JP2006278839A - 半導体レーザ素子及びその製造法 - Google Patents

半導体レーザ素子及びその製造法 Download PDF

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Abstract

【課題】光ガイド層の層厚および材料組成の制御を簡便に高精度で行なうことができる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】n型GaAs基板19上には、n型GaAsバッファ層20、ノンドープAlGa1−xAs光ガイド評価層21、n型AlGa1−xAs第1クラッド層22、n型AlGa1−xAs第2クラッド層23、ノンドープAlGa1−xAs第1光ガイド層24、ノンドープAlGa1−xAs量子井戸活性層25、ノンドープAlGa1−xAs第2光ガイド層26、p型AlGa1−xAs第1クラッド層27、p型GaAsエッチングストップ層28、p型AlGa1−xAs第2クラッド層29およびp型GaAsキャップ層30を形成している。光ガイド評価層21のAl混晶比は第1,2光ガイド層24,26のAl混晶比と同じになっている。
【選択図】図2D

Description

本発明は半導体レーザ素子及びその製造法に関する。
近年、DVD(デジタル多目的ディスク)、CD(コンパクトディスク)用のピックアップに用いられる化合物半導体デバイスである半導体レーザ素子の需要は益々拡大しており、特性のばらつきが少なく信頼性に優れた半導体レーザが要求されている。
半導体レーザ素子の基本構造としてダブルヘテロ接合が用いられていたが、光出力の高出力化、或いはしきい電流の低電流化の要求に伴い、例えば、キャリア閉じ込め領域と光り閉じ込め領域(光ガイド層)とが分離されたSCH(separate confinement heterostructure:分離閉じ込めヘテロ構造)や、活性領域に量子井戸が形成されたMQW(multi quantum well:多重量子井戸)構造といった積層構造が提案されている。これらの積層構造で最も薄い層厚は数十〜数百Åであり、従来の液相エピタキシ法に代わり層厚制御が容易なMOCVD(metal organic chemical vapor deposition:有機金属気相成長)法やMBE(molecular beam epitaxy:分子線エピタキシ)法などの気相エピタキシ法が半導体薄膜の形成に使われている。
上記気相エピタキシ法で作成した半導体レーザ素子の特性ばらつきを低減する方法として積層構造の各層厚や材料組成の制御が重要となる。一般的に、上記半導体レーザ素子のような積層構造を結晶成長する場合、積層構造を結晶成長する前段階として、積層構造を構成する各層ごとに単層で成長を行い層厚や材料の組成比などの評価を行い、成長時間や、ガス流量などの成長条件を積層構造へフィードバックしている。さらに、上記積層構造の結晶成長を開始しても、積層構造を構成する各層の層厚や組成比を測定し、設計値からのずれを調整して、次の積層構造の結晶成長を行う。
層厚を測定する方法としては、ウェハをへき開し、積層した層の断面を走査電子顕微鏡などで直接観察する方法や、堆積した層を選択的にエッチングし、その段差を接触式段差計で測定する方法などがある。材料組成比の評価としては目的の層のフォトルミネッセンス測定やX線回折測定を行なって組成比の同定を行なっている。
従来、半導体レーザ素子としては、特開2003−60315号公報(特許文献1)に記載されたものがある。
上記従来のリッジ型半導体レーザ素子の製造方法では、まず、図1Aに示すように、MOCVD法によりn型GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2(層厚0.5μm)、n型AlxGa1-xAs第1クラッド層3(x=0.46、層厚2.7μm)、n型AlxGa1-xAs第2クラッド層4(x=0.48、層厚0.2μm)、ノンドープAlxGa1-xAs第1光ガイド層5(x=0.35、層厚280Å)、ノンドープAlxGa1-xAs量子井戸活性層6、ノンドープAlxGa1-xAs第2光ガイド層7(x=0.35、層厚280Å)、p型AlxGa1-xAs第1クラッド層8(x=0.48、層厚0.2μm)、p型GaAsエッチングストップ層9(層厚26Å)、p型AlxGa1-xAs第2クラッド層10(x=0.48、層厚1.3μm)、p型GaAsキャップ層11(層厚0.75μm)を順次結晶成長させる。
次に、図1Bに示すように、フォトリソグラフィー法などにより所定領域を覆うマスクパターンを有するレジスト12を形成した後、エッチングで上記所定領域の両側のp型GaAsキャップ層11及びp型AlxGa1-xAs第2クラッド層10を除去する。これにより、上記レジスト12下に残ったp型GaAsキャップ層11及びp型AlxGa1-xAs第2クラッド層10がリッジを構成する。
