JP2010258033A

JP2010258033A - 光半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2010258033A
Application number: JP2009103091A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ono; 健一小野; Masayoshi Takemi; 政義竹見
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができるリッジ型の光半導体装置を提供する。
【解決手段】ＧａＮ基板１０上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１４、活性層１８、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層２４及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２６が順次形成されている。コンタクト層２６から第２クラッド層２４の途中までエッチングされてリッジ２８が形成されている。第２クラッド層２４のＡｌ組成はコンタクト層２６に向かって増加する。これにより、水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リッジ型の青色光半導体装置及びその製造方法に関し、特に水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができる光半導体装置及びその製造方法に関する。

青色光半導体装置において、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層とＧａＮからなるｐ型コンタクト層のバンド不連続が大きいという問題がある。そこで、バンド不連続を緩和するために、ｐ型クラッド層のＡｌ組成をｐ型コンタクト層に向かって減少させた半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−９１７０５号公報

リッジ型の光半導体装置では、ｐ型コンタクト層からｐ型クラッド層の途中までエッチングされてリッジが形成されている。しかし、従来の光半導体装置では、リッジエッチング深さのばらつきによって、活性層とリッジ脇部（空気）との距離が変化する。このため、水平方向の屈折率差（光閉じ込め）が変化して水平方向のビーム広がり角がばらつくという問題があった。特に、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が活性層から離れるにつれて低下しているような半導体レーザでは、この問題が顕著であった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができる光半導体装置及びその製造方法を得るものである。

本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に順次形成された第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型の第２クラッド層及び第２導電型のコンタクト層とを備え、前記コンタクト層から前記第２クラッド層の途中までエッチングされてリッジが形成され、前記第２クラッド層のＡｌ組成は前記コンタクト層に向かって増加することを特徴とする光半導体装置である。

本発明により、水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができる。

実施の形態１に係る光半導体装置を示す断面図である。実施の形態１に係る光半導体装置の第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。実施の形態２に係る光半導体装置の第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。実施の形態３に係る光半導体装置の第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。実施の形態４に係る光半導体装置を示す断面図である。実施の形態４に係る光半導体装置の第２，第３クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。

実施の形態１．
［構造］
図１は、実施の形態１に係る光半導体装置を示す断面図である。この光半導体装置はリッジ型の青色レーザダイオードである。

ＧａＮ基板１０上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１４、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１６、活性層１８、ｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなるｎ型拡散防止層２０、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８ＮからなるＥＢＬ層２２（Electron Blocking Layer）、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２クラッド層２４、及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２６が順次形成されている。コンタクト層２６から第２クラッド層２４の途中までエッチングされてストライプ状のリッジ２８が形成されている。

活性層１８は、Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層が交互に積層した多重量子井戸（Multiple Quantum Well）である。リッジ２８は、活性層１８の内部で電流が狭窄される領域である導波路を規定する。ＥＢＬ層２２は、電子を遮断して正孔の通過だけを許容する。なお、ｎ型ＧａＮ層１２やｎ型光ガイド層１６は無くてもよい。

リッジ２８を覆うようにして絶縁膜３０が形成されている。絶縁膜３０にはリッジ２８の上面において開口部３２が形成されている。開口部３２において、ｐ側電極３４がコンタクト層２６に接触している。一方、ＧａＮ基板１０の裏面にｎ側電極３６が形成されている。

ｐ側電極３４とｎ側電極３６の間に順方向の電流を供給すると、活性層１８の内部に電子と正孔が注入されて光が発生する。この光は、導波路に閉じ込められて増幅し、共振面の出射端面側からレーザ光となって放出される。

図２は、実施の形態１に係る光半導体装置の第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。第２クラッド層２４のＡｌ組成はコンタクト層２６に向かって増加する。第２クラッド層２４のＡｌ組成は、ＥＢＬ層２２との界面において０．０２、コンタクト層２６との界面において０．０７である。また、実施の形態１では、第２クラッド層２４の層厚に対するＡｌ組成の増加速度はコンタクト層２６に向かって減速する。一方、第１クラッド層１４のＡｌ組成はＧａＮ基板１０に向かって増加する。

