半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイス
【課題】半導体光デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】第１の空孔生成領域、および、第１の空孔生成領域より水素との親和性が高い空孔拡散促進領域を含む半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により、空孔を第１の空孔生成領域に生成させ、且つ、半導体層に拡散させて、半導体層の領域を混晶化して第１領域を形成し、半導体層の領域に第１領域よりも混晶度の小さい第２領域を形成する工程とを備える製造方法。
【解決手段】第１の空孔生成領域、および、第１の空孔生成領域より水素との親和性が高い空孔拡散促進領域を含む半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により、空孔を第１の空孔生成領域に生成させ、且つ、半導体層に拡散させて、半導体層の領域を混晶化して第１領域を形成し、半導体層の領域に第１領域よりも混晶度の小さい第２領域を形成する工程とを備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光デバイスのひとつである半導体レーザ素子においては、光出射端面でのＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる損傷を防止する目的で、光出射端面を混晶化してバンドギャップエネルギーを大きくすることにより、レーザ光の吸収の少ない窓部を形成するＩＦＶＤ（Ｉｍｐｕｒｉｔｙ−Ｆｒｅｅ Ｖａｃａｎｃｙ Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００７−２４２７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のＩＦＶＤ法では、窓部における混晶度を高く維持しつつ非窓部における混晶度を低く抑えることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、半導体光デバイスの製造方法であって、空孔を生成する第１の空孔生成領域、および、第１の空孔生成領域より水素との親和性が高く、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を含む半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により、対応する誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を第１の空孔生成領域に生成させ、且つ、生成した空孔を空孔拡散促進領域を介して半導体層に拡散させて、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された半導体層の領域を混晶化して第１領域を形成し、密度のより大きい誘電体膜が堆積された半導体層の領域に第１領域よりも混晶度の小さい第２領域を形成する工程とを備える製造方法が提供される。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態に係る製造方法により製造した半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザ素子の断面図である。
【図３】第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。
【図４】図３に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図５】図１に示す窓部および非窓部を形成する工程を示す。
【図６】図５に示した工程より形成された窓部および非窓部を示す。
【図７】図５および図６に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図８】図７に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図９】図１に示す半導体レーザ素子の変形例の断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る製造方法により製造した半導体レーザ素子の断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。
【図１２】図１１に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１３】図１２に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１４】図１３に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１５】図１４に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１６】図１０に示す半導体レーザ素子の変形例の断面図である。
【図１７】第３実施形態に係る製造方法により製造した光導波路の平面図である。
【図１８】図１７に示す光導波路のＡ−Ａ線断面図である。
【図１９】第３実施形態に係る光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図２０】図１９に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図２１】図２０に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図２２】コンタクト層のドーパント設計と、窓部及び非窓部の混晶度との関係を示すグラフである。
【図２３】コンタクト層のドーパント量と、非窓部混晶度との関係を示すグラフである。
【図２４】コンタクト層のドーパント量と、第２領域がある場合及びない場合における窓部混晶度／非窓部混晶度との関係を示すグラフである。
【図２５】非窓部混晶度と、ＩＦＶＤを行わない場合の閾値に対するＩＦＶＤを行った場合の閾値の比との関係を示すグラフである。
【図２６】窓部に対応する空孔拡散促進領域及び非窓部に対応する空孔拡散促進領域の水素濃度を示すグラフである。
【図２７】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長温度と、成膜中にドープされる炭素濃度及び水素濃度との関係を示すグラフである。
【図２８】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長の成長レートとＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。
【図２９】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長における反応ガスの流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。
【図３０】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長におけるドーパントガス流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる製造方法により製造された半導体レーザ素子１００の斜視図である。半導体レーザ素子１００は、電流を共振器方向に沿ってストライプ状に狭窄するリッジ構造を有するファブリペロー共振器型のレーザであってよい。半導体レーザ素子１００は、ウエハを劈開して形成した両端面に低反射膜１０及び高反射膜２０を有する。高反射膜２０は、レーザ光を反射させて共振器内でレーザ光を増幅する。低反射膜１０は、レーザ光に対する反射率が高反射膜２０より低く、共振器内で共振するレーザ光の一部を出射光３０として外部に出射させる。
【０００９】
図２は、半導体レーザ素子１００の断面図を示す。半導体レーザ素子１００は、第１導電型の半導体基板４０と、第１導電型のバッファ層４２と、第１導電型の第１クラッド層４４と、第１導電型の第１ガイド層４６と、活性層４８と、第２導電型の第２ガイド層５０と、第２導電型の第２クラッド層５２と、第２クラッド層５２の上に堆積されたコンタクト層５４と、絶縁層５６と、上部電極５８と、下部電極６０とを備える。
【００１０】
本例では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明するが、これに限定されず、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型であってもよい。第１導電型の半導体基板４０は、ｎ型ＧａＡｓ基板であってよい。半導体基板４０の表面には、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層４６、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２、ｐ型のコンタクト層５４、及び絶縁層５６が順次堆積されている。
【００１１】
上部電極５８は、絶縁層５６を覆うように形成される。絶縁層５６は、コンタクト層５４の上部において開口部５７を有する。コンタクト層５４は、開口部５７を介して上部電極５８とオーミック接触する。下部電極６０は、半導体基板４０の裏面に形成される。
【００１２】
半導体レーザ素子１００は、ｐ型の第２クラッド層５２の上層とコンタクト層５４の幅が半導体基板４０から離れるに従って狭くなるメサ形状に加工されたストライプ状のリッジ構造を有する。半導体レーザ素子１００は、リッジ構造により、活性層４８に注入される電流を狭窄する。
【００１３】
ｎ型のバッファ層４２は、半導体基板４０の上に結晶性の良いエピタキシャル層を積層するための緩衝層として機能する。バッファ層４２は、半導体基板４０と、第１クラッド層４４との間の格子定数を有する。ｎ型のバッファ層４２は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。
【００１４】
ｎ型の第１クラッド層４４及びｎ型の第１ガイド層４６は、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。第１クラッド層４４の屈折率は、第１ガイド層４６の屈折率より小さい。ｎ型の第１クラッド層４４及びｎ型の第１ガイド層４６は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。この場合、ｎ型の第１クラッド層４４のＡｌ組成をｎ型の第１ガイド層４６のＡｌ組成に比べ大きくすることでｎ型の第１クラッド層４４の屈折率をｎ型の第１ガイド層４６の屈折率より小さくできる。ｎ型の第１ガイド層４６の膜厚は約４００μｍであり、ｎ型の第１クラッド層４４の膜厚は約３μｍであってよい。
【００１５】
活性層４８は、下部バリア層４８ａ、量子井戸層４８ｂ、上部バリア層４８ｃを有してよい。下部バリア層４８ａ及び上部バリア層４８ｃは、量子井戸層４８ｂにキャリアを閉じこめる。下部バリア層４８ａ及び上部バリア層４８ｃは、不純物をドープしないＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層４８ｂは不純物をドープしないＩｎＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層４８ｂは、Ｉｎの組成及び膜厚に応じてポテンシャル井戸構造に閉じこめられるキャリアの再結合エネルギーを決定する。活性層４８は、単一の量子井戸構造（ＳＱＷ）に限定されず、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であってよい。
【００１６】
ｐ型の第２ガイド層５０及びｐ型の第２クラッド層５２は、上述したｎ型の第１ガイド層４６及びｎ型の第１クラッド層４４と対となって、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。ｐ型の第２ガイド層５０及びｐ型の第２クラッド層５２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。例えば、ｐ型の第２クラッド層５２のＡｌ組成をｐ型の第２ガイド層５０のＡｌ組成に比べ大きくすることでｐ型の第２クラッド層５２の屈折率をｐ型の第２ガイド層５０の屈折率より小さくする。また、ｐ型の第２ガイド層５０の膜厚は約４００μｍであり、ｐ型の第２クラッド層５２の膜厚は約１μｍ〜２μｍであってよい。
【００１７】
コンタクト層５４は、第１領域５４ｂと、第２領域５４ａを有する。第１領域５４ｂは、以下で詳述するように、窓部６２を形成したときに空孔を生成した第１の空孔生成領域として機能する。具体的には、第１領域５４ｂは、第１のｐ型ドーパントがドープされた第２導電型の半導体層である。第１領域５４ｂは、ｐ型ＧａＡｓ層であってよい。ここで、第１のｐ型ドーパントは、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはベリリウム（Ｂｅ）であってよい。第１領域５４ｂは上部電極５８とのオーミック接触を確保するために、例えばＺｎが約１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の高濃度でドープされてよい。
【００１８】
第２領域５４ａは窓部６２を形成したときに空孔の拡散を促進した空孔拡散促進領域として機能する。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより、水素との親和性が高い領域である。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより、低い成長温度で形成されてもよい。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより成長レートを速める、ダメージで欠陥量を増やす、成長中の水素化合物の流量を増やす、または、成長中断時の水素雰囲気を増やす等を行って、水素との親和性を高めてもよい。
【００１９】
第２領域５４ａは、半導体層積層界面に薄く形成されてもよい。第２領域５４ａは、第２のｐ型ドーパントがドープされた第２導電型の半導体層であってもよい。第２領域５４ａは、ｐ型ＧａＡｓ層であってよい。第２のｐ型ドーパントは第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い。第２のｐ型ドーパントは、炭素（Ｃ）であってよい。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂの下側にある。
【００２０】
コンタクト層５４の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ/ｃｍ２）以下であることが好ましい。ここで、ドーパント量とは、ドーピング濃度（ａｔｏｍｓ/ｃｍ３）×層の厚み（ｃｍ）により定義した量を指す。第２領域５４ａのドーパント量は、第１領域５４ｂのドーパント量より少なくてよい。
【００２１】
半導体レーザ素子１００は、窓部６２と非窓部６４とを有する。非窓部６４は、第２クラッド層５２からバッファ層４２までの層において、コンタクト層５４の下側の領域に形成される。また、窓部６２は、非窓部６４を囲む周囲に形成される。窓部６２は非窓部６４に比べバンドギャップエネルギーが大きく、非窓部６４に比べてレーザ光を吸収しにくい領域を指す。窓部６２は、第１領域５４ｂにより生成されたＩＩＩ族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む。
