JP2002246693A

JP2002246693A - 半導体レーザ素子の製造方法

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Publication number: JP2002246693A
Application number: JP2001086436A
Authority: JP
Inventors: Takeharu Asano; 竹春浅野; Satoru Kijima; 悟喜嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2002-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP4826019B2

Abstract

(57)【要約】【課題】駆動電流が小さく、寿命が長い半導体レーザ
素子を簡便に得ることが可能な半導体レーザ素子の製造
方法を提供する。【解決手段】水素雰囲気中で、基板１１の上にバッフ
ァ層１２、ｎ側コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１
４、ｎ側光ガイド層１５、活性層１６、ｐ側光ガイド層
１７、ｐ型クラッド層１８、ｐ側コンタクト層１９を積
層し、ｐ型クラッド層１８から上層部をリッジ形状にパ
ターニングする。その後、リッジの両側面に、埋込み層
２０を窒素雰囲気中で成長させる。その形成過程におい
て、先に形成されたｐ型層１７〜１９を再活性化するこ
とができる。同時に、埋込み層２０の横方向成長の速度
が速く、その成長中に活性層１６の結晶性が熱的に劣化
する虞がなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ型とｎ型の化合
物半導体よりなる半導体層を備えた半導体レーザ素子の
製造方法に係り、特に、埋込み型構造を有する半導体レ
ーザ素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＩｎＮまたは
ＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体は、
すべて直接遷移型のバンド構造を有し、そのバンドギャ
ップは室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶにわたる。そのた
め、紫外域から可視光全域に及ぶ広範な波長領域で発光
が可能であり、近年、発光素子の材料として注目されて
いる。なかでも、青色から紫外域の波長が短い領域で発
光が可能なレーザは、高密度光ディスク用の光源として
注目されており、開発が盛んに進められている。なお、
光ディスクの書き込みにあたっては、レーザには、高出
力であると同時に駆動電流が小さいこと、安定した横モ
ード発振ができること、および寿命が長いこと等が要求
され、これらを満足するには、その構造を埋込み型とす
ることが有効である。

【０００３】埋込み型とは、レーザを構成する半導体層
の両側面もしくは半導体層の上部にまで埋込み層が設け
られ、半導体層の一部が埋込み層に埋め込まれた構造を
指し、埋込み層の材料によって電流狭窄や横モードの閉
じ込めを行うことができる。例えば、埋込みヘテロ構造
（ＢＨ；ＢｕｒｉｅｄＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒ
ｅ）は良く知られた屈折率導波構造の埋込み型レーザで
あり、ダブルヘテロ構造の活性領域の両側面に低屈折率
材料で埋込み層を形成し、平行方向の横モードの安定性
を向上させるものである。このようなレーザの作製は、
半導体層を積層させ、一旦、ダブルヘテロ構造を形成し
た後に、これをエッチングして、数μｍ幅のストライプ
状の凸部形状に加工し、更にこの凸部を埋め込むように
その両側面に埋込み層を形成する方法が一般的である。
従って、凸部は、活性領域の上部にあるｐ型層を含むよ
うになっているが、その下層のｎ型層まで含んで構成さ
れることもある。更に、埋込み層は、ｐ型層と活性領域
に対してはｎ型、ｎ型層に対してはｐ型で構成する場合
もある。

【０００４】また、リッジ埋込み型とは、活性領域上層
のｐ型層の一部を凸部（リッジ）として、その両脇を埋
め込むものである。ちなみに、リッジ構造は、電流が狭
窄される利得導波型レーザでは典型的な構造であり、リ
ッジ埋込み型とすれば、利得導波型と屈折率導波型の双
方の特徴が実現可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】こうしたレーザの窒化
物半導体層の形成は、通常、水素ガスをキャリアガスと
したＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅ
ｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法など
による気相のエピタキシャル成長によって行われる。し
かしながら、半導体層を水素雰囲気中で成長させると、
水素がその層内に侵入することにより、クラックが生じ
たり、ｐ型層にドープされたマグネシウム（Ｍｇ）等の
ｐ型不純物が不活性化されたりしていた。これらは、レ
ーザの駆動電流および駆動電圧の上昇を招く原因とな
る。そこで、従来では、十分に活性化したｐ型層を得る
ために、各層の成長後に不活性ガス雰囲気中の熱処理に
よる再活性化が行われていた。

