(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
ｐ側電極と、
前記活性層と前記ｐ側電極との間に配置され、ＩｎＧａＡｓＰを材料とし、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとして添加され、組成波長が１．５μｍ以下となる、第１半導体層と、
前記第１半導体層と前記ｐ側電極との間に、前記第１半導体層に接して配置され、ＩｎＧａＡｓを材料とし、Ｃのみがドーパントとして添加される、第２半導体層と、
が、基板上に形成される半導体光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子であって、
前記第１半導体層の組成波長は１．１５μｍ以上である、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体光素子であって、
前記活性層と前記第１半導体層との間に配置される、ｐ型クラッド層が、基板上にさらに形成され、
前記第１半導体層がｐ型中間層であり、
前記第２半導体層がｐ型コンタクト層である、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体光素子であって、
前記第１半導体層の価電子帯のエネルギーは、前記第２半導体層の価電子帯エネルギーと、前記ｐ型クラッド層の価電子帯のエネルギーとの間にある、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の半導体光素子であって、
前記ｐ型クラッド層と前記第１半導体層との間に配置される、層数１以上の他のｐ型中間層が、基板上にさらに形成される、半導体光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体光素子であって、
前記第１半導体層の価電子帯エネルギー、及び、前記層数１以上の他のｐ型中間層それぞれの価電子帯エネルギーは、ともに、前記第２半導体層の価電子帯エネルギーと、前記ｐ型クラッド層の価電子帯エネルギーと、の間にあり、前記第２半導体層側から前記ｐ型クラッド層側にかけて、順に高くなっている、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の半導体光素子であって、
前記第２半導体層側から前記ｐ型クラッド層側にかけて、順に、各中間層の飽和ホール濃度が低くなっている、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
前記第２半導体層に含まれるＣ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上である、
ことを特徴とする、半導体光素子。
【請求項９】
活性層を形成する工程と、
ｐ側電極を形成する工程と、
前記活性層と前記ｐ側電極との間に、ＩｎＧａＡｓＰを材料とし、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとして添加され、組成波長１．５μｍ以下となる、第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層と前記ｐ側電極との間に、前記第１半導体層に接して配置されるよう、ＩｎＧａＡｓを材料とし、Ｃのみがドーパントとして添加される、第２半導体層を形成する工程と、
を備える、半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体光素子は、さらなる高速化が望まれている。半導体光素子の変調速度は、素子容量Ｃと素子抵抗Ｒの積であるＣＲ（時定数）の制限を受ける。それゆえ、半導体光素子のさらなる高速化を実現するために、素子容量Ｃ又は素子抵抗Ｒの低減が必要となる。
【０００３】
素子抵抗Ｒの低減には、正孔（ホール）は電子と比較して移動度が低いので、正孔をキャリアとするｐ型半導体層の電気抵抗を軽減することが有効である。一般に、ｐ型半導体層に添加する不純物（ドーパント）として、Ｚｎ（亜鉛）がよく用いられている。Ｚｎのドーピング濃度を高めることにより、ｐ型半導体層の電気抵抗を軽減することが出来、素子抵抗Ｒの低減が実現する。ここで、ドーピング濃度とは、半導体層を形成する際に、ドーパントを意図的に半導体層に添加するドーパントの濃度を言う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−７７７８９号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３６５４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】アプライドフィジックスレターズ  ６７巻（１５），２２２６頁−２２２８頁，１９９５年１０月９日。
【非特許文献２】ＩＥＥＥジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス  ４０巻，１２号，１６３４頁−１６３８頁，２００４年１２月。
【非特許文献３】ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス  ９３巻，７号，３８２３頁−３８２６頁，２００３年４月１日。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｚｎは拡散性が非常に高い。それゆえ、ｐ型半導体層にＺｎがドーパントとして添加されると、ｐ型半導体層に含まれるＺｎが近接する半導体層へ拡散してしまう。それゆえ、当該ｐ型半導体層から近傍に位置するする活性層へＺｎが拡散すると、活性層において損失成分が増大し、半導体光素子としての特性を劣化させてしまう。また、ｐ型半導体層の近傍に絶縁性半導体層が配置される場合には、当該ｐ型半導体層から当該絶縁性半導体層にＺｎが拡散すると、絶縁性が低下し、当該絶縁性半導体層の電気抵抗が低減し、当該絶縁性半導体層にリーク電流が流れることとなり、半導体光素子としての特性を劣化させてしまう。
【０００７】
それゆえ、ｐ型半導体層に添加するドーパントとしてＺｎを用いるならば、電気抵抗を低減する観点では、ドーピング濃度を高めたいが、Ｚｎの拡散に伴う素子特性の劣化という観点では、ドーピング濃度を高めることが出来ない。すなわち、Ｚｎをドーパントとして用いて、半導体光素子の高速化を実現するには限界がある。それゆえ、Ｚｎと比べて拡散性が低く、高いドーピング濃度に添加することが可能なｐ型ドーパントが望まれる。Ｚｎよりも低拡散性が期待されるｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）、Ｍｇ（マグネシウム）、及びＢｅ（ベリリウム）がある。
【０００８】
Ｃは拡散性が非常に小さい。Ｃは適切な条件の下で、ＩｎＧａＡｓに対してｐ型導電性を示し、１×１０１９ｃｍ−３以上のキャリア濃度が得られることが、非特許文献１に開示されている。それゆえ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層のドーパントとしては適している。しかしながら、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰに対しては、Ｃは主としてｎ型導電性を示すので、ｐ型ＩｎＰ層やｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層のドーパントとしては適していない。このように、Ｃは、拡散性やドーピング濃度の観点では非常に優れたドーパントであるが、ドーパントとして添加することが出来る半導体層の材料の選択自由度は限定的である。
【０００９】
ＭｇやＢｅは、Ｚｎよりも拡散性が低い。ＡｌＧａＩｎＰを材料とするｐ型クラッド層のドーパントにＭｇを用いた場合、ＭｇはＺｎよりも拡散性が低いことが、非特許文献２に開示されている。また、Ｍｇは、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰに対してもｐ型導電性を示すことが知られている。同様に、ＢｅはＺｎよりも拡散性が低く、ＩｎＰ材料のｐ型半導体層のドーパントとしてＢｅを用いることが可能であることが、非特許文献３に開示されている。ＭｇやＢｅは、ドーピング濃度の観点ではＣよりもドーパントとして劣るものの、ドーパントとして添加することが出来る半導体層の材料の選択自由度は高い。ＭｇとＢｅはともに、ＩＩ族のドーパントであり、それらの性質は共通するものが多い。それゆえ、以下、Ｍｇを例に説明するが、Ｂｅについても同様であると考えてよい。
【００１０】
