JP2001168470A - 半導体光素子の作製方法及び半導体光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の混晶化技術による短波長シフト化とは
異なる手法で、短波長シフト化した、半導体光素子の作
製方法を提供することである。 【解決手段】 本作製方法は、ｎ−ＩｎＰ基板５２上
に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ｎ−ＩｎＰバッファー層
５４、発光波長１５５０ｎｍのＧａｌｎＡｓＰ系ＭＱＷ
５６、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５８、ｐ−ＧａｌｎＡ
ｓ中間層６０、及びｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層６２を、
順次、エピタキシャル成長させて、積層構造を形成す
る。次いで、温度４５０℃の水蒸気下で積層構造のＡｌ
ＩｎＡｓ被酸化層５２に表面酸化処理を施して、Ａｌｌ
ｎＡｓ被酸化層５２中のＡｌを選択的に酸化して被酸化
層５２全層をＡｌ酸化層６４に転化する。次いで、温度
６５０℃の窒素雰囲気下で熱処理を施す。これにより、
ＭＱＷ５６は、その発光波長が１４５０ｎｍになって短
波長シフト化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光素子及び
半導体光素子の作製方法に関し、更に詳細には、電流狭
窄機能及び横方向の屈折率型光閉じ込め機能を兼ね備え
た構造を有する半導体光素子及び半導体光素子の作製方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体光デバイスに設ける量子井戸構造
を形成する際の混晶化技術の一つとして、不純物を用い
ない空格子拡散（Impurity-Free Vacancy Diffusion ）
が知られている。空格子拡散による混晶化とは、量子井
戸構造上の化合物半導体層に空格子を形成し、形成され
た空格子を量子井戸構造に熱拡散させることにより、量
子井戸構造の混晶化が行われる現象である。空格子拡散
は、例えば、図９に示すように、ＩｎＰ基板１２上に、
順次、成膜された、ＩｎＰ下クラッド層１４、ＧａＩｎ
ＡｓＰ（λｇ＝１５５０ｎｍ）系多重量子井戸構造層
（以下、ＭＱＷと言う）１６、ＩｎＰ上クラッド層１
８、及びＧａＩｎＡｓ層２０からなる積層構造の一部領
域上にＳｉＯ₂ 等の誘電体膜２２を形成し、熱処理（ア
ニーリング）を施すと、ＧａＩｎＡｓ層２０の結晶中の
ＧａがＳｉＯ₂ 膜２２に吸い取られて、多数のＧａの空
格子が、ＳｉＯ₂ 層２２下のＧａＩｎＡｓ２０の界面層
で形成される。図９は、空格子拡散による従来の混晶化
方法を説明する図である。

【０００３】熱処理中、更に、空格子点が下方のＭＱＷ
１６内に拡散するのに伴って、ＭＱＷ１６の井戸／障壁
の間での原子の相互拡散が引き起こされ、混晶化が誘起
される。一方、ＳｉＯ₂ 膜２２で覆われていない領域Ｂ
では、混晶化が起こらないので、選択的混晶化が可能で
ある。そして、井戸／障壁の間での原子の相互拡散によ
って、ＳｉＯ₂ 膜２２で覆った領域ＡのＭＱＷ１６ａで
は、その発光波長が、ＳｉＯ₂ 膜２２で覆っていない領
域ＢのＭＱＷ１６ｂの発光波長１５５０ｎｍから１４４
０ｎｍに短波長シフトする。

【０００４】例えば、IEEE Journal of Selected Topic
s in Quantum Electronics Vol. 4No. 4 p636におい
て、ＳｉＯ₂ 膜を用いたＭＱＷの内部拡散に関する報告
がなされている。これによると、ＳｉＯ₂ 膜を形成後、
６５０℃の熱処理を施すことにより、量子井戸の波長が
１５５０ｎｍから１４４０ｎｍに約６０ｍｅＶの短波長
シフトが得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前掲文献に報
告されている短波長シフト方法を含め、従来の誘電体膜
を用いた混晶化による短波長シフト方法には、以下の問
題があた。第１には、スパッタリングやＣＶＤ法によっ
てＳｉＯ₂ 膜等の誘電体膜を半導体層上に形成すること
が必要であるから、製造プロセスが複雑になり、更に、
誘電体膜を成膜する際に、下地の化合物半導体層に損傷
を与えることが多いという問題である。第２には、誘電
体膜下の化合物半導体層の界面層に空格子を形成するた
めには、６５０℃以上の高温で熱処理を施す必要があ
る。その結果、熱処理中に、量子井戸構造層内で熱によ
る原子の内部拡散や、エピタキシャル成長層中のドーパ
ントが量子井戸構造層に拡散して、光デバイス特性の低
下を招くという問題である。

【０００６】そこで、本発明の目的は、従来の混晶化技
術による短波長シフト化手法とは異なる新規な手法で多
重量子井戸構造層の発光波長をシフト化する工程を含む
半導体光素子の作製方法、及び新規な構成のシフト化半
導体光素子を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ＡｌＩｎＡ
ｓ被酸化層中のＡｌを選択的に酸化してＡｌ酸化層を形
成することにより電流狭窄構造を構成する一連の研究を
行っている過程で、特定の処理を施すことにより、Ａｌ
酸化層下のＭＱＷが短波長シフト化されることを見い出
し、これを利用して上述した従来の短波長シフト化方法
に代わる新規な方法を着想した。即ち、ＭＱＷを有する
ダブルヘテロ接合の積層構造の一部領域上に、Ａｌを含
む被酸化層を成膜し、高温の水蒸気雰囲気下で被酸化層
中のＡｌを選択的に酸化してＡｌ酸化層を生成し、続い
て窒素雰囲気下で熱処理することにより、Ａｌ酸化層下
のＭＱＷでは、原子の内部拡散が起き、発光波長が短波
長シフトすることを見い出した。

