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特許7046484アレイ半導体光素子、光送信モジュール、及び光モジュール、並びに、それらの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-25
(45)【発行日】2022-04-04
(54)【発明の名称】アレイ半導体光素子、光送信モジュール、及び光モジュール、並びに、それらの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01S 5/026 20060101AFI20220328BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20220328BHJP
【ＦＩ】
H01S5/026 610
H01S5/343
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2016233431
(22)【出願日】2016-11-30
(65)【公開番号】P2018093002
(43)【公開日】2018-06-14
【審査請求日】2019-08-07
(73)【特許権者】
【識別番号】301005371
【氏名又は名称】日本ルメンタム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000154
【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】北谷 健
(72)【発明者】
【氏名】足立 光一朗
【審査官】淺見 一喜
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０６８９１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１２３６４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０６２０９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２２６５６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１１７０４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０４４５７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－２８９９７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３２３６２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０６０２８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２９９７９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－００３３１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１１１２６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１４６４０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００３／００８１８７８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１半導体光素子及び第２半導体光素子を含む複数の半導体光素子が半導体基板上にモノリシックに集積されるアレイ半導体光素子であって、前記複数の半導体光素子のそれぞれは、多重量子井戸層を含む半導体層と、前記半導体層の上方に配置される回折格子層と、前記多重量子井戸層および前記回折格子層の間にあって前記回折格子層に接触するスペーサ層と、前記半導体層と前記スペーサ層との間に配置されるエッチング停止層を含み、
前記第１半導体光素子の前記半導体層の層厚は、前記第２半導体光素子の前記半導体層の層厚より薄く、
前記第１半導体光素子及び前記第２半導体光素子の間で前記回折格子層および前記スペーサ層の層厚は実質的に一定であり、
前記第１半導体光素子の前記回折格子層の高さは、前記第２半導体光素子の前記回折格子層の高さより、前記第１半導体光素子の前記半導体層と前記第２半導体光素子の前記半導体層との層厚差に応じて低い、
ことを特徴とする、アレイ半導体光素子。
【請求項2】
請求項１に記載のアレイ半導体光素子であって、前記複数の半導体光素子のそれぞれの前記半導体層は、前記多重量子井戸層の下側に接して配置される下側光ガイド層と、前記多重量子井戸層の上側に接して配置される上側光ガイド層と、をさらに含む、
ことを特徴とする、アレイ半導体光素子。
【請求項3】
請求項２に記載のアレイ半導体光素子であって、前記複数の半導体光素子のそれぞれの前記半導体層は、前記下側光ガイド層と、前記多重量子井戸層と、前記上側光ガイド層と、からなる、
ことを特徴とする、アレイ半導体光素子。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれかに記載のアレイ半導体光素子であって、前記第１半導体光素子の前記回折格子層の高さと、前記第２半導体光素子の前記回折格子層の高さと、の差は、実質的に、前記第１半導体光素子の前記半導体層と前記第２半導体光素子の前記半導体層との層厚差である、
ことを特徴とする、アレイ半導体光素子。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれかに記載のアレイ半導体光素子を、備える、光送信モジュール。
【請求項6】
請求項５に記載の光送信モジュールを、備える、光モジュール。
【請求項7】
第１半導体光素子及び第２半導体光素子を含む複数の半導体光素子が半導体基板上にモノリシックに集積されるアレイ半導体光素子の製造方法であって、前記複数の半導体光素子のそれぞれは、多重量子井戸層を含む半導体層と、前記半導体層の上方に配置される回折格子層と、前記多重量子井戸層および前記回折格子層の間にあって前記回折格子層に接触するスペーサ層と、前記半導体層と前記スペーサ層との間に配置されるエッチング停止層を含み、
前記第１半導体光素子の前記半導体層の層厚が、前記第２半導体光素子の前記半導体層の層厚より薄くなるよう、前記第１半導体光素子の前記半導体層と、前記第２半導体光素子の前記半導体層とを、選択領域成長により同時に積層する、半導体層積層工程と、
前記第１半導体光素子の前記回折格子層および前記スペーサ層と、前記第２半導体光素子の前記回折格子層および前記スペーサ層と、を層厚が実質的に一定になるように、同一の多層成長条件で同時に積層する、回折格子スペーサ層積層工程と、
を備える、アレイ半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アレイ半導体光素子、光送信モジュール、及び光モジュール、並びに、それらの製造方法に関し、特に、チャンネル間の素子性能のばらつきを低減する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
互いに発振波長が異なる複数の半導体光素子が搭載されるアレイ半導体光素子が、一般に用いられている。現在、アレイ半導体光素子の大容量化及び小型化の両立が望まれている。そのために、１つのアレイ半導体光素子に搭載される複数の半導体光素子の数（チャンネル数）を増やすとともに、それら複数の半導体光素子をより小さな領域に実装できる技術が必要となる。
【0003】
