JP6186676B2 - 光半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光半導体装置及び光半導体装置の製造方法に関するものである。
光半導体装置である半導体レーザは様々な波長帯で幅広く用いられている。このような半導体レーザのうち、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feed-Back）レーザや分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）レーザは、単一縦モード動作が可能なことから通信用や単色性の求められる映像デバイスの光源等に用いられている。また、半導体レーザにおいて、素子の信頼性・寿命は実用化における重要なファクターであるが、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）と言われる端面の光学損傷が、しばしば半導体レーザの寿命を決定する。更に、ＣＯＤにより半導体レーザの最大出力も制限される場合においては、高出力化にはＣＯＤの抑制が求められる。
ＣＯＤは、半導体レーザから出力されるレーザ光が端面近傍の欠陥や表面準位に起因する非発光中心で吸収され、素子の端面近傍が局所的に加熱され、温度上昇によりバンドギャップが狭くなり、更に吸収が増加し、端面近傍の温度が融点に達することにより生じる。従って、ＣＯＤの発生を防止するためには、窓構造と呼ばれる端面近傍における量子井戸活性層のバンドギャップを選択的にワイドギャップ化した構造を適用することが有効とされている。このような選択的なワイドギャップ化は、熱による不純物拡散や空孔拡散により、窓部となる端面近傍の量子井戸層及び量子井戸活性層におけるバンドギャップを広げることによりなされる。ＣＯＤを抑制するためは、窓部となる素子端面近傍の量子井戸活性層をなるべくワイドギャップ化することが望ましいが、この際、窓部以外の領域である端面近傍以外の領域の量子井戸活性層も熱によりバンドギャップが広がりワイドギャップ化してしまう場合がある。即ち、窓部以外の領域、即ち、端面近傍以外の領域の量子井戸活性層において、バンドギャップシフトしてしまう場合がある。
特開２００１−２３０４９１号公報 特開２００１−９４２０７号公報 特開平９−２３０３７号公報
ところで、上述したような活性領域におけるバンドギャップシフトは、回折格子によって発振波長が決定されるＤＢＦレーザやＤＢＲレーザ等の単一縦モードレーザにおいては、特に影響が大きい。
これら単一縦モードレーザの出力特性や温度特性は、離調と呼ばれる回折格子により定まるブラッグ波長とバンドギャップにより定まる利得ピーク波長との差に、強く影響される。ブラッグ波長はレーザが用いられる用途において厳密に定まっているため、窓部以外の領域の量子井戸活性層におけるバンドギャップシフトは、そのまま離調が変化することを意味する。このため、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザにおいて、窓構造を形成する際、窓部となる出射端面の領域のワイドギャップ化だけではなく、窓部以外の領域、即ち、出射端面の領域よりも内側の領域における量子井戸活性層のワイドギャップ化を抑えることが重要となる。
よって、回折格子を有する単一縦モードレーザを含む光半導体装置において、量子井戸活性層における出力端面のバンドギャップが、出力端面より内側のバンドギャップよりも広く、出力端面より内側の量子井戸活性層のバンドギャップが、ロット間、ウェハ間等で均一に歩留まりよくできる光半導体装置及び光半導体装置の製造方法が求められていた。例えば、量子井戸活性層のバンドギャップシフトのバラツキが小さい光半導体装置等が求められていた。
本実施の形態の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板の上に、半導体材料により形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に、半導体材料により形成された量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層の上に、半導体材料により形成された表面に回折格子を有する回折格子層と、前記回折格子層における回折格子の上に形成された上部クラッド層と、を有し、前記量子井戸活性層において、一方の端面及び他方の端面の端面近傍の領域におけるバンドギャップは、前記一方の端面及び前記他方の端面の端面近傍よりも内側の内側領域におけるバンドギャップよりも広く、前記半導体基板と前記量子井戸活性層との間において、前記下部クラッド層を含む半導体材料により形成される層の膜厚が、２．３μｍ以上であって、前記上部クラッド層により、前記一方の端面から前記他方の端面の間に延在するリッジ導波路が形成されており、前記端面近傍の領域における前記回折格子層の表面には回折格子が形成されていないことを特徴とする。
また、本実施の形態の他の一観点によれば、半導体基板の上に、半導体材料よりなる第１のクラッド層、量子井戸活性層、第２のクラッド層、回折格子層を順次積層する工程と、前記回折格子層の上の端面近傍よりも内側の領域に、窒化シリコンを含む膜よりなる第１の誘電体層を形成する工程と、前記第１の誘電体層を形成した後、前記回折格子層の上の端面近傍の領域に、酸化シリコンを含む膜よりなる第２の誘電体層を形成する工程と、前記第２の誘電体層を形成した後、熱処理を行うことにより、前記量子井戸活性層において、前記端面近傍の領域におけるバンドギャップを前記内側の内側領域におけるバンドギャップよりも広くする工程と、前記熱処理を行った後、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層を除去する工程と、前記第１及び第２の誘電体層を除去した後に、前記回折格子層の表面に回折格子を形成する工程と、前記回折格子が形成されている前記回折格子層の上に、半導体材料よりなる第３のクラッド層、コンタクト層を積層する工程と、前記コンタクト層と前記第３のクラッド層とをエッチングして、一方の端面から他方の端面の間に延在するリッジ導波路を形成する工程と、前記コンタクト層の上に上部電極を形成する工程と、を有し、前記半導体基板と前記量子井戸活性層との間において、前記第１のクラッド層を含む半導体材料により形成される層の膜厚が、２．３μｍ以上であって、前記上部電極は、上面視で前記端面近傍の領域には形成しないことを特徴とする。