【００２２】
活性層４８は、空孔の拡散により混晶化した窓部６２と、窓部６２より混晶度が小さい非窓部６４とを有する。窓部６２の混晶度は、非窓部６４の混晶度の５倍以上であってよい。具体的には、窓部６２の混晶度は２５ｍｅＶ以上であり、非窓部６４の混晶度は５ｍｅＶ以下である。半導体レーザ素子１００によれば、窓部６２の混晶度が大きく、非窓部６４の混晶度が小さいので、ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ特性の劣化を小さくすることができる。
【００２３】
次に、本発明に係る半導体光デバイスの製造方法の実施形態について説明する。ここでは、半導体光デバイスとして半導体レーザ素子１００を例に説明するが、これに限定されない。半導体光デバイスの製造方法は、半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０、第２の膜７２）を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により半導体層に第１領域及び第２領域を形成する工程とを備える。半導体層は、空孔を生成する第１の空孔生成領域、および、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を含む。空孔拡散促進領域は、第１の空孔拡散生成領域より水素との親和性が高い。アニール処理により、第１の空孔生成領域は空孔を生成する。第１の空孔生成領域は対応する誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を生成する。生成された空孔は空孔拡散促進領域を介して半導体層に拡散する。２種類の誘電体膜（第１の膜７０、第２の膜７２）のうち、密度のより小さい誘電体膜（第１の膜７０）が堆積された半導体層の領域が混晶化され第１領域が形成される。密度のより大きい誘電体膜（第２の膜７２）が堆積された半導体層の領域に第１領域よりも混晶度の小さい第２領域が形成される。本例において、第１領域は、窓部６２を含み、第２領域は、非窓部６４を含む。
【００２４】
図３から図８は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する工程図を示す。図３に示すように、半導体層を形成する工程は、は、第１導電型の半導体基板４０を用意する工程と、第１導電型の半導体基板４０の上に、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層４６、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２を含む複数の半導体層を順次堆積する工程と、ｐ型の第２クラッド層５２の上にコンタクト層５４を堆積する工程とを有する。それぞれの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長（ＭＢＥ）法等のエピタキシャル成長法によって順次積層される。
【００２５】
コンタクト層５４を堆積する工程は、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を形成する工程と、空孔を生成する第１の空孔生成領域を形成する工程とを含む。本例において空孔拡散促進領域は第２領域５４ａであり、第１空孔生成領域は第１領域５４ｂである。第２領域５４ａを形成する工程は、第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第１領域５４ｂを形成する工程は、第１の温度より高い第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。
【００２６】
第１領域５４ｂを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第１のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含む。第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第２のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含む。第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第２のｐ型ドーパントのドーピング効率が成長温度の増加に対して下がる温度で行なってよい。ここで、ドーピング効率とは、活性化したドーパントの濃度に対するドーピング濃度の比率を指す。つまり、成長温度の増加に対して膜中に取り込まれるドーパントのドーピング濃度が減少する温度範囲において第２領域５４ａをエピタキシャル成長により堆積する。
【００２７】
具体的には、第１の温度は、６８０℃より低い温度、例えば、約６２０℃である。第２の温度は、６８０℃以上の温度、例えば、約７００℃である。本例では、第１のｐ型ドーパントとして、Ｚｎを用い、第２のｐ型ドーパントとしてＣを用いる例を説明する。
【００２８】
コンタクト層５４を堆積する工程は、１回のエピタキシャル成長工程により実行されてよい。つまり、第１の温度でＣドープのエピタキシャル成長を行って第２領域５４ａを堆積した後に、続けて、第２の温度でＺｎドープのエピタキシャル成長を行い第１領域５４ｂを堆積する。
【００２９】
第２領域５４ａは、ドーパントのＣが水素（Ｈ）との親和性が高く、かつ、第１の温度でエピタキシャル成長して形成されるので、Ｈを膜中に取り込みやすい。つまり、第２領域５４ａは、第１領域５４ｂよりも水素濃度が高い。しかしながら、高濃度でＣドープして第１の温度でエピタキシャル成長により形成した第２領域５４ａは表面の結晶性が悪くなる。そこで、Ｚｎを高濃度でドープして第２の温度でエピタキシャル成長を行うことにより、結晶性を良くし、かつ、上部電極５８とのコンタクト抵抗を低減させることができる。
【００３０】
第２領域５４ａを形成する工程は、第１の成長レートでエピタキシャル成長する工程を含んでもよい。第１領域５４ｂを形成する工程は、第１の成長レートより遅い第２の成長レートでエピタキシャル成長する工程を含んでもよい。第１の成長レートは、約０．３４ｎｍ／ｓ以上であってよい。後述するように、第２領域５４ａの膜の成長レートを速くすることにより、膜中に高濃度のＨを取り込むことができるので好ましい。
【００３１】
図４は、図３に示した工程の後工程を示す。図４に示すように、密度の異なる２種類の誘電体膜を堆積する工程は、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０および第２の膜７２）をコンタクト層５４の上の異なる領域に堆積する工程を有する。まず、シランガスとアンモニアガスを原料として触媒ＣＶＤ法を用いてコンタクト層５４の上にＳｉＮ膜を例えば１００ｎｍ堆積する。ＳｉＮ膜は、原料のシランとアンモニアとの流量をアンモニアリッチにした状態で成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、窓部６２に対応するコンタクト層５４上の領域以外のＳｉＮ膜を除去することにより、窓部６２に対応するコンタクト層５４上の領域に第１の膜７０を形成する。第１の膜７０はＮリッチ条件で成膜したため、疎な膜となる。第１の膜７０の膜密度は、例えば約２．６９ｇ／ｃｍ３である。
【００３２】
次に、触媒ＣＶＤ法を用いてコンタクト層５４及び第１の膜７０の上にＳｉリッチ条件で成膜したＳｉＮ膜を例えば３０ｎｍ堆積する。第２の膜７２は、Ｓｉリッチ条件で成膜したため、緻密な膜となる。第２の膜７２の膜密度は、例えば約２．７９ｇ／ｃｍ３である。つまり、非窓部６４に対応する領域には第１の膜７０より密度の高い緻密な膜である第２の膜７２が形成される。誘電体膜として、ＳｉＮ以外の膜を使用してもよい。
【００３３】
図５は、図４に示した工程の後工程を示す。アニール処理により窓部６２および非窓部６４を形成する工程は、第２領域５４ａの非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる工程を含む。アニール処理は、例えば、９１５℃、３０秒間の短時間熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）により行う。
【００３４】
上述したように、第２領域５４ａの水素濃度は、第１領域５４ｂよりも高い。ＲＴＡ処理により加熱されると、第２領域５４ａ内の水素７６が疎の膜である第１の膜７０に吸収される。その結果、窓部６２に相当する部分の第２領域５４ａは、水素濃度が低くなる。一方、非窓部６４に相当する部分の第２領域５４ａの水素は、密な膜である第２の膜７２に吸収されにくい。つまり、アニール処理により、第２領域５４ａは、非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる。
【００３５】
窓部６２に対応する第２領域５４ａには、水素７６の離脱により生じた内在空孔が生成される。ここで、内在空孔とは、水素７６が第１の膜７０に吸収されたことにより生じる空孔を指す。
【００３６】
窓部６２に対応する第１領域５４ｂのＧａは、ＲＴＡ処理により第１の膜７０に取り込まれ、第１の膜７０の密度に応じた密度のＩＩＩ族空孔７４が生成される。つまり、第２領域５４ａは、ＩＩＩ族空孔７４とは別の内在空孔を生成する。ＩＩＩ族空孔７４は、第１領域５４ｂの表面側から第２領域５４ａに向かって拡散する。
【００３７】
第２領域５４ａは、第１領域５４ｂで生成されたＩＩＩ族空孔７４を受け取る。窓部６２に対応する第２領域５４ａにおいて、ＩＩＩ族空孔７４は内在空孔と合流し、空孔濃度が急激に上昇する。ＩＩＩ族空孔７４及び内在空孔は、第２領域５４ａから活性層４８の方向に向かって一気に拡散する。つまり、内在空孔の存在によって、ＩＩＩ族空孔７４の拡散が促進される。
【００３８】
一方、非窓部６４に対応する第２領域５４ａのＨは、緻密な膜である第２の膜７２にはほとんど吸収されず、当該領域の内在空孔は、窓部６２に対応する第２領域５４ａの内在空孔よりも少ない。また、非窓部６４に対応する第１領域５４ｂのＧａは、緻密な膜である第２の膜７２にはほとんど吸収されない。そのため、非窓部６４に対応する第１領域５４ｂにおいてＩＩＩ族空孔７４は、窓部６２に対応する領域のＩＩＩ族空孔７４よりも少ない。したがって、非窓部６４に対応する活性層４８は、窓部６２に対応する活性層４８よりも、混晶度が非常に小さくなる。
【００３９】
図６は、図５の工程により形成された窓部６２および非窓部６４を示す。図５に示した工程により、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層４８を混晶化して窓部６２が形成され、密度のより大きい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層４８に、窓部６２よりも混晶度の小さい非窓部６４が形成される。結果として、活性層４８の窓部６２においてはレーザ光の吸収が抑制されＣＯＤの発生が防止されるとともに、非窓部６４においてはレーザ特性の劣化が防止される。
【００４０】
図７は、図５および図６に示した工程の後工程を示す。図７に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、リッジ構造を形成する工程を備える。窓部６２及び非窓部６４が形成された後、第１の膜７０及び第２の膜７２が除去される。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、コンタクト層５４及びｐ型の第２クラッド層５２の上部をストライプ形状に除去してリッジ構造を形成する。
【００４１】
図８は、図７に示した工程の後工程を示す。図８に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、コンタクト層５４及び第２クラッド層５２の上に絶縁膜を堆積する工程と、電極を形成する工程とを備える。絶縁膜は、例えば、ＣＶＤ法を用いて成膜されたシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。電極を形成する工程は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により上部電極５８と接触する領域に開口部５７を形成する工程と、スパッタリング工程により半導体基板４０の表面全体に上部電極５８を形成し、半導体基板４０の裏面全体に下部電極６０を蒸着させる工程とを含む。最後に、半導体基板４０を劈開し、劈開面に低反射膜１０及び高反射膜２０を形成して半導体レーザ素子１００が完成する。
【００４２】
図９は、半導体レーザ素子１００の変形例に係る半導体レーザ素子１１０を示す。半導体レーザ素子１１０は、コンタクト層５４の構成が半導体レーザ素子１００のコンタクト層５４の構成と異なる。半導体レーザ素子１１０の第１コンタクト層５４は、図２に示したコンタクト層５４の構成に比べ、第３領域５４ｃを更に有する。第３領域は、第２の空孔生成領域として機能する。第３領域５４ｃは、ｐ型ドーパントのドープ量が第１領域５４ｂより低い。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂと第３領域５４ｃとの間に設けられる。
【００４３】
コンタクト層５４を堆積する工程は、第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程の前に、第３領域５４ｃを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を有する。第１領域５４ｂのＺｎドープ量は１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、第３領域５４ｃのＺｎドープ量は１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であってよい。第１領域５４ｂ、第３領域５４ｃ、及び第２領域５４ａは、１回のエピタキシャル成長工程で形成される。
【００４４】
図１０は、本発明の第２実施形態に係る製造方法によって製造された半導体レーザ素子２００の断面図である。半導体レーザ素子２００は、リッジ構造に替えて、電流狭窄層８０を備える点で第１実施形態に係る半導体レーザ素子１００と異なる。半導体レーザ素子２００は、第１導電型の半導体基板４０と、第１導電型のバッファ層４２と、第１導電型の第１クラッド層４４と、第１導電型の第１ガイド層４６と、活性層４８と、第２導電型の第２ガイド層５０と、第２導電型の第２クラッド層５２と、第２クラッド層５２の上に堆積された第１コンタクト層５４と、電流狭窄層８０と、第２コンタクト層８２と、上部電極５８と、下部電極６０とを備える。
【００４５】
図１０において図２と同一の符号を付した構成要素は、図２から図９に関連して説明した構成要素と同一の機能を有してよい。半導体レーザ素子２００において下部電極６０から第２クラッド層５２までの構造は、半導体レーザ素子１００における下部電極６０から第２クラッド層５２までの構造と同一であってよい。
【００４６】
第１コンタクト層５４は、Ｃが高濃度にドープされて低温エピタキシャル成長で形成された第２領域５４ａと、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅが高濃度にドープされて高温エピタキシャル成長で形成された第１領域５４ｂを有する。第２領域５４ａは、非窓部６４に対応する領域の水素濃度が、窓部６２に対応する領域の水素濃度より高い。
【００４７】
