JP4967565B2 - 光半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、メサストライプ型光導波路を構成する両側面が埋込み層により平坦に埋め込まれたメサストライプ上に、信号電圧が印加される電極が形成された光半導体素子に関し、とくに、電極に接続して埋込み層上に形成された電極パッドの寄生容量が小さな光半導体素子に関する。

光通信では、光導波路を含むメサストライプを埋込み層で埋め込むメサストライプ型導波路を備え、そのメサストライプ上に各種電極が形成された光半導体素子が広く用いられている。これらの電極には、直流電圧ないし低周波電圧が印加されるもの、例えば半導体レーザ又は光増幅器の励起用、位相調整用等の電極があり、その他に、高周波信号が印加されるもの、例えば導波路の光吸収率の電界依存性を利用した光変調器の電極、導波路の屈折率の電界依存性を利用した光スイッチ等の電極がある。

これらの電極はメサストライプ内の導波路層に電界を印加するために、メサストライプ上に形成される。一方、外部の電源又は信号源に接続される電極パッドは、通常、メサストライプ近傍の埋込み層上に形成される。このため、埋込み層が薄いと、電極パッドと基板間の寄生容量が大きくなり、周波数特性が劣化するため高速動作が難しくなる。他方、電極パッドの寄生容量を小さくするために基板上全面に厚い埋込み層を堆積すると、以下に説明するように埋込み層上面が平坦にならず、メサストライプ上の電極形成が困難になる。以下、メサストライプ上に電極を備える複数の光素子を集積した光半導体集積素子を参照して、厚い埋込み層を堆積した場合の問題を説明する。

図１０は従来の光半導体素子平面図であり、埋込み層で埋め込まれたメサストライプ上に電極を有する複数の光素子を、１個の基板上に集積した光半導体素子４０を表している。図１１は、従来の埋込み層断面図であり、メサストライプを埋め込む埋込み層の断面形状を表している。

図１０を参照して、この光半導体素子４０では、化合物半導体基板１上に、複数のＤＦＢレーザ４０−１が形成され、各ＤＦＢレーザ４０−１毎に各ＤＦＢレーザ４０−１から出力されるレーザ光を変調する光変調器４０−２が設けられている。さらに、光変調器４０−２の出力光を合波するスラブ導波路を用いた合波器４０−３と、合波器４０−３の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）４０−４が集積されている。

これら各光素子４０−１〜４０−４内及び各素子４０−１〜４０−４間には絶縁性埋込み層４５により埋め込まれたメサストライプ２が形成されている。これらのメサストライプ２には、それぞれの素子４０−１〜４０−４に応じた固有の特性を有する光導波路が形成される。例えば、レーザ４０−１及び光増幅器４０−４では光増幅利得を有する活性層や位相制御のために電界により屈折率が変化する屈折率制御層が、光変調器４０−２では電界により吸収率が変化する光吸収層が、素子４０−１〜４０−４間では前記光吸収層や吸収が少ない透明層が、光導波路層として用いられる。

従来、かかるメサストライプ２は、メサストライプ２を基板１上に形成した後、例えばＭＯＣＶＤを用いて基板１上全面に一様な厚さで絶縁性埋込み層４５を堆積し、埋め込み形のメサストライプ導波路として形成されていた。

しかし、基板上に埋込み層４５を一様な厚さで堆積する従来の堆積方法では、図１１を参照して、メサストライプ２の側面を埋め込む埋込み層４５の上端がメサストライプ２の上面上方に庇状に突出する。このため、埋込み層４５を厚く堆積すると、メサストライプ２上面が埋込み層により被覆されていまう。このため、この上に電極を形成してもメサストライプ２上面に接触する電極を形成することができない、あるいは、庇状の埋込み層４５とメサストライプ２上面との間の段差により電極が切断されるので、電極の形成が難しい。このため、埋込み層４５を厚く形成することができない。従って、メサストライプ２上面に電極を形成するには、庇状の埋込み層４５を平坦化しなければならず、工程が複雑かつ多くなってしまう。

かかる堆積工程で生ずる庇状の埋込み層４５の形成を回避するために、有機塩素材料を含有する原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法により、ＩｎＰ系埋込み層を堆積するメサストライプの埋め込み方法が開発されている。（たとえば特許文献１参照。）。次に、このＩｎＰ系埋込み層の堆積について説明する。

図１２は有機塩素材料含有ガスを用いた埋込み層堆積工程断面図であり、メサストライプ近傍のＩｎＰ系埋込み層の断面形状を表している。図１３は従来の改良された光半導体素子平面図であり、有機塩素材料含有ガスを用いて堆積されたＩｎＰ系埋込み層によりメサストライプを埋め込んだ光半導体素子を表している。

図１２（イ）を参照して、まず、（００１）を主面とするＩｎＰ基板１上に、光導波路層３、上部クラッド層２ｂ及びコンタクト層２ｃをこの順に積層し、パターニングして、この積層構造を有するメサストライプ２を形成する。メサストライプ２の下端は基板１の一部を含み下クラッド層２ａを形成する。メサストライプ２の上面にはＳｉＯ₂ マスク１１が形成されている。次いで、有機塩素材料を含む原料ガスを用いたＭＯＣＶＤにより、半絶縁性のＩｎＰ系埋込み層４を堆積する。

