JP2007258269A - 半導体光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の高い半導体光素子を提供する。
【解決手段】半導体光素子１０は、回折格子のための周期的な凹凸が形成された表面１２ａを有するＧａＡｓ基板１２と、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層１４と、III−Ｖ族化合物半導体層１４上に設けられており、構成元素として窒素及び砒素を含みIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子に関する。

ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓからなる活性層が設けられており、その活性層上に凸部と凹部が周期的に配列された回折格子層が形成された半導体レーザが知られている（特許文献１及び２参照）。
特開平１１−７４６０７号公報 特開２００３−２０２５２９号公報

上述のような回折格子層を得るためには、通常、周期が数百ｎｍ、段差が数十ｎｍの微細な凹凸をフォトリソグラフィー法により形成する。凹凸を形成する際の露光条件やエッチング条件は、例えば温度、湿度、振動、大気の流れ等の外的要因に左右され易い。このため、回折格子層を安定的に高品質で形成することは難しい。

また、回折格子層を活性層上に形成すると、回折格子層も含めて、半導体層をＧａＡｓ基板上に何層も成長してからでないと、回折格子層の品質の良否を判定することが出来ないので、それだけ良否判定が遅くなってしまう。不良の場合、プロセス中のＧａＡｓ基板を捨て、未使用のＧａＡｓ基板を新たに用いて最初からプロセスをやり直さなければならない。従って、良品の生産効率が悪く、製造コスト増加の原因となっていた。

そこで本発明者は、回折格子をＧａＡｓ基板と活性層との間に形成することを検討した。具体的には、ＧａＡｓ基板の表面に凹凸を形成して回折格子を形成した後、凹凸表面上に活性層を形成した。本構造では、ＧａＡｓ基板が下部クラッド層としての機能も果たすので、厚い下部クラッド層を別途設ける必要がない。したがって、半導体光素子の構造を単純化できると共に、プロセスが簡略化されるため、半導体光素子の製造コストを削減できる。また、活性層等の発光素子を構成するのに必要な半導体層を形成する前に回折格子を形成するので、回折格子の品質を早期に判定することができる。従って良品の生産性を向上させることが出来る。

さらに、ＧａＡｓ基板表面上に回折格子を形成すると、回折格子の表面に存在する結晶欠陥が活性層に悪影響を及ぼし、発光素子の信頼性や内部量子効率が低下してしまう場合があることを本発明者は見出した。回折格子表面に存在する結晶欠陥密度は、ＧａＡｓ基板の表面をエッチングして回折格子を形成する際に形成され易い。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、発光効率の高い半導体光素子を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の半導体光素子は、回折格子のための周期的な凹凸が形成された表面を有するＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板の前記表面上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層と、前記III−Ｖ族化合物半導体層上に設けられており、構成元素として窒素及び砒素を含みIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層とを備える。

本発明の半導体光素子では、ＧａＡｓ基板と活性層との間にIII−Ｖ族化合物半導体層を設けることにより、回折格子表面に存在する結晶欠陥が増殖して活性層に到達することを抑制できる。よって、活性層の結晶品質を向上させることができるので、半導体光素子の信頼性や発光効率を高めることができる。

また、前記III−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。この場合、活性層からＧａＡｓ基板へのキャリアの移動を抑制することができるので、回折格子表面の欠陥を介する非発光再結合が抑制され、半導体光素子の発光効率を更に高めることができる。

また、前記III−Ｖ族化合物半導体層は、交互に積層された第１の半導体層及び第２の半導体層を含み、前記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーとは異なっていることが好ましい。この場合、第１の半導体層と第２の半導体層との界面において結晶欠陥の進行が遮断され易くなる。よって、回折格子表面に存在する結晶欠陥が増殖して活性層に到達することを更に抑制できる。

また、前記活性層の端部には、光ファイバ等との光学的結合を改善するために、スポットサイズ変換領域が設けられていることが好ましい。この場合、活性層の端部が変形する。通常、回折格子は活性層上に形成されるので、活性層が変形すると回折格子を高精度に形成することができない。しかしながら、本発明では回折格子がＧａＡｓ基板と活性層との間に設けられているので、活性層が変形しても回折格子を高精度に形成することができる。

また、前記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは、０．２μｍ以下であることが好ましい。この場合、III−Ｖ族化合物半導体層の厚さが０．２μｍ以下と薄いので、活性層中を導波する光と回折格子との光結合効率が向上する。また、III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは０．２μｍ以下と薄いので、導波光はこのIII−Ｖ族化合物半導体層では閉じ込められず、ＧａＡｓ基板側に大きく染み出している。従って、III−Ｖ族化合物半導体層はクラッド層としての機能は有していない。

