(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層、下部光閉じ込め層、量子井戸構造の活性層、上部光閉じ込め層、および上部クラッド層が基板の上にこの順序で積層されている層構造を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記下部光閉じ込め層および前記上部光閉じ込め層が、いずれも、厚み方向に構成元素の組成が連続変化する化合物半導体の混晶から成り、
前記下部クラッド層と前記下部光閉じ込め層の層間には、前記下部光閉じ込め層の成膜開始時の組成の構成元素で形成され、かつ厚み方向に組成が変化しない第１の介在層が形成され、前記下部光閉じ込め層と前記活性層の層間には前記活性層の最も基板側の障壁層となり、かつ厚み方向に組成が変化しない第２の介在層が形成されており、
前記層構造の各層はその構成元素のガス源をマスフローコントローラで流量調節して反応炉に供給する有機金属化学気相成長装置を用いて成膜され、かつ、前記マスフローコントローラと前記反応炉との間には、各ガス源を前記反応炉側に流す状態と排気経路側に流す状態とを切り換える切換手段が設けられており、
前記下部クラッド層の成膜に用いない構成元素のガス源を、前記マスフローコントローラの弁動作により制御可能な流量の下限を上回る流量で前記排気経路側に流しておく工程と、
前記下部光閉じ込め層の成膜工程の開始時点で、前記切換手段を切り換えて、前記下部クラッド層の成膜に用いなかった構成元素のガス源を前記反応炉側に流し、これによって前記下部クラッド層上に前記第１の介在層を形成する工程と、
前記下部光閉じ込め層の成膜終了時点が近づき、前記供給しているガス源のうち前記障壁層の形成に用いられないガス源の流量が前記マスフローコントローラの弁動作により制御可能な流量の下限の時点で、前記切換手段を切り換えて、前記ガス源の供給を遮断する工程と、
前記活性層の構成元素のガス源を前記反応炉に供給し、これによって前記下部光閉じ込め層上に前記第２の介在層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記下部光閉じ込め層および前記上部光閉じ込め層が、いずれも、厚み方向に構成元素の組成が連続変化する４元混晶から成り、かつ、少なくとも前記下部光閉じ込め層と前記下部クラッド層との間の第１の介在層は、バンドギャップ波長が０.９３〜１.０５μｍである組成の前記４元混晶から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記４元混晶がＩｎＧａＡｓＰから成ることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
１.３〜１.６μｍの波長域で発振することを特徴とする請求項２または３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２の介在層は、ＧｓＡｓから成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つの項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子井戸構造の活性層が下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層で挟まれている半導体レーザ素子と、それを有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を適用して製造する方法に関する。更に詳しくは、前記下部光閉じ込め層と前記上部光閉じ込め層において、それらを構成する半導体材料の組成が当該層の厚み方向に連続的に変化している半導体レーザ素子と、ＭＯＣＶＤ法によるその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を活性層とするレーザ素子は、しきい値電流が低位水準にあり、また高光出力動作が可能である。そして一般的には、その活性層の上下にＳＣＨ構造（Separate-confinement-heterostructure）の下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層をそれぞれヘテロ接合することにより、活性層へのキャリアの注入効率を高め、活性層で発振したレーザ光の閉じ込め効果を高め、もってレーザ素子の外部微分量子効率を高めて高光出力動作の実現が企られている。
