JP2021026134A - 埋め込み型半導体光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】寄生容量の低減を目的とする。【解決手段】埋め込み型半導体光素子は、第１方向に延びる一対の溝２０を有する半導体基板１８を含む。埋め込み層１６の上面は、メサストライプ構造１４に隣接し、一対の溝２０の対応する１つに重なって、メサストライプ構造１４から第２方向Ｄ２に高くなるように傾斜し、パッシベーション膜４０が形成されていない第１領域３４を有する。埋め込み層１６の上面は、一対の溝２０のいずれにも重ならず、平坦であり、第１領域３４以上の高さにあり、パッシベーション膜４０が形成されている第２領域３６を有する。埋め込み層１６の上面は、第２領域３６を超えない高さで、第１領域３４と第２領域３６の間にある接続領域３８を有する。【選択図】図１Ｃ
Description
本発明は、埋め込み型半導体光素子及びその製造方法に関する。
インターネット及びデータセンタでのトラフィック増大に伴い、100Gbps製品又は400Gbps製品が求められている。半導体光素子には、25Gbaud又は56Gbaudで動作可能な高速性が求められる。光通信用の変調器として、埋め込み型の半導体光素子、例えば電界吸収型変調器（以下、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器という）が知られている。
埋め込み型のＥＡ変調器において、メサストライプ構造に電圧を印加するための電極（ｐ電極）は、メサストライプ構造の直上だけではなく、埋め込み層も覆うように配置されている。また、導体基板の裏面にはｎ電極が形成されている。ｐ電極とｎ電極に挟まれた半導体領域は寄生容量の原因となる。ＥＡ変調器の高速での応答性向上のためには、寄生容量の低減が要求される（特許文献１及び特許文献２）。
特許文献１では、メサストライプ構造に隣接する埋め込み層が、メサストライプ構造に隣接する部分では、メサストライプ構造の上面と同じ高さの平坦領域を有している。これにより、ｐ電極がｎ電極に近づくため、寄生容量低減効果が十分ではない場合がある。
特許文献２は、埋め込み層を十分に厚くすることが開示されている。しかし、図１５に示すように、半導体の結晶成長によって形成される埋め込み層５１６には、メサストライプ構造５１４に隣接して「ラビットイヤー」と呼ばれる突起５００ができる。突起５００は、埋め込み層５１６を厚くするほど大きくなって、平坦領域５０２がメサストライプ構造５１４から離れる。そのため、平坦領域５０２に至る電極５４４が大きくなり、寄生容量が増加する場合がある。
本発明は、寄生容量の低減を目的とする。
（１）本発明に係る埋め込み型半導体光素子は、第１方向に延びる一対の溝を有し、前記一対の溝の間に前記第１方向にストライプ状に延びてメサストライプ構造の下端部を構成する凸部を有する半導体基板と、前記メサストライプ構造の一部を構成するように、前記凸部の上で前記第１方向にストライプ状に延びる量子井戸層と、埋め込みヘテロ構造を構成するように、前記第１方向に直交する第２方向に、前記メサストライプ構造の両側のそれぞれに隣接して、前記半導体基板に載る埋め込み層と、前記メサストライプ構造の上面から前記埋め込み層の上に連続的に広がり、前記メサストライプ構造の前記上面に接触する電極と、前記埋め込み層の上面の一部と前記電極との間に介在するパッシベーション膜と、を有し、前記埋め込み層の前記上面は、前記メサストライプ構造に隣接し、前記一対の溝の対応する１つに重なって、前記メサストライプ構造から前記第２方向に高くなるように傾斜し、前記パッシベーション膜が形成されていない第１領域と、前記一対の溝のいずれにも重ならず、平坦であり、前記第１領域以上の高さにあり、前記パッシベーション膜が形成されている第２領域と、前記第２領域を超えない高さで、前記第１領域と前記第２領域の間にある接続領域と、を含むことを特徴とする。
（２）（１）に記載された埋め込み型半導体光素子であって、前記埋め込み層は、半絶縁性半導体材料からなることを特徴としてもよい。
（３）（１）に記載された埋め込み型半導体光素子であって、前記第１領域の下端は、前記メサストライプ構造の前記上面と同じ高さにあることを特徴としてもよい。
（４）（１）に記載された埋め込み型半導体光素子であって、前記一対の溝との重なりを避けて、前記埋め込み層と前記半導体基板との間に介在し、前記量子井戸層と同じ材料からなり、前記量子井戸層と厚みにおいて均しいダミー量子井戸層をさらに有することを特徴としてもよい。
（５）（４）に記載された埋め込み型半導体光素子であって、前記メサストライプ構造は、前記量子井戸層の上にクラッド層を有し、前記埋め込み層と前記ダミー量子井戸層との間に介在し、前記クラッド層と同じ材料からなり、前記クラッド層よりも厚みにおいて小さいダミークラッド層をさらに有することを特徴としてもよい。
（６）（１）に記載された埋め込み型半導体光素子であって、前記埋め込み層は、前記一対の溝で、前記半導体基板に直接的に接触していることを特徴としてもよい。
（７）（１）に記載された埋め込み型半導体光素子であって、前記メサストライプ構造は、レーザ用の第１メサストライプ構造及び変調器用の第２メサストライプ構造を含み、前記量子井戸層は、前記レーザ用の第１量子井戸層及び前記変調器用の第２量子井戸層を含み、前記電極は、前記レーザ用の第１電極及び前記変調器用の第２電極を含むことを特徴としてもよい。
（８）本発明に係る埋め込み型半導体光素子の製造方法は、第１方向に延びる一対の溝を有し、前記一対の溝の間に凸部を有し、前記凸部を下端部として前記第１方向にストライプ状に延びるメサストライプ構造を備え、前記メサストライプ構造は前記凸部の上で前記第１方向にストライプ状に延びる量子井戸層、クラッド層及びコンタクト層を含む半導体基板を用意する工程と、前記第１方向に直交する第２方向に、前記メサストライプ構造の両側のそれぞれに隣接して、前記半導体基板に載るように、結晶成長によって、埋め込みヘテロ構造を構成する埋め込み層を形成する工程と、前記メサストライプ構造の上面を避けて、前記埋め込み層の上面の第１領域を避けて、前記埋め込み層の前記上面の第２領域に、パッシベーション膜を形成する工程と、前記メサストライプ構造の前記上面に接触し、前記メサストライプ構造の前記上面から前記パッシベーション膜の上に連続的に広がるように、電極を形成する工程と、を含み、前記第１領域は、前記メサストライプ構造に隣接し、前記一対の溝の対応する１つに重なって、前記メサストライプ構造から前記第２方向に高くなるように傾斜し、前記第２領域は、前記一対の溝のいずれにも重ならず、平坦であり、前記第１領域以上の高さにあり、前記埋め込み層の前記上面は、前記第２領域を超えない高さで、前記第１領域と前記第２領域の間にある接続領域をさらに含むことを特徴とする。
