JP2008235442A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子及びその製造方法 Download PDF

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久男 須藤
Yasuhiko Arakawa
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Abstract

【課題】ＡｌＧａＡｓクラッド層を含むリッジ構造を持つ半導体発光素子において、素子抵抗や熱抵抗を抑えながら、エッチング深さを正確に制御できるようにする。
【解決手段】半導体発光素子を、ＧａＡｓ基板１上に下部クラッド層２、活性層３及びＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５を備え、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５を含むリッジ構造を有し、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５の下側に接するようにＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を備えるものとし、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４のバンドギャップを、活性層３のバンドギャップよりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光ファイバ通信用光源として動作する半導体発光素子などのＧａＡｓ基板上に形成されたリッジ構造を持つ半導体発光素子及びその製造方法に関する。
近年、量子ドットレーザやＧａＩｎＮＡｓレーザなど、ＧａＡｓ基板を用いた動作波長が１μｍよりも長波長帯の光ファイバ通信用レーザの開発が進められている。
このような光ファイバ通信用レーザとしては、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含むリッジ構造を持つ半導体レーザが提案されている。
このＡｌＧａＡｓクラッド層を含むリッジ構造を持つ半導体レーザを単一横モード動作させるためには、リッジ構造の幅及び高さを正確に制御する必要がある。
通常、リッジ構造は、エッチングにより形成され、その幅はエッチングマスクの幅で制御することができる。また、リッジ構造の高さは、どの程度の深さまでエッチングするかで決まるため、エッチング時間の制御やエッチング停止層の挿入といった手法で制御することができる。
特に、エッチング深さの制御は重要であり、設計値からの±０．１μｍ程度のエッチング深さのばらつきによって、リッジ導波路の横高次モードのカットオフ導波路幅が±０．５μｍ程度ばらついてしまうことになる。
このため、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のリッジ構造を持つ半導体レーザにおいて、精度の高いエッチング手法として、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＡｓ層（例えばＡｌ組成比が０．５程度のもの）をクラッド層とし、ＧａＡｓ層をエッチング停止層とし、ＡｌＧａＡｓクラッド層を選択的にエッチングしうるフッ酸をエッチング液として用いて、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ界面でエッチング深さを制御する手法が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平５−３０４３３６号公報
しかしながら、上述のような構造及び手法では、ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比が例えば０．４５〜０．６の範囲になるようにＡｌ組成比を大きくしないと、ＡｌＧａＡｓクラッド層を選択的にエッチングする際にＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＡｓエッチング停止層とで大きな選択比を得ることができない。
また、このようにＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比を大きくすると、キャリア移動度が下がって素子抵抗が上昇したり、熱抵抗が上昇したりしてしまう。
一方、ＡｌＧａＡｓクラッド層のＡｌ組成比を０．４程度にすることで、素子抵抗や熱抵抗を抑えることができる。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含むリッジ構造を持つ半導体発光素子において、素子抵抗や熱抵抗を抑えながら、エッチング深さを正確に制御できるようにした、半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
このため、本発明の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板上に、下部クラッド層、活性層及びＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を含むリッジ構造を有し、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の下側に接するようにＩｎＧａＡｓエッチング停止層を備え、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層のバンドギャップは、活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴としている。
本発明の半導体発光素子の製造方法は、ＧａＡｓ基板上に下部クラッド層を形成する工程と、下部クラッド層上に活性層を形成する工程と、活性層上に、活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓエッチング停止層を形成する工程と、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層上にＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を形成する工程と、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を選択的にエッチングしてＩｎＧａＡｓエッチング停止層を露出させる工程とを含むことを特徴としている。
したがって、本発明の半導体発光素子及びその製造方法によれば、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含むリッジ構造を持つ半導体発光素子において、素子抵抗や熱抵抗を抑えながら、エッチング深さを正確に制御できるようになるという利点がある。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体発光素子は、例えば半導体レーザなどの半導体発光素子であって、図１に示すように、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２、活性層３、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５、ＧａＡｓコンタクト層６を備える。
