JP4592865B2

JP4592865B2 - 半導体積層構造の製造方法

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Publication number: JP4592865B2
Application number: JP2000080256A
Authority: JP
Inventors: 智志荒川; 智一向原; 信光山中; 秋彦粕川
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2000353862A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に用いる半導体積層構造とその製造方法に関し、更に詳しくは、半導体レーザやフォトダイオードなどの能動素子の集積、またそれら能動素子と光導波路との集積の実現を可能にする半導体の新規な積層構造とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１９に半導体レーザ素子で用いられる積層構造の１例Ａ０を示す。この半導体レーザ素子における積層構造Ａ０の場合、ｎ型ＩｎＰから成る基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み５００nmの下部クラッド層２を積層し、その上にＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの下部光閉じ込め層３ａ，ＧａＩｎＡｓＰ（歪：＋１％）から成る厚み１０nmの井戸層とＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み１０nmの障壁層で構成された歪多重量子井戸構造４，ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの上部光閉じ込め層３ｂを順次積層して層構造Ｌを形成し、そして前記上部光閉じ込め層３ａの上にＺｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み２０００nmの上部クラッド層５が積層された積層構造になっている。
【０００３】
そして、上部クラッド層５の上には更にＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓから成る厚み３００nmのコンタクト層（図示しない）が積層され、そこに所定のフォトリソグラフィーとエッチング処理を施して例えばリッジ導波路を形成したのちそこに図示しない上部電極を形成し、また基板１の裏面には同じく図示しない下部電極を形成して半導体レーザ素子になる。
【０００４】
この半導体レーザ素子の場合、積層構造Ａ０が上記した態様を採ることにより、量子井戸４からの発光波長は１３００nmになる。
ところで、半導体発光素子の高機能化や集積化のためには、同一の半導体基板の上に、様々な発光波長特性を有する半導体の層構造を集積することが行われている。その場合、例えば図１９で示した積層構造Ａ０のようなスラブ状層構造を一旦形成し、その積層構造の一部を下部クラッド層２までエッチング除去して発光波長が１３００nmになる積層構造Ａ０を部分的に残置せしめ、ついでエッチング除去した部分に別の半導体材料を再成長して別の発光波長を示す層構造を形成するという操作が行われている。
【０００５】
また、前記したある発光特性を発揮する積層構造の表面に、例えばＳｉＮｘから成る結晶防止用のマスクを所定のパターンで形成し、非マスク面に別の半導体材料を選択成長させるという方法も採用されている。
このように、従来の半導体レーザ素子においては、同一基板上に発光特性が異なる積層構造をモノリシックに集積した場合であっても、そこに存在する量子井戸構造はある発光特性を発揮する量子井戸構造と別の発光特性を発揮する異なった量子井戸構造とが複数個併設された状態で複合して成るものであって、１個の量子井戸構造にはなっていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数個の量子井戸構造で異なった発光特性を実現させる従来の半導体積層構造とは異なり、１個の量子井戸構造であっても、そこから複数個の異なった発光特性を得ることができる新規な半導体発光素子用の積層構造の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ところで、本発明者らは、図１９で示した積層構造Ａ０において、厚み１００nmのｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層５の全面に更にＳｅドープｎ型ＩｎＰ層を積層し、その積層構造における層構造Ｌのフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定してみた。