現在、アレイ半導体光素子の作製においては、対応する発振波長の半導体光素子をそれぞれ、別々のウエハ工程で作成し、実装時にハイブリッド集積してアレイ化する方法が、主に用いられている。この場合、各半導体光素子を個別に実装する必要があるので、実装に要するスペース等に鑑みると、高密度実装には限界がある。また、チャンネル数に対応した枚数のウエハを作製することとなり、コスト低減の観点でも問題となる。
【0004】
これに対して、１つのウエハ上に複数の半導体光素子を、共通する結晶成長工程で作製可能であるモノリシック集積技術が提案されている。当該手法を用いることにより、互いに発振波長が異なる複数の半導体光素子が例えば数百μｍ程度の素子間隔で形成されるアレイ半導体光素子を１枚のウエハ上に複数作製し、アレイ半導体光素子自体のサイズを小型化できる可能性がある。モノリシック集積技術の一例として、特許文献１に記載される選択成長（ＳＡＧ：Selective-Area-Growth）法がある。
【0005】
特許文献１に開示されるモノリシック集積技術では、有機金属気相成長における選択成長効果を用いて、複数の半導体光素子がそれぞれ形成される領域に、異なるマスク幅を有するとともにストライプ状の対をなす１対の絶縁体マスクを形成する。その結果、マスクの間隔やマスク幅に応じて膜厚が増大し、組成変化が起きるので、互いに発光波長が異なる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層を、同一ウエハ上に共通する（一度の）結晶成長工程で形成することができる。例えば、マスク幅が広くなるのに伴って、マスク上に到達したＩＩＩ族原子がより多く拡散し、マスク間の開口部の成長に寄与する量が増大し、膜厚増大率が大きくなり、より大きな発光波長の変化を起こすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平０７－２２６５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
例えば、アレイ半導体光素子の各半導体光素子を、分布帰還型（ＤＦＢ：Distibuted Feedback）レーザによって実現する場合に、同一発光波長の１枚のウエハを用いて、ウエハ面内で回折格子の周期を変化させて、互いに発振波長が異なる複数の半導体光素子が搭載されるアレイ半導体光素子を、同一基板上に実現することができる。しかしながら、各チャンネルの半導体光素子の発振波長と、ＭＱＷ層（活性層）の発光波長（利得波長）との差（離長量）が各チャンネルの半導体光素子毎に異なってしまい、１つのアレイ半導体光素子における各半導体光素子の素子性能に大きなばらつきが生じてしまう。
【0008】
これに対して、特許文献１に、当該モノリシック集積技術を用いることにより、所望の発振波長を有する複数の半導体光素子を、１度の結晶成長工程で実現できることが記載されている。離長量を所定の範囲内に保持できる点で、ＳＡＧ法のように、ＭＱＷ層の発光波長そのものを変化できる手法を用いた作製法が望ましい。
【0009】
各半導体光素子がＤＦＢレーザである場合に、発振波長の単一モード化のために、各半導体光素子の半導体多層構造に回折格子が設けられる。特許文献１に記載されるＳＡＧ法を用いるアレイ半導体光素子の作製法において、回折格子の形成は、回折格子をＭＱＷ層（活性層）より基板側にあらかじめ形成するか、ＭＱＷ層（活性層）より基板側とは反対側に、ＭＱＷ層と同一の行程で回折格子を選択成長させる層を用いて形成するか、いずれかである。前者（下側回折格子）では、ＭＱＷ層が、下側に配置される回折格子の凹凸の影響を受けて結晶性が損なわれるという問題が生じ得る。後者（上側回折格子）では、前者にみられる結晶性劣化の問題が生じにくい。また、形成されるＭＱＷ層の発光波長を確認した上で、回折格子の形成条件を精密に決定することができる。それゆえ、上側回折格子を有する半導体光素子が複数モノリシックに集積されるアレイ半導体光素子が望ましい。
【0010】
しかしながら、ＭＱＷ層と上側回折格子とを同一の行程で選択成長させると、各チャンネルの半導体光素子毎に、回折格子層の膜厚が異なってしまう。発明者らが鋭意検討したところ、回折格子層の膜厚が異なることに起因して、各チャンネルの半導体光素子の素子性能に、ばらつきが生じ得るとの知見を得ている。
【0011】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、チャンネル間の半導体光素子の性能ばらつきを低減しつつ、小型化が実現されるアレイ半導体光素子、光送信モジュール、及び光モジュール、並びに、それらの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係るアレイ半導体光素子は、第１半導体光素子及び第２半導体光素子を含む複数の半導体光素子が半導体基板上にモノリシックに集積されるアレイ半導体光素子であって、各前記半導体光素子は、多重量子井戸層を含む第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置される回折格子層と、を含み、前記第１半導体光素子の前記第１半導体層の層厚は、前記第２半導体光素子の前記第１半導体層の層厚より薄く、前記第１半導体光素子の前記回折格子層の高さは、前記第２半導体光素子の前記回折格子層の高さより、前記第１半導体層の層厚差に応じて低い、ことを特徴とする。
【0013】
（２）上記（１）に記載のアレイ半導体光素子であって、各前記半導体光素子の前記第１半導体層は、前記多重量子井戸層の下側に接して配置される下側光ガイド層と、前記多重量子井戸層の上側に接して配置される上側光ガイド層と、をさらに含んでいてもよい。
【0014】
（３）上記（２）に記載のアレイ半導体光素子であって、各前記半導体光素子の前記第１半導体層は、前記下側光ガイド層と、前記多重量子井戸層と、前記上側光ガイド層と、からなるとしてもよい。
【0015】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のアレイ半導体光素子であって、前記第１半導体光素子の前記回折格子層の高さと、前記第２半導体光素子の前記回折格子層の高さと、の差は、実質的に、前記第１半導体層の層厚差であってもよい。
【0016】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のアレイ半導体光素子であって、各前記半導体光素子は、前記第１半導体層と前記回折格子層との間に配置される、エッチング停止層を、さらに含んでいてもよい。
【0017】
（６）本発明に係る光送信モジュールは、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のアレイ半導体光素子を、備える、光送信モジュールであってもよい。
【0018】
（７）本発明に係る光モジュールは、上記（６）に記載の光送信モジュールを、備える、光モジュールであってもよい。
【0019】
（８）本発明に係るアレイ半導体光素子の製造方法は、第１半導体光素子及び第２半導体光素子を含む複数の半導体光素子が半導体基板上にモノリシックに集積されるアレイ半導体光素子の製造方法であって、各前記半導体光素子は、多重量子井戸層を含む第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置される回折格子層と、を含み、前記第１半導体光素子の前記第１半導体層の層厚が、前記第２半導体光素子の前記第１半導体層の層厚より薄くなるよう、前記第１半導体光素子の前記第１半導体層と、前記第２半導体光素子の前記第１半導体層とを、同時に積層する、第１半導体層積層工程と、前記第１半導体光素子の前記回折格子層と、前記第２半導体光素子の前記回折格子層と、を共通する条件で同時に積層する、回折格子層積層工程と、を備えていてもよい。
【0020】
（９）上記（８）に記載のアレイ半導体光素子の製造方法であって、第１半導体層積層工程において、選択成長により、前記第１半導体光素子の前記第１半導体層と、前記第２半導体光素子の前記第１半導体層とを、同時に積層してもよい。
