(57)【要約】【課題】Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いて活性層を形成する半導体光素子において、Ａｌの酸化による製造歩留まりや信頼性の低下を引き起こすことなく、端面窓構造を実現する。【解決手段】窓部となる領域の近傍の基板１にあらかじめ段差部を設けておき、その後、基板１上にＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層８を含む複数の化合物半導体層を堆積する。これにより、窓部となる領域の近傍に堆積された活性層８の膜厚が他の領域に比べて薄くなり、多重量子井戸構造を有する活性層８の量子閉じ込め効果が増大して量子準位が高エネルギー側へシフトするので、窓部となる領域で活性層８の禁制帯幅が大きくなる。また、窓構造を形成する際に、Ａｌを含む活性層８をエッチングしないので、Ａｌの酸化も生じない。【選択図】    図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、第２導電型の第２クラッド層とを含む複数の半導体層が形成され、前記活性層よりも上層の半導体層の一部にリッジ状の光導波路が形成された半導体光素子であって、
前記光導波路の端面近傍における前記活性層の膜厚が他の領域よりも薄いことを特徴する半導体光素子。
【請求項２】
前記光導波路の端面近傍から所定の距離だけ離れた領域の前記半導体基板に凹状の段差部が形成されていることを特徴する請求項１記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記活性層は、アルミニウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴する請求項１記載の半導体光素子。
【請求項４】
以下の工程を含む半導体光素子の製造方法：
（ａ）第１導電型の半導体基板を用意する工程、
（ｂ）前記半導体基板の主面の、光導波路の端面近傍となる領域から所定の距離だけ離れた領域に、所定の深さを有する凹状の段差部を形成する工程、
（ｃ）前記段差部が形成された前記半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、第２導電型の第２クラッド層とを含む複数の半導体層を形成し、前記活性層を構成する半導体材料が前記段差部の内部方向へ拡散する選択成長効果を利用して、前記光導波路の端面近傍となる領域における前記活性層の膜厚を他の領域よりも薄くする工程、
（ｄ）前記活性層よりも上層の半導体層の一部をエッチングすることによって、リッジ状の光導波路を形成する工程、
（ｅ）前記半導体基板を、前記光導波路の延在方向と交差する方向に沿って劈開することにより、共振器端面を形成する工程。
【請求項５】
前記活性層は、アルミニウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴する請求項４記載の半導体光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光素子およびその製造技術に関し、特に、端面窓構造を有し、Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を使って活性層を形成する半導体光素子に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用半導体レーザは、光ファイバによる波長分散や吸収損失の影響を低減する必要上、その波長帯が１．３μｍ帯または１．５５μｍ帯に限られている。このような波長帯を有する半導体レーザ素子には、ＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が最も適しており、一般にはＩｎＰ基板上にＩｎＰクラッド層とＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）の３元混晶または４元混晶からなる活性層とを結晶成長させたダブルヘテロ構造が採用されている。
【０００３】
ところが、ＩｎＰ基板上の活性層にＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）混晶を用いた場合は、レーザの高温動作時の熱飽和によってスロープ効率が低下するという問題が生じるために、このような問題が生じ難いＡｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料であるＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ａｓの４元混晶を用いて活性層を構成する半導体レーザ素子が期待されている。
【０００４】
しかし一方で、上記Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を活性層に用いた場合には、一般に共振器端面の光学損傷（ＣＯＤ）レベルが低下し、半導体レーザ素子の高出力化が制限されたり、寿命が低下するなど、多くの問題が発生することが知られている。この光学損傷（ＣＯＤ）は、共振器端面近傍での発熱によって活性層の禁制帯幅が狭くなり、端面の光吸収が増加することに起因している。
【０００５】
そこで、上記光学損傷（ＣＯＤ）を抑制する技術として、端面への電流非注入によるジュール熱発生の低減、あるいは活性層の禁制帯幅を広くして光吸収の低減を図る端面窓構造が提案されている。
【０００６】
上記端面窓構造は、例えば端面ヘテロ接合埋め込み（特許文献１）や、プラズマまたは熱拡散を利用した元素置換による組成変換（特許文献２）などによって、端面近傍の禁制帯幅を広げる技術である。
【０００７】
