JP3770386B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザダイオードなどの光半導体装置及びその製造方法に関し、特に半導体レーザダイードの端面に保護膜を形成する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体レーザダイオードの高出力化が進み、様々なタイプの構造が提案されている。高出力化で問題となるのが光学損傷(COD:Catastrophic Optical Damage)である。高いCODレベルを実現できなければ、半導体レーザダイオードの高出力化は困難である。CODは半導体レーザダイオードの端面(へき開面)の状態と関係がある。端面に存在する不純物(例えば自然酸化膜)や格子欠陥が存在すると、この部分で光の吸収が起こり、多数の電子と正孔が発生する。そしてこれらの電子と正孔が再結合し、その際に熱を発生する。この熱により端面が損傷を受ける。
【0003】
CODを改善するために、従来から端面に保護膜を形成して、端面をパッシベーションすることが提案されている(例えば、特開平7−176819号公報、特開平9−64453公報)。また、実際に使用されている技術として、保護膜としてアルミナ(Al2O3)や二酸化シリコン(SiO2)を電子ビーム蒸着で成長させることが行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
アルミナや二酸化シリコンはCODレベルに限界があり、更にCODレベルを向上させるためにはAlN膜が不可欠である。しかしながら、AlNを成長させる場合には、アルミニウム単体と窒素を別々に飛ばし、表面で反応生成させるため、成長時に窒素ガス及びイオンが端面を介して半導体層内に侵入し、元々の光学的に平らな界面を荒らしてしまう。荒らされた界面は光吸収層として作用するため、CODレベルの低下をもたらすという問題があった。
【0005】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、保護膜の成分が光半導体装置の積層体を荒らすのを効果的に防ぎ、もってCODを改善することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は請求項1に記載のように、光半導体装置を構成する積層体と、前記積層体の光入射面または出射面に窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着によって設けられた中間膜と、前記中間膜上に窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着によって設けられた保護膜とを有する光半導体装置において、前記中間膜及び保護膜はそれぞれ窒化アルミニウムの層であって、アルミニウム成分の含有量が異なり、前記中間膜は前記保護膜の屈折率よりも大きい屈折率を有するとともに、光学的に無視できる厚みを有することを特徴とする光半導体装置である。中間膜が前記保護膜よりも大きな屈折率を持つことは、中間膜の方が多くのアルミニウムを有していることを示している。このように、保護膜よりも大きな屈折率を持つ中間膜を形成するためには、中間膜を相対的に低いイオン照射量で形成するか、又は高い成長レートで形成することになる。しかも、中間膜は光学的に無視できる厚みを有するので、短時間で形成することができる。従って、中間膜形成時のイオン衝突によって光入射面又は出射面が荒らされるのを抑制することができる。なお、中間膜及び保護膜は光を出射する面のみならず、光を受信する面に形成することもできる。
【0008】
上記光半導体装置において例えば、前記中間膜と保護膜は、イオン源からのイオン照射量が一定で、成長レートを中間膜の方で高くすることによって形成されたものである。中間膜の成長レートが高いので、光入または出射面がイオンで荒らされるのを抑制することができる。
【0009】
上記半導体装置において例えば、前記中間膜と保護膜は、イオン源からのイオン照射量が前記中間膜の方で少ない状態で形成されたものである。中間層のイオン照射量が少ないので、光入または出射面がイオンで荒らされるのを抑制することができる。
【0012】
上記光半導体装置は例えば、前記中間膜のアルミニウム成分の含有量は、前記保護膜のアルミニウム成分の含有量よりも大である。
【0013】
上記光半導体装置は例えば、前記中間膜及び保護膜は、異なる成膜条件で形成されている。保護膜と同一材料、つまり窒化アルミニウムで形成された中間膜なので、容易に製造することができる。
【0014】
更に、上記光半導体装置において例えば、前記中間膜は3nm以下の厚み、更に好ましくは1nm以下の厚みを持つ。この値は中間膜を光学的に無視できる上限値となる。
【0015】
また、このように中間層を薄く形成することにより、中間膜本来の機能を発揮でき、しかも短時間で光入または出射面上に形成できるので、この面に与える影響を極めて小さくすることができる。
【0016】
また、本発明は請求項8に記載のように、半導体装置を構成する積層体の光入射面または出射面に、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて第1の成長レートで窒化アルミニウムの中間膜を形成する第1の工程と、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて前記第1の成長レートより低い成長レートで前記中間膜上に、該中間膜とは異なるアルミニウム成分の含有量を有する保護膜を形成する第2の工程とを有し、前記中間膜は前記保護膜の屈折率よりも大きい屈折率を有するとともに光学的に無視できる厚みを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法である。光学的に無視できる厚みの中間膜の成長を高速で行うことで、イオンが光入または出射面に与える影響を軽減することができる。保護膜と同じ窒化アルミニウムを用いて中間膜を形成するので、製造が容易である。
