(57)【要約】【課題】製造工程数の増加を抑えつつ、基板モードを低減することで素子特性を向上できる半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体光素子１は、端面発光型の半導体光素子１であって、ｎ型ＧａＡｓ基板３上に設けられたｎ型下部クラッド層５と、ｎ型下部クラッド層５上に設けられた活性層７と、活性層７上に設けられたｐ型上部クラッド層１０とを備え、ｎ型ＧａＡｓ基板３は活性層７よりも高いバンドギャップを有し、ｎ型下部クラッド層５は活性層７よりも低いバンドギャップを有する下部クラッド光吸収層４と活性層７よりも高いバンドギャップを有する第１下部クラッド光透過層５ａとを含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端面発光型の半導体光素子であって、
半導体基板上に設けられた第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２クラッド層と、を備え、
前記半導体基板は前記活性層よりも高いバンドギャップを有し、
前記第１クラッド層は、前記活性層よりも低いバンドギャップを有する第１光吸収層と、前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第１光透過層とを含むことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記第１クラッド層は、前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第２光透過層を更に含み、前記第１光吸収層は前記第１光透過層と前記第２光透過層との間に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記第１クラッド層は、前記活性層よりも低いバンドギャップを有する第２光吸収層を更に含み、前記第１光吸収層と前記第２光吸収層との間に前記第１光透過層又は前記第２光透過層が配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記第１光透過層と前記第２光透過層とは、互いに異なる組成を有することを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記第１光吸収層は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族化合物半導体、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのうちいずれかの半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記第１光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる２以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層されている多層膜であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記第２クラッド層は、前記活性層よりも低いバンドギャップを有する第３光吸収層と前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第３光透過層とを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項８】
前記第２クラッド層は、前記活性層よりも高いバンドギャップを有する第４光透過層を更に含み、前記第３光吸収層は前記第３光透過層と前記第４光透過層との間に設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体光素子。
【請求項９】
前記第２クラッド層は第４光吸収層を更に含み、前記第３光吸収層と前記第４光吸収層との間に前記第３光透過層又は前記第４光透過層が配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の半導体光素子。
【請求項１０】
前記第３光透過層と前記第４光透過層とは、互いに異なる組成を有することを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の半導体光素子。
【請求項１１】
前記第３光吸収層は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族化合物半導体、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのうちいずれかの半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項１２】
前記第３光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる２以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層されている多層膜であることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項１３】
前記多層膜は、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓの組合せ、ＧａＡｓ及びＧａＮの組合せ、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＰの組合せ、ＧａＡｓＰ及びＩｎＡｓＰの組合せ、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＮの組合せ、並びにＧａＮＡｓ及びＩｎＮＡｓの組合せのうちいずれかの組合せからなる超格子層であることを特徴とする、請求項６又は１２に記載の半導体光素子。
【請求項１４】
前記活性層は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族化合物半導体、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのうちいずれかの半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【請求項１５】
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記活性層は、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発振波長に対応するバンドギャップを有していることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体光素子として半導体レーザが知られている。例えば、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の波長帯域の発振波長を有する半導体レーザとして、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰ等の活性層を備えるものが知られている。特に、０．９８μｍ帯の発振波長を有する半導体レーザは、１．５５μｍ帯の光増幅器であるエルビウム添加光ファイバ増幅器（以下「ＥＤＦＡ」と略す）の励起光源として用いられている。また、１．０１７μｍ帯の発振波長を有する半導体レーザは、１．３μｍ帯の光増幅器であるプラセオジウム添加光ファイバ増幅器（以下「ＰＤＦＡ」と略す）の励起光源として用いられている。
【０００３】
非特許文献１、特許文献１及び特許文献２には半導体レーザの例が記載されている。
【非特許文献１】Horie et al., “Longitudinal-mode characteristics of weaklyindex-guided buried-stripe type 980-nm laser diodes with and withoutsubstrate-mode-induced phenomena”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS (2000), vol.36,no.12, p.1454-1461
【特許文献１】国際公開第２００４／０２７９５０号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−１４４３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１０に、０．９８μｍ帯の発振波長を有する半導体レーザの発振スペクトルの典型例を示す。図１０に示すＧ１は、電流５０ｍＡ、Ｇ２は電流１００ｍＡ、Ｇ３は電流１５０ｍＡ、Ｇ４は電流２００ｍＡ、Ｇ５は電流２５０ｍＡ、及びＧ６は電流３００ｍＡにおける半導体レーザの発振スペクトルを表している。図１０を参照すると、発振スペクトルは、波長２ｎｍ以上３ｎｍ以下の間隔で周期的に強度が極大となる強度変調された特性となっていることが分かる。
【０００５】
ところで、この半導体レーザの発振スペクトルにおいて、利得中心領域にある１本から数本の極大ポイントの縦モードが発振し、それらが電流増加と共に隣接する長波長側の極大ポイントの波長にモードホップしながらシフトしていくという特異的な波長特性が観測される。このような縦モードのモードホップは、発振波長の大幅な変動を引き起こすので望ましくない。例えば、図１０に示すＧ１とＧ６とを比較すると、電流５０ｍＡから３００ｍＡの間において、発振波長はおよそ１５ｎｍ変動している。一方、ＥＤＦＡを励起する場合、ＥＤＦＡを効果的に励起できる波長帯域は９７５ｎｍ以上９８５ｎｍ以下である。つまり、ＥＤＦＡを効果的に励起できる波長帯域は１０ｎｍ前後の狭い帯域である。よって、ＥＤＦＡを励起する際には、このようなモードホップの波長変動により、発振波長が有効な励起波長帯域から外れて、励起効率が低下する等の問題が生じる可能性がある。また、モードホップは、モードホップ雑音を発生させるため、レーザ出射光の信号対雑音強度比（ＳＮ比）を悪化させる恐れがある。さらに、モードホップや発振縦モード間の出力揺らぎにより発振状態が変化して、半導体レーザの光出力−電流特性における非直線性、いわゆるキンクが生じ、線形な光増幅が困難となる等の問題がある。
【０００６】
非特許文献１及び特許文献１に記載のように、このような波長特性は、活性層を導波する導波モードとＧａＡｓ基板モードとが共鳴結合した結果発生すると解される。即ち、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発振光に対してＧａＡｓ基板は透明であり、且つＧａＡｓ基板の屈折率は、クラッド層を構成するＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓの屈折率より高い。従って、ＧａＡｓ基板の屈折率は、活性層を導波する導波モードの実効屈折率より高いので、ＧａＡｓ基板自体が当該波長帯の光に対する導波路となって基板モードが生じる。この基板モードが導波モードに共鳴結合して、上述のような発振スペクトルの周期的な強度変調や電流変化に伴う縦モードのモードホップを引き起こすと説明される。
【０００７】
