半導体光素子の製造方法
【課題】量子井戸構造を備える半導体光素子であって、特性向上を実現する半導体光素子の製造方法の提供。
【解決手段】基板上に、積層される多層構造のうち、基板上面から、多層構造に含まれる量子井戸構造の内部にある第１の高さまでの累積歪をゼロとなるよう、第１の高さより下側に位置する各層の歪量と層厚を決定する工程と、各層に前記歪量それぞれの歪が導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、を含むことを特徴とする。
【解決手段】基板上に、積層される多層構造のうち、基板上面から、多層構造に含まれる量子井戸構造の内部にある第１の高さまでの累積歪をゼロとなるよう、第１の高さより下側に位置する各層の歪量と層厚を決定する工程と、各層に前記歪量それぞれの歪が導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子の製造方法に関し、特に、歪が導入される量子井戸構造を有する半導体光素子の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体光素子の構造は、例えば、基板上に、下側光ガイド層、活性層、上側光ガイド層が、順に、形成されている多層構造となっている。通常、この活性層には、互いにバンドギャップの異なる半導体薄膜が交互に積層化されている。すなわち、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）構造、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）構造となっている。なお、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。
【０００３】
このＭＱＷ構造において、バンドギャップの大きい半導体薄膜が障壁層となり、バンドギャップの小さい半導体膜が井戸層となる。障壁層によって、井戸層にキャリアが閉じ込められ、そのキャリアである電子とホールが結合することで、発光がなされる。
【０００４】
半導体光素子の特性を向上するために、ＭＱＷ構造に含まれる井戸層に歪が導入されるのが一般的である。井戸層に歪が導入されることにより、閾値電圧の低減、発光効率の増加、緩和振動振動数の増加等、井戸層に歪を導入しないＭＱＷ構造を有する半導体光素子に比べて、半導体光素子の特性を改善することが出来るからである。
【０００５】
ここで、歪が導入されるとは、基板の格子定数ａ０とは異なる格子定数ａを有する物質で層が形成されることをいい、歪量はε＝（ａ−ａ０）／ａ０で定義される。格子定数ａが基板の格子定数ａ０より大きい場合、すなわち、歪量εが正となる場合は、圧縮歪と、格子定数ａが基板の格子定数ａ０より小さい場合、すなわち、歪量εが負となる場合は、引張り歪と、表される。
【０００６】
一般に、歪のある層が積層されると、その歪量に対して、積層される層の層厚には限界値（以下、臨界層厚と記す）が生じてしまう。臨界層厚を超えて、層が積層されると、その層の結晶に欠陥などが発生してしまい、半導体光素子の特性が悪化する。
【０００７】
井戸層の歪量を大きくすると、半導体光素子の特性改善効果も大きくなる。しかし、歪量を大きくすると、それに応じて、臨界層厚が小さくなる。それゆえ、臨界層厚の範囲内で、半導体光素子を作製しようとすると、ＭＱＷ構造において、井戸層の層厚が十分に取ることが出来なかったり、井戸層の層数を十分に増やすことが出来なかったり、不具合が生じることとなる。
【０００８】
結晶性を悪化させずに、井戸層の歪量を大きくしたり、井戸層の層数を増やしたりするＭＱＷ構造について、特許文献１及び特許文献２に開示がある。特許文献１には、ＭＱＷ構造の障壁層に、井戸層の歪と反対の符号の歪を導入する構造について記載がある。また、特許文献２には、ＭＱＷ構造の上下に接して配置される光ガイド層に、井戸層の歪と反対の符号の歪を導入する構造について記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１７２２４１号公報
【特許文献２】特開平６−８５３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の従来技術のように、ＭＱＷ構造の井戸層と障壁層とに互いに異なる符号の歪を導入する場合、ＭＱＷ構造のみを考慮して、ＭＱＷ構造全体の歪量を軽減することにより、井戸層の歪量を大きくしたり、井戸層の層数を増やそうと試みているに過ぎない。
【００１１】
同様に、特許文献２に記載の従来技術のように、ＭＱＷ構造の上下に接して配置される光ガイド層に、ＭＱＷ構造の井戸層の歪と反対の符号の歪を導入する場合、光ガイド層のみを考慮して、井戸層の歪量の補償をすることにより、井戸層の歪量を大きくしたり、井戸層の層数を増やそうと試みているに過ぎない。
【００１２】
半導体光素子のさらなる特性向上を実現させるためには、半導体光素子の多層構造を考慮する必要が生じる。
【００１３】
本発明は、このような課題を鑑みて、基板上に積層される多層構造に含まれる多層ぞれぞれの歪量及び層厚を考慮することにより、さらなる特性向上を実現する半導体光素子の製造方法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】
【００１４】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、基板上に、所定の歪量の歪が導入される１以上の井戸層と、前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層を備える量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層の上側と下型のそれぞれに接して配置され、前記井戸層の歪と反対の符号となる歪が導入されるそれぞれ１以上の層とを、含んで積層される多層構造を備える、半導体光素子の製造方法であって、多層構造下面からの積層方向に対する累積歪が、前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第１の高さにおいてゼロとなるように、前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層と、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、を含む、ことを特徴とする。
【００１５】
（２）上記（１）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第２の高さから多層構造上面までの積層方向に対する累積歪がゼロとなるように、前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第２の高さより上側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層と、前記第２の高さより上側に配置される前記障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、を含んでいてもよい。
【００１６】
（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にあってもよい。
【００１７】
（４）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１の高さと前記第２の高さは、ともに、前記量子井戸活性層の内部に位置する同じ層の中に位置していてもよい。
【００１８】
（５）上記（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第２の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にあってもよい。
【００１９】
（６）上記（２）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体光素子はリッジストライプ構造を有し、前記多層構造上面とは、前記リッジストライプ構造のリッジがその上側に配置される層の上面であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、基板上に積層される多層構造に含まれる多層ぞれぞれの歪量及び層厚を考慮することにより、さらなる特性向上を実現する半導体光素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【図４Ａ】本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態に係る半導体光素子は、ＭＱＷ構造を有する半導体レーザ素子１であり、リッジストライプ構造を有している。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の全体斜視図である。後述する通り、ｎ型ＩｎＰ基板２上に多層構造が形成され、ｎ型ＩｎＰ基板２の下面には、ｎ型電極１３が、多層構造の上面の一部には、ｐ型電極１２が設けられている。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１主要部の断面図である。当該断面は、光の出射方向に対して垂直な断面である。
