[0001]【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光ディスク装置、光インターコネクションなどに用いられる半導体光素子およびその製造方法に関し、特にスポットサイズ変換機能を備えた半導体光素子およびその製造方法に関するものである。半導体光素子は、その光導波路から放射される光ビームのスポット径が小さくその光放射角度が大きいため、一般に光ファイバや石英系光導波路等との結合が困難である。そこで、従来レンズを使用した光結合モジュールを用いて、半導体光素子と光ファイバや光導波路との高効率の光結合を図ってきたが、レンズが高価であることに加えて、光半導体素子、レンズ、光ファイバあるいは光導波路等の部品の位置合わせに高い精度が必要であるため、光結合モジュールの低価格化に大きな障害となっている。おける光スポットサイズを拡大でき光放射角度を狭めることができれば、高価なレンズの使用やその高精度な位置合わせを行うことなく、光ファイバ等との高効率の光結合が可能になり、光結合モジュールの大幅な低価格化が可能となる。そこで、従来より幾つかのスポットサイズ変換機能を備えた半導体光素子が提案されている。less,第1の従来例という)の一部を断面図にて示す斜視図である。このFP−LDは次のように作製される。well)層9、SCH層8、クラッド層を順次成長させる。layer.このとき、スポットサイズ変換領域23では、端面に向かって膜厚が漸減するエピタキシャル層が形成される。grownmのストライプ状マスクを形成し、これによりエピタキシャル層をパターニングし、そのストライプ状マスクを残したまま電流ブロック層11を選択成長させる。upper,基板上下面に電極14、14を形成する。この第1の従来例では、スポットサイズ変換領域23において、光導波路の膜厚を変化させてスポットサイズを拡大し、狭放射角を実現している。1439〜1440にて提案されたFP−LD(以下、第2の従来例という)の構造を示す斜視図である。heterostructure)構造LDの製造技術を用いて、以下のように形成される。MQW層をエピタキシャル成長させ、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてエピタキシャル層をパターニングして、テーパ部5と後方直線部とを有するメサ状の半導体活性層24を形成する。その後、メサストライプの周囲に電流ブロック層を成長させ、さらにオーバクラッド層、コンタクト層を成長させて、図示された大スポットサイズLDの製作が完了する。この第2の従来例では、選択成長を用いず基板上へ全面に平坦に成長させたエピタキシャル層をエッチングして形成した横方向のテーパ形状によってレーザ出射端での光スポットサイズの拡大を図っている。00~300Myuemu,また、導波路を形成するのに選択成長マスクの形成とメサエッチングとで2回のフォトリソグラフィ工程が必要となるため工程が複雑化するという問題がある。hand,第2の従来例では、半導体活性層へのエッチングにより光学利得を有する横方向のテーパを形成しており、上記の問題は回避されるが、テーパ導波路の先端部では半導体層をサブミクロンオーダーに加工することが必要となるため、ウエット法を用いる場合は勿論ドライ法を用いる場合であっても高い加工精度で導波路を形成することが困難となり、テーパ形状ならびに素子特性を再現性よくかつ均一性よく作製することが難しいという問題点がある。第1の従来例の場合にも、光放射角を含む素子特性は活性層ストライプ幅に大きく左右されるため、半導体層へのエッチング量によって活性層ストライプ幅が決定される製造方法では、狭放射角素子を特性および形状の再現性・均一性を確保して安定して製造することは困難である。光導波路を形成するのに、ドライ法を用いる場合にはウエット法によりパターニングを行う場合に比較して幾分加工精度は向上するが、活性層が側面よりダメージを受けるという問題があり、また光導波路層のパターニング後に行われる埋め込み層の成長時に光導波路層の側面に良好に埋め込み層を成長させることが困難であるため、信頼性高くデバイスを製作することが困難である。この難点を避けるには、ドライエッチング後にダメージ層を除去するためのウエット処理が必要となり、結局高い加工精度が得られないのが実情である。fiber,単に放射角が小さいだけでなく、出射端での光スポットが円形に近いことが望ましい。テーパ形状などの素子パラメータの設計自由度が著しく制限されるという問題も生じる。