本発明によれば、高信頼性且つ発光効率の高い半導体光素子が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図１中には３次元空間を表すＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。また、図１中には、第１実施形態に係る半導体光素子のエネルギーバンド図についても併せて示されている。軸Ｅｇは、バンドギャップエネルギーの大きさを示す。

図１に示される半導体光素子１０は、第１導電型（ここではｎ型とする）のＧａＡｓ基板１２と、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層１４と、III−Ｖ族化合物半導体層１４上に設けられた活性層１６と、活性層１６上に設けられた第２導電型（ここではｐ型とする）の上部クラッド層１８とを備える。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａには、回折格子のための周期的な凹凸が形成されている。凹凸は、凹部及び凸部から構成される。回折格子は、表面１２ａに、例えばＹ軸方向に延びる溝をＸ軸方向に所定のピッチで周期的に形成することによって得られる。溝のピッチは例えば数百ｎｍ、深さは例えば数十ｎｍである。ＧａＡｓ基板１２の厚み方向はＺ軸方向である。

上部クラッド層１８上には、コンタクト層２０及び電極２２がこの順に設けられている。コンタクト層２０によって、電極２２のオーミック接触が実現される。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａとは反対側の面（裏面）１２ｂ上には、電極２４が設けられている。半導体光素子１０は、例えば、光通信に用いられる発振波長１μｍ以上の分布帰還型の半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）である。

回折格子は、例えばドライエッチングによりＧａＡｓ基板の表面に溝を形成することによって得られる。ドライエッチングする前のＧａＡｓ基板は、例えばＧａＡｓインゴットをスライスすることによって得られるバルク基板と、バルク基板上に成長されたＧａＡｓバッファ層とを備えることが好ましい。ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａには、通常、例えばＧａＡｓ基板製造時に形成されるクラックやスクラッチによるダメージ等に起因する結晶欠陥が存在し、結晶欠陥密度は、通常、１００〜２０００（ｃｍ^−２）である。さらに表面１２ａに回折格子を形成する場合には、その加工ダメージにより、新たな欠陥が付加されやすい。ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）は、約１．４２ｅＶ（１ｅＶ＝１．６×１０^−１９Ｊ）である。

図１中のエネルギーバンド図に示されるように、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きいことが好ましい。活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）は、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも小さい。上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）は、活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）よりも大きい。コンタクト層２０のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ５）は、上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）よりも小さい。

III−Ｖ族化合物半導体層１４は、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数を有する半導体材料から成ることが好ましい。この場合、格子不整に起因する欠陥を生じないため、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上に結晶性の良好なIII−Ｖ族化合物半導体層１４をエピタキシャル成長させることができる。

III−Ｖ族化合物半導体層１４は、例えばＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、或いは後述する活性層１６の材料と同様の、Ｎ、Ｇａ及びＡｓを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料等のＡｌフリーの材料からなることが好ましい。この場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４と活性層１６との界面において、経時変化に伴うＡｌの酸化が起こらない。よって、上記界面におけるＡｌの酸化に起因する非発光センターの数の増加を抑制することができる。また、活性層１６をエピタキシャル成長させる際に、III−Ｖ族化合物半導体層１４の表面においてＡｌの酸化が起こらないので、良好な結晶品質を有する活性層１６が得られる。これにより、特性や信頼性の良好な半導体光素子１０が得られる。

なお、III−Ｖ族化合物半導体層１４は、例えばＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓといったＡｌを含むIII−Ｖ族化合物半導体からなってもよい。

ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰは組成比を調整することで、約２．３ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを実現できる。ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓは組成比を調整することで、約２．１６ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを実現できる。ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＡｓＰは組成比を調整することで、約１．９ｅＶまでのバンドギャップエネルギーを実現できる。ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰは、約１．９ｅＶのバンドギャップエネルギーを実現できる。

III−Ｖ族化合物半導体層１４は、自由キャリアによる導波光の吸収損の発生を防ぐため、アンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましいが、III−Ｖ族化合物半導体層１４には不純物がドープされてもよい。III−Ｖ族化合物半導体層１４に不純物をドープする場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４は第１導電型であることが好ましい。