電流狭窄層８０は、第１コンタクト層５４上に形成され、非窓部６４に対応して開口部８１を有する。電流狭窄層８０は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。第２コンタクト層８２は、開口部８１により露出した第１コンタクト層５４及び電流狭窄層８０の上に堆積される。第２コンタクト層８２は、ＺｎまたはＭｇが高濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ層を含む。第２コンタクト層８２は上部電極５８とオーミック接触する。電流狭窄層８０は、上部電極５８から注入された電流を狭窄し、量子井戸層４８ｂにおけるキャリア密度を向上させる。
【００４８】
半導体レーザ素子２００において、電流狭窄層８０に対応する領域には窓部６２が形成され、開口部８１に対応する領域には非窓部６４が形成されている。半導体レーザ素子２００においても、第２領域５４ａの内在空孔の作用によって、活性層４８の量子井戸層４８ｂにおける窓部６２の混晶度を高くし、かつ、非窓部６４の混晶度を低くすることができる。したがって、ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ特性の劣化を抑制することができる。
【００４９】
図１１から１５は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子２００の製造方法を説明する工程図を示す。半導体レーザ素子２００の製造方法は、上述した半導体光デバイスの製造方法と同様に、半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜（７０、７２）を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により半導体層に窓部６２及び非窓部６４を形成する工程を備える。半導体層を形成する工程は、半導体基板４０を用意する工程と、半導体基板４０上に、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２を含む複数の半導体層を順次堆積する工程と、ｐ型の第２クラッド層５２の上に第１コンタクト層５４を堆積する工程とを備える。それぞれの層は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いたエピタキシャル成長により形成される。第１コンタクト層５４を堆積する工程は、図３で説明したコンタクト層５４を堆積する工程と同様なので説明を省略する。
【００５０】
第１コンタクト層５４を堆積した後、第１コンタクト層５４の上に電流狭窄層８０となるｎ型ＧａＡｓ層を堆積する。その上に、例えば、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜８４を堆積する。続いて、開口部８１に対応する領域のＳｉＯ２膜８４をフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により除去する。
【００５１】
図１２は、図１１に示した工程の後工程を示す。図１２に示すように、ＳｉＯ２膜８４をエッチングマスクとしてエッチング工程を行い、電流狭窄層８０を形成する。続いて、エッチングマスクであるＳｉＯ２膜８４を除去する。エッチングマスクとしてＳｉＯ２膜８４以外の絶縁膜を用いてもよい。
【００５２】
図１３は、図１２に示した工程の後工程を示す。密度の異なる２種類の誘電体膜（７０、７２）を堆積する工程は、窓部６２に対応する領域に疎な膜である第１の膜７０を堆積し、非窓部６４に対応する領域に緻密な膜である第２の膜７２を堆積する工程を含む。この工程は図４で説明した工程と同様なので説明を省略する。アニール処理により半導体層に窓部６２及び非窓部６４を形成する工程は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａの非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる工程を含む。ＲＴＡ処理により、窓部６２に対応する第２領域５４ａが生成した内在空孔によって、窓部６２に対応する第１領域５４ｂが生成したＩＩＩ族空孔の拡散が促進されて、窓部６２に対応する活性層４８が混晶化される。非窓部６４に対応する活性層４８は混晶化されない。この工程は、図５及び図６で説明した工程と同様なので説明を省略する。
【００５３】
図１４は、図１３に示した工程の後工程を示す。図１４に示すように、第１の膜７０及び第２の膜７２を除去する。続いて、電流狭窄層８０及び第１コンタクト層５４の表面に対して表面浄化処理を行う。表面浄化処理を行うことにより、再成長界面における結晶品質の低下を防止することができる。
【００５４】
図１５は、図１４に示した工程の後工程を示す。図１５に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層を再成長させて、第２コンタクト層８２を形成する。第２コンタクト層８２は、ＺｎまたはＭｇを高濃度でドープした高温エピタキシャル成長により堆積してよい。第２コンタクト層８２のＺｎドープ濃度は、例えば１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。第１コンタクト層５４のＺｎドープ濃度は、例えば１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。
【００５５】
最後に、第２コンタクト層８２の上に上部電極５８を形成し、半導体基板４０の裏面に下部電極６０を形成する。上部電極５８及び下部電極６０はスパッタリング法により形成してよい。
【００５６】
図１６は、半導体レーザ素子２００の変形例である半導体レーザ素子２１０を示す。本例における半導体レーザ素子２１０は、第１コンタクト層５４の構成が半導体レーザ素子２００の第１コンタクト層５４の構成と異なる。半導体レーザ素子２１０の第１コンタクト層５４は、ｐ型ドーパントのドープ量が第１領域５４ｂより低い第３領域５４ｃを有する。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂと第３領域５４ｃとの間に設けられる。
【００５７】
本例における第１コンタクト層５４を堆積する工程は、第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程の前に、第３領域５４ｃを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を有する。第３領域５４ｃのｐ型ドーパントのドーパント量は第１領域５４ｂより低い。例えば、ｐ型ドーパントはＺｎである。第１領域５４ｂのＺｎドープ量は１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、第３領域５４ｃのＺｎドープ量は１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であってよい。第１領域５４ｂ、第３領域５４ｃ、及び第２領域５４ａは、１回のエピタキシャル成長工程で形成される。
【００５８】
図１７は、本発明の第３実施形態に係る製造方法によって製造された光導波路３００の平面図を示す。図１８は、図１７のＡ−Ａ線断面図を示す。光導波路３００は、半導体基板３１０と、半導体基板３１０上に順次形成された下部クラッド層３２０、光導波層３３０、及び上部クラッド層３４０を含む半導体層とを備える。光導波路３００の半導体層は、半導体基板３１０の表面と垂直方向に選択的に混晶化された第１領域３１２と、第１領域３１２により挟まれて形成された第２領域３１４とを有する。
【００５９】
第２領域３１４の混晶度は第１領域３１２の混晶度より小さい。第１領域３１２の混晶度は、第２領域３１４の混晶度の５倍以上であってよい。具体的には、第１領域３１２の混晶度は２５ｍｅＶ以上であり、第２領域３１４の混晶度は５ｍｅＶ以下である。第１領域３１２のバンドギャップエネルギーは、第２領域３１４のバンドギャップエネルギーより大きい。第１領域３１２の屈折率は第２領域３１４の屈折率よりも小さい。つまり、光導波路３００は、混晶度の異なる第１領域３１２及び第２領域３１４を有するので、光導波層３３０において光の伝搬方向と垂直でかつ半導体基板３１０と水平な方向に対して屈折率に差を設けることができる。
【００６０】
図１９から２１は、本発明の第３実施形態に係る光導波路３００の製造方法を説明する工程図を示す。当該製造方法は、半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜３７０、第２の膜３８０）を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により半導体層に第１領域３１２及び第２領域３１４を形成する工程とを備える。
【００６１】
図１９は、半導体層を形成する工程を示す。半導体層は、空孔を生成する空孔生成領域３６０、および、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域３５０を含む。半導体層を形成する工程は、半導体基板３１０を用意する工程と、半導体基板３１０の上に、下部クラッド層３２０、光導波層３３０、及び上部クラッド層３４０を含む複数の半導体層を順次堆積する工程と、上部クラッド層３４０の上に空孔生成拡散層３６２を堆積する工程とを有する。それぞれの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長（ＭＢＥ）法等のエピタキシャル成長法によって順次堆積される。
【００６２】
空孔生成拡散層３６２を堆積する工程は、空孔拡散促進領域３５０を形成する工程と、空孔生成領域３６０を形成する工程とを含む。空孔拡散促進領域３５０は、空孔生成領域３６０よりも水素との親和性が高い。空孔拡散促進領域３５０を形成する工程及び空孔生成領域３６０を形成する工程は、図３で説明した第２領域５４ａを形成する工程及び第１領域５４ｂを形成する工程とそれぞれ同様なので説明を省略する。
【００６３】
図２０は、誘電体膜を形成する工程を示す。誘電体膜を形成する工程は、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜３７０および第２の膜３８０）を空孔生成領域３６０の上の異なる領域に堆積する。第１の膜３７０は密度が第２の膜３８０より小さい疎な膜である。第２の膜３８０は密度が第１の膜３７０より大きい緻密な膜である。第１の膜３７０及び第２の膜３８０を形成する工程は、図４で説明した密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０および第２の膜７２）をコンタクト層５４の上の異なる領域に堆積する工程と同様なので説明を省略する。
【００６４】
図２１は、アニール処理により第１領域３１２及び第２領域３１４を形成する工程を示す。アニール処理により、空孔生成領域３６０は対応する誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を生成する。生成された空孔は空孔拡散促進領域３５０を介して半導体層に拡散する。２種類の誘電体膜（第１の膜３７０、第２の膜３８０）のうち、密度のより小さい第１の膜３７０が堆積された半導体層の領域が混晶化され第１領域３１２が形成される。密度のより大きい第２の膜３８０が堆積された半導体層の領域に第１領域３１２よりも混晶度の小さい第２領域３１４が形成される。
【００６５】
当該工程において、空孔拡散促進領域３５０の第２領域３１４に対応する領域の水素濃度が第１領域３１２に対応する領域の水素濃度より高い。第１領域３１２に対応する空孔拡散促進領域３５０には、水素の離脱により生じた内在空孔が生成される。第１領域３１２に対応する空孔生成領域３６０のＧａは、アニール処理により第１の膜３７０に取り込まれ、第１の膜３７０の密度に応じたＩＩＩ族空孔が生成される。ＩＩＩ族空孔は、内在空孔により拡散が促進され、空孔拡散促進領域３５０を介して光導波層３３０に拡散する。
【００６６】
結果として、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい第１の膜３７０が堆積された領域に対応する下部クラッド層３２０、光導波層３３０及び上部クラッド層３４０が混晶化されて第１領域３１２が形成される。密度のより大きい第２の膜３８０が堆積された領域に対応する下部クラッド層３２０、光導波層３３０及び上部クラッド層３４０に、第１領域３１２よりも混晶度の小さい第２領域３１４が形成される。
【００６７】
図２２は、半導体レーザ素子１００のコンタクト層５４におけるドーパント量の設計と、窓部及び非窓部における混晶度の関係を示すグラフである。以下、ドーパント量とはドープ濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）×厚み（ｃｍ）によって定義される量を指す。また、混晶度はバンドギャップエネルギーの変化量を指す。
【００６８】
設計１から３は、ドーパントとしてＺｎのみを用いた例である。設計４及び５はドーパントとして、Ｃ及びＺｎを用いた例である。設計６はドーパントとしてＣのみを用いた例である。設計１から３より、ドーパント量が少ないほど、非窓部の混晶度が小さくなり、かつ、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が大きくなる。したがって、設計１から３の結果より、コンタクト層５４の全ドーパント量を少なくすることが有効であることがわかる。
【００６９】
また、設計２及び４を比較すると、ドーパント量は同等であるが、設計２ではＺｎのみのドープであるのに対して設計４ではＺｎとＣをドープしている。設計２及び４の混晶度を比較すると、Ｚｎのみをドープした場合より、ＺｎとＣをドープした場合の方が非窓部の混晶度が小さくなり、かつ、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が大きくなる。したがって、設計２及び４の結果より、ドーパントとしてＺｎとＣを用いることが有効であることがわかる。
【００７０】
さらに、設計４及び５を比較すると、設計５の方が設計４よりドーパント量が大きくかつＣの割合がＺｎより高い。設計４と５の混晶度を比較すると、ドーパント量が少ない方が非窓部の混晶度は小さいが、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合はほぼ変わらない。したがって、設計４及び５の結果より、ＺｎとＣのドーパント量の合計が１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）以下であり、かつ、Ｚｎのドープ量よりＣのドープ量が小さい方が有効であることがわかる。
【００７１】
また、設計５及び６を比較すると、設計６の方が設計５よりドーパント量が大きく、設計６はＣのみをドープしている。設計５と６の混晶度を比較すると、ドーパント量が大きくなると非窓部の混晶度が急激に増加し、かつ、Ｃのみをドープする場合には非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が小さくなることがわかる。したがって、設計５及び設計６の結果より、全体のドーパント量を所定の値以下とし、ドーパントとしてＣとＺを組み合わせることが有効であることがわかる。
【００７２】
図２３は、半導体レーザ素子１００におけるコンタクト層５４の全ドーパント量と非窓部混晶度の関係を示すグラフである。このグラフより、ドーパント量が増加すると非窓部混晶度が増加することがわかる。図１７の設計５に相当するドーパント量である１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）では、非窓部混晶度が約５ｍｅＶとなり、良好である。