【0017】
また、本発明は請求項9に記載のように、光半導体装置を構成する積層体の光入射面または出射面に、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて第1のイオン照射量で窒化アルミニウムの中間膜を形成する第1の工程と、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて前記第1のイオン照射量よりも多いイオン照射量で前記中間膜上に、該中間膜とは異なるアルミニウム成分の含有量を有する保護膜を形成する第2の工程とを有し、前記中間膜は前記保護膜の屈折率よりも大きい屈折率を有するとともに光学的に無視できる厚みを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法である。中間膜の成長を少ない照射量で行い、しかも光学的に無視できる厚さであるため、イオンが光入または出射面に与える影響を軽減することができる。保護膜と同じ窒化アルミニウムを用いて中間膜を形成するので、製造が容易である。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0024】
図1(A)は半導体レーザダイオードの一構成例を示す図、図1(B)は図1(A)に示す半導体レーザダイオードに本発明による保護膜を形成した半導体レーザダイオードを示す図である。図1(A)に示す半導体レーザダイオードは、GaAs基板11、N−AlGaInPクラッド層12、MQW(Multi−Quantum Well)活性層13、P−AlGaInP第1クラッド層14、AlGaInP電流狭窄層15、P−AlGaInP第2クラッド層16、P−GaAsコンタクト層17を有する。AlGaInP電流狭窄層15は、P型不純物とN型不純物の両方を含有する。AlGaInP電流狭窄層15斜面と平面とでは、不純物の活性化率に違いがあるため、平面ではN型、斜面ではP型を呈する。
【0025】
このような半導体レーザダイオードに、図1(B)に示すように中間膜20と保護膜21を形成する。中間膜20は半導体レーザダイードの端面(へき開面)上に形成され、保護膜21は中間膜20の上に形成されている。中間膜20は保護膜21を形成する際に、イオンが端面を荒らすのを防止する機能を持つ。本発明では、イオンアシスト蒸着方法を用いてAlNの保護膜21を形成する。その際、窒素イオンでレーザダイードの表面が損傷を受ける。損傷を受けた部分には微小な凹凸(クレータ)が生じ、これが光を吸収することでCODを劣化させる。
【0026】
以上の点を考慮して、本発明では界面と保護膜21との間に中間膜20を設けている。中間膜20は窒素を含まない膜であってもよい。例えば、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO2)や酸化チタニウム(TiO2)の膜を中間膜20とする。勿論、これでは異なる成膜プロセスを準備しなければならない。
【0027】
そこで、本発明は製造プロセスを考慮して、中間膜20も保護膜21と同じ材料で形成し、中間膜20に上記作用、効果を持たせるように工夫した。同じAlNで中間膜20と保護膜21を成長させることで、一つの製造装置を用いることができる。この際、何らかの処置を施さないと、中間膜20を形成する際に、半導体表面を損傷してしまう。
【0028】
本発明は、中間膜20を保護膜21と同じAlNで形成する場合に、中間膜20が保護膜21よりも大きな屈折率を持つようにした。例えば、保護膜21の屈折率が2.07とすると、中間膜20の屈折率はこれよりも大きな値、例えば2.08である。AlNの中間膜20がAlNの保護膜21よりも大きな屈折率を持つことは、Al成分の含有量は中間膜20のほうが保護膜21よりも多いことを意味している。そして、AlNの成長にイオンアシスト蒸着方法を用いる。イオンアシスト蒸着方法で中間膜20と保護膜21を形成する場合、例えば成長レートやイオン照射量を変えることで、異なる屈折率の中間膜20と保護膜21とを比較的容易に形成することができる。具体的には、中間膜20の形成を高い成長レート(蒸着レート)で行い、保護膜21をこれよりも低い成長レートで行う。成長レートが高いとAlNの膜は高い屈折率を持つ膜となる。また、高い成長レートで行うことは、レーザダイードが窒素イオンに曝される時間が短いことをと意味している。従って、レーザダイオードの端面は窒素イオンに曝され難くなり、損傷を受け難くなる。これにより、CODの劣化を防止できる。このようにして、AlNの中間膜20を成長させた後に、AlNの保護膜21を成長させる。このときには既に中間膜20が形成されているので、端面は窒素イオンから保護されている。また、中間膜20の成膜の窒素イオン照射量を、保護膜21の成膜時よりも少なくすることでも良い。
【0029】
中間膜20は3nm以下の厚みを持つことが好ましく、より好ましくは1nm以下の厚みを持つ。3nmの厚みは、光学的に無視できる厚みである。中間膜20の膜厚の下限は、保護膜21の窒素の侵入を阻止するという所期の機能を果たせる程度にする必要がある。この点は、半導体層のAlの含有量など様々な条件で異なるので、一意に値を特性することはできない。
【0030】
図2は、イオンアシスト蒸着装置を模式的に示す図である。イオンアシスト蒸着装置は、チャンバ31、イオン銃32、蒸着源33、ホルダ34を有する。ホルダ34には、ウェハからバー状に切り出された半導体基板(複数の半導体レーザダイオードチップ35を個片に切り出す前の状態)が、複数枚保持されている。以下、ホルダに支持される半導体基板を試料35という。イオン銃32はNイオンを試料35に照射する。蒸着源33はアルミニウムであり、試料35に向けて蒸発する。
【0031】
