JP2533960B2

JP2533960B2 - 気相成長装置

Info

Publication number: JP2533960B2
Application number: JP2087715A
Authority: JP
Inventors: 秀典河西; 修山本; 正樹近藤; 和明佐々木; 晃広松本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1990-04-02
Publication date: 1996-09-11
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JPH03285327A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は，半導体結晶の劈開を利用した高品質の半導
体素子（例えば，端面射出型半導体レーザー素子）を効
率よく製造し得る気相成長装置に関する。

（従来の技術）半導体結晶の劈開を利用した代表的な半導体素子とし
ては，半導体結晶と空気との屈折率差に基づく１組の半
導体鏡面からなるファブリペロ型共振器を備えた端面出
射型半導体レーザ素子が挙げられる。

現在，このような端面出射型半導体レーザ素子は，光
ディスク装置などの光源として幅広く用いられている。
特に，これらの半導体レーザ素子を，書き込み可能な追
記型光ディスク装置または消去可能な書き換え型光ディ
スク装置の光源として用いる場合には,40〜50mW程度の
高出力状態においても高い信頼性を示すことが要求され
る。しかも，光ディスク装置を含むシステム全体の動作
速度を高めることを目的として，さらに高い光出力が得
られる半導体レーザ素子が要望されている。また，高精
彩のレーザプリンタ装置の光源またはYAGレーザなどの
固体レーザ装置の励起用光源として用いる場合には，光
出力が100mW以上の高出力半導体レーザ素子が必要であ
る。

ところが，端面出射型半導体レーザ素子には，高出力
状態で動作させた場合に，その端面が次第に劣化すると
いう問題点がある。端面が劣化すると，駆動電流が増加
し，やがてはレーザ発振が起こらなくなる。したがっ
て，高出力状態では，高い信頼性を得るのが困難であっ
た。

このような端面劣化は次のような原因によって起こ
る。まず，出射端面における光密度が高く，非発光再結
合が表面準位を介して起こるので，端面近傍で局部的な
発熱が生じる。端面近傍の温度が上昇すると，その熱に
よって端面近傍領域の禁制帯幅が減少し，光の吸収が増
大する。それによって発生したキャリアは表面準位を介
して非発光再結合するので，さらに発熱が生ずることに
なる。この過程が繰り返されるにつれて，端面近傍にお
ける半導体結晶の温度が上昇して，ついには融点に達
し，そして端面が破壊される。

本発明者らは，端面出射型半導体レーザ素子における
端面劣化を抑制する手段として，共振器端面となる半導
体結晶の劈開面上に傾斜禁制帯幅層を設けることを提案
した（特願平１−60422号）。

この傾斜禁制帯幅層は劈開面から遠ざかるにつれて漸
増する禁制帯幅を有する。それゆえ，端面近傍で発生し
たキャリアは，拡散によって移動するだけでなく，禁制
帯幅の傾斜に起因するドリフトによって半導体結晶内部
に強く引き込まれ，端面近傍の表面準位に捕捉される確
率が極めて小さくなる。さらに，傾斜禁制帯幅層の禁制
帯幅が活性層を含むレーザ励起部より大きいので，端面
近傍における光吸収が低減される。その結果，端面劣化
が効果的に抑制され，高出力状態における信頼性が向上
する。

このような端面出射型半導体レーザ素子を製造する方
法としては，基板上の積層構造を構成する半導体結晶に
エッチング法で突起部を形成し，酸素を実質的に含まな
い雰囲気下で，この突起部に力を加えて劈開させること
（マイクロクリーブ法）によって共振器を形成した後，
劈開面上に傾斜禁制帯幅層を形成する方法が考えられ
る。

従来，このような傾斜禁制帯幅層を有する端面出射型
半導体レーザ素子は以下のようにして製造されていた。
ここでは，その一例として,GaAs系またはGaAlAs系の端
面出射型半導体レーザ素子の場合について説明する。

まず,GaAs基板11上に，液相成長法または気相成長法
などの公知の成長法を用いて,GaAs活性層またはAlGaAs
活性層12を含む積層構造13を形成する。次いで，プラズ
マCVD法を用いて，この積層構造13の表面にSiO₂膜19を
形成する。そして,SiO₂膜19上の全面にホトレジストを
塗布した後，ホトリソグラフィ法を用いて，所定のレジ
ストパターンを形成する。このレジストパターンをマス
クとして,SiO₂膜19をエッチングすることにより，レー
ザ励起部20に合わせた第５図の斜線部のようなSiO₂膜19
を形成する。

