(57)【要約】【課題】半導体基板上に形成された活性層を含むコア層の偏光特性を高感度に測定する。【解決手段】半導体基板１の上面に形成された活性層を含むコア層７へ励起光１２を照射し、出射するフォトルミネッセンス光２０のＴＥモードとＴＭモードの強度比を測定して活性層の偏光特性を分析する活性層の評価方法において、コア層７上にコア層７と屈折率が異なる半導体層８を形成して、半導体基板１、コア層７及び半導体層８からなるスラブ型光導波路を構成する。フォトルミネッセンス光がコア層に閉じ込められて光導波路を構成するので、長い励起領域で光増幅がなされる結果、各モードの光強度差が拡大され、光強度差が高感度に測定される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に活性層を含むコア層を形成する工程と、前記半導体基板の上面へ前記活性層を励起する励起光を照射して、前記活性層の端面から出射するフォトルミネッセンス光の偏光特性を分析する工程とを有する活性層の評価方法において、
前記半導体基板は前記コア層の屈折率より小さな屈折率を有し、
前記コア層上に前記コア層の屈折率より小さな屈折率を有する半導体層を形成して、前記半導体基板、前記コア層及び前記半導体層からなるスラブ型光導波路を形成したことを特徴とする活性層の評価方法。
【請求項２】
前記半導体基板及び前記クラッド層の屈折率を、前記コア層の屈折率より小さくしたことを特徴とする請求項１記載の活性層の評価方法。
【請求項３】
前記励起光は、前記活性層の端面に垂直な長辺を有する断面長方形の光ビームであることを特徴とする請求項１又は２記載の活性層の評価方法。
【請求項４】
レーザ光をビームエキスパンダを通して拡径する工程と、
次いで、ガウシアン強度分布を有する入射光を一様な強度分布に変換するビームシェイバへ拡径された前記レーザ光を入射して、前記レーザ光を一様な強度分布を有する光ビームに変換する工程と、
次いで、前記一様な強度分布を有する光ビームをシリンドリカルレンズへ入射して、断面長方形の光ビームからなる前記励起光を形成する工程とを有することを特徴とする請求項３記載の活性層の評価方法。
【請求項５】
ガウシアン強度分布を有する光ビームを一様な光強度分布を有する断面正方形の光ビームに変換する拡散板へレーザ光を入射して、
前記レーザ光を一様な光強度分布を有する断面正方形の光ビームに変換する工程と、
前記一様な光強度分布を有する断面正方形の光ビームをシリンドリカルレンズへ入射して、断面長方形の光ビームからなる前記励起光を形成する工程とを有することを特徴とする請求項３記載の活性層の評価方法。
【請求項６】
半導体基板の上面に活性層を含むコア層を形成する工程と、前記活性層の偏光特性を評価する工程と、前記評価に基づき活性層の形成条件を調整する工程とを有する光半導体装置の製造方法において、
前記活性層の偏光特性を評価する工程に、請求項１〜５の何れかに記載の活性層の評価方法を用いることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は活性層を含む光導波路を備えた光半導体装置に用いられる活性層の評価方法及びその光半導体装置の製造方法に関し、とくに、活性層の偏光特性を精密に評価することができる活性層の評価方法及びその評価方法を活性層の形成条件の調整に用いる光半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
活性層を含む導波路を利用する光半導体装置、例えばストライプ状の導波路を用いて光増幅をする半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）では、装置の特性の偏光依存性（偏光特性）、例えば増幅特性の偏光依存性が小さいことが望まれる。例えば、光通信用に使用されている半導体光増幅器では、ＴＥモードとＴＭモードの増幅率の差が１ｄＢ以下であることが要求されている。このため、偏光依存性が小さな活性層を製造し、評価する方法が必要とされている。
【０００３】
他方、活性層に量子ドットを含む量子ドット活性層を用いた光半導体装置、例えば半導体光増幅器は、パターン効果が小さくかつ広い利得帯域を有するという優れた増幅特性を有することから、今後の実用化に向けて開発が進められている。しかし、量子ドットは形成条件によっては強い偏光依存性を有することがあり、かかる量子ドットを用いた光半導体装置の特性は大きな偏光依存性を有するものとなる。
【０００４】
量子ドットの偏光特性は、形状、大きさ、歪み、材料等に強く依存する。しかし、これら形状等は、量子ドットの形成条件を制御することで、所望の形状等に近くなるように制御することができる。例えば、下層と格子定数が異なる半導体材料を薄く堆積させ、下層上にその半導体材料からなる偏平な島状半導体を形成し、かかる島状半導体を積層して立方体に近い形状を有する量子ドットを形成する方法では、材料、温度、堆積量及び積層数等の形成条件を制御することで、所望の偏光特性を有する量子ドットを作製することができる。（例えば非特許文献１を参照。）
上述したように、光半導体装置の活性層は、偏光依存性が十分に小さいことが要求される。このため、光半導体装置の製造において、半導体基板上に活性層を堆積した後、堆積した活性層の偏光特性を測定して評価し、規定の偏光特性を満たすことを確認する工程が採用されている。かりに、規定の偏光特性を満たさない場合は、測定値に基づき活性層の形成条件（即ち堆積条件）を偏光特性が規定値に近づくように変更し、再び活性層の形成（即ち堆積）及び偏光特性の測定・評価を繰り返す。この繰り返しは、偏光特性が充足される活性層が形成されるまで続けられる。これにより，確実に規定の偏光特性を満たす活性層が製造される。
