特許 7267370 光半導体素子、光モジュール及び光半導体素子の製造方法

(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】2023-04-21

(45)【発行日】2023-05-01

(54)【発明の名称】光半導体素子、光モジュール及び光半導体素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/227 20060101AFI20230424BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20230424BHJP

   H01S 5/02253 20210101ALI20230424BHJP

【ＦＩ】

H01S5/227

H01S5/343

H01S5/02253

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021159473

(22)【出願日】2021-09-29

(62)【分割の表示】P 2016187517の分割

【原出願日】2016-09-26

(65)【公開番号】P2021193756

(43)【公開日】2021-12-23

【審査請求日】2021-09-29

(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】弁理士法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中原 宏治

(72)【発明者】

【氏名】北谷 健

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１６５１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－００３３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１４１２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０５３１２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０６１０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７５６７６０１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０１３６９７１８（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０４９３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５０１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０６５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２４５２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３８８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３５７８４１（ＪＰ，Ａ）

(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】

ＩｎＰ半導体基板と、
前記ＩｎＰ半導体基板の上方に配置され、多重量子井戸層を含む、下部メサ構造と、
前記下部メサ構造上に配置される、クラッド層を含む、上部メサ構造と、
前記下部メサ構造の両側面を埋め込む、埋め込み半導体層と、
前記上部メサ構造の両側面を接して覆う、絶縁膜と、
を備える、光半導体素子であって、
前記下部メサ構造は、前記多重量子井戸層の上方に、第１半導体層を含み、
前記上部メサ構造は、前記クラッド層の下方に、前記クラッド層とは組成が異なる第２半導体層を含み、
前記第２半導体層は、相互に接触しない回折格子層と光閉じ込め層を有し、
前記光閉じ込め層は、前記回折格子層の上方にあり、
前記上部メサ構造と前記下部メサ構造は、互いに電気的に接続し、
前記クラッド層および前記光閉じ込め層の導電型は同じであり、
前記第１半導体層は、他の光閉じ込め層である、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項2】

請求項１に記載の光半導体素子であって、
前記第２半導体層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より高い、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の光半導体素子であって、
前記第２半導体層は、電子ストップ層をさらに有する、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光半導体素子であって、
前記クラッド層は、ＩｎＰ層であり、
前記第２半導体層のうち少なくとも一層はＰ元素を含む多元素からなる層である、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光半導体素子であって、
前記多重量子井戸層は、Ａｌ元素を含む多元素からなる層である、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項6】

請求項５に記載の光半導体素子であって、
前記第１半導体層は、Ａｌ元素を含む多元素からなる層である、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光半導体素子が、複数並んで、前記ＩｎＰ半導体基板上に配置される、光半導体素子。

【請求項8】

請求項７に記載の光半導体素子であって、
隣り合う前記光半導体素子の間に配置される前記埋め込み半導体層を分離するアイソレーション溝を、備える、
ことを特徴とする、光半導体素子。

【請求項9】

ＩｎＰ半導体基板に、多重量子井戸層及び第１半導体層を順に含む下部半導体多層と、第２半導体層及びクラッド層を順に含む上部半導体多層と、を積層する、半導体多層積層工程と、
光導波路の延伸方向に延びる第１マスクを前記上部半導体多層に形成し、前記第１マスクを用いて、前記上部半導体多層のうち前記第１マスクの外側にある部分を除去して、上部メサ構造を形成する、上部メサ構造形成工程と、
前記下部半導体多層のうち前記上部メサ構造の上面及び側面を囲む第２マスクの外側にある部分を除去して、下部メサ構造を形成する、下部メサ構造形成工程と、
前記下部メサ構造の両側の側面を、埋め込み半導体層にて埋め込む、埋め込み工程と、
前記上部メサ構造の両側の側面と、前記埋め込み半導体層の上面とを、絶縁膜にて接して覆う、絶縁膜形成工程と、
を備える、光半導体素子の製造方法であって、
前記第２半導体層は、前記クラッド層とは組成が異なり、
前記第２半導体層は、相互に接触しない回折格子層と光閉じ込め層を有し、
前記光閉じ込め層は、前記回折格子層の上方にあり、
前記上部メサ構造と前記下部メサ構造は、互いに電気的に接続し、
前記クラッド層および前記光閉じ込め層の導電型は同じであり、
前記第１半導体層は、他の光閉じ込め層である、
ことを特徴とする、光半導体素子の製造方法。

【請求項10】

請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体光素子と、
前記半導体光素子から出射される光を集光するレンズと、を備えた
ことを特徴とする光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光半導体素子、光モジュール及び光半導体素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

インターネットはビジネスから家庭生活に至るまで現代社会に欠かすことのできないインフラストラクチャとして定着し、業務用のデータ処理からポータルサイト、ブログからインターネット通信販売、動画、電子書籍やＳＮＳ（Social Networking Service）などに至るまでその適用範囲を広げている。インターネット通信の大部分は高速ルータ装置を通して大容量化、長距離化で有利な光通信が使用されている。さらに、上記で述べた業務用データ処理、インターネット通信販売、ＳＮＳ等の運営はデータセンタで行われることが主流となっている。データセンタ内の各サーバ間は光通信で接続されており、データセンタの大規模化によりセンタ中では膨大な光通信網が構築されている。このようなインターネット関連産業は今後もさらに発展し、光通信の伝送容量も増加の一途を辿っている。
これらの光通信には光送受信モジュールが使用されており、伝送容量増大の要求によりさらなる高速化が求められている。また、高速ルータ装置やデータセンタは高速化や大規模化により装置内での部品実装の高密度化や消費電力の増大が進んでおり、光送受信モジュールには高速化と共に小型化と低消費電力化をも求められている。

