WO2007096939A1

WO2007096939A1 - 光半導体装置とその製造方法

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Publication number: WO2007096939A1
Application number: PCT/JP2006/302975
Authority: WO
Inventors: Kan Takada; Tsuyoshi Yamamoto
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-30
Also published as: US8273585B2; JPWO2007096939A1; US20120083058A1; JP4983790B2; US8093581B2; US20080315182A1

Abstract

【課題】従来よりも発光効率が高められた光半導体装置とその製造方法を提供すること。【解決手段】InP基板２０と、InP基板２０上に形成された下部クラッド層２１と、下部クラッド層２１上に形成されたAlGaInAsよりなる下部光ガイド層２２と、下部光ガイド層２２上に形成され、井戸層２３ａとAlGaInAsよりなるバリア層２３ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層２３と、活性層２３上に形成されたInGaAsPよりなる上部光ガイド層２４と、上部光ガイド層２４上に形成された上部クラッド層２５とを備えた第１光半導体素子５１を有することを特徴とする光半導体装置による。

Description

明細書

光半導体装置とその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、光半導体装置とその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 近年、光ファイバを用いた光通信網は拡大の一途を迪つており、その光通信に用 V、られる光源として、低コスト且つ高温特性に優れた半導体レーザが望まれて、る。

[0003] 従来、波長 1. 3 /z m帯や 1. 55 m帯の半導体レーザの活性層としては、 InGaAsP 系の多重量子井戸構造、すなわちバリア層として InGaAsP層を形成した多重量子井戸構造が用いられていた。

[0004] これに対し、近年では、 InGaAsP系の多重量子井戸構造よりも伝導帯のバンドオフセット A Ec力深く、且つ価電子帯のバンドオフセット Δ Ενが浅い AlGalnAs系の多重量子井戸構造、すなわちノリア層として AlGalnAs層を形成した多重量子井戸構造が注目されつつある。

[0005] このような AlGalnAs系の多重量子井戸構造を活性層として採用した半導体レーザにつヽては特許文献 1に開示されて!ヽる。

[0006] 図 1は、その特許文献 1に開示される光半導体装置のエネルギバンド図である。

[0007] この光半導体装置では、 n型 InP基板の上に、 n型 InPよりなる下部クラッド層 2、 InGa

AsPよりなる下部光ガイド層 3、 A alnAs系の多重量子井戸構造の活性層 4、 InGaAs

Pよりなる上部光ガイド層 5、及び p型 InPよりなる上部クラッド層 6が形成される。

[0008] このうち、活性層 4は、 InGaAsPよりなる量子井戸層 4aと AlGalnAsよりなるノリア層 4 bとを交互に積層してなる。

[0009] 図 1に示されるように、 AlGalnAs系の多重量子井戸構造では、既述のように価電子帯のバンドオフセット A Ecが深ぐ且つ伝導帯のバンドオフセット Δ Ενが浅い。

[0010] このように価電子帯のバンドオフセット Δ Ecが深、ため、 n側（下部クラッド層 2側）から活性層 4に注入された電子 Eが量子井戸層 4aに効率よく閉じ込められる。その結果

、高温の環境下でも電子 Eが量子井戸層 4からオーバーフローするのが抑制される。また、伝導帯のバンドオフセット Δ Ενが浅いので、 ρ側（上部クラッド層 6側）から活性層 4に注入されたホール Ηが全ての量子井戸層 4aに均一に行き渡るようになり、活性層 4の全ての部分における発光効率を高めることができる。、これにより、ペルチェ素子のような冷却素子を用いなくても高温においてレーザの発振効率が低下するのを防止することができ、不要となった冷却素子の分だけコストダウンを図ることができる。

[0011] 上記のような AlGalnAs系の多重量子井戸構造を活性層として用いた半導体レーザにつ、ては、特許文献 2にもその一例が開示されて、る。

[0012] 特許文献 2の光半導体装置では、図 1で示した特許文献 1の構造において、下部光ガイド層 3と上部光ガイド層 5とを共に A ^alnAsで構成している。

[0013] 図 2は、特許文献 2の光半導体装置のエネルギバンド図である。特許文献 2におヽては、光ガイド層 3、 5に組成波長が 1. 25 mで厚さが 70nmの AlGalnAs層を形成し、活性層 4の井戸層 4aに 0.6%圧縮歪で厚さが 4. 5nmの InGaAs層、ノリア層 4bには無歪の糸且成波長 1. 25 m、厚さ 13nmの AlGalnAs層を用いている。

[0014] 図 2に示されるように、このように上部光ガイド層 5として AlGalnAs層を形成すると、上部 InPクラッド層 6と上部光ガイド層 5の価電子帯のポテンシャル障壁 Δ Eが大きくなる。例えば、上部光ガイド層 5の組成波長を 1. 25 /z mとした場合、そのポテンシャル障壁 Δ Eは 280meV程度の大きな値となる。このようにポテンシャル障壁 Δ Eが大きヽと、順方向電圧を印加した際に、点線で示されるような深いポテンシャルスパイク Vが発生し、このポテンシャルスパイクによって上部クラッド層 6から活性層 4へのホール H の注入が妨げられ、発光効率が低下するという問題がある。

[0015] その他に、本発明に関連する技術が特許文献 3にも開示されている。

特許文献 1：特開平 8— 125263号公報

特許文献 2：特表平 11― 506273号公報

特許文献 3：特開平 8 - 172241号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 本発明の目的は、従来よりも発光効率が高められた光半導体装置とその製造方法を提供することにある。課題を解決するための手段

