JP5718008B2 - 半導体導波路アレイ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リッジ型半導体導波路がアレイ状に配列された半導体導波路アレイ素子の製造方法に関するものである。

たとえばＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）光通信用の波長可変光源として、集積型半導体レーザ素子が開示されている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１に記載の集積型半導体レーザ素子は、アレイ状に配列され、互いに発振波長が異なる複数の分布帰還（ＤＦＢ: Distributed Feedback）型の半導体レーザと、複数の半導体レーザと接続した光合流器と、光合流器に接続した半導体光増幅器とを一つの基板上に集積したものである。このような集積型半導体レーザ素子は、たとえばＤＷＤＭ光通信ネットワークシステムにおける長距離光伝送のために、さらに光変調器が集積されて、光送信器として使用される。

上記のようなアレイ状に配列されたＤＦＢレーザの光導波路構造には、主に２種類のものがある。一つは、活性層をコア層とするスラブ型光導波路を有する半導体積層構造に対して、活性層の両側をエッチングしてメサ構造を形成した後に、そのメサ構造の両側にＩｎＰ層などの半導体層を再成長させた埋め込みメサ型構造である。もう一つは、上述した半導体積層構造を表面からエッチングしてトレンチ溝を形成し、そのトレンチ溝によってリッジ形状を形成したリッジ型構造である。

リッジ型光導波路構造のＤＦＢレーザの場合、トレンチ溝はポリイミド等の有機絶縁材料で埋められて、この有機絶縁材料の上に、リッジ型光導波路に電流を流すための電極構造が形成される（特許文献２、３参照）。

特開２００６−２６１５９０号公報 特開２００８−１０４８４号公報 特開平１０−２６７１０号公報

リッジ型光導波路において、トレンチ溝を有機絶縁材料で埋めた構造は、以下のような工程で形成する。まず、トレンチ溝を形成することによってリッジ型光導波路を形成した半導体積層構造の表面に有機絶縁材料を塗布し、トレンチ溝を埋める。つぎに、塗布した有機絶縁材料をエッチングして、リッジ型光導波路の上部を露出させる。つぎに、露出したリッジ型光導波路の上部に対して電極構造を形成する。このとき、電極構造は、リッジ型光導波路の上部から、トレンチ溝を埋めている有機絶縁材料の表面、およびリッジ型光導波路に隣接して形成されたサポートメサの上面にわたって形成される。

ここで、半導体積層構造の表面に塗布する有機絶縁材料の厚さが薄いと、その表面は、半導体積層構造の表面のトレンチ溝による凹凸形状を反映して、表面内で厚さに分布ができる。そうすると、エッチングによりリッジ型光導波路の上部を露出させる工程において、リッジ型光導波路によって露出の程度が不均一となる、または露出しないものが形成されることとなる。露出しない場合、電極構造とリッジ型光導波路とが通電しなくなるため、素子の製造歩留まりが低下する。

また、電極構造を形成しないパッシブのリッジ型光導波路から構成される半導体光導波路アレイ素子の場合は、リッジ型光導波路の上部を露出させる工程は行なわないが、有機絶縁材料の表面に凹凸があると問題になる場合がある。たとえば、有機絶縁材料の表面を下面にして半導体光導波路アレイ素子を基板に載置するようないわゆるジャンクションダウン構造を形成しようとする場合、有機絶縁材料の表面に凹凸があると半導体光導波路アレイ素子を安定して基板に載置することができないため、素子の製造歩留まりが低下する。

これに対して、有機絶縁材料の厚さを厚くすると、半導体積層構造の表面の凹凸形状の影響が及びにくくなり、表面内での厚さの分布が解消される。たとえば、粘性が１０００〜７０００ｃｐｓのポリイミドの場合は、凹凸形状がない半導体積層構造の表面における塗布後の厚さが８μｍ以上になるように塗布条件を設定すれば、ポリイミドの表面内で厚さの分布は生じない。

しかしながら、有機絶縁材料の塗布後の厚さを８μｍよりも厚くすると、ウェットエッチングでは有機絶縁材料を均一な量だけエッチングすることが困難になるため、エッチング量の不均一によって表面内で厚さに分布ができてしまう。この分布を防止するためには、ドライエッチングを用いてエッチバックすることが有効である。