【0003】

光送受信モジュールの高速化には、光送信機能を有した光モジュールの光源である光半導体素子（例えば、半導体レーザや吸収型変調器が集積化された半導体レーザ）の高速化が必須である。半導体レーザの場合には一般に注入電流を変調させ光強度を変調させる直接変調方式が広く適用されている。この方式の場合、近年の１０Ｇｂ／ｓ以上の伝送速度の通信用半導体レーザでは発明者らにより特許文献１に開示されているように活性層に緩和振動周波数が高く高速化が実現できるＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層（多重量子井戸層）を適用したリッジ型レーザが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－１５０１４５号公報

【文献】特開２０１３－１６５１３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般にリッジ型レーザはリッジストライプ下の半導体層での横方向の拡散電流があるため実効的な活性層が広くなり、さらにその外側にも電流が拡散するため無効電流が存在し、しきい電流が大きくなる。このようにリッジ型レーザは、横方向拡散電流による無効電流の影響を受けて実行的な駆動電流が小さくなり、実効的な活性層幅も広くなるため高速化のために緩和振動周波数を高くするのには、活性層の両脇を半導体層で埋め込んだＢＨ構造と比較して不利な構造となっている。

【0006】

そこで、発明者らは、特許文献２に開示されているような、ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザにおいてしきい電流が小さく、低駆動電流での緩和振動周波数が高く、長期信頼性を有する埋め込み型レーザを提案した。特許文献２において半導体レーザはＩｎＰ半導体基板上に形成されており、上部のクラッドがＩｎＰのメサストライプで形成され、その下に回折格子や光閉じ込め層（ＳＣＨ層）、多重量子井戸層（ＭＱＷ層）等を含む層が上部のメサストライプとほぼ同じ層に形成され、回折格子、ＳＣＨ層、ＭＱＷ層の両脇にＩｎＰの埋め込み層がある構造である。本構造により、光の対称性に優れ、信頼性が高いレーザを実現することができたが、近年の光送受信モジュールの高速化に伴い、高信頼性と低しきい電流を保持しつつより高速化を実現する半導体レーザが求められている。

【0007】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、しきい電流が小さく緩和振動周波数が高く、長期信頼性を有する光半導体素子、光モジュール及び光半導体素子の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光半導体素子は、ＩｎＰ半導体基板と、前記ＩｎＰ半導体基板の上方に配置され、多重量子井戸層を含む、下部メサ構造と、前記下部メサ構造上に配置される、クラッド層を含む、上部メサ構造と、前記下部メサ構造の両側面を埋め込む、埋め込み半導体層と、前記上部メサ構造の両側面を接して覆う、絶縁膜と、を備える、光半導体素子であって、下部メサ構造は、前記多重量子井戸層の上方に、第１半導体層を含み、上部メサ構造は、前記クラッド層の下方に、前記クラッド層とは組成が異なる第２半導体層を含む。

【0009】

（２）上記（１）に記載の光半導体素子であって、前記第２半導体層の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より高くてもよい。

【0010】

（３）上記（１）または（２）に記載の光半導体素子であって、前記第２半導体層は、回折格子層、光閉じ込め層、及び電子ストップ層からなる群より選択される１又は複数であってもよい。

【0011】

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記クラッド層は、ＩｎＰ層であり、前記第２半導体層のうち少なくとも一層はＰ元素を含む多元素からなる層であってもよい。

【0012】

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記第１半導体層は、光閉じ込め層であってもよい。

【0013】

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記多重量子井戸層は、Ａｌ元素を含む多元素からなる層であってもよい。

【0014】

（７）上記（６）に記載の光半導体素子であって、前記第１半導体層は、Ａｌ元素を含む多元素からなる層であってもよい。

【0015】

（８）本発明に係る光半導体素子は、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光半導体素子が、複数並んで、前記ＩｎＰ半導体基板上に配置される。

【0016】

（９）上記（８）に記載の光半導体素子であって、隣り合う前記光半導体素子の間に配置される前記埋め込み半導体層を分離するアイソレーション溝を、備えてもよい。

【0017】

（１０）本発明に係る光半導体素子の製造方法は、ＩｎＰ半導体基板に、多重量子井戸層及び第１半導体層を順に含む下部半導体多層と、第２半導体層及びクラッド層を順に含む上部半導体多層と、を積層する、半導体多層積層工程と、光導波路の延伸方向に延びる第１マスクを前記上部半導体多層に形成し、前記第１マスクを用いて、前記上部半導体多層のうち前記第１マスクの外側にある部分を除去して、上部メサ構造を形成する、上部メサ構造形成工程と、前記下部半導体多層のうち前記上部メサ構造の上面及び側面を囲む第２マスクの外側にある部分を除去して、下部メサ構造を形成する、下部メサ構造形成工程と、前記下部メサ構造の両側の側面を、埋め込み半導体層にて埋め込む、埋め込み工程と、前記上部メサ構造の両側の側面と、前記埋め込み半導体層の上面とを、絶縁膜にて接して覆う、絶縁膜形成工程と、を備え、前記第２半導体層は、前記クラッド層とは組成が異なる。

【0018】

（１１）本発明に係る光モジュールは、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の半導体光素子と、前記半導体光素子から出射される光を集光するレンズと、を備える。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、しきい電流が小さく緩和振動周波数が高く、長期信頼性を有する光半導体素子、光モジュール及び光半導体素子の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１実施形態に係る光半導体素子の概略構成を示す図である。