【０００５】
以下、半導体基板上に堆積した活性層の偏光特性を評価する従来の活性層の評価方法について説明する。
【０００６】
図８は従来の評価試料構造説明図であり、活性層の評価がなされる試料の積層構造を表している。なお、図８（ａ）は半導体基板の上面に形成された活性層を含むコア層の断面構造を、図８（ｂ）は図８（ａ）の上下方向（半導体基板上面の垂直方向）に沿う屈折率分布を表している。
【０００７】
図８（ａ）を参照して、評価試料は、半導体基板１の上面に、活性層５の上下を光ガイド層２、６により挟んだ構造のコア層７が形成されている。活性層５は、中間層４と量子ドット３より構成される。この半導体基板１はへき開され、そのへき開面にコア層７の端面が表出している。
【０００８】
図８（ｂ）を参照して、光ガイド層２、６の屈折率は、半導体基板１より大きく、一方活性層５より僅かに小さい。従って、コア層７は、その上下の半導体基板１及び空気より大きな屈折率を有し、スラブ型の光導波路層として機能する。
【０００９】
かかる量子ドット３は例えば次のようにして製造される。半導体基板１及び下層の光ガイド層２と大きく異なる格子定数を有する半導体材料を偏平な島状に堆積させ、その上に半導体基板１に近い格子定数を有する中間層４を堆積する。さらに、島状の半導体材料と中間層４とを交互に複数層積層することで、偏平な島状の半導体材料が垂直に積層した柱状の量子ドット４が形成される。
【００１０】
このような柱状の量子ドット４は、形成条件を制御することで、水平方向の幅と垂直方向の高さの寸法をほぼ等しい立方体状に形成することができる。かかる立方体状の量子ドットは、水平偏光と垂直偏光の両方に対してほぼ等しい特性を有する。このため、光半導体装置を構成する光導波路のコア層７の一部にかかる量子ドット４を含む活性層５を用いることで、偏光依存性が小さな光半導体装置が実現される。
【００１１】
図９は従来の評価方法説明図であり、試料を照射する励起光とコア層から放射されるフォトルミネッセンス光を表している。
【００１２】
図９を参照して、従来の活性層の評価方法では、図９を参照して、半導体基板１上に形成されたコア層７に、上方からコア層７に垂直に励起光１２（レーザ光）を入射してコア層７中の活性層５（図８の活性層５）を励起する。そして、へき開面から放射される活性層５からのフォトルミネッセンス光２０の偏光特性を測定する。（例えば、非特許文献２を参照。）。
【００１３】
励起光１２は、レーザ光を拡幅しコリメータを通して平行ビームとした後、スリットを通過させて細長い長方形状の断面を有する光ビームに整形される。この励起光１２は、長辺がへき開面に垂直になるように、半導体基板１上面に垂直方向の入射方向１２ａから照射される。
【００１４】
励起光１２により励起された活性層５は、励起光１２の形状に従い細長い長方形領域が励起される。この励起された長方形領域を含むコア層７は、横閉じ込め効果を有する導波路として機能する。このため、フォトルミネッセンス光２０は、コア層７内を長方形領域の長辺に沿って伝播し増幅され、へき開面からそのへき開面に垂直に放射される。
【００１５】
放射されたフォトルミネッセンス光２０は、コア層７（又は活性層５）に垂直な偏光方向２０Ｍを有するＴＭモードと、コア層７に平行な偏光方向２０Ｅを有するＴＥモードとの光強度がそれぞれ測定され、フォトルミネッセンス光２０の偏光特性が評価される。
【００１６】
この従来の評価方法では、活性層５を細長く励起する。その結果、活性層５で発生したフォトルミネッセンス光２０は、励起されたコア層７を伝播して増幅される。励起される長方形領域の長辺の長さをＬ、光ゲインをｇとすると、増幅されたフォトルミネッセンス光の強度は（ｅｘｐ（ｇＬ）−１）／ｇに比例する。その結果、ＴＥモードとＴＭモードとで光ゲインに差があると、両モード間の光強度の差は、励起される領域の長さＬに対して指数関数的に拡大する。このため、励起光を単に円形断面や短い長方形とする場合に較べて、活性層５のＴＥモードとＴＭモードの光ゲインの差異が顕著にフォトルミネッセンス光の強度差として現れる。従って、活性層５の偏光特性を精密に評価することができる。
【００１７】
評価の結果、ＴＭモード又はＴＥモードの一方の発光が強すぎる場合は、それに応じて活性層の形成条件を調整して活性層を再度形成し、再び活性層の偏光特性を評価する。評価の結果、偏光特性が規格範囲内にあれば、その活性層の形成性条件により光半導体装置用の活性層を半導体基板上に形成する。これにより、確実に偏光依存性を満たす光半導体装置が製造される。
【非特許文献１】T.Kita, N.Tamura, and O.Wada  「Artificial control of optical gain polarization by stacking quantum dot layers」 APPLIED PHYSICS lETTERS 88,211106 (2006)
【非特許文献２】Takashi KITA, Osamu WADA, Hiroji EBE, Yoshiaki NAKATA and Mitsuru SUGAWARA  「Polarization-Independent Photoluminescence from Columnar InAs/GaAs Self-Assembled QuantumDots 」 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41(2002) pp.L1143-L1145
