JP5200676B2

JP5200676B2 - 半導体光素子

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Publication number: JP5200676B2
Application number: JP2008154345A
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Inventors: 順一橋本; 造勝山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2013-06-05
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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には、様々な形態がある。例えば、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。

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

上述した埋め込みヘテロストラクチャー型半導体レーザ素子のような半導体光素子の構成においては、電流−発光特性は主に活性層や各半導体層のバンドギャップエネルギー値によって決定され、用途に応じて電流−光出力特性を様々に変更することは困難である。本発明者らは、素子の電流−光出力特性を変更できれば、様々な用途に好適に用いられる新規な半導体光素子を提供できると考えた。

そこで、本発明の目的は、電流−光出力特性を変更可能な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、電位制御層とを備える。第１導電型半導体領域は、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。電位制御層は、第１導電型半導体領域の第１の半導体部の第２の領域と第２導電型半導体領域との間に設けられる。或いは、電位制御層は、第１導電型半導体領域の第２の半導体部と活性層との間、及び第２導電型半導体領域と活性層との間のうち少なくとも一方、並びに、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の間に設けられる。電位制御層は、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より小さく且つ活性層のバンドギャップエネルギーより大き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は、電位制御層を介して間接的に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、電位制御層とを備える。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の領域とを有する。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。電位制御層は、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の間に設けられる。或いは、電位制御層は、第１導電型半導体領域の第１の領域と活性層との間、及び第２導電型半導体領域と活性層との間のうち少なくとも一方、並びに、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の間に設けられる。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。電位制御層のバンドギャップエネルギーは、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より小さく且つ活性層のバンドギャップエネルギーより大きい。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は、電位制御層を介して間接的にｐｎ接合を構成している。

これらの半導体光素子においては、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導電型半導体領域の第２の領域と第２導電型半導体領域とによる接合電位（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る接合電位よりも大きくなる。ここでこれらの半導体光素子は電気的にはｐｎ接合ダイオードであるから、これらに順方向電圧を印加する場合は、素子電圧が増大して接合電位近辺の値を超えると、キャリアに対する接合界面の障壁が充分小さくなって、キャリアが接合界面を容易に乗り越えられるようになるため、急激に低抵抗化して順方向に大電流が流れ出す。この現象はターンオンと呼ばれ、その時の電圧をターンオン電圧と呼ぶことにする。さて上記のように活性層領域（第１導電型半導体領域、活性層、及び第２導電型半導体領域が接合した領域）より活性層外領域（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の接合領域）の方が接合電位が大のため、素子電圧が増加して活性層領域がターンオンしても活性層以外の領域では未だターンオンに至らず、キャリアがブロックされる。これにより、素子電圧が活性層外領域のターンオン電圧に至るまではキャリアがターンオンしている活性層領域へ集中的に流入して効果的に閉じ込められるので、光出力が電流に比例して増加する、線形動作が得られる。一方素子電圧が活性層外領域のターンオン電圧を超えると、この領域も急激に低抵抗化するため、活性層領域と同等に電流が流れるようになり、活性層外へのリーク電流が顕著化する。その結果、誘導放出に寄与しない無効電流が大幅に増えるためスロープ効率が急激に低下し、電流を増やしても出力が増加しにくい出力飽和領域が形成される。この領域は、出力の電流依存性が微小な非線形な動作領域となる。

また、これらの半導体光素子においては、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より小さく且つ活性層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する電位制御層が設けられる。この電位制御層のバンドギャップエネルギー値を選択することにより、電位制御層が設けられる部分がターンオンするときの印加電圧値（ターンオン電圧）を制御することができる。また、電位制御層が設けられた部分における直列抵抗の値も制御することができるので、例えば第１導電型半導体領域と活性層との間や第２導電型半導体領域と活性層との間に電位制御層が設けられた場合には、キャリアが活性層に閉じ込められる線形動作領域（光出力が電流に対して線形に増加する領域）における電流−電圧特性の傾きを制御できる。従って、この構造の半導体光素子によれば、電位制御層の配置及びバンドギャップエネルギー値を選択することにより、ターンオン電圧、及び線形動作領域における電流−電圧特性の傾きを制御できるので、電流−光出力特性を変更できる。

例えば、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より低く且つ活性層のバンドギャップエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有する電位制御層を、第１導電型半導体領域と活性層との間、及び活性層と第２導電型半導体領域との間のうち少なくとも一方に設けた場合には、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間のターンオン電圧を下げることができるとともに、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間の直列抵抗値を下げることができる。従って、本電位制御層挿入前に比べて、より高電流まで素子電圧は活性層領域外のターンオン電圧に達しないので、より高電流域までキャリアは活性層に良好に閉じ込められる。その結果線形動作の出力範囲を拡大することが出来る。

また、例えば、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より高いバンドギャップエネルギーを有する電位制御層を、第１導電型半導体領域と活性層との間、及び活性層と第２導電型半導体領域との間のうち少なくとも一方に設けた場合には、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間のターンオン電圧を上げることができるとともに、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間の直列抵抗値を上げることができる。従って本電位制御層挿入前に比べて、より低電流で素子電圧は活性層領域外のターンオン電圧に達するので、より低電流において出力飽和領域に突入する。即ち本電位制御層により、非線形動作範囲を拡大することが可能となる。

また、例えば、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より低く且つ活性層のバンドギャップエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有する電位制御層を第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の間に設けた場合には、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の間のターンオン電圧、即ち活性層外領域のターンオン電圧を下げることができる。従って、本電位制御層挿入前に比べて、より低電流において活性層外領域がターンオンし、出力飽和領域に突入するので、非線形動作範囲を拡大することが可能となる。

また、例えば、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より高いバンドギャップエネルギーを有する電位制御層を第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の間に設けた場合には、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の間のターンオン電圧、即ち活性層外領域のターンオン電圧を上げることができる。従って、本電位制御層挿入前に比べて、より高電流まで素子電圧は活性層領域外のターンオン電圧に達しないので、線形動作の出力範囲を拡大することが出来る。

本発明の半導体光素子では、電位制御層は、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の間に設けられ、第１導電型半導体領域の第２の領域に接する第１導電型の第３の領域と、第２導電型半導体領域に接する第２導電型の第４の領域とを含み、第３の領域と第４の領域とが互いにｐｎ接合を構成している。電位制御層のバンドギャップエネルギーが第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より小さい場合、第３の領域と第４の領域とによるｐｎ接合部分の接合電位は、第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とが直接ｐｎ接合した場合と比べて小さくなる。従って、当該部分、即ち活性層外領域におけるターンオン電圧が小さくなる。或いは、電位制御層のバンドギャップエネルギーが第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より大きい場合、第３の領域と第４の領域とによるｐｎ接合部分の接合電位は、第１導電型半導体領域と第２導電型半導体領域とが直接ｐｎ接合した場合と比べて大きくなる。従って、当該部分、即ち活性層外領域におけるターンオン電圧が大きくなる。このように、電位制御層のバンドギャップエネルギーを選択することにより、第３の領域と第４の領域との接合電位を制御して活性層外領域のターンオン電圧を変化させ、電流−光出力特性を変更できる。

本発明の半導体光素子では、第１導電型半導体領域の第２の領域と第２導電型半導体領域との間、及び第１導電型半導体領域の第１の領域と活性層との間に電位制御層が設けられる場合、電位制御層は、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。また、電位制御層は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ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、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。

本発明によれば、電流−光出力特性を変更可能な半導体光素子を提供できる。

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）及び図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されたII−II線に沿ったバンドギャップエネルギー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、電位制御層２と、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、ＩｎＰ半導体、ＧａＮ半導体、またはＳｉＣ半導体等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。電位制御層２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。電位制御層２は、一対の側面２ｅを有している。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を構成する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より短い。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を構成する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より短い。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。

また、電位制御層２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には、次の２つの形態がある。すなわち一方の形態では、図２（ｂ）に示すように、電位制御層２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く且つ第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７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小さい。換言すれば、電位制御層２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を構成する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より短く、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７を構成する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より長い。また、他方の形態では、図２（ｃ）に示すように、電位制御層２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、電位制御層２を構成する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、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７を構成する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より短い。

