(57)【要約】【課題】光変調集積半導体発光素子において半導体結晶の異常成長による不具合を抑える。【解決手段】光変調器集積半導体発光素子１００は、基板１上に第１および第２の半導体積層構造１０、２０を有している。第１および変調器積層構造は、接合面３５で接合されている。レーザ積層構造はレーザ発振部を構成し、変調器積層構造は光変調部を構成している。変調器積層構造は、レーザ積層構造および基板の双方と接触する角部３６を有している。この角部は、レーザ積層構造および基板の少なくとも一方へ向かって突出している。このような形状の変調器積層構造は、接合端部における上方への異常成長を抑えながら成長させることができる。したがって、異常成長による不具合を抑えられる。【選択図】  図１
2004214292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の基板上に半導体レーザ素子および光変調器が集積された光変調器集積半導体発光素子であって、
前記基板の上面に設けられ、レーザ活性層を含む複数の半導体層が積層されたレーザ積層構造と、
前記基板の上面に設けられ、変調器活性層を含む複数の半導体層が積層された変調器積層構造と
を備え、
前記レーザ積層構造と前記変調器積層構造とは、前記レーザ活性層と前記変調器活性層とが光学的に結合されるように、互いの端面同士を突き合わせて接合されており、
前記変調器積層構造は、前記レーザ積層構造および前記基板の双方と接触する角部を有しており、
前記角部は、前記レーザ積層構造および前記基板の少なくとも一方へ向かって突出している
光変調器集積半導体発光素子。
【請求項２】
前記レーザ積層構造と前記変調器積層構造との接合面は、前記基板の上面のうち前記変調器積層構造を搭載している部分とほぼ一定の鋭角を成すように傾斜している
請求項１に記載の光変調器集積半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板の上面のうち前記変調器積層構造を搭載している部分には、前記レーザ積層構造と前記変調器積層構造との接合面に隣接しつつ前記接合面に沿って延びる溝が設けられている
請求項１に記載の光変調器集積半導体発光素子。
【請求項４】
前記レーザ積層構造と前記変調器積層構造との接合面の近傍において前記変調器積層構造の上面が平坦である
請求項１〜３のいずれかに記載の光変調器集積半導体発光素子。
【請求項５】
前記変調器活性層のうち前記レーザ積層構造に隣接する端部は、前記変調器積層構造の積層方向において前記変調器活性層の中心軸に対して対称な形状を有している
請求項１〜３のいずれかに記載の光変調器集積半導体発光素子。
【請求項６】
同一の基板上に半導体レーザ素子および光変調器が集積された光変調器集積半導体発光素子を製造する方法であって、
レーザ活性層を含む複数の半導体層が積層されたレーザ積層構造を前記基板の上面に形成する第１工程と、
変調器活性層を含む複数の半導体層が積層された変調器積層構造を、前記基板の上面において前記レーザ積層構造の一端面に沿って成長させる第２工程と、
を備え、
前記第１工程は、前記レーザ積層構造のうち前記変調器積層構造と接合されるべき突合せ端面と前記基板の上面とが、前記レーザ積層構造および前記基板の少なくとも一方へ向かって窪んだ凹部を形成するように前記レーザ積層構造を形成し、
前記第２工程は、前記レーザ積層構造と前記変調器積層構造とが互いの端面同士を突き合わせて接合され、前記レーザ活性層と前記変調器活性層とが光学的に結合されるように前記変調器積層構造を成長させ、前記凹部を前記変調器積層構造で充填する
光変調器集積半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１工程は、
レーザ活性層を含む半導体積層構造を前記基板の上面に形成する工程と、
前記半導体積層構造の一部を異方性エッチングにより除去して前記レーザ積層構造を形成し、前記突合せ端面を露出させる工程と
を有しており、
前記異方性エッチングは、前記基板の上面に対して斜めの方向に沿って前記半導体積層構造をエッチングし、前記基板の上面のうち前記変調器積層構造を搭載すべき部分に対してほぼ一定の鋭角で傾斜した前記突合せ端面を形成する
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１工程は、
レーザ活性層を含む半導体積層構造を前記基板の上面に形成する工程と、
前記半導体積層構造の上面の一部に異方性エッチングを施して、前記半導体積層構造を横断する第１の溝を形成する工程と、
前記半導体積層構造の上面において前記第１溝によって分断される一方の領域および前記第１溝に異方性エッチングを施し、前記レーザ積層構造を形成するとともに、前記基板の上面のうち前記レーザ積層構造と隣接する位置に第２の溝を形成する工程と
を有している、請求項６に記載の方法
【請求項９】
前記第２工程は、前記レーザ積層構造と前記変調器積層構造との接合面の近傍において前記変調器積層構造の上面が平坦になるように前記変調器積層構造を成長させる
請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記第２工程は、前記変調器活性層のうち前記レーザ積層構造に隣接する端部が、前記変調器積層構造の積層方向において前記変調器活性層の中心軸に対して対称な形状を有するように、前記変調器積層構造を成長させる
