(57)【要約】【課題】簡易な工程で、良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体光素子を製造できる集積型半導体光素子の製造方法、および良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体光素子を提供すること。【解決手段】活性層を含む能動積層構造と、前記能動積層構造に接続される、コア層を含む受動積層構造とを少なくとも有する集積型半導体光素子の製造方法であって、基板上に、結晶成長によって前記受動積層構造を形成する受動積層構造形成工程と、前記形成した受動積層構造の一部領域を除去する受動積層構造除去工程と、前記受動積層構造を除去した領域に前記能動積層構造をバットジョイント成長によって形成するバットジョイント成長工程と、を含む。【選択図】図６
2010232372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む能動積層構造と、前記能動積層構造に接続される、コア層を含む受動積層構造とを少なくとも有する集積型半導体光素子の製造方法であって、
基板上に、結晶成長によって前記受動積層構造を形成する受動積層構造形成工程と、
前記形成した受動積層構造の一部領域を除去する受動積層構造除去工程と、
前記受動積層構造を除去した領域に前記能動積層構造をバットジョイント成長によって形成するバットジョイント成長工程と、
を含むことを特徴とする集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項２】
前記受動積層構造形成工程は、厚さ方向の中央に向かって発光波長が長い組成となるＧａＩｎＡｓＰによって前記コア層を形成するコア層形成工を含むことを特徴とする請求項１に記載の集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項３】
前記コア層形成工程は、厚さ方向で組成が段階的または連続的に変化する前記コア層を形成することを特徴とする請求項２に記載の集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項４】
前記コア層形成工程は、組成の異なる複数の層からなる前記コア層を形成することを特徴とする請求項２に記載の集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
前記受動積層構造除去工程は、ドライエッチングとウェットエッチングを少なくともこの順番に組み合わせて前記受動積層構造を除去するエッチング工程を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
前記エッチング工程は、前記ドライエッチングによって、前記コア層の側面の少なくとも一部を露出させ、前記ウェットエッチングによって、前記コア層を前記側面からサイドエッチすることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項７】
前記バットジョイント成長工程は、アルミニウム元素を含む前記能動積層構造を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の集積型半導体光素子の製造方法。
【請求項８】
活性層を含む能動積層構造と、前記能動積層構造に接続され、コア層を含む受動積層構造とを少なくとも有する集積型半導体光素子であって、
前記コア層の、前記活性層との界面は、該コア層の厚さ方向に沿った断面において凹状をなしていることを特徴とする集積型半導体光素子。
【請求項９】
前記能動積層構造は、アルミニウム元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の集積型半導体光素子。
【請求項１０】
前記コア層は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、厚さ方向の中央に向かって発光波長が長くなる組成であることを特徴とする請求項８または９に記載の集積型半導体光素子。
【請求項１１】
前記コア層は、厚さ方向で組成が段階的または連続的に変化していることを特徴とする請求項１０に記載の集積型半導体光素子。
【請求項１２】
前記コア層は、組成の異なる複数の層からなることを特徴とする請求項１０に記載の集積型半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能の異なる複数の部位からなる集積型半導体光素子の製造方法および集積型半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信量の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化することで１本の光ファイバで大容量伝送が可能となる光多重通信（ＷＤＭ：Wavelength  Division  Multiplexing）システムの開発が進んでいる。
