(57)【要約】【課題】  埋込みヘテロ型半導体光素子は、活性層幅（〜２μｍ）上部以外の回折格子はメサエッチングにて除去するのが通例である。この為、回折格子の状態を観察するには、ＦＩＢ法を用いて半導体メサの一部を加工して後ＳＥＭ観察を行う。この方法は、半導体のメサ構造の断面をイオンビームにより削るため、断面形状が平滑ではなく、ＳＥＭ像が不鮮明となる。微細構造である回折格子を観察することは困難であった。【解決手段】  埋込み成長にて形成される半導体メサ側壁のネック部に沿って、半導体メサが光導波路方向に容易に劈開される性質を利用し、素子後方端面と半導体メサの間に、半導体メサを形成しない領域を設ける。【選択図】  図１Ａ
2006210466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に、活性領域を有する半導体メサ構造部と、前記半導体メサ構造部の内部或いは外部に光帰還の為の周期的凹凸領域とを少なくとも有し、前記半導体メサ構造に接してこの半導体メサ構造部における幅が狭い方の幅より幅広の半導体積層部が設けられ、且つ当該半導体積層部が周期的凹凸領域を有することを特徴とする半導体光装置。
【請求項２】
前記半導体メサ構造より幅広の半導体積層部は、前記半導体メサ構造部の一方の端面に接して設けられ、前記半導体積層部の前記半導体メサ構造部とは反対側の端面が、当該半導体光装置の一方の端面側となされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光装置。
【請求項３】
前記半導体積層部における前記半導体メサ構造部の一方の端面と当該半導体光装置の一方の端面との距離が、少なくとも前記周期的凹凸領域の１周期の長さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光装置。
【請求項４】
基板に、活性領域を有する半導体メサ構造部と、前記半導体メサ構造部の内部或いは外部に光帰還の為の周期的凹凸領域とを少なくとも有し、当該半導体光装置のチップ劈開位置に周期的凹凸領域を有することを特徴とする半導体光装置。
【請求項５】
前記基板に、前記活性領域を有する半導体メサ構造部に加えて、別の光部材が集積化されて搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は光通信分野等に係る半導体光素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信システムの高速化、高機能化に伴い、その光源として、波長安定性に優れた半導体レーザが必要とされている。これへの対応技術として、単一波長性に優れた分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ  Ｂａｃｋ）レーザ）が用いられている。こうした技術は、例えば米国特許３，９７０，９５８などに見られる（特許文献１）。
【０００３】
ＤＦＢレーザは、レーザ構造内に設けられた回折格子によって発振波長を規制しているため単一波長性に優れている。従来この構造は、結晶成長によりレーザ発振のための多層構造を形成した後、干渉露光装置とウェットエッチングにより周期的段差を有する回折格子パターンを上側ガイド層上に形成し、この段差を埋込むようにＩｎＰクラッド層とコンタクト層を結晶成長した後、エッチング加工により光導波路となるメサストライプを形成し、半導体メサ側面及び先端領域を半絶縁性の化合物半導体で埋込むことで形成していた。
【０００４】
この構造では、回折格子パターンは活性層（〜２μｍ）のメサストライプ内にのみ形成されるため、埋込み成長後の回折格子周期、格子深さ、Ｄｕｔｙといった素子特性を決める上で重要な要因を観察し、製品品質を確認するためには、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）法を用いて半導体メサの一部を加工し、選択エッチング後にＳＥＭ観察を行っていた。
【０００５】
【特許文献１】米国特許３，９７０，９５８（代表図面）
【特許文献２】特許第３３０６８９２号：特開平５−２４３５５１（請求項１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回折格子観察にＦＩＢ加工を用いて、結晶の断面を切り出す方法では、半導体メサ形状の断面をイオンビームにより削ることとなる。このため断面形状が平滑でなく、ＳＥＭ像が不鮮明となる。従って、微細構造である回折格子を観察することは困難であった。このため、回折格子形成プロセスの制御性が悪く、閾値や発振波長ばらつき等の素子特性、歩留りを低下させる要因となっていた。
【０００７】
