WO2021199297A1 - 光導波路、光導波路の作製方法および光半導体素子 - Google Patents

光導波路、光導波路の作製方法および光半導体素子 Download PDF

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quantum well
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具就 佐藤
隆彦 進藤
悠太 上田
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide capable of suppressing light loss, a method for manufacturing an optical waveguide, and an optical semiconductor device.
  • Optical elements are used as light sources for high-speed optical fiber communication and gas sensors using absorption lines of molecules.
  • the active region and the passive region are formed on the same semiconductor substrate in this way, the light generated in the active region needs to be propagated in the passive region without being absorbed. Therefore, it is generally better than the active region.
  • a passive region will be formed with a material having a large bandgap.
  • butt joint regrowth In order to form such materials with different band gaps on the same substrate, an epitaxial growth technique called butt joint regrowth is utilized. In butt joint regrowth, after forming an active region on the entire surface of the substrate, the active region of the passive region is removed, and a material having a different band gap that becomes the passive region is selectively epitaxially grown in the removed portion. , Materials with different bandgap can be formed in the plane on the same substrate.
  • Butt joint regrowth has the advantage that the degree of freedom in material selection is high because it is possible to form different arbitrary materials in the active region and the passive region.
  • the materials crystal composition, lattice number, etc.
  • the film thickness and composition of the material in each region can be adjusted with high accuracy. Needs control.
  • Non-Patent Document 1 In order to form materials having different band gaps on the same substrate, it is also possible to use a method in which the portion to be the passive region is disordered with respect to the active region including the quantum well structure formed on the entire surface ().
  • Non-Patent Document 1 by introducing impurities into the quantum well structure by diffusion or ion implantation, a composition change occurs between the quantum well layer and the barrier layer forming the quantum well structure (quantum well disordering), and the average composition. Utilize the change to a bulk semiconductor layer with. Since the band gap of the bulk semiconductor layer in which the quantum well structure is disordered is larger than that of the quantum well structure, it can be used as a passive layer.
  • this method forms a passive region from the active region from the same layer structure, so that the occurrence of crystal defects and the like at the boundary between the active region and the passive region can be suppressed, and each of them can be suppressed. It is not necessary to control the film thickness and composition of the material in the above region with high accuracy. As a result, high quality active and passive regions can be formed. Twice
  • the refractive index discontinuity (refractive index discontinuity) at the boundary between the active region and the passive region ( Refractive index difference) occurs. Due to this difference in refractive index, the propagating light that is guided between the active region and the passive region is reflected at the boundary or leaks from the waveguide. As a result, as shown in FIG. 16, a loss corresponding to the difference in refractive index occurs.
  • the present invention makes it possible to suppress the reflected light and the leaked light from the boundary between the active region and the passive region without lowering the coupling efficiency of the propagating light in the active region and the passive region.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide and an optical semiconductor device having excellent characteristics.
  • the optical waveguide according to the present invention is an optical waveguide having a semiconductor quantum well structure, and has a first region in which the semiconductor quantum well structure is not disordered and the semiconductor quantum well.
  • the structure comprises a second region in which the structure is disordered, said first region having a first bandgap wavelength, said second region having a second bandgap wavelength, said first.
  • the method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention has a first region in which the semiconductor quantum well structure is not disordered and a second region in which the semiconductor quantum well structure is disordered.
  • a method for producing an optical waveguide comprising A step of forming a growth mask and an opening, a step of selectively growing a semiconductor crystal in the opening, a step of removing the selective growth mask, the second region, and the first region.
  • a step of forming an annealing mask, a step of annealing a crystal on which the annealing mask is formed, and a step of removing the annealing mask are provided in a region between the second region. In the region between the region 1 and the region 1, the ratio of the width of the selective growth mask to the width of the opening changes.
  • an optical waveguide and an optical semiconductor device which can suppress the optical loss of propagating light and have excellent characteristics.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical waveguide according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a change in the bandgap wavelength in the waveguide direction of the optical waveguide 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a crystal used for producing the optical waveguide according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a top view of the crystal on which the mask for selective growth of SiO 2 according to the first embodiment of the present invention is formed.
  • FIG. 5 is a VV'cross-sectional view of the crystal forming the SiO 2 selective growth mask according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the dependence of the growth rate of the InP selective growth layer on the SiO 2 selective growth mask width (Ws) according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a top view of the crystal selectively grown in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII'of the crystal selectively grown in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a crystal in which a mask for SiO 2 annealing is formed in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the thickness of the InP layer above the quantum well structure and the amount of wavelength change in the quantum well disorder in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a crystal in which the quantum well structure is disordered in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a change in the bandgap wavelength of a crystal in which the quantum well structure is disordered in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a crystal forming a mask for SiO 2 annealing according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a change in the bandgap wavelength of a crystal in which the quantum well structure is disordered in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is an external view of the distributed Bragg reflection type laser according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the difference in refractive index between the active region and the passive region and the coupling efficiency.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the optical waveguide 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 shows a change in the bandgap wavelength in the waveguide direction of the optical waveguide 10 according to the present embodiment.
  • the waveguide direction is indicated by an arrow X in the figure.
  • a light propagation layer made of a quantum well structure 111 sandwiched between clad layers 102 made of the same material as the substrate 101 is formed on the substrate 101.
  • the active region 110 has a quantum well structure 111 that is not disordered
  • the passive region 130 has a quantum well structure 131 that is entirely disordered.
  • the intermediate region 120 has a quantum well structure 121 that is disordered so that the bandgap wavelength continuously changes from the bandgap wavelength of the active region 110 to the bandgap wavelength of the passive region 130.
  • the bandgap wavelength ⁇ g indicates a wavelength corresponding to the bandgap Eg, and the following relationship holds.
  • the bandgap wavelength can be approximated by the peak wavelength of PL emission obtained by photoluminescence (hereinafter referred to as "PL") measurement and can be easily evaluated, the peak wavelength of PL emission will be described below as the bandgap wavelength. ..
  • the MOVPE method in which the reactor was depressurized to 50 Torr was used for crystal growth.
  • Trimethylindium (TMIn) and triethylgallium (TEGa) were used as group III raw materials, and phosphine (PH 3 ) and arsine (AsH 3 ) were used as group V raw materials.
  • Diethylzinc (DEZn) was used as a raw material for Zn as a p-type impurity, and monosilane (SiH 4 ) was used as a raw material for Si as an n-type impurity.
  • An X-ray diffractometer manufactured by Philips was used to evaluate the structural properties of the grown crystal.
  • PL measurement using a laser having a wavelength of 532 nm as a light source was performed at room temperature (25 ° C.).
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the crystal 100 used for producing the waveguide according to the present embodiment.
  • An n-type InP clad layer 102 (thickness: 500 nm) doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm 3 on an n-type InP substrate 101, and an InGaAsP light confinement layer (thickness) with a non-doped bandgap wavelength of 1.3 ⁇ m.