なお、電位制御層２の導電型は、第２導電型半導体領域７と同じ導電型でもよく、活性層５と同じくアンドープでもよい。また、活性層５が導電型を有する場合には、活性層５と同じ導電型でもよい。

図２（ｂ）及び図２（ｃ）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、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、ＩｎＰ半導体基板、ＧａＮ半導体基板、またはＳｉＣ半導体基板等が例示される。第１導電型半導体領域３が設けられるＧａＡｓ半導体、ＩｎＰ半導体、ＧａＮ半導体、またはＳｉＣ半導体等の表面は、これらの半導体基板によって提供される。すなわち、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。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と電位制御層２との間に位置している。電位制御層２は、活性層５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、活性層５、及び電位制御層２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のバンドギャップエネルギーは、第２導電型半導体領域７のバンドギャップエネルギーより小さい。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
電位制御層２：
ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ
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。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、印加電圧と素子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、素子電流と光出力（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の材料のバンドギャップエネルギーが活性層５の材料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、電位制御層２、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及び電位制御層２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。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。

ここでは比較のため、半導体光素子１が電位制御層２を備えない場合についての動作を先ず説明する。図４（ａ）のグラフＧ１０に示すように、電極２１及び２３に印加する駆動電圧を順方向に０Ｖから徐々に増加させた場合、ターンオン電圧Ｖ_Ａ０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_Ａ０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_Ａ０を超えた近傍で発振開始するので、Ｉ_Ａ０は発振閾値電流と同等の値であり、電流がＩ_Ａ０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、Ａ部分がターンオンしてからＢ部分がターンオンするまでの動作領域では、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。この動作領域は、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が線形に増加する線形動作領域となる。

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_Ｂ０に対応する電流Ｉ_Ｂ０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_Ｂ０よりも大きな（Ｂ部分ターンオン後の）動作領域は、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。

ここで、本実施形態の半導体光素子１は、活性層５と第２導電型半導体領域７との間に電位制御層２を備えている。第２導電型半導体領域７と活性層５とを接合する場合のように、バンドギャップエネルギーの異なる２つの半導体層を結晶学的に結合させるヘテロ接合においては、双方の半導体層における擬フェルミレベルが一致するようなバンド構造が形成される。このとき、ヘテロ接合界面においてはバンドギャップエネルギーの不連続性に起因してスパイクやノッチと呼ばれるエネルギーバンドの急峻な折れ曲がりが生じ、バンドギャップエネルギー差に応じたヘテロ障壁が形成される。このヘテロ障壁は、伝導帯においては電子に対して、また価電子帯においてはホールに対して、それぞれ障壁となるため電気抵抗として作用する。このへテロ接合界面に活性層５と第２導電型半導体領域７との間のバンドギャップエネルギー値を有する電位制御層２を設けると、活性層５と第２導電型半導体領域７との間のバンドギャップエネルギーの不連続性が緩和され、スパイクやノッチ等の発生が軽減されるため、ヘテロ障壁が低減する。その結果、活性層５と第２導電型半導体領域７との間の抵抗が下がるので、図４（ａ）のグラフＧ１１に示すように、ターンオン電圧Ｖ_Ａ０がＶ_Ａ１まで下がり、且つＡ部分ターンオン後の電流−電圧特性の傾き、即ち直列抵抗が減少する。他方、電位制御層が設けられないＢ部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂ０は変わらない。これにより、電位制御層２を備えない場合（グラフＧ１０参照）の電流Ｉ_Ｂ０に比べてより高い電流Ｉ_Ｂ１まで素子電圧はＶ_Ｂ０に至らずＢ部分はターンオンしないため、図４（ｂ）のグラフＧ２１に示すように、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。また、Ａ部分が低抵抗化するため素子内部の発熱が抑制され、半導体光素子１の高出力化や高信頼化にも寄与できる。

また、活性層５と第２導電型半導体領域７とのへテロ接合界面に第２導電型半導体領域７のバンドギャップエネルギー値よりも大きいバンドギャップエネルギー値を有する電位制御層２を設けると、活性層５と第２導電型半導体領域７との間のバンドギャップエネルギーの不連続性が増し、スパイクやノッチ等の発生が顕著となるため、ヘテロ障壁が増大し、抵抗が上がる。その結果、図４（ａ）のグラフＧ１２に示すように、ターンオン電圧Ｖ_Ａ０がＶ_Ａ２まで上がり、且つＡ部分ターンオン後の電流−電圧特性の傾き、即ち直列抵抗が増す。他方、Ｂ部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂ０は変わらない。これにより、電位制御層２を備えない場合（グラフＧ１０参照）の電流Ｉ_Ｂ０に比べてより低い電流Ｉ_Ｂ２で素子電圧はＶ_Ｂ０に至り、Ｂ部分がターンオンする。従って、図４（ｂ）のグラフＧ２２に示すように、より低い出力域において光出力が飽和する電流−光出力特性が得られる。

次に、半導体光素子１の製造方法を、図５（ａ）〜図５（ｅ）を参照しつつ説明する。まず、図５（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１２、活性層１４、電位制御層１０、第２導電型半導体層１６、及び保護膜１９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２０を保護膜１９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２０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５（ｂ）に示すように、エッチングマスク２０を介して保護膜１９、第２導電型半導体層１６、電位制御層１０、活性層１４、及び第１導電型半導体層１２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、電位制御層２の側面２ｅ、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、電位制御層２、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５（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５（ｃ）に示すように、エッチングマスク２０及び保護膜１９を除去する。そして、図５（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。

本実施形態に係る半導体光素子１の効果について説明する。本実施形態の半導体光素子１においては、活性層５と第２導電型半導体領域７との間に、第１導電型半導体領域３及び第２導電型半導体領域７のバンドギャップエネルギーとは異なるバンドギャップエネルギーを有する電位制御層２が設けられる。上述したように、この電位制御層２のバンドギャップエネルギー値を選択することにより、電位制御層２が設けられたＡ部分（図３参照）のターンオン電圧を制御することができる。また、Ａ部分における直列抵抗の値も制御することができるので、線形動作領域における電流−電圧特性の傾きを制御することができる。従って、半導体光素子１によれば、電位制御層２のバンドギャップエネルギー値を選択することにより、電流−光出力特性を変更できる。なお、本実施形態では、電位制御層２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が、電位制御層２が活性層５と第１導電型半導体領域３の第２の部分３ｂとの間に設けられても、本実施形態の半導体光素子１と同様の効果を得ることができる。

ここで、本実施形態に係る半導体光素子１の利用形態の一例を示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すグラフＧ５、Ｇ６のそれぞれは、半導体光素子１における印加電圧と素子電流との相関、及び素子電流と光出力との相関をそれぞれ示すグラフである。図６（ｃ）は、半導体光素子１に供給されるパルス電流を示すグラフである。図６（ｄ）は、供給されたパルス電流に応じた半導体光素子１の光出力を示すグラフである。

半導体光素子１の出力飽和領域を積極的に利用すると、レーザ直接変調時の出力を一定に保つための自動出力制御(Auto Ｐower Control、以下ＡＰＣと略す)回路の低コスト化を図れる。すなわち、図３のＡ部分の幅（半導体リッジ部１３の幅）に比べてＢ部分の幅（第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域とのｐｎ接合部分の幅）を充分に大きくすると、Ｂ部分がターンオンした後の出力飽和領域においては殆どの電流がＢ部分を流れるため、Ａ部分を流れる電流量はほぼ一定値となる。従って、図６（ｂ）に示すように電流がＩ_Ｂより大きな出力飽和領域においては光出力がほぼ一定値Ｐになる。そこで、図６（ｃ）に示すようにピーク値Ｉ_２がＩ_Ｂを超えるようにあらかじめ設定された変調電流を半導体光素子１に注入すれば、半導体光素子１から出力される変調光出力のピーク値はＩ_２の値によらず一定値Ｐに維持される。この場合、変調光出力のピーク値を一定値Ｐに維持するには、変調電流のピーク値Ｉ_２がＩ_Ｂより大きければよいので、ＡＰＣにおける電流制御精度は従来のＡＰＣ回路に比べて低くてよく、高精度のＡＰＣ回路は不要となる。従って、電流制御精度の低い低コストのＡＰＣ回路を使用でき、光源システムとしての大幅なコストダウンを実現できる。変調光出力のピーク値Ｐは、本実施形態による電位制御層２や本明細書において説明する他の形態の電位制御層によって広範に変化させることが可能であり、目的に応じて最適な値に設定できる。

