JP6659938B2

JP6659938B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP6659938B2
Application number: JP2014266470A
Authority: JP
Inventors: 理人植竹
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: JP2016127131A

Description

本発明は、光半導体装置に関する。

半導体レーザが光通信用の光源として広く用いられている。半導体レーザの一つに、活性層に量子ドットを含む量子ドットレーザがある。量子ドットレーザには、３次元量子閉じ込め効果によるエネルギー準位の離散化の効果等により高温動作時の特性の劣化が小さいという特徴があり、量子ドットレーザは、ペルチェ素子等を用いた温度調整を行うことなく使用することができる。

しかしながら、量子ドットレーザでは、活性層の中で利得媒質である量子ドットが占める体積比率が小さい。このため、従来、十分な利得を得るために、量子ドットの層を複数積層して活性層への光閉じ込めを大きくしている。その一方で、活性層を厚くして光閉じ込めを強くすると、レーザ導波路のモード分布が狭くなり、レーザ出射光の広がり角が拡がってしまう。このため、従来の量子ドットレーザを光ファイバや他の光デバイスに結合すると、結合損失が大きく、十分な光出力を取り出せない。

ＩｎＰ系の光半導体装置として、導波路コア層を含むスポットサイズ変換器を多重量子井戸活性層部にモノリシックに集積したものがあり、この光半導体装置はレーザ導波路のモード分布を広げることができる。また、ＧａＡｓ層及びＧａＩｎＮＡｓ層からなる吸収層をＧａＩｎＮＡｓ量子井戸レーザにバットジョイント接合した半導体光集積素子の製造方法が提案されている。

しかしながら、量子井戸レーザの製造方法を量子ドットレーザの製造にそのまま適用することはできない。これは、量子ドットの熱耐性が低いため、量子井戸レーザの製造方法に含まれる、導波路コア層等の形成前の高温でのアニールを行うと、量子ドット活性層からのフォトルミネッセンス（photo luminescence：ＰＬ）スペクトルが大幅に劣化するためである。その一方で、高温でのアニールを省略すると、導波路コア層等に多くの欠陥が含まれるように、良好な結晶性を備えた導波路コア層等を得ることができない。

特開２００８−５３６９７号公報特開２００４−２０７５００号公報

本発明の目的は、光出力を向上することができる光半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

光半導体装置の一態様では、ＧａＡｓ基板上方の、組成がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦０．４２）で表される第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上の、ＧａＡｓ障壁層を含む量子ドット活性層と、前記第１のクラッド層の前記量子ドット活性層から露出している面上の、前記量子ドット活性層とは異なる化合物半導体層からなる再成長層と、前記第１のクラッド層と前記量子ドット活性層及び前記再成長層との間のＡｌ _z Ｇａ _1-z Ａｓ（０．２０≦ｚ≦０．４２、ｘ＜ｚ）からなる障壁層と、が含まれる。

上記の光半導体装置の製造方法等によれば、適切な条件下でアニールを行うため、光出力を向上することができる。

第１の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。同じく、第１の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。量子ドット活性層の構造を示す断面図である。第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を工程順に示す平面図である。図３Ａに引き続き、光半導体装置の製造方法を工程順に示す平面図である。図３Ｂに引き続き、光半導体装置の製造方法を工程順に示す平面図である。第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図４Ａに引き続き、光半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図４Ｂに引き続き、光半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。実験における試料の作製方法を工程順に示す断面図である。ＰＬスペクトルの測定結果を示す図である。ＳＥＭ像を示す図である。同じく、ＳＥＭ像を示す図である。第１の実施形態の変形例の構成を示す断面図である。第１の実施形態の他の変形例の構成を示す断面図である。第１の実施形態の更に他の変形例の構成を示す断面図である。第２の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。同じく、第２の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。同じく、第３の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。第４の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。同じく、第４の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。第５の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。第５の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を工程順に示す平面図である。第５の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態に係る光半導体装置ついて説明する。第１の実施形態は、量子ドットレーザの一例に関する。図１Ａ及び図１Ｂは、第１の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。図１Ａ（ａ）は平面図、図１Ａ（ｂ）は図１Ａ（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１Ｂ（ｃ）は図１Ａ（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図１Ｂ（ｄ）は図１Ａ（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

第１の実施形態に係る光半導体装置１では、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、発光部１１とスポットサイズ変換部１２とがモノリシックに集積されている。

