JP3773019B2

JP3773019B2 - 半導体レーザ素子の製造方法

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Publication number: JP3773019B2
Application number: JP14360898A
Authority: JP
Inventors: 文弘厚主; 伸一川戸
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Priority date: 1998-05-26
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 2006-05-10
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用などに用いられる半導体レーザ素子の構造、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザ素子用の化合物半導体結晶の製造方法としては、大面積に亙って均一な結晶を製造するのが容易で且つ極めて薄い層の積層が可能なＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法に代表される気相成長技術が生産方法の主流となっている。
【０００３】
ＭＢＥ法は、高真空中で、化合物半導体を構成する各固体元素を加熱して基板に照射することによって所望の組成の化合物半導体結晶を得るものであり、一方ＭＯＣＶＤ法は、常圧あるいは１／１０気圧程度の減圧条件で、化合物半導体を構成する元素を、有機化合物や水素化物としてガス状にして輸送し、基板上で化学反応を起こして化合物半導体結晶を形成する。いづれの方法も基板上に照射又は供給される原料の供給量と時間、基板温度によって成長層厚や組成比を制御するものである。
【０００４】
従来の方法によって作製されたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの断面図を図１２に示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１２０１上に、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｓｅドープｎ型ＧａＡｓバッファ層１２０２、Ｓｅドープｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２０３、アンドープＡｌＧａＡｓ活性層１２０４、Ｚｎドープｐ型クラッド層１２０５が形成された後、リッジストライプ状にＺｎドープｐ型クラッド層１２０５が加工され、リッジストライプの側面をＳｅドープｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層１２０６で埋め込まれる。さらにＺｎドープｐ型コンタクト層１２０７が形成されて半導体レーザ素子が構成される。
【０００５】
通常は、上記の半導体レーザ素子の製造に先立って、成長速度や組成、ドーピング濃度を把握し、これらパラメーター設定条件を確立するために複数回のチェック用成長が必要である。また、長期間にわたって連続的に製造が実施されるため、原料の減少に伴う供給量の変化等によって上記パラメーターが変動し、素子特性、信頼性に大きく影響を及ぼすことが知られている。そのために実際には定期的に複数回のチェック用成長が製造の合間に行われている。この様に定期的にパラメーター設定条件を見直すことによって安定な生産が確保されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パラメーター設定条件を見直すため、定期的に実施するチェック用成長は頻度が多いほど層厚や組成制御の精度は良くなるが、逆に製造回数が減少するため、生産量しいては製造コストにも大きく影響することになる。逆にチェック用成長が少なすぎるとパラメーター設定条件の実際条件からのずれが大きくなり、最終的には素子歩留まりの低下に繋がっていく。
【０００７】
本発明の目的は、パラメーター設定条件を見直すためのチェック用成長を行うことなく、パラメーターとりわけ層厚を毎回精度良く制御できる半導体レーザ素子構造とその製造方法を提供し、歩留まりの向上とコスト低減を実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、基板上に、少なくとも、第１導電型下クラッド層、活性層、及び第２導電型上クラッド層とを順次積層形成してなると共に、前記基板と前記第１導電型下クラッド層との間に、前記活性層と同一組成の成長速度モニタ層を形成してなる半導体レーザ素子の製造方法において、前記成長速度モニタ層を形成する際、リアルタイムで成長速度をモニタし、その後、前記活性層を形成する際、前記成長速度モニタ層の成長速度をフィードバックすることによって、前記活性層の層厚の制御を行うことを特徴とし、これにより上記目的が達成される。
【０００９】
毎回、同一成長で測定した成長速度を活性層に適応させることから、極めて精密な再現性良い層厚制御を提供できるものである。
【００１２】
前記成長速度モニタ層は、第１導電型バッファ層の上に形成されてなることによって、上記の目的が達成するものである。
【００１３】
また、結晶欠陥を抑制するためのバッファ層に成長速度のモニタ機能を兼ねることができない場合には、基板上に形成された第１導電型バッファ層上に、活性層と同一組成の成長速度モニタ層を形成することにより、結晶品質を損なうことなく上記の課題を解決できるものである。
【００１４】
前記基板と成長速度モニタ層との間には、前記活性層よりも屈折率が小さい薄層が形成されてなることによって、上記の目的が達成するものである。
【００１５】
活性層よりも屈折率が小さい薄層を基板と成長速度モニタ層の間に形成することによって、成長速度モニタ層と下地結晶基板との屈折率差が大きくなり、層厚モニタとして用いる光強度の振幅が大きく取ることが可能となり、モニタ精度がさらに向上するのもである。
【００１６】
前記薄層が、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の層厚であることによって、上記の目的が達成するものである。
【００１７】
ここで、基板上に形成される上記の活性層よりも屈折率が小さい薄層は、活性層との屈折率差が０．２以上あれば光強度の振幅が大きく観測でき、また、層厚は薄すぎるとモニタ精度向上に効果がなく、厚すぎると素子抵抗に影響を及ぼすため、０．０１μｍ以上から０．１μｍ以下の範囲の層厚で形成することが最も良い。
【００１８】
前記成長速度モニタ層が、前記活性層よりも厚くなっていることによって、上記の目的が達成するものである。
【００１９】
さらに、順次形成される活性層と同一組成の成長速度モニタ層の層厚は素子特性に影響を及ぼさないようにするため、活性層よりも厚くする必要がある。
【００２２】
前記第１導電型下クラッド層を形成する際、リアルタイムで成長速度をモニタし、その後、前記第２導電型上クラッド層を形成する際、前記第１導電型下クラッド層の成長速度をフィードバックすることによって、前記第２導電型上クラッド層の層厚の制御を行うことによって、上記の目的が達成する。
【００２３】
活性層ばかりでなく、第２導電型の上クラッド層の精密で再現性良い層厚制御を提供するものである。
【００２４】
前記成長速度が、加熱された基板表面薄膜から放射される光強度の周期的な振動によってモニタされてなることによって、上記の目的が達成する。
