(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の領域に区分された基板の第１領域上に形成された第１半導体光素子と、前記第１領域に隣接する第２領域上に前記第１半導体光素子と光学的に接続されて形成された第２半導体光素子とを少なくとも有する半導体光集積素子の製造方法であって、
前記基板の前記第１領域及び前記第２領域を含む領域上に、前記第１半導体光素子を構成する第１層構造を成長する第１成長工程と、
第１マスクを前記第１領域の前記第１層構造上に形成し、前記第１マスクをエッチング阻止用マスクとして、エッチング後に生成される前記第１層構造の段差による前記第２領域に面する側壁が前記第１層構造の上面に対してなす側壁角度が９０°より大きく１１０°以下となるように前記第１層構造の選択的なエッチング除去を行う第１エッチング工程と、
前記第１層構造がエッチング除去された領域上に、その最も前記基板側の層として前記基板の半導体材料に基づいて選択された所定の半導体材料からなる形状制御層を有し、前記側壁を介して前記第１層構造と光学的に接続される、前記第２半導体光素子を構成する第２層構造を成長する第２成長工程とを備え、
前記第２成長工程において、前記形状制御層は、前記基板上から前記第１層構造の前記側壁上まで、前記基板上での層の厚さが２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるとともに、前記側壁上での層の前記側壁と反対側の面が前記第１層構造の前記上面に対してなす角度が略垂直となるように成長されることを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１エッチング工程において、前記第１マスクを、前記第１領域の全体を覆うマスクパターンによって前記第１層構造上に形成することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記第２成長工程の後に、前記第１領域に含まれる前記第１層構造上及び前記第２領域に含まれる前記第２層構造上にわたってストライプ状の第２マスクを形成し、前記第２マスクをエッチング阻止用マスクとして、前記第１層構造及び前記第２層構造を選択的にエッチング除去する第２エッチング工程を備えることを特徴とする請求項１または２記載の製造方法。
【請求項４】
前記基板の半導体材料としてＩｎＰが用いられ、
前記第２成長工程において、前記第２層構造は、その活性層にＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸構造を含み、前記形状制御層をＩｎＰとした層構造に成長されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の製造方法。
【請求項５】
前記基板の半導体材料としてＧａＡｓが用いられ、
前記第２成長工程において、前記第２層構造は、その活性層にＩｎＧａＡｌＡｓＰからなる量子井戸構造を含み、前記形状制御層をＩｎＧａＰとした層構造に成長されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の製造方法。
【請求項６】
前記第２成長工程において、前記形状制御層は、前記側壁上での層の前記側壁と反対側の面が略（０１１）面となるように成長されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の製造方法。
【請求項７】
前記第１エッチング工程において、前記第１層構造のエッチング除去をＣＨ４及びＨ２を用いたドライエッチングによって行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の製造方法。
【請求項８】
前記第１成長工程及び前記第２成長工程において、前記第１層構造及び前記第２層構造の成長をそれぞれ有機金属気相成長法によって行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体光素子が共通の基板上に形成された半導体光集積素子、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体光素子として、互いに光学的に接続されている複数の半導体光素子を共通の基板上に集積して形成した半導体光集積素子が提案されている。半導体光集積素子の例としては、半導体レーザ及び変調器を集積した素子や、光合分波器及び受光素子を集積した素子、半導体光増幅器及び変調器を集積した素子などがある。
【０００３】
複数の半導体光素子が基板上に集積される半導体光集積素子では、半導体光素子のそれぞれにおいて、活性層の結晶構造などの必要とされる半導体層構造が異なる場合がある。これに対して、異なる半導体層構造を基板上に集積して形成するための従来の方法として、それぞれでの半導体層構造を別々に成長するバットジョイント法や、気相成長法で成長する半導体の組成等がマスクパターンの幅や面積に依存することを利用して異なる半導体層構造を１度に成長させる選択成長法などが知られている（例えば特開平７−２６３６５５号公報参照）。
【０００４】
