(57)【要約】      （修正有）【課題】縦横のスポットサイズが良好なスポットサイズ変換器部のリッジ導波路構造を制御性良く形成できる光半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板１１上に第１導電型の下部クラッド層１２と、量子ドット層を含む活性層１４と、活性層１４側から第１上部クラッド層１６と、第１上部クラッド層１６より屈折率の高い第２上部クラッド層１７からなる上部クラッド層を設け、第１上部クラッド層１６が、導波路出射側領域において出射端に近いほど厚さが薄く、且つ、導波路出射側領域において出射端に近いほど幅が広がるリッジ導波路構造とする。【選択図】図１
2015138894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に順次設けられた第１導電型の下部クラッド層と、量子ドット層を含む活性層と、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の上部クラッド層と
を有し、
前記上部クラッド層が、前記活性層側から第１上部クラッド層と、前記第１上部クラッド層より屈折率の高い第２上部クラッド層からなり、
前記第１上部クラッド層は、導波路出射側領域において出射端に近いほど厚さが薄く、且つ、導波路出射側領域において出射端に近いほど幅が広がり、リッジ導波路型の電流狭窄構造を有することを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記第１上部クラッド層と屈折率と前記第２上部クラッド層の屈折率の差が０．１５〜０．２５であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記第１上部クラッド層がＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなり、且つ、前記第２上部クラッド層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（但し、０＜ｘ≦０．５）からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１上部クラッド層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（但し、０．７≦ｙ≦１．０）からなり、且つ、前記第２上部クラッド層がＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ (但し、０＜ｚ＜０．７) からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体素子。
【請求項５】
ＧａＡｓ基板上に少なくとも第１導電型の下部クラッド層と量子ドット層を含む活性層とを含む第１の積層構造を順次成長する工程と、
前記第１の積層構造の表面にストライプ状開口部を有する選択成長マスクをスポットサイズ変換器形成領域を覆わないように設ける工程と、
前記選択成長マスクをマスクとして前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第１上部クラッド層を形成する工程と、
前記選択成長マスクを除去したのち、前記第１上部クラッド層より屈折率の高い第２導電型の第２上部クラッド層を少なくとも含む第２の積層構造を成長する工程と、
前記第２の積層構造成長層の表面に前記スポットサイズ変換器形成領域において、出射端面側がテーパ状に拡大するとともに、前記スポットサイズ変換器形成領域以外の領域では一定の幅のストライプ状のハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして、前記第２上部クラッド層に対するエッチングレートが前記第１上部クラッド層に対するエッチングレートより高い第１のエッチング液で前記第２上部クラッド層を選択的にエッチングしたのち、前記ハードマスクをマスクとして、前記第１上部クラッド層に対するエッチングレートが前記第２上部クラッド層に対するエッチングレートより高い第２のエッチング液で前記第１上部クラッド層を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する工程と
を有することを特徴とする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、光半導体素子及びその製造方法に関するものであり、例えば、量子ドットを有する活性層を備えたリッジ導波路型半導体レーザなどの光半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ自己形成量子ドット層を活性層に用いる波長１．３μｍ帯量子ドットレーザは、量子ドットにおけるキャリアの３次元的な閉じ込めにより温度変動の極めて小さい電流-光出力特性など優れた特長を有することが知られている。このような特長を生かして、光ファイバ通信やシリコン基板上光集積デバイスの光源として用いられている。
【０００３】
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ自己形成量子ドットは、ＧａＡｓ層の表面にＧａＡｓと格子定数の異なるＩｎＡｓを数ＭＬ（分子層）成長した際の格子不整合に基づく島状成長により、１ｃｍ２当たり６×１０１０個という高密度で形成することができる。
【０００４】
ここで、結晶性を維持しつつ次の量子ドット層を積層するためには、量子ドット層間にＧａＡｓ層を４０ｎｍ程度の厚さで挿入する必要がある。さらに、活性層として十分な利得を確保するために８層程度の積層が必要なため、量子ドットレーザの活性層は通常の量子井戸レーザの活性層よりも厚い構造となる。
【０００５】
そのため、上下のクラッド層よりも屈折率が相対的に高いコア層(活性層)がより厚くなるため、量子ドットレーザの導波路においては垂直方向の光閉じ込めが強くなる。以上の結果として、ＧａＡｓ基板上量子ドットレーザの近視野像は水平方向に比べて垂直方向のスポットサイズが小さい扁平な形状になりやすい。
【０００６】