たとえばＤＷＤＭ（Dense  WDM）光通信用の波長可変光源として、集積型半導体光素子の一種である集積型半導体レーザ素子が開示されている（特許文献１参照）。図１６は、従来の集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。この集積型半導体レーザ素子７０は、複数のＤＦＢ（Distributed  Feedback）型のレーザストライプ７１−１〜７１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路７２−１〜７２−ｎと、多モード干渉型（Multi  Mode  Interferometer：  ＭＭＩ)光合流器７３と、半導体光増幅器７４を一つの基板上に集積したものである。
【０００３】
この集積型半導体レーザ素子７０の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザストライプ（たとえば、ＤＦＢレーザストライプ７１−１）を駆動する。光導波路７２−１〜７２−ｎのうち駆動するＤＦＢレーザストライプ７１−１と光学的に接続している光導波路７２−１は、駆動するＤＦＢレーザストライプ７１−１からの出力光を導波する。ＭＭＩ光合流器７３は、光導波路７２−１が導波した光を通過させて出力ポート７３ａから出力する。半導体光増幅器７４は、出力ポート７３ａから出力した光を受け付け、これを増幅して出力端７４ａから出力する。
【０００４】
図１７は、図１６に示すＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎおよび半導体光増幅器７４の活性層近傍の模式的な断面図である。図１７に示すように、このＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎおよび半導体光増幅器７４は、電流注入または電圧印加によって発光または光吸収をする活性層を含む能動導波路を構成する能動積層構造をその中に有している。具体的には、その能動積層構造は、主に多重量子井戸が用いられる活性層８１と、その上下両側に設けられて活性層８１とともに導波路のコアをなす分離閉じ込めヘテロ(Separate  Confinement  Hetero、ＳＣＨ)層８２ａ、８２ｂと、さらにその上下両側に設けられるクラッド層８３ａ、８３ｂとを含む。なお、ＳＣＨ層８２ａ、８２ｂは、活性層８１に近いほど屈折率が高くバンドギャップが小さい、多段あるいは連続変化する複数の組成の層とすることがよく行われる。
【０００５】
一方、図１８は、図１６に示すＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎや半導体光増幅器７４と光学的に接続している光導波路７２−１〜７２−ｎおよびＭＭＩ光合流器７３のコア層近傍の模式的断面図である。図１８に示すように、この光導波路７２−１〜７２−ｎおよびＭＭＩ光合流器７３は、単一組成のコア層８４と、その上下両側に設けられるクラッド層８３ａ、８３ｂとからなる受動導波路を構成する積層構造をその中に有している。すなわち、光導波路７２−１〜７２−ｎおよびＭＭＩ光合流器７３の有する積層構造は、活性層を含まず、電流注入あるいは電圧印加によって特性が変化する機能は付与されていない受動積層構造である。
【０００６】
また、集積型半導体レーザ素子７０が主に波長１．５５μｍを中心とする光通信帯で使用される場合、光学特性等の観点から、その半導体基板およびクラッド層８３ａ、８３ｂには、ＩｎＰ系材料がよく用いられる。また、ＤＦＢレーザストライプ７１−１〜７１−ｎおよび半導体光増幅器７４の活性層８１やＳＣＨ層８２ａ、８２ｂの材料には、従来広くＧａＩｎＡｓＰが用いられているが、素子の温度調整機能部分の低消費電力化の観点からは、より温度特性が良好なＡｌＧａＩｎＡｓを用いることが好適である。一方で、光導波路７２−１〜７２−ｎおよびＭＭＩ光合流器７３のコア層８４については、上記のような特性上の制限が無いため、広く使用実績のあるＧａＩｎＡｓＰが用いられる。
【０００７】
このように、機能の異なる複数の部位からなる半導体光集積素子においては、各部位においてその機能に応じた積層構造を作製することが必要となる。これを実現する方法として、バットジョイント成長(突合せ接合成長)技術が用いられる(特許文献２、非特許文献１参照)。バットジョイント成長技術では、まず基板の全面に活性層を含む能動積層構造を成長する。その後レーザストライプおよび半導体光増幅器となる部分を除いて能動積層構造を除去し、そこに光導波路およびＭＭＩ光合流器を形成するための受動積層構造をバットジョイント成長する。このようなバットジョイント成長技術によれば，選択成長によって特性の異なる活性層やコア層を一括に成長する方法に代表される他の方法に比べて、求められる機能ごとに各部位の積層構造を独立に最適化できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２５８３６８号公報
【特許文献２】特許第４０５８２４５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】篠田和典他、「InGaAlAs-InGaAsP 異種材料集積レーザの高信頼性動作」、２００７年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会Ｃ−４−１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の集積型半導体光素子において、たとえば、バットジョイント成長技術を用いる場合は、上記のように、まず基板の全面に能動積層構造を成長し、その後、受動積層構造をバットジョイント成長していた。この方法によれば、活性層に対して部分除去の加工を行うために、その過程において活性層に損傷が生じるという問題があった。特に、活性層にＡｌＧａＩｎＡｓのようなアルミニウム（Ａｌ）元素を含む材料を用いる場合には、Ａｌは非常に酸化されやすいために、部分除去の加工からバットジョイント成長の間に生じる酸化による損傷が大きい問題となる。この損傷あるいは酸化は活性層を含む能動積層構造とコア層を含む受動積層構造の界面付近の活性層側に残り、素子特性の劣化や信頼性の低下を引き起こすおそれがある。
