半導体発光素子および外部共振器型レーザ光源
【課題】最大位相調整量を拡大した半導体発光素子を提供する。
【解決手段】電流注入を受けて光を発しその光を活性層に沿って伝搬させる発光領域と、その発光領域からの光を導波させる導波路層の屈折率が注入電流に応じて変化する位相調整領域とを有する半導体発光素子において、特性Ｆのように位相調整領域の導波路層に接する第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層の上端から所定範囲、特に２５〜１５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。
【解決手段】電流注入を受けて光を発しその光を活性層に沿って伝搬させる発光領域と、その発光領域からの光を導波させる導波路層の屈折率が注入電流に応じて変化する位相調整領域とを有する半導体発光素子において、特性Ｆのように位相調整領域の導波路層に接する第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層の上端から所定範囲、特に２５〜１５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層を含む発光領域と、導波路層を含む位相調整領域とを有し、出射光の波長変化が可能な半導体発光素子において、位相調整量を改善するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信において、波長多重通信の要求が高まっており、発振波長の変化が可能な半導体発光素子が提案されており、この種の半導体発光素子には、モードホップしないように発振波長を変化させたときに、ファブリペロモードの位相を調整するための位相調整領域を有しているものがある。
【０００３】
半導体発光素子と外部反射鏡を用いた外部共振器型レーザは、波長可変フィルタを挿入することで、発振波長を選択することが可能になる。発振およびその波長選択の原理は以下のようになる。
【０００４】
半導体発光素子から出射される光は外部共振器長に依存する多数のファブリペロモード（間隔Δλ）を含んでいる。この多数のファブリペロモードのうち、波長可変フィルタの透過特性を満たすファブリペロモードのみが透過して外部反射鏡で反射されて半導体発光素子に戻り発振することになる。
【０００５】
波長可変フィルタで発振波長を変化させると、波長可変フィルタの透過率のピーク位置と、透過したファブリペロモードは必ずしも一致するとは限らない。このため安定した発振を継続させるためには波長可変フィルタの透過率のピーク位置に、透過したファブリペロモードのピークを一致させるために位相を調整する必要がある。
【０００６】
半導体発光素子の場合には、キャリアを注入すると屈折率が減少するというプラズマ効果が知られている。屈折率が減少すると外部共振器長は短尺化し、波長変化は負（短波長）に変化することになるため、キャリアの注入、つまり電流の制御により位相を調整することが可能になる。
【０００７】
ここで、初期の波長から最も短波化した波長との差を、ファブリペロモード間隔Δλで除して２πを乗じた値を最大位相調整量と呼ぶ。
【０００８】
また、ファブリペロモード間隔Δλ、波長変化Δλ′は、外部共振器長の変化ΔＬ、初期の外部共振器長Ｌ０、半導体発光素子の物理的長さｌ、半導体発光素子以外の物理的長さｌ′、波長λ０、等価屈折率ｎｅｑを用いて以下のように表される（ただし、半導体発光素子以外の光路は全て空気中とし、空気の屈折率は１とした）。
【０００９】
Δλ＝λ０２／（２Ｌ０） ……（１）
Δλ′＝λ０（ΔＬ／Ｌ０） ……（２）
Ｌ０＝ｎｅｑ・ｌ＋ｌ′ ……（３）
【００１０】
なお、上記したように位相調整領域を有する半導体発光素子と波長可変フィルタと反射鏡を用いた外部共振器型レーザ光源は、例えば次の特許文献１に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／００８８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したような位相調整領域を有する半導体発光素子では、モードホップしないように、フィルタの透過率のピークにファブリペロモードのピークを一致させる必要があるが、従来の半導体発光素子では、位相調整領域の導波路層とｐ型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔＥｃが小さいために、電子のオーバーフローが生じ易く、このオーバーフローによって最大位相調整量が制限されてしまうという問題があり、安定した発振を維持する目的で最大位相調整量を拡大することが強く望まれていた。
【００１３】
本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、最大位相調整量を拡大した半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１４】
なお、発明者らは、種々の実験を行った結果、位相調整領域における導波路層の上に積層されるクラッド層のドーピング濃度にある特徴的な分布与えることでこの最大位相調整量を大幅に拡大できることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の半導体発光素子は、
ｎ型半導体基板（２１）と、
前記ｎ型半導体基板の上に形成された活性層（２３）と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２４）とを有し、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域（２２）と、
前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層（３１）と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（３２）とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化する位相調整領域（３０）とを有する半導体発光素子において、
前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項２の半導体発光素子は、請求項１の半導体発光素子において、
前記所定距離範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項３の半導体発光素子は、請求項１または請求項２の半導体発光素子において、
前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（４０）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（５１、５２）が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項４の半導体発光素子は、請求項３の半導体発光素子において、
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項５の半導体発光素子は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記活性層の上端から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成したことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項６の半導体発光素子は、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記発光領域側の素子端面（２０ａ）と前記活性層を導波する光の光軸線との交差角、または、前記位相調整領域側の素子端面（２０ｂ）と前記導波路層を導波する光の光軸線との交差角の少なくとも一方が、非直交であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項７の外部共振器型レーザ光源は、
前記発光領域側の素子端面と前記位相調整領域側の素子端面のうちの一方の素子端面の反射率が、他方の素子端面の反射率より低く形成された前記請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子（２０、２０′）と、
前記半導体発光素子の前記一方の素子端面から出射された光を受け、その少なくとも一部を前記一方の素子端面に帰還させる光帰還部（１０２）とを備え、
前記半導体発光素子の前記他方の素子端面と前記光帰還部とを対向する反射器として発振することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、上記のように位相調整領域の導波路層に接する第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度を、導波路層から所定距離の範囲で極大となるようにしたので、位相調整領域の導波路層と第２ｐ型クラッド層とのΔＥｃが小さいことによって生じる電子のオーバーフローを抑制することができ、これにより最大位相調整量を拡大することができる。特に導波路層から２５〜１５０ｎｍの範囲で極大値となるようにすることで導波路層からオーバーフローする電子を効果的にブロックすることができ、最大位相調整量を大幅に拡大することができる。
