(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な屈折率変化又は利得変化に基づいて縦単一モードで、相互に異なる発振波長のレーザ光を発振する複数の半導体レーザが、１枚の基板上に一括形成された光半導体装置において、前記複数の半導体レーザは、それぞれの結合係数が、その発振波長によらず同一であるように前記発振波長に応じた高さを有する回折格子を備えたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記回折格子の高さは、前記回折格子の開口幅によって設定されることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記複数の半導体レーザ素子は、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザまたは分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記複数の半導体レーザ素子は、そのレーザ活性層に、ガイド層、ＭＱＷ層を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の光半導体装置。
【請求項５】
異なる波長の縦単一モードのレーザ光を発振する複数の半導体レーザを１枚の基板上に一括形成する光半導体装置の製造方法において、前記基板上にレジストを塗布し、前記複数の半導体レーザのそれぞれの発振波長に対応したピッチ、および前記それぞれの発振波長によらず結合係数が一定になるように回折格子の高さを設定する開口幅を有する複数の回折格子のパターンを前記レジスト上に露光し、単位時間当たりのエッチング量が一定となるエッチングにより回折格子を形成し、前記回折格子の配置に合わせて所定形状のマスクをパターニングし、前記所定形状のマスクを用いて選択ＭＯＶＰＥ成長（有機金属気相成長）により前記回折格子上にレーザ活性層を形成し、前記レーザ活性層の表面および前記基板の裏面に電極を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記回折格子の高さは、前記結合係数が小さくなる素子ほど大きくし、前記結合係数が大きくなる素子ほど小さくすることを特徴とする請求項５記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記レジスト開口幅は、前記結合係数が小さくなるほど狭くし、前記結合係数が大きくなるほど広くすることを特徴とする請求項５記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記所定形状のパターニングは、前記半導体レーザのそれぞれに結合される電界吸収型光変調器のパターニングを含み、前記選択ＭＯＶＰＥ成長は、前記電界吸収型光変調器の吸収層を形成するための選択ＭＯＶＰＥ成長を含むことを特徴とする請求項５記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体装置およびその製造方法に関し、特に、波長分割多重（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）伝送に用いられ、異なる発振波長の複数の半導体レーザが１枚の基板上に一括して形成される光半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、急激に伸びている通信需要を賄う手段として、光通信が注目されている。そして、１本の光ファイバで大容量の通信が行えるように、１本の光ファイバに異なる波長の光信号を伝送させるＷＤＭ光通信システムが注目されている。ＷＤＭは、送信側で複数の異なるｎ個の波長λ1〜λnを光合波器で合波して１本の光ファイバに波長多重して伝送し、受信側では光ファイバからの情報を光分波器で波長λ1〜λnのそれぞれに分波するシステムであるが、その実現には、レーザ波長の安定化、光回路素子の開発、光回路の集積化等の技術が要求される。また、ＷＤＭ光通信システムには、波長λ1〜λnのそれぞれに対応した複数の光源が必要であり、異なる波長光源をいかに効率的に実現できるかが大きな課題となっている。そこで異なる波長の複数のＤＦＢ（distributed feedback：分布帰還型）レーザやＥＡ（electro-absorption：電界吸収型）変調器を集積化したＤＦＢレーザを１枚の半導体基板面内に一括して作製する製造方法が、特開平１０−１１７０４０号公報において開示されている。特開平１０−１１７０４０号公報においては、１枚の半導体基板上で複数の異なる発振波長を得るため、異なる周期（ピッチΛ1 ，Λ2 ・・・Λn ）を持つ回折格子を電子ビーム露光およびエッチング技術を用いて形成した後、発振波長に応じたバンドギャップ波長を有する活性層（光吸収層）を含む多層構造を、選択ＭＯＶＰＥ法（metal-organic vapor phase epitaxy:有機金属気相成長）により作製している。
【０００３】