（９）（８）に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、前記半導体基板を用意する工程は、前記半導体基板の上に、前記量子井戸層にされる部分を含む連続量子井戸層を形成する工程と、前記連続量子井戸層の上に、前記クラッド層にされる部分を含む連続クラッド層を形成する工程と、前記連続クラッド層の上に、前記コンタクト層にされる部分を含む連続コンタクト層を形成する工程と、前記連続コンタクト層、前記連続クラッド層、前記連続量子井戸層及び前記半導体基板をエッチングする工程と、を含むことを特徴としてもよい。
（１０）（９）に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、前記エッチングする工程の前に、前記連続コンタクト層の上に、前記一対の溝に対応する開口を有するエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクを介して、前記半導体基板に至らないように、前記連続コンタクト層及び前記連続クラッド層に、前記一対の溝に対応する凹部を形成する工程と、前記メサストライプ構造に対応する領域に、一部をメサマスク部として残して、前記エッチングマスクを除去する工程と、をさらに含み、前記エッチングする工程では、前記連続コンタクト層が前記メサマスク部に覆われた状態で、前記連続コンタクト層、前記連続クラッド層、前記連続量子井戸層及び前記半導体基板を、前記一対の溝が形成されるまでエッチングすることを特徴としてもよい。
（１１）（９）に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、前記エッチングする工程の前に、前記連続コンタクト層の上に、前記メサストライプ構造及び前記一対の溝に対応する領域を避けて、前記連続クラッド層と同じ材料からなる追加連続層を形成する工程と、前記連続コンタクト層の上に、前記メサストライプ構造に対応する領域にメサマスク部を形成する工程と、をさらに含み、前記エッチングする工程では、前記連続コンタクト層が前記メサマスク部に覆われた状態で、前記追加連続層、前記連続コンタクト層、前記連続クラッド層、前記連続量子井戸層及び前記半導体基板を、前記一対の溝が形成されるまでエッチングすることを特徴としてもよい。
（１２）（９）に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、前記エッチングする工程で、前記一対の溝に対応する領域を除いて、前記連続クラッド層の下層部分を残し、前記結晶成長は、前記第１領域の下方では前記半導体基板の結晶が元になっており、前記結晶成長は、前記第２領域の下方では前記連続クラッド層の結晶が元になっていることを特徴としてもよい。
以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。全図において同一の符号を付した部材は同一又は同等の機能を有するものであり、その繰り返しの説明を省略する。なお、図形の大きさは倍率に必ずしも一致するものではない。
［第１の実施形態］
図１Ａは、第１の実施形態に係る埋め込み型半導体光素子の平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す埋め込み型半導体光素子のIB−IB線断面図である。図１Ｃは、図１Ａに示す埋め込み型半導体光素子のIC−IC線断面図である。図１Ｄは、図１Ａに示す埋め込み型半導体光素子のID−ID線断面図である。
図１Ａは、第１の実施形態に係る埋め込み型半導体光素子の平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す埋め込み型半導体光素子のIB−IB線断面図である。図１Ｃは、図１Ａに示す埋め込み型半導体光素子のIC−IC線断面図である。図１Ｄは、図１Ａに示す埋め込み型半導体光素子のID−ID線断面図である。
半導体光素子は、レーザ部１０に駆動電流を注入することにより出射される連続光を変調器部１２で変調して、信号光が出力されるようになっている。半導体光素子は、レーザ部１０（例えば半導体レーザ）及び変調器部１２がモノリシックに集積された変調器集積型半導体光素子（例えば変調器集積レーザ）である。レーザ部１０は、分布帰還型半導体レーザ(Distributed Feedback Laser：ＤＦＢレーザ)である。変調器部１２は、電界吸収型変調器（ＥＡ（Electro-Absorption）変調器）である。電界吸収型変調器は、チャープ（波動変調）が小さく、光信号のＯＮレベルとＯＦＦレベルの差である消光比が大きく、広域帯である、といった有利な特性を有することに加え、小型で低コストであることにより、幅広く用いられている。半導体光素子は、ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子である。
半導体光素子は、埋め込みヘテロ構造（Buried Heterostructure：ＢＨ構造）を有している。ＢＨ構造とは、光導波路を有するメサストライプ構造１４の両側に埋め込み層１６を有する構造をいう。ＢＨ構造は、横方向に光を閉じ込める効果が強く、ＦＦＰ（Far Field Pattern）がより円形となるので、光ファイバとの結合効率が高いという利点があり、さらに、放熱性に優れており、広く用いられている。
［半導体基板］
半導体光素子は、半導体基板１８（ｎ型ＩｎＰ基板）を有する。半導体基板１８は、第１方向Ｄ１に延びる一対の溝２０を有する。一対の溝２０の形成によって、「ラビットイヤー」が形成されなくなり、寄生容量の低減が可能になる。詳しくは、製造方法の説明で述べる。半導体基板１８は、凸部２２を有する。凸部２２は、一対の溝２０の間に第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる。凸部２２は、メサストライプ構造１４の下端部を構成する。
