半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子
【課題】ｎ型ＩｎＰ基板を用い且つ発光効率を向上させ得る半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板３７と、ｎ型ＩｎＰ基板３７上に設けられたｎ型ＩｎＰからなる第１クラッド層２７と、第１クラッド層２７上に設けられたｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第１光閉じ込め層１３と、第１光閉じ込め層１３上に設けられ、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２１、および該活性層２１上に設けられたｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第２光閉じ込め層２３を有し、周期的に配列された複数の細線領域１５と、複数の細線領域１５間に設けられたｉ型ＩｎＰからなる中間半導体領域１７と、第２光閉じ込め層２３と隣接するように複数の細線領域１５上および中間半導体領域１７上に設けられたｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層２９とを備える。
【解決手段】半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板３７と、ｎ型ＩｎＰ基板３７上に設けられたｎ型ＩｎＰからなる第１クラッド層２７と、第１クラッド層２７上に設けられたｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第１光閉じ込め層１３と、第１光閉じ込め層１３上に設けられ、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２１、および該活性層２１上に設けられたｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる第２光閉じ込め層２３を有し、周期的に配列された複数の細線領域１５と、複数の細線領域１５間に設けられたｉ型ＩｎＰからなる中間半導体領域１７と、第２光閉じ込め層２３と隣接するように複数の細線領域１５上および中間半導体領域１７上に設けられたｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層２９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、周期的に配列された細線状の活性領域を有する分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子が記載されている。この半導体レーザ素子では、ｐ型ＩｎＰ基板上に上記活性領域を含む埋め込みヘテロ構造を作製している。また、非特許文献２にも、細線状活性領域を有する半導体レーザ素子が記載されている。この文献には、細線状の活性領域をエッチングにより形成して活性領域間を埋め込むことにより半導体レーザ素子を作製する場合、ｎ型ＩｎＰ基板を用いるよりもｐ型ＩｎＰ基板を用いるほうが閾値電流密度が低減されることが記載されている。なお、周期的に配列された細線状の活性領域を有するＤＦＢ半導体レーザ素子は、複素結合型（または活性層分離型）ＤＦＢレーザ素子と呼ばれることがある。
【非特許文献１】N.Nunoya et al., “High-Performance1.55-μm Wavelength GaInAsP-InP Distributed-Feedback Lasers With Wirelike ActiveRegions”, IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 7, NO.2, MARCH/APRIL (2001)
【非特許文献２】Y.Miyake et al., “ThresholdCurrent Reduction of GaInAs/GaInAsP/InP SCH Quantum-Well Lasers with Wire-Like ActiveRegion by Using p-Type Substrates”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL 4,NO 9, SEPTEMBER (1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献２には、細線状の活性領域をエッチングにより形成して活性領域間を埋め込む場合、ｐ型ＩｎＰ基板を用いることが好ましい旨が述べられている。図１３は、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子の構造を示す断面図であり、細線状の活性領域を含む発光層およびその周辺構造のレーザ発振方向に沿った断面を拡大して示している。図１３に示すように、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００は、ｐ型ＩｎＰ基板１０２、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０６、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８、およびｎ型ＩｎＰクラッド層１１０を備えている。そして、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０６とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８との間には発光層１１２が設けられており、発光層１１２は、周期的に配列された複数の細線状の活性領域１１４と、該複数の活性領域１１４の間に設けられたアンドープＩｎＰからなる中間半導体領域１１６とを有している。各活性領域１１４は、障壁層および井戸層が交互に積層されて成る量子井戸構造１１４ａを含んで構成されている。
【０００４】
図１４は、図１３に示した複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００におけるバンド構造を示す図である。図１４において、ＢＧ１は活性領域１１４のバンドギャップを示し、ＢＧ２はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０６のバンドギャップを示し、ＢＧ３はｐ型ＩｎＰクラッド層１０４のバンドギャップを示し、ＢＧ４はｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８のバンドギャップを示し、ＢＧ５はｎ型ＩｎＰクラッド層１１０のバンドギャップを示している。
【０００５】
複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００を作製する際には、活性領域１１４をエッチングにより形成し、活性領域１１４同士の隙間を中間半導体領域１１６により埋め込む方法が採用されることがある。この場合、中間半導体領域１１６の構成材料（アンドープＩｎＰ）が活性領域１１４上にも薄く堆積してしまう。これにより活性領域１１４とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８との間に堆積層が形成されると、この堆積層によって複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００のバンド構造が変化することとなる。なお、図１４に示すＢＧ６は、この堆積層のバンドギャップを示している。例えば当該堆積層がＩｎＰからなる場合、ＩｎＰの伝導帯側のバンドオフセットは価電子帯側より小さく、また、電子は正孔に比べ移動度が大きいので、当該堆積層によるバンド構造変化は、活性領域１１４へ向けて移動する電子にとって障壁とはなりにくい。
【０００６】
これに対し、図１５はｎ型ＩｎＰ基板上に複素結合型ＤＦＢレーザ素子が形成された場合のバンド構造を示す図である。この場合、ＢＧ７はｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層のバンドギャップを示し、ＢＧ８はｎ型ＩｎＰクラッド層のバンドギャップを示し、ＢＧ９はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層のバンドギャップを示し、ＢＧ１０はｐ型ＩｎＰクラッド層のバンドギャップを示す。図１５に示すように、ＩｎＰ堆積層（ＢＧ６）の価電子帯側のバンドオフセットは伝導帯側より大きく、また正孔は電子に比べ移動度が小さい。したがって、ｎ型ＩｎＰ基板上に複素結合型ＤＦＢレーザ素子を形成した場合、上記堆積層によるバンド構造変化は、活性領域１１４へ向けて移動する正孔の障壁となってしまう。これが、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子においてｐ型のＩｎＰ基板が用いられてきた理由である。
【０００７】
しかしながら、ｎ型ＩｎＰ基板を用いた複素結合型ＤＦＢレーザ素子も実用化されることが望ましい。ＩｎＰ基板の導電型に拘わらず複素結合型ＤＦＢレーザ素子を作製可能であれば、あらゆる作製プロセスに対し、柔軟に対応できる。また、変調器等を集積する場合には、素子分離の観点から、ｎ型ＩｎＰ基板を用いて移動度の小さい正孔を供給するｐ型ＩｎＰクラッド層を活性層の上方に配置する方が有利である。ｎ型ＩｎＰ基板を用いた複素結合型ＤＦＢレーザ素子を実用化するためには、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成した複素結合型ＤＦＢレーザ素子の発光効率を向上させる必要がある。
【０００８】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、ｎ型ＩｎＰ基板を用い且つ発光効率を向上させ得る半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子の作製方法は、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層および第１光閉じ込め層、ＩｎＰ系化合物半導体を含む活性層、並びにｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を成長させる第１の成長工程と、第２光閉じ込め層上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて第２光閉じ込め層および活性層をエッチングすることにより、周期的に配列された複数の細線領域を形成する細線形成工程と、複数の細線領域に含まれる活性層の側面をＩｎＰ系化合物半導体により埋め込む埋込工程と、複数の細線領域に含まれる第２光閉じ込め層と隣接するように、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層を成長させる第２の成長工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この半導体レーザ素子の作製方法においては、第１の成長工程の際に、本来細線領域となるべき活性層に加え、更に第２光閉じ込め層をその上に成長させている。そして、細線形成工程において活性層および第２光閉じ込め層をエッチングして複数の細線領域を形成するので、各細線領域には第２光閉じ込め層が含まれる。その後、細線領域に含まれる活性層の側面が埋込工程において埋め込まれるが、このとき細線領域上に形成される薄い堆積層は、細線領域に含まれる第２光閉じ込め層上に形成される。そして、第２の成長工程において第２光閉じ込め層と隣接するように第２クラッド層が形成されるので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に位置することとなる。したがって、細線領域に含まれる活性層と第２光閉じ込め層との間に堆積層は形成されないので、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難い。すなわち、この半導体レーザ素子の作製方法によれば、ｎ型ＩｎＰ基板を用いつつ発光効率を向上させることができる。
【００１１】
