JP2024019871A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体層の厚さを評価することが可能な半導体レーザ素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた活性層と、を具備し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子。【選択図】 図２Ａ

Description

本開示は半導体レーザ素子およびその製造方法に関するものである。
光通信などで用いられる光源には高い光出力が要求される。光源として、半導体レーザ素子が用いられる。特許文献１に、光の分布を制御するための半導体層、活性層、ｐ型半導体層を有する半導体レーザ素子が開示されている。活性層より下の半導体層に光を分布させることで、光吸収の大きい活性層およびｐ型半導体層から光を遠ざけ、光の吸収を抑制する。この結果、出力が高くなる。
米国特許出願公開第２０１５／０１０３８５８号明細書
半導体層の厚さが光学特性に影響するため、厚さを評価することは重要である。そこで、半導体層の厚さを評価することが可能な半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体レーザ素子は、第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた活性層と、を具備し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する。
本開示に係る半導体レーザ素子の製造方法は、第１半導体層を設ける工程と、Ｘ線回折によって前記第１半導体層の厚さを測定する工程と、前記厚さを測定する工程の後、前記第１半導体層の上に活性層を設ける工程と、を有し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する。
本開示によれば半導体層の厚さを評価することが可能な半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することが可能である。
図１は半導体レーザ素子を例示する平面図である。 図２Ａは半導体レーザ素子を例示する断面図である。 図２Ｂはコア層を拡大した図である。 図３は半導体レーザ素子の製造方法を例示するフローチャートである。 図４Ａは半導体レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図４Ｂは半導体レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図５Ａは半導体レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図５Ｂは半導体レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図６Ａは半導体レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図６Ｂは半導体レーザ素子の製造方法を例示する断面図である。 図７ＡはＸ線回折のロッキングカーブを例示する模式図である。 図７Ｂはコア層の周期と１次ピークの回折角度との関係を例示する図である。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
本開示の一形態は、（１）第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた活性層と、を具備し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子である。第１半導体層は周期構造を有するため、Ｘ線回折により第１半導体層の周期を測定することができる。周期に基づいて第１半導体層の厚さを評価することができる。
（２）上記（１）において、前記第１層はインジウムリンで形成され、前記第２層はインジウムガリウム砒素リンまたはアルミニウムインジウムガリウム砒素で形成されてもよい。第１半導体層は周期構造を有するため、Ｘ線回折により第１半導体層の周期を測定することができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記活性層の上に設けられた第２半導体層を具備し、前記第１半導体層の屈折率は前記第２半導体層の屈折率よりも高くてもよい。活性層で発生する光は、第１半導体層に分布するため、活性層による吸収が抑制される。半導体レーザ素子の高出力化が可能である。