半導体光素子は、半導体基板１８（ｎ型ＩｎＰ基板）を有する。半導体基板１８は、第１方向Ｄ１に延びる一対の溝２０を有する。一対の溝２０の形成によって、「ラビットイヤー」が形成されなくなり、寄生容量の低減が可能になる。詳しくは、製造方法の説明で述べる。半導体基板１８は、凸部２２を有する。凸部２２は、一対の溝２０の間に第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる。凸部２２は、メサストライプ構造１４の下端部を構成する。
［メサストライプ構造］
メサストライプ構造１４は、図１Ｄに示すように、レーザ用の第１メサストライプ構造１４Ａを含む。第１メサストライプ構造１４Ａは、半導体基板１８（凸部２２）に近い側から順に、下光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、第１量子井戸層２４Ａ（活性層）、上光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、回折格子層、キャップ層（ｐ−ＩｎＰ層）を含む。
メサストライプ構造１４は、図１Ｄに示すように、レーザ用の第１メサストライプ構造１４Ａを含む。第１メサストライプ構造１４Ａは、半導体基板１８（凸部２２）に近い側から順に、下光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、第１量子井戸層２４Ａ（活性層）、上光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、回折格子層、キャップ層（ｐ−ＩｎＰ層）を含む。
メサストライプ構造１４は、図１Ｃに示すように、変調器用の第２メサストライプ構造１４Ｂを含む。第２メサストライプ構造１４Ｂは、半導体基板１８（凸部２２）に近い側から順に、下光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、第２量子井戸層２４Ｂ（吸収層）、上光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、キャップ層（ｐ−ＩｎＰ層）を含む。
［量子井戸層］
半導体光素子は、量子井戸層２４を有する。量子井戸層２４は、レーザ用の第１量子井戸層２４Ａ及び変調器用の第２量子井戸層２４Ｂを含む。量子井戸層２４は、ｐ型又はｎ型の不純物が意図的にドープされていない真正半導体からなる。量子井戸層２４は、メサストライプ構造１４の一部を構成する。量子井戸層２４は、凸部２２の上で第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる。
半導体光素子は、量子井戸層２４を有する。量子井戸層２４は、レーザ用の第１量子井戸層２４Ａ及び変調器用の第２量子井戸層２４Ｂを含む。量子井戸層２４は、ｐ型又はｎ型の不純物が意図的にドープされていない真正半導体からなる。量子井戸層２４は、メサストライプ構造１４の一部を構成する。量子井戸層２４は、凸部２２の上で第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる。
量子井戸層２４は、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：ＭＱＷ）層である。ＭＱＷ層に電界が印加されると、ＭＱＷ層における光の吸収端が長波長側へシフトする量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum Confinement Stark Effect：ＱＣＳＥ）が得られる。ＥＡ変調器は、ＱＣＳＥを利用して光を変調する。ＭＱＷ層は、歪が導入された複数の量子井戸層２４（ＩｎＧａＡｓＰ）及び隣同士の量子井戸層２４の間に介在する障壁層を含む。
［クラッド層］
メサストライプ構造１４は、量子井戸層２４の上にクラッド層２６を有する。クラッド層２６は、第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる。クラッド層２６は、ｐ型の不純物である亜鉛（Ｚｎ）がドープされた半導体（ｐ型ＩｎＰ）からなる。
メサストライプ構造１４は、量子井戸層２４の上にクラッド層２６を有する。クラッド層２６は、第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる。クラッド層２６は、ｐ型の不純物である亜鉛（Ｚｎ）がドープされた半導体（ｐ型ＩｎＰ）からなる。
［コンタクト層］
メサストライプ構造１４は、コンタクト層２８を含む。コンタクト層２８は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層及びｐ型ＩｎＧａＡｓ層からなり、それぞれ、ｐ型の不純物（Ｚｎ）がドープされている。
メサストライプ構造１４は、コンタクト層２８を含む。コンタクト層２８は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層及びｐ型ＩｎＧａＡｓ層からなり、それぞれ、ｐ型の不純物（Ｚｎ）がドープされている。
［ダミー層］
半導体光素子は、ダミー量子井戸層３０を有する。ダミー量子井戸層３０は、一対の溝２０との重なりを避けて、埋め込み層１６と半導体基板１８との間に介在する。ダミー量子井戸層３０は、量子井戸層２４と同じ材料からなり、量子井戸層２４と厚みにおいて均しい。
半導体光素子は、ダミー量子井戸層３０を有する。ダミー量子井戸層３０は、一対の溝２０との重なりを避けて、埋め込み層１６と半導体基板１８との間に介在する。ダミー量子井戸層３０は、量子井戸層２４と同じ材料からなり、量子井戸層２４と厚みにおいて均しい。
半導体光素子は、ダミークラッド層３２を有する。ダミークラッド層３２は、埋め込み層１６とダミー量子井戸層３０との間に介在する。ダミークラッド層３２は、クラッド層２６と同じ材料からなり、クラッド層２６よりも厚みにおいて小さい。
［埋め込み層］
半導体光素子は、埋め込み層１６を有する。埋め込み層１６は、半絶縁性半導体材料からなる。埋め込み層１６は、鉄（Ｆｅ）やルテニウム（Ｒｕ）がドープされた半導体（例えばＩｎＰ）からなる。埋め込み層１６は、半導体基板１８の上面に載る。
半導体光素子は、埋め込み層１６を有する。埋め込み層１６は、半絶縁性半導体材料からなる。埋め込み層１６は、鉄（Ｆｅ）やルテニウム（Ｒｕ）がドープされた半導体（例えばＩｎＰ）からなる。埋め込み層１６は、半導体基板１８の上面に載る。
