JPH07231144A - 光機能素子、これを含む光集積素子およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広帯域な発光特性をもち、かつ高密度に集積
化された光機能素子を提供すること。 【構成】 光機能素子は、半導体基板１と、この上に形
成された光機能層（発光層、吸収層、光導波層）とを具
備し、光機能層は多重量子井戸層６を有する。好ましく
は、基板は１〜１０μｍのリッジ幅、１〜５μｍのリッ
ジ高さ、かつ１〜１０μｍの溝幅のリッジ形状を有する
非平坦半導体基板である。このような素子は上述の特定
サイズ範囲の非平坦半導体基板に有機金属気相成長法に
より歪み多重量子井戸層を形成して作製する。光集積素
子はこのような光機能素子を上述の特定の基板上に備え
る。この特定基板上にモノリシックに形成した歪み多重
量子井戸構造の一部を有し組成の若干相違する複数の光
機能素子を機能的に組み合わせて、発光および受光機能
を有する光集積素子を作製できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信分野で利用され
る半導体光機能素子に関するものであり、より詳細に述
べれば発光または受光波長の僅かに異なる複数の光機能
素子およびその製造方法に関するものである。光機能素
子には発光素子、光導波路、受光素子、スポットサイズ
変換素子、波長変換素子、分波器、合波器などが含まれ
る。半導体発光素子はその広帯域性、高指向性を利用す
ると、光計測用光源、集積化光源、波長可変光源、光通
信用光源等への応用が挙げられる。例えば光通信の分野
ではテラビット級の大容量化を可能にする多波長集積化
光源、光計測分野ではファイバジャイロやＯＴＤＲ（Ｏ
ｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃ
ｔｏｍｅｔｒｙ）用の光源として有用である。

【０００２】さらに、本発明は、光通信や、光情報処理
および光交換等の光処理に用いられる半導体集積化光素
子に関するものである。特に半導体基板上に少なくとも
１つの送受信機能をもつ半導体素子を集積した光集積素
子およびその製造方法に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】光通信方式の高度化にともない、半導体
基板上に発光素子、光導波路、受光素子などの光機能素
子を複数配置し、多数の光通信信号を一括処理できるよ
うな光集積素子の研究が進展している。このためには、
通信波長が僅かに異なる複数の波長を処理できる光機能
素子の開発が急務であり、半導体基板上に発光波長の僅
かに異なる複数の発光素子の開発が望まれている。

【０００４】発光素子の発振波長を変化させる方法とし
ては、例えば均一な組成の結晶構造をもつ半導体多層膜
に、発振波長に応じた周期の回折格子を内蔵したＤＦＢ
（分布帰還型）レーザ、或いはＤＢＲ（ブラック反射
型）レーザを利用する方法が一般的である。しかし、こ
の方法では単一発光素子の発振可能な波長域は活性層の
発光域、即ちゲイン幅によって決まるために、波長変化
量としては１００ｎｍ程度が限界であり、また発光素子
の発振特性も波長域によって変化するものであった。

【０００５】また、半導体のバンドギャップの温度依存
性を利用して、発振波長を温度によって変化させる方法
もあるが、これは応答が遅いこと、集積化には適さない
こと、発振波長以外の発光特性も変化してしまう等の欠
点がある。

【０００６】ところで、半導体基板上に面状に配置した
複数の発光素子の発光波長特性や受光素子の波長感度特
性を僅かに変化させるためには、通常、それぞれの波長
に応じた結晶組成をもつ半導体層を作製する必要があ
り、これまでの半導体成長技術では複数回の結晶成長を
繰り返すことにより、同一基板上に結晶組成の僅かに異
なる複数の半導体層を作製していた。

【０００７】また、同一基板上に発光特性の異なる結晶
を成長する方法としてはいくつかの方法が提案されある
いは試みられているが、いずれも複数回の成長の繰り返
しを上回るような決定的に技術となっていない。

【０００８】例えば、複数の光機能素子の発光波長を僅
かに変えるために活性層の幅を僅かに変えて作製する方
法としては、半導体基板上に所定の活性層幅または導波
路幅を有する酸化膜や窒化膜からなるストライプマスク
を予め配置し、このストライプマスクの間に結晶成長す
る方法（通常、マスク選択成長法と称される。青木他、
応用電子物性分科会研究報告Ｎｏ．４４５，ｐ９−１
４）がある。

【０００９】図１（Ａ）〜（Ｃ）は、このマスク選択成
長法の説明図であり、図１（Ａ）は、平坦状の半導体基
板１に所定の寸法を有するストライプ状の酸化膜または
窒化膜２ａを形成した場合で、この後で、半導体多層膜
を結晶成長させるものである。Ｗｍは各ストライプの幅
であり、Ｗｇは２つのストライプ２ａの間のギャップの
幅である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の半導体基
板上にバッファ層５、活性層幅或いは導波路層６、クラ
ッド層７、コンタクト層１０からなる半導体多層膜をマ
スク２ａ以外の領域に成長してリッジ３とその両側に溝
４を形成するものである。図１（Ｃ）は、この成長によ
り作製されたＩｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ（λ
ｇ＝１．１５μｍ）系結晶のマスク幅Ｗｍと発光波長の
関係を溝幅Ｗｇをパラメータとして示した特性例であ
る。

【００１０】発光波長のシフト量は、マスク幅Ｗｍの増
大と共に大きくなり、ギャップ幅Ｗｇが小さくなると共
に増大する。その理由は、原料がマスク上からギャップ
に拡散するために成長速度の変化が起こり、ギャップ上
に形成されるメサ上の各半導体層、とくに量子井戸層の
厚さの変化が発光特性の変化となるためである。

【００１１】しかし、この結晶成長法ではマスクからの
不純物の拡散等のようなマスクの影響が避けられず、マ
スクのない場合と比較した結晶性は必ずしも良好とは言
えない。また、プロセスの進行過程で結晶成長後にマス
クの除去が必要で、プロセスが煩雑になるなどの欠点を
有する。

【００１２】また、１００ｎｍ程度の波長シフトを起こ
すためには、横方向に１００μｍ程度のマスクの広がり
を必要とするので、数μｍ程度の微小領域における集積
化への適用はできない。なお、大きく波長を変化させる
とキャビティ方向での発光層の縦方向の位置がずれるた
め、光結合が悪くなる。

【００１３】一方、マスクを使用しないで活性層の結晶
組成を僅かに変えて発光特性を変化させる方法として
は、有機金属分子線エピタキシ法（ＭＯＭＢＥ法）を利
用して、結晶成長中にレーザ光を照射することにより、
発光特性を変化させる方法（山田他、応用電子物性分科
研究会報告Ｎｏ．４４５，Ｐ．２７−３２）がある。し
かし、この方法では特定の高額な装置を使用しなければ
ならないこと、広範囲に複数の組成を変化させた結晶を
作製できないこと等の欠点がある。

【００１４】次に、半導体基板に予めリッジを形成し、
この上に半導体層を成長させた発光素子について述べ
る。

【００１５】予めリッジ幅の僅かに変化させた複数のリ
ッジ形状を有する半導体基板を用いて、このリッジ基板
上に分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により歪み量子井戸
の活性層を形成した発光素子を作製し、発光波長の僅か
に異なる複数の発光素子が実現できることが報告されて
いる（特開平４−３０５９９１号）。

【００１６】しかし、この方法は歪み量子井戸のエキシ
トン遷移エネルギを利用したもので、リッジ幅を２μ
ｍ，３μｍ，５μｍ，８μｍとした場合に、発光波長は
１．５２μｍ，１．５３μｍ，１．５４μｍ，１．５５
μｍに変化するが、変化量が小さいためリッジ幅だけに
よる波長シフト量の制御性は高くない。

【００１７】リッジ幅とリッジ溝幅を変化させて多波長
レーザを作製する方法が報告されているが（特開平４−
３６４０８４号）、活性層の厚さを変えて発光波長を変
えるものである。また、リッジの両側に幅の異なる２種
類の溝を有する基板上に、有機金属気相成長法で半導体
層を形成した発光素子が報告されているが（特開平４−
２０６９８２号）、これはレーザ端部にバンドギャップ
の大きい半導体層を形成し、いわゆる窓構造のレーザで
端面の劣化の防止と高出力化をめざしたものである。

【００１８】さらに、縦方向に組成の異なるものを成長
させることにより、発光特性の広帯域化をはかる方法と
しては機能性スーパールミネスセントダイオードがある
（電子情報通信学会ＯＱＥ９１−８３（１９９１）、野
口等）。この機能性スーパールミネスセントダイオード
は、組成の異なる発光部分を２回の結晶成長でそれぞれ
作製するので、結晶成長の煩雑さに加えて、両方の発光
部分の間の成長面をロスの小さなものにするための成長
の工夫も要求される。

【００１９】ましては３種類以上の発光領域の異なるも
のを作製することは原理的には可能であるが、結晶成
長、加工プロセスの面から、非常に高度な技術が要求さ
れる。したがってこれまでに３種類以上の組成の異なる
ものを縦方向に集積した発光素子の例はほとんどない。

【００２０】従来は光通信における各端末の光増幅器付
き送受信器は、分波器、ＬＤ、ＰＤ等のバルク材料を組
み合わせたものが大半であり、また、石英等で形成され
た導波路と半導体で形成されたレーザ、光検出器をハン
ダ等で接続したり、ファイバなどで結合させたりしたも
のがある。また、一枚の半導体基板上に、必要な半導体
部品を集積したものがある。

【００２１】しかしながら、上記バルク材料で構成した
ものおよび石英導波路で構成したものにおいては、空間
を介してそれぞれのコンポーネントを結合する等のため
サイズが大きくなり、調整が煩雑になると共に製造工程
が複雑になり、しかも大量生産に不向き等の問題点があ
った。また、結合性に問題にも問題があった。半導体集
積回路の場合には、様々なバンドギャップを有する半導
体を一枚の半導体基板の上に作らなければならないた
め、一度成長した結晶の一部を取り除き、再び違う組成
の半導体を結晶成長させるなど製造工程が複雑になり、
非常に高度な技術を要するので現状では個々の部品をハ
イブリッドに結合するものに代わりうる技術とはなり得
ない。

【００２２】一方、個別の半導体光素子を集積化するこ
とは、光通信および光情報処理システムの高性能化、高
機能化、経済化のためにも必須の技術である。半導体光
素子の集積化においては、個別の半導体光素子は、ガラ
ス光回路あるいは光ファイバで結ばれる。複数の素子を
同一の半導体基板上にモノリシックに集積する場合で
も、この集積素子への光信号の入出力は、ガラス光回路
あるいは光ファイバを介して行われる。

【００２３】光素子の集積は、電子素子の集積とは異な
り、素子間の光の受渡しの再の結合損が問題である。こ
れは、もっぱら半導体素子側の光スポットサイズが、こ
れに接続されるガラス光回路あるいは光ファイバ側のス
ポットサイズより小さいことが原因である。これを回避
し、さらに接続の許容誤差を緩くするために、半導体素
子側の小さなスポットサイズをガラスあるいは光ファイ
バ側の大きなスポットサイズに変換する素子が考案され
ている。

【００２４】光素子のスポットサイズ変換を光導波路に
より行う場合には、導波路コアの厚さ、幅、クラッドと
の屈折率差の少なくとも一つが、光の導波方向に沿って
変化した構造を形成しなければならない。半導体導波路
構造の製作は、通常、エピタキシャル成長層をドライエ
ッチング等の手法で加工し、さらにエピタキシャル再成
長を行って形成する。したがって、光導波路により光素
子のスポットサイズ変換を実現するためには、プロセス
工程が複雑であり、プロセス中の界面劣化、不純物混入
等の製造上の問題点を抱えていた。

【００２５】図２に現行技術の例として、エレクトロニ
クスレターズ２８巻７号６３１ぺージ（ＥＬＥＣＴＲＯ
ＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ２６ｔｈ Ｍａｒｃｈ １
９９２ ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．７ ｐ６３１）に記載さ
れているスポットサイズ変換器を示す。このスポットサ
イズ変換器は、３つの部分Ｉ，IIおよびIII から構成さ
れている。第１の部分Ｉには、チップ自身上に光学的結
合するための小スポット導波路を含んでいる。第２の部
分IIでは、二つのテーパ状の層によってスポットサイズ
変換が行なわれるようになっており、上層の導波路６_U
の幅は、一端に向かって直線的に減少して尖頭状の端部
になっており、他方、下層導波路６_L の幅は、第３の部
分III の出力導波路の幅にまで拡幅している。

【００２６】このスポットサイズ変換器は、半絶縁Ｉｎ
Ｐウエハ１ａを基板とし、その上にＩｎＰバッファ層５
を有機金属気相エピタキシャル成長により形成し、つづ
いて、前記二つのテーパ状導波路６_U ，６_L を形成する
ための二つの層がエピタキシャル成長により形成され
る。下層６_L および上層６_U は、それぞれ異なるバンド
ギャップのＩｎＧａＡｓＰから構成され、これらの層
は、２工程のドライエッチングによって、それぞれテー
パ状に成形される。その後、これらの二つの層６_U，６_L
上に有機金属気相エピタキシャル成長によりＩｎＰ層
７ａが形成される。

【００２７】前記したように、このスポットサイズ交換
器の製作には、最低でも２回のエピタキシャル成長工程
と２回のエッチング工程が必要であり、製造工程は煩雑
となる問題がある。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は第１の目的は
光機能素子、特にリッジ上の結晶成長を利用して広帯域
な発光特性をもち、かつ高密度に集積化された半導体発
光素子を提供することである。

【００２９】本発明の第２の目的はそのような光機能素
子を半導体基板上に有する光素子を提供することであ
る。

【００３０】本発明の第３の目的は上述の光機能素子の
製造方法を提供することである。

【００３１】本発明の第４の目的は上述の光素子の製造
方法を提供することである。

【００３２】本発明の第５の目的は半導体発光素子の発
振波長の制御（選定）方法を提供することである。

【００３３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、半導体基板と、該半導体基
板上に形成された光機能層であって発光層、吸収層およ
び光導波層から選ばれる光機能層とを具備する光機能素
子において、前記光機能層は多重量子井戸層を有し、前
記半導体基板１μｍから１０μｍのリッジ幅で、１μｍ
から５μｍのリッジ高さで、かつ１μｍから１０μｍの
溝幅のリッジ形状を有する非平坦半導体基板であること
を特徴とする。

【００３４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の光
機能素子において、前記リッジの上面ないし側面に回折
格子を有することを特徴とする。

【００３５】請求項３記載の発明は、リッジ形状を有す
る半導体基板と、該半導体上に形成された光機能層であ
って発光層、吸収層および光導波層から選ばれる光機能
層とを具備し、前記光機能層の活性層は多重量子井戸構
造を有し、前記活性層の前記リッジ上の部分の組成が前
記リッジ以外の活性層の部分の組成と異なり、前記リッ
ジの上面ないし側面に回折格子を有することを特徴とす
る。

