(57)【要約】【課題】電流閉じ込めのための構造の形成を簡略化できる半導体レーザを作製する方法、及び半導体レーザを提供する。【解決手段】本発明の方法は、基板１１上にｎ型クラッド層１３及び第１光閉じ込め層１５を成長し、多重量子井戸構造１７、第２光閉じ込め層１９及びＡｌＩｎＡｓ半導体からなるキャリアストップ層２１からなる複数の半導体細線１６をマスク及び成長炉を用いて成長し、基板を成長炉から取り出してマスクを除去し、キャリアストップ層２１の少なくとも側面を覆うように第１光閉じ込め層１５上にＩｎＰ半導体からなる半絶縁半導体層２３を成長し、半絶縁半導体層２３をエッチングしキャリアストップ層２１の上面を露出させ、ｐ型クラッド層２５を成長する。この方法では、半導体細線１６間の半絶縁半導体層２３が、電流狭窄のための半絶縁半導体層２３と一括して成長される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザを作製する方法であって、
ｎ型クラッド層上に第１光閉じ込め層を成長する工程と、
多重量子井戸構造と、該多重量子井戸構造上に設けられた第２光閉じ込め層と、該第２光閉じ込め層上に設けられたキャリアストップ層とからなり所定の軸の方向に周期的に配列された複数の半導体細線を前記第１光閉じ込め層上に、マスクを用いて形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記マスクを除去した後に、前記キャリアストップ層の少なくとも側面を覆うように前記第１光閉じ込め層上に半絶縁半導体層を成長する工程と、
前記半絶縁半導体層をエッチングし、前記キャリアストップ層の上面を露出させる工程と、
前記キャリアストップ層の前記上面を露出した後に、前記キャリアストップ層上及び前記半絶縁半導体層上にｐ型クラッド層を成長する工程とを備え、
前記キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、
前記半絶縁半導体層は、半絶縁性のＩｎＰ半導体からなり、
前記キャリアストップ層の前記側面は、前記所定の軸の方向に沿って設けられている
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記キャリアストップ層のバンドギャップは、前記第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半絶縁半導体層は、Ｒｕ元素またはＦｅ元素がドープされたＩｎＰ半導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記キャリアストップ層は、ＡｌＩｎＡｓ半導体からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記半絶縁半導体層は、前記キャリアストップ層の上面を覆うように前記第１光閉じ込め層上に成長することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記マスクは、絶縁体からなると共に前記複数の半導体細線のための周期的なパターンを有し、
前記半導体細線は、前記マスクを用いて、前記多重量子井戸構造のための半導体層、前記第２光閉じ込め層及び前記キャリアストップ層を順に選択成長して形成される
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記多重量子井戸構造は、交互に配置された井戸層とバリア層とを有し、
前記井戸層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなり、
前記バリア層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなる
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ｎ型クラッド領域上に設けられた第１光閉じ込め層と、
前記第１光閉じ込め層の主面上に順に配置された多重量子井戸構造、第２光閉じ込め層及びキャリアストップ層を含み、所定の軸の方向に配列された複数の半導体細線と、
前記第１光閉じ込め層上に、前記キャリアストップ層の側面の少なくとも一部を覆う厚さで設けられた半絶縁半導体層と、
前記半導体細線の前記キャリアストップ層の上面及び前記半絶縁半導体層上に設けられたｐ型クラッド層とを備え、
前記半絶縁半導体層は、半絶縁性のＩｎＰ半導体からなり、
前記キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、
前記キャリアストップ層のバンドギャップは、前記第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きく、
前記半導体細線の配列は、前記第１光閉じ込め層の前記主面のストライプ状のエリア内にあり、該エリアは、前記所定の軸の方向に延在する
ことを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの作製方法及び半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＤＦＢレーザ、及びＤＦＢレーザの製造方法が記載されている。このＤＦＢレーザは、以下のように作製される。ｎ型クラッド層上に活性層を成長し、ＳｉＯ２マスクを用いたドライエッチングを施すことにより、この活性層に周期構造を形成する。次に、有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）法で活性層の凹部にＩｎＧａＡｓＰ半導体を選択成長する。続いて、ｐ型クラッド層を成長した後に、ストライプ構造を形成するためのＳｉＯ２マスクを形成し、このマスクを用いたドライエッチングを施すことによりストライプ状のメサを形成する。さらに、メサの側面をｎ型またはｐ型のＩｎＰ半導体で埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を形成する。