また、本実施形態の半導体光素子１によれば、製造工程を従来より簡易にできる。非特許文献１に示し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、ｎ型半導体層上に活性層を成長させて該活性層をエッチングした後、活性層上のエッチングマスクを残したまま電流ブロック部を成長させる。そして、エッチングマスクを除去し、ｐ型半導体層を成長させる。このように、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は、その製造工程において少なくとも３回のエピタキシャル成長工程を必要とする。これに対し、本実施形態の半導体光素子１は、電流ブロック部の成長工程を必要としないため、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２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。

また、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が更に拡大し、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、線形動作領域を更に拡大することができる。

また、例えば非特許文献１に開示された従来の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、半導体光素子１においては、ＧａＡｓ半導体の表面は、ＧａＡｓ半導体基板により提供されてもよい。ＩｎＰ半導体の表面は、ＩｎＰ半導体基板により提供されてもよい。ＧａＮ半導体の表面は、ＧａＮ半導体基板により提供されてもよい。ＳｉＣ半導体の表面は、ＳｉＣ半導体基板により提供されてもよい。特に、ＧａＡｓ半導体基板は、大口径で高品質、低価格のものが容易に入手できる。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）及び図７（ｂ）は、本実施形態に係る半導体光素子の第１変形例を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、本変形例の半導体光素子１ａは、電位制御層２ａを、活性層５と第２導電型半導体領域７との間ではなく第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間に備えることができる。この場合、第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７とは、電位制御層２ａを介して間接的にｐｎ接合を構成することとなる。すなわち、電位制御層２ａが第１導電型を有する場合には、電位制御層２ａと第２導電型半導体領域７とがｐｎ接合を構成し、電位制御層２ａと第１導電型半導体領域３とは同じ導電型同士の接合となる。また、電位制御層２ａが第２導電型を有する場合には、電位制御層２ａと第１導電型半導体領域３とがｐｎ接合を構成し、電位制御層２ａと第２導電型半導体領域７とは同じ導電型同士の接合となる。また、電位制御層２ａが導電型を有しない（アンドープ）場合は、第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７とが電位制御層２ａを挟んでｐｉｎ接合を構成する。

電位制御層２ａのバンドギャップエネルギーが、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より小さい場合には、第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間の接合電位及び抵抗は、電位制御層２ａを備えない場合と比較して小さくなる。また、電位制御層２ａのバンドギャップエネルギーが、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より大きい場合には、第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間の接合電位及び抵抗は、電位制御層２ａを備えない場合と比較して大きくなる。

図８（ａ）は、半導体光素子１ａにおける、印加電圧と素子電流との相関を示すグラフである。図８（ｂ）は、半導体光素子１ａにおける、素子電流と光出力（発光強度）との相関を示すグラフである。第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間（すなわち活性層５を除く領域）に、これらの領域のバンドギャップエネルギー値よりも大きいバンドギャップエネルギー値を有する電位制御層２ａを設けると、第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間の接合電位及び抵抗が上がる。その結果、図８（ａ）のグラフＧ１３に示すように、第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間のターンオン電圧Ｖ_Ｂ０がＶ_Ｂ１まで上がる。他方、電位制御層が設けられない部分（活性層５）におけるターンオン電圧Ｖ_Ａ０は変わらない。これにより、活性層５を除く領域が、電位制御層２ａを備えない場合（グラフＧ１０）の電流Ｉ_Ｂ０に比べてより高い電流Ｉ_Ｂ１までターンオンしないため、図８（ｂ）のグラフＧ２３に示すように、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。

また、第１導電型半導体領域の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間に、これらの領域のバンドギャップエネルギー値よりも小さいバンドギャップエネルギー値を有する電位制御層２ａを設けると、第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間の接合電位及び抵抗が下がる。その結果、図８（ａ）のグラフＧ１４に示すように、第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間のターンオン電圧Ｖ_Ｂ０がＶ_Ｂ２まで下がる。他方、電位制御層２ａが設けられない部分（活性層５）におけるターンオン電圧Ｖ_Ａ０は変わらない。これにより、活性層５を除く領域が、電位制御層２ａを備えない場合（グラフＧ１０）の電流Ｉ_Ｂ０に比べてより低い電流Ｉ_Ｂ２でターンオンするため、図８（ｂ）のグラフＧ２４に示すように、より低い出力域において光出力が飽和する電流−光出力特性が得られる。

このように、本変形例による半導体光素子１ａにおいては、電位制御層２ａのバンドギャップエネルギーを選択することにより、上記実施形態の半導体光素子１と同様に電流−光出力特性を変更できる。

また、図７（ｂ）に示すように、本変形例による半導体光素子１ｂにおいては、電位制御層２ｂが、第１導電型半導体領域３に接する第１導電型の第３の領域２２ａ、及び第２導電型半導体領域７に接する第２導電型の第４の領域２２ｂを含んでもよい。第３の領域２２ａと第４の領域２２ｂとは、互いにｐｎ接合を構成する。電位制御層２ｂのバンドギャップエネルギーが第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より大きい場合には、電位制御層２ｂに含まれる第３の領域２２ａと第４の領域２２ｂとのｐｎ接合部分における接合電位は、第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７とが直接ｐｎ接合した場合の接合電位よりも大きくなるとともに、この領域のヘテロ障壁が増大するので抵抗も大となる。従って、ｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂが上がり、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。他方、電位制御層２ｂのバンドギャップエネルギーが第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より小さい場合には、電位制御層２ａに含まれる第３の領域２２ａと第４の領域２２ｂとのｐｎ接合部分における接合電位は、第１導電型半導体領域３と第２導電型半導体領域７とが直接ｐｎ接合した場合の接合電位よりも小さくなるとともにこの領域のヘテロ障壁が下がるので、抵抗も下がる。従って、ｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂが低下し、より低い出力域において光出力が飽和する電流−光出力特性が得られる。このように、電位制御層２ｂのバンドギャップエネルギーを選択することにより、第３の領域２２ａと第４の領域２２ｂとのｐｎ接合部部分における接合電位を制御してターンオン電圧を変化させ、電流−光出力特性を変更できる。

図９は、本実施形態に係る半導体光素子の第２変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子１ｃは、電位制御層２ｃを、活性層５と第２導電型半導体領域７との間、及び第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間に備えることができる。この場合、第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７とは、電位制御層２ｃを介して間接的にｐｎ接合を構成することとなる。また、この場合、電位制御層２ｃのバンドギャップエネルギーの大きさを選択することによって、上記実施形態及び変形例に示したように、活性層５と第２導電型半導体領域７との間の接合電位及び抵抗、及び第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間の接合電位及び抵抗を制御することができるので、半導体光素子１ｃの電流−光出力特性を変更できる。

図１０〜図１２は、本実施形態に係る半導体光素子の第３変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子１ｄ〜１ｆは、それぞれ上記実施形態に係る半導体光素子１、並びに上記変形例に係る半導体光素子１ａ及び１ｃに対応する変形例である。半導体光素子１ｄ〜１ｆ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、第１の光閉じ込め層２５、活性層５、及び第２の光閉じ込め層２７は、半導体リッジ部１３ａを構成する。

第１の光閉じ込め層２５は、活性層５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。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。半導体光素子１ｄ〜１ｆ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。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。