埋め込み層１６は、埋め込みヘテロ構造を構成する。埋め込み層１６は、第２方向Ｄ２に、メサストライプ構造１４の両側のそれぞれに隣接して、半導体基板１８に載る。埋め込み層１６は、一対の溝２０で、半導体基板１８に直接的に接触している。埋め込み層１６は、ダミークラッド層３２に直接的に接触している。
埋め込み層１６の上面は、第１領域３４を含む。第１領域３４は、メサストライプ構造１４に隣接する。第１領域３４は、一対の溝２０の対応する１つに重なる。第１領域３４は、メサストライプ構造１４から第２方向Ｄ２に高くなるように傾斜する。第１領域３４の下端は、メサストライプ構造１４の上面（コンタクト層２８の上面）と同じ高さにある。
埋め込み層１６の上面は、第２領域３６を含む。第２領域３６は、一対の溝２０のいずれにも重ならない。第２領域３６は、ダミークラッド層３２に重なる。第２領域３６は、平坦であり、第１領域３４以上の高さにある。
埋め込み層１６の上面は、接続領域３８を含む。接続領域３８は、第１領域３４と第２領域３６の間にある。接続領域３８は、第２領域３６を超えない高さにある。接続領域３８は、一対の溝２０を形成することで、「ラビットイヤー」が形成されずにそれよりも低くなった領域である。言い換えると、第２領域３６の下層側には一対の溝２０より高い領域が形成されている（ダミー量子井戸層３０やダミークラッド層３２）。そのため、図１５で示すところの平坦領域がラビットイヤー頂点との高さHに相当する分だけ底上げされた状態となり、ラビットイヤーのような尖がった領域を形成させないことが可能となる。
［パッシベーション膜］
半導体光素子は、パッシベーション膜４０を有する。埋め込み層１６は、パッシベーション膜４０によって覆われている。パッシベーション膜４０は、スルーホール４２を有する。スルーホール４２内には、メサストライプ構造１４（コンタクト層２８）の上面が露出し、これに隣接して埋め込み層１６の上面の一部（第１領域３４及び接続領域３８）も露出する。本実施形態では、ラビットイヤーが形成されていないために、第２領域３６の始点を図１５の状態と比べてメサストライプ構造１４に近づけることが可能となる。そのため、スルーホール４２の開口幅を狭くすることが可能となる。
半導体光素子は、パッシベーション膜４０を有する。埋め込み層１６は、パッシベーション膜４０によって覆われている。パッシベーション膜４０は、スルーホール４２を有する。スルーホール４２内には、メサストライプ構造１４（コンタクト層２８）の上面が露出し、これに隣接して埋め込み層１６の上面の一部（第１領域３４及び接続領域３８）も露出する。本実施形態では、ラビットイヤーが形成されていないために、第２領域３６の始点を図１５の状態と比べてメサストライプ構造１４に近づけることが可能となる。そのため、スルーホール４２の開口幅を狭くすることが可能となる。
第１領域３４にはパッシベーション膜４０が形成されていない。接続領域３８にはパッシベーション膜４０が形成されていない。第２領域３６にはパッシベーション膜４０が形成されている。パッシベーション膜４０は、埋め込み層１６の上面の一部（第２領域３６）と電極４４との間に介在する。
［電極］
半導体光素子は、電極４４（ｐ電極）を有する。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面（コンタクト層２８の上面）から埋め込み層１６の上に連続的に広がる。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面（コンタクト層２８の上面）に接触する。電極４４は、スルーホール４２内でコンタクト層２８と電気的に接続している。パッシベーション膜４０の上に電極４４が載っている。電極４４は、レーザ用の第１電極４４Ａ及び変調器用の第２電極４４Ｂを含む。本実施形態では、上述のようにラビットイヤーを形成しないことでスルーホール４２の開口幅を狭くすることが可能となり、それに合わせて第２電極４４Ｂの幅を狭くすることが可能となる。さらにラビットイヤーが大きく形成されるような厚い埋め込み層１６を形成したとしてもスルーホール４２幅は小さくできるために、埋め込み層１６を厚くしつつ電極幅を低減するという構成を両立し、寄生容量を低減することが可能となる。
半導体光素子は、電極４４（ｐ電極）を有する。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面（コンタクト層２８の上面）から埋め込み層１６の上に連続的に広がる。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面（コンタクト層２８の上面）に接触する。電極４４は、スルーホール４２内でコンタクト層２８と電気的に接続している。パッシベーション膜４０の上に電極４４が載っている。電極４４は、レーザ用の第１電極４４Ａ及び変調器用の第２電極４４Ｂを含む。本実施形態では、上述のようにラビットイヤーを形成しないことでスルーホール４２の開口幅を狭くすることが可能となり、それに合わせて第２電極４４Ｂの幅を狭くすることが可能となる。さらにラビットイヤーが大きく形成されるような厚い埋め込み層１６を形成したとしてもスルーホール４２幅は小さくできるために、埋め込み層１６を厚くしつつ電極幅を低減するという構成を両立し、寄生容量を低減することが可能となる。
半導体基板１８の裏面には、他の電極４６（ｎ電極）が形成されている。電極４６（ｎ電極）は、第１電極４４Ａ及び第２電極４４Ｂに共通して対向している。なお、半導体光素子は、光が出射する端面には反射防止膜（図示せず）を有し、反対側の端面には高反射膜（図示せず）を有する。なお、本実施形態では半導体基板１８をｎ型、クラッド層２６をｐ型の例で示したが、ｐ型及びｎ型が反対であっても構わない。
［製造方法］
次に、第１の実施形態に係る埋め込み型半導体光素子の製造方法を説明する。
次に、第１の実施形態に係る埋め込み型半導体光素子の製造方法を説明する。
［事前準備］
半導体材料（例えばＩｎＰ）は、（１１１）面方向に結晶成長が進む性質を有する。そのため、図１５に示すように、メサストライプ構造５１４の高さを超えると、その両側で約５５度の角度で傾斜して結晶成長が進む。結晶成長がある程度進むと、頂点を境に傾斜が逆向きとなり、「ラビットイヤー」と呼ばれる突起５００が埋め込み層５１６に形成される。突起５００の隣に、埋め込み層５１６は平坦領域５０２を有する。