また、半導体レーザ素子の作製方法は、第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、第２光閉じ込め層および活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、埋込工程におけるＩｎＰ系化合物半導体がアンドープＩｎＰからなることを特徴としてもよい。活性層および第２光閉じ込め層のバンドギャップがＩｎＰのバンドギャップより狭く、且つ埋込工程におけるＩｎＰ系化合物半導体がアンドープＩｎＰからなる場合、図１３に示した従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子ではＩｎＰ堆積層による障壁作用が顕著となる（図１５参照）。これに対し、上記した半導体レーザ素子の作製方法における堆積層は第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に形成されるので、同じ組成の堆積層（ＩｎＰ）と第２クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）とが互いに接することとなり、堆積層は正孔に対する障壁とはなりにくい。したがって、発光効率をより向上させることができる。
【００１２】
また、半導体レーザ素子の作製方法は、第１の成長工程の際に、第２光閉じ込め層上にｐ型ＩｎＰ層を更に成長させ、細線形成工程の際に、ｐ型ＩｎＰ層、第２光閉じ込め層および活性層をマスクを用いてエッチングすることにより複数の細線領域を形成することを特徴としてもよい。この場合、細線形成工程により形成される各細線領域にはｐ型ＩｎＰ層が含まれる。そして、埋込工程の際には、このｐ型ＩｎＰ層から細線領域の隙間へＩｎＰが移動（マストランスポート）する。これにより、例えば細線領域の隙間が狭く深い場合であっても、埋め込まれるＩｎＰの結晶性の劣化（例えばボイドの発生など）を抑えることができる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子の作製方法は、埋込工程の際に、活性層の側面を埋め込むＩｎＰ系化合物半導体にＲｕまたは／及びＦｅをドープすることを特徴としてもよい。これにより、活性層の側面を埋め込むＩｎＰ系化合物半導体を半絶縁性とし、細線領域内にキャリアをより一層効果的に閉じ込めることができる。また、Ｆｅをドープする場合には、当該ＩｎＰ系化合物半導体上にアンドープＩｎＰ系化合物半導体を更に成長させることが好ましい。活性層の側面を埋め込むＩｎＰ系化合物半導体にＦｅをドープすると、第２クラッド層に含まれるｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散によって当該ＩｎＰ系化合物半導体の層厚方向に抵抗分布が生じ、活性層へ注入されるキャリアの密度にも分布が生じてしまう。このような場合、当該ＩｎＰ系化合物半導体と第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に設けることによって、ＺｎとＦｅとの相互拡散を好適に抑制できる。
【００１４】
また、本発明による半導体レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板と、ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１光閉じ込め層と、第１光閉じ込め層上に設けられ、ＩｎＰ系化合物半導体による活性層、および該活性層上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を有し、周期的に配列された複数の細線領域と、複数の細線領域間に設けられたＩｎＰ系化合物半導体を含む中間半導体領域と、第２光閉じ込め層と隣接するように複数の細線領域上および中間半導体領域上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
この半導体レーザ素子においては、各細線領域が、活性層に加えて第２光閉じ込め層を含んでいる。前述したように、このような半導体レーザ素子を作製する際には、細線領域の隙間を埋め込む際に細線領域上に形成される薄い堆積層が、第２光閉じ込め層上に形成される。そして、第２光閉じ込め層と隣接するように第２クラッド層が設けられているので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に位置することとなる。したがって、細線領域に含まれる活性層と第２光閉じ込め層との間に堆積層は形成されないので、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難い。すなわち、この半導体レーザ素子によれば、ｎ型ＩｎＰ基板を備えつつ発光効率を向上させることができる。
【００１６】
また、半導体レーザ素子は、第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、第２光閉じ込め層および活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、中間半導体領域がアンドープＩｎＰからなることを特徴としてもよい。活性層および第２光閉じ込め層のバンドギャップがＩｎＰのバンドギャップより狭く、且つ中間半導体領域がアンドープＩｎＰからなる場合、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子ではＩｎＰ堆積層による障壁作用が顕著となる（図１５参照）。これに対し、上記した半導体レーザ素子を作製する際には、堆積層は第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に形成されるので、同じ組成の堆積層（ＩｎＰ）と第２クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）とが互いに接することとなり、堆積層は正孔に対する障壁とはなりにくい。したがって、発光効率をより向上させることができる。
【００１７】
また、半導体レーザ素子は、中間半導体領域にＲｕまたは／及びＦｅがドープされていることを特徴としてもよい。これにより、中間半導体領域を半絶縁性とし、細線領域内にキャリアをより一層効果的に閉じ込めることができる。また、Ｆｅがドープされている場合には、中間半導体領域と第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に備えることが好ましい。中間半導体領域にＦｅがドープされていると、第２クラッド層に含まれるｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散によって中間半導体領域の層厚方向に抵抗分布が生じ、活性層へ注入されるキャリアの密度にも分布が生じてしまう。このような場合、中間半導体領域と第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に設けることによって、ＺｎとＦｅとの相互拡散を好適に抑制できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子によれば、ｎ型ＩｎＰ基板を用い且つ発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す一部切欠き斜視図である。また、図２は、図１に示すＡ部分を拡大して示す側面断面図である。本実施形態の半導体レーザ素子１０は複素結合型ＤＦＢレーザの構成を備えており、所定波長のレーザ光を出力する。図１を参照すると、半導体レーザ素子１０は、主面３７ａを有するｎ型ＩｎＰ基板３７を備えている。
【００２１】
また、半導体レーザ素子１０は、第１光閉じ込め層１３、複数の細線領域１５、中間半導体領域１７、第１クラッド層２７、および第２クラッド層２９を備えている。このうち、第１光閉じ込め層１３、複数の細線領域１５、および中間半導体領域１７は、所定方向（レーザ発振方向）に沿って延びる半導体メサ２５を構成している。第１光閉じ込め層１３は第１クラッド層２７上に設けられており、第１クラッド層２７よりバンドギャップが狭いｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含む。一実施例としては、第１光閉じ込め層１３はｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。
【００２２】
複数の細線領域１５は、第１光閉じ込め層１３上においてレーザ発振方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、レーザ発振方向に周期的に配列されている。なお、細線領域１５の細線幅Ｗ（図２参照）は、半導体レーザ素子１０がより少ない電流で動作するために例えば８０〜９０［ｎｍ］に設定され、細線領域１５を量子細線構造とする場合には高い微分利得を得るために例えば３０［ｎｍ］以下に設定される。また、細線領域１５の周期Λ（図２参照）は、出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が１５５０［ｎｍ］である場合には２４０［ｎｍ］に設定され、レーザ光の波長が１３００［ｎｍ］である場合には２００［ｎｍ］に設定される。
【００２３】
図２に示すように、複数の細線領域１５それぞれは、第１光閉じ込め層１３上に設けられた活性層２１と、活性層２１上に設けられた第２光閉じ込め層２３とを有している。活性層２１はＩｎＰ系化合物半導体を主に含んで構成され、一実施例としては、活性層２１は多重量子井戸構造を有しており、アンドープ（すなわち、積極的に不純物がドープされていない）ＧａＩｎＡｓＰからなる障壁層（バリア層）２１ａおよび井戸層２１ｂが交互に積層されて成る。一実施例としては、井戸層２１ｂが２層、障壁層２１ａが３層設けられる。また、井戸層２１ｂの層厚は例えば６［ｎｍ］、障壁層２１ａの層厚は例えば９［ｎｍ］である。
【００２４】
なお、活性層２１の多重量子井戸構造は、圧縮歪の井戸層２１ｂ及び引張り歪の障壁層２１ａを含む歪補償量子井戸構造であることが好ましい。また、この場合、井戸層２１ｂの圧縮歪量が１．０％程度、障壁層２１ａの引張り歪量が−０．１５％程度であると尚良い。
【００２５】
第２光閉じ込め層２３は、第２クラッド層２９よりバンドギャップが狭いｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含む。一実施例としては、第２光閉じ込め層２３はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。第２光閉じ込め層２３の層厚は、活性層２１の層厚（すなわち多重量子井戸構造における障壁層２１ａおよび井戸層２１ｂの数）に応じて調整されることが好ましく、例えば上述のように厚さ６［ｎｍ］の井戸層２１ｂが２層、厚さ９［ｎｍ］の障壁層２１ａが３層それぞれ設けられる場合には、第２光閉じ込め層２３の層厚を１４０［ｎｍ］以下とするとよい。すなわち、当該半導体レーザ素子１０の作製過程（後述）においてはエッチングにより細線領域１５を形成するが、そのエッチング深さを所定の深さ以下（例えば２００［ｎｍ］以下）とする為に、第２光閉じ込め層２３の層厚は、該エッチング深さから活性層２１の層厚および第１光閉じ込め層１３に対するエッチング深さを差し引いた値以下に設定される。
【００２６】
複数の細線領域１５同士の隙間は、中間半導体領域１７によって埋め込まれている。中間半導体領域１７はＩｎＰ化合物半導体を主に含んで構成され、一実施例としては、中間半導体領域１７はアンドープＩｎＰからなる。或いは、中間半導体領域１７は、Ｆｅ及びＲｕのうち少なくとも一方がドープされた半絶縁性領域であってもよい。中間半導体領域１７の層厚は、活性層２１の層厚より厚く、活性層２１と第２光閉じ込め層２３とを合わせた層厚より薄い範囲で設定される。すなわち、中間半導体領域１７は活性層２１の側面の全てを埋め込むと共に、第２光閉じ込め層２３の側面の一部を埋め込んでいる。
【００２７】
図１を再び参照する。第１クラッド層２７は、ｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含んで構成されており、第１光閉じ込め層１３とｎ型ＩｎＰ基板３７との間に設けられている。一実施例としては、第１クラッド層２７はｎ型ＩｎＰからなる。第２クラッド層２９は、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含んで構成されており、複数の細線領域１５上および中間半導体領域１７上に設けられ、第２光閉じ込め層２３と隣接している。一実施例としては、第２クラッド層２９はｐ型ＩｎＰからなる。第１クラッド層２７及び第２クラッド層２９は、ｎ型ＩｎＰ基板３７の主面３７ａ上の全面に亘って設けられており、半導体メサ２５を上下から挟んでいる。
【００２８】