図３３は、特開平１０−１１７０４０号公報に示された光半導体装置を示す。図３３の（ａ）に示すように、まず、ｎ型ＩｎＰ基板３０１の上に、電子ビーム（ＥＢ）露光およびエッチング技術を用いて、周期の異なる１６種類の位相シフト型の回折格子３０２をストライプ領域に順次形成する。回折格子３０２のピッチは、短い方から長い方へＷm1〜Ｗm3を変えている。次に、絶縁膜であるストライプ状の選択成長用ＳｉＯ2 マスク３０３を［０１１］方向に形成する。このＳｉＯ2 マスク３０３は、回折格子３０２の上に所定幅のストライプ状の窓領域を有するように形成され、かつ、マスク幅は、回折格子３０２のピッチに応じて変えられている。その後、選択ＭＯＶＰＥ成長によって、ＳｉＯ2 マスク３０３で挟まれた領域には、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層３０４、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ（multiple quantum wel：多重量子井戸）活性層３０５、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０６が、図３３の（ｂ）の様に、順次形成される。ＳｉＯ2 マスク３０３に挟まれた領域に形成された多層半導体層の部分が光導波路になる。なお、図３３の（ｂ）においては、構造を簡単化するために、異なる幅のマスク間に形成された半導体層は図示してない。
【０００４】
次に、ストライプ状の光導波路の周辺のＳｉＯ2 マスク３０３の開口幅を広げ、その後、再び選択ＭＯＶＰＥ成長により、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３０７を図３３の（ｃ）のように形成する。ここで、図３３の（ｂ）と同様に、幅の異なるＳｉＯ2 マスク３の間に形成された半導体層の図示を省略している。
【０００５】
次に、ＭＱＷ活性層３０５を含むリッジ構造多層半導体のトップを除いてＳｉＯ2 膜３０８を形成し、図３３の（ｄ）のように、ＩｎＰ基板３０１の表面に金属電極３０９を、裏面に金属電極３１０をそれぞれ形成する。なお、ＩｎＰ基板３０１の表面に形成された金属電極３０９は、素子間で絶縁分離されている。その後、ウエハを半導体レーザの素子長の間隔でへき開し、そのへき開端面に無反射（ＡＲ）コーティングを施せば半導体レーザが完成する。
【０００６】
図３３の方法によれば、発振波長とレーザ活性層のバンドギャップ波長を一定の範囲内で一致させること（デチューニング）が可能なため、レーザ発振しきい値や発振効率の均一性を比較的良好に保つことができるという特徴がある。しかし、活性層を選択ＭＯＶＰＥで作製すると、回折格子の上に形成される光ガイド層のバンドギャップ波長も変化し、さらに活性層の膜厚も変化してしまう。ガイド層のバンドギャップ波長の変化により回折格子上の屈折率の絶対値が変化するため、回折格子による周期的な屈折率変化の変化量も変わる。また、活性層の膜厚の変化によって活性層への光閉じ込め係数が変化し、結果として、回折格子領域の光強度が変わる。この回折格子による周期的な屈折率変化の変化量と回折格子領域の光強度は、結合係数κ（回折格子で反射が生じて進行波と後退波とが結合するときの結合関係を表し、共振特性の指標となるパラメータ）に直接かかわるパラメータであるため、屈折率変化の変化量と回折格子領域の光強度が変化する異波長レーザの一括形成では、発振波長によって結合係数κが変わることになる。そこで、特開平１０−１１７０４０号公報では、発振波長を長波化させるために選択成長マスクのマスク幅（Ｗmm1〜Ｗmm3）を大きくしている。
【０００７】
ここで、図３３の製造方法で得られた光半導体装置について考察する。（１）発振波長を長波化させるために選択成長マスクのマスク幅（Ｗmm1〜Ｗmm3）を大きくしているが、これによって回折格子上の光ガイド層のバンドギャップ波長も長波化するため、光ガイド層の屈折率の絶対値が大きくなり、この結果、結合係数κが大きくなる。（２）また、活性層の膜厚も大きくなるため、活性層への光り閉じ込め係数が増加して回折格子領域の光強度は減少し、結合係数κは小さくなる。上記（１）と（２）の大小関係（結晶成長を行うＭＯＶＰＥ装置或いは成長条件に依存する）によって、発振波長（或いは選択成長マスク幅）と結合係数κとの関係が変化する。この結合係数κは、ＤＦＢレーザの発振しきい値、発光効率、縦シングルモード歩留り、長距離伝送特性等に密接に関連したパラメータとなっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光半導体装置および製造方法によると、結合係数κがＤＦＢ発振波長毎に異なっているため、レーザ発振しきい値電流、発光効率に不均一性が生じる。この不均一性により、素子歩留りが低下する。
また、ＤＦＢ毎に結合係数κが異なるため、端面の残留反射に対する耐力が素子によって異なり、長距離伝送を行なった場合、波長によって伝送特性の歩留まりがばらつくという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、複数の半導体レーザを１枚の半導体基板上に一括形成したときの結合係数のばらつきを抑え、レーザ発振しきい値、発光効率、および長距離伝送特性の均一化を図り、歩留りの向上を図った光半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、周期的な屈折率変化又は利得変化に基づいて縦単一モードのレーザ光を発振する複数の半導体レーザが、相互に異なる発振波長によって１枚の基板上に一括形成された光半導体装置において、前記複数の半導体レーザは、それぞれの結合係数が、その発振波長によらず同一であるように前記発振波長に応じた高さを有する回折格子を備えたことを特徴とする光半導体装置を提供する。
