(57)【要約】  光半導体素子を、活性層（３）と、λ／４位相シフト（４Ａ）を有する回折格子（４）とを備える活性領域（１）と、活性領域（１）を挟んで出射端面（７）側及び後端面（８）側に設けられ、受動導波路（５）と、回折格子（６）とを備える受動導波路領域（２）と、出射端面（７）に施された無反射コート（１０）とを備えるものとし、出射端面（７）側の受動導波路領域（２Ａ）を、後端面（８）側の受動導波路領域（２Ｂ）の長さよりも短くする。
2009116140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、λ／４位相シフトを有する回折格子とを備える活性領域と、
前記活性領域を挟んで出射端面側及び前記出射端面の反対側の後端面側に設けられ、受動導波路と、回折格子とを備える受動導波路領域と、
前記出射端面に施された無反射コートとを備え、
前記出射端面側の受動導波路領域が、前記後端面側の受動導波路領域の長さよりも短いことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記出射端面側の受動導波路領域の反射率は、前記後端面側の受動導波路領域の反射率よりも低いことを特徴とする、請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記出射端面側の受動導波路領域に備えられる回折格子は、前記後端面側の受動導波路領域に備えられる回折格子の結合係数と同一の結合係数を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記受動導波路領域に備えられる回折格子は、前記活性領域に備えられる回折格子の結合係数よりも大きい結合係数を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記受動導波路領域に備えられる回折格子は、前記活性領域に備えられる回折格子の深さよりも深いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記活性領域に備えられる回折格子は、前記受動導波路領域に備えられる回折格子のデューティ比よりも小さいデューティ比に設定されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記受動導波路領域に備えられる回折格子は、デューティ比が５０％近傍に設定されていることを特徴とする、請求項６記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記活性領域に備えられる回折格子と前記受動導波路領域に備えられる回折格子とは、一括形成されたものであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記活性層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料を含む量子井戸活性層であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項１０】
前記受動導波路が、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料を含む受動導波路コア層を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項１１】
前記活性層が、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を含む量子井戸活性層であることを特徴とする、請求項１〜８、１０のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項１２】
前記受動導波路が、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を含む受動導波路コア層を備えることを特徴とする、請求項１〜９、１１のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項１３】
前記活性層が、量子井戸活性層であり、
前記受動導波路が、前記量子井戸活性層を混晶化した導波路コア層を備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項１４】
活性領域に活性層を形成するとともに、前記活性領域を挟んで出射端面側及び前記出射端面の反対側の後端面側の受動導波路領域に、前記出射端面側の受動導波路領域が前記後端面側の受動導波路領域の長さよりも短くなるように受動導波路コア層を形成し、
前記活性領域及び前記受動導波路領域に回折格子を形成し、
λ／４位相シフトを設け、
前記出射端面に無反射コートを施すことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記出射端面側の受動導波路領域及び前記後端面側の受動導波路領域に、同一の結合係数を有する回折格子を形成することを特徴とする、請求項１４記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記活性領域に形成される回折格子の結合係数よりも大きい結合係数を有する回折格子を、前記受動導波路領域に形成することを特徴とする、請求項１４又は１５記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記活性領域に形成される回折格子の深さよりも深い回折格子を、前記受動導波路領域に形成することを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
前記受動導波路領域に回折格子を形成するためのデューティ比よりも小さいデューティ比で、前記活性領域に回折格子を形成することを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
前記活性領域及び前記受動導波路領域に量子井戸活性層を形成し、前記受動導波路領域の前記量子井戸活性層を混晶化して前記受動導波路コア層を形成することを特徴とする、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
前記活性領域に、λ／４位相シフトを有する回折格子を形成することを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ファイバ通信などに用いられる光半導体素子及びその製造方法に関し、具体的には回折格子を有する半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接変調半導体レーザによって、温度制御なしで動作可能な小型・低消費電力の光源を実現できる。現在、１０Ｇｂ／ｓまでの動作速度で直接変調可能な半導体レーザが実用化されている。
今後、さらに動作速度を向上させるためには、動作速度の制限要因である緩和振動周波数を向上させる必要があり、そのためには共振器長を短くすることが重要となる。【０００３】
このような高速動作に向けた半導体レーザとして、図９に示すような短共振器ＤＦＢレーザ（例えば非特許文献１参照）、図１０に示すような短共振器ＤＢＲレーザ（例えば特許文献１参照）などが提案されている。
なお、特許文献２には、λ／４位相シフト構造を有するＤＦＢレーザにおいて、前方からの出力を向上させるために、後方にパッシブグレーティング導波路を設け、後方での反射率を実効的に大きくすることが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−５５９４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５３５５９号公報
【非特許文献１】K.Nakahara et al., ”High Extinction Ratio Operation at 40-Gb/s Direct Modulation in 1.3μm InGaAlAs-MQW RWG DFB Lasers”, Technical Digest of OFC2006, OWC5
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、図９に示すような短共振器ＤＦＢレーザでは、例えば１５０μｍ以下の短い活性層で発振に必要な利得を得るために、少なくとも片端面には高反射コートを施すことが必要となる。
このような高反射コートを施した端面を有するＤＦＢレーザは、端面での回折格子の位相を制御することができないため（即ち、回折格子の周期のどの位置で端面が切られるかを制御することができないため）、原理的に単一モードで発振するものだけを製造することができず、歩留まりが低い。【０００５】
また、図９に示すような短共振器ＤＦＢレーザでは、素子の全長にわたって活性層が設けられ、素子長が共振器長に相当するため、共振器長はへき開で形成できる長さ（例えば基板の厚さが１００μｍ程度の場合、２００μｍ程度の長さ）に制限されてしまい、十分な短共振器化を図ることができない。
一方、図１０に示すような短共振器ＤＢＲレーザでは、回折格子が設けられている受動導波路を反射鏡として用い、この受動導波路が活性層に連なるように設けられるため、活性層の長さ（共振器長）をへき開で形成できる長さよりも短くすることができる。【０００６】
しかしながら、この場合、発振モードはへき開で形成される活性層の長さで決まるため、単一モード発振（単一モード動作）するものを安定的に製造することが難しく、歩留まりが低い。