このうち、選択成長法は、結晶成長回数が少なくてすみ、またエッチング工程が不要であるという利点を有するが、結晶成長のメカニズムから、集積される複数の半導体光素子それぞれの設計に対する制約が大きい。これに対して、バットジョイント法では、集積される複数の半導体光素子それぞれを独立に設計することができ、様々な半導体光集積素子の製造に適している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
バットジョイント法においては、複数の半導体光素子として第１、第２半導体光素子を基板上に集積する場合、まず、第１半導体光素子を構成する第１半導体層構造を基板上に成長する。次に、第１、第２半導体光素子に対応して基板上を区分した２つの領域のうち、第１半導体光素子を形成する第１領域に対して、その領域上を覆うエッチング阻止用マスクを形成し、第２領域に形成された第１層構造を選択的にエッチング除去する。さらに、マスクされていない第２領域の基板上に、第２半導体光素子を構成する第２半導体層構造を選択的に成長する。
【０００６】
そして、第１領域に形成された第１層構造上と、第２領域に形成された第２層構造上とにわたってストライプ状のマスクを形成し、メサ型にエッチングを行う。これにより、互いに光学的に接続された第１、第２半導体光素子に対応する光導波路構造が得られる。
【０００７】
ここで、バットジョイント法による上記した２つの半導体層構造の形成方法においては、第２領域に形成される第２層構造は、エッチング後の第１層構造の側壁によって段差を生じている第１領域との境界近傍の領域部分まで成長する必要がある。このとき、この境界近傍の領域部分において、基板上への第２層構造の成長と同時に、第１層構造の側壁上にも第２層構造が異常成長するという問題を生じる。
【０００８】
このように第２層構造の異常成長が発生すると、第２層構造が湾曲するように変形してしまい、第１、第２半導体光素子間での光結合が劣化する。さらに、第２層構造の変形によって半導体層構造の表面に凹凸を生じるが、この表面の凹凸形状は、電極形成などのプロセスに対する妨害物となる。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、複数の半導体光素子が基板上に集積された半導体光集積素子において、光学的に接続された２つの半導体光素子の境界近傍での半導体層構造の異常成長による変形が低減される半導体光集積素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による半導体光集積素子は、複数の領域に区分された基板の第１領域上に形成された第１半導体光素子と、第１領域に隣接する第２領域上に第１半導体光素子と光学的に接続されて形成された第２半導体光素子とを少なくとも有する半導体光集積素子であって、（ａ）第１領域上に、その第２領域に面する側壁が上面に対してなす側壁角度が９０°より大きく１１０°以下となるように形成された、第１半導体光素子を構成する第１層構造と、（ｂ）第２領域上に、その最も基板側の層として基板の半導体材料に基づいて選択された所定の半導体材料からなる形状制御層を有し、側壁を介して第１層構造と光学的に接続されて形成された、第２半導体光素子を構成する第２層構造とを備え、（ｃ）形状制御層は、基板上から側壁上まで、基板上での層の厚さが２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるとともに、側壁上での層の側壁と反対側の面が上面に対してなす角度が略垂直となるように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による半導体光集積素子の製造方法は、複数の領域に区分された基板の第１領域上に形成された第１半導体光素子と、第１領域に隣接する第２領域上に第１半導体光素子と光学的に接続されて形成された第２半導体光素子とを少なくとも有する半導体光集積素子の製造方法であって、（１）基板の第１領域及び第２領域を含む領域上に、第１半導体光素子を構成する第１層構造を成長する第１成長工程と、（２）第１マスクを第１領域の第１層構造上に形成し、第１マスクをエッチング阻止用マスクとして、エッチング後に生成される第１層構造の段差による第２領域に面する側壁が第１層構造の上面に対してなす側壁角度が９０°より大きく１１０°以下となるように第１層構造の選択的なエッチング除去を行う第１エッチング工程と、（３）第１層構造がエッチング除去された領域上に、その最も基板側の層として基板の半導体材料に基づいて選択された所定の半導体材料からなる形状制御層を有し、側壁を介して第１層構造と光学的に接続される、第２半導体光素子を構成する第２層構造を成長する第２成長工程とを備え、（４）第２成長工程において、形状制御層は、基板上から第１層構造の側壁上まで、基板上での層の厚さが２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であるとともに、側壁上での層の側壁と反対側の面が第１層構造の上面に対してなす角度が略垂直となるように成長されることを特徴とする。
【００１２】
上記した半導体光集積素子及びその製造方法では、バットジョイント法による半導体光集積素子の製造において、先に形成した第１層構造を選択的にエッチング除去した後の側壁角度を９０°より大きく１１０°以下とするとともに、後から形成する第２層構造の最下層として、所定の半導体材料からなる形状制御層を第２領域の基板上から第１層構造の側壁上までの範囲に成長させている。
