JP4541469B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
光半導体装置及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4541469B2 JP4541469B2 JP28702499A JP28702499A JP4541469B2 JP 4541469 B2 JP4541469 B2 JP 4541469B2 JP 28702499 A JP28702499 A JP 28702499A JP 28702499 A JP28702499 A JP 28702499A JP 4541469 B2 JP4541469 B2 JP 4541469B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- inp
- region
- spot size
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、光スポットサイズ変換器を備えた光半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信の適用範囲が広がっていくとともに、半導体レーザモジュールの小型化、低コスト化、低消費電力化の観点から、半導体レーザを温度制御せずに広い環境温度範囲で動作させることが必要になってきており、諸特性の温度依存性の低減が必要となってきている。また、小型化、低コスト化の点では温度制御を無くすとともに、半導体レーザとファイバとの間の結合系を簡略化することも求められており、スポットサイズ変換器を集積した放射角の狭い光半導体素子の開発が活発になっている。
【０００３】
スポットサイズ変換器と半導体レーザを集積する理由は、半導体レーザではスポットサイズが１μｍ程度と小さいが、半導体レーザに結合される光ファイバのスポットサイズは４〜５μｍと大きいので、スポットサイズ変換器によって光出力端のスポットサイズを拡大することにより、光ファイバのスポットサイズとの差を小さくして結合効率を改善するためである。
【０００４】
スポットサイズ変換器を集積した半導体レーザは、活性層の延長上でテーパ形状の導波路コアを半導体クラッド層に埋め込んだ構造が主となっている。ここでは、特開平7-283490号公報に記載の半導体レーザを例にとり説明する。以下、この半導体レーザをテーパ導波路レーザと呼ぶ。
テーパ導波路レーザは、原理的に図１に示すような構造を有しており、光のコアとなる量子井戸層１０１の膜厚がほぼ一定の第１の領域とその量子井戸層１０１の膜厚がテーパ状に変化する第２の領域とに機能的に区分される。
【０００５】
それらのうちの第１の領域は、電流が注入されて光利得を持つレーザ部Ｉであり、第２の領域は、スポットサイズ変換部IIとなる。
そのレーザ部Ｉでは、導波方向に垂直な面内の光分布は比較的小さく、コアを中心に集中している。また、スポットサイズ変換部IIでは、ダブルへテロ構造のコアの膜厚が出射方向に向かって小さくなっている。このような構造によって、光分布はレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIの出射端に向かって連続的に拡大される。
【０００６】
図１に示したテーパ導波路レーザにおいて、量子井戸層１０１は、例えば、n-InP よりなるｎ型クラッド層１０２とp-InP よりなるｐ型クラッド層１０３により上下から挟まれている。また、ｎ型クラッド層１０２の下にはｎ側電極１０４が形成され、また、レーザ部Ｉ近傍のｐ型クラッド層１０３の上にはｐ側電極１０５が形成されている
そのようなテーパ導波路レーザ１００においては、良好な電流−光出力特性を得るために、効率良くレーザ部Ｉの量子井戸層（活性層ともいう）１０１に電流を流す必要がある。これと同時に、テーパ導波路レーザ１００と光ファイバ１１０の間の光結合損失を低く抑えるために、レーザ光の出射端において、出射方向に垂直な面の光強度分布の形状を真円に近い形にし、また、その光強度分布の中心位置を光導波路構造の中心位置、即ち、量子井戸層１０１のある位置に合わせる必要がある。
【０００７】
次に、従来のテーパー導波路レーザの構造について図３(b) に基づいて詳細に説明する。
図３(b) において、ｎ型クラッド層となるn-InP 基板１１２とｐ型クラッド層となる第１のp-InP 層１１３ａの間に挟まれる量子井戸層（活性層）１１１の両側には、ｐｎ逆接合などの電流阻止機能を有するいわゆる埋込構造１１６が形成されている。その埋込構造１１６は、レーザ部Ｉの活性層１１１にだけ効率良く電流を注入するために設けられている。
【０００８】
テーパ導波路レーザのスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉのそれぞれの半導体層の断面構造は、図４(a),(b) に示すように、それぞれ活性層１１１の膜厚が異なるだけで、埋込構造１１６を含むそれ以外の構造に関しては、ほぼ同じ構造を持っている。例えば、埋込層１１６の上部を構成するn-InP 層（ｎ型ブロック層）１１６ｂと活性層１１１の中心との最短距離Ａをとってみても、スポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉではほぼ同じ長さとなっている。
【０００９】
埋込構造１１６のp-InP 層１１６ａの膜厚を図５(a),(b) に示すように厚くしても、その活性層１１１の中心とn-InP 層１１６ｂの最短距離Ａはスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉではほぼ同じ長さとなっている。
図１に示したような半導体埋込光導波路を有するテーパ導波路レーザは次のような工程に沿って作製される。
【００１０】
まず、図２(a) に示すように、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する量子井戸層１１１とp-InP 層１１３ａからなるダブルへテロ構造層が堆積されたn-InP 基板（半導体ウェハ）１１２を用意する。その量子井戸層１１１は、特開平7-283490号公報に記載された方法にしたがって、レーザ部Ｉで膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIで膜厚がテーパ状に徐々に薄くなるように形成される。
【００１１】
そして、図２(b) に示すように、ストライプパターンを有するSiO2よりなる誘電体マスク１１７を通常のフォトリソグラフィー法を用いてp-InP 層１１３ａの上面に形成する。
続いて、誘電体マスク１１７に覆われない領域のダブルヘテロ構造とn-InP 基板１１２をエッチングして図２(c) に示すようなメサ構造１１８を形成する。
【００１２】
次に、図３(a) に示すように、メサ構造１１８の上面に誘電体マスク１１７を残したままで、n-InP 基板１１２の上に結晶成長を施してメサ構造１１８上面以外の部分にp-InP 層１１６ａ、n-InP 層１１６ｂを順に埋め込む。このとき、特開平7-283490号公報に記載の技術においては、ｐｎ逆接合で構成される埋込構造１１８が素子全体に渡って一様に成長されるようになっている。
【００１３】
その後、図３(b) に示すようにメサ構造１１８上の誘電体膜１１７を除去し、ついで、n-InP 基板１１２の全体に再度結晶成長を施してp-InP 層１１３ｂを形成してメサ構造１１８の上を平坦化する。量子井戸層１１１の上のp-InP 層１１３ａ、１１３ｂはｐ型クラッド層となる。
ところで、活性層上部のｐ型クラッド層の膜厚をスポットサイズ変換部IIにおいてレーザ部Ｉより厚くしてスポットサイズ変換部IIの屈折率を高くした構造が、特開平7-74396 号公報の図２に示されている。この場合、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間の活性層を除く領域に関しては、特開平7-283490号公報に記載された素子と同様にスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉの間で同じ構造を持つために、ｎ型電流ブロック層とコア層の中心の間の最短距離も両部の間で等しくなっている。このような領域には、電流狭窄機能を持つｐｎ逆接合などの、活性層やｐ型及びｎ型クラッド層とは元素組成、ドーピング濃度、屈折率が異なる層が含まれている。
【００１４】
尚、集積されるスポットサイズ変換器には特開平7-283490号公報に記載されている膜厚が変化する構造の他に幅がテーパ状に変化する構造もある。特開平7-74396 号公報では、幅テーパ導波路を集積した半導体レーザの出射端の光強度分布を最適値まで拡大するための出射端のコア層の設計精度が厳しいという問題を解決するための技術を示している。
【００１５】
次に、半導体レーザの温度特性について説明する。
光通信用の長波長帯の半導体レーザの温度特性については、光記録用に用いられているGaAs基板上に作製された短波長帯レーザに比べて著しく劣ることが古くから指摘されており、その原因については未だ明らかではない。しかし、埋込構造が大半を占める光通信用の半導体レーザにおいては埋込層でのリーク電流の存在がその温度依存性を更に悪化させていることがよく知られている。
【００１６】
リーク電流を抑制するには図４(b) に示されたような、電流ブロック層の位置を最適化することがあげられるが、更なる対策の１つとして、図６に示すようなＤＣＰＢＨ(Double Channel Planer Buried Heterostructure)レーザに代表される、ｐｎｐｎ電流ブロック構造のクラッド層（基板の場合もある）のｎ型層と埋込層のｐ型層がなすｐｎ接合との間の少なくとも一部にバンドギャップの狭い半導体層（再結合層）を設けた構造があり、サイリスタ構造の耐圧を上昇させることで漏れ電流を小さくできることが知られている。
【００１７】
図６は、ＤＣＰＢＨ構造の半導体レーザの断面を示しており、n-InP 基板１２１と第１のp-InP 層１２３の間に挟まれた量子井戸活性層１２２を有するストライプ状のメサ構造を有している。また、メサ構造の両側にはp-InP 埋込層１２４とn-InP 埋込層１２５が形成され、その埋込構造とメサ構造の上には第２のn-InP 層１２７が形成されている。これにより、メサ構造の両側にはn-InP 基板１２１を含めてｐｎｐｎ接合が構成されている。また、メサ構造の両側から少し離れた領域では、p-InP 埋込層１２４とn-InP 基板１２１に挟まれた再結合層１２８が形成されている。その再結合層１２８は、量子井戸活性層１２２をストライプ状にエッチングする際、又はメサ形状活性層１２２を選択成長で形成する際に、ストライプから離れた部分では活性層１２２を残したままにしておき、これを再結合層１２８として利用したものである。選択成長を利用した構造では、スポットサイズ変換器を集積した半導体レーザも、Y Furushima et al., IPRM'98 ThP-57において報告されている。
【００１８】
一方、図７は、半導体レーザの埋込構造１１６を形成する際に再結合層１１９を設けた構造である。即ち、再結合層１１９を活性層１１１を含むメサ側面には成長させずにメサ両脇の基板１１２面上だけに成長させるという技術が必要となるが、図６に示す素子に比べると活性層とは独立に再結合層を設計できるという利点がある。
【００１９】
図６、図７のどちらの構造においても温度特性の改善が実現されており、InGaAsP系の半導体レーザにおいて閾値電流の特性温度として７０Ｋを越える高い値が示されている。
なお、図６、図７においては、第２のp-InP層１２７，１１３ｂの上にはそれぞれp-InGaAsコンタクト層１２０，１２８が形成されている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４(a),(b) に示したテーパ導波路レーザにおいては、活性層の中心とｎブロック層との距離Ａの最適値がスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉにおいては異なる。
例えば、図４(a),(b) は、距離Ａの値がレーザ部Ｉにおいて最適化されて比較的小さい値を持つ構造である、これにより、効率良く電流Ｂを活性層１１１に流すことができる。これは、図４(b) に示すように、レーザ部Ｉにおいて活性層１１１の両脇のp-InP 層１１６ａが狭くなり、この部分をリークする電流量（図中Ｂ）が小さくなるためである。
【００２１】
しかし、この埋込構造を採った場合、図４(a) に示すスポットサイズ変換部IIにおいては、光強度分布の中心が活性層１１１の中心からｐ型クラッド層１１３ａ，１１３ｂへとシフトするという問題、或いは活性層１１１の周辺の屈折率不均一の影響を強く受け、光分布の形状は真円より歪んだ形状となるという問題が生じる。これは、距離Ａが短くなることにより、ｎ型ブロック層１１６ｂが活性層１１１に近づき、拡大された光強度分布がｎ型ブロック層１１６ｂの影響を強く受けるためである。ｎ型ブロック層１１６ｂは、ｐ型クラッド層１１３ｂに比べて小さい屈折率を持つため、拡大された光強度分布はｎ型ブロック層１１６ｂを避けてｐ型クラッド層１１３ｂ内に分布するように、中心の位置と分布形状を変化させる。
【００２２】
これに対して、図５(a),(b) は、埋込構造１１６のp-InP 層１１６ａを厚く形成して距離Ａの値を図４(a),(b) のそれよりも大きくした構造を採用している。これにより、スポットサイズ変換部IIにおいて、光強度分布の中心は活性層１１１の中心に重なるし、その分布形状が真円に近くなる。これは、屈折率の低いｎ型ブロック層１１６ｂが活性層１１１より遠ざかり、活性層１１１の周囲が屈折率の高いｐ型半導体で、より均一に満たされるからである。これにより、光強度分布は、活性層１１１周辺に均一に分布しやすくなる。
【００２３】
しかし、活性層１１１の両脇のp-InP 層１１６ａが広がると、レーザ部Ｉにおいて電流Ｂのリーク量が増えるために、活性層１１１に効率よく電流を注入することができなくなり、素子特性の劣化を招く。
以上のように、図４、図５に述べた構造の半導体レーザを採用する場合には、スポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉの埋込構造１１６は同一となり、それぞれの部分において埋込構造１１６を最適化することができない。即ち、素子全体に渡って図４の構造を採るか、図５の構造を採るかどちらかに限られていた。
【００２４】
これに対して、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL 15, No 8, pp 1602-1607 (August 1997) "High-Coupling Efficiency of a 1.3- μｍ Spot-Size Converter Integrated Laser Diode with pn-Buried Heterostructure for High-Temperature Operation"においては、ｎ型ブロック層の活性層に対する位置を微調整してこれを最適化する数値計算及び実験が行われている。しかし、この場合にも先に述べたようなトレードオフの関係は避けられていない。
【００２５】
また、先に引用した特開平 7-74396号公報に記載された素子の上部クラッド層の膜厚を変化させるような構造でも、距離Ａは、スポットサイズ変換部とレーザ部の間で等しくなることは避けられない。
ところで、温度特性を改善する構造を採用した図６に示す半導体レーザの活性層１２２と同時に再結合層１２８を形成した構造は、選択成長を利用したものであり、そのままスポットサイズ変換器を集積した報告例がY. Furushima et al., IPRM'98 ThP-57 に記載がある。
【００２６】
しかし、そのような構造では、活性層と独立して再結合層を設計できないという不都合がある。
これに対して、図７の埋込再成長時に再結合層１１９を成長した構造は設計の自由度の高いものの、これを図４，図５に示すようなスポットサイズ変換器を集積した半導体レーザに適用しようとすると、スポットサイズの小さい部分では通常の半導体レーザと同様に光は再結合層１１９の影響を殆ど受けないが、出射端面に近いスポットサイズが大きい領域ではこの再結合層１１９での屈折率差が光のフィールドに影響してしまうという問題があった。
【００２７】
埋込層１１６の漏れ電流を抑えるためには、再結合層１１９のバンドギャップは活性層１１１のバンドギャップと近くなるように設定することが望ましい。例えば、１．３μｍ帯の半導体レーザにおいて再結合層１１９のバンドギャップ波長を１．２μｍ等に設定する。
しかし、活性層１１１とその周りの埋込層１１６との屈折率差は、活性層１１１とクラッド層１１６の差と同等になるために、光のフィールドが再結合層１１９側に引っ張られてしまうことで変形し、光ファイバとの結合効率が低下してしまう。また、再結合層１１９のバンドギャップ波長と発振波長が近いために再結合層１１９での吸収も無視できなくなり、スポットサイズ変換器の損失が増大し、閾値電流の上昇、効率の低下を招いてしまうという問題があった。
【００２８】
なお、図６に示した活性層１２２と同時に再結合層１２８を形成した構造で、上記したような問題が生じていないのは、再成長で形成する場合よりも再結合層１１８の位置が離れているためにスポットサイズの大きな出射端面でも光のフィールドが殆ど影響されないからである。しかし、上記したように設計の自由度が低くなるといった不都合がある。
【００２９】
本発明の目的は、スポットサイズ変換部の出射端での光スポットを活性層の中心に重ねるとともに、活性層とは異なる再結合層を有する場合に光スポットが再結合層に影響されない構造を有する光半導体素子を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、図１２〜図１３に例示するように、活性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上に形成する工程と、前記多層構造の上に、光閉じ込めを大きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域とにまたがるストライプ状の第１マスクパターンと、前記マスクパターンの両側方に離間して、前記第２領域の出射端面側で短くなるように前記第１領域及び第２領域に第２マスクパターンと第３マスクパターンを形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンに覆われない部分の前記多層構造をエッチングして、前記第１〜第３マスクパターンに対応する第１〜第３メサ部を形成する工程と、エッチングされた前記第１〜第３メサ部の周囲に、前記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭く、前記第２領域のうち前記第１領域に隣接しない側の端部で膜厚が薄くなる再結合層を含む多層構造の埋め込み層を形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンを除去した後に、前記メサ部と前記埋め込み層の上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法によって解決する。
【００３４】
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、コア層（活性層）の両側に形成される再結合層のうち、スポットサイズ変換領域の端部での膜厚は利得領域での膜厚に比べて薄く形成されている。
したがって、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層による吸収が少なくなり、スポットサイズ変換器の損失が小さく、閾値電流の上昇や効率の低下が抑制される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図８，図９は本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。
【００４０】
まず、図８(a) に示すように、ｎ型（n-）InP 基板１の（１００）面上にn-InP バッファ層２を形成した後に、そのバッファ層２の上にSiO2よりなる第１の誘電体膜１５を形成し、ついで、第１の誘電体膜１５をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレーザ部Ｉにストライプ状の第１の開口１５ａを形成するとともにスポットサイズ変換部IIではそれよりも広い第２の開口１５ｂを形成する。
【００４１】
その後に、誘電体膜１５の第１及び第２の開口１５ａ，１５ｂから露出しているバッファ層２の上にアンドープの量子井戸活性層３、膜厚０．５μｍの第１のp-InP 層４を減圧有機金属気相成長（減圧ＭＯＶＰＥ）法により形成すると、それらの層３，４は、第１の開口１５ａ内では厚くなるとともに、第２の開口１５ｂ内ではレーザ部Ｉから遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状となる。
【００４２】
次に、第１の誘電体膜１５を除去した後に、SiO2よりなる第２の誘電体膜１６を全体に形成し、この第２の誘電体膜１６をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIに延びる幅１．５μｍ程度のストライプ状のパターンを第１のp-InP 層４の上に形成する。
そして、図８(b) に示すように、ストライプ状の第２の誘電体膜１６をマスクに使用して、第１のp-InP 層４からn-InP 基板１の上部までをエッチングにより除去して高さ２μｍ程度のメサ部５を形成する。そのエッチングは、ウェットエッチングを用いても良いが、次の結晶成長段階での再結合層成長の制御の点からはドライエッチングによりほぼ垂直に近い側面を備えたメサ部５を形成することが望ましい。ドライエッチングとして、例えばエタン、水素、酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いる。ドライエッチングを用いる場合には、ドライエッチング後にメサ部５側面のダメージ層を硫酸系の溶液で除去する。
【００４３】