ところで、原理的には単一モード動作するものだけを製造することができ、歩留まりが良いものとして、回折格子の中央近傍にλ／４位相シフトを設けたλ／４シフトＤＦＢレーザがある。このλ／４シフトＤＦＢレーザは、回折格子の周期で決まるブラッグ波長で発振する。【０００７】
但し、λ／４シフトＤＦＢレーザでは、端面での回折格子の位相の影響を受けないようにするために、両端面とも無反射コートを施すことが必要である。
しかしながら、このように両端面に無反射コートを施すと、端面反射がないため、短共振器化を図った場合、十分な利得を得ることが難しい。レーザ発振させるのに必要な利得が得られたとしても、高速動作（高速変調）を実現できないことがある。【０００８】
また、図９に示すような短共振器ＤＦＢレーザの場合と同様に、共振器長はへき開で形成できる長さに制限されてしまい、十分な短共振器化を図ることができない。
さらに、λ／４シフトＤＦＢレーザでは、両端面に無反射コートを施すため、後端面からも光が出力されてしまい、光出力を向上させるのが難しい。
この場合、光出力を向上させるために、上記特許文献２に記載されている技術を適用して、後端面（出射端面の反対側の端面）にパッシブグレーティング導波路を設けることが考えられる。【０００９】
しかしながら、この場合も、前端面（出射端面）には無反射コートが施されているため、短共振器化を図った場合、十分な利得が得られず、高速動作を実現できないと考えられる。
そこで、光半導体素子及びその製造方法において、単一モード動作するものだけを安定的に製造できるようにして歩留まりを向上し、十分な短共振器化を図ることができて、短共振器化を図った場合にも、十分な利得が得られて高速動作を実現できるようにし、出射端面（前端面）からの光出力を向上させたい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本光半導体素子は、活性層と、λ／４位相シフトを有する回折格子とを備える活性領域と、活性領域を挟んで出射端面側及び出射端面の反対側の後端面側に設けられ、受動導波路と、回折格子とを備える受動導波路領域と、出射端面に施された無反射コートとを備え、出射端面側の受動導波路領域が、後端面側の受動導波路領域の長さよりも短いことを要件とする。【００１１】
本光半導体素子の製造方法は、活性領域に活性層を形成するとともに、活性領域を挟んで出射端面側及び出射端面の反対側の後端面側の受動導波路領域に、出射端面側の受動導波路領域が後端面側の受動導波路領域の長さよりも短くなるように受動導波路コア層を形成し、活性領域及び受動導波路領域に回折格子を形成し、λ／４位相シフトを設け、出射端面に無反射コートを施すことを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本光半導体素子及びその製造方法によれば、単一モード動作するものだけを安定的に製造できるようになって歩留まりが向上し、十分な短共振器化を図ることができ、短共振器化を図った場合にも、十分な利得が得られて高速動作を実現でき、出射端面（前端面）からの光出力を向上させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる光半導体素子の構成を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる光半導体素子の一構成例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる光半導体素子の一構成例を示す模式的斜視図である。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｆ）は、本発明の第１実施形態にかかる光半導体素子の一構成例の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｇ）は、本発明の第１実施形態にかかる光半導体素子の一構成例の製造方法を説明するための模式的斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる光半導体素子の一構成例を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる光半導体素子の他の構成例を示す模式的断面図である。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる光半導体素子の一構成例の製造方法の変形例を説明するための模式的断面図である。
【図９】従来の短共振器ＤＦＢレーザの構成を示す模式的断面図である。
【図１０】従来の短共振器ＤＢＲレーザの構成を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  活性領域
２  受動導波路領域
２Ａ  出射端面側の受動導波路領域
２Ｂ  後端面側の受動導波路領域
３  活性層（ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層）
３Ｘ  ＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層
４，６，４Ｘ，６Ｘ  回折格子
４Ａ，４ＸＡ  λ／４位相シフト
５  受動導波路コア層（ＩｎＧａＡｓＰ受動導波路コア層）
５Ｘ  ＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層
５Ｙ  混晶化された層（受動導波路コア層）
７  出射端面
８  後端面
９，１０  無反射コート
１１  表面電極（ｐ側電極）
１２  裏面電極（ｎ側電極）
１３  ｎ型ＩｎＰ基板
１４  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１４Ｘ  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１５  ｎ型ＩｎＰ層
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１７  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１８  ＳｉＯ２膜
１９  高抵抗ＩｎＰ層
２０  ＳｉＯ２膜（ＳｉＯ２マスク）
２１  半導体積層構造
２２，３０  ＳｉＯ２マスク
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面により、本実施形態にかかる光半導体素子及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる光半導体素子及びその製造方法について、図１〜図５（Ｇ）を参照しながら説明する。【００１６】
本実施形態にかかる光半導体素子は、単一モードで発振する直接変調半導体レーザであって、図１に示すように、電流注入によってレーザ光を発生する活性領域１と、電流が注入されない受動導波路領域２とを備える。
ここで、活性領域（活性導波路領域；活性導波路部；λ／４シフトＤＦＢレーザ部）１は、活性層３と、内部にλ／４位相シフト４Ａを有する回折格子４とを備える。【００１７】
受動導波路領域（受動導波路部；ミラー部）２は、受動導波路コア層５と、回折格子６とを備える。
この受動導波路領域２は、活性領域１の両側、即ち、活性領域１を挟んで素子の出射端面７側及び出射端面７の反対側の後端面８側に設けられている。これにより、十分な短共振器化を図ることができる。また、短共振器化を図った場合にも、レーザ発振に十分な利得が得られ、高速動作も実現できるようになる。【００１８】
また、素子の両端面、即ち、素子の出射端面７及び後端面８には、無反射コート９，１０が施されている。これにより、端面での回折格子の位相の影響を受けず、単一モード動作するものだけを安定的に製造できるようになって歩留まりが向上する。
特に、本実施形態では、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの長さを、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの長さよりも短くしている。これにより、出射端面７側の受動導波路領域２Ａにおける損失を低減し、出射端面（前端面）７から出射される光の出力を大きくすることができる。【００１９】
また、本実施形態では、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数を同一にし、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの反射率が、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの反射率よりも低くなるようにしている。これにより、出射端面７から出射される光の出力を、より大きくすることができる。
なお、本実施形態では、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４は、結合係数が同一になっている。つまり、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４は、回折格子の深さ（回折格子の凹部の深さ）が同一になっており、かつ、回折格子のデューティ比（回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）も同一になっている。なお、本実施形態では、受動導波路領域２の回折格子６の周期と活性領域１の回折格子４の周期は同一になっている。【００２０】