次に、上記レジスト12を除去した後、図1Cに示すように、リッジ形状内に電流を狭窄するためにn型AlxGa1-xAs電流ブロック層13(x=0.7、層厚1.0μm)、n型GaAs電流ブロック層14(層厚0.3μm)及びp型GaAs平坦化層15(層厚0.7μm)を順次積層する。
次に、上記n型AlxGa1-xAs電流ブロック層13、n型GaAs電流ブロック層14及びp型GaAs平坦化層15に関してリッジ上に形成された不要な部分を除去するために、リッジ上以外の部分にフォトリソグラフィー法でレジストを形成し、上記不要な部分をエッチング除去する。
次に、上記レジスト除去した後、図1Dに示すように、上記リッジ、n型AlxGa1-xAs電流ブロック層13、n型GaAs電流ブロック層14及びp型GaAs平坦化層15上にp型GaAsコンタクト層16(層厚50μm)を結晶成長させる。
最後に、上記p型GaAsコンタクト層16上にp側電極17を形成する一方、n型GaAs基板1下にn側電極18を形成すると、半導体レーザ素子が完成する。
ところで、記録再生の高速化のため、光ディスク用光源である半導体レーザ素子の高出力化が進んでいる。このため、上記半導体レーザ素子では、素子特性のばらつき低減と特性の再現性向上とのために放射角の制御が重要となってくるが、高出力半導体レーザ素子に用いられているSCH−MQW構造における垂直方向の放射角は、活性層とクラッド層との屈折率差や、光閉じ込めを行っている光ガイド層の層厚や材料組成比に依存している。
特に、図1Aに示すようなレーザ構造を連続結晶成長で形成する場合、出来上がったレーザ構造を評価し、ウェハ段階で設計値からのずれを見積もることは、半導体レーザ素子の特性を予測することができ、さらに設計からのずれを正常値へ補正することは、素子特性のばらつき低減と再現性向上とのためには重要な技術である。
上記レーザ構造の中で比較的層厚が厚いクラッド層はウェハ断面を走査電子顕微鏡で直接観察する方法や、堆積した層を選択的にエッチングし、その段差を接触式段差計で測定する方法などで層厚が評価可能である。
また、材料組成比の評価としては、目的の層にフォトルミネッセンス測定やX線回折測定を行なうことにより、目的の層の組成比の測定が可能である。
また、多重量子井戸活性層の評価としては、X線回折のサテライト反射を利用した周期層厚の測定が確立されている。
しかしながら、上記従来の半導体レーザ素子では、活性層を構成する光ガイド層は通常数百Å以下と非常に薄い設計層厚となっているため、半導体レーザ素子を構成する層の層厚や組成比をウェハ段階で測定することが困難である。
上記光ガイド層は放射角を決定する重要な層であるにもかかわらず、ウェハ段階での層厚や組成比の評価が難しく、素子特性ばらつきや再現性向上のために、結晶成長での設計値からのずれを補正するためにも、簡便な測定方法が求められている。
半導体レーザ素子の積層構造を連続結晶成長で形成する場合、光ガイド層の層厚や組成比を確認しようとすると、上記積層構造とは別に光ガイド層を単層で結晶成長させ、その光ガイド層の層厚や組成比の評価を行い、積層構造へのフィードバックを行なう方法などがとられている。この場合は、半導体レーザ素子の積層構造の結晶成長とは別に光ガイド層確認用の結晶成長が必要であるから、余分な結晶成長をする必要が出てきてしまう。
また、半導体レーザ素子の積層構造が含む光ガイド層の評価ができれば、その積層構造が形成されたウェハ自体の特性予測ができるため、例えばウェハ段階で特性の良品判定を行なうことも可能である。
特開2003−60315号公報
そこで、本発明の課題は、光ガイド層の層厚および材料組成の制御を簡便に高精度で行なうことができる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、第1の発明の半導体レーザ素子は、
活性層と、
上記活性層による発振光を閉じ込める光ガイド層と、
上記光ガイド層の材料組成と同じ材料組成を有する光ガイド評価層と
を備えたことを特徴としている。
上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記光ガイド評価層の層厚の評価は、例えば、光ガイド評価層を含むウェハの断面の走査電子顕微鏡観察したり、上記ウェハに選択エッチングを行い、この選択エッチングにより生じた段差を接触式段差計で測定したりすることで可能である。
また、上記光ガイド評価層の層厚をその成長時間で除算することにより、光ガイド層の成長レートを求めることができる。
また、上記光ガイド層の成長時間と上記成長レートとを掛け合わせることにより、上記成長時間で成長させる光ガイド層の層厚が推定できる。
また、上記光ガイド評価層の材料組成の評価は、フォトルミネッセンス法や、X線回折法を用いることで可能である。この評価結果に基づいて、光ガイド層の材料組成を推定できる。
