JP6212754B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関する。

光ファイバーを用いた波長多重通信の普及に伴い、１つの素子で様々な波長のレーザ発振が可能な波長可変半導体レーザが開発されている。波長可変半導体レーザは、レーザ発振に対する利得機能と波長選択機能とを備えている。波長を選択する方法としては、共振器内に設けた回折格子、エタロン等の屈折率、角度等を変化させることによって損失又は利得の共鳴波長を変化させる方法、及び、共振器内部の光路長（共振器内部の屈折率もしくは物理的な長さ）を変化させることによって共振器の共振波長を変化させる方法等があげられる。

ここで、屈折率を変化させる方法は、角度又は長さを変化させる方法に比較して機械的な稼動部を必要としないことから、信頼性、製造コスト等の点で有利である。屈折率を変化させる方法には、例えば、光導波路の温度を変化させる方法、電流注入等によって光導波路内のキャリア密度を変化させる方法等がある。光導波路の温度を変化させる方法を採用した波長可変レーザの具体的な例として、例えば、波長選択機能を備えるサンプルドグレーティング分布反射領域（ＳＧ−ＤＲ：Sampled
Grating Distributed Reflector）を備える半導体レーザ等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この半導体レーザにおいては、複数のＳＧ−ＤＲ領域（反射領域）の反射スペクトルを制御することによって、バーニア効果を用いた波長選択が行われてレーザ光が出力される。即ち、この半導体レーザは、２つのＳＧ−ＤＲ領域の反射ピークが重なった波長でレーザ光を発振する。したがって、個々のＳＧ−ＤＲ領域の反射ピークを制御することによって、発振波長を制御することができる。

上記ＳＧ−ＤＲ領域の素子表面には、ヒータが設置されていることが多い。このヒータに発熱させることによって、ＳＧ−ＤＲ領域の光導波路の温度を変化させることができる。それにより、光導波路の屈折率が変化する。したがって、ヒータの発熱量を制御することによって、ＳＧ−ＤＲ領域の反射ピーク波長を制御することができる。このヒータを発熱させるには電力が必要であるが、半導体レーザは低消費電力化が求められている。そこで、ヒータで発生した熱によって光導波路を効率良く加熱する技術が開発されている（例えば、特許文献２、３参照）。

特開２００７−４８９８８号公報 特開２００７−２７３６４４号公報 特開２００７−２９４９１４号公報

上述のように、半導体レーザの低消費電力化に向けて、ヒータによる発熱によって光導波路を効率良く加熱する技術が開発されているが、これまでの方法では未だ不十分であり、改善の余地が残されていた。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ヒータによる発熱によって光導波路を効率良く加熱することが可能な光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた下側クラッド領域と、前記下側クラッド領域上に設けられた光導波路層と、前記光導波路層上に設けられた上側クラッド領域と、前記上側クラッド領域上に配置されたヒータと、前記半導体基板と前記光導波路層の間に配置され、前記下側クラッド領域より小さい熱伝導率を有し、かつ、酸化された半導体層を含む熱伝導抑制層と、を有することを特徴とする光半導体装置である。本発明によれば、ヒータによる発熱によって光導波路層を効率良く加熱することができる。

上記構成において、前記熱伝導抑制層は、前記酸化された半導体層として、前記下側クラッド領域よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導率層が酸化された層を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記クラッド領域は、ＩｎＰからなり、前記熱伝導抑制層は、前記酸化された半導体層として、Ａｌを含む半導体層が酸化された層を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記熱伝導抑制層は、酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓＰ層を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記熱伝導抑制層は、多層膜である構成とすることができる。

上記構成において、前記熱伝導抑制層は、酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓ層と酸化されたＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜、又はＩｎＰ層と酸化されたＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜である構成とすることができる。

上記構成において、前記光導波路層は、伝播する光に利得を与える利得部を含むか、あるいは利得を与える利得部と光結合されてなる構成とすることができる。

本発明は、半導体基板上に、半導体層と、前記半導体層上に設けられたクラッド領域と、前記クラッド領域内に設けられた光導波路層と、を有する積層半導体層を形成する工程と、ストライプ状のマスク層を用いて前記積層半導体層をエッチングし、前記光導波路層を有し、前記半導体層の側面が露出したメサストライプを形成する工程と、前記メサストライプに対して酸化雰囲気中で熱処理を行い、前記半導体層の側面から前記半導体層を酸化させる工程と、前記メサストライプ上に、ヒータを形成する工程と、を備えることを特徴とする光半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ヒータによる発熱によって光導波路層を効率良く加熱することができる。

上記構成において、前記半導体層は、前記クラッド領域よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導率層を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体層を酸化させる工程は、酸化作用を有する気体を１％以上含む雰囲気中で、３００℃以上且つ７００℃未満の温度で熱処理を行う構成とすることができる。