【０００８】そこで、更に、以下に説明するような実験
を行って、この事実を検証し、短波長シフト化に影響す
る種々の因子を確認した。実験例１ 実験例１の試料として第１の試料積層構造体を次のよう
にして作製した。参照する図１０（ａ）及び（ｂ）は、
それぞれ、第１の試料積層構造体を作製する際の工程毎
の基板断面図、及び図１１は波長とＰＬ強度との関係を
示すグラフである。先ず、図１０（ａ）に示すように、
ＩｎＰ基板３２上に、膜厚１００ｎｍのＩｎＰバッファ
層３４、発光波長１５５０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ系歪多
重量子井戸活性層（ＭＱＷ）３６、膜厚５００ｎｍのＩ
ｎＰクラッド層３８、膜厚５０ｎｍのＧａＩｎＡｓ中間
層４０、膜厚１００ｎｍのＡｌＩｎＡｓ被酸化層４２を
順次成長させ、第１の試料積層構造体４４Ａを形成し
た。

【０００９】次いで、温度４５０℃の水蒸気雰囲気下に
第１の試料積層構造体４４Ａを４５分間保持した。これ
により、図１０（ｂ）に示すように、ＡｌＩｎＡｓ被酸
化層４２は、表面から約１００ｎｍの深さ、すなわちＡ
ｌＩｎＡｓ被酸化層４２全層はＡｌが酸化され、Ａｌ酸
化層４６が生成した。次に、温度６００℃の窒素雰囲気
下に第１の試料積層構造体４４Ａを１０分間保持して、
熱処理を施し、第１の試料積層構造体４４を作製した。

【００１０】第１の試料積層構造体４４の作製途中、積
層構造体４４Ａを形成し、Ａｌ酸化層を生成する前の段
階で、ＭＱＷ３６の発光強度をフォトルミネッセンス
（ＰＬ）測定したところ、図１１に示すように、ＰＬピ
ーク波長が１５５０ｎｍであった。次いで、Ａｌ酸化層
を生成し、窒素雰囲気下の熱処理を施し、第１の試料積
層構造体４４を作製した段階で、ＭＱＷ３６のＰＬを測
定したところ、ＰＬピーク波長は１４５０ｎｍにシフト
し、１００ｎｍ（約５５ｍｅＶ）の短波長シフトが確認
された。

【００１１】実験例２ 次に、実験例２では、ＡｌＩｎＡｓ被酸化層中のＡｌを
選択的に酸化して形成したＡｌ酸化層の短波長シフト化
に対する効果を確認した。即ち、実験例１の第１の試料
積層構造体４４Ａと同様にして積層構造を形成した後、
水蒸気雰囲気下のＡｌＩｎＡｓ被酸化層の酸化工程を行
うことなく、６００℃の窒素雰囲気下の熱処理を施した
第２の試料積層構造体を形成した。第２の試料積層構造
体のＭＱＷのＰＬを測定したところ、ＰＬピーク波長は
１５４２ｎｍであって、第１の試料積層構造体４４に比
べて、短波長シフト量が非常に小さかった。

【００１２】実験例３ また、実験例３では、ＡｌＩｎＡｓ被酸化層４２を形成
していない積層構造について短波長シフト化の程度を調
べ、実験例２とは別の視点から、Ａｌ酸化層の短波長シ
フト化に対する効果を確認した。即ち、ＧａＩｎＡｓ中
間層２０を最上層とした積層構造を形成し、またｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層を最上層とした積層構造を形成し、それ
ぞれ、第１の試料積層構造体４４を作製した際と同様な
酸化処理及び熱処理を行っても、波長のシフト量は、僅
か５ｎｍ程度であった。５ｎｍのシフトは、６００℃で
の熱処理によるものであると推測できる。

【００１３】実験例１から３の結果から、ＡｌＩｎＡｓ
被酸化層等の表面酸化膜を形成し、次いで熱処理を行っ
た第１の試料積層構造体４４のＭＱＷのみで、大幅な短
波長シフトを確認することができ、Ａｌ酸化層は短波長
シフト効果を有することが判った。また、実験例１の短
波長シフトした第１の試料積層構造体４４では、ＰＬ強
度の劣化は殆どなく、デバイス特性に好ましくない影響
を与えるような事象も無かった。そして、この短波長シ
フト化は、ＭＱＷ内の原子の内部拡散によるものであ
り、ＳｉＯ₂ 膜を表面に形成した従来の方法と同様に、
空格子拡散現象によるものと考えれる。

【００１４】実験例４ 本実験例では、実験例１で作製した第１の試料積層構造
体４４を基にした半導体レーザ素子を試作し、そのレー
ザ特性を評価した。図１２に示すように、ＩｎＰ基板及
びＩｎＰバッファ層にそれぞれｎ型不純物をドーピング
して、ｎ−ＩｎＰ基板３２及びｎ−ＩｎＰバッファ層３
４を成膜し、ＩｎＰ上部クラッド層にｐ型不純物をドー
ピングしてｐ−ＩｎＰ上部クラッド層３８を成膜したこ
とを除いて、実験例１の第１の試料積層構造体４４と同
じ構成の試料積層構造体を形成した。続いて、第１の試
料積層構造体４４Ａと同様にして酸化処理及び熱処理を
施して、短波長シフトさせた積層構造を形成した。次い
で、生成したＡｌ酸化層４６、未酸化のＡｌＩｎＡｓ被
酸化層４２、及びＧａＩｎＡｓ中間層４０を積層構造か
らエッチング除去し、ｐ−ＩｎＰクラッド層３８を露出
させた。続いて、ｐ−ＩｎＰクラッド層３８全面に膜厚
２０００ｎｍのｐ−ＩｎＰ層４８、及び膜厚３００ｎｍ
のｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４９を、順次、成長さ
せ、図１２に示す試料積層構造体を形成した。

