JP7076572B2 - 光半導体装置および光半導体装置の製造方法 - Google Patents

光半導体装置および光半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本願は、光半導体装置、および光半導体装置の製造方法に関するものである。
分布帰還型の光半導体装置（ＤＦＢ－ＬＤ：Distributed Feed Back Laser Diode）においては、活性層を上下のクラッド層で挟んだ導波路構造となっており、クラッド層の一方はｎ型、もう一方はｐ型にドーピングされている。電極に導通させると、ｐ型クラッド層側からはホールが、ｎ型クラッド層側からは電子が注入され、活性層内で再結合することで発光する。そして、導波路内の光の進行方向（光進行方向）における端面と出射媒質である空気の界面からなる反射鏡および回折格子により共振器を形成している。
導波路内を伝搬した光は端面で一部が外部に出射し、ミラー損失となるが、残りの光は端面もしくは回折格子により反射し、再び導波路内を伝搬する。回折格子には位相をλ／４シフトさせた領域が設けられ、共振器内で特定の波長のみが共振するように設計されており、光はこの導波路内を伝搬する間に利得を得て増幅される。そして、導波路伝搬時の内部損失および端面反射時のミラー損失の和が伝搬中に得る利得と等しくなったときにレーザ発振し、端面からコヒーレント光が出射される。
一方、レーザ発振時の光進行方向における活性層内の光強度は不均一分布となっており、回折格子のλ／４シフト位置に相当する箇所の光強度が最も強い。光強度の強い領域では誘導放出によりキャリア密度が相対的に減少する軸方向ホールバーニングという現象が生じ、光の進行方向において屈折率変動が生じて単一モード動作が不安定化する問題点がある。これに対して、光進行方向に沿って電極を複数に分割し、光進行方向におけるキャリア密度が均一に近づくように、電極ごとの注入電流比を制御するレーザ装置（例えば、特許文献１参照。）が開示されている。さらには、光進行方向における素子内部の抵抗率の分布を変化させる光半導体素子（例えば、特許文献２参照。)が開示されている。
特開平１－２３１３８８号公報（第３頁右上欄１４行目～第５頁左上欄１３行目、第２図～第３図） 特開昭６４－１１３９１号公報（第３頁右上欄１３行目～第４頁左下欄３行面、第４図～第８図）
しかしながら、分割した電極ごとに注入する電流比を制御するためには、複数の電流源を必要とするため、装置構成が煩雑となり、動作制御も複雑になる。また、素子内部の抵抗率、つまり材料としての抵抗率を変化させるには、ドーパントの密度分布を精度よく制御する必要があり、製造が困難になる。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、複雑な動作制御が必要なく、容易に安定した動作が可能な光半導体装置を得ることを目的とする。
本願に開示される光半導体装置は、第一導電型基板の表面に第一導電型クラッド層、活性層、第一導電型の逆の導電型である第二導電型第一クラッド層の順に積層されたリッジストライプと、前記リッジストライプの頂部を露出して、前記リッジストライプの両側のそれぞれを埋め込む第一埋め込み層と、前記第一埋め込み層のそれぞれを覆うとともに、前記リッジストライプの前記頂部に向けてせり出した部分が前記頂部の上で前記頂部の幅よりも狭い間隔をあけて対向する電流狭窄窓を有する第一導電型第二埋め込み層と、前記電流狭窄窓とともに前記第一導電型第二埋め込み層を埋め込む、第二導電型第二クラッド層と、前記第一導電型クラッド層または前記第二導電型第一クラッド層内に形成され、光進行方向における中間部分にλ／４位相シフトが配置された回折格子と、を備え、前記λ／４位相シフトが配置された領域の方が端面領域よりも前記電流狭窄窓の開口幅が広い、および前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域の方が前記端面領域よりも前記第一導電型第二埋め込み層の前記せり出した部分の厚みが薄い、の少なくとも一方の条件を満たすように前記光進行方向における位置に応じて前記電流狭窄窓の前記光進行方向に垂直な断面形状が変化し、前記電流狭窄窓を介した前記第二導電型第二クラッド層から前記第二導電型第一クラッド層への電流経路の抵抗が、前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域において最小となっていることを特徴とする。
本願に開示される光半導体装置の製造方法は、第一導電型基板の表面に第一導電型クラッド層、活性層、第一導電型の逆の導電型である第二導電型第一クラッド層の順に積層して積層構造体を形成する工程と、前記積層構造体の両側を前記活性層よりも前記第一導電型基板に近い位置までエッチングし、リッジストライプを形成する工程と、前記リッジストライプの頂部を露出して、前記リッジストライプの両側を、それぞれ半絶縁性材料をドープした埋め込み材料で埋め込み、第一埋め込み層を形成する工程と、前記第一埋め込み層から前記リッジストライプの前記頂部に向けてせり出し、それぞれのせり出した部分が前記頂部の幅よりも狭い間隔をあけて対向する電流狭窄窓を有するように、前記リッジストライプの頂部の両端を除く中間部分をマスクで覆い、第一導電型第二埋め込み層を形成する工程と、第二導電型の材料で、前記第一導電型第二埋め込み層を前記電流狭窄窓とともに埋め込む第二導電型第二クラッド層を形成する工程と、を有し、前記積層構造体を形成する工程では、前記第一導電型クラッド層または前記第二導電型第一クラッド層内に、光進行方向における中間部分にλ／４位相シフトが配置された回折格子が形成されており、前記第一導電型第二埋め込み層を形成する工程では、前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域において、前記電流狭窄窓の開口幅が最大、および、前記第一導電型第二埋め込み層の前記せり出した部分の厚みが最小、の少なくとも一方の条件を満たすよう、前記光進行方向における位置に応じて、前記マスクの幅、および前記マスクの使用回数の少なくとも一方を変更することを特徴とする。
