(57)【要約】 【課題】  選択成長法を用いて製造される量子効果型半導体レーザー素子において、成長抑制層位置でのリーク電流を生じにくく、ひいては低い閾電圧で発振可能な半導体レーザー素子を提供する。【解決手段】  半導体レーザー素子１は、ＧａＡｓ基板２の第一主表面ＭＰ１上に、複数の第一ベース層３、複数の第二ベース層５、第一クラッド層６、活性層７及び第二クラッド層８とがこの順序にてエピタキシャル成長されている。第一ベース層３はＧａＡｓからなり、各々逆Ｖ字断面の凸条形態により第一主表面ＭＰ上にて幅方向に隣接する形で配置されている。第二ベース層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、互いに隣接する第一ベース層３，３にて形成される谷部４ａの底位置において、両第一ベース層３，３を隔てる形でＧａＡｓ基板２上にエピタキシャル成長されている。また、第一クラッド層６は第二ベース層５とＡｌＡｓ混晶比Ｘが同一のＡｌＧａＡｓからなり、第一ベース層３と第二ベース層５との双方の表面に格子整合する形で一体的にエピタキシャル成長されている。【選択図】    図１
2005243956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザー素子であって、
成長用基板の第一主表面にエピタキシャル成長することにより形成され、各々逆Ｖ字断面の凸条形態により前記第一主表面上に幅方向に隣接する形で配置された複数の第一ベース層と、
互いに隣接する前記第一ベース層にて形成される谷部の底位置において、両第一ベース層を隔てる形で前記成長用基板上にエピタキシャル成長された、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第二ベース層と、
前記第一ベース層と前記第二ベース層との双方の表面に格子整合する形で一体的にエピタキシャル成長された第一クラッド層と、
前記第一クラッド層を覆うように該第一クラッド層上にエピタキシャル成長され、前記第一ベース層の稜線部に対向する第一部分の厚さをｔ１とし、前記第二ベース層上にて前記谷部の底をなす第二部分の厚さをｔ２とし、前記第一部分と前記第二部分とをつなぐ第三部分の厚さをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２，ｔ３とされた活性層と、
前記第一クラッド層とは異なる導電型を有し、前記活性層を覆うように該活性層上にエピタキシャル成長された第二クラッド層と、
を有することを特徴とする半導体レーザー素子。
【請求項２】
前記活性層は、前記第一部分の厚さが１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とされ、前記第二部分及び第三部分の厚さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とされてなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項３】
前記第一ベース層及び前記活性層は、前記第一クラッド層及び前記第二クラッド層をなすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりも｛１１１｝ファセットを形成しやすいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成され、
前記活性層の前記第二部分の厚さｔ２が前記第三部分の厚さｔ３よりも小であり、前記第一クラッド層及び前記第二クラッド層は、前記第一部分を挟む部分よりも、前記第二部分を挟む部分の方が厚さが大であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザー素子。
【請求項４】
前記成長用基板の前記第一主表面が｛１００｝面であり、複数の前記第一ベース層は、前記第一主表面上にて凸条長手方向が＜１１０＞方向と平行であり、かつ幅方向両側面が｛１１１｝面をなすように形成されてなることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザー素子。
【請求項５】
前記第一ベース層は前記第二ベース層及び第一クラッド層との格子不整合率が５％以内のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子。
【請求項６】
前記第二ベース層が前記第一クラッド層と同一材質のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザー素子。
【請求項７】
前記第一ベース層及び前記活性層がＧａＡｓにて構成され、前記第二ベース層、前記第一クラッド層及び前記第二クラッド層がＡｌＧａＡｓにて構成されてなることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザー素子。
【請求項８】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザー素子の製造方法であって、
成長用基板の第一主表面上に、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、かつ、少なくとも表層部において化学量論比よりもＩＩＩ族元素がリッチとなった帯状の成長抑制層を予め定められた間隔にて複数形成する成長抑制層形成工程と、
隣接する成長抑制層の間に形成された前記成長用基板の複数の帯状の露出領域に、各々逆Ｖ字断面の凸条形態をなす第一ベース層を選択的にエピタキシャル成長する第一ベース層成長工程と、