続いて、CH3Cl 又はHCl 等の塩素含有ガスを流している結晶成長雰囲気で、減圧ＭＯＶＰＥ法によりアンドープInP 層（不図示）を０．１μｍ、バンドギャップ波長１．２μｍのInGaAsP よりなる再結合層６を０．１μｍ形成する。再結合層６の成長時にはメサ部５の側面の成長速度がなくなる量の塩素含有ガスを結晶成長雰囲気中に導入し、再結合層６はメサ部５の側面には成長せずに、メサ部５の両脇のn-InP 基板１の（１００）面上にのみ成長する。一方、アンドープInP 層の成長時には塩素含有ガスを流さないか、もしくは、異常成長を抑える程度に塩素含有ガスを成長雰囲気内に微量導入することにより活性層３の側面を覆うことが、次に再結合層の一部を選択エッチングに除去するためには望ましい。
【００４４】
その再結合層６を構成するInGaAsP のバンドギャップは、基板や後述する埋込層を構成するInP のバンドギャップよりも狭くなっている。その再結合層６は、単層又は多層の量子井戸構造を有していてもよい。
ここで、結晶成長を一旦停止してn-InP 基板１を結晶成長雰囲気から取り出してレーザ部Ｉの領域、又は、レーザ部Ｉからスポットサイズ変換部Ｉの一部にかけた領域をレジスト（不図示）で覆った状態で、InP に対して選択性のあるエッチング液、例えば、硫酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いて、図８(c) に示すように、再結合層６を選択的にパターニングしてスポットサイズ変換部IIの領域全部又はその先端近傍を除去するとともに、レーザ部Ｉにはそのまま残す。再結合層６は、例えばスポットサイズ変換部IIの前端から後方へ１５０μｍに至る領域まで除去するようにする。
【００４５】
次に、レジストを除去し、さらにストライプ状の第２の誘電体膜１６を残した状態で、図９(a) に示すように、減圧ＭＯＶＰＥ法によって膜厚０．９μｍの第２のp-InP 層７と膜厚０．７μｍのn-InP 層８と膜厚０．１μｍの第３のp-InP 層９を埋込層としてメサ部の両側方に形成する。その第２のp-InP 層７は、再結合層６とその前方のn-InP 基板１の上に形成されるとともに、ストライプ状にパターニングされたメサ部５の側面にも形成される。また、n-InP 層８は、いわゆる電流ブロック層と呼ばれるものであり、第２のp-InP 層７の上に形成されるとともに、メサ部５の近傍で盛り上がって膜厚が厚く形成される。
【００４６】
これにより、スポットサイズ変換部IIに形成された埋込層は、その前端から後方１５０μｍの範囲では、通常の構造となっている。
その後に、第２の誘電体膜１６を除去した後に、図９(b) に示すように、減圧ＭＯＶＰＥ法により、第１のp-InP 層４と第３のp-InP 層９の上に膜厚４μｍの第３のp-InP 層１０を形成し、続いて膜厚０．５μｍのp-InGaAsよりなるコンタクト層１１を形成する。
【００４７】
なお、第２のp-InP 層７からコンタクト層９の各結晶層の膜厚は、メサ部５の近傍とメサ部５から離れた場所では膜厚が異なっているが、上記したそれらの膜厚はメサ部分から離れた平坦面上の値とする。
次に、コンタクト層１１の上のレーザ部Ｉ近傍にTi/Pt/Auを材料とするｐ側電極１２を形成し、ついでAuGe/Au を材料とするｎ側電極１３を形成すると、図１０に示すような膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザが形成される。
【００４８】
以上のような工程により形成された膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザでは、活性層３に量子井戸構造を用いてスポットサイズ変化部で膜厚がテーパ状に変化し、出射端面近傍では量子井戸構造の吸収端波長が短波長へシフトするために、スポットサイズ変換部IIの導波路を構成する活性層３がレーザ光に対して透明となるので、その前端部には電流を注入する必要がなくなる。このため、ｐ側電極１２は後端面から３５０μｍの領域に形成する。
【００４９】
活性層３の構造は、本発明の効果に影響を与えないが、例えばレーザ部Ｉの平坦領域において、圧縮歪み０．７％で膜厚６ｎｍのInGaAsP 層よりなる井戸層と、圧縮率０．１％でバンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP 層からなる障壁層との７層の歪量子井戸構造３ａを備え、その上と下に圧縮歪０．１％でバンドギャップ波長が１．１μｍで厚さ７０ｎｍのInGaAsP よりなるＳＣＨ層３ｂを備えた構造を有していて、波長１．３μｍで動作する構造となっている。
【００５０】
以上のようにスポットサイズの小さなレーザ部Ｉのメサ部の側方に再結合層６を形成するとともに、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIの前端近傍領域では再結合層６が存在せずに屈折率差による光のフィールドの歪みや損失の影響が生じない。
また、電流注入によりレーザ発振のための利得を与えるスポットサイズが小さいレーザ部Ｉの活性層３の平坦な領域では、両脇にInGaAsP 再結合層６があり、温度特性改善の効果が得られる。また、電流注入領域も後端面から３５０μｍの領域に存在するために再結合層６が部分的に形成されていても十分な効果を得ることができる。
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態ではｎ型InP 基板を使用したが、ｐ型（p-）InP 基板を使用して膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザを形成することもでき、その実施形態を以下に説明する。
【００５１】
図１１(a) は、膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザのレーザ部の断面図、図１１(b) はスポットサイズ変換部の断面図である。
図１１(a),(b) において、p-InP 基板２１の上には、第１実施形態と同じ量子井戸構造の活性層２３と第１のn-InP 層２４が形成されている。その活性層２３と第１のn-InP 層２４は、第１実施形態で示した第１の誘電体膜をp-InP 基板２１上に形成した状態で減圧ＭＯＶＰＥ法により結晶成長されている。従って、活性層２３は、レーザ部Ｉでは図１１(a) に示すように膜厚が厚くて平坦になっているが、スポットサイズ変換部では図１１(b) に示すように前端に向けて徐々に膜厚が薄くなっている。
【００５２】
また、第１のn-InP 層２４からp-InP 基板２１の上部までは、第１実施形態と同様に、ストライプ状の第２の誘電体膜をマスクに使用してストライプ状にパターニングされてメサ部２５が形成されている。また、そのメサ部２５の側壁とp-InP 基板２１の上面には第１のp-InP 層２２が形成されている。
さらに、ストライプ状の第２の誘電体膜を残した状態で、メサ部２５の両側の第１のp-InP 層２２上には第２のn-InP 層２６と第２のp-InP 層２７とInGaAsP 再結合層２８が順に形成されている。その後に、第２のp-InP 層２７に対して選択制のあるエッチング溶液、例えば硫酸、過酸化水素水、水の混合液を用いてスポットサイズが大きくなっているスポットサイズ変換部IIの前端面から１５０μｍ後方の領域で再結合層２８を除去する。
【００５３】
次に、メサ部２５の上に残っている第２の誘電体膜を除去した後に、第１のn-InP 層２４と再結合層２８と第２のp-InP 層２７を覆う第３のn-InP 層２９を４．０μｍの厚さに形成し、さらに、n-InGaAsP コンタクト層３０を０．５μｍの厚さに成長することで結晶層構造は完了する。
この後に、レーザ部Ｉ近傍のコンタクト層３０の上にｎ側電極３１を形成し、さらに、p-InP 基板２１の下面にｐ側電極３２を形成する。
【００５４】
この実施形態においても、第１実施形態と同様に、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIの前端面近傍領域は通常の埋込構造であるために、屈折率差による光のフィールドの歪みや損失の影響は生じない。また、スポットサイズの小さなレーザ部Ｉでは両脇にInGaAsP 再結合層２８があり、温度特性改善の効果が得られる。
【００５５】
ところで、上記した第１、第２の実施形態では、選択成長を用いて作製した膜厚テーパ導波路を集積した素子について説明したが、膜厚テーパ導波路の集積を異なる成長で直接接合によって行っても良い。この場合も、テーパ導波路の全体をレーザ光に対して透明な材料を用いることができるので、電流注入はスポットサイズの小さな活性層を有する領域のみとなるために同様な効果が得られる。
【００５６】
また、スポットサイズ変換器を導波路の厚さは一定で幅が端面に向かって狭くなっているいわゆる幅テーパ導波路として、レーザ部の両側に再結合層を選択的に配置しても良い。この場合には、スポットサイズの大きな領域でも吸収端波長が変化しないので、素子全体に電流注入を行ってスポットサイズ変換部での光吸収を防止する必要があるために、レーザ部では再結合層が部分的に存在することになるので温度特性向上等の効果は存在するが、温度特性向上等の効果は第１実施形態に比べて小さくなる。なお、幅テーパ導波路の基本的構造は次の実施形態で説明する。
【００５７】
また、ここまでの実施形態では、両端面を反射鏡としたファブリペロー型の素子を示したが、他の構造のデバイス、例えばスポットサイズの小さな領域に回折格子を設けたＤＦＢレーザや、両端面ともにスポット変換部を集積して低反射コートを施した半導体光増幅器等においても、利得領域の側方に再結合層を設けて、スポットサイズ変換部の出射端近傍で再結合層を除去する構造を採用すれば上記したと同様な効果が得られる。
（第３の実施の形態）
上記した第１及び第２の実施の形態では、レーザ部Ｉ又はレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIの途中まで再結合層を形成するようにしたが、レーザ部Ｉ及びスポットサイズ変換部IIの双方に再結合層を形成する構造について以下に説明する。
【００５８】
図１２、図１３及び図１４は、本発明の第３の実施形態の幅テーパ導波路を集積した半導体レーザを形成する工程を示す斜視図である。
まず、図１２(a) に示すように、ＭＯＶＰＥ法等の結晶成長法を用いてn-InP 基板４１の上に不純物濃度５×１０17／ｃｍ3 で膜厚０．５μｍのn-InP バッファ層４２を形成し、続いて、アンドープの量子井戸活性層４３と不純物濃度５×１０17／ｃｍ3 で膜厚０．５μｍの第１のp-InP クラッド層４４を形成する。
【００５９】
その活性層４３の構造は、本発明の効果に影響を与えないが、例えば、圧縮歪１．０％で膜厚６ｎｍのInGaAsP よりなる井戸層と、格子整合でバンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP よりなる障壁層とからなる７層の歪量子井戸構造であり、その歪み量子井戸構造の上と下には、格子整合でバンドギャップ波長１．０５μｍで厚さ３０ｎｍのInGaAsP よりなるＳＣＨ層４３ａ、４３ｂが形成され、これにより波長１．３μｍで動作するようになっている。
【００６０】
次に、第１のp-InP クラッド層４４の上に膜厚２５０ｎｍのSiO2よりなる誘電体膜を形成し、フォトリソグラフィー法によりその誘電体膜をパターニングして光進行方向に沿って第１のマスクパターン４５ａと、第１のマスクパターン４５ａの両側方に１２μｍ離れて第２、第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃを形成する。
【００６１】
第１のマスクパターン４５ａは略ストライプ形状を有し、素子領域の後端から光進行方向に３００μｍの間の領域では幅が１．５μｍと一定であり、出射端から２００μｍから２５μｍの範囲の領域では前端（出射端）に向けて幅が線形に減少して出射端から２５μｍ離れた部分では幅が０．７μｍとなっている。第２のマスクパターン４５ｂと第３のマスクパターン４５ｃは、それぞれ素子領域の後端から３５０μｍの間の領域であって第１のマスクパターンからそれぞれ１２μｍ離れた領域の全面に形成されている。
【００６２】
そのような第１〜第３のパターンを用いて、図１２(b) に示すように、第１のp-InP クラッド層４４からn-InP 基板４１の上部までをエッチングして、第１〜第３のパターン４５ａ〜４５ｃの下には、それぞれ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃを形成する。
そのエッチング方法は、ウェットエッチングを用いても良いが、次の結晶成長段階で形成される再結合層の成長の制御の点からは、ドライエッチングによりほぼ垂直に近いメサ部を形成することが望ましい。ドライエッチングとしては、例えばエタン、水素及び酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。
【００６３】
そのような第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃを形成した後に、それらのメサ部４６ａ〜４６ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、ＭＯＶＰＥ法を用いて第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃの周囲に、２回目の結晶成長工程に移る。
即ち、図１２(c) に示すように、第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃの周囲のn-InP 基板４１の上に、膜厚０．１μｍのアンドープInP 層（不図示）と、バンドギャップ波長１．２μｍで厚さが０．１μｍのアンドープInGaAsP よりなる再結合層４７と、不純物濃度２×１０18/cm3で膜厚０．９μｍのp-InP 層４８、不純物濃度２×１０18/cm3で膜厚０．７μｍのn-InP 層４９、不純物濃度２×１０18/cm3で膜厚０．１μｍのp-InP 層５０ａを順に成長する。p-InP 層４８とn-InP 層４９は、一般に埋め込み層と呼ばれる。
【００６４】
ところで、図１２，図１３は、素子の構造を模式的に示した図であるために、埋込層４８，４９をほぼ平坦に描いているが、結晶基板上の結晶成長では実際の厚さは均一ではなく、メサ部４６ａ〜４６ｃ近傍では選択成長効果等により変化する。このような結晶成長を行うと、素子領域の後端面近傍はマスクで覆われている領域が広いために、より多くの原材料が第１のメサ部４６ａと４６ｂ、４６ｃに挟まれた狭い結晶成長領域に流れ込んで結晶成長速度が速くなり、結晶成長層の厚さは出射端面に比べて厚くなる。さらに、本実施形態のようにInとGaの２つのIII族元素を含む化合物の場合には、選択成長による原材料の成長部への原料供給量の増大効果がInの方がGaに比べて大きいために、厚さが増大すると同時にバンドギャップ波長が長波長化する。なお、上記した厚さ、濃度、バンドギャップ波長は全て後端面近傍の値である。
【００６５】
また、InGaAsP よりなる再結合層４７の成長中は、結晶成長雰囲気にCH3Cl やHCl 等の塩素を含んだガスを同時に反応雰囲気へ供給することで図示するようにInGaAsP 再結合層４７をメサ部４６ａ〜４６ｃの側面（活性層の両面）上には成長させず、第１のメサ部４６ａの両脇の基板４１面上のみに成長させることを可能にしている。本実施形態では、素子領域の前端面のInGaAsP 再結合層４７の厚さは後端面の近傍の約１／３となっており、バンドギャップ波長も１．１３μｍと短波になっている。
【００６６】
再結合層４７の下のアンドープInP 層（不図示）については、メサ部の側面をまず半導体で覆ってしまう必要があるので、再結合層４７とは逆にCH3Cl 等の塩素系ガスを添加しないか、又は、メサ部の頂部近傍の異常成長を抑制できる程度の微量の添加に留める。
３層目のp-InP 層４８とそれ以降の層については、層厚分布が逆につかない方が望ましい。このため、本実施形態では、再結合層４７までは成長雰囲気の圧力を１００〜１５０Torrに設定して、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIとの成長速度を異ならせて選択成長する一方で、３層目とそれ以降の層では成長圧力を１０〜３０Torr程度まで下げて選択成長の効果が殆ど起こらないようにしている。これにより、本実施形態では３層目以降の層厚の低減は出射端面近傍においても後端面の厚さの約３０％に留まっている。また、塩素系ガスについては、３層目とそれ以降の層の成長の際に、一層目のアンドープInP 層（不図示）の成長と同様に微量導入を行っている。
【００６７】
以上のような埋込層４８，４９、p-InP 層５０ａの成長を終えた後に、第１〜第３のマスクパターン４５ａ〜４５ｃを除去する。その後に、図１３に示すように、ＭＯＶＰＥ法による３回目の結晶成長により、全面に第２のp-InP クラッド層５０ｂを４μｍの厚さに形成し、p-InGaAsP コンタクト層３８を０．５μｍの厚さに成長することにより、結晶層の成長の工程は終了する。
【００６８】
この後に、コンタクト層３８の上にｐ側電極３９を形成し、n-InP 基板４１の下面にｎ側電極４０を形成する。そして、両端面を劈開した後に、必要ならばその端面に反射防止膜等を塗布して素子を完成させる。第２及び第３のメサ部４６ｂ、４６ｃを除いた素子の斜視図を示すと、図１４のようになる。
以上のような本実施形態によれば、再結合層４７は、レーザ部Ｉではほぼ均一の膜厚であり、スポットサイズ変化部では光進行方向の前端に向けて徐々に薄くなっているので、電流注入によりレーザ発振のための利得を与えるスポットサイズが小さなレーザ部Ｉの平坦領域では両脇に厚いInGaAsP 再結合層４７があり、温度特性改善の効果が得られる一方、スポットサイズ変換部IIではスポットサイズの大きな前端面近傍ではInGaAsP 再結合層４７の厚さが薄くかつバンドギャップ波長が短波長化しているために、吸収、屈折率ともに低下しており、InP のみで埋め込んだ従来の構造に比べると影響はゼロではないものの、吸収による動作特性の低下及び高屈折率による光のフィールドの歪みの影響を結晶成長回数を増やすことなく実現できる。
（第４の実施の形態）
第１実施形態において、図１０に示した膜厚テーパ導波路レーザでは、前端近傍から再結合層６を除去した構造を採用しているが、第３実施形態で示したように、前端近傍で再結合層を薄くする構造を採用しても良い。
【００６９】
即ち、図１５に示すように、メサ部５の両側に埋込層７，８を形成する前に、メサ部５の両側に再結合層１７を形成する。その再結合層１７は、レーザ部Ｉでは膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIの前端近傍では膜厚が薄くなっている。なお、再結合層１７以外の構造は第１実施形態と同じであって、図１５において図１０と同じ符号は同じ要素を示している。
【００７０】
再結合層１７の具体的な層構造としては、厚さ４ｎｍでバンドギャップ波長が１．３μｍのInGaAsP よりなる井戸層と、厚さが１０ｎｍでバンドギャップ波長が１．１μｍのInGaAsP よりなる障壁層とを有する１０層の多重量子井戸構造があげられる。そのような量子効果を用いることで層厚の低下が吸収端波長をより短波化するために、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIでの吸収及び屈折率の低減の効果が大きい。
【００７１】
その障壁層の材料としてはInP を用いてもよい。この場合、障壁高さが高くなるために吸収端波長の短波化は大きくなるという利点、及び、埋込層に用いる材料が２種類となり、InP 層については他の埋込層と同一材料なためにメサ部５の側面に成長してもよいことから、成長条件の範囲が緩くなるという利点があるが、障壁層１７がキャリア溜めとならないために、温度特性改善の効果はやや小さくなる。
【００７２】
なお、再結合層１７を形成する場合には、例えば、図８(b)の状態で、図１２(a)に示した第２及び第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃをメサ部５の側方のn-InP基板１上に形成すれば、スポットサイズ変換部IIで再結合層１７を膜厚テーパ形状に形成することができる。
なお、そのような量子井戸構造の再結合層１７と同一構造を、第３実施形態の幅テーパ導波路を集積した半導体レーザの再結合層４７に用いても良い。
（第５の実施の形態）
第２の実施の形態ではp-InP基板２１を使用して膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザ半導体レーザを形成したものであり、その再結合層２８は、レーザ部Ｉのみに形成した構造を有している。しかし、第４実施形態で示したように、その再結合層を前端近傍で薄くする構造を採用してもよい。
【００７３】
即ち、図１６に示すように、メサ部２５の両側に埋込層２６，２７を形成した後に、メサ部２５の両側に再結合層３７を形成する。その再結合層３７は、レーザ部Ｉでは膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIの前端近傍では膜厚が薄くなっている。なお、再結合層３７以外の構造は第２実施形態と同じであって、図１６において図１１と同じ符号は同じ要素を示している。
【００７４】
再結合層３７の具体的な層構造としては、第４実施形態と同じような多重量子井戸構造があげられる。そのような量子効果を用いることで層厚の低下が吸収端波長をより短波化するために、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIでの吸収及び屈折率の低減の効果が大きい。
再結合層３７を形成する場合には、第３の実施の形態と同様に活性層をストライプ状のメサに加工する際のマスクパターンに図１２(a) に示した第２及び第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃを形成し、エッチングによりメサ加工した後に、埋込層２６、２７の成長に引き続き再結合層３７を形成することでスポットサイズ変換部IIで再結合層３７を膜厚テーパ形状にすることができる。
【００７５】
