JP4913358B2 - 光半導体装置、その製造方法、及び光通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ、半導体光変調器、半導体受発光素子等の光半導体装置、光半導体装置の製造方法及びこの半導体装置を搭載した光通信装置に関する。

急速に拡大してきたインターネットのスムーズな進展を支えるのは、光ファイバによる通信の大容量化技術である。光ファイバ通信網は、幹線系はもとより、アクセス系、加入者系へと、その適用範囲が広がってきた。特に、アクセス系、加入者系への光通信技術化に伴って、光通信技術を支えるデバイスたる半導体レーザ等の光半導体装置の需要の拡大が見込まれている。

光ファイバを各家庭までつなぐＦＴＴＨ（Fiber-To-The-Home）においては、高温動作にも耐え、かつ安価な半導体レーザが強く求められている。光加入者系用の半導体レーザは、低消費電力化を図るために低しきい値化、低駆動電流化、低駆動電圧化が必須である。このため、一般的に埋め込みヘテロ（ＢＨ：buried hetero）型構造が採用されている。

図９は、典型的な従来例に係るＢＨ型構造の半導体レーザの斜視図である（特許文献１及び特許文献２参照）。この半導体レーザ３００は、同図に示すように、ＩｎＰ基板３０１、ｎ−ＩｎＰバッファ層３０１ａ、ＩｎＧａＡｓＰ等から構成される活性層３０２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａ、ｐ−ＩｎＰ若しくは高抵抗ＩｎＰからなる電流ブロック層３０５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層３０６、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３０３ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７等を備えている。また、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７の上面には、ｐ型電極３０９ａが、ＩｎＰ基板３０１上の活性層３０２が形成されている主面に対して裏側の面（以下、単に「裏面」という）にはｎ型電極３０９ｂが形成されている。活性層３０２は、通常、複数の井戸層（ウエル層）と障壁層（バリア層）から構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：multi-quantum well）構造を備えている。コンタクト層３０７は、ｐ型電極３０９ａとの低抵抗化を実現すべく、高濃度のＺｎがドーピングされている。一方、クラッド層にも同様にＺｎがドーピングされているが、そのドーピング濃度は、コンタクト層よりも低濃度である。

従来例に係る半導体レーザ３００の製造方法について、図１０を参照しつつ説明する。まずＩｎＰ基板３０１上に、図１０（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファ層３０１ａ、活性層３０２、及びｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａを順次エピタキシャル成長させる。次に、ＳｉＯ_２マスク３０４を堆積し、メサ形成用マスクを形成する。次いで、図１０（ｂ）に示すようなメサストライプ状となるように、メサ形成用マスクで覆われていないｐ−ＩｎＰクラッド層３０３、活性層３０２、ｎ−ＩｎＰバッファ層３０１ａ、及びＩｎＰ基板３０１の一部をエッチングする。

続いて、メサストライプ脇にｐ−ＩｎＰ若しくは高抵抗ＩｎＰからなる電流ブロック層３０５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層３０６を順次形成する。その後、ＳｉＯ_２マスク３０４を除去した後、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３０３ｂ及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０７をエピタキシャル成長させることにより順次形成する。この様なエピタキシャル結晶成長を行ったウエハに対して、電極形成プロセスを施すことによって半導体レーザ３００を得る（図１０（ｃ）参照）。

しかしながら、上記従来例に係る半導体レーザ３００においては、高濃度のＺｎのドーピングを行うコンタクト層３０７の成長中に、コンタクト層３０７中のドーパントであるＺｎが活性層３０２へ異常拡散し、これに起因して素子の劣化が発生するという問題がある。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、活性層３０２のエネルギーバンドと活性層３０２近傍のドーパントの分布を説明するための模式図である。ＭＱＷ構造を有する活性層３０２は、エネルギーの低い井戸層（ウエル層）３０２ａと、これよりエネルギーの高い障壁層（バリア層）３０２ｂとから構成される。そして、この活性層３０２は、同図に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファー層３０１ａ、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａに挟持された構造となっている。同図に示すｎ−ＩｎＰバッファー層３０１ａ、及びｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａのハッチングは、ドーパントが存在している領域を示す。