【００３６】請求項４記載の発明は、請求項１記載の光
機能素子において、前記リッジ幅は１μｍから５μｍま
でであり、かつキャビティ方向に数種類の異なった組成
の結晶を成長してなり、前記キャビティ方向に一連に変
化した発光ないし受光特性を有することを特徴とする。

【００３７】請求項５記載の発明は、請求項４記載の光
機能素子において、前記リッジの上部に組成に応じた回
折格子を有し、単一の出射面から複数の単一光を発光す
るないしは決められた波長より短波長側の光を受光する
ことを特徴とする。

【００３８】請求項６記載の発明は、請求項４記載の光
機能素子において、前記リッジ内に光のガイド層を有す
ることを特徴する光機能素子。

【００３９】請求項７記載の発明は、請求項１記載の光
機能素子において、前記リッジ幅は１μｍから５μｍま
でであり、かつ前記リッジ形状は、リッジ幅、リッジ高
さ、ないしは溝幅を横方向に一連に変化させてなり、該
前記横方向に一連に変化した発光ないし受光特性を有す
ることを特徴とする。

【００４０】請求項８記載の発明は、請求項７記載の光
機能素子において、前記リッジの上部に組成に応じた回
折格子を有し、並列方向に単一光を発光するないしは決
められた波長より短波長側の光を受光することを特徴と
する。

【００４１】請求項９記載の発明は、請求項１記載の光
機能素子において、前記光機能層が半導体発光層であ
り、かつ前記半導体基板の溝部に前記基板と異なる導電
型を有する半導体薄層膜を形成してなることを特徴とす
る。

【００４２】請求項１０記載の発明は、請求項１記載の
光機能素子において、前記光機能層は半導体発光層であ
り、かつ前記非平坦半導体基板は前記発光層のリッジ形
状が逆メサ構造の非平坦半導体基板であることを特徴と
する。

【００４３】請求項１１記載の発明は、請求項１記載の
光機能素子において、前記光機能層は半導体発光層であ
り、かつ前記非平坦半導体基板は該基板上に半導体薄膜
バッファ層を形成してなるものであることを特徴とす
る。

【００４４】請求項１２記載の発明は、リッジ形状を有
する非平坦半導体基板と、該半導体基板上に配置された
発光素子または受光素子から選ばれた複数個の光機能素
子とを具備し、それぞれの光機能素子の特性を機能的に
組み合わせた光集積素子において、前記光機能素子はモ
ノリシックに形成された歪み多重量子井戸層の一部分を
それぞれ有してなり、かつ前記複数個の光機能素子の少
なくとも一部の個数の光機能素子は前記多重量子井戸層
の組成が異なっていることを特徴とする。

【００４５】請求項１３記載の発明は、請求項１２記載
の光集積素子において、前記非平坦半導体基板は１μｍ
から１０μｍのリッジ幅で、１μｍから５μｍのリッジ
高さで、かつ１μｍから１０μｍの溝幅のリッジ形状を
有するものであることを特徴とする。

【００４６】請求項１４記載の発明は、請求項１２記載
の光集積素子において、前記非平坦半導体基板の前記リ
ッジ上の上面ないし側面に回折格子を有することを特徴
とする。

【００４７】請求項１５記載の発明は、請求項１４記載
の光集積素子において、前記回折格子はその位置に応じ
て変化した周期を有することを特徴とする。

【００４８】請求項１６記載の発明は、リッジ形状を有
する非平坦半導体基板と、該半導体基板上に並列に配設
された発光部および受光部と、該発光部と受光部を光学
的に結合する、同一の入出力部を有する半導体導波路と
を具備し、それぞれの光機能素子の特性を機能的に組み
合わせた光集積素子において、前記発光部は、第一の波
長の光を発光する発光素子と前記発光素子の出力を検出
する受光素子とを有し、前記受光部は、第一の波長の光
を検出する受光素子と第一の波長の光を吸収する波長フ
ィルタと第二の波長の光を検出する受光素子とを有し、
前記同一の入出力部において伝搬される波長の異なる二
つの光を、発光および受光する機能を有することを特徴
とする。

【００４９】請求項１７記載の発明は、リッジ形状を有
する非平坦半導体基板と、該半導体基板上に並列に配設
された発光機能と受光機能を有する発光部と、受光機能
を有する受光部と、前記発光部と受光部を光学的に結合
する半導体光導波路とを具備し、前記発光部は、第一の
波長の光を発光する発光素子と回折格子を有する反射器
を備えて発光機能を有するとともに第一の波長の光を受
光する機能を有し、前記受光部は、第一の波長の光を吸
収する波長フィルタと第二の波長を有する光を検出する
受光素子を備えて受光機能を有し、前記発光部の一部に
おいて伝搬する波長の異なる二つの光を、発光および受
光する機能を有することを特徴とする。

【００５０】請求項１８記載の発明は、リッジ形状を有
する非平坦半導体基板と、該半導体基板上に配置された
光導波路と、該光導波路上に形成された多重量子井戸構
造を有する量子井戸層と、該量子井戸層を埋め込む上層
を具備し、前記リッジ状光導波路の寸法がその一端側か
ら他端側にかけて変化され、それにより、前記リッジ状
光導波路のいったん側から他端側にかけて前記量子井戸
層の組成または厚みが変化し、前記リッジ状導波路を伝
搬する光波のスポットサイズが変換されていることを特
徴とする。

【００５１】請求項１９記載の発明は、下記の工程を具
備したことを特徴とする発光層、吸収層あるいは光導波
層を有する光機能素子の製造方法：リッジ形状半導体基
板であって、リッジ幅が１μｍから１０μｍ、リッジ高
さが１μｍから５μｍ、かつ溝幅が１μｍから１０μｍ
である非平坦半導体基板を用意し、かつ有機金属気相成
長法により前記非平坦半導体基板上に歪み多重量子井戸
層を形成する。

【００５２】請求項２０記載の発明は、請求項１９記載
の光機能素子の製造方法において、前記非平坦半導体基
板は、平坦半導体基板を該基板と異なる組成の半導体保
護膜薄層を形成した後に非平坦化することにより得られ
たものであることを特徴とする。

【００５３】請求項２１記載の発明は、半導体基板と、
該半導体基板上に形成された光機能層であって発光層、
吸収層および非導波層から選ばれた光機能層とを具備す
る光機能素子の光学的特性制御方法において、前記半導
体基板として１μｍから１０μｍのリッジ幅、１μｍか
ら５μｍのリッジ高さ、および１μｍから１０μｍの溝
幅の範囲内で選択されるリッジ形状を有する非平坦半導
体基板を使用し、有機金属気相成長法により前記非平坦
半導体基板上に多重量子井戸構造形成して前記光機能層
を形成し、それにより前記リッジ上に形成される多重量
子井戸構造の組成を変えることにより光学的特性を変え
ることを特徴とする。

【００５４】請求項２２記載の発明は、請求項２１記載
の光機能素子の光学的特性制御方法において、前記光学
的特性が前記量子井戸構造のバンドギャップないし屈折
率であり、前記リッジ幅、リッジ高さおよび溝幅の少な
くとも一つを前記リッジ上導波路の一端側から他端側に
かけて変化させたことを特徴とする。

【００５５】請求項２３記載の発明は、請求項２１記載
の光機能素子の光学的特性制御方法において、前記光学
的特性が前記光機能素子の発光ないし受光特性であり、
前記リッジ幅、リッジ高サイズおよび溝幅の少なくとも
一つを縦方向に一連に変化させ、それによりキャビティ
方向で前記発光ないし受光特性を変化させることを特徴
とする。

【００５６】請求項２４記載の発明は、請求項２１記載
の光機能素子の光学的特性制御方法において、前記光学
的特性が前記光機能素子の発光ないし受光特性であり、
前記リッジ幅、リッジ高さおよび溝幅の少なくとも一つ
を横方向に一連に変化させてアレイ状光機能素子を形成
し、それにより横方向に前記発光ないし受光特性を変化
させることを特徴とする。

【００５７】

【作用】本発明は、基本的には、リッジ形状を有する基
板上に歪多重量子井戸層を形成し、リッジ形状に応じて
多重量子井戸層の組成が変化することを利用して作製さ
れた発光素子、受光素子等の光機能素子に関し、さらに
そのような光機能素子を半導体基板上に複数個配置して
それぞれの素子の特性を機能的に組み合わせた集積素
子，光素子に関する。

【００５８】第１の実施態様に従えば、本発明は、半導
体基板上に予め形成するリッジ形状の幅および隣接する
リッジとの間隔（溝幅）およびリッジの高さを所定の範
囲に設定し、有機金属気相成長（以後、ＭＯＶＰＥと称
する）法により活性層を歪み多重量子井戸（ＭＱＷ）構
造からなる半導体多層膜を形成するものである。

【００５９】予めリッジの幅、リッジの間隔およびリッ
ジの高さが設定された半導体基板上にＭＯＶＰＥ法によ
り歪み多重量子井戸構造の半導体多層薄膜を形成する
と、結晶成長の固有の特性により、結晶面による半導体
構成元素の移動速度に差を生じ、リッジ上での歪み多重
量子井戸多層膜の組成が僅かながら変化を生じる。この
ため、複数のリッジの上に活性層の厚さと組成が僅かに
異なる光機能素子が形成でき、その発行波長特性は広い
範囲で制御することができる。

【００６０】この発行波長特性の制御においては、特に
溝幅を変化させた際の主要因は、量子井戸層の組成の変
化によるものである。図３は、Ｉｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ／Ｉ
ｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）系におけるＧａの組
成ｘと発光特性との関係を、量子井戸層の厚さをパラメ
ータとして理論的に計算した結果を示したものである。
ＭＯＶＰＥ法によるリッジ上への量子井戸層の膜厚の変
化は、溝幅が１μｍから１０μｍへの変化に対して、い
ずれのリッジ幅でも１０％以下であることから、発光波
長の変化は主として量子井戸構造の組成の変化によるも
のである。

【００６１】例えば、図３において量子井戸層の厚さが
３０Åの場合は、Ｇａの組成が０．５７から０．３５に
約４０％減少すると、矢印Ａで示すように、発光波長は
１．３μｍから１．５５μｍに変化する。この組成の減
少量は、結晶面上でのＩｎとＧａの移動速度の違いか、
或いは違いを顕在化させる面のリッジ上の結晶成長面の
割合等を考慮すると妥当な変化量である。

【００６２】一方、従来の技術で挙げたマスク選択成長
法では発光波長の変化は、図３中で矢印Ｂに示すよう
に、組成の変化よりも量子井戸層の膜厚の変化によるみ
ものである。

【００６３】上記の場合、キャビティ方向に数種類の異
なった結晶を成長することによって同一出射面から広い
波長範囲で発光する素子を得ることができる。この場
合、半導体基板上に形成する溝の幅１μｍ以上、好まし
くは１〜１０μｍに対して、２個のこのような２つの溝
の間に形成されるリッジの幅は１μ以上、好ましくは１
〜５μｍ、高さは１〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍが
適当である。上述のリッジ内には光のガイド層を設ける
のが好ましい。

【００６４】この成長方法では、溝の大きさ、リッジの
大きさにより組成を制御することができ、その結果、発
光波長を約３００ｎｍ以上と大幅に制御することができ
る。

【００６５】図４（Ａ）はこのような製造方法による半
導体発光素子の構造の一例を示したものである。半導体
発光素子には発光ダイオード（ＬＥＤ）とレーザダイオ
ード（ＬＤ）とが含まれる。図４（Ａ）中、符号１はｎ
−ＩｎＰ基板、６は発光層（例えばＩｎＧａＡｓＰ／Ｉ
ｎＧａＡｓよりなる歪ＭＱＷ層）、６ａは溝部ＭＱＷ
層、７はｐ−ＩｎＰクラッド層、８はｎ−ＩｎＰ埋め込
み層、９はｐ−ＩｎＰ層、１０はコンタクト層を各々図
示する。

【００６６】しかしながら、このような製造方法による
半導体発光素子の特性をさらに向上させるには２つの問
題点を解決することが必要である。

【００６７】具体的には、例えばリッジ幅１．５μｍ、
溝幅２μｍ、溝の高さ２μｍの非平坦半導体基板１上
に、平坦部の発光波長特性が１．３５μｍ帯の組成にな
るように結晶成長を行った場合、リッジ上発光部６の組
成は１．５５μｍ帯となり、溝部ＭＱＷ層６ａの組成は
１．３μｍ帯となる。同様の形状で平坦部の発光波長特
性が１．４５μｍ帯および１．５５μｍ帯の組成に対し
ては、リッジ上発光部６の組成は１．５５μｍ帯付近で
あまり変化しないが、溝部ＭＱＷ層６ａの組成は１．４
μｍ帯および１．５μｍ帯となる。

【００６８】このようにリッジ上発光部の組成が１．５
５μｍ帯で一定であるのに対して、溝部の組成が変化す
ることになっている。

【００６９】このような半導体発光素子の発光特性を計
算機シミュレーションで分析すると次のような結果とな
る。すなわち溝部ＭＱＷ層６ａの組成が発光部組成に近
いほど両部分の垂直方向のポテンシャル差が小さくなる
ことによって溝部への電流の漏れが大きくなり、しきい
値電流値が増大することである。

【００７０】図４（Ｂ）はリッジ幅が１．５μｍ、溝幅
２μｍ、溝の深さが２μｍの場合で、溝部の多重量子井
戸層の組成を１．３μｍ、１．４μｍ、１．５μｍと各
々設定した場合の簡単なモデルによるシミュレーション
結果の一例であり、図４（Ａ）の構造における溝部ＭＱ
Ｗ層の組成を変化させたときの注入電流に対する光出力
の発光特性を示したものである。図４（Ｂ）中で実線は
結晶が欠陥の無い理想的な場合であり、破線は結晶性が
不十分な場合であり、１ｃｍ³ あたり１０¹²個の欠陥が
ある場合を示した。

【００７１】図４（Ｂ）に示すように、第一の問題点は
溝部のＭＱＷ層の組成により発光素子の注入電流しきい
値が大幅に変化することである。第二の問題点は、発光
特性が結晶性により変化し、現状の技術による発光特性
が点線に近いものと考えられる。このような発光特性を
向上するためには、注入電流しきい値の均一化と結晶性
を改善させる必要がある。

【００７２】結晶性は結晶成長時の条件にもよるが、下
地となる非平坦半導体基板のパタン作製時に生じるダメ
ージにも大きく依存するものである。ドライプロセスで
作製した非平坦半導体基板上に直接発光部の結晶成長を
行うと結晶性が低下することにより、現状の発光特性と
なっているものである。現状の素子の特性をさらに向上
させるためには成長前の処理を含めた非平坦半導体基板
のダメージを低下させる必要がある。