このように、本構造では、一般にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体レーザを作製する際にＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５を選択的にエッチングするエッチング液（例えばフッ酸を含むエッチング液）に対して、ＧａＡｓよりもエッチングが進行しにくいＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を挿入することで、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ界面におけるエッチング制御を可能にしている。つまり、任意のＡｌ組成比のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５を用いたとしても、横モード制御のための精密なエッチング深さ（リッジ深さ）制御が可能となり、設計通りに活性層直上のＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ界面でリッジ底面を形成できることになる。
これにより、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５のＡｌ組成比を０．４程度に低く保つことが可能となるため、キャリア移動度が下がって素子抵抗や熱抵抗が上昇してしまうのを抑えることができる。
また、本半導体発光素子は、図１に示すように、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５及びＧａＡｓコンタクト層６を含むリッジ構造を有し、動作波長が１μｍ以上であるリッジ導波路型半導体発光素子として構成される。
特に、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４は、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５の下側に接するように設けられている。また、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４は、活性層３の上側に接するように設けられている。そして、リッジ構造の両側方（両脇）でＩｎＧａＡｓエッチング停止層４の上面が露出している。つまり、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４は、ＧａＡｓ基板１の端面まで延びている。
このように、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を活性層３に接するように設けることで、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４と活性層３との間に他の層を設ける場合と比較して、活性層３とリッジ底面とが近くなるため、電流の広がりを小さくすることができ、しきい値を下げることができる。
さらに、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４のバンドギャップは、活性層３のバンドギャップよりも大きくなっている。このため、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層３による光の吸収はない。
以下、本半導体発光素子の構造について、図２を参照しながら、さらに具体的に説明する。
本半導体発光素子は、図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板（ｎ型導電性基板）１Ａ上に、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層２Ａ（例えば厚さ１．４μｍ）、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａ［ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（例えば厚さ５ｎｍ）とＧａＡｓ障壁層（例えば厚さ１０ｎｍ）とを例えば３層積層してなる］、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａ（例えば厚さ２０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａ（例えば厚さ１μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６Ａ（例えば厚さ０．２μｍ）を積層させ、表面からエッチングしてｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａを含むリッジ構造（例えばリッジ幅２μｍ）を形成し、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａを露出させた構造のリッジ導波路型半導体レーザとして構成される。
なお、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層２Ａ、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａ、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａの組成比はこれに限られるものではない。例えばｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５ＡのＡｌ組成比は０．４よりも小さくしても良い。また、例えばｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４ＡのＩｎ組成比は、バンドギャップが発光波長よりもワイドギャップになり、膜厚がＩｎ組成比によって決まる成長可能な臨界膜厚以下になるように設定すれば良い。
また、ここでは、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａの厚さを２０ｎｍとしているが、これに限られるものではない。例えば、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａの厚さは１０ｎｍ以上にするのが好ましい。
また、図２に示すように、素子の表面にはＳｉＯ2からなる絶縁層（ＳｉＯ2膜）７及び上部電極（ｐ側電極）８が形成されており、素子の裏面には下部電極（ｎ側電極）９が形成されている。
また、素子の共振器構造としては設計によって種々の構造をとりうるが、例えば、素子長を２００μｍとし、両端面に例えば約８０％の高反射コーティングを施して反射鏡として用いるファブリペロー型レーザ（ＦＰ型レーザ）として構成すれば良い。
本構造では、フッ酸を含むエッチング液を用いてリッジ構造を形成すると、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａを構成するＡｌＧａＡｓよりも、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａを構成するＩｎＧａＡｓの方がエッチングレートが遅いため、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａが露出した段階でエッチングを停止させることができる。これにより、リッジ構造の底面を設計値通りに正確に制御することができる。
また、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５ＡのＡｌ組成比を０．４程度に低くしているため、素子抵抗や熱抵抗の上昇を抑えることができる。
