特許 7182344 半導体光素子、半導体光素子形成用構造体及びこれを用いた半導体光素子の製造方法

(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】2022-11-24

(45)【発行日】2022-12-02

(54)【発明の名称】半導体光素子、半導体光素子形成用構造体及びこれを用いた半導体光素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20221125BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20221125BHJP

【ＦＩ】

H01S5/343

H01L21/205

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2020505724

(86)(22)【出願日】2019-02-22

(86)【国際出願番号】 JP2019006689

(87)【国際公開番号】W WO2019176498

(87)【国際公開日】2019-09-19

【審査請求日】2020-03-13

(31)【優先権主張番号】P 2018046082

(32)【優先日】2018-03-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(73)【特許権者】

【識別番号】507290733

【氏名又は名称】オプトエナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129296

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 博昭

(72)【発明者】

【氏名】諸橋 倫大郎

(72)【発明者】

【氏名】能川 亮三郎

(72)【発明者】

【氏名】厚井 大明

(72)【発明者】

【氏名】山田 由美

【審査官】百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１７５４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２５６６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２２９０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５１２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１２８１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３１７９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５８２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５５５７６２７（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０７１４９２３６（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１導電型半導体基板と、
前記第１導電型半導体基板上に設けられる積層体とを備え、
前記積層体において、
前記第１導電型半導体基板側から順次、第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層、及び、第２導電型コンタクト層が積層されている半導体光素子であって、
前記第２導電型半導体層が、
化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、
化合物半導体（Ｐを含む化合物半導体を除く）に亜鉛がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、
前記第２導電型コンタクト層が、前記積層体側に設けられる電極と接触される層であって前記電極が前記積層体のうち前記第２導電型コンタクト層にのみ接触される層であり、
前記炭素ドープ第２導電型半導体層が、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも前記活性層に近い位置に配置され、
前記２族元素ドープ第２導電型半導体層が、
ドーパントの濃度が５×１０^１８～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である層と、
ドーパントの濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下である層とを有し、
前記ドーパントの濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下である層が、前記ドーパントの濃度が５×１０^１８～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である層よりも活性層に近い位置に配置されている、
半導体光素子。

【請求項2】

前記第２導電型コンタクト層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型コンタクト層で構成されている、請求項１に記載の半導体光素子。

【請求項3】

前記第２導電型コンタクト層中の前記ドーパントの濃度が前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの濃度よりも高い、請求項２に記載の半導体光素子。

【請求項4】

前記第２導電型半導体層の厚さに占める前記２族元素ドープ第２導電型半導体層の厚さの割合が５０％より大きく１００％未満である、請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体光素子。

【請求項5】

前記２族元素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度が、前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度よりも大きい、請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体光素子。

【請求項6】

前記２族元素ドープ第２導電型半導体層が、前記ドーパントの濃度が前記活性層から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体光素子。

【請求項7】

第１導電型半導体ウェハと、
前記第１導電型半導体ウェハ上に設けられる積層体とを備え、
前記積層体において、
前記第１導電型半導体ウェハ側から順次、第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層、及び、第２導電型コンタクト層が積層されている半導体光素子形成用構造体であって、
前記第２導電型半導体層が、
化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、
化合物半導体（Ｐを含む化合物半導体を除く）に亜鉛がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、
前記第２導電型コンタクト層が、前記積層体側に設けられる電極と接触される層であって前記電極が前記積層体のうち前記第２導電型コンタクト層にのみ接触される層であり、
前記炭素ドープ第２導電型半導体層が、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも前記活性層に近い位置に配置され、
前記２族元素ドープ第２導電型半導体層が、
ドーパントの濃度が５×１０^１８～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である層と、
ドーパントの濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下である層とを有し、
前記ドーパントの濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下である層が、前記ドーパントの濃度が５×１０^１８～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である層よりも活性層に近い位置に配置されている、
半導体光素子形成用構造体。

【請求項8】

前記第２導電型コンタクト層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型コンタクト層で構成されている、請求項７に記載の半導体光素子形成用構造体。

【請求項9】

前記第２導電型コンタクト層中の前記ドーパントの濃度が前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの濃度よりも高い、請求項８に記載の半導体光素子形成用構造体。

【請求項10】

前記第２導電型半導体層の厚さに占める前記２族元素ドープ第２導電型半導体層の厚さの割合が５０％より大きく１００％未満である、請求項７～９のいずれか一項に記載の半導体光素子形成用構造体。

【請求項11】

前記２族元素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度が、前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度よりも大きい、請求項７～１０のいずれか一項に記載の半導体光素子形成用構造体。

【請求項12】

前記２族元素ドープ第２導電型半導体層が、前記ドーパントの濃度が前記活性層から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含む、請求項７～１１のいずれか一項に記載の半導体光素子形成用構造体。

【請求項13】

請求項１に記載の半導体光素子を製造する半導体光素子の製造方法であって、
請求項７に記載の半導体光素子形成用構造体を準備する構造体準備工程と、
前記半導体光素子形成用構造体から前記半導体光素子を形成する半導体光素子形成工程とを含み、
前記構造体準備工程が、前記活性層上に前記第２導電型半導体層を形成する第２導電型半導体層形成工程と、
前記第２導電型半導体層上に前記第２導電型コンタクト層を形成する第２導電型コンタクト層形成工程とを含み、
前記第２導電型半導体層形成工程が、
前記活性層上に前記炭素ドープ第２導電型半導体層を形成する炭素ドープ第２導電型半導体層形成工程と、
前記炭素ドープ第２導電型半導体層上に前記２族元素ドープ第２導電型半導体層を形成することにより前記第２導電型半導体層を形成する２族元素ドープ第２導電型半導体層形成工程とを含む、半導体光素子の製造方法。

【請求項14】

前記第２導電型コンタクト層形成工程が、前記第２導電型半導体層上に、前記第２導電型コンタクト層として、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型コンタクト層を形成する工程を含む、請求項１３に記載の半導体光素子の製造方法。

【請求項15】

前記第２導電型コンタクト層形成工程において、前記第２導電型コンタクト層中の前記ドーパントの濃度が前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの濃度よりも高くなるように前記第２導電型コンタクト層を形成する、請求項１４に記載の半導体光素子の製造方法。

【請求項16】

前記２族元素ドープ第２導電型半導体層形成工程において、前記ドーパントの濃度が前記活性層から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むように前記２族元素ドープ第２導電型半導体層を形成する、請求項１３～１５のいずれか一項に記載の半導体光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体光素子、半導体光素子形成用構造体及びこれを用いた半導体光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体光素子として、従来、例えば下記特許文献１に記載のレーザダイオードが知られている。下記特許文献１では、ｎ型化合物半導体クラッド層とｐ型化合物半導体クラッド層との間に活性層を有するレーザダイオードにおいて、ｐ型化合物半導体クラッド層のｐ型ドーパントとして炭素を用いることで、炭素が熱により隣接する層へ拡散することを防止し、しきい値電流密度を小さくして長寿命化を図ることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１１－４０４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上記特許文献１に記載のレーザダイオードは以下に示す課題を有していた。

【0005】

すなわち、上記特許文献１に記載のレーザダイオードでは、ｐ型化合物半導体クラッド層（以下、「ｐ型クラッド層」と呼ぶことがある）の結晶性が低下する場合があった。このため、上記特許文献１に記載のレーザダイオードは、発光特性の点で改善の余地を有していた。