この量子ドットレーザを光ファイバやシリコン光導波路など他の光導波路と結合する際は、結合効率及びトレランスを改善するために、量子ドットレーザの垂直方向のスポットサイズを拡大し、結合する相手のスポットサイズに近づけることが望ましい。このため、導波路出射側に垂直方向のスポットサイズを拡大するためのスポットサイズ変換領域を形成することが求められる。
【０００７】
垂直方向のスポットサイズを拡大するためには、例えば、誘電体マスクを利用した選択成長法によって活性層の厚さを導波路出射側で変調する膜厚テーパ型のスポットサイズ変換器が有効であることが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、量子ドットの自己形成には数ＭＬレベルでの膜厚制御精度が要求されるため、このような選択成長技術を用いて下部クラッド層や量子ドット層の厚さを共振器方向に変調しつつ良好な量子ドット層を成長することは一般的に難しい。
【０００８】
そこで、垂直方向のスポットサイズを拡大するためには、下部クラッド層と量子ドット層の厚さは一定とし、量子ドット層上側の上部クラッド層を構成する層の厚さを調整することによりクラッド層側への導波光の染み出しを増大させる方法が最も簡易で好ましい。
【０００９】
例えば、量子井戸活性層とその上部クラッド層の間に上部クラッド層よりも屈折率の高い高屈折率クラッド層を設け、この高屈折率クラッド層の厚さ、幅のいずれか、または両方を出射側にいくにしたがって増大させるスポットサイズ変換器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この提案においては、量子井戸活性層の厚さが一定の場合でも、出射側において高屈折率のクラッド層が厚くなることで高屈折率クラッド層への光の染み出しが増大し、垂直方向のスポットサイズが拡大する効果がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０８−０４６２９５号公報
【特許文献２】特開平１０−２２１５５４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｙ.Ｋａｎｅｋｏ, Ｋ.Ｋｉｓｈｉｎｏ, Ｊ.Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ., ７６, ｎｏ.３, ｐｐ.１８０９−１８１８ （１９９４）
【非特許文献２】Ｄ.Ｗ.Ｊｅｎｋｉｎｓ, Ｊ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ., ６８, ｎｏ.４, ｐｐ.１８４８−１８５３ （１９９０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、ＧａＡｓ基板上リッジ導波路型レーザにおいて、下部クラッド層と活性層の厚さを一定にしたまま、上部クラッド層内下側の高屈折率層の厚さを調整するだけでスポットサイズを拡大する場合、以下の二つの問題が生じる。
【００１３】
第１の問題は、垂直方向のスポットサイズ拡大の効果が小さいことである。スポットサイズ変換領域において活性層上部の高屈折率クラッド層の厚さが厚くなることにより、高屈折率クラッド層内に導波光が染み出すためスポットサイズは拡大するものの、高屈折率クラッド層直上の低屈折率クラッド層内には光は染み出しにくい。また、膜厚は誘電体マスクを用いた選択成長によって変調されるので膜厚比は自由に調整できるわけではなく、一般的には、例えば１：３程度に制約される。このため、スポットサイズ拡大の効果は限定的となり、その結果、結合する光導波路との結合効率及びトレランスの改善度合いが小さいという問題が生じる。
【００１４】
第２の問題は、活性層をエッチングすることなくリッジ導波路構造を制御性良く形成することができないことである。ＧａＡｓ基板上量子ドットレーザにおいて上述の特許文献２の技術を適用する場合、高屈折率クラッド層は低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓとなる。この場合、量子ドット活性層と低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓからなる高屈折率クラッド層との間で選択的なエッチングが難しい。
【００１５】
このため、量子ドット活性層はエッチングせずに高屈折率クラッド層の下面でエッチングをストップさせて望ましいリッジ導波路構造を制御性良く形成することが難しいという問題がある。リッジ高さの制御性が悪く、リッジ構造の下面と活性層との間の厚さが狙いよりも厚くなった場合、リーク電流が増大し発振特性が著しく悪化するなど問題が生じる。また、ウェーハ内や製造ロット毎の発振特性のばらつきが大きくなるという問題もある。
【００１６】
したがって、光半導体素子及びその製造方法において、縦横のスポットサイズが良好なスポットサイズ変換器部のリッジ導波路構造を制御性良く形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
開示する一観点からは、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に順次設けられた第１導電型の下部クラッド層と、量子ドット層を含む活性層と、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の上部クラッド層とを有し、前記上部クラッド層が、前記活性層側から第１上部クラッド層と、前記第１上部クラッド層より屈折率の高い第２上部クラッド層からなり、前記第１上部クラッド層は、導波路出射側領域において出射端に近いほど厚さが薄く、且つ、導波路出射側領域において出射端に近いほど幅が広がり、リッジ導波路型の電流狭窄構造を有することを特徴とする光半導体素子が提供される。
【００１８】