【０００３】
非特許文献２には、ＤＦＢレーザが記載されている。このＤＦＢレーザでは、細線状活性層の側面の間をＩｎＰ半導体で埋め込んで回折格子を形成する。また、ｎ型クラッド層を成長した後に、ＳｉＯ２マスクを用いたエッチングを施して、細線状活性層を含む半導体メサを形成する。さらに、この半導体メサの側面をｎ型またはｐ型のＩｎＰ半導体で埋め込んで、埋め込みヘテロ構造を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５５７９７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】N.  Nunoya  et  al.:  JSTQE,Vol.7  (2001)  pp249
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び非特許文献１に記載されるＤＦＢレーザでは、半導体メサの側面は電流狭窄のための半導体層で覆われており、この半導体層で半導体メサが埋め込まれている。この半導体層は、ｎ型またはｐ型のＩｎＰ半導体からなる。これらの複素結合型ＤＦＢレーザの作製では、周期的に配列された細線状活性層の間に半導体層を成長し、細線状活性層をこの半導体層で埋め込む。さらに、マスクを用いたエッチングによりメサストライプ構造を形成した後に、電流狭窄のための半導体層を成長する。このため、半導体層の成長の工程は、複雑である。
【０００７】
また、細線状活性層とは屈折率の異なる半導体層で細線状活性層の間を埋め込んで、回折格子を形成する。このとき、埋め込みに用いられる半導体材料が、細線状活性層上に薄く堆積されることがある。この半導体材料のバンドギャップが大きい場合には、細線状活性層上に堆積された半導体層がキャリアの移動に対する障壁となる可能性がある。特に、ｎ型半導体基板上にＧａＩｎＡｓＰ活性層を用いて、かつ、細線状活性層の間をＩｎＰで埋め込むことにより作製される複素結合型ＤＦＢレーザでは、細線状活性層上に堆積された半導体層の価電子帯側のバンドオフセットが大きい場合には、この半導体層は、活性層に対するホール注入の障壁になる。このような障壁が生じることを防止するためには、細線状活性層上に埋め込みのための半導体材料を堆積させないように、半導体層の成長工程を精密に制御しなければならない。しかしながら、この制御は容易ではない。
【０００８】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、電流閉じ込めのための構造の形成を簡略化できる半導体レーザを作製する方法及び半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体レーザを作製する方法は、ｎ型クラッド層上に第１光閉じ込め層を成長する工程と、多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に設けられた第２光閉じ込め層と、第２光閉じ込め層上に設けられたキャリアストップ層とからなり所定の軸の方向に周期的に配列された複数の半導体細線を第１光閉じ込め層上に、マスクを用いて形成する工程と、マスクを除去する工程と、マスクを除去した後に、キャリアストップ層の少なくとも側面を覆うように第１光閉じ込め層上に半絶縁半導体層を成長する工程と、半絶縁半導体層をエッチングし、キャリアストップ層の上面を露出させる工程と、キャリアストップ層の上面を露出した後に、キャリアストップ層上及び半絶縁半導体層上にｐ型クラッド層を成長する工程とを備え、キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、半絶縁半導体層は、半絶縁性のＩｎＰ半導体からなり、キャリアストップ層の側面は、所定の軸の方向に沿って設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この半導体レーザを作製する方法では、半導体細線のキャリアストップ層の少なくとも側面を被う厚さで第１光閉じ込め層上に半絶縁半導体層が成長されるので、半導体細線間の半絶縁半導体層が、電流狭窄のための半絶縁半導体層と一括して成長される。従って、工程は簡略化される。半導体細線間に半絶縁半導体層が成長されるので、半導体細線及び半絶縁半導体層は交互に配列される。この配列により、回折格子が形成される。
【００１１】
また、半導体細線のキャリアストップ層の側面を被うように半絶縁性のＩｎＰ半導体が成長されるので、効果的な電流狭窄が可能となる。一方、半導体細線間にも半絶縁性のＩｎＰ半導体が成長されるので、半導体細線内にキャリアを効果的に閉じ込めることが可能となる。
【００１２】
また、キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウムを含む半導体材料からなるので、基板を成長炉から取り出した際にキャリアストップ層の表面にＡｌ系の自然酸化膜が形成される。このＡｌ系酸化物上には結晶成長され難い。半絶縁半導体層を成長する工程の前にキャリアストップ層の表面にＡｌ系酸化物が形成されるので、キャリアストップ層上に半絶縁半導体層は成長し難い。また、キャリアストップ層の材料と半絶縁半導体層のＩｎＰ半導体との間にエッチング選択比がある。このエッチング選択比に起因して、半絶縁半導体層を成長した後のエッチングでは、キャリアストップ層はエッチングされ難く、エッチングストップ層としても機能する。このため、半絶縁半導体層が選択的にエッチングされる。故に、半導体細線上に半絶縁半導体層が成長された場合であっても、半導体細線上の半絶縁半導体層は、この選択的エッチングにより除去される。従って、エッチングによりキャリアストップ層の上面は露出される。一方、半絶縁性のＩｎＰ半導体は、高抵抗であるので、半導体細線の側面上の電流狭窄に好適であると共に、大きなバンドギャップを有する。上記のように、半絶縁半導体層は、半導体細線上に堆積されないか、または、堆積されても除去されるので、バンドギャップの大きいＩｎＰ半導体を半導体細線間の埋め込みに用いても、活性層へのホール注入に対する障壁は発生しない。故に、半導体細線の側面上の電流狭窄のための半導体層及び半導体細線間の埋め込みのための半導体層に、同一の半絶縁性のＩｎＰ半導体を用いることが可能となる。従って、両半導体層の成長を一括に行うことができる。