ところが、ドライエッチングを用いる場合は、エッチング工程に時間とコストが掛かるという問題がある。また、ドライエッチングを用いる場合は、エッチング前に有機絶縁材料を硬化させる（キュアする）熱処理を行う必要があるが、このキュアによって有機絶縁材料が大きく収縮する。たとえば、ポリイミドの場合は、塗布後の厚さが８〜１６μｍの場合に、キュアによって厚さが５〜１０μｍになり、体積がおよそ４０％だけ収縮する。このように、厚く塗布した有機絶縁材料のキュアの際の収縮によって、光導波路に大きな応力が掛かることとなる。このような応力は、有機絶縁材料の剥離を引き起こす原因となるなど、素子の信頼性を低下する要因となるおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性および製造歩留まりが高い半導体導波路アレイ素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体導波路アレイ素子の製造方法は、リッジ型光導波路がアレイ状に配列された半導体光導波路アレイ素子の製造方法であって、スラブ型光導波路を有する半導体積層構造に複数のトレンチ溝を並べて形成し、前記トレンチ溝により離間されてアレイ状に配列されたリッジ型光導波路を形成する光導波路形成工程と、前記リッジ型光導波路を形成した半導体積層構造の表面を覆い、かつ前記複数のトレンチ溝を埋めるように有機絶縁材料を塗布する塗布工程と、前記有機絶縁材料をウェットエッチングし、前記アレイ状に配列されたリッジ型光導波路の上部を露出させるエッチング工程と、前記複数のトレンチ溝を埋めた有機絶縁材料を硬化させる熱処理工程と、を含み、前記光導波路形成工程において、前記複数のトレンチ溝のうち最も外側に位置する最外トレンチ溝の幅を、前記最外トレンチ溝よりも内側に位置する内側トレンチ溝の幅よりも広くすることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体導波路アレイ素子の製造方法は、上記の発明において、前記最外トレンチ溝の幅をＷt_outer、前記内側トレンチ溝のうち、前記最外トレンチ溝側から該最外トレンチ溝も含めて数えてＭ番目までの内側トレンチ溝の幅を、それぞれＷｔ_outer２、・・・、Ｗt_outerＭとし、その他の内側トレンチ溝の幅をＷt_inner、前記複数のトレンチ溝の深さをＤr、前記塗布工程後の前記リッジ型光導波路の配列方向中央付近のリッジ型光導波路上における前記有機絶縁材料の厚さをＤp、前記塗布工程後の前記最外トレンチ溝の外側の半導体積層構造上における前記有機絶縁材料の、内側の平坦部の厚さをＤp_outer、外側の平坦部の厚さをＤp_flat、前記リッジ型光導波路のメサ幅をＷm、前記リッジ型光導波路間の間隔をＷp-p、前記リッジ型光導波路の数をＮ（ただし、Ｎ≧Ｍ、Ｍ≧３）とすると、前記Ｗt_outerおよびＷt_outer２、・・・、Ｗt_outerＭを、以下の式
（Ｄp＋Ｄr）×（Ｗt_outer＋Ｗt_outer２＋・・＋Ｗt_outerＭ）＋Ｄp_flat×{Ｗt_inner×（２×Ｎ−Ｍ）＋Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p−Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}＝（Ｄp＋Ｄr）×Ｗt_inner×（２×Ｎ−２）＋Ｄp×{Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p-Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}
を満たすように設定することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体導波路アレイ素子の製造方法は、上記の発明において、前記有機絶縁材料としてポリイミドまたはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂を用いることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性および製造歩留まりが高い半導体導波路アレイ素子の製造方法を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る製造方法によって製造したＤＦＢレーザアレイを備えた集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。 図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線要部断面図である。 図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線要部断面図である。 図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＣ−Ｃ線要部断面図である。 図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図６は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図７は、本実施の形態１に係る製造方法を従来の製造方法と比較して説明する図である。 図８は、図７（ａ）と同様の構造を有するリッジ型光導波アレイを作製して測定した最外トレンチ溝の幅と最外トレンチ溝におけるポリイミドの厚さとの関係を示す図である。 図９は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体導波路アレイ素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る半導体導波路アレイ素子の製造方法について説明する。図１は、本実施の形態１に係る製造方法よって製造した半導体導波路アレイ素子であるＤＦＢレーザアレイを備えた集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。

図１に示すように、この集積型半導体レーザ素子１００は、ＤＦＢレーザアレイ１と、ＤＦＢレーザアレイ１と接続した多モード干渉（Multi-Mode Interference：ＭＭＩ）型の光合流器２と、光合流器２と接続した半導体光増幅器３と、半導体光増幅器と接続した半導体光変調器４とが、基板上にモノリシックに集積されたものである。ＤＦＢレーザアレイ１は、波長１５３０ｎｍ〜１６３０ｎｍにおいて互いに異なるレーザ発振波長を有するＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６と、サポートメサ１ｂ−１〜１ｂ−５とが、交互に並べられて配置したものである。ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６、サポートメサ１ｂ−１〜１ｂ−５、光合流器２、半導体光増幅器３、および半導体光変調器４はリッジ型光導波路で構成されている。符号５、８、９はリッジ型光導波路を形成するためのトレンチ溝であるが、これについては後で詳述する。