開示の光半導体装置及び光半導体装置の製造方法によれば、回折格子を有する単一縦モードレーザを含む光半導体装置において、量子井戸活性層における出力端面のバンドギャップが、出力端面より内側のバンドギャップよりも広く、出力端面より内側の量子井戸活性層のバンドギャップが、ロット間、ウェハ間等で均一に歩留まりよくできる回折格子を有する光半導体装置を得ることができる。例えば、量子井戸活性層のバンドギャップシフトのバラツキが小さい光半導体装置を得ることができる。
第１の実施の形態における光半導体装置の上面図 第１の実施の形態における光半導体装置の断面図（１） 第１の実施の形態における光半導体装置の断面図（２） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（１） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（２） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（３） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（４） 量子井戸活性層におけるＰＬ特性図 半導体基板の表面から量子井戸活性層の界面までの膜厚と量子井戸活性層のバンドギャップシフトとの相関図 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（５） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（６） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（７） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（８） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（９） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（１０） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（１１） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（１２） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（１３） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の製造工程図（１４） 第２の実施の形態における光半導体装置の上面図 第２の実施の形態における光半導体装置の断面図
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
（光半導体装置）
第１の実施の形態における光半導体装置について説明する。図１は、本実施の形態における光半導体装置の上面図であり、図２は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂにおいて切断した断面図であり、図３は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄにおいて切断した断面図である。尚、図２及び図３については、説明等の便宜上、断面の状態を模式的に示している。
本実施の形態における光半導体装置として、いわゆるＤＦＢレーザについて説明する。本実施の形態における光半導体装置は、半導体基板１１０の上に、バッファ層１１１、第１のクラッド層１１２、量子井戸活性層１１３、第２のクラッド層１１６、回折格子層１１７、第３のクラッド層１１８、コンタクト層１１９が積層形成されている。半導体基板１１０にはｎ−ＧａＡｓ基板が用いられており、バッファ層１１１はｎ−ＧａＡｓ層により形成されており、第１のクラッド層１１２はｎ−ＡｌＧａＡｓ層により形成されている。量子井戸活性層１１３は、ｉ−ＧａＡｓ層により形成されるバリア層１１４と、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層により形成される量子井戸層１１５とが交互に積層されている。これにより量子井戸活性層１１３は、多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）構造となっている。第２のクラッド層１１６はｐ−ＡｌＧａＡｓ層により形成されており、回折格子層１１７はｐ−ＧａＡｓにより形成されており、回折格子層１１７の表面には、所定の周期により形成された回折格子１１７ａが形成されている。第３のクラッド層１１８はｐ−ＩｎＧａＰ層により形成されており、コンタクト層１１９はｐ−ＧａＡｓ層により形成されている。尚、本実施の形態においては、第１のクラッド層１１２を下部クラッド層と記載し、第３のクラッド層１１８を上部クラッド層と記載する場合がある。また、本実施の形態においては、第２のクラッド層１１６を形成する場合について説明するが、第２のクラッド層１１６は形成されていない構造のものであってもよい。
また、第３のクラッド層１１８及びコンタクト層１１９の一部をエッチングすることにより、リッジ導波路１４０が形成されている。更に、リッジ導波路１４０の側面及びエッチングにより除去された領域の表面には酸化シリコン等により保護膜１４１が形成されており、エッチングにより除去された領域を埋め込むように、埋込層１４２が形成されている。
また、コンタクト層１１９の上には、コンタクト層１１９と接続される上部電極１２１が形成されており、半導体基板１１０の裏面には下部電極１２２が形成されている。具体的には、上部電極１２１は、コンタクト層１１９が設けられている側より、金属膜１２１ａとメッキ層１２１ｂとが積層されることにより形成されている。下部電極１２２は、半導体基板１１０の裏面において、金属膜１２２ａとメッキ層１２２ｂとが積層されることにより形成されている。
また、ＤＦＢレーザの端面、即ち、レーザ光が出射される側の端面には、反射防止膜１３１が形成されており、反射防止膜１３１が形成されている側とは反対側の端面には、高反射膜１３２が形成されている。反射防止膜１３１及び高反射膜１３２は、誘電体多層膜により形成されており、各々所望の特性が得られるように、屈折率の異なる誘電体材料を所定の膜厚で交互に積層することにより形成されている。
