JP4133709B2

JP4133709B2 - 格子定数の測定方法

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Description

本発明は、多層構造半導体の格子定数を求める格子定数の測定方法に関し、さらに詳しくは、半導体基板の一方面上に、複数の成長層が積層され、これらの成長層は、少なくとも活性層およびクラッド層を含む多層構造半導体の格子定数を、Ｘ線回折法によって求める格子定数の測定方法に関する。

近年、コンパクトディスク（Compact Disc、略称ＣＤ）およびミニディスク（Mini
Disc、略称ＭＤ）などの光ディスクの光ピックアップ用光源として、化合物半導体デバイスを用いた半導体レーザ装置が使われ、その半導体レーザ装置の需要は益々拡大している。また電気的および光学的な特性のばらつきが少なく、信頼性に優れた半導体レーザ装置が要求されている。

半導体レーザ素子の基本構造としては、ダブルへテロ構造が用いられていたが、光出力に対する高出力化およびしきい電流に対する低電流化の要求に伴い、分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement Heterostructure、略称ＳＣＨ）および多重量子井戸（
Multi Quantum Well、略称ＭＱＷ）構造などが用いられるようになっている。前記分離閉じ込めヘテロ構造では、キャリア閉じ込め領域と光閉じ込め領域とが分離されている。前記多重量子井戸構造では、バンドギャップの小さい井戸層とバンドギャップの大きい障壁層とが交互に積層されて、活性層が構成されている。

分離閉じ込めヘテロ構造および多重量子井戸構造では、最も薄い層の厚みは数十〜数百Åである。このような層を形成するために、液相エピタキシ法に代えて、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition、略称ＭＯＣＶＤ）法および分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法などの層厚制御が容易な気相エピタキシ法が用いられている。

図９は、多重量子井戸構造のリッジ型半導体レーザ素子１の断面図である。この半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓ基板２の一方面２ａ上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３、ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ第１光ガイド層６、ノンドープＧａＩｎＰ量子井戸活性層７、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ第２光ガイド層８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１２およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１３が、順に積層されて構成される。前記ノンドープＧａＩｎＰ量子井戸活性層７は、バンドギャップの小さい井戸層とバンドギャップの大きい障壁層とが交互に積層されて構成される。ｎ型ＧａＡｓ基板２の一方面２ａ上に積層される前記各層３〜１３は、成長層に相当する。前記各層３〜１３は、たとえば分子線エピタキシ法を用いて、形成される。

図９には、ノンドープＧａＩｎＰ量子井戸活性層７で発生した光が出射される光出射面１４およびｎ型ＧａＡｓ基板２の一方面２ａに垂直な仮想一平面に沿って、半導体レーザ素子１を切断して見た断面が示されている。半導体レーザ素子１は、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１３の一方面１３ａ（図９の上方に臨む表面）およびｎ型ＧａＡｓ基板２の他方面２ｂ（図９の下方に臨む表面）にそれぞれ設けられる電極を含むが、図９においては、前記電極は省略されている。

前述のような半導体レーザ素子１では、前記成長層３〜１３の歪みは、その半導体レーザ素子１の電気的および光学的な特性の劣化の原因となる。そのため、成長層３〜１３を形成した段階で、成長層３〜１３の歪みを示す格子不整合率を求め、その格子不整合率を用いて、次回の成長層の形成に歪みの補正をフィードバックし、成長層の成長条件を調整する必要がある。

格子不整合率は、Ｘ線回折法を用いて求めた格子定数を用いることによって、求めることができる。Ｘ線回折法では、結晶にＸ線を照射し、前記結晶で回折されたＸ線の強度である回折強度を測定し、回折強度のピークが生じる回折角から、前記結晶の格子定数を求めることができる。このＸ線回折法による格子定数の測定は、個々の半導体レーザ素子に分割される前の多層構造半導体に対して行われる。

従来の技術では、前述の多層構造半導体に類似する多層構造半導体において、活性層とは別に、ドーピングを除いて前記活性層と全く同一の成長条件で、同一組成層を形成し、この同一組成層の格子定数を、Ｘ線回折法によって求めている。このように同一組成層の格子定数を求めることによって、活性層の格子定数を知ることができる。この従来の技術では、低しきい電流でのレーザ発振などの素子特性を良好にするために０．１μｍ以下の厚みに形成され、Ｘ線回折法では格子定数を求めることができない活性層の格子定数を知ることができる（たとえば、特許文献１参照）。