【0006】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発光特性を向上させることができる半導体光素子、半導体光素子形成用構造体及びこれを用いた半導体光素子の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記特許文献１に記載のレーザダイオードが発光特性の点で改善の余地を有する理由は以下の通りであると考えられる。まず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってＧａＡｓ系半導体レーザを製造する場合、炭素ドープするための炭素原料にはＣＢｒ_４（臭化炭素）やＣＣｌ_４（臭化塩素）などのハロメタン原料が使用される。これらハロメタンは、ＧａＡｓ系結晶に対してエッチング作用がある。このため、結晶成長中に欠陥が導入され、良好な結晶性を持つ半導体層の成長が難しくなることが知られている（P.D.Casa et al. Journal of Crystal Growth, Vol. 434, 116参照）。積層する半導体層の炭素ドーパント濃度が高いほど、ハロメタン原料の使用量が多くなるため、エッチング作用によるｐ型クラッド層の結晶性低下への影響は顕著となるものと考えられる。例えば、活性層の上に２μｍを超えるようなｐ型クラッド層を積層する場合などでは、高結晶性の半導体層を成長させることが困難となるものと考えられる。その結果、このｐ型クラッド層が、発光効率低下や長期信頼性の低下など、発光特性に大きな悪影響を及ぼすものと考えられる。そこで、本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、ｐ型クラッド層の結晶性が低下することと、レーザダイオードの表面に荒れが生じることとの間に相関関係があることに気付いた。さらに、本発明者らは、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされているｐ型クラッド層の厚さが小さい場合にはレーザダイオードの表面に荒れが生じ難く、ｐ型クラッド層の厚さが大きくなると、レーザダイオードの表面に荒れが生じ易いことに気付いた。さらにまた、本発明者らは、例えばｐ型クラッド層を、炭素がドープされている炭素ドープｐ型半導体層と、２族元素がドープされている２族元素ドープｐ型半導体層とを有するように構成し、必要なｐ型クラッド層の厚さを保持しつつ、炭素ドープｐ型半導体層の厚さを抑え、炭素ドープｐ型半導体層を、２族元素ドープｐ型半導体層よりも活性層に近い位置に配置するようにすることで、上記課題を解決し得ることを見出した。

【0008】

すなわち、本発明は、第１導電型半導体基板と、前記第１導電型半導体基板上に設けられる積層体とを備え、前記積層体において、前記第１導電型半導体基板側から順次、第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層、及び、第２導電型コンタクト層が積層されている半導体光素子であって、前記第２導電型半導体層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、前記炭素ドープ第２導電型半導体層が、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも前記活性層に近い位置に配置されている、半導体光素子である。

【0009】

この半導体光素子では、第２導電型半導体層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、炭素ドープ第２導電型半導体層が、２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも活性層に近い位置に配置されている。このため、本発明の半導体光素子によれば、第２導電型半導体層が炭素ドープ第２導電型半導体層のみからなる場合に比べて、必要な第２導電型半導体層の厚さを保持しつつ炭素ドープ第２導電型半導体層の厚さを小さくすることができ、第２導電型半導体層の結晶性を向上させることができる。このため、本発明の半導体光素子は、発光特性を向上させることが可能となる。

【0010】

上記半導体光素子においては、前記第２導電型コンタクト層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型コンタクト層で構成されていることが好ましい。

【0011】

この場合、炭素ドープ第２導電型コンタクト層においてドーパントが炭素であり、炭素は、２族元素に比べて小さい拡散係数を有する。このため、炭素ドープ第２導電型コンタクト層においてドーパント濃度を高くしても活性層にドーパントが拡散することを十分に抑制することができる。従って、炭素は２族元素に比べて高濃度のドーピングが可能となり、炭素ドープ第２導電型コンタクト層の抵抗を低下させることができる。

【0012】

上記半導体光素子においては、前記第２導電型コンタクト層中の前記ドーパントの濃度が前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの濃度よりも高いことが好ましい。

【0013】

この場合、炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパント濃度が、第２導電型コンタクト層中のドーパントの濃度よりも低くなっており、ドーパントが炭素となっている。このため、第２導電型コンタクト層中のドーパント濃度が炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパント濃度以下である場合に比べて、発光特性に与える影響がより小さい第２導電型コンタクト層よりも、発光特性に与える影響がより大きい炭素ドープ第２導電型半導体層においてより結晶性を向上させることができる。また、第２導電型コンタクト層における抵抗をより低下させることもできる。従って、半導体光素子における発光特性をより向上させることができる。

【0014】

上記半導体光素子においては、前記第２導電型半導体層の厚さに占める前記２族元素ドープ第２導電型半導体層の厚さの割合が５０％より大きく１００％未満であることが好ましい。

【0015】

この半導体光素子は、第２導電型半導体層の厚さに占める２族元素ドープ第２導電型半導体層の厚さの割合が５０％以下である場合に比べて、第２導電型半導体層の結晶性をより向上させることができる。このため、本発明の半導体光素子は、発光特性をより向上させることが可能となる。

【0016】

上記半導体光素子においては、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度が、前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度よりも大きいことが好ましい。

【0017】

この半導体光素子は、２族元素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの最大濃度が、炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの最大濃度以下である場合に比べて、第２導電型半導体層の結晶性をより向上させつつ第２導電型半導体層の抵抗を低減することができる。このため、本発明の半導体光素子は、発光特性をより向上させることができる。

【0018】

上記半導体光素子においては、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層が、前記ドーパントの濃度が、前記活性層から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むことが好ましい。

【0019】

この場合、２族元素ドープ第２導電型半導体層の抵抗値を低減しつつ、半導体光素子の使用時における活性層へのドーパントの拡散を抑制し、発光特性をより向上させることができる。

【0020】

また、本発明は、第１導電型半導体ウェハと、前記第１導電型半導体ウェハ上に設けられる積層体とを備え、前記積層体において、前記第１導電型半導体ウェハ側から順次、第１導電型半導体層、活性層、第２導電型半導体層、及び、第２導電型コンタクト層が積層されている半導体光素子形成用構造体であって、前記第２導電型半導体層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、前記炭素ドープ第２導電型半導体層が、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも前記活性層に近い位置に配置されている、半導体光素子形成用構造体である。

【0021】

この半導体光素子形成用構造体では、第２導電型半導体層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、炭素ドープ第２導電型半導体層が、２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも活性層に近い位置に配置されている。このため、本発明の半導体光素子形成用構造体によれば、第２導電型半導体層が炭素ドープ第２導電型半導体層のみからなる場合に比べて、必要な第２導電型半導体層の厚さを保持しつつ炭素ドープ第２導電型半導体層の厚さを小さくすることができ、第２導電型半導体層の結晶性を向上させることができる。このため、本発明の半導体光素子形成用構造体によれば、発光特性を向上させることができる半導体光素子を形成することができる。

【0022】

上記半導体光素子形成用構造体においては、前記第２導電型コンタクト層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型コンタクト層で構成されていることが好ましい。

【0023】

この場合、炭素は２族元素に比べて小さい拡散係数を有する。このため、炭素ドープ第２導電型コンタクト層においてドーパント濃度を高くしても活性層にドーパントが拡散することを十分に抑制することができる。従って、炭素は２族元素に比べて高濃度のドーピングが可能となり、炭素ドープ第２導電型コンタクト層の抵抗を低下させることができる。

【0024】

上記半導体光素子形成用構造体においては、前記第２導電型コンタクト層中の前記ドーパントの濃度が前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの濃度よりも高いことが好ましい。