【００７３】
図２４は、半導体レーザ素子１００におけるコンタクト層５４が第２領域５４ａを有する場合と有しない場合とで、全ドーパント量と、窓部混晶度／非窓部混晶度との関係を示すグラフである。このグラフより、ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）付近までは、第２領域５４ａの有無にかかわらず、窓部混晶度／非窓部混晶度は約２である。ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）より小さくなると、窓部混晶度／非窓部混晶度は２より大きくなり、かつ、第２領域５４ａを有する場合の方が有しない場合よりも窓部混晶度／非窓部混晶度が大きくなる。
【００７４】
つまり、ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）より小さく、かつ、第２領域５４ａを有する場合には、窓部６２に比べて混晶度が１／２より小さい非窓部６４を形成することができる。図１７の設計５に相当するドーパント量である１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）の場合には、窓部６２に比べて混晶度が約１／７の非窓部６４を形成することができるので良好である。
【００７５】
図２５は、半導体レーザ素子１００における非窓部混晶度と、ＩＦＶＤ法により窓部を形成した場合と形成しなかった場合のレーザ発振の閾値電圧の比との関係を示す。閾値比が１以下であればＩＦＶＤ法によってもレーザ性能の劣化が抑制されていることを示し、１より大きければＩＦＶＤ法によりレーザ性能が劣化していることを示す。グラフより、非窓部の混晶度が約５ｍｅＶのとき閾値比が約１となることがわかる。上述したように、非窓部の混晶度が約５ｍｅＶである場合は、図１８においてドーパント量が１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）である場合に相当する。ドーパント量が１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）である場合は図１７の設計５に相当する。なお、非窓部の混晶度を４ｍｅＶより小さくなるように、ドーパント量を設定してもよい。
【００７６】
図２２から図２５の実験結果より、コンタクト層５４の全ドーパント量は、１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）以下が好ましいことがわかる。また、コンタクト層５４が第２領域を有し、かつ、Ｚｎのドープ量よりもＣのドープ量を少なくすることがより好ましいことがわかる。
【００７７】
図２６は、第２領域５４ａの窓部６２と非窓部６４における水素濃度を比較したものである。窓部６２の水素濃度が、非窓部６４の水素濃度の約４０％になっていることがわかる。このグラフより、ＲＴＡ処理の結果、窓部６２に対応する第２領域５４ａの水素の約６０％が第１の膜７０に取り込まれ、内在空孔が生成されていることがわかる。
【００７８】
図２７は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長の温度とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。成長温度が６８０℃のときのＣドープ濃度は約１．４４Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は約８．０Ｅ＋１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。成長温度が６２０℃のときのＣドープ濃度は約５．６８Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は約５．８Ｅ＋１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。成長温度が５６０℃のときのＣドープ濃度は約２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は約６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。
【００７９】
この結果から、Ｃのドーピング効率が成長温度の増加に対して下がる温度範囲において、ＣがＨとの親和性が高く膜に取り込まれやすいことがわかる。また、成長温度が低くなるほどＣが高濃度にドーピングされ、膜中に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。具体的には、１．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上の高濃度Ｃドープで、かつ、６８０℃以下の低温エピタキシャル成長により第２領域５４ａを形成することが好ましい。
【００８０】
図２８は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長の成長レートとＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。成長温度は５６０℃で一定とした。成長レートが約０．３４ｎｍ／ｓのときのＣドープ濃度は２．０５Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は４．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。成長レートが約０．６６ｎｍ／ｓのときのＣドープ濃度は２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。この結果から、第２領域５４ａのエピタキシャル成長の成長レートを上げることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。尚、第１領域５４ｂのエピタキシャル成長の成長レートは、第２領域５４ａの成長レートより遅くてよい。
【００８１】
図２９は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長における反応ガスの流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。ここで反応ガスの流量比とは、ＩＩＩ族原子供給ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスの流量に対するＶ族原子供給ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）ガスの流量の比を指す。成長温度は５６０℃で一定とした。反応ガスの流量比が約２１．２のときのＣドープ濃度は１．０６Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は１．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。反応ガスの流量比が約１４．２のときのＣドープ濃度は１．４９Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は２．６Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。反応ガスの流量比が約７．０のときのＣドープ濃度は２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。この結果から、反応ガス流量比を減少させることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。
【００８２】
図３０は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長におけるドーパントガス流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。ここでドーパントガス流量比とは、ＩＩＩ族電子供給ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスの流量に対するＣドーパントガスである四臭化炭素（ＣＢｒ４）ガスの流量の比を指す。成長温度は５６０℃で一定とした。また、反応ガスの流量比は一定とした。ドーパントガス流量比が約０．０５２のときのＣドープ濃度は１．４９Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は２．６Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。ドーパントガス流量比が約０．１０３のときのＣドープ濃度は２．０５Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は４．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。この結果から、ドーパントガス流量比を上昇させることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。
【００８３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００８５】
また、明細書中において「第１層の上に形成された第２層」のように、「の上に」と表現した構成は、第２層が第１層に接して形成されている構成に限定されず、第２層が他の層を挟んで第１層の上方に形成されている構成も含まれうる。
【符号の説明】
【００８６】
１０・・・低反射膜、２０・・・高反射膜、３０・・・出射光、４０・・・半導体基板、４２・・・バッファ層、４４・・・第１クラッド層、４６・・・第１ガイド層、４８・・・活性層、４８ａ・・・下部バリア層、４８ｂ・・・量子井戸層、４８ｃ・・・上部バリア層、５０・・・第２ガイド層、５２・・・第２クラッド層、５４・・・コンタクト層、５４ａ・・・第２領域、５４ｂ・・・第１領域、５４ｃ・・・第３領域、５６・・・絶縁層、５７・・・開口部、５８・・・上部電極、６０・・・下部電極、６２・・・窓部、６４・・・非窓部、７０・・・第１の膜、７２・・・第２の膜、７４・・・ＩＩＩ族空孔、７６・・・水素、８０・・・電流狭窄層、８１・・・開口部、８２・・・第２コンタクト層、８４・・・ＳｉＯ２膜、１００、１１０、２００、２１０・・・半導体レーザ素子、３００・・・光導波路、３１０・・・半導体基板、３１２・・・第１領域、３１４・・・第２領域、３２０・・・下部クラッド層、３３０・・・光導波層、３４０・・・上部クラッド層、３５０・・・空孔拡散促進領域、３６０・・・空孔生成領域、３６２・・・空孔生成拡散層、３７０・・・第１の膜、３８０・・・第２の膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光デバイスの製造方法及び半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光デバイスのひとつである半導体レーザ素子においては、光出射端面でのＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる損傷を防止する目的で、光出射端面を混晶化してバンドギャップエネルギーを大きくすることにより、レーザ光の吸収の少ない窓部を形成するＩＦＶＤ（Ｉｍｐｕｒｉｔｙ−Ｆｒｅｅ Ｖａｃａｎｃｙ Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００７−２４２７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のＩＦＶＤ法では、窓部における混晶度を高く維持しつつ非窓部における混晶度を低く抑えることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、半導体光デバイスの製造方法であって、空孔を生成する第１の空孔生成領域、および、第１の空孔生成領域より水素との親和性が高く、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を含む半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により、対応する誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を第１の空孔生成領域に生成させ、且つ、生成した空孔を空孔拡散促進領域を介して半導体層に拡散させて、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された半導体層の領域を混晶化して第１領域を形成し、密度のより大きい誘電体膜が堆積された半導体層の領域に第１領域よりも混晶度の小さい第２領域を形成する工程とを備える製造方法が提供される。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態に係る製造方法により製造した半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】図１に示す半導体レーザ素子の断面図である。
【図３】第１実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。
【図４】図３に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図５】図１に示す窓部および非窓部を形成する工程を示す。
【図６】図５に示した工程より形成された窓部および非窓部を示す。
【図７】図５および図６に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図８】図７に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図９】図１に示す半導体レーザ素子の変形例の断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る製造方法により製造した半導体レーザ素子の断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。
【図１２】図１１に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１３】図１２に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１４】図１３に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１５】図１４に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図１６】図１０に示す半導体レーザ素子の変形例の断面図である。
【図１７】第３実施形態に係る製造方法により製造した光導波路の平面図である。
【図１８】図１７に示す光導波路のＡ−Ａ線断面図である。
【図１９】第３実施形態に係る光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図２０】図１９に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図２１】図２０に示した工程の後工程を説明する工程図である。
【図２２】コンタクト層のドーパント設計と、窓部及び非窓部の混晶度との関係を示すグラフである。