また他の従来の技術では、半導体基板に積層するエピタキシャル層の成長条件に基板面内方向の分布を与えることで、特性に影響の出ない程度の組成のばらつきを発生させ、基板面内の最低１箇所において、半導体基板およびエピタキシャル層からの各回折Ｘ線の強度のピークを必要十分な程度に分離させ、エピタキシャル層の正確な評価を可能としている（たとえば、特許文献２参照）。

特開昭６４−８４６８４号公報特開２０００−１９５９１６号公報

記録再生の高速化のために、光ディスクの光ピックアップ用光源に用いられる半導体レーザ素子の高出力化が進んでいる。特に高出力の半導体レーザ素子は、低出力の半導体レーザ素子に比べて、クラッド層の厚みが大きい。このような高出力の半導体レーザ素子を製造する途中の段階の多層構造半導体に対して、Ｘ線回折法を用いて格子定数を求める場合、半導体基板およびクラッド層からの各回折Ｘ線の強度のピークを識別することが難しく、格子定数を取り違える可能性がある。なぜならば、クラッド層の厚みが半導体基板の厚みに近付くことによって、半導体基板およびクラッド層からの各回折Ｘ線の強度のピーク値が近付くからである。

図１０は、図９に示される半導体レーザ素子１を製造する途中の段階の多層構造半導体のＸ線回折プロファイルの一例を示すグラフである。図１０において、縦軸は回折強度を示し、横軸は回折角を示す。図１０に示されるように、ｎ型ＧａＡｓ基板２からの回折Ｘ線の強度のピーク１６と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層からの回折Ｘ線の強度のピーク１７とが存在する。

図１０に示されるように、ｎ型ＧａＡｓ基板からの回折Ｘ線の強度のピーク１６と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層からの回折Ｘ線の強度のピーク１７との各ピーク値が同じ程度の値となる場合、ｎ型ＧａＡｓ基板からの回折Ｘ線の強度のピーク１６と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層からの回折Ｘ線の強度のピーク１７とを識別することが難しく、格子定数を取り違えてしまう。

前記従来の技術は、Ｘ線回折法では測定できないほど厚みが小さい活性層の格子定数を知るための技術であって、格子定数を取り違えてしまうという問題を解決することができる技術ではない。

前記他の従来の技術を用いると、ｎ型ＧａＡｓ基板２からの回折Ｘ線の強度のピーク１６と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層からの回折Ｘ線の強度のピーク１７とを分離させることができるが、前記各回折Ｘ線の強度のピーク値は変化しないので、格子定数を取り違えてしまうという問題を解決することができない。

本発明の目的は、半導体基板からの回折Ｘ線の強度のピークとクラッド層からの回折Ｘ線の強度のピークとを、正しくかつ容易に識別することができ、半導体基板の格子定数とクラッド層の格子定数とを取り違えない格子定数の測定方法を提供することである。

本発明は、半導体基板の一方面上に、複数の成長層が積層され、これらの成長層は、少なくとも活性層およびクラッド層を含む多層構造半導体の所定の測定対象領域に対して、Ｘ線を照射して格子定数を求めるＸ線回折法による格子定数の測定方法において、
多層構造半導体の前記測定対象領域に対して成長層の表面側からエッチングを行い、前記測定対象領域内で、部分的に、成長層の表面側から前記半導体基板まで成長層を除去することによって、前記クラッド層の一部を除去した後、その一部が除去された測定対象領域内の半導体基板および成長層の格子定数を、Ｘ線回折法によって求めることを特徴とする格子定数の測定方法である。

また本発明は、クラッド層の一部を除去するとき、複数のレジストマスク部分を、測定対象領域の中心に関して対称に、かつ前記中心まわりの周方向に等間隔をあけ、各レジストマスク部分の中心を、測定対象領域の中心と周縁とを結ぶ半径線の中央に配置してエッチングを行い、
前記測定対象領域に対して照射されるＸ線のスポット径は、５００μｍ以上１０００μｍ以下に選ばれ、
前記測定対象領域は、Ｘ線のスポット径と同程度の大きさに選ばれ、
前記レジストマスク部分の直径は、５０μｍ以上１００μｍ以下に選ばれることを特徴とする。

本発明によれば、多層構造半導体の所定の測定対象領域に対して、成長層の表面側からエッチングが行われ、前記測定対象領域内でクラッド層の一部が除去される。このようにクラッド層の一部が除去された後、Ｘ線回折法によって、前記測定対象領域内の半導体基板および成長層の格子定数が求められる。

