JP6186865B2 - 光半導体装置及び光半導体装置の製造方法 - Google Patents

光半導体装置及び光半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光半導体装置及び光半導体装置の製造方法に関するものである。
光半導体装置である半導体レーザにおいては、ＧａＡｓ基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により活性層を形成し、共振器内に回折格子を形成したＤＦＢ（Distributed Feedback：分布帰還型）レーザがある。このようなＧａＡｓ基板に形成された半導体レーザであるＤＦＢレーザは、波長０．６〜１．３μｍ帯において、単一縦モード発振を実現することができるため、産業上の様々な分野で用いられている。
例えば、波長１．３μｍ帯の光ファイバ通信における長距離の伝送においては、ＤＦＢレーザは、多モードで発振するファブリペロー型レーザよりも良好な特性が得られるため、好ましく用いられている。また、ＧａＡｓ基板上に形成された波長１．０６μｍ帯のＤＦＢレーザの出射光を周期分極ニオブ酸リチウム(ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate)に入射させることにより、疑似位相整合を利用した第二高調波を発生させることができる。これにより、単体の半導体レーザでは困難とされている波長５３０ｎｍ近傍の緑色レーザを出射させることができる。更に、ＧａＡｓ基板上に形成された波長１．０６μｍ帯のＤＦＢレーザは、イッテルビウム（Ｙｂ）添加ファイバ増幅器を用いたファイバレーザシステムにおける光源としても用いることができる。
ＧａＡｓ基板上に形成されたＤＦＢレーザとしては、図１に示される構造のリッジ導波路が形成されているＤＦＢレーザがある。このＤＦＢレーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板９１０の上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓにより下部クラッド層９２１、量子井戸活性層９２２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層９２３、ｐ−ＧａＡｓ層９２４が形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層９２４の表面には回折格子を形成するための凸部９２４ａと凹部９２４ｂが形成されており、ｐ−ＧａＡｓ層９２４における凸部９２４ａ及び凹部９２４ｂを埋め込むように、ｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５が形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層９２４における凸部９２４ａと凹部９２４ｂは、ｐ−ＧａＡｓ層９２４の表面を加工することにより、具体的には、凹部９２４ｂが形成される領域のｐ−ＧａＡｓ層９２４を一部除去することにより、周期的に形成されている。
ｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５の上には、ｐ−ＩｎＧａＰによりエッチングストップ層９２６が形成されている。エッチングストップ層９２６の上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓにより上部クラッド層９２７が形成されており、上部クラッド層９２７の上にはｐ−ＧａＡｓによりコンタクト層９２８が形成されている。上部クラッド層９２７は、量子井戸活性層９２２において光導波路が形成される領域の上におけるエッチングストップ層９２６の上に形成されている。即ち、上部クラッド層９２７が形成されている領域の直下の領域の量子井戸活性層９２２において光導波路が形成される。量子井戸活性層９２２は、ＩｎＧａＡｓにより形成される井戸層とＧａＡｓにより形成されるバリア層とを交互に積層することにより形成されている。
上部クラッド層９２７及びコンタクト層９２８は、最初に、上部クラッド層９２７及びコンタクト層９２８を形成するための半導体膜をエッチングストップ層９２６の上に形成する。この後、上部クラッド層９２７等が形成される領域を除く領域における半導体膜をドライエッチング等により除去することにより形成する。上部クラッド層９２７を形成するための半導体膜の下には、エッチングストップ層９２６が形成されているため、半導体膜のドライエッチング等は、エッチングストップ層９２６が露出した状態でドライエッチングが停止する。ドライエッチング等により露出したエッチングストップ層９２６の表面及び上部クラッド層９２７及びコンタクト層９２８の側面には、酸化シリコン等により保護膜９３１が形成されている。更に、保護膜９３１及びコンタクト層９２８の上には、上面電極９４１が形成されており、ｎ−ＧａＡｓ基板９１０の裏面には下面電極９４２が形成されている。
このような構造の半導体レーザでは、表面に凸部９２４ａ及び凹部９２４ｂが形成されているｐ−ＧａＡｓ層９２４とｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５とにより回折格子層９２０が形成される。即ち、ｐ−ＧａＡｓ層９２４における屈折率は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５における屈折率よりも高いため、回折格子層９２０において、周期的に屈折率差のある回折格子が形成される。これにより、所望の発振波長において単一縦モード発振をさせることができる。
特開２０１２−１９５４３３号公報 特開平１１−１８３９４８号公報 特開２０１０−６７６３９号公報
このような光半導体装置であるＧａＡｓ基板上に形成されたＤＦＢレーザにおいては、レーザ発振におけるしきい値電流が低く、動作電流の低いＤＦＢレーザが求められている。
本実施の形態の一観点によれば、半導体基板の上に、半導体材料により形成された活性層と、前記活性層の上に、半導体材料により形成された上部クラッド層と、前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により形成された回折格子層と、を有し、前記回折格子層は、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層と、前記第１の回折格子形成層の上に形成されており、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層と、前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に形成された埋込層と、を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、埋込層における屈折率をｎＣとした場合、ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣであって、前記埋込層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されており、前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層と前記埋込層は同じ導電型であることを特徴とする。
また、本実施の形態の他の一観点によれば、半導体基板の上に、半導体材料により形成された活性層と、前記活性層の上に、半導体材料により形成された上部クラッド層と、前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により形成された回折格子層と、を有し、前記回折格子層は、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層と、前記第１の回折格子形成層の上に形成されており、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層と、前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に形成された埋込層と、を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎ Ａ とし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎ Ｂ とし、埋込層における屈折率をｎ Ｃ とした場合、ｎ Ａ ＞ｎ Ｂ ＞ｎ Ｃ であって、前記回折格子層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に形成されており、前記埋込層は、前記上部クラッド層の一部であって、前記埋込層と前記上部クラッド層とは、同一の材料により形成されており、前記上部クラッド層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されおり、前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層と前記埋込層は同じ導電型であることを特徴とする。
また、本実施の形態の他の一観点によれば、半導体基板の上に、半導体材料により活性層を形成する工程と、前記活性層の上に、半導体材料により上部クラッド層を形成する工程と、前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により回折格子層を形成する工程と、を有し、前記回折格子層を形成する工程は、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層を形成する工程と、前記第１の回折格子形成層の上に、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層を形成する工程と、前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に、埋込層を形成する工程と、を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、埋込層における屈折率をｎＣとした場合、ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣであって、前記埋込層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されており、前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層と前記埋込層は同じ導電型であることを特徴とする。
また、本実施の形態の他の一観点によれば、半導体基板の上に、半導体材料により活性層を形成する工程と、前記活性層の上に、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層を半導体材料により形成する工程と、前記第１の回折格子形成層の上に、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層を半導体材料により形成する工程と、前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に、上部クラッド層を半導体材料により形成する工程と、を有し、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、前記上部クラッド層における屈折率をｎＣとした場合、ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣであって、前記上部クラッド層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されおり、前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、前記第２の回折格子形成層と前記上部クラッド層は同じ導電型であることを特徴とする。
開示の光半導体装置によれば、ＧａＡｓ基板上に形成されたＤＦＢレーザにおいて、レーザ発振におけるしきい値電流を低くすることができ、動作電流を低くすることができる。
従来のＤＦＢレーザの斜視図 従来のＤＦＢレーザにおける回折格子層の構造図 従来のＤＦＢレーザにおける回折格子層の説明図（１） 従来のＤＦＢレーザにおける回折格子層の説明図（２） 第１の実施の形態における光半導体装置の斜視図 第１の実施の形態における光半導体装置の回折格子層の説明図 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（２） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（３） 第１の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（４） 第２の実施の形態における光半導体装置の斜視図 第２の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（１） 第２の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（２） 第２の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（３） 第２の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（４） 第３の実施の形態における光半導体装置の斜視図 量子ドット層の説明図 第３の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（１） 第３の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（２） 第３の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（３） 第３の実施の形態における光半導体装置の製造方法の工程図（４）