  • InAs / InGaAs multiple quantum well structure (MQW) 111 consisting of 6 InAs well layers (thickness: 5 nm) and 7 InGaAs barrier layers (thickness: 20 nm), non-doped bandgap wavelength 1 .3 ⁇ m InGaAsP light confinement layer (thickness: 100 nm) 104, non-doped bandgap in 1.1 ⁇ m InGaAsP light confinement layer (thickness: 100 nm) 105, Zn doped to a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm 3 p
  • the mold InP cap layer 106 (thickness: 50 nm) is sequentially laminated.
  • the intermediate region 120 and the passive region 130 are formed by subjecting the crystal 100 to quantum well disordering.
  • a SiO 2 film is formed only on the surface of the active region 110 when diffusion of impurities or ion implantation that induces quantum well disordering is performed.
  • the quantum well is not disordered in the active region 110, and the quantum well structure 111 is disordered in the region where the SiO 2 film is not formed to become the passive region 130. Therefore, a region having a bandgap wavelength between the active region 110 and the passive region 130 (intermediate region 120) cannot be formed.
  • the bandgap wavelength changes between the active region 110 and the passive region 130 by controlling the diffusion of crystal defects that induce quantum well disorder using the InP layer by selective growth.
  • the region 120 is formed. Details will be described below.
  • a SiO 2 selective growth mask 141 is produced on the crystal surface.
  • 4 and 5 show a top view of the crystal on which the SiO 2 mask 141 used for the quantum well disordering in the present embodiment is formed, and a cross-sectional view taken along the line VV'in FIG. 4, respectively.
  • the SiO 2 mask 141 is produced by laminating a SiO 2 film on the crystal surface by a usual method and then processing it by using photolithography.
  • the width Ws of the SiO 2 mask 141 was set to 250 ⁇ m in the active region 110, and was continuously changed from 250 ⁇ m to 10 ⁇ m in the intermediate region 120. On the other hand, no mask was formed in the passive region 130.
  • the length of the intermediate region 120 (distance between the active region 110 and the passive region 130) was set to 20 ⁇ m.
  • the width (Wg) of the region (hereinafter referred to as “opening”) 142 sandwiched between the SiO 2 mask 141 was set to 40 ⁇ m.
  • a p-type InP layer doped with Zn at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm 3 is selectively grown in the opening 142 on the crystal surface on which the SiO 2 mask 141 is formed. In this selective growth, InP grows only in the opening 142.
  • the doping concentration of Zn is not limited to 5 ⁇ 10 17 cm 3 , and other concentrations may be used.
  • an n-type InP layer may be selectively grown by doping Si, Se or the like, or a non-doped InP layer may be selectively grown.
  • FIG. 6 shows the width (Ws) dependence of the growth rate of the InP selective growth layer on the SiO 2 mask 141.
  • Ws width (Ws) dependence of the growth rate of the InP selective growth layer on the SiO 2 mask 141.
  • the raw material species flying on the SiO 2 mask 141 due to decomposition from the raw material gas or the like migrate on the SiO 2 mask 141 and contribute to the growth of InP in the opening 142.
  • the epitaxial growth rate of InP of InP selectively grown in the opening 142 is increased as compared with the case where the crystal grows on the surface without the SiO 2 mask 141. Therefore, the growth rate of selective growth of InP increases as the width (Wm) of the SiO 2 mask 141 increases.
  • the thicknesses of the InP layer 151 selectively grown in the active region 110, the intermediate region 120, and the passive region 130 are 250 nm, 250 to 50 nm, and 50 nm, respectively.
  • the thickness of the InP151 layer in the intermediate region 120 is continuously reduced from one end on the active region 110 side to the other end on the passive region 130 side.
  • a SiO 2 film (thickness: 300 nm) for annealing is formed on the entire surface of the crystal surface by sputtering.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of the crystal on which the SiO 2 annealing mask 161 is formed.
  • this crystal was heat-treated at 550 ° C. for 10 minutes (rapid thermal annealing, hereinafter referred to as "RTA") in a nitrogen atmosphere.
  • RTA rapid thermal annealing
  • the quantum well structure is disordered in the region having the SiO 2 annealing mask 161.
  • the quantum well disordering crystal defects such as empty lattice points and interstitial atoms generated at the interface between the SiO 2 annealing mask 161 and the p-type InP cap layer 106 due to RTA are caused by the multiple quantum well structure (MQW) from this interface. ) 111 is believed to be due to diffusion.
  • MQW multiple quantum well structure
  • FIG. 10 shows the relationship between the layer thickness of InP (corresponding to the InP cap layer 106 and the InP selective growth layer 151) above the quantum well structure 111 and the amount of change in the bandgap wavelength due to quantum well disordering.
  • the amount of wavelength change due to quantum well disorder depends on the thickness of the InP layer above the quantum well structure 111.
  • the InP layer is thin, the amount of wavelength change is large, and when the InP layer is thick, the amount of wavelength change is large. small.
  • the reason for this is as follows.
  • the InP layer is thin, there are many lattice defects that occur at the above-mentioned interface and diffuse to reach MQW111.
  • the influence of quantum well disorder due to lattice defects becomes large, so the amount of wavelength change is large.
  • the bandgap wavelength of the active region 110 is constant at 2350 nm
  • the bandgap wavelength of the passive region 130 is constant at 2100 nm.
  • the bandgap wavelength of the intermediate region 120 decreases from 2300 nm to 2100 nm from one end on the active region 110 side (B in the figure) to the other end on the passive region 130 side (C in the figure). In this way, the bandgap wavelength of the intermediate region 120 can be continuously changed in the direction from the active region 110 to the passive region 130.
  • a discontinuity of the bandgap wavelength occurs at the boundary between the active region 110 and the intermediate region 120, but it is about 1/5 of the amount of wavelength change in the passive region 130 region, and the light loss due to this discontinuity is ignored. I can do it.
  • an InAs / InGaAs multiple quantum well structure (MQW) 111 composed of an InAs well layer and seven InGaAs barrier layers was used.
  • MQW111 When an optical waveguide is formed on MQW111 by conventional butt joint growth, the growth surface (side surface) of MQW is exposed to a pH 3 atmosphere which is a growth gas at a high temperature immediately before the start of crystal growth. At this time, MQW111 because contains only As as group V material, there is a case where the P in As and PH 3 in the InAs / InGaAs growth surface is deteriorated crystal quality by substitution or the like.
  • the light loss may increase.
  • optical waveguide and the method for manufacturing the optical waveguide according to the present embodiment it is possible to avoid the light loss that occurs when the above-mentioned butt joint growth is used.
  • the layer thickness of the selectively grown InP is changed by changing the width Ws of the selective growth mask 141 while keeping the width Wg of the opening 142 constant, but the selective growth mask 141 width Ws. It is also possible to change the layer thickness of InP to be selectively grown by changing the width Wg of the opening 142 while keeping the value constant. Further, the layer thickness of InP to be selectively grown can be changed by changing both the width Ws of the mask for selective growth 141 and the width Wg of the opening 142.
  • the layer thickness of InP to be selectively grown can be changed by changing the ratio of the width Ws of the mask for selective growth 141 and the width Wg of the opening 142.
  • the width Wg of the opening 142 it is preferable to keep the width Wg of the opening 142 constant and change the width Ws of the selective growth mask 141 because it can be easily controlled. ..
