JP2008053539A - 半導体光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ｐｎ接合を用いることなく電流閉じ込め可能な埋め込みヘテロ構造の半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体光素子１１では、第１導電型クラッド層１３がＧａＡｓ基板１５の主面１５ａ上に設けられる。発光領域１７は、第１導電型クラッド層１３と第２導電型クラッド領域１９との間に設けられる。電流ブロック領域２１は、ＧａＡｓ基板１３上に設けられており、また半導体メサ２３を埋め込む。半導体メサ２３は、ＧａＡｓ基板１３上に設けられた発光領域１７を含む。半導体メサ２３は、発光領域１７に加えて、第２導電型クラッド領域１９のメサ部分１９ａを含む。電流ブロック領域２１はアンドープIII−Ｖ族半導体からなる。このアンドープIII−Ｖ族半導体は６００度以下で成長される。アンドープIII−Ｖ族半導体の抵抗率は印加電圧５ボルトまでにおいて１０５Ω・ｃｍ以上の値を有す。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子に関する。
半導体レーザの主要構造の１つに、活性層及びその周辺層を幅１μm前後の狭メサストライプ状にエッチングし、その両側面を半導体層から成る電流ブロック領域で埋め込んだ、埋め込みヘテロストラクチャー構造（Buried Heterostructure構造、以下略してＢＨ構造と記載する）が用いられている。ＢＨ構造では、両側の電流ブロック領域により、光、及び電流を活性層に強く閉じ込めることが可能であるので、誘導放出が効率よく生じる。従って、低閾値電流、高効率の半導体レーザを実現できる。本構造に用いられる電流ブロック領域としては、ｐｎ半導体層を積層したものと高抵抗の半絶縁性半導体層を用いたものの２種に大別される。前者は、レーザ駆動時に、電流ブロック領域のｐｎ接合に形成される逆バイアス状態を利用して電流をブロックするが、ｐｎ接合に起因して電流ブロック領域の寄生キャパシタンスが大きいので、これを用いたレーザは高速動作が出来ない。一方、後者は高抵抗半導体を用いｐｎ接合が無いため、寄生キャパシタンスが小さく、高速性に優れる。従って、高速変調が必要な通信用レーザに多用されている。特許文献１〜３には、ＩｎＰ基板上において、このような高抵抗半導体を電流ブロック領域に用いたＢＨ型長波長半導体レーザの構造例が記載されている。
特開２００１−２９８２４０号広報 特開平９−２１４０３４５号広報 特開平１１−１８６６６６号広報
特許文献１〜３の半導体レーザでは、電流ブロック領域に用いる高抵抗半導体には、不純物としてＦｅ（鉄）をドープした、半絶縁性ＩｎＰ半導体が用いられる。ＩｎＰ半導体中にＦｅをドープすると、禁制帯中に深い準位(Deep Level)が形成されるが、これがキャリアの捕獲センター(キャリアトラップ)として働き、その結果、ＩｎＰ半導体中の自由キャリアが捕獲(トラップ)されて高抵抗化する。
一方、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体レーザも、ＣＤやＤＶＤといった民生機器の光源等に広範に用いられており、実用上重要な地位を占めている。本半導体レーザにおいても、高速且つ高効率化のためには、高抵抗半導体の電流ブロック層を用いたＢＨ構造の採用が必須である。しかしながら、ＧａＡｓ系半導体レーザにおいては、これまで、ＩｎＰ系半導体レーザにおけるＦｅドープＩｎＰ半導体のような、電流ブロック層に使用可能な実用的な高抵抗半導体層は開発されておらず、発明者の知る限りにおいて、ＧａＡｓ基板上に形成され、高抵抗半導体層を電流ブロック領域に用いたＢＨ構造の半導体レーザは作製例が無い。またＧａＡｓ基板上に形成され、ｐｎ半導体層を積層した電流ブロック領域を有するＢＨ型半導体レーザは、試作例はあるが、上記の通り、本半導体レーザでは高速動作が出来ない。
本発明は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、高抵抗半導体層で電流ブロック領域が形成された、高速動作が可能なＧａＡｓ基板上のＢＨ型半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る半導体光素子は、（ａ）第１導電型のＧａＡｓ基板上に設けられており、発光領域、および第１の第２導電型クラッド領域を含む半導体メサと、（ｂ）前記ＧａＡｓ基板上に設けられており、前記半導体メサを埋め込む電流ブロック領域とを備え、前記発光領域は前記ＧａＡｓ基板と前記第１の第２導電型クラッド領域との間に設けられ、前記電流ブロック領域はアンドープ、即ち不純物がドーピングされていないIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を含む。前記発光領域は活性層を含み、前記アンドープIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層は半絶縁性の高抵抗を有する。
この半導体光素子によれば、電流ブロック領域は高抵抗のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体から成るので、半導体メサの抵抗よりも、電流ブロック領域の抵抗が遥かに大きい。これ故に、半導体光素子に流れる電流は、電流ブロック領域で狭窄されて、半導体メサのみに流れる。また、電流ブロック領域は高抵抗のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体から成り、ｐｎ接合部を含まないので、そのキャパシタンスは小さく、従って本素子は高速動作が可能である。