活性層からｐ側電極との間に配置される、接して積層される１対の半導体層について、発明者らは検討を行っている。ここで、１対の半導体層のうち、活性層側の半導体層が第１半導体層であり、Ｍｇがドーパントとして添加される。ｐ側電極側の半導体層が第２半導体層であり、Ｃがドーパントとして添加される。発明者らは、かかる１対の半導体層が活性層とｐ側電極との間に配置される半導体光素子を作製した。しかしながら、かかる半導体光素子の素子抵抗が想定される値よりも大きくなっていることを発明者らは発見した。
【００１１】
発明者らは素子抵抗増大の原因を調べるために、半導体光素子の積層方向に沿って、不純物濃度を観測し、不純物濃度のプロファイルを作成した。不純物濃度のプロファイルより、Ｍｇのドーピング濃度より想定されるＭｇ濃度と比較して、第１半導体層の第２半導体層側の界面近傍におけるＭｇ濃度が低くなっていることを発見した。ここで、不純物濃度とは、半導体層に含まれる不純物の実際の濃度である。そして、Ｍｇ濃度とは、半導体層に不純物として含まれるＭｇの実際の濃度であり、半導体層を形成される際に、ドーパントとして添加するドーピング濃度とは異なっている。
【００１２】
本発明は、かかる課題を鑑みてなされたものであり、素子抵抗が低減されるとともに素子の特性が向上する、半導体光素子、及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子は、活性層と、ｐ側電極と、｛前記活性層と前記ｐ側電極との間に配置され、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＡｌ、又はＩｎＧａＡｓＡｌＰのいずれかを材料とし、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとして添加され、組成波長が１．５μｍ以下となる、第１半導体層｝と、｛前記第１半導体層と前記ｐ側電極との間に、前記第１半導体層に接して配置され、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＡｌのいずれかを材料とし、Ｃがドーパントとして添加される、第２半導体層｝と、が、基板上に形成される。
【００１４】
（２）上記（１）に記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の組成波長は１．１５μｍ以上であってもよい。
【００１５】
（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子であって、｛前記活性層と前記第１半導体層との間に配置される、ｐ型クラッド層｝が基板上にさらに形成され、前記第１半導体層がｐ型中間層であり、前記第２半導体層がｐ型コンタクト層であってもよい。
【００１６】
（４）上記（３）に記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の価電子帯のエネルギーは、前記第２半導体層の価電子帯エネルギーと、前記ｐ型クラッド層の価電子帯のエネルギーとの間にあってもよい。
【００１７】
（５）上記（３）又は（４）に記載の半導体光素子であって、｛前記ｐ型クラッド層と前記第１半導体層との間に配置される、層数１以上の他のｐ型中間層｝が、基板上にさらに形成されてもよい。
【００１８】
（６）上記（５）に記載の半導体光素子であって、前記第１半導体層の価電子帯エネルギー、及び、前記層数１以上の他のｐ型中間層それぞれの価電子帯エネルギーは、ともに、前記第２半導体層の価電子帯エネルギーと、前記ｐ型クラッド層の価電子帯エネルギーと、の間にあり、前記第２半導体層側から前記ｐ型クラッド層側にかけて、順に高くなっていてもよい。
【００１９】
（７）上記（５）又は（６）に記載の半導体光素子であって、前記第２半導体層側から前記ｐ型クラッド層側にかけて、順に、各中間層の飽和ホール濃度が低くなっていてもよい。
【００２０】
（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第２半導体層に含まれるＣ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。
【００２１】
（９）上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第２半導体層に、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとしてさらに添加され、前記第２半導体層に含まれるＭｇの濃度とＢｅの濃度の合計が２×１０１７ｃｍ−３以上６×１０１8ｃｍ−３以下であってもよい。
【００２２】
（１０）本発明に係る半導体光素子の製造方法は、活性層を形成する工程と、ｐ側電極を形成する工程と、前記活性層と前記ｐ側電極との間に、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＡｌ、又はＩｎＧａＡｓＡｌＰのいずれかを材料とし、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとして添加され、組成波長１．５μｍ以下となる、第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層と前記ｐ側電極との間に、前記第１半導体層に接して配置されるよう、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＡｌのいずれかを材料とし、Ｃがドーパントとして添加される、第２半導体層を形成する工程と、を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、素子抵抗が低減されるとともに素子の特性が向上する、半導体光素子、及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子主要部の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の多層構造の一部を示す模式断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の半導体層の価電子帯エネルギーを示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子のＭｇ濃度プロファイルを示す模式図である。
【図５】第１半導体層の組成波長と、Ｍｇ濃度の濃度差と、の関係を示す図である。
【図６】第１半導体層の組成波長と、界面における価電子帯エネルギーの差と、の関係を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子主要部の斜視図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る半導体光素子主要部の斜視図である。
【図９】比較例に係る半導体光素子のＭｇ濃度プロファイルを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２６】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子主要部の斜視図である。当該実施形態に係る半導体光素子は、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）直接変調半導体レーザ素子であり、以下、単にＤＦＢレーザ素子１と記す。ＤＦＢレーザ素子１は、素子の端面（側面）から光を出射する端面発光型レーザであり、主に用いられる波長帯は、１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯である。ＤＦＢレーザ素子１は、ｐ型ドーパントとしてＺｎを使用しない（Ｚｎフリー）半導体光素子であり、後述する通り、ｐ型ドーパントとしてＭｇとＣを用いている。主に、ＤＦＢレーザ素子１の構造を示すために、図１には、ＤＦＢレーザ素子１の主要部が示されており、光導波路を進行する光の光軸と積層方向を含む断面と、当該光軸に垂直な断面とが、さらに示されている。図１に示す通り、ＤＦＢレーザ素子１の基本構造は、埋め込み（ＢＨ：Buried-Hetero）構造を有しているが、これに限定されることはなく、例えば、リッジ導波路（ＲＷＧ：Ridge Wave-Guide）構造を有していてもよい。
【００２７】