請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ素子と光変調器とが同一基板上に集積された光変調器集積半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用の光源として、光変調器集積半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。この発光素子は、分布帰還型半導体レーザ素子（以下、「ＤＦＢレーザ素子」と呼ぶ）と電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）が同一基板上に集積された構造を有している。
【０００３】
図１９〜図２２は、従来の光変調器集積半導体発光素子の製造方法の一例を示している。図１９に示されるように、まず、基板５１の上面にｎ型ＩｎＰ下部クラッド層５２、ＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層５３、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５４、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層５５、およびｐ型ＩｎＰキャップ層５６が順次に形成される。活性層５４は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。キャップ層５６を形成する前に、上部ガイド層５５の上面に回折格子７０が形成される。
【０００４】
次に、図２０に示されるように、キャップ層５６の上面の一部にＳｉＯ2マスクを形成してから、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を実行する。これにより、基板５１上の半導体積層構造のうちマスク８０によって覆われていない部分が除去され、基板５１の上面の一部が露出する。こうして、ＤＦＢレーザ素子の一部を成すレーザ積層構造５０が形成される。
【０００５】
次に、図２１に示されるように、ＥＡ変調器の一部を成す変調器積層構造６０を基板５１の露出上面に形成する。変調器積層構造６０は、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層６２、ＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層６３、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６４、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層６５、およびｐ型ＩｎＰ第１上部クラッド層６６から構成されている。これらの層は、選択再成長によって形成される。レーザ積層構造５０と変調器積層構造６０は、接合面８５で端面同士を突き合わせて接合されている。接合面８５は、バットジョイント部とも呼ばれる。
【０００６】
この後、図２２に示されるように、マスク８０が除去され、キャップ層５６および第１上部クラッド層６６の上面にｐ型ＩｎＰ第２上部クラッド層７１およびｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層７２が形成される。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２８５５８号公報
【特許文献２】
特開平７−２６３６５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図２１に示されるように、層６２〜６６を形成する際、接合面８５の付近で半導体結晶の異常成長が発生する。この異常成長は、二つに分類できる。
【０００９】
第１の異常成長は、マスク８０の付近で発生する。これは、マスク８０上に堆積した原料が拡散することによりマスク８０の付近で局所的に結晶成長速度が高まることに起因する。この結果、第１上部クラッド層６６のうち接合面８５に隣接する部位９０は、マスク８０上までせり上がるように成長し、突起６８を形成する。この突起６８のために、第２上部クラッド層７１およびコンタクト層７２を形成した後にも、コンタクト層７２の上面に突起７８が残る。
【００１０】
第２の異常成長は、層６２〜６５のうち接合面８５に隣接する部位９１で発生する。これは、結晶成長前の昇温時にマストランスポートにより結晶成長の垂直性が崩されることに起因する。この結果、層６２〜６５のうち接合面８５と隣接する端部は、上方に湾曲する。
【００１１】
このような半導体結晶の異常成長は、次のような不具合を生じさせる。すなわち、コンタクト層７２の突起７８は、コンタクト層７２上に形成される層に表面段差を生じさせる原因となるため、好ましくない。また、ガイド層６３、６５おおび光吸収層６４の接合面８５付近での湾曲は、ガイド層５３，５５および活性層５４との位置ズレおよび光散乱を発生させやすくする。これは、光結合効率を低下させ、光学的ロスを増やすので、好ましくない。
【００１２】