また、半導体メサ２５は、埋め込み領域３１によってその側面が埋め込まれている。埋め込み領域３１は、例えば第１のｐ型電流狭窄層３１ａ、ｎ型電流狭窄層３１ｂ、及び第２のｐ型電流狭窄層３１ｃによって構成される。第１のｐ型電流狭窄層３１ａは、半導体メサ２５が設けられた領域を除く第１クラッド層２７上の領域に設けられ、第１クラッド層２７の該領域及び半導体メサ２５の側面を覆っている。ｎ型電流狭窄層３１ｂは、第１のｐ型電流狭窄層３１ａ上に設けられている。第２のｐ型電流狭窄層３１ｃは、ｎ型電流狭窄層３１ｂと、前述した第２クラッド層２９との間に設けられている。これらの電流狭窄層３１ａ〜３１ｃは、例えばｎ型（またはｐ型）ＩｎＰからなる。
【００２９】
また、第２クラッド層２９上には、絶縁膜３３及び第１の（アノード）電極膜３５が形成されている。絶縁膜３３は半導体メサ２５に対応する開口を有しており、第２クラッド層２９と電極膜３５とが該開口を介してオーミック接触を成している。ｎ型ＩｎＰ基板３７の主面３７ａとは反対側の裏面には第２の（カソード）電極膜３９が設けられており、第２の電極膜３９とｎ型ＩｎＰ基板３７とがオーミック接触を成している。
【００３０】
続いて、図３〜図７を参照しながら、本実施形態に係る半導体レーザ素子を作製する方法における主要な工程について説明する。
【００３１】
［第１の成長工程］
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板５１上に、ｎ型ＩｎＰ系半導体を主に含む第１クラッド層５３および第１光閉じ込め層５５を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、第１クラッド層５３はｎ型ＩｎＰからなり、第１光閉じ込め層５５はｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。次いで、第１光閉じ込め層５５上に、量子井戸構造のための半導体積層（活性層）５７を形成する。半導体積層５７は、ＩｎＰ系半導体（例えばＧａＩｎＡｓＰ）からなる多重量子井戸構造を含み、交互に積層された複数の井戸層及び障壁層を有する。半導体積層５７内の各層は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。一実施例としては、井戸層が２層、障壁層が３層設けられる。また、井戸層の層厚は例えば６［ｎｍ］、障壁層の層厚は例えば９［ｎｍ］である。半導体積層５７の一例では、多重量子井戸構造を圧縮歪の井戸層及び引張り歪の障壁層を含む歪補償量子井戸構造とすることが好ましい。これにより、再成長界面における非発光再結合電流成分を低減できる。この場合、井戸層の圧縮歪量を１．０％、障壁層の引張り歪量を−０．１５％とすると尚良い。
【００３２】
そして、半導体積層５７上に、ｐ型ＩｎＰ系半導体を主に含む第２光閉じ込め層５９を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。第２光閉じ込め層５９は、後の工程において形成される第２クラッド層よりバンドギャップが小さいＩｎＰ系半導体からなり、一実施例としてはｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。第２光閉じ込め層５９の層厚は、半導体積層５７の層厚に応じて調整されることが好ましく、上述のように厚さ６［ｎｍ］の井戸層が２層、厚さ９［ｎｍ］の障壁層が３層それぞれ設けられる場合には、第２光閉じ込め層５９の層厚を例えば１４０［ｎｍ］以下とするとよい。すなわち、後の工程においてエッチングにより細線領域を形成するが、そのエッチング深さを所定の深さ以下（例えば２００［ｎｍ］以下）とする為に、第２光閉じ込め層５９の層厚は、該エッチング深さから半導体積層５７の層厚および第１光閉じ込め層５５に対するエッチング深さ（例えば２０［ｎｍ］）を差し引いた値以下に設定されるとよい。
【００３３】
［細線形成工程］
続いて、細線領域を形成するためのマスクを第２光閉じ込め層５９上に形成する。図３（ｂ）に示すように、マスクのために絶縁膜６３、例えばシリコン酸化膜といったシリコン系無機化合物膜を堆積する。この堆積は、例えば化学的気相成長法によって行われる。この絶縁膜６３上に、レジスト６５を塗布する。
【００３４】
続いて、図４（ａ）に示すように、周期的に配列された複数のパターンをレジスト６５に転写することにより、レジストマスク６７を形成する。この工程において、レジストマスク６７は、図２に示した複数の細線領域１５に対応するパターンを有するように形成される。レジストマスク６７の形成は、例えば、電子ビーム露光法、またはナノインプリント等のリソグラフィー技術を用いて行われる。
【００３５】
続いて、レジストマスク６７を用いて絶縁膜６３（シリコン酸化膜）をエッチングする。このエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング等を用いることができる。なお、この工程においてレジストマスク６７と絶縁膜６３（シリコン酸化膜、例えばＳｉＯ２）との選択比を確保するために、先の工程において絶縁膜６３の膜厚を１５〜２０［ｎｍ］とすることが好ましい。エッチングの後に、レジストマスク６７を除去すると、図４（ｂ）に示すように細線領域を形成するための複数のマスクパターン６９が形成される。マスクパターン６９の配列周期は、細線領域１５の周期Λと等しく設定される。すなわち、マスクパターン６９の配列周期は出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が１５５０［ｎｍ］である場合には２４０［ｎｍ］に設定され、レーザ光の波長が１３００［ｎｍ］である場合には２００［ｎｍ］に設定される。また、マスクパターン６９の幅は、図２に示した細線領域１５の細線幅Ｗと等しく設定される。すなわち、マスクパターン６９の幅は、半導体レーザ素子がより少ない電流で動作するために例えば８０〜９０［ｎｍ］に設定され、細線領域を量子細線構造とする場合には高い微分利得を得るために例えば３０［ｎｍ］以下に設定される。
【００３６】
続いて、図５（ａ）に示すように、マスクパターン６９を用いて第２光閉じ込め層５９および半導体積層５７をエッチングし、細線領域７１を形成する。このエッチングの一例では、ＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥが用いられる。例えば、ＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥエッチングとこのエッチング中に半導体表面に堆積する炭素重合物を除去するためのＯ２アッシングとを繰り返すことにより、垂直性に優れた多層細線領域構造を形成できる。このエッチングの結果、第１光閉じ込め層５５上には、複数の細線領域７１が配列される。細線領域７１は、第２光閉じ込め層５９と半導体積層（活性層）５７とを含む。細線領域７１は上述した周期Λで配列され、細線領域７１の細線幅はＷとされる。
【００３７】
その後、ドライエッチングによる損傷層を除去するために、ウェットエッチングを行う。このエッチングは、例えば硫酸系の溶液を用いる。ウェットエッチングの後、図５（ｂ）に示すようにマスクパターン６９を除去する。例えば、シリコン酸化物からなるマスクパターン６９はバッファードフッ酸を用いて除去される。
【００３８】
［埋込工程］
続いて、図６（ａ）に示すように、複数の細線領域７１に含まれる半導体積層５７の側面をＩｎＰ系化合物半導体により埋め込む。一実施例としては、この埋め込みはアンドープＩｎＰにより行われる。また、この埋め込みは、半導体積層５７の側面を全て埋め込むとともに、第２光閉じ込め層５９の側面の半分が埋め込まれる程度の厚さになるまで行うことが好ましい。この埋込工程によって、各細線領域７１により提供される利得領域と、利得の無い中間半導体領域７３とが所定方向に交互に配列された周期構造が形成される。なお、この埋込工程においては、細線の隙間を均一に埋め込んで平坦な再成長界面を得るために、ＩｎＰ系化合物半導体の成長速度は５００［ｎｍ／ｈ］以下の低速であることが望ましい。また、ＩｎＰ系化合物半導体の成長温度は６００［℃］程度とされることが望ましい。
【００３９】
また、この埋込工程の際には、ＩｎＰ系化合物半導体にＲｕ及びＦｅの少なくとも一方をドープしつつ、半導体積層５７の側面を埋め込んでもよい。これにより、半導体積層５７の側面を埋め込む中間半導体領域７３を半絶縁性とし、半導体積層５７内にキャリアをより一層効果的に閉じ込めることができる。なお、ドープされるＲｕまたはＦｅの好適な濃度は、例えばＲｕは２×１０18［ｃｍ−３］、Ｆｅは６×１０16［ｃｍ−３］である。
【００４０】
［第２の成長工程］
続いて、図６（ｂ）に示すように、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層７５を細線領域７１上および中間半導体領域７３上に亘って成長させる。この工程においては、第２クラッド層７５を、細線領域７１に含まれる第２光閉じ込め層５９と隣接するように、第２光閉じ込め層５９を埋め込む形で形成する。一実施例としては、第２クラッド層７５はｐ型ＩｎＰからなる。なお、中間半導体領域７３と第２クラッド層７５とが同じ組成のＩｎＰ系化合物半導体（例えばＩｎＰ）からなる場合、前述した埋込工程においてＦｅやＲｕをドープしつつ、或いは何らドープせずに該ＩｎＰ系化合物半導体を成長させ、第２光閉じ込め層５９の途中まで埋め込まれた時点で、それまでのドーパントに代えてｐ型ドーパント（例えばＺｎ）のドープを開始し、引き続き該ＩｎＰ系化合物半導体を成長させるとよい。そして、細線領域７１を埋め込んだ後には成長速度を速め（例えば１［μｍ／ｈ］）、第２クラッド層７５を完成させるとよい。
【００４１】
第２の成長工程ののち、図７に示すように、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層７７を成長させる。コンタクト層７７の成長速度は、通常の成長速度、例えば１［μｍ／ｈ］程度である。この後に、必要な場合には、埋め込みヘテロ構造といった屈折率導波構造を形成するとよい。すなわち、半導体メサ（例えば幅１．０［μｍ］）を形成後、第１のｐ型ＩｎＰ電流狭窄層、ｎ型電流狭窄層、及び第２のｐ型ＩｎＰ電流狭窄層によって半導体メサの側面を埋め込む。これにより、図１及び図２に示した構成の半導体レーザ素子が完成する。
【００４２】
本実施形態による半導体レーザ素子１０およびその作製方法によって得られる効果について説明する。上述した半導体レーザ素子１０の作製方法においては、図３（ａ）に示した第１の成長工程の際に、本来細線領域７１となるべき半導体積層（活性層）５７に加え、更に第２光閉じ込め層５９をその上に成長させている。そして、図４（ａ），（ｂ）および図５（ａ）に示した細線形成工程において半導体積層５７および第２光閉じ込め層５９をエッチングして複数の細線領域７１を形成するので、各細線領域７１には第２光閉じ込め層５９が含まれる。その後、細線領域７１に含まれる半導体積層（活性層）５７の側面が埋込工程（図６（ａ））において埋め込まれるが、このとき細線領域７１上に形成される薄い堆積層は第２光閉じ込め層５９上に形成される。そして、第２の成長工程（図６（ｂ））において、第２光閉じ込め層５９と隣接するように第２クラッド層７５が形成されるので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層５９と第２クラッド層７５との間に位置することとなる。すなわち、細線領域７１に含まれる半導体積層（活性層）５７と第２光閉じ込め層５９との間に堆積層は形成されない。したがって、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難く、本実施形態による半導体レーザ素子１０の作製方法によれば、ｎ型ＩｎＰ基板５１を用いつつ発光効率を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態の半導体レーザ素子１０においては、図２に示したように、各細線領域１５が活性層２１に加えて第２光閉じ込め層２３を含んでいる。先に述べたように、このような半導体レーザ素子１０を作製する際には、細線領域１５の隙間を埋め込む際に細線領域１５上に形成される薄い堆積層は、第２光閉じ込め層２３上に形成される。そして、第２光閉じ込め層２３と隣接するように第２クラッド層２９が設けられているので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層２３と第２クラッド層２９との間に位置することとなる。すなわち、細線領域１５に含まれる活性層２１と第２光閉じ込め層２３との間に堆積層は形成されない。したがって、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難く、本実施形態の半導体レーザ素子１０によれば、ｎ型ＩｎＰ基板３７を備えつつ発光効率を向上させることができる。
【００４４】
