JP2007250896A - 半導体光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】単純な構造を有すると共に発光効率の高い半導体光素子を提供する。
【解決手段】半導体光素子１０は、第１導電型のＧａＡｓ基板１２と、ＧａＡｓ基板１２上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層１４と、III−Ｖ族化合物半導体層１４上に設けられた活性層１６と、活性層１６上に設けられた第２導電型の上部クラッド層１８とを備える。III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きい。活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも小さい。III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さは０．２μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子に関する。
ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層、活性層、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層及びｐ−ＧａＡｓキャップ層が順に形成された半導体レーザが知られている（例えば特許文献１参照）。ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層の厚さは１５００ｎｍである。
特開２００１−２４２８２号公報
本発明者は、上述のような半導体レーザの構造を単純化させるために、厚い下部クラッド層をＧａＡｓ基板（バッファ層を含む。）上に成長させずに、ＧａＡｓ基板を下部クラッドとして機能させることを検討した。そこで、本発明者はＧａＡｓ基板上に活性層を直接成長させた。しかしながら、ＧａＡｓ基板上に活性層を直接成長させると、半導体レーザの発光効率が低下することが判明した。半導体レーザの発光効率が低下するメカニズムは、以下のように考えられる。
ＧａＡｓ基板上に活性層を直接成長させると、ＧａＡｓ基板の表面に存在する結晶欠陥に起因して活性層中に結晶欠陥が生じる。また、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは約１．４２ｅＶ（１ｅＶ＝１．６×１０−１９Ｊ）と小さいので、ＧａＡｓ基板によって活性層にキャリアを閉じ込めることは難しい。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、単純な構造を有すると共に発光効率の高い半導体光素子を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の半導体光素子は、第１導電型のＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層と、前記III−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型のクラッド層とを備え、前記III−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きく、前記活性層のバンドギャップエネルギーは、前記ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも小さく、前記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは０．２μｍ以下である。前記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは０．２μｍ以下と薄いので、導波光モードは、前記III−Ｖ族化合物半導体層には閉じ込められず、ＧａＡｓ基板中に大きく染み出して分布する。従って、III−Ｖ族化合物半導体層はクラッド層としては機能しない。
本発明の半導体光素子では、ＧａＡｓ基板とクラッド層との間に電圧を印加すると、一方のキャリア（電子又は正孔）がクラッド層から活性層に注入される。一方、III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは０．２μｍ以下と薄いので、他方のキャリアはＧａＡｓ基板からIII−Ｖ族化合物半導体層を通り抜けて活性層に注入される。活性層において電子と正孔とが再結合することにより、活性層から光が出射される。
ここで、ＧａＡｓ基板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ので、ＧａＡｓ基板はクラッドとして機能する。よって、ＧａＡｓ基板と活性層との間に更なるクラッド層を設ける必要がない。したがって、半導体光素子の構造を単純化できる。
また、III−Ｖ族化合物半導体層を設けることにより、ＧａＡｓ基板の表面に存在する結晶欠陥が増殖して活性層に到達することを抑制できる。よって、活性層の結晶品質を向上させることができる。さらに、III−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きいので、キャリアが活性層からＧａＡｓ基板に漏洩することを十分に抑制できる。その結果、活性層により多くのキャリアを閉じ込めることができる。したがって、発光効率の高い半導体光素子が得られる。また同じく、活性層からＧａＡｓ基板へのキャリアの漏洩が抑制されるので、ＧａＡｓ基板の表面に存在する結晶欠陥を介する正孔と電子との非発光再結合が大幅に低減される。このため、内部量子効率の低下を軽減することができるので、発光効率が顕著に改善される。
また、前記III−Ｖ族化合物半導体層は、アンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。
この場合、III−Ｖ族化合物半導体層において自由キャリアによる導波光吸収が抑制されるので、キャリアの損失が少なくなる。