さらに、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａの発光波長は１．３μｍであり、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａのバンドギャップ波長は０．９８μｍであり、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａよりもｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａの方がバンドギャップが大きいため、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａで発光した光がｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａで吸収されることはない。
次に、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法について説明する。
本半導体発光素子の製造方法は、ＧａＡｓ基板（半導体基板）１上にＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２を形成する工程と、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２上に波長１μｍ以上で発光する活性層３を形成する工程と、活性層３上に、活性層３のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を形成する工程と、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４上にＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２と導電型の異なるＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５を形成する工程と、リッジ導波路構造を形成すべくＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５を選択的にエッチングしてリッジ底面にＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を露出させる工程とを含む（図１参照）。
以下、本半導体発光素子の製造方法について、より具体的に説明する。
まず、例えば分子ビーム成長法（ＭＢＥ法）によって、ｎ−ＧａＡｓ基板１Ａ上に、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層２Ａ（例えば厚さ１．４μｍ）、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａ［ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層（例えば厚さ５ｎｍ）とＧａＡｓ障壁層（例えば厚さ１０ｎｍ）とを例えば３層積層してなる］、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａ（例えば厚さ２０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａ（例えば厚さ１μｍ）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６Ａ（例えば厚さ０．２μｍ）を順に積層させる（図２参照）。
次に、ＳｉＯ2膜（例えば厚さ３００ｎｍ）を成膜し、例えばフォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ2膜上にリッジ導波路パターンを形成する。
このリッジ導波路パターンに形成されたＳｉＯ2膜をマスクとして用い、例えばフッ酸を含むエッチング液によるウェットエッチングによって、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６Ａ及びｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａにパターンを転写して（即ち、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６Ａ及びｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５ＡのＳｉＯ2マスクで覆われていない部分を除去して）、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａを露出させる。これにより、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６Ａ及びｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ａを含むリッジ構造が形成される（図２参照）。
なお、エッチング深さが設計通りに正確に制御されれば良く、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａは途中まで（即ち、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａの一部が）エッチングされていても良い。
その後、ＳｉＯ2マスクを除去し、リッジ構造が覆われるようにＳｉＯ2パッシベーション膜（ＳｉＯ2膜）７を成膜する。次いで、上部及び下部に電流注入用の電極８，９を形成する（図２参照）。また、アレー状にへき開後、端面コーティングを施す。
したがって、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法によれば、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５，５Ａを含むリッジ構造を持つ半導体発光素子において、素子抵抗や熱抵抗を抑えながら、エッチング深さを正確に制御できるようになるという利点がある。特に、半導体レーザにおいて単一横モード動作を実現できることになる。
なお、上述の実施形態（図１参照）では、リッジ構造の両脇でＩｎＧａＡｓエッチング停止層４が露出するようにしているが、これに限られるものではなく、例えば図３に示すように、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４が、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５の直下の領域のみに設けられるようにしても良い。この場合、リッジ構造の両側方（両脇）で活性層３の上面が露出することになる。ここでは、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４は、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５の下側に接するように設け、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４は、活性層３の上側に接するように設けている。
このような構造の場合、半導体発光素子の製造方法は、エッチングによって露出したＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を除去する工程を含むものとすれば良い。つまり、上述の実施形態では、エッチングによってリッジ構造を形成した後、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４はそのまま残すようにしているが、これに限られるものではなく、エッチングによってリッジ構造を形成した後にＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を完全に除去するようにしても良い（図３参照）。