また、本実施形態のように、半導体レーザ素子１０およびその作製方法においては、第２クラッド層２９（７５）がｐ型ＩｎＰからなり、第２光閉じ込め層２３（５９）および活性層２１（５７）がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、細線領域１５（７１）の間に埋め込まれる中間半導体領域１７（７３）がアンドープＩｎＰからなることが好ましい。活性層２１（５７）および第２光閉じ込め層２３（５９）のバンドギャップがＩｎＰのバンドギャップより狭く、且つ中間半導体領域１７（７３）がアンドープＩｎＰからなる場合、図１３に示した従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子ではＩｎＰ堆積層による障壁作用が顕著となる（図１５参照）。これに対し、本実施形態ではＩｎＰ堆積層が第２光閉じ込め層２３（５９）と第２クラッド層２９（７５）との間に形成されるので、同じ組成の堆積層（ｉ型ＩｎＰ）と第２クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）とが互いに接することとなり、堆積層は正孔に対する障壁とはなりにくい。したがって、発光効率をより向上させることができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明による半導体レーザ素子およびその作成方法の第２実施形態を示す側面断面図である。図８は、第１実施形態の図２に相当する断面を示している。本実施形態による半導体レーザ素子２０と第１実施形態の半導体レーザ素子１０との相違点は、中間半導体領域１７にＦｅがドープされており、且つ、中間半導体領域１７と第２クラッド層２９との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体からなるオフセット層４１を備えている点である。一実施例としては、このオフセット層４１はアンドープＩｎＰからなる。また、オフセット層４１の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。オフセット層４１は、例えば第２光閉じ込め層２３の側面を途中まで埋め込むように形成される。
【００４６】
本実施形態の半導体レーザ素子２０を作製する方法は、次のとおりである。すなわち、第１実施形態における第１の成長工程および細線形成工程を終えたのち（図５（ｂ）の状態）、ＦｅをドープしつつＩｎＰ系化合物半導体（例えばＩｎＰ）を細線領域１５の隙間に成長させて、中間半導体領域１７を形成する。そして、活性層２１の側面を覆う程度の厚さに中間半導体領域１７を成長させたのち、Ｆｅのドープを停止してＩｎＰ系化合物半導体の成長を継続させることにより、オフセット層４１を形成する。このとき、第２光閉じ込め層２３の側面の半分程度を覆う厚さまでオフセット層４１を成長させるとよい。その後、ｐ型ドーパント（例えばＺｎ）のドープを開始し、引き続き該ＩｎＰ系化合物半導体を成長させることにより、第２クラッド層２９を形成する。
【００４７】
活性層２１の側面を埋め込む中間半導体領域１７にＦｅがドープされていると、第２クラッド層２９に含まれるｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散によって中間半導体領域１７の層厚方向に抵抗分布が生じ、活性層２１へ注入されるキャリアの密度にも分布が生じてしまう。このような場合、本実施形態のように中間半導体領域１７と第２クラッド層２９との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層（オフセット層４１）を設けることによって、ＺｎとＦｅとの相互拡散を好適に抑制できる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
続いて、本発明による半導体レーザ素子の作成方法に関する第３実施形態について説明する。いま、図９に示すように活性層２１の層数が多い場合を考える。このような場合、細線領域１５同士の隙間が深くなり、中間半導体領域１７を厚く形成する必要が生じるが、中間半導体領域１７の厚さが或る程度（例えば２００［ｎｍ］）より厚くなると、中間半導体領域１７の内部に空孔（ボイド）Ｖが発生し易くなる。
【００４９】
そこで、本実施形態の作製方法においては、図１０に示すように、第１の成長工程においてｎ型ＩｎＰ基板５１上に第１クラッド層（ｎ型ＩｎＰ）５３、第１光閉じ込め層（ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ）５５、活性層（ＧａＩｎＡｓＰ）５７、および第２光閉じ込め層（ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ）５９を成長させたのち、第２光閉じ込め層５９上にｐ型ＩｎＰ層６１を更に成長させる。ｐ型ＩｎＰ層６１の層厚は、例えば３０［ｎｍ］である。そして、細線形成工程の際に、ｐ型ＩｎＰ層６１、第２光閉じ込め層５９および活性層５７をエッチングすることにより、複数の細線領域４３を形成する（図１１）。したがって、この細線領域４３には、活性層５７および第２光閉じ込め層５９に加え、ｐ型ＩｎＰ層６１が含まれることとなる。
【００５０】
埋込工程において、細線領域４３同士の隙間を、アンドープ（ＦｅドープまたはＲｕドープでもよい）ＩｎＰによって第２光閉じ込め層２３の途中まで埋め込むことにより、中間半導体領域７３が形成される（図１２）。このとき、ＰＨ３雰囲気の中でＩｎＰを成長させると、ｐ型ＩｎＰ層６１から細線領域４３の隙間へＩｎＰが移動（マストランスポート）する。これにより、例えば細線領域４３の隙間が狭く深い場合であっても、埋め込まれるＩｎＰの結晶性の劣化（ボイドの発生など）を抑えることができる。また、活性層５７の側面を、ＩｎＰのマストランスポートにより保護することができる。なお、本実施形態における第２の成長工程以降の工程は、第１実施形態と同様である。
【００５１】
本発明による半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記した実施形態では第１クラッド層、第２クラッド層、および中間半導体領域を構成するＩｎＰ系化合物半導体としてＩｎＰを例示したが、これらの層はＩｎおよびＰを含む様々な組成によって構成されることができる。また、上記した実施形態では第１光閉じ込め層、第２光閉じ込め層、および活性層を構成するＩｎＰ系化合物半導体としてＧａＩｎＡｓＰを例示したが、これらの層もまたＩｎおよびＰを含む様々な組成によって構成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す一部切欠き斜視図である。
【図２】図２は、図１の一部を拡大して示す側面断面図である。
【図３】図３（ａ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における第１の成長工程を示す図である。図３（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における細線形成工程を示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における細線形成工程を示す図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における細線形成工程を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における埋込工程を示す図である。図６（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における第２の成長工程を示す図である。
【図７】図７は、半導体レーザ素子を作製する方法における第２の成長工程の後工程を示す図である。
【図８】図８は、本発明による半導体レーザ素子およびその作成方法の第２実施形態を示す側面断面図である。
【図９】図９は、半導体レーザ素子において活性層の層数が多い場合を示す図である。
【図１０】図１０は、半導体レーザ素子の作製方法の第３実施形態における第１の成長工程を示す図である。
【図１１】図１１は、半導体レーザ素子の作製方法の第３実施形態における細線形成工程を示す図である。
【図１２】図１２は、半導体レーザ素子の作製方法の第３実施形態における埋込工程を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子の構造を示す断面図である。
【図１４】図１４は、図１３に示した複素結合型ＤＦＢレーザ素子におけるバンド構造を示す図である。
【図１５】図１５は、ｎ型ＩｎＰ基板上に従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子が形成された場合のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，２０…半導体レーザ素子、１３，５５…第１光閉じ込め層、１５，４３，７１…細線領域、１７，７３…中間半導体領域、２１…活性層、２３，５９…第２光閉じ込め層、２５…半導体メサ、２７，５３…第１クラッド層、２９，７５…第２クラッド層、３１…埋め込み領域、３３…絶縁膜、３５…第１の電極膜、３７，５１…ｎ型ＩｎＰ基板、３９…第２の電極膜、４１…オフセット層、５７…半導体積層（活性層）、６１…ｐ型ＩｎＰ層、６３…絶縁膜、６５…レジスト、６７…レジストマスク、６９…マスクパターン、７７…コンタクト層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、周期的に配列された細線状の活性領域を有する分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子が記載されている。この半導体レーザ素子では、ｐ型ＩｎＰ基板上に上記活性領域を含む埋め込みヘテロ構造を作製している。また、非特許文献２にも、細線状活性領域を有する半導体レーザ素子が記載されている。この文献には、細線状の活性領域をエッチングにより形成して活性領域間を埋め込むことにより半導体レーザ素子を作製する場合、ｎ型ＩｎＰ基板を用いるよりもｐ型ＩｎＰ基板を用いるほうが閾値電流密度が低減されることが記載されている。なお、周期的に配列された細線状の活性領域を有するＤＦＢ半導体レーザ素子は、複素結合型（または活性層分離型）ＤＦＢレーザ素子と呼ばれることがある。
【非特許文献１】N.Nunoya et al., “High-Performance1.55-μm Wavelength GaInAsP-InP Distributed-Feedback Lasers With Wirelike ActiveRegions”, IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 7, NO.2, MARCH/APRIL (2001)
【非特許文献２】Y.Miyake et al., “ThresholdCurrent Reduction of GaInAs/GaInAsP/InP SCH Quantum-Well Lasers with Wire-Like ActiveRegion by Using p-Type Substrates”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL 4,NO 9, SEPTEMBER (1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献２には、細線状の活性領域をエッチングにより形成して活性領域間を埋め込む場合、ｐ型ＩｎＰ基板を用いることが好ましい旨が述べられている。図１３は、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子の構造を示す断面図であり、細線状の活性領域を含む発光層およびその周辺構造のレーザ発振方向に沿った断面を拡大して示している。図１３に示すように、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００は、ｐ型ＩｎＰ基板１０２、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０６、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８、およびｎ型ＩｎＰクラッド層１１０を備えている。そして、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０６とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８との間には発光層１１２が設けられており、発光層１１２は、周期的に配列された複数の細線状の活性領域１１４と、該複数の活性領域１１４の間に設けられたアンドープＩｎＰからなる中間半導体領域１１６とを有している。各活性領域１１４は、障壁層および井戸層が交互に積層されて成る量子井戸構造１１４ａを含んで構成されている。
