JP5867129B2 - 光半導体素子及び光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子及び光半導体素子の製造方法に関する。

従来、光通信では、半導体レーザ、半導体光検出器及び半導体光増幅器等の光半導体素子が用いられている。また、通信量の増大に伴って、光半導体素子には、安定して高速に動作することが求められる。

光半導体素子では、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、ストライプ状のメサ部を埋め込んだ電流狭窄構造の埋め込みヘテロ構造（ｂｕｒｉｅｄ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＢＨ）が用いられている。このＢＨ構造を有する光半導体素子は、長期的に安定して動作することができる。

ＢＨ構造を有する半導体レーザでは、活性層を含むメサ部を半絶縁性の半導体層で埋め込んだＳＩ−ＢＨ（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造が知られている。ＳＩ−ＢＨ構造を有する半導体レーザは、変調帯域を制限する要因となる素子の寄生容量を低減することができるので、高ビットレートの変調動作を行うために有利である。

また、半導体光検出器及び半導体光増幅器でも、ＢＨ構造を用いることによって、素子の寄生容量を低減して、高速に動作させることができる。

そして、装置の小型化、又は製造工程の簡素化の観点から、複数の光半導体素子を同一基板上にモノリシックに集積する光半導体集積素子が開発されている。

このような光半導体集積素子では、メサ構造を有する素子は、他の素子との配置関係によって、半導体基板上に所定の向きで配置され得る。

光半導体集積素子が配置される半導体基板面として、（１００）面がしばしば用いられる。これは、（１００）面が、[０１１]方向又は[０−１１]方向の劈開性を有しているためである。

そして、（１００）面上に配置されたメサ構造の長手方向の向きが、[０１１]方向以外に[０１１]方向に対して[０−１１]方向に向かって傾斜した成分を有している場合には、メサ構造を埋め込む埋め込み層が、メサ構造の両側からメサ構造の上方に被さるように成長する。

図１は、従来の光半導体素子を示す図である。図２Ａは、図１のＺ１−Ｚ１線拡大断面図である。図２Ｂは、図１のＺ２−Ｚ２線拡大断面図である。

光半導体素子１００は、（１００）面を有する半導体基板１０５と、半導体基板１０５上に配置されたメサ部１０１と、メサ部１０１を埋め込む埋め込み層１０４とを備える。

メサ部１０１は、コア層１０２と、コンタクト層１０３と、マスク１０６とを有する。メサ部１０１の長手方向の向きは、[０１１]方向に対して[０−１１]方向に向かって傾斜した成分を有している。また、メサ部１０１の長手方向の両端面は素子のへき開位置よりも内側に配置されており、このメサ部１０１の長手方向の両端面は[０−１１]方向を有している。

メサ部１０１の長手方向の向きが、[０１１]方向に対して[０−１１]方向に向かって傾斜した成分を有しているため、埋め込み層１０４は、メサ部１０１の両側からメサ部１０１の上方に被さるように形成される。これは、メサ部１０１の長手方向の両側面に沿って成長した埋め込み層１０４が、（０１１）面以外に＜１１１＞Ａ方向に（０１１）面から傾斜した面で成長する成分を有するためである。そのため、メサ部１０１の上方に（１１１）Ａ面方向の成長が出現し、埋め込み層１０４がメサ上方を庇状に被さるように成長する。特に、[０−１１]方向からなるメサ１０１の長手方向の両端面で、メサ部１０１の上方に被さるように形成される。

このように、メサ部１０１の上方が埋め込み層１０４によって覆われると、後のプロセスにおいてコンタクト層１０３上に電極を形成することが困難になる。

一方、メサ部の長手方向の向きが、[０１１]方向成分のみを有しており、また、メサ部が素子の両端におけるへき開位置まで延びている場合には、埋め込み層が、メサ部の両側からメサ部の上方に被さるように形成されることはない。しかし、メサ部の長手方向の向きが[０１１]方向に限定されると、設計の自由度が制限されるという問題が生じ得る。

そこで、埋め込み層を形成するプロセスガスに塩素を含むガスを加えて、埋め込み層がメサ構造の上方に成長することを抑制することが提案されている。

プロセスガスに塩素を含むガスを加えると、メサ構造の長手方向の向きが[０１１]方向に対して[０−１１]方向に向かって傾斜した成分を有していても、また、メサ構造の長手方向の端面が素子のへき開位置よりも内側に配置されていても、（１１１）Ａ面の成長が抑制される。そのため、メサ構造を埋め込む埋め込み層は、メサ構造の上方に庇状に成長することなく形成される。また、（１００）面の成長も抑制されるため、メサ構造を埋め込む埋め込み層は、メサ構造の両脇の一定の距離ではメサ部１２ａと同じ厚さで形成され、メサ部１２ａから一定の距離を離れると厚さが薄くなるように形成される。

特開２００５−２２３３００号公報 特開２００８−１７７４０５号公報 特開２００３−６９１４９号公報 特開２００３−１０７２６０号公報

ところで、光半導体集積素子と、光ファイバとの接続では、光半導体集積素子の端面における光のスポットサイズと、光ファイバのスポットサイズとの寸法の相違に起因して光の結合損失が生じる。これは、光半導体集積素子の光導波路の光のスポットサイズが、光ファイバのものよりも小さいためである。

そこで、光半導体集積素子の端面における光導波路のスポットサイズを拡大する方法として、光導波路の上側のクラッド層を厚くすることがある。そして、光半導体集積素子の端面近傍における光導波路の上側のクラッド層を厚くするためには、端面近傍における光導波路メサの上部のマスクを除去した後に、メサ構造を埋め込む埋め込み層を形成する際に、メサ構造の上にも埋め込み層を成長させて、クラッド層として形成することがある。

しかし、上述したように、プロセスガスに塩素を含むガスを加えてメサ構造を埋め込む埋め込み層を形成した場合には、厚さ方向の（１００）面の成長が抑制されるため、端面近傍における光導波路メサの上部のマスクを除去していても、メサ構造の上には埋め込み層があまり形成されないので、光半導体集積素子の端面近傍における光導波路の上にクラッド層を厚く形成することができない。

一方、端面近傍における光導波路メサの上部のマスクを除去した後に塩素を含まないプロセスガスを用いてメサ構造を埋め込む埋め込み層を形成した場合には、光半導体集積素子の端面近傍における光導波路の上にクラッド層を形成することができるものの、上述したようにメサ部の長手方向の向きが[０１１]方向に限定され、かつ、メサ部の長手方向が素子のへき開位置まで伸びている配置に限定され、設計の自由度が制限されてしまう問題が生じる。

そこで、本明細書では、上述した問題を解決するために、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制する光半導体素子を提供することを目的とする。

また、本明細書では、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制する光半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。

本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、（１００）面を有する半導体基板上に形成され、光を伝搬するコア層を有する導波路部と、上記半導体基板上に形成され、上記導波路部と光学的に接続しており、伝搬する光の径を変換するスポットサイズ変換部と、上記半導体基板上に形成され、上記スポットサイズ変換部を対向して挟む一対のテラス部と、を備え、上記一対のテラス部における上記スポットサイズ変換部を挟んで対向する対向部は、その間隔が変化しており、且つ[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有しており、上記スポットサイズ変換部の上端の位置は、上記導波路部の上端の位置よりも高くなっている。

また、本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、（１００）面を有する半導体基板上に、一方向に延びる形状を有するメサ部と、上記メサ部から上記メサ部とは反対の方向に向かって上記メサ部の長手方向に沿って延びる領域を挟んだ一対のテラス部とを形成する工程であって、上記一対のテラス部における上記領域を挟んで対向する対向部が、[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有するように、メサ部と一対のテラス部とを形成する工程と、上記一対のテラス部の間の上記領域に第１半導体層を形成すると共に、上記メサ部の少なくとも一部の両側に上記メサ部を埋め込む第２半導体層を形成する工程であって、上記第１半導体層の上端の位置を上記メサ部の上端の位置よりも高く形成する、第１及び第２半導体層を形成する工程と、を備える。

上述した本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制する。

また、上述した本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制する光半導体素子が得られる。

本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。

前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。

従来の光半導体素子を示す図である。 図１のＺ１−Ｚ１線拡大断面図である。 図１のＺ２−Ｚ２線拡大断面図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の第１実施形態を示す図である。 図３のＡ１−Ａ１線拡大断面図である。 図３のＡ２−Ａ２線拡大断面図である。 図３のＡ３−Ａ３線拡大断面図である。 図３のＡ４−Ａ４線拡大断面図である。 図３のスポットサイズ変換部を示す図である。 埋め込み層の上端の位置とメサ部の上端の位置との間の距離と、メサ部の長手方向に延びる向きとの関係を示す図である。 図３に示す光半導体集積素子を伝搬する光を示す図である。 テラス部より上の第２の埋め込み層の部分が除かれた光半導体集積素子を伝搬する光を示す図である。 コア層の端面の幅と結合損失との関係を示す図である。 図１２に示す関係の計算を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第１実施形態の工程（その１）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第１実施形態の工程（その２）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第１実施形態の工程（その３）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第１実施形態の工程（その４）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第１実施形態の工程（その５）を示す図である。 図１８のＢ１−Ｂ１線拡大断面図である。 図１８のＢ２−Ｂ２線拡大断面図である。 図１８のＢ３−Ｂ３線拡大断面図である。 図１８のＢ４−Ｂ４線拡大断面図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第１実施形態の工程（その６）を示す図である。 図２３のＣ１−Ｃ１線拡大断面図である。 図２３のＣ２−Ｃ２線拡大断面図である。 対向部間の最短の距離と、第４上クラッド層の厚さとの関係を示す図である。 テラス部上のマスクの幅と、第４上クラッド層の厚さとの関係を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の第２実施形態を示す図である。 図２８のＤ１−Ｄ１線拡大断面図である。 図２８の領域Ｒ１の拡大図である。 図２８の領域Ｒ２の拡大図である。 図３０のＥ１−Ｅ１線拡大断面図である。 図３０のＥ３−Ｅ３線拡大断面図である。 図３２のＥ２−Ｅ２線拡大断面図である。 図２８のＤ２−Ｄ２線拡大断面図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その１）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その２）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その３）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その４）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その５）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その６）を示す図である。 図３８のＦ１−Ｆ１線拡大断面図である。 図３８のＦ３−Ｆ３線拡大断面図である。 図３８のＦ２−Ｆ２線拡大断面図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その７）を示す図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の工程（その８）を示す図である。 図４１のＧ１−Ｇ１線拡大断面図である。 図４１のＧ３−Ｇ３線拡大断面図である。 図４１のＧ２−Ｇ２線拡大断面図である。 本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の変型例を示す図である。 図４４のＨ−Ｈ線拡大断面図である。