【発明の効果】
【0021】
本発明により、チャンネル間の半導体光素子の性能ばらつきを低減しつつ、小型化が実現されるアレイ半導体光素子、光送信モジュール、及び光モジュール、並びに、それらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置の構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係る光送信モジュール１の構成を示す平面図である。
【図3A】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の半導体多層構造を示す模式図である。
【図3B】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の半導体多層構造を示す模式図である。
【図4】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の構造を示す模式図である。
【図5】半導体光素子の第１半導体層と回折格子層の膜厚増大率に対する、結合係数κ変化率の絶対値を示す図である。
【図6A】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6B】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6C】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6D】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6E】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6F】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6G】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6H】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6I】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6J】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6K】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図6L】本発明の第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子の製造方法の過程を示す図である。
【図7】本発明の第２の実施形態に係るアレイ半導体光素子の構造を示す模式図である。
【図8】本発明の第３の実施形態に係るアレイ半導体光素子の構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【0024】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１０１の構成を示す模式図である。光伝送装置１０１に、複数の光モジュール１０２が搭載される。光伝送装置１０１は、プリント回路基板１１１とＩＣ１１２を備えている。光伝送装置１０１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１０１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１０１は、光モジュール１０２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１１を介して、該当する光モジュール１０２へそのデータを伝達する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１０１の構成を示す模式図である。光伝送装置１０１に、複数の光モジュール１０２が搭載される。光伝送装置１０１は、プリント回路基板１１１とＩＣ１１２を備えている。光伝送装置１０１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１０１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１０１は、光モジュール１０２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１１を介して、該当する光モジュール１０２へそのデータを伝達する。
【0025】
光モジュール１０２は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバである。光モジュール１０２は、プリント回路基板１２１と、光ファイバ１０３Ａを介して受信する光信号を電気信号に変換する光受信モジュール１２３Ａと、電気信号を光信号に変換して光ファイバ１０３Ｂへ送信する光送信モジュール１２３Ｂと、を含んでいる。プリント回路基板１２１と、光受信モジュール１２３Ａ及び光送信モジュール１２３Ｂとは、それぞれフレキシブル基板１２２Ａ，１２２Ｂを介して接続されている。光受信モジュール１２３Ａより電気信号がフレキシブル基板１２２Ａを介してプリント回路基板１２１へ伝送され、プリント回路基板１２１より電気信号がフレキシブル基板１２２Ｂを介して光送信モジュール１２３Ｂへ伝送される。光モジュール１０２と光伝送装置１０１本体とは電気コネクタ１０５を介して接続される。
【0026】
当該実施形態に係る伝送システムは、２個以上の光伝送装置１０１と２個以上の光モジュール１０２と、１個以上の光ファイバ１０３を含む。各光伝送装置１０１に、１個以上の光モジュール１０２が搭載される。２個の光伝送装置１０１にそれぞれ搭載される光モジュール１０２の間を、光ファイバ１０３が接続している。一方の光伝送装置１０１が生成した送信用のデータが接続される光モジュール１０２によって光信号に変換され、かかる光信号を光ファイバ１０３へ送信される。光ファイバ１０３上を伝送する光信号は、他方の光伝送装置１０１に接続される光モジュール１０２によって受信され、光モジュール１０２が光信号を電気信号へ変換し、受信用のデータとして当該他方の光伝送装置１０１へ伝送する。
【0027】
ここで、各光モジュール１０２が送受信する電気信号のビットレートは１００Ｇｂｉｔ／ｓである。光送信モジュール１２３Ｂは、２５Ｇｂｉｔ／ｓの光を波長間隔約２０ｎｍで４波長多重化して１００Ｇｂｉｔ／ｓで伝送するようなＣＷＤＭ（Course Wavelength Division Multiplexing）方式である。
【0028】
図２は、当該実施形態に係る光送信モジュール１２３Ｂの構成を示す平面図である。光送信モジュール１２３Ｂは、外装ケース１０と、アレイ半導体光素子１１（アレイ半導体光素子１１に複数の半導体光素子１２が搭載される）と、複数の集光レンズが搭載される光部品１４と、光合波器１５と、光ファイバコネクタ１６と、を備え、アレイ半導体光素子１１はフレキシブル基板１２２Ｂに接続される。電気信号がフレキシブル基板１２２Ｂを介して、アレイ半導体光素子１１の複数の半導体光素子１２それぞれへ入力される。各半導体光素子１２は、対応する発振波長の光信号を出力する。光部品１４において、各半導体光素子１２が出力する光信号は、光部品１４に搭載され半導体光素子１２に対応する集光レンズによって平行化され、光合波器１５にて多重光信号に合波される。かかる多重光信号は、光ファイバコネクタ１６より接続される光ファイバへ出力される。当該実施形態に係る光送信モジュールは、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子を備え、当該実施形態に係る光モジュールは、当該実施形態に係る光送信モジュールを備え、当該実施形態に係る光伝送装置は、当該実施形態に係る光モジュールを備えている。