【００２３】
また、第３ｐ型クラッド層の発光領域と位相調整領域の境界部分に分離溝を設けているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域から位相調整領域へのリーク電流を大幅に減少させることができる。
【００２４】
また、第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点（活性層、導波路層から遠い上層側）におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点（活性層、導波路層に近い下層側）におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたものでは、膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減することが可能となる。
【００２５】
また、発光領域の第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度を、活性層から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成した場合には、発光領域における注入キャリアのオーバーフローを抑制することができ、発光に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した半導体発光素子２０の外観図、図２は平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面を示している。
【００２７】
これらの図に示しているように、この半導体発光素子２０は、ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板２１（以下、単に基板２１と記す）を有している。基板２１は、後述するメサ構造のｎ型クラッド層も兼ねており、ほぼ一定のドーピング濃度（例えば１×１０１８／ｃｍ３）を有している。
【００２８】
基板２１の上の一端側（図２、３で右端側）には発光領域２２が形成され、他端側（図２、３で左端側）には位相調整領域３０が形成されている。
【００２９】
発光領域２２には、基板２１の上の中央にほぼ一定幅（例えば５μｍ）でＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる活性層２３が形成され、その上にＩｎＰからなる第１ｐ型クラッド層２４が所定厚さ（例えば２５０ｎｍ）で形成されている。なお、ここで言う活性層２３は、多重量子井戸層（ＭＱＷ）とそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。また、第１ｐ型クラッド層２４のドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、後述するように、ある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。
【００３０】
一方、位相調整領域３０側の基板２１の上の中央には、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層３１が活性層２３と光学的に結合されるように形成されている。ここで、活性層２３は、注入電流によりある波長範囲の光に対して利得を有し、長さ方向に光を伝搬させるように形成されているのに対し、導波路層３１は主にその光に対する導波作用を有するが、その光に対して利得を有していてもよい。
【００３１】
なお、導波路層３１のエネルギーギャップは、前記光のエネルギーより大きくなるように設定されており、導波路層での前記光の吸収は生じない。
【００３２】
この導波路層３１の上には、第２ｐ型クラッド層３２が第１ｐ型クラッド層２４とほぼ同じ厚さで連続するように形成されている。活性層２３と導波路層３１の接続位置と、第１ｐ型クラッド層２４と第２ｐ型クラッド層３２との接続位置は一致している。
【００３３】
そして、第１ｐ型クラッド層２４と第２ｐ型クラッド層３２の上および側方には、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層４０が形成されている。
【００３４】
また、活性層２３の側部の基板２１の上部にはｐ型のＩｎＰからなる埋め込み層４２が形成され、その埋め込み層４２の上部にはｎ型のＩｎＰからなる埋め込み層４３が形成されている。
【００３５】
そして、第３ｐ型クラッド層４０の発光領域２２と位相調整領域３０の境界部分は、活性層２３と導波路層３１とが光学的に結合された橋渡部５０と、その左右の側方の領域に設けられた分離溝５１、５２から構成されている。橋渡部５０は、後述する素子サイズにおいて、例えば長さ５０μｍ、幅１５μｍ、深さ７．５μｍ程度としている。
【００３６】
この分離溝５１、５２は、第３ｐ型クラッド層４０だけでなく、埋め込み層４２、４３と基板２１との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。
【００３７】
橋渡部５０の長さ方向は、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性領域長が減少すると発光強度が低下したり、位相調整領域長が減少すると最大位相調整量が減少してしまうため、後述する素子長の下では２５μｍ〜１００μｍの範囲としている。
【００３８】
また、橋渡部５０の幅は、狭い程高い分離抵抗が得られるが、活性層２３や導波路層３１の幅（後述する素子サイズにおいて例えば５μｍ）に対して余裕をもたせる必要があり、また光のスポットサイズの大きさなどを考慮して１０μｍ〜２０μｍの範囲としている。深さについては、基板２１と埋め込み層の界面よりも深くエッチングすることで正孔のリークを制限することが可能となるため５μｍ〜１０μｍの範囲としている。
【００３９】
分離溝５１、５２を境にして発光領域２２側の第３ｐ型クラッド層４０の上には、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６１が形成され、位相調整領域３０側の第３ｐ型クラッド層４０の上にも、同様にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６２が形成され、それぞれのコンタクト層６１、６２の上には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）からなる第１の上部電極７１、第２の上部電極７２が蒸着形成されている。また、基板２１の下面側全体に、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、白金（Ｐｔ）からなる下部電極７３が蒸着形成されている。
【００４０】
次に、図４を用いて上記半導体発光素子２０を用いた外部共振器型レーザ光源８０について説明する。
【００４１】
この外部共振器型レーザ光源８０は、半導体発光素子２０、コリメートレンズ１００、波長可変フィルタ１０１、全反射ミラー１０２とから構成され、半導体発光素子２０の一方の素子端面２０ａから出射された光をコリメートレンズ１００により平行光に変換して波長可変フィルタ１０１に入射し、その出力光を全反射ミラー１０２により逆光路で半導体発光素子２０の素子端面２０ａに戻す構成となっている。なお、半導体発光素子２０の一方の素子端面２０ａには、素子端面２０ａでの光の反射を防止するための反射防止膜７５が形成されている。
【００４２】
このような構造を有する外部共振器型レーザ光源８０の場合、半導体発光素子２０の第１の上部電極７１と下部電極７３との間に所定電流（数１００ｍＡ〜１Ａ）を流すことで、活性層内部が発光状態となり、その光が活性層２３と導波路層３１に沿って伝搬し、素子端面２０ｂと全反射ミラー１０２で構成された外部共振器で全反射ミラー１０２での反射光を半導体発光素子２０に戻すと、活性層２３と導波路層３１の屈折率等によって決まる実効的な共振光路長と波長可変フィルタ１０１の透過率に応じた波長の光で発振する。
【００４３】
なお、出射端面は、発光領域側の素子端面２０ａに限られるものではない。即ち、両素子端面２０ａ、２０ｂの一方の素子端面の反射率を他方より低く構成し、その一方の素子端面側に全反射ミラー１０２等の光帰還部を配置すれば、他方の素子端面と全反射ミラーとで外部共振器が構成されて、他方の素子端面から所望波長の光を出射させることができる。
【００４４】
ここで、位相調整領域３０側の第２の上部電極７２と下部電極７３との間に電流を流し、その電流値を例えば０〜数１０ｍＡの範囲で変化させることで、導波路層３１の屈折率を変化させて、出射波長の変化や、波長可変フィルタ１０１の透過率のピークにファブリペロモードのピークを一致させることができ、モードホップの発生を防ぐことができる。
【００４５】
ただし、前記したように、上記のような位相調整領域３０を有する半導体発光素子では、導波路層とクラッド層の伝導帯バンド不連続（ΔＥｃ）が小さいためにキャリアのオーバーフローが生じやすく、位相調整できる範囲が狭いという問題があった。
【００４６】
そこで発明者らは、上記構造の半導体発光素子２０について種々の実験を行った結果、位相調整領域３０における導波路層３１の上の第２ｐ型クラッド層３２のドーピング濃度にある特徴的な分布、即ち導波路層３１から所定距離の範囲で極大をもつ分布を与えることでこの位相調整領域におけるオーバーフローを抑制して無駄な電流を流すことなく最大位相調整範囲を拡大できることを見出した。