本変形例のように、第１及び第２の光閉じ込め層２５、２７を半導体光素子が備える場合には、半導体光素子１ｄにおける電位制御層２は、第２の光閉じ込め層２７と第２導電型半導体領域７との間、及び第１の光閉じ込め層２５と第１導電型半導体領域３との間のうち少なくともいずれか一方に設けられる。また、半導体光素子１ｅにおける電位制御層２ａは、上記第１変形例と同様に第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間に設けられる。なお、本変形例において、第１の導電型の第３の領域２２ａ及び第２導電型の第４の領域２２ｂを含む電位制御層２ｂを、第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間に設けてもよい。また、半導体光素子１ｆにおける電位制御層２ｃは、第１導電型半導体領域３の第２の領域３ｄと第２導電型半導体領域７との間、及び第２の光閉じ込め層２７と第２導電型半導体領域７との間（或いは第１の光閉じ込め層２５と第１導電型半導体領域３との間）に設けられる。これらの電位制御層２、２ａ〜２ｃのバンドギャップエネルギーを選択することによって、半導体光素子１ｄ〜１ｆの電流−光出力特性を変更できる。

（第２の実施の形態）
図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体光素子を示す斜視図である。図１３には、ＸＹＺ座標系Ｓが描かれている。図１４は、図１３に示されたIII−III線に沿った断面図である。図１３及び図１４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。

図１３及び図１４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、電位制御層５２と、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、ＩｎＰ半導体、ＧａＮ半導体、またはＳｉＣ半導体等の表面上に設けられており、第１の領域５３ａと、第１の領域５３ａの周囲に位置する第２の領域５３ｂと有する。第１の領域５３ａは、Ｚ軸方向といった所定の軸の方向に伸びている。活性層５５は、第１導電型半導体領域５３の第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。電位制御層５２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。電位制御層５２は、一対の側面５２ｅを有している。第２導電型半導体領域５７は、活性層５５の周囲において、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。

また、電位制御層５２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には、次の２つの形態がある。すなわち一方の形態では、電位制御層５２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く且つ第１導電型半導体領域５３及び第２導電型半導体領域５７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小さい。また、他方の形態では、電位制御層５２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。

なお、電位制御層５２の導電型は、第２導電型半導体領域５７と同じ導電型でもよく、活性層５５と同じくアンドープでもよい。また、活性層５５が導電型を有する場合には、活性層５５と同じ導電型でもよい。

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、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、ＩｎＰ半導体基板、ＧａＮ半導体基板、またはＳｉＣ半導体基板等が例示される。第１導電型半導体領域５３が設けられるＧａＡｓ半導体、ＩｎＰ半導体、ＧａＮ半導体、またはＳｉＣ半導体等の表面は、これらの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のバンドギャップエネルギーは、第２導電型半導体領域５７のバンドギャップエネルギーより小さい。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の間に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、本実施形態の半導体光素子５１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、電位制御層５２のバンドギャップエネルギーが、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よりも小さく、且つ活性層５５のバンドギャップエネルギーよりも大きい場合には、第２導電型半導体領域５７と活性層５５との間のヘテロ障壁が緩和され、これらの層間の抵抗が下がり、且つＡ部分（図３参照）ターンオン後の電流−電圧特性の傾き、即ち直列抵抗が下がる。従って、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におけるターンオン電圧Ｖ_Ａが下がり、また電位制御層５２を備えない場合の電流に比べてより高い電流まで、素子電圧は第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７とのｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂに至らずＢ部分（図３参照）はターンオンしない。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が拡大するので、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。また、電位制御層５２のバンドギャップエネルギーが、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よりも大きい場合には、第２導電型半導体領域５７と活性層５５との間のヘテロ障壁が増し、これらの層間の抵抗が上がり、且つＡ部分ターンオン後の電流―電圧特性の傾き、即ち直列抵抗が上がる。従って、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におけるターンオン電圧Ｖ_Ａが上がり、また電位制御層５２を備えない場合の電流に比べてより低い電流にて、素子電圧は第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７とのｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂに至り、Ｂ部分はターンオンする。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が縮小するので、より低い出力域において光出力が飽和する電流−光出力特性が得られる。このように、本実施形態の半導体光素子５１によれば、電位制御層５２のバンドギャップエネルギーを選択することにより、半導体光素子５１の電流−光出力特性を変更できる。なお、本実施形態では、電位制御層５２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が、電位制御層５２が活性層５５と第１導電型半導体領域５３との間に設けられても、本実施形態の半導体光素子５１と同様の効果を得ることができる。

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５（ａ）〜（ｅ）参照）と相違する点は、図５（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のみである。したがって、半導体光素子５１を製造する際においても、電流ブロック層をエピタキシャル成長させる工程が必要ないので、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。

半導体光素子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。

半導体光素子５１においては、ＧａＡｓ半導体の表面は、ＧａＡｓ半導体基板により提供されてもよい。ＩｎＰ半導体の表面は、ＩｎＰ半導体基板により提供されてもよい。ＧａＮ半導体の表面は、ＧａＮ半導体基板により提供されてもよい。ＳｉＣ半導体の表面は、ＳｉＣ半導体基板により提供されてもよい。特に、ＧａＡｓ半導体基板は、大口径で高品質、低価格のものが容易に入手できる。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。

半導体光素子５１においては、第１導電型半導体領域５３は、活性層５５及び電位制御層５２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では、例えば半導体基板６１としてＧａＡｓ半導体基板を用い、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、電位制御層５２にＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＡｓを用い、且つ活性層５５として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のいずれかを用いれば、エッチング液を選択する（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、電位制御層５２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、電位制御層５２及び活性層５５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、電位制御層５２及び活性層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（ａ）及び図１５（ｂ）は、本実施形態に係る半導体光素子の第４変形例を示す断面図である。図１５（ａ）に示すように、本変形例の半導体光素子５１ａは、電位制御層５２ａを、活性層５５と第２導電型半導体領域５７との間ではなく第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に備えることができる。この場合、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７とは、電位制御層５２ａを介して間接的にｐｎ接合を構成することとなる。すなわち、電位制御層５２ａが第１導電型を有する場合には、電位制御層５２ａと第２導電型半導体領域５７とがｐｎ接合を構成し、電位制御層５２ａと第１導電型半導体領域５３とは同じ導電型同士の接合となる。また、電位制御層５２ａが第２導電型を有する場合には、電位制御層５２ａと第１導電型半導体領域５３とがｐｎ接合を構成し、電位制御層５２ａと第２導電型半導体領域５７とは同じ導電型同士の接合となる。また、電位制御層５２ａが導電型を有しない（アンドープ）場合は、第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７とが電位制御層５２ａを挟んでｐｉｎ接合を構成する。

電位制御層５２ａのバンドギャップエネルギーが、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より小さい場合には、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗は、電位制御層５２ａを備えない場合と比較して小さくなる。また、電位制御層５２ａのバンドギャップエネルギーが、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より大きい場合には、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗は、電位制御層５２ａを備えない場合と比較して大きくなる。

第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間（すなわち活性層５５を除く領域）に、これらの領域のバンドギャップエネルギー値よりも大きいバンドギャップエネルギー値を有する電位制御層５２ａを設けると、第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗が上がる。その結果、第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間のターンオン電圧Ｖ_Ｂが上がる。他方、電位制御層５２ａが設けられない部分（活性層５５）におけるターンオン電圧Ｖ_Ａは変わらない。これにより、活性層５５を除く領域が、電位制御層５２ａを備えない場合に比べてより高い電流が流れるまでターンオンしないため、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。

また、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に、これらの領域のバンドギャップエネルギー値よりも小さいバンドギャップエネルギー値を有する電位制御層５２ａを設けると、第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗が下がる。その結果、第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間のターンオン電圧Ｖ_Ｂが下がる。他方、電位制御層５２ａが設けられない部分（活性層５５）におけるターンオン電圧Ｖ_Ａは変わらない。これにより、活性層５５を除く領域が、電位制御層５２ａを備えない場合に比べてより低い電流でターンオンするため、より低い出力域において光出力が飽和する電流−光出力特性が得られる。

このように、本変形例による半導体光素子５１ａにおいては、電位制御層５２ａのバンドギャップエネルギーを選択することにより、上記実施形態の半導体光素子５１と同様に電流−光出力特性を変更できる。

