留まることなくマスク近傍の結晶露出領域に拡散するため，マスク近傍では，マスク遠方に比べて原料供給量が実質的に増加し，成長速度が速くなる。この埋め込み層の成長速度増加効果は，マスクに近いほど著しく，マスクから離れるに従って徐々に減少し，供給原料のマイグレーション長以上（〜数１０μｍ）になればほとんど影響はなくなる。このように，マスクからの距離によって結晶成長速度が異なるため，マスク近傍から数１０μｍに渡って，埋め込み層の結晶表面には傾斜が形成される。

前述のようにミラーを形成する領域の結晶表面が傾斜していると，角度ズレがない平滑なミラーを歩留まり良く形成することは困難である。ミラーの角度ずれは信号光の出射角度に大きく影響し，また，平滑性の悪いミラーでは，光の反射時に損失が発生してしまう。また，傾斜領域を避けてメサ先端より十分遠方にミラーを形成しても，メサ先端からミラーまでは光の閉じ込め構造が無いため，伝搬光が半導体内部で広がってしまい，ミラーで反射しきれなくなってしまう。結果として，光の損失が発生し，低消費電力化の障害となるという課題が発生する。

上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、半導体光素子であって、基板と、基板面上のある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を出射端面として光を出射する活性層と、基板上に設けられ、４側面のうち長手方向の２側面を覆う埋め込み層と、活性層上および活性層の出射端面の延長線上の基板の上に設けられたクラッド層と、活性層の延長線上に設けられた、活性層からの光を反射するミラーとを有し、前記ミラーは、クラッド層に形成されていることを特徴とする。

または、半導体光素子であって、半導体基板と、基板上に形成された、コア層とクラッド層からなり、ある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を入出射端面として、光を入射または出射する導波路と、導波路の延長線上であって、導波路からの光を反射する位置に形成されたミラーと、基板上に形成され、導波路の４側面のうち少なくとも長手方向の２側面を覆う埋め込み層とを有し、クラッド層は、導波路の入出射端面側の延長線上の半導体基板の上に、さらに形成され、ミラーは、クラッド層に形成されることを特徴とする。

または、半導体光素子の製造方法であって、半導体基板上に形成された４側面を有する活性層の上および、前記半導体基板の上にクラッド層を成長させる第１の工程と、クラッド層上にマスクパターンを形成する第２の工程と、マスクパターンを用いてクラッド層をエッチングする第３の工程と、クラッド層の周囲の半導体基板の上に、埋め込み層を形成する第４の工程と、活性層から出射される光を反射させる位置にミラーを形成する第５の工程とを有し、マスクパターンは、活性層の上に形成される導波路領域パターンと、ミラーを形成する領域を確保するためのミラー領域パターンとからなることを特徴とする。

本発明によれば、半導体光素子を歩留まり良く製造することが可能となる。

本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの斜視図（一部透過）。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザのＢ断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザのＣ断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法中のマスクパターン上面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例１による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す断面図。 本発明の実施例２による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの斜視図（一部透過）。 本発明の実施例２による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザのＢ断面図。 本発明の実施例２による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例２による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例２による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法中のマスクパターン上面図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの斜視図（一部透過）。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザのＢ断面図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザのＣ断面図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例３による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例４による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＤＦＢレーザアレイの斜視模式図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの斜視図（一部透過）。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザのＢ断面図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザのＣ断面図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例５による，斜めミラー／レンズ集積埋め込み型ＥＡ／ＤＦＢレーザの製造方法を示す図。 本発明の実施例６による、光モジュールの断面図。

以下，本発明の望ましい実施形態を，実施例１から６及びそれぞれの関連図面を参照して説明する。

本発明を適用した半導体光素子の実施例を，図１、図２を用いて説明する。ただし，図はあくまで本実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。また，本発明で開示する技術に関して，影響のない微小な段差や構造物などの詳細な記述は省略している。

