(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板上に前記基板よりも高い屈折率値を有する材料からなるコア層と、前記コア層よりも低い屈折率値を有する材料からなるクラッド層を前記コア層の上下に有し、
前記コア層の膜厚が素子内で連続且つ滑らかに変化する導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、
気相成長における結晶成長の際に、前記基板とは別個の、複数個のマスキング部と複数個の目空き部と、各々の前記マスキング部を支える一の枠部とを有するシャドウマスクを準備し、
前記マスキング部と前記基板との間隙が所定値を維持して対向するように、前記基板上方に前記シャドウマスクを載置した状態とし、その状態で、前記シャドウマスクを介在させて前記シャドウマスク上方から前記基板表面に気相ガスを供給し、その供給により、気相成長で結晶成長を行って半導体薄膜を成長させ、その成長により、前記マスキング部と対向する前記コア層となる前記基板表面領域の中央部での前記半導体薄膜の厚さを、前記目空き部と対向する前記コア層となる前記基板表面領域の中央部での前記半導体薄膜の厚さよりも薄くなるようにしたものであり、前記半導体薄膜の相対的に薄い部分が前記コア層の一端部寄りの部分となり、前記半導体薄膜の相対的に厚い部分が前記コア層の一端部寄り以外の部分となるものであり、前記枠部外周の平面形状は四角であり、各々の前記マスキング部の平面形状は長方形であり、各々の前記目空き部は四角形の目空きとなっており、前記マスキング部と前記目空き部とは交互に並んであり、
前記マスキング部の延在方向と交差する方向の前記マスキング部の断面形状は逆台形であり、その逆台形の平行な２辺のうち、短い辺の側が前記基板表面と対向するように位置していることを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記シャドウマスクを基板保持具を介して前記基板上方に配置する請求項１記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記シャドウマスクは表裏面の少なくとも何れか一方の面上で前記マスキング部と前記枠部間に段差が有り、前記枠部の厚さが前記マスキング部の厚さよりも大きいシャドウマスクである請求項１記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、有機金属気相成長を行う際にキャリアガスと原料ガスと共にエッチングガスを流すことを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、エッチングガスとして塩化水素、塩化メチル、アミン基を含む原料、若しくはアミノ基を含む原料ガスを用いることを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の導波路型半導体レーザ素子の製造方法において、
シャドウマスクのマスキング部と対向するコア層となる半導体基板表面の領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の膜厚値をｄ０とし、シャドウマスクの目空き部と対向する半導体基板表面領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の最大膜厚値をｄｍａｘとしたときに、膜厚値をｄ０と最大膜厚値ｄｍａｘの関係が、
０＜ｄ０／ｄｍａｘ≦０．５
の不等式で表されることを特徴とする導波路型半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシャドウマスクと導波路型半導体光素子及びその製造方法に係り、特に、導波路型半導体光素子用の化合物半導体薄膜の気相成長に用いるのに好適なシャドウマスクと、光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワーク等に用いるのに好適な導波路型半導体光素子、及びこれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術について、以下説明する。
１．従来の導波路型半導体光素子の製造方法
化合物半導体薄膜の膜厚を同一基板面内で変化させ、テーパ状の面内膜厚分布を得ることが出来れば、種々の導波路型半導体光素子の各々において、低価格化、高信頼化、高機能化が可能になるであろうと期待されている。該当する素子例としては、光通信用導波路型光素子、発光波長１μｍ以下の半導体レーザ素子、光増幅器等がある。例えば、光通信用半導体レーザ素子においてレーザ光を発光する活性層（コアとも呼ばれる）の面内膜厚分布をテーパ状にすることにより、次のような効果が期待される。レーザ素子の光軸方向（即ち、レーザ光の出射端面に対し略垂直な方向）に沿ってテーパ状に膜厚が変えられた活性層においては、活性層を構成する井戸層と障壁層の厚さも連続的に変わる。このため、最終的にバンドギャップ波長も連続的に可変となるので、発振波長の利得帯域幅が広い半導体レーザ素子を実現できる。
【０００３】
しかし、この面内膜厚分布を変える膜厚変調技術の導入により、導波路型半導体光素子の製造工程が複雑になる傾向がある。比較的簡易な製造工程で、しかも高い結晶性を有するテーパ状の半導体薄膜を得るには、成長時に膜厚変調することが望ましい。一般に、基板表面と平行な方向の成長原料種の気相拡散を利用できる気相成長法が、テーパ状膜厚分布を得るために利用される。例えば、有機金属気相成長法(MOVPE : metal organic vapor phase epitaxy)を用いた成長膜厚変調技術に関しては、以下に示す３種類の気相成長方法が挙げられる。
【０００４】
（ａ）領域選択成長法：基板に密着する誘電体薄膜マスク近傍の成長速度が増加することを利用する領域選択成長法である。これに関しては、例えば、特開平５−３２７１１１号公報並びに１９９５年春季電子情報通信学会総合大会予稿集ＳＣ−４−４に開示されている。特開平５−３２７１１１号公報に開示される領域選択成長法では、活性層形成予定領域をその光軸に沿って挾むように酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜は、その幅が光軸に沿って変化するように形成されている。活性層の気相成長時において、当該酸化シリコン膜上に着いた原子又は分子からなる成長原料種が活性層形成予定領域へ向けてドリフトするため、酸化シリコン膜の幅が広いほどより多くの原子が活性層形成予定領域に供給される結果、厚い成長膜が形成される。
【０００５】
（ｂ）シャドウマスク成長法１：第一の半導体薄膜を介して基板に密着する第二の半導体薄膜のオーバーハングの下方部分の成長速度を減少させる気相成長法である。これに関しては、例えば、ジャーナル  オブ  エレクトロニク  マテリアルズ、第２３巻、第２号、１９９４年、第２２５〜２３２頁（Journal of Electronic Materials, Vol.23, No.2, 1994， pp.225-232）に開示されている。
【０００６】
（ｃ）シャドウマスク成長法２：特別に設計した反応室並びに２段構成の基板保持部を用い、位置的に固定されたほぼ全面板状のＳｉ若しくはＧａＡｓマスクに対してＧａＡｓ基板を移動して成長することにより、マスクの下方部分の成長速度を減少させる気相成長法である。これに関しては、例えば、アプライド  フィジックス  レター  第４８巻（１）、１９８６年、第３０〜３２頁（Appl. Phys. Lett. Vol.48(1), 1986， pp.30-32）に開示されている。
【０００７】
しかしながら、上記した従来の成長膜厚変調技術（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの気相成長法は下記に示すような欠点を有する。
【０００８】
（ａ）領域選択成長法の場合：（ｉ）Ｉｎと、Ｇａ若しくはＡｌを共に含む混晶半導体では、面内膜厚変化率の増加と共にＩｎ／Ｇａ（若しくはＩｎ／Ａｌ）比が著しく増加する。素子の全領域に渡り成長層厚を臨界膜厚値以下にしなければならないので、素子構造の設計自由度が低下する。（ii）ヘテロ界面における組成遷移層の膜厚が、平坦基板を用いた通常の成長法に比べて増加する。これは、特に多重量子井戸の成長に対して不利である。
【０００９】
（ｂ）シャドウマスク成長法１の場合：（ｉ）素子の製造工程が複雑であり製造単価が増す。（ii）膜厚を変調させる方向と直交方向の膜厚平坦性が悪い。（iii）大きい面内膜厚変化率を得るためには、ほぼ大気圧の成長圧力が不可欠である。従って、急俊なヘテロ界面を得るのに適さず、又、装置稼働時の安全性が低下する。
【００１０】
（ｃ）シャドウマスク成長法２の場合：（ｉ）従来の気相成長装置を使用できない。（ii）マスクがほぼ全面板状であるため、基本的に生産効率が低い成長方法である。（iii）この成長方法を用いたテーパ導波路集積化半導体光素子の報告例は無い。従って、実用的な成長方法ではないと推測される。
【００１１】
２．従来の導波路型半導体光素子
ここでは、一例として、光通信用半導体レーザについて述べる。
【００１２】
一般に、半導体レーザ、光増幅器、光変調器等の、半導体光素子の入射／出射ビーム径は、光ファイバのビーム径と比べて１／３から１／５程度と非常に小さい。このためレーザ光を光ファイバに結合する場合、高価な光学レンズ系を用いてビーム径のミスマッチによる光結合効率の低下を防止している。しかし、今後光通信用モジュールの低コスト化を図るためには、半導体レーザと光ファイバ間の簡素な光結合が不可欠である。これに向けて、出射端でのビーム径を拡大出来る半導体レーザが検討されている。この出射端ビ−ム径の拡大にはコア層の膜厚や導波路幅を光軸方向で変調することが必須となる。前者のコア層厚の変調に関しては、上述の製造方法（ａ）及び（ｂ）の適用が試みられている。
【００１３】
なお、成長層厚変調技術として領域選択成長法を用いることにより出射ビーム径を拡大した半導体レーザに関連するものに、例えば、第１４回アイ・イー・イー・イー  インターナショナル  セミコンダクタ  レーザ  コンファレンスのテクニカル  ダイジェスト、Ｗ２．４、１９９４年９月（Technical Digest 14th IEEE International Semiconductor Laser Conference W2.4, Sept.,1994）の文献がある。また、成長層厚変調技術としてシャドウマスク成長法を用いて結晶成長膜を作製することにより出射ビーム径を拡大した半導体レーザに関連するものにジャーナル  オブ  クリスタル  グロウス  １４５、第８７５〜８８０頁、１９９４年（Journal of Crystal Growth 145, pp.875-880, 1994）の文献が挙げられる。
【００１４】
しかし、これらの製造方法により作製されたテーパ導波路集積型半導体レーザ（端面ビームスポット拡大半導体レーザ）の性能は、未だ実用レベルに達していない。この理由の一つとして、高品質な半導体薄膜結晶が得られていないことが挙げられる。例えば、活性層形成予定領域に隣接して誘電体薄膜マスクを設ける領域選択成長法（ａ）では、活性層や導波路（層）の気相成長時において誘電体薄膜マスクから原子（膜の成長原料）が供給される。このとき、原子の元素別の供給量の割合を制御することは困難であり、所望の組成の膜を正確に形成できない。同じ層を構成する膜の組成が局所的に異なる部分、即ち組成の不均一性を有する部分の層の膜厚が増加した場合、膜内に結晶欠陥をもたらす。まして、膜厚の大きい部分の成長を原子の元素別供給割合が不確定な条件で行う（ａ）の製造方法では、レーザ発振に対しては許容され得ない結晶欠陥が常に問題となる。この製造方法（ａ）は現在よく知られた成膜方法であるが、結晶性を劣化させずに（即ち、結晶欠陥を通常の気相成長法と同じレベルに抑えて）コア膜厚比（即ち、素子の活性層の厚さにおける、最大値／出射端部値）を３〜４、又はそれ以上にすることは不可能である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、化合物半導体薄膜結晶の膜厚を結晶性を劣化させずに同一基板面内で変化させたテーパ状の面内膜厚分布を有する導波路型半導体光素子を簡易なプロセスで実現できる製造方法を提供することである。
