JP2003174236A

JP2003174236A - 半導体レーザ素子とその製造方法

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Publication number: JP2003174236A
Application number: JP2002260408A
Authority: JP
Inventors: Ryuichiro Minato; 龍一郎湊; Takahiro Ono; 卓宏小野
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2003-06-20
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: JP4629951B2

Abstract

(57)【要約】【課題】下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層におけ
る組成が厚み方向に連続的に変化し、その組成変化は活
性層を中心に対称形になっている半導体レーザ素子を提
供する。【解決手段】下部クラッド層２Ａ、下部光閉じ込め層
３Ａ、量子井戸構造の活性層４、上部光閉じ込め層３
Ｂ、および上部クラッド層２Ｂが基板の上にこの順序で
積層されている層構造を有する半導体レーザ素子におい
て、下部光閉じ込め層３Ａおよび上部光閉じ込め層３Ｂ
が、いずれも、厚み方向に組成が連続変化する４元混晶
から成り、かつ、前記下部クラッド層２Ａと前記下部光
閉じ込め層３Ａの層間、前記下部光閉じ込め層３Ａと前
記活性層４の層間、前記活性層４と前記上部光閉じ込め
層３Ｂの層間、または、前記上部光閉じ込め層３Ｂと前
記上部クラッド層２Ｂの層間の少なくともいずれか１つ
の層間には、微量ガス源の供給流量を調整した結果の結
晶層が介在している半導体レーザ素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、量子井戸構造の活
性層が下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層で挟まれて
いる半導体レーザ素子と、それを有機金属化学気相成長
法（ＭＯＣＶＤ法）を適用して製造する方法に関する。
更に詳しくは、前記下部光閉じ込め層と前記上部光閉じ
込め層において、それらを構成する半導体材料の組成が
当該層の厚み方向に連続的に変化している半導体レーザ
素子と、ＭＯＣＶＤ法によるその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を活性層と
するレーザ素子は、しきい値電流が低位水準にあり、ま
た高光出力動作が可能である。そして一般的には、その
活性層の上下にＳＣＨ構造（Separate-confinement-het
erostructure）の下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層
をそれぞれヘテロ接合することにより、活性層へのキャ
リアの注入効率を高め、活性層で発振したレーザ光の閉
じ込め効果を高め、もってレーザ素子の外部微分量子効
率を高めて高光出力動作の実現が企られている。

【０００３】その場合、ＳＣＨ構造としては、互いに組
成比が異なる同一種類の半導体材料から成る層を当該組
成比を段階的に変化させた状態でヘテロ接合して積層し
て成るＳＣＨ構造や、組成比を連続的に変化させた状態
で同一種類の半導体材料を積層して成るＳＣＨ構造が設
計されている。これらＳＣＨ構造のうち、厚み方向に組
成を連続的に変化させるＳＣＨ構造を採用すると、活性
層へのキャリアの注入効率が高くなり、光閉じ込め効果
が大きくなる。また光閉じ込め層の中に結晶劣化の原因
となるヘテロ接合界面を含まないため、高光出力動作時
の信頼性が高くなるなどの効果の得られることが知られ
ている。

【０００４】ここで、後者のＳＣＨ構造の下部光閉じ込
め層と上部光閉じ込め層が形成されているレーザ素子の
１例Ａを図８に示す。また、このレーザ素子Ａの層構造
Ｃにおける従来のエネルギーバンド図の例を図９に示
す。このレーザ素子Ａの場合、例えばｎ−ＩｎＰから成
る基板１の上にｎ−ＩｎＰから成る厚み５００nmの下部
クラッド層２Ａが積層され、そして、下部クラッド層２
Ａの上には、ＩｎＧａＡｓＰから成る後述の下部光閉じ
込め層３Ａ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓから成る後
述のＭＱＷ構造の活性層４、ＩｎＧａＡｓＰから成る後
述の上部光閉じ込め層３Ｂ、ｐ−ＩｎＰから成る厚み５
００nmの上部クラッド層２Ｂが順次積層されて層構造Ｃ
が形成されている。

【０００５】なお、層構造Ｃの両側にはｐ型層６Ｂとｎ
型層６Ａを順次積層して成る電流ブロッキング層６が形
成されている。そして層構造Ｃと電流ブロッキング層６
を埋設して上部クラッド層２Ｃが形成され、更にその上
には、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰから成る厚み５０nmのキャッ
プ層が積層されている。キャップ層５の上に上部電極７
Ｂが形成され、また基板１の裏面には下部電極７Ａが形
成されている。

