JP4826019B2

JP4826019B2 - 半導体レーザ素子の製造方法

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Publication number: JP4826019B2
Application number: JP2001086436A
Authority: JP
Inventors: 竹春浅野; 悟喜嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002246693A

Description

【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；ＢｕｒｉｅｄＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）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（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ型半導体層を形成する工程と、キャリアガスに水素（Ｈ ₂ ）を用いてｐ型半導体層を形成する工程と、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を形成する工程と、を含み、埋込み層を、キャリアガスに不活性ガスまたは窒素（Ｎ₂）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１１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１９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５．０μｍ）、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−ｙＩｎ_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）_３Ａｌ）、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ＲＩＥ（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１１を再度ＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ｐ型クラッド層１８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２０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１７〜１９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２２を形成する。ここでは、ｐ側電極２２は、埋込み層２０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２０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−ＧａＮ層１１２、厚さ０．７μｍのＭｇ添加ＧａＮ層１１３、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１１２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ＡｌＮ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Ｍｇ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℃，１０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２０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、１３…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

Claims

ｎ型半導体層を形成する工程と、
キャリアガスに水素（Ｈ ₂ ）を用いてｐ型半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体層および前記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を形成する工程と、を含み、
前記埋込み層を、キャリアガスに不活性ガスまたは窒素（Ｎ₂）を用いて成長させて形成する
半導体レーザ素子の製造方法。
前記埋込み層をＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）により形成する
請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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
請求項２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。