具体的には、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａの最上面を構成するＧａＡｓ障壁層に対してｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ａを選択的にエッチングするエッチング液（例えばクエン酸や酒石酸を用いたエッチング液）を用いて、ウェットエッチングによって除去すれば良い（図２，図３参照）。
これにより、本実施形態のように、エッチングによって露出したＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を除去せずに残した場合と比較して、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４での電流の広がりを抑制することができ、しきい値をより下げることができる。
また、上述の実施形態では、アンドープのＩｎＧａＡｓエッチング停止層４Ａとしているが、これに限られるものではなく、例えばｐ型の導電性を持つＩｎＧａＡｓエッチング停止層としても良い。但し、アンドープのＩｎＧａＡｓエッチング停止層４Ａとした場合よりも電流の広がりが大きくなってしまうため、しきい値を下げるためにはＩｎＧａＡｓエッチング停止層は完全に除去することが望ましい。
また、上述の実施形態では、リッジ構造を形成するためのエッチング工程を、フッ酸を含むエッチング液を用いて行なうようにしているが、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４に対する選択性があれば良く、エッチング液はこれに限られるものではない。
また、上述の実施形態では、リッジ構造を形成するためのエッチング工程を、フッ酸系エッチング液を用いたウェットエッチング工程のみとしているが、これに限られるものではなく、エッチング工程を複数の工程に分けても良い。例えば、１回目のエッチング工程を塩素系ドライエッチング工程とし、２回目のエッチング工程を、フッ酸系エッチング液を用いたウェットエッチング工程としても良い。また、１回目のエッチング工程を、他のエッチング液（例えばリン酸系エッチング液）を用いたウェットエッチング工程とし、２回目のエッチング工程を、フッ酸系エッチング液を用いたウェットエッチング工程としても良い。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法について、図４を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体発光素子は、上述の第１実施形態のものがｎ−ＧａＡｓ基板１Ａ上にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層３Ａを備える構造であるのに対し、図４に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１Ｂ上にＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂを備える構造である点で異なる。
つまり、本半導体発光素子は、図４に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板（ｐ型導電性基板）１Ｂ上に、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層２Ｂ（例えば厚さ１．４μｍ）、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂ、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂ（例えば厚さ２０ｎｍ）、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂ（例えば厚さ１μｍ）、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｂ（例えば厚さ０．２μｍ）を積層させ、表面からエッチングしてｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂを含むリッジ構造（例えばリッジ幅２μｍ）を形成し、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂを露出させた構造のリッジ導波路型半導体レーザとして構成される。
なお、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層２Ｂ、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂ、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂの組成比はこれに限られるものではない。例えばｎ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層のＡｌ組成比は０．４よりも小さくしても良い。
ここで、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂは、図４に示すように、ｉ−ＧａＡｓ層（バリア層）１０（例えば厚さ３３ｎｍ）、発光波長が１．３μｍであるＩｎＡｓ量子ドット１１、ｉ−ＩｎＡｓウェッティング層１２、ＩｎＡｓ量子ドット１１が覆われるように形成されたｉ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ歪緩和層（サイドバリア層）１３、一部にｐ型不純物がドープされたＧａＡｓ層（バリア層）１４［ここではｉ−ＧａＡｓ層１５（例えば厚さ１４ｎｍ）、ｐ−ＧａＡｓ層１６（例えば厚さ１０ｎｍ；例えばｐ型不純物濃度５×１０17ｃｍ-3）、ｉ−ＧａＡｓ層１７（例えば厚さ９ｎｍ）］を複数回（ここでは１０回）繰り返した積層構造になっている。また、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂのエネルギーバンド図は、図５（図４のＡ−Ａ′線に沿う断面におけるエネルギーバンド図）に示すようになっている。
なお、量子ドット活性層の構成はこれに限られるものではない。例えば、ここでは、一部にｐ型不純物がドープされたＧａＡｓバリア層１４にしているが（即ち、ＧａＡｓバリア層１４をｐ−ＧａＡｓ層１６を含むものとして構成しているが）、ＧａＡｓバリア層１４をｐ−ＧａＡｓ層１６を含まないものとして構成しても良い。
また、図４に示すように、素子の表面にはＳｉＯ2からなる絶縁層（ＳｉＯ2膜）７Ａ及び上部電極（ｎ側電極）８Ａが形成されており、素子の裏面には下部電極（ｐ側電極）９Ａが形成されている。
また、素子の共振器構造としては設計によって種々の構造をとりうるが、例えば、素子長を２００μｍとし、両端面に例えば約８０％の高反射コーティングを施して反射鏡として用いるファブリペロー型レーザ（ＦＰ型レーザ）として構成すれば良い。
本構造では、上述の第１実施形態の場合と同様に、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂを備えるものとし、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂに対してｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂを選択的にエッチングしうるエッチング液（例えばフッ酸を含むエッチング液）を用いてリッジ構造を形成すると、ＡｌＧａＡｓよりもＩｎＧａＡｓの方がエッチングレートが遅いため、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂが露出した段階でエッチングを停止させることができる。これにより、リッジ構造の底面を設計通りに精密に制御することができる。
