JPH11307867A - 半導体光集積素子の作製方法及び半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の半導体光集積素子のバットジョイント
（突き合わせ結合）構造では、少なくとも２回以上の結
晶成長工程が必要であった。また、段差基板上に形成し
た素子構造の場合には、１回の結晶成長により半導体光
集積素子を形成できるが、リッジ構造或いは埋め込み構
造を作製することが困難であった。 【解決手段】 本発明の半導体光集積素子の作製方法
は、発光素子構成部と、前記発光素子構成部の出射光を
導波させる光導波路構成部とからなる半導体光集積素子
の製造工程で、半導体基板上に前記発光素子構成部とな
る［０１１］あるいは［０１−１］方向にストライプ状
のメサ部を形成する工程と、前記半導体基板上に少なく
とも発光層と、第２クラッド層と、第３クラッド層と、
光導波路層と、第４クラッド層とを順次積層する工程を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ等の
発光素子構成部と合分岐、合分波、光増幅等の光素子が
形成されている光導波路を有する光導波路構成部を集積
化した半導体光集積素子の作製方法及びその半導体光集
積素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発光素子、レンズ、受光素子など
個別部品で光システムを構成する場合には、光軸合わせ
の工程が必要であった。この光軸合わせの工程では通常
μｍ単位での位置合わせが必要であるため、製造時間と
コストの低減が困難であるという問題があった。さら
に、この光システムでは環境温度の変動により各個別部
品を固定している材質の熱膨張、収縮により光軸がずれ
るという問題もあった。

【０００３】これら問題を解決するために、プロセス工
程により発光素子構成部と光導波路構成部とを作製する
半導体光集積素子が提案されている。これは各個別の素
子を組み合わせた光システムの最大の問題点であった光
軸合わせの工程が無くなるため、光システム作製におい
て低コスト化が期待されている。さらに、この光システ
ムでは集積化されていることにより、環境温度の変動に
よる光軸ずれの変動を小さくできるという特徴も有して
いる。

【０００４】このような半導体光集積素子の作製方法及
び構造には、従来バットジョイント（突き合わせ結合）
構造があった。図１６にバットジョイント構造を示す。
この半導体光集積素子は１回目の結晶成長により半導体
基板６００上に第１クラッド層６０１、活性層６０２、
第２クラッド層６０３からなる半導体レーザ等の発光素
子構成部を形成後、誘電体をマスクとしたエッチングに
より発光素子構成部の１部を除去し、続いて除去部分に
ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法等による２回目の結
晶成長により第３クラッド層６０４、光導波路層６０
５、第４クラッド層６０６の光導波路構成部を形成し、
マスクとした誘電体を除去することで半導体光集積素子
を作製していた。

【０００５】さらに、別の作製方法及び構造としては図
１７で示すような特開昭６２−２０８００６号公報で開
示されているものがある。この作製方法は、半導体基板
６００上に段差部を設け、その上に１回の結晶成長で発
光素子構成部となる第１クラッド層６０１、活性層６０
２、第２クラッド層６０３に続いて光導波路層構成部と
なる光導波路層６０５、第４上クラッド層６０６と順次
積層する。この時、活性層６０２と第２クラッド層６０
３の層厚の合計が基板段差部の高さと等しくなるように
作製することで、１回の結晶成長工程により段差部上部
に形成された発光素子構成部の活性層６０２と段差部下
部に形成された光導波路構成部の光導波路層６０５を伝
搬する導波光の積層方向の光界分布が一致している半導
体光集積素子を構成することができていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のバット
ジョイント構造の半導体光集積素子では、発光素子構成
部と光導波路構成部からなる単純な半導体光集積素子を
作製する場合においても、少なくとも２回以上の結晶成
長工程が必要となり、この工程数が増えることにより低
コスト化を図ることが困難であった。また、発光素子構
成部に活性層からの水平方向の光を閉じ込めるための埋
め込み（ＢＨ）構造とする場合には、さらに結晶成長工
程が必要となる。