【００２５】
図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８、ｐ型ＩｎＰ層９、ｐ型コンタクト層１０が、順に積層されており、多層構造をとっている。ｐ型ＩｎＰ層９及びｐ型コンタクト層１０のうち、ＭＱＷ活性層５の光導波路領域の上方に位置する領域の両側が、エッチングにより除外されており、リッジストライプ構造となっている。リッジストライプ構造のリッジ両側と、上方にリッジが配置されていないエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面には、パッシベーション膜１１が設けられている。
【００２６】
図２の右側には、ＭＱＷ活性層５の拡大図が示されている。図に示すＭＱＷ活性層５は、井戸層５ａの層数Ｎｗが５であるＭＱＷ構造である。隣り合う井戸層５ａの間には、障壁層５ｂが配置される。そして、５層ある井戸層５ａのうち、最下層の井戸層５ａの下側と、最上層の井戸層５ａの上側には、それぞれ障壁層５ｃが配置されている。ＭＱＷ活性層５に備えられる井戸層５ａ及び障壁層５ｂ，５ｃは、ともにＩｎＧａＡｌＡｓ系の材料が用いられている。
【００２７】
ＭＱＷ活性層５に備えられる井戸層５ａには、それぞれ、圧縮歪が導入されている。すなわち、井戸層５ａの歪量εは正の値をとる。これに対して、ＭＱＷ活性層５に備えられる障壁層５ｂ，５ｃには、それぞれ、引張り歪が導入されている。すなわち、障壁層５ｂ，５ｃの歪量εは負の値をとる。これにより、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａと障壁層５ｂ，５ｃには、互いに異なる符号の歪が導入されている。
【００２８】
ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４が、ＭＱＷ活性層５の下側に接して配置されており、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４には、引張り歪が導入されている。また、下から順に、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８と積層される多層が、ＭＱＷ活性層５の上側に接して配置されている。当該多層にも、引張り歪が導入されている。
【００２９】
ここで、累積歪について、以下のように定義する。一般に、歪が導入された層が形成されると、層の層厚ｄが大きくなるにつれて、その層の上面において、歪が累積的に増加する。その層の上面における歪は、この層の歪量ε１と層厚ｄ１の積ε１・ｄ１で表される。さらに、その上に、異なる歪量ε２の層が層厚ｄ２で積層されると、この層の上面における歪は、ε１・ｄ１＋ε２・ｄ２となる。すなわち、層が積層されるにつれ、その層の上面における歪は、その層より下に位置する多層とその層の歪を総和となる。これを累積歪とする。
【００３０】
層に歪が導入されると、それに応じて、応力がかかる。半導体レーザ素子１において、発光がなされるＭＱＷ活性層５にかかる応力が小さくなるのが望ましいのは言うまでもない。すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板２の上面からの累積歪がＭＱＷ活性層５の内部においてゼロとなっているのが望ましい。とくに、ＭＱＷ活性層５の中心部近傍であるのがさらに望ましい。
【００３１】
ここで、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは５であり、奇数である。また、井戸層５ａそれぞれは、同じ歪量ε５ａと同じ層厚ｄ５ａを有しており、歪量ε５ａはε５ａ＝＋１．００％であり、層厚ｄ５ａはｄ５ａ＝８ｎｍであるとする。ＭＱＷ活性層５が積層方向に沿って対称的であるならば、ＭＱＷ活性層５の中心部は、ＭＱＷ活性層５を構成する多層のうち、上層から下層に数えて真ん中に位置する層、すなわち、上から３番目の井戸層５ａの積層方向に沿って中央の位置となる。
【００３２】
今、この位置の高さを第１の高さとして、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪がゼロとなるよう、第１の高さより下側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４それぞれの歪量と層厚が決定される。
【００３３】
対称性を鑑みて、隣り合う井戸層５ａの間に位置する障壁層５ｂそれぞれは、同じ歪量ε５ｂと同じ層厚ｄ５ｂを有しており、同様に、最上層の井戸層５ａの上側と、最下層の井戸層５ａの下側に位置する障壁層５ｃそれぞれは、同じ歪量ε５ｂと同じ層厚ｄ５ｂを有しているとする。また、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４の歪量ε４と層厚ｄ４とする。
【００３４】
ｎ型ＩｎＰバッファ層３に歪は導入されないので、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪は、ε４・ｄ４＋ε５ｃ・ｄ５ｃ＋ε５ｂ・ｄ５ｂ×２＋ε５ａ・ｄ５ａ×２．５＝０で表される。例えば、障壁層５ｂの歪量ε５ｂがε５ｂ＝−０．３０％、層厚ｄ５ｂがｄ５ｂ＝１０ｎｍであり、障壁層５ｃの歪量ε５ｃがε５ｃ＝−０．３０％、層厚ｄ５ｃがｄ５ｃ＝２０ｎｍであり、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４の歪量ε４がε４＝−０．０５％、層厚ｄ４がｄ４＝１６０ｎｍであるとき、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪は０となる。
【００３５】
有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、第１の高さより下側に位置する各層の歪量と層厚が上記となるよう、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、多層構造を形成することにより、半導体レーザ素子１が作製される。これにより、ｎ型ＩｎＰ基板２の上面からＭＱＷ活性層５の内部にある第１の高さまでの累積歪がゼロとすることが出来、ＭＱＷ構造のうち、第１の高さに位置にする部分にかかる応力を最小化することが出来、半導体レーザ素子１が特性向上される。
【００３６】
また、第１の高さより下側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４それぞれの歪量や層厚を調整することにより、井戸層５ａの歪量ε５ａや井戸層５ａの層数Ｎｗを増加させることが可能となる。
【００３７】
結晶性を考慮すると、半導体レーザ素子１の多層構造全体の累積歪が小さい方が、さらに望ましい。上記において、多層構造の下面から第１の高さまで累積歪がゼロとなっているので、さらに、ＭＱＷ活性層５の内部から多層構造の上面までの累積歪がゼロとなっている場合、多層構造全体の累積歪を小さくすることが出来る。とくに、ＭＱＷ活性層５の中心部近傍から多層構造の上面までの累積歪がゼロであるのがさらに望ましい。ＭＱＷ活性層５の内部に位置する第２の高さから多層構造上面までの累積歪がゼロであり、かつ、第１の高さと第２の高さが一致する場合、多層構造全体の累積歪はゼロとなる。
【００３８】
ここで、第１の高さと同様に、第２の高さも、ＭＱＷ活性層５の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層、すなわち、上から３番目の井戸層５ａの積層方向に沿って中央の位置とする。そして、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪がゼロとなるよう、第２の高さより上側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８それぞれの歪量と層厚が決定される。
【００３９】
ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａと障壁層５ｂ，５ｃの構成は、上記のものとして、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６の歪量ε６と層厚ｄ６と、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７の歪量ε７と層厚ｄ７と、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の歪量ε８と層厚ｄ８とする。