【0025】

この場合、炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの濃度が、第２導電型コンタクト層中のドーパントの濃度よりも低くなっており、ドーパントが炭素となっている。このため、第２導電型コンタクト層中のドーパントの濃度が炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの濃度以下である場合に比べて、発光特性に与える影響がより小さい第２導電型コンタクト層よりも、発光特性に与える影響がより大きい炭素ドープ第２導電型半導体層においてより結晶性を向上させることができる。また、第２導電型コンタクト層における抵抗をより低下させることもできる。従って、発光特性をより向上させることができる半導体光素子を形成することができる。

【0026】

上記半導体光素子形成用構造体においては、前記第２導電型半導体層の厚さに占める前記２族元素ドープ第２導電型半導体層の厚さの割合が５０％より大きく１００％未満であることが好ましい。

【0027】

この半導体光素子形成用構造体は、第２導電型半導体層の厚さに占める２族元素ドープ第２導電型半導体層の厚さの割合が５０％以下である場合に比べて、第２導電型半導体層の結晶性をより向上させることができる。このため、この半導体光素子形成用構造体によれば、発光特性をより向上させることができる半導体光素子を製造することが可能となる。

【0028】

上記半導体光素子形成用構造体においては、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度が、前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの最大濃度よりも大きいことが好ましい。

【0029】

この半導体光素子形成用構造体によれば、２族元素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの最大濃度が、炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの最大濃度以下である場合に比べて、第２導電型半導体層の結晶性をより向上させつつ第２導電型半導体層の抵抗を低減することができる。このため、本発明の半導体光素子形成用構造体は、発光特性をより向上させることができる半導体光素子を製造することができる。

【0030】

上記半導体光素子形成用構造体においては、前記２族元素ドープ第２導電型半導体層が、前記ドーパントの濃度が前記活性層から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むことが好ましい。

【0031】

この場合、２族元素ドープ第２導電型半導体層の抵抗値を低減しつつ、使用時における活性層へのドーパントの拡散を抑制し、発光特性をより向上させることができる半導体光素子を製造することができる。

【0032】

また本発明は、上述した半導体光素子を製造する半導体光素子の製造方法であって、上述した半導体光素子形成用構造体を準備する構造体準備工程と、前記半導体光素子形成用構造体から前記半導体光素子を形成する半導体光素子形成工程とを含み、前記構造体準備工程が、前記活性層上に前記第２導電型半導体層を形成する第２導電型半導体層形成工程と、前記第２導電型半導体層上に前記第２導電型コンタクト層を形成する第２導電型コンタクト層形成工程とを含み、前記第２導電型半導体層形成工程が、前記活性層上に前記炭素ドープ第２導電型半導体層を形成する炭素ドープ第２導電型半導体層形成工程と、前記炭素ドープ第２導電型半導体層上に前記２族元素ドープ第２導電型半導体層を形成することにより前記第２導電型半導体層を形成する２族元素ドープ第２導電型半導体層形成工程とを含む、半導体光素子の製造方法である。

【0033】

この製造方法によれば、得られる半導体光素子において、第２導電型半導体層が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型半導体層と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープ第２導電型半導体層とを有し、炭素ドープ第２導電型半導体層が、２族元素ドープ第２導電型半導体層よりも活性層に近い位置に配置されることになる。このため、得られる半導体光素子において、第２導電型半導体層が炭素ドープ第２導電型半導体層のみからなる場合に比べて、必要な第２導電型半導体層の厚さを保持しつつ炭素ドープ第２導電型半導体層の厚さを小さくすることができ、第２導電型半導体層の結晶性を向上させることができる。このため、発光特性を向上させることが可能な半導体光素子を製造することが可能となる。

【0034】

また、炭素は２族元素よりも拡散係数が小さいため、炭素ドープ第２導電型半導体層を形成した後、２族元素ドープ第２導電型半導体層を形成しても、２族元素が、２族元素ドープ第２導電型半導体層を形成する時の熱によって炭素ドープ第２導電型半導体層を通って活性層に拡散することが十分に抑制される。また、上記製造方法では、第２導電型半導体層が、炭素ドープ第２導電型半導体層と、２族元素ドープ第２導電型半導体層とを含むため、第２導電型半導体層が、炭素ドープ第２導電型半導体層のみからなる場合に比べて、炭素ドープ第２導電型半導体層の厚さを抑えることができる。このため、炭素ドープ第２導電型半導体層を形成する際にハロゲン化炭素を使用する場合に、ハロゲン化炭素の使用量を少なくすることができる。このため、そのハロゲン化炭素によるエッチング作用によって、形成される炭素ドープ第２導電型半導体層において表面荒れや欠陥の導入が生じることが十分に抑制される。すなわち、炭素ドープ第２導電型半導体層を、高い結晶性を維持したまま活性層上に形成することができる。このため、上記製造方法によれば、発光特性の低下をより十分に抑制できる半導体光素子を得ることができる。

【0035】

上記半導体光素子の製造方法においては、前記第２導電型コンタクト層形成工程が、前記第２導電型半導体層上に、前記第２導電型コンタクト層として、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープ第２導電型コンタクト層を形成する工程を含むことが好ましい。

【0036】

この場合、炭素ドープ第２導電型コンタクト層においてドーパントが炭素であり、炭素は２族元素に比べて小さい拡散係数を有する。このため、炭素ドープ第２導電型コンタクト層においてドーパント濃度を高くしても活性層にドーパントが拡散することを十分に抑制することができる。従って、炭素は２族元素に比べて高濃度のドーピングが可能となり、炭素ドープ第２導電型コンタクト層の抵抗を低下させることができる。

【0037】

上記半導体光素子の製造方法においては、前記第２導電型コンタクト層形成工程において、前記第２導電型コンタクト層中の前記ドーパントの濃度が前記炭素ドープ第２導電型半導体層中の前記ドーパントの濃度よりも高くなるように前記第２導電型コンタクト層を形成することが好ましい。

【0038】

この場合、炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパントの濃度が、第２導電型コンタクト層中のドーパントの濃度よりも低くなり、ドーパントが炭素となる。このため、第２導電型コンタクト層中のドーパント濃度が炭素ドープ第２導電型半導体層中のドーパント濃度以下である場合に比べて、発光特性に与える影響がより小さい第２導電型コンタクト層よりも、発光特性に与える影響がより大きい炭素ドープ第２導電型半導体層においてより結晶性を向上させることができる。また、第２導電型コンタクト層における抵抗をより低下させることもできる。従って、発光特性をより向上させることができる半導体光素子を形成することができる。

【0039】

上記２族元素ドープ第２導電型半導体層形成工程においては、前記ドーパントの濃度が前記活性層から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むように前記２族元素ドープ第２導電型半導体層を形成することが好ましい。

【0040】

この場合、２族元素ドープ第２導電型半導体層の抵抗値を低減しつつ、２族元素ドープ第２導電型半導体層の形成時、および、使用時における活性層へのドーパントの拡散を抑制し、発光特性をより向上させることができる半導体光素子を製造することができる。

【0041】

なお、本発明において、「第１導電型」はｎ型又はｐ型であり、「第２導電型」は第１導電型と異なる導電型である。例えば第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。

【発明の効果】

【0042】

本発明によれば、発光特性を向上させることができる半導体光素子、半導体光素子形成用構造体及びこれを用いた半導体光素子の製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】本発明の半導体光素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。

【図2】本発明の半導体光素子形成用構造体の一実施形態を概略的に示す部分断面図である。

【図3】実施例１の半導体光素子の積層構造を概略的に示す断面図である。

【図4】実施例１の半導体光素子のｐ型コンタクト層表面を示す光学顕微鏡写真である。

【図5】比較例１の半導体光素子のｐ型コンタクト層表面を示す光学顕微鏡写真である。

【図6】実施例８の半導体光素子の積層構造を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

［半導体光素子］
以下、本発明の半導体光素子の実施形態について図１を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の半導体光素子の一実施形態を概略的に示す断面図である。