[0017] 本発明の一観点によれば、基板と、前記基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された A ^alnAsよりなる下部光ガイド層と、前記下部光ガイド層上に形成され、井戸層と AlGalnAsよりなるノリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層上に形成された InGaAsPよりなる上部光ガイド層と、前記上部光ガイド層上に形成された上部クラッド層とを備えた第 1光半導体素子を有する光半導体装置が提供される。

[0018] 本発明によれば、上部光ガイド層を InGaAsPで構成したので、上部光ガイド層を A1G alnAsで構成する場合と比較して、上部光ガイド層と上部クラッド層との価電子帯におけるポテンシャル障壁が小さくなる。そのため、上部光ガイド層を A ^alnAsで構成する場合に見られるような価電子帯のポテンシャルスパイクを解消することができ、ポテンシャルスパイクに邪魔されること無く上部クラッド層力活性層にキャリアを効率良く注入することが可能となり、活性層における発光効率を高めることができるようになる

[0019] また、本発明の別の観点によれば、互いに接した第 1領域と第 2領域とを有する基板上に、下部クラッド層、 AlGalnAsよりなる下部光ガイド層、井戸層と AlGalnAsよりなるバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層、 InGaAsPよりなる上部光ガイド層、及び上部クラッド層を順に形成する工程と、前記第 1領域における前記上部クラッド層上に、マスク層を選択的に形成する工程と、前記マスク層で覆われていない第 2領域の少なくとも前記上部クラッド層を選択的にエッチングするェ程と、ウエットエッチングにより、前記マスク層で覆われていない第 2領域の少なくとも前記活性層、及び前記下部光ガイド層を選択的に除去して、前記第 1領域に、少なくとも前記基板、前記下部クラッド層、前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層で構成される第 1光半導体素子を残す工程と、前記ウエットエッチングの後に、前記第 2領域における前記下部クラッド層上に、前記第 1光半導体素子と接する第 2光半導体素子を形成する工程と、前記マスク層を除去する工程とを有する光半導体装置の製造方法が提供される。

[0020] 本発明によれば、下部光ガイド層と、多重量子井戸構造の活性層を構成するバリア層とを共に AlGalnAsで構成する。従って、ウエットエッチングにより第 2領域の活性層と下部光ガイド層を選択的に除去する工程において、活性層と下部光ガイド層とが実質的に同じエッチング速度でエッチングされることになる。そのため、このエッチングを終了した後でも、活性層の側面が下部光ガイド層の側面よりも大きく後退するのが避けられる。その結果、第 1光半導体素子と接する第 2光半導体素子を第 2領域に形成する工程において、後退した活性層の側面に起因したボイドが第 2光半導体素子を構成する層に形成されず、第 1光半導体素子の各層と良好に接するように第 2光半導体素子を形成することが可能となり、第 1、第 2光半導体素子間の光信号の授受にロスが発生するのを防止できる。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、特許文献 1に開示される光半導体装置のエネルギバンド図である。

[図 2]図 2は、特許文献 2に開示される光半導体装置のエネルギバンド図である。

[図 3]図 3は、本願発明者が行った実験について説明するための工程断面図（その 1 )である。

[図 4]図 4は、本願発明者が行った実験について説明するための工程断面図（その 2 )である。

[図 5]図 5は、本願発明者が行った実験について説明するための工程断面図（その 3 )である。

[図 6]図 6は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図 (その 1)である。

[図 7]図 7は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図 (その 2)である。

[図 8]図 8は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図 (その 3)である。である。

[図 9]図 9は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図 (その 4)である。

[図 10]図 10は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その 5)である。 [図 11]図 11は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その 6)である。

[図 12]図 12は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その 7)である。

[図 13]図 13は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その 8)である。

[図 14]図 14は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その 9)である。

[図 15]図 15は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置が備える第 1光半導体素子のエネルギバンド図である。

[図 16]図 16は、上部光ガイド層として p型 InGaAsP層を形成したレーザ素子 Aと、上部光ガイド層として p型 A ^alnAs層を形成したレーザ素子 Bのそれぞれの電流一光出力特性を示すグラフである。

[図 17]図 17は、本発明の第 2実施形態に係る光半導体装置のエネルギバンド図である。

[図 18]図 18は、本発明の第 3実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

[図 19]図 19は、本発明の第 4実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

[図 20]図 20は、本発明の第 5実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0022] (1)実験結果についての説明

本発明の実施の形態の前に、本願発明者が行った実験について説明する。

[0023] 光半導体装置では、異種の光半導体素子同士、例えばレーザと半導体光変調器とを共通基板上に形成する場合がある。このような光半導体装置は、一方の光半導体素子を他方の光半導体素子にバットジョイント成長して形成することが、それぞれの素子を個別に最適化するためには望ま、。

[0024] 本願発明者は、特許文献 1に開示されるような、 A ^alnAs系多重量子井戸構造の活性層と InGaAsPよりなる光ガイド層との積層構造を有する半導体レーザに、別の光半導体素子をバットジョイント成長するとどのような不都合が発生するの力を実験した [0025] 図 3〜図 5は、この実験について説明するための工程断面図である。

[0026] この実験においては、上記したバットジョイント成長により、基板の第 1領域 Iに半導体レーザを形成すると共に、この半導体レーザとは異種の光半導体装置を第 2領域 II に形成しようと試みた。

[0027] なお、図 3〜図 5において、第 1断面は、第 1領域 Iに形成される半導体レーザの共振器方向に垂直な断面であり、第 2断面は共振器方向の断面である。

