JP3339488B2 - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

光半導体装置およびその製造方法

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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2077—Methods of obtaining the confinement using lateral bandgap control during growth, e.g. selective growth, mask induced

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光半導体装置の製造
方法に関し、とくに異波長半導体レーザおよびその集積
装置の一括製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年急激に伸びている通信需要を賄うた
め、１本の光ファイバー中に異なる波長の光信号を伝送
させることによって光ファイバーを新たに増設すること
なく大幅に通信容量を拡大できる波長分割多重（ＷＤ
Ｍ：wavelength division multiplexing）光通信システ
ムが進展してきている。このＷＤＭ光通信システムには
当然のことながら、異なった波長の複数の光源が必要と
なる。したがって、異なる波長光源をいかに効率的に実
現できるかが大きな課題となっている。
【０００３】そこで異波長ＤＦＢ（distributed feedba
ck：分布帰還型）レーザや、異波長ＥＡ（electro-abso
rption：電界吸収型）変調器集積ＤＦＢレーザを１枚の
半導体基板面内に一括して作製する製造方法が、特開平
１０−１１７０４０号公報において開示されている。１
枚の半導体基板上で異なる発振波長を得るため、図４６
に示すように異なる周期（ピッチ：Λ）をもつ回折格子
を電子ビーム露光およびエッチング技術を用いて形成し
た後、発振波長に応じたバンドギャップ波長を有する活
性層（光吸収層）を含む多層構造を、選択ＭＯＶＰＥ
（metal-organicvapor phase epitaxy）法によって作製
する手法を用いている。この方法では、発振波長とレー
ザ活性層のバンドギャップ波長を一定の範囲内で一致さ
せることが可能であるため、レーザ発振しきい値や、効
率の均一性を比較的良好に保つことが可能であるという
特徴を有する。
【０００４】しかしながら、活性層（光吸収層）を選択
ＭＯＶＰＥで作製すると、回折格子の上に形成される光
ガイド層のバンドギャップ波長も変化するとともに、活
性層の膜厚も変化してしまう。光ガイド層のバンドギャ
ップ波長が変化すると回折格子上の屈折率の絶対値が変
化するため、回折格子による周期的な屈折率変化の変化
量も変わってしまう。また活性層の膜厚が変化すると、
活性層への光閉じ込め係数が変化し、結果として回折格
子領域の光強度が変わる。この回折格子による周期的な
屈折率変化の変化量と回折格子領域の光強度は結合係数
（κ）に直接関わるパラメータであるため、この両者が
変化する異波長レーザの一括形成では、発振波長によっ
てκが変わってしまうこととなる。
【０００５】上記公報に開示されている手法では、発振
波長を長波化させるために一対のストライプ状選択成長
マスクのマスク幅を大きくしているが、この場合、上
述した回折格子上の光ガイド層のバンドギャップ波長も
長波化するため、光ガイド層の屈折率の絶対値は大きく
なる。また活性層の膜厚も大きくなるため、活性層へ
の光閉じ込め係数が増加する結果、回折格子領域の光強
度は減少する。の効果はκを大きくする作用があり、
の効果は逆にκを小さくする作用があるため、両者の
大小関係によって発振波長（あるいは選択成長マスク
幅）とκとの関係が変ることになる。
【０００６】の効果との効果の大小関係は結晶成長
を行うＭＯＶＰＥ装置あるいは成長条件に依存する。κ
はＤＦＢレーザの発振しきい値や発光効率、縦シングル
モード歩留り、長距離伝送特性等に密接に関連したパラ
メータであり、不均一性が生じると素子歩留りを低下さ
せてしまうという問題がある。
【０００７】特に縦シングルモード歩留まりと長距離伝
送特性に与えるκの影響はトレードオフの関係にあり、
最適なκの値を高均一に実現することが最終歩留まりの
向上に重要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】第１の問題点は、レー
ザ発振しきい値電流、発光効率に不均一性が生じ、縦単
一モード発振歩留まりが低下することである。その理由
は、結合係数が発振波長の異なる素子によって異なって
いるためである。
【０００９】第２の問題点は、長距離伝送を行なった場
合の伝送特性歩留まりに波長によるばらつきが生じるこ
とである。その理由は、素子によって結合係数が異なる
と端面残留反射によるレーザ発振波長の波長変動（波長
チャープ）量が素子ごとによって異なるためである。
【００１０】本発明の目的は、異波長ＤＦＢレーザや異
波長ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを１枚の半導体基板上
に一括形成する場合に発生するＤＦＢレーザ部の結合係
数のばらつきを抑え、レーザ発振しきい値、発光効率、
長距離伝送特性の均一化と縦単一モード発振歩留まりの
向上を図ることである。
【００１１】本発明の光半導体装置の製造方法の目的
は、従来の異波長ＤＦＢレーザ一括形成方法のもつ問題
点を解決する手段を提供することにある。即ち発振波長
が異なっても、結合係数κが変化せず一定値に制御され
ている異波長ＤＦＢレーザあるいは、異波長ＤＦＢレー
ザ集積素子の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、以下に記載された技術構成を採用するもの
である。
【００１３】素子内部の回折格子がもたらす周期的な屈
折率変化による分布帰還動作によって縦単一モード発振
する複数の半導体レーザが、相互に異なる発振波長によ
って１枚の半導体基板上に一括形成された光半導体装置
において、前記複数の半導体レーザは、その発振波長に
応じた屈折率を有する回折格子埋め込み半導体層を備え
ることにより等しい結合係数を有することを特徴とす
る。
【００１４】これら複数の半導体レーザが、その発振波
長に応じたバンドギャップ波長（エネルギー）を有する
ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子埋め込み半導体層を備
えることをも特徴とし、さらに、これら半導体レーザが
分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザであることを特徴と
する。
【００１５】さらに、これら半導体レーザに光変調器が
モノリシック集積されていることをも特徴とする。
【００１６】とくに本発明によれば、ＩｎＰ基板上に、
互いに異なる周期の複数の回折格子と、前記回折格子の
上部または下部に形成されたＩｎＧａＡｓＰガイド層
と、多重量子井戸活性層と、ＩｎＰクラッド層とを備
え、前記回折格子の周期によって決まる発振波長で発振
する複数の半導体レーザを有する光半導体装置におい
て、前記複数の半導体レーザのそれぞれの結合係数が互
いに等しくなるように、前記ガイド層の屈折率が調整さ
れていることを特徴とする光半導体装置が得られる。ま
た、本発明は、素子内部の回折格子がもたらす周期的な
屈折率変化による分布帰還動作によって縦単一モード発
振を行う複数の半導体レーザを、相互に異なる発振波長
によって１枚の半導体基板上に一括形成する光半導体装
置の製造方法において、分布帰還動作を生じさせる回折
格子形状および、回折格子埋め込み半導体層の屈折率を
等しく製造した場合に結合係数が大きく（小さく）なる