Therefore,本発明の解決すべき課題は、狭放射角度で円形に近いスポット形状のビームを放射することのできる、スポットサイズ変換機能付きの半導体光素子を、テーパ形状ならびに素子特性の再現性および均一性よく製造しうるようにすることである。min長がほぼ一定に保持されていることを特徴とする半導体光素子、が提供される。minute薄くなりかつそのバンドギャップ波長が短くなることを特徴とする半導体光素子、が提供される。上記の課題を解決するため、本発明によれば、半導体層によって構成された光導波路が選択成長によって直接形成された半導体光素子において、前記光導波路はその幅が少なくとも一つの端面に向かって徐々に狭くなっていくテーパ形状部分を有し、かつ、前記光導波路が多重量子井戸構造とこれを上下より挟む光閉じ込め層をコア層としており、かつ、前記テーパ形状部分において、前記光導波路は幅が狭くなるにつれて膜厚が薄くなりかつそのバンドギャップ波長が短くなることを特徴とする半導体光素子、が提供される。layerように選定されていることを特徴としている。faceていることを特徴としている。上述の課題を解決するための本発明によるもう一つの半導体光素子の製造方法は、半導体基板上に間に開口を挟んで一対の誘電体マスクを形成し、これをマスクとして光導波路層を含む多層半導体層を選択成長させるものであって、前記誘電体マスクは、その開口幅およびマスク幅が少なくとも一つの端面に向かって徐々に狭くなっていくテーパ形状形成部分を有しており、かつ、前記誘電体マスクの形状と前記選択成長の条件は、形成される光導波路層の膜厚が前記テーパ形状形成部分において端面に向かって徐々に薄くなるように、そしてその部分でのバンドギャップ波長が端面に向かって徐々に短くなるように選定されていることを特徴としている。(MOVPE)法若しくは分子線成長(MBE)法により行われる。method.【0009】[作用]本発明においては、スポットサイズ変換領域においては、選択成長マスクのマスク幅と開口幅の双方がテーパをもって形成される。光導波路は選択成長のみによって直接形成されエッチングプロセスは用いられない。4膜などの誘電体薄膜が用いられ、エッチング深さがエピタキシャル層をエッチングする場合に比較して1/10程度になるため、サブミクロンの寸法であっても高い精度と再現性での加工が可能である。is,寸法精度と寸法ばらつきを従来例の1/10程度とすることができる。選択成長により形成される光導波路のストライプ幅は、選択成長マスクの開口幅より狭く形成されるため、ストライプをフォトリソグラフィにおいて決定される解像度限界以下の寸法、例えばクオータミクロン以下の寸法に高精度にかつ再現性よく形成することが可能になる。formation.【0010】また、本発明においては、半導体光導波路の横幅寸法を決定する選択成長マスクは、マスク開口幅だけでなくマスク幅自体も端面方向に向かって徐々に狭くなされる。further,円形に近い光スポットを得るための設計を容易に行うことが可能になる。[0011]【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。[第1の実施の形態]図1は、本発明の第1の実施の形態を説明するための、スポットサイズ変換機能を有する半導体レーザの製造途中段階の状態を示す斜視図である。本発明においては、図1に示すように、半導体基板1上に、マスク開口幅とマスク幅の両方が半導体レーザ前方端面とする方向に向かって徐々に減少するテーパ形状部分を持つ選択成長マスク2を形成し、これをマスクとして光導波路を構成する半導体層をエピタキシャル成長させることにより、横方向あるいは縦横両方向にテーパの形成された部分をスポットサイズ変換領域として有するメサ型半導体光導波路3を直接形成する。本発明の半導体光素子においては、スポットサイズ変換作用を有する光導波路は、光導波路方向にほぼ均一の層厚とバンドギャップ組成を有する横テーパ型に形成される(この場合、テーパ部分は能動導波路として用いることができる)か、あるいは端面に向かって導波路幅が狭くなると共に層厚が小さくかつバンドギャップ波長が短波化する縦横テーパ型に形成される(この場合、テーパ部分は受動導波路として用いられる)。(MOVPE)法を有利に使用することができるが、分子線成長(MBE)法を用いることもできる。しくは光閉じ込め層を上下両サイドに伴った(多重)量子井戸構造をコア層として形成される(第2、第3の実施の形態についても同様である)。0~1μm、後方端面で1〜3μmの範囲内で設定することが望ましい。このような数μm程度のマスク開口幅の変化に対し、マスク幅の変化量を数μm〜十数μm程度の適当な値に設定することで、半導体活性層の層厚およびバンドギャップ波長を共振器方向に一定とし、光学利得を有する活性層がスポットサイズ変換導波路を兼ねた横テーパ型狭放射角半導体レーザを作製することができる。