【0045】

図１に示すように、半導体光素子１００は、第１導電型半導体基板としてのｎ型の半導体基板１０と、ｎ型の半導体基板１０上に設けられる積層体２０とを備えている。積層体２０においては、ｎ型の半導体基板１０側から順次、第１導電型半導体層としてのｎ型の半導体層３０、活性層４０、第２導電型半導体層としてのｐ型の半導体層５０、及び、第２導電型コンタクト層としてのｐ型のコンタクト層６０が積層されている。なお、半導体光素子１００としては、例えば半導体レーザ素子および発光ダイオードなどが挙げられる。また、半導体光素子１００では、ｎ型の半導体基板１０及び積層体２０のそれぞれに電極（図示せず）が設けられていてもよい。

【0046】

ｐ型の半導体層５０は、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープｐ型半導体層としての炭素ドープｐ型クラッド層５１と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープｐ型半導体層としての２族元素ドープｐ型クラッド層５２とを有する。本実施形態では、炭素ドープｐ型クラッド層５１が、２族元素ドープｐ型クラッド層５２よりも活性層４０に近い位置に配置されている。すなわち、炭素ドープｐ型クラッド層５１は、活性層４０と２族元素ドープｐ型クラッド層５２との間に配置され、２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、炭素ドープｐ型クラッド層５１とｐ型コンタクト層６０との間に配置されている。

【0047】

この半導体光素子１００では、ｐ型の半導体層５０が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープｐ型クラッド層５１と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープｐ型クラッド層５２とを有し、炭素ドープｐ型クラッド層５１が、２族元素ドープｐ型クラッド層５２よりも活性層４０に近い位置に配置されている。このため、半導体光素子１００によれば、ｐ型の半導体層５０が炭素ドープｐ型クラッド層５１のみからなる場合に比べて、必要なｐ型半導体層５０の厚さを保持しつつ炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さを小さくすることができ、ｐ型の半導体層５０の結晶性を向上させることができる。このため、半導体光素子１００は、発光特性を向上させることが可能となる。また、半導体光素子１００によれば、ｐ型半導体層５０の結晶性を向上させることができるので、半導体光素子１００の長期信頼性を向上させることも可能となる。

【0048】

以下、ｎ型の半導体基板１０及び積層体２０について詳細に説明する。

【0049】

＜ｎ型の半導体基板＞
ｎ型の半導体基板１０は、化合物半導体及びドーパントを含む。

【0050】

化合物半導体としては、例えばＧａＡｓ及びＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体などが挙げられる。

【0051】

ドーパントとしては、例えばＳｉ、Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｓｅ及びＴｅなどの元素が挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合せて用いることができる。

【0052】

ｎ型の半導体基板１０の厚さは特に制限されるものではないが、通常は２５０～４５０μｍである。

【0053】

＜積層体＞
積層体２０は、ｎ型の半導体層３０と、活性層４０と、ｐ型の半導体層５０と、ｐ型のコンタクト層６０とを備えている。積層体２０は化合物半導体を含む。化合物半導体としては、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、及びＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。

【0054】

（ｎ型の半導体層）
ｎ型の半導体層３０は、例えば活性層４０側から順次、ｎ型の導波層及びｎ型のクラッド層を有する。ここで、導波層は活性層４０とともに光が伝搬する層であり、クラッド層は光が活性層４０と導波層で伝搬するように閉じ込めるための層である。

【0055】

ｎ型の半導体層３０の厚さは特に制限されるものではないが、２～４μｍであることが好ましい。

【0056】

ｎ型の半導体層３０は、化合物半導体及びドーパントを含む。化合物半導体は、ｎ型の半導体基板１０に含まれる化合物半導体と同一でも異なっていてもよい。ドーパントとしては、ｎ型の半導体基板１０中のドーパントと同様のものを用いることができる。

【0057】

ｎ型の導波層及びｎ型のクラッド層は、ドーパント濃度が一定である層、ドーパント濃度がｎ型半導体層３０から離れる方向に沿って変化するグレーデッド層、又は、これらの積層体で構成することができる。

【0058】

（活性層）
活性層４０は、ｎ型の半導体層３０及びｐ型の半導体層５０のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有し、電圧の印加により光を出射させる層である。

【0059】

活性層４０は、例えば２つのバリア層の間に量子井戸層を含む積層体で構成される。

【0060】

量子井戸層は化合物半導体を含む。化合物半導体は、半導体光素子１００から出射させる光の波長に応じて適宜選択される。化合物半導体としては、例えばＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、及びＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。

【0061】

量子井戸層の両側にある２つのバリア層は、量子井戸層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する化合物半導体を含む層である。バリア層はドーパントをさらに含んでもよい。

【0062】

バリア層は、ドーパント濃度が一定である層、ドーパント濃度が量子井戸層から離れるにつれて変化するグレーデッド層、又はこれらの積層体で構成することができる。あるいは、バリア層は、化合物半導体中の元素の組成が一定である層、化合物半導体中の元素の組成が量子井戸層から離れる方向に沿って変化するグレーデッド層、又はこれらの積層体で構成することができる。

【0063】

活性層４０の厚さは特に制限されるものではないが、通常は３０～７０ｎｍである。また活性層４０は、量子井戸層とバリア層を複数層にわたって交互に積層した多重量子井戸構造としても良い。

【0064】

（ｐ型の半導体層）
ｐ型の半導体層５０は、ｎ型の半導体層３０とともに、活性層４０で発生した光を活性層４０に閉じ込める層であり、ｐ型のクラッド層を有する。ｐ型半導体層５０は、ｐ型クラッド層と活性層４０との間にｐ型導波層をさらに有していてもよい。ｐ型の半導体層５０は、活性層４０側から順次、ｐ型クラッド層として、炭素ドープｐ型クラッド層５１及び２族元素ドープｐ型クラッド層５２を有する。

【0065】

炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの濃度は特に制限されるものではないが、ドーパントの濃度は好ましくは１×１０^１７～５×１０^１８ｃｍ^－３である。この場合、ドーパントの濃度が上記範囲を外れる場合に比べて、半導体光素子１００における光損失をより十分に抑制できるとともに、炭素ドープｐ型クラッド層５１の結晶性をより高く維持できる。炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの濃度は、より好ましくは１×１０^１７～１×１０^１８ｃｍ^－３である。

【0066】

炭素ドープｐ型クラッド層５１は、ドーパントの濃度が一定である層、ドーパントの濃度が活性層４０から離れるにつれて増加するグレーデッド層、又はこれらの積層体で構成することができる。炭素ドープｐ型クラッド層５１は、ドーパントの濃度が活性層４０から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むことが好ましい。この場合、活性層４０付近において光損失の増大を抑制しつつ、炭素ドープｐ型クラッド層５１の抵抗値を下げることができる。

【0067】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２中の２族元素としては、例えば亜鉛、マグネシウム、及び、ベリリウムなどが挙げられる。

【0068】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２中のドーパントの濃度は特に制限されるものではないが、ドーパントの濃度は好ましくは１×１０^１７～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である。この場合、ドーパントの濃度が上記範囲を外れる場合に比べて、２族元素ドープｐ型クラッド層５２の抵抗値の低減と、活性層４０へのドーパント拡散の抑制とを両立させることができる。２族元素ドープｐ型クラッド層５２中のドーパントの濃度は、より好ましくは３×１０^１７～１．１×１０^１９ｃｍ^－３である。