【００１５】次いで、試料積層構造体を共振器構造とす
る共振器長６００μｍの半導体レーザ素子を作製し、レ
ーザ特性の評価を行ったところ、レーザ発振の閾値電流
密度が、７００Ａ／ｃｍ² であった。これは、短波長シ
フトさせていない同じ共振器構造の半導体レーザ素子の
６５０Ａ／ｃｍ² とほぼ同じ値である。すなわち、短波
長シフトさせたことによって、量子井戸構造のレーザ特
性が低下するようなことは殆どなく、光素子の作製に適
用する際に問題になるようなことはないと確認された。

【００１６】次に、ＡｌＩｎＡｓ被酸化層の酸化条件、
及び熱処理（アニール）条件に対する短波長シフト化の
依存性について説明する。実験例５ 先ず、図１３を参照して、熱処理前後でのＭＱＷのバン
ドギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg の酸化時間依
存性を説明する。図１３は熱処理前後でのＭＱＷのエネ
ルギーシフト量の酸化時間依存性を示すグラフである。
第１の試料積層構造体４４Ａを使って、酸化処理の酸化
温度を４５０℃、熱処理の温度を６００℃、処理時間を
１０分として、酸化時間を変化させて、酸化時間に対す
るＡｌ酸化層の生成膜厚及びバンドギャップ・エネルギ
ーのシフト量ΔＥg を求めた。その結果、図１３に示す
ように、酸化時間が長くなるにつれて、酸化されるＡｌ
ＩｎＡｓ被酸化層の厚さが厚くなる。また、酸化時間の
長さに応じて、バンドギャップ・エネルギーのシフト量
ΔＥg も、増大する。

【００１７】実験例６ また、図１４を参照して、熱処理時間に対する量子井戸
構造のバンドギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg の
依存性を説明する。図１４は熱処理時間に対する量子井
戸構造のバンドギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg
の依存性を示すグラフである。第１の試料積層構造体４
４Ａを使って、酸化処理の酸化温度を４５０℃、酸化処
理時間を３０分間、熱処理の温度を６００℃をとして、
熱処理の時間を変化させて、熱処理時間に対するバンド
ギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg を求めた。その
結果、図１４に示すように、熱処理時間が長くなるにつ
れて、バンドギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg が
増大し、特に最初の５分間の変化量が大きかった。熱処
理時間が１０分間以上では、バンドギャップ・エネルギ
ーのシフト量ΔＥg の増大は略飽和状態に達している。
尚、熱処理時間が２０分間以上になると、ＰＬ強度の低
下が観察された。

【００１８】実験例７ 次に、図１５を参照して、熱処理温度に対するＭＱＷの
バンドギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg の依存性
を説明する。図１５は熱処理温度に対する量子井戸構造
のバンドギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg の依存
性を示すグラフである。第１の試料積層構造体４４Ａを
使って、酸化処理の酸化温度を４５０℃、酸化処理時間
を３０分間、熱処理時間を１０分として、熱処理の温度
を変化させて、熱処理温度に対するバンドギャップ・エ
ネルギーのシフト量ΔＥg を求めた。その結果、図１５
に示すように、熱処理温度が高くなるにつれて、バンド
ギャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg が増大し、６０
０℃以上では略飽和状態に達する。この結果、６００℃
の熱処理温度で、十分に大きなバンドギャップ・エネル
ギーのシフト量ΔＥg を得ることができることが判っ
た。これは、ＳｉＯ₂ 膜を用い、熱処理温度を６５０℃
にした従来の方法に比べて、熱処理温度を５０℃程度低
く抑えることができる。これは、内部拡散のメカニズム
が若干異なっているためと考えられ、本発明の利点の一
つである。

【００１９】以上のように、酸化条件や熱処理（アニー
ル）条件に依存して、バンドギャップ・エネルギーのシ
フト量、即ち短波長シフト量を制御できることが確認で
きた。また、上述の実験例では、熱処理を窒素雰囲気下
で行ったが、化合物半導体層からのガスの脱離を抑制す
る雰囲気下、例えばアルシン（ＡｓＨ₃ ）もしくはホス
フィン（ＰＨ₃ ）等の雰囲気下で行った場合でも、問題
はなく、寧ろ、高温アニール時での表面荒れを抑える効
果を有することが判った。

【００２０】前述の目的を達成するために、以上のよう
な知見に基づいて、本発明に係る半導体光素子の作製方
法（以下、第１の発明方法と言う）は、化合物半導体基
板上に、多重量子井戸構造層を有するダブルヘテロ接合
積層構造を形成する工程と、積層構造上に、空格子拡散
を行う特定元素を含む化合物半導体層、及びＡｌを含む
被酸化層を、順次、成長させる工程と、熱酸化処理を施
して、Ａｌを含む被酸化層中のＡｌを選択的に酸化して
Ａｌ酸化層に転化する工程と、不活性ガス雰囲気下で熱
処理を施して、Ａｌ酸化層下の多重量子井戸構造層の発
光波長を短波長シフト化する工程とを備えていることを
特徴としている。本発明方法の好適な実施態様では、Ａ
ｌ酸化層、未酸化のＡｌを含む被酸化層、及び特定元素
を含む化合物半導体層を除去する。