【０００７】また、特開昭６２−２０８００６号公報に
示す段差基板上に形成した素子構造の場合には、１回の
結晶成長により半導体光集積素子を形成できる。しかし
ながら、この構造では積層方向に対して水平方向の光の
広がりを無くすために、リッジ構造或いは埋め込み構造
を作製する必要がある。しかし、リッジ構造を形成する
場合には、図１７で示すように発光素子構成部では深さ
ｈａのエッチングを必要とし、光導波路構成部では深さ
ｈｐのエッチングが必要であり、各々の構成部において
エッチング深さが異なる。従って、片方の構成部をレジ
ストなどで被覆しエッチングされないようにして、他方
の構成部をエッチング、逆にエッチングした方をレジス
トなどで被覆し、他方をエッチングするという方法を用
いなければならなかった。このように、これらの構成部
において別々にエッチングを行う必要があり、プロセス
工程が増えることにより、半導体光集積素子の作製にお
いて低コスト化を図ることが困難となっていた。

【０００８】また、両部を埋め込み（ＢＨ）構造とする
場合には、両構成部に深いエッチングを行い、さらに埋
め込みのための結晶成長工程を行うため、少なくとも２
回の結晶成長工程が必要であった。加えて、深いエッチ
ングを行う工程において、通常のマスク露光法では、段
差部上部では半導体層にマスクが密着できる良好なパタ
ーンニングができるが、段差部下部ではマスクとのギャ
ップによりパターンニングのぼけが生じるという問題も
生じた。また、発光素子構成部の側面をエッチングする
ので作製された半導体光集積素子の信頼性を低下させる
という問題もあった。

【０００９】従って、本願発明は、１回の結晶成長で信
頼性を損なうことなく発光素子構成部に埋め込み構造を
有する表面が平坦な半導体光集積素子を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の半導体光集積素子の製造方法は、発光素
子構成部と、前記発光素子構成部の出射光を導波させる
光導波路構成部とからなる半導体光集積素子の作製方法
において、半導体基板上に前記発光素子構成部となる
［０１１］あるいは［０１−１］方向のストライプ状の
メサ部を形成する工程と、前記半導体基板上に少なくと
も発光層と、第２クラッド層と、第３クラッド層と、光
導波路層と、第４クラッド層とを順次積層する工程と、
を有することを特徴とする。

【００１１】また、前記ストライプ状のメサ部の高さ
を、第２クラッド層と第３クラッド層と発光層の半分の
膜厚と光導波路層の半分の膜厚との合計であるように形
成する。さらに、前記ストライプ状のメサ部の幅がスト
ライプ方向で異なるように作製する。また、前記第３ク
ラッド層と光導波路層と第４クラッド層とが、半絶縁性
の半導体から作製されることを特徴とする。さらに、前
記半導体基板上に複数のストライプ状のメサ部を形成し
ていることを特徴とする。

【００１２】また、前記ストライプ状のメサ部上の発光
層と第２クラッド層とからなる発光素子構成部と、前記
ストライプ状のメサ部の光伝搬方向の第３クラッド層と
光導波路層と第４クラッド層とからなる光導波路構成部
との界面に溝部を形成する工程と、前記溝部を半導体ま
たは誘電体で埋め込む工程とを有する半導体光集積素子
の作製方法とする。

【００１３】また、本発明の発光素子構成部と、前記発
光素子構成部の出射光を導波させる光導波路部とからな
る半導体光集積素子では、半導体基板上に発光素子構成
部となる［０１１］あるいは［０１−１］方向にストラ
イプ状のメサ部を有し、前記ストライプ状のメサ部上及
び半導体基板上に、少なくとも活性層と第２クラッド層
とを有し、前記ストライプ状のメサ部の光伝搬方向に直
交するメサ部側面では、少なくとも第３クラッド層と光
導波路層と第４クラッド層とからなる層が電流・光閉じ
込め機能を有し、前記ストライプ状のメサ部の光伝搬方
向には、少なくとも前記第３クラッド層と前記光導波路
層と前記第４クラッド層からなる前記光導波路構成部を
有することを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施例１）本発明の実施例１と
して図１〜図６に基づいて作製工程を説明する。まず、
半導体基板上の発光素子構成部を形成する領域に通常の
フォトリソ工程により［０１１］方向に幅３μｍ、長さ
３００μｍのストライプパターンを形成する。

【００１５】本実施例では、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１
００にストライプ形状を有するメサ部の高さを制御性を
良く作製する方法として、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１０
０上にメサ形成時のエッチングストップ層となるＡｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓエッチングストップ層１０１を１００ｎ
ｍ程度、続いてＧａＡｓ層１０２を所望の高さのメサ部
となるような層厚で積層した基板を用いた。この基板の
断面図を図１に示す。尚、本実施例ではエッチングスト
ップ層を有した基板を用いたが、エッチングストップ層
を有しない基板を用いても構わない。