本願に開示される光半導体装置、あるいは光半導体装置の製造方法によれば、形状の変化によって抵抗分布を制御するようにしたので、複雑な動作制御が必要なく、容易に安定した動作が可能な光半導体装置を得ることができる。
図１Ａ～図１Ｃは、実施の形態１にかかる光半導体装置の構成を説明するための断面図である。 図２Ａ～図２Ｆは、実施の形態１にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための工程ごとの断面図である。 比較例として、従来の光半導体装置での光進行方向における光強度と、ｐクラッド抵抗と、キャリア密度の分布を示す特性図である。 実施の形態１にかかる光半導体装置での光進行方向における光強度と、ｐクラッド抵抗と、キャリア密度、および電流狭窄窓の開口幅の分布を示す特性図である。 図５Ａと図５Ｂは、実施の形態２にかかる光半導体装置の構成を説明するための断面図である。 図６Ａ～図６Ｄ、および図６Ｅ１、図６Ｅ２は、実施の形態２にかかる光半導体装置の製造方法を説明するための工程ごとの断面図である。 図７Ａと図７Ｂは、実施の形態３にかかる光半導体装置の構成を説明するための断面図である。 実施の形態３にかかる光半導体装置での光進行方向における光強度と、ｐクラッド抵抗と、キャリア密度、および電流狭窄窓の幅と埋め込み層の厚みの分布を示す特性図である。
実施の形態１．
図１～図４は、実施の形態１にかかる光半導体装置、および光半導体装置の製造方法について説明するためのものである。図１は光半導体装置の構成を説明するための断面図であり、図１Ａはリッジストライプ部分（図１ＢのＡ線対応）における光進行方向、および積層方向に平行な断面図、図１Ｂは光半導体装置の光進行方向における端面付近（図１ＡのＢ－Ｂ線対応）の光進行方向に垂直な断面図、図１Ｃは光半導体装置の光進行方向における半導体装置のλ／４位相シフトが形成された部分（図１ＡのＣ－Ｃ線対応）の光進行方向に垂直な断面図である。そして、図２Ａ～図２Ｆは、積層による光半導体装置の製造方法において、ｎ型基板上にリッジストライプが形成された時点からの工程ごとの光進行方向に垂直な断面図（図１Ｂに対応）である。
また、図３は、比較例として、従来の光半導体装置の特性を説明するため、図１Ａに対応する断面模式図とともに、レーザ発振時の光進行方向における活性層内の光強度分布と、ｐクラッド抵抗分布と、キャリア密度分布を、それぞれ示す特性図である。一方、図４は、実施の形態１にかかる光半導体装置の特性を説明するため、図１Ａに相当する断面模式図とともに、レーザ発振時の光進行方向における活性層内の光強度分布と、ｐクラッド抵抗分布と、キャリア密度分布、およびｐクラッド抵抗分布を制御するための電流狭窄窓の開口幅の分布、をそれぞれ示す特性図である。なお、従来の光半導体装置について説明する際は、本実施の形態にかかる光半導体装置の対応する構成に付す符号の末尾に「Ｃ」をつけて区別することとする。
以下、本願の実施の形態１にかかる光半導体装置、および光半導体装置の製造方法について図面を参照しつつ説明する。光半導体装置１００は、図１Ａに示すように、光進行方向Ｄｒに沿って延在する半導体層の積層体が、電極１０に挟まれるように構成したものである。半導体層の最下面には、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、（００１）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板１が配置されている。この上にｎ型クラッド層２、多重量子井戸を含む活性層３、厚み０．１μｍのＩｎＰからなるｐ型第一クラッド層４の順に積層されて、活性層リッジとも称されるリッジストライプ５を構成している。
ｎ型ＩｎＰ基板１には、濃度４．０×１０１８ｃｍ－３のＳ（硫黄）がドーピングされ、ｎ型クラッド層２には、濃度４．０×１０１８ｃｍ－３のＳがドーピングされている。活性層３は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系もしくはＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成され、ｐ型第一クラッド層４は、濃度１．０×１０１８ｃｍ－３のＺｎ（亜鉛）がドーピングされている。
また、ｎ型クラッド層２の中にはＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる厚み４０ｎｍ、幅１００ｎｍ、周期２００ｎｍ程度の回折格子６が埋め込まれており、図１Ａに示すように、回折格子６の光進行方向Ｄｒにおける中央部には、λ／４位相シフト６ｑが設けられている。なお、回折格子６はｎ型クラッド層２の中ではなくｐ型第一クラッド層４の中に埋め込んでもよいし、λ／４位相シフト６ｑは光進行方向Ｄｒにおける中央部に限ることはなく、任意の位置に配置させてもよい。
