JP4983790B2

JP4983790B2 - 光半導体装置とその製造方法

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Publication number: JP4983790B2
Application number: JP2008501498A
Authority: JP
Inventors: 幹高田; 剛之山本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-02-20
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Description

本発明は、光半導体装置とその製造方法に関する。

近年、光ファイバを用いた光通信網は拡大の一途を辿っており、その光通信に用いられる光源として、低コスト且つ高温特性に優れた半導体レーザが望まれている。

従来、波長１．３μm帯や１．５５μm帯の半導体レーザの活性層としては、InGaAsP系の多重量子井戸構造、すなわちバリア層としてInGaAsP層を形成した多重量子井戸構造が用いられていた。

これに対し、近年では、InGaAsP系の多重量子井戸構造よりも伝導帯のバンドオフセットΔEcが深く、且つ価電子帯のバンドオフセットΔEvが浅いAlGaInAs系の多重量子井戸構造、すなわちバリア層としてAlGaInAs層を形成した多重量子井戸構造が注目されつつある。

このようなAlGaInAs系の多重量子井戸構造を活性層として採用した半導体レーザについては特許文献１に開示されている。

図１は、その特許文献１に開示される光半導体装置のエネルギバンド図である。

この光半導体装置では、n型InP基板の上に、n型InPよりなる下部クラッド層２、InGaAsPよりなる下部光ガイド層３、AlGaInAs系の多重量子井戸構造の活性層４、InGaAsPよりなる上部光ガイド層５、及びp型InPよりなる上部クラッド層６が形成される。

このうち、活性層４は、InGaAsPよりなる量子井戸層４ａとAlGaInAsよりなるバリア層４ｂとを交互に積層してなる。

図1に示されるように、AlGaInAs系の多重量子井戸構造では、既述のように価電子帯のバンドオフセットΔEcが深く、且つ伝導帯のバンドオフセットΔEvが浅い。

このように価電子帯のバンドオフセットΔEcが深いため、n側（下部クラッド層２側）から活性層４に注入された電子Eが量子井戸層４ａに効率よく閉じ込められる。その結果、高温の環境下でも電子Eが量子井戸層４からオーバーフローするのが抑制される。また、伝導帯のバンドオフセットΔEvが浅いので、p側（上部クラッド層６側）から活性層４に注入されたホールHが全ての量子井戸層４ａに均一に行き渡るようになり、活性層４の全ての部分における発光効率を高めることができる。、これにより、ペルチェ素子のような冷却素子を用いなくても高温においてレーザの発振効率が低下するのを防止することができ、不要となった冷却素子の分だけコストダウンを図ることができる。

上記のようなAlGaInAs系の多重量子井戸構造を活性層として用いた半導体レーザについては、特許文献２にもその一例が開示されている。

特許文献２の光半導体装置では、図１で示した特許文献１の構造において、下部光ガイド層３と上部光ガイド層５とを共にAlGaInAsで構成している。

図２は、特許文献２の光半導体装置のエネルギバンド図である。特許文献２においては、光ガイド層３、５に組成波長が１．２５μmで厚さが７０nmのAlGaInAs層を形成し、活性層４の井戸層４ａに0.6%圧縮歪で厚さが４．５nmのInGaAs層、バリア層４ｂには無歪の組成波長１．２５μm、厚さ１３nmのAlGaInAs層を用いている。

図２に示されるように、このように上部光ガイド層５としてAlGaInAs層を形成すると、上部InPクラッド層６と上部光ガイド層５の価電子帯のポテンシャル障壁ΔEが大きくなる。例えば、上部光ガイド層５の組成波長を１．２５μmとした場合、そのポテンシャル障壁ΔEは２８０meV程度の大きな値となる。このようにポテンシャル障壁ΔEが大きいと、順方向電圧を印加した際に、点線で示されるような深いポテンシャルスパイクVが発生し、このポテンシャルスパイクによって上部クラッド層６から活性層４へのホールHの注入が妨げられ、発光効率が低下するという問題がある。

その他に、本発明に関連する技術が特許文献３にも開示されている。
特開平８−１２５２６３号公報特表平１１−５０６２７３号公報特開平８−１７２２４１号公報

本発明の目的は、従来よりも発光効率が高められた光半導体装置とその製造方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、互いに接した第１領域と第２領域とを有するInP基板と、前記基板と、前記基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に該下部クラッド層に接して形成されたAlGaInAsよりなる下部光ガイド層と、前記下部光ガイド層上に形成され、井戸層とAlGaInAsよりなるバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成されたInGaAsPよりなる上部光ガイド層と、前記上部光ガイド層上に該上部光ガイド層に接して形成されたInPよりなる上部クラッド層とを備え、前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層が前記第１領域に選択的に形成された第１光半導体素子と、前記第２領域における前記下部クラッド層上に、前記第１光半導体素子に接して形成された前記第２光半導体素子とを有することを特徴とする光半導体装置が提供される。