基板１０１上にクラッド層１０２及びクラッド層１０３が形成され、クラッド層１０３上に、発光部１１では量子ドット活性層１０４が、スポットサイズ変換部１２では導波路コア層としての再成長層１０５が形成されている。例えば、基板１０１は（１００）面のｐ型のＧａＡｓ基板であり、クラッド層１０２はｐ型のＡｌＧａＡｓ層であり、クラッド層１０３はｐ型のＡｌＧａＡｓ層である。クラッド層１０２のＡｌ組成がクラッド層１０３のＡｌ組成より高く、例えば、クラッド層１０２のＡｌ組成は０．３０、クラッド層１０３のＡｌ組成は０．２３である。量子ドット活性層１０４には、図２に示すように、ガイド層１２１及びガイド層１２４、これらの間の複数の障壁層１２３、並びに各障壁層１２３内の複数の量子ドット１２２が含まれる。例えば、ガイド層１２１及びガイド層１２４は厚さが４０ｎｍのＧａＡｓ層であり、障壁層１２３は厚さが４０ｎｍのＧａＡｓ層であり、障壁層１２３の数は８であり、量子ドット１２２はＩｎＡｓ量子ドットである。例えば、量子ドット活性層１０４の厚さは４００ｎｍである。量子ドット１２２の形状は所望の波長、例えば１３００ｎｍで利得が得られるように調整されている。例えば、再成長層１０５はＧａＡｓ層であり、再成長層１０５は量子ドット活性層１０４にバットジョイント接合されている。再成長層１０５の厚さは、量子ドット活性層１０４と接する部分で４００ｎｍであり、ここから離れるほど小さくなっており、反対側の端部で２００ｎｍである。

量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５上にクラッド層１０６及びクラッド層１０７が形成されている。例えば、クラッド層１０６はｎ型のＡｌＧａＡｓ層であり、クラッド層１０７はｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。クラッド層１０７のＡｌ組成がクラッド層１０６のＡｌ組成より高く、例えば、クラッド層１０７のＡｌ組成は０．３０、クラッド層１０６のＡｌ組成は０．２３である。発光部１１では、クラッド層１０７上にコンタクト層１０８が形成され、コンタクト層１０８上に電極１１０が形成され、基板１０１の裏面上に電極１０９が形成されている。例えば、コンタクト層１０８はｎ型のＧａＡｓ層である。

図１Ｂに示すように、発光部１１及びスポットサイズ変換部１２はリッジ型の導波路構造を備えており、メサ部分以外では、コンタクト層１０８、クラッド層１０７、及びクラッド層１０６の一部が除去されている。図１Ａに示すように、スポットサイズ変換部１２のリッジ型導波路構造の平面形状は量子ドット活性層１０４との接合部から離間するほど広くなっている。

第１の実施形態では、リッジ導波路構造に量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５が含まれる。そして、再成長層１０５の厚さが量子ドット活性層１０４との接合部から離間するほど小さくなっているため、この接合部から離間するほど、再成長層１０５を伝搬する光を再成長層１０５付近に閉じ込める作用が弱くなる。このため、縦方向（上下方向）のモード径を拡大することができる。また、リッジ導波路構造の幅が量子ドット活性層１０４との接合部から離間するほど広くなっているため、縦方向だけではなく、横方向にもモード径を広げて、光ファイバなどとの結合効率をより向上させることができる。更に、クラッド層１０３のＡｌ組成よりもクラッド層１０２のＡｌ組成が高いため、クラッド層１０２の屈折率がクラッド層１０３の屈性率よりも小さく、クラッド層１０６のＡｌ組成よりもクラッド層１０７のＡｌ組成が高いため、クラッド層１０７の屈折率がクラッド層１０６の屈性率よりも小さい。従って、クラッド層１０３及びクラッド層１０６までモード分布を拡大して結合効率を向上させつつ、過剰にモード径が拡がることを抑制して導波路における伝搬損失を抑制することができる。この結果、光ファイバ等に結合する光の強度を向上させることができる。

次に、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法について説明する。図３Ａ乃至図３Ｃは、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を工程順に示す平面図であり、図４Ａ乃至図４Ｃは、図３Ａ乃至図３Ｃ中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図５（ａ）は図３Ｃ（ｇ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図５（ｂ）は図３Ｃ（ｇ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