また、図１５（ｂ）に示すように、本変形例による半導体光素子５１ｂにおいては、電位制御層５２ｂが、第１導電型半導体領域５３と接する第１導電型の第３の領域７２ａ、及び第２導電型半導体領域５７と接する第２導電型の第４の領域７２ｂを含んでもよい。第３の領域７２ａと第４の領域７２ｂとは、互いにｐｎ接合を構成する。電位制御層５２ｂのバンドギャップエネルギーが第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より大きい場合には、電位制御層５２ｂに含まれる第３の領域７２ａと第４の領域７２ｂとのｐｎ接合部分における接合電位は、第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７とが直接ｐｎ接合した場合の接合電位よりも大きくなる。従って、ｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂが上がり、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。他方、電位制御層５２ｂのバンドギャップエネルギーが第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より小さい場合には、電位制御層５２ｂに含まれる第３の領域７２ａと第４の領域７２ｂとのｐｎ接合部分における接合電位は、第１導電型半導体領域５３と第２導電型半導体領域５７とが直接ｐｎ接合した場合の接合電位よりも小さくなる。従って、ｐｎ接合部分におけるターンオン電圧Ｖ_Ｂが低下し、より低い出力域において光出力が飽和する電流−光出力特性が得られる。このように、電位制御層５２ｂのバンドギャップエネルギーを選択することにより、第３の領域７２ａと第４の領域７２ｂとのｐｎ接合部分における接合電位を制御してターンオン電圧を変化させ、電流−光出力特性を変更できる。

図１６は、本実施形態に係る半導体光素子の第５変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子５１ｃは、電位制御層５２ｃを、活性層５５と第２導電型半導体領域５７との間、及び第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に備えることができる。この場合、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７とは、電位制御層５２ｃを介して間接的にｐｎ接合を構成することとなる。また、この場合、電位制御層５２ｃのバンドギャップエネルギーの大きさを選択することによって、活性層５５と第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗、及び第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗を制御することができるので、半導体光素子５１ｃの電流−光出力特性を変更できる。

また、半導体光素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃにおいては、第１導電型半導体領域５３が、活性層５５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なってもよい。この場合、これらの層のエッチング深さに関して良好な再現性および面内均一性が達成される。その結果、活性層５５の幅の再現性および面内均一性も格段に向上し、レーザ特性の再現性や面内均一性も改善される。半導体基板６１がＧａＡｓ半導体基板からなる場合に、このような構成を実現するための半導体材料としては、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、活性層５５がＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体、もしくはＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓのいずれかによって構成されるとよい。これにより、これらの層をエッチングする際に例えば燐酸系エッチャントを用いると、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することができる。

図１７は、本実施形態に係る半導体光素子の第６変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子５１ｄは、電位制御層５２ｄを、第１導電型半導体領域５３の第１の領域５３ａと活性層５５との間、及び第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に備えることができる。本変形例では、電位制御層５２ｄの表面は平坦に形成されている。この場合、電位制御層５２ｄのバンドギャップエネルギーの大きさを選択することによって、第１導電型半導体領域５３の第１の領域５３ａと活性層５５との間の接合電位及び抵抗、及び第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗を制御することができるので、半導体光素子５１ｄの電流−光出力特性を変更できる。

また、半導体光素子５１ｄにおいては、電位制御層５２ｄが、活性層５５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なってもよい。この場合、活性層５５のエッチング深さに関して良好な再現性および面内均一性が達成される。その結果、活性層５５の幅の再現性および面内均一性も格段に向上し、レーザ特性の再現性や面内均一性も改善される。半導体基板６１がＧａＡｓ半導体基板からなる場合に、このような構成を実現するための半導体材料としては、例えば電位制御層５２ｄがＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰのいずれかによって構成され、活性層５５がＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体、もしくはＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓのいずれかによって構成されるとよい。これにより、活性層５５をエッチングする際に例えば燐酸系エッチャントを用いると、電位制御層５２ｄがエッチング停止層として機能することができる。

図１８は、本実施形態に係る半導体光素子の第７変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子５１ｅは、電位制御層５２ｅを、第１導電型半導体領域５３の第１の領域５３ａと活性層５５との間、及び第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に備えることができる。本変形例では、電位制御層５２ｅは、第１導電型半導体領域５３の第１の領域５３ａ上にリッジ部分５２ｆを有する。リッジ部分５２ｆは、一対の側面５２ｇを有しており、Ｚ軸方向といった所定の軸方向に伸びている。本変形例においても、電位制御層５２ｅのバンドギャップエネルギーの大きさを選択することによって、第１導電型半導体領域５３の第１の領域５３ａと活性層５５との間の接合電位及び抵抗、及び第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間の接合電位及び抵抗を制御することができるので、半導体光素子５１ｅの電流−光出力特性を変更できる。

図１９〜図２３は、本実施形態に係る半導体光素子の第８変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子５１ｆ〜５１ｊは、それぞれ上記実施形態に係る半導体光素子５１、並びに上記変形例に係る半導体光素子５１ａ、５１ｃ〜５１ｅに対応する変形例である。半導体光素子５１ｆ〜５１ｊ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。なお、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、活性層５５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、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。

第１及び第２の光閉じ込め層７５、７７を半導体光素子が備える場合には、半導体光素子５１ｆにおける電位制御層５２は、第２の光閉じ込め層７７と第２導電型半導体領域５７との間、及び第１の光閉じ込め層７５と第１導電型半導体領域５３との間のうち少なくともいずれか一方に設けられる。また、半導体光素子５１ｇにおける電位制御層５２ａは、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に設けられる。なお、本変形例において、第１の導電型の第３の領域７２ａ及び第２導電型の第４の領域７２ｂを含む電位制御層５２ｂを、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間に設けてもよい。また、半導体光素子５１ｈにおける電位制御層５２ｃは、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間、及び第２の光閉じ込め層７７と第２導電型半導体領域５７との間に設けられる。また、半導体光素子５１ｉ及び５１ｊにおける電位制御層５２ｄ及び５２ｅは、第１導電型半導体領域５３の第２の領域５３ｂと第２導電型半導体領域５７との間、及び第１の光閉じ込め層７５と第１導電型半導体領域５３の第１の領域５３ａとの間に設けられる。これらの電位制御層５２、５２ａ〜５２ｅのバンドギャップエネルギーを選択することによって、半導体光素子５１ｆ〜５１ｊの電流−光出力特性を変更できる。

また、半導体光素子５１ｆにおいては、第１導電型半導体領域５３が、活性層５５、電位制御層５２、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なってもよい。また、半導体光素子５１ｇ、５１ｈにおいては、第１導電型半導体領域５３が、活性層５５、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なってもよい。この場合、これらの層のエッチング深さに関して良好な再現性および面内均一性が達成される。その結果、活性層５５の幅の再現性および面内均一性も格段に向上し、レーザ特性の再現性や面内均一性も改善される。半導体基板６１がＧａＡｓ半導体基板からなる場合に、このような構成を実現するための半導体材料としては、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、電位制御層５２がＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＡｓのいずれかによって構成され、光閉じ込め層７５、７７がＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰで構成され、活性層５５がＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体、もしくはＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓのいずれかによって構成されるとよい。これにより、これらの層をエッチングする際に例えば燐酸系エッチャントを用いると、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することができる。

また、半導体光素子５１ｉにおいては、電位制御層５２ｄが、活性層５５、及び光閉じ込め層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なってもよい。この場合、活性層５５のエッチング深さに関して良好な再現性および面内均一性が達成される。その結果、活性層５５の幅の再現性および面内均一性も格段に向上し、レーザ特性の再現性や面内均一性も改善される。半導体基板６１がＧａＡｓ半導体基板からなる場合に、このような構成を実現するための半導体材料としては、例えば電位制御層５２ｄがＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰのいずれかによって構成され、光閉じ込め層７５、７７がＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰで構成され、活性層５５がＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体、もしくはＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓのいずれかによって構成されるとよい。これにより、活性層５５及び光閉じ込め層７５、７７をエッチングする際に例えば燐酸系エッチャントを用いると、電位制御層５２ｄがエッチング停止層として機能することができる。