ＤＦＢレーザ素子１は、ｎ型基板１１上に、ｎ型バッファー層１２、活性層となるＭＱＷ層１３（ＭＱＷ：Multiple-Quantum-Well，多重量子井戸）、ｐ型クラッド層１４、ｐ型中間層２０、ｐ＋型コンタクト層２１とが、順に積層されている。ｎ型基板１１の母体を構成する半導体はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、ここでは、母体を構成する材料は、ＩｎＰである。ＩｎＰに対してｎ型導電性を有するＳ（硫黄）が添加されている。ｎ型バッファー層１２の母体を構成する材料は、同じくＩｎＰであり、Ｓｉ（シリコン）が添加されている。ＭＱＷ層１３の母体を構成する材料はＩｎＧａＡｓＰであり、意図的に不純物が添加されていない真性半導体層（ｉ層）である。ｐ型クラッド層１４の母体を構成する材料はＩｎＰである。添加されるドーパントはＭｇであり、ドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。ｐ型中間層２０の構成については後述する。ｐ＋型コンタクト層２１の母体を構成する材料はＩｎＧａＡｓである。添加されるドーパントはＣであり、ドーピング濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。ｐ＋型コンタクト層２１は、ｐ型半導体層の一つであるが、他のｐ型半導体層（ｐ型クラッド層１４やｐ型中間層２０）と比べて、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が高いので、それを明確にするためにｐ＋型として記載している。ここで、ｐ＋型コンタクト層２１に添加されるＣのドーピング濃度は１×１０１９ｃｍ−３としているが、ｐ型コンタクト層は、ｐ側電極と活性層とを、ｐ型クラッド層（やｐ型中間層）を介して電気的に接続しており、ｐ型コンタクト層の電気伝導度は高い方が望ましく、それゆえ、ｐ型コンタクト層に含まれるＣ濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であるのが望ましい。かかるＣ濃度を実現するために適切なドーピング濃度によってＣを添加すればよい。Ｃは拡散性が低く、また、当該実施形態では、ｐ＋型コンタクト層２１に接する層に、Ｃが拡散する半導体層はないので、Ｃのドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上とすることで、ｐ型コンタクト層に含まれるＣ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上とすることが可能である。なお、Ｃの場合、意図的にＣを半導体層に添加していない場合であっても、バックウンドとして１×１０１６ｃｍ−３程度の濃度を含むことが多い。それゆえ、本明細書において、半導体層にドーパントとしてＣを添加するとは、バックグラウンドとしてＣを含む場合を含まず、意図的にＣを添加する場合、具体的には、当該半導体層に含まれるＣの濃度（Ｃ濃度）が、１×１０１７ｃｍ−３以上である場合をいうこととする。他のドーパントについても、意図的に添加したものである。
【００２８】
また、発振スペクトルの単一モード化のために、ｐ型クラッド層１４の内部に回折格子１５が形成されている。ｎ型バッファー層１２の途中からｐ＋型コンタクト層２１の上表面までの半導体多層は、光導波路となる部分の両側が除去されており、メサ構造となっている。メサ構造の両側が、埋め込み層２５によって埋めこまれている。埋め込み層２５の母体を構成する材料はＩｎＰであり、添加されるドーパントはＲｕ（ルテニウム）である。埋め込み層２５にＲｕが添加されることにより、埋め込み層２５は半絶縁性を有している。メサ構造の上表面（ｐ＋型コンタクト層２１の上表面）とその両側の所定の領域を除いて、埋め込み層２５の上表面にパッシベーション膜３０が形成される。メサ構造の上表面に接するよう、そして、メサ構造及び埋め込み層２５を覆って、ｐ側電極３１が所定の形状に形成される。また、ｎ型基板１１の下表面（裏面）にはｎ側電極３２が全面に亘って形成される。
【００２９】
図２は、当該実施形態に係る半導体光素子の多層構造の一部を示す模式断面図である。図２に示す通り、当該実施形態に係るｐ型中間層２０は、２層構造を有しており、ｐ型クラッド層１４の上面に接するｐ型下側中間層２０Ａと、ｐ＋型コンタクト層２１の下面に接するｐ型上側中間層２０Ｂとで構成されている。ｐ型下側中間層２０Ａ及びｐ型上側中間層２０Ｂそれぞれの母体を構成する材料は、ともにＩｎＧａＡｓＰである。それぞれに添加される不純物（ドーパント）はともにＭｇであり、ドーピング濃度はともに１×１０１８ｃｍ−３である。そして、ｐ型下側中間層２０Ａの組成波長は１．０５μｍであり、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長は１．３０μｍである。ここで、組成波長とは、バンドギャップのエネルギーに相当する波長である。
【００３０】
本発明に係る半導体光素子の主な特徴は、活性層とｐ側電極との間に配置される１対の半導体層を備えることにある。ここで、１対の半導体層は互いに接して形成される２層の半導体層であり、下側に形成される第１半導体層と、上側に形成される第２半導体層と、からなる。第１半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＡｌ、又はＩｎＧａＡｓＡｌＰのいずれかを材料とし、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとして添加され、組成波長１．５μｍ以下となる。なお、必要に応じて、ＭｇとＢｅの両方がドーパントとして添加されていてもよいし、Ｍｇ又はＢｅに加えて、他のドーパントがさらに添加されていてもよい。第２半導体層は、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＡｌのいずれかを材料とし、Ｃがドーパントとして添加される。同様に、Ｃに加えて、他のドーパントがさらに添加されていてもよい。当該実施形態に係る半導体光素子において、ｐ型上側中間層２０Ｂが第１半導体層であり、ｐ＋型コンタクト層２１が第２半導体層である。
【００３１】
本明細書において、例えば、「半導体層はＩｎＧａＡｓＰを材料とする」とは、当該半導体層の母体を構成する材料がＩｎＧａＡｓＰであることを言い、半導体層（の母体）に添加する不純物（ドーパント）は係る材料に含めない。言い換えれば、半導体層に含まれる物質として、母体となる化合物半導体と、不純物（ドーパント）とは、明確に区別する。本発明において、半導体層の母体を構成する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物である。例えば、ＩｎＧａＡｓＰの場合、ＩＩＩ族元素としてＩｎ（インジウム）及びＧａ（ガリウム）が用いられ、Ｖ族元素としてＡｓ（ヒ素）及びＰ（リン）が用いられる。すなわち、ＩｎＧａＡｓＰは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）で表される化合物である。なお、ＩｎＧａＡｓＰと表記する場合、４元元素からなる化合物半導体を指すので、ＩＩＩ族元素である２つの元素（Ｉｎ及びＧａ）のいずれか一方のみ（ｘ＝０又はｘ＝１）、Ｖ族元素である２つの元素（Ａｓ及びＰ）のいずれか一方のみ（ｙ＝０又はｙ＝１）は含まないものとする。
【００３２】
［ｐ型中間層］
以下、当該実施形態に係る半導体光素子が奏する効果について説明する。ＤＦＢレーザ素子１は、２層構造を有するｐ型中間層２０を備えている。まず、ｐ型中間層２０の役割について説明する。図３は、当該実施形態に係る半導体光素子の半導体層の価電子帯エネルギーを示す概略図である。図３の右側の図の縦軸（ｚ）は、積層方向における複数の半導体層の位置を示している。ここで、複数の半導体層とは、左側の図に示す、ｐ型クラッド層１４、ｐ型下側中間層２０Ａ、ｐ型上側中間層２０Ｂ、及びｐ＋型コンタクト層２１の４つの半導体層である。ｐ＋型コンタクト層２１の上表面を位置の基準（ｚ＝０）としており、図の下向きは積層方向負の向きであり、ｚはｐ＋型コンタクト層２１の上表面からの深さを表している。図３の右側の図の横軸は、各位置における価電子帯エネルギーＥｖを模式的に示している。本明細書において、価電子帯エネルギーＥｖとは、価電子帯のバンド端のエネルギーであり、価電子帯のうちもっとも高いエネルギーである。ｐ＋型コンタクト層２１の価電子帯エネルギーを基準として、エネルギーが高くなる向きに価電子帯エネルギーＥｖを定義している。当該実施形態のように、ｐ型コンタクト層をＩｎＧａＡｓで、ｐ型クラッド層をＩｎＰで、それぞれ形成する場合、ｐ型コンタクト層とｐ型クラッド層との間では、価電子帯エネルギーＥｖの差（ΔＥｖ）が大きくなる。それゆえ、ｐ型クラッド層に接するように（ｐ型中間層なしに）ｐ型コンタクト層を形成する場合、かかるエネルギー差により、正孔（ホール）がｐ側電極３１側からＭＱＷ層１３側への移動することが抑制され、素子抵抗が上昇したり、素子電圧が上昇したりする等の問題が生じる。