リッジストライプ５は、上記のように積層された半導体層の幅方向（積層方向と光進行方向Ｄｒに垂直な方向）の中央部分を残して、活性層３よりも低い位置までエッチングして形成する。これにより、ｎ型ＩｎＰ基板１の光進行方向Ｄｒに垂直な断面は、（逆）Ｔ字状をなす。なお、リッジストライプ５の幅Ｗ５は通常０．８～１．４μｍ程度であるが、この範囲に限るものではない。このリッジストライプ５の側面は、半絶縁性材料であるＦｅを濃度５．０×１０１６ｃｍ－３でドーピングしたＩｎＰからなる第一埋め込み層７により、活性層３より高い位置までそれぞれ埋め込まれている。第一埋め込み層７は上述した材料に限らず、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｒｕなど他の材料をドーピングしたＩｎＰといった他の半絶縁性材料でもよい。
また、第一埋め込み層７は不純物濃度または導電型が異なる他の半導体層との組み合わせによって構成されていてもよい。第一埋め込み層７の上には濃度７．０×１０１８ｃｍ－３のＳがドーピングされた厚み０．４μｍのＩｎＰからなるｎ型第二埋め込み層８が形成されており、ｎ型第二埋め込み層８の幅方向での中央に向かう先端は、リッジストライプ５の上面までせり出している。ｎ型第二埋め込み層８およびリッジストライプ５は、濃度２．０×１０１８ｃｍ－３のＺｎがドーピングされたＩｎＰからなるｐ型第二クラッド層９で埋め込まれている。さらに、ｎ型ＩｎＰ基板１の下およびｐ型第二クラッド層９の上には、Ａｕ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｐt、Ｔｉ等の金属からなる電極１０が形成されている。
活性層３を有するリッジストライプ５の最上部（頂部）の幅方向の中央部分には、ｎ型第二埋め込み層８が幅方向に開口し、光進行方向Ｄｒに延在する電流狭窄窓８ａが形成され、ｐ型第一クラッド層４とｐ型第二クラッド層９とは、この電流狭窄窓８ａを介して接している。電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａは、基本的に０．７μｍとしているが、光進行方向Ｄｒに沿って変化するように調整している。具体的には、図１Ｃに示すλ／４位相シフト６ｑが配置された領域の上にある電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａｑは、図１Ｂに示す他の領域の開口幅Ｗａより広く、かつ最大となるように構成している。なお、電流狭窄窓８ａの基本的な開口幅Ｗａは、通常０．５～１．０μｍ程度であるが、リッジストライプ５（厳密にはｐ型第一クラッド層４）の幅よりも狭ければ、この範囲に限らない。
本実施の形態1にかかる光半導体装置１００は、劈開により形成した前端面１００ｆｅと後端面１００ｆｅとで、共振器を構成している。電流注入によって活性層３で得られた発光は共振器内で増幅され、レーザ発振に至る。共振器長は１５０μｍから３００μｍとされることが多いが、この範囲に限るものではない。
つぎに、本実施の形態１にかかる光半導体装置１００の製造方法の一例について、図２を用いて説明する。まず、図２Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に回折格子６を埋め込んだｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型第一クラッド層４を積層する。その後、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａの光進行方向Ｄｒに沿った分布、に対応する幅Ｗｍの分布を有する第一マスク２４を形成し、その上を覆うようにリッジストライプ５の幅Ｗ５で第二マスク２５を形成する。第一マスク２４は第二マスク２５よりもエッチングレートが遅い材料を用いている。また、第一マスク２４の幅Ｗｍは、第二マスク２５の幅Ｗ５よりも狭く、第一マスク２４は第二マスク２５に対して中央に位置するのが望ましい。この第一マスク２４と第二マスクからなる二重マスクを用いて活性層３よりも低い位置までエッチングを行い、リッジストライプ５を形成する。
つぎに、図２Ｂに示すように、第一埋め込み層７で、リッジストライプ５の両脇を活性層３よりも高い位置まで埋め込む。その後、図２Ｃのように第二マスク２５の選択エッチングを行う。例えば第一マスク２４の材料をＳｉＯ２、第二マスク２５の材料をＳｉＮとした場合、エッチングガスとしてＳＦ６を用いると、エッチングレートの差を利用して第二マスク２５のみを選択的にエッチングすることが出来る。
つぎに、図２Ｄに示すように、第一埋め込み層７およびリッジストライプ５を埋め込むようにｎ型第二埋め込み層８を成長させる。ついで、図２Ｅのように第一マスク２４をバッファードフッ酸またはフッ酸を用いて除去した後、図２Ｆのように第一クラッド層４およびｎ型第二埋め込み層８を覆うようにｐ型第二クラッド層９を成長させる。最後にｎ型ＩｎＰ基板１の下およびｐ型第二クラッド層９の上に、電極１０を形成することで、図１に示す光半導体装置１００が構成される。
このように構成した光半導体装置１００の上下の電極１０から電流注入を行うと、ｎ型ＩｎＰ基板１およびｎ型クラッド層２からは電子が、ｐ型第一クラッド層４およびｐ型第二クラッド層９からはホールがそれぞれ供給される。ｐ型第二クラッド層９から供給されたホールはｎ型基板の方向へ向かって流れ出す。ホールはｐ型第二クラッド層９とｎ型第二埋め込み層８の界面に存在するポテンシャル障壁によりブロックされ、電流狭窄窓８ａを介してｐ型第一クラッド層４を通過し活性層３に注入される。電流が流れる経路の抵抗Ｒは一般的に電気抵抗率ρ、経路の断面積をＳ、経路の長さをＬとすると（１）式で表される。