特許文献２には、基板と下部電極との間に光吸収層を設けることで、ＧａＡｓ基板裏面での基板モードの反射光と導波モードとの共鳴結合を阻止することが記載されている。しかしながら、ＧａＡｓ基板中を発振光が導波することは防げないため、基板モードの発生を完全には除去することができない。また、このような光吸収層を設けるためには、基板上に半導体層を形成する工程とは別に、光吸収層を形成するための合金化反応工程を基板裏面に対して行う必要があるので、製造工程が複雑化し、生産性向上や低コスト化を阻害する一因となる。
【０００８】
そこで、本発明は、製造工程数の増加を抑えつつ、基板モードを低減することでレーザの特性を向上できる半導体光素子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光素子は、端面発光型の半導体光素子であって、半導体基板上に設けられた第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２クラッド層とを備え、半導体基板は、活性層よりも高いバンドギャップを有し、第１クラッド層は、活性層よりも低いバンドギャップを有する第１光吸収層と、活性層よりも高いバンドギャップを有する第１光透過層とを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る半導体光素子において、第１クラッド層は第１光吸収層を含むので、導波光が第１光吸収層において減衰される。即ち、第１クラッド層中における導波光の拡がりは弱められるので、半導体基板側への光の漏れを低減できる。従って、基板モードの励振は抑制され、従来構造と比べて、基板モードに起因する発光波長の不安定化といった半導体光素子の特性劣化を回避することが可能となる。また、第１光吸収層は他の半導体層と一括して半導体基板上に形成され得るので、半導体光素子の製造工程数の増加を抑えることが可能となる。
【００１１】
また、上記した半導体光素子において、第１クラッド層は、活性層よりも高いバンドギャップを有する第２光透過層を更に含み、第１光吸収層は第１光透過層と第２光透過層との間に設けられていることが好ましい。
【００１２】
この半導体光素子のように、第１光透過層と第２光透過層との間に第１光吸収層が形成される場合、導波光は第１光吸収層において効果的に減衰される。即ち、第１クラッド層中における導波光の拡がりは弱められるので、半導体基板側への光の漏れを低減できる。従って、基板モードに起因する半導体光素子の特性劣化を回避することが可能となる。
【００１３】
また、上記した半導体光素子において、第１クラッド層は第２光吸収層を更に含み、第１光吸収層と第２光吸収層との間に第１光透過層又は第２光透過層が配置されていることが好ましい。
【００１４】
この半導体光素子のように、第１光吸収層と第２光吸収層とを組み合わせて第１クラッド層が構成されていても良く、これにより基板モードを除去するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が容易となる。
【００１５】
また、上記した半導体光素子において、第１光透過層と第２光透過層とは互いに異なる組成を有することが好ましい。
【００１６】
この半導体光素子のように、第１光透過層と第２光透過層とは互いに異なる組成を有しても良く、基板モードを低減するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が更に容易となる。
【００１７】
また、上記した半導体光素子において、第１光吸収層は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族化合物半導体、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのうちいずれかの半導体材料から構成されていることが好ましい。
【００１８】
この半導体光素子のように、第１光吸収層がこれらの半導体材料のうちいずれかから構成されることにより、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光を吸収する機能を好適に実現できる。従って、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の半導体光素子に対し、これらの半導体材料で形成された第１光吸収層を導入することで、基板モードに起因する半導体光素子の特性の劣化を低減することが可能となる。  
【００１９】
また、上記した半導体光素子において、第１光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる２以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層され、その結果多数のヘテロ接合界面がその内部に形成された多層膜であることが好ましい。
【００２０】
この半導体光素子のように、多数の半導体へテロ接合界面が第１光吸収層に形成されている場合、第１光吸収層の外部からの結晶欠陥の侵入を効果的に低減することが可能となる。従って、半導体基板側から活性層への結晶欠陥の侵入を効果的に低減し、レーザの信頼性を向上させることが可能となる。
【００２１】
また、上記した半導体光素子において、第２クラッド層は、活性層よりも低いバンドギャップを有する第３光吸収層と活性層よりも高いバンドギャップを有する第３光透過層とを含むことが好ましい。
【００２２】
この半導体光素子のように、第２クラッド層にも第３光吸収層が含まれても良く、これにより活性層において生じ第２クラッド層へ拡がった導波光は第３光吸収層において好適に吸収される。従って、第２クラッド層における導波光の拡がりは弱められ、導波光がコンタクト層に到達するまでに減衰し、コンタクト層への光の漏れを効果的に低減できる。その結果、コンタクト層への光の漏れに起因する導波モードの発生を低減できるので、半導体光素子の発光波長特性を更に安定させることが可能となる。
【００２３】
また、上記した半導体光素子において、第２クラッド層は、活性層よりも高いバンドギャップを有する第４光透過層を更に含み、第３光吸収層は第３光透過層と第４光透過層との間に設けられていることが好ましい。
【００２４】
この半導体光素子のように、第３光透過層と第４光透過層との間に第３光吸収層が設けられても良く、この場合も活性層で生じ第２クラッド層へ拡がった導波光は第３光吸収層において効果的に減衰される。従って、第２クラッド層中における導波光の拡がりが弱められるので、コンタクト層への光の漏れは生じず、従ってこれに起因する導波モードを抑制でき、半導体光素子の発光波長特性を更に安定させることが可能となる。
【００２５】
また、上記した半導体光素子において、第２クラッド層は第４光吸収層を更に含み、第３光吸収層と第４光吸収層との間に第３光透過層又は第４光透過層が配置されていることが好ましい。
【００２６】
この半導体光素子のように、第３光吸収層と第４光吸収層とを組み合わせて第２クラッド層が構成されても良く、この場合もコンタクト層への光の漏れに起因する導波モードを低減するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が容易となる。
【００２７】
また、上記した半導体光素子において、第３光透過層と第４光透過層とは互いに異なる組成を有することが好ましい。
【００２８】
この半導体光素子のように、第３光透過層と第４光透過層とは互いに異なる組成を有しても良く、コンタクト層への光の漏れに起因する導波モードを低減するための光導波構造設計の自由度が増して構造最適化が更に容易となる。
【００２９】
また、上記した半導体光素子において、第３光吸収層は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族化合物半導体、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのうちいずれかの半導体材料から構成されることが好ましい。
【００３０】
このような半導体光素子は、第３光吸収層がこれらの半導体材料のうちいずれかから構成されることにより、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光を吸収する機能を好適に実現できる。従って、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の半導体光素子に対し、これらの半導体材料で形成された第３光吸収層を導入することで、コンタクト層への光の漏れによって生ずる導波モードに起因する半導体光素子の特性の劣化を低減することが可能となる。  
【００３１】
また、上記した半導体光素子において、第３光吸収層は、バンドギャップが互いに異なる２以上の半導体層が交互に、且つ周期的に積層されており、その結果多数のヘテロ接合界面がその内部に形成された多層膜であることが好ましい。この半導体光素子においては、多数の半導体へテロ接合界面が第３光吸収層に形成されているので、第３光吸収層の外部からの結晶欠陥の侵入を効果的に低減することが可能となる。従って、コンタクト層側から活性層への結晶欠陥の侵入を効果的に低減することが可能となるので、レーザの信頼性を向上させることが可能となる。
【００３２】
また、上記した半導体光素子において、多層膜は、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓの組合せ、ＧａＡｓ及びＧａＮの組合せ、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＰの組合せ、ＧａＡｓＰ及びＩｎＡｓＰの組合せ、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＮの組合せ、並びにＧａＮＡｓ及びＩｎＮＡｓの組合せのうちいずれかの組合せからなる超格子層であることが好ましい。
【００３３】
半導体光素子は、単層からなる第１光吸収層又は第３光吸収層を有する場合と同様に、このような多層膜からなる第１光吸収層又は第３光吸収層を有しても良く、これにより０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の光を吸収する光吸収層が好適に実現される。従って、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の半導体光素子に対し、これらの多層膜で形成された第１光吸収層又は第３光吸収層を導入することで、第１クラッド層から半導体基板への導波光の漏れや、第２クラッド層からコンタクト層への導波光の漏れを効果的に低減できるので、半導体光素子の発光波長特性を更に安定させることが可能となる。
【００３４】
また、上記した半導体光素子において、活性層は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族化合物半導体、ＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのうちいずれかの半導体材料から構成されることが好ましい。
【００３５】
