JP2006190797A

JP2006190797A - 半導体レーザの製造方法

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Publication number: JP2006190797A
Application number: JP2005001096A
Authority: JP
Inventors: Motonobu Takeya; 元伸竹谷
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: JP4734923B2

Abstract

【課題】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、共振器端面を保護する端面コート膜の劣化を抑制可能にすることで、半導体レーザの信頼性向上を図る。
【解決手段】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を形成する形成工程と、その共振器端面をコーティングする端面コート膜２３を成膜する成膜工程と、その端面コート膜２３にレーザ光を照射して当該端面コート膜２３に対するアニール処理を行うレーザアニール工程とを含み、アニール処理を行うことで端面コート膜２３の膜組成の溶融再結晶化を起こし、これによりその端面コート膜２３の膜組成の欠陥の低減を図る。
【選択図】図３

Description

本発明は、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。

近年、半導体レーザとして、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おいては、共振器端面を安定化させるために、その共振器端面上に当該共振器端面をコーティングして保護する端面コート膜を成膜することが一般的である。端面コート膜は、典型的には単層または多層の誘電体膜（誘電体多層膜）からなり、具体的にはＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等の誘電体膜を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３３５０５３号公報

ところで、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等の誘電体膜からなる端面コート膜は、蒸着またはスパッタリング等によって成膜するが、その膜組成が完全な結晶ではなく欠陥を含んでいることが多い。
しかしながら、膜組成に欠陥があると、半導体レーザとしてのレーザ光の出射を行った場合に、端面コート膜は、そのレーザ光に長時間曝されることによって劣化が生じるおそれがある。欠陥の部分でレーザ光を吸収して端面コート膜の変質が起こり得るからである。特に、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は、紫外光や青色光等といった短波長のレーザ光に対応しているため、欠陥部分での当該レーザ光の吸収による端面コート膜の劣化が生じる可能性が高い。

このような端面コート膜の劣化は、半導体レーザとしてのレーザ光の出射を行う場合に、その劣化した端面コート膜が当該レーザ光を吸収してしまい、共振器端面での光の損失を引き起こすため、閾値等といったレーザ特性の低下を招く要因となり得る。そのため、端面コート膜については、その劣化を極力抑制すべきである。

そこで、本発明は、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、共振器端面を保護する端面コート膜の劣化を抑制可能にすることで、当該半導体レーザにおけるレーザ特性の低下を防止して、その信頼性向上を図ることのでき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、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、前記共振器端面上に当該共振器端面をコーティングする端面コート膜を成膜する成膜工程と、前記端面コート膜にレーザ光を照射して当該端面コート膜に対するアニール処理を行うレーザアニール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。
共振器端面を形成した後は、続いて、成膜工程でその共振器端面上に端面コート膜を成膜する。「端面コート膜」は、共振器端面をコーティングして保護するためのものであり、少なくとも半導体レーザのレーザ光出射側の共振器端面に成膜されているものとする。
そして、端面コート膜を成膜した後は、レーザアニール工程でその端面コート膜に対するアニール処理を行う。ここで行う「アニール処理」は、端面コート膜に対して行う熱処理であり、レーザ光を照射して行うレーザアニールによるものである。このようなアニール処理を行うと、端面コート膜では、温度が上昇して高温状態となり、その膜組成の溶融再結晶化が起こる。
この溶融再結晶化によって、端面コート膜では、その膜組成が緻密化して、結晶内に存在していた欠陥が低減されるのである。

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、端面コート膜にレーザ光を照射してアニール処理を行うことで、その端面コート膜に膜組成の溶融再結晶化を生じさせ、これによりその端面コート膜における膜組成の欠陥を低減するようになっている。したがって、半導体レーザとしてのレーザ光の出射を行った場合であっても、端面コート膜における欠陥部分が低減しているので、その欠陥部分での当該レーザ光の吸収による端面コート膜の劣化を抑制し得るようになる。つまり、端面コート膜の劣化の抑制が可能となるので、半導体レーザにおけるレーザ特性の低下を防止することも実現可能となり、結果としてその半導体レーザの信頼性向上が図れるようになる。

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、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、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およびその積層構造の端面コーティングを行う端面コート膜について、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。

図２は、半導体レーザにおける端面コート膜の一具体例を示す説明図である。上述したように、半導体結晶素子部の積層構造は、その共振器端面が端面コーティングされるが、そのコーティングが図例のような端面コート膜によって行われている。すなわち、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には、フロント側端面用の端面コート膜（以下「ＡＲコート膜」という）２３が成膜され、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には、リア側端面用の端面コート膜（以下「ＨＲコート膜」という）２４が成膜されている。ＡＲコート膜２３は、Ａｌ₂Ｏ₃からなる単層の誘電体膜が１５００Å厚で形成されてなるものである。また、ＨＲコート膜２４は、５６０Å厚のＡｌ₂Ｏ₃２４ａと４３０Å厚のＴｉＯ₃２４ｂとが繰り返し（例えば４回）積層された多層の誘電体膜からなるものである。なお、ここで示した膜構成および膜厚は、一具体例に過ぎないことはいうまでもない。

