JP2001237499A

JP2001237499A - 半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP2001237499A
Application number: JP2000050510A
Authority: JP
Inventors: Tomokimi Hino; 智公日野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】安定に水平横モードの制御を行うことが可能
な半導体発光素子を簡易な工程により作製できる半導体
発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】活性層１４上にｐ型クラッド層１５およ
びｐ側コンタクト層１６を順次形成し、このｐ型クラッ
ド層１５、ｐ側コンタクト層１６に、その屈折率を減少
させる材料を選択的にイオン注入することにより低屈折
率領域１７を形成する。また、イオン注入のマスクとし
てｐ側電極１８を用いて、工程を更に簡略化することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体より
なる半導体層を有する半導体発光素子の製造方法に係
り、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる
半導体層を有する半導体発光素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ディスクの高密度化に必要であ
る青色領域から紫外線領域に及ぶ発光が可能なレーザと
して、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａ
ＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い
たレーザの研究開発が盛んに行われている。窒化物系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系やＡｌ
ＧａＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比べてバン
ドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移の半導体材料で
あるという特徴を有している。よって、これらの窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、紫外線から緑色にあた
る短波長の光を発する半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diod
e ）等の半導体発光素子を構成する材料として注目され
ており、高密度光ディスクへの応用が考えられている。
特に、書き込み型光ディスクの実現には、半導体レーザ
の出力は２０ｍＷ以上の高出力が要求されており、窒化
物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、高出力の高周波電子
デバイスを構成する材料としても期待されている。

【０００３】これらを用いて作製される半導体レーザに
おいて、単一モード化、つまり、水平横モードの制御は
極めて重要な課題である。通常、横モードの閉じ込めを
目的として利得導波型ストライプ構造が利用される。こ
れは、リッジ状のストライプが形成された構造であり、
リッジ側面を絶縁膜で保護してｐ側電極がリッジ上面の
ｐ型コンタクト層部分にのみ接するようになったもので
ある。こうして、構造的に電流の広がりを制御すること
で、半導体層の接合面に対して平行な方向に分布する水
平横モードが制御される。

【０００４】しかし、利得導波型の半導体レーザでは、
光出力の増大に従って多モード発振が起こることからわ
かるように、水平横モードが十分に制御されてはいなか
った。そこで、さらに水平横モードを制御する方法とし
て、ストライプ幅を狭くするあるいは、半導体層の厚み
方向に活性層に対する屈折率差をつけることが考えられ
ている。

【０００５】ストライプ幅を狭くする方法では、プロセ
ス上の困難を伴うだけでなく、この部分の電圧が高くな
る。比較的出力の大きな窒化物ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体レーザでは、通常４〜５Ｖ、高出力のものでは６Ｖの
すでに高い動作電圧を持っており、これ以上に電圧が上
昇すれば、良好なオーミックコンタクトが得られずに素
子の信頼性を低下させることになる。

【０００６】活性層の幅方向に積極的に屈折率差をつけ
る方法としては、従来では、ストライプを残してこれ以
外の領域をＲＩＥ(reactive ion etching)や、ケミカル
エッチングにより活性層近傍までエッチングし、そのエ
ッチングされた領域に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を蒸着
する方法が採られていた。図１０は、この方法により得
られるストライプ構造を表すものである。図の下から順
に、ｎ型クラッド層１、ｎ型光ガイド層２、活性層３、
ｐ型光ガイド層４が積層している。ｐ型光ガイド層４の
上には、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６が
リッジ形状に形成され、このリッジの底部にＳｉＯ₂膜
８が形成されている。さらに、これらの上面をｐ側電極
７が覆っている。ところが、この構造では、ｐ側電極７
に用いられる金属とＳｉＯ₂膜８とは密着性が低いこと
や、素子表面の平坦性が低いことが原因で、電極の剥離
や電極切れが発生していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者は、先
に、前述のエッチングされた領域にＭＯＣＶＤ（MetalO
rganic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気
相成長）法により高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを無選択再成
長させた後、セルフアラインによる電極部分の平坦化を
施すことにより、これらの問題を解決する方法を提案し
た（特願平１１−１１６８０５）。

【０００８】また、熱伝導性の低い二酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ₂）で覆われた従来の半導体レーザでは、活性層で発
生した熱を外部に充分に放散できずに活性層の劣化が起
きていたが、この方法によれば、素子の熱放散性も改善
される。

【０００９】しかし、この方法では、従来の手法から更
に工程数が増し、しかもＭＯＣＶＤ法によるＡｌＧａＮ
再成長にはかなりの時間を要するという問題があった。
また、エッチング工程においてＲＩＥを用いたプロセス
は、ケミカルエッチングのようにエッチング深さ（残す
厚み）を制御できないために、作製上、再現性に問題が
あった。ことに、窒化物ＩＩＩ−Ｖ族化合物において
は、ケミカルエッチングが困難であるという理由でＲＩ
Ｅが用いられているので、これは重要な問題である。