上記した半導体光素子において、活性層は、このような半導体材料によって構成されていても良く、これにより活性層は０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の帯域の発光波長の光を発生可能なバンドギャップを有することができる。この場合、前述したようなモードホップの波長変動が顕著に現れる傾向がある。しかし、上記した半導体光素子において第１クラッド層に第１光吸収層が形成され得るので、基板モードに起因する導波モードの励振が抑制される。従って、発光波長の不安定化といった半導体光素子の特性の劣化を効果的に回避することが可能である。
【００３６】
また、上記した半導体光素子において、半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記活性層は０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長に対応するバンドギャップを有していることが好ましい。
【００３７】
この半導体光素子のように、半導体基板としてＧａＡｓ基板が用いられており、且つ０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の帯域の発光波長を有する場合、前述したようなモードホップの波長変動が顕著に現れる傾向がある。しかし、上記した半導体光素子において第１光吸収層が形成され得るので、基板モードの励振に起因する導波モードの励振が低減され、半導体光素子の特性の劣化を効果的に回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、製造工程数の増加を抑えつつ、基板モードやコンタクト層への光の漏れに起因する導波モードを低減することで、その発光特性を向上できる半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る半導体光素子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の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。  
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子１を示す斜視図である。図２は、図１に示されるII−II線に沿った断面図である。図１を参照すると、半導体レーザ素子といった端面発光型の半導体光素子１が示されている。本実施形態の半導体光素子１は、基板面に対して平行な方向（矢印Ａの方向）にレーザ光が出射される「端面発光型」の半導体レーザである。半導体光素子１は活性層のバンドギャップで決定される所定の発光波長または発振波長を有する。
【００４１】
図１及び図２に示された半導体光素子１は、ｎ型電極２、ｎ型ＧａＡｓ基板３、ｎ型下部クラッド層５、下部光閉じ込め層６、活性層７、上部光閉じ込め層８、ｐ型上部クラッド層１０、ｎ型電流ブロック層１４、ｐ型コンタクト層１５、絶縁膜１６、及びｐ型電極１７を備える。
【００４２】
ｎ型ＧａＡｓ基板３は本実施形態における半導体基板である。ｎ型ＧａＡｓ基板３は、ＧａＡｓウエハを劈開して形成されているので、劈開可能な程度の厚さを有している。ｎ型ＧａＡｓ基板３の厚さは１００μｍ以上２００μｍ以下であることが望ましい。例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板３は１００μｍの厚さを有する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板３は、活性層７よりも高いバンドギャップを有する。  
【００４３】
ｎ型下部クラッド層５は本実施形態における第１クラッド層である。ｎ型下部クラッド層５は下部クラッド光吸収層４及び第１下部クラッド光透過層５ａを含む。下部クラッド光吸収層４は本実施形態における第１光吸収層である。第１下部クラッド光透過層５ａは本実施形態における第１光透過層である。下部クラッド光吸収層４はｎ型ＧａＡｓ基板３上に設けられており、下部クラッド光吸収層４上に第１下部クラッド光透過層５ａが設けられている。
【００４４】
下部クラッド光吸収層４は本実施形態における第１光吸収層である。下部クラッド光吸収層４は、発振光を吸収しなければならないため、活性層７よりも低いバンドギャップの半導体層で構成される必要がある。ここで図３（岡安雅信、竹下達也、小暮攻、上原信吾、電子情報通信学会論文誌, C-I, vol. J73-C-I, No. 7, pp. 506-511より引用）を参照しつつ、ｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層が下部クラッド光吸収層４として用いられている場合を説明する。この場合、ＧａＩｎＡｓ下部クラッド光吸収層４は歪層のため臨界膜厚以下の薄膜であり、且つ隣接するｎ型ＧａＡｓ基板３及び第１下部クラッド光透過層５ａより低いバンドギャップであるため、量子井戸となる。図３においては、Ｉｎ組成比（横軸）の変化に対して、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層のバンドギャップ(図3ではバンドギャップに対応する、伝導帯と価電子帯のサブバンド準位間の遷移波長（バンドギャップ波長）で表示)が一定の値を維持するための、量子井戸厚(縦軸)の変化が、Ｑ１〜Ｑ６の実線で示されている。Ｑ１はバンドギャップ波長が０．９０μｍ、Ｑ２はバンドギャップ波長が０．９５μｍ、Ｑ３はバンドギャップ波長が１．００μｍ、Ｑ４はバンドギャップ波長が１．０５μｍ、Ｑ５はバンドギャップ波長が１．１０μｍ、及びＱ６はバンドギャップ波長が１．１５μｍである場合を示す。また、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層の臨界膜厚、すなわち歪応力による結晶劣化を生じない厚さの限界が、図３において破線で示される。下部クラッド光吸収層４としてｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層が用いられている場合、図３において、ＧａＩｎＡｓ半導体層のバンドギャップが活性層７のバンドギャップより小さく、つまりＧａＩｎＡｓ半導体層のバンドギャップ波長が半導体光素子１の発光（発振）波長より長く、且つＧａＩｎＡｓ半導体層の厚さが臨界膜厚以下となるようにＧａＩｎＡｓ半導体層の組成と厚さとが適宜選択される。
【００４５】
例えば、Ｉｎの組成比が０．２７であるｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層は、臨界膜厚の９３Å以下において、０．９８μｍより長いバンドギャップ波長となる厚さの領域が存在する。従って、半導体光素子１の発光（発振）波長が０．９８μｍである場合、下部クラッド光吸収層４として臨界膜厚である９３Å以下であり、且つ０．９８μｍより長いバンドギャップ波長となる厚さを有するＩｎの組成比が０．２７のｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層を下部クラッド光吸収層４として使用できる。また、Ｉｎの組成比が０．３７であるｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層は臨界膜厚の６３Å以下において０．９８μｍより長いバンドギャップ波長となる厚さの領域が存在する。従って、半導体光素子１の発光（発振）波長が０．９８μｍである場合、下部クラッド光吸収層４として臨界膜厚である６３Å以下であり、且つ０．９８μｍより長いバンドギャップ波長となる厚さを有するＩｎの組成比が０．３７のｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層が選択される。
【００４６】
また、下部クラッド光吸収層４にＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、またはＧａＮＡｓ等のＧａＡｓに格子整合しない材料が用いられる場合、後述する活性層７に用いられる場合と同様に、下部クラッド光吸収層４に必然的に歪みが加わる。しかし、下部クラッド光吸収層４は臨界膜厚より十分薄くても良いので、歪みによる結晶劣化は生じない。
【００４７】
ｐ型上部クラッド層１０は、本実施形態における第２クラッド層であり、後述する活性層７上に設けられている。ｐ型上部クラッド層１０は第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃを含む。第１上部クラッド光透過層１０ａは後述する活性層７上に設けられており、第２上部クラッド光透過層１０ｂは第１上部クラッド光透過層１０ａ上に設けられており、第３上部クラッド光透過層１０ｃは第２上部クラッド光透過層１０ｂ上に設けられている。第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０は発光波長に対して透明である。即ち、第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０は、発振光を吸収してはいけないので、活性層７よりも高いバンドギャップを有するものである必要がある。
【００４８】
例えば、第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０はＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰ等によって構成されている。これらの半導体材料は何れもＧａＡｓに格子整合するため、ｎ型ＧａＡｓ基板３上において良好な結晶成長が可能である。また、これらの半導体材料は、何れも高いバンドギャップエネルギーを有する材料である。例えば、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰは、組成に応じて１．９ｅＶ以上２．３ｅＶ以下の範囲のバンドギャップエネルギーを有する。また、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＡｓは、組成に応じて１．４２ｅＶ以上２．１６ｅＶ以下の範囲のバンドギャップエネルギーを有する。また、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＡｓＰは、組成に応じて１．４２ｅＶ以上１．９ｅＶ以下の範囲のバンドギャップエネルギーを有する。また、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰは、１．９ｅＶといった高いバンドギャップエネルギーを有する。第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０が、これらの半導体材料によって構成されることにより、活性層７とのバンドギャップ差を大きくすることができるため、活性層７へのキャリア閉じ込め作用を高めることができる。従って、レーザの発振特性や温度特性が改善される。
【００４９】
ｎ型下部クラッド層５における十分な光閉じ込めを可能とするため、第１下部クラッド光透過層５ａは、１．５μｍ以上２μｍ以下の厚さを有することが望ましい。例えば、第１下部クラッド光透過層５ａとして１．５μｍの厚さを有するＧａＩｎＰが選択される。
【００５０】