【0029】
図３Ａ及び図３Ｂは、当該実施形態に係る半導体光素子１２の半導体多層構造を示す模式図である。図３Ａは、半導体光素子１２の光軸方向を含む断面を示しており、半導体多層構造を模式的に示している。図３Ｂは、図３Ａに示すＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線による断面（光軸方向に直交する平面）を示しており、半導体光素子１２の構造を示している。
【0030】
図３Ａに示す通り、半導体光素子１２の半導体多層構造は、半絶縁性のＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、ｎ型ＩｎＰ層２１と、ｎ型下側光ガイド層２２ａと、ＭＱＷ層２２ｂと、ｐ型上側光ガイド層２２ｃと、メサエッチング停止層２３と、ＩｎＰスペーサ層２４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５と、ｐ＋型コンタクト層２６と、が積層方向に沿って順に積層されたものである。ｎ型下側光ガイド層２２ａ及びｐ型上側光ガイド層２２ｃは、ともにＩｎＧａＡｌＡｓ半導体層である。ＭＱＷ層２２ｂは、ＩｎＧａＡｌＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｌＡｓ障壁層とが交互に積層される半導体層である。メサエッチング停止層２３は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層である。ｐ＋型コンタクト層２６は、ＩｎＧａＡｓ半導体層である。
【0031】
図３Ｂに示す通り、半導体光素子１２の半導体多層構造は、基板側より第１メサ構造乃至第３メサ構造からなる多段構造となっている。第１メサ構造は、ｎ型下側光ガイド層２２ａと、ＭＱＷ層２２ｂと、ｐ型上側光ガイド層２２ｃと、メサエッチング停止層２３と、により構成され、第２メサ構造は、ＩｎＰスペーサ層２４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと、により構成され、第３メサ構造は、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５と、ｐ＋型コンタクト層２６と、により構成される。メサ幅は、第１メサ構造から第３メサ構造へ、順に狭くなっている。第１メサ構造において、メサエッチング停止層２３は、ｎ型下側光ガイド層２２ａと、ＭＱＷ層２２ｂと、ｐ型上側光ガイド層２２ｃと、の側面と上面とを覆って、形成されている。
【0032】
半導体多層構造に、一部を除いて全面に亘ってパッシベーション膜２７が形成されている。ｐ＋型コンタクト層２６と電気的に接続されるｐ側電極３１と、ｎ型ＩｎＰ層２１と電気的に接続されるｎ側電極３２とが、配置されている。ｐ側電極３１とｐ＋型コンタクト層２６とが物理的に接触するために、ｐ＋型コンタクト層２６の上表面にパッシベーション膜２７は形成されていない。ｎ側電極３２とｎ型ＩｎＰ層２１とが物理的に接触するために、ｎ型ＩｎＰ層２１の上表面のうち、ｎ側電極３２が形成される領域（の少なくとも一部の領域）にパッシベーション膜２７は形成されていない。
【0033】
ここで、第１半導体層２２は、ｎ型下側光ガイド層２２ａと、ＭＱＷ層２２ｂと、ｐ型上側光ガイド層２２ｃと、を含む。当該実施形態において、第１半導体層２２は、ｎ型下側光ガイド層２２ａと、ＭＱＷ層２２ｂと、ｐ型上側光ガイド層２２ｃと、により構成される。また、第２半導体層２４は、ＩｎＰスペーサ層２４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと、後述するＩｎＰキャップ層２４ｃと、を含んでいる。当該実施形態において、第２半導体層２４は、ＩｎＰスペーサ層２４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと、ＩｎＰキャップ層２４ｃと、により構成される。
【0034】
図４は、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の構造を示す模式図である。当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、４チャンネル多波長レーザ素子アレイであり、各半導体光素子１２それぞれは、リッジ構造型であり直接変調型の半導体レーザ素子であり、具体的には、ＤＦＢレーザである。図４（ａ）に示す通り、アレイ半導体光素子１１は、第１半導体光素子ＣＨ１と、第２半導体光素子ＣＨ２と、第３半導体光素子ＣＨ３と、第４半導体光素子ＣＨ４と、を含む。各チャンネルの半導体光素子１２は、図３Ｂに示す構造を有している。図４（ｂ）乃至図４（e）に、第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４の半導体多層構造の主要部が、それぞれ示されている。各半導体光素子１２の第１半導体層２２は、選択成長（ＳＡＧ法）により積層されており、第１半導体光素子ＣＨ１から第４半導体光素子ＣＨ４へ、順に第１半導体層２２の層厚は厚くなっており、発光波長（利得波長）は順に長くなる。第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４の第１半導体層２２の層厚は、第１半導体層の下表面の高さであるＨ０から、ｈ１乃至ｈ４それぞれまでの距離となる。それゆえ、第１半導体層２２の上表面の高さは、第１半導体光素子ＣＨ１から第４半導体光素子ＣＨ４へ、ｈ１からｈ４と順に高くなっている。メサエッチング停止層２３と第２半導体層２４とは、第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４において共通する工程で、ともに積層されるので、メサエッチング停止層２３の層厚は第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４において実質的に等しく、第２半導体層２４の層厚は第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４において実質的に等しい。よって、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂの上表面の高さ（第２半導体層２４の上表面の高さ）は、第１半導体光素子ＣＨ１から第４半導体光素子ＣＨ４へ、Ｈ１からＨ４と順に高くなっている。
【0035】
本発明の特徴は、第１半導体光素子及び第２半導体光素子を含む複数の半導体光素子が半導体基板上にモノリシックに集積されるアレイ半導体光素子であって、各半導体光素子は、多重量子井戸層を含む第１半導体層と、第１半導体層の上方に配置される回折格子層と、を含み、第１半導体光素子の第１半導体層の層厚は、第２半導体光素子の第１半導体層の層厚より薄く、第１半導体光素子の回折格子層の高さは、第２半導体光素子の前記回折格子層の高さより、第１半導体層の層厚差に応じて低いことにある。ここで言う回折格子層の高さとは、ＩｎＰ基板２０の上面からの積層方向（基板面に垂直方向）に沿う高さで規定する。各半導体光素子の第１半導体層は、多重量子井戸層の下側に接して配置される下側光ガイド層と、多重量子井戸層の上側に接して配置される上側光ガイド層と、をさらに含んでいるのが望ましい。各半導体光素子の第１半導体層は、下側光ガイド層と、多重量子井戸層と、上側光ガイド層と、からなるのが、さらに望ましい。
【0036】