上記構成において、前記メサストライプの上面及び側面に絶縁膜を形成する工程を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体層は、多層膜である構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ層とＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜、又はＩｎＰ層とＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜である構成とすることができる。

本発明によれば、ヒータによる発熱によって光導波路層を効率良く加熱することができる。

図１は、実施例１に係る分布反射器を示す断面図である。 図２は、実施例２に係る半導体レーザチップを示す斜視図である。 図３（ａ）は、実施例２に係る半導体レーザチップを示す上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図４（ａ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ間の断面図、図４（ｂ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ間の断面図である。 図５は、半導体レーザチップの配置を説明するための図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その１）である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その２）である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その３）である。 図９（ａ）から図９（ｃ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その１）である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その２）である。 図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その１）である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ間に相当する箇所における半導体レーザチップの製造方法を示す断面図（その２）である。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態を説明する。

実施例１においては、本発明に係る光半導体装置の一例として、分布反射器について説明する。図１は、実施例１に係る分布反射器を示す断面図である。図１のように、分布反射器２００は、半導体基板１０上に、半導体基板１０よりも幅が小さいメサ状の半導体領域１２が設けられた構造を有する。即ち、半導体領域１２は、半導体基板１０から突出した構造を有する。半導体領域１２は、例えば半導体基板１０の中央部に設けられている。

半導体基板１０は、例えばＩｎＰからなるが、ＧａＡｓからなる場合でもよい。半導体領域１２の上面及び側面には、保護膜として機能する絶縁膜１４が設けられている。絶縁膜１４は、例えばＳｉＯ_２又はＳｉＮ_Ｘ等の絶縁体からなる。絶縁膜１４は、半導体基板１０の露出した上面にも形成されていてもよい。半導体領域１２上に、ヒータ１６が配置されている。

半導体領域１２は、クラッド領域１８の中央部に光導波路層２０が形成され、光導波路層２０と半導体基板１０との間に熱伝導抑制層２２が形成された構造を有する。クラッド領域１８は下側クラッド領域と上側クラッド領域とを含み、光導波路層２０は下側クラッド領域と上側クラッド領域との間に挟まれている。半導体領域１２の上面から光導波路層２０の上面までの距離は、例えば２μｍである。光導波路層２０の下面から熱伝導抑制層２２の上面までの距離は、例えば２μｍである。熱伝導抑制層２２の厚さは、例えば１μｍである。また、半導体領域１２の高さは、例えば１０μｍであり、幅は、例えば１０μｍである。クラッド領域１８は、例えばＩｎＰからなる。光導波路層２０は、例えば吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にある材料からなる。光導波路層２０は、例えばＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる。

熱伝導抑制層２２は、クラッド領域１８よりも熱伝導率が小さく、酸化された半導体層からなる。実施例１においては、熱伝導抑制層２２は、酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓＰ層からなる場合を例に説明する。ＡｌＧａＩｎＡｓＰ層の組成比は、Ｇａ_ＸＡｌ_ＹＩｎ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ａｓ_ＺＰ_{（１−Ｚ）}とした場合に、０≦Ｘ≦０．０８、０．２０≦Ｙ≦０．４８、０＜Ｚ＜１であることが好ましい。Ａｌの組成比が２０％〜４８％の場合に、Ａｌを酸化させることで熱伝導率を下げる効果が得られ易いためである。

熱伝導抑制層２２は、酸化作用を有する気体（例えば、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ_２）を１％以上含む雰囲気中で、３００℃以上且つ７００℃未満の温度でＧａＡｌＩｎＡｓＰ層を熱処理することによって得ることができる。この熱処理により、ＧａＡｌＩｎＡｓＰ層の両側面側（即ち、半導体領域１２の両側面側）から酸化が進行するためである。なお、半導体領域１２の上面又は側面が、ＩｎＧａＡｓ等の熱処理によって組成が変化しやすい材料の場合は、組成の変化を抑制するために、組成が変化し易い材料の表面にＳｉＮ_Ｘ等の絶縁膜を形成することが好ましい。Ｇａ_ＸＡｌ_ＹＩｎ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ａｓ_ＺＰ_{（１−Ｚ）}層の酸化は、熱処理の温度が高いほど、Ａｌ組成比が大きいほど、層厚が厚いほど、酸化速度が速くなる。例えば、厚さ１００ｎｍのＡｌＡｓ層の場合、酸化層長Ｗμｍと酸化時間Ｔｍｉｎとの関係は、Ｗ＝０．３５×Ｔ^０．５となる。したがって、厚さ１００ｎｍのＡｌＡｓ層を５００℃で熱処理する場合、２００分で約５μｍ酸化が進行する。

熱伝導抑制層２２は、酸化された半導体層を一部に含む場合でもよいが、熱伝導抑制層２２の全幅の半分以上に酸化された半導体層を含む場合が好ましく、幅全体に酸化された半導体層を含む場合がより好ましい。

