JP2012222028A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ性能の劣化を抑制する半導体レーザを提供する。
【解決手段】第１導電型の半導体基板と、半導体基板の上に堆積された第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層の上に堆積された活性層と、活性層の上に堆積された第２導電型の第２クラッド層と、第２クラッド層の上に堆積されたコンタクト層とを備え、活性層は、空孔の拡散により混晶化した窓部と、窓部より混晶度が小さい非窓部とを有し、コンタクト層は、第１領域と、第２領域を有し、第２領域は第１領域よりも水素との親和性が高く、第２領域は第１領域の下側にある半導体レーザ素子。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。

半導体レーザ素子においては、光出射端面でのＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる損傷を防止する目的で、光出射端面を混晶化してバンドギャップエネルギーを大きくすることにより、レーザ光の吸収の少ない窓部を形成するＩＦＶＤ（Ｉｍｐｕｒｉｔｙ−Ｆｒｅｅ Ｖａｃａｎｃｙ Ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００７−２４２７１８号公報

しかし、従来のＩＦＶＤ法では、窓部における混晶度を高く維持しつつ非窓部における混晶度を低く抑えることが困難であった。そのため、ＣＯＤの発生を防止しつつレーザ特性の劣化を抑制することが困難であった。

本発明の第１の態様においては、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の上に堆積された第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層の上に堆積された活性層と、活性層の上に堆積された第２導電型の第２クラッド層と、第２クラッド層の上に堆積されたコンタクト層とを備え、活性層は、空孔の拡散により混晶化した窓部と、窓部より混晶度が小さい非窓部とを有し、コンタクト層は、第１領域と、第２領域を有し、前記第２領域は前記第１領域よりも水素との親和性が高く、前記第２領域は前記第１領域の下側にある半導体レーザ素子が提供される。

本発明の第２の態様においては、第１導電型の半導体基板の上に、少なくとも第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型のクラッド層を順次堆積する工程と、第２導電型のクラッド層の上にコンタクト層を堆積する工程と、密度の異なる２種類の誘電体膜をコンタクト層の上の異なる領域に堆積する工程と、アニール処理により空孔を拡散させて、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層を混晶化して窓部を形成し、密度のより大きい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層に窓部よりも混晶度の小さい非窓部を形成する工程とを備え、コンタクト層を堆積する工程は、空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を形成する工程と、空孔を生成する第１の空孔生成領域を形成する工程とを有し、空孔拡散促進領域は第１の空孔生成領域より水素との親和性が高い半導体レーザ素子の製造方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の斜視図である。 図１に示す半導体レーザ素子の断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。 図３に示した工程の後工程を説明する工程図である。 図１に示す窓部および非窓部を形成する工程を示す。 図５に示した工程より形成された窓部および非窓部を示す。 図５および図６に示した工程の後工程を説明する工程図である。 図７に示した工程の後工程を説明する工程図である。 第１実施形態に係る半導体レーザ素子の変形例の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。 図１０に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。 図１１に示した工程の後工程を説明する工程図である。 図１２に示した工程の後工程を説明する工程図である。 図１３に示した工程の後工程を説明する工程図である。 図１４に示した工程の後工程を説明する工程図である。 第２実施形態に係る半導体レーザ素子の変形例の断面図である。 コンタクト層のドーパント設計と、窓部及び非窓部の混晶度との関係を示すグラフである。 コンタクト層のドーパント量と、非窓部混晶度との関係を示すグラフである。 コンタクト層のドーパント量と、第２領域がある場合及びない場合における窓部混晶度／非窓部混晶度との関係を示すグラフである。 非窓部混晶度と、ＩＦＶＤを行わない場合の閾値に対するＩＦＶＤを行った場合の閾値の比との関係を示すグラフである。 窓部に対応する第２領域及び非窓部に対応する第２領域の水素濃度を示すグラフである。 第２領域のエピタキシャル成長温度と、成膜中にドープされる炭素濃度及び水素濃度との関係を示すグラフである。 第２領域のエピタキシャル成長の成長レートとＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。 第２領域のエピタキシャル成長における反応ガスの流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。 第２領域のエピタキシャル成長におけるドーパントガス流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザ素子１００の斜視図である。半導体レーザ素子１００は、電流を共振器方向に沿ってストライプ状に狭窄するリッジ構造を有するファブリペロー共振器型のレーザであってよい。半導体レーザ素子１００は、ウエハを劈開して形成した両端面に低反射膜１０及び高反射膜２０を有する。高反射膜２０は、レーザ光を反射させて共振器内でレーザ光を増幅する。低反射膜１０は、レーザ光に対する反射率が高反射膜２０より低く、共振器内で共振するレーザ光の一部を出射光３０として外部に出射させる。