[0028] 最初に、図 3に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

[0029] まず、 n型 InP基板 10上に、 n型 InPよりなる下部クラッド層 11、 InGaAsPよりなる下部光ガイド層 12、 A alnAs系の多重量子井戸構造を有する活性層 13、 InGaAsPよりなる上部光ガイド層 14、及び p型 InPよりなる上部クラッド層 15をこの順に MOCVD(Meta

1 Organic Chemical Vapor Deposition)法【こり形成する。

[0030] 次に、図 4に示すように、上部クラッド層 15の全面に、例えば熱 CVD法等により酸ィ匕シリコン層を形成した後、フォトリソグラフィ等によりその酸ィ匕シリコン層をパターユングして第 1領域 Iのみにマスク層 16として残す。

[0031] ここで、上記した各層 11〜 15は、第 1領域 Iに形成される半導体レーザを構成するものであり、第 2領域 IIに形成される他の光半導体素子、例えば光変調器には不要の層である。

[0032] そこで、次の工程では、図 5に示すように、マスク層 16をマスクにして、第 2領域 IIにおける上部クラッド層 15から下部クラッド層 12までをウエットエッチングする。

[0033] そのウエットエッチングは、次のような 2ステップのエッチングにより行われる。

[0034] 第 1ステップのエッチングでは、エッチング液として塩酸を用い、 p型 InPよりなる上部クラッド層 15をエッチングする。 InGaAsPよりなる上部光ガイド層 14は、塩酸に対するエッチング速度が上部クラッド層 15よりも遅いので、第 1ステップのエッチングでは実質的に上部クラッド層 15のみがエッチングされ、上部光ガイド層 14はそのエッチングのストッノとなる。

[0035] 次の第 2ステップのエッチングでは、硫酸、過酸化水素水、及び水の混合液をエツチング液として、上部光ガイド層 15から下部光ガイド層 12までをエッチングする。 [0036] なお、エッチングされた各層の側面は、点線円内に示されるように、垂直方向から傾斜した面となる。

[0037] ここで、 AlGalnAs系の活性層 13は、その下の InGaAsPよりなる下部光ガイド層 12と比較して、硫酸、過酸化水素水、及び水の混合液に対するエッチング速度が速い。そのため、第 2領域 IIら下部光ガイド層 12がエッチングされて除去される前に、図示のように、活性層 13の側面が大きく後退した。

[0038] し力しながら、その後退量 dが大きいと、活性層 13が後退したことによって発生したスペース Sに起因して、第 2領域 IIに後で再成長される層にボイドが発生し、第 1領域 I と第 2領域 IIの各素子が光学的に結合されなくなってしまう。

[0039] このような不都合を回避するために、第 2領域 IIの下部光ガイド層 12を無理にエツチングせず、活性層 13のエッチングが終了した時点でエッチングを停止して、活性層 13の側面が後退するのを抑制することも考えられる。

[0040] しかし、このようにすると、第 2領域 IIでは、エッチングされずに残った下部光ガイド層 12の表面力も活性層多重量子井戸構造を直接再成長させることになるが、これでは活性層の結晶性が劣化し、非発光再結合の増大により発振特性が悪化するという別の問題が発生する。

[0041] そのため、この種の光半導体装置では、活性層 13の後退量 dをなるベく小さく抑えながら、第 2領域 IIにおける下部光ガイド層 12をエッチングして除去し、下部 InPクラッド層の上から再成長を始め、下側光ガイド層の成長に続いて活性層多重量子井戸構造を積層する。これによつて、多重量子井戸構造の結晶性をなるベく悪化させないことが望ましい。

[0042] 上記した点に鑑み、本願発明者は、以下のような本発明の実施の形態に想到した

[0043] (2)第 1実施形態

図 6〜図 14は、本発明の第 1実施形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図である。

[0044] 最初に、図 6に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

[0045] まず、互いに接する第 1、第 2領域 I、 IIを有する n型 InP (半導体)基板 20の第 1領域 I のみに電子ビーム直描法により回折格子 20aを形成する。本実施形態においては回折格子 20aの深さを 25nmとする。また、第 1領域 Iの中央の回折格子 20aにえ /4シフト 20bを形成する。

[0046] 次に、組成波長が 1. 15 μ mの η型 InGaAsPよりなる回折格子埋め込み層 19、 n型 In Pよりなる下部クラッド層 21、組成波長が 1. 2 /z mの AlGalnAsよりなる下部光ガイド層 22、 AlGalnAs系の多重量子井戸構造を有する活性層 23、組成波長が 1. mの I nGaAsPよりなる上部光ガイド層 24、及び p型 InPよりなる上部クラッド層 25をこの順に MOCVD法により形成する。

[0047] MOCVD法による成長においては、 III族である Ga、 In、 A1の原料ガスとしてそれぞれ TEG(Triethyl Gallium), TMI(Trimethyl Indium), TMA(Trimethyl Aluminum)を用い、 V族である As、 Pの原料ガスとしてそれぞれ AsH、 PHを用いる。

3 3

[0048] これらの層の厚さは設計により様々な設定が可能である力例えば、回折格子埋め込み層は 70nm、下部クラッド層 21は 60nm、下部光ガイド層 22と上部光ガイド層 24 は 50nm、上部クラッド層 25は 150nmの厚さにそれぞれ形成する。

[0049] これらのうち、光ガイド層 22、 24は、クラッド層 21、 25よりもバンドギャップが狭いためこれらのクラッド層 21、 25よりも屈折率が高い。これにより、活性層 23の上下に屈折率が高い領域が増え、それにより各層 22〜24にレーザ光を閉じ込め易くなる。このような機能を有する光ガイド層 22、 24は、 SCH(Separate Confinement Heterostruc ture)層とも呼ばれる。