【０００３】
その場合、ＳＣＨ構造としては、互いに組成比が異なる同一種類の半導体材料から成る層を当該組成比を段階的に変化させた状態でヘテロ接合して積層して成るＳＣＨ構造や、組成比を連続的に変化させた状態で同一種類の半導体材料を積層して成るＳＣＨ構造が設計されている。
これらＳＣＨ構造のうち、厚み方向に組成を連続的に変化させるＳＣＨ構造を採用すると、活性層へのキャリアの注入効率が高くなり、光閉じ込め効果が大きくなる。また光閉じ込め層の中に結晶劣化の原因となるヘテロ接合界面を含まないため、高光出力動作時の信頼性が高くなるなどの効果の得られることが知られている。
【０００４】
ここで、後者のＳＣＨ構造の下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層が形成されているレーザ素子の１例Ａを図８に示す。また、このレーザ素子Ａの層構造Ｃにおける従来のエネルギーバンド図の例を図９に示す。
このレーザ素子Ａの場合、例えばｎ−ＩｎＰから成る基板１の上にｎ−ＩｎＰから成る厚み５００nmの下部クラッド層２Ａが積層され、そして、下部クラッド層２Ａの上には、ＩｎＧａＡｓＰから成る後述の下部光閉じ込め層３Ａ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓから成る後述のＭＱＷ構造の活性層４、ＩｎＧａＡｓＰから成る後述の上部光閉じ込め層３Ｂ、ｐ−ＩｎＰから成る厚み５００nmの上部クラッド層２Ｂが順次積層されて層構造Ｃが形成されている。
【０００５】
なお、層構造Ｃの両側にはｐ型層６Ｂとｎ型層６Ａを順次積層して成る電流ブロッキング層６が形成されている。
そして層構造Ｃと電流ブロッキング層６を埋設して上部クラッド層２Ｃが形成され、更にその上には、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰから成る厚み５０nmのキャップ層が積層されている。キャップ層５の上に上部電極７Ｂが形成され、また基板１の裏面には下部電極７Ａが形成されている。
【０００６】
上記した層構造Ｃにおいて、まず、活性層４は次のように設計されている。
すなわち、活性層４は、井戸層４Ａが厚み４nmのＩｎＧａＡｓＰ層から成り、また障壁層４Ｂは、バンドギャップ波長が１.２μｍである組成から成る、厚み１０nmのＩｎＧａＡｓＰで形成され、全体として５個の量子井戸を有している（図８を参照）。
【０００７】
一方、下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３Ｂは次のように設計されている。
すなわち、下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３Ｂの厚みはいずれも４０nmになっている。そして、下部光閉じ込め層３Ａの場合、下部クラッド層２Ａとヘテロ接合する部分（１）は、そのバンドギャップ波長が０.９２μｍである組成のＩｎＧａＡｓＰで構成され、活性層４の最初の井戸層４Ａとヘテロ接合する部分（２）は、そのバンドギャップ波長が１.２μｍである組成のＩｎＧａＡｓＰで構成されている。
【０００８】
そして、上記した部分（１）から部分（２）にまで至る領域は、バンドギャップ波長が０.９２μｍから１.２μｍへと順次広くなっていく。すなわち、この領域はバンドギャップエネルギーが順次小さくなって屈折率は順次大きくなっていくような組成のＩｎＧａＡｓＰを順次積層して形成されている。
したがって、下部光閉じ込め層３Ａは、図９で示したように、そのバンドギャップ波長が下部クラッド層２Ａから活性層４の最初の井戸層４Ａにかけて線形で広くなっていくような傾斜組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている。
【０００９】