ｐ型上部クラッド層１０は、最下部に設けられた平坦な第１上部クラッド光透過層１０ａと、両側面がリッジ状に加工された第２上部クラッド光透過層１０ｂと、第２上部クラッド光透過層１０ｂ上に設けられた平坦部である第３上部クラッド光透過層１０ｃとを含む。第１上部クラッド光透過層１０ａと第２上部クラッド光透過層１０ｂとの間にはｐ型エッチング停止層９が設けられている。リッジ状の第２上部クラッド光透過層１０ｂの両側面がｎ型電流ブロック層１４で埋め込まれた、いわゆる埋め込みリッジ構造が形成されている。このリッジ構造によって第２上部クラッド光透過層１０ｂに電流が狭窄される。
【００５１】
第１上部クラッド光透過層１０ａの厚さに関しては、水平横モードにおける高次モードを抑制し、基本モードのみでの安定発振を得るため、例えば０．１μｍ以上０．６μｍ以下の範囲から最適な値が選択される。例えば、第１上部クラッド光透過層１０ａとして０．４μｍの厚さを有するＧａＩｎＰが選択される。
【００５２】
第２上部クラッド光透過層１０ｂ（リッジ部）上面とｎ型電流ブロック層１４上面とを同じ高さにして素子表面の平坦化を図るために、第２上部クラッド光透過層１０ｂの厚さはｎ型電流ブロック層１４の厚さと同等であることが望ましい。例えば、ｎ型電流ブロック層１４が０．４μｍの厚さを有する場合、第２上部クラッド光透過層１０ｂも０．４μｍの厚さを有することが好ましい。第２上部クラッド光透過層１０ｂとして、例えば厚さ０．４μｍのＧａＩｎＰ層を使用できる。
【００５３】
ｐ型上部クラッド層１０における十分な光閉じ込めを可能とするため、第３上部クラッド光透過層１０ｃは、例えば０．７μｍ以上１．２μｍ以下の厚さを有することが望ましい。例えば、第３上部クラッド光透過層１０ｃとして０．７μｍの厚さを有するＧａＩｎＰが選択される。なお本実施例では一例として、第１下部クラッド光透過層５ａ、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃは、互いに同一の組成からなる半導体層、つまりその構成元素とその元素組成比が同一の半導体層、で形成されている。
【００５４】
ｎ型電流ブロック層１４はｎ型にドープされており、ｎ型電流ブロック層１４と第１上部クラッド光透過層１０ａとの間にｐｎ接合が形成されている。これにより、本実施形態の半導体光素子１を順バイアス（ｐ型電極１７側を高電位とする)で動作させる際に、このｐｎ接合部分には自動的に逆バイアスが印加されて当該ｐｎ接合部分が高抵抗化する。したがって、ｎ型電流ブロック層１４に電流が流れにくくなるので、半導体光素子１に供給された電流は第２上部クラッド光透過層１０ｂ（リッジ部）へ効果的に狭窄される。
【００５５】
ｎ型電流ブロック層１４の構成材料としては、上述した第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０と同様の半導体材料が好適である。即ち、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ又はＧａＡｓ等といった高バンドギャップ材料がｎ型電流ブロック層１４として選択される。ここで、ｎ型電流ブロック層１４は、ｐ型上部クラッド層１０よりバンドギャップが高いことが好ましい。これにより、ｎ型電流ブロック層１４とｐ型上部クラッド層１０とのバンドギャップ差に起因してこれらの層同士の界面にヘテロ障壁が生じる。従って、ｎ型電流ブロック層１４への電流の漏洩がより低減されるので、第２上部クラッド光透過層１０ｂへの電流閉じ込め作用を高めることができる。また、ｎ型電流ブロック層１４のバンドギャップがｐ型上部クラッド層１０より高い場合、第２上部クラッド光透過層１０ｂの屈折率がｎ型電流ブロック層１４の屈折率より高くなるので、第２上部クラッド光透過層１０ｂが存在する半導体光素子１の中央部への光の閉じ込め作用も高めることができる。その結果、誘導放出が効率よく生じ、発振特性の改善を図ることができる。なお、ｎ型電流ブロック層１４のバンドギャップは、ｐ型上部クラッド層１０のバンドギャップと同等か又は低くてもよく、このような場合でもレーザ発振は可能である。
【００５６】
ｎ型電流ブロック層１４としては例えばＡｌＧａＩｎＰが用いられる。ｎ型電流ブロック層１４は、０．３μｍ以上の厚さを有することが望ましい。これにより、電流を効果的にブロックし、リッジ部（第２上部クラッド光透過層１０ｂ）への十分な電流狭窄を行うことができる。この場合におけるｎ型電流ブロック層１４の好適な厚さは、例えば０．４μｍである。
【００５７】
ｎ型電流ブロック層１４による電流狭窄幅（図２に示すＷ）は、１μｍ以上５μｍ以下であることが好適である。これにより、水平横モードにおいて、高次モードを抑制して基本モードのみでの安定発振を好適に得ることができる。電流狭窄幅Ｗの好適な値は、例えば３μｍである。
【００５８】
本実施形態のようなリッジ構造において、第１上部クラッド光透過層１０ａの厚さは、半導体光素子１の特性を決定する重要な一要因である。したがって、レーザ特性の均一性や再現性確保の為には、第１上部クラッド光透過層１０ａの厚さを高精度に制御することが好ましい。そこで、本実施形態の第２上部クラッド光透過層１０ｂと第１上部クラッド光透過層１０ａとの間には、ｐ型エッチング停止層９が設けられている。ｐ型エッチング停止層９は、ｐ型上部クラッド層１０と比較して、クラッド層のエッチャント（例えば塩酸系エッチャント）に対するエッチングレートが十分に小さい。すなわち、ｐ型エッチング停止層９の構成材料としてｐ型上部クラッド層１０に対し高いエッチング選択比を有する材料が選択される。例えば、ｐ型上部クラッド層１０がＡｌＧａＩｎＰやＧａＩｎＰから構成され、ｐ型上部クラッド層１０のエッチャントとして例えば塩酸を用いる場合には、ｐ型エッチング停止層９の構成材料として、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰが選択される。また、ｐ型上部クラッド層１０がＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成され、ｐ型上部クラッド層１０のエッチャントとして例えば燐酸を用いる場合には、ｐ型エッチング停止層９として、例えばＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰが選択される。なお、本実施形態においてｐ型エッチング停止層９は必須の構成要素ではなく、ｐ型エッチング停止層９がなくてもｐ型上部クラッド層１０に対し高精度なエッチングが可能である場合、ｐ型エッチング停止層９を省略してもよい。
【００５９】
半導体光素子１がｐ型エッチング停止層９を備える場合、素子抵抗や熱抵抗の増加を抑えるために、エッチング停止作用が得られる範囲で、ｐ型エッチング停止層９は可能な限り薄いことが好適である。例えば、ｐ型エッチング停止層９は５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さを有するとよい。好適な例としては、ｐ型エッチング停止層９として１５ｎｍの厚さを有するＧａＡｓが選択される。
【００６０】
活性層７はｎ型下部クラッド層５上に設けられている。活性層７は、例えば単一または多重の量子井戸層から構成されている。０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光に対応するバンドギャップを有するように、活性層７の組成や量子井戸層の厚さは調整される。上記発光波長帯域での発振光が得られる活性層７の材料としてＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓＰが一般的であるが、これらの半導体材料に限定されない。例えば、活性層７がＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓといったＧａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族半導体材料によって構成されていることも可能である。これらＧａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII−Ｖ族半導体材料の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と同じか、又はＧａＡｓの格子定数と近い値に設定される。従って、ｎ型ＧａＡｓ基板３上における良好な結晶成長が可能である。
【００６１】
活性層７にＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰを用いる場合、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長を得るためには、ＧａＡｓに比べて格子定数が大となる元素組成比を用いる必要がある。従ってｎ型ＧａＡｓ基板３上にこれらの半導体材料が成長されている場合、活性層７は、圧縮歪みが加わる。また、ＧａＮＡｓはＧａＡｓに比べて格子定数が小さい為、ｎ型ＧａＡｓ基板３上に活性層７としてＧａＮＡｓが成長されている場合、活性層７は引っ張り歪みが加わる。活性層７に加わるこれらの歪応力が過剰になると、歪応力に起因するミスフィット転位等の欠陥が活性層７に生ずるため、活性層７の厚さは、歪応力による欠陥を生じない限界膜厚以下、即ち臨界膜厚以下である必要がある。通常、活性層７を構成する量子井戸層の厚さは臨界膜厚より十分薄いため、上述したように歪みが加わる半導体材料を用いても、良好な結晶性が維持される。
【００６２】
三元半導体であるＧａＩｎＡｓやＧａＮＡｓによって活性層７が構成されている場合、或るレーザ波長に対応する組成比は一つに定まる。従って、活性層７の歪み量も或る特定の大きさに決定される。これに対し、四元半導体であるＧａＩｎＡｓＰによって活性層７が構成されている場合、所望の発光波長を実現するための組成比の選択可能範囲が広いので、活性層７の歪み量も広範囲の中から選択され得る。従って、必要な用途に応じて最適な特性が得られるような歪み量となるように活性層７の組成比を選択でき、活性層７に関する光導波構造設計の自由度が増す。
【００６３】
活性層７がＧａＩｎＮＡｓから構成されている場合、ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓとの格子整合が可能なので、活性層７の歪み量をゼロに近づけることができる。従って、活性層７の厚さの制限はなく、活性層７を任意の厚さとすることができる。この場合、例えば活性層７として厚膜のバルク半導体層も選択できる。
【００６４】
なお、活性層７がＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓから構成されている場合、Ｓｂ及びＰのうち一方または双方を活性層７は更に有しても良い。活性層７にＳｂが添加されている場合、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次元成長を低減してこれらの半導体の結晶性を改善する効果をもたらす。また、活性層７にＰが添加されている場合、Ｐは、ＧａＮＡｓやＧａＩｎＮＡｓの局所的な結晶歪みを低減して結晶性及び信頼性の改善に寄与し、また、結晶成長時における結晶へのＮの取り込み量の増大にも寄与する。ＳｂやＰを含む活性層７の具体的な組成として、例えばＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、及びＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等が挙げられる。これらの半導体材料の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と同じであるか、或いはＧａＡｓの格子定数に近い値に設定されることが可能である。従って、これらの半導体材料が活性層７に用いられている場合、ｎ型ＧａＡｓ基板３上における良好な結晶成長が可能である。