  • the tip of the selective growth mask 141 in the intermediate region 120 is formed so as to reach the boundary of the passive region 130, but the tip of the selective growth mask 141 is formed so as to be in the intermediate region 120. You may.
  • the selective growth mask 141 may be formed in a part of the intermediate region 120.
  • the selective growth mask 141 was formed in the active region 110 to grow the InP thickly.
  • the quantum well disorder does not occur unless the annealing mask 161 is formed, it is not necessary to grow the InP thickly without forming the selective growth mask 141.
  • the bandgap wavelength of the active region 110 may be affected by annealing, considering the continuity of the bandgap wavelength with the intermediate region 120, the selective growth mask 141 is formed in the active region 110 to form an InP. It is desirable to grow thick.
  • the annealing mask 161 is formed in the entire area of the intermediate region 120, but if the bandgap wavelength in the intermediate region 120 can be changed even if the mask 161 is formed in a part of the intermediate region 120. , Has almost the same effect. However, considering the continuity of the bandgap wavelength with the passive region 130, it is desirable that the annealing mask 161 in the intermediate region 120 is formed so as to be in contact with the annealing mask 161 in the passive region 130.
  • a mask for selective growth is formed in a part of an intermediate region on a semiconductor crystal having a semiconductor quantum well structure to selectively grow, and the intermediate region is formed.
  • the semiconductor Selective growth by forming a mask for selective growth and an opening in a region (for example, a part of an intermediate region) between the first region and the second region on the surface of a semiconductor crystal having a quantum well structure. Then, an annealing mask is formed in a region between the second region (for example, a passive region) and the first region and the second region (for example, a part of an intermediate region) to anneal.
  • an optical waveguide in which the bandgap wavelength continuously decreases from the first bandgap wavelength to the second bandgap wavelength can be formed between the first region and the second region.
  • a bandgap wavelength discontinuity occurs at the boundary between the active region 110 and the intermediate region 120.
  • the optical waveguide and the method for manufacturing the optical waveguide according to the present embodiment aim to avoid the discontinuity of the bandgap wavelength.
  • the crystals used for manufacturing, the mask for selective growth, the configuration of the mask for annealing, and other manufacturing conditions are substantially the same as those of the first embodiment.
  • the configuration around the boundary between the active region and the intermediate region in the annealing mask is different.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional view (corresponding to the VV'cross-sectional view of FIG. 5) of the crystal on which the SiO 2 annealing mask 261 used in the present embodiment is formed.
  • the SiO 2 annealing mask 261 is formed so as to cover the boundary between the active region 210 and the intermediate region 220.
  • the SiO 2 annealing mask 261 is formed so as to cover the boundary from the boundary between the active region 210 and the intermediate region 220 (B in the figure) to the active region 210 side within a range of 5 ⁇ m (E in the figure).
  • the quantum well structure is disordered in the same manner as in the first embodiment.
  • FIG. 14 shows the change in the bandgap wavelength of the crystal in which the quantum well structure is disordered in the present embodiment.
  • the bandgap wavelength of the active region 210 has 2350 nm up to a range (A to E in the figure) 5 ⁇ m away from the boundary between the active region 210 and the intermediate region 220.
  • the bandgap wavelength decreases from a location 5 ⁇ m away from the boundary of the intermediate region 220 (E in the figure) to the boundary between the active region 210 and the intermediate region 220 (B in the figure).
  • the bandgap wavelength is set from the boundary between the active region 210 and the intermediate region 220 (B in the figure) to the boundary between the intermediate region 220 and the passive region 230 (FIG. It decreases to medium C) and reaches 2100 nm.
  • the bandgap wavelength of the passive region 230 is 2100 nm.
  • the method for manufacturing the optical waveguide according to the present embodiment by forming an annealing mask in a part of the active region, the intermediate region, and the passive region, a band gap is formed at the boundary between the active region and the intermediate region. No wavelength discontinuity occurs and the bandgap wavelength can be changed continuously.
  • the semiconductor Selective growth by forming a mask for selective growth and an opening in a region (for example, a part of an intermediate region) between the first region and the second region on the surface of a semiconductor crystal having a quantum well structure. Then, an annealing mask is applied to the region between the second region (for example, the passive region), the first region, and the second region (for example, a part of the active region and a part of the intermediate region).
  • an optical waveguide in which the bandgap wavelength continuously decreases from the first bandgap wavelength to the second bandgap wavelength is formed between the first region and the second region. Can be done.
  • the bandgap wavelength at the boundary between the active region and the intermediate region can be suppressed.
  • the active region 210 is quantum-structured disordered, the light emission performance of the active region 210 may deteriorate. This deterioration can be suppressed because the distance from the SiO 2 annealing mask 261 to the quantum well structure is increased by increasing the thickness of the selective growth layer, and the crystal defects that contribute to the quantum well disorder are reduced. ..
  • the selective growth layer thickness is adjusted in consideration of the light emission performance of the active region 210 and the amount of wavelength change.
  • FIG. 15 shows a DBR laser 30 using a crystal with a disordered quantum well structure.
  • the DBR laser 30 includes an optical amplification region 301, a DBR reflection region (front stage) 302, an active layer region 303, a phase adjustment region 304, and a DBR reflection region (rear stage) 305.
  • the active layer region 303 is a region that emits light by current injection
  • the optical amplification region 301 is a region that amplifies the light oscillated by current injection.
  • the active layer region 303 and the optical amplification region 301 are provided as the active region 310 in the quantum well disordered structure, and the phase adjustment region 304 and the distributed Bragg reflection regions 302 and 305 are provided as the passive region 330.
  • the intermediate region 320 is defined by the boundary between the optical amplification region 301 and the DBR reflection region (previous stage) 302, the boundary between the DBR reflection region (previous stage) 302 and the active layer region 303, and the active layer region 303 and the phase adjustment region 304. Prepare for boundaries.
  • a method for producing a DBR reflection structure in the DFB laser 30 will be described. First, in the first embodiment, for a crystal in which the mask 161 for SiO 2 annealing is removed after quantum well disordering, only the selective growth layer 151 of InP and the InP cap layer 106 are selectively wet-etched. Remove.
  • a diffraction grating is formed on the surface of the InGaAsP light confinement layer having a bandgap wavelength of 1.1 ⁇ m by using electron beam exposure and wet etching.
  • the p-type InP clad layer and the p-type InGaAsP contact layer are sequentially formed by crystal growth by MOVPE growth.
  • SiO 2 is formed on the side of the stripe, and a p-type electrode is formed in the active layer, the optical amplification region, the phase adjustment region, and the distribution Bragg region.
  • an n-type electrode is formed on the back surface of the substrate.
  • the single-mode oscillation wavelength in continuous operation at room temperature is 2.340 ⁇ m
  • the amount of wavelength change due to current injection into the DBR region is 5 nm or more
  • all oscillation wavelengths Good laser characteristics were obtained with a side mode suppression ratio of 40 dB or more and an optical output of 1 mW or more.
  • the intermediate region 320 by introducing the intermediate region 320, it is possible to suppress the light loss when propagating from the active region 310 to the passive region 330, and good laser characteristics can be obtained.