【００２５】
ここで、第１導電型下クラッド層と基板との間に形成する活性層と同一組成の成長速度モニタ層の成長速度、又は、第１導電型下クラッド層の成長速度をモニタする手法としては、パイロメーターを用いることよって非常に簡便に実施することができ、加熱された基板表面薄膜から放射される光強度の振動周期から成長速度が求められる。
【００２６】
前記成長速度は、外部から光を導入し、光の干渉現象を利用して層厚をモニタされてなることによって、上記の目的が達成する。
【００２７】
また、本発明では、外部から限定された特定波長の光を導入し、光の干渉現象を利用して層厚をモニタすることで一層厳密な成長速度測定を実現する方法をも提供するものである。
【００２８】
実際には、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザとしては、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ下クラッド層と、Ａｌ_yＧａ_(1-y)Ａｓ活性層と、ｐ型Ａｌ_zＧａ_(1-z)Ａｓ上クラッド層とを備えてなる半導体レーザ素子において、ｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ下クラッド層との間に活性層と同一組成のｎ型Ａｌ_yＧａ_(1-y)Ａｓ成長速度モニタ層を有する半導体レーザ素子を提供するものである。
【００２９】
また、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザとしてはｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ下クラッド層と、（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐ活性層と、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上クラッド層とを備えてなる半導体レーザ素子において、ｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ下クラッド層との間に活性層と同一組成のｎ型（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐ成長速度モニタ層を有する半導体レーザ素子を提供するものである。
【００３０】
更に、ｎ型（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐ層は成長速度のモニタさらに、ＧａＮ系の半導体レーザとして、サファイア基板上にｎ型ＡｌＧａＮ下クラッド層と、Ｉｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮ上クラッド層とを備えてなる半導体レーザ素子において、サファイア基板とｎ型ＡｌＧａＮ下クラッド層との間に活性層と同一組成のｎ型Ｉｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を有する半導体レーザ素子を提供するものである。
【００３１】
以下、本発明の作用を記載する。
【００３２】
一般に実施されている成長パラメーター設定条件の確立及びパラメーター設定条件を見直すためのチェック用成長は、半導体レーザ素子とは全く異なる別の構造で作製、評価されることが多い。例えば、層厚を制御するための成長速度の条件出しは半導体レーザ素子を構成する各組成の異なる層を１μｍ以上形成し、ＳＥＭ等で層厚を測定し、成長時間で割ることによって、単位時間当たりの成長速度を計算する。そして、半導体レーザ素子の構造設計値に合致させるように成長時間を設定し、素子が製造されている。
【００３３】
発明者らは、上記の手間を省き、なおかつ高精度に層厚の制御を実現するため、素子特性に影響を与えない範囲で素子構造内部に成長速度をモニタできる構造並びに方法、さらにモニタ結果を同一成長にてフィードバックする方法を考案した。
【００３４】
すなわち、通常基板温度のモニタに用いているパイロメーターの信号が屈折率の異なる多層構造を形成したときに現れる周期的な振動によって層厚のリアルタイムのモニタを行い、同一の成長にて該当する層にフィードバックすることによって毎回の成長で精度良く層厚制御を行うものである。これは、多層膜中の光の干渉現象を利用する手法であり、外部から光を導入し、その反射強度を測定する方法でも同様の層厚モニタが行うことができる。さらに、上記の成長速度のモニタ層は素子特性に影響を及ぼさない構造と層厚で形成されるため、ロット間のばらつきのない特性の良好な素子が安定して生産できる。
【００３５】
また、パラメーター設定条件を見直すためのチェック用成長が不要となるため、素子製造回数が増加するばかりでなく、材料の使用効率が高まり、大幅な低コスト化が実現できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は実施例１の半導体レーザ素子の断面図である。これはリッジストライプ型と呼ばれる構造で、ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板１（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ成長速度モニタ層３（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層４（キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）、アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層５（厚み０．０８μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層６（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ設定）、エッチングストップ層（図示していない）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.５Ａｓ上第２クラッド層８（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）ｐ型ＧａＡｓ層９（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ設定）を形成する。
【００３７】
その後、ｐ型ＧａＡｓ層９とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層８を４μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。さらにＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ層９とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層８からなるリッジの側面をｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層７（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）で埋め込んだ後、ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）を形成する。