【0069】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、ドーパントの濃度が一定である層、ドーパントの濃度が活性層４０から離れるにつれて増加するグレーデッド層又はこれらの積層体で構成することができる。２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、ドーパントの濃度が活性層４０から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むことが好ましい。この場合、２族元素ドープｐ型クラッド層５２の抵抗値を低減しつつ、半導体光素子１００の使用時における活性層４０へのドーパントの拡散を抑制し、発光特性をより向上させることができる。

【0070】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、ドーパントの濃度が５×１０^１８～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である層を有することが好ましい。この場合、ドーパントの濃度が上記範囲を外れる場合に比べて、半導体光素子１００の抵抗の増加や閾値電流の増加を生じること無く、より良好な発光特性を得ることができる。

【0071】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２中のドーパントの最大濃度は、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの最大濃度よりも大きくても、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの最大濃度以下であってもよいが、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの最大濃度よりも大きいことが好ましい。

【0072】

この場合、２族元素ドープｐ型クラッド層５２中のドーパントの最大濃度が、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの最大濃度以下である場合に比べて、ｐ型の半導体層５０の結晶性をより向上させつつｐ型コンタクト層６０とそれに接触させる電極（図示せず）との間の抵抗を低減することができる。このため、半導体光素子１００は、発光特性をより向上させることができる。

【0073】

ここで、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパントの最大濃度に対する２族元素ドープｐ型クラッド層５２中のドーパントの最大濃度の比は１より大きければよいが、１０以上であることが好ましい。この場合、半導体光素子１００が、発光特性及び長期信頼性をより一層向上させることができる。

【0074】

但し、上記比は１５以下であることが好ましい。

【0075】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２においては、電流を注入するための開口を有するとともに電流をブロックする電流ブロック層が設けられることが好ましい。この場合、電流の広がりを抑えることができ、その結果として発光モードが安定化される。

【0076】

電流ブロック層において、開口は、活性層４０及び電流ブロック層を活性層４０の厚さ方向に見た場合に、電流ブロック層の外周縁より内側に形成されていることが好ましい。

【0077】

この場合、活性層４０の内側部分に電流を流すことができ、半導体光素子１００において、安定した発光が可能となる。ここで、開口の数は１つでも複数でもよい。また開口はストライプ状に形成されることが好ましい。

【0078】

電流ブロック層は化合物半導体及びドーパントを含む。化合物半導体及びドーパントとしては、ｎ型半導体基板１０と同様の化合物半導体及びドーパントを用いることができる。

【0079】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、電流ブロック層に接触し且つ電流ブロック層に対し活性層４０側に設けられる第１層をさらに有してもよい。この第１層においては、ドーパント（２族元素）の濃度が５×１０^１７ｃｍ^－３以下であることが好ましい。この場合、ドーパント（２族元素）の濃度が上記範囲を外れる場合に比べて、半導体光素子１００において、電流広がりによる異常発振が生じることをより十分に抑制することができる。

【0080】

２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、電流ブロック層に対し活性層４０と反対側に設けられる第２層をさらに有してもよい。第２層は、１μｍ以上の厚さを有することが好ましい。この場合、半導体光素子１００を板状のサブマウントの一面上に実装する際に、ｐ型コンタクト層６０をサブマウントの一面側に向けて、且つ、半導体光素子１００の光出射端面をサブマウントの一面に直交する端面よりも引っ込めて実装すると、サブマウントの一面から活性層４０までの厚さを十分に確保することができ、半導体光素子１００の光出射端面から出射された光がサブマウントによって遮られることが十分に抑制される。また、半導体光素子１００をサブマウントの一面に半田によって実装する際に、２族元素ドープｐ型クラッド層５２が第２層を有すると、サブマウントの一面から活性層４０までの間隔が大きくなる。このため、半田がｐ型半導体層５０とｎ型半導体層３０とを接続し短絡させることを十分に防止できる。

【0081】

第２層の厚さは１μｍ以上であればよいが、１.２μｍ以上であることがより好ましい。但し、第２層の厚さは２．５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。この場合、第２層の厚さが上記各範囲を外れる場合に比べて、第２層の結晶性をより十分に向上させることができる。

【0082】

また、２族元素ドープｐ型クラッド層５２は、第２層と電流ブロック層との間に設けられ、電流ブロック層に接触する層をさらに有してもよい。この層においては、当該層と電流ブロック層との間で電流が流れるのを防ぐために、ドーパント（２族元素）の濃度が電流ブロック層のドーパント濃度より低いことが好ましく、電流ブロック層のドーパント濃度の半分以下であることがより好ましい。

【0083】

ｐ型の半導体層５０の厚さに占める２族元素ドープｐ型クラッド層５２の厚さの割合は５０％より大きく且つ１００％未満であっても５０％以下であってもよいが、５０％より大きく且つ１００％未満であることが好ましい。

【0084】

この場合、ｐ型の半導体層５０の厚さに占める２族元素ドープｐ型クラッド層５２の厚さの割合が５０％以下である場合に比べて、ｐ型の半導体層５０の結晶性をより向上させることができる。このため、半導体光素子１００は、発光特性をより向上させることが可能となる。

【0085】

但し、ｐ型の半導体層５０の厚さに占める２族元素ドープｐ型クラッド層５２の厚さの割合が５０％より大きい場合、この割合は好ましくは７５％以下である。

【0086】

ここで、炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さは２μｍ以下であることが好ましい。この場合、炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さが２μｍを超える場合に比べて、炭素ドープｐ型クラッド層５１の結晶性をより向上させることができる。炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さは１.２μｍ以下であることがより好ましい。但し、炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。この場合、炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さが１μｍ未満である場合に比べて、炭素ドープｐ型クラッド層５１の上に積層された２族元素ドープｐ型クラッド層５２に含まれる２族元素のドーパントが活性層４０に拡散することをより十分に抑制できる。

【0087】

ｐ型の半導体層５０の厚さは特に制限されるものではないが、４μｍ以下であることが好ましい。この場合、ｐ型の半導体層５０の厚さが４μｍを超える場合に比べて、ｐ型の半導体層５０の結晶性をより向上させることができる。但し、ｐ型の半導体層５０の厚さは３μｍ以上であることが好ましい。

【0088】

（ｐ型のコンタクト層）
ｐ型のコンタクト層６０は、電極（図示せず）と接触される層である。

【0089】

ｐ型コンタクト層６０は、化合物半導体及びドーパントを含む。化合物半導体としては、２族元素ドープｐ型クラッド層５２と同様の化合物半導体を用いることができる。ドーパントとしては炭素が用いられることが好ましい。すなわち、ｐ型のコンタクト層６０は、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープｐ型コンタクト層で構成されていることが好ましい。この場合、ｐ型のコンタクト層６０においてドーパントが炭素であるため、ｐ型のコンタクト層６０の抵抗を低下させることができる。また、炭素は２族元素に比べて拡散係数が小さいため、ドーパント濃度を高くしても活性層４０にドーパントが拡散することを十分に抑制することもできる。

【0090】

ドーパント濃度は特に制限されるものではないが、電極とのコンタクト抵抗を十分に低減する観点からは、１×１０^１９ｃｍ^－３以上であることが好ましい。

【0091】

ｐ型コンタクト層６０中のドーパント濃度は、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパント濃度より高くても炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパント濃度以下であってもよいが、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパント濃度よりも高いことが好ましい。