なお、図１中、符号１１は表面電極、符号１２は裏面電極を示している。
以下、本光半導体素子（半導体レーザ）の具体的な構成例について、図２を参照しながら説明する。なお、図２では、図１に示されているものを具体的に示したにすぎないものは同じ符号を付している。
本光半導体素子（半導体レーザ）では、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１３の表面上に素子の全長にわたって（即ち、活性領域１となる領域及び受動導波路領域２となる領域の全領域にわたって）、同一の周期及び結合係数を有する回折格子４，６（例えば深さ６０ｎｍ）が形成されており、この回折格子４，６が埋め込まれるように、例えば１．１５μｍ組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層（導波路層；クラッド層；例えば厚さ１００ｎｍ）１４が形成されている。【００２１】
ここでは、ｎ型ＩｎＰ基板１３の表面上に素子の全長にわたって形成された回折格子４，６は、図２に示すように、活性領域１となる領域の中央に相当する部分にλ／４位相シフト４Ａを有する。なお、λ／４位相シフト４Ａは、活性領域１の中央位置に設けずに、例えば活性領域１の中央位置からずれた位置に設けても良い。
また、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４との位相関係が所望の位相関係になるように（即ち、位相関係にずれが生じないように）、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４とは一括形成されたものを用いている。つまり、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４を形成する際に、レジストに形成される回折格子パターンを一括して描画し、これを用いて一括形成するようにしている。なお、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４とが一括形成されたものは、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４との位相関係が所望の位相関係になっている。【００２２】
このように、回折格子４は、内部にλ／４位相シフトを有するため、回折格子４の周期で決まるブラッグ波長での発振が可能となり、安定な単一モード発振を得ることができる。
また、図２に示すように、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４上には、ｎ型ＩｎＰ層（例えば厚さ３０ｎｍ）１５を介して、発光波長が１．３１μｍとなる組成のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層（ＩｎＧａＡｓＰ系歪量子井戸活性層；ＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を含む歪量子井戸活性層）３が形成されるとともに、このＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３を挟んで両側（出射端面７側及び後端面８側）に１．１８μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ受動導波路コア層（ＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層；ＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料を含む受動導波路コア層）５が形成されている。このように、発光波長に対して、受動導波路コア層５の組成波長（バンドギャップ波長）が所定値（例えば１００ｎｍ）以上短波長になっているため、受動導波路コア層５における吸収は十分に少ない。【００２３】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３は、例えば、圧縮歪１％、厚さ４．２ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層と、厚さ１０ｎｍ、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層とからなる１５層の積層構造となっている。
また、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３の上下に、例えば厚さ１０ｎｍ、１．０μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層（光ガイド層）を設けるのが好ましい。【００２４】
そして、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３及びＩｎＧａＡｓＰ受動導波路コア層５の全体が覆われるようにｐ型ＩｎＰクラッド層（例えば厚さ２．０μｍ）１６が形成されており、活性領域１の上部（ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３の上部）にのみｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層（例えば厚さ０．３μｍ）１７が形成されている。【００２５】
なお、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３及びその上下の層によって活性領域１が構成される。ここでは、活性領域１（活性層３）の長さは例えば１００μｍである。
また、ＩｎＧａＡｓＰ受動導波路コア層５及びその上下の層によって出射端面７側及び後端面８側の受動導波路領域２（２Ａ，２Ｂ）が構成される。ここでは、出射端面７側の受動導波路領域２Ａ（受動導波路コア層５）の長さは７５μｍであり、後端面８側の受動導波路領域２Ｂ（受動導波路コア層５）の長さは１７５μｍである。【００２６】
このように、本実施形態では、活性領域１を挟んで両側（出射端面７側及び後端面８側）に受動導波路領域２（２Ａ，２Ｂ）が形成されているため、活性領域の長さ（活性領域長）は例えば１００μｍと短いものの、素子全体の長さ（素子長）は例えば３５０μｍと長くなっており、へき開可能な長さになっている。
また、受動導波路領域２のバンドギャップは、レーザ光のエネルギに対して大きいものの、ある程度の損失を有するため、上述のように、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの長さを、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの長さよりも短くしている。これにより、出射端面７から出射される光の出力を大きくすることができる。【００２７】
また、本実施形態では、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数を同一にし、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの反射率（回折格子６の反射率）が、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの反射率（回折格子６の反射率）よりも低くなるようにしている。これにより、出射端面７から出射される光の出力を、より大きくすることができる。【００２８】
また、本実施形態では、図３に示すように、水平方向（図２中、左右方向）に沿う導波路構造は、高抵抗埋込構造（半絶縁性埋込ヘテロ構造；ＳＩ−ＢＨ構造；Semi-Insulating Buried Heterostructure）になっている（高抵抗埋込型レーザ）。なお、図３では、便宜上、無反射コート（端面コート）１０は図示を省略している。
つまり、図３に示すように、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６、ＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層５、図示されていないＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４、回折格子４，６（図示せず）が表面に形成されたｎ型ＩｎＰ基板１３の一部を含むメサ構造（例えば幅１．３μｍのストライプ状のメサ構造）の両側を、例えば鉄ドープのＩｎＰ層（高抵抗ＩｎＰ層；半絶縁性ＩｎＰ層）１９で埋め込んだ構造になっている。【００２９】
さらに、本光半導体素子には、図２，図３に示すように、従来と同様の構造で電極１１，１２が形成されている。つまり、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７上には、例えばＡｕ／Ｚｎ／Ａｕからなるｐ側電極１１が形成されており、ｎ型ＩｎＰ基板１３の裏面側には、例えばＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極１２が形成されている。
また、図２，図３に示すように、素子の表面側のｐ側電極１１が形成されている領域以外の領域には、ＳｉＯ２膜（絶縁膜）１８が形成されている。さらに、素子の両端面、即ち、出射端面７及び後端面８には、無反射コート１０，９が施されている。【００３０】