また、開示する別の観点からは、ＧａＡｓ基板上に少なくとも第１導電型の下部クラッド層と量子ドット層を含む活性層とを含む第１の積層構造を順次成長する工程と、前記第１の積層構造の表面にストライプ状開口部を有する選択成長マスクをスポットサイズ変換器形成領域を覆わないように設ける工程と、前記選択成長マスクをマスクとして前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第１上部クラッド層を形成する工程と、前記選択成長マスクを除去したのち、前記第１上部クラッド層より屈折率の高い第２導電型の第２上部クラッド層を少なくとも含む第２の積層構造を成長する工程と、前記第２の積層構造成長層の表面に前記スポットサイズ変換器形成領域において、出射端面側がテーパ状に拡大するとともに、前記スポットサイズ変換器形成領域以外の領域では一定の幅のストライプ状のハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをマスクとして、前記第２上部クラッド層に対するエッチングレートが前記第１上部クラッド層に対するエッチングレートより高い第１のエッチング液で前記第２上部クラッド層を選択的にエッチングしたのち、前記ハードマスクをマスクとして、前記第１上部クラッド層に対するエッチングレートが前記第２上部クラッド層に対するエッチングレートより高い第２のエッチング液で前記第１上部クラッド層を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
開示の光半導体素子及びその製造方法によれば、縦横のスポットサイズが良好なスポットサイズ変換器部のリッジ導波路構造を制御性良く形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の光半導体素子の説明図である。
【図２】本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの構造説明図である。
【図３】本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの製造工程の途中までの説明図である。
【図４】本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの製造工程の図３以降の途中までの説明図である。
【図５】本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの製造工程の図４以降の途中までの説明図である。
【図６】本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。
【図７】本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの製造工程の図６以降の説明図である。
【図８】本発明の実施例２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの構造説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の光半導体素子を説明する。図１は、本発明の実施の形態の光半導体素子の説明図であり、図１（ａ）は概略的斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ線を中心とする断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ′を結ぶ線を中心とする断面図である。図に示すように、ＧａＡｓ基板１１上に第１導電型の下部クラッド層１２と、量子ドット層を含む活性層１４と、第２導電型の第１上部クラッド層１６及び第２上部クラッド層１７を少なくとも成膜する。なお、量子ドッド層を含む活性層１４を挟むように上下に光ガイド層１３，１５を設けても良いし、第２上部クラッド層１７上にコンタクト層１８を設けても良い。
【００２２】
第１上部クラッド層１６は、第２上部クラッド層より屈折率が低く、導波路出射側領域において出射端に近いほど厚さが薄くなるように形成する。この第１上部クラッド層１６及び第２上部クラッド層１７を、導波路出射側領域において出射端に近いほど幅広のテーパ状のリッジ導波路を形成してスポットサイズ変換器部とし、その他の領域では幅細のリッジ導波路となるリッジ導波路型の電流狭窄構造を形成する。なお、ＧａＡｓ基板１１の裏面には基板側電極２０を設け、リッジ導波路側にはＳｉＯ２等の保護膜１９を介してリッジ側電極２１を形成する。
【００２３】
この時、第１上部クラッド層１６と第２上部クラッド層１７の屈折率差が０．１５〜０．２５となるように材料・組成を選択する。特に、第１上部クラッド層１６と第２上部クラッド層１７とが互いに選択エッチングが可能な材料を選択することが望ましい。
【００２４】
具体的には、第１上部クラッド層１６としてＧａＡｓと構成整合する組成のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐを用い、第２上部クラッド層１７としてＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（但し、０＜ｘ≦０．５）、例えば、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓを用いることができる。この場合、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓはリン酸と過酸化水素水と水の混合液を用いれば選択エッチングが可能となり、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐは塩酸と酢酸の混合液を用いれば選択エッチングが可能となる。なお、ＩｎＧａＰの屈折率は、例えば、非特許文献１の図６に示されており、また、ＡｌＧａＡｓの屈折率は、例えば、上記の非特許文献２に示されている。
【００２５】
或いは、第１上部クラッド層１６としてＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（但し、０．７≦ｙ≦１．０）、例えば、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓを用い、第２上部クラッド層１７としてＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ (但し、０＜ｚ＜０．７) 、例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを用いても良い。この場合、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓは酒石酸と過酸化水素水の混合液を用いれば選択エッチングが可能となり、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓはフッ酸を用いれば選択エッチングが可能となる。
