JP3734900B2 - 半導体光導波路構造、光デバイス、及び、それらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光導波路構造、半導体発光素子及び受光素子を含む半導体光デバイス、及び、それらの製造方法に関し、特に、円形または狭出射ビームが得られる高効率の半導体光導波路構造、光ファイバとの間の光結合効率を改善した半導体光デバイス、及び、それらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体レーザ装置から光ファイバに光信号を送出する場合には、送出される光信号のモードフィールドを、光ファイバのモードフィールドに出来るだけ合致させて光結合効率を高める必要がある。この目的のために、半導体レーザ装置にはＭＦＣが設けられる。
【０００３】
図１１は、従来のＭＦＣ付き半導体レーザ装置の完成時の断面図である。また、この半導体レーザ装置の図１１におけるＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面を夫々図１２（ａ）及び（ｂ）に示している。図１３、図１４（ａ）及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）は、その製造手順を示すもので、図１３は最初に形成されるＳiＯ2膜の平面パターンを示し、図１４（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１１のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’の位置での断面を示し、また、図１５（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１４（ａ）及び（ｂ）のその後の工程段階での状態を示す。これらの図を参照して、従来の半導体レーザの構造及び作製方法を説明する。
【０００４】
ＭＦＣ付き半導体レーザ装置の作製には、その工程簡素化の観点から、一般に、減圧ＭＯＣＶＤ法による選択成長が用いられる。まず、ｎ型ＩnＰ基板（ｎ−ＩnＰ基板、以下同様）１０１上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳiＯ2膜を堆積し、これをフォトリソグラフィー法及びＢＨＦ（バッファードフッ酸）液を利用した湿式エッチング法により、図１３に示した短冊状ＳiＯ2膜１２０のパターンを得る。各短冊状ＳiＯ2膜１２０は、例えば長さＬが８００μmで幅Ｗが６０μmの細長い長方形状であり、２つの短冊パターンが帯状領域１２４を挟んで対になって並ぶ。短冊対相互の間隔、すなわち帯状領域１２４の幅ｄは例えば１０μm程度である。各短冊対は、例えば列方向に３００μmの間隔（Ｄ1）、行方向に２５０μmのピッチ（Ｄ2）を夫々有してマトリックス状に配列されている。各短冊対及びこれに列方向に隣接する部分が１つの半導体レーザ装置に対応し、図１３の例では多数のレーザ装置が一度に形成される。
【０００５】
図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、短冊状ＳiＯ2膜１２０が形成された後に、減圧ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩnＰクラッド層１０２、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ量子井戸活性層１０３、ｐ−ＩnＰクラッド層１０４から成る半導体積層を、ＳiＯ2膜１２０で覆われていないｎ−ＩnＰ基板１０１の露出領域に選択的に成長する。この成長時には、短冊状ＳiＯ2膜１２０の対で挟まれた狭い帯状領域１２４では、図１４（ａ）に示すように、積層膜１０２〜１０４の膜厚が大きく形成され、また、それ以外の領域では、図１４（ｂ）に示すように、積層膜１０２〜１０４の膜厚が小さく形成される。
【０００６】
更に、短冊状ＳiＯ2膜１２０をＢＨＦ液にて除去した後に、再びプラズマＣＶＤ法により、第２のＳiＯ2膜を全面に堆積する。引き続き、この第２のＳiＯ2膜を、フォトリソグラフィー法及びＢＨＦ液を用いた湿式エッチング法によりパターニングし、積層膜１０２〜１０４上の各帯状領域１２４を列方向につないだストライプ部分のみに、幅約４．０μmのストライプ状ＳiＯ2膜１２１を残す。次いで、ＳiＯ2膜１２１をマスクとする、ブロムメタノールを利用した湿式エッチング法により、ｎ−ＩnＰクラッド層１０２、量子井戸層１０３、及び、ｐ−ＩnＰクラッド層１０４から成る半導体積層をエッチングする。これにより、ストライプ状ＳiＯ2膜１２１の下部に、このＳiＯ2膜１２１よりも幅が狭い１．５μｍ幅程度のメサストライプ１２３を形成する（図１５（ａ）及び（ｂ））。
【０００７】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、メサストライプ１２３側面のみにｐ−ＩnＰ層１０５及びｎ−ＩnＰ層１０６からなるブロッキング層を積層して、メサストライプ１２３を埋め込む（図１２（ａ）及び（ｂ）参照）。引き続き、ストライプ状ＳiＯ2膜１２１をＢＨＦ液で除去した後に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＩnＰクラッド層１０７及びｐ −ＩnＧaＡsコンタクト層１０８を順次に積層する。次いで、フォトリソグラフィー法及び酒石酸系エッチング液を利用した湿式エッチング法により、断面Ｂ−Ｂ’で示されるＭＦＣ領域上部のｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層１０８をエッチング除去する。
【０００８】
更に、プラズマＣＶＤ法により第３のＳiＯ2膜１２２を堆積し、断面Ａ−Ａ’で示されるレーザ領域にキャリア注入のためのコンタクト部分の窓明けを行う。引き続き、ｎ−ＩnＰ基板１０１を１００μｍ程度の厚みとなるように基板裏面側から研磨し、ｐ側電極１０９及びｎ側電極１１０を夫々基板の表面側及び裏面に形成し、図１１、図１２（ａ）及び（ｂ）に示した構造を得る。
【０００９】
上記のように作製された半導体レーザ装置は、図１２（ａ）と（ｂ）とを対比すると判るように、レーザ領域のクラッド層１０２及び活性層１０３の膜厚よりも、ＭＦＣ領域のクラッド層１０２及び活性層１０３の方が夫々膜厚が薄いという構成を有する。このため、光閉じ込め領域がＭＦＣ領域側で小さくなり、ＭＦＣ領域から狭出射の良好な光ビームが得られる。この場合、ＭＦＣはレーザ光に対して透明であるため、光伝送においてその損失は小さい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のＭＦＣ付き半導体レーザ装置では、光導波路構造を作製するために多くの複雑な工程を必要とする。更に、レーザ装置の共振器方向には電流狭窄機能を有しないので、レーザ領域に供給されたキャリアがＭＦＣ領域にまで漏れ、レーザ発振のためのしきい値電流が上昇するという問題もある。
【００１１】
なお、上記従来のレーザ装置では、基板にｎ−ＩnＰ基板を用いているため、エピタキシャル成長層の上部がｐ−ＩnＰ層となり、ＭＦＣへのキャリア漏れはホールにより生じる。このため、このキャリア漏れはさほど顕著ではないが、この例とは逆に、基板にｐ−ＩnＰ基板を用いる同様な形式の半導体レーザ装置の場合には、エピタキシャル成長層の上部がｎ−ＩnＰ層となることから、キャリア漏れは電子により生じ、キャリア漏れは特に大きくなる。
【００１２】
本発明の目的は、まず、光ファイバとの結合効率が高く、且つ、その工程も簡素な光導波路構造及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の目的は、更に、前記ＭＦＣ変換器付き光デバイスに代えて、簡素な工程で製造できる光導波路構造を有するスポットサイズ変換器付き光デバイスを提供し、且つ、キャリア漏れが生じ難い半導体デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光導波路構造の製造方法は、半導体基板上に、少なくともＡlを含む材料からなり、Ａl組成が、膜厚方向の中央部分で少く、該中央部分から膜表面及び裏面に向かって徐々に増加する組成を有する半導体層を形成し、該半導体層を部分的に酸化させて酸化領域及び非酸化領域を形成し、該非酸化領域を光導波路とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の光導波路構造は、第一の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記半導体層の組成がＡlxＧa1-xＡs（ｘ≦１）であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光導波路構造は、第２の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記中央部分の半導体層の組成がＡlxＧa1-xＡs（０．５≦ｘ≦０．９７）であり、前記表面及び裏面の半導体層の組成がＡlＡsであることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光導波路構造は、第３の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記半導体層が、ＡlxＧa1-xＡs、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＧa1-xＰ、ＡlxＩn1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、及び、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の少なくとも１種類から構成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の光導波路構造は、第４の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記半導体層が光導波路の光軸方向に傾斜を有するテーパーに形成され、該テーパーの細幅先端部における前記光導波路の断面が実質的に円形であることを特徴とする。
【００１９】
ここで、上記第４の視点の光導波路構造では、前記光導波路の幅が、前記テーパーの細幅先端部で０．５μm以下であり、前記テーパーの太幅基端部で２．０μm以下であることが好ましい。
【００２０】
更に、本発明の光デバイスは、上記各光導波路構造と光学的に結合された半導体光素子を含むことを特徴とする。半導体光素子を半導体レーザ又は半導体受光素子として構成することが出来る。
【００２１】
上記本発明の製造法において、半導体層を部分的に酸化する前に、該半導体層を光の進行方向に延びるリッジ構造に加工する工程を更に含むことが出来る。この場合、前記リッジ構造に加工する工程は、光の進行方向に半導体層の幅が狭まるテーパー状に加工する工程とすることが好ましい。半導体層を部分的に酸化する工程に後続して、別の半導体基板上に形成した半導体レーザ等の半導体デバイスを、該半導体デバイスの光路を前記光導波路に結合させて、直接接着する工程を更に含むことも好ましい態様である。
【００２２】
また、上記光導波路構造は、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により形成することが好ましい。
【００２３】