【００６５】
活性層７の一例として、０．９８μｍの発光波長に対応するバンドギャップを有するＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層が挙げられる。この場合、活性層７は圧縮歪みを有することとなるので、活性層７の厚さは、臨界膜厚以下である数ｎｍ以上十数ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、活性層７は８ｎｍの厚さを有する。
【００６６】
半導体光素子1が０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光(発振)波長を有する場合、下部クラッド光吸収層４は、活性層７より低いバンドギャップを有し、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の範囲の発振光を吸収できる半導体層で構成される。一例としては、前述の活性層７に使用可能なＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ、或いはＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓといった、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII-V族半導体材料を、この層に用いることが出来る。但し、これらの層は活性層より低いバンドギャップを有し、発振光を吸収できる層となるよう、予め組成や厚さを調整しておく必要がある。
【００６７】
下部光閉じ込め層６はｎ型下部クラッド層５と活性層７との間に設けられている。また、上部光閉じ込め層８はｐ型上部クラッド層１０と活性層７との間に設けられている。下部光閉じ込め層６及び上部光閉じ込め層８の構成材料として、第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０と同様、ＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ又はＧａＡｓ等が挙げられる。ここで、下部光閉じ込め層６は、第１下部クラッド光透過層５ａと活性層７との間のバンドギャップを有する材料から構成されていることが望ましい。また、上部光閉じ込め層８は、ｐ型上部クラッド層１０と活性層７との間のバンドギャップを有する材料を含むことが望ましい。これにより、ｐ型上部クラッド層１０及びｎ型下部クラッド層５から注入されたキャリアは、ｐ型上部クラッド層１０及びｎ型下部クラッド層５と光閉じ込め層６，８との間、又は活性層７と光閉じ込め層６，８との間に形成されているヘテロ障壁によって阻止されること無く、活性層７へ効率よく注入される。
【００６８】
下部光閉じ込め層６及び上部光閉じ込め層８に上記バンドギャップ条件を満たす材料が含まれている場合、下部クラッド光吸収層４を除いた各半導体層５〜１０の中で活性層７の屈折率が最も大きくなり、光閉じ込め層６，８、ｐ型上部クラッド層１０及びｎ型下部クラッド層５と活性層７から離れるに従って屈折率が順次低くなる。このような構成によって、第１下部クラッド光透過層５ａ及びｐ型上部クラッド層１０は、活性層７において発生した光を活性層７、下部光閉じ込め層６、及び上部光閉じ込め層８に閉じ込めるように働くので、活性層７における光の閉じ込め作用が高められる。
【００６９】
下部光閉じ込め層６がＧａＩｎＡｓＰから構成されている場合、このＧａＩｎＡｓＰの組成比は、そのバンドギャップが第１下部クラッド光透過層５ａと活性層７との間の値となるように調整される。そして、活性層７における十分な光閉じ込め作用を実現するために、下部光閉じ込め層６の厚さは、数十ｎｍ以上数百ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、下部光閉じ込め層６は４７ｎｍの厚さを有する。
【００７０】
上部光閉じ込め層８がＧａＩｎＡｓＰから構成されている場合も上記と同様であり、ＧａＩｎＡｓＰの組成比は、そのバンドギャップがｐ型上部クラッド層１０と活性層７との間の値となるように調整されている。そして、活性層７における十分な光閉じ込めを実現するために、上部光閉じ込め層８の厚さは数十ｎｍ以上数百ｎｍ以下であることが望ましい。例えば、上部光閉じ込め層８は４７ｎｍの厚さを有する。
【００７１】
上述したような下部光閉じ込め層６及び上部光閉じ込め層８が活性層７の上下に設けられていることによって、活性層７へのキャリア注入が阻害されることなく活性層７への光の閉じ込めが高められるので、発振特性や温度特性が改善される。特に、活性層７が比較的薄い量子井戸構造である場合、このような効果が顕著となる。なお、本実施形態の半導体光素子１において下部光閉じ込め層６及び上部光閉じ込め層８は必須の構成要素ではなく、発振に必要な光閉じ込めが活性層７のみによって得られている場合、下部光閉じ込め層６及び上部光閉じ込め層８は省略されていてもよい。
【００７２】
ｐ型コンタクト層１５はｐ型上部クラッド層１０上に設けられている。ｐ型コンタクト層１５はｐ型電極１７とのオーミックコンタクトのために設けられている。ｐ型コンタクト層１５の構成材料として、ｐ型電極１７とのオーミックコンタクトが形成され易いＧａＡｓ等の低バンドギャップ材料が好適である。ｐ型コンタクト層１５の厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが望ましい。例えば、ｐ型コンタクト層１５は０．２μｍの厚さを有する。また、絶縁膜１６は、リッジ部（第２上部クラッド光透過層１０ｂ）への電流狭窄をより高めるためにｐ型コンタクト層１５上に設けられており、リッジ部上に相当する部分に開口を有する。本実施形態において、絶縁膜１６は、必須の構成要素ではなく、必要に応じて省略されることができる。絶縁膜１６の構成材料として、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等の誘電体膜が好適である。ｎ型電極２及びｐ型電極１７は給電用の電極である。ｐ型電極１７はｐ型コンタクト層１５上に設けられており、ｎ型電極２はｎ型ＧａＡｓ基板３の裏面上に設けられている。
【００７３】
図１の矢印Ｃに示すように、半導体光素子１に電流を注入すると、活性層７は発光して、活性層７を導波する光が生じる。しかし、この導波光は、活性層７のみには閉じ込められず、ｎ型下部クラッド層５からｐ型上部クラッド層１０に亘って拡がりつつ導波する。なお、図１の矢印Ｆは半導体光素子１のレーザ光出射端面を表す。従来の半導体光素子のように下部クラッド光吸収層４が設けられていないと仮定すると、図２の範囲Ｄに示すように、ｎ型下部クラッド層５に拡がった導波光は、ｎ型ＧａＡｓ基板３内にまで侵入して分布する。その結果、前述したような基板モードが励振され、この基板モードと本来の導波モードとが共鳴結合して外乱を与えるので、発光（発振）波長の変動（モードホップ）といった特性劣化が生じてしまう。
【００７４】
これに対し、本実施形態に係る半導体光素子１においては、ｎ型ＧａＡｓ基板３上に下部クラッド光吸収層４が設けられている。従って、図２の範囲Ｅ１に示すように、たとえ導波光がｎ型下部クラッド層５の最下端にまで達したとしても、その導波光は、下部クラッド光吸収層４において吸収されるので、ｎ型ＧａＡｓ基板３への導波光の漏れは低減される。よって、基板モードの励振が抑制され、これに起因する発光（発振）波長の不安定化といったレーザの特性劣化を回避することができる。このように、本実施形態の半導体光素子１によれば、ｎ型ＧａＡｓ基板３上に設けられている下部クラッド光吸収層４によって、特許文献２の構造と比べて基板モードの影響を一層低減することが可能となり、レーザ特性を向上できる。
【００７５】
本実施形態に係る半導体光素子１において、下部クラッド光吸収層４はｎ型ＧａＡｓ基板３と第１下部クラッド光透過層５ａとの間に設けられている。つまり、下部クラッド光吸収層４を他の半導体層（下部クラッド光透過層５ａ、半導体層７、及びｐ型上部クラッド層１０等）と共に一括してエピタキシャル成長させることが可能であり、特許文献２の構造と比較して、製造工程数の増加を抑えることができる。
【００７６】
なお、従来の半導体光素子において、下部クラッド層からＧａＡｓ基板へ漏れる導波光量は導波光全体のうち極僅かである。この僅かな光の漏れが基板モードを励振する。従って、基板モード抑制のために、下部クラッド光吸収層４において吸収されるべき導波光の量は微小でよく、従ってｎ型下部クラッド層５が下部クラッド光吸収層４を含んでも、導波光が被る吸収損は従来の半導体光素子と比べて殆ど変わらない。逆に言えば、下部クラッド光吸収層４の付加に起因するレーザ特性の劣化を最小限とするためには、下部クラッド光吸収層４における導波光の吸収量が、ｎ型ＧａＡｓ基板３側への光の漏れを防止するのに必要最小限な量となるように、下部クラッド光吸収層４の組成や厚さ、及びｎ型下部クラッド層５中の位置を最適化することが好適である。
【００７７】
次に、図４〜図６を参照しつつ、図２に示される半導体光素子１の製造工程について説明する。まず図４（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板３上に、下部クラッド光吸収層４、第１下部クラッド光透過層５ａ、下部光閉じ込め層６、活性層７、上部光閉じ込め層８、第１上部クラッド光透過層１０ａ、ｐ型中間層（エッチング停止層）９、及び第２上部クラッド光透過層１０ｂをこの順にエピタキシャル成長させる。これらの半導体層の成長には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）成長装置や有機金属気相成長（ＯＭＶＰＥ）装置等の一般的な半導体結晶成長装置を使用することが可能である。次に、第２上部クラッド光透過層１０ｂ表面の所定領域に、マスク２０をパターニングし、マスク２０を介して第２上部クラッド光透過層１０ｂをリッジ状にエッチングする。
【００７８】
マスク２０としてＳｉＮやＳｉＯ２等の誘電体膜が用いられる。第２上部クラッド光透過層１０ｂをエッチングする方法として、加工によるダメージの少ないエッチャントを用いたウェットエッチングが好適である。
【００７９】