また、酸化膜や窒化膜を用いた有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）法による選択成長も上記端面窓構造を実現する手段の一つであり、Ａｌフリーの活性層を有する半導体レーザでは、特許文献３などにその記載がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１４１６１０号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２０００−０２２２６７号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開平８−２７１７４３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を使って活性層を形成する半導体レーザ素子の場合、上述したような端面窓構造を実現しようとすると、製造工程でのＡｌの酸化に起因する信頼性の低下が問題となり、Ａｌの酸化を防止するための製造工程上の制約も多くなる。
【００１２】
また、特許文献１に記載された端面ヘテロ接合埋め込み技術は、端面のエッチング、埋め込み再成長が必要で、複数回の結晶成長工程が必要になるという問題や、Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上への埋め込み再成長が困難で、素子の信頼性に難があるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献２に記載された元素置換による組成変換技術の場合も、端面結晶へのダメージによる信頼性低下という問題が発生する。
【００１４】
さらに、酸化膜や窒化膜を用いた有機金属気相成長法による選択成長技術の場合は、Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の選択成長が極めて困難であるために、実用化が難しいのが現状である。
【００１５】
本発明の目的は、Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いて活性層を形成する半導体光素子において、製造歩留まりや信頼性を低下させることなく、端面窓構造を実現することのできる技術を提供することにある。
【００１６】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１８】
本発明による半導体光素子の製造方法は、以下の工程を含んでいる。
（ａ）第１導電型の半導体基板を用意する工程、
（ｂ）前記半導体基板の主面の、光導波路の端面近傍となる領域から所定の距離だけ離れた領域に、所定の深さを有する凹状の段差部を形成する工程、
（ｃ）前記段差部が形成された前記半導体基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層と、活性層と、第２導電型の第２クラッド層とを含む複数の半導体層を形成し、前記活性層を構成する半導体材料が前記段差部の内部方向へ拡散する選択成長効果を利用して、前記光導波路の端面近傍となる領域における前記活性層の膜厚を他の領域よりも薄くする工程、
（ｄ）前記活性層よりも上層の半導体層の一部をエッチングすることによって、リッジ状の光導波路を形成する工程、
（ｅ）前記半導体基板を、前記光導波路の延在方向と交差する方向に沿って劈開することにより、共振器端面を形成する工程。
【００１９】
上記した手段によれば、光導波路の端面近傍における活性層の膜厚を他の領域よりも薄くすることにより、活性層の量子閉じ込め効果が増大して量子準位が高エネルギー側へシフトし、光導波路の端面近傍で活性層の禁制帯幅が大きくなる結果、共振器端面の光学損傷（ＣＯＤ）に起因する光吸収の増加が抑制される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の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。
【００２１】
（実施の形態１）
本実施の形態は、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層を有する分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄ  Ｂａｃｋ；ＤＦＢ）型の半導体レーザ素子に適用したものであり、図１〜図１１を用いてその製造方法を工程順に説明する。
【００２２】
まず、図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ結晶からなる基板１の主面上に絶縁膜２を形成する。絶縁膜２は、例えばＣＶＤ法で堆積した酸化シリコン膜または窒化シリコン膜などで構成する。
【００２３】
次に、図２に示すように、フォトレジストをマスクに用いた周知のエッチング技術によって、絶縁膜２に複数の開口部３を形成する。絶縁膜２のエッチングは、フッ酸系のエッチング液を用いたウェットエッチング、あるいはフッ素系のエッチングガスを用いたドライエッチングのいずれでもよい。
【００２４】
上記開口部３は、後の工程で光導波路端面の窓部となる領域の両側に一つずつ配置する。それぞれの開口部３の寸法は、縦×横＝１００μｍ×５０μｍ程度とし、２つの開口部３、３の間隔（ｓ）は、２０μｍ程度とする。この間隔（ｓ）が広すぎると、後の工程で窓部となる領域に形成される活性層の膜厚が薄くならず、逆に狭すぎると、この領域に活性層が形成され難くなるので、間隔（ｓ）の制御は重要である。
【００２５】
