(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第１のクラッド層、活性層、及び第２のクラッド層を順に積層して光半導体素子を形成する工程と、
フォトルミネセンス検査により前記活性層の屈折率を求めて前記光半導体素子の等価屈折率を算出する工程と、
前記半導体基板上に第３のクラッド層、前記活性層に接合され前記活性層の屈折率よりも小さい屈折率を有する光導波路層、及び屈折率調整層を順に積層して光導波路を形成する工程と、
フォトルミネセンス検査により前記光導波路層の屈折率を求めて前記光導波路の等価屈折率を算出する工程と、
前記屈折率調整層をエッチングして、前記光半導体素子の等価屈折率と前記光導波路の等価屈折率が整合するように前記屈折率調整層の膜厚を調整する工程と、
前記屈折率調整層の膜厚を調整した後に、前記第２のクラッド層及び前記屈折率調整層上にコンタクト層を形成する工程とを備え、
前記光導波路は、電界が印加されず電流が注入されないパッシブ導波路であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記屈折率調整層は、前記光導波路層から遠ざかるほど低屈折率となる積層された複数の半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記屈折率調整層は、異なる２種類の半導体層を交互に積層したものであることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記光導波路層の膜厚を前記活性層の膜厚よりも薄くして、前記光半導体素子の屈折率分布中心に対して前記光導波路の屈折率分布中心が偏心しないようにすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記屈折率調整層をエッチングする際に前記活性層がエッチングされないようにすることを特徴とする請求項４に記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子と光導波路を集積した光半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信のトラフィック増大に伴い、高速動作可能な光半導体装置が開発されている。これらの光半導体装置は、半導体レーザ又は光変調器などの光半導体素子と光導波路をモノリシック集積した構造であるものも多い（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−８２４１１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】半導体レーザ、応用物理学シリーズ、オーム社、ｐ３５
【非特許文献２】Refractive Indexes of (Al, Ga, In)As Epilayers on InP for Optoelectronic Applications，M. J. Mondry, et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 4, NO. 6, JUNE 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
集積デバイスにおいて光半導体素子の等価屈折率と光導波路の等価屈折率が整合していないと、伝搬する導波光のモード不整合損失が発生し、端面出射光出力特性が劣化する。また、反射戻り光によるキンクの発生など、レーザ動作が不安定になる。
【０００６】
従来は、光半導体素子の活性層の組成と光導波路の光導波路層の組成を制御することで等価屈折率を整合させていた。しかし、活性層の組成と光導波路の光導波路層の組成は製造ばらつきにより必ずしも一致するわけではないため、光半導体素子の等価屈折率と光導波路の等価屈折率に不整合が生じる。また、これらの等価屈折率はそれぞれの構造を結晶成長させた時点で決定され、以降の修正が困難である。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は製造ばらつきによる等価屈折率の不整合を修正することができる光半導体装置の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１のクラッド層、活性層、及び第２のクラッド層を順に積層して光半導体素子を形成する工程と、フォトルミネセンス検査により前記活性層の屈折率を求めて前記光半導体素子の等価屈折率を算出する工程と、前記半導体基板上に第３のクラッド層、前記活性層に接合され前記活性層の屈折率よりも小さい屈折率を有する光導波路層、及び屈折率調整層を順に積層して光導波路を形成する工程と、フォトルミネセンス検査により前記光導波路層の屈折率を求めて前記光導波路の等価屈折率を算出する工程と、前記屈折率調整層をエッチングして、前記光半導体素子の等価屈折率と前記光導波路の等価屈折率が整合するように前記屈折率調整層の膜厚を調整する工程と、前記屈折率調整層の膜厚を調整した後に、前記第２のクラッド層及び前記屈折率調整層上にコンタクト層を形成する工程とを備え、前記光導波路は、電界が印加されず電流が注入されないパッシブ導波路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、光半導体素子と光導波路を形成した後にフォトルミネセンス検査によりそれらの等価屈折率を求め、屈折率調整層をエッチングして両者の等価屈折率が整合するように屈折率調整層の膜厚を調整する。