【００１０】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、安定に水平横モードの制御を行うこ
とが可能な半導体発光素子を簡易な工程により作製する
ことができる半導体発光素子の製造方法を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子の製造方法は、活性層上にクラッド層となる第１の
半導体層およびコンタクト層となる第２の半導体層を順
次形成する工程と、この第１の半導体層および第２の半
導体層に、その屈折率を減少させる材料を選択的にイオ
ン注入することにより低屈折率領域を形成する工程とを
含むようにしたものであり、イオン注入のマスクとして
電極を用いることが可能である。

【００１２】なお、本発明による半導体発光素子の製造
方法は、第１の半導体層および第２の半導体層として窒
化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた場合に、効果
的に作用するものである。

【００１３】本発明による半導体発光素子の製造方法で
は、活性層上にクラッド層となる第１の半導体層および
コンタクト層となる第２の半導体層が順次形成され、こ
の第１および第２の半導体層に対し、その屈折率を減少
させる材料が選択的にイオン注入され、この部分に低屈
折率領域が形成される。

【００１４】

【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。

【００１５】図１ないし図７は、本発明の一実施の形態
に係る半導体発光素子の製造方法として、利得導波型の
ＧａＮ系半導体レーザの製造方法の各工程を表したもの
である。

【００１６】本実施の形態では、まず、図１に示したよ
うに、例えばサファイアよりなる基板１０を用意し、基
板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体よりなるバッファ層１１を成長さ
せた後、このバッファ層１１を核として、ｎ側コンタク
ト層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラ
ッド層１５およびｐ側コンタクト層１６（以下、ｐ型ク
ラッド層１５、ｐ側コンタクト層１６をまとめてｐ型層
ともいう。）を順次成長させる。ここで、ｐ型クラッド
層１５が本発明の「第１の半導体層」の一具体例に対応
しており、ｐ側コンタクト層１６が本発明の「第２の半
導体層」の一具体例に対応している。

【００１７】具体的には、例えばＧａＮよりなるバッフ
ァ層１１を３０ｎｍ成長させたのち、例えば、ｎ型不純
物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮよりなる
ｎ側コンタクト層１２（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１３（厚さ１．０μｍ）、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１４（厚さ４０ｎｍ）、ｐ型不純物としてマ
グネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＡｌＧａＮよりなる
ｐ型クラッド層１５（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１６（厚さ０．１μｍ）を順次成長させる。

【００１８】その際、例えば、アルミニウム（Ａｌ）の
原料ガスとしてはトリメチルアルミニウムガス（（ＣＨ
₃）₃Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の原料ガスとしてはト
リメチルガリウムガス（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）またはトリ
エチルガリウムガス（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ）、インジウ
ム（Ｉｎ）の原料ガスとしてはトリメチルインジウムガ
ス（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）、窒素（Ｎ）の原料ガスとして
はアンモニアガス（ＮＨ₃）、ケイ素の原料ガスとして
はモノシランガス（ＳｉＨ₄）、マグネシウムの原料ガ
スとしてはビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシ
ウムガス（ＭｅＣｐ₂Ｍｇ）またはビス＝シクロペンタ
ジエニルマグネシウムガス（Ｃｐ₂Ｍｇ）をそれぞれ用
いる。

【００１９】次に、ｐ側コンタクト層１６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により、ｐ側コンタクト層１
６の全面にＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次形成
する。この後、レジストパターンをその上のＴｉ膜、Ａ
ｌ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜と共に除去する（リフトオフ）。
これにより、図２に示したように、ｐ側コンタクト層１
６上の所定位置にｐ側電極１８が形成される。

【００２０】次に、図３に示したように、このｐ側電極
１８をマスクとして、ｐ型層１５，１６に屈折率を低下
させるためのイオン注入を選択的に行う。例えば、アル
ミニウム（Ａｌ）を注入する場合には、イオン源をアル
ミニウム（Ａｌ）、打ち込みエネルギーを５００Ｋｅ
Ｖ，注入量を１×１０¹⁸ｃｍ^-2として注入する。ここで
は、活性層１４近傍のＡｌ濃度が高くなるように、Ａｌ
がなるべく深く注入されることが望ましい。こうして、
図４に示したように、ｐ型層１５，１６内にＡｌが高濃
度となって屈折率が低下した低屈折率領域１７が形成さ
れる。

【００２１】次に、図５に示したように、所定形状の二
酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜２２を、例えばＣＶＤ（Chem
ical Vapor Deposition ；化学気相成長) 法、真空蒸着
法、スパッタリング法などで形成する。