【００４７】
これを表したのが図５である。各種実験を行った結果、特性Ｆのように位相調整領域３０の導波路層３１に接する第２ｐ型クラッド層３２の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層３１の上端から所定範囲、特に２５〜１５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域３０における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。なお、特性Ｆ′は実際のドーピング濃度分布の例である。
【００４８】
このように導波路層３１に比較的近い位置に極大位置を設定することで無効電流として拡散するキャリア（電子）のブロッキングに効果的であることがわかった。特に高注入領域における効率の改善が確認された。
【００４９】
図６は、その効果を示したもので、横軸を位相調整領域への注入電流Ｉｐｃ（ｍＡ）、縦軸を波長λ（ｎｍ）とし、１つのファブリペロモードに着目し、位相調整領域に電流Ｉｐｃを徐々に注入した際の周波数変化（波長変化）を測定したものである。
【００５０】
なお、図６の下側の特性（黒丸でプロットした特性）は、第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度が導波路層の上端から３５ｎｍの距離で極大値となるように設定したものであり、上側の特性（黒四角でプロットした特性）は、第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度を一様にした従来素子のものである。
【００５１】
この図６から明らかなように、ファブリペロモードのシフト量は、ドーピング濃度が一様な従来素子の場合では、Ｉｐｃが約５ｍＡにおいて既に飽和しつつあり、最大シフト量が２πであるのに対し、ドーピング濃度の分布で所定距離に極大値を与えた本実施形態の素子では、Ｉｐｃが約５ｍＡにおいても飽和せずにより大きなシフト量を示しており、最大シフト量は３πまで改善されていることがわかる。
【００５２】
なお、図５に示したようにドーピング濃度の極大値を７×１０１７／ｃｍ３程度にすることで、導波路層３１へ拡散するＺｎを最小限にすることが可能で正孔による損失を最小限に留め、且つ注入電子のオーバーフローを抑制し高い変換効率を得ることができた。
【００５３】
ここでは位相調整領域３０の第２ｐ型クラッド層３２のドーピング濃度に特徴的な分布を与えて変換効率を向上させているが、発光領域２２側の第１ｐ型クラッド層２４についても、例えば図７の特性Ｇ（実際には例えば特性Ｇ′）のように、活性層から５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲で極大となるような分布を与えることで、発光効率を向上させることができ、上記した位相調整領域３０のドーピング濃度分布と併用することで高効率が実現できる。
【００５４】
ただし、上記した位相調整領域３０の第２ｐ型クラッド層３２のドーピング濃度の分布は発光領域２２の濃度分布に依存しないので、発光領域２２の構造によらずに上記効果を奏するものである。
【００５５】
また、上記したように発光領域２２と位相調整領域３０の境界部分の第３ｐ型クラッド層４０に、活性層２３と導波路層３１とが光学的に結合された橋渡部５０を残すようにして分離溝５１、５２を設けているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域２２から位相調整領域３０へのリーク電流を大幅に低減しつつ、橋渡部５０を導波される光の反射を極めて少なくすることができる。
【００５６】
また、第３ｐ型クラッド層４０のドーピングプロファイルは、直列抵抗と導波路損失を決定するため重要である。
【００５７】
発光領域の膜厚方向の直列（シリーズ）抵抗が高いと、モードホップが起こり易い。これは電流注入で生じるジュール熱により屈折率が変化して長波化するために起こる現象である。電流を注入しファブリペロモードの中の一つのモードから隣のモード変わるまでの電流差分をモードホップ電流Ｉhop と呼ぶが、このモードホップ電流Ｉhop が高いほど、一つのモードにおける安定動作の範囲が広くなるため好ましい。
【００５８】
つまりモードホップ電流Ｉhop を高くするために、ドーピング濃度を高く設定し直列抵抗を下げることが望まれる。その一方、活性層、導波路層に近い領域のドーピング濃度を高く設定すると、損失が増加する。
【００５９】
よって、第３ｐ型クラッド層４０のドーピングプロファイルは、第３ｐ型クラッド層全体の直列抵抗をモードホップが発生しない所定値になるようにするとともに、活性層、導波路層に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）では低くする必要がある。
【００６０】
その一つのドーピングプロファイルの特性を図８に示す。この特性Ｈでは、ドーピング濃度を、活性層、導波路層に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）から活性層、導波路層から遠い上層領域（厚さ方向の終点部分）に向かって、３．０×１０１７、８．５×１０１７、１．８×１０１８（／ｃｍ３）と段階的に大きくなるようにしている。この結果、前記直列抵抗値０．５Ωが得られている。経験的に言えばこの直列抵抗としては０．７Ω以下が望ましく、そのためには、厚さ方向の終点におけるドーピング濃度を、１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲にすればよいことを確認している。
【００６１】
さらに、その層厚ｔを２μｍ〜３．２μｍの範囲に制限することで、導波路層３１の近傍の損失を低減しつつ、発光領域２２から位相調整領域３０への分離抵抗を１ｋΩにすることができた。なお、第３ｐ型クラッド層４０の層厚ｔをより小さくすれば分離抵抗をさらに大きくできるが、出射端面のスポットサイズより小さくなってしまい、損失が増加したり、導波できなくなる。また、層厚を３．２μｍより大きくすると第３ｐ型クラッド層４０の抵抗が減少して領域間の分離抵抗が小さくなってしまうので、上記層厚の範囲が好ましい。
【００６２】
なお、図８において、ドーピング濃度を３段階で大きくしていたが、変化段数は２段でも４段以上でもよく、また、図９の特性Ｈ′のように直線的に大きくしてもよく、段階的な変化と直線的変化を併用してもよい。
【００６３】
次に、前記半導体発光素子２０の製造方法について説明する。
始めに、図１０のように、ドーピング濃度１×１０１８（／ｃｍ３）のｎ型のＩｎＰからなる基板１２１を用意し、その上に、図１１のように、ＭＯＶＰＥ法により、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１２２を成長形成する、さらにその上に第１ｐ型クラッド層１２３を積層させる。なお、ここで言う活性層１２２は、多重量子井戸層（ＭＱＷ）とそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。また、第１ｐ型クラッド層１２３の厚さは例えば２５０ｎｍであり、そのドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、前記したようにある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。
【００６４】
次に、図１２のように、第１ｐ型クラッド層１２３の上にＳｉＯ２またはＳｉＮｘからなる絶縁膜１２５をプラズマＣＶＤ法等により数１０ｎｍ堆積し、さらにその上にレジスト１２６を塗布する。
【００６５】
続いて、フォトリソグラフィにより、図１３のように、位相調整領域の作製部分のレジストを取り除き、図１４のようにエッチング処理により、レジスト１２６′で覆われていない領域の絶縁膜を除去する。
【００６６】
さらに、図１５のように、残っているレジスト１２６′を剥離して、絶縁膜１２５′をマスクとするエッチング処理により、図１６のように、絶縁膜１２５′に覆われていない領域の第１ｎ型クラッド層１２３および活性層１２２を除去する。ここで、第１ｎ型クラッド層１２３のＩｎＰに対しては例えば塩酸リン酸エッチャント、活性層１２２に対しては塩酸＋過酸化水素＋水を用いてエッチング処理する。
【００６７】
次に、図１７のように、上記エッチング処理された部分の基板１２１の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層１３１を、活性層１２２′と連続するように成長形成し、その上にＩｎＰからなる第２ｐ型クラッド層１３２を第１ｐ型クラッド層１２３′とほぼ同一高さとなるように積層する。
【００６８】
次に、残った絶縁膜１２５′を剥離してから、図１８のように新たに絶縁膜１４０を全面に堆積させ、その上にレジスト１４１を塗布する。
【００６９】
そして、メサ構造を作製するために、図１９のようにフォトリソグラフィによりレジスト１４１の中央部を残し、その両側を除去する。
【００７０】
さらに、一定幅の線状に残ったレジスト１４１′をマスクとして、図２０のように、絶縁膜１４０の両側をエッチング処理により除去する。
【００７１】