Ｘ線回折法では、測定対象領域内の半導体基板および成長層からの回折Ｘ線の強度のピークが生じる回折角に基づいて、半導体基板および成長層の格子定数が求められる。測定対象領域内の半導体基板および成長層からの回折Ｘ線の強度は、測定対象領域内の半導体基板および成長層の体積に比例する。

本発明では、前述のようにクラッド層の一部が除去されるので、測定対象領域内のクラッド層の体積は減少し、したがって前記クラッド層からの回折Ｘ線の強度は低下する。このように前記クラッド層からの回折Ｘ線の強度が低下するので、半導体基板からの回折Ｘ線の強度のピーク値と、クラッド層からの回折Ｘ線の強度のピーク値との間の差が大きくなる。これによって、半導体基板からの回折Ｘ線の強度のピークとクラッド層からの回折Ｘ線の強度のピークとを、正しくかつ容易に識別することができる。したがって半導体基板の格子定数とクラッド層の格子定数とを取り違えない。

また測定対象領域内で、部分的に、成長層の表面側から半導体基板まで成長層が除去される。前記測定対象領域内で成長層が除去されていない部分は、前記測定対象領域内で半導体基板の一方面上に積層される全ての成長層を含む。たとえば、クラッド層の一部を除去するとき、複数のレジストマスク部分を、測定対象領域の中心に関して対称に、かつ前記中心まわりの周方向に等間隔をあけ、各レジストマスク部分の中心を、測定対象領域の中心と周縁とを結ぶ半径線の中央に配置してエッチングを行い、前記測定対象領域に対して照射されるＸ線のスポット径は、５００μｍ以上１０００μｍ以下に選ばれ、前記測定対象領域は、Ｘ線のスポット径と同程度の大きさに選ばれ、前記レジストマスク部分の直径は、５０μｍ以上１００μｍ以下に選ばれる。したがって前記測定対象領域内の半導体基板およびこの半導体基板の一方面上に積層される全ての成長層の格子定数を測定することが可能となる。

また本発明によれば、測定対象領域はＸ線のスポットと同程度の大きさである。Ｘ線のスポットが多層構造半導体に対して微小である場合、測定対象領域は多層構造半導体に対して微小である。測定対象領域が多層構造半導体に対して微小である場合、測定対象領域内で成長層がエッチングされても、多層構造半導体の大部分は、エッチングされておらず、前記多層構造半導体の大部分は、製品として加工することができる。したがって製造コストの低減を図ることができる。

図１は、本発明の実施の一形態の格子定数の測定方法を説明するためのフローチャートである。本実施の形態の格子定数の測定方法は、多層構造半導体２１に適用される。前記多層構造半導体２１は、ＡｌＧａＩｎＰ系のリッジ型半導体レーザ素子２２（後述の図２参照）を製造する途中の段階の生成物である。この多層構造半導体２１の両面に電極を形成し、前記電極を形成した多層構造半導体２１を分割することによって、前記半導体レーザ素子２２を生成することができる。多層構造半導体２１の層構成は、半導体レーザ素子２２の層構成に類似する。

本実施の形態の格子定数の測定方法は、特に、低出力の半導体レーザ素子に比べてクラッド層の厚みの総和が大きい高出力の半導体レーザ素子を製造する途中の段階の多層構造半導体に対して、好適に用いることができる。

本実施の形態では、Ｘ線を用いた半導体多層構造の識別方法をも説明する。Ｘ線を用いた半導体多層構造の識別方法は、多層構造半導体の光学的特性の測定に用いられ、特に、本実施の形態のような格子定数の測定に、好適に用いられる。

図２は、半導体レーザ素子２２の断面図である。この半導体レーザ素子２２は、半導体基板２３の一方面２３ａ上に、第１バッファ層２４、第２バッファ層２５、ｎ型クラッド層２６、第１光ガイド層２７、量子井戸活性層２８、第２光ガイド層２９、ｐ型第１クラッド層３０、エッチングストップ層３１、ｐ型第２クラッド層３２、中間層３３およびキャップ層３４が、順に積層されて構成される。前記量子井戸活性層２８は、バンドギャップの小さい井戸層とバンドギャップの大きい障壁層とが交互に積層されて、構成される。