先ず、図３Ａ（ａ）及び図４Ａ（ａ）に示すように、基板１０１上にクラッド層１０２、クラッド層１０３及び量子ドット活性層１０４を形成する。クラッド層１０２、クラッド層１０３及び量子ドット活性層１０４は、例えば分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）法により成長させることができる。

次いで、図３Ａ（ｂ）及び図４Ａ（ｂ）に示すように、量子ドット活性層１０４上にマスク１１１を形成する。マスク１１１の形成では、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁膜を量子ドット活性層１０４上に形成し、その後、この絶縁膜を、発光部１１を覆い、かつスポットサイズ変換部１２では、再成長層１０５を形成する予定の領域を露出する平面形状に加工する。例えば、発光部１１では、発光部１１に近いほど密になり、離れるほど疎になるような平面形状に絶縁膜を加工する。

その後、図３Ａ（ｃ）及び図４Ａ（ｃ）に示すように、量子ドット活性層１０４のマスク１１１から露出している部分をエッチングし、クラッド層１０３を露出させる。このエッチングでは、例えば、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓのエッチング速度が速く、ＡｌＧａＡｓのエッチング速度が遅いエッチャントを用いたウェットエッチングを行うことが好ましい。エッチング制御性を高めるためである。このようなエッチャントとしては、例えば、クエン酸及び過酸化水素水を含むものが挙げられる。例えば、１ｃｃの純水に１ｇのクエン酸粉末を溶解させて得られるクエン酸水溶液を用いる場合、体積比でクエン酸水溶液：過酸化水素水＝４：１のエッチャントを使用することができる。

続いて、図３Ｂ（ｄ）及び図４Ｂ（ｄ）に示すように、ＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールを行う。このアニールでは、ＡｓＨ₃の分圧を１．７０Ｔｏｒｒ以上とし、温度を５８０℃〜６８０℃とする。このアニールは、例えば有機金属化学気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）炉内で行うことができる。量子ドット活性層１０４のエッチングに伴ってクラッド層１０３の表面が酸化されるが、このアニールにより、クラッド層１０３の表面に導入された酸素が除去される。

次いで、ＭＯＣＶＤ炉内で再成長層１０５を形成する温度に基板温度を下げた後に、図３Ｂ（ｅ）及び図４Ｂ（ｅ）に示すように、クラッド層１０３のマスク１１１から露出している面上に再成長層１０５を形成する。再成長層１０５は、例えばＭＯＣＶＤ法により成長させることができる。ＭＯＣＶＤ法により再成長層１０５を成長させる場合、再成長層１０５の原料であるＧａ原子は、マスク１１１上に達しても、そこに留まらずにマスク１１１から露出している部分まで移動する。従って、クラッド層１０３上で、マスク１１１の際に近い部分ほど再成長層１０５が厚く成長する。このように、再成長層１０５の厚さはマスク１１１の平面形状に依存する。本実施形態では、再成長層１０５の形成前に、ＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールを行っているため、再成長層１０５の結晶性は良好であり、その表面にはほとんど凹凸が生じない。

その後、図３Ｂ（ｆ）及び図４Ｂ（ｆ）に示すように、マスク１１１を除去し、量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５上に、クラッド層１０６、クラッド層１０７及びコンタクト層１０８を形成する。クラッド層１０６、クラッド層１０７及びコンタクト層１０８は、例えばＭＯＣＶＤ法により成長させることができる。

続いて、図３Ｃ（ｇ）、図４Ｃ（ｇ）及び図５に示すように、コンタクト層１０８上に、発光部１１及びスポットサイズ変換部１２を形成する予定の領域、即ちリッジ導波路を形成する予定の領域を覆い、他の領域を露出するマスク１１２を形成する。次いで、コンタクト層１０８、クラッド層１０７及びクラッド層１０６のマスク１１２から露出している部分を、厚さ方向でクラッド層１０６の一部が残る程度にエッチングし、発光部１１及びスポットサイズ変換部１２にリッジ型の導波路構造を形成する。例えば、マスク１１２の平面形状は、スポットサイズ変換部１２において発光部１１から離れるほど広くなるようにする。