続いて残ったレジスト１４１′を剥離除去して、絶縁膜１４０′をマスクとするエッチングを行い、図２１のように、断面がほぼ台形状（メサ構造）に連続した活性層１２２′（２３）と導波路層１３１′（３１）と、その上に台形状に連続した第１ｐ型クラッド層１２３′（２４）と第２ｐ型クラッド層１３２′（３２）を形成する。
【００７２】
次に、図２２のように、活性層２４および導波路層３１の両側にｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層１４２（４２）とｎ型ＩｎＰからなる埋め込み層１４３（４３）を形成する。そして、その上に、図２３のように、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層１４５（４０）を成長形成し、さらにその上にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１４６を形成する。
【００７３】
そして、図２４のように、コンタクト層１４６の上で発光領域２２を形成する部分に、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第１の上部電極１７１を蒸着し、位相調整領域３０を形成する部分にも、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第２の上部電極１７２を蒸着し、さらに、基板１２１の下面側を研磨してＡｕ、Ｇｅ、Ｐｔからなる下部電極１７３を蒸着する。
【００７４】
そして、最後に、前記した橋渡部５０、分離溝５１、５２を形成するためのエッチング処理を行うことにより、図１に示した半導体発光素子２０が完成する。
【００７５】
なお、この処理については詳述しないが、フォトリソグラフィ行程によりレジストをマスクとしてエッチング処理を行うものであり、コンタクト層１４６に対しては、例えば硫酸系エッチャント（選択エッチャント）を用いて第３ｐ型クラッド層（ＩｎＰ）１４５（４０）をエッチストップ層としてエッチングを行う。また、また、第３ｐ型クラッド層１４５、各埋め込み層１４２、１４３および基板１２１に対しては、例えば塩酸リン酸エッチャントを用いてエッチングする。これにより、長さ１０００μｍ、幅４００μｍ、厚さ１００μｍの素子が完成する。
【００７６】
図２５は、図４の半導体発光素子２０の構成を変更した外部共振器型レーザ光源８０の構成例である。即ち、この半導体発光素子２０′の基本構造は前記半導体発光素子２０と同じであるが、発光領域側の端面反射成分を抑圧するために、活性層２３と第１ｐ型クラッド層２４をふくむメサ型の導波路の先端側が素子端面２０ａに対して非直交状態で斜めに交差するように形成して（言い換えれば、素子端面２０ａと活性層２３を導波する光の光軸線とが非直交状態で交差するようにして）、素子端面での反射成分が活性層２３に戻ることを防止している。この構成の半導体発光素子の場合、位相調整領域側の素子端面２０ｂから所望波長の光を出射させたり、あるいはコリメートレンズ１００と波長可変フィルタ１０１の間に光を分岐するカプラやハーフミラー等を設けて出射させる。
【００７７】
なお、位相調整領域側の導波路層３１を位相調整領域側の素子端面２０ｂに非直交状態で斜めに交差するように形成して素子端面に対して出射光の光軸線を斜めに交差させてもよく、活性層２３と素子端面２０ａとの交差角および導波路層３１と素子端面２０ｂとの交差角をともに非直交にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態の半導体発光素子の外観図
【図２】実施形態の平面図
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図
【図４】実施形態の半導体発光素子を用いた外部共振器型レーザ光源の構成例を示す図
【図５】位相調整領域のｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図６】位相調整領域への注入電流と位相調整量との関係を示す図
【図７】発光領域のｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図８】第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図９】第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図の別の例
【図１０】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１１】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１２】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１３】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１４】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１５】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１６】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１７】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１８】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１９】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２０】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２１】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２２】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２３】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２４】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２５】外部共振器型レーザ光源の別の構成図
【符号の説明】
【００７９】
２０、２０′……半導体発光素子、２１……基板、２２……発光領域、２３……活性層、２４……第１ｐ型クラッド層、３０……位相調整領域、３１……導波路層、３２……第２ｐ型クラッド層、４０……第３ｐ型クラッド層、５０……橋渡部、５１、５２……分離溝、６１、６２……コンタクト層、７１……第１の上部電極、７２……第２の上部電極、７３……下部電極、８０……外部共振器型レーザ光源、１００……コリメートレンズ、１０１……波長可変フィルタ、１０２……全反射ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層を含む発光領域と、導波路層を含む位相調整領域とを有し、出射光の波長変化が可能な半導体発光素子において、位相調整量を改善するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信において、波長多重通信の要求が高まっており、発振波長の変化が可能な半導体発光素子が提案されており、この種の半導体発光素子には、モードホップしないように発振波長を変化させたときに、ファブリペロモードの位相を調整するための位相調整領域を有しているものがある。
【０００３】
半導体発光素子と外部反射鏡を用いた外部共振器型レーザは、波長可変フィルタを挿入することで、発振波長を選択することが可能になる。発振およびその波長選択の原理は以下のようになる。
【０００４】
半導体発光素子から出射される光は外部共振器長に依存する多数のファブリペロモード（間隔Δλ）を含んでいる。この多数のファブリペロモードのうち、波長可変フィルタの透過特性を満たすファブリペロモードのみが透過して外部反射鏡で反射されて半導体発光素子に戻り発振することになる。
【０００５】
波長可変フィルタで発振波長を変化させると、波長可変フィルタの透過率のピーク位置と、透過したファブリペロモードは必ずしも一致するとは限らない。このため安定した発振を継続させるためには波長可変フィルタの透過率のピーク位置に、透過したファブリペロモードのピークを一致させるために位相を調整する必要がある。
【０００６】
半導体発光素子の場合には、キャリアを注入すると屈折率が減少するというプラズマ効果が知られている。屈折率が減少すると外部共振器長は短尺化し、波長変化は負（短波長）に変化することになるため、キャリアの注入、つまり電流の制御により位相を調整することが可能になる。
【０００７】
ここで、初期の波長から最も短波化した波長との差を、ファブリペロモード間隔Δλで除して２πを乗じた値を最大位相調整量と呼ぶ。
【０００８】
また、ファブリペロモード間隔Δλ、波長変化Δλ′は、外部共振器長の変化ΔＬ、初期の外部共振器長Ｌ０、半導体発光素子の物理的長さｌ、半導体発光素子以外の物理的長さｌ′、波長λ０、等価屈折率ｎｅｑを用いて以下のように表される（ただし、半導体発光素子以外の光路は全て空気中とし、空気の屈折率は１とした）。
【０００９】
Δλ＝λ０２／（２Ｌ０） ……（１）
Δλ′＝λ０（ΔＬ／Ｌ０） ……（２）