この場合、再結合層３７は、活性層２３よりも上に位置するためにｎ型基板のようにメサ部の側面には成長させずに基板上にのみ成長させるという条件はなくなり、製作は容易になる。この場合も、第３実施形態と同様に、再結合層３７以外のInP 層の成長時には層厚変化を抑えるために低い成長圧力で成長する。
（第６の実施の形態）
図１７は、スポットサイズ変換器を集積した半導体光増幅器の活性層の側方の基板上に再結合層を形成した実施形態を示している。
【００７６】
図１７において、n-InP 基板５１の上には第３実施形態と同じ量子井戸構造を有する活性層５２と第１のp-InP クラッド層５３が形成され、第１のクラッド層５３からn-InP 基板５１の上部までは、それぞれ略ストライプ状にエッチングされてメサ部５４となっている。そのエッチングの際には、ストライプ状の誘電体膜（不図示）が第１のp-InP クラッド層の上に形成されている。
【００７７】
その活性層５２は、中央の利得領域では幅が１．３μｍと一定であり、その光進行方向の前方の第１の導波路領域では幅が前方に徐々に狭くなって前端では０．５μｍとなり、さらに、後端側の第２の導波路領域では幅が後方に徐々に狭くなって後端では０．５μｍとなっている。
そのメサ部５４の両側方のn-InP 基板５１の上には、ＭＯＶＰＥ法により、InGaAsP よりなる井戸層とInP よりなる障壁層を有する量子井戸構造の再結合層５５が形成されている。その再結合層５５は、利得領域では膜厚が一定で厚く、第１の導波路領域では前方に徐々に薄くなり、また、第２の導波路領域では後方に徐々に薄くなっている。
【００７８】
その再結合層５５の上には、ＭＯＶＰＥ法によって第１のn-InP 層５６、第１のp-InP 層５７、第２のn-InP 層５８が順に形成されている。
そのような結晶成長を終えた後に、ストライプ状の誘電体膜を除去し、さらに、ＭＯＶＰＥ法により全体に第２のp-InP クラッド層５９、p-InGaAsP コンタクト層６０を形成する。また、コンタクト層６０の上にｐ側電極（不図示）を形成し、さらに、n-InP 基板５１の底面にｎ側電極（不図示）を形成する。
【００７９】
そのような半導体光増幅素子では、スポットサイズ変換器は直接結合で形成した幅テーパ導波路を用いている。スポットサイズ変換器を集積した素子では、光ファイバ等の外部の光導波路と直接結合をするために素子の活性層５２に結合しないで素子を透過してしまういわゆる迷光が発生しやすく、消光比があがらないという問題がある。
【００８０】
しかし、本実施形態の光半導体素子では、上記した実施形態で温度特性改善のために再結合層として用いていた量子井戸構造の層に迷光を吸収するための機能を持たせている。
この場合、スポットサイズの大きい第１及び第２の導波路領域では、再結合層５５の吸収が利得特性を劣化させるので、吸収を抑えることが必要となり、層厚を薄くしてバンドギャップ波長を短波化することは有効である。
【００８１】
この場合には、埋込層中に設けられた多重量子井戸構造は迷光を吸収するために設置しているので、再結合層５５の上にのみに第１のn-InP層５６を成長した後に、第１のp-InP層、第２のn-InP層、第２のp-InPクラッド層５９の電流ブロック構造が成長されている。
なお、図１７では、第１の光導波路領域の前端と第２の光導波路領域の後端で活性層５２が露出するような構造となっているが、図１８に示すように、それらの前端と後端から中央寄りに離れた位置で終端し、その上のn-InP層５８を窓構造５８ａにしてもよい。これによれば、前端面及び後端面には多重量子井戸構造の再結合層５５が存在する構造となる。
（第７の実施の形態）
本発明では、スポットサイズ変換部において、光のスポットが活性層から外れることを防止するための構造を備えたテーパ導波路レーザとその製造方法について説明する。
【００８２】
まず、図１９(a) に示すように、ｎ型（n-）InP 基板６１の（１００）面上にn-InP クラッド層６２を形成する。また、n-InP クラッド層６２上にSiO2よりなる第１の誘電体膜６３を形成し、ついで、第１の誘電体膜６３をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレーザ部Ｉに＜１１０＞方向に長いストライプ状の第１の開口６３ａを形成するとともにスポットサイズ変換部IIではそれよりも広い第２の開口６３ｂを形成する。
【００８３】
その後に、第１の誘電体膜６３の第１及び第２の開口６３ａ，６３ｂから露出しているn-InP クラッド層６２上にアンドープの量子井戸活性層（コア層）６４、第１のp-InP クラッド層６５をＭＯＶＰＥ法により順に形成すると、それらの層６４，６５は、第１の開口６３ａ内ではほぼ一定の厚さになるとともに、第２の開口６３ｂ内では＜１１０＞方向でレーザ部Ｉから遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状となる。その量子井戸活性層６４は、例えば、圧縮歪１．０％で膜厚６ｎｍのInGaAsP よりなる井戸層と、バンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP よりなる障壁層とからなる７層の歪量子井戸構造であり、その歪量子井戸構造の上と下には、格子整合でバンドギャップ波長１．０５μｍで厚さ３０ｎｍのInGaAsP よりなるＳＣＨ層（不図示）が形成され、これにより波長１．３μｍで動作するようになっている。
【００８４】
次に、第１の誘電体膜６３をバッファドフッ酸により除去した後に、SiO2よりなる第２の誘電体膜を全体に形成し、この第２の誘電体膜を図１９(b) に示すようにパターニングして光進行方向に沿ってストライプ状の第１のマスクパターン６６ａを形成し、さらに、第１のマスクパターン６６ａの両側方に離れて第２、第３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃを形成する。
【００８５】
即ち、図２０に示すように、第１のマスクパターン６６ａは、幅が１．８μｍであり、光進行方向に延びるストライプ形状を有している。また、第２のマスクパターン６６ｂと第３のマスクパターン６６ｃは、それぞれスポットサイズ変換部IIの前端及びその近傍の領域であって第１のマスクパターン６６ａを挟んで互いに８０μｍの距離で離れ、それぞれ１１０μｍの幅を有して形成されている。
【００８６】
なお、第２の誘電体膜のパターニングは、フォトレジスト（不図示）をマスクとして使用し、バッファドフッ酸をエッチング液として用いるフォトリソグラフィー法により行われる。そして、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃを形成した後に、フォトレジストは有機溶液により剥離される。
そのような第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに覆われない領域の第１のp-InP クラッド層６５からn-InP 基板６１の上部までのダブルヘテロ構造をエッチングすることにより、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃの下には、図１９(c) に示すようにそれぞれ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部６７ａ〜６７ｃを形成する。そのエッチングは、炭化水素系ガスを用いる例えば反応性イオンエッチング法を用いる。
【００８７】
そのような第１〜第３のメサ部６７ａ〜６７ｃを形成し、それらのメサ部６７ａ〜６７ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、第１〜第３のメサ部６７ａ〜６７ｃの間とその周辺のn-InP 基板６１上に結晶成長を行う。即ち、図２２に示すように、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに覆われない領域に、ＭＯＶＰＥ法により第１のp-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂを埋込層６８として形成する。
【００８８】
ＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長において、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃ上では原料が消費されずにその周辺の領域に過剰に供給されるために、第１のマスクパターン６６ａと第２のマスクパターン６６ｂに挟まれた領域と、第１のマスクパターン６６ａと第３のマスクパターン６６ｃに挟まれた領域で結晶成長レートが最も大きくなり、さらに、第２及び第３のマスクパターン６６ｃ、６６ｂに挟まれない領域での結晶成長レートが小さくなる。ただし、第２及び第３のマスクパターン６６ｃ、６６ｂに挟まれない領域であっても第１のマスクパターン６６ａの近傍では膜厚が比較的厚くなって盛り上が生じてしまう。
【００８９】
また、ＭＯＶＰＥ成長においては、n-InP 層６８ｂを成長する際のｎ型ドーパントの原料ガスとしてシラン（SiH4）を用いると、成長レートが大きくなるほど結晶中へのシリコンの取り込まれ量は小さくなる。これにより、成長レートの大きいスポットサイズ変換部IIではｎ型ドーパントの濃度が小さくなる。また、InGaAsP 等の半導体を成長する場合には、マスク近傍においてInの方がGaより多く成長領域に供給される。そのため、マスク周辺の成長レートが大きい領域ではよりInの組成が大きくなる。
【００９０】
このような原理から、第２、第３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃの形状、位置に対応してストライプ状の第１のメサ部６７ａの両脇の埋込層６８の膜厚、ドーピング濃度、混晶組成が光の導波方向に沿って連続的に変化する。
この性質を利用して、第１のメサ部６７ａの両脇のマスク形状を最適化することにより、素子の埋込層６８を光の導波方向に沿って変化させ、各領域において最適な構造とすることができる。
【００９１】
本実施形態では、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃのそれぞれの間に挟まれたスポットサイズ変換部IIでの結晶成長速度は、第２及び第３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃに挟まれないレーザ部Ｉでの結晶成長速度に比べて約２倍としている。さらに、n-InP 層６８ｂのシリコンの濃度は第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに挟まれたスポットサイズ変換部IIで小さくしている。
【００９２】
例えば、レーザ部Ｉにおけるp-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの膜厚をそれぞれ０．６μｍ、１．０μｍとする。また、成長レートが相対的に大きくなっているスポットサイズ変換部IIにおいては、p-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの膜厚を、それぞれ前端で１．２μｍ、２．０μｍとしている。但し、これらの膜厚は第１のメサ部６７ａから４μｍ離れた領域の埋込層６８の成長面が（１００）面に平行になっている部分での値である。
【００９３】
また、p-InP 層６８ａのドーパント濃度を２×１０18/cm3としてある。更に、n-InP 層６８ｂのドーパント濃度は、成長速度の大きいスポットサイズ変換部IIで１×１０18/cm3、成長速度の小さいレーザ部Ｉで２×１０18/cm3となされている。
以上のような埋込層６８の形成を終えた後に、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃをバッファドフッ酸によって除去した後に、再びＭＯＶＰＥ法により基板全面に第２のp-InP クラッド層６９、p-InGaAsコンタクト層７０を成長し、少なくとも活性層６４の膜厚が一定な領域、即ち、レーザ部Ｉとなる部分の基板６１の上方の面を平坦化する。
【００９４】
上記した実施形態では、レーザ部Ｉに比べてスポットサイズ変換部IIにおける埋込層６８の膜厚が大きくなる。従って、第１のメサ部６７ａの両脇での埋込層６８の盛り上がりが大きくなり、この領域におけるp-InP クラッド層６９，p-InGaAsコンタクト層７０の平坦化が従来技術と同様の膜厚では困難である。これらの層６９，７０を平坦化しようとする場合には、ＭＯＶＰＥ成長において、原料ガスにCH3Cl ガスを適量添加する平坦化成長技術を用いると、その平坦化を促進することができる。
【００９５】
その後に、レーザ部Ｉのコンタクト層７０の上にｐ側電極７１を形成し、さらに、n-InP 基板６１の下にｎ側電極７２を形成する。
以上のような工程により形成された光半導体装置では、活性層６４は図２１に示すようにクラッド層６２と埋込層６８に囲まれてレーザ部Ｉではほぼ一定の膜厚、スポットサイズ変換部IIでは膜厚がテーパ形状に変化している。また、レーザ部Ｉの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２２(a) に示すようになり、またスポットサイズ変換部IIの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２２(b) に示すようになる。
【００９６】
次に、本実施形態における作用効果を説明する。
図２２(a) において、活性層６４周辺の屈折率の高いp-InP 層６８ａはレーザ部Ｉにおいて薄くなる。これは、レーザ部Ｉにおいては埋込層６８の成長レートが小さくなることに起因する。その結果、レーザ部Ｉにおける活性層６４とn-InP 層６８ｂとの間隔Ａが狭くなって、活性層６４とn-InP 層６８ｂの間隙に流れる電流量が小さくなり、活性層６４への電流の注入効率が高くなる。
【００９７】
一方、図２２(b) において、活性層６４周辺の屈折率の高いp-InP 層６８ａはスポットサイズ変換部IIにおいて十分に厚くなり、n-InP 層６８ｂと活性層６４との距離Ａがレーザ部よりも広がる。これは、スポットサイズ変換部IIにおいては埋込層６８の成長レートが大きくなることに起因する。その結果、スポットサイズ変換部IIにおける光分布の中心は活性層６４の中心からズレないでその周辺に広がる。
【００９８】
さらに、スポットサイズ変換部IIでは埋込層６８のn-InP 層６８ｂのドーパント濃度が小さくなっていることから、この部分における屈折率はレーザ部Ｉに比べると大きくなり、周囲のp-InP 層６８ａ、６９の屈折率に近づいている。これにより、スポットサイズ変換部IIにおいて導波方向に垂直な面内の光分布の歪みの発生が抑制され、真円に近い形状になる。
【００９９】
この実施形態において本質的なことは、スポットサイズ変換部IIにおいて、活性層６４の周囲の屈折率が高い部分の断面積を大きくすることと、活性層の周辺の埋込構造の屈折率分布を小さくすることである。
したがって、これらの構造が実現される限り、埋込層の構成の元素組成、ドーパントの種類、濃度、或いは活性層の両側の複雑な埋込層の形状などによらず、上記したような効果を得ることができる。
【０１００】
しかも、本実施形態では、図２(b) に示した従来技術と比較してマスクのパターニングのためのフォトマスクの変更だけであり、従来技術に比べて何ら工程が複雑化せず、極めて簡単に図２１、図２２に示した構造が得られる。
（第８の実施の形態）
第７の実施の形態では、スポットサイズ変換部IIにおける埋込層６８の層厚がレーザ部Ｉに比べて例えば約２倍程度に大きくなる。これに従って、第１のメサ部６７ａの両脇での埋込層６８のn-InP 層６８ｂの最上面の盛り上がりがスポットサイズ変換部において従来技術を用いたときよりも大きくなる。この盛り上がりを防止するために塩素添加成長技術を導入して盛り上がり量を小さくすることも可能であるが、レーザ部Ｉでの電流狭窄効果を考慮するとあまり用いたくはない。
【０１０１】
そこで、埋込層の全体の凹凸差を小さくするために、埋込層６８を成長する際に、p-InP 層６８ａの成長時とn-InP 層６８ｂの成長時とで成長圧力を変化させるのが好ましい。
例えば、p-InP 層６８ａを成長させる時の成長圧力を１００Torrに設定し、また、n-InP 層６８ｂを成長する時の成長圧力を１０Torrと小さく設定すると、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIとのp-InP 層６８ａの成長レートの差を、n-InP 層６８ｂの成長レートの差よりも大きくすることができる。これにより、例えば、p-InP 層６８ａの膜厚はスポットサイズ変換部IIで１．２μｍ、レーザ部Ｉで０．６μｍと差が大きく変化するが、n-InP 層６８ｂの膜厚はスポットサイズ変換部IIでは１．５μｍ、レーザ部Ｉで１．０μｍとなって差が小さくなる。
【０１０２】
これにより、活性層６４周辺のp-InP 層６８ａの断面積はスポットサイズ変換部IIにおいて第７実施形態と同様に大きくなるが、n-InP 層６８ｂについてはスポットサイズ変換部IIでは第７実施形態よりも薄くなる。従って、埋込層の全体の盛り上がりを小さく抑えながら、p-InP 層６８ａのみを厚くすることが可能になり、その埋込層６８を形成した後に、第２のp-InP クラッド層６９、p-InGaAsコンタクト層７０の最上面の平坦化が比較的容易になる。
（第９の実施の形態）
第８実施形態では、埋込層６８のうちスポットサイズ変換部IIでのp-InP 層の膜厚を増やし、n-InP 層の膜厚を薄くする方法として成長圧力を変化させる方法を採用している。本実施形態では、p-InP 層とn-InP 層の間に中間層を形成することによってp-InP 層の膜厚を増加させることについて説明する。
【０１０３】
図２３(a) は、本実施形態に係るテーパ導波路レーザのレーザ部Ｉでの光進行方向に垂直な断面を示し、図２３(b) は、そのスポットサイズ変換部IIでの光進行方向に垂直な断面を示している。なお、図２３(a),(b) において、図２２(a),(b) と同じ符号は同じ要素を示している。
本実施形態の光半導体素子は、埋込層６８の形成工程を除いて、第７実施形態と同じ工程で形成される。
【０１０４】
その埋込層６８は、第６実施形態で示したp-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの間に中間層６８ｃが形成されている。その中間層６８ｃは、p-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂと同じ結晶成長工程で形成される。インジウムのソースガスとしてはトリメチルインジウム、リンのソースガスとしてはホスフィンを使用し、また、ｐ型ドーパント原料としてのジエチルジンク（Zn(C2H5)2)）と、ｎ型ドーパント原料としてのシラン（SiH4）を同時に使用する。この場合、結晶成長速度の小さい領域ではｎ型ドーパントであるシリコンが取り込まれやすく、ｐ型ドーパントである亜鉛にはそのような性質がない。
【０１０５】
従って、シランとジメチルジンクの流量を調整することにより、結晶成長速度の小さいレーザ部Ｉでは中間層６８ｃをｎ型にするとともに、結晶成長速度の大きなスポットサイズ変換部IIでは中間層６８ｃをｐ型にすることが可能になる。例えば、レーザ部Ｉでの中間層６８ｃは例えば不純物濃度５×１０17/cm3のｎ型となり、スポットサイズ変換部IIでの中間層６８ｃは例えば不純物濃度５×１０18/cm3のｐ型となる。
【０１０６】
その中間層６８ｃの膜厚をレーザ部Ｉにおいて０．２μｍに設定する。また、レーザ部１では、中間層６８ｃの上に形成されるn-InP 層６８ｂの膜厚を第７実施形態よりも０．２μｍ薄くし、p-InP 層６８ａの膜厚を第７実施形態と同じにすると、埋込層６８全体の膜厚は第７実施形態とほぼ同じになる。
これにより、スポットサイズ変換部IIの埋込層６８では、ｐ型の中間層６８ｃを含めたp-InP 層の膜厚は厚くなって、n-InP 層６８ｂと活性層６４の距離Ａは第７実施形態よりもさらに大きくなって光出射端での良好な光分布が得られる。
（第１０実施の形態）
第７〜第９実施形態では、n-InP 基板を用いて光半導体素子を構成することについて説明したが、本実施形態では、p-InP 基板を用いて光半導体素子を構成することについて説明する。
【０１０７】
まず、図１９(a) に示すと同様な工程に沿って、ｐ型（p-）InP 基板８１上にp-InP クラッド層８２、アンドープの量子井戸活性層８４、第１のn-InP クラッド層８５をＭＯＶＰＥ法により順に形成することにより、それらの層を図２４(a) に示すようにレーザ部Ｉではほぼ一定の厚さにするとともに、スポットサイズ変換部IIではレーザ部Ｉから光進行方向に遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状とする。その量子井戸活性層８４は、例えば第７実施形態の量子井戸活性層６４と同じ構造とする。
【０１０８】
次に、SiO2よりなる誘電体膜を第１のn-InP クラッド層８５の上に形成し、この誘電体膜を図２４(b) に示すようにパターニングして光進行方向に沿ってストライプ状の第１のマスクパターン８６ａを形成し、さらに、第１のマスクパターン８６ａの両側方に離れて第２、第３のマスクパターン８６ｂ、８６ｃを形成する。
【０１０９】
即ち、図２５に示すように、第１のマスクパターン８６ａは、幅が１．８μｍ、長さが５００μｍであり、光進行方向に延びるストライプ形状を有している。また、第２のマスクパターン８６ａと第３のマスクパターン８６ｃは、それぞれレーザ領域の後端からスポットサイズ変換領域の後端にかけた領域であって、第１のマスクパターン８６ａを挟んで互いに８０μｍの距離で離れ、それぞれ１１０μｍの幅を有して形成されている。
【０１１０】
そのような第１〜第３のマスクパターン８６ａ〜８６ｃに覆われない領域の第１のn-InP 層８５からp-InP 基板８１の上部までのダブルヘテロ構造をエッチングすることにより、第１〜第３のマスクパターン８６ａ〜８６ｃの下には、図２４(c) に示すようにそれぞれ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部８７ａ〜８７ｃを形成する。