該第一ベース層を成長した後、前記成長抑制層の前記表層部にＶ族元素を補充して組成を化学量論比に近づけることにより、該成長抑制層を第二ベース層とする第二ベース層形成工程と、
前記第一ベース層と前記第二ベース層との双方の表面に格子整合させる形で、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第一クラッド層を一体的にエピタキシャル成長する第一クラッド層成長工程と、
前記第一クラッド層を覆う活性層を、前記第一ベース層の稜線部に対向する第一部分の厚さをｔ１とし、前記第二ベース上にて前記谷部の底をなす第二部分の厚さをｔ２とし、前記第一部分と前記第二部分とをつなぐ第三部分の厚さをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２，ｔ３となるようにエピタキシャル成長する活性層成長工程と、
前記第一クラッド層とは異なる導電型を有する第二クラッド層を、前記活性層を覆うように該活性層上にエピタキシャル成長する第二クラッド層成長工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項９】
前記成長抑制層形成工程は、
前記成長用基板の第一主表面の全面に、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる準備層をエピタキシャル成長する準備層成長工程と、
該準備層の前記成長抑制層として予定された領域にレーザービームを照射して、該準備層の少なくとも表層部を、Ｖ族元素含有比率が減少するように改質するレーザー改質工程と、
前記準備層のレーザー改質されていない領域をエッチング除去し、該レーザー改質された領域を前記成長抑制層となすエッチング工程と、
を有することを特徴とする請求項８記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第二ベース層形成工程において、前記成長抑制層への前記Ｖ族元素の補充を、Ｖ族元素を含有した気体中での熱処理により行なうことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１１】
前記成長用基板の前記第一主表面が｛１００｝面であり、前記成長抑制層を前記第一主表面上にて長手方向が＜１１０＞方向と平行となるように形成することを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１２】
前記成長用基板、前記第一ベース層及び前記活性層をＧａＡｓにて形成し、前記第二ベース層、前記第一クラッド層及び前記第二クラッド層をＡｌＧａＡｓにて形成することを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第二ベース層形成工程において前記成長抑制層を、少なくとも表層部においてＡｓに対してＡｌ及びＧａがリッチとなるＡｌＧａＡｓ層として形成し、前記第一ベース層を成長後に前記成長抑制層をアルシン中で熱処理することにより前記表層部にＡｓを補充して前記第二ベース層となすことを特徴とする請求項１２記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体レーザー素子、特に選択成長法を用いて製造される量子効果型半導体レーザー素子と、その製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザー素子は光通信用の発光デバイス等への応用が拡大しており、通信速度や通信品質の向上に多大な貢献を果たしている。他方、近年では携帯機器への半導体レーザー素子の適用が進展しており、低消費電力にて動作する素子が求められている。例えば、短距離間通信ネットワーク（Local Area Network：ＬＡＮ）においては、通信速度向上のため、プラスチックファイバを用いた光通信ＬＡＮの採用が進んでいるが、従来の半導体レーザー素子は消費電力が大きいため、該分野での普及を阻む一因となっている。半導体レーザー素子の消費電力低減を図るには、レーザー発振状態を得るための電力量を如何に低減するかが重要であり、また、レーザー発振時における通電電流密度の向上も必要である。
【０００３】
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系素子は、ＧａＡｓが直接遷移型のバンド構造を有し、ＡｌＧａＡｓとの間に良質のヘテロ接合構造が形成できること、また、光通信用に旧来多用された石英ファイバの、最もよく通す光の波長がＧａＡｓの発光波長（室温で８７０ｎｍ）と略一致していたこと、などの事情により、半導体レーザー用としては開発が最も進んでいる素子の一つである。その典型的な構造として、ＧａＡｓ活性層を、よりバンドギャップ値の大きいＡｌＧａＡｓクラッド層にて挟み込んだダブルへテロ構造の発光層部を有した半導体レーザー素子が知られている。該素子においてレーザー発振を行なうためには、活性層に注入される電流密度を発光ダイオードなどよりもさらに高める必要がある。
【０００４】
レーザー発振の難易を表すパラメータとしては、半導体が一定の電気抵抗を有していることから、一般には発振に必要な電流値を、該抵抗値を用いて電圧値に変換した発振閾電圧値が使用されることが多い。この場合、該発振閾電圧値が低ければ、発振励起のために素子に注入すべき電流値も下がるため、消費電力の低減を図ることができる。しかし、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓのバルク抵抗率は、半導体固有の物性値として決まっているため、この観点における発振閾電圧値の過大な向上は望むべくもない。
【０００５】
