JP3548986B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、光通信、光ディスク装置、光インターコネクションなどの光源に用いられる光半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体通信技術の高度化に伴い、半導体レーザの作製技術も向上し、近年では半導体レーザと他の光半導体素子を集積化する研究が盛んである。例えば、ＤＦＢレーザと光変調器を集積した装置や、ＤＢＲレーザとモード変換器（ビームサイズ変換器）を集積したものがある。
【０００２】
モード変換器は、本来３０〜４０度と広い出射角をもつ半導体レーザの出力ビームを狭めるための機構であり、半導体レーザと光ファイバをモジュール化する場合に光結合を容易にするものである。
【０００３】
【従来の技術】
半導体レーザにおいては、光導波路の光閉じ込めが強いほど、即ち光スポット径が小さいほど発振閾値が小さくなって発光効率が向上するが、光スポット径が小さくなるほど光ファイバとの結合は困難になる。
そこで、半導体よりなる光ビーム径変換用の導波路を有するモード変換器集積化ファブリペロー半導体レーザ（以下、ＦＰ−ＬＤという）が例えば次の文献に提案されている。
【０００４】
〔１〕Ｔ． Ｌ． ＫＯＣＨ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ， ＶＯＬ．２， ＮＯ ．２， １９９０
そのＦＰ−ＬＤは、図１２に示すように、 ＩｎＰ基板１０１ の上に第一の ＩｎＰクラッド層１０２ 、導波路層１０３ 、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０４ 、第二の ＩｎＰクラッド層１０５ を順に形成して構成されている。ＭＱＷ活性層１０４ は、ＩｎＧａＡｓ井戸層と ＩｎＧａＡｓＰ障壁層から構成され、利得領域１１０ にのみ形成されている。また、導波路層１０３ は、利得領域１１０ とモード変換領域１１１ の双方に形成されている。なお、符号１０６ は、第二のＩｎＰ クラッド層１０５ の上に形成されたコンタクト層、１０７ は、第二のクラッド層内に形成されたエッチングストップ層を示す。
【０００５】
そのモード変換領域１１１ における導波路層１０３ は厚さ方向にテーパ状に形成されており、利得領域１１０ から遠ざかるにつれて薄くなっている。導波路層１０３ はＩｎＧａＡｓＰ層１０３ａと ＩｎＰ層１０３ｂを交互に積層した構造を有している。そして、そのＩｎＰ層１０３ｂをエッチングストップ層として使用して耐エッチングマスクを複数回変えてＩｎＧａＡｓＰ 層１０３ａとＩｎＰ 層１０３ｂを階段状にパターニングし、これによりモード変換領域における導波路層１０３ の膜厚をテーパ形状にしている。
【０００６】
そのＭＱＷ活性層１０４ で励起されて導波路層１０３ を導波する光は、モード変換領域１１１ では利得領域１１０ よりも光閉じ込めが弱いため、テーパ先端部での近視野像は広がり、その結果、近視野像の回折パターンである遠視野像は狭くなる。従って、テーパ先端から出たビームの出射角は狭くなり、光ファイバとの結合が容易になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、共振器を構成する導波路層１０３ は出力端に近づくほど層数が少なくなる構造であり、その導波路層１０３ のテーパ形状は耐エッチングマスクを複数回取り換えて得られるために、その構造は結晶欠陥を含み易くなり、発光素子の特性劣化が生じやすい。
【０００８】
また、半導体レーザにテーパ状の導波路層を集積化する場合に重要なことは、モード変換領域にある導波路が発振光に対して吸収媒質にならないようにすることである。
上記文献〔１〕に記載された構造では、利得領域１１０ の活性層１０４ とモード変換領域１１１ のテーパ状導波路層１０３ が異なる層であってほぼ同一組成で構成されているため、レーザ光の一部が、テーパ状導波路層１０３ の利得領域１１０ に近い部分で吸収され易い。
【０００９】
従って、モード変換器が一体化されないレーザ素子と比較して光出力、スロープ効率（電流−光強度特性線の立ち上がり微分値）の低下は免れない。特に、文献〔１〕に記載のＦＰ−ＬＤでは、テーパ状導波路層１０３ が共振器内にあるために半導体レーザの基本特性にまで影響し、パルス測定における発振閾値電流が両端劈開の素子で７０ｍＡまで上昇している。
【００１０】
しかも、両端劈開の素子で室温連続（ＣＷ）発振したという報告はなされていない。
また、半導体レーザとテーパ導波路を集積化した装置が〔２〕特開昭６３−２３３５８４ 号公報、〔３〕特開昭６４−５３４８７号公報に記載されている。これらの構造においても、レーザ活性層とテーパ導波路が同一組成で構成されており、テーパ領域の吸収損失が大きく、この吸収損失を打ち消すためには、テーパ導波路全体にも大きな電流を注入する必要がある。
【００１１】
しかし、公報〔２〕の電流−光強度特性ではその図から明らかなように発振閾値４２ｍＡ、微分量子効率が０．１５ｍＷ／ｍＡしか得られていない。また、その導波路層のテーパ形状はエッチング方法を工夫することによって得られるために、テーパ形状を常に均一に形成することが難しくなってビームスポット形状の制御性が良くない上に歩留りが低下する恐れがある。しかも、共振器を構成する導波路層に結晶欠陥が入り易く、発光素子の特性劣化が生じやすい。さらに、その導波路層は単一材料からなり、文献〔１〕のようなテーパ形状のＭＱＷ層を有するものではない。
【００１２】
なお、公報［３］では横方向のテーパ形状を有する光半導体装置であって、テーパ導波路の先端部ではサブミクロンオーダーの加工が必要となるため、その構造に起因して同じテーパ形状を再現性よく作製することが難しい。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、導波路での光吸収を小さくし、低閾値で安定なレーザ発振ができるモード変換器を付けた光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）上記した課題は、不純物を含む半導体基板と、前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成され、さらに、前記モード変換領域と前記利得領域の境界での膜厚は前記モード変換領域の光出射端の膜厚に対して２倍以上となるストライプ状の量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層とを有することを特徴とする光半導体装置によって解決される。
【００１４】
上記した光半導体装置において、前記量子井戸構造層と前記半導体基板の間には下側のクラッド層が形成されるようにしてもよい。
上記した光半導体装置において、前記量子井戸構造層の上又は下にはＳＣＨ層が形成されるようにしてもよい。この場合、前記ＳＣＨ層は前記光出射端方向に向けて膜厚が徐々に薄くなる構造であってもよい。
上記した光半導体装置において、前記半導体基板の下に形成された第１の電極と、前記上側のクラッド層のうち前記利得領域上に形成された第２の電極とをさらに有するようにしてもよい。
【００１５】
（２）上記した課題は、不純物を含む半導体基板と、前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成されたストライプ状の量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と、前記半導体基板の下面に形成された第１の電極と、前記利得領域から前記モード変換領域の一部にかけた範囲で、前記上側のクラッド層の上に形成された第２の電極とを有することを特徴とする光半導体装置によって解決される。
上記した光半導体装置において、前記第２の電極は、前記モード変換領域と前記利得領域の境界近傍で分離されているようにしてもよい。
【００１６】
（３）上記した課題は、不純物を含む半導体基板と、前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成されたストライプ状の量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と、前記半導体基板の下面に形成された第１の電極と、前記利得領域の前記上側クラッド層の上に形成された第２の電極と、前記第２の電極と前記上側のクラッド層の間に形成され、且つ前記第２の電極よりも前記モード変換領域側に延在して形成されたコンタクト層とを有することを特徴とする光半導体装置により解決される。
その光半導体装置において、前記コンタクト層は、前記利得領域から前記モード変換領域の途中まで延びる構造であってもよい。
【００１７】
（４）上記した（２）又は（３）の光半導体装置において、前記モード変換領域における前記量子井戸構造層の膜厚は、光入射端が光出射端に比べて２倍以上であることが好ましい。
