(57)【要約】【課題】発光波長の制御範囲を広くできる半導体光集積素子の製造方法を提供すること。【解決手段】硫黄を含む半導体基板上に、井戸層および障壁層からなる量子井戸構造を構成する複数の半導体層であって、前記井戸層または障壁層の厚さが互いに異なる複数の半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記複数の半導体層をそれぞれ含む複数の光素子を形成する光素子形成工程と、前記複数の半導体層の発光波長をシフトさせるための熱処理を行う熱処理工程と、を含む。好ましくは、前記熱処理工程は、６００℃〜８００℃の範囲にて行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄を含む半導体基板上に、井戸層および障壁層からなる量子井戸構造を構成する複数の半導体層であって、前記井戸層または障壁層の厚さが互いに異なる複数の半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記複数の半導体層をそれぞれ含む複数の光素子を形成する光素子形成工程と、
前記複数の半導体層の発光波長をシフトさせるための熱処理を行う熱処理工程と、
を含む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】
前記熱処理工程は、６００℃〜８００℃の範囲にて行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体光集積素子の製造方法。
【請求項３】
前記半導体層形成工程は、前記井戸層または障壁層を１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さに形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光集積素子の製造方法。
【請求項４】
前記半導体層形成工程は、選択成長法を用いて前記複数の半導体層を成長することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体光集積素子の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度の硫黄を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体光集積素子の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理工程は、前記半導体基板面内で温度分布を形成して行なうことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つ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】
本発明は、半導体基板上に、半導体層を有する複数の光素子を備える半導体光集積素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報通信の需要増加に伴い、高密度波長分割多重通信（DWDM：Dence  Wavelength  Division  Multiplex）の通信システムの大容量化が進んでいる。大容量通信システムに用いる光源として、コストやサイズを低減する目的で、異なるレーザ発振波長を有する半導体レーザを同一基板上に複数形成した光集積素子が検討されている。同一基板上に異なるレーザ発振波長の半導体レーザを実現させるための技術として、選択成長を用いる方法がある（たとえば非特許文献１参照）。この方法は、半導体レーザを形成すべき領域の両側に、領域ごとに幅が異なる誘電体膜のマスクを形成して半導体結晶成長を行なうことによって、各領域にマスクの幅に応じて異なる厚さを有する活性層を成長させて、それぞれの活性層の発光波長を異ならせるという方法である。ここで、活性層は、井戸層と障壁層とを備えた、単一または多重の量子井戸構造を有しているものとする。この選択成長によれば、マスク幅を広くすることによって井戸層の厚さを厚くすることができる。井戸層を厚くすると、井戸層内に形成された量子準位が、伝導帯では低エネルギー側にシフトし、価電子帯では高エネルギー側にシフトするため、活性層の発光波長を長波長側にシフトさせることができる。また、同様に、マスク幅を狭くすることによって、活性層の発光波長を短波長側にシフトさせることができる。
【０００３】
また、量子井戸構造を有する活性層の場合、熱処理によって井戸層と障壁層との界面で元素の相互拡散が起こり、発光波長が短波長側にシフトする現象が知られている（たとえば非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】T.  Sasaki,  M.  Yamaguchi,  K.  Komatsu,  and  I.  Mito,  IEICE  Trans.  Electron.,  E80-C,  pp.654-663(1997)
【非特許文献２】S.  D.  Perrion,  et  al.,  J.  Elect.  Mat.  23(1994)  81.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した選択成長を用いると、マスク幅の調整によって活性層の厚さを調整し、発光波長を制御することができる。しかしながら、選択成長の場合は、発光波長の制御範囲が、マスク幅の調整範囲および井戸層の厚さの調整範囲によって限定されるという問題があった。