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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-23
(45)【発行日】2022-07-01
(54)【発明の名称】光半導体素子、光サブアセンブリ、及び光モジュール
(51)【国際特許分類】
H01S 5/343 20060101AFI20220624BHJP
H01L 31/10 20060101ALI20220624BHJP
G02F 1/025 20060101ALI20220624BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20220624BHJP
【ＦＩ】
H01S5/343
H01L31/10 A
G02F1/025
H01L21/205
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2017117176
(22)【出願日】2017-06-14
(65)【公開番号】P2019004036
(43)【公開日】2019-01-10
【審査請求日】2020-06-01
(73)【特許権者】
【識別番号】301005371
【氏名又は名称】日本ルメンタム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000154
【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】北谷 健
(72)【発明者】
【氏名】岡本 薫
(72)【発明者】
【氏名】中原 宏治
【審査官】大西 孝宣
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１５３９７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－２６３８０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－１４６４０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２８４７９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－２２９７４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０５１０３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２３５３２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１５２３４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５６２４５２９（ＵＳ，Ａ）
【文献】MATTHEWS J.W. et al.，DEFECTS IN EPITAXIAL MULTILAERS，Journal of Crystal Growth，1974年，Vol.27，p.118-125
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
Ｈ０１Ｌ ３１／１０ － ３１／０２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８ － ３１／１０
Ｈ０１Ｌ ３１／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の上方に配置される活性層と、
前記活性層の下方に配置される第１導電型半導体層と、
前記活性層の上方に配置される第２導電型クラッド層と、
を備え、
前記第２導電型クラッド層は１又は複数の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層と、１又は複数の第２導電型ＩｎＰ層とを含み、
前記１又は複数の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層それぞれの厚さは、前記１又は複数の第２導電型ＩｎＰ層それぞれの厚さよりも厚く、
前記１又は複数の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層それぞれにおいて、Ａｌ組成ｘは第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、
前記第２導電型クラッド層全体の平均歪量の絶対値が、前記第２導電型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量の絶対値以下となり、
Matthewsの関係式は下記の式で表される、
ことを特徴とする光半導体素子。
ｔｃ：臨界層厚
ｂ：バーガーズべクトル
ψ：転位線とバーガーズベクトルとのなす角
φ：すべり方向と膜面とのなす角
ν：ポアソン比
【請求項2】
請求項１に記載の光半導体素子であって、前記第２導電型クラッド層は、１層のみの前記第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層と、前記１又は複数の第２導電型ＩｎＰ層と、含み、
前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のＡｌ組成ｘは、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層における第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、
前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量の絶対値は、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量の絶対値以下である、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項3】
請求項１に記載の光半導体素子であって、前記第２導電型クラッド層は１層の第２導電型ＩｎＰ層及び１層のみの第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層からなり、
前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のＡｌ組成ｘは、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層における第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、
前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量の絶対値は、前記第２導電型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量を、前記第２導電型クラッド層全体の平均歪量とし、該平均歪量より求まる前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量以下である、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項4】
請求項１に記載の光半導体素子であって、前記１又は複数の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層は、ｎ層（ｎは２以上の整数）の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層を含み、
前記１又は複数の第２導電型ＩｎＰ層は、前記ｎ層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のうち隣り合う第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の間にそれぞれ配置される、（ｎ－１）層の第２導電型ＩｎＰ層を含む、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記光半導体素子は半導体発光素子であり、
前記ＩｎＰ基板は第１導電型ＩｎＰ基板であり、
前記第２導電型クラッド層全体の層厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下である、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項6】
請求項５に記載の光半導体素子であって、前記活性層と前記第２導電型クラッド層との間に配置される回折格子層を、
さらに含む、光半導体素子。
【請求項7】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記光半導体素子は半導体光変調器であり、
前記ＩｎＰ基板は第１導電型ＩｎＰ基板であり、
前記第２導電型クラッド層全体の層厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下である、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項8】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記光半導体素子は半導体受光素子であり、
前記ＩｎＰ基板は半絶縁性ＩｎＰ基板であり、
前記第２導電型クラッド層全体の層厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下である、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項9】
請求項１乃至８のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記第１導電型はｎ型であり、
前記第２導電型はｐ型であり、
前記第２導電型ドーパントは、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅの群から選択される１又は複数の原子である、
ことを特徴とする光半導体素子。
【請求項10】
請求項１乃至９のいずれかに記載の光半導体素子、を備える、光サブアセンブリ。
【請求項11】
請求項１０に記載の光サブアセンブリ、を備える、光モジュール。
【請求項12】
ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の上方に配置される活性層と、
前記活性層の下方に配置される第１導電型半導体層と、
前記活性層の上方に配置される第２導電型クラッド層と、
を備え、
前記第２導電型クラッド層は、１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のみからなり、
前記第２導電型Ｉｎ １－ｘ Ａｌ ｘ Ｐ層において、Ａｌ組成ｘは第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、
前記第２導電型クラッド層全体の平均歪量の絶対値が、前記第２導電型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量の絶対値以下となり、
Matthewsの関係式は下記の式で表される、
ことを特徴とする光半導体素子。
ｔｃ：臨界層厚
ｂ：バーガーズべクトル
ψ：転位線とバーガーズベクトルとのなす角
φ：すべり方向と膜面とのなす角
ν：ポアソン比
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光半導体素子、光サブアセンブリ、及び光モジュールに関し、特に、光半導体素子のクラッド層におけるドーパントのドーピング濃度のばらつきを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
光半導体素子に、アンドープ（intrinsic）の多重量子井戸層を、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とで挟む、いわゆるｐｉｎ構造が用いられる場合がある。ここで、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層が、それぞれｐ型及びｎ型の導電性を実現するよう、ｐ型及びｎ型のドーパント（添加物）が添加される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平７－２６３８０４号公報