【００１１】
この構成によれば、従来、１枚の基板上に一括形成される半導体レーザのそれぞれの構成が同じとき、それぞれの結合係数が発振波長毎に異なる値であったのに対し、互いに異なる発振波長であっても各半導体レーザの結合係数が同一になるように、各回折格子は発振波長に応じた高さに設定されている。これにより、発振波長が異なっても結合係数にばらつきが生じなくなり、レーザ発振しきい値電流や発光効率の不均一性は無くなり、素子歩留りの低下を防止できる。また、長距離伝送を行っても、伝送特性の歩留りが波長によってばらつくことがなくなる。
【００１４】
本発明は、上記の目的を達成するため、第３の特徴として、異なる波長の縦単一モードのレーザ光を発振する複数の半導体レーザを１枚の基板上に一括形成する光半導体装置の製造方法において、前記基板上にレジストを塗布し、前記複数の半導体レーザのそれぞれの発振波長に対応したピッチ、および前記それぞれの発振波長によらず結合係数が一定になるように高さを設定する複数の回折格子のパターンを前記レジスト上に露光し、単位時間当たりのエッチング量が一定となるようにエッチングし、前記回折格子の配置に合わせてストライプマスクをパターニングし、ＳｉＯ2 マスクを用いて選択ＭＯＶＰＥ成長（有機金属気相成長）により前記回折格子上にレーザ活性層を形成し、前記レーザ活性層の表面および前記基板の裏面に電極を形成し、前記レーザ活性層の一方の端面に高反射膜を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法を提供する。
【００１５】
この方法によれば、回折格子を形成する際、基板上に複数の回折格子を持つ半導体レーザを形成する際、結合係数が一定になるように各回折格子の高さが設定され、これに対してレーザ活性層が形成される。回折格子の高さを制御したことにより、１枚の基板上の各回折格子の結合係数が一定値にされるため、レーザ発振しきい値電流や発光効率の不均一性は無くなり、素子歩留りの低下を防止できる。また、長距離伝送を行なっても、伝送特性の歩留まりが波長によってばらつくのを防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明者は、光半導体装置において、その諸特性がマスク幅や結合係数κの変化に応じてどのような挙動を示すかについて検討した。その結果、マスク幅や結合係数κとＤＦＢ発振波長との関係について、本発明に寄与する重要な事実を見いだすことができた。そして、発振波長がＤＦＢ毎に異なっても、結合係数κが変化しないようにする方法を見いだした。また、光半導体装置の特性を向上させるための幾つかの解決策も見いだすことができた。これらについて、実施の形態の説明の前に図面を示して以下に説明する。
【００１７】
図１は、選択ＭＯＶＰＥ成長したＩｎＧａＡｓＰの断面を示す。〔０１１〕方向に所定の間隔（１．５μｍ）で形成された一対のＳｉＯ2 ストライプマスク２を用いて、ＭＯＶＰＥ法により、ＩｎＧａＡｓＰ層３を（１００）ＩｎＰ基板１上に選択成長すると、側面が（１１１）Ｂ面で上面が（１００）面に囲まれた台形型の結晶が成長する。さらに、ＳｉＯ2 ストライプマスク２のマスク幅Ｗm を増加させると、ＳｉＯ2 ストライプマスク２上からの原料流れ込みによって成長速度（膜厚）が増加するとともに、Ｉｎ組成に増加が生じることが知られている。これらの現象を利用すると、異なるバンドギャップ波長を有する層構造を同一基板面内に作り込むことが可能となる。
【００１８】
図２は、マスク幅とバンドギャップ波長の関係を示す。ここには、１．５５μｍ帯のＤＦＢレーザの回折格子上ガイド層として多く用いられるＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ波長１．１３μｍ（Ｑ１．１３）と１．２０μｍ（Ｑ１．２０）をマスク幅１５μｍでＩｎＰ基板に格子整合するよう選択ＭＯＶＰＥ成長した場合のフォトルミネッセンス波長とマスク幅の関係が示されている。図２から明らかなように、バンドギャップ波長１．１３μｍの場合、マスク幅を５０μｍまで増加させると、フォトルミネッセンス波長が１．２０μｍにまで長くなっていることがわかる。これは、マスク幅の増加によりＩｎ組成が増加したためである。
【００１９】
図３は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を選択ＭＯＶＰＥ成長した場合のフォトルミネセンス波長とマスク幅の関係の一例を示す。図３からは、マスク幅を１５μｍから５０μｍに増加させることにより、１．５２〜１．６２μｍの波長範囲をカバーできることがわかる。更に、マスク幅を５〜２１μｍの間にとると、１．４５〜１．５５μｍの波長範囲をカバーすることが可能である。これは、上記１．５２〜１．６２μｍを発振波長とするＤＦＢレーザと組んで集積化する電界吸収型（ＥＡ）変調器の動作波長とすることができる。このときに問題になるのが、発振波長に対する結合係数κである。マスク幅を１５〜５０μｍの範囲で変化させ、マスク幅１５μｍでバンドギャップ波長１．１３μｍのＩｎＧａＡｓＰを回折格子上のガイド層として、１．５２〜１．６２μｍの範囲の異波長ＤＦＢレーザを作製した場合、図２に示すように、ガイド層のバンドギャップ波長も１．１３μｍから１．２０μｍに変化してしまうことになる。ガイド層のバンドギャップ波長の変化は、ガイド層の屈折率が変化することを意味し、回折格子の存在により、屈折率の周期的変化がもたらす結合係数κも変化することになる。