【0092】

この場合、炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパント濃度が、ｐ型コンタクト層６０中のドーパント濃度よりも低くなっている。このため、ｐ型コンタクト層６０中のドーパント濃度が炭素ドープｐ型クラッド層５１中のドーパント濃度以下である場合に比べて、発光特性に与える影響がより小さいｐ型コンタクト層６０よりも、発光特性に与える影響がより大きい炭素ドープｐ型クラッド層５１においてより結晶性を向上させることができる。また、ｐ型コンタクト層６０における抵抗をより低下させることもできる。従って、半導体光素子１００における発光特性をより向上させることができる。

【0093】

（ｎ型のバッファ層）
積層体２０は、ｎ型の半導体基板１０とｎ型の半導体層３０との間にさらにｎ型のバッファ層（図示せず）を備えてもよい。

【0094】

ｎ型のバッファ層は、ｎ型の半導体層３０の結晶性を高めるために設けられるものであり、化合物半導体及びドーパントを含む。

【0095】

化合物半導体としては、ｎ型の半導体基板１０に含まれる化合物半導体と同様の化合物半導体を用いることができる。ドーパントとしても、ｎ型の半導体基板１０に含まれるドーパントと同様のドーパントを用いることができる。

【0096】

ｎ型のバッファ層中のドーパント濃度は、ｎ型の半導体基板１０中のドーパント濃度よりも小さく、且つ、ｎ型の半導体層３０のうちｎ型のバッファ層と接触する層中のドーパント濃度よりも小さいことが好ましい。この場合、ｎ型の半導体層３０の結晶性がより高められる。

【0097】

ｎ型のバッファ層の厚さは、ｎ型の半導体基板１０の厚さよりも小さければ特に制限されるものではないが、通常は３００～１０００ｎｍである。

【0098】

＜半導体光素子の用途＞
半導体光素子１００は、上述したように、発光特性を向上させることができるので、ファイバレーザや医療用レーザ（例えば歯科用レーザ）などに使用する光源として有用である。

【0099】

［半導体光素子形成用構造体］
次に、上記半導体光素子１００を形成するための半導体光素子形成用構造体について図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、本発明の半導体光素子形成用構造体の一実施形態を概略的に示す部分断面図である。なお、図２において、図１と同一又は同等の構成要素については同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0100】

図２に示すように、半導体光素子形成用構造体２００は、第１導電型半導体ウェハとしてのｎ型半導体ウェハ２１０と、ｎ型半導体ウェハ２１０上に設けられる積層体２２０とを備える。

【0101】

ｎ型半導体ウェハ２１０は、ｎ型半導体基板１０と同様の材料で構成される。

【0102】

積層体２２０においては、ｎ型半導体ウェハ２１０側から順次、ｎ型半導体層３０、活性層４０、ｐ型半導体層５０、及び、ｐ型コンタクト層６０が積層されている。

【0103】

この半導体光素子形成用構造体２００では、ｐ型半導体層３０が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープｐ型クラッド層５１と、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープｐ型クラッド層５２とを有する。このため、半導体光素子形成用構造体２００によれば、ｐ型半導体層３０が、炭素ドープｐ型クラッド層のみからなる場合に比べて、必要なｐ型半導体層３０の厚さを保持しつつ炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さを小さくすることができ、ｐ型半導体層３０の結晶性を向上させることができる。このため、半導体光素子形成用構造体２００によれば、発光特性を向上させることができる半導体光素子１００を形成することができる。

【0104】

半導体光素子形成用構造体２００から半導体光素子１００を得るには、例えば半導体光素子形成用構造体２００を粘着性のシートなどに貼り付け、この半導体光素子形成用構造体２００に対して傷入れおよび劈開を行えばよい。

【0105】

［半導体光素子の製造方法］
次に、上記半導体光素子１００の製造方法について図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の半導体光素子形成用構造体の一実施形態を概略的に示す部分断面図である。

【0106】

まず、図２に示すように、半導体光素子形成用構造体２００を準備する（構造体準備工程）。

【0107】

そのためには、まずｎ型の半導体ウェハ２１０を用意する。ｎ型の半導体ウェハ２１０としては、ｎ型の半導体基板１０と同一の材料で構成されるものを用意する。

【0108】

次に、ｎ型の半導体ウェハ２１０の一面上に、ｎ型の半導体層３０及び活性層４０を形成した後、ｐ型の半導体層５０を形成する（第２導電型半導体層形成工程）。

【0109】

このとき、ｐ型の半導体層５０は、活性層４０上に炭素ドープｐ型クラッド層５１を形成した後（炭素ドープ第２導電型半導体層形成工程）、炭素ドープｐ型クラッド層５１上に２族元素ドープｐ型クラッド層５２を形成することにより形成される（２族元素ドープ第２導電型半導体層形成工程）。

【0110】

次に、ｐ型の半導体層５０の上にｐ型のコンタクト層６０を形成する（炭素ドープ第２導電型コンタクト層形成工程）。

【0111】

こうして積層体２２０を得る。

【0112】

このとき、ｎ型の半導体層３０、活性層４０、ｐ型の半導体層５０およびｐ型のコンタクト層６０は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって形成することができる。このとき、原料としては、各層を構成する材料に応じて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アルシンガス（ＡｓＨ_３）、臭化炭素（ＣＢｒ_４）又は塩化炭素（ＣＣｌ_４）などのハロメタン、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）、モノシラン（ＳｉＨ_４）などから選ばれる必要な原料を適宜用いればよい。

【0113】

こうして半導体光素子形成用構造体２００が得られる。

【0114】

次に、必要に応じて、半導体光素子形成用構造体２００のｎ型半導体ウェハ２１０及び積層体２２０のｐ型コンタクト層６０にそれぞれ電極を形成した後、半導体光素子形成用構造体２００を粘着性のシートなどに貼り付ける。そして、半導体光素子形成用構造体２００に対して傷入れおよび劈開を行い、複数の半導体光素子１００に分離して半導体光素子１００を得る（半導体光素子形成工程）。

【0115】

以上のようにして半導体光素子１００が得られる。

【0116】

上記のようにして半導体光素子１００を製造すると、得られる半導体光素子１００では、ｐ型の半導体層５０が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープｐ型クラッド層５１と、ｐ型のコンタクト層６０と炭素ドープｐ型クラッド層５１との間に設けられ、化合物半導体に２族元素がドーパントとしてドープされている２族元素ドープｐ型クラッド層５２とを有する。このため、半導体光素子形成用構造体２００によれば、ｐ型の半導体層５０が、化合物半導体に炭素がドーパントとしてドープされている炭素ドープｐ型クラッド層５１のみからなる場合に比べて、必要なｐ型半導体層５０の厚さを保持しつつ炭素ドープｐ型クラッド層５１の厚さを小さくすることができ、ｐ型の半導体層５０の結晶性を向上させることができる。このため、上記製造方法によれば、発光特性を向上させることができる半導体光素子１００を得ることができる。また、上記製造方法によれば、得られる半導体光素子１００において、ｐ型半導体層５０の結晶性を向上させることができるので、半導体光素子１００の長期信頼性を向上させることも可能となる。