Ｌ０＝ｎｅｑ・ｌ＋ｌ′ ……（３）
【００１０】
なお、上記したように位相調整領域を有する半導体発光素子と波長可変フィルタと反射鏡を用いた外部共振器型レーザ光源は、例えば次の特許文献１に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／００８８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記したような位相調整領域を有する半導体発光素子では、モードホップしないように、フィルタの透過率のピークにファブリペロモードのピークを一致させる必要があるが、従来の半導体発光素子では、位相調整領域の導波路層とｐ型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔＥｃが小さいために、電子のオーバーフローが生じ易く、このオーバーフローによって最大位相調整量が制限されてしまうという問題があり、安定した発振を維持する目的で最大位相調整量を拡大することが強く望まれていた。
【００１３】
本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、最大位相調整量を拡大した半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１４】
なお、発明者らは、種々の実験を行った結果、位相調整領域における導波路層の上に積層されるクラッド層のドーピング濃度にある特徴的な分布与えることでこの最大位相調整量を大幅に拡大できることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の半導体発光素子は、
ｎ型半導体基板（２１）と、
前記ｎ型半導体基板の上に形成された活性層（２３）と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２４）とを有し、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域（２２）と、
前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層（３１）と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（３２）とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化する位相調整領域（３０）とを有する半導体発光素子において、
前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項２の半導体発光素子は、請求項１の半導体発光素子において、
前記所定距離範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項３の半導体発光素子は、請求項１または請求項２の半導体発光素子において、
前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（４０）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（５１、５２）が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項４の半導体発光素子は、請求項３の半導体発光素子において、
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項５の半導体発光素子は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記活性層の上端から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成したことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項６の半導体発光素子は、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子において、
前記発光領域側の素子端面（２０ａ）と前記活性層を導波する光の光軸線との交差角、または、前記位相調整領域側の素子端面（２０ｂ）と前記導波路層を導波する光の光軸線との交差角の少なくとも一方が、非直交であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項７の外部共振器型レーザ光源は、
前記発光領域側の素子端面と前記位相調整領域側の素子端面のうちの一方の素子端面の反射率が、他方の素子端面の反射率より低く形成された前記請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子（２０、２０′）と、
前記半導体発光素子の前記一方の素子端面から出射された光を受け、その少なくとも一部を前記一方の素子端面に帰還させる光帰還部（１０２）とを備え、
前記半導体発光素子の前記他方の素子端面と前記光帰還部とを対向する反射器として発振することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、上記のように位相調整領域の導波路層に接する第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度を、導波路層から所定距離の範囲で極大となるようにしたので、位相調整領域の導波路層と第２ｐ型クラッド層とのΔＥｃが小さいことによって生じる電子のオーバーフローを抑制することができ、これにより最大位相調整量を拡大することができる。特に導波路層から２５〜１５０ｎｍの範囲で極大値となるようにすることで導波路層からオーバーフローする電子を効果的にブロックすることができ、最大位相調整量を大幅に拡大することができる。
【００２３】
また、第３ｐ型クラッド層の発光領域と位相調整領域の境界部分に分離溝を設けているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域から位相調整領域へのリーク電流を大幅に減少させることができる。
【００２４】
また、第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点（活性層、導波路層から遠い上層側）におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点（活性層、導波路層に近い下層側）におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたものでは、膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減することが可能となる。
【００２５】
また、発光領域の第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度を、活性層から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成した場合には、発光領域における注入キャリアのオーバーフローを抑制することができ、発光に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した半導体発光素子２０の外観図、図２は平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面を示している。
【００２７】
これらの図に示しているように、この半導体発光素子２０は、ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板２１（以下、単に基板２１と記す）を有している。基板２１は、後述するメサ構造のｎ型クラッド層も兼ねており、ほぼ一定のドーピング濃度（例えば１×１０１８／ｃｍ３）を有している。
【００２８】
基板２１の上の一端側（図２、３で右端側）には発光領域２２が形成され、他端側（図２、３で左端側）には位相調整領域３０が形成されている。
【００２９】
発光領域２２には、基板２１の上の中央にほぼ一定幅（例えば５μｍ）でＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる活性層２３が形成され、その上にＩｎＰからなる第１ｐ型クラッド層２４が所定厚さ（例えば２５０ｎｍ）で形成されている。なお、ここで言う活性層２３は、多重量子井戸層（ＭＱＷ）とそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。また、第１ｐ型クラッド層２４のドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、後述するように、ある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。
【００３０】
一方、位相調整領域３０側の基板２１の上の中央には、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層３１が活性層２３と光学的に結合されるように形成されている。ここで、活性層２３は、注入電流によりある波長範囲の光に対して利得を有し、長さ方向に光を伝搬させるように形成されているのに対し、導波路層３１は主にその光に対する導波作用を有するが、その光に対して利得を有していてもよい。
【００３１】