【０００４】
図１４は、図１３に示した複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００におけるバンド構造を示す図である。図１４において、ＢＧ１は活性領域１１４のバンドギャップを示し、ＢＧ２はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０６のバンドギャップを示し、ＢＧ３はｐ型ＩｎＰクラッド層１０４のバンドギャップを示し、ＢＧ４はｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８のバンドギャップを示し、ＢＧ５はｎ型ＩｎＰクラッド層１１０のバンドギャップを示している。
【０００５】
複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００を作製する際には、活性領域１１４をエッチングにより形成し、活性領域１１４同士の隙間を中間半導体領域１１６により埋め込む方法が採用されることがある。この場合、中間半導体領域１１６の構成材料（アンドープＩｎＰ）が活性領域１１４上にも薄く堆積してしまう。これにより活性領域１１４とｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層１０８との間に堆積層が形成されると、この堆積層によって複素結合型ＤＦＢレーザ素子１００のバンド構造が変化することとなる。なお、図１４に示すＢＧ６は、この堆積層のバンドギャップを示している。例えば当該堆積層がＩｎＰからなる場合、ＩｎＰの伝導帯側のバンドオフセットは価電子帯側より小さく、また、電子は正孔に比べ移動度が大きいので、当該堆積層によるバンド構造変化は、活性領域１１４へ向けて移動する電子にとって障壁とはなりにくい。
【０００６】
これに対し、図１５はｎ型ＩｎＰ基板上に複素結合型ＤＦＢレーザ素子が形成された場合のバンド構造を示す図である。この場合、ＢＧ７はｎ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層のバンドギャップを示し、ＢＧ８はｎ型ＩｎＰクラッド層のバンドギャップを示し、ＢＧ９はｐ型ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層のバンドギャップを示し、ＢＧ１０はｐ型ＩｎＰクラッド層のバンドギャップを示す。図１５に示すように、ＩｎＰ堆積層（ＢＧ６）の価電子帯側のバンドオフセットは伝導帯側より大きく、また正孔は電子に比べ移動度が小さい。したがって、ｎ型ＩｎＰ基板上に複素結合型ＤＦＢレーザ素子を形成した場合、上記堆積層によるバンド構造変化は、活性領域１１４へ向けて移動する正孔の障壁となってしまう。これが、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子においてｐ型のＩｎＰ基板が用いられてきた理由である。
【０００７】
しかしながら、ｎ型ＩｎＰ基板を用いた複素結合型ＤＦＢレーザ素子も実用化されることが望ましい。ＩｎＰ基板の導電型に拘わらず複素結合型ＤＦＢレーザ素子を作製可能であれば、あらゆる作製プロセスに対し、柔軟に対応できる。また、変調器等を集積する場合には、素子分離の観点から、ｎ型ＩｎＰ基板を用いて移動度の小さい正孔を供給するｐ型ＩｎＰクラッド層を活性層の上方に配置する方が有利である。ｎ型ＩｎＰ基板を用いた複素結合型ＤＦＢレーザ素子を実用化するためには、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成した複素結合型ＤＦＢレーザ素子の発光効率を向上させる必要がある。
【０００８】
本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、ｎ型ＩｎＰ基板を用い且つ発光効率を向上させ得る半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子の作製方法は、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層および第１光閉じ込め層、ＩｎＰ系化合物半導体を含む活性層、並びにｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を成長させる第１の成長工程と、第２光閉じ込め層上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて第２光閉じ込め層および活性層をエッチングすることにより、周期的に配列された複数の細線領域を形成する細線形成工程と、複数の細線領域に含まれる活性層の側面をＩｎＰ系化合物半導体により埋め込む埋込工程と、複数の細線領域に含まれる第２光閉じ込め層と隣接するように、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層を成長させる第２の成長工程とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この半導体レーザ素子の作製方法においては、第１の成長工程の際に、本来細線領域となるべき活性層に加え、更に第２光閉じ込め層をその上に成長させている。そして、細線形成工程において活性層および第２光閉じ込め層をエッチングして複数の細線領域を形成するので、各細線領域には第２光閉じ込め層が含まれる。その後、細線領域に含まれる活性層の側面が埋込工程において埋め込まれるが、このとき細線領域上に形成される薄い堆積層は、細線領域に含まれる第２光閉じ込め層上に形成される。そして、第２の成長工程において第２光閉じ込め層と隣接するように第２クラッド層が形成されるので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に位置することとなる。したがって、細線領域に含まれる活性層と第２光閉じ込め層との間に堆積層は形成されないので、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難い。すなわち、この半導体レーザ素子の作製方法によれば、ｎ型ＩｎＰ基板を用いつつ発光効率を向上させることができる。
【００１１】
また、半導体レーザ素子の作製方法は、第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、第２光閉じ込め層および活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、埋込工程におけるＩｎＰ系化合物半導体がアンドープＩｎＰからなることを特徴としてもよい。活性層および第２光閉じ込め層のバンドギャップがＩｎＰのバンドギャップより狭く、且つ埋込工程におけるＩｎＰ系化合物半導体がアンドープＩｎＰからなる場合、図１３に示した従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子ではＩｎＰ堆積層による障壁作用が顕著となる（図１５参照）。これに対し、上記した半導体レーザ素子の作製方法における堆積層は第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に形成されるので、同じ組成の堆積層（ＩｎＰ）と第２クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）とが互いに接することとなり、堆積層は正孔に対する障壁とはなりにくい。したがって、発光効率をより向上させることができる。
【００１２】
また、半導体レーザ素子の作製方法は、第１の成長工程の際に、第２光閉じ込め層上にｐ型ＩｎＰ層を更に成長させ、細線形成工程の際に、ｐ型ＩｎＰ層、第２光閉じ込め層および活性層をマスクを用いてエッチングすることにより複数の細線領域を形成することを特徴としてもよい。この場合、細線形成工程により形成される各細線領域にはｐ型ＩｎＰ層が含まれる。そして、埋込工程の際には、このｐ型ＩｎＰ層から細線領域の隙間へＩｎＰが移動（マストランスポート）する。これにより、例えば細線領域の隙間が狭く深い場合であっても、埋め込まれるＩｎＰの結晶性の劣化（例えばボイドの発生など）を抑えることができる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子の作製方法は、埋込工程の際に、活性層の側面を埋め込むＩｎＰ系化合物半導体にＲｕまたは／及びＦｅをドープすることを特徴としてもよい。これにより、活性層の側面を埋め込むＩｎＰ系化合物半導体を半絶縁性とし、細線領域内にキャリアをより一層効果的に閉じ込めることができる。また、Ｆｅをドープする場合には、当該ＩｎＰ系化合物半導体上にアンドープＩｎＰ系化合物半導体を更に成長させることが好ましい。活性層の側面を埋め込むＩｎＰ系化合物半導体にＦｅをドープすると、第２クラッド層に含まれるｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散によって当該ＩｎＰ系化合物半導体の層厚方向に抵抗分布が生じ、活性層へ注入されるキャリアの密度にも分布が生じてしまう。このような場合、当該ＩｎＰ系化合物半導体と第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に設けることによって、ＺｎとＦｅとの相互拡散を好適に抑制できる。
【００１４】
また、本発明による半導体レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板と、ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１光閉じ込め層と、第１光閉じ込め層上に設けられ、ＩｎＰ系化合物半導体による活性層、および該活性層上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を有し、周期的に配列された複数の細線領域と、複数の細線領域間に設けられたＩｎＰ系化合物半導体を含む中間半導体領域と、第２光閉じ込め層と隣接するように複数の細線領域上および中間半導体領域上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
この半導体レーザ素子においては、各細線領域が、活性層に加えて第２光閉じ込め層を含んでいる。前述したように、このような半導体レーザ素子を作製する際には、細線領域の隙間を埋め込む際に細線領域上に形成される薄い堆積層が、第２光閉じ込め層上に形成される。そして、第２光閉じ込め層と隣接するように第２クラッド層が設けられているので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に位置することとなる。したがって、細線領域に含まれる活性層と第２光閉じ込め層との間に堆積層は形成されないので、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難い。すなわち、この半導体レーザ素子によれば、ｎ型ＩｎＰ基板を備えつつ発光効率を向上させることができる。
【００１６】
また、半導体レーザ素子は、第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、第２光閉じ込め層および活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、中間半導体領域がアンドープＩｎＰからなることを特徴としてもよい。活性層および第２光閉じ込め層のバンドギャップがＩｎＰのバンドギャップより狭く、且つ中間半導体領域がアンドープＩｎＰからなる場合、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子ではＩｎＰ堆積層による障壁作用が顕著となる（図１５参照）。これに対し、上記した半導体レーザ素子を作製する際には、堆積層は第２光閉じ込め層と第２クラッド層との間に形成されるので、同じ組成の堆積層（ＩｎＰ）と第２クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）とが互いに接することとなり、堆積層は正孔に対する障壁とはなりにくい。したがって、発光効率をより向上させることができる。
【００１７】