そこで、電子が量子化する程度にまで発光層部を微細化し、空間的な電子密度を量子効果によって発光層部に集中させることが、少ない電流量であっても高電流密度を達成でき、ひいてはレーザー発振電力を低減する上で有効である。電子が量子化される寸法とは、具体的には量子効果が発現する１０ｎｍ以下の寸法領域を意味し、電子の量子化が一方向にのみ生ずる構造を量子井戸、二方向に生ずる構造を量子細線、三方向に生ずる構造を量子箱と称している。有機金属気相成長（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法を用いた現在の結晶成長技術によれば、ナノメートルスケールでの膜厚制御が可能であり、１０ｎｍ以下に厚さを制御した活性層を有する量子井戸レーザーがすでに実現している。
【０００６】
しかし、発振閾電圧値をさらに低減するには量子細線あるいは量子箱等の構造の採用を検討する必要がある。現在、該構造を実現するための手法として、選択成長方法が注目されている。これは、発光層部成長用の化合物半導体に対する成長速度が極めて遅い材料からなる成長抑制層により、ＧａＡｓ等からなる成長用基板の主表面の一部を覆い、成長抑制層により覆われていない基板露出面上に発光層部を選択的に結晶成長する、というものである。成長抑制層として好適な材質条件としては、最表面がアモルファスないし非イオン性（例えば金属性）の状態になりやすいこと、また、発光層部を成長雰囲気下で表面状態が変質しにくいこと、などが必要であり、従来、該条件に適合する材料として窒化珪素や酸化珪素などの絶縁材料、あるいはタングステンやチタンなどの金属材料が提案されている。
【０００７】
図８に、成長抑制層を用いてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザー素子を製造する工程の一例を示す。まず、工程Ａに示すごとく、ＧａＡｓ基板２上に、周知のＭＯＶＰＥ法によりＧａＡｓからなるバッファ層２ｂを成長し、次に、上記の絶縁材料ないし金属材料からなる準備層１５０を、スパッタリングあるいは蒸着などの方法により形成する。そして、該準備層１５０を、周知のフォトリソグラフィー技術により、所定間隔で配列する帯状の領域を成長抑制層５０として残す形でエッチングする。次に、工程Ｂに示すように、成長抑制層５０が非形成の、ＧａＡｓ基板２の露出面に、ＧａＡｓからなるベース層３を選択成長する。このとき、ＧａＡｓ基板２の主表面方位を｛１００｝とし、かつ、成長抑制層５０の形成方向（長手方向）を＜１１１＞としておけば、ＧａＡｓは｛１１１｝ファセットを形成しやすいので、成長抑制層５０でベース層３の成長がほとんど進まないこととも相俟って、ベース層３は、｛１１１｝ファセット形成により両側面が傾斜した逆Ｖ字断面の凸条形態に成長する。
【０００８】
ベース層３は、露出面４の全面を覆った後は、工程Ｃに示すように、成長抑制層５０の側面に沿って高さ方向にさらに伸び、成長を完了する。続いて、工程Ｄに示すように、該ベース層３の全面を覆うように、ＡｌＧａＡｓからなる第一クラッド層６をエピタキシャル成長する。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓよりも｛１１１｝ファセットを形成しにくいので、面方位の転換が起こるベース層３の稜線部３ｔ付近では、これを覆う第一クラッド層６（ＡｌＧａＡｓ層）の頂部が丸まって薄肉化する。
【０００９】
続いて、図７に示すように、その第一クラッド層６を覆うようにＧａＡｓからなる活性層７及び第二クラッド層８をエピタキシャル成長する。ＧａＡｓは｛１１１｝ファセット形成が顕著なため、活性層７の側面は、ベース層３の稜線部３ｔ付近でも｛１１１｝面からの逸脱が生じにくい。その結果、活性層７は、薄肉化した第一クラッド層６の稜線部を補う形で鋭角的に成長し、稜線部をなす第一部分７ａが他の部分よりも厚肉化する。このとき、ベース層３の側面を覆う第三部分７ｃの厚さを電子の平均自由行程長よりも十分小さくし、他方、第一部分７ａの幅及び厚さを、それよりも厚くかつ量子効果が顕著に現われる程度に設定しておけば、線状の第一部分７ａは量子細線部として機能する。そこで、第二クラッド層８及び基板２のそれぞれ全面を覆う電極９，１０を介して駆動電圧を印加すれば、発光層部７の第一部分７ａに電流が集中し、かつ、該第一部分７ａ内においては量子効果により電子移動度が大幅に高められるので、低い発振閾電圧にてレーザー発振させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記の工程において成長抑制層５０の表面では、第一クラッド層６の成長は極端に抑制される。しかし、ベース層３の側面上では成長が顕著なので、成長抑制層５０の位置においては、第一クラッド層６が横方向に成長する形でその側面を覆うことになる。しかし、当然のことながら、窒化珪素や酸化珪素などの絶縁材料、あるいはタングステンやチタンなどの金属材料からなる成長抑制層５０は、ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体とは全く格子整合しないから、第一クラッド層６ひいてはその上に成長される活性層７及び第二クラッド層８は、成長抑制層５０の直上に位置する部分ＰＣが多結晶化しやすくなる。また、２つのベース層３，３に挟まれた谷低に位置する成長抑制層５０付近では、ベース層３の稜線部３ｔ付近とは結晶幾何学的な構造が逆となるから、活性層７の成長挙動も逆となり、活性層７の該谷底に位置する第二部分７ｂの厚さは、ベース層３の側面を覆う第三部分７ｃよりもさらに小さくなる。その結果、成長抑制層５０の直上部において、第一クラッド層６と第二クラッド層８との間で、薄い活性層７をリークする短絡電流路が生じやすくなり、第一部分７ａにおける電流密度をレーザー発振に必要な程度に高めるには、結局高い電圧が必要となってしまう問題を生ずる。