【００１１】
なお、ＡｌＧａＩｎＡｓの酸化等の損傷を除去するために、塩素ガスを用いた結晶装置内でのin-situクリーニングを用いる方法が非特許文献１に記されている。しかしながら、このような方法では損傷の影響を回避することができるものの、工程が煩雑になるとともに、塩素ガスを用いることによって結晶装置が腐食し、耐用年数が短くなるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な工程で、良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体光素子を製造できる集積型半導体光素子の製造方法、および良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、活性層を含む能動積層構造と、前記能動積層構造に接続される、コア層を含む受動積層構造とを少なくとも有する集積型半導体光素子の製造方法であって、基板上に、結晶成長によって前記受動積層構造を形成する受動積層構造形成工程と、前記形成した受動積層構造の一部領域を除去する受動積層構造除去工程と、前記受動積層構造を除去した領域に前記能動積層構造をバットジョイント成長によって形成するバットジョイント成長工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、前記受動積層構造形成工程は、厚さ方向の中央に向かって発光波長が長い組成となるＧａＩｎＡｓＰによって前記コア層を形成するコア層形成工を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、前記コア層形成工程は、厚さ方向で組成が段階的または連続的に変化する前記コア層を形成することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、前記コア層形成工程は、組成の異なる複数の層からなる前記コア層を形成することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、前記受動積層構造除去工程は、ドライエッチングとウェットエッチングを少なくともこの順番に組み合わせて前記受動積層構造を除去するエッチング工程を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、前記エッチング工程は、前記ドライエッチングによって、前記コア層の側面の少なくとも一部を露出させ、前記ウェットエッチングによって、前記コア層を前記側面からサイドエッチすることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法は、上記の発明において、前記バットジョイント成長工程は、アルミニウム元素を含む前記能動積層構造を形成することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、活性層を含む能動積層構造と、前記能動積層構造に接続され、コア層を含む受動積層構造とを少なくとも有する集積型半導体光素子であって、前記コア層の、前記活性層との界面は、該コア層の厚さ方向に沿った断面において凹状をなしていることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明において、前記能動積層構造は、アルミニウム元素を含むことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明において、前記コア層は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、厚さ方向の中央に向かって発光波長が長くなる組成であることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明において、前記コア層は、厚さ方向で組成が段階的または連続的に変化していることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明において、前記コア層は、組成の異なる複数の層からなることを特徴とする。
ここで、発光波長とは、室温（２５℃）におけるフォトルミネッセンスピーク波長である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、簡易な工程で、良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体光素子を製造できる集積型半導体光素子の製造方法、および良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体光素子を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線断面における１つのＤＦＢレーザストライプ近傍の断面図である。