ヒータ１６は、例えばＰｔ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷ等の金属膜からなり、与えられる電力に応じて発熱する。ヒータ１６によって発生した熱は、クラッド領域１８に与えられる。熱伝導抑制層２２が設けられていることから、光導波路層２０と半導体基板１０との間の熱抵抗が大きくなる。つまり、熱伝導抑制層２２によって、ヒータ１６で発生した熱が半導体基板１０に拡散し難くなる効果を奏する。このため、ヒータ１６に投入する電力が小さい場合でも、光導波路層２０を効率良く加熱することができる。つまり、ヒータ１６の発熱によって、光導波路層２０の温度を効率よく制御することができる。

なお、熱伝導抑制層２２の屈折率は小さいことが好ましい。光導波路層２０を導波する光が熱伝導抑制層２２に漏れることを抑制できるためである。Ａｌを含む半導体層は、酸化されることによって屈折率が小さくなることから、熱伝導抑制層２２に、Ａｌを含む半導体層が酸化された層を用いることが好ましい。例えば、ＡｌＡｓを酸化すると、後述するように、Ａｌ_２Ｏ_３となり、屈折率が２．９のＡｌＡｓは、屈折率が１．７のＡｌ_２Ｏ_３となる。また、熱伝導抑制層２２の屈折率がクラッド領域１８よりも５％以上大きい場合では、光導波路層２０での光閉じ込めが弱くならないように、光導波路層２０と熱伝導抑制層２２との間の距離は２μｍ以上の場合が好ましい。熱伝導抑制層２２の屈折率がクラッド領域１８の屈折率以下の場合では、光導波路層２０と熱伝導抑制層２２との間の距離は０．１μｍ以上であればよい。

半導体基板１０にＩｎＰを用いた場合、半導体基板１０に格子整合するＡｌ_ＸＩｎ_{（１−Ｘ）}Ｐ_ＹＡｓ_{（１−Ｙ）}の条件は、Ｘ＝（０．１８９３−０．１８９３Ｙ）／（０．３９６９＋０．００８６Ｙ）である。Ａｓ組成比が大きいほど、Ａｌ組成比は小さくなり、Ａｌ組成比の範囲は０％〜４８％となる。Ａｓ組成比とＡｌ_ＸＩｎ_{（１−Ｘ）}Ｐ_ＹＡｓ_{（１−Ｙ）}の熱伝導率との関係から、大きな熱伝導率を得るには、Ａｓ組成比は５０％程度であることが好ましい。一方、Ａｌ組成比が高い方が、酸化による熱伝導率変化が大きいため、Ａｌ_ＸＩｎ_{（１−Ｘ）}Ｐ_ＹＡｓ_{（１−Ｙ）}のＡｌ組成比は２０％〜４８％であることが好ましい。したがって、半導体基板１０にＩｎＰを用いた場合、熱伝導抑制層２２は、酸化されたＡｌ_ＸＩｎ_{（１−Ｘ）}Ｐ_ＹＡｓ_{（１−Ｙ）}層（０．２≦Ｘ≦０．４８）であることが好ましい。

半導体基板１０にＧａＡｓを用いた場合、Ａｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}ＡｓはＡｌの組成比全域においてＧａＡｓと格子整合する。Ａｌ組成比とＡｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓの熱伝導率との関係から、大きな熱伝導率を得るには、Ａｌ組成比は５０％程度であることが好ましい。Ａｌ組成比が高いと酸化による熱伝導率変化が大きいため、Ａｌ組成比は４０％〜１００％であることが好ましい。したがって、半導体基板１０にＧａＡｓを用いた場合、熱伝導抑制層２２は、酸化されたＡｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（０．４≦Ｘ≦１）であることが好ましい。

実施例１によれば、半導体基板１０上に設けられた半導体領域１２は、、下側クラッド領域と上側クラッド領域とを含むクラッド領域１８と、クラッド領域１８内に設けられ、下側クラッド領域と上側クラッド領域とに挟まれた光導波路層２０と、光導波路層２０と半導体基板１０との間に設けられた熱伝導抑制層２２と、を含む。熱伝導抑制層２２は、クラッド領域１８（即ち、下側クラッド領域及び上側クラッド領域）よりも小さい熱伝導率を有し、且つ、酸化された半導体層を含む。これにより、上述したように、クラッド領域１８上（即ち、上側クラッド領域上）に設けられたヒータ１６による発熱によって、光導波路層２０を効率良く加熱することができる。