そして、他方の上部光閉じ込め層３Ｂは、活性層４を中心にして上記した下部光閉じ込め層３と逆の態様をとるように設計されている。
すなわち、活性層４の最後の井戸層４Ａとヘテロ接合する部分は、そのバンドギャップ波長が１.２μｍである組成のＩｎＧａＡｓＰで形成され、上部クラッド層２Ｂとヘテロ接合する部分はそのバンドギャップ波長が０.９２μｍである組成のＩｎＧａＡｓＰで形成され、その間は、バンドギャップ波長が順次線形をなして狭くなっていくような傾斜組成のＩｎＧａＡｓＰで形成されている。
【００１０】
上記したレーザ素子の製造に際しては、通常、ＭＯＣＶＤ法が採用されている。例えば、Ｉｎ源としてＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を用い、Ｇａ源としてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用い、Ａｓ源としてＡｓＨ3（アルシン）を用い、Ｐ源としてＰＨ3（ホスフィン）を用いる。そして、これらガス源をＨ2で所定濃度となるように希釈し、成膜すべき半導体層の種類に応じて、上記ガス源のそれぞれに対し、マスフローコントローラで正確な流量制御と時間制御を行い、それぞれを反応炉に供給して所定の半導体層を順次成膜する。
【００１１】
例えば、上記した層構造Ｃにおける下部光閉じ込め層３Ａを形成する場合、次のような操作を行えばよい。
ＴＭＩｎ（Ｉｎ源）とＰＨ3（Ｐ源）を用い、またｎ型不純物のガス源を用いてｎ−ＩｎＰから成る下部クラッド層の成膜工程を終了したのち、ｎ型不純物のガス源の供給を停止する。ついで、Ｉｎ源とＰ源の供給は継続しながら、ＴＭＧａ（Ｇａ源）のマスフローコントローラとＡｓＨ3（Ａｓ源）のマスフローコントローラを開弁して反応炉へのＧａ源とＡｓ源の供給を開始する。
【００１２】
そして、Ｉｎ源とＰ源のマスフローコントローラの弁の開度を調節してそれらの供給流量を徐々に減少させ、またＧａ源とＡｓ源に関してはそれぞれのマスフローコントローラの弁の開度を調節してそれらの供給流量をゼロから徐々に増加させていく。なお、これらガス源の供給流量は、各時点で成膜されるＩｎＧａＡｓＰの組成が、図９で示した設計値のバンドギャップ波長の組成となるような流量に制御される。
【００１３】
このような操作により、下部クラッド層２Ａの上には、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐの組成比が連続的に変化するＩｎＧａＡｓＰから成る下部光閉じ込め層３Ａが成膜される。
なお、上部クラッド層３Ｂの成膜に関しては、活性層４の形成後、上記した操作と逆の操作を行えばよい。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図９で示したエネルギーバンド図となるように設計されているレーザ素子を上記したＭＯＣＶＤ法の操作によって製作した層構造につき、２次イオン質量分析（secondary ion mass-spectroscopy：ＳＩＭＳ）を行った結果を図１０に示す。
【００１５】
図中、縦軸は各元素の２次イオンのカウント数を示し、横軸は層構造Ｃにおける各層の位置を示している。
図１０のＳＩＭＳ曲線から明らかなように、Ｇａ源とＡｓ源の場合、その供給流量が少ない領域では二次イオンのカウント数は不安定に変動している。
すなわち、ＭＯＣＶＤ法で、ある組成の混晶を結晶成長させると、ある構成元素（図１０の場合はＡｓ）の供給流量が少ない領域では、成膜された結晶層における当該構成元素の組成比は安定しないことが図１０から明らかとなった。
【００１６】
とくに、Ａｓに関するＳＩＭＳ曲線の場合、下部光閉じ込め層３Ａの成膜の初期段階Ｓ1においてカウント数は顕著に不安定になっている。すなわち、下部光閉じ込め層３Ａにおいては、カウント数は円滑に増加するのではなく厳しく振動している。そして、ある厚みだけ結晶成長が進むと、そこから、例えば、図９のＳ3で示したように、ＳＩＭＳ曲線の傾斜は急峻になっている。
【００１７】
また、上部光閉じ込め層３Ｂと上部クラッド層２Ｂの接合部近辺Ｓ2においては、Ａｓの２次イオンのカウント数が急激に減少している。