半導体基板２３は、ｎ型ＧａＡｓによって形成される。第１バッファ層２４は、ｎ型ＧａＡｓによって形成される。第２バッファ層２５は、ｎ型ＧａＩｎＰによって形成される。ｎ型クラッド層２６は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰによって形成される。第１光ガイド層２７は、ノンドープＡｌＧａＩｎＰによって形成される。量子井戸活性層２８は、ノンドープＧａＩｎＰによって形成される。第２光ガイド層２９は、ノンドープＡｌＧａＩｎＰによって形成される。ｐ型第１クラッド層３０は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰによって形成される。エッチングストップ層３１は、ＧａＩｎＰによって形成される。ｐ型第２クラッド層３２は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰによって形成される。中間層３３は、ｐ型ＧａＩｎＰによって形成される。キャップ層３４は、ｐ型ＧａＡｓによって形成される。

量子井戸活性層２８は光を発生する。ｎ型クラッド層２６、ｐ型第１クラッド層３０およびｐ型第２クラッド層３２は、第１光ガイド層２７、量子井戸活性層２８および第２光ガイド層３０内に、光およびキャリアを閉じ込める。

図２には、量子井戸活性層２８で発生した光が出射される光出射面３６および半導体基板２３の一方面２３ａに垂直な仮想一平面に沿って、半導体レーザ素子２２を切断して見た断面が示されている。半導体レーザ素子２２は、キャップ層３４の一方面３４ａ（図２の上方に臨む表面）および半導体基板２３の他方面２３ｂ（図２の下方に臨む表面）にそれぞれ設けられる電極を含むが、図２においては、前記電極は省略されている。

表１は、半導体レーザ素子２２の前記半導体基板２３および前記各層２４〜３４の厚みの一例を示す。

図３は、多層構造半導体２１の平面図である。多層構造半導体２１の層構成は、図２に示される半導体レーザ素子２２に類似し、対応する部分には、同一の用語を使用し、同一の参照符を付す。

多層構造半導体２１は、半導体基板２３の一方面２３ａ上に、第１バッファ層２４、第２バッファ層２５、ｎ型クラッド層２６、第１光ガイド層２７、量子井戸活性層２８、第２光ガイド層２９、ｐ型第１クラッド層３０、エッチングストップ層３１、ｐ型第２クラッド層３２、中間層３３およびキャップ層３４が、順に積層されて構成される。

多層構造半導体２１における半導体基板２３および各層２４〜３４の各厚みは、前述の半導体レーザ素子２２における半導体基板２３および各層２４〜３４の各厚みと同一である。半導体基板２３の一方面２３ａ上の複数の層２４〜３４は、複数の成長層２４〜３４であり、たとえば分子線エピタキシ法を用いて、形成される。半導体基板２３および各層２４〜３４は、半導体層に相当する。

多層構造半導体２１は、円板形状の板状体である。この多層構造半導体２１に対して、測定対象領域４１が設定される。前記測定対象領域４１は、Ｘ線回折法を用いて格子定数を測定する領域である。測定対象領域４１は、前記多層構造半導体２１に対して、１または複数（本実施の形態では５）、設定される。測定対象領域４１は、多層構造半導体２１を分割して半導体レーザ素子２２を生成するにあたって、半導体レーザ素子２２の配置の障害とならないように設定される。

測定対象領域４１は、多層構造半導体２１の成長層側の表面３４ａの、たとえば中心部および周縁部に、設定される。前記中心部には、１つの測定対象領域４１が設定される。前記周縁部には、その多層構造半導体２１の周方向に等間隔をあけて、４つの測定対象領域４１が設定される。

測定対象領域４１は、後述のＸ線回折法による格子定数の測定の際に多層構造半導体２１に照射されるＸ線のスポットと同程度の大きさである。測定対象領域４１の直径ｄは、０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下に選ばれる。

再び図１を参照して、本実施の形態の格子定数の測定方法を説明する。ステップａ１では、評価すべき多層構造半導体２１を準備し、本実施の形態の格子定数の測定方法に従う処理を開始する。続くステップａ２では、フォトリソグラフィ技術を用いて、多層構造半導体２１の成長層側の表面３４ａ上、すなわちキャップ層３４の一方面３４ａ上に、レジストマスクを形成する。このレジストマスクには、測定対象領域４１内に、多層構造半導体２１の厚み方向から見た形状が円形状の開口が形成される。