また、半導体レーザ素子は、中間半導体領域にＲｕまたは／及びＦｅがドープされていることを特徴としてもよい。これにより、中間半導体領域を半絶縁性とし、細線領域内にキャリアをより一層効果的に閉じ込めることができる。また、Ｆｅがドープされている場合には、中間半導体領域と第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に備えることが好ましい。中間半導体領域にＦｅがドープされていると、第２クラッド層に含まれるｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散によって中間半導体領域の層厚方向に抵抗分布が生じ、活性層へ注入されるキャリアの密度にも分布が生じてしまう。このような場合、中間半導体領域と第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に設けることによって、ＺｎとＦｅとの相互拡散を好適に抑制できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子によれば、ｎ型ＩｎＰ基板を用い且つ発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す一部切欠き斜視図である。また、図２は、図１に示すＡ部分を拡大して示す側面断面図である。本実施形態の半導体レーザ素子１０は複素結合型ＤＦＢレーザの構成を備えており、所定波長のレーザ光を出力する。図１を参照すると、半導体レーザ素子１０は、主面３７ａを有するｎ型ＩｎＰ基板３７を備えている。
【００２１】
また、半導体レーザ素子１０は、第１光閉じ込め層１３、複数の細線領域１５、中間半導体領域１７、第１クラッド層２７、および第２クラッド層２９を備えている。このうち、第１光閉じ込め層１３、複数の細線領域１５、および中間半導体領域１７は、所定方向（レーザ発振方向）に沿って延びる半導体メサ２５を構成している。第１光閉じ込め層１３は第１クラッド層２７上に設けられており、第１クラッド層２７よりバンドギャップが狭いｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含む。一実施例としては、第１光閉じ込め層１３はｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。
【００２２】
複数の細線領域１５は、第１光閉じ込め層１３上においてレーザ発振方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、レーザ発振方向に周期的に配列されている。なお、細線領域１５の細線幅Ｗ（図２参照）は、半導体レーザ素子１０がより少ない電流で動作するために例えば８０〜９０［ｎｍ］に設定され、細線領域１５を量子細線構造とする場合には高い微分利得を得るために例えば３０［ｎｍ］以下に設定される。また、細線領域１５の周期Λ（図２参照）は、出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が１５５０［ｎｍ］である場合には２４０［ｎｍ］に設定され、レーザ光の波長が１３００［ｎｍ］である場合には２００［ｎｍ］に設定される。
【００２３】
図２に示すように、複数の細線領域１５それぞれは、第１光閉じ込め層１３上に設けられた活性層２１と、活性層２１上に設けられた第２光閉じ込め層２３とを有している。活性層２１はＩｎＰ系化合物半導体を主に含んで構成され、一実施例としては、活性層２１は多重量子井戸構造を有しており、アンドープ（すなわち、積極的に不純物がドープされていない）ＧａＩｎＡｓＰからなる障壁層（バリア層）２１ａおよび井戸層２１ｂが交互に積層されて成る。一実施例としては、井戸層２１ｂが２層、障壁層２１ａが３層設けられる。また、井戸層２１ｂの層厚は例えば６［ｎｍ］、障壁層２１ａの層厚は例えば９［ｎｍ］である。
【００２４】
なお、活性層２１の多重量子井戸構造は、圧縮歪の井戸層２１ｂ及び引張り歪の障壁層２１ａを含む歪補償量子井戸構造であることが好ましい。また、この場合、井戸層２１ｂの圧縮歪量が１．０％程度、障壁層２１ａの引張り歪量が−０．１５％程度であると尚良い。
【００２５】
第２光閉じ込め層２３は、第２クラッド層２９よりバンドギャップが狭いｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含む。一実施例としては、第２光閉じ込め層２３はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。第２光閉じ込め層２３の層厚は、活性層２１の層厚（すなわち多重量子井戸構造における障壁層２１ａおよび井戸層２１ｂの数）に応じて調整されることが好ましく、例えば上述のように厚さ６［ｎｍ］の井戸層２１ｂが２層、厚さ９［ｎｍ］の障壁層２１ａが３層それぞれ設けられる場合には、第２光閉じ込め層２３の層厚を１４０［ｎｍ］以下とするとよい。すなわち、当該半導体レーザ素子１０の作製過程（後述）においてはエッチングにより細線領域１５を形成するが、そのエッチング深さを所定の深さ以下（例えば２００［ｎｍ］以下）とする為に、第２光閉じ込め層２３の層厚は、該エッチング深さから活性層２１の層厚および第１光閉じ込め層１３に対するエッチング深さを差し引いた値以下に設定される。
【００２６】
複数の細線領域１５同士の隙間は、中間半導体領域１７によって埋め込まれている。中間半導体領域１７はＩｎＰ化合物半導体を主に含んで構成され、一実施例としては、中間半導体領域１７はアンドープＩｎＰからなる。或いは、中間半導体領域１７は、Ｆｅ及びＲｕのうち少なくとも一方がドープされた半絶縁性領域であってもよい。中間半導体領域１７の層厚は、活性層２１の層厚より厚く、活性層２１と第２光閉じ込め層２３とを合わせた層厚より薄い範囲で設定される。すなわち、中間半導体領域１７は活性層２１の側面の全てを埋め込むと共に、第２光閉じ込め層２３の側面の一部を埋め込んでいる。
【００２７】
図１を再び参照する。第１クラッド層２７は、ｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含んで構成されており、第１光閉じ込め層１３とｎ型ＩｎＰ基板３７との間に設けられている。一実施例としては、第１クラッド層２７はｎ型ＩｎＰからなる。第２クラッド層２９は、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を主に含んで構成されており、複数の細線領域１５上および中間半導体領域１７上に設けられ、第２光閉じ込め層２３と隣接している。一実施例としては、第２クラッド層２９はｐ型ＩｎＰからなる。第１クラッド層２７及び第２クラッド層２９は、ｎ型ＩｎＰ基板３７の主面３７ａ上の全面に亘って設けられており、半導体メサ２５を上下から挟んでいる。
【００２８】
また、半導体メサ２５は、埋め込み領域３１によってその側面が埋め込まれている。埋め込み領域３１は、例えば第１のｐ型電流狭窄層３１ａ、ｎ型電流狭窄層３１ｂ、及び第２のｐ型電流狭窄層３１ｃによって構成される。第１のｐ型電流狭窄層３１ａは、半導体メサ２５が設けられた領域を除く第１クラッド層２７上の領域に設けられ、第１クラッド層２７の該領域及び半導体メサ２５の側面を覆っている。ｎ型電流狭窄層３１ｂは、第１のｐ型電流狭窄層３１ａ上に設けられている。第２のｐ型電流狭窄層３１ｃは、ｎ型電流狭窄層３１ｂと、前述した第２クラッド層２９との間に設けられている。これらの電流狭窄層３１ａ〜３１ｃは、例えばｎ型（またはｐ型）ＩｎＰからなる。
【００２９】
また、第２クラッド層２９上には、絶縁膜３３及び第１の（アノード）電極膜３５が形成されている。絶縁膜３３は半導体メサ２５に対応する開口を有しており、第２クラッド層２９と電極膜３５とが該開口を介してオーミック接触を成している。ｎ型ＩｎＰ基板３７の主面３７ａとは反対側の裏面には第２の（カソード）電極膜３９が設けられており、第２の電極膜３９とｎ型ＩｎＰ基板３７とがオーミック接触を成している。
【００３０】
続いて、図３〜図７を参照しながら、本実施形態に係る半導体レーザ素子を作製する方法における主要な工程について説明する。
【００３１】
［第１の成長工程］
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板５１上に、ｎ型ＩｎＰ系半導体を主に含む第１クラッド層５３および第１光閉じ込め層５５を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。一実施例としては、第１クラッド層５３はｎ型ＩｎＰからなり、第１光閉じ込め層５５はｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。次いで、第１光閉じ込め層５５上に、量子井戸構造のための半導体積層（活性層）５７を形成する。半導体積層５７は、ＩｎＰ系半導体（例えばＧａＩｎＡｓＰ）からなる多重量子井戸構造を含み、交互に積層された複数の井戸層及び障壁層を有する。半導体積層５７内の各層は、例えば有機金属気相成長炉を用いて成長される。一実施例としては、井戸層が２層、障壁層が３層設けられる。また、井戸層の層厚は例えば６［ｎｍ］、障壁層の層厚は例えば９［ｎｍ］である。半導体積層５７の一例では、多重量子井戸構造を圧縮歪の井戸層及び引張り歪の障壁層を含む歪補償量子井戸構造とすることが好ましい。これにより、再成長界面における非発光再結合電流成分を低減できる。この場合、井戸層の圧縮歪量を１．０％、障壁層の引張り歪量を−０．１５％とすると尚良い。
【００３２】
そして、半導体積層５７上に、ｐ型ＩｎＰ系半導体を主に含む第２光閉じ込め層５９を成長させる。この成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。第２光閉じ込め層５９は、後の工程において形成される第２クラッド層よりバンドギャップが小さいＩｎＰ系半導体からなり、一実施例としてはｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる。第２光閉じ込め層５９の層厚は、半導体積層５７の層厚に応じて調整されることが好ましく、上述のように厚さ６［ｎｍ］の井戸層が２層、厚さ９［ｎｍ］の障壁層が３層それぞれ設けられる場合には、第２光閉じ込め層５９の層厚を例えば１４０［ｎｍ］以下とするとよい。すなわち、後の工程においてエッチングにより細線領域を形成するが、そのエッチング深さを所定の深さ以下（例えば２００［ｎｍ］以下）とする為に、第２光閉じ込め層５９の層厚は、該エッチング深さから半導体積層５７の層厚および第１光閉じ込め層５５に対するエッチング深さ（例えば２０［ｎｍ］）を差し引いた値以下に設定されるとよい。
【００３３】
［細線形成工程］
続いて、細線領域を形成するためのマスクを第２光閉じ込め層５９上に形成する。図３（ｂ）に示すように、マスクのために絶縁膜６３、例えばシリコン酸化膜といったシリコン系無機化合物膜を堆積する。この堆積は、例えば化学的気相成長法によって行われる。この絶縁膜６３上に、レジスト６５を塗布する。
【００３４】
続いて、図４（ａ）に示すように、周期的に配列された複数のパターンをレジスト６５に転写することにより、レジストマスク６７を形成する。この工程において、レジストマスク６７は、図２に示した複数の細線領域１５に対応するパターンを有するように形成される。レジストマスク６７の形成は、例えば、電子ビーム露光法、またはナノインプリント等のリソグラフィー技術を用いて行われる。
【００３５】
続いて、レジストマスク６７を用いて絶縁膜６３（シリコン酸化膜）をエッチングする。このエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング等を用いることができる。なお、この工程においてレジストマスク６７と絶縁膜６３（シリコン酸化膜、例えばＳｉＯ２）との選択比を確保するために、先の工程において絶縁膜６３の膜厚を１５〜２０［ｎｍ］とすることが好ましい。エッチングの後に、レジストマスク６７を除去すると、図４（ｂ）に示すように細線領域を形成するための複数のマスクパターン６９が形成される。マスクパターン６９の配列周期は、細線領域１５の周期Λと等しく設定される。すなわち、マスクパターン６９の配列周期は出力しようとするレーザ光の波長に応じて設定され、例えばレーザ光の波長が１５５０［ｎｍ］である場合には２４０［ｎｍ］に設定され、レーザ光の波長が１３００［ｎｍ］である場合には２００［ｎｍ］に設定される。また、マスクパターン６９の幅は、図２に示した細線領域１５の細線幅Ｗと等しく設定される。すなわち、マスクパターン６９の幅は、半導体レーザ素子がより少ない電流で動作するために例えば８０〜９０［ｎｍ］に設定され、細線領域を量子細線構造とする場合には高い微分利得を得るために例えば３０［ｎｍ］以下に設定される。
【００３６】