【００２０】
図４は、ガイド層の屈折率の周期的変化の変化量に対して比例関係にある回折格子の高さと結合係数κの関係を、ガイド層の組成をパラメータにして計算した結果を示す。
ガイド層のバンドギャップ波長が、１．１３μｍ（Ｑ１．１３）〜１．２０μｍ（Ｑ１．２０）に変化した場合、回折格子の高さが３０ｎｍでは、結合係数κが３１ｃｍ-1から４５ｃｍ-1に変化する。したがって、回折格子の高さを変えれば、結合係数κの値を変えることができる。本発明は、この点に着目してなされたもので、回折格子の高さを発振波長に応じて変化させ、単一縦モード半導体レーザの発振波長が異なっても、発振波長に対する周期的な屈折率変化或いは利得変化の結合係数κが変化しないようにしたものである。
【００２１】
図５は、基板上に複数のＤＦＢレーザを一括形成したときの結合係数κとＤＦＢ発振波長との関係を測定した結果を示す。
ここでは、複数のＤＦＢレーザを発振波長１．５２〜１．６２μｍで動作させた。測定は、回折格子高さを３０ｎｍと３５ｎｍの２種類について行った。その結果、結合係数κは、回折格子の高さが３０ｎｍでは３０〜４０ｃｍ-1に、また、回折格子の高さが３５ｎｍでは３８〜５０ｃｍ-1に変化していることがわかった。いずれも、図４に示した計算値よりも変化量が小さめになっているが、これは、図４の計算ではマスク幅の増加に伴う膜厚の増加によるレーザ活性層への光閉じ込め係数の増大を考慮していないためである。
【００２２】
結合係数κが変化することによる問題点は、レーザ発振しきい値や発光効率が変化してしまうことの他に、縦シングルモード発振歩留まりの劣化と、長距離伝送特性の劣化がある。特に、長距離伝送特性は、素子化後の最終評価項目であるため、非常に重要である。結合係数κが長距離伝送特性に与える要因は、変調動作時の反射戻り光によって誘発される波長変動（チャープ）である。対反射耐力を大きくして波長チャープを抑制するには、できるだけ大きな結合係数κにすることが望ましい。
【００２３】
図６は、変調２．５Ｇｂ／ｓで距離６００ｋｍを伝送後のパワーペナルティー（ビットレート評価法によるデータを光ファイバに伝送する前の光パワーと伝送後の光パワーの差）と結合係数κの関係（黒丸印の点線特性）、および結合係数κと縦シングルモード発振歩留まりとの関係は（白丸印の実線特性）を示す。
【００２４】
この測定に用いた素子は、素子長４００μｍの均一回折格子型ＤＦＢレーザと２００μｍ長のＥＡ変調器をモノリシック集積したものである。６００ｋｍを伝送後のパワーペナルティーは、結合係数κが大きくなるにつれて小さくなり、κ＞３７ｃｍ-1では１ｄＢ以下のパワーペナルティーが実現されている。一方、結合係数κと縦シングルモード発振歩留まりとの関係は、結合係数κが大きくなると、空間的ホールバーニングの影響によって歩留まりが低下する。したがって、結合係数κを或る一定の範囲で制御することが非常に重要なことがわかる。
【００２５】
図７は、ガイド層のバンドギャップ波長に変化がない場合において、結合係数κを一定にするための回折格子の高さと発振波長の関係を示す。
図４に示したように、結合係数κと回折格子の高さとに比例関係が存在する。そこで、図５の実験結果に基づいて、発振波長によらず、結合係数κ＝３０ｃｍ-1と結合係数κ＝３７．５ｃｍ-1を一定にするための回折格子の高さとＤＦＢ発振波長の関係を求めたものである。
【００２６】
図８は、結合係数κの値を一定にしたときの回折格子の高さと選択成長マスク幅の関係を示す。結合係数κを一定にするためには、回折格子の高さ又はマスク幅を設定すればよい。
以上より明らかなように、回折格子の高さを発振波長に応じて最適な値に設定することにより、結合係数κを一定値に保てることがわかる。
【００２７】
次に、回折格子の高さを設定する方法について説明する。
図９は電子ビーム露光法により形成した回折格子を示す。また、図１０は図９のＢ−Ｂ' 断面を示す。
まず、図９の（ａ）に示すように、電子ビーム露光法によって基板１０１上に回折格子形成用レジスト１０２によりパターニングを行った後、ＨＢｒ：Ｈ2Ｏ2系化学エッチングを用いて開口部１０２ａをエッチングした後、レジスト１０２を除去すると、図９の（ｂ）および図１０に示すように、回折格子１００が形成される。エッチング後、基板上には順メサが形成され、台形状の凹凸が回折格子１００として基板１０１に転写される。ここで、回折格子１００の山から谷までの高さ（選択ＭＯＶＰＥ成長前の回折格子高さ）をｄGTG1、また、この回折格子１００上へ選択ＭＯＶＰＥ成長した後の山から谷までの高さ（選択ＭＯＶＰＥ成長後の回折格子高さ）をｄGTG2と定義する。電子ビーム露光によってパターニングを行うレジスト開口幅をＷE としたとき、このレジスト開口幅ＷE によって高さｄGTG1を変えることができる。
【００２８】
図１１は開口幅ＷE と高さｄGTG1との関係を示す。