Ｒ＝ρ（Ｌ／Ｓ） ・・・（１）
λ／４位相シフト６ｑが配置された光進行方向Ｄｒにおける中央付近の電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａｑは端面付近などその他の領域の開口幅Ｗａに比べ広く、断面積Ｓが大きくなるため、（１）式に示すように抵抗Ｒが低くなり電流が注入されやすくなる。
上述した構成を踏まえ、本実施の形態１にかかる光半導体装置１００の特性を説明するため、はじめに、従来構造の光半導体装置１００Ｃの特性について、図３を用いて説明する。光半導体装置１００Ｃに対し、通常の単一モードでレーザ発振を行ったときの光強度分布は、λ／４位相シフト６ｑＣが配置された領域が最も強く、λ／４位相シフト６ｑＣの配置位置から離れるにつれて弱まっていく。そのため、光進行方向ＤｒＣにおいて、λ／４位相シフト６ｑＣが配置された光密度が高い領域は、それ以外の領域よりも誘導放出が起こりやすく、相対的にキャリア密度が減少する。
ここで、従来の光半導体装置１００Ｃにおいては、電流狭窄窓８ａＣの開口幅ＷａＣが、光進行方向ＤｒＣの位置にかかわらず一定であり、ｐクラッド抵抗分布が一定になる。そのため、光進行方向ＤｒＣの位置にかかわらず、ホールがほぼ均一に注入されるため、λ／４位相シフト６ｑＣ配置位置付近のキャリア密度が低下し、軸方向ホールバーニングという現象が生じ、光進行方向ＤｒＣの屈折率変動が生じて単一モード動作が不安定化する。
一方、本実施の形態１にかかる光半導体装置１００でも、通常の単一モードでレーザ発振を行ったときの光強度分布は、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域が最も強く、λ／４位相シフト６ｑの配置位置から離れるにつれて弱まっていく。そのため、光進行方向Ｄｒにおいて、λ／４位相シフト６ｑが配置された光密度が高い領域はそれ以外の領域よりも誘導放出が起こりやすく、相対的にキャリア密度が減少する。
それに対し、本実施の形態１にかかる光半導体装置１００においては、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａが、最下段に示すように、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域の開口幅Ｗａｑが最も広くなるように、光進行方向Ｄｒに沿って開口幅Ｗａを変化させている。そのため、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域で最低値を示し、光進行方向Ｄｒに沿ってｐクラッド抵抗が変化している。そのため、光進行方向Ｄｒにおいて、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域で、最もホールが多量に注入されるため、光進行方向Ｄｒの位置に沿ったキャリア密度分布を一定にすることができる。これにより軸方向ホールバーニングを抑制し、安定的な単一モード動作が可能となる。
なお、実施の形態１にかかる光半導体装置１００における電流狭窄窓８ａは、一般的な半導体リソグラフィーによる素子の寸法設計（形状制御）により、開口幅Ｗａを調整することで、抵抗を変化させるようにした。そのため、形状制御は材質制御と異なり、容易に高精度な製造が可能であり、図４に示したように、光強度の分布を補償するように、開口幅Ｗａを光進行方向Ｄｒに沿って無段階に制御することが可能となる。このとき、端面１００ｆｅ近傍の最も狭い幅Ｗｃｅに対する、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域の開口幅Ｗａｑは、１．２～２．４倍程度の範囲が好適である。
ただし、開口幅Ｗａの分布は、必ずしも光強度分布を補償する曲線に完全にフィットさせる必要はない。例えば、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域とそれ以外の領域とで開口幅Ｗａをステップ状に変化させても、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域での他の領域と比較した過剰な誘導放出を低減することができる。つまり、軸方向ホールバーニングを抑制できる程度に、ｐクラッド抵抗を変化させるように電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａを調整すればよい。このような形状制御をすることで、完成後の光半導体装置を運転する際には、複雑な動作制御も必要としない。
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、光進行方向におけるｐクラッド抵抗の分布を調整するために、電流狭窄窓の幅を光進行方向における位置に応じて変化させる例を示した。本実施の形態２においては、電流狭窄窓部分の層厚みを光進行方向における位置に応じて変化させ、光進行方向におけるｐクラッド抵抗の分布を調整する例について説明する。
図５と図６は、本実施の形態２にかかる光半導体装置、および光半導体装置の製造方法について説明するためのもので、図５は光半導体装置の構成を説明するための断面図であり、図５Ａは光半導体装置の光進行方向における端面付近（図１ＡのＢ－Ｂ線対応）の光進行方向に垂直な断面図、図５Ｂは光半導体装置の光進行方向における半導体装置のλ／４位相シフトが形成された部分（図１ＡのＣ－Ｃ線対応）の光進行方向に垂直な断面図である。そして、図６Ａ～図６Ｄと、図６Ｅ１、図６Ｅ２は、積層による光半導体装置の製造方法において、ｎ型基板上にリッジストライプが形成された時点からの工程ごとの光進行方向に垂直な断面図（図５Ａ、図５Ｂに対応）である。なお、実施の形態１と同様の部分については同じ符号を付するとともに、同じ仕様についての説明は省略する。