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２１，２２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２１，２２を形成した後は、その端面付近の結晶の酸化を防止するために、続いて、共振器端面２１，２２をコーティングする端面コート膜、すなわちＡＲコート膜２３およびＨＲコート膜２４を成膜する成膜工程を行う。この成膜工程でのＡＲコート膜２３およびＨＲコート膜２４の成膜は、蒸着またはスパッタリング等といった公知技術を利用して行えばよい。具体的には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リングを利用して行うことが考えられる。

ただし、蒸着またはスパッタリング等によって端面コート膜２３，２４を成膜した場合には、その端面コート膜２３，２４の膜組成が完全な結晶ではなく欠陥を含んでいることがあり得る。そこで、成膜工程で端面コート膜２３，２４を成膜した後は、次いで、その端面コート膜２３，２４に対するアニール処理をするレーザアニール工程を行う。このレーザアニール工程では、アニール処理として、レーザ光の照射を利用したレーザアニールを行う。

図３は、レーザアニール工程の概要を模式的に示す説明図である。
図例のように、レーザアニール工程では、半導体結晶素子部を構成する積層構造のフロント側端面２１に成膜されたＡＲコート膜２３が表面（図中上方側）に並んで露出するように、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）２５を、その専用の治具２６に並べてセットする。リア側端面２２に成膜されたＨＲコート膜２４については、図中では治具２６の裏面側に並んで露出するようになっているが、必ずしも露出していなくともよい。そして、ＬＤバー２５を治具２６にセットしたら、そのＬＤバー２５を治具２６ごと、処理装置における処理室２７内にセットする。

処理装置は、端面コート膜２３，２４の成膜を行うためのＥＣＲスパッタ装置を用いることが考えられる。ＥＣＲスパッタ装置を用いれば、成膜工程とレーザアニール工程との連続処理が可能となるので、生産効率の向上を図る上で好適なものとなる。
なお、処理装置は、ＥＣＲスパッタ装置の他にも、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。これらを利用した場合には、処理室２７内をドライエア環境にすることが非常に容易に実現可能となる。また、ドライエア環境のみならず、所定ガス雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気）にすることも可能である。ただし、レーザアニール工程に際しては、必ずしも処理室２７内を所定ガス雰囲気にする必要はない。

また、処理装置における処理室２７には、その処理室２７内にセットされたＬＤバー２５のＡＲコート膜２３の側の壁面に、石英ガラス２７ａが配されている。さらに、処理室２７の外方には、石英ガラス２７ａに対応した位置に、レーザ装置２８が配されている。したがって、レーザアニール工程では、このレーザ装置２８を用いて、処理室２７内にセットされたＬＤバー２５のＡＲコート膜２３に対するレーザ照射を行うのである。すなわち、レーザ装置２８からのレーザ光を、石英ガラス２７ａを通じて、処理室２７内のＬＤバー２５におけるＡＲコート膜２３に照射する。このとき、レーザ装置２８からのレーザ光は、そのレーザ光のスキャンによって、ＡＲコート膜２３の全域にわたって照射し得るものとする。

レーザ装置２８からのレーザ光としては、そのエネルギがＡＲコート膜２３に吸収され得る波長のものを用いる。例えば、ＡＲコート膜２３が１５００Å厚のＡｌ₂Ｏ₃からなる単層の誘電体膜であれば、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長；３０８ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長；２４８ｎｍ）またはＡｒＦエキシマレーザ（波長；１９３ｎｍ）のいずれかを用いることが考えられる。また、エキシマレーザの他に、ＹＡＧに代表される固体レーザ（波長；３４９／３５５ｎｍ）を用いることも考えられる。

レーザアニール工程の処理条件の具体例としては、例えばＫｒＦエキシマレーザを用いる場合であれば、処理温度；ＲＴ、処理室内雰囲気；ドライエア１ａｔｍ、レーザ出力；５０ｍＪｃｍ^-2、５〜５００Ｈｚ、デューティ（Duty）；５〜２０％、レーザ光のスキャンスピード；５〜１０ｍｍ／ｓｅｃというものが挙げられる。