【０００８】
その結果、量子井戸構造４からの発光波長は短波長側にシフトした。具体的には、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層のキャリア濃度を１×１０¹⁸cm^-3とし、かつその厚みを１０００nmにしたときに、量子井戸構造４からの発光波長は１２５０nmになった。
そして、一旦積層した上記Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層をエッチング除去して再び図１９で示した積層構造に戻したものについてもフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定したところ、量子井戸構造４からの発光波長は１３００nmに戻らず、１２５０nmのままであった。
【０００９】
また、量子井戸構造４の直上に位置するＺｎドープｐ型ＩｎＰ層の厚みを変えたり、更にはキャリア濃度を変えたりしても、量子井戸構造４からの発光波長は短波長側にシフトすることも判明した。
更に、上記したＳｅドープｎ型ＩｎＰ層を成膜したのち、その成膜温度で加熱状態を３０分程度継続すると、量子井戸構造４からの発光波長の短波長側へのシフト量が増大した。
【００１０】
このような実験結果を整理すると次のようになる。すなわち、
(1) 図１９で示した積層構造Ａ０において、ｐ型ＩｎＰ層５の上にｎ型ＩｎＰ層を積層すると、理由は明確ではないが、前記ｎ型ＩｎＰ層の直下に位置する量子井戸構造の部分からの発光波長は短波長側にシフトする。
(2) 上記した現象は、ｎ型ＩｎＰ層を除去したのちであっても発現する。すなわち、ｐ型ＩｎＰ層の上に、一旦、ｎ型ＩｎＰ層を積層すれば、このｎ型ＩｎＰ層が存在していてもまた存在していなくても、当該ｎ型ＩｎＰ層の直下に位置する量子井戸構造の部分は他の部分に比べて短波長発光領域に転化する。
【００１１】
(3) 発光波長の短波長側へのシフト量は、量子井戸構造の上に積層されているｐ型ＩｎＰ層の厚みやキャリア濃度で変化する。
(4) ｐ型ＩｎＰ層の上にｎ型ＩｎＰ層を成膜し、その成膜温度で加熱を継続すると、そのｎ型ＩｎＰ層の直下に位置する量子井戸構造からの発光波長の短波長側へのシフト量が促進される。
【００１２】
本発明者らは、上記した新たな知見に基づき次のような着想を抱いた。すなわち、図１９で示した積層構造Ａ０において、ｐ型ＩｎＰ層へのｎ型ＩｎＰ層の積層箇所などを変化させれば、その積層箇所の直下に位置する量子井戸構造の部分は短波長発光領域として機能し、積層箇所以外の部分は量子井戸構造の設計波長で発光する領域のままに留まるので、結局は、同一の量子井戸構造を平面的に複数種の発光波長領域にすることが可能になるということである。
【００１３】
本発明者らは前記した(1)〜(4)の知見、およびこの知見に基づく上記した着想の下で各種の更なる研究を重ね、その結果、本発明の半導体積層構造の製造方法を開発するに至った。
すなわち、本発明においては、エピタキシャル結晶成長法により、半導体基板の上に、量子井戸構造を有する層構造を形成し、前記層構造の近傍に少なくとも第１の導電型を有する第１半導体層を積層し、更に前記第１半導体層の全面または一部表面に、前記第１半導体層とは逆導電型の第２半導体層を積層して、前記量子井戸の少なくとも一部分は他の部分に比べて短波長発光領域にすることを特徴とする半導体積層構造の製造方法が提供され、また、前記第２半導体層を積層したのちその第２半導体層を除去したり、前記第２半導体層の成膜後、その成膜温度による加熱を継続する半導体積層構造の製造方法が提供される。
【００１４】
具体的には、前記層構造が、下部クラッド層および量子井戸構造を含み、前記半導体基板がｎ型ＩｎＰから成り、前記下部クラッド層がｎ型ＩｎＰから成り、前記第１半導体層がＺｎドープｐ型ＩｎＰから成り、そして前記第２半導体層がｎ型ＩｎＰから成る半導体積層構造の製造方法が提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の基本的な積層構造の１例Ａ１を示す。
この積層構造Ａ１は、半導体基板１の上に、例えばＭＯＣＶＤ法によって、下部クラッド層２が積層され、この下部クラッド層２の上に、下部光閉じ込め層３ａ，ある特定波長（λ₀）で発光するように設計されている量子井戸構造４，上部光閉じ込め層３ｂが順次積層されて層構造Ｌが形成され、更にこの層構造Ｌの上部光閉じ込め層３ｂの上に、上部クラッド層としてｎ型またはｐ型の半導体から成る第１半導体層５が形成され、そしてこの第１半導体層５の半導体とは逆導電型の半導体から成る第２半導体層６が順次積層された構造になっている。
【００１６】
この場合、例えば基板１としてｎ型半導体基板を用いれば、下部クラッド層２もｎ型半導体で形成され、そして第１半導体層５がｐ型半導体で形成され、第２半導体層６はｎ型半導体で形成されている。基板１としてｐ型半導体を用いた場合には、下部クラッド層２はｐ型に、第１半導体層５はｎ型に、第２半導体層６はｐ型にそれぞれ形成される。