また、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５ＢのＡｌ組成比を０．４程度に低くしているため、素子抵抗や熱抵抗の上昇を抑えることができる。
さらに、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂの発光波長は１．３μｍであり、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂのバンドギャップ波長は０．９８μｍであり、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂよりもｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂの方がバンドギャップが大きいため、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂで発光した光がｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂで吸収されることはない。
以下、本半導体発光素子の製造方法について、より具体的に説明する。
まず、例えば分子ビーム成長法（ＭＢＥ法）によって、ｐ−ＧａＡｓ（００１）基板１Ｂ上に、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層２Ｂ（例えば厚さ１．４μｍ）、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂ、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂ（例えば厚さ２０ｎｍ）、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂ（例えば厚さ１μｍ）、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｂ（例えば厚さ０．２μｍ）を順に積層させる（図４参照）。
ここで、ＩｎＡｓ量子ドット活性層３Ｂは、以下のようにして形成する（図４参照）。
まず、ｉ−ＧａＡｓ層（バリア層）１０（例えば厚さ３３ｎｍ）を形成し、このｉ−ＧａＡｓ層１０上に、例えば自己形成法によって面密度４×１０10ｃｍ-2程度のＩｎＡｓ量子ドット１１（量子ドットの発光波長は１．３μｍ近傍である）を形成し、ＩｎＡｓ量子ドット１１を埋め込むようにｉ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ歪緩和層（サイドバリア層）１３を形成する。なお、ＩｎＡｓ量子ドット１１は、例えば特許第３６７２６７８号公報に記載されている方法と同様の方法によって形成すれば良い。
次に、一部にｐ型不純物がドープされたＧａＡｓ層（バリア層）１４を形成する。ここでは、ｉ−ＧａＡｓ層１５（例えば厚さ１４ｎｍ）、ｐ−ＧａＡｓ層１６（例えば厚さ１０ｎｍ；例えばｐ型不純物濃度５×１０17ｃｍ-3）、ｉ−ＧａＡｓ層１７（例えば厚さ９ｎｍ）を順に積層させる。
その後、ＩｎＡｓ量子ドット１１からｉ−ＧａＡｓ層１７までを形成する工程を複数回（ここではあと９回）繰り返す。なお、ここでは、量子ドット積層数を１０としているが、これに限られるものではなく、半導体発光素子の使用目的に応じて積層数を変えても良い。
次いで、最上層のＧａＡｓ層１４を構成するｉ−ＧａＡｓ層１７上に、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂ（例えば厚さ２０ｎｍ）、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂ（例えば厚さ１μｍ）、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｂ（例えば厚さ０．２μｍ）を順に積層させる（図４参照）。
次に、ＳｉＯ2膜（例えば厚さ３００ｎｍ）を成膜し、例えばフォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ2膜上にリッジ導波路パターンを形成する。
このリッジ導波路パターンに形成されたＳｉＯ2膜をマスクとして用い、例えばフッ酸を含むエッチング液によるウェットエッチングによって、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｂ及びｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂにパターンを転写して（即ち、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｂ及びｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５ＢのＳｉＯ2マスクで覆われていない部分を除去して）、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂを露出させる。これにより、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｂ及びｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層５Ｂを含むリッジ構造が形成される（図４参照）。
なお、エッチング深さが設計通りに正確に制御されれば良く、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂは途中まで（即ち、ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層４Ｂの一部が）エッチングされていても良い。
その後、ＳｉＯ2マスクを除去し、リッジ構造が覆われるようにＳｉＯ2パッシベーション膜（ＳｉＯ2膜）７Ａを成膜する（図４参照）。次いで、上部及び下部に電流注入用の電極８Ａ，９Ａを形成する（図４参照）。また、アレー状にへき開後、端面コーティングを施す。
なお、その他の構成及び製造方法は、上述の第１実施形態又はその変形例のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体発光素子及びその製造方法によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、ＡｌＧａＡｓクラッド層５Ｂを含むリッジ構造を持つ半導体発光素子において、素子抵抗や熱抵抗を抑えながら、エッチング深さを正確に制御できるようになるという利点がある。特に、半導体レーザにおいて単一横モード動作を実現できることになる。
なお、上述の実施形態では、アンドープのＩｎＧａＡｓエッチング停止層４Ｂとしているが、これに限られるものではなく、例えばｎ型の導電性を持つＩｎＧａＡｓエッチング停止層としても良い。但し、アンドープのＩｎＧａＡｓエッチング停止層４Ｂとした場合よりも電流の広がりが大きくなってしまうため、しきい値を下げるためにはＩｎＧａＡｓエッチング停止層は完全に除去することが望ましい。
また、上述の第１実施形態の場合と同様に、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４ＢがＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５Ｂの直下の領域のみに設けられるようにしても良いし、リッジ構造を形成するためのエッチング液として他のエッチング液を用いても良いし、リッジ構造を形成するためのエッチング工程を複数の工程に分けても良い。