次いで，イオンミリング法を用いて，第６図の太い矢
印で示すように，斜め方向から基板11および積層構造13
をエッチングすることにより，突起部21を形成する。

第７図（ａ）に，第６図の突起部21のＸ−Ｘ′断面お
よびＹ−Ｙ′断面を合わせて示す。また，第６図の突起
部21のＺ−Ｚ′断面を第７図（ｂ）に示す。斜め方向か
らエッチングを行ったので，突起部21の断面形状は三角
形となる。突起部21は連結部22で基板と接続されている
のみであり，その底部は基板11から分離している。な
お，連結部22の断面形状は，やはり三角形であるが，突
起部21に比べて小さい。

このように突起部21が形成された基板11を，有機金属
熱分解装置または分子線エピタキシー装置などの気相成
長装置内に入れ，酸素が実質的に存在しない雰囲気下
（例えば，真空下，窒素雰囲気下または水素雰囲気下）
における劈開工程に供する。この劈開によって，共振器
が形成され，劈開面23はその端面となる。

（発明が解決しようとする課題）上記の劈開工程において，連結部22の断面が突起部21
の断面より小さいので，突起部21はわずかな力を加える
ことによって連結部22の部分で容易に劈開する。しかし
ながら，このような方法では，気相成長装置内で，遠隔
操作によって１カ所づつ力を加えて劈開させなければな
らないので，非常に長い時間を必要とすると共に，操作
を誤った場合には，基板を傷つける恐れがある。

本発明は，上記従来の問題点を解決するものであり，
その目的とするところは，半導体結晶の劈開を利用した
半導体素子の製造において，劈開を簡便に，かつ基板を
傷つけることなく行うことが可能な手段を備えた気相成
長装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の気相成長装置は，半導体結晶の劈開を利用し
た半導体素子の製造に使用され，半導体結晶からなる少
なくとも１つの層を形成した基板に超音波振動を与えて
該半導体結晶の劈開を行う手段を備えており，そのこと
により上記目的が達成される。

（実施例）以下に本発明の実施例について説明する。

第１図（ａ）および（ｂ）に本発明の一実施例である
気相成長装置を示す。この気相成長装置は，半導体結晶
の劈開を行う基板処理室30と，有機金属熱分解法を用い
て半導体結晶の成長を行うリアクタ31とから構成されて
いる。基板処理室30とリアクタ31との間は，第１図
（ｂ）に示すように開閉可能なゲートバルブ32で仕切ら
れている。ゲートバルブ32は，リアクタ31の内部を外気
に曝らさないようにするために設けられている。基板処
理室30の他方の端部には基板11を導入する試料導入口33
が設けられている。基板11は治具34を用いてサセプタ35
に固定され，支持棒36を操作することによって，試料導
入口33から基板処理室30の内部に導入される。基板処理
室30の内部には，基板11に超音波振動を与える超音波振
動印加台37と，劈開によって分離した基板11の一部を収
容する受け皿38が設置されている。リアクタ31には導入
管39および排気管40が接続されており，リアクタ31内部
の排気および雰囲気置換を行ったり，リアクタ31内部へ
原料ガスおよびキャリアガスなどを供給したりすること
ができる。リアクタ31の周囲にはRFコイル41が巻かれて
おり，高周波電流を流すことによって，リアクタ31内部
の試料が加熱される。

第３図に，このような気相成長装置を用いて得られる
端面出射型半導体レーザ素子の一実施例を示す。この図
には，以下のような構造を有する半導体レーザ素子の出
射端面側のみが示されている。

まず,GaAs基板11上に,GaAs活性層またはGaAlAs活性層
12を含む積層構造13が形成されている。積層構造13の上
面およびGaAs基板11の下面には，それぞれ電極14および
15が設けられている。そして，少なくとも出射側の共振
器端面上には，傾斜禁制帯幅層16が形成されており，さ
らにその表面には，端面反射膜が形成されている。な
お，傾斜禁制帯幅層16が出射側の共振器端面上にのみ形
成されている場合には，この傾斜禁制帯幅層16の表面に
は低反射率の端面反射膜17が形成されており，他方の共
振器端面上には高反射率の端面反射膜18（第３図には示
さず）が形成されている。