【図2】図１のＡで示された断面における断面図である。

【図3A】本実施形態に係る光半導体素子１の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【図3B】本実施形態に係る光半導体素子の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【図3C】本実施形態に係る光半導体素子の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【図3D】本実施形態に係る光半導体素子の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【図3E】本実施形態に係る光半導体素子の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【図3F】本実施形態に係る光半導体素子の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【図4】下部メサ幅Ｗ_ａに対するΓ_ＱＷ／Ｗ_ａの計算値を示したものである。

【図5】本発明の第２実施形態に係る光半導体素子の断面図である。

【図6】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の断面図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る光半導体素子の断面図である。

【図8】本発明の図１の光半導体素子を搭載した光モジュールを概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0022】

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光半導体素子１の概略構成を示す図である。図１に示す光半導体素子１は、半導体レーザであって、直方体形状の対向する面に設けられた２つの電極に電圧が印加されることにより、発振領域１０１からレーザ光１０２を発振する。

【0023】

図２は、図１のＡで示された断面における断面図である。また、図２は、光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する半導体レーザの光軸に垂直な断面の模式図である。光半導体素子１は、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１と、下部クラッド層１２と、下部メサ構造１３と、上部メサ構造１４と、下部メサ構造１３の両側面を埋め込む埋め込み半導体層１５と、上部メサ構造１４の両側面を接して覆う第１絶縁層１６と、第１絶縁層１６を覆う第２絶縁層１７と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されているｎ型電極１８と、ＡｕＺｎ系をコンタクト電極とするｐ型電極１９と、を含んで構成されている。なお、第１絶縁層１６は、上部メサ構造１４の両側面に加えて、埋め込み半導体層１５の上面を接して覆っている。ここで、メサ構造とは、光導波路の延伸方向（図２の紙面に垂直な方向）に対して、半導体多層の両側を除去したものをいう。また、本明細書では、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１上に半導体層が積層される方向（図２における上下方向）において、便宜上、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１に近い側を下側、その反対側を上側としている。なお、「Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ」は、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕの順に積層される多層構造を示している。

【0024】

下部クラッド層１２は、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは１５００ｎｍのｐ型ＩｎＰバッファ層である。

【0025】

下部メサ構造１３は、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１の上方に配置され、多重量子井戸層を含んで構成されている。また、下部メサ構造１３は、多重量子井戸層の上方に配置される第１半導体層を含む。本明細書において、「ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１の上方に配置される」とは、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１から離れて配置される場合と、ｐ型ＩｎＰ半導体基板に接して配置される場合との両方を含むこととする。第１半導体層は、例えば、光閉じ込め効果を有する光閉じ込め層（ＳＣＨ層）である。具体的には、図２に示すように、下部メサ構造１３は、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは１００ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３１と、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さが４０ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層３２と、６周期で井戸層が８ｎｍ、障壁層が８ｎｍ、１．３μｍ帯で発光する歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層３３と、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは３０ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４と、を含んで構成されている。図２においては、歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層３３が多重量子井戸層であり、ここでは、多重量子井戸層はＡｌ元素を含む多元素からなる層となる。そして、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４が第１半導体層であり、ここでは、第１半導体層はＡｌ元素を含む多元素からなる層となる。また、下部メサ構造１３の上端の幅（図２の左右方向の幅）は、０．８μｍである。

【0026】

上部メサ構造１４は、下部メサ構造１３上に配置され、クラッド層を含んで構成されている。また、上部メサ構造１４は、クラッド層の下方に配置され、クラッド層とは組成が異なる第２半導体層を含む。本明細書において、「下部メサ構造１３上に配置される」とは、下部メサ構造１３の上側に接して配置される場合のみを示すこととする。また、「クラッド層の下方に配置される」とは、クラッド層から離れて配置される場合と、クラッド層に接して配置される場合との両方を含むこととする。さらに、本明細書において、２つの半導体層の「組成が同じ」とは、半導体層を構成する多元素それぞれの元素が一致することを言う。例えば、２つの半導体層がともにＩｎＧａＡｌＡｓからなる場合、２つの半導体層は組成が同じである。そして、「組成が同じ」である２つの半導体層において、ドーパント（不純物）の元素が異なっていたり、ドーパント濃度が異なっていても、「組成が同じ」である。さらに、多元素の元素それぞれの割合が異なっていても、「組成が同じ」である。反対に、２つの半導体層の「組成が異なる」とは、２つの半導体層を構成する多元素の元素が完全に一致しないことを言う。例えば、一方の半導体層がＩｎＰからなり、他方の半導体層がＩｎＧａＡｌＡｓからなる場合、２つの半導体層は組成が異なる。上述の通り、２つの半導体層それぞれを構成する多元素それぞれの元素が一致する場合に、多元素の元素それぞれが異なっていても、ドーパントの元素が異なっていても、ドーパント濃度が異なっていても、「組成が異なる」とはならない。

【0027】

第２半導体層は、回折格子層、光閉じ込め層、及び電子ストップ層からなる群より選択される１又は複数であり、第２半導体層の屈折率は、クラッド層の屈折率より高い。具体的には、図２に示すように、上部メサ構造１４は、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１と、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは２５ｎｍのｎ型ＩｎＰスペーサ層４２と、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３と、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは１．３μｍのｎ型ＩｎＰクラッド層４４と、ドーピング濃度は２×１０^１９ｃｍ^－３のｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５と、を含んで構成されている。ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３は、図２の紙面に垂直な方向に格子状に配置されており、図２では、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３が存在する面を示している。図２においては、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１または／及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３が第２半導体層となり、ここでは、第２半導体層のうち少なくとも一層はＰ元素を含む多元素からなる層となる。そして、ｎ型ＩｎＰクラッド層４４がクラッド層となる。また、上部メサ構造１４の下端の幅（図２の左右方向の幅）は、０．９μｍである。