本発明に係る半導体光素子では、前記半導体層のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれかであることが好ましい。
この半導体光素子によれば、アンドープＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰが半絶縁性を示すようにでき、またこれらの材料は高バンドギャップを有する。従って、これらの材料を電流ブロック領域に用いれば、発光領域との間のヘテロ障壁を大きくできる。その結果、発光領域から電流ブロック領域へのキャリア漏れが抑制され、発光領域への電流閉じ込めが強化される。
本発明に係る半導体光素子では、前記アンドープIII−Ｖ族半導体の抵抗率は１０５Ωｃｍ以上であることが好適である。
この半導体光素子によれば、アンドープIII−Ｖ族化合物半導体の抵抗率が１０５Ωｃｍ以上であれば、電流の閉じ込めに好適である。この場合、電流ブロック領域の抵抗率は半導体メサの抵抗率に比べて数桁高くなり、この抵抗差により、電流は電流ブロック領域には流れず、半導体メサに閉じ込められる。
本発明に係る半導体光素子は、前記半導体メサおよび前記電流ブロック領域上に設けられた第２の第２導電型クラッド領域を更に備えることができる。
この半導体光素子においては、第２導電型クラッド領域には、メサ形状の第１の領域に加えて、その上に形成された第２の領域が存在するため、第２の領域を厚くすることで、第１の領域の半導体メサの高さを低くしても、第２導電型クラッド領域に光を良好に閉じ込めることが出来る。この半導体光素子によれば半導体メサを低く出来るため、短時間のエッチングにより、半導体メサを形成することができる。その結果、半導体メサ幅の制御性が向上され、半導体メサ幅の再現性や面内均一性が改善される。また、半導体メサ部の高さが小さいので、半導体メサを埋め込む電流ブロック領域の成長時間も短縮できる。その結果、電流ブロック領域の成長中における以下の現象、半導体メサ保護のためのマスク上への多結晶堆積や半導体メサと電流ブロック領域との境界領域における電流ブロック領域の結晶の異常成長の発生を低減できる。
本発明に係る半導体光素子では、前記半導体メサは第２導電型コンタクト層をさらに含み、前記第１の第２導電型クラッド領域は前記第２導電型コンタクト層と前記発光領域との間に設けられている。この半導体光素子によれば、少ない回数の結晶成長により、半導体光素子を作製できる構造を提供できる。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、高速動作が可能なＧａＡｓ基板上のＢＨ型半導体光素子が提供される。
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、本発明に係る埋め込みヘテロ構造半導体レーザの実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。この半導体光素子は、例えば長波長光通信のために用いられる。半導体光素子１１では、第１導電型クラッド層１３が、第１導電型のＧａＡｓ基板１５の主面１５ａ上に設けられている。発光領域１７は、第１導電型クラッド層１３と第２導電型クラッド領域１９の第１の領域１９ａとの間に設けられている。発光領域１７と第１の領域１９ａにより、半導体メサ２３が形成されている。電流ブロック領域２１は、第１導電型クラッド層１３上に設けられており、また半導体メサ２３を埋め込む。電流ブロック領域２１は高抵抗のアンドープIII−Ｖ族半導体からなる半導体層２１ａを含む。
この半導体光素子１１によれば、電流ブロック領域２１の高抵抗のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体により、半導体メサ２３内の半導体の抵抗よりも、電流ブロック領域２１のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体の抵抗を数桁大きくできる。この抵抗差のため、高抵抗の電流ブロック領域２１には電流は殆ど流れることが出来ず、半導体光素子１１に流れる電流は、電流ブロック領域２１により狭窄されて、半導体メサ２３のみに流れる。また、電流ブロック領域２１は、高抵抗の半導体で形成されておりｐｎ接合部を含まないため、寄生キャパシタンスが小さく、高速動作に好適である。
また、半導体メサ２３は、発光領域１７に加えて、第２導電型クラッド領域１９の第１の部分（メサ形状）１９ａを含む。半導体光素子１１では、第１導電型クラッド層１３の主面１３ａは第１および第２のエリア１３ｂ、１３ｃを含む。発光領域１７および第１の部分１９ａは第１導電型クラッド層１３の第１のエリア１３ｂ上に位置する。電流ブロック領域２１は、第１のエリア１３ｂと異なる第２のエリア１３ｃ上に位置する。
発光領域１７は、図１に示されるように、量子井戸層２４ａと障壁層２４ｂから成る二重量子井戸構造の活性層１８を含んでいる。但し、活性層１８の構造はこれに限定されず、例えばバルク構造、単一量子井戸構造、または二重量子井戸構造以外の多重量子井戸構造を有することもできる。また、必要な場合には、発光領域１7は、活性層１８の両側にそれぞれ設けられた上部光閉じ込め層２４ｃおよび下部光閉じ込め層２４ｄを含むことができる。