特に、結晶品質や発光強度の点からすると、好ましい井戸層の厚さの下限が制限されるため、発光波長の短波長側へのシフト量が制限されるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発光波長の制御範囲を広くできる半導体光集積素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法は、硫黄を含む半導体基板上に、井戸層および障壁層からなる量子井戸構造を構成する複数の半導体層であって、前記井戸層または障壁層の厚さが互いに異なる複数の半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記複数の半導体層をそれぞれ含む複数の光素子を形成する光素子形成工程と、前記複数の半導体層の発光波長をシフトさせるための熱処理を行う熱処理工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法は、上記の発明において、前記熱処理工程は、６００℃〜８００℃の範囲にて行うことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法は、上記の発明において、前記半導体層形成工程は、前記井戸層または障壁層を１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さに形成することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法は、上記の発明において、前記半導体層形成工程は、選択成長法を用いて前記複数の半導体層を成長することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法は、上記の発明において、前記半導体基板は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３のキャリア濃度の硫黄を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る半導体光集積素子の製造方法は、上記の発明において、前記熱処理工程は、前記半導体基板面内で温度分布を形成して行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発光波長の制御範囲を広くできる半導体光集積素子の製造方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線一部断面図である。
【図３】図３は、図２に示す活性層の構造を示す断面図である。
【図４】図４は、図２に示す活性層の構造を示す断面図である。
【図５】図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＢ−Ｂ線一部断面図である。
【図６】図６は、図１に示す集積型半導体レーザ素子のＣ−Ｃ線一部断面図である。
【図７】図７は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、バッファ層を成長する工程を説明する図（図１に示すＤ−Ｄ線断面）である。
【図８】図８は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、マスクを形成する工程を説明する図である。
【図９】図９は、図８に示すマスクの形状を拡大して示す図である。
【図１０】図１０は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、活性層を含む複数の半導体層を成長する工程を説明する図である。
【図１１】図１１は、図１０の工程により成長した活性層の構造を示す断面図である。
【図１２】図１２は、図１０の工程により成長した活性層の構造を示す断面図である。
【図１３】図１３は、マスク幅と井戸層の厚さとの関係の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、マスク幅と発光波長およびエネルギーギャップとの関係の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、回折格子を形成する工程を説明する図である。
【図１６】図１６は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、コア層、上部クラッド層を成長する工程を説明する図である。
【図１７】図１７は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、メサ構造を形成する工程を行った後の状態を示す平面図である。
【図１８】図１８は、図１に示す集積型半導体レーザ素子の製造方法において、半導体光増幅器を形成する領域における断面を示す図である。
【図１９】図１９は、井戸層の厚さと発光波長のシフトに対応するエネルギーのシフト量との関係の一例を示す図である。
【図２０】図２０は、熱処理温度と発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。
【図２１】図２１は、熱処理時間と発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、基板の硫黄のキャリア濃度と発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。
【図２３】図２３は、基板に温度分布を形成する方法の一例を説明する一部断面図である。
【図２４】図２４は、基板に温度分布を形成する方法の一例を説明する一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、本発明者らが、硫黄を含む基板上に成長した量子井戸構造を有する半導体層の発光波長が、熱処理によって、半導体層の厚さおよび基板の硫黄のキャリア濃度に応じたシフト量だけシフトすることを見出し、これを半導体層の発光波長の制御に適用することに想到したことにより、完成したものである。
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光集積素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１７】