【0028】

埋め込み半導体層１５は、ｐ型半導体層、ＦｅやＲｕがドーパントである高抵抗型（半絶縁性）半導体層、ｐ型半導体層とｎ型半導体層からなる多層膜、又は高抵抗型半導体層とｐ型半導体層とｎ型半導体層からなる多層膜、のいずれであってもよい。本実施形態では、埋め込み半導体層１５はｐ型ＩｎＰ層とする。

【0029】

第１絶縁層１６は、ＳｉＯ_２等の絶縁膜である。第２絶縁層１７は、ポリイミド等の有機絶縁層であるが、低応力の絶縁層であれば有機絶縁層であっても無機絶縁層であってよい。

【0030】

次に、本実施形態に係る光半導体素子１の製造方法について図３Ａ～図３Ｆを用いて説明する。図３Ａ～図３Ｆは、本実施形態に係る光半導体素子１の製造方法の過程を模式的に示す図である。

【0031】

まず、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１に、多重量子井戸層及び第１半導体層を順に含む下部半導体多層２３と、第２半導体層及びクラッド層を順に含む上部半導体多層２４と、を順に積層する（半導体多層積層工程：図３Ａ）。ここでは、ｐ型ＩｎＰ半導体基板１１上に、下部クラッド層１２と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３１、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層３２、歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層３３（多重量子井戸層）、及びｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４（第１半導体層）を順に含む下部半導体多層２３と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１（第２半導体層）、ＩｎＰスペーサ層４２、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３、ｎ型ＩｎＰクラッド層４４（クラッド層）、及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５を順に含む上部半導体多層２４と、を既知のＭＯＣＶＤ法を用いて積層する。
なお、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３が第２半導体層であってもよい。なお、ＭＯＣＶＤ法による回折格子層４３形成後に、所望の波長となるように回折格子をエッチングにて形成してからまたＭＯＣＶＤ法でｎ型ＩｎＰクラッド層４４及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５を形成した。

【0032】

次に、光導波路の延伸方向に伸びる第１マスク２０を上部半導体多層２４上に形成し、第１マスク２０を用いて、上部半導体多層２４のうち第１マスク２０の外側（図２における左右両側）にある部分を除去して、上部メサ構造１４を形成する（上部メサ構造形成工程：図３Ｂ）。ここでは、二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）を第１マスク２０とし、メタン、酸素、水素の混合ガスを使用したＲＩＥ（reactive ion etching）でドライエッチングすることで、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１（第２半導体層）、ＩｎＰスペーサ層４２、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３、ｎ型ＩｎＰクラッド層４４（クラッド層）、及びＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５の積層体からなる上部メサ構造１４が形成される。このドライエッチでは、ＩｎＧａＡｓＰ層のエッチングレートに比べてＩｎＧａＡｌＡｓ層のレートが非常に低いためｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１（第２半導体層）とｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４の境界でエッチングがほぼ止まる。なお、ｎ型ＩｎＰクラッド層４４（クラッド層）は塩酸とリン酸の混合液でほぼ垂直にエッチングできるため、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５をドライエッチしてからｎ型ＩｎＰクラッド層４４（クラッド層）をウェットエッチし、その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１（第２半導体層）、ＩｎＰスペーサ層４２、及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３をドライエッチしてもよい。

【0033】

その後、後に下部メサ構造１３となる領域以外の下部半導体層２３を除去して、下部メサ構造１３を形成する（下部メサ構造形成工程：図３Ｃ～図３Ｅ）。まず、図３Ｃに示すように、二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）の第２マスク２１を、上部メサ構造１４の上面及び側面、下部半導体多層２３の上面に形成する。次に、セルフアライン（自己整合）的に第２マスク２１の異方性ドライエッチを行うことにより図３Ｄに示すような上部メサ構造１４の上面及び側面を囲み、下部に庇を有するように第２マスク２１の形状を変える。図３Ｃにおいて、上部メサ構造１４の上面では、上部メサ構造形成工程で形成された第１マスク２０上に二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）が成膜され、第１マスク２０と新たに成膜された二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）とを合わせて第２マスク２１となっているため、上部メサ構造１４の上面における第２マスク２１の膜厚は、下部半導体多層２３の上面における第２マスク２１の膜厚より厚くなる。したがって、異方性ドライエッチを行うことにより、下部半導体多層２３の上面に形成された膜厚の薄い第２マスク２１が除去され、図３Ｄに示すような上部メサ構造１４の上面及び側面を囲む形状に第２マスク２１が変わる。第２マスク２１の庇は、上部メサ構造１４を下側が短辺となる等脚台形形状にしたり、ステッパーや電子ビーム描画等の高精度の半導体露光装置で新たなパターニングしたりすることで形成することができる。また、二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）の膜厚制御により等価的な庇幅の制御が可能となる。そして、Ｉｎ（Ｇａ）ＡｌＡｓのみを選択エッチングする水溶液、例えばリン酸、過酸化水素水、水の混合液や硫酸、過酸化水素水、水の混合液にてウェットエッチングを行うことで、下部半導体多層２３のうち上部メサ構造１４の上面及び側面を囲む第２マスク２１の外側にある部分が除去され、図３Ｅに示すようなｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３１、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層３２、歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層３３（多重量子井戸層）、及びｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４（第１半導体層）の積層体からなる下部メサ構造１３が形成される。なお、下部メサ構造１３を形成する際に、ＨＢｒと過酸化水素水、水の混合液等によるウェットエッチングで下部クラッド層１２やＩｎＰ半導体基板１１までエッチングしてもよい。或いは下部メサ構造１３を形成する際に、ドライエッチングを使用してもよいし、ドライエッチングとウェットエッチングを併用してもよい。