以下、本明細書で開示する光半導体集積素子の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

図３は、本明細書に開示する光半導体集積素子の第１実施形態を示す図である。図４は、図３のＡ１−Ａ１線拡大断面図である。図５は、図３のＡ２−Ａ２線拡大断面図である。図６は、図３のＡ３−Ａ３線拡大断面図である。図７は、図３のＡ４−Ａ４線拡大断面図である。図８は、図３のスポットサイズ変換部を示す図である。

本実施形態の光半導体集積素子１０は、（１００）面を有する半導体の基板２０と、基板２０の（１００）面上に配置され、外部からの光のスポットサイズを変換して入力する入力部１１とを備える。また、光半導体集積素子１０は、入力部１１からの光を伝搬する導波路部１２と、導波路部１２を伝搬した光を入力する光検出部１３とを備える。導波路部１２及び光検出部１３も、基板２０の（１００）面上に配置される。

導波路部１２は、メサ部１２ａ及びメサ部１２ａを埋め込む半導体である第１の埋め込み層２９を有している。メサ部１２ａは、[０１１]方向に延びている。

光検出部１３は、メサ部１３ａ及びメサ部１３ａを埋め込む第１の埋め込み層２９を有している。メサ部１３ａは、[０１１]方向に延びている。第１の埋め込み層２９は、導波路部１２及び光検出部１３に跨って形成される。

本明細書において、本来「１バー」で表す面指数を「−１」で表す。また、[０−１１］方向は、[０−１１］方向と結晶学的に等価な[０１−１］方向を含む意味である。また、[０１１］方向は、[０１１］方向と結晶学的に等価な[０−１−１］方向を含む意味である。

入力部１１は、光ファイバ等を伝搬する光を外部から入力し、光のスポットサイズを小さい寸法に変換して、導波路部１２のメサ部１２ａに光を出力する。光ファイバを伝搬する光のスポットサイズは、導波路部１２のメサ部１２ａを伝搬する光のスポットサイズよりも大きい。そこで、入力部１１は、外部から入力する光のスポットサイズを縮小して、導波路部１２のメサ部１２ａに光を伝搬する。

なお、光半導体集積素子１０は、入力部１１と共にレンズを用いて、光のスポットサイズの変換を行っても良い。

入力部１１は、メサ部１２ａとの間で光を伝搬するスポットサイズ変換部１１ａと、スポットサイズ変換部１１ａを挟んで対向する一対のテラス部１１ｂとを有する。

図５に示すように、スポットサイズ変換部１１ａは、導波路部１２のメサ部１２ａとの間で光を伝搬するメサ部１１ｄと、メサ部１１ｄの両側及び上方を埋め込む半導体である第２の埋め込み層２４とを有する。メサ部１１ｄは、[０１１]方向に延びている。図３及び図４に示すように、スポットサイズ変換部１１ａのメサ部１１ｄは、導波路部１２のメサ部１２ａと一体に形成される。

図３に示すように、メサ部１１ｄの幅は、光半導体集積素子１０の端面側から導波路部１２側に向かってテーパ状に増大している。メサ部１１ｄの幅が拡がるのと共に、導波モードの電界強度分布が狭まるので、光のスポットサイズはメサ部１１ｄを伝搬するにつれて縮小していく。

本明細書では、光の径であるスポットサイズは、光のモードフィールド径（ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ ： ＭＦＤ）を意味するとしても良い。光のモードフィールド径は、光の伝搬方向と直交する向きの電界の拡がりの程度を表しており、光の電界強度がピークの位置から１／ｅ²だけ下がった距離で定義される。

一対のテラス部１１ｂにおけるスポットサイズ変換部１１ａを挟んで対向する対向部１１ｃそれぞれは、[０１１]方向に対して[０−１１]方向に向かって傾斜した向きの部分を有している。本実施形態では、一対のテラス部１１ｂは、対向部１１ｃ同士の間隔が拡大及び縮小を周期的に繰り返している。

図３に示す例では、対向部１１ｃは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって４５°の向きを有する面３０ａと、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって１３５°の向きを有する面３０ｂと、を有する。対向部１１ｃは、面３０ａと面３０ｂとが交互に配置されて形成されおり、三角波状のパターンを有する。また、対向部１１ｃ同士では、三角波状のパターンにおける凸の位置と凹の位置とが一致している。

対向部１１ｃが、[０１１]方向に対して傾斜した向きの部分を有する理由は、図４に示すように、入力部１１の第２の埋め込み層２４の上端の位置を、導波路部１２のメサ部１２ａの上端の位置よりも高く形成するためである。

光半導体集積素子１０では、スポットサイズ変換部１１ａにおけるコア層２２の上に第１上クラッド層２３と共に厚い第２の埋め込み層２４を配置することにより、端面付近における光のスポットサイズを拡大している。そして、この第２の埋め込み層２４は、導波路部１２のメサ部１２ａを埋め込む第１の埋め込み層２９を形成する際に第１の埋め込み層２９と共に、入力部１１のメサ部１１ｄの両側及び上方に成長させて形成される。

第１の埋め込み層２９および第２の埋め込み層２４は、導波路部１２のメサ部１２ａを埋め込む第１の埋め込み層２９がメサ部１２ａの上方に被さるように成長することを抑制するためにプロセスガスに塩素を含むガスを加えて形成される。ここで、対向部１１ｃが、 [０１１]方向に対して傾斜した向きの部分を含んでいると、対向部１１ｃには塩素を含むガスにより厚さ方向の成長を抑制されない結晶面で成長する部分が現れるので、対向部１１ｃそれぞれから上方に盛り上がって成長した後に、対向する方向に向かって成長し合体するので、第２の埋め込み層２４が厚く形成される。このようにしてスポットサイズ変換部１１ａのメサ部１１ｄを埋め込む第２の埋め込み層２４を形成すると共に、図６に示すように、導波路部１２のメサ部１２ａを埋め込む第１の埋め込み層２９が形成される。

この際、対向部１１ｃ同士の凸の位置が一致していると、対向部１１ｃ間の距離が短くなるので、横方向に成長した第２の埋め込み層２４が合体するのに要する時間を低減することができる。

対向部１１ｃは、[０１１]方向に対して[０−１１]方向に向かって傾斜した向きの部分を有していれば良く、非周期的な形状を有していても良い。

また、一対のテラス部１１ｂの間隔は変化していれば良く、対向部１１ｃは、図３に示すような形状を有していなくてもよい。例えば、対向部１１ｃは、正弦波状のパターンを有していても良い。

また、対向部１１ｃの間隔は、単調減少又は単調増加していても良い。

対向部１１ｃの間隔は、入力部１１を伝搬する光のモードフィールド径よりも大きいことが、伝搬する光の損失を抑制する観点から好ましい。

次に、光半導体集積素子１０の具体的な構造を、以下に更に説明する。

図４に示すように、光半導体集積素子１０は、基板２０上に配置された下クラッド層２１を有する。下クラッド層２１は、入力部１１及び導波路部１２及び光検出部１３に亘って配置される。

まず、入力部１１の構造について、以下に説明する。

図４及び図５に示すように、入力部１１のメサ部１１ｄでは、下クラッド層２１上にコア層２２が配置され、コア層２２上には第１上クラッド層２３が配置される。入力部１１のメサ部１１ｄは、コア層２２及び第１上クラッド層２３によって形成される。また、図３に示すように、コア層２２は、スポットサイズ変換部１１ａ内で、導波路部１２側から光半導体集積素子１０の入力端面の方向に向かって幅が狭まりながら延びている。また、コア層２２は、スポットサイズ変換部１１ａ内で、導波路部１２側から光半導体集積素子１０の入力端面まで延びている。

メサ部１１ｄの両側及び上方は、第２の埋め込み層２４によって埋め込まれている。第２の埋め込み層２４は、メサ部１１ｄを埋め込んだ状態で、下クラッド層２１上に配置される。

下クラッド層２１及び第１上クラッド層２３及び第２の埋め込み層２４の屈折率は、コア層２２の屈折率よりも小さいことが、伝搬する光をコア層２３に閉じ込める上で好ましい。

スポットサイズ変換部１１ａの両側それぞれにも、下クラッド層２１上にコア層２３及び第１上クラッド層２３が順番に配置されており、この積層構造によって一対のテラス部１１ｂが形成される。テラス部１１ｂの上端の位置は、導波路部１２のメサ部１２ａの上端の位置と一致している。

図５に示すように、スポットサイズ変換部１１ａの上端の位置は、テラス部１１ｂの上端の位置よりも高くなっている。また、図８に示すように、スポットサイズ変換部１１ａにおけるテラス部１１ｂよりも高い部分は、対向部１１ｃにおける[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分３０ａ、３０ｂに対応する形状を有している。具体的には、スポットサイズ変換部１１ａのテラス部１１ｂよりも高い部分は、三角波状のパターンに対応した凹凸形状を有している。

スポットサイズ変換部１１ａの上端の位置は、光半導体集積素子１０の端面における光のスポットサイズの上端より高い位置にすることが光の結合損失を低減する上で好ましい。

次に、導波路部１２の構造について、以下に説明する。

図４及び図６に示すように、導波路部１２のメサ部１２ａでは、下クラッド層２１上にコア層２２が配置され、コア層２２上には第１上クラッド層２３が配置される。導波路部１２のメサ部１２ａは、コア層２２及び第１上クラッド層２３によって形成される。メサ部１２ａのコア層２２は、入力部１１におけるメサ部１１ｄのコア層と一体に形成される。即ち、導波路部１２のコア層２２は、スポットサイズ変換部１１ａ内に延びている。入力部１１に入力された光は、コア層２２を伝搬して、光検出部１３に入力される。