【００４０】
上記の場合と同様に、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪は、ε６・ｄ６＋ε７・ｄ７＋ε８・ｄ８＋ε５ｃ・ｄ５ｃ＋ε５ｂ・ｄ５ｂ×２＋ε５ａ・ｄ５ａ×２．５＝０で表される。例えば、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６の歪量ε６がε６＝−０．０５％、層厚ｄ６がｄ６＝２０ｎｍであり、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７の歪量ε７がε７＝−０．０５％、層厚ｄ７がｄ７＝１００ｎｍであり、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の歪量ε８がε８＝−０．０５％、層厚ｄ８がｄ８＝４０ｎｍであるとき、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪は０となる。
【００４１】
前述の通り、ＭＯＣＶＤ法を用いて、第２の高さより上側に位置する各層の歪量と層厚が上記となるよう、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、多層構造を形成することにより、半導体レーザ素子１が作製される。これにより、ＭＱＷ活性層５の内部にある第２の高さから多層構造の上面であるエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８までの累積歪がゼロとすることが出来、半導体レーザ素子１の多層構造全体の歪を小さくなるので、半導体レーザ素子１がさらに、特性向上される。
【００４２】
また、第２の高さより上側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８それぞれの歪量と層厚を調整することにより、井戸層５ａの歪量ε５ａや井戸層５ａの層数Ｎｗをさらに増加させることが可能となる。
【００４３】
以上説明した通り、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の多層構造の歪量ε及び層厚ｄは、以下のように表される。なお、前述の通り、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは５である。また、表の１行目の数字は、各層に付される符号であり、例えば、４とは、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４を表している。
【００４４】
【表１】
【００４５】
ここで、さらに、累積歪関数Ｈ（ｚ）について、以下のように定義する。ある高さにある点を原点として、積層方向に対して、ｚ軸をとり、原点からの高さをｚとする。高さｚに位置する層の歪量をε（ｚ）として、原点から高さｚまでε（ｚ）を積分する関数が、累積歪関数Ｈ（ｚ）である。累積歪関数Ｈ（ｚ）は、次式によって表される。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここで、ｚ１は、積分変数である。累積歪関数Ｈ（ｚ）は、原点から高さｚまでの累積歪を表している。半導体レーザ素子１の多層構造において、適当な高さの点を原点にとることにより、半導体レーザ素子１の多層構造において高さｚにおける累積歪を、累積歪関数Ｈ（ｚ）によって表すことが出来る。このようにして表される、高さｚにおける累積歪は、累積歪プロファイルと呼ばれる。
【００４８】
図３は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【００４９】
ここで、多層構造における累積歪とは、ｎ型ＩｎＰ基板２上面からの累積歪であるので、通常、ｎ型ＩｎＰ基板２の上面上の点を原点にとるべきである。しかし、ｎ型ＩｎＰ基板２に重ねて積層されるｎ型ＩｎＰバッファ層３に歪は導入されていないので、ここでは表示を簡単とするために、ｎ型ＩｎＰバッファ層３の上面上の点を原点にとり、原点からの高さをｚとし、高さｚにおける累積歪関数Ｈ（ｚ）が、多層構造の累積歪プロファイルとして表されている。図の横軸方向に、矢印によって示されている数字は、多層構造の各層を示している。
【００５０】
ｚ＝２２０となる高さｚは、ＭＱＷ活性層５の中央に位置する、上から３番目の井戸層５ａの中央の位置である。そして、ｚ＝２２０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０となっている。すなわち、ｚ＝２２０を第１の高さとすると、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪がゼロである。
【００５１】
また、ｚ＝４４０となる高さｚは、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面の高さである。そして、ｚ＝４４０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０となっている。すなわち、多層構造の下面から上面までの累積歪がゼロである。このとき、ｚ＝２２０を第１の高さと同じく、第２の高さとすると、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪がゼロである。
【００５２】
本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の比較例として、従来技術に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積プロファイルを以下に示す。
【００５３】
本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１と同様に、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａそれぞれに、圧縮歪が導入されている。しかし、ＭＱＷ活性層５における障壁層５ｂ，５ｃには、歪は導入されておらず、また、ＭＱＷ活性層５の上下に接して配置される多層それぞれにも、歪は導入されていない。
【００５４】
本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の歪量ε及び層厚ｄは、以下のように表される。なお、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは、同様に５である。
【００５５】
【表２】
【００５６】
図４Ａは、本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。ここで、当該実施形態と同様に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３の上面上の点を原点にとっている。
【００５７】
第１の比較例に係る半導体レーザ素子において、ＭＱＷ活性層５の中央に位置するｚ＝１００において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．２０となっており、ＭＱＷ活性層５の中央部には、この歪に応じた応力がかかっている。さらに、多層構造の上面であるエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面の高さであるｚ＝３２０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．４０となっており、多層構造全体の累積歪は０．４０ｎｍとなる。
【００５８】
本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子は、第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造とは異なり、ＭＱＷ活性層５の障壁層５ｂ，５ｃそれぞれに、引張り歪が導入されている。第１の比較例と同様に、ＭＱＷ活性層５の上下に接して配置される多層それぞれにも、歪は導入されていない。
【００５９】
本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の歪量ε及び層厚ｄは、以下のように表される。なお、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは、同様に５である。
【００６０】
【表３】
【００６１】
図４Ｂは、本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。ここで、当該実施形態と同様に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３の上面上の点を原点にとっている。
【００６２】