前記レジストマスクを形成するにあたっては、まず、たとえば回転塗布によって、前記キャップ層３４の一方面３４ａ上に、レジストを塗布し、レジスト膜を形成する。この後、露光および現像などの処理によって、レジスト膜の一部が除去され、前述のレジストマスクが形成される。

次のステップａ３では、測定対象領域４１内でキャップ層３４の一部を除去する。測定対象領域４１内でキャップ層３４の一部を除去するにあたっては、硫酸と過酸化水素水と水とを５：１０：１００（ｗｔ％）の割合で混合した混合液を用いて、前記キャップ層３４をエッチングする。

次のステップａ４では、測定対象領域４１内で中間層３３の一部を除去する。測定対象領域４１内で中間層３３の一部を除去するにあたっては、水とりん酸と臭素とを７０：１４：２８の割合で混合した混合液を用いて、前記中間層３３をエッチングする。

次のステップａ５では、測定対象領域４１内でｐ型第２クラッド層３２の一部を除去する。測定対象領域４１内でｐ型第２クラッド層３２の一部を除去するにあたっては、７０℃のりん酸を用いて、前記ｐ型第２クラッド層３２をエッチングする。このステップａ５においては、エッチングストップ層３１によって、エッチングが阻止される。

図４は、図１のステップａ１〜ａ５を経た多層構造半導体２１の測定対象領域４１内の一部を拡大して示す断面図である。図４に示されるように、図１のステップａ１〜ａ５を経た多層構造半導体２１は、測定対象領域４１内でキャップ層３４、中間層３３およびｐ型第２クラッド層３２が除去され、測定対象領域４１内のエッチングストップ層３１が露出した状態となっている。

次のステップａ６では、Ｘ線回折法によって、測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３１の格子定数を測定する。前記成長層２４〜３１は、前述のステップａ３〜ａ５で除去されずに残った測定対象領域４１内の成長層２４〜３１である。この後ステップａ７では、本実施の形態の格子定数の測定方法に従う処理を終了する。

図５は、図１を用いて説明される格子定数の測定方法によるＸ線回折プロファイルの一例を示すグラフである。図５において、縦軸は回折Ｘ線の強度である回折強度（ｃｐｓ）を示し、横軸は回折角（°）を示す。前記ステップａ６では、多層構造半導体２１に設定される測定対象領域４１に対してＸ線が照射され、前記測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３１からの回折Ｘ線が測定される。

測定対象領域４１に対して照射されるＸ線のスポット径は、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。前記Ｘ線の強度は、３０００ｃｐｓ以上１０００００ｃｐｓ以下の範囲に選ばれる。また前記Ｘ線の波長は、１５ｎｍ以上１６ｎｍ以下の範囲に選ばれる。

本実施の形態では、前記Ｘ線に対する多層構造半導体２１の角度を変化させつつ、多層構造半導体２１の前記測定対象領域４１からの回折Ｘ線の強度を測定する。前記Ｘ線は、前記測定対象領域４１に対して、時間に関して連続的に照射される。

図５に示されるように、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピーク４６と、ｎ型クラッド層２６、ｐ型第１クラッド層３０およびｐ型第２クラッド層３２からの回折Ｘ線の強度のピーク４７とが存在する。しかも前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピーク値は、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピーク値に比べて十分小さい。図５においては、測定対象領域４１内の成長層２４〜３１のうち、前記各クラッド層２６，３０，３２を除く残余の成長層２４，２５，２７〜２９，３１からの回折Ｘ線の強度のピークは省略されている。

本実施の形態では、回折強度から、半導体基板２３と、ｎ型クラッド層２６、ｐ型第１クラッド層３０およびｐ型第２クラッド層３２とを識別することができる。換言すると、回折強度のピーク値に基づいて、半導体基板２３からの回折Ｘ線のピークと前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピークとを識別することができる。

半導体基板２３および成長層２４〜３１の格子定数は、測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３１からの回折Ｘ線の強度のピークが生じる回折角に基づいて、ブラッグの法則を用いて求めることができる。これらの格子定数を用いることによって、前記成長層２４〜３１の格子不整合率を求め、これらの格子不整合率を用いて、多層構造半導体２１を評価することができる。

成長層の格子不整合率は、半導体基板２３の格子定数ａと成長層の格子定数との差Δａをとり、この格子定数の差Δａを半導体基板２３の格子定数ａで除すことによって求めることができる。すなわち成長層の格子不整合率は、半導体基板２３の格子定数ａに対する前記格子定数の差Δａの比率である。このような格子不整合率を用いて、多層構造半導体２１を評価し、次回の成長層の形成に歪みの補正をフィードバックし、成長層の成長条件を調整することができる。