その後、図３Ｃ（ｈ）及び図４Ｃ（ｈ）に示すように、マスク１１２を除去し、発光部１１においてコンタクト層１０８を覆い、スポットサイズ変換部１２においてコンタクト層１０８を露出するマスク１１３を形成する。続いて、コンタクト層１０８のマスク１１３から露出している部分をエッチングする。この結果、スポットサイズ変換部１２においてクラッド層１０７が露出する。

次いで、図３Ｃ（ｉ）及び図４Ｃ（ｉ）に示すように、コンタクト層１０８上に電極１１０を形成し、基板１０１の裏面上に電極１０９を形成する。

このようにして第１の実施形態に係る光半導体装置を製造することができる。

次に、ＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールの条件に関し、本願発明者が行った実験について説明する。

（第１の実験）
第１の実験では、第１の実施形態を模して試料を作製し、その結晶性の観察等を行った。図６は、実験における試料の作製方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図６（ａ）に示すように、基板２０１上にクラッド層２０２及び量子ドット活性層２０４をＭＢＥ法により形成し、量子ドット活性層２０４上にマスク２１１を形成した。基板２０１と（１００）面のｐ型のＧａＡｓ基板を用い、クラッド層２０２として厚さが２００ｎｍのｐ型のＡｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓ層を形成した。量子ドット活性層２０４としては、量子ドット活性層１０４と同様の構造（図２）を備える厚さが４００ｎｍの量子ドット活性層を形成した。マスク２１１は、シリコン酸化膜を用いて形成した。

次いで、図６（ｂ）に示すように、量子ドット活性層２０４のマスク２１１から露出している部分をエッチングし、クラッド層２０２を露出させた。このエッチングでは、例えば、第１の実施形態と同様の体積比でクエン酸水溶液：過酸化水素水＝４：１のエッチャントを使用した。

その後、ＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールをＭＯＣＶＤ炉内で行った。このアニールでは、ＡｓＨ₃の分圧を１．７０Ｔｏｒｒとし、温度を６００℃、６８０℃、７２０℃の３種とし、時間を２時間とした。

続いて、ＭＯＣＶＤ炉内で引き続きＡｓＨ₃を含む雰囲気中にて温度を再成長層１０５を形成する温度にした後に、図６（ｃ）に示すように、クラッド層２０２のマスク２１１から露出している面上に、再成長層１０５を形成した。再成長層１０５としては、量子ドット活性層２０４と接合する部分での厚さが２００ｎｍのＧａＡｓ層を形成した。再成長層１０５を形成する温度は、６００℃とした。

そして、各試料における量子ドット活性層２０４のフォトルミネッセンス（photo luminescence：ＰＬ）スペクトルを測定した。この結果を図７に示す。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれアニール温度が６００℃、６８０℃、７２０℃の試料のＰＬスペクトルを示す。図７中の実線はアニール前のＰＬスペクトルを示し、破線はアニール後のＰＬスペクトルを示す。

図７（ｃ）に示すように、アニール温度が７２０℃の場合は、ＰＬスペクトルが大きく変化した。即ち、アニール温度が７２０℃の場合は、アニール後において、波長１．３μｍの基底準位の発光が弱く、波長１．２μｍ付近の高次準位発光が強かった。このことは、アニールにより量子ドット活性層２０４が変質したことを意味する。一方、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、アニール温度が６８０℃又は６００℃の場合は、アニールの前後での波長１．３μｍの基底準位の発光強度の変化及びＰＬスペクトルの変化が小さかった。このことは、量子ドット活性層２０４が６８０℃以下の温度でのアニールに対して耐性を有することを意味する。従って、アニール温度は６８０℃以下とする。

（第２の実験）
第２の実験では、アニールの温度、時間及びＡｓＨ₃の分圧以外は第１の実験と同様にして試料を作製した。アニールの温度は６１５℃とし、時間は１時間とした。ＡｓＨ₃の分圧は、０．０７Ｔｏｒｒ、０．８５Ｔｏｒｒ、１．７０Ｔｏｒｒの３種とした。

そして、各試料について再成長層１０５の走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）観察を行った。この結果を図８に示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＡｓＨ₃の分圧が０．０７Ｔｏｒｒ、０．８５Ｔｏｒｒ、１．７０Ｔｏｒｒの試料で観察されたＳＥＭ像を示す図である。