なお、導波路層３１のエネルギーギャップは、前記光のエネルギーより大きくなるように設定されており、導波路層での前記光の吸収は生じない。
【００３２】
この導波路層３１の上には、第２ｐ型クラッド層３２が第１ｐ型クラッド層２４とほぼ同じ厚さで連続するように形成されている。活性層２３と導波路層３１の接続位置と、第１ｐ型クラッド層２４と第２ｐ型クラッド層３２との接続位置は一致している。
【００３３】
そして、第１ｐ型クラッド層２４と第２ｐ型クラッド層３２の上および側方には、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層４０が形成されている。
【００３４】
また、活性層２３の側部の基板２１の上部にはｐ型のＩｎＰからなる埋め込み層４２が形成され、その埋め込み層４２の上部にはｎ型のＩｎＰからなる埋め込み層４３が形成されている。
【００３５】
そして、第３ｐ型クラッド層４０の発光領域２２と位相調整領域３０の境界部分は、活性層２３と導波路層３１とが光学的に結合された橋渡部５０と、その左右の側方の領域に設けられた分離溝５１、５２から構成されている。橋渡部５０は、後述する素子サイズにおいて、例えば長さ５０μｍ、幅１５μｍ、深さ７．５μｍ程度としている。
【００３６】
この分離溝５１、５２は、第３ｐ型クラッド層４０だけでなく、埋め込み層４２、４３と基板２１との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。
【００３７】
橋渡部５０の長さ方向は、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性領域長が減少すると発光強度が低下したり、位相調整領域長が減少すると最大位相調整量が減少してしまうため、後述する素子長の下では２５μｍ〜１００μｍの範囲としている。
【００３８】
また、橋渡部５０の幅は、狭い程高い分離抵抗が得られるが、活性層２３や導波路層３１の幅（後述する素子サイズにおいて例えば５μｍ）に対して余裕をもたせる必要があり、また光のスポットサイズの大きさなどを考慮して１０μｍ〜２０μｍの範囲としている。深さについては、基板２１と埋め込み層の界面よりも深くエッチングすることで正孔のリークを制限することが可能となるため５μｍ〜１０μｍの範囲としている。
【００３９】
分離溝５１、５２を境にして発光領域２２側の第３ｐ型クラッド層４０の上には、ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６１が形成され、位相調整領域３０側の第３ｐ型クラッド層４０の上にも、同様にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６２が形成され、それぞれのコンタクト層６１、６２の上には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）からなる第１の上部電極７１、第２の上部電極７２が蒸着形成されている。また、基板２１の下面側全体に、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、白金（Ｐｔ）からなる下部電極７３が蒸着形成されている。
【００４０】
次に、図４を用いて上記半導体発光素子２０を用いた外部共振器型レーザ光源８０について説明する。
【００４１】
この外部共振器型レーザ光源８０は、半導体発光素子２０、コリメートレンズ１００、波長可変フィルタ１０１、全反射ミラー１０２とから構成され、半導体発光素子２０の一方の素子端面２０ａから出射された光をコリメートレンズ１００により平行光に変換して波長可変フィルタ１０１に入射し、その出力光を全反射ミラー１０２により逆光路で半導体発光素子２０の素子端面２０ａに戻す構成となっている。なお、半導体発光素子２０の一方の素子端面２０ａには、素子端面２０ａでの光の反射を防止するための反射防止膜７５が形成されている。
【００４２】
このような構造を有する外部共振器型レーザ光源８０の場合、半導体発光素子２０の第１の上部電極７１と下部電極７３との間に所定電流（数１００ｍＡ〜１Ａ）を流すことで、活性層内部が発光状態となり、その光が活性層２３と導波路層３１に沿って伝搬し、素子端面２０ｂと全反射ミラー１０２で構成された外部共振器で全反射ミラー１０２での反射光を半導体発光素子２０に戻すと、活性層２３と導波路層３１の屈折率等によって決まる実効的な共振光路長と波長可変フィルタ１０１の透過率に応じた波長の光で発振する。
【００４３】
なお、出射端面は、発光領域側の素子端面２０ａに限られるものではない。即ち、両素子端面２０ａ、２０ｂの一方の素子端面の反射率を他方より低く構成し、その一方の素子端面側に全反射ミラー１０２等の光帰還部を配置すれば、他方の素子端面と全反射ミラーとで外部共振器が構成されて、他方の素子端面から所望波長の光を出射させることができる。
【００４４】
ここで、位相調整領域３０側の第２の上部電極７２と下部電極７３との間に電流を流し、その電流値を例えば０〜数１０ｍＡの範囲で変化させることで、導波路層３１の屈折率を変化させて、出射波長の変化や、波長可変フィルタ１０１の透過率のピークにファブリペロモードのピークを一致させることができ、モードホップの発生を防ぐことができる。
【００４５】
ただし、前記したように、上記のような位相調整領域３０を有する半導体発光素子では、導波路層とクラッド層の伝導帯バンド不連続（ΔＥｃ）が小さいためにキャリアのオーバーフローが生じやすく、位相調整できる範囲が狭いという問題があった。
【００４６】
そこで発明者らは、上記構造の半導体発光素子２０について種々の実験を行った結果、位相調整領域３０における導波路層３１の上の第２ｐ型クラッド層３２のドーピング濃度にある特徴的な分布、即ち導波路層３１から所定距離の範囲で極大をもつ分布を与えることでこの位相調整領域におけるオーバーフローを抑制して無駄な電流を流すことなく最大位相調整範囲を拡大できることを見出した。
【００４７】
これを表したのが図５である。各種実験を行った結果、特性Ｆのように位相調整領域３０の導波路層３１に接する第２ｐ型クラッド層３２の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層３１の上端から所定範囲、特に２５〜１５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成することで、位相調整領域３０における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。なお、特性Ｆ′は実際のドーピング濃度分布の例である。
【００４８】
このように導波路層３１に比較的近い位置に極大位置を設定することで無効電流として拡散するキャリア（電子）のブロッキングに効果的であることがわかった。特に高注入領域における効率の改善が確認された。
【００４９】
図６は、その効果を示したもので、横軸を位相調整領域への注入電流Ｉｐｃ（ｍＡ）、縦軸を波長λ（ｎｍ）とし、１つのファブリペロモードに着目し、位相調整領域に電流Ｉｐｃを徐々に注入した際の周波数変化（波長変化）を測定したものである。
【００５０】
なお、図６の下側の特性（黒丸でプロットした特性）は、第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度が導波路層の上端から３５ｎｍの距離で極大値となるように設定したものであり、上側の特性（黒四角でプロットした特性）は、第２ｐ型クラッド層のドーピング濃度を一様にした従来素子のものである。
【００５１】
この図６から明らかなように、ファブリペロモードのシフト量は、ドーピング濃度が一様な従来素子の場合では、Ｉｐｃが約５ｍＡにおいて既に飽和しつつあり、最大シフト量が２πであるのに対し、ドーピング濃度の分布で所定距離に極大値を与えた本実施形態の素子では、Ｉｐｃが約５ｍＡにおいても飽和せずにより大きなシフト量を示しており、最大シフト量は３πまで改善されていることがわかる。
【００５２】
なお、図５に示したようにドーピング濃度の極大値を７×１０１７／ｃｍ３程度にすることで、導波路層３１へ拡散するＺｎを最小限にすることが可能で正孔による損失を最小限に留め、且つ注入電子のオーバーフローを抑制し高い変換効率を得ることができた。
【００５３】
ここでは位相調整領域３０の第２ｐ型クラッド層３２のドーピング濃度に特徴的な分布を与えて変換効率を向上させているが、発光領域２２側の第１ｐ型クラッド層２４についても、例えば図７の特性Ｇ（実際には例えば特性Ｇ′）のように、活性層から５０ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲で極大となるような分布を与えることで、発光効率を向上させることができ、上記した位相調整領域３０のドーピング濃度分布と併用することで高効率が実現できる。
【００５４】
ただし、上記した位相調整領域３０の第２ｐ型クラッド層３２のドーピング濃度の分布は発光領域２２の濃度分布に依存しないので、発光領域２２の構造によらずに上記効果を奏するものである。
【００５５】
また、上記したように発光領域２２と位相調整領域３０の境界部分の第３ｐ型クラッド層４０に、活性層２３と導波路層３１とが光学的に結合された橋渡部５０を残すようにして分離溝５１、５２を設けているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域２２から位相調整領域３０へのリーク電流を大幅に低減しつつ、橋渡部５０を導波される光の反射を極めて少なくすることができる。