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
最初に、図１に示す構造のＤＦＢレーザについて、更に詳細に説明する。ＤＦＢレーザにおいては、レーザ発振におけるしきい値電流を下げるためには、結合係数κの値は大きい方が好ましい。しかしながら、現状の技術では、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとにより回折格子層９２０を形成した場合、結合係数κを大きくすることは困難である。
ここで、ＤＦＢレーザの発振しきい値利得や単一モード歩留りは、回折格子層９２０における結合係数κと共振器長Ｌの積に依存するため、結合係数κはＤＦＢレーザの発振特性に影響する重要なパラメータである。ここで、ｑ次の回折モードに対するκは、近似的には数１に示される式により表すことができる。
Figure 0006186865
尚、ｎ１は回折格子層９２０におけるｐ−ＧａＡｓ層９２４の屈折率であり、ｎ２はｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５の屈折率である。ｋは波数、βは導波光モードの伝搬定数、Γｇは回折格子層９２０における光閉じ込め係数、Λは凸部９２４ａと凹部９２４ｂにより形成される回折格子の周期、Λ1はｐ−ＧａＡｓ層９２４の凸部９２４ａの幅である。
数１に示される式より、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２との屈折率差が大きいほど、結合係数κを大きくすることができる。ＤＦＢレーザにおいては、上述したように、発振しきい値利得を下げるためには、結合係数κの値は大きい方が好ましいことから、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２との屈折率差は大きい方が好ましい。
図１に示される構造のＤＦＢレーザにおいては、回折格子層９２０はＧａＡｓとＡｌＧａＡｓにより形成されており、ＧａＡｓとＡｌＡｓとの格子定数の差が０．１％程度しかないため、任意のＡｌ組成において、格子整合させることができる。よって、再成長界面において歪みが生じにくいという利点がある。
ところで、回折格子層９２０は、図２に示されるように、ｐ−ＧａＡｓ層９２４の表面に凸部９２４ａと凹部９２４ｂを形成し、凸部９２４ａと凹部９２４ｂの上に、ＭＯＶＰＥによりｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５を形成することにより形成される。このように、ＭＯＶＰＥにより形成されるｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５は、ｐ−ＧａＡｓ層９２４の凸部９２４ａの上に形成された領域９２５ａと凹部９２４ｂの上に形成された領域９２５ｂとでは屈折率が異なる。
これは、ｐ−ＡｌＧａＡｓ埋込層９２５をＭＯＶＰＥ等により形成した場合、ｐ−ＧａＡｓ層９２４の凹部９２４ｂに埋め込まれるＡｌＧａＡｓは、凸部９２４ａの上に成長するＡｌＧａＡｓよりも、Ａｌの組成が低くなるからである。このため、ｐ−ＧａＡｓ層９２４の凹部９２４ｂに埋め込まれた領域９２５ｂにおけるＡｌＧａＡｓの屈折率は、領域９２５ａよりも低くなり、ｐ−ＧａＡｓ層９２４の凸部９２４ａを形成しているＧａＡｓの屈折率に近づくため、屈折率差が小さくなる。このように、回折格子層９２０において、屈折率差が小さくなると、結合係数κが低くなり、レーザ発振におけるしきい値電流が高くなってしまう。
ここで、図３に示されるように、ＧａＡｓ基板９５０の表面に、回折格子を形成するための凸部９５０ａと凹部９５０ｂとを形成し、ＭＯＶＰＥにより、ＡｌＧａＡｓ層９５１を結晶成長させる実験を行った。尚、ＡｌＧａＡｓ層は、平坦な基板に結晶成長させた場合に、組成がＡｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓとなる成長条件により成長させた。図３では、回折格子の形状は便宜上、矩形状で示している。
このように作製した試料を分析した結果、ＧａＡｓ基板９５０の凸部９５０ａの上に成長したＡｌＧａＡｓ層９５１における領域９５１ａのＡｌの組成比は約０．３６であった。また、凹部９５０ｂに埋め込まれるＡｌＧａＡｓ層９５１における領域９５１ｂのＡｌの組成比は約０．２５であった。即ち、ＡｌＧａＡｓ層９５１において、ＧａＡｓ基板９５０の凹部９５０ｂに埋め込まれる領域９５１ｂには、略Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓが形成され、凸部９５０ａの上に成長した領域９５１ａには、略Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓが形成されていた。
このように、ＡｌＧａＡｓ層９５１において、図３に示されるような組成変調が生じている場合における屈折率の等価モデルを図４に示す。図４に示されるように、ＧａＡｓ基板９５０に凸部９５０ａが形成されている領域に対応する領域９５２ａでは、ＧａＡｓ基板９５０における組成とＡｌＧａＡｓ層９５１における領域９５１ａのＡｌの組成とが平均化され、略Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓとなる。また、ＧａＡｓ基板９５０の凹部９５０ｂにＡｌＧａＡｓ層９５１が埋め込まれる領域９５１ｂに対応する領域９５２ｂでは、領域９５１ｂであるため、組成はＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓである。よって、図４に示されるように、回折格子層９２０は、組成がＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓとなる領域９５２ａと組成がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとなる領域９５２ｂとが交互に形成された周期構造の回折格子とみなすことができる。
図４に示されるような周期構造の回折格子では、領域９５２ａと領域９５２ｂとにおけるＡｌの組成の差が０．０７しかないため、実効的に得られる屈折率差が小さくなり、数１に示される式より得られる結合係数κは著しく低い値となる。このため、ＤＦＢレーザにおいて発振のしきい値電流が高くなり、発振特性が悪くなってしまう。例えば、ＧａＡｓの屈折率は波長１．０６μｍ帯において３．４９であり、Ａｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓの屈折率は３．３２であり、ＡｌＧａＡｓにおいてはＡｌの組成に対し、屈折率が線形に変化すると仮定する。この場合、ＧａＡｓとＡｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓとでは、屈折率差は０．１７であり、屈折率の２乗の差は１．２である。これに対し、Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２ＡｓとＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとでは、屈折率差は約０．０３であり、屈折率の２乗の差は０．２０であり、屈折率差及び屈折率の２乗の差が極めて小さくなる。尚、ＡｌＧａＡｓ層９５１においてＡｌの組成の高い条件で結晶成長させたとしても、ＡｌＧａＡｓ層９５１において組成変調が生じ屈折率差が打ち消されてしまうため、結合係数κを大きくすることは困難である。
（光半導体装置）
次に、第１の実施の形態における光半導体装置について説明する。本実施の形態における光半導体装置は、ＤＦＢレーザであり、図５に示されるように、ＧａＡｓ基板の上に形成されたリッジ導波路が形成されている波長１．０６μｍ帯の半導体レーザである。本実施の形態におけるＤＦＢレーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓにより下部クラッド層２１、量子井戸活性層２２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２３、ｐ−ＧａＡｓ層２４が形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面には凸部２４ａと凹部２４ｂが形成されており、凸部２４ａと凹部２４ｂが形成されたｐ−ＧａＡｓ層２４の上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６が積層して形成されている。
本実施の形態における光半導体装置においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６により回折格子層２０が形成されている。図６に示すように、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａと凹部２４ｂは、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面を加工することにより、周期的に形成されており、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａと凹部２４ｂとの高低差Ｔ１が約２５ｎｍとなるように形成されている。尚、ｐ−ＧａＡｓ層２４を形成しているＧａＡｓの屈折率は、波長１．０６μｍ帯においては約３．４９である。
ｐ−ＧａＡｓ層２４の上には、ＭＯＶＰＥによりｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５が形成されている。ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５をＭＯＶＰＥにより形成することにより、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａの上には、厚さＳ１が約１５ｎｍ、凹部２４ｂの上には、厚さＳ２が約３０ｎｍとなるように、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５が形成される。よって、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面には、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａ及び凹部２４ｂの形状を反映した凸部２５ａ及び凹部２５ｂが形成される。このように形成されるｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａと凹部２５ｂとの高低差Ｔ２は約１０ｎｍである。尚、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓと記載した場合に、０＜Ｘ≦０．５となる組成により形成されており、屈折率は、波長１．０６μｍ帯においておおよそ３．２２以上、３．４９未満である。尚、Ｘの値、即ち、Ａｌ組成を０．５以下とすることにより、ＡｌＧａＡｓの価電子帯側のバンド端エネルギー準位は、常にＧａＡｓとＩｎＧａＰの価電子帯バンド端エネルギー準位の間に位置することになる。これにより、ｎ型の半導体基板を用いた半導体レーザにおいては、上面電極４１からの正孔の流れを妨げることなく、抵抗を低くすることができる。
ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上には、ＭＯＶＰＥによりｐ−ＩｎＧａＰ層２６が形成されている。ｐ−ＩｎＧａＰ層２６は、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにより形成されており、屈折率は、波長１．０６μｍ帯においては約３．１２である。ｐ−ＩｎＧａＰ層２６は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａと凹部２５ｂを埋め込むように形成されており、表面は略平坦となっている。よって、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａの上よりも、凹部２５ｂの上において厚く形成される。即ち、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａの上よりも、凹部２４ｂの上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５を介し、屈折率の低いｐ−ＩｎＧａＰ層２６が厚く形成されている。これにより、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凹部２４ｂに形成される半導体層における屈折率を低くすることができ、回折格子層２０における屈折率差を大きくすることができる。