【文献】Journal of Crystal Growth、２７巻、１１８－１２５頁、１９７４年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
光半導体素子を低コストで製造するために、素子作製歩留りが向上するのが望ましい。以下、ｎ型半導体基板上に、活性層とｐ型半導体層（ｐ型導電層）とが、順に積層される従来の半導体レーザ素子を例に説明する。ｐ型半導体層などからｐ型ドーパントが活性層への拡散のばらつきが、半導体レーザ素子の素子特性や信頼性などに影響し、作製歩留りを低下させていた。
【0005】
発明者らは、ｐ型ドーパントの拡散のばらつきの原因について、詳細に検討したところ、以下の知見を得ている。ドーパント原子の拡散長は、原子特有の値である拡散定数と、拡散時間により決定される。実際の生産工程では、同一仕様での作製を繰り返すため、拡散時間は同一である。このことから、拡散ばらつきの主原因は、拡散定数自体がばらついていることにあると考えられる。さらに、拡散定数は、拡散温度とドーピング濃度に依存するパラメータである。拡散時間同様、拡散温度についても、実際の生産工程では同一とみなすことができる。よって、拡散ばらつきの原因は、ドーピング濃度ばらつきの影響が大きいと考えられる。そこで、ドーピング濃度のばらつきの原因を詳細に検討したところ、ドーパント原料の供給安定性に課題があることを発明者らは発見している。
【0006】
ドーパントの原料の供給量は微量であり、配管や装置内部等の供給経路での影響（吸着等）を受けやすく、原料供給工程に特に注意が必要である。しかしながら、近年、光半導体素子のさらなる高性能化に向けて微細なレベルで拡散長を制御させることが必要となってきており、そのような状況においては、従来と同じ工程での対応が困難になってきている。また、活性層の近傍に位置するクラッド層からの拡散の影響が大きいことが考えられる。
【0007】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ドーパント原料の供給のばらつきを低減させることにより、低コストで製造される光半導体素子、光サブアセンブリ、及び光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る光半導体素子は、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の上方に配置される活性層と、前記活性層の下方に配置される第１導電型半導体層と、前記活性層の上方に配置される第２導電型クラッド層と、を備え、前記第２導電型クラッド層は１又は複数の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層を含み、前記１又は複数の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層それぞれにおいて、Ａｌ組成ｘは第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、前記第２導電型クラッド層全体の平均歪量の絶対値が、前記第２導電型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量の絶対値以下となる、ことを特徴とする。
【0009】
（２）上記（１）に記載の光半導体素子であって、前記第２導電型クラッド層は１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層からなり、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のＡｌ組成ｘは、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層における第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量の絶対値は、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量の絶対値以下であってもよい。
【0010】
（３）上記（１）に記載の光半導体素子であって、前記第２導電型クラッド層は１層の第２導電型ＩｎＰ層及び１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層からなり、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のＡｌ組成ｘは、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層における第２導電型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であり、前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量の絶対値は、前記第２導電型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚として、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量を、前記第２導電型クラッド層全体の平均歪量とし、該平均歪量より求まる前記１層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量以下であってもよい。
【0011】
（４）上記（１）に記載の光半導体素子であって、前記第２導電型クラッド層は、ｎ層（ｎは２以上の整数）の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層に加えて、前記ｎ層の第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のうち隣り合う第２導電型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の間にそれぞれ配置される、（ｎ－１）層の第２導電型ＩｎＰ層をさらに含んでいてもよい。
【0012】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記光半導体素子は半導体発光素子であり、前記ＩｎＰ基板は第１導電型ＩｎＰ基板であり、前記第２導電型クラッド層全体の層厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【0013】
（６）上記（５）に記載の光半導体素子であって、前記活性層と前記第２導電型クラッド層との間に配置される回折格子層を、さらに含んでいてもよい。
【0014】
（７）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記光半導体素子は半導体光変調器であり、前記ＩｎＰ基板は第１導電型ＩｎＰ基板であり、前記第２導電型クラッド層全体の層厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【0015】
（８）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記光半導体素子は半導体受光素子であり、前記ＩｎＰ基板は半絶縁性ＩｎＰ基板であり、前記第２導電型クラッド層全体の層厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【0016】
（９）上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光半導体素子であって、前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型であり、前記第２導電型ドーパントは、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅの群から選択される１又は複数の原子であってもよい。
【0017】
（１０）本発明に係る光サブアセンブリは、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の光半導体素子、を備えていてもよい。
【0018】
（１１）発明に係る光モジュールは、上記（１０）に記載の光サブアセンブリ、を備えていてもよい。
【発明の効果】
【0019】
本発明により、ドーパント原料の供給のばらつきを低減させることにより、低コストで製造される光半導体素子、光サブアセンブリ、及び光モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置及び光モジュールの構成を示す模式図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の俯瞰図である。
【図3】結晶成長回数とｐ型ドーパントの濃度の実験結果を示す図である。
【図4】ＩｎＰ層上にＩｎＡｌＰ層が結晶成長する状態を示す模式図である。
【図5】本発明の第１の実施形態に係るｐ型クラッド層が積層構造を有する場合を示す概略図である。
【図7】本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子の俯瞰図である。
【図8】本発明の第３の実施形態に係るＰＩＮ型ダイオードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【0022】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１及び光モジュール２の構成を示す模式図である。光伝送装置１は、プリント回路基板１１（ＰＣＢ）とＩＣ１２を備えている。光伝送装置１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１に、複数の光モジュール２が搭載されており、光モジュール２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１を介して、該当する光モジュール２へそのデータを伝達する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１及び光モジュール２の構成を示す模式図である。光伝送装置１は、プリント回路基板１１（ＰＣＢ）とＩＣ１２を備えている。光伝送装置１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１に、複数の光モジュール２が搭載されており、光モジュール２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１を介して、該当する光モジュール２へそのデータを伝達する。
【0023】
光モジュール２は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバである。光モジュール２は、プリント回路基板２１と、光ファイバ３Ａを介して受信する光信号を電気信号に変換する光受信モジュール２３Ａと、電気信号を光信号に変換して光ファイバ３Ｂへ送信する光送信モジュール２３Ｂと、を含んでいる。プリント回路基板２１と、光受信モジュール２３Ａ及び光送信モジュール２３Ｂとは、それぞれフレキシブル基板２２Ａ，２２Ｂ（ＦＰＣ）を介して接続されている。光受信モジュール２３Ａより電気信号がフレキシブル基板２２Ａを介してプリント回路基板２１へ伝送され、プリント回路基板２１より電気信号がフレキシブル基板２２Ｂを介して光送信モジュール２３Ｂへ伝送される。光モジュール２と光伝送装置１とは電気コネクタ５を介して接続される。光受信モジュール２３Ａや光送信モジュール２３Ｂは、プリント回路基板２１に電気的に接続され、光信号／電気信号を電気信号／光信号にそれぞれ変換する。ここで、光受信モジュール２３Ａは、１又は複数の光サブアセンブリを含み、光送信モジュール２３Ｂは、１又は複数の光サブアセンブリを含む。
【0024】
当該実施形態に係る伝送システムは、２個以上の光伝送装置１と２個以上の光モジュール２と、１個以上の光ファイバ３（例えば図１の３Ａ、３Ｂ）を含む。各光伝送装置１に、１個以上の光モジュール２が接続される。２個の光伝送装置１にそれぞれ接続される光モジュール２の間を、光ファイバ３が接続している。一方の光伝送装置１が生成した送信用のデータが接続される光モジュール２によって光信号に変換され、かかる光信号を光ファイバ３へ送信される。光ファイバ３上を伝送する光信号は、他方の光伝送装置１に接続される光モジュール２によって受信され、光モジュール２が光信号を電気信号へ変換し、受信用のデータとして当該他方の光伝送装置１へ伝送する。