本発明の光導波路構造の製造方法によると、Ａl組成が膜厚方向に異なる特定の組成を有するコア層を形成し、該コア層を部分的に酸化させることにより、光導波路を形成する構成を採用したので、光導波路構造が簡素な工程で製造でき、また、光導波路の幅の制御性が良好であるため、得られる光導波路構造において光ファイバとの結合効率の向上が可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第一の実施形態例である半導体光導波路の断面を各工程段階毎に示している。本実施形態例の光導波路は、例えば波長０．９８μｍの光を導波するために用いられ、以下のように作製される。
【００２５】
まず、ＧaＡs基板１１上に、ＭＢＥ法により、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１２を１．０μｍ、Ａl組成が膜厚方向の中央部にて最も少なく、表面及び裏面に向かって徐々に増大する構造のＡl（Ｇa）Ａsコア層１３を２．０μｍ、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１４を１．０μｍ、ＧaＡsキャップ層１５を０．２μｍ、順次に積層する。ここで、Ａl組成が膜厚方向に変化するＡl（Ｇa）Ａsコア層１３は、膜厚方向の中央部がＡlXＧa1-XＡs（０．５≦Ｘ≦０．９７）であり、表面及び裏面ではＡlＡsとすることが好ましい。
【００２６】
一般的に、ＡlXＧa1-XＡsの酸化速度はＡlの比率にて決まり、例えばＡlが９７％（ｘ＝０．９７）の場合には、その酸化速度はＡlＡsの１／１０程度となる。Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３に対して後工程で酸化を行って光導波路の幅制御を行う際に、その制御性は、中央部のＡl（Ｇa）Ａsコア層のＡl組成を９７％以下とし、最も外側の表面部分及び裏面部分をＡlＡsとすることにより良好となる。中央部でＸ＝０．９７、膜表面及び裏面でＸ＝１．０とした場合のＡl組成のプロファイルを図２（ａ）に示した。
【００２７】
Ａl（Ｇa）Ａs層１３の組成として、膜厚方向の中央部でＡl0.97Ｇa0.03Ａs、最も外側でＡlＡsとすることは、例えばＭＢＥ法を採用することにより得られる。ＭＢＥ法では、基板の温度を連続的に変えることで、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３のＡl組成を連続的に変化させることが出来る。これは一般的に行われている方法である。Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３の組成制御は、理想的には膜厚方向に連続的に変化させるのが好ましいが、必ずしもこれには限らない。特に、ＭＯＣＶＤ法を採用する場合等のように連続的な組成制御が困難な結晶成長を行う場合や、コア層にＡlＧaＡs以外の材料を採用する場合には、Ａl組成を段階的に変化させてもよい。この場合にも、同様な効果が得られる。
【００２８】
次に、ＧaＡsキャップ層１５、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１４、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３、及び、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１２を、フォトリソグラフィー法及び湿式エッチングにより選択的に除去し、幅５μｍのリッジ構造を形成する。
【００２９】
次いで、ウエーハ全体を水蒸気中に置き、約４００℃の温度で１０分間の熱処理を行う。これにより、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３が部分的に酸化され、コア層周辺部のＡl（Ｇa）Ａs酸化領域１６と、中央部の断面が全体として略円形のＡl（Ｇa）Ａs非酸化領域１７とに形成される。ここで、中央部のＡlＧaＡsのＡl組成を０．９７とすると、その酸化速度は約０．２μｍ／min.であり、また、周辺部のＡlＡsの酸化速度は片側で約２μm／min.である。非酸化領域１７は、導波路として使用され、直径約１．０μｍの略円形状となる。
【００３０】
つまり、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３は、酸化領域１６ではＡlＡsがＡlxＯy（Ａl Ｏxide）に変化することで、非酸化領域１７の屈折率２．９５に比して十分に低い１．６に低下する。この屈折率の膜面方向及び膜厚方向の分布を、光導波路の構造に対応させて図２（ｂ）に示した。かかる屈折率プロファイルのため、入射光は、非酸化領域１７、つまり屈折率の高い中央部のみに導波することが出来る。工程の最後に、ポリイミド層１８によりリッジ構造の両側部を被覆する（図１（ｂ））。
【００３１】
上記のように作製された半導体光導波路は、略円形のモードフィールドを有していることから、光ファイバーとの結合を行う際に、モードフィールドの差を小さくすることができ、光結合効率が良好となる。また、この光導波路は、膜面と直交方向の幅、つまり高さを結晶成長工程で制御でき、且つ、膜面方向の幅をＡl組成と酸化速度との関係により制御できるので、従来のように再成長の工程を要しないで、正確かつ簡単に略円形の光フィールドを得ることが出来る。また、場合によっては偏波依存性についても効果がある。
【００３２】
なお、上記第一の実施形態例では、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３を採用した例を示したが、これに限らず、コア層は、Ａlを含む材料であって酸化等により屈折率を制御できる材料であればよく、例えば、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＩn1-xＰ、ＡlxＧa1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、及び、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）等が採用できる。また、結晶成長法もＭＢＥ法に限らず、ＭＯＣＶＤ法が採用できる。
【００３３】
図３は、本発明の第二の実施形態例の光導波路の構造を示している。各参照符号は、図１と同じにしてある。本実施形態例の光導波路は、光の進行方向又はその逆方向に狭まるテーパー状のリッジ構造を有する。ＭＢＥ法による積層工程や酸化工程等の手順は、第一の実施形態例と同様である。本実施形態例では、導波路端部のリッジ幅を徐々に狭めてテーパ状にリッジを形成した後に酸化を行って導波路領域を形成し、次いで、テーパ状リッジの側面に、反射防止膜２０を形成する。これにより、入出射光の反射を防いでいる。反射防止膜２０は、例えば厚さｎλ／４のＳiＯ2、ＳiＮx、Ａl2Ｏ3等の誘電体で形成される。
【００３４】
上記実施形態例によれば、コア層の酸化速度が光の進行方向に一様であるため、導波路のテーパー先端に向かって、徐々に導波路領域１７の幅を狭くすることが出来る。つまり、導波路の入出射端部での光フィールドを大きくできるため、光ファイバーや光デバイスとの結合において、誤差の許容幅を大きくできる。なお、テーパー先端部の形状としては、図３のように尖がった形状の他、基端部よりも短い横幅を有する形状、或いは、丸い形状等が採用でき、得られる効果は同様である。
【００３５】
図４は、本発明の第三の実施形態例の半導体光導波路の工程段階毎の断面図である。本実施形態例の半導体光導波路は、以下のように作製される。なお、図１と同様な要素には図１の符号と同様な符号を示している。まず、ＭＢＥ法によってＧaＡs基板１１上に、順次にＡlＡsエッチング停止層２２及びＧaＡsコンタクト層２１を積層する。その上に、第一の実施形態例の積層と同様に、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１２を１．０μｍ、Ａl組成が膜厚方向の中央部にて最も少なく表面及び裏面に向かって徐々に増大する組成のＡl（Ｇa）Ａsコア層１３を２．０μｍ、Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層クラッド層１４を１．０μｍ、ＧaＡsキャップ層１５を０．２μｍ、ＭＢＥ法によって順次に積層する。次に、第一の実施形態例と同様にリッジを形成した後に、Ａl（Ｇa）Ａsを酸化させて導波路領域１７を形成する。（図４（ａ））
【００３６】
次に、導波路領域１７が形成されたリッジ上部のＧaＡs層１５とＩnＰ基板２３とを、直接接着（ダイレクトボンディング）法によって接着する（図４（ｂ））。更に、ＧaＡs基板１１、及び、ＡlＡsエッチング停止層２２の全体を、湿式エッチングによって除去する（図４（ｃ））。
【００３７】
第３の実施形態例を採用すると、Ａlを含む材料が結晶成長で作製できない場合、例えば、格子定数が異なる基板上に光導波路を形成したい場合にも、特性が良好な略円形の半導体光導波路の形成が可能である。
【００３８】
上記第１〜第３の実施形態例では、導波路での吸収損失（自由キャリア吸収）を防ぐために、全ての層にドーピングを行わない例を挙げた。つまり、上記各実施形態例では、電流注入を要しない構造を示した。次に、各層にドーピングを行うことで、電流注入を考慮した構造について説明する。
【００３９】
図５（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第４の実施形態例である半導体光変調器の図１（ａ）及び（ｂ）と同様な断面図である。本実施形態例の半導体光変調器は以下のように作製される。
【００４０】
まず、ｎ−ＧaＡs基板３１上に、ＭＢＥ法によって、ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層３２を約１．０μｍ、Ａl組成が膜方向の中央部で最も少く表面及び裏面に向かって徐々に増加する組成のアンドープＡl（Ｇa）Ａs層３３を約０．５μｍ、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層３４を約１．０μｍ、ｐ−ＧaＡsキャップ層３５を約０．２μｍ、順次に積層する。ここでは、結晶成長でＭＢＥ法を採用しており、例えば、ｎ型のドーパントにはＳiを用い、ｐ型のドーパントにはＢｅを用いる。ドーピングを行う以外は、第１の実施形態例の積層と同様の構造である。
【００４１】
結晶成長以降のリッジ形成及びＡlＡs酸化プロセスについても、前記第一の実施形態例と同様であり、Ａl（Ｇa）Ａs層の酸化領域３６及び非酸化領域３７を形成し、非酸化領域３７を光導波路とする。最後にｎ−ＧaＡs基板３１を約１００μｍ程度の厚さに研磨した後に、ｐ及びｎ電極３９、４０をそれぞれ形成している。
【００４２】
第４の実施形態例の構造においても、第１の実施形態例と同様の効果が得られ、これに加えて、電流注入が可能であることから、光スイッチ、光増幅器、光変調器等に本発明を適用することができる。また、導波路中央部に量子井戸構造を形成することにより、電界吸収型の光スイッチ、光増幅器、光変調器等にも本発明を適用することができる。
【００４３】
図６（ａ）及び（ｂ）、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して本発明の第５の実施形態例であるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を、その製造法に基づいて説明する。図６（ａ）に示すように、ｎ−ＧaＡs基板５１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５２を約２．０μｍ、ＩnＧaＡs／ＧaＡs積層構造から成る量子井戸活性層５３、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５４を約２．０μｍ、ｐ−ＧaＡsコンタクト層５５を約０．５μｍ、順次に積層する。