  • the waveguide 10 according to the first embodiment is used, but the same effect or a further effect can be obtained by using the waveguide 20 according to the second embodiment.
  • the DBR laser is shown, but since the optical waveguide according to the present invention can be applied to a structure including an active region and a passive region in the same waveguide, the diffraction grating is a superperiodic structure diffraction grating (SSG). It is clear that it can also be applied to the SSG-DBR laser using the above and the sample dograting (SG) -DBR laser in which the diffraction grating is periodically arranged. In addition to lasers, it can also be applied to optical semiconductor devices that integrate optical modulators, optical switches, and the like.
  • SSG superperiodic structure diffraction grating
  • the laser having a ridge structure is shown, but it is clear that it does not depend on the waveguide structure.
  • the active region, the intermediate region, and the passive region are processed into stripes, and both sides thereof are p. It is clear that it can be applied to a pn embedded structure in which type InP and n type InP are embedded alternately, or an embedded structure laser embedded in semi-insulating InP.
  • the InAs / InGaAs quantum well structure that emits light at a wavelength of 2.3 ⁇ m is disordered, but it is clear that the quantum well disordering is not limited to this material. It is clear that it can also be applied to a quantum well structure composed of InGaAsP, InGaAlAs, etc. that emit light in the 3 ⁇ m band, 1.55 ⁇ m band, and 2 ⁇ m band.
  • SiO 2 is used as the mask for selective growth and the mask for annealing, but other materials such as SiNx and TiO 2 may be used.
  • optical waveguide The dimensions of the optical waveguide, the method for manufacturing the optical waveguide, and the components, parts, etc. of the optical semiconductor element according to the first to third embodiments of the present invention have been described, but the dimensions are not limited to these. , Each component, parts, etc. may have functional dimensions.
  • the present invention can be applied to semiconductor elements such as semiconductor lasers for optical communication, environmental measurement, medical use, etc., and semiconductor integrated elements.
  • Optical Waveguide 101 Substrate 102 Clad Layer 110 Active Region 120 Intermediate Region 130 Passive Region 111 (Undisordered) Semiconductor Quantum Well Structure (First Region) 121 Semiconductor quantum well structure disordered so that the bandgap wavelength changes 131 Semiconductor quantum well structure disordered (first region)

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Abstract

本発明の光導波路（１０）は、半導体量子井戸構造（１１１）を有する光導波路であって、半導体量子井戸構造が無秩序化されない第１の領域（１１１）と、半導体量子井戸構造が無秩序化される第２の領域（１３１）とを備え、第１の領域（１１１）が、第１のバンドギャップ波長を有し、第２の領域（１３１）が、第２のバンドギャップ波長を有し、第１の領域（１１１）と第２の領域（１３１）の間に、バンドギャップ波長が第１のバンドギャップ波長から第２のバンドギャップ波長まで連続的に減少するように、半導体量子井戸構造（１１１）が無秩序化される領域（１２１）を備える。　これにより、本発明の光導波路（１０）は、伝搬光の光損失を抑制でき、優れた特性を有する光導波路および光半導体素子を提供できる。

Description

光導波路、光導波路の作製方法および光半導体素子
　本発明は、光損失を抑制できる光導波路、光導波路の作製方法および光半導体素子に関する。
　同一の半導体基板上に、量子井戸構造を含む発光領域（アクティブ領域）と、発光領域から放出された光を導波（変調、反射等を含む）する領域（パッシブ領域）とが集積された半導体光素子は、高速な光ファイバ通信や、分子の吸収線を利用したガスセンサなどの光源として用いられている。
　このように同一の半導体基板上にアクティブ領域とパッシブ領域を形成する場合、アクティブ領域で発生した光が吸収されることなくパッシブ領域を伝搬される必要があるため、一般的には、アクティブ領域よりも禁制帯幅（バンドギャップ）の大きい材料でパッシブ領域が形成されることになる。
　このようなバンドギャップの異なる材料を同一の基板上に形成するために、バットジョイント再成長と呼ばれるエピタキシャル成長技術が活用されている。バットジョイント再成長では、基板全面にアクティブ領域を形成した後に、パッシブ領域となる部分のアクティブ領域を除去し、除去した部分にパッシブ領域となる異なるバンドギャップを持つ材料を選択的にエピタキシャル成長することにより、同一基板上の面内にバンドギャップの異なる材料を形成することができる。
　バットジョイント再成長は、アクティブ領域とパッシブ領域で異なる任意の材料を形成することができるため、材料の選択自由度が高いという利点がある。しかしながら、高い技術を要する半導体エッチングやエピタキシャル再成長を行わなければならないことに加え、アクティブ領域とパッシブ領域で材料（結晶の組成や格子状数等）が異なるため、結晶欠陥や異常成長（層状にならないなど）が発生しやすい。さらに、光を伝搬させる観点からは、アクティブ領域からパッシブ領域へと光を損失（反射や結合損）なく伝搬するためには、ぞれぞれの領域の材料の膜厚、組成を高い精度での制御が必要である。
　一方、バンドギャップの異なる材料を同一の基板上に形成するために、全面に形成した量子井戸構造を含むアクティブ領域に対し、パッシブ領域となる部分を量子井戸無秩序化する方法を用いることもできる（例えば、非特許文献１）。この方法は、量子井戸構造に不純物等を拡散やイオン注入などによって導入することにより、量子井戸構造を形成する量子井戸層と障壁層の間で組成変化が生じ（量子井戸無秩序化）、平均組成を持ったバルク半導体層に変化することを利用する。量子井戸構造に比べて、量子井戸構造が無秩序化されたバルク半導体層のバンドギャップは大きくなるため、パッシブ層として利用することができる。
　この方法は、バットジョイント再成長に比べて、同一の層構造からアクティブ領域からパッシブ領域を形成するので、アクティブ領域とパッシブ領域との境界での結晶欠陥等の発生を抑制でき、ぞれぞれの領域の材料の膜厚、組成を高い精度での制御が不要となる。その結果、高品質のアクティブ領域とパッシブ領域を形成できる。　
J.H. Marsh, "Quantum well intermixing", Semicondoctor Science and Technology, vol. 8, pp. 1136, 1993.