【0034】

そして、下部メサ構造１３の両側の側面を、埋め込み半導体層１５にて埋め込む（埋め込み工程：図３Ｆ）。ここでは、既知のＭＯＣＶＤ法を用いてドーピング濃度７×１０^１７ｃｍ^－３のｐ型ＩｎＰが埋め込まれる。埋め込み半導体層１５の積層方向の厚さは、下部クラッド層１２の上面から庇の下面までの高さとほぼ等しくなる。言い換えれば、埋め込み半導体層１５は、下部メサ構造１３の両側の側面が十分埋まるまで埋め込まれる。このように、Ａｌ系の多重量子井戸層の側面が埋め込み半導体層１５で埋め込まれることで界面での結晶欠陥が非常に少なく長期信頼性が得られる。なお、埋め込み半導体層１５に、半絶縁性ＩｎＰ、即ち、ＲｕやＦｅをドーピングしたＩｎＰを適用してもよい。この場合、ｐ型ＩｎＰで埋め込むよりリーク電流の観点では劣ると考えられる。しかし、下部メサ構造１３及び上部メサ構造１４の側壁すべてを埋め込み半導体層１５が接している埋め込み構造と比較すると、本実施形態においては上部メサ構造１４の側壁は埋め込み半導体層１５と接していないために、埋め込み半導体層１５界面を介したリーク電流は小さいと考えられる。

【0035】

その後、上部メサ構造１４の両側の側面と、埋め込み半導体層１５の上面とを、絶縁膜にて接して覆う（絶縁膜形成工程）。ここでは、図３Ｆにおける第２マスク２１を一度除去した後、上部メサ構造１４の上面及び側面、埋め込み半導体層１５の上面を接して覆うように二酸化珪素膜（ＳｉＯ_２）からなる第１絶縁層１６が形成される。さらに、第１絶縁層１６を接して覆うようにポリイミドからなる第２絶縁層１７が形成され、エッチバックにより上部メサ構造１４の上面に形成されている第１絶縁層１６を露出させる。その後、上部メサ構造１４の上面に形成されている第１絶縁層１６を除去しその上部にｎ型電極１８が形成される。また、下部クラッド層１２の下部にはｐ型電極１９が形成される。なお、第２マスク２１を一度除去せずに、第２マスク２１を覆うように第１絶縁層１６及び第２絶縁層１７が形成されてもよい。

【0036】

ここで、図２に示す第１実施形態に係る光半導体素子１と従来のリッジ型レーザにおいて１量子井戸当たりの光閉じ込め係数を下部メサ構造１３の上端の幅（以下、下部メサ幅とする）で割った値の比較をする。緩和振動周波数ｆ_ｒは駆動電流Ｉ_ｍ（＝動作電流－しきい電流）と下部メサ幅Ｗ_ａと、多重量子井戸内の１井戸当たりの光閉じ込め係数Γ_ＱＷの間に以下の関係がある。

【0037】

【数1】

【0038】

式（１）より、Γ_ＱＷ／Ｗ_ａが増大するレーザ構造が望ましいことがわかる。図４は、下部メサ幅Ｗ_ａに対するΓ_ＱＷ／Ｗ_ａの計算値を示したものである。図４は従来のリッジ型レーザと第１実施形態に係る光半導体素子１の下部メサ幅Ｗ_ａに対するΓ_ＱＷ／Ｗ_ａの計算値を示している。ここでは、従来のリッジ型レーザと第１実施形態に係る光半導体素子１とで多重量子井戸層は同一構造である。なお、従来のリッジ型レーザのメサ幅はリッジストライプ部の横幅で定義し、計算を行っている。

【0039】

図４から分かるように第１実施形態に係る光半導体素子１はリッジ型レーザに比べて下部メサ幅が０．８μｍ付近でのΓ_ＱＷ／Ｗ_ａの増大が顕著であり、リッジ型レーザに比べて約３割増大している。リッジ型レーザは多重量子井戸層及び多重量子井戸層上部の光閉じ込め層はメサ構造となっていないために、実効的な活性層幅が広い。対して、第１実施形態に係る光半導体素子１では、多重量子井戸層及び光閉じ込め層（ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１）ともメサ構造となっているため、活性層幅は狭く、Γ_ＱＷはリッジ型レーザと比較して大きくすることができる。なお、ｎ型ＩｎＰクラッド層４４の膜厚は半導体内のレーザの発振波長の長さ、即ち、１．３μｍをｎ型ＩｎＰクラッド層４４の屈折率で割った値である４００ｎｍ以上が必要である。

【0040】

さらに、特許文献２に開示している埋め込み型レーザ（以下比較例）と比較すると、埋め込み半導体層１５により覆われている領域が異なる。比較例では、上側のＩｎＰクラッド層の下部まで埋め込まれているのに対し、第１実施形態に係る光半導体素子１は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１）なども埋め込まれていない。言い換えると、本実施形態の光半導体素子１のほうが埋め込まれている領域が縦方向でみて狭い構造となっている。
光閉じ込め率は、対象となる領域の屈折率差が大きいほうが大きくなるため、埋め込まれていない領域と埋め込まれている領域の光閉じ込め率を比較すると、埋め込まれていない領域のほうが閉じ込め率が大きくなる。つまり、比較例と光半導体素子１と比較すると埋め込まれていない領域が大きい本実施形態のほうが全体としての光閉じ込め率が大きくなり、結果としてΓ_ＱＷを大きくすることができる。