【００１３】
本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、キャリアストップ層のバンドギャップは、第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きいことを特徴とする。キャリアストップ層は、III族元素のアルミニウム及びインジウム並びにＶ族元素のヒ素を含む半導体材料からなると共に、第２光閉じ込め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ので、キャリアストップ層と第２光閉じ込め層との間の伝導帯側のバンドオフセットは大きい。このバンドオフセットは、多重量子井戸構造からの電子に対してポテンシャル障壁となる。故に、キャリアオーバフローを抑制できる。一方、第２光閉じ込め層及びｐ型クラッド層とキャリアストップ層との価電子帯側におけるバンドオフセットは小さいので、キャリアストップ層は、多重量子井戸構造に向かって進むホールの障壁とはならない。従って、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。
【００１４】
また、本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、半絶縁半導体層は、Ｒｕ元素またはＦｅ元素がドープされたＩｎＰ半導体からなることを特徴とする。この方法によれば、メサストライプ構造の側面上の電流狭窄のための半導体層及び半導体細線間の埋め込みのための半導体層が上記ＩｎＰ半導体により作製されるので、効果的な電流狭窄及び半導体細線へのキャリアの閉じ込めが可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、キャリアストップ層は、ＡｌＩｎＡｓ半導体からなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、半絶縁半導体層は、キャリアストップ層の上面を覆うように第１光閉じ込め層上に成長することを特徴とする。この方法によれば、一層効果的な電流狭窄が可能となる。キャリアストップ層の上面上に成長された半絶縁半導体層は、上記のとおりエッチングにより除去される。
【００１７】
また、本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、マスクは、絶縁体からなると共に複数の半導体細線のための周期的なパターンを有し、半導体細線は、マスクを用いて、多重量子井戸構造のための半導体層、第２光閉じ込め層及びキャリアストップ層を順に選択成長して形成されることを特徴とする。この方法によれば、半導体細線を選択成長により作製するので、例えばレジストマスクを用いてドライエッチングにより作製する場合と比較して、多重量子井戸構造の損傷を防止できる。従って、作製される半導体レーザ素子のレーザ特性及び信頼性の悪化を低減できる。
【００１８】
また、本発明に係る半導体レーザを作製する方法では、多重量子井戸構造は、交互に配置された井戸層とバリア層とを有し、井戸層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなり、バリア層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなることを特徴とする。ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体は酸化しやすいので、ドライエッチングによる加工は困難である。本発明の方法によれば、半導体細線を選択成長により作製するので、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなる多重量子井戸構造を作製できる。ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体により井戸層及びバリア層を構成する多重量子井戸構造は、例えばＧａＩｎＡｓＰ半導体といった材料からなる多重量子井戸構造と比較して伝導帯側のバンドオフセットが大きいので、優れた温度特性の半導体レーザを得ることができる。
【００１９】
本発明に係る半導体レーザは、ｎ型クラッド領域上に設けられた第１光閉じ込め層と、第１光閉じ込め層の主面上に順に配置された多重量子井戸構造、第２光閉じ込め層及びキャリアストップ層を含み、所定の軸の方向に配列された複数の半導体細線と、第１光閉じ込め層上に、キャリアストップ層の側面の少なくとも一部を覆う厚さで設けられた半絶縁半導体層と、半導体細線のキャリアストップ層の上面及び半絶縁半導体層上に設けられたｐ型クラッド層とを備え、半絶縁半導体層は、半絶縁性のＩｎＰ半導体からなり、キャリアストップ層は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなり、キャリアストップ層のバンドギャップは、第２光閉じ込め層のバンドギャップより大きく、半導体細線の配列は、第１光閉じ込め層の主面のストライプ状のエリア内にあり、エリアは、所定の軸の方向に延在することを特徴とする。
【００２０】
本発明の半導体レーザでは、半導体細線は、多重量子井戸構造、第２光閉じ込め層及びキャリアストップ層を順に配置して含んでおり、半絶縁半導体層はキャリアストップ層の少なくとも側面を被うように設けられており、ｐ型クラッド層はキャリアストップ層の上面上及び半絶縁半導体層上に設けられているので、ｐ型クラッド層は、多重量子井戸構造及び第２光閉じ込め層と接していない。故に、電流は、多重量子井戸構造及び第２光閉じ込め層へ閉じ込められる。従って、効果的な電流狭窄が可能となる。