【００１７】
この積層構造Ａ１としては、基板１としてｎ型ＩｎＰ基板を用い、この上に、ｎ型ＩｎＰから成る下部クラッド層２，ｉ型ＧａＩｎＡｓＰから成る下部光閉じ込め層３ａ，量子井戸構造４，ｉ型ＧａＩｎＡｓＰから成る上部光閉じ込め層３ｂ，ｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層（第１半導体層）５，ｎ型ＩｎＰから成る第２半導体層６の積層構造にすることが好ましい。
【００１８】
この積層構造Ａ１においては、量子井戸構造４の上部全面に第２半導体層６が積層されているので、この量子井戸構造４は全ての部分でエネルギーバンドが高エネルギー側にシフトしていて、当該量子井戸構造はその全ての部分が設計波長λ₀よりも短波長の光を発光する短波長発光領域になっている。そして、この積層構造Ａ１は第２半導体層６を除去したとしても、この量子井戸構造４は依然として短波長発光領域として残置し続ける。
【００１９】
また、第１半導体層５のキャリア濃度を高くしていった場合であっても、量子井戸構造４からの発光波長は短波長側にシフトしていく。また、第２半導体層６のキャリア濃度を高くしていってもシフト量を大きくすることができる。
なお、図１で示した積層構造Ａ１において、第１半導体層５がｐ型ＩｎＰから成り、第２半導体層６がｎ型ＩｎＰから成るとすれば、量子井戸構造４とｐ型ＩｎＰ層５の間やｐ型ＩｎＰ層５とｎ−ＩｎＰ層６の間に、薄いＧａＩｎＡｓＰ層を介在させても同様の効果が得られる。
【００２０】
また、第１半導体層５，第２半導体層６を成膜するときのドーパントとしては、ｎ型にはＳｅ、ｐ型にはＺｎを用いることが好適であるが、それ以外のドーパントを用いても何ら不都合はない。
図２は本発明の別の積層構造Ａ２を示す。
この積層構造Ａ２の製造に当たっては、まず最初に図１９で示した積層構造Ａ０を形成する。そして上部クラッド層（第１半導体層）５の表面の一部に例えばＳｉＮｘから成る成長防止マスク７を所望のパターンで形成し、ついで上部クラッド層５の非マスク面に第２半導体層６を選択成長させる。
【００２１】
この積層構造Ａ２の場合、成長防止マスク７の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ１からは設計波長（λ₀）の発光波長が得られ、一方、第２半導体層６の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ２は短波長発光領域になっていて、ここからは設計波長（λ₀）よりも短波長の発光波長が得られる。すなわち、この積層構造Ａ２では、同一の量子井戸構造４から異なった２種類の発光波長を得ることができる。
【００２２】
なお、この積層構造Ａ２の場合も、前記した積層構造Ａ１の場合と同じように、第２半導体層６を除去したとしても、この第２半導体層６の直下に位置していた部分Ｂ２は依然として短波長発光領域として機能する。
図３は本発明の更に別の積層構造Ａ３を示す。
この積層構造Ａ３の製造に当たっては、まず最初に、図１９で示した積層構造Ａ０を形成する。そしてその上部クラッド層（第１半導体層）５の一部表面にエッチング防止膜（図示しない）を成膜したのち非成膜部分の上部クラッド層５を厚み方向にエッチング除去して厚みｔだけ残置せしめる。ついで、エッチング防止膜を除去し、段差構造になっている上部クラッド層５の全面に第２半導体層６を積層する。
【００２３】
この積層構造Ａ３の場合、エッチング除去しなかった第１半導体層５の部分の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ２は短波長発光領域となり、この部分からは図２で示した部分Ｂ２と同様の同じ発光波長が得られる。
そして厚み方向を部分的にエッチング除去して厚みｔになっていてかつその上に直接第２半導体層が積層されている第１半導体層の部分の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ３も短波長発光領域に転化している。そして、この積層構造Ａ３の場合、この厚みｔを変化させることにより、量子井戸構造の部分Ｂ３からの発光波長が変化する。
【００２４】
この積層構造Ａ３の場合も、前記した積層構造Ａ１や積層構造Ａ２の場合と同じように、第２半導体層６を除去したとしても、量子井戸構造４の部分Ｂ２，Ｂ３は依然として前記したような短波長発光領域として機能し続ける。
このように、本発明の積層構造においては、第１半導体層への第２半導体層の積層箇所を変えたり、また第１半導体層の厚みを変えたりすることにより、同じ量子井戸構造から異なった種類の発光波長を得ることができる。
【００２５】
上記したような積層構造を用いた例えば半導体レーザ素子の製造は次のようにして行われる。それを積層構造Ａ１を例にして説明する。