III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さは０．２μｍ（２００ｎｍ）以下であることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さとしては、回折格子の凹凸の段差以上の厚さがあり、回折格子を平坦に埋め込める程度の厚さがあることが好ましい。この場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４上に成長する各半導体層も平坦に成長することが可能となり、下地層の凹凸に起因する異常成長の発生が抑制され、良好なエピタキシャル成長が得られる。III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが０．２μｍ以下と薄い場合、活性層１６中を導波する光と回折格子との距離が十分近いため、回折格子に対する導波光の光結合効率が向上し、良好な発光特性を実現するのが容易となる。一方、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが０．２μｍを超えると、III−Ｖ族化合物半導体層１４が障壁となることにより、キャリアがＧａＡｓ基板１２から活性層１６に注入され難くなるとともに、活性層１６と回折格子の距離が大となるため、回折格子に対する導波光の光結合効率が減少するので、発光効率が低下する。またIII−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが５ｎｍ未満であると、回折格子の表面１２ａに存在する結晶欠陥が活性層１６に向けて増殖するのを抑制する効果が不十分となるので、活性層１６の結晶品質が低下する傾向にある。

活性層１６は、バルク構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれを有してもよい。例えば活性層１６が多重量子井戸構造を有する場合、活性層１６は、交互に積層されたバリア層と井戸層とからなる。

活性層１６は、構成元素として窒素及び砒素、更に必要に応じてガリウムを含んでおり、III−Ｖ族化合物半導体からなる。具体的には、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等が挙げられる。一実施例において、活性層１６は、厚さ８ｎｍのＧａＡｓバリア層と、厚さ７ｎｍのＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_{０．００６}Ａｓ_{０．９９４}井戸層とが交互に積層されてなる。

なお、組成比を調整することによって、Ｇａ、Ａｓを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料の格子定数を、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数に設定することができる。これにより、格子不整に起因する欠陥を生ずる事無く、ＧａＡｓ基板１２上に良好な結晶性の活性層１６を成長させることができる。Ｇａ、Ａｓを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料のバンドギャップエネルギーは、通常１μｍ以上のフォトルミネッセンス波長に相当する。このようなＧａ、Ａｓを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料を活性層１６の材料に用いる場合、１μｍ以上の長波長域の発振波長を容易に実現することができる。よって、例えば１〜１．６μｍ帯の光通信用光源を作製することができる。なお、１〜１．６μｍ帯の発振光に対してＧａＡｓは透明であるので、ＧａＡｓ基板１２によって光は吸収されない。またＧａＡｓは上記III−Ｖ族の窒化物半導体材料に比べて低屈折率である。従ってＧａＡｓ基板１２は上記発振光を吸収せずに、活性層１６に上記発振光を閉じ込めるように作用するため、下部クラッド層として兼用することが出来る。

また、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓに、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方を添加してもよい。Ｓｂはいわゆるサーファクタントとして機能し、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの３次元成長を抑制する。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの結晶品質が改善される。ＰはＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの局所的な結晶歪を低減させる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＮＡｓの結晶品質が改善される。また、Ｐは、結晶成長を行う際に結晶中に取り込まれるＮの量を増大する。

ＮとＧａとＡｓとを含み、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方が添加されたIII−Ｖ族の窒化物半導体材料としては、例えば、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等が挙げられる。これらのIII−Ｖ族の窒化物半導体材料の格子定数は、組成比を調整することによって、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数に設定することができる。従って、格子不整に起因する欠陥が生じないため、ＧａＡｓ基板１２上にこれらの材料を結晶性良く成長させることができる。

上部クラッド層１８は、第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。上部クラッド層１８は、ＧａＡｓに格子整合する半導体材料からなることが更に好ましい。上部クラッド層１８の材料としては、例えばＧａＡｓがあるが、この他にもＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等も挙げられる。

上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）は、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。この場合、上部クラッド層１８にＧａＡｓを用いた場合に比べて、活性層１６と上部クラッド層１８との間のバンドギャップエネルギーの差を大きくすることができる。よって、活性層１６により強くキャリアを閉じ込めることができる。

また、上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）は、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きいので、上部クラッド層１８の屈折率は、ＧａＡｓの屈折率よりも有意に低くなる。したがって、上部クラッド層１８にＧａＡｓを用いた場合に比べて、活性層１６と上部クラッド層１８との屈折率差が大きくなるので、活性層１６により強く光を閉じ込めることができる。以上の理由により、上部クラッド層１８にＧａＡｓを用いた場合に比べて、半導体光素子１０の発光効率が更に高くなる。

コンタクト層２０は、電極２２とのオーミック接触形成を容易にするため、バンドギャップエネルギーが小さい第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。コンタクト層２０は、例えばｐ^＋−ＧａＡｓからなる。