［製造方法］
実施の形態１に係る光半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
まず、主面として（０００１）面を有し、基板方位として主面（０００１）に対して＜１−１００＞方向又は＜１１−２０＞方向に０．１度以上１度以下でオフアングルしているＧａＮ基板１０を準備する。オフアングルによりステップの方向や密度が規定されるため、結晶性及び平坦性に優れた半導体層を形成することができる。

次に、図３に示すように、ＧａＮ基板１０上に、ｎ型ＧａＮ層１２、第１クラッド層１４、ｎ型光ガイド層１６、活性層１８、ｎ型拡散防止層２０、ＥＢＬ層２２、第２クラッド層２４及びコンタクト層２６を順次形成する。

これらのIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、一般に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などが挙げられる。ここでは、ＭＯＣＶＤ法を用いるが、他の方法を用いてもよい。

また、III族化合物の原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族化合物の原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用いる。また、ｎ型不純物の原料としてモノシラン（ＳｉＨ_４）を用い、ｐ型不純物の原料としてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いる。さらに、これらの原料のキャリアガスとして、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を用いる。

具体的には、ＭＯＣＶＤ装置内にＧａＮ基板１０を載置した後、ＮＨ_３ガスを供給しながら温度を１，０００℃まで上げる。そして、ＴＭＧガスとＳｉＨ_４ガスを供給して、ＧａＮ基板１０の主面の上にｎ型ＧａＮ層１２を形成する。ｎ型ＧａＮ層１２の膜厚は例えば１μｍ程度とする。

次に、さらにＴＭＡガスを供給して、ｎ型ＧａＮ層１２の上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１クラッド層１４を形成する。第１クラッド層１４の膜厚は例えば１．０μｍ程度とする。ここで、第１クラッド層１４を形成する際に、原料ガス流量を連続的に変化させて、第１クラッド層１４のＡｌ組成を次第に減少させる。

次に、ＴＭＡガスの供給を停止する。他のガスの供給はそのままとする。これにより、第１クラッド層１４の上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１６を形成する。ｎ型光ガイド層１６の膜厚は例えば０．１μｍ程度とする。

次に、ＴＭＧガスとＳｉＨ_４ガスの供給を停止し、温度を７００℃まで下げる。そして、ｎ型光ガイド層１６の上に活性層１８を形成する。具体的には、ＴＭＧガス、ＴＭＩガス及びＮＨ_３ガスを供給して、Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎからなる井戸層を形成する。そして、ＴＭＩガスの供給を停止して、ＧａＮからなる障壁層を形成する。井戸層の膜厚は例えば３．５ｎｍ程度、障壁層の膜厚は例えば７．０ｎｍ程度とする。井戸層と障壁層を交互に例えば３組形成することによって活性層１８を形成する。

次に、ＮＨ_３ガスを供給しながら、再び温度を１０００℃まで上げる。そして、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス及びＳｉＨ_４ガスを供給して、活性層１８の上にｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなるｎ型拡散防止層２０を形成する。ｎ型拡散防止層２０の膜厚は例えば５０ｎｍとし、ドーピング濃度は例えば１×１０^１８ｃｍ^−３とする。

次に、ＳｉＨ_４ガスの供給を停止した後、Ｃｐ_２Ｍｇガスを供給する。そして、ｎ型拡散防止層２０の上に、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８ＮからなるＥＢＬ層２２と、ｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎからなる第２クラッド層２４を順に形成する。ＥＢＬ層２２の膜厚は例えば０．０２μｍ程度とする。第２クラッド層２４の膜厚は例えば０．４μｍ程度とする。

ここで、第２クラッド層２４を形成する際に、原料ガス流量を連続的に変化させて、第２クラッド層２４のＡｌ組成をコンタクト層２６に向かって増加させる。そして、第２クラッド層２４の層厚に対するＡｌ組成の増加速度をコンタクト層２６に向かって減速させる。