[0050] また、本実施形態では、組成波長 1. 55 m付近に利得ピークを持つ AlGalnAs系の多重量子井戸構造を有する活性層 23として、厚さが 5應で圧縮歪 1. 5%の AlGaln Asよりなる井戸層 23aと、厚さが 10nmで引っ張り歪 0. 3%、糸且成波長が 1. 2 μ m(DA\ GalnAsよりなるノリア層 23bとを交互に複数積層したものを採用する。その積層数は特に限定されないが、井戸層 23aは 6層、バリア層 23bは 7層形成する。

[0051] また、第 1、第 2領域 I、 IIの長さは特に限定されないが、例えば第 1領域 Iは 300 m 、第 2領域 IIは 250 μ mとするのが好ましい。

[0052] そして、本実施形態に係る光半導体装置は、下部光ガイド層 22を A ^alnAsで構成する点において、 InGaAsPにより下部光ガイド層 12を構成する図 3の例と相違する。 [0053] 次いで、図 7に示すように、上部クラッド層 25の全面に、熱 CVD法等により酸化シリコン層を形成した後、フォトリソグラフィ一等によりその酸ィ匕シリコン層をパターユングして第 1領域 Iのみに第 1マスク層 26として残す。

[0054] 次に、図 8に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

[0055] まず、第 1のエッチング液として塩酸を用い、第 1マスク層 26で覆われていない第 2 領域 IIの上部クラッド層 25を選択的にウエットエッチングして除去する。

[0056] ここで、 InGaAsPよりなる上部光ガイド層 24は、 InPよりなる上部クラッド層 25と比較して塩酸に対するエッチング速度が遅い。従って、このエッチングでは、上部クラッド層 25のみが実質的にエッチングされ、その下の上部光ガイド層 24はエッチングのストツノ《として機能する。

[0057] 次に、第 2のエッチング液として硫酸、過酸化水素水、及び水の混合液を用い、第 1マスク層 26で覆われていない第 2領域 IIの上部光ガイド層 24、活性層 23、下部光ガイド層 22をウエットエッチングして除去する。

[0058] なお、このようにしてエッチングされた各層の側面は、点線円内のように、垂直方向から傾斜した面となる。

[0059] 既述のように、本実施形態では、下部光ガイド層 22と活性層 23の両方を共に AlGal nAsで構成した。従って、このエッチングでは、下部光ガイド層 22と活性層 23とのエツチング速度の差が実質的に発生しない。そのため、下部光ガイド層 22のエッチングが終了した後でも、活性層 23の側面が大きく後退しておらず、活性層 23と下部光ガイド層 22のそれぞれの側面は実質的に同一面を成す。

[0060] ここまでの工程により、第 1領域 Iには、 InP基板 20、回折格子埋め込み層 19、下部クラッド層 21、下部光ガイド層 22、活性層 23、上部光ガイド層 24、及び上部クラッド層 25で構成される DFB(Distributed Feedback)レーザ素子が第 1光半導体素子 51として形成されたことになる。

[0061] 次いで、図 9に示すように、組成波長が 1. 15 mの InGaAsPよりなる変調器用下部光ガイド層 32、 InGaAs系の多重量子井戸構造を有する変調器用活性層 33、組成波長が 1. 15 /ζ πώ 1. 00 mまで連続的に変化する InGaAsPグレーデット層よりなる変調器用上部光ガイド層 34、及び p型 InPよりなる変調器用上部クラッド層 35を、第 2 領域 IIにおける下部クラッド層 21上に MOCVD法により順に形成する。

[0062] なお、その MOCVD法では、酸化シリコンよりなる第 1マスク層 26の上に層は成長せず、第 2領域 IIに露出している下部クラッド層 21にのみ上記した各層 32〜35がェピタキシャル成長する

また、これらの層 32〜35の膜厚は特に限定されないが、本実施形態では、変調器用下部光ガイド層 32を 50應、変調器用上部光ガイド層 34を 50應、変調器用上部クラッド層 35を 150應の厚さに形成する。また、変調器用活性層 33としては、例えば、厚さが 5nmで引っ張り歪 0. 3%、組成波長が 1. 3 mの InGaAsPよりなるノリア層 33 bと、厚さが 9nmで圧縮歪 0. 5%の InGaAsPよりなる井戸層 33aとを積層した構造を採用し得る。その積層数は限定されないが、例えば、ノリア層 33bを 8層、井戸層 33aを 7層形成する。変調器のバンドギャップ波長は特に限定されないが、第一領域 Iに第 1 光半導体素子 51として形成したレーザ素子の発振波長が 1. 55 μ m程度である場合、変調器の PL波長は 1. 49〜： L 50 m程度に設定すればよい。

[0063] このようにして第 2領域 IIに形成された各層 32〜35は第 2光半導体素子 52を構成する。本実施形態では、その第 2光半導体素子 52は、第 1光半導体素子 51から発振されたレーザ光を変調する電界吸収型半導体光変調器として機能する。

[0064] 既述のように、本実施形態では、図 8のエッチング工程において活性層 23の後退量が図 5の場合と比較して大きく低減されている。従って、活性層 23の後退に伴うボイドが変調器用活性層 33等に発生するのを抑えることが可能となり、第 1半導体素子 51の側面に良好に接するように上記した各層 32〜35を形成することができる。その結果、第 1光半導体素子 51と第 2光半導体素子との間で光信号のロス等が発生せず、各素子 51、 52を光学的に良好に結合することができる。