また、量子井戸活性層１１３において、反射防止膜１３１及び高反射膜１３２が形成されているＤＦＢレーザの端面近傍の領域１１３ａは、端面近傍よりも内側の内側領域１１３ｂにおける量子井戸活性層１１３よりもバンドギャップが広くなるように形成されている。尚、本実施においては、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域１１３ａが窓部となり、窓部以外の領域が内側領域１１３ｂとなる。
また、本実施の形態においては、半導体基板１１０の表面から量子井戸活性層１１３の界面までの膜厚、即ち、バッファ層１１１及び第１のクラッド層１１２における膜厚の和が、２．３μｍ以上となるように形成されている。
（光半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光半導体装置の製造方法について、図４〜図１９に基づき説明する。尚、図４〜図７、図１０〜図１９については、説明等の便宜上、断面の状態を模式的に示している。
最初に、図４に示すように、半導体基板１１０であるｎ−ＧａＡｓ基板の上に、バッファ層１１１、第１のクラッド層１１２、量子井戸活性層１１３、第２のクラッド層１１６、回折格子層１１７をエピタキシャル成長により形成する。具体的には、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）によるエピタキシャル成長により、半導体基板１１０の上にバッファ層１１１、第１のクラッド層１１２、量子井戸活性層１１３、第２のクラッド層１１６、回折格子層１１７を形成する。本実施の形態においては、上述したように、第１のクラッド層１１２を下部クラッド層と記載する場合がある。尚、図４は、本工程における断面図であり、図４（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図４（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
バッファ層１１１は、膜厚が約３００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層により形成されており、不純物元素としてＳｉが約１×１０＋１８ｃｍ−３ドープされている。第１のクラッド層１１２は、膜厚が約４０００ｎｍのｎ−ＡｌＧａＡｓ層により形成されており、不純物元素としてＳｉが約５×１０＋１７ｃｍ−３ドープされている。
量子井戸活性層１１３は、ｉ−ＧａＡｓ層により形成されるバリア層１１４と、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層により形成される量子井戸層１１５とが交互に積層されることにより形成されている。本実施の形態においては、約４０ｎｍの膜厚のバリア層１１４、約７ｎｍの膜厚の量子井戸層１１５、約２０ｎｍの膜厚のバリア層１１４、約７ｎｍの膜厚の量子井戸層１１５、約４０ｎｍの膜厚のバリア層１１４が順次積層されることにより形成されている。尚、量子井戸活性層１１３において、量子井戸活性層１１３の両側に形成されている約４０ｎｍの膜厚のバリア層１１４については、ＳＣＨ層と呼ばれる場合がある。
第２のクラッド層１１６は、膜厚が約１５０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＡｓ層により形成されており、不純物元素としてＢｅが約２×１０＋１７ｃｍ−３ドープされている。回折格子層１１７は、膜厚が約６０ｎｍのｐ−ＧａＡｓにより形成されており、不純物元素としてＢｅが約５×１０＋１７ｃｍ−３ドープされている。
次に、図５に示すように、窒化シリコン層１５１を形成する。具体的には、回折格子層１１７の表面に、Ｐ−ＣＶＤ（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition：プラズマ化学気相成長）によりＳｉＮ膜を成膜した後、成膜されたＳｉＮ膜の上にフォトレジストを塗布する。この後、露光装置による露光、現像を行うことにより、ＤＦＢレーザにおいて端面近傍となる領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域のＳｉＮ膜をフッ酸（フッ化水素酸）等によるウェットエッチングにより除去することにより、窒化シリコン層１５１を形成する。このように形成される窒化シリコン層１５１は、回折格子層１１７の上において、ＤＦＢレーザの端面近傍よりも内側の内側領域となる部分の上に形成され、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域となる部分には形成されてはいない。よって、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域となる部分においては、回折格子層１１７が露出している。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。本実施の形態においては、窒化シリコン層１５１を第１の誘電体層と記載する場合がある。尚、図５は、本工程における断面図であり、図５（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図５（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図６に示すように、窒化シリコン層１５１が形成されている面の上に、酸化シリコン層１５２を形成する。具体的には、窒化シリコン層１５１及び回折格子層１１７が露出している面の上に、Ｐ−ＣＶＤにより酸化シリコン層１５２を形成する。これにより、回折格子層１１７の上において、内側領域となる部分の上には窒化シリコン層１５１、酸化シリコン層１５２が、この順で積層して形成され、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域となる部分の上には酸化シリコン層１５２が形成される。本実施の形態においては、酸化シリコン層１５２を第２の誘電体層と記載する場合がある。尚、図６は、本工程における断面図であり、図６（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図６（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図７に示すように、熱処理を行った後、回折格子層１１７の表面に回折格子１１７ａを形成する。