（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る半導体光集積素子である集積型半導体レーザ素子について説明する。図１は、本実施の形態に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な構成図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態１に係る集積型半導体レーザ素子１００は、複数のＤＦＢ（Distributed  Feed-Back）レーザストライプ１１−１〜１１−ｎ（ｎは２以上の整数）と、受動光導波路である複数の光導波路１２−１〜１２−ｎと、受動光導波路である光合流器１３と、半導体光増幅器１４とを一つの半導体基板上に集積した構成を有する。なお、これらの光素子の周囲は、埋め込み部１５により埋め込まれている。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間の埋め込み部１５には、トレンチ溝１７−１〜１７−ｍ（ｍ＝ｎ―１）が形成されている。
【００１９】
ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、ストライプ状の埋め込み構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子１００の長さ方向の一端に、幅方向に所定のピッチで形成されている。ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、出力するレーザ光のレーザ発振波長が所定の波長範囲、たとえば１１５８ｎｍ〜１３２６ｎｍの範囲で互いに異なるように構成されている。また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子１００の設定温度を変化させることにより微調整することができる。
【００２０】
光合流器１３は、たとえばＭＭＩ(Multi  Mode  Interferometer)型のものであって、集積型半導体レーザ素子１００の中央部付近に形成されている。また、光導波路１２−１〜１２−ｎはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと光合流器１３との間に形成されており、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと光合流器１３とを接続している。半導体光増幅器１４は光合流器１３の光出力ポート１３ａと接続するように形成されており、光出力端１４ａを有している。
【００２１】
つぎに、この集積型半導体レーザ素子１００の断面構造について説明する。以下では、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４の順に断面構造を説明する。
【００２２】
はじめに、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの断面構造を説明する。図２は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＡ−Ａ線一部断面図である。図２に示すように、ＤＦＢレーザストライプ１１−１は、裏面にｎ側電極２１を形成した、ｎ型ドーパントである硫黄（Ｓ）を含むｎ型のＩｎＰからなる基板２２上に、下部クラッドを兼ねるｎ型のＩｎＰからなるバッファ層２３、組成を連続的に変化させたＩｎＧａＡｓＰからなる下部ＳＣＨ（Separate  Confinement  Heterostructure）層２４、多重量子井戸（Multi-Quantum  Well：ＭＱＷ）構造の活性層２５−１、組成を連続的に変化させたＩｎＧａＡｓＰからなる上部ＳＣＨ層２６、ＩｎＰからなるスペーサ層２７、ＩｎＧａＡｓＰからなるグレーティング層２８−１、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層２９、３０、およびｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３１が順次積層して構成されている。グレーティング層２８−１には、このＤＦＢレーザストライプ１１−１が出力すべきレーザ光の波長に対応する周期に設定された回折格子が形成されている。
【００２３】
なお、バッファ層２３の上部から上部クラッド層２９まではメサ構造を有しており、このメサ構造の両側はｐ型ＩｎＰからなる下部電流阻止層３２ａとｎ型ＩｎＰからなる上部電流阻止層３２ｂとから構成された電流阻止層３２により埋め込まれている。
【００２４】
また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１の積層した半導体層の表面はＳｉＮからなる保護膜３３で覆われており、保護膜３３の開口部３３ａを介してコンタクト層３１とオーミック接触するようにｐ側電極３４が形成されている。
【００２５】
また、ＤＦＢレーザストライプ１１−１とトレンチ溝１７−１により電気的に分離されたＤＦＢレーザストライプ１１−２は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１と同様の断面構造であるが、活性層２５−１およびグレーティング層２８−１を、これらとは異なる活性層２５−２およびグレーティング層２８−２に置き換えた構成を有する。グレーティング層２８−２は、ＤＦＢレーザストライプ１１−２が出力すべきレーザ光の波長に対応する周期に設定された回折格子が形成されている。また、他のＤＦＢレーザストライプ１１−３〜１１−ｎについても、ＤＦＢレーザストライプ１１−１と同様の断面構造であるが、活性層２５−１およびグレーティング層２８−１を異なる活性層およびグレーティング層に置き換えた構成を有する。
【００２６】