【0025】
図２は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００の俯瞰図である。当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack)半導体レーザ素子となる光半導体素子であり、直接変調型となっている。図２は、半導体レーザ素子１００の構造を理解するために、光導波路の中心を含み積層方向を貫く断面と、該断面と垂直であって積層方向を貫く断面と、をそれぞれ示している。半導体レーザ素子１００は、光送信モジュール２３Ｂの光サブアセンブリに搭載される光半導体素子である。ここで、半導体レーザ素子１００はリッジ導波路（ＲＷＧ：Ridge wave-guide）構造を有しているが、これに限定されることはなく、埋め込み（ＢＨ：Buried-hetero）構造など他の構造を有していてもよい。
【0026】
図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）層１０３、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１０４、回折格子層１０５、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６、及びｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７からなる半導体多層が積層され、かかる半導体多層がメサ構造となっている。多重井戸層１０３は、ともにＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層と障壁層とが複数回繰り返し積層されたものである。メサ構造の両側（及び上面の一部）とメサ構造の底部から両側に広がる領域に、パッシベーション膜１０９が配置されている。そして、メサ構造の両側が、ポリイミド１０８により平坦化されている。ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７の上面（の少なくとも一部）に物理的に接するとともに半導体多層の両側に広がるよう、上部電極１１０が配置される。また、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の裏面に物理的に接して、下部電極１１１が配置される。なお、発振スペクトルの単一モード化のために、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１０４とｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６との間に、回折格子層１０５が配置される。
【0027】
当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上方に配置される活性層と、活性層の上方に配置されるｐ型クラッド層と、を備えている。活性層は多重量子井戸層１０３を含んでおり、ここでは、活性層は多重量子井戸層１０３からなる。しかしながら、これに限定されることはなく、例えば、活性層は多重量子井戸層に加えて、光閉じ込め層（ＳＣＨ層）をさらに含んでいてもよい。半導体レーザ素子１００は、活性層の下方に配置されるｎ型半導体層をさらに備えており、ここでは、ｎ型半導体層は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２である。しかしながら、ｎ型半導体層は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１そのものを含んでいてもよく、また、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２は必ずしも必要ではない。その場合は、ｎ型半導体層はｎ型ＩｎＰ基板１０１となる。
【0028】
活性層は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上方に、半導体層（ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２）を介して配置されている。また、ｐ型クラッド層は１又は複数のｐ型ＩｎＡｌＰ層を含んでいるが、ここでは、ｐ型クラッド層はｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６からなる。ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６（ｐ型クラッド層）は、活性層（多重量子井戸層１０３）の上方に、半導体層（ｐ型ＩｎＰスペーサ層１０４及び回折格子層１０５）を介して配置されている。本明細書において「Ａ層の上方にＢ層が配置される」とは、Ａ層とは物理的に接触せずに他の層を介してＢ層がＡ層の上方に配置される場合と、Ａ層と物理的に接触してＡ層の上にＢ層が直接配置される場合との両方を含むものとする。「Ａ層の下方にＢ層が配置される」についても同様である。
【0029】
なお、本明細書において、半導体多層が回折格子層を含む場合、ｐ型クラッド層は、回折格子層の上面からｐ型コンタクト層の下面までの間に配置される半導体層を指すものとする。また、半導体多層が活性層の上方に回折格子層を含まない場合、活性層の上面からｐ型コンタクト層の下面までの間に配置される半導体層を指すものとする。
【0030】
近年のインターネット人口の爆発的増大により、情報伝送の急速な高速化および大容量化が求められており、今後も光通信が重要な役割を果たすと考えられている。従来、光通信の光源に用いられる光半導体素子として、主として半導体レーザ素子が用いられる。伝送距離１０ｋｍ程度までの短距離用途向けには、半導体レーザ素子を直接電気信号で駆動する直接変調方式が主として用いられる。一方、伝送距離１０ｋｍを超えるような長距離の光通信向けには、半導体レーザを直接変調することのみでは対応できないため、光変調器を集積した電界吸収（ＥＡ：Electro-absorption）変調器集積半導体レーザ素子が用いられる。光通信のさらなる普及のために、これら半導体レーザ素子の高性能化のみならず、低コストで素子を供給することもますます重要となっており、本発明はかかる半導体レーザ素子に最適である。
【0031】
以下に、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法を説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-organic vapor phase epitaxy）法を用いて、半導体多層に含まれる各半導体層を順に積層し、メサ構造を形成する（半導体多層積層工程）。ここで、キャリアガスとしては水素を用いる。ＩＩＩ族元素の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、リメチルインジウム（ＴＭＩ）の群より必要な原料を選択して用いる。Ｖ族元素の原料には、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）の群より必要な原料を選択して用いる。ｎ型ドーパントはＳｉであり、原料はジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いる。ｐ型ドーパントはＺｎであり、原料はジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。ｐ型ドーパントをＺｎとしているが、これに限定されることはなく、Ｍｇ又はＢｅであってもよく、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅの群から選択される複数の原子であってもよい。その場合、選択される１又は複数の原子をそれぞれ含む原料を用いればよい。なお、結晶成長法は、ＭＯＶＰＥ法に限定されることはなく、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、化学ビーム成長（ＣＢＥ：Chemical Beam Epitaxy）法、又は有機金属分子線エピタキシー（ＭＯＭＢＥ：Metal-organic Molecular Beam Epitaxy）法などのいずれかの結晶成長法を用いてもよい。
【0032】
半導体多層積層工程は、具体的には以下の通りである。第１に、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２を結晶成長させる。第２に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２の上に、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸層１０３と、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１０４と、回折格子を形成するための半導体層と、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、を順に結晶成長させる。ｐ型ＩｎＰキャップ層を保護のために上部に配置するのが一般的である。第３に、公知のプロセスにより、回折格子を形成する。第４に、回折格子をｐ型ＩｎＡｌＰにより埋め込み、回折格子層１０５を形成するとともに、回折格子層１０５の上にｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６を結晶成長させ、さらに、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７を結晶成長させる。ここで、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６の層厚は１μｍであり、Ａｌ組成ｘは０．００１であり、歪は－０．００７％である。第５に、平面視してかかる半導体多層のうち光導波路となる領域にメサストライプマスクを形成し、エッチングによりメサ構造を形成する。
【0033】
ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７の上面（の少なくとも一部）を除いて、半導体多層及びポリイミド１０８の上表面にパッシベーション膜１０９を形成する（パッシベーション膜形成工程）。メサ構造となる半導体多層の両側を、ポリイミド１０８により埋め込み、平坦化する（埋め込み工程）。ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の上面（の少なくとも一部）に物理的に接するとともに半導体多層の両側に広がるよう、上部電極１１０を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の裏面に物理的に接するよう、下部電極１１１を形成する（電極形成工程）。以上でウエハ工程が終了する。その後は、劈開によりバー化、光の出射面及び反対側の面にそれぞれ絶縁膜を形成し、さらにチップ化され、半導体レーザ素子１００が作製される（光半導体素子形成工程）。以上、当該実施形態にかかる半導体レーザ素子１００の製造方法を説明した。
【0034】
かかる製造方法において、ｐ型クラッド層をｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６で形成したことにより、作製時の原料利用効率が上昇し、同じ製造装置を用いて半導体多層を複数回の結晶成長により形成してもｐ型ドーパントの原子濃度のばらつきは非常に低減されており、半導体レーザ素子１００の作製歩留りが向上されている。
【0035】