また、前記III−Ｖ族化合物半導体層は、交互に積層された第１の半導体層及び第２の半導体層を含み前記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーとは異なっていることが好ましい。
この場合、多数の第１の半導体層と第２の半導体層との界面において結晶欠陥の進行が遮断され易くなる。よって、ＧａＡｓ基板の表面に存在する結晶欠陥が増殖して活性層に到達することを更に抑制できる。
本発明によれば、単純な構造を有すると共に発光効率の高い半導体光素子が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図１中には３次元空間を表すＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。また、図１中には、第１実施形態に係る半導体光素子のエネルギーバンド図についても併せて示されている。軸Ｅｇは、バンドギャップエネルギーの大きさを示す。
図１に示される半導体光素子１０は、第１導電型（ここではｎ型とする）のＧａＡｓ基板１２と、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層１４と、III−Ｖ族化合物半導体層１４上に設けられた活性層１６と、活性層１６上に設けられた第２導電型（ここではｐ型とする）の上部クラッド層１８とを備える。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａは、ＸＹ平面と略平行に延在している。したがって、ＧａＡｓ基板１２の厚み方向はＺ軸方向となる。
上部クラッド層１８上には、コンタクト層２０及び電極２２がこの順に設けられていることが好ましい。コンタクト層２０によって、電極２２のオーミック接触が実現される。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂ上には、電極２４が設けられていることが好ましい。半導体光素子１０は、例えば、光通信に用いられる発振波長１μｍ以上の半導体レーザである。
ＧａＡｓ基板１２は、例えばＧａＡｓインゴットをスライスすることによって得られるバルク基板と、バルク基板上に成長されたＧａＡｓバッファ層とを備えることが好ましい。この場合、ＧａＡｓバッファ層の表面が、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａとなる。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａには、通常、例えばＧａＡｓ基板製造時に形成されるクラックやスクラッチ等に起因する結晶欠陥が存在する。例えば光デバイスの作製に用いられるＧａＡｓ基板１２の表面１２ａにおける結晶欠陥密度は、通常、１００〜２０００（ｃｍ−２）である。ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）は、約１．４２ｅＶ（１ｅＶ＝１．６×１０−１９Ｊ）である。
図１中のエネルギーバンド図に示されるように、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きい。活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも小さい。上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）は、活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）よりも大きい。コンタクト層２０のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ５）は、上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）よりも小さい。
III−Ｖ族化合物半導体層１４は、ＧａＡｓに格子整合する半導体材料からなることが好ましい。そのような半導体材料としては、例えば、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数を有するものが挙げられる。これにより、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上にエピタキシャル成長されるIII−Ｖ族化合物半導体層１４の結晶品質を向上させることができる。
III−Ｖ族化合物半導体層１４は、例えばＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ等のＡｌフリーの材料からなることが好ましい。この場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４と活性層１６との界面において、経時変化に伴うＡｌの酸化が起こらない。よって、上記界面における、Ａｌの酸化に起因する非発光センターの増加を抑制することができる。また、活性層１６をエピタキシャル成長させる際に、III−Ｖ族化合物半導体層１４の表面においてＡｌの酸化が起こらないので、良好な結晶品質を有する活性層１６が得られる。これにより、特性や信頼性の良好な半導体光素子１０が得られる。
なお、III−Ｖ族化合物半導体層１４は、例えばＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓといったＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなってもよい。さらに、III−Ｖ族化合物半導体層１４は、後述する活性層１６の材料と同様に、Ｎ、Ｇａ及びＡｓを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料からなってもよい。
III−Ｖ族化合物半導体層１４は、アンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましいが、III−Ｖ族化合物半導体層１４には不純物がドープされてもよい。III−Ｖ族化合物半導体層１４に不純物をドープする場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４は第１導電型であることが好ましい。
ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰは、組成比を調整することで、最大約２．３ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを有することが出来る。ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓは、組成比を調整することで、最大約２．１６ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを有することが出来る。ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＡｓＰは、組成比を調整することで、最大約１．９ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを有することが出来る。ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰのバンドギャップエネルギーは、約１．９ｅＶになる。
III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さは０．２μｍ（２００ｎｍ）以下であり、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが０．２μｍを超えると、ＧａＡｓより高バンドギャップのIII−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが過大となるため、無視できない障壁となり、キャリアがＧａＡｓ基板１２から活性層１６に注入され難くなる。一方、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが５ｎｍ未満であると、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに存在する結晶欠陥が増殖して活性層１６に侵入するのを抑制する効果が不十分となり、活性層１６の結晶品質が低下する傾向にある。また、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さは０．２μｍ以下と薄いので、クラッド層としては機能しない。
活性層１６は、バルク構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれを有してもよい。例えば活性層１６が多重量子井戸構造を有する場合、活性層１６は、交互に積層されたバリア層と井戸層とからなる。
活性層１６は、III−Ｖ族の窒化物半導体材料を含むことが好ましい。III−Ｖ族の窒化物半導体材料としては、ＮとＧａとＡｓとを含むものが好ましい。具体的には、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等が挙げられる。一実施例において、活性層１６は、厚さ８０ｎｍのＧａＡｓバリア層と、厚さ７０ｎｍのＧａ０．６９Ｉｎ０．３１Ｎ０．０１Ａｓ０．９９井戸層とが交互に積層されてなる。
ＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料は、組成比を調整することによって、その格子定数を、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数に設定することができる。従って、ＧａＡｓ基板上への成長時に、格子不整に起因するミスフィット転位等の欠陥を生じないため、良好な結晶性の活性層１６が得られる。ＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料のバンドギャップエネルギーは、通常１μｍ以上のフォトルミネッセンス波長に相当する。このようなIII−Ｖ族の窒化物半導体材料を活性層１６の材料に用いる場合、１μｍ以上の長波長域の発振波長を容易に実現することができる。よって、例えば１〜１．６μｍ帯の光通信用光源を作製することができる。なお、１〜１．６μｍ帯の光に対してＧａＡｓは透明であるので、ＧａＡｓ基板１２によって光は吸収されない。従ってＧａＡｓ基板を下部クラッドとして使用できる。
また、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓに、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方を添加してもよい。Ｓｂはいわゆるサーファクタントとして機能し、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの３次元成長を抑制する。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの結晶品質が改善される。ＰはＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの局所的な結晶歪を低減させる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの結晶品質が改善される。また、Ｐは、結晶成長を行う際に結晶中に取り込まれるＮの量を増大する。
ＮとＧａとＡｓとを含み、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方が添加されたIII−Ｖ族の窒化物半導体材料としては、例えば、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等が挙げられる。これらは組成比を調整することによって、その格子定数を、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数に設定することができる。従ってＧａＡｓ基板上への成長時に、格子不整に起因するミスフィット転位等の欠陥を生じないため、良好な結晶性の活性層１６が得られる。
