(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上方に形成される凸凹構造の回折格子ベース層と、
前記回折格子ベース層の凸凹構造を埋め戻すように形成され、３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子カバー層と、を備え、
前記回折格子カバー層は、第１の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凹部上方に形成された第１の領域と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凸部上方に形成された第２の領域と、を含み、
前記回折格子ベース層は、前記第１の屈折率よりも小さい第３の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む光半導体素子。
【請求項２】
前記第３の屈折率は、前記第２の屈折率よりも小さい請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記第１の屈折率と、前記第２の屈折率および前記第３の屈折率の加重平均屈折率との差は、０．０２以上である請求項１または２記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記回折格子ベース層および前記回折格子カバー層は、ＡｌＧａＡｓを含む請求項１〜３いずれか１項記載の光半導体素子。
【請求項５】
さらに、前記基板上方には活性層を備え、
前記活性層は、前記回折格子ベース層の下方に形成される請求項１〜４いずれか１項記載の光半導体素子。
【請求項６】
さらに、前記基板上方には活性層を備え、
前記活性層は、前記回折格子ベース層および前記回折格子カバー層と直列して形成される請求項１〜４いずれか１項記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記活性層は、ＩｎＧａＡｓを含むウェル層と、ＧａＡｓを含むバリア層と、を含む多重量子井戸構造である請求項５または６記載の光半導体素子。
【請求項８】
基板上方に形成される活性層と、
前記活性層に近接して形成される凸凹構造の回折格子ベース層と、
前記回折格子ベース層の凸凹構造を埋め戻すように形成され、３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子カバー層と、
前記活性層に電流を注入する一対の電極と、を備え、
前記回折格子カバー層は、第１の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凹部上方に形成された第１の領域と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凸部上方に形成された第２の領域と、を含み、
前記回折格子ベース層は、前記第１の屈折率よりも小さい屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む半導体レーザ。
【請求項９】
さらに、前記一対の電極を介して電流を注入することにより、前記活性層から出射されるレーザ光の光路上に配置される高調波発生素子と、を含む請求項８記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
成長基板上方にＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子ベース層をエピタキシャル成長し、
前記回折格子ベース層を凸凹周期構造に成形し、
前記回折格子ベース層の凸凹周期構造を埋めるように３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子カバー層をエピタキシャル成長し、
前記回折格子カバー層を形成する際、前記回折格子ベース層の凹部上および凸部上でエピタキシャル成長の速度が変化し、該凹部上で第１の屈折率を有する第１の組成比のＩＩＩ−Ｖ族半導体が成長し、該凸部上で前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の組成比のＩＩＩ−Ｖ族半導体が成長し、
前記回折格子ベース層は、前記第１の屈折率よりも小さい屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子層を含む光半導体素子、その光半導体素子を含む半導体レーザ、およびその光半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光通信、レーザプリンタ、情報記録ディスク用光ピックアップ等、様々な分野で応用されている。半導体レーザは、所定のバンドギャップを有する活性層を含む積層構造であり、活性層に注入されるキャリアの再結合発光とへき開端面、回折格子等を用いた光共振を利用して、レーザ光を発振する。
【０００３】