つぎに、活性層の構造について説明する。図３は、図２に示す活性層２５−１の構造を示す断面図である。また、図４は、図２に示す活性層２５−２の構造を示す断面図である。図３に示すように、活性層２５−１は、井戸層２５ａ−１と障壁層２５ｂ−１とが交互に積層した構成を有する。また、図４に示すように、活性層２５−２は、井戸層２５ａ−２と障壁層２５ｂ−２とが交互に積層した構成を有する。なお、井戸層の数は図３、４のように３に限られず、２以上とすることができる。
【００２７】
井戸層２５ａ―１、２５ａ−２は、組成は同一であるが厚さは互いに異なる。また、障壁層２５ｂ−１、２５ｂ−２は、組成は同一であるが厚さは互いに異なる。具体的には、それぞれ、井戸層２５ａ―２および障壁層２５ｂ−２の方が厚くなっている。ここで、上述したように、活性層の発光波長は、井戸層が薄くなるにつれて短波長にシフトするが、活性層２５−１、２５−２の発光波長は、この井戸層２５ａ―１、２５ａ−２の厚さに依存してシフトした波長に対して、井戸層２５ａ―１、２５ａ−２の厚さおよび基板２２の硫黄のキャリア濃度に応じたシフト量だけ、さらに短波長にシフトした値となっている。これについては後に本実施の形態に係る集積型半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する際に詳述する。
【００２８】
同様にして、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの各活性層は、井戸層の組成および障壁層の組成がそれぞれ同一であるが、井戸層の厚さおよび障壁層の厚さについては、ＤＦＢレーザストライプ１１−１からＤＦＢレーザストライプ１１−ｎに向かって厚くなっている。そのため、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの各活性層の発光波長も、ＤＦＢレーザストライプ１１−１からＤＦＢレーザストライプ１１−ｎに向かって長くなっている。
【００２９】
なお、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの各活性層の発光波長は、各活性層の上部に位置するグレーティング層に形成された回折格子の選択波長（すなわち所望のレーザ発振波長）に近くなるように、好ましくは一致するように設定されている。これによって、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎは、低閾値電流で電力効率高く、それぞれの所望の波長のレーザ光を出力することができる。
【００３０】
つぎに、光合流器１３の断面構造を説明する。図５は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＢ−Ｂ線一部断面図である。図５に示すように、光合流器１３は、裏面にｎ側電極２１を形成した基板２２上に、バッファ層２３、ＩｎＧａＡｓＰからなり、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎが出力するレーザ光の波長において透明なコア層４１、ｉ型ＩｎＰからなる上部クラッド層４２、上部クラッド層３０、コンタクト層３１が順次積層して構成されている。バッファ層２３の上部から上部クラッド層４２まではメサ構造を有しており、このメサ構造の両側は下部電流阻止層３２ａと上部電流阻止層３２ｂとから構成された電流阻止層３２により埋め込まれている。また、コンタクト層３１の表面は保護膜３３で覆われている。
【００３１】
なお、光導波路１２−１〜１２−ｎについては、光合流器１３と同様の断面構造を有するが、コア層の幅（メサ幅）が、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎが出力したレーザ光をシングルモードで導波するように設定されている点で異なる。
【００３２】
つぎに、半導体光増幅器１４の断面構造を説明する。図６は、図１に示す集積型半導体レーザ素子１００のＣ−Ｃ線一部断面図である。図６に示すように、半導体光増幅器１４は、裏面にｎ側電極２１を形成した基板２２上に、バッファ層２３、下部ＳＣＨ層２４、ＭＱＷ構造の活性層４３、上部ＳＣＨ層２６、スペーサ層２７、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層４４、３０、およびコンタクト層３１が順次積層して構成されている。バッファ層２３の上部から上部クラッド層４４まではメサ構造を有しており、このメサ構造の両側は下部電流阻止層３２ａと上部電流阻止層３２ｂとから構成された電流阻止層３２により埋め込まれている。また、コンタクト層３１の表面は保護膜３３で覆われており、保護膜３３の開口部３３ｂを介してコンタクト層３１とオーミック接触するようにｐ側電極４５が形成されている。
【００３３】
なお、半導体光増幅器１４の活性層４３の構造は、活性層２５−１と同様であるが、その発光波長が、井戸層の厚さおよび基板２２の硫黄のキャリア濃度に応じたシフト量を考慮して、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎが出力するレーザ光の波長範囲の中央付近となるように、井戸層および障壁層の組成および厚さを設定することが好ましい。
【００３４】
（動作）
この集積型半導体レーザ素子１００の動作を説明する。まず、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの中から選択した１つのＤＦＢレーザストライプを駆動する。トレンチ溝１７−１〜１７−ｍはＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間を電気的に分離するのでＤＦＢレーザストライプ間の分離抵抗が大きくなり、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの中の１つを選択して駆動することが容易にできる。
【００３５】