図２は、半導体レーザ素子１００の断面図を示す。半導体レーザ素子１００は、第１導電型の半導体基板４０と、第１導電型のバッファ層４２と、第１導電型の第１クラッド層４４と、第１導電型の第１ガイド層４６と、活性層４８と、第２導電型の第２ガイド層５０と、第２導電型の第２クラッド層５２と、第２クラッド層５２の上に堆積されたコンタクト層５４と、絶縁層５６と、上部電極５８と、下部電極６０とを備える。

本実施形態では、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明するが、これに限定されず、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型であってもよい。第１導電型の半導体基板４０は、ｎ型ＧａＡｓ基板であってよい。半導体基板４０の表面には、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層４６、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２、ｐ型のコンタクト層５４、及び絶縁層５６が順次堆積されている。

上部電極５８は、絶縁層５６を覆うように形成される。絶縁層５６は、コンタクト層５４の上部において開口部５７を有する。コンタクト層５４は、開口部５７を介して上部電極５８とオーミック接触する。下部電極６０は、半導体基板４０の裏面に形成される。

半導体レーザ素子１００は、ｐ型の第２クラッド層５２の上層とコンタクト層５４の幅が半導体基板４０から離れるに従って狭くなるメサ形状に加工されたストライプ状のリッジ構造を有する。半導体レーザ素子１００は、リッジ構造により、活性層４８に注入される電流を狭窄する。

ｎ型のバッファ層４２は、半導体基板４０の上に結晶性の良いエピタキシャル層を積層するための緩衝層として機能する。バッファ層４２は、半導体基板４０と、第１クラッド層４４との間の格子定数を有する。ｎ型のバッファ層４２は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。

ｎ型の第１クラッド層４４及びｎ型の第１ガイド層４６は、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。第１クラッド層４４の屈折率は、第１ガイド層４６の屈折率より小さい。ｎ型の第１クラッド層４４及びｎ型の第１ガイド層４６は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。この場合、ｎ型の第１クラッド層４４のＡｌ組成をｎ型の第１ガイド層４６のＡｌ組成に比べ大きくすることでｎ型の第１クラッド層４４の屈折率をｎ型の第１ガイド層４６の屈折率より小さくできる。ｎ型の第１ガイド層４６の膜厚は約４００μｍであり、ｎ型の第１クラッド層４４の膜厚は約３μｍであってよい。

活性層４８は、下部バリア層４８ａ、量子井戸層４８ｂ、上部バリア層４８ｃを有してよい。下部バリア層４８ａ及び上部バリア層４８ｃは、量子井戸層４８ｂにキャリアを閉じこめる。下部バリア層４８ａ及び上部バリア層４８ｃは、不純物をドープしないＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層４８ｂは不純物をドープしないＩｎＧａＡｓ層を含んでよい。量子井戸層４８ｂは、Ｉｎの組成及び膜厚に応じてポテンシャル井戸構造に閉じこめられるキャリアの再結合エネルギーを決定する。活性層４８は、単一の量子井戸構造（ＳＱＷ）に限定されず、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であってよい。

ｐ型の第２ガイド層５０及びｐ型の第２クラッド層５２は、上述したｎ型の第１ガイド層４６及びｎ型の第１クラッド層４４と対となって、積層方向に光を閉じこめるように、屈折率と厚さが調節される。ｐ型の第２ガイド層５０及びｐ型の第２クラッド層５２は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層を含んでよい。例えば、ｐ型の第２クラッド層５２のＡｌ組成をｐ型の第２ガイド層５０のＡｌ組成に比べ大きくすることでｐ型の第２クラッド層５２の屈折率をｐ型の第２ガイド層５０の屈折率より小さくする。また、ｐ型の第２ガイド層５０の膜厚は約４００μｍであり、ｐ型の第２クラッド層５２の膜厚は約１μｍ〜２μｍであってよい。

コンタクト層５４は、第１領域５４ｂと、第２領域５４ａを有する。第１領域５４ｂは、以下で詳述するように、窓部６２を形成したときに空孔を生成した第１の空孔生成領域として機能する。具体的には、第１領域５４ｂは、第１のｐ型ドーパントがドープされた第２導電型の半導体層である。第１領域５４ｂは、ｐ型ＧａＡｓ層であってよい。ここで、第１のｐ型ドーパントは、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはベリリウム（Ｂｅ）であってよい。第１領域５４ｂは上部電極５８とのオーミック接触を確保するために、例えばＺｎが約１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の高濃度でドープされてよい。

第２領域５４ａは窓部６２を形成したときに空孔の拡散を促進した空孔拡散促進領域として機能する。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより、水素との親和性が高い領域である。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより、低い成長温度で形成されてもよい。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂより成長レートを速める、ダメージで欠陥量を増やす、成長中の水素化合物の流量を増やす、または、成長中断時の水素雰囲気を増やす等を行って、水素との親和性を高めてもよい。第２領域５４ａは、半導体層積層界面に薄く形成されてもよい。第２領域５４ａは、第２のｐ型ドーパントがドープされた第２導電型の半導体層であってもよい。第２領域５４ａは、ｐ型ＧａＡｓ層であってよい。第２のｐ型ドーパントは第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い。第２のｐ型ドーパントは、炭素（Ｃ）であってよい。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂの下側にある。