【００３３】
特許文献１の図４に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１９とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１との間にｐ型ＩｎＧａＡｓＰ中間層２０を配置する構成が開示されている。これに対して、当該実施形態に係る半導体光素子において、ｐ型中間層２０は２層構造を有し、図３に示す通り、ｐ型上側中間層２０Ｂの価電子帯エネルギーと、ｐ型下側中間層２０Ａの価電子帯エネルギーとが、ともに、ｐ＋型コンタクト層２１の価電子帯エネルギーと、ｐ型クラッド層１４の価電子帯エネルギーと、の間にあり、積層方向の上側から下側へかけて（深さが大きくなるにつれて）、これらエネルギーが順に高くなるように、ｐ型中間層２０が形成されている。ここで、隣り合う半導体層の界面における価電子帯エネルギーの差（ΔＥｖ）を「ステップ」とする。図３に示す通り、当該実施形態において、かかる界面におけるステップを、ｐ型中間層を配置しない場合の（ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との界面における）ステップよりも小さくすることが出来る。また、当該実施形態のように、２層構造のｐ型中間層を配置する場合の各界面におけるステップは、１層構造のｐ型中間層を配置する場合のいずれの界面におけるステップよりも小さくなるように、ｐ型中間層２０を形成するのが望ましい。
【００３４】
また、ｐ型中間層をｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間に配置する場合であっても、界面におけるステップは小さくなるもの有限の値で存在しており、ステップ（価電子帯エネルギーの差ΔＥｖ）の影響がノッチとして残存する。それゆえ、ｐ型中間層に適当な濃度で不純物（ドーパント）を添加するのが望ましい。例えば、中間層に添加されるｐ型不純物濃度として望ましい典型値は１×１０１８ｃｍ−３であり、５×１０１７ｃｍ−３以上であるのが望ましい。また、中間層として望ましい層厚は数十ｎｍであり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのが望ましい。
【００３５】
［第１半導体層の組成波長］
次に、当該実施形態に係るｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）の組成波長について説明する。当該実施形態に係るｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長は１．３０μｍとしている。発明者らは、本発明に想到する前に、比較例に係る半導体光素子を作製し、それについて検討を行っており、当該実施形態について説明する前に、当該比較例に係る半導体光素子について説明する。
【００３６】
図９は、当該比較例に係る半導体光素子のＭｇ濃度プロファイルを示す模式図である。図９の横軸は、図３に示すｚ軸（ｐ＋型コンタクト層２１の上表面からの深さ）に対応しており、図９の縦軸は、積層方向の各位置におけるＭｇ濃度（Mg concentration）ｃｍ−３である。ここで、前述の通り、Ｍｇ濃度とは、半導体層に不純物として含まれるＭｇの実際の濃度である。当該比較例に係る半導体光素子の構造は、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長が異なっていることを除いて、当該実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。当該比較例では、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長を１．５５μｍとしている。ｐ型クラッド層１４、ｐ型下側中間層２０Ａ、及びｐ型上側中間層２０Ｂそれぞれに添加されるドーパントはともにＭｇであり、ドーピング濃度はともに１×１０１８ｃｍ−３である。また、ｐ＋型コンタクト層２１に添加されるドーパントはＣであり、ｐ＋型コンタクト層２１にＭｇは意図的に添加されていない。当該比較例に係る半導体光素子では、素子抵抗の上昇が観測されており、ドーパントとしてＺｎを用いる従来の半導体光素子の素子抵抗よりもさらに高くなってしまう。発明者らは、素子抵抗増大の主たる要因について、以下の通り検討を行っている。
【００３７】
図９に示す通り、ｐ型クラッド層１４におけるＭｇ濃度は、ドーピング濃度と同程度の１×１０１８ｃｍ−３であるが、ｐ型中間層２０におけるＭｇ濃度は、ドーピング濃度よりも低くなっている。特に、ｐ型上側中間層２０Ａにおいて、ｐ＋型コンタクト層２１側の界面近傍で、Ｍｇ濃度は１０１６ｃｍ−３のオーダーまで落ち込んでおり、図９に破線円で示す通り、界面近傍にＭｇ濃度の窪みが生じている。
【００３８】
Ｍｇが添加されていないｐ＋型コンタクト層２１のＭｇ濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度存在しており、ｐ型中間層２０におけるＭｇ濃度の低下は、ｐ型中間層２０に添加したＭｇがｐ＋型コンタクト層２１へ拡散しているものと考えられる。しかしながら、ｐ型上側中間層２０Ｂの界面近傍に生じるＭｇ濃度の窪みの形成は、Ｍｇの拡散だけで単純に説明することは出来ない。界面ではステップ（価電子帯エネルギーの差ΔＥｖ）の影響がノッチとして残存し、かかる界面近傍では、適当なＭｇ濃度が所望されるところ、かかる界面近傍にＭｇ濃度の窪みが形成され、十分なＭｇ濃度が得られていないことが、素子抵抗上昇の主たる要因であると考えられる。
【００３９】
ｐ＋型コンタクト層２１に添加されるＣは、Ｖ族元素のサイトと置換されてｐ型導電性を有する。これに対して、Ｍｇは、ＩＩＩ族元素のサイトと置換されてｐ型導電性を有する。すなわち、ＣとＭｇは、ともにｐ型ドーパントであるが、置換されるサイトが異なる。ｐ＋型コンタクト層２１にＣが添加されていることは、Ｍｇのｐ＋型コンタクト層２１への拡散を抑制する効果は小さく、それゆえ、Ｍｇがｐ＋型コンタクト層２１に拡散すると考えられる。また、Ｃが添加されるｐ＋型コンタクト層２１の成長条件も、Ｍｇの拡散に関与している可能性が考えられる。図９に示す通り、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度は、１×１０１７ｃｍ−３程度でほぼ一様に分布していることから、ｐ＋型コンタクト層２１に含まれるＭｇが準安定的な状態に達しており、Ｍｇのｐ＋型コンタクト層２１への拡散が停止している可能性が考えられる。
【００４０】
ｐ型クラッド層、ｐ型中間層、及びｐ型コンタクト層それぞれにＺｎが不純物として添加される従来の半導体光素子では、Ｚｎは、高濃度に添加されるｐ型コンタクト層から、ｐ型中間層、ｐ型クラッド層へ（基板へ向く向き：下向き）拡散するのが支配的であり、かかる拡散は押し出し拡散と呼ばれている。これに対して、ｐ型クラッド層１４及びｐ型中間層２０それぞれにＭｇが不純物として添加され、ｐ＋型コンタクト層２１にＣが不純物として添加される場合、Ｍｇはｐ型中間層２０からｐ＋型コンタクト層２１へ（基板から積層方向の正の向き：上向き）拡散するのが支配的であり、従来の半導体光素子とは異なるメカニズムの拡散が生じていることを、発明者らは発見した。
【００４１】
ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｐ型クラッド層３（ＡｌＧａＩｎＰ：Ｍｇ添加）と、ｐ型バンド不連続緩和層２（ＧａＩｎＰ：Ｍｇ添加）と、ｐ型キャップ層１（ＧａＡｓ：Ｃ添加）とが、順に積層される半導体レーザ素子が、特許文献２に開示されている。なお、特許文献２のｐ型バンド不連続緩和層２（ＢＤＲ層）は、当該実施形態のｐ型中間層２０に相当する。しかしながら、特許文献２の図３に示す通り、Ｍｇ濃度はｐ型バンド不連続緩和層２（ＢＤＲ層）において低下は観測されておらず、ｐ型バンド不連続緩和層２（ＢＤＲ層）に添加されるＭｇがｐ型キャップ層１へほとんど拡散していないと考えられる。特許文献２のｐ型キャップ層１の母体を構成する材料はＧａＡｓであり、当該実施形態のｐ＋型コンタクト層２１の母体を構成する材料はＩｎＧａＡｓである。すなわち、Ｍｇが添加されるｐ型半導体層（第１半導体層）と、Ｃが添加されるｐ型半導体層（第２半導体層）との界面を考える場合に、ｐ型半導体層それぞれの母体を構成する材料が異なると、Ｍｇの拡散特性が異なることを意味している。当該比較例に係る半導体光素子におけるＭｇ濃度の窪みは、特許文献２に開示される半導体レーザ素子では見出されておらず、今回、発明者らによって発見された新たな課題である。