【０００６】また、一般に、埋込み層はリッジの側面か
ら横方向に成長させるが、水素雰囲気中ではその成長速
度が遅く成長過程に要する時間が長くなり、その間に活
性層が熱的に劣化する虞があった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、駆動電流が小さく、寿命が長い半導
体レーザ素子を簡便に得ることが可能な半導体レーザ素
子の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子の製造方法は、埋込み層を、キャリアガスに不活性ガ
スまたは窒素（Ｎ_２）を用いて成長させて形成するもの
である。

【０００９】この半導体レーザ素子の製造方法では、キ
ャリアガスに不活性ガスまたは窒素を用いることで結晶
の横方向成長が速くなり、短時間で埋込み層が形成され
る。また、埋込み層の成長中にｐ型層が活性化され、熱
処理工程が不要となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１１】図１は、本発明の一実施の形態に係る半導
体レーザ素子の製造方法に基づいて製造される半導体レ
ーザ１の概略構成を表している。すなわち、基板１１の
上にバッファ層１２、ｎ側コンタクト層１３、ｎ型クラ
ッド層１４、ｎ型光ガイド層１５、活性層１６、ｐ型光
ガイド層１７、ｐ型クラッド層１８およびｐ側コンタク
ト層１９が順に積層されており、ｎ側コンタクト層１３
の上層は、紙面に垂直な方向にストライプ状に伸びる凸
部（メサ）となっている。また、ｐ型クラッド層１８の
上部とｐ側コンタクト層１９は、このメサ部分よりも更
に狭い幅のストライプ状の突出部（リッジ）となってお
り、これらの両側面には、埋込み層２０が設けられてい
る。更に、この埋込み層２０の上にも張り出すようにし
て、ｐ側コンタクト層１９の上にストライプ形状のｐ側
電極２２が設けられ、一方のｎ側コンタクト層１３の一
部には、上にストライプ形状のｎ側電極２３が設けられ
ている。なお、半導体レーザ１の表面は、各電極２２，
２３および埋込み層２０の上部以外は絶縁層２１によっ
て覆われている。

【００１２】次に、このような半導体レーザ１の製造方
法について説明する。

【００１３】まず、図２（Ａ）に示したように、基板１
１の上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるバ
ッファ層１２、ｎ側コンタクト層１３、ｎ型クラッド層
１４、ｎ側光ガイド層１５、活性層１６、ｐ側光ガイド
層１７、ｐ型クラッド層１８およびｐ側コンタクト層１
９を順次成長させる。なお、ここでは、ＭＯＣＶＤ法を
用いて結晶成長を行うことにする。

【００１４】具体的には、例えば、厚さ４００μｍのサ
ファイアからなる基板１１をＭＯＣＶＤ装置内に設置
し、基板１１の上に、ＧａＮよりなるバッファ層１２を
３０ｎｍ、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加した
ｎ型ＧａＮからなるｎ側コンタクト層１３（厚さ５．０
μｍ）、不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ
よりなるｎ型クラッド層１４（厚さ１．０μｍ）、ｎ型
不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮからなるｎ側
光ガイド層１５（厚さ０．１μｍ）を順に成長させる。
続いて、例えばＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＮおよびＧａ_１−ｙＩ
ｎ_ｙＮよりなる多重量子井戸構造を有する活性層１６
（厚さ４０ｎｍ）を成長させ、更にその上にｐ型不純物
としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮより
なるｐ側光ガイド層１７（厚さ０．１μｍ）、ｐ型不純
物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮよりな
るｐ型クラッド層１８（厚さ０．７μｍ）、不純物とし
てマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮよりなるｐ側コン
タクト層１９（厚さ０．１μｍ）を順次成長させる。

【００１５】その際に、例えば、窒素（Ｎ）の原料とし
てはアンモニア（ＮＨ_３）、アルミニウム（Ａｌ）の原
料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ_３）_３Ａ
ｌ）、ガリウム（Ｇａ）の原料としてはトリメチルガリ
ウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）またはトリエチルガリウム
（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）の原料に
はトリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）を、更
に、ケイ素の原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）を、マ
グネシウムの原料としてビス＝メチルシクロペンタジエ
ニルマグネシウム（ＭｅＣｐ_２Ｍｇ）またはビス＝シク
ロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）をそれぞ
れ用いる。

【００１６】また、キャリアガスには水素（Ｈ_２）を用
いる。従って、ｐ型の半導体層１７〜１９においては、
その成長中に層内に水素が取り込まれ、ｐ型不純物が水
素に電荷供与を受けて不活性化することとなる。