本発明によれば、上部光ガイド層をInGaAsPで構成したので、上部光ガイド層をAlGaInAsで構成する場合と比較して、上部光ガイド層と上部クラッド層との価電子帯におけるポテンシャル障壁が小さくなる。そのため、上部光ガイド層をAlGaInAsで構成する場合に見られるような価電子帯のポテンシャルスパイクを解消することができ、ポテンシャルスパイクに邪魔されること無く上部クラッド層から活性層にキャリアを効率良く注入することが可能となり、活性層における発光効率を高めることができるようになる。

また、本発明の別の観点によれば、互いに接した第１領域と第２領域とを有するInP基板上に、InPよりなる下部クラッド層、AlGaInAsよりなる下部光ガイド層、井戸層とAlGaInAsよりなるバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層、InGaAsPよりなる上部光ガイド層、及びInPよりなる上部クラッド層を順に形成する工程と、前記第１領域における前記上部クラッド層上に、マスク層を選択的に形成する工程と、前記マスク層で覆われていない第２領域の少なくとも前記上部クラッド層を選択的にエッチングする工程と、ウエットエッチングにより、前記マスク層で覆われていない第２領域の少なくとも前記活性層、及び前記下部光ガイド層を選択的に除去して、前記第１領域に、少なくとも前記基板、前記下部クラッド層、前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層で構成される第１光半導体素子を残す工程と、前記ウエットエッチングの後に、前記第２領域における前記下部クラッド層上に、前記第１光半導体素子と接する第２光半導体素子を形成する工程と、前記マスク層を除去する工程と、を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、下部光ガイド層と、多重量子井戸構造の活性層を構成するバリア層とを共にAlGaInAsで構成する。従って、ウエットエッチングにより第２領域の活性層と下部光ガイド層を選択的に除去する工程において、活性層と下部光ガイド層とが実質的に同じエッチング速度でエッチングされることになる。そのため、このエッチングを終了した後でも、活性層の側面が下部光ガイド層の側面よりも大きく後退するのが避けられる。その結果、第１光半導体素子と接する第２光半導体素子を第２領域に形成する工程において、後退した活性層の側面に起因したボイドが第２光半導体素子を構成する層に形成されず、第１光半導体素子の各層と良好に接するように第２光半導体素子を形成することが可能となり、第１、第２光半導体素子間の光信号の授受にロスが発生するのを防止できる。

図１は、特許文献１に開示される光半導体装置のエネルギバンド図である。図２は、特許文献２に開示される光半導体装置のエネルギバンド図である。図３は、本願発明者が行った実験について説明するための工程断面図（その１）である。図４は、本願発明者が行った実験について説明するための工程断面図（その２）である。図５は、本願発明者が行った実験について説明するための工程断面図（その３）である。図６は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。図７は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。図８は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。である。図９は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。図１０は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。図１１は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その６）である。図１２は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その７）である。図１３は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その８）である。図１４は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その９）である。図１５は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置が備える第１光半導体素子のエネルギバンド図である。図１６は、上部光ガイド層としてp型InGaAsP層を形成したレーザ素子Aと、上部光ガイド層としてp型AlGaInAs層を形成したレーザ素子Bのそれぞれの電流−光出力特性を示すグラフである。図１７は、本発明の第２実施形態に係る光半導体装置のエネルギバンド図である。図１８は、本発明の第３実施形態に係る光半導体装置の断面図である。図１９は、本発明の第４実施形態に係る光半導体装置の断面図である。図２０は、本発明の第５実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

（１）実験結果についての説明
本発明の実施の形態の前に、本願発明者が行った実験について説明する。

光半導体装置では、異種の光半導体素子同士、例えばレーザと半導体光変調器とを共通基板上に形成する場合がある。このような光半導体装置は、一方の光半導体素子を他方の光半導体素子にバットジョイント成長して形成することが、それぞれの素子を個別に最適化するためには望ましい。

本願発明者は、特許文献１に開示されるような、AlGaInAs系多重量子井戸構造の活性層とInGaAsPよりなる光ガイド層との積層構造を有する半導体レーザに、別の光半導体素子をバットジョイント成長するとどのような不都合が発生するのかを実験した。

図３〜図５は、この実験について説明するための工程断面図である。

この実験においては、上記したバットジョイント成長により、基板の第１領域Iに半導体レーザを形成すると共に、この半導体レーザとは異種の光半導体装置を第２領域IIに形成しようと試みた。