まず、積層構造Ａ１における第２半導体層（ｎ型とする）６を一旦全てエッチング除去してｐ型の第１半導体層５の表面を表出させる。ついで、上部電極を形成すべき箇所以外の表面部分にｎ型半導体層を成膜して電流ブロッキング層を形成し、ついで上部電極を形成すべき箇所にｐ型半導体を成膜してコンタクト層を形成する。そして最後に、前記コンタクト層の上に上部電極（ｐ型電極）を形成し、基板１の裏面に下部電極（ｎ型電極）を形成する。
【００２６】
この半導体レーザ素子においては、量子井戸構造４の全領域は既に短波長発光領域に転化した状態になっているので、上部電極の直下に位置する量子井戸構造の部分からは設計波長（λ₀）より短波長のレーザ光を発振させることができる。
また、この積層構造を用いることにより次のようにしてＳＡＳ型半導体レーザ素子を製造することもできる。
【００２７】
まず、例えばｎ型ＩｎＰ基板の上に、図１で示したｐ型の第１半導体層５までの層構造を形成する。
ついで、図４で示したように、第１半導体層５の表面のうち、電流注入領域を形成すべき箇所に、例えばＳｉＮｘから成る結晶成長防止用のストライプマスク７を成膜し、それ以外の箇所に例えばＳｅドープｎ型ＩｎＰを選択選成させて第２半導体層６を成膜する。
【００２８】
ついでストライプマスク７を除去して第１半導体層（ｐ型）５を表出させたのち、全面に、例えばｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓから成るコンタクト層を順次成膜する（図５）。そして最後に、前記コンタクト層の上に上部電極（ｐ型電極）を形成し、基板１の裏面に下部電極（ｎ型電極）を形成する。
【００２９】
この半導体レーザ素子においては、第２半導体層６それ自体が電流ブロッキング層として機能し、その直下に位置する量子井戸構造４の部分は短波長発光領域になっている。したがって、この量子井戸構造の部分は低屈折率化しており、そのため、電流注入領域の直下に位置する量子井戸構造４の部分は注入電流と光の横方向への閉じ込め効果を発揮することになる。その結果、この半導体レーザ素子は、発振しきい値の低減、キンク発生電流の増大など優れたレーザ特性を発揮する。
【００３０】
この半導体レーザ素子における上記第２半導体層の成膜時に、所望する膜厚に成膜したのちその成膜温度による加熱状態を継続しておくと、この第２半導体層の直下に位置する量子井戸構造の部分における短波長側へのシフト量を大きくする、すなわち屈折率をより低くすることができるので、上記した効果はより顕著に発現する。
【００３１】
そのことは、逆にいえば、第２半導体層（電流ブロッキング層）の膜厚を薄くしても上記した注入電流と光の横方向への閉じ込め効果を効果的に実現することができるということである。
ところで、従来の半導体レーザ素子の場合、上記横方向の閉じ込め効果を発揮させるためには電流ブロッキングの膜厚を充分に厚くすることを必要としていた。しかしながら、電流ブロッキング層を厚くするにつれて、それ以降の成膜過程、とりわけ上部クラッド層の成膜過程で、当該上部クラッド層への欠陥や表面モルフォロジーの劣化が発生しやすく、製造した半導体レーザ素子の信頼性の低下を招くことがある。逆に、電流ブロッキング層の膜厚を薄くすると、製造した半導体レーザ素子のキンク発生電流が低減してしまう。
【００３２】
本発明の上記した半導体レーザ素子の場合は、電流ブロッキング層である第２半導体層の成膜時に、その膜厚を薄くしても成膜温度による加熱を継続することにより、上記した横方向の閉じ込め効果を発揮せしめることができるので、従来のように厚い電流ブロッキング層を成膜する必要がなくなる。それは、高価な有機金属原料の使用量を低減することでもあり、素子の製造コストも低下する。
【００３３】
【実施例】
実施例１
積層構造Ａ１をＭＯＣＶＤ法によって次のようにして形成した。
ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み５００nmの下部クラッド層２を積層し、更にその上にｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの下部光閉じ込め層３ａ，ＧａＩｎＡｓＰ（歪：＋１％）から成る厚み１０nmの井戸層とＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み１０nmの障壁層で構成され、発光波長（λ₀）が１３００nmとなるように設計されている歪多重量子井戸構造４，ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの上部光閉じ込め層３ｂを順次積層して層構造Ｌを形成し、前記上部光閉じ込め層３ｂの上に、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）から成る上部クラッド層（第１半導体層）５を成膜して図１９で示した層構造Ａ０を形成した。更にその上にＳｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み１０００nmの第２半導体層６を成膜した。