III−Ｖ族化合物半導体層１４、活性層１６、上部クラッド層１８及びコンタクト層２０を形成する際には、例えばＯＭＶＰＥ法やＭＢＥ法等の成長法を用いることができる。

上述の半導体光素子１０では、ＧａＡｓ基板１２と活性層１６との間にIII−Ｖ族化合物半導体層１４を設けることにより、ＧａＡｓ基板１２の回折格子表面１２ａに存在する結晶欠陥が増殖して活性層１６に到達することを抑制できる。よって、活性層１６の結晶品質の低下を抑制できるので、半導体光素子１０の信頼性や発光効率の低下を防止できる。

また、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）がＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きいと、活性層１６からＧａＡｓ基板１２へのキャリアの移動を抑制することができる。よって、回折格子表面１２ａの欠陥を介するキャリアの非発光再結合を効果的に抑制できるので、半導体光素子１０の発光効率低下を更に防止することができる。

さらに、半導体光素子１０では、活性層１６を形成する前に回折格子を形成するので、回折格子の品質を早期に判定することができる。よって、不良品の製造を早期に停止することができるので、良品の生産性が格段に向上すると共に半導体光素子の製造コストを削減できる。

さらに、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが０．２μｍ以下であることが好ましい。この場合、電極２２と電極２４との間に電極２２側を高電位側として電圧を印加すると、一方のキャリア（ここでは正孔）が上部クラッド層１８から活性層１６に注入される。一方、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが０．２μｍ以下と薄いので、他方のキャリア（ここでは電子）はＧａＡｓ基板１２からIII−Ｖ族化合物半導体層１４を通り抜けて活性層１６に注入される。活性層１６において電子と正孔とが再結合することにより、活性層１６から光が出射される。

ここで、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）は活性層１６のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）よりも大きく、且つＧａＡｓ基板１２の屈折率は活性層１６の屈折率よりも小さいので、ＧａＡｓ基板１２は下部クラッド（活性層１６中にキャリア及び導波光を閉じ込める部材）として機能する。よって、ＧａＡｓ基板１２と活性層１６との間に厚い下部クラッド層(導波光を良好に閉じ込めるため、通常２μｍ以上の厚さが必要)を設ける必要がない。したがって、半導体光素子１０の構造を単純化できると共に、プロセスが簡略化されるため、半導体光素子の製造コストを削減できる。また同じく下部クラッド層の成長が不要となるため、成膜装置の負荷を軽減することができ、成膜装置の劣化を抑制することができる。

また、III−Ｖ族化合物半導体層１４の厚さが０．２μｍ以下と薄い場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４を短時間で成長させることができる。従って、III−Ｖ族化合物半導体層１４を導入しても生産性は損なわれない。

図２は、図１に示す半導体光素子の一部を模式的に示す図である。図２に示されるように、ＧａＡｓ基板１２の回折格子表面１２ａに存在する結晶欠陥ｄ１が増殖すると、III−Ｖ族化合物半導体層１４内に結晶欠陥ｄ２が形成される。しかしながら、III−Ｖ族化合物半導体層１４を設けることにより、結晶欠陥ｄ２はIII−Ｖ族化合物半導体層１４内で終端される。III−Ｖ族化合物半導体層１４が高品質の結晶膜であると、結晶欠陥ｄ２はIII−Ｖ族化合物半導体層１４内で終端され易くなる。したがって、結晶欠陥ｄ２が活性層１６に到達し難くなるので、活性層１６の結晶劣化を抑制できる。従って高い信頼性を有する半導体発光素子１０が得られる。

さらに、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）が、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きいと、III−Ｖ族化合物半導体層１４と活性層１６とのバンドギャップエネルギー差は非常に大きくなる。したがって、キャリアＣ２が活性層１６からIII−Ｖ族化合物半導体層１４を通過してＧａＡｓ基板１２に漏洩することを抑制できる。その結果、活性層１６により多くのキャリアを閉じ込めることができる。したがって、発光効率が高い半導体光素子１０が得られる。

また、キャリア（ここでは電子）Ｃ１はＧａＡｓ基板１２の回折格子表面１２ａに向けて進行する。しかしながら、活性層１６からIII−Ｖ族化合物半導体層１４に向けて進行するキャリア（ここでは正孔）Ｃ２は、活性層１６とIII−Ｖ族化合物半導体層１４との界面におけるヘテロ障壁によってブロックされる。よって、キャリアＣ２はＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに到達し難いので、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａに存在する結晶欠陥ｄ１における正孔と電子との非発光再結合が大幅に低減される。このため、内部量子効率の低下を軽減することができるので、発光効率が顕著に改善される。