【００１３】
このとき、形状制御層を厚さ２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下に成長させると、側壁上に成長された層の外面が略垂直面となるように、第１層構造の側壁の形状が制御される。そして、このような形状制御層の成長を行った後に、第２層構造の他の層を成長すると、側壁を覆う形状制御層の垂直面上では、それらの層の成長速度が極めて遅くなる。したがって、活性層などを含む第２層構造が形状制御層を介して基板上に略平面状に成長されることとなり、光学的に接続される第１、第２層構造の境界近傍での第２層構造の異常成長による変形が低減されて、各半導体光素子の特性の劣化や、半導体光素子間での光結合の劣化が防止される。
【００１４】
具体的な半導体材料の構成としては、例えば、基板の半導体材料としてＩｎＰを用い、第２成長工程で成長される第２層構造を、その活性層にＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸構造を含み、形状制御層をＩｎＰとして形成される層構造とすることが好ましい。
【００１５】
あるいは、基板の半導体材料としてＧａＡｓを用い、第２成長工程で成長される第２層構造を、その活性層にＩｎＧａＡｌＡｓＰからなる量子井戸構造を含み、形状制御層をＩｎＧａＰとして形成される層構造とすることが好ましい。
【００１６】
また、第２成長工程で成長される形状制御層は、側壁上での層の側壁と反対側の面が略（０１１）面となるように形成されていることを特徴とする。このように、側壁上に成長された形状制御層によって垂直面として（０１１）面が自己形成されることによって、第２層構造の他の層の（０１１）面上での成長速度が極めて遅くなるので、（１００）面から略平面状に活性層などを含む第２層構造を成長することが可能となる。
【００１７】
また、製造方法は、第１エッチング工程において、第１層構造のエッチング除去をＣＨ4及びＨ2を用いたドライエッチングによって行うことを特徴とする。
【００１８】
ドライエッチングは指向性が良く、上記した第１層構造の選択的なエッチング除去を良好に行うことができる。特に、ＣＨ4及びＨ2を用いた場合、平滑かつ低ダメージなエッチングが可能であり、また、ＣＨ4とＨ2との流量比を変えることで、エッチング後に生成される第１層構造の側壁の側壁角度を調整することができる。また、ドライエッチングで形成したメサ側壁の表面状態を改善するなどの目的で、ドライエッチングの後にウエットによるスライトエッチングを加えても良い。
【００１９】
また、半導体層構造の成長については、第１成長工程及び第２成長工程において、第１層構造及び第２層構造の成長をそれぞれ有機金属気相成長法によって行うことが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体光集積素子、及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
最初に、バットジョイント法を用いた半導体光集積素子の製造方法について説明する。
【００２２】
図１及び図２は、本発明による半導体光集積素子の製造方法の一実施形態を模式的に示す工程図である。本実施形態は、第１半導体光素子及び第２半導体光素子の２つの半導体光素子が共通の基板上に集積された半導体光集積素子について、その製造方法を概略的に示すものである。
【００２３】
なお、以下に説明する製造方法の各工程図においては、図１（ａ）にＸ、Ｙの座標軸を示すように、斜視図によって示されている半導体光集積素子の図中の横方向を光集積素子での光導波路構造の長手方向（Ｘ軸方向）、図中の奥行き方向を光導波路構造の幅方向（Ｙ軸方向）とする。軸方向のとり方としては、Ｘ軸方向が〈０１１〉結晶軸方向、Ｙ軸方向が〈０−１１〉結晶軸方向となるようにとることが好ましい。
【００２４】
まず、２つの半導体光素子が集積して形成される共通の基板となる半導体基板１０を用意する。基板１０上は、第１半導体光素子及び第２半導体光素子をそれぞれ形成するための第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２に区分される。ただし、この領域Ｒ１、Ｒ２の区分（図１（ａ）中の点線）は設計上の領域区分であって、構造上は単一の基板１０となっている。
【００２５】
この基板１０の第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を含む全体の領域上に、図１（ａ）に示すように、第１半導体層構造１１を成長する（第１成長工程）。この第１層構造１１は、第１領域Ｒ１に形成される第１半導体光素子を構成するための半導体層構造である。第１層構造１１の成長方法としては、有機金属気相成長法を用いることが好ましい。
【００２６】
次に、図１（ｂ）に示すように、第１領域Ｒ１に含まれる第１層構造１１上に、第１マスク２１を形成する。この第１マスク２１は、第１領域Ｒ１の全体を覆うマスクパターン、または第１領域Ｒ１のうちで第１半導体光素子の光導波路構造が形成される領域を含む所定の領域部分を覆うマスクパターンによって形成される。図１（ｂ）においては、例として第１領域Ｒ１の全体を覆うマスクパターンの第１マスク２１を示している。
【００２７】