このような事態は、設計通りの結晶層を安定して成膜することができないことを意味する。そのため、設計時に意図したキャリアの注入効率の向上や結晶性の向上を期待することができず、逆に上記した性状の劣化を招く虞がある。
【００１８】
また、このような事態が発生すると、上・下光閉じ込め層の屈折率も設計値から外れ、活性層への光閉じ込めの態様が変わってきて不都合である。
本発明は、上記した問題を解決し、ある構成元素の供給流量が少ない領域においても、成膜された結晶層において組成比が安定し、キャリア注入効率や結晶性が向上している層構造を有する半導体レーザ素子と、それをＭＯＣＶＤ法で製造する方法の提供を目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、図１０で示した現象の原因を解明するために、層構造Ｃの形成時におけるＩｎ源、Ｇａ源、Ａｓ源の供給流量の変化を調べてみた。図１１で示した結果が得られた。
図１１から明らかなように、下部光閉じ込め層３Ａの成膜時において、Ａｓ源の供給流量には特異な現象が認められる。
【００２０】
すなわち、図１１における時点Ｂ0において、Ｇａ源とＡｓ源のマスフローコントローラを開弁することにより、下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程が開始される。その場合、Ｇａ源の場合は開弁と同時に反応炉に供給され、その供給流量はマスフローコントローラの開度を高めていくと、それに応じて増量している。
しかしながら、Ａｓ源の場合は、そのマスフローコントローラを開弁してもしばらくの間は流れないで供給流量ゼロの状態を保持している。そして、ある時間経過後のある時点Ｂ1で急激に流れはじめ、その後はマスフローコントローラの開度に応じて供給流量は増加している。
【００２１】
すなわち、Ａｓ源の供給流量に関しては、マスフローコントローラを開弁しても、供給流量と開弁動作との間で一定のタイムラグが生じている。これは、マスフローコントローラの開弁直後におけるＡｓ源の供給流量（設計値の）が、当該マスフローコントローラにおける流量制御可能な流量の下限を下回っているからであると考えられる。
【００２２】
このことが、図１０で示した下部光閉じ込め層３ＡにおけるＡｓのＳＩＭＳ曲線形状を決めているものと考えられる。すなわち、マスフローコントローラを開弁しても時点Ｂ1まではＡｓ源が流れないので、図１０で示したＡｓの２次イオンカウント数は、Ｓ1で示したように、少なく計測され、またカウント数が振動しているものと考えられる。そして、時点Ｂ1以降にはＡｓ源は急激に流れ始めるので、Ａｓの２次イオンのカウント数の曲線形状は急峻な傾斜を示しているものと考えられる。
【００２３】
また、図１１において、上部光閉じ込め層３Ｂの成膜が終了する時点Ｂ2では、ＡｓＨ3の供給流量が急激に低下している。そして、その結果としては、図１０のＳ2で示されているようなＡｓの２次イオンのカウント数が急激に減少しているものと考えられる。
このように、供給ガスの供給流量が微量であるため、当該供給ガス源に対してマスフローコントローラによる流量制御が極めて困難であり、そのため下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層の傾斜組成が設計値から逸脱する他の事例としては、図１２で例示したような層構造がある。
【００２４】
この層構造はＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層２Ａ’、傾斜組成を有するＡｌＧａＡｓから成る下部光閉じ込め層３Ａ’、障壁層がＧａＡｓ、井戸層がＩｎＧａＡｓから成る量子井戸構造の活性層４’、傾斜組成を有するＡｌＧａＡｓから成る上部光閉じ込め層３Ｂ’、そしてＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層２Ｂ’で構成されている。
【００２５】
そして、下部光閉じ込め層３Ａ’と上部光閉じ込め層３Ｂ’は、バンドギャップエネルギーが下部（上部）クラッド層から障壁層まで連続的に変化するように設計されている。