コンタクト層５４の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ/ｃｍ^２）以下であることが好ましい。ここで、ドーパント量とは、ドーピング濃度（ａｔｏｍｓ/ｃｍ^３）×層の厚み（ｃｍ）により定義した量を指す。第２領域５４ａのドーパント量は、第１領域５４ｂのドーパント量より少なくてよい。

半導体レーザ素子１００は、窓部６２と非窓部６４とを有する。非窓部６４は、第２クラッド層５２からバッファ層４２までの層において、コンタクト層５４の下側の領域に形成される。また、窓部６２は、非窓部６４を囲む周囲に形成される。窓部６２は非窓部６４に比べバンドギャップエネルギーが大きく、非窓部６４に比べてレーザ光を吸収しにくい領域を指す。窓部６２は、第１領域５４ｂにより生成されたＩＩＩ族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む。

活性層４８は、空孔の拡散により混晶化した窓部６２と、窓部６２より混晶度が小さい非窓部６４とを有する。半導体レーザ素子１００によれば、窓部６２の混晶度が大きく、非窓部６４の混晶度が小さいので、ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ特性の劣化を小さくすることができる。

図３から図８は、半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する工程図を示す。図３に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、第１導電型の半導体基板４０の上に、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層４６、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２を順次堆積する工程と、ｐ型の第２クラッド層５２の上にコンタクト層５４を堆積する工程とを備える。それぞれの層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長（ＭＢＥ）法等のエピタキシャル成長法によって順次積層される。

コンタクト層５４を堆積する工程は、空孔の拡散を促進する第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程と、空孔を生成する第１領域５４ｂを第１の温度より高い第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程とを有する。第１の温度は、６８０℃より低い温度、例えば、約６２０℃である。第２の温度は、６８０℃以上の温度、例えば、約７００℃である。

第１領域５４ｂを第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第１のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含む。第２領域５４ａを第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程は、第２のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含む。本例では、第１のｐ型ドーパントとして、Ｚｎを用い、第２のｐ型ドーパントとしてＣを用いる例を説明する。

コンタクト層５４を堆積する工程は、１回のエピタキシャル成長工程により実行されてよい。つまり、Ｃドープの低温エピ成長を行って第２領域５４ａを堆積した後に、続けて、Ｚｎドープの高温エピ成長を行い第１領域５４ｂを堆積する。

第２領域５４ａは、ドーパントのＣが水素（Ｈ）との親和性が高く、かつ、低温エピ成長により形成されるので、Ｈを膜中に取り込みやすい。つまり、第２領域５４ａは、第１領域５４ｂよりも水素濃度が高い。しかしながら、高濃度でＣドープして低温エピ成長により形成した第２領域５４ａは表面の結晶性が悪くなる。そこで、Ｚｎを高濃度でドープして高温エピ成長を行うことにより、結晶性を良くし、かつ、上部電極５８とのコンタクト抵抗を低減させることができる。

図４は、図３に示した工程の後工程を示す。図４に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、密度の異なる２種類の誘電体膜（第１の膜７０および第２の膜７２）をコンタクト層５４の上の異なる領域に堆積する工程を備える。まず、シランガスとアンモニアガスを原料として触媒ＣＶＤ法を用いてコンタクト層５４の上にＳｉＮ膜を例えば１００ｎｍ堆積する。ＳｉＮ膜は、原料のシランとアンモニアとの流量をアンモニアリッチにした状態で成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、窓部６２に対応するコンタクト層５４上の領域以外のＳｉＮ膜を除去することにより、窓部６２に対応するコンタクト層５４上の領域に第１の膜７０を形成する。第１の膜７０はＮリッチ条件で成膜したため、疎な膜となる。第１の膜７０の膜密度は、例えば約２．６９ｇ／ｃｍ^３である。

次に、触媒ＣＶＤ法を用いてコンタクト層５４及び第１の膜７０の上にＳｉリッチ条件で成膜したＳｉＮ膜を例えば３０ｎｍ堆積する。第２の膜７２は、Ｓｉリッチ条件で成膜したため、緻密な膜となる。第２の膜７２の膜密度は、例えば約２．７９ｇ／ｃｍ^３である。つまり、非窓部６４に対応する領域には第１の膜７０より密度の高い緻密な膜である第２の膜７２が形成される。誘電体膜として、ＳｉＮ以外の膜を使用してもよい。誘電体膜を形成した後、アニール処理により窓部６２および非窓部６４を形成する。

図５は、窓部６２および非窓部６４を形成する工程を示す。半導体レーザ素子１００の製造方法は、アニール処理により空孔を生成する。アニール処理は、例えば、９１５℃、３０秒間の短時間熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）により行う。