第２の比較例に係る半導体レーザ素子において、ＭＱＷ活性層５の中央に位置するｚ＝１００において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．１１となっており、第１の比較例と比較すると小さいが、ＭＱＷ活性層５の中央部には、この歪に応じた応力がかかっている。さらに、多層構造の上面であるエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面の高さであるｚ＝３２０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．２２となっており、第１の比較例と比較すると小さいが、多層構造全体の累積歪は０．２２ｎｍとなる。
【００６３】
以上、説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ素子１は、多層構造に含まれる多層それぞれの歪量及び層厚を考慮することにより、比較例に係る半導体レーザ素子に比べて、ＭＱＷ活性層５の内部にかかる応力を減じることが出来、さらなる特性向上を実現することが出来る。さらに、多層構造全体の累積歪を減じることが出来、さらなる特性向上を実現することが出来る。
【００６４】
なお、半導体レーザ素子の多層構造全体の累積歪をゼロとするために、第１の高さと第２の高さが同じであると望ましい。しかし、必ずしも、第１の高さと第２の高さをしている必要はなく、第１の高さと第２の高さが十分に近く、多層構造の上面における累積歪の大きさが０．０５ｎｍ以下となるのが望ましい。たとえば、図３に示す場合において、ｚ＝４４０においてＨ（ｚ）が、−０．０５ｎｍ以上＋０．０５ｎｍ以下であればよい。
【００６５】
また、第１の高さや第２の高さは、ともに、ＭＱＷ活性層５の多層のうち上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の中に位置するのが望ましい。上記には、ＭＱＷ活性層５において井戸層５ａの層数Ｎｗが奇数の場合で、井戸層５ａが積層方向に対してＭＱＷ活性層５の真ん中に位置する場合について、説明していたが、積層方向に沿って対称的であり、井戸層５ａの層数Ｎｗが偶数の場合には、障壁層５ｂが積層方向に対してＭＱＷ活性層５の中央に位置する。すなわち、例えば、井戸層５ａの層数Ｎｗ＝６となる場合は、７層ある障壁層５ｂ，５ｃのうち、上から４番目の障壁層５ｂが、ＭＱＷ活性層５の真ん中に位置している。
【００６６】
しかし、第１の高さや第２の高さは、それぞれ、必ずしも、ＭＱＷ活性層５の真ん中に位置する層の中に位置する必要はない。多層構造下面から第１の高さまでの累積歪がゼロとなり、第１の高さは、そこにかかる応力が最小となる高さである。ＭＱＷ活性層５の内部において、必要に応じて、応力を最小としたい高さを第１の高さとすればよい。
【００６７】
同様に、第２の高さから多層構造上面までの累積歪がゼロであり、第２の高さが第１の高さの近くとすれば、多層構造全体の累積歪を小さくすることが出来る。よって、第１の高さが決定した後に、多層構造全体の累積歪が小さくなるよう、必要に応じて、第２の高さを決めればよい。
【００６８】
上記説明に用いた半導体レーザ素子１は、リッジストライプ構造を有している。多層構造がリッジストライプ構造有している場合、リッジが配置される領域と、リッジが配置されていない領域では、多層構造の最上層が異なる。すなわち、図２において、リッジが配置されている領域の場合、最上層は、ｐ型コンタクト層１０であり、リッジが配置されていない領域の場合、最上層は、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８である。図１に示す通り、半導体レーザ素子１の多層構造において、リッジが配置されていない領域は、リッジが配置されている領域よりも非常に大きいので、結晶構造の安定の観点から、多層構造上面とは、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面、すなわち、ｐ型ＩｎＰ層９やｐ型コンタクト層１０からなるリッジが上側に配置される層の上面とする。
【００６９】
また、半導体光素子は、リッジストライプ構造を有する素子に限定されることなく、例えば、埋め込みヘテロ構造を有する場合など、他の構造を有する半導体光素子であってもよい。
【００７０】
なお、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１において、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａそれぞれは、同じ層厚ｄ５ａであり、また、同じ歪量ε５ａの歪が導入されるとしたが、必要に応じて、井戸層５ａの構造は異なっていてもよい。ＭＱＷ活性層５の構造により、それぞれ適した第１の高さと第２の高さが選択される。また、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａに、引張り歪が導入される場合においても、本発明を適用出来るのは、言うまでもない。
【００７１】
さらに、本発明は、例えば、集積レーザにおいて、レーザ部のみならず、電界吸収型（Electro-Absorption:以下、ＥＡと記す）変調器などの変調器部においても、適用出来ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７２】
１ 半導体レーザ素子、２ ｎ型ＩｎＰ基板、３ ｎ型ＩｎＰバッファ層、４ ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層、５ ＭＱＷ活性層、５ａ 井戸層、５ｂ 障壁層、５ｃ 障壁層、６ ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層、７ ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層、８ エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層、９ ｐ型ＩｎＰ層、１０ ｐ型コンタクト層、１１ パッシベーション膜、１２ ｐ型電極、１３ ｎ型電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子の製造方法に関し、特に、歪が導入される量子井戸構造を有する半導体光素子の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体光素子の構造は、例えば、基板上に、下側光ガイド層、活性層、上側光ガイド層が、順に、形成されている多層構造となっている。通常、この活性層には、互いにバンドギャップの異なる半導体薄膜が交互に積層化されている。すなわち、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）構造、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）構造となっている。なお、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。
【０００３】
このＭＱＷ構造において、バンドギャップの大きい半導体薄膜が障壁層となり、バンドギャップの小さい半導体膜が井戸層となる。障壁層によって、井戸層にキャリアが閉じ込められ、そのキャリアである電子とホールが結合することで、発光がなされる。
【０００４】
半導体光素子の特性を向上するために、ＭＱＷ構造に含まれる井戸層に歪が導入されるのが一般的である。井戸層に歪が導入されることにより、閾値電圧の低減、発光効率の増加、緩和振動振動数の増加等、井戸層に歪を導入しないＭＱＷ構造を有する半導体光素子に比べて、半導体光素子の特性を改善することが出来るからである。
【０００５】
ここで、歪が導入されるとは、基板の格子定数ａ０とは異なる格子定数ａを有する物質で層が形成されることをいい、歪量はε＝（ａ−ａ０）／ａ０で定義される。格子定数ａが基板の格子定数ａ０より大きい場合、すなわち、歪量εが正となる場合は、圧縮歪と、格子定数ａが基板の格子定数ａ０より小さい場合、すなわち、歪量εが負となる場合は、引張り歪と、表される。
【０００６】
一般に、歪のある層が積層されると、その歪量に対して、積層される層の層厚には限界値（以下、臨界層厚と記す）が生じてしまう。臨界層厚を超えて、層が積層されると、その層の結晶に欠陥などが発生してしまい、半導体光素子の特性が悪化する。
【０００７】
井戸層の歪量を大きくすると、半導体光素子の特性改善効果も大きくなる。しかし、歪量を大きくすると、それに応じて、臨界層厚が小さくなる。それゆえ、臨界層厚の範囲内で、半導体光素子を作製しようとすると、ＭＱＷ構造において、井戸層の層厚が十分に取ることが出来なかったり、井戸層の層数を十分に増やすことが出来なかったり、不具合が生じることとなる。
【０００８】