マスク幅の変化量を上記の設計よりも大きく、例えば数十μm程度に設計することで、半導体レーザ前方端面に向かって光導波路幅、層厚およびバンドギャップ波長が小さくなる縦横テーパ型スポットサイズ変換受動導波路を光学利得を有する半導体レーザ活性層と集積化した形態にて一括成長させることができる。below,出射側端面部にマスク開口を有しない選択成長マスクを使用して光導波路層を成長させ、エッチング工程を用いずに光出射端面部にウィンドウ構造を形成するようにしてもよい。process.【0013】[第2の実施の形態]図2(a)は、本発明の第2の実施の形態を説明するための、スポットサイズ変換機能を有する半導体光増幅器の製造途中段階での状態を示す斜視図であり、図2(b)は、第2の実施の形態において用いられる選択成長マスクの形状を示す平面図である。半導体光増幅器においては、光が入射される端面ならびに活性層で増幅された光が出射される端面の両方を光ファイバあるいは石英系光導波路等と結合する必要があるため、光結合モジュールを低価格で提供するには両端面において光スポットサイズを拡大することが必要となる。本実施の形態においては、図2(b)に示されるように、基板1上に直線利得導波路部17および端面直線部16では、マスク幅および開口幅が変化せずに一定で、テーパ部5では端面に向かったマスク幅と開口幅とが共に狭くなる選択成長マスク2を半導体基板1上に形成する。この選択成長マスク2をマスクとして半導体層をエピタキシャル成長させて、両端面側に横方向あるいは縦横両方向にテーパの形成されたメサ型半導体光導波路3を、すなわち両端面部において光スポットサイズ拡大機能を有するメサ型半導体光導波路3を形成する。formed.【0014】テーパ部5に形成されるスポットサイズ変換領域は、横方向のみにあるいは縦横両方向にテーパを有する光導波路として形成される。光導波路方向にほぼ均一の層厚とバンドギャップ波長組成を有する横テーパ型に形成されるか、あるいは端面に向かって導波路幅が狭くなると共に層厚が薄くなりかつバンドギャップ波長が短波化する縦横テーパ型に形成される。前者の場合には能動導波路として用いることができ、また後者の場合には受動導波路として用いられる。case.また、図2(c)に示す、ウィンドウ構造部18において開口が設けられないマスクを用いてウィンドウ構造を有する光導波路を形成するようにしてもよい。この場合、メサ型半導体光導波路3をエピタキシャル成長させた後、選択成長マスク2を除去し光導波路3上に新たに選択成長マスクを形成してから、光導波路層の側面および両端面を覆う埋め込み層を成長させ、導波路端面の前方の埋め込み層でへき開することにより、ウィンドウ構造の光導波路を形成する。形成するようにしてもよい。(b),半導体基板上に選択成長マスクを形成した状態を示す平面図である。レーザに対して本発明を適用し、光ファイバ等との結合効率を向上させた場合には、所要の強度の光をファイバに入射させるのに必要となるレーザ部からの光出力を低減させることが可能になる。その結果、変調器部でのキャリアパイルアップが抑制されキャリアパイルアップに起因する消光比低下を軽減することが可能となる。19で一定で、テーパ部5では光出射側端面に向かって徐々に狭められ、そして前方直線部6では一定になされている。19では幅狭になるように両者間で段差のあるマスク幅になされ、そしてテーパ部5では光出射側端面に向かって徐々に狭められ、また前方直線部6では一定になされている。この選択成長マスク2をマスクとして基板1上に光導波路を構成する半導体層をエピタキシャル成長させると、変調器部19は、レーザ部20より膜厚が薄くかつバンドギャップ波長が短く形成される。スポットサイズ変換作用を有する光導波路が形成されるテーパ部5では、光導波路方向にほぼ均一の層厚とバンドギャップ波長組成を有する横テーパ型に形成されるか、あるいは端面に向かって導波路幅が狭くなると共に層厚が薄くかつバンドギャップ波長が短波化する縦横テーパ型に形成される。本実施形態においても第2の実施の形態と同様に出射側端面部にマスク開口を有しない選択成長マスクを使用して光導波路層を成長させ、エッチング工程を用いずに光出射端面部にウィンドウ構造を形成するようにしてもよい。【Example】[第1の実施例]図4は、本発明の第1の実施例である横テーパ型狭放射角半導体レーザの製造過程を工程順に示した図である。etchingを形成する。