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述したように、従来の活性層の偏光特性の評価方法では、半導体基板上に活性層を含むコア層が形成された試料をそのまま評価用の試料として用いていた。このコア層は、実際の製品である光半導体装置を製造する際に、上部に厚いクラッド層が形成されて光半導体装置の光導波路のコア層を構成するもので、このままでは光を閉じ込めるに十分な厚さを有していない。
【００１９】
例えば、活性層の厚さは、ＩｎＡｓの島をＩｎＧａＡｓＰ中間層（サイドバリア層）を挟んで１０層程度に積層した柱状量子ドットの厚さ、例えば１０ｎｍ程度であり、その上に形成される光ガイド層（又は活性層を保護するキャップ層）の厚さは例えば２００ｎｍ程度である。従って、活性層及びその上下の光ガイド層からなるコア層の厚さは、高々１μｍ程度以下に過ぎない。
【００２０】
このように薄いコア層内の活性層を励起してフォトルミネッセンス光を発生すると、伝播する光の大部分が半導体基板内に放散される放射モードとなり、コア層に閉じ込められる光は少ない。このため、細長い長方形領域を励起しても、長方形領域全長にわたる十分な光増幅がなされない。これでは、活性層が有する光ゲインの偏光依存性（異なる偏光に対する光ゲインの差）が、励起領域の長さと共に指数関数的に拡大しないため、異なる偏光を有するフォトルミネッセンス光の間の強度差が小さい。従って、フォトルミネッセンス光の偏光依存性の観測から、活性層又はコア層の偏光依存性を精密に評価することが難しいという問題がある。
【００２１】
さらに、従来の活性層の評価方法では、レーザ光を拡幅した後、スリットを通して細長い長方形ビームからなる励起光を形成していた。しかし、レーザ光はガウシアンビームであるため、励起光の光強度分布も又ガウシアン分布となる。このため、励起光は長方形断面の長辺に沿って大きな強度分布を有する。
【００２２】
このような強度分布を有する励起光を用いると、有効に励起される領域が領域中央付近に限られるため、フォトルミネッセンス光の実効的な増幅距離が短くなる。このため、活性層の精密な偏光依存性の評価が困難になるという問題がある。
【００２３】
本発明は、活性層の偏光依存性を精密に評価することができる活性層の評価方法、及びかかる評価方法を用いた偏光依存性の小さな特性を有する光半導体装置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】
【００２４】
上述した課題を解決するための本発明の第１の構成の活性層の評価方法は、半導体基板の上面に形成された活性層を含むコア層上に半導体層を形成する。この半導体基板及び半導体層は、コア層より小さな屈折率を有し、半導体基板、コア層及び半導体層からなるスラブ型光導波路を形成する。そして、活性層へ励起光を照射して、活性層の端面から出射するフォトルミネッセンス光の偏光特性を分析する。
【００２５】
本第１の構成では、コア層上に半導体層を形成し、コア層より屈折率が小さな半導体基板、コア層及びコア層より屈折率が小さな半導体層から構成されるスラブ型光導波路を形成する。この構造では、コア層の上下で、屈折率差による光閉じ込めがなされる。従って、コア層を伝播するフォトルミネッセンス光は、コア層に閉じ込められて伝播しその間に光増幅される。このため、活性層の偏光特性がフォトルミネッセンス光の光増幅により拡大され、活性層の偏光特性が高感度に測定される。その結果、偏光特性を精密に評価することができる。
【００２６】
半導体層は、半導体基板と共に、フォトルミネッセンス光をコア層内に十分に閉じ込めるだけの厚さとコア層に対する屈折率差を有する必要がある。即ち、コア層を上下から挟む半導体基板及び半導体層は、コア層を光導波路とするスラブ導波路を形成するに十分な屈折率差を有し、かつ、コア層に光閉を込めるに必要な厚さを有する。なお、コア層と、半導体基板及び半導体層の屈折率は、導波路を形成するものであれば大小関係は問わない。例えば、半導体基板及び半導体層が、コア層よりも小さな屈折率を有し、導波路を構成するものでもよい。
【００２７】
光半導体装置のコア層上に設けられるクラッド層の半導体材料を、この半導体層として用いて、偏光特性の評価がなされる試料と半導体装置との屈折率を同一分布とすることが、半導体装置の偏光特性を正確に評価する観点から好ましい。もちろん、活性層の偏光依存性を拡大して鋭敏に測定するために、より光閉じ込め効果の大きな半導体材料を用いて半導体層を構成することもできる。
【００２８】
コア層は、活性層のみから構成されていてもよい。また、活性層の上下の一方又は両方に光ガイド層を有していてもよい。さらに、活性層上に活性層を保護する薄膜が形成されていてもよい。
【００２９】
活性層は、励起光により励起されて光増幅するならば、とくに構造及び材料に制限されない。例えば、量子ドットを含む活性層の他、量子井戸構造を有する活性層、さらにはバルクの活性層であってもよい。とくに、量子ドット、量子井戸構造又は歪み活性層は偏光依存性が生じやすく、これらの偏光特性を精密に評価することは、活性層の形成条件を調整して、活性層の偏光依存性を減少するために、本発明を適用するに適している。
【００３０】
