JP2006147814A - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、共振器端面への不純物ドープに依らずに窓構造を設けることで、ＣＯＤレベルの向上を図る。
【解決手段】Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、半導体レーザの共振器端面２１を形成した後、その共振器端面２１を、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気またはＨ₂を含むラジカル雰囲気にさらし、その共振器端面２１の近傍からのＩｎ離脱を行って、これにより半導体レーザの活性層のバンドギャップＥｇを大きくする窓構造を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法に関する。

一般に、半導体レーザにおいては、共振器端面近傍でのＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage：光学損傷）レベルの向上という課題があることが知られている。ＣＯＤは、半導体レーザの光出力をある限界値以上に上げたときに瞬時に起きるもので、共振器の端面付近が破壊される共振器端面の劣化現象である。

ＣＯＤレベル向上という課題に対しては、その解決手法の一つとして、不純物ドープにより共振器端面に窓構造を設けることが提案されている。窓構造とは、共振器端面近傍の活性層のバンドギャップエネルギを大きくして、端面での光吸収を低減することで、共振器端面がＣＯＤ破壊を起こさないようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。

また、近年では、半導体レーザとして、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いたものが注目されている。例えば、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を用いたものであれば、混晶組成を制御することにより紫外から赤色にわたる直接遷移型のバンドギャップエネルギを持つ結晶が得られるため、このエネルギに相当する波長域、すなわち紫外光や青色光等を放出する発光素子を実現できるからである。このような窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザについては、共振器端面に対して不活性プラズマ処理による平坦化あるいは清浄化を行って、その端面付近の結晶の酸化を防止するための端面コーティングを良好に行い得るようにすることで、結果としてＣＯＤレベルの向上を図ることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−６８７８２号公報 特開２００２−３３５０５３号公報

ところで、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体に代表されるようなＩｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザは、そのＣＯＤレベルが５０ＭＷ／ｃｍ²を超え、ＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系等の最大３ＭＷ／ｃｍ²程度に比べて、一桁以上高い。そのため、窒化物系III-V族化合物半導体の半導体レーザについては、不活性プラズマ処理により端面コーティングを良好に行い得れば、窓構造を設けなくても１００ｍＷを超える高出力を実現することが可能である。

しかしながら、今後は、更なる高出力化や信頼性向上等を実現するために、共振器端面のＣＯＤレベルをより一層向上させることが必須になると考えられる。

ＣＯＤレベルの向上のためには、共振器端面に窓構造を設けることが有効である。ただし、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、不純物ドープにより窓構造を設けたのでは、必ずしもＣＯＤレベル向上が図れるとは限らない。例えば、ＧａＡｓ系レーザで一般的に採用されているＺｎ拡散をＧａＮ系半導体に用いる場合、Ｚｎ拡散により結晶中の欠陥が増大し、その後のアニール処理によっても十分欠陥が低減せず、ＣＯＤレベルがかえって低下する可能性がある。

そこで、本発明は、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいて、共振器端面への不純物ドープに依らずに窓構造を設けることで、より一層のＣＯＤレベルの向上を図り、更なる高出力化や信頼性向上等を実現可能とする半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために算出された半導体レーザの製造方法である。すなわち、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、前記半導体レーザの共振器端面を形成する形成工程と、前記共振器端面を形成した後、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気またはＨ₂を含むラジカル雰囲気に前記共振器端面をさらし、当該共振器端面近傍からのＩｎ離脱を行う暴露工程とを含むことを特徴とする。

上記手順の半導体レーザの製造方法では、先ず、形成工程で共振器端面を形成する。ここで、「共振器端面」とは、共振器としての機能を実現するために劈開された端面のことをいう。この共振器端面を形成した段階では、その共振器端面に対する端面コーティングは施されていないものとする。
そして、共振器端面を形成した後は、暴露工程で共振器端面をプラズマ雰囲気またはラジカル雰囲気にさらす。このとき、プラズマ雰囲気またはラジカル雰囲気はＨ₂を含んでいるため、共振器端面近傍では、Ｉｎの水素化物が形成されて、当該共振器端面近傍からＩｎが離脱する。
したがって、共振器端面近傍では、例えば半導体レーザの活性層において、Ｉｎ組成が低下してバンドギャップＥｇが大きくなる。つまり、上記各工程を経て製造された半導体レーザは、Ｉｎ離脱によって、バンドギャップＥｇを大きくする窓構造が形成されるのである。