以上のように本実施の形態によれば、多層構造半導体２１の所定の測定対象領域４１に対して、成長層の表面側からエッチングが行われ、前記測定対象領域内４１でキャップ層３４、中間層３３およびｐ型第２クラッド層３２が除去される。このようにｐ型第２クラッド層３２が除去された後、Ｘ線回折法によって、前記測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３１の格子定数が求められる。

Ｘ線回折法では、測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３１からの回折Ｘ線の強度のピークが生じる回折角に基づいて、半導体基板２３および成長層２４〜３１の格子定数が求められる。測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３４からの回折Ｘ線の強度は、測定対象領域４１内の半導体基板２３および成長層２４〜３１の体積に比例する。

本実施の形態では、前述のように測定対象領域４１内で、ｐ型第２クラッド層３２の一部が除去されるので、測定対象領域４１内のｎ型クラッド層２６、ｐ型第１クラッド層３０およびｐ型第２クラッド層３２の体積は減少し、したがって前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度は低下する。このように前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度が低下するので、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピーク値と、前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピーク値との間の差が大きくなる。これによって、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピークと前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピークとを、正しくかつ容易に識別することができる。したがって半導体基板２３の格子定数と前記各クラッド層２６，３０，３２の格子定数とを取り違えない。

また本実施の形態によれば、量子井戸活性層２８に関して半導体基板２３とは反対側に存在するｐ型第２クラッド層３２の測定対象領域４１内での一部が除去されるので、前記量子井戸活性層２８に関して半導体基板２３側に存在するｎ型クラッド層２６の測定対象領域４１内での一部が除去される場合に比べて、除去される成長層が少ない。このように除去される成長層が少ないので、成長層の除去に要する時間が短く、したがって短時間で格子定数を測定することができる。

また本実施の形態によれば、量子井戸活性層２８に関して前記半導体基板２３とは反対側に、ｐ型第１クラッド層３０およびｐ型第２クラッド層３２が存在し、これらのクラッド層３０，３２の間には、クラッド層３０，３２とは異なる成分のエッチングストップ層３１が介在され、前記測定対象領域４１内で、成長層側からエッチングストップ層３１まで成長層が除去される。このとき、前記エッチングストップ層３１によって、成長層の表面側からのエッチングが阻止されるので、格子定数が測定される成長層の厚みの再現性が向上し、安定した格子定数の測定が可能となる。

前記エッチングストップ層３１は、リッジ形成時に使用するための層でもあり、本実施の形態の格子定数の測定方法を実現するためだけに、特別に設けられる層ではない。したがってエッチングストップ層３１を設けることによる多層構造半導体２１の製造コストの増加はない。

本実施の形態では、エッチングストップ層３１によって、成長層の表面側からのエッチングが阻止され、これによって格子定数が測定される成長層の厚みの再現性を向上しているが、成長層の厚みは、たとえばエッチング時間によって、調整してもよい。

また本実施の形態によれば、測定対象領域４１はＸ線のスポットと同程度の大きさである。前記Ｘ線のスポットは多層構造半導体２１に対して微小であるので、測定対象領域４１は多層構造半導体２１に対して微小である。したがって測定対象領域４１内で成長層がエッチングされても、多層構造半導体４１の大部分は、エッチングされておらず、前記多層構造半導体２１の大部分は、製品として加工することができる。したがって製造コストの低減を図ることができる。

測定対象領域４１がＸ線のスポットに比べて小さすぎると、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピーク値と、前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピーク値との間の差を大きくすることができず、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピークと前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピークとを、容易に識別することができない。測定対象領域４１の面積は、０．２〜１．１ｍｍ^２の範囲に選ばれ、さらに好ましくは、０．４５〜０．８ｍｍ^２に選ばれる。

図６は、本発明の実施の他の形態の格子定数の測定方法を説明するためのフローチャートである。本実施の形態において、多層構造半導体２１は、前述の実施の形態における多層構造半導体２１と同一であるので、対応する部分には同一の参照符を付して、説明を省略する。また本実施の形態において、多層構造半導体２１に設定される測定対象領域４１は、前述の実施の形態における測定対象領域４１と同一である。

本実施の形態の格子定数の測定方法は、前述の実施の形態の格子定数の測定方法と同様に、特に、高出力の半導体レーザ素子を製造する途中の段階の多層構造半導体に対して、好適に用いることができる。