そこで、この発明は、半導体結晶の異常成長による不具合が抑えられた光変調器集積半導体発光素子およびその製造方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光変調器集積半導体発光素子では、同一の基板上に半導体レーザ素子および光変調器が集積されている。この光変調器集積半導体発光素子は、レーザ積層構造および変調器積層構造を備えている。これらの積層構造は、基板の上面に設けられ、互いの端面同士を突き合わせて接合されている。レーザ積層構造は、半導体レーザ素子の少なくとも一部を成す。レーザ積層構造では、レーザ活性層を含む複数の半導体層が積層されている。変調器積層構造は、光変調器の少なくとも一部をなす。変調器積層構造では、変調器活性層を含む複数の半導体層が積層されている。レーザ活性層と変調器活性層とは、光学的に結合されている。変調器積層構造は、レーザ積層構造および基板の双方と接触する角部を有している。この角部は、レーザ積層構造および基板の少なくとも一方へ向かって突出している。
【００１４】
このような角部を有する変調器積層構造は、レーザ積層構造との接合端部における上方への異常成長を抑えながら成長させることができる。これは、角部を突出させるために、半導体結晶が上方のみならずレーザ積層構造および基板の少なくとも一方へ成長する必要があるからである。上方への異常成長が抑えられるので、それに応じて、変調器積層構造の上面の突起が小さくなり、また、変調器積層構造の接合端部の上方への湾曲が低減される。
【００１５】
本発明の光変調器集積半導体発光素子は、レーザ積層構造に駆動電圧を供給するためのアノード電極およびカソード電極、ならびに変調器積層構造に駆動電圧を供給するためのアノード電極およびカソード電極をさらに備えていてもよい。レーザ用のアノード電極と変調器用のアノード電極とは、電気的に絶縁されていてもよい。
【００１６】
レーザ積層構造と変調器積層構造との接合面は、基板の上面のうち変調器積層構造を搭載している部分とほぼ一定の鋭角を成すように傾斜していてもよい。接合面がこのような傾斜を有していると、変調器積層構造の角部がレーザ積層構造へ向かって突出する。
【００１７】
基板の上面のうち変調器積層構造を搭載している部分には、溝が設けられていてもよい。この溝は、レーザ積層構造と変調器積層構造との接合面に隣接しつつ接合面に沿って延びている。このような溝が設けられていると、変調器積層構造の角部が基板へ向かって突出する。
【００１８】
レーザ積層構造と変調器積層構造との接合面の近傍において変調器積層構造の上面が平坦であってもよい。変調器積層構造の上面に突起がないので、その上面に別の半導体層を好適に形成できる。
【００１９】
基板上に集積された半導体レーザ素子が分布帰還型であり、光変調器が電界吸収型であってもよい。変調器活性層のうちレーザ積層構造に隣接する端部は、変調器積層構造の積層方向において変調器活性層の中心軸に対して対称な形状を有している。この場合、変調器活性層の端部での光散乱が低減され、レーザ活性層および変調器活性層間の光結合効率が高まる。
【００２０】
本発明に係る方法は、同一の基板上に半導体レーザ素子および光変調器が集積された光変調器集積半導体発光素子を製造する。第１工程では、レーザ活性層を含む複数の半導体層が積層されたレーザ積層構造を基板の上面に形成する。第２工程では、変調器活性層を含む複数の半導体層が積層された変調器積層構造を、基板の上面においてレーザ積層構造の一端面に沿って成長させる。第１工程では、レーザ積層構造のうち変調器積層構造と隣接する端面と基板の上面とが、レーザ積層構造および基板の少なくとも一方へ向かって窪んだ凹部を形成するようにレーザ積層構造を形成する。第２工程では、レーザ積層構造と変調器積層構造とが互いの端面同士を突き合わせて接合され、レーザ活性層と変調器活性層が光学的に結合されるように変調器積層構造を成長させる。上記の凹部は、変調器積層構造によって充填される。
【００２１】
第２工程では、半導体結晶が、上方のみならず、凹部を充填するためにレーザ積層構造および基板の少なくとも一方へ向かって成長する。このため、変調器積層構造は、レーザ積層構造との接合端部における上方への異常成長を抑えながら成長させられる。この結果、変調器積層構造の上面の突起が小さくなり、また、変調器積層構造の接合端部の上方への湾曲が低減される。
【００２２】
第１工程は、レーザ活性層を含む半導体積層構造を基板の上面に形成する工程と、半導体積層構造の一部を異方性エッチングにより除去してレーザ積層構造を形成し、突合せ端面を露出させる工程とを有していてもよい。異方性エッチングは、基板の上面に対して斜めの方向に沿って半導体積層構造をエッチングし、基板の上面のうち変調器積層構造を搭載すべき部分に対してほぼ一定の鋭角で傾斜した突合せ端面を形成してもよい。突合せ端面がこのような傾斜を有していると、この突合せ端面と基板の上面とが、レーザ積層構造へ向かって窪んだ凹部を形成する。
【００２３】
前記第１工程は、レーザ活性層を含む半導体積層構造を基板の上面に形成する工程と、半導体積層構造の上面の一部に異方性エッチングを施して、半導体積層構造を横断する第１の溝を形成する工程と、半導体積層構造の上面において第１溝によって分断される一方の領域および前記第１溝に異方性エッチングを施し、レーザ積層構造を形成するとともに、基板の上面のうちレーザ積層構造と隣接する位置に第２の溝を形成する工程を有していてもよい。この第２の溝は、レーザ積層構造の突合せ端面に沿って延びる。この第２の溝のために、突合せ端面と基板の上面は、基板へ向かって窪んだ凹部を形成する。