下部（上部）光閉じ込め層２４ｄ（２４ｃ）は下部（上部）クラッド層１３（１９）のバンドギャップと量子井戸層２４ａのバンドギャップとの間のバンドギャップを有する。この場合、両クラッド層１３，１９から注入された電子・正孔は光閉じ込め層２４ｃ、２４ｄで阻止されること無く、活性層１８へ効率よく注入される。また下部（上部）光閉じ込め層２４ｄ（２４ｃ）は下部（上部）クラッド層１３（１９）の屈折率と量子井戸層２４ａの屈折率との間の屈折率を有する。従って、両クラッド層１３，１９は、活性層１８において発生した光を、活性層１８、上部光閉じ込め層２４ｃ及び下部光閉じ込め層２４ｄに閉じ込めるように働き、その結果、活性層１８への光閉じ込めが強められる。このように光閉じ込め層２４ｃ、２４ｄの導入により、活性層１８へのキャリア注入を阻害することなく、活性層１８への光の閉じ込めを増大することが出来るので、発振特性や温度特性が改善される。
アンドープIII−Ｖ族半導体は、ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰといったＧａＡｓに格子整合する材料であることが好ましい。アンドープＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰは後述するように、半絶縁性を示すようにできる。またこれらの材料は高バンドギャップを有するため、これらの材料を電流ブロック領域に用いれば、発光領域１７との間のヘテロ障壁を大きくできる。その結果、発光領域１７から電流ブロック領域２１へのキャリア漏れが抑制され、発光領域１７への電流閉じ込めが強化される。クラッド領域１３、１９のための材料として、ＧａＩｎＰの他に、例えばＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ等を使用できる。また、光閉じ込め層２４ｃ、２４ｄには、ＧａＡｓの他に、例えばＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＰ等を使用できる。これらの半導体材料はＧａＡｓに格子整合するので、ＧａＡｓ基板１５上に良好な結晶成長が可能である。また、これらの材料でクラッド領域および／または光閉じ込め層が形成されると、クラッド領域および／または光閉じ込め層と活性層とのバンドギャップ差が大きくなる。これ故に、活性層へのキャリア閉じ込めを強化でき、レーザの発振特性やその温度特性が改善される。信頼性上の観点から、これらの層の材料としてアルミニウムを含まない材料、例えばＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ等を使用することが好ましい。このとき、Ａｌ酸化に起因する欠陥による結晶劣化が排除され、良好な長期信頼性を得られる。
半導体光素子１１の一例の半導体レーザでは、アンドープＧａＩｎＰ電流ブロック領域２１が、発光領域１７を含む半導体メサ２３の側面２３ａ上に設けられている。アンドープＧａＩｎＰは半絶縁性を示しまた高抵抗を有するので、この形状により、半導体光素子１１に注入された電流は、電流ブロック領域２１には流れることができず、それによって埋め込まれた半導体メサ２３に閉じ込められる。例示の半導体光素子１１におけるＧａＩｎＰの組成は、ＧａＡｓに格子整合するように決定されるので、ＧａＡｓ基板上に良好な結晶が成長される。また、この半導体光素子では、井戸層２４ａの材料はＧａＩｎＮＡｓからなるけれども、この材料に限定されることはない。ＧａＡｓ基板を用いる場合には、井戸層の材料は、例えば、ガリウム、窒素およびヒ素を構成元素として含む他のIII−Ｖ族化合物半導体混晶も使用できる。この具体例としては、例えばＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等も使用でき、これらを井戸層に用いることで、１μｍ以上の長波長域（例えば１μｍ〜１．６μｍの発振波長帯）の発振波長を有する長波長半導体レーザを作製できる。
第２導電型クラッド領域１９は第２の領域１９ｂを含み、第２の領域１９ｂは、電流ブロック領域２１および第２導電型クラッド領域１９の第１の領域１９ａ上に設けられている。一例として第２の領域１９ｂは、ＧａＡｓに格子整合した第２導電型ＧａＩｎＰで形成される。この構造の半導体光素子１１によれば、第２の領域１９ｂを厚くすることで、第１の領域１９ａのメサ高さは低くてよくなるため、短時間のエッチングにより、半導体メサ２３を形成できる。その結果、半導体メサ２３のメサ幅の制御性が向上され、メサ幅の再現性や面内均一性が改善される。また、半導体メサ２３の高さが低いので、半導体メサ２３を埋め込む電流ブロック領域２１の成長時間を短くできる。その結果、電流ブロック領域２１の成長中に生じうる以下の現象（１）および（２）の発生を低減できる：（１）半導体メサ２３の保護のためのマスク上への多結晶堆積；（２）半導体メサ２３と電流ブロック領域２１との境界領域における結晶の異常成長。
第２導電型コンタクト層２５が第２の部分１９ｂ上には設けられている。第２導電型コンタクト層２５上には必要に応じて、半導体メサ２３への電流狭窄を強化するための絶縁層２７が設けられている。コンタクト層２５および絶縁層２７上には、第１の電極（例えば、アノード電極）２９が設けられている。ＧａＡｓ基板１５の裏面１５ｂには、第２の電極（例えば、カソード電極）３１が設けられている。絶縁層２７は、第２導電型クラッド領域１９の第１の領域１９ａ（半導体メサ部２３）の位置に合わせて設けられた開口を有する。この開口を介して、第１の電極２９は第２導電型コンタクト層２５に接続され、電流はこの開口部の幅で狭窄されて、素子内部に注入される。但し、絶縁層２７は必須ではない。
一例の半導体光素子１１では
第２導電型コンタクト層２５：ＧａＡｓ
絶縁層２７：ＳｉＮ、ＳｉＯ２等の誘電体
である。
この半導体光素子１１では、高抵抗を有するアンドープIII−Ｖ族半導体からなる電流ブロック領域２１が半導体メサ２３の側面２３ａを覆うことによって、電流ブロック領域２１が、それ自体の高抵抗性により単独で、半導体メサ２３の外部における電流の流れをブロックできる。