特に、本実施形態では、上述のように、活性領域１を挟んで両側（出射端面７側及び後端面８側）に設けられる受動導波路領域２（２Ａ，２Ｂ）が回折格子６を有し、活性領域１に対して光をフィードバックするための反射鏡の役割を果たし、レーザ発振に必要なしきい値利得が低下するため、両端面に無反射コート９，１０が施され、活性領域１の長さ（活性領域長）が例えば１００μｍと短い素子でも、発振に十分な利得を得ることができ、確実にレーザ発振を得ることができ、高速動作（高速変調）も実現できるようになる。【００３１】
また、本実施形態では、上述のように、両端面に無反射コート９，１０が施されており、また、回折格子４が活性領域１の中央にλ／４位相シフト４Ａを有し、さらに、回折格子４，６が一括形成され、受動導波路領域２の回折格子６と活性領域１の回折格子４との位相関係が決まっているため、発振モードが端面の位置による位相変化の影響を受けず、安定な単一モード発振が得られるようになり、単一モード安定性を確保できることになる。【００３２】
次に、本光半導体素子（半導体レーザ）の具体的な構成例の製造方法について、図４（Ａ）〜図４（Ｆ），図５（Ａ）〜図５（Ｇ）を参照しながら説明する。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１３上に、例えば電子ビーム露光法などを用いて回折格子パターンを一括形成し、これを用いて、例えばエタン系のリアクティブイオンエッチングなどによって、図４（Ａ），図４（Ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１３の表面上に、素子の全長にわたって（即ち、活性領域１となる領域及び受動導波路領域２となる領域の全領域にわたって）、活性領域１となる領域の中央に相当する部分にλ／４位相シフト４Ａを有する回折格子４，６を一括形成する。【００３３】
このように、活性領域１の回折格子４は内部にλ／４位相シフト４Ａを有するため、回折格子４の周期で決まるブラッグ波長での発振が可能となり、単一モード発振を得ることができる。
なお、ここでは、出射端面７側の受動導波路領域２Ａ及び後端面８側の受動導波路領域２Ｂとなる領域に、同一の結合係数を有する回折格子６を形成する。より具体的には、上述のような構成を有する回折格子を形成する。【００３４】
次に、図４（Ｃ）に示すように、例えば有機金属気相成長法［ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法］によって、回折格子４，６が表面に形成されたｎ型ＩｎＰ基板１３上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４、ｎ型ＩｎＰ層１５、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３、ｐ型ＩｎＰ層（クラッド層）１６の一部（ここでは０．２μｍ程度）１６Ａを順に成長させる。【００３５】
その後、全面にＳｉＯ２膜を形成後、通常のリソグラフィ技術を用いて、活性領域１となる領域にＳｉＯ２膜を残す。そして、図４（Ｄ）に示すように、このＳｉＯ２膜をマスク（ＳｉＯ２マスク）２０とし、例えばウェットエッチングを用いて、受動導波路領域２となる領域のｐ型ＩｎＰ層１６Ａ、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３を除去する。この際、ｎ型ＩｎＰ層１５がエッチストップ層の役割を果たす。【００３６】
そして、ＳｉＯ２マスク２０を残したまま、例えばＭＯＶＰＥ装置で、図４（Ｅ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ受動導波路コア層５、ｐ型ＩｎＰ層（クラッド層）１６の一部（ここでは０．２μｍ程度）１６Ｂを順に選択成長させる。これにより、活性領域１と受動導波路領域２とが直接接合（バットジョイント接合）され、活性領域１を挟んで両側（出射端面７側及び後端面８側）に受動導波路領域２が形成される。【００３７】
ここでは、例えば長さ１００μｍの活性領域１の出射端面７側に、例えば長さ７５μｍの受動導波路領域２Ａが形成され、後端面８側に、例えば長さ１７５μｍの受動導波路領域２Ｂが形成される。
このようにして、活性領域１にＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３を形成するとともに、活性領域１を挟んで出射端面７側及び出射端面７の反対側の後端面８側の受動導波路領域２Ａ，２Ｂに、出射端面７側の受動導波路領域２Ａが後端面８側の受動導波路領域２Ｂの長さよりも短くなるようにＩｎＧａＡｓＰ受動導波路コア層５を形成する。【００３８】
次いで、マスクとして用いたＳｉＯ２膜２０を除去した後、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、図４（Ｆ）に示すように、ウェハ全面にｐ型ＩｎＰ層（クラッド層）１６の残りの部分１６Ｃ、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７を順に成長させる。
これにより、図５（Ａ）に示すような半導体積層構造２１が形成される。
次に、半導体積層構造２１の表面上の全面にＳｉＯ２膜を形成し、これを、通常のフォトリソグラフィ法によって、図５（Ｂ）に示すように、例えば幅１．３μｍ程度のストライプ状に加工する。そして、このＳｉＯ２膜をマスク（ＳｉＯ２マスク）２２として、例えば塩素系のＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）ドライエッチング法を用いてエッチングを行ない、例えば高さ３μｍのメサ構造を形成する。【００３９】
次に、例えば塩酸系のウェットエッチングによってメサ構造の表面を例えば０．１μｍ程度エッチングすることで、ドライエッチングで生じたダメージ層を除去した後、ＳｉＯ２マスク２２を残したまま、例えばＭＯＶＰＥ法によって、図５（Ｃ）に示すように、例えば鉄ドープのＩｎＰ層（高抵抗ＩｎＰ層）１９を成長させることで、メサ構造の両側を高抵抗ＩｎＰ層１９で埋め込む（埋込再成長）。【００４０】
この際、例えばＣＨ３Ｃｌなどの塩素を含有する化合物を成長中に同時にリアクタに導入することで、ドライエッチングで形成したメサ構造の場合でもメサ構造の上部への異常成長を抑制してメサ構造を埋めこむことができる。
次に、図５（Ｄ）に示すように、活性領域１の上部以外のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７を例えばウェットエッチングで選択的に除去し、図５（Ｅ）に示すように、全面にパッシベーション膜としてＳｉＯ２膜１８を形成した後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７の上部のみＳｉＯ２膜１８を除去して、図５（Ｆ）に示すように、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７上にｐ側電極１１を形成する。【００４１】
そして、ｎ型ＩｎＰ基板１３の裏面を例えば１００μｍ程度まで研磨した後、図５（Ｇ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１３の裏面にｎ側電極１２を形成する。
最後に、アレイ状にへき開後、両端面（出射端面７及び後端面８）に無反射コート９，１０を形成し（図２参照）、チップ化することで光半導体素子（半導体レーザ）が完成する。【００４２】
したがって、本実施形態にかかる光半導体素子及びその製造方法によれば、単一モード動作するものだけを安定的に製造できるようになって歩留まりが良くなり、十分な短共振器化を図ることができ、短共振器化を図った場合にも、レーザ発振に十分な利得が得られ、高速動作も実現でき、出射端面７からの光出力を向上させることができるという利点がある。【００４３】
このように、本光半導体素子によれば、高速動作を実現するのに十分短い活性領域１を有し、さらに、短い活性領域１でも発振に十分な利得が得られ、発振モードが端面の位置による位相変化の影響を受けない共振器構造を実現することができ、へき開での素子形成が可能で、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速で直接変調可能で安定な単一モード動作が得られ、出射端面７からの光出力を向上させた半導体レーザ（高速変調向け短共振器レーザ）を実現することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる光半導体素子及びその製造方法について、図６を参照しながら説明する。【００４４】
本実施形態にかかる光半導体素子（半導体レーザ）及びその製造方法は、上述の第１実施形態のものに対し、図６に示すように、受動導波路領域２に備えられる回折格子６Ｘが、活性領域１に備えられる回折格子４Ｘの結合係数よりも大きい結合係数を有する点、活性層としてＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層（ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料を含む量子井戸活性層）３Ｘを用い、受動導波路コア層としてＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層（ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料を含む受動導波路コア層）５Ｘを用いている点が異なる。なお、図６では、上述の第１実施形態のもの（図１及び図２参照）と同一のものには同一の符号を付している。【００４５】