尚、本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４を第１の回折格子形成層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５を第２の回折格子形成層、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６を埋込層と記載する場合がある。また、本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４における屈折率をｎＡとし、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における屈折率をｎＢとし、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６における屈折率をｎＣとした場合、ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣとなるように形成されている。
埋込層となるｐ−ＩｎＧａＰ層２６の上には、ＭＯＶＰＥにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓにより上部クラッド層２７が形成されており、上部クラッド層２７の上にはｐ−ＧａＡｓによりコンタクト層２８が形成されている。このように、上部クラッド層２７を形成することにより、上部クラッド層２７の直下の領域における量子井戸活性層２２には、光導波路が形成される。量子井戸活性層２２は、ＩｎＧａＡｓにより形成される井戸層とＧａＡｓにより形成されるバリア層とを交互に積層することにより形成されている。
上部クラッド層２７及びコンタクト層２８は、最初に、上部クラッド層２７及びコンタクト層２８を形成するための半導体膜をｐ−ＩｎＧａＰ層２６の上に形成する。この後、上部クラッド層２７等が形成される領域を除く領域の半導体膜をドライエッチング等により除去することにより形成する。ドライエッチング等により露出したｐ−ＩｎＧａＰ層２６の表面及び上部クラッド層２７及びコンタクト層２８の側面には、酸化シリコン等により保護膜３１が形成されている。更に、保護膜３１及びコンタクト層２８の上には、上面電極４１が形成されており、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の裏面には下面電極４２が形成されている。尚、図５には図示されていないが、レーザ光が出射される量子井戸活性層２２の一方の端面には反射防止膜が形成されており、一方の端面とは反対の他方の端面には高反射膜が形成されている。
次に、本実施の形態における光半導体装置において、回折格子層２０における屈折率差について説明する。尚、ＧａＡｓの屈折率は波長１．０６μｍ帯において３．４９であり、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの屈折率は３．１２であり、Ａｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓの屈折率は３．３２であり、ＡｌＧａＡｓはＡｌの組成に対し、屈折率が線形に変化すると仮定する。また、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５では、図３にして説明した場合と同様の組成変調が生じているものとする。
上述した構造の光半導体装置では、回折格子層２０において、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａの上には、厚さが１５ｎｍのｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、厚さが１０ｎｍのｐ−ＩｎＧａＰ層２６が積層して形成されている。即ち、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａが形成されている領域では、厚さが２５ｎｍのＧａＡｓ、厚さが１５ｎｍのＡｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓ、厚さが１０ｎｍのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐが積層して形成されている。また、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凹部２４ｂの上には、厚さが３０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、厚さが２０ｎｍのｐ−ＩｎＧａＰ層２６が積層して形成されている。即ち、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凹部２４ｂが形成されている領域では、厚さが３０ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ、厚さが２０ｎｍのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐが積層して形成されている。
よって、本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａが形成されている領域と凹部２４ｂが形成されている領域における屈折率差は、約０．１となり、図１に示される構造のＤＦＢレーザと比べて、屈折率差を大きくすることができる。これにより結合係数を大きくすることができ、レーザ発振におけるしきい値を低くすることができ、動作電流を低くすることができる。
（光半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光半導体装置の製造方法について説明する。
最初に、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の上に、下部クラッド層２１、量子井戸活性層２２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２３、ｐ−ＧａＡｓ層２４等の半導体層を形成する。これらの半導体層は、ＭＯＶＰＥ、または、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー)によりエピタキシャル成長させることにより形成する。
ｎ−ＧａＡｓ基板１０は、ｎ型となる不純物元素がドープされたｎ−ＧａＡｓ（１００）基板である。下部クラッド層２１は、ｎ型となる不純物元素がドープされている厚さが約２．０μｍのｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成されている。量子井戸活性層２２は、アンドープのＩｎＧａＡｓにより形成された井戸層とアンドープのＧａＡｓにより形成されたバリア層とを交互に積層することにより形成されている。
ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２３は、ｐ型となる不純物元素がドープされている厚さが約３００ｎｍのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層２４は、ｐ型となる不純物元素がドープされている厚さが約６０ｎｍのｐ−ＧａＡｓにより形成されている。
本実施の形態においては、例えば、量子井戸活性層２２は、アンドープのＩｎＧａＡｓにより井戸層の厚さが約７ｎｍとなるように形成されており、アンドープのＧａＡｓによりバリア層の厚さが約２０ｎｍとなるように形成されている。また、本実施の形態においては、井戸層を形成しているＩｎＧａＡｓにおけるＩｎの組成は約０．２５、即ち、ＩｎＹＧａ１−ＹＡｓと記載した場合に、Ｙの値が約０．２５となるように形成されており、量子井戸活性層２２には井戸層が２層形成されている。これにより、量子井戸活性層２２における量子井戸構造の遷移波長が約１．０６μｍ（１０６０ｎｍ）となるように調整されている。
次に、図７（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に、回折格子を形成するための凸部２４ａと凹部２４ｂを形成する。
具体的には、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に、ＣＶＤ等により厚さが約５０ｎｍの不図示の酸化シリコン膜を成膜する。この後、成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜の上に、レジストを塗布し、ＥＢ（Electron Beam：電子ビーム）露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜を除去することにより、酸化シリコンによるマスクを形成する。この後、レジストパターンを有機溶剤等により除去し、酸化シリコンにより形成されたマスクを用い、ウェットエッチングにより、酸化シリコンが形成されていない領域におけるｐ−ＧａＡｓ層２４の表面の一部を除去する。このウェットエッチングでは、エッチング液として、アンモニア水、過酸化水素水、水からなる混合溶液が用いられる。この後、不図示の酸化シリコン膜により形成されたマスクは、バッファードフッ酸等により除去する。
尚、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に形成される回折格子を形成するための凸部２４ａと凹部２４ｂのパターンは、ｐ−ＧａＡｓ層２４において＜０−１１＞方向に沿うように形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に形成される回折格子を形成するための凸部２４ａと凹部２４ｂの周期は、発振波長が１．０６μｍ近傍における所望の値となるように、約１６０ｎｍとなるように形成する。このようにｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に形成される凸部２４ａと凹部２４ｂは、凹部２４ｂの深さ、即ち、凸部２４ａと凹部２４ｂとの高低差は、約２５ｎｍとなるように形成する。このようにして、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に凸部２４ａと凹部２４ｂを形成することにより、凸部２４ａと凹部２４ｂの間に形成される斜面は、主に（１１１）Ａ面となる。
次に、図８（ａ）に示すように、表面に凸部２４ａと凹部２４ｂが形成されているｐ−ＧａＡｓ層２４の上に、ＭＯＶＰＥにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５及びｐ−ＩｎＧａＰ層２６を形成する。
具体的には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、平坦なＧａＡｓ基板に成膜した際、Ａｌ組成が０．３２となる条件で、即ち、Ａｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓが形成される条件で、ｐ型となる不純物元素をドープして形成する。本実施の形態においては、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、表面に凸部２５ａと凹部２５ｂが形成されている状態で結晶成長を停止する。例えば、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａの上において厚さが約１５ｎｍ、凹部２４ｂの上において厚さが約３０ｎｍとなった状態で、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の結晶成長を停止する。これにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面に形成される凸部２５ａと凹部２５ｂは、凹部２５ｂの深さ、即ち、凸部２５ａと凹部２５ｂとの高低差が約１０ｎｍとなるように形成する。
これにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａの上の領域における組成は、略Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓとなり、凹部２４ｂの上の領域における組成は、略Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとなるように形成される。尚、このようにして、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面に凸部２５ａと凹部２５ｂを形成することにより、凸部２５ａと凹部２５ｂの間に形成される斜面は、主に（３１１）Ａ面となる。
この後、凸部２５ａと凹部２５ｂが形成されているｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に、ＭＯＶＰＥにより、ｐ型となる不純物元素がドープされているｐ−ＩｎＧａＰ層２６を表面が略平坦になるまで形成する。ｐ−ＩｎＧａＰ層２６は、組成がＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐとなるような条件で形成されている。これにより、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の凸部２５ａの上において厚さが約１０ｎｍ、凹部２５ｂの上において厚さが約２０ｎｍとなるように形成される。これにより、ｐ−ＧａＡｓ層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５及びｐ−ＩｎＧａＰ層２６により回折格子層２０が形成される。