また、III−Ｖ族化合物半導体層１４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）が、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）よりも大きいと、III−Ｖ族化合物半導体層１４の屈折率はＧａＡｓ基板１２の屈折率よりも有意に低くなる。したがって、III−Ｖ族化合物半導体層１４が無い場合に比べて、活性層１６とその外部領域との屈折率差が大きくなるので、活性層１６により多くの光を閉じ込めることができる。したがって、半導体光素子１０の発光効率が高くなる。

上述のように、半導体光素子１０ではキャリア及び光の閉じ込め性を向上させることができるので、半導体光素子１０の発光特性及び温度特性等を改善させることができる。

また、III−Ｖ族化合物半導体層１４がアンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなる場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４における自由キャリアによる導波光の吸収が抑制されるので、導波光の吸収損失が少なくなる。よって、半導体光素子１０の発光効率を更に向上させることができる。

活性層１６と上部クラッド層１８との間には、別のIII−Ｖ族化合物半導体層が設けられていてもよい。この別のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III−Ｖ族化合物半導体層１４と同様の構造及び材料からなることが好ましい。この別のIII−Ｖ族化合物半導体層は、アンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなってもよいし、第２導電型であってもよい。上部クラッド層１８がＧａＡｓから成る場合、この別のIII−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーはＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。この場合、この半導体層が無い場合に比べて、より多くのキャリアを活性層１６に閉じ込めることができる。またこの場合、この別のIII−Ｖ族化合物半導体層はＧａＡｓより低屈折率となるので、この半導体層が無い場合に比べて、活性層とその外部領域との屈折率差を大きく出来、その結果、より多くの光を活性層１６に閉じ込めることができる。以上の理由により、半導体発光素子１０の発光特性が改善される。

なお、ＧａＡｓ基板に代えてＩｎＰ基板を用いた半導体光素子では、ＩｎＰ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII−Ｖ族化合物半導体層をＩｎＰ基板上に形成することは困難である。何故なら、ＩｎＰ基板に格子整合し、且つＩｎＰより高バンドギャップの材料は存在しないからである。

図３は、III−Ｖ族化合物半導体層１４の構造の一例を示す断面図である。図３に示されるように、III−Ｖ族化合物半導体層１４は、交互に積層された第１の半導体層２６及び第２の半導体層２８を含んでもよい。III−Ｖ族化合物半導体層１４は、多層膜構造を有している。特にIII−Ｖ族化合物半導体層１４は、半導体層２６及び半導体層２８が、いずれも厚さ数ｎｍの薄膜で形成された、超格子構造であることが好ましい。この場合、III−Ｖ族化合物半導体層１４の等価的バンドギャップエネルギー（Ｅｇ２）は、半導体層２６の材料の組成と、半導体層２８の材料の組成を、超格子層全体における、各々の半導体層毎の合計の厚さで、重み付けして平均した組成の材料に対応するバンドギャップエネルギーとほぼ同等になる。例えば、半導体層２６がAl_x1Ga_1-x1Asから成り、その厚さがd1、層数がN1であり、また半導体層２８がAl_x2Ga_1-x2Asから成り、その厚さがd2、層数がN2である場合、
Al平均組成=(x1*d1*N1+x2*d2*N2)/(d1*N1+d2*N2)
Ga平均組成={(1-x1)*d1*N1+(1-x2)*d2*N2}/(d1*N1+d2*N2)
As平均組成=(1*d1*N1+1*d2*N2)/(d1*N1+d2*N2)=1
と計算され、本超格子層の等価的バンドギャップエネルギーは、上記平均組成で与えられるＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同等になる。

半導体層２６のバンドギャップエネルギー（Ｅ_α）は、半導体層２８のバンドギャップエネルギー（Ｅ_β）とは異なっている。この場合、半導体層２６と半導体層２８との界面において結晶欠陥の進行が遮断され易くなる。よって、ＧａＡｓ基板１２の回折格子表面１２ａに存在する結晶欠陥ｄ１が活性層１６に到達することを更に抑制できる。