当該実施形態において、後述する通り、第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４において、第１半導体層は選択成長（ＳＡＧ）により積層されており、第１半導体層の層厚は互いに異なっている。これに対して、第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４において、エッチング停止層及び第２半導体層は、共通する条件で同一の結晶成長行程で積層されており、エッチング停止層の層厚は実質的に等しく、同様に、第２半導体層の層厚は実質的に等しい。よって、第１半導体光素子の回折格子層の高さと、第２半導体光素子の回折格子層の高さと、の差は、実質的に、第１半導体層の層厚差となる。また、各半導体光素子は、第１半導体層と回折格子層との間に配置される、エッチング停止層を、さらに含んでいるのが望ましい。なお、複数の半導体光素子において、ある半導体層の層厚が実質的に等しいとは、複数の半導体光素子において、共通する条件で同一の結晶成長工程で当該半導体層が積層されることにより、かかる結晶成長工程における当該半導体層の層厚は実質的に等しくなっている。すなわち、結晶成長工程による当該半導体層の面内分布の範囲内において、当該半導体層の層厚が等しいことを意味している。
【0037】
近年のインターネット人口の爆発的増大により、情報伝送の大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられる。光通信に用いられる送信用光源に、半導体レーザ素子が用いられ、素子を駆動する電気回路等と共に、光モジュールとして規格化されたパッケージ内に搭載される。現在、光モジュールの伝送容量は既に１００Ｇｂ／ｓに到達しており、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１のように、２５Ｇｂ／ｓで動作し、互いに発振波長の異なる４個（４チャンネル）用いてアレイ化することにより、１００Ｇｂ／ｓの伝送容量を実現している。各半導体光素子の伝送速度は２５Ｇｂ／ｓに達し、素子の限界に近い性能であるとも考えられており、これ以上の急激な高速化は技術的に容易ではない。よって、光モジュールの大容量化に向けて、今後も複数のチャンネル数（ｎ個）の半導体光素子をアレイ化して、光モジュールに実装することにより、伝送容量を（ｎ倍に）増大させていく方法が望まれると考えられる。当該実施形態に係るアレイ半導体光素子は、アレイ半導体光素子の大容量化と小型化の要求に対して、最適な構造となっている。
【0038】
一方、データセンタ等で用いられる光伝送装置においては、光伝送装置に搭載する光モジュールのスペースが限られているため、伝送密度の向上も重要である。そのためには、光モジュール自体の小型化により、同一のスペースにおける光モジュールの搭載数を増大させるのが望ましい。よって、光モジュールの小型化の要求が急速に進展している。よって、当該実施形態に係る光モジュール及び光伝送装置は、光モジュールの大容量化と小型化の要求に対して、最適な構造となっている。
【0039】
図５は、半導体光素子の第１半導体層と回折格子層の膜厚増大率に対する、結合係数κ変化率の絶対値を示す図である。一般に、回折格子の性能は、結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬで表現されることが知られている。なお、κは、回折格子層がある領域とない領域の有効屈折率の差に比例する。ここでは、半導体光素子は標準的な素子構造を有するものと仮定しており、アレイ半導体光素子が４チャンネル（４個）の半導体光素子を搭載する場合を考える。
【0040】
特許文献１に示す選択成長により作製される半導体光素子では、第１半導体層と回折格子層とが選択成長により連続して積層されており、チャンネル間で第１半導体層の膜厚と回折格子層の膜厚とがともに増大する。かかる場合、κ変化率の絶対値は図５に示す破線の通り、大きく変化し、チャンネル間で素子性能にばらつきが生じるとの知見を、発明者らは得ている。第１半導体層の膜厚の差及び回折格子層の膜厚の差がともに最大となる第１半導体光素子Ｃｈ１と第４半導体光素子ＣＨ４との間で、κ変化率の全体値の差が最も大きく、素子性能差も大きくことなることとなる。選択成長の波長変化の原理が膜厚の増大に起因しており、κの変化を低減させることは容易ではない。
【0041】
これに対して、当該実施形態に係る半導体光素子では、チャンネル間で回折格子層の層厚は実質的に一定であるので、チャンネル間で第１半導体層の膜厚のみが増大する。かかる場合、第１半導体層の膜厚と回折格子層の膜厚とがともに増大する（破線）と比較して、κ変化率の絶対値は、図５に示す実線の通り、より小さくなっている。また、第１半導体層の膜厚増大率が１．２倍程度までは、κ変化率は実質的に無視できると見積もっている。屈折率が高い回折格子層での膜厚変化が抑制されたことにより、半導体多層構造全体の屈折率の変化量を、従来より大幅に低減することができている。その結果、従来に比べ、チャンネル間でのκ変化率のばらつきを小さくすることができており、チャンネル間に生じる素子性能のばらつきをより抑制することができている。
【0042】
また、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子では、チャンネル間で回折格子層の層厚は実質的に一定であることにより、従来の選択成長により第１半導体層と回折格子層とを連続して積層する場合と比べて、精度高く半導体光素子を作製することができ、チャンネル間での素子性能のばらつきをさらに抑制できている。以下、これについて説明する。
【0043】
ＩｎＰ半導体基板を用いる場合に、回折格子層は、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどの四元混晶層により形成され、ＩｎＰ層の中に埋め込まれる。半導体光素子の製造工程は、ＩｎＰ層に埋め込まれた回折格子層（典型的には層厚数十ｎｍの四元混晶層）をエッチングするエッチング工程が含まれる。従来の選択成長によれば、チャンネル間で回折格子層の層厚が異なっており、チャンネル間でエッチング条件が異なってしまい、共通するエッチング工程で、すべてのチャンネルの半導体光素子において、所望のピッチや形状を有する回折格子を形成することが困難となる。チャンネル間で回折格子層の膜厚の差が大きくなると、均一に作製することがより難しくなり、回折格子形状の不均一が、チャンネル間での素子性能のばらつきを増大させる要因となる。なお、チャンネル毎に最適なエッチング条件を用いてエッチングすることも考えられるが、その場合、エッチングに係る工程数が増大し、コスト低減の点で望ましくない。当該実施形態に係るアレイ半導体光素子では、チャンネル間で回折格子層の層厚は実質的に一定であり、共通するエッチング工程で、回折格子を形成することができる。回折格子の形状をより均一に形成することができる上に、製造コストを低減することができる。
【0044】
以上、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の構造について説明した。次に、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の製造方法について説明する。半導体層の結晶成長方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-organic vapor phase epitaxy）法を用いている。また、キャリアガスとして水素を用いている。ＩＩＩ族元素の原料に、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）のいずれか又はそれらの組み合わせを用いている。Ｖ族元素の原料に、アルシン（ＡｓＨ３）又はフォスフィン（ＰＨ３）のいずれか又はそれらの組み合わせを用いている。また、ｎ型ドーパントとして、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いている。ｐ型ドーパントの原料として、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いている。なお、ｐ型ドーパントは、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）であってもよい。なお、当該実施形態に係る光送信モジュールの製造方法は、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子を、公知の方法により搭載することにより実現される。当該実施形態に係る光モジュールの製造方法は、当該実施形態に係る光送信モジュールを、公知の方法により搭載することにより実現される。当該実施形態に係る光伝送装置の製造方法は、当該実施形態に係る光モジュールを、公知の方法により搭載することにより実現される。