上述したように、第２領域５４ａの水素濃度は、第１領域５４ｂよりも高い。ＲＴＡ処理により加熱されると、第２領域５４ａ内の水素７６が疎の膜である第１の膜７０に吸収される。その結果、窓部６２に相当する部分の第２領域５４ａは、水素濃度が低くなる。一方、非窓部６４に相当する部分の第２領域５４ａの水素は、密な膜である第２の膜７２に吸収されにくい。つまり、アニール処理により、第２領域５４ａは、非窓部６４に対応する領域の水素濃度が窓部６２に対応する領域の水素濃度より高くなる。

窓部６２に対応する第２領域５４ａには、水素７６の離脱により生じた内在空孔が生成される。ここで、内在空孔とは、水素７６が第１の膜７０に吸収されたことにより生じる空孔を指す。

窓部６２に対応する第１領域５４ｂのＧａは、ＲＴＡ処理により第１の膜７０に取り込まれ、ＩＩＩ族空孔７４が生成される。つまり、第２領域５４ａは、ＩＩＩ族空孔７４とは別の内在空孔を生成する。ＩＩＩ族空孔７４は、第１領域５４ｂの表面側から第２領域５４ａに向かって拡散する。

第２領域５４ａは、第１領域５４ｂで生成されたＩＩＩ族空孔７４を受け取る。窓部６２に対応する第２領域５４ａにおいて、ＩＩＩ族空孔７４は内在空孔と合流し、空孔濃度が急激に上昇する。ＩＩＩ族空孔７４及び内在空孔は、第２領域５４ａから活性層４８の方向に向かって一気に拡散する。つまり、内在空孔の存在によって、ＩＩＩ族空孔７４の拡散が促進される。

一方、非窓部６４に対応する第２領域５４ａのＨは、緻密な膜である第２の膜７２にはほとんど吸収されず、当該領域の内在空孔は、窓部６２に対応する第２領域５４ａの内在空孔よりも少ない。また、非窓部６４に対応する第１領域５４ｂのＧａは、緻密な膜である第２の膜７２にはほとんど吸収されない。そのため、非窓部６４に対応する第１領域５４ｂにおいてＩＩＩ族空孔７４は、窓部６２に対応する領域のＩＩＩ族空孔７４よりも少ない。したがって、非窓部６４に対応する活性層４８は、窓部６２に対応する活性層４８よりも、混晶度が非常に小さくなる。

図６は、図５の工程により形成された窓部６２および非窓部６４を示す。図５に示した工程により、２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層４８を混晶化して窓部６２が形成され、密度のより大きい誘電体膜が堆積された領域に対応する活性層４８に、窓部６２よりも混晶度の小さい非窓部６４が形成される。結果として、活性層４８の窓部６２においてはレーザ光の吸収が抑制されＣＯＤの発生が防止されるとともに、非窓部６４においてはレーザ特性の劣化が防止される。

図７は、図５および図６に示した工程の後工程を示す。図７に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、リッジ構造を形成する工程を備える。窓部６２及び非窓部６４が形成された後、第１の膜７０及び第２の膜７２が除去される。その後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を行い、コンタクト層５４及びｐ型の第２クラッド層５２の上部をストライプ形状に除去してリッジ構造を形成する。

図８は、図７に示した工程の後工程を示す。図８に示すように、半導体レーザ素子１００の製造方法は、コンタクト層５４及び第２クラッド層５２の上に絶縁膜を堆積する工程と、電極を形成する工程とを備える。絶縁膜は、例えば、ＣＶＤ法を用いて成膜されたシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜である。電極を形成する工程は、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により上部電極５８と接触する領域に開口部５７を形成する工程と、スパッタリング工程により半導体基板４０の表面全体に上部電極５８を形成し、半導体基板４０の裏面全体に下部電極６０を蒸着させる工程とを含む。最後に、半導体基板４０を劈開し、劈開面に低反射膜１０及び高反射膜２０を形成して半導体レーザ素子１００が完成する。

図９は、半導体レーザ素子１００の変形例に係る半導体レーザ素子１１０を示す。半導体レーザ素子１１０は、コンタクト層５４の構成が半導体レーザ素子１００のコンタクト層５４の構成と異なる。半導体レーザ素子１１０の第１コンタクト層５４は、図２に示したコンタクト層５４の構成に比べ、第３領域５４ｃを更に有する。第３領域は、第２の空孔生成領域として機能する。第３領域５４ｃは、ｐ型ドーパントのドープ量が第１領域５４ｂより低い。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂと第３領域５４ｃとの間に設けられる。