素子ほど、前記回折格子埋め込み半導体層の屈折率を小
さく（大きく）なるように半導体基板面内で設定する方
法により、異なる素子における結合係数の違いを相殺す
ることを特徴とする。
【００１７】さらに、本発明は、素子内部の周期的な屈
折率変化による分布帰還動作によって縦単一モード発振
を行う半導体レーザの製造方法であって、発振波長が異
なる前記縦単一モード半導体レーザを含む半導体光集積
装置を同一の半導体基板上に一括形成する光半導体装置
の製造方法において、分布帰還動作を生じさせる回折格
子形状および、回折格子埋め込み半導体層の屈折率を等
しく製造した場合に結合係数が大きく（小さく）なる素
子ほど、前記回折格子埋め込み半導体層の屈折率を小さ
く（大きく）なるように半導体基板面内で設定する方法
により、異なる素子における結合係数の違いを相殺する
ことを特徴とする。
【００１８】上記半導体光集積装置が、縦単一モード発
振半導体レーザと、光変調器との集積装置であることを
も特徴とする。
【００１９】また、上記の光半導体装置の異波長素子一
括形成方法において、単一縦モード発振半導体レーザに
分布帰還動作を生じさせる回折格子形状および、回折格
子埋め込み半導体層のバンドギャップ波長を等しく製造
した場合に結合係数が大きく（小さく）なる素子ほど、
前記回折格子埋め込み半導体層のバンドギャップ波長を
短く（長く）設定することで、結合係数の違いを相殺す
ることを特徴とする。
【００２０】また、上記光半導体装置の製造方法におい
て、回折格子埋め込み半導体層がＩｎＧａＡｓＰであ
り、このＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長を変化
させる方法として、ＩＩＩ族のＩｎとＧａの組成比を変
化させることを特徴とする。
【００２１】また、上記光半導体装置の製造方法におい
て、回折格子埋め込み半導体層がＩｎＧａＡｓＰであ
り、このＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長を変化
させる方法として、Ｖ族のＡｓとＰの組成比を変化させ
ることをも特徴とする。
【００２２】さらに、上記光半導体装置の製造方法にお
いて、回折格子埋め込み層の屈折率あるいはバンドギャ
ップ波長を素子によって変化させる方法が、選択有機金
属気相成長法であることを特徴とする。
【００２３】または、上記光半導体装置の製造方法にお
いて、回折格子埋め込み層の屈折率あるいはバンドギャ
ップ波長を素子によって変化させる方法が、常圧二層流
型有機金属気相成長法におけるＶ族原料の分流比調整で
実現することを特徴とする。
【００２４】また、本発明によれば、上記光半導体装置
あるいは製造方法によって製造された光半導体装置と該
光半導体装置からの出力光を外部に導波するための手段
と、この導波手段に前記半導体装置からの出力光を入力
する機構と、上記半導体装置を駆動するための電気的イ
ンターフェースを備えることを特徴とする光通信用モジ
ュールが得られる。
【００２５】さらに、上記光半導体装置もしくは光通信
用モジュールが搭載された光送信装置とこの光送信装置
からの出力光を受信するための受信装置を備えることを
特徴とする光通信装置も実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。本発明者は、光半導体装置におい
て、その諸特性がマスク幅や結合係数κの変化に応じて
どのような挙動を示すかについて検討した。その結果、
マスク幅や結合係数κとＤＦＢ発振波長との関係につい
て、本発明に寄与する重要な事実を見いだすことができ
た。そして、発振波長がＤＦＢレーザ毎に異なっても、
結合係数κが変化しないようにする方法を見いだした。
また、光半導体装置の特性を向上させるための幾つかの
解決策も見いだすことができた。これらについて、実施
の形態の説明の前に図面を示して以下に説明する。
【００２７】図１には選択ＭＯＶＰＥ成長したＩｎＧａ
ＡｓＰの断面模式図を示している。（１００）ＩｎＰ基
板１上へ［０１１］方向に間隔１．５μｍで形成された
一対のＳｉＯ2 ストライプマスク２を用いて選択成長層
３としてＩｎＧａＡｓＰ層をＭＯＶＰＥ法によって選択
成長すると、側面が（１１１）Ｂ面、上面が（１００）
面に囲まれた台形型に結晶が成長する。さらに、マスク
幅Ｗｍを増加させると、マスク上からの原料流れ込みに
よって成長速度（膜厚）が増加するとともにＩｎ組成の
増加が生じることが知られている。これらの現象を利用
すると、異なるバンドギャップ波長を有する複数の層構
造を同一基板面内に作り込むことが可能となる。
【００２８】図２にＤＦＢレーザの導波路軸方向断面模
式図を示している。ＩｎＰ基板１０１上に回折格子高さ
ｄGTG が一定の回折格子１００が形成され、その上へＩ
ｎＧａＡｓＰガイド層１０４、多重量子井戸（ＭＱＷ：
multi-quantum well）活性層１０５、ＩｎＰクラッド１
０６が積層された構造が典型的なＤＦＢレーザ層構造で
ある。ＩｎＧａＡｓＰガイド層１０４には、１．５５μ
ｍ帯ＤＦＢレーザの場合、バンドギャップ波長が１．０
〜１．３μｍの組成がよく用いられる。
【００２９】図３には、１．５５μｍ帯のＤＦＢレーザ
の回折格子上ガイド層としてＩｎＧａＡｓＰ層（バンド
ギャップ波長１．１３μｍ：Ｑ１．１３と、バンドギャ
ップ波長１．２０μｍ：Ｑ１．２０）をマスク幅１５μ
ｍでＩｎＰ基板に格子整合するよう選択ＭＯＶＰＥ成長
した場合のフォトルミネセンス波長とマスク幅の関係を
示している。バンドギャップ波長１．１３μｍの場合
（Ｑ１．１３）、マスク幅を５０μｍまで増加させると
フォトルミネセンス波長が１．２０μｍにまで長くなっ
ていることがわかる。これは、マスク幅の増加によりＩ
ｎ組成が増加し圧縮応力が導入されているためである。
【００３０】また、図４にはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰのＭＱＷ構造を選択ＭＯＶＰＥ成長した場合のフ
ォトルミネセンス波長とマスク幅の関係の一例を示して
いる。この場合、マスク幅を１５μｍから、５０μｍへ
増加させることにより１．５２μｍから１．６２μｍの
波長範囲をカバーできることが分かる。さらにマスク幅
を５μｍから２１μｍの間にとると１．４５μｍから
１．５５μｍの波長範囲をカバーすることが可能であ
る。これは上記１．５２μｍから１．６２μｍを発振波
長とするＤＦＢレーザと組んで集積化する電界吸収型
（ＥＡ）変調器の動作波長とすることができる。
【００３１】この時、問題となるのが異なる発振波長に
対する結合係数（κ）である。マスク幅を１５μｍから
５０μｍの範囲で変化させ、１．５２μｍから１．６２
μｍの範囲の異波長ＤＦＢレーザを複数個作成した場
合、マスク幅１５μｍでバンドギャップ波長１．１３μ
ｍのＩｎＧａＡｓＰを回折格子上ガイド層として作製し
た場合、ガイド層のフォトルミネセンス波長も１．１３
μｍから１．２０μｍにまで変化してしまうこととな
る。ガイド層のフォトルミネセンス波長、つまりバンド
ギャップ波長が変化することは即ちガイド層の屈折率が
変化することを意味しており、回折格子の存在により屈
折率の周期的変化がもたらすκも変化してしまうことと
なる。
【００３２】図５は、屈折率の周期的変化の変化量とは
比例関係にある回折格子の高さであるｄGTG と結合係数
κとの関係をガイド層組成をパラメータとして計算した
結果である。ガイド層の組成がバンドギャップ波長にお
いて１．１３μｍから１．２０μｍまで変化した場合、
回折格子高さが３５ｎｍと一定でも、結合係数κが３
７．５から５３ｃｍ-1にまで変化してしまうことが予想
される。
【００３３】実際に、発振波長が１．５２から１．６２
μｍの長波長帯ＤＦＢレーザを一括形成し、κと発振波
長との関係を測定によって求めた結果を図６に示す。実
験では回折格子高さｄGTG を３０ｎｍと３５ｎｍの２種