メサ部１２ａの両側は、第１の埋め込み層２９によって埋め込まれている。第１の埋め込み層２９は、メサ部１２ａの両脇の一定の距離ではメサ部１２ａと同じ厚さで形成され、メサ部１２ａから一定の距離を離れると厚さが薄くなる。メサ部１２ａの上には、第１の埋め込み層２９は形成されない。メサ部１２ａと第１の埋め込み層２９とにより、光導波路３４が形成される。スポットサイズ変換部１１ａは、この光導波路３４との間で伝搬される光の径を変換する。

次に、光検出部１３の構造について、以下に説明する。

図４及び図７に示すように、光検出部１３のメサ部１３ａでは、下クラッド層２１上に光吸収層２５が配置され、光吸収層２５上には第３上クラッド層２６が配置される。第３上クラッド層２６上にはコンタクト層２７が配置され、コンタクト層２７上には第１電極２８ａが配置される。光検出部１３のメサ部１３ａは、光吸収層２５及び第３上クラッド層２６及びコンタクト層２７によって形成される。また、メサ部１３ａは、コア層２２及び第１上クラッド層２３の積層された部分を有する。

図７に示すように、メサ部１３ａの両側は、第１の埋め込み層２９によって埋め込まれている。第１の埋め込み層２９は、メサ部１３ａの両脇の一定の距離ではメサ部１３ａと同じ厚さで形成され、メサ部１３ａから一定の距離を離れると厚さが薄くなる。メサ部１３ａの上には、第１の埋め込み層２９は形成されない。また、第１の埋め込み層２９の一部が除去されており、この除去された部分には、第２電極２８ｂが下クラッド層２１上に配置される。

光検出部１３の光吸収層２５には、導波路部１２のコア層２２を伝搬した光が入力する。光が入力された光吸収層２５では、光を吸収して電子・ホール対を発生する。そして、第１電極２８ａ及び第２電極２８ｂに印加された電圧によって、吸収層２５には電界が印加されており、光の吸収により発生した電子又はホールを第１電極２８ａ及び第２電極２８ｂから引き出して、電流の変化として光が検出される。このような光を検出する領域は、メサ部１３ａの下クラッド層２２及び光吸収層２５及び第１上クラッド層２６及びコンタクト層２７の部分により形成される。

第１の埋め込み層２９の電気絶縁性は、メサ部１３ａに電流が閉じ込められるように高いことが好ましい。従って、第１の埋め込み層２９と一緒に形成される第２の埋め込み層２４の抵抗率は、第１上クラッド層２６及びコンタクト層２７の抵抗率よりも高くなることが好ましい。

本出願人は本発明の基礎となる研究において、テラス部における対向部の[０１１]方向に対する［０−１１］方向への傾斜角と、光導波路３４の上端の位置とスポットサイズ変換部の上端の位置との間の距離との関係を調べるために、以下の実験を行った。長手方向に延びる向きが［１１０］方向から［０−１１］方向に様々な角度で傾斜したメサ部を作成し、ＭＯＶＰＤ法によりプロセスガスに有機塩素系原料を添加して、半導体である埋め込み層をメサ部の両側に形成する実験を行なった。図９は、埋め込み層の上端の位置とメサ部の上端の位置との間の距離と、メサ部の長手方向に延びる向きとの関係を調べた結果を示す。ここで、メサ部の長手方向に延びる向きは、[０１１]方向に対する[０−１１]方向への傾斜角で表される。図９の縦軸である埋め込み層の上端の位置は、埋め込み層の上端の位置とメサ構造の上端の位置との間の距離を意味する。

図９は、メサ部の長手方向の向きを[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって傾斜する角度を０°〜９０°の範囲で変化させて、埋め込み層の上端の位置とメサ部の上端の位置との差の距離を測定したものである。

図９に示すデータは、以下の実験により測定された。メサ構造の幅は４５μｍであり、高さは３μｍであった。プロセスガスとしては、埋め込み層の形成材料として、トリメチルインジウム、フォスフィン及びフェロセンを用い、塩素を含むガスとして１，２−ジクロロエチレンを用いた。そして、埋め込み層をＭＯＶＰＥ法により形成した。

図９に示すように、埋め込み層の上端の位置を高くするには、一対のテラス部１１ｂにおけるスポットサイズ変換部１１ａを挟んで対向する対向部１１ｃそれぞれが、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、３０度〜８５度の間に傾斜した部分を有することが好ましい。特に、対向部１１ｃそれぞれは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、４０度〜５０度の間に傾斜した部分を有することが好ましい。更には、対向部１１ｃそれぞれは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、４５度に傾斜した部分を有することが好ましい。ここで、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、３０度〜８５度の間に傾斜した部分には、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、＋３０度〜＋８５度に傾斜した部分と、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、−３０度〜−８５度に傾斜した部分とが含まれる。このことは、他の角度に対しても適用される。

次に、上述した光半導体集積素子１０が、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制することを、図面を参照して、以下に更に説明する。

図１０は、図３に示す光半導体集積素子を伝搬する光を示す図である。図１１は、テラス部より上の第２の埋め込み層の部分が除かれた光半導体集積素子を伝搬する光を示す図である。

図１０において、円Ｆは、光半導体集積素子１０の入力部１１を伝搬する光のモードフィールド径を示している。円Ｆの一部は、テラス部１１ｂの上端を超えているが、第２の埋め込み層２４の内部には収まっている。従って、入力部１１を伝搬する光は、モードフィールド径の部分が光半導体集積素子１０の内部を伝搬している。

一方、図１１に示す例では、円Ｆの鎖線で示された部分が、光半導体集積素子の外にはみ出しているので、伝搬する光の一部が失われる。従って、光ファイバから受け取った光の一部が光半導体集積素子に結合せずに失われる。

次に、光ファイバから光半導体集積素子に入力される光の結合損失を定量的に調べた結果を図１２に示す。

図１２は、コア層の端面の幅と結合損失との関係を示す図である。図１３は、図１２に示す関係の計算を説明する図である。

図１２は、図１０に対応する光半導体集積素子におけるコア層の端面の幅と結合損失との関係を表すカーブＣ１と、図１１に対応する光半導体集積素子におけるコア層の端面の幅と結合損失との関係を表すカーブＣ２とを示す。

図１２に示す結合損失は、図１３に示すモデルを用いて計算された。モデルでは、入力部１１のコア層２２が、ｎ型の導電性を有するｎ−ＩｎＰ内に配置されるとした。コア層２２は、組成波長１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路とした。光ファイバとコア層２２とは、直径５μｍのモード径のレンズを介して結合するとした。コア層の屈折率は３．２５であり、ｎ−ＩｎＰの屈折率は３．１７であった。コア層２２の上に位置するｎ−ＩｎＰの厚さは、３μｍ（カーブＣ１）と、１μｍ（カーブＣ２）とした。そして、モード直径５μｍのガウシアンモードの入射光を、コア層２２の端面に入射し、テーパ状のコア層２２を伝搬して、幅が２．５μｍの導波路の基本モードに結合する際の結合損失が、３次元ＢＰＭ（ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ：ビーム伝搬法）を用いて計算された。コア層２２の端面の幅は、０．３μｍ〜１．０μｍの範囲で変化させた。

図１２に示すように、カーブＣ１では、結合損失が最小で−０．５ｄＢであるのに対して、カーブＣ２では、結合損失が最小でも−１．３ｄＢと増大することが分かる。

上述した光半導体集積素子１０は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され得る。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、具体的には、ＩｎＰ又はＧａＡｓを用いることができる。

次に、上述した光半導体集積素子１０の好ましい製造方法の一実施形態を、図面を参照して、以下に説明する。

まず、図１４に示すように、下クラッド層２１と、光吸収層２５と、第３上クラッド層２６と、コンタクト層２７とが、（１００）面を有する半導体の基板２０上に順番に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、結晶性の各層の形成を行った。基板２０としては、ｎ−ＩｎＰを用いた。下クラッド層２１は、ｎ型の導電性を有するｎ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは１．０μｍであった。光吸収層２５は、アンドープのｉ−ＩｎＧａＡｓを用いて形成され、厚さは０．３μｍであった。第３上クラッド層２６は、ｐ型の導電性を有するｐ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは０．９μｍであった。コンタクト層２７は、ｐ−ＩｎＧａＡｓを用いて形成され、厚さは０．３μｍであった。また、図１４には、将来、入力部１１が形成される領域がＪ１で示され、導波路部１２が形成される領域がＪ２で示され、光検出部１３が形成される領域がＪ３で示されている。

次に、図１５に示すように、領域Ｊ３の光を検出する領域が形成されるコンタクト層２７の部分の上にマスク３１が形成される。マスク３１は、マスクパターニング技術を用いて形成され得る。マスク３１の形成材料としては、例えば、酸化ケイ素を用いることができる。

次に、図１６に示すように、マスク３１を用いて、コンタクト層２７と、第３上クラッド層２６と、光吸収層２５とがエッチングされて、領域Ｊ１，Ｊ２及び領域Ｊ３の一部において下クラッド層２１が露出する。エッチング法としては、例えば、ウェットエッチングを用いることができる。また、プラズマエッチング等のドライエッチングを用いてもよい。

次に、図１７に示すように、領域Ｊ１，Ｊ２及び領域Ｊ３の一部において、コア層２２と、第１上クラッド層２３とが、順番に下クラッド層２１上に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、各層の形成を行った。コア層２２は、ノンドープのｉ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて形成され、厚さは０．５μｍであった。第１上クラッド層２３は、ノンドープのｉ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは１．０μｍであった。コア層２２及び第１上クラッド層２３は、下クラッド層２１上に形成され、コア層２２と光吸収層２５とは、突き合わせ接合する。コア層２２及び第１上クラッド層２３はマスク３１上には成長しない。

次に、図１８〜図２２に示すように、入力部１１のメサ部１１ｄ及び導波路１２のメサ部１２ａ及び光検出部１３のメサ部１３ａが形成される。また、これらのメサ部１１ｄ、１２ａ、１３ａが形成されるのと共に、メサ部１２ａを伝搬する光の導波方向に位置するメサ部１１ｄを含む領域Ｖを挟んで一対のテラス部１１ｂが形成される。領域Ｖは、一対の対向部１１ｃによって挟まれた空間である。一対のテラス部１１ｂは、その間隔が一定ではなく変化するように形成される。このようにして、一方向に延びる形状を有するメサ部１３ａと、メサ部１３ａからメサ部１３ａとは反対の方向に向かってメサ部１３ａの長手方向に沿って延びる領域を挟んだ一対のテラス部１１ｂとが形成される。