また、半導体光素子１１では、同じく電流ブロック領域２１が高抵抗を有するアンドープIII−Ｖ族半導体から構成されており、ｐｎ接合部を含まないので、半導体メサ２３の外側の領域における寄生キャパシタンスが小さい。従って、寄生キャパシタンスによる動作速度の制限が緩和され、この結果、高速変調および高速動作が可能となる。
引き続いて、電流ブロック領域２１のための高抵抗アンドープIII−Ｖ族半導体について説明する。高抵抗アンドープIII−Ｖ族半導体は、ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰのいずれかであることができる。これらアンドープＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰは、下記に例示された方法を用いて作製され、半絶縁性を示す。また、これらの材料は高バンドギャップを有する。従って、これらの材料を電流ブロック領域２１に用いれば、発光領域１７と電流ブロック領域２１との間のヘテロ障壁を大きくできる。その結果、発光領域１７から電流ブロック領域２１へのキャリア漏れが抑制され、半導体メサ２３への電流閉じ込めが強化される。また、後ほどの説明から理解されるように、アンドープIII−Ｖ族化合物半導体の抵抗率が１０５Ωｃｍ以上であれば、電流の閉じ込めに好適である。この場合、電流ブロック領域２１の抵抗率は半導体メサ２３の抵抗率に比べて数桁高くなる。この抵抗差のため、電流は電流ブロック領域２１には殆ど流れず、半導体メサ２３に閉じ込められる。
高抵抗を示すＧａＩｎＰは、例えば摂氏６００度以下といった低温で、アンドープＧａＩｎＰを成長することによって実現される。このような低温で成長を行うと、バンドギャップ中に位置する深い準位（Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌ）の欠陥がＧａＩｎＰ中に形成される。この深い準位はキャリアの捕獲センターとしてキャリア（電子、正孔）をトラップ（捕獲）して、キャリアの移動を妨げる。その結果、このように成長されたアンドープIII−Ｖ族半導体は高抵抗を有する。
低温成長によるＧａＩｎＰが高抵抗であることを示すために、次の実験を行った。この実験に用いた測定サンプルは、ｎ型ＧａＡｓ基板１５上に順に形成された下記のｐｉｎ構造を有する。
電子キャリア供給層：ｎ型ＧａＩｎＰ、０．５マイクロメートル厚、ｎ型ドーパントとしてシリコンを１×１０１７ｃｍ−３ドープ
高抵抗層：アンドープＧａＩｎＰ、１．５マイクロメートル厚
正孔キャリア供給層：ｐ型ＧａＩｎＰ、０．５マイクロメートル厚、ｐ型ドーパントとして亜鉛を７×１０１７ｃｍ−３ドープ
コンタクト層：ｐ型ＧａＡｓ、０．２マイクロメートル厚、ｐ型ドーパントとして亜鉛を１×１０１９ｃｍ−３ドープ
上記各キャリア供給層より電子と正孔がアンドープＧａＩｎＰ高抵抗層に注入される。この成長には、例えば有機金属気相成長法を用いる。
アンドープＧａＩｎＰの成長温度は、摂氏５００度以上であることが好ましい。また、アンドープＧａＩｎＰの成長温度は、６００度以下であることが好ましい。発明者らの実験によれば、この温度範囲で成長した場合、アンドープＧａＩｎＰは半導体メサ２３に比べて有意に高抵抗化し、電流ブロック層に適用できる。成長後、ＧａＡｓ基板上のｐｉｎ構造部は、直径２００μｍのメサ状に加工した。また、給電のために、コンタクト層上にアノード電極を形成すると共に基板の裏面上にカソード電極を形成した。このサンプルに順方向バイアスを印加して、Ｉ−Ｖ特性を測定すると共にこの測定値から抵抗率を算出した。図２（Ａ）は、摂氏５００度で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含むサンプルにおける印加電圧と抵抗率との関係を示す図面であり、図２（Ｂ）は、摂氏５５０度で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含むサンプルにおける印加電圧と抵抗率との関係を示す図面である。これらの結果より、半導体レーザに一般的に印加される順方向電圧の範囲（例えば、５ボルト以下の電圧の範囲）では、１０５Ω・ｃｍ以上の高抵抗率が得られていることが判る。また成長温度が低いほど、より高抵抗なＧａＩｎＰが得られることが判る。図２（Ａ）および図２（Ｂ）の特性は、低温成長によりアンドープＧａＩｎＰ層内に電子および正孔に対する捕獲センターが大量に形成され、その結果、この層は電子および正孔の両方とも充分にトラップして、何れのキャリアに対しても大きな抵抗率を有することを示している。何故なら、もしアンドープＧａＩｎＰ層が少なくともどちらかのキャリアをトラップ出来ない場合は、そのキャリアにより無視できないレベルの電流が流れるため、図２に示すような高抵抗特性は得られないからである。また、成長温度が低いほど、より高抵抗な半導体が得られる。また、アンドープＡｌＧａＩｎＰについても、同様の結果が示される。
本実験結果から発明者は、低温成長のアンドープＧａＩｎＰは電子、正孔の何れに対しても抵抗率１０５Ω・ｃｍ以上の高抵抗層として機能することを確認した。一方、半導体メサ２３の抵抗率は通常これより数桁小さい。したがって、低温成長のアンドープＧａＩｎＰは、半導体光素子１１の電流ブロック領域２１に使用可能である。
ＩｎＰ基板を用いる半導体レーザでは、電流閉じ込めのための高抵抗電流ブロック層として、不純物の鉄（Ｆｅ）をドープしたＩｎＰ半導体が一般に用いられる。Ｆｅをドープすることで、ＩｎＰ中に電子の捕獲センター(キャリアトラップ)が形成され、これが電子をトラップ(捕獲)するため、電子に対する高抵抗層として機能する。しかしながら、特許文献１に記載のように、Ｆｅドープ半導体層は正孔に対するトラップ機能を有しないので、正孔キャリアが支配的なｐ型クラッド領域においては、それ単独では電流ブロック層として使用できず、ｐ型領域に用いる場合は、正孔をトラップするための専用のｎ型半導体層(ホールトラップ層)を別途付加する必要がある。しかしながら、ホールトラップ層の導入は、製造負荷の増大を招き、また特許文献１に記載のように、素子容量を増加をさせて高速性を悪化させるので、好ましくない。