【００３４】
この積層構造Ａ１のフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定した。量子井戸構造４からの発光波長は１２５０nmであり、設計波長よりも５０nm短波長側にシフトした。また、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層６をエッチング除去したのちの積層構造の発光波長も１２５０nmと変わらなかった。
【００３５】
実施例２
積層構造Ａ２をＭＯＣＶＤ法によって次のようにして製造した。
実施例１の場合と同様にして図１９で示した層構造Ａ０を形成した。
ついで、ｐ型ＩｎＰ層５の表面の半分にプラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘを成膜して成長防止マスク７を形成したのち、非マスク面に実施例１と同様にしてＳｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み１０００nmの第２半導体層６を成膜して積層構造Ａ２を形成した。
【００３６】
この積層構造Ａ２をフォトルミネッセンス法で測定したところ、成長防止マスク７の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ１からの発光波長は１３００nmであり、第２半導体層６の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ２からの発光波長は１２５０nmであり、この部分Ｂ２は短波長発光領域になった。
すなわち、この積層構造Ｂ２の場合、１個の量子井戸構造４から２種類の発光波長を得ることができた。
なお、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層６をエッチング除去したのちの積層構造に関してもフォトルミネッセンスを測定したところ、量子井戸４の部分Ｂ２からの発光波長は１２５０nmと変わらなかった。
【００３７】
実施例３
積層構造Ａ３をＭＯＣＶＤ法で次のようにして製造した。
まず、実施例１の場合と同様にして図１９で示した積層構造Ａ０を形成した。ついで、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ層５の一部表面にエッチング阻止膜を成膜し、非成膜箇所にエッチング処理を施した。このときエッチング時間を変化させることにより、上記非成膜箇所のエッチング深さを変化させ、残置せしめる厚みｔを様々に変化させた。
【００３８】
その後、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ層５の全面に実施例１の場合と同様にして、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み１０００nmの第２半導体層６を成膜して積層構造Ａ３を形成した。
この積層構造Ａ３における量子井戸構造の部分Ｂ３からの発光波長をフォトルミネッセンス法で測定した。その結果をＺｎドープｐ型ＩｎＰ層の厚みｔとの関係図として図６に示した。
【００３９】
図６から明らかなように、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ層の厚みが薄くなるにつれて量子井戸構造４の部分Ｂ３からの発光波長は短波長側にシフトしていく。更に、薄くなると効果が小さくなっていく。このことは、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ層をエッチング処理するときに、エッチング深さを制御することにより、エッチング除去した部分の直下における量子井戸構造からの発光波長の長短を適宜制御することが可能であることを示している。
【００４０】
実施例４
図７で示したように、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み５００nmの下部クラッド層２を積層し、この上にｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの下部光閉じ込め層３ａ，ＧａＩｎＡｓＰ（歪：＋１％）から成る厚み１０nmの井戸層とＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み１０nmの障壁層で構成され、発光波長が１３４０nmとなるように設計されている歪多重量子井戸構造４，ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの上部光閉じ込め層３ｂを順次積層して層構造Ｌを形成し、その上にＺｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）から成る厚み１０nmの上部クラッド層（第１半導体層）５ａを積層した。