図２４は、本実施形態に係る半導体光素子の第９変形例を示す断面図である。本変形例の半導体光素子５１ｋでは、第１導電型半導体領域５４が、濃度変化領域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、濃度変化領域５８ａ及び他の領域５８ｂを有する。第１導電型半導体領域５４の濃度変化領域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の濃度変化領域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、濃度変化領域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、濃度変化領域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２５（ａ）に示すグラフＧ１６は、本変形例の半導体光素子５１ｋにおける電流−電圧特性を示すグラフである。図２５（ａ）に示すグラフＧ１５は、半導体光素子５１ｋとは異なり、半導体光素子が濃度変化領域５４ａ及び５８ａを備えない場合（例えば本実施形態の半導体光素子５１）の電流−電圧特性を示すグラフである。また、図２５（ｂ）に示すグラフＧ２５及びＧ２６は、図２５（ａ）に示すグラフＧ１５及びＧ１６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５１ｋでは、濃度変化領域５４ａ及び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、濃度変化領域５４ａ及び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、濃度変化領域５４ａ及び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２５（ａ）及び図２５（ｂ）に示すように、ｐｉｎ接合部分のターンオン電圧Ｖ_Ａ３がより低いターンオン電圧Ｖ_Ａ４に変化し、ｐｎ接合部分のターンオン電圧Ｖ_Ｂ３がより低いターンオン電圧Ｖ_Ｂ４に変化する。さらに、濃度変化領域５４ａ及び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、活性層外領域のｐｎ接合部分がターンオンに至る電流値がＩ_Ｂ３からＩ_Ｂ４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、本構造においては濃度変化領域５４ａ及び５８ａのドーパント濃度を領域５４ｂ及び５８ｂに対して変化させることにより、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を目的に応じて変化させることが可能となる。なお、以上では濃度変化領域５４ａと５８ａとが両方存在する場合について説明したが、どちらか一方の濃度変化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、本発明に係る半導体光素子の好適な実施の形態及びその変形例について説明したが、上記各半導体光素子においては、電位制御層の厚さが数十ｎｍ程度以下（例えば、５ｎｍ以下）であっても本発明の効果を得ることができる。電流−電圧特性以外の素子特性への電位制御層による影響を軽減するためには、電位制御層は薄いほうが好ましい。但し、半導体光素子の利用目的に応じて、電位制御層を厚くすることもできる。

また、上記各半導体光素子においては、下地となる半導体（半導体基板）に対して、電位制御層の格子不整が±３パーセント以内に在るようにしても良い。電位制御層は上述したように薄くてよいので、このような範囲で歪みがあっても臨界膜厚からは充分に薄い。従って、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殆ど生じず、実用上問題とはならない。この場合、格子整合条件に関する制約が緩和されるので、より広範な半導体材料の組成を選択でき、電位制御層のバンドギャップエネルギーの選択範囲が増して、電流−光出力特性の設計の自由度が増す。このような電位制御層の半導体材料としては、半導体基板にＧａＡｓ基板を用いる場合には、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＡｓ等を用いることができる。また、半導体基板にＩｎＰ基板を用いる場合には、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等を用いることができる。なお、このような歪入りの電位制御層の厚さは、５ｎｍ〜１０ｎｍ程度が望ましく、特に５ｎｍ前後が好適である。

ここで、本発明の効果を好適に得ることができる半導体材料について説明する。図２６は、半導体材料の一覧を示す図表である。なお、これらの材料群は、上記各実施形態及び変形例に係る全ての半導体光素子に適用することが可能である。

本発明に係る半導体光素子においては、半導体基板の材料としてＧａＡｓ基板を用いてもよい。或いは、他材料からなる基板上にＧａＡｓ半導体層が形成された基板を用いてもよい。そして、活性層には、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が好ましい。

少なくとも窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体としては、例えば少なくともＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体が挙げられる。この材料系の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と同じか、或いはＧａＡｓの格子定数に近い値に設定できる。従って、ＧａＡｓ基板またはＧａＡｓ半導体上での良好な結晶成長が可能である。また、この材料系のバンドギャップエネルギーは１μｍ以上のフォトルミネッセンス波長に相当しているので、この材料系を活性層の材料に用いることで、１μｍ以上の長波長域の発振波長を容易に実現でき、例えば１μｍ〜１．６μｍ帯の光通信用光源を作製できる。

ＮとＧａとＡｓを含んでいる具体的なIII−Ｖ族化合物半導体材料としてはまず、ＧａＮＡｓとＧａＩｎＮＡｓがある。これらの半導体材料は、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、及びＡｓの組成比を調整することで、ＧａＡｓと同じか、もしくはそれに近い格子定数を実現できる。また、これらの半導体材料によれば、１μｍ〜１．６μｍ帯の通信用の波長域で発光可能な活性層が得られるので、ＧａＡｓ基板またはＧａＡｓ半導体上における長波長レーザを実現できる。

上述したＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓには、さらにＳｂ及びＰのうち一方または双方が添加されても良い。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、それらの結晶性改善の効果がある。また、Ｐは、ＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓの局所的結晶歪の低減による結晶性及び信頼性の改善や、結晶成長中におけるＮの結晶への取り込み量の増大等に寄与する。具体的には、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等の半導体材料を用いることができる。これらの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と同じか、或いはＧａＡｓの格子定数に近い値に設定できる。従って、これらの半導体材料は、ＧａＡｓ基板上またはＧａＡｓ半導体上での良好な結晶成長が可能である。

また、半導体基板または下地となる半導体の材料として、ＧａＡｓ基板または他の基板上に成長したＧａＡｓ半導体層を用いた場合には、活性層の半導体材料として、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓも使用可能である。これらの半導体材料は、組成比を調整することにより、ＧａＡｓに近い格子定数を実現できる。また、これらの半導体材料によれば、０．６μｍ〜１μｍ帯の波長域で発光可能な活性層が得られる。

上述した各種の活性層材料はＧａＡｓ基板上またはＧａＡｓ半導体上に成長可能なため、ＧａＡｓに格子整合する高バンドギャップ材料であるＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰを、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の半導体材料として使用できる。ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰは、何れもＩｎＰよりバンドギャップエネルギーが高く、組成を調整することにより各々約１．９〜約２．３ｅＶ、約１．４２〜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広範に変化させることができる。また、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰは約１．９ｅＶといった高バンドギャップエネルギーを有する。

また、電位制御層の半導体材料としては、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等が使用可能である。これらの半導体材料は、ＧａＡｓと同じか、またはＧａＡｓに近い格子定数とすることが可能なため、ＧａＡｓ基板上またはＧａＡｓ半導体上への成長が可能である。また、上述したように、電位制御層は基板に対して±３パーセント以内の格子不整があっても良いので、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、またはＧａＩｎＡｓＰについては、これらの半導体材料を第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域に用いる場合と比べてバンドギャップエネルギーの可変範囲をより拡大できる。その結果、これらの半導体材料を用いることにより、電位制御層のバンドギャップエネルギーとして、約１ｅＶ付近の低いバンドギャップエネルギーから２．３ｅＶを超える高いバンドギャップエネルギーまでの広範なバンドギャップエネルギーが実現可能となる。従って、半導体光素子の使用目的に応じて、電位制御層として妥当なバンドギャップエネルギーを選択し、また第９変形例に示したような第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のドーパント濃度の制御も必要に応じて併用することで、ターンオン電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂや線形動作領域の電流―電圧特性の傾き（直列抵抗）を制御でき、電流−光出力特性を適切な形状に変更することができる。

なお、半導体光素子には必要に応じて光閉じ込め層を付加しても良い。光閉じ込め層の半導体材料としては、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ等を使用できる。または、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等を使用できる。

ＧａＡｓ系の活性層材料を用いる長波長帯の半導体光素子においては、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域、光閉じ込め層、並びに電位制御層の半導体材料として、上述したような広範なバンドギャップエネルギーを実現可能な半導体材料を使用できる。従って、上述したいずれかの半導体材料を用い、また第９変形例に示したような第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のドーパント濃度の制御も必要に応じて併用することで、ターンオン電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂや線形動作領域の電流―電圧特性の傾き（直列抵抗）を制御でき、電流−光出力特性を適切な形状に変更することができる。例えば、活性層に上述した少なくともＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いる場合、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の間に設けられた電位制御層、並びに第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の半導体材料として、上述した半導体材料のうちＩｎＰより高バンドギャップの材料を用いれば、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料を用いた長波長帯半導体レーザに比べてターンオン電圧Ｖ_Ｂを大きくできる。その結果、線形動作領域がより高出力域まで延びた電流−光出力特性を有する長波長帯半導体レーザを実現できる。また、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体材料を用いた従来の長波長帯半導体レーザに比べて、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を大きく取れるため、注入キャリアの活性層への閉じ込めを強化でき、活性層に入ったキャリアは容易には出て来られなくなる。その結果、高温でのレーザ発振が容易になるなど、温度特性が改善された長波長帯の半導体レーザ素子を実現できる。