（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さはそれぞれ１０ｎｍ以上でもよい。第１半導体層の物性が安定する。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第１半導体層の厚さは１μｍ以上でもよい。光を第１半導体層に分布させ、活性層から遠ざけることで、光の吸収が抑制される。
（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記活性層はメサを形成し、前記第１半導体層は前記メサの幅より大きな幅を有してもよい。第１半導体層の実効的な屈折率が高くなり、第１半導体層に光を遷移させることができる。光の吸収が抑制される。
（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記活性層の上に設けられた第２半導体層を具備し、前記第１半導体層はｎ型の導電型を有してもよい。光は第１半導体層に分布し、第２半導体層から遠ざかる。ｐ型の第２半導体層による光の吸収が抑制される。
（８）上記（６）において、前記メサの両側に設けられた埋込層を具備してもよい。埋込層が電流をブロックすることで、メサ１１に選択的に電流を流すことができる。
（９）第１半導体層を設ける工程と、Ｘ線回折によって前記第１半導体層の厚さを測定する工程と、前記厚さを測定する工程の後、前記第１半導体層の上に活性層を設ける工程と、を有し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子の製造方法である。第１半導体層は周期構造を有するため、Ｘ線回折により第１コア層の周期を測定することができる。周期の測定に基づいて第１半導体層の厚さを評価することができる。
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体レーザ素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は半導体レーザ素子１００を例示する平面図である。半導体レーザ素子１００は、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ素子である。Ｘ軸は光が伝搬する方向を表す。Ｙ軸はメサ１１の幅方向を表す。Ｚ軸は半導体層が積層される方向を表す。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は互いに直交する。図１では電極および絶縁膜を透視して、メサ１１を図示している。
半導体レーザ素子１００のＸ軸方向の長さＬ１は、例えば８００μｍである。半導体レーザ素子１００のＸ軸方向の１つの端面には高反射膜７（ＨＲ：Ｈｉｇｈ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）が設けられている。Ｘ軸方向のもう１つの端面には反射防止膜９（ＡＲ：Ａｎｔｉ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）が設けられている。
半導体レーザ素子１００はメサ１１を有する。メサ１１はＹ軸方向の中央に位置する。メサ１１は、Ｘ軸方向の半導体レーザ素子１００の１つの端面から反対の端面まで、Ｘ軸方向に延伸する。光はメサ１１で発生し、Ｘ軸方向に伝搬する。光は高反射膜７で反射され、反射防止膜９を透過して、半導体レーザ素子１００の外に出射される。メサ１１のＹ軸方向の幅Ｗ１は、例えば２．４μｍである。
図２Ａは半導体レーザ素子１００を例示する断面図であり、図１の線Ａ－Ａに沿った断面を図示している。半導体レーザ素子１００は、基板１０およびコア層１２を有する。基板１０の上にコア層１２（第１半導体層）が積層されている。
メサ１１は、コア層１２、クラッド層１４、回折格子層１５、クラッド層１６、ガイド層１７、活性層１８、ガイド層１９、クラッド層２０を含む。コア層１２の断面形状は凸形状である。コア層１２はＹ軸方向の中央部に突出する部分を有する。コア層１２の当該突出部分の上に、クラッド層１４、回折格子層１５、クラッド層１６、ガイド層１７、活性層１８、ガイド層１９、およびクラッド層２０がこの順番で積層されることで、メサ１１が形成される。
回折格子層１５の上面には凹凸が設けられている。複数の凹凸はＸ軸に沿って、周期的に配置されている。回折格子層１５のうち窪んだ部分（凹部分）にはクラッド層１６が埋め込まれる。回折格子層１５の凹凸が回折格子として機能する。
コア層１２のうちメサ１１の両側の面は、メサ１１よりも窪んでいる。コア層１２のうち、メサ１１の両側の面の上に埋込層２４および埋込層２６が、この順番に積層される。埋込層２４および埋込層２６は、メサ１１の両側に設けられる。