【図２３】コンタクト層のドーパント量と、非窓部混晶度との関係を示すグラフである。
【図２４】コンタクト層のドーパント量と、第２領域がある場合及びない場合における窓部混晶度／非窓部混晶度との関係を示すグラフである。
【図２５】非窓部混晶度と、ＩＦＶＤを行わない場合の閾値に対するＩＦＶＤを行った場合の閾値の比との関係を示すグラフである。
【図２６】窓部に対応する空孔拡散促進領域及び非窓部に対応する空孔拡散促進領域の水素濃度を示すグラフである。
【図２７】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長温度と、成膜中にドープされる炭素濃度及び水素濃度との関係を示すグラフである。
【図２８】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長の成長レートとＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。
【図２９】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長における反応ガスの流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。
【図３０】空孔拡散促進領域のエピタキシャル成長におけるドーパントガス流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる製造方法により製造された半導体レーザ素子１００の斜視図である。半導体レーザ素子１００は、電流を共振器方向に沿ってストライプ状に狭窄するリッジ構造を有するファブリペロー共振器型のレーザであってよい。半導体レーザ素子１００は、ウエハを劈開して形成した両端面に低反射膜１０及び高反射膜２０を有する。高反射膜２０は、レーザ光を反射させて共振器内でレーザ光を増幅する。低反射膜１０は、レーザ光に対する反射率が高反射膜２０より低く、共振器内で共振するレーザ光の一部を出射光３０として外部に出射させる。
【０００９】
図２は、半導体レーザ素子１００の断面図を示す。半導体レーザ素子１００は、第１導電型の半導体基板４０と、第１導電型のバッファ層４２と、第１導電型の第１クラッド層４４と、第１導電型の第１ガイド層４６と、活性層４８と、第２導電型の第２ガイド層５０と、第２導電型の第２クラッド層５２と、第２クラッド層５２の上に堆積されたコンタクト層５４と、絶縁層５６と、上部電極５８と、下部電極６０とを備える。
【００１０】
本例では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明するが、これに限定されず、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型であってもよい。第１導電型の半導体基板４０は、ｎ型ＧａＡｓ基板であってよい。半導体基板４０の表面には、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層４６、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２、ｐ型のコンタクト層５４、及び絶縁層５６が順次堆積されている。
【００１１】
上部電極５８は、絶縁層５６を覆うように形成される。絶縁層５６は、コンタクト層５４の上部において開口部５７を有する。コンタクト層５４は、開口部５７を介して上部電極５８とオーミック接触する。下部電極６０は、半導体基板４０の裏面に形成される。
【００１２】
半導体レーザ素子１００は、ｐ型の第２クラッド層５２の上層とコンタクト層５４の幅が半導体基板４０から離れるに従って狭くなるメサ形状に加工されたストライプ状のリッジ構造を有する。半導体レーザ素子１００は、リッジ構造により、活性層４８に注入される電流を狭窄する。
【００１３】
ｎ型のバッファ層４２は、半導体基板４０の上に結晶性の良いエピタキシャル層を積層するための緩衝層として機能する。バッファ層４２は、半導体基板４０と、第１クラッド層４４との間の格子定数を有する。ｎ型のバッファ層４２は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。
【００１４】
ｎ型の第１クラッド層４４及びｎ型の第１ガイド層４６は、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。第１クラッド層４４の屈折率は、第１ガイド層４６の屈折率より小さい。ｎ型の第１クラッド層４４及びｎ型の第１ガイド層４６は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。この場合、ｎ型の第１クラッド層４４のＡｌ組成をｎ型の第１ガイド層４６のＡｌ組成に比べ大きくすることでｎ型の第１クラッド層４４の屈折率をｎ型の第１ガイド層４６の屈折率より小さくできる。ｎ型の第１ガイド層４６の膜厚は約４００μｍであり、ｎ型の第１クラッド層４４の膜厚は約３μｍであってよい。
【００１５】
活性層４８は、下部バリア層４８ａ、量子井戸層４８ｂ、上部バリア層４８ｃを有してよい。下部バリア層４８ａ及び上部バリア層４８ｃは、量子井戸層４８ｂにキャリアを閉じこめる。下部バリア層４８ａ及び上部バリア層４８ｃは、不純物をドープしないＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層４８ｂは不純物をドープしないＩｎＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層４８ｂは、Ｉｎの組成及び膜厚に応じてポテンシャル井戸構造に閉じこめられるキャリアの再結合エネルギーを決定する。活性層４８は、単一の量子井戸構造（ＳＱＷ）に限定されず、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であってよい。
【００１６】
ｐ型の第２ガイド層５０及びｐ型の第２クラッド層５２は、上述したｎ型の第１ガイド層４６及びｎ型の第１クラッド層４４と対となって、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。ｐ型の第２ガイド層５０及びｐ型の第２クラッド層５２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。例えば、ｐ型の第２クラッド層５２のＡｌ組成をｐ型の第２ガイド層５０のＡｌ組成に比べ大きくすることでｐ型の第２クラッド層５２の屈折率をｐ型の第２ガイド層５０の屈折率より小さくする。また、ｐ型の第２ガイド層５０の膜厚は約４００μｍであり、ｐ型の第２クラッド層５２の膜厚は約１μｍ〜２μｍであってよい。
【００１７】
コンタクト層５４は、第１領域５４ｂと、第２領域５４ａを有する。第１領域５４ｂは、以下で詳述するように、窓部６２を形成したときに空孔を生成した第１の空孔生成領域として機能する。具体的には、第１領域５４ｂは、第１のｐ型ドーパントがドープされた第２導電型の半導体層である。第１領域５４ｂは、ｐ型ＧａＡｓ層であってよい。ここで、第１のｐ型ドーパントは、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはベリリウム（Ｂｅ）であってよい。第１領域５４ｂは上部電極５８とのオーミック接触を確保するために、例えばＺｎが約１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の高濃度でドープされてよい。
【００１８】
第２領域５４ａは窓部６２を形成したときに空孔の拡散を促進した空孔拡散促進領域として機能する。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより、水素との親和性が高い領域である。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより、低い成長温度で形成されてもよい。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより成長レートを速める、ダメージで欠陥量を増やす、成長中の水素化合物の流量を増やす、または、成長中断時の水素雰囲気を増やす等を行って、水素との親和性を高めてもよい。
【００１９】
第２領域５４ａは、半導体層積層界面に薄く形成されてもよい。第２領域５４ａは、第２のｐ型ドーパントがドープされた第２導電型の半導体層であってもよい。第２領域５４ａは、ｐ型ＧａＡｓ層であってよい。第２のｐ型ドーパントは第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い。第２のｐ型ドーパントは、炭素（Ｃ）であってよい。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂの下側にある。
【００２０】
コンタクト層５４の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ/ｃｍ２）以下であることが好ましい。ここで、ドーパント量とは、ドーピング濃度（ａｔｏｍｓ/ｃｍ３）×層の厚み（ｃｍ）により定義した量を指す。第２領域５４ａのドーパント量は、第１領域５４ｂのドーパント量より少なくてよい。
【００２１】
半導体レーザ素子１００は、窓部６２と非窓部６４とを有する。非窓部６４は、第２クラッド層５２からバッファ層４２までの層において、コンタクト層５４の下側の領域に形成される。また、窓部６２は、非窓部６４を囲む周囲に形成される。窓部６２は非窓部６４に比べバンドギャップエネルギーが大きく、非窓部６４に比べてレーザ光を吸収しにくい領域を指す。窓部６２は、第１領域５４ｂにより生成されたＩＩＩ族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む。
【００２２】
活性層４８は、空孔の拡散により混晶化した窓部６２と、窓部６２より混晶度が小さい非窓部６４とを有する。窓部６２の混晶度は、非窓部６４の混晶度の５倍以上であってよい。具体的には、窓部６２の混晶度は２５ｍｅＶ以上であり、非窓部６４の混晶度は５ｍｅＶ以下である。半導体レーザ素子１００によれば、窓部６２の混晶度が大きく、非窓部６４の混晶度が小さいので、ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ特性の劣化を小さくすることができる。
【００２３】
次に、本発明に係る半導体光デバイスの製造方法の実施形態について説明する。ここでは、半導体光デバイスとして半導体レーザ素子１００を例に説明するが、これに限定されない。半導体光デバイスの製造方法は、半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０、第２の膜７２）を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により半導体層に第１領域及び第２領域を形成する工程とを備える。半導体層は、空孔を生成する第１の空孔生成領域、および、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を含む。空孔拡散促進領域は、第１の空孔拡散生成領域より水素との親和性が高い。アニール処理により、第１の空孔生成領域は空孔を生成する。第１の空孔生成領域は対応する誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を生成する。生成された空孔は空孔拡散促進領域を介して半導体層に拡散する。２種類の誘電体膜（第１の膜７０、第２の膜７２）のうち、密度のより小さい誘電体膜（第１の膜７０）が堆積された半導体層の領域が混晶化され第１領域が形成される。密度のより大きい誘電体膜（第２の膜７２）が堆積された半導体層の領域に第１領域よりも混晶度の小さい第２領域が形成される。本例において、第１領域は、窓部６２を含み、第２領域は、非窓部６４を含む。
【００２４】
図３から図８は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する工程図を示す。図３に示すように、半導体層を形成する工程は、は、第１導電型の半導体基板４０を用意する工程と、第１導電型の半導体基板４０の上に、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層４６、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２を含む複数の半導体層を順次堆積する工程と、ｐ型の第２クラッド層５２の上にコンタクト層５４を堆積する工程とを有する。それぞれの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長（ＭＢＥ）法等のエピタキシャル成長法によって順次積層される。
【００２５】
コンタクト層５４を堆積する工程は、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を形成する工程と、空孔を生成する第１の空孔生成領域を形成する工程とを含む。本例において空孔拡散促進領域は第２領域５４ａであり、第１空孔生成領域は第１領域５４ｂである。第２領域５４ａを形成する工程は、第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第１領域５４ｂを形成する工程は、第１の温度より高い第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。
【００２６】
第１領域５４ｂを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第１のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含む。第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第２のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含む。第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第２のｐ型ドーパントのドーピング効率が成長温度の増加に対して下がる温度で行なってよい。ここで、ドーピング効率とは、活性化したドーパントの濃度に対するドーピング濃度の比率を指す。つまり、成長温度の増加に対して膜中に取り込まれるドーパントのドーピング濃度が減少する温度範囲において第２領域５４ａをエピタキシャル成長により堆積する。
【００２７】
具体的には、第１の温度は、６８０℃より低い温度、例えば、約６２０℃である。第２の温度は、６８０℃以上の温度、例えば、約７００℃である。本例では、第１のｐ型ドーパントとして、Ｚｎを用い、第２のｐ型ドーパントとしてＣを用いる例を説明する。
【００２８】
コンタクト層５４を堆積する工程は、１回のエピタキシャル成長工程により実行されてよい。つまり、第１の温度でＣドープのエピタキシャル成長を行って第２領域５４ａを堆積した後に、続けて、第２の温度でＺｎドープのエピタキシャル成長を行い第１領域５４ｂを堆積する。
【００２９】
第２領域５４ａは、ドーパントのＣが水素（Ｈ）との親和性が高く、かつ、第１の温度でエピタキシャル成長して形成されるので、Ｈを膜中に取り込みやすい。つまり、第２領域５４ａは、第１領域５４ｂよりも水素濃度が高い。しかしながら、高濃度でＣドープして第１の温度でエピタキシャル成長により形成した第２領域５４ａは表面の結晶性が悪くなる。そこで、Ｚｎを高濃度でドープして第２の温度でエピタキシャル成長を行うことにより、結晶性を良くし、かつ、上部電極５８とのコンタクト抵抗を低減させることができる。