類について検討した。その結果κは、回折格子高さが３
０ｎｍでは３０〜４０ｃｍ-1、回折格子高さが３５ｎｍ
では３８〜５０ｃｍ-1に変化していることが確認され
た。
【００３４】いずれも図５で示した計算値よりも変化量
が小さめになっているが、これは図５の計算ではマスク
幅増加による膜厚増加に伴うレーザ活性層への光閉じ込
め係数の増大を考慮していないためである。
【００３５】選択ＭＯＶＰＥにおいてマスク幅を変えず
に一定幅にして、異なるバンドギャップを有するレーザ
活性層を半導体基板面内に一括形成する手法を図７、図
８を用いて以下に説明する。
【００３６】縦形ＭＯＶＰＥ装置においてキャリアガス
流量を、成長膜厚の面内均一性が最良となる条件よりも
多く流すと、基板中心部から基板外周部にかけて成長速
度を増加させる（均一性を劣化させる）ことができる。
同様に、横形ＭＯＶＰＥ装置でキャリアガス流量を均一
性最適条件よりも多く流すと、ガスの流れに対して上流
側から下流側に向けて成長速度が増加する分布が実現で
きる。また逆に、均一性最適条件よりも少ないキャリア
ガス流量でＭＯＶＰＥ成長すると、上述のキャリアガス
流量を多くした場合とは逆の膜厚面内分布を得ることが
できる。
【００３７】図７は縦形ＭＯＶＰＥ装置を用いて、キャ
リアガス流量を均一性最適条件の１．５倍流した例であ
り、２インチＩｎＰ基板の中心部での成長速度を１とし
た場合の規格化成長速度を基板中心からの距離の関数と
して示したものである。基板最外周部での成長速度が基
板中心部の約１．４倍になっていることが読み取れる。
【００３８】この膜厚面内分布を用いてＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造を選択成長し、その
フォトルミネセンス（ＰＬ）波長の面内分布を測定した
結果を図８に示している。選択成長マスクパターンは図
２で示したものと同様であり、マスク幅（Ｗｍ）が６μ
ｍと１６μｍの場合を示している。この結果、Ｗｍ＝６
μｍの場合は基板面内で１．４６μｍ（１４６０ｎｍ）
から１．５１μｍ（１５１０ｎｍ）、Ｗｍ＝１６μｍの
場合は基板面内で１．５３μｍ（１５３０ｎｍ）から
１．５８μｍ（１５８０ｎｍ）のＰＬ波長分布を得るこ
とができる。
【００３９】この分布を利用すれば、１枚の半導体基板
上に異なる発振波長を有するＤＦＢレーザの一括形成に
対応することができる。この場合、マスク幅を１６μｍ
とすると１．５３μｍから１．５８μｍの発振波長範囲
のＤＦＢレーザをカバーでき、マスク幅を６μｍとすれ
ばと１．４６μｍから１．５１μｍの発振波長範囲をカ
バーすることが可能であり、これは上記１．５３μｍか
ら１．５８μｍの発振波長を有するＤＦＢレーザに対す
る電界吸収型（ＥＡ）変調器の動作波長とすることがで
きる。
【００４０】この時、問題となるのが異なる発振波長に
対する結合係数（κ）である。１．５３μｍから１．５
８μｍの範囲の異波長発振のＤＦＢレーザのＭＱＷ活性
層厚は最大１．４倍変化するため、層厚が大きい長波長
素子ほどＭＱＷ活性層への光閉じ込め係数が大きくなる
結果、回折格子部の光フィールドが弱くなる。
【００４１】このため発振波長が長い素子ほどκが減少
してしまう。実際に異波長ＤＦＢレーザを一括形成し、
κを実測した結果を図９に示す。作製したＤＦＢレーザ
の回折格子深さは３０ｎｍとした。発振波長が長くなる
につれ単調にκは減少し、発振波長１．５８μｍの素子
のκは発振波長１．５３μｍの素子の５０％にまで低下
することが確認された。
【００４２】κが変化することによる問題点は、レーザ
発振しきい値、効率が変化してしまうことの他に、縦シ
ングルモード発振歩留まりの劣化と、長距離伝送特性の
劣化がある。特に長距離伝送特性は素子化後の最終評価
項目であるため、ここでの歩留まり低下はコスト上昇要
因となってしまう。
【００４３】また、κが長距離伝送特性に与える要因
は、変調動作時の反射戻り光によって誘発される波長変
動（波長チャープ）に起因している。つまり、対反射耐
力を大きくして波長チャープを抑制するにはできるだけ
大きなκとすることが望ましい。
【００４４】図１０にκと２．５Ｇｂ／ｓ変調−６００
ｋｍ伝送後のパワーペナルティーの関係（破線●）を示
している。測定に用いた素子は、４００μｍ長の均一回
折格子型ＤＦＢレーザと２００μｍ長のＥＡ変調器がモ
ノリシック集積されたものである。６００ｋｍ伝送後の
パワーペナルティーはκが大きくなるにつれ小さくな
り、κ＞３７ｃｍ−１では１ｄＢ以下のパワーペナルテ
ィーが実現されている。一方κと縦シングルモード発振
歩留まりとの関係は（実線○）、κが大きくなると空間
的ホールバーニングの影響によって歩留まりが低下して
しまう。したがって、κをある一定の範囲で制御するこ
とが非常に重要となる。
【００４５】同様な関係を結合係数、ＤＦＢレーザ共振
器長（Ｌ）の積（κＬ）の関数として表現したものが図
１１であり、１ｄＢ以下のパワーペナルティーを実現す
るκＬは１．５以上が必要であることがわかる。
【００４６】異波長ＤＦＢレーザを一括形成する場合、
異なる波長の素子を実現するためには必然的にレーザ活
性層構造（組成や膜厚）が変化してしまうため、従来の
製造方法では異なる波長の素子でκが変化してしまうの
も必然であった。
【００４７】しかしながら、図５で説明したようにκは
回折格子高さのみならず、回折格子上ガイド層の組成
（バンドギャップ波長）によっても大きく変化するた
め、この変化を逆に応用すれば異波長素子間のκ変動を
抑制することが可能となる。つまり、レーザ活性層のバ
ンドギャップ波長を決定するＭＱＷ構造とは独立に回折
格子上ガイド層のバンドギャップ波長を制御することが
できればκの変化を相殺できる。
【００４８】図１２には、ガイド層のバンドギャップ波
長と、κとの関係を回折格子高さをパラメータとして計
算した結果を示している。ＭＱＷ構造は図９で実測値を
示した発振波長１．５２μｍのＤＦＢレーザを想定して
いる。図１２から、回折格子高さが３５ｎｍの場合にガ
イド層のバンドギャップ波長を１．１３μｍから１．３
０μｍにまで長波化すると、κが３７．５ｃｍ−１から
７５ｃｍ−１と２倍まで増加することがわかる。
【００４９】したがって、図９で示した波長１．５２μ
ｍから１．５８μｍのＤＦＢレーザを一括形成するよう
な場合（波長１．５２μｍから１．５８μｍの素子でκ
が５０％低下するような場合）に、ガイド層のバンドギ
ャップ波長を１．１３μｍから１．３０μｍまで変化さ
せておけば、発振波長が異なってもκを一定に保つこと
が可能である。
【００５０】次にガイド層のバンドギャップ波長をＭＱ
Ｗとは独立に制御する方法について説明する。まず第１
の方法は、回折格子上ガイド層とＭＱＷ活性層とを別々
の選択ＭＯＶＰＥ法によって形成する方法がある。図４
で示したようにバンドギャップ波長１．２μｍ組成のＩ
ｎＧａＡｓＰ層（Ｑ１．２０）を選択成長マスク幅１５
μｍにおいて格子整合するような条件で選択ＭＯＶＰＥ
成長すると、マスク幅が２〜５０μｍの範囲でバンドギ
ャップ波長（フォトルミネセンス波長）を１．１２μｍ
から１．３０μｍまで変化させることが出来る。
【００５１】第２の方法は、ガイド層の結晶成長を常圧
二層流型ＭＯＶＰＥ装置によって、面内不均一成長条件
を意図的に用いて行う方法である。常圧二層流型ＭＯＶ
ＰＥ装置については、T. MatsumotoらによってJournal
of Crystal Growth 誌、１４５、ｐ．６２２、１９９４
年に詳述されているが、図１３を用いて簡単に原理を説
明する。
【００５２】常圧二層流型ＭＯＶＰＥ装置の反応管５０
１は、図１３のように基板ホルダー５０２に保持された
半導体基板５０３に対して原料導入口が２層に分かれて
おり、基板に近い導入口側からＶ族原料であるアルシン
（ＡｓＨ3 ）とホスフィン（ＰＨ3 ）が供給され、基板
から遠い側からはＡｓＨ3 ＩＩＩ族原料であるトリメチ
ルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉｎ）が供給される構造となっている。
【００５３】一般にＩｎＧａＡｓＰ系ＭＯＶＰＥの高均
一結晶成長を困難にしている原因は、Ｖ族原料のＡｓＨ
3 とＰＨ3 に大きな分解速度定数差（ＡｓＨ3 方がＰＨ
3 よりも約１０倍大きい）が存在するため、Ａｓ／Ｐの
Ｖ族組成基板面内で大きくばらついてしまうことにあ
る。そこで常圧二層流型ＭＯＶＰＥでは、分解速度定数
の小さいＰＨ3 は基板に近い導入口から供給するのに対
し、ＡｓＨ3 は基板へ近い側と遠い側の両方から供給し
て、その分流比を調整することにより半導体基板へ到達
するＡｓ、Ｐが基板面内で一定になる様にすることで高
均一成長を実現することが大きな特徴である。
【００５４】従って、回折格子上ガイド層の結晶成長を
意図的に高均一条件からずらした条件で行うと、原料ガ
スの流れ方向で大きなバンドギャップ波長差をつけるこ
とが可能である。図１４にその一例を示している。横軸
はＡｓＨ3 ガスの分流比（＝上段ＡｓＨ3 流量／（上段
ＡｓＨ3 流量＋下段ＡｓＨ3 流量））、縦軸は結晶成長
を行ったＱ１．２５（バンドギャップ波長組成１．２５
μｍのＩｎＧａＡｓＰ）のフォトルミネセンス波長の上
流部（原料導入口側）と下流部（排気側）との差であ
る。その結果、分流比６０％で最高均一条件が実現さ
れ、これよりも少ないと上流側が長波化、多いと下流側
が長波化するという結果が得られた。
【００５５】実験結果は最大１００ｎｍのバンドギャプ
波長差を実現できることを示している。したがって、結
晶成長を行う半導体基板面内の上下流方向で発振波長が
異なるようにＤＦＢレーザ等の異波長一括形成を行い、
かつ回折格子上のガイド層を上述した不均一条件によっ
て上下流方向にバンドギャップ波長を異ならせることに
よりκの変動を相殺することができる。
【００５６】以下に、本発明に係る光半導体装置の製造
方法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５７】まず、第１の実施例である異波長ＥＡ変調
器集積型ＤＦＢレーザの一括製造方法について示す。図
１５に示すように、（１００）ｎ−ＩｎＰ基板１０１上
へ電子線感光性のポジレジスト１０２塗布した後、電子
ビーム露光法により図１５（ａ）に示すようなパターン
を描画する。
【００５８】その後、レジスト１０２をマスクとしてＨ
Ｂｒ：Ｈ2 Ｏ2 系エッチング液によりｎ−ＩｎＰ基板１
０１をエッチングすることにより、図１５（ｂ）のよう
な回折格子を形成する。
【００５９】また回折格子の形成は、図１６に示すよう
に［０１１］方向へ８００μｍ長の回折格子形成領域と
４００μｍ長の非形成領域が繰り返されたパターンと
し、［０１１バー］方向へは３００μｍのピッチで繰り
返されたパターンとした。
【００６０】ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザを実現する
にあたり、ＤＦＢ発振波長を制御するため回折格子ピッ
チΛを、図１７に示したうちの１．５２μｍから１．５
８μｍのＤＦＢ発振波長が得られる、２３５．０５から
２４４．３０ｎｍとした。
【００６１】次に回折格子上ガイド層選択ＭＯＶＰＥ用
の一対のＳｉＯ2 ストライプマスク１０３ｇを図１８の
ようにパターニングする。
【００６２】ガイド層選択成長用ＳｉＯ2 マスク幅ＷG
と設定ＤＦＢレーザ発振波長との関係を図１９に示す。
図９で示した波長１．５２μｍから１．５８μｍのＤＦ
Ｂレーザを一括形成するような製造方法ではκが小さく
なる長波側ほどＷG が大きくなる様設定している点が特
徴である。このＳｉＯ2 ストライプマスク１０３ｇを用
いて、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層（バンドギャップ波
長１．２０μｍ、膜厚１５０ｎｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ
-3）１０４をＷG ＝１５μｍの領域で格子整合する条件
で選択ＭＯＶＰＥ成長する。
【００６３】その後、顕微フォトルミネセンス測定によ
り選択成長ガイド層のバンドギャップ波長を測定したと
ころ、図３で示したＱ１．２０のマスク幅依存性が再現
されていることを確認した。
【００６４】次に選択ＭＯＶＰＥ成長用の一対のＳｉＯ
2 ストライプマスクを図２０のように、回折格子１００
に同期するように再パターニングする。ここで回折格子
が形成されている領域ではマスク幅をＷLD、回折格子が
形成されていない領域ではＷ MOD となる様に設定した。
図２０には示していないがＳｉＯ2 開口領域には図１
８、図１９で説明したｎ−Ｑ１．２０ガイド層が存在し
ている。
【００６５】このＳｉＯ2 マスクパターンを１つの素子
についてのみ表現したものが図２１である（この図にお
いてもｎ−Ｑ１．２０ガイド層は図示していない）。即
ちマスク幅ＷLDの領域（４００μｍ長）がＤＦＢレーザ
となる部分であり、マスク幅ＷMOD の領域（２００μｍ
長）がＥＡ変調器となる部分である。また、一対のスト
ライプマスクの間隔は１．５μｍ固定とした。ＷLDは１
６μｍ、ＷMOD は６μｍ一定とした。
【００６６】図１７、図１９にはＤＦＢ発振波長に対し
て回折格子ピッチΛ、ＷG が連続的に記述されている
が、本実施例では、ＤＦＢ発振波長が１．５２〜１．５
８μｍの範囲を１００ＧＨｚ間隔（概ね０．８ｎｍ間
隔）の７５波長の設計としているため、実際は図１７、
図１９のグラフ中の値を７５ステップの不連続値に刻ん
だ値を採用している。
【００６７】次にこのＳｉＯ2 パターン基板を用いて、
図２２に示すようにＭＱＷレーザ活性層および変調器吸
収層を選択ＭＯＶＰＥ成長する。ＭＯＶＰＥの成長は、
本明細書の作用の項で述べたように、縦形炉を用いてキ
ャリアガス流量の調整によって、基板面内の成長膜厚分
布が図７のようになる条件を採用した。
【００６８】図１８で説明したｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層１０４の上へ、歪ＭＱＷ層（井戸層： ＩｎＧａＡ
ｓＰ（＋０．６０％歪、１０ｎｍ厚）と、障壁層：Ｉｎ
ＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．２０μｍ、９ｎｍ
厚）の８周期）１０５、ｐ−ＩｎＰ層（１５０ｎｍ厚、
ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）１０６（値はすべて基板中心で
の値）とした。この結果、ＷLD（＝１６μｍ）およびＷ
MOD （＝６μｍ）でのフォトルミネセンス波長面内分布
は図８に示すように、１．５２〜１．５８μｍおよび、
１．４５〜１．５１μｍとなった。
【００６９】図２２中のＡ−Ａ’断面を図２３に示して
いるが、ＤＦＢレーザ領域に回折格子が存在する構造と
なっている。この回折格子上のＱ１．２０ガイド層１０
４のバンドギャップ波長が１．１３μｍから１．３０μ
ｍまでの範囲で設計発振波長に応じて変化している。こ
れにより発振波長によらずκ＝３７．５ｃｍ-1が期待で
きる。
【００７０】次に、図２４に示す図２２のＣ−Ｃ’断面
のように、選択成長層の両脇のＳｉＯ2 を一部除去し
（図２４（ｂ））、図２４（ｃ）に示すようにｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層１０７（１．５μｍ厚、ｐ＝１×１０18ｃ
ｍ-3）、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８（０．２
５μｍ厚、ｐ＝６×１０18ｃｍ-3）を選択ＭＯＶＰＥ成
長した後、ＤＦＢレーザ領域とＥＡ変調器領域の間３０
μｍのｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８を除去して