この集積型半導体レーザ素子１００は以下のように動作する。まず、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６のうち選択されたいずれか一つが電流を注入されてレーザ光を出力する。光合流器２が出力されたレーザ光を半導体光増幅器３に入力させる。半導体光増幅器３が入力されて増幅する。そして、半導体光変調器４が増幅したレーザ光を変調し、レーザ信号光として出力する。集積型半導体レーザ素子１００は、選択するＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６を変更することによって、波長可変の光送信器として機能する。

図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線要部断面図であり、ＤＦＢレーザアレイ１の断面構造を示している。図２に示すように、ＤＦＢレーザアレイ１は、ｎ側電極１０１を裏面に形成し、かつバッファ層としての役割も果たすｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層を表面に形成した、ｎ型のＩｎＰからなる基板１０２上に、活性コア層１０３と、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１０４と、１．１５ＱのＧａＩｎＡｓＰからなるエッチストップ層１０５と、ｐ型のＩｎＰ層と１．２５ＱのＧａＩｎＡｓＰ層との周期構造が長さ方向に形成されたグレーティング層１０６と、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１０７と、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１０８とが積層した半導体積層構造を有している。ここで、１．１５Ｑとは、バンドギャップ波長が１．１５μｍとなる組成を意味する。また、グレーティング層１０６の周期構造の周期は、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６のそれぞれで互いに異なっている。その結果、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６は、グレーティング層１０６の周期により定まる互いに異なる波長のレーザ光を出力することができる。

ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６およびサポートメサ１ｂ−１〜１ｂ−５の間の領域には、コンタクト層１０８からエッチストップ層１０５の表面に到るまでの深さにトレンチ溝が形成されている。このトレンチ溝によってＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６およびサポートメサ１ｂ−１〜１ｂ−５が離間されるとともに、そのリッジ形状が形成されている。なお、ＤＦＢレーザアレイ１の幅方向の最も外側に位置するトレンチ溝を最外トレンチ溝５とし、最外トレンチ溝５の内側に位置するトレンチ溝を内側トレンチ溝６とする。最外トレンチ溝５の外側は溝構造がないサポート部７である。また、最外トレンチ溝５の幅は内側トレンチ溝６の幅よりも広くなっている。これについては後に詳述する。

各トレンチ溝５、６の内壁を含めた半導体積層構造の表面はＳｉＮからなる保護膜１０９によって覆われている。また、各トレンチ溝５、６は有機絶縁材料であるポリイミド１１０によって埋められている。ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６の上部においては、保護膜１０９は除去されてコンタクト層１０８が露出しており、そこにコンタクト層１０８と接触するようにｐ側電極１１１が形成されている。このｐ側電極１１１はポリイミド１１０の表面に到るまで延設している。さらに、ｐ側電極１１１上には電極パッド１１２および金メッキ１１３が順次積層形成されている。電極パッド１１２および金メッキ１１３はポリイミド１１０の表面を介して隣接するサポートメサ１ｂ−１〜１ｂ−５またはサポート部７の上部に到るまで延設しており、ポリイミド１１０およびサポートメサ１ｂ−１〜１ｂ−５またはサポート部７によって保持されている。

ＤＦＢレーザアレイ１は、本実施の形態１に係る製造方法により製造したことによって、ポリイミド１１０が剥離せず、かつｐ側電極１１１、電極パッド１１２、および金メッキ１１３により構成される電極構造がＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６と確実に通電することとなる。これについては後に詳述する。

図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＢ−Ｂ線要部断面図であり、半導体光増幅器３の断面構造を示している。図３に示すように、半導体光増幅器３は、ｎ側電極１０１を裏面に形成し下部クラッド層を表面に形成した基板１０２上に、活性コア層１０３と、上部クラッド層１０４と、エッチストップ層１０５と、上部クラッド層１０７と、コンタクト層１０８とが積層した半導体積層構造を有している。また、半導体光増幅器３の両側には、コンタクト層１０８からエッチストップ層１０５の表面に到るまでの深さにトレンチ溝８が形成されている。このトレンチ溝８によって半導体光増幅器３のリッジ形状が形成されている。