【００３８】
最後に、上面にはｐ電極１１、下面にはｎ電極１２を形成後、バー状に分割して、バーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して個別の素子にする。
【００３９】
素子形成の成長条件は、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｖ族原料としてＡｓＨ₃（アルシン）、ｎ型、ｐ型の各ドーパント原料としてＳｉＨ₄（シラン）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）を用い、成長温度は７５０℃、成長圧力は７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝１２０で行った。
【００４０】
ここで、アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層５の層厚はｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層４との間に形成したｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層３の成長速度をリアルタイムで測定した結果をそのまま反映して成長時間を設定し、また、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層６の層厚はｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層４の成長速度をリアルタイムで測定した結果をそのまま反映して成長時間を設定した。
【００４１】
図２に層厚変動の挙動を本発明と従来例とを比較して示す。従来のロット間層厚変動は、成長回数とともに層厚が減少する傾向にあり、変動幅を５％以内にするためには約１０回成長毎に成長条件見直しのためのチェック用成長が必要である。しかしながら、本発明では、活性層及びｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層共にロット間の層厚ばらつきのない素子が４０ロット間にわたり得られた。また、本発明によって製造された素子もロット間において特性のバラツキがなく、安定な生産が実現できた。
【００４２】
なお、図１の説明を簡単にするため幾つかの層を省略している。実際にはｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層６とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層８との間に２層よりなるエッチングストップ層群があるほか、ｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層７は４層程度の混晶比の異なるＳｉドープ層群であるが、薄い層については図示・説明を省略している。また、実施例１ではｎ型ＧａＡｓ基板１とｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層４の間にｎ型ＧａＡｓバッファ層２とｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ成長速度モニタ層３の２つの層を形成しているが、バッファ層をｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓとしてもよい。
【００４３】
さらに、実施例１ではバルク活性層について説明したが、活性層を量子井戸構造とした場合にも適用でき、この場合には、量子井戸を構成するウエル層やバリア層に対応する２層以上のモニタ層を基板とｎ型下クラッド層の間に形成し、量子井戸構造の層厚制御を行うこともできる。
【００４４】
＜実施例２＞
実施例２のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの断面図を図３に示す。これはセルフアライン型と呼ばれる構造で、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層３０２（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ成長速度モニタ層３０３（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層３０４（キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）、アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層３０５（厚み０．０８μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層３０６（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ設定）、エッチングストップ層（図示していない）、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層３０７（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）を形成する。
【００４５】
ｎ型電流ブロック層３０７を４μｍ幅のストライプ状に除去して電流通路３１０を形成する。更にＭＯＣＶＤ法で、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層３０８（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３０９（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）を形成する。その後上面にはｐ電極３１１、下面にはｎ電極３１２を形成後、バー状に分割して、バーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して個別の素子にする。素子製造における成長条件は実施例１と同一であり、またアンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層の層厚並びにｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層の層厚制御方法も実施例１と同一である。
【００４６】
従って本実施例においても、毎回の成長で成長速度を測定し、同一の成長において得られた成長速度から成長時間を設定してフィードバック制御を行うため、ロット間において素子特性のバラツキがなく、安定な生産が実現できる。
【００４７】
＜実施例３＞