【００２４】
第２工程は、レーザ積層構造と変調器積層構造との接合面の近傍において変調器積層構造の上面が平坦になるように変調器積層構造を成長させてもよい。変調器積層構造の上面に突起がないので、その上面に別の半導体層を好適に形成できる。
【００２５】
第２工程は、変調器活性層のうちレーザ積層構造に隣接する端部が、変調器積層構造の積層方向において変調器活性層の中心軸に対して対称な形状を有するように、変調器積層構造を成長させてもよい。この場合、変調器活性層の端部での光散乱が低減され、レーザ活性層および変調器活性層間の光結合効率が高まる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００２７】
第１実施形態
図１は、本実施形態の光変調器集積半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。発光素子１００は、基板１上に分布帰還型レーザ素子（以下、「ＤＦＢレーザ素子」と呼ぶ）および電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ変調器」と呼ぶ）が集積された構造を有している。基板１の上面１ａには、二つの半導体積層構造１０および２０が設けられている。これらの半導体積層構造は、互いの端面同士を接合面３５で突き合わせて接合されている。半導体積層構造１０は、ＤＦＢレーザ素子の一部を成している。半導体積層構造２０は、ＥＡ変調器の一部を成している。以下では、半導体積層構造１０を「レーザ積層構造」と呼び、半導体積層構造２０を「変調器積層構造」と呼ぶことにする。
【００２８】
レーザ積層構造１０は、基板１の上面１ａに順次に設けられた下部クラッド層２、下部ガイド層３、レーザ活性層４、上部ガイド層５、およびキャップ層６から構成されている。基板１および下部クラッド層２は、ｎ型ＩｎＰからなる。下部ガイド層３、レーザ活性層４および上部ガイド層５は、ＧａＩｎＡｓＰからなる。レーザ活性層４は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。上部ガイド層５の上面には、回折格子７が設けられている。キャップ層６は、ｐ型ＩｎＰからなる。レーザ活性層４は、下部ガイド層３および上部ガイド層５よりも高い屈折率を有している。下部ガイド層３および上部ガイド層５は、下部クラッド層２およびキャップ層６よりも高い屈折率を有している。下部ガイド層３、レーザ活性層４および上部ガイド層５は、レーザ活性層４で発生した光を閉じ込めて導波する光導波路を形成している。
【００２９】
変調器積層構造２０は、基板１の上面１ａに順次に設けられた下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、上部ガイド層１５、および第１上部クラッド層１６から構成されている。下部クラッド層１２は、ｎ型ＩｎＰからなる。下部ガイド層１３、変調器活性層１４および上部ガイド層１５は、ＧａＩｎＡｓＰからなる。変調器活性層１４は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。第１上部クラッド層１６は、ｐ型ＩｎＰからなる。変調器活性層１４は、下部ガイド層１３および上部ガイド層１５よりも高い屈折率を有している。下部ガイド層１３および上部ガイド層１５は、下部クラッド層１２および第１上部クラッド層１６よりも高い屈折率を有している。下部ガイド層１３、変調器活性層１４および上部ガイド層１５は、変調器活性層４で発生した光を閉じ込めて導波する光導波路を形成している。
【００３０】
後述するように、変調器活性層４は、レーザ光を増幅する作用を有するとともに、ＥＡ変調器の光吸収層としても動作する。したがって、以下では、変調器活性層１４を光吸収層と呼ぶことにする。光吸収層１４は、接合面３５においてレーザ活性層４と端面同士を突き合わせて接合されている。光吸収層１４とレーザ活性層４は、光学的に結合されている。したがって、レーザ活性層４で発生した光は光吸収層１４へ伝搬する。
【００３１】
積層構造１０および２０の上面には、第２上部クラッド層２１が被着されている。第２上部クラッド層２１は、ｐ型ＩｎＰからなり、キャップ層６および第１上部クラッド層１６よりも低い屈折率を有している。第２上部クラッド層２１の上面には、互いに離間したコンタクト層２２ａおよび２２ｂが被着されている。コンタクト層２２ａおよび２２ｂは、ともにｐ型ＧａＩｎＡｓからなる。コンタクト層２２ａ、２２ｂの上面には、互いに離間したアノード電極２５ａ、２５ｂがそれぞれ被着されている。一方、基板１の下面１ｂには、カソード電極２６が被着されている。アノード電極２５ａは、レーザ積層構造１０に駆動電圧を印可するために使用される。アノード電極２５ｂは、変調器積層構造２０に駆動電圧を印可するために使用される。コンタクト層２２ａと２２ｂ、アノード電極２５ａと２５ｂは、それぞれ絶縁膜２４によって電気的に絶縁されている。コンタクト層２２ａ、２２ｂとアノード電極２５ａ、２５ｂとの間には、部分的に絶縁膜２３ａ、２３ｂが介在している。絶縁膜２３ａ、２３ｂおよび２４は、ＳｉＯ2からなる。