まず，活性層１０２および回折格子供給層１０３’を，ｎ型ＩｎＰ基板上１０１に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ： Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などで結晶成長する。活性層としては，例えばＩｎＧａＡｌＡｓ混晶からなる量子井戸と障壁層のペアを複数積層した多重量子井戸などが好適である。屈折率がＩｎＰよりも高く，かつ多重量子井戸内の平均的な屈折率よりも低い半導体クラッド層を活性層の上下に数１０ｎｍ程度設けると，光を効率的に閉じ込めることができる。

また，活性層とクラッド層との間、あるいはクラッド層中に、分布帰還型反射（ＤＦＢ： Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）を形成するための回折格子供給層１０３’が設けられている。これらよりなる半導体多層構造の厚さは，２００〜３００ｎｍ程度である。干渉露光や電子ビーム露光などの手段により，所望のピッチのレジストパターンを回折格子供給層１０３’上に形成し，不要な部分をエッチング除去すれば，回折格子１０３を形成できる。ここまでは，従来技術で説明した手段と同様である。

続いて，ミラーを形成する領域の活性層１０２および回折格子１０３をエッチング除去する。フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し，硫酸，燐酸等を含む溶液を用いてエッチングを施せば，所望の領域の多層構造を除去できる。除去後の構造は図２Ａのようになる。さらに、レジストを除去したのち，ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４およびｐ＋コンタクト層１０５を図２Ｂのように結晶成長する。これにより，活性層１０２に電流を注入するためのｐ−ｉ−ｎ構造が形成される。また，このとき活性層を除去した部分と残した部分の境界で，活性層と同程度の段差が生じるが，選択成長ではないため段差部以外の平坦性は良好であり，ミラー形成にも問題無い。あるいは，ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４およびｐ＋コンタクト層１０５を結晶成長する前に，半絶縁ＩｎＰを活性層１０２にバットジョイント再成長してもよい。

不要な部分のｐ＋コンタクト層１０５を図２Ｃのような構造になるよう、フォトリソグラフィと湿式エッチングで除去した後，活性層１０２、クラッド層１０４および回折格子層１０３からなるメサ型導波路領域やミラー形成領域を残すための誘電体マスク１１０、１１０´を形成する。誘電体マスク材料としては，酸化シリコンや，窒化シリコンなどが好適である。誘電体膜をウェハ全面に形成後，フォトリソグラフィとエッチングにより，図２Ｄのような所望のマスクパターンを形成することができる。誘電体マスク１１０、１１０´を形成後，露出している半導体部分を，活性層１０２下部のｎ型ＩｎＰバッファ層１１２まで達するようにエッチング除去した。

続いて，半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６を選択再成長し，矩形状のメサ型導波路あるいは活性層の４側面のうち、長手方向の２側面が半絶縁性半導体で埋め込まれたＢＨ構造を形成した。この例を図１のＣ断面図（図１Ｃ）に示す。本実施例では，図２Ｅに示すように，メサ型導波路をカバーする導波路領域パターン１１０と、とミラー形成領域をカバーするミラー領域パターンからなる誘電体マスク１１０´を同時に形成した。このように、ミラー領域パターンが、矩形状の導波路領域パターンの２種類の長さの側辺のうち、光の出射端面となる短い方の１側辺と接するような形状のマスクを用いることで，ミラー形成領域には，平坦性のよいｐ型ＩｎＰクラッド層１０４を残しつつ，メサ型導波路の側面が半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６で埋め込まれたＢＨ構造を実現できる。なお，半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６にドーピングする元素としては，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｏｓが好適である。

半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６を選択成長した後，誘電体マスク１１０、１１０´を除去する。この後，フォトリソグラフィとエッチングにより，活性層の延長線上に、活性層からの光を反射する角度で図２Ｆのようにミラー１０７を形成する。このような方法によれば，選択成長効果による傾斜のない平坦な領域をメサ型導波路の光出射端面の延線上に残すことができるので，角度ズレのない平滑なミラーを歩留りよく作製できる。図に示すように，深さに応じて，ミラーはｐ型ＩｎＰクラッド層１０４，ｎ型ＩｎＰ基板１０１にまたがって形成される。本発明の構造的特徴として，少なくともミラー形成領域の内、半導体基板１０１表面から活性層１０２上面までの高さはｐ型ＩｎＰクラッド層１０４となる。