近年、マイクロプロジェクタや高視感度レーザポインタとして、波長５３０ｎｍ帯の緑色レーザの需要が高まっている。５３０ｎｍ帯の緑色レーザは、第２次高調波発生（ＳＨＧ：ｓｅｃｏｎｄ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を用いて、１０６０ｎｍ帯の赤外線レーザを半分の波長にすることにより得られる。このとき、１０６０ｎｍ帯の赤外線レーザは、単一の縦モードで発振することが望ましい。
【０００４】
単一縦モード発振を実現する半導体レーザには、活性層に近接して回折格子が設けられた分布帰還型（ＤＦＢ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザ、あるいは分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レーザなどがある（例えば特許文献１）。回折格子は、屈折率の異なる材料の凹凸周期構造で形成され、活性層における発光のうち、回折格子の凸凹周期および等価屈折率により決定されるＢｒａｇｇ波長近傍の光のみを共振させる。
【０００５】
これら回折格子を有する半導体レーザの諸特性、例えばレーザ光出力効率や発振波長の温度特性等は、回折格子の結合係数κと共振器の長さＬの積κＬにより主に決定される。回折格子の結合係数κは、光の分布帰還率を表す量であり，回折格子の凸部と凹部の屈折率差や、回折格子の深さなどにより決定される。一般的にκＬは１程度であることが望ましく、共振器の長さＬをより短くし小型化したＤＦＢないしＤＢＲ半導体レーザを得るためには、回折格子の結合係数κ、特に回折格子の屈折率差をより増大させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０２８３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、回折格子層の結合係数をより改善した光半導体素子、その光半導体素子を含む半導体レーザ、およびその光半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、基板上方に形成される凸凹構造の回折格子ベース層と、前記回折格子ベース層の凸凹構造を埋め戻すように形成され、３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子カバー層と、を備え、前記回折格子カバー層は、第１の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凹部上方に形成された第１の領域と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凸部上方に形成された第２の領域と、を含み、前記回折格子ベース層は、前記第１の屈折率よりも小さい第３の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む光半導体素子、が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によれば、基板上方に形成される活性層と、前記活性層に近接して形成される凸凹構造の回折格子ベース層と、前記回折格子ベース層の凸凹構造を埋め戻すように形成され、３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子カバー層と、前記活性層に電流を注入する一対の電極と、を備え、前記回折格子カバー層は、第１の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凹部上方に形成された第１の領域と、前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体の組成比で前記回折格子ベース層の凸部上方に形成された第２の領域と、を含み、前記回折格子ベース層は、前記第１の屈折率よりも小さい屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む半導体レーザ、が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、成長基板上方にＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子ベース層をエピタキシャル成長し、前記回折格子ベース層を凸凹周期構造に成形し、前記回折格子ベース層の凸凹周期構造を埋めるように３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族半導体を含む回折格子カバー層をエピタキシャル成長し、前記回折格子カバー層を形成する際、前記回折格子ベース層の凹部上および凸部上でエピタキシャル成長の速度が変化し、該凹部上で第１の屈折率を有する第１の組成比のＩＩＩ−Ｖ族半導体が成長し、該凸部上で前記第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有する第２の組成比のＩＩＩ−Ｖ族半導体が成長し、前記回折格子ベース層は、前記第１の屈折率よりも小さい屈折率を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される光半導体素子の製造方法、が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