電気的分離を行い、図２５に示すように、ＳｉＯ 2 膜１
０９を層間膜に用いてｐ電極１１０のパターニングを行
い、さらにｎ−ＩｎＰ基板１０１が１２０μｍ厚になる
まで裏面研磨を行いｎ型電極１１１を形成する。ＤＦＢ
レーザ部４００μｍ長、ＥＡ変調器部２００μｍ長の合
計６００μｍ長に切り出し、ＤＦＢレーザ側端面には反
射率９５％の高反射膜、変調器側端面には反射率０．１
％以下の無反射膜をコーティングして素子特性の評価を
行った。
【００７１】まず最初に、異波長一括形成したＥＡ変調
器集積ＤＦＢレーザの発振波長特性を調べた。図２６
に、作製した７５素子のＤＦＢ発振波長を順に示してい
る。チャンネル１からチャンネル７５にかけ、ほぼ設計
通り０．８ｎｍ／チャネルの傾きで長波長化が確認さ
れ、１枚の基板上に１５２０〜１５８０ｎｍ（１．５２
〜１．５８μｍ）範囲をカバーする異波長素子が実現さ
れていることを確認した。
【００７２】次に異なるＤＦＢ発振波長を有する素子に
対してκを評価した。その結果、図２７に示すように発
振波長に依存せず設計値の３７．５ｃｍ-1にほぼ保たれ
ていることを確認した。これは、従来の作製方法では発
振波長に依存してκが変化してしまう問題点を、回折格
子上のＩｎＧａＡｓＰガイド層のバンドギャップ波長を
発振波長に応じて変化させる本発明の効果を十分に発揮
した結果である。
【００７３】この結果、図２８に示すように、単一縦モ
ード発振歩留まりも発振波長に依存せず６０％以上に維
持されたまま、２．５Ｇｂ／ｓで６００ｋｍ伝送を行っ
た後のパワーペナルティーが１ｄＢ以下という規格で求
めた伝送歩留まりもすべての発振波長で９５％以上と良
好な結果を得た。
【００７４】次に第２の実施例として、異波長ＤＦＢレ
ーザの一括製造方法について示す。第１の実施例と同様
に電子ビーム露光法とエッチングにより回折格子を形成
する。このとき図２９に示すように［０１１］方向の全
領域に回折格子を形成、［０１１バー］方向へは３００
μｍのピッチで繰り返されたパターンとした。また異波
長ＤＦＢレーザを実現するにあたり、ＤＦＢ発振波長を
１．５２μｍから１．５８μｍの範囲で制御するための
回折格子ピッチΛを、図１７に示すように２３５．０５
から２４４．３０ｎｍとし、ＤＦＢ発振波長に応じて変
化させた。本実施例では、回折格子高さが３０ｎｍとな
る様に図１５（ｄ）に対応するエッチング工程でエッチ
ング量を調節した。
【００７５】次に回折格子上ガイド層選択ＭＯＶＰＥ用
の一対のＳｉＯ2 ストライプマスク２０３ｇを図３０の
ように回折格子２００上にパターニングする。ここでマ
スク幅をＷG とする。ガイド層選択成長用ＳｉＯ2 マス
ク幅ＷG と設定ＤＦＢレーザ発振波長との関係は図１９
に示した通りである。
【００７６】このＳｉＯ2 ストライプマスク１０３ｇを
用いて、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層（バンドギャップ
波長１．２０μｍ、膜厚１５０ｎｍ、ｎ＝１×１０18ｃ
ｍ-3）２０４をＷG ＝１５μｍの領域で格子整合する条
件で選択ＭＯＶＰＥ成長する。その後、顕微フォトルミ
ネセンス測定により選択成長ガイド層のバンドギャップ
波長を測定したところ、図３で示したＱ１．２０のマス
ク幅依存性が再現されていることを確認した。
【００７７】次に、ＭＱＷ活性層の選択ＭＯＶＰＥ成長
用の一対のＳｉＯ2 トライプマスク２０３を図３１に示
すように、回折格子１００に同期するよう再パターニン
グする。図３１には示していないがＳｉＯ2 開口領域に
は図３０、図１９で説明したｎ−Ｑ１．２０ガイド層が
存在している。
【００７８】このＳｉＯ2 マスクパターンを１つの素子
についてのみ表現したものが図３２である（この図にお
いてもｎ−Ｑ１．２０ガイド層は図示していない）。ま
た一対のストライプマスクの間隔は１．５μｍ固定とし
た。ＷLDは１６μｍ一定とした。図１７、図１９にはＤ
ＦＢ発振波長に対して回折格子ピッチΛ、ＷG が連続的
に記述されているが、本実施例では、ＤＦＢ発振波長が
１．５２〜１．５８μｍの範囲を１００ＧＨｚ間隔（概
ね０．８ｎｍ間隔）の７５波長の設計としているため、
実際は図１７、図１９のグラフ中の値を７５ステップの
不連続値に刻んだ値を採用している。
【００７９】図３２のＤ−Ｄ’断面を表わす図３３を用
いて選択ＭＯＶＰＥ工程について説明する。ＭＯＶＰＥ
の成長は、本明細書の作用の項で述べたように、縦形炉
を用いてキャリアガス流量の調整によって、基板面内の
成長膜厚分布が図７のようになる条件を採用した。
【００８０】図３０、図１９で説明したｎ−ＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層２０４の上へ、歪ＭＱＷ層（井戸層： Ｉ
ｎＧａＡｓＰ（＋０．６０％歪、１０ｎｍ厚）と、障壁
層：ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．２０μ
ｍ、９ｎｍ厚）の５周期）２０５、ｐ−ＩｎＰ層（１５
０ｎｍ厚、ｐ＝５×１０１７ｃｍ−３）２０６（値はす
べてＷLD＝１５μｍでの値）を選択ＭＯＶＰＥ成長す
る。
【００８１】次に、図３３（ｃ）のように選択成長層上
にＳｉＯ2 マスク２０７をセルフアライン的に形成した
後、図３３（ｄ）に示すようにｐ−ＩｎＰブロック層２
０８、ｎ−ＩｎＰブロック層２０９、およびｐ−ＩｎＰ
層２１０を選択成長する。最後にＳｉＯ2 マスク２０７
を除去した後ｐ−ＩｎＰクラッド層２１１、ｐ+ −Ｉｎ
ＧａＡｓキャップ層２１２をＭＯＶＰＥ成長する。
【００８２】図３３（ｂ）から図３３（ｅ）の工程は、
アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・カンタム
・エレクトロニクス（IEEE J. Quantum. Electron.）Ｖ
ｏｌ．３５、Ｎｏ．３、ｐｐ．３６８−３６７に詳細に
記述されている。
【００８３】その後、図３４に示すように、ＳｉＯ2 膜
２１３を層間膜に用いてｐ電極２１４のパターニングを
行い、さらにｎ−ＩｎＰ基板２０１が１００μｍ厚にな
るまで裏面研磨を行いｎ型電極２１５を形成した。素子
を４００μｍ長に切り出し、ＤＦＢレーザ後端面には反
射率９５％の高反射膜、前端面には反射率０．１％以下
の無反射膜をコーティングして素子特性の評価を行っ
た。
【００８４】まず最初に、異波長一括形成したＤＦＢレ
ーザの発振波長特性を調べた。図２６に、作製した７５
素子のＤＦＢ発振波長を順に示している。チャンネル１
からチャンネル７５にかけ、ほぼ設計通り０．８ｎｍ／
チャネルの傾きで長波長化が確認され、１枚の基板上に
１５２０〜１５８０ｎｍ（１．５２〜１．５８μｍ）範
囲をカバーする異波長素子が実現されていることを確認
した。次に異なるＤＦＢ発振波長を有する素子に対して
κを評価した。
【００８５】その結果、図３５に示すように発振波長に
依存せず設計値の３０．０ｃｍ−１にほぼ保たれている
ことを確認した。これは、従来の作製方法では発振波長
に依存してκが変化してしまう問題点を、回折格子上の
ＩｎＧａＡｓＰガイド層のバンドギャップ波長を発振波
長に応じて変化させる本発明の効果を十分に発揮した結
果である。
【００８６】この結果、すべての発振波長の素子に対し
てレーザ発振しきい値５．０±０．２５ｍＡ、効率０．
３５±０．０５Ｗ／Ａ、最大光出力６０±３ｍＷと高均
一特性が得られ、また縦シングルモード歩留まりも図３
６に示すように発振波長に依存せず６５％以上と良好な
結果を得た。
【００８７】次に第３の実施例として、第１の実施例と
は異なる異波長ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザの一括製
造方法について示す。
【００８８】まず図１５に示すよう、に（１００）ｎ−
ＩｎＰ基板１０１上へ電子線感光性のポジレジスト１０