図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＡｓＨ₃の分圧が０．０７Ｔｏｒｒ又は０．８５Ｔｏｒｒの場合は、再成長層１０５の表面に多数の凹凸が存在した。これは、量子ドット活性層１０４のエッチングにより露出したＡｌＧａＡｓクラッド層２０２の表面に大気中の酸素が結合し、その後のアニールによっても表面の酸素が十分に除去されていないため、再成長層１０５が酸素の残存した箇所に形成されないためである。一方、図８（ｃ）に示すように、ＡｓＨ₃の分圧が１．７０Ｔｏｒｒの場合は、再成長層１０５の表面に凹凸が観察されなかった。これは、エッチング後にクラッド層２０２の表面が酸化されても、その後のアニールによって十分に除去されたためである。従って、ＡｓＨ₃の分圧は１．７０Ｔｏｒｒ以上とする。

ＡｓＨ₃は５８０℃未満では分解されにくく、ＡｓＨ₃の分圧が１．７０Ｔｏｒｒ以上であっても再成長層１０５の表面に凹凸が形成されやすい。従って、アニール温度は５８０℃以上とする。

（第３の実験）
第３の実験では、クラッド層２０２の組成、ＡｓＨ₃の分圧以外は第２の実験と同様にして試料を作製した。ＡｓＨ₃の分圧は１．７０Ｔｏｒｒとした。クラッド層２０２は、Ａｌ組成が０．２０、０．４２、０．５０の３種のｐ型ＡｌＧａＡｓ層とした。

そして、各試料について再成長層１０５のＳＥＭ観察を行った。Ａｌ組成が０．５０のｐ型ＡｌＧａＡｓ層をクラッド層２０２とした場合の結果を図９に示す。図９は、Ａｌ組成が０．５０の試料で観察されたＳＥＭ像を示す図である。

図９に示すように、クラッド層２０２のＡｌ組成が０．５０の場合は、再成長層１０５の表面に多数の凹凸が存在した。これは、エッチング後に酸素がクラッド層２０２の表面のＡｌと強固に結合し、その後のアニールによっても十分に除去されていないためである。一方、クラッド層２０２のＡｌ組成が０．２０又は０．４２の場合は、再成長層１０５の表面に凹凸が観察されなかった。これは、その後のアニールによって酸素が十分に除去されたためである。従って、量子ドット活性層と接するクラッド層のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成は０超０．４２以下とする。第１の実施形態では、クラッド層１０３の組成をＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦０．４２）で表すことができ、クラッド層１０６の組成をＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ≦０．４２）で表すことができる。

コンタクト層１０８、クラッド層１０７及びクラッド層１０６のマスク１１２から露出している部分のエッチングを、量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５が露出するように行ってもよい。この場合、光半導体装置の構造は、図１０に示すようなものとなる。

コンタクト層１０８、クラッド層１０７及びクラッド層１０６のマスク１１２から露出している部分のエッチングを、厚さ方向で量子ドット活性層１０４の一部が残る程度まで行ってもよい。つまり、量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５のエッチングを行ってもよい。この場合、光半導体装置の構造は、図１１に示すようなものとなる。

コンタクト層１０８、クラッド層１０７及びクラッド層１０６のマスク１１２から露出している部分のエッチングを、厚さ方向で量子ドット活性層１０４が消失する程度まで行ってもよい。つまり、量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５のエッチングを行ってもよい。この場合、光半導体装置の構造は、図１２に示すようなものとなる。

但し、量子ドット活性層１０４がエッチングされていない構造では、量子ドット活性層１０４がエッチングされている構造と比較して、量子ドット活性層１０４へのダメージが少なく、高い信頼性が得られると考えられる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る光半導体装置ついて説明する。第２の実施形態は、量子ドットレーザの一例に関する。図１３Ａ及び図１３Ｂは、第２の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。図１３Ａ（ａ）は平面図、図１３Ａ（ｂ）は図１３Ａ（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１３Ｂ（ｃ）は図１３Ａ（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図１３Ｂ（ｄ）は図１３Ａ（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

第２の実施形態に係る光半導体装置２では、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、クラッド層１０３と量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５との間に障壁層３０１が含まれる。例えば、障壁層３０１は、クラッド層１０３のそれよりもＡｌ組成が高いｐ型のＡｌＧａＡｓ層であり、障壁層３０１の厚さは数１０ｎｍ程度である。他の構成は第１の実施形態と同様である。クラッド層１０３の組成をＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦０．４２）で表す場合、障壁層３０１の組成をＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．２０≦ｚ≦０．４２、ｘ＜ｚ）で表すことができる。