これにより、製造ばらつきによる等価屈折率の不整合を修正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す斜視図である。
【図１７】本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の内部を透視した斜視図である。
【図１８】光導波路の層構成の一例を示す図である。
【図１９】等価屈折率整合に必要な屈折率調整層の除去層数と等価屈折率の関係を示す図である。
【図２０】等価屈折率整合時と不整合時の光半導体装置の電流光出力特性を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態２に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態３に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２３】本発明の実施の形態３に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態３に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態４に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２６】本発明の実施の形態１〜４に係る光半導体装置の変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法のフローチャートである。図２から図１５は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。ただし、図２〜９，１３は共振器方向に沿った断面図であり、図１０〜１２，１４は共振器方向に垂直な断面図である。図１６は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す斜視図である。図１７は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置の内部を透視した斜視図である。これらの図を参照しながら本実施の形態に係る光半導体装置の製造方法を説明する。
【００１３】
まず、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１をチャンバに格納し（ステップＳ１）、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層２、活性層３、及びｐ型ＩｎＰクラッド層４を有機気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により順に積層して光半導体素子５を形成する（ステップＳ２）。ここでは、光半導体素子５はレーザダイオードである。
【００１４】
次に、フォトルミネセンス検査により活性層３の発光波長を評価することで活性層３の屈折率を求める（ステップＳ３）。フォトルミネセンスは、活性層３を形成した基板に特定の波長の光を入射させ、その発光を測定するもので、バンドギャップ又は組成の評価等に用いられる。活性層３の材料がＩｎＧａＡｓＰでもＡｌＧａＩｎＡｓでも組成を知ることで屈折率の算出が可能である（例えば、非特許文献１，２参照）。
【００１５】
次に、図３に示すように、ＳｉＯ２膜６を成膜し、光半導体素子５を残したい箇所のみにＳｉＯ２膜６を残し、不要部分のＳｉＯ２膜６を除去する（ステップＳ４）。次に、図４に示すように、ＳｉＯ２膜６をマスクとしてドライエッチング又はウェットエッチングを行って、不要部分のｎ型ＩｎＰクラッド層２、活性層３、及びｐ型ＩｎＰクラッド層４を除去する（ステップＳ５）。
【００１６】
次に、図５に示すように、ＳｉＯ２膜６を選択成長マスクとして、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層７、ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層８、２０ｎｍのＩｎＰ層９、屈折率調整層１０、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１１を順に積層して光導波路１２を形成する。光導波路層８はＡｌＧａＩｎＡｓでもよい。光導波路層８は活性層３に側面同士が接合され、活性層３の屈折率よりも小さい屈折率を有する。