【００１１】
本発明の課題は、選択成長法を用いて製造される量子効果型半導体レーザー素子において、成長抑制層位置でのリーク電流を生じにくく、ひいては低い閾電圧で発振可能な半導体レーザー素子と、その製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の半導体レーザー素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザー素子であって、
成長用基板の第一主表面にエピタキシャル成長することにより形成され、各々逆Ｖ字断面の凸条形態により第一主表面上にて幅方向に隣接する形で配置された複数の第一ベース層と、
互いに隣接する第一ベース層にて形成される谷部の底位置において、両第一ベース層を隔てる形で成長用基板上にエピタキシャル成長された、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第二ベース層と、
第一ベース層と第二ベース層との双方の表面に格子整合する形で一体的にエピタキシャル成長された第一クラッド層と、
第一クラッド層を覆うように該第一クラッド層上にエピタキシャル成長され、第一ベース層の稜線部に対向する第一部分の厚さをｔ１とし、第二ベース層上にて谷部の底をなす第二部分の厚さをｔ２とし、第一部分と第二部分とをつなぐ第三部分の厚さをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２，ｔ３とされた活性層と、
第一クラッド層とは異なる導電型を有し、活性層を覆うように該活性層上にエピタキシャル成長された第二クラッド層と、
を有することを特徴とする。
【００１３】
上記本発明の半導体レーザー素子において、複数の第一ベース層は、後述する第二ベース層を成長抑制層とする形で成長用基板の第一主表面に選択成長されるものであり、ファセット形成を利用して、各々逆Ｖ字断面の凸条形態をなすように幅方向に隣接形成される。また、互いに隣接する第一ベース層間に形成される谷部の底位置には、両第一ベース層を隔てる第二ベース層が、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により成長用基板上にエピタキシャル成長される。そして、第一クラッド層は、第一ベース層と第二ベース層との双方の表面に格子整合する形で一体的にエピタキシャル成長される。活性層は、第一ベース層の稜線部に対向する第一部分の厚さをｔ１とし、第二ベース層上にて谷部の底をなす第二部分の厚さをｔ２とし、第一部分と第二部分とをつなぐ第三部分の厚さをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２，ｔ３となるように、第一クラッド層表面にエピタキシャル成長される。このうち第一ベース層の稜線部に対応する細線状の厚膜部としてされる第一部分が、量子的な電子閉じ込め効果を発現する。
【００１４】
上記レーザー素子の活性層は、隣接する第一ベース層間の谷底位置においても、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、かつ該活性層に格子整合する第二ベース層上にエピタキシャル成長されているので、多結晶化を生じにくい。その結果、該位置でのリーク電流が大幅に低減され、ひいては低い閾電電圧で発振可能な半導体レーザー素子が実現する。
【００１５】
上記本発明の半導体レーザー素子は、以下の本発明の製造方法により、合理的に製造することができる。すなわち、該方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザー素子の製造方法であって、
成長用基板の第一主表面上に、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、かつ、少なくとも表層部において化学量論比よりもＩＩＩ族元素がリッチとなった帯状の成長抑制層を予め定められた間隔にて複数形成する成長抑制層形成工程と、
隣接する成長抑制層の間に形成された成長用基板の複数の帯状の露出領域に、各々逆Ｖ字断面の凸条形態をなす第一ベース層を選択的にエピタキシャル成長する第一ベース層成長工程と、
該第一ベース層を成長した後、成長抑制層の表層部にＶ族元素を補充して組成を化学量論比に近づけることにより、該成長抑制層を第二ベース層とする第二ベース層形成工程と、
第一ベース層と第二ベース層との双方の表面に格子整合させる形で、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第一クラッド層を一体的にエピタキシャル成長する第一クラッド層成長工程と、
第一クラッド層を覆う活性層を、第一ベース層の稜線部に対向する第一部分の厚さをｔ１とし、第二ベース上にて谷部の底をなす第二部分の厚さをｔ２とし、第一部分と第二部分とをつなぐ第三部分の厚さをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２，ｔ３となるようにエピタキシャル成長する活性層成長工程と、