以下では，このような端面出射型半導体レーザ素子の
製造方法について説明する。なお，劈開させるべき突起
部21を基板11上に形成する工程までは上記従来の場合と
同様であるので，ここでは，それ以後の工程について，
第１図（ａ）および（ｂ）と，第４図（ａ）〜（ｅ）と
を参照しながら説明する。ただし，第４図（ａ）〜
（ｅ）では,GaAs活性層またはGaAlAs活性層12を含む積
層構造13の図示は省略されている。突起部21を形成する
方法としては，上記の方法以外に，選択エッチング法
（Appl.phys.Lett.,40289（1982）参照）を用いてもよ
い。

まず，第４図（ａ）に示すような突起部21が形成され
た基板11を，治具34によってサセプタ35上に固定した。
そして，第１図（ａ）に示すように，サセプタ35の支持
棒36を操作して，基板11を試料導入口33から基板処理室
30の内部に導入し，超音波振動印加台37上へ載置した。
試料導入口33を閉じた後，ゲートバルブ32を開け，排気
管40を通じて基板処理室30およびリアクタ31の内部を排
気した。排気は，真空ポンプを用いて,5×10^-6Pa以下の
真空度に達するまで行った。

超音波振動印加台37からサセプタ35を通じて基板11に
超音波振動を与えると，第４図（ｂ）に示すように，基
板11の突起部21は直ちに連結部22の部分で劈開し，共振
器が形成された。この際に形成された劈開面23が共振器
端面となる。なお，ここでは，突起部21の劈開工程を真
空中で行ったが，酸素が実質的に存在しない雰囲気下で
あれば，窒素雰囲気または水素雰囲気などの他の条件下
でも行ない得る。

次いで，サセプタ35を受け皿38の上方に移動させ，そ
して支持棒36を回転させてサセプタ35を下向きにするこ
とによって，劈開後も基板11上に残存する突起部21を受
け皿38内に落下させて除去した。この段階では，第４図
（ｃ）に示すように，断面形状が矩形のストライプ溝が
基板11に形成されている。支持棒36を再び回転させてサ
セプタ35を上向きに戻した後，導入管39から水素を供給
し，基板処理室30およびリアクタ31の内部を水素で満た
した。そして，第１図（ｂ）に示すように，支持棒36を
操作してサセプタ35をリアクタ31内に導入した。

リアクタ31内では,RFコイル41に高周波電流を流して
基板11を所定の温度に加熱し，導入管39から原料ガスお
よびキャリアガスを供給することによって，第４図
（ｄ）に示すように,Ga_1-xAl_xAsからなる傾斜禁制帯幅
層16を，劈開面23を含むストライプ溝の底面および側面
に形成した。傾斜禁制帯幅層16のAl混晶比ｘは，ストラ
イプ溝の表面から遠ざかるにつれて活性層12と同じAl混
晶比から漸増するように設定した。例えば，波長約780n
mのレーザ光を出射する半導体レーザ素子を製造する場
合には,0.14から0.5まで漸増するAl混晶比ｘを用いた。
しかし,Al混晶比ｘは，劈開面23から漸増していればよ
く,0.14から0.5の範囲に限定されることはない。また,A
l混晶比ｘの変化は，直線的であっても，放物線的であ
ってもよい。さらに，半導体レーザ素子内部の活性層12
を含む積層構造13と傾斜禁制帯幅層16との間に，劈開面
23を挟んでAl混晶比のステップが存在してもよい。な
お，傾斜禁制帯幅層16の厚さは約0.1μｍとした。

本実施例のように，有機金属熱分解法を用いれば，第
４図（ｄ）に示すように，互いに対向する劈開面23のい
ずれにも，傾斜禁制帯幅層16を同時に形成することがで
きる。なお，ここでは，有機金属熱分解法を用いたが，
分子線エピタキシー法などの他の気相成長法を用いても
よい。例えば，分子線エピタキシー法を用いた場合に
は，基板11を回転させながら，斜め方向から分子線を照
射することによって，劈開面23の全面に傾斜禁制帯幅層
16を形成することができる。