回折格子層の結合係数がより改善された光半導体素子、その光半導体素子を含む半導体レーザ、およびその光半導体素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａおよび１Ｂは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子の斜視図、および回折格子層部分の拡大断面図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図、および活性層部分の拡大断面図である。
【図３−１】図３Ａは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図３−２】図３Ｂは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図３−３】図３Ｃは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図４−１】図４Ａは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図４−２】図４Ｂは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図４−３】図４Ｃは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子を形成する様子を示す斜視図である。
【図６】図６Ａおよび６Ｂは、本発明者らが作製した回折格子層のＡｌ組成分布を示す拡大断面図、および回折格子層の光学的等価モデル図である。
【図７】図７は、本発明者らが作製した回折格子層の結合係数の回折格子深さ依存性を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明者らが作製した回折格子層の結合係数の実効屈折率差依存性を示すグラフである。
【図９】図９は、ＤＦＢレーザ素子と、第２次高調波発生素子と、を組み合わせた半導体レーザのブロック図である。
【図１０−１】図１０Ａは、光半導体素子のほかの構成例を示す概略斜視図である。
【図１０−２】図１０Ｂおよび１０Ｃは、光半導体素子のほかの構成例を示す概略断面図、および光半導体素子の活性層のほかの構成例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子の構造を概略的に示す斜視図である。このＤＦＢレーザ素子１は、基板１０上に、第１導電型のクラッド層１２、活性層２０、ベース層およびカバー層を含む第２導電型の回折格子層４０、リッジ構造を有する第２導電型のクラッド層５１、コンタクト層５２、および上下電極７０，７１、などが積層された構造である。なお、第１導電型のバッファ層１１は、第１導電型のクラッド層１２の下地層であり、成長面を整える層である。第２導電型のクラッド層３０は活性層２０に対して、光閉じ込め、キャリア閉じ込めの機能を有する層である。酸化シリコン膜６０は、電極コンタクト領域を画定する絶縁層であり、また保護膜としても機能する。回折格子層４０の凸凹周期および等価屈折率は、活性層２０における発光波長がブラッグ波長になるよう設定される。電極７０，７１を介して電流を注入すると、活性層２０における発光および回折格子層４０における共振により、活性層２０の端面から単一縦モードのレーザ光が出射される。また、クラッド層５１およびコンタクト層５２を所定幅Ｗのリッジ構造とすることで、電流狭窄効果により横基本モードのみのレーザ光が出射される。ＤＦＢレーザ素子の諸特性は、回折格子層４０の結合係数κと、共振器長Ｌの積κＬにより主に決定される。
【００１４】
図１Ｂは、本発明者らが検討を行ったＤＦＢレーザ素子の回折格子層の拡大断面図である。回折格子層４０は、表面に周期的な凸凹構造を有するベース層４３と、ベース層４３の凸凹構造を埋め戻す凹凸構造のカバー層４４と、によって回折格子を構成し、回折格子周期ｐおよび回折格子深さｄを有する。光工学に基づく法則によれば、回折格子層４０の結合係数κは、回折格子深さｄ、およびベース層４３とカバー層４４の屈折率差に比例する。例えば、ベース層４３およびカバー層４４は、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・砒素）で形成される。ＡｌＧａＡｓの屈折率は、含有するＡｌ組成比と負の相関関係を有する。ベース層４３およびカバー層４４を異なるＡｌ組成比のＡｌＧａＡｓで形成することにより、回折格子層４０の屈折率差、つまり回折格子層４０の結合係数κを変化させることが可能である。
【００１５】
本発明者らは、レファレンスサンプルとして、設計組成がＧａＡｓのベース層とＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓのカバー層を含むＤＦＢレーザ素子を作製し、回折格子層の屈折率差について検討を行った。以下、図２〜５を参照しながら作製したＤＦＢレーザ素子のより詳細な構成、および作製方法を示す。なお、作製するレファレンスサンプルは、発振波長が約１０６４ｎｍとなるよう設計を行った。
【００１６】