次に、図８（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥにより、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６の上に、上部クラッド層２７を形成するためのｐ−ＡｌＧａＡｓ膜２７ａ、コンタクト層２８を形成するためのｐ−ＧａＡｓ膜２８ａを順次積層して形成する。具体的には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ膜２７ａは、ｐ型となる不純物元素がドープされているＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを厚さ約１．０μｍ結晶成長させることにより形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ膜２８ａは、ｐ型となる不純物元素をドープしたＧａＡｓを厚さ３００ｎｍ結晶成長させることにより形成する。
次に、図９（ａ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ膜２８ａの上に、＜０−１−１＞方向に沿った酸化シリコンマスク６１を形成する。具体的には、ｐ−ＧａＡｓ膜２８ａの上に、ＣＶＤにより酸化シリコン膜を成膜し、酸化シリコン膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化シリコンマスク６１が形成される領域に不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜をＲＩＥ等のドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去することにより、酸化シリコンマスク６１を形成する。尚、この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
次に、図９（ｂ）に示すように、酸化シリコンマスク６１をマスクとして、酸化シリコンマスク６１が形成されていない領域におけるｐ−ＡｌＧａＡｓ膜２７ａ及びｐ−ＧａＡｓ膜２８ａをウェットエッチングにより除去する。このウェットエッチングにおいては、例えば、アンモニア水と過酸化水素水、水の混合溶液や、リン酸、過酸化水素水、水の混合溶液をエッチング液として用いる。これらのエッチング液を用いることにより、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６の表面が露出した状態でエッチングがストップするため、エッチングの制御を良好に行うことができる。これにより、酸化シリコンマスク６１が形成されている領域において残存するｐ−ＡｌＧａＡｓ膜２７ａ及びｐ−ＧａＡｓ膜２８ａにより、上部クラッド層２７及びコンタクト層２８が形成される。このように形成された上部クラッド層２７の幅Ｗは約２μｍであり、幅Ｗが約２μｍの上部クラッド層２７が形成されている領域の下の量子井戸活性層２２において、光導波路が形成されるリッジ導波路構造が形成される。この後、酸化シリコンマスク６１は、バッファードフッ酸等により除去する。
次に、図１０に示すように、上部クラッド層２７及びコンタクト層２８の側面、ｐ−ＩｎＧａＰ層２６の上にパッシベーション膜となる保護膜３１を形成し、コンタクト層２８の上に上面電極４１を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の裏面に、下面電極４２を形成する。この後、所望の共振器長となるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０をへき開し、へき開面においてレーザ光が出射される一方の端面に反射防止膜を形成し、一方の端面とは反対側の他方の端面に高反射膜を成膜する。
具体的には、上部クラッド層２７の側面、コンタクト層２８及びｐ−ＩｎＧａＰ層２６の上に、ＣＶＤによりパッシベーション膜となる保護膜３１を形成するための酸化シリコン膜を形成する。この後、形成された酸化シリコン膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化シリコン膜を介したコンタクト層２８が形成されている領域の上に、開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜を、エッチング液としてバッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングにより除去することにより、残存する酸化シリコン膜により、パッシベーション膜となる保護膜３１を形成する。尚、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
この後、コンタクト層２８及び保護膜３１の上に、真空蒸着またはスパッタリング等により、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜することにより上面電極４１を形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の裏面には、真空蒸着またはスパッタリング等により、ＡｕＧｅ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜することにより下面電極４２を形成する。この後、所望の共振器長、例えば、共振器長が５００μｍとなるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０をへき開した後、へき開面においてレーザ光が出射される一方の端面に誘電体膜等により反射防止膜を形成し、他方の端面に誘電体膜等により高反射膜を成膜する。
これにより、本実施の形態における光半導体装置を作製することができる。本実施の形態における光半導体装置は、ＧａＡｓ基板に形成された波長１．０６μｍ帯のリッジ導波路型のＤＦＢレーザであり、計算により得られる回折格子層２０における結合係数κは３０ｃｍ−1である。
尚、本実施の形態の光半導体装置は、回折格子層２０の位置が、量子井戸活性層２２の下側となるｎ−ＧａＡｓ基板１０側に形成されたものであってもよい。また、本実施の形態における光半導体装置とＰＰＬＮ素子とを用いることにより緑色のレーザ光を出射する緑色レーザモジュールを形成することができる。また、本実施の形態は、レーザ以外の光半導体装置であって、回折格子層が形成される光半導体装置にも適用することが可能である。
〔第２の実施の形態〕
（光半導体装置）
次に、第２の実施の形態における光半導体装置について説明する。本実施の形態における光半導体装置は、ＤＦＢレーザであって、図１１に示されるように、ＧａＡｓ基板の上に形成されたリッジ導波路が形成されている波長１．０６μｍ帯の半導体レーザである。
本実施の形態におけるＤＦＢレーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓにより下部クラッド層２１、量子井戸活性層２２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２３、ｐ−ＧａＡｓ層２４が形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面には凸部２４ａと凹部２４ｂが形成されており、凸部２４ａと凹部２４ｂが形成されたｐ−ＧａＡｓ層２４の上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、上部クラッド層１２７が積層して形成されている。
本実施の形態における光半導体装置においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、上部クラッド層１２７の一部により回折格子が形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａと凹部２４ｂは、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面を加工することにより、周期的に形成されており、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａと凹部２４ｂとの高低差が約２５ｎｍとなるように形成されている。尚、ｐ−ＧａＡｓ層２４を形成しているＧａＡｓの屈折率は、波長１．０６μｍ帯において約３．４９である。
ｐ−ＧａＡｓ層２４の上には、ＭＯＶＰＥによりｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５が形成されている。ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５をＭＯＶＰＥにより形成することにより、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａの上には、厚さが約１５ｎｍ、凹部２４ｂの上には、厚さが約３０ｎｍとなるようにｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５が形成される。よって、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面には、ｐ−ＧａＡｓ層２４における凸部２４ａ及び凹部２４ｂの形状を反映した凸部２５ａ及び凹部２５ｂが形成される。このように形成されるｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａと凹部２５ｂとの高低差は約１０ｎｍである。尚、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓと記載した場合に、０＜Ｘ≦０．５となる組成により形成されており、屈折率は、波長１．０６μｍ帯においておおよそ３．２２以上、３．４９未満である。
ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上には、ＭＯＶＰＥによりｐ−ＩｎＧａＰにより上部クラッド層１２７が形成されている。上部クラッド層１２７は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に形成されており、これにより、上部クラッド層１２７の直下の領域における量子井戸活性層２２において、光導波路が形成される。量子井戸活性層２２は、ＩｎＧａＡｓにより形成される井戸層とＧａＡｓにより形成されるバリア層とを交互に積層することにより形成されている。
上部クラッド層１２７は、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにより形成されており、屈折率は、波長１．０６μｍ帯において約３．１２である。上部クラッド層１２７は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａと凹部２５ｂを埋め込むように形成されており、表面は略平坦となっている。よって、上部クラッド層１２７は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａの上よりも、凹部２５ｂの上において厚く形成されている。即ち、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２５ａの上よりも、凹部２４ｂの上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５を介し、屈折率の低いＩｎＧａＰにより形成された上部クラッド層１２７が厚く形成されている。これにより、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凹部２４ｂに形成される半導体層における屈折率を低くすることができ、回折格子層における屈折率差を大きくすることができる。
よって、本実施の形態における光半導体装置においては、上部クラッド層１２７は、上部クラッド層としての機能と、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における凸部２５ａと凹部２５ｂの上に形成される埋込層としての機能を有している。このように、本実施の形態においては、回折格子層は、ｐ−ＧａＡｓ層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５、上部クラッド層１２７の一部により形成されている。
尚、本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４を第１の回折格子形成層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５を第２の回折格子形成層と記載する場合がある。また、本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４における屈折率をｎＡとし、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５における屈折率をｎＢとし、上部クラッド層１２７における屈折率をｎＣとした場合、ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣとなるように形成されている。
上部クラッド層１２７の上には、ＭＯＶＰＥによりｐ−ＧａＡｓによりコンタクト層２８が形成されている。