【００２１】
また、キャリアストップ層の側面を覆うように半絶縁半導体層が第１光閉じ込め層上に設けられるので、半導体細線及び半絶縁半導体層は交互に配列される。この配列は所定の軸の方向に延在するエリア内にあるので、所定の軸の方向を共振方向とする回折格子が形成される。半絶縁半導体層は半絶縁性のＩｎＰ半導体からなるので、半導体細線内にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。
【００２２】
また、キャリアストップ層は、III族元素のアルミニウム及びインジウム並びにＶ族元素のヒ素を含む半導体材料からなると共に、第２光閉じ込め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ので、キャリアストップ層と第２光閉じ込め層との間の伝導帯側のバンドオフセットは大きい。このバンドオフセットは、多重量子井戸構造からの電子に対してポテンシャル障壁となる。故に、キャリアオーバフローを抑制できる。一方、第２光閉じ込め層及びｐ型クラッド層との価電子帯側バンドオフセットは小さい。故に、キャリアストップ層は、ｐ型クラッド層から多重量子井戸構造に向かって進むホールの障壁にならない。従って、ｐ型クラッド層からのホールは、第２光閉じ込め層及び多重量子井戸構造に容易に移動される。従って、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電流閉じ込めのための構造の形成を簡略化できる半導体レーザを作製する方法が提供され、また、この方法により作製される半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザの構造を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】図３（ａ）並びに図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体レーザを作製する方法における半導体レーザの作製工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、本発明の半導体レーザを作製する方法及び半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２６】
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法により作製される半導体レーザの構造を示す斜視図である。半導体レーザ１０は、ｎ型クラッド層１３、第１光閉じ込め層１５、複数の半導体細線１６、半絶縁半導体層２３及びｐ型クラッド層２５を備えている。ｎ型クラッド層１３は、半導体基板１１の主面１１ａ上に設けられている。半導体基板１１及びｎ型クラッド層１３は、ｎ型半導体からなる。このｎ型半導体は、例えばｎ型ＩｎＰ半導体等であることができる。
【００２７】
図２は、図１に示すＡ部分の断面を拡大して示す模式図である。第１光閉じ込め層１５は、ｎ型クラッド層１３上に設けられている。第１光閉じ込め層１５は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体であることができる。第１光閉じ込め層１５の厚さは、例えば１５０ｎｍである。
【００２８】
第１光閉じ込め層１５の主面には、複数の半導体細線１６が周期的に配列されている。半導体細線１６は、多重量子井戸構造１７と、多重量子井戸構造１７上に設けられた第２光閉じ込め層１９と、第２光閉じ込め層１９上に設けられたキャリアストップ層２１とを含む。
【００２９】
半導体細線１６は、所定の軸ＡＸの方向に規定される幅Ｗを有し、所定の軸ＡＸ方向に周期Λで配置されている。半導体細線１６の幅Ｗは、例えば１００ｎｍであることができる。また、多重量子井戸構造１７の横方向量子閉じ込め効果に基づく高微分利得を得るためには、多重量子井戸構造１７の幅Ｗは、３０ｎｍ以下とすることが好ましい。多重量子井戸構造１７の幅Ｗは、１５ｎｍ以上であることが必要である。
【００３０】
また、半導体細線１６の周期Λは、レーザ発振の波長に対応したブラッグ周期である。例えば発振波長１５５０ｎｍを得るためには、周期Λは２４０ｎｍである。例えば発振波長１３００ｎｍを得るためには、周期Λは２００ｎｍである。
【００３１】
多重量子井戸構造１７は、交互に配列された井戸層１７ａ及びバリア層１７ｂを含むことができる。図２に示される実施形態では、２層の井戸層１７ａと３層のバリア層１７ｂとが交互に配列されている。井戸層１７ａの厚さは、例えば６ｎｍであることができる。バリア層１７ｂの厚さは、例えば９ｎｍであることができる。井戸層１７ａ及びバリア層１７ｂは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができる。あるいは、井戸層１７ａ及びバリア層１７ｂは、例えばアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなることができる。
【００３２】
また、多重量子井戸構造１７は、歪補償量子井戸構造であることが好ましい。例えば井戸層１７ａは圧縮歪を内包し、バリア層１７ｂは引張り歪を内包する。この場合には、多重量子井戸構造１７の再成長界面における非発光再結合電流が低減される。
【００３３】
第２光閉じ込め層１９は、多重量子井戸構造１７上に設けられている。第２光閉じ込め層１９は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができる。また、第２光閉じ込め層１９の厚さは、例えば１５０ｎｍであることができる。
【００３４】