第一クラッド層とは異なる導電型を有する第二クラッド層を、活性層を覆うように該活性層上にエピタキシャル成長する第二クラッド層成長工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第二ベース層は、第一クラッド層に対し、第一ベース層とともに格子整合する材質であるから、第一ベース層をなす化合物半導体に対しても格子整合する材質であることを意味する。これでは、第二ベース層は、第一ベース層を選択成長する際の成長抑制層としては一見機能しないように見える。本発明では、該第二ベース層をＡｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて形成し、第一ベース層を成長する際には、ＩＩＩ族元素をリッチとした非化学量論的な組成を有するものとして形成する点に特徴がある。これにより、該層は、第一ベース層を選択成長する際の成長抑制層としての機能を十分に発揮することができる。他方、第一ベース層を成長後は、Ｖ族元素を補なう処理を行なうことにより、第一クラッド層をエピタキシャル成長させるためのベース層に簡単に転換することができる。
【００１７】
Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＩＩ族元素（つまり、金属元素）がリッチな組成となることで金属的な性質が高まり、第一クラッド層を構成する、化学量論比を有した化合物半導体に対しては成長抑制効果を発現する。さらに、ＩＩＩ族元素がリッチとなることで結晶構造は非晶質的となりやすく、上記の成長抑制効果が一層高められる。また、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、表層部に薄いＡｌ系の酸化物層が形成される場合があり、この酸化物層が改質層の非晶質化を促進する可能性がある。
【００１８】
また、上記のような、非晶質的な構造は、Ｖ族元素の不足により準安定的に形成されているに過ぎないので、Ｖ族元素を補うと、エピタキシャル成長のベースとして好適な単結晶状態に比較的容易に復帰できる。この場合、Ｖ族元素の補充処理を、上記酸化物層に対する還元雰囲気（例えば、水素あるいはＶ族元素の水素化物を含有した雰囲気）にて行なうと、より良質の第二ベース層を得ることができる。
【００１９】
成長抑制層形成工程は、より具体的には、成長用基板の第一主表面の全面に、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる準備層をエピタキシャル成長する準備層成長工程と、
該準備層の成長抑制層として予定された領域にレーザービームを照射して、該準備層の少なくとも表層部を、Ｖ族元素含有比率が減少するように改質するレーザー改質工程と、
準備層のレーザー改質されていない領域をエッチング除去し、該レーザー改質された領域を成長抑制層となすエッチング工程と、
を有するものとして実施することができる。
【００２０】
上記方法によると、Ａｌを含有したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、基板の第一主表面の全面を覆う準備層として形成することができる。また、Ｖ族元素を減少させる該層の改質を、レーザービーム照射によるＶ族元素の蒸発により簡単に行なうことができる。さらに、照射するレーザービームを基板上で走査することにより、フォトリソグラフィー用のマスクなどを用いることなく、成長抑制層のパターニングを容易に行なうことができる。また、成長抑制層を構成しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の非改質部分は、改質部分と金属元素の含有率が異なっていることから、適当なエッチャントを選択することによりエッチング速度に差をつけることができ、ひいては該エッチャントを用いた化学エッチングにより、非改質部分の除去を簡単に行なうことができる。また、最終的な第二ベース層を、成長用基板の第一主表面と平行な主表面を有する均一厚さ部分として形成でき、当該主表面上に第一クラッド層をエピタキシャル成長することで、例えば多結晶化により凹凸形成が激しくなった場合と比較して、局所的な電界集中による電流リークも生じにくくなる。
【００２１】
レーザー照射による改質部分は、Ａｌを含有した金属元素が過剰となるため、特に塩酸などの酸性エッチャントと接触したとき、非晶質的な酸化物層が厚く形成されやすくなる。この酸化物は、エッチング時におけるエッチレジスト層として機能するので、非改質部分の除去による成長抑制層のパターンニングがより行ないやすくなる。また、非晶質的な酸化物層の厚さの増大は、第一ベース層に対する成長抑制効果をより高める働きもなす。
【００２２】
第二ベース層形成工程においては、成長抑制層へのＶ族元素の補充を、Ｖ族元素を含有した気体中での熱処理により行なうことが望ましい。これにより、仮にＶ族元素補充後の成長抑制層部分が多結晶的な構造になっても、熱処理による再結晶化を促進でき、エピタキシャル成長のベースとして好適な単結晶状態を得る上で好都合である。この場合、再結晶化促進に好都合な熱処理温度範囲は、例えば７００℃以上８００℃以下である。
【００２３】
活性層の第一部分は、電子の閉じ込め効果を高めるために、その厚さを１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定することが望ましい。第一部分の厚さが１５ｎｍ未満では電子の存在確率が小さくなりすぎて、レーザー発振に必要な電流密度が得られなくなる。他方、第一部分の厚さが５０ｎｍを超えると量子的な閉じ込め効果が不足し、素子抵抗の増大による発振閾電圧の増大を招くことにつながる。一方、第一部分に電流を局在化させるためには、第二部分や第三部分の厚さを電子の平均自由工程よりも十分小さい４０ｎｍ以下とすることにより電子の存在確率を低減し、それら部分への漏れ電流が極力生じないようにすることが望ましい。ただし、第一クラッド層と第二クラッド層との短絡が生じないように、該厚さは１０ｎｍ以上に確保することが望ましい。
【００２４】