ステップｂ１では、評価すべき多層構造半導体２１を準備し、本実施の形態の格子定数の測定方法に従う処理を開始する。続くステップｂ２では、フォトリソグラフィ技術を用いて、多層構造半導体２１の成長層側の表面３４ａ上、すなわちキャップ層３４の一方面３４ａ上に、レジストマスク５１を形成する。

図７は、レジストマスク５１が形成された多層構造半導体２１の一部を示す斜視図である。レジストマスク５１は、キャップ層３４の一方面３４ａのうち、測定対象領域４１の一部と、測定対象領域４１を除く残余の領域とに形成される。各測定対象領域４１には、円柱状のレジストマスク部分５１ａが１または複数（本実施の形態では４）、形成される。

各測定対象領域４１に対しては、４つのレジストマスク部分５１ａが測定対象領域４１の中心ｃに関して対称に、かつ前記中心ｃまわりの周方向に等間隔をあけて配置される。レジストマスク部分５１ａの直径は、０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下に選ばれる。各レジストマスク部分５１ａの中心は、たとえば、測定対象領域４１の中心ｃと周縁とを結ぶ半径線ｒの中央に位置する。前記レジストマスク部分５１ａの中心は、図７に示される多層構造半導体２１を成長層の表面側から見たときのレジストマスク部分５１ａの図心に相当する。

前記レジストマスク５１を形成するにあたっては、まず、たとえば回転塗布によって、前記キャップ層３４の一方面３４ａ上に、レジストを塗布し、レジスト膜を形成する。この後、露光および現像などの処理によって、前記レジスト膜の一部を除去し、図７に示されるような開口部５２が形成されたレジストマスク５１を形成する。

次のステップｂ３では、キャップ層３４の前記開口部５２に臨む部分を除去する。このようにキャップ層３４の一部を除去するにあたっては、硫酸と過酸化水素水と水とを５：１０：１００の割合で混合した混合液を用いて、前記キャップ層３４の一部をエッチングする。

次のステップｂ４では、中間層３３、ｐ型第２クラッド層３２、エッチングストップ層３１、ｐ型第１クラッド層３０、第２光ガイド層２９、量子井戸活性層２８、第１光ガイド層２７、ｎ型クラッド層２６、第２バッファ層２５および第１バッファ層２４の前記開口部に臨む部分を除去する。このように前記各成長層２４〜３３の一部を除去するにあたっては、塩酸を用いて、前記各成長層２４〜３３の一部をエッチングする。

次のステップｂ５では、レジストマスク５１を除去する。次のステップｂ６では、Ｘ線回折法によって、測定対象領域４１内の半導体基板２３および各成長層２４〜３４の格子定数を求める。前記各成長層２４〜３４は、前述のステップｂ３〜ｂ４で除去されずに残った測定対象領域４１内の各成長層２４〜３４である。測定対象領域４１に対して照射されるＸ線のスポット径は、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。この後、ステップｂ７では、本実施の形態の格子定数の測定方法に従う処理を終了する。

図８は、開口部５２に臨む各成長層２４〜３４の一部が除去されてレジストマスク５１が除去された多層構造半導体２１の一部を示す斜視図である。ステップｂ３およびステップｂ４のエッチングによって、図８に示されるように、測定対象領域４１内には、成長層が除去されていない部分５５が、部分的に形成される。前記測定対象領域４１内で成長層が除去されていない部分５５は、前記測定対象領域４１内で半導体基板２３の一方面２３ａ上に積層される全ての成長層２４〜３４を含む。

前記ステップｂ６では、図５に示されるグラフと同様なグラフが得られる。半導体基板２３および成長層２４〜３４の格子定数は、前述の実施の形態と同様にして求めることができる。これらの格子定数を用いることによって、前記成長層２４〜３４の格子不整合率を求めることができる。これらの格子不整合率を用いて、多層構造半導体２１を評価し、次回の成長層の形成に歪みの補正をフィードバックし、成長層の成長条件を調整することができる。