【００７３】本発明の半導体発光素子は、前記溝部に基
板と異なる導電型を有する半導体薄層膜が形成してなる
ことが好ましい。

【００７４】また、前記発光層のリッジ形状は逆メサ構
造の非平坦半導体基板であることが好ましい。

【００７５】さらに、非平坦半導体基板上に半導体薄膜
バッファ層が形成してなることが好ましい。

【００７６】また、前記半導体発光素子の製造方法は、
平坦半導体基板上に基板と異なる組成の半導体保護薄膜
層を形成した後に、非平坦半導体基板を形成するもので
ある。

【００７７】具体的には、所定の非平坦半導体基板上に
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により歪多重量子井
戸（ＭＱＷ）構造の半導体発光素子において、半導体電
流ブロック薄膜層の導入、半導体バッファ薄膜層の形成
ならびに逆メサリッジ構造を導入するものである。

【００７８】半導体電流ブロック薄膜層の導入、半導体
バッファ薄膜層の形成、逆メサリッジ構造の導入による
非平坦半導体基板上への歪多重量子井戸薄膜の形成によ
り、結晶性が高く、注入効率の高い半導体発光素子の作
製が可能となり、パターン形状による組成の制御による
発光波長特性の制御とともに多用な波長シフト量の制御
ができるため、より高度な半導体発光素子を実現でき
る。

【００７９】本発明の第２の実施態様に従う光集積回路
は、半導体発光素子（ＬＤ）、半導体光検出素子（Ｐ
Ｄ）、その検出波長より長い波長の光を検出する半導体
光検出素子、両光検出素子間に配置された波長フィルタ
を光導波路を介して結合して集積化したものであり、こ
れを１波長の送信素子、２波長の光検出素子として働か
せることができる。

【００８０】本発明の光集積回路は、好ましくは、２本
の溝の間にできるリッジ上に半導体多層膜を形成する。
これにより、リッジ幅、溝幅、溝深さによって、多層膜
の実効的なバンドギャップが変化する。これを利用し
て、同一基板上に発光層ないし吸収層ないし光導波路層
を形成する。

【００８１】まず、本発明において好適に使用されるリ
ッジの形成および、その上の結晶成長および成長した多
層膜のバンドギャップ変化について説明する。

【００８２】図５（Ａ）に示すように、平坦基板上１に
酸化膜あるいは窒化膜２をパタン形成した後、塩素等の
反応性ガスイオンによるドライエッチングあるいは、塩
酸系を用いたウエットエッチングにより、両側に溝４を
持つ図５（Ｃ）のようなリッジ（あるいは、メサ）３を
形成する。メサ方向は通常の半導体レーザの作製と同じ
で（１００）基板上では＜０１１＞方向（いわゆる逆メ
サ方向）とする。リッジの形成方法としては、他に選択
成長を利用する方法もある。この場合、初めてのマスク
パターンは、エッチングの場合と異なり、溝４となる部
分が図５（Ｂ）に示したように絶縁膜２ａとなる。この
選択成長の方法でも図５（Ｃ）のようなリッジが形成さ
れる。図５（Ｃ）において、リッジ幅ｄｗと溝幅ｄｇは
メサ上部の距離で決定し、メサの高さｈは、メサ上部と
溝底部の平坦面の差とする。このようにして形成したリ
ッジをもつ非平坦基板上にＭＯＶＰＥ法により半導体多
層膜（多重量子井戸構造）を成長する。

【００８３】上記の方法で成長した多重量子井戸構造で
は、リッジ幅、溝幅、リッジ高さに依存して量子井戸構
造の組成が変化しそのバンドギャップの波長が変化す
る。図６（Ａ）は、高さが２μｍで、１，２，３，４，
５μｍの５種類の幅を持つリッジに対して溝幅を１〜１
０μｍまで変化させた時のリッジ上の多重量子井戸構造
のバンドギャップ波長を、平坦な領域に同時に成長した
多重量子井戸構造のそれからのシフト量で表したグラフ
である。図６（Ｂ）ではリッジ幅を一定にし、高さを
１，２、１．６、２．０μｍの３種類で溝幅を一連に変
化させたときのシフトの結果を示した。図６（Ａ）およ
び（Ｂ）に示すように、非平坦基板上に多重量子井戸構
造を成長することにより、最大３００ｎｍまでの波長シ
フトが実現できる。バンドギャップ波長はリッジ幅が狭
いほど、溝幅が狭いほど、長波長側にシフトする。

【００８４】多重量子井戸構造としては、ＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ，Ｉｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｌＡｓ等のどの系を用いてもよい。

【００８５】本発明の第３の実施態様に従うスポットサ
イズ交換形の光素子は、基板上に形成するリッジ状構造
の形状によって、その上に成長させるエピタキシャル膜
の組成、厚さを変化させ得ることを利用したものであ
る。エピタキシャル膜の組成、厚さが変化すると、バン
ドギャップ波長、屈折率が変化する。

【００８６】なお、本発明では、リッジ状導波路は溝部
とリッジとから構成され、これら溝部およびリッジを有
すると解釈している。したがって、本発明でリッジ状導
波路の寸法と言う場合、リッジの幅、高さ寸法ばかりで
なく、溝部の幅寸法をも含む。

【００８７】エピタキシャル層として、１７ÅのＩｎＧ
ａＡｓ層と波長１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ層１５
０Åとからなる量子井戸構造を成長させた場合につい
て、ＰＬ（フォトルミネッセンス）波長の変化を図７お
よび図８に示す。図７はリッジ高さｈを２．０μｍとし
たときの波長シフト量の溝幅ｄｇへの依存性をリッジ幅
ｄｗをパラメータとして示したものである。また、図８
は同じ依存性を溝幅ｄｇを２．０μｍに固定してリッジ
高さｈをパラメータとして示したものである。リッジ構
造のない平坦な基板上でのＰＬ発光波長は、約１．２７
μｍである。図７および図８は、リッジ構造寸法を光の
導波方向に変化させておけば、これを基板として成長し
たエピタキシャル層は、光の導波方向に沿ってバンドギ
ャップ波長が変化し、これとともに屈折率も変化するこ
とを示している。したがって、この層をコアとする導波
路を形成することにより、導波路の両端面においてコア
とクラッドの屈折率分布を変化させることができ、その
結果、スポットサイズの異なる導波路を有する光素子が
容易に実現できる。

【００８８】

【実施例】以下、本発明について、図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。

【００８９】（実施例１）発光素子 本実施例は、リッジ幅、リッジの間隔（溝幅）およびリ
ッジの高さを変化させた表面が非平坦であるＩｎＰ基板
上に、ＭＯＶＰＥ法で結晶成長を行い、発光波長領域と
して１．３μｍ〜１．６５μｍ付近で発光する発光素子
（発光ダイオード、ＬＥＤ、およびレーザダイオード、
ＬＤ）に関するものである。

【００９０】図９（Ａ）〜図９（Ｆ）は、本実施例の発
光素子の製造工程を示したものである。

【００９１】先ず、図９（Ａ）に示すように、ＩｎＰ基
板１上に酸化膜若しくは窒化膜２による所定のリッジ寸
法を有するマスクパターンを形成する。

【００９２】次に、図９（Ｂ）に示すように、塩素、臭
素等のハロゲン系やメタン、エタン等の単価水素等の反
応性ガスイオンによるドライエッチング、或いはＡｒ等
の不活性ガスイオンによるミリング、或いは塩素系、硫
酸系、臭素系等を用いたウェットエッチングにより、リ
ッジ３を形成するための溝４を形成する。リッジ３の形
成方位は、ＩｎＰ（１００）基板上では＜０１１＞方向
（いわゆる逆メサ方向）とする。後述するように、経験
的にはこの方向がシフト量も最も大きい。

【００９３】なお、リッジ３の形成法としては選択成長
を利用する方法もあり、この場合はマスクパターンはエ
ッチングの場合と反転の関係になり、図９（Ｂ）に示す
ように、溝となる部分が絶縁膜となる。この方法でも、
図９（Ｃ）のようなリッジ３が形成される。なお、予め
半導体基板に後述するＭＯＶＰＥ法により、膜厚約１０
００ÅのＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層を結晶成長さ
せた後、図９（Ｃ）に示すようなリッジ形状の非平坦基
板を形成しても良い。この場合は、光機能素子の設計の
自由度が増える。図９（Ｃ）において、リッジ幅ｄｗと
溝幅ｄｇはリッジ形状が垂直でない場合も考慮して、リ
ッジ上部の距離で測定し、リッジ３の高さｈはリッジ上
部と溝底部の平坦面の差とした。

【００９４】引続き、図９（Ｄ）に示すように、リッジ
３を形成した表面が非平坦なＩｎＰ基板１上にＭＯＶＰ
Ｅ法によりレーザ構造の半導体多層膜５，６，７を成長
させる。

【００９５】半導体多層膜５，６，７の成長は、減圧縦
型ＭＯＶＰＥ成長炉を用い、圧力が７０Ｔｏｒｒ、成長
温度が６３０℃である。原料は、ＴＭＩ（トリメチルイ
ンジュウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ
₃ （アルシン）、ＰＨ₃ （フォスフィン）を使用した。

【００９６】半導体多層膜は、ｎ−ＩｎＰバッファ層
５、４〜６周期の１７ÅのＩｎＧａＡｓ／１５０ÅのＩ
ｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）歪みＭＱＷ発光層お
よびＩｎＧａＡｓＰ光導波層６、ｐ−ＩｎＰクラッド層
７から構成される。

【００９７】さらに、リッジ上部をマスクし、図９
（Ｅ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層８を成長
後、マスクを除去して全面にｐ−ＩｎＰの埋め込み部９
およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト部１０を成長し
た。成長温度やドーピング量等のような成長条件、或い
はリッジ幅ｄｗを制御することにより、図９（Ｄ）と図
９（Ｅ）の成長を一貫して行うこともできる。

【００９８】最後に、図９（Ｆ）に示すように、リッジ
上の最上層多層膜であるｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト
部１０にｐ型電極１１を、ＩｎＰ基板１にｎ型電極１２
を形成し、アロイ化した後、劈開ないしは電極分離して
素子化する。電流注入により、矢印方向にレーザ発光が
得られる。

【００９９】以上の製造工程でＩｎＰ基板上に埋め込み
型の発光素子が実現できる。発光素子に電流を注入する
とリッジ３の端面からレーザ発光が観測される。

【０１００】本発明によるリッジ形状上への発光素子の
発光特性と、従来技術により平板基板上への発光素子の
発光特性との差異を比較するために、図１０（Ａ）〜
（Ｃ）に本発明の特性を示した。

【０１０１】図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、リッジ形状基板
に形成した引っ張り歪みが０．５％入った井戸層の厚さ
１７ÅのＩｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝
１．１μｍ）よりなる量子井戸層の発光波長のシフト量
を示したものである。尚、平坦な基板上に本発明と同様
に歪み量子井戸層を結晶成長した後、所定の活性層幅を
ドライエッチングで形成し、再度、半導体薄膜層で埋め
込んだ発光素子の発光波長は１．２７μｍである。

【０１０２】図１０（Ａ）は、リッジの高さｈを２μｍ
と一定として、リッジ幅ｄｗを１μｍから６μｍまで変
化させた時の発光波長の変化量との関係について、溝幅
ｄｇをパラメータとした特性を示したものである。図１
０（Ａ）からわかるように、溝幅ｄｇが３μｍ以下では
リッジ幅ｄｗに対して発光波長のシフト量が顕著に増加
している。リッジ幅ｄｗが４μｍ以上では、発光波長の
シフト量はきわめて少ない。

【０１０３】図１０（Ｂ）は、リッジの高さｈを２μｍ
と一定として、溝幅ｄｇを１μｍから１０μｍまで変化
させた時の発光波長の変化量との関係について、リッジ
幅ｄｗをパラメータとした特性を示したものである。図
からわかるように、リッジ幅ｄｗが２μｍ以下では、溝
幅ｄｇの変化に対して発光波長のシフト量が大幅に変化
し、とくに溝幅ｄｇが６μｍ以下で顕著である。

【０１０４】図１０（Ｃ）は、溝幅ｄｇを１．５μｍと
一定として、リッジの高さｈを１．２μｍから２．２μ
ｍまで変化させた時の発光波長の変化量との関係につい
て、リッジ幅ｄｗをパラメータとした特性を示したもの
である。発光波長のシフト量はリッジの高さｈに対して
も顕著であることがわかる。即ち、図１０（Ａ）〜
（Ｃ）の特性から、リッジ幅ｄｗ、高さｈ、溝幅ｄｇを
１０μｍ以下の微小な寸法では、発光波長の変化量がき
わめて大きく、しかも、リッジなどの加工技術により発
光波長が制御できることを示している。また、発光特性
はリッジ幅ｄｗが狭いほど、また溝幅ｄｇも狭いほど、
長波長側にシフトする。平板上の成長を利用した従来技
術による発光波長は１．２７μｍであり、本発明により
最大発光波長が１．６μｍという３００ｎｍの最大シフ
ト量のものが実現できる。

【０１０５】本発明による発光波長のシフト量の変化の
主要因を確定するために、リッジ基板上にＩｎＧａＡｓ
（λｇ＝１．１μｍ）量子井戸層を成長させた場合の、
リッジ幅ｄｗ、溝幅ｄｇ、リッジの高さｈと量子井戸層
の厚さとの関係について得られた結果を図１１（Ａ）〜
（Ｃ）に示す。図１１（Ａ）〜（Ｃ）の結果は、実施例
のそれぞれの寸法に対応できるように示してある。図１
１（Ａ）は、量子井戸層の厚さのリッジ幅依存性で、リ
ッジ幅ｄｗが１．５μｍ以下で膜厚が急激に増加する現
象は、結晶成長面でのとくにＩｎの移動が反映されたも
のである。

【０１０６】図１１（Ｂ）は溝幅ｄｇと量子井戸層の厚
さの特性である。また、図１１（Ｃ）はリッジの高さｈ
と量子井戸層の厚さの特性である。両者とも量子井戸層
の膜厚の変動は少ないことがわかる。図１１（Ａ）〜
（Ｃ）の特性から、リッジ幅ｄｗ、高さｈ、溝幅ｄｇを
１０μｍ以下の本発明の範囲では、量子井戸層の厚さは
僅かに増加するものの、発光波長の変化量を大きく変え
る主要因は形状効果による量子井戸層の組成の変化によ
るものと判断できる。

【０１０７】以上の例は歪みＭＱＷ層をＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＧａＡｓＰとした実施例であるが、この他に例えば
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
Ｐ、ＩｎＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ等、ＩｎＰ
基板上で成長可能なIII −Ｖ族のＭＱＷの材料系でも適
用できる。また、基板としてＧａＡｓを用い、ＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等のＭＱ
Ｗ構造を成長することによっても短波系（０．８μｍか
ら１．１μｍ付近）で上述のような発光特性の制御とい
う効果を実現できる。

【０１０８】（実施例２）ＤＦＢ型レーザ 本実施例は、実施例１で述べた発光素子の発振波長の制
御性を改善し、かつ単一スペクトルで発振させるために
ＤＦＢレーザを製作する方法に関する。

【０１０９】図１２（Ａ）〜（Ｃ）は本実施例によるＤ
ＦＢレーザに関して、リッジ形状基板への回折格子の形
成を示したものである。

【０１１０】図１２（Ａ）は、平坦な基板上のリッジを
形成する領域に、電子ビームリソグラフィ技術あるいは
レーザ干渉露光技術等を利用して、所定の周期の回折格
子１３を形成した後、基板にリッジ３の作製を行なった
ものである。このあとの半導体多重量子井戸の形成や発
光素子作製のプロセスは実施例１と同様である。

【０１１１】図１２（Ｂ）は、基板上に半導体光導波層
１４をＭＯＶＰＥ法で形成した後、リッジの形成する領
域に電子ビームリソグラフィ技術等を利用して所定の周
期の回折格子１３を形成した後、基板にリッジ３の作製
を行なったものである。このあとの半導体多重量子井戸
の形成や発光素子作製のプロセスは実施例１で実現でき
るが、光導波層の形成が不要となる。

【０１１２】図１２（Ｃ）は、リッジ３の側面に回折格
子１５を形成した例である。リッジ形成用マスクに電子
ビームリソグラフィ技術等を利用して所定の周期の回折
格子を形成し、リッジ３の作製と共にその側面に回折格
子１５を形成したものである。このあとの半導体多重量
子井戸の形成や発光素子作製のプロセスは実施例１と同
様である。

【０１１３】本実施例では、電流を注入し発光させ、レ
ーザ動作させた時のスペクトルが単一となる。

【０１１４】（実施例３）溝幅変調型レーザアレイ 本実施例は、リッジ幅ｄｗと高さｈは一定にして、溝４
の溝幅ｄｇを４通りに変えた半導体レーザアレイを作製
する方法に関する。図１３（Ａ）〜（Ｅ）に、本実施例
に係る半導体レーザアレイを作製する手順を示す。

【０１１５】先ず、図１３（Ａ）に示したようにｎ型Ｉ
ｎＰ（１００）基板１上に酸化膜若しくは窒化膜２より
なるストライプパターンをフォトリソグラフィにより形
成する。次いで、図１３（Ｂ）に示すように、塩素ガス
を用いたドライエッチングにより、リッジ３および溝４
を有する溝幅変調型の非平坦基板を形成する。ここで
は、リッジ幅ｄｗが１．５μｍのリッジ３が＜０１１＞
方向（いわゆる逆メサ方向）に形成され、リッジの高さ
ｈは２μｍで、溝幅ｄｇが右から順次１．５μｍ、３．
０μｍ，３．５μｍ，４．０μｍと変化している。

【０１１６】引続き、図１３（Ｃ）のように、ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板１上ＩｎＰバッファ層５、ＩｎＧａＡｓＰの導波
路層と５周期の２０ÅのＩｎＧａＰ井戸／１５０ÅのＩ
ｎＧａＡｓＰバリアよりなる歪み量子井戸構造の発光層
および光導波路層６およびｐ−ＩｎＰクラッド層７を形
成する。これらの半導体多層膜５，６，７の成長は、ト
リメチルインジウム、トリメチルガリウム、アルシン、
フォスフィンを半導体用の原料ガスとしてまたセレン化
水素とジエチルジンクをドーピング用ガスとして、６３
０℃、０．１気圧で有機金属気相成長法より行った。

【０１１７】さらに、図１３（Ｄ）に示すように、有機
金属気相成長法により、電流ブロックのためにｎ−Ｉｎ
Ｐ層８およびｐ−ＩｎＰ層９を成長した後、ｐ−ＩｎＧ
ａＡｓＰコンタクト層１０を形成する。図１３（Ｃ）と
（Ｄ）の結晶成長は条件により一回で可能であるが、埋
め込み層の厚さやドーピング制御等を性格に行うとき
は、２ないし３回に分けて成長を行う。

【０１１８】引続き、図１３（Ｅ）のように上下にｐ電
極１１とｎ電極１２を形成し、横方向を電気的に分離す
るために分離溝１６を設ける。このようにして作製され
た素子をヒートシンク１７上にマウントし、さらにリー
ド線１８をボンデイングした後に、リード線１８から電
流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ ，Ｉ₄ を注入すると、各リッジ３の
端面から図１３（Ｅ）に矢印で示す方向にレーザ発光Ａ
₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ ，Ａ₄が観測される。

【０１１９】発振波長はフォトルミネスセンス測定結果
とよく一致しており、組成変化に対応した指向性の良い
発光が得られている。フォトルミネスセンス法により観
測した平坦基板上での発光のスペクトルは１．３μｍに
ピークを持つのに対して、隣接した溝幅ｄｇが１．５μ
ｍ，３．０μｍ，３．５μｍ，４．０μｍとなっている
リッジ端面からのレーザ発光Ａ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ ，Ａ₄ の
ピークは、図１４に示すように、それぞれ１．５５μ
ｍ，１．５μｍ，１．４５μｍ，１．４μｍとなる。

【０１２０】（実施例４）回折格子付き溝幅変調型レー
ザアレイ 本実施例は、実施例３において、発振波長の制御性を改
善し、かつ単一スペクトルで発振させるために回折格子
を導入するものである。図１５（Ａ）〜（Ｆ）に、本実
施例に係る溝幅変調型レーザアレイの作成手順を示す。

【０１２１】先ず、図１５（Ｂ）に示すように、ＩｎＰ
基板１に電子ビームリソグラフィ技術を用い、回折格子
１３を形成する。回折格子１３は、幅５μｍで、右から
周期がそれぞれ２４００Å，２３００Å，２２００Å，
２１００Åと変化する。ＩｎＰ基板１に回折格子１３を
形成する前に光導波路層、例えばＩｎＧａＡｓＰ層を結
晶成長により予め形成しておく場合もあるが、その場合
には以後の結晶成長において相当する導波路層の成長過
程が省略される。

【０１２２】次に、図１５（Ａ）のように、実施例３と
同様にして酸化膜若しくは窒化膜２よりなるストライプ
パターンを形成した後、図１５（Ｂ）に示すようにドラ
イエッチングで、リッジ３および溝４を有する非平坦基
板を作製し、さらに、その上に図１５（Ｃ），（Ｄ）に
従って、半導体多層膜５，６，７と埋め込み層８，９，
１０の結晶を成長させる。次に、図１５（Ｅ）に示すよ
うに、電極１１、１２を埋め込み層１０および半導体裏
面上にそれぞれ形成し、ヒートシンク１７上にマウント
し、電極１１にリード線を取り付ける。リード線１８か
ら電流Ｉ₁ ，Ｉ₂ ，Ｉ₃ ，Ｉ₄ を注入すると、各リッジ
３の端面から図１５（Ｆ）に矢印で示す方向にレーザ発
光Ａ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ ，Ａ₄ が観測される。レーザ発光Ａ
₁ ，Ａ₂，Ａ₃ ，Ａ₄ は、図１６に示したような４波の
単一モードでの発振が得られる。

【０１２３】（実施例５）リッジ幅変調型レーザアレイ 本実施例は、リッジ３の高さｈと溝幅ｄｇは一定にして
リッジ３の幅ｄｗを４通りに変えた半導体レーザアレイ
に関するものである。本実施例に係るリッジ幅変調型レ
ーザアレイを作製する手順を図１７（Ａ）〜（Ｅ）に示
す。

【０１２４】先ず、図１７（Ａ）に示したようにｎ型Ｉ
ｎＰ（１００）基板１上に酸化膜若しくは窒化膜２より
なるストライプパターンをフォトリソグラフィにより形
成する。

【０１２５】次に、図１７（Ｂ）に示すように、塩素ガ
スを用いたドライエッチングにより、リッジ３および溝
４を有する溝幅変調型の非平坦基板を形成する。ここで
はリッジの高さｈを２μｍ、溝幅ｄｇを１．５μｍに固
定し、リッジ（メサ）幅ｄｗが右から１．５μｍ，２．
０μｍ，２．５μｍ，３．０μｍと変化している。

【０１２６】引続き、図１７（Ｃ）に示すように、実施
例３と同様に５周期の２０ÅのＩｎＧａＰ井戸／１５０
ÅのＩｎＧａＡｓＰバリアよりなる歪量子井戸構造の発
光層６を持つ結晶を形成する。

【０１２７】さらに図１７（Ｄ），（Ｅ）に従って埋め
込み成長と電極形成を行い、図１６と同様な発振特性を
得ることができる。即ち、フォトルミネスセンス法によ
り観測した平坦基板上での発光のスペクトルは１．３μ
ｍのピークを持つのに対して、リッジ幅が１．５μｍ，
２．０μｍ，２．５μｍ，３．０μｍとなるに従ってリ
ッジ上からの発光ピークはそれぞれ１．５５μｍ，１．
５μｍ，１．４５μｍ，１．４μｍと変化する。

【０１２８】（実施例６）受光素子 本実施例は、実施例１において、発光層に変えて受光層
を形成したものであり、作製プロセスは実施例１に同じ
である。本実施例の受光素子は、発光素子と同様に、リ
ッジ上に形成された受光層の組成に応じた光に応答す
る。従って、図９（Ｆ）の矢印と逆方向に光を入射する
ことによって、光応答を電極１１において電流の発生で
検出される。例えば１．３μｍの組成をもつ素子では
１．５５μｍの光を端面からの入射しても応答しない
が、１．３μｍと１．５５μｍの光を同時に注入すると
１．３μｍの光のみを応答する素子となる。

【０１２９】（実施例７）光集積素子 実施例１の図９（Ａ）〜（Ｆ）で示した方法に準じて、
その他、種々の光素子が実現できる。例えば、組成に応
じて種々の光学特性をもつ光導波路、特定の波長領域で
動作する光変調器や光スイッチ、広帯域な半導体増幅器
等である。これらを一つの基板上で同時に作製すること
によって、素子間結合効率の大きな光集積素子が実現で
きる。

【０１３０】具体的には、コヒーレント通信方式におけ
る受信用のモノリシック光集積回路がある。この集積回
路には、図１８に示すように、局部発振光源としての波
長可変多電極ＤＦＢレーザ３０、方向性結合器型３ｄＢ
カプラ３１、導波型ＰＩＮ光検出器３２、バットジョイ
ント部３３および光信号伝搬用の光導波路により構成さ
れている。４から５回の結晶成長ならびに高度なプロセ
ス技術の組み合わせにより、すでに基本動作の素子が実
現されている（竹内他、電子情報通信学会論文誌Ｃ−
１，Ｖｏｌ. Ｊ７３−Ｊ−１，Ｎｏ．５，ｐｐ３６０−
３６７ １９９０年５月）。

【０１３１】しかし、多数回のプロセスの繰り返しのた
め、光結合効率をはじめとする特性は不十分であり、素
子の歩留りは極端に低いものである。本発明を用いるこ
とにより、前記光集積回路がはじめに基板上にマスクパ
ターンを形成するだけで、１回の成長により実現でき、
結合効率はじめ優れた特性のものが得られる。これは結
晶成長とプロセスの簡略化により、製造コストを大幅に
削減をもたらすものである。

【０１３２】以上、実施例１〜７に基づいて具体的に説
明したように、本発明により、半導体基板上に光学的特
性が僅かに異なる複数の光機能素子や高密度に集積化し
た光機能素子が比較的容易に実現できるので、光通信シ
ステムの飛躍的な発展が実現できる。

【０１３３】（実施例８）溝幅変調型スーパールミネス
セントフォトダイオード（ＳＬＤ） 本実施例にかかる溝幅変調型スーパールミネスセントフ
ォトダイオード（ＳＬＤ）を図１９（Ａ）〜（Ｅ）に示
す。本実施例は、リッジの幅と溝の深さを一定にし、溝
間隔を５通り変えたものである。

【０１３４】先ず、図１９（Ａ）に示したようにｎ型Ｉ
ｎＰ（１００）基板１上に酸化膜若しくは窒化膜２より
なるパタンをフォトリソグラフィにより形成する。この
パタンは、リッジになるストライプ部分とそれを挾むよ
うな一部に段階を有する台地状のマスクである。ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１に、パタン形成前に光導波路層、例えばＩｎ
ＧａＡｓＰ層を結晶成長すると、以後の結晶成長におい
て相当する導波路層の成長過程が省略される。

【０１３５】次に、図１９（Ｂ）に示すように、塩素ガ
スを用いたドライエッチングにより、溝４およびリッジ
３を有する溝幅変調型の非平坦基板を形成する。ここ
で、リッジ３は、＜０１１＞方向（いわゆる逆メサ方
向）に形成され、リッジ幅ｄｗは１．５μｍ，リッジ高
さｈは２μｍである。溝幅ｄｇは３００μｍごとに１．
５μｍ，３．０μｍ，３．５μｍ，４．０μｍ，１０．
０μｍになっている。

【０１３６】引続き、リッジ３および溝４を有する基板
１上に図１９（Ｃ）に示すように、ＩｎＰバッファ層
５、ＩｎＧａＡｓＰの導波路層と５周期の２０ÅのＩｎ
ＧａＰ井戸／１５０ÅのＩｎＧａＡｓＰバリアよりなる
歪量子井戸構造の発光層６、およびｐ−ＩｎＰクラッド
層７を形成する。これらの成長は、トリメチルインジウ
ム、トリメチルガリウム、アルシン、フォスフィンを半
導体用の原料ガスとしてまたセレン化水素とジエチルジ
ンクをドーピング用ガスとして、６３０℃、０．１気圧
で有機金属気相成長法により行う。

【０１３７】フォトルミネスセンス法により観測した平
坦基板上での発光のスペクトルは１．３μｍにピークを
持つのに対して、隣接した溝幅１．５μｍ，３．０μ
ｍ，３．５μｍ，４．０μｍ，１０．０μｍとなってい
るリッジ上からの発光のピークはそれぞれ１．５５μ
ｍ，１．５μｍ，１．４５μｍ，１．４μｍ，１．３５
μｍになる。

【０１３８】さらに、図１９（Ｄ）にしたがって有機金
属気相成長法によりｐ−ＩｎＰクラッド層７′を積み増
した後、電流ブロックのためにｎ−ＩｎＰ層８およびｐ
−ＩｎＰ層９を成長した後、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層１０を形成する。図１９（Ｃ）と（Ｄ）の結晶成
長は条件により一回で可能であるが、埋め込み層の厚さ
やトーピング制御等を正確に行うときは、２ないし３回
に分けて成長を行う。

【０１３９】その後、図１９（Ｅ）に示すように上下に
ｐ電極１１とｎ電極１２を形成し、リッジ上の組成の変
化するそれぞれの部分を分離するために分離溝１６ａを
設ける。

【０１４０】このようにして作製された素子をヒートシ
ンク１７上にマウントし、さらにワイヤー１８を電極１
１にボンデイングした後、各電極へＩ₁ からＩ₅ の電流
注入を行うと、図１９（Ｅ）に矢印Ａで示す方向に、そ
れぞれの電流注入に応じた図２０に細実線Ａ₁ からＡ₅
で示したようなフォトルミネスセンス測定結果と一致し
た組成に対応した指向性の良い発光が観測される。

【０１４１】すべての電極へ電流を同時に流すことによ
って図２０に太実線Ａで示すような１．３〜１．６μｍ
の間で広範囲に発光する素子が得られる。その時、図１
９（Ｅ）に矢印Ａと反対方向へ矢印Ｂで示す方向へ、図
２０に太破線Ｂで発光が観察される。これは前面で発光
した波長の短い光は反対側の領域で吸収されるためであ
る。

【０１４２】（実施例９）リッジ幅変調型ＳＬＤ 本実施例に係るリッジ幅変調型ＳＬＤを図２１（Ａ）〜
（Ｅ）に示す。本実施例は、溝の幅と深さを一定にし、
リッジ幅を５通り変えたものである。

【０１４３】先ず、図２１（Ａ）に示すように、ｎ型Ｉ
ｎＰ（１００）基板１上に酸化膜もしくは窒化膜２より
なるパタンをフォトリソグラフィにより形成する。この
パタンは、リッジになる多角形ストライプ部分とそれを
挾むような一部に段階を有する台地状のマスクである。

【０１４４】次に、実施例８と同様にして、図２１
（Ｂ）のようなリッジ３および溝４を形成する。ここ
で、リッジ３は、＜０１１＞方向（いわゆる逆メサ方
向）に形成され、３００μｍごとにリッジ幅が段階的に
変化する１μｍ，２μｍ、３μｍ，４μｍ，１０μｍの
５種類のリッジ幅ｄｗを持ち、リッジ高さｈと幅ｄｇは
それぞれ２μｍと２．５μｍになっている。

【０１４５】引続き、実施例８と同様にして、図２１
（Ｃ）に示すように、ＩｎＰバッファ層５、ＩｎＧａＡ
ｓＰの導波路層と５周期の２０ÅのＩｎＧａＰ井戸／１
５０ÅのＩｎＧａＡｓＰバリアよりなる歪量子井戸構造
の発光層６、およびｐ−ＩｎＰクラッド層７を形成す
る。

【０１４６】リッジ幅１μｍ，２μｍ、３μｍ，４μ
ｍ，１０μｍのリッジ上に形成された結晶のフォトルミ
ネスセンス測定により得られる発光スペクトルのピーク
波長はそれぞれ１．５５μｍ，１．５μｍ，１．４５μ
ｍ，１．４μｍ，１．３５μｍになる。

【０１４７】その後、埋め込み構造にするために、図２
１（Ｄ）のように酸化膜もしくは窒化膜２′によるマス
クを形成した後に、図２１（Ｅ）のようにドライエッチ
ングを行う。埋め込み成長と電極形成は実施例８の場合
と同様であり、図１９（Ｄ）と図１９（Ｅ）と同様な形
状となる。発光特性も図２０のようになる。

【０１４８】（実施例１０）リッジ高さ変調型ＳＬＤ 本実施例に係るリッジ高さ変調型ＳＬＤを図２２（Ａ）
〜（Ｅ）に示す。本実施例は、リッジ幅と溝の幅を一定
にし、リッジの高さ（溝の深さ）を５通り変えたもので
ある。

【０１４９】先ず、図２２（Ａ）に示したようにｎ型Ｉ
ｎＰ（１００）基板１上に酸化膜もしくは窒化膜２より
なるパタンをフォトリソグラフィにより形成する。この
パタンは、リッジになる部分を挾むような一部に段階を
有する台地状マスクである。

【０１５０】次に、有機金属気相成長法もしくは有機金
属分子線エピタキシ法によりマスクの間にｎ−ＩｎＰを
選択成長する。この際、マスクの幅に応じて成長速度が
変化することによって、図２２（Ｂ）に示すようにリッ
ジの高さｈに段差が生じる。

【０１５１】ここで、リッジ３は、＜０１１＞方向（い
わゆる逆メサ方向）に形成され、３００ｎｍごとに段階
的にリッジ高さが変化する１．２μｍ，１．４μｍ、
１．６μｍ，１．８μｍ，２．０μｍの５種類のリッジ
高さｈを持ち、リッジ幅ｄｗは１．５μｍになってい
る。

【０１５２】引続き、溝幅を一定にするために図２２
（Ｃ）のような酸化膜もしくは窒化膜２によるマスクを
形成し、図２２（Ｄ）に示すように、ドライエッチング
によりリッジの高さのみ変化する非平坦基板図を得る。
ここでは、溝幅は２．５μｍとなっている。

【０１５３】その後、実施例８と同様にして、ＩｎＰバ
ッファ層５、ＩｎＧａＡｓＰの導波路層と５周期の２０
ÅのＩｎＧａＰ井戸／１５０ÅのＩｎＧａＡｓＰバリア
よりなる歪量子井戸構造の発光層６、およびｐ−ＩｎＰ
クラッド層７を形成する。

【０１５４】リッジ高さ１．２μｍ，１．４μｍ、１．
６μｍ，１．８μｍ，２．０μｍのリッジ３上に形成さ
れた結晶のフォトルミネスセンス測定により得られる発
光スペクトルのピーク波長はそれぞれ１．３５μｍ，
１．４μｍ，１．４５μｍ，１．５μｍ，１．５５μｍ
になる。

【０１５５】さらに、埋め込み成長と電極形成は実施例
８の場合と同様となり、形状は図１９（Ｄ）と（Ｅ）と
同様となる。発光特性も図２０のようになる。

【０１５６】図２３（Ａ）〜（Ｃ）にはリッジの高さを
変調させる変形例を示す。

【０１５７】図２３（Ａ）に示すように、図２２（Ａ）
に示すマスクを左右入れ換えたものであり、選択成長の
結果、図２３（Ｂ）に示すように、リッジの幅と高さの
変化する非平坦基板が形成される。リッジ幅を一定にす
るために図２３（Ｃ）のような酸化膜もしくは窒化膜
２′によるマスクを形成し、ドライエッチングによりリ
ッジの高さのみ変化する非平坦基板を得る。形状は図２
２（Ｄ）と同様の非平坦基板となる。以下、同様であ
る。

【０１５８】以上、実施例８〜１０に基づいて具体的に
説明したように、本発明により高密度に集積化したスー
パールミネスセントフォトダイオードが実現され、波長
の高帯域性を活かした測定あるいは評価法の飛躍的な発
展が期待される。

【０１５９】（実施例１１）電流ブロック層の導入型の
半導体発光素子の実施例 非平坦半導体基板の溝部に電流ブロック層を導入した半
導体発光素子の製造プロセスを図２４（Ａ）〜（Ｅ）に
示す。

【０１６０】まず、ｎ−ＩｎＰ基板１上に酸化膜２，２
ｂ（同じものでよい）を形成した後非平坦半導体基板を
形成するための所定のエッチング用酸化膜パターンを形
成する（図２４（Ａ）参照）。

【０１６１】次に、例えば塩素ガスによる反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）によりドライエッチングを行い、
ｎ−ＩｎＰ基板１に溝４を形成する。

【０１６２】その後、リッジ部３上部以外の酸化膜２を
除去し、非平坦半導体基板を形成する（図２４（Ｂ）参
照）。

【０１６３】有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によ
り、圧力７０Ｔｏｒｒ、基板温度約６００〜７００℃、
トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とホスフィン（ＰＨ
₃ ）にｐ型ドーパントのジエチルジング（Ｚｎ（Ｃ₂ Ｈ
₅ ）₂ ）を供給して、ｐ−ＩｎＰ層１９を０．２〜０．
３μｍ程度成長する（図２４（Ｃ）参照）。

【０１６４】この非平坦半導体基板と導電型の異なる薄
膜成長層を以後「電流ブロック層」と称する。

【０１６５】次に、リッジ部３上部の酸化膜２ｂを除去
したのち、トリエチルガリウム（ＴＥＣａ）、アルシン
（ＡｓＨ₃ ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ホス
フィン（ＰＨ₃ ）を所定の流量供給して、波長１．１μ
ｍの組成を有する膜厚１５０ÅのＩｎＧａＡｓＰ薄膜と
膜厚２０ÅのＩｎＧａＡｓ薄膜を４〜６周期ほど多層積
層して多重量子井戸構造を形成することによりＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓよりなるＭＱＷ発光層６および溝
部ＭＱＷ層６ａが形成される。引き続き、ｐ−ＩｎＰク
ラッド層７、ｎ−ＩｎＰ埋込層８、ｐ−ＩｎＰ層９、ｐ
−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０を順次成長する（図
２４（Ｄ）参照）。

【０１６６】本プロセスにより半導体基板の形状因子で
あるリッジ幅ｄｗ、溝幅ｄｇ、溝の高さｈの値に応じ
て、発光波長を１．３μｍから１．６μｍ程度まで制御
することができる。本プロセスでははじめにｐ−ＩｎＰ
電流ブロック層１９を形成するためにあらかじめ溝の深
さｈの減少分を半導体基板の溝の深さに形成しておけば
よい。リッジ上部のコンタクト層の一部および半導体基
板側にそれぞれｐ電極１１、ｎ電極１２を形成し、発光
素子のチップが得られる（図２４Ｅ参照）。

【０１６７】図２５は本発明による半導体発光素子の発
光特性を実線で示したものである。比較のために電流ブ
ロック層を設けない場合の発光特性を破線で示した。図
２５に示すように、本発明により電流ブロック層を設け
ると注入電流のしきい値が低下し、直線性が高く、発光
効率の向上と高出力化が実現でき、ｐ−ＩｎＰ電流ブロ
ック層１９の導入により特性の著しい改善が図られるこ
とを確認した。

【０１６８】（実施例１２）バッファ層の導入型の半導
体発光素子の実施例 非平坦半導体基板の形成時に生じるダメージ層による発
光特性を改善するために、非平坦半導体基板上にバッフ
ァ層としてｎ−ＩｎＰ薄膜を結晶成長により形成する製
造プロセスを図２６（Ａ）〜（Ｅ）に示す。なお、バッ
ファ層とリッジ形状の影響を調べるために、従来の順メ
サ形状とともに逆メサ形状にバッファ層を形成した場合
も示している。

【０１６９】まずｎ−ＩｎＰ基板１上に酸化膜２を形成
したのち非平坦半導体基板を形成するための所定のエッ
チング用酸化膜パターンを形成する（図２６（Ａ）参
照）。

【０１７０】次に、例えば塩素ガスによる反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）によりドライエッチングを行な
い、ｎ−ＩｎＰ基板１にリッジ部３の形状が順メサで、
溝４を形成し、順メサ型の非平坦半導体基板を作製す
る。また、ｎ−ＩｎＰ基板１を臭素系、例えば３ＨＢｒ
とＨ₂ Ｏ溶液によるウエットエッチングによりリッジ部
３の形状が逆メサ形状の逆メサ型の非平坦半導体基板を
作製する（図２６（Ｂ）参照）。その後、酸化膜２を除
去する。

【０１７１】有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によ
り、圧力７０Ｔｏｒｒ、基板温度約６００℃〜７００
℃、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とホスフィン（Ｐ
Ｈ₃ ）にｎ型ドーパントの硫化セレン（Ｈ₂ Ｓｅ）を供
給して、ｎ−ＩｎＰのバッファ層５を０．１〜１．０μ
ｍ程度成長する。引き続き、トリエチルガリウム（ＴＥ
Ｃａ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ）、ホスフィン（ＰＨ₃ ）を所定の流量供給し
て、波長１．１μｍの組成を有する膜厚が１５０ÅのＩ
ｎＧａＡｓＰ薄膜と膜厚２０ÅのＩｎＧａＡｓ薄膜を４
〜６周期ほど多層積層して多重量子井戸構造を形成する
ことによりＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓよりなるＭＱ
Ｗ発光層６および溝部ＭＱＷ層６ａが形成される。引き
続き、ｐ−ＩｎＰクラッド層７、ｎ−ＩｎＰ埋込層８、
ｐ−ＩｎＰ層９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０
を順次成長する（図２６（Ｃ）参照）。最後に、半導体
基板側、リッジ上部のコンタクト層１０の一部にそれぞ
れｐ電極１１、ｎ電極１２を形成し、発光素子のチップ
が得られれる（図２６（Ｄ）参照）。

【０１７２】本プロセスにより半導体基板の形状因子で
あるリッジ幅（ｄｗ）、溝幅（ｄｇ）、溝の高さ（ｈ）
の値に応じて、発光波長を１．３μｍから１．６μｍ程
度まで制御することができる。

【０１７３】図２７は作製した半導体発光素子の特性例
である。バッファ層の膜厚の発光効率ηおよび波長シフ
ト量との関係を示すものである。発光効率ηはメサ形状
には依存せず、順メサでも逆メサ形状でもバッファ層の
膜厚に大きく変化し、バッファ層を設けることにより従
来の特性に比べて５倍程度の向上が図れることがわか
る。これは、バッファ層が厚いほど結晶性が改善された
ことによるものである。

【０１７４】また、発光波長の制御可能な波長領域を波
長シフト量とすると、波長シフト量はバッファ層の膜厚
が増すにつれて順メサ構造では急激に減少するのに対し
て、逆メサ構造は比較的緩やかな減少となる。この減少
傾向はバッファ層を成長する際に実効的な溝の深さｈが
小さくなるためで、逆メサ型では順メサ型に比べて溝の
容量が大きいために減少傾向が緩和されている。図２７
の特性から、発光効率と波長シフト量の向上のために
は、バッファ層の形成と逆メサ形状のリッジ構造が有効
であることがわかる。

【０１７５】（実施例１３）ダメージ吸収層の導入型の
半導体発光素子の実施例 非平坦半導体基板の形成時において、特に酸化膜の形成
時およびドライエッチング（例えば塩素ＲＩＥ）時に半
導体基板にダメージが入ることによってその上の結晶の
品質が劣下し、発光素子の特性劣下の要因となる。この
劣下を防ぐために半導体基板にダメージ吸収層を設ける
こととした。

【０１７６】図２８（Ａ）〜（Ｄ）はダメージ吸収層を
設けた半導体発光素子の製造プロセスを示すものであ
る。平坦半導体基板１上に０．１〜０．５μｍの膜厚で
成長し、その後に酸化膜２のパターンの形成を行う（図
２８（Ａ）参照）。ドライエッチングによりダメージ吸
収層２０と半導体基板を加工処理したのち、酸化膜２を
除去する（図２８（Ｂ）参照）。その後、ダメージ吸収
層２０を硫酸系溶液を用いた選択エッチングにより取り
除き、この後の半導体多層薄膜の形成は、実施例１，２
と同様の工程により結晶成長と電極形成を行い、半導体
発光素子を形成した（図２８（Ｃ），（Ｄ）参照）。こ
こで、溝の形状、特に高さ（ｈ）は半導体基板のみとな
るうよにパターンの形成並びにエッチングを行う。

【０１７７】ダメージ吸収層を設けることにより、結晶
性の向上による半導体発光素子の発光効率の向上や光出
力の増加を確認した。

【０１７８】実施例１１〜１３に示すように、本発明に
より、発光波長を容易に制御できる高効率な発光素子が
実現でき、高密度に集積化した広波長帯域性を活かした
光機能素子により光通信や光測定等への飛躍的な発展が
実現できる。

【０１７９】（実施例１４）図２９は本発明の実施例に
従う光集積回路を示す上面図である。本実施例では、第
一の波長として１．３μｍ、第二の波長として１．５μ
ｍの場合であり、光通信システムとして、１．３μｍ帯
波長の光によるピンポン双方向通信、１．５μｍ帯波長
の光によるＣＡＴＶ等の放送を例に挙げて説明する。以
下の説明において、１．３μｍＰＤ，１．５μｍＰＤは
１．３μｍ光用ＰＤ，１．５μｍ光用ＰＤを意味し、
１．３μｍＬＤは同様に１．３μｍ光用ＬＤを意味す
る。

【０１８０】図２９において、４１はＹ分岐導波路、４
１ａ，４１ｂ，４１ｃは導波路部分、４２は１．３μｍ
帯分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ（ＬＤ）、４３は
モニタ用ＰＤ、４４は１．３μｍＰＤ、４５は１．３μ
ｍ残留光吸収領域（層）、４６は１．５μｍＰＤ、４７
は半導体基板、４８はＬＤ分岐部分、４９はＰＤ分岐部
分である。

【０１８１】動作概要を説明すると、１．３μｍ帯ピン
ポン双方向光通信では、送受信を時分割して行い、送受
信を同時には行わない、１．５μｍ帯では、放送型であ
るので、受信のみを行う。１．３μｍ光の送信について
は、ＤＦＢレーザ（１．３μｍＬＤ）４２で発生したレ
ーザ光がＹ分岐導波路４１を導波して本集積回路から出
射される。この時、出力光のパワーは、モニタ用ＰＤ４
３によりモニタされる。１．３および１．５μｍ光の受
信に関して述べると、本集積回路に入射した１．３μｍ
の光は、Ｙ分岐導波路４１の直線部分を導波してＹ分岐
部分で２つの導波路に分岐して進む。ＬＤ分岐部分４８
への光は、ＬＤ４２に入射するが、１，３μｍ光受信時
には、ＬＤ４２は動作していないため、送信に影響を与
えない。ＰＤ分岐部分４９への光は、１．３μｍＰＤ４
４で吸収され光電流に変換される。吸収されなかった残
留光は、残留光吸収領域４５により吸収され、１．５μ
ｍＰＤ４６には、１．３μｍの光は入射しない。すなわ
ち、この１．３μｍ残留光吸収領域４５は、１．３μｍ
光を遮断し、１．５μｍ光を透過させる波長フィルタと
して用いられている。１．５μｍ光が入射した場合、Ｙ
分岐導波路４１の直線部分を導波してＹ分岐部分で２つ
の導波路に分岐して進む。ＬＤ分岐部分４８への光は、
１．３μｍＬＤ４２に入射するが、１．５μｍ帯の光は
１．３μｍＬＤ４２の活性層では吸収されないので、こ
のＬＤに影響を与えることはない。ＰＤ分岐部分４９へ
の光は、１．３μｍ組成の吸収層４５では吸収されない
ので、１．３μｍＰＤ，１．３μｍ残留光吸収領域４５
を透過し、１．５μｍＰＤ４６へと到達し吸収された光
電流へと変換される。

【０１８２】次に、本光集積回路の製作法について説明
する。

【０１８３】まず、最初に基本となる結晶成長について
以下に述べる（図３０〜図３６参照）。

【０１８４】（１−１） ｎ−ＩｎＰ基板１０上に１．
１μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰの導波路層１４を０．３μ
ｍ、ＩｎＰ層５を２０ｎｍ結晶成長して図３０の構造を
得る。

【０１８５】（１−２） １．３μｍＬＤ（図２９の４
２）となる領域にピッチ２００ｎｍの回折格子１３を形
成する（図３１）。

【０１８６】（１−３） 上述したリッジ形成の方法に
より、平坦面２１上の１．５μｍＰＤ（図２９の４６）
となる領域に溝幅ｄｇ₁ ＝２μｍのリッジ溝４ａ、リッ
ジ幅ｄｗ＝２μｍ、リッジ高さｈ＝２μｍのリッジ３ａ
を形成し、１．３μｍＬＤおよびモニタＰＤ、１．３μ
ｍＰＤとなるそれぞれの領域（図２９の４２，４３，４
４）には、溝幅ｄｇ₂ ＝１０μｍのリッジ溝４ｂ、リッ
ジ幅ｄｗ＝２μｍ、リッジ高さｈ＝２μｍのリッジ３ｂ
を形成して図４２の構造を得る。

【０１８７】（１−４） 平坦面２１上で実効的に１．
２５μｍのバンドギャップとなるような多重量子井戸構
造１７を結晶成長する。このとき、リッジ３ａ，３ｂ上
では、上述したように長波長側に波長がシフトし、溝幅
ｄｇ₁ ＝２μｍのリッジ３ａ上では、１．５μｍのバン
ドギャップの多重量子井戸構造６、溝幅ｄｇ₂ ＝１０μ
ｍのリッジ３ｂ上では、１．３μｍのバンドギャップの
多重量子井戸構造６ｂとなる（図３３）。

【０１８８】（１−５） １．５μｍＰＤ，１．３μｍ
ＬＤ，１．３μｍＰＤ部の埋め込み成長を行う。この埋
め込みは、本出願人による特開平５−１０２６０７号
（１９９３）（特願平３−２８５４７０号）号記載の方
法により好適に実施することができる。すなわち、図３
４に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いてＺｎドープｐ−
ＩｎＰ電流ブロック層７、Ｓｅドープｎ−ＩｎＰ電流閉
じ込め層８を順次成長する。ｐ−ＩｎＰ層７，ｎ−Ｉｎ
Ｐ層８は電流狭窄および光閉じ込め層として働く。この
とき、ｎ−ＩｎＰ層８のＳｅドープ量を５×１０¹⁸ｃｍ
^-3以上にするとメサ構造上部（リッジ）のｎ−ＩｎＰ埋
め込み層（電流閉じ込め層）８は成長が抑制され、リッ
ジ６ａまたは６ｂ上はｐ−ＩｎＰ電流閉じ込め層のみが
成長した層構造となる。その後連続して、ｐ−ＩｎＰオ
ーバークラッド層９，ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層１０をＭＯ
ＶＰＥ法により成長する。

【０１８９】（１−６） 埋め込み時に堆積された、Ｙ
分岐導波路４１ａ，４１ｂ，４１ｃ上にあるドーピング
されたＩｎＰおよび１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを
ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層とともにそれぞれ図３５に示すよ
うに除去して対応する除去部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを
それぞれ形成する。

【０１９０】（１−７） 次に、図３６に示すように、
（１−６）で形成した除去部２２ａ，２２ｂ，２２ｃの
それぞれにアンドープＩｎＰ層２３（１．０００Å），
ＩｎＧａＡｓＰ選択エッチング用エッチストップ層２４
（２００Å）、アンドーブＩｎＰ層２５を順次成長す
る。

【０１９１】以上で結晶成長は完了である。

【０１９２】次に、電極プロセスを行う。

【０１９３】（２−１） １．３μｍＬＤ４２、１．３
μｍＰＤ４３，４４，４５および１．５μｍＰＤ４６上
にＡｕＺｎＮｉ／Ａｕを用いてｐ型電極を形成する。

【０１９４】（２−２） 導波路部分４１を選択エッチ
ング液を用いてエッチストップ層まで、ストライプ上に
ウェットエッチし、リッジ導波路を形成する。

【０１９５】（２−３） 絶縁膜を電極部分を除いて堆
積させる。

【０１９６】（２−４） ワイヤをつけるための電極パ
ッドを形成する。

【０１９７】（２−５） 基板研磨を行い、基板側にＡ
ｕＧｅＮｉ／Ａｕでｕ電極を形成する以上により素子が
製作される。

【０１９８】次に、この素子の特性について説明する。
図３７に、１．３μｍ用のＬＤを発振させたときの電流
−光出力特性を示す。しきい値１５ｍＡであり、電流３
０ｍＡで、出力４ｍＷが得られている。また、サイドモ
ード抑圧比は、２８ｄＢであった。

【０１９９】次にＰＤの特性について説明する。１．３
μｍＰＤ４４、および１．５μｍＰＤ４６に逆バイアス
１Ｖを印加し、１．３μｍ光残留光吸収領域３５を残留
光によって生じる光電流が他のＰＤ電源に流れないよう
にアースに落とした状態で、素子の導波路左側から１．
３μｍＰＤ４４の側から１．３μｍおよび１．５μｍの
光を入射させた。このとき、１．３μｍＰＤ４４、およ
び１．５μｍＰＤ４６では、それぞれ１．３μｍ光、
１．５μｍ光を吸収し光電流が流れる。１．３μｍＰＤ
４４で吸収されなかった１．３μｍ光は、１．３μｍ光
残留光吸収領域４５で吸収されて、光電流へと変換さ
れ、アースに流れる。結果として１．５μｍＰＤ４６に
１．３μｍ光はほとんど入射されていない。各ＰＤの光
電流およびクロストークの波長依存性を図３８（Ａ），
（Ｂ）に示す。図３８（Ａ）は１．３μｍ光用ＰＤ、図
３８（Ｂ）は１．５μｍＰＤのクロストークの波長依存
性を示す。本測定でのクロストークｃの定義は、以下の
通りである。

【０２００】

【数１】Ｃ_1.3 ＝１０×ｌｏｇ（1.３μｍＰＤの光電流
／1.５μｍＰＤの光電流）…1.３μｍ帯 Ｃ_1.5 ＝１０×ｌｏｇ（1.５μｍＰＤの光電流／1.３μ
ｍＰＤの光電流）…1.５μｍ帯 図３８（Ａ），（Ｂ）からわかるように両波長帯におい
て−２４ｄＢという良好なクロストーク特性を示してい
る。

【０２０１】また、１．３μｍ光、１．５μｍ光を入射
させたときには、ＬＤ分岐部の方にも光は導波される
が、１．３μｍ受信時には、ＬＤを動作させる必要がな
いため影響は無視できる。また、前述したように１．５
μｍ光は、ＬＤに対して影響を及ぼさないため、１．５
μｍ光受信時にもＬＤの特性は変化しない。

【０２０２】本実施例では、ＤＦＢレーザを用いたが、
回折格子が活性層の両側に配置されている分布反射型
（ＤＢＲ）レーザを用いてもよい。

【０２０３】また、本実施例では、導波路部分は、１．
１μｍ組成のものを最初に基板上に成長し、共通導波路
として用いたが、多重量子井戸の構造を最適化すること
により、リッジ上の成長を用いて、１．１μｍ組成から
１．５μｍ組成まで変化させることができるため、導波
路部分４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）を１．３μｍＰ
Ｄ４４，４５および１．５μｍＰＤ４６と一括して成長
してもよい。すなわち、図３９（Ａ），（Ｂ）に示すよ
うに、１．５μｍＰＤ４６に対応する幅のリッジ溝１５
ａ、１．３μｍＰＤ４４と１．３μｍ残留光吸収領域４
５に対応する幅のリッジ溝４ｂ、１．１μ導波路部分４
１ａ，４１ｂ，４１ｃに対応する幅のリッジ幅４ｃを形
成したリッジ上で多重量子井戸構造を成長できる。ＬＤ
分岐部についても同様にＹ分岐導波路４１を、１．３μ
ｍＬＤ４２、モニタＰＤ４３と一括して成長してもよ
い。

【０２０４】（実施例１５）次に、図４０を参照しなが
ら、本発明の実施例に従う光集積回路について説明す
る。図３９（Ａ），（Ｂ）に示す構成において、構成素
子は、第１の実施例とほぼ同じであるが、その配置が異
なる。図４０において、５１は１．３μｍの実効的バン
ドギャップを有するＬＤ用活性層、５２はＤＢＲレーザ
を形成するための回折格子、５３はＤＢＲレーザ部分、
５４は曲がり導波路、５５は１．３μｍ残留光吸収領
域、５６は１．５μｍＰＤ部分、５７は散乱光遮断用
溝、５８は半導体基板である。

【０２０５】本実施例の動作について説明する。１．３
μｍの送信はＤＢＲレーザ５３を用いる。このレーザの
共振器は、半導体基板のへき開面と回折格子５２で形成
されている。回折格子の反射率は高いため、レーザ光は
素子左側から出射されるのがほとんどで、ＰＤ側に出射
することはない。

【０２０６】レーザ５３を発振させた場合、レーザ光以
外に自然放出光が発生する。この光は、導波光ではない
ため、曲がり導波路５４を導入することにより、１．５
μｍＰＤ部分５６への入射を避けることができる（図４
０参照）。また、光が導波路を進行する際に散乱光が生
じる。これらの散乱光は、散乱光遮断用溝５７により
１．５μｍＰＤ部５６への入射を避けられる。これらの
構造により１．３μｍ光送信時の１．５μｍＰＤ部分５
６へのクロストークを低減できる。

【０２０７】一方、１．３μｍ光受信時は、このレーザ
５３が光検出器となる。本素子が用いられるシステム
は、先に述べたようにピンポン双方向通信であるので、
このような使用方法が可能である。このレーザ兼光検出
器で共振されなかった１．３μｍ光は、曲がり導波路を
経由して１．３μｍ残留光吸収領域５５において吸収さ
れ１．５μｍＰＤ部分５６には、入射しない。１．５μ
ｍ受信時には、ＤＢＲレーザ（ＬＤ）部分５３，曲がり
導波路５４，１．３μｍ残留光吸収領域５５を経由して
１．５μｍＰＤ部分５６で吸収され光電流へ変換され
る。

【０２０８】本素子の製作方法は、実施例１４とほぼ同
じである。また、１．３μｍＬＤおよび１．３μｍＰＤ
の特性、１．５μｍＰＤの特性は、実施例１４と同様で
あった。

【０２０９】以上、実施例１４〜１５に基づいて具体的
に説明したように、本発明によれば、半導体発光素子、
半導体光検出素子、その検出波長より長い波長の光を検
出する半導体光検出素子、両光検出素子間に配置された
波長フィルタを光導波路を介して結合して集積化するこ
とにより、これを１波長の送信素子、２波長の光検出素
子として働かせることができる。

【０２１０】（実施例１６）本発明の実施例を図４１な
いし図４３に示す。ＩｎＰ基板１上に波長１．５μｍ組
成で厚さ２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層６１を形成し、この
ＩｎＧａＡｓＰ層６１の一部を塩素ガスを用いた反応性
イオンエッチングにより、二つのテーパ状の溝部４ｄと
リッジ３ｄが形成されるように、除去して、図４に示す
ような構造を製作する。基板１の前端面では、リッジ３
ｄの幅は５μｍ、溝部４ｄの幅は１０μｍ、基板１の後
端面では、リッジ３ｄの幅は１．５μｍ、溝部４ｄの幅
は３μｍである。リッジ３ｄの高さは、基板全面で一様
で、２μｍである。基板１の後端面近傍にリッジ３ｄと
溝部４ｄが平行な部分が形成されているが、この平行部
分を形成しなくてもよい。また、逆に基板１の前端面近
傍に同様な平行部分を設けてもよい。

【０２１１】次に、前記基板１とその上に形成されたリ
ッジ３ｄを有する前記構造体をエピタキシャル成長用基
板として、その上に有機金属成長法により、波長１．１
μｍ組成で厚さ１５０ÅのＩｎＧａＡｓＰ層を形成して
バリア層６ｄを得る。このバリア層６ｄに１７ÅのＩｎ
ＧａＡｓ層を井戸層６ｅとする全体の厚さが約０．３μ
ｍの量子井戸構造６を成長させ、さらに続けて波長１．
３５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ層６２を２μｍ成長さ
せ、最後にＩｎＰ層６３を２μｍ成長させる。成長後の
素子前端面および後端面断面形状を、量子井戸構造部の
拡大模式図とともに、図４２および図４３に示す。

【０２１２】素子後端面におけるリッジ３ｄの幅は、前
記したように、１．５μｍであり、溝部４ｄの幅は３μ
ｍであるので、前記図７のリッジ構造寸法〜ＰＬ波長相
関図から明らかなように、量子井戸構造６のバンドギャ
ップは、素子後端面では１．０μｍである。また、図４
３に示すように、リッジ３ｄの側面での量子井戸層６
は、リッジ３ｄの上面より薄いので、導波光は、リッジ
３ｄの上面の厚さ約０．３μｍ、幅約１．５μｍの量子
井戸層６４をコアとして、閉じ込められる。そのスポッ
トサイズは１．５〜２μｍ程度であり、半導体光素子の
スポットサイズに一致する。

【０２１３】同様に、素子前端面におけるリッジ３ｄの
幅は、前記したように、５μｍであり、溝部４ｄの幅は
１０μｍであるので、前記図７のリッジ構造寸法〜ＰＬ
波長相関図から明らかなように、量子井戸構造６のバン
ドギャップは、素子前端面では１．３５μｍである。そ
の結果、屈折率は、リッジ３ｄを形成した層６１とほぼ
等しいか小さくなる。従って、素子前端面では、層６
１，６，６２をコア層とし、層１および層６３を上下の
クラッド層とする。厚さ約４．５μｍ、幅約５μｍの埋
込リッジ構造が形成される。この場合のコア層の中心は
層６にあるので、導波光は軸ずれすることなく、素子後
端面における前記量子井戸層６４への閉じ込め状態か
ら、素子前端面における層６１，６，６２への閉じ込め
状態へと移る。その結果、素子前端面では、ファイバと
同程度の４〜５μｍに拡大されたスポットサイズを有す
る導波路が形成される。

【０２１４】この素子の前端面にフラットエンドファイ
バを結合して結合損を測定したところ、０．５ｄＢ以下
であり、その接続許容誤差は、１ｄＢ許容で±２．４μ
ｍであった。

【０２１５】本実施例では、素子前端面でのリッジ幅を
５μｍに拡大したが、リッジ幅一定のままでも、前記図
７で確認したように、溝幅を変化させておくことによ
り、スポットサイズ拡大効果はある。これは、素子前端
面での基板面に水平な方向のコアとクラッドの屈折率差
は小さいので、コア寸法が小さくとも導波光はクラッド
領域までしみだしており、実効的スポットサイズが拡大
されているからである。

【０２１６】（実施例１７）図４４ないし図４６は、本
発明の第２の実施例を示すものである。量子井戸層を成
長させるための基板として、実施例１６と同様な構造体
を用いるが、図４４に示すように、本実施例では、リッ
ジ３ｄ上面の一部に回折格子１３を形成しておく。層
１、層６１には、ｎ型伝導を示すように、不純物をドー
プしておく。実施例１と同じく量子井戸層６を成長した
後、近藤らにより提案された方法（特開平５−１０２６
０７号）によりｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層６５を成長させ
る。

【０２１７】すなわち、量子井戸層６を成長させた後、
リッジ３ｄ上に位置する量子井戸層６４上にのみ不図示
のストライプマスクを形成する。そして、リアクティブ
イオンエッチング（ＲＩＥ）装置を使用して、前記層６
４周辺の量子井戸層６をエッチングして除去し、層６４
をメサ構造にする。その後、前記マスクを除去する。

【０２１８】続いて、この上に、ｎ型ＩｎＰもしくはＩ
ｎＧａＡｓＰ層６６を成長させ、最後にｐ型ＩｎＧａＡ
ｓＰ層６２およびＩｎＰ層６３を成長させ、さらに、最
上面の一部に電極層６７を形成する。

【０２１９】その結果、素子後端面では、図４６のよう
な構造が形成される。これはｎ型ＩｎＰ層１，６３を電
流ブロック層とするレーザ構造であり、上下面に電極を
形成することによりＤＦＢレーザとして機能する。

【０２２０】一方、素子前端面では、屈折率構造は実施
例１６とほぼ同様な構造となるので、スポットサイズが
拡大された導波路構造となっている。

【０２２１】したがって、本実施例では、スポットサイ
ズ拡大導波路とＤＦＢレーザのモノリシック集積が１回
のエピタキシャル成長で得られる。

【０２２２】本実施例において、層６１を４μｍとし、
このうち２μｍだけを加工してリッジを製作した構造体
を基板として用い、層６２および６５をｐ−ＩｎＰ層と
し、層６６をｎ−ＩｎＰ層としてもよい。この場合は、
素子の前後端面での導波光スポットの中心は、お互いに
軸ずれするが、ｐ型クラッド層の構造が簡単になり、ｐ
ｎｐｎ構造による電流閉じ込めが有効に行われるという
利点がある。

【０２２３】本実施例において、回折格子１３を製作し
ない場合は、そのまま受光ダイオードとして用いること
ができるので、ファイバとの結合効率の高い導波型フォ
トダイオードが実現できる。

【０２２４】（実施例１８）本発明の実施例を図４７な
いし図４９に示す。本実施例の構造は、前記図４４ない
し図４６の構造に類似しているが、本実施例では、素子
後端面にも、リッジ幅と溝幅が変化する構造を前端面近
傍の場合とは逆の向きに形成して置く、前記実施例と同
様に行なったエピタキシャル成長後の前後端面の断面構
造を、図４８に示し、リッジ幅、溝幅の領域が狭い中央
部の断面構造を、図４９に示す。図中、前記実施例と同
一構成には同一符号を付して説明を簡略化する。

【０２２５】上記構成の素子の両端面に無反射コーティ
ングを施し、中央部に形成した電極に電流を注入するこ
とにより、ファイバとの結合効率を高めた半導体光増幅
器が実現できる。

【０２２６】さらに、本実施例において、印加電圧の極
性を反転することにより、電子閉じ込めシュタルク効果
を用いた光変調器を実現することができる。

【０２２７】なお、実施例では１．５μｍ光の導波につ
いてＩｎＧａＡｓＰ系材料で説明したが、他の材料系、
例えばＩｎＡｌＧａＡｓ系を用いても、また両方を用い
ても、実現できる。さらに、１．３μｍ等の他の波長帯
でも材料系および組成を選ぶことにより、同様な効果が
実現できる。

【０２２８】実施例１６〜１８で述べたように、本発明
によれば、簡単な製作プロセスで光素子の導波路のスポ
ットサイズを拡大することができるので、半導体光素子
の高性能かつ高信頼な集積化が経済的に実現できる。

【０２２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により高密
度に集積化したスーパールミネスセントフォトダイオー
ドが実現され、波長の高帯域性を活かした測定あるいは
評価法の飛躍的な発展が期待される。

【０２３０】本発明によれば、半導体発光素子、半導体
光検出素子、その検出波長より長い波長の光を検出する
半導体光検出素子、両光検出素子間に配置された波長フ
ィルタを光導波路を介して結合して集積化することによ
り、これを１波長の送信素子、２波長の光検出素子とし
て働かせることができる。

【０２３１】本発明によれば、簡単な製作プロセスで光
素子の導波路のスポットサイズを拡大することができる
ので、半導体光素子の高性能かつ高信頼な集積化が経済
的に実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ），（Ｂ）は、マスク選択成長法による歪
み量子井戸構造の作成手順を示す工程図、（Ｃ）は、マ
スク幅に対する発光波長の特性を示すグラフである。

【図２】従来のスポットサイズ交換器の構成を示す斜視
図である。

【図３】歪み量子井戸構造の組成と発光波長の特性を示
すグラフである。

【図４】（Ａ）は非平坦基板上に形成された１．５５μ
ｍ帯発光素子の構造の一例であり、（Ｂ）は図１の構造
の発光特性のシミュレーション結果、実線と点線は結晶
性の違いを表わす図である。

【図５】基板の斜視図である。（Ａ）はエッチング用マ
スクを形成した状態、（Ｂ）は選択成長用マスクを形成
した状態、（Ｃ）は溝が形成された状態を示す。

【図６】リッジ上の多重量子井戸構造のバンドギャップ
波長のシフトを示すグラフである。（Ａ）はリッジ幅の
影響、（Ｂ）はリッジ高さの影響を示す。

【図７】リッジ基板上に成長させた量子井戸構造のフォ
トルミネッセンス波長のリッジおよび溝部の幅への依存
性を示すグラフである。

【図８】リッジ基板上に成長した量子井戸層構造のフォ
トルミネッセンス波長のリッジの高さへの依存性を示す
グラフである。

【図９】本発明の実施例１に係る光機能素子の製造プロ
セスに関し、（Ａ）はマスク形成（エッチング用）、
（Ｂ）はマスク形成（選択成長用）、（Ｃ）は非平坦基
板、（Ｄ）は結晶成長（一回成長）、（Ｅ）は結晶成長
（埋め込み成長）、（Ｆ）は電極形成の各手順を示す工
程図である。

【図１０】本発明の実施例１に係る発光素子の発光波長
の変化特性に関し、（Ａ）はリッジ幅ｄｗと発光波長の
変化特性、（Ｂ）は溝幅ｄｇと発光波長の変化特性、
（Ｃ）はリッジ高さと発光波長の変化特性をそれぞれ示
すグラフである。

【図１１】ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の厚さ特性に関し、
（Ａ）はリッジ幅ｄｗとＩｎＧａＡｓ量子井戸層の厚さ
特性、（Ｂ）は溝幅ｄｇとＩｎＧａＡｓ量子井戸層の厚
さ特性、（Ｃ）はリッジ高さとＩｎＧａＡｓ量子井戸層
の厚さ特性をそれぞれ示すグラフである。

【図１２】本発明の実施例２に係る回折格子付きリッジ
形成基板の説明図であり、（Ａ）はリッジ上回折格子、
（Ｂ）は光導波層付き回折格子、（Ｃ）は側面回折格子
を設けたものである。

【図１３】本発明の実施例３に係る４波集積レーザアレ
イの作製法（溝幅変調型）に関し、（Ａ）はマスク形成
（エッチング用）、（Ｂ）は非平坦基板（溝幅変調
型）、（Ｃ）は結晶成長（発光層の成形）、（Ｄ）は結
晶成長（埋め込み成長）、（Ｅ）は電極形成の各手順を
示す工程図である。

【図１４】本発明の実施例３に係る４波集積レーザアレ
イの発振特性を示すグラフである。

【図１５】本発明の実施例４に係る４波集積ＤＦＢレー
ザアレイの作製法（溝幅変調型）に関し、（Ａ）は回折
格子形成、（Ｂ）はマスク形成（エッチング用）、
（Ｃ）は非平坦基板（溝幅変調型）、（Ｄ）は結晶成長
（発光層の成形）、（Ｅ）は結晶成長（埋め込み成
長）、（Ｆ）は電極形成の各手順を示す工程図である。

【図１６】本発明の実施例４に係る４波集積ＤＦＢレー
ザアレイの発振特性を示すグラフである。

【図１７】本発明の実施例５に係る４波集積レーザアレ
イの作製法（リッジ幅変調型）に関し、（Ａ）はマスク
形成（エッチング用）、（Ｂ）は非平坦基板（溝幅変調
型）、（Ｃ）は結晶成長（発光層の成形）、（Ｄ）は結
晶成長（埋め込み成長）、（Ｅ）は電極形成の各手順を
示す工程図である。

【図１８】本発明の実施例７に係る モノシリックヘテ
ロダイン受信器の模式図である。

【図１９】本発明の実施例８に係るスーパールミネッス
セントダイオード（溝幅変調方式）、（Ａ）はマスク形
成（エッチング用）、（Ｂ）は非平坦基板（溝幅変調
型）、（Ｃ）は結晶成長（発光層の形成）、（Ｄ）は結
晶成長（埋め込み成長）、（Ｅ）は電極形成の各手順を
示す工程図である。

【図２０】本発明実施例８に係るのスーパールミネッス
セントダイオードの発光スペクトル特性を示すグラフで
ある。

【図２１】本発明の実施例９に係るスーパールミネッス
セントダイオード（リッジ幅変調方式）に関し、（Ａ）
はマスク形成（エッチング用）、（Ｂ）は非平坦基板
（リッジ幅変調型）、（Ｃ）は結晶成長（発光層の形
成）、（Ｄ）はマスク形成（エッチング用）、（Ｅ）は
埋め込み前の非平坦基板形成の各手順を示す工程図であ
る。

【図２２】本発明の実施例１０に係るスーパールミネッ
スセントダイオード（リッジ高さ変調方式１）に関し、
（Ａ）はマスク形成（選択成長用）、（Ｂ）は非平坦基
板（マスク除去後）、（Ｃ）はマスク形成（エッチング
用）、Ｄ）は非平坦基板（リッジ高さ変調型）、（Ｅ）
は結晶成長（発光層の形成）各手順を示す工程図であ
る。

【図２３】本発明の実施例１０の変形例に係るスーパー
ルミネッスセントダイオード（リッジ高さ変調方式２）
に関し、（Ａ）はマスク形成（選択成長用）、（Ｂ）は
非平坦基板（マスク除去後）、（Ｃ）はマスク形成（エ
ッチング用）の各手順を示す工程図である。

【図２４】本発明の実施例１１に係る光素子作製プロセ
ス（ｐ−ＩｎＰブロック層導入型）図である。

【図２５】本発明の実施例１１に係る光素子の特性（ｐ
−ＩｎＰブロック層導入型）図である。

【図２６】本発明の実施例１２に係る光素子作製プロセ
ス（バッファ層導入型）図である。

【図２７】本発明の実施例１２に係る光素子の特性（バ
ッファ層導入型）図である。

【図２８】本発明の実施例１３に係る光素子作製プロセ
ス（ダメージ吸収層導入型）図である。

【図２９】本発明の実施例１４に従う光集積回路を示す
模式的上面図である。

【図３０】本発明の製造方法を説明する図であり、基板
に共通導波路およびｎ−ＩｎＰ層を設けた状態を示す模
式的断面図である。

【図３１】本発明の製造方法を説明する図であり、図３
０のｎ−ＩｎＰ層の一部に回折格子を設けた状態を示す
模式的断面図である。

【図３２】本発明の製造方法を説明する図であり、リッ
ジを形成した状態を示す模式的上面図である。

【図３３】本発明の製造方法を説明する図であり、多重
量子井戸構造を設けた状態を示す模式的断面図である。

【図３４】埋め込み状態を示す模式的断面図である。

【図３５】本発明の製造方法を説明する図であり、ドー
ピングされたＩｎＰ層および１．３μｍのバンドギャッ
プを有する多重量子井戸構造を除去した状態を示す模式
的断面図である。

【図３６】本発明の製造方法を説明する図であり、除去
部を埋め込んだ状態を示す模式的断面図である。

【図３７】１．３μｍＬＤの電流−光出力依存性を示す
グラフである。

【図３８】光電流の波長依存性およびクロストークを示
すグラフである。（Ａ）は１．３μｍＰＤの場合、
（Ｂ）は１．５μｍＰＤの場合を示す。

【図３９】（Ａ）は光集積回路のリッジ溝の幅を示す模
式的部分拡大上面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に対応する
部分の量子井戸構造の組成変化を示す模式的断面図であ
る。

【図４０】本発明の実施例１５に係る光集積回路を示す
模式的上面図である。

【図４１】本発明の実施例１６に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、エピタキシャル成長前のリッジ
加工した基板の斜視図である。

【図４２】本発明の実施例１６に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、素子の前端面の断面構成および
その量子井戸層を拡大して示した素子の断面構成図であ
る。

【図４３】本発明の実施例１６に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、素子の後端面の断面構成および
その量子井戸層を拡大して示した素子の断面構成図であ
る。

【図４４】本発明の実施例１７に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、エピタキシャル成長前のリッジ
加工した基板の斜視図である。

【図４５】本発明の実施例１７に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、素子の前端面の断面構成を示す
素子の断面構成図である。

【図４６】本発明の実施例１７に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、素子の後端面の断面構成を示す
素子の断面構成図である。

【図４７】本発明の実施例１８に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、エピタキシャル成長前のリッジ
加工した基板の斜視図である。

【図４８】本発明の実施例１８に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、素子の前端面構成および後端面
構成を示す素子の断面構成図である。

【図４９】本発明の実施例１８に係るスポットサイズ変
換素子を示す図であり、素子の中央部の断面構成を示す
素子の断面構成図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ マスク ２ａ マスク（ストライプ） ２ｂ 酸化膜 ３ リッジ ３ｄ リッジ ４ 溝（部） ４ｄ 溝部 ５ バッファ層 ６ 活性層あるいは導波路層（リッジ上発光部） ６ａ 溝部ＭＱＷ層 ６ｂ 多重量子井戸構造 ６ｄ バリア層 ６ｅ 井戸層 ６_U 上層の導波路層 ６_L 下層の導波路層 ７ クラッド層 ７′ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ７ａ ＩｎＰ層 ８ 埋め込層（電流閉じ込め層） ９ ｐ−ＩｎＰ層 １０ コンタクト層 １１ ｐ電極 １２ ｎ電極 １３ 回折格子 １４ 半導体光導波層 １５ 回折格子 １６ 分離溝 １６ａ 分離溝 １７ ヒートシンク １８ リード線 １９ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層 ２０ ダメージ吸収層 ２１ 平坦面 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 除去部 ２３ アンドープＩｎＰ層 ２４ エッチストップ層 ２５ アンドープＩｎＰ層 ４１ Ｙ分岐導波路 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 導波路部分 ４２ １．３μｍＤＦＢ半導体レーザ ４３ モニタ用ＰＤ ４４ １．３μｍＰＤ ４５ １．３μｍ残留光吸収領域（層） ４６ １．５μｍＰＤ ４７ 半導体基板 ４８ ＬＤ分岐部分 ４９ ＰＤ分岐部分 ５１ ＬＤ用活性層 ５２ 回折格子 ５３ ＤＢＲレーザ部分 ５４ 曲がり導波路 ５５ １．３μｍ残留光吸収領域（層） ５６ １．５μｍＰＤ ５７ 散乱光遮断用溝 ５８ 半導体基板 ６１ ＩｎＧａＡｓＰ層 ６２ ＩｎＧａＡｓＰ層 ６３ ＩｎＰ層 ６４ 量子井戸層 ６５ ＩｎＧａＡｓＰ層 ６６ ｎ−ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓＰ層 ６７ 電極層 ｄｗ リッジ幅 ｄｇ 溝幅 ｈ リッジ高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平5−67032 (32)優先日 平５(1993)３月25日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平5−327019 (32)優先日 平５(1993)12月24日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 永沼 充 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 鈴木 安弘 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 湯田 正宏 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 三冨 修 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 笠谷 和生 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 中野 純一 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 横山 清行 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、該半導体基板上に形成さ
   れた光機能層であって発光層、吸収層および光導波層か
   ら選ばれる光機能層とを具備する光機能素子において、 前記光機能層は多重量子井戸層を有し、 前記半導体基板１μｍから１０μｍのリッジ幅で、１μ
   ｍから５μｍのリッジ高さで、かつ１μｍから１０μｍ
   の溝幅のリッジ形状を有する非平坦半導体基板であるこ
   とを特徴とする光機能素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光機能素子において、前
   記リッジの上面ないし側面に回折格子を有することを特
   徴とする光機能素子。
3. 【請求項３】 リッジ形状を有する半導体基板と、該半
   導体上に形成された光機能層であって発光層、吸収層お
   よび光導波層から選ばれる光機能層とを具備し、 前記光機能層の活性層は多重量子井戸構造を有し、 前記活性層の前記リッジ上の部分の組成が前記リッジ以
   外の活性層の部分の組成と異なり、 前記リッジの上面ないし側面に回折格子を有することを
   特徴とする光機能素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の光機能素子において、前
   記リッジ幅は１μｍから５μｍまでであり、かつキャビ
   ティ方向に数種類の異なった組成の結晶を成長してな
   り、前記キャビティ方向に一連に変化した発光ないし受
   光特性を有することを特徴とする光機能素子。
5. 【請求項５】 請求項４記載の光機能素子において、前
   記リッジの上部に組成に応じた回折格子を有し、単一の
   出射面から複数の単一光を発光するないしは決められた
   波長より短波長側の光を受光することを特徴とする光機
   能素子。
6. 【請求項６】 請求項４記載の光機能素子において、前
   記リッジ内に光のガイド層を有することを特徴する光機
   能素子。
7. 【請求項７】 請求項１記載の光機能素子において、前
   記リッジ幅は１μｍから５μｍまでであり、かつ前記リ
   ッジ形状は、リッジ幅、リッジ高さ、ないしは溝幅を横
   方向に一連に変化させてなり、該前記横方向に一連に変
   化した発光ないし受光特性を有することを特徴とする光
   機能素子。
8. 【請求項８】 請求項７記載の光機能素子において、前
   記リッジの上部に組成に応じた回折格子を有し、並列方
   向に単一光を発光するないしは決められた波長より短波
   長側の光を受光することを特徴とする光機能素子。
9. 【請求項９】 請求項１記載の光機能素子において、前
   記光機能層が半導体発光層であり、かつ前記半導体基板
   の溝部に前記基板と異なる導電型を有する半導体薄層膜
   を形成してなることを特徴とする光機能素子。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の光機能素子において、
    前記光機能層は半導体発光層であり、かつ前記非平坦半
    導体基板は前記発光層のリッジ形状が逆メサ構造の非平
    坦半導体基板であることを特徴とする光機能素子。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の光機能素子において、
    前記光機能層は半導体発光層であり、かつ前記非平坦半
    導体基板は該基板上に半導体薄膜バッファ層を形成して
    なるものであることを特徴とする光機能素子。
12. 【請求項１２】 リッジ形状を有する非平坦半導体基板
    と、該半導体基板上に配置された発光素子または受光素
    子から選ばれた複数個の光機能素子とを具備し、それぞ
    れの光機能素子の特性を機能的に組み合わせた光集積素
    子において、 前記光機能素子はモノリシックに形成された歪み多重量
    子井戸層の一部分をそれぞれ有してなり、かつ前記複数
    個の光機能素子の少なくとも一部の個数の光機能素子は
    前記多重量子井戸層の組成が異なっていることを特徴と
    する光集積素子。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の光集積素子におい
    て、前記非平坦半導体基板は１μｍから１０μｍのリッ
    ジ幅で、１μｍから５μｍのリッジ高さで、かつ１μｍ
    から１０μｍの溝幅のリッジ形状を有するものであるこ
    とを特徴とする光集積素子。
14. 【請求項１４】 請求項１２記載の光集積素子におい
    て、前記非平坦半導体基板の前記リッジ上の上面ないし
    側面に回折格子を有することを特徴とする光集積素子。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の光集積素子におい
    て、前記回折格子はその位置に応じて変化した周期を有
    することを特徴とする光集積素子。
16. 【請求項１６】 リッジ形状を有する非平坦半導体基板
    と、該半導体基板上に並列に配設された発光部および受
    光部と、該発光部と受光部を光学的に結合する、同一の
    入出力部を有する半導体導波路とを具備し、それぞれの
    光機能素子の特性を機能的に組み合わせた光集積素子に
    おいて、 前記発光部は、第一の波長の光を発光する発光素子と前
    記発光素子の出力を検出する受光素子とを有し、 前記受光部は、第一の波長の光を検出する受光素子と第
    一の波長の光を吸収する波長フィルタと第二の波長の光
    を検出する受光素子とを有し、 前記同一の入出力部において伝搬される波長の異なる二
    つの光を、発光および受光する機能を有することを特徴
    とする光集積素子。
17. 【請求項１７】 リッジ形状を有する非平坦半導体基板
    と、該半導体基板上に並列に配設された発光機能と受光
    機能を有する発光部と、受光機能を有する受光部と、前
    記発光部と受光部を光学的に結合する半導体光導波路と
    を具備し、 前記発光部は、第一の波長の光を発光する発光素子と回
    折格子を有する反射器を備えて発光機能を有するととも
    に第一の波長の光を受光する機能を有し、 前記受光部は、第一の波長の光を吸収する波長フィルタ
    と第二の波長を有する光を検出する受光素子を備えて受
    光機能を有し、 前記発光部の一部において伝搬する波長の異なる二つの
    光を、発光および受光する機能を有することを特徴とす
    る光集積素子。
18. 【請求項１８】 リッジ形状を有する非平坦半導体基板
    と、該半導体基板上に配置された光導波路と、該光導波
    路上に形成された多重量子井戸構造を有する量子井戸層
    と、該量子井戸層を埋め込む上層を具備し、 前記リッジ状光導波路の寸法がその一端側から他端側に
    かけて変化され、それにより、前記リッジ状光導波路の
    いったん側から他端側にかけて前記量子井戸層の組成ま
    たは厚みが変化し、前記リッジ状導波路を伝搬する光波
    のスポットサイズが変換されていることを特徴とする光
    デバイス。
19. 【請求項１９】 下記の工程を具備したことを特徴とす
    る発光層、吸収層あるいは光導波層を有する光機能素子
    の製造方法：リッジ形状半導体基板であって、リッジ幅
    が１μｍから１０μｍ、リッジ高さが１μｍから５μ
    ｍ、かつ溝幅が１μｍから１０μｍである非平坦半導体
    基板を用意し、かつ有機金属気相成長法により前記非平
    坦半導体基板上に歪み多重量子井戸層を形成する光機能
    素子の製造方法。
20. 【請求項２０】 請求項１９記載の光機能素子の製造方
    法において、前記非平坦半導体基板は、平坦半導体基板
    を該基板と異なる組成の半導体保護膜薄層を形成した後
    に非平坦化することにより得られたものであることを特
    徴とする光機能素子の製造方法。
21. 【請求項２１】 半導体基板と、該半導体基板上に形成
    された光機能層であって発光層、吸収層および非導波層
    から選ばれた光機能層とを具備する光機能素子の光学的
    特性制御方法において、 前記半導体基板として１μｍから１０μｍのリッジ幅、
    １μｍから５μｍのリッジ高さ、および１μｍから１０
    μｍの溝幅の範囲内で選択されるリッジ形状を有する非
    平坦半導体基板を使用し、有機金属気相成長法により前
    記非平坦半導体基板上に多重量子井戸構造形成して前記
    光機能層を形成し、それにより前記リッジ上に形成され
    る多重量子井戸構造の組成を変えることにより光学的特
    性を変えることを特徴とする光機能素子の光学的特性制
    御方法。
22. 【請求項２２】 請求項２１記載の光機能素子の光学的
    特性制御方法において、 前記光学的特性が前記量子井戸構造のバンドギャップな
    いし屈折率であり、前記リッジ幅、リッジ高さおよび溝
    幅の少なくとも一つを前記リッジ上導波路の一端側から
    他端側にかけて変化させたことを特徴とする光学的特性
    制御方法。
23. 【請求項２３】 請求項２１記載の光機能素子の光学的
    特性制御方法において、 前記光学的特性が前記光機能素子の発光ないし受光特性
    であり、前記リッジ幅、リッジ高サイズおよび溝幅の少
    なくとも一つを縦方向に一連に変化させ、それによりキ
    ャビティ方向で前記発光ないし受光特性を変化させるこ
    とを特徴とする光学的特性制御方法。
24. 【請求項２４】 請求項２１記載の光機能素子の光学的
    特性制御方法において、 前記光学的特性が前記光機能素子の発光ないし受光特性
    であり、前記リッジ幅、リッジ高さおよび溝幅の少なく
    とも一つを横方向に一連に変化させてアレイ状光機能素
    子を形成し、それにより横方向に前記発光ないし受光特
    性を変化させることを特徴とする光学的特性制御方法。