［その他］
なお、上述の各実施形態及び変形例では、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４，４Ａ，４Ｂは活性層３，３Ａ，３Ｂに接するように設けられているが、これに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層は活性層の上方に設けられていれば良く、活性層とＩｎＧａＡｓエッチング停止層との間に他の層が設けられていても良い。この場合、リッジ構造の両側方でＩｎＧａＡｓエッチング停止層が露出するように構成しても良いし、リッジ構造の両側方で他の層が露出するように構成しても良い。ここで、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層を除去せずに残す場合、電流は広がってしまうが、少なくともリッジ底面を精密に制御することができるという効果はある。一方、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層を除去して他の層が露出するようにする場合、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層での電流の広がりを抑制することができ、しきい値を下げることができる。
例えば図６、図７に示すように、半導体発光素子を、活性層３とＩｎＧａＡｓエッチング停止層４との間に他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０を備えるものとして構成しても良い。つまり、活性層３の上側に接するように他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０を設け、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０の上側に接するように（即ち、他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０がＩｎＧａＡｓエッチング停止層４の下側に接するように）設けても良い。
また、図６に示すように、リッジ構造の両側方でＩｎＧａＡｓエッチング停止層４が露出するように構成しても良いし、図７に示すように、リッジ構造の両側方で他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０が露出するように構成しても良い。
ここで、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を除去せずに残す場合、電流は広がってしまうが、少なくともリッジ底面を精密に制御することができるという効果はある。一方、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を除去して他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０が露出するようにする場合、ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４での電流の広がりを抑制することができ、しきい値を下げることができる。
この場合、上述の各実施形態及び変形例における半導体発光素子の製造方法を、活性層３上に他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０を形成し、他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０上にＩｎＧａＡｓエッチング停止層４を形成する工程を含むものとする。
また、上述の各実施形態及び変形例では、活性層３として量子井戸活性層３Ａ又は量子ドット活性層３Ｂを持つものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば量子細線活性層やバルク活性層を用いても良い。
さらに、上述の各実施形態及び変形例では、ＧａＡｓ基板１，１Ａ，１Ｂ上に、ＧａＩｎＮＡｓ系化合物半導体材料からなる活性層３Ａ又はＩｎＡｓ系化合物半導体材料からなる活性層３Ｂを持つものを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。
例えばＧａＡｓ基板上に作製できるＩｎＧａＡｓ系化合物半導体材料からなる活性層（量子井戸活性層）、さらにＳｂを含むＩｎＧａＡｓＳｂ系化合物半導体材料からなる活性層（量子井戸活性層）、ＧａＡｓ基板上に作製できるＩｎＮＡｓ系化合物半導体材料からなる活性層（量子ドット活性層）、ＩｎＡｓＳｂ系化合物半導体材料からなる活性層（量子ドット活性層）、ＩｎＮＡｓＳｂ系化合物半導体材料からなる活性層（量子ドット活性層）などの他の半導体材料からなる活性層（例えば半導体レーザを構成可能な他の材料系の半導体材料からなる活性層）を持つものとして構成することもできる。また、コンタクト層や下部クラッド層を形成する材料も上述の各実施形態及び変形例のものに限られない。
また、上述の各実施形態及び変形例では、ｎ型導電性基板１Ａ又はｐ型導電性基板１Ｂ上に形成したものを例に説明しているが、これに限られるものではなく、例えば高抵抗基板上に形成したものとして構成しても良い。例えば高抵抗基板上に形成された横電流注入型半導体発光素子（横電流注入型半導体レーザ）として構成することも可能である。
ここで、横電流注入型半導体発光素子は、例えば図８に示すように、高抵抗ＧａＡｓ基板１Ｃ上に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２Ｃ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１、活性層３Ｃ、ｉ−ＩｎＧａＡｓエッチング停止層４Ｃ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５Ｃ、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層６Ｃを順に積層した構造を備え、ｎ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５Ｃを含むリッジ構造を有し、素子の表面にＳｉＯ2からなる絶縁層（ＳｉＯ2膜）７Ｂ、ｎ側電極８Ｂ、ｐ側電極９Ｂが形成されている。つまり、上述の第２実施形態の具体例の構成（図４参照）に対し、高抵抗ＧａＡｓ基板１Ｃを用い、高抵抗ＧａＡｓ基板１Ｃ及びｐ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２Ｃを延ばし、ｐ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２Ｃと活性層３Ｃとの間にｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１を設け、このｐ−ＧａＡｓコンタクト層２１上にｐ側電極９Ｂを設けたものとして構成される。
また、上述の各実施形態及び変形例では、ファブリペロー型レーザとして構成する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば導波路の側方に表面側から垂直に回折格子を形成した分布帰還形レーザ（例えばIEEE Photonics Technologies Letters, vol. 3, no. 1, pp. 6-8参照）などの回折格子を有する分布帰還形レーザ［ＤＦＢ（Distributed Feed-Back）レーザ］や分布反射形レーザ［ＤＢＲ（Distributed BraggReflector）レーザ］として構成することもできる。