つまり、まず、本実施形態では、図６に示すように、受動導波路領域２の回折格子６Ｘが、活性領域１の回折格子４Ｘの深さよりも深く構成されている。なお、本実施形態では、受動導波路領域２と活性領域１とで、回折格子のデューティ比（回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）は同一にしている。
具体的な構成例としては、図６に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１３上に、必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず）を介して、例えば１．１５μｍ組成のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層（回折格子層；導波路層；クラッド層）１４Ｘを形成し、このｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘに、素子の全長にわたって（即ち、活性領域１となる領域及び受動導波路領域２となる領域の全領域にわたって）、同一の周期を有する回折格子４Ｘ，６Ｘが形成されており、この回折格子４Ｘ，６Ｘが埋め込まれるように、ｎ型ＩｎＰ層１５が形成されている。【００４６】
ここでは、活性領域１は、図６に示すように、例えば厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘの表面上に、例えば上部からのエッチングによって、周期的に溝（凹部）を形成することによって、例えば深さ６０ｎｍの回折格子４Ｘ（例えば深さ６０ｎｍの凹部を有する回折格子４Ｘ）が形成されており、この回折格子４Ｘがｎ型ＩｎＰ層１５によって埋め込まれている。つまり、ｎ型ＩｎＰ層１５中に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ上に周期的に溝を形成することによって形成された回折格子４Ｘが埋め込まれた構造になっている。なお、活性領域１には、上述の第１実施形態の場合と同様に、図６に示すように、λ／４位相シフト４ＸＡが設けられている。【００４７】
受動導波路領域２では、図６に示すように、例えば厚さ１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘを周期的に分断して、例えば深さ１００ｎｍの回折格子６Ｘ（例えば深さ１００ｎｍの凹部を有する回折格子６Ｘ）が形成されており、この回折格子６Ｘがｎ型ＩｎＰ層１５によって埋め込まれている。つまり、ｎ型ＩｎＰ層１５中に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘを周期的に分断することによって形成された回折格子６Ｘが埋め込まれた構造になっている。【００４８】
次に、本実施形態では、活性層として、ＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層３Ｘを用いており、受動導波路コア層としてＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層５Ｘを用いている。
具体的な構成例としては、以下のように構成している。
ＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層３Ｘとしては、例えば、圧縮歪１．５％、厚さ６ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、厚さ１０ｎｍ、バンドギャップ波長１．０５μｍ、引張歪０．３％のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層からなる１５層の積層構造の発光波長１．３１μｍの組成のＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層を用いている。なお、ＡｌＧａＩｎＡｓ系歪量子井戸活性層３Ｘの上下にＳＣＨ層を設けても良い。ここでは、ＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層３Ｘ（活性領域１）の長さ（活性領域長）は例えば７５μｍである。【００４９】
ＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層５Ｘとしては、例えば、バンドギャップ波長１．１５μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ受動導波路コア層を用いている。このように、発光波長に対して、受動導波路コア層５Ｘのバンドギャップ波長（組成波長）が所定値（例えば１００ｎｍ）以上短波長になっているため、受動導波路コア層５Ｘにおける吸収は十分に少ない。ここでは、出射端面７側の受動導波路領域２Ａ（受動導波路コア層５Ｘ）の長さは５０μｍであり、後端面８側の受動導波路領域２Ｂ（受動導波路コア層５Ｘ）の長さは１２５μｍである。【００５０】
このように、本実施形態では、上述の第１実施形態の場合と同様に、活性領域１を挟んで両側（出射端面７側及び後端面８側）に受動導波路領域２（２Ａ，２Ｂ）が形成されているため、活性領域の長さ（活性領域長）は例えば７５μｍと短いものの、素子全体の長さ（素子長）は例えば２５０μｍと長くなっており、へき開可能な長さになっている。
特に、本実施形態では、上述の第１実施形態のものよりも、受動導波路領域２の回折格子６Ｘの深さを深くして（即ち、受動導波路領域２の回折格子層１４Ｘの厚さを厚くして）、受動導波路領域２の回折格子６Ｘの結合係数を大きくしているため、受動導波路領域２の長さを短くすることができる。また、本実施形態では、上述の第１実施形態のものよりも受動導波路領域２の回折格子６Ｘの結合係数を大きくしているため、活性領域１の長さも短くすることができる。これにより、素子長を短くすることができる。【００５１】
また、上述の第１実施形態の場合と同様に、受動導波路領域２のバンドギャップは、レーザ光のエネルギに対して大きいものの、ある程度の損失を有するため、上述のように、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの長さを、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの長さよりも短くしている。これにより、出射端面（前端面）７から出射される光の出力を大きくすることができる。【００５２】
また、本実施形態では、上述の第１実施形態の場合と同様に、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数を同一にし、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの反射率（回折格子６の反射率）が、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの反射率（回折格子６の反射率）よりも低くなるようにしている。これにより、出射端面７から出射される光の出力を、より大きくすることができる。【００５３】
なお、その他の構成については、上述の第１実施形態の構成及びその具体的な構成例と同様であるため、ここでは、説明を省略する。
次に、本実施形態にかかる光半導体素子（半導体レーザ）の具体的な構成例の製造方法について説明する。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１３上に、必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず）を介して、例えば厚さ１００ｎｍ、バンドギャップ波長１．１５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ、例えば厚さ２０ｎｍのｎ型ＩｎＰ層１５を順に成長させる（図６参照）。【００５４】
次に、例えば電子ビーム露光装置などを用いて回折格子パターンを一括形成し、これを用いて、例えばエタン系のリアクティブイオンエッチングなどによって、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘを、その上部から例えば６０ｎｍまでエッチングして、素子の全長にわたって（即ち、活性領域１となる領域及び受動導波路領域２となる領域の全領域にわたって）、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘの表面上に回折格子（例えば深さ６０ｎｍ）を一括形成する。【００５５】
次いで、例えばフォトレジストを用いて素子の活性領域１となる領域をカバーした後、再度、例えばエタン系のリアクティブイオンエッチングなどを行なって、ｎ型ＩｎＰ基板１３（又はｎ型ＩｎＰバッファ層）に達するまでエッチングを進め、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘに回折格子（例えば深さ１００ｎｍ）を形成する。