【図３】図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】図５は、ＭＭＩ光合流器のコア層の層構造を説明する説明図である。
【図６】図６は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＤ−Ｄ線断面図である。
【図７】図７は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図８】図８は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図９】図９は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図１０】図１０は、図１８に示すようなコア層にサイドエッチングを行なう場合を説明する説明図である。
【図１１】図１１は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図１２】図１２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図１３】図１３は、メサ構造を形成する工程を行った後の状態を説明する模式的な平面図である。
【図１４】図１４は、コンタクト層を堆積した後の、図１３におけるＨ−Ｈ線に沿った断面を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、変形例に係る集積型半導体レーザ素子のコア層の層構造を説明する説明図である。
【図１６】図１６は、従来の集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示すＤＦＢレーザストライプおよび半導体光増幅器の活性層近傍の模式的な断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示すＤＦＢレーザストライプや半導体光増幅器と光学的に接続している光導波路およびＭＭＩ光合流器のコア層近傍の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、図面を参照して本発明に係る集積型半導体光素子の製造方法および集積型半導体光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０の模式的な平面図である。図１に示すように、この集積型半導体レーザ素子１０は、複数のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎと、ＭＭＩ光合流器１３と、半導体光増幅器１４とを一つの半導体基板上に集積し、埋め込み部１５により埋め込んだ構造を有する。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの間にはトレンチ溝１６−１〜１６−ｍ（ｍ＝ｎ−１）が形成されている。以下、各構成要素について説明する。
【００２９】
ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、各々が幅１．５〜３μｍ、長さ６００μｍのストライプ状の埋め込み構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子１０の一端において幅方向に２５μｍピッチで形成されている。ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、各ＤＦＢレーザストライプに備えられた回折格子のピッチを互いに異ならせることにより、出力レーザ光の波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で相違するように構成されている。また、各ＤＦＢレーザストライプのレーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子１０の設定温度を変化させることにより微調整することができる。
【００３０】
ＭＭＩ光合流器１３は集積型半導体レーザ素子１０の中央部付近に形成されている。また、光導波路１２−１〜１２−ｎは、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとＭＭＩ光合流器１３との間に形成されており、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとＭＭＩ光合流器１３とを光学的に接続する。半導体光増幅器１４は集積型半導体レーザ素子１０のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとは反対側の一端に形成されている。
【００３１】