【００３０】
第２領域５４ａを形成する工程は、第１の成長レートでエピタキシャル成長する工程を含んでもよい。第１領域５４ｂを形成する工程は、第１の成長レートより遅い第２の成長レートでエピタキシャル成長する工程を含んでもよい。第１の成長レートは、約０．３４ｎｍ／ｓ以上であってよい。後述するように、第２領域５４ａの膜の成長レートを速くすることにより、膜中に高濃度のＨを取り込むことができるので好ましい。
【００３１】
図４は、図３に示した工程の後工程を示す。図４に示すように、密度の異なる２種類の誘電体膜を堆積する工程は、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０および第２の膜７２）をコンタクト層５４の上の異なる領域に堆積する工程を有する。まず、シランガスとアンモニアガスを原料として触媒ＣＶＤ法を用いてコンタクト層５４の上にＳｉＮ膜を例えば１００ｎｍ堆積する。ＳｉＮ膜は、原料のシランとアンモニアとの流量をアンモニアリッチにした状態で成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、窓部６２に対応するコンタクト層５４上の領域以外のＳｉＮ膜を除去することにより、窓部６２に対応するコンタクト層５４上の領域に第１の膜７０を形成する。第１の膜７０はＮリッチ条件で成膜したため、疎な膜となる。第１の膜７０の膜密度は、例えば約２．６９ｇ／ｃｍ３である。
【００３２】
次に、触媒ＣＶＤ法を用いてコンタクト層５４及び第１の膜７０の上にＳｉリッチ条件で成膜したＳｉＮ膜を例えば３０ｎｍ堆積する。第２の膜７２は、Ｓｉリッチ条件で成膜したため、緻密な膜となる。第２の膜７２の膜密度は、例えば約２．７９ｇ／ｃｍ３である。つまり、非窓部６４に対応する領域には第１の膜７０より密度の高い緻密な膜である第２の膜７２が形成される。誘電体膜として、ＳｉＮ以外の膜を使用してもよい。
【００３３】
図５は、図４に示した工程の後工程を示す。アニール処理により窓部６２および非窓部６４を形成する工程は、第２領域５４ａの非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる工程を含む。アニール処理は、例えば、９１５℃、３０秒間の短時間熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）により行う。
【００３４】
上述したように、第２領域５４ａの水素濃度は、第１領域５４ｂよりも高い。ＲＴＡ処理により加熱されると、第２領域５４ａ内の水素７６が疎の膜である第１の膜７０に吸収される。その結果、窓部６２に相当する部分の第２領域５４ａは、水素濃度が低くなる。一方、非窓部６４に相当する部分の第２領域５４ａの水素は、密な膜である第２の膜７２に吸収されにくい。つまり、アニール処理により、第２領域５４ａは、非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる。
【００３５】
窓部６２に対応する第２領域５４ａには、水素７６の離脱により生じた内在空孔が生成される。ここで、内在空孔とは、水素７６が第１の膜７０に吸収されたことにより生じる空孔を指す。
【００３６】
窓部６２に対応する第１領域５４ｂのＧａは、ＲＴＡ処理により第１の膜７０に取り込まれ、第１の膜７０の密度に応じた密度のＩＩＩ族空孔７４が生成される。つまり、第２領域５４ａは、ＩＩＩ族空孔７４とは別の内在空孔を生成する。ＩＩＩ族空孔７４は、第１領域５４ｂの表面側から第２領域５４ａに向かって拡散する。
【００３７】
第２領域５４ａは、第１領域５４ｂで生成されたＩＩＩ族空孔７４を受け取る。窓部６２に対応する第２領域５４ａにおいて、ＩＩＩ族空孔７４は内在空孔と合流し、空孔濃度が急激に上昇する。ＩＩＩ族空孔７４及び内在空孔は、第２領域５４ａから活性層４８の方向に向かって一気に拡散する。つまり、内在空孔の存在によって、ＩＩＩ族空孔７４の拡散が促進される。
【００３８】
一方、非窓部６４に対応する第２領域５４ａのＨは、緻密な膜である第２の膜７２にはほとんど吸収されず、当該領域の内在空孔は、窓部６２に対応する第２領域５４ａの内在空孔よりも少ない。また、非窓部６４に対応する第１領域５４ｂのＧａは、緻密な膜である第２の膜７２にはほとんど吸収されない。そのため、非窓部６４に対応する第１領域５４ｂにおいてＩＩＩ族空孔７４は、窓部６２に対応する領域のＩＩＩ族空孔７４よりも少ない。したがって、非窓部６４に対応する活性層４８は、窓部６２に対応する活性層４８よりも、混晶度が非常に小さくなる。
【００３９】
図６は、図５の工程により形成された窓部６２および非窓部６４を示す。図５に示した工程により、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層４８を混晶化して窓部６２が形成され、密度のより大きい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層４８に、窓部６２よりも混晶度の小さい非窓部６４が形成される。結果として、活性層４８の窓部６２においてはレーザ光の吸収が抑制されＣＯＤの発生が防止されるとともに、非窓部６４においてはレーザ特性の劣化が防止される。
【００４０】
図７は、図５および図６に示した工程の後工程を示す。図７に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、リッジ構造を形成する工程を備える。窓部６２及び非窓部６４が形成された後、第１の膜７０及び第２の膜７２が除去される。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、コンタクト層５４及びｐ型の第２クラッド層５２の上部をストライプ形状に除去してリッジ構造を形成する。
【００４１】
図８は、図７に示した工程の後工程を示す。図８に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、コンタクト層５４及び第２クラッド層５２の上に絶縁膜を堆積する工程と、電極を形成する工程とを備える。絶縁膜は、例えば、ＣＶＤ法を用いて成膜されたシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。電極を形成する工程は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により上部電極５８と接触する領域に開口部５７を形成する工程と、スパッタリング工程により半導体基板４０の表面全体に上部電極５８を形成し、半導体基板４０の裏面全体に下部電極６０を蒸着させる工程とを含む。最後に、半導体基板４０を劈開し、劈開面に低反射膜１０及び高反射膜２０を形成して半導体レーザ素子１００が完成する。
【００４２】
図９は、半導体レーザ素子１００の変形例に係る半導体レーザ素子１１０を示す。半導体レーザ素子１１０は、コンタクト層５４の構成が半導体レーザ素子１００のコンタクト層５４の構成と異なる。半導体レーザ素子１１０の第１コンタクト層５４は、図２に示したコンタクト層５４の構成に比べ、第３領域５４ｃを更に有する。第３領域は、第２の空孔生成領域として機能する。第３領域５４ｃは、ｐ型ドーパントのドープ量が第１領域５４ｂより低い。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂと第３領域５４ｃとの間に設けられる。
【００４３】
コンタクト層５４を堆積する工程は、第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程の前に、第３領域５４ｃを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を有する。第１領域５４ｂのＺｎドープ量は１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、第３領域５４ｃのＺｎドープ量は１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であってよい。第１領域５４ｂ、第３領域５４ｃ、及び第２領域５４ａは、１回のエピタキシャル成長工程で形成される。
【００４４】
図１０は、本発明の第２実施形態に係る製造方法によって製造された半導体レーザ素子２００の断面図である。半導体レーザ素子２００は、リッジ構造に替えて、電流狭窄層８０を備える点で第１実施形態に係る半導体レーザ素子１００と異なる。半導体レーザ素子２００は、第１導電型の半導体基板４０と、第１導電型のバッファ層４２と、第１導電型の第１クラッド層４４と、第１導電型の第１ガイド層４６と、活性層４８と、第２導電型の第２ガイド層５０と、第２導電型の第２クラッド層５２と、第２クラッド層５２の上に堆積された第１コンタクト層５４と、電流狭窄層８０と、第２コンタクト層８２と、上部電極５８と、下部電極６０とを備える。
【００４５】
図１０において図２と同一の符号を付した構成要素は、図２から図９に関連して説明した構成要素と同一の機能を有してよい。半導体レーザ素子２００において下部電極６０から第２クラッド層５２までの構造は、半導体レーザ素子１００における下部電極６０から第２クラッド層５２までの構造と同一であってよい。
【００４６】
第１コンタクト層５４は、Ｃが高濃度にドープされて低温エピタキシャル成長で形成された第２領域５４ａと、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅが高濃度にドープされて高温エピタキシャル成長で形成された第１領域５４ｂを有する。第２領域５４ａは、非窓部６４に対応する領域の水素濃度が、窓部６２に対応する領域の水素濃度より高い。
【００４７】
電流狭窄層８０は、第１コンタクト層５４上に形成され、非窓部６４に対応して開口部８１を有する。電流狭窄層８０は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。第２コンタクト層８２は、開口部８１により露出した第１コンタクト層５４及び電流狭窄層８０の上に堆積される。第２コンタクト層８２は、ＺｎまたはＭｇが高濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ層を含む。第２コンタクト層８２は上部電極５８とオーミック接触する。電流狭窄層８０は、上部電極５８から注入された電流を狭窄し、量子井戸層４８ｂにおけるキャリア密度を向上させる。
【００４８】
半導体レーザ素子２００において、電流狭窄層８０に対応する領域には窓部６２が形成され、開口部８１に対応する領域には非窓部６４が形成されている。半導体レーザ素子２００においても、第２領域５４ａの内在空孔の作用によって、活性層４８の量子井戸層４８ｂにおける窓部６２の混晶度を高くし、かつ、非窓部６４の混晶度を低くすることができる。したがって、ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ特性の劣化を抑制することができる。
【００４９】
図１１から１５は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子２００の製造方法を説明する工程図を示す。半導体レーザ素子２００の製造方法は、上述した半導体光デバイスの製造方法と同様に、半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜（７０、７２）を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により半導体層に窓部６２及び非窓部６４を形成する工程を備える。半導体層を形成する工程は、半導体基板４０を用意する工程と、半導体基板４０上に、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２を含む複数の半導体層を順次堆積する工程と、ｐ型の第２クラッド層５２の上に第１コンタクト層５４を堆積する工程とを備える。それぞれの層は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いたエピタキシャル成長により形成される。第１コンタクト層５４を堆積する工程は、図３で説明したコンタクト層５４を堆積する工程と同様なので説明を省略する。
【００５０】
第１コンタクト層５４を堆積した後、第１コンタクト層５４の上に電流狭窄層８０となるｎ型ＧａＡｓ層を堆積する。その上に、例えば、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜８４を堆積する。続いて、開口部８１に対応する領域のＳｉＯ２膜８４をフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により除去する。
【００５１】
図１２は、図１１に示した工程の後工程を示す。図１２に示すように、ＳｉＯ２膜８４をエッチングマスクとしてエッチング工程を行い、電流狭窄層８０を形成する。続いて、エッチングマスクであるＳｉＯ２膜８４を除去する。エッチングマスクとしてＳｉＯ２膜８４以外の絶縁膜を用いてもよい。
【００５２】
図１３は、図１２に示した工程の後工程を示す。密度の異なる２種類の誘電体膜（７０、７２）を堆積する工程は、窓部６２に対応する領域に疎な膜である第１の膜７０を堆積し、非窓部６４に対応する領域に緻密な膜である第２の膜７２を堆積する工程を含む。この工程は図４で説明した工程と同様なので説明を省略する。アニール処理により半導体層に窓部６２及び非窓部６４を形成する工程は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａの非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる工程を含む。ＲＴＡ処理により、窓部６２に対応する第２領域５４ａが生成した内在空孔によって、窓部６２に対応する第１領域５４ｂが生成したＩＩＩ族空孔の拡散が促進されて、窓部６２に対応する活性層４８が混晶化される。非窓部６４に対応する活性層４８は混晶化されない。この工程は、図５及び図６で説明した工程と同様なので説明を省略する。
【００５３】
図１４は、図１３に示した工程の後工程を示す。図１４に示すように、第１の膜７０及び第２の膜７２を除去する。続いて、電流狭窄層８０及び第１コンタクト層５４の表面に対して表面浄化処理を行う。表面浄化処理を行うことにより、再成長界面における結晶品質の低下を防止することができる。
【００５４】
図１５は、図１４に示した工程の後工程を示す。図１５に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層を再成長させて、第２コンタクト層８２を形成する。第２コンタクト層８２は、ＺｎまたはＭｇを高濃度でドープした高温エピタキシャル成長により堆積してよい。第２コンタクト層８２のＺｎドープ濃度は、例えば１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。第１コンタクト層５４のＺｎドープ濃度は、例えば１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。
【００５５】
最後に、第２コンタクト層８２の上に上部電極５８を形成し、半導体基板４０の裏面に下部電極６０を形成する。上部電極５８及び下部電極６０はスパッタリング法により形成してよい。
【００５６】
