JP2005019934A - 半導体レーザー素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、リッジ構造による電流遮断層の不良な表面状態を改善することにより第2導電型キャップ層の結晶性及び表面状態を向上させ、電極接合不良を最少化する。
【解決手段】本発明は半導体レーザー素子の製造方法に関するもので、第1導電型半導体基板上に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、前記第2導電型クラッド層を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する段階と、前記リッジ構造周囲に電流遮断層を形成する段階−こうして前記電流遮断層の上面は隆起部を形成し、その一部領域には非晶質及び/または多結晶層が形成される−と、前記電流遮断層から少なくとも非晶質及び/または多結晶層が除去され前記隆起部の大きさが減少するよう前記電流遮断層の上面を湿式エッチングする段階と、前記電流遮断層の上面に第2導電型コンタクト層を形成する段階とを含む半導体レーザー素子の製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザー素子の製造方法に関するもので、より詳しくは電流遮断層上部の隆起部とその表面一部に形成された非晶質または多結晶層により後続工程において惹起され兼ねない諸形態の不良を予防できる半導体レーザー素子の製造方法に関するものである。
最近、半導体レーザーダイオードはCDやDVDなど光ディスクシステムの光ピックアップ装置用光源ばかりでなく、光通信、多重通信、宇宙通信など様々な分野で幅広く用いられている。このように多様な分野で脚光を浴びている理由は、半導体レーザーダイオードから発振されるレーザー光が狭周波数幅(短波長特性)と高指向性を有し、高出力が保証されるからである。
一般に、半導体レーザー素子は電流注入効率を向上させるべく選択的埋め込みリッジ(Selectively Buried Ridge: SBR)構造を有するp型クラッド層を用いる。図４及び図５は従来の半導体レーザーダイオード構造を例示する。
図４に示したように、前記半導体レーザー素子(20)は、下面に第1電極(21)が形成された基板(11)上に第1導電型クラッド層(12)、多重量子井戸構造(Multi-Quantum Well)を有する活性層(13)、リッジ構造が形成された第2導電型クラッド層(14)、リッジ上面に形成されたキャップ層(15)を含む。
さらに、リッジ周囲の第2導電型クラッド層(20)上面には第1導電型物質から成る電流遮断層(Current Blocking Layer：18)が形成され、前記キャップ層(15)と前記電流遮断層(18)上にはコンタクト層(19)と第2電極(22)が順次に形成される。こうした結晶構造中一部層(例えば、基板(11)と第1導電型クラッド層(12))間には格子整合のため適切なバッファ層(図示せず)をさらに形成することができる。
具体的には、DVD再生などに主に使われる650ｎｍ波長のレーザー光を発振する半導体レーザー素子の場合、基板(11)にはn型GaAs基板が使用され、第1導電型クラッド層(12)及び第2導電型クラッド層(14)は夫々n型AlGaInP層とp型AlGaInP層に形成される。また、前記活性層(13)は発振波長650ｎｍの多重量子井戸構造を有するよう形成され、キャップ層(15)はp型GaAs層に形成される。
前記キャップ層(15)の電流注入領域にSiO2のような物質のマスク(図示せず)を形成した後、キャップ層(15)と第2導電型クラッド層(14)に対して湿式エッチング工程を施し図４のようなリッジ構造を形成することができる。こうした湿式エッチング工程において活性層(13)が損傷されるのを防止すべく第2導電型クラッド層(14)の所定の深さにエッチング停止層(図示せず)をさらに具備することができる。
次いで、マスクを除去してから、電流遮断層(18)に第2導電型クラッド層(14)と異なる導電型不純物からドープされたn型GaAs層を形成し、p型GaAsコンタクト層(19)と第2電極(22)を順次に形成して図４のような半導体レーザー素子を完成することができる。
しかし、電流遮断層の形成工程において、電流遮断層(18)は第2導電型クラッド層のリッジ側壁に沿って形成されるので、その上面はその全体面に沿って所定の傾斜を有する隆起部(A)に形成される。とりわけ、前記電流遮断層(18)の隆起部(A)はほぼ全面積にわたって形成されその大きさが大きいばかりでなく、誘電体マスク上と誘電体マスク及び電流遮断層(18)の界面に非結晶質または多結晶層が発生することになる。
従って、前記電流遮断層(18)の隆起部(A)とその一部領域に形成された非結晶質または多結晶層により、その上部に形成されるp型GaAsコンタクト層(19)の結晶成長に望まぬ影響を受けかねない。その影響により、P型GaAsコンタクト層(19)の上部にV字形溝(B)が形成される。
図５は従来の方法から製造した半導体レーザー素子の断面を撮影した写真である。図５のように、電流遮断層上の一部領域に形成された非結晶質または多結晶層と隆起部(A)はp型GaAsコンタクト層の不良表面状態(B)を生じさせ、その上面に形成された電極も屈曲した形状となり、接合不良になるか深刻な場合は切断されたりもする。