【００１７】次に、一旦基板１１をＭＯＣＶＤ装置より
取り出し、所定形状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜（図
示せず）を、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリ
ング法などを用いて形成する。次いで、図２（Ｂ）に示
したように、このＳｉＯ_２膜をマスクとして、例えばＲ
ＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法
によりｎ側コンタクト層１３が露出するまでエッチング
を行うことにより、ｎ側コンタクト層１３の上層部、す
なわち、ｎ型クラッド層１４、ｎ側光ガイド層１５、活
性層１６、ｐ側光ガイド層１７、ｐ型クラッド層１８お
よびｐ側コンタクト層１９をメサ形状にパターニングす
る。パターニングの後、ＳｉＯ_２膜はエッチング除去さ
れる。

【００１８】次に、図３（Ａ）に示したように、ｐ側コ
ンタクト層１９の上に部分的に図示しないマスクを形成
し、このマスクを利用して、例えばＲＩＥ法によりエッ
チングを施す。これにより、ｐ型クラッド層１８の上部
およびｐ側コンタクト層１９を細い帯状のリッジとす
る。

【００１９】次に、図３（Ｂ）に示したように、基板１
１を再度ＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ｐ型クラッド層１
８とｐ側コンタクト層１９からなるリッジの両側面に埋
込み層２０を形成する。ここでは、他の半導体層１２〜
１９の場合と異なり、キャリアガスには窒素（Ｎ_２）ガ
スが用いられる。その他にキャリアガスとしてＡｒ等の
不活性ガスを用いるようにしてもよい。この埋込み層２
０の材料には、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦
１）が用いられ、組成をｐ型クラッド層１８よりもＡｌ
量を多くなるように選べば、ｐ型クラッド層１８に比べ
て屈折率が相対的に低下するので好ましい。また、Ｓｉ
等の不純物を添加して埋込み層２０をｎ型とすれば、後
述するように、より強く電流を狭窄することができるの
で好ましい。なお、このような埋込み層２０は、例え
ば、横方向成長を伴う結晶成長によって形成される。

【００２０】この場合の横方向成長は、リッジ側面か
ら、ｐ型クラッド層１８の層面に平行方向に進行するも
のである。同時に、この横方向成長が行われる領域にお
いてもｐ型クラッド層１８の層面に垂直方向の成長は促
進されるが、ここで横方向成長が支配的となるように成
長条件を設定し、この領域を実質的に横方向成長により
形成する。その際、ここではキャリアガスに窒素ガスを
用いるようにしたので、キャリアガスを水素とする場合
に比べて横方向成長の速度が速くなる。そのために、リ
ッジ側面から横方向成長する結晶とｐ型クラッド層１８
の露出面において垂直方向に成長する結晶との成長速度
比が拡大し、図に示したように、埋込み層２０はドーム
型形状となる。埋込み層２０は、完全に上面が平坦とな
るまで成長させる必要はなく、実質的にリッジの側面お
よびｐ型クラッド層１８の残る底面とに接していればよ
いので、これらを覆った時点で成長を止めてドーム型と
することで、素子特性を低下させずに、簡便により速く
形成することができる。

【００２１】なお、一般に、横方向成長領域では、その
下層や成長の種となる結晶から転位が伝播し難く、結晶
性が良好となる。従って、この場合には、埋込み層２０
が低転位密度で結晶性に優れたものとなる。

【００２２】また、埋込み層２０を成長させる間、基板
１１の表面には窒素（Ｎ_２）ガスが持続的に供給されて
いる。そこで、この工程において、先に形成されたｐ型
半導体層１７〜１９の内部に存在する水素が離脱する。
なお、ここで形成される埋込み層２０がｎ型であれば、
水素はより離脱しやすい。これにより、ｐ型半導体層１
７〜１９は活性化され、埋込み層２０は水素を含まない
キャリアガス中で形成されてクラックが少ないものとな
る。