図１１（ａ）は、ＩｎＰ基板３０１上にｎ−ＩｎＰ層３０１ａ、活性層３０２、ｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａを積層した段階（図１０（ａ）参照）におけるドーパントの分布状態を示している。図１１（ｂ）は、埋め込み成長（図１０（ｃ）参照）及びオーバークラッド層成長（図１０（ｄ）参照）を行った後の活性層１０２付近のドーパントの分布状態を示している。ＩｎＰ基板３０１上にｎ−ＩｎＰバッファー層３０１ａ、活性層３０２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａを積層した段階では、図１１（ａ）に示すように活性層３０２へのＺｎの拡散は見られない。しかしながら、埋め込み成長（図１０（ｃ）参照）及びオーバークラッド層成長（図１０（ｄ）参照）を行うと、図１１（ｂ）に示すように、Ｚｎが固相拡散によりｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａと接する側の活性層３０２中にドーパントが存在する領域が出現する（図１１中の矢印３０２ｃの範囲）。この活性層３０２におけるドーパント存在領域は、ｐ型化し、当該部分のウエル層３０２ａは発光に寄与しなくなってしまう。

上記コンタクト層中の成長中にコンタクト層中のドーパントであるＺｎが活性層３０２へ異常拡散する問題を回避する方法として、コンタクト層中のｐ型不純物のドーピング濃度を低下させる方法が考えられる。しかしながら、コンタクト層は電極メタルとのコンタクト抵抗を下げるために設けられた層であるため、コンタクト抵抗を下げる本来の目的からは、ｐ型不純物を高濃度にドーピングすることが必要である。
そこで、活性層３０２へのＺｎの拡散を防ぐために、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａのＺｎドーピング濃度を低減したり、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａの初期層をノンドープ化する手段が知られている。また、別の方法として、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層とｐ−ＩｎＰクラッド層の間に、ＩｎＡｓとＧａＡｓ、若しくはＩｎＡｓとＧａＰからなる超格子中間層を形成し、Ｚｎ拡散を抑制する技術が提案されている（特許文献３）。

特開平５−１９０９７０号公報 特開２００４−９５８２２号公報 特開２０００−６８５９７号公報 （段落番号０００４〜５、図５）

しかしながら、上記ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａのＺｎドーピング濃度を低減したり、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０３ａの初期層をノンドープ化する手段においては、Ｚｎの活性層中への拡散の再現性が取れず、半導体レーザの素子特性がばらついてしまうという問題があった。
また、上記特許文献３に記載の技術においては、超格子中間層の膜厚制御を厳密に行うことが必須であるため、生産性が低いという問題があった。厳密な膜厚制御を行わければならない理由は、超格子中間層とＩｎＰ基板との格子不整合量が大きいため、厳密な膜厚制御を行わないと格子歪が生じて結晶欠陥が生じやすいためである。ひとたび結晶欠陥が生じてしまうと、超格子中間層を設けているにもかかわらず、かえってＺｎ拡散が増大してしまう。

なお、上記においてはヘテロ型構造の半導体レーザにおける問題点について述べたが、リッジ型等の半導体レーザにおいても同様の問題が生じ得る。また、半導体レーザのみならず、半導体光変調器、半導体受光素子等の光半導体装置全般において同様の問題が生じ得る。また、Ｚｎが活性層中に拡散する例について説明したが、これに限定されずｐ型不純物全般において同様の課題が生じ得る。

本発明に係る光半導体装置は、ｎ型半導体基板と、前記ｎ型半導体基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層の直上に形成されたｐ型電極とを少なくとも備えた光半導体装置であって、前記コンタクト層は、前記ｐ型電極と接する第１界面とは反対側の面である第２界面と接する半導体層と格子整合する層により形成され、前記コンタクト層中の前記第１界面近傍は少なくともｐ型不純物が存在し、前記コンタクト層中の前記第２界面近傍はｐ型不純物が存在していないか、若しくは前記第１界面近傍よりｐ型不純物の濃度が低いものである。