このように、電流遮断層の表面状態とその上面に形成された非結晶質または多結晶層により形成されるV字形溝(B)は後続加工工程において深刻な不良を惹起しかねない。例えば、オーミックコンタクトのための電極形成工程において金属物質が表面全体に形成されず所望の電極を形成できないこともあり、チップ劈開 (chip cleaving)工程においてチップ上面にクラックが生じる問題もある。
本発明は上述した従来技術の問題を解決するためのもので、その目的はリッジ構造により形成された電流遮断層の隆起部とその隆起部の一部領域に形成された非晶質及び/または多結晶層による問題を解決し、これによりコンタクト層の結晶性及び表面状態を向上できる半導体レーザー素子の製造方法を提供することにある。
前記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、第1導電型半導体基板上に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、前記第2導電型クラッド層を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する段階と、前記リッジ構造の周囲に電流遮断層を形成する段階−前記電流遮断層上面は隆起部を形成し、その一部領域には非晶質及び/または多結晶層が形成される−と、前記電流遮断層から少なくとも非晶質及び/または多結晶層が除去され前記隆起部が減少されるよう前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階と、前記電流遮断層上面に第2導電型コンタクト層を形成する段階とを含む半導体レーザー素子の製造方法を提供する。
前記湿式エッチング段階を施す際に非晶質及び/または多結晶層が除去され隆起部が減少される効果を一層向上させるため、前記第2導電型クラッド層の上面は{100}面、前記隆起部の傾斜面はほぼ{111}面であることが好ましい。
また、前記リッジ構造を形成する段階は、前記第2導電型クラッド層の上面一部にマスクを形成する段階と、前記マスクが形成された部分にリッジが形成されるよう前記第2導電型クラッド層をエッチングする段階とに具現することができる。この場合、前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階は前記マスクの除去後に前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階であることができる。
本発明の具体的な実施形態において、前記電流遮断層は第1導電型AlGaAs/GaAs物質から成ることができる。本実施形態において前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階はEG系エッチング液を用いて実施することが好ましい。
通常の半導体レーザー素子の製造方法は3次にわたった成長工程から成る。1次成長工程においては第1導電型クラッド層、活性層及び第2導電型クラッド層を順次に成長する工程を行う。1次成長工程後にリッジ構造を形成するため誘電体マスクを用いて第2導電型クラッド層の選択的エッチングを行う。次いで、2次成長工程として、第1導電型半導体物質に電流遮断層を形成する工程を行い、誘電体マスクの除去後に再び第2導電型コンタクト層を形成する3次成長工程を行う。
ここで、先に説明したように2次成長工程の際形成される電流遮断層の上面はリッジ構造の側面に沿って全体的に傾いた隆起部に形成され、その隆起部dの一部領域、即ちマスクとの界面には非晶質または多結晶層が形成されるので、前記隆起部は3次成長工程において形成される第2導電型コンタクト層の結晶成長に悪影響を及ぼすようになる。結局、こうした問題は後続工程において形成される電極接続の不良及びチップ劈開工程における素子破損を惹起する主な原因となる。
本発明はこうした問題を解決するために2次成長工程と3次成長工程の間に電流遮断層表面に対する湿式エッチング工程を導入する方案を提供する。本発明の湿式エッチング工程によると、後続結晶成長に悪影響を及ぼす非晶質及び多結晶層が除去されるだけでなく隆起部の大きさを減少させることにより良好な結晶性及び表面状態を有する第2導電型コンタクト層を形成することができる。
上述したように本発明によると、リッジ構造による電流遮断層の不良な表面に湿式エッチング工程をさらに施すことにより、電流遮断層上部の隆起部とその表面一部領域に形成された非結晶質または多結晶層に起因するオミック電極形成工程及び劈開工程時の不良の問題を画期的に改善することができる。
以下、添付の図面を参照しながら本発明をより詳しく説明する。
図１は本発明の半導体レーザー素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図１（ａ）のように第1導電型半導体基板(41)上に第1導電型クラッド層(42)、活性層(43)、及び第2導電型クラッド層(44)を順次に形成する。また、前記第2導電型クラッド層(44)上に本実施形態のようにさらなる第2導電型キャップ層(45)を形成することができる。