【0117】

また、上記製造方法では、ｐ型半導体層５０が、炭素ドープｐ型クラッド層５１と、２族元素ドープｐ型半導体層５２とを含むため、ｐ型半導体層５０が、炭素ドープｐ型クラッド層５１のみからなる場合に比べて、炭素ドープｐ型半導体層５１の厚さを抑えることができる。このため、炭素ドープｐ型クラッド層５１を形成する際に臭化炭素（ＣＢｒ_４）又は塩化炭素（ＣＣｌ_４）などのハロメタンを使用する場合に、ハロメタンの使用量を少なくすることができる。このため、そのハロメタンによるエッチング作用によって、形成される炭素ドープｐ型クラッド層５１において表面荒れや欠陥の導入が生じることが十分に抑制される。すなわち、炭素ドープｐ型クラッド層５１を、高い結晶性を維持したまま活性層４０上に形成することができる。このため、上記製造方法によれば、発光特性の低下をより十分に抑制できる半導体光素子１００を得ることができる。

【0118】

なお、炭素ドープｐ型クラッド層５１上に２族元素ドープｐ型クラッド層５２を形成する場合には、ドーパントの濃度が活性層４０から離れるにつれて増加するグレーデッド層を含むように２族元素ドープｐ型クラッド層５２を形成することが好ましい。

【0119】

この場合、２族元素ドープｐ型クラッド層５２の抵抗値を低減しつつ、２族元素ドープｐ型クラッド層５２の形成時（アニール時）、および、使用時における活性層４０へのドーパントの拡散を抑制し、発光特性をより向上させることができる半導体光素子１００を製造することができる。

【0120】

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、半導体光素子１００がｎ型の半導体層３０を有し、ｎ型半導体層３０がｎ型導波層を有しているが、ｎ型導波層を有していなくてもよい。

【0121】

また、上記実施形態では、電流ブロック層が２族元素ドープｐ型クラッド層５２中に設けられているが、電流ブロック層は炭素ドープｐ型クラッド層５１中に設けられてもよい。

【0122】

さらに、上記実施形態では、２族元素ドープｐ型クラッド層５２中に電流ブロック層が設けられ、電流ブロック層から電流ストライプ構造が形成され得るが、電流ストライプ構造に代えて、電流注入領域と電流非注入領域とを有するリッジ構造が設けられてもよい。この場合、電流注入領域以外の部分が電流非注入領域となる。ここで、電流非注入領域の深さは特に限定されるものではなく、任意の深さでよい。例えば、実施例８に係る図６では、炭素ドープｐ型コンタクト層から亜鉛ドープｐ型クラッド層までがエッチングによって除去されているが、このエッチングによる除去部の深さは、炭素ドープｐ型コンタクト層から亜鉛ドープｐ型クラッド層の途中までの深さでもよいし、炭素ドープｐ型コンタクト層から炭素ドープｐ型クラッド層までの深さでもよい。

【実施例】

【0123】

以下、実施例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0124】

（実施例１）
まず、厚さ３５０μｍで直径５０ｍｍのｎ型の半導体ウェハを用意した。このとき、ｎ型の半導体ウェハとしては、ＧａＡｓにドーパントとしてＳｉを１．０×１０^１８ｃｍ^－３の濃度となるようにドープしたものを用いた。

【0125】

次に、ｎ型の半導体ウェハの一面上に、ｎ型バッファ層、ｎ型の半導体層、活性層、ｐ型の半導体層及びｐ型のコンタクト層を順次形成して積層体を得た。

【0126】

このとき、ｎ型バッファ層は、ＧａＡｓにドーパントとしてＳｉを３×１０^１７ｃｍ^－３の濃度でドープしたものとし、５００ｎｍの厚さで形成した。ｎ型の半導体層は、ＡｌＧａＡｓにドーパントとしてＳｉをドープしたものとし、ｎ型の半導体層は、ｎ型半導体ウェハ側から順次、ｎ型クラッド層およびｎ型導波層で構成するようにした。ｎ型クラッド層は、ドーパント濃度をｎ型半導体ウェハから離れるにつれて１．０×１０^１８ｃｍ^－３から１．０×１０^１７ｃｍ^－３まで減少させた層であり、ドーパント濃度が一定である層、およびドーパント濃度が隣接する層から連続的に変化する層からなる複数の層を合計で３５００ｎｍの厚さで形成した。ｎ型導波層は、Ｓｉドーパント濃度をｎ型半導体ウェハから離れるにつれて５．０×１０^１６ｃｍ^－３から５．０×１０^１７ｃｍ^－３まで増加させた層であり、ドーパント濃度が一定である層、およびドーパント濃度が隣接する層から連続的に変化する層からなる複数の層を合計で５５０ｎｍの厚さで形成した。

【0127】

活性層は、ｎ型半導体ウェハ側から順次、第１バリア層、量子井戸層、第２バリア層で構成した。このとき第１バリア層としては、ＡｌＧａＡｓにＳｉをドープした層を形成した。量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓ層からなる層を９１５ｎｍのレーザ発振波長が得られるようなＩｎ組成と厚さで形成した。第２バリア層としては、ＡｌＧａＡｓからなる層を形成した。

【0128】

ｐ型半導体層は、炭素ドープｐ型クラッド層および亜鉛ドープｐ型クラッド層で構成し、亜鉛ドープｐ型クラッド層は、亜鉛ドープｐ型第１クラッド層及び亜鉛ドープｐ型第２クラッド層を含むようにした。炭素ドープｐ型クラッド層は、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を５０モル％とし、炭素ドーパント濃度を活性層から離れるにつれて１．０×１０^１７ｃｍ^－３から１．０×１０^１８ｃｍ^－３まで増加させた層であり、ドーパント濃度が一定である層、及び、ドーパント濃度が隣接する層から連続的に変化する複数の層を合計で１０５０ｎｍの厚さで形成した。亜鉛ドープｐ型第１クラッド層は、ＧａＡｓに亜鉛を３．０×１０^１７ｃｍ^－３の濃度でドーピングした層を４００ｎｍの厚さで形成した。また、亜鉛ドープｐ型クラッド層においては、亜鉛ドープｐ型第１クラッド層の表面全体を覆うように、ドーパントとしてＳｉをドープしたＧａＡｓからなる厚さ４５０ｎｍのｎ型電流ブロック層の前駆体層を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で形成した後、硫酸と過酸化水素水の混合酸を用いて、電流を注入するための幅１５０μｍの開口をストライプ状にエッチングすることでｎ型電流ブロック層を形成した。このとき、ｎ型電流ブロック層中のＳｉ濃度は２×１０^１８ｃｍ^－３となるようにした。ｎ型電流ブロック層の前駆体層に開口をストライプ状に形成後、亜鉛ドープｐ型第２クラッド層を形成した。亜鉛ドープｐ型第２クラッド層はＧａＡｓからなり、亜鉛ドーパント濃度が活性層から離れるにつれて１．０×１０^１８ｃｍ^－３から１．１×１０^１９ｃｍ^－３まで増加するように積層される複数の層を合計で１７５０ｎｍの厚さで形成した。これら複数の層を構成する各層においては亜鉛ドーパント濃度が一定であった。またこれら複数層は、ドーパント濃度が最大で、最も活性層から離れた層として、亜鉛ドーパント濃度が１．１×１０^１９ｃｍ^－３で、厚さが３５０ｎｍである層を含むように形成した。

【0129】

ｐ型コンタクト層は、ＧａＡｓにドーパントとして炭素をドープした炭素ドープｐ型コンタクト層とし、炭素ドーパント濃度が３．０×１０^１９ｃｍ^－３となるように３００ｎｍの厚さで形成した。そして、ｐ型コンタクト層まで形成した後、アニール処理を行った。