【００２６】
この様に、導波路出射側のスポットサイズ変換領域において第１上部クラッド層１６の厚さが薄くなるように形成すると、第１上部クラッド層１６より屈折率の大きい第２上部クラッド層１７への導波光の染み出しが大きくなる。したがって、垂直方向のスポットサイズを拡大することができるので、縦横のスポットサイズを好適な形状にすることができる。その結果、光ファイバやシリコン導波路などの異なる導波路との結合効率、及びトレランスが向上し、光モジュール、あるいは光集積素子の性能向上に寄与する。
【００２７】
さらに、第１上部クラッド層１６として、ＩｎＧａＰ或いはＡｌ組成比が０．７以上のＡｌＧａＡｓを用いると下地の光ガイド層１５或いは量子ドット層を含む活性層１４の最上層のｉ型ＧａＡｓ層に対して選択エッチング性を持たせることができる。したがって、リッジ導波路構造を形成する際に活性層１４をエッチングすることなく制御性良くリッジ導波路構造を形成することができる。その結果、ウェーハ内や製造ロット毎のばらつきなく、リーク電流の小さい良好な発振特性を有する半導体レーザを製造することができる。なお、光半導体素子としては半導体レーザや半導体光増幅器が典型的なものである。
【実施例１】
【００２８】
次に、図２乃至図７を参照して、本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザを説明する。図２は、本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの構成説明図である。図２（ａ）は概略的斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ線を中心とする断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ′を結ぶ線を中心とする断面図、即ち、スポットサイズ変換器部の断面図である。主面が（００１）面のｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、厚さが２．０μｍのｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ下部クラッド層３２、厚さ５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ下部光ガイド層３３、量子ドット活性層４０、厚さ５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層３４を積層する。次いで、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層３６、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ上部クラッド層３７及び厚さが３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８を設け、ストライプ状にエッチングしてリッジ導波路型の電流狭窄構造を形成する。
【００２９】
この時、図２（ｂ）に示すように、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層３６の厚さは、スポットサイズ変換器部以外で３００ｎｍとする。また、図２（ｃ）に示すように、スポットサイズ変換器部では出射端に近づくにつれて徐々に薄くなり、出射端面では１００ｎｍとなるように形成する。
【００３０】
一方、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ上部クラッド層３７の厚さは、スポットサイズ変換器部以外で１．４μｍとし、出射端面で１．６μｍとする。リッジ幅はスポットサイズ変換器部以外で２．０μｍとし、スポットサイズ変換器部で徐々に広げ、出射端面では３．０μｍとする。リッジ側面には保護膜としてＳｉＯ２膜５１を厚さ５００ｎｍに形成し、ｎ側電極５２及びｐ側電極５３を設ける。なお、量子ドット活性層４０は、ｐ型変調ドープ層を含む構造とし、量子ドット層を８層積層して形成する。
【００３１】
次に、図３乃至図７を参照して、本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの製造工程を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、分子線エピタキシー法(ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ)を用いて主面が（００１）面のｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、厚さが２．０μｍのｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ下部クラッド層３２、厚さ５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ下部光ガイド層３３を成長させる。
【００３２】
引き続いて、量子ドット活性層４０を成長させる。まず、ｉ型ＧａＡｓ下部光ガイド層３３上に、厚さが１０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層４１を成長させたのち、ＩｎとＡｓを供給するとｉ型ＩｎＡｓ濡層４２が形成され、数ＭＬ成長するとｉ型ＩｎＡｓ量子ドット４３が自己形成される。これは、下地のＧａＡｓとＩｎＡｓとの格子定数ミスマッチにより、臨界膜厚を超えると島状成長が始まりｉ型ＩｎＡｓ量子ドット４３が自己形成される。
【００３３】
引き続いて、ｉ型ＩｎＡｓ量子ドット４３を埋め込むようにｉ型Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ歪緩和層４４、ｉ型ＧａＡｓ層４５、不純物濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＧａＡｓ変調ドープ層４６及びｉ型ＧａＡｓ層４１を順次成長させる。ここでは、ｉ型Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ歪緩和層４４のＩｎ組成比を０．１５に調整することにより、量子ドット活性層４０の利得波長を１２９０ｎｍとなるようにしている。また、ｐ型ＧａＡｓ変調ドープ層４６を挿入することにより、ｉ型ＩｎＡｓ量子ドット４３へのホールの供給が改善し、温度安定動作性の向上など、発振特性が向上する。