【００３２】
図１０に示されるように、積層構造１０および２０はメサ形状をしている。積層構造１０および２０の両側には、埋め込み層２７、電流ブロック層２８および層間絶縁膜２９が設けられている。この点については後述する。
【００３３】
レーザ積層構造１０は、電極２５ａおよび２６を通じて駆動電圧が印加されると、その全体がＤＦＢレーザ素子として動作する。したがって、発光素子１００のうちレーザ積層構造１０およびその上下に位置する部分をレーザ発振部４０と呼ぶことにする。一方、変調器積層構造２０は、電極２５ｂおよび２６を通じて駆動電圧が印加されると、その一部がＥＡ変調動作を行う。ＥＡ変調動作を行うのは、電極２５ｂの直下に位置する部分である。そこで、発光素子１００のうち電極２５ｂの直下に位置する部分４２を光変調部と呼ぶことにする。レーザ発振部４０と光変調部４２の間には、アイソレーション部４１が存在する。アイソレーション部４１は、レーザ発振部４０と光変調部４２とを分離している。
【００３４】
電極２５ａおよび２６を通じて発光素子１００にレーザ駆動電圧が印加されると、レーザ活性層４でレーザ光が生成される。このレーザ光は、レーザ活性層４から光吸収層１４へ伝搬する。電極２５ｂおよび２６を通じて発光素子１００に変調駆動電圧が印加されると、レーザ光の強度が変調される。
【００３５】
発光素子１００の特徴的な構成は、図１に示されるように、接合面３５が、基板１の上面のうち変調器積層構造２０を搭載している部分とほぼ一定の鋭角を成すように傾斜していることである。この結果、変調器積層構造２０のうちレーザ積層構造１０および基板１の双方と接触する角部３６は、レーザ積層構造１０へ向かって突出している。このような変調器積層構造２０の形状は、積層構造１０および２０をバットジョイント法により形成する場合に特に有益である。以下では、この点について説明する。
【００３６】
図２１に示されるように、従来の光変調器集積半導体発光素子では、レーザ積層構造と変調器積層構造との接合面が基板上面に対して垂直である。このため、変調器積層構造はレーザ積層構造へ向かって突出する角部を有さない。バットジョイント法では、基板上にレーザ積層構造を形成した後、選択再成長によって変調器積層構造を形成する。このとき、変調器積層構造においてレーザ積層構造との接合端部に上方への異常成長が生じる。この異常成長により、変調器積層構造中の各層の接合端部は上方に湾曲し、変調器積層構造の上面には突起が生じる。
【００３７】
これに対し、本実施形態では、変調器積層構造２０の角部３６がレーザ積層構造１０へ向かって突出している。このような形状の積層構造２０を成長させる場合、半導体結晶は上方のみならず横方向にも成長しなければならない。これにより、上方への異常成長が抑えられる。
【００３８】
特に、接合面３５は、変調器積層構造２０中の層１２〜１６の上方への成長を妨げるような向きに傾斜している。このため、バットジョイント法により変調器積層構造２０を形成する際、層１２〜１６の接合端部の上方への湾曲が抑えられる。本実施形態では接合面３５が十分に傾斜しているので、図１に示されるように、層１２〜１６の接合端部が下方に湾曲する。これにより、第１上部クラッド層１６の上面に異常成長による突起が生じることを防止し、その上面を平坦にすることができる。また、ガイド層３、５およびレーザ活性層４からなるレーザ側の光導波路とガイド層１３、１５および光吸収層１４からなる変調器側の光導波路との位置ズレも十分に抑えられる。このため、光結合効率が良好である。
【００３９】
以下では、図２〜１１を参照しながら、本実施形態の発光素子１００の製造方法を説明する。図２〜１０は、発光素子１００の製造工程を示す斜視図である。図１１は、この製造方法で実施される「斜めエッチング」を示す概略側面図である。
【００４０】
図２に示されるように、まず、基板１の上面１ａの全体に下部クラッド層２、下部ガイド層３、レーザ活性層４、上部ガイド層５およびキャップ層６を順次に形成する。上部ガイド層５の上面には、キャップ層６を形成する前に回折格子７を設ける。これらの層２〜６は、エピタキシャル成長させられる。これらの層２〜６から構成される半導体積層構造を符号４５で表す。
【００４１】
次に、図３に示されるように、半導体積層構造４５の上面の片側にだけマスク３０を設け、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を実施する。ＲＩＥは異方性エッチングである。図１１に示されるように、本実施形態では、エッチング方向３６に対して基板１を斜めに傾けてＲＩＥを実施する。すなわち、エッチング方向３６は基板１の上面１ａと直交しない。この「斜めエッチング」により、基板１上の積層構造４５のうちマスク３０によって覆われていない部分、すなわち符号１１で示される部分が除去される。この結果、レーザ積層構造１０が基板１上に残る。また、基板１の上面１ａのうちレーザ積層構造１０に隣接する部分が露出する。
【００４２】
以下では、上面１ａの露出部分を符号１ｃで表し、レーザ積層構造１０のうち斜めエッチングによって露出した端面を符号１０ａで表す。端面１０ａは、レーザ積層構造１０と変調器積層構造２０との接合面３５を形成することになる。また、上面１ａのうちレーザ積層構造１０を搭載している非露出部分を符号１ｄで表す。