次に、図３および図４（図３のａ−ａ線に沿った断面図）に示すように、上記絶縁膜２をマスクに用いたエッチングによって、開口部３の底部に露出した基板１の表面に深さ１．０μｍ〜１．５μｍ程度の段差部４を形成する。基板１のエッチングは、塩酸とリン酸（または過酸化水素水とリン酸）の混合液を用いたウェットエッチング、あるいはＣＨ４系ガスを用いたドライエッチングのいずれでもよい。なお、段差部４の深さが大きくなると、後の工程で窓部となる領域に形成される活性層の膜厚が薄くなり過ぎたり、活性層が形成され難くなるので、段差部４の深さの制御も重要である。
【００２６】
次に、マスクに用いた絶縁膜２をフッ酸系のエッチング液で除去し、続いて基板１の表面を硫酸系の洗浄液で洗浄した後、図５および図６（図３、図５のｂ−ｂ線に沿った断面図）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて基板１上に複数の化合物半導体層（ｎ型ＩｎＰからなる第１クラッド層５、ｎ型ＩｎＡｌＡｓからなる第２クラッド層６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓからなる第１光ガイド層７、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層８、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる第２光ガイド層９、ｐ型ＩｎＡｌＡｓからなる第３クラッド層１０、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層１１、ｐ型ＩｎＰからなる回折格子層１２およびｐ型ＩｎＰからなるキャップ層１３）を順次堆積する。ＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層８は、キャリアの閉じ込め効果を上げるために、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる障壁層とＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層とを５周期積層した多重量子井戸（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）構造とする。
【００２７】
段差部４が形成された基板１上に上記複数の化合物半導体層を堆積すると、段差部４の外周に近い領域では、成膜時にＩＩＩ族化合物半導体材料が段差部４の内部方向へ拡散する選択成長効果が働く。そのため、この領域に堆積された活性層８を含む化合物半導体層（５〜１３）の膜厚は、段差部４から充分に離れた平坦部に比べて薄くなる。特に、後の工程で窓部となる段差部４と段差部４の間の領域では、半導体材料が両方向に拡散するので、選択成長効果が大きくなり、化合物半導体層（５〜１３）の膜厚が他の領域よりも薄くなる（図６参照）。
【００２８】
次に、キャップ層１３を除去し、電子ビーム（ＥＢ）露光とエッチングによって回折格子（図示せず）を形成した後、図７に示すように、有機金属ＣＶＤ法を用いて基板１上にｐ型ＩｎＰからなる第４クラッド層１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる第１コンタクト層１５およびｐ型ＩｎＧａＡｓからなる第２コンタクト層１６を再成長させる。
【００２９】
次に、図８に示すように、基板１上にＣＶＤ法で堆積した酸化シリコン膜（または窒化シリコン膜）をパターニングしてストライプ状の開口部を有するマスク１７を形成した後、このマスク１７を用いて第２コンタクト層１６から第４クラッド層１４の途中までをストライプ状にエッチングすることによって、リッジ状の光導波路１８を形成する。
【００３０】
次に、上記マスク１７をエッチングで除去した後、図９に示すように、基板１上にＣＶＤ法で酸化シリコン膜１９を堆積し、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで酸化シリコン膜１９の一部を除去することによって、電流注入部となる光導波路１８の上面の一部を露出させる。
【００３１】
次に、図１０に示すように、光導波路１８に電気的に接続されるｐ側電極２０と、基板１に電気的に接続されるｎ側電極２１とを形成する。ｐ側電極２０は、基板１上に電子ビーム（ＥＢ）蒸着法で堆積したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を加熱処理した後、所定形状にパターニングすることによって形成する。また、ｎ側電極２１は、基板１の裏面を１００μｍ厚まで研磨処理した後、電子ビーム蒸着法でＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を堆積することによって形成する。
【００３２】
その後、図１１に示すように、基板１を劈開してチップ化する。具体的には、まず、基板１を前記図３、図１０のｃ−ｃ線およびｄ−ｄ線に沿ってバー状に劈開した後、マグネトロンスパッタリング法を用いてチップ前端面（ｃ−ｃ線に沿った切断面）に低反射（ＡＲ）膜２２をコーティングし、チップ後端面（ｄ−ｄ線に沿った切断面）に図示しない高反射（ＨＲ）膜をコーティングする。チップ前端面から後端面までの長さ（共振器長）は、２２５μｍ程度とする。最後に、幅４００μｍ程度となるように基板１を劈開することにより、光導波路１８の端面に窓構造を有する本実施の形態の半導体レーザ素子が完成する。
【００３３】
このように、本実施の形態の製造方法は、窓部となる領域の近傍の基板１にあらかじめ段差部４を設けておき、その後、この基板１上にＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層８を含む複数の化合物半導体層を堆積するので、窓部となる領域の近傍に堆積された活性層８の膜厚が他の領域に比べて薄くなる。
【００３４】