熱伝導抑制層２２の熱伝導率を小さくする観点から、熱伝導抑制層２２は、酸化された半導体層として、クラッド領域１８に含まれる下側クラッド領域よりも小さい熱伝導率を有する低熱伝導率層が酸化された層を含むことが好ましい。また、熱伝導抑制層２２は、例えば酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓＰ層のように、酸化された半導体層として、Ａｌを含む半導体層が酸化された層を含むことが好ましい。Ａｌを含む半導体層を酸化することで、酸化による熱伝導率変化を大きくすることができ、また、酸化速度を速くすることができるためにＡｌを含む半導体層を選択的に酸化させることが容易となるためである。なお、ＩＩＩ族元素では、Ａｌ＞Ｇａ＞Ｉｎの順に酸化がされ易い。

例えば、ＡｌＡｓを水蒸気中で酸化した場合、２ＡｌＡｓ＋Ｈ_２Ｏ→Ａｌ_２Ｏ_３＋ＡｓＨ_３の酸化反応が生じる。ＡｓＨ_３は蒸発するため、ＡｌＡｓを酸化すると、Ａｌ_２Ｏ_３となる。Ａｌ_２Ｏ_３は絶縁性であるため、ＡｌＡｓに比べて熱抵抗率が増加する。つまり、ＡｌＡｓ（熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ）を酸化したＡｌ_２Ｏ_３の熱伝導率は０．７Ｗ／ｍＫとなり、酸化によって熱伝導率が約１／１３０になる。また、酸化による体積変化は数％程度である。このように、Ａｌを含む半導体層を酸化する場合では、熱伝導率を小さくする効果が大きい。

ＡｌＩｎＡｓＰの４元混晶を酸化した場合に、仮にＡｌＡｓだけがＡｌＯ_Ｘになるとすると、以下の特性が予想できる。ＡｌＩｎＡｓＰ（Ａｌ組成比：２３％、Ａｓ組成比：５０％、熱伝導率：９．０Ｗ／ｍＫ）を酸化すると、１／２以下の熱伝導率（４．１２Ｗ／ｍＫ）となる。ＡｌＩｎＡｓ（Ａｌ組成比：４８％）を酸化すると、Ａｌ組成比が高いため、さらに熱伝導率が下がる（１．３６Ｗ／ｍＫ）。

熱伝導抑制層２２は、熱伝導率を小さくする観点から、全組成に対する酸素の割合がモル比で０．０１〜０．６であることが好ましく、０．１〜０．６であることがより好ましく、０．３〜０．６であることがさらに好ましい。

熱伝導抑制層２２が厚いほど、ヒータ１６による発熱によって光導波路層２０を効率良く加熱する効果が大きくなる。しかしながら、熱伝導抑制層２２が厚くなりすぎると、半導体領域１２のアスペクト比が大きくなり、構造的な強度が弱くなってしまう。このようなことから、熱伝導抑制層２２の厚さは、１００ｎｍ以上且つ１０μｍ以下の場合が好ましく、５００ｎｍ以上且つ５μｍ以下の場合がより好ましく、１μｍ以上３μｍ以下の場合がさらに好ましい。

熱伝導抑制層２２は、単層膜である場合でもよいが、多層膜の場合が好ましい。例えば、酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓ層と酸化されたＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜、又はＩｎＰ層と酸化されたＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜であることが好ましい。熱伝導抑制層２２を多層膜とすることで、熱伝導率をより小さくできる効果や、酸化時の体積変化に伴う応力を緩和できる効果が得られる。また、熱伝導抑制層２２に、ＩｎＰ層と酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓＰＳｂ層との多層膜を用いてもよい。ＩｎＰ基板に格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓＰＳｂ層のＡｌ組成比は１００％にできるため、酸化による熱伝導率変化を大きくすることが可能となる。

実施例２においては、本発明に係る光半導体装置の一例として、半導体レーザチップについて説明する。図２は、実施例２に係る半導体レーザチップ３００を示す斜視図である。図３（ａ）は、実施例２に係る半導体レーザチップ３００を示す上面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図２から図３（ｂ）のように、半導体レーザチップ３００は、ＳＧ−ＤＲ（Sampled
Grating Distributed Reflector）領域α、ＳＧ−ＤＦＢ（Sampled Grating Distributed Feedback）領域β、及びＰＣ（Power
Control）領域γを順に連結させた構造を有する。ＳＤ−ＤＲ領域αの光進行方向に沿ってメサ溝４８が形成されている。

ＳＧ−ＤＲ領域αは、半導体基板３０上に下側クラッド層３２ａ、熱伝導抑制層３４、下側クラッド層３２ｂ、光導波路層３６、上側クラッド層３８ａ、及び絶縁膜４０が順に積層され、絶縁膜４０上にヒータ４２、電源電極４４、及びグランド電極４６が積層された構造を有する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域βは、半導体基板３０上に下側クラッド層３２ａ、低熱伝導率層６０、下側クラッド層３２ｂ、光導波路層６２、上側クラッド層３８ｂ、コンタクト層６４、及び電極６６が順に積層された構造を有する。