このような装置を用いて、中間膜20と保護膜21を次の通り成長させる。例えば、蒸着源33に加える電子ビーム電流を60mAとし、イオン銃32に60mAを加えてAlと窒素イオンを同時に20秒間飛ばす。次に、蒸着源33の電子ビーム電流を57mAにして蒸着レートを下げ、約30分間蒸着を行う。このようにして、屈折率が2.08以上のAlN中間膜20及び屈折率が2.07のAlN保護膜21を形成することができる。これにより、3nmの中間層20と、60nmの保護膜21を形成した。
【0032】
以上、本発明の一実施形態を説明した。なお、上記製造方法とは異なる方法で中間膜20と保護膜21を半導体レーザダイオードの端面に形成することができる。例えば、半導体装置を構成する積層体の端面に、イオン照射をすることなく中間膜20を形成する第1の工程と、イオンアシスト蒸着方法を用いて中間膜20上に保護膜21を形成する方法である。第1の工程は例えば真空蒸着やCVDなどで行える。また、半導体装置を構成する積層体の端面に、窒素を含まない中間膜20を形成する第1の工程と、中間膜20上に窒素を含む保護膜21を形成する製造方法である。第1の工程は、例えばSiO2やTiO2などの膜をCVDなどで形成するものである。また、第2の工程はイオンアシスト蒸着方法又は真空蒸着などである。
【0033】
以上、本発明の実施形態を説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、他の様々な実施の形態を含むものである。例えば、本発明は上記タイプの半導体レーザダイオード以外の様々な半導体レーザダイオードを含むものである。また、本発明は半導体レーザダイオード以外の光半導体素子及びその製造方法を含むものである。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、保護膜の成分が光半導体装置の積層体を荒らすのを効果的に防ぎ、もってCODを改善することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の半導体レーザダイオードを説明するための図である。
【図2】本発明の一実施形態の半導体製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
11 GaAs基板
12 N−AlGaInPクラッド層
13 MQW活性層
14 P−AlGaInP第1クラッド層
15 AlGaInP電流狭窄層15斜
16 P−AlGaInP第2クラッド層
17 P−GaAsコンタクト層
Claims (9)
- 光半導体装置を構成する積層体と、前記積層体の光入射面または出射面に窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着によって設けられた中間膜と、前記中間膜上に窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着によって設けられた保護膜とを有する光半導体装置において、前記中間膜及び保護膜はそれぞれ窒化アルミニウムの層であって、アルミニウム成分の含有量が異なり、前記中間膜は前記保護膜の屈折率よりも大きい屈折率を有するとともに、光学的に無視できる厚みを有することを特徴とする光半導体装置。
- 前記中間膜と保護膜は、イオン源からのイオン照射量が一定で、成長レートを中間膜の方で高くすることによって形成されたものであることを特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
- 前記中間膜と保護膜は、イオン源からのイオン照射量が前記中間膜の方で少ない状態で形成されたものであることを特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
- 前記中間膜のアルミニウム成分の含有量は、前記保護膜のアルミニウム成分の含有量よりも大であることを特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
- 前記中間膜及び保護膜は、異なる成膜条件で形成されていることを特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
- 前記中間膜は3nm以下の厚みを持つことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の光半導体装置。
- 前記中間膜は1nm以下の厚みを持つことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の光半導体装置。
- 光半導体装置を構成する積層体の光入射面または出射面に、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて第1の成長レートで窒化アルミニウムの中間膜を形成する第1の工程と、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて前記第1の成長レートより低い成長レートで前記中間膜上に、該中間膜とは異なるアルミニウム成分の含有量を有する保護膜を形成する第2の工程とを有し、前記中間膜は前記保護膜の屈折率よりも大きい屈折率を有するとともに光学的に無視できる厚みを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
- 光半導体装置を構成する積層体の光入射面または出射面に、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて第1のイオン照射量で窒化アルミニウムの中間膜を形成する第1の工程と、窒素イオンを照射しつつアルミニウムを蒸着するイオンアシスト蒸着方法を用いて前記第1のイオン照射量よりも多いイオン照射量で前記中間膜上に、該中間膜とは異なるアルミニウム成分の含有量を有する保護膜を形成する第2の工程とを有し、前記中間膜は前記保護膜の屈折率よりも大きい屈折率を有するとともに光学的に無視できる厚みを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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