活性層１８およびガイド層１９の上に、クラッド層２０およびクラッド層２８（第２半導体層）が設けられている。クラッド層２０はメサ１１に含まれる。メサ１１および埋込層２６の上に、クラッド層２８が積層されている。クラッド層２８の上にコンタクト層２９が積層されている。クラッド層２８およびコンタクト層２９は、メサ１１および埋込層２６の上を覆う。
コンタクト層２９の上面であって、メサ１１の真上に、電極３０が設けられている。コンタクト層２９および電極３０の上に絶縁膜３１が設けられている。絶縁膜３１は電極３０の上に開口部を有する。電極３０の上面は開口部から露出する。絶縁膜３１の上面であって、メサ１１の真上に配線層３４が設けられている。配線層３４は、絶縁膜３１の開口部を通じて電極３０の上面に接触し、電極３０に電気的に接続される。電極３０および配線層３４は、コンタクト層２９に電気的に接続される。電極３０は、チタン、白金および金の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）などといった金属で形成される。配線層３４は例えば金（Ａｕ）で形成される。
基板１０の下面（コア層１２が設けられた面とは反対の面）に、コンタクト層３５が設けられている。コンタクト層３５の基板１０とは反対の面に電極３２が設けられている。電極３２はコンタクト層３５に電気的に接続される。電極３２は、金、ゲルマニウムおよびＮｉの合金（ＡｕＧｅＮｉ）などの金属で形成される。
基板１０およびコンタクト層３５は例えばｎ型のインジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成されている。クラッド層１４およびクラッド層１６は例えばｎ－ＩｎＰで形成されている。ｎ型のドーパントとして例えばシリコン（Ｓｉ）が用いられる。クラッド層１４、クラッド層１６におけるドーパント濃度は例えば５×１０１７ｃｍ－３である。クラッド層１４およびクラッド層１６の屈折率は、例えば３．２０４である。クラッド層１４および１６のバンドギャップは例えば０．９１８ｅＶから１ｅＶである。回折格子層１５は、例えばインジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）で形成されている。
ガイド層１７およびガイド層１９は、例えばノンドープのインジウムガリウム砒素リン（ｉ－ＩｎＧａＡｓＰ）で形成されている。ガイド層１７およびガイド層１９の屈折率は例えば３．３２０である。活性層１８は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有する。活性層１８は複数の井戸層および複数のバリア層を含む。複数の井戸層と複数のバリア層とは交互に積層されている。井戸層およびバリア層は、例えばｉ－ＩｎＧａＡｓＰで形成されている。井戸層の屈折率は例えば３．４３５である。バリア層の屈折率は例えば３．２８０である。
クラッド層２０およびクラッド層２８は例えばｐ型インジウムリン（ｐ－ＩｎＰ）で形成されている。クラッド層２０およびクラッド層２８の屈折率は、例えば３．２０４である。コンタクト層２９は例えばｐ＋型インジウムガリウム砒素（（ｐ＋）－ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。ｐ型のドーパントとして例えば亜鉛（Ｚｎ）が用いられる。クラッド層２８におけるドーパント濃度は例えば１×１０１８ｃｍ－３である。コンタクト層２９におけるドーパント濃度は、クラッド層２８におけるドーパント濃度より高い。
埋込層２４は例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。埋込層２６は埋込層２４とは反対の導電型を有し、例えばｎ－ＩｎＰで形成されている。埋込層２４および埋込層２６のドーパント濃度は例えば４×１０１８ｃｍ－３である。埋込層２４および埋込層２６の屈折率は、例えば３．２０４である。
図２Ｂはコア層１２を拡大した図である。コア層１２全体の厚さＴは例えば１μｍ以上、２μｍ以下である。図２Ｂに示すように、コア層１２は超格子層であり、２種類の半導体層を含む。コア層１２は、インジウムリン層４０（ＩｎＰ層４０、第１層）とインジウムガリウム砒素リン層４２（ＩｎＧａＡｓＰ層４２、第２層）とを含む。ＩｎＰ層４０およびＩｎＧａＡｓＰ層４２は、ｎ型の導電型を有する。ＩｎＰ層４０およびＩｎＧａＡｓＰ層４２のドーパント濃度（Ｓｉ濃度）は、例えば５×１０１７ｃｍ－３である。ＩｎＰ層４０の屈折率は例えば３．２０４である。ＩｎＧａＡｓＰ層４２の屈折率は例えば３．３２０である。コア層１２全体としての実効的な屈折率は、クラッド層２０およびクラッド層２８の屈折率よりも高い。コア層１２の実効的な屈折率は、例えば以下のようにして計算される。ＩｎＰ層４０の屈折率とＩｎＰ層４０の厚さとの積を算出する。ＩｎＧａＡｓＰ層４２の屈折率とＩｎＰ層４０の厚さとの積を算出する。２つの積の和をコア層１２全体の厚さで割ることにより、平均屈折率が得られる。平均屈折率を実効的な屈折率とみなすことができる。コア層１２のバンドギャップは、活性層１８で発生する光（波長１３１０ｎｍ）のエネルギーよりも大きい。