第１の構成において、励起光を、活性層の端面に垂直な長辺を有する断面長方形の光ビームとすることが望ましい。励起光をかかる断面形状とすることで、励起される領域が線分状になるので、フォトルミネッセンス光はこの線分状の領域に閉じ込められこの領域内を伝播する。従って、フォトルミネッセンス光の増幅が有効になされので、活性層の偏光依存性も十分に拡大され、活性層の偏光依存性を精密に評価することができる。なお、励起光は、長い線分状の領域を均一に励起するため、とくに線分方向の光強度分布が均一であることが望ましい。
【００３１】
かかる光強度分布が均一で細長い長方形断面を有する励起光は、以下のようにして形成することができる。
【００３２】
まず、レーザ光をビームエキスパンダを通して拡径する。次いで、ガウシアン強度分布を有する入射光を一様な強度分布に変換するビームシェイパへ拡径されたレーザ光を入射して、一様な強度分布を有する光ビームに変換する。次いで、一様な強度分布を有する光ビームをシリンドリカルレンズへ入射して、断面長方形の光ビームからなる励起光を形成する。
【００３３】
ここで用いるビームシェイパは、入射した平行光線のガウンシアンビームを透過する間に、一様な光強度分布を有する光ビームに変換する。従って、その出射光をシリンドリカルレンズを用いて線分状（細長い長方形断面状）に集光することができる。
【００３４】
この方法によると、円形断面のレーザ光をスリットにより制限して長方形断面とする従来の励起光の形成方法に比べ、スリットによる光の損失が少ない又はないので容易に一様な光強度を有する高輝度の励起光が形成される。
【００３５】
一様強度の長方形断面の励起光を形成する他の方法は、ガウシアン強度分布を有する光ビームを一様な光強度分布を有する断面正方形の光ビームに変換する拡散板を用いる方法である。
【００３６】
即ち、レーザ光をこの拡散板へ入射し、レーザ光を一様な光強度分布を有する断面正方形の光ビームに変換し、この変換された光ビームをシリンドリカルレンズへ入射して断面長方形の光ビームからなる励起光を形成する。なお、変換された光ビームが発散光である場合は、これを平行光線とした後シリンドリカルレンズに入射する。
【００３７】
この方法でも、スリットによる損失が少ない又はないので、一様な光強度を有する光強度の大きな（高輝度の）励起光を得ることができる。
【００３８】
本発明の第２の構成は、偏光依存性が小さい優れた偏光特性を有する光半導体装置の製造方法に関し、とくに、半導体基板の上面に活性層を含むコア層を形成する工程と、活性層の偏光特性を評価する工程と、前記評価に基づき活性層の形成条件を調整する工程とを有する。
【００３９】
第２の構成では、活性層の偏光特性を評価する工程に、上述した第１の構成の活性層の評価方法を用いる。
【００４０】
既述したように、第１の構成の活性層の評価方法により、半導体基板上に形成された活性層の偏光特性を精密に評価することができる。従って、活性層の偏光特性が所要の範囲内に確実に入るように活性層の形成条件を制御することが容易である。このため、偏光依存性が確実に所要の範囲にある光半導体装置が製造される。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、活性層の偏光依存性を高感度に評価することができる。従って、偏光依存性が小さな活性層の形成条件が容易に決定されるので、偏光特性が小さな光半導体装置を確実に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の第１実施形態は光半導体装置の製造方法に関し、とくに半導体光増幅器（ＳＯＡ）の製造方法に関する。
【００４３】
図１は本発明の第１実施形態光半導体装置の製造工程図であり、半導体光増幅器の製造工程を表している。図２は本発明の第１実施形態評価試料構造説明図であり、評価すべき活性層が形成された試料３０の構造を表している。なお、図２（ａ）は試料３０の断面構造を、図２は試料３０の試料上面に垂直方向の屈折率分布を表している。
【００４４】
図１を参照して、本第１実施形態の工程は、活性層の形成条件を定めるための条件決定工程（Ｓ１〜Ｓ４）と、その後になされる実際の半導体装置を製造する製品製造工程（Ｓ５〜Ｓ１０）とから構成される。
【００４５】
図１及び図２を参照して、条件決定工程（Ｓ１〜Ｓ４）では、まず工程Ｓ１として、半導体基板１上に活性層５のテスト堆積を行なう。次いで、工程Ｓ２では、テスト堆積された活性層５上に、光半導体層８としてＩｎＰクラッド層８を堆積し、評価用の試料３０を作製する。なお、クラッド層８は、上述した半導体層の１例であり、以下説明を明瞭にするため、半導体層８と同一符号を付してクラッド層８と記載する。以下、この工程Ｓ１及び工程Ｓ２の詳細を説明する。
【００４６】
図２（ａ）を参照して、工程Ｓ１では、初めに、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１上に、例えば厚さ１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層２を堆積した。次いで、活性層５を堆積し、さらにその上に例えば厚さ１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層６を堆積した。これらの活性層２及び光ガイド層２、６は、いずれもＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積法）を用いて堆積した。
【００４７】