当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００の第１の特徴は、ｐ型クラッド層は１層のｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層からなることであり、第２の特徴は、当該１層のｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のＡｌ組成ｘ（歪量ε）が、以下に説明する範囲にあることである。当該１層のｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層のＡｌ組成ｘは、当該１層のｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上である。すなわち、Ａｌ組成ｘの下限ｘ１は、当該値となる。また、当該１層のｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の歪量εの絶対値は、当該１層のｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層の層厚を臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下である。すなわち、Ａｌ組成ｘの上限ｘ２は、臨界歪量εｃに相当するＡｌ組成ｘの値である。なお、ｘ１の値及びｘ２の値の詳細については後述する。
【0036】
従来、ｐ型クラッド層の母体（ベース）は主にＩｎＰとされているのに対して、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００のｐ型クラッド層の母体をＩｎ１－ｘＡｌｘＰ（ｘは１に対して小さい：微量のｘ）とすることにより、ｐ型ドーパントのドーピング濃度の安定性を向上させることが出来ている。当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００のｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６のＡｌ組成ｘは０．００１であり、歪量は－０．００７％であり、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６の層厚は１μｍである。なお、半導体レーザ素子１００において、ｐ型クラッド層（ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６）の層厚は０．５μｍ以上２μｍが望ましい。以下に、第１の特徴について考察する。
【0037】
図３は、結晶成長回数とｐ型ドーパントのドーピング濃度の関係を示す図である。図３はかかる関係を実験的に示したものである。図３には、ｐ型ドーパントが導入されるクラッド層が１層のｐ型ＩｎＡｌＰ（Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ：微量のｘ）層である場合と１層のｐ型ＩｎＰ層である場合とが、示されている。ここで、結晶成長回数とは、同じ製造装置を用いて、（例えば製造装置を清掃した直後などの）初期状態から半導体レーザ素子１００を順に作成していく際に、半導体レーザ素子１００を作製する（半導体基板上に結晶成長させる）回数である。すなわち、結晶成長回数ｋ（図にはｋは１～５の場合が示されている）のドーピング濃度とは、ｋ番目に作製される半導体レーザ素子１００のｐ型クラッド層のｐ型ドーパントのドーピング濃度を示している。
【0038】
クラッド層がｐ型ＩｎＡｌＰ層、及びｐ型ＩｎＰ層である場合、ともにｐ型ドーパントのドーピング濃度の設計値は１×１０１８ｃｍ－３であり、導入するｐ型ドーパントの流量はそれぞれ同量であるものとする。クラッド層がｐ型ＩｎＰ層である場合は、結晶成長回数１回目を除き、設計値である１×１０１８ｃｍ－３に達しておらず、結晶成長回数によってｐ型ドーパントのドーピング濃度が最大で２０％程度ばらつき安定性がない。そのばらつきの方向は低濃度側であり、設計値のドーピング濃度に達していない。つまり、意図した通りの原料の供給がなされていないことを示している。それに対して、クラッド層がｐ型ＩｎＡｌＰ層である場合は、結晶成長回数によらず、ｐ型ドーパントのドーピング濃度の狙い値１×１０１８ｃｍ－３付近で推移しており、非常に安定性が高いことが分かる。
【0039】
発明者らは、これらの結果に基づいて、当該効果のメカニズムを以下のように考察している。クラッド層（半導体層）がＩｎＰ層である場合（Ａｌを含まない場合）、ｐ型ドーパント原料は、原料供給工程において、配管や装置内部等の供給経路での影響を強く受けており、ウエハ上に到達するときの供給量が複数の結晶成長の間でばらつきが発生する。これに対して、クラッド層がＩｎＡｌＰ層である場合、これらの影響を大きく低減できているものと考えられる。なお、かかる影響は、ｐ型ドーパントの方がｎ型ドーパントよりも大きく、本発明は、活性層の上方にｐ型クラッド層が配置される場合に格別の効果を奏する。
【0040】
当該効果の詳細についてはまだ不明であるものの、Ａｌ原料を含めて供給することにより、ｐ型ドーパントの原料ガスが途中の配管や反応管に付着しやすくなる要因（不純物等）が低減されているものと考えられる。その結果、ｐ型ドーパントの供給量にばらつきが低減されることで、ｐ型ドーパントのドーピング濃度のばらつきが低減し、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６が安定的に作製される。当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、ｐ型ドーパントのドーピング濃度の安定性が向上されており、従来の半導体レーザ素子に比べて、素子作製歩留りが改善されており、半導体レーザ素子１００の製造コストが低減される。
【0041】
以上、第１の特徴について説明した。次に、第２の特徴について、以下に説明する。
【0042】
ＩｎＰにＡｌを加えることにより、ＩｎＡｌＰの格子定数は、ＩｎＰの格子定数より小さくなる。ＩｎＡｌＰはＩｎＰに対して引張り歪を受ける。歪量の（絶対値の）増大は、ｐ型クラッド層への結晶欠陥発生の原因となり、半導体レーザ素子１００の素子特性や信頼性を低下させる恐れがある。そこで、引張り歪が結晶へ及ぼす影響を考察する。
【0043】
ｐ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層におけるＡｌ組成ｘの最適範囲について考察を説明する。第１に、Ａｌ組成ｘの下限ｘ１について説明する。Ａｌ原料を供給し、半導体層（ｐ型クラッド層）にＡｌ原子を加えることにより、ｐ型クラッド層におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度を安定化するとの効果を奏するのであるから、少なくともｐ型ＩｎＡｌＰ層に、ドーピングするｐ型ドーパントのドーピング濃度（ｐ型原子の濃度）と同等以上のＡｌ原子を加えることが望ましい。
【0044】
ｐ型クラッド層が１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層からなる場合、Ａｌ組成のｘは、ｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上となるのが望ましい。当該値が、Ａｌ組成ｘの下限ｘ１である。下限ｘ１におけるＡｌの原子濃度ｙは、ｐ型ドーパントの原子濃度ｙに等しく、かかる原子濃度に相当するＡｌ組成ｘは、次に示す数式（１）を用いて求めることができる。
【0045】
【数1】
【0046】
第２に、Ａｌ組成ｘの上限ｘ２（歪量εの絶対値の上限）について説明する。図４は、ＩｎＰ層上にＩｎＡｌＰ層が結晶成長する状態を示す模式図である。図４（ａ）は、Ａｌ組成ｘが小さい場合を示しており、図４（ｂ）は、Ａｌ組成ｘが大きい場合を示している。図４（ａ）に示す通り、Ａｌ組成ｘが小さい場合、引張り歪の影響は小さく、ＩｎＡｌＰ層の水平方向（図の横方向）の格子定数は、ＩｎＰに格子整合するよう広げられる。同時に、ＩｎＡｌＰ層の垂直方向（図の縦方向）の格子定数が小さくなることにより、格子変形をしながら、格子不整合転位を発生させることなく結晶成長する。この状態は疑似格子整合状態と称され、結晶品質への影響はほとんどない。これに対して、図４（ｂ）に示す通り、Ａｌ組成ｘの値がおおきくなると、格子変形ではもはや耐えられず、成長界面には格子不整合転位が発生し、ＩｎＡｌＰ層はほぼ本来の格子定数に戻って結晶成長が継続する。格子不整合転位は、キャリアの捕獲中心や光の損失成分になるので、半導体レーザ素子１００の素子特性を低下させる。実質的にこのような状態になると、半導体レーザ素子（光半導体素子）の性能は大きく低下する。よって、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００のｐ型クラッド層に含まれるｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘは、図４（ａ）に示す状態を維持し、格子不整合転位を発生させない範囲内に設定することが望ましく、これがＡｌ組成ｘの上限ｘ２を決定する。
【0047】
格子不整合転位を発生させない臨界層厚とそのときに許容される臨界歪の関係式は、MatthewsとBlakesleeにより非特許文献１（の式５）に示されており、次に示す数式（２）で与えられる。
【0048】
【数2】
【0049】
ここで、εｃは臨界歪量、ｔｃは臨界層厚、ｂはバーガーズべクトル、ψは転位線とバーガーズベクトルとのなす角、φはすべり方向と膜面とのなす角、及びνはポアソン比である。本明細書において、数式（２）を便宜的にMatthewsの関係式と称する。
【0050】
ｐ型クラッド層が１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層からなる場合、当該１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εの絶対値は、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）に、当該１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層（ｐ型クラッド層）の層厚を臨界層厚ｔｃとして代入することにより求まる臨界歪量εｃの絶対値以下であるのが望ましい。かかる臨界歪量εｃが、疑似格子整合状態が維持される歪量の（絶対値）の上限であり、該歪量に相当するＡｌ組成ｘの値がｐ型クラッド層のＡｌ組成ｘの上限ｘ２である。ｐ型クラッド層の歪量εに相当するＡｌ組成ｘの値は、次に示す数式（３）で与えられる。
【0051】
【数3】
【0052】
ここで、ａはＩｎＡｌＰの格子定数で５．４６３Å、ａ０はＩｎＰの格子定数で５．８６９Åである。数式（３）を用いることにより、臨界歪量εｃに相当するＡｌ組成ｘが得られる。
【0053】
当該実施形態に係るｐ型クラッド層は、１層のｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６からなるがこれに限定されることはない。当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００では、図２に示す通り、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１０４とｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層１０６との間に、回折格子層１０５が配置されている。回折格子に直接ｐ型ＩｎＡｌＰ層を結晶再成長させると、回折格子の状態によっては、表面モホロジーが劣化する場合がありうる。Ａｌ原子はＩｎ原子に比べて結晶成長表面でマイグレーションしにくいと考えられる。それゆえ、回折格子が形成された凹凸形状を平坦に埋め込みにくい場合がありうる。
【0054】
よって、当該実施形態の他の例に係る半導体レーザ素子１００は、以下の構造を有していてもよい。回折格子の凹凸の高さの差が大きくなる場合に、平坦に埋め込むことがより困難となる。そこで、他の例に係る半導体レーザ素子１００は、回折格子に薄い層厚のｐ型ＩｎＰクラッド層を配置させ、回折格子の間をｐ型ＩｎＰで埋め込んで回折格子層１０５を形成するとともに、回折格子層１０５の上に配置されるｐ型ＩｎＰ層を平坦化できる。かかるｐ型ＩｎＰ層の上に、ｐ型ＩｎＡｌＰ層を配置させればよい。すなわち、ｐ型クラッド層は１対のｐ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＡｌＰ層（１層のｐ型ＩｎＰ層及び１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）からなるとしてもよい。ここでは、ｐ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＡｌＰ層が順に積層される。これにより、良好な品質のｐ型クラッド層を形成することができ、本発明の格別な効果を奏する。なお、ｐ型クラッド層の最下層はｐ型ＩｎＰ層となっており、ｐ型ドーパントのドーピング濃度の変動が懸念されるが、その層厚は１００ｎｍ以下と、ｐ型ＩｎＡｌＰ層と比べて比較的薄く、下層がＩｎＰからなることの影響はほとんど無視できる程度である。ｐ型クラッド層の構造は、回折格子層１０５が活性層とｐ型クラッド層との間に配置される場合に格別の効果を奏する。