【００２２】次に、図６に示したように、このＳｉＯ₂
膜２２をマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｎ側コン
タクト層１２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１２の上層部、すなわち、ｎ型ク
ラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５および
ｐ側コンタクト層１６をメサ形状にパターニングする。
パターニングの後、ＳｉＯ₂膜２２をエッチング除去す
る。

【００２３】次に、図７に示したように、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側電極の場合と同様、真空蒸着法などによってＴ
ｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ膜を順次形成した後、レジ
ストパターンをその上のＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｐｔ膜、Ａｕ
膜と共に除去する（リフトオフ法）。こうして、ｎ側コ
ンタクト層１２上の所定位置にｎ側電極２０が形成され
る。

【００２４】次に、図８に示したように、ｐ側電極１８
およびその周囲のｐ側コンタクト層１６の上に、例え
ば、Ｔｉ膜およびＡｕ膜を選択的に順次蒸着してコンタ
クト用電極１９を形成する。また、同時に、ｎ側電極２
０およびその周囲のｎ側コンタクト層１２の上に、コン
タクト用電極２１を形成する。これらのコンタクト用電
極１９、２１は、ｐ側電極１８およびｎ側電極２０の密
着性をそれぞれ補強するものである。なお、コンタクト
用電極１９，２１は、完成された半導体レーザをパッケ
ージに実装する際の実装用電極（すなわち、ボンディン
グパットや、パッケージへのダイボンディング用電極）
としても利用することができる。

【００２５】最後に、基板１０をｐ側電極１８の長さ方
向（共振器長方向）と垂直に所定の幅で劈開し、その劈
開面を反射鏡として、利得導波型の半導体レーザを完成
させる。なお、必要に応じて、劈開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。

【００２６】図９は、このＧａＮ系半導体レーザにおけ
るアルミニウム（Ａｌ）の注入量に対するｐ側コンタク
ト層１６表面近傍（深さ０．５μｍ）のＡｌ量の測定結
果を示したものである。注入量に応じて、ｐ側コンタク
ト層１６内のＡｌ濃度が高くなっていることが分かる。

【００２７】ところで、アルミニウム（Ａｌ）が注入さ
れたｐ型層１５，１６（つまり低屈折率領域１７）で
は、半導体のバンドギャップが広がり、その結果、屈折
率が減少すると共に電気抵抗が増大する。よって、この
部分において電流は狭窄され、半導体レーザの動作時に
活性層１４の一部のみにキャリアを閉じ込める機能を兼
ね備えるようになっている。

【００２８】このようにして製造されたＧａＮ系半導体
レーザでは、コンタクト用電極１９，２１を介してｐ側
電極１８とｎ側電極２０との間に所定の電圧が印加され
ると、活性層１４に電流が注入される。なお、高抵抗で
ある低屈折率領域１７によって電流は狭窄される。これ
により、活性層１４では、電子−正孔再結合による発光
が起こり、図示しない反射鏡を介して外部に光が取り出
される。ここでは、活性層１４近傍に低屈折率領域１７
が設けられているので、活性層１４内において層に水平
方向に屈折率差が拡がり、水平横モードを制御すること
ができる。従って、半導体レーザは安定して単一モード
を発振する。

【００２９】このように本実施の形態では、ＧａＮ系半
導体レーザにおいて、活性層１４上にｐ型クラッド層１
５およびｐ型コンタクト層１６を順次形成して、これら
ｐ型層１５，１６に対し、その屈折率を減少させる材料
を選択的にイオン注入することにより低屈折率領域１７
を形成するようにしたので、活性層１４とｐ型層１５，
１６との屈折率差を大きくすることができる。従って、
このような簡易なプロセスにより安定に水平横モードの
制御を行うことができる。

【００３０】また、本実施の形態では、ｐ型層１５，１
６に対し、その屈折率を減少させると共に電気抵抗を高
くする材料を選択的にイオン注入するようにしたので、
低屈折率領域１７は電流狭窄領域としてのはたらきも併
せ持つ。よって、電流狭窄層を別に設けることなく、精
度よく作製することができる。

【００３１】さらに、本実施の形態では、ｐ側コンタク
ト層１６の平坦面に予めｐ側電極を形成すると共に、ｐ
側コンタクト層１６の上部にｐ側電極との密着性が低い
二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層を設けずに済むようにした
ので、密着性の良好なｐ側電極を作製することができ
る。

【００３２】またさらに、本実施の形態では、従来のよ
うにｐ側コンタクト層１６の上部に熱伝導性の低い二酸
化ケイ素（ＳｉＯ₂）層を設けずに済むので、熱放散性
のよい半導体レーザを作製することができる。