例えば、780ｎｍの発振波長を有する半導体レーザーを形成するために、前記第1導電型半導体基板(41)はn型GaAs基板とされることができ、前記第1導電型クラッド層(42)及び前記第2導電型クラッド層(44)は夫々n型AlGaAs層とp型AlGaAs層とに形成されることができる。また、前記活性層(43)は多重量子井戸構造(Multi-Quantum Well)を有するアンドープAlGaAs層に形成されることができ、前記キャップ層(45)はp型GaAs層に形成されることができる。
次いで、図１（ｂ）のように前記第2導電型クラッド層(44)とキャップ層(45)を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する。図１（ｂ）に示したリッジ構造はSiO2またはSiNのような誘電体物質から成るマスク(47)を前記キャップ層(45)のリッジ形成領域に配置し、エッチングを施して形成することができる。こうしたリッジ形成のためのエッチング工程において活性層(43)を保護すべく図１（ａ）の工程においてエッチング停止層(図示せず)を第2導電型クラッド層(44)の所定の位置に形成することができる。
次に、図１（ｃ）のように前記リッジ構造周囲の前記第2導電型クラッド層(44)の上面に電流遮断層(47)を形成する。前記電流遮断層(47)は第1導電型半導体物質として、n型AlGaAs/GaAs物質から形成されることができ、この他にもGaAs、AlGaAs、AlInP物質を単独または組み合せて形成されることができる。ここで、前記電流遮断層(47)はリッジ構造の側壁に沿って形成されるのでリッジと隣接した部分が突出した隆起部(A)を形成する。
しかし、前記リッジ形状と誘電体マスクの影響によりその隆起部(A)の一部領域(とりわけ、マスクとの界面付近)には非晶質及び/または多結晶層が発生する。こうした隆起部、とりわけ非晶質及び/または多結晶層の形成された部分はその上に成長される第2導電型コンタクト層の特性に悪影響を及ぼしかねない。従って、電流遮断層の形成工程に次いで前記非晶質または多結晶層が形成された隆起部を除去するための工程が必要となる。
図１（ｄ）には湿式エッチング工程により非晶質及び/または多結晶層が除去され前記隆起部が減少された前記電流遮断層(48')を示してある。このように電流遮断層(48)上面に湿式エッチング工程を施すことによりエッチング実施前の状態(点線で表示)に比して優れた表面状態と結晶性を有する第2導電型コンタクト層を形成するための表面条件を成す。こうしたエッチング工程に使用され得るエッチング液としては、AlGaAs/GaAs系半導体物質の場合にはEG系(H2SO4 : H2O2 : エチレングリコール)エッチング液が挙げられる。
しかし、本発明に使用可能なエッチング液はこれに限られず、AlGaAs/GaAs半導体物質を酸化した後、これを食刻できるメカニズムで作用する公知のエッチング液も本発明に適切に用いられる。
このように、本エッチング工程において電流遮断層から非結晶質及び多結晶層が除去される同時に、隆起部(A)が減少されるので、残留遮断層の平坦な表面が得られる。こうしたエッチング効果は電流遮断層(48)の結晶方向の影響が大きいものと理解できる。即ち、電流遮断層を形成するAlGaAs/GaAsのような半導体結晶は一般に{100}面に比して{111}面でのエッチング速度が大きい為と考えられる。
従って、本エッチング効果を極大化すべく電流遮断層をその上面が{100}面になり傾斜面がほぼ{111}面を有するよう成長させることが好ましい。こうして、本発明の電流遮断層(48)エッチングにより、{111}面に近い傾斜部分はより速くエッチングされ、{100}面の平坦な上面は遅い速度でエッチングされ、隆起部の大きさは減少し、前記電流遮断層(48)上面が比較的平坦化する効果を極大化できるようになる。
図１（ｅ）のように、前記表面状態が改善された電流遮断層(48')の上面に第2導電型コンタクト層を形成する。前記第2導電型コンタクト層(49)はp型GaAs物質から形成されることができる。
前記第2導電型コンタクト層(49)は優れた結晶性を有し比較的平坦になった電流遮断層上に形成されるので、従来の方法より一層優れた結晶と表面状態を有することができる。図１（ｄ）のエッチング工程において非晶質及び多結晶層が除去されるので、第2導電型コンタクト層(49)の結晶性が向上されるばかりでなく、残留遮断層(48)の不良な結晶性と隆起した形状により第2導電型コンタクト層(49)の表面にV字形溝が発生する現象を効果的に防止することができる。
図１（ａ）及び図１（ｅ）に例示した製造工程は好ましき実施形態を図示し説明したものに過ぎない。従って、当業者であれば、本発明の技術的思想内で一部段階を変更し実施することができるであろう。例えば、図１（ｄ）においては誘電体マスク(47)を除去しない状態で電流遮断層(48)に対する湿式エッチング工程を施すものとして説明したが、これと異なり電流遮断層に対する湿式エッチング工程を誘電体マスクの除去後に実施することもできる。
このように、第2導電型コンタクト層はV字形溝の無い比較的平坦な表面を有することができるので、後続工程においてその上面に電極を形成する場合、不良な接合が発生する問題を解決することができる。また、チップ劈開(chip cleaving)工程において素子上面に発生され得るクラックを最少化できる。
図２は本発明の方法により製造した半導体レーザー素子の構造を示した斜視図である。