10.0μm、Wo=2.0μmから、長さ150μmのテーパ部5で徐々に小さくなり、長さ25μmの前方直線部6ではWm=5.0μm、Wo=0.7μmと設計されている。ここで前方直線部6は、通常劈開によって作製されるレーザ端面の位置精度がせいぜい数μm程度のため、この劈開位置精度によって前方出射端における活性層幅に誤差が生じるのを防ぐために設けられた領域であるが、開口部のテーパ設計が本実施例と同一で、前方直線部を設けない場合に端面位置が5μmずれた場合のマスク開口幅の設計値からの誤差は0.025μmであり、選択成長マスクのパターニング精度よって決定される本実施例の光導波路幅精度よりはやや大きくなるものの、従来のように半導体層へのエッチング量によって光導波路幅が決定される場合に比較するとこの場合であっても十分に高い精度で形成することができる。その両方における直線部の有無は任意に選択することができる。)を順次成長させる〔図4(b)〕。0.417μm狭くなる。0.7μm−0.417μm=0.283μmとなっている。surfaces4、14を形成して本実施例に係る狭放射角半導体レーザの製造工程を完了する〔図4(d)〕。such°、垂直方向15.4°の狭放射角特性を得た。0.5°、垂直方向で0.6°と極めて良好な均一性、再現性を示した。(a)と同じのテーパ形状を有する開口部を設けただけの場合には、図6(a)中にて破線で示すように、開口部が狭くなるにつれて選択成長される活性層の厚さが増大するためにスポットサイズ変換効率が著しく低下し、さらにバンドギャップ波長の長波化により共振器全体としての光学利得波長が分散し、レーザの電流−光出力特性が大幅に劣化する。考慮にいれて適宜に決定さるべきものである。conditions.【0022】また、膜厚およびバンドギャップ組成が光導波路方向に完全に均一になるように設計される必要はなく、バンドギャップ組成にある程度の分布を持たせることも可能である。7(a)、(b)に示すように前方端面側ほどテーパが緩やかになる形状やテーパ長の異なるものを含め、端面に向かってマスク幅と開口幅の両方が徐々に小さくなる部分を有していれば、いかなる形状であってもよい。shape.【0023】[第2の実施例]図8は、本発明の第2の実施例である縦横テーパ形状を有するスポットサイズ変換受動導波路を集積化した狭放射角半導体レーザの製造過程を工程順に示した図である。2マスク2aを形成する。6.0μm、Wo=0.6μmとされている。MQW層を合わせた活性層の層厚およびバンドギャップ波長は図9に示すように、マスクのテーパ部分において光導波路の層厚が減少すると共にバンドギャップ波長が短波化し、光吸収損失の小さい良好なスポットサイズ変換受動導波路となっている。13aを選択成長させる。p-InGaAsコンタクト層13a表面を露出させる開口を設けた後、基板上下面に電極14、14を形成して、本実施例に係る縦横テーパ型狭放射角半導体レーザの製造工程を完了する。ここで、絶縁膜15に形成される開口の長さは後方直線部4の190μmおよびテーパ部5の後方側30μmの合計220μmとし、レーザの発振波長に比較的近いバンドギャップ波長を有するテーパ後方部分での過飽和吸収現象による電流−光出力特性の劣化を回避している。10.6°とアスペクト比の良好な狭放射角特性を示した。ともに0.4°と極めて良好な均一性、再現性を示した。13°、垂直方向15°であり、スポットサイズ変換効率ならびに光スポットのアスペクト比における本実施例に係る縦横テーパ型スポットサイズ変換導波路集積レーザの優位性が確認された。inventionの実施例である両端に縦横テーパ型スポットサイズ変換領域を有する半導体光増幅器の製造過程を工程順に示した図である。2マスク2aを形成する。10μmm、Wo=0.6μmとなされている。p−InP埋め込み層12およびp−InGaAsコンタクト層13aを成長させた。最後に、基板上下面に電極14、14を形成し、素子長450μmで劈開して、ウィンドウ構造の端面を有する半導体光増幅器を得た。inventionの実施例である横テーパ形状のスポットサイズ変換受動導波路と電界吸収型変調器とDFBレーザとを集積化した半導体光素子の製造過程を工程順に示した図である。2マスク2aを形成する。10μmm=1.5μm、Wo=1.0μmとされている。160nmと1.27μmである。etching,p−InP埋め込み層12およびp−InGaAsコンタクト層13aを選択成長させた。20のp−InGaAsコンタクト層13a上にそれぞれ開口を設けた後、電極14を形成して、本実施例に係る変調器集積化DFBレーザの製造工程を完了する。