続いて，ｐ＋コンタクト層１０５上にレーザｐ電極１０９を形成する。電極材料としては，公知のＡｕ，Ｔｉなどが好適である。電極パターンはリフトオフ法や，イオンミリングなどの手法で形成できる。このとき，半導体表面を保護するために，ＳｉＯ_２などのパッシベーション膜を形成し，ｐ＋コンタクト層１０５上にレーザｐ電極１０９との間に接触のためのスルーホールを形成しているが，本図面では省略した。

以上を踏まえると、本実施例に記載の半導体光素子は、基板と、基板面上のある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を出射端面として光を出射する活性層と、基板上に設けられ、４側面のうち長手方向の２側面を覆う埋め込み層と、活性層上および活性層の出射端面の延長線上の基板の上に設けられたクラッド層と、活性層の延長線上に設けられた、活性層からの光を反射するミラーとを有し、前記ミラーは、クラッド層に形成されていることを特徴とする。

また、本実施例記載の半導体光素子の製造方法としては、半導体基板上に形成された４側面を有する活性層の上および、半導体基板の上にクラッド層を成長させる第１の工程と、クラッド層上にマスクパターンを形成する第２の工程と、マスクパターンを用いて前記クラッド層をエッチングする第３の工程と、クラッド層の周囲の半導体基板の上に、埋め込み層を形成する第４の工程と、活性層から出射される光を反射させる位置にミラーを形成する第５の工程とを有し、マスクパターンは、活性層の上に形成される導波路領域パターンと、ミラーを形成する領域を確保するためのミラー領域パターンとからなっており、より具体的には導波路領域パターンとミラー領域パターンとが隣接していることを特徴とする。

かかる特徴により、選択成長の影響による傾斜の無い、平坦な領域をミラー形成領域として残しておくことができるため、角度ズレのない平滑なミラーを有する半導体光素子を歩留まり良く作成できる。

また、本実施例の変形例としては、ミラーで反射された光が出射する位置にレンズを設けるという構成が挙げられる。この変形例も場合には、上述の表面プロセスが終了したのち，ウェハをガラス基板などに張り付けて，所望の厚さに研磨する。

その後，メサ型導波路が形成されている面とは対向する基板面上に、図２Ｈのようにレンズ１０８を形成する。このときレンズ１０８は、導波路から出射しミラーで反射された光が基板外部へ出射する位置に形成される。続いて，レンズ部での反射を抑えるための無反射コーティング，ｎ−ＩｎＰ基板１０１へのｎ型電極形成を行ったが，本図面では省略した。以上のような手順で，ＢＨ型構造を有する，ミラーにより主たる信号光を基板表面方向に出射するレーザを作製することができる。

続いて，本素子の動作を簡単に説明する。ｎ電極を接地し，レーザｐ電極１０９に順方向バイアスを印加することで，活性層１０２に電流が注入される。電流注入により発生した光は，回折格子１０３により基板面内方向を帰還反射しながら増幅されレーザ発振に至る。レーザ発振光はメサ型導波路の先端部から放射された後，ミラー１０７によって基板方向へ折り返され，さらにレンズ１０８によって集光される。集光された光は，高効率に光ファイバに接続可能である。また，適切なバイアス点を中心に変調電気信号を加えることによって，高速光変調が可能である。

本実施例では，半導体基板としてｎ型ＩｎＰ基板を用いたが，ｐ型ＩｎＰ基板を用いてもよい。その場合，活性層上部のクラッド層及びコンタクト層をｎ型にすればよい。また，レンズ１０８が無くとも本発明の目的は達成できる。