トレンチ溝８の内壁を含めた半導体積層構造の表面は保護膜１０９によって覆われている。また、トレンチ溝８はポリイミド１１０によって埋められている。半導体光増幅器３の上部においては、保護膜１０９は除去されてコンタクト層１０８が露出しており、そこにコンタクト層１０８と接触するようにｐ側電極１１１が形成されている。このｐ側電極１１１はポリイミド１１０の表面に到るまで延設している。さらに、ｐ側電極１１１上には電極パッド１１２および金メッキ１１３が順次積層形成されている。電極パッド１１２および金メッキ１１３はポリイミド１１０の表面を介して隣接するサポート部７の上部に到るまで延設しており、ポリイミド１１０およびサポート部７によって保持されている。

図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＣ−Ｃ線要部断面図であり、光合流器２の断面構造を示している。図４に示すように、光合流器２は、ｎ側電極１０１を裏面に形成した基板１０２上に、ノンドープのＩｎＰからなる下部クラッド層１１４と、１．３５ＱのＧａＩｎＡｓＰからなる受動コア層１１５と、ノンドープのＩｎＰからなる上部クラッド層１１６と、エッチストップ層１０５と、上部クラッド層１０７とが積層した半導体積層構造を有している。また、光合流器２の両側には、上部クラッド層１０７からエッチストップ層１０５の表面に到るまでの深さにトレンチ溝９が形成されている。このトレンチ溝９によって光合流器２のリッジ形状が形成されている。また、トレンチ溝９の内壁を含めた半導体積層構造の表面は保護膜１０９によって覆われている。また、トレンチ溝９はポリイミド１１０によって埋められている。

なお、半導体光変調器４については、半導体光増幅器３と同一の断面構造を有している。

（製造方法）
つぎに、集積型半導体レーザ素子１００の製造方法について、図５〜図９を参照して説明する。

はじめに、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic chemical Vapor Deposition）結晶成長装置を用い、成長温度６００度において、基板１０２上にバッファ層を成長し、さらに、活性コア層１０３、上部クラッド層１０４、エッチストップ層１０５、ＧａＩｎＡｓＰ層１２０、およびｐ型のＩｎＰからなるキャップ保護層１２１を順次成長する（図５（ａ）参照）。

なお、各半導体層の特性を例示すると、活性コア層１０３は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の上下に３段階の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。なお、ＭＱＷは例えば、６層の厚さ６ｎｍの井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層とが交互に積層された、いわゆる６ＱＷの構造を有する。また、上部クラッド層１０４、エッチストップ層１０５、ＧａＩｎＡｓＰ層１２０、およびキャップ保護層１２１の厚さはそれぞれ３０ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍである。

つぎに、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６を形成すべき領域において、ＩＣＰ(Inductive Coupling Plasma)−ＲＩＥ(Reactive Ion Etcher)によって、ＧａＩｎＡｓＰ層１２０の底面に到る深さまで、周期２４０ｎｍ程度の回折格子状にエッチングする（図５（ｂ）参照）。なお、上記周期は、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６を形成すべき各領域によって異なるようにする。

つぎに、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６、半導体光増幅器３、および半導体光変調器４を形成すべきアクティブ領域をＳｉＮからなる保護マスクＭ１で覆い、アクティブ領域以外の領域（以下、パッシブ領域とする）をＩＣＰ−ＲＩＥと硫酸によるウェットエッチングとにより、活性コア層１０３の底面に到る深さまでエッチングし、活性コア層１０３を除去する（図５（ｃ）参照）。

つぎに、パッシブ領域に、光合流器２を形成するための半導体積層構造を形成する。具体的には、下部クラッド層１１４、受動コア層１１５、上部クラッド層１１６、およびエッチストップ層１０５を順次バットジョイント成長によって再成長する（図５（ｄ）参照）。なお、受動コア層１１５の厚さはたとえば３００ｎｍとし、活性コア層１０３と厚さ方向の中心を一致させて接続するようにする。これによって、ＤＦＢレーザアレイ１、光合流器２、半導体光増幅器３、および半導体光変調器４を構成するリッジ型光導波路を形成するためのスラブ型光導波が形成される。

つぎに、保護マスクＭ１を除去した後に全面に上部クラッド層１０７とコンタクト層１０８とを順次成長する。これによって、ＤＦＢレーザアレイ１、光合流器２、半導体光増幅器３、および半導体光変調器４を構成するリッジ型光導波路を形成するためのスラブ型光導波が形成される。その後、パッシブ領域のコンタクト層１０８を除去する（図５（ｅ）、（ｆ）参照）。