図１２（ロ）を参照して、半絶縁性のＩｎＰ系埋込み層４は、メサストライプ２の近傍ではメサストライプ２の側面にメサストライプ２とほぼ同一の厚さに堆積され、上面がメサストライプ２上面とほぼ同一平面をなす平坦部４ａを形成する。一方、メサストライプ２から遠い位置では成長速度が遅く、薄い微成長部４ｃを形成する。そして、平坦部４ａから微成長部４ｃの間に、主として（３１１）面に近い斜面を有する傾斜部４ｂが形成される。その結果、メサストライプ２及びその両側に形成された埋込み層４は、几字状の断面形状を呈する。なお、埋込み層４の断面形状は、メサストライプ２の平面パターン形状に大きくは影響されず、例えば柱状のメサであっても同様の几字状断面を呈する。

図１３は従来の改良された光半導体素子平面図であり、有機塩素材料を含む原料ガスを用いたＭＯＣＶＤにより堆積された半絶縁性のＩｎＰ系埋込み層を用いてメサストライプを埋め込んだ光半導体素子４１を表している。なお、説明を簡潔にするために、図１３には図１４に示す絶縁膜５を除いている。図１４は従来の改良された光半導体素子断面図であり、図１４（イ）及び（ロ）はそれぞれ、図１３のＡＡ’及びＢＢ’断面を表している。

図１３を参照して、改良された光半導体素子４１は、ＩｎＰ基板１上面（主面）に画定されたレーザ形成領域３０及光変調器形成領域２０に、それぞれＤＦＢレーザ３１及び光変調器２１が集積されている。

図１３及び図１２を参照して、改良された光半導体素子４１では、基板１上に上述した光半導体素子４０と同様の層構造を有するメサストライプ２が折線ＣＣ’に沿って形成され、その両側面が半絶縁性のＩｎＰ埋込み層４により埋め込まれている。この埋込み層４は、上述の有機塩素材料含有原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ法により堆積され、メサストライプ２を几字状に埋め込む。従って、埋込み層４は、メサストライプ２の近傍、例えば２０μｍまではメサストライプ２と同じ高さの平坦面を有する平坦部４ａを形成し、その外皺に傾斜部４ｂを介して薄い微成長部４ｃを形成する。

基板１上全面に、メサストライプ２上面及び埋込み層４を被覆する絶縁膜５が形成され、その絶縁膜５にはメサストライプ２上面を表出する開口５ａが開設される。そして、この開口５ａを介してメサストライプ２上面にオーミック接触する電極３１ａ、６が、それぞれレーザ形成領域３０及び光変調器形成領域２０に設けられている。また、これらの電極３１ａ、６と対をなす電極９は、基板１の裏面に設けられる。

レーザ形成領域３０に設けられた電極３１ａは電極パッドを兼ねるため幅広に形成され、メサストライプ２上及び平坦部４ａ直上から傾斜部４ｂ及び微成長部４ｃ上に延在して形成される。一方、光変調器形成領域２０に設けられた電極６は狭幅で、メサストライプ２上及び平坦部４ａの直上に形成される。さらに、電極６へ外部から変調信号を供給するための電極パッド７が、メサストライプ２及び平坦部４ａの外側に延在する傾斜部４ｂ及び微成長部４ｃ上に形成される。

この光半導体素子４１では、電極パッド７が埋込み層４の薄い部分である微成長部４ｃ上に配設されるため、基板１との間の寄生容量が大きく、光変調器２１の高周波特性を劣化させてしまう。なお、レーザ３１の電極３１ａには、レーザ励起用の直流電圧が印加され高周波信号が印加されないのでかかる特性の劣化は起こらない。もちろん、電極３１ａに高周波信号が印加される場合は、電極３１ａの寄生容量が大きいとレーザ３１の高周波特性も劣化するので、電極３１ａは光変調器２１の電極６及び電極パッド７と同様にダミーメサ上に延在して形成することが好ましい。

図１２（ハ）を参照して、埋込み層４の平坦部４ａは堆積時間とともに拡幅する。従って、堆積時間を長くして広い平坦部４ａを形成することができる。しかし、この平坦部４ａを有する埋込み層４を長時間堆積すると、平坦部４ａはメサストライプ２上面より高く堆積されて、メサストライプ２との間に段差が生する。このため、極端に広い平坦部４ａを形成することは好ましくない。また、広い平坦部４ａを形成するには長時間の堆積工程が必要であり、高価な原料ガスの消費が大きい。このため製造コストが大きくなる。さらに、長時間の堆積によるＣＶＤ（化学的気相堆積）装置の損傷が進行する。

ところで、メサストライプ２を絶縁物により平坦に埋め込み、その上に電極３１ａ及び電極パッド７を形成する方法が開示されている。（例えば、特許文献２）。

この方法では、メサストライプに平行するダミーメサストライプを形成し、その間を充填する絶縁物としてポリイミドをスピンコートにより形成する。その後、パターン露光とエッチングによりメサストライプとダミーメサストライプ間にポリイミドを残して他のポリイミドを除去し、さらにポリイミドを平坦化する。電極３１及び電極パッド７は平坦化されたポリイミド上に形成される。しかし、この構造は、製造工程が複雑である。
特開２００６−２２３３００号公報 特開２００１−２４２８０号公報

上述したように、基板上全面に均一な厚さで堆積する埋込み層によりメサストライプを埋め込む従来の光半導体素子では、埋込み層を厚く堆積すると埋込み層がメサストライプ上面に庇状に突出するため、メサストライプ上面に電極を形成することが困難になる。