なお、本実施例は半導体レーザ素子に本発明を適用した例をあげているが、もちろん半導体受光素子にも本発明を適用することが可能である。その場合には、活性層１０２の代わりに、導波路コア層を用いる構造が考えられる。すなわち、受光素子の場合の本実施例記載の半導体光素子は、半導体基板と、基板上に形成された、コア層とクラッド層からなり、ある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を入出射端面として、光を入射または出射する導波路と、導波路の延長線上であって、導波路からの光を反射する位置に形成されたミラーと、基板上に形成され、導波路の４側面のうち少なくとも長手方向の２側面を覆う埋め込み層とを有し、クラッド層は、導波路の入出射端面側の延長線上の半導体基板の上に、さらに形成され、ミラーは、クラッド層に形成されることを特徴とする。

係る特徴により、選択成長による影響の無い平坦な領域にミラーを形成することができ、角度ズレの少ない平滑なミラーを有する受光素子を歩留まりよく作成できる。

本発明を適用した半導体光素子の実施例を，図１〜図４を用いて説明する。本実施例では実施例１と異なる形状のマスクパターンを使用している点が異なるが、その他のプロセス、特に図２Ａ〜図２Ｃまでと、図２Ｆ〜図２Ｈまでのプロセスは実施例１と同様である。

実施例１の図２Ｂまでの処理終了後、不要な部分のｐ＋コンタクト層１０５をフォトリソグラフィと湿式エッチングで除去した後，ミラー形成領域を残すための誘電体マスク（ミラー領域パターン）１１０‘および活性層、クラッド層および回折格子層からなるメサ型導波路を形成するための誘電体マスク（導波路領域パターン）１１０、１１０’を、図４Ｃに示すように形成する。誘電体マスク材料としては，酸化シリコンや，窒化シリコンなどが好適である。誘電体膜をウェハ全面に形成後，フォトリソグラフィとエッチングにより，所望のマスクパターンを形成することができる。誘電体マスク１１０および誘電体マスク１１０’を形成後，露出している半導体部分を，活性層１０２下部のｎ型ＩｎＰバッファ層１１２まで達するようにエッチング除去した。続いて，実施例１（図１Ｃ）と同様にＢＨ構造を形成した。図３ＡのＣ断面図は実施例１（図１Ｃ）と同じであるため、図面は省略した。

本実施例では，図４Ｃに示すように，メサ型導波路領域をカバーする誘電体マスク１１０と，ミラー形成領域をカバーする誘電体マスク１１０’を離間して形成した。このような形状のマスクを用いることで，ミラー形成領域には，選択成長されていないため平坦性のよいｐ型ＩｎＰクラッド層１０４を保存しつつ，メサ型導波路の両側面および出射端面が半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６で埋め込まれたＢＨ構造を実現できる（図３Ａ，図３Ｂ）。これにより，導波路側面だけでなく，先端部もリーク電流を低減でき，さらなる低電流駆動が可能となる。なお，半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６にドーピングする元素としては，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｏｓ等が好適である。

この後のプロセスも実施例１（図２Ｆ〜図２Ｈ）と同様である。

続いて，本素子の動作を簡単に説明する。ｎ電極を接地し，レーザｐ電極１０９に順方向バイアスを印加することで，活性層１０２に電流が注入される。電流注入により発生した光は，回折格子１０３により基板面内方向を帰還反射しながら増幅されレーザ発振に至る。レーザ発振光はメサ型導波路の先端部から放射された後，ミラー１０７によって基板方向へ折り返され，さらにレンズ１０８によって集光される。集光された光は，高効率に光ファイバに接続可能である。また，適切なバイアス点を中心に変調電気信号を加えることによって，高速光変調が可能である。さらに、実施例１の効果に加え、メサ型導波路の光出射端面にけるリーク電流の低減という効果も得ることができる。

本実施例では，基板にｎ型ＩｎＰ基板を用いたが，ｐ型ＩｎＰ基板を用いてもよい。その場合，活性層上部のクラッド層及びコンタクト層をｎ型にすればよい。また，レンズ１０８は必ずしも必要ではない。

本発明を適用した半導体光素子の実施例を，図１〜６を用いて説明する。本実施例では、実施例２とは異なり、半絶縁性ＩｎＰ基板１１１を用いて半導体光素子を作成し、半導体光素子の片面にｐ、ｎ両方の電極を設けた片面電極取り出しの構造としている。