複数のＩｎＰ層４０と複数のＩｎＧａＡｓＰ層４２とは交互に積層されている。すなわち、１つのＩｎＰ層４０の上面に１つのＩｎＧａＡｓＰ層４２が設けられる。１つのＩｎＧａＡｓＰ層４２の上面に１つのＩｎＰ層４０が設けられる。
複数のＩｎＰ層４０は互いに同一の厚さを有する。ＩｎＰ層４０の厚さＴ１は例えば１５ｎｍである。複数のＩｎＧａＡｓＰ層４２は互いに同一の厚さを有する。ＩｎＧａＡｓＰ層４２の厚さＴ２は例えば３０ｎｍである。コア層１２は、ＩｎＰ層４０とＩｎＧａＡｓＰ層４２とのペアを一定の周期で積み重ねることで形成される。１つのＩｎＰ層４０と１つのＩｎＧａＡｓＰ層４２とのペアの厚さを、コア層１２の周期Ｐと記載することがある。ペアの個数と周期Ｐとの積がコア層１２の厚さＴに等しい。コア層１２のうちメサ１１となる部分には、例えば１０ペアを含まれる。コア層１２のうちメサ１１の下の部分には例えば２０ペアが含まれる。
１つのＩｎＰ層４０の厚さＴ１および１つのＩｎＧａＡｓＰ層４２の厚さＴ２は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて測定することができる。コア層１２の周期ＰはＸ線回折（ＸＲＤ）によって測定することができる。
電極３０および電極３２を通じて、半導体レーザ素子１００に電流を入力する。メサ１１の両側には、ｎ型のコア層１２、ｐ型の埋込層２４、ｎ型の埋込層２６が積層されている。このため電流はメサ１１の外には流れにくく、メサ１１には流れやすい。活性層１８にキャリアが注入されることで、活性層１８は光を発生させる。光の波長は例えば１．３１μｍである。光はメサ１１を伝搬して、半導体レーザ素子１００の１つの端部において高反射膜７によって反射され、レーザ発振する。光は半導体レーザ素子１００のもう１つの端部から出射される。
活性層１８およびｐ型クラッド層２８は、例えばコア層１２のようなｎ型の半導体層に比べて光を吸収しやすい。半導体レーザ素子１００においては、光がコア層１２に分布し、活性層１８およびクラッド層２８から遠ざかる。このため光の吸収が抑制される。半導体レーザ素子１００は、高出力の光源として機能する。
（製造方法）
図３は半導体レーザ素子１００の製造方法を例示するフローチャートである。図４Ａから図６Ｂは半導体レーザ素子１００の製造方法を例示する断面図である。
図４Ａに示すように、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、基板１０の上に、コア層１２、クラッド層１４、回折格子層１５、クラッド層１６を、この順番でエピタキシャル成長する（図３のステップＳ１０）。ＩｎＰ層４０の原料ガスとＩｎＧａＡｓＰ層４２の原料ガスとを交互に供給することで、ＩｎＰ層４０とＩｎＧａＡｓＰ層４２とを交互に積層する。回折格子層１５の成長後に、例えば電子ビーム描画およびエッチングにより、回折格子層１５に凹凸を形成する。凹凸の形成後にクラッド層１６を成長する。この工程では、ガイド層１７およびガイド層１９、活性層１８、クラッド層２０、およびクラッド層２８は形成されない。メサ１１も形成されない。
コア層１２の厚さを測定する（図３のステップＳ１２）。具体的には、例えばＣｕＫａ線（特性Ｘ線、波長１．５４１Å）をコア層１２に照射し、Ｘ線回折を行う。ロッキングカーブから、コア層１２の周期を測定する。コア層１２に含まれるＩｎＰ層４０の個数およびＩｎＧａＡｓＰ層４２の個数は、製造条件によってあらかじめ決められている。１ペアの厚さ（周期）と周期の個数とからコア層１２の厚さＴがわかる。厚さＴが所定の範囲内ならば、ステップＳ１２より後の工程を行う。厚さＴが所定の範囲外ならば、当該製品は不良品とする。
図４Ｂに示すように、ＭＯＣＶＤ法などにより、クラッド層１６の上に、ガイド層１７、活性層１８、ガイド層１９、およびクラッド層２０をエピタキシャル成長する（図３のステップＳ１４）。
図５Ａに示すように、例えばドライエッチングにより、メサ１１を形成する（図３のステップＳ１６）。クラッド層２０の上面のうち中央部に不図示のマスクを設ける。マスクから露出する部分にエッチングを行う。エッチングは、クラッド層２０からコア層１２の途中まで進む。マスクで保護された中央部にメサ１１が形成される。メサ１１の両側において、コア層１２の表面が露出する。エッチングの終了後、マスクは取り除く。