また、メサストライプの側面を平坦に埋め込む平坦部が形成される埋込み層によりメサストライプを埋め込むと、平坦部の外側の埋込み層に浅い微成長部が形成されるため、この微成長部上に形成される電極パッドの寄生容量が大きくなり光半導体素子の高周波特性が劣化するという問題があった。

さらに、寄生容量を減少するために電極パッドを厚い平坦部上に形成するには、長時間の堆積により平坦部を拡幅しなければならず、原料ガスの消費量が多くコストが高くなる。また、電極パッドを配設できるほどに平坦部を拡幅すると、平坦部とメサストライプ上面との間に大きな段差が生じて電極形成が困難になるという問題も生ずる。

メサストライプに平行にダミーメサストライプを形成し、その間をスピンコートにより塗布されたポリイミドで埋め込み、電極パッドが配設される埋込み層を厚くかつ平坦に形成する従来の平坦化方法では、製造工程が複雑かつ工程数が多くなり高コストになるという問題がある。

本発明は、メサストライプを平坦に埋め込む平坦部を有する埋込み層を用いてメサストライプを埋め込むとともに、メサストライプから離れた電極パッド形成位置の埋込み層を厚く形成することができる光半導体素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の光半導体素子は、基板上に形成された、光導波路層を含むメサストライプと、前記メサストライプの両側を、前記基板上に設けられたメサの側面近傍に形成される前記メサの厚さを有する平坦部と、前記平坦部より前記メサから離れた位置に形成される前記平坦部より薄い微成長部とを有する半絶縁性半導体で埋め込む埋込み層と、前記メサストライプ上面に形成された前記光導波路層に信号電圧を印加する電極と、前記埋込み層上に設けられ、前記電極に接続する電極パッドと、前記基板上の前記電極パッドが設けられる領域に形成され、前記埋込み層により埋め込まれた複数のダミーメサと、を有し、前記電極パッドが前記ダミーメサ及び前記埋込み層上に形成されることを特徴とする。

かかる本発明の埋め込み層として、基板上に形成されたメサの側面を平坦に埋め込む平坦部を有し、前記平坦部の外側に前記平坦部より薄い微成長部を形成するＩｎＰ系半絶縁性半導体からなるメサ埋込み層を用いることができる。

本発明では、電極パッドの形成領域にダミーメサが形成され、そのダミーメサの周りは埋込み層の平坦部により埋め込まれる。即ち、電極パッドは、ダミーメサと平坦部上に形成される。

ダミーメサは微成長部より容易に厚く（メサを高く）形成することができる。また、ダミーメサと平坦部とはほぼ同一の厚さを有するから、その上に形成される電極パッドの寄生容量は、微成長部上に設けられる従来の電極パッドに較べて小さい。従って、優れた高周波特性を有する光半導体素子が実現される。

また、ダミーメサ及び埋込み層は、従来の光半導体素子の製造工程と同一工程で形成することができるので、製造工程の増加又は複雑化は僅かである。

とくに、ダミーメサの層構造をメサストライプと同一にすることが好ましい。これにより、ダミーメサとメサストライプとを同一工程で製造し、製造工程の増加を避けることができる。なお、ダミーメサをメサストライプと異なる層構造としてもよい。このとき、ダミーメサを基板上に堆積される他の層構造を利用してもよく、これにより製造工程の増加を抑えることができる。また、ダミーメサを絶縁性の層構造とすることで、電極パッドの寄生容量をさらに小さくすることができる。このとき、ダミーメサと電極パッドとの間に介在する絶縁層を省略することもできる。

ダミーメサは、ダミーメサの周辺に形成される平坦部が電極パッドより大きくなるように配置することが、電極パッドの寄生容量を小さくするという観点から好ましい。他方、電極パッドの寄生容量を小さくするという観点からは、導電性のダミーメサは小さい（パターン面積が小さい）ほうが好ましい。従って、電極パッド形成領域に小さなダミーメサを複数配置し、その間を平坦部で埋め込むことが好ましい。これにより、電極パッド下に存在するダミーメサの面積を最小限にとどめ、ダミーメサと電極パッド間の寄生容量を最小にすることができる。

この場合の平坦部には、ダミーメサとほぼ同一厚さの本来の平坦部の他に、多少の傾斜部が存在していてもよい。多少の傾斜部は、複数のダミーメサの周囲に形成された複数の平坦部の間に電極パットの形成には支障が無い程度の僅かな窪みを形成するのみで、電極パッドの製造工程に問題を生じない。また、平坦部の上面がダミーメサの上面より高いものであっても、その高さの差が電極パッドの形成に支障がない程度であれば差し支えない。

ダミーメサは、ストライプ状のダミーメサストライプであっても、又は柱状のダミーメサであってもよい。複数のダミーメサストライプをメサストライプと平行に配置すると、それらの間の埋込み層が均一に形成されるので、電極及び電極パッドの形成面が容易に平坦化される。また、柱状のダミーメサを６回対称位置に配置することで、ダミーメサ間を最も狭幅の平坦部で埋め込むことができる。このとき、短時間でダミーメサ間を埋め込む埋込み層を堆積することができるので、製造コストが低減される。

