JP5621706B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置に関する。

半導体レーザは小型高光出力な光発光素子であり、また低コストで製造が可能という特徴を生かして、近赤外領域における光通信システムや可視領域でのＤＶＤ光源など様々な分野に利用されている。

近年、小型で持ち運びが容易なモバイルプロジェクタが大きな注目を集めている。このようなモバイルプロジェクタには赤色光源、青色光源、緑色光源を搭載し、かつサイズが小さいＲＧＢ光源が必要となり、赤色光源と青色光源には各々その波長帯に応じた半導体レーザを用いることが可能である。

一方、波長５３０ｎｍ付近の緑色光源に関してはいわゆる「グリーンギャップ」と呼ばれる半導体結晶成長における大きな技術障壁があり、単純に半導体レーザを用いて直接的に緑色レーザを作製することが困難であると言われている。その代替品として波長１０６０ｎｍ帯半導体レーザと非線形光学素子（疑似位相整合素子）を組み合わせて第二次高調波発生(Second Harmonic Generation:以下ＳＨＧと呼ぶ)により５３０ｎｍ付近の緑色レーザ光を発生する方式が注目を集めている。

この方式では、約１０６０ｎｍの波長で単一モード発振するレーザとして、屈折率を周期的に変調した回折格子を活性層近傍に形成した分布帰還型(Distributed Feedback:以下ＤＦＢと呼ぶ)レーザが用いられている。この方式では、ＤＦＢレーザと周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）などのＳＨＧ結晶がコリメートレンズを介して直列に接続されたモジュールが採用される。

ＤＦＢレーザから発振した波長１０６０ｎｍのレーザ光がコリメートレンズを介してＳＨＧ結晶に結合し、その結晶中で非線形効果により波長５３０ｎｍに変換される。ＰＰＬＮ端部からは５３０ｎｍに変換された緑色光と変換されずに残留した１０６０ｎｍの赤外光が同時に出射されるが、波長フィルタにより赤外光はカットされるため、緑色光のみがモジュール端から出射される。

しかし、このような形態の波長変換素子を用いた場合、ＤＦＢレーザの発振波長を疑似位相整合素子の位相整合波長に精密に一致させなければならないという問題がある。一般的に疑似位相整合素子の位相整合波長幅は０．５ｎｍ以下であり、非常に狭い。ＤＦＢレーザの波長がこの帯域から外れてしまうと変換効率が著しく劣化する。

ＤＦＢレーザへの印加電流を上げると回折格子近傍の等価屈折率が変化し、ＤＦＢレーザの発振波長も同時に長波側にシフトする。その結果、位相整合波長範囲でのみしかＳＨＧ出力が得られない為、効率の劣化が顕著になる。この場合、ＤＦＢレーザに印加される電流のオン、オフにより１ＭＨｚ程度の変調動作を行うと、ＳＨＧ出力は歪んだ波形となり、変調用途としては利用できない。また、波長と光出力を同時に制御するため、特に出力による階調管理が重要なビデオ変調などでは、非常に複雑な制御が必要となる。

また、レーザとして分布反射型（Distributed Bragg Reflector:以下ＤＢＲと呼ぶ）レーザを使用する場合でも、オン、オフにより１ＭＨｚ程度の変調動作を行う場合、ＳＨＧ出力は歪んだ波形となる。

これらの問題を解決するためにＤＦＢレーザと半導体光増幅素子（Semiconductor Optical Amplifier：以下ＳＯＡと呼ぶ）を集積した構造が提案されている。この構造を用いるとＤＦＢレーザ側には一定電流を与えて発振波長を変えずに、ＳＯＡ側で光出力の調整をするが可能となり、波形の歪みが抑制された高速変調動作が実現できる。さらには、ＤＦＢレーザの発振波長と光出力の独立制御が可能となる。

一方、この構造ではＳＯＡ側に変調信号電流を印加したときにＳＯＡ側において熱が発生し、その熱がＤＦＢレーザ側に拡散することで、ＤＦＢレーザの波長が変化する問題が残る。例えば、変調用の電流が印加されるオンの状態では、電流による発熱の影響により等価屈折率が変化しＤＦＢレーザの波長が長波側に移動する一方、変調用の電流が印加されていないオフの状態では発熱の影響は無くなってその波長が短波側に移動する。

このように、ＳＯＡにおける変調のオン−オフで半導体レーザの発振波長が変化してしまい、疑似位相整合素子の位相整合波長とわずかながらずれが生じてしまう。

特開２００７−１９４４１６号公報 特開２００８−２１８９４７号公報 Electronics Letters Vol.44 (2008)

ＳＯＡからＤＦＢレーザへの熱伝達を防止するために、ＤＦＢレーザとＳＯＡの間にスペーサ部を挿入する構造がある。しかし、ＤＦＢレーザとＳＯＡの熱拡散の影響を完全に排除するためには、スペーサ層を長く設定する必要があり、全体の素子長が長くなりモバイル用途から逸脱する。