ＰＣ領域γは、半導体基板３０上に下側クラッド層３２ａ、低熱伝導率層６０、下側クラッド層３２ｂ、光導波路層８０、上側クラッド層３８ｂ、コンタクト層８２、及び電極８４が順に積層された構造を有する。

ＳＧ−ＤＲ領域α、ＳＧ−ＤＦＢ領域β、及びＰＣ領域γにおける半導体基板３０、下側クラッド層３２ａ、３２ｂは、それぞれ一体的に形成された単一層である。光導波路層３６、６２、８０は、同一面上に形成され、光結合している。

ＳＧ−ＤＲ領域α側の半導体基板３０、下側クラッド層３２ａ、熱伝導抑制層３４、下側クラッド層３２ｂ、光導波路層３６、及び上側クラッド層３８ａの端面には、低反射膜９０が形成されている。一方、ＰＣ領域γ側の半導体基板３０、下側クラッド層３２ａ、低熱伝導率層６０、下側クラッド層３２ｂ、光導波路層８０、及び上側クラッド層３８ｂの端面には、低反射膜９２が形成されている。回折格子９４は、光導波路層３６、６２の下の下側クラッド層３２ｂに所定の間隔をあけて複数形成され、それによってサンプルドグレーティングが形成される。絶縁膜４０は、電極６６と電極８４との境界にも形成されている。半導体基板３０の裏面には、裏面電極９６が形成されている。

図４（ａ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ間の断面図、図４（ｂ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ間の断面図である。図４（ａ）のように、ＳＧ−ＤＦＢ領域βにおいては、下側クラッド層３２ｂ、光導波路層６２、上側クラッド層３８ｂ、及びコンタクト層６４は、メサストライプ６８となっている。メサストライプ６８の両側は、埋込層９８によって埋め込まれている。埋込層９８上にも絶縁膜４０が設けられている。

図４（ｂ）のように、ＳＧ−ＤＲ領域αにおいては、ヒータ４２の両側から光導波路層３６の両側を通って半導体基板３０にかけてメサ溝４８が、光導波路層３６と並行に形成されている。実施例２においては、メサ溝４８によって画定され、且つ光導波路層３６を含むメサ半導体領域５０が、実施例１における半導体領域１２に対応する。メサ半導体領域５０上及びメサ溝４８の内面を含んで絶縁膜４０が形成されている。メサ半導体領域５０では、光導波路層３６と半導体基板３０との間に熱伝導抑制層３４が形成されているが、メサ半導体領域５０以外の領域では、熱伝導抑制層３４と低熱伝導率層６０とが形成されている。

半導体基板３０は、例えばＩｎＰからなる。光導波路層３６は、例えば吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなり、１．３μｍ程度のＰＬ波長を有する。光導波路層６２は、例えば目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる活性層を含み、１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。光導波路層８０は、光を吸収又は増幅することによって出射光出力を変化させるためのＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなり、例えば１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。

光導波路層３６には、ＳＧ−ＤＲセグメントが複数形成されている。実施例２においては、光導波路層３６にＳＧ−ＤＲセグメントが３つ形成されている。ここで、ＳＧ−ＤＲセグメントとは、光導波路層３６において回折格子９４が設けられている領域と回折格子９４が設けられていないスペース部とがそれぞれ１つ連続する領域である。

下側クラッド層３２ａ、３２ｂ、上側クラッド層３８ａ、３８ｂ、及び埋込層９８は、例えばＩｎＰからなり、光導波路層３６、６２、８０を伝播するレーザ光を閉じ込める機能を果たす。熱伝導抑制層３４は、実施例１の熱伝導抑制層２２と同様に、下側クラッド層３２ａ、３２ｂよりも小さい熱伝導率を有し、酸化された半導体層を含む。低熱伝導率層６０は、下側クラッド層３２ａ、３２ｂよりも小さい熱伝導率を有する材料からなり、酸化されていない半導体層である。低熱伝導率層６０は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓＰ層からなる。コンタクト層６４、８２は、ＩｎＧａＡｓＰ系結晶からなる。絶縁膜４０は、ＳｉＮ_Ｘ、ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。低反射膜９０、９２は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜からなり、０．３％以下程度の反射率を有する。

ヒータ４２は、Ｐｔ、ＮｉＣｒ、ＴｉＷ等の金属膜からなり、絶縁膜４０上に形成されている。ヒータ４２には、電源電極４４及びグランド電極４６が接続されている。電源電極４４、グランド電極４６は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性材料からなる。電極６６、８４、裏面電極９６は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｎ等の導電性材料からなる。

続いて、半導体レーザチップ３００の動作について説明する。図５のように、半導体レーザチップ３００は、温度制御装置（ＴＥＣ：Thermo Electric
Coolor）４００上に設置されている。温度制御装置４００は、ペルチェ素子によって半導体レーザチップ３００の温度を制御する装置である。