コンタクト層５４を堆積する工程は、第２領域５４ａを低温エピタキシャル成長により堆積する工程の前に、第３領域５４ｃを高温エピタキシャル成長により堆積する工程を有する。第１領域５４ｂのＺｎドープ量は１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、第３領域５４ｃのＺｎドープ量は１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であってよい。第１領域５４ｂ、第３領域５４ｃ、及び第２領域５４ａは、１回のエピタキシャル成長工程で形成される。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子２００の断面図である。半導体レーザ素子２００は、リッジ構造に替えて、電流狭窄層８０を備える点で第１実施形態に係る半導体レーザ素子１００と異なる。半導体レーザ素子２００は、第１導電型の半導体基板４０と、第１導電型のバッファ層４２と、第１導電型の第１クラッド層４４と、第１導電型の第１ガイド層４６と、活性層４８と、第２導電型の第２ガイド層５０と、第２導電型の第２クラッド層５２と、第２クラッド層５２の上に堆積された第１コンタクト層５４と、電流狭窄層８０と、第２コンタクト層８２と、上部電極５８と、下部電極６０とを備える。

図１０において図２と同一の符号を付した構成要素は、図２から図９に関連して説明した構成要素と同一の機能を有してよい。半導体レーザ素子２００において下部電極６０から第２クラッド層５２までの構造は、半導体レーザ素子１００における下部電極６０から第２クラッド層５２までの構造と同一であってよい。

第１コンタクト層５４は、Ｃが高濃度にドープされて低温エピタキシャル成長で形成された第２領域５４ａと、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅが高濃度にドープされて高温エピタキシャル成長で形成された第１領域５４ｂを有する。第２領域５４ａは、非窓部６４に対応する領域の水素濃度が、窓部６２に対応する領域の水素濃度より高い。

電流狭窄層８０は、第１コンタクト層５４上に形成され、非窓部６４に対応して開口部８１を有する。電流狭窄層８０は、ｎ型ＧａＡｓ層であってよい。第２コンタクト層８２は、開口部８１により露出した第１コンタクト層５４及び電流狭窄層８０の上に堆積される。第２コンタクト層８２は、ＺｎまたはＭｇが高濃度でドープされたｐ型のＧａＡｓ層を含む。第２コンタクト層８２は上部電極５８とオーミック接触する。電流狭窄層８０は、上部電極５８から注入された電流を狭窄し、量子井戸層４８ｂにおけるキャリア密度を向上させる。

半導体レーザ素子２００において、電流狭窄層８０に対応する領域には窓部６２が形成され、開口部８１に対応する領域には非窓部６４が形成されている。半導体レーザ素子２００においても、第２領域５４ａの内在空孔の作用によって、活性層４８の量子井戸層４８ｂにおける窓部６２の混晶度を高くし、かつ、非窓部６４の混晶度を低くすることができる。したがって、ＣＯＤの発生を防止しつつ、レーザ特性の劣化を抑制することができる。

図１１から１５は、半導体レーザ素子２００の製造方法を説明する工程図を示す。図１１に示すように、半導体レーザ素子２００の製造方法は、半導体基板４０上に、ｎ型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４４、ｎ型の第１ガイド層、活性層４８、ｐ型の第２ガイド層５０、ｐ型の第２クラッド層５２を順次堆積する工程と、ｐ型の第２クラッド層５２の上に第１コンタクト層５４を堆積する工程とを備える。それぞれの層は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いたエピタキシャル成長により形成される。第１コンタクト層５４を堆積する工程は、図３で説明したコンタクト層５４を堆積する工程と同様なので説明を省略する。

第１コンタクト層５４を堆積した後、第１コンタクト層５４の上に電流狭窄層８０となるｎ型ＧａＡｓ層を堆積する。その上に、例えば、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜８４を堆積する。続いて、開口部８１に対応する領域のＳｉＯ２膜８４をフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により除去する。

図１２は、図１１に示した工程の後工程を示す。図１２に示すように、ＳｉＯ２膜８４をエッチングマスクとしてエッチング工程を行い、電流狭窄層８０を形成する。続いて、エッチングマスクであるＳｉＯ２膜８４を除去する。エッチングマスクとしてＳｉＯ２膜８４以外の絶縁膜を用いてもよい。

図１３は、図１２に示した工程の後工程を示す。図１３に示すように、窓部６２に対応する領域に疎な膜である第１の膜７０を堆積し、非窓部６４に対応する領域に緻密な膜である第２の膜７２を堆積する。その後、ＲＴＡ処理により、窓部６２に対応する第２領域５４ａが生成した内在空孔によって、窓部６２に対応する第１領域５４ｂが生成したＩＩＩ族空孔の拡散が促進されて、窓部６２に対応する活性層４８が混晶化される。非窓部６４に対応する活性層４８は混晶化されない。これらの工程は、図４から図６に示した工程と同様なので説明を省略する。

図１４は、図１３に示した工程の後工程を示す。図１４に示すように、第１の膜７０及び第２の膜７２を除去する。続いて、電流狭窄層８０及び第１コンタクト層５４の表面に対して表面浄化処理を行う。表面浄化処理を行うことにより、再成長界面における結晶品質の低下を防止することができる。