超格子を構成する半導体層２６及び半導体層２８は、互いに同じ材料からなってもよい。この場合、半導体層２６の材料の組成比は、半導体層２８の材料の組成比とは異なっている。かかる材料としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。また、半導体層２６及び半導体層２８は、互いに異なる材料からなってもよい。かかる材料の組み合わせとしては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓ等が挙げられる。上記超格子の組み合わせにおいては、半導体層２６，２８の材料組成を適宜選択することにより、その等価的なバンドギャップエネルギーをＧａＡｓ基板より大と出来る。従って、これらの超格子をIII−Ｖ族化合物半導体層１４に用いた場合にも、上記と同様に発光効率、及び信頼性が改善された半導体光素子１０を得ることが出来る。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図４に示される半導体光素子１０ａは、第１実施形態に係る半導体光素子１０における活性層１６を活性層１７ｃに置き換えた構成を有する。

活性層１７ｃは、活性層１６と同様の材料から構成される。活性層１７ｃの端部１９ｃには、光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換領域が設けられている。端部１９ｃに形成されたスポットサイズ変換領域は、先に向かうに従って活性層１７ｃの厚さが薄くなる形状を有し、その結果、スポットサイズ変換領域におけるスポットサイズＳＰ１は、活性層１７ｃのスポットサイズ変換領域以外の部分におけるスポットサイズＳＰ２よりも拡大できる。

上述の場合、活性層１７ｃの端部１９ｃの厚さは長手方向(Ｘ方向)で変動するため、端部１９ｃは平坦でなくなる。通常、回折格子は活性層上に形成されるが、活性層が平坦で無い場合は、その上に形成される回折格子のパターンニングやエッチングを精度良く、且つ再現性良く行うことが困難となる。従って回折格子作製における歩留まりや再現性の確保が困難となる。しかしながら、半導体光素子１０ａでは回折格子がＧａＡｓ基板１２と活性層１７ｃとの間に設けられているので、活性層１７ｃが変形しても回折格子を高精度に且つ、再現性良く形成することができる。

スポットサイズ変換領域が付加された活性層形状は他にもあり、図５は、それらの具体例を模式的に示す斜視図である。図５(Ａ)に示される活性層１７ａの端部１９ａは、先に向かうに従って活性層１７ａの幅が狭くなる形状を有する。図５(Ｂ)に示される活性層１７ｂの端部１９ｂは、先に向かうに従って活性層１７ｂの幅が広くなる形状を有する。図５(Ｃ)に示される活性層１７ｃは、図４に示されるものと同一である。図５(Ｄ)に示される活性層１７ｄの端部１９ｄは、先に向かうに従って活性層１７ｄの厚さが厚くなる形状を有する。いずれの場合であっても、端部１９ａ〜１９ｄにおいて、スポットサイズを拡大することができる。

通常のスポットサイズ変換領域が設けられていない半導体発光素子では、光のスポットサイズＳＰ１は直径１〜２μｍ程度である。これは、例えば光ファイバ等のガラス系光部品のスポットサイズ（直径８〜１０μｍ）に比べて非常に小さい。一方、活性層１７ｃの端部１９ｃでは、光のスポットサイズＳＰ２を直径８〜１０μｍ程度に拡大することができる。よって、スポットサイズ変換領域が設けられた半導体光素子１０ａでは、活性層１７ｃの端部１９ｃを光ファイバに光学的に結合した場合に、結合効率を向上させることができる。

スポットサイズ変換領域では、スポットサイズＳＰ２の直径が例えば８〜１０μｍと拡大するので、光が活性層１６からクラッド層側に大きく染み出す。この場合、拡大した光がクラッド層外にまで染み出すことによる導波損の増加を防止するには、これを充分含む程度まで、上下のクラッド層を厚くする必要があり、例えばスポットサイズが８〜１０μｍの場合は、従来構造では、上下のクラッド層はその半分の４〜５μｍ程度まで厚くしなければならない。しかしながら、実際の成長装置を用いて、このような厚いクラッド層を成長するには膨大な時間がかかり、生産性の悪化や、装置酷使による成長装置の早期劣化を引き起こす。一方、半導体光素子１０aでは、ＧａＡｓ基板１２が厚い下部クラッド層の役割を兼ねることができるので、下部クラッド層が不要になる。従って従来構造に比べて、生産性の悪化や成長装置劣化が半減される。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す斜視図である。図７は、図６に示されるＶII-ＶII線に沿った断面図である。図６及び図７に示される半導体光素子１０ｂは、第１実施形態に係る半導体光素子１０の構成において、上部クラッド層１８がリッジ部１９を有し、リッジ部１９を埋め込むように上部クラッド層１８とコンタクト層２０との間に設けられた第１導電型（ここではｎ型）の電流ブロック領域３８を更に備える。リッジ部１９及び電流ブロック領域３８によって、電流狭窄構造が形成される。また、活性層１６は、量子井戸構造を有しており、交互に積層された井戸層３４とバリア層３６とを有する。