【００４４】
次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、幅１５００μmの多数の帯状のＳiＯ2膜５６を５００μm間隔で形成し、これをマスクとするエッチングにより、ｐ−ＧaＡsコンタクト層５５、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５４、ＩnＧaＡs／ＧaＡs量子井戸活性層５３、及び、ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５２を選択的に除去する。次に、再度ＭＯＣＶＤ法により前記ＳiＯ2膜１６を選択成長用マスクとし、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５７を約０．５μｍ、Ａl組成が膜厚方向の中央部にて最も少なく、膜の表面及び裏面に向かって夫々Ａl組成が徐々に増加する組成のＡl（Ｇa）Ａsコア層５８を約２．０μｍ、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５９を約０．５μｍ、ＧaＡs層６０を約０．５μｍ、順次に積層することで、図６（ｂ）に示す構造を得る。
【００４５】
ここで、膜厚方向にＡl組成を徐々に変化させたＡl（Ｇa）Ａsコア層６８は、膜厚方向の中央部をＡlXＧa1-XＡs（Ｘ≦０．９７）、最も外側の表面及び裏面をＡlＡsにするのが好ましい。例えば、コア層の中央部分でＸ＝０．９７、つまりＡlを９７％とし、最も外側部分でＸ＝１．０、つまり組成をＡlＡsとする。これにより、酸化速度の中央部及び膜表面における比率として１：１０程度が得られる。
【００４６】
上記ＡlＧaＡsコア層５８におけるＡl組成は、ＭＯＣＶＤ法においてマスフローコントローラーによって材料供給量を連続的に変化させることで得られる。ここで、ＭＯＣＶＤ法に代えてＭＢＥ法を採用しても、例えば基板温度を連続的に変化させることで、ＡlＧaＡsの組成を連続的に変化させることができる。しかし、本実施形態例では後に選択成長法を採用することから、ＭＯＣＶＤ法がより適している。ＡlＧaＡsの組成変化は、理想的には連続的に変化させることが好ましいが、これは必ずしも必須ではない。特に、組成変化が困難なＡlＧaＡs以外の材料を用いてこのコア層を製造する場合には、連続的な組成変化は困難であるから段階的な組成変化を採用してもよい。この場合にも同様の効果が得られる。
【００４７】
次に、最初の結晶成長により積層したｐ−ＧaＡsコンタクト層５５からｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５４の途中までを、フォトリソグラフィー及びエッチングにより選択的に除去して、先の帯状ＳiＯ2膜５６と直交方向に延びる、レーザ領域を構成する幅約４μｍのメサ構造のストライプ状リッジ６１を形成する。この構造を図７（ａ）に示した。図７（ａ）は、図６（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面である。次いで、２回目の結晶成長により積層したＧaＡs層６０から、Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層クラッド層５９、Ａl（Ｇa）Ａsコア層５８、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５７の途中までをフォトリソグラフィー法及びエッチングにより選択的に除去して、先に形成したストライプ状リッジ６１の光軸と一致する光軸を有するテーパー状リッジ６２を形成する。これを図７（ｂ）に示した。図７（ｂ）は、図６（ｂ）のＢ−Ｂ’断面である。ストライプ状リッジ６１及びテーパー状リッジ６２の平面図を図７（ｃ）に示した。
【００４８】
テーパー状リッジ６２の幅は、図７（ｃ）に示すように、レーザ領域のストライプ状リッジ２１と接している側（Ｗ２）で約６．０μｍとし、その逆側（Ｗ３）で約３．０μｍ程度としてある。また、テーパ状リッジ６２の全長（Ｌ）は約１００μｍである。レーザ領域６１の幅（Ｗ１）は、先に述べたように４μmである。テーパ状リッジ６２の寸法及び形状等は、適宜最適化するのが好ましく、例えば、テーパー状リッジ６２のレーザ領域側（ビーム入射側）の幅（Ｗ２）は、ストライプ状リッジの幅（Ｗ１）以上とし、その逆側（ビーム出射側）の幅（Ｗ３）は０μm以上でストライプ状リッジ６１の幅（Ｗ１）以下とすることが好ましい。レーザ出射側のテーパー先端部分は平面的に見て丸く形成してもよく、或いは、とがった形状でもよい。ここで、ビーム出射側では、後の酸化により形成される導波路形状が円形状となることが好ましく、かかる円形状の導波路構造を得るためには、リッジ幅、層の厚さ、組成、酸化時間等を勘案して適宜選択する。
【００４９】
次に、ウエーハ全体を水蒸気中に置き、約４００℃の温度で５分間の熱処理を行う。これにより、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、テーパー状リッジ６２のＡl（Ｇa）Ａsコア層５８の周辺部分が酸化され、コア層周辺部のＡl（Ｇa）Ａs酸化領域６３及び中央部のＡl（Ｇa）Ａs非酸化領域６４が形成される。図８（ａ）〜（ｃ）は夫々、図７（ｃ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、及びＣ−Ｃ’断面である。ここで、コア層の酸化速度は、ＡlＡsでは片側約２μｍ／min.であり、Ａl0.97Ｇa0.03Ａsでは、その約１／１０の０．２μｍ／min.である。酸化領域６３では、ＡlＡsがＡlxＯy（Ａl Ｏxide）に変化し、その屈折率が、ＡlＡsの２．９５からＡlＡs Ｏxideの１．６に迄低下する。このため、入射光は、屈折率が高い中央部の非酸化領域６４のみに導波することができ、非酸化領域６４は導波路を構成する。
【００５０】
酸化後のテーパ状リッジ６２における導波路６４の寸法は、ＬＤと接している光入射側では縦方向１．０μｍ×横方向４．０μｍの楕円状であり（図８（ａ））、光出射側で直径約１．０μｍの円形状であり（図８（ｃ））、中央部分ではその中間の形状である（図８（ｂ））。
【００５１】
上記のように、テーパ状リッジ６２では、モードフィールドが光の進行方向に徐々に拡大し、光出射端では円形になっていることから、光ファイバーとの結合効率を向上させることができる。つまり、テーパー状リッジ６２は、スポットサイズ変換領域を構成する。ここで、酸化領域６３は、絶縁膜となるため、スポットサイズ変換器への無駄な電流注入を防ぐことができる。
【００５２】
次に、ポリイミドにより各リッジの側面を保護した後に、基板を裏面から研磨し、約１００μｍ程度の厚みに形成した後に、ｐ側及びｎ側電極を基板の表面側及び裏面側に夫々形成する。最終構造は、図示を省略したが、図５（ｂ）を参照すると理解できる。
【００５３】
上記第５の実施形態例のスポットサイズ変換器付きレーザでは、スポットサイズ変換器がテーパ状リッジ６２のＡl（Ｇa）Ａsの酸化領域により形成されるため、光出射部のビーム形状を略円形とすることができる。従って、従来のＭＦＣ付き半導体レーザと同様に円形狭出射ビーム化が実現でき、また、酸化領域は絶縁領域でもあるため、スポットサイズ変換領域における電流損失を防ぐことができる。また、スポットサイズ変換器の各層はアンドープであるため、レーザ発振光に対して透明であり、光透過率が向上する。
【００５４】
なお、上記第５の実施形態例では、波長９８０ｎｍの半導体レーザについて例示したが、これに限らない。リッジ形成等のエッチングについては、ウエットエッチング及びドライエッチング（ＲＩＥ、ＲＩＢＥ）のいずれも採用できる。
【００５５】
また、上記第５の実施形態例では、Ａl（Ｇa）Ａsコア層から導波路を形成する例を挙げたが、これに限らず、Ａlを含む材料で、酸化等により屈折率を制御できる材料であればよく、例えば、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＩn1-xＰ、ＡlxＧa1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、ＡlxＧa1-xＮ、ＡlxＩn1-xＮ、ＡlxＧayＩn1-(x+y)Ｎ（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）等がコア層として用いられる。
【００５６】
以下、本発明の第６の実施形態例である別のスポットサイズ変換器付きレーザ素子について、その製造工程段階を示す図９（ａ）及び（ｂ）、図１０（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法により、ＧaＡs基板７１上に、ＩnＧaＰエッチング停止層７２、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層７３、Ｇa組成が膜厚方向の中央部分で最も多く０．１であり、膜の表面及び裏面部分で最も少ない０であるように、膜厚方向に組成が連続的に変化するＡl（Ｇa）Ａsコア層７４、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層７５、及び、ＧaＡsコンタクト層７６を順次に積層する（図９（ａ））。
【００５７】
次に、ＧaＡsコンタクト層７６、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層７５、Ａl（Ｇa）Ａsコア層７４、Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層７３、及び、ＩnＧaｐエッチング停止層７２をフォトリソグラフィー及びエッチングにより選択的に除去し、スポットサイズ変換器のためのテーパー状リッジ構造７７を形成する。得られたテーパー状リッジ構造を図１０（ａ）に示す。同図には、２つのスポットサイズ変換器となるテーパーリッジ構造７７が、その先端部分を突合せた状態で作製される旨が示されている。ここで、テーパの幅は、先の実施形態例と同様に適宜調整する。
【００５８】
次に、上記ウエーハ全体を水蒸気中に置き、約４００℃の温度で１分間の熱処理を行い、テーパー状リッジ構造７７内のＡl（Ｇa）Ａsコア層７４を部分的に酸化して、所定の導波路形状を有するスポットサイズ変換器を得る。
【００５９】
別に、図９（ｂ）に示すように、ｎ−ＩnＰ基板８１を用意し、該基板８１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩnＰクラッド層８２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層８３、ｐ−ＩnＰクラッド層８４、ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層８５を順次に積層する。次いで、フォトリソグラフィー及びエッチングにより、ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層８５、ｐ−Ｉnｐクラッド層８４、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層８３、及び、ｎ−ＩnＰクラッド層８２を選択的に除去することで、幅３μｍのストライプ状リッジ構造の複数の半導体レーザ８６と、その間の半導体積層が除去された凹部８７とを得る。これを図１０（ｂ）に示した。同図には、２つの半導体レーザ８６が凹部８７を隔てて配置される旨が示されている。
