JP2013168620A

JP2013168620A - 半導体レーザの製造方法

Info

Publication number: JP2013168620A
Application number: JP2012032635A
Authority: JP
Inventors: Shinji Abe; 真司阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-08-29
Also published as: CN103259192B; US20130217157A1; US8551797B2; CN103259192A

Abstract

【課題】半導体レーザを高出力化する窓構造を安定に形成することができる半導体レーザの製造方法を得る。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、及びｐ型コンタクト層５を順に形成する。端面近傍の窓領域のみにおいてｐ型コンタクト層５に接し、ｐ型コンタクト層５からＩＩＩ族原子を吸収してＩＩＩ族空孔の発生を促進する促進膜８を形成する。窓領域のｐ型コンタクト層５にイオンを注入してダメージを与える。促進膜８を形成しイオンを注入した後に、熱処理を行うことでＩＩＩ族空孔を拡散させて窓領域において活性層３を無秩序化して窓構造１３を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザを高出力化する窓構造を安定に形成することができる半導体レーザの製造方法に関する。

ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの光出射端面には表面準位が多く、これを介して非発光再結合が発生する。この結果、光出射端面近傍において活性層が光吸収領域となる。光出力密度が高くなると光吸収領域で局所的発熱がおこりバンドギャップが減少して更に光吸収が増加する正帰還がかかり、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）と呼ばれる劣化を引き起こす。

ＣＯＤは半導体レーザの高出力化を阻害する一因である。ＣＯＤ対策として、端面付近に活性層よりも大きなバンドギャップを有する窓構造を形成することが提案されている。ただし、半導体レーザが高出力化すると局所発熱が増加しバンドギャップ減少量が増加するため、高出力化するためには非窓領域と窓領域のバンドギャップ差を増加させる必要がある。

ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの窓形成方法としてＩＦＶＤ（Impurity Free Vacancy Disordering）法が知られている（例えば、特許文献１参照）。即ち、非窓領域上にＧａ空孔発生を抑制する誘電体膜を形成し、窓領域上にＧａ空孔発生を促進させる誘電体膜を形成した後、例えば９００℃で熱処理を行う。これより、窓領域にＧａ空孔が拡散し、Ｇａ空孔を介して活性層が無秩序化し窓構造が形成される。例えば、Ｇａ空孔の発生と抑制をＳｉＮｘ膜の屈折率差を用いて制御する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１２２８１６号公報特許第４７４８５４５号公報

従来のＩＦＶＤ法では高い温度で熱処理する必要がある。半導体レーザを高出力化するためには窓部と非窓部のバンドギャップ差を大きくする必要があるが、ＩＦＶＤ法で窓領域のバンドギャップ変化量を増加させるには、更に熱処理温度を増加させなければならない。しかし、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの場合、９００℃を超える熱処理はＡｓ抜けを誘発し、半導体表面が荒れ、電極との接触抵抗が増加する。また、誘電体膜が割れて窓領域のＧａ空孔の拡散にバラツキが生じる。

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、その目的は半導体レーザを高出力化する窓構造を安定に形成することができる半導体レーザの製造方法を得るものである。

本発明に係る半導体レーザの製造方法は、半導体基板上に、第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型のクラッド層、及び第２導電型のコンタクト層を順に形成する工程と、端面近傍の窓領域のみにおいて前記コンタクト層に接し、前記コンタクト層からＩＩＩ族原子を吸収してＩＩＩ族空孔の発生を促進する促進膜を形成する工程と、前記窓領域の前記コンタクト層にイオンを注入してダメージを与える工程と、前記促進膜を形成し前記イオンを注入した後に、熱処理を行うことで前記ＩＩＩ族空孔を拡散させて前記窓領域において前記活性層を無秩序化して窓構造を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明により、半導体レーザを高出力化する窓構造を安定に形成することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。ＳｉＯ_２膜の表面に存在するＧａ量を示す図である。活性層のブルーシフト（短波長側へのシフト）量を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１から図５は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。これらの図はレーザ共振器方向に沿った断面図である。