具体的には、熱処理は、急速熱処理（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）装置を用いて、８９０℃、３０秒の高速熱処理を行うことによりなされる。この熱処理により、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域、即ち、回折格子層１１７の上に酸化シリコン層１５２が形成されている領域において、酸化シリコン層１５２より空孔が拡散し、拡散した空孔は量子井戸活性層１１３に到達する。空孔が量子井戸活性層１１３に到達することにより、量子井戸活性層１１３における量子井戸層１１５とバリア層１１４との間で原子の相互拡散が生じやすくなり、量子井戸層１１５における組成が変化してワイドギャップ化する。即ち、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域１１３ａにおける量子井戸層１１５のバンドギャップがワイドギャップ化する。これにより、ＤＦＢレーザの端面近傍となる領域１１３ａにおける量子井戸活性層１１３もワイドギャップ化する。ここで、内側領域１１３ｂでは、窒化シリコン層１５１がバリアとなるため、熱処理を行っても酸化シリコン層１５２より空孔が、回折格子層１１７及び第２のクラッド層１１６に拡散することは殆どなく、空孔が量子井戸活性層１１３にまで到達することは殆どない。尚、図７は、本工程における断面図であり、図７（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図７（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
このようなワイドギャップ化について、図８に基づきより詳細に説明する。図８は、量子井戸活性層１１３におけるＰＬ（Photoluminescence）特性を示すものであり、ＰＬ発光強度は規格化されている。図８において、８Ａは、高速熱処理が行われる前のＰＬ特性である。８Ｂは、回折格子層１１７の上に窒化シリコン層１５１、酸化シリコン層１５２が順に形成されている部分における高速熱処理が行われた後のＰＬ特性である。８Ｃ、は回折格子層１１７の上に酸化シリコン層１５２が形成されている部分における高速熱処理が行われた後のＰＬ特性である。
回折格子層１１７の上に窒化シリコン層１５１が形成されている部分においては、８Ｂに示されるように、波長シフト量は１０ｎｍ（バンドギャップシフト量は１１ｍｅＶ相当）であった。これに対し、回折格子層１１７の上に酸化シリコン層１５２が形成されている部分においては、８Ｃに示されるように、波長シフト量は６０ｎｍ（バンドギャップシフト量は７２ｍｅＶ相当）であった。このように、高速熱処理により、回折格子層１１７の上に酸化シリコン層１５２が形成されている領域の量子井戸活性層１１３のバンドギャップは、窒化シリコン層１５１が形成されている領域の量子井戸活性層１１３のバンドギャップよりも広くすることができる。従って、図７に示されるように、ＤＦＢレーザの端面近傍となる領域１１３ａにおける量子井戸活性層１１３のバンドギャップは内側領域１１３ｂにおける量子井戸活性層１１３のバンドギャップよりも広くなる。
本実施の形態においては、半導体基板１１０の表面から量子井戸活性層１１３の界面までの厚さ、即ち、バッファ層１１１及び第１クラッド層１１２における膜厚の和が、約４．３μｍとなるように形成されている。このため、窒化シリコン層１５１が形成されている領域におけるバンドギャップシフト量を低く抑えることができる。
具体的には、発明者は、窒化シリコン層１５１が形成されている領域におけるバンドギャップシフト量及びそのバラツキが、半導体基板１１０側に形成される半導体層の膜厚に強く依存していることを見出した。量子井戸活性層１１３におけるバンドギャップシフトは、半導体基板１１０上に偏在する欠陥や不純物から、熱処理により空孔が発生し、これが量子井戸活性層に到達することにより生じる。この半導体層における欠陥や不純物は、半導体基板１１０のグレードや処理方法、処理条件や環境等により大きく変化するため、その影響も様々であり、これが量子井戸活性層１１３における意図せぬバンドギャップシフト及びそのバラツキの原因となっている。
発明者は、鋭意研究を行った結果、このようなバンドギャップシフト及びそのバラツキは、バッファ層１１１、第１のクラッド層１１２等の膜厚を厚くすることにより、低減することができることを見出した。図９は、半導体基板１１０の表面から量子井戸活性層１１３の界面までの膜厚と、ＰＬ波長１０６０ｎｍ帯（１．１７ｅＶのバンドギャップに相当）における量子井戸活性層１１３のバンドギャップシフト量との関係を示す。尚、形成された半導体層の構造は、図４等に示す場合と同様であり、回折格子層１１７の上には、窒化シリコン層１５１が形成されているものとする。
図９に示されるように、半導体基板１１０の表面から量子井戸活性層１１３の界面までの膜厚を厚く形成することにより、量子井戸活性層１１３におけるバンドギャップシフト量の絶対値及びそのバラツキを低減させることができる。尚、バンドギャップシフト量の絶対値は、活性層品質や信頼性の観点から波長換算で、約２０ｎｍ（２３ｍｅＶ相当）以下であることが好ましい。また、離調の精度は、最低でも波長換算で、±１０ｎｍ程度（±１３ｍｅＶ相当）であることが求められている。従って、図９に基づくならば、半導体基板１１０の表面から量子井戸活性層１１３の界面までの膜厚は、２．３μｍ以上であることが好ましい。
このような、高速熱処理を行った後、酸化シリコン層１５２及び窒化シリコン層１５１を除去し、回折格子層１１７の表面に回折格子１１７ａを形成する。具体的には、酸化シリコン層１５２を緩衝フッ酸溶液により除去し、更に、窒化シリコン層１５１をフッ酸により除去する。この後、再度、回折格子層１１７の上に、Ｐ−ＣＶＤにより酸化シリコン膜を形成し、形成された酸化シリコン膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、酸化シリコン膜の上に、回折格子層１１７の表面に形成される回折格子１１７ａの周期パターンに対応したレジストパターンが形成される。この後、形成されたレジストパターンをマスクとして緩衝フッ酸溶液により、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜をウェットエッチングにより除去し、酸化シリコンによるパターンを形成する。この後、レジストパターンを除去し、酸化シリコンによるパターンをマスクとして、酸化シリコンによるパターンが形成されていない領域の回折格子層１１７をウェットエッチングにより除去することにより、回折格子層１１７の表面に回折格子１１７ａを形成する。この際用いられるエッチング液としては、例えば、アンモニア水、過酸化水素水、水の混合溶液を用いる。このようにして、回折格子層１１７の表面に形成される回折格子１１７ａの深さは、例えば、約１５ｎｍである。