本願発明は、素子特性に影響を及ぼす回折格子形状を鮮明かつ容易に観察することが可能な半導体光素子の構造及びその製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明者らは、劈開を用いて、半導体素子の断面の観察が容易な素子構造を提供する。即ち、本願発明の素子構造は、埋込み成長にて形成される半導体メサ側壁のネック部に沿って、半導体メサが光導波路方向に容易に劈開される性質を利用し、素子後方端面と半導体メサの間に、半導体メサを形成しない領域を設けることにより、回折格子形状を鮮明かつ容易に観察できる半導体光素子構造及びその製造方法を考案した。劈開が断面形状が明瞭な構造を提供することが出来ることを利用するものである。
【０００９】
こうした方法を用いることを可能にした、本願発明の半導体光装置は次の通りである。
【００１０】
本願発明の第１の形態は、基板に、活性領域を有する半導体メサ構造部と、前記半導体メサ構造部の内部或いは外部に光帰還の為の周期的凹凸領域とを少なくとも有し、前記半導体メサ構造に接してこの半導体メサ構造部における幅が狭い方の幅より幅広の半導体積層部が設けられ、且つ当該半導体積層部が周期的凹凸領域を有する半導体光装置である。
【００１１】
本願発明の代表的な例は、前記半導体メサ構造より幅広の半導体積層部が、前記半導体メサ構造部の一方の端面に接して設けられ、前記半導体積層部の前記半導体メサ構造部とは反対側の端面が、当該半導体光装置の一方の端面側となされていることを特徴とするものである。この場合、半導体光装置の製造において、所定の半導体積層体を形成して後、光共振器を構成するメサ構造を加工するに際し、当該半導体光装置の後方端面と電流注入領域となるメサ構造の間に、メサ構造を形成しない領域を設けておけば良いのである。又、前記半導体積層部における前記半導体メサ構造部の一方の端面と当該半導体光装置の一方の端面との距離が、少なくとも前記周期的凹凸領域の１周期の長さ以上となすのが実際的である。
【００１２】
本願発明の更に別な形態は、基板に、活性領域を有する半導体メサ構造部と、前記半導体メサ構造部の内部或いは外部に光帰還の為の周期的凹凸領域とを少なくとも有し、当該半導体光装置のチップ劈開位置に周期的凹凸領域を有する半導体光装置である。ウエハから個別の半導体光装置を劈開で切り出すことによって、十分観察可能な周期的凹凸領域を得ることが出来る。
【００１３】
又、本願発明は、光集積回路装置、即ち、周期的凹凸領域を有する半導体光装置を有する光集積回路装置にも適用可能なことはいうまでもない。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明は、回折格子形状を容易に且つ正確に観察することができる半導体光素子を提供することが出来る。
【００１５】
回折格子形状は、レーザ発振波長やレーザ特性（光出力、しきい値、効率など）に大きな影響を及ぼす。従って、本願発明の半導体素子を検査観察に用いることによって、半導体素子の閾値や発振波長ばらつき等の素子特性及び歩留り向上の条件設定に極めて有用な情報を適用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜実施例１＞
図２Ａに、代表的な屈折率結合型ＤＦＢレーザの斜視図を示す。図２Ｂは、半導体レーザにおける活性領域の光の進行方向に沿った断面図である。半導体基板上１に、屈折率が比較的高い下側ガイド層２と上側ガイド層３の間に高屈折率の活性層４が挟まれる構造が搭載されている。本例では、周期的凹凸領域（以下、実施例においては、回折格子と通称を用いる）は比較的高い上側ガイド層３に周期的段差を設けることにより形成される。この回折格子用の周期的段差を埋込むように、相対的に低屈折率のＩｎＰクラッド層５を積層することにより屈折率の異なる回折格子が形成される。
【００１７】
図３Ａより図３Ｅは、こうした埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの作製フローに沿った断面図を示す。まず、ＩｎＰ基板上１に下側ガイド層２、活性層４、上側ガイド層３、ＩｎＰキャップ層６の多層構造を形成する（図３Ａ）。次に、ＩｎＰキャップ層６を除去後、レジスト７を塗布し、干渉露光装置により上側ガイド層３上に約２００ｎｍ周期のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとし、ウェットエッチングにより上側ガイド層３の上部、約２０ｎｍをエッチングし周期的段差を形成する（図３Ｂ）。この際、レーザの発振波長を決める要因の一つである回折格子周期及びレーザ出力を決める要因の一つとなる格子深さは、干渉露光装置やＡＦＭを用いることにより測定することが可能である。
【００１８】