開口幅ＷE が広いほど、回折格子１００の山から谷までの高さｄGTG1は減少する。これは、開口幅ＷE が広くなるとエッチング面積が大きくなり、単位時間当たりのエッチング量が一定となるＨＢｒ：Ｈ2Ｏ2系でエッチングを行った場合、エッチングの深さが小さくなるためである。この現象を利用すると、レジスト開口幅ＷE によって回折格子１００の高さを制御することが可能である。実際にデバイス化を図る場合、ｄGTG1ではなく、選択ＭＯＶＰＥ成長後の回折格子高さｄGTG2が重要になる。したがって、図１１には、実験的に求めたレジスト開口幅ＷE と回折格子高さｄGTG2との関係も示している。図１１から明らかなように、ｄGTG2を１０〜５０ｎｍの範囲で制御できることがわかる。
【００２９】
〔第１の実施の形態〕
次に、本発明に係る光半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。
図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図１８、図１９、図２０、図２１、および図２２は、本発明の第１の実施の形態を示す。第１の実施の形態は、ＤＦＢレーザ部と異波長ＥＡ変調器を集積化した構成例である。
図１２は本発明の光半導体装置の製造方法を示し、図１３は複数の回折格子を基板上に形成した状態を示し（図中、ＯＦは、オリエンテーションフラットを示し（図１６も同じ））、図１４はレジスト開口幅ＷE とＤＦＢ発振波長の関係を示し、図１５は描画ピッチとＤＦＢ発振波長の関係を示し、図１６はＳｉＯ2 ストライプマスクを回折格子に合わせてパターニングした様子を示し、図１７は図１３のＳｉＯ2 ストライプマスクと１つの素子の詳細を示し、図１８は回折格子の形成領域のマスク幅ＷLDと回折格子の形成されていない領域のマスク幅ＷMOD のＤＦＢ発振波長に対する設計値を示し、図１９はレーザ活性層と変調器吸収層を選択ＭＯＶＰＥで形成した状態を示し、図２０は図１６のＡ−Ａ’断面を示し、図２１は図１６のＣ−Ｃ’断面を示し、図２２はｐ型の電極（Ｐ電極）をパターニングした様子を示す。
【００３０】
図１２〜図２２を用いて本発明の第１の実施の形態の製造工程を説明する。
まず、（１００）ｎ−ＩｎＰ基板１０１上へ電子線感光性のポジレジスト１０２を塗布した後、電子ビーム露光法により図９の（ａ）に示すようなパターンを描画する（ステップＳ１１）。その後、レジスト１０２をマスクにしてＨＢｒ：Ｈ2Ｏ2系エッチング液によりｎ−ＩｎＰ基板１０１をエッチングすることにより、図９の（ｂ）のように開口部１０２ａを有した回折格子１００を形成する（ステップＳ１２）。
【００３１】
ここで、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の〔０１１〕方向へ８００μｍ長の回折格子形成領域と４００μｍ長の非形成領域が繰り返されたパターンとし（図１３）、〔０１−１〕方向へは３００μｍ間隔の繰り返しによるパターンとした。そして、図１４に示すように、回折格子１００の複数を一括形成する際の電子ビーム露光幅（＝レジスト開口幅ＷE ）は、８．５〜１３．０μｍ（κ＝３７．５ｃｍ-1）にして、回折格子１００の高さを制御した。すなわち、κ＝３７．５ｃｍ-1が得られるように、ＤＦＢ発振波長に対応するレジスト開口幅ＷE を設定する。さらに、図１５に示すように、描画ピッチΛは所望の発振波長に合わせ、回折格子１００毎に２３５．０５〜２５０．８５ｎｍの間で設定する。
【００３２】
次に、図１６に示すように、選択ＭＯＶＰＥ成長用の一対のＳｉＯ2 ストライプマスク１０３を回折格子１００に合致するようにパターニングする（ステップＳ１３）。ここで、回折格子１００が形成されている領域ではマスク幅をＷLD、回折格子１００が形成されていない領域ではＷMOD となる様に設定した。パターニングの詳細を図１４に示す。即ち、マスク幅ＷLDの領域（４００μｍ長）がＤＦＢレーザになる部分であり、マスク幅ＷMOD の領域（２００μｍ長）がＥＡ変調器になる部分である。また、一対のストライプマスクの間隔は１．５μｍの固定にした。マスク幅ＷLDおよびＷMOD のＤＦＢ発振波長に対する設計値は図１５に示す通りである。
【００３３】
なお、図１４、図１５、図１８においては、レジスト開口幅ＷE 、Λ、ＷLD、およびＷMOD をＤＦＢ発振波長に対して連続的に記述しているが、ここでは、ＤＦＢ発振波長が１．５２〜１．６２μｍの範囲を１００ＧＨｚ間隔（概ね０．８ｎｍ間隔）の１２５波長の設計としているため、実際には、図１４、図１５、図１８のグラフ中の値を１２５ステップに刻んだ値を採用している。
【００３４】