図２によると、前記半導体レーザー素子(70)は、下面に第1電極(71)が形成された基板(61)上に第1導電型クラッド層(62)、多重量子井戸構造(MQW)を有する活性層(63)、リッジ構造が形成された第2導電型クラッド層(64)、リッジ上面に形成されたキャップ層(65)を含む。また、リッジ周囲の第2導電型クラッド層(64)上面には第1導電型物質から成る電流遮断層(68)が形成され、前記キャップ層(65)と前記電流遮断層(68)上には第2導電型コンタクト層(69)と第2電極(72)が順次に形成される。
本発明の方法により製造した半導体レーザー素子(70)は前記第2導電型キャップ層(65)と第2導電型クラッド層(64)のリッジ構造の側面に沿って形成された電流遮断層(68)の上面に湿式エッチングを施すことによりその上面を比較的平坦に具現するばかりでなく、望まぬ非晶質及び多結晶層を除去することができる。
従って、電流遮断層(68)の上面に形成された第2導電型コンタクト層(69)も結晶性が向上し、ひいては平坦な表面状態を有することができる。即ち、図４に例示した従来の方法による半導体レーザー素子における第2導電型コンタクト層(19)のように上面にV字形溝などの表面状態欠陥が存在しないので、その上に形成される電極も第2導電型コンタクト層(69)により強固に接合することができ、部分的に断絶してしまう問題を解決できる。
図３は本発明の方法により実際製造した半導体レーザー素子の断面を撮影した写真である。図３のように、本発明による半導体レーザー素子は、電流遮断層を形成した2次成長工程後、電流遮断層表面に対する湿式エッチング工程から比較的平坦な電極形成面を得ることができる。リッジ部周囲に小さな隆起部が残留するが、図５と比較すると、その大きさが大幅に減少したばかりでなく、その隆起部を除いた全体の平面が平坦になることがわかる。
さらに、電流遮断層に対するエッチング工程を施す前に隆起部より小さい大きさに減少する過程において、その表面に存在していた非晶質または多結晶層が除去されるので、第2導電型コンタクト層の結晶性になりながら、その上に形成される電極も良好な状態で形成されることが確認できた。
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定されるもので、請求範囲に記載の本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明であろう。
本発明による半導体レーザー素子の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の方法により製造した半導体レーザー素子の構造を示した斜視図である。 本発明の方法により製造した半導体レーザー素子の断面を撮影した写真である。 従来の半導体レーザー素子の構造を示した斜視図である。 従来の半導体レーザー素子の断面を撮影した写真である。
符号の説明
41 第1導電型基板
42 第1導電型クラッド層
43 MQW活性層
44 第2導電型クラッド層
45 第2導電型キャップ層
47 誘電体マスク
48 第1導電型電流遮断層
49 第2導電型コンタクト層

Claims (6)

  1. 第1導電型半導体基板上に第1導電型クラッド層、活性層、及び第2導電型クラッド層を順次に形成する段階と、
    前記第2導電型クラッド層を選択的にエッチングしてリッジ構造を形成する段階と、
    前記リッジ構造周囲に電流遮断層を形成する段階−前記電流遮断層上面は隆起部を形成し、その一部領域には非晶質及び/または多結晶層が形成され、前記電流遮断層から少なくとも非晶質及び/または多結晶層が除去され前記隆起部の大きさが減少するよう前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階と、
    前記電流遮断層上面に第2導電型コンタクト層を形成する段階と、
    を含む半導体レーザー素子の製造方法。
  2. 前記第2導電型クラッド層の上面は{100}面で、前記隆起部の傾斜面はほぼ{111}面であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
  3. 前記リッジ構造を形成する段階は、
    前記第2導電型クラッド層の上面一部にマスクを形成する段階と、
    前記マスクが形成された部分にリッジが形成されるよう前記第2導電型クラッド層をエッチングする段階と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
  4. 前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階は、
    前記マスクを除去した後に前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階であることを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
  5. 前記電流遮断層は第1導電型AlGaAs/GaAs物質から成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
  6. 前記電流遮断層上面を湿式エッチングする段階は、EG系エッチング液を用いてエッチングする段階であることを特徴とする請求項5に記載の半導体レーザー素子の製造方法。
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