上部クラッド層１２７及びコンタクト層２８は、最初に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に、上部クラッド層１２７及びコンタクト層２８を形成するための半導体膜を形成する。この後、上部クラッド層１２７等が形成される領域を除く領域の半導体膜をドライエッチング等により除去することにより形成する。ドライエッチング等により露出したｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面及び上部クラッド層２７及びコンタクト層２８の側面には、酸化シリコン等により保護膜３１が形成されている。更に、保護膜３１及びコンタクト層２８の上には、上面電極４１が形成されており、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の裏面には下面電極４２が形成されている。尚、図１１には不図示であるが、レーザ光が出射される量子井戸活性層２２の一方の端面には反射防止膜が形成されており、一方の端面とは反対の他方の端面には高反射膜が形成されている。
（光半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光半導体装置の製造方法について説明する。
最初に、図１２（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の上に、下部クラッド層２１、量子井戸活性層２２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２３、ｐ−ＧａＡｓ層２４等の半導体層を形成する。これらの半導体層は、ＭＯＶＰＥ、または、ＭＢＥによりエピタキシャル成長させることにより形成する。
ｎ−ＧａＡｓ基板１０は、ｎ型となる不純物元素がドープされたｎ−ＧａＡｓ（１００）基板である。下部クラッド層２１は、ｎ型となる不純物元素がドープされている厚さが約２．０μｍのｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成されている。量子井戸活性層２２は、アンドープのＩｎＧａＡｓにより形成された井戸層とアンドープのＧａＡｓにより形成されたバリア層とを交互に積層することにより形成されている。
ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２３は、ｐ型となる不純物元素がドープされている厚さが約３００ｎｍのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成されている。ｐ−ＧａＡｓ層２４は、ｐ型となる不純物元素がドープされている厚さが約６０ｎｍのｐ−ＧａＡｓにより形成されている。
本実施の形態においては、例えば、量子井戸活性層２２は、アンドープのＩｎＧａＡｓにより井戸層の厚さが約７ｎｍとなるように形成されており、アンドープのＧａＡｓによりバリア層の厚さが約２０ｎｍとなるように形成されている。また、本実施の形態においては、井戸層を形成しているＩｎＧａＡｓにおけるＩｎの組成は約０．２５、即ち、ＩｎＹＧａ１−ＹＡｓと記載した場合に、Ｙの値が約０．２５となるように形成されており、量子井戸活性層２２には井戸層が２層形成されている。これにより、量子井戸活性層２２における量子井戸構造の遷移波長が約１．０６μｍとなるように調整されている。
次に、図１２（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に、回折格子を形成するための凸部２４ａと凹部２４ｂを形成する。
具体的には、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に、ＣＶＤ等により厚さが約５０ｎｍの不図示の酸化シリコン膜を成膜する。この後、成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜の上に、レジストを塗布し、ＥＢ露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、レジストパターンの形成されていない領域における酸化シリコン膜を除去することにより、酸化シリコンによるマスクを形成する。この後、レジストパターンを有機溶剤等により除去し、酸化シリコン膜により形成されたマスクを用いて、ウェットエッチングにより、酸化シリコンが形成されていない領域におけるｐ−ＧａＡｓ層２４の表面の一部を除去する。このウェットエッチングでは、エッチング液として、アンモニア水、過酸化水素水、水からなる混合溶液が用いられる。この後、不図示の酸化シリコン膜により形成されたマスクは、バッファードフッ酸等により除去する。
尚、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に形成される回折格子を形成するための凸部２４ａと凹部２４ｂのパターンは、ｐ−ＧａＡｓ層２４において＜０−１１＞方向に沿うように形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に形成される回折格子を形成するための凸部２４ａと凹部２４ｂの周期は、発振波長が１．０６μｍ近傍における所望の値となるように、約１６０ｎｍとなるように形成する。このようにｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に形成される凸部２４ａと凹部２４ｂは、凹部２４ｂの深さ、即ち、凸部２４ａと凹部２４ｂとの高低差は、約２５ｎｍとなるように形成する。このようにして、ｐ−ＧａＡｓ層２４の表面に凸部２４ａと凹部２４ｂを形成することにより、凸部２４ａと凹部２４ｂの間に形成される斜面は、主に（１１１）Ａ面となる。
次に、図１３（ａ）に示すように、表面に凸部２４ａと凹部２４ｂが形成されているｐ−ＧａＡｓ層２４の上に、ＭＯＶＰＥにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５を形成する。
具体的には、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、平坦なｐ−ＧａＡｓ基板に成膜した際、Ａｌ組成が０．３２となる条件で、即ち、Ａｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓが形成される条件で、ｐ型となる不純物元素をドープして形成する。本実施の形態においては、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、表面に凸部２５ａと凹部２５ｂが形成されている状態で結晶成長を停止する。例えば、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａの上において厚さが約１５ｎｍ、凹部２４ｂの上において厚さが約３０ｎｍとなった状態で、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の結晶成長を停止する。これにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面に形成される凸部２５ａと凹部２５ｂは、凹部２５ｂの深さ、即ち、凸部２５ａと凹部２５ｂとの高低差が約１０ｎｍとなるように形成する。
これにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５は、ｐ−ＧａＡｓ層２４の凸部２４ａの上の領域における組成は、略Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓとなり、凹部２４ｂの上の領域における組成は、略Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとなるように形成される。尚、このようにして、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面に凸部２５ａと凹部２５ｂを形成することにより、凸部２５ａと凹部２５ｂの間に形成される斜面は、主に（３１１）Ａ面となる。
次に、図１３（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥにより、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に、上部クラッド層１２７を形成するためのｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａ、コンタクト層２８を形成するためのｐ−ＧａＡｓ膜２８ａを順次積層して形成する。具体的には、凸部２５ａと凹部２５ｂが形成されているｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に、ｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａを形成し、ｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａの上にｐ−ＧａＡｓ膜２８ａを形成する。ｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａは、ｐ型となる不純物元素がドープされているＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐを厚さ約１．０μｍ結晶成長させることにより形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ膜２８ａは、ｐ型となる不純物元素をドープしたＧａＡｓを厚さ３００ｎｍ結晶成長させることにより形成する。
これにより、本実施の形態においては、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５に形成された凸部２５ａ及び凹部２５ｂは、上部クラッド層１２７を形成するためのｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａにより埋込まれる。このように、本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５及び後述する上部クラッド層１２７により回折格子層が形成される。
次に、図１４（ａ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ膜２８ａの上に、＜０−１−１＞方向に沿った酸化シリコンマスク６１を形成する。具体的には、ｐ−ＧａＡｓ膜２８ａの上に、ＣＶＤにより酸化シリコン膜を成膜し、酸化シリコン膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化シリコンマスク６１が形成される領域に不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜をＲＩＥ等のドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去することにより、酸化シリコンマスク６１を形成する。尚、この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
次に、図１４（ｂ）に示すように、酸化シリコンマスク６１をマスクとして、酸化シリコンマスク６１が形成されていない領域におけるｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａ及びｐ−ＧａＡｓ膜２８ａをウェットエッチングにより除去する。このウェットエッチングにおいては、例えば、最初に、アンモニア水と過酸化水素水、水の混合溶液等をエッチング液として用いて、酸化シリコンマスク６１が形成されていない領域におけるｐ−ＧａＡｓ膜２８ａを選択的に除去する。この後、塩酸と酢酸を含む混合溶液等をエッチング液として用いて、酸化シリコンマスク６１が形成されていない領域におけるｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａを除去する。この際用いられるｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａをエッチングするエッチング液では、ＡｌＧａＡｓは殆どエッチングされず、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の表面が露出した状態で選択的にエッチングがストップするため、エッチングの制御を良好に行うことができる。
これにより、酸化シリコンマスク６１が形成されている領域において残存するｐ−ＩｎＧａＰ膜１２７ａ及びｐ−ＧａＡｓ膜２８ａにより、上部クラッド層１２７及びコンタクト層２８が形成される。このように形成された上部クラッド層１２７の幅Ｗは約２μｍであり、幅Ｗが約２μｍの上部クラッド層１２７が形成されている領域の下の量子井戸活性層２２において、光導波路が形成されるリッジ導波路構造が形成される。この後、酸化シリコンマスク６１は、バッファードフッ酸等により除去する。
次に、図１５に示すように、上部クラッド層１２７及びコンタクト層２８の側面、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に保護膜３１を形成し、コンタクト層２８の上に上面電極４１を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の裏面に、下面電極４２を形成する。この後、所望の共振器長となるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０をへき開し、へき開面においてレーザ光が出射される一方の端面に反射防止膜を形成し、一方の端面とは反対側の他方の端面に高反射膜を成膜する。