【００２１】また、本発明方法の好適な実施態様では、
特定元素を含む化合物半導体層及びＡｌを含む被酸化層
を順次成長させる工程の後、Ａｌ酸化層に転化する工程
の前に、所定領域の化合物半導体層、及びＡｌを含む被
酸化層を除去して、積層構造の最上層を露出させる工
程、又は所定領域のＡｌを含む被酸化層を誘電体膜又は
別の化合物半導体層で覆う工程を備え、所定領域下の積
層構造の多重量子井戸構造層を短波長シフト化しないよ
うにすることもできる。この方法により、多重量子井戸
構造層の所定領域毎に発光波長を変えて、例えば横方向
の光閉じ込め構造を備えた半導体レーザ素子を作製する
こともできる。また、半導体レーザ素子と光導波路とを
組み合わせた光半導体装置を構成することもできる。
尚、部分的に化合物半導体層及びＡｌを含む被酸化層を
エッチング除去する代わりに、化合物半導体層を覆う際
には、ＩｎＰ層等や、ＳｉＮ等の誘電体層で所定領域の
化合物半導体層を覆い、表面酸化を抑えて、部分的に短
波長シフトさせる。

【００２２】本発明に係る半導体光素子の別の作製方法
（以下、第２の発明方法と言う）は、化合物半導体基板
上に、多重量子井戸構造層を有し、かつ多重量子井戸構
造層の基板とは反対側に、空格子拡散を行う特定元素を
含む化合物半導体層、及びＡｌを含む被酸化層を、順
次、有する、ダブルヘテロ接合積層構造を形成する工程
と、積層構造をエッチングして、ストライプ状リッジ又
はエアポストに加工する工程と、熱酸化処理を施して、
リッジ側面又はエアポスト側面から内方に所定幅のＡｌ
を含む被酸化層中のＡｌを選択的に酸化して、Ａｌ酸化
層に転化する工程と、不活性ガス雰囲気下で熱処理を施
して、Ａｌ酸化層下の多重量子井戸構造層の発光波長を
短波長シフト化する工程とを備えていることを特徴とし
ている。

【００２３】第１及び第２の発明方法を適用した際の多
重量子井戸構造層のバンドギャップ・エネルギーのシフ
ト量は、空格子拡散を行う特定元素を含む化合物半導体
層及びＡｌ酸化層の膜厚及び組成に依存している。Ａｌ
酸化層は、Ａｌ組成が小さすぎると、酸化反応が十分に
進まず、Ａｌ酸化層の膜厚が薄くなるので、Ａｌ組成は
０．３以上、好ましくは０．５以上とする。また、Ａｌ
酸化層の膜厚が薄いと、短波長シフト量が十分な大きさ
にならないので、Ａｌ酸化層の膜厚は２０ｎｍ以上が良
い。但し、Ａｌ酸化層の膜厚が厚すぎると、薄い場合と
同様に、短波長シフト量が十分な大きさにならないの
で、Ａｌ酸化層の最適な膜厚は、２０ｎｍ以上２００ｎ
ｍ以下である。

【００２４】空格子拡散を行う特定元素を含む化合物半
導体層は、ＧａｌｎＡｓの方が、ＩｎＰ基板との格子整
合条件を満足するＩｎＰやＧａｌｎＡｓＰより、短波長
シフト化が進み易い。傾向としては、化合物半導体層の
Ｇａ組成が大きいほど、短波長シフトが起き易くなる傾
向にある。これは、化合物半導体層の組成により量子井
戸の内部拡散を引き起こす空格子の生成量が変化するた
めであると考えられる。また、化合物半導体層の膜厚の
厚薄も短波長シフト量に影響するので、膜厚は、３０ｎ
ｍ以上３００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。

【００２５】第１及び第２の発明方法では、特定元素
は、例えばＧａである。また、特定元素を含む化合物半
導体層は、例えばＧａＩｎＡｓ層、及びＡｌを含む被酸
化層が例えばＡｌＩｎＡｓ層である。また、不活性ガス
に代えて、アルシン又はホスフィン雰囲気下で熱処理を
施すこともできる。これにより、熱処理時の表面荒れを
抑えることができる。

【００２６】第１及び第２の発明方法は、材料系に制約
なく適用できる。例えば、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＡｓ
系やＡｌＧａＩｎＰ系多重量子井戸構造層に適用でき、
被酸化層としてはＡｌＩｎＡｓに加えて、ＡｌＧａＡｓ
やＡｌＧａＩｎＰを使うこともできる。第１及び第２の
発明方法を適用することにより、Ａｌ酸化層で電流狭窄
構造を構成し、発光波長の異なる多重量子井戸構造層に
より横方向の光閉じ込め構造を備えた半導体光素子を作
製することができる。

【００２７】本発明に係る半導体光素子は、多重量子井
戸構造層を有し、ストライプ状リッジ又はエアポストと
して形成されたダブルヘテロ接合の積層構造を化合物半
導体基板上に備え、積層構造は、多重量子井戸構造層の
基板とは反対側に、空格子拡散を行う特定元素を含む化
合物半導体層、及び化合物半導体層に重ねてＡｌを含む
被酸化層を有し、かつリッジ側面又はエアポスト側面か
ら内方に所定幅の被酸化層が、被酸化層中のＡｌを選択
的に酸化して形成したＡｌ酸化層に転化しており、Ａｌ
酸化層下の多重量子井戸構造層は短波長シフト化されて
いることを特徴としている。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例１ 本実施形態例は、第１の発明方法に係る半導体光素子の
作製方法の実施形態の一例であって、図１は、本実施形
態例の方法に従って半導体光素子を作製した際の要部の
構成を示す断面図である。以下に、図１を参照して、実
施形態例１の半導体光素子の作製方法を説明する。先
ず、図１に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板５２上に、ＭＯ
ＣＶＤ法等によって、膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰバッ
ファー層５４、発光波長１５５０ｎｍのＧａｌｎＡｓＰ
系多重量子井戸構造層（以下、ＭＱＷと言う）５６、膜
厚５００ｎｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５８、膜厚５
０ｎｍのｐ−ＧａｌｎＡｓ中間層６０、及び膜厚１００
ｎｍのｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層６２を、順次、エピタ
キシャル成長させて、積層構造を形成する。