【０００６】上記した層構造Ｃにおいて、まず、活性層
４は次のように設計されている。すなわち、活性層４
は、井戸層４Ａが厚み４nmのＩｎＧａＡｓＰ層から成
り、また障壁層４Ｂは、バンドギャップ波長が１.２μ
ｍである組成から成る、厚み１０nmのＩｎＧａＡｓＰで
形成され、全体として５個の量子井戸を有している（図
８を参照）。

【０００７】一方、下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ
込め層３Ｂは次のように設計されている。すなわち、下
部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３Ｂの厚みはい
ずれも４０nmになっている。そして、下部光閉じ込め層
３Ａの場合、下部クラッド層２Ａとヘテロ接合する部分
（１）は、そのバンドギャップ波長が０.９２μｍであ
る組成のＩｎＧａＡｓＰで構成され、活性層４の最初の
井戸層４Ａとヘテロ接合する部分（２）は、そのバンド
ギャップ波長が１.２μｍである組成のＩｎＧａＡｓＰ
で構成されている。

【０００８】そして、上記した部分（１）から部分
（２）にまで至る領域は、バンドギャップ波長が０.９
２μｍから１.２μｍへと順次広くなっていく。すなわ
ち、この領域はバンドギャップエネルギーが順次小さく
なって屈折率は順次大きくなっていくような組成のＩｎ
ＧａＡｓＰを順次積層して形成されている。したがっ
て、下部光閉じ込め層３Ａは、図９で示したように、そ
のバンドギャップ波長が下部クラッド層２Ａから活性層
４の最初の井戸層４Ａにかけて線形で広くなっていくよ
うな傾斜組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている。

【０００９】そして、他方の上部光閉じ込め層３Ｂは、
活性層４を中心にして上記した下部光閉じ込め層３と逆
の態様をとるように設計されている。すなわち、活性層
４の最後の井戸層４Ａとヘテロ接合する部分は、そのバ
ンドギャップ波長が１.２μｍである組成のＩｎＧａＡ
ｓＰで形成され、上部クラッド層２Ｂとヘテロ接合する
部分はそのバンドギャップ波長が０.９２μｍである組
成のＩｎＧａＡｓＰで形成され、その間は、バンドギャ
ップ波長が順次線形をなして狭くなっていくような傾斜
組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている。

【００１０】上記したレーザ素子の製造に際しては、通
常、ＭＯＣＶＤ法が採用されている。例えば、Ｉｎ源と
してＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を用い、Ｇａ源
としてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用い、Ａｓ源
としてＡｓＨ₃（アルシン）を用い、Ｐ源としてＰＨ
₃（ホスフィン）を用いる。そして、これらガス源をＨ₂
で所定濃度となるように希釈し、成膜すべき半導体層の
種類に応じて、上記ガス源のそれぞれに対し、マスフロ
ーコントローラで正確な流量制御と時間制御を行い、そ
れぞれを反応炉に供給して所定の半導体層を順次成膜す
る。

【００１１】例えば、上記した層構造Ｃにおける下部光
閉じ込め層３Ａを形成する場合、次のような操作を行え
ばよい。ＴＭＩｎ（Ｉｎ源）とＰＨ₃（Ｐ源）を用い、
またｎ型不純物のガス源を用いてｎ−ＩｎＰから成る下
部クラッド層の成膜工程を終了したのち、ｎ型不純物の
ガス源の供給を停止する。ついで、Ｉｎ源とＰ源の供給
は継続しながら、ＴＭＧａ（Ｇａ源）のマスフローコン
トローラとＡｓＨ₃（Ａｓ源）のマスフローコントロー
ラを開弁して反応炉へのＧａ源とＡｓ源の供給を開始す
る。

【００１２】そして、Ｉｎ源とＰ源のマスフローコント
ローラの弁の開度を調節してそれらの供給流量を徐々に
減少させ、またＧａ源とＡｓ源に関してはそれぞれのマ
スフローコントローラの弁の開度を調節してそれらの供
給流量をゼロから徐々に増加させていく。なお、これら
ガス源の供給流量は、各時点で成膜されるＩｎＧａＡｓ
Ｐの組成が、図９で示した設計値のバンドギャップ波長
の組成となるような流量に制御される。