２塗布した後、電子ビーム露光法により図１５（ａ）に
示すようなパターンを描画する。その後、レジスト１０
２をマスクとしてＨＢｒ：Ｈ 2 Ｏ2 系エッチング液によ
りｎ−ＩｎＰ基板１０１をエッチングすることにより、
図１５（ｂ）のような回折格子を形成する。また回折格
子の形成は、図１６に示すように［０１１］方向へ８０
０μｍ長の回折格子形成領域と４００μｍ長の非形成領
域が繰り返されたパターンとし、［０１１バー］方向へ
は３００μｍのピッチで繰り返されたパターンとした。
ＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザを実現するにあたり、Ｄ
ＦＢ発振波長を制御するため回折格子ピッチΛを、図１
７に示したうちの１．５２μｍから１．５８μｍのＤＦ
Ｂ発振波長が得られる、２３５．０５から２４４．３０
ｎｍとするが、この異なる回折格子ピッチの配置を図３
７、図３８で説明する。
【００８９】図３７に２インチＩｎＰ基板の座標を定義
している。図中左端をＸ＝０ｍｍ、右端をＸ＝５０ｍ
ｍ、基板中央部をｘ＝２５ｍｍと１次元的に定義する。
この定義を基に、図３８に示すように回折格子ピッチを
Ｘ＝５ｍｍで２３５．０５ｎｍ、Ｘ＝４５ｍｍ２４４．
３０ｎｍとなるように一次元配置する。次にこの回折格
子形成基板を図１３で説明した常圧二層流型ＭＯＶＰＥ
装置へ導入し、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層（バンドギ
ャップ波長１．２５μｍ、膜厚１５０ｎｍ、ｎ＝１×１
０18ｃｍ-3）を全面成長する。この時、基板配置がＸ＝
０ｍｍ側が上流、Ｘ＝５０ｍｍ側が下流側となるように
する。さらに、図１４を用いて述べたＡｓＨ3 分流比を
８５％に設定した。
【００９０】図３９にそのフォトルミネセンス波長の基
板位置依存性を示す。Ｘ＝０ｍｍで１．１７μｍからＸ
＝５０ｍｍで１．２５μｍへと直線的に長くなっている
ことが確認された。次に選択ＭＯＶＰＥ成長用の一対の
ＳｉＯ2 ストライプマスクを図２０のように、回折格子
１００に同期するように再パターニングする。ここで回
折格子が形成されている領域ではマスク幅をＷLD、回折
格子が形成されていない領域ではＷMOD となる様に設定
した。
【００９１】図２０には示していないが基板全面に前述
のｎ−Ｑ１．２５ガイド層が存在している。このＳｉＯ
2 マスクパターンを１つの素子についてのみ表現したも
のが図２１である（この図においてもｎ−Ｑ１．２５ガ
イド層は図示していない）。即ちマスク幅ＷLDの領域
（４００μｍ長）がＤＦＢレーザとなる部分であり、マ
スク幅ＷMOD の領域（２００μｍ長）がＥＡ変調器とな
る部分である。
【００９２】また、一対のストライプマスクの間隔は
１．５μｍ固定とした。ＷＬＤ、ＷMO D は図４０に示す
ようにＤＦＢ発振波長に応じて変化させた。図１７、図
４０にはＤＦＢ発振波長に対して回折格子ピッチΛ、Ｗ
LD、ＷMOD が連続的に記述されているが、本実施例で
は、ＤＦＢ発振波長が１．５２〜１．５８μｍの範囲を
１００ＧＨｚ間隔（概ね０．８ｎｍ間隔）の７５波長の
設計としているため、実際は図１７、図４０のグラフ中
の値を７５ステップの不連続値に刻んだ値を採用してい
る。
【００９３】次にこのＳｉＯ2 パターン基板を用いて、
図４１に示すようにＭＱＷレーザ活性層および変調器吸
収層を選択ＭＯＶＰＥ成長する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガ
イド層１０４の上へ、歪ＭＱＷ層（井戸層： ＩｎＧａ
ＡｓＰ（＋０．６０％歪、１０ｎｍ厚）と、障壁層：Ｉ
ｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．２０μｍ、９ｎ
ｍ厚）の８周期）１０５、ｐ−ＩｎＰ層（１５０ｎｍ
厚、ｐ＝５×１０17ｃｍ -3）１０６（値はすべてＷLD＝
１５μｍでの値）とした。この結果、ＷLDおよびＷMOD
でのフォトルミネセンス波長は図４を再現し、１．５２
〜１．５８μｍおよび、１．４５〜１．５１μｍとなっ
た。
【００９４】図４１中のＡ−Ａ’断面を図２３に示して
いるが、ＤＦＢレーザ領域に回折格子が存在する構造と
なっている。この回折格子上のＱ１．２５ガイド層１０
４のバンドギャップ波長が１．１７μｍから１．２５μ
ｍまでの範囲で設計発振波長に応じて変化している。こ
れにより発振波長によらずκ＝３７．５ｃｍ-1が期待で
きる。
【００９５】次に、図４２に示す図４１のＣ−Ｃ’断面
のように、選択成長層の両脇のＳｉＯ2 を一部除去し
（図４２（ｂ））、図４２（ｃ）に示すようにｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層１０７（１．５μｍ厚、ｐ＝１×１０18ｃ
ｍ-3）、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８（０．２
５μｍ厚、ｐ＝６×１０18ｃｍ-3）を選択ＭＯＶＰＥ成
長した後、ＤＦＢレーザ領域とＥＡ変調器領域の間３０
μｍのｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８を除去して
電気的分離を行い、図４３に示すように、ＳｉＯ 2 膜１
０９を層間膜に用いてｐ電極１１０のパターニングを行
い、さらにｎ−ＩｎＰ基板１０１が１２０μｍ厚になる
まで裏面研磨を行いｎ型電極１１１を形成する。ＤＦＢ
レーザ部４００μｍ長、ＥＡ変調器部２００μｍ長の合
計６００μｍ長に切り出し、ＤＦＢレーザ側端面には反
射率９５％の高反射膜、変調器側端面には反射率０．１
％以下の無反射膜をコーティングして素子特性の評価を
行った。
【００９６】まず最初に、異波長一括形成したＥＡ変調
器集積ＤＦＢレーザの発振波長特性を調べた。図２６
に、作製した７５素子のＤＦＢ発振波長を順に示してい
る。チャンネル１からチャンネル７５にかけ、ほぼ設計
通り０．８ｎｍ／チャネルの傾きで長波長化が確認さ
れ、１枚の基板上に１５２０〜１５８０ｎｍ（１．５２
〜１．５８μｍ）範囲をカバーする異波長素子が実現さ
れていることを確認した。次に異なるＤＦＢ発振波長を
有する素子に対してκを評価した。
【００９７】その結果、図２７に示すように発振波長に
依存せず設計値の３７．５ｃｍ-1にほぼ保たれているこ
とを確認した。これは、従来の作製方法では発振波長に
依存してκが変化してしまう問題点を、回折格子上のＩ
ｎＧａＡｓＰガイド層のバンドギャップ波長を発振波長
に応じて変化させる本発明の効果を十分に発揮した結果
である。この結果、図２８に示すように、単一縦モード
発振歩留まりも発振波長に依存せず６０％以上に維持さ
れたまま、２．５Ｇｂ／ｓで８００ｋｍ伝送を行った後
のパワーペナルティーが１ｄＢ以下という規格で求めた
伝送歩留まりもすべての発振波長で９５％以上と良好な
結果を得た。
【００９８】以上の実施例では、半導体基板上へ回折格
子、ガイド層、活性層の順で形成された例のみを説明し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、活性層
の上部へガイド層、回折格子を形成した構造へも同様に
適用できる。
【００９９】本発明の適用例として、本発明に係わる光
半導体装置を搭載した光送信モジュールについて図４４
を用いて説明する。光半導体装置３０２からの出力光が
非球面レンズ３０３および光アイソレータ３０４を介し
て光ファイバ３０５へ入力されるように固定し、さらに
光半導体装置３０２駆動用の電気インターフェース３０
１が内蔵された構造となっている。本モジュールによ
り、高速光通信信号を効率よく作り出すことができる。
これは本発明に係わる光半導体装置が、低しきい値、高
効率動作特性に優れていることに起因する。
【０１００】その他の適用例として本発明に係わる光送
信モジュールを搭載したＷＤＭ光通信システムについて
図４５を用いて説明する。光送信装置４００は本発明に