【００６０】
次に、図１０（ａ）のテーパー状リッジ構造７７を同図（ｂ）の半導体レーザ８６の間の凹部８７に埋め込む。つまり、スポットサイズ変換器のためのテーパー状リッジ構造７７が形成されたＧaＡs基板７１と、ストライプ状の半導体レーザ８６が形成されたＩnＰ基板８１とを、テーパー状リッジ構造７７の導波路と半導体レーザの光軸とが合うように、且つ、ＩnＰ基板８１上に、スポットサイズ変換器７７のＧaＡsコンタクト層７６が接するように上下を逆にして、ダイレクトボンディング（直接接着）技術により接着する。直接接着法によるボンディングでは、まず、半導体レーザ部８６とテーパー状リッジ構造７７とをマーカーにより位置合わせし、接着させるＩnＰ基板８１の表面及びＧaＡs基板７１の表面の双方をフッ酸により処理する。双方を張り合わせた後に、熱処理を施すことで両基板を一体化させる。なお、上記熱処理は、水素雰囲気中にて行うため、既に酸化させた層の再酸化等のおそれはない。
【００６１】
その後、ＧaＡs基板７１を除去し、ＩnＰ基板８１を裏面から研磨して、その厚みが約１００μｍ程度となるように仕上げた後に、前記凹部８７の中心で２つに切断する。これによってスポットサイズ変換器付き半導体レーザが２つ得られる。この内の１つを図１０（ｃ）に示した。次いで、ｐ側及びｎ側電極を基板の表面側及び裏面側に夫々形成する。これにより、第６の実施形態例のスポットサイズ変換器付き半導体レーザが最終的に得られる。
【００６２】
本実施形態例によれば、Ａlを含む材料が結晶成長で作製できない場合、例えば、基板材料と格子定数が違う場合にも、テーパ状リッジ型スポットサイズ変換器の形成が可能である。
【００６３】
また、上記方法によれば、レーザ光の発振波長に対して十分に透明な材料からなるスポットサイズ変換器を形成することが出来る。
【００６４】
上記第６の実施形態例の変形例を示す。上記実施形態例では、ＧaＡs基板７１上にテーパ状リッジ７７を成形し、Ａlを含む材料の酸化を行い、スポットサイズ変換器を作製した後に、ＩnＰ基板８１に接着を行った。本変形例では、ＩnＰ基板上にレーザ構造を積層し、所定の積層部分を除去した後に、ＧaＡs基板上のエピタキシャル層を直接接着により接着させ、次いで、ＧaＡs基板を除去し、その後にテーパ状リッジ構造のスポットサイズ変換器を作製する。その他の作製方法や効果については、上記第６の実施形態例と同様である。
【００６５】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の光導波路構造、光デバイス及びそれらの製造方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００６６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光導波路構造及び本発明方法で製造された光導波路構造によると、光に対して十分に透明な光導波路構造が簡素な工程で製造できること、光導波路の幅制御が容易なため光ファイバとの結合効率が向上すること等の効果がある。
【００６７】
また、本発明の光デバイス及び本発明方法で製造される光デバイスでは、半導体光素子からのリーク電流が低減でき、且つ、光ファイバとの結合効率が高いので、高効率の光デバイスの実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第一の実施形態例の光導波路構造の工程段階毎の断面図。
【図２】（ａ）は図１の光導波路構造におけるコア層のＡl組成のプロファイル、（ｂ）はコア層の酸化後の屈折率プロファイル。
【図３】本発明の第二の実施形態例の光導波路構造の斜視図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は夫々、本発明の第三の実施形態例の半導体光導波路の工程段階毎の断面図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第４の実施形態例である半導体光変調器の光導波路の工程段階毎の断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第５の実施形態例であるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の工程段階毎の断面図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図６のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の光導波路部分及び半導体レーザ部分の断面図、（ｃ）は該レーザ装置のリッジ部の平面図。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は夫々、図６のコア層酸化後の酸化領域及び非酸化領域を示す、図７（ｃ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、及び、Ｃ−Ｃ’断面図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第６の実施形態例のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの各部分の一製造工程段階の断面図。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図９（ａ）及び（ｂ）の各部分の製造工程段階の斜視図、図（ｃ）は完成後の断面図。
【図１１】従来のＭＦＣ付き半導体レーザの断面図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１１のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面図。
【図１３】図１１の半導体レーザの一製造工程段階の平面図。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１３の製造工程段階における図１１のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面図。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１４に後続する工程段階での図１４（ａ）及び（ｂ）と同じ位置での断面図。
【符号の説明】
１１ ＧaＡs基板
１２ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
１３ Ａl（Ｇa）Ａsコア層
１４ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
１５ ＧaＡsキャップ層
１６ Ａl（Ｇa）Ａs酸化領域
１７ Ａl（Ｇa）Ａs非酸化領域
１８ ポリイミド層
２０ 反射防止膜
２１ ＧaＡsコンタクト層
２２ ＡlＡsエッチング停止層
２３ ＩnＰ基板
３１ ｎ−ＧaＡs基板
３２ ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層
３３ Ａl（Ｇa）Ａs層
３４ ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層
３５ ｐ−ＧaＡsキャップ層３
３６ Ａl（Ｇa）Ａs酸化領域
３７ Ａl（Ｇa）Ａs非酸化領域
３８ ポリイミド層
３９ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
５１ ｎ−ＧaＡs基板
５２ ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
５３ 量子井戸活性層
５４ ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
５５ ｐ−ＧaＡsコンタクト層
５６ 帯状ＳiＯ2膜
５７ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
５８ Ａl（Ｇa）Ａsコア層
５９ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
６０ ＧaＡs層
６１ ストライプ状リッジ
６２ テーパー状リッジ
６３ Ａl（Ｇa）Ａs酸化領域
６４ Ａl（Ｇa）Ａs非酸化領域
７１ ＧaＡs基板
７２ ＩnＧaＰエッチング停止層
７３ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
７４ Ａl（Ｇa）Ａsコア層
７５ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
７６ ＧaＡsコンタクト層
７７ スポットサイズ変換器
８１ ｎ−ＩnＰ基板
８２ ｎ−ＩnＰクラッド層
８３ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
８４ ｐ−ＩnＰクラッド層
８５ ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層
８６ 半導体レーザ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光導波路構造、半導体発光素子及び受光素子を含む半導体光デバイス、及び、それらの製造方法に関し、特に、円形または狭出射ビームが得られる高効率の半導体光導波路構造、光ファイバとの間の光結合効率を改善した半導体光デバイス、及び、それらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体レーザ装置から光ファイバに光信号を送出する場合には、送出される光信号のモードフィールドを、光ファイバのモードフィールドに出来るだけ合致させて光結合効率を高める必要がある。この目的のために、半導体レーザ装置にはＭＦＣが設けられる。
【０００３】
図１１は、従来のＭＦＣ付き半導体レーザ装置の完成時の断面図である。また、この半導体レーザ装置の図１１におけるＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面を夫々図１２（ａ）及び（ｂ）に示している。図１３、図１４（ａ）及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）は、その製造手順を示すもので、図１３は最初に形成されるＳiＯ2膜の平面パターンを示し、図１４（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１１のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’の位置での断面を示し、また、図１５（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１４（ａ）及び（ｂ）のその後の工程段階での状態を示す。これらの図を参照して、従来の半導体レーザの構造及び作製方法を説明する。
【０００４】