【0041】

上述したように光閉じ込め率だけを考えると、埋め込み半導体層がないほうがΓ_ＱＷを大きくすることができるが、多重量子井戸層を埋め込まない場合は、信頼性に大きくかかわる。多重量子井戸層が直接的又は水分等が透過できる絶縁膜を介して外部（外気）と接触することになり、信頼性の観点で好ましくない。そのため、多重量子井戸層は埋め込み半導体層で覆うことで信頼性を向上させる必要がある。以上のように、緩和振動周波数を大きくして高速応答性能を向上させるとともに、高信頼性を確保するためには少なくとも埋め込み半導体層は、多重量子井戸層までは覆い、多重量子井戸層から上側のクラッド層下部までの間のいずれかまでを覆うことが有効である。つまり、第１実施形態で示したように埋め込み半導体層１５で覆われていない上部メサ構造１４には、クラッド層（ｎ型ＩｎＰクラッド層４４）とクラッド層より屈折率の高い第２半導体層（ｎ型ＩｎＧａＡＰ－ＳＣＨ層４１）が含まれているような構造とする必要がある。

【0042】

さらに、従来型のリッジ型レーザでは多重量子井戸層はメサ構造となっていないために、注入された電流は多重量子井戸層の横方向に広がるために、実効的な活性層幅が広くなる。第１実施形態に係る光半導体素子１では多重量子井戸層はメサ構造となっているために、実効的な活性層幅が狭く、この点からも緩和指導周波数を大きくすることができる。

【0043】

また本実施形態ではｐ型ＩｎＰ半導体基板を使用し、上部メサ構造１４にはｎ型ＩｎＰクラッド層を採用している。従来はｎ型ＩｎＰ半導体基板を用いて、上部メサ構造はｐ型ＩｎＰクラッド層としていることが多いが、ｐ型ＩｎＰクラッド層はｎ型ＩｎＰクラッド層と比べると抵抗率が大きいために、素子全体の高抵抗化を抑制するため下部メサ幅は１．３～１．７μｍ程度と広めに設定している。従って図４に示すように、従来のリッジ型レーザではΓ_ＱＷ／Ｗ_ａは低めの値となる。これに対して、第１実施形態に係る光半導体素子１は抵抗率の小さいｎ型ＩｎＰクラッド層を採用しているためにΓ_ＱＷ／Ｗ_ａが最大となる０．８μｍ付近を下部メサ幅として設定しても素子の抵抗は上昇しない。設定できる下部メサ幅を考慮すると従来のリッジ型レーザに比べて第１実施形態に係る半導体素子１はΓ_ＱＷ／Ｗ_ａを約２倍まで向上させることができる。

【0044】

また共振器長１５０μｍで前端面０．５％以下の反射防止膜、後端面９０％の高反射膜を施した光半導体素子１は、室温において、２５℃にて１．２ｍＡ、８５℃の高温において２．８ｍＡの低しきい電流を得ることができた。また、しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず７１Ｋと良好な値であった。

【0045】

スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．２８Ｗ／Ａ，０．２５Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆｒの傾きは２５℃，８５℃においてそれぞれ６．２ＧＨｚ／ｍＡ１／２，４．３ＧＨｚ／ｍＡ１／２と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は３．２×１０５時間と高い信頼性を得ることができた。

【0046】

このように、第１実施形態に係る光半導体素子１によれば、上部メサ構造１４においてクラッド層の下方に、クラッド層より屈折率の高い第２半導体層が含まれていることで、上部メサ構造１４内の光閉じ込め効率、緩和振動周波数が増大することにより光半導体素子１の高速化を実現できる。さらに、第１実施形態に係る光半導体素子１は、低しきい電流及び高信頼性をともに実現できる。

【0047】

また、第１実施形態では下部メサ幅（ここではｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層３４の幅）は、上部メサ構造１４の下端の幅（ここでは、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１の幅）（以下、上部メサ幅とする）よりも少し狭い０．８μｍとしたが、下部メサ幅は上部メサ幅と等しくてもよいし、上部メサ幅より広くてもよい。下部メサ幅が上部メサ幅より狭い場合には、埋め込み半導体層１５はｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１の一部に接触し、リークパスと成り得る。しかし、その接触する一部が狭ければリーク電流は小さいと考えられる。リーク電流の観点から望ましい下部メサ幅は上部メサ幅に対して－０．５～＋１．５μｍである。ここで最大値は電流が横方向に十分拡散しうる範囲とレーザ発振時の光分布が十分に届く範囲で決定される。さらに望ましい範囲は－０．３～＋０．７μｍであり、この範囲ではリーク電流が小さく、最大値は光閉じ込め係数が大きくなる範囲である。また、上部メサ幅はレーザ発振光の横モードが基底モードで発振する０．４～１．３μｍが望ましい。

【0048】

また、第１実施形態においてｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１とは互いに接して形成されているが、結晶成長の均一性の観点からｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１との間に薄いＩｎＰ層を挿入してもよい。この場合、ＩｎＰ層の厚さが半導体内の発振波長の長さの１／８程度以下、即ち５０ｎｍ以下であれば光はほとんど影響を受けないので上部メサ構造１４内への光閉じ込め効果は変わらない。これはＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３の下部にあるＩｎＰスペーサ層４２でも同様である。

【0049】

また、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層３４を、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層にして、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１と一体の層として形成してもよい。この場合、上部メサ構造１４の下端は一体化したｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層の下端以上、上端未満まで取り得ることができる。上部メサ構造１４の下端の位置は、レーザ干渉によりエッチング深さを測定したり、ドライエッチング中の反応原子のプラズマ発光から深さを判定したりすることで制御可能である。ここで、クラッド層より屈折率の高い層をどこまで上部メサ構造１４内に入れるかという観点で述べれば、下限は歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層３３内の最上部の量子井戸層の上端以上であり、上限はクラッド層より屈折率が高いＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３の上端未満であることが望ましい。