【００１３】このような操作により、下部クラッド層２
Ａの上には、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐの組成比が連続的に
変化するＩｎＧａＡｓＰから成る下部光閉じ込め層３Ａ
が成膜される。なお、上部クラッド層３Ｂの成膜に関し
ては、活性層４の形成後、上記した操作と逆の操作を行
えばよい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】図９で示したエネルギ
ーバンド図となるように設計されているレーザ素子を上
記したＭＯＣＶＤ法の操作によって製作した層構造につ
き、２次イオン質量分析（secondary ion mass-spectro
scopy：ＳＩＭＳ）を行った結果を図１０に示す。

【００１５】図中、縦軸は各元素の２次イオンのカウン
ト数を示し、横軸は層構造Ｃにおける各層の位置を示し
ている。図１０のＳＩＭＳ曲線から明らかなように、Ｇ
ａ源とＡｓ源の場合、その供給流量が少ない領域では二
次イオンのカウント数は不安定に変動している。すなわ
ち、ＭＯＣＶＤ法で、ある組成の混晶を結晶成長させる
と、ある構成元素（図１０の場合はＡｓ）の供給流量が
少ない領域では、成膜された結晶層における当該構成元
素の組成比は安定しないことが図１０から明らかとなっ
た。

【００１６】とくに、Ａｓに関するＳＩＭＳ曲線の場
合、下部光閉じ込め層３Ａの成膜の初期段階Ｓ₁におい
てカウント数は顕著に不安定になっている。すなわち、
下部光閉じ込め層３Ａにおいては、カウント数は円滑に
増加するのではなく厳しく振動している。そして、ある
厚みだけ結晶成長が進むと、そこから、例えば、図９の
Ｓ₃で示したように、ＳＩＭＳ曲線の傾斜は急峻になっ
ている。

【００１７】また、上部光閉じ込め層３Ｂと上部クラッ
ド層２Ｂの接合部近辺Ｓ₂においては、Ａｓの２次イオ
ンのカウント数が急激に減少している。このような事態
は、設計通りの結晶層を安定して成膜することができな
いことを意味する。そのため、設計時に意図したキャリ
アの注入効率の向上や結晶性の向上を期待することがで
きず、逆に上記した性状の劣化を招く虞がある。

【００１８】また、このような事態が発生すると、上・
下光閉じ込め層の屈折率も設計値から外れ、活性層への
光閉じ込めの態様が変わってきて不都合である。本発明
は、上記した問題を解決し、ある構成元素の供給流量が
少ない領域においても、成膜された結晶層において組成
比が安定し、キャリア注入効率や結晶性が向上している
層構造を有する半導体レーザ素子と、それをＭＯＣＶＤ
法で製造する方法の提供を目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、図１０で
示した現象の原因を解明するために、層構造Ｃの形成時
におけるＩｎ源、Ｇａ源、Ａｓ源の供給流量の変化を調
べてみた。図１１で示した結果が得られた。図１１から
明らかなように、下部光閉じ込め層３Ａの成膜時におい
て、Ａｓ源の供給流量には特異な現象が認められる。

【００２０】すなわち、図１１における時点Ｂ₀におい
て、Ｇａ源とＡｓ源のマスフローコントローラを開弁す
ることにより、下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程が開始
される。その場合、Ｇａ源の場合は開弁と同時に反応炉
に供給され、その供給流量はマスフローコントローラの
開度を高めていくと、それに応じて増量している。しか
しながら、Ａｓ源の場合は、そのマスフローコントロー
ラを開弁してもしばらくの間は流れないで供給流量ゼロ
の状態を保持している。そして、ある時間経過後のある
時点Ｂ₁で急激に流れはじめ、その後はマスフローコン
トローラの開度に応じて供給流量は増加している。

【００２１】すなわち、Ａｓ源の供給流量に関しては、
マスフローコントローラを開弁しても、供給流量と開弁
動作との間で一定のタイムラグが生じている。これは、
マスフローコントローラの開弁直後におけるＡｓ源の供
給流量（設計値の）が、当該マスフローコントローラに
おける流量制御可能な流量の下限を下回っているからで
あると考えられる。

【００２２】このことが、図１０で示した下部光閉じ込
め層３ＡにおけるＡｓのＳＩＭＳ曲線形状を決めている
ものと考えられる。すなわち、マスフローコントローラ
を開弁しても時点Ｂ₁まではＡｓ源が流れないので、図
１０で示したＡｓの２次イオンカウント数は、Ｓ₁で示
したように、少なく計測され、またカウント数が振動し
ているものと考えられる。そして、時点Ｂ₁以降にはＡ
ｓ源は急激に流れ始めるので、Ａｓの２次イオンのカウ
ント数の曲線形状は急峻な傾斜を示しているものと考え
られる。