係わる発光波長の異なる６４個の光送信モジュール３０
０と該光送信モジュールからの光を合波する光合波器４
０５と光送信モジュールを駆動するための駆動系４０２
を有する。光送信装置４００から出力された信号光は光
ファイバ３０５を通して光受信装置４０１へ送られる。
光受信装置へ入力された６４波長の光は光分波器４０６
を介して、受光モジュール駆動系４０４によって制御さ
れる６４個の受光モジュール４０３へ１波長づつ入力さ
れ信号を検出する。本発明に係わる光通信システムによ
ってＷＤＭ伝送が容易に実現される。これは、光送信装
置に搭載されている光半導体装置が波長が異なっても高
均一な特性を有していることに起因する。
【０１０１】
【発明の効果】本発明に係る光半導体装置およびその製
造方法は、上述のように構成され、異波長ＤＦＢレーザ
あるいは、異波長ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを選択Ｍ
ＯＶＰＥ法を用いて一括形成する場合に、結合係数κが
一定となるように、発振波長や選択成長に用いる誘電体
マスク幅、あるいは半導体基板上の位置に対応させて、
回折格子上に形成されるガイド層の屈折率（バンドギャ
ップ波長）を調整するものである。これにより、異波長
素子の一括形成において常に結合係数κもしくは結合係
数・ＤＦＢレーザ共振器長積κＬを一定とすることが可
能となり、高速・長距離伝送歩留まりや縦シングルモー
ド発振歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用を説明するための結晶成長断面
図。
【図２】本発明の作用を説明するための結晶成長断面
図。
【図３】本発明の作用を説明するための、マスク幅とフ
ォトルミネセンス波長との関係を示す特性図。
【図４】本発明の作用を説明するための、マスク幅とフ
ォトルミネセンス波長との関係を示す特性図。
【図５】本発明の作用を説明するための、回折格子高さ
と結合係数との関係を示す理論計算結果を示す特性図。
【図６】本発明の作用を説明するための、発振波長と結
合係数との関係を示す素子特性図。
【図７】本発明の作用を説明するための結晶成長特性を
示す特性図。
【図８】本発明の作用を説明するための結晶成長特性を
示す特性図。
【図９】本発明の作用を説明するための素子特性図。
【図１０】本発明の作用を説明するための素子特性図。
【図１１】本発明の作用を説明するための素子特性図。
【図１２】本発明の作用を説明するための理論計算結果
を示す特性図。
【図１３】本発明の作用を説明するための結晶成長装置
の断面図。
【図１４】本発明の作用を説明するための成長特性を示
す特性図。
【図１５】本発明の作用および実施例を説明するための
工程を示す斜視図。
【図１６】本発明の作用および実施例を説明するための
基板表面を示す平面図。
【図１７】本発明の実施例を説明するための理論特性
図。
【図１８】本発明の実施例を説明するための基板表面を
示す平面図。
【図１９】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図２０】本発明の実施例を説明するための基板表面を
示す平面図。
【図２１】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図２２】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図２３】図２２のＡ−Ａ’断面図。
【図２４】図２２のＣ−Ｃ’断面における本発明の実施
例を説明するための工程断面図。
【図２５】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図２６】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図２７】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図２８】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図２９】本発明の実施例を説明するための基板表面を
示す平面図。
【図３０】本発明の実施例を説明するための基板表面を
示す平面図。
【図３１】本発明の実施例を説明するための基板表面を
示す平面図。
【図３２】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図３３】本発明の実施例を説明するための工程断面
図。
【図３４】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図３５】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図３６】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図３７】本発明の実施例を説明するための基板表面を
示す平面図。
【図３８】本発明の実施例を説明するための設計特性
ず。
【図３９】本発明の実施例を説明するための特性図。
【図４０】本発明の実施例を説明するための設計特性
図。
【図４１】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図４２】図４１のＣ−Ｃ’断面に沿って本実施例の説
明をするための工程断面図。
【図４３】本発明の実施例を説明するための斜視図。
【図４４】本発明の適用例を説明するための光通信モジ
ュールを示す構成図。
【図４５】本発明の適用例を説明するための光通信装置
の構成例を示す概略図。
【図４６】従来例を説明するための異波長素子一括形成
例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１ （１００）ＩｎＰ基板 ２ ＳｉＯ2 マスク ３ 選択成長層 １００ 回折格子 １０１ （１００）ｎ−ＩｎＰ基板 １０２ 電子線感光性ポジレジスト １０３、１０３ｇ ＳｉＯ2 １０４ ＩｎＧａＡｓＰガイド層 １０５ ＭＱＷ １０６ ｐ−ＩｎＰ １０７ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １０８ ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層 １０９ ＳｉＯ2 １１０ ｐ電極 １１１ ｎ電極 ２００ 回折格子 ２０１ （１００）ｎ−ＩｎＰ基板 ２０３、２０３ｇ ＳｉＯ2 ２０４ ＩｎＧａＡｓＰガイド層 ２０５ ＭＱＷ ２０６ ｐ−ＩｎＰ ２０７ ＳｉＯ2 ２０８ ｐ−ＩｎＰブロック層 ２０９ ｎ−ＩｎＰブロック層 ２１０ ｐ−ＩｎＰ ２１１ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ２１２ ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層 ２１３ ＳｉＯ2 ２１４ ｐ電極 ２１５ ｎ電極 ３００ 光送信モジュール ３０１ 光半導体装置駆動用電気インターフェース ３０２ 本発明に係わる光半導体装置 ３０３ 非球面レンズ ３０４ 光アイソレータ ３０５ 光ファイバ ４００ 光送信装置 ４０１ 光受信装置 ４０２ 光送信モジュール駆動系 ４０３ 受光モジュール ４０４ 受光モジュール駆動系 ４０５ 光結合器 ４０６ 光分波器 ５０１ 反応管 ５０２ 基板ホルダー ５０３ 半導体基板

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の回折格子の周期の相違によって相
    互に異なる発振波長で縦単一モード発振する複数の半導
    体レーザが、同一基板上に一括形成された光半導体装置
    において、前記複数の半導体レーザのそれぞれの結合係
    数が互いに等しくなるように、前記回折格子に接する半