上記した（１）〜（３）の光半導体装置において、前記量子井戸構造層の両端部の幅の比が０．８〜１．２であることがた好ましい。
上記した（１）〜（３）の光半導体装置において、前記量子井戸構造層内の井戸層は、ＩｎＧａＡｓＰ 又はＧａＡｓを含む化合物半導体層から形成され、前記上側のクラッド層はＩｎＰ から形成されるようにしてもよい。また、前記量子井戸構造層内の井戸層は、ＧａＡｓから形成され、前記上側のクラッド層はＡｌＧａＡｓから形成されるようにしてもよい。さらに、前記量子井戸構造層内の井戸層はＧａＩｎＰ から形成され、前記上側のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰ から形成されるようにしてもよい。
上記した（１）〜（３）の光半導体装置において、前記利得領域では前記量子井戸構造層に沿って分布帰還型ミラーを構成する回折格子が形成されている構造を採用してもよい。また、前記利得領域の前方又は後方には導波方向に沿って分布反射型ミラーを構成する回折格子が形成される構造を採用してもよい。
【００１８】
（５）上記した課題は、不純物を含む半導体基板上に、ストライプ状の第１の開口部と、該第１の開口部の端部から連続的に幅が広くなる第２の開口部を有する第１のマスクを形成する工程と、前記第１及び第２の開口部に半導体層を成長することにより、前記第１の開口部の最大膜厚が前記第２の開口部の最小膜厚の２倍以上となる量子井戸構造層を形成する工程と、前記量子井戸構造層の上に上側のクラッド層を形成する工程と、前記第１のマスクを除去する工程と、成長した前記半導体層にストライプ形状の第２のマスクを形成して前記半導体層をストライプ形状に加工する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法によって解決される。
また、前記半導体層は、前記第１のマスクの表面より突出して形成されていることを特徴とする。
【００１９】
【作 用】
本発明では、利得領域の活性層とモード変換用の導波路を１つのストライプ状の量子井戸構造層から構成し、かつ、導波路の量子井戸構造層をその層数を変化させずに利得領域から遠ざかるにつれて薄くして膜厚方向の光ビームの径を変換している。
【００２０】
モード変換領域での量子井戸構造層の厚さは、入射モード変換領域Ｂでの入射端の膜厚は出射端の膜厚に比べて２倍以上となっている。これによれば、量子井戸構造層から放出されたビームスポット形状が円形又は円形に極めて近い形状になり、しかも、そのビーム放射角が２０度から１０度の範囲内に存在するために、光ファイバなどとの結合効率が大幅に改善される。
【００２１】
この構造では、活性層を構成する量子井戸層の厚さよりもモード変換用導波路を構成する量子井戸層が薄くなり、量子井戸の基底準位はモード変換用導波路の方が活性層よりも高くなるため、出射端部でのモード変換用導波路での光吸収波長端は活性層での発振波長よりも短波長となる。
これにより、出射端部で量子井戸構造層を導波する光はモード変換領域では吸収されなくなる。
【００２２】
量子井戸構造層の膜厚は、結晶成長の際に使用するマスクの開口部の面積を変えることにより成長速度が変化する性質を利用して制御される。しかし、利得領域の近傍ではモード変換用導波路の膜厚減少が充分でなく大きな損失を与えてしまう。
本発明によれば、モード変換用導波路の利得領域に近い部分に電極を存在させたり、コンタクト層を延在させることによって、局部的に電流を流すようにしているので、その部分が確実に透明になって光吸収がなくなる。モード変換用導波路の利得領域に近い部分に形成する電極は、利得領域の電極を延在させてもよいし、利得領域の電極と分離させてもよいが、分離させることによって光吸収量を制御することが容易となる。
【００２３】
また、他の本発明によれば、ストライプ状の量子井戸構造層の両端幅の最小値の比を０．８〜１．２とすることにより円形ビームスポットを得ることができ、光学結合が容易になる。
記量子井戸構造層の井戸層やクラッド層は特に材料を限定するものではない。例えば、井戸層をＩｎＧａＡｓＰ 、クラッド層をＩｎＰ から形成してもよいし、井戸層をＧａＡｓ、クラッド層をＡｌＧａＡｓから形成してもよいし、井戸層はＧａＩｎＰ 、クラッド層をＡｌＧａＩｎＰ から形成してもよい。、
また、そのような光半導体装置に形成されるレーザは、ファブリペロー型であってもよいし、回折格子を有する分布帰還型又は分布反射型であってもよい。
【００２４】
【実施例】
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例のファブリペロー型半導体レーザを示す斜視断面図である。
この半導体レーザは、利得ピークが１．３μｍ帯に現れるような構造となっており、その構造を製造工程に沿って説明する。
【００２５】
まず、図２（ａ） に示すように、ｎ型（ｎ−）ＩｎＰ 基板１の上に、少なくとも利得領域Ａ及びモード変換領域Ｂが開口された第一のマスク４を形成する。
そのマスク４は、シリコン窒化膜などの絶縁膜をフォトリソグラフィーによりパターニングしたもので、そのマスク４の開口部５の形状は、利得領域Ａでは光の進行方向に延びる長さ４００μｍの矩形部５ａと、この矩形部５ａの端部から遠ざかるにつれて一定の角度で連続的に幅が広くなる長さ３５０μｍの扇形部５ｂと、扇形部５ｂの端部から更に大きく広がった拡張部５ｃとを有している。
【００２６】
次に、図２（ｂ） とそのＸ−Ｘ線断面を示す図３（ａ） に示すように、第一のマスク４から露出したｎ型ＩｎＰ 基板１の上に、ｎ−ＩｎＰ クラッド層２、Ｉｎｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓｙ Ｐ１−ｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）よりなる第一のＳＣＨ層３、ＭＱＷ層６、Ｉｎｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓｙ Ｐ１−ｙよりなる第二のＳＣＨ層７、ｐ−ＩｎＰ クラッド層８を連続的にエピタキシャル成長する。それぞれの層の膜厚については、ｎ−ＩｎＰ クラッド層２を１００ｎｍ、第一及び第二のＳＣＨ層３，７を１００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰ クラッド層８を２００ｎｍとする。
【００２７】
それらの層の結晶は、成長核のないマスク４の上には成長せず、マスク４の開口部５内にあるｎ型ＩｎＰ 基板１の上に選択的に成長する。しかも、それらの層は、マスク４の開口部５のストライプ状の利得領域Ａでは最も膜厚が厚く、そこから広がっているモード変換領域Ｂでは利得領域Ａから離れるにつれて膜厚が薄くなる。このような膜の成長方法を、選択成長法という。
【００２８】
モード変換領域Ｂの先端におけるＭＱＷ層６の井戸層６ａの厚さは利得領域Ａでの膜厚に対して１／３となっている。このＭＱＷ層６は、利得領域Ａでは活性層として機能し、モード変換領域Ｂでは導波路となっている。なお、ＭＱＷ層６がモード変換領域Ｂでテーパ状に形成されているので、その領域を以下にテーパ領域ともいう。
【００２９】
そのＭＱＷ層６は、３つのＩｎｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓｙ’Ｐ１−ｙ’ （０＜ｘ’＜１、０＜ｙ’＜１）よりなる井戸層６ａとその間に挟まれるＩｎｘ’’ Ｇａ１−ｘ’’ Ａｓｙ’’ Ｐ１−ｙ’’（０＜ｘ’’＜１、０＜ｙ’’＜１）よりなる障壁層６ｂから構成されたもので、利得領域Ａでの井戸層６ａの厚さは７ｎｍ、障壁層６ｂの厚さは１５ｎｍとなっている。
上記した第一のマスク４を除去した後に、図２（ｂ） のＹ−Ｙ線断面を示す図４（ａ） のように、第二のマスク９を光進行方向に沿ってｐ−ＩｎＰ クラッド層８の上に形成する。そのマスク９は、窒化シリコン膜をパターニングして幅１．５μｍの長方形のストライプ状に形成したものである。このとき、利得領域Ａとモード変換領域Ｂでのストライプ幅の最小値の比を０．８〜１．２として、ビームスポットを円形又は略円形にする。
【００３０】
この後に、図４（ｂ） に示すように、第二のマスク９を使用してｐ−ＩｎＰ クラッド層８からｎ−ＩｎＰ クラッド層２の上部までを略垂直方向にエッチングして整形した後に、第二のマスク９を除去せずに、図４（ｃ） に示すように、第二のマスク９の両側にあるｎ−ＩｎＰ クラッド層２の上に第一のｐ−ＩｎＰ 埋込層１０とｎ−ＩｎＰ 埋込層１１を順に形成する。
【００３１】
次に、第二のマスク９を除去してから、ｐ−ＩｎＰ クラッド層８とｎ−ＩｎＰ 埋込層１１の上にｐ−ＩｎＰ を積層することにより、第二のクラッド層８の厚さを増すとともに、ｎ−ＩｎＰ 埋込層１１の上に第二のｐ−ＩｎＰ 埋込層１２を形成してＭＱＷ層６の両側に図１のようなサイリスタ構造の電流ブロック層１３を形成する。さらに、図３（ｂ） に示すように、ｐ−ＩｎＰ の上にｐ＋ 型ＩｎＧａＡｓＰ を積層してこれをコンタクト層１４として使用する。このコンタクト層１４は、結晶成長防止用のマスクを使用するか或いは半導体層をパターニングするかのいずれかによってテーパ領域Ｂには存在させないようにする。