結晶性を悪化させずに、井戸層の歪量を大きくしたり、井戸層の層数を増やしたりするＭＱＷ構造について、特許文献１及び特許文献２に開示がある。特許文献１には、ＭＱＷ構造の障壁層に、井戸層の歪と反対の符号の歪を導入する構造について記載がある。また、特許文献２には、ＭＱＷ構造の上下に接して配置される光ガイド層に、井戸層の歪と反対の符号の歪を導入する構造について記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１７２２４１号公報
【特許文献２】特開平６−８５３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の従来技術のように、ＭＱＷ構造の井戸層と障壁層とに互いに異なる符号の歪を導入する場合、ＭＱＷ構造のみを考慮して、ＭＱＷ構造全体の歪量を軽減することにより、井戸層の歪量を大きくしたり、井戸層の層数を増やそうと試みているに過ぎない。
【００１１】
同様に、特許文献２に記載の従来技術のように、ＭＱＷ構造の上下に接して配置される光ガイド層に、ＭＱＷ構造の井戸層の歪と反対の符号の歪を導入する場合、光ガイド層のみを考慮して、井戸層の歪量の補償をすることにより、井戸層の歪量を大きくしたり、井戸層の層数を増やそうと試みているに過ぎない。
【００１２】
半導体光素子のさらなる特性向上を実現させるためには、半導体光素子の多層構造を考慮する必要が生じる。
【００１３】
本発明は、このような課題を鑑みて、基板上に積層される多層構造に含まれる多層ぞれぞれの歪量及び層厚を考慮することにより、さらなる特性向上を実現する半導体光素子の製造方法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】
【００１４】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子の製造方法は、基板上に、所定の歪量の歪が導入される１以上の井戸層と、前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層を備える量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層の上側と下型のそれぞれに接して配置され、前記井戸層の歪と反対の符号となる歪が導入されるそれぞれ１以上の層とを、含んで積層される多層構造を備える、半導体光素子の製造方法であって、多層構造下面からの積層方向に対する累積歪が、前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第１の高さにおいてゼロとなるように、前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層と、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、を含む、ことを特徴とする。
【００１５】
（２）上記（１）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第２の高さから多層構造上面までの積層方向に対する累積歪がゼロとなるように、前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第２の高さより上側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層と、前記第２の高さより上側に配置される前記障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、を含んでいてもよい。
【００１６】
（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にあってもよい。
【００１７】
（４）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第１の高さと前記第２の高さは、ともに、前記量子井戸活性層の内部に位置する同じ層の中に位置していてもよい。
【００１８】
（５）上記（２）に記載の半導体光素子の製造方法であって、前記第２の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にあってもよい。
【００１９】
（６）上記（２）乃至（５）のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、前記半導体光素子はリッジストライプ構造を有し、前記多層構造上面とは、前記リッジストライプ構造のリッジがその上側に配置される層の上面であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、基板上に積層される多層構造に含まれる多層ぞれぞれの歪量及び層厚を考慮することにより、さらなる特性向上を実現する半導体光素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【図４Ａ】本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態に係る半導体光素子は、ＭＱＷ構造を有する半導体レーザ素子１であり、リッジストライプ構造を有している。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の全体斜視図である。後述する通り、ｎ型ＩｎＰ基板２上に多層構造が形成され、ｎ型ＩｎＰ基板２の下面には、ｎ型電極１３が、多層構造の上面の一部には、ｐ型電極１２が設けられている。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１主要部の断面図である。当該断面は、光の出射方向に対して垂直な断面である。
【００２５】
図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８、ｐ型ＩｎＰ層９、ｐ型コンタクト層１０が、順に積層されており、多層構造をとっている。ｐ型ＩｎＰ層９及びｐ型コンタクト層１０のうち、ＭＱＷ活性層５の光導波路領域の上方に位置する領域の両側が、エッチングにより除外されており、リッジストライプ構造となっている。リッジストライプ構造のリッジ両側と、上方にリッジが配置されていないエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面には、パッシベーション膜１１が設けられている。
【００２６】
図２の右側には、ＭＱＷ活性層５の拡大図が示されている。図に示すＭＱＷ活性層５は、井戸層５ａの層数Ｎｗが５であるＭＱＷ構造である。隣り合う井戸層５ａの間には、障壁層５ｂが配置される。そして、５層ある井戸層５ａのうち、最下層の井戸層５ａの下側と、最上層の井戸層５ａの上側には、それぞれ障壁層５ｃが配置されている。ＭＱＷ活性層５に備えられる井戸層５ａ及び障壁層５ｂ，５ｃは、ともにＩｎＧａＡｌＡｓ系の材料が用いられている。
【００２７】
ＭＱＷ活性層５に備えられる井戸層５ａには、それぞれ、圧縮歪が導入されている。すなわち、井戸層５ａの歪量εは正の値をとる。これに対して、ＭＱＷ活性層５に備えられる障壁層５ｂ，５ｃには、それぞれ、引張り歪が導入されている。すなわち、障壁層５ｂ，５ｃの歪量εは負の値をとる。これにより、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａと障壁層５ｂ，５ｃには、互いに異なる符号の歪が導入されている。
【００２８】
ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４が、ＭＱＷ活性層５の下側に接して配置されており、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４には、引張り歪が導入されている。また、下から順に、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８と積層される多層が、ＭＱＷ活性層５の上側に接して配置されている。当該多層にも、引張り歪が導入されている。
【００２９】
ここで、累積歪について、以下のように定義する。一般に、歪が導入された層が形成されると、層の層厚ｄが大きくなるにつれて、その層の上面において、歪が累積的に増加する。その層の上面における歪は、この層の歪量ε１と層厚ｄ１の積ε１・ｄ１で表される。さらに、その上に、異なる歪量ε２の層が層厚ｄ２で積層されると、この層の上面における歪は、ε１・ｄ１＋ε２・ｄ２となる。すなわち、層が積層されるにつれ、その層の上面における歪は、その層より下に位置する多層とその層の歪を総和となる。これを累積歪とする。
【００３０】
層に歪が導入されると、それに応じて、応力がかかる。半導体レーザ素子１において、発光がなされるＭＱＷ活性層５にかかる応力が小さくなるのが望ましいのは言うまでもない。すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板２の上面からの累積歪がＭＱＷ活性層５の内部においてゼロとなっているのが望ましい。とくに、ＭＱＷ活性層５の中心部近傍であるのがさらに望ましい。
