JP4877146B2 - 半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を持つ半導体積層構造をエッチングしてメサを形成し、このメサの周囲を埋め込み層で埋め込む半導体レーザ素子の製造方法に関し、特にメサの表面の酸化膜を十分に除去して、レーザ特性及び信頼性を向上させることができる半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
半導体レーザ素子では、活性層へ電流を効率よく供給させるために電流経路を狭窄させる必要がある。そこで、多くの半導体レーザでは、活性層を持つ半導体積層構造を作製した後、誘電体膜への微細パターン転写技術、エッチング技術を用いてメサを形成し、電流が流れる領域を限定させることで電流経路を狭窄させている。この時、メサの表面に露出される活性層の保護や、放熱性、素子の寄生容量等の観点から、メサ周囲を半導体で覆った埋込構造を形成している（例えば、特許文献１参照）。
図１３は、活性層を持つ半導体積層構造のメサの周囲をｎ／ｐ／ｎ／ｐ型の半導体層で埋め込んだ半導体レーザ素子を示す断面図である。ｐ型ＩｎＰ基板１１上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ＡｌＧａＩｎＡｓ下光閉込層１３、ＡｌＧａＩｎＡｓ―ＭＱＷ活性層１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ上光閉込層１５、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６を順番に成長させた半導体積層構造のメサが形成されている。そして、メサの周囲は、ｐ型ＩｎＰ埋込層１７、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８、ｐ型ＩｎＰ埋込層１９、及びｎ型ＩｎＰ埋込層２０により埋め込まれている。この上に、ｎ型ＩｎＰコンタクト層２１、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２、ｎ型ＩｎＰキャップ層２３が形成されている。
ここで、メサの表面は、ｐ型ＩｎＰ埋込層１７で覆われている必要がある。これはｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８がメサに接するとメサから埋込層へ電流が流れ、活性層１４に電流を狭窄することができなくなるためである。
Ａｌを含む半導体材料からなる活性層１４は、メサの表面で大気に晒されて表面が酸化される。このような酸化層上ではＩｎ原子がマイグレーションするため、ｐ型ＩｎＰ埋込層１７がエピタキシャル成長され難い。従って、活性層１４より下の半導体層が完全に埋め込まれてから活性層１４を覆うような成長が始まる。
このため、図１４に示すように、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８がメサに接してしまい、メサから埋込層へ電流が流れる無効電流経路２４が形成される。また、界面の酸素や不純物は結晶欠陥の要因ともなる。これらにより特性及び信頼性が劣化するという問題があった。
上記のようにＡｌを含む半導体材料からなる活性層を持つ半導体積層構造をエッチングしてメサを形成し、このメサの周囲を埋め込み層で埋め込む場合は、一般的な再成長で許容されるレベルよりもメサの表面の酸化層を低減させる必要がある。
なお、埋め込み成長の前にＨＣｌガスによりメサの表面の酸化層を除去する方法や、ＨＣｌガスによるエッチング時の温度を４５０℃以下にして酸化膜の除去効果を高める方法がある。しかし、これらの方法だけでは、メサの表面の酸化膜を十分に除去することができなかった。
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、メサの表面の酸化膜を十分に除去して、レーザ特性及び信頼性を向上させることができる半導体レーザ素子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素子の製造方法は、基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を持つ半導体積層構造を形成する工程と、半導体積層構造をエッチングしてメサを形成する工程と、水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させる工程と、メサの表面を清浄化させた後にメサの表面を覆うように埋め込み層を形成する工程とを備え、メサの表面を清浄化させる工程は、メサの側面の酸化層が強固なものに変化する臨界温度よりも低い温度において、水素プラズマを用いてメサの側面を清浄化させる第１清浄化工程と、第１清浄化工程の後に、臨界温度よりも高い温度において、水素プラズマを用いてメサの側面を清浄化させる第２清浄化工程とを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、メサの表面の酸化膜を十分に除去して、レーザ特性及び信頼性を向上させることができる。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法について図１のフローチャートに沿って説明する。
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法について図１のフローチャートに沿って説明する。
まず、図２に示すように、ｐ型ＩｎＰ基板１１上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ＡｌＧａＩｎＡｓ下光閉込層１３、ＡｌＧａＩｎＡｓ―ＭＱＷ活性層１４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ上光閉込層１５、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６を、ＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）を用いて順番に成長させて、Ａｌを含む半導体材料ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる活性層を持つ半導体積層構造を形成する（ステップＳ１）。