まず実施例１、２と同様に，ｎ型ＩｎＰバッファ層１１２，活性層１０２および回折格子供給層１０３’を，半絶縁性ＩｎＰ基板１１１上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などで結晶成長する。この後、ミラーを形成するまでのプロセスは実施例２と同様なので省略する。

続いて，ｐ＋コンタクト層１０５上にレーザｐ電極１０９を形成する。また，ウェハ表面にレーザｎ電極１１３も形成した。図５Ｃに示すように，ｎ型ＩｎＰバッファ層１１２に到達するように，半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６をエッチング除去している。電極材料としては，公知のＡｕ，Ｔｉなどが好適である。電極パターンはリフトオフ法や，イオンミリングなどの手法で形成できる。このとき，半導体表面を保護するために，ＳｉＯ_２などのパッシベーション膜を形成し，ｐ型，ｎ型それぞれのコンタクト部と電極との間に，接触のためのスルーホールを形成しているが，本図面では省略した。

表面プロセスが終了したのち，実施例２と同様にウェハをガラス基板などに張り付けて，所望の厚さに研磨する。その後，メサ型導波路が形成されている面とは反対側の基板面上にレンズ１０８を形成する。このときレンズ１０８は、導波路から出射しミラーで反射された光が基板外部へ出射する位置に形成される。続いて，レンズ部での反射を抑えるための無反射コーティングを行ったが，本図面では省略した。以上のような手順で，ＢＨ型構造を有する，ミラーにより主たる信号光を基板表面方向に出射するレーザを作製することができる。

続いて，本素子の動作を簡単に説明する。レーザｎ電極１１３を接地し，レーザｐ電極１０９に順方向バイアスを印加することで，レーザ活性層１０２に電流が注入される。電流注入により発生した光は，回折格子１０３により基板面内方向を帰還反射しながら増幅されレーザ発振に至る。レーザ発振光はメサ先端部から放射された後，テーパーミラー１０７によって基板方向へ折り返され，さらにレンズ１０８によって集光される。集光された光は，高効率に光ファイバに接続可能である。また，適切なバイアス点を中心に変調電気信号を加えることによって，高速光変調が可能である。さらに、実施例２の効果に加え、本実施例のように，ウェハ表面にｐ型，ｎ型両方の電極を形成することで，フリップチップ実装に好適なレーザ素子を実現することができる。

本実施例では，基板に半絶縁性ＩｎＰ基板を用いたが，導電性基板を用いてもよい。また，半絶縁性ＩｎＰ基板直上のＩｎＰバッファ層の極性をｎ型としたが，ｐ型でも良い。その場合，レーザ活性層上部のクラッド層及びコンタクト層をｎ型にすればよい。また，レンズ１０８は必ずしも必要ではない。また，半絶縁性ＩｎＰ基板にドーピングされる元素としては，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｏｓなどが好適である。

本発明を適用した半導体光素子の実施例を，図７を用いて説明する。

本実施例は，実施例３で説明した素子をアレイ状にしたものである。素子の作製方法は，実施例３と同じなので省略する。このように，素子をアレイ状にすることで，光モジュールをより小型にすることができる。また，本実施例では，ミラー１０７が隣接する素子間で切れ目なく連続的に形成されているが，各素子端により小さい幅を持ち，隣接素子間で分割された形状であってももちろんよい。また，本実施例では省略するが，隣接素子間の電気的アイソレーションを強化するために，光軸に平行な方向に，ｎ型ＩｎＰバッファ層１１２を貫通して半絶縁性ＩｎＰ基板１１１まで達する分離溝を設けてもよい。

本発明を適用した半導体光素子の実施例を，図８、図９を用いて説明する。本実施例は実施例２の構造をベースに、ＥＡ変調器を集積したものである。

まず実施例２と同様に，活性層１０２および回折格子供給層１０３’を，ｎ型ＩｎＰ基板上１０１に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などで結晶成長する（図９Ａ）。続いて，所望の長さの活性層１０２および回折格子供給層１０３’を残しｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面までエッチングを行う。