above,本発明はこれら実施例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各種の変更が可能なものである。実施例ではレーザとしてファブリペロー共振器型のレーザとDFBレーザを例に挙げているがDBRレーザであってもよく、またその発振波長も上記の実施例では1.3μm帯としたが、例えば1.55μmや1.65μm、0.98μm、あるいは0.68μm等の可視波長帯を含め、いかなる波長帯であってもよい。GaAs系、AlGaInP/GaInP系などであってもよい。ExamplePによるホモ埋め込み構造の他に例えば半絶縁性FeドープInP等を用いた埋め込み構造でもよい。基板の導電型も上記実施例のn型に限定されるものではない。点で問題のある半導体層へのエッチングプロセスを回避して、高精度で再現性、均一性に優れたスポットサイズ変換機能を有する光導波路を形成することが可能になる。選択成長によりマスク開口幅以下のストライプ幅の光導波路を形成することが可能になるため、フォトリソグラフィでの解像度以上の解像度でのストライプパターンの形成が可能になる。容易に作製することが可能になり、レンズの使用や高精度な位置合わせを行うことなく、容易に半導体光素子と光ファイバあるいは光導波路等との光結合を行うことが可能になるため、均一で高品質の光結合モジュールを低価格にて提供することがが可能となる。DRAWINGS【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するための斜視図。FIG.【図2】本発明の第2の実施の形態を説明するための斜視図と平面図。FIG.【図3】本発明の第3の実施の形態を説明するための斜視図と平面図。FIG.【図4】本発明の第1の実施例の製造工程を説明するための平面図と断面図。FIG.【図5】本発明の第1の実施例に係る狭放射角半導体レーザの電流−光出力特性と遠視野像の光強度分布を示す図。pattern.【図6】本発明の第1の実施例における共振器方向の層厚およびバンドギャップ波長(フォトルミネッセンス発光波長)プロファイルを示す図。invention.【図7】本発明の第1の実施の形態における横テーパ型狭放射角半導体レーザを作製するためのマスク形状例を示す図。invention.【図8】本発明の第2の実施例の製造工程をを説明するための平面図と断面図。FIG.【図9】本発明の第2の実施例における共振器方向の層厚およびバンドギャップ波長(フォトルミネッセンス発光波長)プロファイルを示す図。invention.【図10】本発明の第2の実施例に係る狭放射角半導体レーザの電流−光出力特性と遠視野像の光強度分布を示す図。pattern.【図11】本発明の第3の実施例の製造工程を説明するための平面図と断面図。invention.【図12】本発明の第4の実施例の製造工程をを説明するための平面図と断面図。FIG.【図13】第1の従来例の断面斜視図と製造方法を説明するための平面図。a.【図14】第2の従来例の透視斜視図。byぼ一定に保持されていることを特徴とする半導体光素子。haveりかつそのバンドギャップ波長が短くなることを特徴とする半導体光素子。とこれを上下より挟む光閉じ込め層をコア層としていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体光素子。半導体層によって構成された光導波路が選択成長によって直接形成された半導体光素子において、前記光導波路はその幅が少なくとも一つの端面に向かって徐々に狭くなっていくテーパ形状部分を有し、かつ、前記光導波路が多重量子井戸構造とこれを上下より挟む光閉じ込め層をコア層としており、かつ、前記テーパ形状部分において、前記光導波路は幅が狭くなるにつれて膜厚が薄くなりかつそのバンドギャップ波長が短くなることを特徴とする半導体光素子。前記テーパ形状部分の端面側の先端部にはその幅が一定となる端面直線部が形成されていることを特徴とする請求項4記載の半導体光素子。前記光導波路の端面には埋め込み層が形成されてウィンドウ構造になされていることを特徴とする請求項4記載の半導体光素子。layerように選定されていることを特徴とする半導体光素子の製造方法。atるように選定されていることを特徴とする半導体光素子の製造方法。and,前記誘電体マスクの形状と前記選択成長の条件は、形成される光導波路層の膜厚が前記テーパ形状形成部分において端面に向かって徐々に薄くなるように、そしてその部分でのバンドギャップ波長が端面に向かって徐々に短くなるように選定されていることを特徴とする半導体光素子の製造方法。8または9記載の半導体光素子の製造方法。method,8、9または10記載の半導体光素子の製造方法。