このように、上記光ガイド評価層の層厚および材料組成を評価できるから、その評価結果に基づいて光ガイド層の層厚および材料組成の制御を簡便に高精度で行なうことができる。
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記光ガイド評価層と上記活性層との間に位置するクラッド層を備えている。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記光ガイド評価層と上記活性層との間に位置するクラッド層を備えているから、光ガイド評価層が活性層の光学的な特性に悪影響を与え難くなっている。
なお、上記光ガイド評価層を第2導電型上クラッド層上に形成することは、従来のリッジ形成法では光ガイド評価層をリッジ形状にできない可能があるので好ましくない。
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記光ガイド評価層下に形成された基板と、
上記光ガイド評価層と上記活性層との間に形成された第1導電型下クラッド層と、
上記活性層上に形成された第2導電型上クラッド層とを備える。
上記第1導電型とは、p型またはn型を意味する。また、上記第2導電型とは、第1導電型がp型の場合はn型、n型の場合はp型を意味する。
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記光ガイド評価層の層厚は上記光ガイド層の層厚より厚い。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記光ガイド評価層の層厚は光ガイド層の層厚より厚いので、光ガイド評価層の層厚および組成比の評価を簡単かつ高精度に行える。
第2の発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第1の発明の半導体レーザ素子を製造する製造方法であって、上記光ガイド評価層の材料組成を測定し、上記光ガイド評価層の材料組成の測定結果に基づいて上記光ガイド層の成長条件を調整することを特徴としている。
上記構成の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記光ガイド評価層の材料組成を測定し、光ガイド評価層の材料組成の測定結果に基づいて光ガイド層の成長条件を調整するから、光ガイド層の材料組成を設計値に近づけることができる。したがって、特性のばらつきが小さく、かつ、再現性良く半導体レーザ素子を製造できる。
第2の発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第1の発明の半導体レーザ素子を製造する製造方法であって、上記光ガイド評価層の材料組成を測定し、上記光ガイド評価層の層厚の測定結果に基づいて上記光ガイド層の成長条件を調整することを特徴としている。
上記構成の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記光ガイド評価層の材料組成を測定し、光ガイド評価層の層厚の測定結果に基づいて光ガイド層の成長条件を調整するから、光ガイド層の層厚を設計値に近づけることができる。したがって、特性のばらつきが小さく、かつ、再現性良く半導体レーザ素子を製造できる。
本発明の半導体レーザ素子によれば、光ガイド層を含む活性層外に、光ガイド層の材料組成と同じ材料組成を有する光ガイド評価層を形成することによって、光ガイド評価層の層厚および材料組成を評価し、その評価結果に基づいて光ガイド層の層厚および材料組成の制御を簡便に高精度で行なうことができる。
以下、本発明の半導体レーザ素子及びその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
本実施の形態の形態では、AlGaAs系材料で構成された発振波長が780〜786nmであるSCH−MQW半導体レーザ素子の製造例について説明する。
上記SCH−MQW半導体レーザ素子の製造ではMOCVD法による結晶成長を行うが、この結晶成長を行う前に、形成すべきガイド層、AlGaAsクラッド層およびGaAsキャップ層などの成長レートとAl混晶比とを求める必要がある。
まず、ノンドープAlGaAs光ガイド層、n型AlGaAsクラッド層、p型AlGaAsクラッド層およびp型GaAsキャップ層の成長レートを求める方法を説明する。例えば、クラッド層、キャップ層を1μm程度堆積した後、断面を走査電子顕微鏡で直接観察して層厚を求め、成長時間から成長レートを計算する。
上記Al混晶比については、測定すべき層を1μm程度堆積したウェハをX線回折法で求めることができる。
上述のような方法で求めた成長レートを元に所定の設計層厚になるように各層の成長時間を決める。また、上記Al混晶比についても設計値からのずれを考慮してガス流量を補正する。