【0045】
なお、結晶成長法は、ＭＯＶＰＥ法に限定されるものではない。分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、化学ビーム成長（ＣＢＥ：Chemical Beam Epitaxy）法、有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ：Metal-organic Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて同様の構造を作製できるのであれば、これら方法を適用しても、本発明の効果が得られるのはいうまでもない。また、ＩＩＩ族、Ｖ族やドーパント他の原料についても、上記以外のものを用いてもよい。
【0046】
図６Ａ乃至図６Ｌは、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の製造方法の過程を示す図である。ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、ｎ型ＩｎＰ層２１を形成する。ｎ型ＩｎＰ層２１の上表面に、所望の波長変化が実現されるよう、各チャンネルに１対の絶縁体マスク４１（合計４対の絶縁体マスク４１）を形成する（絶縁体マスク形成工程：図６Ａ）。１対の絶縁マスク４１は、後の行程で積層する第１半導体層２２が形成される領域を鋏んで配置される。第１半導体層２２のＭＱＷ層２２ｂの発光波長は、１対の絶縁体マスク４１の間隔（開口部）及びマスク幅に依存する。よって、第１半導体光素子ＣＨ１から第４半導体光素子ＣＨ４へ、第１半導体層２２の層厚が増大するように、各チャンネルの１対の絶縁体マスク４１の間隔及びマスク幅が決定される。
【0047】
ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、第１半導体層２２を積層させる（ＳＡＧ成長工程：図６Ｂ）。なお、ＳＡＧ成長工程において、第１半導体層２２の上側に、保護層（ＩｎＰキャップ層）が積層されるが、図６Ｂに図示することは省略されている。絶縁体マスク形成工程により形成される各チャンネルの１対の絶縁体マスク４１により、第１半導体光素子ＣＨ１から第４半導体光素子ＣＨ４へ、形成される第１半導体層２２の層厚が増大している。すなわち、第１半導体光素子ＣＨ１の第１半導体層２２の層厚が、第２半導体光素子ＣＨ２の第１半導体層２２の層厚より薄くなるよう、第１半導体光素子ＣＨ１の第１半導体層２２と、第２半導体光素子ＣＨ２の第１半導体層２２とが、同時に積層される。なお、当該実施形態に係る第１半導体層積層工程は、絶縁体マスク形成工程とＳＡＧ成長工程とを含んでいる。なお、各チャンネルの第１半導体層２２とともに、チャンネル間それぞれの領域には、ダミー半導体層４２が同時に形成される。
【0048】
各チャンネルの１対の絶縁体マスク４１と、チャンネル間それぞれの領域に形成されるダミー半導体層４２を除去する（絶縁体マスク除去工程：図６Ｃ）。また、第１半導体層２２の上側に積層される保護層は、エッチング停止層積層工程が実施される前に、除去される。
【0049】
ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、第１半導体層２２を覆って、メサエッチング停止層２３（エッチング停止層積層工程）と、第２半導体層２４（回折格子層積層工程）と、を連続して積層する（図６Ｄ）。メサエッチング停止層２３及び第２半導体層２４は、ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、全面に亘って形成される。メサエッチング停止層２３が積層され、第１メサ構造が形成される。各チャンネルの半導体光素子１２のメサエッチング停止層２３を、同一の多層成長条件で形成することができており、各チャンネルのメサエッチング停止層２３の層厚は実質的に同一である。第１半導体光素子ＣＨ１乃至第４半導体光素子ＣＨ４それぞれの第２半導体層２４が、共通する条件で同時に積層される。各チャンネルの半導体光素子１２の第２半導体層２４を同一の多層成長条件で形成することができ、各チャンネルの第２半導体層２４の層厚は実質的に同一である。
【0050】
図６Ｅは、図６Ｄに示すアレイ半導体光素子１１のうち１つの半導体光素子１２の構造を示している。図６Ｅ（ａ）は、図６Ｄと同様に、光軸方向に垂直な断面を示しており、図６Ｅ（ｂ）は、図３Ａと同様に、光軸方向を含む断面を示している。図６Ｅに示す通り、第２半導体層２４は、ＩｎＰスペーサ層２４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと、ＩｎＰキャップ層２４ｃと、を含んでいる。
【0051】
全面に亘って形成されるＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂのうち、各チャンネルにおいてＭＱＷ層２２ｂが光導波路となる領域の上方の領域に、回折格子パターンマスクである酸化膜マスク４３を形成する（回折格子パターンマスク形成工程：図６Ｆ）。酸化膜マスク４３を積層し、さらに、干渉露光法や電子ビーム露光法などにより、積層される酸化膜マスク４３が周期構造を有する回折格子パターンに形成される。図６Ｆ（ｂ）が示す通り、光軸方向に沿って、回折格子が形成される領域と形成されない領域とが周期的に繰り返しており、回折格子パターンとなっている。
【0052】
酸化膜マスク４３をマスクとして、ＩｎＰキャップ層２４ｃをエッチングする（ＩｎＰキャップ層エッチング工程：図６Ｇ）。図６Ｇに示す通り、エッチングがＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂの上表面で停止するよう、エッチングの条件を調整する。次に、酸化膜マスク４３を除去する（酸化膜マスク除去工程：図６Ｈ）。
【0053】
ＩｎＰキャップ層２４ｃをマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂをエッチングし、回折格子を形成する（回折格子形成工程：図６Ｉ）。この際、ＩｎＰスペーサ層２４ａがエッチング停止層として機能し、エッチングがＩｎＰスペーサ層２４ａの上表面で停止するよう、エッチングの条件を調整する。この工程において、第２メサ構造が形成される。
【0054】
ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、全面に亘って、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５と、ｐ＋型コンタクト層２６と、を連続して積層する（上側クラッド層積層工程：図６Ｊ）。かかる工程で結晶成長工程がすべて終了する。この際に、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂ（回折格子）の上部に配置されるＩｎＰキャップ層２４ｃは、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５と一体化するので、ＩｎＰキャップ層２４ｃは図示されない。また、ＩｎＰスペーサ層２４ａも同様に、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５と一体化するので図示されない。ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂの下側にはＩｎＰスペーサ層２４ａが形成されるが、かかる部分のＩｎＰスペーサ層２４ａ及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂは、第２半導体層２４として示される。