続いて、第１マスク２１をエッチング阻止用マスクとして、マスクされていない領域の第１層構造１１を選択的にエッチング除去する。これによって、図１（ｃ）に示すように、第１マスク２１のマスクパターンに対応して、第１領域Ｒ１に含まれる層構造部分がエッチングされずに残された、エッチング後の第１層構造３１が得られる（第１エッチング工程）。
【００２８】
ここで、このエッチング後には、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の境界において、第１層構造３１の段差による第２領域Ｒ２に面する側壁１１ａが生成される。上記した第１層構造１１に対するエッチングは、この側壁１１ａが上面に対してなす側壁角度θ（図１（ｃ）参照）が９０°より大きく１１０°以下（９０°＜θ≦１１０°）となるように行われる。
【００２９】
第１層構造１１の成長及びエッチングが終了したら、第２層構造の形成を開始する。第１層構造１１がエッチング除去された領域上、すなわち第１層構造３１が残されている領域を除く領域の基板１０上に、図２（ａ）に示すように、第２半導体層構造１２を選択的に成長する（第２成長工程）。この第２層構造１２は、第２領域Ｒ２に形成される第２半導体光素子を構成するための半導体層構造である。図２（ａ）においては、例として第２領域Ｒ２の全体に形成された第２層構造１２を示している。第２層構造１２の成長方法としては、有機金属気相成長法を用いることが好ましい。
【００３０】
この第２層構造１２は、その最も基板１０側の最下層として、基板１０の半導体材料に基づいて選択された所定の半導体材料、具体的には基板１０と略格子整合するように選択された半導体材料、からなる形状制御層を有する構成に形成される。また、第２層構造１２は、側壁１１ａを介して第１層構造３１と光学的に接続されるように形成される。形状制御層を含む第２層構造１２の具体的な構成については、さらに後述する。
【００３１】
第２層構造１２を選択的に成長するための成長阻止用マスクとしては、エッチング阻止用マスクとして用いた第１マスク２１をそのまま用いることが好ましい。この場合、半導体光集積素子の製造に必要な工程数を低減して、効率的に製造を行うことができる。あるいは、第１マスク２１とは別に、新たに成長阻止用マスクを形成しても良い。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１領域Ｒ１に含まれる第１層構造３１上及び第２領域Ｒ２に含まれる第２層構造１２上にわたって、第２マスク２２を形成する。この第２マスク２２は、第１半導体光素子及び第２半導体光素子の光導波路構造の幅となるＹ軸方向の幅を有し、その長手方向となるＸ軸方向に伸びるマスクパターンによって形成される。
【００３３】
続いて、第２マスク２２をエッチング阻止用マスクとして、マスクされていない領域の第１層構造３１及び第２層構造１２を選択的にエッチング除去する。これによって、図２（ｃ）に示すように、第２マスク２２のマスクパターンに対応したメサ型の形状を有する光導波路構造が得られる（第２エッチング工程）。
【００３４】
この光導波路構造は、具体的には、第１半導体光素子を構成するための第１領域Ｒ１の第１光導波路構造（第１層構造）４１と、第２半導体光素子を構成するための第２領域Ｒ２の第２光導波路構造（第２層構造）４２とからなり、これら２つの光導波路構造４１、４２が互いに光学的に接続された構成となっている。このように所望の光導波路構造が形成されたら、さらに埋込み加工や電極形成などの所定のプロセスを行って、最終的な半導体光集積素子とする。
【００３５】
本実施形態による半導体光集積素子の製造方法について、製造される半導体光集積素子の構成とともにさらに説明する。
【００３６】
図３は、本発明による半導体光集積素子の一実施形態の構成を一部拡大して示す側面断面図である。この半導体光集積素子は、図１及び図２に示した半導体光集積素子の製造方法を用いて製造されるものであり、図３においては、光導波路構造４１、４２の中心軸（光軸）を通る垂直断面によって、その断面構造を示している。
【００３７】
また、図３においては、第１層構造１１の選択的なエッチング除去後における第２層構造１２の成長について合わせて説明するため、上記したように第１マスク２１を成長阻止用マスクとして第２層構造１２を成長した工程段階での断面構造を、第１層構造３１上の第１マスク２１を含めて示している。ただし、第１マスク２１を除く第１層構造３１（エッチング後に残された第１層構造１１）及び第２層構造１２の断面構造は、最終的に得られる半導体光集積素子における第１層構造及び第２層構造である第１光導波路構造４１及び第２光導波路構造４２の断面構造と同等である。
【００３８】
本実施形態による半導体光集積素子は、共通のＩｎＰ基板１０上に、第１半導体光素子の光導波路構造４１に相当する第１層構造３１（１１）と、第２半導体光素子の光導波路構造４２に相当する第２層構造１２とが集積されて形成された構成となっている。これらの第１層構造３１と第２層構造１２、すなわち第１半導体光素子と第２半導体光素子とは、第１層構造３１の側壁１１ａを介して光学的に接続されている。
【００３９】