【００２３】また、図１１において、上部光閉じ込め層
３Ｂの成膜が終了する時点Ｂ₂では、ＡｓＨ₃の供給流量
が急激に低下している。そして、その結果としては、図
１０のＳ₂で示されているようなＡｓの２次イオンのカ
ウント数が急激に減少しているものと考えられる。この
ように、供給ガスの供給流量が微量であるため、当該供
給ガス源に対してマスフローコントローラによる流量制
御が極めて困難であり、そのため下部光閉じ込め層と上
部光閉じ込め層の傾斜組成が設計値から逸脱する他の事
例としては、図１２で例示したような層構造がある。

【００２４】この層構造はＡｌＧａＡｓから成る下部ク
ラッド層２Ａ’、傾斜組成を有するＡｌＧａＡｓから成
る下部光閉じ込め層３Ａ’、障壁層がＧａＡｓ、井戸層
がＩｎＧａＡｓから成る量子井戸構造の活性層４’、傾
斜組成を有するＡｌＧａＡｓから成る上部光閉じ込め層
３Ｂ’、そしてＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層２
Ｂ’で構成されている。

【００２５】そして、下部光閉じ込め層３Ａ’と上部光
閉じ込め層３Ｂ’は、バンドギャップエネルギーが下部
（上部）クラッド層から障壁層まで連続的に変化するよ
うに設計されている。また、この層構造の形成時に用い
るＡｌ源は、通常、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウ
ム）である。

【００２６】この層構造における下部光閉じ込め層３
Ａ’の形成に際しては、Ａｌ源、Ｇａ源、およびＡｓ源
に関して設計された流量をそれぞれのマスコントローラ
から反応炉に供給する。その場合、Ａｌ源の供給流量は
漸次減少させていく。したがって、下部光閉じ込め層３
Ａ’の成膜終了時点の近傍（図の破線で囲った領域
Ｐ₁）では、Ａｌ源の供給流量は０値に接近して、マス
フローコントローラの流量制御可能な流量を下回るよう
になる。そして、Ａｌ源の供給流量は無秩序にばらつく
ようになる。

【００２７】そのため、領域Ｐ₁における組成は、設計
目標とした傾斜組成から外れてくる。このことは、領域
Ｐ₂についても観察される事態である。上記した２つの
事例に関して発明者らは次のような対応策を考えた。ま
ず、図１０における下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ
込め層３Ｂに関するそれぞれのＡｓについては、Ａｓ源
の供給流量が少ない領域において当該Ａｓ源を円滑かつ
安定して変化させるためには、Ａｓ源のマスフローコン
トローラを開弁すると同時に当該Ａｓ源の所定流量が流
れはじめるようにすればよい。

【００２８】そのためには、マスフローコントローラに
おける流量制御可能な流量の下限を上回る流量で、Ａｓ
源を予め反応炉へ接続する流路以外の流路に流してお
き、下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程の開始時点Ｂ₀で
Ａｓ源の流路を反応炉へと切換え、以後はマスフローコ
ントローラの開度を順次高めればよいと考えられる。こ
のような操作を行えば、図１１で示されているような、
時点Ｂ₁までＡｓ源の供給流量がゼロになるという事態
は起こらなくなる。

【００２９】ただし、その場合には、マスフローコント
ローラの開弁と同時にある流量のＡｓ源が反応炉に供給
されるので、下部光閉じ込め層３Ａにおける下部クラッ
ド層２Ａとのヘテロ接合部、すなわち両層の層間にはあ
る厚みで当該Ａｓ源の供給流量に対応した組成のＩｎＧ
ａＡｓＰが成長し、それが介在層として存在することに
なる。

【００３０】また、図１２で示した領域Ｐ₁における組
成の乱れに関しては、Ａｌ源の供給流量がマスフローコ
ントローラの流量制限可能な流量より下回った時点で、
Ａｌ源の供給を遮断し、代わりに活性層における障壁層
を形成するためのガス源の供給に切り換えれば、領域Ｂ
₁における組成の乱れは解消できると推考した。更に領
域Ｐ₂における組成の乱れに関しては、前記図１０で示
した問題の解決策と同様の方法を適用すればよいと推考
した。