次に、図１９に示すように、レーザ活性層（図１９の奥側部分）と変調器の吸収層（図１９の手前部分）を選択ＭＯＶＰＥ成長させる（ステップＳ１４）。ここでは、ＷLD＝１５μｍとし、図２０に示すように、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層１０４（バンドギャップ波長１．１３μｍ、膜厚１５０ｎｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）、ＩｎＧａＡｓＰによる歪ＭＱＷ層（井戸層：＋０．６０％歪、１０ｎｍ厚）とＩｎＧａＡｓＰによる障壁層（バンドギャップ波長１．２０μｍ、９ｎｍ厚の８周期）からなる層１０５、この層１０５を覆うｐ−ＩｎＰ層１０６（１５０ｎｍ厚、ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）を形成した。図１９に示すＤＦＢレーザ領域には、選択ＭＯＶＰＥ成長後に回折格子１００が保存されている。この回折格子の高さｄGTG2は、図１１および図１４により、１．５２〜１．６２μｍの発振波長では２５〜３６ｎｍの範囲で変化している。つまり、κ＝３７．５ｃｍ-1のとき、発振波長１．５２〜１．６２μｍの開口幅ＷE は図１４から８．５〜１３μｍとして求められる。この値を図１１に当てはめると、ｄGTG2＝２５〜３６ｎｍとなる。このように、ｄGTG2を発振波長に合わせれば、発振波長によらず結合係数κ＝３７．５ｃｍ-1の一定値にすることができる。
【００３５】
次に、図２１（図１９のＣ−Ｃ’断面形状を示す）の（ａ）の状態から、選択成長層の両脇のＳｉＯ2 を一部除去し（図２１（ｂ））、ついで図２１（ｃ）に示すようにｐ−ＩｎＰクラッド層１０７（１．５μｍ厚、ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）、ｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８（０．２５μｍ厚、ｐ＝６×１０18ｃｍ-3）を選択ＭＯＶＰＥ成長した後、ＤＦＢレーザ領域とＥＡ変調器領域の間３０μｍのｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層１０８を除去して電気的分離を行い（ステップＳ１５）、図２２に示すように、ＳｉＯ2 膜１０９を層間膜に用いてｐ型電極（ｐ電極）１１０のパターニングを行う（ステップＳ１６）。さらにｎ−ＩｎＰ基板１０１が１２０μｍ厚になるまで裏面研磨を行い、ｎ型電極（ｎ電極）１１１を形成する（ステップＳ１７）。最後に、図１９に示す位置から、ＤＦＢレーザ部を４００μｍの長さ、ＥＡ変調器部を２００μｍの長さの合計６００μｍの長さに切り出しをする（ステップＳ１８）。さらに、ＤＦＢレーザ側端面には反射率９５％の高反射膜、変調器側端面には反射率０．１％以下の無反射膜をコーティングした（ステップＳ１９）。こうして得た光半導体装置について、以下のような特性の評価を行った。
【００３６】
次に、上記第１の実施の形態の評価結果について説明する。
図２３は、１２５素子（１２５チャネル）のＤＦＢレーザの発振波長の測定結果を示す。
ここでは、上記のようにして異波長ＥＡ変調器とＤＦＢレーザを集積化した光半導体装置の発振波長特性を示している。チャネル１からチャネル１２５にかけ、ほぼ、設計通りの０．８ｎｍ／チャネルの傾きで長波長化されていることが認められ、１枚の基板上に１５２０〜１６２０ｎｍ（１．５２〜１．６２μｍ）範囲をカバーする異波長素子が実現されていることが確認できた。
【００３７】
図２４は、異なるＤＦＢ発振波長と結合係数κの測定結果を示す。図２４から明らかなように、結合係数κはＤＦＢ発振波長に依存せず、設計値の３７．５ｃｍ-1にほぼ保たれていることが確認された。このように、従来方法ではＤＦＢ発振波長に依存して結合係数κが変化していたのに対し、ＤＦＢ発振波長に応じて回折格子の高さを変化させることにより結合係数κが変化しないようにすることができた。
【００３８】
図２５は伝送歩留りおよび単一縦モード発振歩留まりとＤＦＢ発振波長の関係の測定結果を示す。図２５に示すように、単一縦モード発振歩留まり（点線で示す特性）もＤＦＢ発振波長に依存せず、６０％以上に維持されたままである。また、２．５Ｇｂ／ｓで６００ｋｍの伝送を行った後のパワーペナルティーが１ｄＢ以下という規格に従って求めた伝送歩留り（黒丸で示す特性）も、全てのＤＦＢ発振波長で９５％以上と良好な結果が得られた。
【００３９】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態として、異波長ＥＡ変調器を有しない異波長ＤＦＢレーザのみを基板上に一括形成する製造方法について、図２６、図２７、図２８、図２９、および図３０を参照して説明する。
図２６は回折格子を形成した状態を示し、図２７は図２６の状態においてストライプマスクによりパターニングした状態を示し、図２８は１つの素子におけるマスクパターンの配置を示し、図２９は図２８のＤ−Ｄ’断面を示し、図３０はｐ電極をパターニングした状態を示す。
【００４０】
本実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、電子ビーム露光法とエッチングにより回折格子を形成する。このとき、図２６に示すように、基板２０１の〔０１１〕方向の全領域に複数の回折格子２００を形成し、〔０１１バー〕方向へは３００μｍのピッチで繰り返されたパターンを形成する。このとき、回折格子２００形成時の電子ビーム露光幅（レジスト開口幅ＷE ）は、図１４の結合係数κ＝３０ｃｍ-1狙いに示すように、ＷE １１．０〜１６．０μｍの中の対応する値が選択される。これにより、ＤＦＢ発振波長毎に結合係数κ＝３０ｃｍ-1になる回折格子高さを設定することができる。また、描画ピッチΛは、各ＤＦＢ発振波長に応じて２３５．０５〜２５０．８５ｎｍの中から選択する（図１５）。次に、図２７のように、選択ＭＯＶＰＥ成長用の一対のＳｉＯ2 ストライプマスク２０３を回折格子２００上にパターニングする。ここで、ＷLDはマスク幅である。ＳｉＯ2 ストライプマスク２０３を１つの素子について示せば、図２５のようになる。また、一対のストライプマスクの間隔は１．５μｍの固定にし、ＤＦＢ発振波長に対するＷLDの設計値は、第１の実施の形態と同じにした。