【００２３】次に、図１に示したように、例えばＳｉＯ
_２などの絶縁層２１を、蒸着およびパターニングにより
メサ上部を除いた基板１１の全面に形成する。次いで、
ｎ側コンタクト層１３の上の絶縁層２１に対し、所定位
置にＲＩＥを行いｎ側コンタクト層１３を露出させる。
更に、ｐ側コンタクト層１９の表面に所定のレジストパ
ターン（図示せず）を例えばリソグラフィーにより形成
する。このレジストパターンをマスクとして、例えば真
空蒸着法などを用い、Ｐｄ膜、ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次形
成してｐ側コンタクト層１９上の所定位置にｐ側電極２
２を形成する。ここでは、ｐ側電極２２は、埋込み層２
０の一部まで覆うように表面積を大きく採って形成され
る。また、基板表面に対して所定形状のレジストパター
ン（図示せず）を形成し、ｐ側電極２２の場合と同様、
真空蒸着法などによってＴｉ膜、Ａｌ膜、ｐｔ膜、Ａｕ
膜を順次形成する。これにより、ｎ側コンタクト層１３
の露出部にｎ側電極２３が形成される。

【００２４】そののち、図１の紙面に対して水平にレー
ザ構造を劈開し、共振器端面を形成する。このようにし
て、半導体レーザ１が完成する。なお、必要に応じて両
端面に反射率を制御するためのコーティングを施すよう
にしてもよい。

【００２５】このようにして作製される半導体レーザ１
は、ｐ型クラッド層１８およびｐ側コンタクト層１９が
リッジ形状である上に、その両脇に埋め込み層２０が設
けられたものとなる。よって、このリッジ部分において
ｐ側電極２２から活性層１６に向かって流れる駆動電流
が狭窄される。また、埋込み層２０を、ｐ型クラッド層
１８よりもＡｌ量が多いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦
１）とする場合には、リッジ部分に比べてその屈折率が
低下するために、屈折率導波型のレーザとすることがで
きる。更に、このとき、Ｓｉ等の不純物を添加して埋込
み層２０をｎ型とすれば、より強く電流狭窄を行うこと
ができる。

【００２６】なお、ここでは、ｐ側電極２２をｐ側コン
タクト層１９の上だけでなく埋込み層２０にまで張り出
すようにして表面積が大きなものにしたので、半導体レ
ーザ１の熱放散性が向上する。

【００２７】本実施の形態によれば、埋込み層２０をキ
ャリアガスに窒素を用いる気相成長によって形成するよ
うにしたので、その形成過程において、先に形成された
ｐ型層１７〜１９を再活性化することができる。よっ
て、従来ｐ型層の活性化に必要であった熱処理工程が不
要となる。同時に、埋込み層２０の横方向成長の速度が
向上するため、その成長中に活性層１６の結晶性が熱的
に劣化する虞がなくなる。

【００２８】また、ここでは、各半導体層１２〜１９
は、水素をキャリアガスに用いて成長させ、埋込み層２
０のみが窒素をキャリアガスとして成長するようにした
ので、半導体層１２〜１９は、その形成時の水素の存在
によりクラックが生じる虞が残るものの結晶性が良好な
ものとなる。ちなみに、これらを窒素雰囲気中で成長さ
せると、良好な表面状態や結晶性が得られない。一方、
埋込み層２０は、横方向成長によって結晶性が改善され
ると共に、クラック等による損傷のない結晶層となる
（実施例２を参照）。

【００２９】

【実施例】更に、具体的な実施例を挙げて本発明を説明
する。

【００３０】（実施例１）図４に示したように、サファ
イア基板１１１の上に、厚さ２μｍのｕｎｄｏｐｅ−Ｇ
ａＮ層１１２、厚さ０．７μｍのＭｇ添加ＧａＮ層１１
３、および、厚さ０．１μｍのＳｉ添加ＡｌＮ層１１４
を順に形成した。このとき、ｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮ層１
１２とＭｇ添加ＧａＮ層１１３は、成長温度１０００
℃、水素をキャリアガスとして成長させ、Ｓｉ添加Ａｌ
Ｎ層１１４については、成長温度７７０℃、窒素をキャ
リアガスとして成長させた。そののち、Ｓｉ添加ＡｌＮ
層１１４をエッチングし、Ｍｇ添加ＧａＮ層１１３のホ
ール定数の測定を行った。

【００３１】その結果、Ｍｇ添加ＧａＮ層１１３のキャ
リア濃度は、２．６×１０^１７ｃｍ^−３であった。これ
は、キャリアが充分に活性化していることを意味してい
る。通常では、Ｓｉ添加ＡｌＮ層１１４も水素ガス雰囲
気中で成長され、その場合のＭｇ添加ＧａＮ層１１３の
キャリア濃度はこのように高くはない。従って、Ｓｉ添
加ＡｌＮ層１１４を窒素ガス雰囲気中で成長する際にＭ
ｇ添加ＧａＮ層１１３の層内から水素が離脱したため
に、そのキャリアが活性化したものと考えられる。