本実施の形態２にかかる光半導体装置１００においても、図５に示すように、リッジストライプ５は、回折格子６が埋め込まれたｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型第一クラッド層４、をｎ型ＩｎＰ基板１上に順次積層することで構成している。そして、リッジ状に形成された後、第一埋め込み層７、ｎ型第二埋め込み層８、ｐ型第二クラッド層９で埋め込まれている。また、ｐ型第二クラッド層９は、リッジストライプ５の最上部を構成するｐ型第一クラッド層４とは、ｎ型第二埋め込み層８で挟まれた電流狭窄窓８ａを介して接している。ここまでの構成は、基本的に、実施の形態１と同様である。
そして、実施の形態１と異なるところは、図５Ｂで示したλ／４位相シフト６ｑが配置された領域の上にあるｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８ｑが、図５Ａで示した他の領域に設定された基本の厚みＤ８より薄く、かつ最小となるように構成する。このとき、ｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８が変わっても、ｐ型第二クラッド層９の電流狭窄窓８ａ上の厚みは、光進行方向Ｄｒで一定である。
つぎに、本実施の形態２にかかる光半導体装置１００の製造方法について図６を用いて説明する。なお、図６において、図６Ａ～図６Ｄまでの工程は、実施の形態１で説明した図２Ａ～図２Ｄまでの工程と同じであるので、図６Ｃまでの説明は省略し、図６Ｄの工程から説明を行う。実施の形態１では、第一埋め込み層７およびリッジストライプ５を埋め込むように、ｎ型第二埋め込み層８を一度に形成したが、本実施の形態２では、ｎ型第二埋め込み層８を複数回（例えば、２回）に分けて作成する。はじめに、図６Ｄに示すように、ｎ型第二埋め込み層８の下層部８１を、光進行方向Ｄｒ上の位置によらず、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域用に設定した厚みＤ８ｑまで成長させる。その後、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域と、それ以外の領域（その他領域と称する。）とで異なる工程で半導体層を形成していく。
具体的には、その他領域に対しては、図６Ｅ１に示すように、ｎ型第二埋め込み層８としての総厚みが所定厚みＤ８になるまで、ｎ型第二埋め込み層８の上層部８２を、下層部８１上に連続して成長させる。一方、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域では、図６Ｅ２に示すように、下層部８１上には第三マスク２６が形成されるので、上層部８２は形成されず、ｎ型第二埋め込み層８としての厚みＤ８は、下層部８１の厚みＤ８ｑになる。
ついで、第一マスク２４及び第三マスク２６をバッファードフッ酸またはフッ酸を用いて除去した後、実施の形態１の図２Ｆで説明した工程と同様に、第一クラッド層４およびｎ型第二埋め込み層８を覆うようにｐ型第二クラッド層９を成長させる。最後にｎ型ＩｎＰ基板１の下およびｐ型第二クラッド層９の上に、それぞれ電極１０を形成する。結果として、図５Ａ、図５Ｂに示すように、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域の上にあるｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８ｑが、他の領域に設定された厚みＤ８より薄く、かつ最小となる光半導体装置１００が構成できる。
その結果、図５と、実施の形態１で説明した（１）式に示すように、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域のｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８ｑは、端面１００ｆｅ付近など、その他領域に比べ薄く、電流狭窄窓８ａを介した電流経路の長さＬが短くなる。これにより、図４と同様に、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域の抵抗Ｒが低くなるので、活性層３に電流が注入されやすくなり、光進行方向Ｄｒに沿ったキャリア密度分布を一定にすることができる。これにより、軸方向ホールバーニングを抑制し、安定的な単一モード動作が可能となる。
この効果は、ｎ型第二埋め込み層８の厚み分布という、形状（寸法）の調整により、抵抗を変化させるようにした。そのため、材質制御と異なり、実施の形態１と同様、容易に高精度な製造が可能であり、使用時に複雑な動作制御も必要ない。
なお、上記例では、ｎ型第二埋め込み層８を下層部８１と上層部８２の２層に分けて形成する例を示したがこれに限ることはない。例えば、第三マスク２６で覆う部分（光進行方向Ｄｒにおける範囲）を少しずつ大きくしながら、ｎ型第二埋め込み層８を３層以上の複数層に分けて成長させていってもよい。つまり、光進行方向Ｄｒ上の位置による、図６Ｅ１と図６Ｅ２の使い分け工程を２回以上繰り返し行うことで、光進行方向Ｄｒに沿ったｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８を細かく変化させることもできる。なお、厚み調整は成長厚みの違いだけに限ることはない。例えば、光進行方向Ｄｒにおけるマスク範囲を変化させ、エッチング（厚み削減量）の程度によって、厚みを調整するようにしても製造することは可能である。