【００５６】
また、第３ｐ型クラッド層４０のドーピングプロファイルは、直列抵抗と導波路損失を決定するため重要である。
【００５７】
発光領域の膜厚方向の直列（シリーズ）抵抗が高いと、モードホップが起こり易い。これは電流注入で生じるジュール熱により屈折率が変化して長波化するために起こる現象である。電流を注入しファブリペロモードの中の一つのモードから隣のモード変わるまでの電流差分をモードホップ電流Ｉhop と呼ぶが、このモードホップ電流Ｉhop が高いほど、一つのモードにおける安定動作の範囲が広くなるため好ましい。
【００５８】
つまりモードホップ電流Ｉhop を高くするために、ドーピング濃度を高く設定し直列抵抗を下げることが望まれる。その一方、活性層、導波路層に近い領域のドーピング濃度を高く設定すると、損失が増加する。
【００５９】
よって、第３ｐ型クラッド層４０のドーピングプロファイルは、第３ｐ型クラッド層全体の直列抵抗をモードホップが発生しない所定値になるようにするとともに、活性層、導波路層に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）では低くする必要がある。
【００６０】
その一つのドーピングプロファイルの特性を図８に示す。この特性Ｈでは、ドーピング濃度を、活性層、導波路層に近い下層領域（厚さ方向の始点部分）から活性層、導波路層から遠い上層領域（厚さ方向の終点部分）に向かって、３．０×１０１７、８．５×１０１７、１．８×１０１８（／ｃｍ３）と段階的に大きくなるようにしている。この結果、前記直列抵抗値０．５Ωが得られている。経験的に言えばこの直列抵抗としては０．７Ω以下が望ましく、そのためには、厚さ方向の終点におけるドーピング濃度を、１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲にすればよいことを確認している。
【００６１】
さらに、その層厚ｔを２μｍ〜３．２μｍの範囲に制限することで、導波路層３１の近傍の損失を低減しつつ、発光領域２２から位相調整領域３０への分離抵抗を１ｋΩにすることができた。なお、第３ｐ型クラッド層４０の層厚ｔをより小さくすれば分離抵抗をさらに大きくできるが、出射端面のスポットサイズより小さくなってしまい、損失が増加したり、導波できなくなる。また、層厚を３．２μｍより大きくすると第３ｐ型クラッド層４０の抵抗が減少して領域間の分離抵抗が小さくなってしまうので、上記層厚の範囲が好ましい。
【００６２】
なお、図８において、ドーピング濃度を３段階で大きくしていたが、変化段数は２段でも４段以上でもよく、また、図９の特性Ｈ′のように直線的に大きくしてもよく、段階的な変化と直線的変化を併用してもよい。
【００６３】
次に、前記半導体発光素子２０の製造方法について説明する。
始めに、図１０のように、ドーピング濃度１×１０１８（／ｃｍ３）のｎ型のＩｎＰからなる基板１２１を用意し、その上に、図１１のように、ＭＯＶＰＥ法により、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１２２を成長形成する、さらにその上に第１ｐ型クラッド層１２３を積層させる。なお、ここで言う活性層１２２は、多重量子井戸層（ＭＱＷ）とそれを挟むＳＣＨ層を含むものとする。また、第１ｐ型クラッド層１２３の厚さは例えば２５０ｎｍであり、そのドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、前記したようにある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。
【００６４】
次に、図１２のように、第１ｐ型クラッド層１２３の上にＳｉＯ２またはＳｉＮｘからなる絶縁膜１２５をプラズマＣＶＤ法等により数１０ｎｍ堆積し、さらにその上にレジスト１２６を塗布する。
【００６５】
続いて、フォトリソグラフィにより、図１３のように、位相調整領域の作製部分のレジストを取り除き、図１４のようにエッチング処理により、レジスト１２６′で覆われていない領域の絶縁膜を除去する。
【００６６】
さらに、図１５のように、残っているレジスト１２６′を剥離して、絶縁膜１２５′をマスクとするエッチング処理により、図１６のように、絶縁膜１２５′に覆われていない領域の第１ｎ型クラッド層１２３および活性層１２２を除去する。ここで、第１ｎ型クラッド層１２３のＩｎＰに対しては例えば塩酸リン酸エッチャント、活性層１２２に対しては塩酸＋過酸化水素＋水を用いてエッチング処理する。
【００６７】
次に、図１７のように、上記エッチング処理された部分の基板１２１の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層１３１を、活性層１２２′と連続するように成長形成し、その上にＩｎＰからなる第２ｐ型クラッド層１３２を第１ｐ型クラッド層１２３′とほぼ同一高さとなるように積層する。
【００６８】
次に、残った絶縁膜１２５′を剥離してから、図１８のように新たに絶縁膜１４０を全面に堆積させ、その上にレジスト１４１を塗布する。
【００６９】
そして、メサ構造を作製するために、図１９のようにフォトリソグラフィによりレジスト１４１の中央部を残し、その両側を除去する。
【００７０】
さらに、一定幅の線状に残ったレジスト１４１′をマスクとして、図２０のように、絶縁膜１４０の両側をエッチング処理により除去する。
【００７１】
続いて残ったレジスト１４１′を剥離除去して、絶縁膜１４０′をマスクとするエッチングを行い、図２１のように、断面がほぼ台形状（メサ構造）に連続した活性層１２２′（２３）と導波路層１３１′（３１）と、その上に台形状に連続した第１ｐ型クラッド層１２３′（２４）と第２ｐ型クラッド層１３２′（３２）を形成する。
【００７２】
次に、図２２のように、活性層２４および導波路層３１の両側にｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層１４２（４２）とｎ型ＩｎＰからなる埋め込み層１４３（４３）を形成する。そして、その上に、図２３のように、ＩｎＰからなる第３ｐ型クラッド層１４５（４０）を成長形成し、さらにその上にＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１４６を形成する。
【００７３】
そして、図２４のように、コンタクト層１４６の上で発光領域２２を形成する部分に、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第１の上部電極１７１を蒸着し、位相調整領域３０を形成する部分にも、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第２の上部電極１７２を蒸着し、さらに、基板１２１の下面側を研磨してＡｕ、Ｇｅ、Ｐｔからなる下部電極１７３を蒸着する。
【００７４】
そして、最後に、前記した橋渡部５０、分離溝５１、５２を形成するためのエッチング処理を行うことにより、図１に示した半導体発光素子２０が完成する。
【００７５】
なお、この処理については詳述しないが、フォトリソグラフィ行程によりレジストをマスクとしてエッチング処理を行うものであり、コンタクト層１４６に対しては、例えば硫酸系エッチャント（選択エッチャント）を用いて第３ｐ型クラッド層（ＩｎＰ）１４５（４０）をエッチストップ層としてエッチングを行う。また、また、第３ｐ型クラッド層１４５、各埋め込み層１４２、１４３および基板１２１に対しては、例えば塩酸リン酸エッチャントを用いてエッチングする。これにより、長さ１０００μｍ、幅４００μｍ、厚さ１００μｍの素子が完成する。
【００７６】
図２５は、図４の半導体発光素子２０の構成を変更した外部共振器型レーザ光源８０の構成例である。即ち、この半導体発光素子２０′の基本構造は前記半導体発光素子２０と同じであるが、発光領域側の端面反射成分を抑圧するために、活性層２３と第１ｐ型クラッド層２４をふくむメサ型の導波路の先端側が素子端面２０ａに対して非直交状態で斜めに交差するように形成して（言い換えれば、素子端面２０ａと活性層２３を導波する光の光軸線とが非直交状態で交差するようにして）、素子端面での反射成分が活性層２３に戻ることを防止している。この構成の半導体発光素子の場合、位相調整領域側の素子端面２０ｂから所望波長の光を出射させたり、あるいはコリメートレンズ１００と波長可変フィルタ１０１の間に光を分岐するカプラやハーフミラー等を設けて出射させる。
【００７７】
なお、位相調整領域側の導波路層３１を位相調整領域側の素子端面２０ｂに非直交状態で斜めに交差するように形成して素子端面に対して出射光の光軸線を斜めに交差させてもよく、活性層２３と素子端面２０ａとの交差角および導波路層３１と素子端面２０ｂとの交差角をともに非直交にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態の半導体発光素子の外観図
【図２】実施形態の平面図
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図
【図４】実施形態の半導体発光素子を用いた外部共振器型レーザ光源の構成例を示す図
【図５】位相調整領域のｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図６】位相調整領域への注入電流と位相調整量との関係を示す図