キャリアストップ層２１は、第２光閉じ込め層１９上に設けられている。キャリアストップ層２１は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料からなる。この半導体材料は、例えばｐ型ＡｌＩｎＡｓ半導体であることができる。キャリアストップ層２１は、上記ｐ型の半導体材料からなると共に、第２光閉じ込め層１９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ので、キャリアストップ層２１と第２光閉じ込め層１９との間の伝導帯側のバンドオフセットは大きい。このバンドオフセットは、多重量子井戸構造１７からの電子に対してポテンシャル障壁となる。故に、キャリアオーバフローを抑制できる。一方、第２光閉じ込め層１９及びｐ型クラッド層２５とキャリアストップ層２１との価電子帯側バンドオフセットは小さい。故に、キャリアストップ層２１は、ｐ型クラッド層２５から多重量子井戸構造１７に向かって進むホールの障壁にならない。従って、ｐ型クラッド層２５からのホールは、第２光閉じ込め層１９及び多重量子井戸構造１７に容易に移動される。従って、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。
【００３５】
キャリアストップ層２１の厚さは５０ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、キャリアストップ層２１が多重量子井戸構造１７へのホールの注入に対する障壁となることを防止できる。また、キャリアストップ層の厚さは、電子のオーバーフローを効果的に抑制するために、２０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
半絶縁半導体層２３は、キャリアストップ層２１の側面の少なくとも一部を覆う厚さで第１光閉じ込め層１５上に設けられている。半導体細線１６は、第１光閉じ込め層１５の主面のストライプ状のエリア内に配列されており、このストライプ状のエリアは、所定の軸Ａｘの方向に延在する。半絶縁半導体層２３は半導体細線１６の側面の間に設けられるので、半導体細線１６と半絶縁半導体層２３とがストライプ状のエリア内に交互に配列される。半導体細線１６と半絶縁半導体層２３との配列は、所定の軸Ａｘの方向に伝播する光に対して共振器として働く回折格子を形成する。また、半絶縁半導体層２３は、配列内の半導体細線１６同士の間だけではなく、半導体細線１６の四方の側面上に設けられるので、半導体細線１６内にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。
【００３７】
半絶縁半導体層２３は、半絶縁性のＩｎＰ半導体からなり、例えばＲｕ元素及びＦｅ元素の少なくともいずれかがドープされたＩｎＰ半導体からなることができる。ＩｎＰ半導体は、これらの元素のドープにより半絶縁性半導体となる。Ｒｕ元素がドープされる場合には、ドーパント濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３程度である。また、Ｆｅ元素がドープされる場合には、ドーパント濃度は、例えば６×１０１６ｃｍ−３程度である。ｐ型半導体のドーパントのＺｎ元素とＩｎＰ半導体のドーパントのＦｅ元素との間では相互拡散が発生しやすい。このため、Ｒｕ元素のドーピング濃度と比較して、ＩｎＰ半導体においてＦｅ元素のドーピング濃度は、低くされる。
【００３８】
ｐ型クラッド層２５は、半導体細線１６のキャリアストップ層２１の上面及び半絶縁半導体層２３上に設けられている。ｐ型クラッド層２５は、例えば、ｐ型ＩｎＰ半導体からなることができる。ｐ型クラッド層の厚さは、例えば２０００ｎｍであることができる。キャリアストップ層２１の導電型は、ｐ型クラッド層２５の導電型と同じである。
【００３９】
半導体細線１６は、多重量子井戸構造１７、第２光閉じ込め層１９及びキャリアストップ層２１を順に配置して含んでおり、半絶縁半導体層２３はキャリアストップ層２１の少なくとも側面を被うように設けられており、ｐ型クラッド層２５はキャリアストップ層２１の上面上及び半絶縁半導体層２３上に設けられているので、ｐ型クラッド層２５は、多重量子井戸構造１７及び第２光閉じ込め層１９と接していない。故に、電流は、多重量子井戸構造１７及び第２光閉じ込め層１９へ閉じ込められる。従って、効果的な電流狭窄が可能となる。
【００４０】
ｐ型クラッド層２５上には、コンタクト層２７が設けられている。コンタクト層２７は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓ半導体であることができる。コンタクト層２７上には、絶縁膜２９が形成されている。絶縁膜２９は、第１光閉じ込め層１５の主面におけるストライプ状のエリアに対応する開口を有する。絶縁膜２９は、例えばＳｉＯ２からなる。次いで、ｐ型電極３１が形成される。コンタクト層２７は、絶縁膜２９の開口を介してｐ型電極３１とオーミック接触を成している。半導体基板１１の主面１１ａとは反対側の裏面１１ｂにはｎ型電極３３が設けられており、ｎ型電極３３と半導体基板１１とがオーミック接触を成している。
【００４１】
以上に述べた半導体レーザ１０の各層の材料、ドーパント元素、ドーパント濃度及び厚さの一例は、以下に示される。
ｎ型クラッド層１３：ｎ型ＩｎＰ，Ｓｉ，５×１０１７ｃｍ−３，厚さ  ６００ｎｍ
第１光閉じ込め層１５：ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ，Ｓｉ，５×１０１７ｃｍ−３，厚さ  １５０ｎｍ
多重量子井戸構造１７：井戸層１７ａ  ２層、バリア層１７ｂ  ３層
井戸層１７ａ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ  ６ｎｍ
バリア層１７ｂ：アンドープＧａＩｎＡｓＰ，厚さ  ９ｎｍ
第２光閉じ込め層１９：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ，Ｚｎ，５×１０１７ｃｍ−３，厚さ  １５０ｎｍ
キャリアストップ層２１：ｐ型ＡｌＩｎＡｓ，Ｚｎ，厚さ  ４０ｎｍ
半絶縁半導体層２３：ＩｎＰ，Ｒｕ，２×１０１８ｃｍ−３，厚さ  １９０ｎｍ〜２４０ｎｍ