【００１６】
また、この製造方法を用いて低価格化、高信頼化、高機能化が可能な、導波路型半導体光素子及びその製造方法を提供することも目的とする。特に、低しきい値で、高出力かつ温度特性の良い出射ビーム拡大レーザの素子構造及びその製造方法を提供することも目的の一つである。
【００１７】
さらに、本発明の目的は複数の導波路型半導体光素子が同一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を提供することにある。
【００１８】
また更に、レーザ、光増幅器、光変調器、光スイッチ、光検出器またはこれらのうち少なくとも二者を一体集積した導波路型集積化半導体光素子に適用した場合の好適な素子構造及び製造方法を提供することも目的とする。
【００１９】
また、本発明の他の目的は、化合物半導体薄膜結晶の膜厚を同一基板面内で変調出来るだけでなくその光学的結晶性を高品質な状態で成長可能にするために、気相成長時に使用する新規なシャドウマスク及びその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るシャドウマスクは、気相成長装置の反応室内基板保持部に装着した基板に対して接触若しくは近接させて使用し、該基板上の少なくとも所定の領域に半導体薄膜の結晶成長が可能となるように少なくとも目空き部とマスキング部を有し、かつ、基板とは別体のシャドウマスクにおいて、マスキング部の表裏面の少なくとも一方の表面が誘電体キャップ層で覆われていることを特徴とするものである。勿論、マスキング部の全表面が誘電体キャップ層で覆われていてもよい。ただし、シャドウマスクの主材料がＩｎＰまたはＧａＡｓの化合物半導体材料から構成される場合には、マスキング部の表面が誘電体キャップ層で覆われていなくてもよい。
【００２１】
この場合、前記シャドウマスクにおいて、マスキング部がストライプ状であれば好適である。
【００２２】
前記誘電体キャップ層がシリコンの熱酸化膜であれば好適であるが、前記誘電体キャップ層の少なくとも表面層が、ＳｉＮx、ＳｉＯxＮy、Ａｌ2Ｏ3、ａ−Ｓｉのいずれかであってもよい。
【００２３】
また、マスキング部の表裏面の少なくとも一方の表面が、有機金属気相成長法を用いた成長条件ではアモルファス半導体が堆積しない薄膜キャップ層で覆われていてもよい。
【００２４】
前記薄膜キャップ層の少なくとも表面層が金属であってもよく、その場合、該薄膜キャップ層の少なくとも表面層がタングステンまたはタングステンシリサイドのいずれかであれば好適である。
【００２５】
また、前記シャドウマスクにおいて、マスキング部を構成する主材料は半導体、セラミックス、合金または高融点金属を用いることができ、前記半導体としてはＳｉ，ＩｎＰ，またはＧａＡｓのいずれでもよく、前記合金としてはタングステンシリサイド等があり、前記高融点金属としてはタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブのいずれであってもよい。
【００２６】
さらに、前記シャドウマスクにおいて、主材料がＳｉからなるマスキング部は、シャドウマスクの主平面に対して鉛直方向で、且つ、マスキング部の少なくとも一方向での断面構造が台形であって、該台形をなす辺が｛１００｝面と｛１１１｝面から構成されていることを特徴とするものである。この場合、シャドウマスクの製造方法は、ＫＯＨ水溶液で選択領域的に異方性エッチングすることにより、Ｓｉ基板に貫通孔を形成すればよい。
【００２７】
また、前記シャドウマスクがマスキング部を支持する枠部を含む場合、表裏面の少なくとも何れか一方の面上でマスキング部と枠部間に段差が有り、枠部の厚さがマスキング部の厚さより大きくてもよいし、枠部とマスキング部の厚さが等しくてもよい。
【００２８】
また、本発明の導波路型半導体光素子の製造方法は、半導体基板上に少なくとも基板より高い屈折率を有する材料からなるコア層と、コア層よりも低い屈折率を有する材料からなるクラッド層をコア層の上下に有し、コア層の膜厚が素子内で連続且つ滑らかに変化する導波路型光素子の製造方法において、気相成長による結晶成長の際に、前記半導体基板とは別個の、マスキング部と目空き部とマスキング部を支える枠部とを有するシャドウマスクをマスキング部と半導体基板間が所定の空間距離を隔てて対向するように前記半導体基板上に基板保持具を介して載置することにより半導体薄膜の成長を行い、シャドウマスクのマスキング部と対向する前記コア層となる半導体基板表面領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の厚さを、シャドウマスクの目空き部と対向する半導体基板表面領域の少なくとも中央部での半導体薄膜の厚さよりも薄くしたことを特徴とする。
【００２９】
この場合、少なくとも半導体基板表面と対向する側とは反対側のシャドウマスク面（特にマスキング部）が、成長温度を上回る融点の主材料からなる誘電体等の薄膜キャップ層で覆われているシャドウマスクを使用すれば好適である。
【００３０】
また、上記シャドウマスクとして、マスキング部がこれを支える枠部よりも所定の厚さだけ薄い厚さを有する場合には、該シャドウマスクを半導体基板上に載置して半導体薄膜結晶を気相成長装置の反応室内にて成長すればよい。
【００３１】
このようにして製造した導波路型半導体光素子は、容易にコア層膜厚が徐々に薄くなる構造、すなわち高品質な光学的結晶性を有するテーパ状の面内膜厚分布を有する構造となるので、レーザの特性を劣化させることなく、このテーパ状コア層により容易にビームスポットを拡大することができる。従って、出射ビーム拡大レーザを実現することができ、このレーザとファイバとを結合損失を小さく容易に結合することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るシャドウマスクの好適な実施形態は、気相成長装置の反応室内基板保持部に装着した基板に対して接触若しくは近接させて使用し、例えば図１及び図２に示すように、該基板上の少なくとも所定の領域に半導体薄膜の結晶成長が可能となるように少なくとも目空き部３とストライプ状のマスキング部２を有し、かつ、基板２１とは別体のシャドウマスク１であって、マスキング部の表裏面の少なくとも一方の表面を誘電体キャップ層、例えばシリコン酸化膜６で覆うように構成したものである。
【００３３】
上記のシャドウマスク１を用いて気相成長を行うと、マスキング部２と対向する基板表面での半導体薄膜の成長速度が、目空き部３に対向する基板表面での成長速度よりも遅くなり、マスキング部２の直下から目空き部３に向かって滑らかに厚くなるテーパ状で結晶性のよい半導体薄膜層が得られる。
【００３４】
このようにして得られるテーパ状半導体薄膜を、導波路型半導体発光素子の製造方法における活性層の形成に適用した実施形態によれば、活性層の厚さが端面に向かって徐々に薄くなる構造を容易に達成できる。この時、導波路幅を端面に向かってテーパ状に広げる構造を組み合わせることにより、端面に向かって活性層の厚さがテーパ状に薄くなると共に活性層幅がテーパ状に広くなるので、光ファイバ結合損失の小さい良好な特性の端面ビームスポット拡大機能を有する導波路型半導体光素子を得ることができる。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３６】
＜実施例１＞
まず、本発明の導波路型半導体光素子の製造方法で用いる新規なシャドウマスクと、このシャドウマスクにより結晶成長時の面内成長膜厚制御を達成できることとを、ＩｎＰ系III−Ｖ族化合物半導体材料の場合を例に述べる。
【００３７】
熱酸化膜で覆われている面方位（１００）のＳｉ基板からホトリソグラフィ技術とＫＯＨ水溶液を用いた異方性ウエットエッチングにより、図１（ａ）の平面図に示す形状のシャドウマスク１を作製する。図１（ｂ）は、同図（ａ）中にＡ−Ａ’線で示す部分の断面図である。シャドウマスク１は、マスキング部２と目空き部３、及び、枠部４から構成される。シャドウマスク１の主材料はＳｉ５であり、全表面がＳｉの熱酸化膜６で覆われている。この場合、図１（ｂ）に示すように、ストライプ状のマスキング部２の側壁は｛１１１｝面となり、角度θは約５４度である。図１において、ａは目空き部３の幅、ｂはマスキング部２の上面の幅、およびｃはマスキング部２の厚さを示している。
【００３８】
ここで、図１３の工程断面図を用いて、上記シャドウマスク１の製造方法を簡単に説明する。
まず、（１００）Ｓｉ基板５を表面酸化して基板全面を熱酸化膜６ａで覆う（図１３（ａ））。このＳｉ基板上の一方の表面の熱酸化膜６ａを、フォトリソグラフィ技術を用いて図１（ａ）に示すような形にパターニングする。すなわち、熱酸化膜６ａを領域選択的に除去する（図１３（ｂ））。
【００３９】
次に、このパターニングされた熱酸化膜６ａをマスクに、ＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングを行い、Ｓｉ基板５の穴空けを行う。この時、Ｓｉ基板５の厚さは１５０から３００μｍ程度の厚さのものを用いるので、｛１１１｝面も図示したように少しサイドエッチされる（図１３（ｃ））。
【００４０】
その後、熱酸化膜６ａを全面除去し（図１３（ｄ））、引き続き表面酸化を行い熱酸化膜６を全表面上に形成する（図１３（ｅ））。表裏面を逆にすると、枠部４とマスキング２の厚さが等しい図１に示したシャドウマスク１が得られる。
【００４１】
次に、図２（ａ）に示すように、基板保持具１１にｎ型（１００）ＩｎＰ基板２１とシャドウマスク１を装着する。シャドウマスク１とＩｎＰ基板２１間の距離ｄは、数十μｍ程度の空間距離を有している。尚、この空間距離はこの値に限定されるものではなく、必要に応じて適当な距離のものを用いることができる。この基板保持具１１をＭＯＶＰＥ装置の反応室内に通常の成長と同様に装着する。シャドウマスク１を使用しないで通常の減圧成長した場合の膜厚条件、すなわちアンドープＩｎＰ２２、ＩｎＰに格子整合するアンドープＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ２３（ｘ＝０．５３、組成波長１．６７μｍ）、およびＩｎＰ２２の膜厚が各々５００ｎｍとなるような膜厚条件のダブルヘテロ構造を、シャドウマスク１を用いて成長する。その結果、図３に示すような断面形状の多層膜が自動的に形成される。尚、図３ではマスキング部２の直下の部分を中心に、シャドウマスク１の目空き部３の幅ａとマスキング部の幅ｂを足した長さ分だけを示している。
【００４２】