半導体材料（例えばＩｎＰ）は、（１１１）面方向に結晶成長が進む性質を有する。そのため、図１５に示すように、メサストライプ構造５１４の高さを超えると、その両側で約５５度の角度で傾斜して結晶成長が進む。結晶成長がある程度進むと、頂点を境に傾斜が逆向きとなり、「ラビットイヤー」と呼ばれる突起５００が埋め込み層５１６に形成される。突起５００の隣に、埋め込み層５１６は平坦領域５０２を有する。
事前準備として、「ラビットイヤー」ができる構造の埋め込み型半導体光素子（ダミー素子）を作成し、「ラビットイヤー」の高さ（平坦領域５０２からの高さＨ）及び位置（メサストライプ構造１４から頂点までの水平方向の距離Ｄ）を測定しておく。ダミー素子は、位置確認用の素子であり、開発時に１回作成すればよく量産時には不要となる。
［半導体基板の用意］
図２は、連続量子井戸層の形成プロセスを説明するための図である。半導体基板１８（ｎ型ＩｎＰ基板）の上に、量子井戸層２４にされる部分を含む連続量子井戸層１２４を形成する。連続量子井戸層１２４は、レーザ用の第１連続量子井戸層１２４Ａを含む。第１連続量子井戸層１２４Ａは、図示しないレーザ用連続多層に含まれる。
図２は、連続量子井戸層の形成プロセスを説明するための図である。半導体基板１８（ｎ型ＩｎＰ基板）の上に、量子井戸層２４にされる部分を含む連続量子井戸層１２４を形成する。連続量子井戸層１２４は、レーザ用の第１連続量子井戸層１２４Ａを含む。第１連続量子井戸層１２４Ａは、図示しないレーザ用連続多層に含まれる。
具体的には、半導体基板１８の上に、レーザ用連続多層を、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）にて形成する。レーザ用連続多層は、半導体基板１８側から順に、連続下光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、第１連続量子井戸層１２４Ａ（活性層）、連続上光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、連続回折格子層、連続キャップ層（ｐ−ＩｎＰ層）を含む。
第１連続量子井戸層１２４Ａは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いて形成するが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いて形成してもよい。
図３Ａは、第１連続量子井戸層のエッチングを説明するための図である。図３Ｂは、図３Ａに示す構造のIIIB−IIIB線断面図である。第１連続量子井戸層１２４Ａを含むレーザ用連続多層に、レーザ用マスク１４８を形成する。レーザ用マスク１４８は、レーザ用の第１メサストライプ構造１４Ａを含む領域に形成する。レーザ用マスク１４８を介して、レーザ用連続多層（第１連続量子井戸層１２４Ａ）をエッチングする。
図４Ａは、連続量子井戸層の形成プロセスを説明するための図である。図４Ｂは、図４Ａに示す構造のIVB−IVB線断面図である。連続量子井戸層１２４は、変調器用の第２連続量子井戸層１２４Ｂを含む。第２連続量子井戸層１２４Ｂは、図示しない変調器用連続多層に含まれる。
変調器用連続多層をＭＯＣＶＤ法にて形成する。レーザ用マスク１４８に覆われている領域は、多層成長されない。変調器用連続多層は、半導体基板１８側から順に、連続下光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、第２連続量子井戸層１２４Ｂ（吸収層）、連続上光ガイド層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、連続キャップ層（ｐ−ＩｎＰ層）を含む。第２連続量子井戸層１２４Ｂには、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いてもよい。
そして、レーザ用マスク１４８を除去する。図示を省略するが、レーザ用連続多層のうち、レーザ用連続キャップ層を除去し、連続回折格子層をエッチングして、回折格子を形成する。
図５Ａは、連続クラッド層の形成プロセスを説明するための図である。図５Ｂは、図５Ａに示す構造のVB−VB線断面図である。
連続量子井戸層１２４の上に、クラッド層２６にされる部分を含む連続クラッド層１２６を形成する。連続クラッド層１２６の上に、コンタクト層２８にされる部分を含む連続コンタクト層１２８を形成する。連続クラッド層１２６（ｐ−ＩｎＰ層）及び連続コンタクト層１２８（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層及びｐ−ＩｎＧａＡｓ層）は、結晶成長によって形成する。なお、変調器用連続多層の最上層の変調器用連続キャップ層は、連続クラッド層１２６と実質的に一体化される。
［エッチングマスクの形成／凹部の形成］
図６Ａは、エッチングマスクを示す図である。図６Ｂは、図６Ａに示す構造のVIB−VIB線断面図である。図６Ｃは、図６Ａに示す構造のVIC−VIC線断面図である。
図６Ａは、エッチングマスクを示す図である。図６Ｂは、図６Ａに示す構造のVIB−VIB線断面図である。図６Ｃは、図６Ａに示す構造のVIC−VIC線断面図である。
連続コンタクト層１２８の上に、一対の溝２０に対応する開口を有するエッチングマスク１５０を形成する。なお、一対の溝２０の位置は、図１５に示す「ラビットイヤー」の位置から決定する。
エッチングマスク１５０を介して、半導体基板１８に至らないように、連続コンタクト層１２８及び連続クラッド層１２６に、一対の溝２０に対応する凹部１５２を形成する。凹部１５２の深さは、後述する一対の溝２０の深さと同等にする。なお、一対の溝２０の深さは、図１５に示すダミー素子から得られた「ラビットイヤー」の高さＨから決定する。
続いて、メサストライプ構造１４に対応する領域に、一部がメサマスク部１５４として残るように、エッチングマスク１５０を除去する（図７Ａ〜図７Ｃ参照）。
［エッチング］
図７Ａは、エッチングを説明するための図である。図７Ｂは、図７Ａに示す構造のVIIB−VIIB線断面図である。図７Ｃは、図７Ａに示す構造のVIIC−VIIC線断面図である。
図７Ａは、エッチングを説明するための図である。図７Ｂは、図７Ａに示す構造のVIIB−VIIB線断面図である。図７Ｃは、図７Ａに示す構造のVIIC−VIIC線断面図である。