活性層５は、量子ドット３とその間を埋める中間層４とから構成される。活性層５は、極薄い（例えば単原子層以下の）ＩｎＡｓ層の堆積と、ＩｎＧａＡｓＰ層の堆積とを交互に所定回数（例えばＩｎＡｓ層を９層）繰り返し堆積することで形成される。
【００４８】
ＩｎＡｓは、下地の光ガイド層２又は中間層のＩｎＧａＡｓＰと格子定数が大きく異なるので、薄いＩｎＡｓ層は島状に堆積する。その上に堆積されるＩｎＧａＡｓＰは、島状のＩｎＡｓを覆い、ほぼ平坦に堆積する。２層目以上の島状ＩｎＡｓは、自発的に下層の島状ＩｎＡｓの直上に形成される。従って、ＩｎＡｓ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを交互に複数回堆積することで、複数の島状ＩｎＡｓが薄いＩｎＧａＡｓＰ層を介して垂直に積層された量子ドット３が形成される。一方、隣接する量子ドット３の間に堆積したＩｎＧａＡｓＰ層は、平坦に堆積して量子ドット３を分離する中間層４を形成する。これにより、量子ドット３を中間層４により分離した構造の活性層５が形成される。活性層５の厚さは量子ドット３の形成条件により異なるが、例えば９回のＩｎＡｓ層の堆積によりほぼ高さ１３ｎｍの量子ドット３が、即ち厚さ１３ｎｍの活性層５が形成された。
【００４９】
次いで、工程Ｓ２では、上述したように活性層５上に例えば厚さ１５０ｎｍ〜３５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなる光ガイド層６を堆積した。この工程により、活性層５を光ガイド層２、６で上下から挟む構造を有するコア層７が形成される。
【００５０】
次いで、工程Ｓ２では、コア層７上に半導体としてＩｎＰからなるクラッド層８を、ＭＯＣＶＤを用いて堆積した。このクラッド層８の厚さは、コア層７への光閉じ込めに十分な厚さ、例えば３μｍとする。クラッド層８が薄いと光閉じ込め効果が小さく、活性層５の偏光特性がフォトルミネッセンス光の偏光特性に十分に反映されないのみならず、クラッド層８の厚さの変動によりフォトルミネッセンス光の偏光特性の変化が生ずるので好ましくない。逆に厚すぎると堆積時間が長いという問題がある。従って、クラッド層８の厚さは、光閉じ込め効果及び測定の安定性の観点から１μｍ以上、堆積時間の観点から５μｍ以下とすることが好ましい。
【００５１】
図２（ｂ）を参照して、上述の工程Ｓ１〜Ｓ２により製造された試料３０は、ＩｎＰからなる半導体基板１及びＩｎＰからなるクラッド層８に対して、コア層７の屈折率が高く、フォトルミネッセンス光はコア層７内に有効に閉じ込められられる。光ガイド層２、６は活性層５とほぼ等しい屈折率を有し、これにより光はコア層内に閉じ込められて伝播する。
【００５２】
次いで、図１を参照して、工程Ｓ３では活性層の偏光特性の評価を行なう。
【００５３】
図３は本発明の第１実施形態評価方法を説明する斜視図であり、試料に入射する励起光及び試料から出射するフォトルミネッセンス光を表している。
【００５４】
図３を参照して、試料３０上面に形成されたクラッド層８（半導体層８）の上面に、試料３０上面に垂直な入射方向１２ａから、励起光１２が入射される。励起光１２は、既述の従来の活性層の評価方法における励起光と同じ方法で作製された。即ち、レーザ光を拡幅しコリメータを通して平行ビームとした後、スリットを通過させて細長い長方形状の断面、例えば幅が約１０μｍ、長さ４００μｍの長方形断面を有する光ビームに整形して励起光１２とした。この励起光１２は、長方形の長辺方向にガウシアン光強度分布を有している。
【００５５】
励起光１２は、長方形断面の光ビームの長辺がへき開面１ａに垂直になるように入射される。従って、クラッド層８の下のコア層７（より正確には、コア層７に含まれる活性層５）は、へき開面１ａに垂直に延在する線状領域のみが励起され、この活性層５の線状領域に沿って光が伝播する光導波路が形成される。なお、この線状領域の左右は励起された領域と励起されない領域との屈折率差により、上下は半導体基板１及びクラッド層８により屈折率差による光閉じ込めがなされる。
【００５６】
励起された活性層５の線状領域には、フォトルミネッセンス光が生成される。このフォトルミネッセンス光は線状領域を伝播する間に増幅されて、へき開面１ａに表出する活性層５端面から放射されるフォトルミネッセンス光２０として、へき開面１ａから垂直に出射される。
【００５７】
へき開面１ａから放射されるフォトルミネッセンス光２０は、活性層５の面内に平行な偏光方向２０Ｅを有するＴＥモードの光と、活性層５の面内に垂直な偏光方向２０Ｍを有するＴＭモードの光とを含む。工程Ｓ３では、ＴＥモードとＴＭモードの光強度比を例えば偏光板と分光器を用いて測定する。これらＴＥモード及びＴＭモードの光強度は、それぞれ活性層のＴＥモード及びＴＭモードの偏光に対する光ゲインに依存する。従って、このＴＥモードの光とＴＭモードの光の光強度比を測定し、その光強度比から活性層５の偏光特性を評価することができる。
【００５８】
次いで、工程Ｓ４では、工程Ｓ３で測定された光強度比が、規定値以内であるか否かを評価する。規定値以内にあれば、後述する製品製造工程（Ｓ５〜Ｓ１０）を開始する。光強度比が規定値の範囲を超える場合は、再び工程Ｓ１から工程Ｓ４までの条件決定工程を繰り返す。この工程Ｓ１〜Ｓ４の繰り返しは、工程Ｓ４で測定される光強度比が規定値以内になるまで繰り返される。
【００５９】