以上のように、本発明に係る半導体レーザの製造方法によれば、共振器端面への不純物ドープに依らず、共振器端面近傍からのＩｎ離脱を行うことで、バンドギャップＥｇを大きくするようになっている。したがって、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体に代表されるようなＩｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいても、バンドギャップＥｇを大きくする窓構造によって、より一層のＣＯＤレベルの向上を図ることができ、更なる高出力化や信頼性向上等を実現することが可能となる。また、Ｉｎ離脱によってバンドギャップＥｇを大きくすることから、不純物ドープにより窓構造を設ける場合とは異なり、ＣＯＤレベル向上が確実に図れるようになる。

以下、図面に基づき本発明に係る半導体レーザの製造方法について説明する。

先ず、はじめに、半導体レーザの概略構成について説明する。
本実施形態で説明する半導体レーザは、光を出射する半導体結晶素子部を備えるとともに、その半導体結晶素子部における光の出射方向の前面側および後面側に共振器端面が形成されており、その共振器端面が光の共振器として機能するように構成されたものである。

半導体結晶素子部は、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いて形成されたものである。「窒化物系III-V族化合物半導体」とは、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種類のIII族元素と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓやＰを含むＶ族元素とからなるものをいう。このような、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体の具体例としては、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＩｎＮ等が挙げられる。これらの窒化物系III-V族化合物半導体は、バンドギャップが可視光領域に近い位置にあることから、主に発光デバイス材料として用いられることが多いのである。

共振器端面は、上述したような共振器としての機能を実現するために、半導体結晶素子部に劈開された端面である。なお、この共振器端面は、端面付近の結晶の酸化を防止するために、端面コーティングが施されている。端面コーティングを行う端面コート膜は、単層または多層の誘電体膜（誘電体多層膜）からなる。この場合、誘電体膜は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、ＺｎおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも一種の元素を含むか、あるいは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、ＺｎおよびＳｉからなる群より選ばれた少なくとも一種の同一の元素を含み、具体的には例えばＡｌ₂Ｏ₃からなるものが挙げられる。

続いて、以上のような構成の半導体レーザ、特にその半導体結晶素子部の積層構造について、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を用いた場合を例に挙げてさらに詳しく説明する。図１は、半導体レーザにおける半導体結晶素子部の積層構造の一例を示す説明図である。

ここで説明する半導体レーザ装置は、光を出射する半導体結晶素子部として、図例のような積層構造を備えている。すなわち、半導体結晶素子部は、ｃ面サファイヤ基板１上に、ＧａＮ第１バッファ層（低温成長）２、ＧａＮ第２バッファ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮガイド層６、ＡｌＧａＩｎＮ活性層（以下、単に「活性層」という）７、ｐ型ＧａＮガイド層８、ＡｌＧａＮ障壁層９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１が順に積層されてなり、さらにはｎ電極１２およびｐ電極１３を有している。そして、このような積層構造における光の出射方向の前後面側（図示した正面側および背面側）が劈開されて、その劈開面が共振器端面となっているのである。なお、この積層構造の詳細、特に各層の成長法や量子井戸の構造パラメータ等については、いずれも公知技術を利用した従来構造と略同様であるため、ここではその説明を省略する。また、ここで示した積層構造は、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）成長したＧａＮ層上に形成されたものであっても、あるいはＧａＮ基板上に形成されたものであっても構わない。

次に、以上のような構成の半導体レーザを製造するにあたっての特徴的な手順、すなわち本発明に係る半導体レーザの製造方法を説明する。なお、ここでは、特徴的な手順について説明し、公知技術による従来と同様の手順については、その説明を省略する。