第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果が得られる。更に、障壁層３０１が含まれるため、電子のクラッド層１０３側への漏れ出しが抑制され、伝導帯側に高い障壁が得られる。従って、量子ドット活性層１０４への電子の注入効率を向上させ、しきい値を低減し、かつ、光出力−電流効率を向上させることができる。

第２の実施形態に係る光半導体装置を製造する場合は、例えば、量子ドット活性層１０４の形成とマスク１１１の形成との間に、障壁層３０１を量子ドット活性層１０４上に形成し、マスク１１１を障壁層３０１上に形成する。他の処理は、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法と同様である。

障壁層３０１が厚いほど電子の漏れ出しをより確実に抑制できるが、その一方で、光分布への影響が大きくなる。従って、障壁層３０１の厚さは、電子の漏れ出しの抑制及び光分布への影響を考慮して決定することが好ましい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る光半導体装置ついて説明する。第３の実施形態は、量子ドットレーザの一例に関する。図１４Ａ及び図１４Ｂは、第３の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。図１４Ａ（ａ）は平面図、図１４Ａ（ｂ）は図１４Ａ（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１４Ｂ（ｃ）は図１４Ａ（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図１４Ｂ（ｄ）は図１４Ａ（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

第３の実施形態に係る光半導体装置３では、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５とクラッド層１０６との間に２元系のバッファ層３０２及びエッチングストッパ層３０３が含まれる。例えば、バッファ層３０２はＧａＡｓ層であり、エッチングストッパ層３０３はｎ型のＩｎＧａＰ層である。例えば、バッファ層３０２の厚さは１０ｎｍ程度であり、エッチングストッパ層３０３の厚さは数１０ｎｍ程度である。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果が得られる。更に、エッチングストッパ層３０３が含まれるため、その製造過程において、容易にリッジ型の導波路構造を形成することができる。また、２元系のバッファ層３０２が含まれているため、エッチングストッパ層３０３内での組成のむらを抑止することができる。

第３の実施形態に係る光半導体装置を製造する場合は、例えば、再成長層１０５の形成とクラッド層１０６の形成との間に、バッファ層３０２及びエッチングストッパ層３０３を量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５上に形成し、クラッド層１０６をエッチングストッパ層３０３上に形成する。そして、マスク１１２から露出している部分のエッチングは、エッチングストッパ層３０３が露出するまで行う。他の処理は、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法と同様である。

エッチングストッパ層３０３が厚いほどエッチングの制御性がより高まるが、その一方で、光分布への影響が大きくなる。従って、エッチングストッパ層３０３の厚さは、エッチングの制御性及び光分布への影響を考慮して決定することが好ましい。

エッチングストッパ層３０３又はバッファ層３０２を省略してもよい。つまり、バッファ層３０２上にクラッド層１０６を形成してもよく、量子ドット活性層１０４及び再成長層１０５上にエッチングストッパ層３０３を形成してもよい。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る光半導体装置ついて説明する。第４の実施形態は、量子ドットレーザの一例に関する。図１５Ａ及び図１５Ｂは、第４の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。図１５Ａ（ａ）は平面図、図１５Ａ（ｂ）は図１５Ａ（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１５Ｂ（ｃ）は図１５Ａ（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図１５Ｂ（ｄ）は図１５Ａ（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

第４の実施形態に係る光半導体装置４には、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、障壁層３０１、バッファ層３０２及びエッチングストッパ層３０３が含まれる。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果、第２の実施形態と同様の効果及び第３の実施形態と同様の効果が得られる。

第４の実施形態に係る光半導体装置を製造する場合は、例えば、第２の実施形態に特有の処理及び第３の実施形態に特有の処理を、第１の実施形態に係る光半導体装置の製造方法に組み合わせればよい。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態に係る光半導体装置ついて説明する。第５の実施形態は、量子ドットレーザの一例に関する。図１６は、第５の実施形態に係る光半導体装置の構成を示す図である。図１６（ａ）は平面図、図１６（ｂ）は図１６（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、図１６（ｃ）は図１６（ａ）中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