実施例３の半導体レーザ素子の断面図を図４に示す。これはリッジストライプ型と呼ばれる構造で、ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板４０１（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層４０２（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層４０３（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１０μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層４０４（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層４０５（キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）、アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層４０６（厚み０．０８μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層４０７（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ設定）、エッチングストップ層（図示していない）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層４０９（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）ｐ型ＧａＡｓ層４１０（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．９μｍ設定）を形成する。
【００４８】
その後、ｐ型ＧａＡｓ層４１０とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層４０８を４μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。さらにＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ層４１０とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層４０９からなるリッジの側面をｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層４０８（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）で埋め込んだ後、ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層４１１（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）を形成する。
【００４９】
最後に、上面にはｐ電極４１２、下面にはｎ電極４１３を形成後、バー状に分割して、バーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して個別の素子にする。本実施例においても成長条件並びに各層の層厚制御方法も実施例１と同一であるが、Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層４０４の下に薄膜のｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層４０３を導入することによってｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層４０４のモニタ信号強度やＳ／Ｎ比を改善できることが特長である。
【００５０】
すなわち、基板上に活性層と同じ組成のモニタ層を形成し、パイロメーターの信号振動を観測する場合、基板との屈折率差が小さい場合が多く。例えば、Ａｌの混晶比が０．１４の場合、信号の振幅がパイロ指示値で最大２℃程度しかとれない。従って、活性層と屈折率差の大きい薄層を基板とモニタ層の間に挿入することで、モニタ層のパイロメーター信号強度を大きくできる。
【００５１】
屈折率差としては０．２以上であれば、信号の振幅がパイロ指示値で最大５℃以上確保できる。この場合、各層のＡｌ混晶比は実施例に示した値に限定されるものでなく、例えば活性層をＡｌ混晶比がゼロのＧａＡｓとしてもよい。
【００５２】
なお、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層４０３（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１０μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層４０４を素子構造中に導入したが、閾値電流や、動作電流電圧さらには信頼性といった素子特性は全く影響がなく、ロット間において素子特性のバラツキがない安定な生産が実現できた。
【００５３】
＜実施例４＞
次にリッジストライプ型半導体レーザを例に本発明に関わる製造方法について説明する。図５は本発明に関わる製造方法を説明するための図面である。
【００５４】
図５に示すように、ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板５０１（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層５０２（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層５０３（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層５０４（キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）、アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層５０５（厚さ０．０８μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層５０６（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ設定）、エッチングストップ層５０７、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層５０８（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）ｐ型ＧａＡｓ層５０９（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ設定）を連続的に形成していくが、ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層５０３形成と同時にパイロメーター信号によって予め成長速度を測定し、測定した成長速度をその後成長するアンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層５０５に適用し、成長速度を設定する（図５中、５１０太線矢印）。
【００５５】
また、同様にｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層５０４形成と同時にパイロメーター信号によって予め成長速度を測定し、測定した成長速度をその後成長するｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層５０６に適用し、成長速度を設定する（図５中、５１１細線矢印）。以上の方法によって、成長速度の測定とそれに基ずく成長時間の設定を同一成長にて実施し、アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層５０５とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層５０６の層厚制御を行う。
【００５６】