【００１６】続いて、アンモニア系のエッチャントに
て、この基板のＧａＡｓ層１０２をエッチングすること
で所望の高さ、例えば２．１μｍの高さを有するストラ
イプ形状のメサ部１０３を形成する。このようなエッチ
ストップ層を有する基板を用いれば、エッチングによる
深さのばらつきを除去でき、成長時の層厚の制御性のみ
で、光結合効率のばらつきが決まるため、従来のエッチ
ストップ層を用いない場合に比べて、光結合効率のばら
つきを約５％から１％に低減することができる。

【００１７】次に、このストライプ状のメサ部上面にＥ
Ｂ（電子ビーム）によるリソグラフィで回折格子のパタ
ーンを印刻、ウェットエッチングプロセスにより回折格
子１０４を形成する。以上までの工程で作製された半導
体光集積素子の工程図を図２に示す。

【００１８】さらに、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）
法により半導体レーザ構造を形成する。０．９μｍ層厚
のｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層１０５、０．
１２μｍ層厚のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ光ガイド層と０．
０６μｍ層厚のＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎ_0.007Ａｓ_0.993単一量
子井戸活性層と０．１２μｍ層厚のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａ
ｓ光ガイド層との３層からなる発光層１０６、０．８μ
ｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド層１０７
を順次連続して形成する。このような発光素子構成部と
なるストライプ状のメサ部を有する基板上への結晶成長
を行なった場合、Ｈ．ＮａｒｕｉらによりＥＬＥＣＴＲ
ＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ １９９６，ｖｏｌ．３
２，ｐｐ６６４−６６５で報告されている様に（１１
１）Ａ或いは（１１１）Ｂ面では結晶の成長速度が他の
面に比べ、非常に遅いことから側面部にファセットが形
成されることが報告されている。つまり、［０１１］或
いは［０１−１］方向のストライプ形状を有するメサ部
上には、三角形状の発光素子構成部が形成され、それ以
外の部分ではこれらの半導体層が基板上に積層される。
以上までの工程で作製された半導体光集積素子の工程図
を図３に示す。

【００１９】続いて、１．０μｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.4Ｇ
ａ_0.6Ａｓ第３クラッド層１０８、０．３μｍ層厚のｎ
型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ光導波路層１０９、０．７μｍ
層厚のｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第４クラッド層１１０、
０．１μｍ層厚のコンタクト層となるｐ型ＧａＡｓ層
（図示せず）の積層体を成長させる。

【００２０】発光素子構成部側面の（１１１）面上には
成長しないことから、この積層体は半導体レーザを形成
するメサ部の側面部上を埋め込むように基板側から形成
され、かつ、発光素子構成部からの光伝搬方向（ストラ
イプ状のメサ部の長軸方向）には、ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ光導波路層１０９が光導波路となる光導波路構
成部が形成されることにより半導体光集積素子を形成で
きる。

【００２１】また、その後コンタクト層の形成におい
て、メサ部上の発光素子構成部となる第２クラッド層と
コンタクト層が接するように各々の層厚を設定しておく
ことが好ましい。以上までの工程で作製された半導体光
集積素子の工程図を図４に示す。

【００２２】続いて、光導波路構成部に導波光の横方向
の光閉じ込めを行うリッジ構造１１１を通常のフォトリ
ソ工程、エッチング工程で形成する。以上までの工程で
作製された半導体光集積素子の工程図を図５に示す。そ
の後、半導体光集積素子の光出射部となる領域にＳｉＯ
₂などの誘電体多層膜によって低反射膜、反対側となる
領域に高反射膜を施し、基板裏面及び基板上面の発光素
子構成部の領域にそれぞれｎ型、ｐ型の電極を形成す
る。このように１回の結晶成長により形成された発光素
子構成部の半導体レーザの特性として２５℃での閾値電
流１０ｍＡ、５ｍＷ出力時の駆動電流１８ｍＡであり、
且つ光導波路構成部とが集積された半導体光集積素子を
得ることができた。

【００２３】本工程で作製された半導体光集積素子の構
造をより詳細に説明する。半導体光集積素子の図４で示
すａ−ａ’の断面構造を図６（ａ）に示す。ｎ型ＧａＡ
ｓ半導体基板１００のメサ部上に設けられた（１１１）
面を側面に有する三角形状の半導体レーザである第１ク
ラッド層１０５、発光層１０６、第２クラッド層１０７
が積層されている。