また、この層構造の形成時に用いるＡｌ源は、通常、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）である。
【００２６】
この層構造における下部光閉じ込め層３Ａ’の形成に際しては、Ａｌ源、Ｇａ源、およびＡｓ源に関して設計された流量をそれぞれのマスコントローラから反応炉に供給する。その場合、Ａｌ源の供給流量は漸次減少させていく。
したがって、下部光閉じ込め層３Ａ’の成膜終了時点の近傍（図の破線で囲った領域Ｐ1）では、Ａｌ源の供給流量は０値に接近して、マスフローコントローラの流量制御可能な流量を下回るようになる。そして、Ａｌ源の供給流量は無秩序にばらつくようになる。
【００２７】
そのため、領域Ｐ1における組成は、設計目標とした傾斜組成から外れてくる。このことは、領域Ｐ2についても観察される事態である。
上記した２つの事例に関して発明者らは次のような対応策を考えた。
まず、図１０における下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３Ｂに関するそれぞれのＡｓについては、Ａｓ源の供給流量が少ない領域において当該Ａｓ源を円滑かつ安定して変化させるためには、Ａｓ源のマスフローコントローラを開弁すると同時に当該Ａｓ源の所定流量が流れはじめるようにすればよい。
【００２８】
そのためには、マスフローコントローラにおける流量制御可能な流量の下限を上回る流量で、Ａｓ源を予め反応炉へ接続する流路以外の流路に流しておき、下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程の開始時点Ｂ0でＡｓ源の流路を反応炉へと切換え、以後はマスフローコントローラの開度を順次高めればよいと考えられる。このような操作を行えば、図１１で示されているような、時点Ｂ1までＡｓ源の供給流量がゼロになるという事態は起こらなくなる。
【００２９】
ただし、その場合には、マスフローコントローラの開弁と同時にある流量のＡｓ源が反応炉に供給されるので、下部光閉じ込め層３Ａにおける下部クラッド層２Ａとのヘテロ接合部、すなわち両層の層間にはある厚みで当該Ａｓ源の供給流量に対応した組成のＩｎＧａＡｓＰが成長し、それが介在層として存在することになる。
【００３０】
また、図１２で示した領域Ｐ1における組成の乱れに関しては、Ａｌ源の供給流量がマスフローコントローラの流量制限可能な流量より下回った時点で、Ａｌ源の供給を遮断し、代わりに活性層における障壁層を形成するためのガス源の供給に切り換えれば、領域Ｂ1における組成の乱れは解消できると推考した。更に領域Ｐ2における組成の乱れに関しては、前記図１０で示した問題の解決策と同様の方法を適用すればよいと推考した。
【００３１】
本発明は、このような知見と考察に基づいて開発された半導体レーザ素子とその製造方法である。
すなわち、本発明のレーザ素子は、
下部クラッド層、下部光閉じ込め層、量子井戸構造の活性層、上部光閉じ込め層、および上部クラッド層が基板の上にこの順序で積層されている層構造を有する半導体レーザ素子において、
前記下部光閉じ込め層および前記上部光閉じ込め層が、いずれも、厚み方向に組成が連続変化する化合物半導体の混晶から成り、かつ、前記下部クラッド層と前記下部光閉じ込め層の層間、前記下部光閉じ込め層と前記活性層の層間、前記活性層と前記上部光閉じ込め層の層間、または、前記上部光閉じ込め層と前記上部クラッド層の層間の少なくともいずれか１つの層間には、微量ガス源の供給流量を調整した結果の結晶層（以下、介在層という）が介在していることを特徴とする。
【００３２】
好適には、前記下部光閉じ込め層および前記上部光閉じ込め層が、いずれも、厚み方向に組成が連続変化する４元混晶から成り、かつ、少なくとも前記下部光閉じ込め層と前記下部クラッド層の間には、バンドギャップ波長が０.９３〜１.０５μｍである組成の前記４元混晶から成る層が介在している半導体レーザ素子が提供される。
【００３３】