半導体レーザの製造にあたっては、公知技術を利用して上述した半導体結晶素子部における積層構造を形成した後、その積層構造を劈開して共振器端面を形成する形成工程を行う。この形成工程における積層構造を劈開も、公知技術を利用して行えばよい。

共振器端面を形成した後は、続いて、その共振器端面を、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気またはＨ₂を含むラジカル雰囲気にさらし、その共振器端面近傍からＩｎを離脱させる暴露工程を行う。

図２は、暴露工程の概要を模式的に示す説明図である。
図例のように、暴露工程では、半導体結晶素子部を構成する積層構造に形成された共振器端面２１，２２のうち、光の出射方向の前面側、すなわち出射側となる共振器端面（以下「フロント側端面」という）２１が表面に並ぶように、一つの半導体レーザ単位に分割前の積層構造体（以下「ＬＤバー」という）２３を、専用の治具２４に並べてセットする。このとき、フロント側端面２１は、治具２４の表面側に並んで露出するようになっている。また、フロント側端面２１と反対側の共振器端面（以下「リア側端面」という）２２は、図中では治具２４の裏面側に並んで露出するようになっているが、このリア側端面２２については露出していなくともよい。

そして、ＬＤバー２３を治具２４にセットしたら、そのＬＤバー２３を治具２４ごと、処理装置における処理室２５内に入れ、その処理室２５内をＨ₂を含むプラズマ雰囲気にする。したがって、ここで用いる処理装置は、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気を実現するために、例えば共振器端面への端面コート膜（誘電体多層膜）の形成を行うための電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）プラズマを用いたスパッタ装置を利用する。ただし、ＥＣＲスパッタ装置の他にも、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気を実現できるものであればよく、例えばＲＦスパッタ装置、デジタルスパッタ装置、Ｐ−ＣＶＤ装置等を利用することが考えられる。さらに、処理室２５内では、必ずしもＨ₂を含むプラズマ雰囲気ではなく、Ｈ₂を含むラジカル雰囲気を実現するようにしてもよい。処理室２５内の雰囲気ガスとしては、Ｈ₂＋Ｎ₂、Ｈ₂＋Ａｒ、Ｈ₂＋Ｘｅ等、主にＨ₂と不活性ガスとの混合気体を用いる。

暴露工程における処理条件の具体例としては、例えばＥＣＲスパッタ装置を利用する場合であれば、処理温度；４００℃、処理圧力；５０Ｐａ、処理ガス；Ｎ₂（１００sccm），Ｈ₂（５sccm），Ｂ₂Ｈ₆（３sccm），１０ppm／Ｈ₂希釈、プラズママイクロ波の電力；５００Ｗ、暴露時間；１０秒というものが挙げられる。

このような暴露工程を行うと、少なくともフロント側端面２１がプラズマ雰囲気またはラジカル雰囲気にさらされることになるが、そのプラズマ雰囲気またはラジカル雰囲気はＨ₂を含んでいるため、ＬＤバー２３における活性層７の少なくともフロント側端面２１の近傍領域では、Ｉｎの水素化物が形成されて、その近傍領域からＩｎが離脱することになる。

したがって、少なくともフロント側端面２１の近傍領域では、活性層７におけるＩｎ組成が低下するので、その活性層７のバンドギャップＥｇが大きくなる。つまり、活性層７には、Ｉｎ離脱によって、バンドギャップＥｇを大きく窓構造が形成されるのである。

図３は、バンドギャップＥｇが大きくなるのを模式的に示す説明図である。
図例のように、暴露工程の処理後における活性層７のバンドギャップＥｇ（図中Ａ参照）は、処理前のものに比べて（図中Ｂ参照）、フロント側端面２１の近傍領域にて大きくなっている。
また、フロント側端面２１の近傍領域では、活性層７のバンドギャップＥｇが大きくなるのに伴い、ｐ型層（ｐ型ＧａＮガイド層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１等）の電気抵抗も、例えば３Ωｃｍ→１０００Ωｃｍを超える程度に、上昇している。