また、上述の各実施形態及び変形例では、１．３μｍ帯の半導体レーザを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、例えば短距離ＬＡＮなどに用いられる１．２μｍ帯の半導体レーザやＹＡＧレーザ励起用の１．０６μｍ帯の半導体レーザなどの動作波長が１μｍよりも長波長帯の半導体レーザ（半導体発光素子）に広く適用することができる。
また、上述の各実施形態及び変形例では、１回の結晶成長とエッチングによって作製されるリッジ導波路型半導体発光素子を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、埋込成長を含む複数回の結晶成長によって作製される半導体発光素子（埋込型半導体発光素子）にも本発明を適用することができる。
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
ＧａＡｓ基板上に、下部クラッド層、活性層及びＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、
前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を含むリッジ構造を有し、
前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の下側に接するようにＩｎＧａＡｓエッチング停止層を備え、
前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
（付記２）
前記リッジ構造の両側方で前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が露出していることを特徴とする、付記１記載の半導体発光素子。
（付記３）
前記活性層の上側に接するように設けられた他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、
前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が、前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の上側に接するように設けられていることを特徴とする、付記１又は２記載の半導体発光素子。
（付記４）
前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が、前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の直下の領域のみに設けられていることを特徴とする、付記１記載の半導体発光素子。
（付記５）
前記リッジ構造の両側方で前記活性層が露出していることを特徴とする、付記４記載の半導体発光素子。
（付記６）
前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が、前記活性層の上側に接するように設けられていることを特徴とする、付記１、２、４、５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
（付記７）
前記活性層と前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層との間に他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、
前記リッジ構造の両側方で前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層が露出していることを特徴とする、付記４記載の半導体発光素子。
（付記８）
前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層が、前記活性層の上側に接し、かつ、前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層の下側に接するように設けられていることを特徴とする、付記７記載の半導体発光素子。
（付記９）
前記ＧａＡｓ基板は、ｐ型導電性基板、ｎ型導電性基板、高抵抗基板のいずれかであることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
（付記１０）
前記活性層は、量子井戸活性層、量子細線活性層、量子ドット活性層のいずれかであることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
（付記１１）
前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂのいずれかの半導体材料からなることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
（付記１２）
ＧａＡｓ基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓエッチング停止層を形成する工程と、
前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層上にＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を形成する工程と、
前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を選択的にエッチングして前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層を露出させる工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
（付記１３）
前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層形成工程が、前記活性層上に他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を形成し、前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層上に前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層を形成する工程を含むことを特徴とする、付記１２記載の半導体発光素子の製造方法。
（付記１４）
エッチングによって露出したＩｎＧａＡｓエッチング停止層を除去する工程を含むことを特徴とする、付記１２又は１３記載の半導体発光素子の製造方法。
本発明の第１実施形態にかかる半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる半導体発光素子の構成例を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体発光素子の構成例を示す模式的断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体発光素子の量子ドット活性層のエネルギーバンド図であって、図４のＡ−Ａ′線に沿う断面におけるエネルギーバンド図である。 本発明の各実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。 本発明の各実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。 本発明の各実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