図６に本発明に用いた装置の概略図を示す。図６は高速回転型のＭＯＣＶＤ装置であり、チャンバー側壁にエピタキシャル結晶膜からの放射光をモニタするための窓が設けられ、窓には反応生成物による汚れを防止するために常時水素ガスを吹き付けている。さらに、この窓を通して、基板を直視できるようにパイロメーターを設置する。なお、エピタキシャル結晶膜から放射光のモニタは基板の回転数と同期させて信号データ収集を行った。
【００５７】
図７にｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層５０３形成時に得られたパイロメーター信号を、図８にｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層５０４形成時に得られたパイロメーター信号示す。エピタキシャル結晶膜から放射されるパイロメータ信号は波長が０．９５μｍの赤外線強度を測定したものである。図６及び図７に示したようにエピタキシャル結晶膜から放射されるパイロメータ信号は光の干渉によって層厚とともに特定の周期で振動している。
【００５８】
すなわち、成長中の光学的な層厚が放射光の波長の半分又はその整数倍の時に、結晶膜から直接放射される光と結晶膜中で反射して表面から放射される光とが同位相となり、信号強度が極大値をとる。一方、成長中の光学的な層厚が放射光の波長の４分の１又はその整数倍の時には、結晶膜から直接放射される光と結晶膜中で反射して表面から放射される光とが逆位相となり、信号強度が極小値をとることによって層厚とともに特定周期で振動しているのである。このことは、成長中にリアルタイムで層厚をモニタできることを意味し、ある一定の時間、パイロ信号をモニタすることによって、成長速度を求めることができる。
【００５９】
図７、図８は故意に３族原料ガスを変化させた場合であり、Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層５０３の成長速度は図６のパイロメーター信号の振動周期から（Ａ）では０．６０２ｎｍ／ｓｅｃ．（Ｂ）では０．４８３ｎｍ／ｓｅｃ．が求められた。また、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層５０４の成長速度は図７のパイロメーター信号の振動周期から（Ａ）では０．６０４ｎｍ／ｓｅｃ．（Ｂ）では０．４８５ｎｍ／ｓｅｃ．が求められた。
【００６０】
（Ａ）と（Ｂ）のそれぞれ同一成長において、アンドープ活性層５０５とｐ型上第１クラッド層５０６の層厚制御を行った結果を図９に示す。なお、層厚制御はアンドープ活性層５０５はモニタ層５０３の成長速度をそのまま適用し成長時間を設定し、ｐ型上第１クラッド層５０６はｎ型下クラッド層５０４の成長速度に１．０５の係数を乗じた値を成長時間とした。これは、アンドープとｎ型ドープとでは成長速度は全く変化しないのに対し、ｐ型ドープの場合のみ５％成長速度が増大するためである。
【００６１】
図９に示したように、成長速度が２０％以上変化したときでも、アンドープ活性層５０５とｐ型上第１クラッド層５０６の層厚が精度良く制御し形成できた。これらのウエハを用いてその後、ｐ型ＧａＡｓ層５０９とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層５０８を４μｍ幅のストライプ状のリッジに加工し、さらにＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ層５０９とｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層５０８からなるリッジの側面をｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）で埋め込んだ後、ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）を形成、最後に、上面にはｐ電極、下面にはｎ電極を形成後、光出射に反射膜をコーティングし、個別の素子にした。素子特性を評価したところ、（Ａ）、（Ｂ）ともに閾値電流、信頼性共に差がなく良好な素子が安定に製造できることを実証した。
【００６２】
＜実施例５＞
図１０は実施例５の半導体レーザ素子の断面図である。これは発振波長６３５ｎｍ〜６８０ｎｍの半導体レーザ素子に関するものであり、活性層に量子井戸構造を採用している。ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板１０１（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐ第１モニタ層１０３（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型（Ａｌ_vＧａ_(1-v)）_wＩｎ_(1-w)Ｐ第２モニタ層１０４（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ下クラッド層１０５（キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）、２〜６対の（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐウエル層及び（Ａｌ_vＧａ_(1-v)）_wＩｎ_(1-w)Ｐバリア層からなるアンドープ量子井戸活性層１０６、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第１クラッド層９０７（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ設定）、エッチングストップ層（図示していない）、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第２クラッド層１０９（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）ｐ型ＧａＡｓ層１１０（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ設定）を形成する。
【００６３】
その後、ｐ型ＧａＡｓ層１１０とｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第２クラッド層１０９を４μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。さらにＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ層１１０とｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第２クラッド層１０９からなるリッジの側面をｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層１０８（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．７μｍ設定）で埋め込んだ後、ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１１（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）を形成する。
【００６４】