次に，電界吸収型（ＥＡ： Ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）変調器となるＩｎＧａＡｌＡｓ系量子井戸からなる光吸収層１１４をバットジョイント成長する（図９Ｂ）。量子井戸と障壁層を６から１０層程度交互に積層することにより，光吸収に好適な光閉じ込め構造を形成できる。このとき，光吸収層の吸収ピーク波長が，ＤＦＢレーザ発振波長より，エネルギー換算で数１０ｍｅＶ高エネルギーになるように量子井戸の組成波長を調整するとよい。続いて，所望の長さのＥＡ変調器および半導体レーザ部を残しｎ型ＩｎＰ基板１０１の表面までエッチングを行う。このとき，電界吸収型光変調器と半導体レーザ部との間，および，光出射端と電界吸収型光変調器との間を同時にエッチングする。

次にＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる光導波路層（コア層）１１５を前述のＥＡ変調器部と半導体レーザ部との間に形成する（図９Ｃ）。光導波路層（コア層）１１５の詳細な構造としては，例えば厚さ３００ｎｍ程度，組成波長１１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ系バルク層などが好適である。続いて，干渉露光や電子ビーム露光などの手段により，所望のピッチのレジストパターンを回折格子供給層１０３’上に形成し，不要な部分をエッチング除去すれば，回折格子１０３を形成できる（図９Ｄ）。

続いて他の実施例と同様に，ミラーを形成する領域の光吸収層１１４をエッチング除去する。（図９Ｅ）。レジストを除去したのち，ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４およびｐ＋コンタクト層１０５を結晶成長する（図９Ｆ）。これにより，光吸収層１１４には逆バイアスを，活性層１０２に電流を印加するためのｐ−ｉ−ｎ構造が形成される。

以下、実施例２と同様に不要な部分のｐ＋コンタクト層１０５をフォトリソグラフィと湿式エッチングで除去した後，メサ導波路およびミラー形成領域を残すための誘電体マスク（導波路領域パターン）１１０および誘電体マスク（ミラー領域パターン）１１０’を形成する。誘電体マスク材料としては，酸化シリコンや，窒化シリコンなどが好適である。誘電体膜をウェハ全面に形成後，フォトリソグラフィとエッチングにより，所望のマスクパターンを形成することができる。誘電体マスク１１０および誘電体マスク１１０’を形成後，露出している半導体部分を，光吸収層１１４，活性層１０２および光導波路層（コア層）１１５下部のｎ型ＩｎＰ基板１０１まで達するようにエッチング除去した（図９Ｇ）。続いて，半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６を選択再成長し，メサ型導波路の両側面および出射端面が半絶縁性半導体で埋め込まれたＢＨ構造を形成した（図８Ａ、図８Ｃ）。

本実施例では，図４Ｃと同様に，メサ型導波路領域をカバーする誘電体マスク１１０と，ミラー形成領域をカバーする誘電体マスク（ミラー領域パターン）１１０’を分離して形成した。このような形状のマスクを用いることで，ミラー形成領域には，選択成長ではなく平坦性のよいｐ型ＩｎＰクラッド層１０４を保存しつつ，メサ型導波路の長手方向両側面および出射端面が半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６で埋め込まれたＢＨ構造を実現できる。これにより，メサ型導波路の両側面だけでなく，先端部もリーク電流を低減でき，さらなる低電流駆動が可能となる。なお，半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６にドーピングする元素としては，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｏｓ等が好適である。

半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層１０６を選択成長した後，誘電体マスク１１０および誘電体マスク１１０’を除去する。この後，フォトリソグラフィとエッチングにより，ミラー１０７を形成する（図９Ｉ）。このような方法によれば，選択成長の影響による傾斜のない平坦な領域をメサ型導波路の光出射端面の延線上に残すことができるので，角度ズレのない平滑なミラーを歩留りよく作製できる。図に示すように，深さに応じて，ミラーはｐ型ＩｎＰクラッド層１０４，ｎ型ＩｎＰ基板１０１にまたがって形成される。本発明の構造的特徴として，少なくともミラー形成領域の内、半導体基板１０１表面から活性層１０２上面までの高さはｐ型ＩｎＰクラッド層１０４となる。