【００２４】このメサ部外の両側面にはこの第１クラッ
ド層１０５、発光層１０６、第２クラッド層１０７から
なる積層体とさらにその上に連続して第３クラッド層１
０８、光導波路層１０９、第４クラッド層１１０が形成
されている。発光素子構造部の側面は（１１１）面であ
り、その後の積層工程ではほとんど結晶成長がおきない
ので、第３クラッド層１０８、光導波路層１０９、第４
クラッド層１１０は、半導体基板から半導体レーザを埋
め込むように形成される。つまり、発光層１０６の両側
面部が発光層の光に対して吸収がなく、かつ、屈折率が
低くなるように（Ａｌの混晶比が発光層に比べて高くな
るように）、且つ、電流を閉じ込めるよう印加電圧に対
して逆バイアスとなるｎ型からなる光導波路層とｐ型か
らなる第３クラッド層からなる光・電流閉じ込め機能を
有する層構造（第３クラッド層１０８、光導波路層１０
９、第４クラッド層１１０）で埋め込まれる構造を有し
ている。本実施例では、ストライプ状のメサ部の高さ
を、第２クラッド層と第３クラッド層と発光層の半分の
膜厚と光導波路層の半分の膜厚との合計とほぼ同様にす
ることによって、発光層１０６の接する部分には、光導
波路構成部で光導波路層１０９を形成することができ、
両部の結合効率を高くすることができる。

【００２５】図６（ｂ）は半導体光集積素子の図４に示
すｂ−ｂ’の断面構造を示す。光導波路構成部の構造
は、発光素子構成部内のメサ部外の構造と同一になって
おり、発光素子構成部の発光層１０６からの発光に対し
吸収なく光が伝搬する（Ａｌの混晶比の高い）光導波路
層１０９が第３クラッド層及び第４クラッド層に挟まれ
て形成されている。

【００２６】すなわち、本構造はメサ部を利用して１回
の成長で発光素子構成部と埋め込み層と光導波路構成部
の光導波路層を同一層で形成され、かつこの構造で両部
に必要とされる光・電気特性を満たせる。このことでリ
ッジ構造に比べて低閾値電流特性に有利な埋め込み構造
を有する発光素子構成部と光導波路構成部とを１回の成
長工程により作製することができる。

【００２７】また、本実施例では、光導波路構成部にリ
ッジ構造を設けたが、ストライプ部を残して半導体基板
までエッチングを行い、空気とエッチング界面で横方向
の光を閉じ込める構造、或いはポリイミドなど有機物や
半導体などで埋め込んだ構造としてもよい。また、発光
素子構造部或いは光導波路部には光分布を変化させる光
ガイド層などを設けてもよい。

【００２８】（実施例２）本発明の第２の実施例として
ストライプ状のメサ部の幅を発光素子端面部と中央部と
で変化させた半導体光集積素子を示す。まず、ＧａＡｓ
半導体基板２００上の［０１１］方向に発光素子構成部
の端面部では４μｍ幅、中央部では２μｍ幅まで徐々に
変化するようなレジスト幅の異なる２μｍの高さのスト
ライプ形状のメサ部２０１をフォトリソ工程、エッチン
グプロセス工程で実施例１と同様に形成する。以上の工
程までで形成された半導体光集積素子の作製工程図を図
７に示す。

【００２９】続いて、このストライプ形状のメサ部に２
光束干渉露光とエッチングプロセスによりＤＦＢレーザ
の回折格子を形成する。次に、実施例１と同様にＭＯＣ
ＶＤ法により半導体レーザの層構造である０．９μｍ層
厚のｎ型ＩｎＧａＰ第１クラッド層２０２、０．１２μ
ｍ層厚のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ光ガイド層と０．０６μ
ｍ層厚のＧａ_0.69Ｉｎ_0.31Ｎ_0.007Ａｓ_0.993単一量子井
戸活性層と０．１２μｍ層厚のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ光
ガイド層の３層からなる発光層２０３、０．８μｍ層厚
のｐ型ＩｎＧａＰ第２クラッド層２０４を順次形成す
る。

【００３０】続いて、０．９μｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.37Ｇ
ａ_0.63Ａｓ第３クラッド層２０５、０．３μｍ層厚のｎ
型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ光導波路層２０６、０．７μｍ
層厚のｐ型Ａｌ_0.37Ｇａ_0.63Ａｓ第４クラッド層２０
７、０．１μｍ層厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層（図示
せず）を形成する。以上の工程までで形成された半導体
光集積素子の作製工程図を図８に示す。