なお、図３〜図５において、第１断面は、第１領域Iに形成される半導体レーザの共振器方向に垂直な断面であり、第２断面は共振器方向の断面である。

最初に、図３に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

まず、n型InP基板１０上に、n型InPよりなる下部クラッド層１１、InGaAsPよりなる下部光ガイド層１２、AlGaInAs系の多重量子井戸構造を有する活性層１３、InGaAsPよりなる上部光ガイド層１４、及びp型InPよりなる上部クラッド層１５をこの順にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により形成する。

次に、図４に示すように、上部クラッド層１５の全面に、例えば熱CVD法等により酸化シリコン層を形成した後、フォトリソグラフィ等によりその酸化シリコン層をパターニングして第１領域Iのみにマスク層１６として残す。

ここで、上記した各層１１〜１５は、第１領域Iに形成される半導体レーザを構成するものであり、第２領域IIに形成される他の光半導体素子、例えば光変調器には不要の層である。

そこで、次の工程では、図５に示すように、マスク層１６をマスクにして、第２領域IIにおける上部クラッド層１５から下部クラッド層１２までをウエットエッチングする。

そのウエットエッチングは、次のような２ステップのエッチングにより行われる。

第１ステップのエッチングでは、エッチング液として塩酸を用い、p型InPよりなる上部クラッド層１５をエッチングする。InGaAsPよりなる上部光ガイド層１４は、塩酸に対するエッチング速度が上部クラッド層１５よりも遅いので、第１ステップのエッチングでは実質的に上部クラッド層１５のみがエッチングされ、上部光ガイド層１４はそのエッチングのストッパとなる。

次の第２ステップのエッチングでは、硫酸、過酸化水素水、及び水の混合液をエッチング液として、上部光ガイド層１５から下部光ガイド層１２までをエッチングする。

なお、エッチングされた各層の側面は、点線円内に示されるように、垂直方向から傾斜した面となる。

ここで、AlGaInAs系の活性層１３は、その下のInGaAsPよりなる下部光ガイド層１２と比較して、硫酸、過酸化水素水、及び水の混合液に対するエッチング速度が速い。そのため、第２領域IIら下部光ガイド層１２がエッチングされて除去される前に、図示のように、活性層１３の側面が大きく後退した。

しかしながら、その後退量dが大きいと、活性層１３が後退したことによって発生したスペースSに起因して、第２領域IIに後で再成長される層にボイドが発生し、第１領域Iと第２領域IIの各素子が光学的に結合されなくなってしまう。

このような不都合を回避するために、第２領域IIの下部光ガイド層１２を無理にエッチングせず、活性層１３のエッチングが終了した時点でエッチングを停止して、活性層１３の側面が後退するのを抑制することも考えられる。

しかし、このようにすると、第２領域IIでは、エッチングされずに残った下部光ガイド層１２の表面から活性層多重量子井戸構造を直接再成長させることになるが、これでは活性層の結晶性が劣化し、非発光再結合の増大により発振特性が悪化するという別の問題が発生する。

そのため、この種の光半導体装置では、活性層１３の後退量dをなるべく小さく抑えながら、第２領域IIにおける下部光ガイド層１２をエッチングして除去し、下部InPクラッド層の上から再成長を始め、下側光ガイド層の成長に続いて活性層多重量子井戸構造を積層する。これによって、多重量子井戸構造の結晶性をなるべく悪化させないことが望ましい。

上記した点に鑑み、本願発明者は、以下のような本発明の実施の形態に想到した。

（２）第１実施形態
図６〜図１４は、本発明の第１実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図である。

最初に、図６に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

まず、互いに接する第１、第２領域I、IIを有するn型InP（半導体）基板２０の第1領域Iのみに電子ビーム直描法により回折格子２０ａを形成する。本実施形態においては回折格子２０ａの深さを２５nmとする。また、第1領域Iの中央の回折格子２０ａにλ/4シフト２０ｂを形成する。

次に、組成波長が１．１５μmのn型InGaAsPよりなる回折格子埋め込み層１９、n型InPよりなる下部クラッド層２１、組成波長が１．２μmのAlGaInAsよりなる下部光ガイド層２２、AlGaInAs系の多重量子井戸構造を有する活性層２３、組成波長が１．０５μmのInGaAsPよりなる上部光ガイド層２４、及びp型InPよりなる上部クラッド層２５をこの順にMOCVD法により形成する。

MOCVD法による成長においては、III族であるGa、In、Alの原料ガスとしてそれぞれTEG(Triethyl Gallium)、TMI(Trimethyl Indium)、TMA(Trimethyl Aluminum)を用い、V族であるAs、Pの原料ガスとしてそれぞれAsH₃、PH₃を用いる。