    導体光ガイド層の組成が決定されていることを特徴とす
    る光半導体装置。
  2. 【請求項２】 素子内部の回折格子がもたらす周期的な
    屈折率変化による分布帰還動作によって縦単一モード
    で、相互に異なる発振波長によって発振する複数の半導
    体レーザが、１枚の半導体基板上に一括形成された光半
    導体装置において、前記複数の半導体レーザは、その発
    振波長に応じた屈折率を有する回折格子埋め込み半導体
    層を備えることにより等しい結合係数を有することを特
    徴とする光半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記半導体レーザが分布帰還型半導体レ
    ーザであることを特徴とする請求項１または２に記載の
    光半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記複数の回折格子の高さは互いに同一
    であることを特徴とする請求項１または２に記載の光半
    導体装置。
  5. 【請求項５】 前記複数の半導体レーザが、その発振波
    長に応じたバンドギャップ波長（エネルギー）を有する
    ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子埋め込み半導体層を備
    えることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導
    体装置。
  6. 【請求項６】 前記基板はＩｎＰであり、前記回折格子
    が前記基板に一定の高さで形成され、前記光ガイド層は
    前記回折格子上に形成されたＩｎＧａＡｓＰであること
    を特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記半導体レーザに光変調器がモノリシ
    ック集積されていることを特徴とする請求項１または２
    に記載の光半導体装置。
  8. 【請求項８】 ＩｎＰ基板上に、互いに異なる周期の複
    数の回折格子と、前記回折格子の上部または下部に形成
    されたＩｎＧａＡｓＰガイド層と、多重量子井戸活性層
    と、ＩｎＰクラッド層とを備え、前記回折格子の周期に
    よって決まる発振波長で発振する複数の半導体レーザを
    一括形成した光半導体装置において、前記複数の半導体
    レーザのそれぞれの結合係数が互いに等しくなるよう
    に、前記ガイド層の屈折率が調整されていることを特徴
    とする光半導体装置。
  9. 【請求項９】 素子内部の回折格子がもたらす周期的な
    屈折率変化による分布帰還動作によって相互に異なる発
    振波長で縦単一モード発振を行う複数の半導体レーザを
    １枚の半導体基板上に一括形成する光半導体装置の製造
    方法において、分布帰還動作を生じさせる回折格子形状
    および、回折格子埋め込み半導体層の屈折率を等しく製
    造した場合に結合係数が大きく（小さく）なる素子ほ
    ど、前記回折格子埋め込み半導体層の屈折率を小さく
    （大きく）なるように半導体基板面内で設定する方法に
    より、異なる素子における結合係数の違いを相殺するこ
    とを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項１０】 素子内部の周期的な屈折率変化による
    分布帰還動作によって発振波長が異なる縦単一モード発
    振を行う複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レー
    ザの光のそれぞれが入射する複数の光半導体部とを集積
    した半導体光集積装置を同一の半導体基板上に一括形成
    する光半導体装置の製造方法において、分布帰還動作を
    生じさせる回折格子形状および、回折格子埋め込み半導
    体層の屈折率を等しく製造した場合に結合係数が大きく
    （小さく）なる素子ほど、前記回折格子埋め込み半導体
    層の屈折率を小さく（大きく）なるように半導体基板面
    内で設定する方法により、異なる素子における結合係数
    の違いを相殺することを特徴とする光半導体装置の製造
    方法。
  11. 【請求項１１】 前記半導体光集積装置が、縦単一モー
    ド発振半導体レーザと、光変調器との集積装置であるこ
    とを特徴とする請求項１０記載の光半導体装置の製造方
    法。
  12. 【請求項１２】 単一縦モード発振半導体レーザに分布
    帰還動作を生じさせる回折格子形状および、回折格子埋
    め込み半導体層のバンドギャップ波長を等しく製造した
    場合に結合係数が大きく（小さく）なる素子ほど、前記
    回折格子埋め込み半導体層のバンドギャップ波長を短く
    （長く）設定することで、結合係数の違いを相殺するこ
    とを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の光
    半導体装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記回折格子埋め込み半導体層がＩｎ
    ＧａＡｓＰであり、このＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャ
    ップ波長を変化させる方法として、ＩＩＩ族のＩｎとＧ
    ａの組成比を変化させることを特徴とする請求項１２に
    記載の光半導体装置の製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記回折格子埋め込み半導体層がＩｎ
    ＧａＡｓＰであり、このＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャ
    ップ波長を変化させる方法として、Ｖ族のＡｓとＰの組
    成比を変化させることを特徴とする請求項１２に記載の
    光半導体装置の製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記回折格子埋め込み層の屈折率ある
    いはバンドギャップ波長を素子によって変化させる方法
    が、選択有機金属気相成長法であることを特徴とする請
    求項９乃至１３のいずれかに記載の光半導体装置の製造
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記回折格子埋め込み層の屈折率ある
    いはバンドギャップ波長を素子によって変化させる方法
    が、常圧二層流型有機金属気相成長法におけるＶ族原料
    の分流比調整で実現することを特徴とする請求項９乃至
    １２および請求項１４のいずれかに記載の光半導体装置
    の製造方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１乃至１６のいずれかに記載の
    光半導体装置あるいは製造方法によって製造された光半
    導体装置と、該光半導体装置からの出力光を外部に導波
    するための手段と、この導波手段に前記半導体装置から
    の出力光を入力する機構と、上記半導体装置を駆動する
    ための電気的インターフェースを備えることを特徴とす
    る光通信用モジュール。
  18. 【請求項１８】 請求項１乃至１６のいずれかに記載の
    光半導体装置あるいは製造方法によって製造された光半
    導体装置もしくは請求項１７に記載の光通信用モジュー
    ルが搭載された光送信装置と、この光送信装置からの出
    力光を受信するための受信装置を備えることを特徴とす
    る光通信装置。
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