【００４３】
図１１に示されるように、レーザ積層構造１０の端面１０ａと基板１の上面露出部１ｃとは、ほぼ一定の鋭角αを成す。このため、レーザ積層構造１０の幅は、上部から下部に向かうにつれて徐々に小さくなる。端面１０ａの傾斜角度αは、６０°≦α＜９０°を満たすことが好ましい。本実施形態では、α＝８０°である。なお、端面１０ａと上面非露出部１ｄとは、鈍角（１８０°−α）を成す。
【００４４】
次に、図４に示されるように、選択再成長によって上面露出部１０ｃの上に変調器積層構造２０を形成する。具体的には、上面露出部１０ｃの上に下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、光吸収層１４、上部ガイド層１５および第１上部クラッド層１６を順次に形成する。これらの層１２〜１６は、エピタキシャル成長させられる。以下では、変調器積層構造２０を搭載する上面部分１０ｃを変調器搭載部と言い換えることにする。
【００４５】
層１２〜１６のうちレーザ積層構造１０と接合される端部（以下、単に「接合端部」と呼ぶ）は、端面１０ａに沿って成長する。端面１０ａは、変調器搭載部１０ｃの垂線と交差するように傾斜している。したがって、端面１０ａは、層１２〜１６の接合端部の上方への成長を妨げる。このため、層１２〜１６の接合端部は、上方への湾曲が抑えられる。鋭角αが小さいほど上方湾曲を抑える効果が高い。鋭角αが十分に小さければ、図１および図４に示されるように、層１２〜１６の接合端部は下方へと湾曲する。鋭角αを適切に選択すれば、本実施形態のように、層１６の下面だけを下方に湾曲させ、上面を平坦にすることもできる。
【００４６】
次に、図５に示されるように、キャップ層６および第１上部クラッド層１６の上面に帯状のマスク３２を形成する。このマスク３２は、積層構造１０および２０をメサ形状に成形するためのものである。マスク３２は、ＳｉＮからなる。この後、エッチングを実施し、積層構造１０および２０においてマスク３２により覆われていない部分を除去する。この結果、図６に示されるようなストライプメサ構造４８が形成される。
【００４７】
続いて、図７に示されるように、電流狭窄構造を形成する。具体的には、基板１の上面およびストライプメサ構造４８の両側面を覆うように埋め込み層２７、電流ブロック層２８および層間絶縁膜２９を順次に形成する。
【００４８】
次に、図８に示されるように、マスク３２を除去し、メサ構造４８、埋め込み層２７、電流ブロック層２８および層間絶縁膜２９の上面に第２上部クラッド層２１およびコンタクト層２２を順次に形成する。これらの層２１、２２はエピタキシャル成長させられる。
【００４９】
次いで、図９に示されるように、コンタクト層２２の中央部分をエッチングにより除去し、分離した二つのコンタクト層２２ａおよび２２ｂを形成する。この後、図１０に示されるように、コンタクト層２２ａ、２２ｂの上面に部分的に絶縁膜２３ａ、２３ｂを設けてからアノード電極２５ａ、２５ｂを形成する。この後、アノード電極２５ａと２５ｂの間に絶縁膜２４を形成する。さらに、基板１の下面にカソード電極２６を形成する。これにより、本実施形態の発光素子１００が得られる。
【００５０】
第２実施形態
以下では、図１２〜１５を参照しながら、第２の実施形態に係る光変調器集積半導体発光素子について説明する。図１２は、本実施形態の発光素子の構造を示す概略断面図である。図１３〜１５は、この発光素子の製造方法を示す概略側面図である。本実施形態は、レーザ積層構造、変調器積層構造および基板が第１実施形態と異なる。他の構成要素は、第１実施形態と同じである。このため、図１２では、基板１０１、レーザ積層構造１１０および変調器積層構造１２０のみが描かれ、第２上部クラッド層、コンタクト層、電極等は省略されている。しかし、実際には、第１実施形態と同様に、レーザ積層構造１１０および変調器積層構造１２０の上面に第２上部クラッド層２１が被着され、その上にコンタクト層２２ａおよび２２ｂ、絶縁膜２３ａ、２３ｂおよび２４、ならびにアノード電極２５ａおよび２５ｂが設けられている。また、基板１０１の下面にはカソード電極２６が設けられている。
【００５１】
図１２に示されるように、基板１０１の上面の部分１０１ｄには、レーザ積層構造１１０が設けられ、部分１０１ｃには変調器積層構造１２０が設けられている。以下では、部分１０１ｄをレーザ搭載部と呼び、部分１０１ｃを変調器搭載部と呼ぶことにする。レーザ積層構造１１０と変調器積層構造１２０とは、接合面１３５において互いの端面同士を突き合わせて接合されている。第１実施形態と異なり、接合面１３５は、基板１０１の上面に対して垂直である。
【００５２】
レーザ積層構造１１０は、ＤＦＢレーザ素子の一部を成す。レーザ積層構造１１０は、レーザ搭載部１０１ｄ上に順次に設けられた下部クラッド層１０２、下部ガイド層１０３、活性層１０４、上部ガイド層１０５およびキャップ層１０６から構成されている。これらの層１０２〜１０６の組成は、それぞれ第１実施形態の層２〜６と同じである。上部ガイド層１０５の上面には、回折格子１０７が設けられている。
【００５３】