また活性層の半導体材料として、上述した窒素を含まない材料、即ちＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＩｎＡｓを用いた場合でも、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の間に設けられた電位制御層、並びに第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の半導体材料として、上述した高バンドギャップの材料を用いれば、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザに比べてターンオン電圧Ｖ_Ｂを大きくできる。この場合、ターンオン電圧差(Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａ)が従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の長波長帯半導体レーザに比べて大となるように、活性層や光閉じ込め層として妥当なバンドギャップを有する材料を選択することも可能である。その結果、線形動作領域が従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザに比べて、より高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。また、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザに比べて、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を大きくできるため、注入キャリアの活性層への閉じ込めを強化でき、活性層に入ったキャリアは容易には出て来られなくなる。その結果、高温でのレーザ発振が容易になるなど、温度特性が改善された半導体レーザ素子を実現できる。

更に、ＧａＡｓ半導体基板は安価であり、且つ直径６インチといった大口径基板が実用化されているため、製造原価の削減や大規模光集積素子の実現が容易となる。

他方、より低い出力域において光出力を飽和させたい場合には、第１導電型半導体領域または第２導電型半導体領域と活性層との間に設けられる電位制御層の半導体材料として、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を用いるか、或いは第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の間に設けられる電位制御層の半導体材料として、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料のバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を用いるか、或いはその双方を併用すればよい。

本発明に係る半導体光素子においては、半導体基板としてＩｎＰ基板を用いてもよい。或いは、他材料からなる基板上にＩｎＰ半導体層が形成された基板を用いてもよい。この場合、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としては、ＩｎＰか、ＩｎＰに格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓを用いることができる。また、電位制御層の材料としては、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＩｎＰを用いる場合には、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓを用いることができる。また第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合には、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰを用いることが出来る。これらの半導体材料は格子定数をＩｎＰと同じかそれに近い値に設定できるため、ＩｎＰ基板上または他の基板上に成長したＩｎＰ半導体上への成長が可能である。例えば、ＩｎＰと格子整合する材料に限ると、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓでは各々約０．７４ｅＶ〜約１．３５ｅＶ、及び約０．７４ｅＶ〜約１．５ｅＶといった広範なバンドギャップエネルギーを実現でき、ＩｎＧａＡｓでは約０．７４ｅＶ、ＩｎＰでは約１．３５eＶとなる。電位制御層に歪みを許容する場合には、さらに広範なバンドギャップエネルギーを実現できる。

また、この場合、活性層の半導体材料としては、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＩｎＰを用いる場合には、例えばＩｎＰと同じか或いはＩｎＰに近い格子定数を持つＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓを使用できる。また、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合には、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰを用いることが出来る。半導体光素子は、必要に応じて光閉じ込め層を備えることができる。光閉じ込め層の半導体材料としては、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＩｎＰを用いる場合には、例えばＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓを使用できる。また、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合には、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＰを用いることが出来る。以上の材料構成により、約１μｍ〜約１．６μｍの発振波長を有する長波長帯半導体レーザを実現できる。この場合においても、半導体光素子の使用目的に応じて電位制御層として妥当なバンドギャップエネルギーの材料を選択し、また第９変形例に示したような第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のドーパント濃度の制御も必要に応じて併用することで、ターンオン電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂや線形動作領域の電流―電圧特性の傾き（直列抵抗）を制御でき、電流−光出力特性を適切な形状に変更することができる。

例えば第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＩｎＰを用いる場合において、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の間に電位制御層を設ける場合、電位制御層として第１導電型の第３の領域と第２導電型の第４の領域とを積層した多層膜を用い、第１導電型半導体領域側に第３の領域が、第２導電型半導体領域側に第４の領域がそれぞれ配置された構成において、これらの層の材料としてＩｎＰのバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌＧａＩｎＡｓを用いた場合には、この領域のｐｎ接合界面の接合電位が上がるため、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の長波長帯に比べてターンオン電圧Ｖ_Ｂを大きくできる。また第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合において、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の間に電位制御層を設ける場合、これらの層をＩｎＰよりバンドギャップが大のＡｌＧａＩｎＡｓで構成すれば、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の長波長帯に比べてターンオン電圧Ｖ_Ｂを大きくできる。これらの場合、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の長波長帯半導体レーザと比較してターンオン電圧差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａを大きくすることも可能である。従って、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の長波長帯半導体レーザと比較してより高い出力域まで線形出力領域が延びた電流−光出力特性を有する長波長帯半導体レーザを実現できる。

また、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の材料として最大１．５ｅＶといった高いバンドギャップを有するＡｌＧａＩｎＡｓを用いれば、従来のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の長波長帯半導体レーザ素子に比べて第１、第２導電型半導体領域と活性層との間のバンドギャップエネルギー差を大きくできるため、注入キャリアの活性層への閉じ込めを強化でき、活性層に入ったキャリアは容易には出て来れなくなる。その結果、高温でのレーザ発振が容易になるなど、温度特性が大幅に改善された長波長帯の半導体レーザ素子を実現できる。

他方、より低い出力域において光出力を飽和させたい場合には、例えば第１導電型半導体領域または第２導電型半導体領域と活性層との間に設けられる電位制御層の半導体材料として、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域を構成する材料のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を用いるか、或いは第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の間に設けられる電位制御層の半導体材料として、第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域を構成する材料のバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を用いるか、或いはその双方を併用すればよい。

本発明に係る半導体光素子においては、基板としてＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ａｌ_２O_３基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板、ＺｎＯ基板、またはＭｇＡｌ_２Ｏ_４基板を用いてもよい。或いは、他材料からなる基板上にこれらの層が形成された基板を用いてもよい。この場合、第１、第２導電型半導体領域の材料としては、ＡｌＧａＮを用いることができる。また、活性層及び電位制御層の材料としては、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができる。また、半導体光素子は、必要に応じて光閉じ込め層を備えることができる。光閉じ込め層の半導体材料としては、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができる。ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、及びＩｎＧａＮはＧａＮやＡｌＮと同じかそれに近い格子定数を有するため、ＧａＮ基板またはＡｌＮ基板、またはＧａＮ半導体層またはＡｌＮ半導体層を用いる場合には、結晶成長中に基板との格子不整に起因する欠陥が成長層中に生じず、より良好なＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの結晶成長が行える。ここで、ＡｌＧａＮは、ＡｌとＧａの組成比を選択することにより、約３．４ｅＶ〜約６．２ｅＶといった非常に広範な範囲のバンドギャップエネルギーを実現できる半導体材料である。また、ＩｎＧａＮは、約２ｅＶ〜約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを実現できる。従って、この場合においても、半導体光素子の使用目的に応じて電位制御層として妥当なバンドギャップエネルギーのＮ材料を選択し、また第９変形例に示したような第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域のドーパント濃度の制御も必要に応じて併用することで、ターンオン電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂや線形動作領域の傾き（直列抵抗）を制御でき、電流−光出力特性を適切な形状に変更することができる。

また例えば、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の間に設けられた電位制御層、並びに第１導電型半導体領域及び第２導電型半導体領域の半導体材料として、上述した高バンドギャップのＮ材料を用いれば、従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザに比べてターンオン電圧Ｖ_Ｂを大きくできる。この場合、ターンオン電圧差（Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａ）が従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の長波長帯半導体レーザに比べて大となるように、活性層や光閉じ込め層として妥当なバンドギャップを有する材料を選択することも可能である。その結果、線形動作領域が従来のＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザに比べて、より高出力域まで延びた電流−光出力特性が得られる。また、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザに比べて、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を大きくできるため、注入キャリアの活性層への閉じ込めを強化でき、活性層に入ったキャリアは容易には出て来られなくなる。その結果、高温でのレーザ発振が容易になるなど、温度特性が改善された半導体レーザ素子を実現できる。更に、活性層材料としてＡｌＧａＮ、ＧａＮまたはＩｎＧａＮを用いると、青色から紫外にかけての波長帯の半導体レーザ素子を実現できる。