【００４１】
なお、図１４、図１５、および図１８では、ＤＦＢ発振波長に対してレジスト開口幅ＷE 、描画ピッチΛ、マスク幅ＷLDが連続的に記述されているが、本実施の形態では、ＤＦＢ発振波長が１．５２〜１．６２μｍの範囲を１００ＧＨｚ間隔（概ね０．８ｎｍ間隔）の１２５波長の設計としているため、実際には、図１４、図１５、図１８のグラフ中の値を１２５ステップの不連続値に刻んだ値を採用している。
【００４２】
次に、図２９を用いて図１２のステップＳ１３に相当する選択ＭＯＶＰＥ工程について説明する。まず、図２９の（ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２０４（バンドギャップ波長１．１３μｍ、膜厚１５０ｎｍ、ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）、歪ＭＱＷ層（ＩｎＧａＡｓＰ井戸層：＋０．６０％歪、１０ｎｍ厚）とＩｎＧａＡｓＰ障壁層（バンドギャップ波長１．２０μｍ、９ｎｍ厚で５周期）からなる層２０５、ｐ−ＩｎＰ層２０６（１５０ｎｍ厚、ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）を選択ＭＯＶＰＥ成長させる（以上の値は、全てＷLD＝１５μｍでの値）。この選択ＭＯＶＰＥ成長後の保存されている回折格子の高さｄGTG2は、図１１と図１４から、ＤＦＢ発振波長によって２０〜３０ｎｍの範囲で変化している。これにより、ＤＦＢ発振波長によらず結合係数κ＝３０ｃｍ-1が得られる。
【００４３】
次に、図２９（ｃ）のように、選択成長層上にＳｉＯ2 マスク２０７をセルフアライン的に形成した後、図２９（ｄ）に示すように、ｐ−ＩｎＰブロック層２０８、ｎ−ＩｎＰブロック層２０９、およびｐ−ＩｎＰ層２１０を選択成長する。最後に、ＳｉＯ2 マスク２０７を除去した後、ｐ−ＩｎＰクラッド層２１１とｐ+ −ＩｎＧａＡｓキャップ層２１２を選択ＭＯＶＰＥ成長させる。なお、図２９の（ｂ）から図２９の（ｅ）の工程の詳細については、「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ」Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．３、ｐｐ３６８〜３６７に記述されている。
【００４４】
ついで、図３０に示すように、ＳｉＯ2 膜２１２を層間膜に用いてｐ電極２１４のパターニングを行い、さらにｎ−ＩｎＰ基板２１０が１００μｍの厚みになるまで、裏面研磨を行ってｎ型電極２１５を形成する。その後、素子を４００μｍ長に切り出し、ＤＦＢレーザ後端面には反射率９５％の高反射膜、前端面には反射率０．１％以下の無反射膜をコーティングすることにより、光半導体装置が完成する。
【００４５】
次に、第２の実施の形態による光半導体装置の評価結果について説明する。
図３１は、図２６〜図３０に示す方法で製造された異波長一括形成によるＤＦＢレーザにおけるＤＦＢ発振波長と結合係数κの測定結果を示す。図２３に示したように、作製した１２５素子のＤＦＢ発振波長は、連続的に割り振られ、チャンネル１からチャンネル１２５にかけ、ほぼ、設計通りの０．８ｎｍ／チャネルの傾きによる長波長化が確認され、１枚の基板２０１上に１５２０〜１６２０ｎｍ（１．５２〜１．６２μｍ）範囲をカバーする異波長素子が実現されていることを確認した。この結果、結合係数κ発振波長に依存せず、図３１より明らかなように、設計値のκ＝３０．０ｃｍ-1にほぼ保たれていることを確認した。これにより、全ての発振波長の素子に対して、レーザ発振しきい値５．０±０．２５ｍＡ、発光効率０．３５±０．０５Ｗ／Ａ、最大光出力６０±３ｍＷと高い均一特性が得られた。
【００４６】
図３２は単一縦モード発振歩留まりとＤＦＢ発振波長の関係の測定結果を示す。図３２から明らかなように、縦シングルモード歩留まりは、ＤＦＢ発振波長に依存せず、６５％以上と良好な結果が得られた。
【００４７】
なお、上記の説明においては、ＤＦＢレーザについて説明してきたが、本発明は、結合係数と発振波長に相関を持つ半導体レーザに広く適用できる。例えば、ＤＢＲ（ distributed bragg reflector：分布反射形）レーザ等に対しても本発明を適用することができる。また、周期的な屈折率変化を有する構造のもののほか、周期的な利得変化を有する構造のもの、例えば、利得結合型ＤＦＢレーザ等についても本発明の対象となる。また上記の説明では結合係数κが、発振波長が長くなるにつれ大きくなる場合のκ均一化手法についてのみ述べたが、発振波長が長くなるにつれκが小さくなる場合についても同様な手法でκを均一化できることは言うまでもない。さらに、実施例におけるＤＦＢレーザは均一回析格子型のみであるが、回析格子に位相シフト領域を有するＤＦＢレーザにも適用できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の光半導体装置およびその製造方法によれば、互いに異なる発振波長であっても各半導体レーザの結合係数が同一になるように、その発振波長に応じて回折格子の高さを設定したため、レーザ発振しきい値電流や発光効率の不均一性は無くなり、素子歩留り、縦シングルモード発振歩留まりを向上させることができる。また、高速・長距離伝送を行なっても、伝送特性の歩留まりが波長によってばらつくことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】選択ＭＯＶＰＥ成長したＩｎＧａＡｓＰの断面を示す断面図である。