【0130】

また、ｎ型バッファ層、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層及びｐ型コンタクト層は、ＭＯＣＶＤ法によって形成した。このとき、原料としては、各層を構成する材料に応じて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アルシンガス、臭化炭素（ＣＢｒ_４）又は塩化炭素（ＣＣｌ_４）などのハロメタン、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）、モノシラン（ＳＩＨ_４）などから選ばれる必要な原料を適宜用いた。こうして半導体光素子形成用構造体を得た。

【0131】

最後に、上記のようにして得られた半導体光素子形成用構造体を粘着性のシートに貼り付けた後、半導体光素子形成用構造体に対して傷入れおよび劈開を行い、幅５００μｍ、共振器長４ｍｍの半導体光素子を、ストライプ状に形成された開口が中央に位置するように分離した。

【0132】

以上のようにして半導体光素子を得た。なお、実施例１の半導体光素子の積層構造については図３に示す。

【0133】

（比較例１）
亜鉛ドープｐ型クラッド層の代わりに、炭素ドープｐ型クラッド層を形成したこと以外は実施例１と同様にして半導体光素子を作製した。具体的には、ドーパントを亜鉛から炭素に変更することによって亜鉛ドープｐ型クラッド層の代わりに炭素ドープｐ型クラッド層を形成したこと以外は実施例１と同様にして半導体光素子を作製した。

【0134】

上記のようにして得られた実施例１及び比較例１の半導体光素子について、ｐ型コンタクト層側の表面を、光学顕微鏡でノマルスキー干渉フィルタを通して干渉像として５０倍の倍率で観察した。実施例１及び比較例１の光学顕微鏡写真をそれぞれ図４及び図５に示す。

【0135】

図４に示すように、実施例１の半導体光素子では、ｐ型コンタクト層の表面にピットなどの凹凸が観察されなかった。このことから、ｐ型半導体層の表面にも凹凸が存在しなかったものと考えられる。一方、図５に示すように、比較例１の半導体光素子では、ｐ型コンタクト層の表面にピットなどの凹凸が多数存在していたために白濁していた。

【0136】

従って、比較例１の半導体光素子では、ｐ型半導体層の表面において荒れが見られた。これに対して、実施例１の半導体光素子では、ｐ型半導体層の表面において荒れが見られなかった。すなわち表面荒れがなかった。このため、実施例１の半導体光素子は、ｐ型半導体層の結晶性を向上させているものと考えられる。

【0137】

（実施例２～７）
亜鉛ドープｐ型第２クラッド層において、亜鉛ドーパント濃度が最大で、最も活性層から離れた層における亜鉛ドーパント濃度をそれぞれ表１に示すように２．０×１０^１８ｃｍ^－３、５．０×１０^１８ｃｍ^－３、８．０×１０^１８ｃｍ^－３、１．５×１０^１９ｃｍ^－３、２．０×１０^１９ｃｍ^－３又は３．０×１０^１９ｃｍ^－３としたこと以外は実施例１と同様にして半導体光素子を作製した。

【0138】

これらの実施例２～７の半導体光素子においても、実施例１の半導体光素子と同様、ｐ型コンタクト層側の表面を観察した。結果を表１に示す。その結果、実施例２～７の半導体光素子はいずれも、表面荒れの点で、実施例１と同等の結果を示していた。また、実施例２～７の半導体光素子について、半導体光素子に電流を注入するため、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層の最表面に金属蒸着膜による電極を形成した。次に、半導体光素子のレーザ発振に伴って発生する熱を放熱するためのサブマウント上に、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層に接合するためのｎ側電気的接合部及びｐ側電気的接合部をそれぞれ形成した。その後、半田およびワイヤを用いて半導体光素子をサブマウント上に実装した。このとき、ｎ型半導体層はｎ側電気的接合部に接合し、ｐ型半導体層はｐ側電気的接合部に接合した。そして、サブマウント上に実装した半導体光素子に対し、電源から電気的接合部を介して電流を注入し、抵抗値及び閾値電流を測定した。結果を表１に示す。但し、表１においては、実施例２～７の半導体光素子の抵抗値及び閾値電流値については、実施例１の半導体光素子の抵抗値及び閾値電流値を１００とした相対値で示した。そして、表１に示すように、実施例１の抵抗値又は閾値電流値に対して、抵抗値が＋１０％未満であるか、又は閾値電流値が＋６％未満である半導体光素子については「Ａ」と表記し、抵抗値が＋１０％以上であるか、又は閾値電流値が＋６％以上である半導体光素子については「Ｂ」と表記した。なお、実施例１の抵抗値及び閾値電流値は、実施例２～７の抵抗値及び閾値電流値の基準となるものであるため、「－」と表記した。

【0139】

表１に示すように、実施例３～５の半導体光素子は、実施例２、６、７の半導体光素子に比べて、抵抗値又は閾値電流値がより改善する結果となった。この結果より、亜鉛ドープｐ型第２クラッド層において、ドーパント濃度が最大で、最も活性層から離れた層における亜鉛ドーパント濃度が５．０×１０^１８ｃｍ^－３～１．５×１０^１９ｃｍ^－３である層を有することが好ましいことが分かった。

【表1】

【0140】

（実施例８）
実施例１において、ＳｉドープＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層によって形成される電流注入ストライプを、以下のようにして、絶縁膜から形成された電流非注入領域を有するリッジ構造としたこと以外は実施例１の半導体光素子と同じ構造の半導体光素子を作製した（図６参照）。具体的には、ｎ型電流ブロック層を除いて実施例１と同じ積層構造をＭＯＣＶＤ法によって成長した後、酒石酸と過酸化水素水からなる混合酸で、ｐ型コンタクト層、亜鉛ドープｐ型第１クラッド層までを除去して電流注入領域に対応する幅１５０μｍの凸部分（メサ）を形成した。また凸部分の両側であるエッチングによる除去部分の幅はともに４０μｍとした。その後、電流注入領域以外の部分にＳｉＮｘからなる絶縁膜を成長して、電流非注入領域を形成した。以上のようにして電流非注入領域を有するリッジ構造の半導体光素子を作製した。この半導体光素子について、実施例１と同様にしてｐ型コンタクト層側の表面観察を行った。その結果、実施例１と同等の結果が得られた。

【0141】

従って、本発明は、電流ブロック層から形成される電流ストライプ構造だけでなく、電流非注入領域を有するリッジ構造の半導体光素子でも有効であることが分かった。

【0142】

（実施例９）
活性層内の量子井戸層をＩｎＧａＡｓに代えてＧａＡｓで形成したこと以外は実施例１と同様にして半導体光素子を作製した。この半導体光素子について、実施例１と同様にしてｐ型コンタクト層側の表面観察を行った。その結果、実施例１と同等の結果が得られた。

【0143】

従って、本発明は、量子井戸の材料がＩｎＧａＡｓである半導体光素子だけでなく、ＧａＡｓであっても有効であることが分かった。

【0144】

以上より、本発明の半導体光素子は、発光特性を向上させることができるものと考えられる。

【符号の説明】

【0145】

１０…ｎ型の半導体基板（第１導電型半導体基板）
２０…積層体
３０…ｎ型の半導体層（第１導電型半導体層）
４０…活性層
５０…ｐ型の半導体層（第２導電型半導体層）
５１…炭素ドープｐ型クラッド層（炭素ドープ第２導電型半導体層）
５２…２族元素ドープｐ型クラッド層（２族元素ドープ第２導電型半導体層）
６０…ｐ型のコンタクト層（第２導電型コンタクト層）
１００…半導体光素子
２００…半導体光素子形成用構造体
２１０…ｎ型の半導体ウェハ（第１導電型半導体ウェハ）
２２０…積層体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】