図２Ａおよび２Ｂは、成長基板１０上に、バッファ層１１、第１導電型を有する第１クラッド層１２、活性層２０、第２導電型を有する第２クラッド層３０を順次積層形成する様子を示す。
【００１７】
ｎ型ＧａＡｓ（ガリウム・砒素）基板１０を用意し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１１をエピタキシャル成長させる。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ  oｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、層厚約３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層１１を形成した。原料ガスにはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ），アルシン（ＡｓＨ３）、ｎ型不純物ガスにはモノシラン（ＳｉＨ４）を用い、成長温度は約６００℃とした。形成したｎ型ＧａＡｓバッファ層１１上に、ｎ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓクラッド層１２をエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、層厚約２０００ｎｍのｎ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓクラッド層１２を形成した。原料ガスにはＴＥＧａ，トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ），ＡｓＨ３、ｎ型不純物ガスにはＳｉＨ４を用い、成長温度は約６００℃とした。形成したｎ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓクラッド層１２上に、活性層２０を形成する。
【００１８】
図２Ｂは、図２Ａにおける活性層２０の拡大断面図である。活性層２０をノンドープＧａＡｓバリア層２１ａ〜２１ｃ、およびノンドープＩｎ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓ（インジウム・ガリウム・砒素）ウェル層２２ａ，２２ｂからなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ：ｍｕｌｔｉ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）とした。ＭＯＣＶＤにより、層厚約４０ｎｍのバリア層２１ａ、層厚約６．５ｎｍのウェル層２２ａ、層厚約２０ｎｍのバリア層２１ｂ、層厚約６．５ｎｍのウェル層２２ｂ、層厚約４０ｎｍのバリア層２１ｃを形成した。バリア層２１ａ〜２１ｃの形成においては、原料ガスにはＴＥＧａ，ＡｓＨ３を用い、成長温度は約６４０℃とした。また、ウェル層２２ａ，２２ｂの形成においては、原料ガスにＴＥＧａ，トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ），ＡｓＨ３を用い、成長温度は約６４０℃とした。なお、活性層は、シングルヘテロ構造、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造または３層以上のＭＱＷでもかまわない。
【００１９】
図２Ａに戻り説明を続ける。形成した活性層２０上に、ｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓクラッド層３０をエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、層厚約１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓクラッド層３０を形成した。原料ガスにＴＥＧａ，ＴＭＡｌ，ＡｓＨ３、ｐ型不純物ガスにジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用い、成長温度は６４０℃とした。
【００２０】
図３Ａ〜３Ｃは、第２導電型の第２クラッド層３０上に、ベース層４３およびカバー層４４を含む第２導電型の回折格子層４０を積層形成する様子を示す。
【００２１】
図３Ａを参照する。ｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓクラッド層３０上に、ｐ型ＧａＡｓ膜４１をエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、層厚約４０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ膜４１を形成した。原料ガスにＴＥＧａ，ＡｓＨ３，ｐ型不純物ガスにＤＥＺｎを用い、成長温度は６４０℃とした。形成したｐ型ＧａＡｓ膜４１上に、一般的に市販されている電子ビーム露光用レジスト膜、または干渉露光用レジスト膜を形成する。電子ビーム（ＥＢ）露光法、または干渉露光法により、当該レジスト膜に周期約１５５．６ｎｍの格子縞状パターンを投影し、露光工程を実施する。この工程により、露光された部分のレジスト膜が除去され、パターン化されたレジスト層４２が形成される。パターン化されたレジスト層４２をマスクとして、エッチングによりｐ型ＧａＡｓ膜４１を回折格子構造に成形する。