【0055】
なお、回折格子の上に原子層レベル（１ｎｍ前後）の非常に薄いｐ型ＩｎＡｌＰ層を配置させ、さらにｐ型ＩｎＰ層を配置させることにより、回折格子の凹凸を平坦化してもよい。最下層のｐ型ＩｎＡｌＰ層がｐ型ドーパントのドーピング濃度の低下を抑制することができる。平坦化されるｐ型ＩｎＰ層の上にさらにｐ型ＩｎＡｌＰ層を配置すればよい。
【0056】
ｐ型クラッド層が１層のｐ型ＩｎＰ層及び１層ｐ型ＩｎＡｌＰ層からなる場合について説明する。当該１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘは、当該１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上であるのが望ましい。すなわち、かかる値が、Ａｌ組成ｘの下限ｘ１である。前述の通り、数式（１）を用いて、Ａｌ組成ｘの下限ｘ１は得られる。また、当該１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εの絶対値は、ｐ型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃを、ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖとし、該平均歪量εａｖより求まる当該１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εの絶対値以下であるのが望ましい。すなわち、ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖの絶対値が、ｐ型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃ以下であるのが望ましく、ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖとして与えるｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εは、次に示す数式（４）を用いて得られる。
【0057】
【数4】
【0058】
ここで、ｔ０はｐ型ＩｎＰ層の層厚であり、ｔ１はｐ型ＩｎＡｌＰ層の層厚であり、εはｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量である。なお、ｐ型ＩｎＰ層はｐ型ＩｎＡｌＰ層と比べて十分に薄いのが望ましい。すなわち、ｐ型ＩｎＰ層の層厚ｔ０はｐ型ＩｎＡｌＰ層の層厚ｔ１と比べて十分に小さく、Matthewsの関係式により求まる臨界歪量εｃは、ｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εの上限の値に実質的には等しくなる。ｐ型ＩｎＰ層の層厚ｔ０はｐ型ＩｎＡｌＰ層の層厚ｔ１の２５％以下が望ましく、１０％以下がさらに望ましい。
【0059】
さらに、ｐ型クラッド層は複数のｐ型ＩｎＡｌＰ層を含んでいてもよい。この場合、隣り合うｐ型ＩｎＡｌＰ層の間にはｐ型ＩｎＰ層が配置されるのが望ましい。例えば、ｐ型クラッド層がｎ層（ｎは２以上の整数）のｐ型ＩｎＡｌＰ層を含む場合、（ｎ－１）層のｐ型ＩｎＰ層が、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層のうち隣り合うｐ型ＩｎＡｌＰ層の間にそれぞれ配置される。さらに、最下層のｐ型ＩｎＡｌＰ層と回折格子層１０５（又は活性層）との間にｐ型ＩｎＰ層が配置されるのがさらに望ましく、この場合、ｐ型クラッド層はｎ層のｐ型ＩｎＰ層及びｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層からなる。すなわち、ｐ型クラッド層は、ｐ型ＩｎＰ層とｐ型ＩｎＡｌＰ層を１単位としてｎ回繰り返す積層構造を有している。
【0060】
図５は、当該実施形態に係るｐ型クラッド層が積層構造を有する場合を示す概略図である。図５に示す通り、引張り歪の影響を低減させるために、ｐ型クラッド層がｎ層のｐ型ＩｎＰ層とｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層とが、交互に繰り返し積層される積層構造を有している。ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層のうち、下からｉ番目（ｉは１≦ｉ≦ｎを満たす任意の整数）のｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成をｘｉとし、歪量をεｉとし、層厚ｔｉとする。ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖは、次に示す数式（５）で与えられる。
【0061】
【数5】
【0062】
ここで、ｔ０は、ｎ層のｐ型ＩｎＰ層の層厚の合計（すなわち、１又は複数のｐ型ＩｎＰ層の総層厚）を示している。数式（５）が示す通り、ｐ型クラッド層がｎ層のｐ型ＩｎＰ層を含むことにより、全体に対する平均歪量εａｖを低減させることができている。ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれのＡｌ組成ｘｉ、歪量εｉ、及び層厚ｔｉは、互いに異なっていてもよい。図５に示す積層構造において、隣り合うｐ型ＩｎＡｌＰ層の間に配置されるｐ型ＩｎＰ層におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度の振る舞いが懸念される。しかしながら、発明者らの実験により、ｐ型ＩｎＡｌＰ層を結晶成長させた後にＡｌ原料の供給を停止しても、停止時間が１０分程度であれば、その影響は小さいとの知見を得ており、積層構造を有するｐ型クラッド層においても十分な効果が奏することを発明者らは確認している。
【0063】
ｐ型クラッド層が、図５に示す積層構造を有するなど、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層を含み、隣り合うｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれの間にｐ型ＩｎＰ層が配置される場合、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれのＡｌ組成ｘの下限ｘ１は、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層のうち、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が最低値をとるｐ型ＩｎＡｌＰ層が律速する。すなわち、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層すべてのＡｌ組成ｘは、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が最低値となるｐ型ＩｎＡｌＰ層のｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上となるのが望ましい。すなわち、かかる値が、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層すべてのＡｌ組成ｘの下限ｘ１である。下限ｘ１におけるｐ型クラッド層のＡｌの原子濃度ｙは、かかるｐ型ＩｎＡｌＰ層のｐ型ドーパントのドーピング濃度ｙ（原子濃度）に等しく、かかるドーピング濃度に相当するＡｌ組成ｘは、数式（１）を用いて求めることができる。ｎ層のＩｎＡｌＰ層すべてのＡｌ組成ｘがかかる下限ｘ１以上となることにより、少なくともｐ型ドーパントのドーピング濃度が最低値となるｐ型ＩｎＡｌＰ層において、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が安定化するとの効果を奏する。
【0064】
ｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層（ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）それぞれにおいて、Ａｌ組成ｘｉは、当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層のｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上となっているのがさらに望ましい。すなわち、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれにおいて、かかる値がＡｌ組成ｘの下限ｘ１である。各ｐ型ＩｎＡｌＰ層において、Ａｌ組成ｘが当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層のｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値以上となっていることにより、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれにおいて、ｐ型クラッド層におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度がより安定化するとの格別の効果を奏する。
【0065】
また、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層すべてのＡｌ組成ｘの下限ｘ１は、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が最高値をとるｐ型ＩｎＡｌＰ層のｐ型ドーパントのドーピング濃度に相当する値となっているのがさらに望ましい。ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれにおいて、ｐ型クラッド層におけるｐ型ドーパントのドーピング濃度がさらにより安定化するとの格別の効果を奏する。
【0066】
次に、ｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層（ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）それぞれにおけるＡｌ組成ｘｉの上限ｘ２は互いに異なる値を取りうるが、以下の条件を満たしているのが望ましい。ｐ型クラッド層がｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層を含む場合に、ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖの絶対値が、ｐ型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚ｔｃとしてMatthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下となる。
【0067】
例えば、半導体レーザ素子１００が図５に示す１対のｐ型ＩｎＰ層とｐ型ＩｎＡｌＰ層とが交互にｎ回積層される積層構造を有する場合、異なるｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘｉ、歪量εｉ、及び層厚ｔｉが互いに異なっていてもよい。ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖの絶対値が、ｐ型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下であればよい。かかる条件を満たすｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖを与えるよう、各ｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘｉの上限ｘ２が定められていればよい。ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれにおいて疑似格子整合状態が維持され、歪量の増大によるｐ型クラッド層への結晶欠陥発生や、素子特性や信頼性の低下といった影響が低減しつつ、ｐ型ドーパントのドーピング濃度が安定化するとの効果を奏する。