【００１７】
屈折率調整層１０は、層厚がそれぞれ２０ｎｍで組成比が２０ｎｍのステップで光導波路層８からｐ型ＩｎＰクラッド層１１に向かって短波となるようにグレーデッドに積層された複数のＩｎＧａＡｓＰ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有する。ＩｎＧａＡｓＰは短波組成において屈折率小となる材料であるため、ＩｎＧａＡｓＰ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは光導波路層８から遠ざかるほど低屈折率となる。これにより、導波する光の分布がｐ型ＩｎＰクラッド層１１側に広がるのを防ぐことができる。また、屈折率調整層１０の各層の組成は導波光がバンド端吸収の影響を受けない範囲で設定することができ、層厚と層数も任意で設定できる。
【００１８】
次に、フォトルミネセンス検査により光導波路層８の発光波長を評価することで光導波路層８の屈折率を求める（ステップＳ７）。測定方法は、活性層３の屈折率を求める場合と同様である。
【００１９】
次に、数値計算により光半導体素子５の等価屈折率と光導波路１２の等価屈折率を算出する。そして、両者の等価屈折率が整合するような屈折率調整層１０の膜厚を算出する（ステップＳ８）。
【００２０】
次に、算出結果に基づいて屈折率調整層１０をエッチングして、光半導体素子５の等価屈折率と光導波路１２の等価屈折率が整合するように屈折率調整層１０の膜厚を調整する（ステップＳ９）。
【００２１】
具体的には、まず、図６に示すように、ＳｉＯ２膜６をマスクとして残したまま、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１を塩酸とリン酸の混合液など用いてウェットエッチングにより除去する。次に、図７に示すように、酒石酸と過酸化水素水の混合液を用いて、屈折率調整層１０のＩｎＧａＡｓＰ層をエッチングする。
【００２２】
図１８は、光導波路の層構成の一例を示す図である。図１９は、等価屈折率整合に必要な屈折率調整層の除去層数と等価屈折率の関係を示す図である。ここでは、活性層３はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料であり、光半導体素子５の等価屈折率は３．２６７であり、光導波路層８、屈折率調整層１０の組成が全層２０ｎｍ短波化した場合について計算した。光半導体素子５の等価屈折率と光導波路１２の等価屈折率を整合させるためには、ＩｎＧａＡｓＰ層１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを除去することで実現できることが分かる。
【００２３】
ここで、酒石酸と過酸化水素水の混合比を調整することで特定のＩｎＧａＡｓＰ層をエッチングすることができる。また、同じ混合比でもＩｎＧａＡｓＰ層の組成に応じてエッチングレートが異なるため、選択エッチングが可能である。また、エッチングレートも毎分１０ｎｍ程度であるため、十分な精度でエッチングが可能である。
【００２４】
屈折率調整層１０をＩｎＧａＡｓＰ材料で構成することで、屈折率調整層１０のエッチングにおいてエッチングレートの小さいエッチャントを用いることができる。なお、屈折率調整層１０をＡｌＧａＩｎＡｓ材料で構成してもよいが、ＡｌＧａＩｎＡｓに対するエッチングレートの小さいエッチャントの作製は難しい。また、酒石酸と過酸化水素水の混合液に限らず、他の有機酸と過酸化水素水の混合液を用いてもよい。また、ウェットエッチングに限らず、ドライエッチングを用いてもよい。
【００２５】
また、屈折率調整層１０のエッチング量はエッチング時間を制御することで調整する。ＩｎＰ層９は酒石酸と過酸化水素水混合液に対するエッチングストッパーとして機能するが、エッチング時間を制御する場合には必ずしも必要ではない。
【００２６】
なお、光導波路１２の光導波路層８は、屈折率調整層１０が無い従来の構造の場合に光導波路１２の等価屈折率が光半導体素子５の等価屈折率よりも小さくなるように設計する。即ち、光導波路１２の光導波路層８の屈折率を活性層３の屈折率よりも小さな値とし、上部の屈折率調整層１０でこれを調整する。この調整により光導波路１２の等価屈折率を大きくすることはできるが、小さくすることはできないため、このような設定を行う。また、屈折率調整前の光導波路１２の等価屈折率は、光半導体素子５の等価屈折率を上回る必要がある。
【００２７】
次に、図８に示すように、ＳｉＯ２膜６をフッ酸などのエッチャントを使用して除去する（ステップＳ１０）。次に、図９及び図１０に示すように、新たにＳｉＯ２膜１３を成膜し、約１〜２μｍ幅のストライプ状に加工する。次に、図１１に示すように、ＳｉＯ２膜１３をマスクとしてドライエッチングを行ってリッジを形成する（ステップＳ１１）。なお、ドライエッチングの代わりにウェットエッチングを行ってもよい。
【００２８】