【0050】

上述の説明では単体の光半導体素子１の例を示しているが、光半導体素子１がＩｎＰ半導体基板上に複数並んで配置されるアレイ型の光半導体素子に適用しても同様の効果が得られる。

【0051】

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る光半導体素子２の断面図である。図５は光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する光半導体素子２の光軸に垂直な断面の模式図である。第２実施形態に係る光半導体素子２は、ｎ型ＩｎＰ半導体基板５１と、下部クラッド層５２と、下部メサ構造５３と、上部メサ構造５４と、下部メサ構造５３の両側面を埋め込む埋め込み半導体層５５と、上部メサ構造５４の両側面を接して覆う第１絶縁層５６と、第１絶縁層５６を覆う第２絶縁層５７と、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成されているｐ型電極５８と、ＡｕＧｅ系をコンタクト電極とするｎ型電極５９を含んで構成されている。

【0052】

下部クラッド層５２は、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは５００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層である。

【0053】

下部メサ構造５３は、ドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは１００ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層６１と、７周期で井戸層が５．５ｎｍ、障壁層が７ｎｍ、１．３μｍ帯で発光する歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層６２と、ドーピング濃度は８×１０^１７ｃｍ^－３で厚さは３０ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層６３と、ドーピング濃度は８×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは５０ｎｍ、組成波長が０．９３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層６４と、を含んで構成されている。図５においては、歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層６２が多重量子井戸層であり、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層６３または／及びｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層６４が第１半導体層である。

【0054】

上部メサ構造５４は、ドーピング濃度８×１０^１７ｃｍ^－３で厚さは５ｎｍのｐ型ＩｎＰスペーサ層６５と、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは８０ｎｍ、組成波長が１．１５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層６６と、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは２５ｎｍのｐ型ＩｎＰスペーサ層６７と、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さは５０ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層６８と、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^－３のｐ型ＩｎＰクラッド層６９と、高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７０と、を含んで構成されている。図５においては、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層６６または／及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層６８が第２半導体層となり、ｐ型ＩｎＰクラッド層６９がクラッド層となる。また、上部メサ構造５４の下端の幅）は、０．７５μｍである。

【0055】

埋め込み半導体層５５は、３層のＩｎＰで構成されており、ドーピング濃度４×１０^１７ｃｍ^－３のｐ型ＩｎＰ層７１と、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^－３のｎ型ＩｎＰ層７２と、ドーピング濃度８×１０^１７ｃｍ^－３のｐ型ＩｎＰ層７３とから構成されている。

【0056】

第１絶縁層５６は、ＳｉＯ_２等の絶縁膜である。第２絶縁層５７は、ポリイミド等の有機絶縁膜であるが、低応力の絶縁膜であれば有機無機を問わない。

【0057】

第２実施形態では、３層のＩｎＰで構成されている埋め込み半導体層５５の容量低減のためのアイソレーション溝６０が形成される。アイソレーション溝６０は、上部メサ構造５４から１．５μｍ以上離して形成される。光半導体素子２がＩｎＰ半導体基板上に複数並んで配置される光半導体素子においては、アイソレーション溝６０は、隣り合う光半導体素子２の間に配置される埋め込み半導体層５５を分離するよう形成される。

【0058】

また、下部メサ構造５３の上端の幅、すなわち、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層６４の上端の幅は、上部メサ構造５４の下端の幅より大きい０．７９μｍである。

【0059】

第２実施形態に係る光半導体素子２の製造方法は、第１実施形態と同様の製造方法を適用することができる。

【0060】

第２実施形態に係る光半導体素子２は前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、後端面には９５％の高反射コーティングを施した。また、共振器長は１３０μｍであり、後端面から４０μｍの位置に等価的なλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。第２実施形態に係る光半導体素子２は２５℃，８５℃のしきい電流がそれぞれ、１．１ｍＡ，３．２ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず５６Ｋと良好な値であった。

【0061】

スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．２４Ｗ／Ａ，０．１８Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆｒの傾きは２５℃，８５℃においてそれぞれ６．３ＧＨｚ／ｍＡ１／２，４．３ＧＨｚ／ｍＡ１／２と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は１．９×１０５時間と高い信頼性を得ることができた。

【0062】

なお、第２実施形態では埋め込み半導体層５５は３層で構成されているが、第１実施形態と同様に、ｐ型ＩｎＰ層のみ、ＦｅやＲｕをドーピングした高抵抗埋め込み層、Ｆｅ，Ｒｕ，ｎ型，ｐ型等を選択して多層化した埋め込み層を用いてもよい。また、第２実施形態ではｎ型ＩｎＰ半導体基板を用いて作成した半導体レーザについて述べたが、半絶縁性基板であるＦｅをドーピングしたＩｎＰ半導体基板を用いても同様の半導体レーザを形成できる。この時、下部クラッド層５２のｎ型ＩｎＰバッファ層の厚さを３μｍ程度に厚くする。ＦｅドープのＩｎＰ半導体基板を使用することで半導体レーザのアレイ状態で隣り合う素子の電気的な絶縁を実現できるため、多チャンネルレーザアレイの実装と駆動を実現できる。この場合、ｎ電極は基板側からでなく、上面側の活性層がない領域から取ることになる。

【0063】

［第３実施形態］
図６及び図７は、本発明の第３実施形態に係る光半導体素子３の断面図である。図６及び図７は光ファイバ通信用送信光源の１．３μｍ帯で発振する光半導体素子３の光軸に垂直な断面の模式図である。第３実施形態に係る光半導体素子３は、第１実施形態に係る光半導体素子１とは、上部メサ構造８４及び埋め込み半導体層８５の構成が異なることを除けば同一であるので、重複する説明は省略する。