【００２２】
図３Ｂを参照する。ｐ型ＧａＡｓ膜を回折格子構造に成形し、回折格子ベース層４３を形成する。ウエットエッチング法により、格子溝の深さ（回折格子深さｄ）が約２５ｎｍになるようエッチングを行った。エッチャントには、例えばアンモニア水、過酸化水素水および水の混合溶液を用いることができる。その後、パターン化されたレジスト層４２を除去する。なお、ウエットエッチング法において、格子溝の深さは、エッチャントの浸漬時間を調整することにより制御可能である。
【００２３】
図３Ｃを参照する。周期的な凸凹構造であるｐ型ＧａＡｓベース層４３上に、ｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓカバー層４４をエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、ベース層４３の凹部からの厚みが約５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓカバー層４４を形成した。原料ガスにＴＥＧａ，ＴＭＡｌ，ＡｓＨ３、ｐ型不純物ガスにＤＥＺｎを用い、成長温度は６４０℃とした。なお、カバー層４４のＡｌ組成比は、原料ガスの流量比を調整することにより制御可能である。以上により、ｐ型ＧａＡｌベース層４３とｐ型Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓカバー層４４とを含む回折格子層４０が完成する。
【００２４】
図４Ａ〜４Ｃは、回折格子層４０上に、エッチストップ層５０、リッジ構造を有する第２導電型の第３クラッド層５１およびコンタクト層５２を順次積層形成する様子を示す。
【００２５】
図４Ａを参照する。回折格子層４０上に、ｐ型Ｉｎ０．４８ＧａＰ（インジウム・ガリウム・リン）エッチストップ層５０をエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、層厚約１０ｎｍのｐ型Ｉｎ０．４８ＧａＰエッチストップ層５０を形成した。原料ガスにはＴＥＧａ，ＴＭＩｎ，ホスフィン（ＰＨ３）、ｐ型不純物ガスにはＤＥＺｎを用い、成長温度は約６４０℃とした。形成したｐ型ＩｎＧａＰエッチストップ層５０上に、ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５１ａをエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、層厚約１０００ｎｍのｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５１ａを形成した。原料ガスにはＴＥＧａ，ＴＭＡｌ，ＡｓＨ３、ｐ型不純物ガスにはＤＥＺｎを用い、成長温度は約６４０℃とした。形成したｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５１ａ上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５２ａをエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤにより、層厚約３００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層５２ａを形成した。原料ガスにはＴＥＧａ，ＡｓＨ３、ｐ型不純物ガスにはＤＥＺｎを用い、成長温度は約５５０℃とした。
【００２６】
図４Ｂを参照する。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５２ａ上に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜およびレジスト膜を順次積層形成する。レジスト膜に露光工程、および現像工程を実施し、共振器長方向に幅Ｗ約１．５μｍで延在するパターン化されたレジスト層５４を形成する。さらに、パターン化されたレジスト層５４をマスクとして、ＳｉＯ２膜を、例えば緩衝フッ酸溶液により除去し、パターン化されたＳｉＯ２層５３を形成する。
【００２７】
図４Ｃを参照する。パターン化されたＳｉＯ２層５３およびレジスト層５４をマスクとして、例えばウエットエッチング法により、ｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓクラッド層５１ａ、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５２ａをリッジ構造に成形する。エッチャントには、例えばアンモニア水、過酸化水素水および水の混合溶液を用いることができる。なお、エッチストップ層５０は、これらのエッチャントによりエッチングされないため、エッチストップ層５０より下層がエッチングされることはない。パターン化されたＳｉＯ２層５３およびレジスト層５４を除去し、リッジ構造が完成する。
【００２８】