上部クラッド層１８は、第２導電型（P型）のIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。上部クラッド層１８は、例えばｐ−ＧａＡｓからなるが、他の半導体材料も使用可能である。特に、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーの材料を上部クラッド層１８に用いることが好ましい。この場合、活性層１６と上部クラッド層１８との間のバンドギャップエネルギーの差を、上部クラッド層１８がＧａＡｓの場合に比べて大きくすることができる。よって、上部クラッド層１８がＧａＡｓである場合に比べて、活性層１６により多くのキャリアを閉じ込めることができる。
また、上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）は、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きいので、上部クラッド層１８の屈折率は、ＧａＡｓの屈折率よりも有意に低くなる。したがって、上部クラッド層１８にＧａＡｓを用いた場合に比べて、活性層１６と上部クラッド層１８との屈折率差が大きくなるので、活性層１６により多くの光を閉じ込めることができる。したがって、半導体光素子１０の発光効率が更に高くなる。このようなＧａＡｓより高バンドギャップの材料としては、例えば上記III−Ｖ族化合物半導体層１４に用いられるのと同じ材料である、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰやＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰといったものを上部クラッド層１８に適用できる。
コンタクト層２０は、電極２２とのオーミック接触形成を容易とするために、上部クラッド層１８よりバンドギャップが有意に小さい、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。コンタクト層２０は、例えばｐ＋−ＧａＡｓからなる。
III−Ｖ族化合物半導体層１４、活性層１６、上部クラッド層１８及びコンタクト層２０を形成する際には、例えばＯＭＶＰＥ法やＭＢＥ法等の気相成長法を用いることができる。
上述の半導体光素子１０では、電極２２を高電位側として、電極２２と電極２４との間に電圧を印加すると、一方のキャリア（ここでは正孔とする）が上部クラッド層１８から活性層１６に注入される。一方、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さは０．２μｍ以下と薄いので、他方のキャリア（ここでは電子とする）はＧａＡｓ基板１２からIII−Ｖ族化合物半導体層１４を通り抜けて活性層１６に注入される。活性層１６において電子と正孔とが再結合することにより、活性層１６から光が出射される。
ここで、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）は活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）よりも大きいので、ＧａＡｓ基板１２は下部クラッド層（活性層１６中へキャリア及び光を閉じ込める部材）として機能する。よって、ＧａＡｓ基板１２と活性層１６との間に更なる下部クラッド層を設ける必要がない。したがって、半導体光素子１０の構造を単純化できる。
この場合、良好な光閉じ込めのため、通常２μｍ以上の厚膜が必要とされる上下クラッド層のうち、下部クラッド層の成長が不要となるため、プロセスが簡略化され、生産性が向上すると共にコストを低減することができる。また、成膜装置の負荷を削減することができると共に、成膜装置の劣化を軽減することができる。なお、本構造では、新たにIII−Ｖ族化合物半導体層１４を形成する必要があるが、本層は０．２μｍ以下と薄いので、これを成長する負荷は無視でき、生産性やコストへの影響は生じない。
図２は、図１に示す半導体光素子の一部を模式的に示す図である。図２に示されるように、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに存在する結晶欠陥ｄ１が増殖すると、III−Ｖ族化合物半導体層１４内に結晶欠陥ｄ２が形成される。しかしながら、III−Ｖ族化合物半導体層１４を設けることにより、結晶欠陥ｄ２はIII−Ｖ族化合物半導体層１４内で終端される。III−Ｖ族化合物半導体層１４が高品質の結晶膜であると、結晶欠陥ｄ２はIII−Ｖ族化合物半導体層１４内で終端され易くなる。したがって、結晶欠陥ｄ２が活性層１６に到達し難くなるので、活性層１６の結晶品質を向上させることができる。
さらに、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きいので、III−Ｖ族化合物半導体層１４と活性層１６とのバンドギャップエネルギー差は非常に大きくなる。したがって、キャリアＣ２が活性層１６からIII−Ｖ族化合物半導体層１４を通過してＧａＡｓ基板１２に漏洩することを抑制できる。その結果、活性層１６とＧａＡｓ基板１２とが直接接合している場合に比べて、活性層１６により多くのキャリアを閉じ込めることができる。したがって、発光効率が高く信頼性に優れた半導体光素子１０が得られる。
また、キャリア（例えば電子）Ｃ１はＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに向けて進行する。しかしながら、活性層１６からIII−Ｖ族化合物半導体層１４に向けて進行するキャリア（例えば正孔）Ｃ２は、活性層１６とIII−Ｖ族化合物半導体層１４との界面におけるヘテロ障壁によってブロックされる。よって、キャリアＣ２はＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに到達し難いので、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに存在する結晶欠陥ｄ１における正孔と電子との非発光再結合が大幅に低減される。このため、内部量子効率の低下を軽減することができるので、発光効率が顕著に改善される。