第１層構造３１は、ＩｎＰ基板１０の第１領域Ｒ１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる第１活性層１１０と、ＩｎＰからなるクラッド層１１１とが順に成長された積層構造を有して形成されている。また、その第２領域Ｒ２に面する側壁１１ａは、上記したように９０°より大きく１１０°以下となる側壁角度θを有する段差形状となっている。
【００４０】
第２層構造１２は、ＩｎＰ基板１０の第２領域Ｒ２上に、形状制御層１２２と、ＩｎＧａＡｓＰからなる第２活性層１２０と、ＩｎＰからなるクラッド層１２１とが順に成長された積層構造を有して形成されている。また、第２層構造１２の最も基板１０側の最下層である形状制御層１２２は、基板１０の半導体材料と同じＩｎＰからなる。
【００４１】
形状制御層１２２は、図３に示すように、第２領域Ｒ２の基板１０上から第１層構造３１の側壁１１ａ上まで成長されている。このうち、基板１０上での層部分は、その厚さｔが好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下となる（２０ｎｍ≦ｔ≦１５０ｎｍ）ように成長されている。また、側壁１１ａ上での層部分は、その側壁１１ａと反対側の外面１２ａが第１層構造３１の上面に対して略垂直（９０°）な面となるように形成されている。そして、第２層構造１２の他の層である第２活性層１２０及びクラッド層１２１は、この形状制御層１２２を介して基板１０上に成長されている。
【００４２】
本実施形態による半導体光集積素子、及びその製造方法の効果について説明する。
【００４３】
上記した半導体光集積素子及びその製造方法では、バットジョイント法による半導体光集積素子の製造において、先に形成した第１層構造１１を選択的にエッチング除去した後の側壁１１ａの側壁角度θを９０°より大きく１１０°以下とするとともに、後から形成する第２層構造１２の最下層として、所定の半導体材料（例えば基板１０と同じ半導体材料）からなる形状制御層１２２を第２領域Ｒ２の基板１０上から第１層構造３１の側壁１１ａ上までの範囲に成長させている。このように形状制御層１２２を形成して、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の境界における第１層構造３１の段差形状を制御することによって、続いて成長される第２層構造１２の他の層を良好に形成することが可能となる。
【００４４】
すなわち、第１層構造１１に対するエッチング後に、第２層構造１２の最下層として基板１０と格子整合する形状制御層１２２の成長を行うと、側壁角度が９０°＜θ≦１１０°となっている第１層構造３１の側壁１１ａ上にも、形状制御層１２２が自己形成的に成長される。このとき、形状制御層１２２を基板１０上での厚さが２０ｎｍ≦ｔ≦１５０ｎｍ（２００Å≦ｔ≦１５００Å）となるように成長すると、側壁１１ａ上に自己形成的に成長された層の外面１２ａが、図３に示すように略垂直面となる。
【００４５】
このように、形状制御層１２２によって側壁１１ａ上に垂直面１２ａを形成した後に、第２活性層１２０などを含む第２層構造１２の他の層を成長させると、垂直面１２ａ上での結晶の成長速度は極めて遅くなり、実質的には第２領域Ｒ２の基板１０上のみで結晶が成長する。このとき、最下層の形状制御層１２２を除く第２層構造１２の各層は、第１層構造３１との境界近傍で異常成長を生じることなく、形状制御層１２２を介して基板１０上に略平面状に成長されることとなる。
【００４６】
したがって、上記した半導体光集積素子の構成及びその製造方法によれば、複数の半導体光素子が基板１０上に集積された半導体光集積素子において、互いに光学的に接続された、第１半導体光素子の第１層構造３１と、第２半導体光素子の第２層構造１２との境界近傍での第２層構造１２の異常成長による変形が低減される。
【００４７】
これにより、第２層構造１２の第２活性層１２０が第１層構造３１との境界近傍で湾曲しなくなるので、第１活性層１１０に対する光路のずれや反射などに起因した光の損失による半導体光素子間での光結合の劣化が防止される。また、第２活性層１２０の湾曲がなくなるので、半導体光素子の特性の劣化が防止される。例えば、第２活性層１２０が量子井戸構造を有する場合でも、図３中に点線で示されているように、第２活性層１２０内の井戸層１２５が直線かつ略一定の幅で形成されるので、発光・吸収波長の変化の発生が防止される。
【００４８】
図４（ａ）及び（ｂ）は、半導体光集積素子の構成の比較例を一部拡大して示す側面断面図である。
【００４９】
図４（ａ）は、第２層構造１２の最下層として形状制御層を形成しない構成としたときの、第１層構造３１及び第２層構造１２の境界近傍での構造を示している。この場合、第２層構造１２の第２活性層１２０及びクラッド層１２１などの各層は、基板１０上のみでなく、垂直面となっていない第１層構造３１の側壁１１ａ上にも成長する。また、形状制御層１２２の基板１０上での厚さを２０ｎｍよりも小さくしたときも、形状制御層１２２の側壁１１ａ上での外面が充分な垂直面に形成されないので、同じく側壁１１ａ上に第２層構造１２の各層が成長する。
【００５０】
このため、形状制御層１２２の厚さが２０ｎｍよりも小さいか、または形状制御層１２２が設けられていない構成では、２つの層構造の境界近傍において第２活性層１２０などの各層が異常成長し、その変形によって第１活性層１１０との光結合が劣化する。また、量子井戸構造を有する場合、図４（ａ）に示すように、井戸層１２５が湾曲するとともに境界近傍で井戸層１２５の幅が変化し、発光・吸収波長などの素子特性が変化する。