その後、この周期的段差を埋込むようにＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＰクラッド層５とコンタクト層８をエピタキシャル成長する（図３Ｃ）。この際、半導体基板は約６００℃に加熱されるが、回折格子９の深さとＤｕｔｙがマイグレーションや再蒸発により変化しない程度の温度に設定されている。この温度が最適となっていない場合、発振波長ずれやレーザ光出力の低下が生じ、素子特性上悪影響を及ぼすとともに歩留まりを下げる要因となる。次に、光導波路となる半導体メサを形成するため、ＣＶＤ膜３００ｎｍ（以下、ＳｉＯ2膜と称する）をマスクとして、Ｂｒ・メタノールをエッチャントとしたウェットエッチングにより、活性層幅〜２μｍの逆メサ形状となるメサストライプ構造を形成する（図３Ｄ）。この後、ＳｉＯ2膜をマスクとした選択成長法により、半導体メサの両脇をＦｅをドーパントとした半絶縁膜（Ｆｅ−ＩｎＰ）１１で埋込み成長する（図３Ｅ）。
【００１９】
この構造では、活性層幅（〜２μｍ）上部以外の回折格子９はメサエッチングにてエッチングされる。このため、従来は回折格子を観察するためには、ＦＩＢ法を用いて半導体メサの一部を加工し、選択エッチング後にＳＥＭ観察を行っていた。この方法は、半導体メサ断面をイオンビームにより削るため断面形状が平滑ではなく、ＳＥＭ像が不鮮明となり微細構造である回折格子を観察することは困難であった。又、活性層幅２μｍ内をＦＩＢ加工する作業性上の難しさから観察に大幅な時間を要していた。
【００２０】
次に、本実施例の製造方法及び製造される半導体光装置の例を説明する。図３Ａより図３Ｃ及び図１Ａより図１Ｃの斜視図を用いて、説明する。
【００２１】
図３Ａより図３Ｃまでの工程は、前述の通りである。こうして回折格子パターンを形成する。この後、通例のフォトレジスト工程を用いて、メサストライプとその後方に回折格子１周期の長さ（約２００ｎｍ）より十分長いレジストマスクをパターニングし、メサエッチングにてメサストライプ後方がエッチングされないような構造とする（図１Ａ）。本実施例では、メサストライプ後方のパターン幅は１０μｍとした。これにより、メサストライプ後方に活性層幅より十分広い領域に回折格子１０を保存することが出来る。
【００２２】
メサエッチング後はＦｅ−ＩｎＰの埋込み成長を行うが、この際、Ｆｅ−ＩｎＰ埋込み層１１は、メサマスク端から＜１１１＞方向の面に沿って埋込まれるため、ネック構造が形成される（図１Ｂ）。半導体光素子を製造後、スクライブ装置を用いて、光導波路方向にキズをつけ劈開を行った場合、このネック位置から必ず劈開が進行する。このため、毎回、実際の半導体メサ内部に形成されている回折格子１０に近い個所の回折格子断面を劈開することができる（図１Ｃ）。尚、図１Ｃは図１Ｂにおける線１Ｃ−１Ｃの沿った断面図である。通例、直線的に劈開されず、前述の通りメサ構造のネック位置に劈開は進行する。尚、符号３０は劈開を行う装置を模式的に示した図である。
【００２３】
結晶方位に沿って劈開するため、劈開面は平滑であり、選択エッチング後の断面ＳＥＭ観察において、ＩｎＰクラッド層５に埋込まれた回折格子形状を鮮明に観察することができる。
【００２４】
図１Ａより図１Ｃに示す例は本例では、回折格子は比較的高い上側ガイド層３の上面に周期的凹凸を形成している。しかし、本願発明は、回折格子を有する各種形態のＤＦＢレーザ装置或いはＤＢＲレーザ装置などに適用し有用である。図２Ｃに、回折格子が比較的高い下側ガイド層２の上面に周期的凹凸を形成している例の断面図を示す。この場合も、本願発明を用いることによって、前例と同様に好結果を得ることが出来ることは言うまでもない。
【００２５】
更に、上述の具体例では、埋込みヘテロ構造としたが、リッジ導波路構造にも適用可能である。又、エッチングストップ層を有するフローティング型の回折格子構造にも本発明は、勿論適用可能である。
【００２６】
又、光閉じ込め構造の具体的構成は、実施例に例示に限定されないことはいうまでもない。結晶改善のための層、光閉じ込め、或いはキャリア閉じ込めのための層など、特性の要請に従って、当該分野の技術を適用されることは自由である。又、製品としては、発光端面には保護膜などの絶縁膜が形成されるが、こうした構成も実施例での詳細説明では省略されている。以上の諸事情は、以下の実施例においても同様のことが言える。
【００２７】
尚、通例、半導体光装置は、半導体ウエハに多数個形成し、例えば、スクライブ、劈開などによって、各半導体光装置に分離している。本実施例では、ウエハ上で、結晶成長し、所定の製造工程を経て、個別の半導体光装置が形成される段階をも、一個の半導体光装置の製造工程として説明した。個別の半導体光装置を切り出して後、各々の劈開面の観察を行う。以下の実施例においても同様である。
【００２８】