【０１１１】
その後に、エッチングにより発生したメサ部８７ａ〜ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、誘電体膜８６ａ〜８６ｃに覆われない領域のp-InP 基板８１上に結晶選択成長を行う。即ち、図２６に示すように、誘電体膜８６ａ〜８６ｃに覆われない領域に、ＭＯＶＰＥ法により第１のn-InP 層８９ａ、n-InP 層８９ｂと第２のp-InP 層８９ｃを埋込層８９として形成する。なお、第１のn-InP 層８９ｂは、メサ部８７側面とp-InP 基板８１上面に沿って薄く形成される。
【０１１２】
ＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長において、誘電体膜８６ａ〜８６ｃ上では原料が消費されずにその周辺の領域に過剰に供給されるために、誘電体膜８６ａと８６ｂに挟まれた領域と、誘電体膜８６ｂと８６ｃに挟まれた領域で結晶成長レートが最も大きくなる。しかし、マスクパターン８６ｂ、８６ｃに挟まれない領域では結晶成長レートが小さくなる。
【０１１３】
従って、埋込層８８の膜厚分布は、スポットサイズ変換部IIよりもレーザ部Ｉの方が厚くなる。
また、埋込層８９の成長圧力については、n-InP 層８９ｂの成長時には１００Torrとし、第１及び第２のp-InP 層８９ａ、８９ｃの成長時には１０Torrとすると、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIでの結晶成長速度の差を比較すると、n-InP 層８９ｂの成長速度の差は、p-InP 層８９ａ、８９ｂの成長速度の差よりも大きくなる。
【０１１４】
これにより、スポットサイズ変換部IIにおいては、n-InP 層８９ｂの膜厚が従来技術に比べて薄くなって活性層８４の周囲のp-InP 層の領域が厚くなるので、第７実施形態と同様に導波路方向に垂直な面内で良好な光分布が得られる。 なお、レーザ部Ｉにおける第１のp-InP 層８９ａの膜厚を０．２μｍ、n-InP 層８９ｂの膜厚を０．８μｍ、第２のp-InP 層８９ｃの膜厚を０．６μｍとする。また、スポットサイズ変換部IIにおける第１のp-InP 層８９ａの膜厚を０．１３μｍ、n-InP 層８９ｂの膜厚を０．４μｍ、第２のp-InP 層８９ｃの膜厚を０．４μｍとする。
【０１１５】
次に、誘電体膜８６ａ〜８６ｃをバッファドフッ酸によって除去した後に、再びＭＯＶＰＥ法により基板全面に第２のp-InP クラッド層９０、p-InGaAsコンタクト層９１を成長し、少なくとも活性層８４の膜厚が一定な領域、即ち、レーザ部Ｉとなる部分の基板６１の上方の面を平坦化する。
その後に、レーザ部Ｉのコンタクト層９１の上にｐ側電極９２を形成し、さらに、n-InP 基板８１の下にｎ側電極９３を形成する。
【０１１６】
以上のような工程により形成された光半導体装置では、活性層８４は図２６に示すようにクラッド層８２，８５，９０と埋込層８９に囲まれてレーザ部Ｉではほぼ一定の膜厚、スポットサイズ変換部IIでは膜厚がテーパ形状に変化している。
また、レーザ部Ｉの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２７(a) に示すようになり、またスポットサイズ変換部IIの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２７(b) に示すようになる。
【０１１７】
次に、本実施形態における作用効果を説明する。
図２７(a) において、活性層８４両側の屈折率の高いp-InP 層８９ａはレーザ部Ｉにおいて薄くなっている。その結果、レーザ部Ｉにおける活性層８４とn-InP 層８９ｂとの間隔が狭くなって、活性層８４とn-InP 層８９ｂの間隙に流れる電流が小さくなり、活性層８４への電流の注入効率が高くなる。
【０１１８】
図２７(b) において、活性層８４周辺の屈折率の高いn-InP 層８９ｂはスポットサイズ変換部IIにおいて十分に薄くなる。その結果、スポットサイズ変換部IIにおける光分布の中心は活性層８４の中心からズレないでその周辺に均一に広がる。
なお、本実施形態においても、第９実施形態と同様に、埋込層８９内で、レーザ部Ｉではｎ型、スポットサイズ変換領域IIではｐ型になるような中間層をn-InP 層８９ｂと第２のp-InP 層８９ｃの間に形成してもよい。
｛付 記｝
（１）半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では光のスポットサイズを変化する形状に形成されたストライプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間に形成されたｐｎ接合を有する埋込層と、前記スポットサイズ変換領域の少なくとも前記スポットサイズが拡大される端面近傍を除いて前記埋込層中に形成され、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材料よりもバンドギャップの狭い材料からなる再結合層とを有することを特徴とする光半導体装置。
（２）前記再結合層は、前記第１のクラッド層寄り又は前記第２のクラッド層寄りに形成されることを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（３）前記スポットサイズ変換領域において、前記コア層は前端に向けて膜厚又は幅がテーパ状に小さくなっていることを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（４）前記再結合層は、量子井戸層を有する多重量子井戸構造を有することを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（５）前記コア層は量子井戸層を含む多重量子井戸層からなり、前記スポットサイズ変換領域で厚さが変化することを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（６）半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では光のスポットサイズを変化する形状に形成されたストライプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間に形成れたｐｎ接合を有する埋込層と、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材料よりもバンドギャップの狭い材料からなり、前記スポットサイズ変換領域において前記活性層と平行な方向で膜厚又はバンドギャップが変化して前記埋込層に形成された再結合層とを有することを特徴とする光半導体装置。
（７）前記再結合層の前記膜厚は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域で値が小さい、もしくは前記再結合層の前記バンドギャップは前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域で値が大きいことを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（８）前記再結合層は、前記第１及び第２クラッド層のうちの一導電型層と前記埋込層の反対導電型層とに挟まれていることを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（９）前記再結合層は、前記第１及び第２クラッド層のうちの第１導電型層と前記埋込層の第１導電型層とに挟まれていることを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（１０）前記再結合層は、量子効果の生じる厚さ以下の層が少なくとも一層有することを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（１１）前記再結合層は、前記第１及び第２のクラッド層と同一材料からなる障壁層と、該障壁層よりもバンドギャップが狭い井戸層とを有する多重量子井戸構造を有していることを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（１２）活性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上に形成する工程と、前記多層構造の上にストライプ状の第１マスクパターンを形成し、該第１マスクパターンに覆われない部分の前記多層構造をエッチングして、光閉じ込めを大きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域を有するストライプ状のメサ部を形成する工程と、前記メサ部のうち前記第１領域において前記メサ部の両側面から離れた領域に第２マスクパターンと第３マスクパターンを前記半導体基板の上に配置する工程と、前記第１〜第３マスクパターンに覆われない領域に、前記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭い再結合層を含み且つ前記第２の領域のうち前記第１領域に隣接しない側の端部で膜厚が薄くなる層を含む多層構造の埋め込み層を形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンを除去した後に、前記メサ部と前記埋込層の上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（１３）前記再結合層は、塩素を含むガスを導入した雰囲気中で成長されることを特徴とする（１２）に記載の光半導体装置の製造方法。
（１４）前記埋込層を形成する際に、前記再結合層の成長圧力はその他の層の成長圧力よりも高いことを特徴とする（１２）又は（１３）に記載の光半導体装置の製造方法。
（１５）基板側の一導電型クラッド層と、前記一導電型クラッド層の上に形成された半導体からなるコア層と、前記コア層の上に形成された反対導電型クラッド層と、元素組成、不純物濃度、膜厚の少なくとも１つが光導波方向に沿って連続的に変化し、かつ前記コア層の両側領域に形成された埋込構造とを有することを特徴とする光半導体装置。
（１６）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ型層又は前記ｐ型層のうち少なくとも一方の厚さが光りの導波方向に変化していることを特徴とする（１５）に記載の光半導体装置。
（１７）前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に薄くまたは狭く変化させたスポットサイズ変換領域と、前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に実質的に変化させない利得領域とを有することを特徴とする（１５）に記載の光半導体装置。
（１８）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記スポットサイズ変換領域においては、前記利得領域よりも前記ｎ型層と前記コア層との距離が広がっていることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（１９）前記ｎ型層と前記ｎ型層が前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域の方が厚く形成される場合に、前記ｐ型層の膜厚の増加の割合が前記ｎ型層の膜厚の増加の割合よりも大きいことを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（２０）前記一導電型クラッド層がｐ型クラッド層の場合に、前記埋込構造中のｎ型層の膜厚は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域の方が薄く形成されることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（２１）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ型層の不純物濃度は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域の方が低く形成されることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（２２）前記埋込構造は、光導波方向で一導電型層から反対導電型層に変化する層を有することを特徴とする（１５）に記載の光半導体装置。
（２３）半導体基板上に活性層と上側クラッド層を形成する工程と、 前記活性層から前記半導体基板の上部までの一部をエッチングすることによりストライプ状のメサ部を形成する工程と、前記メサ部の上の第１の領域と、前記メサ部の両側方に離れた前記半導体基板の上であって前記メサ部の延びる方向に形状が変化する形状の第２、第３の領域とを誘電体マスクで覆った状態で、前記第１〜第３の領域を除く前記半導体基板の上に、層数、層厚、元素組成、不純物濃度のうち少なくとも１つを光の進行方向に沿って連続的に変化させる埋込構造を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（２４）前記埋込構造の成長方法としてＭＯＶＰＥ法を用い、前記埋込構造を構成するｎ型層を形成する際に不純物の原料としてシランを用いることを特徴とする（２３）に記載の光半導体装置の製造方法。
（２５）前記埋込構造の成長において、圧力を変化させることを特徴とする（２３）に記載の光半導体装置の製造方法。
【０１１９】
【発明の効果】
以上述べたように第１の発明によれば、埋込型光半導体装置において利得領域（レーザ領域）とスポットサイズ変換領域に形成されたコア層（活性層）の両側方において、利得領域または利得領域からスポットサイズ変換領域の前端近傍を除いた領域に、バンドギャップが小さい再結合層を形成したので、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層による吸収が回避され、スポットサイズ変換器の損失を小さくし、閾値電流の上昇や効率の低下を防止することができる。
【０１２０】
第２の発明によれば、コア層（活性層）の両側に形成される再結合層のうち、スポットサイズ変換領域の端部での膜厚を利得領域での膜厚に比べて薄く形成したので、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層による吸収を少なくし、スポットサイズ変換器の損失を小さくし、閾値電流の上昇や効率の低下を抑制できる。
【０１２１】
第３の発明によれば、コア層（活性層）と埋込構造のｎ型層との距離について、利得領域では狭く、スポットサイズ変換領域では広くするようにしたので、スポットサイズ変換領域では、光強度の中心はコア層の中心に重ね、真円に近くすることができる。これと同時に、利得領域では、コア層とｎ型層の間隔が小さくなるために、電流狭窄効果が高くなって電流を効率よく活性層に注入することができる。従って、良好な電流−光出力特性を持ち、かつ、素子と光ファイバとの結合損失が小さく、優れた素子を得ることができる。
【０１２２】
また、第３の発明によれば、埋込構造中のｎ型層の不純物濃度をスポットサイズ変換領域では低くし、利得領域では高くしているので、スポットサイズ変換領域でのｎ型層の屈折率を小さくして光分布を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に係るテーパ導波路レーザの側断面図である。
【図２】従来技術に係るテーパ導波路レーザの製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図３】従来技術に係るテーパ導波路レーザの製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図４】従来技術に係る第１のテーパ導波路レーザの光進行方向に垂直な断面図である。
【図５】従来技術に係る第２のテーパ導波路レーザの光進行方向に垂直な断面図である。
【図６】従来のＤＣＰＢＨレーザの断面図である。
【図７】従来の埋込型半導体レーザの断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る光半導体素子を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図１５】本発明の第４実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る光半導体素子を示す断面図である。
【図１７】本発明の第６実施形態に係る第１の光半導体増幅素子を示す斜視図である。
【図１８】本発明の第６実施形態に係る第２の光半導体増幅素子を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。
【図２０】本発明の第７実施形態における結晶成長工程で用いるマスクと基板との配置関係を示す平面図である。
【図２１】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図２２】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の断面図である。
【図２３】本発明の第９実施形態に係る光半導体素子の断面図である。
【図２４】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。
【図２５】本発明の第１０実施形態における結晶成長工程で用いるマスクと基板との配置関係を示す平面図である。
【図２６】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図２７】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子の断面図である。
【符号の説明】
Ｉ…レーザ部、ＩＩ…スポットサイズ変換部、１…n-InP 基板、２…バッファ層、３…活性層、４…p-InP 層、５…メサ部、６…再結合層、７…p-InP 層、８…n-InP 層、９…p-InP 層、１０…n-InP 層、１１…コンタクト層、１２…ｐ側で、１３…ｎ側電極、１７…再結合層、２１…p-InP 基板、２２…p-InP 層、２３…活性層、２４…n-InP クラッド層、２５…メサ部、２６…n-InP 層、２７…p-InP 層、２８…再結合層、２９…n-InP クラッド層、３０…コンタクト層、３１…ｎ側電極、３２…ｐ側電極、３７…再結合層、４１…n-InP 基板、４２…n-InP バッファ層、４３…活性層、４４…p-InP クラッド層、４５ａ〜４５ｃ…マスクパターン、４６ａ〜４６ｃ…メサ部、４７…再結合層、４８…p-InP 層、４９…n-InP 層、５０ａ、５０ｂ…p-InP クラッド層、３８…コンタクト層、３９…ｐ側電極、４０…ｎ側電極、６１…n-InP 基板、６２…n-InP クラッド層、６３…誘電体膜、６４…活性層、６５…p-InP クラッド層、６６ａ〜６６ｃ…マスクパターン、６７ａ〜６７ｃ…メサ部、６８ａ…p-InP 層、６８ｂ…n-InP 層、６８ｃ…中間層、６８…埋込層、６９…クラッド層、７０…コンタクト層、７１…ｐ側電極、７２…ｎ側電極、８１…p-InP 基板、８２…p-InP クラッド層、８３…誘電体膜、８４…活性層、８５…n-InP クラッド層、８６…誘電体膜、８７…メサ部、８８ａ、８８ｂ…マスクパターン、８９ａ…p-InP 層、８９ｂ…n-InP 層、８９ｃ…p-InP 層、８９…埋込層、９０…n-InP クラッド層、９１…コンタクト層、９２…ｐ側電極、９３…ｎ側電極。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、光スポットサイズ変換器を備えた光半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信の適用範囲が広がっていくとともに、半導体レーザモジュールの小型化、低コスト化、低消費電力化の観点から、半導体レーザを温度制御せずに広い環境温度範囲で動作させることが必要になってきており、諸特性の温度依存性の低減が必要となってきている。また、小型化、低コスト化の点では温度制御を無くすとともに、半導体レーザとファイバとの間の結合系を簡略化することも求められており、スポットサイズ変換器を集積した放射角の狭い光半導体素子の開発が活発になっている。
【０００３】
スポットサイズ変換器と半導体レーザを集積する理由は、半導体レーザではスポットサイズが１μｍ程度と小さいが、半導体レーザに結合される光ファイバのスポットサイズは４〜５μｍと大きいので、スポットサイズ変換器によって光出力端のスポットサイズを拡大することにより、光ファイバのスポットサイズとの差を小さくして結合効率を改善するためである。
【０００４】
スポットサイズ変換器を集積した半導体レーザは、活性層の延長上でテーパ形状の導波路コアを半導体クラッド層に埋め込んだ構造が主となっている。ここでは、特開平7-283490号公報に記載の半導体レーザを例にとり説明する。以下、この半導体レーザをテーパ導波路レーザと呼ぶ。
テーパ導波路レーザは、原理的に図１に示すような構造を有しており、光のコアとなる量子井戸層１０１の膜厚がほぼ一定の第１の領域とその量子井戸層１０１の膜厚がテーパ状に変化する第２の領域とに機能的に区分される。
【０００５】
それらのうちの第１の領域は、電流が注入されて光利得を持つレーザ部Ｉであり、第２の領域は、スポットサイズ変換部IIとなる。
そのレーザ部Ｉでは、導波方向に垂直な面内の光分布は比較的小さく、コアを中心に集中している。また、スポットサイズ変換部IIでは、ダブルへテロ構造のコアの膜厚が出射方向に向かって小さくなっている。このような構造によって、光分布はレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIの出射端に向かって連続的に拡大される。
【０００６】
図１に示したテーパ導波路レーザにおいて、量子井戸層１０１は、例えば、n-InP よりなるｎ型クラッド層１０２とp-InP よりなるｐ型クラッド層１０３により上下から挟まれている。また、ｎ型クラッド層１０２の下にはｎ側電極１０４が形成され、また、レーザ部Ｉ近傍のｐ型クラッド層１０３の上にはｐ側電極１０５が形成されている