【００５１】
さらに、このように第２層構造１２の異常成長を生じると、図４（ａ）に示すように、半導体層構造の境界近傍での表面上に突起部を生じる。このような突起部は、表面上への電極形成などのプロセスに対する妨害物となる。
【００５２】
一方、図４（ｂ）は、第２層構造１２の最下層である形状制御層１２２の厚さを１５０ｎｍよりも大きくしたときの、第１層構造３１及び第２層構造１２の境界近傍での構造を示している。この場合、形状制御層１２２が厚すぎるために形状制御層１２２自体が異常成長し、その側壁１１ａ上での層の外面１２ａに、基板１０上での層との間の湾曲部分を生じてしまう。また、側壁１１ａ上での層の上部では、半導体層構造の表面上に突起部を生じる。
【００５３】
このように異常成長を生じた形状制御層１２２上に、第２層構造１２の第２活性層１２０及びクラッド層１２１などの各層を成長すると、結局、図４（ａ）に示した場合と同様に、第２活性層１２０などの各層の異常成長による光結合の劣化、及び素子特性の劣化等が発生する。
【００５４】
以上より、第２層構造１２の最下層として形成する形状制御層１２２については、その基板１０上での厚さｔを２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることが好ましい。なお、形状制御層１２２の厚さをこの数値範囲内とすることによって、その上に形成される第２活性層１２０などの第２層構造１２の各層の結晶性も向上される。
【００５５】
また、エッチング後の第１層構造３１の側壁１１ａについては、側壁１１ａ上に成長される形状制御層１２２の外面１２ａによって、良好な垂直面を形成するため、上記したように、その側壁角度θを９０°より大きく１１０°以下とすることが好ましい。
【００５６】
また、半導体層構造の各層に用いられる具体的な半導体材料の構成の例としては、基板１０の半導体材料としてＩｎＰを用いるとともに、第２層構造１２を、その活性層１２０にＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸構造を含み、形状制御層１２２が基板１０と同じ半導体材料ＩｎＰで形成される層構造とすることが好ましい。
【００５７】
あるいは、基板１０の半導体材料としてＧａＡｓを用いるとともに、第２層構造１２を、その活性層１２０にＩｎＧａＡｌＡｓＰからなる量子井戸構造を含み、形状制御層１２２が基板１０のＧａＡｓと略格子整合するように選択されたＩｎＧａＰを半導体材料として形成される層構造とすることが好ましい。
【００５８】
また、形状制御層１２２は、側壁１１ａ上での層の外面１２ａが略（０１１）面となるように形成されていることが好ましい。すなわち、第１層構造３１が垂直面としたときに（０１１）面となるように形成されていると、側壁１１ａ上に成長された形状制御層１２２の外面１２ａとして（０１１）面が自己形成される。このとき、第２層構造１２の他の層の（０１１）面上での成長速度が極めて遅くなるので、（１００）面から略平面状に第２活性層１２０などを含む第２層構造１２を成長することが可能となる。
【００５９】
また、第１層構造１１の選択的なエッチング除去については、ＣＨ4及びＨ2を用いたドライエッチングによって行うことが効果的である。
【００６０】
半導体層構造のエッチング除去をウエットエッチングによって行うと、例えばＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとのエッチングレートの違いなどにより、エッチングレートが速い結晶層のみが横方向に大きくエッチングされるサイドエッチングを生じる場合がある。これに対して、ドライエッチングは指向性が良く、第１層構造１１の選択的なエッチング除去を良好に行うことができる。特に、結晶面方位などに依存せずに垂直に近いエッチング形状が得られることから、バットジョイント法による半導体光集積素子の製造に用いるエッチング方法として適している。
【００６１】
具体的なドライエッチングの方法としては、例えば、ＥＣＲ、ＩＣＰなどのプラズマ源を用いた高密度プラズマによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）や、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）などを用いることができる。また、ガス種としては、ＣＨ4とＨ2、Ｃｌ2などを用いることができる。
【００６２】
特に、ＣＨ4及びＨ2を用いてドライエッチングを行った場合、平滑かつ低ダメージなエッチングが可能であり、また、ＣＨ4とＨ2との流量比を変えることで、エッチング後に生成される第１層構造の側壁の側壁角度を調整することができる。例えばＥＣＲプラズマ源を用いたドライエッチングでは、ＣＨ4＋Ｈ2の全体での流量に対するＣＨ4の流量の比を０．３以上０．７以下（０．３≦（ＣＨ4）／（ＣＨ4＋Ｈ2）≦０．７）とすることで、エッチング後の第１層構造３１の側壁１１ａの側壁角度θを９０°＜θ≦１１０°の範囲内とすることができる。
【００６３】