また、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きいので、III−Ｖ族化合物半導体層１４の屈折率はＧａＡｓ基板１２の屈折率よりも有意に低くなる。したがって、活性層１６とＧａＡｓ基板１２とが直接接合している場合に比べて、活性層１６とその外部領域との屈折率差を拡大できるため、活性層１６により多くの光を閉じ込めることができる。したがって、半導体光素子１０の発光効率が高くなる。
上述のように、半導体光素子１０ではキャリア及び光の閉じ込め性を向上させることができるので、半導体光素子１０の発光特性及び温度特性等を改善させることができる。
また、III−Ｖ族化合物半導体層１４がアンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなる場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４における自由キャリアによる導波光吸収が抑制されるので、光の導波損失が少なくなる。よって、半導体光素子１０の発光効率を更に向上させることができる。
活性層１６と上部クラッド層１８との間には、別のIII−Ｖ族化合物半導体層が設けられていてもよい。この別のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III−Ｖ族化合物半導体層１４と同様の構造及び材料からなることが好ましい。この別のIII−Ｖ族化合物半導体層は、アンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなってもよいし、第２導電型であってもよい。この別のIII−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きい場合、活性層１６とＧａＡｓからなる上部クラッド層１８とが直接接合している場合に比べて、より多くのキャリアを活性層１６に閉じ込めることができる。また、この別のIII−Ｖ族化合物半導体層の屈折率はＧａＡｓの屈折率よりも有意に低くなる。したがって、活性層１６とＧａＡｓからなる上部クラッド層１８とが直接接合している場合に比べて、活性層１６とその外部領域との屈折率差を拡大できるため、、より多くの光を活性層１６に閉じ込めることができる。
半導体光素子１０の光の出射端１６ａには、出射される光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換領域が設けられていてもよい。これにより、光のスポットサイズを拡大することができる。スポットサイズ変換領域は、例えば、活性層１６の厚さを出射端１６ａに向かうに連れて小さく若しくは大きくすること、又は、活性層１６の幅を出射端１６ａに向かうに連れて小さく若しくは大きくすることによって形成される。
通常のスポットサイズ変換領域が設けられていない半導体発光素子では、光のスポットサイズは直径１〜２μｍ程度である。これは、例えば光ファイバ等のガラス系光部品のスポットサイズ（直径８〜１０μｍ）に比べて非常に小さいので、両者を高い結合効率で光学的に結合するのは困難である。一方、活性層１６のスポットサイズ変換領域が設けられた出射端１６ａでは、光のスポットサイズを直径８〜１０μｍ程度に拡大することができる。よって、スポットサイズ変換領域が設けられた半導体光素子１０では、半導体光素子１０の出射端１６ａを光ファイバに光学的に結合した場合に、結合効率を向上させることができる。
スポットサイズ変換領域では、スポットサイズの直径が例えば８〜１０μｍと拡大するので、光が活性層１６からクラッド層側に大きく染み出す。この場合、拡大した光がクラッド層外にまで染み出すことによる導波損の増加を防止するには、これを充分含む程度まで、上下のクラッド層を厚くする必要があり、例えばスポットサイズが８〜１０μｍの場合は、各クラッド層はその半分の４〜５μｍ程度まで厚くしなければならない。しかしながら、実際の成長装置を用いて、このような厚いクラッド層を成長するには膨大な時間がかかり、生産性の悪化や、装置酷使による成長装置の早期劣化を引き起こす。一方、半導体光素子１０では、ＧａＡｓ基板１２が厚い下部クラッド層の役割を兼ねることができるので、下部クラッド層が不要になる。従って従来構造に比べて、生産性の悪化や成長装置劣化が半減される。
なお、ＧａＡｓ基板に代えてＩｎＰ基板を用いた半導体光素子では、ＩｎＰ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII−Ｖ族化合物半導体層１４をＩｎＰ基板上に形成することは困難である。何故なら、ＩｎＰ基板に格子整合し、且つＩｎＰより高バンドギャップの材料は存在しないからである。
図３は、III−Ｖ族化合物半導体層１４の構造の一例を示す断面図である。図３に示されるように、III−Ｖ族化合物半導体層１４は、交互に積層された第１の半導体層２６及び第２の半導体層２８を含んでもよい。III−Ｖ族化合物半導体層１４は、多層膜構造を有している。III−Ｖ族化合物半導体層１４は、半導体層２６及び半導体層２８が、いずれも厚さ数ｎｍの薄膜で形成された、超格子構造であることが好ましい。この場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４の等価的バンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、半導体層２６の材料の組成と、半導体層２８の材料の組成を、超格子層全体における各層毎の合計の厚さで、重み付けして平均した組成の材料に対応するバンドギャップエネルギーとほぼ同等になる。例えば、半導体層２６がAlx1Ga1-x1Asから成り、その厚さがd1、層数がN1であり、また半導体層２８がAlx2Ga1-x2Asから成り、その厚さがd2、層数がN2である場合、
Al平均組成=(x1*d1*N1+x2*d2*N2)/(d1*N1+d2*N2)
Ga平均組成={(1-x1)*d1*N1+(1-x2)*d2*N2}/(d1*N1+d2*N2)
As平均組成=(1*d1*N1+1*d2*N2)/(d1*N1+d2*N2)=1