【００３４】
このような積層構造の量子ドット構造を８層積層して量子ドット活性層４０とする。次いで、量子ドット活性層４０上に、厚さが５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層３４を成長させる。
【００３５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、ｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層３４上にＳｉＯ２膜を成膜したのち、パターニングすることによって、スポットサイズ変換器形成領域外では導波路を形成する領域にストライプ状の開口を有するＳｉＯ２膜パターン３５を形成する。この時、スポットサイズ変換器形成領域の長さを２００μｍとし、横方向にはＳｉＯ２膜が無いようにする。
【００３６】
次いで、図４（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜パターン３５を選択成長マスクとして、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層３６を成長させる。この時、選択成長の効果により、ＳｉＯ２膜パターン３５に挟まれている領域は成長速度が速くなるため膜厚が厚く、スポットサイズ変換器形成領域においては出射端面に近いほど膜厚が薄くなる。成長条件の調整により、３：１程度の膜厚変調度が可能であるので、ここでは、スポットサイズ変換器形成領域においては出射端面での膜厚を１００ｎｍとし、スポットサイズ変換器形成領域以外の領域における膜厚を３００ｎｍとする。次いで、図４（ｄ）に示すように、次にバッファードフッ酸を用いてＳｉＯ２膜パターン３５を除去する。
【００３７】
次いで、再び、ＭＯＶＰＥを用いて全面に厚さが５ｎｍのｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ薄膜と厚さが５ｎｍのｐ型ＧａＡｓ薄膜（いずれも図示は省略）をバッファ層として順次成膜する。引き続いて、図５（ｅ）に示すように、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ上部クラッド層３７及び厚さが３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８を順次成長させる。
【００３８】
次いで、図５（ｆ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８上にＳｉＯ２膜を成膜したのち、パターニングすることによってスポットサイズ変換器形成領域においてテーパ状となるＳｉＯ２膜パターン３９を形成する。この時、スポットサイズ変換器形成領域以外では２．０μｍの幅とし、スポットサイズ変換器形成領域の出射端面では３．０μｍとなるように、〈０−１−１〉方向にストライプ状にパターニングする。
【００３９】
次いで、図６（ｇ）に示すように、ＳｉＯ２膜パターン３９をマスクとしてリン酸と過酸化水素水と水の混合液によりｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８及びｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ上部クラッド層３７を順次選択エッチンする。この時、エッチングはｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層３６で停止する。
【００４０】
次いで、図６（ｈ）に示すように、塩酸と酢酸の混合液によりｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層３６をエッチングする。この時、塩酸と酢酸の混合液ではＧａＡｓやＡｌＧａＡｓはエッチングされないので、ｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層３４でエッチングは停止し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８及びｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ上部クラッド層３７は変形しない。
【００４１】
次いで、図７（ｉ）に示すように、次にバッファードフッ酸を用いてＳｉＯ２膜パターン３５を除去すると、スポットサイズ変換器部以外では幅２．０μｍで、スポットサイズ変換器部において導波路出射端で３．０μｍとなるリッジ導波路構造が現れる。
【００４２】
以降は、図７（ｊ）に示すように、厚さが５００ｎｍのＳｉＯ２膜５１を成膜したのち、レジストパターン（図示は省略）をマスクとしてｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８上に堆積したＳｉＯ２膜を選択的にエッチング除去する。次いで、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の裏面を研磨して全体の厚さを１２０μｍにしたのち、Ａｕ・ＧｅとＮｉを順次成膜してｎ側電極５２とする。また、リッジ導波路構造側にはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕを順次成膜してｐ側電極５３とすることで本発明の実施例１のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの基本構造が完成する。
【００４３】
本発明の実施例１においては、出射端側において、相対的に屈折率の低いｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層３６の厚さをテーパ状に薄くしているので、導波光がｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層３７内に染み出し、垂直方向のスポットサイズが拡大する。これにより、光ファイバやシリコン導波路などの他導波路との結合効率及びトレランスが改善する。また、量子ドット活性層をエッチングすることなく、簡易な方法で制御性良くリッジ導波路を形成することができる。