目空き部３が鉛直投影されるＩｎＰ基板２１上の表面領域、すなわち目空き部３と対向するＩｎＰ基板２１の領域上では、図３の領域ｅに示す様に膜厚が平坦な成長層が得られる。この領域ｅでは、ＩｎＰ２２とＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ２３の膜厚、及び、膜２３のＩｎ組成ｘは、シャドウマスク１を使用しない通常の成長時とほぼ等しい。一方、マスキング部２が鉛直投影されるＩｎＰ基板２１上の表面領域、すなわちマスキング部２と対向するＩｎＰ基板２１の領域上では、図３の領域ｆに示す様に、ＩｎＰ２２とＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ２３の両者共成長膜厚が減少し、膜厚がテーパ状の成長層が得られる。これは、気相中の濃度境界層からＩｎＰ基板２１に向けて垂直方向に拡散する成長原料がマスキング部２で遮られ、基板２１面と平行な方向に拡散する成長原料のみが供給されるためである。成長層２２〜２３の基板に対するテーパ角は、マスキング部２のサイズ並びに構造、あるいは、シャドウマスク１とＩｎＰ基板２１間の距離ｄを変化させることにより制御可能である。膜厚が最も薄くなっているＩｎＰ基板２１上では、ＩｎＰ２２とＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ２３の膜厚は領域ｅにおける膜厚のそれぞれ約１／５となる。又、テーパ領域ｆの膜厚が薄くなるほどＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ２３のＩｎ組成ｘは減少する。臨界膜厚と組成変化（歪率）の関係から、テーパ領域ｆではミスフィット転位等は生じにくい。尚、テーパ領域ｆにおけるＩｎ組成ｘの減少は、気相中でのＩｎ原料種とＧａ原料種の拡散係数の差に起因する。
【００４３】
次に、化合物半導体薄膜の光学的結晶性がシャドウマスクの表面材料に依存することについて述べる。シャドウマスクのマスキング部２の断面が、図２（ｂ）のＩに示す様な構造の他に、IIとIIIに示す断面構造のシャドウマスク１も作製する。IIに示した構造のシャドウマスクでは、ＩｎＰ基板２１側に対向する面と反対側の表面が、Ｓｉの熱酸化膜６で覆われている。IIIに示した構造のシャドウマスクでは、ＩｎＰ基板２１側に対向する面の表面が、Ｓｉの熱酸化膜６で覆われている。なお、マスキング部２がＩからIIIの構造のシャドウマスク１の枠部４でもそれぞれ同じ表面材料である。これらのシャドウマスク１を用いて冒頭で述べた結晶成長と同じ条件、すなわちシャドウマスクを用いない通常の成長方法で膜厚が各々５００ｎｍとなるような条件で、同構造のＩｎＰ２２とＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ２３のダブルヘテロ構造を成長する。その結果、図２（ｂ）のＩに示した構造のシャドウマスク１の場合と同様に、図３に示した成長構造が得られる。これら図２ＢのＩからIIIに示した構造の領域ｅのみを、室温大気中でフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定をする。ＩおよびIIに示した構造のシャドウマスク１を用いて成長した場合には、図４に示す相対的にＰＬ強度の高い方のスペクトラムＡが得られる。このスペクトラムＡのＰＬ強度と半値全幅は、シャドウマスク１を使用しない通常の減圧成長時と同等である。IIIに示した構造の場合は、相対的に半分程度のＰＬ強度のスペクトラムＢが得られ、半値全幅も若干増加するが、実用上差し支えない範囲である。
【００４４】
図２（ｂ）のIIIに示した構造のシャドウマスク１を使用した場合に光学的結晶性が低下した主要因は、以下の様に説明できる。結晶成長時、表面がＳｉ５のシャドウマスク１上には、アモルファス状のＩｎＰ２２やＩｎＧａＡｓ２３が堆積する。これらのアモルファス半導体からは蒸気圧の高いＰ並びにＡｓ分子が容易に再蒸発する。これらの分子は成長原料と反応して気相中で核生成を生じ、この核が成長層に取り込まれる。或いは、再蒸発したＡｓやＰ分子が汚染物等の付加物を伴って成長層に取り込まれる。その結果、結晶欠陥や非発光再結合センターが生じる。これに対し、図２（ｂ）のＩとIIに示した構造のシャドウマスク１を使用した場合は、表面がＳｉの熱酸化膜６であるため、シャドウマスクク１上には多結晶のＩｎＰ２２並びにＩｎＧａＡｓ２３が堆積し得る。これら多結晶半導体からは成長材料を構成する原子や分子は容易には再蒸発しない。従って、図３の領域ｅ表面上で生ずる成長プロセスは、シャドウマスク１を使用しない通常の成長プロセスと変わりが無い。従って、得られる半導体薄膜の光学的結晶性は劣化しない。尚、成長条件や熱酸化膜６の表面状態等によっては、シャドウマスク１上には全く堆積物が生じないことも有り得る。この場合、図３に示した領域ｅの、テーパ領域ｆ寄り部分で成長速度増加現象が生じ易い。これは、誘電体薄膜マスクを利用する周知の領域選択成長法と同様な原理である。この現象が特定の半導体光素子の構造に対して不適である場合もあるが、各種条件を最適化することにより平坦な成長層の形成は可能である。
【００４５】
先に述べた従来の面内成長膜厚制御法の（ａ）〜（ｃ）に比べて、本発明のシャドウマスクを用いる面内成長膜厚制御法の利点は以下の通りである。
【００４６】
（ａ）領域選択成長法との比較：１．素子全領域に渡り成長層膜厚を臨界膜厚以下にすることが容易である。そのため、光学的結晶性が劣化しにくい。２．ヘテロ界面における組成遷移層の膜厚増加が無い。従って、高性能な導波路型半導体光素子に不可欠な歪多重量子井戸の高品質化に対して有利である。特に前者に関しては、結晶欠陥の生じやすい膜厚の大きい層を通常の気相成長と同じ条件でできる点で有利である。このことは、実用化レベルのみならず膜厚の大きい部分を結晶欠陥フリーとしたレーザ素子を先述のコア膜厚比が３〜４、又はそれ以上で製造することを可能とする。
【００４７】
（ｂ）シャドウマスク成長法１との比較：１．導波路型半導体光素子の製造工程を減少できる。その結果、製造単価の低下が期待できる。２．膜厚を変調させる方向と直交する方向の膜厚平坦性に優れているので製造歩留まりが高まる。３．通常の成長圧力（減圧）が利用できる。従って、急俊なヘテロ界面を得るのが容易であり、又、装置稼働時にキャリヤガス並びに原材料ガスが漏洩する確率は比較的低い。
【００４８】
（ｃ）シャドウマスク成長法２との比較：１．従来の気相成長装置を使用できるのでコスト面で有利である。２．マスキング部がストライプ状であるため比較的高い生産効率が可能となる。３．テーパ導波路集積化半導体光素子を作製出来る実用的な成長方法である。
【００４９】
以上、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いて説明したが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料やその他の半導体材料にも適用可能なことは言うまでもない。又、成長圧力を常圧７６０Ｔｏｒｒ近辺としても、本発明のシャドウマスクを用いた面内成長膜厚制御の効果を利用できることは勿論である。
【００５０】
また、本実施例ではシャドウマスク１を図２に示したように、基板保持具１１を介してＩｎＰ半導体基板２１と所定距離ｄを維持する場合であった。基板保持具１１を用いる代わりに、例えば、シャドウマスクの枠部４の半導体基板２１と対向する面の酸化膜６は残し、マスキング部２の半導体基板２１と対向する面の酸化膜６を選択的に除去して、酸化膜６の厚さ分の段差を設け、シャドウマスク１を半導体基板２１上に載置してもよい。この場合の半導体基板２１とシャドウマスク１のマスキング部２との所定距離ｄは、酸化膜厚分の距離となる。
【００５１】
＜実施例２＞
次に、実施例１で述べたシャドウマスク１、即ち断面が逆台形（半導体基板側に向けて狭くなる）且つ少なくとも半導体基板と対向する面と反対側に誘電体薄膜が形成されているシャドウマスクを用いた導波路型半導体光素子の製造方法について、光通信用の波長１．３μｍ帯で動作する端面ビームスポット拡大半導体レーザを例に説明する。
【００５２】
先ず、３００μｍの厚さの（１００）Ｓｉ基板表面片側に、厚さ１μｍの熱酸化膜を形成する。このＳｉ基板を領域選択的に穴空けし、図１（ａ）に示す様な上面図のシャドウマスク１を作製する。Ｓｉ基板の目空き部３を形成する穴空け、すなわち貫通孔の形成は、従来のフォトリソグラフィおよびＫＯＨ水溶液を用いた異方性ウェットエッチングで容易に可能である。その後、熱酸化膜は全て除去する。引き続き、新たに厚さ１μｍの熱酸化膜６をシャドウマスク１の全表面上に形成すると、図１に示すシャドウマスク１が完成する。主材料はＳｉ５であり、サイズは以下の通りである。目空き部３の幅ａ：７７２μｍ、マスキング部２の横幅ｂ：２２８μｍ、マスキング部２および枠部４の厚さｃ：１５０μｍ、θ：５４度。ここでマスキング部２の側面の面方位は｛１１１｝面となる。ここでは一例として、シャドウマスク１は２インチ基板用に設計したので、５０ｍｍ四方の寸法値であり、枠部４の幅は３ｍｍである。つまり、図面上では２本しか示していないが、実際にはストライプ状のマスキング部２の数は４６本である。このシャドウマスク１は、次の工程での使用方法に耐え得る機械的強度を有する。
【００５３】
次に、気相成長用基板保持具１１に、面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ半導体基板２１及び上記シャドウマスク１を図２（ａ）に示す様に置く。続いて、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長を行う。基板温度は６００℃、反応管圧力は７５Ｔｏｒｒである。この場合、シャドウマスク１の最下表面とＩｎＰ基板２１の上側表面間の距離ｄは、約１５０μｍである。マスキング部２のストライプ方向とＩｎＰ基板２１の［０１−１］方向が平行となるように、シャドウマスク１を基板保持具１１上に設置する。ＩｎＰ基板２１表面上で、目空き部３の中央部付近が鉛直投影される領域すなわち、図５（ａ）に示した領域ｅの中央付近の成長構造において、以下の数値になるように成長条件を設定する。０．２μｍ厚のｎ型ＩｎＰ層２４、０．１μｍ厚のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）２５、６周期の歪多重量子井戸活性層２６、０．０５μｍ厚のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）層２７、０．１μｍ厚のｐ型ＩｎＰ層２８を順次形成する。ここで、歪多重量子井戸活性層２６は、図５（ａ）中に部分拡大図で示したように、６．０ｎｍ厚で１％の圧縮歪を持つＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．４５μｍ）井戸層４１と、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）障壁層４２とから構成される。成長後、上記化合物半導体が積層されたＩｎＰ基板２１を劈開し走査型電子顕微鏡で膜厚測定した。その結果、図５（ａ）に示すように、マスキング部２の中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部３の中央部付近が鉛直投影される領域の約１／５に低下していることが判った。尚、図５（ａ）ではマスキング部２の直下の部分を中心に、シャドウマスク１の目空き部３の幅ａとマスキング部の幅ｂを足した長さ分だけを示してある。
【００５４】
続いて、一旦供給ガスを停止してシャドウマスク１を取外してから、ＭＯＶＰＥ法により、再びｐ型ＩｎＰ層２８を５μｍと０．２μｍ厚の高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２９の結晶成長を順次行う。
【００５５】
図５（ｂ）の斜視図上に破線で示すように、半導体多層膜のＤ−Ｄ’線、Ｅ−Ｅ’線、Ｆ−Ｆ’線、Ｇ−Ｇ’線、Ｈ−Ｈ’線と、これらに直交するＩ−Ｉ’線、Ｊ−Ｊ’線、Ｋ−Ｋ’線とで仕切られた単位ごとに、テーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造の加工を施す。まず、半導体多層膜の内の０．２μｍ厚の高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２９（キャップ層となる）を、ストライプパターン５５の部分だけ除去する。ストライプパターン５５は、半導体多層膜の切片のｘ軸に沿って形成される（図５（ｂ）参照）。この２つのストライプパターン５５に囲まれたストライプ状の領域が、リッジストライプ導波路となる。