つぎに、図１のＡ−Ａ線断面に対応する図６を用いて説明する。まず、トレンチ溝を形成するための保護マスクＭ２を形成し、ＩＣＰ−ＲＩＥによってドライエッチングを行なう（図６（ａ）参照）。このとき、エッチストップ層１０５までエッチングしないようにする。つぎに、塩酸:燐酸＝１：３のエッチャントにより、エッチストップ層１０５の表面まで等方的にエッチングを行ない、その後、バッファードフッ酸によって保護マスクＭ２を除去する（図６（ｂ）参照）。これによって、各トレンチ溝５、６、８、９が形成されるとともに、ＤＦＢレーザアレイ１を形成するためのリッジ型光導波路１０、ならびに光合流器２、半導体光増幅器３、および半導体光変調器４を形成するためのリッジ型光導波路が形成される。その後、全面に保護膜１０９を形成する（図６（ｃ）参照）。なお、最外トレンチ溝５は、その幅が内側トレンチ溝６の幅よりも広くなるように形成する。トレンチ溝８、９の幅はたとえば最外トレンチ溝５と同一にする。

つぎに、全面にポリイミド１１０を塗布する。ここで、最外トレンチ溝５の幅を内側トレンチ溝６の幅よりも広くなるように形成していることによって、ＤＦＢレーザアレイ１を形成する領域において、ポリイミド１１０の表面はいっそう平坦になる。

以下、その理由を図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態１に係る製造方法を従来の製造方法と比較して説明する図である。なお、符号１０Ａ、１０ＢはそれぞれＤＦＢレーザ、サポートメサを形成するためのリッジ型光導波路であるが、リッジ型光導波路を符号１０Ａ、１０Ｂで区別しない場合は符号１０で示している。従来の製造方法では、図７（ｂ）に示すように、最外トレンチ溝５´と内側トレンチ溝６とを同じ幅で形成している。このため、半導体積層構造の表面に供給されたポリイミド１１０は、内側トレンチ溝６と最外トレンチ溝５´とが形成された溝形成領域においては、一部が各トレンチ溝内に入り込むため、その厚さが薄くなる。これに対して、溝構造がないサポート部７では、ポリイミド１１０の厚さは溝形成領域での厚さよりも厚くなる。その結果、溝形成領域からサポート部７にかけて、ポリイミド１１０の表面に段差Ｓが形成されることとなる。

これに対して、本実施の形態１に係る製造方法では、図７（ａ）に示すように、最外トレンチ溝５の幅を内側トレンチ溝６の幅よりも広くなるように形成している。このため、段差Ｓを形成しているポリイミド１１０の一部が、よりいっそう最外トレンチ溝５に入り込むことになる。その結果、ポリイミド１１０の段差Ｓは、図７（ｂ）の場合よりもサポート部７側へ移動することとなる。

すなわち、本実施の形態１によれば、ポリイミド１１０の段差Ｓが、ＤＦＢレーザアレイ１を形成する領域から離れるように移動するため、当該領域においてポリイミド１１０はいっそう平坦になり、リッジ型光導波路１０の上部を露出させる工程において、その露出の程度が不均一となることが抑制される。その結果、ＤＦＢレーザアレイ１の製造歩留まりが高くなる。

また、トレンチ溝が存在するにもかかわらずポリイミド１１０が平坦になるため、ポリイミド１１０の塗布厚さ（リッジ型光導波路１０上におけるポリイミド１１０の厚さ）は２μｍ以下と薄くてよい。そのため、ウェットエッチングによって均一な量のエッチングができるので、エッチングによる厚さの不均一の発生を防止できる。それとともに、ウェットエッチングを採用する場合にはキュアをエッチング前に行なわなくてもよいため、ポリイミド１１０の剥離が防止されるので、ＤＦＢレーザアレイ１の信頼性の低下を防止することができる。

なお、図７（ａ）に示すように、最外トレンチ溝５の幅５ａをＷt_outer、内側トレンチ溝６の幅６ａをＷt_inner、各トレンチ溝５、６の深さ５ｂ、６ｂをＤr、ポリイミド１１０の塗布後のリッジ型光導波路１０の配列方向中央付近のリッジ型光導波路１０上におけるポリイミド１１０の厚さ１１０ａをＤp、最外トレンチ溝５の外側の半導体積層構造であるサポート部７上におけるポリイミド１１０の厚い内側の平坦部の厚さ１１０ｂをＤp_outer、さらにサポート部７上におけるポリイミド１１０の薄い外側の平坦部のポリイミド厚さ１１０ｃをＤp_flat、リッジ型光導波路１０のメサ幅１０ａをＷm、サポートメサ用のリッジ型光導波路１０Ｂと隣り合うＤＦＢレーザ用のリッジ型光導波路１０Ａ間の間隔１０ｂをＷp-p、リッジ型光導波路１０の数をＮとすると、Ｗt_outerを、以下の式（１）