【００３１】このようにストライプ内でメサ部の幅を変
えることで、１回の結晶成長工程中に発光素子構成部の
発光層での光閉じ込めによる光分布を、図８で示すよう
に積層方向に対して垂直方向の光分布の方が水平方向の
光分布より広がっている光分布ａ’から水平方向の光分
布の方が垂直方向の光分布より広がっている光分布ｂ’
へと変えることが可能となった。さらに、光導波路層と
第３クラッド層及び第４クラッド層との屈折率差を小さ
くすることで、積層方向に対して垂直な方向への光分布
が広がるようにすることによって、光分布を垂直方向の
光分布と水平方向の光分布のアスペクト比が１で、か
つ、光分布ａ’に比べて光分布が拡大した光分布ｃ’を
得ることができた。以上のように発光素子構成部の一部
分のストライプ幅を変化させることで水平方向の光分布
を調整することができるので、発光素子構成部と光分布
の異なる１０μｍ径の光ファイバーあるいはレンズなど
との結合効率を高めることができた。さらに光導波路構
成部の光導波路層の混晶比を低くすることで光分布を更
に変化させることができる。光導波路の層厚と混晶比を
適宜調整することによっても光分布を変化させることが
可能である。

【００３２】（実施例３）本発明の第３の実施例として
半絶縁性の半導体で光導波路層を形成した半導体光集積
素子を以下に説明する。ｎ型ＩｎＰ基板上の発光素子構
造領域となる部分に通常のフォトリソ工程、エッチング
プロセス工程にて［０１−１］方向に幅２μｍ、高さ
２．３μｍのストライプ形状のメサ部を実施例１と同様
に形成する。

【００３３】ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法によ
り、０．０５５μｍ層厚のＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
（ＩｎＰ基板に格子整合させた波長１．１μｍ帯のＩｎ
ＧａＡｓＰ光ガイド層）と、５周期からなる０．００８
μｍ層厚のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層（ＩｎＰ基板
に格子整合した波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ量子
井戸活性層）と０．０１μｍ層厚のＩｎＧａＡｓＰ量子
障壁層（波長１．１５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ量子障壁
層）からなる活性層領域と、０．０５μｍ層厚のＩｎＧ
ａＡｓＰ光ガイド層（ＩｎＰ基板に格子整合させた波長
１．１μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層）と、からな
る発光層３００、１．１μｍ層厚のｐ型ＩｎＰ第２クラ
ッド層３０１を順次形成し、三角形状を有する発光素子
構成部を形成する。続いて１．０μｍ層厚のＦｅドープ
されたＩｎＰ第３クラッド層３０２、０．２μｍ層厚の
ＦｅドープされたＩｎＧａＡｓＰ光導波路層３０３（Ｉ
ｎＰ基板に格子整合させた波長１．０μｍ帯のＩｎＧａ
ＡｓＰ層）、続いて１．０μｍ層厚のＦｅドープされた
ＩｎＰ第４クラッド層３０４を形成後、０．１μｍ層厚
のｐ型ＩｎＰコンタクト層（図示せず）を形成する。以
上の作製方法により、各部のおいて以下の効果が得られ
る。以上の作製方法により各部において以下の効果が得
られる。

【００３４】図９（ａ）に本実施例における発光素子構
成部の断面図を示している。発光層の側面部がＦｅドー
プされた半絶縁性の半導体層で埋め込まれており、無効
電流を小さくでき、且つｐｎ接合の半導体積層構造によ
って逆バイアス部で電流を阻止するものに比べて、寄生
容量を低減でき、変調帯域を１．０ＧＨｚから５．０Ｇ
Ｈｚと高速化できた。

【００３５】図９（ｂ）に本実施例における光導波路構
成部の断面図を示している。発光素子構成部からの光が
導波する光導波路層が半絶縁性の半導体層で形成されて
いるため、フリーキャリアによる導波損失を低減するこ
とができた。ｐｎ接合からなるものに比べて、Ｆｅ不純
物が１０Ｅ１８ｃｍ^-3程度添加された光導波路層の損失
量は５ｄＢ／ｃｍから０．８ｄＢ／ｃｍへと低減するこ
とができた。