また,SiO₂膜19上には，単結晶ではなく，アモルファ
ス状の傾斜禁制帯幅層16′が形成された。このアモルフ
ァス状の傾斜禁制帯幅層16′は，単結晶からなる傾斜禁
制帯幅層16に比べて非常に速くエッチングされる。そこ
で，基板11を気相成長装置から取り出し，通常のエッチ
ング法によって，アモルファス状の傾斜禁制帯幅層16′
を選択的に除去した。さらに,SiO₂膜19を除去すること
によって，第４図（ｅ）に示すように，劈開面23を含む
ストライプ溝の底面及び側面にのみ傾斜禁制帯幅層16を
有する基板11を得た。この傾斜禁制帯幅層16は高抵抗に
なるように形成されたので，この層を介する漏れ電流は
観測されなかった。

次いで，基板11のストライプ溝内にレジストを埋め込
み，この部分を除く積層構造13の上面および基板11の下
面に，それぞれ電極14および15を形成した。そして，こ
のレジストを除去した後，基板11を第４図（ｅ）に示す
位置24で劈開し，バー状にした。次いで，電子ビーム蒸
着装置を用いて，出射側の共振器端面には,Al₂O₃からな
る低反射率の端面反射膜17を形成し，他方の共振器端面
には,Al₂O₃およびアモルファスSiからなる高反射率の多
層端面反射膜18を形成した。最後に，各バーをチップに
分割して，端面出射型半導体レーザ素子を得た。

第２図に本発明の他の実施例である気相成長装置を示
す。この気相成長装置は，基板処理室30の内側上部に超
音波振動印加台37が設けられ，その下方に受け皿38が設
けられていること以外は，第１図（ａ）および（ｂ）に
示す気相成長装置と同様である。第２図に示すように，
治具34によってサセプタ35に固定された基板11は，サセ
プタ35が接する超音波振動印加台37から超音波振動が与
えられ，突起部21が劈開する。この際，劈開によって分
離した突起部21は受け皿38内に落下するので，劈開面23
などを傷つける恐れがない。

（発明の効果）このように，本発明の気相成長装置は，半導体結晶の
劈開を利用した半導体素子の製造において，簡便に，か
つ基板を傷つけることなく劈開を行うことができる。し
かも，基板状態のままで劈開を行えるので，同じ気相成
長装置内で引き続いて劈開面上に半導体または他の材料
からなる層（例えば，高出力の端面出射型半導体レーザ
素子の場合には，傾斜禁制帯幅層および端面反射膜な
ど）を形成することができる。したがって，これら半導
体素子の生産性および品質が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例である気相成長装置を
用いて端面出射型半導体レーザ素子の共振器端面を劈開
法によって形成する工程を示す断面図，第１図（ｂ）は
第１図（ａ）の気相成長装置を用いて共振器端面上に傾
斜禁止帯幅層を有機金属熱分解法によって形成する工程
を示す断面図，第２図は本発明の他の実施例である気相
成長装置を用いて端面出射型半導体レーザ素子の共振器
端面を劈開法によって形成する工程を示す断面図，第３
図は第１図（ａ）および（ｂ）の気相成長装置を用いて
得られる端面出射型半導体レーザ素子を示す斜視図，第
４図（ａ）〜（ｅ）は第３図の端面出射型半導体レーザ
素子の製造工程を示す断面図，第５図は基板上の積層構
造の表面に形成されたSiO₂膜のパターンを示す平面図，
第６図はイオンミリング法を用いて基板に形成された突
起部の形状を示す斜視図，第７図（ａ）は第６図のＸ−
Ｘ′断面およびＹ−Ｙ′断面を合わせて示す図，および
第７図（ｂ）は第６図のＺ−Ｚ′断面を示す図である。 11……基板,12……活性層,13……積層構造,16……傾斜
禁制帯幅層,17……低反射率の端面反射膜,18……高反射
率の端面反射膜,19……SiO₂膜,21……突起部,22……連
結部,23……劈開面,37……超音波振動印加台,30……基
板処理室,31……リアクタ

フロントページの続き (72)発明者佐々木和明大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者松本晃広大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (56)参考文献特開昭62−262418（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−27011（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体結晶の劈開を利用した半導体素子の
製造に使用される気相成長装置であって，半導体結晶からなる少なくとも１つの層を形成した基板
の超音波振動を与えて該半導体結晶の劈開を行う手段を
備えた，気相成長装置。