一方、上記の説明から理解されるように、低温成長のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＩｎＰ）は、電子および正孔の両方に対して高抵抗性を有するので、ｐ型、ｎ型の何れのクラッド領域においても、それ単独で電流ブロック層として機能し、ホールトラップ層等の付加は不要である。従って、従来のＦｅドープ半導体を用いた電流ブロック層に比べて、電流ブロック領域の構造の簡略化が図れ、設計自由度が増し、その結果、構造最適化が容易となる。またホールトラップ層に起因する特性劣化も生じない。また、Ｆｅ等の不純物を半導体にドープして高抵抗化する場合は、不純物原料の準備やドーピングのための設備の拡張、不純物ドーピングの条件出し等が新たに必要となり、その分成長に関する負荷が増大する。
一方、本実施例のように、アンドープの電流ブロック層を用いる場合は、新規不純物をドープする必要が無いので、上記のような、ドーピング実施に伴う成長負荷の増大の問題が生じない。
また、ＦｅドープＩｎＰ半導体のように、不純物をドープした電流ブロック領域を用いる場合は、特許文献２，３に記載のように、結晶成長や電極形成時の熱履歴により、これらの不純物が隣接層の不純物と相互拡散しやすい。例えばｐクラッド層のドーパントである亜鉛（Ｚｎ）と電流ブロック領域に用いたＩｎＰ半導体中のＦｅは非常に相互拡散しやすいことが知られている。このような相互拡散は電流ブロック領域を低抵抗化し、その電流ブロック機能を低下させ、素子特性を悪化させる元凶となる。また同じく相互拡散で電流ブロック領域のキャパシタンスが増大するため、高速性も悪化する。一方本実施例では、電流ブロック領域に不純物を添加しないので、隣接層の不純物との相互拡散が生じない。従って、上記相互拡散に起因する諸問題を回避できる。
一例の半導体光素子１１では
第１導電型クラッド層１３：ｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド、１．５μｍ厚
第１導電型ＧａＡｓ基板１５：ｎ型単結晶ＧａＡｓ基板、１００μｍ厚
第２導電型クラッド領域１９
第１の領域１９ａ：ｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド、０．３μｍ厚
第２の領域１９ｂ：ｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド、１．２μｍ厚
電流ブロック領域２１：アンドープＧａＩｎＰ、０．６μｍ厚
発光領域１７
井戸層２４ａ：アンドープＧａＩｎＮＡｓ、７ｎｍ厚
障壁層２４ｂ：アンドープＧａＡｓ、８ｎｍ厚
上部光閉じ込め層２４ｃ：アンドープＧａＡｓ、１４０ｎｍ厚
下部光閉じ込め層２４ｄ：アンドープＧａＡｓ、１４０ｎｍ厚
コンタクト層２５：ｐ型ＧａＡｓ、０．２μｍ厚
絶縁層２７：ＳｉＮ、ＳｉＯ２等の誘電体
である。この半導体レーザでは、井戸層２４ａにＧａＩｎＮＡｓを用いることで、１μｍ以上の長波長域（例えば１μｍ〜１．６μｍの発振波長帯）の発振波長を有する長波長半導体レーザを作製できる。図３は、この構造の半導体レーザに関してシミュレーションにより計算したＩ−Ｌ特性を示す図面である。但し、共振器長は３００μｍ、また両端面はアンコートと仮定した。また電流ブロック領域２１の抵抗率は、図２（Ａ）に示される摂氏５００度で成長した場合の特性を使用した。計算されたＩ−Ｌ特性によれば、閾値電流は低く、Ｉ−Ｌ特性の直線性は良好である。したがって、低温成長のアンドープＧａＩｎＰにより良好な電流閉じ込めが可能であることが明らかとなった。
図４を参照しながら、半導体光素子１１を作製する方法を説明する。この方法では、結晶成長のために有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）法が使用される。ＧａＡｓ基板４１を準備する。図４（Ａ）に示されるように、第１回目の結晶成長工程において、ｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層４３、アンドープＧａＡｓ下部光閉じ込め層４５、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ａ、アンドープＧａＡｓ障壁層４９、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ｂ、アンドープＧａＡｓ上部光閉じ込め層５１およびｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド領域の第１の領域５９をｎ型ＧａＡｓ基板４１上に順に成長する。活性層５０は、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ａ、アンドープＧａＡｓ障壁層４９、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ｂを含む。