従来例においては、前述したように光半導体装置の製造工程におけるコンタクト層の成長中に、コンタクト層に高濃度にドーピングしたｐ型不純物が活性層に異常拡散してしまうという問題があった。本発明者が鋭意検討を重ねたところ、コンタクト層をコンタクト層中の上記第２界面と接する半導体層と格子整合している層により形成し、かつコンタクト層中の第２界面近傍を第１界面近傍よりｐ型不純物の濃度を低く（ｐ型不純物が存在していない場合を含む）することにより、コンタクト層から活性層へのｐ型不純物の拡散を抑制できることを見出した。しかも、コンタクト層として、コンタクト層中の第２界面と接する半導体層と格子整合している層を用いることで、上記特許文献３に比して厳密な膜厚制御を要せずして、コンタクト層から活性層へのｐ型不純物の拡散を抑制することができる。なお、ここでいう「格子整合」とは、格子定数差が±０．１％以下のものをいう。

本発明によれば、厳密な膜厚制御を行わなくても、活性層へのｐ型不純物拡散を抑制することができる光半導体装置及びこれを搭載した光通信装置が得られるという優れた効果がある。

以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１に係る半導体レーザの斜視図である。本実施形態１に係る埋め込み（ＢＨ）構造型の半導体レーザ１０は、同図に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１を備えている。ｎ−ＩｎＰ基板１上には、メサ状に形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層１ａ、活性層２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３ａを備えている。また、活性層２等を備える面（以下、「主面」という）側であって、活性層２等が形成されていないｎ−ＩｎＰ基板１上には、メサの側壁に接するように、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６がこの順に積層されている。また、ｐ−ＩｎＰクラッド層３ａ、及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６上には、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａ、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂがこの順に積層されている。上記ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂの上面には、ｐ型電極９ａが形成されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板１の主面に対して裏側の面（以下「裏面」という）には、ｎ型電極９ｂが形成されている。

活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰウエル層、ＩｎＧａＡｓＰバリア層が繰り返されたＭＱＷ構造となっている。ｐ−ＩｎＰクラッド層３ａ、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａ、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂには、ｐ型不純物としてＺｎがそれぞれドーピングされている。ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａ、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂは、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂと接しているｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３ｂと±０．１％以下の精度で格子整合しているものを用いる。ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂは、ｐ型電極９ａとのコンタクト抵抗を下げる目的を達成するのに十分な量のｐ型不純物をドーピングすることが好ましい。例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上とする。一方、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａは、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂよりもｐ型不純物のドーピング濃度を低く設定する。活性層２へのより効果的なｐ型不純物の拡散を防止する観点から、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａのドーピング濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３以下が好ましく、３×１０^１８ｃｍ^−３以下とすることがより好ましく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下とすることがさらに好ましい。ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａにｐ型不純物のドーピングを全く行わないようにしてもよい。

以下、本実施形態１に係る半導体レーザ１０の製造方法について図２を参照しつつ説明する。なお、下記の製造工程は典型的な一例であり、本発明の趣旨に合致する限り他の製造方法を採用することができることは言うまでもない。

図２は、半導体レーザ１０の製造工程を示す断面図である。まず、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファー層１ａ、活性層２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３ａ（膜厚０．５μｍ）を有機金属気相薄膜成長法（以下、「ＭＯＶＰＥ（metal-organic vapor phase epitaxy）法」と略記する）によってエピタキシャル成長させることにより、この順に積層する（図２（ａ）参照）。活性層２は、ＩｎＧａＡｓＰウエル層２ａ（膜厚４．５ｎｍ、エネルギーバンドギャップ波長１．４μｍ）と、ＩｎＧａＡｓＰバリア層２ｂ（膜厚１０ｎｍ、エネルギーバンドギャップ波長１．１５μｍ）を繰り返し積層することにより形成する。活性層２の下部にあるｎ−ＩｎＰバッファ層１ａは、ｎ型不純物としてＳｉを用い、Ｓｉのドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とする。ｐ−ＩｎＰクラッド層３ａは、ｐ型不純物としてＺｎを用い、Ｚｎのドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とする。

次に、エピタキシャル成長したｐ−ＩｎＰクラッド層３ａ上にＳｉＯ_２（膜厚３００ｎｍ）を、熱化学気相堆積（以下「ＣＶＤ（chemical vapor deposition）」と略記する）法により形成する。そして、フォトリソグラフィー法により、幅１．５μｍのストライプ形状となるようにパターニングする。このＳｉＯ_２マスク４をマスクとして、誘導結合プラズマ（以下、「ＩＣＰ（inductive coupled plasma）」と略記する）ドライエッチングにより、深さ２．０μｍのメサエッチングを行いメサストライプ構造を得る（図２（ｂ）参照）。