【００２９】次いで、温度４５０℃の水蒸気／窒素雰囲
気下で積層構造のＡｌＩｎＡｓ被酸化層５２に表面酸化
処理を４５分間施して、ＡｌｌｎＡｓ被酸化層５２中の
Ａｌを選択的に酸化して被酸化層５２全層をＡｌ酸化層
６４に転化する。次いで、温度６５０℃の窒素雰囲気下
で熱処理を１０分間施す。以上の工程を経ることによ
り、ＭＱＷ５６は、その発光波長が１４５０ｎｍになっ
て短波長シフト化される。

【００３０】別の態様として、エピタキシャル成長さ
せ、積層構造を形成した段階で、フォトリソグラフィ及
びエッチング処理により、図２に示すように、領域Ｂの
中間層６０及び被酸化層６２を除去して、ＩｎＰ上部ク
ラッド層５８を露出させた後、実施形態例１と同様に、
表面酸化処理及び窒素雰囲気下の熱処理を施した。尚、
図２は、領域Ａ及びＢの積層構造の構成を示す断面図で
ある。そして、領域Ａ及び領域Ｂの発光波長をＰＬ波長
測定したところ、図３に示すように、領域Ａでは、ＭＱ
Ｗ５６ａが短波長シフト化され、ＭＱＷ５６ａの発光波
長は、１４５０ｎｍに短波長シフトしており、一方、領
域ＢのＭＱＷ５６ｂのＰＬ波長は、本来の１５５０ｎｍ
であった。そして、その境界領域では、ＰＬ波長は急峻
な曲線で変化している。尚、図３は、領域Ａ及びＢの積
層構造中のＭＱＷ５６ａ、５６ｂの発光波長を示すグラ
フである。この手法を用いることにより、半導体光素子
の高機能化や集積化が可能となる。例えば、領域Ｂを幅
５μｍのストライプとして、酸化処理及び熱処理を行っ
た場合、５μｍ幅以外の領域が短波長化するため、それ
に伴う屈折率の低下も得られ、実屈折率導波型光導波路
を形成することができる。

【００３１】実施形態例２ 本実施形態例は、第１の発明方法に係る半導体光素子の
作製方法の実施形態の別の例であって、図４は本実施形
態例の方法で作製した半導体光素子の要部の構成を示す
断面図である。本実施形態例の半導体光素子の作製方法
で作製した要部７０は、図４に示すように、ｎ−ＩｎＰ
基板７２上に、膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰバッファー
層７４、ＧａｌｎＡｓＰ系ＭＱＷ７６、膜厚３００ｎｍ
のｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７８、膜厚２０００ｎｍの
ｐ−ＩｎＰ層８０、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８２からなる積層構造である。ＭＱＷ７６は、発光波長
が本来の１５４０ｎｍであって、幅３μｍのストライプ
状に延在する中央領域のＭＱＷ７６ｂと、その両側にあ
って、発光波長が１４５０ｎｍに短波長シフトされてい
るＭＱＷ７６ａとから構成されている。これによって、
半導体光素子はＭＱＷ７６自体に横方向の光閉じ込め構
造を備えたことになる。

【００３２】以下に、図５を参照して、半導体光素子７
０の作製に適用した本実施形態例の作製方法を説明す
る。図５（ａ）から（ｃ）は、本実施形態例の方法で半
導体光素子を作製した際の工程毎の基板の断面図であ
る。本実施形態例の半導体光素子７０を作製するには、
図５（ａ）に示すように、実施形態例１と同様に、ｎ−
ＩｎＰ基板７２上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、膜厚１
００ｎｍのｎ−ＩｎＰバッファー層７４、発光波長１５
５０ｎｍのＧａｌｎＡｓＰ系ＭＱＷ７６、膜厚３００ｎ
ｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７８、膜厚５０ｎｍのｐ
−ＧａｌｎＡｓ中間層８４、及び膜厚１００ｎｍのｐ−
ＡｌｌｎＡｓ被酸化層８６を、順次、エピタキシャル成
長させて、積層構造を形成する。

【００３３】次いで、図５（ｂ）に示すように、被酸化
層８６及び中間層８４をパターニングして、幅３μｍの
ストライプ状の露出領域をｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７
８の中央に形成すると共に露出領域の両側にＡｌＩｎＡ
ｓ被酸化層を残した積層構造を形成する。続いて、実施
形態例１と同様にして、被酸化層８６中のＡｌを選択的
に酸化して、Ａｌ酸化層８８を形成し、更に、熱処理を
施して、Ａｌ酸化層８８の下のＭＱＷ７６ｂを短波長シ
フト化する。尚、露出領域下のＭＱＷ７６ａは短波長シ
フト化されることなく、本来のＰＬ波長である１５５０
ｎｍのままである。続いて、図５（ｃ）に示すように、
露出領域の両側のＡｌ酸化層８８及び中間層８４を除去
して、基板全面にｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７８を露出
させる。次いで、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層７８全面
に、順次、膜厚２０００ｎｍのｐ−ＩｎＰ層８４、及び
膜厚３００ｎｍのｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８６を
成膜することにより、図４に示す半導体光素子７０を形
成することができる。