電極６６に所定の電流が供給されると、光導波路層６２において光が発生する。発生した光は、光導波路層３６、６２を伝播しつつ繰り返し反射及び増幅されてレーザ発振する。発振したレーザ光の一部は、光導波路層８０において増幅又は吸収された後、低反射膜９２を通して外部に出射される。光導波路層８０における増幅率又は吸収率は電極８４に流す電流に応じて制御することができる。電極８４に所定の電流が供給されると、出射光出力が一定に維持される。

また、ヒータ４２に電流等の電気信号が供給されると、その大きさに応じて各ＳＧ−ＤＲセグメントの温度が調整される。それにより、各ＳＧ−ＤＲセグメントの屈折率が変化する。その結果、光導波路層３６の反射ピーク波長が変化する。以上のことから、ヒータ４２に供給する電流の大きさを制御することによって、半導体レーザチップ３００の発振波長を制御することができる。

次に、半導体レーザチップ３００の製造方法について説明する。図６（ａ）から図８（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する箇所における半導体レーザチップ３００の製造方法を示す断面図である。図９（ａ）から図１０（ｂ）は、図３（ｂ）のＢ−Ｂ間に相当する箇所における半導体レーザチップ３００の製造方法を示す断面図である。図１１（ａ）から図１２（ｂ）は、図３（ｂ）のＣ−Ｃ間に相当する箇所における半導体レーザチップ３００の製造方法を示す断面図である。

図６（ａ）のように、半導体基板３０上に、下側クラッド層３２ａ、低熱伝導率層６０、下側クラッド層３２ｂをこの順に形成する。これらの形成は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic
Vapor Phase Epitaxy）法を用いることができる。図６（ｂ）のように、下側クラッド層３２ｂ上に形成したレジストマスク（不図示）をマスクとして、下側クラッド層３２ｂに対してエッチング処理を施す。エッチング処理は、例えばＣＨ_４ガスとＯ_２ガスとエッチングガスを用いたＲＩＥエッチングで行うことができる。このエッチング処理により、回折格子９４が形成される。

図６（ｃ）のように、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、回折格子９４を埋め込みながら、光導波路膜１００を形成する。続いて、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、光導波路膜１００上に、上側クラッド膜１０２とコンタクト膜１０４をこの順に形成する。

図７（ａ）のように、ＳＧ−ＤＲ領域α以外の領域にＳｉＯ_２又はＳｉＮ_Ｘ等のマスク層（不図示）を形成し、マスク層をマスクとして、ＳＧ−ＤＲ領域αのコンタクト膜１０４、上側クラッド膜１０２、光導波路膜１００に対してエッチング処理を施す。これにより、ＳＧ−ＤＲ領域αにおいて、下側クラッド層３２ｂが露出する。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域βにおいて、光導波路層６２、上側クラッド層３８ｂ、及びコンタクト層６４が形成され、ＰＣ領域γにおいて、光導波路層８０、上側クラッド層３８ｂ、及びコンタクト層８２が形成される。

図７（ｂ）、図９（ａ）、及び図１１（ａ）のように、ＳＧ−ＤＲ領域α以外の領域に形成したＳｉＯ_２又はＳｉＮ_Ｘ等のマスク層をマスクとして、ＳＧ−ＤＲ領域αに、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、光導波路層３６と上側クラッド層３８ａとを形成する。

図９（ｂ）及び図１１（ｂ）のように、例えば幅が２μｍ程度のストライプ状のマスク層（ＳｉＯ_２又はＳｉＮ_Ｘ）をマスクとして、下側クラッド層３２ｂまでエッチングして、低熱伝導率層６０を露出させる。これにより、ＳＧ−ＤＲ領域αでは下側クラッド層３２ｂ、光導波路層３６、上側クラッド層３８ａを含み、ＳＧ−ＤＦＢ領域βでは下側クラッド層３２ｂ、光導波路層６２、上側クラッド層３８ｂ、コンタクト層６４を含み、ＰＣ領域γでは下側クラッド層３２ｂ、光導波路層８０、上側クラッド層３８ｂ、コンタクト層８２を含む第１メサストライプ１０６が形成される。

図９（ｃ）及び図１１（ｃ）のように、第１メサストライプ１０６の両側に、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、埋込層９８を形成する。これにより、ＳＧ−ＤＲ領域αにおいて、半導体基板３０上に、低熱伝導率層６０と、低熱伝導率層６０上に設けられた下側クラッド層３２ｂ、上側クラッド層３８ａ、及び埋込層９８からなるクラッド領域と、クラッド領域内に設けられた光導波路層３６と、を有する積層半導体層１０８が形成される。