このようにして、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘに、活性領域１となる領域と受動導波路領域２となる領域とで深さの異なる回折格子４Ｘ，６Ｘが形成される。つまり、活性領域１となる領域に、その中央に相当する部分にλ／４位相シフト４ＸＡを有する回折格子（例えば深さ６０ｎｍ）４Ｘが形成されるとともに、受動導波路領域２となる領域に、活性領域１となる領域よりも深い位置までｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘをエッチングして、回折格子４Ｘよりも深さの深い回折格子（例えば深さ１００ｎｍ）６Ｘが形成される（図６参照）。このようにして、活性領域１となる領域に形成される回折格子４Ｘの結合係数よりも大きい結合係数を有する回折格子６Ｘを、受動導波路領域２となる領域に形成する。【００５６】
なお、ここでは、出射端面７側の受動導波路領域２Ａ及び後端面８側の受動導波路領域２Ｂとなる領域に、同一の結合係数を有する回折格子６Ｘを形成する。より具体的には、上述のような構成を有する回折格子を形成する。
このように、活性領域１の回折格子４Ｘは内部にλ／４位相シフト４ＸＡを有するため、回折格子４Ｘの周期で決まるブラッグ波長での発振が可能となり、単一モード発振を得ることができる。【００５７】
次に、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、回折格子４Ｘ，６Ｘが形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘの上面から例えば５０ｎｍの厚さになるまでｎ型ＩｎＰ層１５を成長させた後、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層３Ｘ、ｐ型ＩｎＰ層（上部クラッド層）１６の一部（ここでは０．２μｍ程度）を順に成長させる（図６参照）。【００５８】
その後、上述の第１実施形態の場合と同様の方法で、受動導波路領域２となる領域のｐ型ＩｎＰ層１６、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層３Ｘを除去した後、ＡｌＧａＩｎＡｓ受動導波路コア層５Ｘ、ｐ型ＩｎＰ層（クラッド層）１６の一部（ここでは０．２μｍ程度）を順に選択成長させる。これにより、活性領域１と受動導波路領域２とが直接接合（バットジョイント接合）され、活性領域１を挟んで両側（出射端面７側及び後端面８側）に受動導波路領域２が形成される。【００５９】
ここでは、例えば長さ７５μｍの活性領域１の出射端面７側に、例えば長さ５０μｍの受動導波路領域２Ａが形成され、後端面８側に、例えば長さ１２５μｍの受動導波路領域２Ｂが形成される。
このようにして、活性領域１にＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層３Ｘを形成するとともに、活性領域１を挟んで出射端面７側及び出射端面７の反対側の後端面８側の受動導波路領域２Ａ，２Ｂに、出射端面７側の受動導波路領域２Ａが後端面８側の受動導波路領域２Ｂの長さよりも短くなるようにＡｌＧａＩｎＡｓ受動導波路コア層５Ｘを形成する。【００６０】
なお、その後の工程については、上述の第１実施形態の具体的な構成例の製造方法と同様であるため、ここでは、説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる光半導体素子及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、単一モード動作するものだけを安定的に製造できるようになって歩留まりが良くなり、十分な短共振器化を図ることができ、短共振器化を図った場合にも、レーザ発振に十分な利得が得られ、高速動作も実現でき、出射端面７からの光出力を向上させることができるという利点がある。【００６１】
特に、上述の第１実施形態のものと回折格子の反射率を同じにする場合、本実施形態のように、結合係数を大きくし、受動導波路領域２の長さ（導波路長）を短くした方が、反射鏡として機能する受動導波路領域２の波長帯域が広くなるため、活性領域１と受動導波路領域２のブラッグ波長にずれが生じた際の許容できるトレランスが広くなるという利点もある。【００６２】
また、活性層として、緩和振動周波数の大きなＡｌＧａＩｎＡｓ系歪量子井戸活性層３Ｘを用いることで、より高速動作に向いた素子を実現できるという利点もある。
なお、上述の実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、受動導波路領域２の回折格子６Ｘの結合係数を、活性領域１に備えられる回折格子４Ｘの結合係数よりも大きくする点、及び、活性層としてＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層３Ｘを用い、受動導波路コア層としてＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層５Ｘを用いる点の２点を変えているが、いずれか一方の点のみを変えたものとして構成することもできる。【００６３】
また、上述の実施形態では、受動導波路領域２と活性領域１とで回折格子の結合係数を変えるために、受動導波路領域２と活性領域１とで回折格子の深さを変えているが、これに限られるものではなく、受動導波路領域２と活性領域１とで、回折格子の深さ、及び、回折格子のデューティ比（回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）のいずれか一方又は両方を変えることによって、受動導波路領域２と活性領域１とで回折格子の結合係数を変えることができる。【００６４】
例えば、受動導波路領域２と活性領域１とで回折格子の深さを同一にし、受動導波路領域２と活性領域１とで回折格子のデューティ比を変化させることによって、受動導波路領域２と活性領域１とで回折格子の結合係数を変えることもできる。
例えば、図７に示すように、上述の実施形態（図６参照）のものと異なり、素子の全領域において、ｎ型ＩｎＰ基板１３（又はｎ型ＩｎＰバッファ層）に達するまでエッチングを進めることによって、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘを細線状に加工して回折格子（例えば深さ１００ｎｍ）４Ｘ，６Ｘを形成する。この際、受動導波路領域２では、回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ）の割合（デューティ比）を５０％とし、活性領域１では、回折格子の周期に対するエッチングによって残される部分（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ）の割合を３５％とすれば良い。なお、このようなパターンを有する回折格子４Ｘ，６Ｘは、例えば電子ビーム露光の条件を、活性領域１と受動導波路領域２とで変えることによって実現することができる。【００６５】
このように、受動導波路領域２では、回折格子のデューティ比を５０％又はその近傍に設定し、活性領域１では、受動導波路領域２の回折格子のデューティ比よりも小さいデューティ比に設定するのが好ましい。つまり、受動導波路領域２に回折格子を形成するためのデューティ比よりも小さいデューティ比で、活性領域１に回折格子を形成するのが好ましい。
なお、原理的には、受動導波路領域２では、回折格子のデューティ比を５０％又はその近傍に設定し、活性領域１では、受動導波路領域２の回折格子のデューティ比よりも大きいデューティ比に設定することも考えられるが、作製の容易さを考慮すると、上述のように、受動導波路領域２では、回折格子のデューティ比を５０％又はその近傍に設定し、活性領域１では、受動導波路領域２の回折格子のデューティ比よりも小さいデューティ比に設定するのが好ましい。【００６６】
上述のように、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘにエッチングで回折格子４Ｘ，６Ｘを形成し、この回折格子４Ｘ，６Ｘをｎ型ＩｎＰ層１５で埋め込む場合に、受動導波路領域２の回折格子６Ｘのデューティ比を５０％又はその近傍に設定し、活性領域１の回折格子４Ｘのデューティ比を受動導波路領域２の回折格子６Ｘのデューティ比よりも小さく設定すると、図７に示すように、受動導波路領域２では、回折格子の周期に対する屈折率の高い部分（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ）の割合が５０％又はその近傍になり、活性領域１では、回折格子の周期に対する屈折率の高い部分（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４Ｘ）の割合が受動導波路領域２よりも小さくなる。【００６７】
逆に、上述の第１実施形態（図２参照）のように、ｎ型ＩｎＰ基板１３にエッチングで回折格子４，６を形成し、この回折格子４，６をｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４で埋め込む場合に、受動導波路領域２の回折格子６のデューティ比を５０％又はその近傍に設定し、活性領域１の回折格子４のデューティ比を受動導波路領域２の回折格子６のデューティ比よりも小さく設定すると、受動導波路領域２では、回折格子の周期に対する屈折率の高い部分（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４）の割合が５０％又はその近傍になり、活性領域１では、回折格子の周期に対する屈折率の高い部分（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４）の割合が受動導波路領域２よりも大きくなる。