ＭＦＣ付き半導体レーザ装置の作製には、その工程簡素化の観点から、一般に、減圧ＭＯＣＶＤ法による選択成長が用いられる。まず、ｎ型ＩnＰ基板（ｎ−ＩnＰ基板、以下同様）１０１上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳiＯ2膜を堆積し、これをフォトリソグラフィー法及びＢＨＦ（バッファードフッ酸）液を利用した湿式エッチング法により、図１３に示した短冊状ＳiＯ2膜１２０のパターンを得る。各短冊状ＳiＯ2膜１２０は、例えば長さＬが８００μmで幅Ｗが６０μmの細長い長方形状であり、２つの短冊パターンが帯状領域１２４を挟んで対になって並ぶ。短冊対相互の間隔、すなわち帯状領域１２４の幅ｄは例えば１０μm程度である。各短冊対は、例えば列方向に３００μmの間隔（Ｄ1）、行方向に２５０μmのピッチ（Ｄ2）を夫々有してマトリックス状に配列されている。各短冊対及びこれに列方向に隣接する部分が１つの半導体レーザ装置に対応し、図１３の例では多数のレーザ装置が一度に形成される。
【０００５】
図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、短冊状ＳiＯ2膜１２０が形成された後に、減圧ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩnＰクラッド層１０２、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＡsＰ量子井戸活性層１０３、ｐ−ＩnＰクラッド層１０４から成る半導体積層を、ＳiＯ2膜１２０で覆われていないｎ−ＩnＰ基板１０１の露出領域に選択的に成長する。この成長時には、短冊状ＳiＯ2膜１２０の対で挟まれた狭い帯状領域１２４では、図１４（ａ）に示すように、積層膜１０２〜１０４の膜厚が大きく形成され、また、それ以外の領域では、図１４（ｂ）に示すように、積層膜１０２〜１０４の膜厚が小さく形成される。
【０００６】
更に、短冊状ＳiＯ2膜１２０をＢＨＦ液にて除去した後に、再びプラズマＣＶＤ法により、第２のＳiＯ2膜を全面に堆積する。引き続き、この第２のＳiＯ2膜を、フォトリソグラフィー法及びＢＨＦ液を用いた湿式エッチング法によりパターニングし、積層膜１０２〜１０４上の各帯状領域１２４を列方向につないだストライプ部分のみに、幅約４．０μmのストライプ状ＳiＯ2膜１２１を残す。次いで、ＳiＯ2膜１２１をマスクとする、ブロムメタノールを利用した湿式エッチング法により、ｎ−ＩnＰクラッド層１０２、量子井戸層１０３、及び、ｐ−ＩnＰクラッド層１０４から成る半導体積層をエッチングする。これにより、ストライプ状ＳiＯ2膜１２１の下部に、このＳiＯ2膜１２１よりも幅が狭い１．５μｍ幅程度のメサストライプ１２３を形成する（図１５（ａ）及び（ｂ））。
【０００７】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、メサストライプ１２３側面のみにｐ−ＩnＰ層１０５及びｎ−ＩnＰ層１０６からなるブロッキング層を積層して、メサストライプ１２３を埋め込む（図１２（ａ）及び（ｂ）参照）。引き続き、ストライプ状ＳiＯ2膜１２１をＢＨＦ液で除去した後に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＩnＰクラッド層１０７及びｐ −ＩnＧaＡsコンタクト層１０８を順次に積層する。次いで、フォトリソグラフィー法及び酒石酸系エッチング液を利用した湿式エッチング法により、断面Ｂ−Ｂ’で示されるＭＦＣ領域上部のｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層１０８をエッチング除去する。
【０００８】
更に、プラズマＣＶＤ法により第３のＳiＯ2膜１２２を堆積し、断面Ａ−Ａ’で示されるレーザ領域にキャリア注入のためのコンタクト部分の窓明けを行う。引き続き、ｎ−ＩnＰ基板１０１を１００μｍ程度の厚みとなるように基板裏面側から研磨し、ｐ側電極１０９及びｎ側電極１１０を夫々基板の表面側及び裏面に形成し、図１１、図１２（ａ）及び（ｂ）に示した構造を得る。
【０００９】
上記のように作製された半導体レーザ装置は、図１２（ａ）と（ｂ）とを対比すると判るように、レーザ領域のクラッド層１０２及び活性層１０３の膜厚よりも、ＭＦＣ領域のクラッド層１０２及び活性層１０３の方が夫々膜厚が薄いという構成を有する。このため、光閉じ込め領域がＭＦＣ領域側で小さくなり、ＭＦＣ領域から狭出射の良好な光ビームが得られる。この場合、ＭＦＣはレーザ光に対して透明であるため、光伝送においてその損失は小さい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のＭＦＣ付き半導体レーザ装置では、光導波路構造を作製するために多くの複雑な工程を必要とする。更に、レーザ装置の共振器方向には電流狭窄機能を有しないので、レーザ領域に供給されたキャリアがＭＦＣ領域にまで漏れ、レーザ発振のためのしきい値電流が上昇するという問題もある。
【００１１】
なお、上記従来のレーザ装置では、基板にｎ−ＩnＰ基板を用いているため、エピタキシャル成長層の上部がｐ−ＩnＰ層となり、ＭＦＣへのキャリア漏れはホールにより生じる。このため、このキャリア漏れはさほど顕著ではないが、この例とは逆に、基板にｐ−ＩnＰ基板を用いる同様な形式の半導体レーザ装置の場合には、エピタキシャル成長層の上部がｎ−ＩnＰ層となることから、キャリア漏れは電子により生じ、キャリア漏れは特に大きくなる。
【００１２】
本発明の目的は、まず、光ファイバとの結合効率が高く、且つ、その工程も簡素な光導波路構造及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の目的は、更に、前記ＭＦＣ変換器付き光デバイスに代えて、簡素な工程で製造できる光導波路構造を有するスポットサイズ変換器付き光デバイスを提供し、且つ、キャリア漏れが生じ難い半導体デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光導波路構造の製造方法は、半導体基板上に、少なくともＡlを含む材料からなり、Ａl組成が、膜厚方向の中央部分で少く、該中央部分から膜表面及び裏面に向かって徐々に増加する組成を有する半導体層を形成し、該半導体層を部分的に酸化させて酸化領域及び非酸化領域を形成し、該非酸化領域を光導波路とすることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の光導波路構造は、第一の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記半導体層の組成がＡlxＧa1-xＡs（ｘ≦１）であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光導波路構造は、第２の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記中央部分の半導体層の組成がＡlxＧa1-xＡs（０．５≦ｘ≦０．９７）であり、前記表面及び裏面の半導体層の組成がＡlＡsであることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光導波路構造は、第３の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記半導体層が、ＡlxＧa1-xＡs、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＧa1-xＰ、ＡlxＩn1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、及び、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の少なくとも１種類から構成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の光導波路構造は、第４の視点において、上記方法で製造される半導体光導波路構造であって、前記半導体層が光導波路の光軸方向に傾斜を有するテーパーに形成され、該テーパーの細幅先端部における前記光導波路の断面が実質的に円形であることを特徴とする。
【００１９】
ここで、上記第４の視点の光導波路構造では、前記光導波路の幅が、前記テーパーの細幅先端部で０．５μm以下であり、前記テーパーの太幅基端部で２．０μm以下であることが好ましい。
【００２０】
更に、本発明の光デバイスは、上記各光導波路構造と光学的に結合された半導体光素子を含むことを特徴とする。半導体光素子を半導体レーザ又は半導体受光素子として構成することが出来る。
【００２１】
上記本発明の製造法において、半導体層を部分的に酸化する前に、該半導体層を光の進行方向に延びるリッジ構造に加工する工程を更に含むことが出来る。この場合、前記リッジ構造に加工する工程は、光の進行方向に半導体層の幅が狭まるテーパー状に加工する工程とすることが好ましい。半導体層を部分的に酸化する工程に後続して、別の半導体基板上に形成した半導体レーザ等の半導体デバイスを、該半導体デバイスの光路を前記光導波路に結合させて、直接接着する工程を更に含むことも好ましい態様である。
【００２２】
また、上記光導波路構造は、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により形成することが好ましい。
【００２３】
本発明の光導波路構造の製造方法によると、Ａl組成が膜厚方向に異なる特定の組成を有するコア層を形成し、該コア層を部分的に酸化させることにより、光導波路を形成する構成を採用したので、光導波路構造が簡素な工程で製造でき、また、光導波路の幅の制御性が良好であるため、得られる光導波路構造において光ファイバとの結合効率の向上が可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第一の実施形態例である半導体光導波路の断面を各工程段階毎に示している。本実施形態例の光導波路は、例えば波長０．９８μｍの光を導波するために用いられ、以下のように作製される。
【００２５】
まず、ＧaＡs基板１１上に、ＭＢＥ法により、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１２を１．０μｍ、Ａl組成が膜厚方向の中央部にて最も少なく、表面及び裏面に向かって徐々に増大する構造のＡl（Ｇa）Ａsコア層１３を２．０μｍ、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１４を１．０μｍ、ＧaＡsキャップ層１５を０．２μｍ、順次に積層する。ここで、Ａl組成が膜厚方向に変化するＡl（Ｇa）Ａsコア層１３は、膜厚方向の中央部がＡlXＧa1-XＡs（０．５≦Ｘ≦０．９７）であり、表面及び裏面ではＡlＡsとすることが好ましい。
【００２６】
一般的に、ＡlXＧa1-XＡsの酸化速度はＡlの比率にて決まり、例えばＡlが９７％（ｘ＝０．９７）の場合には、その酸化速度はＡlＡsの１／１０程度となる。Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３に対して後工程で酸化を行って光導波路の幅制御を行う際に、その制御性は、中央部のＡl（Ｇa）Ａsコア層のＡl組成を９７％以下とし、最も外側の表面部分及び裏面部分をＡlＡsとすることにより良好となる。中央部でＸ＝０．９７、膜表面及び裏面でＸ＝１．０とした場合のＡl組成のプロファイルを図２（ａ）に示した。
【００２７】