以上のように本実施の形態によれば、測定対象領域４１内でｎ型クラッド層２６、ｐ型第１クラッド層３０およびｐ型第２クラッド層３２の各一部が除去されるので、測定対象領域４１内の前記各クラッド層２６，３０，３２の体積は減少し、したがって前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度は低下する。このように前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度が低下するので、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピーク値と、前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピーク値との間の差が大きくなる。これによって、半導体基板２３からの回折Ｘ線の強度のピークと前記各クラッド層２６，３０，３２からの回折Ｘ線の強度のピークとを、正しくかつ容易に識別することができる。したがって半導体基板２３の格子定数と前記各クラッド層２６，３０，３２の格子定数とを取り違えない。

また本実施の形態によれば、測定対象領域４１内で、部分的に、成長層の表面側から半導体基板２３まで成長層が除去される。前記測定対象領域４１内で成長層が除去されていない部分５５は、前記測定対象領域４１内で半導体基板２３の一方面２３ａ上に積層される全ての成長層２４〜３４を含む。したがって前記測定対象領域４１内の半導体基板２３およびこの半導体基板２３の一方面２３ａ上に積層される全ての成長層２４〜３４の格子定数を測定することが可能となる。

また本実施の形態によれば、測定対象領域４１は、Ｘ線のスポットと同程度の大きさであり、この測定対象領域４１内で、部分的に、成長層の表面側から半導体基板２３まで成長層が除去される。したがって前記測定対象領域４１内で成長層が除去されていない部分５５の半導体基板２３寄りの成長層に対しても、Ｘ線が十分に照射される。

本発明は、前述の実施の各形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。たとえば多層構造半導体の構造は、前述の実施の各形態における多層構造半導体２１の構造に限定されるものではない。また多層構造半導体は、半導体レーザ素子を製造する途中の段階の生成物に限定されるものではない。また成長層のエッチングに使用される酸の種類および割合も、成長層の構造によって適宜変更することが可能である。さらに、Ｘ線のスポット径に応じて、測定対象領域４１の大きさも適宜変更することが可能である。

本発明の実施の一形態の格子定数の測定方法を説明するためのフローチャートである。半導体レーザ素子２２の断面図である。多層構造半導体２１の平面図である。図１のステップａ１〜ａ５を経た多層構造半導体２１の測定対象領域４１内の一部を拡大して示す断面図である。図１を用いて説明される格子定数の測定方法によるＸ線回折プロファイルの一例を示すグラフである。本発明の実施の他の形態の格子定数の測定方法を説明するためのフローチャートである。レジストマスク５１が形成された多層構造半導体２１の一部を示す斜視図である。開口部５２に臨む各成長層２４〜３４の一部が除去されてレジストマスク５１が除去された多層構造半導体２１の一部を示す斜視図である。多重量子井戸構造のリッジ型半導体レーザ素子１の断面図である。図９に示される半導体レーザ素子１を製造する途中の段階の多層構造半導体のＸ線回折プロファイルの一例を示すグラフである。

符号の説明

２１多層構造半導体
２２半導体レーザ素子
２３半導体基板
２４第１バッファ層
２５第２バッファ層
２６ｎ型クラッド層
２７第１光ガイド層
２８量子井戸活性層
２９第２光ガイド層
３０ｐ型第１クラッド層
３１エッチングストップ層
３２ｐ型第２クラッド層
３３中間層
３４キャップ層
４１測定対象領域

Claims

半導体基板の一方面上に、複数の成長層が積層され、これらの成長層は、少なくとも活性層およびクラッド層を含む多層構造半導体の所定の測定対象領域に対して、Ｘ線を照射して格子定数を求めるＸ線回折法による格子定数の測定方法において、
多層構造半導体の前記測定対象領域に対して成長層の表面側からエッチングを行い、前記測定対象領域内で、部分的に、成長層の表面側から前記半導体基板まで成長層を除去することによって、前記クラッド層の一部を除去した後、その一部が除去された測定対象領域内の半導体基板および成長層の格子定数を、Ｘ線回折法によって求めることを特徴とする格子定数の測定方法。
前記クラッド層の一部を除去するとき、複数のレジストマスク部分を、測定対象領域の中心に関して対称に、かつ前記中心まわりの周方向に等間隔をあけ、各レジストマスク部分の中心を、測定対象領域の中心と周縁とを結ぶ半径線の中央に配置してエッチングを行い、
前記測定対象領域に対して照射されるＸ線のスポット径は、５００μｍ以上１０００μｍ以下に選ばれ、
前記測定対象領域は、Ｘ線のスポット径と同程度の大きさに選ばれ、
前記レジストマスク部分の直径は、５０μｍ以上１００μｍ以下に選ばれることを特徴とする請求項１記載の格子定数の測定方法。