［その他］
なお、上述の各実施形態及びその変形例では、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで、回折格子６の結合係数を同一にし、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの反射率が、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの反射率よりも低くなるようにしているが、これに限られるものではなく、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数が異なっていても良い。【００６８】
例えば、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数が異なり、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの反射率が、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの反射率よりも低くなっていても良い。また、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数が異なり、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの反射率と、後端面８側の受動導波路領域２Ｂの反射率とが同じになっていても良い。【００６９】
この場合、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数を変えるために、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで、回折格子６の深さ、及び、回折格子６のデューティ比（回折格子６の周期に対するエッチングによって残される部分の割合）のいずれか一方又は両方を変えれば良い。【００７０】
また、上述の各実施形態及びその変形例では、出射端面７及び後端面８の両方の端面に無反射コート１０，９を施したものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、少なくとも出射端面に無反射コートが施されていれば良い。例えば、後端面に施された無反射コートに代えて、後端面側の受動導波路領域と後端面との間に吸収層を設けて、後端面で反射した光が活性層へ戻って影響を与えないようにしても良い。【００７１】
なお、上述の各実施形態及びその変形例のように、活性領域１を構成する導波路と受動導波路領域２を構成する導波路とを直接接合（バットジョイント接合）によって形成する場合、作製の仕方によっては活性領域１近傍の受動導波路領域２を構成する層に膜厚や組成の変動が生じることもある。このような変動は、活性領域１と受動導波路領域２の位相関係を変化させてしまうが、同じ形状を再現性よく形成できるのであれば、位相変化を補償できるように回折格子パターンに位相シフトを入れておくことによって、そのような場合でも安定な単一モード発振を得ることができる。もちろん、変動を抑制した条件で作製し、位相シフトを入れない方が望ましい。【００７２】
また、上述の各実施形態及びその変形例では、導波路の直接接合（バットジョイント接合）で活性領域と受動導波路領域とを形成しているが、これに限られるものではなく、例えば活性領域及び受動導波路領域に量子井戸活性層を形成し、受動導波路領域の量子井戸活性層を混晶化して受動導波路コア層を形成しても良い。この場合、活性領域を構成する活性層は量子井戸活性層となり、受動導波路領域を構成する導波路コア層は、活性領域の量子井戸活性層を混晶化した導波路コア層となる。【００７３】
例えば、上述の第１実施形態［図４（Ａ）〜図４（Ｃ）参照］と同様の方法で、図８（Ａ）に示すように、素子の全域に、活性領域１を構成する活性層としてＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３を形成し、その上にｐ型ＩｎＰクラッド層１６の一部１６Ａを成長させた後、図８（Ｂ）に示すように、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６Ａ上の活性領域１となる領域を覆うようにＳｉＯ２マスク３０を形成し、受動導波路領域２となる領域に、例えばイオン注入を行ない、図８（Ｃ）に示すように、高温でアニールを行なって、量子井戸構造の混晶化を生じさせれば良い。これにより、図８（Ｃ）に示すように、受動導波路領域２となる領域に形成されているＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層３は混晶化された層になり、バンドギャップが拡大し、吸収が低下して、受動導波路領域２を構成する受動導波路コア層（ＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層）５Ｙとして利用できるようになる。その後、ＳｉＯ２マスク３０を除去した後、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、図８（Ｄ）に示すように、ウェハ全面にｐ型ＩｎＰ層（クラッド層）１６の残りの部分１６Ｃ、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７を順に成長させる。なお、その後の工程については、上述の第１実施形態の具体的な構成例の製造方法と同様であるため、ここでは、説明を省略する。【００７４】
なお、このような方法では、任意の組成の導波路を使用できないため、吸収が多少大きくなる傾向があるが、活性領域１と受動導波路領域２とで導波路は滑らかにつながっており、不連続点が生じないため、残留反射が生じにくいという利点がある。
また、混晶化した領域では、多くの場合、導波路の屈折率が低下する。このため、その屈折率差に応じて、予め、受動導波路領域２となる領域の回折格子６の周期を、活性領域１となる領域の回折格子６の周期よりも大きく設定しておいたり、あるいは、受動導波路領域２となる領域の導波路幅（活性層幅）を、活性領域１となる領域の導波路幅（活性層幅）よりも広く設定しておいたりするなど、受動導波路領域２と活性領域１とでブラッグ波長が一致するように補償しておくことが望ましい。【００７５】
なお、ここでは、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６の一部を成長させた後に、受動導波路領域２となる領域に、例えばイオン注入を行ない、高温でアニールを行なって、量子井戸活性層３を混晶化しているが、これに限られるものではなく、例えば、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６の全部及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７を成長させた後に、量子井戸活性層３を混晶化しても良い。【００７６】
また、ここでは、上述の第１実施形態の一構成例の製造方法の変形例として説明しているが、この変形例は、上述の第２実施形態の一構成例や他の構成例に適用することもできる。この場合、受動導波路領域２となる領域に形成されているＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層３Ｘが混晶化され、受動導波路領域２を構成する受動導波路コア層（ＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層）となる。【００７７】
また、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成（特に具体的な構成例）に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、活性領域の長さ、受動導波路領域の長さ、回折格子の結合係数などについては、応用に適した種々の設計が可能である。【００７８】
また、量子井戸活性層の構造は、層厚、組成、層数などのパラメータにおいてさまざまな設計が可能である。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、活性層として、ＡｌＧａＩｎＡｓ系多重量子井戸活性層又はＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸活性層を用いているが、これに限られるものではなく、これら以外の他の材料系の多重量子井戸活性層を用いることも可能である。さらに、活性層として、高速動作には有利ではないが、厚膜のバルクを用いることも可能であるし、量子ドットを用いることも可能である。【００７９】