次に、ＴＭＡガスの供給を停止して、第２クラッド層２４の上に、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２６を形成する。ｐ型コンタクト層２６の膜厚は例えば０．１μｍ程度とする。その後、ＴＭＧガスとＣｐ_２Ｍｇガスの供給を停止して、温度を室温まで下げる。

以上の結晶成長工程を終えた後に、全面にレジストを塗布する。そして、このレジストをフォトリソグラフィにより加工してリッジ２８の形状に対応したレジストパターン３８を形成する。次に、図４に示すように、レジストパターン３８をマスクとし、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）によって、コンタクト層２６から第２クラッド層２４の途中までエッチングしてリッジ２８を形成する。ＲＩＥ法におけるエッチングガスとして例えば塩素系ガスを用いる。

次に、レジストパターン３８を残した状態で、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、真空蒸着法又はスパッタリング法などによって、全面に絶縁膜３０を形成する。絶縁膜３０として例えば膜厚０．２μｍ程度のＳｉＯ_２膜を用いる。そして、レジストパターン３８とともに絶縁膜３０を除去するリフトオフ法により、リッジ２８の上面において絶縁膜３０に開口部３２を形成する。

次に、真空蒸着法などによって、全面に白金（Ｐｔ）膜及び金（Ａｕ）膜を順に形成する。次いで、リソグラフィー法を用いて、これらの膜を少なくとも開口部３２の部分を残して除去する。これにより、開口部３２でコンタクト層２６にオーミックコンタクトするｐ側電極３４を形成する。

次に、真空蒸着法などによって、ＧａＮ基板１０の裏面全体に、チタン（Ｔｉ）膜、白金（Ｐｔ）膜及び金（Ａｕ）膜を順に形成する。その後、アロイ処理を施して、オーミック電極として機能するｎ側電極３６を形成する。

以上の工程を終えた後に、劈開などによってＧａＮ基板１０を棒状に加工して両共振器端面（図示せず）を形成する。これらの端面に適当なコーティングを施した後、劈開などによってさらにチップ状に加工する。これにより、実施の形態１に係る光半導体装置を製造することができる。

［効果］
本実施の形態では、第２クラッド層２４のＡｌ組成は活性層１８から離れるにつれて増加する。Ａｌ組成が低いほどＡｌＧａＮクラッド層の屈折率は高くなるため、第２クラッド層２４の屈折率は活性層１８に近づくほど高くなる。このため、リッジエッチング深さがばらついて活性層とリッジ脇（空気）との間の厚みが変化しても、これによる実効屈折率の変化を上クラッド層の屈折率の変化で打ち消すことができる。従って、水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができる。

また、本実施の形態では、第２クラッド層２４の層厚に対するＡｌ組成の増加速度はコンタクト層２６に向かって減速する。これにより、活性層１８に近いほど上記屈折率変化の程度が大きいため、第２クラッド層２４全体の屈折率を大きく変えることなく、上記の水平方向のビーム広がり角のばらつき抑制効果を得ることができる。

また、第１クラッド層１４のＡｌ組成はＧａＮ基板１０に向かって増加する。即ち、第１クラッド層１４と第２クラッド層２４のＡｌ組成の変化の傾向が活性層１８を挟んで対称的になっている。これにより、活性層１８の上下の光閉じ込めが等しくなり、光波形の対象性を保つことができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る光半導体装置の第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。第２クラッド層２４の層厚に対するＡｌ組成の増加速度はコンタクト層２６に向かって加速する。その他の構成は実施の形態１と同様である。この構造のクラッド層は、リッジエッチング深さが浅く、活性層１８とリッジ脇（空気）との厚みが厚いような設計の光半導体素子において有効である。上クラッド層２４の屈折率変化の大きな箇所がリッジエッチングの停止箇所近傍に設定されているため、第２クラッド層２４全体の屈折率を大きく変えることなく、上記の水平方向のビーム広がり角のばらつき抑制効果を得ることができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る光半導体装置の第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。第２クラッド層２４の層厚に対するＡｌ組成の増加速度は一定である。その他の構成は実施の形態１と同様である。この構成でも、実施の形態１と同様に水平方向のビーム広がり角のばらつきを抑制することができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る光半導体装置を示す断面図である。第２クラッド層２４とコンタクト層２６の間にｐ型ＡｌＧａＮからなる第３クラッド層４０が形成されている。