本発明によれば、電極パッド直下の埋込み層を、ダミーメサとほぼ同じ厚さの埋込み層とすることができるので、電極パッドの寄生容量が小さく優れた高周波特性を有する光半導体素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態はレーザと光変調器を集積した光半導体素子に関し、ダミーメサストライプをメサストライプに平行に配置した光半導体素子に関する。

図１は本発明の第１実施形態光半導体素子平面図である。図２は本発明の第１実施形態光半導体素子断面図であり、図２（イ）及び（ロ）はそれぞれ図１中のＡＡ’断面及びＢＢ’断面を表している。なお、図１は、説明を明瞭にするため、図２に示す絶縁膜５を除いて描いている。

図１を参照して、本第１実施形態に係る光半導体素子４２は、（１００）を主面とするｎ型ＩｎＰ基板１上に互いに隣接するレーザ形成領域３０及び光変調器形成領域２０が画定され、それぞれの領域３０、２０にＤＦＢ半導体レーザ３１及び光変調器２１が形成されている。この両領域３０、２０を通る１本のメサストライプ２が形成されており、そのメサストライプ２の両側面は半絶縁性のＩｎＰ埋込み層４により埋め込まれている。この埋込み層４は、メサストライプ２に接する近傍に上面がメサストライプ２とほぼ同一面をなす厚さ３μｍ、幅が片側ほぼ２０μｍの平坦部４ａが形成され、さらにその平坦部４ａの外側には傾斜部４ｂ（図２参照）を介して厚さ０．１μｍ程度の微成長部４ｃが形成されている。

図１及び図２を参照して、メサストライプ２は、下側から順に、基板１の一部からなる厚さ０．９μｍのｎ型ＩｎＰ下クラッド層２ａ、厚さ０．３μｍの光導波路層３、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰ上クラッド層２ｂ、厚さ０．３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２ｃからなる厚さ３μｍの積層構造を有する。

メサストライプ２は、レーザ形成領域３０では［０１１］方向に延在し、光変調器形成領域２０では［０１１］から例えば５〜１０度傾いた方向に延在する。光変調器形成領域２０のメサストライプ２の延在方向を傾けるのは、光半導体素子４２の端面に対してメサストライプ２を斜めに交差させることで端面での反射を小さくするためである。

光導波路層３は、組成の異なるＧａＩｎＡｓＰから構成された６層の井戸層と７層の障壁層の上下にＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を含むｉ型多重量子井戸層からなる。この光導波路３の多重量子井戸構造は、レーザ形成領域３０では光増幅利得を有する活性層を形成し、光変調器形成領域２０では吸収端がレーザ波長近傍にあり印加電圧によりレーザ光を変調するように形成される。

光変調器形成領域２１内のメサストライプ２の近くに、電極パッド７が形成される領域が設けられ、そこにメサストライプ２と平行に延在する複数のダミーメサストライプ８が形成される。ダミーメサストライプ８のは、光変調器２１を構成するメサストライプ２と同一層構造を有し、後述するようにメサストライプ２と同時に形成される。

ダミーメサストライプ８は、メサストライプ２を埋め込む埋込み層４により同時に埋込み層４により埋め込まれる。この結果、ダミーメサストライプ８とメサストライプ２の間及び平行に延在する複数のダミーメサストライプ８の間は、ダミーメサストライプ８及びメサストライプ２の上面と同じ高さの平坦面を有する埋込み層４の平坦部により埋め込まれる。

図１及び図２を参照して、メサストライプ２、ダミーメサストライプ８及び埋込み層４の上面に絶縁膜５が形成され、その上に、ＤＦＢレーザ３１の電極３１ａ、及び光変調器２１の電極６並びに電極パッド７が形成されている。絶縁膜５にはレーザ形成領域３０及び光変調器形成領域２０上に形成されたメサストライプ２の上面を表出する開口５ａがそれぞれの領域３０、２０に開設されている。ＤＦＢレーザ３１の電極３１ａ及び光変調器２１の電極６は、この開口５ａを通してメサストライプ２上面のコンタクト層２ｃにオーミック接触する。

ＤＦＢレーザ３１の電極３１ａは、メサストライプ２上面及び埋込み層４の平坦部４ａ上面に形成され、さらに埋込み層４の傾斜部４ｂ上を経て微成長部４ｃ上に延在して設けられる。この微成長部４ｃの厚さは０．１μｍ程度と薄いため、電極３１ａと基板１間の静電容量は大きい。しかし、この光半導体素子４２では、電極３１ｂにはレーザ３１励起用の直流電圧が印加され、高周波信号は印加されないので、電極３１ａの寄生容量が大きくても差し支えない。

光変調器２１の電極６は、狭幅の細長の長方形をなし、メサストライプ２上面及び埋込み層４の平坦部４ａ上面に形成される。メサストライプ２及び平坦部４ａは厚さがほぼ３μｍと厚いので、この上に形成される電極６の寄生容量は小さい。

光変調器２１の電極６に接続する電極パッド７は、ダミーメサストライプ８及びその間を埋め込む埋込み層４の平坦部４ａ上に厚さ０．８μｍの絶縁膜５を介して設けられる。ダミーメサストライプ８及び平坦部４ａは、厚さがメサストライプ２と同じ厚さでほぼ３μｍと厚いので、その上に形成される電極パッド７の寄生容量は、厚さ０．１μｍ程度の微成長部４ｃ上に設ける従来の電極パッドに比べて大幅に減少している。このため、電極パッド７の寄生容量に起因する高周波信号の減衰は小さく、優れた高周波特性を有する光変調器２１が実現される。