＜実施例２＞
実施例２は、発振波長をより安定化させるため、ＥＢ描画等によりλ／４回折格子をストライプ状にパターニングしたリッジ導波路型ＤＦＢレーザの例である。通例の断面図を、比較例として図４Ａに示す。こうした構造では、リッジのネック部に沿って劈開した場合、メサエッチングにて形状の変化したリッジ脇の回折格子１２を観察することになる。図４Ｂは図４Ａの線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図である。尚、この場合も、前述の通り、通例、直線的に劈開されず、前述の通りメサ構造のネック位置に劈開は進行する。線４Ｂ−４Ｂに沿った断面では、回折格子の上部には半導体層はない。従って、この断面の観察によっては、リッジ内部に相当する回折格子形状（図４Ａでの部位２０の回折格子に相当する）を観察することができない。
【００２９】
これに対し、本実施例によれば、リッジ導波路後方と素子後方端面の間に実施例１に示した領域を設けるのである（図５Ａ）。この為、リッジのネック部から劈開することにより、リッジ導波路内部の回折格子と同等のパターンを容易に観察することができる（図５Ｂ）。図５Ｂは図５Ａでの、線５Ｂ−５Ｂの沿った断面図である。前記リッジ導波路内部の回折格子と同等のパターンとは、図５Ｂの領域１０での回折格子のことである。即ち、この回折格子はその上部に半導体層５が形成されおり、リッジ導波路内部の回折格子と同等の条件の回折格子とみなすことが出来る。
【００３０】
＜実施例３＞
実施例３は、チップ劈開位置に、観察用の回折格子を別途形成する例である。通例、半導体光装置は、半導体ウエハに多数個形成し、例えば、スクライブ、劈開などによって、各半導体光装置に分離している。本例は、劈開などによって、個別の半導体光装置に分離する劈開位置に、観察用の回折格子を設けておくものである。
【００３１】
図６は、本実施例を示すリッジ導波路型ＤＦＢレーザの上面図である。図ではウエハ状での状態での４つの個別の半導体光装置が示されている。符号９は光帰還の為の回折格子、符号１３は上部電極、符号２２は劈開位置、符号２３は観察用の回折格子である。
【００３２】
回折格子パターンを形成した後、通例のフォトレジスト工程により、メサストライプとチップ劈開位置にレジストマスクをパターニングし、メサエッチングにて回折格子パターンがエッチングされないような構造とする。この例では、チップ劈開位置の観察用の回折格子２３を保護する為のレジストマスクの幅は、チップ劈開位置精度±１０μｍを考慮し、３０μｍとした。
【００３３】
こうして、観察用の回折格子２３は、半導体メサ構造が有する回折格子９の位置より若干離れてはいるが、チップ劈開後にＩｎＰクラッド層に埋込まれた回折格子形状を、十分観察することができる。
【００３４】
＜実施例４＞
本願発明は、単体の半導体光装置のみでなく、各種光部材を集積化した、いわゆる光集積回路装置にも適用できる。各種光部材の代表的な例は、ＥＡ変調器、光受光装置、光分岐器、或いは前記半導体光装置とは別異の半導体光装置などである。
【００３５】
実施例４は半導体レーザ、ＥＡ変調器などの半導体光素子が複数集積した例を示す。例えば、図７はＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ概略斜視図である。半導体基板１に、半導体レーザ部２４、ＥＡ変調器２５が集積化されている。符号１１は、光活性領域のメサ領域部を挟む埋め込み半導体層を示している。尚、発光端面には、反射膜１５、或いは保護膜は適宜設けられる。
【００３６】
本願発明の主要部の構成は、実施例1〜３と同様とする。従って、その構成も実施例1〜３と同様の方法に従って製造することができる。又、集積化する各光部材自体は通例のもので十分である。ここでは、それらの詳細説明は省略する。光変調器の集積化自体の例は、例えば特許第３３０６８９２号に見られる。但し、本願発明の如き半導体光素子の開示のないことはいうまでもない。
【００３７】
近年、光通信の伝送容量増大の需要が増しているが、本発明は、こうした要求に答えるための高品質な半導体光素子に係わるものであり、波長制御性に優れた半導体レーザ及びＥＡ変調器集積レーザを提供することができる。即ち、本発明の半導体光装置を用いて観察した回折格子形状の情報を、回折格子形成プロセス及び埋込み成長条件にフィードバックすることにより、光出力、しきい値、効率、発振波長精度などの素子特性を向上させるとともに、高品質な半導体光素子を高歩留りで作製することが可能となる。
【００３８】
これまで、本願発明を詳細に説明したが、以下、本願発明の主な形態を列挙する。
（１）素子後方端面と電流注入領域となる半導体メサの間に、半導体メサを形成しない領域を設けることを特徴とした半導体光素子。