さらに、半導体光素子１０ｂでは、第１実施形態に係る半導体光素子１０の構成に加えて、活性層１６とIII−Ｖ族化合物半導体層１４との間に光閉じ込め層３０が設けられており、活性層１６と上部クラッド層１８との間に光閉じ込め層３２が設けられている。光閉じ込め層３０，３２はアンドープのIII−Ｖ族化合物半導体からなることが好ましい。光閉じ込め層３０は、第１導電型（ここではｎ型）であってもよい。光閉じ込め層３２は、第２導電型（ここではｐ型）であってもよい。

電流ブロック領域３８は、ＧａＡｓに格子整合する半導体材料からなることが好ましい。また、光をリッジ部１９に閉じ込めるために、電流ブロック領域３８の屈折率は、上部クラッド層１８の屈折率よりも小さいことが好ましい。例えば上部クラッド層１８がＧａＡｓで構成される場合は、電流ブロック領域３８を構成する半導体材料としては、例えば、ＧａＡｓより低屈折率のＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等が挙げられる。電流ブロック領域３８のｎ型ドーパントとしては、例えばＳｅ、Ｓｉ等を用いることが好ましい。

半導体光素子１０ｂでは、第１実施形態に係る半導体光素子１０と同様の作用効果が得られる。さらに、光閉じ込め層３０，３２によってより多くの光を活性層１６に閉じ込めることができる。したがって、第１実施形態に係る半導体光素子１０よりも発光効率を更に向上させることができる。

光閉じ込め層３０のバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１）と井戸層３４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）との間であることが好ましい。この場合、ＧａＡｓ基板１２から井戸層３４にキャリアを注入する時に、光閉じ込め層３０が障壁にならない。同様に、光閉じ込め層３２のバンドギャップエネルギーは、上部クラッド層１８のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ４）と井戸層３４のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ３）との間であることが好ましい。この場合、上部クラッド層１８から井戸層３４にキャリアを注入する時に、光閉じ込め層３２が障壁にならない。

また、光閉じ込め層３０の屈折率は、ＧａＡｓ基板１２の屈折率と井戸層３４の屈折率との間であることが好ましい。また、光閉じ込め層３２の屈折率は、上部クラッド層１８の屈折率と井戸層３４の屈折率との間であることが好ましい。この場合、ＧａＡｓ基板１２と上部クラッド層１８は、井戸層３４において発生した光を活性層１６及び光閉じ込め層３０，３２内に閉じ込めるように作用し、その結果、活性層１６への光閉じ込めが強化される。特に、活性層１６が量子井戸構造を有する場合、それ単独では小さい光閉じ込め係数しか得られないが、光閉じ込め層３０，３２によって光閉じ込め係数を増大させることができる。

光閉じ込め層３０，３２に用いられる材料としては、第１実施形態のところで列挙したＮとＧａとＡｓとを含むIII−Ｖ族の窒化物半導体材料が挙げられる。この他に光閉じ込め層３０，３２は、例えばＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等からなってもよい。これらは、ＧａＡｓの格子定数と同じか又はこれに近い格子定数を有する。従って、格子不整に起因する欠陥を生じないため、ＧａＡｓ基板１２上に結晶性の良好な光閉じ込め層３０，３２をエピタキシャル成長させることができる。材料の組成比を調整することによって、光閉じ込め層３０，３２のバンドギャップエネルギー及び屈折率を所望の値に調整することができる。またバリア層３６の材料としては、光閉じ込め層３０，３２の材料と同じ材料を使用できる。

図８は、第３実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。図９は、第３実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す図である。以下、半導体光素子１０ｂの製造方法について説明する。

まず、図８(Ａ)に示されるように、ＧａＡｓ基板１３上に、所定のピッチΛで周期的に配列されたレジストマスク４２を形成する。レジストマスク４２は、ストライプ状に配置されることが好ましい。レジストマスク４２の幅Ｌは、回折格子の結合係数が半導体発光素子１０ｂの動作に最適な値となるように適宜調整されることが好ましい。レジストマスク４２の形成に際しては、例えば干渉露光法やＥＢ露光法が用いられる。

次に、図８(Ｂ)に示されるように、レジストマスク４２を用いてＧａＡｓ基板１３をウェットエッチング又はドライエッチングする。これにより、回折格子のための凹凸が形成された表面１２ａを有するＧａＡｓ基板１２が得られる。