図５Ｂに示すように、メサ１１の両側に埋込成長を行う（図３のステップＳ１８）。埋込層２４および埋込層２６を、この順番でエピタキシャル成長する。
図６Ａに示すように、クラッド層２０および埋込層２６の上面に、クラッド層２８をエピタキシャル成長する。クラッド層２８の上面にコンタクト層２９をエピタキシャル成長する。基板１０の下面にコンタクト層３５をエピタキシャル成長する（図３のステップＳ２０）。
図６Ｂに示すように、例えば真空蒸着およびリフトオフにより、コンタクト層２９の上面であって、メサ１１の真上に電極３０を形成する。コンタクト層３５の下面であってメサ１１の真下に電極３２を形成する。例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、コンタクト層２９の上面に絶縁膜３１を形成する。メッキ処理などによって配線層３４を形成する（図３のステップＳ２２）。以上の工程で半導体レーザ素子１００が形成される。
図７ＡはＸ線回折のロッキングカーブを例示する模式図である。横軸は回折角度を表す。縦軸はＸ線の強度を表す。ＣｕＫａ線をコア層１２に照射することで、図７Ａに示すようなロッキングカーブを測定することができる。Ｐはコア層１２中の周期を表す。図７ＡではＰ＝Ｐ１の例におけるロッキングカーブ、およびＰ＝Ｐ２の例におけるロッキングカーブを示している。Ｐ１はＰ２よりも小さい。
図７Ａ中の数字（０、１、－１）はピークの次数を表す。０次ピークは基板１０によるピークである。１次ピークはコア層１２に起因するピークである。周期Ｐに応じて０次ピークと１次ピークとの間の角度が変わる。周期Ｐが大きくなると、１次ピークが０次ピークに近くなる。図７Ａの例では、周期Ｐ＝Ｐ１の場合のピークの間隔に比べて、周期Ｐ＝Ｐ２の場合のピークの間隔は狭い。
サテライトピーク（図７Ａでは１次ピーク）の角度は次式で表される。θ０は０次ピークの回折角度である。θｎはｎ次ピークの回折角度である。ｎはピークの次数であり、１次ピークに対してはｎ＝１である。λはＸ線の波長であり、例えば１．５４１Åである。
２Ｐ（ｓｉｎθｎ－ｓｉｎθ０）＝±ｎλ （１）
ロッキングカーブのピーク間の間隔（角度）から、コア層１２の周期Ｐがわかる（図３のステップＳ１２）。１次ピークが０次ピークに近づきすぎると、ピークを分離できずに評価が困難である。周期が大きくても、Ｘ線回折の角度分解能が高いと評価は可能である。
図７Ｂはコア層１２の周期Ｐと１次ピークの回折角度との関係を例示する図である。横軸は周期Ｐを表す。縦軸は１次ピークの回折角度を表す。図７Ｂの関係は、上記の式（１）から算出される。図７Ｂに示すように、周期Ｐが小さいほど回折角度は大きくなる。周期Ｐが大きいほど回折角度は小さくなる。Ｘ線回折の角度分解能が０．０１°の場合、周期Ｐが４４０ｎｍ程度までＸ線回折によって評価可能である。
ロッキングカーブのピーク位置は例えば±０．０００１°の精度で定められる。一例として、ピーク位置の精度に基づくと、周期Ｐは２００ｎｍを中心として１９９．１ｎｍから２００．９ｎｍの範囲、つまり約±１ｎｍの範囲で見積もられる。コア層１２の厚さＴが２０００ｎｍとすると、約±０．０５％の精度で周期Ｐの測定が可能である。周期Ｐが小さいとピークが離れ、ピーク位置を正確に測定することができ、厚さの測定精度も向上する。
本実施形態によれば、コア層１２は超格子層であり、複数のＩｎＰ層４０、および複数のＩｎＧａＡｓＰ層４２を含む。図２Ｂに示すように、複数のＩｎＰ層４０は互いに等しい厚さＴ１を有する。複数のＩｎＧａＡｓＰ層４２は互いに等しい厚さＴ２を有する。Ｘ線回折によってコア層１２内の周期を測定することができる。ＩｎＰ層４０の厚さＴ１およびＩｎＧａＡｓＰ層４２の厚さＴ２、周期の個数は製造条件によって決まる。周期に基づいて、コア層１２の厚さＴを算出することができる。すなわち、非破壊の検査であるＸ線回折によってコア層１２の厚さを評価することができる。
半導体レーザ素子１００における光の分布はコア層１２の厚さＴの影響を受ける。Ｘ線回折によりコア層１２の厚さＴを評価し、厚さＴを適切な大きさとする。このため光の分布を制御することができる。光がコア層１２に分布し、活性層１８およびｐ型のクラッド層２８から遠ざかる。活性層１８およびクラッド層２８による光の吸収が抑制され、半導体レーザ素子１００の出力が高くなる。