【００３２】
この後に、コンタクト層１４、第二のクラッド層８及び第二のp-InP 埋込層１２の上に絶縁膜１５を形成し、これをフォトリソグラフィーによりパターニングして利得領域ＡのＭＱＷ層６の上方にだけ開口部１６を形成する。
このように化合物半導体及び絶縁体の積層を終えた後に、図３(c) に示すように、コンタクト層１４の上にｐ電極１７を形成し、n-InP 基板１の下面にｎ電極１８を形成する。さらに、InP 基板１とその上の各半導体層のうち利得領域Ａとモード変換領域Ｂの互いに接続しない方の端面を劈開する。なお、利得領域Ａの劈開面に反射膜を形成してもよい。
【００３３】
以上のような工程により形成されたファブリペロー型の半導体レーザを一部切り欠いた斜視図を示すと図１に示すようになる。この半導体レーザのＭＱＷ層のモード変換領域Ｂでのテーパ形状は、エッチング方法を変更することによらず、膜成長の際のマスクの形状を工夫することによって得られるために、テーパ状のＭＱＷ層には結晶欠陥は生じにくくなる。このため、テーパ形状の結晶欠陥による特性劣化はなくなる。しかも、テーパ形状は、小さい誤差で歩留り良く形成され、形状の均一なビームスポットが得られる。
【００３４】
この半導体レーザのＭＱＷ６において、利得領域Ａで発振した光は、利得領域Ａの端面とモード変換領域Ｂの端面との反射により共振してモード変換領域Ｂ側の端面から出力することになる。この場合、量子井戸の基底準位のポテンシャルは量子サイズ効果によって井戸層６ａが薄くなるほど大きくなり、その井戸の伝導帯と価電子帯間のバンドギャップも広がる。図５（ａ） に示す利得領域ＡでのバンドギャップＥｇ１は同図（ｂ） に示すモード変換領域ＢのバンドギャップＥｇ２よりも小さいので、モード変換領域ＢでのＭＱＷ層６は利得領域Ａで発振した光を透過することになる。
【００３５】
しかし、モード変換領域（テーパ領域）ＢでのＭＱＷ層６の膜厚の変化が緩やかなためテーパ状のＭＱＷ層６のうち利得領域Ａに近い部分が可飽和吸収層となる。可飽和吸収層が存在すれば、その中でキャリアが飽和状態になるまで光を吸収することになるので、閾値が高くなり電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）曲線にキンクが生じ、十分な光強度が得られなくなる。
【００３６】
そこで、図６（ａ） に示すように、半導体レーザの利得領域Ａに形成されるコンタクト層１４及びｐ電極１７をテーパ領域Ｂの近傍の可飽和吸収領域Ｃまで延ばし、その可飽和吸収領域ＣのＭＱＷ層６にも電流を注入する構成とすることが好ましい。
これによれば、電極１７を通して可飽和吸収領域ＣのＭＱＷ層６にも電流が供給され、その領域での光の吸収がキャリアの注入により相殺されてＭＱＷ層６は可飽和吸収層とならずに透明になって光を透過する。これにより、閾値上昇特性曲線にキンクが発生しなくなり、図７に示すような特性が得られる。
【００３７】
図７のＩ−Ｌ特性曲線では、両劈開の素子で発振閾値電流１９ｍＡという、文献〔１〕、〔２〕に示す構造よりも低い値が得られ、微分量子効率も０．２５ｍＷ／ｍＡと良好であった。また、モード変換領域Ｂでは、光吸収波長帯端が発振波長よりも短波長側に存在し、可飽和吸収領域が殆ど発生しないので、Ｉ−Ｌ曲線にヒステリシスやキンクも見られず、ＭＱＷ層６における利得領域Ａとテーパ領域Ｂの接合部での光の反射や放射も十分低く抑えられていることが確認できた。
【００３８】
また、遠視野像を観察した結果、出射ビームの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、図８(a),(b) に示すように膜厚（垂直）方向で１１．８°、膜の面（水平）方向で８．０°であり、従来よりも狭いビーム出射角が得られた。
また、近視野像におけるビームスポット径の垂直方向、水平方向とテーパ領域Ｂの長さ（テーパ長）との関係を調べたところ、図９に示すような関係が得られた。この場合、テーパ領域ＢでのＭＱＷ層６の井戸層６ａの厚さは利得領域Ａでの井戸層６ａの厚さの１／５とした。
【００３９】
図９において、膜厚が急激に変化する長さ、即ちテーパ長が５０μｍ以下では光のモードが膜厚の変化に追随できずにモード変換器としての十分な機能が得られない。これに対して、テーパ長が５０μｍ以上ではスポット径の変化が緩やかであってモード変換器として十分な膜厚の変化となる。また、特に図示していないが、テーパ長が５００μｍ以上になると、スポット径に変化は見られず、それ以上の長さは特に必要がなくなる。
【００４０】
従って、テーパ長は５０μｍ以上、好ましくは５０〜５００μｍが最適といえる。
次に、モード変換領域ＢにおけるＭＱＷ層６の膜厚変化の最適な大きさについて説明する。
図１０は、テーパ導波路となるＭＱＷ層６のモード変換領域Ｂの入射端と出射端の膜厚比（入射端膜厚／出射端膜厚）を１から５まで変化させた場合に、出射端からのビーム放射角がどのように変わるかを計算した結果である。
【００４１】
計算には通常の３次元ビーム伝搬法を用い、１．３μｍ帯のＭＱＷ導波路について計算した。図１１に示すように、その入射端におけるＭＱＷ層６の膜厚を０．１μｍ、ＳＣＨ層３，７を０．１μｍとし、導波路の長さｌを２００μｍとし、膜厚の変化が一様な無損失導波路を仮定した。そのテーパ導波路の横幅は、導波路の全長さにわたって１μｍと一定にした。
【００４２】
図１０において、四角のドットは基板面に対して水平方向のビームの放射角を示し、菱形のドットは基板面に対して垂直方向のビームの放射角を示している。図１０によれば、膜厚比を１にする場合には一般的な半導体レーザと同様に３０度に近い放射角しか得られない。
膜厚比が大きくなるにつれて放射角は狭まり、膜厚比が３で１５度、４で１２度となる。また、水平方向と垂直方向の放射角の値が近くなるのはビーム形状が円形に近づくことを示しており、円形に近いほど光ファイバとの結合にとって好ましい結果となる。
【００４３】
光ファイバとの結合を考えた場合、結合効率の大きな改善が見られるのは、水平及び垂直方向共にビーム放射角が従来の半分以下、即ち１５度以下となる場合である。
これは膜厚比が３以上の場合に相当する。従って、モード変換器（スポットサイズ変換器）に使用する場合には、ＭＱＷ層６の膜厚比は３以上が望ましいことが図１０から明らかである。ただし、放射角が２０度、即ち、膜厚比が２の場合でも、従来のレーザよりビームが円に近づき、レーザのモード形状が光ファイバのモード形状に近くなることによる結合効率の改善の効果は期待できる。
【００４４】
ところで、ＭＱＷ層の膜厚が変化している光変調器集積化光源については、特開平１─３１９９８６号、特開平３─２８４８９１号公報に記載されている。
前者の公報には、基板のメサストライプ形状の幅を変化させて利得領域と変調領域の境界でＭＱＷ層の膜厚を変えることについて記載されている。また、後者の公報には、マスクのストライプ幅を変化させて利得領域と変調領域の境界でＭＱＷ層の膜厚を変えることについて記載されている。これらは、ＭＱＷ層の変調領域での膜厚を一定に形成するものであって、ＭＱＷ層をテーパ状に形成することについては何らの記載もないし示唆もない。
【００４５】
光変調器を集積化した光源においては、利得領域のＭＱＷ層の組成に比べて光変調領域のＭＱＷ層は短い波長の組成で構成される。例えば、利得領域の組成が１．３μｍの場合には、光変調領域では１．２０μｍ〜１．２２μｍの組成とする。
なお、利得領域の組成を１．５５μｍとするときには、光変調領域では１．４０μｍ〜１．４５μｍ程度とする。
【００４６】
これをＭＱＷ層の膜厚比に換算すると、その膜厚比は１．５〜２の範囲内に存在する。これよりも大きな膜厚比で構成する場合には、光変調領域での組成波長が大き過ぎるために、光変調用の電圧を大きくしなければ十分な光吸収が得られなくなる。この結果、素子の動作電圧を引き上げなければならない。実際に、それらの特許公開公報の光変調器集積化光源の利得領域でのＭＱＷ層の膜厚は、光変調領域のＭＱＷ層の膜厚の２倍以下となっている。
【００４７】
従って、光変調器を集積化した光源では、ＭＱＷ層の膜厚の変化は小さい方が望ましく、本発明のモード変換器を集積化した半導体レーザの膜厚の有効な変化量とは相違する。
このように、光変調集積化光源と光モード変換器集積化光源との膜厚の変化の有効な範囲が相違することは、本発明者等が見いだしたことであり、モード変換器を集積化した光源では、モード変換器の導波路層の膜厚は、出射端に対して入射端を２倍以上にする必要があり、５倍にすることにより円形のビームが得られる。
【００４８】