【００３２】（実施例２）上記実施の形態と同様の構成
の半導体レーザを、同様の方法で作製した。また、その
比較例として、同様の構造のレーザを埋込み層２０を水
素雰囲気中で形成するものとして作製し、８７５℃，１
０分間の熱処理を行った。

【００３３】実施例２のレーザの埋込み層２０の顕微鏡
写真（倍率；２００倍）を図５に、比較例のレーザの埋
込み層２０の顕微鏡写真（倍率；５００倍）を図６に示
す。なお、図５，図６中の縦線はＥＬＯのパターンであ
る。このように、水素雰囲気中で成長させた埋込み層２
０には斜めに走るクラックが生じているが、窒素雰囲気
中で成長させた埋込み層２０にはクラック等の損傷が全
くみられない。従って、窒素雰囲気下で結晶成長を行え
ば、結晶層の損傷を防止できることがわかる。

【００３４】以上、実施の形態および実施例を挙げて本
発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態や実施
例に限定されるものではなく、種々の変形が可能であ
る。例えば、上記実施の形態では基板１１としてサファ
イア基板を用いているが、基板はどのようなものであっ
てもよく、例えばＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、
ＧａＡｓ基板などに対しても本発明を適用することがで
きる。

【００３５】また、上記実施の形態で述べた半導体レー
ザ１は、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる半導体レ
ーザ素子の一例であって、本発明はこれ以外の埋込み型
のレーザ構造に対しても広く適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法によれば、埋
込み層を、キャリアガスとして不活性ガスまたは窒素
（Ｎ_２）を用いて成長させて形成するようにしたので、
横方向の成長速度の向上により短時間で埋込み層を形成
し、横方向成長時の活性層劣化が防止される。これによ
り、長寿命の半導体レーザ素子を生産性よく製造するこ
とができる。また、埋込み層の成長中にｐ型層が活性化
されるので、ｐ型層の再活性化のために従来必要とされ
ていた熱処理工程が不要となり、工程を簡略化すること
ができる。同時に、埋込み層以外の半導体層の成長には
不活性ガスまたは窒素ガスをキャリアガスに用いないの
で、半導体層の表面荒れや結晶性の劣化などが少ない埋
め込み型の半導体レーザとすることができる。従って、
駆動電流・電圧が低く、長寿命で横モード安定性の高い
半導体レーザを簡易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ１の
構成を表す断面図である。

【図２】半導体レーザ１の製造工程を説明するための断
面図である。

【図３】図２の工程に続く工程毎の断面図である。

【図４】本発明の実施例１で作製された構造体の構成を
表す図である。

【図５】実施例２における埋込み層２０の顕微鏡写真で
ある。

【図６】比較例における埋込み層２０の顕微鏡写真であ
る。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、１１…基板、１２…バッファ層、１
３…ｎ側コンタクト層、１４…ｎ型クラッド層、１５…
ｎ側光ガイド層、１６…活性層、１７…ｐ側光ガイド
層、１８…ｐ型クラッド層、１９…ｐ側コンタクト層、
２０…埋込み層、２１…絶縁層、２２…ｐ側電極、２３
…ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB32 AC01 AC08 AC09 AC12 AC15 AC16 AC19 AD11 AD14 AF09 BB16 CA12 DA53 DA55 DA64 DB05 GB12 HA13 5F073 AA13 AA45 AA74 AA76 AA77 BA06 CA07 CB05 CB14 DA05 DA32 EA07 EA23 EA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型半導体層およびｐ型半導体層からな
る積層体の少なくとも一部に埋込み層が設けられている
半導体レーザ素子の製造方法において、前記埋込み層を、キャリアガスに不活性ガスまたは窒素
（Ｎ_２）を用いて成長させて形成することを特徴とする
半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】前記ｐ型半導体層をキャリアガスに水素
（Ｈ_２）を用いて成長させて形成することを特徴とする
請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】前記埋込み層をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦
ｘ≦１）により形成することを特徴とする請求項１に記
載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】前記埋込み層を、これに隣接する前記ｐ型
半導体層よりも多くのアルミニウム（Ａｌ）を含有させ
て形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体レ
ーザ素子の製造方法。