【００４１】
ついで、図８で示したように、幅がＷｍで互いの間隔がＷｇであるマスク７，７をＳｉＮｘで上部クラッド層５ａの表面に成膜し、ここに、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）を選択成長させ、更に続けてＳｅドープｎ−ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）を選択成長させて図９で示した積層構造を形成した。その結果、マスク７，７の間に表出している上部クラッド層５ａの上には、厚み４０nmの上部クラッド層５ｂと厚み３００nmの第２半導体層６が成膜された。
【００４２】
このとき、マスク７，７の間隔Ｗｇは１５μｍと一定にし、マスクの幅Ｗｍを５０μｍ，１０μｍと変化させて図９の積層構造を形成し、そのフォトルミネッセンスを測定した。その結果を図１０に示した。
図１０から明らかなように、マスクのパターンを、Ｗｍ１０μｍ，Ｗｇ１５μｍにすると、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層６の直下に位置する量子井戸構造の部分Ｂ４からの発光波長は設計波長よりも短波長側にシフトして１２９５nmとなり、Ｗｍ５０μｍ，Ｗｇ１５μｍにすると更に短波長側にシフトして１２８０nmになる。
【００４３】
すなわち、マスクパターンの寸法を制御して第１半導体層や第２半導体層を選択成長によって成膜することにより、その直下に位置する量子井戸からの発光波長を制御することができる。
なお、図９で示した積層構造において、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層６をエッチング除去したのちにあっても部分Ｂ４からの発光波長に変化はなかった。
【００４４】
実施例５
次のようにして本発明の積層構造が組み込まれているＳＡＳ型半導体レーザ素子をＭＯＣＶＤ法を適用して製造した。
まず、図１１で示したように、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み５００nmの下部クラッド層２を積層し、その上にｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る４０nmの下部光閉じ込め層３ａ，ＧａＩｎＡｓＰ（歪：＋１％）から成る厚み１０nmの井戸層とＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み１０nmの障壁層で構成され、発光波長が１３００nmとなるように設計された歪多重量子井戸構造４，ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの上部光閉じ込め層３ｂを順次積層して層構造Ｌを形成し、その上にＺｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）から成る厚み１００nmの上部クラッド層（第１半導体層）５ａを積層したのち、この上部クラッド層５ａの上にＳｉＮｘから成る幅５μｍのストライプマスク７を成膜した。
【００４５】
ついで、上部クラッド層５ａの非マスク面にＳｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み３００nmの電流ブロッキング層（第２半導体層）６を成膜した（図１２）。
ストライプマスク７を除去したのち、全面に、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み２０００nmの上部クラッド層５ｂとＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓから成るコンタクト層８を順次成膜した（図１３）。
【００４６】
そして最後に、コンタクト層８の上に上部電極（図示しない）を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に下部電極（図示しない）を形成することにより、目的とするＳＡＳ型半導体レーザ素子を製造した。
このＳＡＳ型半導体レーザ素子の場合、量子井戸構造４において第２半導体層６の直下に位置する両側の部分は、ストライプマスクを成膜した箇所に積層されている第２半導体層の直下に位置する中央部分よりもバンドギャップが大きくなっており、そのことに伴って低屈折率になっている。
【００４７】
したがって、この構造のＳＡＳ型半導体レーザ素子の場合は、従来のものが利得導波型であるのに対し屈折率導波を可能としている。そのため、この構造のＳＡＳ型半導体レーザ素子は、高出力時におけるキンク電流レベルも高くなるという利点を備えている。
