(57)【要約】【課題】  結晶性の良好な活性層を有する半導体光集積素子を提供する。【解決手段】  半導体光集積素子１００は、ＧａＡｓからなる基板１０と、この基板上に配置された第１の半導体積層構造５１及び第２の半導体積層構造５２を有している。これらの積層構造は、それぞれ第１の活性層１４及び第２の活性層２１を含んでいる。これらの活性層は互いに離間している。これらの活性層の間には、ＧａＡｓからなる光透過層３０が延在しており、この二つの活性層を光学的に接続している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第１及び第２の半導体積層構造と、
を備える半導体光集積素子であって、
前記第１の半導体積層構造は、光を透過する第１の活性層を含んでおり、
前記第２の半導体積層構造は、前記第１の活性層から前記光を受ける第２の活性層を含んでおり、
前記第２の活性層は、前記第１の活性層から離間しており、
前記第１の活性層と前記第２の活性層との間に延在し、ＧａＡｓからなる光透過層を更に備える半導体光集積素子。
【請求項２】
前記光透過層に隣接し、前記光透過層よりも低い屈折率を有するガイド層を更に備える請求項１に記載の半導体光集積素子。
【請求項３】
光を透過する第１の活性層を含む第１の半導体積層構造を半導体基板上に形成する工程と、
前記第１の半導体積層構造を部分的に除去する工程と、
第２の活性層を含む第２の半導体積層構造を、前記除去する工程によって露出した前記第１の半導体積層構造の面に接合されるように、前記半導体基板上に形成する工程と、
前記第１及び第２の半導体積層構造のうち前記面を含む部分を除去する工程と、
前記第１の活性層と前記第２の活性層との間に延在し、ＧａＡｓからなる光透過層を形成する工程と、
を備える半導体光集積素子の製造方法。
【請求項４】
前記光透過層を形成する工程の後、前記光透過層に隣接し、前記光透過層よりも低い屈折率を有するガイド層を形成する工程を更に備える請求項３に記載の半導体光集積素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の半導体光素子を単一の基板上に集積した半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体光集積素子を単一の基板上に集積する方法の一つに、突合せ接合（バットジョイント）がある。下記の特許文献１には、二つの半導体光素子を単一の基板上においてバットジョイントにより集積する技術が開示されている。
【０００３】
典型的なバットジョイント集積技術では、まず、基板全面に第１の素子用の半導体積層構造を成長させる。この積層構造には、活性層およびガイド層が含まれる。次に、第１の素子を形成する部分にのみ絶縁膜を形成し、その絶縁膜をマスクとして積層構造をエッチングする。この後、第１の素子用の積層構造に接合するように、第２の素子用の半導体積層構造を成長させる。この積層構造にも、活性層およびガイド層が含まれる。このようなエッチング−再成長の工程を素子の数だけ繰り返すことにより、バンドギャップの異なる活性層を有する複数の光半導体素子を単一の基板上に集積することができる。
【特許文献１】特開昭６２−１９４６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の再成長工程では、絶縁膜マスクの影響のために、第２の素子用の活性層が第１の積層構造との接合部付近において異常成長したり、その組成が変化したりすることが起きる。この結果、接合部付近では活性層の結晶性が悪化してしまう。結晶性の悪化は、半導体光集積素子の光損失の増加や性能の劣化を引き起こす。結晶性の劣化の程度は、素子の配置や絶縁膜マスクの大きさ等に依存するため、基板の面内分布や面内の素子配置に応じて変化してしまう。また、結晶性の劣化は再現性にも乏しい。
【０００５】
そこで、本発明は、結晶性の良好な活性層を有する半導体光集積素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの側面は、半導体基板と、この半導体基板上に配置された第１及び第２の半導体積層構造とを備える半導体光集積素子に関する。第１の半導体積層構造は、光を透過する第１の活性層を含んでおり、第２の半導体積層構造は、第１の活性層から光を受ける第２の活性層を含んでいる。第１及び第２の活性層は、共に化合物半導体結晶からなっていてもよい。第２の活性層は、第１の活性層から離間している。この半導体光集積素子は、第１の活性層と第２の活性層との間に延在し、ＧａＡｓからなる光透過層を更に備えている。