最後に、上面にはｐ電極１１２、下面にはｎ電極１１３を形成後、バー状に分割して、バーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して個別の素子にする。素子形成の成長条件は、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｖ族原料としてＰＨ₃（ホスフィン）ＡｓＨ₃（アルシン）、ｎ型、ｐ型の各ドーパント原料としてＳｉＨ₄（シラン）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）を用い、成長温度は７００℃、成長圧力は７６Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝４００で行った。
【００６５】
ここで、アンドープ量子井戸活性層１０６の層厚はｎ型ＧａＡｓ基板１０１とｎ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ下クラッド層１０５との間に形成したｎ型（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐ第１モニタ層１０３とｎ型（Ａｌ_vＧａ_(1-v)）_wＩｎ_(1-w)Ｐ第２モニタ層１０４の成長速度をリアルタイムで測定した結果をそのまま活性層を構成するウエル層とバリア層に反映して成長時間を設定し、また、ｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第１クラッド層１０７の層厚はｎ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ下クラッド層１０５の成長速度をリアルタイムで測定した結果を反映して成長時間を設定した。
【００６６】
本実施例においても、毎回の成長で成長速度を測定し、同一の成長において量子井戸活性層及びｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第１クラッド層へのフィードバック制御を行うため、長期間にわたって、ロット間の素子特性バラツキがなく、安定な生産が実現できた。
【００６７】
＜実施例６＞
図１１は実施例６の半導体レーザ素子の断面図である。これはＧａＮ系の青色半導体レーザ素子に関するものである。ＭＯＣＶＤ法でサファイア基板１１０１上にｎ型ＧａＮ層１１０２（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ設定）、ｎ型Ｉｎ_xＧａ_(1-x)Ｎモニタ層１１０３（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ設定）、ｎ型ＡｌＧａＮ下クラッド層１１０４（キャリア濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ設定）と、アンドープＩｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ活性層１１０５（厚み０．０５μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮ上クラッド層１１０６（キャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ設定）、ｐ型ＧａＮ層１１０７（４×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．０μｍ設定）を形成する。
【００６８】
その後、ｐ型ＧａＮ層１１０２まで４μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。さらに全体をＳｉＯ₂パッシベーション膜１１０８で被覆した後、電極取り出し口を設け、ｐ電極１１０９、下面にはｎ電極１１１０を形成する。
【００６９】
ここで、アンドープＩｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ活性層１１０４の層厚はｎ型ＧａＮ層１１０２とｎ型ＡｌＧａＮ下クラッド層１１０４との間に形成したｎ型Ｉｎ_xＧａ_(1-x)Ｎモニタ層１１０３の成長速度をリアルタイムで測定した結果をそのままＩｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ活性層１１０５に反映して成長時間を設定した。本実施例においても、毎回の成長で成長速度を測定し、同一の成長においてＩｎ_xＧａ_(1-x)Ｎ活性層へのフィードバック制御を行うため、長期間にわたって、ロット間の素子特性バラツキがなく、安定な生産が実現できる。
【００７０】
なお、実施例においては、結晶成長にすべてＭＯＣＶＤ法によるものを記載したが、ＭＢＥ法やＡＬＥ、ＶＰＥ法のような気相成長法であって、層厚の光学的モニタが可能なものであれば、すべて適応できることはいうまでもない。
【００７１】
【発明の効果】
本発明は、半導体レーザの製造において、基板上に活性層と同一組成の成長速度モニタ層を形成し、該モニタ層の成長速度を活性層を形成する同一成長時にフィードバックすることによって層厚の制御を行うものであり、毎回の結晶成長工程において高精度な層厚の制御が可能となるため、ロット間の層厚バラツキがなく、素子歩留まりが格段に向上した。また、従来のような成長条件のずれを見直す為の複数回のチェック成長が必要なくなる為、半導体レーザの大幅なコストダウンおよび材料資源の有効活用を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の半導体レーザの構造断面図である。
【図２】本発明と従来例の層厚変動の挙動を示す図である。
【図３】実施例２の半導体レーザの構造断面図である。
【図４】実施例３の半導体レーザの構造断面図である。
【図５】実施例４の半導体レーザの製造方法を説明する図である。
【図６】本発明に用いた装置の概略図である。
【図７】ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層形成時に得られたパイロメーター信号である。
【図８】ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層形成時に得られたパイロメーター信号である。
【図９】本発明によってアンドープ活性層とｐ型上第１クラッド層の層厚制御を行った結果である。
【図１０】実施例５の半導体レーザの構造断面図である。
【図１１】実施例６の半導体レーザの構造断面図である。
【図１２】従来の半導体レーザの構造断面図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＡｓ基板
２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ成長速度モニタ層
４ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層
５アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層
６ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層
７ｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層
８ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層
９ｐ型ＧａＡｓ層
１０ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１ｐ電極
１２ｐ電極