【００４２】
図４は、当該実施形態に係る半導体光素子のＭｇ濃度プロファイルを示す模式図である。図４に示す横軸及び縦軸は、図９と同様である。前述の通り、当該実施形態に係る半導体光素子において、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長を１．３０μｍとしている。当該実施形態に係る半導体光素子のＭｇ濃度が図４に実線で示されている。図４に示す破線については後述する。
【００４３】
図４に破線円で示す通り、当該実施形態に係る半導体光素子では、ｐ型上側中間層２０Ｂにおいて、界面付近のＭｇ濃度の窪みが形成されていない。さらに、ｐ型中間層２０において、比較例と比べて、Ｍｇ濃度が上昇している。よって、当該実施形態に係る半導体光素子の素子抵抗は、比較例と比べて低減しており、当該実施形態に係るｐ型中間層２０を配置することによる効果が確認される。これにより、当該実施形態に係る半導体光素子は、素子抵抗の低減と素子の特性向上の両方を実現している。
【００４４】
図５は、第１半導体層の組成波長λｇ１と、Ｍｇ濃度の濃度差と、の関係を示す図である。図５の横軸は、ｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）の組成波長λｇ１（μｍ）を表しており、図５の縦軸は、ｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）におけるＭｇ濃度と、ｐ型上側中間層２０ＢにおけるＭｇ濃度の最も低い値と、の濃度差（ａ．ｕ．）を表している。ここで、Ｍｇ濃度の濃度差は、ｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）におけるＭｇ濃度に対する、ｐ型上側中間層２０ＢにおけるＭｇ濃度の最も低い値、の相対値（ａ．ｕ．）を表している。具体的には、組成波長１．３μｍにおけるｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度とｐ型上側中間層の２０ＢのＭｇ濃度の最も低い値との差を基準（分母）とし、各組成波長における前記濃度差を分子として規格化した値である。ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長が異なる複数の半導体光素子を作製し、それぞれについて、ｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）やｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）におけるＭｇ濃度を観測している。なお、前述の通り、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度は、（ｐ型上側中間層２０Ｂとの界面付近を除いて）ほぼ一様に分布しており、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度とは、ほぼ一様に分布するｚ範囲内のＭｇ濃度の平均値である。Ｍｇ濃度の濃度差（相対値）が負であるとは、ｐ型上側中間層２０ＢにおけるＭｇ濃度の最低値が、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度よりも低く、界面付近にＭｇ濃度の窪みが観測されていることを表している。すなわち、ｐ型上側中間層２０ＢにおけるＭｇ濃度の最低値と、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度との差が、界面の窪みである。Ｍｇ濃度の濃度差（相対値）が０であるとは、ｐ型上側中間層２０ＢにおけるＭｇ濃度の最低値が、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度と等しく、窪みが観測されていないことを表している。Ｍｇ濃度の濃度差（相対値）が正であるとは、ｐ型上側中間層２０ＢにおけるＭｇ濃度の最低値が、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度よりも高く、図４に示す通り、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度が、ｐ型上側中間層２０Ｂとの界面から積層方向上向きに沿って、ほぼ一様に分布する値まで降下することを表している。図５には、複数の半導体光素子のうち、代表的な３つの半導体光素子の観測値がシンボル（○）で示されている。図５に示す実線は、観測値から得られるＭｇ濃度の相対値と組成波長λｇ１との関係である。図５に示す通り、第１半導体層において、第２半導体層との界面付近にＭｇ濃度の窪みを生じないようにするためには、第１半導体層の組成波長λｇ１を１．５μｍ以下とすればよい。なお、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長λｇ１は、ｐ型クラッド層１４の母体を構成するＩｎＰの組成波長より長く（バンドギャップが小さく）、ｐ＋型コンタクト層２１の母体を構成するＩｎＧａＡｓの組成波長より短い（バンドギャップが大きい）。それゆえ、図５に示す実線の左側の端が組成波長の下限としてＩｎＰと、右側の端が組成波長の上限としてＩｎＧａＡｓと、それぞれ示されている。
【００４５】
第１半導体層の組成波長λｇ１を１．５μｍ以下とすることにより、Ｍｇ濃度の窪みを生じないように出来ることは、以下のメカニズムで説明可能であると考えられる。ｐ型上側中間層２０Ｂの母体を構成するＩｎＧａＡｓＰは、組成波長λｇ１が短いほど、Ｍｇがｐ型キャリアとして活性化する最大濃度（飽和ホール濃度）が低く、Ｍｇはより拡散しやすい傾向がある。よって、組成波長λｇ１が短い（バンドギャップが大きい）と、ｐ型上側中間層２０Ｂからｐ＋型コンタクト層２１へ、Ｍｇの拡散性が高くなり、界面付近のＭｇ濃度の窪みが生じなくなる。一方、組成波長λｇ１が長い（バンドギャップが小さい）と、ｐ型上側中間層２０Ｂの層内での拡散性が低くなり、ｐ型上側中間層２０Ｂの下方から当該界面へ拡散してくるＭｇが、当該界面付近からｐ＋型コンタクト層２１へ拡散していくＭｇより少なくなり、界面付近にＭｇ濃度の窪みが生じる。その臨界値が１．５μｍであることを発明者らが見出した。
【００４６】
図６は、第１半導体層の組成波長λｇ１と、界面における価電子帯エネルギーの差ΔＥｖと、の関係を示す図である。図６の横軸は、図５と同様に、ｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）の組成波長λｇ１（μｍ）を表している。また、図６の縦軸は、ｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）と、ｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）と、の界面におけるステップ（ｅＶ）を表している。なお、ステップとは、前述の通り、界面における価電子帯エネルギーの差ΔＥｖである。前述の通り、界面におけるステップが大きくなると、正孔（ホール）の移動が抑制され、素子抵抗や素子電圧が上昇する等の問題が生じる。かかる問題を低減させる観点から、ステップ（ΔＥｖ）は０．２ｅＶ以下が望ましく、第２半導体層とのステップを０．２ｅＶ以下とする第１半導体層の組成波長は１．１５μｍ以上である。よって、第１半導体層の組成波長は１．１５μｍ以上であるのが望ましい。以上、当該実施形態に係るｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）の組成波長について説明した。
【００４７】
［製造方法］
本発明に係る半導体光素子の製造方法の主な特徴は、活性層を形成する工程と、ｐ側電極を形成する工程と、前記活性層と前記ｐ側電極との間に、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＡｌ、又はＩｎＧａＡｓＡｌＰのいずれかを材料とし、Ｍｇ又はＢｅがドーパントとして添加され、組成波長１．５μｍ以下となる、第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層と前記ｐ側電極との間に、前記第１半導体層に接して配置されるよう、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＡｌのいずれかを材料とし、Ｃがドーパントとして添加される、第２半導体層を形成する工程と、を備えることにある。以下、当該実施形態に係る半導体光素子の製造方法について説明する。