【０００７】
第１及び第２の活性層は、直接接合されるのではなく、ＧａＡｓからなる光透過層を介して光学的に接続される。このため、この半導体光集積素子を製造する際、第１の半導体積層構造と直接接合されるように第２の半導体積層構造を形成した後、結晶性が悪化した接合面付近の部分を除去し、その後、結晶性の悪化しにくいＧａＡｓからなる光透過層を形成して二つの活性層を光学的に接続することが可能になる。このため、この半導体光集積素子は、結晶性の良好な第１及び第２の活性層を有するように製造することができる。
【０００８】
この半導体光集積素子は、光透過層に隣接するガイド層を更に備えていてもよい。このガイド層は、光透過層よりも低い屈折率を有する。このガイド層は、光透過層に光を閉じ込める作用を有する。したがって、半導体光集積素子の光損失がいっそう低減される。
【０００９】
本発明の別の側面は、半導体光集積素子の製造方法に関する。この方法は、光を透過する第１の活性層を含む第１の半導体積層構造を、半導体基板上に形成する工程と、第１の半導体積層構造を部分的に除去する工程と、第２の活性層を含む第２の半導体積層構造を、上記の除去工程によって露出した第１の半導体積層構造の面に接合されるように、半導体基板上に形成する工程と、第１及び第２の半導体積層構造のうち上記の面を含む部分を除去する工程と、第１の活性層と前記第２の活性層との間に延在し、ＧａＡｓからなる光透過層を形成する工程とを備えている。第１及び第２の活性層は、共に化合物半導体結晶からなっていてもよい。
【００１０】
この方法では、第１の半導体積層構造と直接接合されるように第２の半導体積層構造を形成した後、結晶性の悪化した接合面付近の部分を除去し、その後、結晶性の悪化しにくいＧａＡｓからなる光透過層を形成して二つの活性層を光学的に接続する。このため、第１及び第２の活性層が良好な結晶性を有するように半導体光集積素子を製造することができる。
【００１１】
この方法は、光透過層を形成する工程の後、前記光透過層に隣接し、前記光透過層よりも低い屈折率を有するガイド層を形成する工程を更に備えていてもよい。このガイド層は、光透過層に光を閉じ込める作用を有する。これにより、光損失のいっそう低い半導体光集積素子が製造される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、結晶性の良好な活性層を有する半導体光集積素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る半導体光集積素子の構造を示す部分縦断面図である。この半導体光集積素子１００は、ＧａＡｓ基板１０上に配置されたＤＦＢレーザ素子５１及び電界吸収型光変調器５２を有している。ＧａＡｓ基板１０の上面は、ＧａＩｎＰ下部クラッド層１２によって覆われている。ＤＦＢレーザ素子５１及び光変調器５２は、それぞれ下部クラッド層１２上に複数の半導体層を積層することにより構成されている。
【００１５】
ＤＦＢレーザ素子５１は、下部クラッド層１２上に順次に設けられたＧａＡｓ下部ガイド層１３、ＧａＩｎＮＡｓ活性層１４、ＧａＡｓ上部ガイド層１５、ＧａＡｓ回折格子層１６、及びＧａＩｎＰキャップ層１７を有している。ＧａＩｎＮＡｓからなる活性層１４は、ＧａＡｓからなる下部ガイド層１３及び上部ガイド層１５よりも高い屈折率を有しており、下部ガイド層１３及び上部ガイド層１５は、ＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１２及びキャップ層１７よりも高い屈折率を有している。これらの化合物半導体層１２〜１７は、活性層１４で発生する光を主に活性層１４に閉じ込めて導波する光導波路を形成している。
【００１６】
光変調器５２は、下部クラッド層１２上に順次に設けられたＧａＡｓ下部ガイド層２０、ＧａＩｎＮＡｓ活性層２１、ＧａＡｓ上部ガイド層２２、及びＧａＩｎＰキャップ層２３を有している。活性層２１は、ＤＦＢレーザ素子５１内の活性層１４から離間している。活性層２１は、活性層１４から発するレーザ光を受けて増幅すると共に、光変調器５２に大きな逆方向電圧が印加されたときには、そのレーザ光を吸収する。ＧａＩｎＮＡｓからなる活性層２１は、ＧａＡｓからなる下部ガイド層２０及び上部ガイド層２２よりも高い屈折率を有しており、下部ガイド層２０及び上部ガイド層２２は、ＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１２及びキャップ層２３よりも高い屈折率を有している。これらの化合物半導体層１２、２０〜２３は、光を主に活性層２１に閉じ込めて導波する光導波路を形成している。