また、本発明においては、下部クラッド層、組成が厚み方向に連続変化する化合物半導体の混晶から成る下部光閉じ込め層、量子井戸構造の活性層、組成が前記活性層に対して前記下部光閉じ込め層と逆に連続変化する化合物半導体の混晶から成る上部光閉じ込め層、および上部クラッド層が基板の上にこの順序で積層されている層構造を形成する半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記層構造の各層はその構成元素のガス源をマスフローコントローラで流量調節して反応炉に供給する有機金属化学気相成長装置を用いて成膜され、かつ、ガス源の供給流量が前記マスフローコントローラによる流量制御可能な流量よりも少なくなる場合には、前記マスフローコントローラによる流量制御可能な流量で予め排気経路に流しておいた前記ガス源を前記反応炉に供給するか、または、前記ガス源の供給を遮断して次に成膜する層の構成元素のガス源を前記反応炉に供給する工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法が提供され、
具体的には、少なくとも前記下部光閉じ込め層の成膜開始時点までは、前記混晶の構成元素のうち、前記下部クラッド層の成膜に用いなかった元素のガス源を排気流路側に流しておき、前記下部光閉じ込め層の成膜開始と同時に、前記ガス源を前記反応炉に供給する半導体レーザ素子の製造方法（第１の製造方法という）、または、
前記下部光閉じ込め層の成膜終了時点が近づき、供給するガス源の流量が前記マスフローコントローラによる流量制御可能な流量よりも少なくなる時点で、前記ガス源の供給を遮断し、ついで、活性層の構成元素のガス源を前記反応炉に供給する半導体レーザ素子の製造方法（第２の製造方法という）が提供される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
まず第１の製造方法で製造されたレーザ素子について説明する。このレーザ素子の場合、基板上における全体の層構造は図８で示した層構造と同じになっている。しかし、下部光閉じ込め層３Ａと下部クラッド層２Ａとの層間には、下部光閉じ込め層３Ａと同じ種類の４元混晶であるが、バンドギャップ波長が０.９３〜１.０５μｍの範囲内に存在するある組成から成り、ある厚みを有する介在層３ａが形成されていることが相違点である。
【００３５】
また、上部光閉じ込め層３Ｂと上部クラッド２Ｂとの層間にも上記した介在層３ａと同じ組成、同じ厚みの介在層３ｂが介在していてもよい。
したがって、本発明のレーザ素子における層構造Ｃの場合、そのエネルギーバンド図は図１で示したようになっている。
このような層構造における介在層３ａと下部光閉じ込め層３Ａは次のようにして形成することができる。それを、上・下光閉じ込め層がＩｎＧａＡｓＰで構成される場合について説明する。
【００３６】
前記したように、下部光閉じ込め層３Ａの成膜開始の前段では、Ｉｎ源とＰ源を用いて既にｎ−ＩｎＰから成る下部クラッド層２Ａが成膜されている。そして、Ｉｎ源とＰ源に加えて、更にＧａ源とＡｓ源をマスフローコントローラで流量調節して反応炉に供給して下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程に入る。
本発明においては、図２で示したように、マスフローコントローラと反応炉を結ぶ流路に切換え弁が配置されているＧａ源とＡｓ源の供給システムを組み立て、上記した過程で次のような操作を実施する。
【００３７】
例えば、下部クラッド層２Ａの成膜過程の間、それぞれのマスフローコントローラを開弁し、同時に切換え弁を操作して、Ｇａ源とＡｓ源をそれぞれのマスフローコントローラから排気経路の方に流し続ける。このときのＧａ源とＡｓ源の流量は、それぞれのマスフローコントローラの流量制御可能な流量の下限値を上回る流量に設定する。
【００３８】
そして、下部光閉じ込め層３Ａの成膜工程の開始と同時に切換え弁を切り換えてＧａ源とＡｓ源を反応炉に供給する。
このとき、Ｇａ源とＡｓ源の流量は、いずれも、マスフローコントローラの流量制御可能な流量の下限値よりも多いので、当該排気経路の流量は、そのまま、反応炉に供給される。すなわち、Ａｓ源に関しては、図１１の地点Ｂ1で示したようなＡｓ源の供給に関する断絶状態は回避される。
【００３９】
その後、マスフローコントローラの開度を高めてＧａ源とＡｓ源の供給流量を徐々に増加させることにより、厚み方向で組成が連続的に変化している下部光閉じ込め層３Ａが成膜される。