具体的には、上部クラッド層１２７の側面、コンタクト層２８及びｐ−ＡｌＧａＡｓ層２５の上に、ＣＶＤによりパッシベーション膜となる保護膜３１を形成するための酸化シリコン膜を形成する。この後、形成された酸化シリコン膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化シリコン膜を介してコンタクト層２８が形成されている領域に、開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜を、エッチング液としてバッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングにより除去することにより、残存する酸化シリコン膜により、パッシベーション膜となる保護膜３１を形成する。尚、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
この後、コンタクト層２８及び保護膜３１の上に、真空蒸着またはスパッタリング等により、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜することにより上面電極４１を形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１０の裏面には、真空蒸着またはスパッタリング等により、ＡｕＧｅ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜することにより下面電極４２を形成する。この後、所望の共振器長、例えば、共振器長が５００μｍとなるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０をへき開した後、へき開面においてレーザ光が出射される一方の端面に誘電体膜等により反射防止膜を形成し、他方の端面に誘電体膜等により高反射膜を成膜する。
これにより、本実施の形態における光半導体装置を作製することができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
（光半導体装置）
次に、第３の実施の形態における光半導体装置について説明する。本実施の形態における光半導体装置は、量子ドットＤＦＢレーザであり、図１６に示されるように、ＧａＡｓ基板に形成されたリッジ導波路が形成されている波長１．３μｍ帯の半導体レーザである。本実施の形態における量子ドットＤＦＢレーザは、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０の上に、ｐ−ＡｌＧａＡｓにより下部クラッド層２２１、量子ドット活性層２２２、ｎ−ＧａＡｓ層２２４が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面には凸部２２４ａと凹部２２４ｂが形成されており、凸部２２４ａと凹部２２４ｂが形成されたｎ−ＧａＡｓ層２２４の上には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６が積層して形成される。
本実施の形態における光半導体装置においては、ｎ−ＧａＡｓ層２２４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６により回折格子層２２０が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層２２４における凸部２２４ａと凹部２２４ｂは、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面を加工することにより、周期的に形成されており、ｎ−ＧａＡｓ層２２４における凸部２２４ａと凹部２２４ｂとの高低差が約２５ｎｍとなるように形成されている。尚、ｎ−ＧａＡｓ層２２４を形成しているＧａＡｓの屈折率は、波長１．３μｍ帯において約３．４２である。
ｎ−ＧａＡｓ層２２４の上には、ＭＯＶＰＥによりｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５が形成されている。ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５をＭＯＶＰＥにより形成することにより、ｎ−ＧａＡｓ層２２４における凸部２２４ａの上には、厚さが約１５ｎｍ、凹部２２４ｂの上には、厚さが約３０ｎｍとなるようにｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５が形成される。よって、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の表面には、ｎ−ＧａＡｓ層２２４における凸部２２４ａ及び凹部２２４ｂの形状を反映した凸部２２５ａ及び凹部２２５ｂが形成される。このように形成されるｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５における凸部２２５ａと凹部２２５ｂとの高低差は約１０ｎｍである。尚、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓと記載した場合に、０＜Ｘ≦０．５となる組成により形成されており、屈折率は、波長１．３μｍ帯においておおよそ３．１７以上、３．４２未満である。
ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の上には、ＭＯＶＰＥによりｎ−ＩｎＧａＰ層２２６が形成されている。ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６は、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにより形成されており、屈折率は、波長１．３μｍ帯において約３．１６である。ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５における凸部２２５ａと凹部２２５ｂを埋め込むように形成されており、表面は略平坦となっている。よって、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５における凸部２２５ａの上よりも、凹部２２５ｂの上において厚く形成される。即ち、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の凸部２２４ａの上よりも、凹部２２４ｂの上には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の凹部２２５ｂを介し、屈折率の低いｎ−ＩｎＧａＰ層２２６が厚く形成されている。これにより、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の凹部２２４ｂに形成される半導体層における屈折率を低くすることができ、回折格子層２２０における屈折率差を大きくすることができる。
尚、本実施の形態においては、ｎ−ＧａＡｓ層２２４を第１の回折格子形成層、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５を第２の回折格子形成層、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６を埋込層と記載する場合がある。また、本実施の形態においては、ｎ−ＧａＡｓ層２２４における屈折率をｎＡとし、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５における屈折率をｎＢとし、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６における屈折率をｎＣとした場合、ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣとなるように形成されている。
埋込層となるｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の上には、ＭＯＶＰＥにより、ｎ−ＡｌＧａＡｓにより上部クラッド層２２７が形成されており、上部クラッド層２２７の上にはｎ−ＧａＡｓによりコンタクト層２２８が形成されている。これにより、上部クラッド層２２７の直下の領域における量子ドット活性層２２２において光導波路が形成される。
本実施の形態においては、量子ドット活性層２２２は、図１７に示すような量子ドット層２２２ａを複数積層することにより形成されている。量子ドット層２２２ａは、アンドープＧａＡｓ層２５１上に、アンドープＩｎＡｓ層２５２を数原子層（ＭＬ）成長させることにより、量子ドット構造を自然形成する。このように、アンドープＩｎＡｓ層２５２に形成される量子ドット構造は、ＩｎＡｓ量子ドット２５２ａとＩｎＡｓ濡れ層２５２ｂとからなるものである。この後、量子ドット構造を埋め込むようにアンドープＩｎＧａＡｓ歪緩和層２５３を形成し、更に、アンドープＧａＡｓ層２５４、ｐ−ＧａＡｓ層２５５、アンドープＧａＡｓ層２５６を順次積層して形成する。
本実施の形態においては、アンドープＧａＡｓ層２５４とアンドープＧａＡｓ層２５６との間に、ｐ−ＧａＡｓ層２５５が設けられている変調ｐドープ構造となるように形成されている。これにより、量子ドット２５２ａへのホールの供給が改善され、微分利得の向上、温度安定動作性の向上など、発振特性を向上させることができる。
本実施の形態においては、このような量子ドット層２２２ａを１０層積層形成することにより、量子ドット活性層２２２が形成されている。尚、量子ドット活性層２２２においては、アンドープＩｎＧａＡｓ歪緩和層２５３における組成を調整することにより、量子ドット活性層２２２における利得波長を調整することができる。本実施の形態においては、利得波長が１．２９μｍとなるように形成されている。
上部クラッド層２２７及びコンタクト層２２８は、最初に、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の上に、上部クラッド層２２７及びコンタクト層２２８を形成するための半導体膜を形成する。この後、上部クラッド層２２７等が形成される領域を除く領域の半導体膜をドライエッチング等により除去することにより形成する。ドライエッチング等により露出したｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の表面及び上部クラッド層２２７及びコンタクト層２２８の側面には、酸化シリコン等により保護膜２３１が形成されている。更に、保護膜２３１及びコンタクト層２２８の上には、上面電極２４１が形成されており、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０の裏面には下面電極２４２が形成されている。尚、図１７には不図示であるが、レーザ光が出射される量子ドット活性層２２２の一方の端面には反射防止膜が形成されており、一方の端面とは反対の他方の端面には高反射膜が形成されている。
（光半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態における光半導体装置の製造方法について説明する。
最初に、図１８（ａ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０の上に、下部クラッド層２２１、量子ドット活性層２２２、ｎ−ＧａＡｓ層２２４等の半導体層を形成する。これらの半導体層は、ＭＯＶＰＥ、または、ＭＢＥによりエピタキシャル成長させることにより形成する。
ｐ−ＧａＡｓ基板２１０は、ｐ型となる不純物元素がドープされたｐ−ＧａＡｓ（１００）基板である。下部クラッド層２２１は、ｐ型となる不純物元素がドープされている厚さが約１．５μｍのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成されている。量子ドット活性層２２２は、図１７に示される量子ドット層２２２ａを１０層積層することにより形成されており、遷移波長が約１．２９μｍとなるように形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層２２４は、ｎ型となる不純物元素がドープされている厚さが約６０ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されている。
次に、図１８（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面に、回折格子を形成するための凸部２２４ａと凹部２２４ｂを形成する。
具体的には、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面に、ＣＶＤ等により厚さが約５０ｎｍの不図示の酸化シリコン膜を成膜する。この後、成膜された酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜の上に、レジストを塗布し、ＥＢ露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＣＦ４ガスを用いたＲＩＥにより、レジストパターンの形成されていない領域における酸化シリコン膜を除去することにより、酸化シリコンによるマスクを形成する。この後、レジストパターンを有機溶剤等により除去し、酸化シリコンにより形成されたマスクを用い、ウェットエッチングにより、酸化シリコンが形成されていない領域におけるｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面の一部を除去する。このウェットエッチングでは、エッチング液として、アンモニア水、過酸化水素水、水からなる混合溶液が用いられる。この後、不図示の酸化シリコン膜により形成されたマスクは、バッファードフッ酸等により除去する。