つぎに、複数の光導波路１２−１〜１２−ｎのうち駆動するＤＦＢレーザストライプと光学的に接続している光導波路は、駆動するＤＦＢレーザストライプからのレーザ光を導波する。光合流器１３は、光導波路を導波した光を通過させて光出力ポート１３ａから出力する。半導体光増幅器１４は、光出力ポート１３ａから出力したレーザ光を増幅して光出力端１４ａから出力する。半導体光増幅器１４は、駆動するＤＦＢレーザストライプからのレーザ光の光合流器１３による光の損失を補い、出力端から所望の強度の光出力を得るために用いられる。
【００３６】
上述したように、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子１００の温度を変化させることによって微調整することができる。この集積型半導体レーザ素子１００は、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長間のギャップを、温度設定による微調整によってカバーできるように設定されているので、駆動するＤＦＢレーザストライプの切り替えと温度制御とにより、連続的で広い波長可変範囲を実現することができる。
【００３７】
（製造方法）
つぎに、本実施の形態に係る集積型半導体レーザ素子１００の製造方法の一例について説明する。なお、以下の図７、図１０、図１５、図１６は、図１に示すＤ−Ｄ線断面に対応した断面を示す図である。また、図中の領域Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎを形成する領域、光導波路１２−１〜１２−ｎを形成する領域、光合流器１３を形成する領域、半導体光増幅器１４を形成する領域を示す。
【００３８】
まず、図７に示すように、硫黄を添加した基板２２上に、有機金属気相成長（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition  ：ＭＯＣＶＤ）法を用いて、バッファ層２３を成長する。
【００３９】
つぎに、図８に示すように、バッファ層２３上に選択成長法のためのマスクＭ１を形成する。このマスクＭ１は、ＳｉＮなどの誘電体からなるものであり、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎおよび半導体光増幅器１４を形成すべき領域Ｅ１−１〜Ｅ１−ｎ、Ｅ４−１の幅方向両側を挟むように形成する。
【００４０】
図９は、図８に示すマスクＭ１の領域Ｅ１における形状を拡大して示す図である。図９に示すように、マスクＭ１の領域Ｅ１−１〜Ｅ１−ｎの両側を挟む部分Ｍ１−１〜１−ｎの幅（マスク幅）をそれぞれＷ１〜Ｗｎとすると、Ｗ１＜・・・＜Ｗｎとなるように設定する。Ｗ１〜Ｗｎはたとえば０μｍ〜４０μｍの範囲とする。また、半導体光増幅器１４の活性層を形成すべき領域Ｅ４−１の幅方向両側を挟むマスクの幅については、たとえばＷ１〜Ｗｎの平均のマスク幅とする。
【００４１】
つぎに、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、下部ＳＣＨ層２４、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎおよび半導体光増幅器１４の各活性層、上部ＳＣＨ層２６、スペーサ層２７、グレーティング層２８、上部クラッド層４４を順次成長する。なお、図１０は、図１のＤ−Ｄ線断面に対応しているため、活性層については領域Ｅ１におけるＤＦＢレーザストライプ１１−３の活性層２５−３および領域Ｅ４における半導体光増幅器１４の活性層４３を示している。また、領域Ｅ２、Ｅ３については、後に除去される活性層を示している。
【００４２】
図１１は、図１０の工程により成長した活性層２５−１のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す図である。また、図１２は、図１０の工程により成長した活性層２５−２のＡ−Ａ線に沿った断面構造を示す図である。図１１に示すように、活性層２５−１を形成する領域Ｅ１−１の両側にはマスク幅がＷ１のマスクＭ１の部分Ｍ１−１が形成されている。そのため、領域Ｅ１−１には、部分Ｍ１−１が無い場合よりも、マスク幅Ｗ１に応じてより多くの材料が供給される。その結果、井戸層２５ａ−１と障壁層２５ｂ−１とは、幅Ｗ１に応じて、部分Ｍ１−１が無い場合に比べてやや厚く形成される。
【００４３】
一方、図１２に示すように、活性層２５−２を形成する領域Ｅ１−２の両側にはマスク幅がＷ１より広いＷ２のマスクＭ１の部分Ｍ１−２が形成されている。そのため、領域Ｅ１−２には、マスク幅Ｗ２に応じて、領域Ｅ１−１よりもさらに多くの材料が供給される。その結果、井戸層２５ａ−２は井戸層２５ａ−１よりも厚く形成される。また、障壁層２５ｂ−２も障壁層２５ｂ−１よりも厚く形成される。また、他の領域Ｅ１−３〜Ｅ１−ｎに形成する活性層についても、マスク幅が広くなる程、井戸層と障壁層とがより厚く形成される。
【００４４】
図１３は、マスク幅と井戸層の厚さとの関係の一例を示す図である。なお、マスク間の幅は１５μｍとしている。図１３に示すように、井戸層の厚さはマスク幅が広くなるのに応じて厚くなる。また、図１４は、マスク幅と発光波長およびこれに対応するエネルギーギャップとの関係の一例を示す図である。なお、エネルギーギャップの単位は電子ボルト（ｅＶ、１ｅＶは約１．６０×１０−１９ジュール）である。図１４に示すように、マスク幅が広くなるのに応じて井戸層の厚さが厚くなるため、井戸層内に形成される量子準位間のエネルギーギャップが小さくなるため、発光波長がより長波長となる。図１４に示す例では、マスク幅を８０μｍとすることによって、マスクが無い場合よりもエネルギーギャップを約１００ｍｅＶだけ小さくして、発光波長を約０．１４μｍだけ長波長にできる。本製造方法では、図１３に示す関係を利用して、領域Ｅ１−１〜Ｅ１−ｎのそれぞれに厚さが異なる井戸層を有する活性層を形成している。
【００４５】