この再度繰り返す製造決定工程（Ｓ１〜Ｓ４）では、工程Ｓ１における活性層５及び中間層の形成条件（例えば堆積温度、ＩｎＡｓ層の堆積層厚）及びＩｎＡｓ層の層数、中間層４の形成条件（例えば堆積温度、中間層の組成比及び層厚）を調整して、活性層５の偏光特性が規定値に近づくように調整する。
【００６０】
例えば、ＴＥモードのフォトルミネッセンス光２０でＴＭモードのフォトルミネッセンス光２０より大きな光強度が測定されたとき、堆積温度を下げる、ＩｎＡｓ層の堆積層厚を厚くする、又はＩｎＡｓ層の層数を大きくする。これらの活性層５の形成条件の調整により、量子ドットの直径に対する高さの比を大きくしてＴＭモードに対する光ゲインを大きくする。
【００６１】
次いで、工程Ｓ４で測定される光強度比が規定値以内、例えば±０．５ｄＢ以内になると、製品とする光半導体装置を製造する製品製造工程（Ｓ５〜Ｓ１０）を開始する。この製品製造工程（Ｓ５〜Ｓ１０）は、通常の光半導体装置（本実施形態では光導波路構造を有する半導体光増幅器）の製造工程と同様である。
【００６２】
まず工程Ｓ５では、図２を参照して、半導体基板１上に光ガイド層２、量子ドット３並びに中間層４からなる活性層５、光ガイド層６、及びクラッド層８をこの順に形成する。光ガイド層２〜光ガイド層６からなるコア層７の形成は、光強度比が規定値以内になる形成条件、即ち、直前の活性層のテスト堆積工程Ｓ１の形成条件でなされる。クラッド層８も直前の工程Ｓ２と同じ形成条件としてよい。必要ならは、クラッド層８の堆積条件、例えばクラッド層８の厚さを変えることもできる。クラッド層８の形成条件のかかる変更は、活性層５の偏光特性に重大な影響を及ぼさない。
【００６３】
次いで、工程Ｓ６では、フォトエッチングを用いて、光ガイド層２〜クラッド層８をクラッド層８上面からエッチングして、両側に半導体基板１が表出するメサストライプを形成する。このメサストライプ中に含まれるコア層７は、半導体光増幅器の光導波路となる。
【００６４】
次いで，工程Ｓ７では、メサストライプの両側に表出する半導体基板１上に、メサストライプを埋め込む絶縁性の埋め込み層を形成する。
【００６５】
次いで、工程Ｓ８では、メサストライプ及び埋め込み層上に、コンタクト層を含む平坦層を形成する。
【００６６】
次いで、工程Ｓ９では、コンタクト層上及び半導体基板１の裏面（下面）に、それぞれ電極を形成して、半導体光増幅器が製造される。
【００６７】
次いで、工程Ｓ１０では、製造された半導体光増幅器の偏光特性を含む特性評価を行い、不良品を除いて出荷される。以上の工程を経て本第１実施形態に係る光半導体装置（半導体光増幅器）が製造される。
【００６８】
本第１実施形態では、条件決定工程（Ｓ１〜Ｓ４）の工程Ｓ２で、光半導体装置のクラッド層８と同じＩｎＰからなるクラッド層８を形成した。しかし、製品となる光半導体装置のクラッド層８と異なる半導体材料からなるクラッド層８を形成してもよく、また、製品となる光半導体装置のクラッド層８と異なる厚さのクラッド層８を形成してもよい。
【００６９】
また、本実施例ではコア層７が半導体基板１及びクラッド層８より大きな屈折率を有する場合について説明したが、逆にコア層７が半導体基板１及びクラッド層８より小さな屈折率を有することで導波路構造を形成する場合でもよい。
【００７０】
本発明の第２実施形態は、第１実施形態で用いられた励起光に代えて、均一な光強度分布を有する長方形断面（線状断面）の光ビームを励起光として用いる光半導体装置の製造方法に関する。なお、本第２実施形態は、第１実施形態と励起光の作製方法が異なりかつ励起光の光強度分布が均一である他は、第１実施形態形態と同様である。従って、説明を簡明にするため、以下に工程Ｓ３及びＳ５のみ説明する。
【００７１】
図４は本発明の第２実施形態励起光作製装置構成図であり、励起光の作製方法及び作製装置の主要な構成を表している。なお、図４中の円内の図（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ図４に示す位置Ａ〜Ｄにおける光ビームの断面形状を表している。
【００７２】
図４を参照して、Ａｒレーザ１３から放射されたレーザ光１３ａは、ビームエキスパンダ１４に入射される。ビームエキスパンダ１４は、図４（Ａ）を参照して、入射する細いガウシアンビームからなるレーザ光１３ａを拡幅して、ガウシアン光強度分布を有する大口径の平行光線とする。かかビームエキスパンダ１４として、周知の光学系を有する例えはニューポート社製のビームエキスパンダ（製品記号ＺＢ−１２８Ｘ）を用いることができる。
【００７３】
次いで、拡幅され平行光とされたレーザ光１３ａは、ビームシエイバ１５に入射される。ビームシエイバ１５は、入射された平行ガウシアンビームを、図４（Ｂ）を参照して、均一な光強度分布を有する円形断面の平行光ビーム１５ａに変換する。かかる機能を有するビームシエイバ１５として、例えばニューポート社製のビームシエイバ（製品記号ＧＢＳ−ＮＩＲ−Ｈ）を用いることができる。
【００７４】
次いで、円形断面の平行光ビーム１５ａを、シリンドリカルレンズ１６を通過させて、図４（Ｃ）を参照して、図４の紙面に垂直方向に集光し、紙面面内を上下に伸びる線状（細幅の長方形断面）の光ビーム１６ａに変換する。なお、図４（Ｃ）の光ビーム１６ａの形状は、理解を容易にするため，シリンドリカルレンズ１６の焦点近くの断面形状を表している。                                                                              
【００７５】