これらの層の厚さは設計により様々な設定が可能であるが、例えば、回折格子埋め込み層は７０nm、下部クラッド層２１は６０nm、下部光ガイド層２２と上部光ガイド層２４は５０nm、上部クラッド層２５は１５０nmの厚さにそれぞれ形成する。

これらのうち、光ガイド層２２、２４は、クラッド層２１、２５よりもバンドギャップが狭いためこれらのクラッド層２１、２５よりも屈折率が高い。これにより、活性層２３の上下に屈折率が高い領域が増え、それにより各層２２〜２４にレーザ光を閉じ込め易くなる。このような機能を有する光ガイド層２２、２４は、SCH(Separate Confinement Heterostructure)層とも呼ばれる。

また、本実施形態では、組成波長１．５５μm付近に利得ピークを持つAlGaInAs系の多重量子井戸構造を有する活性層２３として、厚さが５nmで圧縮歪１．５%のAlGaInAsよりなる井戸層２３ａと、厚さが１０nmで引っ張り歪０．３%、組成波長が１．２μmのAlGaInAsよりなるバリア層２３ｂとを交互に複数積層したものを採用する。その積層数は特に限定されないが、井戸層２３ａは6層、バリア層２３ｂは７層形成する。

また、第１、第２領域I、IIの長さは特に限定されないが、例えば第１領域Iは３００μm、第２領域IIは２５０μmとするのが好ましい。

そして、本実施形態に係る光半導体装置は、下部光ガイド層２２をAlGaInAsで構成する点において、InGaAsPにより下部光ガイド層１２を構成する図3の例と相違する。

次いで、図７に示すように、上部クラッド層２５の全面に、熱CVD法等により酸化シリコン層を形成した後、フォトリソグラフィー等によりその酸化シリコン層をパターニングして第１領域Iのみに第１マスク層２６として残す。

次に、図８に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

まず、第１のエッチング液として塩酸を用い、第１マスク層２６で覆われていない第２領域IIの上部クラッド層２５を選択的にウエットエッチングして除去する。

ここで、InGaAsPよりなる上部光ガイド層２４は、InPよりなる上部クラッド層２５と比較して塩酸に対するエッチング速度が遅い。従って、このエッチングでは、上部クラッド層２５のみが実質的にエッチングされ、その下の上部光ガイド層２４はエッチングのストッパとして機能する。

次に、第２のエッチング液として硫酸、過酸化水素水、及び水の混合液を用い、第１マスク層２６で覆われていない第２領域IIの上部光ガイド層２４、活性層２３、下部光ガイド層２２をウエットエッチングして除去する。

なお、このようにしてエッチングされた各層の側面は、点線円内のように、垂直方向から傾斜した面となる。

既述のように、本実施形態では、下部光ガイド層２２と活性層２３の両方を共にAlGaInAsで構成した。従って、このエッチングでは、下部光ガイド層２２と活性層２３とのエッチング速度の差が実質的に発生しない。そのため、下部光ガイド層２２のエッチングが終了した後でも、活性層２３の側面が大きく後退しておらず、活性層２３と下部光ガイド層２２のそれぞれの側面は実質的に同一面を成す。

ここまでの工程により、第１領域Iには、InP基板２０、回折格子埋め込み層１９、下部クラッド層２１、下部光ガイド層２２、活性層２３、上部光ガイド層２４、及び上部クラッド層２５で構成されるDFB(Distributed Feedback)レーザ素子が第１光半導体素子５１として形成されたことになる。

次いで、図９に示すように、組成波長が１．１５μmのInGaAsPよりなる変調器用下部光ガイド層３２、InGaAs系の多重量子井戸構造を有する変調器用活性層３３、組成波長が１．１５μmから１．００μmまで連続的に変化するInGaAsPグレーデット層よりなる変調器用上部光ガイド層３４、及びp型InPよりなる変調器用上部クラッド層３５を、第２領域IIにおける下部クラッド層２１上にMOCVD法により順に形成する。

なお、そのMOCVD法では、酸化シリコンよりなる第１マスク層２６の上に層は成長せず、第２領域IIに露出している下部クラッド層２１にのみ上記した各層３２〜３５がエピタキシャル成長する
また、これらの層３２〜３５の膜厚は特に限定されないが、本実施形態では、変調器用下部光ガイド層３２を５０nm、変調器用上部光ガイド層３４を５０nm、変調器用上部クラッド層３５を１５０nmの厚さに形成する。また、変調器用活性層３３としては、例えば、厚さが５nmで引っ張り歪０．３%、組成波長が１．３μmのInGaAsPよりなるバリア層３３ｂと、厚さが９nmで圧縮歪０．５%のInGaAsPよりなる井戸層３３ａとを積層した構造を採用し得る。その積層数は限定されないが、例えば、バリア層３３ｂを８層、井戸層３３ａを７層形成する。変調器のバンドギャップ波長は特に限定されないが、第一領域Iに第１光半導体素子５１として形成したレーザ素子の発振波長が１．５５μm程度である場合、変調器のPL波長は１．４９〜１．５０μm程度に設定すればよい。