　しかしながら、バットジョイント成長や量子井戸無秩序化では、アクティブ領域に比べてバンドギャップが大きい（屈折率が小さい）パッシブ領域を作製するために、アクティブ領域とパッシブ領域の境界で屈折率の不連続性（屈折率差）が生じる。この屈折率差により、アクティブ領域とパッシブ領域との間を導波する伝搬光は、境界で反射し又は導波路から漏れる。その結果、図１６に示すように、屈折率差に応じた損失が生じることになる。
　反射によってアクティブ領域へ戻ってくる光（戻り光）は、例えば半導体レーザの場合、レーザ発振の位相条件に影響を及ぼし、線幅の増大やモード飛びなどを引き起こす。また、導波路からの漏れ光は、レーザ光出力の低下を招く。このように、アクティブ領域とパッシブ領域の境界における屈折率（バンドギャップ）の不連続性が光デバイスの特性を劣化させるという課題があった。
　本発明は、このような課題を解決するために、アクティブ領域とパッシブ領域の伝搬光の結合効率を低下させず、アクティブ領域とパッシブ領域の境界からの反射光や漏れ光の抑制を可能にし、優れた特性を有する光導波路および光半導体素子を提供することを目的とする。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る光導波路は、半導体量子井戸構造を有する光導波路であって、前記半導体量子井戸構造が無秩序化されない第１の領域と、前記半導体量子井戸構造が無秩序化される第２の領域とを備え、前記第１の領域が、第１のバンドギャップ波長を有し、前記第２の領域が、第２のバンドギャップ波長を有し、前記第１の領域と前記第２の領域の間に、バンドギャップ波長が第１のバンドギャップ波長から第２のバンドギャップ波長まで連続的に減少するように、前記半導体量子井戸構造が無秩序化される領域を備える。
　また、本発明に係る光導波路の作製方法は、半導体量子井戸構造を有し、前記半導体量子井戸構造が無秩序化されない第１の領域と、前記半導体量子井戸構造が無秩序化される第２の領域とを備える光導波路の作製方法であって、前記半導体量子井戸構造を有する結晶の表面における、前記第１の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域に、選択成長用マスクと開口部とを形成する工程と、前記開口部に半導体結晶を選択成長する工程と、前記選択成長用マスクを除去する工程と、前記第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域に、アニール用マスクを形成する工程と、前記アニール用マスクが形成された結晶をアニールする工程と、前記アニール用マスクを除去する工程とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域において、前記選択成長用マスクの幅と前記開口部の幅との比が変化することを特徴とする。
　本発明によれば、伝搬光の光損失を抑制でき、優れた特性を有する光導波路および光半導体素子を提供できる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光導波路の断面図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光導波路１０の導波方向におけるバンドギャップ波長の変化を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光導波路の作製に用いる結晶の断面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態におけるＳｉＯ２選択成長用マスクを形成した結晶の上面図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態におけるＳｉＯ２選択成長用マスクを形成した結晶のＶ－Ｖ’断面図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態におけるＩｎＰ選択成長層の成長速度のＳｉＯ２選択成長用マスク幅（Ｗｓ）依存性を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態において選択成長された結晶の上面図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態において選択成長された結晶のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ’断面図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態おいてＳｉＯ２アニール用マスクを形成した結晶の断面図である。 図１０は、本発明の第１の実施の形態における量子井戸構造の上方のＩｎＰ層厚と量子井戸無秩序化の波長変化量との関係を示す図である。 図１１は、本発明の第１の実施の形態において量子井戸構造が無秩序化された結晶の断面図である。 図１２は、本発明の第１の実施の形態において量子井戸構造が無秩序化された結晶のバンドギャップ波長の変化を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施の形態におけるＳｉＯ２アニール用マスクを形成した結晶の断面図である。 図１４は、本発明の第２の実施の形態において量子井戸構造が無秩序化された結晶のバンドギャップ波長の変化を示す図である。 図１５は、本発明の第３の実施の形態に係る分布ブラッグ反射型レーザの外観図である。 図１６は、アクティブ領域とパッシブ領域の屈折率差と結合効率の関係を示す図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に、本実施の形態に係る光導波路１０の断面図を示す。図２に本実施の形態に係る光導波路１０の導波方向におけるバンドギャップ波長の変化を示す。導波方向は図中に矢印Ｘで示す。
　本実施の形態に係る光導波路１０では、基板１０１の上に、基板１０１と同一材料のクラッド層１０２に挟まれた量子井戸構造１１１からなる光伝搬層が形成されている。アクティブ領域１１０は無秩序化されていない量子井戸構造１１１を有し、パッシブ領域１３０は全面が無秩序化された量子井戸構造１３１を有する。中間領域１２０は、アクティブ領域１１０のバンドギャップ波長からパッシブ領域１３０のバンドギャップ波長へと連続的にバンドギャップ波長が変化するように無秩序化された量子井戸構造１２１を有する。
　ここでバンドギャップ波長λｇとは、バンドギャップＥｇに対応した波長を示しており、以下の関係が成り立つ。
　λｇ（μｍ）＝　１．２４／Ｅｇ（ｅＶ）
　バンドギャップ波長は、フォトルミネセンス（以下、「ＰＬ」という。）測定で得られるＰＬ発光のピーク波長で近似でき、容易に評価できるため、以下、ＰＬ発光のピーク波長をバンドギャップ波長として説明する。
　本実施の形態では、結晶成長に、反応炉を５０Ｔｏｒｒに減圧したＭＯＶＰＥ法を用いた。III族原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、Ｖ族原料としてはホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。ｐ型不純物となるＺｎの原料には、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）、ｎ型不純物となるＳｉの原料には、モノシラン（ＳｉＨ４）を用いた。
　成長された結晶の構造的特性の評価には、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製のエックス線回折装置を用いた。光学的特性の評価には、波長５３２ｎｍのレーザを光源としたＰＬ測定を室温（２５℃）で行った。