【００３６】（実施例４）本発明の第４の実施例として
コーレント通信用の受信機に使用する半導体光集積素子
について説明する。図１０にコヒーレント通信用の受信
機の概略図を示す。コヒーレント通信の方式は、信号に
応じて光周波数位相変調された信号光と光周波数を安定
させた局部発振光とを合波することで、差の周波数を抽
出することによって信号を復調するものである。しか
し、局部発振光には雑音と呼ばれる光強度成分の揺らぎ
があり、これは伝送されてきた信号光に比べて絶対強度
が大きく、信号光成分に対して雑音成分となっていた。
そして、この雑音成分は２つの検出器を組み合わせたダ
ブルバランスミキサーの構成で打ち消すことができてい
た。このためコヒーレント通信用の受信機に用いられる
半導体光集積素子は、局部発振光を発生させるＤＦＢレ
ーザと光合分岐器と２つの光検出器と信号光を入力する
光入力部とからなっていた。

【００３７】図１１、図１２に、本発明のコヒーレント
通信用の受信機に用いられる半導体光集積素子を示す。
ＧａＡｓ半導体基板上の［０１１］方向と［０１−１］
方向に、ＤＦＢレーザ４００を形成するためのストライ
プ形状のメサ部と２つの光検出器４０１を形成用するた
めのストライプ形状のメサ部を実施例１と同様にメサ部
の高さ２．０μｍで形成する。このストライプ形状は、
光入力部４０３で光ファイバーと直接結合が可能にする
ように光分布を変えるため、実施例２と同様にメサ部の
幅をストライプ形状内の中央部からメサ部幅を狭くして
いる。ここまで作製した半導体光集積素子の製造工程図
を図１１に示す。

【００３８】次に、ＤＦＢレーザ４００を形成する場所
に２光束干渉露光とエッチングプロセス工程により回折
格子を形成する。そして、ＭＯＣＶＤ法により０．９μ
ｍ層厚のｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層４０
４、０．１２μｍ層厚のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ光ガイド
層と０．０６μｍ層厚のＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎ_0.007Ａｓ
_0.993単一量子井戸活性層と０．１２μｍ層厚のＡｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ光ガイド層とからなる発光層４０５、
０．９μｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド
層４０６を順次形成する。メサ部上にはＤＦＢレーザを
形成する半導体層及び光検出器を形成する半導体層が積
層できる。次に、連続して光導波路構成部を形成するた
め、０．９μｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ第３ク
ラッド層４０７、０．３μｍ層厚のｎ型Ａｌ_0.32Ｇａ
_0.68Ａｓ光導波路層４０８、０．８μｍ層厚のｐ型Ａｌ
_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ第４クラッド層４０９、０．１μｍ層
厚のｐ型ＧａＡｓ層（図示しない）を形成する。

【００３９】続いて光導波路構造部で光の横方向閉じ込
めのためのリッジ構造と、リッジ構造の中央交差部に下
クラッド層あるいは基板まで貫くような溝部をドライエ
ッチングにより形成し、この溝部でリッジ構造である半
導体層と空気の界面で生じる全反射により光の波面の１
部分を全反射することで光合分岐器４０２として機能す
る発光素子を形成する。以上のようにして、発光素子と
光検出器などの能動素子が複数のメサ部を形成すること
により１回の結晶成長により集積された半導体光集積素
子を作製することができた。

【００４０】（実施例５）半導体基板上に発光素子構成
部のメサ部５００上にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第１クラッド
層５０１、Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ発光層５０２、Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第２クラッド層５０３、光導波路構成部
には、上記Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第２クラッド層５０３の
上にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第３クラッド層５０４、Ａｌ
_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ光導波路層５０５、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａ
ｓ第４クラッド層５０６で構成する。ここまでの半導体
光集積素子の光導波方向の断面図を図１３に示す。

【００４１】さらに、発光素子構成部と光導波路構成部
との界面に、例えばＲＩＢＥ（リアクティブ イオンビ
ーム エッチング）により発振波長０．７８μｍに対し
てλ／２膜厚（０．４０μｍ厚）となるように溝部を形
成する。形成した溝部にＳＯＧのスピンコーティングに
よりこの溝部を埋め込むことでＳｉＯ₂誘電体膜５０７
を形成する。以上の工程で作製された半導体光集積素子
の光導波方向の断面図を図１５に示す。