第一ベース層及び活性層は、第一クラッド層及び第二クラッド層をなすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりも｛１１１｝ファセットを形成しやすいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成することが、第一ベース層の稜線位置において選択的に活性層が厚膜化した構造を得やすく、ひいては該厚膜化により形成される活性層の第一部分と、第一ベース層の側面を覆う第三部分との膜厚差も大きくでき、第一部分への電流局在化効果をより高めることができる。この場合、谷底に形成される活性層の第二部分の厚さｔ２は、第三部分の厚さｔ３よりも小となり、また、第一クラッド層及び第二クラッド層は、第一部分を挟む部分よりも、第二部分を挟む部分の方が厚さが大となりやすい。従って、該第二部分が多結晶化していたり、あるいは結晶欠陥が多量に導入されていたりすると、第一クラッド層と第二クラッド層との短絡によるリーク電流が特に生じやすい。しかしながら、本発明の採用により、上記活性層の第二部分は、第二ベース層上へのエピタキシャル成長により形成されるので、多結晶化や結晶欠陥導入が起こりにくく、リーク電流の発生を効果的に抑制できる。該効果は、成長用基板の第一主表面が｛１００｝面であり、複数の第一ベース層は、第一主表面上にて凸条長手方向が＜１１０＞方向と平行であり、かつ幅方向両側面が｛１１１｝面をなすように形成されている場合に特に顕著である。該構造は、第一主表面が｛１００｝面である成長用基板において、前述の成長抑制層を該第一主表面上にて長手方向が＜１１０＞方向と平行となるように形成すれば、簡単に得ることができる。
【００２５】
次に、第一ベース層は、第二ベース層及び第一クラッド層との格子不整合率が５％以内のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成することが、第一クラッド層ひいてはその上にエピタキシャル成長される活性層及び第二クラッド層の結晶品質を向上させる観点において望ましい。この場合、前述の谷底位置に形成される第二ベース層を、第一クラッド層と同一材質のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成しておくことにより、該位置に成長される第一クラッド層部分、ひいてはその上にエピタキシャル成長される活性層の第二部分への結晶欠陥導入や多結晶化といった問題をより効果的に防止することができる。
【００２６】
具体的な組合せとしては、第一ベース層及び活性層をＧａＡｓにて構成し、第二ベース層、第一クラッド層及び第二クラッド層をＡｌＧａＡｓにて構成する構造を例示できる。該構造は、例えば成長用基板をＧａＡｓにて構成し、第一ベース層及び活性層をＧａＡｓにて形成し、第二ベース層、第一クラッド層及び第二クラッド層をＡｌＧａＡｓにて形成することにより得ることができる。この場合、第二ベース層形成工程において成長抑制層は、少なくとも表層部においてＡｓに対してＡｌ及びＧａがリッチとなるＡｌＧａＡｓ層として形成することができる。成長抑制層はＡｓが不足した状態にあるので、第一ベース層を成長後に該成長抑制層を、Ａｓを含有した気体、例えばアルシン（ＡｓＨ３）中で熱処理することにより、成長抑制層の表層部にＡｓを容易に補充することができ、これを第二ベース層となすことができる。特にアルシンは、Ａｓの供給反応により余剰となった水素が、成長抑制層の表層部に形成されている酸化物層を還元するので、良質な第二ベース層を得る観点において好都合であるといえる。また、Ａｓを含有した気体（例えば上記のアルシン）と水素との混合ガスを使用することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の半導体レーザー素子の一例を模式的に示す断面図である。該半導体レーザー素子１は、成長用基板を兼ねるＧａＡｓ（単結晶）基板２の第一主表面ＭＰ１上に、複数の第一ベース層３、複数の第二ベース層５、第一クラッド層６（例えばｎ型）、活性層７（ノンドープ）及び第二クラッド層８（例えばｐ型）とがこの順序にてエピタキシャル成長され、ＧａＡｓ基板２の裏面と第二クラッド層８の表面とが、Ａｕ等の金属からなる電極９，１０により全面被覆されている。
【００２８】
第一ベース層３はＧａＡｓからなり、各々逆Ｖ字断面の凸条形態により第一主表面ＭＰ１上にて幅方向に隣接する形で配置されている。第二ベース層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（ＸはＡｌ混晶比：０＜Ｘ≦０．４５）からなり、互いに隣接する第一ベース層３，３にて形成される谷部４ａの底位置において、両第一ベース層３，３を隔てる形でＧａＡｓ基板２上にエピタキシャル成長されている。また、第一クラッド層６は第二ベース層５とＡｌＡｓ混晶比Ｘが同一のＡｌＧａＡｓからなり、第一ベース層３と第二ベース層５との双方の表面に格子整合する形で一体的にエピタキシャル成長されている。
【００２９】
次に、活性層７は、第一クラッド層６及び第二クラッド層８との間にダブルへテロ構造を形成するものであり、これらクラッド層６，８に格子整合しつつ、それらよりもバンドギャップの小さい化合物半導体、具体的にはクラッド層６，８よりもＡｌＡｓ混晶比Ｙが小さいＡｌＹＧａ１−ＹＡｓ（０≦Ｙ≦０．４５：本実施形態ではＹ＝０、すなわちＧａＡｓ）が採用されている。図２に示すように、活性層７は、第一クラッド層６を覆うように該第一クラッド層６上にエピタキシャル成長されている。そして、第一ベース層３の稜線部３ｔに対向する第一部分７ａの厚さをｔ１とし、第二ベース層５上にて谷部４ａの底をなす第二部分７ｂの厚さをｔ２とし、第一部分７ａと第二部分７ｂとをつなぐ第三部分７ｃの厚さをｔ３としたとき、ｔ１＞ｔ２，ｔ３となるように厚さが調整されている。又、第二クラッド層８は、活性層７を覆うように該活性層７上にエピタキシャル成長されている。