次いで、凸レンズ１７を用いて、図４（Ｄ）を参照して、光ビーム１６を、幅約１０μｍ、長さ約４００μｍの細長の長方形断面を有する励起光１２に縮小して、その励起光１２を試料３０表面に投射する。
【００７６】
試料３０は、第１実施形態の試料３０と同様であり、クラッド層８表面に励起光１２が照射されるように配置される。
【００７７】
励起光１２が照射されたコア層７の線状の領域を伝播し増幅されたフォトルミネッセンス光２０は、コア層７の端面（へき開面１ａ）から放射される。このフォトルミネッセンス光２０は、凸レンズ２５により平行光線にされ、偏光板２６に入射する。偏光板２６は、ＴＥモード又はＴＭモードのフォトルミネッセンス光を交互に透過する。偏光板２６を透過したフォトルミネッセンス光２０は、凸レンズ２７により光ファイバ２８の先端に集光され、光ファイバに導入される。そして、分光器２９に導入され、スペクトル強度が測定される。最後に、ＴＥモードとＴＭモードの光強度比から活性層５（コア層７）の偏光特性が規格を満たすか否かを判定する。
【００７８】
本発明の第３実施形態は、第２実施形態の励起光の形成に用いられたビームエキスパンダ１４及びビームシエイパ１５に代えて、拡散板を用いる光半導体装置の製造方法に関する。
【００７９】
図５は本発明の第３実施形態励起光作製装置構成図であり、励起光の作製方法及び作製装置の主要な構成を表している。なお、図５中の円内の図（Ｅ）〜（Ｇ）は、それぞれ図５に示す位置Ｅ〜Ｇにおける光ビームの断面形状を表している。
【００８０】
図５及び図５（ａ）を参照して、Ａｒレーザ１４から放射されたレーザ光１３ａは、拡散板１８に入射される。拡散板１８は、細いガウシアンビームからなるレーザ光１３ａを、均一な光強度分布を有するほぼ正方形断面の光ビームに変換する。この変換された光ビームは１０度程度角度で広がっている。かかる機能を有する拡散板は、例えばソーラボ社の拡散板（製品名Engineered Diffusers：製品記号ＥＤ１−Ｓ２０）を用いることができる。
【００８１】
次いで、広がる変換された光ビームを凸レンズ１７を用いて平行ビーム１７ａとする。この平行ビーム１７ａは、図５（Ｆ）を参照して、ほぼ正方形断面の均一な光強度を有している。
【００８２】
次いで、シリンドリカルレンズ１６を用いて、平行ビーム１７ａを図５の紙面に垂直方向に集光し、図５（Ｇ）を参照して、細長い長方形断面の励起光１２に変換し、試料３０表面に照射する。なお、必要ならば、第１実施形態と同様に、励起光１２をさらに凸レンズで集光して光強度の大きな励起光を形成することもできる。
【００８３】
その後のフォトルミネッセンス光２０のＴＥモード及びＴＭモードの光強度比の測定は、第２実施形態と同様にしてなされる。
【００８４】
図６は本発明の効果説明図であり、本発明の第１実施形態及び第２実施形態において観測されたフォトルミネッセンス光のＴＥモード及びＴＭモードのスペクトルを表している。なお、図６（ａ）は第２実施形態の、図６（ｂ）は第１実施形態のスペクトルであり、比較のために、図６（ｃ）に従来の活性層の評価方法で測定されたスペクトルを示した。
【００８５】
図６（ｂ）を参照して、コア層７上に半導体層８（クラッド層８）が形成された試料３０を、ガウシアン型の光強度分布を有する励起光１２により励起する本発明の第１実施形態では、光半導体装置の使用波長領域、１５００ｎｍ〜１５６０μｍにおけるＴＥモードの光強度（図６中の曲線ロ）とＴＭモードの光強度（図６中の曲線イ）の光強度比は、ほぼ３ｄＢと測定された。
【００８６】
一方、図６（ｃ）を参照して、半導体層８（クラッド層８）が形成されていない試料を用いる従来の活性層の評価方法では、同一波長範囲のＴＥモードとＴＭモードの光強度比は０．２ｄＢ以下であった。なお、試料は、半導体層８（クラッド層８）の有無を除き、第１実施形態と同一層構造を有している。また、励起光は第１実施形態と同じものを用いた。
【００８７】
このように、同一の活性層５乃至コア層７を有する試料を用いたにも拘わらず、従来の活性層の評価方法では偏光依存性が０．２ｄＢ以下と評価され、本第１実施形態では３ｄＢという大きな偏光依存性が測定された。このように、本第１実施形態によれば、従来の活性層の評価方法に比べ、同一の励起光を用いても、活性層の偏光特性をより鋭敏に測定することができる。
【００８８】
さらに、本発明の第１実施形態によれば、従来の活性層の評価方法に比べて、測定されるフォトルミネッセンス光の光強度が約２０ｄＢ程大きい。従って、Ｓ／Ｎ比が高く、光強度を精密に測定することができる。
【００８９】
かかる本発明の第１実施形態と従来の活性層の評価方法とに見られるフォトルミネッセンス光の違いは、以下に説明するように、フォトルミネッセンス光の伝播モードの相違に起因すると本発明の発明者は考察している。
【００９０】
図７は本発明の評価試料内の光伝搬モード説明図であり、計算で求められた試料内を伝播するフォトルミネッセンス光の光強度分布を表している。図７（ａ）は本発明の第１実施形態に用いた試料、図７（ｂ）は従来の活性層の評価方法に用いた試料の光強度分布である。図７（ａ）及び図７（ｂ）の試料は、それぞれ図６（ｂ）及び図６（ｃ）の試料と同じ、即ち、半導体層８（クラッド層８）の有無が相違するのみである。なお、図７の横軸は、試料表面から半導体基板１方向への距離を表す。
【００９１】
図７（ａ）を参照して、本発明の第１実施形態の試料では、屈折率が小さな半導体基板１上に屈折率が大きなコア層７が形成され、そのコア層７の上面に屈折率が小さな半導体層８が形成されている。