本発明の目的は、光増幅素子から半導体レーザへの熱伝導の影響による半導体レーザの発振波長の変動を抑制することができる光半導体装置を提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、化合物半導体基板に形成され、回折格子及び第１活性層と、前記回折格子及び前記第１活性層の下方に形成された第１下側クラッド層と、前記回折格子及び前記第１活性層の上方に形成された第１上側クラッド層を含む第１導波路、及び前記第１導波路の上方に形成される第１電極を有する半導体レーザと、前記化合物半導体基板に形成され、前記第１導波路の前記第１活性層に連接して光結合し、前記第１活性層に繋がる第２活性層と、前記第２活性層の下方で前記第１下側クラッド層に繋がる前記第２下側クラッド層と、前記第２活性層の上方で前記第１上側クラッド層に繋がる第２上側クラッド層を含む第２導波路、及び前記第２導波路の上方に形成される第２電極を有する光半導体増幅素子と、前記化合物半導体基板に形成され、前記第１活性層に繋がり、前記第２活性層と同じ層の第３活性層と、前記第３活性層の下方で前記第１下側クラッド層に繋がり、第２下側クラッド層と同じ層の第３下側クラッド層と、前記第３の導波路の上方で前記第１上側クラッド層に繋がり、前記第２上側クラッド層と同じ層の第３上側クラッド層とを含み、前記半導体レーザに熱的に接続される第３の導波路と、前記第３の導波路の上方に形成された第３電極を有する温度調整素子と、前記光半導体増幅素子の光出力端に光結合された非線形光学素子と、前記非線形光学素子の光出力端に光結合された赤外線遮断用フィルタと、前記光半導体増幅素子及び前記温度調整素子をオフにした状態において前記半導体レーザの発振波長を前記非線形光学素子の位相整合波長より短い波長となる電流を前記第１の電極に流しつつ、前記光半導体増幅素子の前記第２の電極に変調信号の電流を流すと同時に前記変調信号と逆のオン・オフ電流信号を前記第３の電極に流す制御回路と、を有することを特徴とする光半導体装置が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。

光半導体増幅素子の電極に変調信号電流を流さない時には、温度調整素子に電流を流す一方、光半導体増幅素子の電極に電流を流す時には、温度調整素子に電流を流さないことにより、半導体レーザへの熱の伝達量を一定にできる。このため、半導体レーザでの等価屈折率の変化を抑制し、半導体レーザの発振波長を一定に保持することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る光半導体装置の一例を示す平面図とその光半導体装置の長手方向の断面図である。 図２（ａ）は、第１実施形態に係る光半導体装置における半導体レーザ領域を例示する断面図、図２（ｂ）は、第１実施形態に係る光半導体装置における半導体光増幅素子領域と熱調整素子領域を例示する断面図である。 図３（ａ）は、比較例に係る光半導体装置の半導体光増幅素子領域に印加する変調電流の一例を示す波形図、図３（ｂ）は、比較例に係る光半導体装置の半導体光増幅素子領域の駆動による発熱量の一例を示す波形図、図３（ｃ）は、比較例に係る光半導体装置においてＤＦＢレーザ領域から出射される光の波長及び強度と半導体光増幅素子領域で変調される光の波長及び強度の関係を例示する波形図である。 図４（ａ）は、第１実施形態に係る光半導体装置の半導体光増幅素子領域に印加する変調電流の一例を示す波形図、図４（ｂ）は、第１実施形態に係る光半導体装置の半導体光増幅素子領域の駆動による発熱量の一例を示す波形図、図４（ｃ）は、第１実施形態に係る光半導体装置においてＤＦＢレーザ領域から出射される光の波長及び強度と半導体光増幅素子領域で変調される光の波長及び強度の関係を例示する波形図である。 図５は、第１実施形態に係る光半導体装置を制御する一例を示す回路図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る光半導体装置の形成工程の一例を示す側断面図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る光半導体装置内の溝を形成するまでの工程の一例を示す正断面図である。 図８（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る光半導体装置の電極を形成するまでの工程の一例を示す正断面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る光半導体装置の一例を示す平面図及び断面図である。

以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る光半導体装置の一例を示す平面図とＩ−Ｉ線から見た断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示す半導体レーザ装置のII−II線、III-III線から見た断面図である。

図１、図２において、ｎ型ＧａＡｓ基板１上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、活性層３、アンドープ（ｉ−）ＧａＡｓ層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６が順に形成されている。活性層３は、ＡｌＧａＡｓクラッド層２、５に比べて、エネルギーバンドギャップが小さく且つ屈折率が高い化合物半導体から形成される。

ｎ型ＧａＡｓ基板１では、光進行方向に隣接する第１の領域１１と第２の領域１２に分けられている。第１の領域１１におけるｉ−ＧａＡｓ層４には光進行方向に膜厚が変化する凹凸の回折格子４ａが形成されている。回折格子４ａの周期は、第１の領域１１に形成される半導体レーザの媒質内での発振波長の例えば約１／２である。