つぎに、この集積型半導体レーザ素子１０の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの中から選択した１つ（たとえばＤＦＢレーザストライプ１１−１）を駆動する。なお、トレンチ溝１６−１〜１６−ｍはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間を電気的に分離するので、ＤＦＢレーザストライプ間の分離抵抗が大きくなり、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの中の１つを選択して駆動することが容易にできる。つぎに、駆動するＤＦＢレーザストライプ１１−１と光学的に接続している光導波路１２−１は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１からの出力光を導波する。ＭＭＩ光合流器１３は、光導波路１２−１が導波した光を通過させて出力端１３ａから出力する。半導体光増幅器１４は、ＭＭＩ光合流器１３の出力端１３ａから出力した光を受け付け、これを増幅して出力端１４ａから出力する。半導体光増幅器１４は、ＭＭＩ光合流器１３による光の損失を補い、出力端から所望の強度の光出力を得るために用いられる。この集積型半導体レーザ素子１０は、駆動するＤＦＢレーザストライプの切り替えと温度制御により、広い波長可変範囲を実現している。
【００３２】
つぎに、集積型半導体レーザ素子１０の断面構造について説明する。図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１０のＡ−Ａ線断面における１つのＤＦＢレーザストライプ１１−２近傍の断面図である。図２に示すように、このＤＦＢレーザストライプ１１−２は、裏面にｎ側電極２１を形成した、下部クラッドの一部を兼ねるｎ型ＩｎＰからなる基板２２上に、下部クラッドの一部をなすｎ型ＩｎＰからなるバッファ層２３、組成を段階的に変化させたＡｌＧａＩｎＡｓからなる下部ＳＣＨ層２４ａ、ＡｌＧａＩｎＡｓからなるＭＱＷ（Multi  Quantum  Well）活性層２５、組成を段階的に変化させたＡｌＧａＩｎＡｓからなる上部ＳＣＨ層２４ｂ、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２７が順次形成されている。また、下部ＳＣＨ層２４ａ、ＭＱＷ活性層２５、上部ＳＣＨ層２４ｂがコア構造２６を形成している。また、上部クラッド層２７からバッファ層２３の一部まではメサ構造であり、その両側は、ｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層２８、ｎ型ＩｎＰからなる電流ブロッキング層２９により埋め込まれている。また、上部クラッド層２７と電流ブロッキング層２９との上には、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層３０、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３１とが順次形成されている。また、コンタクト層３１からバッファ層２３に到る深さまでトレンチ溝１６−１、１６−２が形成されており、トレンチ溝１６−１、１６−２の内面およびコンタクト層３１の表面にはＳｉＮからなる保護膜３２が形成されており、保護膜３２の開口部のコンタクト層３１上にはｐ側電極３３が形成されている。なお、他のＤＦＢレーザストライプも同様の構造を有している。
【００３３】
つぎに、図３は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１０のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すように、半導体光増幅器１４は、ＤＦＢレーザストライプ１１−２と同様に、裏面にｎ側電極２１を形成した基板２２上に、バッファ層２３、下部ＳＣＨ層２４ａ、ＭＱＷ活性層２５、上部ＳＣＨ層２４ｂ、上部クラッド層２７、埋め込み層２８、電流ブロッキング層２９、上部クラッド層３０、コンタクト層３１、保護膜３２、ｐ側電極３３が形成されている。
【００３４】
つぎに、図４は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１０のＣ−Ｃ線断面図である。図４に示すように、ＭＭＩ光合流器１３は、ＤＦＢレーザストライプ１１−２と同様に、裏面にｎ側電極２１を形成した基板２２上に、バッファ層２３、埋め込み層２８、電流ブロッキング層２９、上部クラッド層３０、コンタクト層３１、保護膜３２が形成されている。しかしながら、ＤＦＢレーザストライプ１１−２におけるコア構造２６と上部クラッド層２７の代わりに、ＧａＩｎＡｓＰからなるコア層３４と、ｉ型ＩｎＰからなる上部クラッド層３５とが順次形成されている。また、上部クラッド層３５からバッファ層２３の一部までのメサ構造はＤＦＢレーザストライプよりも幅広に形成されている。また、ＭＭＩ光合流器１３においては、ｐ側電極３３は形成されていない。
【００３５】
図５は、ＭＭＩ光合流器１３のコア層３４の層構造を説明する説明図である。図５に示すように、コア層３４は、発光波長１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−５ｂ、発光波長１．２５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−４ｂ、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−３ｂ、発光波長１．３５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−２ｂ、発光波長１．４μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−１、発光波長１．３５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−２ａ、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−３ａ、発光波長１．