連続コンタクト層１２８、連続クラッド層１２６、連続量子井戸層１２４及び半導体基板１８がエッチングされる。エッチングは、連続コンタクト層１２８がメサマスク部１５４に覆われた状態で行う。半導体基板１８に一対の溝２０が形成されるまでエッチングする。
エッチングによって、第１方向Ｄ１に延びる一対の溝２０が形成される。一対の溝２０の間に凸部２２が形成される。凸部２２を下端部として第１方向Ｄ１にストライプ状に延びるメサストライプ構造１４が形成される。メサストライプ構造１４は、凸部２２の上で第１方向Ｄ１にストライプ状に延びる量子井戸層２４、クラッド層２６及びコンタクト層２８を含む。
エッチングする工程で、一対の溝２０に対応する領域を除いて、連続クラッド層１２６の下層部分をダミークラッド層３２として残す。ダミークラッド層３２の下にはダミー量子井戸層３０がある。ここで一対の溝２０の底部と連続量子井戸層１２４までの高さは事前準備で形成したダミー素子（図１５）と同じである。
［埋め込み層の形成］
図８Ａは、埋め込み層の形成プロセスを説明するための図である。図８Ｂは、図８Ａに示す構造のVIIIB−VIIIB線断面図である。図８Ｃは、図８Ａに示す構造のVIIIC−VIIIC線断面図である。
図８Ａは、埋め込み層の形成プロセスを説明するための図である。図８Ｂは、図８Ａに示す構造のVIIIB−VIIIB線断面図である。図８Ｃは、図８Ａに示す構造のVIIIC−VIIIC線断面図である。
結晶成長によって、埋め込みヘテロ構造を構成する埋め込み層１６を形成する。埋め込み層１６は、半導体基板１８に載るように形成する。埋め込み層１６は、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に、メサストライプ構造１４の両側のそれぞれに隣接するように形成する。
埋め込み層１６は、上面が第１領域３４を含むように形成する。第１領域３４は、メサストライプ構造１４に隣接し、一対の溝２０の対応する１つに重なって、メサストライプ構造１４から第２方向Ｄ２に高くなるように傾斜する。結晶成長は、第１領域３４の下方では半導体基板１８の結晶が元になっている。
埋め込み層１６は、上面が第２領域３６を含むように形成する。第２領域３６は、一対の溝２０のいずれにも重ならず、平坦であり、第１領域３４以上の高さにある。結晶成長は、第２領域３６の下方では連続クラッド層１２６の結晶が元になっている。
埋め込み層１６は、上面が接続領域３８を含むように形成する。接続領域３８は、第１領域３４と第２領域３６の間にある。
埋め込み層１６を厚く形成することで寄生容量は低減できる。しかしラビットイヤーが形成されることでスルーホールの開口の位置を平坦領域５０２に配置する必要がある。その結果、電極幅が広がり寄生容量が増加してしまう。しかし、本実施形態ではダミー素子と同じ厚さの埋め込み層１６を形成した場合であっても、ラビットイヤーが形成されない。なぜなら、ラビットイヤーの頂点付近から外側に向かった領域にはダミー量子井戸層３０、ダミークラッド層３２等が形成されており、ラビッドイヤーの頂点から外側を底上げすることが可能となり、ラビットイヤーの頂点付近から第２領域３６を形成することができる。その結果、平坦領域の始点をメサストライプ構造に近づけることが可能となり、電極幅の低減が可能となる。
図９Ａは、連続コンタクト層の分離プロセスを説明するための図である。図９Ｂは、図９Ａに示す構造のIXB−IXB線断面である。
メサマスク部１５４を除去し、変調器部１２とレーザ部１０の間に開口又は切れ目があるアイソレーションマスク１５６を形成する。アイソレーションマスク１５６を介して、連続コンタクト層１２８の一部（レーザ部１０と変調器部１２との間の部分）を除去する。これにより、連続コンタクト層１２８を、レーザ用のコンタクト層２８Ａと変調器用のコンタクト層２８Ｂに分離する。その後、アイソレーションマスク１５６を除去する。
［パッシベーション膜の形成］
図１０Ａは、連続パッシベーション膜の形成プロセスを説明するための図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示す構造のXB−XB線断面である。図１０Ｃは、図１０Ａに示す構造のXC−XC線断面である。図１０Ｄは、図１０Ａに示す構造のXD−XD線断面である。連続パッシベーション膜１４０を、コンタクト層２８の上及び埋め込み層１６の上に形成する。
図１０Ａは、連続パッシベーション膜の形成プロセスを説明するための図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示す構造のXB−XB線断面である。図１０Ｃは、図１０Ａに示す構造のXC−XC線断面である。図１０Ｄは、図１０Ａに示す構造のXD−XD線断面である。連続パッシベーション膜１４０を、コンタクト層２８の上及び埋め込み層１６の上に形成する。
図１１Ａは、連続パッシベーション膜のエッチングを説明するための図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示す構造のXIB−XIB線断面である。図１１Ｃは、図１１Ａに示す構造のXIC−XIC線断面である。図１１Ｄは、図１１Ａに示す構造のXID−XID線断面である。
連続パッシベーション膜１４０の上にスルーホールマスク１５８を形成する。スルーホールマスク１５８は、メサストライプ構造１４（レーザ用の第１メサストライプ構造１４Ａ及び変調器用の第２メサストライプ構造１４Ｂ）及び埋め込み層１６の上面の第１領域３４及び接続領域３８の上に開口又は切れ目を有する。
スルーホールマスク１５８を介して、連続パッシベーション膜１４０をエッチングする。こうしてパターニングされたパッシベーション膜４０は、埋め込み層１６の上面の第２領域３６に残る。パッシベーション膜４０は、メサストライプ構造１４の上面を避けて形成される。パッシベーション膜４０は、埋め込み層１６の上面の第１領域３４及び接続領域３８を避けて形成される。その後、スルーホールマスク１５８を除去する。
［電極の形成］
図１Ａ〜図１Ｄに示すように、電極４４（ｐ電極）を形成する。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面に接触するように形成する。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面からパッシベーション膜４０の上に連続的に広がるように形成する。また、半導体基板１８の裏面には、他の電極４６（ｎ電極）を形成する。