[0065] し力も、図 8のエッチング工程において第 2領域 IIの下部光ガイド層 22をエッチングして除去し、本工程において下部クラッド層 21の表面カゝら変調器用下部光ガイド層 3 2を成長させるようにした。これにより、変調器用下部光ガイド層 32が、下部クラッド層 21の表面に存在する格子欠陥を上層に伝えな、バッファ層としても機能するようになり、変調器用下部光ガイド層 32上に形成される変調器用活性層 33に格子欠陥が入るのを抑制することができる。 [0066] この工程を終了後、緩衝フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより、酸ィ匕シリコンよりなる第 1マスク層 26を除去する。

[0067] 続いて、図 10に示すように、上部クラッド層 25と変調器用上部クラッド層 35のそれぞれの上に、厚さ約 1. 5 _iu mのp型InP層をMOCVD法にょり成長させ、その InP層を上部クラッドの上側層 36とする。

[0068] 更に、この上側層 36の上に、コンタクト層 37として p型 InGaAsP層を MOCVD法により厚さ約 300nmに形成する。

[0069] 次いで、図 11に示すように、熱 CVD法等によりコンタクト層 37上に酸化シリコン層を形成した後、フォトリソグラフィ一によりその酸ィ匕シリコン層をパターユングして、レーザ及び変調器の共振器方向に長、ストライプ状の第 2マスク層 40を形成する。

[0070] 続いて、図 12に示すように、上記の第 2マスク層 40をマスクにしながら、第 1、第 2領域 I、 IIにおけるコンタクト層 37から基板 20の途中部分までをエッチングし、共振器方向に延在するメサストライプ 47を形成する。そのエッチングは、例えば ICP-RIE(Induc tively Coupled Plasma Reactive Ion Etching)により行われ、塩素系ガスがエッチングガスとして使用される。

[0071] 次いで、図 13に示すように、 MOCVD法により、 Feがドープされて半絶縁性となった InP層をメサストライプ 47の両脇に埋め込み層 42として形成する。なお、その埋め込み層 42は、メサストライプ 47の側面上にのみ成長し、酸ィ匕シリコンよりなる第 2マスク層 40上には成長しない。

[0072] そして、埋め込み層 42を形成した後に、第 2マスク層 40は除去される。

[0073] 次に、図 14に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。

[0074] まず、コンタクト層 37と埋め込み層 42のそれぞれの上面に、例えば熱 CVD法により保護層 44として酸ィ匕シリコン層を形成する。

[0075] そして、フォトリソグラフィ一により保護層 44をパターユングして、メサストライプ 47の上方の保護層 44に電極窓 44aを形成する。

[0076] 更に、電極窓 44aから露出するコンタクト層 37上に、第 1、第 2p側電極 45a、 45bとして下力も順に Ti層、 Pt層、及び Au層を蒸着する。なお、本実施形態においては、第 1領域 Iと第 2領域 IIとの電気的な分離を図るために、 50 mの間隔をおいて各電極 4 5a、 45bを形成している。

[0077] その後に、 InP基板 20の裏面に n側電極 46として AuGe/Auを蒸着する。最後に、ァレイにへき開して、両端面に無反射膜をコーティングする。

[0078] 以上により、本実施形態に係る光半導体装置の基本構造が完成したことになる。

[0079] その光半導体装置は、第 1、第 2p側電極 45a、 45bのそれぞれに独立して所定の電流や電圧を印加することにより、第 1光半導体素子 51の活性層 23から発振されたレーザ光が、第 2光半導体素子 52の変調器用活性層 33において変調される。

[0080] 上記した本実施形態によれば、下部光ガイド層 22と活性層 23の両方を共に AlGaln Asで構成したので、図 8のエッチング工程において、これらの層 22、 23のエッチング速度に違いが発生せず、下部光ガイド層 22のエッチングを終了した後でも活性層 2 3の側面が大きく後退しない。そのため、図 9の工程において、第 2領域 IIに変調器用活性層 33等を成長させるときに、活性層 23の後退に起因するボイドが変調器用活性層 33に発生するのを防止できる。これにより、第 1光半導体素子 51と第 2光半導体素子 52とを光学的に良好に結合することができ、一つの基板 50上に異種の素子 51 、 52を集積形成してなる光半導体装置の品質を高めることが可能となる。

[0081] 図 15は、第 1光半導体素子 51のエネルギバンド図である。

[0082] 本実施形態では、上部光ガイド層 24を InGaAsPで構成したので、上部光ガイド層 2 4と上部クラッド層 25との価電子帯側のポテンシャル障壁 Δ Eが、上部光ガイド層を A1 GalnAsで構成する特許文献 2 (図 2参照）と比較して小さくなる。そのため、図 2に示したような価電子帯のポテンシャルスパイク Vを解消することができ、ポテンシャルスパイクに邪魔されること無く上部クラッド層 25から活性層 23にホールを効率良く注入することが可能となり、活性層 22における発光効率を高めることができるようになる。

[0083] 図 16は、本実施形態のように上部光ガイド層として InGaAsP層を形成したレーザ素子 Aと、特許文献 2のように上部光ガイド層として A ^alnAs層を形成した比較例に係るレーザ素子 Bのそれぞれの電流一光出力特性を示すグラフである。なお、この電流 —光出力特性は、 25°Cの温度での特性である。

[0084] レーザ素子 Aは上部光ガイド層として厚さ 30nm、組成波長 1. 1 μ mの InGaAsP層と厚さ 70nm、組成波長 1. 0 mの InGaAsP層を 2段に積層させた構造の 1. 55 m帯 A alnAs系レーザである。

[0085] 一方、レーザ素子 Bでは、 A alnAs上部光ガイド層の厚さを 50nm、組成波長を 1.