２５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−４ａ、発光波長１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰ層３４−５ａをこの順に積層したものである。すなわち、このコア層３４は、中央に向かって段階的に発光波長が長くなるような組成となっている。なお、各層の厚さは、ＧａＩｎＡｓＰ層３４−２ａ〜３４−５ａ、３４−２ｂ〜３４−５ｂがそれぞれ１５ｎｍであり、ＧａＩｎＡｓＰ層３４−１が３０ｎｍである。すなわち、このコア層３４の総層厚は１５０ｎｍである。なお、ＭＱＷ活性層２５を含む能動積層構造との間の光結合効率を高くするために、このコア層３４の総層厚および平均屈折率は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎや半導体光増幅器１４におけるコア構造２６の総層厚および平均屈折率差とほぼ等しくなるように設計されている。
【００３６】
また、光導波路１２−１〜１２−ｎの断面構造は、そのメサ構造の幅がより狭い以外は、ＭＭＩ光合流器１３と同様である。
【００３７】
つぎに、光導波路１２−１〜１２−ｎとＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎとの接続界面、およびＭＭＩ光合流器１３と半導体光増幅器１４との接続界面について説明する。図６は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１０のＤ−Ｄ線断面図である。なお、図６において、符号Ｇは回折格子を示している。
【００３８】
図６に示すように、この集積型半導体レーザ素子１０においては、光導波路１２−３のコア層３４の、ＤＦＢレーザストライプ１１−３の活性層２５を含むコア構造２６との界面Ｆ１は、コア層３４の厚さ方向に沿った断面において凹状をなしている。また、ＭＭＩ光合流器１３のコア層３４の、半導体光増幅器１４のコア構造２６との界面Ｆ２も、同様に凹状をなしている。また、他の光導波路のコア層３４の、ＤＦＢレーザストライプのＭＱＷ活性層２５を含むコア構造２６との界面も、同様に凹状をなしている。その結果、この集積型半導体レーザ素子１０においては、コア層３４とコア構造２６との界面Ｆ１、Ｆ２に空隙や損傷が発生しにくくなり、たとえば接続損失や劣化も低減される。したがって、集積型半導体レーザ素子１０の特性が良好になり、信頼性も高くなる。
【００３９】
（製造方法）
つぎに、図７〜１４を参照して、この集積型半導体レーザ素子１０の製造方法の一例について説明する。以下、特に言及しない限り、図１に示す集積型半導体レーザ素子１０のＤ−Ｄ線断面にもとづいて説明する。
【００４０】
はじめに、図７に示すように、基板２２上に、有機金属気相成長（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition：ＭＯＣＶＤ）法を用いて、バッファ層２３、組成を段階的に変化させたＧａＩｎＡｓＰからなるコア層３４、上部クラッド層３５を順次堆積する。なお、図７中の領域Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎを形成する領域、光導波路１２−１〜１２−ｎを形成する領域、ＭＭＩ光合流器１３を形成する領域、半導体光増幅器１４を形成する領域を示す。
【００４１】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ２、Ｅ３のそれぞれに、光導波路１２−１〜１２−ｎやＭＭＩ光合流器１３よりもやや幅広の形状のパターンになるようにパターンニングを施す。そして、図８に示すように、ＳｉＮ膜をマスク３６として、上部クラッド層３５からコア層３４の一部に達するまでＲＩＥ(Reactive  Ion  Etching)等によりドライエッチングを行う。これによって、コア層３４の側面３４ａ、３４ｂが露出する。
【００４２】
その後、図９に示すように、硫酸と過酸化水素を含む混合エッチング液によるウェットエッチングでコア層３４の残りを除去する。このとき、ウェットエッチングによってコア層３４が側面３４ａ、３４ｂから横方向にサイドエッチされる。このエッチング液は選択性を有しており、ＩｎＰではエッチングが進まず、ＧａＩｎＡｓＰでは、Ｇａ組成比が高く、発光波長の長い組成ほどエッチング速度が速くなる。ここで、図５に示したように、コア層３４は中心付近ほど発光波長が長い組成となっているから、サイドエッチングにより形成される側面の形状はコア層３４の中央ほど深く窪む凹状のものとなり、凹状の界面Ｆ１、Ｆ２が形成される。
【００４３】
ここで、比較のために、受動導波路が、図１８に示すようなクラッド層８３ａ、８３ｂと単一組成のＧａＩｎＡｓＰからなるコア層８４とからなる場合に、マスク８５を形成して、サイドエッチングを行なう場合を考える。このようにコア層８４が単一組成である場合、エッチング液の選択性によるコア層８４内でのエッチング速度の差は生じないから、コア層８４の側面においてコア層の中央ほど深く窪む凹状の形状は形成されない。この場合には、結晶の面方位によるエッチング速度の差が、サイドエッチングによる側面の形状を決定するため、側面８４ａは図１０に示すように角度のある直線的な形状となる。このような側面８４ａの形状は、バットジョイント成長の際に空隙や界面付近の異常成長の原因となる。これに対して、本実施の形態１においては、コア層３４には凹状の界面Ｆ１、Ｆ２が形成されるため、空隙や界面付近の異常成長が防止されるので好適である。