【００５６】
続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液でｐ型ＩｎＰ層２８（クラッド層となる）をウェットエッチングして溝を形成する。これにより、ストライプパターン５５に囲まれたｐ型ＩｎＰ層２８は図６の部分拡大図Ａ１，Ａ２に示すように逆メサ型（即ち断面が凡そ逆台形となる）のリッジ（Ｒｉｄｇｅ：隆起物）に成形される。
【００５７】
次に、半導体多層膜切片の上面にシリコン酸化膜５２を成膜し、ポリイミド樹脂５１を回転塗布する。表面全面をドライエッチングするエッチバック法により溝の内部以外のポリイミド樹脂を除去してから、逆メサ型ｐ型ＩｎＰ層２８上部のｐ型ＩｎＧａＡｓ層２９の上面に形成されたシリコン酸化膜５２を除去する。
【００５８】
最後に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極（ｐ型電極）５４を、逆メサ型ｐ型ＩｎＰ層２８上部のｐ型ＩｎＧａＡｓ層２９の上面に接続するように形成し、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕからなる下部電極（ｎ型電極）５３を形成して、Ｄ−Ｄ’線、Ｅ−Ｅ’線、Ｆ−Ｆ’線、Ｇ−Ｇ’線、Ｈ−Ｈ’線に従いｙｚ表面に平行に切断し、またＩ−Ｉ’線、Ｊ−Ｊ’線、Ｋ−Ｋ’線に従いｘｚ表面に平行に切断して、その切片として半導体レーザ素子を得る。この場合、レーザ出射端は図５（ｂ）のｙｚ面に略平行となる。ここで図６中の部分拡大図Ａ２に示すようにリッジの底面の幅ｇは２．５μｍであるが、図６中の部分拡大図Ａ１に示すようにレーザ出射端ではリッジの底面の幅ｈ＝８．０μｍにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は１５０μｍ、全素子長は５００μｍである。レーザ後端面には反射率７０％の高反射膜を施した。なお、図６の部分拡大図Ｂ１に示すように、コア層は出射端面方向に向かってテーパ状に膜厚が薄く変化している。
【００５９】
作製した素子は室温、連続条件において、しきい値６〜８ｍＡ、発振効率０．５０Ｗ／Ａと良好な特性を示した。室温での発振波長は１．３μｍであった。また、図７の注入電流−光出力カーブIIに示すように、８５℃の高温動作においてもしきい値１８〜２２ｍＡ、発振効率０．３３Ｗ／Ａとビーム拡大機構の無い従来構造の注入電流−光出力カーブＩと遜色無い特性が得られた。リッジ幅ｇ＝２．５μｍの後端面でのビームスポット径は、約１．５μｍであった。これに対し、リッジ幅ｈ＝８．０μｍの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は５倍に拡大され７．５μｍであった。このレーザとコア径１０μｍの単一モードファイバとの結合を行ったところ結合損失２ｄＢ以下を水平、垂直方向の位置決め精度±３μｍで実現した。又、素子の長期信頼性を８５℃の高温条件下で評価したところ１０万時間以上の推定寿命を確認した。なお、従来例として示した注入電流−光出力カーブＩは誘電体薄膜マスクを利用する従来の領域選択成長法により作製したほぼ同構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザである。
【００６０】
ここで、ファイバ結合損失の膜厚減少係数ｋ依存性を図２２に示す。同図中に模式的に示した導波路型半導体光素子の断面図において、半導体層Ｉは基板もしくはクラッド層（ＩｎＰ等）、半導体層IIは基板もしくはクラッド層よりも屈折率の高いコア層（ＩｎＧａＡｓＰ等）、半導体層IIIはクラッド層、ｊは素子後端面でのコア層膜厚である。半導体層IIの膜厚がｊ／ｋとなる素子前端面で光ファイバと結合する。一般的に光通信用モジュールや光通信システムの仕様上、３ｄＢ以下ファバ結合損失が必須となる。従って、図２２より膜厚減少係数ｋは２以上が必要となる。出射端でのコア層の膜厚値をｄ0（＝ｊ／ｋ），光素子内部でのコア層の最大膜厚値をｄmax（＝ｊ）とすれば、０＜ ｄ0／ｄmax ≦０．５の範囲内に設定する必要がある。この関係は、後述する導波路型半導体光素子の各実施例においても成り立つ。
【００６１】
本実施例の製造方法で作製した端面ビームスポット拡大半導体レーザの特性が良好な理由の一つは、レーザの基本構造と作製工程がシャドウマスク１を使用しない通常の製造方法と殆ど同一であるため、ビーム拡大機能の導入による悪影響が殆ど無いためである。半導体薄膜、特に、レーザ能動領域の歪多重量子井戸層２６の光学的結晶性が十分に高いことがその理由の一つであることは言うまでもない。また、上記したように前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は後端面でのビームスポット径１．５μｍに比べて５倍に拡大されている。これは、本構造ではリッジ幅が広くなると共に活性層膜厚も薄くなるため、次第に活性層への光閉じ込め作用が弱くなり、光強度の分布が周辺に滲み出しやすくなってゆくためである。この場合、テーパ長を１５０μｍと十分大きく取ることにより、光の散乱が十分少なく抑えられる。このため、レーザとコア径１０μｍの単一モードファイバとの結合を行なっても、結合損失２ｄＢ以下を水平、垂直方向の位置決め精度±３μｍで実現出来た。以上のようにシャドウマスク成長による面内コア層厚変調構造、及び、加工による導波路幅変調構造を組み合わせることによりレーザの特性を劣化させることなく、端面ビ−ムスポット拡大半導体レ−ザを実現できた。
【００６２】
ところで、発光波長１μｍ程度以下の短波長帯レーザの高出力動作時の劣化は光密度分布の高い端面での結晶劣化であると見做されている。一方、本製造方法では、半導体結晶の品質を損なうこと無くビームスポット径を広げることが出来る。そのため、出射端面での光密度の低減による高出力動作時の端面結晶劣化の低減に寄与できる。従って、本発明の製造方法によれば、波長１μｍ程度以下の短波長帯レーザの素子寿命の改善も可能である。
【００６３】
上述した本発明の導波路型半導体光素子の製造方法は、波長０．３〜１．７μｍ帯の波長域の導波路型半導体素子に広く適用できる。例えば、白紫色〜赤色〜近赤外の範囲である波長０．３〜１．７μｍ帯の波長域は、III-Ｖ族化合物半導体で構成でき、短波長の０．３μｍ帯で発光する半導体レーザはデジタルビデオディスクの書込み用光源等に応用できる。０．３μｍ帯の半導体レーザの基本的な素子構造は、実施例１５で述べる０．９８μｍ帯半導体レーザとほぼ同様である。波長０．３μｍ帯で発光する半導体レーザの構成材料の一例としては、活性層が窒化ガリウム（ＧａＮ）の井戸層と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の障壁層からなる歪量子井戸層、その活性層を上下から挾み込むクラッド層にＡｌＮ、基板にＳｉＣなどの構成が挙げられる。また、波長１．７μｍ帯の導波路型半導体光素子は光検出器に応用され、その基本的な素子構造は１．３〜１．５５μｍ帯の半導体レーザと同様である。波長１．７μｍ帯で発光する導波路型半導体光素子の構成材料の一例としては、活性層がＩｎＧａＡｓＳｂの井戸層とＧａＳｂからなる歪量子井戸層、その活性層を上下から挾み込むクラッド層にＧａＳｂ、基板にＧａＳｂなどの構成が挙げられる。
【００６４】
＜実施例３＞
図１５および図１６を用いて、基板保持具１１を使用せずにシャドウマスクを直接半導体基板上に載置し、実施例２と同様の端面ビームスポット拡大半導体レーザを形成する場合の導波路型半導体光素子の製造方法について説明する。
【００６５】
図１６（ａ）はシャドウマスク１の上面図であり、本実施例ではストライプ状のマスキング部２の幅は１００μｍ、目空き部３の幅が９００μｍである。図１６（ｂ）は、シャドウマスク１を半導体基板上に載置してＭＯＶＰＥ法により後述する多層膜７０を成長した後における、図１６（ａ）中にＡ−Ａ’線で示した部分の断面斜視図である。ただし、図面上ではマスキング部２は２本しか示していないが、実際には多数のストライプ状のマスキング部２がある。
【００６６】
（１００）Ｓｉ基板表面に厚さ１μｍの熱酸化膜６を形成し、このＳｉ基板を用いて図１６（ａ）に示すようにシャドウマスク１を作製する。このシャドウマスク１は、従来のフォトリソグラフィ技術およびＫＯＨ水溶液を用いた異方性ウェットエッチングにより容易に作製できる。マスキング部のストライプ側壁の面方位は、｛１１１｝面である。詳細には、後述する実施例７の図１４に示した製造方法により作製すればよい。ただし、本実施例の場合、枠部４とマスキング部２の段差を１μｍとなるようにエッチングしている。
【００６７】
次に、このシャドウマスク１をｎ型ＩｎＰ半導体基板２１上に載置する。この場合、シャドウマスク１は、図１６（ｂ）に示すように、マスキング部２の最下表面はＩｎＰ基板２１より１μｍだけ浮くことになる。なお、シャドウマスク１として、図１５（ａ）の底面図、図１５（ｂ）の断面斜視図に示すように熱酸化膜６を枠部４を除き除去したタイプを使用してもよい。ただし、シャドウマスク１としては、実施例１において図２（ｂ）で説明したように、少なくとも基板２１と対向する面と反対側の面に酸化膜６を残しておいた方が成長膜の結晶性がより良好である。また、シャドウマスクのマスキング部２のストライプ方向はＩｎＰ基板の［０１−１］方向と平行になるようにシャドウマスク１を載置する。
【００６８】
続いて、多層膜７０として、０．２μｍ厚のｎ型ＩｎＰバッファ層２４、０．１μｍ厚のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層（組成波長１．１０μｍ）２５、６．０ｎｍ厚で１％の圧縮歪を持つＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．４５μｍ）を井戸層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）を障壁層とする６周期の歪多重量子井戸活性層２６、０．０５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）上側光ガイド層２７、０．１μｍ厚のｐ型ＩｎＰクラッド層２８を、ＭＯＶＰＥ法により順次結晶成長を行う。成長層の膜厚を表面段差計で測定した結果、図１６（ｂ）に示すように、シャドウマスク１のマスキング部２の直下の成長膜厚は目空き部３のマスキング部２から十分離れた領域の約１／５に低下していることが判った。
【００６９】
続いて、シャドウマスク１をＩｎＰ基板２１上から取外した後、再度ｐ型ＩｎＰクラッド層２８を５μｍと、０．２μｍ厚の高濃度のｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２９を順次形成する。
【００７０】
次に、実施例２と同様にテーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造に加工する。すなわち、０．２μｍ厚の高濃度のｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２９をストライプパターン５５の部分だけ除去し、この２つのストライプパターン５５に囲まれたストライプ状の領域がリッジストライプ導波路となる。
【００７１】