【００３４】これにより、埋め込み成長工程を実施する
ことなく、横方向に屈折率差があって、屈折率差により
光を閉じ込める実屈折率導波型の半導体レーザ素子を容
易に作製することができる。

【００３５】また、図６に示すように、図２に示す領域
Ａの積層構造と同様な積層構造で半導体レーザ素子やホ
トダイオードを領域Ａに形成し、図２に示す領域Ｂの積
層構造と同様な積層構造で光導波路を領域Ｂに形成した
とき、領域ＢのＭＱＷは、領域Ａの積層構造で構成され
た半導体レーザ素子から発光されたレーザ光に対して透
明となるので、領域Ｂの積層構造は、良好な導波路特性
を示す光導波路となる。尚、図６は領域Ａと領域Ｂの平
面的配列を示す配列図である。このように、本実施形態
例の半導体光素子及び作製方法は、光集積回路を形成す
る基本的な技術として応用できる。

【００３６】実施形態例３ 本実施形態例は、本発明に係る半導体光素子の実施形態
の一例であって、図７は本実施形態例の半導体光素子の
構成を示す断面図である。本実施形態例の半導体光素子
９０は、次の実施形態例４の方法によって作製された、
ストライプ状リッジ内にＭＱＷを有する半導体レーザ素
子である。半導体レーザ９０は、図７に示すように、ｎ
−ＩｎＰ基板９２上に、膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰバ
ッファ層９４、ＧａｌｎＡｓＰ系ＭＱＷ９６、膜厚１５
０ｎｍのｐ−ＩｎＰ第１上部クラッド層９８、膜厚５０
ｎｍのｐ−ＧａｌｎＡｓ中間層１００、膜厚１００ｎｍ
のｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層１０２、膜厚２０００ｎｍ
のｐ−ＩｎＰ第２上部クラッド層１０４、及び膜厚３０
０ｎｍのｐ−ＧａｌｎＡｓコンタクト層１０６からなる
積層構造を備えている。

【００３７】積層構造、即ちバッファ層９４、活性層９
６、第１上部クラッド層９８、中間層１００、被酸化層
１０２、第２上部クラッド層１０４、及びコンタクト層
１０６は、ストライプ状メサ又はリッジとして形成され
ている。リッジ内のＭＱＷ９６の幅は１２μｍである。
被酸化層１０２は、所定幅の中央領域ではＡｌＩｎＡｓ
被酸化層１０２のままであり、リッジ側面から内方に向
かってＡｌＩｎＡｓ被酸化層１０２までの領域では、領
域中のＡｌが選択的に酸化されてＡｌ酸化層１０８に転
化している。また、ＭＱＷ９６は、ＡｌＩｎＡｓ被酸化
層１０２の下方領域では、ＭＱＷ本来の発光波長、１５
５０ｎｍであって、非短波長シフト化ＭＱＷ９６ｂであ
る。非短波長シフト化領域９６ｂの両側の領域、即ちＡ
ｌ酸化層１０８の下方領域のＭＱＷ９６ａは、短波長シ
フト化され、発光波長が１４５０ｎｍの短波長シフト化
領域となっている。

【００３８】以上の構成により、Ａｌ酸化層１０８によ
って電流狭窄が行われ、加えて、非短波長シフト化領域
９６ｂの両側の領域、即ち短波長シフト化領域９６ａ
と、非短波長シフト化領域９６ａとの屈折率差によって
横方向の光閉じ込めが行われる。これにより、ＭＱＷの
横方向の電流狭窄及び屈折率導波が可能な、リッジ型半
導体レーザ素子が実現されている。

【００３９】実施形態例４ 本実施形態例は、第２の発明方法に係る半導体光素子の
作製方法を実施形態例３の半導体レーザ素子の作製に適
用した実施形態の一例である。図８（ａ）から（ｃ）は
本実施形態例の方法に従って半導体光素子を作製する際
の工程毎の断面図である。以下に、図８を参照して、本
実施形態例の半導体光素子の作製方法を説明する。先
ず、図８（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板９２上
に、膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰバッファ層９４、発光
波長が１５５０ｎｍのＧａｌｎＡｓＰ系ＭＱＷ９６、膜
厚１５０ｎｍのｐ−ＩｎＰ第１上部クラッド層９８、膜
厚５０ｎｍのｐ−ＧａｌｎＡｓ中間層１００、膜厚１０
０ｎｍのｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層１０２、膜厚２００
０ｎｍのｐ−ＩｎＰ第２上部クラッド層１０４、及び膜
厚３００ｎｍのｐ−ＧａｌｎＡｓコンタクト層１０６を
エピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。

【００４０】次いで、図８（ｂ）に示すように、コンタ
クト層１０６、第２上部クラッド層１０４、被酸化層１
０２、中間層１００、第１上部クラッド層９８、活性層
９６、及びバッファ層９４をエッチングして、ＭＱＷ９
６の幅が１２μｍのストライプ状リッジとして形成す
る。