つぎに、マスクＭ１を除去した後、再び全面にＳｉＮ膜を堆積し、領域Ｅ１のＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのそれぞれを形成する位置に、それぞれのレーザ発振波長に応じた周期の回折格子のパターンになるようにパターンニングを施す。また、領域Ｅ２〜Ｅ４にもパターンニングを施す。そして、ＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、領域Ｅ１の上部クラッド層４４を貫くようにしてグレーティング層２８に回折格子となる格子溝４６を形成し、その後、領域Ｅ２〜Ｅ４のグレーティング層２８を全て取り除く。つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後に、ＭＯＣＶＤ法により、上部クラッド層２９、４４を成長する（図１５参照）。
【００４６】
つぎに、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、領域Ｅ１、Ｅ４のそれぞれに、ＤＦＢレーザストライプや半導体光増幅器よりもやや幅広の形状のパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとして、マスクで覆われた部分以外の上部クラッド層２９、４４、グレーティング層２８、スペーサ層２７、上部ＳＣＨ層２６、活性層、下部ＳＣＨ層２４を除去する。そしてＳｉＮ膜をそのまま選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、図１６に示すように、コア層４１、上部クラッド層４２を順次成長する。
【００４７】
つぎに、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、新たにＳｉＮ膜を堆積し、図１に示したＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４に対応するパターンになるようにパターンニングを施す。そして、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４に対応するメサ構造を形成するとともに、バッファ層２３を露出させる。
【００４８】
図１７はこの工程を行った後の状態を示す平面図である。領域Ｅ１〜Ｅ４においては、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、光合流器１３、半導体光増幅器１４のそれぞれに対応する形状をしたメサ構造ＭＥＳＡ１〜ＭＥＳＡ４が形成される。
【００４９】
つぎに、直前の工程で用いたＳｉＮ膜のマスクを選択成長のマスクとして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、露出したバッファ層２３上に、下部電流阻止層３２ａ、上部電流阻止層３２ｂを順次成長し、電流阻止層３２を形成する。次いで、ＳｉＮ膜のマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、領域Ｅ１〜Ｅ４の全面に上部クラッド層３０、コンタクト層３１を順次成長する。図１８は、図１のＣ−Ｃ線に沿った断面、すなわち半導体光増幅器１４を形成する領域Ｅ４における断面を示す図である。
【００５０】
つぎに、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎおよび半導体光増幅器１４が備える各活性層の発光波長を短波長側にシフトさせるための熱処理を行う。この発光波長のシフト量は、以下の（１）〜（４）のパラメータ、すなわち、（１）熱処理温度、（２）熱処理時間、（３）活性層に含まれる井戸層の厚さ、（４）基板の硫黄のキャリア濃度に依存するので、これらのパラメータを適宜組み合わせて、各活性層の発光波長を所望の波長にシフトさせる。なお、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの各活性層の発光波長については、各グレーティング層に形成された回折格子の選択波長に近くなるように、好ましくは一致するようにシフトさせる。
【００５１】
ここで、各パラメータと、熱処理による発光波長のシフト量との関係を例示する。まず、図１９は、井戸層の厚さと発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。なお、図１９は、熱処理温度を８００℃とし、基板の硫黄のキャリア濃度を８×１０１８ｃｍ−３として、６０分間の熱処理を行った場合を示している。図１９に示すように、井戸層の厚さを薄くする程、発光波長の短波長側へのシフト量を大きくすることができる。なお、井戸層の厚さとしては、１０ｎｍ以下であれば、シフト量を十分に大きくすることができるので好ましい。また、１ｎｍ以上であれば、結晶性のよい井戸層を成長できるので好ましく、３ｎｍ以上あれば、所望の厚さに制御しやすいのでさらに好ましい。障壁層の厚さについては、特に限定されないが、たとえば９〜２０ｎｍ程度である。
【００５２】
つぎに、図２０は、熱処理温度と発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。なお、図２０は、井戸層の厚さを３ｎｍとし、基板の硫黄のキャリア濃度を８×１０１８ｃｍ−３として、６０分間の熱処理を行った場合を示している。図２０に示すように、熱処理温度を高くする程、発光波長の短波長側へのシフト量を大きくすることができる。なお、熱処理温度としては、たとえば６００℃以上であれば、シフト量を十分に大きくすることができるので好ましい。また、高温によって各光素子を構成する半導体結晶の品質を低下させない程度の温度、たとえば８００℃以下とすることが好ましい。
【００５３】
つぎに、図２１は、熱処理時間と発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。なお、図２１は、井戸層の厚さを３．９ｎｍとし、熱処理温度を８００℃とし、基板の硫黄のキャリア濃度を８×１０１８ｃｍ−３とした場合を示している。図２１に示すように、熱処理時間を長くする程、発光波長の短波長側へのシフト量を大きくすることができる。なお、熱処理時間としては、たとえば１０分以上であれば、シフト量を十分に大きくすることができるので好ましい。また、熱処理時間が高温の場合、各光素子を構成する半導体結晶の品質を低下させない程度の熱処理時間、たとえば６０分以下とすることが好ましい。