図１６は、半導体レーザ素子２００の変形例である半導体レーザ素子２１０を示す。本例における半導体レーザ素子２１０は、第１コンタクト層５４の構成が半導体レーザ素子２００の第１コンタクト層５４の構成と異なる。半導体レーザ素子２１０の第１コンタクト層５４は、ｐ型ドーパントのドープ量が第１領域５４ｂより低い第３領域５４ｃを有する。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂと第３領域５４ｃとの間に設けられる。
【００５７】
本例における第１コンタクト層５４を堆積する工程は、第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程の前に、第３領域５４ｃを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を有する。第３領域５４ｃのｐ型ドーパントのドーパント量は第１領域５４ｂより低い。例えば、ｐ型ドーパントはＺｎである。第１領域５４ｂのＺｎドープ量は１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、第３領域５４ｃのＺｎドープ量は１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であってよい。第１領域５４ｂ、第３領域５４ｃ、及び第２領域５４ａは、１回のエピタキシャル成長工程で形成される。
【００５８】
図１７は、本発明の第３実施形態に係る製造方法によって製造された光導波路３００の平面図を示す。図１８は、図１７のＡ−Ａ線断面図を示す。光導波路３００は、半導体基板３１０と、半導体基板３１０上に順次形成された下部クラッド層３２０、光導波層３３０、及び上部クラッド層３４０を含む半導体層とを備える。光導波路３００の半導体層は、半導体基板３１０の表面と垂直方向に選択的に混晶化された第１領域３１２と、第１領域３１２により挟まれて形成された第２領域３１４とを有する。
【００５９】
第２領域３１４の混晶度は第１領域３１２の混晶度より小さい。第１領域３１２の混晶度は、第２領域３１４の混晶度の５倍以上であってよい。具体的には、第１領域３１２の混晶度は２５ｍｅＶ以上であり、第２領域３１４の混晶度は５ｍｅＶ以下である。第１領域３１２のバンドギャップエネルギーは、第２領域３１４のバンドギャップエネルギーより大きい。第１領域３１２の屈折率は第２領域３１４の屈折率よりも小さい。つまり、光導波路３００は、混晶度の異なる第１領域３１２及び第２領域３１４を有するので、光導波層３３０において光の伝搬方向と垂直でかつ半導体基板３１０と水平な方向に対して屈折率に差を設けることができる。
【００６０】
図１９から２１は、本発明の第３実施形態に係る光導波路３００の製造方法を説明する工程図を示す。当該製造方法は、半導体層を形成する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜３７０、第２の膜３８０）を半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により半導体層に第１領域３１２及び第２領域３１４を形成する工程とを備える。
【００６１】
図１９は、半導体層を形成する工程を示す。半導体層は、空孔を生成する空孔生成領域３６０、および、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域３５０を含む。半導体層を形成する工程は、半導体基板３１０を用意する工程と、半導体基板３１０の上に、下部クラッド層３２０、光導波層３３０、及び上部クラッド層３４０を含む複数の半導体層を順次堆積する工程と、上部クラッド層３４０の上に空孔生成拡散層３６２を堆積する工程とを有する。それぞれの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長（ＭＢＥ）法等のエピタキシャル成長法によって順次堆積される。
【００６２】
空孔生成拡散層３６２を堆積する工程は、空孔拡散促進領域３５０を形成する工程と、空孔生成領域３６０を形成する工程とを含む。空孔拡散促進領域３５０は、空孔生成領域３６０よりも水素との親和性が高い。空孔拡散促進領域３５０を形成する工程及び空孔生成領域３６０を形成する工程は、図３で説明した第２領域５４ａを形成する工程及び第１領域５４ｂを形成する工程とそれぞれ同様なので説明を省略する。
【００６３】
図２０は、誘電体膜を形成する工程を示す。誘電体膜を形成する工程は、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜３７０および第２の膜３８０）を空孔生成領域３６０の上の異なる領域に堆積する。第１の膜３７０は密度が第２の膜３８０より小さい疎な膜である。第２の膜３８０は密度が第１の膜３７０より大きい緻密な膜である。第１の膜３７０及び第２の膜３８０を形成する工程は、図４で説明した密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０および第２の膜７２）をコンタクト層５４の上の異なる領域に堆積する工程と同様なので説明を省略する。
【００６４】
図２１は、アニール処理により第１領域３１２及び第２領域３１４を形成する工程を示す。アニール処理により、空孔生成領域３６０は対応する誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を生成する。生成された空孔は空孔拡散促進領域３５０を介して半導体層に拡散する。２種類の誘電体膜（第１の膜３７０、第２の膜３８０）のうち、密度のより小さい第１の膜３７０が堆積された半導体層の領域が混晶化され第１領域３１２が形成される。密度のより大きい第２の膜３８０が堆積された半導体層の領域に第１領域３１２よりも混晶度の小さい第２領域３１４が形成される。
【００６５】
当該工程において、空孔拡散促進領域３５０の第２領域３１４に対応する領域の水素濃度が第１領域３１２に対応する領域の水素濃度より高い。第１領域３１２に対応する空孔拡散促進領域３５０には、水素の離脱により生じた内在空孔が生成される。第１領域３１２に対応する空孔生成領域３６０のＧａは、アニール処理により第１の膜３７０に取り込まれ、第１の膜３７０の密度に応じたＩＩＩ族空孔が生成される。ＩＩＩ族空孔は、内在空孔により拡散が促進され、空孔拡散促進領域３５０を介して光導波層３３０に拡散する。
【００６６】
結果として、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい第１の膜３７０が堆積された領域に対応する下部クラッド層３２０、光導波層３３０及び上部クラッド層３４０が混晶化されて第１領域３１２が形成される。密度のより大きい第２の膜３８０が堆積された領域に対応する下部クラッド層３２０、光導波層３３０及び上部クラッド層３４０に、第１領域３１２よりも混晶度の小さい第２領域３１４が形成される。
【００６７】
図２２は、半導体レーザ素子１００のコンタクト層５４におけるドーパント量の設計と、窓部及び非窓部における混晶度の関係を示すグラフである。以下、ドーパント量とはドープ濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）×厚み（ｃｍ）によって定義される量を指す。また、混晶度はバンドギャップエネルギーの変化量を指す。
【００６８】
設計１から３は、ドーパントとしてＺｎのみを用いた例である。設計４及び５はドーパントとして、Ｃ及びＺｎを用いた例である。設計６はドーパントとしてＣのみを用いた例である。設計１から３より、ドーパント量が少ないほど、非窓部の混晶度が小さくなり、かつ、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が大きくなる。したがって、設計１から３の結果より、コンタクト層５４の全ドーパント量を少なくすることが有効であることがわかる。
【００６９】
また、設計２及び４を比較すると、ドーパント量は同等であるが、設計２ではＺｎのみのドープであるのに対して設計４ではＺｎとＣをドープしている。設計２及び４の混晶度を比較すると、Ｚｎのみをドープした場合より、ＺｎとＣをドープした場合の方が非窓部の混晶度が小さくなり、かつ、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が大きくなる。したがって、設計２及び４の結果より、ドーパントとしてＺｎとＣを用いることが有効であることがわかる。
【００７０】
さらに、設計４及び５を比較すると、設計５の方が設計４よりドーパント量が大きくかつＣの割合がＺｎより高い。設計４と５の混晶度を比較すると、ドーパント量が少ない方が非窓部の混晶度は小さいが、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合はほぼ変わらない。したがって、設計４及び５の結果より、ＺｎとＣのドーパント量の合計が１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）以下であり、かつ、Ｚｎのドープ量よりＣのドープ量が小さい方が有効であることがわかる。
【００７１】
また、設計５及び６を比較すると、設計６の方が設計５よりドーパント量が大きく、設計６はＣのみをドープしている。設計５と６の混晶度を比較すると、ドーパント量が大きくなると非窓部の混晶度が急激に増加し、かつ、Ｃのみをドープする場合には非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が小さくなることがわかる。したがって、設計５及び設計６の結果より、全体のドーパント量を所定の値以下とし、ドーパントとしてＣとＺを組み合わせることが有効であることがわかる。
【００７２】
図２３は、半導体レーザ素子１００におけるコンタクト層５４の全ドーパント量と非窓部混晶度の関係を示すグラフである。このグラフより、ドーパント量が増加すると非窓部混晶度が増加することがわかる。図１７の設計５に相当するドーパント量である１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）では、非窓部混晶度が約５ｍｅＶとなり、良好である。
【００７３】
図２４は、半導体レーザ素子１００におけるコンタクト層５４が第２領域５４ａを有する場合と有しない場合とで、全ドーパント量と、窓部混晶度／非窓部混晶度との関係を示すグラフである。このグラフより、ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）付近までは、第２領域５４ａの有無にかかわらず、窓部混晶度／非窓部混晶度は約２である。ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）より小さくなると、窓部混晶度／非窓部混晶度は２より大きくなり、かつ、第２領域５４ａを有する場合の方が有しない場合よりも窓部混晶度／非窓部混晶度が大きくなる。
【００７４】
つまり、ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）より小さく、かつ、第２領域５４ａを有する場合には、窓部６２に比べて混晶度が１／２より小さい非窓部６４を形成することができる。図１７の設計５に相当するドーパント量である１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）の場合には、窓部６２に比べて混晶度が約１／７の非窓部６４を形成することができるので良好である。
【００７５】
図２５は、半導体レーザ素子１００における非窓部混晶度と、ＩＦＶＤ法により窓部を形成した場合と形成しなかった場合のレーザ発振の閾値電圧の比との関係を示す。閾値比が１以下であればＩＦＶＤ法によってもレーザ性能の劣化が抑制されていることを示し、１より大きければＩＦＶＤ法によりレーザ性能が劣化していることを示す。グラフより、非窓部の混晶度が約５ｍｅＶのとき閾値比が約１となることがわかる。上述したように、非窓部の混晶度が約５ｍｅＶである場合は、図１８においてドーパント量が１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）である場合に相当する。ドーパント量が１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）である場合は図１７の設計５に相当する。なお、非窓部の混晶度を４ｍｅＶより小さくなるように、ドーパント量を設定してもよい。
【００７６】
図２２から図２５の実験結果より、コンタクト層５４の全ドーパント量は、１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）以下が好ましいことがわかる。また、コンタクト層５４が第２領域を有し、かつ、Ｚｎのドープ量よりもＣのドープ量を少なくすることがより好ましいことがわかる。
【００７７】
図２６は、第２領域５４ａの窓部６２と非窓部６４における水素濃度を比較したものである。窓部６２の水素濃度が、非窓部６４の水素濃度の約４０％になっていることがわかる。このグラフより、ＲＴＡ処理の結果、窓部６２に対応する第２領域５４ａの水素の約６０％が第１の膜７０に取り込まれ、内在空孔が生成されていることがわかる。
【００７８】
図２７は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長の温度とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。成長温度が６８０℃のときのＣドープ濃度は約１．４４Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は約８．０Ｅ＋１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。成長温度が６２０℃のときのＣドープ濃度は約５．６８Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は約５．８Ｅ＋１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。成長温度が５６０℃のときのＣドープ濃度は約２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は約６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。
【００７９】
この結果から、Ｃのドーピング効率が成長温度の増加に対して下がる温度範囲において、ＣがＨとの親和性が高く膜に取り込まれやすいことがわかる。また、成長温度が低くなるほどＣが高濃度にドーピングされ、膜中に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。具体的には、１．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上の高濃度Ｃドープで、かつ、６８０℃以下の低温エピタキシャル成長により第２領域５４ａを形成することが好ましい。
【００８０】
図２８は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長の成長レートとＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。成長温度は５６０℃で一定とした。成長レートが約０．３４ｎｍ／ｓのときのＣドープ濃度は２．０５Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は４．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。成長レートが約０．６６ｎｍ／ｓのときのＣドープ濃度は２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。この結果から、第２領域５４ａのエピタキシャル成長の成長レートを上げることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。尚、第１領域５４ｂのエピタキシャル成長の成長レートは、第２領域５４ａの成長レートより遅くてよい。