（Ｄp＋Ｄr）×Ｗt_outer＋Ｄp_flat×{Ｗt_inner×（２×Ｎ−３）＋Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p-Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}＝（Ｄp＋Ｄr）×Ｗt_inner×（２×Ｎ−２）＋Ｄp×{Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p−Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)} ・・・ （１）

を満たすように設定することが好ましい。ただし、Ｎ≧３である。これによって、すべてのリッジ型光導波路１０に対してリッジ型光導波路１０上におけるポリイミド１１０の厚さがＤpとなり、均一な厚さとなる。

なお、この場合には、式（１）に用いられているポリイミド厚さＤp、Ｄr、Ｄp_outer、およびＤp_flatの値を設計する前に、予め、図７（ｂ）に示すようなトレンチ幅が一定なサンプルを作製し、段差計や断面の走査型電子顕微鏡による観察等により、求めておく必要がある。

また、式（１）は、最外トレンチ溝５の幅のみを広げる例であるが、最外トレンチ溝５の幅Ｗt_outerと、さらにその内側の内側トレンチ溝６のうち、片側の最外トレンチ溝５側から最外トレンチ溝５も含めて数えて２番目の内側トレンチ溝の幅を広げるようにしてもよい。ここで、当該２番目の内側トレンチ溝の幅をＷｔ_outer２と置き換え、他の内側トレンチ溝の幅はＷt_innerのままとすると、この場合は、Ｗt_outerおよびＷt_outer２を、以下の式（２）

（Ｄp＋Ｄr）×（Ｗt_outer＋Ｗt_outer２）＋Ｄp_flat×{Ｗt_inner×（２×Ｎ−４）＋Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p−Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}＝（Ｄp＋Ｄr）×Ｗt_inner×（２×Ｎ−２）＋Ｄp×{Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p-Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)} ・・・ （２）
を満たすように設定することが好ましい。ただし、Ｎ≧３である。

さらに、最外トレンチ溝５の幅Ｗt_outerと、さらにその内側の内側トレンチ溝６のうち、片側の最外トレンチ溝５側から最外トレンチ溝５も含めて数えてＭ番目までの内側トレンチ溝の幅を広げるようにしてもよい。ここで、当該Ｍ番目までの内側トレンチ溝の幅をそれぞれＷｔ_outer２、・・・、Ｗｔ_outerＭと置き換え、他の内側トレンチ溝６の幅はＷt_innerのままとすると、この場合は、Ｗt_outerおよびＷt_outer２、・・・、Ｗt_outerＭを、以下の式（３）

（Ｄp＋Ｄr）×（Ｗt_outer＋Ｗt_outer２＋・・・＋Ｗt_outerＭ）＋Ｄp_flat×{Ｗt_inner×（２×Ｎ−Ｍ）＋Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p−Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}＝（Ｄp＋Ｄr）×Ｗt_inner×（２×Ｎ−２）＋Ｄp×{Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p-Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)} ・・・ （３）
を満たすように設定することが好ましい。ただし、Ｎ≧Ｍ、Ｍ≧３である。

また、ポリイミド１１０の塗布をスピンコートによって行なう場合は、スピンコートの回転数が１５００〜５０００ｒｐｍ、ポリイミド１１０の粘性が１０００ｃｐｓ以上の場合、以下の式（４）が成り立つ。
Ｋ×（Ｄp＋Ｄr）＝Ｄp_outer ・・・ （４）
ここで、Ｋはスピンコートの回転数とポリイミド１１０の粘性で決まる定数である。式（４）によれば、Ｄp_outerとＤp＋Ｄrとの関係が規定される。したがって、式（４）の条件の下に式（１）〜（３）のいずれか一つを適用すれば、Ｗt_outerをいっそう容易に設定することができる。

なお、図８は、図７（ａ）と同様の構造を有するリッジ型光導波アレイを作製して測定した最外トレンチ溝の幅（Ｗt_outer）と最外トレンチ溝におけるポリイミドの厚さとの関係を示す図である。なお、最外トレンチ溝におけるポリイミドの厚さは、アレイの配列方向中央付近の内側トレンチ溝におけるポリイミドの厚さとの差分である。また、作製したリッジ型光導波アレイにおいて、式（１）におけるＷt_innerは３μｍ、Ｄrは３μｍ、Ｗmは２μｍ、Ｗp-pは２５μｍ、Ｎは１２と設定した。図８に示すように、Ｗt_outerを３μｍより広い４μｍ〜６μｍに設定した場合に、中心付近の内側トレンチ溝と最外トレンチ溝とでのポリイミドの厚さの差は１００ｎｍ以内となり、リッジ型光導波アレイ内でのポリイミドの厚さが均一となる。