Ａl（Ｇa）Ａs層１３の組成として、膜厚方向の中央部でＡl0.97Ｇa0.03Ａs、最も外側でＡlＡsとすることは、例えばＭＢＥ法を採用することにより得られる。ＭＢＥ法では、基板の温度を連続的に変えることで、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３のＡl組成を連続的に変化させることが出来る。これは一般的に行われている方法である。Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３の組成制御は、理想的には膜厚方向に連続的に変化させるのが好ましいが、必ずしもこれには限らない。特に、ＭＯＣＶＤ法を採用する場合等のように連続的な組成制御が困難な結晶成長を行う場合や、コア層にＡlＧaＡs以外の材料を採用する場合には、Ａl組成を段階的に変化させてもよい。この場合にも、同様な効果が得られる。
【００２８】
次に、ＧaＡsキャップ層１５、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１４、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３、及び、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１２を、フォトリソグラフィー法及び湿式エッチングにより選択的に除去し、幅５μｍのリッジ構造を形成する。
【００２９】
次いで、ウエーハ全体を水蒸気中に置き、約４００℃の温度で１０分間の熱処理を行う。これにより、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３が部分的に酸化され、コア層周辺部のＡl（Ｇa）Ａs酸化領域１６と、中央部の断面が全体として略円形のＡl（Ｇa）Ａs非酸化領域１７とに形成される。ここで、中央部のＡlＧaＡsのＡl組成を０．９７とすると、その酸化速度は約０．２μｍ／min.であり、また、周辺部のＡlＡsの酸化速度は片側で約２μm／min.である。非酸化領域１７は、導波路として使用され、直径約１．０μｍの略円形状となる。
【００３０】
つまり、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３は、酸化領域１６ではＡlＡsがＡlxＯy（Ａl Ｏxide）に変化することで、非酸化領域１７の屈折率２．９５に比して十分に低い１．６に低下する。この屈折率の膜面方向及び膜厚方向の分布を、光導波路の構造に対応させて図２（ｂ）に示した。かかる屈折率プロファイルのため、入射光は、非酸化領域１７、つまり屈折率の高い中央部のみに導波することが出来る。工程の最後に、ポリイミド層１８によりリッジ構造の両側部を被覆する（図１（ｂ））。
【００３１】
上記のように作製された半導体光導波路は、略円形のモードフィールドを有していることから、光ファイバーとの結合を行う際に、モードフィールドの差を小さくすることができ、光結合効率が良好となる。また、この光導波路は、膜面と直交方向の幅、つまり高さを結晶成長工程で制御でき、且つ、膜面方向の幅をＡl組成と酸化速度との関係により制御できるので、従来のように再成長の工程を要しないで、正確かつ簡単に略円形の光フィールドを得ることが出来る。また、場合によっては偏波依存性についても効果がある。
【００３２】
なお、上記第一の実施形態例では、Ａl（Ｇa）Ａsコア層１３を採用した例を示したが、これに限らず、コア層は、Ａlを含む材料であって酸化等により屈折率を制御できる材料であればよく、例えば、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＩn1-xＰ、ＡlxＧa1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、及び、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）等が採用できる。また、結晶成長法もＭＢＥ法に限らず、ＭＯＣＶＤ法が採用できる。
【００３３】
図３は、本発明の第二の実施形態例の光導波路の構造を示している。各参照符号は、図１と同じにしてある。本実施形態例の光導波路は、光の進行方向又はその逆方向に狭まるテーパー状のリッジ構造を有する。ＭＢＥ法による積層工程や酸化工程等の手順は、第一の実施形態例と同様である。本実施形態例では、導波路端部のリッジ幅を徐々に狭めてテーパ状にリッジを形成した後に酸化を行って導波路領域を形成し、次いで、テーパ状リッジの側面に、反射防止膜２０を形成する。これにより、入出射光の反射を防いでいる。反射防止膜２０は、例えば厚さｎλ／４のＳiＯ2、ＳiＮx、Ａl2Ｏ3等の誘電体で形成される。
【００３４】
上記実施形態例によれば、コア層の酸化速度が光の進行方向に一様であるため、導波路のテーパー先端に向かって、徐々に導波路領域１７の幅を狭くすることが出来る。つまり、導波路の入出射端部での光フィールドを大きくできるため、光ファイバーや光デバイスとの結合において、誤差の許容幅を大きくできる。なお、テーパー先端部の形状としては、図３のように尖がった形状の他、基端部よりも短い横幅を有する形状、或いは、丸い形状等が採用でき、得られる効果は同様である。
【００３５】
図４は、本発明の第三の実施形態例の半導体光導波路の工程段階毎の断面図である。本実施形態例の半導体光導波路は、以下のように作製される。なお、図１と同様な要素には図１の符号と同様な符号を示している。まず、ＭＢＥ法によってＧaＡs基板１１上に、順次にＡlＡsエッチング停止層２２及びＧaＡsコンタクト層２１を積層する。その上に、第一の実施形態例の積層と同様に、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層１２を１．０μｍ、Ａl組成が膜厚方向の中央部にて最も少なく表面及び裏面に向かって徐々に増大する組成のＡl（Ｇa）Ａsコア層１３を２．０μｍ、Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層クラッド層１４を１．０μｍ、ＧaＡsキャップ層１５を０．２μｍ、ＭＢＥ法によって順次に積層する。次に、第一の実施形態例と同様にリッジを形成した後に、Ａl（Ｇa）Ａsを酸化させて導波路領域１７を形成する。（図４（ａ））
【００３６】
次に、導波路領域１７が形成されたリッジ上部のＧaＡs層１５とＩnＰ基板２３とを、直接接着（ダイレクトボンディング）法によって接着する（図４（ｂ））。更に、ＧaＡs基板１１、及び、ＡlＡsエッチング停止層２２の全体を、湿式エッチングによって除去する（図４（ｃ））。
【００３７】
第３の実施形態例を採用すると、Ａlを含む材料が結晶成長で作製できない場合、例えば、格子定数が異なる基板上に光導波路を形成したい場合にも、特性が良好な略円形の半導体光導波路の形成が可能である。
【００３８】
上記第１〜第３の実施形態例では、導波路での吸収損失（自由キャリア吸収）を防ぐために、全ての層にドーピングを行わない例を挙げた。つまり、上記各実施形態例では、電流注入を要しない構造を示した。次に、各層にドーピングを行うことで、電流注入を考慮した構造について説明する。
【００３９】
図５（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第４の実施形態例である半導体光変調器の図１（ａ）及び（ｂ）と同様な断面図である。本実施形態例の半導体光変調器は以下のように作製される。
【００４０】
まず、ｎ−ＧaＡs基板３１上に、ＭＢＥ法によって、ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層３２を約１．０μｍ、Ａl組成が膜方向の中央部で最も少く表面及び裏面に向かって徐々に増加する組成のアンドープＡl（Ｇa）Ａs層３３を約０．５μｍ、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層３４を約１．０μｍ、ｐ−ＧaＡsキャップ層３５を約０．２μｍ、順次に積層する。ここでは、結晶成長でＭＢＥ法を採用しており、例えば、ｎ型のドーパントにはＳiを用い、ｐ型のドーパントにはＢｅを用いる。ドーピングを行う以外は、第１の実施形態例の積層と同様の構造である。
【００４１】
結晶成長以降のリッジ形成及びＡlＡs酸化プロセスについても、前記第一の実施形態例と同様であり、Ａl（Ｇa）Ａs層の酸化領域３６及び非酸化領域３７を形成し、非酸化領域３７を光導波路とする。最後にｎ−ＧaＡs基板３１を約１００μｍ程度の厚さに研磨した後に、ｐ及びｎ電極３９、４０をそれぞれ形成している。
【００４２】
第４の実施形態例の構造においても、第１の実施形態例と同様の効果が得られ、これに加えて、電流注入が可能であることから、光スイッチ、光増幅器、光変調器等に本発明を適用することができる。また、導波路中央部に量子井戸構造を形成することにより、電界吸収型の光スイッチ、光増幅器、光変調器等にも本発明を適用することができる。
【００４３】
図６（ａ）及び（ｂ）、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して本発明の第５の実施形態例であるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置を、その製造法に基づいて説明する。図６（ａ）に示すように、ｎ−ＧaＡs基板５１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５２を約２．０μｍ、ＩnＧaＡs／ＧaＡs積層構造から成る量子井戸活性層５３、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５４を約２．０μｍ、ｐ−ＧaＡsコンタクト層５５を約０．５μｍ、順次に積層する。
【００４４】
次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、幅１５００μmの多数の帯状のＳiＯ2膜５６を５００μm間隔で形成し、これをマスクとするエッチングにより、ｐ−ＧaＡsコンタクト層５５、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５４、ＩnＧaＡs／ＧaＡs量子井戸活性層５３、及び、ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５２を選択的に除去する。次に、再度ＭＯＣＶＤ法により前記ＳiＯ2膜１６を選択成長用マスクとし、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５７を約０．５μｍ、Ａl組成が膜厚方向の中央部にて最も少なく、膜の表面及び裏面に向かって夫々Ａl組成が徐々に増加する組成のＡl（Ｇa）Ａsコア層５８を約２．０μｍ、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５９を約０．５μｍ、ＧaＡs層６０を約０．５μｍ、順次に積層することで、図６（ｂ）に示す構造を得る。
【００４５】
ここで、膜厚方向にＡl組成を徐々に変化させたＡl（Ｇa）Ａsコア層６８は、膜厚方向の中央部をＡlXＧa1-XＡs（Ｘ≦０．９７）、最も外側の表面及び裏面をＡlＡsにするのが好ましい。例えば、コア層の中央部分でＸ＝０．９７、つまりＡlを９７％とし、最も外側部分でＸ＝１．０、つまり組成をＡlＡsとする。これにより、酸化速度の中央部及び膜表面における比率として１：１０程度が得られる。
【００４６】