そのようなテーパ導波路レーザ１００においては、良好な電流−光出力特性を得るために、効率良くレーザ部Ｉの量子井戸層（活性層ともいう）１０１に電流を流す必要がある。これと同時に、テーパ導波路レーザ１００と光ファイバ１１０の間の光結合損失を低く抑えるために、レーザ光の出射端において、出射方向に垂直な面の光強度分布の形状を真円に近い形にし、また、その光強度分布の中心位置を光導波路構造の中心位置、即ち、量子井戸層１０１のある位置に合わせる必要がある。
【０００７】
次に、従来のテーパー導波路レーザの構造について図３(b) に基づいて詳細に説明する。
図３(b) において、ｎ型クラッド層となるn-InP 基板１１２とｐ型クラッド層となる第１のp-InP 層１１３ａの間に挟まれる量子井戸層（活性層）１１１の両側には、ｐｎ逆接合などの電流阻止機能を有するいわゆる埋込構造１１６が形成されている。その埋込構造１１６は、レーザ部Ｉの活性層１１１にだけ効率良く電流を注入するために設けられている。
【０００８】
テーパ導波路レーザのスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉのそれぞれの半導体層の断面構造は、図４(a),(b) に示すように、それぞれ活性層１１１の膜厚が異なるだけで、埋込構造１１６を含むそれ以外の構造に関しては、ほぼ同じ構造を持っている。例えば、埋込層１１６の上部を構成するn-InP 層（ｎ型ブロック層）１１６ｂと活性層１１１の中心との最短距離Ａをとってみても、スポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉではほぼ同じ長さとなっている。
【０００９】
埋込構造１１６のp-InP 層１１６ａの膜厚を図５(a),(b) に示すように厚くしても、その活性層１１１の中心とn-InP 層１１６ｂの最短距離Ａはスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉではほぼ同じ長さとなっている。
図１に示したような半導体埋込光導波路を有するテーパ導波路レーザは次のような工程に沿って作製される。
【００１０】
まず、図２(a) に示すように、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する量子井戸層１１１とp-InP 層１１３ａからなるダブルへテロ構造層が堆積されたn-InP 基板（半導体ウェハ）１１２を用意する。その量子井戸層１１１は、特開平7-283490号公報に記載された方法にしたがって、レーザ部Ｉで膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIで膜厚がテーパ状に徐々に薄くなるように形成される。
【００１１】
そして、図２(b) に示すように、ストライプパターンを有するSiO2よりなる誘電体マスク１１７を通常のフォトリソグラフィー法を用いてp-InP 層１１３ａの上面に形成する。
続いて、誘電体マスク１１７に覆われない領域のダブルヘテロ構造とn-InP 基板１１２をエッチングして図２(c) に示すようなメサ構造１１８を形成する。
【００１２】
次に、図３(a) に示すように、メサ構造１１８の上面に誘電体マスク１１７を残したままで、n-InP 基板１１２の上に結晶成長を施してメサ構造１１８上面以外の部分にp-InP 層１１６ａ、n-InP 層１１６ｂを順に埋め込む。このとき、特開平7-283490号公報に記載の技術においては、ｐｎ逆接合で構成される埋込構造１１８が素子全体に渡って一様に成長されるようになっている。
【００１３】
その後、図３(b) に示すようにメサ構造１１８上の誘電体膜１１７を除去し、ついで、n-InP 基板１１２の全体に再度結晶成長を施してp-InP 層１１３ｂを形成してメサ構造１１８の上を平坦化する。量子井戸層１１１の上のp-InP 層１１３ａ、１１３ｂはｐ型クラッド層となる。
ところで、活性層上部のｐ型クラッド層の膜厚をスポットサイズ変換部IIにおいてレーザ部Ｉより厚くしてスポットサイズ変換部IIの屈折率を高くした構造が、特開平7-74396 号公報の図２に示されている。この場合、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間の活性層を除く領域に関しては、特開平7-283490号公報に記載された素子と同様にスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉの間で同じ構造を持つために、ｎ型電流ブロック層とコア層の中心の間の最短距離も両部の間で等しくなっている。このような領域には、電流狭窄機能を持つｐｎ逆接合などの、活性層やｐ型及びｎ型クラッド層とは元素組成、ドーピング濃度、屈折率が異なる層が含まれている。
【００１４】
尚、集積されるスポットサイズ変換器には特開平7-283490号公報に記載されている膜厚が変化する構造の他に幅がテーパ状に変化する構造もある。特開平7-74396 号公報では、幅テーパ導波路を集積した半導体レーザの出射端の光強度分布を最適値まで拡大するための出射端のコア層の設計精度が厳しいという問題を解決するための技術を示している。
【００１５】
次に、半導体レーザの温度特性について説明する。
光通信用の長波長帯の半導体レーザの温度特性については、光記録用に用いられているGaAs基板上に作製された短波長帯レーザに比べて著しく劣ることが古くから指摘されており、その原因については未だ明らかではない。しかし、埋込構造が大半を占める光通信用の半導体レーザにおいては埋込層でのリーク電流の存在がその温度依存性を更に悪化させていることがよく知られている。
【００１６】
リーク電流を抑制するには図４(b) に示されたような、電流ブロック層の位置を最適化することがあげられるが、更なる対策の１つとして、図６に示すようなＤＣＰＢＨ(Double Channel Planer Buried Heterostructure)レーザに代表される、ｐｎｐｎ電流ブロック構造のクラッド層（基板の場合もある）のｎ型層と埋込層のｐ型層がなすｐｎ接合との間の少なくとも一部にバンドギャップの狭い半導体層（再結合層）を設けた構造があり、サイリスタ構造の耐圧を上昇させることで漏れ電流を小さくできることが知られている。
【００１７】
図６は、ＤＣＰＢＨ構造の半導体レーザの断面を示しており、n-InP 基板１２１と第１のp-InP 層１２３の間に挟まれた量子井戸活性層１２２を有するストライプ状のメサ構造を有している。また、メサ構造の両側にはp-InP 埋込層１２４とn-InP 埋込層１２５が形成され、その埋込構造とメサ構造の上には第２のn-InP 層１２７が形成されている。これにより、メサ構造の両側にはn-InP 基板１２１を含めてｐｎｐｎ接合が構成されている。また、メサ構造の両側から少し離れた領域では、p-InP 埋込層１２４とn-InP 基板１２１に挟まれた再結合層１２８が形成されている。その再結合層１２８は、量子井戸活性層１２２をストライプ状にエッチングする際、又はメサ形状活性層１２２を選択成長で形成する際に、ストライプから離れた部分では活性層１２２を残したままにしておき、これを再結合層１２８として利用したものである。選択成長を利用した構造では、スポットサイズ変換器を集積した半導体レーザも、Y Furushima et al., IPRM'98 ThP-57において報告されている。
【００１８】
一方、図７は、半導体レーザの埋込構造１１６を形成する際に再結合層１１９を設けた構造である。即ち、再結合層１１９を活性層１１１を含むメサ側面には成長させずにメサ両脇の基板１１２面上だけに成長させるという技術が必要となるが、図６に示す素子に比べると活性層とは独立に再結合層を設計できるという利点がある。
【００１９】
図６、図７のどちらの構造においても温度特性の改善が実現されており、InGaAsP系の半導体レーザにおいて閾値電流の特性温度として７０Ｋを越える高い値が示されている。
なお、図６、図７においては、第２のp-InP層１２７，１１３ｂの上にはそれぞれp-InGaAsコンタクト層１２０，１２８が形成されている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４(a),(b) に示したテーパ導波路レーザにおいては、活性層の中心とｎブロック層との距離Ａの最適値がスポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉにおいては異なる。
例えば、図４(a),(b) は、距離Ａの値がレーザ部Ｉにおいて最適化されて比較的小さい値を持つ構造である、これにより、効率良く電流Ｂを活性層１１１に流すことができる。これは、図４(b) に示すように、レーザ部Ｉにおいて活性層１１１の両脇のp-InP 層１１６ａが狭くなり、この部分をリークする電流量（図中Ｂ）が小さくなるためである。
【００２１】
しかし、この埋込構造を採った場合、図４(a) に示すスポットサイズ変換部IIにおいては、光強度分布の中心が活性層１１１の中心からｐ型クラッド層１１３ａ，１１３ｂへとシフトするという問題、或いは活性層１１１の周辺の屈折率不均一の影響を強く受け、光分布の形状は真円より歪んだ形状となるという問題が生じる。これは、距離Ａが短くなることにより、ｎ型ブロック層１１６ｂが活性層１１１に近づき、拡大された光強度分布がｎ型ブロック層１１６ｂの影響を強く受けるためである。ｎ型ブロック層１１６ｂは、ｐ型クラッド層１１３ｂに比べて小さい屈折率を持つため、拡大された光強度分布はｎ型ブロック層１１６ｂを避けてｐ型クラッド層１１３ｂ内に分布するように、中心の位置と分布形状を変化させる。
【００２２】
これに対して、図５(a),(b) は、埋込構造１１６のp-InP 層１１６ａを厚く形成して距離Ａの値を図４(a),(b) のそれよりも大きくした構造を採用している。これにより、スポットサイズ変換部IIにおいて、光強度分布の中心は活性層１１１の中心に重なるし、その分布形状が真円に近くなる。これは、屈折率の低いｎ型ブロック層１１６ｂが活性層１１１より遠ざかり、活性層１１１の周囲が屈折率の高いｐ型半導体で、より均一に満たされるからである。これにより、光強度分布は、活性層１１１周辺に均一に分布しやすくなる。
【００２３】
しかし、活性層１１１の両脇のp-InP 層１１６ａが広がると、レーザ部Ｉにおいて電流Ｂのリーク量が増えるために、活性層１１１に効率よく電流を注入することができなくなり、素子特性の劣化を招く。
以上のように、図４、図５に述べた構造の半導体レーザを採用する場合には、スポットサイズ変換部IIとレーザ部Ｉの埋込構造１１６は同一となり、それぞれの部分において埋込構造１１６を最適化することができない。即ち、素子全体に渡って図４の構造を採るか、図５の構造を採るかどちらかに限られていた。
【００２４】
これに対して、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL 15, No 8, pp 1602-1607 (August 1997) "High-Coupling Efficiency of a 1.3- μｍ Spot-Size Converter Integrated Laser Diode with pn-Buried Heterostructure for High-Temperature Operation"においては、ｎ型ブロック層の活性層に対する位置を微調整してこれを最適化する数値計算及び実験が行われている。しかし、この場合にも先に述べたようなトレードオフの関係は避けられていない。
【００２５】
また、先に引用した特開平 7-74396号公報に記載された素子の上部クラッド層の膜厚を変化させるような構造でも、距離Ａは、スポットサイズ変換部とレーザ部の間で等しくなることは避けられない。
ところで、温度特性を改善する構造を採用した図６に示す半導体レーザの活性層１２２と同時に再結合層１２８を形成した構造は、選択成長を利用したものであり、そのままスポットサイズ変換器を集積した報告例がY. Furushima et al., IPRM'98 ThP-57 に記載がある。
【００２６】
しかし、そのような構造では、活性層と独立して再結合層を設計できないという不都合がある。
これに対して、図７の埋込再成長時に再結合層１１９を成長した構造は設計の自由度の高いものの、これを図４，図５に示すようなスポットサイズ変換器を集積した半導体レーザに適用しようとすると、スポットサイズの小さい部分では通常の半導体レーザと同様に光は再結合層１１９の影響を殆ど受けないが、出射端面に近いスポットサイズが大きい領域ではこの再結合層１１９での屈折率差が光のフィールドに影響してしまうという問題があった。
【００２７】
埋込層１１６の漏れ電流を抑えるためには、再結合層１１９のバンドギャップは活性層１１１のバンドギャップと近くなるように設定することが望ましい。例えば、１．３μｍ帯の半導体レーザにおいて再結合層１１９のバンドギャップ波長を１．２μｍ等に設定する。
しかし、活性層１１１とその周りの埋込層１１６との屈折率差は、活性層１１１とクラッド層１１６の差と同等になるために、光のフィールドが再結合層１１９側に引っ張られてしまうことで変形し、光ファイバとの結合効率が低下してしまう。また、再結合層１１９のバンドギャップ波長と発振波長が近いために再結合層１１９での吸収も無視できなくなり、スポットサイズ変換器の損失が増大し、閾値電流の上昇、効率の低下を招いてしまうという問題があった。
【００２８】
なお、図６に示した活性層１２２と同時に再結合層１２８を形成した構造で、上記したような問題が生じていないのは、再成長で形成する場合よりも再結合層１１８の位置が離れているためにスポットサイズの大きな出射端面でも光のフィールドが殆ど影響されないからである。しかし、上記したように設計の自由度が低くなるといった不都合がある。
【００２９】
本発明の目的は、スポットサイズ変換部の出射端での光スポットを活性層の中心に重ねるとともに、活性層とは異なる再結合層を有する場合に光スポットが再結合層に影響されない構造を有する光半導体素子を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、図１２〜図１３に例示するように、活性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上に形成する工程と、前記多層構造の上に、光閉じ込めを大きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域とにまたがるストライプ状の第１マスクパターンと、前記マスクパターンの両側方に離間して、前記第２領域の出射端面側で短くなるように前記第１領域及び第２領域に第２マスクパターンと第３マスクパターンを形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンに覆われない部分の前記多層構造をエッチングして、前記第１〜第３マスクパターンに対応する第１〜第３メサ部を形成する工程と、エッチングされた前記第１〜第３メサ部の周囲に、前記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭く、前記第２領域のうち前記第１領域に隣接しない側の端部で膜厚が薄くなる再結合層を含む多層構造の埋め込み層を形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンを除去した後に、前記メサ部と前記埋め込み層の上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法によって解決する。
【００３４】
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、コア層（活性層）の両側に形成される再結合層のうち、スポットサイズ変換領域の端部での膜厚は利得領域での膜厚に比べて薄く形成されている。
したがって、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層による吸収が少なくなり、スポットサイズ変換器の損失が小さく、閾値電流の上昇や効率の低下が抑制される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図８，図９は本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。
【００４０】
まず、図８(a) に示すように、ｎ型（n-）InP 基板１の（１００）面上にn-InP バッファ層２を形成した後に、そのバッファ層２の上にSiO2よりなる第１の誘電体膜１５を形成し、ついで、第１の誘電体膜１５をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレーザ部Ｉにストライプ状の第１の開口１５ａを形成するとともにスポットサイズ変換部IIではそれよりも広い第２の開口１５ｂを形成する。
【００４１】
その後に、誘電体膜１５の第１及び第２の開口１５ａ，１５ｂから露出しているバッファ層２の上にアンドープの量子井戸活性層３、膜厚０．５μｍの第１のp-InP 層４を減圧有機金属気相成長（減圧ＭＯＶＰＥ）法により形成すると、それらの層３，４は、第１の開口１５ａ内では厚くなるとともに、第２の開口１５ｂ内ではレーザ部Ｉから遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状となる。
【００４２】
次に、第１の誘電体膜１５を除去した後に、SiO2よりなる第２の誘電体膜１６を全体に形成し、この第２の誘電体膜１６をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIに延びる幅１．５μｍ程度のストライプ状のパターンを第１のp-InP 層４の上に形成する。
そして、図８(b) に示すように、ストライプ状の第２の誘電体膜１６をマスクに使用して、第１のp-InP 層４からn-InP 基板１の上部までをエッチングにより除去して高さ２μｍ程度のメサ部５を形成する。そのエッチングは、ウェットエッチングを用いても良いが、次の結晶成長段階での再結合層成長の制御の点からはドライエッチングによりほぼ垂直に近い側面を備えたメサ部５を形成することが望ましい。ドライエッチングとして、例えばエタン、水素、酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いる。ドライエッチングを用いる場合には、ドライエッチング後にメサ部５側面のダメージ層を硫酸系の溶液で除去する。
【００４３】
続いて、CH3Cl 又はHCl 等の塩素含有ガスを流している結晶成長雰囲気で、減圧ＭＯＶＰＥ法によりアンドープInP 層（不図示）を０．１μｍ、バンドギャップ波長１．２μｍのInGaAsP よりなる再結合層６を０．１μｍ形成する。再結合層６の成長時にはメサ部５の側面の成長速度がなくなる量の塩素含有ガスを結晶成長雰囲気中に導入し、再結合層６はメサ部５の側面には成長せずに、メサ部５の両脇のn-InP 基板１の（１００）面上にのみ成長する。一方、アンドープInP 層の成長時には塩素含有ガスを流さないか、もしくは、異常成長を抑える程度に塩素含有ガスを成長雰囲気内に微量導入することにより活性層３の側面を覆うことが、次に再結合層の一部を選択エッチングに除去するためには望ましい。
【００４４】
その再結合層６を構成するInGaAsP のバンドギャップは、基板や後述する埋込層を構成するInP のバンドギャップよりも狭くなっている。その再結合層６は、単層又は多層の量子井戸構造を有していてもよい。
ここで、結晶成長を一旦停止してn-InP 基板１を結晶成長雰囲気から取り出してレーザ部Ｉの領域、又は、レーザ部Ｉからスポットサイズ変換部Ｉの一部にかけた領域をレジスト（不図示）で覆った状態で、InP に対して選択性のあるエッチング液、例えば、硫酸、過酸化水素水及び水の混合液を用いて、図８(c) に示すように、再結合層６を選択的にパターニングしてスポットサイズ変換部IIの領域全部又はその先端近傍を除去するとともに、レーザ部Ｉにはそのまま残す。再結合層６は、例えばスポットサイズ変換部IIの前端から後方へ１５０μｍに至る領域まで除去するようにする。
【００４５】
次に、レジストを除去し、さらにストライプ状の第２の誘電体膜１６を残した状態で、図９(a) に示すように、減圧ＭＯＶＰＥ法によって膜厚０．９μｍの第２のp-InP 層７と膜厚０．７μｍのn-InP 層８と膜厚０．１μｍの第３のp-InP 層９を埋込層としてメサ部の両側方に形成する。その第２のp-InP 層７は、再結合層６とその前方のn-InP 基板１の上に形成されるとともに、ストライプ状にパターニングされたメサ部５の側面にも形成される。また、n-InP 層８は、いわゆる電流ブロック層と呼ばれるものであり、第２のp-InP 層７の上に形成されるとともに、メサ部５の近傍で盛り上がって膜厚が厚く形成される。
【００４６】
これにより、スポットサイズ変換部IIに形成された埋込層は、その前端から後方１５０μｍの範囲では、通常の構造となっている。
その後に、第２の誘電体膜１６を除去した後に、図９(b) に示すように、減圧ＭＯＶＰＥ法により、第１のp-InP 層４と第３のp-InP 層９の上に膜厚４μｍの第３のp-InP 層１０を形成し、続いて膜厚０．５μｍのp-InGaAsよりなるコンタクト層１１を形成する。
【００４７】
なお、第２のp-InP 層７からコンタクト層９の各結晶層の膜厚は、メサ部５の近傍とメサ部５から離れた場所では膜厚が異なっているが、上記したそれらの膜厚はメサ部分から離れた平坦面上の値とする。
次に、コンタクト層１１の上のレーザ部Ｉ近傍にTi/Pt/Auを材料とするｐ側電極１２を形成し、ついでAuGe/Au を材料とするｎ側電極１３を形成すると、図１０に示すような膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザが形成される。
【００４８】
以上のような工程により形成された膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザでは、活性層３に量子井戸構造を用いてスポットサイズ変化部で膜厚がテーパ状に変化し、出射端面近傍では量子井戸構造の吸収端波長が短波長へシフトするために、スポットサイズ変換部IIの導波路を構成する活性層３がレーザ光に対して透明となるので、その前端部には電流を注入する必要がなくなる。このため、ｐ側電極１２は後端面から３５０μｍの領域に形成する。