と計算され、本超格子層の等価的バンドギャップエネルギーは、上記平均組成で与えられるＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同等になる。
半導体層２６のバンドギャップエネルギー（Ｅα）は、半導体層２８のバンドギャップエネルギー（Ｅβ）とは異なっている。この場合、多数の半導体層２６と半導体層２８との界面において結晶欠陥の進行が遮断され易くなる。よって、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに存在する結晶欠陥ｄ１が増殖して活性層１６に到達することを更に抑制できる。
半導体層２６及び半導体層２８は、互いに同じ材料からなってもよい。この場合、半導体層２６の材料の組成比は、半導体層２８の材料の組成比とは異なっている。かかる材料としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。また、半導体層２６及び半導体層２８は、互いに異なる材料からなってもよい。かかる材料の組み合わせとしては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓ等が挙げられる。上記超格子の組み合わせにおいては、半導体層２６，２８の材料組成を適宜選択することにより、その等価的なバンドギャップエネルギーをＧａＡｓ基板より大と出来る。従って、これらの超格子をIII−Ｖ族化合物半導体層１４に用いた場合にも、上記と同様に発光効率、及び信頼性が改善された半導体光素子１０を得ることが出来る。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図４に示される半導体光素子１０ａは、第１実施形態に係る半導体光素子１０の構成に加えて、活性層１６とIII−Ｖ族化合物半導体層１４との間に設けられた光閉じ込め層３０と、活性層１６と上部クラッド層１８との間に設けられた光閉じ込め層３２とを備える。光閉じ込め層３０，３２はアンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。光閉じ込め層３０は、第１導電型であってもよい。光閉じ込め層３２は、第２導電型であってもよい。
半導体光素子１０ａでは、第１実施形態に係る半導体光素子１０と同様の作用効果が得られる。さらに、光閉じ込め層３０，３２によってより多くの光を活性層１６に閉じ込めることができる。したがって、第１実施形態に係る半導体光素子１０よりも発光効率を更に向上させることができる。
光閉じ込め層３０のバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）と活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）との間であることが好ましい。この場合、ＧａＡｓ基板１２から活性層１６にキャリアを注入する時に、光閉じ込め層３０が障壁にならない。同様に、光閉じ込め層３２のバンドギャップエネルギーは、上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）と活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）との間であることが好ましい。この場合、上部クラッド層１８から活性層１６にキャリアを注入する時に、光閉じ込め層３２が障壁にならない。
また、光閉じ込め層３０の屈折率は、ＧａＡｓ基板１２の屈折率と活性層１６の屈折率との間であることが好ましく、光閉じ込め層３２の屈折率は、上部クラッド層１８の屈折率と活性層１６の屈折率との間であることが好ましい。この場合、ＧａＡｓ基板１２及び上部クラッド層１８は、活性層１６において発生した光を活性層１６及び光閉じ込め層３０，３２内に閉じ込めるように作用し、その結果、活性層１６への光閉じ込めが強化される。特に、活性層１６が量子井戸構造を有する場合、それのみでは活性層への光閉じ込めは小さいが、光閉じ込め層３０，３２によって光閉じ込めを大幅に増大させることができる。
光閉じ込め層３０，３２に用いられる材料としては、第１実施形態に示した、ＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料が挙げられる。光閉じ込め層３０，３２は、例えばＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等からなってもよい。これらは、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数を有する。よって、格子不整に起因するミスフィット転位等の欠陥を生じずに、ＧａＡｓ基板１２上に成長できるため、良好な結晶性の光閉じ込め層３０，３２をエピタキシャル成長させることができる。材料の組成比を調整することによって、光閉じ込め層３０，３２のバンドギャップエネルギー及び屈折率を所望の値に調整することができる。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す斜視図である。図６は、図５に示されるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図５及び図６に示される半導体光素子１０ｂは、第２実施形態に係る半導体光素子１０ａの構成において、上部クラッド層１８がリッジ部１９を有し、リッジ部１９を埋め込むように上部クラッド層１８とコンタクト層２０との間に設けられた第１導電型（ここではｎ型とする）の電流ブロック領域３８を更に備える。リッジ部１９及び電流ブロック領域３８によって、電流狭窄構造が形成される。また、活性層１６は、量子井戸構造を有しており、交互に積層された井戸層３４とバリア層３６とを有する。
電流ブロック領域３８は、ＧａＡｓに格子整合する半導体材料からなることが好ましい。また、光をリッジ部１９に閉じ込めるために、電流ブロック領域３８の屈折率は、上部クラッド層１８の屈折率よりも小さいことが好ましい。上部クラッド層１８がＧａＡｓで構成される場合には、電流ブロック領域３８を構成する半導体材料としては、例えば、ＧａＡｓより低屈折率で、且つこれと格子整合できる、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等が挙げられる。電流ブロック領域３８のｎ型ドーパントとしては、例えばＳｅ、Ｓｉ等を用いることが好ましい。