第５の実施形態に係る光半導体装置５には、図１６に示すように、埋め込み層５０１及びブロック層５０２が含まれる。具体的には、量子ドット活性層１０４がクラッド層１０３上でパターニングされており、導波方向に対して垂直の断面において、量子ドット活性層１０４の側面に接するように埋め込み層５０１が形成され、埋め込み層５０１の上にブロック層５０２が形成されている。例えば、埋め込み層５０１はｎ型ＧａＡｓ層であり、ブロック層５０２はｐ型のＧａＡｓ層である。例えば、埋め込み層５０１の厚さは３００ｎｍ程度であり、ブロック層５０２の厚さは数２００ｎｍ程度である。第５の実施形態では、埋め込み層５０１及びブロック層５０２が再成長層の一例である。

量子ドット活性層１０４上にクラッド層１０６及びクラッド層１０７が形成され、クラッド層１０７上にコンタクト層１０８が形成され、コンタクト層１０８上に電極１１０が形成され、基板１０１の裏面上に電極１０９が形成されている。光半導体装置５はリッジ型の導波路構造を備えており、メサ部分以外では、コンタクト層１０８、クラッド層１０７、及びクラッド層１０６の一部が除去されている。

第５の実施形態によれば、量子ドット活性層１０４の側面に形成したｐｎｐｎサイリスタ構造により導波路の断面方向の電流の広がりを抑制でき、素子動作に寄与しない電流を減らすことができる。

次に、第５の実施形態に係る光半導体装置の製造方法について説明する。図１７は、第５の実施形態に係る光半導体装置の製造方法を工程順に示す平面図であり、図１８は、図１７中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

先ず、図１７（ａ）及び図１８（ａ）に示すように、基板１０１上にクラッド層１０２、クラッド層１０３及び量子ドット活性層１０４を形成する。クラッド層１０２、クラッド層１０３及び量子ドット活性層１０４は、第１の実施形態と同様に形成することができる。次いで、量子ドット活性層１０４上にマスク５１１を形成する。マスク５１１の形成では、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁膜を量子ドット活性層１０４上に形成し、その後、この絶縁膜を、量子ドットレーザの導波路部を覆い、かつ埋め込み層５０１及びブロック層５０２を形成する予定の領域を露出する平面形状に加工する。マスク５１１の平面形状の幅は、例えば１．５μｍとする。

続いて、図１７（ｂ）及び図１８（ｂ）に示すように、量子ドット活性層１０４のマスク５１１から露出している部分をエッチングし、クラッド層１０３を露出させる。このエッチングは、第１の実施形態と同様にして行うことができる。次いで、第１の実施形態と同様にして、ＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールを行う。量子ドット活性層１０４のエッチングに伴ってクラッド層１０３の表面が酸化されるが、このアニールにより、クラッド層１０３の表面に導入された酸素が除去される。

その後、ＭＯＣＶＤ炉内で埋め込み層５０１及びブロック層５０２を形成する温度に基板温度を下げた後に、図１７（ｃ）及び図１８（ｃ）に示すように、クラッド層１０３のマスク５１１から露出している面上に、再成長層である埋め込み層５０１及びブロック層５０２を形成する。埋め込み層５０１及びブロック層５０２は、例えばＭＯＣＶＤ法により成長させることができる。本実施形態では、埋め込み層５０１及びブロック層５０２の形成前に、ＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールを行っているため、埋め込み層５０１及びブロック層５０２の結晶性は良好であり、その表面にはほとんど凹凸が生じない。

その後、マスク５１１を除去し、量子ドット活性層１０４及びブロック層５０２上に、クラッド層１０６、クラッド層１０７及びコンタクト層１０８を形成する。クラッド層１０６、クラッド層１０７及びコンタクト層１０８は、例えばＭＯＣＶＤ法により成長させることができる。

続いて、コンタクト層１０８上に、リッジ導波路を形成する予定の領域を覆い、他の領域を露出するマスクを形成する。次いで、コンタクト層１０８、クラッド層１０７及びクラッド層１０６のマスクから露出している部分を、厚さ方向でクラッド層１０６の一部が残る程度にエッチングし、リッジ型の導波路構造を形成する。例えば、このときに用いるマスクの平面形状の幅は、例えば２μｍとする。その後、マスクを除去し、コンタクト層１０８上に電極１１０を形成し、基板１０１の裏面上に電極１０９を形成する。