図９を用いて集積型半導体レーザ素子１００の製造方法についてさらに説明する。図７（ａ）のようにポリイミド１１０を塗布した後に、２．３８質量％の酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）によってウェットエッチングを行ない、リッジ型光導波路１０の上部を露出させるいわゆる頭出しを行なう。上述したようにＤＦＢレーザアレイ１を形成する領域においてポリイミド１１０は表面が平坦であるから、各リッジ型光導波路１０は均一に頭だしがされることとなる。その後、各トレンチ溝５、６、８、９に残されたポリイミド１１０をキュアして熱硬化する（図９（ａ）参照）。

つぎに、フォトリソグラフィ技術によって、ＤＦＢレーザ１ａ−１〜１ａ−６を形成するためのリッジ型光導波路１０、ならびに半導体光増幅器３および半導体光変調器４を形成するためのリッジ型光導波路以外の領域をレジストで覆い、レジストで覆わなかったリッジ型光導波路の上部の保護膜１０９をＲＩＥによってエッチング除去する。これによってコンタクト層１０８を露出させる。その後レジストを除去する（図９（ｂ）参照）。

つぎに、フォトリソグラフィ技術によって、ｐ側電極１１１を形成するためのパターンを有するレジストを形成し、全面にＡｕＺｎ膜を蒸着した後にアセトンによるリフトオフを行なう。これによってｐ側電極１１１を形成する（図９（ｃ）参照）。

つぎに、Ｔｉ／Ｐｔの２層構造の電極パッド１１２、およびｐ側電極１１１と電極パッド１１２との接触抵抗を低減するための金メッキ１１３を形成する（（図９（ｄ）、（ｅ）参照））。なお、このｐ側電極１１１、電極パッド１１２、および金メッキ１１３の形成は、半導体光増幅器３および半導体光変調器４を形成するためのリッジ型光導波路に対しても行なう。

その後、基板１０２の裏面全面を研磨し、研磨した裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜を蒸着してｎ側電極１０１を形成した後、オーミックコンタクトをとるために４３０℃で焼結（シンタ）する。最後に、素子分離して集積型半導体レーザ素子１００が完成する。

以上説明したように、本実施の形態１に係る製造方法よって製造したＤＦＢレーザアレイ１、およびこれを備えた集積型半導体レーザ素子１００は、信頼性および製造歩留まりが高いものとなる。

なお、上記実施の形態に係るＤＦＢレーザアレイおよびこれを備えた集積型半導体レーザ素子は、波長１５５０ｎｍ帯用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、光通信波長帯域内の増幅すべき光の波長に応じて適宜設定でき、特に限定はされない。

また、上記実施の形態では、半導体光導波路アレイ素子を構成する各リッジ型光導波路の幅、および各トレンチ溝の深さが等しいが、各リッジ型光導波路の幅または各トレンチ溝の深さは異なっていてもよい。

また、上記実施の形態では、有機絶縁材料としてポリイミドを用いているが、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂などの他の有機絶縁材料を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、半導体導波路アレイ素子がＤＦＢレーザアレイであるが、本発明はリッジ型光導波路がアレイ状に配列されたあらゆる半導体光導波路アレイ素子に適用可能である。たとえば、本発明は、パッシブなリッジ型光導波路をアレイ状に配列して複数の光信号を並列的に導波する半導体導波路アレイ素子、半導体光増幅器アレイ、あるいは半導体光変調器アレイを製造する場合にも適用できる。また、上記実施の形態では、リッジ型光導波路が、トレンチ溝がコア層に到達しない深さに形成されたローメサ構造のものであるが、トレンチ溝がコア層よりも深い位置まで形成されたハイメサ構造のリッジ型光導波路である場合にも本発明は適用できる。

１ ＤＦＢレーザアレイ
１ａ−１〜１ａ−６ ＤＦＢレーザ
１ｂ−１〜１ｂ−５ サポートメサ
２ 光合流器
３ 半導体光増幅器
４ 半導体光変調器
５ 最外トレンチ溝
５ａ、６ａ 幅
６ 内側トレンチ溝
７ サポート部
８、９ トレンチ溝
１０、１０Ａ、１０Ｂ リッジ型光導波路
１０ａ メサ幅
１０ｂ 間隔
１００ 集積型半導体レーザ素子
１０１ ｎ側電極
１０２ 基板
１０３ 活性コア層
１０４、１０７、１１６ 上部クラッド層
１０５ エッチストップ層
１０６ グレーティング層
１０８ コンタクト層
１０９ 保護膜
１１０ ポリイミド
１１０ａ〜１１０ｃ 厚さ
１１１ ｐ側電極
１１２ 電極パッド
１１３ 金メッキ
１１４ 下部クラッド層
１１５ 受動コア層
１２０ ＧａＩｎＡｓＰ層
１２１ キャップ保護層
Ｍ１、Ｍ２ 保護マスク
Ｓ 段差