【００４１】続いて、４５０℃の水蒸気雰囲気下で積層
構造に酸化処理を施し、図８（ｃ）に示すように、リッ
ジ両側面から内側に向かって所定幅の被酸化層１０２中
のＡｌが選択的に酸化してＡｌ酸化層１０８に転化する
と共に、所定幅の中央領域の被酸化層１０２を未酸化の
ままに維持する。酸化処理の処理時間を調整することに
より、所定幅の被酸化層１０２中のＡｌが選択的に酸化
してＡｌ酸化層１０８を生成することができる。本実施
形態例の酸化処理では、温度４５０℃の水蒸気雰囲気で
３時間保持することにより、幅がリッジ側面から５μｍ
の被酸化層１０２をＡｌ酸化層１０８に転化している。
未酸化の被酸化層１０２の幅は２μｍである。Ａｌ酸化
層１０８を形成することにより、例えばElectronics Le
tters 9th july 1998 Vol.34,No.14,1427-1429に報告さ
れているように、電流狭窄を行うことができる。

【００４２】次いで、温度６００℃の窒素雰囲気下で１
０分間の熱処理を施し、図７に示すように、被酸化層１
０２の下方領域のＭＱＷ９６ａを除くＭＱＷ９６ｂ、即
ちＡｌ酸化層１０８の下方領域のＭＱＷ９６ｂを短波長
シフト化して、ＰＬ波長が１４５０ｎｍに短波長シフト
化領域９６ｂにする。非短波長シフト化領域９６ａは活
性層本来のＰＬ波長が１５５０ｎｍの領域である。

【００４３】本実施形態例の積層構造を基に半導体レー
ザ素子を作製した場合、短波長シフト化していない場合
に比べ、しきい値電流Ｉｔｈが、１０ｍＡから７ｍＡに
低減する。すなわち、このように内部酸化層を用いるこ
とにより、半導体レーザ素子のレーザ特性を向上させる
ことができる。尚、内部酸化層の場合、ＭＱＷからの距
離を制御する、特に距離を小さくすることができるの
で、内部拡散する領域と、しない領域との境界における
発光波長の変化を急峻にできる利点もある。

【００４４】また、Ａｌ酸化層の下側のみにＧａｌｎＡ
ｓ層等の中間層を設け、上側には加えないことにより、
ＭＱＷ側とは反対の側では、内部拡散を引き起こす空格
子の形成を抑制できるため、効率的な量子井戸の内部拡
散が引き起こせることができる。換言すれば、Ｇａｌｎ
Ａｓ層等の中間層を無くしたり、他の組成にする等によ
り、アニールをしても量子井戸の内部拡散を抑制し、短
波長シフト量を制御することが可能となる。本実施形態
例はストライプ状リッジ型の半導体レーザ素子を例に上
げて本発明を説明したが、酸化狭窄型の面発光レーザ
（ＶＣＳＥＬ： Vertical cavity surface emmiting la
sers）への応用も可能であり、同様にレーザ特性の向上
が得られる。以上の説明から判るように、実施形態例１
から実施形態例４では、半導体光素子の作製プロセスの
簡便化が図れるとともに、電流狭窄構造とＭＱＷ自体に
横方向の光閉じ込め構造を備え、良好な光デバイス特性
を有する半導体光素子を形成することができ、しかも、
内部酸化を用いることにより、ＳｉＯ₂ 等の誘電体膜を
用いる方法では得られない利点を有している。

【００４５】

【発明の効果】本発明方法によれば、Ａｌを含む被酸化
層中のＡｌを選択的に酸化してＡｌ酸化層に転化する工
程と、不活性ガス雰囲気下で熱処理を施して、Ａｌ酸化
層下の多重量子井戸構造層の発光波長を短波長シフト化
する工程とを備えることにより、容易に電流狭窄構造と
多重量子井戸構造層自体に横方向の光閉じ込め構造を有
する半導体光素子を作製することができる。本発明は、
電流狭窄構造と多重量子井戸構造層自体に横方向の光閉
じ込め構造を有し、簡単なプロセスで作製できる半導体
光素子を実現している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の方法に従って半導体光素子を作
製した際の要部の構成を示す断面図である。

【図２】領域Ａ及びＢの積層構造の構成を示す断面図で
ある。

【図３】領域Ａ及びＢの積層構造中のＭＱＷ５６ａ、５
６ｂのＰＬ波長を示すグラフである。

【図４】実施形態例２の方法で作製した半導体光素子の
要部の構成を示す断面図である。

【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、実施形態例２の方法
で半導体光素子を作製した際の工程毎の基板の断面図で
ある。

【図６】領域Ａと領域Ｂの平面的配列を示す配列図であ
る。

【図７】実施形態例３の半導体光素子の構成を示す断面
図である。

【図８】図８（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態
例４の方法に従って半導体光素子を作製する際の工程毎
の断面図である。

【図９】空格子拡散による従来の混晶化方法を説明する
図である。

【図１０】図１０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第１
の試料積層構造体を作製する際の工程毎の断面図であ
る。

【図１１】波長とＰＬ強度との関係を示すグラフであ
る。

【図１２】実験例４の試料半導体レーザ素子の構成を示
す断面図である。

【図１３】熱処理前後でのＭＱＷのエネルギーシフト量
の酸化時間依存性を示すグラフである。

【図１４】熱処理時間に対する量子井戸構造のバンドギ
ャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg の依存性を示すグ
ラフである。