このようなレーザアニール工程を行うと、レーザ光が照射されたＡＲコート膜２３では、そのレーザ光のエネルギを吸収して温度が上昇し、例えばＡｌ₂Ｏ₃の融点温度に近い高温状態となる。そして、ＡＲコート膜２３では、その膜組成の溶融再結晶化が起こる。この溶融再結晶化によって、ＡＲコート膜２３は、その膜組成が緻密化して、結晶内に存在していた点欠陥が無くなり、より強固な膜となって、レーザ光に対する耐久性が向上する。

つまり、レーザアニール工程では、ＡＲコート膜２３にレーザ光を照射してアニール処理を行うことで、そのＡＲコート膜２３の膜組成の溶融再結晶化を起こし、これによりそのＡＲコート膜２３の膜組成の欠陥の低減を図るのである。
なお、レーザアニール工程は、少なくともＡＲコート膜２３に対して行えばよく、ＨＲコート膜２４に対して行うか否かは、それぞれが共振器として機能するためのレーザ反射率等を勘案して、適宜決定すればよい。例えば、ＡＲコート膜２３の反射率が１０％程度であるのに対し、ＨＲコート膜２４の反射率が９５％程度であれば、劣化が生じる可能性の高いＡＲコート膜２３に対してのみレーザアニール工程を行うといった具合である。

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、レーザアニール工程にて少なくともＡＲコート膜２３にレーザ光を照射してアニール処理を行うことで、そのＡＲコート膜２３に膜組成の溶融再結晶化を生じさせ、これによりそのＡＲコート膜２３における膜組成の欠陥を低減するようになっている。したがって、半導体レーザの製造が完了した後に、半導体レーザとしてのレーザ光の出射を行った場合であっても、レーザアニール工程を経ない場合に比べてＡＲコート膜２３における欠陥部分が低減しているので、その欠陥部分での当該レーザ光の吸収による端面コート膜の劣化を抑制し得るようになる。つまり、レーザアニール工程を経ない場合よりも端面コート膜の劣化の抑制が可能となるので、半導体レーザにおけるレーザ特性の低下を防止することも実現可能となり、結果としてその半導体レーザの信頼性向上が図れるようになる。

特に、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は、紫外光や青色光等といった短波長のレーザ光に対応しているため、欠陥部分での当該レーザ光の吸収によるＡＲコート膜２３の劣化が生じる可能性が高いが、本実施形態で説明したように、製造時にレーザアニール工程を経れば、そのＡＲコート膜２３における欠陥部分の低減が図れるので、紫外光や青色光等といった短波長のレーザ光に対応する場合であっても、そのＡＲコート膜２３の劣化を極力抑制し得るようになる。つまり、本実施形態で説明した半導体レーザの製造方法は、窒化物系III-V族化合物半導体を用いた半導体レーザに適用して非常に好適なものである。

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、レーザアニール工程でのレーザ光照射によるアニール処理を、少なくとも、半導体レーザでの光の出射側となるフロント側端面２１に成膜されたＡＲコート膜２３、すなわち出射するレーザ光の影響を直接受けるＡＲコート膜２３に対して行うので、半導体レーザにおけるレーザ特性の低下防止が確実に図れるようになる。しかも、少なくともＡＲコート膜２３に対して行えばよいことから、ＨＲコート膜２４については、レーザ光照射によるアニール処理を行わなくてもよく、その場合には半導体レーザの生産性向上が図れるようになる。

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、レーザアニール工程で照射するレーザ光の光源として、エキシマレーザを使用するようになっている。したがって、ＡＲコート膜２３がＡｌ₂Ｏ₃からなる単層の誘電体膜であっても、そのＡＲコート膜２３にエネルギが吸収され得る波長のレーザ光を出射することになるので、そのＡＲコート膜２３における温度上昇、すなわち溶融再結晶化を確実なものとすることができる。

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、半導体レーザの半導体結晶素子部および端面コート膜の形成材料や構成等については、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、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を用いた半導体レーザにおいて、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。すなわち、本発明は、窒化物系III-V族化合物半導体を用いたもの全般に適用することが可能である。

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。半導体レーザにおける端面コート膜の一具体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レーザアニール工程の概要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…ＡＲコート膜、２４…ＨＲコート膜、２５…ＬＤバー、２６…治具、２７…処理室、２７ａ…石英ガラス、２８…レーザ装置

Claims

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、
前記共振器端面上に当該共振器端面をコーティングする端面コート膜を成膜する成膜工程と、
前記端面コート膜にレーザ光を照射して当該端面コート膜に対するアニール処理を行うレーザアニール工程と
を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
前記レーザアニール工程では、少なくとも前記半導体レーザでの光の出射側となる共振器端面に成膜された端面コート膜に対してレーザ光照射によるアニール処理を行う
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。
前記レーザアニール工程で照射するレーザ光の光源として、エキシマレーザを使用する
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。