次に、図１２に示すように、リッジ形成時に用いたＳｉＯ２膜１３を選択成長マスクとしてＭＯＣＶＤ法によりリッジ側面にｐ型ＩｎＰ層１４、ｎ型ＩｎＰ層１５、及びｐ型ＩｎＰ層１６を順に積層して電流狭窄構造１７を形成する（ステップＳ１２）。なお、電流狭窄構造１７は半絶縁性半導体を用いたものでもよい。
【００２９】
次に、図１３及び図１４に示すように、ＳｉＯ２膜１３をフッ酸などで除去した後、ｐ型ＩｎＰクラッド層４、屈折率調整層１０及び電流狭窄構造１７上にＭＯＣＶＤ法によりｐ型コンタクト層１８を形成する（ステップＳ１３）。次に、図１５に示すように、ｐ側電極１９及びｎ側電極２０を形成する（ステップＳ１４）。この際にｐ側電極１９は光導波路１２には形成せず、光半導体素子５のみに形成する。また、屈折率調整層１０でバンド不連続が生じるため、電流注入が妨げられる。従って、光導波路１２は、電流非注入のパッシブ導波路である。なお、ｎ側電極２０はｎ型ＩｎＰ基板１の裏面全面に形成するが、光半導体素子５のみに形成してもよい。以上の工程により、図１６及び図１７に示すような光半導体素子５と光導波路１２を集積した構造が製造される。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態では、光半導体素子５と光導波路１２を形成した後にフォトルミネセンス検査によりそれらの等価屈折率を求め、屈折率調整層１０をエッチングして両者の等価屈折率が整合するように屈折率調整層１０の膜厚を調整する。これにより、製造ばらつきによる等価屈折率の不整合を修正することができる。また、結晶成長後のエッチングにより調整を行うため、ウエハプロセス中に容易に実現することができる。
【００３１】
図２０は、等価屈折率整合時と不整合時の光半導体装置の電流光出力特性を示す図である。等価屈折率を整合させることで、反射戻り光に起因するキンク、及び、散乱損失によるスロープ効率の低下など、Ｉ−Ｌ特性の劣化を抑制することができる。
【００３２】
なお、本実施の形態では屈折率調整層１０は組成が異なる複数のＩｎＧａＡｓＰ層からなるが、屈折率調整層１０は組成が同じ一層のＩｎＧａＡｓＰ層でもよい。ただし、組成が異なるＩｎＧａＡｓＰ層はエッチングレートが異なるため、エッチングによる屈折率調整層１０の膜厚の調整が容易になる。
【００３３】
実施の形態２．
図２１は、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態１では光半導体素子５の屈折率分布中心に対して光導波路１２の屈折率分布中心が偏心している。これを補正するため、本実施の形態では光導波路層８の膜厚を活性層３の膜厚よりも薄くして、光半導体素子５の屈折率分布中心に対して光導波路１２の屈折率分布中心が偏心しないようにする。なお、活性層３にＡｌＧａＩｎＡｓ材料を使用し、屈折率調整層１０をエッチングする際に活性層３がエッチングされないようにする。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
【００３４】
実施の形態３．
図２２〜２４は、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００３５】
まず、実施の形態１と同様に図１〜４の工程を実施する。次に、図２２に示すように、ＳｉＯ２膜６を選択成長マスクとして、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層７、ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層８、屈折率調整層２１、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１１を順に積層して光導波路１２を形成する。
【００３６】
本実施の形態の屈折率調整層２１は、実施の形態１の屈折率調整層１０とは異なり、異なる２種類の半導体層であるＩｎＰ層２１ａとＩｎＧａＡｓＰ層２１ｂを交互に積層したものである。それぞれの膜厚は２０ｎｍである。ＩｎＧａＡｓＰ層２１ｂの組成は実施の形態１と同様に導波光がバンド端吸収の影響を受けない範囲で選んだものである。また、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層８６に接する層はＩｎＰ層２１ａであってもＩｎＧａＡｓＰ層２１ｂであっても構わない。また、各層の層厚とペア数は任意で設定できる。
【００３７】
次に、実施の形態１と同様に、フォトルミネセンス検査により光導波路層８の発光波長を評価することで光導波路層８の屈折率を求める。数値計算により光半導体素子５の等価屈折率と光導波路１２の等価屈折率を算出する。そして、両者の等価屈折率を整合するような屈折率調整層１０の膜厚を算出する。
【００３８】