図２（ロ）を参照して、ダミーメサストライプ８は、メサストライプ２と同じ層構造であり導電性を有する。従って、この部分の寄生容量は、ダミーメサストライプ８と電極パッド７間に介在する絶縁膜５を容量誘電体とするコンデンサの容量として定まる。このため、電極パッド７の寄生容量を小さくするには、ダミーメサストライプ８の幅を狭くすることが好ましい。しかし、狭幅のダミーメサストライプ８は加工し難く製造が難しいので、ダミーメサストライプ８の幅は０．５μｍ以上とすることが好ましい。とくに、メサストライプと同時に容易に加工するには、１μ以上であることが好ましい。しかし、２μｍを超えると寄生容量の増加が無視し得なくなるので、ダミーメサストライプ８の幅は２μｍ以下とすることが望ましい。

ダミーメサストライプ８間の間隔（距離）は、広いほど電極パッド７の寄生容量が小さくなるので好ましい。しかし、間隔を広くすると、その間を平坦部４ａで埋め込む時間、即ち埋込み層４の堆積時間が長くなりコスト増加をもたらす。このため、ダミーメサストライプ８間の間隔は５０μｍ以下とすることが望ましい。一方、間隔が狭くなると寄生容量が増加して電極パッド７の寄生容量の減少の効果が小さくなるので、実用上は、ダミーメサストライプ８間の間隔を１０μｍ以上とすることが望ましい。

例えば、２〜３時間の堆積時間で幅１５μｍの平坦部４ａを形成することができる。この場合、ダミーメサストライプ８間の間隔を３０μｍ以下にすることで、ダミーメサストライプ８間は平坦に埋め込まれる。このとき、間隔を１０μｍと小さくすると、平坦部４ａの厚さは僅かに増加するが、その増加は僅かで、ダミーメサストライプ８と平坦部４ａ間生ずる段差は小さく電極パッド７形成に支障はない。

逆に、間隔を４０μｍ程度に広げると、隣接するダミーメサストライプ８の中央に幅１０μｍ程度の傾斜部４ｂから形成された窪みが形成される。かかる窪みは、電極パッド７の形成に悪影響を及ぼし、かつ寄生容量を増加するので好ましくない。このため、ダミーメサストライプ８間の間隔を平坦部４ａの幅の２倍以上とするときは、窪みの幅が１０μｍ以下となるようにすることが好ましい。この程度の幅の窪みなら、電極パッド７の形成に大きな支障を来さないし、電極バッド７の寄生容量の増加も許容することができる程度である。

上述したダミーメサストライプ８は、全てのダミーメサストライプ８の間隔を均等に設けることが、最小の堆積時間で平坦部４ａを形成できることから好ましい。しかし、ダミーメサストライプ８の間隔を不均等に形成しても、平坦部４ａの高さが電極パッド７の形成に差し支えない程度であれば不均等にすることもできる。

次に、上述した第１実施形態の光半導体素子４２の製造方法を説明する。

図３は本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程断面図、図４は本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の平面図（その１）、図５は本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の断面図（その１）、図６は本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の断面図（その２）、図７は本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の平面図（その２）であり、図３〜図５はメサストライプ２及びダミーメサストライプ８の形成までの工程を、図６及び図７は埋込み層４の形成工程を表している。なお、図３は図１中の線分ＣＣ’位置での断面を、図５（イ）及び図６（イ）は図１中の線分ＡＡ’位置での断面を、及び、図５（ロ）及び図６（ロ）は図１中の線分ＢＢ’位置での断面を表している。また、図４及び図７中の線分ＡＡ’、ＢＢ’、ＣＣ’は、それぞれ図１中の同符号の線分に対応している。

図３（イ）を参照して、まず、（１００）を主面とするｎ型ＩｎＰ基板１の主面上に、ＭＯＣＶＤ法により下から順にレーザ３１の活性層となる光導波路層３ａ及び上クラッド層２ｂの下層となるｐ型ＩｎＰ上クラッド層下部２ｂ−１を堆積する。この光導波路層３ａは、上下にＳＣＨ層が設けられたＧａＩｎＰからなる多重量子井戸層からなる。

次いで、上クラッド層下部２ｂ−１の上に、レーザ形成領域３０を覆い光変調器形成領域２０を表出するＳｉＯ₂ マスク１２を形成する。次いで、マスク１２を用いたエッチングにより、基板１をエッチングストッパとして、光変調器形成領域２０上に形成された上クラッド層下部２ｂ−１及び光導波路層３ａをエッチングして除去する。

次いで、図３（ロ）を参照して、マスク１２を用いたＭＯＣＶＤ法により、光変調器形成領域２０上に、光変調器２１の吸収層となる光導波路層３ｂを堆積し、その上に上クラッド層下部２ｂ−１と同一材料からなる同一厚さの上クラッド層下部２ｂ−２を堆積する。光導波路層３ｂは組成比が異なる他、層構造及び層厚は光導波路層３ａと同様である。