【００５４】
つぎに、図２２は、硫黄のキャリア濃度と発光波長のシフト量との関係の一例を示す図である。なお、図２２は、井戸層の厚さを３ｎｍとし、熱処理温度を８００℃とし、３０分程度の十分に長い時間熱処理を行った場合を示している。図２２に示すように、硫黄のキャリア濃度を高くする程、発光波長の短波長側へのシフト量を大きくすることができる。なお、キャリア濃度としては、たとえば１×１０１８ｃｍ−３以上であれば、短波長側へのシフトを発生させることができるので好ましい。また、結晶品質が劣化する恐れがあるため、１×１０１９ｃｍ−３以下とすることが好ましい。
【００５５】
図１９〜図２２に示す関係を用いれば、たとえば、基板２２の硫黄のキャリア濃度を８×１０１８ｃｍ−３とし、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの各活性層において、井戸層の厚さを、それぞれ３ｎｍ〜９ｎｍの範囲として、温度８００℃で６０分間の熱処理を行った場合には、短波長側へのシフト量は、最大で約３７ｍｅＶ（井戸層の厚さ３ｎｍの場合）、最小で約１０ｍｅＶ（井戸層の厚さ９ｎｍの場合）となる。したがって、従来の選択成長方法においてマスク幅により制御できる波長範囲よりも、エネルギーに換算して２７ｍｅＶだけ、制御できる波長範囲をさらに広くすることができる。
【００５６】
たとえば、従来選択成長を用いて製造した集積型半導体レーザ素子では、出力するレーザ光の波長範囲としては１．２０μｍ〜１．３４μｍが実現されており、１４０ｎｍ（約１００ｍｅＶ）の制御波長範囲が実現されていた。これに対して、図１９〜図２２に示す関係を用いれば、従来よりも広い１１５８ｎｍ〜１３２６ｎｍの１６８ｎｍ（１２７ｍｅＶ）の制御波長範囲を実現できる。
【００５７】
なお、上記熱処理を行った後は、ＳｉＮ膜のマスクを除去する。その後、全面にＳｉＮ膜を堆積した後、トレンチ溝に対応するパターンになるようにパターンニングを施し、このＳｉＮ膜をマスクとしてエッチングして、図１に示すトレンチ溝１７−１〜１７−ｍを形成する。トレンチ溝１７−１〜１７−ｍはバッファ層２３に到る深さまで形成するが、これに限られず、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ間が電気的に分離できる深さまで形成すればよい。上記エッチング処理を行った後は、ＳｉＮ膜のマスクを除去する。そして、全面に再びＳｉＮ膜を堆積したものにＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４に対する開口部３３ａ、３３ｂを形成してＳｉＮ保護膜３３とする。つぎに、全面にＴｉ/Ｐｔ/Ａｕからなる３層の導電膜を堆積した後、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎと半導体光増幅器１４とに対応する形状にパターンニングすることによってｐ側電極３４、４５を形成する。一方、基板２２の裏面にはＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる２層構造のｎ側電極２１を形成する。上記製造工程により、光素子である半導体光増幅器１４、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、光導波路１２−１〜１２−ｎ、および光合流器１３が形成される。
【００５８】
最後に、基板２２を、集積型半導体レーザ素子１００が複数並んだバー状にへき開し、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎ、半導体光増幅器１４を形成した両端面に反射防止膜をコートしたのち、素子ごとに分離することにより、集積型半導体レーザ素子１００が完成する。
【００５９】
以上説明したように、本製造方法によれば、発光波長の制御範囲を広くできるため、より広帯域の集積型半導体レーザ素子１００を製造することができる。
【００６０】
ところで、本製造方法では、各活性層の発光波長のシフト量は、熱処理温度に依存している。この熱処理温度は基板２２の温度を調整することによって調整できる。基板２２の温度は通常は基板面内で均一であるが、基板面内で温度分布を形成するようにすれば、活性層の発光波長を一層自由に制御できる。
【００６１】
図２３は、基板に温度分布を形成する方法の一例を説明する一部断面図である。図２３において、活性層や受動光導波路のコア層を形成した基板４７は、カーボンからなるサセプタ５１と、サセプタ５１上に取り付けられた石英ガラスからなるトレイ５２とからなる載置台５０に載置している。また、基板４７には、トレイ５２と対向する裏面に、互いに熱伝導率が異なる温度分布形成膜５３、５４が形成されている。温度分布形成膜５３、５４は、たとえばＳｉＮｘ等の誘電体膜や金属膜からなるものであり、ＣＶＤ法や蒸着法を用いて形成できるものである。
【００６２】
載置台５０を軸回りに回転させながら、ＲＦコイル等を用いてサセプタ５１を高周波誘導加熱すると、サセプタ５１は基板４７を、トレイ５２を介して熱伝導により加熱する。ここで、基板４７とトレイ５２との間には温度分布形成膜５３、５４が存在しているので、温度分布形成膜５３上と温度分布形成膜５４上とでは、基板４７に伝熱される熱量が異なるため、基板４７の面内には温度分布ができる。
【００６３】
このようにして熱処理を行えば、基板４７の面内の位置に応じて異なる温度で熱処理を行うことができる。したがって、基板４７上に形成した活性層の発光波長を、その活性層の位置に応じた異なるシフト量だけシフトさせることができる。よって、たとえばシフト量が大きい活性層とシフト量が抑制された活性層とを同時に形成することができる。
【００６４】