【００４９】
活性層３の構造は、本発明の効果に影響を与えないが、例えばレーザ部Ｉの平坦領域において、圧縮歪み０．７％で膜厚６ｎｍのInGaAsP 層よりなる井戸層と、圧縮率０．１％でバンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP 層からなる障壁層との７層の歪量子井戸構造３ａを備え、その上と下に圧縮歪０．１％でバンドギャップ波長が１．１μｍで厚さ７０ｎｍのInGaAsP よりなるＳＣＨ層３ｂを備えた構造を有していて、波長１．３μｍで動作する構造となっている。
【００５０】
以上のようにスポットサイズの小さなレーザ部Ｉのメサ部の側方に再結合層６を形成するとともに、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIの前端近傍領域では再結合層６が存在せずに屈折率差による光のフィールドの歪みや損失の影響が生じない。
また、電流注入によりレーザ発振のための利得を与えるスポットサイズが小さいレーザ部Ｉの活性層３の平坦な領域では、両脇にInGaAsP 再結合層６があり、温度特性改善の効果が得られる。また、電流注入領域も後端面から３５０μｍの領域に存在するために再結合層６が部分的に形成されていても十分な効果を得ることができる。
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態ではｎ型InP 基板を使用したが、ｐ型（p-）InP 基板を使用して膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザを形成することもでき、その実施形態を以下に説明する。
【００５１】
図１１(a) は、膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザのレーザ部の断面図、図１１(b) はスポットサイズ変換部の断面図である。
図１１(a),(b) において、p-InP 基板２１の上には、第１実施形態と同じ量子井戸構造の活性層２３と第１のn-InP 層２４が形成されている。その活性層２３と第１のn-InP 層２４は、第１実施形態で示した第１の誘電体膜をp-InP 基板２１上に形成した状態で減圧ＭＯＶＰＥ法により結晶成長されている。従って、活性層２３は、レーザ部Ｉでは図１１(a) に示すように膜厚が厚くて平坦になっているが、スポットサイズ変換部では図１１(b) に示すように前端に向けて徐々に膜厚が薄くなっている。
【００５２】
また、第１のn-InP 層２４からp-InP 基板２１の上部までは、第１実施形態と同様に、ストライプ状の第２の誘電体膜をマスクに使用してストライプ状にパターニングされてメサ部２５が形成されている。また、そのメサ部２５の側壁とp-InP 基板２１の上面には第１のp-InP 層２２が形成されている。
さらに、ストライプ状の第２の誘電体膜を残した状態で、メサ部２５の両側の第１のp-InP 層２２上には第２のn-InP 層２６と第２のp-InP 層２７とInGaAsP 再結合層２８が順に形成されている。その後に、第２のp-InP 層２７に対して選択制のあるエッチング溶液、例えば硫酸、過酸化水素水、水の混合液を用いてスポットサイズが大きくなっているスポットサイズ変換部IIの前端面から１５０μｍ後方の領域で再結合層２８を除去する。
【００５３】
次に、メサ部２５の上に残っている第２の誘電体膜を除去した後に、第１のn-InP 層２４と再結合層２８と第２のp-InP 層２７を覆う第３のn-InP 層２９を４．０μｍの厚さに形成し、さらに、n-InGaAsP コンタクト層３０を０．５μｍの厚さに成長することで結晶層構造は完了する。
この後に、レーザ部Ｉ近傍のコンタクト層３０の上にｎ側電極３１を形成し、さらに、p-InP 基板２１の下面にｐ側電極３２を形成する。
【００５４】
この実施形態においても、第１実施形態と同様に、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIの前端面近傍領域は通常の埋込構造であるために、屈折率差による光のフィールドの歪みや損失の影響は生じない。また、スポットサイズの小さなレーザ部Ｉでは両脇にInGaAsP 再結合層２８があり、温度特性改善の効果が得られる。
【００５５】
ところで、上記した第１、第２の実施形態では、選択成長を用いて作製した膜厚テーパ導波路を集積した素子について説明したが、膜厚テーパ導波路の集積を異なる成長で直接接合によって行っても良い。この場合も、テーパ導波路の全体をレーザ光に対して透明な材料を用いることができるので、電流注入はスポットサイズの小さな活性層を有する領域のみとなるために同様な効果が得られる。
【００５６】
また、スポットサイズ変換器を導波路の厚さは一定で幅が端面に向かって狭くなっているいわゆる幅テーパ導波路として、レーザ部の両側に再結合層を選択的に配置しても良い。この場合には、スポットサイズの大きな領域でも吸収端波長が変化しないので、素子全体に電流注入を行ってスポットサイズ変換部での光吸収を防止する必要があるために、レーザ部では再結合層が部分的に存在することになるので温度特性向上等の効果は存在するが、温度特性向上等の効果は第１実施形態に比べて小さくなる。なお、幅テーパ導波路の基本的構造は次の実施形態で説明する。
【００５７】
また、ここまでの実施形態では、両端面を反射鏡としたファブリペロー型の素子を示したが、他の構造のデバイス、例えばスポットサイズの小さな領域に回折格子を設けたＤＦＢレーザや、両端面ともにスポット変換部を集積して低反射コートを施した半導体光増幅器等においても、利得領域の側方に再結合層を設けて、スポットサイズ変換部の出射端近傍で再結合層を除去する構造を採用すれば上記したと同様な効果が得られる。
（第３の実施の形態）
上記した第１及び第２の実施の形態では、レーザ部Ｉ又はレーザ部Ｉからスポットサイズ変換部IIの途中まで再結合層を形成するようにしたが、レーザ部Ｉ及びスポットサイズ変換部IIの双方に再結合層を形成する構造について以下に説明する。
【００５８】
図１２、図１３及び図１４は、本発明の第３の実施形態の幅テーパ導波路を集積した半導体レーザを形成する工程を示す斜視図である。
まず、図１２(a) に示すように、ＭＯＶＰＥ法等の結晶成長法を用いてn-InP 基板４１の上に不純物濃度５×１０17／ｃｍ3 で膜厚０．５μｍのn-InP バッファ層４２を形成し、続いて、アンドープの量子井戸活性層４３と不純物濃度５×１０17／ｃｍ3 で膜厚０．５μｍの第１のp-InP クラッド層４４を形成する。
【００５９】
その活性層４３の構造は、本発明の効果に影響を与えないが、例えば、圧縮歪１．０％で膜厚６ｎｍのInGaAsP よりなる井戸層と、格子整合でバンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP よりなる障壁層とからなる７層の歪量子井戸構造であり、その歪み量子井戸構造の上と下には、格子整合でバンドギャップ波長１．０５μｍで厚さ３０ｎｍのInGaAsP よりなるＳＣＨ層４３ａ、４３ｂが形成され、これにより波長１．３μｍで動作するようになっている。
【００６０】
次に、第１のp-InP クラッド層４４の上に膜厚２５０ｎｍのSiO2よりなる誘電体膜を形成し、フォトリソグラフィー法によりその誘電体膜をパターニングして光進行方向に沿って第１のマスクパターン４５ａと、第１のマスクパターン４５ａの両側方に１２μｍ離れて第２、第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃを形成する。
【００６１】
第１のマスクパターン４５ａは略ストライプ形状を有し、素子領域の後端から光進行方向に３００μｍの間の領域では幅が１．５μｍと一定であり、出射端から２００μｍから２５μｍの範囲の領域では前端（出射端）に向けて幅が線形に減少して出射端から２５μｍ離れた部分では幅が０．７μｍとなっている。第２のマスクパターン４５ｂと第３のマスクパターン４５ｃは、それぞれ素子領域の後端から３５０μｍの間の領域であって第１のマスクパターンからそれぞれ１２μｍ離れた領域の全面に形成されている。
【００６２】
そのような第１〜第３のパターンを用いて、図１２(b) に示すように、第１のp-InP クラッド層４４からn-InP 基板４１の上部までをエッチングして、第１〜第３のパターン４５ａ〜４５ｃの下には、それぞれ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃを形成する。
そのエッチング方法は、ウェットエッチングを用いても良いが、次の結晶成長段階で形成される再結合層の成長の制御の点からは、ドライエッチングによりほぼ垂直に近いメサ部を形成することが望ましい。ドライエッチングとしては、例えばエタン、水素及び酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いる。
【００６３】
そのような第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃを形成した後に、それらのメサ部４６ａ〜４６ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、ＭＯＶＰＥ法を用いて第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃの周囲に、２回目の結晶成長工程に移る。
即ち、図１２(c) に示すように、第１〜第３のメサ部４６ａ〜４６ｃの周囲のn-InP 基板４１の上に、膜厚０．１μｍのアンドープInP 層（不図示）と、バンドギャップ波長１．２μｍで厚さが０．１μｍのアンドープInGaAsP よりなる再結合層４７と、不純物濃度２×１０18/cm3で膜厚０．９μｍのp-InP 層４８、不純物濃度２×１０18/cm3で膜厚０．７μｍのn-InP 層４９、不純物濃度２×１０18/cm3で膜厚０．１μｍのp-InP 層５０ａを順に成長する。p-InP 層４８とn-InP 層４９は、一般に埋め込み層と呼ばれる。
【００６４】
ところで、図１２，図１３は、素子の構造を模式的に示した図であるために、埋込層４８，４９をほぼ平坦に描いているが、結晶基板上の結晶成長では実際の厚さは均一ではなく、メサ部４６ａ〜４６ｃ近傍では選択成長効果等により変化する。このような結晶成長を行うと、素子領域の後端面近傍はマスクで覆われている領域が広いために、より多くの原材料が第１のメサ部４６ａと４６ｂ、４６ｃに挟まれた狭い結晶成長領域に流れ込んで結晶成長速度が速くなり、結晶成長層の厚さは出射端面に比べて厚くなる。さらに、本実施形態のようにInとGaの２つのIII族元素を含む化合物の場合には、選択成長による原材料の成長部への原料供給量の増大効果がInの方がGaに比べて大きいために、厚さが増大すると同時にバンドギャップ波長が長波長化する。なお、上記した厚さ、濃度、バンドギャップ波長は全て後端面近傍の値である。
【００６５】
また、InGaAsP よりなる再結合層４７の成長中は、結晶成長雰囲気にCH3Cl やHCl 等の塩素を含んだガスを同時に反応雰囲気へ供給することで図示するようにInGaAsP 再結合層４７をメサ部４６ａ〜４６ｃの側面（活性層の両面）上には成長させず、第１のメサ部４６ａの両脇の基板４１面上のみに成長させることを可能にしている。本実施形態では、素子領域の前端面のInGaAsP 再結合層４７の厚さは後端面の近傍の約１／３となっており、バンドギャップ波長も１．１３μｍと短波になっている。
【００６６】
再結合層４７の下のアンドープInP 層（不図示）については、メサ部の側面をまず半導体で覆ってしまう必要があるので、再結合層４７とは逆にCH3Cl 等の塩素系ガスを添加しないか、又は、メサ部の頂部近傍の異常成長を抑制できる程度の微量の添加に留める。
３層目のp-InP 層４８とそれ以降の層については、層厚分布が逆につかない方が望ましい。このため、本実施形態では、再結合層４７までは成長雰囲気の圧力を１００〜１５０Torrに設定して、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIとの成長速度を異ならせて選択成長する一方で、３層目とそれ以降の層では成長圧力を１０〜３０Torr程度まで下げて選択成長の効果が殆ど起こらないようにしている。これにより、本実施形態では３層目以降の層厚の低減は出射端面近傍においても後端面の厚さの約３０％に留まっている。また、塩素系ガスについては、３層目とそれ以降の層の成長の際に、一層目のアンドープInP 層（不図示）の成長と同様に微量導入を行っている。
【００６７】
以上のような埋込層４８，４９、p-InP 層５０ａの成長を終えた後に、第１〜第３のマスクパターン４５ａ〜４５ｃを除去する。その後に、図１３に示すように、ＭＯＶＰＥ法による３回目の結晶成長により、全面に第２のp-InP クラッド層５０ｂを４μｍの厚さに形成し、p-InGaAsP コンタクト層３８を０．５μｍの厚さに成長することにより、結晶層の成長の工程は終了する。
【００６８】
この後に、コンタクト層３８の上にｐ側電極３９を形成し、n-InP 基板４１の下面にｎ側電極４０を形成する。そして、両端面を劈開した後に、必要ならばその端面に反射防止膜等を塗布して素子を完成させる。第２及び第３のメサ部４６ｂ、４６ｃを除いた素子の斜視図を示すと、図１４のようになる。
以上のような本実施形態によれば、再結合層４７は、レーザ部Ｉではほぼ均一の膜厚であり、スポットサイズ変化部では光進行方向の前端に向けて徐々に薄くなっているので、電流注入によりレーザ発振のための利得を与えるスポットサイズが小さなレーザ部Ｉの平坦領域では両脇に厚いInGaAsP 再結合層４７があり、温度特性改善の効果が得られる一方、スポットサイズ変換部IIではスポットサイズの大きな前端面近傍ではInGaAsP 再結合層４７の厚さが薄くかつバンドギャップ波長が短波長化しているために、吸収、屈折率ともに低下しており、InP のみで埋め込んだ従来の構造に比べると影響はゼロではないものの、吸収による動作特性の低下及び高屈折率による光のフィールドの歪みの影響を結晶成長回数を増やすことなく実現できる。
（第４の実施の形態）
第１実施形態において、図１０に示した膜厚テーパ導波路レーザでは、前端近傍から再結合層６を除去した構造を採用しているが、第３実施形態で示したように、前端近傍で再結合層を薄くする構造を採用しても良い。
【００６９】
即ち、図１５に示すように、メサ部５の両側に埋込層７，８を形成する前に、メサ部５の両側に再結合層１７を形成する。その再結合層１７は、レーザ部Ｉでは膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIの前端近傍では膜厚が薄くなっている。なお、再結合層１７以外の構造は第１実施形態と同じであって、図１５において図１０と同じ符号は同じ要素を示している。
【００７０】
再結合層１７の具体的な層構造としては、厚さ４ｎｍでバンドギャップ波長が１．３μｍのInGaAsP よりなる井戸層と、厚さが１０ｎｍでバンドギャップ波長が１．１μｍのInGaAsP よりなる障壁層とを有する１０層の多重量子井戸構造があげられる。そのような量子効果を用いることで層厚の低下が吸収端波長をより短波化するために、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIでの吸収及び屈折率の低減の効果が大きい。
【００７１】
その障壁層の材料としてはInP を用いてもよい。この場合、障壁高さが高くなるために吸収端波長の短波化は大きくなるという利点、及び、埋込層に用いる材料が２種類となり、InP 層については他の埋込層と同一材料なためにメサ部５の側面に成長してもよいことから、成長条件の範囲が緩くなるという利点があるが、障壁層１７がキャリア溜めとならないために、温度特性改善の効果はやや小さくなる。
【００７２】
なお、再結合層１７を形成する場合には、例えば、図８(b)の状態で、図１２(a)に示した第２及び第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃをメサ部５の側方のn-InP基板１上に形成すれば、スポットサイズ変換部IIで再結合層１７を膜厚テーパ形状に形成することができる。
なお、そのような量子井戸構造の再結合層１７と同一構造を、第３実施形態の幅テーパ導波路を集積した半導体レーザの再結合層４７に用いても良い。
（第５の実施の形態）
第２の実施の形態ではp-InP基板２１を使用して膜厚テーパ導波路を集積した半導体レーザ半導体レーザを形成したものであり、その再結合層２８は、レーザ部Ｉのみに形成した構造を有している。しかし、第４実施形態で示したように、その再結合層を前端近傍で薄くする構造を採用してもよい。
【００７３】
即ち、図１６に示すように、メサ部２５の両側に埋込層２６，２７を形成した後に、メサ部２５の両側に再結合層３７を形成する。その再結合層３７は、レーザ部Ｉでは膜厚が厚く、スポットサイズ変換部IIの前端近傍では膜厚が薄くなっている。なお、再結合層３７以外の構造は第２実施形態と同じであって、図１６において図１１と同じ符号は同じ要素を示している。
【００７４】
再結合層３７の具体的な層構造としては、第４実施形態と同じような多重量子井戸構造があげられる。そのような量子効果を用いることで層厚の低下が吸収端波長をより短波化するために、スポットサイズの大きなスポットサイズ変換部IIでの吸収及び屈折率の低減の効果が大きい。
再結合層３７を形成する場合には、第３の実施の形態と同様に活性層をストライプ状のメサに加工する際のマスクパターンに図１２(a) に示した第２及び第３のマスクパターン４５ｂ、４５ｃを形成し、エッチングによりメサ加工した後に、埋込層２６、２７の成長に引き続き再結合層３７を形成することでスポットサイズ変換部IIで再結合層３７を膜厚テーパ形状にすることができる。
【００７５】
この場合、再結合層３７は、活性層２３よりも上に位置するためにｎ型基板のようにメサ部の側面には成長させずに基板上にのみ成長させるという条件はなくなり、製作は容易になる。この場合も、第３実施形態と同様に、再結合層３７以外のInP 層の成長時には層厚変化を抑えるために低い成長圧力で成長する。
（第６の実施の形態）
図１７は、スポットサイズ変換器を集積した半導体光増幅器の活性層の側方の基板上に再結合層を形成した実施形態を示している。
【００７６】
図１７において、n-InP 基板５１の上には第３実施形態と同じ量子井戸構造を有する活性層５２と第１のp-InP クラッド層５３が形成され、第１のクラッド層５３からn-InP 基板５１の上部までは、それぞれ略ストライプ状にエッチングされてメサ部５４となっている。そのエッチングの際には、ストライプ状の誘電体膜（不図示）が第１のp-InP クラッド層の上に形成されている。
【００７７】
その活性層５２は、中央の利得領域では幅が１．３μｍと一定であり、その光進行方向の前方の第１の導波路領域では幅が前方に徐々に狭くなって前端では０．５μｍとなり、さらに、後端側の第２の導波路領域では幅が後方に徐々に狭くなって後端では０．５μｍとなっている。
そのメサ部５４の両側方のn-InP 基板５１の上には、ＭＯＶＰＥ法により、InGaAsP よりなる井戸層とInP よりなる障壁層を有する量子井戸構造の再結合層５５が形成されている。その再結合層５５は、利得領域では膜厚が一定で厚く、第１の導波路領域では前方に徐々に薄くなり、また、第２の導波路領域では後方に徐々に薄くなっている。
【００７８】
その再結合層５５の上には、ＭＯＶＰＥ法によって第１のn-InP 層５６、第１のp-InP 層５７、第２のn-InP 層５８が順に形成されている。
そのような結晶成長を終えた後に、ストライプ状の誘電体膜を除去し、さらに、ＭＯＶＰＥ法により全体に第２のp-InP クラッド層５９、p-InGaAsP コンタクト層６０を形成する。また、コンタクト層６０の上にｐ側電極（不図示）を形成し、さらに、n-InP 基板５１の底面にｎ側電極（不図示）を形成する。
【００７９】
そのような半導体光増幅素子では、スポットサイズ変換器は直接結合で形成した幅テーパ導波路を用いている。スポットサイズ変換器を集積した素子では、光ファイバ等の外部の光導波路と直接結合をするために素子の活性層５２に結合しないで素子を透過してしまういわゆる迷光が発生しやすく、消光比があがらないという問題がある。
【００８０】
しかし、本実施形態の光半導体素子では、上記した実施形態で温度特性改善のために再結合層として用いていた量子井戸構造の層に迷光を吸収するための機能を持たせている。
この場合、スポットサイズの大きい第１及び第２の導波路領域では、再結合層５５の吸収が利得特性を劣化させるので、吸収を抑えることが必要となり、層厚を薄くしてバンドギャップ波長を短波化することは有効である。
【００８１】
この場合には、埋込層中に設けられた多重量子井戸構造は迷光を吸収するために設置しているので、再結合層５５の上にのみに第１のn-InP層５６を成長した後に、第１のp-InP層、第２のn-InP層、第２のp-InPクラッド層５９の電流ブロック構造が成長されている。
なお、図１７では、第１の光導波路領域の前端と第２の光導波路領域の後端で活性層５２が露出するような構造となっているが、図１８に示すように、それらの前端と後端から中央寄りに離れた位置で終端し、その上のn-InP層５８を窓構造５８ａにしてもよい。これによれば、前端面及び後端面には多重量子井戸構造の再結合層５５が存在する構造となる。
（第７の実施の形態）
本発明では、スポットサイズ変換部において、光のスポットが活性層から外れることを防止するための構造を備えたテーパ導波路レーザとその製造方法について説明する。
【００８２】
まず、図１９(a) に示すように、ｎ型（n-）InP 基板６１の（１００）面上にn-InP クラッド層６２を形成する。また、n-InP クラッド層６２上にSiO2よりなる第１の誘電体膜６３を形成し、ついで、第１の誘電体膜６３をフォトリソグラフィー法によりパターニングしてレーザ部Ｉに＜１１０＞方向に長いストライプ状の第１の開口６３ａを形成するとともにスポットサイズ変換部IIではそれよりも広い第２の開口６３ｂを形成する。
【００８３】