【図２】マスク幅とバンドギャップ波長の関係を示す特性図である。
【図３】ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を選択ＭＯＶＰＥ成長した場合のフォトルミネセンス波長とマスク幅の関係の一例を示す特性図である。
【図４】ガイド層の屈折率の周期的変化の変化量に対して比例関係にある回折格子の高さと結合係数κの関係を、ガイド層の組成をパラメータとして計算した結果を示す特性図である。
【図５】基板上に複数のＤＦＢレーザを一括形成したときの結合係数κとＤＦＢ発振波長との関係を測定した結果を示す特性図である。
【図６】変調２．５Ｇｂ／ｓで距離６００ｋｍを伝送後のパワーペナルティーと結合係数κの関係（点線特性）、および結合係数κと縦シングルモード発振歩留まりとの関係は（実線特性）を示す特性図である。
【図７】ガイド層のバンドギャップ波長に変化がない場合において、結合係数κを一定にするための回折格子の高さと発振波長の関係を示す特性図である。
【図８】結合係数κの値を一定にしたときの回折格子の高さと選択成長マスク幅の関係を示す特性図である。
【図９】電子ビーム露光法により形成した回折格子を示す斜視図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ' 断面を示す断面図である。
【図１１】開口幅ＷE と高さｄGTG1との関係を示す特性図である。
【図１２】本発明の光半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図１３】複数の回折格子を基板上に形成した状態を示す平面図である。
【図１４】レジスト開口幅ＷE とＤＦＢ発振波長の関係を示す特性図である。
【図１５】描画ピッチとＤＦＢ発振波長の関係を示す特性図である。
【図１６】ＳｉＯ2 ストライプマスクを回折格子に合わせてパターニングした様子を示す平面図である。
【図１７】図１３のＳｉＯ2 ストライプマスクと１つの素子の詳細を示す部分拡大図である。
【図１８】回折格子の形成領域のマスク幅ＷLDと回折格子の形成されていない領域のマスク幅ＷMOD のＤＦＢ発振波長に対する設計値を示す特性図である。
【図１９】レーザ活性層と変調器吸収層を選択ＭＯＶＰＥで形成した状態を示す斜視図である。
【図２０】図１６のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。
【図２１】図１６のＣ−Ｃ’断面における製造工程を示す説明図である。
【図２２】ｐ型の電極（Ｐ電極）をパターニングした様子を示す斜視図である。
【図２３】１２５素子（１２５チャネル）のＤＦＢレーザの発振波長の測定結果を示す特性図である。
【図２４】異なるＤＦＢ発振波長と結合係数κの測定結果を示す特性図である。
【図２５】伝送歩留りおよび単一縦モード発振歩留まりとＤＦＢ発振波長の関係の測定結果を示す特性図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態において回折格子を形成した状態を示す平面図である。
【図２７】図２６の状態においてストライプマスクによりパターニングした状態を示す平面図である。
【図２８】１つの素子におけるマスクパターンの配置を示す部分拡大図である。
【図２９】図２８のＤ−Ｄ’断面を示す断面図である。
【図３０】ｐ電極をパターニングした状態を示す斜視図である。
【図３１】本発明の第２の実施の形態におけるＤＦＢ発振波長と結合係数κの測定結果を示す特性図である。
【図３２】本発明の第２の実施の形態における単一縦モード発振歩留まりとＤＦＢ発振波長の関係の測定結果を示す特性図である。
【図３３】従来の光半導体装置の製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１００，２００ 回折格子
１０１，２０１ 基板
１０２ 回折格子形成用レジスト
１０２ａ 開口部
１０３，２０３，２０７ ＳｉＯ2 ストライプマスク
１０４，２０４ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
１０５，２０５ 歪ＭＱＷ層＋障壁層
１０６，２０６，２１０ ｐ−ＩｎＰ層
１０９ ＳｉＯ2 膜
１１０ ｐ型電極
１１１ ｎ型電極
２０８ ｐ−ＩｎＰブロック層
２０９ ｎ−ＩｎＰブロック層
２１１ ｐ−ＩｎＰクラッド層
２１２ ｐ+−ＩｎＧａＡｓ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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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