変調器積層構造１２０は、ＥＡ変調器の一部を成す。変調器積層構造１２０は、変調器搭載部１０１ｃ上に順次に設けられた下部クラッド層１１２、下部ガイド層１１３、光吸収層１１４、上部ガイド層１１５および第１上部クラッド層１１６から構成されている。これらの層１１２〜１１６の組成は、それぞれ第１実施形態の層１２〜１６と同じである。
【００５４】
本実施形態の特徴的な構成は、基板１０１の上面の変調器搭載部１０１ｃに直線状の溝１１８が設けられていることである。溝１１８は、接合面１３５に隣接しつつ、接合面１３５に沿って延在する。溝１１８の幅は５μｍ以下、深さは１μｍ以下が好ましい。本実施形態では、溝１１８の幅は２μｍであり、深さは０．５μｍである。
【００５５】
変調器積層構造１２０の下部クラッド層１１２は、この溝１１８を充填している。この結果、変調器積層構造１２０のうちレーザ積層構造１１０および基板１０１の双方と接触する角部１３６は、基板１０１へ向かって突出している。このような変調器積層構造１２０の形状は、積層構造１１０および１２０をバットジョイント法により形成する場合に特に有益である。以下では、この点について説明する。
【００５６】
本実施形態では、変調器積層構造１２０の角部１３６が基板１０１へ向かって突出している。このような形状の積層構造２０を成長させる場合、半導体結晶は上方のみならず下方へも成長しなければならない。これにより、変調器積層構造１２０の接合端部での上方への異常成長が抑えられる。この結果、溝１１８の深さに応じて、層１１２〜１１６の接合端部の上方への湾曲が低減する。本実施形態では、光吸収層１１４の形状が変調器積層構造１２０の積層方向（すなわち、上下方向）において光吸収層１１４の中心軸に対して対称となるように溝１１８の深さを設定した。このため、光吸収層１１４の下方に位置する層１１２および１１３の接合端部は下方に湾曲し、光吸収層１１４の上方に位置する層１１５および１１６の接合端部は上方に湾曲する。第１上部クラッド層１１６の上面には、突起１７８が生じる。しかし、異常成長が抑えられているので、突起１７８は従来よりも小さい。
【００５７】
光吸収層１１４が上下方向で対称な形状を有しているため、接合面１３５での光の散乱が低減される。また、ガイド層１０３、１０５および活性層１０４からなるレーザ側の光導波路とガイド層１１３、１１５および光吸収層１１４からなる変調器側の光導波路との位置ズレが大きく低減される。このため、光結合効率が極めて良好である。
【００５８】
以下では、図１３〜１５を参照しながら、本実施形態の発光素子の製造方法を説明する。以下では、溝１１８の形成方法を中心に説明する。
【００５９】
まず、基板１０１の上面全体に層１０２〜１０６を順次に被着し、半導体積層構造１４５を形成する。次に、積層構造１４５の上面にマスク１３０ａおよび１３０ｂを設ける。マスク１３０ａおよび１３０ｂは、互いに離間している。マスク１３０ａおよび１３０ｂ間の間隙から層構造１４５の上面が露出する。この間隙の平面形状は、溝１１８の平面形状に対応する。
【００６０】
この後、エッチングを２段階に分けて実施することにより、溝１１８を形成する。まず、図１３に示されるように、等方性の反応性イオンエッチングを実施し、層構造１４５の上面に一定の深さを有する直線上の溝１４８を形成する。この溝１４８は、層構造１４５の上面を横断する。溝１４８の形状は、基板１０１に形成されるべき溝１１８の形状に対応する。
【００６１】
次に、図１４に示されるように、溝１４８によって分断された一方の領域に対して、等方性の反応性イオンエッチングを実施する。このエッチングは、溝１４８に対しても実施される。具体的には、片方のマスク１３０ｂだけを除去し、マスク１３０ａを用いてエッチングを実施する。これにより、マスク１３０ａによって被覆されていない部分が一定の厚さだけ除去される。この結果、レーザ積層構造１１０が形成されるとともに、レーザ積層構造１１０の端面１１０ａに隣接した溝１１８が基板１０１の上面に形成される。溝１１８の形状は、事前に形成した溝１４８とほぼ同じである。
【００６２】
次いで、図１５に示されるように、マスク１３０ａを除去し、基板１０１の上面においてエッチングにより露出した部分１０１ｃに変調器積層構造１２０をエピタキシャル成長させる。後の工程は、第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００６３】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００６４】
第１実施形態では、光吸収層１４がその中心軸に対して上下非対称の形状を有している。しかし、接合面３５の角度を調整すれば、光吸収層１４をその中心軸に対して上下対称の形状にすることが可能である。この場合、第１上部クラッド層１６の上面に突起が生じる可能性がある。しかし、接合面付近での異常成長が抑えられているため、この突起は従来よりも小さい。
【００６５】
第２実施形態では、第１上部クラッド層１１６の上面に突起が生じている。しかし、溝１１８の深さを調整すれば、第１上部クラッド層１１６の上面を平坦にすることが可能である。この場合、光吸収層１１４の形状がその中心軸に対して上下非対称になる可能性がある。しかし、光吸収層１１４およびガイド層１１３、１１５の接合端部での湾曲を低減することは可能なので、十分に良好な光結合効率を得ることができる。