第１の領域１１は、光進行方向にストライプ状に延びるＤＦＢレーザ領域１３をさらに有している。さらに、第２の領域１２は、ＤＦＢレーザ領域１３の延長上に延びるストラ
イプ状のＳＯＡ素子領域１４を有している。

ｐ型ＧａＡｓコンタクト膜６及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５のうちＤＦＢレーザ領域１３及びＳＯＡ素子領域１４の両側の領域には、光進行方向に沿って延びる第１、第２の溝１５ａ、１５ｂが形成され、その間はリッジ構造となっている。これにより、図２（ａ）、（ｂ）に例示するように、ＤＦＢレーザ領域１３及びＳＯＡ素子領域１４のｐ型ＧａＡｓコンタクト膜６からｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２までの層はリッジ構造の光導波路１３ａ、１４ａとなっている。

第２の領域１２のうちＳＯＡ素子領域１４の側方にはストライプ状の温度調整素子領域１７が離れて配置されている。温度調整素子領域１７の両側のｐ型ＧａＡｓコンタクト膜６及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５内には、第１、第２の溝１５ａ、１５ｂに平行な第３、第４の溝１５ｃ、１５ｄが形成され、その間はリッジ構造となっている。これにより、図２（ｂ）に例示するように、温度調整素子領域１７では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト膜６からｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２までの層はリッジ構造の電流注入領域１７ａとなり、ＳＯＡ素子領域１４の光導波路１４ａと同じ断面構造になっている。

また、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄの中には、絶縁保護膜１９を介して低誘電体膜１６ａ〜１６ｄが埋め込まれている。低誘電体膜１６ａ〜１６ｄとして、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物等のポリマ材の低誘電体膜が形成されている。なお、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄの中は低誘電体膜１６ａ〜１６ｄを埋め込まないで空気が存在している状態にしてもよい。

ＤＦＢレーザ領域１３のうち第１、第２の溝１５ａ、１５ｂに挟まれる光導波路１３ａのｐ型ＧａＡｓコンタクト層６の上には、レーザ用電極として第１のｐ側電極８ａが形成されている。また、第１のｐ側電極８ａの側部には、第１又は第２の低誘電体膜１６ａ、１６ｂを跨いで第１のパッド電極９ａが接続されている。

ＳＯＡ素子領域１４のうち第１、第２の溝１５ａ、１５ｂに挟まれる領域のｐ型ＧａＡｓコンタクト層６上には、変調用電極として第２のｐ側電極８ｂが形成されている。また、第２のｐ側電極８ｂの側部には、第１又は第２の低誘電体膜１６ａ、１６ｂを跨いで第２のパッド電極９ｂが接続されている。

温度調整素子領域１７のうち第３、第４の溝１５ｃ、１５ｄに挟まれる領域のｐ型ＧａＡｓコンタクト層６上には、電流印加電極として第３のｐ側電極８ｃが形成されている。第３のｐ側電極８ｃの側部には、第３又は第４の低誘電体膜１６ｃ、１６ｄを跨いで第３のパッド電極９ｃが接続されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の下面にはｎ側電極７が形成されている。

上述した光半導体装置において、第１のｐ側電極８ａからｎ側電極７に向けて閾値以上の電流を流すと、活性層３では誘導放出による光が生じる。その光は、回折格子４ａの１周期の長さのほぼ２倍の波長を持ち、リッジ構造のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５に沿って活性層３からＳＯＡ素子領域１４に出射される。

ＳＯＡ素子領域１４では、第２のｐ側電極８ｂからｎ側電極７に向けて変調用の電流を注入すると、変調信号に応じて活性層３の増幅率が変化するので、ＤＦＢレーザ領域１３の活性層３から入射したレーザ光は活性層３で変調されて外部に出射される。

このように、第２のｐ側電極８ｂを通してＳＯＡ素子領域１４に変調用の電流を注入し
た場合に、電力がどのように消費されるかを次に説明する。

ＳＯＡ素子領域１４に第２のｐ側電極８ｂを通して供給された電力は、誘導放出により光に変換される要素を除いたものが熱エネルギーに変換される。このように、ＳＯＡ素子領域１４で発生した熱は、ｎ型ＧａＡｓ基板１側又はｐ型ＧａＡｓコンタクト層６側に配置されるヒートシンク（不図示）、或いは素子周囲に存在する空気を介して外部へ放出される。しかし、熱エネルギーの一部は、ＤＦＢレーザ領域１３に流れ、波長ドリフトを誘発する。

例えば、ＤＦＢレーザ領域１３の第１のｐ側電極８ａからｎ側電極７に向けて閾値以上の電流を流す。その状態で、ＳＯＡ素子領域１４の第２のｐ側電極８ｂからｎ側電極７に向けて光導波路である活性層３に図３（ａ）に例示するような強度変調電流を流す。