図５は、第３クラッド層５１およびコンタクト層５２の側壁、ならびにエッチストップ層５０を覆うように保護膜６０を形成し、上下電極７０，７１を形成する様子を示す。成形したリッジ構造を覆うようにＳｉＯ２を成膜し、例えば緩衝フッ酸溶液により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５２上面のＳｉＯ２のみを選択的に除去し、ＳｉＯ２保護膜６０を形成する。さらに、ＳｉＯ２保護膜６０上に、Ｔｉ（チタン）−Ｐｔ（プラチナ）−Ａｕ（金）積層の上部電極７０を、例えば電子ビーム蒸着法等により形成する。次に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０を厚さが約１５０μｍになるよう研磨し、ＡｕＧｅ（金ゲルマ合金）−Ａｕ積層の下部電極７１を、例えば電子ビーム蒸着法等により形成する。さらに、共振器長Ｌが６００μｍになるように素子の両端面をへき開し、一方のへき開端面に反射率１％以下の無反射コーティングを、他方のへき開端面に反射率９４％の反射膜をコーティングする。以上の工程により、レファレンスサンプルであるＤＦＢレーザ素子が完成する。
【００２９】
本発明者らは、レファレンスサンプルにおける回折格子層４０の屈折率差について評価を行った。本発明者らの評価によれば、レファレンスサンプルの屈折率差は約０．０１３程度と見積もられた。レファレンスサンプルの回折格子層４０は、設計組成がＧａＡｓのベース層４３とＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓのカバー層４４により構成される。ＧａＡｓとＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓの屈折率差の理論値は約０．１５５である。レファレンスサンプルの屈折率差が、理論値と比べ著しく低減していることがわかった。
【００３０】
図６Ａおよび６Ｂは、作製した回折格子層の拡大断面図、および光学的に等価な回折格子を示すモデル図である。本発明者らは、透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型Ｘ線分光法により、回折格子層のＡｌ組成分布の評価を行った。その結果、ベース層４３凹部上方に形成されるカバー層４４ａ（図６Ａの破線で囲う領域）のＡｌ組成比は、想定したＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓよりも低くなり、概ねＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ程度になることがわかった。また、ベース層４３凸部上方に形成されるカバー層４４ｂ（図６Ａの一点差線で囲う領域）のＡｌ組成比は、想定したＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓよりも高くなり、概ねＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ程度になることがわかった。なお、表面が平坦化された後のカバー層４４ｃ（カバー層４４の上層領域、図６Ａの二点差線で囲う領域）の組成は想定したＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓであることがわかった。凸凹構造のベース層４３を埋め戻すようにカバー層４４をエピタキシャル成長させると、ベース層４３の凸部と凹部での成長速度の違いにより、カバー層４４のＡｌ組成比が位置により変化すると考えられる。
【００３１】
ここで、ベース層４３凹部上方に位置するカバー層４４ａの屈折率をｎ１、ベース層４３凸部上方に位置するカバー層４４ｂの屈折率をｎ２、ベース層４３の屈折率をｎ３、と定義する。ベース層４３に作製した格子の深さｄ（約２５ｎｍ）および周期ｐ（約１５５．６ｎｍ）は、活性層２０における発光の波動関数の拡がりよりも十分に小さい。したがって、回折格子層４０は、図６Ｂに示すように、光学的には屈折率ｎ１を有する領域４０ａ、および屈折率ｎ２と屈折率ｎ３の平均屈折率ｎ４を有する領域４０ｂで構成される回折格子と等価に見なすことが可能であると考えられる。なお、平均屈折率ｎ４は、所定の厚みを有するカバー層４４ｂの屈折率ｎ２と、深さｄを有するベース層凸部４３ａの屈折率ｎ３の加重平均屈折率である。回折格子層４０の屈折率差を増大させるためには、ｎ１とｎ４の実効的な屈折率差Δｎｅを大きくすることが望ましいと考えられる。つまり、各領域の屈折率の関係は、ｎ１＞ｎ２かつｎ１＞ｎ３、より言えばｎ１＞ｎ２≧ｎ３であることが望ましいと考えられる。
【００３２】
本発明者らの検討によれば、作製したカバー層４４のＡｌ組成比の分布は、カバー層４４ａで平均２０％（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ）程度になり、カバー層４４ｂで平均３５％（Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ）程度になる。レファレンスサンプルのベース層４３のＡｌ組成比はほぼ０％（ＧａＡｓ）である。ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比はその屈折率と負の相関関係を有するため、レファレンスサンプルの各領域の屈折率の関係はｎ３＞ｎ１＞ｎ２になると考えられる。レファレンスサンプルにおいて、ｎ２とｎ３の平均屈折率ｎ４は、ｎ１との実効屈折率差Δｎｅが小さくなる方向に平均化されるため、回折格子層４０の屈折率差が、理論値と比べ著しく低減したと考えられる。