なお、上記したレーザ素子の製造時において、第１半導体層５ａを成長温度６５０℃で５００nmの膜厚に成膜し、成膜後、同じ温度（６５０℃）で加熱を継続し、その後は実施例５の場合と同様にして半導体レーザ素子を製造した。
【００４８】
そのとき、成膜後の第１半導体層５ａに対する加熱時間を変化させた。
得られた各レーザ素子につき、第１半導体層５ａの直下に位置する量子井戸構造の部分における発光エネルギーのシフト量を測定した。その結果を、加熱継続時間との関係図として図１４に示した。
図１４から明らかなように、第１半導体層（電流ブロッキング層）５ａの成膜後、そのときの成膜温度で更に加熱を継続すると、その第１半導体層５ａの直下に位置する量子井戸構造の部分におけるエネルギーシフト量は順次増大している。そして３０分以上加熱を継続するとシフト量は１００meV程度となる。このシフト量は、ｎ型ＩｎＰで厚み２０００nmの電流ブロッキング層を形成した場合と同等の横方向への閉じ込め効果を発揮する値である。
【００４９】
実施例６
多波長半導体レーザ素子を次のようにして製造した。
まず、図７で示したように、ｎ型ＩｎＰ基板１の上に、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み５００nmの下部クラッド層２を積層し、その上にｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの下部光閉じ込め層３ａ，ＧａＩｎＡｓＰ（歪：＋１％）から成る厚み１０nmの井戸層とＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み１０nmの障壁層で構成され、発光波長が１３４０nmとなるように設計された歪多重量子井戸構造４，ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み４０nmの上部光閉じ込め層３ｂを順次積層して層構造Ｌを形成し、その上にＺｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）から成る厚み１０nmの上部クラッド層５ａを積層した。
【００５０】
ついで、図８で示したように、上部クラッド層５ａの上に、間隔Ｗｇが１５μｍ，幅Ｗｍが１０〜５０μｍの選択成長用のマスク７，７のパターンをＳｉＮｘで成膜した。そして、その上から、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）から成る厚み３０nmの上部クラッド層５ｂ，ＧａＩｎＡｓＰ（λｇ＝１.２μｍ）から成る厚み５nmのエッチング停止層１０，Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み３００nmの層（第２半導体層）６を順次選択成長させて、図１５で示したような積層構造を形成した。
【００５１】
この時点で、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層６の直下に位置している量子井戸構造の部分Ｂ２は短波長発光領域に転化している。
ついで、Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層６，エッチング停止層１０、および選択成長用マスク７をそれぞれエッチング除去したのち、表出したＺｎドープｐ型ＩｎＰ層５ｂの表面中央部に、図１６で示したように、幅４μｍのストライプマスク７’をＳｉＮｘで成膜した。そして、全体に対し下部クラッド層２までエッチング処理を行って、図１７で示したメサ構造を形成した。
【００５２】
ついで、メサ構造の両側をＺｎドープｐ型ＩｎＰ層９ａとＳｅドープｎ型ＩｎＰ層９ｂで順次埋め込んで電流ブロッキング層９を形成したのちストライプマスク７’を除去し、更に全体の上に、Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度１×１０¹⁸cm^-3）から成る厚み２０００nmの上部クラッド層５ｃ，Ｚｎドープｐ型ＧａＡｌＡｓから成るコンタクト層８を順次積層した（図１８）。
【００５３】
そして最後に、コンタクト層８の上に上部電極を形成し、基板１の裏面に下部電極を形成して目的とする半導体レーザ素子にした。
このレーザ素子の場合、例えば図１５における選択成長用マスク７の幅を１０μｍにすれば、図１０から明らかなように発光波長は１２９５nmになり、またマスク幅を５０μｍにすれば発光波長は１２８０nmになる。そして、マスク幅を１０〜５０μｍの間の適宜な値に設定すれば、そのときの発光波長は上記発光波長の中間の適宜な値になり、またマスク７の影響を受けない量子井戸構造の部分からの発光波長は設計波長（λ₀）である１３００nmになり、マスク直下に位置する量子井戸構造の部分からの発光波長は１３２０nmになる。