【００１７】
下部クラッド層１２の上面においてＤＦＢレーザ素子５１と光変調器５２の間には、ＧａＡｓ光透過層３０及びＧａＩｎＰキャップ層３２が積層されている。光透過層３０は、下部クラッド層１２及びキャップ層３２よりも高い屈折率を有している。したがって、これらの化合物半導体層１２、３０及び３２は、ＤＦＢレーザ素子５１内の活性層１４から発するレーザ光を閉じ込めて導波し、光変調器５２内の活性層２１に導く光導波路５３を形成している。
【００１８】
キャップ層１７、２３及び３２上には、これらの層を覆うＧａＩｎＰ上部クラッド層３８が設けられている。上部クラッド層３８上には、コンタクト層４０及び上部電極４２が順次に設けられている。また、ＧａＡｓ基板１０の下面には、下部電極４４が被着されている。
【００１９】
以下では、半導体光集積素子１００の製造方法を説明する。図２〜図４は、この製造方法を示す工程図である。まず、図２（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板１０の上面全体に、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、回折格子層１６及びキャップ層１７を順次に形成する。次に、キャップ層１７の上面全体に絶縁膜１８（例えばＳｉＮｘやＳｉＯ２）を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによって、ＤＦＢレーザ素子５１を配置すべき領域にのみ絶縁膜１８を残す（図２（ｂ）を参照）。この絶縁膜１８をマスクにして、層１３〜１７をエッチングする（図２（ｃ）を参照）。これにより、層１３〜１７のうち絶縁膜１８によって覆われていない部分が除去され、下部クラッド層１２の上面が部分的に露出する。こうして、層１３〜１７からなる半導体積層構造５４が得られる。
【００２０】
次に、図３（ｄ）に示されるように、この露出した下部クラッド層１２の上面に、下部ガイド層２０、活性層２１、上部ガイド層２２及びキャップ層２３をＭＯＣＶＤ法によって順次に成長させる。こうして、層２０〜２３からなる半導体積層構造５５が得られる。
【００２１】
以上の工程は従来技術と同様である。したがって、積層構造５４と積層構造５５との接合面の付近では、絶縁膜１８の影響によって、ＧａＩｎＮＡｓからなる活性層２１が異常成長し、その結晶性が悪化する。また、異常成長によって下部ガイド層２０、活性層２１及び上部ガイド層２２の厚さが増すため、下部ガイド層１３と２０、活性層１４と２１、上部ガイド層１５と２２がそれぞれ不連続となる。この結果、レーザ光の結合効率が低下したり、接合面で反射が生じたりする。そこで、本実施形態では、下記に示す工程を実行することにより、上記の諸問題を解決する。
【００２２】
まず、絶縁膜１８を除去した後（図３（ｅ）を参照）、キャップ層１７及び２３を覆う絶縁膜２４を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによって、絶縁膜２４のうち異常成長部分を覆う領域を除去する（図３（ｆ）を参照）。次に、図４（ｇ）に示されるように、絶縁膜２４をマスクにして、ガイド層１３、１５、２０及び２２、活性層１４及び２１、並びにキャップ層１７及び２３のうち接合面の付近に位置する部分をエッチングによって除去する。除去する部分の長さは１０μｍ程度である。こうして、層１３〜１７からなる積層構造５４と、層２０〜２３からなる積層構造５５の間に凹部２６が形成される。
【００２３】
次に、凹部２６内にＭＯＣＶＤ法によって光透過層３０及びキャップ層３２を順次に成長させ、光導波路５３を形成する（図４（ｈ）を参照）。光透過層３０のうち活性層１４及び２１と隣接する部分は、その成長レートが増大して厚みを増すなど、絶縁膜２４から影響を受ける。しかし、光透過層３０を構成するＧａＡｓは、活性層１４及び２１を構成するＧａＩｎＮＡｓと異なり、２元系であることから、異常成長や組成変動は起こらず、結晶性もほとんど悪化しない。したがって、光透過層３０は、活性層１４と活性層２１とを良好に光学的に接続することができる。
【００２４】
この後、図４（ｉ）に示されるように、絶縁膜２４を除去する。こうして、半導体積層構造５４及び５５の間に光導波路５３が挿入された半導体光集積素子が得られる。
【００２５】