【００８１】
図２９は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長における反応ガスの流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。ここで反応ガスの流量比とは、ＩＩＩ族原子供給ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスの流量に対するＶ族原子供給ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）ガスの流量の比を指す。成長温度は５６０℃で一定とした。反応ガスの流量比が約２１．２のときのＣドープ濃度は１．０６Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は１．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。反応ガスの流量比が約１４．２のときのＣドープ濃度は１．４９Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は２．６Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。反応ガスの流量比が約７．０のときのＣドープ濃度は２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。この結果から、反応ガス流量比を減少させることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。
【００８２】
図３０は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長におけるドーパントガス流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。ここでドーパントガス流量比とは、ＩＩＩ族電子供給ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスの流量に対するＣドーパントガスである四臭化炭素（ＣＢｒ４）ガスの流量の比を指す。成長温度は５６０℃で一定とした。また、反応ガスの流量比は一定とした。ドーパントガス流量比が約０．０５２のときのＣドープ濃度は１．４９Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は２．６Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。ドーパントガス流量比が約０．１０３のときのＣドープ濃度は２．０５Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、Ｈ濃度は４．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。この結果から、ドーパントガス流量比を上昇させることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。
【００８３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００８５】
また、明細書中において「第１層の上に形成された第２層」のように、「の上に」と表現した構成は、第２層が第１層に接して形成されている構成に限定されず、第２層が他の層を挟んで第１層の上方に形成されている構成も含まれうる。
【符号の説明】
【００８６】
１０・・・低反射膜、２０・・・高反射膜、３０・・・出射光、４０・・・半導体基板、４２・・・バッファ層、４４・・・第１クラッド層、４６・・・第１ガイド層、４８・・・活性層、４８ａ・・・下部バリア層、４８ｂ・・・量子井戸層、４８ｃ・・・上部バリア層、５０・・・第２ガイド層、５２・・・第２クラッド層、５４・・・コンタクト層、５４ａ・・・第２領域、５４ｂ・・・第１領域、５４ｃ・・・第３領域、５６・・・絶縁層、５７・・・開口部、５８・・・上部電極、６０・・・下部電極、６２・・・窓部、６４・・・非窓部、７０・・・第１の膜、７２・・・第２の膜、７４・・・ＩＩＩ族空孔、７６・・・水素、８０・・・電流狭窄層、８１・・・開口部、８２・・・第２コンタクト層、８４・・・ＳｉＯ２膜、１００、１１０、２００、２１０・・・半導体レーザ素子、３００・・・光導波路、３１０・・・半導体基板、３１２・・・第１領域、３１４・・・第２領域、３２０・・・下部クラッド層、３３０・・・光導波層、３４０・・・上部クラッド層、３５０・・・空孔拡散促進領域、３６０・・・空孔生成領域、３６２・・・空孔生成拡散層、３７０・・・第１の膜、３８０・・・第２の膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光デバイスの製造方法であって、
空孔を生成する第１の空孔生成領域、および、前記第１の空孔生成領域より水素との親和性が高く、前記空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を含む半導体層を形成する工程と、
密度の異なる２種類の誘電体膜を前記半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、
アニール処理により、対応する前記誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を前記第１の空孔生成領域に生成させ、且つ、生成した前記空孔を前記空孔拡散促進領域を介して前記半導体層に拡散させて、前記２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された前記半導体層の領域を混晶化して第１領域を形成し、密度のより大きい誘電体膜が堆積された前記半導体層の領域に前記第１領域よりも混晶度の小さい第２領域を形成する工程と
を備える製造方法。
【請求項２】
前記アニール処理により、前記空孔拡散促進領域は、前記第２領域の水素濃度が前記第１領域の水素濃度より高くなる請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第１の温度でエピタキシャル成長により前記空孔拡散促進領域を形成し、
前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、前記第１の温度より高い第２の温度でエピタキシャル成長により前記第１の空孔生成領域を形成する請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、第１のｐ型ドーパントを前記半導体層にドーピングする工程を含み、前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第２のｐ型ドーパントを前記半導体層にドーピングする工程を含み、前記第２のｐ型ドーパントは前記第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、前記第２のｐ型ドーパントのドーピング効率が成長温度の増加に対して減少する温度で前記エピタキシャル成長を行なう請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第１の成長レートでエピタキシャル成長により前記空孔拡散促進領域を形成し、
前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、前記第１の成長レートより遅い第２の成長レートでエピタキシャル成長により前記第１の空孔生成領域を形成する請求項３から５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項７】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程の前に、前記第１のｐ型ドーパントのドーパント量が前記第１の空孔生成領域より低い第２の空孔生成領域を形成する工程をさらに備える請求項４に記載の製造方法。
【請求項８】
前記第１のｐ型ドーパントは、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅを含む請求項４に記載の製造方法。
【請求項９】
前記第２のｐ型ドーパントは、炭素を含む請求項４または８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の空孔生成領域、および、前記空孔拡散促進領域の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）以下である請求項４から９のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記空孔拡散促進領域のドーパント量は、前記第１の空孔生成領域のドーパント量より少ない請求項４から１０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の空孔生成領域、および、前記空孔拡散促進領域は、１回のエピタキシャル成長工程により形成される請求項１から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の温度は、６８０℃より低い請求項３から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１４】
半導体光デバイスであって、
第１領域および第２領域を有し、光を生成する半導体層を備え、
前記第１領域の混晶度は、前記第２領域の混晶度の５倍以上である半導体光デバイス。
【請求項１５】
前記第１領域の混晶度が２５ｍｅＶ以上であり、
前記第２領域の混晶度が５ｍｅＶ以下である
請求項１４に記載の半導体光デバイス。
【請求項１】
半導体光デバイスの製造方法であって、
空孔を生成する第１の空孔生成領域、および、前記第１の空孔生成領域より水素との親和性が高く、前記空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を含む半導体層を形成する工程と、
密度の異なる２種類の誘電体膜を前記半導体層上の異なる領域に堆積する工程と、
アニール処理により、対応する前記誘電体膜の密度に応じた密度の空孔を前記第１の空孔生成領域に生成させ、且つ、生成した前記空孔を前記空孔拡散促進領域を介して前記半導体層に拡散させて、前記２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された前記半導体層の領域を混晶化して第１領域を形成し、密度のより大きい誘電体膜が堆積された前記半導体層の領域に前記第１領域よりも混晶度の小さい第２領域を形成する工程と
を備える製造方法。
【請求項２】
前記アニール処理により、前記空孔拡散促進領域は、前記第２領域の水素濃度が前記第１領域の水素濃度より高くなる請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第１の温度でエピタキシャル成長により前記空孔拡散促進領域を形成し、
前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、前記第１の温度より高い第２の温度でエピタキシャル成長により前記第１の空孔生成領域を形成する請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、第１のｐ型ドーパントを前記半導体層にドーピングする工程を含み、前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第２のｐ型ドーパントを前記半導体層にドーピングする工程を含み、前記第２のｐ型ドーパントは前記第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、前記第２のｐ型ドーパントのドーピング効率が成長温度の増加に対して減少する温度で前記エピタキシャル成長を行なう請求項４に記載の製造方法。
【請求項６】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第１の成長レートでエピタキシャル成長により前記空孔拡散促進領域を形成し、
前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、前記第１の成長レートより遅い第２の成長レートでエピタキシャル成長により前記第１の空孔生成領域を形成する請求項３から５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項７】
前記空孔拡散促進領域を形成する工程の前に、前記第１のｐ型ドーパントのドーパント量が前記第１の空孔生成領域より低い第２の空孔生成領域を形成する工程をさらに備える請求項４に記載の製造方法。
【請求項８】
前記第１のｐ型ドーパントは、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅを含む請求項４に記載の製造方法。
【請求項９】
前記第２のｐ型ドーパントは、炭素を含む請求項４または８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の空孔生成領域、および、前記空孔拡散促進領域の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）以下である請求項４から９のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記空孔拡散促進領域のドーパント量は、前記第１の空孔生成領域のドーパント量より少ない請求項４から１０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の空孔生成領域、および、前記空孔拡散促進領域は、１回のエピタキシャル成長工程により形成される請求項１から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の温度は、６８０℃より低い請求項３から１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１４】
半導体光デバイスであって、
第１領域および第２領域を有し、光を生成する半導体層を備え、
前記第１領域の混晶度は、前記第２領域の混晶度の５倍以上である半導体光デバイス。
【請求項１５】
前記第１領域の混晶度が２５ｍｅＶ以上であり、
前記第２領域の混晶度が５ｍｅＶ以下である
請求項１４に記載の半導体光デバイス。
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２２】
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−２２２０４５（Ｐ２０１２−２２２０４５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３８６７（Ｐ２０１１−８３８６７）
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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