次いで、図３（ハ）を参照して、マスク１２を除去し、上クラッド層下部２ｂ−１、２ｂ−２上に、ＭＯＣＶＤ法により上クラッド層上部２ｂ−３を堆積する。これにより、上クラッド層上部２ｂ−３及び上クラッド層下部２ｂ−１、２ｂ−２からなるｐ型ＩｎＰ上クラッド層２ｂが形成される。続けて、上クラッド層２ｂ上に，ｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層２ｃを堆積する。

次いで、図３（ニ）を参照して、コンタクト層２ｃ上に、メサストライプ２及びダミーメサストライプ８を画定するＳｉＯ₂ マスク１１を形成する。次いで、マスク１１を用いたドライエッチングにより、コンタクト層２ｃ、上クラッド層２ｂ、光導波路層３及び基板１の上層をパターニングして、メサストライプ２及びダミーメサストライプ８を形成する。このときパターニングされた基板１上層は、下部クラッド層２ａとしてメサストライプ２及びダミーメサストライプ８の一部を構成する。

この工程により形成されたメサストライプ２は、図４及び図５を参照して、レーザ形成領域３０では［０１１］方向に延在する直線状をなし、光変調器形成領域２０では［０１１］から傾いた直線状に形成される。即ち、メサストライプ２は、線分ＣＣ’に沿ってレーザ形成領域３０近傍の光変調器形成領域２０内で折曲して延在するように形成される。

ダミーメサストライプ８は、光変調器形成領域２０内に、メサストライプ２に平行に複数本、例えば５本形成される。ダミーメサストライプ８間の距離及びダミーメサストライプ８とメサストライプ２間の距離は等間隔とした。

次いで、有機塩素材料を含む原料ガスを用いたＭＯＣＶＤ法により、半絶縁性ＩｎＰ埋込み層４を堆積する。原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＰＨ₃ （ホスフィン）の混合ガスにＣｐ₂ Ｆｅ（フェロセン）及び有機塩素材料として１、２−ジクロロエチレンを添加したものを用いた。この原料ガスは、［０１１］方向に延在するメサストライプ２を平坦に埋め込むのに適している。

図６を参照して、埋込み層４は、メサストライプ２の両側にメサストライプ２上面とほぼ同一平面をなし（１００）面を上面とする平坦部４ａを形成する。メサストライプ２から離れた領域では非常に薄い微成長部４ｃを形成し、平坦部４ａと微成長部４ｃの間は（３１１）Ｂ面を主要面とするなだらかに薄くなる傾斜部４ｂにより接続される。この微成長部４ｃは、厚さ３μｍの平坦部４ａに対し非常に薄く，例えば０．１μｍ程度である。従って、図６（イ）を参照して、メサストライプ２が単独で形成されているレーザ形成領域３０では、メサストライプ２とそれを埋め込む埋込み層４の断面は几字状をしている。

図６（ロ）を参照して、ダミーメサストライプ８が形成された光変調器形成領域２０では、メサストライプ２及びダミーメサストライプ８の間はメサストライプ２及びダミーメサストライプ８とほぼ同じ高さの（１００）面からなる平坦面を上面とする平坦部４ａにより埋め込まれる。また、ダミーメサストライプ８が形成されていない側のメサストライプ２の外側、及び、最外側のダミーメサストライプ８の外側には、レーザ形成領域３０と同じ幅を有する平坦部４ａが形成される。

その結果、図７を参照して、メサストライプ２の両側に一定幅の帯状に平坦部４ａが形成され、さらにメサストライプ２とダミーメサストライプ８の間、ダミーメサストライプ８の間及びその周囲の一定幅の範囲に、これらのメサストライプ２、８を含めて平坦な上面を有する平坦部４ａが形成される。なお、図７はマスク１１を除去して描かれている。

次いで、マスク１１をエッチングして除去する。図１及び図２を参照して、その後、基板１上全面にＳｉＯ₂ からなる絶縁膜５を形成し、レーザ形成領域３０及び光変調器形成領域２０にそれぞれ電極３１ａ、６のオーミック接触領域を画定する開口５ａを開設する。

次いで、開口５ａを埋め込み基板１上全面に電極材料を堆積し、これをパターニングしてレーザ３１の上電極３１及び光変調器２１の上電極６を形成し、同時にダミーメサストライプ８とこれを埋め込む平坦部４ａの上に電極６と接続する電極パッド７を形成する。次いで、基板１の下面に下電極９を形成し、光半導体素子４２が製造される。

この光半導体素子４２の電極パッド７及び電極６を合わせた寄生容量は、ダミーメサストライプ８が形成されない従来の光半導体素子４１の場合の７０％であった。

図８は本発明の第１実施形態変形例断面図であり、図８（イ）及び（ハ）は図１中のＡＡ’断面を、図８（ロ）及び（ニ）は図１中のＢＢ’断面を表している。本変形例は、第１実施形態の埋込み層４の堆積時間を長く又は短くした例である。

図８（イ）及び（ロ）を参照して、上述した第１実施形態の製造方法において、埋込み層４の堆積時間を長くすると、メサストライプ２を埋め込む平坦部４ａの幅が広くなる。一方、ダミーメサストライプ８の間を埋め込む埋込み層４ａ（平坦部４ａ）はメサストライプ２の上面より高くなる。このとき、平坦部４ａの上面（００１）面とマスク１１との境に（１１１）面が表出し、平坦部４ａの上面は台形断面に形成される。