このとき、下部光閉じ込め層３Ａの成膜が開始される前段では、上記した排気流量のＧａ源とＡｓ源が反応炉に供給されているので、これらのガス源でＩｎＧａＡｓＰから成るある厚みの介在層３ａが下部クラッド層２Ａの上に成膜され、下部クラッド層２Ａと下部光閉じ込め層３Ａの層間には介在層３ａが介装される。
【００４０】
なお、介在層３ｂの形成に関しては、各ガス源の供給流量は既に各マスフローコントローラの流量制御可能な流量の下限値を大幅に上回っているので、各マスフローコントローラの開度を所定値にまで絞り込めばよい。
なお、上記した層構造の形成時に、図３のバンドギャップエネルギー図で示したように、下部光閉じ込め層３Ａと井戸層４Ａとの層間、更には上部光閉じ込め層３Ｂと井戸層４Ａの層間に、それぞれ、障壁層４Ｂと同じ材料で同じ厚みのバリアステップ５Ａ，５Ｂを形成してもよい。
【００４１】
第２の製造方法においては、図１１で示した下部光閉じ込め層３Ａ’の成膜過程で、Ａｌ源の供給流量がマスフローコントローラの流量制御可能な流量を下回る時点になったときに、Ａｌ源の反応炉への供給を遮断し、活性層における障壁層（ＧａＡｓ）用のガス源（Ｇａ源とＡｓ源）の供給に切り換える。
その結果、流域Ｐ1には、図４で示したように、ＧａＡｓから成る障壁層が形成される。ここで、領域Ｐ1までの下部光閉じ込め層３Ａ’の組成は設計目標の組成となっており、また領域Ｂ1における障壁層の組成は特定組成のＧａＡｓになっているので、全体としては安定した特性を示す構造になっている。
【００４２】
また、この製造方法により、図５で示したようなエネルギーバンド図の層構造を形成することができる。
この場合、下部クラッド層２Ａ”の成膜過程で、下部光閉じ込め層３Ａ”用のガス源（Ｇａ源とＡｓ源とＡｌ源）を予め所定の量だけ排気経路の方に流し続けておく。そして、下部クラッド層２Ａ”の成膜が終了すると同時に反応炉へのガス源の供給を、既に排気経路の方に流していた下部光閉じ込め層３Ａ”用のガス源に切り換える。
【００４３】
その結果、図５で示したように、下部クラッド層２Ａ”からただちに下部光閉じ込め層３Ａ”の成膜が進行する。
同様の操作を、下部光閉じ込め層３Ａ”と最初の井戸層との間についても行うことにより、図５で示したように、下部光閉じ込め層３Ａ”に続けてただちに井戸層の成膜を行うことができる。
【００４４】
【実施例】
下記の層構造を有するレーザ素子を設計した。
基板１：ｎ−ＩｎＰ。
下部クラッド層２Ａ：ｎ−ＩｎＰ、厚み５００nm。
介在層３ａ：バンドギャップ波長０.９５μｍのＩｎＧａＡｓＰ、厚み３nm。
【００４５】
下部光閉じ込め層３Ａ：成膜方向にバンドギャップ波長が０.９５μｍから１.２μｍに連続的に変化する組成のＩｎＧａＡｓＰ、全体の厚み４０nm。
活性層４：ＩｎＧａＡｓＰから成る厚み４nmの井戸層と、バンドギャップ波長が１.２μｍである組成のＩｎＧａＡｓＰから成る厚み１０nmの障壁層。井戸数は５個。
【００４６】
上部光閉じ込め層３Ｂ：成膜方向にバンドギャップ波長が１.２μｍから０.９５μｍに連続的に変化する組成のＩｎＧａＡｓＰ、全体の厚み４０nm。
層３ｂ：バンドギャップ波長０.９５μｍのＩｎＧａＡｓＰ、厚み３nm。
上部クラッド層２Ｂ：ｐ−ＩｎＰ、厚み５００nm。
上部クラッド層２Ｃ：ｐ−ＩｎＰ、厚み３.５μｍ。
【００４７】
キャップ層５：バンドギャップ波長が１.２μｍである組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ、厚み５０nm。
電流ブロッキング層６Ａ：ｎ−ＩｎＰ、厚み１.５μｍ。
電流ブロッキング層６Ｂ：ｐ−ＩｎＰ、厚み０.９μｍ。
上記した層構造の形成に当たり、ＴＭＧａ（Ｇａ源）とＡｓＨ3（Ａｓ源）に関しては図２で示した供給システムを用いて反応炉に供給した。このときのＴＭＧａ，ＡｓＨ3，ＴＭＩｎ（Ｉｎ源）の供給状態を図６に示す。
【００４８】