この場合、ＳＯＡ素子領域１４では、投入電力のうち誘導放出するために消費されないエネルギーは図３（ｂ）に例示するように熱エネルギーに変換される。その熱エネルギーを受けたＤＦＢレーザ領域１３では、活性層３の透過屈折率が増加し、発振波長は長波長側にシフトする。このため、ＤＦＢレーザ領域１３から出力されるレーザの強度はＳＯＡ素子領域１４において増幅されるが、波長は疑似位相整合素子の位相整合波長からずれることになる。

その対策として、図３（ｃ）に例示するように、ＳＯＡ素子領域１４がオフ状態で、ＳＯＡ素子領域１４の位相整合波長に対してＤＦＢレーザ領域１３の発振波長を短波長側にシフトさせる。さらに、オン状態のＳＯＡ素子領域１４から伝達した熱により、ＤＦＢレーザ領域１３の発振波長を長波長側にシフトさせ、ＤＦＢレーザ領域１３の発振波長と疑似位相整合素子の位相整合波長を一致させる方法がある。

しかし、変調時のオン、オフでの発生熱量の波形に歪みが生じ、例えばビデオ変調をかける場合に歪みが特に顕著に現れる。これにより、ＳＯＡ素子領域１４により変調された光の強度が弱くなり、さらに歪みが生じることになる。

そこで、図４（ａ）に例示するように、ＳＯＡ素子領域１４の第２のｐ側電極８ｂからｎ側電極７に向けて変調信号の電流を供給すると同時に、その変調信号と逆のオン・オフ電流信号を温度調整素子領域１７の第３のｐ側電極８ｃからｎ側電極７に向けて流す。

これにより、ＳＯＡ素子領域１４では、オン時に、誘導放出で消費されないエネルギーが熱エネルギーに変換される。さらに、温度調整素子領域１７では、オン時、即ちＳＯＡ素子領域１４のオフ時に、誘導放出で消費されないエネルギーが熱エネルギーに変換される。そして、図４（ｂ）に示すように、ＳＯＡ素子領域１４と温度調整素子領域１７の熱エネルギーの合計は時間に対してほぼ一定に保たれる。

これにより、ＤＦＢレーザ領域１３では、図３（ｂ）に比べて、時間に対してほぼ一定の熱エネルギーをＳＯＡ素子領域１４と温度調整素子領域１７から伝達されるので、等価屈折率が増加した状態が常に維持されることになる。この結果、図４（ｃ）に例示するように、ＤＦＢレーザ領域１３の発振波長は、疑似位相整合素子での位相整合波長に長期に渡って一致することになる。

従って、ＤＦＢレーザ領域１３から出力されるレーザの波長は、常に、ＳＯＡ素子領域１４がオン時の位相整合波長に実質的に固定されることになり、ＤＦＢレーザ領域１３の発振波長は、ＳＯＡ素子領域１４から受ける発熱量の波形の歪みに影響されなくなる。

従って、本実施形態に係る半導体装置では、発振された光と変調された光の波長を例えば１０６４ｎｍに維持することが可能になる。これにより、図５に例示するように、ＳＯＡ素子領域１４の活性層３の光出射端側に配置したコリメートレンズ２１を介して非線形光学素子２２と赤外線遮断用フィルタ２３を組み合わせて第二次高調波発生により５３０ｎｍ付近の緑色レーザを発生させることができる。

第１、第２及び第３のｐ側電極８ａ、８ｂ、８ｃに印加される電流の制御は、例えば、図５に示す制御回路２７により行われる。制御回路２７として、例えばプログラムされた半導体装置が使用される。制御回路２７は、上記のように第１〜第３のｐ側電極８ａ〜８ｃへの電流、変調電流を流すように電流供給源（不図示）に制御信号を送り、さらに以下のような制御を併せて行う。

例えば、非線形光学素子２２から入射した５３０ｎｍ付近のレーザを、例えばハーフミラー２４を介して、受光素子であるモニタ用フォトダイオード２５に入射させる。モニタ用フォトダイオード２５からの光強度情報、波形情報は制御回路２７に入力される。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１に接触させたサーミスタ２６、即ち温度検出器の測定温度データは制御回路２７に入力される。

フォトダイオード２５から制御回路２７に入力した光強度情報、波形情報を基準データと比較し、非線形高額素子２２から出射される光が目標となる光強度、波形になるように第３のｐ側電極８ｃに注入する電流のオン、オフを調整する。

例えば、上記のように第２のｐ側電極８ｂ第３のｐ側電極８ｃのそれぞれに流される信号電流はオンとオフが互いに逆になるように制御回路２７により制御される。これに加え、制御回路２７は、第２のｐ側電極８ｂへの変調電流がオンの時に、第３のｐ側電極８ｃへの注入電流がオンとなるように制御してもよい。これにより、さらに高い精度でＤＦＢレーザ領域１３の温度を制御することができる。

また、制御回路２７は、サーミスタ２６によるＤＦＢレーザ領域１３の測定温度を基準データとして参照する。そして、測定温度が目標値よりも低くなっている場合にはＤＦＢレーザ領域１３の温度を高くするために第３のｐ側電極８ｃに電流を注入するように電流源を制御する。この場合、第３のｐ側電極８ｃに供給されるオン電流は、図４（ａ）に例示したようにＳＯＡ素子領域１４でのオフ信号時にのみ供給されるとは限らない。