続いて，ＥＡ変調器，ＤＦＢレーザ部それぞれのｐ＋コンタクト層１０５上に，ＥＡ変調器ｐ電極１１６およびレーザｐ電極１０９を形成する。電極材料としては，公知のＡｕ，Ｔｉなどが好適である。電極パターンはリフトオフ法や，イオンミリングなどの手法で形成できる。このとき，半導体表面を保護するために，ＳｉＯ２などのパッシベーション膜を形成し，ｐ＋コンタクト層１０５とＥＡ変調器ｐ電極１１６およびレーザｐ電極１０９との間に接触のためのスルーホールを形成しているが，本図面では省略した。

表面プロセスが終了したのち，ウェハをガラス基板などに張り付けて，所望の厚さに研磨する。その後，レンズ１０８を形成する。続いて，レンズ部での反射を抑えるための無反射コーティング，ｎ−ＩｎＰ基板１０１へのｎ型電極形成を行ったが，本図面では省略した。以上のような手順で，ＢＨ型構造を有する，ミラーにより主たる信号光を基板表面方向に出射するＥＡ変調器集積レーザを作製することができる。

続いて，本素子の動作を簡単に説明する。ｎ電極を接地し，レーザｐ電極１０９に順方向バイアスを印加することで，活性層１０２に電流が注入される。電流注入により発生した光は，回折格子１０３により基板面内方向を帰還反射しながら増幅されレーザ発振に至る。レーザ発振光は光導波路コア層１１５を伝搬して光吸収層１１４に入射する。ここで，ＥＡ変調器ｐ電極１１６に逆方向バイアスを印加することによって，光吸収層の吸収端波長が低エネルギー側に移動し，レーザ光を吸収する。高速の電圧信号を印加することによって，レーザ光の透過，吸収を切り替え，高速光変調が可能となる。ＥＡ変調器のメサ先端部から放射された後，ミラー１０７によって基板方向へ折り返され，さらにレンズ１０８によって集光される。集光された光は，高効率に光ファイバに接続可能である。

本実施例では，基板にｎ型ＩｎＰ基板を用いたが，ｐ型ＩｎＰ基板を用いてもよい。その場合，上部のクラッド層及びコンタクト層をｎ型にすればよい。また，レンズ１０８は必ずしも必要ではない。また，光導波路コア層１１５は必ずしも必要ではない。実施例１〜４の記述より，半絶縁性基板を使用する場合，アレイ状にする場合なども容易に想像できよう。また，ＥＡ変調器の代わりに，位相変調を利用したマッハ・ツェンダー変調器を集積してもよい。また，ＤＦＢレーザ部がＳＯＡなど他の光機能構造に置き換わった場合の素子製作方法も容易に類推できよう。

本実施例は本発明の半導体光素子を適用した光モジュールの例である。

図１０のように実施例１の半導体光素子１２１をヒートシンク１１７上に実装した後、光学レンズ１１８、半導体レーザ素子を駆動するための駆動回路１１９と光ファイバ１２０とを一体化した光送信モジュールの構造図である。室温、連続条件においてしきい値電流５ｍＡ、発振効率０．３Ｗ／Ａであった。また、本発明の円形狭出射ビームを反映してレンズとの光結合効率は高く、５ｍＷ以上の最高モジュール光出力を達成した。また、本発明の効果を反映して実装は容易であり、低コストで光送信モジュールを製造することができた。

１０１…ｎ型ＩｎＰ基板
１０２…活性層（ＩｎＧａＡｌＡｓ系量子井戸構造）
１０３…回折格子
１０３’…回折格子供給層
１０４…ｐ型ＩｎＰ
１０５…ｐ^＋型コンタクト層
１０６…半絶縁性ＩｎＰ
１０７…ミラー
１０８…レンズ
１０９…レーザｐ電極
１１０…誘電体マスク（導波路領域パターン）
１１０’…誘電体マスク（ミラー領域パターン）
１１１…半絶縁性ＩｎＰ基板
１１２…ｎ型ＩｎＰバッファ層
１１３…表面ｎ電極
１１４…光吸収層
１１５…パッシブ導波路層
１１６…ＥＡ変調器ｐ電極
１１７…ヒートシンク
１１８…光学レンズ
１１９…駆動回路
１２０…光ファイバ
１２１…半導体光素子。