図６から明らかなように、この実施例では、下部光閉じ込め層３Ａの成膜開始時点（Ｂ0）までの間、ＴＭＧａに関しては、マスフローコントローラの開度を約２２％程度にした状態における流量で排気経路に流し続け、またＡｓＨ3に関しては、マスフローコントローラの開度を約１０％にした状態における流量で排気経路に流し続けて、そして、成膜開始と同時にＴＭＧａとＡｓＨ3をそのまま反応炉に供給し、更にマスフローコントローラの開度を徐々に大きくして反応炉への供給流量を増量している。
【００４９】
ガス源を図６で示した態様で供給して製造したレーザ素子の層構造につき、ＳＩＭＳを行った。結果を図７に示した。
図７から明らかなように、下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３ＢのＳＩＭＳプロファイルは、図１０の場合に比べれば、Ａｓ源の供給流量が少ない領域で、供給が遅れたり、振動したり、ある流量以下でゼロになったりはしない。したがって、図８で示した層構造は、設計値に則った層構造になっており、そのエネルギーバンド図は図１で示した形状になっているものと考えてよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の半導体レーザ素子は、その下部光閉じ込め層と上部光閉じ込め層における半導体材料の組成が厚み方向で連続的に変化しており、少なくとも下部クラッド層と下部光閉じ込め層の間にバンドギャップ波長が０.９３〜１.０５μｍであり、かつ下部光閉じ込め層と同じ種類の半導体材料から成る層を介在させることによって可能にしている。
【００５１】
したがって、本発明のレーザ素子は、構成元素の供給流量が少ない領域であっても、安定した結晶層を形成することができるので、キャリア注入効率や結晶性が向上している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ素子における層構造のバンドギャップエネルギー図である。
【図２】本発明で用いるＧａ源とＡｓ源の供給システムを示す概略図である。
【図３】本発明における層構造の別のバンドギャップエネルギー図である。
【図４】本発明における下部光閉じ込め層と活性層のヘテロ接合部における更に別のバンドギャップエネルギー図である。
【図５】本発明における別のバンドギャップエネルギー図である。
【図６】実施例におけるＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，ＡｓＨ3の供給状態を示すグラフである。
【図７】実施例で得られた層構造において、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｓ，ＰのＳＩＭＳの結果を示すプロファイルである。
【図８】層構造Ｃを有するレーザ素子Ａの断面図である。
【図９】レーザ素子Ａにおける従来の層構造Ｃのバンドギャップエネルギー図である。
【図１０】従来の層構造ＣにおけるＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，ＰのＳＩＭＳの結果を示すプロファイルである。
【図１１】従来の層構造Ｃを形成する際のＴＭＩｎ，ＴＭＧａ，ＡｓＨ3の供給状態を示すグラフである。
【図１２】従来の別の層構造のバンドギャップエネルギー図である。
【符号の説明】
１        基板
２Ａ      下部クラッド層
２Ｂ      上部クラッド層
２Ｃ      上部クラッド層
３Ａ      下部光閉じ込め層
３Ｂ      上部光閉じ込め層
４        活性層
４Ａ      井戸層
４Ｂ      障壁層
５        キャップ層
６        電流ブロッキング層
７        上部電極
８        上部電極
Ｂ0       下部光閉じ込め層の成膜開始時点
【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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【図１１】
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【図１２】
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