【００４８】
当該実施形態に係る半導体光素子は、ＤＦＢレーザ素子１であり、半導体層の成長方法は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いている。キャリアガスに、水素を用いる。ＩＩＩ族元素の原料に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。Ｖ族元素の原料に、アルシン（ＡｓＨ３）とフォスフィン（ＰＨ３）を用いる。また、ｎ型バッファー層１２に添加するＳｉの原料に、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いる。ｐ型クラッド層１４及びｐ型中間層２０に添加するＭｇの原料に、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を、ｐ型コンタクト層２１の不純物（ドーパント）の原料に、四臭化炭素（ＣＢｒ４）を、それぞれ用いる。添加するハロゲン原子含有ガスに、塩化メチル（ＣＨ３Ｃｌ）を用いる。埋め込み層２５に添加するＲｕの有機金属原料に、ビスエチルシクロペンタジエニルルテニウムを用いる。なお、ここで、結晶成長法はＭＯＶＰＥ法としたが、これに限定されるものではなく、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、化学ビーム成長（ＣＢＥ：Chemical Beam Epitaxy）法、又は有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ：Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy）法のいずれを用いて半導体層を成長させてもよい。
【００４９】
ＩｎＰからなるｎ型基板１１上に、ＩｎＰからなるｎ型バッファー層１２を形成し、その後、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ層１３、及び回折格子１５の供給層を成長させる。通常の場合、保護のためにかかる回折格子１５の供給層の上側に、ＩｎＰからなるｐ型キャップ層を形成することが多い。公知の工程によって回折格子１５を形成した後に、ＩｎＰからなりＭｇが添加されるｐ型クラッド層１４により、回折格子１５を埋め込むよう、ｐ型クラッド層１４を成長させる。ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型下側中間層２０Ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型上側中間層２０Ｂ、及びＩｎＧａＡｓからなるｐ＋型コンタクト層２１を、順に形成する。前述の通り、ｐ型下側中間層２０Ａの組成波長が１．０５μｍに、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長が１．３０μｍに、それぞれなるよう、ＩｎＧａＡｓＰの組成を調整する。適切な組成波長のｐ型中間層２０を配置することにより、ｐ型上側中間層２０Ｂとｐ＋型コンタクト層２１の界面近傍に、Ｍｇ濃度の窪みは生じることなく、ｐ型中間層２０におけるＭｇ濃度の低下も抑制されている。かかる半導体多層の上表面（ｐ＋型コンタクト層２１の上表面）のうち、光導波路の上方となる領域にメサストライプマスクを形成し、光導波路の両側となる領域をエッチングにより除去して、メサ構造を形成する。さらに、適切な前処理を行い、ＩｎＰからなりＲｕが添加される埋め込み層２５にて、メサ構造の埋め込み成長を施す。その際、ＣＨ３Ｃｌを同時に添加している。これから後の工程は、公知の素子作製方法を用いて、パッシベーション膜３０を形成し、ｐ側電極３１及びｎ側電極３２の形成を施し、ＤＦＢレーザ素子１が完成する。
【００５０】
ＤＦＢレーザ素子１のしきい値電流は８５℃において１５ｍＡであり、ＤＦＢレーザ素子１は、２０ｍＷを超える高い光出力特性を示す。また、素子抵抗が低く、変調特性も良好である。さらに長時間動作でも素子特性は劣化せず高い素子信頼性を示している。また、素子の作製歩留まりも高い。
【００５１】
近年のインターネット人口の爆発的増大により、情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。光通信に用いられる光源には、主として半導体レーザ素子が用いられている。伝送距離１０ｋｍ程度までの短距離用途向けには、半導体レーザを直接電気信号で駆動する直接変調方式が用いられている。本方式は、単純な構成でモジュールを実現できるため消費電力が少なく、部品点数も少なくできるため低コスト化が可能である。一方、伝送距離１０ｋｍを超えるような長距離の光通信向けには、半導体レーザを直接変調することのみでは対応できないため、光変調器を集積した電界吸収型（ＥＡ：Electro-absorption）変調器集積型半導体レーザが用いられている。
【００５２】
光通信の大容量化のためには、半導体レーザ素子の通信速度を現在よりもさらに高速化する必要がある。そのためには、光通信用素子として、Ｚｎを用いない（Ｚｎフリー）半導体光素子が望まれる。特に、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いるＤＦＢレーザ素子がＢＨ構造を有する場合に、ｐ型半導体層に添加されたＺｎがメサ構造の両側に埋めこまれる埋め込み層へ拡散すると、絶縁性を低下させ、埋め込み層に電流のリークパスが出来てしまう。それゆえ、ＭＱＷ層に流れる電流成分が低下し、反対に、リーク電流成分が増大してしまう。これに対して、当該実施形態に係るＤＦＢレーザ素子１は、Ｚｎと比べて拡散性が抑制されるＣやＭｇをｐ型ドーパントとして用いているので、素子抵抗の低下と、素子特性の向上とを、両立することが出来ている。それゆえ、当該実施形態に係る半導体光素子は、光通信用素子として最適である。
【００５３】
なお、当該実施形態に係る半導体光素子の製造方法において、ｐ＋型コンタクト層２１に添加されるドーパントは、Ｃのみである。言い換えれば、Ｍｇのドーピング濃度は０である。ｐ型中間層２０を形成後、ｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）を形成する工程において、ｐ型上側中間層２０Ｂ（第１半導体層）に含まれるＭｇがｐ＋型コンタクト層２１へ拡散するので、図４に実線で示す通り、ｐ＋型コンタクト層２１には、１×１０１７ｃｍ−３程度のＭｇが含まれている。当該実施形態では、ｐ＋型コンタクト層２１を形成する工程において、Ｍｇをドーパントとして添加していない。かかる場合であっても、当該実施形態に係る半導体光素子の製造方法によって、Ｍｇの第１半導体層と第２半導体層との界面付近のＭｇ濃度の窪みが抑制されている。
【００５４】
なお、当該実施形態において、ｐ型クラッド層１４やｐ型中間層２０に添加するｐ型ドーパントは、Ｍｇであるとしたが、Ｂｅであってもよく、ＭｇとＢｅの両方であってもよい。
【００５５】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子は、ｐ＋型コンタクト層２１に添加されるドーパントがＣのみならず、さらに、Ｍｇがドーパントとして添加される点を除いて、第１の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。ｐ＋型コンタクト層２１を形成する工程において、添加するＣのドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上とし、形成後にｐ＋型コンタクト層２１に含まれるＣ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上としている。当該実施形態では、かかる工程において、添加するＭｇのドーピング濃度を１．５×１０１７ｃｍ−３としている。このように、添加するＭｇを適当なドーピング濃度に設定して、形成後にｐ＋型コンタクト層２１に含まれるＭｇ濃度を２×１０１７ｃｍ−３としている。
【００５６】
当該実施形態に係る半導体光素子のＭｇ濃度プロファイルが、図４に破線で示されている。図４に示す通り、当該実施形態に係る半導体光素子のＭｇ濃度プロファイルは、ｐ＋型コンタクト層２１において、ｐ型上側中間層２０Ｂとの界面付近を除き、２×１０１７ｃｍ−３のＭｇ濃度でほぼ一様に分布している。また、ｐ型中間層２０のほぼ全域に亘り、Ｍｇ濃度が１×１０１８ｃｍ−３となっている。ｐ型中間層２０のＭｇ濃度をほぼ全域に亘り１×１０１８ｃｍ−３とすることにより、さらなる抵抗低減効果が得られ、本発明は顕著な効果を奏している。このように、ｐ＋型コンタクト層２１にＭｇをドーパントとして添加することにより、ｐ型中間層２０からｐ＋型コンタクト層２１へＭｇの拡散を抑制することが出来、ｐ型中間層２０のＭｇ濃度を高めることが出来ている。