このようにして第２領域IIに形成された各層３２〜３５は第２光半導体素子５２を構成する。本実施形態では、その第２光半導体素子５２は、第１光半導体素子５１から発振されたレーザ光を変調する電界吸収型半導体光変調器として機能する。

既述のように、本実施形態では、図8のエッチング工程において活性層２３の後退量が図５の場合と比較して大きく低減されている。従って、活性層２３の後退に伴うボイドが変調器用活性層３３等に発生するのを抑えることが可能となり、第１半導体素子５１の側面に良好に接するように上記した各層３２〜３５を形成することができる。その結果、第１光半導体素子５１と第２光半導体素子との間で光信号のロス等が発生せず、各素子５１、５２を光学的に良好に結合することができる。

しかも、図８のエッチング工程において第２領域IIの下部光ガイド層２２をエッチングして除去し、本工程において下部クラッド層２１の表面から変調器用下部光ガイド層３２を成長させるようにした。これにより、変調器用下部光ガイド層３２が、下部クラッド層２１の表面に存在する格子欠陥を上層に伝えないバッファ層としても機能するようになり、変調器用下部光ガイド層３２上に形成される変調器用活性層３３に格子欠陥が入るのを抑制することができる。

この工程を終了後、緩衝フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより、酸化シリコンよりなる第１マスク層２６を除去する。

続いて、図１０に示すように、上部クラッド層２５と変調器用上部クラッド層３５のそれぞれの上に、厚さ約１．５μmのp型InP層をMOCVD法により成長させ、そのInP層を上部クラッドの上側層３６とする。

更に、この上側層３６の上に、コンタクト層３７としてp型InGaAsP層をMOCVD法により厚さ約３００nmに形成する。

次いで、図１１に示すように、熱CVD法等によりコンタクト層３７上に酸化シリコン層を形成した後、フォトリソグラフィーによりその酸化シリコン層をパターニングして、レーザ及び変調器の共振器方向に長いストライプ状の第２マスク層４０を形成する。

続いて、図１２に示すように、上記の第２マスク層４０をマスクにしながら、第１、第２領域I、IIにおけるコンタクト層３７から基板２０の途中部分までをエッチングし、共振器方向に延在するメサストライプ４７を形成する。そのエッチングは、例えばICP-RIE(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)により行われ、塩素系ガスがエッチングガスとして使用される。

次いで、図１３に示すように、MOCVD法により、Feがドープされて半絶縁性となったInP層をメサストライプ４７の両脇に埋め込み層４２として形成する。なお、その埋め込み層４２は、メサストライプ４７の側面上にのみ成長し、酸化シリコンよりなる第２マスク層４０上には成長しない。

そして、埋め込み層４２を形成した後に、第２マスク層４０は除去される。

次に、図１４に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

まず、コンタクト層３７と埋め込み層４２のそれぞれの上面に、例えば熱CVD法により保護層４４として酸化シリコン層を形成する。

そして、フォトリソグラフィーにより保護層４４をパターニングして、メサストライプ４７の上方の保護層４４に電極窓４４ａを形成する。

更に、電極窓４４ａから露出するコンタクト層３７上に、第１、第２p側電極４５ａ、４５ｂとして下から順にTi層、Pt層、及びAu層を蒸着する。なお、本実施形態においては、第１領域Iと第２領域IIとの電気的な分離を図るために、５０μmの間隔をおいて各電極４５ａ、４５ｂを形成している。

その後に、InP基板２０の裏面にn側電極４６としてAuGe/Auを蒸着する。最後に、アレイにへき開して、両端面に無反射膜をコーティングする。

以上により、本実施形態に係る光半導体装置の基本構造が完成したことになる。

その光半導体装置は、第１、第２p側電極４５ａ、４５ｂのそれぞれに独立して所定の電流や電圧を印加することにより、第１光半導体素子５１の活性層２３から発振されたレーザ光が、第２光半導体素子５２の変調器用活性層３３において変調される。

上記した本実施形態によれば、下部光ガイド層２２と活性層２３の両方を共にAlGaInAsで構成したので、図８のエッチング工程において、これらの層２２、２３のエッチング速度に違いが発生せず、下部光ガイド層２２のエッチングを終了した後でも活性層２３の側面が大きく後退しない。そのため、図９の工程において、第２領域IIに変調器用活性層３３等を成長させるときに、活性層２３の後退に起因するボイドが変調器用活性層３３に発生するのを防止できる。これにより、第１光半導体素子５１と第２光半導体素子５２とを光学的に良好に結合することができ、一つの基板５０上に異種の素子５１、５２を集積形成してなる光半導体装置の品質を高めることが可能となる。