【００９２】
この構造では、フォトルミネッセンス光は、その光強度を図７（ａ）中に曲線ハで示すように，大部分が屈折率の大きなコア層７内に閉じ込められ、半導体基板１及び半導体層８内にはあまり侵入しない。これは、フォトルミネッセンス光が、コア層７内を光導波路とする伝播モードで進行することを示している。
【００９３】
このように、活性層内（即ちコア層内）に閉じ込められたフォトルミネッセンス光は、細長い長方形の励起領域にそって伝播するため、光導波路として機能する長い励起領域を伝播する間に光増幅される。その光増幅により、活性層の偏光依存性も拡大されるので、図６（ｂ）を参照して、フォトルミネッセンス光のＴＥモード及びＴＭモード間の光強度も拡大される。また、出射するフォトルミネッセンス光の光強度も大きい。
【００９４】
これに対して、従来の活性層の評価方法に用いられる試料では、コア層７上に半導体層８が設けられず、直接空気に晒されている。なお、コア層７を保護するため、薄い（例えば２００〜３００ｎｍ）保護層を設けることもある。
【００９５】
かかる試料では、図７（ｂ）を参照して、フォトルミネッセンス光（その光強度を図中の曲線ニとして表示している。）は、光強度のピークはコア層７にあるものの、光強度分布は大きく半導体基板１内に侵入している。これは、フォトルミネッセンス光が、半導体基板１内に放散されて伝播する放射モードでコア層７内を伝播することを示している。
【００９６】
この放射モードではコア層７を伝播するフォトルミネッセンス光の減衰が大きく、光増幅がなされない。このため、図６（ｃ）を参照して、活性層の偏光特性が、フォトルミネッセンス光のＴＥモード及びＴＭモード間の光強度差として現れない。また、同一の励起光を用いても、出射するフォトルミネッセンス光強度は小さい。
【００９７】
次に、図６（ａ）を参照して、第２実施形態により観測されたフォトルミネッセンス光のＴＥモードとＴＭモードの光強度差は、ほぼ６ｄＢに達する。この光強度差は、図６（ｂ）に示す第１実施形態での光強度差、ほぼ３ｄＢの２倍ほど大きい。従って、第２実施形態形態では、第１実施形態より活性層の偏光依存性を精密に測定することができる。
【００９８】
第２実施形態と第１実施形態の構成の相違は、励起光の作製方法のみであり、他は試料を含め同一である。即ち、第２実施形態では、励起光の細長い長方形断面のほぼ全面にわたり光強度分布は均一である。このため、励起領域の全長にわたり均等に励起されるので、長い励起領域が光増幅器として機能する。既述したように、ＴＥモードとＴＭモードの光強度差は、光増幅器として機能する励起領域の長さに対して指数関数的に拡大するので、両モードの光強度差が大きくなる。
【００９９】
一方、第１実施形態では、励起光はガウシアン光強度分布を有するため、長い励起領域の一部が強く励起され、長い励起領域を均一な強さで励起することができない。このため、光増幅器として有効に機能する領域が短いので、ＴＥモードとＴＭモードに対する光強度差が第２実施形態より小さい。なお、製品製造工程で製造された光半導体装置の偏光特性は、厚いクラッド層８を有し、かつ均一に励起される第２及び第３実施形態による評価が最も良く一致した。
【０１００】
このように、均一な光強度分布を有する励起光を用いる第２実施形態では、ガウシアン光強度分布を有する励起光を用いる第１実施形態よりさらに高感度の偏光依存性の評価がなされる。なお、第２実施形態と同様に均一な光強度分布を有する励起光を用いる第３実施形態でも、図６（ａ）に示す第２実施形態と同様の光強度差が測定された。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明を光半導体装置、例えば半導体光増幅器の製造方法に適用することで、偏光依存性が小さな光半導体装置を確実に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１実施形態光半導体装置の製造工程図
【図２】本発明の第１実施形態評価試料構造説明図
【図３】本発明の第１実施形態評価方法説明図
【図４】本発明の第２実施形態励起光作製装置構成図
【図５】本発明の第３実施形態励起光作製装置構成図
【図６】本発明の効果説明図
【図７】本発明の評価試料内の光伝搬モード説明図
【図８】従来の評価試料構造説明図
【図９】従来の評価方法説明図
【符号の説明】
【０１０３】
１  半導体基板
１ａ  へき開面
２、６  光ガイド層
３  量子ドット
４  中間層
５  活性層
７  コア層
８  クラッド層（半導体層）
１２  励起光
１２ａ  入射方向
１３  レーザ
１３ａ  レーザ光
１４  ビームエキスパンダ
１５  ビームシェイパ
１５ａ、１６ａ、１７ａ  光ビーム
１６  シリンドリカルレンズ
１７  凸レンズ
１８  拡散板
２０  フォトルミネッセンス光
２０Ｅ、２０Ｍ  偏光方向
２１  空気
２５、２７  レンズ
２６  偏光板
２８  光ファイバ
２９  分光器
３０  試料
【図１】
2009076669.tif 000003
【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】
2009076669.tif 000009
【図８】
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【図９】
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