続いて、図２（ｃ）のように、メサストライプの側壁にｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６を、ＳｉＯ_２マスク４を用いて、ＭＯＶＰＥ法によって選択埋め込み成長させることにより順次形成する。その後、ＳｉＯ_２マスク４を緩衝フッ酸液を用いてエッチング除去する。そして、図２（ｄ）のように、ＭＯＶＰＥ法によってｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３ｂ（膜厚２．０μｍ、Ｚｎ濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａ（膜厚０．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂ（膜厚０．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）をエピタキシャル成長させることにより形成する。

次いで、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂ上へｐ型電極９ａを形成する。得られたウエハにおいて、ｎ−ＩｎＰ基板１の膜厚が１５０μｍになるようにｎ−ＩｎＰ基板１の裏面を研磨した後、ｎ−ＩｎＰ基板の裏面側にｎ型電極９ｂを形成する。

上記製造法に従って、基板上に複数のレーザ素子を形成する。そして、素子長が３００μｍになるように切り出して各レーザ素子を得る。このようにして形成されたレーザ素子の後端面には、反射率７０％の高反射膜、前端面には反射率３０％の保護膜をそれぞれ形成する。このような工程を経て、本実施形態１に係る半導体レーザ１０（図１参照）が製造される。

上記半導体レーザ１０において、電気光学特性を評価したところ、−４０℃におけるレーザ発振しきい値は３．０ｍＡ、スロープ効率は０．６２Ｗ／Ａ、しきい値電流での微分抵抗は４．２Ωであった。また、２５℃におけるレーザ発振しきい値は５．０ｍＡ、スロープ効率は０．５５Ｗ／Ａ、しきい値電流での微分抵抗は４．３Ωであった。さらに、８５℃におけるレーザ発振しきい値は１６ｍＡ、スロープ効率０．４２Ｗ／Ａ、しきい値電流での微分抵抗は４．４Ωであった。本実施形態１に係る半導体レーザ１０によれば、低しきい値動作、高効率動作を幅広い温度範囲で実現できることがわかった。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施形態１に係る半導体レーザ１０の活性層２のエネルギーバンドと活性層２近傍のドーパントの分布を説明するための模式図である。ＭＱＷ構造を有する活性層２は、エネルギーの低いＩｎＧａＡｓＰウエル層２ａと、これよりエネルギーの高いＩｎＧａＡｓＰバリア層２ｂとからな構成される。そして、この活性層２は、同図に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファー層１ａ、及びｐ−ＩｎＰクラッド層３ａに挟持された構造となっている。同図におけるｎ−ＩｎＰバッファー層１ａ、及びｐ−ＩｎＰクラッド層３ａのハッチングは、ドーパントが存在している領域を示す。

図３（ａ）は、ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰ層１ａ、活性層２、ｎドープｐ−ＩｎＰクラッド層３ａを積層した段階（図２（ａ）参照）におけるドーパントの分布状態を示している。図３（ｂ）は、埋め込み成長（図２（ｂ）参照）及びオーバークラッド層成長（図２（ｃ）参照）を行った後の活性層２付近のドーパントの分布状態を示している。図３（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰ層１ａ、活性層２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３ａを積層した段階では、活性層２へのＺｎの拡散は見られない。

埋め込み成長（図２（ｂ）参照）及びオーバークラッド層成長（図２（ｃ）参照）を行うと、図３（ｂ）に示すように、Ｚｎが固相拡散によりｐ−ＩｎＰクラッド層３ａと接する側の活性層２中にドーパントが存在する領域が極わずかながら出現する。しかしながら、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）分析により活性層２の端面からドーパントが拡散している距離（以下、単に「拡散長」という）３ｃを測定したところ、１０ｎｍ以下であった。そして、レーザ発光の源となるウエル層２ａへはＺｎ拡散が達していないことを確認した。