以上のように、ＭＱＷ層６のテーパ領域の始点と終点の膜厚比は２倍よりも大きくすることによって、モード変換器としての機能が得られる。また、膜厚の変化は一様である必要はなく、利得領域Ａの近傍では急激に変化してそれら遠ざかるにつれて緩やかに変化してもよいし、その逆に利得領域Ａの近傍では緩やかに変化したり、或いはその膜厚の変化率を複数回緩やかに変化させるようにしてもよい。また、その膜厚は緩やかな階段状に変化してもよい。
【００４９】
ところで、利得領域Ａよりも可飽和吸収領域Ｃに注入する電流の方が小さくても良い場合には、図６（ｂ） に示すように利得領域Ａと可飽和吸収領域Ｃに２つのｐ電極１７，２１を分離形成してもよい。これによれば、可飽和吸収領域Ｃでの電流注入量が少なくなって消費電力が低減する。
さらに、テーパ状のＭＱＷ層６の可飽和吸収領域Ｃにおける光吸収量は利得領域Ａから遠ざかるにつれて次第に小さくなるので、利得領域Ａから離れるにつれて光吸収を無くすための電流値は小さくて済む。従って、図６（ｃ） に示すようにコンタクト層１４だけを利得領域Ａから可飽和領域Ｃまで延ばすだけでもよい。これによれば、不純物含有半導体からなるコンタクト層１４は金属製のｐ電極１７よりも高抵抗であり、コンタクト層１４を介してＭＱＷ層６に注入される電流は利得領域Ａから遠ざかるにつれて小さくなるので過剰な電流の供給を抑制できる。
【００５０】
（その他の実施例）
上記した例ではファブリペロー構造としたが、モード変換領域ＢのＭＱＷ層６の下方又は上方に回折格子を設けてＤＢＲレーザ構造としてもよい。また、前記利得領域のＭＱＷ層に沿って回折格子を設けてＤＦＢレーザ構造としてもよい。さらに、上記した実施例では、ＭＱＷをＩｎＧａＡｓＰ ／ＩｎＰ 系材料によって構成しているが、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ ／ＧａＩｎＰ 系材料、その他の化合物半導体材料を使用したものであってもよい。
【００５１】
なお、上記した化合物半導体層の成長は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、その他のエピタキシャル成長法等による。
【００５２】
【発明の効果】
本発明では、利得領域の活性層とモード変換用の導波路を１つのストライプ状の量子井戸構造層から構成し、かつ、導波路の量子井戸構造層をその層数を変化させずに利得領域から遠ざかるにつれて薄くして膜厚方向の光ビームの径を変換している。
【００５３】
その構造において、モード変換領域での量子井戸構造層の厚さを、入射モード変換領域Ｂでの入射端の膜厚は出射端の膜厚に比べて２倍以上としているので、量子井戸構造層から放出されたビームスポット形状が円形又は円形に極めて近い形状になり、しかも、そのビーム放射角が２０度から１０度の範囲内に存在し、これにより、光ファイバなどとの結合効率を大幅に改善できる。
【００５４】
この構造では、活性層を構成する量子井戸層の厚さよりもモード変換用導波路を構成する量子井戸層が薄くなり、量子井戸の基底準位はモード変換用導波路の方が活性層よりも高くなるため、出射端部でのモード変換用導波路での光吸収波長端は活性層での発振波長よりも短波長となるので、量子井戸構造層を導波する光はモード変換領域では吸収量を少なくすることができる。
【００５５】
また、モード変換用導波路の利得領域に近い部分のクラッド層の上に電極を存在させたり、コンタクト層を延在させることによって、局部的に電流を流すようにしているので、その部分を確実に透明にして光吸収をなくすことができる。
その電極は、利得領域の電極を延在させてもよいし、利得領域の電極と分離させてもよいが、分離させることによって光吸収量を容易に制御できる。
【００５６】
また、他の本発明によれば、ストライプ状の量子井戸構造層の両端幅の最小値の比を０．８〜１．２とすることにより円形ビームスポットを得ることができ、光学結合を容易にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例を示す光半導体装置の斜視断面図を示す。
【図２】図２（ａ） 〜図２（ｂ） は、本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程の一部を示す斜視図である。
【図３】図３（ａ） 〜図３（ｃ） は、本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程の一部を示す側断面図である。
【図４】図４（ａ） 〜図４（ｃ） は、本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程の一部を示す正断面図である。
【図５】図５（ａ） 及び図５（ｂ） は、本発明の第１実施例の量子井戸構造のエネルギーバンドを示す図である。
【図６】図６（ａ） 〜図６（ｃ） は、本発明の一実施例の光半導体装置に係る電極の複数の構造を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施例の光半導体装置における電流と光出力の関係を示す特性図である。
【図８】図８は、第１実施例の光半導体装置の遠視野像の垂直方向と横方向の光強度分布図である。
【図９】図９は、本発明の第１実施例の光半導体装置の導波路のテーパ長と近視野像のスポット径との関係を示す特性図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１実施例の光半導体装置の膜厚比とビーム放射角との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は、図１０で示した特性を計算する際の導波路のモデルを示す断面図である。
【図１２】図１２は、従来のモード変換用導波路が集積化された半導体レーザの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
Ａ 利得領域
Ｂ モード変換領域
１ 基板
２、８ クラッド層
３、７ ＳＣＨ層
６ 多重量子井戸構造
６ａ 量子井戸層
６ｂ 障壁層
１３ 電流ブロック層
１４ コンタクト層
１５ 絶縁膜
１６ 開口部
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
【産業上の利用分野】
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、光通信、光ディスク装置、光インターコネクションなどの光源に用いられる光半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体通信技術の高度化に伴い、半導体レーザの作製技術も向上し、近年では半導体レーザと他の光半導体素子を集積化する研究が盛んである。例えば、ＤＦＢレーザと光変調器を集積した装置や、ＤＢＲレーザとモード変換器（ビームサイズ変換器）を集積したものがある。
【０００２】
モード変換器は、本来３０〜４０度と広い出射角をもつ半導体レーザの出力ビームを狭めるための機構であり、半導体レーザと光ファイバをモジュール化する場合に光結合を容易にするものである。
【０００３】
【従来の技術】
半導体レーザにおいては、光導波路の光閉じ込めが強いほど、即ち光スポット径が小さいほど発振閾値が小さくなって発光効率が向上するが、光スポット径が小さくなるほど光ファイバとの結合は困難になる。
そこで、半導体よりなる光ビーム径変換用の導波路を有するモード変換器集積化ファブリペロー半導体レーザ（以下、ＦＰ−ＬＤという）が例えば次の文献に提案されている。
【０００４】
〔１〕Ｔ． Ｌ． ＫＯＣＨ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ， ＶＯＬ．２， ＮＯ ．２， １９９０
そのＦＰ−ＬＤは、図１２に示すように、 ＩｎＰ基板１０１ の上に第一の ＩｎＰクラッド層１０２ 、導波路層１０３ 、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０４ 、第二の ＩｎＰクラッド層１０５ を順に形成して構成されている。ＭＱＷ活性層１０４ は、ＩｎＧａＡｓ井戸層と ＩｎＧａＡｓＰ障壁層から構成され、利得領域１１０ にのみ形成されている。また、導波路層１０３ は、利得領域１１０ とモード変換領域１１１ の双方に形成されている。なお、符号１０６ は、第二のＩｎＰ クラッド層１０５ の上に形成されたコンタクト層、１０７ は、第二のクラッド層内に形成されたエッチングストップ層を示す。
【０００５】
そのモード変換領域１１１ における導波路層１０３ は厚さ方向にテーパ状に形成されており、利得領域１１０ から遠ざかるにつれて薄くなっている。導波路層１０３ はＩｎＧａＡｓＰ層１０３ａと ＩｎＰ層１０３ｂを交互に積層した構造を有している。そして、そのＩｎＰ層１０３ｂをエッチングストップ層として使用して耐エッチングマスクを複数回変えてＩｎＧａＡｓＰ 層１０３ａとＩｎＰ 層１０３ｂを階段状にパターニングし、これによりモード変換領域における導波路層１０３ の膜厚をテーパ形状にしている。
【０００６】