【００３０】
ＧａＡｓ基板２の第一主表面ＭＰ１は｛１００｝面であり、図６に示すように、複数の第一ベース層３は、第一主表面ＭＰ１上にて凸条長手方向が＜１１０＞方向と平行であり、かつ幅方向両側面が｛１１１｝面をなすように形成されている。第二ベース層５（ひいては、後述の成長抑制層２５）の幅ｗ１は１μｍ以上１０μｍ以下であり、第一ベース層３の幅ｗ２は１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である。
【００３１】
活性層７は、第一部分７ａの厚さｔ１が１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とされ、第三部分７ｃの厚さｔ３が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下とされている。また、本実施形態においては、第二部分７ｂは第三部分７ｃの厚さｔ３よりさらに小さく、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とされている。これにより、第一部分７ａは、電子の閉じ込め効果の高い量子細線部として機能し、他方、第二部分７ｂ及び第三部分７ｃは電子存在確率の小さい一種の絶縁部として振舞う。その結果、図１において、電極９，１０に駆動電圧を印加したとき、第二部分７ｂ及び第三部分７ｃによる電流狭窄効果により、電子移動度の大きい第一部分７ａつまり量子細線部に電流集中する結果、低い閾電圧にてレーザー発振可能となり、レーザー光を効率的に取り出すことができる。なお、レーザー光は、第一部分７ａと直交する素子側面（図１において紙面表側に現われている側面である）から取り出されるが、この場合、レーザー光を取り出すのと反対側の側面（図１において、紙面裏側）を、Ａｕ、ＡｇあるいはＡｌなどの反射金属層で覆っておくことで、取り出されるレーザー光のビーム強度をさらに高めることができる。
【００３２】
以下、半導体レーザー素子１の製造方法の一例について、図３〜図５を用いて説明する。まず、図３の工程１に示すように、第一主表面ＭＰ１が｛１００｝のＧａＡｓ基板２（例えばｎ型にドーピングされたもの）を用意して成長容器内に配置し、ＧａＡｓバッファ層２ｂ及びＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（０＜Ｘ≦０．４５）からなる準備層（以下、ＡｌＧａＡｓ準備層ともいう）１５を、周知のＭＯＶＰＥ法（あるいは分子線ビームエピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法を用いてもよい）により所定の温度でエピタキシャル成長する。Ａｌ、Ｇａ及びＡｓの各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ａｓ源ガス；ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡ）、アルシン（ＡｓＨ３）など。
【００３３】
また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる；
（ｐ型ドーパント）
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）など。
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など。
（ｎ型ドーパント）
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など。
【００３４】
ＧａＡｓバッファ層２ｂ及びＡｌＧａＡｓ準備層１５を成長すれば、これを一旦成長容器外に取り出す。工程２に示すように、ＡｌＧａＡｓ準備層１５の最表面には、Ａｌ系の自然酸化膜（酸化物層）１５ｒが形成される。次に、工程３に示すように、成長抑制層として予定された帯状の領域にレーザービームＬＢを照射して、該準備層１５の表層部１５ｍを改質する。
【００３５】
ＡｌＧａＡｓ準備層１５のレーザー照射を受けた部分は、Ｖ族元素、ここではＡｓが蒸発することにより、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との化学量論比（１：１）が、メタリックなＩＩＩ族元素（ここでは、Ａｌ及びＧａ）側にずれた改質部分１５ｍとなる（ＩＩＩ族元素／Ｖ族元素の原子比が、例えば１．０以上２０．０以下）。そして、図４の工程４に示すように、この状態で塩酸等の強酸性エッチャントにより化学エッチングを行なうと、レーザー照射を受けない非改質部分１５ｂは容易に溶解除去される。他方、改質部分１５ｍは、Ａｌを含んだ金属元素がリッチになっていることから、エッチャントによる酸化により表面酸化物層１５ｒの厚さが増大し、これがエッチレジストとして機能する結果、成長抑制層２５として残留する。また、該表面酸化物層１５ｒは非晶質なので、その厚さ増大により、後述の第一ベース層３を成長する際の選択成長性向上にも寄与する。なお、図６を援用して示すように、成長抑制層２５の幅ｗ１は１μｍ以上１０μｍ以下であり、その配列間隔（つまり、非改質部分１５ｂの幅）ｗ２は１．０μｍ以上２０．０μｍ以下である。
【００３６】