つまり、暴露工程では、活性層７への不純物ドープに依らず、活性層７からのＩｎ離脱によって、少なくともフロント側端面２１の近傍領域でバンドギャップＥｇを大きくする窓構造が形成されるのである。このとき、Ｉｎ離脱は、処理温度が高いほど促進されるため、処理室２５内の処理温度を例えば４００℃程度まで加熱することが望ましい。

また、暴露工程では、Ｈ₂と不活性ガスとの混合気体を用いるが、その混合気体にＢ₂Ｈ₆を微量混合し、Ｂ₂Ｈ₆・Ｈ₂・Ｎ₂プラズマまたはラジカル中でＩｎ離脱を行えば、活性層７の少なくともフロント側端面２１の近傍領域に、Ｉｎ離脱後の穴埋めにＩｎと同じIII族元素であるＢが、補充元素として添加されることになる。つまり、少なくともフロント側端面２１を、III族に属すＩｎ以外の元素である補充元素を含んだ不活性ガス雰囲気にさらすことで、暴露工程と並行して、その少なくともフロント側端面２１の近傍領域に、補充元素であるＢを添加する補充工程が行われるのである。

なお、この補充工程は、上述したように暴露工程と並行して行えば、処理効率の好ましいものとなるが、必ずしも暴露工程と並行して行う必要はなく、暴露工程が終了した後に行うようにしても構わない。暴露工程の後に行う場合であれば、暴露工程で用いるＨ₂と不活性ガスとの混合気体にＢ₂Ｈ₆を微量混合してＢを補充元素として添加するのではなく、Ｂをフロント側端面２１にイオン注入することも考えられる。また、補充工程で添加する補充元素は、Ｉｎと同じIII族元素であればよい。したがって、補充元素としては、上述したＢの他にも、例えばＡｌが挙げられる。Ａｌを補充元素とする場合であれば、ＡｌスパッタによってＡｌをフロント側端面２１に打ち込めばよい。

これら形成工程、暴露工程および補充工程といった一連の処理を行った後は、形成された共振器端面に対して、その端面付近の結晶の酸化を防止するために、例えばＡｌ₂Ｏ₃からなる端面コート膜の形成を行う。このとき、端面付近の結晶の酸化防止を確実なものとするためには、端面コート膜の形成を連続成膜、すなわちＬＤバー２３を処理室２５内から出さずに、共振器端面を大気にさらすことなく行うのが望ましい。この点、暴露工程を行う処理装置としてＥＣＲスパッタ装置を用いれば、端面コート膜を連続成膜によって形成することができるので、共振器端面付近の結晶の酸化を確実に防止する上で好適である。

以上のように、本実施形態で説明した半導体レーザの製造方法によれば、共振器端面への不純物ドープに依らず、共振器端面近傍からのＩｎ離脱を行うことで、活性層７のバンドギャップＥｇを大きくするようになっている。したがって、活性層７を備えた半導体レーザ、すなわちＡｌＧａＩｎＮ系半導体に代表されるようなＩｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザにおいても、バンドギャップＥｇが大きくなり、活性層７からの光に対して透明になり、光の吸収が低減されるので、その結果、熱の発生が抑制され、ＣＯＤレベルが向上し、さらに寿命も向上することになる。また、バンドギャップＥｇが大きくなるのに伴って、少なくともフロント側端面２１でｐ型層８，１０，１１…の抵抗が上昇することから、そのフロント側端面２１の近傍領域に流れる電流が抑制され、この効果によってもＣＯＤレベルが向上することになる。
つまり、バンドギャップＥｇを大きくする窓構造によって、より一層のＣＯＤレベルの向上を図ることができ、更なる高出力化や信頼性向上等を実現することが可能となるのである。