【００３１】本発明は、このような知見と考察に基づい
て開発された半導体レーザ素子とその製造方法である。
すなわち、本発明のレーザ素子は、下部クラッド層、下
部光閉じ込め層、量子井戸構造の活性層、上部光閉じ込
め層、および上部クラッド層が基板の上にこの順序で積
層されている層構造を有する半導体レーザ素子におい
て、前記下部光閉じ込め層および前記上部光閉じ込め層
が、いずれも、厚み方向に組成が連続変化する化合物半
導体の混晶から成り、かつ、前記下部クラッド層と前記
下部光閉じ込め層の層間、前記下部光閉じ込め層と前記
活性層の層間、前記活性層と前記上部光閉じ込め層の層
間、または、前記上部光閉じ込め層と前記上部クラッド
層の層間の少なくともいずれか１つの層間には、微量ガ
ス源の供給流量を調整した結果の結晶層（以下、介在層
という）が介在していることを特徴とする。

【００３２】好適には、前記下部光閉じ込め層および前
記上部光閉じ込め層が、いずれも、厚み方向に組成が連
続変化する４元混晶から成り、かつ、少なくとも前記下
部光閉じ込め層と前記下部クラッド層の間には、バンド
ギャップ波長が０.９３〜１.０５μｍである組成の前記
４元混晶から成る層が介在している半導体レーザ素子が
提供される。

【００３３】また、本発明においては、下部クラッド
層、組成が厚み方向に連続変化する化合物半導体の混晶
から成る下部光閉じ込め層、量子井戸構造の活性層、組
成が前記活性層に対して前記下部光閉じ込め層と逆に連
続変化する化合物半導体の混晶から成る上部光閉じ込め
層、および上部クラッド層が基板の上にこの順序で積層
されている層構造を形成する半導体レーザ素子の製造方
法であって、前記層構造の各層はその構成元素のガス源
をマスフローコントローラで流量調節して反応炉に供給
する有機金属化学気相成長装置を用いて成膜され、か
つ、ガス源の供給流量が前記マスフローコントローラに
よる流量制御可能な流量よりも少なくなる場合には、前
記マスフローコントローラによる流量制御可能な流量で
予め排気経路に流しておいた前記ガス源を前記反応炉に
供給するか、または、前記ガス源の供給を遮断して次に
成膜する層の構成元素のガス源を前記反応炉に供給する
工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方
法が提供され、具体的には、少なくとも前記下部光閉じ
込め層の成膜開始時点までは、前記混晶の構成元素のう
ち、前記下部クラッド層の成膜に用いなかった元素のガ
ス源を排気流路側に流しておき、前記下部光閉じ込め層
の成膜開始と同時に、前記ガス源を前記反応炉に供給す
る半導体レーザ素子の製造方法（第１の製造方法とい
う）、または、前記下部光閉じ込め層の成膜終了時点が
近づき、供給するガス源の流量が前記マスフローコント
ローラによる流量制御可能な流量よりも少なくなる時点
で、前記ガス源の供給を遮断し、ついで、活性層の構成
元素のガス源を前記反応炉に供給する半導体レーザ素子
の製造方法（第２の製造方法という）が提供される。

【００３４】

【発明の実施の形態】まず第１の製造方法で製造された
レーザ素子について説明する。このレーザ素子の場合、
基板上における全体の層構造は図８で示した層構造と同
じになっている。しかし、下部光閉じ込め層３Ａと下部
クラッド層２Ａとの層間には、下部光閉じ込め層３Ａと
同じ種類の４元混晶であるが、バンドギャップ波長が
０.９３〜１.０５μｍの範囲内に存在するある組成から
成り、ある厚みを有する介在層３ａが形成されているこ
とが相違点である。

【００３５】また、上部光閉じ込め層３Ｂと上部クラッ
ド２Ｂとの層間にも上記した介在層３ａと同じ組成、同
じ厚みの介在層３ｂが介在していてもよい。したがっ
て、本発明のレーザ素子における層構造Ｃの場合、その
エネルギーバンド図は図１で示したようになっている。
このような層構造における介在層３ａと下部光閉じ込め
層３Ａは次のようにして形成することができる。それ
を、上・下光閉じ込め層がＩｎＧａＡｓＰで構成される
場合について説明する。