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板面上のある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を出射端面として光を出射する活性層と、
   前記基板上に設けられ、前記４側面のうち長手方向の２側面を覆う埋め込み層と、
   前記活性層上および前記活性層の前記出射端面の延長線上の前記基板上に設けられたクラッド層と、
   前記活性層の延長線上に設けられた、前記活性層からの光を反射するミラーとを有し、
   前記ミラーは、前記クラッド層に形成されていることを特徴とする半導体光素子。
2. 請求項１記載の半導体光素子において、
   前記埋め込み層は、前記活性層の前記出射端面をさらに覆うことを特徴とする半導体光素子。
3. 請求項１記載の半導体光素子において、
   前記クラッド層のうち前記活性層の上に位置する部分と、前記活性層との間には回折格子をさらに有することを特徴とする半導体光素子。
4. 請求項１記載の半導体光素子において、
   前記基板の、前記活性層が設けられている面と対向する面上であって、前記ミラーで反射された光が出射する位置にレンズをさらに有し、
   前記ミラーは、前記活性層から出射された光を、前記レンズが設けられた面方向に反射する角度に形成されていることを特徴とする半導体光素子。
5. 請求項１記載の半導体光素子において、
   前記活性層と前記ミラーとの間にＥＡ変調器を有することを特徴とする半導体光素子。
6. 請求項１記載の半導体光素子と、
   前記半導体光素子を駆動するための駆動回路と、を有することを特徴とする光モジュール。
7. 半導体基板と、
   前記基板上に形成された、コア層とクラッド層からなり、ある１方向に延伸し、４側面のうち短手方向の側面を入出射端面として、光を入射または出射する導波路と、
   前記導波路の延長線上であって、前記導波路からの光を反射する位置に形成されたミラーと、
   前記基板上に形成され、前記導波路の４側面のうち少なくとも長手方向の２側面を覆う埋め込み層とを有し、
   前記クラッド層は、前記導波路の前記入出射端面側の延長線上の前記半導体基板の上に、さらに形成され、
   前記ミラーは、前記クラッド層に形成されることを特徴とする半導体光素子。
8. 請求項７記載の半導体光素子において、
   前記埋め込み層は、前記活性層の前記入出射端面をさらに覆うことを特徴とする半導体光素子。
9. 請求項７記載の半導体光素子において、
   前記基板の、前記活性層が設けられている面と対向する面上であって、前記ミラーで反射された光が出射する位置にレンズをさらに有し、
   前記ミラーは、前記活性層から出射された光を、前記レンズが設けられた面方向に反射する角度に形成されていることを特徴とする半導体光素子。
10. 半導体基板上に形成された４側面を有する活性層の上および、前記半導体基板の上にクラッド層を成長させる第１の工程と、
    前記クラッド層上にマスクパターンを形成する第２の工程と、
    前記マスクパターンを用いて前記クラッド層をエッチングする第３の工程と、
    前記クラッド層の周囲の前記半導体基板の上に、埋め込み層を形成する第４の工程と、
    前記活性層から出射される光を反射させる位置にミラーを形成する第５の工程とを有し、
    前記マスクパターンは、前記活性層の上に形成される導波路領域パターンと、前記ミラーを形成する領域を確保するためのミラー領域パターンとからなることを特徴とする半導体光素子の製造方法。
11. 請求項１０記載の半導体光素子の製造方法であって、
    前記導波路領域パターンと前記ミラー領域パターンとが隣接していることを特徴とする半導体光素子の製造方法。
12. 請求項１０記載の半導体光素子の製造方法であって、
    前記導波路領域パターンと前記ミラー領域パターンとが離間していることを特徴とする半導体光素子の製造方法。

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