【００３１】
ここで、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは５であり、奇数である。また、井戸層５ａそれぞれは、同じ歪量ε５ａと同じ層厚ｄ５ａを有しており、歪量ε５ａはε５ａ＝＋１．００％であり、層厚ｄ５ａはｄ５ａ＝８ｎｍであるとする。ＭＱＷ活性層５が積層方向に沿って対称的であるならば、ＭＱＷ活性層５の中心部は、ＭＱＷ活性層５を構成する多層のうち、上層から下層に数えて真ん中に位置する層、すなわち、上から３番目の井戸層５ａの積層方向に沿って中央の位置となる。
【００３２】
今、この位置の高さを第１の高さとして、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪がゼロとなるよう、第１の高さより下側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４それぞれの歪量と層厚が決定される。
【００３３】
対称性を鑑みて、隣り合う井戸層５ａの間に位置する障壁層５ｂそれぞれは、同じ歪量ε５ｂと同じ層厚ｄ５ｂを有しており、同様に、最上層の井戸層５ａの上側と、最下層の井戸層５ａの下側に位置する障壁層５ｃそれぞれは、同じ歪量ε５ｂと同じ層厚ｄ５ｂを有しているとする。また、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４の歪量ε４と層厚ｄ４とする。
【００３４】
ｎ型ＩｎＰバッファ層３に歪は導入されないので、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪は、ε４・ｄ４＋ε５ｃ・ｄ５ｃ＋ε５ｂ・ｄ５ｂ×２＋ε５ａ・ｄ５ａ×２．５＝０で表される。例えば、障壁層５ｂの歪量ε５ｂがε５ｂ＝−０．３０％、層厚ｄ５ｂがｄ５ｂ＝１０ｎｍであり、障壁層５ｃの歪量ε５ｃがε５ｃ＝−０．３０％、層厚ｄ５ｃがｄ５ｃ＝２０ｎｍであり、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４の歪量ε４がε４＝−０．０５％、層厚ｄ４がｄ４＝１６０ｎｍであるとき、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪は０となる。
【００３５】
有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、第１の高さより下側に位置する各層の歪量と層厚が上記となるよう、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、多層構造を形成することにより、半導体レーザ素子１が作製される。これにより、ｎ型ＩｎＰ基板２の上面からＭＱＷ活性層５の内部にある第１の高さまでの累積歪がゼロとすることが出来、ＭＱＷ構造のうち、第１の高さに位置にする部分にかかる応力を最小化することが出来、半導体レーザ素子１が特性向上される。
【００３６】
また、第１の高さより下側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４それぞれの歪量や層厚を調整することにより、井戸層５ａの歪量ε５ａや井戸層５ａの層数Ｎｗを増加させることが可能となる。
【００３７】
結晶性を考慮すると、半導体レーザ素子１の多層構造全体の累積歪が小さい方が、さらに望ましい。上記において、多層構造の下面から第１の高さまで累積歪がゼロとなっているので、さらに、ＭＱＷ活性層５の内部から多層構造の上面までの累積歪がゼロとなっている場合、多層構造全体の累積歪を小さくすることが出来る。とくに、ＭＱＷ活性層５の中心部近傍から多層構造の上面までの累積歪がゼロであるのがさらに望ましい。ＭＱＷ活性層５の内部に位置する第２の高さから多層構造上面までの累積歪がゼロであり、かつ、第１の高さと第２の高さが一致する場合、多層構造全体の累積歪はゼロとなる。
【００３８】
ここで、第１の高さと同様に、第２の高さも、ＭＱＷ活性層５の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層、すなわち、上から３番目の井戸層５ａの積層方向に沿って中央の位置とする。そして、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪がゼロとなるよう、第２の高さより上側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８それぞれの歪量と層厚が決定される。
【００３９】
ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａと障壁層５ｂ，５ｃの構成は、上記のものとして、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６の歪量ε６と層厚ｄ６と、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７の歪量ε７と層厚ｄ７と、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の歪量ε８と層厚ｄ８とする。
【００４０】
上記の場合と同様に、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪は、ε６・ｄ６＋ε７・ｄ７＋ε８・ｄ８＋ε５ｃ・ｄ５ｃ＋ε５ｂ・ｄ５ｂ×２＋ε５ａ・ｄ５ａ×２．５＝０で表される。例えば、ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６の歪量ε６がε６＝−０．０５％、層厚ｄ６がｄ６＝２０ｎｍであり、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７の歪量ε７がε７＝−０．０５％、層厚ｄ７がｄ７＝１００ｎｍであり、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の歪量ε８がε８＝−０．０５％、層厚ｄ８がｄ８＝４０ｎｍであるとき、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪は０となる。
【００４１】
前述の通り、ＭＯＣＶＤ法を用いて、第２の高さより上側に位置する各層の歪量と層厚が上記となるよう、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、多層構造を形成することにより、半導体レーザ素子１が作製される。これにより、ＭＱＷ活性層５の内部にある第２の高さから多層構造の上面であるエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８までの累積歪がゼロとすることが出来、半導体レーザ素子１の多層構造全体の歪を小さくなるので、半導体レーザ素子１がさらに、特性向上される。
【００４２】
また、第２の高さより上側に位置する障壁層５ｂ，５ｃやｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層６、ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層７、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８それぞれの歪量と層厚を調整することにより、井戸層５ａの歪量ε５ａや井戸層５ａの層数Ｎｗをさらに増加させることが可能となる。
【００４３】
以上説明した通り、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の多層構造の歪量ε及び層厚ｄは、以下のように表される。なお、前述の通り、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは５である。また、表の１行目の数字は、各層に付される符号であり、例えば、４とは、ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層４を表している。
【００４４】
【表１】
【００４５】
ここで、さらに、累積歪関数Ｈ（ｚ）について、以下のように定義する。ある高さにある点を原点として、積層方向に対して、ｚ軸をとり、原点からの高さをｚとする。高さｚに位置する層の歪量をε（ｚ）として、原点から高さｚまでε（ｚ）を積分する関数が、累積歪関数Ｈ（ｚ）である。累積歪関数Ｈ（ｚ）は、次式によって表される。
【００４６】
【数１】
【００４７】