なお、コア層３４の界面の形状は、滑らかな曲面であることが好ましい。ここで、滑らかな曲面とは、円弧形状、放物線状はもちろん、コア層の組成が階段状に変化する場合、それぞれの段が滑らかに接続された形状も含む。
【００４４】
つぎに、図１１に示すように、ＳｉＮ膜のマスク３６をそのまま選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、組成を段階的に変化させた下部ＳＣＨ層２４ａ、ＭＱＷ活性層２５、上部ＳＣＨ層２４ｂ、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層３７、ＧａＩｎＡｓＰからなるグレーティング層３８、ｐ型ＩｎＰ層３９をバットジョイント成長する。
【００４５】
以上の工程によって、２種類の積層構造をバットジョイント成長技術により形成する。本実施の形態１では、最初に結晶成長によってコア層３４を含む受動積層構造を形成し、この受動積層構造の一部領域を除去し、その後にＭＱＷ活性層２５を含む能動積層構造をバットジョイント成長により結晶成長している。したがって、ＭＱＷ活性層２５は除去のための加工を受けないので、ＭＱＷ活性層２５には加工損傷は発生しない。またＭＱＷ活性層２５が工程中に空気中に露出することが無いため、Ａｌ元素を含んでいるＭＱＷ活性層２５、および下部または上部ＳＣＨ層２４ａ、２４ｂの酸化は起こらない。
【００４６】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのそれぞれを形成する位置に、互いに周期の異なる回折格子のパターンになるようにパターンニングを施す。また、領域Ｅ４にもパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、領域Ｅ１のグレーティング層３８に回折格子となる格子溝を形成するとともに、領域Ｅ４のグレーティング層３８を全て取り除く。つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、領域Ｅ１〜Ｅ４の全面にｐ型ＩｎＰ層を再び堆積する。これによって、図１２に示すように、回折格子Ｇと上部クラッド層２７とが形成される。
【００４７】
つぎに、新たに全面にＳｉＮ膜を堆積し、図１に示したＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４に対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４に対応するメサ構造を形成するとともに、バッファ層２３を露出させる。
【００４８】
図１３はこの工程を行った後の状態を説明する模式的な平面図である。図１３に示すように、領域Ｅ１〜Ｅ４の各領域において、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３、半導体光増幅器１４のそれぞれに対応する形状をしたメサ構造Ｍ１〜Ｍ４が形成される。
【００４９】
つぎに、メサ構造Ｍ１〜Ｍ４の形成に用いたＳｉＮ膜のマスクを選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出したバッファ層２３上に、埋め込み層２８、電流ブロッキング層２９を順次堆積する。ついで、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、領域Ｅ１〜Ｅ４の全面に上部クラッド層３０、コンタクト層３１を順次堆積する。図１４は、コンタクト層３１を堆積した後の、図１３におけるＨ−Ｈ線に沿った断面を模式的に示す図である。
【００５０】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、図１に示すトレンチ溝１６−１〜１６−ｍのパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとして、コンタクト層３１、上部クラッド層３０、電流ブロッキング層２９、埋め込み層２８を貫き、バッファ層２３の一部に到るまでエッチングして、トレンチ溝１６−１〜１６−ｍを形成する。
【００５１】
つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、全面に再びＳｉＮ膜を堆積して保護膜３２とする。さらに、保護膜３２にＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４に対する開口部を形成し、全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなる２層の導電膜を堆積した後、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４とに対応する形状にパターンニングすることによってｐ側電極３３を形成する。一方、基板２２の裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる２層構造のｎ側電極２１を形成する。こうして、領域Ｅ１、領域Ｅ４に、それぞれＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、半導体光増幅器１４が形成される。上記工程により、半導体光増幅器１４、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、ＭＭＩ光合流器１３が、同時に形成される。