【００４２】図１３で示されるような成長直後の状態で
は発光素子構成部と光導波路構成部との界面で発光層が
傾斜して形成されていること（傾斜部を有すること）に
より、導波光が下向きに導波されて本来結合されるべき
光導波路構成部の光導波路層への光結合効率の低減とい
う問題があった。この発光層の傾斜角θ（発光素子構成
部の発光層５０２と光導波路構成部の発光層５０２とが
なす角度）に対する光導波路層への光結合効率を求めた
結果を図１４に示す。一方、図１５に示すような光導波
路構成部と発光素子構成部との界面をＳｉＯ₂誘電体膜
で埋め込んだ本実施例の構成での光結合効率も図１４に
示す。図１４に示されているように、傾斜部を除去しな
い場合には、光結合効率が低く、かつ、傾斜角が大きく
なるにつれてますます光結合効率が低下する。しかし、
Ｓｉ０₂誘電体膜で溝部が埋め込まれた半導体光集積素
子の場合には、最初に発光層が形成された傾斜角によら
ず光結合効率が大きくできる。以上より傾斜部を除去す
ることにより除去しない場合と比較して発光素子構成部
と光導波路構成部間の結合効率を約９ｄＢ改善すること
が可能となった。

【００４３】さらに、この溝部の形成により発光素子構
成部の共振器面が構成できることから、分布帰還等のた
めの回折格子の作製プロセスが不要となりプロセスが簡
略化できるという効果も得られる。本実例では誘電体膜
の厚さをλ／２膜厚としているが、発光素子構造の出射
光強度が最適となるような反射率となるように層厚を選
択することも可能である。又、誘電体で溝部を埋め込ん
でいるが他の材料ＳｉＮ等或いは半導体ＧａＡｌＡｓ、
ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｎ等で埋め込むことで
も同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００４４】

【発明の効果】本発明の請求項１に記載の半導体光集積
素子の製造方法によれば、１回の結晶成長で半導体光集
積素子を作製することができるので、エッチングなどの
プロセスによるダメージによる信頼性低下などが生じ
ず、また、工程数を削減できるので低コスト化を図るこ
とができる。また、請求項７に記載の半導体光集積素子
では、発光素子部において低閾値電流特性の優れた埋め
込み構造と光導波路が集積された半導体光集積素子を得
ることができた。

【００４５】また、請求項２に記載の発明では、光結合
効率が最も高くなるように、発光層と光導波路層の位置
関係にすることができる。

【００４６】請求項３に記載の発明によれば、１回の結
晶成長で出射光の光分布を変換することができ、光ファ
イバー等の他の光デバイスへの光結合効率を向上させる
ことができる。

【００４７】請求項４に記載の発明によれば、光導波路
層が半絶縁性の半導体で構成することにより、発光素子
構成部において無効電流が小さくできる。さらに、高速
変調特性に優れたものが得られた。又、光導波路層に不
純物が無いことによりフリーキャリアロスが低減でき、
導波損失を低減することもできた。

【００４８】請求項５に記載の発明によれば、発光素子
構成部以外の受光素子などを１回の結晶成長工程で同時
に作製することができる。

【００４９】請求項６に記載の発明によれば、発光素子
構成部と光導波路構成部との界面に溝部を形成し、且つ
溝部が誘電体或いは半導体で埋め込むことにより、界面
において発光層が傾斜することによる光結合効率の低下
を防ぐことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の半導体光集積素子の作
製工程図である。