続いて、臭化水素酸と燐酸の混合水溶液でｐ型ＩｎＰクラッド層２８をウェットエッチングして溝を形成する。これにより、ストライプパターン５５に囲まれたｐ型ＩｎＰ層２８は、図１６（ｃ）中の部分拡大図Ａ１，Ａ２に示すように逆メサ型（即ち断面が凡そ逆台形となる）のリッジに成形される。
【００７２】
次に、半導体多層膜切片の上面にシリコン酸化膜５２を成膜し、ポリイミド樹脂５１を回転塗布する。エッチバック法により溝の内部以外のポリイミド樹脂を除去してから、逆メサ型ｐ型ＩｎＰ層２８上部のｐ型ＩｎＧａＡｓ層２９の上面に形成されたシリコン酸化膜５２を除去する。
【００７３】
最後に、上部電極（ｐ型電極）５４を逆メサ型ｐ型ＩｎＰ層２８上部のｐ型ＩｎＧａＡｓ層２９の上面に接続するように形成し、下部電極（ｎ型電極）５３を形成後、実施例２と同様に切断すれば、図１６（ｃ）に示すレーザ構造が得られる。ここで、図１６（ｃ）中の部分拡大図Ａ２に示すようにリッジの底面の幅ｇは２．５μｍであるが、部分拡大図Ａ１に示すようにレーザ出射端ではリッジの底面の幅ｈは８．０μｍにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は１５０μｍ、全素子長は５００μｍである。レ−ザ後端面には反射率７０％の高反射膜を施した。なお、出射端面の活性層の膜厚は、図１６（ｃ）中の部分拡大図Ｂ１に示すように、端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【００７４】
作製した素子は、室温、連続条件において、しきい値６〜８ｍＡ、発振効率０．５０Ｗ／Ａと良好な特性を示した。室温での発振波長は１．３μｍであった。また、８５℃の高温動作においてもしきい値１８〜２２ｍＡ、発振効率０．４０Ｗ／Ａとビ−ム拡大機構の無い従来構造と遜色無い特性が得られた。リッジ幅８．０μｍの前端面からのレーザ出射ビ−ムのスポット径は７．５μｍと、リッジ幅２．５μｍの後端面でのビ−ムスポット径の約１．５μｍに比べて５倍に拡大された。このレーザとコア径１０μｍの単一モ−ドファイバとの結合を行ったところ結合損失２ｄＢ以下を水平、垂直方向の位置決め精度±３μｍで実現した。また、素子の長期信頼性を９０℃の高温条件下で評価したところ１０万時間以上の推定寿命を確認した。
【００７５】
従って、シャドウマスク１として、枠部４の厚さをマスキング部２の厚さよりも大きく形成した構造の場合には、基板保持具１１を用いずに、シャドウマスク１を半導体基板２１上に直接載置して結晶層を成長しても、実施例２と同様に、良好な端面ビーム拡大半導体レーザを得ることができた。
【００７６】
尚、このシャドウマスク１を実施例２と同様に基板保持具に載置し、所定距離を確保して結晶層を成長しても差し支えないことは勿論である。
【００７７】
＜実施例４＞
図８（ａ）を用いて、シャドウマスク１の表面材料が実施例１と異なる場合の例について述べる。図８（ａ）は、実施例１の図１（ｂ）に対応するマスキング部２の断面構造図である。
【００７８】
まず、厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板表面の片側面に、厚さ１μｍの熱酸化膜６を形成する。このＳｉ基板を領域選択的に穴空けし、図１（ａ）に示す様な上面図のシャドウマスク１を作製する。Ｓｉ基板の穴空けは、ホトリソグラフィ技術を用いて熱酸化膜６をパターニングし、このパターニングされた熱酸化膜をマスクにＫＯＨ水溶液を用いた異方性ウェットエッチングを行えばよい。実施例１と同様に側面が｛１１１｝面で、その側面の角度θが約５４度の逆台形の断面構造が得られる。
【００７９】
次に、シャドウマスクとして使用するときに半導体基板と対向する側の面だけに熱酸化膜６を残すように選択的に除去した後、スパッタリング法によりタングステンシリサイド（ＷＳｉ）７を熱酸化膜６を残した面とは反対側の表面に形成する。その結果、主材料がシリコン（Ｓｉ）５から構成されるマスキング部２の断面が図８（ａ）に示す様な構造のシャドウマスク１が完成する。シャドウマスク１のサイズ及び形状は、実施例１とほぼ同じである。このシャドウマスク１を使用し、実施例２と同じ製造方法及び構造の端面スポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例２の場合と同様に、良好な特性が得られた。尚、結晶成長条件は実施例２とは若干異なる。
【００８０】
＜実施例５＞
図８（ｂ）を用いて、シャドウマスク１の表面材料が実施例１と異なる場合の別の例について述べる。図８（ｂ）は、実施例１の図１（ｂ）に対応するマスキング部２の断面構造図である。
【００８１】
まず、厚さ３００μｍのセラミックス板（Ａｌ2Ｏ3）８を切断あるいは研磨等の加工法により領域選択的に穴空けし、図１（ａ）に示す様な上面図のシャドウマスク１を作製する。セラミックス板の加工は切断や研磨等による機械的な手法を用いるので、洗浄して金属等の汚染物を除去する。次にスパッタリング法を用い、このシャドウマスク１の表裏面上に薄膜アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）９を堆積する。その結果、主材料がセラミックス（Ａｌ2Ｏ3）８であり、マスキング部２の断面が図８（ｂ）に示す様な構造のシャドウマスク１が完成する。
【００８２】
マスキング部２の断面形状は、図示の如く矩形である。このシャドウマスク１は、使用するのに十分な機械的強度を有するだけでなく、再利用も可能となる。このシャドウマスク１を使用し、実施例２と同じ製造方法及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例２の場合と同様に良好な特性が得られた。尚、シャドウマスク１のサイズや結晶成長条件は実施例２とは若干異なる。また、セラミックス板の厚さは１５０μｍでも使用可能であるが、強度の面から３００μｍの厚さが望ましい。さらに、アルミナの代わりにアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）あるいはタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ等の高融点金属を堆積してシャドウマスク１を形成しても同様の効果が得られる。またタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ等の高融点金属板をセラミックス板の代わりに用いても同様である。高融点金属板の貫通孔の形成には、機械加工を行えばよい。
【００８３】
＜実施例６＞
図８（ｃ）を用いて、シャドウマスク１の表面材料が実施例１と異なる場合の更に別の例について述べる。図８（ｃ）は、実施例１の図１（ｂ）に対応するマスキング部２の断面構造図である。
【００８４】
まず、厚さ１５０μｍの面方位（１−１０）のＳｉ基板の表裏面に厚さ１μｍの熱酸化膜６を形成する。このＳｉ基板を領域選択的に穴空けし、図１（ａ）に示す様な上面図のシャドウマスク１を作製する。Ｓｉ基板の穴空け、すなわち貫通孔の形成は、フォトリソグラフィ技術を用いて熱酸化膜６をパターニングし、このパターニングされた熱酸化膜をマスクにＫＯＨ水溶液を用いた異方性ウェットエッチングを行えばよい。実施例１と同様に側面が｛１１１｝面であるが、この場合は側面の角度は９０度の矩形の断面構造が得られる。
【００８５】
続いて、シャドウマスク１として使用する場合に半導体基板と対向する面と反対側の面となる熱酸化膜６上に、ＭＯＶＰＥ法により、約１μｍ厚のアンドープＩｎＰ多結晶層１０を形成する。ＩｎＰ多結晶層１０は、通常よりも成長温度を低く、例えば４００℃から５００℃程度の間に設定することにより容易に形成可能である。その結果、主材料がＳｉ５であり、マスキング部２の断面が図８（ｃ）に示す様なシャドウマスク１が完成する。シャドウマスク１の主材料がＳｉ５なので、厚さ１５０μｍでも十分な機械的強度は得られる。
【００８６】
このシャドウマスク１を使用し、実施例２と同じ製造方法及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例２の場合と同様に良好な特性が得られた。尚、シャドウマスク１のサイズや結晶成長条件は実施例２とは若干異なる。また、実施例４から実施例６で述べたシャドウマスク１の主材料の融点が、半導体成長層の成長温度を上回る必要があることは勿論である。
【００８７】
更に、Ｓｉ基板の代わりにＩｎＰ基板やＧａＡｓ基板を用いても同様のシャドウマスクを形成することができる。ただし、Ｓｉ基板に比べて強度が弱いので厚さは３００μｍ以上が望ましい。フォトリソグラフィ時のパターニング用マスク材料としては、ＳｉＯx等の誘電体薄膜やフォトレジスト等を使用できる。貫通孔を形成するためのエッチャントには、ＩｎＰ基板に対してはＨＢｒ水溶液またはブロムメタノール（Ｂｒ−ＣＨ3ＯＨ）を使用し、ＧａＡｓ基板に対してはブロムメタノールを使用すればよい。シャドウマスク最表面がむき出しのＩｎＰやＧａＡｓであっても、或いは誘電体薄膜で被覆されていても、高品質の結晶成長膜が得られるので、導波路型半導体光素子に充分使用可能である。
【００８８】
＜実施例７＞
図９および図１４を用いて、断面構造が実施例１と異なるシャドウマスクについて述べる。図９（ａ）は本実施例のシャドウマスクの上面図であり、図９（ｂ）は上面図中にＢ−Ｂ’線で示した部分の断面図である。
【００８９】
図９（ｂ）に示した断面構造から分かるように、本実施例のシャドウマスク１は枠部４とマスキング部２間に段差があり、枠部４の厚さＣがマスキング部２の厚さｉよりも大きい。次に、このようなシャドウマスク１の製造方法を図１４に示した工程断面図により説明する。
【００９０】
まず、厚さ３００μｍの（１００）Ｓｉ基板５の表面両面に、厚さ１μｍの熱酸化膜６ａを形成する（図１４（ａ））。このＳｉ基板上の一方の表面の熱酸化膜６ａを、フォトリソグラフィ技術を用いて図９（ａ）の上面図に示すような形にパターニングする。即ち、熱酸化膜６ａを領域選択的に除去する（図１４（ｂ））。ただし、このとき次の異方性エッチング工程でストライプ状のマスキング部２となる部分の熱酸化膜６ａのパターンは、３００μｍの異方性エッチングを行ったときにサイドエッチにより無くなる幅としておく。この場合、５μｍ幅にした。
【００９１】
次に、このパターニングされた熱酸化膜６ａをマスクに、ＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングを行い、Ｓｉ基板５の穴空けを行う（図１４（ｃ））。マスキング部２となる部分の断面形状は、熱酸化膜６ａがサイドエッチされてなくなるので｛１１１｝面で挾まれたピラミッド状となる。枠部４となる部分は充分な熱酸化膜６ａが残っているので、マスキング部２となる部分の厚さよりも厚く、段差ができる。この段差はマスキング部２となる部分の熱酸化膜６ａがサイドエッチで丁度無くなった時点から、異方性エッチングのオーバーエッチングにより所望の差が得られる。図１４（ｃ）ではオーバーエッチにより段差を設けた場合を示している。
【００９２】
その後、熱酸化膜６ａを全面除去し（図１４（ｄ））、引き続き表面酸化を行い１μｍ厚さの熱酸化膜６を全表面上に形成する（図１４（ｅ））。表裏面を逆にすると、図９（ｂ）に示す断面構造の枠部４とマスキング部２の厚さが異なるシャドウマスク１が得られる。本実施例では、枠部４の厚さｃは３００μｍであるのに対し、マスキング部２の厚さｉは約１５０μｍまで減少したシャドウマスク１を一例として示した。その他のサイズは、目空き部３の幅ａ：７８２μｍ、マスキング部２の横幅ｂ：２１８μｍである。ここで、マスキング部２の（１００）面に対して斜めの面は｛１１１｝面となる。
【００９３】