【００３６】前記したように、下部光閉じ込め層３Ａの
成膜開始の前段では、Ｉｎ源とＰ源を用いて既にｎ−Ｉ
ｎＰから成る下部クラッド層２Ａが成膜されている。そ
して、Ｉｎ源とＰ源に加えて、更にＧａ源とＡｓ源をマ
スフローコントローラで流量調節して反応炉に供給して
下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程に入る。本発明におい
ては、図２で示したように、マスフローコントローラと
反応炉を結ぶ流路に切換え弁が配置されているＧａ源と
Ａｓ源の供給システムを組み立て、上記した過程で次の
ような操作を実施する。

【００３７】例えば、下部クラッド層２Ａの成膜過程の
間、それぞれのマスフローコントローラを開弁し、同時
に切換え弁を操作して、Ｇａ源とＡｓ源をそれぞれのマ
スフローコントローラから排気経路の方に流し続ける。
このときのＧａ源とＡｓ源の流量は、それぞれのマスフ
ローコントローラの流量制御可能な流量の下限値を上回
る流量に設定する。

【００３８】そして、下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程
の開始と同時に切換え弁を切り換えてＧａ源とＡｓ源を
反応炉に供給する。このとき、Ｇａ源とＡｓ源の流量
は、いずれも、マスフローコントローラの流量制御可能
な流量の下限値よりも多いので、当該排気経路の流量
は、そのまま、反応炉に供給される。すなわち、Ａｓ源
に関しては、図１１の地点Ｂ₁で示したようなＡｓ源の
供給に関する断絶状態は回避される。

【００３９】その後、マスフローコントローラの開度を
高めてＧａ源とＡｓ源の供給流量を徐々に増加させるこ
とにより、厚み方向で組成が連続的に変化している下部
光閉じ込め層３Ａが成膜される。このとき、下部光閉じ
込め層３Ａの成膜が開始される前段では、上記した排気
流量のＧａ源とＡｓ源が反応炉に供給されているので、
これらのガス源でＩｎＧａＡｓＰから成るある厚みの介
在層３ａが下部クラッド層２Ａの上に成膜され、下部ク
ラッド層２Ａと下部光閉じ込め層３Ａの層間には介在層
３ａが介装される。

【００４０】なお、介在層３ｂの形成に関しては、各ガ
ス源の供給流量は既に各マスフローコントローラの流量
制御可能な流量の下限値を大幅に上回っているので、各
マスフローコントローラの開度を所定値にまで絞り込め
ばよい。なお、上記した層構造の形成時に、図３のバン
ドギャップエネルギー図で示したように、下部光閉じ込
め層３Ａと井戸層４Ａとの層間、更には上部光閉じ込め
層３Ｂと井戸層４Ａの層間に、それぞれ、障壁層４Ｂと
同じ材料で同じ厚みのバリアステップ５Ａ，５Ｂを形成
してもよい。

【００４１】第２の製造方法においては、図１１で示し
た下部光閉じ込め層３Ａ’の成膜過程で、Ａｌ源の供給
流量がマスフローコントローラの流量制御可能な流量を
下回る時点になったときに、Ａｌ源の反応炉への供給を
遮断し、活性層における障壁層（ＧａＡｓ）用のガス源
（Ｇａ源とＡｓ源）の供給に切り換える。その結果、流
域Ｐ₁には、図４で示したように、ＧａＡｓから成る障
壁層が形成される。ここで、領域Ｐ₁までの下部光閉じ
込め層３Ａ’の組成は設計目標の組成となっており、ま
た領域Ｂ₁における障壁層の組成は特定組成のＧａＡｓ
になっているので、全体としては安定した特性を示す構
造になっている。

【００４２】また、この製造方法により、図５で示した
ようなエネルギーバンド図の層構造を形成することがで
きる。この場合、下部クラッド層２Ａ”の成膜過程で、
下部光閉じ込め層３Ａ”用のガス源（Ｇａ源とＡｓ源と
Ａｌ源）を予め所定の量だけ排気経路の方に流し続けて
おく。そして、下部クラッド層２Ａ”の成膜が終了する
と同時に反応炉へのガス源の供給を、既に排気経路の方
に流していた下部光閉じ込め層３Ａ”用のガス源に切り
換える。

【００４３】その結果、図５で示したように、下部クラ
ッド層２Ａ”からただちに下部光閉じ込め層３Ａ”の成
膜が進行する。同様の操作を、下部光閉じ込め層３Ａ”
と最初の井戸層との間についても行うことにより、図５
で示したように、下部光閉じ込め層３Ａ”に続けてただ
ちに井戸層の成膜を行うことができる。