図７（ｃ）のように、ＰＣ領域γにおける第１メサストライプ１０６上の両端付近のコンタクト層８２を除去する。次いで、例えばＣＶＤ（化学気相成長法）を用いて、ＳｉＯ_２等の絶縁膜を全面堆積した後、コンタクト層６４、８２上等の絶縁膜を除去して、絶縁膜４０を形成する。

図１０（ａ）及び図１２（ａ）のように、ＳＧ−ＤＲ領域αにおいて、ストライプ状のマスク層１１０を用いて積層半導体層１０８を半導体基板３０までエッチングして、第１メサストライプ１０６の両側にメサ溝４８を形成する。メサ溝４８の形成は、例えばＳｉＣｌ_４ガスをエッチングガスに用いたＲＩＥエッチングを用いることができる。これにより、ＳＧ−ＤＲ領域αでは、メサ溝４８の間に、第２メサストライプ１１２が形成される。メサ溝４８が形成されることで、第２メサストライプ１１２に含まれる低熱伝導率層６０の側面が露出する。

図８（ａ）、図１０（ｂ）、及び図１２（ｂ）のように、酸化雰囲気中で熱処理を行い、メサ溝４８から５μｍ程度の範囲の低熱伝導率層６０を酸化させる。例えば、水蒸気雰囲気中で５００℃、２００分間の熱処理を行い、メサ溝４８から５μｍ程度の範囲の低熱伝導率層６０を酸化させる。これにより、第２メサストライプ１１２における低熱伝導率層６０が酸化されて熱伝導抑制層３４が形成される。なお、この熱処理では、ＳＧ−ＤＦＢ領域β及びＰＣ領域γの低熱伝導率層６０はほとんど酸化されず、電気抵抗率は変わらない。このため、上述の半導体レーザチップ３００の動作で説明したように、電極６６、８４から裏面電極９６に向けて電流を流すことができる。また、熱処理をする前に、ＳＧ−ＤＦＢ領域β及びＰＣ領域γ上にＳｉＮ_Ｘ等の酸化防止膜を形成しておいてもよい。これにより、コンタクト層６４、８２の表面の酸化及び変質を抑制することができる。その後、ＳｉＯ_２等の絶縁膜を全面堆積する。これにより、メサ溝４８の内面にも絶縁膜４０が形成される。つまり、第２メサストライプ１１２の上面及び側面に絶縁膜４０が形成される。

図８（ｂ）のように、ＳＧ−ＤＲ領域αの第２メサストライプ１１２上にヒータ４２を形成する。ヒータ４２に電気的に接続する電源電極４４及びグランド電極４６を形成する。ＳＧ−ＤＦＢ領域β及びＰＣ領域γのコンタクト層６４、８２上の絶縁膜４０を除去して、電極６６、８４をそれぞれ形成する。半導体基板３０の裏面に、裏面電極９６を形成する。以上の工程を含んで、実施例２に係る半導体レーザチップ３００を形成することができる。

実施例２によれば、図１１（ｃ）のように、半導体基板３０上に、半導体層である低熱伝導率層６０と、低熱伝導率層６０上に設けられた下側クラッド層３２ｂ、上側クラッド層３８ａ、及び埋込層９８からなるクラッド領域と、クラッド領域内に設けられた光導波路層３６と、を有する積層半導体層１０８を形成する。図１２（ａ）のように、ストライプ状のマスク層１１０を用いて積層半導体層１０８をエッチングし、光導波路層３６を有し、低熱伝導率層６０の側面が露出した第２メサストライプ１１２を形成する。図１２（ｂ）のように、第２メサストライプ１１２に対して酸化雰囲気中で熱処理を行い、低熱伝導率層６０の側面から低熱伝導率層６０を酸化させる。これにより、図４（ｂ）のように、メサ半導体領域５０（第２メサストライプ１１２）において、光導波路層３６と半導体基板３０との間に、酸化された半導体層を含む熱伝導抑制層３４が形成される。よって、メサ半導体領域５０上に設けられたヒータ４２による発熱によって、光導波路層３６を効率良く加熱することができる。

実施例２では、下側クラッド層３２ａ、３２ｂよりも熱伝導率の小さい低熱伝導率層６０を酸化させて熱伝導抑制層３４を形成する場合を例に示したが、熱伝導抑制層３４の熱伝導率がクラッド領域よりも小さくなれば、その他の半導体層を酸化させる場合でもよい。しかしながら、小さな熱伝導率を得る観点から、下側クラッド層３２ａ、３２ｂよりも熱伝導率の小さい低熱伝導率層６０を酸化させる場合が好ましい。