図１５は、第１光半導体素子５１のエネルギバンド図である。

本実施形態では、上部光ガイド層２４をInGaAsPで構成したので、上部光ガイド層２４と上部クラッド層２５との価電子帯側のポテンシャル障壁ΔEが、上部光ガイド層をAlGaInAsで構成する特許文献２（図２参照）と比較して小さくなる。そのため、図２に示したような価電子帯のポテンシャルスパイクVを解消することができ、ポテンシャルスパイクに邪魔されること無く上部クラッド層２５から活性層２３にホールを効率良く注入することが可能となり、活性層２２における発光効率を高めることができるようになる。

図１６は、本実施形態のように上部光ガイド層としてInGaAsP層を形成したレーザ素子Aと、特許文献２のように上部光ガイド層としてAlGaInAs層を形成した比較例に係るレーザ素子Bのそれぞれの電流−光出力特性を示すグラフである。なお、この電流−光出力特性は、２５℃の温度での特性である。

レーザ素子Aは上部光ガイド層として厚さ３０nm、組成波長１．１μmのInGaAsP層と厚さ７０nm、組成波長１．０μmのInGaAsP層を2段に積層させた構造の１．５５μm帯AlGaInAs系レーザである。

一方、レーザ素子Bでは、AlGaInAs上部光ガイド層の厚さを５０nm、組成波長を１．１μmにした。なお、活性層の多重量子井戸構造は、レーザ素子Aもレーザ素子Bも同じである。更に、両レーザ素子とも、共振器長が３００μmで回折格子層は形成されていない両端面へき開型のファブリ・ペロー型レーザである。

図１６に示されるように、上部光ガイド層としてInGaAsP層を形成したレーザ素子Aでは、閾値電流が９．２mAである。一方、上部光ガイド層としてAlGaInAs層を形成したレーザ素子Bでは、閾値電流が１０．８mAである。よって、本実施形態と同様の構造を有するレーザ素子Aでは、レーザ素子Bと比較して閾値電流が約１５％低減することができる。

また、光出力に関しては、例えば１００mAにおいて、レーザ素子Aの光出力が２４．８mW、レーザ素子Bの光出力が２０．１mWであるから、レーザ素子Aの光出力はレーザ素子Bと比べて約２３％増大している。

このように、レーザ素子Aにおいて、閾値電流が低減したり光出力が増大したりするのは、上部光ガイド層としてInGaAsP層を形成したことにより、既述のポテンシャルスパイクが解消されたためである。

なお、本発明は上記した構造に限定されない。

本実施形態では、第２領域IIにバットジョイント成長する変調器として、活性層の多重量子井戸構造がInGaAsP系の材料からなるものを適用したが、変調器用活性層３３がAlGaInAs系の多重量子井戸からなっていてもよい。

この場合、例えば、変調器用下部光ガイド層３２に組成波長１．０５μmのInGaAsP層、変調器用活性層３３に厚さ９nmで圧縮歪０．５%のAlGaInAsよりなる井戸層３３ａと、厚さ５nmで引っ張り歪０．３%、組成波長１．３４μmのAlGaInAsよりなるバリア層３３ｂ、変調器用上部光ガイド層３４に組成波長が１．３２μmから１．００μmまで連続的に変化するInGaAsPグレーデット層、変調器用上部クラッド層３５に厚さ１５０nmのp型InP層を形成すればよい。

また、この場合の変調器のPL波長は特に限定されないが、第１領域Iに第１光半導体素子５１として形成したレーザ素子の発振波長が１．５５μm程度である場合、変調器のPL波長は１．４９〜１．５０μm程度に設定すればよい。

（２）第２実施形態
上記した第１実施形態では、第1領域に形成する半導体レーザ側の上部光ガイド層２４を構成するInGaAsPの組成を一定にした。

これに対し、本実施形態では、そのInGaAsPの組成を連続的に変化させることにより、いわゆるグレーテッド層を上部光ガイド層２４として採用する。これ以外の構成については第１実施形態と同じであり、本実施形態に係る光半導体装置の断面構造も図１４と同じである。

図１７は、本実施形態に係る光半導体装置のエネルギバンド図である。

図１７に示されるように、上部光ガイド層２４は、上部クラッド層２５から活性層２３に向かってバンドギャップが狭くなるように、InGaAsPの組成が連続的に変化させられる。

このようなグレーテッド層は、例えば、MOCVD法により上部クラッド層２５を形成する際に、InGaAsP用の反応ガスの流量を連続的に変化させることにより形成され得る。