成長抑制層２５は従来のフォトリソグラフィー工程を用いて形成することもできるが、レーザービーム照射による本実施形態の方法によると、以下のごとき効果が達成される。すなわち、レーザービームＬＢはレンズを用いて絞ることにより、スポット径を１μｍ程度まで縮小することができ、改質に必要な熱集中状態も容易に得ることができる。これは、成長抑制層２５（図４）ひいては量子細線部（活性層７の第一部分７ａ）を高密度に形成する観点において有利である。また、レーザービームＬＢを基板主表面上で走査するだけで成長抑制層２５のパターニングができるから、フォトリソグラフィー工程のようなパターニング用のマスクなども不要となり、工程の簡略化に寄与する。
【００３７】
次に、工程５及び工程６に示すごとく、隣接する成長抑制層２５の間に形成された成長用基板２の複数の帯状の露出領域１ｅに、各々逆Ｖ字断面の凸条形態をなす第一ベース層３を選択的にエピタキシャル成長する。ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓをＭＯＶＰＥ法（あるいはＭＢＥ法）により結晶成長する場合、ＩＩＩ族元素（Ａｌ，Ｇａ）とＶ族元素（Ａｓ）とは、有機金属の分解反応により、いずれもイオン状態で基板に供給される。本実施形態では、イオン結晶性の高いＧａＡｓ基板２を用いており、成長抑制層２５の非形成領域、すなわち基板の露出面４においては、原料ガスから供給されるＧａイオン（ＩＩＩ族元素イオン）ないしＡｓイオン（Ｖ族元素イオン）が、基板上のＡｓイオンないしＧａイオンに引き寄せられやすく、結晶成長が促進される。他方、成長抑制層２５の表層部をなす非晶質状の表面酸化物層１５ｒは共有結合性が強く、ＩＩＩ族元素イオン（Ａｌ，Ｇａ）ないしＶ族元素イオン（Ａｓ）の引き付け効果に乏しく、結晶成長速度は極めて遅い。この結果、基板の露出面４でのみＧａＡｓからなる第一ベース層３が選択成長されることとなる。なお、成長時に｛１１１｝ファセットを出しやすくするには、Ｖ族元素／ＩＩＩ族元素の供給比を２００以上４００以下（例えば６００℃での値）に調整するのがよい。
※下線部は修正漏れでしょうか？
【００３８】
ＧａＡｓ基板２の第一主表面ＭＰ１が｛１００｝であり、かつ、成長抑制層２５の形成方向（長手方向）が図６に示すごとく＜１１０＞なので、｛１１１｝ファセットを形成しやすいＧａＡｓからなる第一ベース層３は、両側面に｛１１１｝ファセットが形成された逆Ｖ字断面の凸条形態に成長する。具体的には工程５に示すごとく、露出面４の全面がまず覆われ、次いで工程６に示すごとく、成長抑制層２５の側面に沿って高さ方向にさらに伸び、第一ベース層３の成長が完了する。
【００３９】
第一ベース層３の成長が完了したら、図５の工程７に進み、成長容器内にＡｓを含有した気体、具体的にはアルシン（ＡｓＨ３：水素により希釈して供給することが望ましい）を流通しながら、７００℃以上８００℃以下にて熱処理することにより、成長抑制層２５の表層部にＡｓを拡散補充する。また、成長抑制層２５の表面酸化物層１５ｒは水素により還元され、結果として成長抑制層２５は、化学量論組成を有したＡｌＧａＡｓからなる第二ベース層５に転換される。このとき、非晶質状態だった改質部分１５ｍと表面酸化物層１５ｒとは、熱処理により容易に単結晶化する。
【００４０】
続いて、工程８に示すように、第一ベース層３及び第二ベース層５の全面を覆うように、ＡｌＧａＡｓからなる第一クラッド層６をエピタキシャル成長する。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓよりも｛１１１｝ファセットを形成しにくいので、第一ベース層３の稜線部３ｔ付近では頂部が丸まって薄肉化する。他方、ＡｌＧａＡｓ単結晶からなる第二ベース層５が形成されていることで、第一クラッド層６は、隣接する第一ベース層３，３間の谷底位置においても、多結晶化や転位等の結晶欠陥が導入されることなく、良好な単結晶状態を保ったまま成長が進行する。
【００４１】
そして、工程９及び工程１０に示すように、その第一クラッド層６を覆うようにＧａＡｓからなる活性層７及び第二クラッド層８をエピタキシャル成長する。ＧａＡｓは｛１１１｝ファセット形成が顕著なため、活性層７は、薄肉化した第一クラッド層６の稜線部を補う形で鋭角的に成長し、稜線部をなす第一部分７ａが他の部分よりも厚肉化する。他方、前述の谷底位置では、第一クラッド層６の結晶品質が良好なため、活性層７及び第二クラッド層８も高品質にて結晶成長するので、活性層７の第二部分７ｂが該位置にて薄肉化するにもかかわらず、第一クラッド層６と第二クラッド層８とが短絡しにくく、電流リークの生じにくい素子構造が得られる。その後、図１に示すごとく、電極９，１０を形成し、さらに、光取出側と反対側の側面部に図示しない反射層を形成すれば、半導体レーザー素子１が完成する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の半導体レーザー素子の一例を模式的に示す断面図。
【図２】図１の要部を模式的に示す斜視図。
【図３】図１の半導体レーザー素子の製造方法の一例を示す工程説明図。
【図４】図３に続く工程説明図。
【図５】図４に続く工程説明図。
【図６】第一ベース層及び第二ベース層の形成レイアウトの一例を示す平面模式図。
【図７】従来の半導体レーザー素子を示す断面模式図。
【図８】図７の半導体レーザー素子の製造工程説明図。
【符号の説明】
【００４３】
１  半導体レーザー素子
２  ＧａＡｓ基板（成長用基板）
ＭＰ１  第一主表面
３  第一ベース層
４ａ  谷部
４  露出面
５  第二ベース層
６  第一クラッド層
７  活性層
７ａ  第一部分
７ｂ  第二部分
７ｃ  第三部分
８  第二クラッド層
１５  準備層
２５  成長抑制層
ＬＢ  レーザービーム
【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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