【0068】
ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層のうち、少なくとも１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層において、当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εの絶対値が、当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層の層厚を臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下であるのがさらに望ましい。すなわち、当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘの上限ｘ２は、臨界歪量εｃに相当するＡｌ組成ｘの値となる。少なくとも当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層において疑似格子整合状態がより安定的に維持されるため、歪量の増大によるｐ型クラッド層への結晶欠陥発生や、素子特性や信頼性の低下といった影響が低減しつつ、ｐ型ドーパントのドーピング濃度がさらに安定化するとの格別の効果を奏する。
【0069】
ｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層（ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）それぞれにおける歪量εｉの絶対値が、層厚ｔｉを臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下であるのがさらに望ましい。すなわち、各ｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘｉの上限ｘ２は、ｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層における臨界歪量εｃに相当するＡｌ組成ｘの値となる。ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれにおいて疑似格子整合状態がより維持されるため、歪量の増大によるｐ型クラッド層への結晶欠陥発生や、素子特性や信頼性の低下といった影響が低減しつつ、ｐ型ドーパントのドーピング濃度がさらに安定化するとの格別の効果を奏する。
【0070】
なお、ここでは、ｐ型クラッド層が、１対のｐ型ＩｎＰ層とｐ型ＩｎＡｌＰ層とが交互にｎ回積層される積層構造（図５参照）を有する場合を例に説明したがこれに限定されることはない。ｐ型クラッド層がｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層を含んでいれば、隣り合うｐ型ＩｎＡｌＰ層の間すべてにおいてｐ型ＩｎＰ層が配置されていなくてよく、他の半導体層が配置されていてもよいし、ｐ型ＩｎＰ層及び他の半導体層が配置されていてもよい。いずれの場合であっても、ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖの絶対値が、ｐ型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚ｔｃとしてMatthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下となっていればよい。ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれのＡｌ組成ｘの上限ｘ２は、かかる条件より求まる。各ｐ型ＩｎＡｌＰ層におけるＡｌ組成ｘｉの上限ｘ２より、数式（３）を用いて、各ｐ型ＩｎＡｌＰ層における歪量εｉの絶対値の上限が求まる。そして、数式（５）を用いて、ｐ型クラッド層全体の平均歪量εａｖの絶対値の上限が求まる。かかる平均歪量εａｖの絶対値の上限が、ｐ型クラッド層全体の総層厚を臨界層厚ｔｃとしてMatthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下となるよう、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれのＡｌ組成ｘｉの上限ｘ２を決定すればよい。また、ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層のうち、少なくとも１層のｐ型ＩｎＡｌＰ層において、当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層の歪量εの絶対値が、当該ｐ型ＩｎＡｌＰ層の層厚を臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下であるのがさらに望ましい。ｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層（ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）それぞれにおける歪量εｉの絶対値が、層厚ｔｉを臨界層厚ｔｃとして、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）より求まる臨界歪量εｃの絶対値以下であるのがさらに望ましい。
【0071】
ここで、実際に用いられるＡｌ組成ｘの範囲の一例を示す。ｐ型クラッド層が図５に示す積層構造を有する場合を考える。ｐ型クラッド層に含まれる複数のｐ型ＩｎＡｌＰ層それぞれのｐ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上であって、ｐ型クラッド層の層厚が０．５μｍ以上であるのが、一般的である。よって、ｐ型ＩｎＡｌＰ層のｐ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ－３であって、層厚が０．５μｍである場合のＡｌ組成ｘの下限ｘ１と上限ｘ２を示す。Ａｌ組成ｘの下限ｘ１は、ｐ型ドーパントのドーピング濃度と同じ原子濃度１×１０１７ｃｍ－３に相当する値であり、数式（１）を用いて、かかる値は５×１０－６となる。次に、Ａｌ組成ｘの上限ｘ２は、臨界膜厚ｔｃを０．５μｍとして数式（２）より求まる臨界歪量εｃは０．００１４（０．１４％）であり、かかる値が平均歪量εａｖの上限である。このときのｐ型クラッド層の平均Ａｌ組成ｘａｖの上限は０．０２（＝２ｘ１０－２）である。以上から、ｉ番目のｐ型ＩｎＡｌＰ層（ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）それぞれのＡｌ組成ｘｉの範囲は、５ｘ１０－６≦ｘｉ≦０．０２となる。
【0072】
図６は、図４に示すｐ型クラッド層におけるｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘの範囲を示す図である。図の縦軸は、ｐ型クラッド層全体の総層厚であり、Matthewsの関係式、すなわち数式（２）における臨界層厚ｔｃである。図の横軸のうち下側は、平均Ａｌ組成ｘａｖであり、図の横軸のうち上側は、Ａｌ組成ｘに対応するｐ型ドーパントのドーピング濃度（原子濃度）である。実際には、ｐ型クラッド層の平均歪量εａｖ（の絶対値）が０．００１４になるように、数式（５）において、ｎ層のｐ型ＩｎＰ層の層厚の合計である総層厚ｔ０、ｉ番目のＰ型ＩｎＡｌＰ層（ｎ層のｐ型ＩｎＡｌＰ層）それぞれの歪量εｉ及び層厚ｔｉを決定することとなる。数式（５）の右辺の分母は、ｐ型クラッド層全体の層厚であり０．５μｍである。
【0073】
半導体レーザ素子は結晶欠陥に対して敏感であり、素子構造によっては、上限をさらに０．７倍程度にして余裕を持たせるのが望ましい。この場合は、Ａｌ組成ｘの範囲は５ｘ１０－６≦ｘ≦０．０１４となる。一方、Matthewsの関係式は、最も厳密な臨界膜厚と歪を与えるため、素子構造によっては、逆に若干、臨界膜厚を超えても許容される場合が考えられる。ある。臨界歪量の１．３倍くらいが許容されるとすると、その場合の組成範囲は５ｘ１０－６≦ｘ≦０．０２６となる。
【0074】
当該実施形態に係るｐ型ドーパントは、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎの群から選択される１又は複数の原子であるのが望ましい。これらはＩｎＰ層に対して一般的に用いられるｐ型ドーパントであり、本発明はかかるｐ型ドーパントに対して最適である。
【0075】
なお、特許文献１に記載の半導体レーザは、特許文献１の図１に示す通り、膜厚約２．５μｍのｎ型ＩｎＡｌＰ膜からなるクラッド層１２を有しており、クラッド層１２はｎ－ＩｎＰ基板１１の格子定数に対して約０．９％小さい格子定数を有する。クラッド層１２を構成するＩｎＡｌＰ膜の歪は約－０．９％であり、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１００のｐ型クラッド層の歪と比べて、絶対値が非常に大きな値となっている。
【0076】
特許文献１に記載の半導体レーザでは、発光効率を改善するために、Ａｌ組成ｘの値が大きなＩｎＡｌＰ膜をクラッド層１２に採用することにより、バンドギャップのワイド化（特許文献１の図２参照）を図っている。特許文献１に記載のＩｎＡｌＰ膜の歪の絶対値は、当該実施形態に係るｐ型クラッド層の歪の絶対値の範囲と比べて、非常に大きな値となっている。バンドギャップのワイド化のためには、ＩｎＡｌＰ膜におけるＡｌ組成ｘを大きくする必要があり、クラッド層１２において、必然的に格子不整合転位が発生しているものと考えられる。
【0077】
本発明に係る発明の主な特徴が、ｐ型クラッド層がｐ型ＩｎＡｌＰ層を含むことにより、ｐ型ドーパントのばらつきを抑制しつつ、格子不整合転位を発生させない疑似格子整合状態を維持できるよう、ｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘの範囲を低い値に留めることとしている。これは、光半導体素子（特に、半導体レーザ素子）に対して要求される性能が近年より高くなっており、素子特性向上のために、格子不整合転位の発生がより低減される高品質な素子構造を実現するためである。
【0078】
当該実施形態に係るｐ型クラッド層に含まれるｐ型ＩｎＡｌＰ層のＡｌ組成ｘは、擬似格子整合状態が維持される最適な範囲に限定されている。当該実施形態では、ｐ型ＩｎＡｌＰ層のバンドギャップの増大量はわずか４０ｍＶ程度であり、室温のエネルギーと比べて増大量は非常に小さく、バンドギャップのワイド化の効果はほとんど得られない。
【0079】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００は、レーザ部２００Ａと変調器部２００Ｂと導波路部２００Ｃとが半導体基板上にモノリシックに集積される光半導体素子である。ここで、レーザ部２００Ａは分布帰還型半導体レーザ素子であり、変調器部２００ＢはＥＡ変調器である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００は埋め込み構造型である。
本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００は、レーザ部２００Ａと変調器部２００Ｂと導波路部２００Ｃとが半導体基板上にモノリシックに集積される光半導体素子である。ここで、レーザ部２００Ａは分布帰還型半導体レーザ素子であり、変調器部２００ＢはＥＡ変調器である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００は埋め込み構造型である。
【0080】
図７は、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００の俯瞰図である。当該実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００の主な特徴は、第１の実施形態と同様に、ｐ型クラッド層の構造にあり、ｐ型クラッド層は１対のｐ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＡｌＰ層からなる。