ここで例えば、第２上部クラッド光透過層１０ｂがＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰから構成される場合、ｐ型中間層９をＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成し、且つ塩酸系エッチャントを用いることにより、第２上部クラッド光透過層１０ｂに対してｐ型中間層９のエッチングレートを充分に小さくすることができるので、ｐ型中間層９をエッチング停止層として機能させることが出来る。従って、第２上部クラッド光透過層１０ｂに対するエッチングレートが製造毎またはウェハ面内でばらついたとしても、エッチングがｐ型エッチング停止層９に達すると実質的にエッチングは停止し、図４（ｂ）のような構造が形成される。従って、第１上部クラッド光透過層１０ａの厚さに関して良好な再現性および面内均一性が達成され、その結果レーザ特性の再現性や均一性も確保される。また、第２上部クラッド光透過層１０ｂがＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成される場合、ｐ型中間層９はＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰから構成され、燐酸系エッチャントが用いられる。これにより、第２上部クラッド光透過層１０ｂに対してｐ型中間層９のエッチングレートを充分に小さくすることができるので、ｐ型中間層９をエッチング停止層として機能させることが出来る。なお、図４（ｂ）では逆メサ型のリッジを図示しているが、これに限られるものではない。マスク形成の面方位やエッチング液の変更により、他形状のメサの形成も可能である。
【００８０】
ｐ型エッチング停止層９は、素子全域に残存しても良く、リッジ部以外の領域に設けられた部分を必要に応じてエッチング除去しても良い。本実施形態では図５（ａ）に示すように、ｐ型エッチング停止層９のうちリッジ部以外の領域に設けられた部分を除去する場合を示す。このようにｐ型エッチング停止層９の一部をエッチング除去する場合、第２上部クラッド光透過層１０ｂのエッチングとは逆に、下地の第１上部クラッド光透過層１０ａにおいてエッチングが停止するようにエッチャントが適宜選択される。この場合、第１上部クラッド光透過層１０ａは殆どエッチングされないので、第１上部クラッド光透過層１０ａの厚さに関して良好な再現性及び面内均一性が確保される。具体例としては、第１上部クラッド光透過層１０ａをＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰから構成し、ｐ型エッチング停止層９をＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成する場合、燐酸系エッチャントを用いることによって、第１上部クラッド光透過層１０ａにおいてエッチングを停止させ得る。また、第１上部クラッド光透過層１０ａをＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰから構成し、ｐ型エッチング停止層９をＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰから構成する場合、塩酸系エッチャントを用いることによって、第１上部クラッド光透過層１０ａにおいてエッチングを停止させ得る。
【００８１】
ｐ型エッチング停止層９がリッジ部のみに存在する場合、ｐ型エッチング停止層９の材料特性を調整することによりレーザ特性を改善できる。例えば、ｐ型エッチング停止層９の構成材料としてｎ型電流ブロック層１４より高屈折率の材料を用いることにより、リッジ部が設けられた中央部の実効屈折率をその両側のｎ型電流ブロック層１４が存在する領域の実効屈折率より高くすることができる。これによって、発振光を半導体光素子１の中央部に更に強く閉じ込めることができ発振特性を更に改善できる。例えば、ｐ型上部クラッド層１０とｎ型電流ブロック層１４とがＧａＩｎＰから構成される場合、ｐ型エッチング停止層９はＧａＩｎＰより高屈折率のＧａＡｓを有することが好適である。
【００８２】
その後、図５（ｂ）に示すように、マスク２０を残存させた状態でｎ型電流ブロック層１４を成長させる。このとき、マスク２０上において結晶は成長しないので、リッジ部（第２上部クラッド光透過層１０ｂ）の両側にｎ型電流ブロック層１４が埋め込まれた埋め込みリッジ構造が得られる。
【００８３】
続いて、マスク２０を除去し、さらに図６（ａ）に示すように、第３上部クラッド光透過層１０ｃ及びｐ型コンタクト層１５を成長し、さらに絶縁膜１６を形成する。
【００８４】
最後に、研磨等によりｎ型ＧａＡｓ基板３を劈開可能な厚さ（１００μｍ以上２００μｍ以下、又は１００μｍ以下）まで薄くした後、図６（ｂ）に示すように、蒸着やスパッタといった方法によりｎ型電極２及びｐ型電極１７を形成して、図２に示した埋め込みリッジ型のレーザである半導体光素子１は完成する。このように、本実施形態に係る半導体光素子１によれば、下部クラッド光吸収層４を他の半導体層（第１下部クラッド光透過層５ａ、活性層７、及びｐ型上部クラッド層１０等）と共に一括してエピタキシャル成長させることが可能なので、特許文献２の構造と比較して、製造工程数の増加を抑えることができる。
【００８５】
なお、半導体光素子１におけるリッジ構造は上記構成に限定されず、電流狭窄可能な任意の構造を選択できる。例えば、図７に示す半導体光素子７１のように、第３上部クラッド光透過層１０ｃを半導体光素子１の構成から除き、リッジ形状の第２上部クラッド光透過層１０ｂ及びリッジ形状にエッチングされたｐ型コンタクト層１５の両側がｎ型電流ブロック層１４で埋め込まれた構造としてもよい。本構造では、第１上部クラッド光透過層１０aと第２上部クラッド光透過層１０ｂにより、ｐ型上部クラッド層７０が構成される。このような構成を有する半導体光素子７１を作製する場合、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型下部クラッド層５からｐ型コンタクト層１５までの各半導体層を一括してエピタキシャル成長させた後、第２上部クラッド光透過層１０ｂ及びｐ型コンタクト層１５をエッチングしてリッジ状に成形し、その後ｎ型電流ブロック層１４を形成するとよい。したがって、図１の半導体光素子１では３回の成長工程が必要なのに対し、半導体の成長工程を２回で済ませることができ、製造工程が簡素化できる。本実施例では一例として、第１上部クラッド光透過層１０ａと第２上部クラッド光透過層１０ｂは、互いに構成元素とその元素組成比が同一の半導体材料で形成されている。
【００８６】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る半導体光素子８１を示す断面図である。この第２実施形態が第１実施形態と違う点は、第１実施形態で説明したｎ型下部クラッド層５の厚さ方向における下部クラッド光吸収層４の形成位置と、この第２実施形態のｎ型下部クラッド層８０の厚さ方向における下部クラッド光吸収層４の形成位置とが、互いに異なる点である。
【００８７】
図８に示すように、半導体光素子８１は、第１下部クラッド光透過層５ａと、下部クラッド光吸収層４と、第２下部クラッド光透過層５ｂとを含むｎ型下部クラッド層８０を備える。第２下部クラッド光透過層５ｂはｎ型ＧａＡｓ基板３上に設けられており、下部クラッド光吸収層４は第２下部クラッド光透過層５ｂ上に設けられており、第１下部クラッド光透過層５ａは下部クラッド光吸収層４上に設けられている。第２下部クラッド光透過層５ｂは本実施形態における第２光透過層である。また、下部クラッド光吸収層４はｎ型下部クラッド層８０中の厚さ方向における任意の位置に設けられることができる。この際、基板モードの励振を抑制するのに導波光の吸収量が必要最小限となるよう、下部クラッド光吸収層４の形成される位置が最適化されることが好適である。
【００８８】
第２下部クラッド光透過層５ｂは発振波長に対して透明である。即ち、第２下部クラッド光透過層５ｂは発振光を吸収してはいけないので、第２下部クラッド光透過層５ｂは活性層７よりも高バンドギャップを有する必要がある。第２下部クラッド光透過層５ｂには、実施例1に示した、第１下部クラッド光透過層５ａに使用可能な半導体材料と同じものを用いることが出来る。本実施例では一例として、第２下部クラッド光透過層５ｂの半導体材料の構成元素、及び元素組成比は第１下部クラッド光透過層５ａの半導体材料と同一である。また本実施例では一例として、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃは、互いに構成元素とその元素組成比が同一の半導体材料で形成されている。
【００８９】
従来の半導体光素子のように下部クラッド光吸収層４が設けられていないと仮定すると、図８の範囲Ｄに示すように、ｎ型下部クラッド層８０に拡がった導波光は、ｎ型ＧａＡｓ基板３内にまで侵入して分布する。その結果、前述したような基板モードが励振され、この基板モードと本来の導波モードとが共鳴結合して外乱を与えるので、発振（発光）波長の変動（モードホップ）といった特性劣化が生じてしまう。
【００９０】
これに対し本実施形態に係る半導体光素子８１においては、ｎ型下部クラッド層８０に下部クラッド光吸収層４が設けられている。従って、図８の範囲Ｅ２に示すように、導波光は下部クラッド光吸収層４において吸収されるので、ｎ型下部クラッド層８０からｎ型ＧａＡｓ基板３への導波光の漏れは低減される。よって、基板モードの励振が回避され、これに起因する発振（発光）波長の不安定化といったレーザの特性劣化を低減することができる。このように本実施形態の半導体光素子８１によれば、ｎ型下部クラッド層８０中に設けられている下部クラッド光吸収層４によって、特許文献２の構造と比べて基板モードの影響をより低減することが可能となり、レーザ特性を向上できる。
【００９１】
本実施形態に係る半導体光素子８１において、下部クラッド光吸収層４は第１、及び第２の下部クラッド光透過層５ａと５ｂの間に設けられている。よって、第１実施形態と同様に下部クラッド光吸収層４を他の半導体層と共に一括してエピタキシャル成長させることが可能であり、製造工程数の増加を抑えることができる。
【００９２】
なお、従来の半導体光素子において下部クラッド層からＧａＡｓ基板へ漏れる導波光量は導波光全体のうち極僅かであり、この僅かな光の漏れが基板モードを励振する。従って、基板モード抑制のために、下部クラッド光吸収層４において吸収されるべき導波光の量は微小でよく、従ってｎ型下部クラッド層８０が下部クラッド光吸収層４を含んでも、導波光が被る吸収損は従来の半導体光素子と比べて殆ど変わらない。逆に言えば、下部クラッド光吸収層４の付加に起因するレーザ特性の劣化を最小限とするためには、下部クラッド光吸収層４における導波光の吸収量が、ｎ型ＧａＡｓ基板３側への光の漏れを低減するのに必要最小限な量となるように下部クラッド光吸収層４の組成や厚さ、及びｎ型下部クラッド層８０中の位置が最適化されることが好適である。
【００９３】
（第３実施形態）
図９は、本実施形態に係る半導体光素子９１を示す断面図である。本実施形態では、第２実施形態に係る半導体光素子８１のｐ型上部クラッド層１０の代わりに、ｐ型上部クラッド層９０を半導体光素子が有する場合を説明する。
【００９４】