【0064】

第３実施形態に係る光半導体素子３の上部メサ構造８４は、第１実施形態と比較してｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１とＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３との位置が逆となっている。具体的には、第３実施形態の上部メサ構造８４は、下部メサ構造１３上に、ｎ型ＩｎＰスペーサ層４６と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層４３と、ｎ型ＩｎＰスペーサ層４２と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層４１と、ｎ型ＩｎＰクラッド層４４と、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５とがこの順に形成されている。この構成により、回折格子の結合係数を増大することができる。

【0065】

また、第３実施形態に係る光半導体素子３の埋め込み半導体層８５は、下部クラッド層１２上に、ｐ型ＩｎＰ層９１と、ｎ型ＩｎＰ層９２と、ＦｅドープＩｎＰ層９３とがこの順に形成されている。ｎ型ＩｎＰ層９２を介してＦｅドープＩｎＰ層９３を埋め込むことでＦｅとＺｎの相互拡散を抑制することができる。

【0066】

図６に示す上部メサ構造８４の製造方法は第１実施形態と同様にドライエッチを使用してｎ型ＩｎＰスペーサ層４６までエッチングする。この場合、膜厚が比較的厚いｎ型ＩｎＰクラッド層４４は塩酸系溶液を使用したウェットエッチをドライエッチと併用して形成してもよい。下部メサ構造１３は第１実施形態と同様の製造方法により形成することができる。その後、既知のＭＯＣＶＤ法を用いてドーピング濃度４×１０^１７ｃｍ^－３で厚さ３０ｎｍのｐ型ＩｎＰ層９１、ドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^－３で厚さ５０ｎｍのｎ型ＩｎＰ層９２、ドーピング濃度４×１０^１６ｃｍ^－３で厚さ３２０ｎｍのＦｅドープＩｎＰ層９３を連続して埋め込む。埋め込み半導体層８５の厚さは図６のように４００ｎｍ程度で下部メサ構造１３の側壁を覆うような膜厚でよいし、図７のように半導体レーザ全体の平坦性や上部メサ構造８４へのストレス低減を優先してＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４５以上まで膜厚を増大してもよい。

【0067】

第３実施形態に係る半導体レーザは前端面に０．１％以下の無反射コーティングを施し、後端面には９０％の高反射コーティングを施した。共振器長は１１０μｍであり、後端面から３５μｍの位置にλ／４シフトを入れた回折格子構造となっている。第３実施形態に係る半導体レーザは２５℃，８５℃のしきい電流がそれぞれ、１．１ｍＡ，２．８ｍＡの低しきい電流であった。しきい電流の特性温度はしきい電流が小さいにも拘らず６４Ｋと良好な値であった。

【0068】

スロープ効率は２５℃，８５℃においてそれぞれ０．２９Ｗ／Ａ，０．２１Ｗ／Ａと良好であった。また、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆｒの傾きは２５℃，８５℃においてそれぞれ７．２ＧＨｚ／ｍＡ^１／２，６．８ＧＨｚ／ｍＡ^１／２と優れた特性を得た。さらに８５℃における推定寿命時間は２．８×１０^５時間と高い信頼性を得ることができた。

【0069】

図８は、光半導体素子１を搭載した光モジュールを概略的に示す図である。図８に示されるように、光モジュールであるＴＯＳＡモジュール２００は、光半導体素子１と、光半導体素子１を金属接合剤であるＡｕＳｎを用いて接合するセラミック基板であるサブマウント２０１と、サブマウント２０１上に光半導体素子１と共に搭載されるＡＰＣ（Automatic Power Control）制御のためのモニターフォトダイオード２０２と、光半導体素子１から出射された光を集光させるレンズ２０３と、レンズ２０３により結合された光を内部に導波させる光ファイバ２０４と、を有している。このように光半導体素子１を用いたＴＯＳＡモジュール２００は、周波数応答特性に優れ、かつ長期信頼性に優れている。なお、光ファイバ２０４を用いずにフェルール（ファイバスタブ）を用いたタイプのＴＯＳＡモジュールであってもよい。

【0070】

なお、本発明はＤＦＢレーザに限らず、Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔレーザに適用することができる。また、本発明では単体の半導体レーザについて述べたが、半導体レーザの前方にパッシブ導波路を備えた集積型半導体レーザや導波路型の吸収型変調器を集積した変調器集積型半導体レーザを同様に作成できることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0071】

１，２，３ 光半導体素子、１１ ｐ型ＩｎＰ半導体基板、１２，５２ 下部クラッド層、１３，５３ 下部メサ構造、１４，５４，８４ 上部メサ構造、１５，５５，８５ 埋め込み半導体層、１６，５６ 第１絶縁層、１７，５７ 第２絶縁層、１８，５９ ｎ型電極、１９，５８ ｐ型電極、２０ 第１マスク、２１ 第２マスク、３１，６４ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層、３２，６３ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層、３３，６２ 歪ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＭＱＷ層、３４，６１ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ－ＳＣＨ層、４１ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層、４２，４６ ｎ型ＩｎＰスペーサ層、４３ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、４４ ｎ型ＩｎＰクラッド層、４５ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、５１ ｎ型ＩｎＰ半導体基板、６０ アイソレーション溝、６５，６７ ｐ型ＩｎＰスペーサ層、６６ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ－ＳＣＨ層、６８ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、６９ ｐ型ＩｎＰクラッド層、７０ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７１，７３，９１ ｐ型ＩｎＰ層、７２，９２ ｎ型ＩｎＰ層、９３ ＦｅドープＩｎＰ層、１０１ 発振領域、１０２ レーザ光、２０１ サブマウント、２０２ モニターフォトダイオード、２０３ レンズ、２０４ 光ファイバ。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】