図１５は、図１４に示した工程の後工程を示す。図１５に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層を再成長させて、第２コンタクト層８２を形成する。第２コンタクト層８２は、ＺｎまたはＭｇを高濃度でドープした高温エピタキシャル成長により堆積してよい。第２コンタクト層８２のＺｎドープ濃度は、例えば１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。第１コンタクト層５４のＺｎドープ濃度は、例えば１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

最後に、第２コンタクト層８２の上に上部電極５８を形成し、半導体基板４０の裏面に下部電極６０を形成する。上部電極５８及び下部電極６０はスパッタリング法により形成してよい。

図１６は、半導体レーザ素子２００の変形例に係る半導体レーザ素子２１０を示す。半導体レーザ素子２１０は、第１コンタクト層５４の構成が半導体レーザ素子２００の第１コンタクト層５４の構成と異なる。半導体レーザ素子２１０の第１コンタクト層５４は、ｐ型ドーパントのドープ量が第１領域５４ｂより低い第３領域５４ｃを有する。第２領域５４ａは、第１領域５４ｂと第３領域５４ｃとの間に設けられる。

第１コンタクト層５４を堆積する工程は、第２領域５４ａを低温エピタキシャル成長により堆積する工程の前に、第３領域５４ｃを高温エピタキシャル成長により堆積する工程を有する。第３領域５４ｃのｐ型ドーパントのドーパント量は第１領域５４ｂより低い。例えば、ｐ型ドーパントはＺｎである。第１領域５４ｂのＺｎドープ量は１Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、第３領域５４ｃのＺｎドープ量は１Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であってよい。第１領域５４ｂ、第３領域５４ｃ、及び第２領域５４ａは、１回のエピタキシャル成長工程で形成される。

図１７は、半導体レーザ素子１００のコンタクト層５４におけるドーパント量の設計と、窓部及び非窓部における混晶度の関係を示すグラフである。以下、ドーパント量とはドープ濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）×厚み（ｃｍ）によって定義される量を指す。また、混晶度はバンドギャップエネルギーの変化量を指す。

設計１から３は、ドーパントとしてＺｎのみを用いた例である。設計４及び５はドーパントとして、Ｃ及びＺｎを用いた例である。設計６はドーパントとしてＣのみを用いた例である。設計１から３より、ドーパント量が少ないほど、非窓部の混晶度が小さくなり、かつ、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が大きくなる。したがって、設計１から３の結果より、コンタクト層５４の全ドーパント量を少なくすることが有効であることがわかる。

また、設計２及び４を比較すると、ドーパント量は同等であるが、設計２ではＺｎのみのドープであるのに対して設計４ではＺｎとＣをドープしている。設計２及び４の混晶度を比較すると、Ｚｎのみをドープした場合より、ＺｎとＣをドープした場合の方が非窓部の混晶度が小さくなり、かつ、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が大きくなる。したがって、設計２及び４の結果より、ドーパントとしてＺｎとＣを用いることが有効であることがわかる。

さらに、設計４及び５を比較すると、設計５の方が設計４よりドーパント量が大きくかつＣの割合がＺｎより高い。設計４と５の混晶度を比較すると、ドーパント量が少ない方が非窓部の混晶度は小さいが、非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合はほぼ変わらない。したがって、設計４及び５の結果より、ＺｎとＣのドーパント量の合計が１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下であり、かつ、Ｚｎのドープ量よりＣのドープ量が小さい方が有効であることがわかる。

また、設計５及び６を比較すると、設計６の方が設計５よりドーパント量が大きく、設計６はＣのみをドープしている。設計５と６の混晶度を比較すると、ドーパント量が大きくなると非窓部の混晶度が急激に増加し、かつ、Ｃのみをドープする場合には非窓部混晶度に対する窓部混晶度の割合が小さくなることがわかる。したがって、設計５及び設計６の結果より、全体のドーパント量を所定の値以下とし、ドーパントとしてＣとＺを組み合わせることが有効であることがわかる。

図１８は、半導体レーザ素子１００におけるコンタクト層５４の全ドーパント量と非窓部混晶度の関係を示すグラフである。このグラフより、ドーパント量が増加すると非窓部混晶度が増加することがわかる。図１７の設計５に相当するドーパント量である１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）では、非窓部混晶度が約５ｍｅＶとなり、良好である。

図１９は、半導体レーザ素子１００におけるコンタクト層５４が第２領域５４ａを有する場合と有しない場合とで、全ドーパント量と、窓部混晶度／非窓部混晶度との関係を示すグラフである。このグラフより、ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）付近までは、第２領域５４ａの有無にかかわらず、窓部混晶度／非窓部混晶度は約２である。ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）より小さくなると、窓部混晶度／非窓部混晶度は２より大きくなり、かつ、第２領域５４ａを有する場合の方が有しない場合よりも窓部混晶度／非窓部混晶度が大きくなる。つまり、ドーパント量が約１．２Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）より小さく、かつ、第２領域５４ａを有する場合には、窓部６２に比べて混晶度が１／２より小さい非窓部６４を形成することができる。図１７の設計５に相当するドーパント量である１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）の場合には、窓部６２に比べて混晶度が約１／７の非窓部６４を形成することができるので良好である。