図８は、実施の形態４に係る光半導体装置の第２，第３クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の変化を示す図である。第３クラッド層４０のＡｌ組成はコンタクト層２６に向かって減少する。リッジエッチングは、第２クラッド層の中で停止するよう、第２クラッド層２４の厚み及びリッジエッチング深さが設定されている。ＥＢＬ層２２との界面において第２クラッド層２４のＡｌ組成は例えば０．０２、第２クラッド層２４と第３クラッド層４０の界面において両者のＡｌ組成は例えば最大値０．１０、コンタクト層２６との界面において第３クラッド層４０のＡｌ組成は例えば０である。

また、第１クラッド層１４のＡｌ組成はＧａＮ基板１０に向かって一旦増加した後に減少する。即ち、第１クラッド層１４と第２クラッド層２４及び第３クラッド層４０のＡｌ組成の変化の傾向が活性層１８を挟んで対称的になっている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

第３クラッド層４０を挿入したことにより、Ａｌを含んでいないＧａＮからなるコンタクト層２６とＡｌＧａＮからなる第２クラッド層２４とのバンド不連続による抵抗の上昇を防ぐことができる。その他、実施の形態１と同様の効果も得ることができる。

なお、実施の形態１−４において、第１クラッド層１４、第２クラッド層２４及び第３クラッド層４０のＡｌ組成は、０〜４％の範囲で変化することが好ましい。これらの層のＡｌ組成が４％より大きいと、ＧａＮ基板１０との格子定数差が大きくなり、クラックが入りやすくなるからである。

１０ＧａＮ基板（半導体基板）
１４第１クラッド層
１８活性層
２４第２クラッド層
２６コンタクト層
２８リッジ
４０第３クラッド層

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に順次形成された第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型の第２クラッド層及び第２導電型のコンタクト層とを備え、
前記コンタクト層から前記第２クラッド層の途中までエッチングされてリッジが形成され、
前記第２クラッド層のＡｌ組成は前記コンタクト層に向かって増加することを特徴とする光半導体装置。
前記第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の増加速度は前記コンタクト層に向かって減速することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の増加速度は前記コンタクト層に向かって加速することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の増加速度は一定であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記第２クラッド層と前記コンタクト層の間に第２導電型の第３クラッド層を更に備え、
前記コンタクト層はＡｌを含んでおらず、
前記第３クラッド層のＡｌ組成は前記コンタクト層に向かって減少することを特徴とする請求項１−４の何れかに記載の光半導体装置。
前記第１クラッド層のＡｌ組成は前記半導体基板に向かって増加することを特徴とする請求項１−５の何れかに記載の光半導体装置。
半導体基板上に、第１導電型の第１クラッド層、活性層、第２導電型の第２クラッド層及び第２導電型のコンタクト層を順次形成する工程と、
前記コンタクト層から前記第２クラッド層の途中までエッチングしてリッジを形成する工程とを備え、
前記第２クラッド層のＡｌ組成を前記コンタクト層に向かって増加させることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
前記第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の増加速度を前記コンタクト層に向かって減速させることを特徴とする請求項７に記載の光半導体装置の製造方法。
前記第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の増加速度を前記コンタクト層に向かって加速させることを特徴とする請求項７に記載の光半導体装置の製造方法。
前記第２クラッド層の層厚に対するＡｌ組成の増加速度を一定にすることを特徴とする請求項７に記載の光半導体装置の製造方法。
前記第２クラッド層と前記コンタクト層の間に第２導電型の第３クラッド層を形成し、
前記コンタクト層にＡｌを含めず、
前記第３クラッド層のＡｌ組成を前記コンタクト層に向かって減少させることを特徴とする請求項７−１０の何れかに記載の光半導体装置の製造方法。
前記第１クラッド層のＡｌ組成は前記半導体基板に向かって増加することを特徴とする請求項７−１１の何れかに記載の光半導体装置の製造方法。