符号の説明
１ ＧａＡｓ基板
１Ａ ｎ−ＧａＡｓ基板（ｎ型導電性基板）
１Ｂ ｐ−ＧａＡｓ基板（ｐ型導電性基板）
１Ｃ 高抵抗ＧａＡｓ基板
２ ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
２Ａ ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層
２Ｂ ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下部クラッド層
２Ｃ ｐ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
３ 活性層
３Ａ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
３Ｂ ＩｎＡｓ量子ドット活性層
３Ｃ 活性層
４ ＩｎＧａＡｓエッチング停止層
４Ａ ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層
４Ｂ ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓエッチング停止層
４Ｃ ｉ−ＩｎＧａＡｓエッチング停止層
５ ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
５Ａ ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層
５Ｂ ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上部クラッド層
５Ｃ ｎ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
６ ＧａＡｓコンタクト層
６Ａ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
６Ｂ ｎ−ＧａＡｓコンタクト層
６Ｃ ｎ−ＧａＡｓコンタクト層
７，７Ａ，７Ｂ ＳｉＯ2膜
８，８Ａ，８Ｂ ｐ側電極（上部電極）
９，９Ａ，９Ｂ ｎ側電極（下部電極）
１０ ｉ−ＧａＡｓ層（バリア層）
１１ ＩｎＡｓ量子ドット
１２ ｉ−ＩｎＡｓウェッティング層
１３ ｉ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ歪緩和層（サイドバリア層）
１４ ＧａＡｓ層（バリア層）
１５，１７ ｉ−ＧａＡｓ層
１６ ｐ−ＧａＡｓ層
２０ ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
２１ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層

Claims (10)

  1. ＧａＡｓ基板上に、下部クラッド層、活性層及びＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、
    前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を含むリッジ構造を有し、
    前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の下側に接するようにＩｎＧａＡｓエッチング停止層を備え、
    前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記リッジ構造の両側方で前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が露出していることを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記活性層の上側に接するように設けられた他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、
    前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が、前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の上側に接するように設けられていることを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体発光素子。
  4. 前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が、前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層の直下の領域のみに設けられていることを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子。
  5. 前記リッジ構造の両側方で前記活性層が露出していることを特徴とする、請求項４記載の半導体発光素子。
  6. 前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層が、前記活性層の上側に接するように設けられていることを特徴とする、請求項１、２、４、５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  7. 前記活性層と前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層との間に他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を備え、
    前記リッジ構造の両側方で前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層が露出していることを特徴とする、請求項４記載の半導体発光素子。
  8. ＧａＡｓ基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
    前記下部クラッド層上に活性層を形成する工程と、
    前記活性層上に、前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓエッチング停止層を形成する工程と、
    前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層上にＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を形成する工程と、
    前記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を選択的にエッチングして前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層を露出させる工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層形成工程が、前記活性層上に他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層を形成し、前記他のＡｌＧａＡｓ上部クラッド層上に前記ＩｎＧａＡｓエッチング停止層を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項８記載の半導体発光素子の製造方法。
  10. エッチングによって露出したＩｎＧａＡｓエッチング停止層を除去する工程を含むことを特徴とする、請求項８又は９記載の半導体発光素子の製造方法。
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