一方、ｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８を細かく変化させるには、成長にしろ、エッチングにしろ、工程の繰り返し数を増加させることになるため、電流狭窄窓の開口幅Ｗａの方が、変化の細かさを求めるには適している。しかしながら、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａと異なり、リッジストライプ５の幅Ｗ５のような限界がないため、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域の抵抗とその他の領域の抵抗の比を大きく変えたい場合には、厚みＤ８を調整する方が好適である。
実施の形態３．
本実施の形態３は、上記実施の形態１と２を組み合わせたものであり、電流狭窄窓の幅と、電流狭窄窓部分の層厚みの双方に変化をつけて、光進行方向におけるｐクラッド抵抗の分布を調整する例について説明する。図７と図８は、本実施の形態３にかかる光半導体装置の構成について説明するためのもので、図７は光半導体装置の構成を説明するための断面図であり、図７Ａは光半導体装置の光進行方向における端面付近（図１ＡのＢ－Ｂ線対応）の光進行方向に垂直な断面図、図７Ｂは光半導体装置の光進行方向における半導体装置のλ／４位相シフトが形成された部分（図１ＡのＣ－Ｃ線対応）の光進行方向に垂直な断面図である。
そして、図８は、実施の形態３にかかる光半導体装置の特性を説明するため、図１Ａに相当する断面模式図とともに、レーザ発振時の光進行方向における活性層内の光強度分布と、ｐクラッド抵抗分布と、キャリア密度分布、およびｐクラッド抵抗分布を制御するための電流狭窄窓の開口幅の分布と、ｎ型第二埋め込み層の厚み分布、をそれぞれ示す特性図である。なお、上述した実施の形態１、あるいは実施の形態２と同様の部分については同じ符号を付するとともに、同じ仕様についての説明は省略する。
本実施の形態３にかかる光半導体装置１００の特徴は、実施の形態１を基準にしても、実施の形態２を基準にしても説明できるが、ここでは、実施の形態２を基準にして説明する。実施の形態２にかかる光半導体装置１００は、光進行方向Ｄｒの位置によって、ｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８は変化するが、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａは、光進行方向Ｄｒの位置にかかわらず一定で同じであった。しかし、実施の形態３にかかる光半導体装置１００では、図７に示すように、光進行方向Ｄｒの位置によって、ｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８に加え、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａも異なるように構成した。
例えば、図７Ｂで示すように、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域の上にある電流狭窄窓８ａは、図７Ａで示す端面１００ｆｅ付近などのその他領域より、開口幅Ｗａが広く、かつｎ型第二埋め込み層８の厚みＤ８が薄くなっている。これにより、実施の形態１の（１）式で説明したように、λ／４位相シフト６ｑが配置された光進行方向Ｄｒにおける中央付近は、電流狭窄窓８ａを介した電流の経路長さＬが短くなるため、図８に示すように、ｐクラッド抵抗（抵抗Ｒ）が低くなる。さらに電流狭窄窓８ａの幅も大きく、断面積Ｓが大きくなるため、より抵抗Ｒが低くなり電流が注入されやすくなる。
つまり、本実施の形態３にかかる半導体装置１００では、実施の形態１で説明した効果と同じ効果（図４で説明した光強度分布に応じたｐクラッド抵抗分布調整による、キャリア密度分布の均一化）が得られることに加え、電流狭窄窓８ａの経路の長さＬと断面積Ｓを同時に変えることで、ｐクラッド抵抗のより広範囲、かつ細かい制御が可能となる。つまり、レンジ拡大に有利な厚みＤ８調整と、細かな制御に有利な開口幅Ｗａの調整を組み合わせて、光進行方向Ｄｒにおける理想的な抵抗分布の調整を容易に行うことができる。
その際、開口幅Ｗａ、厚みＤ８をともに、λ／４位相シフト６ｑが配置された領域を頂点として、それぞれ単調減少と単調増加になるように設計してもよいが、厚みＤ８のステップ状の変化を補償するように開口幅Ｗａを制御してもよい。例えば、図８（最下段）では、２段階の厚みＤ８により、光強度の変化に対して、λ／４位相シフト６ｑ領域の厚みＤ８ｑとその他領域の厚みＤ８ｅとの比を大きく変化させる。その場合、中心から端面１００ｆｅに向かう方向で検討すると、厚みＤ８が急減する部分では、厚みＤ８の変化により、抵抗が非連続的に減少することになる。
そこで、例えば、図８における、厚みＤ８が急減する（Ｄ８ｅからＤ８ｑへの変化）部分では、厚みＤ８変化による、抵抗の非連続的な減少を補償するために開口幅Ｗａを非連続的に増大させるように調整するようにしてもよい。そして、同じ厚みＤ８が続く領域に対しては、無段階に開口幅Ｗａを変化させるようにしてもよい。これにより、最大となる開口幅Ｗａｑと最少となる開口幅Ｗａｅの比を無理に広げなくとも、広い抵抗レンジを形成できる。もちろん、この場合でも、厚みＤ８の調整は２段階にとどまらず、３段階以上でもよい。