【００６６】
第１実施形態では、レーザ積層構造１０と変調器積層構造２０との接合面３５が基板１の上面に対して傾斜しており、変調器積層構造２０が、レーザ積層構造１０へ向かって突出した角部３６を有している。しかし、レーザ積層構造へ向かって突出する角部を設けるために、接合面の全体を傾斜させる必要は必ずしもない。例えば、図１６に示される変調器集積半導体発光素子では、レーザ積層構造１６０にくさび状の溝１６８が設けられている。この溝１６８は、接合面１６５と基板１５０との交差部に位置する。溝１６８を除く接合面１６５の大部分は、基板１５０の上面に対して垂直である。この例でも、変調器積層構造１７０は、レーザ積層構造１６０へ向かって突出する角部１８０を有する。したがって、第１実施形態と同様に、上方への異常成長を抑えることができる。
【００６７】
第２実施形態では、変調器積層構造１２０が、基板１０１へ向かって突出した角部１３６を有している。この角部１３６は、溝１１８と同じ直方体形状を有している。しかし、本発明では、基板またはレーザ積層構造へ向かって突出する角部の形状は任意である。例えば、図１７に示される変調器集積半導体発光素子では、基板１５１の上面にくさび状の溝１５８が形成されている。溝１５８は、レーザ積層構造１６１の端面と隣接しながら、端面に沿って延びている。変調器積層構造１７１の角部１８１は、基板１５１へ向かって突出し、溝１５８を充填している。したがって、第２実施形態と同様に、上方への異常成長を抑えることができる。
【００６８】
本発明では、変調器積層構造の角部が、レーザ積層構造および基板の双方に向かって突出していてもよい。このような構成の一例を図１８に示す。この例では、接合面１８５と基板１５２との交差部に円柱状の溝１７８が設けられている。変調器積層構造１７２の角部１８２は、この溝１７８を充填している。このため、角部１８２は、レーザ積層構造１６２および基板１５２の双方へ向かって突出している。このような形状の積層構造１７２を成長させる場合、半導体結晶は上方のみならず横方向および下方向にも成長しなければならない。これにより、上方への異常成長が抑えられる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明は、レーザ積層構造および基板の少なくとも一方へ向かって突出した角部を有する変調器積層構造を採用する。このような変調器積層構造は、レーザ積層構造との接合端部における半導体結晶の上方への異常成長を抑えながら成長させることができる。したがって、本発明は、異常成長による不具合を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の光変調器集積半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図６】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図８】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図９】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図１０】第１実施形態の発光素子の製造工程を示す斜視図である。
【図１１】斜めエッチングを示す概略側面図である。
【図１２】第２実施形態の光変調器集積半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図１３】第２実施形態の発光素子の製造工程を示す概略側面図である。
【図１４】第２実施形態の発光素子の製造工程を示す概略側面図である。
【図１５】第２実施形態の発光素子の製造工程を示す概略側面図である。
【図１６】本発明の光変調器集積半導体発光素子の他の例を示す概略側面図である。
【図１７】本発明の光変調器集積半導体発光素子の他の例を示す概略側面図である。
【図１８】本発明の光変調器集積半導体発光素子の他の例を示す概略側面図である。
【図１９】従来の光変調器集積半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図２０】従来の光変調器集積半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図２１】従来の光変調器集積半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図２２】従来の光変調器集積半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２、１２…下部クラッド層、３、１３…下部ガイド層、４…活性層、５…上部ガイド層、６…キャップ層、７…回折格子、１０…レーザ積層構造、１４…光吸収層、１５…第１上部クラッド層、２０…変調器積層構造、２１…第２上部クラッド層、２２ａ、２２ｂ…コンタクト層、２５ａ、２５ｂ…アノード電極、２６…カソード電極、３５…接合面、３６…角部、１００…光変調器集積半導体発光素子。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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