図２０は、半導体レーザ素子１００における非窓部混晶度と、ＩＦＶＤ法により窓部を形成した場合と形成しなかった場合のレーザ発振の閾値電圧の比との関係を示す。閾値比が１以下であればＩＦＶＤ法によってもレーザ性能の劣化が抑制されていることを示し、１より大きければＩＦＶＤ法によりレーザ性能が劣化していることを示す。グラフより、非窓部の混晶度が約５ｍｅＶのとき閾値比が約１となることがわかる。上述したように、非窓部の混晶度が約５ｍｅＶである場合は、図１８においてドーパント量が１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）である場合に相当する。ドーパント量が１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）である場合は図１７の設計５に相当する。なお、非窓部の混晶度を４ｍｅＶより小さくなるように、ドーパント量を設定してもよい。

図１７から図２０の実験結果より、コンタクト層５４の全ドーパント量は、１Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下が好ましいことがわかる。また、コンタクト層５４が第２領域を有し、かつ、Ｚｎのドープ量よりもＣのドープ量を少なくすることがより好ましいことがわかる。

図２１は、第２領域５４ａの窓部６２と非窓部６４における水素濃度を比較したものである。窓部６２の水素濃度が、非窓部６４の水素濃度の約４０％になっていることがわかる。このグラフより、ＲＴＡ処理の結果、窓部６２に対応する第２領域５４ａの水素の約６０％が第１の膜７０に取り込まれ、内在空孔が生成されていることがわかる。

図２２は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長の温度とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。成長温度が６８０℃のときのＣドープ濃度は約１．４４Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は約８．０Ｅ＋１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。成長温度が６２０℃のときのＣドープ濃度は約５．６８Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は約５．８Ｅ＋１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。成長温度が５６０℃のときのＣドープ濃度は約２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は約６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

この結果から、Ｃのドーピング効率が成長温度の増加に対して下がる温度範囲において、ＣがＨとの親和性が高く膜に取り込まれやすいことがわかる。また、成長温度が低くなるほどＣが高濃度にドーピングされ、膜中に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。具体的には、１．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上の高濃度Ｃドープで、かつ、６８０℃以下の低温エピタキシャル成長により第２領域５４ａを形成することが好ましい。

図２３は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長の成長レートとＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。成長温度は５６０℃で一定とした。成長レートが約０．３４ｎｍ／ｓのときのＣドープ濃度は２．０５Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は４．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。成長レートが約０．６６ｎｍ／ｓのときのＣドープ濃度は２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。この結果から、第２領域５４ａのエピタキシャル成長の成長レートを上げることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。尚、第１領域５４ｂのエピタキシャル成長の成長レートは、第２領域５４ａの成長レートより遅くてよい。

図２４は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長における反応ガスの流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。ここで反応ガスの流量比とは、ＩＩＩ族原子供給ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスの流量に対するＶ族原子供給ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）ガスの流量の比を指す。成長温度は５６０℃で一定とした。反応ガスの流量比が約２１．２のときのＣドープ濃度は１．０６Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は１．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。反応ガスの流量比が約１４．２のときのＣドープ濃度は１．４９Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は２．６Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。反応ガスの流量比が約７．０のときのＣドープ濃度は２．４２Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は６．０Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。この結果から、反応ガス流量比を減少させることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。

図２５は、空孔拡散促進領域である第２領域５４ａのエピタキシャル成長におけるドーパントガス流量比とＣドープ濃度及び水素濃度との関係を示す。ここでドーパントガス流量比とは、ＩＩＩ族原子供給ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスの流量に対するＣドーパントガスである四臭化炭素（ＣＢｒ４）ガスの流量の比を指す。成長温度は５６０℃で一定とした。また、反応ガスの流量比は一定とした。ドーパントガス流量比が約０．０５２のときのＣドープ濃度は１．４９Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は２．６Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。ドーパントガス流量比が約０．１０３のときのＣドープ濃度は２．０５Ｅ＋１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、Ｈ濃度は４．５Ｅ＋１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。この結果から、ドーパントガス流量比を上昇させることによっても、膜に取り込まれるＨ濃度が上昇することがわかる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

また、明細書中において「第１層の上に形成された第２層」のように、「の上に」と表現した構成は、第２層が第１層に接して形成されている構成に限定されず、第２層が他の層を挟んで第１層の上方に形成されている構成も含まれうる。