図９に示すように、ｐ型上部クラッド層９０は、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、上部クラッド光吸収層１００、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄを含む。第１上部クラッド光透過層１０ａ上に、エッチング停止層９を挟んで第２上部クラッド光透過層１０ｂが設けられており、第２上部クラッド光透過層１０ｂ上に第３上部クラッド光透過層１０ｃが設けられており、第３上部クラッド光透過層１０ｃ上に上部クラッド光吸収層１００が設けられており、上部クラッド光吸収層１００上に第４上部クラッド光透過層１０ｄが設けられている。
【００９５】
ｐ型上部クラッド層９０は本実施形態における第２クラッド層である。第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、又は第３上部クラッド光透過層１０ｃは本実施形態における第３光透過層であり、第４上部クラッド光透過層１０ｄは本実施形態における第４光透過層である。上部クラッド光吸収層１００は本実施形態における第３光吸収層である。すなわち、第３光透過層と第４光透過層との間に第３光吸収層が設けられている。
【００９６】
第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄは発光波長の光に対して透明である。即ち、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄは活性層７より高いバンドギャップを有する。
【００９７】
上部クラッド光吸収層１００は、活性層７で生じｐ型上部クラッド層９０へ拡がった発振光を吸収する。即ち、上部クラッド光吸収層１００は、活性層７より低いバンドギャップを有する。
【００９８】
上部クラッド光吸収層１００に用いられる材料として、第１実施形態において説明した下部クラッド光吸収層４に使用可能な材料と同じものが用いられる。また、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄに用いられる材料として、第１実施形態において説明した第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃに使用可能な材料と同じものが用いられる。本実施例では一例として、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄは、互いに構成元素とその元素組成比が同一の半導体材料で形成されている。
【００９９】
以下、上部クラッド光吸収層１００の機能を説明する。ｐ型コンタクト層１５の材料として一般に用いられるＧａＡｓは、ｐ型上部クラッド層１０よりも高屈折率を有する。またｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５はｎ型ＧａＡｓ基板３の場合と同様に、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光に対して透明である。従って第１実施形態で説明したｎ型ＧａＡｓ基板３の場合と同様に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５は０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光に対して導波路と成る。そのため、ｐ型コンタクト層１５へｐ型上部クラッド層９０から光が漏れ出ると、ｐ型コンタクト層１５を導波する固有のモードが形成される。この固有のモードは活性層７の本来の導波モードと結合してしまう恐れがある。従って、基板モードが導波モードに結合した場合と同様に、レーザ特性の劣化を招く可能性がある。
【０１００】
これに対し、本実施形態の半導体光素子９１では、ｐ型上部クラッド層９０中に上部クラッド光吸収層１００が設けられているので、活性層７で生じｐ型上部クラッド層９０へ拡がった導波光は上部クラッド光吸収層１００において吸収される。従って、ｐ型上部クラッド層９０中における導波光の拡がりは弱められる。その結果、導波光はｐ型コンタクト層１５に到達するまでに減衰し、ｐ型コンタクト層１５側へ漏れ出ない。従って、ｐ型コンタクト層１５への導波光の漏れに起因する導波モードの励振は抑制され、これによるレーザの特性劣化が回避される。
【０１０１】
また、従来の半導体光素子において、ｐ型上部クラッド層９０からｐ型コンタクト層１５側へ漏れる導波光の量は全体の極僅かである。この僅かな光の漏れがコンタクト層に起因する導波モードを励振する。従って、この導波モードを抑制するために、上部クラッド光吸収層１００において吸収されるべき導波光量は微小でよい。従って、ｐ型上部クラッド層９０が上部クラッド光吸収層１００を含んでも、導波光が被る吸収損は従来の半導体光素子と比べて殆ど変わらない。逆に言えば、上部クラッド光吸収層１００の付加に起因するレーザ特性の劣化を最小限とするためには、上部クラッド光吸収層１００における導波光の吸収量が、ｐ型コンタクト層１５側への光の漏れを防止するのに必要最小限な量となるように、上部クラッド光吸収層１００の組成や厚さ、又はｐ型上部クラッド層９０における上部クラッド光吸収層１００の形成位置を最適化することが好適である。
【０１０２】
更に、上部クラッド光吸収層１００はｐ型コンタクト層１５、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄ等と共に一括してエピタキシャル成長させることが出来るため、製造工程数の増加を抑えることが可能となる。
【０１０３】
半導体光素子１が０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光(発振)波長を有する場合、上部クラッド光吸収層１００は、活性層７より低いバンドギャップを有し、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の範囲の発振光を吸収できる半導体層で構成される。一例としては、前述の活性層７に使用可能なＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ、或いはＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓといった、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII-V族半導体材料を、この層に用いることが出来る。但し、これらの層は活性層より低いバンドギャップを有し、発振光を吸収できる層となるよう、予め組成や厚さを調整しておく必要がある。
【０１０４】
なお、本実施形態では、上部クラッド光吸収層１００が第３上部クラッド光透過層１０ｃと第４上部クラッド光透過層１０ｄとの間に設けられている構造を示した。しかしこの構造に限定されず、上部クラッド光吸収層１００はｐ型上部クラッド層９０中の厚さ方向における任意の位置に設けることができる。
【０１０５】
図８において、ｎ型下部クラッド層８０の第１下部クラッド光透過層５ａ及び第２下部クラッド光透過層５ｂが互いに同一の構成元素、及び元素組成比の半導体材料で構成されている例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、ｎ型下部クラッド層８０の第１下部クラッド光透過層５ａ及び第２下部クラッド光透過層５ｂが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。例えば、図８の半導体光素子８１において、第２下部クラッド光透過層５ｂは第１下部クラッド光透過層５ａより低屈折率の材料から構成されても良い。この場合、第１下部クラッド光透過層５ａ及び第２下部クラッド光透過層５ｂの屈折率分布に起因してｎ型下部クラッド層８０中の光の閉じ込めが強化されるという効果を生じる。従って、第１下部クラッド光透過層５ａ及び第２下部クラッド光透過層５ｂが互いに同一の構成元素、及び同一の元素組成比の半導体材料で構成されている場合に比べて、ｎ型下部クラッド層８０における導波光の拡がりを更に低減可能となる。
【０１０６】
また、図２及び図８においては、ｐ型上部クラッド層１０の第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃが互いに構成元素とその元素組成比が同一な半導体材料で構成されている半導体光素子１，８１の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、ｐ型上部クラッド層１０の第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。
【０１０７】
さらに、図７において、ｐ型上部クラッド層７０の第１上部クラッド光透過層１０ａ及び第２上部クラッド光透過層１０ｂが互いに構成元素とその元素組成比が同一な半導体材料で構成されている半導体光素子７１の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、ｐ型上部クラッド層７０の第１上部クラッド光透過層１０ａ及び第２上部クラッド光透過層１０ｂが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。
【０１０８】
また、図９において、ｐ型上部クラッド層９０の第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄが互いに構成元素とその元素組成比が同一な半導体材料で構成されている半導体光素子９１の例を示した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、ｐ型上部クラッド層９０の第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃと、第４上部クラッド光透過層１０ｄとが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されていても良い。
【０１０９】
例えば、第４上部クラッド光透過層１０ｄが、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃより低屈折率の材料によって構成されている場合も、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄの屈折率分布に起因して、ｐ型上部クラッド層９０中の光の閉じ込めが強化される。従って、第１、第２、第３、第４の上部クラッド光透過層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが、互いに同一の構成元素及び同一の元素組成比の半導体材料で構成されている場合に比べて、ｐ型上部クラッド層９０中における導波光の拡がりがより低減されコンタクト層側への導波光の漏れを防ぐことがより容易となる。従って、コンタクト層に起因する導波モードの励振をより効果的に低減可能となる。
【０１１０】
このような構成を実現可能な材料の具体例を説明する。例えば、第１下部クラッド光透過層５ａがＧａＩｎＰから構成される場合、第２下部クラッド光透過層５ｂはＧａＩｎＰより低屈折率のＡｌＧａＩｎＰから構成されると良い。また、第１下部クラッド光透過層５ａがＡｌＧａＡｓから構成される場合、第２下部クラッド光透過層５ｂは、第１下部クラッド光透過層５ａであるＡｌＧａＡｓよりＡｌの組成が大きく、従って、第１下部クラッド光透過層５ａであるＡｌＧａＡｓより低屈折率となるＡｌＧａＡｓから構成されると良い。また、ｐ型上部クラッド層９０において、第４上部クラッド光透過層１０ｄが低屈折率材料から構成され、第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃが高屈折率材料から構成される構造も、例えばｎ型下部クラッド層５の第１下部クラッド光透過層５ａ及び第２下部クラッド光透過層５ｂにおける上記材料によって実現可能である。