以下に、本実施形態１に係る半導体レーザが活性層へのＺｎ拡散を抑制することができる理由について説明する。
図４（ａ）は、活性層へＺｎが拡散する状態を分析するために用いた試料構造５０を示す。この試料構造５０は、図４（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板５１上に、ｎ−ＩｎＰバッファー層５１ａ、ＭＱＷ構造を有する活性層５２、ｐ−ＩｎＰクラッド層５３ａ、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層５３ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａ、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層５７ｂを備える。

試料構造５０の製造方法について説明する。まず、ｎ−ＩｎＰ基板５１上にｎ−ＩｎＰバッファー層５１ａ、ＭＱＷ構造を有する活性層５２、ｐ−ＩｎＰクラッド層５３ａ（Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、０．５μｍ厚）をＭＯＶＰＥ法により順次エピタキシャル成長させる。次に、このウエハーに電流ブロック層を形成するために必要なエピタキシャル成長に相当する温度を相当する時間分与え、熱履歴を加える。続いて、ＭＯＶＰＥ法によりｐ-ＩｎＰオーバークラッド層５３ｂ（Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、２．０μｍ厚）、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａ（０．２μｍ厚）、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層５７ｂ（Ｚｎ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３、０．２μｍ厚）をこの順でエピタキシャル成長させる。このとき、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａのＺｎ濃度をノンドープから２×１０^１９ｃｍ^−３まで変えた試料構造をそれぞれ作成し、これらの試料構造についてＳＩＭＳ分析によってＺｎ拡散長を導出した。ここで「Ｚｎ拡散長」とは、ｐ−ＩｎＰクラッド層５３ａと接する活性層５２の端面から活性層中にＺｎが拡散した幅をいう（図３（ｂ）の符号３ｃ参照）。

図４（ｂ）は、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａへのＺｎのドーピング濃度に対して、活性層５２へのＺｎ拡散長をプロットした図である。図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＩｎＰクラッド層５３ａ、及びｐ-ＩｎＰオーバークラッド層５３ｂにＺｎがドーピングされているにも関わらず、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａにドーピングしたＺｎの濃度に依存して活性層におけるＺｎ拡散長が異なるという結果を得た。また、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａにＺｎをドーピングしない場合には、ほとんど活性層５２にＺｎの拡散が見られないという結果を得た。さらに、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層５７ａのＺｎ濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以下になると、急激にＺｎ拡散長が小さくなる（Ｚｎ拡散が抑制される）という結果を得た。これらの結果より、活性層５２へのＺｎの拡散は、ｐ−ＩｎＰクラッド層５３ａ、及びｐ-ＩｎＰオーバークラッド層５３ｂに起因するのではなく、高濃度にＺｎをドーピングしているコンタクト層に起因することがわかる。

本実施形態１によれば、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３ｂと、ｐ型電極との低抵抗化を実現するために十分なＺｎをドーピングしたｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂとの間に、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂよりＺｎのドーピング濃度の低いＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａを挿入している（図２（ｄ）参照）ので、高濃度にＺｎをドーピングしたＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂから活性層２にＺｎが拡散するのを抑制し、活性層２中にＺｎが拡散してｐ型化することによる発光効率の低下を抑制できる。また、ｐ型電極９ａとのコンタクト抵抗を低減するために必要十分な高濃度のＺｎのドーピングをｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂに施すことが可能なので、活性層２へのＺｎ拡散を抑制しつつ良好な電気光学特性を実現できる。

本実施形態１においては、クラッド層としてＩｎＰを用い、コンタクト層としてＩｎＧａＡｓを用いている。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系材料におけるＺｎ拡散速度はＩｎＰが最も早く、ＩｎＧａＡｓが最も遅い。このため、クラッド層としてＩｎＰを用い、コンタクト層としてＩｎＧａＡｓを用いると、ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂに高濃度のＺｎをドーピングした場合であっても、より濃度の低いＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａがＺｎ拡散のストッパー層としての役割を果たし、より効果的にＺｎの拡散を抑制することができる。

また、本実施形態１に係る光半導体装置のコンタクト層は、ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層３ｂと格子整合しているものを用いているので、上記特許文献３に比して厳密な膜厚制御を行わなくても、格子歪が生じて結晶欠陥が生じるという問題を回避することができる。従って、結晶欠陥が生じて、逆にＺｎ拡散が増大してしまうという問題を回避できる。そして、生産性を向上させることができる。
本実施形態１に係る半導体レーザによれば、上記理由により低しきい値、高効率動作を再現性及び均一性よく実現できる。