【００３３】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では
サファイア基板を用いているが、基板はどのようなもの
を用いてもよく、必要に応じてＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、
ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板などを用いることができる。

【００３４】また、上記実施の形態ではＧａＮ系半導体
レーザに適用した場合について説明したが、本発明は、
他の化合物半導体により構成される半導体レーザの製造
に適用することもできる。しかしながら、ＧａＮ系半導
体レーザに対して適用すれば他の系の場合に比べて極め
て効果的である。本発明では、ＲＩＥ技術に変わってイ
オン注入を行うので、加速電圧の制御によって設計通り
の加工ができるようになり、ＧａＮ系半導体レーザをよ
り精度よく製造できると共に、素子のばらつきも減少す
る。加えて、イオン注入は半導体の結晶中に欠陥を生じ
る原因となる可能性があるが、ＧａＮ系半導体にはもと
もと多量の欠陥が存在するので、これが素子の特性劣化
を生む虞はない。

【００３５】さらに、上記実施の形態ではイオン注入す
る材料をアルミニウム（Ａｌ）とした場合について説明
したが、屈折率を低下させる材料であればよく、例えば
ボロン（Ｂ）などを用いることができる。ちなみに、Ｂ
を含んだ化合物は容易に結晶成長させることができな
い。ここでＢを使用して半導体レーザを製造できるの
は、本発明がイオン注入を導入したからに他ならない。
イオン注入される材料は、用いられる化合物半導体の種
類等によって適宜選択することができる。

【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６のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方
法によれば、活性層上にクラッド層となる第１の半導体
層およびコンタクト層となる第２の半導体層を順次形成
する工程と、この第１の半導体層および第２の半導体層
に、その屈折率を減少させる材料を選択的にイオン注入
することにより低屈折率領域を形成する工程とを含むよ
うにしたので、活性層とその上部との屈折率差を大きく
することができる。よって、簡易なプロセスにより安定
に水平横モードの制御を行うことができる。

【００３７】特に、請求項４ないし請求項６のいずれか
１項に記載の半導体発光素子の製造方法によれば、これ
ら第１の半導体層および第２の半導体層を窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体により形成するようにしたので、
活性層とその上部との屈折率差を大きくすることがで
き、しかも結晶欠陥が増加しても本来の素子特性を保つ
ことができる。よって、簡易なプロセスで水平横モード
の制御を行い、安定した良好な特性の素子を製造するこ
とができる。

【００３８】さらに、請求項２記載の半導体発光素子の
製造方法によれば、電極をマスクとしてイオン注入を行
うので、工程を簡略化することができると共に、電極の
密着性も向上する。従って、さらに簡易なプロセスによ
り信頼性の高い半導体発光素子を生産性よく製造するこ
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利得導波型半導体
レーザの一製造工程を説明するための断面図である。

【図２】図１に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図３】図２に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図４】図３に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図５】図４に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図６】図５に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図７】図６に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図８】図７に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図９】本発明の一実施の形態に係る利得導波型半導体
レーザにおけるｐ型層へのアルミニウム注入量とｐ型層
の表面近傍のアルミニウム量との関係を説明するための
図である。

【図１０】従来の導波型半導体レーザの構造を説明する
ための部分断面図である。

【符号の説明】

１０…基板、１１…バッファ層、１２…ｎ側コンタクト
層、１３…ｎ型クラッド層、１４…活性層、１５…ｐ型
クラッド層、１６…ｐ側コンタクト層、１７…低屈折率
領域、１８…ｐ側電極、２０…ｎ側電極、１９、２１…
コンタクト用電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層上に、クラッド層となる化合物半
導体を用いた第１の半導体層およびコンタクト層となる
化合物半導体を用いた第２の半導体層を順次形成する工
程と、前記第１の半導体層および第２の半導体層に、その屈折
率を減少させる材料を選択的にイオン注入することによ
り低屈折率領域を形成する工程とを含むことを特徴とす
る半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】前記コンタクト層上に電極を形成した
後、前記電極をマスクとして前記イオン注入を行うこと
を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方
法。
【請求項３】前記低屈折率領域を形成した後に熱処理
を行い、前記低屈折率領域の結晶性を向上させることを
特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】前記第１の半導体層および第２の半導体
層を、それぞれ窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によ
り形成することを特徴とする請求項１記載の半導体発光
素子の製造方法。
【請求項５】前記第１の半導体層および第２の半導体
層は、少なくともガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含
む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなることを特
徴とする請求項４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】前記第１の半導体層および第２の半導体
層に、その屈折率を減少させる材料としてアルミニウム
（Ａｌ）およびボロン（Ｂ）の少なくとも一方をイオン
注入して前記低屈折率領域を形成することを特徴とする
請求項４記載の半導体発光素子の製造方法。