次に、上記したようなＤＦＢレーザ領域１３、ＳＯＡ素子領域１４及び温度調整素子領域１７を含む光半導体装置の製造方法について説明する。その製造方法として、まず、図１（ｂ）に示す回折格子４ａを形成するまでの工程を図６を参照して説明し、ついで、図２（ｂ）に示す構造を形成するまでの工程を図７、図８を参照して説明する。

次に、図６（ａ）に例示する構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１のうち（００１）面を有する主面の上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２、活性層３を順に形成する。活性層３として、例えばＧａＡｓ層を介してＩｎＡｓの量子ドットを繰り返して１０層形成する積層構造であってもよいし、ＧａＡｓのバルク層であってもよい。

続いて、活性層３の上に、回折格子層としてｉ型ＧａＡｓ層４を成長する。なお、ｉ型ＧａＡｓ層４の代わりにｐ型不純物、例えば亜鉛がドーピングされたｐ型ＧａＡｓ層を形成してもよい。

次に、ｉ型ＧａＡｓ層４の上にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の誘電体膜３１をプ
ラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ）法などにより成膜する。さらに、誘電体膜３１上にフォトレジスト３２を塗布し、干渉露光法や電子線露光法などを用いて第１の領域１１においてストライプ状の回折格子を有するレジストパターンを形成する。フォトレジスト３２の回折格子パターンは、第１の領域１１から第２の領域１２に向かう方向に開口部３２ａと線状パターン３２ｂを繰り返し交互に形成されている。

次に、図６（ｂ）に例示する構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、フォトレジスト３２をマスクに使用して、誘電体膜３１をエッチングすることにより、回折格子パターンの形状を誘電体膜３１に転写する。これにより、開口部３１ａと線上パターン３１ｂを有するマスクを形成する。誘電体膜３１のエッチングには、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）などによるウェットエッチングや、フッ素系ガス、例えばＣＦ_４などのガスを使用する反応性イオンエッチングが用いられる。

フォトレジスト３２を除去した後に、誘電体膜３１の開口部３１ａから露出したｉ型ＧａＡｓ層４をエッチングすることにより、ｉ型ＧａＡｓ層４における第１の領域１１に凹凸の回折格子４ａを形成する。この場合、ｉ型ＧａＡｓ層４をウェットエッチングする場合には例えばアンモニア系エッチャントやリン酸系エッチャントが用いられる。また、ｉ型ＧａＡｓ層４をドライエッチングする場合には、例えばＩＣＰエッチング法などが用いられる。ドライエッチングのエッチャントとして、例えば塩素系ガス、例えば塩化シリコン（ＳｉＣｌ_４）又は塩素（Ｃｌ_２）が使用される。

次に、図６（ｃ）に例示する構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、誘電体膜３１を例えばウェットエッチングにより除去する。ついで、回折格子４ａを含むｉ型ＧａＡｓ層４の上にｉ型ＡｌＧａＡｓ層による埋め込み再成長を行い、ついで、その上にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６を形成する。

以上のようなｎ型ＧａＡｓ基板１上の上記の積層構造は、分子線エピタキシー法(ＭＢＥ)や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法などを用いて形成する。

次に、図７（ａ）〜図７（ｃ）を参照して、図２（ｂ）に示す第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄを形成するまでの工程を説明する。
まず、図７（ａ）に例示するように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６の上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の誘電体膜３３を例えばＰＣＶＤ法により形成する。その後に、誘電体膜３３上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像してレジストパターン３４を形成する。レジストパターン３４は、ＤＦＢレーザ領域１３と、その延長上にあるＳＯＡ素子領域１４と、ＳＯＡ素子領域１４の側方に配置される温度調整素子領域１７のそれぞれの両側に開口部３４ａ〜３４ｄを有している。

さらに、図７（ｂ）に例示するように、レジストパターン３４の開口部３４ａ〜３４ｄを通して誘電体膜３３をエッチングして開口部３３ａ〜３３ｄを形成し、その後にレジストパターン３４を除去する。誘電体膜３３のエッチングには、ＢＨＦなどによるウェットエッチングや、フッ素系ガス、例えばＣＦ_４などのガスを使用する反応性イオンエッチングが用いられる。

その後に、図７（ｃ）に例示するように、誘電体膜３３の開口部３３ａ〜３３ｄの下方にあるｐ型ＧａＡｓコンタクト層６とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５を順にエッチングする。そのエッチング深さは、ｉ型ＧａＡｓ層４に達する深さでもよいし、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５の途中の深さでもよい。

ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５のエッチングは、ウェッ
トでもよいしドライでもよい。ウェットエッチングには例えばアンモニア系エッチャントやリン酸系エッチャントが用いられる。また、ドライエッチングには、例えばＩＣＰエッチング法などが用いられる。ＩＣＰエッチング法の場合、エッチャントとして例えば塩素系ガスが用いられる。