ｐ型クラッド層２５：ｐ型ＩｎＰ，Ｚｎ，１×１０１８ｃｍ−３，厚さ  ２０００ｎｍ
コンタクト層２７：ｐ型ＧａＩｎＡｓ，Ｚｎ，５×１０１８ｃｍ−３，厚さ  ５００ｎｍ
【００４２】
次に図３〜図９を参照しながら、本発明の実施の形態に係る半導体レーザを作製する方法の工程を説明する。
【００４３】
図３（ａ）に示されるように、ｎ型半導体からなる半導体基板４１上に、ｎ型クラッド層４３及び第１光閉じ込め層４５を順に有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）法で成長する。半導体基板４１及びｎ型クラッド層４３は、例えばｎ型ＩｎＰ半導体からなる。第１光閉じ込め層４５は、例えばｎ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなる。
【００４４】
次に、第１光閉じ込め層４５上に、絶縁膜４７を形成する。この形成は、例えば、シラン系ガス及び酸素系ガスをプロセスガスとして用いて、プラズマＣＶＤ法で行われる。シラン系ガスの一例としては、モノシランが用いられる。酸素系ガスの一例としては、酸素ガスが用いられる。絶縁膜４７は、例えばＳｉＯ２といった酸化シリコンからなる。絶縁膜４７の膜厚は、半導体細線を選択成長するマスクとして用いるために２００ｎｍ程度である。次いで、絶縁膜４７上にレジスト膜４９を形成する。この形成は、電子ビーム露光用レジストの塗布により行なわれる。
【００４５】
図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、絶縁膜４７上にレジストマスク４９ａを形成する。図３（ｂ）は、半導体レーザの作製過程を示す上面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＩ−Ｉ線に沿う側断面図である。レジストマスク４９ａの形成は、レジスト膜４９を電子ビーム露光法により露光して、現像することによって行なわれる。
【００４６】
レジストマスク４９は、所定の軸Ａｘの方向に周期的に配列された複数の細線状の開口を有する。ＤＦＢレーザ素子を作製するための細線状の開口の周期Λ１はブラッグ周期とする。例えば発振波長１５５０ｎｍとするための周期Λ１は２４０ｎｍであり、例えば発振波長１３００ｎｍとするための周期Λ１は２００ｎｍである。開口の幅Ｗ１は、例えば１００ｎｍである。また開口の長さＬ１は、例えば２μｍである。
【００４７】
続いて、図４に示されるように、レジストマスク４９ａを用いて絶縁膜４７をエッチングし、絶縁体マスク４７ａを第１光閉じ込め層４５上に形成する。図４（ａ）は、半導体レーザの作製過程を示す上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う側断面図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う側断面図である。このエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。このレジストマスク４９ａの形状が絶縁体マスク４７ａに転写される。エッチングの後にレジストマスク４９ａを除去して周期的に配列された複数の半導体細線を形成するための絶縁体マスク４７ａを形成する。このレジストマスク４９ａの除去は、例えばＯ２アッシングにより行なわれる。絶縁体マスク４７ａの開口の周期Λ２、幅Ｗ２及び長さＬ２はそれぞれ、図３におけるレジストマスク４９ａの開口の周期Λ１、幅Ｗ１及び長さＬ１と同様である。
【００４８】
次に、図５に示されるように、絶縁体マスク４７ａを用いて半導体層を成長し、半導体細線４８を第１光閉じ込め層４５上に形成する。図５（ａ）は、所定の軸Ａｘの方向に沿う側断面図である。図５（ｂ）は、所定の軸Ａｘと直交する方向に沿う側断面図である。半導体細線４８の形成は、多重量子井戸構造４９、第２光閉じ込め層５１及びキャリアストップ層５３を第１光閉じ込め層４５上にＯＭＶＰＥ法で順に選択成長して行われる。この選択成長には、成長炉が用いられる。また、半導体細線４８の形成には、例えば、先に、多重量子井戸構造４９、第２光閉じ込め層５１及びキャリアストップ層５３を第１光閉じ込め層４５上に成長により形成した後、レジストマスク等を用いてドライエッチングにより作製することもできる。しかし、ドライエッチングを用いて半導体細線を形成する場合と比較して、選択成長を用いて半導体細線を形成する方が、多重量子井戸構造の損傷を防止できる。従って、作製される半導体レーザ素子のレーザ特性及び信頼性の悪化を低減できる。
【００４９】
多重量子井戸構造４９は、３層のバリア層４９ｂと２層の井戸層４９ａとを交互に成長して形成する。井戸層４９ａ及びバリア層４９ｂは、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができる。井戸層４９ａの厚さは、例えば６ｎｍである。バリア層の厚さは、例えば９ｎｍである。多重量子井戸構造４９は、歪補償量子井戸構造に作製されることが好ましい。例えば、井戸層４９ａは圧縮歪を内包し、バリア層４９ｂは引張り歪を内包するように作製される。この場合には、多重量子井戸構造４９の再成長界面における非発光再結合電流が低減される。
【００５０】
あるいは、井戸層１７ａ及びバリア層１７ｂは、例えばアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなることができる。本実施形態の方法によれば、半導体細線４８を選択成長により作製するので、Ａｌ元素が酸化されることなく、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体からなる多重量子井戸構造４９を作製できる。ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体により井戸層４９ａ及びバリア層４９ｂを構成する多重量子井戸構造４９は、例えばＧａＩｎＡｓＰ半導体といった材料からなる多重量子井戸構造４９と比較して伝導帯側のバンドオフセットが大きいので、優れた温度特性の半導体レーザを得ることができる。