【0081】
レーザ部２００Ａにおいて、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２、第１多重量子井戸層２０３Ａ、ｐ型ＩｎＰスペーサ層２０４、回折格子層２０５、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａ、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂ、及び第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ａからなる第１半導体多層が積層される。ここで、第１多重井戸層２０３Ａは、ともにＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層と障壁層とが複数回繰り返し積層されたものである。また、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａの層厚は５０ｎｍであり、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂの層厚は９５０ｎｍである。当該実施形態にかかるレーザ部２００Ａにおけるｐ型クラッド層２０６は、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａ及びｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂからなる。ｐ型クラッド層２０６全体の総層厚は１μｍである。ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂのＡｌ組成ｘは０．００３、歪量は－０．０００２（－０．０２％）である。ｐ型クラッド層全体の歪量は、－０．０００１９（－０．０１９％）である。
【0082】
変調器部２００Ｂにおいて、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２、第２多重量子井戸層２０３Ｂ、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａ、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂ、及び第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ｂからなる第２半導体多層が積層される。ここで、第２多重井戸層２０３Ｂは、ともにＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層と障壁層とが複数回繰り返し積層されたものである。ここで、当該実施形態にかかる変調器部２００Ｂにおけるｐ型クラッド層２０６は、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａ及びｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂからなり、ｐ型クラッド層は、活性層である第２多重量子井戸層２０３Ｂの上に直接配置される。ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａの層厚は５０ｎｍであり、ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂは９５０ｎｍであり、ｐ型クラッド層２０６全体の総層厚は１μｍである。
【0083】
また、導波路部２００Ｃにおいて、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰからなる導波路層２２０、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａ、及びｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂからなる第３半導体多層が積層される。
【0084】
なお、レーザ部２００Ａにおいても変調器部２００Ｂにおいても、ｐ型クラッド層２０６全体の総層厚は０．５μｍ以上２μｍが望ましい。ｐ型クラッド層２０６全体の総層厚は１μｍ以上がさらに望ましい。
【0085】
第１半導体多層、第３半導体多層、第２半導体多層は順に接続されて、１つの半導体多層を形成しており、半導体多層は全体としてメサ構造を有している。メサ構造となる半導体多層の両側が、ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層２０８により埋め込まれている。第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ａの上面（の少なくとも一部）及び第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ｂ（の少なくとも一部）を除いて、半導体多層及びＲｕドープＩｎＰ埋め込み層２０８の上表面にパッシベーション膜２０９が配置されている。第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ａの上面（の少なくとも一部）に物理的に接するとともに第１半導体多層の両側に広がるよう、第１上部電極２１０Ａが配置される。同様に、第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ｂの上面（の少なくとも一部）に物理的に接するとともに、第２半導体多層の一方の側方に広がるパッド部を有する第２上部電極２１０Ｂが配置される。また、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の裏面に物理的に接して、下部電極２１１が配置される。
【0086】
以下、当該実施形態に係るＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００の製造方法を説明する。第１の実施形態と同様に、結晶成長方法として、ＭＯＶＰＥ法を用いているが、これに限定されることがない。用いる原料は、第１の実施形態と共通している。Ｒｕドープ埋め込み層２０８において、添加するハロゲン原子の原料は、塩化メチル（ＣＨ３Ｃｌ）を用いる。ドープするＲｕの有機金属原料は、ビスエチルシクロペンタジエニルルテニウムを用いる。
【0087】
第１に、ｎ型ＩｎＰ基板２０１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２を結晶成長させ、続いて、第２多重量子井戸層２０３Ｂと、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、を順に結晶成長させる。第２に、ウエハ上に、変調器部２００Ｂが形成される領域にマスクパターンを形成し、これをエッチングマスクとして、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、第２多重量子井戸層２０３Ｂと、を除去する。第３に、ウエハを成長炉内に導入し、第１多重量子井戸層２０３Ａと、ｐ型ＩｎＰスペーサ層２０４と、回折格子を形成するための半導体層と、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、をバットジョイント（ＢＪ：Butt-joint）による結晶再成長させる。第４に、先のマスクパターンを除去し、その後、ウエハ上に、レーザ部２００Ａ及び変調器部２００Ｂが形成される領域にマスクパターンを形成し、これをエッチングマスクとして、ｐ型ＩｎＰキャップ層から第１多重量子井戸層２０３Ａまでの半導体層を除去する。第５に、導波路層２２０と、ｐ型ＩｎＰキャップ層と、をＢＪによる結晶再結晶をさせる。ここでは、レーザ部２００Ａ及び変調器部２００Ｂとの２つの接続箇所を同時にＢＪ接続している。第６に、ウエハを成長炉から取り出し、マスクパターンを除去し、公知のプロセスにより、回折格子を形成する。第７に、ウエハを成長炉内に導入し、回折格子をｐ型ＩｎＰにより埋め込み回折格子層２０５を形成するとともに、回折格子層２０５の上にｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａとｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂとｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層とを順に結晶成長させる。第８に、平面視してかかる半導体多層のうち光導波路となる領域にメサストライプマスクを形成し、エッチングによりメサ構造を形成する。なお、第２半導体多層のうち、出射端面から所定の距離までの領域にはメサストライプマスクが形成されておらず、エッチングにより除去されている。
【0088】
第９に、適切な前処理を行い、メサ構造となる半導体多層の両側を、ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層２０８により埋め込み成長を行う。その際、ＣＨ３Ｃｌガスを同時に添加している。なお、出射端面から所定の距離までの領域は、ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層２０８により埋め込まれており、いわゆる窓構造となっている。出射光の反射による戻り光を低減させるためである。第１０に、半導体多層の最上層であるｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層のうち、導波路部２００Ｃにある部分を除去し、第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ａ及び第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ｂに分離する。第１１に、第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ａの上面（の少なくとも一部）及び第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ｂの上面（の少なくとも一部）を除いて、半導体多層及びＲｕドープＩｎＰ埋め込み層２０８の上表面にパッシベーション膜２０９を形成する。第１２に、第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ａの上面（の少なくとも一部）に物理的に接するよう第１上部電極２１０Ａを、第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７Ｂの上面（の少なくとも一部）に物理的に接するよう第２上部電極２１０Ｂをそれぞれ形成し、ｎ型ＩｎＰ基板２０１の裏面に物理的に接するよう、下部電極２１１を形成する。以上でウエハ工程が終了し、その後の工程は第１の実施形態と同じである。以上、当該実施形態にかかるＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００の製造方法を説明した。
【0089】
かかる製造方法において、回折格子に接する部分にはｐ型ＩｎＰを配置させ、回折格子層２０５が形成されるとともに、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａが形成される。ｐ型ＩｎＰクラッド層２０６ａの上にｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層２０６ｂが形成されることにより、高品質なｐ型クラッド層が形成される。第１の実施形態と同様に、作製時における原料利用効率が上昇し、同じ製造装置を用いて半導体多層を複数回の結晶成長により形成してもｐ型ドーパントの原子濃度のばらつきは非常に低減されており、ＥＡ変調器集積半導体レーザ素子２００の作製歩留りが向上されている。なお、当該実施形態では、第１多重量子井戸層２０３Ａ及び第２多重量子井戸層２０３Ｂに、ＩｎＧａＡｓＰ系材料が用いられているが、これに限定されることはなく、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いてもよく、それにＳｂ又は／及びＮを添加する材料を用いてもよい。
【0090】