Claims (4)

1. リッジ型光導波路がアレイ状に配列された半導体光導波路アレイ素子の製造方法であって、
   スラブ型光導波路を有する半導体積層構造に複数のトレンチ溝を並べて形成し、前記トレンチ溝により離間されてアレイ状に配列されたリッジ型光導波路を形成するとともに該リッジ型光導波路の外側に溝構造がないサポート部を形成する光導波路形成工程と、
   前記リッジ型光導波路を形成した半導体積層構造の表面を覆い、かつ前記複数のトレンチ溝を埋めるように有機絶縁材料を塗布する塗布工程と、
   前記有機絶縁材料をウェットエッチングし、前記アレイ状に配列されたリッジ型光導波路の上部を露出させるエッチング工程と、
   前記複数のトレンチ溝を埋めた有機絶縁材料を硬化させる熱処理工程と、
   を含み、前記光導波路形成工程において、前記複数のトレンチ溝のうち最も外側に位置する最外トレンチ溝の幅を、前記最外トレンチ溝よりも内側に位置する内側トレンチ溝の幅よりも広くすることにより、前記塗布工程において、前記最外トレンチ溝によりいっそう前記有機絶縁材料を入り込ませ、外側に向かって厚くなるように前記有機絶縁材料の表面に形成される段差を、前記最外トレンチ溝の幅と前記内側トレンチ溝の幅とが均一の場合と比較して外側に移動させ、前記リッジ型光導波路上における前記有機絶縁材料をいっそう平坦にすることを特徴とする半導体導波路アレイ素子の製造方法。
2. 前記最外トレンチ溝の幅をＷt_outer、前記内側トレンチ溝のうち、前記最外トレンチ溝側から該最外トレンチ溝も含めて数えてＭ番目までの内側トレンチ溝の幅を、それぞれＷｔ_outer２、・・・、Ｗt_outerＭとし、その他の内側トレンチ溝の幅をＷt_inner、前記複数のトレンチ溝の深さをＤr、前記塗布工程後の前記リッジ型光導波路の配列方向中央付近のリッジ型光導波路上における前記有機絶縁材料の厚さをＤp、前記塗布工程後の前記サポート部上における前記有機絶縁材料の内側の厚い平坦部である前記有機絶縁材料の盛り上がった部分の厚さをＤp_outer、前記塗布工程後の前記サポート部上における前記有機絶縁材料の外側の薄い平坦部である前記有機絶縁材料の盛り上がった部分の裾部の厚さをＤp_flat、前記リッジ型光導波路のメサ幅をＷm、前記リッジ型光導波路間の間隔をＷp-p、前記リッジ型光導波路の数をＮ（ただし、Ｎ≧Ｍ、Ｍ≧３）とすると、前記Ｗt_outerおよびＷt_outer２、・・・、Ｗt_outerＭを、以下の式
   （Ｄp＋Ｄr）×（Ｗt_outer＋Ｗt_outer２＋・・・＋Ｗt_outerＭ）＋Ｄp_flat×{Ｗt_inner×（２×Ｎ−Ｍ）＋Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p−Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}＝（Ｄp＋Ｄr）×Ｗt_inner×（２×Ｎ−２）＋Ｄp×{Ｗm×Ｎ＋(Ｗp-p-Ｗｔ_inner)×(Ｎ−１)}
   を満たすように設定することを特徴とする請求項１に記載の半導体導波路アレイ素子の製造方法。
3. 前記塗布工程において、前記有機絶縁材料の塗布をスピンコートによって行い、前記スピンコートの回転数を１５００〜５０００ｒｐｍ、前記有機絶縁材料の粘性を１０００ｃｐｓ以上とし、前記スピンコートの回転数と前記有機絶縁材料の粘性で決まる定数Ｋを含む以下の式
   Ｋ×（Ｄp＋Ｄr）＝Ｄp_outer
   を満たすようにすることを特徴とする請求項２に記載の半導体導波路アレイ素子の製造方法。
4. 前記有機絶縁材料としてポリイミドまたはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体導波路アレイ素子の製造方法。

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