【００４４】

【実施例】下記の層構造を有するレーザ素子を設計し
た。基板１：ｎ−ＩｎＰ。下部クラッド層２Ａ：ｎ−ＩｎＰ、厚み５００nm。介在層３ａ：バンドギャップ波長０.９５μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ、厚み３nm。

【００４５】下部光閉じ込め層３Ａ：成膜方向にバンド
ギャップ波長が０.９５μｍから１.２μｍに連続的に変
化する組成のＩｎＧａＡｓＰ、全体の厚み４０nm。活性層４：ＩｎＧａＡｓＰから成る厚み４nmの井戸層
と、バンドギャップ波長が１.２μｍである組成のＩｎ
ＧａＡｓＰから成る厚み１０nmの障壁層。井戸数は５
個。

【００４６】上部光閉じ込め層３Ｂ：成膜方向にバンド
ギャップ波長が１.２μｍから０.９５μｍに連続的に変
化する組成のＩｎＧａＡｓＰ、全体の厚み４０nm。層３ｂ：バンドギャップ波長０.９５μｍのＩｎＧａＡ
ｓＰ、厚み３nm。上部クラッド層２Ｂ：ｐ−ＩｎＰ、厚み５００nm。上部クラッド層２Ｃ：ｐ−ＩｎＰ、厚み３.５μｍ。

【００４７】キャップ層５：バンドギャップ波長が１.
２μｍである組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ、厚み５０nm。電流ブロッキング層６Ａ：ｎ−ＩｎＰ、厚み１.５μ
ｍ。電流ブロッキング層６Ｂ：ｐ−ＩｎＰ、厚み０.９μ
ｍ。上記した層構造の形成に当たり、ＴＭＧａ（Ｇａ源）と
ＡｓＨ₃（Ａｓ源）に関しては図２で示した供給システ
ムを用いて反応炉に供給した。このときのＴＭＧａ，Ａ
ｓＨ₃，ＴＭＩｎ（Ｉｎ源）の供給状態を図６に示す。

【００４８】図６から明らかなように、この実施例で
は、下部光閉じ込め層３Ａの成膜開始時点（Ｂ₀）まで
の間、ＴＭＧａに関しては、マスフローコントローラの
開度を約２２％程度にした状態における流量で排気経路
に流し続け、またＡｓＨ₃に関しては、マスフローコン
トローラの開度を約１０％にした状態における流量で排
気経路に流し続けて、そして、成膜開始と同時にＴＭＧ
ａとＡｓＨ₃をそのまま反応炉に供給し、更にマスフロ
ーコントローラの開度を徐々に大きくして反応炉への供
給流量を増量している。

【００４９】ガス源を図６で示した態様で供給して製造
したレーザ素子の層構造につき、ＳＩＭＳを行った。結
果を図７に示した。図７から明らかなように、下部光閉
じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３ＢのＳＩＭＳプロフ
ァイルは、図１０の場合に比べれば、Ａｓ源の供給流量
が少ない領域で、供給が遅れたり、振動したり、ある流
量以下でゼロになったりはしない。したがって、図８で
示した層構造は、設計値に則った層構造になっており、
そのエネルギーバンド図は図１で示した形状になってい
るものと考えてよい。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体レーザ素子は、その下部光閉じ込め層と上部光閉
じ込め層における半導体材料の組成が厚み方向で連続的
に変化しており、少なくとも下部クラッド層と下部光閉
じ込め層の間にバンドギャップ波長が０.９３〜１.０５
μｍであり、かつ下部光閉じ込め層と同じ種類の半導体
材料から成る層を介在させることによって可能にしてい
る。

【００５１】したがって、本発明のレーザ素子は、構成
元素の供給流量が少ない領域であっても、安定した結晶
層を形成することができるので、キャリア注入効率や結
晶性が向上している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ素子における層構造のバンドギ
ャップエネルギー図である。

【図２】本発明で用いるＧａ源とＡｓ源の供給システム
を示す概略図である。

【図３】本発明における層構造の別のバンドギャップエ
ネルギー図である。

【図４】本発明における下部光閉じ込め層と活性層のヘ
テロ接合部における更に別のバンドギャップエネルギー
図である。

【図５】本発明における別のバンドギャップエネルギー
図である。

【図６】実施例におけるＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，ＡｓＨ₃
の供給状態を示すグラフである。