ここで、回折格子層１１７の表面に形成される回折格子１１７ａの周期は、作製されるＤＦＢレーザ等の波長帯によって異なる。例えば、１０６０ｎｍ帯のＤＦＢレーザの場合では、回折格子１１７ａにおける周期が１５５．６ｎｍとなるように形成する。これにより、１０６０ｎｍ近傍におけるブラッグ波長を得ることができる。
次に、図１０に示すように、回折格子層１１７の表面に形成された回折格子１１７ａの上に、第３のクラッド層１１８、コンタクト層１１９をＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）によるエピタキシャル成長により形成する。第３のクラッド層１１８は、膜厚が約１０００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＰ層により形成されており、不純物元素としてＺｎが約２×１０＋１８ｃｍ−３ドープされている。コンタクト層１１９は、膜厚が約３００ｎｍのｐ−ＧａＡｓ層により形成されており、不純物元素としてＺｎが約２×１０＋１９ｃｍ−３ドープされている。尚、図１０は、本工程における断面図であり、図１０（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１０（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１１に示すように、コンタクト層１１９の上に酸化シリコン膜１５３を形成し、形成された酸化シリコン膜１５３の上にリッジ導波路１４０を形成するためのレジストパターン１５４を形成する。具体的には、コンタクト層１１９の上にＰ−ＣＶＤにより酸化シリコン膜１５３を形成し、形成された酸化シリコン膜１５３の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン１５４を形成する。このように形成されたレジストパターン１５４は、酸化シリコン膜１５３の上において、リッジ導波路１４０が形成される領域の上に形成される。尚、図１１は、本工程における断面図であり、図１１（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１１（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１２に示すように、レジストパターン１５４が形成されていない領域の酸化シリコン膜１５３を緩衝フッ酸溶液によりウェットエッチングにより除去し、酸化シリコンマスク１５３ａを形成する。この後、酸化シリコンマスク１５３ａが形成されていない領域におけるコンタクト層１１９及び第３のクラッド層１１８をウェットエッチングにより除去することにより、リッジ導波路１４０を形成する。コンタクト層１１９を除去する際のエッチング液としては、例えば、アンモニア水、過酸化水素水、水の混合溶液が用いられる。また、第３のクラッド層１１８を除去する際のエッチング液としては、例えば、塩酸、酢酸の混合溶液が用いられる。尚、ｐ−ＧａＡｓは、塩酸、酢酸の混合溶液によってはエッチングされないため、第３のクラッド層１１８のエッチングは、ｐ−ＧａＡｓにより形成されている回折格子層１１７の表面が露出した状態で停止する。このようにして、酸化シリコンマスク１５３ａが形成されている領域において、エッチングより残った第３のクラッド層１１８及びコンタクト層１１９によりリッジ導波路１４０が形成される。本実施の形態においては、リッジ導波路１４０におけるリッジ幅Ｗは、約２．０μｍとなるように形成されている。リッジ導波路１４０におけるリッジ幅Ｗが、この程度であれば、横高次モードの励振を抑え、横基本モードだけを導波モードとすることができる。尚、図１２は、本工程における断面図であり、図１２（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１２（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１３に示すように、酸化シリコンマスク１５３ａを除去した後、リッジ導波路１４０を被うように酸化シリコン膜１４１ａを形成し、更に、エッチングにより除去された領域に有機絶縁材料を埋め込むことにより埋込層１４２を形成する。具体的には、コンタクト層１１９の上に形成されている酸化シリコンマスク１５３ａを緩衝フッ酸溶液により除去した後、リッジ導波路１４０の全体を被うように、酸化シリコン膜１４１ａをＣＶＤにより形成する。この後、酸化シリコン膜１４１ａが形成されている面の上に、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Benzocyclobutene）等の有機絶縁材料をスピンコートにより塗布し、リッジ導波路１４０を形成する際にエッチングにより除去された領域を埋め込む。この後、焼結させるための熱処理を約３００℃の温度で行うことにより埋込層１４２を形成する。尚、図１３は、本工程における断面図であり、図１３（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１３（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１４に示すように、埋込層１４２を表面よりエッチバックすることにより、リッジ導波路１４０が形成されている領域上の酸化シリコン膜１４１ａを露出させる。具体的には、埋込層１４２のエッチバックは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）等により行う。