図７は、第３実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す図である。以下、半導体光素子１０ｂの製造方法について説明する。
まず、図７(Ａ)に示されるように、第１導電型（ここではｎ型とする）のＧａＡｓ基板１２上に、III−Ｖ族化合物半導体層１４、光閉じ込め層３０、井戸層３４、バリア層３６、井戸層３４、光閉じ込め層３２、上部クラッド層１８ａをこの順に形成する。これらの層は、例えば、ＭＢＥ法、ＯＭＶＰＥ法、ＬＰＥ法等の結晶成長法を用いて形成される。例えばＯＭＶＰＥ法を用いる場合、III族の原料としては、例えば、ＴＥＧ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ等の有機金属を好適に用いることができる。Ｖ族の原料としては、例えば、ＡｓＨ３、ＰＨ３等の水素化ガスを好適に用いることができる。Ｎの原料としては、例えば、ＤＭＨｙを好適に用いることができる。ｐ型のドーパントとしては、例えばＺｎ等を使用することができる。
さらに、上部クラッド層１８ａ上にリッジ部１９の頂面の形状に対応するようにパターニングされた誘電体マスク４０を形成する。誘電体マスク４０は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等からなる。
次に、図７(Ｂ)に示されるように、誘電体マスク４０を用いて上部クラッド層１８ａをドライエッチング又はウェットエッチングすることによって、リッジ部１９を有する上部クラッド層１８を形成する。
次に、図７(Ｃ)に示されるように、リッジ部１９を埋め込むように、上部クラッド層１８上に電流ブロック領域３８を結晶成長させる。
次に、誘電体マスク４０を除去した後、図５及び図６に示されるように、リッジ部１９及び電流ブロック領域３８上に、コンタクト層２０を結晶成長させる。その後、例えば蒸着法やスパッタ法を用いて、コンタクト層２０上に電極２２を形成し、ＧａＡｓ基板１２の裏面上に電極２４を形成する。これにより、半導体光素子１０ｂが製造される。
なお、電流ブロック領域３８の材料として、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド、半絶縁性の半導体等を用いてもよい。また、電流ブロック領域３８に代えて、リッジ部１９の側面を例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等の絶縁膜で覆ってもよい。さらに、上部クラッド層１８ａをエッチングする際に、活性層１６までエッチングすることによってメサ部を形成し、そのメサ部を、ヘテロ接合を有する半導体領域により埋め込んだ埋め込みヘテロストラクチャー構造であっても良い。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。
例えば、半導体光素子１０，１０ａ，１０ｂは半導体レーザに限定されず、ＬＥＤ、半導体光増幅素子、電界吸収型の光変調素子及びこれらを集積した半導体光集積素子等でもよい。いずれの場合であっても、素子構造を単純化することができ、ＧａＡｓ基板の表面に存在する結晶欠陥が活性層に与える影響を低減することができる。また、活性層にキャリア及び光を閉じ込めることができるので、素子特性を向上させることができる。
第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。 図１に示す半導体光素子の一部を模式的に示す図である。 III−Ｖ族化合物半導体層の構造の一例を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す斜視図である。 図５に示されるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 第３実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す図である。
符号の説明
１０，１０ａ，１０ｂ…半導体光素子、１２…ＧａＡｓ基板、１４…III−Ｖ族化合物半導体層、１６…活性層、１８…上部クラッド層、２６…第１の半導体層、２８…第２の半導体層。

Claims (3)

  1. 第１導電型のＧａＡｓ基板と、
    前記ＧａＡｓ基板上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層と、
    前記III−Ｖ族化合物半導体層上に設けられた活性層と、
    前記活性層上に設けられた第２導電型のクラッド層と、
    を備え、
    前記III−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
    前記活性層のバンドギャップエネルギーは、前記ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
    前記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは０．２μｍ以下である、半導体光素子。
  2. 前記III−Ｖ族化合物半導体層は、アンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなる、請求項１に記載の半導体光素子。
  3. 前記III−Ｖ族化合物半導体層は、交互に積層された第１の半導体層及び第２の半導体層を含み、
    前記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーとは異なっている、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
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