【００５７】
ｐ＋型コンタクト層２１に添加するＭｇのドーピング濃度の上限は、６×１０１８ｃｍ−３とするのが望ましい。かかるドーピング濃度は、ｐ型中間層２０へ添加するＭｇ濃度の損失設計や、ｐ＋型コンタクト層２１からｐ型中間層２０へのＭｇの逆拡散を抑制する観点から決定される。すなわち、ｐ＋型コンタクト層２１におけるＭｇ濃度は、２×１０１７ｃｍ−３以上６×１０１８ｃｍ−３以下が望ましい。なお、ｐ＋型コンタクト層２１にＭｇを添加する方法は、直接Ｍｇを添加する方法や拡散を用いて間接的に施す方法等が考えられるが、いずれの方法を用いても良い。これにより、ｐ＋型コンタクト層２１に所望のＭｇ濃度を実現することが出来れば、ｐ型中間層２０により高いＭｇ濃度を保ちつつ、ｐ型中間層２０からｐ＋型コンタクト層２１へのＭｇの拡散が停止した準安定状態を実現することができる。
【００５８】
なお、当該実施形態において、ｐ＋型コンタクト層２１に添加するｐ型ドーパントは、Ｃに加えてＭｇであるとしたが、ＣとＢｅであってもよく、ＣとＭｇとＢｅであってもよい。ｐ＋型コンタクト層２１に添加するｐ型ドーパントがＣとＢｅである場合は、 Ｂｅ濃度は、２×１０１７ｃｍ−３以上６×１０１８ｃｍ−３以下が望ましく、ｐ型ドーパントがＣとＭｇとＢｅである場合は、Ｍｇ濃度とＢｅ濃度の合計が、２×１０１７ｃｍ−３以上６×１０１８ｃｍ−３以下が望ましい。なお、Ｍｇ濃度とＢｅ濃度の合計とは、ｐ型ドーパントがＣとＭｇである場合は、Ｍｇ濃度のみ（Ｂｅ濃度は実質的に０）であり、ｐ型ドーパントがＣとＢｅである場合は、Ｂｅ濃度のみ（Ｍｇ濃度は実質的に０）である。
【００５９】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子は、ｐ型中間層２０が３層以上の多層構造を有していること以外は、第１又は第２の実施形態に係る半導体光素子と同じ構造をしている。すなわち、第１又は第２の実施形態に係る半導体光素子では、ｐ型中間層２０は２層構造を有しているが、当該実施形態に係る半導体光素子では、ｐ型中間層２０はＮ層（層数Ｎ）の多層構造を有している（Ｎ≧３の自然数）。第１（第２）の実施形態と第３の実施形態とを合わせると、ｐ型上側中間層２０Ｂが第１半導体層であるので、ｐ型クラッド層１４とｐ型上側中間層２０Ｂとの間に配置される、層数１以上の他のｐ型中間層が、基板上にさらに形成される。
【００６０】
Ｎ層の中間層の価電子帯エネルギーは、ともに、ｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）の価電子帯エネルギーと、ｐ型クラッド層１４の価電子帯エネルギーの間にある。さらに、Ｎ層の中間層の価電子帯エネルギーは、ｐ＋型コンタクト層２１側（上側）からｐ型クラッド層１４（下側）にかけて、順に高くなっているのが望ましい。界面におけるステップ（価電子帯エネルギーの差ΔＥｖ）を小さくすることが出来、ノッチを抑制することが出来る。
【００６１】
また、Ｎ層の中間層の飽和ホール濃度は、ｐ＋型コンタクト層２１側（上側）からｐ型クラッド層１４（下側）にかけて、順に低くなっているのが望ましい。Ｍｇがｐ型キャリアとして活性化する最大濃度（飽和ホール濃度）が低いほど、Ｍｇはより拡散しやすいので、Ｎ層の中間層のうち最上層（第１半導体層）において、ｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）との界面付近にＭｇ濃度の窪みが発生するのを抑制することが出来る。Ｎ層の中間層の価電子帯エネルギーが上側から下側にかけて順に高くなり、Ｎ層の中間層の飽和ホール濃度は上側から下側にかけて順に低くなっているのが、さらに望ましい。ｐ型中間層の母体を構成する材料がＩｎＧａＡｓＰである場合、第１半導体層の組成波長を上記要件とした上で、Ｎ層の中間層の組成波長を順に短くしていくことにより、かかる要件を実現することが出来る。
【００６２】
ここでは、ｐ型中間層２０は多層構造としているが、１層構造であってもよい。また、ｐ＋型コンタクト層２１が多層構造を有する場合であっても、第１半導体層と接する層（多層構造を有するｐ＋型コンタクト層２１の最下層）にＣがｐ型ドーパントとして添加されていればよい。
【００６３】
なお、本明細書における“第２半導体層が第１半導体層に接して配置されている”とは１０ｎｍ未満の膜厚で、組成波長が１．５μｍより長い半導体層が間に配置される場合も含む。例えば、上記実施形態では、ｐ＋型コンタクト層２１とｐ型中間層２０の間に、組成波長が１．５μｍより長い半導体層（膜厚１０ｎｍ未満）が配置される場合も含む。このような薄膜条件であれば、かかる半導体層において、実質的に中間層としての機能が得られず、その結果、本発明と同様の効果により、第１半導体層と第２半導体層に渡って濃度の窪みのないプロファイルが得られるからである。
【００６４】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子は、ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２である。ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２は、変調器部３、レーザ部４、及び導波路部５を備えるが、変調器部３及びレーザ部４のｐ型半導体層の構造は、第１乃至第３いずれかの実施形態に係る半導体光素子のｐ型半導体層の構造と同じである。
【００６５】
図７は、当該実施形態に係る半導体光素子主要部の斜視図である。図７に示す半導体光素子は、図１と同様に、ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２の構造を示すために、ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２の主要部が示されており、光導波路を進行する光の光軸と積層方向を含む断面と、当該光軸に垂直な断面とが、さらに示されている。ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２は、ＢＨ構造を有しているが、これに限定されることはない。
【００６６】
当該実施形態に係る半導体光素子において、半導体層の成長方法は、第１の実施形態と同様に、ＭＯＶＰＥ法を用いているが、これに限定されるものではない。当該実施形態では、第２の実施形態と同様に、ｐ＋型コンタクト層２１に添加するｐ型ドーパントは、ＣとＭｇであるので、ｐ＋型コンタクト層２１に添加するＭｇの原料に、Ｃｐ２Ｍｇを用いている。
【００６７】
ＩｎＰからなるｎ型基板１１上に、ＩｎＰからなるｎ型バッファー層１２を形成し、その後、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる変調器部ＭＱＷ層１３Ａを成長させる。通常の場合、保護のためにかかる変調器部ＭＱＷ層１３Ａの上側に、ＩｎＰからなるｐ型キャップ層を形成する。次に、ウエハの所望の領域（変調器部３となる領域）にマスクパターンを形成し、これをエッチングマスクとして、ｐ型キャップ層及び変調器部ＭＱＷ層１３Ａを除去する。さらに、ウエハを成長炉内に導入し、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるレーザ部ＭＱＷ層１３Ｂ、及びＩｎＰからなるｐ型キャップ層をバットジョイント（ＢＪ：Butt-joint）再成長させる。
【００６８】
次に、前述のマスクパターン（マスク）を除去した後、変調器部ＭＱＷ層１３Ａ及びレーザ部ＭＱＷ層１３Ｂに対して、所望の領域（変調器部３となる領域及びレーザ部４となる領域）にＢＪマスクを形成し、これをエッチングマスクとして、エッチングにより、変調器部ＭＱＷ層１３Ａ及びレーザ部ＭＱＷ１３Ｂとｐ型キャップ層とを除去する。さらに、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層３５、及びＩｎＰからなるｐ型キャップ層をＢＪ再成長させる。ここでは、変調器部３及びレーザ部４それぞれとの界面（２箇所）を同時にＢＪ接続している。ウエハを成長炉から取り出した後、ＢＪマスクを除去し、レーザ部４となる領域に、公知の工程によって回折格子１５を形成している。
【００６９】