尚、図１４は、本工程における断面図であり、図１４（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１４（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１５に示すように、露出している酸化シリコン膜１４１ａを除去し、酸化シリコン膜１４１ａを除去することにより露出させたコンタクト層１１９を含む領域の上に、金属膜１２１ａを形成する。具体的には、露出している酸化シリコン膜１４１ａを緩衝フッ酸溶液等により除去することにより、リッジ導波路１４０におけるコンタクト層１１９を露出させる。尚、このように、露出していた酸化シリコン１４１ａを除去することにより、リッジ導波路１４０の側面等において、残存する酸化シリコン膜１４１ａにより酸化シリコンの保護膜１４１が形成される。この後、コンタクト層１１９が露出している面に、電子ビーム蒸着により、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを成膜することにより金属膜１２１ａを形成する。
この後、金属膜１２１ａの上に、上部電極１２１が形成される領域に開口部を有するレジストパターン１５５を形成する。具体的には、金属膜１２１ａの上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン１５５を形成する。尚、図１５は、本工程における断面図であり、図１５（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１５（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１６に示すように、金属膜１２１ａを電極としてＡｕメッキを行うことにより、レジストパターン１５５が形成されていない領域の金属膜１２１ａの上に、メッキ膜１２１ｂを形成する。尚、図１６は、本工程における断面図であり、図１６（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１６（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１７に示すように、レジストパターン１５５を除去し、金属膜１２１ａを露出させた後、全面をＲＩＥ等のドライエッチングを行うことにより、露出している金属膜１２１ａを除去する。この際、メッキ膜１２１ｂの表面も一部除去されるが、メッキ膜１２１ｂは十分厚く形成されているため、除去される量はメッキ膜１２１ｂの全体の厚さに比べて僅かである。これにより、残存した金属膜１２１ａとメッキ膜１２１ｂにより上部電極１２１が形成される。尚、図１７は、本工程における断面図であり、図１７（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１７（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１８に示すように、半導体基板１１０の裏面を厚さが約１５０μｍとなるまで研磨した後、半導体基板１１０の裏面に、真空蒸着により、ＡｕＧｅ／Ａｕを積層することにより金属膜１２２ａを形成する。この後、金属膜１２２ａを電極としてＡｕメッキを行うことによりメッキ層１２２ｂを形成する。このように形成された金属膜１２２ａとメッキ層１２２ｂにより下部電極１２２が形成される。尚、図１８は、本工程における断面図であり、図１８（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１８（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
次に、図１９に示すように、劈開した後、ＤＦＢレーザにおける一方の端面に反射防止膜１３１を形成し、他方の端面に高反射膜１３２を形成する。尚、本実施の形態においては、反射防止膜１３１及び高反射膜１３２が形成される一方の端面及び他方の端面には、量子井戸活性層１１３において、端面近傍の領域１１３ａが形成されている。また、本実施の形態においては、反射防止膜１３１における反射率は、例えば、１％以下となるように形成されており、高反射膜１３２における反射率は、例えば、約９５％となるように形成されている。尚、図１９は、本工程における断面図であり、図１９（ａ）は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂに相当する部分の断面図であり、図１９（ｂ）は、図１における一点鎖線１Ｃ−１Ｄに相当する部分の断面図である。
これにより、本実施の形態における半導体装置であるＤＦＢレーザを作製することができる。このように形成されたＤＦＢレーザは、反射防止膜１３１が形成されている端面よりレーザ光が出力される。
本実施の形態においては、ＤＦＢレーザの端面近傍の領域１１３ａにおける量子井戸活性層１１３のバンドギャップが、内側領域１１３ｂにおける量子井戸活性層１１３のバンドギャップよりも広くすることができる。これにより、高出力で用いた場合においても、ＣＯＤによる破壊が抑制される。また、内側領域１１３ｂにおいて、量子井戸活性層１１３におけるバンドギャップシフト量も小さく、バンドギャップシフト量のバラツキも少ないため、歩留りの低下を防ぐことができる。
尚、本実施の形態においては、光半導体装置を製造する際に、窒化シリコン層１５１と酸化シリコン層１５２とを用いた場合について説明したが、この組み合わせに限定されるものではなく、同様の効果を得ることができるものであればよい。また、高速熱処理における熱処理時間及び熱処理温度についても、上記に限定されるものではなく、装置及び条件に基づき最適な条件で行ってもよい。
また、本実施の形態における説明では、光半導体装置としてＤＦＢレーザについて説明したが、ＤＢＲレーザやＳＳＧ（Super Structure Grating）−ＤＢＲレーザ等の回折格子を有する単一モードレーザについても同様に適用することが可能である。また、上記説明においては、量子井戸活性層１１３において２層の量子井戸層１１５が形成されている場合について説明したが、量子井戸活性層１１３における量子井戸層１１５の数は３層以上形成されているものであってもよい。また、バッファ層１１１と第１のクラッド層１１２の膜厚の和が２．３μｍ以上であれば、バッファ層１１１及び第１のクラッド層１１２の膜厚は、どのような膜厚で形成してもよい。半導体基板１１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板に限定されるものではなく、ｐ−ＧａＡｓ基板であってもよく、また、ＧａＡｓ基板以外にもＩｎＰ基板であってもよい。