ここで、図１９は、図１８のＢ１−Ｂ１線拡大断面図である。図２０は、図１８のＢ２−Ｂ２線拡大断面図である。図２１は、図１８のＢ３−Ｂ３線拡大断面図である。図２２は、図１８のＢ４−Ｂ４線拡大断面図である。

具体的には、一対のテラス部１１ｂが形成される第１上クラッド層２３の部分の上にマスク３２が形成されるのと共に、メサ部１１ｄ、１２ａ、１３ａが形成される第１上クラッド層２３及びコンタクト層２７の部分の上にマスク３３が形成される。マスク３３は、メサ部１１ｄが一対のテラス部１１ｂに挟まれた領域Ｖ内に延びるよう形成される。マスク３２，３３の形成材料としては、例えば、酸化ケイ素を用いることができる。

そして、マスク３２，３３を用いて、第１上クラッド層２３及びコア層２２及びコンタクト層２７及び第３上クラッド層２６及び光吸収層２５がエッチングされて、下クラッド層２１が露出する。この際、下クラッド層２１の表面の一部もエッチングにより除去しても良い。例えば、下クラッド層２１の表面側を０．３μｍ程エッチングにより除去しても良い。

マスク３２は、図３で説明したように、領域Ｖが形成される部分に面して、基板２０の[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有する。具体的には、マスク３２は、図３で説明したように、 [０１１]方向から[０−１１]方向に向かって４５°の向きの部分と、 [０１１]方向から[０−１１]方向に向かって１３５°の向きの部分とを有する。

このようなマスク３２を用いて形成される一対の対向部１１ｃは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって傾斜した向きの部分を有する。具体的には、対向部１１ｃは、図３で説明したように、面３０ａと面３０ｂとが交互に配置されて形成されおり、三角波状のパターンを有する。テラス部１１ｂの[０１１]方向の長さは２００μｍであった。対向部１１ｃにおける三角波状のパターンにおける[０−１１]方向の幅は、３μｍであった。また、対向部１１ｃとメサ部１１ｄとの最短の距離Ｌは、５μｍであった。対向部１１ｃ間の最短の距離と、第２の埋め込み層２４の厚さとの関係については、更に後述する。

次に、図２３〜図２５に示すように、一対のテラス部１１ｂに挟まれた領域のメサ部１１ｄ上のマスク３２が除去される。また、一対のテラス部１１ｂにおける対向部１１ｃ側の領域上にマスク３２を残して、その他のテラス部１１ｂの領域上のマスク３２が除去される。即ち、一対のテラス部１１ｂにおける対向部１１ｃ側の所定の範囲を除いて、マスク３２が除去される。本実施形態では、テラス部１１ｂにおいて、対向部１１ｃ側から[０−１１]方向の距離Ｗ内の範囲のマスク３２が残されている。

ここで、図２４は、図２３のＣ１−Ｃ１線拡大断面図である。図２５は、図２３のＣ２−Ｃ２線拡大断面図である。

このように、一対のテラス部１１ｂにおける対向部１１ｃ側の領域上にマスク３２を残す理由を以下に説明する。第２の埋め込み層２３を形成する半導体層は、選択成長によりマスク３２の部分には堆積せずに、テラス部１１ｂ上を拡散して領域Ｖに堆積する。そこで、マスク３２がなければテラス部１１ｂ上に堆積する半導体層の原料を、マスク３２を残すことにより、領域Ｖの部分に拡散させて、第２の埋め込み層２３の成長速度を高めている。このマスク３２の幅Ｗと第２の埋め込み層２３の厚さとの関係については、更に後述する。

そして、一対のテラス部１１ｂの間の領域Ｖにおいてメサ部１１ｄを内部に埋め込むように半導体である第２の埋め込み層２４を成長させてスポットサイズ変換部１１ａを形成すると共に、メサ部１２ａ、１３ａの少なくとも一部の両側を埋め込むように半導体である第１の埋め込み層２９が形成される。本実施形態では、第１の埋め込み層２９は、メサ部１２ａ、１３ａの長手方向の全体に亘って、それらの両側を埋め込むように形成された。第２の埋め込み層２４は、対向部１１ｃそれぞれから、上方に盛り上がって成長した後に、対向する方向に向かって成長し合体するので、スポットサイズ変換部１１ａの第２の埋め込み層２４の上端の位置は、導波路部１２のメサ部１２ａの上端の位置よりも高く形成される。

一方、第１の埋め込み層２９は、メサ部１２ａ、１３ａの両側をメサ部の上端の位置とほぼ一致する高さで形成される。また、第１の埋め込み層２９は、メサ部１２ａ、１３ａの両脇の一定の距離ではメサ部１２ａ、１３ａと同じ厚さで形成され、メサ部１２ａ、１３ａから一定の距離を離れると厚さが薄くなるように形成される。

本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、結晶性の第２の埋め込み層２４及び第１の埋め込み層２９の形成を行った。なお、ウェットエッチングにより結晶性の第２の埋め込み層２４及び第１の埋め込み層２９を形成する前にドライエッチングのダメージ層除去工程を行ってもよい。第２の埋め込み層２４及び第１の埋め込み層２９は、同時に形成される。第２の埋め込み層２４及び第１の埋め込み層２９は、半絶縁性半導体のＦｅを添加したＩｎＰを用いて形成された。第２の埋め込み層２４の上端の位置は、導波路部１２におけるメサ部１２ａの上端の位置よりも２μｍ高く形成された。なお、導波路部１２のメサ部１２ａの上端の位置は、光検出部１３のメサ部１３ａの上端の位置と一致している。

また、本実施形態のＭＯＶＰＥ法では、塩素を含むガスを用いて、第２の埋め込み層２４及び第１の埋め込み層２９が形成された。具体的には、第２の埋め込み層２４及び第１の埋め込み層２９を形成するプロセスガスとしては、半絶縁性半導体のＩｎＰを形成する原料としてのトリメチルインジウム及びフォスフィン及びフェロセンとを用い、塩素系ガスの原料としての１，２−ジクロロエチレンを用いた。

そして、マスク３２及びマスク３３等が除去される。また、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、光検出部１３のメサ部１３ａから横に距離５μｍ離れた部分の第１の埋め込み層２９の部分が除去されて、下クラッド層２１上に第２電極２８ｂが形成される。また、金属蒸着又はメッキ技術を用いて、光検出部１３におけるメサ部１３ａのコンタクト層２７上に、第１電極２８ａが形成される。そして、第１電極２８ａ及び第２電極２８ｂ以外の部分が、誘電体等により形成されるパッシベーション膜（図示せず）で覆われる。このようにして、図３〜図７に示す光半導体集積素子が得られる。

次に、一対の対向部１１ｃ間の最短の距離と第４上クラッド層の厚さとの関係について、図面を参照して、以下に説明する。ここで、第４上クラッド層２６ａは、第１上クラッド層２３と第２の埋め込み層２４とが積層された層である（図５参照）。図５において、第４上クラッド層２６ａは、第１上クラッド層２３の下端から第２の埋め込み層２４の上端までの間の部分を示している。

図２６は、一対の対向部１１ｃ間の最短の距離と、コア層から上の第４上クラッド層の厚さとの関係を示す図である。

具体的には、図２６は、一対のテラス部１１ｂ間の最短の距離を変化させて、コア層２２から上の第４上クラッド層２６ａの厚さを調べた結果である。

図２６に示すデータは、以下の実験により測定された。テラス部１１ｂの[０１１]方向の長さは４００μｍであった。対向部１１ｃにおける三角波状のパターンの[０−１１]方向の幅は、３μｍであった。テラス部１１ｂにおいて、対向部１１ｃ側から距離Ｗとして１００μｍ内の範囲のマスク３２が残された。また、一対のテラス部１１ｂに挟まれた領域のメサ部１１ｄ上のマスクは除去された。ドライエッチングのダメージ層を除去する工程として、ウェットエッチングによりメサ部の側面および底面を０．２μｍエッチングした。このとき、一対の対向部１１ｃに挟まれた領域のメサ部１１ｄ上はマスクで覆われていないので第１上クラッド層２３もエッチングされる。エッチング後の第１上クラッド層２３の厚さは０．８μｍであった。そして、ＭＯＶＰＥ法を用いて、結晶性の第２の埋め込み層２４が形成された。第２の埋め込み層２４を形成するプロセスガスとしては、半絶縁性半導体のＩｎＰを形成する原料としてのトリメチルインジウム及びフォスフィン及びフェロセンと、塩素系ガスの原料としての１，２−ジクロロエチレンとを用いた。

図２６に示すように、一対の対向部１１ｃ間の最短の距離が減少するのと共に、コア層２２から上の第４上クラッド層の厚さが増加することが分かる。特に、一対のテラス部１１ｂにおける対向部１１ｃの間の最短の距離が２０μｍ以下であることが、第４上クラッド層２６ａの厚さを増加する上で好ましい。

このように、一対の対向部１１ｃ間の最短の距離を変化させることにより、第２の埋め込み層２４の成長速度を調整することができる。

以上が、一対の対向部１１ｃ間の最短の距離と第４上クラッド層２６ａの厚さとの関係についての説明である。

次に、テラス部１１ｂ上のマスク３２の幅Ｗ（図２３参照）と第４上クラッド層２６ａの厚さとの関係について、図面を参照して、以下に説明する。

図２７は、テラス部１１ｂ上のマスクの幅と、第４上クラッド層２６ａの厚さとの関係を示す図である。

図２７は、テラス部１１ｂ上のマスクの幅Ｗ（図２３参照）を変化させて第２の埋め込み層２４を形成した時に、コア層２２から上の第４上クラッド層２６ａの厚さを調べた結果である。

図２７に示すデータは、以下の実験により測定された。テラス部１１ｂの対向部１１ｃは、図２３及び図２５で説明したのと同様の形状を有する。即ち、テラス部１１ｂの[０１１]方向の長さは２００μｍであった。対向部１１ｃにおける三角波状のパターンの[０−１１]方向の幅は、３μｍであった。また、一対の対向部１１ｃ間の最短の距離は、１２．５μｍであった。また、一対の対向部１１ｃに挟まれた領域のメサ部１１ｄ上のマスク３２は除去された。ドライエッチングのダメージ層除去工程として、ウェットエッチングによりメサ部１１ｄの側面および底面を０．２μｍエッチングした。このとき、一対の対向部１１ｃに挟まれた領域のメサ部１１ｄ上はマスクで覆われていないので第１上クラッド層２３もエッチングされる。エッチング後の第１上クラッド層２３の厚さは０．８μｍであった。そして、ＭＯＶＰＥ法を用いて、結晶性の第２の埋め込み層２４が形成された。第２の埋め込み層２４を形成するプロセスガスとしては、半絶縁性のＩｎＰを形成する原料としてのトリメチルインジウム及びフォスフィン及びフェロセンと、有機塩素系原料としての１，２−ジクロロエチレンとを用いた。

図２７に示すように、テラス部１１ｂ上のマスクの幅Ｗが増加するのと共に、第４上クラッド層２６ａの厚さが増加した。これは、マスクの幅Ｗの増加と共に、選択成長効果によりマスク３２上を拡散して領域Ｖに到達する原料の量が増加し第２の埋め込み層２４の厚さが増加するためと考えられる。

このように、テラス部１１ｂ上のマスクの幅Ｗを変化させると、第２の埋め込み層２４の成長速度を調整することができる。

なお、テラス部１１ｂ上のマスクの幅Ｗが、テラス部１１ｂ上を拡散する原料の拡散長よりも大きくなると、第２の埋め込み層２４の厚さの増加率は減少すると考えられる。

上述した本実施形態の光半導体集積素子１０によれば、第２の埋め込み層２４の上端の位置が導波路部１２のメサ部１２ａの上端の位置よりも高いので、光半導体集積素子１０の外部から入力された光のスポットサイズと、導波路部１２の光のスポットサイズとの相違に起因した光の結合損失が抑制される。

また、上述した本実施形態の光半導体集積素子の製造方法によれば、第１の埋め込み層２９及び第２の埋め込み層２４を形成するプロセスガスに塩素を含むガスを加えてメサ部を埋め込む工程で、入力部１１のメサ部１１ｄの両側及び上方を埋め込む第２の埋め込み層２４を導波路部１２のメサ部１２ａの上端の位置よりも高く形成できる。従って、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制する光半導体集積素子１０が得られる。

一方、スポットサイズ変換部のメサ部上のマスクを除去した後に、塩素を含まないプロセスガスを用いてメサ部を埋め込む埋め込み層を形成した場合には、スポットサイズ変換部におけるメサ部上にクラッド層を形成することができるものの、スポットサイズ変換部のメサ部の長手方向の向きが[０１１]方向に限定され、かつ、メサ部の長手方向が素子のへき開位置まで伸びている配置に限定され、設計の自由度が制限されてしまう問題が生じる。本実施形態の光半導体集積素子の製造方法を用いれば、このような問題が解決される。

上述した実施形態では、入力部１１のコア層２２を有するメサ部１１ｄ及び導波路部１２のメサ部１２ａの長手方向の向きは、[０１１]方向と一致していたが、コア層２２を有するメサ部１１ｄ、又は導波路部１２のメサ部１２ａの長手方向に延びる向きは、[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有していても良い。即ち、メサ部１１ｄ及又はメサ部１２ａは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって傾斜する方向成分を有する向きに延びていても良い。

また、上述した実施形態では、光検出部１３のメサ部１３ａの長手方向の向きは、[０１１]方向と一致していたが、メサ部１２ａの長手方向の向きは、[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有していても良い。

次に、上述した光半導体集積素子の第２実施形態を、図２８〜図３３を参照しながら以下に説明する。第２実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。

図２８は、本明細書に開示する光半導体集積素子の第２実施形態を示す図である。図２９は、図２８のＤ１−Ｄ１線拡大断面図である。図３０Ａは、図２８の領域Ｒ１の拡大図である。図３０Ｂは、図２８の領域Ｒ２の拡大図である。図３１Ａは、図３０のＥ１−Ｅ１線拡大断面図である。図３１Ｂは、図３０のＥ３−Ｅ３線拡大断面図である。図３２は、図３２のＥ２−Ｅ２線拡大断面図である。図３３は、図２８のＤ２−Ｄ２線拡大断面図である。

本実施形態の光半導体集積素子４０は、８×１チャネルの半導体光スイッチである。光半導体集積素子４０は、一方の端面に８つの入力チャネルを有しており、他方の端面には１つの出力チャネルを有する。

光半導体集積素子４０は、外部からの光のスポットサイズを変換して入力する入力部４１を備える。入力部４１は、８つの入力チャネルを有する。各入力チャネルは、光ファイバ等を伝搬する光を外部から入力し、光のスポットサイズを小さな寸法に変換する。

また、光半導体集積素子４０は、入力部４１から入力した光を増幅する第１光増幅部４２を備える。第１光増幅部４２は、入力部４１の８つの入力チャネルそれぞれと光学的に接続する光導波路７０を備える。光導波路７０は、メサ部４２ａ及びメサ部４２の両側を埋め込む半導体の埋め込み層６０を有する。電流が供給されていないメサ部４２ａは光を吸収する。従って、第１光増幅部４２では、８つのメサ部４２ａの内、光を伝搬させるチャネルのメサ部４２ａのみに電流を供給することにより、電流が供給されたチャネルのメサ部４２ａに入力された光のみが増幅されて伝搬していく。

図２８及び図３０Ａに示すように、第１光増幅部４２のメサ部４２ａは、基板５０の[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有する向きに延びている。即ち、メサ部４２ａの長手方向の向きは、基板５０の[０１１]方向成分と共に[０−１１]方向成分を有している。具体的には、第１光増幅部４２のメサ部４２ａの長手方向の向きは、基板５０の[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって−１０°傾斜している。

また、光半導体集積素子４０は、第１光増幅部４２の８つのチャネルのメサ部４２ａを伝搬する光を結合して出力する光結合器部４３を備える。光結合器部４３は、第１光増幅部４２の各チャネルのメサ部４２に接続し光を伝搬する光導波路４３ａと、各光導波路４３ａを伝搬する光を結合して出力する結合器本体部４３ｂと、結合器本体部４３ｂから入力した光を伝搬する１つの光導波路４３ｃとを有する。光導波路４３ａ及び結合器本体部４３ｂ及び光導波路４３ｃは同様のメサ構造を有する。

図２８に示すように、光結合器部４３の光導波路４３ａは、[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有する向きに延びている。即ち、光導波路４３ａの長手方向の向きは、[０１１]方向成分と共に[０−１１]方向成分を有している。また、光結合器部４３の入力側は[０−１１]方向を有している。

また、光半導体集積素子４０は、光結合器部４３の光導波路４３ａから入力した光を増幅する第２光増幅部４４を備える。第２光増幅部４４は、光導波路４３ｃに接続した光導波路７１を備える。光導波路７１は、メサ部４４ａ及びメサ部４４ａの両側を埋め込む半導体の埋め込み層６０を有する。メサ部４４ａには、電流が常に供給されており、光導波路４３ｃから入力した光を増幅して出力する。第２光増幅部４４の光導波路７１は、出力部４５と光学的に接続する。

図３０Ｂに示すように、第２光増幅部４４の光導波路７１は、[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有する向きに延びている。即ち、メサ部４４ａの長手方向の向きは、[０１１]方向成分と共に[０−１１]方向成分を有している。具体的には、第２光増幅部４４のメサ部４４ａの長手方向の向きは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって−１０°傾斜している。

更に、光半導体集積素子４０は、第２光増幅部４４から入力した光のスポットサイズを大きな寸法に変換して外部へ出力する出力部４５を備える。

次に、光半導体集積素子４０の具体的な構造を、以下に更に説明する。

図２９に示すように、光半導体集積素子４０は、（１００）面を有する半導体の基板５０を備える。光半導体集積素子４０では、入力部４１及び第１光増幅部４２及び光結合器部４３及び第２光増幅部４４及び出力部４５は、基板５０の（１００）面上に配置される。

まず、入力部４１の構造について、以下に説明する。

図３０Ａに示すように、入力部４１は、第１光増幅部４２のメサ部４２ａと光学的に接続した第１スポットサイズ変換部４１ａと、第１スポットサイズ変換部４１ａを挟んで対向する一対のテラス部４１ｂと、を有する。

第１スポットサイズ変換部４１ａは、第１光増幅部４２のメサ部４２ａが第１スポットサイズ変換部４１ａ内に延びたメサ部４１ｄと、メサ部４１ｄを埋め込む埋め込み半導体層４１ｅとを有する。メサ部４１ｄの長手方向の向きは、第１光増幅部４２のメサ部４２ａの長手方向の向きと一致している。また、第１光増幅部４２のメサ部４２ａの入力端は[０−１１]方向を有している。

一対のテラス部４１ｂにおける第１スポットサイズ変換部４１ａを挟んで対向する対向部４１ｃそれぞれは、[０１１]方向に対して傾斜した向きの部分を有している。

図３０Ａに示す例では、対向部４１ｃは、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって５５°の向きを有する面６１ａと、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって１４５°の向きを有する面６１ｂと、を有する。対向部４１ｃは、面６１ａと面６１ｂとが交互に配置されて形成されおり、三角波状のパターンを有する。また、対向部４１ｃ同士では、三角波状のパターンにおける凸の位置と凹の位置とが一致している。

図２９及び図３１Ａに示すように、第１スポットサイズ変換部４１ａは、基板５０上に配置される。第１スポットサイズ変換部４１ａのメサ部４１ｄでは、基板５０上に下クラッド層５１が配置され、下クラッド層５１上にはコア層５８が配置され、コア層５８上には第３上クラッド層５９が配置される。また、第３上クラッド層５９上には第２上クラッド層５６が配置され、第２上クラッド層５６上にはコンタクト層５７が配置される。コア層５８は、光導波路７０側の端部の幅が光導波路７０とは反対側の端部の幅よりも広い。具体的には、コア層５８を有するメサ部４１ｄは、第１スポットサイズ変換部４１ａ内で、光導波路７０側から第１スポットサイズ変換部４１ａの光導波路７０側とは反対の方向に向かって幅が狭まりながら延びている。メサ部４１ｄは、第１スポットサイズ変換部４１ａの光導波路７０側とは反対の方向の端部には到達しておらず、第１スポットサイズ変換部４１ａ内の途中の位置まで延びている。

テラス部４１ｂでは、基板５０上に下クラッド層５１が配置され、下クラッド層５１上にはコア層５８が配置され、コア層５８上には第３上クラッド層５９が配置される。また、第３上クラッド層５９上には第２上クラッド層５６が配置され、第２上クラッド層５６上にはコンタクト層５７が配置される。

テラス部４１ｂの側面は、埋め込み層６０により埋め込まれている。埋め込み層６０は、対向部４１ｃ以外の部分ではテラス部４１ｂの両脇の一定の距離ではテラス部４１ｂと同じ厚さで形成され、テラス部４１ｂから一定の距離を離れると厚さが薄くなる。テラス部４１ｂの上には、埋め込み層６０は形成されない。

図３０Ｂ及び図３１Ｂに示すように、出力部４５は、第２スポットサイズ変換部４５ａ及び第２スポットサイズ変換部４５ａを挟んで対向する一対のテラス部４５ｂを有する。第２スポットサイズ変換部４５ａは、一対のテラス部４５ｂ間に埋め込まれた埋め込み半導体層４５ｅにより形成される。一対のテラス部４５ｂにおける第２スポットサイズ変換部４５ａを挟んで対向する対向部４５ｃそれぞれは、[０１１]方向に対して傾斜した向きの部分を有している。これらの構造は、上述した入力部４１と同様の構造を有する。一方、第２スポットサイズ変換部４５ａには、コア層を有するメサ部が配置されていない。即ち、第２スポットサイズ変換部４５ａには、光を閉じ込めて伝搬するためのコア層は配置されていない。第２光増幅部４４から第２スポットサイズ変換部４５ａに入力した光は、第２スポットサイズ変換部４５ａ内を自由伝搬して、光のスポットサイズが大きく変換されて外部へ出力される。

次に、第２スポットサイズ変換部４５ａにコア層を有するメサ部が配置されていない理由を以下に説明する。これは、第２スポットサイズ変換部４５ａの端面で反射した光が再び第２光増幅部４４に入力される戻り光を低減するためである。第２スポットサイズ変換部４５ａがコア層を有していると、第２スポットサイズ変換部４５ａの端面の反射による戻り光が多くなる。コア層がなくても第２スポットサイズ変換部４５ａの端面からの光の反射は起きるが、反射した光は拡がりながら第２光増幅部４４に向かって伝搬するので、第２光増幅部４４への戻り光を低減できる。

出力部４５は、メサ部及びチャネルの数を除いては、入力部４１と同様の構造を有する。従って、上述した入力部４１に関する説明は、出力部４５に対しても適宜適用される。

次に、第１光増幅部４２の構造について、以下に説明する。

図３２に示すように、第１光増幅部４２のメサ部４２ａでは、基板５０上に下クラッド層５１が配置され、下クラッド層５１上には下ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層５２が配置される。下ＳＣＨ層５２上には活性層５３が配置され、活性層５３上には上ＳＣＨ層５４が配置され、上ＳＣＨ層５４上には第１上クラッド層５５が配置される。第１上クラッド層５５上には第２上クラッド層５６が配置され、第２上クラッド層５６上にはコンタクト層５７が配置される。

メサ部４２ａの両側は、埋め込み層６０により埋め込まれている。埋め込み層６０は、メサ部４２ａの両脇の一定の距離ではメサ部４２ａと同じ厚さで形成され、メサ部４２ａから一定の距離を離れると厚さが薄くなる。メサ部４２ａの上には、埋め込み層６０は形成されない。メサ部４２ａと埋め込み層６０とにより、光導波路７０が形成される。

外部からの光のスポットサイズを変換する入力部４１の第１スポットサイズ変換部４１ａを伝搬した光は、光導波路７０を経て第１光増幅部４２におけるメサ部４２ａの活性層５３に伝搬する。

メサ部４２ａでは、図示しない電極により電流が供給された活性層５３は、入力した光を増幅して出力する。一方、電流が供給されないメサ部４２ａの活性層５３では、入力した光が吸収されて出力されない。

第１光増幅部４２は、８つのメサ部４２ａの内の何れか１つ又は複数に電流を供給することにより、電流が供給されたチャネルを伝搬する光のみが光結合器部４３に出力される。

第２光増幅部４４は、チャネルの数を除いては、第１光増幅部４２と同様の構造を有する。従って、上述した第１光増幅部４２に関する説明は、第２光増幅部４４に対しても適宜適用される。

次に、光結合器部４３の構造について、以下に説明する。

光結合器部４３における８つの光導波路４３ａ及び結合器本体部４３ｂ及び１つの光導波路４３ｃは、同様のメサ構造を有する。そこで、光導波路４３ｃを例にして、その構造を以下に説明する。

図３３に示すように、光導波路４３ｃは、基板５０上に下クラッド層５１が配置され、下クラッド層５１上にはコア層５８が配置され、コア層５８上には第３上クラッド層５９が配置される。また、第３上クラッド層５９上には第２上クラッド層５６が配置され、第２上クラッド層５６上にはコンタクト層５７が配置される。

光導波路４３ｃの両側は、埋め込み層６０により埋め込まれている。埋め込み層６０は、光導波路４３ｃの両脇の一定の距離では光導波路４３ｃと同じ厚さで形成され、光導波路４３ｃから一定の距離を離れると厚さが薄くなる。光導波路４３ｃの上には、埋め込み層６０は形成されない。

第１光増幅部４２のメサ部４２ａを伝搬した光は、光導波路４３ａのコア層５８に入力される。結合器本体部４３ｂのコア層５８には、８つの光導波路４３ａの内の何れか１つ又は複数から光が入力され、入力した光が光導波路４３ｃのコア層５８に出力される。結合器本体部４３ｂとしては、例えば、ＦＦＣ（Ｆｉｅｉｄ Ｆｌａｔｔｅｎｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｒ）又は多モード干渉カプラを用いることができる。

次に、上述した光半導体集積素子４０の好ましい製造方法の一実施形態を、図面を参照して、以下に説明する。

まず、下クラッド層５１と、下ＳＣＨ層５２と、活性層５３と、上ＳＣＨ層５４と、第１上クラッド層５５とが、（１００）面を有する半導体の基板５０上に順番に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、半導体結晶の各層の形成を行った。基板５０としては、ｎ−ＩｎＰを用いた。下クラッド層５１は、ｎ型の導電性を有するｎ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは０．３μｍであった。下ＳＣＨ層５２は、組成波長１．１μｍのｎ型の導電性を有するｎ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて形成され、厚さは０．０３μｍであった。

活性層５３としては、量子井戸構造を用いた。量子井戸構造は、アンドープのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ井戸層、及び、アンドープのｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリア層を用いて形成された。ここで、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ井戸層は、組成波長１．５５μｍ、厚さ５ｎｍとした。また、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰバリア層は、組成波長１．２μｍ、厚さ６ｎｍとした。量子井戸構造の積層数は４層とした。上ＳＣＨ層５４は、組成波長１．１μｍのｐ型の導電性を有するｐ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて形成され、厚さは０．０３μｍであった。第１上クラッド層５５は、ｐ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは０．０５μｍであった。

また、図３４には、将来、入力部４１が形成される領域がＫ１で示され、第１光増幅部４２が形成される領域がＫ２で示され、光結合器部４３が形成される領域がＫ３で示され、第２光増幅部４４が形成される領域がＫ４で示され、出力部４５が形成される領域がＫ５で示されている。

次に、図３５に示すように、領域Ｋ２及び領域Ｋ４の第１上クラッド層５５の上にマスク６２が形成される。マスク６２は、マスクパターニング技術を用いて形成され得る。マスク６２の形成材料としては、例えば、酸化ケイ素を用いることができる。そして、マスク６２を用いて、第１上クラッド層５５と、上ＳＣＨ層５４と、活性層５３と、下ＳＣＨ層５２とがエッチングされて、領域Ｋ１、Ｋ３、Ｋ５における下クラッド層５１が露出する。エッチング法としては、例えば、ウェットエッチングやプラズマエッチング等のドライエッチングを用いることができる。

次に、図３６に示すように、領域Ｋ１、Ｋ３、Ｋ５において、コア層５８と、第３上クラッド層５９とが、順番に下クラッド層５１上に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、半導体結晶の各層の形成を行った。コア層５８は、組成波長１．３μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰを用いて形成され、厚さは０．１１μｍであった。第３上クラッド層５９は、ｉ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは０．０５μｍであった。コア層５８及び第３上クラッド層５９は選択成長により、下クラッド層５１上に形成されるので、マスク６２上には成長しない。コア層５８と活性層５３とは、突合せ接合する。そして、マスク６２が除去される。

次に、図３７に示すように、領域Ｋ１〜Ｋ５に亘って、第２上クラッド層５６と、コンタクト層５７とが順番に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、半導体結晶の各層の形成を行った。第２上クラッド層５６は、ｐ−ＩｎＰを用いて形成され、厚さは１．９５μｍであった。コンタクト層５７は、ｐ−ＩｎＧａＡｓを用いて形成され、厚さは０．３μｍであった。

次に、図３８〜図４０に示すように、第１光増幅部４２のメサ部４２ａ及びメサ部４２ａを伝搬する光の導波方向に位置する領域Ｖを挟んだ入力部４１の一対のテラス部４１ｂが形成される。一対のテラス部４１ｂは、その間隔が一定ではなく変化するように形成される。また、メサ部４２ａ及び一対のテラス部４１ｂと共に、光結合器部４３の光導波路４３ａ及び結合器本体部４３ｂ及び光導波路４３ｃと、第２光増幅部４４のメサ部４４ａと、出力部４５の一対のテラス部とが形成される。このようにして、一方向に延びる形状を有するメサ部４２ａと、メサ部４２ａからメサ部４２ａとは反対の方向に向かってメサ部４２ａの長手方向に沿って延びる領域を挟んだ一対のテラス部４１ｂとが形成される。

ここで、図３９Ａは、図３８ＡのＦ１−Ｆ１線拡大断面図である。図４０は、図３８のＦ２−Ｆ２線拡大断面図である。また、図３９Ｂは、図３８ＢのＦ３−Ｆ３線拡大断面図である。

具体的には、領域Ｋ１及び領域Ｋ２では、図３８Ａ及び図３９Ａに示すように、一対のテラス部４１ｂが形成されるコンタクト層５７の部分の上にマスク６３が形成されるのと共に、メサ部４１ｄ及びメサ部４２ａが形成されるコンタクト層５７の部分の上にマスク６４が形成される。マスク６３，６４の形成材料としては、例えば、酸化ケイ素を用いることができる。同様に、光結合器部４３の光導波路４３ａ及び結合器本体部４３ｂ及び光導波路４３ｃの上にマスク（図示せず）が形成される。また、領域Ｋ４及びＫ５では、図３８Ｂ及び図３９Ｂに示すように、第２光増幅部４４のメサ部４４ａが形成されるコンタクト層５７の部分の上にマスク６６が形成され、出力部４５の一対のテラス部が形成されるコンタクト層５７の部分の上にマスク６５が形成される。

そして、領域Ｋ１及び領域Ｋ２ではマスク６３，６４等を用いて、コンタクト層５７及び第２上クラッド層５６及び第３上クラッド層５９及びコア層５８及び上ＳＣＨ層５４及び活性層５３及び下ＳＣＨ層５２及び下クラッド層５１がエッチングされて、基板５０が露出する。

マスク６３は、図３０Ａで説明したように、領域Ｖが形成される部分に面して、[０１１]方向に対して傾斜した向きの部分を有する。具体的には、マスク６３は、図３０で説明したように、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって５５°の向きの部分と、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって１４５°の向きの部分とを有する。

このようなマスク６３を用いて形成される一対のテラス部４１ｂは、領域Ｖを挟んで対向する対向部４１ｃが、[０１１]方向に対して傾斜した向きの部分を有する。具体的には、対向部４１ｃは、図３０Ａで説明したように、面６１ａと面６１ｂとが交互に配置されて形成されおり、三角波状のパターンを有する。テラス部４１ｂの基板５０の[０１１]方向の長さは１００μｍであった。対向部４１ｃにおける三角波状のパターンの深さは、２μｍであった。また、対向部４１ｃ同士の間の最短の距離は、１０μｍであった。

出力部４５の一対のテラス部も、上述した入力部４１の一対のテラス部４１ｂと同様に形成された。

次に、図４１〜図４３に示すように、領域Ｋ１及び領域Ｋ２では、一対のテラス部４１ｂにおける対向部４１ｃ側の領域上にマスク６３を残して、その他のテラス部４１ｄの領域上のマスク６３が除去される。このように、一対のテラス部４１ｂにおける対向部４１ｃ側の所定の範囲を除いてマスク６３が除去される。同様に、領域Ｋ４及び領域Ｋ５でも、一対のテラス部４５ｂにおける対向部４５ｃ側の所定の範囲を除いてマスク６５が除去される。

ここで、図４２Ａは、図４１ＡのＧ１−Ｇ１線拡大断面図である。図４３は、図４１のＧ２−Ｇ２線拡大断面図である。また、図４２Ｂは、図４１ＢのＧ３−Ｇ３線拡大断面図である。

そして、一対のテラス部４１ｂの間のメサ部４１ｄを含む領域Ｖを埋め込むように埋め込み半導体層４１ｅを形成すると共に、第１光増幅部４２におけるメサ部４２ａの両側に半導体の埋め込み層６０が形成される。埋め込み半導体層４１ｅは、対向部４１ｃそれぞれから上方に盛り上がって成長した後に、対向する方向に向かって成長し合体するので、第１スポットサイズ変換部４１ａの上端の位置は、第１光増幅部４２のメサ部４２ａの上端の位置よりも高く形成される。

また、埋め込み層６０は、メサ部４２ａの両側をメサ部４２ａの両脇の一定の距離ではメサ部４２ａと同じ厚さで形成され、メサ部４２ａから一定の距離を離れると厚さが薄くなるように形成される。埋め込み層６０は、テラス部４１ｂの外側の側面を埋め込むようにも形成される。

本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、半導体結晶の埋め込み半導体層４１ｅ及び埋め込み層６０の形成を行った。埋め込み半導体層４１ｅ及び埋め込み層６０は、同時に形成される。埋め込み半導体層４１ｅ及び埋め込み層６０は、半絶縁性半導体のＦｅを添加したＩｎＰを用いて形成された。埋め込み半導体層４１ｅの上端の位置は、第１光増幅部４２のメサ部４２ａの上端の位置よりも３μｍ高く形成された。なお、第１光増幅部４２のメサ部４２ａの上端の位置は、光結合器部４３のメサ構造及び第２光増幅部４４のメサ部４４ａの上端の位置と一致している。

また、本実施形態のＭＯＶＰＥ法では、塩素を含むプロセスガスを用いて、埋め込み半導体層４１ｅ及び埋め込み層６０が形成された。具体的には、埋め込み半導体層４１ｅ及び埋め込み層６０を形成するプロセスガスとしては、塩素を含むガスの原料としての１，２−ジクロロエチレンと、半絶縁性半導体のＩｎＰを形成する原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びフォスフィン及びフェロセンとを用いた。

同様に、領域Ｋ５では、出力部４５の第２スポットサイズ変換部４５ａを形成する埋め込み半導体層４５ｅが、上述した入力部４１の第１スポットサイズ変換部４１ａに形成する埋め込み半導体層４１ｅと同時に同様に形成される。ここで、埋め込み半導体層４１ｅと埋め込み半導体層４５ｅとは、同じ半導体を用いて形成される。また、光結合器部４３の光導波路４３ａ及び結合器本体部４３ｂ及び光導波路４３ｃ並びに第２光増幅部４４のメサ部４４ａそれぞれの両側が、埋め込み層６０によって埋め込まれる。そして、マスク６３〜６６等が除去される。

そして、金属蒸着又はメッキ技術を用いて、第１光増幅部４２のメサ部４２ａ及び第２光増幅部４４のメサ部４４ａのコンタクト層５７上に、第１電極（図示せず）が形成される。また、基板５０の裏面に第２電極（図示せず）が形成される。そして、第１電極以外の部分が、誘電体等により形成されるパッシベーション膜（図示せず）で覆われる。このようにして、図２８〜図３３に示す光半導体集積素子が得られる。

上述した本実施形態の光半導体集積素子４０によれば、光を外部から入力する入力部４１では、第１スポットサイズ変換部４１ａの上端の位置が第１光増幅部４２のメサ部４２ａの上端の位置よりも高いので、光半導体集積素子４０の外部から入力された光のスポットサイズと、第１光増幅部４２の光のスポットサイズとの相違に起因した光の結合損失が抑制される。同様に、光を外部に出力する出力部４５では、光半導体集積素子４０の外部に出力される光のスポットサイズと、第２光増幅部４４の光のスポットサイズとの相違に起因した光の結合損失が抑制される。

また、上述した本実施形態の光半導体集積素子の製造方法によれば、塩素系ガスを含むプロセスガスを用いて、入力部４１の埋め込み半導体層４１ｅ及び出力部４５の埋め込み半導体層４５ｅを形成できる。このようにして、スポットサイズの相違に起因した光の結合損失を抑制する光半導体集積素子４０が得られる。

また、上述した本実施形態の光半導体集積素子の製造方法によれば、メサ構造の長手方向の向きが、[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有していても、埋め込み層６０が、メサ構造の両側からメサ構造のコンタクト層の上方に被さるように形成されることはない。従って、本実施形態の光半導体集積素子の製造方法によれば、光半導体集積素子の設計の自由度を制限することがない。

このような製造方法を用いれば、光ファイバとの光の結合損失を低減するスポットサイズ変換部を光半導体集積素子にモノリシック集積することが可能である。

次に、上述した第２実施形態の光半導体集積素子の変型例を、図面を参照して、以下に説明する。同一の要素は、同一の符号で示されている。

図４４は、本明細書に開示する光半導体集積素子の製造方法の第２実施形態の変型例を示す図である。図４５は、図４４のＨ−Ｈ線拡大断面図である。

本変型例の光半導体集積素子４０ａは、光結合器部４３のメサ構造が、埋め込み層によって埋め込まれていない点が、上述した第２実施形態とは異なっている。

図４５に示すように、光結合器部４３の光導波路４３ｃは、埋め込み層によって埋め込まれていない。光導波路４３ｃは、空気によって埋め込まれている。上述した第２実施形態では、図３３に示すように、光結合器部４３の光導波路４３ｃは、埋め込み層６０により埋め込まれていた。

本変型例の光半導体集積素子４０ａでは、光導波路４３ｃと同様に、光導波路４３ａ及び結合器本体部４３ｂも空気によって埋め込まれている。

本変型例の光半導体集積素子４０ａでは、光結合器部４３のメサ構造が、空気によって埋め込まれているので、光結合器部４３のコア層５８と空気との大きな屈折率の差によって、光を光結合器部４３のコア層５８に閉じ込めることができる。そのため、光結合器部４３のメサ構造の寸法を小さくすることが可能である。

なお、光結合器部４３のメサ構造を、空気の代わりに低誘電率の有機材料を用いて埋め込んでも、同様の効果が得られる。また、光導波路４３ａにおける第１光増幅部４２のメサ部４２ａ側の一部分が半導体の埋め込み層６０によって埋め込まれていても良い。また、光導波路４３ｃにおける第２光増幅部４４のメサ部４４ａの一部分が半導体の埋め込み層６０によって埋め込まれていても良い。

本発明では、上述した光半導体素子及び光半導体素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。

例えば、上述したスポットサイズ変換部を備えた光半導体集積素子は、光検出部又は光増幅部と共にパッシブ光導波路が集積されていたが、光半導体集積素子は、スポットサイズ変換部と共にパッシブ光導波路のみが集積されていても良い。

また、スポットサイズ変換部を備えた光半導体集積素子は、半導体レーザ又は半導体光変調器を有する光機能素子等をモノリシックに集積していても良い。

また、上述した光半導体集積素子では、スポットサイズ変換部又は埋め込み層が、Ｆｅを添加した半絶縁性半導体のＩｎＰを用いて形成されており、電子を捕獲する半絶縁性半導体を用いていた。しかし、スポットサイズ変換部又は埋め込み層は、ＲｕドープＩｎＰ、ＴｉドープＩｎＰ等の正孔を捕獲する半絶縁性半導体を用いて形成しても良い。

また、上述した光半導体集積素子の製造方法では、有機塩素系原料として１，２−ジクロロエチレンを用いた説明を行ったが、有機塩素系原料としては、例えば、塩化メチル、塩化エチル、１，２−ジクロロエタン、１，２−ジクロロプロパン等の他の有機塩素系原料を用いても良い。

更に、光半導体集積素子を形成する化合物半導体としては、上述した材料以外にも、ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＮ，ＩｎＧａＡｓＳｂ等の混晶半導体を用いても良い。

ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。

以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
（１００）面を有する半導体基板上に形成され、光を伝搬するコア層を有する導波路部と、
前記半導体基板上に形成され、前記導波路部と光学的に接続しており、伝搬する光の径を変換するスポットサイズ変換部と、
前記半導体基板上に形成され、前記スポットサイズ変換部を対向して挟む一対のテラス部と、
を備え、
前記一対のテラス部における前記スポットサイズ変換部を挟んで対向する対向部は、その間隔が変化しており、且つ[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有しており、
前記スポットサイズ変換部の上端の位置は、前記導波路部の上端の位置よりも高くなっている光半導体素子。

（付記２）
前記一対のテラス部の間隔が拡大及び縮小を繰り返している付記１に記載の光半導体素子。

（付記３）
前記スポットサイズ変換部における前記導波路部の上端よりも高い部分が、前記対向部における[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分に対応する形状を有している付記１又は２に記載の光半導体素子。

（付記４）
前記一対のテラス部の前記対向部は、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、３０度〜８５度の間に傾斜した部分を有する付記１〜３の何れか一項に記載の光半導体素子。

（付記５）
前記一対のテラス部の前記対向部は、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、４０度〜５０度の間に傾斜した部分を有する付記４に記載の光半導体素子。

（付記６）
前記一対のテラス部の前記対向部は、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、４５度に傾斜した部分を有する付記４又は５に記載の光半導体素子。

（付記７）
前記スポットサイズ変換部は、前記コア層が延びた第２のコア層を有している付記１〜６の何れか一項に記載の光半導体素子。

（付記８）
前記第２のコア層は、前記導波路部側の端部の幅が前記導波路部とは反対側の端部の幅よりも広い付記７に記載の光半導体素子。

（付記９）
前記第２のコア層は、前記スポットサイズ変換内で、前記導波路部側から前記スポットサイズ変換部の前記導波路部側とは反対の方向の端まで延びている付記７又は８に記載の光半導体素子。

（付記１０）
前記一対のテラス部における前記対向部の間の最短の距離が、２０μｍ以下である付記１〜９の何れか一項に記載の光半導体素子。

（付記１１）
前記コア層の延びる向きは、[０１１]方向成分及び[０−１１]方向成分を有する付記１〜１０の何れか一項に記載の光半導体素子。

（付記１２）
（１００）面を有する半導体基板上に、一方向に延びる形状を有するメサ部と、前記メサ部から前記メサ部とは反対の方向に向かって前記メサ部の長手方向に沿って延びる領域を挟んだ一対のテラス部とを形成する工程であって、前記一対のテラス部における前記領域を挟んで対向する対向部が、[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有するように、メサ部と一対のテラス部とを形成する工程と、
前記一対のテラス部の間の前記領域に第１半導体層を形成すると共に、前記メサ部の少なくとも一部の両側に前記メサ部を埋め込む第２半導体層を形成する工程であって、前記第１半導体層の上端の位置を前記メサ部の上端の位置よりも高く形成する、第１及び第２半導体層を形成する工程と、
を備える光半導体素子の製造方法。

（付記１３）
前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程では、前記対向部の間隔が変化するように前記一対のテラス部を形成する付記１２に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１４）
前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程では、前記メサ部及び前記一対のテラス部の上にマスクを形成し且つ前記メサ部が前記領域内に延びるように、マスクを用いて前記メサ部及び前記一対のテラス部を形成し、
更に、前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程と、前記第１及び第２半導体層を形成する工程との間に、前記領域内に延びる前記メサ部の部分の上のマスクを除去する工程を備える付記１２又は１３に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１５）
更に、前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程と、前記第１及び第２半導体層を形成する工程との間に、前記一対のテラス部における前記対向部側の所定の範囲を除いてマスクを除去する工程を備える付記１２〜１４の何れか一項に記載の光半導体素子の製造方法。

（付記１６）
前記第１及び第２半導体層を形成する工程では、塩素を含むガスを用いて前記第１半導体層及び前記第２半導体層を形成する付記１２〜１５の何れか一項に記載の光半導体素子の製造方法。

１０ 光半導体素子
１１ 入力部
１１ａ スポットサイズ変換部
１１ｂ テラス部
１１ｃ 対向部
１１ｄ メサ部
１２ 導波路部
１２ａ メサ部
１３ 光検出部
１３ａ メサ部
２０ 基板
２１ 下クラッド層
２２ コア層
２３ 第１上クラッド層
２４ 第２の埋め込み層
２５ 光吸収層
２６ 第３上クラッド層
２７ コンタクト層
２８ａ 第１電極
２８ｂ 第２電極
２９ 第１の埋め込み層
３０ａ、３０ｂ 面
３１ マスク
３２ マスク
３３ マスク
３４ 光導波路
４０ 光半導体素子
４１ 入力部
４１ａ 第１スポットサイズ変換部
４１ｂ テラス部
４１ｃ 対向部
４１ｄ メサ部
４１ｅ 埋め込み半導体層
４２ 第１光増幅部
４２ａ メサ部
４３ 光結合器部
４３ａ 光導波路
４３ｂ 結合器本体部
４３ｃ 光導波路
４４ 第２光増幅部
４４ａ メサ部
４５ 出力部
４５ａ 第２スポットサイズ変換部
４５ｂ テラス部
４５ｃ 対向部
４５ｅ 埋め込み半導体層
５０ 基板
５１ 下クラッド層
５２ 下ＳＣＨ層
５３ 活性層
５４ 上ＳＣＨ層
５５ 第１上クラッド層
５６ 第２上クラッド層
５７ コンタクト層
５８ コア層
５９ 第３上クラッド層
６０ 埋め込み層
６１ａ、６１ｂ 面
６２ マスク
６３ マスク
６４ マスク
Ｆ モードフィールド径
Ｃ１、Ｃ２ カーブ
Ｗ マスクの幅
Ｌ テラス部とコア層との間の距離
Ｊ１ スポットサイズ変換部が形成される領域
Ｊ２ 導波路接続部が形成される領域
Ｊ３ 光検出部が形成される領域
Ｒ 領域
Ｖ 空間
Ｋ１ 第１スポットサイズ変換部が形成される領域
Ｋ２ 第１光増幅部が形成される領域
Ｋ３ 光結合部が形成される領域
Ｋ４ 第２光増幅部が形成される領域
Ｋ５ 第２スポットサイズ変換部が形成される領域

Claims (10)

1. （１００）面を有する半導体基板上に形成され、光を伝搬するコア層を有する導波路部と、
   前記半導体基板上に形成され、前記導波路部と光学的に接続しており、伝搬する光の径を変換するスポットサイズ変換部と、
   前記半導体基板上に形成され、前記スポットサイズ変換部を対向して挟む一対のテラス部と、
   を備え、
   前記一対のテラス部における前記スポットサイズ変換部を挟んで対向する対向部は、その間隔が拡大及び縮小を繰り返すように変化しており、且つ[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有しており、
   前記スポットサイズ変換部の上端の位置は、前記導波路部の上端の位置よりも高くなっている光半導体素子。
2. 前記スポットサイズ変換部における前記導波路部の上端よりも高い部分が、前記対向部における[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分に対応する形状を有している請求項１に記載の光半導体素子。
3. 前記一対のテラス部の前記対向部は、[０１１]方向から[０−１１]方向に向かって、３０度〜８５度の間に傾斜した部分を有する請求項１又は２に記載の光半導体素子。
4. 前記スポットサイズ変換部は、前記コア層が延びた第２のコア層を有している請求項１〜３の何れか一項に記載の光半導体素子。
5. 前記第２のコア層は、前記導波路部側の端部の幅が前記導波路部とは反対側の端部の幅よりも広い請求項４に記載の光半導体素子。
6. 前記一対のテラス部における前記対向部の間の最短の距離が２０μｍ以下である請求項１〜５の何れか一項に記載の光半導体素子。
7. （１００）面を有する半導体基板上に、一方向に延びる形状を有するメサ部と、前記メサ部から前記メサ部とは反対の方向に向かって前記メサ部の長手方向に沿って延びる領域を挟んだ一対のテラス部とを形成する工程であって、前記一対のテラス部における前記領域を挟んで対向する対向部が、その間隔が拡大及び縮小を繰り返すように変化し且つ[０１１]方向に対して[０−１１]方向に傾斜した向きの部分を有するように、メサ部と一対のテラス部とを形成する工程と、
   前記一対のテラス部の間の前記領域に半導体層を形成すると共に、前記メサ部の少なくとも一部の両側に前記メサ部を埋め込むように前記半導体層を形成する工程であって、前記半導体層の上端の位置を前記メサ部の上端の位置よりも高く形成する、半導体層を形成する工程と、
   を備える光半導体素子の製造方法。
8. 前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程では、前記メサ部及び前記一対のテラス部の上にマスクを形成し且つ前記メサ部が前記領域内に延びるように、マスクを用いて前記メサ部及び前記一対のテラス部を形成し、
   更に、前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程と、前記第１及び第２半導体層を形成する工程との間に、前記領域内に延びる前記メサ部の部分の上のマスクを除去する工程を備える請求項７に記載の光半導体素子の製造方法。
9. 更に、前記メサ部と前記一対のテラス部とを形成する工程と、前記半導体層を形成する工程との間に、前記一対のテラス部における前記対向部側の所定の範囲を除いてマスクを除去する工程を備える請求項７又は８に記載の光半導体素子の製造方法。
10. 前記半導体層を形成する工程では、塩素を含むガスを用いて前記半導体層を形成する請求項７〜９の何れか一項に記載の光半導体素子の製造方法。

Images