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導電型半導体領域と電位制御層とが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導電型半導体領域並びに電位制御層の材料として用いると、第１及び第２導電型半導体領域または電位制御層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導電型半導体領域と電位制御層と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導電型半導体領域や電位制御層にＡｌを含む材料を用いるとそれらの層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導電型半導体領域並びに電位制御層がＡｌを含まない材料で形成されていれば、接合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ＧａＡｓ基板を用いる場合は第１及び第２導電型半導体領域用の材料としてはＧａＩｎＰやＧａＩｎＡｓＰが、また電位制御層用の材料としてはＧａＩｎＰやＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ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、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、及び電位制御層が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導電型半導体領域並びに電位制御層が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、例えばＧａＡｓ基板を用いる場合は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。このような半導体材料の一例としては、例えばＧａＡｓ基板を用いる場合には、第１及び第２導電型半導体領域がＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓＰからなり、電位制御層がＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、またはＧａＩｎＰからなり、光閉じ込め層がＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＡｓからなるとよい。また、活性層は、前述した少なくともＮとＧａとＡｓを含んでいるIII―Ｖ族化合物半導体材料、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、またはＧａＩｎＡｓＰから構成されることが可能である。

上記各電位制御層は目的に合わせて所望のターンオン電圧が得られるよう、ｐ、ｎ、またはアンドープのうち、何れか都合の良い導電型を適宜選択できる。さらにこれらの層は導電型やバンドギャップが異なる層を積層した多層膜構造になっていても良い。この場合多層構造とすることで単層の場合に比べて、ターンオン電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、及びターンオン後の電流―電圧特性の直列抵抗をより広範に変えることが出来るため、電流―光出力特性の形状変更の自由度がさらに増す。

また必要に応じて、以上の実施例において示された各種の電位制御層のうちの複数を組み合わせて使用してもよい。この場合は、１種類の電位制御層を用いる場合に比べて、ターンオン電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ、及びターンオン後のＩ−Ｖカーブの直列抵抗をより広範に変えることが出来るため、Ｉ−Ｌ形状の設計の自由度がさらに増す。

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、活性層と下地層間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。

また、上記各実施形態及び変形例においては、半導体基板としてＧａＡｓ半導体基板、ＩｎＰ半導体基板、ＧａＮ半導体基板、及びＳｉＣ半導体基板等が例示されているが、本発明はこれ以外にも様々な基板上において実現可能である。例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板、ＺｎＯ基板、またはＭｇＡｌ_２Ｏ_４基板といった基板上に第１導電型半導体領域、電位制御層、活性層、及び第２導電型半導体領域を積層することによっても、本発明の半導体光素子を構成することができる。この場合、例えばサファイア基板は他の半導体基板とは異なり絶縁性材料であるため、電極をサファイア基板の裏面ではなく第１導電型半導体領域上に設けるとよい。

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、半導体光素子の電流−電圧特性、及び電流−光出力特性を変更することが可能となる。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）及び図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されたII−II線に沿ったバンドギャップエネルギー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）〜図５（ｅ）は、半導体光素子の製造方法を示す工程図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体光素子における印加電圧と素子電流との相関、及び素子電流と光出力との相関をそれぞれ示すグラフである。図６（ｃ）は、半導体光素子に供給されるパルス電流を示すグラフである。図６（ｄ）は、供給されたパルス電流に応じた半導体光素子の光出力を示すグラフである。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体光素子の第１変形例を示す断面図である。図８（ａ）は、第１変形例の半導体光素子における、印加電圧と素子電流との相関を示すグラフである。図８（ｂ）は、第１変形例の半導体光素子における、素子電流と光出力（発光強度）との相関を示すグラフである。図９は、第１実施形態に係る半導体光素子の第２変形例を示す断面図である。図１０は、第１実施形態に係る半導体光素子の第３変形例を示す断面図である。図１１は、第１実施形態に係る半導体光素子の第３変形例を示す断面図である。図１２は、第１実施形態に係る半導体光素子の第３変形例を示す断面図である。図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体光素子を示す斜視図である。図１４は、図１３に示されたIII−III線に沿った断面図である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体光素子の第４変形例を示す断面図である。図１６は、第２実施形態に係る半導体光素子の第５変形例を示す断面図である。図１７は、第２実施形態に係る半導体光素子の第６変形例を示す断面図である。図１８は、第２実施形態に係る半導体光素子の第７変形例を示す断面図である。図１９は、第２実施形態に係る半導体光素子の第８変形例を示す断面図である。図２０は、第２実施形態に係る半導体光素子の第８変形例を示す断面図である。図２１は、第２実施形態に係る半導体光素子の第８変形例を示す断面図である。図２２は、第２実施形態に係る半導体光素子の第８変形例を示す断面図である。図２３は、第２実施形態に係る半導体光素子の第８変形例を示す断面図である。図２４は、第２実施形態に係る半導体光素子の第９変形例を示す断面図である。図２５（ａ）のグラフＧ１６は、第９変形例の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２５（ａ）に示すグラフＧ１５は、半導体光素子が濃度変化領域を備えない場合の電流−電圧特性を示すグラフである。図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に対応する電流−光出力特性を示すグラフである。図２６は、本発明に好適な半導体材料の一覧を示す図表である。

符号の説明

１…半導体光素子、２…電位制御層、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、１１…半導体基板、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

III−Ｖ族化合物半導体からなり第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、
III−Ｖ族化合物半導体からなり、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の間、及び前記第２の半導体部の側面上に設けられ、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より小さく且つ前記活性層のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する電位制御層を備え、
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の領域と前記第２導電型半導体領域とが前記電位制御層を介して間接的にｐｎ接合を構成しており、
前記電位制御層は、第１導電型を有しており前記第２導電型半導体領域と共にｐｎ接合を構成するか、第２導電型を有しており前記第１導電型半導体領域と共にｐｎ接合を構成するか、アンドープであり前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域と共にｐｉｎ接合を構成するか、又は、前記第１導電型半導体領域の前記第２の領域に接する第１導電型の第３の領域と、前記第２導電型半導体領域に接する第２導電型の第４の領域とを含み、前記第３の領域と前記第４の領域とが互いにｐｎ接合を構成しており、
前記第２導電型半導体領域上且つ前記活性層が存在する領域上及び前記第２の領域上に設けられ、前記第２導電型半導体領域と接する第２導電型のコンタクト層を更に備える、半導体光素子。
III−Ｖ族化合物半導体からなり第１の領域と前記第１の領域の周囲に位置する第２の領域とを有する第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、
III−Ｖ族化合物半導体からなり、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、
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の間、及び前記活性層の側面上に設けられた電位制御層と
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、
前記電位制御層のバンドギャップエネルギーは、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より小さく且つ前記活性層のバンドギャップエネルギーより大きく、
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前記電位制御層を介して間接的にｐｎ接合を構成しており、
前記電位制御層は、第１導電型を有しており前記第２導電型半導体領域と共にｐｎ接合を構成するか、第２導電型を有しており前記第１導電型半導体領域と共にｐｎ接合を構成するか、アンドープであり前記第１導電型半導体領域及び前記第２導電型半導体領域と共にｐｉｎ接合を構成するか、又は、前記第１導電型半導体領域の前記第２の領域に接する第１導電型の第３の領域と、前記第２導電型半導体領域に接する第２導電型の第４の領域とを含み、前記第３の領域と前記第４の領域とが互いにｐｎ接合を構成しており、
前記第２導電型半導体領域上且つ前記活性層が存在する領域上及び前記第２の領域上に設けられ、前記第２導電型半導体領域と接する第２導電型のコンタクト層を更に備える、半導体光素子。
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から構成されており、
前記電位制御層は、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ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いる、請求項１または２に記載の半導体光素子。
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１〜３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
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１〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
前記第１の領域の周囲に隣接する前記第２の領域上の全面に前記電位制御層が設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体光素子。