図４（Ａ）に示されるように、メサ形成用の誘電体マスク６１を第１のｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド層５９上に形成する。誘電体マスク６１にはＳｉＮやＳｉＯ２が用いられる。次に、アンドープＧａＡｓ下部光閉じ込め層４５、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ａ、アンドープＧａＡｓ障壁層４９、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ｂ、アンドープＧａＡｓ上部光閉じ込め層５１および第１のｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド領域５９をそれぞれに対して適切なエッチャントを用いてエッチングして、図４（Ｂ）に示されるように、半導体メサ６３を形成する。半導体メサ６３は、アンドープＧａＡｓ下部光閉じ込め層４５ｃ、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ｃ、アンドープＧａＡｓ障壁層４９ｃ、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ｄ、アンドープＧａＡｓ上部光閉じ込め層５１ｃおよびｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド領域の第１の領域５９ｃを含む。結晶の面方位とマスクとの関係および／またはエッチャントに応じて、半導体メサ６３の形状は変更可能である。
次に選択エッチングにより半導体メサ６３を形成する手法の１例を以下に示す。ここでは、半導体メサ６３の形成のための選択性エッチャントとして、塩酸系エッチャントと燐酸系エッチャントを用いる。塩酸系エッチャントに関しては、ＧａＡｓのエッチングレートがＧａＩｎＰのエッチングレートより遅いので、ＧａＩｎＰ層をエッチングする際に、下地のＧａＡｓ層をエッチング停止層として使用できる。逆に、燐酸系エッチャントに関しては、ＧａＩｎＰのエッチングレートがＧａＡｓやＧａＩｎＮＡｓのエッチングレートより遅いので、ＧａＡｓ層やＧａＩｎＮＡｓ層をエッチングする際に、下地のＧａＩｎＰ層をエッチング停止層として使用できる。
具体的には、最初に、塩酸系エッチャントでｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド領域の第１の領域５９のエッチングを行えば、下地のＧａＡｓ上部光閉じ込め層５１がエッチング停止層として機能し、エッチングがＧａＡｓ上部光閉じ込め層５１に達するとエッチングは終了し、第１の領域５９エッチングが完了する。次に、燐酸系エッチャントを用いて、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層４７ａ、４７ｂ、ＧａＡｓ障壁層４９、上部ＧａＡｓ光閉じ込め層５１および下部ＧａＡｓ光閉じ込め層４５から成る発光領域をエッチングする。この場合、下地のｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層４３がエッチング停止層として機能する。したがって、エッチングがＧａＩｎＰ下部クラッド層４３に達するとエッチングは終了し、下部クラッド層４３は実質的にエッチングされない。
この実施例では、エッチャントのエッチングレートが製造バッチ毎またはウエハ面内において変動しても、このエッチングにより下地の下部クラッド層４３が現れると半導体メサ６３のエッチングは実質的に停止する。即ち下部クラッド層４３は半導体メサ６３のエッチングに対する、エッチング停止層として機能する。これ故に、半導体メサ６３のメサ幅といったメサ形状に関して、良好な再現性および面内均一性が得られ、その結果、レーザ特性の再現性や均一性が得られる。このような半導体メサ６３のエッチング再現性や面内均一性の確保のためには、通常下部ＧａＡｓ光閉じ込め層４５と下部クラッド層４３の間にエッチング停止層を別途導入して、選択エッチングが可能となるようにしておく必要がある。しかしながら、エッチング停止層を付加すると、この層と隣接層の界面に形成されるヘテロ障壁により、素子抵抗が増大し、そのため内部発熱が助長されて、素子の特性や信頼性に悪影響が出やすい。
一方、本実施例では、下部クラッド層４３がエッチング停止層としても働くので、エッチング停止層を別途形成する必要が無い。したがって、エッチング停止層導入に起因する、上記素子抵抗増加等の問題の発生を回避できる。
例えば、下部光閉じ込め層４５がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰの何れかからなる場合、下部クラッド層４３がＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなることが好ましい。この場合、例えば燐酸系エッチャントを用いれば、下部光閉じ込め層４５に対して下部クラッド層４３のエッチングレートが小さいので、下部クラッド層４３がエッチング停止層として働く。また、下部光閉じ込め層４５がＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰの何れかからなる場合、下部クラッド層４３がＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰからなることが好ましい。この場合、例えば塩酸系エッチャントを用いれば、下部光閉じ込め層４５に対して下部クラッド層４３のエッチングレートが小さいので、下部クラッド層４３がエッチング停止層として働く。
なお、半導体メサ６３のエッチングは選択エッチングには限定されない。例えば臭酸、塩酸、過酸化水素水を含む混合エッチング溶液を用いると、どの半導体層も同等にエッチングされるため、非選択性エッチングが行われる。この場合、下部光閉じ込め層４５がエッチングされた後にエッチングは停止せず、ｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層４３の一部もエッチングされ、下部クラッド層４３の一部を含む半導体メサ６３が形成される。