図５及び図６は、この後の製造工程を示す上面図であり、図７は、図５及び図６に対応する部分横断面図である。ここで、図７（ａ）は図５（ａ）の７ａ−７ａ線に沿った部分断面図、図７（ｂ）は図５（ｂ）の７ｂ−７ｂ線に沿った部分断面図、図７（ｃ）は図５（ｃ）の７ｃ−７ｃ線に沿った部分断面図、図７（ｄ）は図６（ｄ）の７ｄ−７ｄ線に沿った部分断面図、図７（ｅ）は図６（ｅ）の７ｅ−７ｅ線に沿った部分断面図である。
【００２６】
まず、キャップ層１７、２３及び３２の全体を覆うように絶縁膜を形成し、図５（ａ）及び図７（ａ）に示されるように、フォトリソグラフィとエッチングによって、絶縁膜をストライプ状に成形する。得られたストライプ状の絶縁膜３４の幅は５μｍである。
【００２７】
次に、絶縁膜３４をマスクに用いて、キャップ層１７、２３及び３２、回折格子層１６、ガイド層１３、１５、２０及び２２、活性層１４及び２１、下部クラッド層１２の一部をエッチングにより除去する（図５（ｂ）及び図７（ｂ）を参照）。
【００２８】
続いて、下部クラッド層１２上において半導体積層構造５４及び５５並びに光導波路５３の両側に、ＭＯＣＶＤ法によって下部電流ブロック層３６及び上部電流ブロック層３７を順次に成長させる（図５（ｃ）及び図７（ｃ）を参照）。
【００２９】
絶縁膜３４を除去した後、キャップ層１７、２３及び３２と上部電流ブロック層３７を覆うように上部クラッド層３８及びコンタクト層４０を順次に成長させる（図６（ｄ）及び図７（ｄ）を参照）。
【００３０】
この後、コンタクト層４０の上に上部電極４２を形成すると共に、ＧａＡｓ基板１０の下面に下部電極４４を形成する。続いて、コンタクト層４０及び上部電極４２のうちＤＦＢレーザ素子５１と光変調器５２の間に位置する部分をエッチングで除去して、半導体光集積素子１００を得る（図６（ｅ）及び図７（ｅ）を参照）。
【００３１】
以下では、本実施形態の利点を説明する。半導体光集積素子１００において活性層１４及び２１は、直接接合されるのではなく、光透過層３０を介して光学的に接続される。したがって、第１の半導体積層構造５４と直接接合されるように第２の半導体積層構造５５を形成した後、結晶性が悪化した接合面付近の部分を除去し、その後、結晶性の悪化しにくいＧａＡｓからなる光透過層３０を形成して活性層１４と活性層２１を光学的に接続することが可能になる。このため、半導体光集積素子１００は、結晶性の良好な活性層１４及び２１を有するように製造することができる。その結果、半導体光集積素子１００は、光損失が少なく、性能に優れ、良好な基板面内分布及び再現性を有している。
【００３２】
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。
【００３３】
上記の半導体光集積素子１００は変調器集積ＤＦＢレーザ素子であるが、本発明に係る半導体光集積素子は、活性層を有する複数の任意の半導体能動素子（レーザ素子、変調器、増幅器、受光素子など）が集積された素子であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】半導体光集積素子の構造を示す部分縦断面図である。
【図２】半導体光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図３】半導体光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】半導体光集積素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】半導体光集積素子の製造工程を示す上面図である。
【図６】半導体光集積素子の製造工程を示す上面図である。
【図７】半導体光集積素子の製造工程を示す部分横断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…ＧａＡｓ基板、１２…下部クラッド層、１３…下部ガイド層、１４…活性層、１５…上部ガイド層、１６…回折格子層、１７…キャップ層、１８…絶縁膜、２０…下部ガイド層、２１…活性層、２２…上部ガイド層、２３…キャップ層、２４…絶縁膜、２６…凹部、３０…ＧａＡｓ光透過層、３２…キャップ層、３４…絶縁膜、３６…下部電流ブロック層、３７…上部電流ブロック層、３８…上部クラッド層、４０…コンタクト層、４２…上部電極、４４…下部電極、５１…ＤＦＢレーザ素子、５２…電界吸収型光変調器、５３、６１及び６２…光導波路、５４及び５５…半導体積層構造、１００…半導体光集積素子
【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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