【０１１１】
以上の説明から判るように、ｎ型下部クラッド層８０の第１下部クラッド光透過層５ａ及び第２下部クラッド光透過層５ｂが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、ｐ型上部クラッド層１０の第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、及び第３上部クラッド光透過層１０ｃが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、ｐ型上部クラッド層７０の第１上部クラッド光透過層１０ａ及び第２上部クラッド光透過層１０ｂが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、又はｐ型上部クラッド層９０の第１上部クラッド光透過層１０ａ、第２上部クラッド光透過層１０ｂ、第３上部クラッド光透過層１０ｃ、及び第４上部クラッド光透過層１０ｄが互いに異なる構成元素、または異なる元素組成比の半導体材料で構成されている場合、基板モードやコンタクト層に起因する導波モードを低減するための光導波構造設計の自由度は更に増し、構造最適化がより容易となる。
【０１１２】
また、各実施形態で説明したｎ型下部クラッド層５，８０の下部クラッド光吸収層４、又はｐ型上部クラッド層９０の上部クラッド光吸収層１００は、単層膜に限らず、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光を吸収可能な任意の多層膜構造であっても良い。例えば、２種類以上のバンドギャップの互いに異なる数ｎｍの厚さを有する半導体層を交互に、且つ周期的に多数積層した超格子構造が下部クラッド光吸収層４又は上部クラッド光吸収層１００として用いられても良い。具体的には、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓの組合せから成る超格子層は、ＧａＩｎＡｓから成る単層膜と同等のバンドギャップを有し、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長の光を吸収できる。よって、ＧａＩｎＡｓから成る単層膜と同様に０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光に対し、下部クラッド光吸収層４及び上部クラッド光吸収層１００は、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓの組合せから成る超格子層を有しても良い。
【０１１３】
また、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＰの組合せから成る超格子層やＧａＡｓＰ及びＩｎＡｓＰの組合せから成る超格子層は、ＧａＩｎＡｓＰから成る単層膜と同等のバンドギャップを有する。また、ＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＮの組合せから成る超格子層やＧａＮＡｓ及びＩｎＮＡｓの組合せから成る超格子層は、ＧａＩｎＮＡｓから成る単層膜と同等のバンドギャップを有する。更に、ＧａＡｓ及びＧａＮの組合せから成る超格子層は、ＧａＮＡｓから成る単層膜と同等のバンドギャップを有する。従ってこれらの組合せから成る超格子層は、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長の光を吸収できる。従って、これらの組合せから成る超格子層は単層膜の場合と同様に、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光に対し下部クラッド光吸収層４及び上部クラッド光吸収層１００として使用される。
【０１１４】
これらの多層膜構造が下部クラッド光吸収層４又は上部クラッド光吸収層１００として用いられる場合も、ｎ型ＧａＡｓ基板３側やｐ型コンタクト層１５側への導波光の漏れを防止できる。従って、基板モードやコンタクト層起因の導波モードの発生を回避できる。
【０１１５】
また上述したような多層膜構造においては、バンドギャップの互いに異なる半導体層が交互に積層され、その結果多数の半導体へテロ接合界面が形成される。このような異種半導体層間のへテロ接合界面が下部クラッド光吸収層４又は上部クラッド光吸収層１００
に形成されることにより、下部クラッド光吸収層４又は上部クラッド光吸収層１００の外部からの結晶欠陥の侵入をより効果的に低減する効果がある。従って、ｎ型ＧａＡｓ基板３側やｐ型コンタクト層１５側からの活性層７への欠陥の侵入を効果的に低減でき、その結果レーザの信頼性を改善可能となる。
【０１１６】
また、各実施形態において、ｎ型下部クラッド層５，８０又はｐ型上部クラッド層９０が１層のみに光吸収層を有する場合を示したが、これに限定されるものではない。必要に応じて、ｎ型下部クラッド層５，８０又はｐ型上部クラッド層９０は複数の層に光吸収層を有しても良い。例えば、ｎ型下部クラッド層５，８０は、下部クラッド光吸収層４とは別に光吸収層（第２光吸収層）を更に有し、第１光吸収層と第２光吸収層との間に第１光透過層又は第２光透過層が配置されても良い。また、ｐ型上部クラッド層９０は、上部クラッド光吸収層１００とは別に光吸収層（第４光吸収層）を更に有し、第３光吸収層と第４光吸収層との間に第３光透過層又は第４光透過層が配置されていても良い。これらの場合、基板モードやコンタクト層に起因の導波モードを低減するための、光導波構造設計の自由度が更に増し、構造最適化が更に容易となる利点がある。更に、例えば光吸収特性の互いに異なる複数の光吸収層を組み合わせることも可能であり、基板モードやコンタクト層に起因の導波モードを低減するための、光導波構造設計の自由度が格段に増し、構造最適化が格段に容易となる利点がある。
【０１１７】
各実施形態の半導体光素子が０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光(発振)波長を有する場合、第２光吸収層や第４光吸収層は、活性層７より低いバンドギャップを有し、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の範囲の発振光を吸収できる半導体層で構成される。一例としては、前述の活性層７に使用可能なＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ、或いはＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓといった、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを少なくとも含むIII-V族半導体材料を、これらの層に用いることが出来る。但し、これらの層は活性層より低いバンドギャップを有し、発振光を吸収できる層となるよう、予め組成や厚さを調整しておく必要がある。
【０１１８】
また、第２光吸収層や第４光吸収層は、単層膜に限らず、０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の発光波長帯域の発振光を吸収可能な任意の多層膜構造であっても良い。例えば、２種類以上のバンドギャップの互いに異なる数ｎｍの厚さを有する半導体層を交互に、且つ周期的に多数積層した超格子構造が第２光吸収層や第４光吸収層に使用されても良い。超格子構造の具体例としては、下部クラッド光吸収層４(第１光吸収層)や上部クラッド光吸収層１００(第３光吸収層)に使用可能な超格子構造と同様の超格子構造を、第２光吸収層や第４光吸収層にも使用可能である。
【０１１９】
また、各実施形態において、ｎ型ＧａＡｓ基板３上に０．９μｍ以上１．２５μｍ以下の帯域の発光（発振）波長を有する半導体レーザを作製する場合を示したが、これに限られるものではなく、ｐ型ＧａＡｓ基板を用いて半導体光素子を作製しても良い。但しこの場合、各半導体層の導電型としては、各実施形態とは逆のタイプの導電型、即ちｎ型層の領域にはｐ型層を、ｐ型層の領域にはｎ型層を各々用いる必要がある。
【０１２０】
以上では、本発明を半導体レーザに適用した場合における実施例を説明したが、本発明による半導体光素子は、上記した半導体レーザの実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、本発明をＬＥＤや電界吸収型光変調器、マッハツェンダー型光変調器、半導体光増幅器（ＳＯＡ）等他の半導体光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、基板モードを除去できるので半導体光素子の特性が効果的に改善される。また本発明の構造では従来プロセスに比べてプロセスの簡略化、短時間化が実現され、歩留まり向上やコストダウンが図れる。また、活性層や他の半導体層は、上記各実施形態において例示した組成に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】図１は、第１実施形態の半導体光素子１を示す斜視図である
【図２】図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３は、ｎ型ＧａＩｎＡｓ半導体層におけるＩｎの組成比と量子井戸層の厚さとの関係、及び臨界膜厚を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１実施形態の半導体光素子１の製造方法を示す工程図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態の半導体光素子１の製造方法を示す工程図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１実施形態の半導体光素子１の製造方法を示す工程図である。
【図７】図７は、第１実施形態の半導体光素子７１を示す断面図である。
【図８】図８は、第２実施形態の半導体光素子８１を示す断面図である。
【図９】図９は、第３実施形態の半導体光素子９１を示す断面図である。
【図１０】図１０は、半導体レーザの発振スペクトルの典型例を示したグラフである。
【符号の説明】
【０１２２】
１，７１，８１，９１…半導体光素子、３…ｎ型ＧａＡｓ基板、４…下部クラッド光吸収層、５，８０…ｎ型下部クラッド層、５ａ…第１下部クラッド光透過層、７…活性層、１０，９０…ｐ型上部クラッド層
【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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【図１０】
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