上記SCH−MQW半導体レーザ素子の製造方法では、まず、図2Aに示すように、MOCVD法によりn型GaAs基板19上にn型GaAsバッファ層20(層厚0.5μm)、ノンドープAlxGa1-xAs光ガイド評価層21(x=0.35、層厚0.4μm)、n型AlxGa1-xAs第1クラッド層22(x=0.46、層厚2.7μm)、n型AlxGa1-xAs第2クラッド層23(x=0.48、層厚0.2μm)、ノンドープAlxGa1-xAs第1光ガイド層24(x=0.35、層厚280Å)、ノンドープAlxGa1-xAs量子井戸活性層25、ノンドープAlxGa1-xAs第2光ガイド層26(x=0.35、層厚280Å)、p型AlxGa1-xAs第1クラッド層27(x=0.48、層厚0.2μm)、p型GaAsエッチングストップ層28(層厚26Å)、p型AlxGa1-xAs第2クラッド層29(x=0.48、層厚1.3μm)、p型GaAsキャップ層30(層厚0.75μm)を順次結晶成長させる。
上記光ガイド評価層21のAl混晶比は、第1,2光ガイド層24,26と同じAl混晶比設定になっている。
また、上記光ガイド評価層21の層厚は第1,2光ガイド層24,26の層厚よりも厚くなっており、走査電子顕微鏡による断面観察や、X線回折法によるAl混晶比測定ができるような設定値となっている。上記光ガイド評価層21の層厚は、図1Aに示す積層構造を有するウェハをへき開し、ウェハの断面を走査電子顕微鏡で直接観察することにより求めることができる。
また、上記光ガイド評価層21の層厚を光ガイド評価層21の成長時間で除算することにより第1,2光ガイド層24,26の成長レートを求めることができる。
上記第1,2光ガイド層24,26の成長時間が既知であるので、上述のように求めた光ガイド評価層21の成長レートと第1,2光ガイド層24,26の成長時間とを掛け合わせて、出来上がりの光ガイド層成長層厚を推定できる。
また、上記第1,2光ガイド層24,26のAl混晶比については、上記ウェハの表面をエッチ処理して第1,2光ガイド層24,26を露出させた後、第1,2光ガイド層24,26に対してX線回折方法などを行えば求めることができる。
以上のような方法を用いれば、第1,2光ガイド層24,26の層厚および組成のずれを評価できるので、ウェハの良品判定が可能である。
また、連続的に結晶成長を行なっている場合は、設計値からのずれがある場合は上記評価結果を基に設計値からのずれを補正できる。
次に、図1Aの結晶成長後の工程について説明する。
上記キャップ層30上に、図2Bに示すように、フォトリソグラフィー法などによりストライプ状のマスクパターンを有するレジスト31を形成した後、硫酸系エッチング液とフッ酸を用いて、上記マスクパターンの両側のキャップ層30および第2クラッド層29を除去する。こにより、上記レジスト31下に残ったキャップ層30および第2クラッド層29がリッジを構成する。
次に、上記レジスト31を除去した後、図2Cに示すように、MOCVD法でn型AlxGa1-xAs電流ブロック層32(x=0.7、層厚1.0μm)、n型GaAs電流ブロック層33(層厚0.3μm)、p型GaAs平坦化層34(層厚0.7μm)を結晶成長させる。
次に、上記リッジ上に堆積した不要層を除去するために、上記リッジ上以外の部分にフォトリソグラフィー法でレジストを形成し、上記不要層をアンモニア系および硫酸系エッチング液でエッチング除去する。
次に、上記レジストを除去した後、図2Dに示すように、MOCVD法でp型GaAsコンタクト層35(層厚50μm)を結晶成長させる。
このようにコンタクト層35までの結晶成長を終えたウェハの基板面に研磨やエッチングを行い、ウェハの厚さを100μmにした後、ウェハのp側の面にn側電極36を付け、ウェハのn側の面にn側電極37を付け、リッジストライプと垂直方向にバー状となるようにへき開分割を行い、出射両面に絶縁膜をコーティングすると、半導体レーザ素子が完成する。
本製造方法のようにAlGaAs系材料で構成されたSCH−MQWレーザ素子はレーザ構造を積層したウェハで第1,2光ガイド層24,26の層厚および組成比を容易に評価できるので、再現性良く半導体レーザ素子の製造ができる。
上記実施の形態では、n型GaAs基板19が基板の一例であり、ノンドープAlxGa1-xAs光ガイド評価層21が光ガイド評価層の一例であり、n型AlxGa1-xAs第1クラッド層22およびn型AlxGa1-xAs第2クラッド層23がクラッド層の一例であり、第1,第2光ガイド層24,26が光ガイド層の一例であり、ノンドープAlxGa1-xAs量子井戸活性層25が活性層の一例である。