【実施例２】
【００４４】
次に、図８を参照して、本発明の実施例２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザを説明するが、上部クラッド層の構成材料を変えた以外は、基本的には上記の実施例１と同様であるので、最終的な構造を説明する。図８は本発明の実施例２のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの構成説明図である。図８（ａ）は概略的斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ線を中心とする断面図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ′を結ぶ線を中心とする断面図、即ち、スポットサイズ変換器部の断面図である。
【００４５】
主面が（００１）面のｎ型ＧａＡｓ基板６１上に、厚さが２．０μｍのｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ下部クラッド層６２、厚さ５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ下部光ガイド層６３、量子ドット活性層６４、厚さ５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層６５を積層する。次いで、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ上部クラッド層６６、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層６７及び厚さが３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層６８を設け、ストライプ状にエッチングしてリッジ導波路型の電流狭窄構造を形成する。なお、量子ドット活性層６４は、上記の実施例１と同様にする。
【００４６】
この時、図８（ｂ）に示すように、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ上部クラッド層６６の厚さは、スポットサイズ変換器部以外で３００ｎｍとする。また、図８（ｃ）に示すように、スポットサイズ変換器部では出射端に近づくにつれて徐々に薄くなり、出射端面では１００ｎｍとなるように形成する。
【００４７】
一方、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層６７の厚さは、スポットサイズ変換器部以外で１．４μｍとし、出射端面で１．６μｍとする。リッジ幅はスポットサイズ変換器部以外で２．０μｍとし、スポットサイズ変換器部で徐々に広げ、出射端面では３．０μｍとする。リッジ側面には保護膜としてＳｉＯ２膜６９を厚さ５００ｎｍに形成し、ｎ側電極７０及びｐ側電極７１を設ける。
【００４８】
この実施例２においてもリッジ光導波路構造を形成する際に、選択エッチングを用いる。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６８及びｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層６７を選択エッチする際には、酒石酸と過酸化水素水の混合液を用いると、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ上部クラッド層６６はエッチングされない。また、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ上部クラッド層６６を選択エッチングする際には、フッ酸を用いると、ＧａＡｓ及びＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓはエッチングされないため、ｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層６５の表面においてエッチングが停止する。
【００４９】
この実施例２においても、出射端側において、相対的に屈折率の低いｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ上部クラッド層６６の厚さをテーパ状に薄くしているので、導波光がｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層６７内に染み出し、垂直方向のスポットサイズが拡大する。これにより、光ファイバやシリコン導波路などの他導波路との結合効率及びトレランスが改善する。また、量子ドット活性層をエッチングすることなく、簡易な方法で制御性良くリッジ導波路を形成することができる。なお、この実施例２においては、上部クラッド層全体の屈折率が上記の実施例１より小さくなっているので、上下のクラッド層の屈折率のバランスを取るために、下部クラッド層のＡｌ組成比を０．３５にしている。
【００５０】
ここで、実施例１及び実施例２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に順次設けられた第１導電型の下部クラッド層と、量子ドット層を含む活性層と、前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の上部クラッド層とを有し、前記上部クラッド層が、前記活性層側から第１上部クラッド層と、前記第１上部クラッド層より屈折率の高い第２上部クラッド層からなり、前記第１上部クラッド層は、導波路出射側領域において出射端に近いほど厚さが薄く、且つ、導波路出射側領域において出射端に近いほど幅が広がり、リッジ導波路型の電流狭窄構造を有することを特徴とする光半導体素子。
（付記２）前記第１上部クラッド層と屈折率と前記第２上部クラッド層の屈折率の差が０．１５〜０．２５であることを特徴とする付記１に記載の光半導体素子。