1 μ mにした。なお、活性層の多重量子井戸構造は、レーザ素子 Aもレーザ素子 Bも同じである。更に、両レーザ素子とも、共振器長が 300 mで回折格子層は形成されて！、な!/、両端面へき開型のフアブリ ·ペロー型レーザである。

[0086] 図 16に示されるように、上部光ガイド層として InGaAsP層を形成したレーザ素子 Aでは、閾値電流が 9. 2mAである。一方、上部光ガイド層として A ^alnAs層を形成したレ一ザ素子 Bでは、閾値電流が 10. 8mAである。よって、本実施形態と同様の構造を有するレーザ素子 Aでは、レーザ素子 Bと比較して閾値電流が約 15%低減することができる。

[0087] また、光出力に関しては、例えば 100mAにおいて、レーザ素子 Aの光出力が 24. 8 mW、レーザ素子 Bの光出力が 20. lmWであるから、レーザ素子 Aの光出力はレーザ素子 Bと比べて約 23%増大して、る。

[0088] このように、レーザ素子 Aにおいて、閾値電流が低減したり光出力が増大したりするのは、上部光ガイド層として InGaAsP層を形成したことにより、既述のポテンシャルスノ《イクが解消されたためである。

[0089] なお、本発明は上記した構造に限定されな!、。

[0090] 本実施形態では、第 2領域 IIにバットジョイント成長する変調器として、活性層の多重量子井戸構造が InGaAsP系の材料カゝらなるものを適用したが、変調器用活性層 3 3が AlGalnAs系の多重量子井戸からなって!/、てもよ!/、。

[0091] この場合、例えば、変調器用下部光ガイド層 32に組成波長 1. 05 μ mの InGaAsP 層、変調器用活性層 33に厚さ 9nmで圧縮歪 0. 5%の AlGalnAsよりなる井戸層 33aと、厚さ 5nmで引っ張り歪 0. 3%、組成波長 1. 34 mの AlGalnAsよりなるノリア層 33b、変調器用上部光ガイド層 34に組成波長が 1. 32 /ζ π^^1. 00 mまで連続的に変化する InGaAsPグレーデット層、変調器用上部クラッド層 35に厚さ 150nmの p型 InP層を形成すればよい。

[0092] また、この場合の変調器の PL波長は特に限定されないが、第 1領域 Iに第 1光半導体素子 51として形成したレーザ素子の発振波長が 1. 55 m程度である場合、変調器の PL波長は 1. 49〜： L 50 /z m程度に設定すればよい。

[0093] (2)第 2実施形態

上記した第 1実施形態では、第 1領域に形成する半導体レーザ側の上部光ガイド層

24を構成する InGaAsPの組成を一定にした。

[0094] これに対し、本実施形態では、その InGaAsPの組成を連続的に変化させることにより

、いわゆるグレーテッド層を上部光ガイド層 24として採用する。これ以外の構成については第 1実施形態と同じであり、本実施形態に係る光半導体装置の断面構造も図

14と同じである。

[0095] 図 17は、本実施形態に係る光半導体装置のエネルギバンド図である。

[0096] 図 17に示されるように、上部光ガイド層 24は、上部クラッド層 25から活性層 23に向力つてバンドギャップが狭くなるように、 InGaAsPの組成が連続的に変化させられる。

[0097] このようなグレーテッド層は、例えば、 MOCVD法により上部クラッド層 25を形成する際に、 InGaAsP用の反応ガスの流量を連続的に変化させることにより形成され得る。

[0098] 上部クラッド層 25として上記のようなグレーテッド層を採用することにより、既述の価電子帯のポテンシャルバリアをより一層解消させ易くなり、第 1実施形態と比較して活性層 23における発光効率をより高めることが可能となる。

[0099] (3)第 3実施形態

図 18は、本実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

[0100] 既述の第 1、第 2実施形態では、図 14に示したように、第 2光半導体素子 52として電界吸収型半導体光変調器を形成した。

[0101] これに対し、本実施形態では、その第 2光半導体素子 52として半導体光増幅器を構成する。

[0102] 図 18に示されるように、光半導体増幅器として機能する第 2光半導体素子 52は、下部クラッド層 21の上に、増幅器用下部光ガイド層 72、増幅器用活性層 73、増幅器用上部光ガイド層 74、及び増幅器用上部クラッド層 75を MOCVD法により順に形成してなる。これ以外の構成については第 1実施形態と同じである。

[0103] なお、これらの層 72〜75は、第 1実施形態で説明した層 32〜35に代えて形成されるものであり、各層 32〜35の形成方法を援用して形成され得るので、本実施形態に係る半導体装置の製造方法については以下では省略する。

[0104] 上記した層 72〜75の膜厚や材料は特に限定されないが、本実施形態では、組成波長が 1. 15 μ mで厚さが 50nmの InGaAsP層を下部光ガイド層 72として形成する。また、増幅器用活性層 73としては、組成波長が 1. 3 _iu mで厚さが10nm、無歪の InGa AsPよりなるノリア層 73bと、厚さが 5nmで圧縮歪 0. 8%の InGaAsPよりなる井戸層 73a とを積層した 1. 55 m帯に利得を持つ多重量子井戸構造を採用する。ノリア層 73b と井戸層 73aの積層数は、例えば、ノリア層 73bが 7層、井戸層 73aが 6層である。

[0105] 更に、上部光ガイド層 74としては糸且成波長が 1. 15 μ mで厚さが 50nmの InGaAsP 層を形成し、増幅器用上部クラッド層 75として厚さが 150應の p型 InP層を形成する。この半導体光増幅器の長さは特に限定されないが、例えば第 2領域 IIの長さを 650 mとし、第 2電極 45bの長さを 600 μ mとするのが好ましい。