このようにして形成したシャドウマスク１を面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ基板２１上に直接接触するように置いて、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長を行う。成長条件は、実施例２と同じである。シャドウマスク１を（１００）ｎ型ＩｎＰ基板２１上に載置した場合、マスキング部２の最下表面とＩｎＰ基板２１の上側表面間の距離は、約１５０μｍである。このシャドウマスク１を使用し、実施例２と同じ製造方法及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製したところ、実施例２の場合と同様に良好な特性が得られた。
【００９４】
＜実施例８＞
本発明に係る導波路型半導体光素子の一実施例として、図１０に示したように、同一基板上に一体形成された波長１．３μｍ帯で動作する端面ビームスポット拡大半導体レーザアレーについて説明する。
【００９５】
ｐ型ＩｎＰ基板３１上への結晶成長は、シャドウマスク１を用いて実施例２と同様にＭＯＶＰＥ法により行う。図１０に示すように、成長構造は、ｐ型ＩｎＰ基板３１上に、ｐ型ＩｎＰ層２８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）層２７、６周期の歪多重量子井戸活性層２６、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）２５、ｎ型ＩｎＰ層２４を順次積層した多層膜構造である。ここで、歪多重量子井戸活性層２６は、図１０（ａ）中の拡大図に示した様に、６．０ｎｍ厚で１％の圧縮歪を持つＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．４５μｍ）井戸層４１と、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）障壁層４２から構成される。この場合、シャドウマスク１の最下表面とｐ型ＩｎＰ基板３１の上側表面間の距離は約２００μｍである。その他の成長条件は、実施例２と同じである。成長後の膜厚測定では、マスキング部２の中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部３の中央部付近が鉛直投影される領域の約１／３に低下していることが判った。
【００９６】
次に、シリコン酸化膜をマスクとし、ウエットエッチャントを用いて活性層となる上記成長層をメサ状にエッチングする。この時、同時にレーザ前端面となる側のメサストライプ導波路幅をテーパ状に広げる。
【００９７】
続いて、シャドウマスク１を取外しＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＩｎＰ層２８、ｎ型ＩｎＰ層２４、ｐ型ＩｎＰ層２８からなる電流阻止層を成長する。成長後、ＳｉＯ2マスクを除去し、再びｎ型ＩｎＰ層２４、高濃度のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ３２の結晶成長をＭＯＶＰＥ法により順次行う。
【００９８】
その後、ＳｉＯ2５２を化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法により堆積し、フォトリソグラフィ技術によりＳｉＯ2５２上にコンタクト穴を空けた後、上部電極５４と下部電極５３を形成すれば、図１０（ａ）に示すレーザアレー構造が完成する。シャドウマスク１を用いて結晶成長を行ったので、図１０（ｂ）に示したように、リッジストライプ部分は素子の出射端面に向かって薄くなるようにテーパ化している。メサストライプ導波路の素子端面から離れた中央部分ではメサ幅は１．０μｍであるが、レーザ出射端では３．０μｍにまでテーパ状に広げられている。ストライプのメサ幅が漸次変化するテーパ領域長は１００μｍ、全素子長は３００μｍである。同一アレー内の素子数は１０個である。レーザ前端面には反射率７０％の反射膜を施し、後端面には反射率９０％の高反射膜を施した。なお、本実施例の半導体レーザは、導波路の光の伝搬方向と垂直な方向の光の閉じ込め構造が埋込ヘテロ構造である。
【００９９】
作製した素子は室温、連続条件において、しきい値２〜３ｍＡ、発振効率０．３５Ｗ／Ａと良好な特性を示した。室温での発振波長は１．３μｍであった。また、８５℃の高温動作においてもしきい値４〜６ｍＡ、発振効率０．２０Ｗ／Ａとビーム拡大機構の無い従来構造と遜色無い特性が得られた。テーパ化されていない後端面でのビームスポット径は約１．５μｍであった。これに対し、テーパ化された前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は約３倍に拡大され４．５μｍであった。このレーザとコア径１０μｍの単一モードファイバとの結合を行ったところ結合損失３ｄＢ以下を水平、垂直方向の位置決め精度±３μｍで実現した。同一アレー内素子間の特性バラツキは、ビーム拡大機構の無い同様な半導体レーザアレーと遜色無かった。又、素子の長期信頼性を８５℃の高温条件下で評価したところ１０万時間以上の推定寿命を確認した。尚、シャドウマスク１としては、実施例１および実施例４〜７で述べた構造のいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【０１００】
また、メサストライプ導波路の幅は、上記値に限らず、素子の中央での導波路幅は実用上１〜２．５μｍの範囲が可能であり、出射端での幅は中央での幅よりも２〜５μｍ幅広にすればスポット拡大効果が得られる。
【０１０１】
＜実施例９＞
本発明に係る半導体光素子の別の実施例として、図１１に示した構造の波長１．５５μｍ帯で動作する半導体レーザ光増幅器について説明する。
【０１０２】
ｎ型ＩｎＰ基板２１上への結晶成長は、シャドウマスク１を用いて実施例２と同様にＭＯＶＰＥ法により行う。この時、ｎ型ＩｎＰ基板２１表面上で、シャドウマスクの目空き部３の中央部付近が鉛直投影される領域の成長構造は、各層が以下の数値になるように形成した。０．２μｍ厚のｎ型ＩｎＰ層２４、０．１５μｍ厚のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．２０μｍ）層３３、０．１μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．５５μｍ）バルク活性層３４、０．０５μｍ厚のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．２０μｍ）層３５、０．１μｍ厚のｐ型ＩｎＰ層２８を順次形成する。その他の成長条件は、実施例２と同じである。成長後の膜厚測定では、マスキング部２の中央部と対向する表面、すなわち中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部３の中央部付近が鉛直投影される領域の約１／５に低下していることが判った。
【０１０３】
続いて、シャドウマスク１をとり外した後、再度ＭＯＶＰＥ法により、実施例２と同様に５μｍ厚のｐ型ＩｎＰ層２８と０．２μｍ厚の高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層（不図示）の結晶成長を順次行う。
【０１０４】
次に、実施例２と同じレーザ作製法を用いて図１１中に示した部分拡大図Ｂ１に示すようなテーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造に加工する。ここでリッジの底面の幅ｇは素子中央部の断面の部分拡大図Ａ３に示すように２．５μｍであるが、レーザ入／出射端面では部分拡大図Ａ１に示すようにリッジの底面の幅ｈは７．５μｍにまでテーパ状に広げられている。なお、他方の入／出射端面Ａ２の部分拡大図はＡ１と同じであるので省略した。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は１５０μｍ、全素子長は７００μｍである。また、素子の両端面には反射率０．０５％の反射防止膜を施した。
【０１０５】
作製した素子は室温、連続条件において、印加電流１００ｍＡにおいてチップ利得２５ｄＢを得、ＴＥ、ＴＭモード間の利得差は０．５ｄＢ以下と良好である。また、飽和出力は１０ｄＢｍであった。また、リッジ幅ｈ＝７．５μｍの入／出射端面でのビームスポット径は、約６μｍと従来型に比べて４倍に拡大された。この光増幅器とコア径１０μｍの単一モードファイバとの結合を行ったところ、水平及び垂直方向の位置決め精度±３μｍで、片端面当たりの結合損失２ｄＢ以下を実現できた。なお、リッジ幅は上記値に限るものではなく、導波路中央でのリッジ幅１．５〜３．０μｍの範囲に対して、光の入／出射端で３〜８μｍ幅広にすればスポット拡大効果が実用上問題無く得られる。
【０１０６】
＜実施例１０＞
本発明に係る半導体光素子のまた別の実施例として、基板保持具１１を用いないでシャドウマスクを基板上に直接載置して製造した場合であって、活性層に量子井戸層を用いて波長１．５５μｍ帯で動作する図１７（ｃ）に示したような構造の半導体レーザ光増幅器について説明する。
【０１０７】
図１７（ａ）に示したように、シャドウマスク１の構造としては、実施例３で述べたものと同じであるが、マスキング部２及び枠部４は酸化膜６で覆われているものを用いる。ただし、本実施例では目空き部３の幅は１３００μｍであり、マスキング部２と枠部４間の段差は０．５μｍである。このシャドウマスク１をｎ型ＩｎＰ半導体基板２１上に載置して、ＭＯＶＰＥ法により後述する多層膜を成長した後における、図１７（ａ）中にＡ−Ａ’線で示した部分に対応する断面斜視図を示したのが図１７（ｂ）である。同図から分かるように、シャドウマスク１のマスキング部２の最下表面はＩｎＰ基板２１より０．５μｍだけ浮いた状態である。マスキング部２のストライプ方向は、ＩｎＰ基板２１の［０１−１］方向となるようにシャドウマスク１を載置する。
【０１０８】
このようにシャドウマスク１をＩｎＰ基板２１上に設置した後、ＭＯＶＰＥ法により結晶成長を次の順に行う。すなわち、ｎ型ＩｎＰバッファ層２４を０．２μｍ、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層（組成波長１．１５μｍ）３３’を０．０５μｍ、６．０ｎｍ厚で０．４５％の引っ張り歪を持つＩｎＧａＡｓ（組成波長１．６０μｍ）を井戸層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１５μｍ）障壁層とする６周期の歪多重量子井戸活性層６６、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１５μｍ）上側光ガイド層３５’を０．０５μｍ、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８を０．１μｍを順次形成する。成長層の膜厚を表面段差計で測定した結果、図１７（ｂ）に示すように、シャドウマスク１のマスキング部２の直下の成長膜厚は、マスキング部２から十分離れた目空き部３の領域の約１／１０に低下していることが判った。続いて、シャドウマスク１を取外した後、再度ＭＯＶＰＥ法を用いてｐ型ＩｎＰクラッド層２８を５μｍ、高濃度のｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２９を０．２μｍとなるように順次形成する。
【０１０９】
次に実施例２と同様のレーザ作製法を用いて図１７（ｃ）中に示した部分拡大図Ｂ１に示すようなテーパ形状のリッジストライプ導波路を有するレーザ構造に加工する。ここで、リッジの底面の幅は素子中央部の断面の部分拡大図Ａ３に示すように２．５μｍであるが、レーザ入／出射端面では部分拡大図Ａ１，Ａ２に示すようにレーザ入／出射端では７．０μｍにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は１５０μｍ、全素子長は７００μｍである。素子の両端面には反射率０．０５％の反射防止膜を施した。