図２４は、基板に温度分布を形成する方法の他の一例を説明する一部断面図である。図２４において、基板４７は、サセプタ５１と、サセプタ５１上に取り付けられた石英ガラスからなるトレイ６２とからなる載置台６０に載置している。ここで、トレイ６２には凹部６２ａが形成されている。凹部６２ａ上では、基板４７は空気を介して熱伝導を受けるため、それ以外の領域よりも伝熱される熱量が少なくなるので、基板４７の面内には温度分布ができる。したがって、基板４７上に形成した活性層の発光波長を、その活性層の位置に応じた異なるシフト量だけシフトさせることができる。なお、図２４に示す例では、トレイ６２に凹部６２ａを形成しているが、基板４７の裏面に凹部を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００６５】
また、基板４７の裏面に形成する温度分布形成膜５３、５４や凹部、およびトレイ６２に形成する凹部６２ａは、たとえばフォトリソグラフィ技術を用いれば光素子と同程度の大きさの微細パターンに形成することができるので、基板４７の面内に、個別の光素子の大きさに対応した温度分布を形成することができる。これによって、各光素子の活性層の発光波長のシフト量を、光素子ごとに異なるシフト量に制御することができる。
【００６６】
以上のように、基板面内で温度分布を形成するようにすれば、活性層の発光波長を一層自由に制御できる。また、さらに、基板面内で温度分布を形成することによって、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎの活性層についてはその発光波長のシフト量を抑制しつつ、受動光導波路のコア層のバンドギャップエネルギーを大きく短波長側にシフトさせることもできる。これによって、ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎが出力するレーザ光の波長における光導波路１２−１〜１２−ｎのコア層の透過率を高くして、伝送損失を低減することができる。また、光導波路１２−１〜１２−ｎのコア層を、量子井戸構造を含めた多層構造としてもよい。この場合、各コア層のバンドギャップエネルギーを、これに接続する各ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎのレーザ発振波長に対応させた量だけシフトさせることによって、各ＤＦＢレーザストライプ１１−１〜１１−ｎに最適化された光導波路１２−１〜１２−ｎを形成することができる。
【００６７】
なお、上記実施の形態では、熱処理によって発光波長を、活性層に含まれる井戸層の厚さおよび基板の硫黄のキャリア濃度に応じたシフト量だけシフトさせているが、活性層に含まれる障壁層の厚さおよび基板の硫黄のキャリア濃度に応じたシフト量だけシフトさせるようにしてもよい。
【００６８】
また、上記実施の形態に係る集積型半導体レーザ素子は、使用波長に応じて、基板や各半導体層を構成する化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、使用波長に応じて適宜設定でき、特に限定はされない。また、上記実施の形態では、活性層が多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造としてもよい。
【００６９】
また、上記実施の形態は集積型半導体レーザ素子であるが、本発明はこれに限られず、量子井戸構造の活性層を有する光素子を集積した光集積素子に適応できる。たとえば、量子井戸構造の活性層を有する光素子としては、たとえば電界吸収型光変調器やフォトダイオードを用いることができる。なお、電界吸収型光変調器やフォトダイオードは、活性層の発光波長をシフトさせるのに応じて光吸収波長をシフトさせることができるため、その光学特性の波長依存性を制御できるものである。したがって、本発明は、半導体レーザ素子、半導体光増幅器、電気吸収型光変調器、およびフォトダイオード等の光素子を同一基板上に集積して構成された様々な種類の光集積素子に適用できるものである。
【符号の説明】
【００７０】
１１−１〜１１−ｎ  ＤＦＢレーザストライプ
１２−１〜１２−ｎ  光導波路
１３  光合流器
１３ａ  光出力ポート
１４  半導体光増幅器
１４ａ  光出力端
１５  埋め込み部
１７−１〜１７−ｍ  トレンチ溝
２１  ｎ側電極
２２、４７  基板
２３  バッファ層
２４  下部ＳＣＨ層
２５−１〜２５−３、４３  活性層
２５ａ−１、２５ａ−２  井戸層
２５ｂ−１、２５ｂ−２  障壁層
２６  上部ＳＣＨ層
２７  スペーサ層
２８、２８−１、２８−２  グレーティング層
２９、３０、４２、４４  上部クラッド層
３１  コンタクト層
３２  電流阻止層
３２ａ  下部電流阻止層
３２ｂ  上部電流阻止層
３３  保護膜
３３ａ、３３ｂ  開口部
３４、４５  ｐ側電極
４１  コア層
４６  格子溝
５０、６０  載置台
５１  サセプタ
５２、６２  トレイ
５３、５４  温度分布形成膜
６２ａ  凹部
１００  集積型半導体レーザ素子
Ｅ１〜Ｅ４、Ｅ１−１〜Ｅ１−ｎ  領域
Ｍ１  マスク
Ｍ１−１〜Ｍ１−ｎ  部分
ＭＥＳＡ１〜ＭＥＳＡ４  メサ構造
【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】
2012059963.tif 000018
【図１７】
2012059963.tif 000019
【図１８】
2012059963.tif 000020
【図１９】
2012059963.tif 000021
【図２０】
2012059963.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
2012059963.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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