これにより、第２の領域１２内のＳＯＡ素子領域１４とその側方に配置される温度調整素子領域１７のそれぞれの両側には、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄが形成される。ＳＯＡ素子領域１４の延長上にある第１の領域１１のＤＦＢレーザ領域１３の両側にも第１、第２の溝１５ａ、１５ｂが形成される。この結果、ＳＯＡ素子領域１４、温度調整素子領域１７及びＤＦＢレーザ領域１３のそれぞれには、図２（ａ）、（ｂ）に示したリッジ構造の導波路１３ａ、１４ａ及び電流注入領域１７ａが形成される。

ＤＦＢレーザ領域１３を有する第１の領域１１では、横方向の光閉じ込めのためのリッジ構造は１本形成されている。また、第２の領域１２では、ＳＯＡ素子領域１４とこれに平行な温度調整素子領域のそれぞれにリッジ構造が２本形成される。

次に、図８（ａ）〜（ｃ）を参照して、図１（ｂ）の溝１５ａ〜１５ｄ内に低誘電体膜６ａ〜６ｄを埋め込むまでの工程を説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄの内面とｐ型ＧａＡｓコンタクト層６の上面の上に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁性保護膜１９を例えばプラズマ化学気相成長法により形成する。その後に、絶縁性保護膜１９の表面に、例えばＢＣＢなどの低誘電率材料１６をスピンコートにより塗布し、その表面をほぼ平坦化する。その後に、低誘電率材料１６であるＢＣＢ層を高温キュアする。

続いて、図８（ｂ）に例示するように、ＢＣＢ層をエッチングすることにより第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄの中を除いて絶縁性保護膜１９を露出させる。これにより、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄ内に残された低誘電率材料１６を低誘電体層１６ａ〜１６ｄとして使用する。ＢＣＢ層のエッチングには、例えば反応性イオンエッチング法などが用いられ、反応ガスとして酸素（Ｏ_２）などが用いられる。

その後に、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄ以外の領域の絶縁性保護膜１９をエッチングして除去し、リッジ構造の導波路１３ａ、１４ａ及び電流注入領域１７ａの頭出しを行う。絶縁性保護膜１９がシリコン酸化膜である場合のエッチングには、例えば緩衝フッ酸を使用する。

次に、図８（ｃ）に例示するように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６及び低誘電体層１６ａ〜１６ｄの上にレジストパターン３５を形成する。レジストパターン３５は、ＳＯＡ素子領域１４、温度調整素子領域得１７及びＤＦＢレーザ領域１３とそれらの一部から引き出される領域に開口部３５ａ、３５ｂを有している。

その後に、レジストパターン３５上と開口部３５ａ、３５ｂ内に金属膜８、例えば金（Ａｕ）層、亜鉛（Ｚｎ）層、Ａｕ層を順に蒸着し、さらにレジストパターン３５を溶剤により除去する。これにより、ＳＯＡ素子領域１４、温度調整素子領域得１７及びＤＦＢレーザ領域１３に残された金属膜は、上記のような第１、第２及び第３のｐ側電極８ａ、８ｂ、８ｃ及び第１〜第３のパッド電極９ａ、９ｂ、９ｃとして使用される。その後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１の下面にｎ側電極７として例えば金を含む積層膜を形成する。

その後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１を劈開し、さらに必要に応じて劈開面である出力端面に誘電体多層膜による反射防止(ＡＲ)コーティングを施す。これにより、図１、図２に示す光半導体装置の基本的な構造が完成する。なお、ｉ型ＧａＡｓ層４及び回折格子４ａを活
性層３の下方に形成してもかまわない。
ところで、上記の化合物半導体層に含まれるアルミニウム、ガリウム、リン、ヒ素等の元素は元素記号Ａｌ、Ｇａ、Ｐ、Ａｓ等で示されている。

（第２の実施の形態）
図９（ａ）は、第２実施形態に係る光半導体装置を例示する平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のII−II線から見た断面図である。図１、図２と同じ符号は同じ要素を示している。

図９（ａ）、（ｂ）において、図１、図２（ｂ）と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２からｐ型ＧａＡｓコンタクト層６までの各層が形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５には、第１実施形態と同様に、第１〜第４の溝１５ａ〜１５ｄが形成され、その中に低誘電体膜１６ａ〜１６ｄが埋め込まれている。さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６のうち第１〜第４の溝１５ａに挟まれる領域１３、１４、１７には、それぞれ第１〜第３のｐ側電極８ａ〜８ｃが形成されている。

ＤＦＢレーザ領域１３における第１のｐ側電極８ａ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６及び低誘電体膜１６ａの上には絶縁膜３６を介してヒータ３７が形成されている。ヒータ３７は、電力を供給するための第４、第５の電極パッド３７ａ、３７ｂをその両端に有している。