【００５２】
最後に、基板２２を、集積型半導体レーザ素子１０が複数並んだバー状にへき開し、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、半導体光増幅器１４を形成した両端面に反射防止膜をコートしたのち、素子ごとに分離することにより、集積型半導体レーザ素子１０が完成する。
【００５３】
上記製造方法によれば、簡易な工程で、良好な特性を有し、信頼性の高い集積型半導体レーザ素子１０を製造できる。
【００５４】
（変形例）
つぎに、実施の形態１の変形例に係る集積型半導体レーザ素子について説明する。上記実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１０では、受動積層構造のコア層３４が、中央に向かって段階的に発光波長が長くなるような組成となっている。一方、本変形例では、受動導波路のコア層は、中央に向かって連続的に発光波長が長くなるような組成となっている。
【００５５】
図１５は、本変形例に係る集積型半導体レーザ素子１０ａの受動導波路のコア層４０の層構造を説明する説明図である。なお、この集積型半導体レーザ素子１０ａは、コア層４０以外は集積型半導体レーザ素子１０と同様の構成を有するものであり、コア層４０は、バッファ層２３と上部クラッド層３５とに挟まれている。
【００５６】
図１５において、線Ｌ１は、コア層４０およびその近傍における厚さ方向に対する発光波長の分布を示している。ここで、コア層４０は、バッファ層２３および上部クラッド層３５との境界では発光波長が１．２μｍとなる組成のＧａＩｎＡｓＰであり、厚さ方向の中央では発光波長が１．４μｍとなる組成のＧａＩｎＡｓＰとなるように、その組成が連続的かつ直線的に変化している。すなわち、この層構造では、中央付近ほど発光波長が長い組成となっている。また、コア層４０の総層厚は１５０ｎｍである。このコア層４０の総層厚および平均屈折率は、半導体光増幅器およびＤＦＢレーザストライプのＭＱＷ活性層を含む能動積層構造との間の光結合効率を高くするために、ＭＱＷ活性層を含むコア構造の総層厚および平均屈折率差とほぼ等しくなるように設計されている。このコア層４０も、半導体光増幅器およびＤＦＢレーザストライプのコア構造との界面が凹状をなしており、界面に空隙や損傷が存在しにくくなり、たとえば接続損失や劣化も低減される。したがって、集積型半導体レーザ素子１０ａは、特性が良好になり、信頼性も高くなる。
【００５７】
なお、この集積型半導体レーザ素子１０ａは、集積型半導体レーザ素子１０と同様の方法で製造できる。
【００５８】
なお、本変形例ではコア層４０の組成変化を直線状としたが、中央付近ほど発光波長が長い組成であれば、放物線状の組成変化でもよく、中央近辺のみ一定の組成にするようにしてもよい。また、発光波長が最も長い組成の位置が、ある程度中央からずれていてもよい。
【００５９】
また、本実施の形態１またはその変形例では、Ａｌ元素を含んでいるＭＱＷ活性層、および下部または上部ＳＣＨ層の酸化が起こらないが、能動積層構造の他の層にＡｌ元素が含まれる場合でも、その層の酸化は同様に防止される。
【００６０】
また、本実施の形態１またはその変形例は集積型半導体レーザ素子であるが、本発明はこれに限らず、活性層を含む能動積層構造と、能動積層構造に接続し、コア層を含む受動積層構造とを少なくとも有する集積型半導体光素子に適用できる。例えば、結合導波路を含む変調器集積レーザ、スポットサイズ変換器集積レーザ等に用いることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０、１０ａ、７０  集積型半導体レーザ素子
１１−１〜１１−ｎ、７１−１〜７１−ｎ  ＤＦＢレーザストライプ
１２−１〜１２−ｎ、７２−１〜７２−ｎ  光導波路
１３、７３  ＭＭＩ光合流器
１３ａ、１４ａ、７４ａ  出力端
１４、７４  半導体光増幅器
１５  埋め込み部
１６−１〜１６−ｍ  トレンチ溝
２１  ｎ側電極
２２  基板
２３  バッファ層
２４ａ  下部ＳＣＨ層
２４ｂ  上部ＳＣＨ層
２５  ＭＱＷ活性層
２６  コア構造
２７、３０、３５  上部クラッド層
２８  埋め込み層
２９  電流ブロッキング層
３１  コンタクト層
３２  保護膜
３３  ｐ側電極
３４、４０、８４  コア層
３４−１、３４−２ａ〜３４−５ａ、３４−２ｂ〜３４−５ｂ  ＧａＩｎＡｓＰ層
３４ａ、３４ｂ、８４ａ  側面
３６、８５  マスク
３７  スペーサ層
３８  グレーティング層
３９  ｐ型ＩｎＰ層
７３ａ  出力ポート
８１  活性層
８２ａ、８２ｂ  ＳＣＨ層
８３ａ、８３ｂ  クラッド層
Ｅ１〜Ｅ４  領域
Ｆ１、Ｆ２  界面
Ｇ  回折格子
Ｌ１  線
Ｍ１〜Ｍ４  メサ構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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