これにより、多重量子井戸構造を有する活性層８の量子閉じ込め効果が増大して量子準位が高エネルギー側へシフトし、窓部となる領域で活性層８の禁制帯幅が大きくなる結果、共振器端面の光学損傷（ＣＯＤ）に起因する光吸収の増加が抑制され、半導体レーザ素子の信頼性および製造歩留まりが向上する。
【００３５】
また、本実施の形態の製造方法は、窓構造を形成する際に、Ａｌを含む活性層８をエッチングしないので、Ａｌの酸化による信頼性の低下（再成長後の非発光再結合準位増大による効率低下や劣化促進など）を抑制することができる。
【００３６】
さらに、本実施の形態の製造方法は、活性層８の端面窓構造を一回の結晶成長で形成することができるため、製造工程数も少なくなり、製造コストや製造期間短縮の面でも有利である。
【００３７】
（実施の形態２）
本実施の形態は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）からなる活性層を有する分布帰還型半導体レーザ素子に適用したものである。
【００３８】
この半導体レーザ素子を製造するには、前記実施の形態１と同じく、窓部となる領域の近傍のｎ型ＩｎＰ基板にあらかじめ段差部を設けておき、その後、基板上にｎ型ＩｎＰからなる第１クラッド層、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる第１光ガイド層、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層、ＩｎＧａＡｓＰからなる第２光ガイド層、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層、ｐ型ＩｎＰからなる回折格子層およびｐ型ＩｎＰからなるキャップ層を順次形成する。
【００３９】
ＩｎＧａＡｓＰからなる上記活性層は、キャリアの閉じ込め効果を上げるために、ＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層とＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とを７周期積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とする。
【００４０】
その後、前記実施の形態１と同様の方法によって、光導波路の端面に窓構造を有する半導体レーザを形成する。
【００４１】
本実施の形態によれば、Ａｌを含まない活性層を有する半導体レーザ素子においても、窓部となる領域で活性層の禁制帯幅を大きくすることができるので、共振器端面の光学損傷（ＣＯＤ）に起因する光吸収の増加を抑制し、信頼性および製造歩留まりを向上させることができる。
【００４２】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４３】
前記実施の形態では、活性層を構成する半導体材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰを挙げたが、これらに限定されるものではなく、ＩｎｘＧａｙＡｌ（１−ｘ−ｙ）Ａｓ、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で示されるＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体材料を用いて活性層を構成する光通信用モジュール、高密度光ディスクデバイス、レーザプリンタなど分野で使用される半導体レーザ素子全般に適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００４５】
Ａｌ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を活性層に用いた半導体光素子において、Ａｌの酸化による信頼性の低下や歩留まりの低下を引き起こすことなく、共振器端面の光学損傷（ＣＯＤ）を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図４】図３のａ−ａ線に沿った半導体基板の要部断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図６】図５のｂ−ｂ線に沿った半導体基板の要部断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図８】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図９】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図１０】本発明の一実施の形態である半導体光素子の製造方法を示す半導体基板の要部斜視図である。
【図１１】本発明の一実施の形態である半導体光素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  基板
２  絶縁膜
３  開口部
４  段差部
５  第１クラッド層
６  第２クラッド層
７  第１光ガイド層
８  活性層
９  第２光ガイド層
１０  第３クラッド層
１１  スペーサ層
１２  回折格子層
１３  キャップ層
１４  第４クラッド層
１５  第１コンタクト層
１６  第２コンタクト層
１７  マスク
１８  光導波路
１９  酸化シリコン膜
２０  ｐ側電極
２１  ｎ側電極
２２  低反射膜
【図１】
2004228267.tif 000003
【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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【図１１】
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