例えばＴＥＭによって、ＩｎＰ層４０の厚さＴ１およびＩｎＧａＡｓＰ層４２の厚さＴ２を測定することができる。ＴＥＭを用いて厚さＴ１および厚さＴ２を測定し、ＩｎＰ層４０およびＩｎＧａＡｓＰ層４２が所望の厚さとなるような成長条件を取得しておく。当該成長条件を用いて、コア層１２を成長する。コア層１２に含まれるペアの個数は、製造条件で決まる。Ｘ線回折によってコア層１２の周期Ｐを測定する。ペアの個数と周期Ｐとから、コア層１２の厚さＴが得られる。非破壊の検査であるＸ線回折を用いて、コア層１２の厚さＴを評価することができる。
Ｘ線回折は、コア層１２を形成した後、かつ活性層１８を形成する前に実施する。活性層１８は周期構造を有する。活性層１８の形成後にＸ線回折を行うと、コア層１２の周期構造に起因するロッキングカーブとともに、活性層１８の周期構造に起因するロッキングカーブも観測される。２つのロッキングカーブが重なるため、コア層１２の周期を測定することが困難である。活性層１８の形成前にコア層１２のＸ線回折を行うことで、コア層１２に起因するロッキングカーブを観測し、コア層１２の周期Ｐを測定することができる。
コア層１２の屈折率はクラッド層２０の屈折率およびクラッド層２８の屈折率よりも高い。このためコア層１２に光が分布しやすく、活性層１８およびクラッド層２８による光の吸収が抑制される。コア層１２のバンドギャップ波長は、活性層１８で発生する光の波長より短い。コア層１２による光の吸収が抑制される。
コア層１２はＩｎＰ層４０とＩｎＧａＡｓＰ層４２とを含む。複数のＩｎＰ層４０は一定の厚さＴ１を有する。複数のＩｎＧａＡｓＰ層４２は一定の厚さＴ２を有する。このため、コア層１２の周期をＸ線回折によって測定することができる。コア層１２がＩｎＰ層４０とＩｎＧａＡｓＰ層４２とで形成されることで、ＩｎＰで形成された基板１０とコア層１２との格子整合が可能である。コア層１２はＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰ以外の半導体層で形成されてもよい。例えばＩｎＧａＡｓＰ層４２に代えてアルミニウムインジウムガリウム砒素（ＡｌＩｎＧａＡｓ）層を用いてもよい。基板１０と格子整合する半導体層でコア層１２が形成されればよい。
ＩｎＰ層４０の厚さＴ１およびＩｎＧａＡｓＰ層４２の厚さＴ２は、それぞれ例えば１０ｎｍ以上とする。厚さが１０ｎｍ未満になると、量子効果によって物性が変化する。コア層１２の物性を安定させるには、厚さＴ１およびＴ２はそれぞれ１０ｎｍ以上とする。
コア層１２全体の厚さＴは例えば１μｍ以上でもよいし、１．５μｍ以上、１．８μｍ以上でもよい。光がｐ型のクラッド層２８から遠ざかるため、吸収されにくくなる。コア層１２の厚さＴは例えば２μｍ以下とする。コア層１２が厚すぎると、光の分布の活性層１８への重なりが小さくなりすぎて、半導体レーザ素子１００の利得が低下する。この結果、光出力が低下する。
図２Ａに示すように、ｎ型のコア層１２、活性層１８、ｐ型のクラッド層２８が、この順番に積層されている。コア層１２の中央部、および活性層１８はメサ１１を形成する。電流がメサ１１に流れ、活性層１８にキャリアが注入される。キャリアの注入によって、活性層１８は光を発生させる。半導体レーザ素子１００が発光素子として機能する。コア層１２の幅Ｗ２は、メサ１１の幅Ｗ１よりも大きい。コア層１２の実効的な屈折率が高くなる。コア層１２に光を遷移させることで、光の吸収を抑制することができる。
メサ１１の両側に埋込層２４および埋込層２６が設けられている。埋込層２４および埋込層２６が電流をブロックすることで、メサ１１に選択的に電流を流すことができる。
コア層１２のうちメサ１１には１０ペアが含まれる。メサ１１の下に２０ペアが配置される。メサ１１に含まれるペア数に比べて、メサ１１の下に配置されるペア数が多い。言い換えれば、コア層１２のうちメサ１１の下の部分は、コア層１２のうちメサ１１に含まれる部分より厚い。光がメサ１１の下のコア層１２に分布し、活性層１８およびｐ型のクラッド層２８から遠ざかる。光の吸収が抑制される。メサ１１に含まれるペア数は５以上としてもよい。ベア数が少ないと、光の分布が横方向（Ｙ軸方向）に拡がりすぎてしまい、半導体レーザ素子１００の利得が低下し、光出力が低下する。
基板１０、コア層１２はｎ型の半導体層であり、活性層１８の下に設けられている。クラッド層２０およびクラッド層２８はｐ型の半導体層であり、活性層１８の上に設けられている。活性層１８に電流が流れる。活性層１８へのキャリアの注入によって、光を生成することができる。ｎ型のコア層１２に光を分布させ、ｐ型のクラッド層２０およびクラッド層２８から光を遠ざける。光の吸収が抑制される。
以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
７ 高反射膜