上述した実施形態に基づいた半導体光集積素子及びその製造方法の実施例について説明する。本実施例では、第１領域Ｒ１の第１半導体光素子としてＤＦＢレーザ（Distributed Feed-Back Laser：分布フィードバックレーザ）を、また、第２領域Ｒ２の第２半導体光素子としてＥＡ変調器（Electro-Absorption Modulator：電界吸収変調器）をそれぞれ形成することとする。この構成では、ＤＦＢレーザで発光された光がＥＡ変調器を介して出射される半導体光集積素子が得られる。
【００６４】
まず、半導体基板としてＳｎドープＩｎＰ基板１０を用意した。この基板１０上の全面に、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）を用いて、ＤＦＢレーザのための結晶構造を成長した。具体的には、厚さ２００ｎｍのＳｉドープＩｎＰ層、ＧａＩｎＡｓＰからなる下部ＳＣＨ層（Separate Confinement Hetero-Structure：分離閉込めヘテロ構造）、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰからなるＭＱＷ層（Multi Quantum Well：多重量子井戸）、及びＧａＩｎＡｓＰからなる上部ＳＣＨ層を順次成長し、さらに、上部ＳＣＨ層の表面に回折格子を形成した後に、厚さ２００ｎｍのＺｎドープＩｎＰ層を成長して、それらの積層からなる第１層構造１１を形成した（図１（ａ））。活性層部の厚さは３００ｎｍであった。
【００６５】
次に、第１層構造１１の表面上にＳｉＮ膜を成膜し、フォトリソグラフィー技術を用いて、ＤＦＢレーザの光導波路構造が形成される領域を含む第１領域Ｒ１を覆う第１マスク２１を形成した（図１（ｂ））。ただし、ＳｉＮマスクの方向については、上述のように、Ｘ軸方向を〈０１１〉結晶軸方向とした。そして、第１マスク２１をエッチング阻止用マスクとし、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、マスクされていない第２領域Ｒ２の第１層構造１１をエッチング除去して、エッチング後の第１層構造３１を形成した（図１（ｃ））。
【００６６】
この反応性イオンエッチングは、ＣＨ4及びＨ2を用い、室温においてＣＨ4＝２５ｃｍ3／ｍｉｎ（＝２５ｓｃｃｍ、standard ｃｃ／ｍｉｎ）、Ｈ2＝２５ｃｍ3／ｍｉｎ（＝２５ｓｃｃｍ）の流量で、１００Ｗの高周波電力を印加して行った。このとき、エッチング後の第１層構造３１における側壁１１ａの側壁角度θは、およそ９５°であった。また、そのエッチング深さは、第１層構造３１での活性層と、後から形成する第２層構造１２での活性層との中心部の高さが略同じ高さになるように設定した。
【００６７】
また、第１層構造１１のエッチング終了後、チャンバを真空引きした後に連続してＯ2＝６０ｃｍ3／ｍｉｎ（＝６０ｓｃｃｍ）、１００Ｗの条件でプラズマエッチングを行うことが好ましい。これによって、第１マスク２１上に堆積したハイドロカーボンを除去することができる。
【００６８】
続いて、第１マスク２１をそのまま成長阻止用マスクとし、第１層構造１１がエッチング除去された第２領域Ｒ２の基板１０上に、有機金属気相成長法を用いて、ＥＡ変調器のための結晶構造を選択的に成長した。具体的には、厚み１００ｎｍのＳｉドープＩｎＰ形状制御層、ＧａＩｎＡｓＰからなる下部ＳＣＨ層、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰからなるＭＱＷ層、ＧａＩｎＡｓＰからなる上部ＳＣＨ層、及び厚さ２００ｎｍのＺｎドープＩｎＰ層を順次成長して、それらの積層からなる第２層構造１２を形成した（図２（ａ））。
【００６９】
このＥＡ変調器を構成する第２層構造１２での多重量子井戸構造は、そのフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長が、ＤＦＢレーザを構成する第１層構造３１での多重量子井戸構造によるＰＬ波長よりも６０ｎｍ短くなる構成とした。
【００７０】
次に、第１層構造３１及び第２層構造１２の表面上にＳｉＮ膜を成膜し、フォトリソグラフィー技術を用いて、第１層構造３１上及び第２層構造１２上にわたって、Ｘ軸方向に伸びるストライプ状の第２マスク２２を形成した（図２（ｂ））。そして、第２マスク２２をエッチング阻止用マスクとし、反応性イオンエッチングによって、マスクされていない領域の第１層構造３１及び第２層構造１２をメサ型にエッチングして、ＤＦＢレーザとなる第１光導波路構造４１、及びＥＡ変調器となる第２光導波路構造４２が光学的に接続された光導波路構造を形成した（図２（ｃ））。さらに、埋込み加工や電極形成などの所定のプロセスを行って、最終的な半導体光集積素子とした。
【００７１】
以上の実施例によって、ＤＦＢレーザ及びＥＡ変調器が共通の基板上に集積された構成からなり、良好な素子特性を有する半導体光集積素子が得られた。
【００７２】
ここで、上記した実施例において、第２層構造１２の最下層として成長されたＳｉドープＩｎＰ形状制御層について、その基板１０上での厚さを１５０ｎｍより大きくすると、第１層構造３１との境界近傍における第２層構造１２の異常成長が発生することが確認された。また、その厚さを２０ｎｍより小さくした場合も同様である。
【００７３】