【図７】実施例で得られた層構造において、Ｉｎ，Ｇ
ａ，Ａｓ，ＰのＳＩＭＳの結果を示すプロファイルであ
る。

【図８】層構造Ｃを有するレーザ素子Ａの断面図であ
る。

【図９】レーザ素子Ａにおける従来の層構造Ｃのバンド
ギャップエネルギー図である。

【図１０】従来の層構造ＣにおけるＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，
ＰのＳＩＭＳの結果を示すプロファイルである。

【図１１】従来の層構造Ｃを形成する際のＴＭＩｎ，Ｔ
ＭＧａ，ＡｓＨ₃の供給状態を示すグラフである。

【図１２】従来の別の層構造のバンドギャップエネルギ
ー図である。

【符号の説明】

１基板２Ａ下部クラッド層２Ｂ上部クラッド層２Ｃ上部クラッド層３Ａ下部光閉じ込め層３Ｂ上部光閉じ込め層４活性層４Ａ井戸層４Ｂ障壁層５キャップ層６電流ブロッキング層７上部電極８上部電極Ｂ₀ 下部光閉じ込め層の成膜開始時点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F045 AA04 AB18 AC01 AC08 AF04 BB05 CA12 DA52 DA57 EE04 EE18 5F073 AA22 AA74 CA17 CB02 DA05 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部クラッド層、下部光閉じ込め層、量
子井戸構造の活性層、上部光閉じ込め層、および上部ク
ラッド層が基板の上にこの順序で積層されている層構造
を有する半導体レーザ素子において、前記下部光閉じ込め層および前記上部光閉じ込め層が、
いずれも、厚み方向に組成が連続変化する化合物半導体
の混晶から成り、かつ、前記下部クラッド層と前記下部
光閉じ込め層の層間、前記下部光閉じ込め層と前記活性
層の層間、前記活性層と前記上部光閉じ込め層の層間、
または、前記上部光閉じ込め層と前記上部クラッド層の
層間の少なくともいずれか１つの層間には、微量ガス源
の供給流量を調整した結果の結晶層が介在していること
を特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】前記下部光閉じ込め層および前記上部光
閉じ込め層が、いずれも、厚み方向に組成が連続変化す
る４元混晶から成り、かつ、少なくとも前記下部光閉じ
込め層と前記下部クラッド層の間には、バンドギャップ
波長が０.９３〜１.０５μｍである組成の前記４元混晶
から成る層が介在している請求項１の半導体レーザ素
子。
【請求項３】前記４元混晶がＩｎＧａＡｓＰから成る
請求項２の半導体レーザ素子。
【請求項４】１.３〜１.６μｍの波長域で発振する請
求項２または３の半導体レーザ素子。
【請求項５】下部クラッド層、組成が厚み方向に連続
変化する化合物半導体の混晶から成る下部光閉じ込め
層、量子井戸構造の活性層、組成が厚み方向に対して連
続変化する化合物半導体の混晶から成る上部光閉じ込め
層、および上部クラッド層が基板の上にこの順序で積層
されている層構造を形成する半導体レーザ素子の製造方
法であって、前記層構造の各層はその構成元素のガス源をマスフロー
コントローラで流量調節して反応炉に供給する有機金属
化学気相成長装置を用いて成膜され、かつ、ガス源の供
給流量が前記マスフローコントローラによる流量制御可
能な流量よりも少なくなる場合には、前記マスフローコ
ントローラによる流量制御可能な流量で予め排気経路に
流しておいた前記ガス源を前記反応炉に供給するか、ま
たは、前記ガス源の供給を遮断して次に成膜する層の構
成元素のガス源を前記反応炉に供給する工程を含むこと
を特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】少なくとも前記下部光閉じ込め層の成膜
開始時点までは、前記混晶の構成元素のうち、前記下部
クラッド層の成膜に用いなかった元素のガス源を排気流
路側に流しておき、前記下部光閉じ込め層の成膜開始と
同時に、前記ガス源を前記反応炉に供給する請求項５の
半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】前記下部光閉じ込め層の成膜終了時点が
近づき、供給するガス源の流量が前記マスフローコント
ローラによる流量制御可能な流量よりも少なくなる時点
で、前記ガス源の供給を遮断し、ついで、活性層の構成
元素のガス源を前記反応炉に供給する請求項５の半導体
レーザ素子の製造方法。