【０１１０】
作製した素子は室温、連続条件において、印加電流１００ｍＡにおいてチップ利得２５ｄＢを得、ＴＥ、ＴＭモード間の利得差は０．５ｄＢ以下と良好である。飽和出力は１０ｄＢｍであった。
【０１１１】
また、リッジ幅７．０μｍの入／出射端面でのビームスポット径は約６μｍと従来型に比べて４倍に拡大された。この光増幅器とコア径１０μｍの単一モードファイバとの結合を行ったところ片端面当たりの結合損失２ｄＢ以下を水平、垂直方向の位置決め精度±３μｍで実現した。
【０１１２】
＜実施例１１＞
シャドウマスク１を使用した結晶成長において、成長原料と共にエッチングガスを供給して本発明の導波路型半導体光素子の製造方法について述べる。
【０１１３】
まず、実施例１で述べた図１に示すシャドウマスク１を作製した。基本的には実施例１と同じ方法及び条件で結晶成長した。但し、シャドウマスク１と基板２１間の距離ｄは実施例１の１／３である５０μｍとした。ＭＯＶＰＥ法による結晶成長時には、キャリヤガスと成長原料の他にエッチングガスである塩化メチル（ＣＨ3Ｃｌ）を供給した。更に、比較のために、エッチングガスを使用しない場合についても同様に行った。ＣＨ3Ｃｌの供給量は、シャドウマスク１を使用せずにＣＨ3Ｃｌを供給する結晶成長において成長層の光学的結晶が低下しない程度に設定した。成長時間も各々適正化した。
【０１１４】
成長後、表面形状測定器と走査型電子顕微鏡で膜厚測定した。図１２（ａ）はエッチングガスであるＣＨ3Ｃｌを同時供給して成長した場合の断面図であり、図１２（ｃ）はエッチングガスを使用せずに成長した場合の断面図である。両者共、マスキング部２の中央部直下のコア層の成長膜厚は、目空き部３の中央部付近が鉛直投影される領域ｅの約１／５〜１／７に低下していることが判った。
【０１１５】
次に、実施例２と同じ製造工程及び構造の端面ビームスポット拡大半導体レーザを作製した。図１２（ａ）の成長層の場合は、実施例２の半導体レーザと同等の良好な特性が得られた。図１２（ｃ）の成長層の場合、実施例２の半導体レーザに準ずる特性、すなわちスペクトラムの半値全幅が５ｎｍ増加した程度の実用上問題が無い特性が得られた。尚、図１２（ｂ）は６周期の歪多重量子井戸活性層２６の部分拡大図である。
【０１１６】
次に、図１２（ａ）と図１２（ｃ）に示した成長層断面図の膜厚平坦性に関して述べる。図１２（ａ）に示した断面構造では領域ｅの表面が平坦であるのに対して、図１２（ｃ）に示した断面構造では領域ｆ寄りの領域ｅで非平坦な膜厚増加領域が生じている。この膜厚増加は、誘電体薄膜マスクを利用する従来の領域選択成長法と同様な原理である。実施例２では見られなかった膜厚増加現象が図１２（ｃ）で生じているのは、主として、距離ｄとシャドウマスク１の厚さとの合計値の違いに起因する。この合計値が２００μｍと小さい本実施例では、エッチングガスを使用しない図１２（ｃ）の場合は、マスキング部２上で局所的に濃度の高い成長原料が基板面方向に気相拡散し、マスキング部２直下近傍での成長速度増加に寄与した。
【０１１７】
一方、エッチングガスを併用する図１２（ａ）の良好な膜厚平坦性が得られる理由は、以下のように考えられる。ＩｎＰ基板２１上の気相中において、成長に寄与する主なIII族気相拡散種はＩｎＣｌとＧａＣｌである。これらの拡散種は、塩化物ガスを使用しない通常のＭＯＶＰＥ成長時に生ずるIII族拡散種に比べて極めて揮発性が高い。従って、マスキング部２上で局所的に濃度の高い成長原料が基板面方向に気相拡散する過程で、成長層表面ではなく、基板２１上方の気相中に取り込まれ易い。実際、誘電体薄膜マスクを利用する従来の領域選択成長法において塩素系III族有機金属を使用した場合、指数関数的な膜厚プロファイルから得られる気相拡散長は極めて短かいことが知られている。以上の様に、エッチングガスを同時供給する本製造方法によれば、面内膜厚分布を制御して成長層の平坦化を行なうことができる。
【０１１８】
尚、エッチングガスとしては、ＣＨ3Ｃｌの他に、塩化水素（ＨＣｌ）ガスでもよく、アミン基またはアミノ基を含む原料ガスを用いても同様の効果が得られた。
【０１１９】
＜実施例１２＞
本発明に係る導波路型半導体光素子のまた別の実施例として、波長１．５５μｍ帯で動作する図１８に模式的に示した干渉型光変調器について説明する。
【０１２０】
変調器活性層には９．０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．５７μｍ）を井戸層、５ｎｍ厚のＩｎＡｌＡｓ（組成波長０．８６μｍ）を障壁層とする２５周期の多重量子井戸活性層６１が導入されている。この活性層６１は、シャドウマスク１を用いてＭＯＶＰＥ法により形成している。シャドウマスク１の構造としては、これまでの実施例１，実施例４〜７で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【０１２１】
リッジの横幅は、単一モード条件から変調器内部では１．５μｍであるがレーザ出射端では６．０μｍにまでテーパ状に広げられている。リッジ幅が漸次変化するテーパ領域長は１５０μｍ、全素子長は１４００μｍである。素子の両端面には反射率１％の反射防止膜を施した。尚、入／出射端面の活性層の膜厚は、図１８中の部分拡大図Ｂ１，Ｂ２に示すように、それぞれ端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【０１２２】
作製した素子のリッジ幅６μｍの入／出射端面でのビームスポット径は約５μｍと従来型に比べて約３倍に拡大された。この光変調器とコア径１０μｍの単一モードファイバとの結合を行ったところ、水平及び垂直方向の位置決め精度±２μｍで、片端面当たりの結合損失２ｄＢ以下を実現した。このため、変調器の全挿入損失を１０ｄＢ以下に低減できた。また、変調器の駆動電圧は３Ｖ、変調帯域は１７ＧＨｚと良好であった。さらに、ファイバ位置を意図的に±１μｍずらした場合においても変調器の特性に変化は無かった。なお、図１８において、参照符号２１は面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ基板、５１はポリイミド樹脂、５３は下部電極、５４は上部電極である。
【０１２３】
＜実施例１３＞
本発明に係る導波路型半導体光素子の更に別の実施例として、波長１．４８μｍで発振する図１９に示した高出力レーザについて説明する。なお、図１９において、実施例２の図６に示した構成要素と同じ部分には、同じ参照符号を付してある。
【０１２４】
活性層には、発光波長１．４８μｍの歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造８１が導入されている。この活性層は、シャドウマスク１を用いてＭＯＶＰＥ法により形成している。シャドウマスク１の構造としては、これまでの実施例１，実施例４〜７で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【０１２５】
高出力化、安定な横単一モード動作を目的として発光領域幅すなわちリッジ幅は部分拡大図Ａ２に示すように入射端面部で２．４μｍ、部分拡大図Ａ１に示すように出射端面部で５μｍ、リッジ幅が漸次変化するテーパ長は２００μｍ、共振器長は１２００μｍとした。素子の前端面には反射率３％の低反射膜、後端面には９０％の高反射膜が形成されている。尚、部分拡大図Ｂ１に示すように活性層の膜厚も出射端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【０１２６】
得られた本実施例の高出力レーザの特性は、室温連続動作条件における発振しきい値が２５〜３２ｍＡ、発振効率が０．４０〜０．４３Ｗ／Ａである。最大光出力は３５０ｍＷを得た。また、リッジ幅５μｍの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は４．５μｍである。この高出力レーザを、セラミックス基板上に温度調整器、レンズ、および光ファイバと一体化してモジュール化したところファイバとの低結合損失１．０ｄＢを反映して最大モジュール出力２８０ｍＷを得た。本素子をエルビウム添加ファイバ増幅器の励起光源として用いることにより、雑音強度の低い良好な光増幅特性を確認した。
【０１２７】
＜実施例１４＞
本発明に係る導波路型半導体光素子のまた別の実施例として、１．５５μｍで発振する図２０に示した高出力分布帰還型レーザについて説明する。なお、図２０において、実施例２の図６に示した構成要素と同じ部分には、同じ参照符号を付してある。
【０１２８】
活性層には、発光波長１．５５μｍの歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造９１、及び周期２４１ｎｍの回折格子９２が導入されている。この活性層は、シャドウマスク１を用いてＭＯＶＰＥ法により形成している。シャドウマスク１の構造としては、これまでの実施例１，実施例４〜７で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。また、回折格子９２の形成は、位相シフト法や二重レジスト法など周知の方法を用いて形成すればよい。
【０１２９】
高出力化、安定な横単一モード動作を目的として、部分拡大図Ａ２に示すように入射端面部での発光領域幅は２．４μｍ、部分拡大図Ａ１に示すように出射端面部での発光領域幅は５μｍ、リッジ幅が漸次変化するテーパ長は１５０μｍ、共振器長は６００μｍとした。素子の前端面には反射率１％の低反射膜、後端面には９０％の高反射膜が形成されている。尚、部分拡大図Ｂ１に示すように活性層の膜厚は出射端面に向かってテーパ状に薄くなっている。
【０１３０】
このようにして得られた本実施例の高出力分布帰還型レーザの特性は、室温連続動作条件における発振しきい値が１５〜１８ｍＡ、発振効率が０．３５〜０．４０Ｗ／Ａである。最大光出力は、１５０ｍＷを得た。また、リッジ幅５μｍの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は４．５μｍである。このレーザを実施例１３と同様にモジュール化したところ低結合損失１．０ｄＢを反映して最大モジュール出力１２０ｍＷを得た。
【０１３１】
＜実施例１５＞
本発明に係る導波路型半導体光素子の別の実施例として、０．９８μｍで発振する図２１に示した高出力半導体レーザについて説明する。なお、図２１において、実施例２の図６に示した構成要素と同じ部分には、同じ参照符号を付してある。
【０１３２】
まず、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ半導体基板１０１上に、ｎ型Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ｐバッファ層１０２を２．０μｍ、ｎ型ＧａＡｓ層を０．０１μｍとなるようにＭＯＶＰＥ法を用いて順次形成する。上記０．０１μｍのｎ型ＧａＡｓ層を、例えば硫酸と過酸化水素と水の混合液を用いて全面除去する。この後、シャドウマスク１を用いて、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長０．７０μｍ）下側光ガイド層１０４を０．０５μｍ、６．０ｎｍ厚のＩｎ0.17Ｇａ0.83Ａｓを井戸層とし、８ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長０．７０μｍ）を障壁層とする単一量子井戸活性層１０５、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長０．７０μｍ）上側光ガイド層１０６を０．０５μｍ、ｐ型Ｉｎ0.5１Ｇａ0.49Ｐクラッド層を０．１μｍ、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を０．０１μｍとなるようにＭＯＶＰＥ法により順次形成する。尚、シャドウマスク１の構造としては、これまでの実施例１，実施例４〜７で述べたいずれのシャドウマスクを用いてもよい。