また、エッチング後の第１層構造３１の側壁１１ａの側壁角度θに関して、第１層構造１１に対するドライエッチングのガス流量を変えて半導体層構造の形成を行った。ただし、エッチング後に成長させる第２層構造１２については、厚さ５０ｎｍのＩｎＰ形状制御層、厚さ３１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層、及び厚さ２００ｎｍのＩｎＰクラッド層からなる積層構造とした。
【００７４】
このとき、上記した実施例と同様にＣＨ4＝２５ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｈ2＝２５ｃｍ3／ｍｉｎの流量で第１層構造１１のエッチングを行ったところ、エッチング後の側壁角度θは９２°と良好なメサ角度が得られた。また、第２層構造１２の成長後に生じる異常成長による表面上の突起部は、高さ０．１μｍに小さく抑えられた。
【００７５】
これに対して、ＣＨ4＝５ｃｍ3／ｍｉｎ、Ｈ2＝４５ｃｍ3／ｍｉｎの流量で第１層構造１１のエッチングを行ったところ、エッチング後の側壁角度θは１２０°と大きいメサ角度となった。また、第２層構造１２の成長後に生じる異常成長による表面上の突起部は、高さ１μｍとやや大きくなり、形状制御層による異常成長の抑制効果が充分に得られなかった。
【００７６】
なお、メサエッチングによって光導波路構造を形成した後の工程については、半導体光集積素子の構造に合わせて、任意のプロセスを用いて良い。図１及び図２に示した工程に続く半導体光集積素子の製造工程の一例を図５に示す。
【００７７】
まず、第１光導波路構造４１及び第２光導波路構造４２からなる光導波路構造４０の領域を除く領域の基板１０上に、有機金属気相成長法を用いて、Ｆｅ−ＩｎＰからなる半絶縁性の埋込み層５０を成長する（図５（ａ））。次に、光導波路構造４０及び埋込み層５０の表面上に、厚み２．０μｍのＩｎＰクラッド層５５及び厚み０．５μｍのＧａＩｎＡｓコンタクト層６０を形成する（図５（ｂ））。そして、２つの半導体光素子であるＤＦＢレーザ及びＥＡ変調器の素子分離領域にあるコンタクト層部分を除去して、それぞれに対する分離されたコンタクト層６１、６２とする（図５（ｃ））。
【００７８】
さらに、コンタクト層６１、６２上に、それぞれコンタクト窓を有する絶縁膜７１、７２を形成し（図５（ｄ））、その上にそれぞれ金属配線８１、８２を形成する（図５（ｅ））。以上によって、ＤＦＢレーザ及びＥＡ変調器が共通の基板１０上に集積された半導体光集積素子が得られる。
【００７９】
本発明による半導体光集積素子、及びその製造方法は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した実施形態では２つの半導体光素子が集積される半導体光集積素子の製造について説明したが、３つ以上の半導体光素子を集積する場合でも、同様に本発明の半導体光集積素子の構成及び製造方法を適用することが可能である。
【００８０】
また、集積する半導体光素子についても、上記したＤＦＢレーザ及びＥＡ変調器に限らず、ＦＰレーザ、半導体光増幅器、受光素子、マッハツェンダー型変調器、光導波路、光合波器、光分波器など、様々な半導体光素子を適用することができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明による半導体光集積素子、及びその製造方法は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、バットジョイント法による半導体光集積素子の製造において、先に形成した第１層構造を選択的にエッチング除去した後の側壁角度を９０°より大きく１１０°以下とするとともに、後から形成する第２層構造の最下層として、所定の半導体材料からなる形状制御層を第２領域の基板上から第１層構造の側壁上までの範囲で所定の厚さに成長させる半導体光集積素子の構成及び製造方法によれば、２つの半導体層構造の境界近傍での第２層構造の異常成長による変形が低減されて、各半導体光素子の特性の劣化や、半導体光素子間での光結合の劣化が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体光集積素子の製造方法の一実施形態を模式的に示す工程図である。
【図２】半導体光集積素子の製造方法の一実施形態を模式的に示す工程図である。
【図３】半導体光集積素子の一実施形態の構成を一部拡大して示す側面断面図である。
【図４】半導体光集積素子の構成の比較例を一部拡大して示す側面断面図である。
【図５】図１及び図２に示した工程に続く半導体光集積素子の製造工程の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、
１１…第１半導体層構造、１１０…ＩｎＧａＡｓＰ第１活性層、１１１…ＩｎＰクラッド層、１１ａ…側壁、２１…第１マスク、３１…エッチング後の第１半導体層構造、４１…第１光導波路構造、
１２…第２半導体層構造、１２０…ＩｎＧａＡｓＰ第２活性層、１２１…ＩｎＰクラッド層、１２２…形状制御層、１２５…井戸層、１２ａ…側壁上での層の外面、２２…第２マスク、４２…第２光導波路構造、
４０…光導波路構造、５０…埋込み層、５５…ＩｎＰクラッド層、６０、６１、６２…コンタクト層、７１、７２…絶縁膜、８１、８２…金属配線。
【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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