ヒータ３７及び第４、第５の電極パッド３７ａ、３７ｂの形成は次の工程により形成される。
まず、コンタクト層６及び第１〜第３のｐ側電極８ａ〜８ｃの上に、絶縁膜３６として例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等をＰＣＶＤ法により形成する。その後に、例えば、絶縁膜３６の上にフォトレジスト（不図示）を形成し、これを露光、現像することにより、ＤＦＢレーザ領域１３の一部に開口部を形成する。続いて、レジストパターンの上と開口部内に、発熱導電膜、例えばプラチナ膜を蒸着した後に、レジストパターンを溶剤等により除去する。これにより絶縁膜３６上に残されたプラチナ膜をヒータ３７として使用する。

その後に、絶縁膜３６及びヒータ３７の上に新たにフォトレジスト（不図示）を形成し、これを露光、現像することによりレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、少なくとも第１〜第３の電極パッド９ａ〜９ｃを露出させる開口部を有する。その後に、レジストパターンをマスクに使用して絶縁膜３６をエッチングすることにより、第１〜第３の電極パッド９ａ〜９ｃを露出させる。

以上のようにヒータ３７をＤＦＢレーザ領域１３の上に形成したので、図５に示すように、制御回路２７が電流源（不図示）を制御してヒータ３７に電力を投入し、ＤＦＢレーザ領域１３における活性層３の等価屈折率を調整する。これによって発振波長をさらに細かく制御することが可能となる。例えば、ＳＯＡ素子領域１４に注入される変調電流がオンの時に、疑似位相整合素子の位相整合波長とＤＦＢレーザ領域１３から出る光の波長にズレが生じる場合に、ヒータ３７の温度調整によりＤＦＢレーザ領域１３から出力される光の波長を調整することができる。

ヒータ３７の温度調整は、フォトダイオード２５から出力される光パルス波形情報、光強度情報と、サーミスタ２６から出力される温度情報に基づいて、光パルス波形と強度が許容範囲内になるように制御回路２７により制御される。

上述の各実施形態における光半導体素子の構造、材料組成などは、一例に過ぎず、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

また、上述の各実施形態では量子ドット活性層を用いたが、この活性層は例えば量子井戸構造、量子細線構造、バルク構造としてもよい。さらに、上述の各実施形態では、ｎ型ＧａＡｓ基板状にＧａＡｓ系化合物半導体層を積層した構造として使用しているが、これに限られるものではなく、その他の基板や半導体材料の組み合わせを採用することも可能である。例えば上部クラッド層はＡｌＧａＡｓクラッド層としているが、ＩｎＧａＰクラッド層でもよい。またＩｎＰ基板にＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体層やＡｌＧａＩｎＡｓ系化合物半導体層を成長させた構造を採用することも可能である。

さらに、上述の各実施形態において導波路構造１３ａ、１４ａ及び電流注入領域１７ａは、リッジ導波路としているが、これに限られるものではなく、例えばハイメサ導波路構造や埋め込みリッジ導波路構造などでも良い。例えば、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６からｎ型ＧａＡｓクラッド層２の途中までを光進行方向に長い平面ストライプ形状にエッチングして、その溝内を高抵抗の半絶縁のＧａＡｓ電流ブロック層で埋め込んでもよい。

また、上述の各実施形態において単一縦モード発振が可能な回折格子を有する半導体レーザとしてＤＦＢレーザを使用したが、ＤＢＲレーザを光源として使用してもよい。ＤＢＲレーザは、活性層３のうち上方にｐ側電極が形成される領域に対して前の領域と後の領域の上方又は下方に回折格子を形成した構造を有する。さらに、上記の各実施形態において、ｐ型とｎ型が逆であってもよい。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。