その後に、第１の誘電体膜６３の第１及び第２の開口６３ａ，６３ｂから露出しているn-InP クラッド層６２上にアンドープの量子井戸活性層（コア層）６４、第１のp-InP クラッド層６５をＭＯＶＰＥ法により順に形成すると、それらの層６４，６５は、第１の開口６３ａ内ではほぼ一定の厚さになるとともに、第２の開口６３ｂ内では＜１１０＞方向でレーザ部Ｉから遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状となる。その量子井戸活性層６４は、例えば、圧縮歪１．０％で膜厚６ｎｍのInGaAsP よりなる井戸層と、バンドギャップ波長が１．１μｍで膜厚１０ｎｍのInGaAsP よりなる障壁層とからなる７層の歪量子井戸構造であり、その歪量子井戸構造の上と下には、格子整合でバンドギャップ波長１．０５μｍで厚さ３０ｎｍのInGaAsP よりなるＳＣＨ層（不図示）が形成され、これにより波長１．３μｍで動作するようになっている。
【００８４】
次に、第１の誘電体膜６３をバッファドフッ酸により除去した後に、SiO2よりなる第２の誘電体膜を全体に形成し、この第２の誘電体膜を図１９(b) に示すようにパターニングして光進行方向に沿ってストライプ状の第１のマスクパターン６６ａを形成し、さらに、第１のマスクパターン６６ａの両側方に離れて第２、第３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃを形成する。
【００８５】
即ち、図２０に示すように、第１のマスクパターン６６ａは、幅が１．８μｍであり、光進行方向に延びるストライプ形状を有している。また、第２のマスクパターン６６ｂと第３のマスクパターン６６ｃは、それぞれスポットサイズ変換部IIの前端及びその近傍の領域であって第１のマスクパターン６６ａを挟んで互いに８０μｍの距離で離れ、それぞれ１１０μｍの幅を有して形成されている。
【００８６】
なお、第２の誘電体膜のパターニングは、フォトレジスト（不図示）をマスクとして使用し、バッファドフッ酸をエッチング液として用いるフォトリソグラフィー法により行われる。そして、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃを形成した後に、フォトレジストは有機溶液により剥離される。
そのような第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに覆われない領域の第１のp-InP クラッド層６５からn-InP 基板６１の上部までのダブルヘテロ構造をエッチングすることにより、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃの下には、図１９(c) に示すようにそれぞれ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部６７ａ〜６７ｃを形成する。そのエッチングは、炭化水素系ガスを用いる例えば反応性イオンエッチング法を用いる。
【００８７】
そのような第１〜第３のメサ部６７ａ〜６７ｃを形成し、それらのメサ部６７ａ〜６７ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、第１〜第３のメサ部６７ａ〜６７ｃの間とその周辺のn-InP 基板６１上に結晶成長を行う。即ち、図２２に示すように、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに覆われない領域に、ＭＯＶＰＥ法により第１のp-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂを埋込層６８として形成する。
【００８８】
ＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長において、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃ上では原料が消費されずにその周辺の領域に過剰に供給されるために、第１のマスクパターン６６ａと第２のマスクパターン６６ｂに挟まれた領域と、第１のマスクパターン６６ａと第３のマスクパターン６６ｃに挟まれた領域で結晶成長レートが最も大きくなり、さらに、第２及び第３のマスクパターン６６ｃ、６６ｂに挟まれない領域での結晶成長レートが小さくなる。ただし、第２及び第３のマスクパターン６６ｃ、６６ｂに挟まれない領域であっても第１のマスクパターン６６ａの近傍では膜厚が比較的厚くなって盛り上が生じてしまう。
【００８９】
また、ＭＯＶＰＥ成長においては、n-InP 層６８ｂを成長する際のｎ型ドーパントの原料ガスとしてシラン（SiH4）を用いると、成長レートが大きくなるほど結晶中へのシリコンの取り込まれ量は小さくなる。これにより、成長レートの大きいスポットサイズ変換部IIではｎ型ドーパントの濃度が小さくなる。また、InGaAsP 等の半導体を成長する場合には、マスク近傍においてInの方がGaより多く成長領域に供給される。そのため、マスク周辺の成長レートが大きい領域ではよりInの組成が大きくなる。
【００９０】
このような原理から、第２、第３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃの形状、位置に対応してストライプ状の第１のメサ部６７ａの両脇の埋込層６８の膜厚、ドーピング濃度、混晶組成が光の導波方向に沿って連続的に変化する。
この性質を利用して、第１のメサ部６７ａの両脇のマスク形状を最適化することにより、素子の埋込層６８を光の導波方向に沿って変化させ、各領域において最適な構造とすることができる。
【００９１】
本実施形態では、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃのそれぞれの間に挟まれたスポットサイズ変換部IIでの結晶成長速度は、第２及び第３のマスクパターン６６ｂ、６６ｃに挟まれないレーザ部Ｉでの結晶成長速度に比べて約２倍としている。さらに、n-InP 層６８ｂのシリコンの濃度は第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃに挟まれたスポットサイズ変換部IIで小さくしている。
【００９２】
例えば、レーザ部Ｉにおけるp-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの膜厚をそれぞれ０．６μｍ、１．０μｍとする。また、成長レートが相対的に大きくなっているスポットサイズ変換部IIにおいては、p-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの膜厚を、それぞれ前端で１．２μｍ、２．０μｍとしている。但し、これらの膜厚は第１のメサ部６７ａから４μｍ離れた領域の埋込層６８の成長面が（１００）面に平行になっている部分での値である。
【００９３】
また、p-InP 層６８ａのドーパント濃度を２×１０18/cm3としてある。更に、n-InP 層６８ｂのドーパント濃度は、成長速度の大きいスポットサイズ変換部IIで１×１０18/cm3、成長速度の小さいレーザ部Ｉで２×１０18/cm3となされている。
以上のような埋込層６８の形成を終えた後に、第１〜第３のマスクパターン６６ａ〜６６ｃをバッファドフッ酸によって除去した後に、再びＭＯＶＰＥ法により基板全面に第２のp-InP クラッド層６９、p-InGaAsコンタクト層７０を成長し、少なくとも活性層６４の膜厚が一定な領域、即ち、レーザ部Ｉとなる部分の基板６１の上方の面を平坦化する。
【００９４】
上記した実施形態では、レーザ部Ｉに比べてスポットサイズ変換部IIにおける埋込層６８の膜厚が大きくなる。従って、第１のメサ部６７ａの両脇での埋込層６８の盛り上がりが大きくなり、この領域におけるp-InP クラッド層６９，p-InGaAsコンタクト層７０の平坦化が従来技術と同様の膜厚では困難である。これらの層６９，７０を平坦化しようとする場合には、ＭＯＶＰＥ成長において、原料ガスにCH3Cl ガスを適量添加する平坦化成長技術を用いると、その平坦化を促進することができる。
【００９５】
その後に、レーザ部Ｉのコンタクト層７０の上にｐ側電極７１を形成し、さらに、n-InP 基板６１の下にｎ側電極７２を形成する。
以上のような工程により形成された光半導体装置では、活性層６４は図２１に示すようにクラッド層６２と埋込層６８に囲まれてレーザ部Ｉではほぼ一定の膜厚、スポットサイズ変換部IIでは膜厚がテーパ形状に変化している。また、レーザ部Ｉの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２２(a) に示すようになり、またスポットサイズ変換部IIの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２２(b) に示すようになる。
【００９６】
次に、本実施形態における作用効果を説明する。
図２２(a) において、活性層６４周辺の屈折率の高いp-InP 層６８ａはレーザ部Ｉにおいて薄くなる。これは、レーザ部Ｉにおいては埋込層６８の成長レートが小さくなることに起因する。その結果、レーザ部Ｉにおける活性層６４とn-InP 層６８ｂとの間隔Ａが狭くなって、活性層６４とn-InP 層６８ｂの間隙に流れる電流量が小さくなり、活性層６４への電流の注入効率が高くなる。
【００９７】
一方、図２２(b) において、活性層６４周辺の屈折率の高いp-InP 層６８ａはスポットサイズ変換部IIにおいて十分に厚くなり、n-InP 層６８ｂと活性層６４との距離Ａがレーザ部よりも広がる。これは、スポットサイズ変換部IIにおいては埋込層６８の成長レートが大きくなることに起因する。その結果、スポットサイズ変換部IIにおける光分布の中心は活性層６４の中心からズレないでその周辺に広がる。
【００９８】
さらに、スポットサイズ変換部IIでは埋込層６８のn-InP 層６８ｂのドーパント濃度が小さくなっていることから、この部分における屈折率はレーザ部Ｉに比べると大きくなり、周囲のp-InP 層６８ａ、６９の屈折率に近づいている。これにより、スポットサイズ変換部IIにおいて導波方向に垂直な面内の光分布の歪みの発生が抑制され、真円に近い形状になる。
【００９９】
この実施形態において本質的なことは、スポットサイズ変換部IIにおいて、活性層６４の周囲の屈折率が高い部分の断面積を大きくすることと、活性層の周辺の埋込構造の屈折率分布を小さくすることである。
したがって、これらの構造が実現される限り、埋込層の構成の元素組成、ドーパントの種類、濃度、或いは活性層の両側の複雑な埋込層の形状などによらず、上記したような効果を得ることができる。
【０１００】
しかも、本実施形態では、図２(b) に示した従来技術と比較してマスクのパターニングのためのフォトマスクの変更だけであり、従来技術に比べて何ら工程が複雑化せず、極めて簡単に図２１、図２２に示した構造が得られる。
（第８の実施の形態）
第７の実施の形態では、スポットサイズ変換部IIにおける埋込層６８の層厚がレーザ部Ｉに比べて例えば約２倍程度に大きくなる。これに従って、第１のメサ部６７ａの両脇での埋込層６８のn-InP 層６８ｂの最上面の盛り上がりがスポットサイズ変換部において従来技術を用いたときよりも大きくなる。この盛り上がりを防止するために塩素添加成長技術を導入して盛り上がり量を小さくすることも可能であるが、レーザ部Ｉでの電流狭窄効果を考慮するとあまり用いたくはない。
【０１０１】
そこで、埋込層の全体の凹凸差を小さくするために、埋込層６８を成長する際に、p-InP 層６８ａの成長時とn-InP 層６８ｂの成長時とで成長圧力を変化させるのが好ましい。
例えば、p-InP 層６８ａを成長させる時の成長圧力を１００Torrに設定し、また、n-InP 層６８ｂを成長する時の成長圧力を１０Torrと小さく設定すると、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIとのp-InP 層６８ａの成長レートの差を、n-InP 層６８ｂの成長レートの差よりも大きくすることができる。これにより、例えば、p-InP 層６８ａの膜厚はスポットサイズ変換部IIで１．２μｍ、レーザ部Ｉで０．６μｍと差が大きく変化するが、n-InP 層６８ｂの膜厚はスポットサイズ変換部IIでは１．５μｍ、レーザ部Ｉで１．０μｍとなって差が小さくなる。
【０１０２】
これにより、活性層６４周辺のp-InP 層６８ａの断面積はスポットサイズ変換部IIにおいて第７実施形態と同様に大きくなるが、n-InP 層６８ｂについてはスポットサイズ変換部IIでは第７実施形態よりも薄くなる。従って、埋込層の全体の盛り上がりを小さく抑えながら、p-InP 層６８ａのみを厚くすることが可能になり、その埋込層６８を形成した後に、第２のp-InP クラッド層６９、p-InGaAsコンタクト層７０の最上面の平坦化が比較的容易になる。
（第９の実施の形態）
第８実施形態では、埋込層６８のうちスポットサイズ変換部IIでのp-InP 層の膜厚を増やし、n-InP 層の膜厚を薄くする方法として成長圧力を変化させる方法を採用している。本実施形態では、p-InP 層とn-InP 層の間に中間層を形成することによってp-InP 層の膜厚を増加させることについて説明する。
【０１０３】
図２３(a) は、本実施形態に係るテーパ導波路レーザのレーザ部Ｉでの光進行方向に垂直な断面を示し、図２３(b) は、そのスポットサイズ変換部IIでの光進行方向に垂直な断面を示している。なお、図２３(a),(b) において、図２２(a),(b) と同じ符号は同じ要素を示している。
本実施形態の光半導体素子は、埋込層６８の形成工程を除いて、第７実施形態と同じ工程で形成される。
【０１０４】
その埋込層６８は、第６実施形態で示したp-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂの間に中間層６８ｃが形成されている。その中間層６８ｃは、p-InP 層６８ａとn-InP 層６８ｂと同じ結晶成長工程で形成される。インジウムのソースガスとしてはトリメチルインジウム、リンのソースガスとしてはホスフィンを使用し、また、ｐ型ドーパント原料としてのジエチルジンク（Zn(C2H5)2)）と、ｎ型ドーパント原料としてのシラン（SiH4）を同時に使用する。この場合、結晶成長速度の小さい領域ではｎ型ドーパントであるシリコンが取り込まれやすく、ｐ型ドーパントである亜鉛にはそのような性質がない。
【０１０５】
従って、シランとジメチルジンクの流量を調整することにより、結晶成長速度の小さいレーザ部Ｉでは中間層６８ｃをｎ型にするとともに、結晶成長速度の大きなスポットサイズ変換部IIでは中間層６８ｃをｐ型にすることが可能になる。例えば、レーザ部Ｉでの中間層６８ｃは例えば不純物濃度５×１０17/cm3のｎ型となり、スポットサイズ変換部IIでの中間層６８ｃは例えば不純物濃度５×１０18/cm3のｐ型となる。
【０１０６】
その中間層６８ｃの膜厚をレーザ部Ｉにおいて０．２μｍに設定する。また、レーザ部１では、中間層６８ｃの上に形成されるn-InP 層６８ｂの膜厚を第７実施形態よりも０．２μｍ薄くし、p-InP 層６８ａの膜厚を第７実施形態と同じにすると、埋込層６８全体の膜厚は第７実施形態とほぼ同じになる。
これにより、スポットサイズ変換部IIの埋込層６８では、ｐ型の中間層６８ｃを含めたp-InP 層の膜厚は厚くなって、n-InP 層６８ｂと活性層６４の距離Ａは第７実施形態よりもさらに大きくなって光出射端での良好な光分布が得られる。
（第１０実施の形態）
第７〜第９実施形態では、n-InP 基板を用いて光半導体素子を構成することについて説明したが、本実施形態では、p-InP 基板を用いて光半導体素子を構成することについて説明する。
【０１０７】
まず、図１９(a) に示すと同様な工程に沿って、ｐ型（p-）InP 基板８１上にp-InP クラッド層８２、アンドープの量子井戸活性層８４、第１のn-InP クラッド層８５をＭＯＶＰＥ法により順に形成することにより、それらの層を図２４(a) に示すようにレーザ部Ｉではほぼ一定の厚さにするとともに、スポットサイズ変換部IIではレーザ部Ｉから光進行方向に遠ざかるにつれて徐々に膜厚が薄くなるような膜厚テーパ形状とする。その量子井戸活性層８４は、例えば第７実施形態の量子井戸活性層６４と同じ構造とする。
【０１０８】
次に、SiO2よりなる誘電体膜を第１のn-InP クラッド層８５の上に形成し、この誘電体膜を図２４(b) に示すようにパターニングして光進行方向に沿ってストライプ状の第１のマスクパターン８６ａを形成し、さらに、第１のマスクパターン８６ａの両側方に離れて第２、第３のマスクパターン８６ｂ、８６ｃを形成する。
【０１０９】
即ち、図２５に示すように、第１のマスクパターン８６ａは、幅が１．８μｍ、長さが５００μｍであり、光進行方向に延びるストライプ形状を有している。また、第２のマスクパターン８６ａと第３のマスクパターン８６ｃは、それぞれレーザ領域の後端からスポットサイズ変換領域の後端にかけた領域であって、第１のマスクパターン８６ａを挟んで互いに８０μｍの距離で離れ、それぞれ１１０μｍの幅を有して形成されている。
【０１１０】
そのような第１〜第３のマスクパターン８６ａ〜８６ｃに覆われない領域の第１のn-InP 層８５からp-InP 基板８１の上部までのダブルヘテロ構造をエッチングすることにより、第１〜第３のマスクパターン８６ａ〜８６ｃの下には、図２４(c) に示すようにそれぞれ高さ２μｍの第１〜第３のメサ部８７ａ〜８７ｃを形成する。
【０１１１】
その後に、エッチングにより発生したメサ部８７ａ〜ｃの側面のダメージを硫酸系の溶液で除去した後に、誘電体膜８６ａ〜８６ｃに覆われない領域のp-InP 基板８１上に結晶選択成長を行う。即ち、図２６に示すように、誘電体膜８６ａ〜８６ｃに覆われない領域に、ＭＯＶＰＥ法により第１のn-InP 層８９ａ、n-InP 層８９ｂと第２のp-InP 層８９ｃを埋込層８９として形成する。なお、第１のn-InP 層８９ｂは、メサ部８７側面とp-InP 基板８１上面に沿って薄く形成される。
【０１１２】
ＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長において、誘電体膜８６ａ〜８６ｃ上では原料が消費されずにその周辺の領域に過剰に供給されるために、誘電体膜８６ａと８６ｂに挟まれた領域と、誘電体膜８６ｂと８６ｃに挟まれた領域で結晶成長レートが最も大きくなる。しかし、マスクパターン８６ｂ、８６ｃに挟まれない領域では結晶成長レートが小さくなる。
【０１１３】
従って、埋込層８８の膜厚分布は、スポットサイズ変換部IIよりもレーザ部Ｉの方が厚くなる。
また、埋込層８９の成長圧力については、n-InP 層８９ｂの成長時には１００Torrとし、第１及び第２のp-InP 層８９ａ、８９ｃの成長時には１０Torrとすると、レーザ部Ｉとスポットサイズ変換部IIでの結晶成長速度の差を比較すると、n-InP 層８９ｂの成長速度の差は、p-InP 層８９ａ、８９ｂの成長速度の差よりも大きくなる。
【０１１４】
これにより、スポットサイズ変換部IIにおいては、n-InP 層８９ｂの膜厚が従来技術に比べて薄くなって活性層８４の周囲のp-InP 層の領域が厚くなるので、第７実施形態と同様に導波路方向に垂直な面内で良好な光分布が得られる。 なお、レーザ部Ｉにおける第１のp-InP 層８９ａの膜厚を０．２μｍ、n-InP 層８９ｂの膜厚を０．８μｍ、第２のp-InP 層８９ｃの膜厚を０．６μｍとする。また、スポットサイズ変換部IIにおける第１のp-InP 層８９ａの膜厚を０．１３μｍ、n-InP 層８９ｂの膜厚を０．４μｍ、第２のp-InP 層８９ｃの膜厚を０．４μｍとする。
【０１１５】
次に、誘電体膜８６ａ〜８６ｃをバッファドフッ酸によって除去した後に、再びＭＯＶＰＥ法により基板全面に第２のp-InP クラッド層９０、p-InGaAsコンタクト層９１を成長し、少なくとも活性層８４の膜厚が一定な領域、即ち、レーザ部Ｉとなる部分の基板６１の上方の面を平坦化する。
その後に、レーザ部Ｉのコンタクト層９１の上にｐ側電極９２を形成し、さらに、n-InP 基板８１の下にｎ側電極９３を形成する。
【０１１６】
以上のような工程により形成された光半導体装置では、活性層８４は図２６に示すようにクラッド層８２，８５，９０と埋込層８９に囲まれてレーザ部Ｉではほぼ一定の膜厚、スポットサイズ変換部IIでは膜厚がテーパ形状に変化している。
また、レーザ部Ｉの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２７(a) に示すようになり、またスポットサイズ変換部IIの光進行方向に対して垂直の断面形状は図２７(b) に示すようになる。
【０１１７】
次に、本実施形態における作用効果を説明する。
図２７(a) において、活性層８４両側の屈折率の高いp-InP 層８９ａはレーザ部Ｉにおいて薄くなっている。その結果、レーザ部Ｉにおける活性層８４とn-InP 層８９ｂとの間隔が狭くなって、活性層８４とn-InP 層８９ｂの間隙に流れる電流が小さくなり、活性層８４への電流の注入効率が高くなる。
【０１１８】
図２７(b) において、活性層８４周辺の屈折率の高いn-InP 層８９ｂはスポットサイズ変換部IIにおいて十分に薄くなる。その結果、スポットサイズ変換部IIにおける光分布の中心は活性層８４の中心からズレないでその周辺に均一に広がる。
なお、本実施形態においても、第９実施形態と同様に、埋込層８９内で、レーザ部Ｉではｎ型、スポットサイズ変換領域IIではｐ型になるような中間層をn-InP 層８９ｂと第２のp-InP 層８９ｃの間に形成してもよい。
｛付 記｝
（１）半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では光のスポットサイズを変化する形状に形成されたストライプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間に形成されたｐｎ接合を有する埋込層と、前記スポットサイズ変換領域の少なくとも前記スポットサイズが拡大される端面近傍を除いて前記埋込層中に形成され、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材料よりもバンドギャップの狭い材料からなる再結合層とを有することを特徴とする光半導体装置。