その後、ウエハを炉体内に導入し、ウエハの上表面全域に、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型中間層２０（第１半導体層）、及びＩｎＧａＡｓからなるｐ＋型コンタクト層２１（第２半導体層）を、順に形成する。ここで、ｐ型クラッド層１４及びｐ型中間層２０には、Ｍｇがドーパントとして添加される。ｐ型中間層２０は１層構造を有しており、組成波長を１．２μｍとしている。ｐ＋型コンタクト層２１は、Ｃ及びＭｇがドーパントとして添加される。ｐ型中間層２０を適切な組成波長としており、ｐ型中間層２０及びｐ＋型コンタクト層２１にそれぞれ適切なドーピング濃度でＭｇを添加することにより、ｐ型中間層２０とｐ＋型コンタクト層２１の界面近傍にＭｇ濃度の窪みは生じることなく、ｐ型中間層２０の全域に亘って１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度を得ることが出来ている。
【００７０】
かかる半導体多層の上表面（ｐ＋型コンタクト層２１の上表面）に、光導波路の上方となる領域にメサストライプマスクを形成し、光導波路の両側となる領域をエッチングにより除去して、メサ構造を形成する。さらに、適切な前処理を行い、ＩｎＰからなりＲｕが添加される埋め込み層２５にて、メサ構造を埋め込み成長を施す。その際、ＣＨ３Ｃｌを同時に添加している。また、出射光の反射による戻り光を防ぐため、変調器部３側の光の出射端は、埋め込み層２５により埋めこまれており、いわゆる窓構造としている。導波路部５となる領域に形成されるｐ型中間層２０及びｐ＋型コンタクト層２１を除去し、変調器部３とレーザ部４とを素子分離する。これから後の工程は、公知の素子作製方法を用いて、パッシベーション膜３０を形成し、変調器部３のｐ側電極３１Ａ及びレーザ部４のｐ側電極３１Ｂを形成し、さらに、ｎ側電極３２を形成し、素子として完成する。
【００７１】
ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２の素子抵抗は低く、しきい値電流は８５℃において１５ｍＡであり、ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子２は、−５℃から８５℃の範囲で冷却器無しで１０ＧＨｚの良好な変調特性を示し、また、長時間動作でも素子特性は劣化せず高い素子信頼性を示した。また、素子の作製歩留まりも高い。なお、変調器部３やレーザ部４のＭＱＷ層の母体を構成する材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓのみでなく、ＩｎＧａＡｓＰや、それにＳｂやＮを添加した材料を用いてもよい。
【００７２】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る半導体光素子は、レンズ集積型半導体レーザ素子６であり、裏面出射型レーザである。レンズ集積型半導体レーザ素子６は、プレーナＢＨ構造を有するが、ｐ型半導体層の構造は、第１乃至第３いずれかの実施形態に係る半導体光素子のｐ型半導体層の構造と同じである。
【００７３】
図８は、当該実施形態に係る半導体光素子主要部の斜視図である。図８に示す半導体光素子は、図１と同様に、レンズ集積型半導体レーザ素子６の構造を示すために、レンズ集積型半導体レーザ素子６の主要部が示されており、光導波路を進行する光の光軸と積層方向を含む断面と、当該光軸に垂直な断面とが、さらに示されている。当該実施形態に係る半導体光素子において、半導体層の成長方法は、第１の実施形態と同様に、ＭＯＶＰＥ法を用いているが、これに限定されるものではない。
【００７４】
ＩｎＰからなるｎ型基板１１上に、ＩｎＰからなるｎ型バッファー層１２、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層１３、及び回折格子１５の供給層を成長させる。通常の場合、最後に、ＩｎＰからなるｐ型キャップ層を形成する。公知の工程によってｐ型クラッド層１４（の下部）の上表面に回折格子１５を形成した後に、回折格子１５を埋め込むよう、ＩｎＰからなる薄いｐ型クラッド層１４（の下部）、及びＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型キャップ層を成長させる。かかる半導体多層の上表面のうち、光導波路の上方となる領域にメサストライプマスクを形成し、光導波路の両側となる領域をエッチングにより除去して、メサ構造を形成する。さらに、適切な前処理を行い、ＩｎＰからなりＲｕが添加される埋め込み層２５にて、メサ構造の埋め込み成長を施す。その際、ＣＨ３Ｃｌを同時に添加している。
【００７５】
次に、メサストライプマスクを除去した後、適切な前処理を行い、ｐ型キャップ層を除去して、ＩｎＰからなりＭｇが添加されるｐ型クラッド層１４（の上部）を形成する。その際、埋め込み層２５の埋め込み成長にて形成される結晶面の凹凸を平坦化する条件にて、ｐ型クラッド層１４の再成長を行っている。さらに、連続的に、ｐ型中間層２０、及びＩｎＧａＡｓからなりＣとＭｇが添加されるｐ＋型コンタクト層２１を、順に形成する。ここで、ｐ型中間層２０は２層構造を有しており、２層構造とは、ＩｎＧａＡｓＰからなりＭｇが添加されるｐ型下側中間層２０Ａ（図示せず）と、ＩｎＧａＡｓＰからなりＭｇが添加されるｐ型上側中間層２０Ｂ（図示せず）である。ｐ型下側中間層２０Ａの組成波長は１．１μｍであり、ｐ型上側中間層２０Ｂの組成波長は１．４μｍである。ｐ＋型コンタクト層２１を形成する際には、Ｃに加えてＭｇを添加し、ｐ＋型コンタクト層２１に含まれるＭｇ濃度が５×１０１７ｃｍ−３となるようにしている。ｐ型中間層２０を適切な組成波長とし、ｐ型中間層２０及びｐ＋型コンタクト層２１それぞれに適切なドーピング濃度でＭｇを添加することにより、ｐ型中間層２０の全域に亘って１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度を得ることが出来ている。これから後の工程は、公知の素子作製方法を用いて、
所定の場所に１３５°の角度を有する反射鏡４１、ｎ型基板１１の裏面に出射光を収束させるための裏面レンズ４２を形成し、さらに、ｐ側電極３１を上面に、ｎ側電極３２を裏面に、それぞれ形成し、素子として完成する。
【００７６】
レンズ集積型半導体レーザ素子６の素子抵抗は２Ωと低く、しきい値電流は８５℃において１０ｍＡと低い値となっている。また、冷却器無しで１０ＧＨｚの良好な変調特性を示し、長時間動作でも素子特性は劣化せず高い素子信頼性を示した。また、素子の作製歩留まりも高い。
【００７７】
以上、本発明の実施形態に係る半導体光素子、及びその製造方法について説明した。本発明に係る半導体光素子は、上記実施形態に係る半導体光素子に限定されることはなく、１対のｐ型半導体層を活性層とｐ側電極との間に配置される半導体光素子に広く適用することが出来る。上記実施形態では、第１半導体層の母体を構成する材料にＩｎＧａＡｓＰを用いているが、これに限定されることはなく、ＩｎＧａＡｓＡｌ又はＩｎＧａＡｓＡｌＰであってもよい。第１半導体層に添加されるドーパントとして、Ｍｇを用いているが、これに限定されることはなく、Ｂｅであってもよいし、ＭｇとＢｅの両方であってもよい。また、Ｍｇ又は（及び）Ｂｅと、他のドーパントと、の組み合わせであってもよい。第２半導体層の母体を構成する材料にＩｎＧａＡｓを用いているが、所望のＣ濃度が得られるのであればこれに限定されることはなく、ＩｎＧａＡｓＡｌであってもよいし、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓＰであってもよい。本発明は、半導体レーザ素子における発光部（レーザ部）のみならず、本発明に係る１対の半導体層を含む半導体多層構造を有するのであれば、変調器や導波路、受光素子等の他の半導体光素子にも本発明を広く適用することが出来る。また、同様の半導体多層構造を有する電子デバイス等においても、本発明を適用することが出来る。
【符号の説明】
【００７８】
１  ＤＦＢレーザ素子、２  ＥＡ変調器集積型半導体レーザ素子、３  変調器部、４  レーザ部、５  導波路部、６  レンズ集積型半導体レーザ素子、１１  ｎ型基板、１２  ｎ型バッファー層、１３  ＭＱＷ層、１３Ａ  変調器部ＭＱＷ層、１３Ｂ  レーザ部ＭＱＷ層、１４  ｐ型クラッド層、１５  回折格子、２０  ｐ型中間層、２０Ａ  ｐ型下側中間層、２０Ｂ  ｐ型上側中間層、２１  ｐ＋型コンタクト層、２５  埋め込み層、３０  パッシベーション膜、３１，３１Ａ，３１Ｂ  ｐ型電極、３２  ｎ側電極、３５  導波路層、４１  反射鏡、４２  裏面レンズ。
【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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