上部クラッド層２５として上記のようなグレーテッド層を採用することにより、既述の価電子帯のポテンシャルバリアをより一層解消させ易くなり、第１実施形態と比較して活性層２３における発光効率をより高めることが可能となる。

（３）第３実施形態
図１８は、本実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

既述の第１、第２実施形態では、図１４に示したように、第２光半導体素子５２として電界吸収型半導体光変調器を形成した。

これに対し、本実施形態では、その第２光半導体素子５２として半導体光増幅器を構成する。

図１８に示されるように、光半導体増幅器として機能する第２光半導体素子５２は、下部クラッド層２１の上に、増幅器用下部光ガイド層７２、増幅器用活性層７３、増幅器用上部光ガイド層７４、及び増幅器用上部クラッド層７５をMOCVD法により順に形成してなる。これ以外の構成については第１実施形態と同じである。

なお、これらの層７２〜７５は、第１実施形態で説明した層３２〜３５に代えて形成されるものであり、各層３２〜３５の形成方法を援用して形成され得るので、本実施形態に係る半導体装置の製造方法については以下では省略する。

上記した層７２〜７５の膜厚や材料は特に限定されないが、本実施形態では、組成波長が１．１５μmで厚さが５０nmのInGaAsP層を下部光ガイド層７２として形成する。また、増幅器用活性層７３としては、組成波長が１．３μmで厚さが１０nm、無歪のInGaAsPよりなるバリア層７３ｂと、厚さが５nmで圧縮歪０．８%のInGaAsPよりなる井戸層７３ａとを積層した１．５５μm帯に利得を持つ多重量子井戸構造を採用する。バリア層７３ｂと井戸層７３ａの積層数は、例えば、バリア層７３ｂが7層、井戸層７３ａが６層である。

更に、上部光ガイド層７４としては組成波長が１．１５μmで厚さが５０nmのInGaAsP層を形成し、増幅器用上部クラッド層７５として厚さが１５０nmのp型InP層を形成する。
この半導体光増幅器の長さは特に限定されないが、例えば第２領域IIの長さを650μmとし、第２電極４５ｂの長さを６００μmとするのが好ましい。

このようにして構成される第２光半導体素子５２は、第２p側電極４５ｂとn側電極４６との間に所定の電流を流すことにより、第１光半導体素子５１から発振されたレーザ光を増幅するように機能する。

第１実施形態で説明したように、第２領域IIにおける活性層２３と下部光ガイド層２２とをウエットエッチングして除去する工程において活性層２３の側面が大きく後退しないので、第２領域IIに増幅器用活性層７３等を成長するときに、該増幅器用活性層７３にボイドが発生しない。よって、第１光半導体素子５１の側面と良好に接するように第２光半導体素子５２を形成することができ、第１光半導体素子５１から発振されたレーザ光を無駄なく第２光半導体素子５２で増幅することが可能となる。

（４）第４実施形態
図１９は、本実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

本実施形態では、第２光半導体素子５２として光導波路を形成する。これ以外の構成は第１実施形態と同じである。

図１９に示されるように、光導波路として機能する第２光半導体素子５２は、下部クラッド層２１の上に、コア層８０と光導波路用上部クラッド層８４とをMOCVD法によりこの順に形成してなる。

各層８０、８４の材料は特に限定されない。本実施形態では、コア層８０として、組成波長が１．３３μmで厚さが２００nmのInGaAsP層を形成する。また、光導波路用上部クラッド層８４として、厚さが１５０nmのp型InP層を形成する。コア層８０とクラッド層８４の材料や厚さはこれに限定されず、光導波路の等価屈折率が第１領域Iのレーザ素子における導波路の等価屈折率に合うように組成や厚さを調整すればよい。

また、この光導波路の長さは特に限定されないが、例えば、２５０μmとすればよい。

なお、これらの層８０、８４は、第１実施形態で説明した層３２〜３５に代えて形成されるものであり、各層３２〜３５の形成方法を援用して形成され得るので、本実施形態に係る半導体装置の製造方法については以下では省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、活性層２３の側面の後退量が低減されるので、第２領域IIにコア層８０を成長するときに、該コア層８０にボイドが形成され難くなり、活性層２３に接するようにコア層８０を形成することができる。これにより、光導波路として機能する第２光半導体素子を通じて、第１光半導体素子５１で発振したレーザ光を後段に効率良く導くことが可能となる。
（５）第５実施形態
図２０は本実施形態に係る半導体装置の断面図である。