そのＭＱＷ活性層１０４ で励起されて導波路層１０３ を導波する光は、モード変換領域１１１ では利得領域１１０ よりも光閉じ込めが弱いため、テーパ先端部での近視野像は広がり、その結果、近視野像の回折パターンである遠視野像は狭くなる。従って、テーパ先端から出たビームの出射角は狭くなり、光ファイバとの結合が容易になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、共振器を構成する導波路層１０３ は出力端に近づくほど層数が少なくなる構造であり、その導波路層１０３ のテーパ形状は耐エッチングマスクを複数回取り換えて得られるために、その構造は結晶欠陥を含み易くなり、発光素子の特性劣化が生じやすい。
【０００８】
また、半導体レーザにテーパ状の導波路層を集積化する場合に重要なことは、モード変換領域にある導波路が発振光に対して吸収媒質にならないようにすることである。
上記文献〔１〕に記載された構造では、利得領域１１０ の活性層１０４ とモード変換領域１１１ のテーパ状導波路層１０３ が異なる層であってほぼ同一組成で構成されているため、レーザ光の一部が、テーパ状導波路層１０３ の利得領域１１０ に近い部分で吸収され易い。
【０００９】
従って、モード変換器が一体化されないレーザ素子と比較して光出力、スロープ効率（電流−光強度特性線の立ち上がり微分値）の低下は免れない。特に、文献〔１〕に記載のＦＰ−ＬＤでは、テーパ状導波路層１０３ が共振器内にあるために半導体レーザの基本特性にまで影響し、パルス測定における発振閾値電流が両端劈開の素子で７０ｍＡまで上昇している。
【００１０】
しかも、両端劈開の素子で室温連続（ＣＷ）発振したという報告はなされていない。
また、半導体レーザとテーパ導波路を集積化した装置が〔２〕特開昭６３−２３３５８４ 号公報、〔３〕特開昭６４−５３４８７号公報に記載されている。これらの構造においても、レーザ活性層とテーパ導波路が同一組成で構成されており、テーパ領域の吸収損失が大きく、この吸収損失を打ち消すためには、テーパ導波路全体にも大きな電流を注入する必要がある。
【００１１】
しかし、公報〔２〕の電流−光強度特性ではその図から明らかなように発振閾値４２ｍＡ、微分量子効率が０．１５ｍＷ／ｍＡしか得られていない。また、その導波路層のテーパ形状はエッチング方法を工夫することによって得られるために、テーパ形状を常に均一に形成することが難しくなってビームスポット形状の制御性が良くない上に歩留りが低下する恐れがある。しかも、共振器を構成する導波路層に結晶欠陥が入り易く、発光素子の特性劣化が生じやすい。さらに、その導波路層は単一材料からなり、文献〔１〕のようなテーパ形状のＭＱＷ層を有するものではない。
【００１２】
なお、公報［３］では横方向のテーパ形状を有する光半導体装置であって、テーパ導波路の先端部ではサブミクロンオーダーの加工が必要となるため、その構造に起因して同じテーパ形状を再現性よく作製することが難しい。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、導波路での光吸収を小さくし、低閾値で安定なレーザ発振ができるモード変換器を付けた光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（１）上記した課題は、不純物を含む半導体基板と、前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成され、さらに、前記モード変換領域と前記利得領域の境界での膜厚は前記モード変換領域の光出射端の膜厚に対して２倍以上となるストライプ状の量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層とを有することを特徴とする光半導体装置によって解決される。
【００１４】
上記した光半導体装置において、前記量子井戸構造層と前記半導体基板の間には下側のクラッド層が形成されるようにしてもよい。
上記した光半導体装置において、前記量子井戸構造層の上又は下にはＳＣＨ層が形成されるようにしてもよい。この場合、前記ＳＣＨ層は前記光出射端方向に向けて膜厚が徐々に薄くなる構造であってもよい。
上記した光半導体装置において、前記半導体基板の下に形成された第１の電極と、前記上側のクラッド層のうち前記利得領域上に形成された第２の電極とをさらに有するようにしてもよい。
【００１５】
（２）上記した課題は、不純物を含む半導体基板と、前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成されたストライプ状の量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と、前記半導体基板の下面に形成された第１の電極と、前記利得領域から前記モード変換領域の一部にかけた範囲で、前記上側のクラッド層の上に形成された第２の電極とを有することを特徴とする光半導体装置によって解決される。
上記した光半導体装置において、前記第２の電極は、前記モード変換領域と前記利得領域の境界近傍で分離されているようにしてもよい。
【００１６】
（３）上記した課題は、不純物を含む半導体基板と、前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成されたストライプ状の量子井戸構造層と、前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と、前記半導体基板の下面に形成された第１の電極と、前記利得領域の前記上側クラッド層の上に形成された第２の電極と、前記第２の電極と前記上側のクラッド層の間に形成され、且つ前記第２の電極よりも前記モード変換領域側に延在して形成されたコンタクト層とを有することを特徴とする光半導体装置により解決される。
その光半導体装置において、前記コンタクト層は、前記利得領域から前記モード変換領域の途中まで延びる構造であってもよい。
【００１７】
（４）上記した（２）又は（３）の光半導体装置において、前記モード変換領域における前記量子井戸構造層の膜厚は、光入射端が光出射端に比べて２倍以上であることが好ましい。
上記した（１）〜（３）の光半導体装置において、前記量子井戸構造層の両端部の幅の比が０．８〜１．２であることがた好ましい。
上記した（１）〜（３）の光半導体装置において、前記量子井戸構造層内の井戸層は、ＩｎＧａＡｓＰ 又はＧａＡｓを含む化合物半導体層から形成され、前記上側のクラッド層はＩｎＰ から形成されるようにしてもよい。また、前記量子井戸構造層内の井戸層は、ＧａＡｓから形成され、前記上側のクラッド層はＡｌＧａＡｓから形成されるようにしてもよい。さらに、前記量子井戸構造層内の井戸層はＧａＩｎＰ から形成され、前記上側のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰ から形成されるようにしてもよい。
上記した（１）〜（３）の光半導体装置において、前記利得領域では前記量子井戸構造層に沿って分布帰還型ミラーを構成する回折格子が形成されている構造を採用してもよい。また、前記利得領域の前方又は後方には導波方向に沿って分布反射型ミラーを構成する回折格子が形成される構造を採用してもよい。
【００１８】
（５）上記した課題は、不純物を含む半導体基板上に、ストライプ状の第１の開口部と、該第１の開口部の端部から連続的に幅が広くなる第２の開口部を有する第１のマスクを形成する工程と、前記第１及び第２の開口部に半導体層を成長することにより、前記第１の開口部の最大膜厚が前記第２の開口部の最小膜厚の２倍以上となる量子井戸構造層を形成する工程と、前記量子井戸構造層の上に上側のクラッド層を形成する工程と、前記第１のマスクを除去する工程と、成長した前記半導体層にストライプ形状の第２のマスクを形成して前記半導体層をストライプ形状に加工する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法によって解決される。
また、前記半導体層は、前記第１のマスクの表面より突出して形成されていることを特徴とする。
【００１９】
【作 用】
本発明では、利得領域の活性層とモード変換用の導波路を１つのストライプ状の量子井戸構造層から構成し、かつ、導波路の量子井戸構造層をその層数を変化させずに利得領域から遠ざかるにつれて薄くして膜厚方向の光ビームの径を変換している。
【００２０】
モード変換領域での量子井戸構造層の厚さは、入射モード変換領域Ｂでの入射端の膜厚は出射端の膜厚に比べて２倍以上となっている。これによれば、量子井戸構造層から放出されたビームスポット形状が円形又は円形に極めて近い形状になり、しかも、そのビーム放射角が２０度から１０度の範囲内に存在するために、光ファイバなどとの結合効率が大幅に改善される。
【００２１】