［実施形態２］
次に、上記実施形態１に係る半導体レーザ１０とは異なる実施形態について説明する。図５は、本実施形態２に係る半導体レーザの斜視図である。なお、以降の説明において、上記実施形態１と同一の構成部分については、適宜その説明を省略する。

本実施形態に係る半導体レーザ１００は、図５に示すように、ハイメサ埋め込み型の半導体レーザである。図６は、半導体レーザ１００の製造工程を示す断面図である。図６（ａ）に示すように、まずｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファー層１０１ａ、活性層１０２、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０３（膜厚２．５μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ−ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層１０７ａ（膜厚０．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層１０７ｂ（膜厚０．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させることにより、この順に積層する。活性層１０２の構造は、上記実施形態１と同様にＭＱＷ構造となっている。

次に、エピタキシャル成長したウエハ全面に膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２をＣＶＤ法により形成し、フォトリソグラフィーにより、幅１．５μｍのストライプにパターニングする。このＳｉＯ_２マスク１０４をマスクとしてＩＣＰドライエッチングにより、深さ４．０μｍのメサエッチングを行う（図６（ｂ）参照）。次に、図６（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク１０４を用いて、ＭＯＶＰＥ法によってＦｅドープ高抵抗ＩｎＰ電流ブロック層１０５を選択埋め込み成長する。さらにＳｉＯ_２マスク１０４を緩衝フッ酸液によってエッチング除去して結晶成長を完了させる。続いて、Ｆｅドープ高抵抗ＩｎＰ層１０５上へＳｉＯ_２マスク１１１をパターニングした後、ｐ型電極１０９ａを形成する。さらにｎ−ＩｎＰ基板１０１を膜厚が１５０μｍになるまで研磨した後、ｎ−ＩｎＰ基板１０１側へｎ型電極１０９ｂを形成する。その後、上記実施形態１と同様にウエハーの切り出し、反射膜等の形成を行い半導体レーザ１００を得る（図５参照）。

本実施形態２に係る半導体レーザ１００によれば、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０３、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層１０７ｂの間に、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層１０７ａを挿入しているので、活性層１０２へＺｎが拡散するのを抑制し、活性層１０２中にＺｎが拡散してｐ型化することによる発光効率の低下を抑制できる。また、ｐ型電極１０９ａとのコンタクト抵抗を低減するために必要十分な高濃度のＺｎのドーピングをｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層１０７ｂに施すことが可能なので、活性層１０２へのＺｎ拡散を抑制しつつ良好な電気光学特性を実現できる。さらに、本実施形態２に係る半導体レーザ１００のコンタクト層は、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０３と格子整合しているものを用いているので、上記特許文献３に比して厳密な膜厚制御を行わなくても、格子歪が生じて結晶欠陥が生じるという問題を回避することができる。これらの結果、低しきい値、高効率動作を再現性及び均一性よく実現できる。

［実施形態３］
次に、上記実施形態１及び２に係る半導体レーザとは異なる実施形態について説明する。図７は、本実施形態３に係る半導体レーザの斜視図、なお、以降の説明において、上記実施形態と同一の構成部分については、適宜その説明を省略する。

本実施形態３に係る半導体レーザ２００は、図７に示すように、リッジ型構造の半導体レーザである。図８は、本実施形態３に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。図８（ａ）に示すように、まず、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上には、ｎ−ＩｎＰ層２０１ａ、活性層２０２、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０３（膜厚２．５μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａ（膜厚０．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）、Ｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層７ｂ（膜厚０．２μｍ、Ｚｎ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３）をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長する。このとき、活性層２０２はＭＱＷ構造となっており、上記実施形態１で示したものと同構造である。