（付記３）前記量子ドット層を含む活性層がノンドープ層で挟まれた第２導電型の変調ドープ層を有していることを特徴とする付記１または付記２に記載の光半導体素子。
（付記４）前記下部クラッド層と前記活性層との間に光ガイド層を有し、且つ、前記活性層と前記第１上部クラッド層との間に光ガイド層を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれかに記載の光半導体素子。
（付記５）前記第１上部クラッド層がＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなり、且つ、前記第２上部クラッド層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（但し、０＜ｘ≦０．５）からなることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の光半導体素子。
（付記６）前記第１上部クラッド層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（但し、０．７≦ｙ≦１．０）からなり、且つ、前記第２上部クラッド層がＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ (但し、０＜ｚ＜０．７) からなることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の光半導体素子。
（付記７）ＧａＡｓ基板上に少なくとも第１導電型の下部クラッド層と量子ドット層を含む活性層とを含む第１の積層構造を順次成長する工程と、前記第１の積層構造の表面にストライプ状開口部を有する選択成長マスクをスポットサイズ変換器形成領域を覆わないように設ける工程と、前記選択成長マスクをマスクとして前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第１上部クラッド層を形成する工程と、前記選択成長マスクを除去したのち、前記第１上部クラッド層より屈折率の高い第２導電型の第２上部クラッド層を少なくとも含む第２の積層構造を成長する工程と、前記第２の積層構造成長層の表面に前記スポットサイズ変換器形成領域において、出射端面側がテーパ状に拡大するとともに、前記スポットサイズ変換器形成領域以外の領域では一定の幅のストライプ状のハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをマスクとして、前記第２上部クラッド層に対するエッチングレートが前記第１上部クラッド層に対するエッチングレートより高い第１のエッチング液で前記第２上部クラッド層を選択的にエッチングしたのち、前記ハードマスクをマスクとして、前記第１上部クラッド層に対するエッチングレートが前記第２上部クラッド層に対するエッチングレートより高い第２のエッチング液で前記第１上部クラッド層を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
（付記８）前記第１上部クラッド層がＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなり、且つ、前記第２上部クラッド層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（但し、０＜ｘ≦０．５）からなり、前記第１のエッチング液が、リン酸と過酸化水素水と水の混合液であり、前記第２のエッチング液が塩酸と酢酸の混合液であることを特徴とする付記７に記載の光半導体素子の製造方法。
（付記９）前記第１上部クラッド層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（但し、０．７≦ｙ≦１．０）からなり、且つ、前記第２上部クラッド層がＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ (但し、０＜ｚ＜０．７) からなり、前記第１のエッチング液が、酒石酸と過酸化水素水の混合液であり、前記第２のエッチング液がフッ酸であることを特徴とする付記７に記載の光半導体素子の製造方法。
【符号の説明】
【００５１】
１１  ＧａＡｓ基板
１２  下部クラッド層
１３  光ガイド層
１４  活性層
１５  光ガイド層
１６  第１上部クラッド層
１７  第２上部クラッド層
１８  コンタクト層
１９  保護層
２０  基板側電極
２１  リッジ側電極
３１，６１  ｎ型ＧａＡｓ基板
３２  ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ下部クラッド層
３３，６３  ｉ型ＧａＡｓ下部光ガイド層
３４，６５  ｉ型ＧａＡｓ上部光ガイド層
３５，３９  ＳｉＯ２膜パターン
３６  ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層
３７  ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ上部クラッド層
３８，６８  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
４０，６４  量子ドット活性層
４１，４５  ｉ型ＧａＡｓ層
４２  ｉ型ＩｎＡｓ濡層
４３  ｉ型ＩｎＡｓ量子ドット
４４  ｉ型Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ歪緩和層
４６  ｐ型ＧａＡｓ変調ドープ層
５１，６９  ＳｉＯ２膜  
５２，７０  ｎ側電極
５３，７１  ｐ側電極
６２  ｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ下部クラッド層
６６  ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ上部クラッド層
６７  ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層
【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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