【００３３】
以上の検討を踏まえ、本発明者らは、ｎ３をより小さくした、つまりベース層４３のＡｌ組成比をより大きくしたＤＦＢレーザ素子を作製し、評価を行った。具体的には、ベース層４３の組成がＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓであるテストサンプルを作製し、評価を行った。なお、テストサンプルは、図３Ａに示したベース層形成工程において、原料ガスにＴＥＧａ，ＴＭＡｌ，ＡｓＨ３、ｐ型不純物ガスにＧＥＺｎを用いたＭＯＣＶＤにより作製することが可能である。また、ベース層４３のＡｌ組成比は、原料ガスの流量比を調整することにより制御可能である。本発明者らの評価によれば、テストサンプルの屈折率差は約０．０８１程度であり、レファレンスサンプルの屈折率差（約０．０１３）よりも改善していることがわかった。
【００３４】
本発明者らの検討によれば、作製したカバー層４４のＡｌ組成比の分布は、カバー層４４ａで平均２０％（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ）程度になり、カバー層４４ｂで平均３５％（Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ）程度になる。テストサンプルのベース層４３のＡｌ組成比はほぼ３５％（Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ）である。したがって、テストサンプルの各領域の屈折率の関係はｎ１＞ｎ２＝ｎ３になると考えられる。テストサンプルにおいて、ｎ２とｎ３の平均屈折率ｎ４は、ｎ１との実効屈折率差Δｎｅが小さくなる方向に平均化されないため、テストサンプルの屈折率差が、レファレンスサンプルの屈折率差よりも改善したと考えられる。本発明者らの考察に基づけば、ｎ３をさらに小さくする、つまりベース層のＡｌ組成比をさらに大きくすることにより、実効的な屈折率差はさらに改善されると考えられる。
【００３５】
次に、本発明者らは、レファレンスサンプルの構成（ＧａＡｓベース層、Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓカバー層）およびテストサンプルの構成（Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓベース層、Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓカバー層）において、それぞれ回折格子深さｄが１５，２０，２５ｎｍであるＤＦＢレーザ素子を作製し、回折格子層の結合係数κと回折格子深さｄとの関係について検討を行った。
【００３６】
図７は、回折格子層の結合係数κの回折格子深さｄ依存性を示すグラフである。グラフ中の□ドットが、レファレンスサンプルの構成における結合係数κの回折格子深さｄ依存性を示し、○ドットが、テストサンプルの構成における結合係数κの回折格子深さｄ依存性を示す。このグラフから、テストサンプルの構成における結合係数κが、レファレンスサンプルの構成における結合係数κよりも４〜５倍程度大きくなっていることがわかる。また、テストサンプルの構成における結合係数κは、回折格子深さｄとほぼ比例の関係が見られるのに対し、レファレンスサンプルの構成における結合係数κは、回折格子深さｄとの顕著な相関が見られないことがわかる。これは、レファレンスサンプルにおいて、回折格子深さｄを大きくしても、各領域の屈折率の関係が整合していない（ｎ３＞ｎ１＞ｎ２）ため十分な実効屈折率差が生じないからだと考えられる。
【００３７】
次に、本発明者らは、ベース層ないしカバー層のＡｌ組成比を変化させて、回折格子層の実効屈折率差が約０．０１４，０．０４０，０．０５４，０．０６７，０．０８１であるＤＦＢレーザ素子を作製し、回折格子層の結合係数κと実効屈折率差Δｎｅとの関係について検討を行った。
【００３８】
図８は、回折格子層の結合係数κの実効屈折率差Δｎｅ依存性を示すグラフである。光工学に基づく法則が示す通り、回折格子層の結合係数κと実効屈折率差Δｎｅの間にはほぼ比例の関係があることが確認される。一般的に、回折格子層の結合係数κは１０ｃｍ−１以上、好ましくは２０ｃｍ−１以上あることが望ましい。したがって、回折格子層の実効屈折率差Δｎｅが少なくとも０．０２以上、好ましくは０．０４以上になるようベース層、およびカバー層の設計を行うことが望ましいであろう。
【００３９】