従って、電極パッド７を形成しても、段差による電極パッド７の破断は実際上無視することができる。このようにすることで、電極パッド７の寄生容量をさらに減少することができる。もちろん、電極パッド７の破断を生ずるほど段差を大きくすることはできない。また、あまり長時間の堆積を行うと、マスク１１上に張り出すように埋込み層４が堆積するため、電極パッド７の破断を招き好ましくない。

図８（ハ）及び（ニ）を参照して、上述した第１実施形態の製造方法において、埋込み層４の堆積時間を短くすると、メサストライプ２及びダミーメサストライプ８間を埋め込む平坦部４ａの幅が狭くなる。その結果、ダミーメサストライプ８の間が平坦部4aで満たされず、中央部に傾斜部４ｂからなる溝１０が形成される。

かかる溝１０は、電極パッド７寄生容量の増加につながるので好ましくない。しかし、その寄生容量の増加が許容範囲あるならば、溝１０が存在しても差し支えない。ただし、溝１０の段差で電極パッド７が破断しない程度の深さの溝１０でなければならない。この変形例では、短い堆積時間でダミーメサストライプ８を埋め込む埋込み層４を形成することができるので製造コストを低減することができる。

本発明の第２実施形態は柱状のダミーメサ８ａを用いた光半導体素子４３に関する。

図８は本発明の第２実施形態光半導体素子平面図である。図８を参照して、第１実施形態のダミーメサストライプ８が形成された領域に、２μｍ角の正方形水平断面を有する柱状ダミーメサ８ａが形成されている。このダミーメサ８ａは、メサストライプ２と同じ層構造を有し、互いに６回対照点に位置するように配置されている。埋込み層６の平坦部４ａは、ダミーメサ８ａの周りにほぼ円形に形成される。このとき、この配置では円形に形成された平坦部４ａが稠密に配置されるので、最も短い堆積時間で平坦部４ａによるダミーメサ８ａ間の埋め込みを行うことができる。もちろん、かかる配置に限られず、必要ならば他の配置、例えば格子状あるいは散点状に配置してもよい。なお、ダミーメサ８ａの水平断面形状は、正方形に限らず他の形状、例えば三角形、矩形、円形、長円形等とすることができる。

本第2 実施形態の光半導体素子４３は、第１実施形態と比較して、電極パッド直下に存在する導電性を有するダミーメサ８ａの面積が小さくすることができる。従って、電極パッド７の寄生容量は小さく、電極パッド７及び電極６の寄生容量は従来の光半導体素子４１の６０％程度であった。その結果、優れた高周波特性を有する光変調器２１が実現された。

上述した第１及び第２実施形態では、ダミーメサストライプ８及びダミーメサ８ａは、メサストライプ２を構成する層と同一層を同時にパターニングすることで形成された。しかし、ダミーメサストライプ８及びダミーメサ８ａをメサストライプ２と異なる層から形成することもできる。このとき、ダミーメサストライプ８等を半絶縁性の半導体層とすることで、電極パッド７の寄生容量をより低減することができる。半絶縁性の半導体層が他の素子で用いられる場合は、ダミーメサストライプ８等のパターニングをメサストライプ２の形成と同時に行うことで製造工程の増加を回避することができる。

なお、第1 及び第2 の実施形態で埋込み層４の堆積に用いられる有機塩素材料には、上述した１、２−ジクロロエチレンの他に、例えば塩化エチル、塩化メチル、１、２−ジクロロエタン及び１、２−ジクロロプロパンを用いることができる。さらに、半絶縁性ＩｎＰ埋込み層４に代えて、ＲｕドープＩｎＰ又はＴｉドープＩｎＰを用いても良い。

以上、本発明を変調器に適用した実施形態を説明したが、本発明は埋込み層上に電極又は電極パッド有する光半導体素子、例えば受光素子の電極及び電極パッド、あるいは光スイッチに用いられるマッハツェンダー型干渉器の屈折率を制御する電極及び電極パッドに適用することもできる。また、レーザアレイ、複数の光変調器、合波器及び光増幅器を集積した光半導体素子４０に提要することもできる。