[0106] このようにして構成される第 2光半導体素子 52は、第 2p側電極 45bと n側電極 46との間に所定の電流を流すことにより、第 1光半導体素子 51から発振されたレーザ光を増幅するように機能する。

[0107] 第 1実施形態で説明したように、第 2領域 IIにおける活性層 23と下部光ガイド層 22 とをウエットエッチングして除去する工程において活性層 23の側面が大きく後退しないので、第 2領域 IIに増幅器用活性層 73等を成長するときに、該増幅器用活性層 73 にボイドが発生しない。よって、第 1光半導体素子 51の側面と良好に接するように第 2光半導体素子 52を形成することができ、第 1光半導体素子 51から発振されたレーザ光を無駄なく第 2光半導体素子 52で増幅することが可能となる。

[0108] (4)第 4実施形態

図 19は、本実施形態に係る光半導体装置の断面図である。

[0109] 本実施形態では、第 2光半導体素子 52として光導波路を形成する。これ以外の構成は第 1実施形態と同じである。

[0110] 図 19に示されるように、光導波路として機能する第 2光半導体素子 52は、下部クラッド層 21の上に、コア層 80と光導波路用上部クラッド層 84とを MOCVD法によりこの順に形成してなる。

[0111] 各層 80、 84の材料は特に限定されない。本実施形態では、コア層 80として、組成波長が 1. 33 /z mで厚さが 200nmの InGaAsP層を形成する。また、光導波路用上部クラッド層 84として、厚さが 150nmの p型 InP層を形成する。コア層 80とクラッド層 84の材料や厚さはこれに限定されず、光導波路の等価屈折率が第 1領域 Iのレーザ素子における導波路の等価屈折率に合うように組成や厚さを調整すればょヽ。

[0112] また、この光導波路の長さは特に限定されないが、例えば、 250 /z mとすればよい。

[0113] なお、これらの層 80、 84は、第 1実施形態で説明した層 32〜35に代えて形成されるものであり、各層 32〜35の形成方法を援用して形成され得るので、本実施形態に係る半導体装置の製造方法については以下では省略する。

[0114] 本実施形態においても、第 1実施形態と同様に、活性層 23の側面の後退量が低減されるので、第 2領域 IIにコア層 80を成長するときに、該コア層 80にボイドが形成され難くなり、活性層 23に接するようにコア層 80を形成することができる。これにより、光導波路として機能する第 2光半導体素子を通じて、第 1光半導体素子 51で発振したレーザ光を後段に効率良く導くことが可能となる。

(5)第 5実施形態

図 20は本実施形態に係る半導体装置の断面図である。

[0115] 第 1〜4実施形態においては、第 1領域 Iに回折格子を有する DFBレーザ素子を形成したのち、第 2領域 IIに半導体光変調器や半導体光増幅器、あるいは光導波路をノノトジョイント成長により集積した。本発明はこれに限らず、第 2領域 Iに、下部クラッド層、下部 AlGalnAs光ガイド層、 AlGalnAs系多重量子井戸構造、上部 InGaAsP光ガイド層、上部 InPクラッド層を有する半導体光変調器や半導体光増幅器を形成し、この後、第 2領域 IIに回折格子を有する DFBレーザをバットジョイント成長により集積してもよい。図 20にはこの例として、第 1領域 Iに半導体光変調器を形成し、第 2領域 II に DFBレーザを形成した例を示す。

[0116] 第 1領域 Iに形成する半導体光変調器における各層の組成や厚さとしては、例えば、 n型 InP基板 20上の回折格子埋め込み層 19に組成波長が 1. 15 /z mで厚さが 70η mの η型 InGaAsP層、下部クラッド層 21に厚さが 50nmの n型 InP層、変調器用下側光ガイド層 32として組成波長が 1. 2 mで厚さ力 Onmの AlGalnAs層、多重量子井戸構造の井戸層 33aに厚さが 9nmで圧縮歪 0. 5%の AK^alnAs層、ノリア層 33bに厚さが 5nmで引っ張り歪 0. 3%、組成波長 1. mの AlGalnAs層、変調器用上部光ガイド層 34に組成波長が 1. 32 /ζ πώ 1. OO _iu mまで連続的に変化するInGaAsPグレーデット層、変調器用上部クラッド層 35に厚さ 150應の ρ型 ΙηΡ層を形成すればょ、。

[0117] (6)その他の実施形態

上記した第 1〜第 5実施形態では、図 6を参照して説明したように、多重量子井戸構造の活性層 23を構成する井戸層 23aとバリア層 23bとして、、ずれも AlGalnAs層を形成した。

[0118] 本発明はこれに限定されず、ノリア層 23bのみを AlGalnAs層で形成し、井戸層 23a を InGaAsまたは InGaAsP層で形成してもよい。このようにしても、図 8のエッチングェ程において活性層 23の側面が大きく後退することは無ぐその活性層 23aの横の変調器用活性層 33 (図 9参照)等にボイドが発生するのを抑制することができる。

[0119] 更に、第 1〜第 5実施形態では、半導体である n型 InP基板 20を使用したが、これに代えて半絶縁性の InP基板を採用してもょ、。

[0120] また、上記では、電流狭窄構造として埋め込み層 42による埋め込み構造を採用したが、 pnpn構造による埋め込み構造や、リッジ構造を電流狭窄構造として採用してもよい。

[0121] 更に、回折格子 20aとしては、 λ /4シフト 20bが中央に形成されている構造を採用したが、本発明はこれに限らず、例えばえ /4シフト 20bが中央力もずれた位置に形成されても良い。また、 λ /4シフト 20bのない均一回折格子としてもよい。