このようにして第５の実施形態に係る光半導体装置を製造することができる。

第５の実施形態に、第２、第３又は第４の実施形態のように、障壁層３０１、バッファ層３０２及び／又はエッチングストッパ層３０３を含ませてもよい。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
ＧａＡｓ基板上方に、組成がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦０．４２）で表される第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ＧａＡｓ障壁層を含む量子ドット活性層を形成する工程と、
平面視で前記量子ドット活性層の一部を除去し、前記第１のクラッド層を露出させる工程と、
前記第１のクラッド層を露出させた後に、分圧が１．７０Ｔｏｒｒ以上のＡｓＨ₃を含む雰囲気中でのアニールを５８０℃〜６８０℃の温度で行う工程と、
前記アニールの後に、前記第１のクラッド層の前記量子ドット活性層から露出している面上に前記量子ドット活性層とは異なる化合物半導体層からなる再成長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２）
前記量子ドット活性層及び前記再成長層上に、組成がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ≦０．４２）で表される第２のクラッド層を形成する工程と、
前記第２のクラッド層の上方及び前記ＧａＡｓ基板の下方に、前記ＧａＡｓ基板の厚さ方向で前記量子ドット活性層を挟むように一対の電極を形成する工程と、
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の製造方法。

（付記３）
前記アニールを有機金属化学気相成長炉内で行うことを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記４）
前記再成長層を前記量子ドット活性層から離間するほど薄くなるように形成することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記５）
前記再成長層を前記量子ドット活性層から離間するほど広くなるように形成することを特徴とする付記４に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記６）
前記再成長層としてＧａＡｓ層を形成することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記７）
前記第１のクラッド層を形成する工程と前記量子ドット活性層を形成する工程との間に、前記第１のクラッド層上に、組成がＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０．２０≦ｚ≦０．４２、ｘ＜ｚ）で表される障壁層を形成する工程を有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記８）
前記再成長層を形成する工程と前記第２のクラッド層を形成する工程との間に、前記量子ドット活性層及び前記再成長層上に２元系のバッファ層を形成する工程を有することを特徴とする付記２乃至７のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記９）
前記再成長層を形成する工程と前記第２のクラッド層を形成する工程との間に、前記量子ドット活性層及び前記再成長層上にエッチングストッパ層を形成する工程を有することを特徴とする付記２乃至８のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。

（付記１０）
ＧａＡｓ基板上方の、組成がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦０．４２）で表される第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上の、ＧａＡｓ障壁層を含む量子ドット活性層と、
前記第１のクラッド層の前記量子ドット活性層から露出している面上の、前記量子ドット活性層とは異なる化合物半導体層からなる再成長層と、
を有することを特徴とする光半導体装置。

（付記１１）
前記量子ドット活性層及び前記再成長層上の、組成がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ≦０．４２）で表される第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層の上方及び前記ＧａＡｓ基板の下方に、前記ＧａＡｓ基板の厚さ方向で前記量子ドット活性層を挟むように設けられた一対の電極と、
を有することを特徴とする付記１０に記載の光半導体装置。

１０１：基板
１０２、１０３、１０６、１０７：クラッド層
１０４：量子ドット活性層
１０５：再成長層
１０８：コンタクト層
１０９、１１０：電極
３０１：障壁層
３０２：バッファ層
３０３：エッチングストッパ層

Claims

ＧａＡｓ基板上方の、組成がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦０．４２）で表される第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上の、ＧａＡｓ障壁層を含む量子ドット活性層と、
前記第１のクラッド層の前記量子ドット活性層から露出している面上の、前記量子ドット活性層とは異なる化合物半導体層からなる再成長層と、
前記第１のクラッド層と前記量子ドット活性層及び前記再成長層との間のＡｌ _z Ｇａ _1-z Ａｓ（０．２０≦ｚ≦０．４２、ｘ＜ｚ）からなる障壁層と、
を有することを特徴とする光半導体装置。
前記量子ドット活性層及び前記再成長層上の、組成がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ≦０．４２）で表される第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層の上方及び前記ＧａＡｓ基板の下方に、前記ＧａＡｓ基板の厚さ方向で前記量子ドット活性層を挟むように設けられた一対の電極と、
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。
前記量子ドット活性層及び前記再成長層と前記第２のクラッド層との間の、ＩｎＧａＰ層からなるエッチングストッパ層を有することを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。