上述したように本明細書には、以下の付記記載の発明が開示されている。
（付記１）基板上に形成された、光導波路層を含むメサストライプと、
前記メサストライプの両側を平坦に埋め込む埋込み層と、
前記メサストライプ上面に形成された前記光導波路層に信号電圧を印加する電極と、
前記埋込み層上に設けられ、前記電極に接続する電極パッドとを有する光半導体素子において、
前記基板上の前記電極パッドが設けられる領域に形成されたダミーメサと、
前記ダミーメサを平坦に埋め込む前記埋込み層とを有し、
前記電極パッドが前記ダミーメサ及び前記埋込み層上に形成されることを特徴とする光半導体素子。
（付記２）複数の前記ダミーメサが形成され、
前記埋込み層は、前記ダミーメサ間及び前記ダミーメサと前記メサストライプ間とを平坦に埋め込むことを特徴とする付記１記載の光半導体素子。
（付記３）前記ダミーメサは前記メサストライプと同一層構造を有し、前記電極パッドは絶縁膜を介して前記ダミーメサ及び前記埋込み層上に形成されることを特徴とする付記１又は２記載の光半導体素子。
（付記４）前記ダミーメサは、前記メサストライプに平行して延在する複数のダミーメサストライプからなることを特徴とする付記１、２又は３記載の光半導体素子。
（付記５）前記ダミーメサは、互いに６回回転対称位置に配置された柱状メサからなることを特徴とする付記１、２、又は３記載の光半導体素子。
（付記６）前記基板上に形成された半導体レーザと、
前記半導体レーザを構成する活性層及び前記活性層からレーザ光が導入される前記光導波路層を含む前記メサストライプと、
前記光導波路層に導入された前記レーザ光を前記電極に印加した信号電圧により変調する光変調器とを備えることを特徴とする付記１、２、３、４又は５記載の光半導体素子。
（付記７）基板上に光導波路を含むメサストライプを形成する工程と、
前記基板上の前記メサストライプの外側に隣接するパッド形成領域に、複数のダミーメサを形成する工程と、
前記メサストライプ及び前記ダミーメサの側面を半絶縁性の埋込み層により埋め込む工程と、
前記メサストライプ上に開口を有する絶縁膜を前記メサストライプ、前記ダミーメサ及び前記埋込み層上に形成する工程と、
前記絶縁膜に形成された開口を埋め込み前記メサストライプの上面に電極を形成すると同時に、前記パッド形成領域に位置する前記絶縁膜上に、前記電極に接続された前記電極パッドを形成する工程とを有する光半導体素子の製造方法。
（付記８）前記メサストライプ及び前記ダミーメサを、同一の半導体積層膜のパターニングにより形成することを特徴とする付記７記載の光半導体素子の製造方法。
（付記９）前記埋込み層を、有機塩素含有ガスを含む原料ガスを用いた有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により形成することを特徴とする付記７又は８記載の光半導体素子の製造方法。

本発明を高周波信号を電極に印加する光半導体素子、例えば光変調器又は光スイッチに適用して、高速動作する光半導体素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態光半導体素子平面図 本発明の第１実施形態光半導体素子断面図 本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程断面図 本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の平面図（その１） 本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の断面図（その１） 本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の断面図（その２） 本発明の第１実施形態光半導体素子製造工程途中の平面図（その２） 本発明の第１実施形態変形例断面図 本発明の第２実施形態光半導体素子平面図 従来の光半導体素子平面図 従来の埋込み層断面図 有機塩素材料含有ガスを用いた埋込み層堆積工程断面図 従来の改良された光半導体素子平面図 従来の改良された光半導体素子断面図

符号の説明

１ 基板
２ メサストライプ
２ａ 下クラッド層
２ｂ 上クラッド層
２ｂ−１、２ｂ−２ 上クラッド層下部
２ｂ−３ 上クラッド層上部
２ｃ コンタクト層
３、３ａ、３ｂ 光導波路層
４ 埋込み層
４ａ 平坦部
４ｂ 傾斜部
４ｃ 微成長部
５ 絶縁膜
５ａ 開口
６ 電極
７ 電極パッド
８ ダミーメサストライプ
８ａ ダミーメサ
９ 下電極
１０ 窪み
１１ マスク
１２ マスク
２０ 光変調器形成領域
２１、４０−２ 光変調器
３０ レーザ形成領域
３１、４０−１ レーザ
４０、４１、４２、４３ 光半導体素子
４０−３ 合波器
４０−４ 光増幅器

Claims (5)

1. 基板上に形成された、光導波路層を含むメサストライプと、
   前記メサストライプの両側を、前記基板上に設けられたメサの側面近傍に形成される前記メサの厚さを有する平坦部と、前記平坦部より前記メサから離れた位置に形成される前記平坦部より薄い微成長部とを有する半絶縁性半導体で埋め込む埋込み層と、
   前記メサストライプ上面に形成された前記光導波路層に信号電圧を印加する電極と、
   前記埋込み層上に設けられ、前記電極に接続する電極パッドと、
   前記基板上の前記電極パッドが設けられる領域に形成され、前記埋込み層により埋め込まれた複数のダミーメサと、を有し、
   前記電極パッドが前記ダミーメサ及び前記埋込み層上に形成されることを特徴とする光半導体素子。
2. 前記ダミーメサは、前記メサストライプに平行して延在する複数のダミーメサストライプからなることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 前記ダミーメサは、互いに６回回転対称位置に配置された柱状メサからなることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
4. 前記基板上に形成された半導体レーザと、
   前記半導体レーザを構成する活性層及び前記活性層からレーザ光が導入される前記光導波路層を含む前記メサストライプと、
   前記光導波路層に導入された前記レーザ光を前記電極に印加した信号電圧により変調する光変調器とを備えることを特徴とする請求項１、２又は３記載の光半導体素子。
5. 基板上に光導波路を含むメサストライプを形成する工程と、
   前記基板上の前記メサストライプの外側に隣接するパッド形成領域に、複数のダミーメサを形成する工程と、
   前記基板上に設けられたメサの側面近傍に前記メサの厚さの平坦部が堆積し、かつ前記平坦部より前記メサから離れた位置に前記平坦部より薄い微成長部が堆積する堆積方法を用いて、前記メサストライプ及び前記ダミーメサの側面を半絶縁性の埋込み層により埋め込む工程と、
   前記メサストライプ上に開口を有する絶縁膜を前記メサストライプ、前記ダミーメサ及び前記埋込み層上に形成する工程と、
   前記絶縁膜に形成された開口を埋め込み前記メサストライプの上面に電極を形成すると同時に、前記パッド形成領域に位置する前記絶縁膜上に、前記電極に接続された前記電極パッドを形成する工程とを有する光半導体素子の製造方法。

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