上記ＡlＧaＡsコア層５８におけるＡl組成は、ＭＯＣＶＤ法においてマスフローコントローラーによって材料供給量を連続的に変化させることで得られる。ここで、ＭＯＣＶＤ法に代えてＭＢＥ法を採用しても、例えば基板温度を連続的に変化させることで、ＡlＧaＡsの組成を連続的に変化させることができる。しかし、本実施形態例では後に選択成長法を採用することから、ＭＯＣＶＤ法がより適している。ＡlＧaＡsの組成変化は、理想的には連続的に変化させることが好ましいが、これは必ずしも必須ではない。特に、組成変化が困難なＡlＧaＡs以外の材料を用いてこのコア層を製造する場合には、連続的な組成変化は困難であるから段階的な組成変化を採用してもよい。この場合にも同様の効果が得られる。
【００４７】
次に、最初の結晶成長により積層したｐ−ＧaＡsコンタクト層５５からｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５４の途中までを、フォトリソグラフィー及びエッチングにより選択的に除去して、先の帯状ＳiＯ2膜５６と直交方向に延びる、レーザ領域を構成する幅約４μｍのメサ構造のストライプ状リッジ６１を形成する。この構造を図７（ａ）に示した。図７（ａ）は、図６（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面である。次いで、２回目の結晶成長により積層したＧaＡs層６０から、Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層クラッド層５９、Ａl（Ｇa）Ａsコア層５８、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５７の途中までをフォトリソグラフィー法及びエッチングにより選択的に除去して、先に形成したストライプ状リッジ６１の光軸と一致する光軸を有するテーパー状リッジ６２を形成する。これを図７（ｂ）に示した。図７（ｂ）は、図６（ｂ）のＢ−Ｂ’断面である。ストライプ状リッジ６１及びテーパー状リッジ６２の平面図を図７（ｃ）に示した。
【００４８】
テーパー状リッジ６２の幅は、図７（ｃ）に示すように、レーザ領域のストライプ状リッジ２１と接している側（Ｗ２）で約６．０μｍとし、その逆側（Ｗ３）で約３．０μｍ程度としてある。また、テーパ状リッジ６２の全長（Ｌ）は約１００μｍである。レーザ領域６１の幅（Ｗ１）は、先に述べたように４μmである。テーパ状リッジ６２の寸法及び形状等は、適宜最適化するのが好ましく、例えば、テーパー状リッジ６２のレーザ領域側（ビーム入射側）の幅（Ｗ２）は、ストライプ状リッジの幅（Ｗ１）以上とし、その逆側（ビーム出射側）の幅（Ｗ３）は０μm以上でストライプ状リッジ６１の幅（Ｗ１）以下とすることが好ましい。レーザ出射側のテーパー先端部分は平面的に見て丸く形成してもよく、或いは、とがった形状でもよい。ここで、ビーム出射側では、後の酸化により形成される導波路形状が円形状となることが好ましく、かかる円形状の導波路構造を得るためには、リッジ幅、層の厚さ、組成、酸化時間等を勘案して適宜選択する。
【００４９】
次に、ウエーハ全体を水蒸気中に置き、約４００℃の温度で５分間の熱処理を行う。これにより、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、テーパー状リッジ６２のＡl（Ｇa）Ａsコア層５８の周辺部分が酸化され、コア層周辺部のＡl（Ｇa）Ａs酸化領域６３及び中央部のＡl（Ｇa）Ａs非酸化領域６４が形成される。図８（ａ）〜（ｃ）は夫々、図７（ｃ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、及びＣ−Ｃ’断面である。ここで、コア層の酸化速度は、ＡlＡsでは片側約２μｍ／min.であり、Ａl0.97Ｇa0.03Ａsでは、その約１／１０の０．２μｍ／min.である。酸化領域６３では、ＡlＡsがＡlxＯy（Ａl Ｏxide）に変化し、その屈折率が、ＡlＡsの２．９５からＡlＡs Ｏxideの１．６に迄低下する。このため、入射光は、屈折率が高い中央部の非酸化領域６４のみに導波することができ、非酸化領域６４は導波路を構成する。
【００５０】
酸化後のテーパ状リッジ６２における導波路６４の寸法は、ＬＤと接している光入射側では縦方向１．０μｍ×横方向４．０μｍの楕円状であり（図８（ａ））、光出射側で直径約１．０μｍの円形状であり（図８（ｃ））、中央部分ではその中間の形状である（図８（ｂ））。
【００５１】
上記のように、テーパ状リッジ６２では、モードフィールドが光の進行方向に徐々に拡大し、光出射端では円形になっていることから、光ファイバーとの結合効率を向上させることができる。つまり、テーパー状リッジ６２は、スポットサイズ変換領域を構成する。ここで、酸化領域６３は、絶縁膜となるため、スポットサイズ変換器への無駄な電流注入を防ぐことができる。
【００５２】
次に、ポリイミドにより各リッジの側面を保護した後に、基板を裏面から研磨し、約１００μｍ程度の厚みに形成した後に、ｐ側及びｎ側電極を基板の表面側及び裏面側に夫々形成する。最終構造は、図示を省略したが、図５（ｂ）を参照すると理解できる。
【００５３】
上記第５の実施形態例のスポットサイズ変換器付きレーザでは、スポットサイズ変換器がテーパ状リッジ６２のＡl（Ｇa）Ａsの酸化領域により形成されるため、光出射部のビーム形状を略円形とすることができる。従って、従来のＭＦＣ付き半導体レーザと同様に円形狭出射ビーム化が実現でき、また、酸化領域は絶縁領域でもあるため、スポットサイズ変換領域における電流損失を防ぐことができる。また、スポットサイズ変換器の各層はアンドープであるため、レーザ発振光に対して透明であり、光透過率が向上する。
【００５４】
なお、上記第５の実施形態例では、波長９８０ｎｍの半導体レーザについて例示したが、これに限らない。リッジ形成等のエッチングについては、ウエットエッチング及びドライエッチング（ＲＩＥ、ＲＩＢＥ）のいずれも採用できる。
【００５５】
また、上記第５の実施形態例では、Ａl（Ｇa）Ａsコア層から導波路を形成する例を挙げたが、これに限らず、Ａlを含む材料で、酸化等により屈折率を制御できる材料であればよく、例えば、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＩn1-xＰ、ＡlxＧa1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、ＡlxＧa1-xＮ、ＡlxＩn1-xＮ、ＡlxＧayＩn1-(x+y)Ｎ（ｘ＝０〜１、ｙ＝０〜１）等がコア層として用いられる。
【００５６】
以下、本発明の第６の実施形態例である別のスポットサイズ変換器付きレーザ素子について、その製造工程段階を示す図９（ａ）及び（ｂ）、図１０（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法により、ＧaＡs基板７１上に、ＩnＧaＰエッチング停止層７２、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層７３、Ｇa組成が膜厚方向の中央部分で最も多く０．１であり、膜の表面及び裏面部分で最も少ない０であるように、膜厚方向に組成が連続的に変化するＡl（Ｇa）Ａsコア層７４、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層７５、及び、ＧaＡsコンタクト層７６を順次に積層する（図９（ａ））。
【００５７】
次に、ＧaＡsコンタクト層７６、Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層７５、Ａl（Ｇa）Ａsコア層７４、Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層７３、及び、ＩnＧaｐエッチング停止層７２をフォトリソグラフィー及びエッチングにより選択的に除去し、スポットサイズ変換器のためのテーパー状リッジ構造７７を形成する。得られたテーパー状リッジ構造を図１０（ａ）に示す。同図には、２つのスポットサイズ変換器となるテーパーリッジ構造７７が、その先端部分を突合せた状態で作製される旨が示されている。ここで、テーパの幅は、先の実施形態例と同様に適宜調整する。
【００５８】
次に、上記ウエーハ全体を水蒸気中に置き、約４００℃の温度で１分間の熱処理を行い、テーパー状リッジ構造７７内のＡl（Ｇa）Ａsコア層７４を部分的に酸化して、所定の導波路形状を有するスポットサイズ変換器を得る。
【００５９】
別に、図９（ｂ）に示すように、ｎ−ＩnＰ基板８１を用意し、該基板８１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩnＰクラッド層８２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層８３、ｐ−ＩnＰクラッド層８４、ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層８５を順次に積層する。次いで、フォトリソグラフィー及びエッチングにより、ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層８５、ｐ−Ｉnｐクラッド層８４、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層８３、及び、ｎ−ＩnＰクラッド層８２を選択的に除去することで、幅３μｍのストライプ状リッジ構造の複数の半導体レーザ８６と、その間の半導体積層が除去された凹部８７とを得る。これを図１０（ｂ）に示した。同図には、２つの半導体レーザ８６が凹部８７を隔てて配置される旨が示されている。
【００６０】
次に、図１０（ａ）のテーパー状リッジ構造７７を同図（ｂ）の半導体レーザ８６の間の凹部８７に埋め込む。つまり、スポットサイズ変換器のためのテーパー状リッジ構造７７が形成されたＧaＡs基板７１と、ストライプ状の半導体レーザ８６が形成されたＩnＰ基板８１とを、テーパー状リッジ構造７７の導波路と半導体レーザの光軸とが合うように、且つ、ＩnＰ基板８１上に、スポットサイズ変換器７７のＧaＡsコンタクト層７６が接するように上下を逆にして、ダイレクトボンディング（直接接着）技術により接着する。直接接着法によるボンディングでは、まず、半導体レーザ部８６とテーパー状リッジ構造７７とをマーカーにより位置合わせし、接着させるＩnＰ基板８１の表面及びＧaＡs基板７１の表面の双方をフッ酸により処理する。双方を張り合わせた後に、熱処理を施すことで両基板を一体化させる。なお、上記熱処理は、水素雰囲気中にて行うため、既に酸化させた層の再酸化等のおそれはない。
【００６１】
その後、ＧaＡs基板７１を除去し、ＩnＰ基板８１を裏面から研磨して、その厚みが約１００μｍ程度となるように仕上げた後に、前記凹部８７の中心で２つに切断する。これによってスポットサイズ変換器付き半導体レーザが２つ得られる。この内の１つを図１０（ｃ）に示した。次いで、ｐ側及びｎ側電極を基板の表面側及び裏面側に夫々形成する。これにより、第６の実施形態例のスポットサイズ変換器付き半導体レーザが最終的に得られる。
【００６２】
本実施形態例によれば、Ａlを含む材料が結晶成長で作製できない場合、例えば、基板材料と格子定数が違う場合にも、テーパ状リッジ型スポットサイズ変換器の形成が可能である。
【００６３】
また、上記方法によれば、レーザ光の発振波長に対して十分に透明な材料からなるスポットサイズ変換器を形成することが出来る。
【００６４】