１０１ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０３ｎ型（Ａｌ_sＧａ_(1-s)）_tＩｎ_(1-t)Ｐ第１モニタ層
１０４ｎ型（Ａｌ_vＧａ_(1-v)）_wＩｎ_(1-w)Ｐ第２モニタ層
１０５ｎ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ下クラッド層
１０６アンドープ量子井戸活性層
１０７ｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第１クラッド層
１０８ｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層
１０９ｐ型（Ａｌ_xＧａ_(1-x)）_yＩｎ_(1-y)Ｐ上第２クラッド層
１１０ｐ型ＧａＡｓ層
１１１ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１２ｐ電極
１１３ｎ電極
３０１ｎ型ＧａＡｓ基板
３０２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３０３ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ成長速度モニタ層
３０４ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層
３０５アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層
３０６ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層
３０７ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層
３０８ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層
３０９ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３１０電流通路
３１１ｐ電極
３１２ｎ電極
４０１ｎ型ＧａＡｓ基板
４０２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
４０３ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層
４０４ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓモニタ層
４０５ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層
４０６アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層
４０７ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層
４０８ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層
４０９ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層
４１０ｐ型ＧａＡｓ層
４１１ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
４１２ｐ電極
４１３ｎ電極
５０１ｎ型ＧａＡｓ基板
５０２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
５０３ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ成長速度モニタ層
５０４ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層
５０５アンドープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層
５０６ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第１クラッド層
５０７エッチングストップ層
５０８ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上第２クラッド層
５０９ｐ型ＧａＡｓ層
５１０モニタ層から活性層への成長速度のフィードバック経路
５１１ｎクラッド層からｐクラッド層への成長速度のフィードバック経路
１１０１サファイア基板
１１０２ｎ型ＧａＮ層
１１０３ＩｎＧａＮモニタ層
１１０４ｎ型ＡｌＧａＮ下クラッド層
１１０５ＩｎＧａＮ活性層
１１０６ｐ型ＡｌＧａＮ上クラッド層
１１０７ｐ型ＧａＮ層
１１０８ＳｉＯ₂膜
１１０９ｐ電極
１１１０ｎ電極
１２０１ｎ型ＧａＡｓ基板
１２０２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１２０３Ｓｉドープｎ型クラッド層
１２０４活性層
１２０５ｐ型第１クラッド層
１２０６Ｓｅドープｎ型第ブロック層
１２０７ｐ型第２クラッド層
１２０８ｐ型コンタクト層
１２０９ｎ電極
１２１０ｐ電極
１２１１電流通路

Claims

基板上に、少なくとも、第１導電型下クラッド層、活性層、及び第２導電型上クラッド層とを順次積層形成してなると共に、前記基板と前記第１導電型下クラッド層との間に、前記活性層と同一組成の成長速度モニタ層を形成してなる半導体レーザ素子の製造方法において、
前記成長速度モニタ層を形成する際、リアルタイムで成長速度をモニタし、その後、前記活性層を形成する際、前記成長速度モニタ層の成長速度をフィードバックすることによって、前記活性層の層厚の制御を行うことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
前記成長速度モニタ層は、第１導電型バッファ層の上に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
前記基板と成長速度モニタ層との間には、前記活性層よりも屈折率が小さい薄層が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
前記薄層は、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の層厚であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
前記成長速度モニタ層は、前記活性層よりも厚くなっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
前記第１導電型下クラッド層を形成する際、リアルタイムで成長速度をモニタし、その後、前記第２導電型上クラッド層を形成する際、前記第１導電型下クラッド層の成長速度をフィードバックすることによって、前記第２導電型上クラッド層の層厚の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
前記成長速度は、加熱された基板表面薄膜から放射される光強度の周期的な振動によってモニタされてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
前記成長速度は、外部から光を導入し、光の干渉現象を利用して層厚をモニタされてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。