上記実施の形態では、n型基板上に、ノンドープ光ガイド評価層、n型下クラッド層、ノンドープ光ガイド層、ノンドープ活性層、ノンドープ光ガイド層、p型上クラッド層を形成していたが、p型基板上に、ノンドープ光ガイド評価層、p型下クラッド層、ノンドープ光ガイド層、ノンドープ活性層、ノンドープ光ガイド層、n型上クラッド層を形成してもよい。つまり、上記実施の形態の導電型を全て逆にしてもよい。ただし、ノンドープの層はノンドープの層のままとする。
本発明は、AlGaAs系材料で構成された半導体レーザ素子だけでなく、例えば、赤色レーザに用いられるAlGaInP系材料等で構成された半導体レーザ素子にも適用できる。つまり、本発明の半導体レーザ素子の材料は上記実施の形態に限定されない。
また、本発明は、ダブルヘテロ構造の半導体レーザ素子およびその製造方法に適用できるばかりでなく、シングルヘテロ構造の半導体レーザ素子およびその製造方法に適用できる。
図1Aは従来の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図1Bは従来の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図1Cは従来の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図1Dは従来の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図2Aは本発明の一実施の形態の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図2Bは本発明の一実施の形態の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図2Cは本発明の一実施の形態の半導体レーザ素子の製造工程図である。 図2Dは本発明の一実施の形態の半導体レーザ素子の製造工程図である。
符号の説明
1 n型GaAs基板
2 n型GaAsバッファ層
3 n型AlxGa1-xAs第1クラッド層
4 n型AlxGa1-xAs第2クラッド層
5 ノンドープAlxGa1-xAs第1光ガイド層
6 ノンドープAlxGa1-xAs量子井戸活性層
7 ノンドープAlxGa1-xAs第2光ガイド層
8 p型AlxGa1-xAs第1クラッド層
9 p型GaAsエッチングストップ層
10 p型AlxGa1-xAs第2クラッド層
11 p型GaAsキャップ層
12 レジスト
13 n型AlxGa1-xAs電流ブロック層
14 n型GaAs電流ブロック層
15 p型GaAs平坦化層
16 p型GaAsコンタクト層
17 p側電極
18 n側電極
19 n型GaAs基板
20 n型GaAsバッファ層
21 ノンドープAlxGa1-xAs光ガイド評価層
22 n型AlxGa1-xAs第1クラッド層
23 n型AlxGa1-xAs第2クラッド層
24 ノンドープAlxGa1-xAs第1光ガイド層
25 ノンドープAlxGa1-xAs量子井戸活性層
26 ノンドープAlxGa1-xAs第2光ガイド層
27 p型AlxGa1-xAs第1クラッド層
28 p型GaAsエッチングストップ層
29 p型AlxGa1-xAs第2クラッド層
30 p型GaAsキャップ層
31 レジスト
32 n型AlxGa1-xAs電流ブロック層
33 n型GaAs電流ブロック層
34 p型GaAs平坦化層
35 p型GaAsコンタクト層
36 p側電極
37 n側電極

Claims (5)

  1. 活性層と、
    上記活性層による発振光を閉じ込める光ガイド層と、
    上記光ガイド層の材料組成と同じ材料組成を有する光ガイド評価層と
    を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
    上記光ガイド評価層と上記活性層との間に位置するクラッド層を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子。
  3. 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
    上記光ガイド評価層の層厚は上記光ガイド層の層厚より厚いことを特徴とする半導体レーザ素子。
  4. 請求項1に記載の半導体レーザ素子を製造する製造方法であって、
    上記光ガイド評価層の材料組成を測定し、上記光ガイド評価層の材料組成の測定結果に基づいて上記光ガイド層の成長条件を調整することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  5. 請求項1に記載の半導体レーザ素子を製造する製造方法であって、
    上記光ガイド評価層の材料組成を測定し、上記光ガイド評価層の層厚の測定結果に基づいて上記光ガイド層の成長条件を調整することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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