【図７】発光領域のｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図８】第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図
【図９】第３ｐ型クラッド層のドーピング濃度分布図の別の例
【図１０】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１１】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１２】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１３】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１４】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１５】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１６】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１７】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１８】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図１９】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２０】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２１】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２２】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２３】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２４】実施形態の半導体発光素子の製造工程を説明するための図
【図２５】外部共振器型レーザ光源の別の構成図
【符号の説明】
【００７９】
２０、２０′……半導体発光素子、２１……基板、２２……発光領域、２３……活性層、２４……第１ｐ型クラッド層、３０……位相調整領域、３１……導波路層、３２……第２ｐ型クラッド層、４０……第３ｐ型クラッド層、５０……橋渡部、５１、５２……分離溝、６１、６２……コンタクト層、７１……第１の上部電極、７２……第２の上部電極、７３……下部電極、８０……外部共振器型レーザ光源、１００……コリメートレンズ、１０１……波長可変フィルタ、１０２……全反射ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体基板（２１）と、
前記ｎ型半導体基板の上に形成された活性層（２３）と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２４）とを有し、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域（２２）と、
前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層（３１）と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（３２）とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化する位相調整領域（３０）とを有する半導体発光素子において、
前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記所定距離範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（４０）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（５１、５２）が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記活性層の上端から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光領域側の素子端面（２０ａ）と前記活性層を導波する光の光軸線との交差角、または、前記位相調整領域側の素子端面（２０ｂ）と前記導波路層を導波する光の光軸線との交差角の少なくとも一方が、非直交であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光領域側の素子端面と前記位相調整領域側の素子端面のうちの一方の素子端面の反射率が、他方の素子端面の反射率より低く形成された前記請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子（２０、２０′）と、
前記半導体発光素子の前記一方の素子端面から出射された光を受け、その少なくとも一部を前記一方の素子端面に帰還させる光帰還部（１０２）とを備え、
前記半導体発光素子の前記他方の素子端面と前記光帰還部とを対向する反射器として発振する外部共振器型レーザ光源。
【請求項１】
ｎ型半導体基板（２１）と、
前記ｎ型半導体基板の上に形成された活性層（２３）と、該活性層の上に積層された第１ｐ型クラッド層（２４）とを有し、電流注入を受けて光を発し該光を前記活性層に沿って伝搬させる発光領域（２２）と、
前記ｎ型半導体基板上で前記光のエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有し且つ前記発光領域の活性層と光学的に結合された導波路層（３１）と、該導波路層の上に積層された第２ｐ型クラッド層（３２）とを有し、前記発光領域からの光に対する屈折率が注入電流に応じて変化する位相調整領域（３０）とを有する半導体発光素子において、
前記位相調整領域の前記導波路層に接する前記第２ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記所定距離範囲が２５〜１５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光領域の第１ｐ型クラッド層と前記位相調整領域の第２ｐ型クラッド層の上に第３ｐ型クラッド層（４０）が形成され、該第３ｐ型クラッド層の前記発光領域と前記位相調整領域との境界部分に所定幅の分離溝（５１、５２）が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第３ｐ型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ１．０×１０１８（／ｃｍ３）〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）の範囲に設定されたことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光領域の前記第１ｐ型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記活性層の上端から５０〜２５０ｎｍの範囲内で極大値をもつように形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光領域側の素子端面（２０ａ）と前記活性層を導波する光の光軸線との交差角、または、前記位相調整領域側の素子端面（２０ｂ）と前記導波路層を導波する光の光軸線との交差角の少なくとも一方が、非直交であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光領域側の素子端面と前記位相調整領域側の素子端面のうちの一方の素子端面の反射率が、他方の素子端面の反射率より低く形成された前記請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子（２０、２０′）と、
前記半導体発光素子の前記一方の素子端面から出射された光を受け、その少なくとも一部を前記一方の素子端面に帰還させる光帰還部（１０２）とを備え、
前記半導体発光素子の前記他方の素子端面と前記光帰還部とを対向する反射器として発振する外部共振器型レーザ光源。
【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２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【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２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１０−７３７０８（Ｐ２０１０−７３７０８Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３５９８３（Ｐ２００８−２３５９８３）
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
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