次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
（付記１）回折格子及び第１の活性層を含む第１の導波路、及び前記第１の導波路の上方に形成される第１の電極を有する半導体レーザと、前記第１の導波路の前記第１の活性層に連接する第２の活性層を含む第２の導波路、及び前記第２の導波路の上方に形成される第２の電極を有する光半導体増幅素子と、前記半導体レーザに熱的に接続され、電流注入領域と第３の電極を有する温度調整素子と、を有することを特徴とする光半導体装置。
（付記２）前記電流注入領域は、第３の活性層を有することを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
（付記３）前記第１の活性層、前記第２の活性層及び前記第３の活性層は同一の層であることを特徴とする付記２に記載の光半導体装置。
（付記４）前記第１の活性層、前記第２の活性層及び前記第３の活性層は、同一の半導体基板の上方に形成され、前記半導体基板の下面には第４の電極が形成され、前記第１の活性層、前記第２の活性層及び前記第３の活性層のそれぞれは、前記第１の活性層、前記第２の活性層及び前記第３の活性層よりも屈折率の低い上部半導体層と下部半導体層により上下から挟まれることを特徴とする付記２又は付記３に記載の光半導体装置。
（付記５）前記上部半導体層はリッジ構造を有することを特徴とする付記４に記載の光半導体装置。
（付記６）前記回折格子は、前記第１の電極の下方に形成されることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の光半導体装置。
（付記７）前記回折格子は、前記第１の電極の前と後の２つの領域の下方に形成されることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の光半導体装置。
（付記８）前記半導体レーザの上方にはヒータが形成されていることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１つに記載の光半導体装置。
（付記９）前記光半導体増幅素子の光出力端には、第二次高調波発生素子が光結合されることを特徴とする付記１乃至付記８のいずれか１つに記載の光半導体装置。
（付記１０）前記光半導体増幅素子の前記光出力端と第二次高調波発生素子の間にはコリメートレンズが配置されていることを特徴とする付記９に記載の光半導体装置。
（付記１１）前記光半導体増幅素子の第２の電極に変調信号を出力するとともに、前記変調信号のうちのオフ時に前記第３の電極に電流を流す制御回路を有することを特徴とする付記１乃至付記１０のいずれか１つに記載の光半導体装置。
（付記１２）前記制御回路は、前記光半導体増幅素子から出力された光を受光する受光素子の測定データに基づいて前記第３の電極に流す電流をさらに調整する回路であることを特徴とする付記１１に記載の光半導体装置。
（付記１３）前記制御回路は、前記半導体レーザの一部に接続される温度検出素子の測定温度データに基づいて前記第３の電極に流す電流をさらに調整する回路であることを特徴とする付記１１に記載の光半導体装置。
（付記１４）前記制御回路は、前記半導体レーザの一部に接続される温度検出素子の測定温度データに基づいて前記ヒータに流す電流をさらに調整する回路であることを特徴とする付記１１に記載の光半導体装置。

１ ＧａＡｓ基板
２ ＡｌＧａＡｓクラッド層
３ 活性層
４ ＧａＡｓ層
４ａ 回折格子
５ ＡｌＧａＡｓクラッド層
６ ＧａＡｓコンタクト層
７ ｎ側電極
８ａ、８ｂ、８ｃ ｐ側電極
９ａ、９ｂ、９ｃ パッド電極
１３ ＤＦＢレーザ領域
１４ ＳＯＡ素子領域
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ 溝
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 誘電体層
１７ 温度調整素子領域
２１ コリメートレンズ
２２ 非線形光学素子
２３ 赤外線遮断用フィルタ
２４ ハーフミラー
２５ フォトダイオード
２６ サーミスタ
２７ 制御回路
３７ ヒータ

Claims (4)

1. 化合物半導体基板に形成され、回折格子及び第１活性層と、前記回折格子及び前記第１活性層の下方に形成された第１下側クラッド層と、前記回折格子及び前記第１活性層の上方に形成された第１上側クラッド層を含む第１導波路、及び前記第１導波路の上方に形成される第１電極を有する半導体レーザと、
   前記化合物半導体基板に形成され、前記第１導波路の前記第１活性層に連接して光結合し、前記第１活性層に繋がる第２活性層と、前記第２活性層の下方で前記第１下側クラッド層に繋がる前記第２下側クラッド層と、前記第２活性層の上方で前記第１上側クラッド層に繋がる第２上側クラッド層を含む第２導波路、及び前記第２導波路の上方に形成される第２電極を有する光半導体増幅素子と、
   前記化合物半導体基板に形成され、前記第１活性層に繋がり、前記第２活性層と同じ層の第３活性層と、前記第３活性層の下方で前記第１下側クラッド層に繋がり、第２下側クラッド層と同じ層の第３下側クラッド層と、前記第３の導波路の上方で前記第１上側クラッド層に繋がり、前記第２上側クラッド層と同じ層の第３上側クラッド層とを含み、前記半導体レーザに熱的に接続される第３の導波路と、前記第３の導波路の上方に形成された第３電極を有する温度調整素子と、
   前記光半導体増幅素子の光出力端に光結合された非線形光学素子と、
   前記非線形光学素子の光出力端に光結合された赤外線遮断用フィルタと、
   前記光半導体増幅素子及び前記温度調整素子をオフにした状態において前記半導体レーザの発振波長を前記非線形光学素子の位相整合波長より短い波長となる電流を前記第１の電極に流しつつ、前記光半導体増幅素子の前記第２の電極に変調信号の電流を流すと同時に前記変調信号と逆のオン・オフ電流信号を前記第３の電極に流す制御回路と、
   を有することを特徴とする光半導体装置。
2. 前記半導体レーザの前記第１の電極の両側方で、前記第１上側クラッド層の途中の深さに形成される第１溝と、
   前記光半導体増幅素子の前記第２電極の両側方で、前記第２上側クラッド層の途中の深さに形成される第２溝と、
   前記温度調整素子の前記第３の電極の両側方で、前記第２上側クラッド層の途中の深さに形成される第３溝と、
   前記第１溝と前記第２溝と前記第３溝内に充填される絶縁材と、
   を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。
3. 前記回折格子は、前記第１の電極の下方に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
4. 前記回折格子は、前記第１の電極の前と後の２つの領域の下方に形成されることを特徴とする請求項１乃請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
   

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