この構造では、活性層を構成する量子井戸層の厚さよりもモード変換用導波路を構成する量子井戸層が薄くなり、量子井戸の基底準位はモード変換用導波路の方が活性層よりも高くなるため、出射端部でのモード変換用導波路での光吸収波長端は活性層での発振波長よりも短波長となる。
これにより、出射端部で量子井戸構造層を導波する光はモード変換領域では吸収されなくなる。
【００２２】
量子井戸構造層の膜厚は、結晶成長の際に使用するマスクの開口部の面積を変えることにより成長速度が変化する性質を利用して制御される。しかし、利得領域の近傍ではモード変換用導波路の膜厚減少が充分でなく大きな損失を与えてしまう。
本発明によれば、モード変換用導波路の利得領域に近い部分に電極を存在させたり、コンタクト層を延在させることによって、局部的に電流を流すようにしているので、その部分が確実に透明になって光吸収がなくなる。モード変換用導波路の利得領域に近い部分に形成する電極は、利得領域の電極を延在させてもよいし、利得領域の電極と分離させてもよいが、分離させることによって光吸収量を制御することが容易となる。
【００２３】
また、他の本発明によれば、ストライプ状の量子井戸構造層の両端幅の最小値の比を０．８〜１．２とすることにより円形ビームスポットを得ることができ、光学結合が容易になる。
記量子井戸構造層の井戸層やクラッド層は特に材料を限定するものではない。例えば、井戸層をＩｎＧａＡｓＰ 、クラッド層をＩｎＰ から形成してもよいし、井戸層をＧａＡｓ、クラッド層をＡｌＧａＡｓから形成してもよいし、井戸層はＧａＩｎＰ 、クラッド層をＡｌＧａＩｎＰ から形成してもよい。、
また、そのような光半導体装置に形成されるレーザは、ファブリペロー型であってもよいし、回折格子を有する分布帰還型又は分布反射型であってもよい。
【００２４】
【実施例】
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例のファブリペロー型半導体レーザを示す斜視断面図である。
この半導体レーザは、利得ピークが１．３μｍ帯に現れるような構造となっており、その構造を製造工程に沿って説明する。
【００２５】
まず、図２（ａ） に示すように、ｎ型（ｎ−）ＩｎＰ 基板１の上に、少なくとも利得領域Ａ及びモード変換領域Ｂが開口された第一のマスク４を形成する。
そのマスク４は、シリコン窒化膜などの絶縁膜をフォトリソグラフィーによりパターニングしたもので、そのマスク４の開口部５の形状は、利得領域Ａでは光の進行方向に延びる長さ４００μｍの矩形部５ａと、この矩形部５ａの端部から遠ざかるにつれて一定の角度で連続的に幅が広くなる長さ３５０μｍの扇形部５ｂと、扇形部５ｂの端部から更に大きく広がった拡張部５ｃとを有している。
【００２６】
次に、図２（ｂ） とそのＸ−Ｘ線断面を示す図３（ａ） に示すように、第一のマスク４から露出したｎ型ＩｎＰ 基板１の上に、ｎ−ＩｎＰ クラッド層２、Ｉｎｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓｙ Ｐ１−ｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）よりなる第一のＳＣＨ層３、ＭＱＷ層６、Ｉｎｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓｙ Ｐ１−ｙよりなる第二のＳＣＨ層７、ｐ−ＩｎＰ クラッド層８を連続的にエピタキシャル成長する。それぞれの層の膜厚については、ｎ−ＩｎＰ クラッド層２を１００ｎｍ、第一及び第二のＳＣＨ層３，７を１００ｎｍ、ｐ−ＩｎＰ クラッド層８を２００ｎｍとする。
【００２７】
それらの層の結晶は、成長核のないマスク４の上には成長せず、マスク４の開口部５内にあるｎ型ＩｎＰ 基板１の上に選択的に成長する。しかも、それらの層は、マスク４の開口部５のストライプ状の利得領域Ａでは最も膜厚が厚く、そこから広がっているモード変換領域Ｂでは利得領域Ａから離れるにつれて膜厚が薄くなる。このような膜の成長方法を、選択成長法という。
【００２８】
モード変換領域Ｂの先端におけるＭＱＷ層６の井戸層６ａの厚さは利得領域Ａでの膜厚に対して１／３となっている。このＭＱＷ層６は、利得領域Ａでは活性層として機能し、モード変換領域Ｂでは導波路となっている。なお、ＭＱＷ層６がモード変換領域Ｂでテーパ状に形成されているので、その領域を以下にテーパ領域ともいう。
【００２９】
そのＭＱＷ層６は、３つのＩｎｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓｙ’Ｐ１−ｙ’ （０＜ｘ’＜１、０＜ｙ’＜１）よりなる井戸層６ａとその間に挟まれるＩｎｘ’’ Ｇａ１−ｘ’’ Ａｓｙ’’ Ｐ１−ｙ’’（０＜ｘ’’＜１、０＜ｙ’’＜１）よりなる障壁層６ｂから構成されたもので、利得領域Ａでの井戸層６ａの厚さは７ｎｍ、障壁層６ｂの厚さは１５ｎｍとなっている。
上記した第一のマスク４を除去した後に、図２（ｂ） のＹ−Ｙ線断面を示す図４（ａ） のように、第二のマスク９を光進行方向に沿ってｐ−ＩｎＰ クラッド層８の上に形成する。そのマスク９は、窒化シリコン膜をパターニングして幅１．５μｍの長方形のストライプ状に形成したものである。このとき、利得領域Ａとモード変換領域Ｂでのストライプ幅の最小値の比を０．８〜１．２として、ビームスポットを円形又は略円形にする。
【００３０】
この後に、図４（ｂ） に示すように、第二のマスク９を使用してｐ−ＩｎＰ クラッド層８からｎ−ＩｎＰ クラッド層２の上部までを略垂直方向にエッチングして整形した後に、第二のマスク９を除去せずに、図４（ｃ） に示すように、第二のマスク９の両側にあるｎ−ＩｎＰ クラッド層２の上に第一のｐ−ＩｎＰ 埋込層１０とｎ−ＩｎＰ 埋込層１１を順に形成する。
【００３１】
次に、第二のマスク９を除去してから、ｐ−ＩｎＰ クラッド層８とｎ−ＩｎＰ 埋込層１１の上にｐ−ＩｎＰ を積層することにより、第二のクラッド層８の厚さを増すとともに、ｎ−ＩｎＰ 埋込層１１の上に第二のｐ−ＩｎＰ 埋込層１２を形成してＭＱＷ層６の両側に図１のようなサイリスタ構造の電流ブロック層１３を形成する。さらに、図３（ｂ） に示すように、ｐ−ＩｎＰ の上にｐ＋ 型ＩｎＧａＡｓＰ を積層してこれをコンタクト層１４として使用する。このコンタクト層１４は、結晶成長防止用のマスクを使用するか或いは半導体層をパターニングするかのいずれかによってテーパ領域Ｂには存在させないようにする。
【００３２】
この後に、コンタクト層１４、第二のクラッド層８及び第二のp-InP 埋込層１２の上に絶縁膜１５を形成し、これをフォトリソグラフィーによりパターニングして利得領域ＡのＭＱＷ層６の上方にだけ開口部１６を形成する。
このように化合物半導体及び絶縁体の積層を終えた後に、図３(c) に示すように、コンタクト層１４の上にｐ電極１７を形成し、n-InP 基板１の下面にｎ電極１８を形成する。さらに、InP 基板１とその上の各半導体層のうち利得領域Ａとモード変換領域Ｂの互いに接続しない方の端面を劈開する。なお、利得領域Ａの劈開面に反射膜を形成してもよい。
【００３３】
以上のような工程により形成されたファブリペロー型の半導体レーザを一部切り欠いた斜視図を示すと図１に示すようになる。この半導体レーザのＭＱＷ層のモード変換領域Ｂでのテーパ形状は、エッチング方法を変更することによらず、膜成長の際のマスクの形状を工夫することによって得られるために、テーパ状のＭＱＷ層には結晶欠陥は生じにくくなる。このため、テーパ形状の結晶欠陥による特性劣化はなくなる。しかも、テーパ形状は、小さい誤差で歩留り良く形成され、形状の均一なビームスポットが得られる。
【００３４】
この半導体レーザのＭＱＷ６において、利得領域Ａで発振した光は、利得領域Ａの端面とモード変換領域Ｂの端面との反射により共振してモード変換領域Ｂ側の端面から出力することになる。この場合、量子井戸の基底準位のポテンシャルは量子サイズ効果によって井戸層６ａが薄くなるほど大きくなり、その井戸の伝導帯と価電子帯間のバンドギャップも広がる。図５（ａ） に示す利得領域ＡでのバンドギャップＥｇ１は同図（ｂ） に示すモード変換領域ＢのバンドギャップＥｇ２よりも小さいので、モード変換領域ＢでのＭＱＷ層６は利得領域Ａで発振した光を透過することになる。
【００３５】
しかし、モード変換領域（テーパ領域）ＢでのＭＱＷ層６の膜厚の変化が緩やかなためテーパ状のＭＱＷ層６のうち利得領域Ａに近い部分が可飽和吸収層となる。可飽和吸収層が存在すれば、その中でキャリアが飽和状態になるまで光を吸収することになるので、閾値が高くなり電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）曲線にキンクが生じ、十分な光強度が得られなくなる。
【００３６】
そこで、図６（ａ） に示すように、半導体レーザの利得領域Ａに形成されるコンタクト層１４及びｐ電極１７をテーパ領域Ｂの近傍の可飽和吸収領域Ｃまで延ばし、その可飽和吸収領域ＣのＭＱＷ層６にも電流を注入する構成とすることが好ましい。