【０１３３】
この成長層の膜厚を表面段差計で測定した結果、シャドウマスクのマスキング部２直下の成長膜厚はマスキング部２から十分離れた目空き部３の中央部領域の膜厚よりも約１／５に低下していることが判った。
【０１３４】
続いて、シャドウマスク１を取外し、０．０１μｍの上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層を除去した後、再度ｐ型Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ｐクラッド層１０９を５．０μｍ、高濃度のｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０を０．２μｍをＭＯＶＰＥ法により順次形成する。
【０１３５】
次に、実施例２と同様にして図２１に示すようなリッジストライプレーザ構造に加工する。尚、図２１において、参照符号５１はポリイミド樹脂、５２はＳｉＯ2，５３は下部電極、５４は上部電極である。高出力化、安定な横単一モ−ド動作を目的として、部分拡大図Ａ２に示すように入射端面部の発光領域幅は２．４μｍ、部分拡大図Ａ１に示すように出射端面部で５μｍ、部分拡大図Ｂ１に示すように活性層の膜厚はテーパ状に薄くなっており、このテーパ長は２００μｍ、共振器長は９００μｍとした。また、素子の前端面には反射率１％の低反射膜、後端面には９０％の高反射膜が形成されている。
【０１３６】
このようにして得られた本実施例の波長０．９８μｍ帯の高出力半導体レーザの特性は、室温連続動作条件における発振しきい値が１２〜１５ｍＡ、発振効率が０．６０〜０．７０Ｗ／Ａである。最大光出力は、４００ｍＷを得た。また、リッジ幅０．５μｍの前端面からのレーザ出射ビームのスポット径は４．５μｍである。このレーザを実施例１３と同様にモジュール化したところ、光ファイバとの低結合損失１．０ｄＢを反映して最大モジュール出力は３２０ｍＷが得られた。また、この波長帯レーザの高出力動作時の劣化は光密度分布の高い端面の結晶劣化であることが知られている。しかし、本実施例ではビームスポット径を簡単に広げることができるため、出射端面での光密度の低減により高出力動作時の端面結晶劣化を大きく低減できる。このため、素子の予測寿命は１００万時間以上である。
【０１３７】
本素子をエルビウム添加ファイバ増幅器の励起光源として用いることにより、雑音強度の低い良好な光増幅特性を確認した。
【０１３８】
尚、ビ−ム拡大による端面光密度の低減による素子寿命改善効果は波長１μｍ程度以下の全ての高出力半導体レーザに適用できることは言うまでもない。
【０１３９】
以上、シャドウマスク成長法による面内膜厚制御と横幅を変調したテーパ導波路を組み合わせることにより、導波路型光素子のファイバ結合効率と位置合わせの許容誤差を大きく改善できることを、本発明の好適な実施例を用いて示したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、同様な作製で実現可能なファイバ結合にて用いる全ての導波路型光素子に適用可能であり、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは勿論である。
【０１４０】
【発明の効果】
前述した実施例から明らかなように、本発明に係る導波路型半導体発光素子の製造方法によれば、結晶成長時に半導体薄膜の膜厚を同一基板面内で変調し、且つ、その光学的結晶性を高品質とすることが出来るので、光ファイバとの光結合が容易で且つ動作電流、動作電圧の低く、且つ高速特性の優れたリッジ装荷型光導波素子を極めて容易に実現できる。
【０１４１】
また、本発明に係る導波路型半導体光素子の製造方法によれば、優れた素子特性を有すると共に長期間の使用に耐え得る実用的なテーパ導波路集積型半導体光素子や集積素子を作製できる。
【０１４２】
更に本発明に係る導波路型半導体光素子は、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素子を適用することにより光通信システムの低価格化、大容量化、長距離化を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシャドウマスクの一実施例を模式的に示し、（ａ）はシャドウマスクの平面図、（ｂ）はマスキング部の断面図である。
【図２】本発明のシャドウマスクの使用例を示す図であり、（ａ）は半導体基板上に基板保持具を用いてシャドウマスクを載置した状態を示す断面図、（ｂ）はシャドウマスクのマスキング部における３種類の構造例を示す拡大断面図である。
【図３】本発明のシャドウマスクを用いて形成した多層膜の形状を示す断面模式図である。
【図４】図２（ｂ）に示したマスキング部の構造の違いによる成長膜のＰＬスペクトラム強度特性を示す特性線図である。
【図５】本発明のシャドウマスクを用いた製造方法により形成した多層膜の概略構成を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は全体斜視図である。
【図６】本発明の製造方法により形成した導波路型半導体光素子の一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図７】シャドウマスクを用いて形成した本発明の導波路型半導体光素子と、従来の領域選択成長法により形成した導波路型半導体光素子の注入電流−光出力特性線図である。
【図８】シャドウマスクのマスキング部の種々の構造をそれぞれ示す断面図である。
【図９】シャドウマスクの別の実施例を示すそれぞれ（ａ）平面図と（ｂ）要部断面図である。
【図１０】本発明の製造方法により形成した導波路型半導体レーザアレーの一実施例を示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＣ−Ｃ’線の断面図である。
【図１１】本発明の製造方法により形成した導波路型半導体レーザ光増幅器の一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図１２】本発明のシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時のエッチングガスの有無による形状の違いを模式的に示す断面図および部分拡大図である。
【図１３】シャドウマスクの製造方法の一実施例を主要工程順に示す断面図である。
【図１４】シャドウマスクの製造方法の別の実施例を主要工程順に示す断面図である。
【図１５】シャドウマスクの別の実施例を示し、（ａ）はシャドウマスクの底面図、（ｂ）はこのシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時の要部断面斜視図である。
【図１６】シャドウマスクのまた別の実施例を示し、（ａ）はシャドウマスクの平面図、（ｂ）はこのシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時の要部断面斜視図、（ｃ）はこれにより形成した導波路型半導体光素子の一実施例を示す斜視図と部分拡大図である。
【図１７】シャドウマスクのまた別の実施例を示し、（ａ）はシャドウマスクの平面図、（ｂ）はこのシャドウマスクを用いた半導体薄膜成長時の要部断面斜視図、（ｃ）はこれにより形成した導波路型半導体レーザ光増幅器の別の実施例を示す斜視図と部分拡大図である。
【図１８】本発明の製造方法により形成した干渉型光変調器の一実施例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の製造方法により形成した高出力レーザの一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図２０】本発明の製造方法により形成した高出力分布帰還型レーザの一実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図２１】本発明の製造方法により形成した高出力半導体レーザの別の実施例を示す斜視図とその各端部における部分拡大図である。
【図２２】テーパ状導波路の膜厚減少係数とファイバ結合損失の関係を示す特性線図である。
【符号の説明】
１…シャドウマスク、２…マスキング部、３…目空き部、４…枠部、５…Ｓｉ、６…熱酸化膜（ＳｉＯx）、７…タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、８…セラミックスアルミナ、９…薄膜アルミナ、１０…ＩｎＰ多結晶層、１１…基板保持具、２１…（１００）ＩｎＰ基板、２２…アンドープＩｎＰ、２３…アンドープＩｎＧａＡｓ、２４…ｎ型ＩｎＰ、２５…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．１０μｍ）、２６…歪多重量子井戸活性層、２７…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層（組成波長１．１０μｍ）、２８…ｐ型ＩｎＰ層、３１…ｐ型ＩｎＰ基板、３２…高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ、３３…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．２０μｍ）、３３’…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層（組成波長１．１５μｍ）、３４…ＩｎＧａＡｓＰバルク活性層、３５…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．２０μｍ）、３５’…ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層（組成波長１．１５μｍ）、４１…ＩｎＧａＡｓＰ井戸層、４２…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、５１…ポリイミド樹脂、５２…シリコン酸化膜、５３…下部電極（ｎ型電極）、５４…上部電極（ｐ型電極）、６１…多重量子井戸活性層、６６…歪多重量子井戸活性層、８１…歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（発光波長１．４８μｍ）、９１…歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（発光波長１．５５μｍ）、９２…回折格子、１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２…ｎ型Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ｐバッファ層、１０４…ＩｎＧａＡｓＰ下側光ガイド層（組成波長０．７０μｍ）、１０５…単一量子井戸活性層、１０６…ＩｎＧａＡｓＰ上側光ガイド層（組成波長０．７０μｍ）、１０９…ｐ型Ｉｎ0.51Ｇａ0.49Ｐクラッド層、１１０…高濃度ｐ型ＧａＡｓキャップ層。
【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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