また、上述の各実施形態の具体的な構成例では、波長１．３μｍ帯の半導体レーザに適用する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば波長１．５５μｍ帯の半導体レーザに適用することもできる。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、受動導波路領域を構成する受動導波路コア層として、厚膜のバルク構造のＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層又はＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層を用いているが、これに限られるものではなく、例えば量子井戸構造などの多層構造の受動導波路コア層を用いることも可能であるし、これら以外の他の材料系の受動導波路コア層を用いることも可能である。【００８０】
また、上述の各実施形態及びその変形例では、活性領域と受動導波路領域とを同じ材料系の半導体材料によって構成しているが、これに限られるものではない。例えば、活性領域を、ＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層を備えるものとし、受動導波路領域を、ＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層を備えるものとして構成しても良い。また、活性領域を、ＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸活性層を備えるものとし、受動導波路領域を、ＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層を備えるものとして構成しても良い。【００８１】
但し、同じバンドギャップ波長でも、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体材料はＩｎＧａＡｓＰ系半導体材料に比べて屈折率が高い。このため、発光波長が１．３μｍ帯のＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸活性層を用いる場合に、ＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層の屈折率を合わせると、ＩｎＧａＡｓＰ系受動導波路コア層のバンドギャップ波長が吸収の影響が見え始める程度まで小さくなってしまうため、この場合には、上述の第２実施形態のように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系受動導波路コア層を用いるのが望ましい。【００８２】
また、上述の各実施形態及びその変形例では、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成した光半導体素子を例に説明しているが、基板の導電型はこれに限られるものではない。例えば、素子容量低減が可能な高抵抗ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板；高抵抗基板）を用いることも高速動作のためには望ましい。また、上部クラッド層がｎ型となるため、活性領域以外への電流広がりが大きくなるものの、ｐ型ＩｎＰ基板（ｐ型基板）を用いることも可能である。また、ＩｎＰ以外の半導体材料からなる基板を用いることもできる。例えば、ＧａＡｓ基板上に形成した光半導体素子（半導体レーザ）に適用することもできる。ＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料などを用いたり、量子ドットなどを用いたりして活性層を構成することで、ＧａＡｓ基板上でも通信用波長帯の光半導体素子（半導体レーザ）を実現することができる。また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系などの半導体材料を用いて構成することで、短波長の光半導体素子（半導体レーザ）を作製することもできる。【００８３】
また、上述の各実施形態及びその変形例では、導波路構造としてＳＩ−ＢＨ構造を採用しているが、これに限られるものではなく、例えば、ｐ型電流ブロック層及びｎ型電流ブロック層を用いたｐｎ埋込構造、高抵抗層で埋め込むものの、表面全面にｐ型ＩｎＰクラッド層を形成するＳＩ−ＰＢＨ構造などの他の埋込構造を用いることも可能であるし、リッジ導波路構造などを用いることも可能である。【００８４】
また、上述の第１実施形態及びその変形例では、ｎ型ＩｎＰ基板の表面上に回折格子を形成しており、上述の第２実施形態及びその変形例では、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層を周期的に分断したり、周期的に溝（凹部）を形成したりすることによって回折格子を形成しているが、これらに限られるものではなく、さまざまなバリエーションが考えられる。【００８５】
例えば、上述の第２実施形態の変形例において、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層の全領域（活性領域及び受動導波路領域）に周期的に溝（凹部）を形成することによって回折格子を形成しても良い。
また、例えば、出射端面７側の受動導波路領域２Ａと後端面８側の受動導波路領域２Ｂとで回折格子６の結合係数を変える場合には、上述の各方法を適宜組み合わせて、出射端面７側の受動導波路領域２Ａの回折格子と後端面８側の受動導波路領域２Ｂの回折格子を形成すれば良い。【００８６】
また、半導体基板上に積層される他の複数の半導体層の界面に形成しても良い。
また、導波路を直接接合（バットジョイント接合）する場合には接合部が完全に平坦になりにくいため、難しい部分もあるが、回折格子を、活性層の下側ではなく、活性層の上側に形成しても良い。
また、回折格子を素子表面に露出するように形成しても良いし、リッジ導波路を用いた場合には回折格子をリッジ導波路構造の側面に形成しても良い。【００８７】
また、上述の各実施形態及びその変形例では、位相シフトとして、回折格子の内部にλ／４位相シフトを設けているが、このように回折格子形成時に設定する以外にも、例えば活性層の幅を一部変化させるなどして導波路の等価屈折率を部分的に変化させることによって等価的に位相シフトを設けることもできる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月7日(2010.6.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、λ／４位相シフトを有する回折格子とを備える活性領域と、
前記活性領域を挟んで出射端面側及び前記出射端面の反対側の後端面側に設けられ、受動導波路と、回折格子とを備える受動導波路領域と、
前記出射端面に施された無反射コートとを備え、
前記出射端面側の受動導波路領域が、前記後端面側の受動導波路領域の長さよりも短いことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記出射端面側の受動導波路領域の反射率は、前記後端面側の受動導波路領域の反射率よりも低いことを特徴とする、請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記出射端面側の受動導波路領域に備えられる回折格子は、前記後端面側の受動導波路領域に備えられる回折格子の結合係数と同一の結合係数を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記受動導波路領域に備えられる回折格子は、前記活性領域に備えられる回折格子の結合係数よりも大きい結合係数を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記受動導波路領域に備えられる回折格子は、前記活性領域に備えられる回折格子の深さよりも深いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記活性領域に備えられる回折格子は、前記受動導波路領域に備えられる回折格子のデューティ比よりも小さいデューティ比に設定されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記活性領域に備えられる回折格子と前記受動導波路領域に備えられる回折格子とは、一括形成されたものであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記活性層が、量子井戸活性層であり、
前記受動導波路が、前記量子井戸活性層を混晶化した導波路コア層を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
活性領域に活性層を形成するとともに、前記活性領域を挟んで出射端面側及び前記出射端面の反対側の後端面側の受動導波路領域に、前記出射端面側の受動導波路領域が前記後端面側の受動導波路領域の長さよりも短くなるように受動導波路コア層を形成し、
前記活性領域及び前記受動導波路領域に回折格子を形成し、
λ／４位相シフトを設け、
前記出射端面に無反射コートを施すことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記出射端面側の受動導波路領域及び前記後端面側の受動導波路領域に、同一の結合係数を有する回折格子を形成することを特徴とする、請求項９記載の光半導体素子の製造方法。
【国際調査報告】
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2009116140.tif 000014
2009116140.tif 000015
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