１０・・・低反射膜、２０・・・高反射膜、３０・・・出射光、４０・・・半導体基板、４２・・・バッファ層、４４・・・第１クラッド層、４６・・・第１ガイド層、４８・・・活性層、４８ａ・・・下部バリア層、４８ｂ・・・量子井戸層、４８ｃ・・・上部バリア層、５０・・・第２ガイド層、５２・・・第２クラッド層、５４・・・コンタクト層、５４ａ・・・第２領域、５４ｂ・・・第１領域、５４ｃ・・・第３領域、５６・・・絶縁層、５７・・・開口部、５８・・・上部電極、６０・・・下部電極、６２・・・窓部、６４・・・非窓部、７０・・・第１の膜、７２・・・第２の膜、７４・・・ＩＩＩ族空孔、７６・・・水素、８０・・・電流狭窄層、８１・・・開口部、８２・・・第２コンタクト層、８４・・・ＳｉＯ２膜、１００、１１０、２００、２１０・・・半導体レーザ素子

Claims (21)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板の上方に堆積された第１導電型の第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層の上方に堆積された活性層と、
   前記活性層の上方に堆積された第２導電型の第２クラッド層と、
   前記第２クラッド層上に堆積されたコンタクト層と
   を備え、
   前記活性層は、
   空孔の拡散により混晶化した窓部と、
   前記窓部より混晶度が小さい非窓部とを有し、
   前記コンタクト層は、
   第１領域と、
   前記第１領域よりも水素との親和性が高く、前記第１領域の下側にある第２領域とを有する
   半導体レーザ素子。
2. 前記第２領域は、前記第１領域よりも低い成長温度で形成された請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第２領域は、前記非窓部に対応する領域の水素濃度が、前記窓部に対応する領域の水素濃度より高い請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記第１領域は、第１のｐ型ドーパントがドープされたｐ型ＧａＡｓ層を含み、前記第２領域は第２のｐ型ドーパントがドープされたｐ型ＧａＡｓ層を含み、前記第２のｐ型ドーパントは前記第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記コンタクト層は、前記第１のｐ型ドーパントのドーパント量が前記第１領域より低い第３領域をさらに有し、前記第２領域は、前記第１領域と前記第３領域との間にある請求項４に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記第１のｐ型ドーパントは、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅを含む、請求項４または５に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記第２のｐ型ドーパントは、炭素を含む、請求項４から６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記コンタクト層の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下である請求項４から７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記第２領域のドーパント量は、前記第１領域のドーパント量より少ない請求項４から８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
10. 半導体レーザ素子の製造方法であって、
    第１導電型の半導体基板の上方に、少なくとも第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型のクラッド層を順次堆積する工程と、
    前記第２導電型のクラッド層上にコンタクト層を堆積する工程と、
    密度の異なる２種類の誘電体膜を前記コンタクト層上の異なる領域に堆積する工程と、
    アニール処理により空孔を拡散させて、前記２種類の誘電体膜のうち、密度のより小さい誘電体膜が堆積された領域に対応する前記活性層を混晶化して窓部を形成し、密度のより大きい誘電体膜が堆積された領域に対応する前記活性層に前記窓部よりも混晶度の小さい非窓部を形成する工程と、
    を備え、
    前記コンタクト層を堆積する工程は、
    前記空孔の拡散を促進する空孔拡散促進領域を形成する工程と、
    前記空孔を生成する第１の空孔生成領域を形成する工程とを有し、
    前記空孔拡散促進領域は前記第１の空孔生成領域より水素との親和性が高い製造方法。
11. 前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第１の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を含み、
    前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、前記第１の温度より高い第２の温度でエピタキシャル成長により堆積する工程を含む請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記アニール処理により、前記空孔拡散促進領域は、前記非窓部に対応する領域の水素濃度が前記窓部に対応する領域の水素濃度より高くなる請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記第１の空孔生成領域を形成する工程は、第１のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含み、前記空孔拡散促進領域を形成する工程は、第２のｐ型ドーパントをドーピングする工程を含み、前記第２のｐ型ドーパントは前記第１のｐ型ドーパントより水素との親和性が高い請求項１１または１２に記載の製造方法。
14. 前記コンタクト層を堆積する工程は、前記空孔拡散促進領域を形成する工程の前に、前記第１のｐ型ドーパントのドーパント量が前記第１の空孔生成領域より低い第２の空孔生成領域を形成する工程をさらに有する請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記第１のｐ型ドーパントは、Ｚｎ、ＭｇまたはＢｅを含む請求項１３または１４に記載の製造方法。
16. 前記第２のｐ型ドーパントは、炭素を含む請求項１３から１５のいずれか一項に記載の製造方法。
17. 前記コンタクト層の全ドーパント量は、１．０Ｅ＋１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２）以下である請求項１３から１６のいずれか一項に記載の製造方法。
18. 前記空孔拡散促進領域のドーパント量は、前記第１の空孔生成領域のドーパント量より少ない請求項１３から１７のいずれか一項に記載の製造方法。
19. 前記コンタクト層を堆積する工程は、１回のエピタキシャル成長工程により実行される請求項１１から１８のいずれか一項に記載の製造方法。
20. 前記第１の温度は、６８０℃より低い請求項１１から１９のいずれか一項に記載の製造方法。
21. 前記第２の温度は、６８０℃以上である請求項１１から２０のいずれか一項に記載の製造方法。