［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係るＰＩＮ型ダイオード３００の断面図である。当該実施形態に係るＰＩＮ型ダイオードは、第１及び第２の実施形態に係る光半導体素子が半導体発光素子であったのに対して、半導体受光素子となる光半導体素子である。当該実施形態に係るＰＩＮ型ダイオード３００の主な特徴は、第１及び第２の実施形態とどうように、ｐ型クラッド層の構造にあり、ｐ型クラッド層は、３対のｐ型ＩｎＰ層及びＰ型ＩｎＡｌＰ層からなる。
図８は、本発明の第３の実施形態に係るＰＩＮ型ダイオード３００の断面図である。当該実施形態に係るＰＩＮ型ダイオードは、第１及び第２の実施形態に係る光半導体素子が半導体発光素子であったのに対して、半導体受光素子となる光半導体素子である。当該実施形態に係るＰＩＮ型ダイオード３００の主な特徴は、第１及び第２の実施形態とどうように、ｐ型クラッド層の構造にあり、ｐ型クラッド層は、３対のｐ型ＩｎＰ層及びＰ型ＩｎＡｌＰ層からなる。
【0091】
半絶縁性ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０３、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３０４、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層３０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３０６、ｐ型クラッド層３０７、及びｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０８からなる半導体多層が積層される。ここで、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２及びｎ型ＩｎＰクラッド層３０３が活性層の下方に配置されるｎ型半導体層である。ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３０４、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層３０５、及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３０６が活性層である。そして、ｐ型クラッド層３０７が活性層の上方に配置されるｐ型クラッド層である。ｐ型クラッド層３０７は、下方から上方にかけて積層方向に沿って、ｐ型ＩｎＰクラッド層３０７ａ及びｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層３０７ｂが３回繰り返す積層構造（ｎ＝３）となっている。３層のｐ型ＩｎＰクラッド層３０７ａの層厚はそれぞれ１００ｎｍであり、３層のｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層３０７ｂの層厚はそれぞれ４００ｎｍである。３層のｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層３０７ｂそれぞれのＡｌ組成ｘはそれぞれ０．００４であり、歪量はそれぞれ－０．０２８％である。ｐ型クラッド層３０７全体では、平均歪量の絶対値は低減し、－０．０２２％となっている。ここで、ｐ型クラッド層３０７全体の総層厚は１．５μｍである。
【0092】
なお、ｐ型クラッド層３０７全体の総層厚は０．５μｍ以上２μｍが望ましい。しかしながら、ｐ型クラッド層３０７全体の総層厚は０．５μｍより小さい０．３μｍ以上０．５μ以下（未満）であってもよい。
【0093】
半導体多層は円錐台形状を有しており、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２は円錐台形状からさらに広がって配置されている。ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０８の上面（の少なくとも一部）とｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２の上面の一部とを除いて、半導体多層を覆うようパッシベーション膜３０９が配置されている。ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０８の上面（の少なくとも一部）に物理的に接触するとともに円錐台形状の外方に延びるｐ側電極３１０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２の上面の一部に物理的に接触するとともに円錐台形状の外方に延びるｎ側電極３１１と、がそれぞれ配置されている。
【0094】
以下、当該実施形態に係るＰＩＮ型ダイオード３００の製造方法を説明する。第１及び第２の実施形態と同様に、結晶成長方法として、ＭＯＶＰＥ法を用いているが、これに限定されることがない。
【0095】
第１に、半絶縁性ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２と、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０３と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３０４と、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層３０５と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層３０６と、を順に結晶成長させる。第２に、ｐ型クラッド層３０７として、層厚１００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層３０７ａ及び層厚４００ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層３０７ｂを順に３回繰り返し結晶成長させ、３対のｐ型ＩｎＰクラッド層３０７ａ及びｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層３０７ｂからなる積層構造としている。第３に、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０８を結晶成長させ、半導体多層の結晶成長を終了する。
【0096】
第４に、半導体多層が円錐台形状となるよう、半導体多層の外側を除去する。第５に、半絶縁性ＩｎＰ基板３０１の半導体多層の全面にパッシベーション膜３０９を形成する。続いて、平面視してｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０８の上面（の少なくとも一部）となる領域と、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２の上面の一部となる領域と、にスルーホールを形成する。第５に、スルーホールを介してｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０８の上面（の少なくとも一部）に物理的に接触させて所定の形状にｐ側電極３１０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０２の上面の一部に物理的に接触させて所定の形状にｎ側電極３１１と、をそれぞれ形成する。以上でウエハ工程が終了し、各素子に分離してＰＩＮ型ダイオード３００が作製される。以上、当該実施形態にかかるＰＩＮ型ダイオード３００の製造方法を説明した。
【0097】
かかる製造方法において、ｐ型クラッド層３０７に３対のｐ型ＩｎＰクラッド層３０７ａ及びｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層３０７ｂによる積層構造により、高品質なｐ型クラッド層３０７が形成される。第１及び第２の実施形態と同様に、作製時における原料利用効率が上昇し、同じ製造装置を用いて半導体多層を複数回の結晶成長により形成してもｐ型ドーパントの原子濃度のばらつきは非常に低減されており、ＰＩＮ型ダイオード３００の作製歩留りが向上されている。
【0098】
以上、本発明の実施形態に係る光半導体素子、光サブアセンブリ、及び光モジュールについて説明した。上記実施形態では、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である場合について示したが、導電型が反対の場合であってもよい。すなわち、例えば、半導体レーザ素子において、ｐ型ＩｎＰ基板の上方に配置されるｐ型クラッド層が、１又は複数のｎ型Ｉｎ１－ｘＡｌｘＰ層を含み、ｎ型ドーパントがＳｉであるとしてもよい。
【0099】
第１及び第２の実施形態に係る光半導体素子は半導体レーザ素子としたが、これに限定されることはなく、ＬＥＤなど他の半導体発光素子であってもよい。また、第２の実施形態に係る光半導体素子はＥＡ変調器を含んでいるが、これに限定されることはなく、他の半導体変調器であってもよい。第３の実施形態に係る光半導体素子はＰＩＮ型ダイオードとしてが、他の型のフォトダイオードであってもよく、また、アバランシェダイオードなど他の半導体受光素子であってもよい。
【0100】
また、上記実施形態に係る半導体発光素子において、第３の実施形態と同様に、半絶縁性ＩｎＰ基板上に半導体多層が積層され、ｎ型半導体層に接続されるｎ側電極と、ｐ型半導体層に接続されるｐ側電極とが、半絶縁性基板の一方側にともに配置されるものであってもよい。一方、上記実施形態に係る半導体受光素子において、第１及び第２の実施形態と同様に、ｎ型（ｐ型）ＩｎＰ基板上に半導体多層が積層され、活性層の上方にｐ型（ｎ型）クラッド層が配置されるものであってもよい。本発明は、半導体発光素子、半導体受光素子、又は半導体変調器に広く適用される。
【符号の説明】
【0101】
１ 光伝送装置、２ 光モジュール、３，３Ａ，３Ｂ 光ファイバ、１１，２１、１０３ プリント回路基板、１２ ＩＣ，２２Ａ，２２Ｂ、１０２ フレキシブル基板、２３Ａ 光受信モジュール、２３Ｂ，光送信モジュール、１００ 半導体レーザ素子、１０１，２０１ ｎ型ＩｎＰ基板、１０２，２０２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、１０３ 多重量子井戸層、１０４，２０４ ｐ型ＩｎＰスペーサ層、１０５，２０５ 回折格子層、１０６ ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層、１０７，３０８ ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１０８ ポリイミド、１０９，２０９，３０９ パッシベーション膜、１１０ 上部電極、１１１，２１１ 下部電極、２００ ＥＡ変調器集積半導体レーザ素子、２００Ａ レーザ部、２００Ｂ 変調器部、２００Ｃ 導波路部、２０３Ａ 第１多重量子井戸層、２０３Ｂ 第２多重量子井戸層、２０６，３０７ ｐ型クラッド層、２０６ａ，３０７ａ ｐ型ＩｎＰクラッド層、２０６ｂ，３０７ｂ ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層、２０７Ａ 第１ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２０７Ｂ 第２ｐ＋型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２０８ ＲｕドープＩｎＰ埋め込み層、２１０Ａ 第１上部電極、２１０Ｂ 第２上部電極、２２０ 導波路層、３００ ＰＩＮ型ダイオード、３０１ 半絶縁性ＩｎＰ基板、３０２ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、３０３ ｎ型ＩｎＰクラッド層、３０４ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、３０５ アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層、３０６ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層、３１０ ｐ型電極、３１１ ｎ側電極。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】