続いて、図５（ａ）に示すように、マスクパターン６９を用いて第２光閉じ込め層５９および半導体積層５７をエッチングし、細線領域７１を形成する。このエッチングの一例では、ＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥが用いられる。例えば、ＣＨ４／Ｈ２を用いたＲＩＥエッチングとこのエッチング中に半導体表面に堆積する炭素重合物を除去するためのＯ２アッシングとを繰り返すことにより、垂直性に優れた多層細線領域構造を形成できる。このエッチングの結果、第１光閉じ込め層５５上には、複数の細線領域７１が配列される。細線領域７１は、第２光閉じ込め層５９と半導体積層（活性層）５７とを含む。細線領域７１は上述した周期Λで配列され、細線領域７１の細線幅はＷとされる。
【００３７】
その後、ドライエッチングによる損傷層を除去するために、ウェットエッチングを行う。このエッチングは、例えば硫酸系の溶液を用いる。ウェットエッチングの後、図５（ｂ）に示すようにマスクパターン６９を除去する。例えば、シリコン酸化物からなるマスクパターン６９はバッファードフッ酸を用いて除去される。
【００３８】
［埋込工程］
続いて、図６（ａ）に示すように、複数の細線領域７１に含まれる半導体積層５７の側面をＩｎＰ系化合物半導体により埋め込む。一実施例としては、この埋め込みはアンドープＩｎＰにより行われる。また、この埋め込みは、半導体積層５７の側面を全て埋め込むとともに、第２光閉じ込め層５９の側面の半分が埋め込まれる程度の厚さになるまで行うことが好ましい。この埋込工程によって、各細線領域７１により提供される利得領域と、利得の無い中間半導体領域７３とが所定方向に交互に配列された周期構造が形成される。なお、この埋込工程においては、細線の隙間を均一に埋め込んで平坦な再成長界面を得るために、ＩｎＰ系化合物半導体の成長速度は５００［ｎｍ／ｈ］以下の低速であることが望ましい。また、ＩｎＰ系化合物半導体の成長温度は６００［℃］程度とされることが望ましい。
【００３９】
また、この埋込工程の際には、ＩｎＰ系化合物半導体にＲｕ及びＦｅの少なくとも一方をドープしつつ、半導体積層５７の側面を埋め込んでもよい。これにより、半導体積層５７の側面を埋め込む中間半導体領域７３を半絶縁性とし、半導体積層５７内にキャリアをより一層効果的に閉じ込めることができる。なお、ドープされるＲｕまたはＦｅの好適な濃度は、例えばＲｕは２×１０18［ｃｍ−３］、Ｆｅは６×１０16［ｃｍ−３］である。
【００４０】
［第２の成長工程］
続いて、図６（ｂ）に示すように、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層７５を細線領域７１上および中間半導体領域７３上に亘って成長させる。この工程においては、第２クラッド層７５を、細線領域７１に含まれる第２光閉じ込め層５９と隣接するように、第２光閉じ込め層５９を埋め込む形で形成する。一実施例としては、第２クラッド層７５はｐ型ＩｎＰからなる。なお、中間半導体領域７３と第２クラッド層７５とが同じ組成のＩｎＰ系化合物半導体（例えばＩｎＰ）からなる場合、前述した埋込工程においてＦｅやＲｕをドープしつつ、或いは何らドープせずに該ＩｎＰ系化合物半導体を成長させ、第２光閉じ込め層５９の途中まで埋め込まれた時点で、それまでのドーパントに代えてｐ型ドーパント（例えばＺｎ）のドープを開始し、引き続き該ＩｎＰ系化合物半導体を成長させるとよい。そして、細線領域７１を埋め込んだ後には成長速度を速め（例えば１［μｍ／ｈ］）、第２クラッド層７５を完成させるとよい。
【００４１】
第２の成長工程ののち、図７に示すように、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層７７を成長させる。コンタクト層７７の成長速度は、通常の成長速度、例えば１［μｍ／ｈ］程度である。この後に、必要な場合には、埋め込みヘテロ構造といった屈折率導波構造を形成するとよい。すなわち、半導体メサ（例えば幅１．０［μｍ］）を形成後、第１のｐ型ＩｎＰ電流狭窄層、ｎ型電流狭窄層、及び第２のｐ型ＩｎＰ電流狭窄層によって半導体メサの側面を埋め込む。これにより、図１及び図２に示した構成の半導体レーザ素子が完成する。
【００４２】
本実施形態による半導体レーザ素子１０およびその作製方法によって得られる効果について説明する。上述した半導体レーザ素子１０の作製方法においては、図３（ａ）に示した第１の成長工程の際に、本来細線領域７１となるべき半導体積層（活性層）５７に加え、更に第２光閉じ込め層５９をその上に成長させている。そして、図４（ａ），（ｂ）および図５（ａ）に示した細線形成工程において半導体積層５７および第２光閉じ込め層５９をエッチングして複数の細線領域７１を形成するので、各細線領域７１には第２光閉じ込め層５９が含まれる。その後、細線領域７１に含まれる半導体積層（活性層）５７の側面が埋込工程（図６（ａ））において埋め込まれるが、このとき細線領域７１上に形成される薄い堆積層は第２光閉じ込め層５９上に形成される。そして、第２の成長工程（図６（ｂ））において、第２光閉じ込め層５９と隣接するように第２クラッド層７５が形成されるので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層５９と第２クラッド層７５との間に位置することとなる。すなわち、細線領域７１に含まれる半導体積層（活性層）５７と第２光閉じ込め層５９との間に堆積層は形成されない。したがって、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難く、本実施形態による半導体レーザ素子１０の作製方法によれば、ｎ型ＩｎＰ基板５１を用いつつ発光効率を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態の半導体レーザ素子１０においては、図２に示したように、各細線領域１５が活性層２１に加えて第２光閉じ込め層２３を含んでいる。先に述べたように、このような半導体レーザ素子１０を作製する際には、細線領域１５の隙間を埋め込む際に細線領域１５上に形成される薄い堆積層は、第２光閉じ込め層２３上に形成される。そして、第２光閉じ込め層２３と隣接するように第２クラッド層２９が設けられているので、上述した薄い堆積層は、第２光閉じ込め層２３と第２クラッド層２９との間に位置することとなる。すなわち、細線領域１５に含まれる活性層２１と第２光閉じ込め層２３との間に堆積層は形成されない。したがって、堆積層によるバンド構造変化は正孔の障壁とは成り難く、本実施形態の半導体レーザ素子１０によれば、ｎ型ＩｎＰ基板３７を備えつつ発光効率を向上させることができる。
【００４４】
また、本実施形態のように、半導体レーザ素子１０およびその作製方法においては、第２クラッド層２９（７５）がｐ型ＩｎＰからなり、第２光閉じ込め層２３（５９）および活性層２１（５７）がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、細線領域１５（７１）の間に埋め込まれる中間半導体領域１７（７３）がアンドープＩｎＰからなることが好ましい。活性層２１（５７）および第２光閉じ込め層２３（５９）のバンドギャップがＩｎＰのバンドギャップより狭く、且つ中間半導体領域１７（７３）がアンドープＩｎＰからなる場合、図１３に示した従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子ではＩｎＰ堆積層による障壁作用が顕著となる（図１５参照）。これに対し、本実施形態ではＩｎＰ堆積層が第２光閉じ込め層２３（５９）と第２クラッド層２９（７５）との間に形成されるので、同じ組成の堆積層（ｉ型ＩｎＰ）と第２クラッド層（ｐ型ＩｎＰ）とが互いに接することとなり、堆積層は正孔に対する障壁とはなりにくい。したがって、発光効率をより向上させることができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明による半導体レーザ素子およびその作成方法の第２実施形態を示す側面断面図である。図８は、第１実施形態の図２に相当する断面を示している。本実施形態による半導体レーザ素子２０と第１実施形態の半導体レーザ素子１０との相違点は、中間半導体領域１７にＦｅがドープされており、且つ、中間半導体領域１７と第２クラッド層２９との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体からなるオフセット層４１を備えている点である。一実施例としては、このオフセット層４１はアンドープＩｎＰからなる。また、オフセット層４１の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。オフセット層４１は、例えば第２光閉じ込め層２３の側面を途中まで埋め込むように形成される。
【００４６】
本実施形態の半導体レーザ素子２０を作製する方法は、次のとおりである。すなわち、第１実施形態における第１の成長工程および細線形成工程を終えたのち（図５（ｂ）の状態）、ＦｅをドープしつつＩｎＰ系化合物半導体（例えばＩｎＰ）を細線領域１５の隙間に成長させて、中間半導体領域１７を形成する。そして、活性層２１の側面を覆う程度の厚さに中間半導体領域１７を成長させたのち、Ｆｅのドープを停止してＩｎＰ系化合物半導体の成長を継続させることにより、オフセット層４１を形成する。このとき、第２光閉じ込め層２３の側面の半分程度を覆う厚さまでオフセット層４１を成長させるとよい。その後、ｐ型ドーパント（例えばＺｎ）のドープを開始し、引き続き該ＩｎＰ系化合物半導体を成長させることにより、第２クラッド層２９を形成する。
【００４７】
活性層２１の側面を埋め込む中間半導体領域１７にＦｅがドープされていると、第２クラッド層２９に含まれるｐ型ドーパントであるＺｎとＦｅとの相互拡散によって中間半導体領域１７の層厚方向に抵抗分布が生じ、活性層２１へ注入されるキャリアの密度にも分布が生じてしまう。このような場合、本実施形態のように中間半導体領域１７と第２クラッド層２９との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層（オフセット層４１）を設けることによって、ＺｎとＦｅとの相互拡散を好適に抑制できる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
続いて、本発明による半導体レーザ素子の作成方法に関する第３実施形態について説明する。いま、図９に示すように活性層２１の層数が多い場合を考える。このような場合、細線領域１５同士の隙間が深くなり、中間半導体領域１７を厚く形成する必要が生じるが、中間半導体領域１７の厚さが或る程度（例えば２００［ｎｍ］）より厚くなると、中間半導体領域１７の内部に空孔（ボイド）Ｖが発生し易くなる。
【００４９】
そこで、本実施形態の作製方法においては、図１０に示すように、第１の成長工程においてｎ型ＩｎＰ基板５１上に第１クラッド層（ｎ型ＩｎＰ）５３、第１光閉じ込め層（ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ）５５、活性層（ＧａＩｎＡｓＰ）５７、および第２光閉じ込め層（ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ）５９を成長させたのち、第２光閉じ込め層５９上にｐ型ＩｎＰ層６１を更に成長させる。ｐ型ＩｎＰ層６１の層厚は、例えば３０［ｎｍ］である。そして、細線形成工程の際に、ｐ型ＩｎＰ層６１、第２光閉じ込め層５９および活性層５７をエッチングすることにより、複数の細線領域４３を形成する（図１１）。したがって、この細線領域４３には、活性層５７および第２光閉じ込め層５９に加え、ｐ型ＩｎＰ層６１が含まれることとなる。
【００５０】
埋込工程において、細線領域４３同士の隙間を、アンドープ（ＦｅドープまたはＲｕドープでもよい）ＩｎＰによって第２光閉じ込め層２３の途中まで埋め込むことにより、中間半導体領域７３が形成される（図１２）。このとき、ＰＨ３雰囲気の中でＩｎＰを成長させると、ｐ型ＩｎＰ層６１から細線領域４３の隙間へＩｎＰが移動（マストランスポート）する。これにより、例えば細線領域４３の隙間が狭く深い場合であっても、埋め込まれるＩｎＰの結晶性の劣化（ボイドの発生など）を抑えることができる。また、活性層５７の側面を、ＩｎＰのマストランスポートにより保護することができる。なお、本実施形態における第２の成長工程以降の工程は、第１実施形態と同様である。
【００５１】
本発明による半導体レーザ素子の作製方法および半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記した実施形態では第１クラッド層、第２クラッド層、および中間半導体領域を構成するＩｎＰ系化合物半導体としてＩｎＰを例示したが、これらの層はＩｎおよびＰを含む様々な組成によって構成されることができる。また、上記した実施形態では第１光閉じ込め層、第２光閉じ込め層、および活性層を構成するＩｎＰ系化合物半導体としてＧａＩｎＡｓＰを例示したが、これらの層もまたＩｎおよびＰを含む様々な組成によって構成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す一部切欠き斜視図である。