　図３に、本実施の形態に係る導波路の作製に用いた結晶１００の断面図を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、Ｓｉを１×１０１８ｃｍ３の濃度にドーピングしたｎ型ＩｎＰクラッド層１０２（膜厚：５００ｎｍ）、ノンドープのバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層（膜厚：１００ｎｍ）１０３、６層のＩｎＡｓ井戸層（膜厚：５ｎｍ）と７層のＩｎＧａＡｓ障壁層（膜厚：２０ｎｍ）からなるＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）１１１、ノンドープのバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層（膜厚：１００ｎｍ）１０４、ノンドープのバンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層（膜厚：１００ｎｍ）１０５、Ｚｎを５×１０１７ｃｍ３の濃度にドーピングしたｐ型ＩｎＰキャップ層１０６（膜厚：５０ｎｍ）が、順次、積層されている。
　この結晶１００に対して量子井戸無秩序化を施すことにより、中間領域１２０とパッシブ領域１３０を形成する。通常の量子井戸無秩序化では、量子井戸無秩序化を誘起する不純物の拡散やイオン注入を実施する際にアクティブ領域１１０の表面にのみＳｉＯ２膜を形成する。その結果、アクティブ領域１１０では量子井戸が無秩序化されず、ＳｉＯ２膜を形成されてない領域で量子井戸構造１１１が無秩序化されパッシブ領域１３０になる。したがって、アクティブ領域１１０とパッシブ領域１３０のとの間のバンドギャップ波長を有する領域（中間領域１２０）を形成できない。
　本実施の形態では、選択成長によるＩｎＰ層を用いて量子井戸無秩序化を誘起する結晶欠陥の拡散を制御することにより、アクティブ領域１１０とパッシブ領域１３０のとの間でバンドギャップ波長が変化する中間領域１２０を形成する。詳細を以下に説明する。
　まず、ＳｉＯ２選択成長用マスク１４１を結晶表面に作製する。図４と図５それぞれに、本実施に形態における量子井戸無秩序化に用いるＳｉＯ２マスク１４１を形成した結晶の上面図と、図４中のＶ－Ｖ’での断面図を示す。ＳｉＯ２マスク１４１は、通常の方法で結晶表面にＳｉＯ２膜を積層した後、フォトリソグラフィを用いて加工して作製される。
　ＳｉＯ２マスク１４１の幅Ｗｓは、アクティブ領域１１０において２５０μｍとし、中間領域１２０において２５０μｍから１０μｍに連続的に変化させた。一方、パッシブ領域１３０にはマスクを形成しなかった。また、中間領域１２０の長さ（アクティブ領域１１０とパッシブ領域１３０との間の距離）は２０μｍとした。
　ＳｉＯ２マスク１４１に挟まれた領域（以下、「開口部」という。）１４２の幅（Ｗｇ）は、４０μｍとした。
　次に、ＳｉＯ２マスク１４１を形成した結晶表面上の開口部１４２に、Ｚｎを５×１０１７ｃｍ３の濃度にドーピングしたｐ型ＩｎＰ層を選択成長する。この選択成長では開口部１４２のみにＩｎＰが成長する。
　ここで、Ｚｎのドーピング濃度は５×１０１７ｃｍ３に限らず、他の濃度でもよい。また、Ｚｎ以外にもＳｉ、Ｓｅ等をドーピングしてｎ型ＩｎＰ層を選択成長してもよいし、ノンドープのＩｎＰ層を選択成長してもよい。
　図６に、ＩｎＰ選択成長層の成長速度のＳｉＯ２マスク１４１の幅（Ｗｓ）依存性を示す。ＩｎＰの選択成長において、ＳｉＯ２マスク１４１上に飛来する、原料ガスからの分解等による原料種は、ＳｉＯ２マスク１４１上をマイグレーションして開口部１４２のＩｎＰの成長に寄与する。
　その結果、ＳｉＯ２マスク１４１を有さない表面に結晶成長する場合に比べて、開口部１４２に選択成長されるＩｎＰのＩｎＰのエピタキシャル成長速度が増加する。したがって、ＩｎＰの選択成長の成長速度は、ＳｉＯ２マスク１４１の幅（Ｗｍ）の増加に伴い増加する。
　図７と図８それぞれに、選択成長された結晶の上面図と図７中のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ’での断面図を示す。アクティブ領域１１０、中間領域１２０、パッシブ領域１３０に選択成長されたＩｎＰ層１５１の厚さは、それぞれ、２５０ｎｍ、２５０～５０ｎｍ、５０ｎｍである。ここで、中間領域１２０のＩｎＰ１５１層の厚さが、アクティブ領域１１０側の一端からパッシブ領域１３０側の他端まで連続的に減少している。
　次に、選択成長に用いたＳｉＯ２選択成長用マスク１４１を除去した後、アニール用のＳｉＯ２膜（厚さ：３００ｎｍ）を、スパッタにより結晶表面全面に形成する。
　次に、量子井戸無秩序化を施さない領域（アクティブ領域１１０）のＳｉＯ２膜を除去して、ＳｉＯ２アニール用マスク１６１を形成する。図９に、ＳｉＯ２アニール用マスク１６１を形成した結晶の断面図を示す。
　次に、この結晶について、窒素雰囲気下で５５０℃、１０分間の熱処理（ラピッドサーマルアニール、以下、「ＲＴＡ」という。）を行った。
　以上の工程により、ＳｉＯ２アニール用マスク１６１を有する領域で量子井戸構造無秩序化が施される。量子井戸無秩序化は、ＲＴＡにより、ＳｉＯ２アニール用マスク１６１とｐ型ＩｎＰキャップ層１０６との界面に生じた空格子点、格子間原子等の結晶欠陥が、この界面から多重量子井戸構造（ＭＱＷ）１１１に拡散することに起因すると考えられている。
　図１０に、量子井戸構造１１１の上方のＩｎＰ（ＩｎＰキャップ層１０６とＩｎＰ選択成長層１５１に相当）の層厚と量子井戸無秩序化によるバンドギャップ波長の変化量との関係を示す。このように、量子井戸無秩序化による波長変化量は、量子井戸構造１１１の上方のＩｎＰ層厚に依存し、ＩｎＰ層が薄いときに波長変化量は大きく、ＩｎＰ層が厚いときに波長変化量は小さい。
　この理由は以下の通りである。ＩｎＰ層が薄いときには、上述の界面で生じて拡散してＭＱＷ１１１に到達する格子欠陥が多い。その結果、格子欠陥による量子井戸無秩序化の影響は大きくなるので、波長変化量は大きい。
　一方、ＩｎＰ層が厚いときには、ＭＱＷ１１１に到達する格子欠陥が少ない。その結果、格子欠陥による量子井戸無秩序化の影響は小さくなるので、波長変化量は小さい。
　図１１と図１２それぞれに、量子井戸構造１１１が無秩序化された結晶の断面図とバンドギャップ波長の変化を示す。アクティブ領域１１０のバンドギャップ波長は２３５０ｎｍ、パッシブ領域１３０のバンドギャップ波長は２１００ｎｍと一定である。
　一方、中間領域１２０のバンドギャップ波長はアクティブ領域１１０側の一端（図中Ｂ）からパッシブ領域１３０側の他端（図中Ｃ）まで２３００ｎｍから２１００ｎｍまで減少する。このように中間領域１２０のバンドギャップ波長を、アクティブ領域１１０からパッシブ領域１３０に向かう方向に連続的に変化させることができる。
　ここで、アクティブ領域１１０と中間領域１２０の境界にバンドギャップ波長の不連続箇所が生じるが、パッシブ領域１３０領域での波長変化量の１／５程度であり、この不連続箇所による光損失は無視できる程度である。
　本実施の形態に係る光導波路では、ＩｎＡｓ井戸層と７層のＩｎＧａＡｓ障壁層からなるＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）１１１を用いた。
　ＭＱＷ１１１に従来のバットジョイント成長により光導波路を形成する場合、結晶成長開始直前にＭＱＷの成長表面（側面）は高温で成長ガスであるＰＨ３雰囲気に晒される。このとき、ＭＱＷ１１１はＶ族材料としてＡｓのみを含むので、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ成長表面におけるＡｓとＰＨ３におけるＰとが置換等して結晶品質が劣化する場合がある。
　この劣化したＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ－ＭＱＷ成長表面に光導波路を形成(成長)すると、ＭＱＷと光導波路の界面の品質が劣化するので、光を伝搬させたときの光損失が増大する。
　このように、Ｖ族材料としてＡｓのみを含むＭＱＷ等の活性層に、従来のバットジョイント成長により光導波路を形成する場合、光損失が増大する場合がある。
　本実施の形態に係る光導波路およびその作製方法によれば、上述のバットジョイント成長を用いるときに生じる光損失を回避することができる。
　本実施の形態では、開口部１４２の幅Ｗｇを一定にして選択成長用マスク１４１の幅Ｗｓを変化させることにより選択成長されるＩｎＰの層厚を変化させたが、選択成長用マスク１４１幅Ｗｓを一定にして開口部１４２の幅Ｗｇを変化させることにより選択成長されるＩｎＰの層厚を変化させることもできる。また、選択成長用マスク１４１幅Ｗｓ、開口部１４２の幅Ｗｇを両方とも変化させることにより選択成長されるＩｎＰの層厚を変化させることもできる。