次に、図８(Ｃ)に示されるように、ＧａＡｓ基板１２の表面１２ａ上に、III−Ｖ族化合物半導体層１４、光閉じ込め層３０、井戸層３４、バリア層３６、井戸層３４、光閉じ込め層３２、上部クラッド層１８ａをこの順に形成する。これらの層は、例えば、ＭＢＥ法、ＯＭＶＰＥ法、ＬＰＥ法等の結晶成長法を用いて形成される。例えばＯＭＶＰＥ法を用いる場合、III族の原料としては、例えば、ＴＥＧ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ等の有機金属を好適に用いることができる。Ｖ族の原料としては、例えば、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３等の水素化ガスを好適に用いることができる。Ｎの原料としては、例えば、ＤＭＨｙを好適に用いることができる。ｐ型のドーパントとしては、例えばＺｎ等を使用することができる。

次に、図９(Ａ)に示されるように、上部クラッド層１８ａ上にリッジ部１９の頂面の形状に対応するようにパターニングされた誘電体マスク４０を形成する。誘電体マスク４０は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ_２等からなる。

次に、図９(Ｂ)に示されるように、誘電体マスク４０を用いて上部クラッド層１８ａをドライエッチング又はウェットエッチングすることによって、リッジ部１９を有する上部クラッド層１８を形成する。

次に、図９(Ｃ)に示されるように、リッジ部１９を埋め込むように、上部クラッド層１８上に電流ブロック領域３８を結晶成長させる。

次に、誘電体マスク４０を除去した後、図６及び図７に示されるように、リッジ部１９及び電流ブロック領域３８上に、コンタクト層２０を結晶成長させる。その後、例えば蒸着法やスパッタ法を用いて、コンタクト層２０上に電極２２を形成し、ＧａＡｓ基板１２の裏面上に電極２４を形成する。これにより、半導体光素子１０ｂが製造される。

なお、電流ブロック領域３８の材料として、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド、半絶縁性の半導体等を用いてもよい。また、電流ブロック領域３８に代えて、リッジ部１９の側面を例えばＳｉＮ、ＳｉＯ_２等の絶縁膜で覆ってもよい。さらに、上部クラッド層１８ａをエッチングする際に、活性層１６までエッチングすることによってメサ部を形成し、そのメサ部を、ヘテロ接合を有する半導体領域により埋め込んだ、埋め込みヘテロストラクチャー構造であってもよい

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。

例えば、半導体光素子１０，１０ａ，１０ｂは半導体レーザに限定されず、ＬＥＤ、半導体光増幅素子、電界吸収型の光変調素子及びこれらを集積した半導体光集積素子等でもよい。いずれの場合であっても、回折格子表面に存在する結晶欠陥が活性層に与える影響を低減することができる。

第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。 図１に示す半導体光素子の一部を模式的に示す図である。 III−Ｖ族化合物半導体層の構造の一例を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。 活性層の形状の具体例を模式的に示す斜視図である。 第３実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す斜視図である。 図６に示されるＶII-ＶII線に沿った断面図である。 第３実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 第３実施形態に係る半導体光素子の製造方法の各工程を模式的に示す図である。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ…半導体光素子、１２…ＧａＡｓ基板、１２ａ…ＧａＡｓ基板の表面、１４…III−Ｖ族化合物半導体層、１６，１７ａ〜１７ｄ…活性層、１８…上部クラッド層、１９ａ〜１９ｄ…活性層の端部、２６…第１の半導体層、２８…第２の半導体層。

Claims (5)

1. 回折格子のための周期的な凹凸が形成された表面を有するＧａＡｓ基板と、
   前記ＧａＡｓ基板の前記表面上に設けられたIII−Ｖ族化合物半導体層と、
   前記III−Ｖ族化合物半導体層上に設けられており、構成元素として窒素及び砒素を含みIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
   を備える、半導体光素子。
2. 前記III−Ｖ族化合物半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記ＧａＡｓ基板のバンドギャップエネルギーよりも大きい、請求項１に記載の半導体光素子。
3. 前記III−Ｖ族化合物半導体層は、交互に積層された第１の半導体層及び第２の半導体層を含み、
   前記第１の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーとは異なっている、請求項１又は２に記載の半導体光素子。
4. 前記活性層の端部には、スポットサイズ変換領域が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
5. 前記III−Ｖ族化合物半導体層の厚さは、０．２μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
   

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