尚、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面に形成される回折格子を形成するための凸部２２４ａと凹部２２４ｂのパターンは、ｎ−ＧａＡｓ層２２４において＜０−１１＞方向に沿うように形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面に形成される回折格子を形成するための凸部２２４ａと凹部２２４ｂの周期は、発振波長が１．２９μｍ近傍における所望の値となるように、約１９５ｎｍとなるように形成する。このようにｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面に形成される凸部２２４ａと凹部２２４ｂは、凹部２２４ｂの深さ、即ち、凸部２２４ａと凹部２２４ｂとの高低差は、約２５ｎｍとなるように形成する。このようにして、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の表面に凸部２２４ａと凹部２２４ｂを形成することにより、凸部２２４ａと凹部２２４ｂの間に形成される斜面は、主に（１１１）Ａ面となる。
次に、図１９（ａ）に示すように、表面に凸部２２４ａと凹部２２４ｂが形成されているｎ−ＧａＡｓ層２２４の上に、ＭＯＶＰＥにより、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５及びｎ−ＩｎＧａＰ層２２６を形成する。
具体的には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５は、平坦なＧａＡｓ基板等に成膜した際、Ａｌ組成が０．３２となる条件で、即ち、Ａｌ０．３２Ｇａ０．６８Ａｓが形成される条件で、ｐ型となる不純物元素をドープして形成する。本実施の形態においては、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５は、表面に凸部２２５ａと凹部２２５ｂが形成されている状態で結晶成長を停止する。例えば、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５は、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の凸部２２４ａの上において厚さが約１５ｎｍ、凹部２２４ｂの上において厚さが約３０ｎｍとなった状態で、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の結晶成長を停止する。これにより、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の表面に形成される凸部２２５ａと凹部２２５ｂは、凹部２２５ｂの深さ、即ち、凸部２２５ａと凹部２２５ｂとの高低差が約１０ｎｍとなるように形成する。
これにより、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５は、ｎ−ＧａＡｓ層２２４の凸部２２４ａの上の領域における組成は、略Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓとなり、凹部２２４ｂの上の領域における組成は、略Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓとなるように形成される。尚、このようにして、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の表面に凸部２２５ａと凹部２２５ｂを形成することにより、凸部２２５ａと凹部２２５ｂの間に形成される斜面は、主に（３１１）Ａ面となる。
この後、凸部２２５ａと凹部２２５ｂが形成されているｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の上に、ＭＯＶＰＥにより、ｎ型となる不純物元素がドープされているｎ−ＩｎＧａＰ層２２６を表面が略平坦になるまで形成する。ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６は、組成がＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐとなるような条件で形成されている。これにより、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５の凸部２２５ａの上において厚さが約１０ｎｍ、凹部２２５ｂの上において厚さが約２０ｎｍとなるように形成される。このように、本実施の形態においては、ｎ−ＧａＡｓ層２２４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層２２５及びｎ−ＩｎＧａＰ層２２６により回折格子層２２０が形成される。
次に、図１９（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥにより、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の上に、上部クラッド層２２７を形成するためのｎ−ＡｌＧａＡｓ膜２２７ａ、コンタクト層２２８を形成するためのｎ−ＧａＡｓ膜２２８ａを順次積層して形成する。具体的には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ膜２２７ａは、ｎ型となる不純物元素がドープされているＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを厚さ約１．０μｍ結晶成長させることにより形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ膜２２８ａは、ｎ型となる不純物元素をドープしたＧａＡｓを厚さ３００ｎｍ結晶成長させることにより形成する。
次に、図２０（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ膜２２８ａの上に、＜０−１−１＞方向に沿った酸化シリコンマスク２６１を形成する。具体的には、ｎ−ＧａＡｓ膜２２８ａの上に、ＣＶＤにより酸化シリコン膜を成膜し、酸化シリコン膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、酸化シリコンマスク２６１が形成される領域に不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜をＲＩＥ等のドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去することにより、酸化シリコンマスク２６１を形成する。尚、この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
次に、図２０（ｂ）に示すように、酸化シリコンマスク２６１をマスクとして、酸化シリコンマスク２６１が形成されていない領域におけるｎ−ＡｌＧａＡｓ膜２２７ａ及びｎ−ＧａＡｓ膜２２８ａをウェットエッチングにより除去する。このウェットエッチングにおいては、例えば、アンモニア水と過酸化水素水、水の混合溶液や、リン酸、過酸化水素水、水の混合溶液をエッチング液として用いる。これらのエッチング液を用いることにより、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の表面が露出した状態で、エッチングがストップするため、エッチングの制御を良好に行うことができる。これにより、酸化シリコンマスク２６１が形成されている領域において残存するｎ−ＡｌＧａＡｓ膜２２７ａ及びｎ−ＧａＡｓ膜２２８ａにより、上部クラッド層２２７及びコンタクト層２２８が形成される。このように形成された上部クラッド層２２７の幅Ｗは約２μｍであり、幅Ｗが約２μｍの上部クラッド層２２７が形成されている領域の下の量子ドット活性層２２２において、光導波路が形成されるリッジ導波路構造が形成される。この後、酸化シリコンマスク２６１は、バッファードフッ酸等により除去する。
次に、図２１に示すように、上部クラッド層２２７及びコンタクト層２２８の側面、ｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の上に保護膜３１を形成し、コンタクト層２２８の上に上面電極２４１を形成し、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０の裏面に、下面電極２４２を形成する。この後、所望の共振器長となるように、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０をへき開し、へき開面においてレーザ光が出射される一方の端面に反射防止膜を形成し、一方の端面とは反対側の他方の端面に高反射膜を成膜する。
具体的には、上部クラッド層２２７の側面、コンタクト層２２８及びｎ−ＩｎＧａＰ層２２６の上に、ＣＶＤによりパッシベーション膜となる保護膜３１を形成するための酸化シリコン膜を形成する。この後、形成された酸化シリコン膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化シリコン膜を介しコンタクト層２２８が形成されている領域に、開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていない領域における酸化シリコン膜を、エッチング液としてバッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングにより除去することにより、残存する酸化シリコン膜により、パッシベーション膜となる保護膜３１を形成する。尚、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
この後、コンタクト層２２８及び保護膜２３１の上に、真空蒸着またはスパッタリング等により、ＡｕＧｅ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜することにより上面電極２４１を形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０の裏面には、真空蒸着またはスパッタリング等により、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属積層膜を成膜することにより下面電極２４２を形成する。この後、所望の共振器長、例えば、共振器長が５００μｍとなるように、ｐ−ＧａＡｓ基板２１０をへき開した後、へき開面においてレーザ光が出射される一方の端面に誘電体膜等により反射防止膜を形成し、他方の端面に誘電体膜等により高反射膜を成膜する。
これにより、本実施の形態における光半導体装置を作製することができる。本実施の形態における光半導体装置は、ＧａＡｓ基板に形成された波長１．３μｍ帯のリッジ導波路型の量子ドットＤＦＢレーザであり、計算により得られる回折格子層２２０における結合係数κは３０ｃｍ−1である。
尚、本実施の形態の光半導体装置は、回折格子層２２０の位置が、量子ドット活性層２２２の下側となるｐ−ＧａＡｓ基板２１０側に形成されたものであってもよい。また、本実施の形態は、レーザ以外の光半導体装置であって、回折格子層が形成される光半導体装置にも適用することが可能である。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板の上に、半導体材料により形成された活性層と、
前記活性層の上に、半導体材料により形成された上部クラッド層と、
前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により形成された回折格子層と、
を有し、
前記回折格子層は、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層と、
前記第１の回折格子形成層の上に形成されており、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層と、
前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に形成された埋込層と、
を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、埋込層における屈折率をｎＣとした場合、
ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣ
であることを特徴とする光半導体装置。
（付記２）
前記回折格子層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に形成されていることを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
（付記３）