以上、ＡｌＧａＡｓを含むベース層およびカバー層からなる回折格子層において、凸凹構造のベース層を埋めるようにカバー層をエピタキシャル成長させると、ベース層の凸部上部と凹部上部で成長速度が変化し、位置により異なるＡｌ組成比のカバー層が成長することがわかった。さらに、Ａｌ組成比の変化に伴う屈折率変化を利用して、回折格子層の実効屈折率差が大きくなるようベース層の組成を設計することにより、回折格子層の結合係数がより改善されることがわかった。なお、ベース層およびカバー層は、ＡｌＧａＡｓに限らずＩｎＧａＰやＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）などの３元素以上からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でもかまわない。ベース層の凸凹構造を埋めるようにこれら化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、位置により異なる化合物半導体組成比および屈折率のカバー層が成長することになるであろう。さらに、このカバー層内の化合物半導体組成比および屈折率の変化を利用して、回折格子層の実効屈折率差が大きくなるようベース層の組成を設計することにより、回折格子層の結合係数がより改善されたＤＦＢレーザ素子を得ることができるであろう。このように作製したＤＦＢレーザ素子を用いることにより、高いレーザ出力効率および信頼性を有し、かつより小型化したＤＦＢレーザ素子を得ることが可能となる。さらに、このようなＤＦＢレーザ素子は、ＳＨＧ素子と組み合わせて、より短い波長のレーザ光を出射する半導体レーザを構成することが可能である。
【００４０】
図９は、波長１０６０ｎｍ帯の赤外線ＤＦＢレーザ素子を用いた波長５３０ｎｍ帯の緑色半導体レーザの構成を示すブロック図である。この半導体レーザは、テストサンプルのＤＦＢレーザ素子と、そのＤＦＢレーザ素子から出射されるレーザ光の光路上に配置された、例えば周期分極反転リチウムニオベート（ＬｉＮｂＯ３）結晶などのＳＨＧ素子と、を含む構成である。例えば、図に示すように、電流をＤＦＢレーザ素子１に注入し、出射される波長１０６０ｎｍ帯の赤外線レーザ８０を、集光レンズ等の光学系９０を介してＳＨＧ素子９１に入射することにより、ＳＨＧ素子から波長５３０ｎｍ帯の緑色レーザ８１が出射される。例えば、このような緑色半導体レーザに加え、赤色および青色半導体レーザ等を組み合わせることにより、プロジェクタ等を構成することも可能であろう。
【００４１】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、実施例では、ＤＦＢレーザ素子各層のエピタキシャル成長に主にＭＯＣＶＤ法を用いたが、分子線エピタキシー法等を用いてもかまわない。また、半導体基板にはｎ型ＧａＡｓ基板を用いたが、ｐ型ＧａＡｓ基板でもよく、より言えばＧａＡｓ基板に限らずＩｎＰ基板などでもかまわない。さらに、出射されるレーザ光の波長は１０６０ｎｍ帯に限られず、９８０ｎｍ帯や１３００ｎｍ帯でもかまわない。活性層の構成および回折格子層の凸凹構造周期を調整することにより、所望の波長のレーザ光を得ることが可能である。
【００４２】
図１０Ａ〜１０Ｃは、本発明者らが提供する光半導体素子のほかの例を示す概略斜視図、概略側面図および活性層の拡大側面図である。光半導体素子は、図１０Ａに示すように、埋め込み層６５を含むメサ構造であってもかまわないし、回折格子層４０を活性層２０に接して基板１０側に形成してもかまわない。また、図１０Ｂに示すように、回折格子層４０を活性層２０に接して直列に形成し、ＤＢＲレーザ素子として利用してもかまわない。さらに、活性層２０は、図１０Ｃに示すように、バリア層２５と、量子ドット２６と、バリア層２７と、を含む量子ドット活性層にしてもかまわない。例えば、波長１３００ｎｍ帯のレーザ光を得る場合には、量子ドット活性層２０を、層厚約５ｎｍのノンドープＧａＡｓバリア層２５と、バリア層２５上にノンドープＩｎＡｓ（インジウム・砒素）層を数原子層成長させることで得られる高さ約５ｎｍのＩｎＡｓ量子ドット２６と、ＩｎＡｓ量子ドット２６を覆ってキャップする層厚約３５ｎｍのノンドープＧａＡｓバリア層２７と、を含む構成にすればよい。なお、このとき、回折格子層の回折格子周期は１９０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４３】
その他種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４４】
１    ＤＦＢレーザ素子、
１０    基板、
１１    バリア層、
１２    第１クラッド層、
２０    活性層、
３０    第２クラッド層、
４０    回折格子層、
４３    回折格子ベース層、
４４    回折格子カバー層、
５０    エッチストップ層、
５１    第３クラッド層、
５２    コンタクト層、
６０    保護膜、
７０    電極、
９１    高調波発生素子。
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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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１０−１】
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【図１０−２】
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