（２）前記再結合層は、前記第１のクラッド層寄り又は前記第２のクラッド層寄りに形成されることを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（３）前記スポットサイズ変換領域において、前記コア層は前端に向けて膜厚又は幅がテーパ状に小さくなっていることを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（４）前記再結合層は、量子井戸層を有する多重量子井戸構造を有することを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（５）前記コア層は量子井戸層を含む多重量子井戸層からなり、前記スポットサイズ変換領域で厚さが変化することを特徴とする（１）に記載の光半導体装置。
（６）半導体基板上で利得領域とスポットサイズ変換領域とに形成され、かつ、該スポットサイズ変換領域では光のスポットサイズを変化する形状に形成されたストライプ状のコア層と、前記コア層の上と下に形成された第１及び第２のクラッド層と、前記コア層の両側で前記第１及び第２のクラッド層の間に形成れたｐｎ接合を有する埋込層と、前記第１及び第２のクラッド層を構成する材料よりもバンドギャップの狭い材料からなり、前記スポットサイズ変換領域において前記活性層と平行な方向で膜厚又はバンドギャップが変化して前記埋込層に形成された再結合層とを有することを特徴とする光半導体装置。
（７）前記再結合層の前記膜厚は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域で値が小さい、もしくは前記再結合層の前記バンドギャップは前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域で値が大きいことを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（８）前記再結合層は、前記第１及び第２クラッド層のうちの一導電型層と前記埋込層の反対導電型層とに挟まれていることを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（９）前記再結合層は、前記第１及び第２クラッド層のうちの第１導電型層と前記埋込層の第１導電型層とに挟まれていることを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（１０）前記再結合層は、量子効果の生じる厚さ以下の層が少なくとも一層有することを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（１１）前記再結合層は、前記第１及び第２のクラッド層と同一材料からなる障壁層と、該障壁層よりもバンドギャップが狭い井戸層とを有する多重量子井戸構造を有していることを特徴とする（６）に記載の光半導体装置。
（１２）活性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上に形成する工程と、前記多層構造の上にストライプ状の第１マスクパターンを形成し、該第１マスクパターンに覆われない部分の前記多層構造をエッチングして、光閉じ込めを大きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域を有するストライプ状のメサ部を形成する工程と、前記メサ部のうち前記第１領域において前記メサ部の両側面から離れた領域に第２マスクパターンと第３マスクパターンを前記半導体基板の上に配置する工程と、前記第１〜第３マスクパターンに覆われない領域に、前記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭い再結合層を含み且つ前記第２の領域のうち前記第１領域に隣接しない側の端部で膜厚が薄くなる層を含む多層構造の埋め込み層を形成する工程と、前記第１〜第３マスクパターンを除去した後に、前記メサ部と前記埋込層の上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（１３）前記再結合層は、塩素を含むガスを導入した雰囲気中で成長されることを特徴とする（１２）に記載の光半導体装置の製造方法。
（１４）前記埋込層を形成する際に、前記再結合層の成長圧力はその他の層の成長圧力よりも高いことを特徴とする（１２）又は（１３）に記載の光半導体装置の製造方法。
（１５）基板側の一導電型クラッド層と、前記一導電型クラッド層の上に形成された半導体からなるコア層と、前記コア層の上に形成された反対導電型クラッド層と、元素組成、不純物濃度、膜厚の少なくとも１つが光導波方向に沿って連続的に変化し、かつ前記コア層の両側領域に形成された埋込構造とを有することを特徴とする光半導体装置。
（１６）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ型層又は前記ｐ型層のうち少なくとも一方の厚さが光りの導波方向に変化していることを特徴とする（１５）に記載の光半導体装置。
（１７）前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に薄くまたは狭く変化させたスポットサイズ変換領域と、前記コア層の膜厚または幅を前記光導波方向に実質的に変化させない利得領域とを有することを特徴とする（１５）に記載の光半導体装置。
（１８）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記スポットサイズ変換領域においては、前記利得領域よりも前記ｎ型層と前記コア層との距離が広がっていることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（１９）前記ｎ型層と前記ｎ型層が前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域の方が厚く形成される場合に、前記ｐ型層の膜厚の増加の割合が前記ｎ型層の膜厚の増加の割合よりも大きいことを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（２０）前記一導電型クラッド層がｐ型クラッド層の場合に、前記埋込構造中のｎ型層の膜厚は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域の方が薄く形成されることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（２１）前記埋込構造はｎ型層とｐ型層を有し、前記ｎ型層の不純物濃度は、前記利得領域よりも前記スポットサイズ変換領域の方が低く形成されることを特徴とする（１７）に記載の光半導体装置。
（２２）前記埋込構造は、光導波方向で一導電型層から反対導電型層に変化する層を有することを特徴とする（１５）に記載の光半導体装置。
（２３）半導体基板上に活性層と上側クラッド層を形成する工程と、 前記活性層から前記半導体基板の上部までの一部をエッチングすることによりストライプ状のメサ部を形成する工程と、前記メサ部の上の第１の領域と、前記メサ部の両側方に離れた前記半導体基板の上であって前記メサ部の延びる方向に形状が変化する形状の第２、第３の領域とを誘電体マスクで覆った状態で、前記第１〜第３の領域を除く前記半導体基板の上に、層数、層厚、元素組成、不純物濃度のうち少なくとも１つを光の進行方向に沿って連続的に変化させる埋込構造を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（２４）前記埋込構造の成長方法としてＭＯＶＰＥ法を用い、前記埋込構造を構成するｎ型層を形成する際に不純物の原料としてシランを用いることを特徴とする（２３）に記載の光半導体装置の製造方法。
（２５）前記埋込構造の成長において、圧力を変化させることを特徴とする（２３）に記載の光半導体装置の製造方法。
【０１１９】
【発明の効果】
以上述べたように第１の発明によれば、埋込型光半導体装置において利得領域（レーザ領域）とスポットサイズ変換領域に形成されたコア層（活性層）の両側方において、利得領域または利得領域からスポットサイズ変換領域の前端近傍を除いた領域に、バンドギャップが小さい再結合層を形成したので、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層による吸収が回避され、スポットサイズ変換器の損失を小さくし、閾値電流の上昇や効率の低下を防止することができる。
【０１２０】
第２の発明によれば、コア層（活性層）の両側に形成される再結合層のうち、スポットサイズ変換領域の端部での膜厚を利得領域での膜厚に比べて薄く形成したので、光スポットサイズが拡大する部分での再結合層による吸収を少なくし、スポットサイズ変換器の損失を小さくし、閾値電流の上昇や効率の低下を抑制できる。
【０１２１】
第３の発明によれば、コア層（活性層）と埋込構造のｎ型層との距離について、利得領域では狭く、スポットサイズ変換領域では広くするようにしたので、スポットサイズ変換領域では、光強度の中心はコア層の中心に重ね、真円に近くすることができる。これと同時に、利得領域では、コア層とｎ型層の間隔が小さくなるために、電流狭窄効果が高くなって電流を効率よく活性層に注入することができる。従って、良好な電流−光出力特性を持ち、かつ、素子と光ファイバとの結合損失が小さく、優れた素子を得ることができる。
【０１２２】
また、第３の発明によれば、埋込構造中のｎ型層の不純物濃度をスポットサイズ変換領域では低くし、利得領域では高くしているので、スポットサイズ変換領域でのｎ型層の屈折率を小さくして光分布を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に係るテーパ導波路レーザの側断面図である。
【図２】従来技術に係るテーパ導波路レーザの製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図３】従来技術に係るテーパ導波路レーザの製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図４】従来技術に係る第１のテーパ導波路レーザの光進行方向に垂直な断面図である。
【図５】従来技術に係る第２のテーパ導波路レーザの光進行方向に垂直な断面図である。
【図６】従来のＤＣＰＢＨレーザの断面図である。
【図７】従来の埋込型半導体レーザの断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る光半導体素子を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その１）である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図（その２）である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図１５】本発明の第４実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係る光半導体素子を示す断面図である。
【図１７】本発明の第６実施形態に係る第１の光半導体増幅素子を示す斜視図である。
【図１８】本発明の第６実施形態に係る第２の光半導体増幅素子を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。
【図２０】本発明の第７実施形態における結晶成長工程で用いるマスクと基板との配置関係を示す平面図である。
【図２１】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図２２】本発明の第７実施形態に係る光半導体素子の断面図である。
【図２３】本発明の第９実施形態に係る光半導体素子の断面図である。
【図２４】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子の製造工程を示す斜視図である。
【図２５】本発明の第１０実施形態における結晶成長工程で用いるマスクと基板との配置関係を示す平面図である。
【図２６】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子の斜視図である。
【図２７】本発明の第１０実施形態に係る光半導体素子の断面図である。
【符号の説明】
Ｉ…レーザ部、ＩＩ…スポットサイズ変換部、１…n-InP 基板、２…バッファ層、３…活性層、４…p-InP 層、５…メサ部、６…再結合層、７…p-InP 層、８…n-InP 層、９…p-InP 層、１０…n-InP 層、１１…コンタクト層、１２…ｐ側で、１３…ｎ側電極、１７…再結合層、２１…p-InP 基板、２２…p-InP 層、２３…活性層、２４…n-InP クラッド層、２５…メサ部、２６…n-InP 層、２７…p-InP 層、２８…再結合層、２９…n-InP クラッド層、３０…コンタクト層、３１…ｎ側電極、３２…ｐ側電極、３７…再結合層、４１…n-InP 基板、４２…n-InP バッファ層、４３…活性層、４４…p-InP クラッド層、４５ａ〜４５ｃ…マスクパターン、４６ａ〜４６ｃ…メサ部、４７…再結合層、４８…p-InP 層、４９…n-InP 層、５０ａ、５０ｂ…p-InP クラッド層、３８…コンタクト層、３９…ｐ側電極、４０…ｎ側電極、６１…n-InP 基板、６２…n-InP クラッド層、６３…誘電体膜、６４…活性層、６５…p-InP クラッド層、６６ａ〜６６ｃ…マスクパターン、６７ａ〜６７ｃ…メサ部、６８ａ…p-InP 層、６８ｂ…n-InP 層、６８ｃ…中間層、６８…埋込層、６９…クラッド層、７０…コンタクト層、７１…ｐ側電極、７２…ｎ側電極、８１…p-InP 基板、８２…p-InP クラッド層、８３…誘電体膜、８４…活性層、８５…n-InP クラッド層、８６…誘電体膜、８７…メサ部、８８ａ、８８ｂ…マスクパターン、８９ａ…p-InP 層、８９ｂ…n-InP 層、８９ｃ…p-InP 層、８９…埋込層、９０…n-InP クラッド層、９１…コンタクト層、９２…ｐ側電極、９３…ｎ側電極。
Claims (4)
- 活性層を含む多層構造を第１のクラッド層の上に形成する工程と、
前記多層構造の上に、光閉じ込めを大きくする第１領域と光閉じ込めを小さくする第２領域とにまたがるストライプ状の第１マスクパターンと、前記第１マスクパターンの両側方に離間して、前記第２領域の出射端面側で短くなるように前記第１領域及び第２領域に第２マスクパターンと第３マスクパターンを形成する工程と、
前記第１〜第３マスクパターンに覆われない部分の前記多層構造をエッチングして、前記第１〜第３マスクパターンに対応する第１〜第３メサ部を形成する工程と、
エッチングされた前記第１〜第３メサ部の周囲に、前記第１のクラッド層よりもバンドギャップが狭く、前記第２領域のうち前記第１領域に隣接しない側の端部で膜厚が薄くなる再結合層を含む多層構造の埋め込み層を形成する工程と、
前記第１〜第３マスクパターンを除去した後に、前記メサ部と前記埋め込み層の上に第２のクラッド層を形成する工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。 - 前記再結合層を形成した後に、前記埋め込み層を形成することを特徴とする請求項１記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記再結合層は、塩素を含むガスを導入した雰囲気中で成長されることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置の製造方法。
- 前記埋め込み層を形成する際に、前記再結合層の成長圧力はその他の層の成長圧力よりも高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28702499A JP4541469B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 光半導体装置及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28702499A JP4541469B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 光半導体装置及びその製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009120313A Division JP4985703B2 (ja) | 2009-05-18 | 2009-05-18 | 光半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001111170A JP2001111170A (ja) | 2001-04-20 |
| JP4541469B2 true JP4541469B2 (ja) | 2010-09-08 |
Family
ID=17712065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28702499A Expired - Fee Related JP4541469B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 光半導体装置及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4541469B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4534449B2 (ja) * | 2003-08-28 | 2010-09-01 | 日本電気株式会社 | Ｍｍｉ型半導体レーザおよびその製造方法 |
-
1999
- 1999-10-07 JP JP28702499A patent/JP4541469B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001111170A (ja) | 2001-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6426515B2 (en) | Semiconductor light-emitting device | |
| US20040179569A1 (en) | Wavelength tunable DBR laser diode | |
| JP3484394B2 (ja) | 光半導体装置およびその製造方法 | |
| EP0846967B1 (en) | Optical semiconductor device and method of fabricating the same | |
| JPH07235732A (ja) | 半導体レーザ | |
| JPWO2007096939A1 (ja) | 光半導体装置とその製造方法 | |
| EP0680119B1 (en) | Fabrication process for semiconductor optical device | |
| JPH07106685A (ja) | 半導体レーザ | |
| EP1416598A2 (en) | Semiconductor light emitting device in which high-power light output can be obtained with a simple structure | |
| JP2000269587A (ja) | 光半導体装置及びその製造方法 | |
| JP2900824B2 (ja) | 光半導体装置の製造方法 | |
| JP2882335B2 (ja) | 光半導体装置およびその製造方法 | |
| JP4599700B2 (ja) | 分布帰還型半導体レーザ | |
| JP4028158B2 (ja) | 半導体光デバイス装置 | |
| CA2370706A1 (en) | Semiconductor laser device | |
| US20030086464A1 (en) | Gain-coupled DFB laser diode | |
| JP4985703B2 (ja) | 光半導体装置及びその製造方法 | |
| JP4541469B2 (ja) | 光半導体装置及びその製造方法 | |
| JP3488137B2 (ja) | 光半導体装置およびその製造方法 | |
| JP2894186B2 (ja) | 光半導体装置 | |
| JP2982685B2 (ja) | 光半導体装置 | |
| JP2004311556A (ja) | 半導体レーザ並びにそれを用いた光モジュール及び機能集積型レーザ | |
| JP2550714B2 (ja) | 高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザ | |
| JPH09129969A (ja) | 半導体レーザ | |
| JP2973215B2 (ja) | 半導体レーザ装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060925 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090219 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090317 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090518 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091215 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100212 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100622 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100624 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130702 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |