JP2006005167A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができるとともに、半導体のエピタキシャル成長工程を少なくできる半導体光素子を提供する。
【解決手段】 半導体光素子１は、第１導電型半導体領域３と、活性層５と、第２導電型半導体領域７とを備える。第１導電型半導体領域３は、第１導電型のＧａＡｓ半導体基板１１上に設けられる。第２導電型半導体領域７は、第１導電型半導体領域３上に設けられる。活性層５は、第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７との間に設けられる。第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７とは、活性層５の周囲において互いにｐｎ接合を構成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体光素子に関するものである。

半導体レーザ素子などの半導体光素子の構造の一つとして、埋め込みヘテロストラクチャー構造が知られている。非特許文献１には、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子が示されている。この半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＡｓＰ半導体からなる活性層を備えている。活性層は、ｐ型ＩｎＰ半導体層とｎ型ＩｎＰ半導体層との間に設けられ、また、ＩｎＰ半導体からなる電流ブロック部の間に設けられる。注入されたキャリアは、活性層と電流ブロック層との間のヘテロ障壁によって活性層内に閉じ込められる。

ここで、このような埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子の製造方法の一例を、図１７（ａ）〜図１７（ｄ）を参照しながら説明する。まず、図１７（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１１１上にｎ型ＩｎＰ半導体層（ｎ型クラッド層）１０３、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０５、ｐ型ＩｎＰ半導体層（ｐ型クラッド層）１０６、及び保護層１０８をエピタキシャル成長させる。そして、導波路を形成するためのマスク１１０を保護層１０８上に形成する。続いて、図１７（ｂ）に示すように、マスク１１０を介して保護層１０８、ｐ型ＩｎＰ半導体層１０６、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０５、及びｎ型ＩｎＰ半導体層１０３の一部をエッチングすることにより、導波路となるメサ部１１２を形成する。

続いて、図１７（ｃ）に示すように、メサ部１１２の両側にｐ型半導体層１０９ａ及びｎ型半導体層１０９ｂからなる電流ブロック部１０９をエピタキシャル成長させる。続いて、図１７（ｄ）に示すように、保護層１０８及びマスク１１０を除去し、ｐ型ＩｎＰ半導体層（ｐ型クラッド層）１０７及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ半導体層（ｐ型コンタクト層）１１７をエピタキシャル成長させる。この後、図示しないアノード電極及びカソード電極をそれぞれｐ型半導体層１１７上及びＩｎＰ基板１１１の裏面上に形成することにより、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子が完成する。

IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，VOL.QE-17，NO.2，FEBRUARY 1981，pp.202-207

先に述べたような埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子では、図１７（ａ）〜図１７（ｅ）に示したように半導体のエピタキシャル成長工程を少なくとも３回行う必要がある。半導体のエピタキシャル成長は工程が複雑であり、比較的長時間を必要とする。従って、製品の歩留まり向上やコスト削減のためには、半導体のエピタキシャル成長工程がより少ないことが好ましい。

そこで、本発明の目的は、活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができるとともに、半導体のエピタキシャル成長工程を少なくできる半導体光素子を提供することとした。

本発明の一側面は、半導体光素子に係わる。この半導体光素子は、第１導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域と、活性層とを備える。第１導電型半導体領域は、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられ、第１及び第２の半導体部を有する。第１の半導体部は、第１の領域と第１の領域の周囲に位置する第２の領域とを有する。第２の半導体部は、一対の側面を有しており、第１の半導体部の第１の領域上に設けられる。活性層は、第１導電型半導体領域の第２の半導体部上に設けられ、一対の側面を有する。第２導電型半導体領域は、第１導電型半導体領域の第１の半導体部の第２の領域上、第２の半導体部の各側面上、活性層上、及び活性層の各側面上に設けられる。第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーは、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第１導電型半導体領域の第１の半導体部の第２の領域と第２導電型半導体領域とは、互いにｐｎ接合を構成している。

本発明の別の側面は、半導体光素子に係わる。この半導体光素子は、第１導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域と、活性層とを備える。第１導電型半導体領域は、第１の領域と第１の領域の周囲に位置する第２の領域とを有し、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられる。活性層は、第１導電型半導体領域の第１の領域上に設けられ、一対の側面を有する。第２導電型半導体領域は、第１導電型半導体領域の第２の領域上、活性層上、及び活性層の各側面上に設けられる。第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーは、活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第１導電型半導体領域の第２の領域と第２導電型半導体領域とは、互いにｐｎ接合を構成している。

これらの半導体素子においては、活性層のバンドギャップエネルギーよりも第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーのほうが大きいので、第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域との接合部分における接合電位（ビルトインポテンシャル）が、第１導電型半導体領域、活性層、及び第２導電型半導体領域によって生じる接合電位よりも大きくなる。これにより、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域に注入されたキャリアは、所定の印加電圧範囲において第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域との接合部分でブロックされ、活性層へ集中的に流入して効果的に閉じ込められることとなる。従って、これらの半導体素子によれば、活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。

また、これらの半導体光素子は、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子のような電流ブロック層を必要としない。従って、これらの半導体光素子を製造する際には、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子を製造する場合と比較して、電流ブロック層をエピタキシャル成長させる工程（図１７（ｃ）参照）を削減することができる。従って、これらの半導体光素子によれば、半導体のエピタキシャル成長工程を少なくできる。

本発明の半導体光素子では、第１導電型半導体領域は、活性層及び第２導電型半導体領域のエッチングのためのエッチング停止層として機能する材料から構成されることができる。

本発明の半導体光素子では、第１導電型半導体領域のバンドギャップエネルギー及び第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーと活性層のバンドギャップエネルギーとの差が０．３ｅＶ以上である。この構造によれば、活性層にキャリアをより効果的に閉じ込めることができる。

本発明の半導体光素子では、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、及びＧａＩｎＡｓＰのうち少なくともいずれかの半導体材料によって構成されることができる。また、活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体によって構成されることができる。

本発明の半導体光素子は、第２導電型のコンタクト層を更に備える。第２導電型のコンタクト層は、第２導電型半導体領域上且つ活性層が存在する領域上のみに設けることもできる。この構造によれば、活性層にキャリアをより効果的に閉じ込めることができる。

本発明の半導体光素子では、第１導電型半導体領域は、該第１導電型半導体領域における第２導電型半導体領域側の表面を含む第３の領域を有する。第３の領域のドーパント濃度は、第１導電型半導体領域における他の領域のドーパント濃度と異なる。

本発明の半導体光素子では、第２導電型半導体領域は、該第２導電型半導体領域における第１導電型半導体領域側の表面を含む第４の領域を有する。第４の領域のドーパント濃度は、第２導電型半導体領域における他の領域のドーパント濃度と異なる。

第１導電型半導体領域における第２導電型半導体領域側の表面を含む第３の領域のドーパント濃度が他の領域と異なる場合、第１導電型半導体領域の第３の領域の擬フェルミレベル及び抵抗が変化し、第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域との間のｐｎ接合部分、及び第１導電型半導体領域、活性層、及び第２導電型半導体層の間のｐｉｎ接合部分におけるターンオン電圧、及びｐｉｎ接合部分がターンオンした後の線形動作領域（光出力が電流に対して線形に増加する領域）における素子の直列抵抗（電流−電圧特性曲線の傾き）が変化する。このようなターンオン電圧や直列抵抗の変化は、第２導電型半導体領域における第１導電型半導体領域側の表面を含む第４の領域のドーパント濃度を他の領域と異ならせることによっても同様に生じる。従って、この構造の半導体光素子によれば、第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とのｐｎ接合部分におけるターンオン電圧、並びに第１導電型半導体領域、活性層、及び第２導電型半導体領域のｐｉｎ接合部分におけるターンオン電圧、さらにはｐｉｎ接合部分ターンオン後の線形動作領域における素子の直列抵抗の大きさを制御することができるので、線形動作領域範囲を目的に応じて適宜変化させることが可能となる。

本発明の半導体光素子では、第１導電型半導体領域と活性層との間に設けられた第１の光閉じ込め層と、第２導電型半導体領域と活性層との間に設けられた第２の光閉じ込め層とを更に備える。第１及び第２の光閉じ込め層は、活性層へのキャリアの閉じ込めと光の閉じ込めとを別個に行うことを可能にする。光閉じ込め層の挿入により、活性層への光閉じ込めが強められ、閾値電流の低減、温度特性の向上等、発振特性の改善が得られる。

本発明の半導体光素子では、ＧａＡｓ半導体の表面は、ＧａＡｓ基板により提供されるようにしてもよい。ＧａＡｓ基板は、高品質、大口径のものを安く入手できるので、これをＧａＡｓ半導体表面に用いると、半導体光素子の生産性向上やコストダウンが実現できる。また大口径のため、大規模集積素子の実現が容易となる。

本発明の半導体光素子は、半導体レーザ素子、発光ダイオード、半導体光増幅素子、電界吸収型変調素子、及び半導体光導波路の少なくともいずれかを含むことができる。

本発明による半導体光素子によれば、活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができるとともに、半導体のエピタキシャル成長工程を少なくできる。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分に同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の半導体光素子を示す斜視図である。図１には、ＸＹＺ座標系Ｓが描かれている。図２（ａ）は、図１に示されたI−I線に沿った断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されたII−II線に沿ったバンドギャップを示すダイアグラムである。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されたII−II線に沿った屈折率を示すダイアグラムである。

図１及び図２（ａ）を参照すると、半導体レーザ素子といった半導体光素子１が示されている。この半導体光素子１は、第１導電型半導体領域３と、活性層５と、第２導電型半導体領域７とを備える。第１導電型半導体領域３は、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられており、第１及び第２の半導体部３ａ、３ｂを有する。第１の半導体部３ａは、第１の領域３ｃと、第１の領域３ｃの周囲に位置する第２の領域３ｄと有する。第１の領域３ｃは、Ｚ軸方向といった所定の軸の方向に伸びている。第２の半導体部３ｂは、第１の半導体部３ａの第１の領域３ｃ上に設けられている。第２の半導体部３ｂは、一対の側面３ｅを有する。活性層５は、第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂ上に設けられている。活性層５は、一対の側面５ａを有している。第２導電型半導体領域７は、第１導電型半導体領域３の第１の半導体部３ａの第２の領域３ｄ上、第２の半導体部３ｂの側面３ｅ上、活性層５上、及び活性層５の側面５ａ上に設けられている。第２導電型半導体領域７は、活性層５の周囲において、第１導電型半導体領域３の第１の半導体部３ａの第２の領域３ｄとｐｎ接合を構成している。活性層５は、III−Ｖ族化合物半導体から構成されている。

第１導電型半導体領域３はIII−Ｖ族化合物半導体から構成されており、このIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーは、活性層５を構成するIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーよりも大きい。換言すれば、第１導電型半導体領域３のIII−Ｖ族化合物半導体が示すフォトルミネッセンス波長値は、活性層５が示すフォトルミネッセンス波長値より小さい。同様に、第２導電型半導体領域７はIII−Ｖ族化合物半導体から構成されており、このIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーは、活性層５を構成するIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーよりも大きい。換言すれば、第２導電型半導体領域７のIII−Ｖ族化合物半導体が示すフォトルミネッセンス波長値は、活性層５が示すフォトルミネッセンス波長値より小さい。ここで、フォトルミネッセンス波長値は、材料のバンドギャップエネルギに対応する波長値に等しい。図２（ｂ）のバンドギャップダイアグラムに示されるように、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７は、キャリアを活性層５に閉じ込めるように働く。結果として、第１導電型半導体領域３は第１導電型クラッド層として働くことができ、第２導電型半導体領域７は第２導電型クラッド層として働くことができる。活性層５は、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７から注入され閉じ込められたキャリアから光を発生する。

また、図２（ｃ）の屈折率分布に示されるように、第１導電型半導体領域３が示す屈折率は、活性層５が示す屈折率より小さい。第２導電型半導体領域７が示す屈折率は、活性層５が示す屈折率より小さい。故に、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７は、活性層５において発生された光をＸ方向及びＹ方向において活性層５に閉じ込めるように働く。結果として、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７は光学的なクラッド層として作用する。

なお、活性層５の構造は、単一の層からなるバルク構造、一つの井戸層からなる単一量子井戸構造、或いは複数の井戸層とバリア層とを交互に積層した多重量子井戸構造のいずれを用いてもよい。

半導体光素子１は、半導体基板１１を更に備える。半導体基板１１としてはＧａＡｓ半導体基板が例示される。第１導電型半導体領域３が設けられたＧａＡｓ半導体の表面は、ＧａＡｓ半導体基板によって提供される。半導体基板１１の主面１１ａ上には、第１導電型半導体領域３が設けられている。第１導電型半導体領域３は、半導体基板１１の主面１１ａ上に設けられた第１の半導体部３ａと、第１の半導体部３ａ上に設けられた第２の半導体部３ｂとを有する。第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂは、リッジ形状を成している。また、活性層５は、第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂと第２導電型半導体領域７との間に位置している。第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂ、及び活性層５は、半導体リッジ部１３を形成する。半導体リッジ部１３は、Ｚ軸方向といった所定の軸方向に伸びている。半導体リッジ部１３において、活性層５には、第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂ及び第２導電型半導体領域７からキャリアが注入される。

半導体光素子１は、第２導電型のコンタクト層１７と、電極２１と、電極２３とを更に備える。コンタクト層１７は、第２導電型半導体領域７上に設けられている。電極２１は、コンタクト層１７上に設けられている。電極２１は、半導体リッジ部１３が伸びる方向に伸びている。電極２３は、半導体基板１１の裏面１１ｂに設けられている。コンタクト層１７のバンドギャップは、第２導電型半導体領域７のバンドギャップより小さい。故に、電極２１とコンタクト層１７との間にオーミックコンタクトを形成することが容易になる。

半導体光素子１の組成の一例を示せば、
第１導電型半導体領域３：
ｎ型のＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ
活性層５：
アンドープ（ｕｎ）ＧａＩｎＮＡｓ
第２導電型半導体領域７：
ｐ型のＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ
半導体基板１１：ｎ型高濃度ＧａＡｓ基板
コンタクト層１７：ｐ型ＧａＡｓ
である。第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７は、ＧａＡｓ半導体に格子整合する半導体から構成されることができる。なお、各層の材料としては、上記組成の材料を一種類のみ用いてもよいし、複数の組成を組み合わせてもよい。

ここで、図３、図４（ａ）、及び図４（ｂ）を参照しながら、半導体光素子１の動作について説明する。図３は、半導体光素子１の電気的性質を等価回路に置き換えた模式図である。図４（ａ）は、半導体光素子１における、駆動電圧と駆動電流との相関を示すグラフである。図４（ｂ）は、半導体光素子１における、駆動電流と光出力（発光強度）との相関を示すグラフである。半導体光素子１においては、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７のバンドギャップエネルギーが活性層５のバンドギャップエネルギーよりも大きいため、第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７とのｐｎ接合部分（図３のＢ部分）における接合電位（ビルトインポテンシャル）が、第１導電型半導体領域３、活性層５、及び第２導電型半導体領域７のｐｉｎ接合部分（図３のＡ部分）によって生じる接合電位よりも大きくなる。したがって、Ａ部分の方がＢ部分より低い電圧値にてターンオンし、この部分に順方向に大きな電流が流れ出す。

このような半導体光素子１の構成は、Ａ部分及びＢ部分のそれぞれに並列配置されたダイオードＤ１及びＤ２を想定することによって説明できる。すなわち、ダイオードＤ１のターンオン電圧Ｖ_Ａ（図４（ａ）参照）は、Ａ部分の接合電位によって定まり、主として活性層５の材料のバンドギャップエネルギーに依存する。また、ダイオードＤ２のターンオン電圧Ｖ_Ｂは、Ｂ部分の接合電位によって定まり、主として第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７の材料のバンドギャップエネルギーに依存する。Ｂ部分の接合電位がＡ部分の接合電位よりも高いということは、ダイオードＤ２のターンオン電圧Ｖ_Ｂが、ダイオードＤ１のターンオン電圧Ｖ_Ａよりも高いことを意味する。また、Ａ部分の接合電位とＢ部分の接合電位との差が大きいほど、ターンオン電圧Ｖ_Ａとターンオン電圧Ｖ_Ｂとの差が大きくなる。換言すれば、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７の材料のバンドギャップエネルギーと活性層５のバンドギャップエネルギーとの差が大きいほど、ターンオン電圧Ｖ_Ａとターンオン電圧Ｖ_Ｂとの差が大きくなる。なお、図３に示す抵抗Ｒ１は、第１導電型半導体領域３側の素子抵抗を表す。抵抗Ｒ２は、第２導電型半導体領域７側の素子抵抗を表す。

図４（ａ）に示すように、電極２１及び２３に印加する駆動電圧を０Ｖから徐々に増加させた場合、ターンオン電圧Ｖ_ＡにおいてまずダイオードＤ１がターンオンする。そのため、Ａ部分が急激に低抵抗化し、順方向電流Ｉ_Ａが流れる。つまり、活性層５にキャリアが大量に供給され、活性層５において光が発生する。共振器ロスや内部ロスが通常範囲にあるレーザであれば、電流がＩ_Ａを超えた近傍で発振開始するので、Ｉ_Ａは発振閾値電流と同等の値であり、電流がＩ_Ａを超えて以降、急激に光出力が増加する。このとき、Ｂ部分に想定されるダイオードＤ２はターンオンしていないため、Ｂ部分は依然高抵抗であり、キャリアはＢ部分においてブロックされてＡ部分（活性層５）に効果的に閉じ込められる。また、活性層５の屈折率は第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７の屈折率よりも大きいので、活性層５において発生した光は活性層５付近に閉じ込められる。したがって、この動作領域では光及び電流の双方を活性層５内に効果的に閉じ込めることができるので、活性層５において誘導放出が効率よく生じ、低閾値電流でもってレーザ発振させることができ、且つ電流の大きさに対して発光強度を線形に増加させることができる。

続いて、駆動電圧がターンオン電圧Ｖ_Ｂに達すると、ダイオードＤ２がターンオンする。このとき、Ｂ部分も急激に低抵抗化するため、Ａ部分と同等に電流が流れるようになり、活性層５の外を流れるリーク電流が顕著になる。その結果、ターンオン電圧Ｖ_Ｂに対応する電流Ｉ_Ｂよりも大きな電流を供給した場合には、誘導放出に寄与しない無効電流が大幅に増加するためスロープ効率が急激に低下する。したがって、供給電流が電流Ｉ_Ｂよりも大きな領域は、電流供給を増やしても発光強度が増加しにくい出力飽和領域となる。この出力飽和領域は、発光強度と供給電流との相関の程度が低い非線形動作領域となる。発光強度と電流との相関が線形であることを必要とする場合には、ターンオン電圧Ｖ_Ｂ以下の駆動電圧にて素子を動作させる必要がある。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７と活性層５とのバンドギャップ差の大きさに応じた線形動作領域幅の違いを説明するためのグラフである。図５（ａ）のグラフＧ１は、半導体光素子１のＡ部分（図３参照）のターンオン電圧がＶ_Ａ１であり、Ｂ部分のターンオン電圧がＶ_Ｂ１である場合の電流−電圧特性を示すグラフである。図５（ａ）のグラフＧ２は、半導体光素子１のＡ部分のターンオン電圧がＶ_Ａ２であり、Ｂ部分のターンオン電圧がＶ_Ｂ２である場合の電流−電圧特性を示すグラフである。なお、図５（ａ）において、Ｖ_Ｂ２−Ｖ_Ａ２＞Ｖ_Ｂ１−Ｖ_Ａ１である。図５（ｂ）のグラフＧ３及びＧ４は、それぞれ図５（ａ）のグラフＧ１及びＧ２に対応する光出力（発光強度）特性を示すグラフである。

図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフＧ２及びＧ４が示すように、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７と活性層５とのバンドギャップ差が大きい（ターンオン電圧差が大きい）場合、ターンオン電圧Ｖ_Ａ２に対応する電流Ｉ_Ａ２とターンオン電圧Ｖ_Ｂ２に対応する電流Ｉ_Ｂ２との間の線形動作領域の幅が大きくなる。これに対して、グラフＧ１及びＧ３が示すように、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７と活性層５とのバンドギャップ差が小さい（ターンオン電圧差が小さい）場合、ターンオン電圧Ｖ_Ａ１に対応する電流Ｉ_Ａ１とターンオン電圧Ｖ_Ｂ１に対応する電流Ｉ_Ｂ１との間の線形動作領域の幅が小さくなる。したがって、Ａ部分のターンオン電圧Ｖ_ＡとＢ部分のターンオン電圧Ｖ_Ｂとの差が大きいほど線形動作領域が拡大するので、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７と活性層５とのバンドギャップ差は大きいほど好ましい。

次に、半導体光素子１の製造方法を、図６（ａ）〜図６（ｅ）を参照しつつ説明する。まず、図６（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる半導体基板１１上に、第１導電型半導体層２、活性層４、第２導電型半導体層６、及び保護膜９を結晶成長させる（一回目の結晶成長工程）。次に、ストライプ状の半導体リッジ部１３を形成するためのエッチングマスク１０を保護膜９上の所定位置に形成する。このとき、各層の結晶成長には、例えばＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いるとよい。また、エッチングマスク１０の材料としては、ＳｉＮやＳｉＯ_２といった誘電体を用いるとよい。

続いて、図６（ｂ）に示すように、エッチングマスク１０を介して保護膜９、第２導電型半導体層６、活性層４、及び第１導電型半導体層２の所定深さまでドライエッチングまたはウェットエッチングによってエッチングを行い、第２導電型半導体領域７の一部となる第２導電型半導体層７ａの側面７ｅ、活性層５の側面５ａ、及び第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂの側面３ｅを形成する。これにより、活性層５及び第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂからなる半導体リッジ部１３が形成される。なお、図６（ｂ）において半導体リッジ部１３は逆メサ状に形成されているが、半導体リッジ部１３を形成する面方位やエッチング液を適宜選択することによって、半導体リッジ部１３を他のメサ形状に形成することも可能である。

続いて、図６（ｃ）に示すように、エッチングマスク１０及び保護膜９を除去する。そして、図６（ｄ）に示すように、第２導電型半導体領域７の残りの部分とコンタクト層１７とを結晶成長させる（二回目の結晶成長工程）。最後に、電極２１及び２３をそれぞれコンタクト層１７上及び半導体基板１１の裏面上に形成することにより、半導体光素子１が完成する。

半導体光素子１は、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子（図１７（ｄ）参照）のような電流ブロック層を必要としない。従って、半導体光素子１を製造する際には、上述した製造方法から明らかなように、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子を製造する場合と比較して、電流ブロック層をエピタキシャル成長させる工程を削減することができる。従って、本実施形態の半導体光素子１によれば、半導体のエピタキシャル成長工程を少なく（本実施形態では二回）できるので、歩留まり向上や製造コスト削減につながる。

半導体光素子１においては、コンタクト層１７は第２導電型半導体領域７上且つ活性層５が存在する領域上のみに設けられていても良い。これによって、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７のｐｎ接合部分（図３のＢ部分）とコンタクト層１７との距離が、活性層５とコンタクト層１７との距離よりも長くなる。したがって、コンタクト層１７とｐｎ接合部分（図３のＢ部分）との間の抵抗値をより大きくできるので、このｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂをより高くできる。その結果、ターンオン電圧Ｖ_Ａとターンオン電圧Ｖ_Ｂとの差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａが拡大し、活性層５にキャリアをより高出力域まで閉じ込めることができるので、線形動作領域を拡大することができる。

また、例えば非特許文献１に開示された埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体光素子では、電流ブロック部に含まれるｐ型半導体層及びｎ型半導体層によるｐｎ接合部分が逆バイアスとなることを利用してキャリアをブロックする。しかしながら、この構造の場合、電流ブロックのために複数のｐｎ接合部分を形成する必要があることに起因して接合容量が大となり、その結果高速動作が妨げられる。これに対して、本実施形態の半導体光素子１は、第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７との間の唯一つの順方向のｐｎ接合によってキャリアをブロックするので、このような容量成分を低減することができる。したがって、半導体光素子１によれば、より高速な動作が可能になる。

また、先に述べたように、ＧａＡｓ半導体の表面はＧａＡｓ基板により提供されてもよい。ＧａＡｓ基板は、例えばインジウム燐基板などと比較して、例えば直径６インチといった大口径で且つ高品質のものを安く入手できるので、これをＧａＡｓ半導体表面に用いると、半導体光素子１の生産性向上やコストダウンが実現でき、大規模集積素子の実現が容易となる。

図７（ａ）は、本発明の半導体光素子の変形例を示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示されたIII−III線に沿ったバンドギャップを示す図面である。図７（ｃ）は、図７（ａ）に示されたIII−III線に沿った屈折率を示す図面である。半導体光素子１ａは、第１の光閉じ込め層２５及び第２の光閉じ込め層２７を更に備えることができる。第１の光閉じ込め層２５は、第１導電型半導体領域３と活性層５との間に設けられている。第２の光閉じ込め層２７は、活性層５と第２導電型半導体領域７との間に設けられている。第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂ、活性層５、第１の光閉じ込め層２５、及び第２の光閉じ込め層２７は、半導体リッジ部１３ａを形成する。

第１の光閉じ込め層２５は、活性層５の材料のバンドギャップエネルギーと第１導電型半導体領域３の材料のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する材料からなる。第２の光閉じ込め層２７は、活性層５の材料のバンドギャップエネルギーと第２導電型半導体領域７の材料のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する材料からなる。活性層５には、第１の光閉じ込め層２５及び第２の光閉じ込め層２７を介して第１導電型半導体領域３の第２の半導体部３ｂ及び第２導電型半導体領域７からキャリアが注入される。図７（ｂ）に示されるように、半導体光素子１ａにおいては、注入されたキャリアは、第１の光閉じ込め層２５及び第２の光閉じ込め層２７の働きによって活性層５に閉じ込められる。

第１の光閉じ込め層２５は、活性層５が示す屈折率と第１導電型半導体領域３が示す屈折率との間の屈折率値を示している。第２の光閉じ込め層２７は、活性層５が示す屈折率と第２導電型半導体領域７が示す屈折率との間の屈折率値を示している。図７（ｃ）に示されるように、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７は、活性層５において発生された光を活性層５、第１の光閉じ込め層２５及び第２の光閉じ込め層２７に閉じ込めるように働く。

第１及び第２の光閉じ込め層２５、２７は、電流の閉じ込めと、光の閉じ込めを別個に行うことを可能にする。これらの光閉じ込め層の挿入により、活性層５への光閉じ込めが強められ、閾値電流の低減、温度特性の向上等、発振特性の改善が得られる。特に、活性層５が薄膜の量子井戸構造からなる場合には、量子井戸構造のみでは小さな光閉じ込め係数しか得られないが、第１及び第２の光閉じ込め層２５、２７を導入することによって光閉じ込め係数を増大することができるので、発振特性を劇的に改善できる。

（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態の半導体光素子を示す斜視図である。図８には、ＸＹＺ座標系Ｓが描かれている。図９（ａ）は、図８に示されたIV−IV線に沿った断面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示されたＶ−Ｖ線に沿ったバンドギャップを示す図面である。図９（ｃ）は、図９（ａ）に示されたＶ−Ｖ線に沿った屈折率を示す図面である。図８及び図９（ａ）を参照すると、半導体レーザ素子といった半導体光素子５１が示されている。

この半導体光素子５１は、第１導電型半導体領域５３と、活性層５５と、第２導電型半導体領域５７とを備える。第１導電型半導体領域５３は、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられている。第１導電型半導体領域５３は、第１の領域５３ａと、該第１の領域５３ａの周囲に位置する第２の領域５３ｂとを有する。第１の領域５３ａは、Ｚ軸方向といった所定の軸方向に伸びている。活性層５５は、第１の領域５３ａ上に設けられている。活性層５５は、一対の側面５５ａを有している。第２導電型半導体領域５７は、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂ上、活性層５５上、及び活性層５５の側面５５ａ上に設けられている。第２導電型半導体領域５７は、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂとｐｎ接合を構成している。活性層５５は、III−Ｖ族化合物半導体から構成されている。

第１導電型半導体領域５３はIII−Ｖ族化合物半導体から構成されており、このIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーは、活性層５５を構成するIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーよりも大きい。同様に、第２導電型半導体領域５７はIII−Ｖ族化合物半導体から構成されており、このIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーは、活性層５５を構成するIII−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーよりも大きい。図９（ｂ）のバンドギャップダイアグラムに示されるように、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７は、キャリアを活性層５５に閉じ込めるように働く。結果として、第１導電型半導体領域５３は第１導電型クラッド層として働くことができ、第２導電型半導体領域５７は第２導電型クラッド層として働くことができる。活性層５５は、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７から注入され閉じ込められたキャリアから光を発生する。

また、図９（ｃ）の屈折率分布に示されるように、第１導電型半導体領域５３が示す屈折率は、活性層５５が示す屈折率より小さい。第２導電型半導体領域５７が示す屈折率は、活性層５５が示す屈折率より小さい。故に、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７は、活性層５５において発生された光をＸ方向及びＹ方向において活性層５５に閉じ込めるように働く。結果として、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７は光学的なクラッド層として作用する。

なお、活性層５５の構造は、単一の層からなるバルク構造、一つの井戸層からなる単一量子井戸構造、或いは複数の井戸層とバリア層とを交互に積層した多重量子井戸構造のいずれを用いてもよい。

半導体光素子５１は、半導体基板６１を更に備える。半導体基板６１としてはＧａＡｓ半導体基板が例示される。第１導電型半導体領域５３が設けられたＧａＡｓ半導体の表面は、ＧａＡｓ半導体基板によって提供される。半導体基板６１の主面６１ａ上には、第１導電型半導体領域５３が設けられている。

半導体光素子５１は、第２導電型のコンタクト層６７と、電極７１と、電極７３とを更に備える。コンタクト層６７は、第２導電型半導体領域５７上に設けられている。電極７１は、コンタクト層６７上に設けられている。電極７１は、活性層５５が伸びる方向に伸びている。電極７３は、半導体基板６１の裏面６１ｂに設けられている。コンタクト層６７のバンドギャップは、第２導電型半導体領域５７のバンドギャップより小さい。故に、電極７１とコンタクト層６７との間にオーミックコンタクトを形成することが容易になる。

本実施形態の半導体光素子５１においては、活性層５５のバンドギャップエネルギーよりも第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７のバンドギャップエネルギーのほうが大きいので、第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７とのｐｎ接合部分における接合電位が、第１導電型半導体領域５３、活性層５５、及び第２導電型半導体領域５７によって生じる接合電位よりも大きくなる。これにより、半導体光素子５１は、図３に示した第１実施形態の半導体光素子１と同様に動作する。すなわち、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７に生じたキャリアは、所定の印加電圧範囲において第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７とのｐｎ接合部分でブロックされ、活性層５５へ効果的に閉じ込められることとなる。従って、これらの半導体素子によれば、活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。

また、半導体光素子５１の製造方法が第１実施形態の半導体光素子１の製造方法（図６（ａ）〜（ｅ）参照）と相違する点は、図６（ｂ）に示したエッチング工程において、第１導電型半導体領域５３をエッチングしない点である。したがって、半導体光素子５１を製造する際にも、電流ブロック層をエピタキシャル成長させる工程（図１７（ｃ）参照）が必要ないので、半導体のエピタキシャル成長工程を少なくできる。

半導体光素子５１においては、コンタクト層６７が第２導電型半導体領域５７上且つ活性層５５が存在する領域上のみに設けられていても良い。これによって、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７のｐｎ接合部分（図３のＢ部分）とコンタクト層６７との距離が、活性層５５とコンタクト層６７との距離よりも長くなる。したがって、コンタクト層６７とｐｎ接合部分（図３のＢ部分）との間の抵抗値をより大きくできるので、このｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂをより高くできる。その結果、ターンオン電圧Ｖ_Ａとターンオン電圧Ｖ_Ｂとの差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａが拡大し、活性層５５にキャリアをより高出力域まで閉じ込めることができるので、線形動作領域を拡大することができる。

半導体素子５１においては、半導体光素子１と同じく第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７との間の唯一つの順方向のｐｎ接合によってキャリアをブロックするので、従来構造に比べて容量成分を低減することができる。したがって、半導体光素子５１によれば、より高速な動作が可能になる。

また、半導体素子５１においては、半導体光素子１と同じくＧａＡｓ半導体の表面はＧａＡｓ基板により提供されてもよい。この場合、大口径で高品質、低価格のＧａＡｓ基板を使用できるため、これをＧａＡｓ半導体表面に用いると、半導体光素子５１の生産性向上やコストダウンが実現でき、大規模集積素子の実現が容易となる。

また、発明者らは、本実施形態の構成が、半導体光素子５１の温度特性を改善可能であることを見出した。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７と活性層５５とのバンドギャップエネルギー差ΔＥｇと、発振閾値電流Ｉ_ｔｈとの相関を示すグラフである。なお、図１０（ａ）は素子の温度が２５℃の場合を示し、図１０（ｂ）は素子の温度が８５℃の場合を示している。また、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７の材料としてはＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐを用い、活性層５５の材料としては単層のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用いた。そして、活性層５５のＡｌ組成比ｘを次の表１のように変化させることにより、活性層５５のバンドギャップエネルギーＥｇを変化させ、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇを変化させた。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．３ｅＶ以上であれば、素子の温度に拘わらず発振閾値電流Ｉ_ｔｈが小さい値に抑えられていることがわかる。特に、発光特性が悪化しやすい高温時においても、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．３ｅＶ以上であればＩ_ｔｈは１８ｍＡ程度に抑えられている。

ここで、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、表１に示したバンドギャップエネルギー差ΔＥｇそれぞれにおける電流−光出力特性を示すグラフである。図１１（ａ）は素子温度が２５℃の場合を示している。図１１（ｂ）は素子温度が８５℃の場合を示している。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）において、グラフＧ１１及びＧ２１はΔＥｇ＝０．２４ｅＶに対応している。グラフＧ１２及びＧ２２は、ΔＥｇ＝０．２７ｅＶに対応している。グラフＧ１３及びＧ２３は、ΔＥｇ＝０．３０ｅＶに対応している。グラフＧ１４及びＧ２４は、ΔＥｇ＝０．３３ｅＶに対応している。グラフＧ１５及びＧ２５は、ΔＥｇ＝０．３６ｅＶに対応している。グラフＧ１６及びＧ２６は、ΔＥｇ＝０．４９ｅＶに対応している。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが大きくなるほど発光効率が良くなっていることがわかる。これは、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが大きくなるほど、第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７とのｐｎ接合部分においてキャリアを効果的にブロックし、活性層５５にキャリアをより強く閉じ込めていることによるものと推測される。

また、発明者らは、ＩｎＰ基板上に形成される半導体光素子についても検討を行った。具体的には、第１及び第２導電型半導体領域の材料としてＩｎＰを用い、活性層の材料として単層のＧａ_０．３９Ｉｎ_０．６１Ａｓ_{０．８４５}Ｐ_{０．１５５}を用いた。この場合、第１及び第２導電型半導体領域と活性層とのバンドギャップエネルギー差ΔＥｇは０．５５ｅＶとなる。結果を図１２に示す。図１２において、グラフＧ３１は素子温度が２５℃の場合を示し、グラフＧ３２は素子温度が８５℃の場合を示している。図１２に示すように、ＩｎＰ基板に格子整合する半導体材料を用いた場合、素子温度が比較的低い場合でも光出力が数ｍＷの段階で飽和してしまい、実用的な半導体光素子が得られないことがわかる。これは、ＩｎＰ基板上に結晶成長する材料系では、活性層の外を流れるリーク電流が大きくなるためと推測される。なお、本発明の半導体光素子５１では、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇが０．５５ｅＶを超えるように材料を組み合わせた場合には、キャリアを活性層５５に更に効果的に閉じ込めることができる。

本発明の半導体光素子５１は、第１導電型半導体領域５３、活性層５５、及び第２導電型半導体領域５７がＧａＡｓ半導体の表面上に設けられるので、先に述べた優れた効果を得ることができる。ここで、本発明の効果を好適に得ることができる材料の一覧を図１３に示す。これらの材料群は、組成比を適宜選択することにより、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇを０．３ｅＶ以上に（或いは、０．５５ｅＶより大きく）することが可能な材料群である。また、これらの材料群は、本実施形態の半導体光素子５１に限らず、第１実施形態の半導体光素子１や本発明に係る他の半導体光素子にも適用することが可能であり、従って他の実施形態においても、上述した半導体光素子５１と同様の優れた温度特性が得られる。

ここで、図１３の材料群の中から、具体的な組み合わせの例を示す。例えば、活性層５５に少なくとも窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いた場合には、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７の材料として、高いバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰを挙げることができる。特に、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰは、ＩｎＰよりも高いバンドギャップエネルギーを有する材料であり、組成に応じてそれぞれ約１．９ｅＶ〜約２．３ｅＶ、約１．４２ｅＶ〜約２．１６ｅＶ、及び約１．４２ｅＶ〜約１．９ｅＶの範囲でバンドギャップエネルギーを選択することができる。また、ＧａＩｎＰは約１．９ｅＶといった高いバンドギャップエネルギーを有する。第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７の材料としてこれらのいずれかを用いると、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇを大きく設定することが容易にできるので、活性層５５にキャリアを閉じ込める効果が顕著になり、良好な温度特性が得られる。また、図３におけるＡ部分とＢ部分とのターンオン電圧差を大きくできるので、半導体光素子５１における線形動作領域を拡大することも容易にできる。

また、活性層５５に少なくとも窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いることにより、波長１．３μｍ〜１．５５μｍといった波長１μｍ以上の通信用半導体光素子を実現できる。このような材料としては、例えば少なくともＮ、Ｇａ、及びＡｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を挙げることができる。少なくともＮ、Ｇａ、及びＡｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体は、格子定数をＧａＡｓと同じか近い値に設定することが可能で、ＧａＡｓ半導体上に良好に結晶成長させることができる。このような材料の一例としては、ＧａＮＡｓ及びＧａＩｎＮＡｓを挙げることができる。これらの材料は、組成比を適宜調整することによりＧａＡｓ半導体と格子整合させることができる。また、これらの材料は、１μｍ〜１．６μｍといった長波長域の光を発光できる。

また、活性層５５は、ＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓに加え、さらにＳｂ及びＰのうち少なくとも一方の元素を含んでもよい。Ｓｂはいわゆるサーファクタントとして機能し、ＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓの３次元成長を抑制し、結晶性を改善する作用がある。また、ＰはＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓの局所的結晶歪みを低減することにより、結晶性及び信頼性を改善する作用がある。また、Ｐは結晶成長過程における活性層５５へのＮ元素の取り込み量の増大にも寄与する。このような活性層５５の材料の具体例としては、例えばＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、及びＧａＩｎＮＡｓＳｂＰなどを挙げることができる。

また、活性層５５は、III−Ｖ族化合物半導体のうち窒素を含まないものとして、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＡｓから構成されてもよい。この場合、活性層５５は波長０．６μｍ〜１μｍの赤色〜近赤外域の波長の光を出力することができる。なお、このとき、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７の材料としては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰを用いるとよい。特に、ＡｌＧａＩｎＰは組成に応じて最大約２．３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するので、第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７がＡｌＧａＩｎＰからなることによって、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇを大きく設定することが容易にできる。

図１４（ａ）は、本実施形態の半導体光素子の変形例を示す断面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示されたVI−VI線に沿ったバンドギャップを示す図面である。図１４（ｃ）は、図１４（ａ）に示されたVI−VI線に沿った屈折率を示す図面である。半導体光素子５１ａは、第１の光閉じ込め層７５及び第２の光閉じ込め層７７を更に備えることができる。第１の光閉じ込め層７５は、第１導電型半導体領域５３と活性層５５との間に設けられている。第２の光閉じ込め層７７は、活性層５５と第２導電型半導体領域５７との間に設けられている。活性層５５、第１の光閉じ込め層７５、及び第２の光閉じ込め層７７は、半導体リッジ部６３ａを形成する。

第１の光閉じ込め層７５及び第２の光閉じ込め層７７は、先に述べた第１実施形態の第１の光閉じ込め層２５及び第２の光閉じ込め層２７と同様の構成および作用を有している。すなわち、第１の光閉じ込め層７５は、図１４（ｂ）に示されるように活性層５５の材料のバンドギャップエネルギーと第１導電型半導体領域５３の材料のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する材料からなる。第２の光閉じ込め層７７は、活性層５５の材料のバンドギャップエネルギーと第２導電型半導体領域５７の材料のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する材料からなる。また、第１の光閉じ込め層７５は、図１４（ｃ）に示されるように活性層５５が示す屈折率と第１導電型半導体領域５３が示す屈折率との間の屈折率値を示している。第２の光閉じ込め層７７は、活性層５５が示す屈折率と第２導電型半導体領域５７が示す屈折率との間の屈折率値を示している。したがって、第１の光閉じ込め層７５及び第２の光閉じ込め層７７は、活性層５５への電流の閉じ込めと、光の閉じ込めとを別個に行うことを可能にする。これらの光閉じ込め層の挿入により、活性層５５への光閉じ込めが強められ、閾値電流の低減や温度特性の向上といった発振特性の改善効果が得られる。

本実施形態において、第１導電型半導体領域５３は、活性層５５や第１、第２の光閉じ込め層７５、７７のエッチングのためのエッチング停止層として機能する材料から構成されてもよい。従来の埋め込みヘテロストラクチャー構造において、メサ形成のための活性層に対するエッチングは、半導体層に対して損傷を与えにくいウエットエッチングによって行われることが多い。しかし、ウエットエッチングは等方性エッチングであるため、活性層は深さ方向と同時に水平方向にもエッチングされる。その結果、活性層幅はメサ部のエッチング深さ（エッチング量）に応じて変動する。例えば、非特許文献１に示されたような半導体レーザ素子では、ＩｎＧａＡｓＰ半導体からなる活性層をエッチングするためのエッチング液としてＢｒメタノールが一般的に用いられる。しかし、Ｂｒメタノールによってｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層もエッチングされるので、活性層と同時に活性層直下のｎ型ＩｎＰ半導体クラッド層も必ず深く削られたメサ構造となる。ウェットエッチングでは、エッチング溶液の温度、濃度、薬品の混合比等の微妙な変動により、エッチングレートが製造毎に変動しやすい。特にＢｒメタノールは揮発性であるため、エッチングレートが変動しやすい。さらに、ウエハの中央部と周辺部とにおけるエッチング溶液の攪拌速度の差に起因して、ウエハ面内においてエッチングレートが一定になりにくい。このようなエッチングレートの変動は製造毎の、またウェハ面内でのエッチング深さのばらつきを生じるので、それに連動して活性層幅もばらつくことになる。したがって、活性層幅を一定に形成することが困難となり、レーザ特性の再現性や均一性を損なうおそれがある。

これに対し、本実施形態の半導体光素子５１は、半導体基板１１がＧａＡｓ半導体からなるので、例えば第１導電型半導体領域５３の材料としてＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰを用いることができ、第１、第２の光閉じ込め層７５、７７にＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰを用いることができ、且つ活性層５５としＮとＧａとＡｓとを含むＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体、またはＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓのいずれかを用いることができるので、エッチング液を適宜選択する（例えば燐酸系エッチャント）ことにより、第１導電型半導体領域５３がエッチング停止層として機能し、第１、第２の光閉じ込め層７５、７７や活性層５５のみをエッチングすることが可能となる。これにより、活性層と光閉じ込め層のメサエッチング深さに関して良好な再現性及び面内均一性が得られるので、活性層５５の幅の再現性およびウェハ面内での均一性が格段に向上し、レーザ特性の再現性や均一性が改善される。

図１５は、本実施形態の半導体光素子の別の変形例を示す断面図である。本変形例では、第１導電型半導体領域５４が、第３の領域５４ａ及び他の領域５４ｂを有する。また、第２導電型半導体領域５８が、第４の領域５８ａ及び他の領域５８ｂを有する。第１導電型半導体領域５４の第３の領域５４ａは、第１導電型半導体領域５４における第２導電型半導体領域５８側の表面５４ｃを含む。第２導電型半導体領域５８の第４の領域５８ａは、第２導電型半導体領域５８における第１導電型半導体領域５４側の表面５８ｃ及び５８ｄを含む。第１導電型半導体領域５４において、第３の領域５４ａのドーパント濃度は他の領域５４ｂのドーパント濃度と異なっている。第２導電型半導体領域５８において、第４の領域５８ａのドーパント濃度は他の領域５８ｂのドーパント濃度と異なっている。

図１６（ａ）に示すグラフＧ５は、半導体光素子５１ｂにおける電流−電圧特性を示すグラフである。図１６（ａ）に示すグラフＧ６は、半導体光素子５１ｂとは異なり、半導体光素子が高濃度の第３の領域５４ａ及び第４の領域５８ａを備えない場合の電流−電圧特性を示すグラフである。また、図１６（ｂ）に示すグラフＧ７及びＧ８は、図１６（ａ）に示すグラフＧ５及びＧ６にそれぞれ対応する電流−光出力特性を示すグラフである。半導体光素子５１ｂでは、第３の領域５４ａ及び第４の領域５８ａがそれぞれ領域５４ｂ及び５８ｂと異なる濃度でドープされることによって、第３の領域５４ａ及び第４の領域５８ａの擬フェルミレベル及び抵抗が変化し、第１導電型半導体領域５４と第２導電型半導体領域５８とのｐｎ接合部分、並びに第１導電型半導体領域５４、活性層５５、及び第２導電型半導体領域５８によるｐｉｎ接合部分におけるターンオン電圧、及びｐｉｎ接合部分がターンオンした後の線形動作領域における素子の直列抵抗が変化する。例えば、第３の領域５４ａ及び第４の領域５８ａを領域５４ｂ及び５８ｂよりも充分高濃度にドープすると、これらのクラッド部分の抵抗が下がるため、ｐｎ接合部分及びｐｉｎ接合部分におけるターンオン電圧が低下する。したがって、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、ｐｉｎ接合部分のターンオン電圧Ｖ_Ａ２がより低いターンオン電圧Ｖ_Ａ３に変化し、ｐｎ接合部分のターンオン電圧Ｖ_Ｂ２がより低いターンオン電圧Ｖ_Ｂ３に変化する。さらに、第３の領域５４ａ及び第４の領域５８ａの抵抗値も低下するので、ｐｉｎ接合部分ターンオン後の線形動作領域における電流−電圧特性のグラフの傾き（直列抵抗）も低下する。この結果、ｐｎ接合部分がターンオンに至る電流値がＩ_Ｂ２からＩ_Ｂ３へと増大するので、電流−光出力特性における線形動作領域の範囲が拡大され、より大きな光出力を得ることができる。以上説明したように、本構造においては領域５４ａ及び５８ａのドーパント濃度を変更することで、電流−電圧特性のターンオン電圧やターンオン後の直列抵抗を変化させ、その結果線形動作領域範囲を目的に応じて適宜変化させることが可能となる。なお、以上では領域５４ａと５８ａとが両方存在する場合について説明したが、どちらか一方の領域を導入した場合でも同様の効果が得られる。

なお、上述したようなターンオン電圧の制御は、第１導電型半導体領域５４（第２導電型半導体領域５８）全体のドーパント濃度を変化させることによっても可能である。また、ターンオン電圧の制御は、第１導電型半導体領域５４及び第２導電型半導体領域５８のうち一方の半導体領域のみドーパント濃度を調整することによっても可能である。上述の例では、第１導電型半導体領域５４及び第２導電型半導体領域５８における一部の領域のみドーパント濃度を変化させることにより、ドープ量の変更による素子特性への影響を抑えることもできる。また、上述した第１導電型半導体領域、または第２導電型半導体領域における一部あるいは全体のドーパント濃度変更によるターンオン電圧の制御法は、本実施形態の半導体光素子５１ｂに限らず、第１実施形態の半導体光素子１や本発明に係る他の全ての半導体光素子にも適用することができる。

以上、本発明の第１及び第２の実施の形態をいくつかの変形例を参照しながら説明したが、本実施の形態は、これらに限定されない。更なる変形例の半導体光素子では、第１及び第２導電型半導体領域がＡｌを含まない材料で形成されていてもよい。一般にＡｌを含む材料は酸化しやすいため、これを第１及び第２導電型半導体領域の材料として用いると、第１及び第２導電型半導体領域と活性層や光閉じ込め層との接合界面、及び第１及び第２導電型半導体領域同士の接合界面において、経時変化に伴う酸化が進行し、非発光センター等が増殖するおそれがある。その結果、半導体光素子の発光特性や信頼性が損なわれる。また、第１導電型半導体領域にＡｌを含む材料を用いると第１導電型半導体領域の表面が酸化されやすいため、その上に第２導電型半導体領域を成長させることが困難となるおそれがある。これに対し、第１及び第２導電型半導体領域がＡｌを含まない材料で形成されていれば、界面における非発光センター等の増殖を抑えるとともに、第２導電型半導体領域を結晶性よく成長させることができる。さらに第２導電型半導体領域がＡｌを含まない場合には、二回目の結晶成長工程において第２導電型半導体領域の残りとコンタクト層とを成長させる際も良好な結晶成長を実現できる。なお、このような材料としては例えばＧａＩｎＰやＧａＩｎＡｓＰなどが好適である。

また、第１導電型半導体領域において第２導電型半導体領域側の表面を含む領域、及び第２導電型半導体領域において第１導電型半導体領域側の表面を含む領域（例えば、図１５の第３の領域５４ａ及び第４の領域５８ａ）がＡｌを含まない材料で形成されていてもよい。この構成によれば、第１及び第２導電型半導体領域がＡｌを含まない場合の効果と同様の効果を得ることができる。この構成では、第１及び第２導電型半導体領域うち他の半導体領域と接しない領域にはＡｌを含む材料を用いることが可能となるので、材料選択の幅がひろがり、設計の自由度がさらに増す。なお、このような構成に用いられる、Ａｌを含まない材料としては、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＡｓなどが好適である。

また、活性層や光閉じ込め層もＡｌを含まない材料で構成されていてもよい。この場合、全ての層はＡｌを含まない材料で構成される。従って、Ａｌ酸化に起因する諸問題が完全に排除され、より高性能、高信頼な半導体光素子が得られる。このような活性層の材料としては、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなどが、また光閉じ込め層の材料としてはＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＡｓが好適である。

また、活性層が量子井戸構造を有する場合には、下地となる半導体基板または半導体層の格子定数に対し、活性層の格子定数の格子不整が±３％以内になるように活性層の組成が選択されていてもよい。量子井戸構造における井戸層の厚さは非常に薄くてよいため、このような格子不整の範囲で歪みがあっても、臨界膜厚からは十分に薄いのでミスフィット転位等の格子不整合に起因する結晶欠陥は生じず、実用上問題とはならない。この場合、活性層及び下地層の格子整合条件に関する制約が緩和されるので、より広範な組成の材料を選択できる。したがって、活性層のバンドギャップエネルギーの選択の幅がひろがり、設計の自由度が増す。

以上では好適な実施の形態として、半導体レーザ素子に適用した場合について、本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明はこれに限られるものでは無く、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。例えぱ、本発明は発光ダイオード、半導体光増幅素子、電界吸収型変調素子、半導体光導波路、及びそれらを集積した半導体光集積素子への適用も可能である。これら全ての素子形態において本発明を適用すれば、ヘテロ構造における活性層へのキャリア閉じ込めが強化され、素子の温度特性が効果的に改善される。また本発明の構造では半導体の結晶成長工程が２回で済むため、従来プロセスに比べてプロセスの簡略化、短時間化が実現され、歩留まり向上やコストダウンが図れる。なお、これらの素子の構造の詳細は必要なように変更されることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、第１の実施の形態の半導体光素子を示す斜視図である。 図２（ａ）は、図１に示されたI−I線に沿った断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されたII−II線に沿ったバンドギャップを示すダイアグラムである。図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されたII−II線に沿った屈折率を示すダイアグラムである。 図３は、半導体光素子の電気的性質を等価回路に置き換えた模式図である。 図４（ａ）は、半導体光素子における、駆動電圧と駆動電流との相関を示すグラフである。図４（ｂ）は、半導体光素子における、駆動電流と光出力（発光強度）との相関を示すグラフである。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域と活性層とのバンドギャップ差の大きさに応じた線形動作領域幅の違いを説明するためのグラフである。 半導体光素子の製造方法を示す工程図である。 図７（ａ）は、本発明の半導体光素子の変形例を示す断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示されたIII−III線に沿ったバンドギャップを示す図面である。図７（ｃ）は、図７（ａ）に示されたIII−III線に沿った屈折率を示す図面である。 図８は、第２の実施の形態の半導体光素子を示す斜視図である。 図９（ａ）は、図８に示されたIV−IV線に沿った断面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示されたＶ−Ｖ線に沿ったバンドギャップを示す図面である。図９（ｃ）は、図９（ａ）に示されたＶ−Ｖ線に沿った屈折率を示す図面である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域と活性層とのバンドギャップエネルギー差ΔＥｇと、発振閾値電流Ｉ_ｔｈとの相関を示すグラフである。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、表１に示したバンドギャップエネルギー差ΔＥｇそれぞれにおける電流−光出力特性を示すグラフである。 図１２は、ＩｎＰ基板に格子整合する材料系を用いた場合の電流−光出力特性を示すグラフである。 図１３は、本発明の効果を好適に得ることができる材料の一覧を示す図表である。 図１４（ａ）は、本発明の半導体光素子の変形例を示す断面図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示されたVI−VI線に沿ったバンドギャップを示す図面である。図１４（ｃ）は、図１４（ａ）に示されたVI−VI線に沿った屈折率を示す図面である。 図１５は、本発明の半導体光素子の別の変形例を示す断面図である。 図１６（ａ）は、半導体光素子における電流−電圧特性を示すグラフである。図１６（ｂ）は、半導体光素子における電流−光出力特性を示すグラフである。 図１７は、埋め込みヘテロストラクチャー構造の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す工程図である。

符号の説明

１，１ａ…半導体光素子、３…第１導電型半導体領域、３ａ…第１の半導体部、３ｂ…第２の半導体部、３ｃ…第１の領域、３ｄ…第２の領域、５…活性層、７…第２導電型半導体領域、１１ａ…主面、１１…半導体基板、１１ｂ…裏面、１３…半導体リッジ部、１７…コンタクト層、２１，２３…電極、２５…第１の光閉じ込め層、２７…第２の光閉じ込め層。

Claims (11)

1. ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられ第１及び第２の半導体部を有する第１導電型半導体領域を備え、前記第１の半導体部は、第１の領域と前記第１の領域の周囲に位置する第２の領域とを有しており、前記第２の半導体部は、一対の側面を有しており、前記第２の半導体部は、前記第１の半導体部の前記第１の領域上に設けられており、
   前記第１導電型半導体領域の前記第２の半導体部上に設けられ一対の側面を有する活性層を備え、
   前記第１導電型半導体領域の前記第１の半導体部の前記第２の領域上、前記第２の半導体部の各側面上、前記活性層上、及び前記活性層の各側面上に設けられた第２導電型半導体領域を備え、
   前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーは、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
   前記第１導電型半導体領域の前記第１の半導体部の前記第２の領域と前記第２導電型半導体領域とが互いにｐｎ接合を構成している、半導体光素子。
2. 第１の領域と前記第１の領域の周囲に位置する第２の領域とを有し、ＧａＡｓ半導体の表面上に設けられた第１導電型半導体領域と、
   前記第１導電型半導体領域の前記第１の領域上に設けられ一対の側面を有する活性層と、
   前記第１導電型半導体領域の前記第２の領域上、前記活性層上、及び前記活性層の各側面上に設けられた第２導電型半導体領域と
   を備え、
   前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーは、前記活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
   前記第１導電型半導体領域の前記第２の領域と前記第２導電型半導体領域とが互いにｐｎ接合を構成している、半導体光素子。
3. 前記第１導電型半導体領域は、前記活性層のエッチングのためのエッチング停止層として機能する材料から構成される、請求項２に記載の半導体光素子。
4. 前記第１導電型半導体領域のバンドギャップエネルギー及び前記第２導電型半導体領域のバンドギャップエネルギーと前記活性層のバンドギャップエネルギーとの差が０．３ｅＶ以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
5. 前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、及びＧａＩｎＡｓＰのうち少なくともいずれかの半導体材料から構成されており、
   前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓから構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
6. 前記第２導電型半導体領域上且つ前記活性層上に設けられた第２導電型のコンタクト層を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体光素子。
7. 前記第１導電型半導体領域は、該第１導電型半導体領域における前記第２導電型半導体領域側の表面を含む第３の領域を有しており、
   前記第３の領域のドーパント濃度は、前記第１導電型半導体領域における他の領域のドーパント濃度と異なる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体光素子。
8. 前記第２導電型半導体領域は、該第２導電型半導体領域における前記第１導電型半導体領域側の表面を含む第４の領域を有しており、
   前記第４の領域のドーパント濃度は、前記第２導電型半導体領域における他の領域のドーパント濃度と異なる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体光素子。
9. 前記第１導電型半導体領域と前記活性層との間に設けられた第１の光閉じ込め層と、
   前記第２導電型半導体領域と前記活性層との間に設けられた第２の光閉じ込め層と
   を更に備える、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の半導体光素子。
10. 前記ＧａＡｓ半導体の表面はＧａＡｓ基板により提供されている、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の半導体光素子。
11. 当該半導体光素子は、半導体レーザ素子、発光ダイオード、半導体光増幅素子、電界吸収型変調素子、及び半導体光導波路の少なくともいずれかを含む、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の半導体光素子。

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