また、リッジ導波路１４０や回折格子１１７ａを形成する際、ウェットエッチングではなく、ドライエッチングにより形成してもよい。また、回折格子１１７ａは均一に形成されており、一方の端面に反射防止膜１３１が形成され、他方の端面に高反射膜１３２が形成されている構造のものについて説明したが、λ／４シフト回折格子を有し、両端面に反射防止膜が形成されているものであってもよい。また、位相シフトはλ／４でなくともよく、位相シフトが形成される位置が中央からずれた位置に形成されていてもよく、回折格子層は量子井戸活性層の下に形成されているものであってもよい。また、端面近傍の領域１１３ａは、両側の端面に形成されている場合について説明したが、端面の一方の側にのみ形成されているものであってもよい。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における光半導体装置は、図２０及び図２１に示されるように、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：光半導体増幅器）を有する構造のものである。尚、図２０は、本実施の形態における光半導体装置の上面図であり、図２１は、図２０における一点鎖線２０Ａ−２０Ｂにおいて切断した断面図である。本実施の形態における光半導体装置は、第１の実施の形態において説明したＤＦＢレーザが形成されたＤＦＢレーザ領域１６０と、このＤＦＢレーザと同様の半導体膜が形成されているＳＯＡ領域（光半導体増幅器領域）２００とを有している。本実施の形態は、ＳＯＡ領域２００も離調によりその利得特性が変化するため、意図せぬワイドギャップ化、及びそのバラつきを抑制することができる。
本実施の形態においては、ＳＯＡ領域２００は、回折格子層１１７において回折格子１１７ａが形成されていない点及びＳＯＡ領域２００における上部電極としてＳＯＡ上部電極２２１が設けられている点を除き、ＤＦＢレーザ領域１６０と同様の構造のものである。尚、ＳＯＡ上部電極２２１は、ＤＦＢレーザ領域１６０における上部電極１２１と同様の構造の金属膜２２１ａとメッキ層２２１ｂにより形成されており、ＤＦＢレーザ領域１６０における上部電極１２１と同様の形成方法により、同時に形成することが可能である。従って、本実施の形態における光半導体装置は、第１の実施の形態において説明した光半導体装置の製造方法における工程と同様の工程により製造することが可能である。
尚、図２０及び図２１には、ＤＦＢレーザ領域１６０とＳＯＡ領域２００とが隣接している構造のものが示されている。しかしながら、ＤＦＢレーザ領域１６０とＳＯＡ領域２００との電気的、熱的な独立性を高めるため、ＤＦＢレーザ領域１６０とＳＯＡ領域２００との間に分離領域を設けた構造のものであってもよい。
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板の上に、半導体材料により形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に、半導体材料により形成された量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層の上に、半導体材料により形成された表面に回折格子を有する回折格子層と、
前記回折格子層における回折格子の上に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記量子井戸活性層において、端面近傍の領域におけるバンドギャップは、前記端面近傍よりも内側の内側領域におけるバンドギャップよりも広く、
前記半導体基板と前記量子井戸活性層との間において、前記下部クラッド層を含む半導体材料により形成される層の膜厚が、２．３μｍ以上であることを特徴とする光半導体装置。
（付記２）
前記回折格子層の表面に回折格子が形成されているレーザ領域と、
前記回折格子層の表面に回折格子が形成されていない半導体光増幅器領域と、
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）
前記下部クラッド層は、第１のクラッド層であり、
前記上部クラッド層は、第３のクラッド層であって、
前記量子井戸活性層の上、前記回折格子層の下には、第２のクラッド層が形成されていることを特徴とする付記１または２に記載の光半導体装置。
（付記４）
前記第２のクラッド層及び第３のクラッド層は、半導体材料により形成されており、
前記第３のクラッド層の上には、半導体材料によりコンタクト層が形成されており、
前記コンタクト層の上には、上部電極が形成されており、
前記半導体基板の裏面には下部電極が形成されていることを特徴とする付記３に記載の光半導体装置。
（付記５）
前記第３のクラッド層及びコンタクト層の一部を除去することによりリッジ導波路が形成されてい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）
前記第２のクラッド層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されているものであることを特徴とする付記３から５のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記７）
前記量子井戸活性層は、バリア層と量子井戸層とを交互に積層することにより形成されているものであって、
前記バリア層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓを含む材料により形成されているものであることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記８）
前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板またはＩｎＰ基板であることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記９）
前記半導体基板と前記下部クラッド層との間には、半導体材料によりバッファ層が形成されていることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１０）