これによれば、電極１７を通して可飽和吸収領域ＣのＭＱＷ層６にも電流が供給され、その領域での光の吸収がキャリアの注入により相殺されてＭＱＷ層６は可飽和吸収層とならずに透明になって光を透過する。これにより、閾値上昇特性曲線にキンクが発生しなくなり、図７に示すような特性が得られる。
【００３７】
図７のＩ−Ｌ特性曲線では、両劈開の素子で発振閾値電流１９ｍＡという、文献〔１〕、〔２〕に示す構造よりも低い値が得られ、微分量子効率も０．２５ｍＷ／ｍＡと良好であった。また、モード変換領域Ｂでは、光吸収波長帯端が発振波長よりも短波長側に存在し、可飽和吸収領域が殆ど発生しないので、Ｉ−Ｌ曲線にヒステリシスやキンクも見られず、ＭＱＷ層６における利得領域Ａとテーパ領域Ｂの接合部での光の反射や放射も十分低く抑えられていることが確認できた。
【００３８】
また、遠視野像を観察した結果、出射ビームの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、図８(a),(b) に示すように膜厚（垂直）方向で１１．８°、膜の面（水平）方向で８．０°であり、従来よりも狭いビーム出射角が得られた。
また、近視野像におけるビームスポット径の垂直方向、水平方向とテーパ領域Ｂの長さ（テーパ長）との関係を調べたところ、図９に示すような関係が得られた。この場合、テーパ領域ＢでのＭＱＷ層６の井戸層６ａの厚さは利得領域Ａでの井戸層６ａの厚さの１／５とした。
【００３９】
図９において、膜厚が急激に変化する長さ、即ちテーパ長が５０μｍ以下では光のモードが膜厚の変化に追随できずにモード変換器としての十分な機能が得られない。これに対して、テーパ長が５０μｍ以上ではスポット径の変化が緩やかであってモード変換器として十分な膜厚の変化となる。また、特に図示していないが、テーパ長が５００μｍ以上になると、スポット径に変化は見られず、それ以上の長さは特に必要がなくなる。
【００４０】
従って、テーパ長は５０μｍ以上、好ましくは５０〜５００μｍが最適といえる。
次に、モード変換領域ＢにおけるＭＱＷ層６の膜厚変化の最適な大きさについて説明する。
図１０は、テーパ導波路となるＭＱＷ層６のモード変換領域Ｂの入射端と出射端の膜厚比（入射端膜厚／出射端膜厚）を１から５まで変化させた場合に、出射端からのビーム放射角がどのように変わるかを計算した結果である。
【００４１】
計算には通常の３次元ビーム伝搬法を用い、１．３μｍ帯のＭＱＷ導波路について計算した。図１１に示すように、その入射端におけるＭＱＷ層６の膜厚を０．１μｍ、ＳＣＨ層３，７を０．１μｍとし、導波路の長さｌを２００μｍとし、膜厚の変化が一様な無損失導波路を仮定した。そのテーパ導波路の横幅は、導波路の全長さにわたって１μｍと一定にした。
【００４２】
図１０において、四角のドットは基板面に対して水平方向のビームの放射角を示し、菱形のドットは基板面に対して垂直方向のビームの放射角を示している。図１０によれば、膜厚比を１にする場合には一般的な半導体レーザと同様に３０度に近い放射角しか得られない。
膜厚比が大きくなるにつれて放射角は狭まり、膜厚比が３で１５度、４で１２度となる。また、水平方向と垂直方向の放射角の値が近くなるのはビーム形状が円形に近づくことを示しており、円形に近いほど光ファイバとの結合にとって好ましい結果となる。
【００４３】
光ファイバとの結合を考えた場合、結合効率の大きな改善が見られるのは、水平及び垂直方向共にビーム放射角が従来の半分以下、即ち１５度以下となる場合である。
これは膜厚比が３以上の場合に相当する。従って、モード変換器（スポットサイズ変換器）に使用する場合には、ＭＱＷ層６の膜厚比は３以上が望ましいことが図１０から明らかである。ただし、放射角が２０度、即ち、膜厚比が２の場合でも、従来のレーザよりビームが円に近づき、レーザのモード形状が光ファイバのモード形状に近くなることによる結合効率の改善の効果は期待できる。
【００４４】
ところで、ＭＱＷ層の膜厚が変化している光変調器集積化光源については、特開平１─３１９９８６号、特開平３─２８４８９１号公報に記載されている。
前者の公報には、基板のメサストライプ形状の幅を変化させて利得領域と変調領域の境界でＭＱＷ層の膜厚を変えることについて記載されている。また、後者の公報には、マスクのストライプ幅を変化させて利得領域と変調領域の境界でＭＱＷ層の膜厚を変えることについて記載されている。これらは、ＭＱＷ層の変調領域での膜厚を一定に形成するものであって、ＭＱＷ層をテーパ状に形成することについては何らの記載もないし示唆もない。
【００４５】
光変調器を集積化した光源においては、利得領域のＭＱＷ層の組成に比べて光変調領域のＭＱＷ層は短い波長の組成で構成される。例えば、利得領域の組成が１．３μｍの場合には、光変調領域では１．２０μｍ〜１．２２μｍの組成とする。
なお、利得領域の組成を１．５５μｍとするときには、光変調領域では１．４０μｍ〜１．４５μｍ程度とする。
【００４６】
これをＭＱＷ層の膜厚比に換算すると、その膜厚比は１．５〜２の範囲内に存在する。これよりも大きな膜厚比で構成する場合には、光変調領域での組成波長が大き過ぎるために、光変調用の電圧を大きくしなければ十分な光吸収が得られなくなる。この結果、素子の動作電圧を引き上げなければならない。実際に、それらの特許公開公報の光変調器集積化光源の利得領域でのＭＱＷ層の膜厚は、光変調領域のＭＱＷ層の膜厚の２倍以下となっている。
【００４７】
従って、光変調器を集積化した光源では、ＭＱＷ層の膜厚の変化は小さい方が望ましく、本発明のモード変換器を集積化した半導体レーザの膜厚の有効な変化量とは相違する。
このように、光変調集積化光源と光モード変換器集積化光源との膜厚の変化の有効な範囲が相違することは、本発明者等が見いだしたことであり、モード変換器を集積化した光源では、モード変換器の導波路層の膜厚は、出射端に対して入射端を２倍以上にする必要があり、５倍にすることにより円形のビームが得られる。
【００４８】
以上のように、ＭＱＷ層６のテーパ領域の始点と終点の膜厚比は２倍よりも大きくすることによって、モード変換器としての機能が得られる。また、膜厚の変化は一様である必要はなく、利得領域Ａの近傍では急激に変化してそれら遠ざかるにつれて緩やかに変化してもよいし、その逆に利得領域Ａの近傍では緩やかに変化したり、或いはその膜厚の変化率を複数回緩やかに変化させるようにしてもよい。また、その膜厚は緩やかな階段状に変化してもよい。
【００４９】
ところで、利得領域Ａよりも可飽和吸収領域Ｃに注入する電流の方が小さくても良い場合には、図６（ｂ） に示すように利得領域Ａと可飽和吸収領域Ｃに２つのｐ電極１７，２１を分離形成してもよい。これによれば、可飽和吸収領域Ｃでの電流注入量が少なくなって消費電力が低減する。
さらに、テーパ状のＭＱＷ層６の可飽和吸収領域Ｃにおける光吸収量は利得領域Ａから遠ざかるにつれて次第に小さくなるので、利得領域Ａから離れるにつれて光吸収を無くすための電流値は小さくて済む。従って、図６（ｃ） に示すようにコンタクト層１４だけを利得領域Ａから可飽和領域Ｃまで延ばすだけでもよい。これによれば、不純物含有半導体からなるコンタクト層１４は金属製のｐ電極１７よりも高抵抗であり、コンタクト層１４を介してＭＱＷ層６に注入される電流は利得領域Ａから遠ざかるにつれて小さくなるので過剰な電流の供給を抑制できる。
【００５０】
（その他の実施例）
上記した例ではファブリペロー構造としたが、モード変換領域ＢのＭＱＷ層６の下方又は上方に回折格子を設けてＤＢＲレーザ構造としてもよい。また、前記利得領域のＭＱＷ層に沿って回折格子を設けてＤＦＢレーザ構造としてもよい。さらに、上記した実施例では、ＭＱＷをＩｎＧａＡｓＰ ／ＩｎＰ 系材料によって構成しているが、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ ／ＧａＩｎＰ 系材料、その他の化合物半導体材料を使用したものであってもよい。
【００５１】
なお、上記した化合物半導体層の成長は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、その他のエピタキシャル成長法等による。
【００５２】
【発明の効果】
本発明では、利得領域の活性層とモード変換用の導波路を１つのストライプ状の量子井戸構造層から構成し、かつ、導波路の量子井戸構造層をその層数を変化させずに利得領域から遠ざかるにつれて薄くして膜厚方向の光ビームの径を変換している。
【００５３】
その構造において、モード変換領域での量子井戸構造層の厚さを、入射モード変換領域Ｂでの入射端の膜厚は出射端の膜厚に比べて２倍以上としているので、量子井戸構造層から放出されたビームスポット形状が円形又は円形に極めて近い形状になり、しかも、そのビーム放射角が２０度から１０度の範囲内に存在し、これにより、光ファイバなどとの結合効率を大幅に改善できる。
【００５４】
この構造では、活性層を構成する量子井戸層の厚さよりもモード変換用導波路を構成する量子井戸層が薄くなり、量子井戸の基底準位はモード変換用導波路の方が活性層よりも高くなるため、出射端部でのモード変換用導波路での光吸収波長端は活性層での発振波長よりも短波長となるので、量子井戸構造層を導波する光はモード変換領域では吸収量を少なくすることができる。
【００５５】
また、モード変換用導波路の利得領域に近い部分のクラッド層の上に電極を存在させたり、コンタクト層を延在させることによって、局部的に電流を流すようにしているので、その部分を確実に透明にして光吸収をなくすことができる。
その電極は、利得領域の電極を延在させてもよいし、利得領域の電極と分離させてもよいが、分離させることによって光吸収量を容易に制御できる。
【００５６】
また、他の本発明によれば、ストライプ状の量子井戸構造層の両端幅の最小値の比を０．８〜１．２とすることにより円形ビームスポットを得ることができ、光学結合を容易にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例を示す光半導体装置の斜視断面図を示す。
【図２】図２（ａ） 〜図２（ｂ） は、本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程の一部を示す斜視図である。
【図３】図３（ａ） 〜図３（ｃ） は、本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程の一部を示す側断面図である。
【図４】図４（ａ） 〜図４（ｃ） は、本発明の第１実施例の光半導体装置の製造工程の一部を示す正断面図である。
【図５】図５（ａ） 及び図５（ｂ） は、本発明の第１実施例の量子井戸構造のエネルギーバンドを示す図である。
【図６】図６（ａ） 〜図６（ｃ） は、本発明の一実施例の光半導体装置に係る電極の複数の構造を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施例の光半導体装置における電流と光出力の関係を示す特性図である。
【図８】図８は、第１実施例の光半導体装置の遠視野像の垂直方向と横方向の光強度分布図である。
【図９】図９は、本発明の第１実施例の光半導体装置の導波路のテーパ長と近視野像のスポット径との関係を示す特性図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１実施例の光半導体装置の膜厚比とビーム放射角との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は、図１０で示した特性を計算する際の導波路のモデルを示す断面図である。
【図１２】図１２は、従来のモード変換用導波路が集積化された半導体レーザの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
Ａ 利得領域
Ｂ モード変換領域
１ 基板
２、８ クラッド層
３、７ ＳＣＨ層
６ 多重量子井戸構造
６ａ 量子井戸層
６ｂ 障壁層
１３ 電流ブロック層
１４ コンタクト層
１５ 絶縁膜
１６ 開口部
１７ ｐ電極
１８ ｎ電極
Claims (18)
- 不純物を含む半導体基板と、
前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成され、さらに、前記モード変換領域と前記利得領域の境界での膜厚は前記モード変換領域の光出射端の膜厚に対して２倍以上となるストライプ状の量子井戸構造層と、
前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と
を有することを特徴とする光半導体装置。 - 前記量子井戸構造層と前記半導体基板の間には下側のクラッド層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記量子井戸構造層の上又は下にはＳＣＨ層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
- 前記ＳＣＨ層は前記光出射端方向に向けて膜厚が徐々に薄くなっていることを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
- 前記半導体基板の下に形成された第１の電極と、
前記上側のクラッド層のうち前記利得領域上に形成された第２の電極と
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。 - 不純物を含む半導体基板と、
前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成されたストライプ状の量子井戸構造層と、
前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と、
前記半導体基板の下面に形成された第１の電極と、
前記利得領域から前記モード変換領域の一部にかけた範囲で、前記上側のクラッド層の上に形成された第２の電極と
を有することを特徴とする光半導体装置。 - 前記第２の電極は、前記モード変換領域と前記利得領域の境界近傍で分離されていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体装置。
- 不純物を含む半導体基板と、
前記半導体基板の上において利得領域からモード変換領域にかけて形成され、且つ、前記モード変換領域では層数を変えずに前記利得領域から離れるにつれて膜厚が薄く形成されたストライプ状の量子井戸構造層と、
前記量子井戸構造層の上に形成された上側のクラッド層と、
前記半導体基板の下面に形成された第１の電極と、
前記利得領域の前記上側クラッド層の上に形成された第２の電極と、
前記第２の電極と前記上側のクラッド層の間に形成され、且つ前記第２の電極よりも前記モード変換領域側に延在して形成されたコンタクト層と
を有することを特徴とする光半導体装置。 - 前記コンタクト層は、前記利得領域から前記モード変換領域の途中まで延びていることを特徴とする請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記モード変換領域における前記量子井戸構造層の膜厚は、光入射端が光出射端に比べて２倍以上であることを特徴とする請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記量子井戸構造層の両端部の幅の比が０．８〜１．２であることを特徴とする請求項１、請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記量子井戸構造層内の井戸層は、InGaAsP 又はGaAsを含む化合物半導体層から形成され、前記上側のクラッド層はInP から形成されていることを特徴とする請求項１、請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記量子井戸構造層内の井戸層は、GaAsから形成され、前記上側のクラッド層はAlGaAsから形成されていることを特徴とする請求項１、請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記量子井戸構造層内の井戸層はGaInP から形成され、前記上側のクラッド層はAlGaInP から形成されていることを特徴とする請求項１、請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記利得領域では前記量子井戸構造層に沿って分布帰還型ミラーを構成する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 前記利得領域の前方又は後方には導波方向に沿って分布反射型ミラーを構成する回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項６又は請求項８に記載の光半導体装置。
- 不純物を含む半導体基板上に、ストライプ状の第１の開口部と、該第１の開口部の端部から連続的に幅が広くなる第２の開口部を有する第１のマスクを形成する工程と、
前記第１及び第２の開口部に半導体層を成長することにより、前記第１の開口部の最大膜厚が前記第２の開口部の最小膜厚の２倍以上となる量子井戸構造層を形成する工程と、
前記量子井戸構造層の上に上側のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のマスクを除去する工程と、
成長した前記半導体層にストライプ形状の第２のマスクを形成して前記半導体層をストライプ形状に加工する工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。 - 前記半導体層は、前記第１のマスクの表面より突出して形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の光半導体装置の製造方法。
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