次に、エピタキシャル成長したウエハ全面に膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２をＣＶＤ法により形成し、フォトリソグラフィーにより、幅１．５μｍのストライプにパターニングする。このＳｉＯ_２マスク２０４をマスクとして、ＩＣＰドライエッチングにより、深さ２．８μｍのメサエッチングを行う（図８（ｂ）参照）。さらにＳｉＯ_２マスク２０４を緩衝フッ酸液によってエッチング除去して結晶成長を完了させる。次に、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０３へＳｉＯ_２マスク２１１をパターニングした後、ｐ型電極２０９ａを形成する。さらに、上記実施形態１と同様の方法により、ｎ型電極２０９ｂを形成する。その後、上記実施形態１と同様の方法にて切り出しを行い、保護膜等を形成して半導体レーザ２００を得る。

本実施形態３によれば、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０３、及びｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層２０７ｂの間に、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層２０７ａを挿入する工程を採用しているので、活性層２０２へＺｎが拡散するのを抑制し、活性層２０２中にＺｎが拡散してｐ型化することによる発光効率の低下を抑制できる。また、ｐ型電極２０９ａとのコンタクト抵抗を低減するために必要十分な高濃度のＺｎのドーピングをｐ−ＩｎＧａＡｓ第２コンタクト層２０７ｂに施すことが可能なので、活性層２０２へのＺｎ拡散を抑制しつつ良好な電気光学特性を実現できる。さらに、本実施形態３に係る光半導体装置のコンタクト層は、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０３と格子整合しているものを用いているので、上記特許文献３に比して厳密な膜厚制御を行わなくても、格子歪が生じて結晶欠陥が生じるという問題を回避することができる。これらの結果、低しきい値、高効率動作を再現性及び均一性よく実現できる。

なお、上記実施形態１〜３において、コンタクト層としてＩｎＧａＡｓに変えてＩｎＧａＡｓＰに変更してもよい。また、ドーピング物質としてＺｎの例について説明したがこれに限定されるものではなく、ｐ型不純物一般において本件発明を適用可能である。また、上記実施形態１〜３においてはコンタクト層として、第１コンタクト層及び第２コンタクト層の２層のみからなる例を説明したが、これに限定されるものではなく、２層以上の任意の層数とすることができる。ｎ層有する場合、例えば積層を重ねるごとにｐ型不純物の濃度を高めるようにしてもよい。また、１層のみから構成されていてもよい。この場合には、コンタクト層のうちｐ型電極と接する第１界面近傍に少なくともｐ型不純物が存在するように構成する。一方、コンタクト層のうち第１界面と反対側の面である第２界面の近傍は、ｐ型不純物が存在していないか、若しくは上記第１界面近傍よりもｐ型不純物の濃度が低くなるように、コンタクト層の厚み方向にｐ型不純物の濃度が異なるように構成すればよい。

また、ＩｎＧａＡｓ第１コンタクト層７ａの膜厚およびＺｎ濃度は実施の形態で示した数値に限定されるものではなく、結晶成長条件、素子構造等により最適値は変動し得る。さらに、上記実施形態１〜３ではＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザの例を示したが、これに限定されるものではなく、基板と±０．１％以下の範囲で格子整合している組み合わせであれば本件発明を適用することができる。例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ系でも同様の効果が得られる。また、上記実施形態１〜３においては、半導体レーザを例として説明したがこれに限定されるものではなく、半導体光変調器、半導体受光素子等の光半導体装置全般、及びこれらを搭載した光通信装置において本件発明を適用可能である。

本実施形態１に係る半導体レーザの斜視図。 本実施形態１に係る半導体レーザの製法を示す工程図。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体レーザの活性層のエネルギーバンド図と、ドーパントの分布状態を説明する模式図。 （ａ）は、本実験例における資料構造の断面図、（ｂ）は、第１コンタクト層中のドーパント濃度に対して活性層へのＺｎの拡散長をプロットした図。 本実施形態２に係る半導体レーザの斜視図。 本実施形態２に係る半導体レーザの製法を示す工程図。 本実施形態３に係る半導体レーザの斜視図。 本実施形態３に係る半導体レーザの製法を示す工程図。 従来例に係る半導体レーザの製法を示す工程図。 従来例に係る半導体レーザの製法を示す工程図。 （ａ）及び（ｂ）は、従来例に係る半導体レーザの活性層のエネルギーバンド図と、ドーパントの分布状態を説明する模式図。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１ 基板
１ａ，１０１ａ，２０１ａ、３０１ａ バッファ層
２、１０２、２０２、３０２ 活性層
２ａ、３０２ａ ウエル層
２ｂ、３０２ｂ バリア層
３ａ、１０３、２０３、３０３ クラッド層
３ｂ オーバークラッド層
３ｃ、３０３ｃ Ｚｎ拡散長
４、１０４、２０４ ＳｉＯ_２マスク
５、１０５、３０５ 電流ブロック層
６、３０６ 電流ブロック層
７ａ、１０７ａ、２０７ａ 第１コンタクト層
７ｂ、１０７ｂ、２０７ｂ 第２コンタクト層
９ａ、１０９ａ、２０９ａ、３０９ａ ｐ型電極
９ｂ、１０９ｂ、２０９ｂ、３０９ｂ ｎ型電極
１１１、２１１ ＳｉＯ_２マスク
３０７ コンタクト層