ここで、ｚ１は、積分変数である。累積歪関数Ｈ（ｚ）は、原点から高さｚまでの累積歪を表している。半導体レーザ素子１の多層構造において、適当な高さの点を原点にとることにより、半導体レーザ素子１の多層構造において高さｚにおける累積歪を、累積歪関数Ｈ（ｚ）によって表すことが出来る。このようにして表される、高さｚにおける累積歪は、累積歪プロファイルと呼ばれる。
【００４８】
図３は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。
【００４９】
ここで、多層構造における累積歪とは、ｎ型ＩｎＰ基板２上面からの累積歪であるので、通常、ｎ型ＩｎＰ基板２の上面上の点を原点にとるべきである。しかし、ｎ型ＩｎＰ基板２に重ねて積層されるｎ型ＩｎＰバッファ層３に歪は導入されていないので、ここでは表示を簡単とするために、ｎ型ＩｎＰバッファ層３の上面上の点を原点にとり、原点からの高さをｚとし、高さｚにおける累積歪関数Ｈ（ｚ）が、多層構造の累積歪プロファイルとして表されている。図の横軸方向に、矢印によって示されている数字は、多層構造の各層を示している。
【００５０】
ｚ＝２２０となる高さｚは、ＭＱＷ活性層５の中央に位置する、上から３番目の井戸層５ａの中央の位置である。そして、ｚ＝２２０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０となっている。すなわち、ｚ＝２２０を第１の高さとすると、多層構造の下面から第１の高さまでの累積歪がゼロである。
【００５１】
また、ｚ＝４４０となる高さｚは、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面の高さである。そして、ｚ＝４４０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０となっている。すなわち、多層構造の下面から上面までの累積歪がゼロである。このとき、ｚ＝２２０を第１の高さと同じく、第２の高さとすると、第２の高さから多層構造の上面までの累積歪がゼロである。
【００５２】
本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の比較例として、従来技術に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積プロファイルを以下に示す。
【００５３】
本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１と同様に、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａそれぞれに、圧縮歪が導入されている。しかし、ＭＱＷ活性層５における障壁層５ｂ，５ｃには、歪は導入されておらず、また、ＭＱＷ活性層５の上下に接して配置される多層それぞれにも、歪は導入されていない。
【００５４】
本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の歪量ε及び層厚ｄは、以下のように表される。なお、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは、同様に５である。
【００５５】
【表２】
【００５６】
図４Ａは、本発明の第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。ここで、当該実施形態と同様に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３の上面上の点を原点にとっている。
【００５７】
第１の比較例に係る半導体レーザ素子において、ＭＱＷ活性層５の中央に位置するｚ＝１００において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．２０となっており、ＭＱＷ活性層５の中央部には、この歪に応じた応力がかかっている。さらに、多層構造の上面であるエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面の高さであるｚ＝３２０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．４０となっており、多層構造全体の累積歪は０．４０ｎｍとなる。
【００５８】
本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子は、第１の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造とは異なり、ＭＱＷ活性層５の障壁層５ｂ，５ｃそれぞれに、引張り歪が導入されている。第１の比較例と同様に、ＭＱＷ活性層５の上下に接して配置される多層それぞれにも、歪は導入されていない。
【００５９】
本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の歪量ε及び層厚ｄは、以下のように表される。なお、ＭＱＷ活性層５における井戸層５ａの層数Ｎｗは、同様に５である。
【００６０】
【表３】
【００６１】
図４Ｂは、本発明の第２の比較例に係る半導体レーザ素子の多層構造の累積歪プロファイルを表す図である。ここで、当該実施形態と同様に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３の上面上の点を原点にとっている。
【００６２】
第２の比較例に係る半導体レーザ素子において、ＭＱＷ活性層５の中央に位置するｚ＝１００において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．１１となっており、第１の比較例と比較すると小さいが、ＭＱＷ活性層５の中央部には、この歪に応じた応力がかかっている。さらに、多層構造の上面であるエッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面の高さであるｚ＝３２０において、累積歪関数Ｈ（ｚ）＝０．２２となっており、第１の比較例と比較すると小さいが、多層構造全体の累積歪は０．２２ｎｍとなる。
【００６３】
以上、説明したように、本実施形態に係る半導体レーザ素子１は、多層構造に含まれる多層それぞれの歪量及び層厚を考慮することにより、比較例に係る半導体レーザ素子に比べて、ＭＱＷ活性層５の内部にかかる応力を減じることが出来、さらなる特性向上を実現することが出来る。さらに、多層構造全体の累積歪を減じることが出来、さらなる特性向上を実現することが出来る。
【００６４】
なお、半導体レーザ素子の多層構造全体の累積歪をゼロとするために、第１の高さと第２の高さが同じであると望ましい。しかし、必ずしも、第１の高さと第２の高さをしている必要はなく、第１の高さと第２の高さが十分に近く、多層構造の上面における累積歪の大きさが０．０５ｎｍ以下となるのが望ましい。たとえば、図３に示す場合において、ｚ＝４４０においてＨ（ｚ）が、−０．０５ｎｍ以上＋０．０５ｎｍ以下であればよい。
【００６５】
また、第１の高さや第２の高さは、ともに、ＭＱＷ活性層５の多層のうち上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の中に位置するのが望ましい。上記には、ＭＱＷ活性層５において井戸層５ａの層数Ｎｗが奇数の場合で、井戸層５ａが積層方向に対してＭＱＷ活性層５の真ん中に位置する場合について、説明していたが、積層方向に沿って対称的であり、井戸層５ａの層数Ｎｗが偶数の場合には、障壁層５ｂが積層方向に対してＭＱＷ活性層５の中央に位置する。すなわち、例えば、井戸層５ａの層数Ｎｗ＝６となる場合は、７層ある障壁層５ｂ，５ｃのうち、上から４番目の障壁層５ｂが、ＭＱＷ活性層５の真ん中に位置している。
【００６６】
しかし、第１の高さや第２の高さは、それぞれ、必ずしも、ＭＱＷ活性層５の真ん中に位置する層の中に位置する必要はない。多層構造下面から第１の高さまでの累積歪がゼロとなり、第１の高さは、そこにかかる応力が最小となる高さである。ＭＱＷ活性層５の内部において、必要に応じて、応力を最小としたい高さを第１の高さとすればよい。
【００６７】
同様に、第２の高さから多層構造上面までの累積歪がゼロであり、第２の高さが第１の高さの近くとすれば、多層構造全体の累積歪を小さくすることが出来る。よって、第１の高さが決定した後に、多層構造全体の累積歪が小さくなるよう、必要に応じて、第２の高さを決めればよい。
【００６８】
上記説明に用いた半導体レーザ素子１は、リッジストライプ構造を有している。多層構造がリッジストライプ構造有している場合、リッジが配置される領域と、リッジが配置されていない領域では、多層構造の最上層が異なる。すなわち、図２において、リッジが配置されている領域の場合、最上層は、ｐ型コンタクト層１０であり、リッジが配置されていない領域の場合、最上層は、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８である。図１に示す通り、半導体レーザ素子１の多層構造において、リッジが配置されていない領域は、リッジが配置されている領域よりも非常に大きいので、結晶構造の安定の観点から、多層構造上面とは、エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層８の上面、すなわち、ｐ型ＩｎＰ層９やｐ型コンタクト層１０からなるリッジが上側に配置される層の上面とする。