　このように、選択成長用マスク１４１幅Ｗｓと開口部１４２の幅Ｗｇとの比を変化させることにより、選択成長されるＩｎＰの層厚を変化させることができる。但し、選択成長されるＩｎＰの層厚の均一性（平坦性）を考慮すると、開口部１４２の幅Ｗｇを一定にして選択成長用マスク１４１幅Ｗｓを変化させる方が容易に制御できるので、望ましい。
　本実施の形態では、中間領域１２０における選択成長用マスク１４１の先端が、パッシブ領域１３０の境界まで到達するように形成したが、選択成長用マスク１４１の先端が中間領域１２０内になるように形成してもよい。選択成長用マスク１４１は中間領域１２０の一部に形成されればよい。
　また、本実施の形態では、アクティブ領域１１０において、選択成長用マスク１４１を形成してＩｎＰを厚く成長した。ここで、アニール用マスク１６１を形成しなければ量子井戸無秩序化は生じないので、選択成長用マスク１４１を形成せずにＩｎＰを厚く成長しなくてもよい。
　但し、アニールによりアクティブ領域１１０のバンドギャップ波長が影響を受ける場合もあるので、中間領域１２０とのバンドギャップ波長の連続性を考慮すると、アクティブ領域１１０において、選択成長用マスク１４１を形成してＩｎＰを厚く成長することが望ましい。
　また、本実施の形態では、中間領域１２０の全域にアニール用マスク１６１を形成したが、全域でなくても一部に形成しても、中間領域１２０でのバンドギャップ波長を変化させることができれば、略同様の効果を奏する。但し、パッシブ領域１３０とのバンドギャップ波長の連続性を考慮すると、中間領域１２０のアニール用マスク１６１は、パッシブ領域１３０のアニール用マスク１６１と接するように形成されることが望ましい。
　以上のように、本実施の形態に係る光導波路の作製方法によれば、半導体量子井戸構造を有する半導体結晶上に選択成長用マスクを中間領域の一部に形成して選択成長し、中間領域の一部とパッシブ領域にアニール用マスクを形成してアニールすることにより、中間領域でバンドギャップ波長が前記アクティブ領域から前記パッシブ領域に向かう方向に連続的に変化する光導波路を形成することができる。
　ここで、半導体量子井戸構造が無秩序化されない領域（例えば、アクティブ領域）を第１の領域、半導体量子井戸構造が無秩序化される領域を第２の領域（例えば、パッシブ領域）とすれば、半導体量子井戸構造を有する半導体結晶の表面における、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域（例えば、中間領域の一部）に選択成長用マスクと開口部を形成して選択成長し、前記第２の領域（例えば、パッシブ領域）と前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域（例えば、中間領域の一部）にアニール用マスクを形成してアニールすることにより、第１の領域と第２の領域の間で、バンドギャップ波長が第１のバンドギャップ波長から第２のバンドギャップ波長まで連続的に減少する光導波路を形成することができる。
　したがって、本実施の形態に係る光導波路に光を伝搬する場合、アクティブ領域とパッシブ領域と間での屈折率差により生じる光損失を抑制することができる。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。第１の実施の形態に係る光導波路においては、アクティブ領域１１０と中間領域１２０の境界にバンドギャップ波長の不連続箇所が生じる。本実施の形態に係る光導波路とその作製方法は、このバンドギャップ波長の不連続を回避することを目的とする。
　本実施の形態に係る光導波路とその作製方法において、作製に用いる結晶、選択成長用マスク、アニール用マスクの構成、その他の作製条件は、第一の実施の形態と略同様である。本実施の形態では、アニール用マスクにおけるアクティブ領域と中間領域の境界周辺での構成が異なる。
　図１３に、本実施の形態で用いるＳｉＯ２アニール用マスク２６１を形成した結晶の断面図（図５のＶ－Ｖ’断面図に相当する。）を示す。
　ＳｉＯ２アニール用マスク２６１は、アクティブ領域２１０と中間領域２２０の境界を覆うように形成される。ＳｉＯ２アニール用マスク２６１は、アクティブ領域２１０と中間領域２２０の境界（図中Ｂ）からアクティブ領域２１０側に５μｍ（図中Ｅ）の範囲で境界を覆うように形成される。
　このＳｉＯ２アニール用マスク２６１を用いて、第１の実施の形態と同様に量子井戸構造の無秩序化を施す。
　図１４に、本実施の形態において量子井戸構造が無秩序化された結晶のバンドギャップ波長の変化を示す。アクティブ領域２１０のバンドギャップ波長は、アクティブ領域２１０と中間領域２２０の境界から５μｍ離れた範囲（図中ＡからＥ）まで２３５０ｎｍを有する。
　バンドギャップ波長は、中間領域２２０の境界から５μｍ離れた箇所（図中Ｅ）からアクティブ領域２１０と中間領域２２０との境界（図中Ｂ）まで減少する。
　さらに、バンドギャップ波長は、中間領域２２０において、第１の実施の形態と同様に、アクティブ領域２１０と中間領域２２０との境界（図中Ｂ）から中間領域２２０とパッシブ領域２３０との境界（図中Ｃ）まで減少し、２１００ｎｍとなる。
　パッシブ領域２３０のバンドギャップ波長は、２１００ｎｍである。
　このように、本実施の形態に係る光導波路の作製方法によれば、アクティブ領域の一部と中間領域とパッシブ領域にアニール用マスクを形成することにより、アクティブ領域と中間領域の境界にバンドギャップ波長の不連続点は生じず、バンドギャップ波長を連続的に変化させることができる。
　ここで、半導体量子井戸構造が無秩序化されない領域（例えば、アクティブ領域）を第１の領域、半導体量子井戸構造が無秩序化される領域を第２の領域（例えば、パッシブ領域）とすれば、半導体量子井戸構造を有する半導体結晶の表面における、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域（例えば、中間領域の一部）に選択成長用マスクと開口部を形成して選択成長し、前記第２の領域（例えば、パッシブ領域）と前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域（例えば、アクティブ領域の一部と中間領域の一部）にアニール用マスクを形成してアニールすることにより、第１の領域と第２の領域の間で、バンドギャップ波長が第１のバンドギャップ波長から第２のバンドギャップ波長まで連続的に減少する光導波路を形成することができる。
　したがって、本実施の形態に係る光導波路に光を伝搬する場合、アクティブ領域とパッシブ領域と間での屈折率差により生じる光損失に加えて、アクティブ領域と中間領域の境界でのバンドギャップ波長の不連続により生じる光損失を抑制することができる。
　本実施の形態では、アクティブ領域２１０が量子構造無秩序化されるので、アクティブ領域２１０の発光性能が劣化する場合がある。この劣化は、選択成長層厚を増加させることにより、ＳｉＯ２アニール用マスク２６１から量子井戸構造まで距離が増加して、量子井戸無秩序化に寄与する結晶欠陥が減少するので、抑制することができる。
　一方、量子井戸無秩序化に寄与する結晶欠陥が減少すれば、量子井戸無秩序化による波長変化量も減少する。したがって、本実施の形態で選択成長層厚を増加させる場合には、アクティブ領域２１０の発光性能と波長変化量とを考慮して、選択成長層厚を調整する。
＜第３の実施の形態＞
　次に、本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子を説明する。
　本実施の形態に係る半導体素子として、第１の実施の形態に係る導波路１０を用いた分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ３０について説明する。図１５に、量子井戸構造無秩序化した結晶を用いたＤＢＲレーザ３０を示す。