【0055】
ｐ＋型コンタクト層２６の上表面にマスクを形成し、かかるマスクを用いてエッチングを実施し、ｐ＋型コンタクト層２６及びｐ型ＩｎＰクラッド層２５のうちかかるマスクの両側にある領域を除去し、第３メサ構造（リッジ構造）を形成する（メサ形成工程：図６Ｋ）。エッチングは、ウェットエッチングやドライエッチングなどより適切な方法が選択され、メサエッチング停止層２３の上表面で停止するよう、エッチングの条件を調整する。なお、図３Ｂに示す通り、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂが形成される領域では、エッチングはＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂの上表面で停止する。ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと同一層上であって形成されない領域では、エッチングはさらに進行し、メサエッチング停止層２３の上表面で停止する。
【0056】
メサエッチング停止層２３のうち第１メサ構造の外側となる領域を除去し、ｎ型ＩｎＰ層２１のうちｎ側電極３２が形成される領域を露出される（メサエッチング停止層除去工程：図６Ｌ）。さらに、チャンネル間を電気的に遮断するために、チャンネル間の領域に形成されるｎ型ＩｎＰ層２２を除去し、さらに、ＦｅドープＩｎＰ基板２０の内部に達するように、かかる領域にあるＦｅドープＩｎＰ基板２０の上部を除去する。ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、全面に亘ってパッシベーション膜２７を形成し、ｐ側電極３１との接触部分であるｐ＋型コンタクト層２６の上表面と、露出されるｎ型ＩｎＰ層２１の上表面のうちｎ側電極３２との接触部分と、にあるパッシベーション膜２７を除去し、ｐ側電極３１及びｎ側電極３２を形成し、ウエハ工程が終了する。ウエハより劈開することにより、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１が作製される。
【0057】
こうして作製されるアレイ半導体光素子１１は、隣り合うチャンネル間が電気的に絶縁されているので、差動駆動が可能である。アレイ半導体光素子１１の素子性能を検出したところ、４チャンネル間の高温動作時の閾値電流やスロープ効率のばらつきは小さく、２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動時の変調特性も良好であった。
【0058】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、第１の実施形態と同様に、リッジ構造型の４チャンネル多波長レーザ素子アレイであるが、各半導体光素子１２は、連続光（ＣＷ）を出力する半導体レーザ素子であり、具体的には、ＤＦＢレーザである。また、アレイ半導体光素子１１には、複数の半導体光素子１２それぞれが出力する連続光を、変調して出力する複数の電界吸収型（ＥＡ）変調器が、さらにモノリシックに集積されている。すなわち、各半導体光素子１２は、ＥＡ変調器ＤＦＢレーザのレーザ部である。第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、ＦｅドープＩｎＰ基板２０を備え、ｎ側電極３２がｐ側電極３１と半導体基板に対して同じ側に形成されているのに対して、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、ｎ型ＩｎＰ基板５０を備え、ｎ側電極６２が半導体基板に対してｐ側電極６１とは反対側に形成されている。それに伴って、各半導体光素子１２の半導体多層構造が、第１の実施形態と異なっているが、それ以外については、第１の実施形態と同じ構造をしている。
本発明の第２の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、第１の実施形態と同様に、リッジ構造型の４チャンネル多波長レーザ素子アレイであるが、各半導体光素子１２は、連続光（ＣＷ）を出力する半導体レーザ素子であり、具体的には、ＤＦＢレーザである。また、アレイ半導体光素子１１には、複数の半導体光素子１２それぞれが出力する連続光を、変調して出力する複数の電界吸収型（ＥＡ）変調器が、さらにモノリシックに集積されている。すなわち、各半導体光素子１２は、ＥＡ変調器ＤＦＢレーザのレーザ部である。第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、ＦｅドープＩｎＰ基板２０を備え、ｎ側電極３２がｐ側電極３１と半導体基板に対して同じ側に形成されているのに対して、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、ｎ型ＩｎＰ基板５０を備え、ｎ側電極６２が半導体基板に対してｐ側電極６１とは反対側に形成されている。それに伴って、各半導体光素子１２の半導体多層構造が、第１の実施形態と異なっているが、それ以外については、第１の実施形態と同じ構造をしている。
【0059】
図７は、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の構造を示す模式図である。半導体光素子１２の半導体多層構造は、ｎ型ＩｎＰ基板５０上に、ｎ型ＩｎＰ基板５０上に、ｎ型下側光ガイド層５２ａと、ＭＱＷ層５２ｂと、ｐ型上側光ガイド層５２ｃと、メサエッチング停止層５３と、ＩｎＰスペーサ層５４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５４ｂと、ｐ型ＩｎＰクラッド層５５と、ｐ＋型コンタクト層５６と、が積層方向に沿って順に積層されたものである。ｎ型下側光ガイド層５２ａ及びｐ型上側光ガイド層５２ｃは、ともにＩｎＧａＡｓＰ半導体層である。ＭＱＷ層５２ｂは、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層とが交互に積層される半導体層である。メサエッチング停止層５３は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体層である。ｐ＋型コンタクト層５６は、ＩｎＧａＡｓ半導体層である。第１の実施形態と同様に、第１半導体層５２は、ｎ型下側光ガイド層５２ａと、ＭＱＷ層５２ｂと、ｐ型上側光ガイド層５２ｃと、を含み、第２半導体層５４は、ＩｎＰスペーサ層５４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５４ｂと、ＩｎＰキャップ層（図示せず）を含む。各半導体光素子１２の一方側（図７の左側）には、ｐ型ＩｎＰクラッド層５５（及びｐ＋型コンタクト層５６）の結晶成長工程において同時に積層される、バンク部５９が配置される。尚、バンク部５９の最上層にもｐ＋型コンタクト層５６が形成されるが、後述するパッシベーション膜５７の形成前に除去される。ｐ側電極６１との接触部分であるｐ＋型コンタクト層５６の上表面を除いて、ｎ型ＩｎＰ基板５０上の全面に亘って、パッシベーション膜５７が形成されている。ｐ側電極６１は、ｐ＋型コンタクト層５６の上表面に接するとともに、各半導体光素子１２の一方側に延伸して、バンク部５９の上面にパッド部が形成される。また、ｎ側電極６２は、ｎ型ＩｎＰ基板５０の裏面に形成される。
【0060】