【図１５】熱処理温度に対する量子井戸構造のバンドギ
ャップ・エネルギーのシフト量ΔＥg の依存性を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１２ ＩｎＰ基板 １４ ＩｎＰ下クラッド層 １６ ＭＱＷ １８ ＩｎＰ上クラッド層 ２０ ＧａＩｎＡｓ層 ２２ ＳｉＯ₂ 等の誘電体膜 ３２ ＩｎＰ基板 ３４ ＩｎＰバッファ層 ３６ ＭＱＷ ３８ ＩｎＰ上部クラッド層 ４０ ＧａＩｎＡｓ中間層 ４２ ＡｌＩｎＡｓ被酸化層 ４４ 第１の試料積層構造体 ４６ Ａｌ酸化層 ４８ ｐ−ＩｎＰ層 ４９ ｐ−ＧａＩｎＡｓ層 ５２ ｎ−ＩｎＰ基板 ５４ ｎ−ＩｎＰバッファー層 ５６ ＭＱＷ ５８ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層 ６０ ｐ−ＧａｌｎＡｓ中間層 ６２ ｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層 ６４ Ａｌ酸化層 ７０ 実施形態例２の作製方法で作製した半導体光素子
の要部 ７２ ｎ−ＩｎＰ基板 ７４ ｎ−ＩｎＰバッファー層 ７６ ＧａｌｎＡｓＰ系ＭＱＷ ７８ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層 ８０ ｐ−ＩｎＰ層 ８２ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層 ８４ ｐ−ＧａｌｎＡｓ中間層 ８６ ｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層 ８８ Ａｌ酸化層 ９０ 実施形態例３の半導体光素子 ９２ ｎ−ＩｎＰ基板 ９４ ｎ−ＩｎＰバッファ層 ９６ ＭＱＷ ９８ ｐ−ＩｎＰ第１上部クラッド層 １００ ｐ−ＧａｌｎＡｓ中間層 １０２ ｐ−ＡｌｌｎＡｓ被酸化層 １０４ ｐ−ＩｎＰ第２上部クラッド層 １０６ ｐ−ＧａｌｎＡｓコンタクト層 １０８ Ａｌ酸化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 卓哉 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 粕川 秋彦 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA05 AA12 AA74 CA12 DA16 DA27

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化合物半導体基板上に、多重量子井戸構
   造層を有するダブルヘテロ接合積層構造を形成する工程
   と、 積層構造上に、空格子拡散を行う特定元素を含む化合物
   半導体層、及びＡｌを含む被酸化層を、順次、成長させ
   る工程と、 熱酸化処理を施して、Ａｌを含む被酸化層中のＡｌを選
   択的に酸化してＡｌ酸化層に転化する工程と、 不活性ガス雰囲気下で熱処理を施して、Ａｌ酸化層下の
   多重量子井戸構造層の発光波長をシフト化する工程と を備えていることを特徴とする半導体光素子の作製方
   法。
2. 【請求項２】 Ａｌ酸化層、未酸化のＡｌを含む被酸化
   層、及び特定元素を含む化合物半導体層を除去する工程
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体
   光素子の作製方法。
3. 【請求項３】 特定元素を含む化合物半導体層、及びＡ
   ｌを含む被酸化層を、順次、成長させる工程の後、Ａｌ
   酸化層に転化する工程の前に、 所定領域の化合物半導体層、及びＡｌを含む被酸化層を
   除去して、積層構造の最上層を露出させる工程、又は所
   定領域のＡｌを含む被酸化層を誘電体膜又は別の化合物
   半導体層で覆う工程を備え、 所定領域下の積層構造の多重量子井戸構造層の発光波長
   をシフト化しないようにしたことを特徴とする請求項１
   又は２に記載の半導体光素子の作製方法。
4. 【請求項４】 化合物半導体基板上に、多重量子井戸構
   造層を有し、かつ多重量子井戸構造層の基板とは反対側
   に、空格子拡散を行う特定元素を含む化合物半導体層、
   及びＡｌを含む被酸化層を、順次、有する、ダブルヘテ
   ロ接合積層構造を形成する工程と、 積層構造をエッチングして、ストライプ状リッジ又はエ
   アポストに加工する工程と、 熱酸化処理を施して、リッジ側面又はエアポスト側面か
   ら内方に所定幅のＡｌを含む被酸化層中のＡｌを選択的
   に酸化して、Ａｌ酸化層に転化する工程と、 不活性ガス雰囲気下で熱処理を施して、Ａｌ酸化層下の
   多重量子井戸構造層の発光波長をシフト化する工程とを
   備えていることを特徴とする半導体光素子の作製方法。
5. 【請求項５】 特定元素がＧａであることを特徴とする
   請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体光
   素子の作製方法。
6. 【請求項６】 特定元素を含む化合物半導体層がＧａＩ
   ｎＡｓ層、及びＡｌを含む被酸化層がＡｌＩｎＡｓ層で
   あることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか
   １項に記載の半導体光素子の作製方法。
7. 【請求項７】 不活性ガスに代えて、アルシン又はホス
   フィン雰囲気下で熱処理を施すことを特徴とする請求項
   １から６のうちのいずれか１項に記載の半導体光素子の
   作製方法。
8. 【請求項８】 多重量子井戸構造層を有し、ストライプ
   状リッジ又はエアポストとして形成されたダブルヘテロ
   接合の積層構造を化合物半導体基板上に備え、 積層構造は、多重量子井戸構造層の基板とは反対側に、
   空格子拡散を行う特定元素を含む化合物半導体層、及び
   化合物半導体層に重ねてＡｌを含む被酸化層を有し、か
   つリッジ側面又はエアポスト側面から内方に所定幅の被
   酸化層が、被酸化層中のＡｌを選択的に酸化して形成し
   たＡｌ酸化層に転化しており、 Ａｌ酸化層下の多重量子井戸構造層の発光波長はシフト
   化されていることを特徴とする半導体光素子。
9. 【請求項９】 特定元素がＧａであることを特徴とする
   請求項８に記載の半導体光素子。
10. 【請求項１０】 特定元素を含む化合物半導体層がＧａ
    ＩｎＡｓ層、及びＡｌを含む被酸化層がＡｌＩｎＡｓ層
    であることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体
    光素子。