前記上部クラッド層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１または２に記載の光半導体装置。
（付記４）
前記埋込層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記５）
前記埋込層は、前記上部クラッド層の一部であって、前記埋込層と前記上部クラッド層とは、同一の材料により形成されていることを特徴とする付記２に記載の光半導体装置。
（付記６）
前記上部クラッド層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されていることを特徴とする付記５に記載の光半導体装置。
（付記７）
前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記８）
前記上部クラッド層の上には、半導体材料によりコンタクト層が形成されており、
前記コンタクト層に接続される上面電極と、
前記半導体基板の裏面に形成された下面電極と、
を有することを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記９）
前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板であることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１０）
前記活性層は、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓとを積層することにより形成されていることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１１）
前記活性層は、量子井戸活性層であることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１２）
前記活性層は、量子ドット活性層であることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１３）
前記半導体基板は、ｎ型であることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１４）
前記半導体基板は、ｐ型であることを特徴とする付記１から１２のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１５）
前記光半導体装置は、リッジ導波路型の光半導体装置であることを特徴とする付記１から１５のいずれかに記載の光半導体装置。
（付記１６）
半導体基板の上に、半導体材料により活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、半導体材料により上部クラッド層を形成する工程と、
前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により回折格子層を形成する工程と、
を有し、
前記回折格子層を形成する工程は、
表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層を形成する工程と、
前記第１の回折格子形成層の上に、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層を形成する工程と、
前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に、埋込層を形成する工程と、
を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、埋込層における屈折率をｎＣとした場合、
ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣ
であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記回折格子層を形成する工程は、前記活性層を形成する工程と、前記上部クラッド層を形成する工程との間に行われるものであって、
前記活性層の上に、前記回折格子層が形成され、
前記回折格子層の上に、前記上部クラッド層が形成されることを特徴とする付記１６に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１８）
前記第２の回折格子形成層及び前記埋込層は、ＭＯＣＶＤにより形成されるものであることを特徴とする付記１６または１７に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記１９）
半導体基板の上に、半導体材料により活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層を半導体材料により形成する工程と、
前記第１の回折格子形成層の上に、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層を半導体材料により形成する工程と、
前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に、上部クラッド層を半導体材料により形成する工程と、
を有し、
前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、前記上部クラッド層における屈折率をｎＣとした場合、
ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣ
であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
（付記２０）
前記第２の回折格子形成層及び前記上部クラッド層は、ＭＯＣＶＤにより形成されるものであることを特徴とする付記１９に記載の光半導体装置の製造方法。
１０ ｎ−ＧａＡｓ基板
２０ 回折格子層
２１ 下部クラッド層
２２ 量子井戸活性層
２３ ｐ−ＡｌＧａＡｓ層
２４ ｐ−ＧａＡｓ層（第１の回折格子形成層）
２４ａ 凸部
２４ｂ 凹部
２５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ層（第２の回折格子形成層）
２５ａ 凸部
２５ｂ 凹部
２６ ｐ−ＩｎＧａＰ層（埋込層）
２７ 上部クラッド層
２８ コンタクト層
３１ 保護膜
４１ 上面電極
４２ 下面電極

Claims (6)

  1. 半導体基板の上に、半導体材料により形成された活性層と、
    前記活性層の上に、半導体材料により形成された上部クラッド層と、
    前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により形成された回折格子層と、
    を有し、
    前記回折格子層は、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層と、
    前記第１の回折格子形成層の上に形成されており、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層と、
    前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に形成された埋込層と、
    を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、埋込層における屈折率をｎＣとした場合、
    ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣ
    であって、
    前記埋込層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されており、
    前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層と前記埋込層は同じ導電型であることを特徴とする光半導体装置。
  2. 半導体基板の上に、半導体材料により形成された活性層と、
    前記活性層の上に、半導体材料により形成された上部クラッド層と、
    前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により形成された回折格子層と、
    を有し、
    前記回折格子層は、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層と、
    前記第１の回折格子形成層の上に形成されており、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層と、
    前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に形成された埋込層と、
    を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎ Ａ とし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎ Ｂ とし、埋込層における屈折率をｎ Ｃ とした場合、
    ｎ Ａ ＞ｎ Ｂ ＞ｎ Ｃ
    であって、
    前記回折格子層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に形成されており、
    前記埋込層は、前記上部クラッド層の一部であって、前記埋込層と前記上部クラッド層とは、同一の材料により形成されており、
    前記上部クラッド層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されおり、
    前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層と前記埋込層は同じ導電型であることを特徴とする光半導体装置。
  3. 前記回折格子層は、前記活性層と前記上部クラッド層との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
  4. 前記上部クラッド層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１または３に記載の光半導体装置。
  5. 半導体基板の上に、半導体材料により活性層を形成する工程と、
    前記活性層の上に、半導体材料により上部クラッド層を形成する工程と、
    前記半導体基板と前記活性層との間、または、前記活性層と前記上部クラッド層との間に、半導体材料により回折格子層を形成する工程と、
    を有し、
    前記回折格子層を形成する工程は、
    表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層を形成する工程と、
    前記第１の回折格子形成層の上に、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層を形成する工程と、
    前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に、埋込層を形成する工程と、
    を含むものであって、前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、埋込層における屈折率をｎＣとした場合、
    ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣ
    であって、
    前記埋込層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されており、
    前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層と前記埋込層は同じ導電型であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
  6. 半導体基板の上に、半導体材料により活性層を形成する工程と、
    前記活性層の上に、表面に凸部と凹部が形成されている第１の回折格子形成層を半導体材料により形成する工程と、
    前記第１の回折格子形成層の上に、前記第１の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部に対応した凸部と凹部が表面に形成されている第２の回折格子形成層を半導体材料により形成する工程と、
    前記第２の回折格子形成層における前記凸部と前記凹部の上に、上部クラッド層を半導体材料により形成する工程と、
    を有し、
    前記第１の回折格子形成層における屈折率をｎＡとし、前記第２の回折格子形成層における屈折率をｎＢとし、前記上部クラッド層における屈折率をｎＣとした場合、
    ｎＡ＞ｎＢ＞ｎＣ
    であって、
    前記上部クラッド層は、ＩｎＧａＰを含む材料により形成されおり、
    前記第１の回折格子形成層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層は、ＡｌＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第２の回折格子形成層と前記上部クラッド層は同じ導電型であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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