【図２】本発明の第１の実施例の半導体光集積素子の作
製工程図である。

【図３】本発明の第１の実施例の半導体光集積素子の作
製工程図である。

【図４】本発明の第１の実施例の半導体光集積素子の作
製工程図である。

【図５】本発明の第１の実施例の半導体光集積素子の構
造図である。

【図６】本発明の第１の実施例の半導体光集積素子の構
造に於ける断面図である。

【図７】本発明の第２の実施例の半導体光集積素子の作
製工程図である。

【図８】本発明の第２の実施例の半導体光集積素子の構
造図である。

【図９】本発明の第３の実施例の半導体光集積素子の断
面図である。

【図１０】コヒーレント通信用受信機のダブルバランス
ドミキサーの構成図である。

【図１１】本発明の第４の実施例の半導体光集積素子の
作製工程図である。

【図１２】本発明の第４の実例の半導体光集積素子の構
造図である。

【図１３】本発明の第５の実例の半導体光集積素子の作
製工程途中での断面図である。

【図１４】活性層の傾斜角θに対する半導体レーザ構成
部と光導波路構成部間の結合効率を示す図である。

【図１５】本発明の第５の実例の半導体光集積素子の断
面図である。

【図１６】従来の半導体光集積素子の構成図である。

【図１７】従来の半導体光集積素子の構成図である。

【符号の説明】

１００ ｎ型ＧａＡｓ基板 １０１ Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓエッチングストップ層 １０２ ＧａＡｓ層 １０３ メサ部 １０４ 回折格子 １０５ ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層 １０６、２０３、３００ 発光層 １０７ ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド層 １０８ ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第３クラッド層 １０９ ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ光導波路層 １１０ ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第４クラッド層 １１１ リッジ構造 ２００ ＧａＡｓ半導体基板 ２０１ メサ部 ２０２ ｎ型ＩｎＧａＰ第１クラッド層 ２０４ ｐ型ＩｎＧａＰ第２クラッド層 ２０５ ｐ型Ａｌ_0.37Ｇａ_0.63Ａｓ第３クラッド層 ２０６ ｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ光導波路層 ２０７ ｐ型Ａｌ_0.37Ｇａ_0.63Ａｓ第４クラッド層 ３０１ ｐ型ＩｎＰ第２クラッド層 ３０２ ＦｅドープされたＩｎＰ第３クラッド層 ３０３ ＦｅドープされたＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 ３０４ ＦｅドープされたＩｎＰ第４クラッド層 ４００ ＤＦＢレーザ ４０１ 光検出器 ４０２ 光合分岐部 ４０３ 光入力部 ４０４ ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１クラッド層 ４０５ 発光層 ４０６ ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第２クラッド層 ４０７ ｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ第３クラッド層 ４０８ ｎ型Ａｌ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ光導波路層 ４０９ ｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ第４クラッド層 ５００ メサ部 ５０１ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第１クラッド層 ５０２ Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ発光層 ５０３ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第２クラッド層 ５０４ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第３クラッド層 ５０５ Ａｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ光導波路層 ５０６ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ第４クラッド層 ５０７ ＳｉＯ₂誘電体膜

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光素子構成部と、前記発光素子構成部
   の出射光を導波させる光導波路構成部とからなる半導体
   光集積素子の作製方法において、 半導体基板上に前記発光素子構成部となる［０１１］あ
   るいは［０１−１］方向のストライプ状のメサ部を形成
   する工程と、 前記半導体基板上に少なくとも発光層と、第２クラッド
   層と、第３クラッド層と、光導波路層と、第４クラッド
   層とを順次積層する工程と、を有することを特徴とする
   半導体光集積素子の作製方法。
2. 【請求項２】 前記ストライプ状のメサ部の高さを、第
   ２クラッド層の層厚と第３クラッド層の層厚と発光層の
   半分の層厚と光導波路層の半分の層厚との合計であるよ
   うに形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体
   光集積素子の作製方法。
3. 【請求項３】 前記ストライプ状のメサ部の幅がストラ
   イプ方向で異なるように形成することを特徴とする請求
   項１または２に記載の半導体光集積素子の作製方法。
4. 【請求項４】 前記第３クラッド層と光導波路層と第４
   クラッド層とが、半絶縁性の半導体から形成されること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体
   光集積素子の作製方法。
5. 【請求項５】 前記半導体基板上に複数のストライプ状
   のメサ部が形成されていることを特徴とする請求項１乃
   至４のいずれかに記載の半導体光集積素子の作製方法。
6. 【請求項６】 前記ストライプ状のメサ部上の発光層と
   第２クラッド層とからなる発光素子構成部と、前記スト
   ライプ状のメサ部の光伝搬方向の第３クラッド層と光導
   波路層と第４クラッド層とからなる光導波路構成部との
   界面に溝部を形成する工程と、前記溝部を半導体または
   誘電体で埋め込む工程と、を有することを特徴とする請
   求項１乃至５のいずれかに記載の半導体光集積素子の作
   製方法。
7. 【請求項７】 発光素子構成部と、前記発光素子構成部
   の出射光を導波させる光導波路部とからなる半導体光集
   積素子において、 半導体基板上に前記発光素子構成部となる［０１１］あ
   るいは［０１−１］方向のストライプ状のメサ部を有
   し、 前記ストライプ状のメサ部上に、少なくとも発光層と第
   ２クラッド層とからなる発光素子構成部を有し、 前記ストライプ状のメサ部の光伝搬方向に直交するメサ
   部側面では、少なくとも第３クラッド層と光導波路層と
   第４クラッド層とからなる層が電流・光閉じ込め機能を
   有し、 前記ストライプ状のメサ部の光伝搬方向には、少なくと
   も前記第３クラッド層と前記光導波路層と前記第４クラ
   ッド層からなる前記光導波路構成部を有することを特徴
   とする半導体光集積素子。