【図２】図２は、図１の一部を拡大して示す側面断面図である。
【図３】図３（ａ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における第１の成長工程を示す図である。図３（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における細線形成工程を示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における細線形成工程を示す図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における細線形成工程を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における埋込工程を示す図である。図６（ｂ）は、半導体レーザ素子を作製する方法における第２の成長工程を示す図である。
【図７】図７は、半導体レーザ素子を作製する方法における第２の成長工程の後工程を示す図である。
【図８】図８は、本発明による半導体レーザ素子およびその作成方法の第２実施形態を示す側面断面図である。
【図９】図９は、半導体レーザ素子において活性層の層数が多い場合を示す図である。
【図１０】図１０は、半導体レーザ素子の作製方法の第３実施形態における第１の成長工程を示す図である。
【図１１】図１１は、半導体レーザ素子の作製方法の第３実施形態における細線形成工程を示す図である。
【図１２】図１２は、半導体レーザ素子の作製方法の第３実施形態における埋込工程を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子の構造を示す断面図である。
【図１４】図１４は、図１３に示した複素結合型ＤＦＢレーザ素子におけるバンド構造を示す図である。
【図１５】図１５は、ｎ型ＩｎＰ基板上に従来の複素結合型ＤＦＢレーザ素子が形成された場合のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０，２０…半導体レーザ素子、１３，５５…第１光閉じ込め層、１５，４３，７１…細線領域、１７，７３…中間半導体領域、２１…活性層、２３，５９…第２光閉じ込め層、２５…半導体メサ、２７，５３…第１クラッド層、２９，７５…第２クラッド層、３１…埋め込み領域、３３…絶縁膜、３５…第１の電極膜、３７，５１…ｎ型ＩｎＰ基板、３９…第２の電極膜、４１…オフセット層、５７…半導体積層（活性層）、６１…ｐ型ＩｎＰ層、６３…絶縁膜、６５…レジスト、６７…レジストマスク、６９…マスクパターン、７７…コンタクト層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子を作製する方法であって、
ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層および第１光閉じ込め層、ＩｎＰ系化合物半導体を含む活性層、並びにｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を成長させる第１の成長工程と、
前記第２光閉じ込め層上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて前記第２光閉じ込め層および前記活性層をエッチングすることにより、周期的に配列された複数の細線領域を形成する細線形成工程と、
前記複数の細線領域に含まれる前記活性層の側面をＩｎＰ系化合物半導体により埋め込む埋込工程と、
前記複数の細線領域に含まれる前記第２光閉じ込め層と隣接するように、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層を成長させる第２の成長工程と
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項２】
前記第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、
前記第２光閉じ込め層および前記活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、
前記埋込工程における前記ＩｎＰ系化合物半導体がアンドープＩｎＰからなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項３】
前記第１の成長工程の際に、前記第２光閉じ込め層上にｐ型ＩｎＰ層を更に成長させ、
前記細線形成工程の際に、前記ｐ型ＩｎＰ層、前記第２光閉じ込め層および前記活性層を前記マスクを用いてエッチングすることにより前記複数の細線領域を形成することを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項４】
前記埋込工程の際に、前記活性層の側面を埋め込む前記ＩｎＰ系化合物半導体にＲｕをドープすることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項５】
前記埋込工程の際に、前記活性層の側面を埋め込む前記ＩｎＰ系化合物半導体にＦｅをドープすることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項６】
Ｆｅがドープされた前記ＩｎＰ系化合物半導体上にアンドープＩｎＰ系化合物半導体を更に成長させることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項７】
ｎ型ＩｎＰ基板と、
前記ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１光閉じ込め層と、
前記第１光閉じ込め層上に設けられ、ＩｎＰ系化合物半導体を含む活性層、および該活性層上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を有し、周期的に配列された複数の細線領域と、
前記複数の細線領域間に設けられたＩｎＰ系化合物半導体を含む中間半導体領域と、
前記第２光閉じ込め層と隣接するように前記複数の細線領域上および前記中間半導体領域上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層と、
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、
前記第２光閉じ込め層および前記活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、
前記中間半導体領域がアンドープＩｎＰからなることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記中間半導体領域にＲｕがドープされていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記中間半導体領域にＦｅがドープされていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記中間半導体領域と前記第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に備えることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１】
半導体レーザ素子を作製する方法であって、
ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層および第１光閉じ込め層、ＩｎＰ系化合物半導体を含む活性層、並びにｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を成長させる第１の成長工程と、
前記第２光閉じ込め層上に周期的に配列された複数のマスクパターンを有するマスクを用いて前記第２光閉じ込め層および前記活性層をエッチングすることにより、周期的に配列された複数の細線領域を形成する細線形成工程と、
前記複数の細線領域に含まれる前記活性層の側面をＩｎＰ系化合物半導体により埋め込む埋込工程と、
前記複数の細線領域に含まれる前記第２光閉じ込め層と隣接するように、ｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層を成長させる第２の成長工程と
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項２】
前記第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、
前記第２光閉じ込め層および前記活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、
前記埋込工程における前記ＩｎＰ系化合物半導体がアンドープＩｎＰからなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項３】
前記第１の成長工程の際に、前記第２光閉じ込め層上にｐ型ＩｎＰ層を更に成長させ、
前記細線形成工程の際に、前記ｐ型ＩｎＰ層、前記第２光閉じ込め層および前記活性層を前記マスクを用いてエッチングすることにより前記複数の細線領域を形成することを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項４】
前記埋込工程の際に、前記活性層の側面を埋め込む前記ＩｎＰ系化合物半導体にＲｕをドープすることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項５】
前記埋込工程の際に、前記活性層の側面を埋め込む前記ＩｎＰ系化合物半導体にＦｅをドープすることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項６】
Ｆｅがドープされた前記ＩｎＰ系化合物半導体上にアンドープＩｎＰ系化合物半導体を更に成長させることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項７】
ｎ型ＩｎＰ基板と、
前記ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられたｎ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第１光閉じ込め層と、
前記第１光閉じ込め層上に設けられ、ＩｎＰ系化合物半導体を含む活性層、および該活性層上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２光閉じ込め層を有し、周期的に配列された複数の細線領域と、
前記複数の細線領域間に設けられたＩｎＰ系化合物半導体を含む中間半導体領域と、
前記第２光閉じ込め層と隣接するように前記複数の細線領域上および前記中間半導体領域上に設けられたｐ型ＩｎＰ系化合物半導体を含む第２クラッド層と、
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第２クラッド層がｐ型ＩｎＰからなり、
前記第２光閉じ込め層および前記活性層がＩｎＰのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、
前記中間半導体領域がアンドープＩｎＰからなることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記中間半導体領域にＲｕがドープされていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記中間半導体領域にＦｅがドープされていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記中間半導体領域と前記第２クラッド層との間にアンドープＩｎＰ系化合物半導体層を更に備えることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−８７９９４（Ｐ２００９−８７９９４Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５２１３３（Ｐ２００７−２５２１３３）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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