第１〜４実施形態においては、第1領域Iに回折格子を有するDFBレーザ素子を形成したのち、第２領域IIに半導体光変調器や半導体光増幅器、あるいは光導波路をバットジョイント成長により集積した。本発明はこれに限らず、第２領域Iに、下部クラッド層、下部AlGaInAs光ガイド層、AlGaInAs系多重量子井戸構造、上部InGaAsP光ガイド層、上部InPクラッド層を有する半導体光変調器や半導体光増幅器を形成し、この後、第２領域IIに回折格子を有するDFBレーザをバットジョイント成長により集積してもよい。図２０にはこの例として、第１領域Iに半導体光変調器を形成し、第２領域IIにDFBレーザを形成した例を示す。

第１領域Iに形成する半導体光変調器における各層の組成や厚さとしては、例えば、n型InP基板２０上の回折格子埋め込み層１９に組成波長が１．１５μmで厚さが７０nmのn型InGaAsP層、下部クラッド層２１に厚さが５０nmのn型InP層、変調器用下側光ガイド層３２として組成波長が１．２μmで厚さが５０nmのAlGaInAs層、多重量子井戸構造の井戸層３３ａに厚さが９nmで圧縮歪０．５%のAlGaInAs層、バリア層３３ｂに厚さが５nmで引っ張り歪０．３%、組成波長１．３４μmのAlGaInAs層、変調器用上部光ガイド層３４に組成波長が１．３２μmから１．００μmまで連続的に変化するInGaAsPグレーデット層、変調器用上部クラッド層３５に厚さ１５０nmのp型InP層を形成すればよい。

（６）その他の実施形態
上記した第１〜第５実施形態では、図６を参照して説明したように、多重量子井戸構造の活性層２３を構成する井戸層２３ａとバリア層２３ｂとして、いずれもAlGaInAs層を形成した。

本発明はこれに限定されず、バリア層２３ｂのみをAlGaInAs層で形成し、井戸層２３ａをInGaAsまたはInGaAsP層で形成してもよい。このようにしても、図８のエッチング工程において活性層２３の側面が大きく後退することは無く、その活性層２３ａの横の変調器用活性層３３（図９参照）等にボイドが発生するのを抑制することができる。

更に、第１〜第５実施形態では、半導体であるｎ型InP基板２０を使用したが、これに代えて半絶縁性のInP基板を採用してもよい。

また、上記では、電流狭窄構造として埋め込み層４２による埋め込み構造を採用したが、pnpn構造による埋め込み構造や、リッジ構造を電流狭窄構造として採用してもよい。

更に、回折格子２０ａとしては、λ/4シフト２０ｂが中央に形成されている構造を採用したが、本発明はこれに限らず、例えばλ/4シフト２０ｂが中央からずれた位置に形成されても良い。また、λ/4シフト２０ｂのない均一回折格子としてもよい。

Claims

互いに接した第１領域と第２領域とを有するInP基板と、
前記基板と、前記基板上に形成されたInPよりなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に該下部クラッド層に接して形成されたAlGaInAsよりなる下部光ガイド層と、前記下部光ガイド層上に形成され、井戸層とAlGaInAsよりなるバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成されたInGaAsPよりなる上部光ガイド層と、前記上部光ガイド層上に該上部光ガイド層に接して形成されたInPよりなる上部クラッド層とを備え、前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層が前記第１領域に選択的に形成された第１光半導体素子と、
前記第２領域における前記下部クラッド層上に、前記第１光半導体素子に接して形成された前記第２光半導体素子とを有することを特徴とする光半導体装置。
前記第２光半導体素子は、電界吸収型半導体光変調器であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第２光半導体素子は、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第２光半導体素子は、光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
互いに接した第１領域と第２領域とを有するInP基板上に、InPよりなる下部クラッド層、AlGaInAsよりなる下部光ガイド層、井戸層とAlGaInAsよりなるバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層、InGaAsPよりなる上部光ガイド層、及びInPよりなる上部クラッド層を順に形成する工程と、
前記第１領域における前記上部クラッド層上に、マスク層を選択的に形成する工程と、
前記マスク層で覆われていない第２領域の少なくとも前記上部クラッド層を選択的にエッチングする工程と、
ウエットエッチングにより、前記マスク層で覆われていない第２領域の少なくとも前記活性層、及び前記下部光ガイド層を選択的に除去して、前記第１領域に、少なくとも前記基板、前記下部クラッド層、前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層で構成される第１光半導体素子を残す工程と、
前記ウエットエッチングの後に、前記第２領域における前記下部クラッド層上に、前記第１光半導体素子と接する第２光半導体素子を形成する工程と、
前記マスク層を除去する工程と、
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
前記第２光半導体素子として電界吸収型半導体光変調器を形成することを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置の製造方法。
前記第２光半導体素子として半導体光増幅器を形成することを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置の製造方法。