まず、図１に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＡｓ基板１上に順に、２．８μｍ厚のＡｌ_０．４８Ｇａ_０．５２Ａｓからなるｎ型クラッド層２、Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓ（１０ｎｍ）／Ａｌ_{０．１１２}Ｇａ_{０．８８５}Ａｓ（８．４ｎｍ）／Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓ（８．４ｎｍ）／Ａｌ_{０．１１２}Ｇａ_{０．８８５}Ａｓ（８．４ｎｍ）／Ａｌ_{０．３３５}Ｇａ_{０．６６５}Ａｓ（１０ｎｍ）からなる量子井戸構造の活性層３、０．１６５μｍ厚のＡｌ_０．４８Ｇａ_０．５２Ａｓからなるｐ型クラッド層４、及び２０ｎｍ厚のＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層５をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成する。

次に、図２に示すように、ｐ型コンタクト層５上に、４００Å厚のＳｉＮからなる抑制膜６を熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成する。その後、抑制膜６上にレジストを塗布し、写真製版技術によりレジストをパターニングしてエッチングを行なうことで、端面近傍の窓領域において抑制膜６に開口７を形成する。

次に、抑制膜６上及び開口７内のｐ型コンタクト層５上に、２０００Å厚のＳｉＯ_２からなる促進膜８をスパッタにより形成する。ここで、抑制膜６はＧａ空孔の発生を抑制し、促進膜８はｐ型コンタクト層５からＧａ原子を吸収してＧａ空孔の発生を促進する。促進膜８は窓領域のみにおいてｐ型コンタクト層５に接する。

次に、図３に示すように、促進膜８上にレジスト９を塗布した後、写真製版技術により窓領域においてレジスト９に開口１０を形成する。

次に、図４に示すように、レジスト９をマスクとして用いてレジスト９及び開口１０の上からイオン注入装置によりプロトンを加速電圧２０ｋｅＶ、ドーズ量６．７Ｅ＋１６ｃｍ^−２の条件で注入する。この結果、窓領域のｐ型コンタクト層５にプロトンが注入され、ｐ型コンタクト層５と促進膜８の界面付近に結晶内ダメージ領域１１が形成される。また、レジスト９内にレジスト内ダメージ領域１２も形成される。

ここで、イオンの注入条件は、プロトンがｐ型コンタクト層５と促進膜８の界面を通過してｐ型コンタクト層５に注入され、かつ活性層３にダメージを与えない条件にする。これにより、イオン注入のダメージに起因する半導体レーザの特性悪化を防止することができる。例えば、ｐ型クラッド層４、ｐ型コンタクト層５、及び促進膜８の材質及び膜厚が上記の条件であり、注入されるイオンがプロトンの場合、イオン注入時の加速電圧を２０ｋｅＶにすれば、当該条件が満たされる。

次に、図５に示すように、レジスト９を除去した後、Ｎ_２雰囲気中でＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法を用いて温度上昇速度５０℃／ｓで９００℃に昇温し、１８０秒間の熱処理を行う。この熱処理によりＧａ空孔を拡散させて窓領域において活性層３を無秩序化して窓構造１３を形成する。その後、抑制膜６及び促進膜８をフッ酸系エッチング液で除去する。

続いて、実施の形態１の効果を比較例と比較して説明する。比較例ではプロトン注入を行なわない。図６は、ＳｉＯ_２膜の表面に存在するＧａ量を示す図である。この分析はＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）を用いて実施した。この分析結果から、プロトン注入を行うことによりＳｉＯ_２表面に存在するＧａの量が増加することがわかる。これはｐ型コンタクト層５に形成されたＧａ空孔が増加したことを意味している。

図７は、活性層のブルーシフト（短波長側へのシフト）量を示す図である。この測定はＰＬ（Photoluminescence）を用いて実施した。この測定結果から、プロトン注入を行うことによりブルーシフト量が１６．２ｎｍ増加していることがわかる。ここで、光の波長λとバンドギャップエネルギーＥｇの間にはＥｇ＝ｈ・ｃ／λ（ここでｈはプランク定数、ｃは光速）の関係がある。従って、ブルーシフト量の増加は活性層のバンドギャップが増加したことを意味している。

これらの実験結果が示すように、プロトン注入を行うことで熱処理温度を増加させること無くＧａ空孔量を増加させ、バンドギャップ変化量を増加させることができる。この結果、半導体レーザを高出力化することができる。また、熱処理温度を増加させる必要がないため、結晶表面荒れ、誘電体割れが発生せず窓構造を安定に形成することができる。