【００５１】
第２光閉じ込め層５１は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体を多重量子井戸構造４９上に成長して形成される。第２光閉じ込め層５１の厚さは、例えば１５０ｎｍである。
【００５２】
キャリアストップ層５３は、III族元素としてアルミニウム及びインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む半導体材料を第２光閉じ込め層５１上に成長して形成される。キャリアストップ層５３は、例えばＡｌＩｎＡｓ半導体からなることができる。キャリアストップ層５３の厚さは、例えば４０ｎｍである。キャリアストップ層５３の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、キャリアストップ層５３が、ｎ型クラッド層４３に向かうホールの障壁となることを防止できる。
【００５３】
また、キャリアストップ層５３は、上記半導体材料からなると共に、第２光閉じ込め層５１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。故に、キャリアストップ層５３と第２光閉じ込め層５１との間の伝導帯側のバンドオフセットは大きい。このバンドオフセットは、多重量子井戸構造４９からの電子に対してポテンシャル障壁となる。従って、キャリアオーバフローを抑制できる。
また、キャリアストップ層５３の厚さは、２０ｎｍ以上であることが好ましい。この場合、キャリアストップ層５３は、多重量子井戸構造４９からの電子に対してポテンシャル障壁を形成できる。
【００５４】
半導体細線４８の各半導体層の成長速度は、５００ｎｍ／ｈｒ以下であることが好ましい。この場合、半導体細線４８の選択成長に際して平坦な再成長界面が得られる。また、半導体細線４８の各半導体層の成長速度は、２００ｎｍ／ｈｒ以上であることが好ましい。この場合、成長界面への不純物の堆積を防止できる。半導体細線４８の所定の軸Ａｘの方向に沿う幅Ｗ３は及び所定の軸Ａｘと直交する方向に沿う長さＬ３はそれぞれ、絶縁体マスク４７ａの開口の幅Ｗ２及び長さＬ２に依存する。また、半導体細線４８の周期Λ３は、ブラッグ周期である。
【００５５】
次に、図６に示されるように、ＯＭＶＰＥ法のための成長炉から基板を取り出した後に、絶縁体マスク４７ａを除去する。図６（ａ）は、所定の軸Ａｘの方向に沿う側断面図である。図６（ｂ）は、所定の軸Ａｘと直交する方向に沿う側断面図である。例えば、シリコン酸化物からなるマスクはバッファードフッ酸によるエッチングで除去される。キャリアストップ層５３は、III族元素としてアルミニウムを含む半導体材料からなるので、キャリアストップ層５３の表面に自然酸化膜が形成される。本実施形態では、基板を成長炉から取り出して大気中に曝される時に、キャリアストップ層５３の表面にＡｌ系酸化物５３ａが形成される。Ａｌ系酸化物５３ａは、例えばＡｌ２Ｏ３といった酸化物である。
【００５６】
続いて、図７に示されるように、絶縁体マスク４７ａを除去した後に、キャリアストップ層５３の少なくとも側面を覆うように第１光閉じ込め層４５上に半絶縁半導体層５５を成長する。図７（ａ）は、所定の軸Ａｘの方向に沿う側断面図である。図７（ｂ）は、所定の軸Ａｘと直交する方向に沿う側断面図である。半絶縁半導体層５５の厚さは、キャリアストップ層５３の少なくとも側面を覆う厚さにされる。図７に示される例では、半絶縁半導体層５５は、キャリアストップ層５３の側面及び上面を覆っている。半導体細線４８の所定の軸Ａｘの方向と交差する側面４８ａ上及び所定の軸Ａｘの方向に沿う側面４８ｂ上に半絶縁半導体層５５が成長される。故に、半導体細線４８を埋め込むための半絶縁半導体層５５は、電流狭窄のための半絶縁半導体層５５と一括して成長される。従来における半導体レーザの作製においては、半導体細線の間を半導体層で埋め込み、この半導体層と半導体細線との交互の配列を含み当該配列方向に延在する半導体メサをエッチングにより形成し、更に半導体メサの側面を電流狭窄のための半導体層で埋め込む工程が行われていた。従って、本実施形態では、半導体メサの形成工程がないので、本実施形態の半導体層の成長工程は簡略化される。また、半導体細線４８間に半絶縁半導体層５５が成長されるので、半導体細線４８及び半絶縁半導体層５５は交互に配列される。この配列により回折格子が形成され、所定の軸Ａｘの方向にレーザ光が伝播する。
【００５７】
半絶縁半導体層５５は、例えば半絶縁性のＩｎＰ半導体からなる。四角柱状の半導体細線４８の四つの側面上に半絶縁性の半導体層が成長されるので、効果的な電流狭窄が可能となる。また、半導体細線４８間にも半絶縁性のＩｎＰ半導体が成長されるので、半導体細線４８内に効果的にキャリアを閉じ込めることが可能となる。また、半絶縁半導体層５５は、例えばＲｕ元素またはＦｅ元素がドープされたＩｎＰ半導体であることができる。ＩｎＰ半導体は、これらの元素のドープにより半絶縁性半導体となる。Ｒｕ元素がドープされる場合には、ドーパント濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３程度である。また、Ｆｅ元素がドープされる場合には、ドーパント濃度は、例えば６×１０１６ｃｍ−３程度である。ｐ型半導体のドーパントのＺｎ元素とＩｎＰ半導体のドーパントのＦｅ元素との間では相互拡散が発生しやすい。このため、Ｒｕ元素がドープされる場合と比較して、Ｆｅ元素がドープされる場合では、ＩｎＰ半導体のドーパント濃度は低くされる。
【００５８】
多重量子井戸構造４９をＡｌＧａＩｎＡｓ半導体で作製する場合には、半絶縁半導体層５５を成長する前に、ＯＭＶＰＥ炉内で、ＨＣｌガスまたはＣＢｒ４ガスを用いたＩｎ−ｓｉｔｕエッチングを行う。このエッチングにより、Ａｌ酸化膜が除去される。酸化膜を除去した後に、半絶縁半導体層５５を成長する。