【００６９】
また、半導体光素子は、リッジストライプ構造を有する素子に限定されることなく、例えば、埋め込みヘテロ構造を有する場合など、他の構造を有する半導体光素子であってもよい。
【００７０】
なお、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１において、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａそれぞれは、同じ層厚ｄ５ａであり、また、同じ歪量ε５ａの歪が導入されるとしたが、必要に応じて、井戸層５ａの構造は異なっていてもよい。ＭＱＷ活性層５の構造により、それぞれ適した第１の高さと第２の高さが選択される。また、ＭＱＷ活性層５の井戸層５ａに、引張り歪が導入される場合においても、本発明を適用出来るのは、言うまでもない。
【００７１】
さらに、本発明は、例えば、集積レーザにおいて、レーザ部のみならず、電界吸収型（Electro-Absorption:以下、ＥＡと記す）変調器などの変調器部においても、適用出来ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７２】
１ 半導体レーザ素子、２ ｎ型ＩｎＰ基板、３ ｎ型ＩｎＰバッファ層、４ ｎ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層、５ ＭＱＷ活性層、５ａ 井戸層、５ｂ 障壁層、５ｃ 障壁層、６ ｐ型光ガイドＩｎＧａＡｌＡｓ層、７ ｐ型クラッドＩｎＡｌＡｓ層、８ エッチング停止ＩｎＧａＡｌＡｓ層、９ ｐ型ＩｎＰ層、１０ ｐ型コンタクト層、１１ パッシベーション膜、１２ ｐ型電極、１３ ｎ型電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、所定の歪量の歪が導入される１以上の井戸層と、前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層を備える量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層の上側と下型のそれぞれに接して配置され、前記井戸層の歪と反対の符号となる歪が導入されるそれぞれ１以上の層とを、含んで積層される多層構造を備える、半導体光素子の製造方法であって、
多層構造下面からの積層方向に対する累積歪が、前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第１の高さにおいてゼロとなるように、前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、
前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層と、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、
を含む、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第２の高さから多層構造上面までの積層方向に対する累積歪がゼロとなるように、前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第２の高さより上側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、
前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層と、前記第２の高さより上側に配置される前記障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、
を含む、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記第１の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にある、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記第１の高さと前記第２の高さは、ともに、前記量子井戸活性層の内部に位置する同じ層の中に位置する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記第２の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にある、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体光素子はリッジストライプ構造を有し、
前記多層構造上面とは、前記リッジストライプ構造のリッジがその上側に配置される層の上面である、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項１】
基板上に、所定の歪量の歪が導入される１以上の井戸層と、前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層を備える量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層の上側と下型のそれぞれに接して配置され、前記井戸層の歪と反対の符号となる歪が導入されるそれぞれ１以上の層とを、含んで積層される多層構造を備える、半導体光素子の製造方法であって、
多層構造下面からの積層方向に対する累積歪が、前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第１の高さにおいてゼロとなるように、前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、
前記量子井戸活性層の下側に接して配置される前記１以上の層と、前記第１の高さより下側に配置される障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、
を含む、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記量子井戸活性層の中に位置する所定の第２の高さから多層構造上面までの積層方向に対する累積歪がゼロとなるように、前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層それぞれの歪量及び層厚と、量子井戸活性層に含まれ、前記第２の高さより上側に配置される障壁層それぞれの歪量及び層厚とを決定する工程と、
前記量子井戸活性層の上側に接して配置される前記１以上の層と、前記第２の高さより上側に配置される前記障壁層それぞれに、前記歪量がそれぞれ導入され、前記層厚それぞれに、積層される工程と、
を含む、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記第１の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にある、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記第１の高さと前記第２の高さは、ともに、前記量子井戸活性層の内部に位置する同じ層の中に位置する、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項２に記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記第２の高さとは、前記量子井戸活性層の多層のうち、上層から下層へ数えて真ん中に位置する層の内部にある、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の半導体光素子の製造方法であって、
前記半導体光素子はリッジストライプ構造を有し、
前記多層構造上面とは、前記リッジストライプ構造のリッジがその上側に配置される層の上面である、
ことを特徴とする、半導体光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【公開番号】特開２０１１−１２４４４３（Ｐ２０１１−１２４４４３Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８２００７（Ｐ２００９−２８２００７）
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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