図４（Ｃ）に示されるように、２回目の結晶成長では、半導体メサ６３のためのマスク６１を用いて、アンドープＧａＩｎＰ電流ブロック領域６５を成長する。この成長は、既に説明した低温条件を用いて行われることが好ましい。マスク６１上には結晶成長されず、半導体メサ６３を埋め込むように、露出されたｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層４３上に、アンドープＧａＩｎＰ電流ブロック領域６５が成長される。
アンドープＧａＩｎＰ電流ブロック領域６５は摂氏５００度から６００度といった低温で成長されるので、電流ブロック領域を高温で成長する工程で生じる熱ストレスにより、活性層５０の結晶性が劣化することがない。特に、ＧａＩｎＮＡｓといったＧａ、ＡｓおよびＮを含むIII−Ｖ族化合物半導体混晶は熱ストレスに弱いので、低温成長の電流ブロック領域を用いることが望ましい。
マスク６１を除去した後に、図４（Ｄ）に示されるように、３回目の結晶成長でｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド領域の第２領域６７と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６９とを成長する。
図４（Ｅ）に示されるように、ｎ型ＧａＡｓ基板４１を劈開可能な厚さ（例えば、１００μｍ程度）に研磨する。そして、アノード電極７３およびカソード電極７５を形成し、ＢＨ型レーザ構造が完成する。必要な場合には、アノード電極７３の形成に先立って、シリコン窒化膜等を用いて、電流狭窄のための絶縁膜（図１の絶縁膜２７に該当）をｐ型ＧａＡｓコンタクト層６９とアノード電極７３の間の所定領域に形成することができる。これらの工程にとって、半導体光素子１１が作製される。
本ＢＨ構造においては、上部クラッド領域は、メサ形状の第１の領域５９ｃに加えて、その上の第２の領域６７を有する。この場合、第２の領域６７が厚ければ、第１の領域５９ｃのメサ高さは低くてよくなるため、短時間のエッチングにより、半導体メサ６３を形成できる。その結果、半導体メサ６３のメサ幅の制御性が向上され、メサ幅の再現性や面内均一性が改善される。また、メサ高さが低いので、図４（Ｃ）における電流ブロック領域６５の成長時間が短縮される。その結果、電流ブロック領域６５の成長中における、半導体メサ６３の保護マスク６１上への多結晶堆積や、半導体メサ６３と電流ブロック領域６５との境界領域における電流ブロック領域６５の結晶の異常成長が低減される。
（第２の実施の形態）
図５は、本実施の形態に係る半導体光素子の断面構造を示す図面である。半導体光素子１１ａでは、半導体光素子１１と同様に、第１導電型クラッド層１３が第１導電型ＧａＡｓ基板１５上に設けられ、発光領域１７が第１導電型クラッド層１３上に設けられている。半導体メサ８１が第１導電型クラッド層１３の第１のエリア１３ｂ上に位置する。半導体メサ８１は発光領域１７、第２導電型クラッド領域８３および第２導電型コンタクト層８５を含む。電流ブロック領域８７は第１導電型クラッド層１３の第２のエリア１３ｃ上に位置しており、また半導体メサ８１を埋め込んでいる。電流ブロック領域８７は、電流ブロック領域２１と同様に、高抵抗のアンドープIII−Ｖ族半導体からなる半導体層２１ａを含む。この半導体光素子１１ａによれば、半導体光素子１１に比べて、より少ない回数の結晶成長により、半導体レーザ等の半導体光素子を作製できる構造を提供できるので、プロセス簡略化や製造コストの削減が図れ、且つ発光領域１７に与える結晶成長中の熱ストレスを低減できる。これ故に、特に熱ストレスに弱いガリウム、窒素およびヒ素を構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体混晶からなる井戸層を用いる場合に好適である。
この半導体光素子１１ａによれば、電流ブロック領域８７が、例えば抵抗率１０５Ω・ｃｍ以上の高抵抗のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体からなるので、半導体メサ８１の抵抗よりも、電流ブロック領域８７のアンドープIII−Ｖ族化合物半導体の抵抗を数桁大きくできる。この抵抗差のため、高抵抗の電流ブロック領域８７には電流は殆ど流れることが出来ず、半導体光素子１１ａを流れる電流は、電流ブロック領域８７で狭窄されて半導体メサ８１のみに流れる。また、電流ブロック領域８７は、高抵抗の半導体で形成されており、ｐｎ接合部を有しないので、寄生キャパシタンスが小さくなり、高速変調および高速動作が可能となる。
第２導電型コンタクト層８５および電流ブロック領域８７上には、第１の電極（例えば、アノード電極）２９が設けられている。必要な場合には、コンタクト層８５および電流ブロック領域８７とアノード電極２９の間の所定領域に、半導体メサ８１への電流狭窄を強化するための絶縁層（素子１１における絶縁層２７に相当する）が設けられ、第１の電極２９は、絶縁層の開口を介してコンタクト層８５に接続される。ＧａＡｓ基板１５の裏面１５ｂには第２の電極３１（カソード電極）が設けられている。
電流ブロック領域８７は、電流ブロック領域２１と同様に、ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰのいずれかであることができる。ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰは、例えば摂氏６００度以下といった低温で、成長することによって実現される。これらアンドープＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰは、半絶縁性を示す。既に行われた説明から理解されるように、アンドープIII−Ｖ族半導体の抵抗率は１０５Ωｃｍ以上であることが好ましい。この場合、電流ブロック領域８７の抵抗率はメサ形状の半導体領域８１の抵抗率に比べて数桁高くなり、この抵抗差により、電流は電流ブロック領域８７には殆ど流れず、半導体メサ８１に閉じ込められる。