（２）半導体メサを形成しない領域には、半導体メサの幅より十分広い回折格子層を形成することを特徴とする前項（１）に記載の半導体光素子。
（３）前記請求項１項記載の半導体光素子において、素子後方端面と半導体メサまでの距離を少なくとも回折格子層の1周期の長さ以上とすることを特徴とする半導体光素子。
（４）前項（１）に記載の半導体光素子において、チップ劈開位置に回折格子ストライプを有することを特徴とする半導体光素子。
（５）前項（１）〜（４）に記載の半導体光素子を基本構造とした半導体レーザ及び変調器集積型半導体レーザ。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施例を示す、埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１実施例を示す、埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂの線１Ｃ−１Ｃに沿った断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、屈折率結合型ＤＦＢレーザの斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示す半導体光装置の光の進行方向に沿った断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂとは異なった光閉じ込め構造を有する半導体光装置の、光の進行方向に沿った断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、これまでの埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、これまでの埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、これまでの埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、これまでの埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、これまでの埋込みヘテロ型ＤＦＢレーザの製造工程順に示した断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、リッジ導波路型ＤＦＢレーザの例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示す半導体光装置の線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明のリッジ導波路型ＤＦＢレーザの例を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ａに示す半導体光装置の線５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施例を示す、リッジ導波路型ＤＦＢレーザの上面図である。
【図７】図７は、本発明の第４実施例を示す、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…半導体基板、２…下側ガイド層、３…上側ガイド層、４…活性層、５…ＩｎＰクラッド層、６…ＩｎＰキャップ層、７…レジスト、  ８…コンタクト層、９…回折格子、１０…活性層幅より広い領域の回折格子部、１１…Ｆｅ−ＩｎＰ埋込み層、１２…リッジ脇の回折格子、１３…上部電極、１４…下部電極、１５…反射膜、２０…メサストライプ部、２２…劈開部、２３…観察用の回折格子、２４…半導体レーザ部、２５…ＥＡ変調器部。
【図１Ａ】
2006210466.tif 000003
【図１Ｂ】
2006210466.tif 000004
【図１Ｃ】
2006210466.tif 000005
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2006210466.tif 000007
【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
2006210466.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
2006210466.tif 000014
【図４Ｂ】
2006210466.tif 000015
【図５Ａ】
2006210466.tif 000016
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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