図１Ａ〜図１Ｄに示すように、電極４４（ｐ電極）を形成する。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面に接触するように形成する。電極４４は、メサストライプ構造１４の上面からパッシベーション膜４０の上に連続的に広がるように形成する。また、半導体基板１８の裏面には、他の電極４６（ｎ電極）を形成する。
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る埋め込み型半導体光素子の製造方法を説明する。本実施形態によって製造された埋め込み型半導体光素子は、図１に示す埋め込み型半導体光素子と同じである。本実施形態は、図５Ｂに示すプロセスまで、第１の実施形態と同じである。
第２の実施形態に係る埋め込み型半導体光素子の製造方法を説明する。本実施形態によって製造された埋め込み型半導体光素子は、図１に示す埋め込み型半導体光素子と同じである。本実施形態は、図５Ｂに示すプロセスまで、第１の実施形態と同じである。
図１２は、第２の実施形態における追加連続層の形成プロセスを説明するための図である。連続コンタクト層１２８の上に、連続クラッド層１２６と同じ材料からなる追加連続層２６０を形成する。
図１３Ａは、追加連続層をパターニングするプロセスを説明するための図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示す構造のXIIIB−XIIIB線断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａに示す構造のXIIIC−XIIIC線断面図である。
追加連続層２６０を、メサストライプ構造１４及び一対の溝２０に対応する領域を避けるようにパターニングする。パターニングは、追加マスク２６２を使用したエッチングによって行う。エッチングは、連続コンタクト層１２８を残すように行う。その後、追加マスク２６２を除去する。
図１４Ａは、メサマスク部を介するエッチングを説明するための図である。図１４Ｂは、図１４Ａに示す構造のXIVB−XIVB線断面図である。図１４Ｃは、図１４Ａに示す構造のXIVC−XIVC線断面図である。連続コンタクト層１２８の上に、メサストライプ構造１４に対応する領域にメサマスク部１５４を形成する。
そして、追加連続層２６０、連続コンタクト層１２８、連続クラッド層１２６、連続量子井戸層１２４及び半導体基板１８を、一対の溝２０が形成されるまでエッチングする（図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃ参照）。
エッチングは、連続コンタクト層１２８がメサマスク部１５４に覆われた状態で行う。つまり、メサストライプ構造１４が、エッチングされずに残る。連続コンタクト層１２８の一部（メサマスク部１５４に覆われるが追加連続層２６０から露出する部分）は、追加連続層２６０よりも低くなっているため、追加連続層２６０の下方よりも先に、エッチングが半導体基板１８に至る。これにより、一対の溝２０が半導体基板１８に形成される。一方で、追加連続層２６０に覆われていた領域では、連続クラッド層１２６の下層部分（ダミークラッド層３２になる部分）が残るように、エッチングを終わらせる。
以上のプロセスによって、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す構造が得られる。その後、図８Ａ及びそれ以降に示すプロセスを行うことで、埋め込み型半導体光素子を製造することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態で説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。
１０ レーザ部、１２ 変調器部、１４ メサストライプ構造、１４Ａ 第１メサストライプ構造、１４Ｂ 第２メサストライプ構造、１６ 埋め込み層、１８ 半導体基板、２０ 溝、２２ 凸部、２４ 量子井戸層、２４Ａ 第１量子井戸層、２４Ｂ 第２量子井戸層、２６ クラッド層、２８ コンタクト層、３０ ダミー量子井戸層、３２ ダミークラッド層、３４ 第１領域、３６ 第２領域、３８ 接続領域、４０ パッシベーション膜、４２ スルーホール、４４ 電極、４４Ａ 第１電極、４４Ｂ 第２電極、４６ 電極、１２４ 連続量子井戸層、１２４Ａ 第１連続量子井戸層、１２４Ｂ 第２連続量子井戸層、１２６ 連続クラッド層、１２８ 連続コンタクト層、１２８Ａ 連続コンタクト層、１２８Ｂ 連続コンタクト層、１４０ 連続パッシベーション膜、１４８ 発振器用マスク、１５０ エッチングマスク、１５２ 凹部、１５４ メサマスク部、１５６ アイソレーションマスク、１５８ スルーホールマスク、２６０ 追加連続層、２６２ 追加マスク、５００ 突起、５０２ 平坦領域、５１４ メサストライプ構造、５１６ 埋め込み層、５４４ 電極、Ｄ１ 第１方向、Ｄ２ 第２方向。
Claims (12)
- 第１方向に延びる一対の溝を有し、前記一対の溝の間に前記第１方向にストライプ状に延びてメサストライプ構造の下端部を構成する凸部を有する半導体基板と、
前記メサストライプ構造の一部を構成するように、前記凸部の上で前記第１方向にストライプ状に延びる量子井戸層と、
埋め込みヘテロ構造を構成するように、前記第１方向に直交する第２方向に、前記メサストライプ構造の両側のそれぞれに隣接して、前記半導体基板に載る埋め込み層と、
前記メサストライプ構造の上面から前記埋め込み層の上に連続的に広がり、前記メサストライプ構造の前記上面に接触する電極と、
前記埋め込み層の上面の一部と前記電極との間に介在するパッシベーション膜と、
を有し、
前記埋め込み層の前記上面は、
前記メサストライプ構造に隣接し、前記一対の溝の対応する１つに重なって、前記メサストライプ構造から前記第２方向に高くなるように傾斜し、前記パッシベーション膜が形成されていない第１領域と、
前記一対の溝のいずれにも重ならず、平坦であり、前記第１領域以上の高さにあり、前記パッシベーション膜が形成されている第２領域と、
前記第２領域を超えない高さで、前記第１領域と前記第２領域の間にある接続領域と、
を含むことを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 請求項１に記載された埋め込み型半導体光素子であって、