　ＤＢＲレーザ３０は、光増幅領域３０１、ＤＢＲ反射領域（前段）３０２、活性層領域３０３、位相調整領域３０４、ＤＢＲ反射領域（後段）３０５を備える。活性層領域３０３は電流注入により発光する領域であり、光増幅領域３０１は電流注入により発振した光を増幅する領域である。
　量子井戸無秩序化構造におけるアクティブ領域３１０として活性層領域３０３と光増幅領域３０１を備え、パッシブ領域３３０として位相調整領域３０４と分布ブラッグ反射領域３０２、３０５を備える。また、中間領域３２０を、光増幅領域３０１とＤＢＲ反射領域（前段）３０２との境界、ＤＢＲ反射領域（前段）３０２と活性層領域３０３との境界、活性層領域３０３と位相調整領域３０４との境界に備える。
　ＤＦＢレーザ３０におけるＤＢＲ反射構造を作製する方法を説明する。初めに、第１の実施の形態において、量子井戸無秩序化を施した後にＳｉＯ２アニール用マスク１６１を除去した結晶について、ＩｎＰの選択成長層１５１とＩｎＰキャップ層１０６のみを選択的にウェットエッチングで除去する。
　次に、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層表面に、電子ビーム露光およびウェットエッチングを用いて回折格子を形成する。
　次に、ＭＯＶＰＥ成長により、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を順次、結晶成長により形成する。
　次に、ＳｉＯ２をマスクとしてドライエッチングおよびウェットエッチングを併用して、ストライプ構造を作製する。
　次に、ストライプ脇にＳｉＯ２を形成し、活性層、光増幅領域、位相調整領域、分布ブラッグ領域にｐ型電極を形成する。
　次に、基板裏面にｎ型電極を形成する。
　最後に、劈開し、両端面に無反射膜コーティングを施した。このように、リッジ型ＤＢＲレーザ構造が作製される。
　本実施の形態に係る光半導体素子であるＤＢＲレーザ３０において、室温連続動作における単一モード発振波長は、２．３４０μｍ、ＤＢＲ領域への電流注入による波長変化量は５ｎｍ以上、全ての発振波長においてサイドモード抑圧比は４０ｄＢ以上、光出力は１ｍＷ以上と良好なレーザ特性が得られた。
　以上のように、本実施の形態によれば、中間領域３２０を導入することにより、アクティブ領域３１０からパッシブ領域３３０へ伝搬する際の光損失を抑えることができ、良好なレーザ特性が得られる。
　本実施の形態では、第１の実施の形態に係る導波路１０を用いたが、第２の実施の形態に係る導波路２０を用いても、同様の効果又はさらなる効果を奏する。
　本実施の形態では、ＤＢＲレーザについて示したが、本発明に係る光導波路は、アクティブ領域とパッシブ領域を同一導波路内に含む構造に適用できるため、回折格子に超周期構造回折格子（ＳＳＧ）を用いたＳＳＧ－ＤＢＲレーザや、回折格子を周期的に配置するサンプルドグレーティング（ＳＧ）－ＤＢＲレーザでも適用できることは明らかである。また、レーザ以外でも光変調器、光スイッチなどを集積した光半導体素子に適用できる。
　また、本実施の形態では、リッジ構造のレーザについて示したが、導波路構造によらないことは明らかであり、アクティブ領域、中間領域、パッシブ領域をストライプ状に加工して、その両脇をｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰで交互に埋め込んだｐｎ埋め込み構造や、半絶縁性ＩｎＰで埋め込んだ埋め込み構造レーザでも適用できることは明らかである。
　また、本発明に係る実施の形態では、２．３μｍの波長で発光するＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造に無秩序化を施したが、量子井戸無秩序化はこの材料に限定されないことは明らかであり、１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯、２μｍ帯で発光するＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓなどからなる量子井戸構造でも適用できることは明らかである。
　また、本発明に係る実施の形態では、選択成長用マスク、アニール用マスクにＳｉＯ２を用いたが、ＳｉＮｘやＴｉＯ２等の他の材料を用いてもよい。
　本発明の第１の実施の形態から第３の実施の形態にかかる光導波路、光導波路の作製方法および光半導体素子の構成部、部品などの寸法を記載したが、この寸法に限ることはなく、各構成部、部品などが機能する寸法であればよい。
  本発明は、光通信用、環境測定用、医療用等の半導体レーザなどの半導体素子、半導体集積素子に適用することができる。
１０　光導波路
１０１　基板
１０２　クラッド層
１１０　アクティブ領域
１２０　中間領域
１３０　パッシブ領域
１１１　（無秩序化されない）半導体量子井戸構造（第１の領域）
１２１　バンドギャップ波長が変化するように無秩序化された半導体量子井戸構造
１３１　無秩序化された半導体量子井戸構造（第１の領域）

Claims (7)

  1. 　半導体量子井戸構造を有する光導波路であって、
    　前記半導体量子井戸構造が無秩序化されない第１の領域と、
    　前記半導体量子井戸構造が無秩序化される第２の領域とを備え、
    　前記第１の領域が、第１のバンドギャップ波長を有し、
    　前記第２の領域が、第２のバンドギャップ波長を有し、
    　前記第１の領域と前記第２の領域の間に、バンドギャップ波長が第１のバンドギャップ波長から第２のバンドギャップ波長まで連続的に減少するように、前記半導体量子井戸構造が無秩序化される領域を備える光導波路。
  2. 　前記半導体量子井戸構造が、ＩｎＰ基板上に積層され、Ｖ族材料としてＡｓのみを含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
  3. 　前記半導体量子井戸構造が、ＩｎＰ基板上に積層され、ＩｎＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓ障壁層とからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光導波路。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光導波路を備える光半導体素子。
  5. 　半導体量子井戸構造を有し、前記半導体量子井戸構造が無秩序化されない第１の領域と、前記半導体量子井戸構造が無秩序化される第２の領域とを備える光導波路の作製方法であって、
    　前記半導体量子井戸構造を有する結晶の表面における、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域に、選択成長用マスクと開口部とを形成する工程と、
    　前記開口部に半導体結晶を選択成長する工程と、
    　前記選択成長用マスクを除去する工程と、
    　前記第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域に、アニール用マスクを形成する工程と、
    　前記アニール用マスクが形成された結晶をアニールする工程と、
    　前記アニール用マスクを除去する工程とを備え、
    　前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域において、前記選択成長用マスクの幅と前記開口部の幅との比が変化することを特徴とする光導波路の作製方法。
  6. 　前記選択成長用マスクと前記開口部とを形成する工程において、前記選択成長用マスクと前記開口部が、さらに前記半導体量子井戸構造を有する結晶の表面における前記第１の領域に形成される請求項５に記載の光導波路の作製方法。
  7. 　前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域において、前記第１の領域から前記第２の領域に向かう方向に、前記選択成長用マスクの幅が減少することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光導波路の作製方法。
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