そして、このような特性は、半導体リソグラフィー及び結晶成長による素子の寸法設計による抵抗調整により実現できるので、制御よく製造できるともに、運転時の複雑な動作制御も必要ない。
なお、上記各実施の形態ではｎ型ＩｎＰ基板１を用いた光半導体装置１００およびその製造方法を説明したが、ｐ型ＩｎＰ基板を用いて各半導体層の導電型を逆にした構造であっても良い。したがって、本願で説明したｐ型およびｎ型の導電型のうち、一方を第一導電型、他方を第二導電型と称することができる。すなわち、第二導電型は第一導電型とは逆の導電型であり、第一導電型がｐ型であれば第二導電型はｎ型となり、第一導電型がｎ型であれば第二導電型はｐ型となる。よって、導電型および材料を特定せずに、例えば、ｎ型ＩｎＰ基板１として説明した部材は第一導電型基板、ｎ型クラッド層２として説明した部材は第一導電型クラッド層、ｐ型第一クラッド層４として説明した部材は第二導電型第一クラッド層、ｐ型第二クラッド層９として説明した部材は第二導電型第二クラッド層のように読み替えることができる。
さらに、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
以上のように、各実施の形態にかかる光半導体装置１００によれば、第一導電型基板（例えば、ｎ型ＩｎＰ基板１）の表面に第一導電型クラッド層（ｎ型クラッド層２）、活性層３、第一導電型の逆の導電型である第二導電型第一クラッド層（ｐ型第一クラッド層４）の順に積層されたリッジストライプ５と、リッジストライプ５の頂部（積層方向の最先端）を露出して、リッジストライプ５の（光進行方向Ｄｒおよび積層方向に垂直な方向での）両側のそれぞれを埋め込む第一埋め込み層７と、第一埋め込み層７のそれぞれを覆うとともに、リッジストライプ５の頂部に向けてせり出した部分が頂部の上で間隔（開口幅Ｗａ）をあけて対向する電流狭窄窓８ａを有する第一導電型第二埋め込み層（ｎ型第二埋め込み層８）と、電流狭窄窓８ａとともにｎ型第二埋め込み層８を埋め込む、第二導電型第二クラッド層（ｐ型第二クラッド層９）と、ｎ型クラッド層２またはｐ型第一クラッド層４内に形成され、光進行方向Ｄｒにおける中間部分にλ／４位相シフト６ｑが配置された回折格子６と、を備え、光進行方向Ｄｒにおける位置に応じて電流狭窄窓８ａの光進行方向Ｄｒに垂直な断面形状（開口幅Ｗａ、厚みＤ８、あるいはそれらの組み合わせ）が変化し、電流狭窄窓８ａを介したｐ型第二クラッド層９からｐ型第一クラッド層４への電流経路の抵抗Ｒが、光進行方向Ｄｒにおけるλ／４位相シフト６ｑが配置された領域において最小となっているように構成したので、複雑な動作制御が必要なく、キャリア密度の偏りを低減して、安定した動作が可能な光半導体装置を容易に得ることができる。
とくに、実施の形態１で説明したように、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａが、光進行方向Ｄｒにおけるλ／４位相シフト６ｑが配置された領域において最大となっているように構成すれば、光強度の分布に対応した細かな制御により、キャリア密度の偏りを抑制することができる。
あるいは、実施の形態２あるいは３で説明したように、ｎ型第二埋め込み層８のリッジストライプ５の頂部に向けてせり出した部分の厚みＤ８が、光進行方向Ｄｒにおけるλ／４位相シフト６ｑが配置された領域において最小となっているように構成すれば、光強度の最大値と最小値の比が大きくついた場合にも、それを補償して、キャリア密度の偏りを抑制することができる。
また、光進行方向Ｄｒにおけるλ／４位相シフト６ｑが配置された領域の電流経路の抵抗Ｒは、その他の領域の電流経路の抵抗Ｒに対して５／１２～１０／１２倍（２．４と１．２それぞれの逆数）の範囲内であるように構成すれば、ほとんどの仕様の光半導体装置１００を最適化できる。
また、以上のように、各実施の形態にかかる光半導体装置１００の製造方法によれば、第一導電型基板（例えば、ｎ型ＩｎＰ基板１）の表面に第一導電型クラッド層（ｎ型クラッド層２）、活性層３、第一導電型の逆の導電型である第二導電型第一クラッド層（ｐ型第一クラッド層４）の順に積層して積層構造体を形成する工程と、積層構造体の両側を活性層３よりもｎ型ＩｎＰ基板１に近い位置までエッチングし、リッジストライプ５を形成する工程と、リッジストライプ５の頂部を露出して、リッジストライプ５の両側を、それぞれ半絶縁性材料をドープした埋め込み材料で埋め込み、第一埋め込み層７を形成する工程と、第一埋め込み層７からリッジストライプ５の頂部に向けてせり出し、それぞれのせり出した部分が間隔（開口幅Ｗａ）をあけて対向する電流狭窄窓８ａを有するように、リッジストライプ５の頂部の両端を除く中間部分をマスク（第一マスク２４あるいは第三マスク２６）で覆い、第一導電型第二埋め込み層（ｎ型第二埋め込み層８）を形成する工程と、第二導電型（ｐ型）の材料で、ｎ型第二埋め込み層８を電流狭窄窓８ａとともに埋め込む第二導電型第二クラッド層（ｐ型第二クラッド層９）を形成する工程と、を有し、積層構造体を形成する工程では、ｎ型クラッド層２またはｐ型第一クラッド層４内に、光進行方向Ｄｒにおける中間部分にλ／４位相シフト６ｑが配置された回折格子６が形成されており、第一導電型第二埋め込み層を形成する工程では、光進行方向Ｄｒにおけるλ／４位相シフト６ｑが配置された領域において、電流狭窄窓８ａの開口幅Ｗａが最大、および、ｎ型第二埋め込み層８のリッジストライプ５の頂部にせり出した部分の厚みＤ８が最小、の少なくとも一方の条件を満たすよう、光進行方向Ｄｒにおける位置に応じて、マスクの幅、およびマスクの使用回数の少なくとも一方を変更するように構成したので、光進行方向Ｄｒに応じた設計通りの断面形状を容易に形成し、複雑な動作制御が必要なく、キャリア密度の偏りを低減して、安定した動作が可能な光半導体装置を容易に得ることができる。