Claims (7)

1. ＩｎＰから構成されるｎ型半導体基板と、
   前記ｎ型半導体基板上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された、ＩｎＰから構成されるクラッド層と、
   前記クラッド層上に、前記クラッド層と直接接触するように形成された、ＩｎＧａＡｓから構成されるコンタクト層と、
   前記コンタクト層の直上に形成されたｐ型電極とを少なくとも備えた光半導体装置であって、
   前記コンタクト層は、前記ｐ型電極と接する第１界面とは反対側の面である第２界面と接する半導体層と格子整合する層により形成され、
   前記コンタクト層中の前記第１界面近傍は少なくともｐ型不純物が存在し、
   前記コンタクト層中の前記第２界面近傍は前記ｐ型不純物が存在していないか、若しくは前記第１界面近傍より前記ｐ型不純物の濃度が低く、
   前記ｐ型不純物は、Ｚｎであることを特徴とする、
   光半導体装置。
2. 請求項１に記載の光半導体装置において、
   前記第２界面近傍の前記ｐ型不純物のドーピング濃度が、５×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする光半導体装置
3. 請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
   前記コンタクト層は少なくとも２層以上を積層することにより形成され、
   前記コンタクト層のうち少なくとも前記ｎ型半導体基板と最も離間している最上層には、前記ｐ型不純物が存在し、
   前記コンタクト層のうち前記ｎ型半導体基板と最も近接している最下層は、前記ｐ型不純物が存在しないか、若しくは前記ｐ型不純物の濃度が、前記最上層の前記ｐ型不純物のドーピング濃度に比して少ない光半導体装置。
4. ｎ型ＩｎＰ基板と、
   前記ｎ型ＩｎＰ基板上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成されたＩｎＰクラッド層と、
   前記ＩｎＰクラッド層上に、前記ＩｎＰクラッド層と直接接触するように形成された前記ＩｎＰクラッド層と格子整合したｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層と、
   前記ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の直上に形成されたｐ型電極とを少なくとも備えた光半導体装置であって、
   前記ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層は、前記ｎ型ＩｎＰ基板側の第１コンタクト層と、前記ｐ型電極と接する第２コンタクト層と、で構成され、
   前記第１コンタクト層のＺｎのドーピング濃度が前記第２コンタクト層のＺｎのドーピング濃度より低いことを特徴とする光半導体装置。
5. 請求項４に記載の光半導体装置において、前記第１コンタクト層のＺｎのドーピング濃度が、５×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする光半導体装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置を搭載した光通信装置。
7. ＩｎＰから構成されるｎ型半導体基板上に活性層を形成し、
   前記活性層上にＩｎＰから構成されるクラッド層を形成し、
   前記クラッド層上に、ＩｎＧａＡｓから構成されるコンタクト層を、前記クラッド層と直接接触するように形成し、
   前記クラッド層の直上にｐ型電極を形成する光半導体装置の製造方法であって、
   前記コンタクト層は、前記ｐ型電極と接する第１界面とは反対側の面である第２界面と接する半導体層と少なくとも格子整合する構成元素により形成し、
   前記コンタクト層中の前記第１界面近傍は、少なくとも、ｐ型不純物をドーピングし、前記第２界面近傍は、前記ｐ型不純物がドーピングされていないか、若しくは前記第１界面より前記ｐ型不純物のドーピング濃度が低くなるように形成し、
   前記ｐ型不純物は、Ｚｎであることを特徴とする、
   光半導体装置の製造方法。

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