９ 反射防止膜
１０ 基板
１１ メサ
１２ コア層（第１半導体層）
１４、１６ クラッド層
２０、２８ クラッド層（第２半導体層）
１５ 回折格子
１７、１９ ガイド層
１８ 活性層
２４、２６ 埋込層
２９、３５ コンタクト層
３０、３２ 電極
３１ 絶縁膜
３４ 配線層
４０ インジウムリン層（第１層）
４２ インジウムガリウム砒素リン層（第２層）
１００ 半導体レーザ素子
本開示の一形態は、（１）第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた活性層と、を具備し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子である。第１半導体層は周期構造を有するため、Ｘ線回折により第１半導体層の周期を測定することができる。周期に基づいて第１半導体層の厚さを評価することができる。
（２）上記（１）において、前記第１層はインジウムリンで形成され、前記第２層はインジウムガリウム砒素リンまたはアルミニウムインジウムガリウム砒素で形成されてもよい。第１半導体層は周期構造を有するため、Ｘ線回折により第１半導体層の周期を測定することができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記活性層の上に設けられた第２半導体層を具備し、前記第１半導体層の屈折率は前記第２半導体層の屈折率よりも高くてもよい。活性層で発生する光は、第１半導体層に分布するため、活性層による吸収が抑制される。半導体レーザ素子の高出力化が可能である。
（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さはそれぞれ１０ｎｍ以上でもよい。第１半導体層の物性が安定する。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第１半導体層の厚さは１μｍ以上でもよい。光を第１半導体層に分布させ、活性層から遠ざけることで、光の吸収が抑制される。
（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記活性層はメサを形成し、前記第１半導体層は前記メサの幅より大きな幅を有してもよい。第１半導体層の実効的な屈折率が高くなり、第１半導体層に光を遷移させることができる。光の吸収が抑制される。
（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記活性層の上に設けられた第２半導体層を具備し、前記第１半導体層はｎ型の導電型を有してもよい。光は第１半導体層に分布し、第２半導体層から遠ざかる。ｐ型の第２半導体層による光の吸収が抑制される。
（８）上記（６）において、前記メサの両側に設けられた埋込層を具備してもよい。埋込層が電流をブロックすることで、メサ１１に選択的に電流を流すことができる。
（９）第１半導体層を設ける工程と、Ｘ線回折によって前記第１半導体層の厚さを測定する工程と、前記厚さを測定する工程の後、前記第１半導体層の上に活性層を設ける工程と、を有し、前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子の製造方法である。第１半導体層は周期構造を有するため、Ｘ線回折により第１半導体層の周期を測定することができる。周期の測定に基づいて第１半導体層の厚さを評価することができる。
図２Ｂはコア層１２を拡大した図である。コア層１２全体の厚さＴは例えば１μｍ以上、２μｍ以下である。図２Ｂに示すように、コア層１２は超格子層であり、２種類の半導体層を含む。コア層１２は、インジウムリン層４０（ＩｎＰ層４０、第１層）とインジウムガリウム砒素リン層４２（ＩｎＧａＡｓＰ層４２、第２層）とを含む。ＩｎＰ層４０およびＩｎＧａＡｓＰ層４２は、ｎ型の導電型を有する。ＩｎＰ層４０およびＩｎＧａＡｓＰ層４２のドーパント濃度（Ｓｉ濃度）は、例えば５×１０１７ｃｍ－３である。ＩｎＰ層４０の屈折率は例えば３．２０４である。ＩｎＧａＡｓＰ層４２の屈折率は例えば３．３２０である。コア層１２全体としての実効的な屈折率は、クラッド層２０およびクラッド層２８の屈折率よりも高い。コア層１２の実効的な屈折率は、例えば以下のようにして計算される。ＩｎＰ層４０の屈折率とＩｎＰ層４０の厚さとの積を算出する。ＩｎＧａＡｓＰ層４２の屈折率とＩｎＧａＡｓＰ層４２の厚さとの積を算出する。２つの積の和をコア層１２全体の厚さで割ることにより、平均屈折率が得られる。平均屈折率を実効的な屈折率とみなすことができる。コア層１２のバンドギャップは、活性層１８で発生する光（波長１３１０ｎｍ）のエネルギーよりも大きい。