１：ｎ型ＩｎＰ基板（第一導電型基板）、 ２：ｎ型クラッド層（第一導電型クラッド層）、 ３：活性層、 ４：ｐ型第一クラッド層（第二導電型第一クラッド層）、 ５：リッジストライプ、 ６：回折格子、 ６ｑ：λ／４位相シフト、 ７：第一埋め込み層、 ８：ｎ型第二埋め込み層（第一導電型第二埋め込み層）、 ８ａ：電流狭窄窓、 ９：ｐ型第二クラッド層（第二導電型第二クラッド層）、 １０：電極、 ２４：第一マスク（マスク）、 ２５：第二マスク、 ２６：第三マスク（マスク）、 １００：光半導体装置、 １００ｆｅ：端面、 Ｄ８：厚み、 Ｄｒ：光進行方向、 Ｒ：抵抗、 Ｗａ：開口幅。

Claims (5)

  1. 第一導電型基板の表面に第一導電型クラッド層、活性層、第一導電型の逆の導電型である第二導電型第一クラッド層の順に積層されたリッジストライプと、
    前記リッジストライプの頂部を露出して、前記リッジストライプの両側のそれぞれを埋め込む第一埋め込み層と、
    前記第一埋め込み層のそれぞれを覆うとともに、前記リッジストライプの前記頂部に向けてせり出した部分が前記頂部の上で前記頂部の幅よりも狭い間隔をあけて対向する電流狭窄窓を有する第一導電型第二埋め込み層と、
    前記電流狭窄窓とともに前記第一導電型第二埋め込み層を埋め込む、第二導電型第二クラッド層と、
    前記第一導電型クラッド層または前記第二導電型第一クラッド層内に形成され、光進行方向における中間部分にλ／４位相シフトが配置された回折格子と、を備え、
    前記λ／４位相シフトが配置された領域の方が端面領域よりも前記電流狭窄窓の開口幅が広い、および前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域の方が前記端面領域よりも前記第一導電型第二埋め込み層の前記せり出した部分の厚みが薄い、の少なくとも一方の条件を満たすように前記光進行方向における位置に応じて前記電流狭窄窓の前記光進行方向に垂直な断面形状が変化し、前記電流狭窄窓を介した前記第二導電型第二クラッド層から前記第二導電型第一クラッド層への電流経路の抵抗が、前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域において最小となっていることを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記電流狭窄窓の開口幅が、前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域において最大となっていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
  3. 前記第一導電型第二埋め込み層の前記頂部に向けてせり出した部分の厚みが、前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域において最小となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
  4. 前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域の前記電流経路の抵抗は、その他の領域の前記電流経路の抵抗に対して５／１２から１０／１２倍の範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
  5. 第一導電型基板の表面に第一導電型クラッド層、活性層、第一導電型の逆の導電型である第二導電型第一クラッド層の順に積層して積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体の両側を前記活性層よりも前記第一導電型基板に近い位置までエッチングし、リッジストライプを形成する工程と、
    前記リッジストライプの頂部を露出して、前記リッジストライプの両側を、それぞれ半絶縁性材料をドープした埋め込み材料で埋め込み、第一埋め込み層を形成する工程と、
    前記第一埋め込み層から前記リッジストライプの前記頂部に向けてせり出し、それぞれのせり出した部分が前記頂部の幅よりも狭い間隔をあけて対向する電流狭窄窓を有するように、前記リッジストライプの頂部の両端を除く中間部分をマスクで覆い、第一導電型第二埋め込み層を形成する工程と、
    第二導電型の材料で、前記第一導電型第二埋め込み層を前記電流狭窄窓とともに埋め込む第二導電型第二クラッド層を形成する工程と、を有し、
    前記積層構造体を形成する工程では、前記第一導電型クラッド層または前記第二導電型第一クラッド層内に、光進行方向における中間部分にλ／４位相シフトが配置された回折格子が形成されており、
    前記第一導電型第二埋め込み層を形成する工程では、
    前記光進行方向における前記λ／４位相シフトが配置された領域において、前記電流狭窄窓の開口幅が最大、および、前記第一導電型第二埋め込み層の前記せり出した部分の厚みが最小、の少なくとも一方の条件を満たすよう、前記光進行方向における位置に応じて、前記マスクの幅、および前記マスクの使用回数の少なくとも一方を変更することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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