【００５９】
次に、図８に示されるように、半絶縁半導体層５５をエッチングし、キャリアストップ層５３の上面を露出させる。図８（ａ）は、所定の軸Ａｘの方向に沿う側断面図である。図８（ｂ）は、所定の軸Ａｘと直交する方向に沿う側断面図である。キャリアストップ層５３の表面にＡｌ系酸化膜が形成されているので、その後に成長された半絶縁半導体層５５は、キャリアストップ層５３上には成長され難く、キャリアストップ層５３上には、半絶縁半導体層５５と同じ原料ガスからなる堆積物が堆積される。この堆積物は、半絶縁半導体層５５を成長した後のエッチングにより除去される。また、キャリアストップ層５３の材料と半絶縁半導体層５５のＩｎＰ半導体との間にエッチング選択比がある。このエッチング選択比に起因して、半絶縁半導体層５５を成長した後のエッチングでは、キャリアストップ層５３はエッチングされ難く、エッチングストップ層としても機能する。このため、半絶縁半導体層５５が選択的にエッチングされる。故に、半導体細線４８上に半絶縁半導体層５５が成長された場合であっても、半導体細線４８上の半絶縁半導体層５５は、この選択的エッチングにより除去される。従って、エッチングによりキャリアストップ層５３の上面は露出される。エッチングされた後の半絶縁半導体層５５ａの厚さは、半絶縁半導体層５５ａの上面の位置が、例えばキャリアストップ層５３の上面と下面との間にある程度が好ましい。換言すると、半絶縁半導体層５５ａの厚さは、半絶縁半導体層５５ａが第２光閉じ込め層５１の側面の全部を覆うと共に、キャリアストップ層５３の一部が露出する程度であることが好ましい。
【００６０】
半絶縁半導体層５５ａのＩｎＰ半導体は高抵抗であるので、半絶縁性のＩｎＰ半導体は、電流狭窄のための半導体層に好適である。また、ＩｎＰ半導体は、第２光閉じ込め層５１と比較して大きなバンドギャップを有する。上記のように、半絶縁半導体層５５は、半絶縁半導体層５５の成長工程で半導体細線４８上に成長されず、ＩｎＰ系の堆積物が形成される。または、堆積されても半導体細線４８上の堆積物はエッチングの工程で除去される。故に、バンドギャップの大きいＩｎＰ半導体を半導体細線４８間の埋め込みに用いても、活性層へのホール注入に対するＩｎＰ半導体による障壁は発生しない。故に、半導体細線４８の側面上の電流狭窄のための半導体層及び半導体細線４８間の埋め込みのための半導体層に、同一の半絶縁性のＩｎＰ半導体を用いることが可能となる。従って、両半導体層の成長を一括に行うことができる。
【００６１】
次に、図９に示されるように、キャリアストップ層５３の上面の露出の後に、キャリアストップ層５３上及び半絶縁半導体層５５ａ上にｐ型クラッド層５７を成長する。図９（ａ）は、所定の軸Ａｘの方向に沿う側断面図である。図９（ｂ）は、所定の軸Ａｘと直交する方向に沿う側断面図である。ｐ型クラッド層５７は、例えばｐ型ＩｎＰ半導体からなることができる。ｐ型クラッド層５７の厚さは、例えば２０００ｎｍであることができる。なお、ｐ型クラッド層５７の成長に先立って、ＯＭＶＰＥ炉内でＨＣｌガスまたはＣＢｒ４ガスを用いたＩｎ−ｓｉｔｕエッチングを行うことにより、キャリアストップ層５３表面の酸化物を除去することもできる。
【００６２】
キャリアストップ層５３は、III族元素のアルミニウム及びインジウム並びにＶ族元素のヒ素を含む半導体材料からなると共に、第２光閉じ込め層５１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ので、キャリアストップ層５３と第２光閉じ込め層５１との間の伝導帯側のバンドオフセットは大きい。一方、第２光閉じ込め層５１及びｐ型クラッド層５７とキャリアストップ層５３との価電子帯側におけるバンドオフセットは小さいので、キャリアストップ層５３は、多重量子井戸構造４９に向かって進むホールの障壁とはならない。従って、良好な温度特性を有する半導体レーザが得られる。
【００６３】
さらに、ｐ型クラッド層５７を成長した後にコンタクト層５９を成長する。コンタクト層５９は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができる。コンタクト層５９の厚さは、例えば５００ｎｍであることができる。
【００６４】
この後に、酸化膜をコンタクト層５９上に成長する。酸化膜は、例えばＳｉＯ２からなることができる。続いて、半導体細線４８と半導体細線４８の間に成長された半絶縁半導体層５５ａとの交互の配列上に、酸化膜の開口を形成する。さらに、ｐ型電極膜を形成する。コンタクト層５９は、酸化膜の開口を介してｐ型電極膜３１とオーミック接触を成す。また、半導体基板４１の主面とは反対側の裏面にｎ型電極膜を形成する。ｎ型電極膜と半導体基板４１とはオーミック接触を成す。ｐ型電極膜及びｎ型電極膜はそれぞれ、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ及びＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる。また、ｐ型電極膜及びｎ型電極膜のそれぞれの厚さは、例えば６００ｎｍ及び１０００ｎｍであることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０…半導体レーザ、１１、４１…半導体基板、１３、４３…ｎ型クラッド層、１５、４５…第１光閉じ込め層、１６、４８…半導体細線、１７、４９…多重量子井戸構造、１７ａ、４９ａ…井戸層、１７ｂ、４９ｂ…バリア層、１９、５１…第２光閉じ込め層、２１、５３…キャリアストップ層、２３、５５、５５a…半絶縁半導体層、２５、５７…ｐ型クラッド層、２７、５９…コンタクト層、２９…絶縁膜、４７…絶縁膜、４７ａ…絶縁体マスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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