当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の製造方法は、第１の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の製造方法と、本発明に係る特徴となる工程は共通しているので、詳細については省略する。なお、半導体多層構造のうち、第３メサ構造（リッジ構造）をエッチングにより形成する際に、エッチングは、メサエッチング停止層５３の上表面で停止するよう、エッチングの条件を調整する。また、半導体多層構造の第３メサ構造（リッジ構造）とバンク部５９（ｐ側電極６１のパッド部）との間を、ポリイミドやＢＣＢ等で平坦化してもよい。
【0061】
当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の各チャンネルにおける接地電位（グランド）は、ｎ型ＩｎＰ基板５０（及びｎ側電極６２）であり、全チャンネルで共通としている。こうして作製されるアレイ半導体光素子１１は、ＣＷ光源として用いることができる。アレイ半導体光素子１１の素子性能を検出したところ、４チャンネル間の高温動作時の閾値電流やスロープ効率のばらつきは小さく、チャンネル間で光出力のばらつきを低減することができている。なお、ここでは、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、ｎ型ＩｎＰ基板５０を備えているが、これに限定されることはなく、ｐ型ＩｎＰ基板を備えていてもよい。
【0062】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、第１の実施形態と同様に、４チャンネル多波長レーザ素子アレイであるが、各半導体光素子１２は、埋め込み構造型であり直接変調型の半導体レーザ素子であり、具体的には、ＤＦＢレーザである。埋め込み構造型としたことにより、当該実施形態に係る半導体光素子１２の半導体多層構造が第１の実施形態と異なり、ｐ側電極３１の形状が同様に第１の実施形態と異なっているが、それ以外については、第１の実施形態と同じ構造をしている。
本発明の第３の実施形態に係るアレイ半導体光素子１１は、第１の実施形態と同様に、４チャンネル多波長レーザ素子アレイであるが、各半導体光素子１２は、埋め込み構造型であり直接変調型の半導体レーザ素子であり、具体的には、ＤＦＢレーザである。埋め込み構造型としたことにより、当該実施形態に係る半導体光素子１２の半導体多層構造が第１の実施形態と異なり、ｐ側電極３１の形状が同様に第１の実施形態と異なっているが、それ以外については、第１の実施形態と同じ構造をしている。
【0063】
図８は、当該実施形態に係るアレイ半導体光素子１１の構造を示す模式図である。当該実施形態に係る半導体光素子１２の半導体多層構造は、ＦｅドープＩｎＰ基板２０上に、ｎ型ＩｎＰ層２１と、ｎ型下側光ガイド層２２ａと、ＭＱＷ層２２ｂと、ｐ型上側光ガイド層２２ｃと、ＩｎＰスペーサ層２４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２４ｂと、ｐ型ＩｎＰクラッド層２５と、ｐ＋型コンタクト層２６と、が積層方向に沿って順に積層されたものである。第１の実施形態では、第１半導体層２２と第２半導体層２４との間に配置されていたメサエッチング停止層２３は、当該実施形態では配置されていない。
【0064】
また、第１の実施形態では、半導体多層構造は、多段構造となっていたが、当該実施形態では、ｐ＋型コンタクト層２６からｎ型ＩｎＰ層２１に至るまで、ＭＱＷ２２ｂ層のうち光導波路が形成される領域の両側に位置する半導体多層が除去されて、メサストライプ構造を形成している。そして、メサストライプ構造の両側面が、埋め込み層２８で埋め込まれている。ここで埋め込み層２８は、鉄（Ｆｅ）がドープされる半絶縁性ＩｎＰ層であり、鉄の有機金属原料として、フェロセンが用いられる。また、埋め込み層２８は、ルテニウム（Ｒｕ）がドープされる半絶縁性ＩｎＰ層であってもよい。
【0065】
こうして作製されるアレイ半導体光素子１１は、隣り合うチャンネル間が電気的に絶縁されているので、差動駆動が可能である。アレイ半導体光素子１１の素子性能を検出したところ、４チャンネル間の高温動作時の閾値電流やスロープ効率のばらつきは小さく、２５Ｇｂｉｔ／ｓ駆動時の変調特性も良好であった。
【0066】
以上、本発明の実施形態に係る半導体光素子、アレイ半導体光素子、光送信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置、並びに、それらの製造方法について説明した。上記実施形態では、半導体光素子は、直接変調型とＣＷ型のＤＢＲレーザを例に説明しているが、これに限定されることがないのは言うまでもなく、回折格子を第１半導体層の上方に備える半導体光素子に広く適用可能である。またメサエッチング停止層は必要に応じて設ければ良く、回折格子層をメサエッチング停止層として利用してメサ形成を行ってもよい。さらに、４チャンネルアレイに限定されず２個以上の半導体光素子１２が集積されたアレイ素子であれば本発明は適用できる。また、上記実施形態に係るアレイ半導体光素子では、ＩｎＰ半導体基板を用いているが、これに限定されることはなく、他の半導体基板を用いていてもよい。上記実施形態に係る第１半導体層は、下側光ガイド層と、ＭＱＷ層と、上側光ガイド層と、による３層構造としたが、これに限定されることはなく、必要に応じて、ＭＱＷ層のみであってもよいし、当該３層に加えてさらに半導体層が積層されてもよい。
【0067】
半導体光素子の第１半導体層は選択成長（ＳＡＧ法）により積層され、第２半導体層は、チャンネル間で共通の工程により積層されるとしているが、第１半導体層の結晶成長方法は、選択成長に限定されることはなく、第１半導体光素子の第１半導体層の層厚を、第２半導体光素子の第１半導体層の層厚より薄く、同時に積層することができるのであれば、他の結晶成長方法にも適用することができる。また、伝送されるビットレートが１００Ｇｂｉｔ／ｓのアレイ半導体光素子を例に説明したが、これに限定されることはなく、他のビットレート又はシンボルレートであっても適用可能であることは言うまでもない。広く本発明を適用することが出来る。
【符号の説明】
【0068】
１０ 外装ケース、１１ アレイ半導体光素子、１２ 半導体光素子、１４ 光部品、１５ 光合波器、１６ 光ファイバコネクタ、２０ ＦｅドープＩｎＰ基板、２１ ｎ型ＩｎＰ層、２２ 第１半導体層、２２ａ ｎ型下側光ガイド層、２２ｂ ＭＱＷ層、２２ｃ ｐ型上側光ガイド層、２３ メサエッチング停止層、２４ 第２半導体層、２４ａ ＩｎＰスペーサ層、２４ｂ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、２４ｃ ＩｎＰキャップ層、２５ ｐ型ＩｎＰクラッド層、２６ ｐ＋型コンタクト層、２７ パッシベーション膜、２８ 埋め込み層、３１ ｐ側電極、３２ ｎ側電極、４１ 絶縁体マスク、４２ ダミー半導体層、４３ 酸化膜マスク、５０ ｎ型ＩｎＰ基板、５２ 第１半導体層、５２ａ ｎ型下側光ガイド層、５２ｂ ＭＱＷ層５２、５２ｃ ｐ型上側光ガイド層、５３ メサエッチング停止層、５４ 第２半導体層、５４ａ ＩｎＰスペーサ層、５４ｂ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、５５ ｐ型ＩｎＰクラッド層、５６ ｐ＋型コンタクト層、５７ パッシベーション膜、５９ バンク部、６１ ｐ側電極、６２ ｎ側電極、１０１ 光伝送装置、１０２ 光モジュール、１０３，１０３Ａ，１０３Ｂ 光ファイバ、１１１，１２１ プリント回路基板、１１２ ＩＣ、１２２Ａ，１２２Ｂ フレキシブル基板、１２３Ａ 光受信モジュール、１２３Ｂ 光送信モジュール。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図6H】
【図6I】
【図6J】
【図6K】
【図6L】
【図7】
【図8】