また、ＳＩＭＳ分析を実施した結果、注入したプロトンが熱処理により結晶から抜けていることが確認できた。従って、イオン種はＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｓｉ等のイオン注入できる原子や分子であればよいが、注入したイオンが残らないプロトンであることが好ましい。

実施の形態２．
図８から図１０は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。これらの図はレーザ共振器方向に沿った断面図である。

まず、実施の形態１の図１と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型クラッド層２、量子井戸構造の活性層３、ｐ型クラッド層４、及びｐ型コンタクト層５を順にＭＯＣＶＤにより形成する。

次に、図８に示すように、ｐ型コンタクト層５上にレジスト９を塗布した後、写真製版技術により窓領域においてレジスト９に開口１０を形成する。

次に、図９に示すように、レジスト９をマスクとして用いてレジスト９及び開口１０の上からイオン注入装置によりプロトンを注入する。この結果、窓領域のみにおいてｐ型コンタクト層５にプロトンが注入され、ｐ型コンタクト層５と促進膜８の界面付近に結晶内ダメージ領域１１が形成される。また、レジスト９内にレジスト内ダメージ領域１２も形成される。ここで、イオンの注入条件は、活性層３にダメージを与えない条件にする。

次に、図１０に示すように、レジスト９を除去した後に、ｐ型コンタクト層５上に抑制膜６を熱ＣＶＤにより形成する。その後、端面近傍の窓領域において抑制膜６に開口７を形成する。次に、抑制膜６上及び開口７内のｐ型コンタクト層５上に促進膜８をスパッタにより形成する。促進膜８は窓領域のみにおいてｐ型コンタクト層５に接する。

次に、実施の形態１の図５と同様に、熱処理を行うことによりＧａ空孔を拡散させて窓領域において活性層３を無秩序化して窓構造１３を形成する。その後、抑制膜６及び促進膜８をフッ酸系エッチング液で除去する。

実施の形態１では促進膜８を形成した後にイオンを注入したが、実施の形態２ではイオンを注入した後に促進膜８を形成する。この場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、抑制膜６はＧａ空孔形成を抑制する誘電体膜であればＳｉＮに限られず、促進膜８はＧａ空孔形成を促進する誘電体膜であればＳｉＯ_２に限られず、例えばＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮｘ膜でもよい。

また、抑制膜６の成膜方法は熱ＣＶＤに限られず、Ｐ−ＣＶＤ（Plasma-Chemical Vapor Deposition）やスパッタでもよい。また、促進膜８の成膜方法はスパッタに限られず、蒸着やＰ−ＣＶＤでもよい。

また、半導体レーザの材料はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料に限られず、ＩＦＶＤが確認されているＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料やＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系材料でもよい。

１ｎ型ＧａＡｓ基板（半導体基板）
２ｎ型クラッド層（クラッド層）
３活性層（活性層）
４ｐ型クラッド層（クラッド層）
５ｐ型コンタクト層（コンタクト層）
６抑制膜
７開口（第１の開口）
８促進膜
９レジスト
１０開口（第２の開口）
１３窓構造

Claims

半導体基板上に、第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型のクラッド層、及び第２導電型のコンタクト層を順に形成する工程と、
端面近傍の窓領域のみにおいて前記コンタクト層に接し、前記コンタクト層からＩＩＩ族原子を吸収してＩＩＩ族空孔の発生を促進する促進膜を形成する工程と、
前記窓領域の前記コンタクト層にイオンを注入してダメージを与える工程と、
前記促進膜を形成し前記イオンを注入した後に、熱処理を行うことで前記ＩＩＩ族空孔を拡散させて前記窓領域において前記活性層を無秩序化して窓構造を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
前記コンタクト層上に、前記ＩＩＩ族空孔の発生を抑制する抑制膜を形成し、前記窓領域において前記抑制膜に第１の開口を形成する工程を更に備え、
前記促進膜は、前記抑制膜上及び前記第１の開口内の前記コンタクト層上に形成されることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザの製造方法。
前記コンタクト層上にレジストを形成し、前記窓領域において前記レジストに第２の開口を形成する工程を更に備え、
前記レジストをマスクとして用いて前記窓領域の前記コンタクト層に前記イオンを注入することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザの製造方法。
前記イオンの注入条件は、前記活性層にダメージを与えない条件にすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
前記促進膜を形成した後に前記イオンを注入することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
前記イオンを注入した後に前記促進膜を形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザの製造方法。