次に、図２３に示すように、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１を塩酸とリン酸の混合液など用いてウェットエッチングにより除去する。そして、屈折率調整層２１をエッチングして光半導体素子５の等価屈折率と光導波路１２の等価屈折率が整合するように屈折率調整層２１の膜厚を調整する。ＩｎＰ層２１ａのエッチングには、例えば、塩酸とリン酸の混合液のようなエッチングレートの小さいものを用いることが望ましい。ＩｎＧａＡｓＰ層２１ｂのエッチングには酒石酸と過酸化水素水を用いる。実施の形態１では時間制御によるエッチングを実施したが、本実施の形態ではＩｎＰ層２１ａとＩｎＧａＡｓＰ層２１ｂが互いにエッチングストッパー層として機能するため、時間制御は不要である。
【００３９】
その後、実施の形態１と同様の工程を行うことで、図２４に示すように本実施の形態に係る光半導体装置が製造される。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態では、光半導体素子５と光導波路１２を形成した後にフォトルミネセンス検査によりそれらの等価屈折率を求め、屈折率調整層２１をエッチングして両者の等価屈折率が整合するようにＩｎＰ層２１ａとＩｎＧａＡｓＰ層２１ｂのペア数を調整する。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
なお、本実施の形態では屈折率調整層１０は材料が異なる２種類の半導体層を交互に積層したものであるが、同じ材料で組成が異なる２種類の半導体層を交互に積層したものでもよい。
【００４２】
実施の形態４．
図２５は、本発明の実施の形態４に係る光半導体装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態３では光半導体素子５の屈折率分布中心に対して光導波路１２の屈折率分布中心が偏心している。これを補正するため、本実施の形態では光導波路層８の膜厚を活性層３の膜厚よりも薄くして、光半導体素子５の屈折率分布中心に対して光導波路１２の屈折率分布中心が偏心しないようにする。なお、活性層３にＡｌＧａＩｎＡｓ材料を使用し、屈折率調整層２１をエッチングする際に活性層３がエッチングされないようにする。その他の構成及び効果は実施の形態３と同様である。
【００４３】
図２６は、本発明の実施の形態１〜４に係る光半導体装置の変形例を示す平面図である。このように光導波路１２は曲がり導波路であってもよい。
【００４４】
なお、実施の形態１〜４はｎ型ＩｎＰ基板１上に形成した光導波路集積半導体レーザであるが、ｐ型基板上に作製した光導波路集積構造でも同様の効果を得ることができる。また、光導波路１２が電流非注入パッシブ光導波路である集積光半導体デバイスであれば、同様の効果を得ることができる。また、光半導体素子５はレーザダイオードに限らず、アレイ型レーザ又は光変調器でもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）、２  ｎ型ＩｎＰクラッド層（第１のクラッド層）、３  活性層、４  ｐ型ＩｎＰクラッド層（第２のクラッド層）、５  光半導体素子、７  ｎ型ＩｎＰクラッド層（第３のクラッド層）、８  光導波路層、１０，２１  屈折率調整層、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ  ＩｎＧａＡｓＰ層（複数の半導体層）、１８  （コンタクト層）、２１ａ  ＩｎＰ層（異なる２種類の半導体層）、２１ｂ  ＩｎＧａＡｓＰ層（異なる２種類の半導体層）
【図１】
0006468180.tif 000002
【図２】
0006468180.tif 000003
【図３】
0006468180.tif 000004
【図４】
0006468180.tif 000005
【図５】
0006468180.tif 000006
【図６】
0006468180.tif 000007
【図７】
0006468180.tif 000008
【図８】
0006468180.tif 000009
【図９】
0006468180.tif 000010
【図１０】
0006468180.tif 000011
【図１１】
0006468180.tif 000012
【図１２】
0006468180.tif 000013
【図１３】
0006468180.tif 000014
【図１４】
0006468180.tif 000015
【図１５】
0006468180.tif 000016
【図１６】
0006468180.tif 000017
【図１７】
0006468180.tif 000018
【図１８】
0006468180.tif 000019
【図１９】
0006468180.tif 000020
【図２０】
0006468180.tif 000021
【図２１】
0006468180.tif 000022
【図２２】
0006468180.tif 000023
【図２３】
0006468180.tif 000024
【図２４】
0006468180.tif 000025
【図２５】
0006468180.tif 000026
【図２６】
0006468180.tif 000027