すなわち、このレーザ素子は、同一基板の上に１２９０〜１３２０nmまでの発光波長領域を有するアレイとして機能する。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の半導体積層構造は、同一の量子井戸構造から複数の発光波長を得ることができる。したがって、この積層構造を組み込むことにより、同一基板の上に各種の発光波長を有する部分を集積することができ、半導体レーザ素子とフォトダイオードなどの能動素子との集積や、また能動素子と光導波路との集積などを実現することができその工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層構造例Ａ１を示す断面図である。
【図２】別の積層構造Ａ２を示す断面図である。
【図３】更に別の積層構造Ａ３を示す断面図である。
【図４】第１半導体層の上に第２半導体層を積層した状態を示す断面図である。
【図５】ＳＡＳ型半導体レーザ素子の１例を示す断面図である。
【図６】Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ層の厚みと量子井戸構造からの発光波長との関係を示すグラフである。
【図７】基板の上に半導体層を積層した状態を示す断面図である。
【図８】図７の積層構造に選択成長用マスクを成膜した状態を示す断面図である。
【図９】上部クラッド層と第２半導体層を成膜した状態を示す断面図である。
【図１０】選択成長用マスクの幅と量子井戸構造からの発光波長との関係を示すグラフである。
【図１１】ＳＡＳ型半導体レーザ素子の製造過程で、第１半導体層の上に選択成長用マスクを成膜した状態を示す断面図である。
【図１２】電流ブロッキング層を形成した状態を示す断面図である。
【図１３】上部クラッド層とコンタクト層を形成した状態を示す断面図である。
【図１４】第１半導体層の成膜後における加熱継続時間と量子井戸構造のエネルギーシフト量との関係を示すグラフである。
【図１５】多波長半導体レーザ素子の製造過程で、第１半導体層と第２半導体層を選択成長した状態を示す断面図である。
【図１６】第２半導体層と選択成長用マスクを除去したのちエッチング阻止膜を成膜した状態を示す断面図である。
【図１７】メサ構造を形成した状態を示す断面図である。
【図１８】図１７のメサ構造を上部クラッド層とコンタクト層で埋め込んだ状態を示す断面図である。
【図１９】ｎ型ＩｎＰ基板の上に層構造Ｌを含む積層構造を形成した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板（ｎ型ＩｎＰ）
２下部クラッド層（Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層）
３ａ下部光閉じ込め層（ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ層）
３ｂ上部光閉じ込め層（ｉ型ＧａＩｎＡｓＰ層）
４量子井戸
５，５ａ，５ｂ，５ｃ第１半導体層（Ｚｎドープｐ型ＩｎＰ層）
６第２半導体層（Ｓｅドープｎ型ＩｎＰ層）
７選択成長用マスク
７’ エッチング防止膜
８コンタクト層
９電流ブロッキング層
９ａＺｎドープｐ型ＩｎＰ層
９ｂＳｅドープｎ型ＩｎＰ層
１０エッチング停止層

Claims

エピタキシャル結晶成長法により、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板の上に、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層及び量子井戸構造を有する層構造を形成する工程と、
前記層構造上にｐ型ＩｎＰからなる第１半導体層を積層する工程と、
前記量子井戸構造のうち短波長発光領域に転化させたい部分に対応する前記第１半導体層上の位置にｎ型ＩｎＰからなる第２半導体層を積層する工程とを有し、
前記第１半導体層上に、前記第１半導体層とは逆導電型の前記第２半導体層を積層することにより、前記第２半導体層の直下に位置する積層箇所の部分の量子井戸構造からの発光波長が短波長側にシフトする現象を利用して、前記積層箇所の部分と積層箇所以外の部分とで同一の量子井戸構造から複数の発光波長領域を得ることを特徴とする半導体積層構造の製造方法。
前記第２半導体層を積層した後に、前記第２半導体層を除去する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体積層構造の製造方法。
前記第２半導体層の直下に位置する前記量子井戸構造の部分からの発光波長の短波長側へのシフト量を促進させるために、前記第２半導体層の成膜後、その成膜温度による加熱を継続する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体積層構造の製造方法。