低熱伝導率層６０の酸化は、上述した条件の場合に限らず、酸化作用を有する気体（Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ_２）を１％以上含む雰囲気中で、３００℃以上７００℃未満の温度で熱処理をしてもよい。３００℃未満ではほとんど酸化が進まず、７００℃以上では、ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路層３６に影響を及ぼして、レーザ光の波長シフトや強度減少等が生じるためである。このように、熱伝導抑制層３４を得るための酸化は、酸化が進む温度であって、光導波路層３６に影響を及ぼさない温度で行うことが好ましい。また、熱伝導抑制層３４を得るための酸化は、４００℃以上且つ７００℃未満で行うことがより好ましく、４００℃以上５５０℃未満で行うことがさらに好ましい。４００℃未満では、酸化速度が遅いためスループットが悪く、５５０℃以上では、反対に酸化速度が速くなるため制御が難しいためである。

実施例２においても、実施例１と同様に、熱伝導抑制層３４は、例えば酸化されたＡｌＧａＩｎＡｓ層と酸化されたＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜、ＩｎＰ層と酸化されたＡｌＩｎＰＡｓ層との多層膜とすることができる。つまり、熱伝導抑制層３４を得る前（即ち、酸化前）の半導体層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ層とＡｌＩｎＰＡｓ層、又はＩｎＰ層とＡｌＩｎＰＡｓ層、等の多層膜とすることができる。また、実施例２では、光導波路層３６が、伝搬する光に利得を与える利得部と光結合している場合を例に示したが、光導波路層３６が伝搬する光に利得を与える利得部を含んでいてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、３０ 半導体基板
１２ 半導体領域
１４、４０ 絶縁膜
１６、４２ ヒータ
１８ クラッド領域
２０、３６ 光導波路層
２２、３４ 熱伝導抑制層
５０ メサ半導体領域
３２ａ、３２ｂ 下側クラッド層
３８ａ、３８ｂ 上側クラッド層
６０ 低熱伝導率層
１０８ 積層半導体層
１１０ マスク層
１０６ 第１メサストライプ
１１２ 第２メサストライプ
２００ 分布反射器
３００ 半導体レーザチップ
４００ 温度制御装置

Claims (4)

1. 下側クラッド領域、光導波路層、及び上側クラッド領域からなる光導波路を含み、波長選択機能を有するサンプルドグレーティング分布反射領域と、前記サンプルドグレーティング分布反射領域に配置され、前記光導波路の温度を変化させることで屈折率を変化させるヒータと、を備える光半導体装置の製造方法において、
   半導体基板上に、半導体層と、前記半導体層上に設けられた前記下側クラッド領域と、前記下側クラッド領域上に設けられた前記光導波路層と、前記光導波路層上に設けられた前記上側クラッド領域と、を有する積層半導体層を形成する工程と、
   ストライプ状の第１のマスク層を用いて前記積層半導体層のうち、前記下側クラッド領域と前記光導波路層と前記上側クラッド領域をエッチングし、前記光導波路層の側面が露出した第１のメサストライプを形成する工程と、
   前記第１のメサストライプの両側に埋め込み層を形成する工程と、
   前記第１のマスク層の幅より大きいストライプ状の第２のマスク層を用いて前記積層半導体層をエッチングし、前記半導体層の側面が露出した第２のメサストライプを形成する工程と、
   前記第２のメサストライプに対して酸化雰囲気中で熱処理を行い、前記半導体基板と前記光導波路層の間に設けられた前記半導体層の側面から前記半導体層の内部まで酸化させる工程と、
   前記第２のメサストライプ上に、前記ヒータを形成する工程と、を備える、光半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体層を酸化させる工程は、酸化作用を有する気体を１％以上含む雰囲気中で、３００℃以上且つ７００℃未満の温度で熱処理を行う、請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
3. 前記半導体基板および前記下側クラッド領域は、ＩｎＰの材料を含み、
   前記半導体層は、Ｇａ_ＸＡｌ_ＹＩｎ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｐ_ＺＡｓ_{（１−Ｚ）}（但し、０≦Ｘ≦０．０８、０．２０≦Ｙ≦０．４０、０＜Ｚ＜１．０）を含む、請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法。
4. 半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた下側クラッド領域と、前記下側クラッド領域上に設けられた光導波路層と、前記光導波路層上に設けられた上側クラッド領域と、前記半導体基板と前記光導波路層の間に配置され、前記下側クラッド領域より小さい熱伝導率を有し、かつ、酸化された半導体層を含む熱伝導抑制層と、を含み、前記熱伝導抑制層の側面が露出されたメサストライプと、
   前記メサストライプを含み、波長選択機能を有するサンプルドグレーティング分布反射領域と、
   前記サンプルドグレーティング分布反射領域に配置され、前記光導波路層の温度を変化させることで屈折率を変化させるヒータと、を備え、
   前記熱伝導抑制層は、前記側面から内部まで酸化され、
   前記熱伝導抑制層の熱伝導率が、前記熱伝導抑制層の中央部より前記側面の方が小さい、光半導体装置。

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