Claims

請求の範囲

[1] 基板と、

前記基板上に形成された下部クラッド層と、

前記下部クラッド層上に形成された A ^alnAsよりなる下部光ガイド層と、前記下部光ガイド層上に形成され、井戸層と A ^alnAsよりなるノリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層と、

前記活性層上に形成された InGaAsPよりなる上部光ガイド層と、

前記上部光ガイド層上に形成された上部クラッド層と、

を備えた第 1光半導体素子を有することを特徴とする光半導体装置。

[2] 前記基板は、互いに接した第 1領域と第 2領域とを有し、

前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層は、前記第 1領域に選択的に形成され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 2領域における前記下部クラッド層上に形成され、前記第 1光半導体素子に接して形成された第 2光半導体素子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。

[4] 前記第 2光半導体素子は、電界吸収型半導体光変調器であることを特徴とする請求項 3に記載の光半導体装置。

[5] 前記電界吸収型半導体光変調器は、

前記下部クラッド層上に形成された変調器用下部光ガイド層と、

前記変調器用光ガイド層上に形成された変調器用活性層と、

前記変調器用活性層上に形成された変調器用上部光ガイド層と、

前記変調器用上部光ガイド層上に形成された変調器用上部クラッド層とを有することを特徴とする請求項 4に記載の光半導体装置。

[6] 前記第 2光半導体素子は、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項 3に記載の光半導体装置。

[7] 前記半導体光増幅器は、

前記下部クラッド層上に形成された増幅器用下部光ガイド層と、前記増幅器用光ガイド層上に形成された増幅器用活性層と、

前記増幅器用活性層上に形成された増幅器用上部光ガイド層と、

前記増幅器用上部光ガイド層上に形成された増幅器用上部クラッド層とを有することを特徴とする請求項 6に記載の光半導体装置。

[8] 前記第 2光半導体素子は、光導波路であることを特徴とする請求項 3に記載の光半導体装置。

[9] 前記第 2光半導体素子は、前記下部クラッド層上に形成されたコア層と、

前記コア層上に形成された光導波路用上部クラッド層とを有することを特徴とする請求項 8に記載の光半導体装置。

[10] 前記井戸層は、前記ノリア層と組成波長が異なる AlGalnAsよりなることを特徴とする請求項 1に記載の光半導体装置。

[11] 前記井戸層は InGaAsPよりなることを特徴とする請求項 1に記載の光半導体装置。

[12] 互いに接した第 1領域と第 2領域とを有する基板上に、下部クラッド層、 AlGalnAsi りなる下部光ガイド層、井戸層と AlGalnAsよりなるノリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層、 InGaAsPよりなる上部光ガイド層、及び上部クラッド層を順に形成する工程と、

前記第 1領域における前記上部クラッド層上に、マスク層を選択的に形成する工程と、

前記マスク層で覆われていない第 2領域の少なくとも前記上部クラッド層を選択的にエッチングする工程と、

ウエットエッチングにより、前記マスク層で覆われて、な、第 2領域の少なくとも前記活性層、及び前記下部光ガイド層を選択的に除去して、前記第 1領域に、少なくとも前記基板、前記下部クラッド層、前記下部光ガイド層、前記活性層、前記上部光ガイド層、及び前記上部クラッド層で構成される第 1光半導体素子を残す工程と、前記ウエットエッチングの後に、前記第 2領域における前記下部クラッド層上に、前記第 1光半導体素子と接する第 2光半導体素子を形成する工程と、

前記マスク層を除去する工程と、

を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。

[13] 前記上部クラッド層を選択的にエッチングする工程は、塩酸を含む液をエッチング液として用いるウエットエッチングにより行われ、

前記第 1領域に前記第 1光半導体素子を残す工程は、硫酸、過酸化水素水、及び水を含む液をエッチング液として用いるウエットエッチングにより行われることを特徴とする請求項 12に記載の光半導体装置の製造方法。

[14] 前記第 2光半導体素子として電界吸収型半導体光変調器を形成することを特徴とする請求項 12に記載の光半導体装置の製造方法。

[15] 前記第 2光半導体素子を形成する工程は、

前記第 2領域における前記下部クラッド層上に変調器用下部光ガイド層を形成する工程と、

前記変調器用光ガイド層上に変調器用活性層を形成する工程と、

前記変調器用活性層上に変調器用上部光ガイド層を形成する工程と、前記変調器用上部光ガイド層上に変調器用上部クラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする請求項 14に記載の光半導体装置の製造方法。

[16] 前記第 2光半導体素子として半導体光増幅器を形成することを特徴とする請求項 1

2に記載の光半導体装置。

[17] 前記第 2光半導体素子を形成する工程は、

前記第 2領域における前記下部クラッド層上に増幅器用下部光ガイド層を形成する工程と、

前記増幅器用光ガイド層上に増幅器用活性層を形成する工程と、

前記増幅器用活性層上に増幅器用上部光ガイド層を形成する工程と、前記増幅器用上部光ガイド層上に増幅器用上部クラッド層を形成する工程とを有する工程とを有することを特徴とする請求項 16に記載の光半導体装置の製造方法。

[18] 前記第 2光半導体素子として光導波路を形成することを特徴とする請求項 12に記載の光半導体装置の製造方法。

[19] 前記第 2光半導体素子を形成する工程は、

前記第 2領域における前記下部クラッド層上にコア層を形成する工程と、前記コア層上に光導波路用上部クラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする請求項 18に記載の光半導体装置の製造方法。