前記埋め込み層は、半絶縁性半導体材料からなることを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 請求項１に記載された埋め込み型半導体光素子であって、
前記第１領域の下端は、前記メサストライプ構造の前記上面と同じ高さにあることを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 請求項１に記載された埋め込み型半導体光素子であって、
前記一対の溝との重なりを避けて、前記埋め込み層と前記半導体基板との間に介在し、前記量子井戸層と同じ材料からなり、前記量子井戸層と厚みにおいて均しいダミー量子井戸層をさらに有することを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 請求項４に記載された埋め込み型半導体光素子であって、
前記メサストライプ構造は、前記量子井戸層の上にクラッド層を有し、
前記埋め込み層と前記ダミー量子井戸層との間に介在し、前記クラッド層と同じ材料からなり、前記クラッド層よりも厚みにおいて小さいダミークラッド層をさらに有することを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 請求項１に記載された埋め込み型半導体光素子であって、
前記埋め込み層は、前記一対の溝で、前記半導体基板に直接的に接触していることを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 請求項１に記載された埋め込み型半導体光素子であって、
前記メサストライプ構造は、レーザ用の第１メサストライプ構造及び変調器用の第２メサストライプ構造を含み、
前記量子井戸層は、前記レーザ用の第１量子井戸層及び前記変調器用の第２量子井戸層を含み、
前記電極は、前記レーザ用の第１電極及び前記変調器用の第２電極を含むことを特徴とする埋め込み型半導体光素子。 - 第１方向に延びる一対の溝を有し、前記一対の溝の間に凸部を有し、前記凸部を下端部として前記第１方向にストライプ状に延びるメサストライプ構造を備え、前記メサストライプ構造は前記凸部の上で前記第１方向にストライプ状に延びる量子井戸層、クラッド層及びコンタクト層を含む半導体基板を用意する工程と、
前記第１方向に直交する第２方向に、前記メサストライプ構造の両側のそれぞれに隣接して、前記半導体基板に載るように、結晶成長によって、埋め込みヘテロ構造を構成する埋め込み層を形成する工程と、
前記メサストライプ構造の上面を避けて、前記埋め込み層の上面の第１領域を避けて、前記埋め込み層の前記上面の第２領域に、パッシベーション膜を形成する工程と、
前記メサストライプ構造の前記上面に接触し、前記メサストライプ構造の前記上面から前記パッシベーション膜の上に連続的に広がるように、電極を形成する工程と、
を含み、
前記第１領域は、前記メサストライプ構造に隣接し、前記一対の溝の対応する１つに重なって、前記メサストライプ構造から前記第２方向に高くなるように傾斜し、
前記第２領域は、前記一対の溝のいずれにも重ならず、平坦であり、前記第１領域以上の高さにあり、
前記埋め込み層の前記上面は、前記第２領域を超えない高さで、前記第１領域と前記第２領域の間にある接続領域をさらに含むことを特徴とする埋め込み型半導体光素子の製造方法。 - 請求項８に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体基板を用意する工程は、
前記半導体基板の上に、前記量子井戸層にされる部分を含む連続量子井戸層を形成する工程と、
前記連続量子井戸層の上に、前記クラッド層にされる部分を含む連続クラッド層を形成する工程と、
前記連続クラッド層の上に、前記コンタクト層にされる部分を含む連続コンタクト層を形成する工程と、
前記連続コンタクト層、前記連続クラッド層、前記連続量子井戸層及び前記半導体基板をエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする埋め込み型半導体光素子の製造方法。 - 請求項９に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、
前記エッチングする工程の前に、
前記連続コンタクト層の上に、前記一対の溝に対応する開口を有するエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクを介して、前記半導体基板に至らないように、前記連続コンタクト層及び前記連続クラッド層に、前記一対の溝に対応する凹部を形成する工程と、
前記メサストライプ構造に対応する領域に、一部をメサマスク部として残して、前記エッチングマスクを除去する工程と、
をさらに含み、
前記エッチングする工程では、前記連続コンタクト層が前記メサマスク部に覆われた状態で、前記連続コンタクト層、前記連続クラッド層、前記連続量子井戸層及び前記半導体基板を、前記一対の溝が形成されるまでエッチングすることを特徴とする埋め込み型半導体光素子の製造方法。 - 請求項９に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、
前記エッチングする工程の前に、
前記連続コンタクト層の上に、前記メサストライプ構造及び前記一対の溝に対応する領域を避けて、前記連続クラッド層と同じ材料からなる追加連続層を形成する工程と、
前記連続コンタクト層の上に、前記メサストライプ構造に対応する領域にメサマスク部を形成する工程と、
をさらに含み、
前記エッチングする工程では、前記連続コンタクト層が前記メサマスク部に覆われた状態で、前記追加連続層、前記連続コンタクト層、前記連続クラッド層、前記連続量子井戸層及び前記半導体基板を、前記一対の溝が形成されるまでエッチングすることを特徴とする埋め込み型半導体光素子の製造方法。 - 請求項９に記載された埋め込み型半導体光素子の製造方法であって、
前記エッチングする工程で、前記一対の溝に対応する領域を除いて、前記連続クラッド層の下層部分を残し、
前記結晶成長は、前記第１領域の下方では前記半導体基板の結晶が元になっており、
前記結晶成長は、前記第２領域の下方では前記連続クラッド層の結晶が元になっていることを特徴とする埋め込み型半導体光素子の製造方法。
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