前記バッファ層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されているものであ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）
前記下部クラッド層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されているものであることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１２）
前記回折格子層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されているものであることを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１３）
前記上部クラッド層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されているものであることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１４）
前記端面の双方または一方には、反射防止膜が形成されていることを特徴とする付記１から１３のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１５）
半導体基板の上に、半導体材料により形成された下部クラッド層、量子井戸活性層、回折格子層を順次積層して、半導体層を形成する工程と、
前記回折格子層の上の端面近傍よりも内側の領域に、第１の誘電体層を形成する工程と、
前記第１の誘電体層を形成した後、前記回折格子層の上の端面近傍の領域に、第２の誘電体膜を形成する工程と、
前記第２の誘電体層を形成した後、熱処理を行うことにより、前記量子井戸活性層において、前記端面近傍の領域におけるバンドギャップを前記内側の内側領域におけるバンドギャップよりも広くする工程と、
前記熱処理を行った後、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層を除去する工程と、
前記回折格子層の表面に回折格子を形成する工程と、
前記回折格子層の回折格子が形成されている面の上に、上部クラッド層を形成する工程と、
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（付記１６）
前記第１の誘電体層は、窒化シリコンを含む膜により形成されており、
前記第２の誘電体層は、酸化シリコンを含む膜により形成されていることを特徴とする付記１５に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記半導体基板と前記量子井戸活性層との間において、前記下部クラッド層を含む半導体材料により形成される層の膜厚が、２．３μｍ以上であることを特徴とする付記１５または１６に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１８）
前記下部クラッド層、前記量子井戸活性層及び前記回折格子層はエピタキシャル成長により形成されるものであることを特徴とする付記１５から１７のいずれかに記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１９）
前記下部クラッド層は、第１のクラッド層であり、
前記上部クラッド層は、第３のクラッド層であって、
前記半導体層を形成する工程は、前記半導体基板の上に、半導体材料により、前記第１のクラッド層、前記量子井戸活性層、前記第２のクラッド層、前記回折格子層を順次積層して半導体層を形成するものであることを特徴とする付記１５から１７のいずれかに記載の光半導体装置の製造方法。
（付記２０）
前記半導体層を形成する工程において、
前記半導体基板の上、前記下部クラッド層の下に、バッファ層を形成することを特徴とする付記１５から１９のいずれかに記載の光半導体装置の製造方法。
１１０ 半導体基板
１１１ バッファ層
１１２ 第１のクラッド層（下部クラッド層）
１１３ 量子井戸活性層
１１３ａ 端面近傍の領域
１１３ｂ 内側領域
１１４ バリア層
１１５ 量子井戸層
１１６ 第２のクラッド層
１１７ 回折格子層
１１７ａ 回折格子
１１８ 第３のクラッド層（上部クラッド層）
１１９ コンタクト層
１２１ 上部電極
１２１ａ 金属膜
１２１ｂ メッキ膜
１２２ 下部電極
１２２ａ 金属膜
１２２ｂ メッキ膜
１３１ 反射防止膜
１３２ 高反射膜
１４０ リッジ導波路
１４１ 保護膜
１４２ 埋込層
１６０ ＤＦＢレーザ領域
２００ ＳＯＡ領域

Claims (1)

  1. 半導体基板の上に、半導体材料よりなる第１のクラッド層、量子井戸活性層、第２のクラッド層、回折格子層を順次積層する工程と、
    前記回折格子層の上の端面近傍よりも内側の領域に、窒化シリコンを含む膜よりなる第１の誘電体層を形成する工程と、
    前記第１の誘電体層を形成した後、前記回折格子層の上の端面近傍の領域に、酸化シリコンを含む膜よりなる第２の誘電体層を形成する工程と、
    前記第２の誘電体層を形成した後、熱処理を行うことにより、前記量子井戸活性層において、前記端面近傍の領域におけるバンドギャップを前記内側の内側領域におけるバンドギャップよりも広くする工程と、
    前記熱処理を行った後、前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層を除去する工程と、
    前記第１及び第２の誘電体層を除去した後に、前記回折格子層の表面に回折格子を形成する工程と、
    前記回折格子が形成されている前記回折格子層の上に、半導体材料よりなる第３のクラッド層、コンタクト層を積層する工程と、前記コンタクト層と前記第３のクラッド層とをエッチングして、一方の端面から他方の端面の間に延在するリッジ導波路を形成する工程と、前記コンタクト層の上に上部電極を形成する工程と、
    を有し、
    前記半導体基板と前記量子井戸活性層との間において、前記第１のクラッド層を含む半導体材料により形成される層の膜厚が、２．３μｍ以上であって、
    前記上部電極は、上面視で前記端面近傍の領域には形成しないことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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