さらには、Ｉｎ離脱によってバンドギャップＥｇを大きくすることから、不純物ドープにより窓構造を設ける場合とは異なり、ＣＯＤレベル向上が確実に図れるようになる。すなわち、例えば水素ドーピングで共振器端面近傍を高抵抗にし電流非注入領域を形成する場合であっても、不純物ドープに依らないことから、その後のアニール処理によって水素ドーピングの効果がなくなるといったことが生じない。

また、本実施形態で説明した半導体レーザの製造方法によれば、暴露工程と並行して、または暴露工程の後に、補充工程を行うことで、共振器端面近傍に補充元素を添加するようになっている。したがって、Ｉｎ離脱によってバンドギャップＥｇを大きくする場合であっても、そのＩｎ離脱後の空隙を補充元素で補い、これにより点欠陥増大を抑制することができる。

なお、本実施形態では、本発明を、その好適な実施具体例により説明したが、本発明がこれに限定されないことは勿論である。特に、本実施形態では、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を用いた半導体レーザを例に挙げて説明したが、Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いたものであれば、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気またはＨ₂を含むラジカル雰囲気によるＩｎ離脱を行うことは可能である。
すなわち、半導体レーザの半導体結晶素子部における積層構造（その材料や構成等）は、本実施形態で説明した内容に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、活性層７がＩｎＧａＮである場合を例に挙げたが、活性層は多重量子井戸でもよく、その場合にはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのように構成された超格子ＭＱＷ（井戸層および障壁層がともにＩｎＧａＮ）であることが考えられる。さらに、本実施形態では、ガイド層６，８がＧａＮである場合を例に挙げたが、ＩｎＧａＮを用いてＩｎが含まれているものであってもよい。これらの場合についても、共振器端面をＨ₂を含むプラズマ雰囲気またはＨ₂を含むラジカル雰囲気に曝すことによって、それぞれの層からＩｎが離脱して、これらの層のバンドギャップが大きくなり、ＣＯＤレベルの向上を図ることができる。つまり、本発明は、活性層の井戸層のみにＩｎが存在する場合だけではなく、その他の層のＩｎ離脱にも適用が可能である。

半導体レーザにおける半導体結晶素子部の積層構造の一例を示す説明図である。 本発明に係る半導体レーザの製造方法における暴露工程の概要を模式的に示す説明図である。 本発明に係る製造方法によって製造された半導体レーザにおけるバンドギャップＥｇが大きくなるのを模式的に示す説明図である。

符号の説明

１…ｃ面サファイヤ基板、２…ＧａＮ第１バッファ層（低温成長）、３…ＧａＮ第２バッファ層、４…ｎ−ＧａＮコンタクト層、５…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、６…ｎ−ＧａＮ層、７…ＡｌＧａＩｎＮ活性層、８…ｐ−ＧａＮ層、９…ＡｌＧａＮ障壁層、１０…ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、１１…ｐ−ＧａＮコンタクト層、１２…ｎ電極、１３…ｐ電極、２１…フロント側端面、２２…リア側端面、２３…ＬＤバー、２４…治具、２５…処理室

Claims (5)

1. Ｉｎを含む窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造方法において、
   前記半導体レーザの共振器端面を形成する形成工程と、
   前記共振器端面を形成した後、Ｈ₂を含むプラズマ雰囲気またはＨ₂を含むラジカル雰囲気に前記共振器端面をさらし、当該共振器端面近傍からのＩｎ離脱を行う暴露工程と
   を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
2. 前記暴露工程と並行して、または前記暴露工程の後に、前記共振器端面の近傍に、III族に属すＩｎ以外の元素である補充元素を添加する補充工程を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの製造方法。
3. 前記暴露工程で用いるＨ₂と不活性ガスとの混合気体に前記補充元素を混合することで当該暴露工程と並行して前記補充工程を行うことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザの製造方法。
4. 前記暴露工程は、当該暴露工程を行う処理室内の処理温度を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの製造方法。
5. 前記暴露工程を経た後の前記共振器端面に対して当該共振器端面を大気にさらすことなく端面コート膜の形成を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの製造方法。
   

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