上記第６の実施形態例の変形例を示す。上記実施形態例では、ＧaＡs基板７１上にテーパ状リッジ７７を成形し、Ａlを含む材料の酸化を行い、スポットサイズ変換器を作製した後に、ＩnＰ基板８１に接着を行った。本変形例では、ＩnＰ基板上にレーザ構造を積層し、所定の積層部分を除去した後に、ＧaＡs基板上のエピタキシャル層を直接接着により接着させ、次いで、ＧaＡs基板を除去し、その後にテーパ状リッジ構造のスポットサイズ変換器を作製する。その他の作製方法や効果については、上記第６の実施形態例と同様である。
【００６５】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の光導波路構造、光デバイス及びそれらの製造方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００６６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光導波路構造及び本発明方法で製造された光導波路構造によると、光に対して十分に透明な光導波路構造が簡素な工程で製造できること、光導波路の幅制御が容易なため光ファイバとの結合効率が向上すること等の効果がある。
【００６７】
また、本発明の光デバイス及び本発明方法で製造される光デバイスでは、半導体光素子からのリーク電流が低減でき、且つ、光ファイバとの結合効率が高いので、高効率の光デバイスの実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第一の実施形態例の光導波路構造の工程段階毎の断面図。
【図２】（ａ）は図１の光導波路構造におけるコア層のＡl組成のプロファイル、（ｂ）はコア層の酸化後の屈折率プロファイル。
【図３】本発明の第二の実施形態例の光導波路構造の斜視図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は夫々、本発明の第三の実施形態例の半導体光導波路の工程段階毎の断面図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第４の実施形態例である半導体光変調器の光導波路の工程段階毎の断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第５の実施形態例であるスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の工程段階毎の断面図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図６のスポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置の光導波路部分及び半導体レーザ部分の断面図、（ｃ）は該レーザ装置のリッジ部の平面図。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は夫々、図６のコア層酸化後の酸化領域及び非酸化領域を示す、図７（ｃ）のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、及び、Ｃ−Ｃ’断面図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の第６の実施形態例のスポットサイズ変換器付き半導体レーザの各部分の一製造工程段階の断面図。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図９（ａ）及び（ｂ）の各部分の製造工程段階の斜視図、図（ｃ）は完成後の断面図。
【図１１】従来のＭＦＣ付き半導体レーザの断面図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１１のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面図。
【図１３】図１１の半導体レーザの一製造工程段階の平面図。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１３の製造工程段階における図１１のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’断面図。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１４に後続する工程段階での図１４（ａ）及び（ｂ）と同じ位置での断面図。
【符号の説明】
１１ ＧaＡs基板
１２ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
１３ Ａl（Ｇa）Ａsコア層
１４ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
１５ ＧaＡsキャップ層
１６ Ａl（Ｇa）Ａs酸化領域
１７ Ａl（Ｇa）Ａs非酸化領域
１８ ポリイミド層
２０ 反射防止膜
２１ ＧaＡsコンタクト層
２２ ＡlＡsエッチング停止層
２３ ＩnＰ基板
３１ ｎ−ＧaＡs基板
３２ ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層
３３ Ａl（Ｇa）Ａs層
３４ ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs層
３５ ｐ−ＧaＡsキャップ層３
３６ Ａl（Ｇa）Ａs酸化領域
３７ Ａl（Ｇa）Ａs非酸化領域
３８ ポリイミド層
３９ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
５１ ｎ−ＧaＡs基板
５２ ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
５３ 量子井戸活性層
５４ ｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
５５ ｐ−ＧaＡsコンタクト層
５６ 帯状ＳiＯ2膜
５７ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
５８ Ａl（Ｇa）Ａsコア層
５９ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
６０ ＧaＡs層
６１ ストライプ状リッジ
６２ テーパー状リッジ
６３ Ａl（Ｇa）Ａs酸化領域
６４ Ａl（Ｇa）Ａs非酸化領域
７１ ＧaＡs基板
７２ ＩnＧaＰエッチング停止層
７３ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
７４ Ａl（Ｇa）Ａsコア層
７５ Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層
７６ ＧaＡsコンタクト層
７７ スポットサイズ変換器
８１ ｎ−ＩnＰ基板
８２ ｎ−ＩnＰクラッド層
８３ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
８４ ｐ−ＩnＰクラッド層
８５ ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層
８６ 半導体レーザ
Claims (15)
- 半導体基板上に、少なくともＡlを含む材料からなり、Ａl組成が、膜厚方向の中央部分で少く、該中央部分から膜表面及び裏面に向かって徐々に増加する組成を有する半導体層を形成し、該半導体層を、Ａｌ組成比の違いによる酸化速度の違いを利用して部分的に酸化させて酸化領域及び断面が略円形状の非酸化領域を形成し、該非酸化領域を光導波路とすることを特徴とする、光導波路構造の製造方法。
- 前記半導体層を部分的に酸化する前に、該半導体層を光の進行方向に延びるリッジ構造に加工する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体光導波路構造の製造方法。
- 前記リッジ構造に加工する工程は、光の進行方向に半導体層の幅が狭まるテーパー状に加工する工程であることを特徴とする請求項２に記載の半導体光導波路構造の製造方法。
- 前記半導体層を部分的に酸化する工程に後続して、別の半導体基板上に形成した半導体光素子を、該半導体光素子の光路を前記光導波路に結合させて、前記光導波路構造に直接接着する工程を更に含むことを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一に記載の半導体光導波路構造の製造方法。
- 前記半導体基板上に、半導体レーザをＭＯＣＶＤ法により成長する工程を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の半導体光導波路構造の製造方法。
- 前記半導体層を形成する工程がＭＢＥ法により行われることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１に記載の半導体光導波路構造の製造方法。
- 半導体基板上に、少なくともＡ l を含む材料からなる層を有する半導体光導波路構造であって、
前記少なくともＡｌを含む材料からなる層は、Ａ l 組成が膜厚方向の中央部分で少く、該中央部分から膜表面及び裏面に向かって徐々に増加する組成を有する半導体層が部分的に酸化されることによって断面が略円形状の非酸化領域が形成されており、該非酸化領域が光導波路となっていることを特徴とする半導体光導波路構造。 - 前記少なくともＡｌを含む材料を含む層は、光の進行方向に伸びるリッジ構造を形成していることを特徴とする請求項７に記載の半導体光導波路構造。
- 前記半導体層の組成がＡlxＧa1-xＡs（ｘ≦１）であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体光導波路構造。
- 前記中央部分の半導体層の組成がＡlxＧa1-xＡs（０．５≦ｘ≦０．９７）で、膜表面及び裏面の半導体層の組成がＡlＡsであることを特徴とする請求項７乃至９の何れか一に記載の半導体光導波路構造。
- 前記半導体層が、ＡlxＧa1-xＡs、ＡlxＩn1-xＡs、ＡlxＧa1-xＰ、ＡlxＩn1-xＰ、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＰ、及び、（ＡlxＧa1-x）yＩn1-yＡs（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の少なくとも１種類から構成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体光導波路構造。
- 前記半導体層が光導波路の光軸方向に傾斜を有するテーパーに形成され、該テーパーの細幅先端部における前記光導波路の断面が実質的に円形であることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体光導波路構造。
- 前記光導波路の幅が、前記テーパーの細幅先端部で０．５μm以下であり、前記テーパーの太幅基端部で２．０μm以下であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体光導波路構造。
- 請求項７乃至１３の何れか一に記載の半導体光導波路構造と、該半導体光導波路構造の光導波路に光学的に結合された活性層を有する半導体光素子とを備えることを特徴とする半導体光デバイス。
- 前記半導体光素子が半導体レーザであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体光デバイス。
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