図７ＡはＸ線回折のロッキングカーブを例示する模式図である。横軸は回折角度を表す。縦軸はＸ線の強度を表す。ＣｕＫα線をコア層１２に照射することで、図７Ａに示すようなロッキングカーブを測定することができる。Ｐはコア層１２中の周期を表す。図７ＡではＰ＝Ｐ１の例におけるロッキングカーブ、およびＰ＝Ｐ２の例におけるロッキングカーブを示している。Ｐ１はＰ２よりも小さい。
コア層１２はＩｎＰ層４０とＩｎＧａＡｓＰ層４２とを含む。複数のＩｎＰ層４０は一定の厚さＴ１を有する。複数のＩｎＧａＡｓＰ層４２は一定の厚さＴ２を有する。このため、コア層１２の周期をＸ線回折によって測定することができる。コア層１２がＩｎＰ層４０とＩｎＧａＡｓＰ層４２とで形成されることで、ＩｎＰで形成された基板１０とコア層１２との格子整合が可能である。コア層１２はＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰ以外の半導体で形成されてもよい。例えばＩｎＧａＡｓＰ層４２に代えてアルミニウムインジウムガリウム砒素（ＡｌＩｎＧａＡｓ）層を用いてもよい。基板１０と格子整合する半導体でコア層１２が形成されればよい。
コア層１２のうちメサ１１には１０ペアが含まれる。メサ１１の下に２０ペアが配置される。メサ１１に含まれるペア数に比べて、メサ１１の下に配置されるペア数が多い。言い換えれば、コア層１２のうちメサ１１の下の部分は、コア層１２のうちメサ１１に含まれる部分より厚い。光がメサ１１の下のコア層１２に分布し、活性層１８およびｐ型のクラッド層２８から遠ざかる。光の吸収が抑制される。メサ１１に含まれるペア数は５以上としてもよい。ペア数が少ないと、光の分布が横方向（Ｙ軸方向）に拡がりすぎてしまい、半導体レーザ素子１００の利得が低下し、光出力が低下する。

Claims (9)

  1. 第１半導体層と、
    前記第１半導体層の上に設けられた活性層と、を具備し、
    前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、
    前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、
    前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、
    前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子。
  2. 前記第１層はインジウムリンで形成され、
    前記第２層はインジウムガリウム砒素リンまたはアルミニウムインジウムガリウム砒素で形成されている請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記活性層の上に設けられた第２半導体層を具備し、
    前記第１半導体層の屈折率は前記第２半導体層の屈折率よりも高い請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記第１層の厚さおよび前記第２層の厚さはそれぞれ１０ｎｍ以上である請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記第１半導体層の厚さは１μｍ以上である請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記活性層はメサを形成し、
    前記第１半導体層は前記メサの幅より大きな幅を有する請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記活性層の上に設けられた第２半導体層を具備し、
    前記第１半導体層はｎ型の導電型を有し、
    前記第２半導体層はｐ型の導電型を有する請求項６に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記メサの両側に設けられた埋込層を具備する請求項６に記載の半導体レーザ素子。
  9. 第１半導体層を設ける工程と、
    Ｘ線回折によって前記第１半導体層の厚さを測定する工程と、
    前記厚さを測定する工程の後、前記第１半導体層の上に活性層を設ける工程と、を有し、
    前記第１半導体層は超格子層であり、複数の第１層と複数の第２層とを含み、
    前記複数の第１層と前記複数の第２層とは交互に積層され、
    前記複数の第１層は互いに等しい厚さを有し、
    前記複数の第２層は互いに等しい厚さを有する半導体レーザ素子の製造方法。

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