一例の半導体光素子１１ａでは
第２導電型クラッド領域８３：ｐ型ＧａＩｎＰ上部クラッド層、１．５μｍ厚
電流ブロック領域８７：アンドープＧａＩｎＰ、２μｍ厚
第２導電型コンタクト層８５：ｐ型ＧａＡｓ、０．２μ厚
発光領域１７
井戸層２４ａ：アンドープＧａＩｎＮＡｓ、７ｎｍ厚
障壁層２４ｂ：アンドープＧａＡｓ、８ｎｍ厚
上部光閉じ込め層２４ｃ：アンドープＧａＡｓ、１４０ｎｍ厚
下部光閉じ込め層２４ｄ：アンドープＧａＡｓ、１４０ｎｍ厚
第１導電型クラッド層１３：ｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド、１．５μｍ厚
第１導電型ＧａＡｓ基板１５：ｎ型ＧａＡｓ基板 １００μｍ厚
である。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、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は、当業者によって認識される。本実施の形態では、具体的な半導体材料を例示しながら説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の材料に限定されるものではない。また、本実施の形態では、ファブリペロ型半導体レーザを例示的に説明しているけれども、本発明はこれに限るものでは無く、分布帰還型半導体レーザ、発光ダイオード、電界吸収型変調器、半導体光増幅素子、ＤＢＲ型半導体レーザ、垂直共振面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の他の半導体光素子、さらにこれらの半導体光素子を集積した光集積素子にも適用可能である。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の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。 図２（Ａ）は、摂氏５００度で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含む試料における印加電圧と抵抗率との関係を示す図面であり、図２（Ｂ）は、摂氏５５０度で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含む試料における印加電圧と抵抗率との関係を示す図面である。 図３は、第１の実施の形態に係る半導体レーザに関してシミュレーションにより計算したＩ−Ｌ特性を示す図面である。 図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、第１の実施の形態に係る半導体光素子を作製する方法を説明する図面である。 図５は、第２の実施の形態に係る半導体光素子の断面構造を示す図面である。
符号の説明
１１、１１ａ…半導体光素子、１３…第１導電型クラッド層、１３ａ…第１導電型クラッド層主面、１３ｂ、１３ｃ…第１導電型クラッド層主面のエリア、１５…第１導電型ＧａＡｓ基板、１９…第２導電型クラッド領域、２１…電流ブロック領域、２１ａ…アンドープIII−Ｖ族半導体からなる半導体層、１７…発光領域、２３…半導体メサ、２３ａ…半導体メサ側面、２４ａ…井戸層、２４ｂ…障壁層、２４ｃ…上部光閉じ込め層、２４ｄ…下部光閉じ込め層、２５…第２導電型コンタクト層、２７…絶縁層、８３…第２導電型クラッド領域、８５…第２導電型コンタクト層、８７…電流ブロック領域

Claims (5)

  1. 第１導電型のＧａＡｓ基板上に設けられており、発光領域、および第１の第２導電型クラッド領域を含む半導体メサと、
    前記ＧａＡｓ基板上に設けられており、前記半導体メサを埋め込む電流ブロック領域と
    を備え、
    前記発光領域は前記ＧａＡｓ基板と前記第１の第２導電型クラッド領域との間に設けられ、
    前記電流ブロック領域はアンドープIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を含む、ことを特徴とする半導体光素子。
  2. 前記半導体層の前記アンドープIII−Ｖ族化合物半導体はＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれかである、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体光素子。
  3. 前記アンドープIII−Ｖ族化合物半導体の抵抗率は１０５Ωｃｍ以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体光素子。
  4. 前記半導体メサおよび前記電流ブロック領域上に設けられた第２の第２導電型クラッド領域を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体光素子。
  5. 前記半導体メサは第２導電型コンタクト層をさらに含み、
    前記第１の第２導電型クラッド領域は前記第２導電型コンタクト層と前記発光領域との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体光素子。
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