次に、ＭＯＶＰＥ装置からウェハを取り出し、図３に示すように、このウェハ上にＳｉＯ２膜を形成し、写真製版、転写技術を利用してＳｉＯ２マスク２５を作製する。そして、これをマスクとしてウェットエッチングを行い、図４に示すように、半導体積層構造にメサを形成する（ステップＳ２）。また、メサの表面に残留する有機物や酸化物を除去するため、溶液による処理を行う（ステップＳ３）。
次に、メサが形成されたウェハを再びＭＯＶＰＥ装置内へ設置して、メサの埋込成長を行うが、ウェットエッチング、溶液による処理及びウェハ搬送において、メサの表面が大気に晒されて酸化される。そこで、埋め込み成長前に装置内に水素プラズマを導入し、この水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させる（ステップＳ４）。なお、ＨＣｌ、ＴＢＣｌ、ＣＣｌ４などのエッチング効果を持つガスを用いて追加の表面処理を行ってもよい。
ここで、上記の水素プラズマ処理を行うために、水素プラズマ発生機構を持つＭＯＶＰＥ装置を用いる。これにより、水素プラズマ処理を行った後、大気にさらすことなくＭＯＶＰＥによる結晶成長を行うことができる。
図５は、水素プラズマ発生機構を持つＭＯＶＰＥ装置の一例を示す断面図である。ＭＯＶＰＥ反応炉３１内に、ウェハ３２を搭載するサセプタ３３が設けられている。そして、ＭＯＶＰＥ反応炉３１にＥＣＲ（electron cyclotron resonance）プラズマ発生機構３４が一体化されている。このＥＣＲプラズマ発生機構３４は、マイクロ波をＭＯＶＰＥ反応炉３１内に導いて水素プラズマを発生させる。
図６は、水素プラズマ発生機構を持つＭＯＶＰＥ装置の他の例を示す断面図である。ＭＯＶＰＥ反応炉３１内にアンテナ３５が内挿されている。このアンテナ３５にＲＦ電源３６からＲＦ電流が流される。これにより、ＭＯＶＰＥ反応炉３１内にＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマを発生させる。
次に、図７に示すように、メサの表面を覆うようにｐ型ＩｎＰ埋込層１７をＭＯＶＰＥにより形成する。そして、ｐ型ＩｎＰ埋込層１７上に、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８、ｐ型ＩｎＰ埋込層１９及びｎ型ＩｎＰ埋込層２０をＭＯＶＰＥにより形成してメサの周囲を埋め込む（ステップＳ５）。これによりＦＳＢＨ（Facet Selected Buried Hetero-structure）構造を形成する。
次に、図８に示すように、ウェハをＭＯＶＰＥ装置から取り出し、マスク２５をエッチング除去する。その後、ウェハを再びＭＯＶＰＥ装置内へ設置して、ｎ型ＩｎＰコンタクト層２１、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２、ｎ型ＩｎＰキャップ層２３を形成する。以上の製造工程により、ｎ／ｐ／ｎ／ｐ埋込構造を持つ半導体レーザ素子が製造される。
上記のように、本実施の形態では、水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させる。水素プラズマは強力な還元作用と物理的なエッチング作用を持つため、メサの表面の酸化膜を十分に除去することができる。
また、メサの表面に露出している結晶面方位は（１００）面ではなく、最表面の原子配列や酸素との結合の強さが（１００）面とは異なることなどにより、（１００）面の表面清浄化時と比較すると酸化膜の除去効果が違うと考えられる。これに対し、上記の清浄化を行うことで、メサの表面の酸化膜を十分に除去することができる。
従って、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８をメサに接することなく成長することができるため、メサから埋込層へ電流が流れる無効電流経路が形成されるのを防ぐことができる。また、メサと埋込層との界面の不純物が低減され、埋込層の結晶性の向上が望める。よって、レーザ特性及び信頼性を向上させることができる。
なお、本発明は、ｎ／ｐ／ｎ／ｐ型埋込成長に限定するものではなく、あらゆる埋込成長に適用することができる。また、本発明は、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなど、あらゆる半導体材料で構成される半導体積層構造のメサの埋込成長に適用できる。また、本発明は、半導体レーザだけでなく、変調器、受光素子など、あらゆる半導体素子の作製に適用することができる。
実施の形態２．
本実施の形態では、水素プラズマ処理を行った後、図９に示すように、メサの表面を覆うようにｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａ（第１の埋め込み層）を成長温度Ｔｇ＿ｐ１（第１の成長温度）で形成する。次に、ｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａ上に、ｐ型ＩｎＰ第２埋込層１７ｂ、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８、ｐ型ＩｎＰ埋込層１９及びｎ型ＩｎＰ埋込層２０（第２の埋め込み層）を成長温度Ｔｇ＿ｐ２（第２の成長温度）で形成してメサの周囲を埋め込む。その他の工程は実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、水素プラズマ処理を行った後、図９に示すように、メサの表面を覆うようにｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａ（第１の埋め込み層）を成長温度Ｔｇ＿ｐ１（第１の成長温度）で形成する。次に、ｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａ上に、ｐ型ＩｎＰ第２埋込層１７ｂ、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８、ｐ型ＩｎＰ埋込層１９及びｎ型ＩｎＰ埋込層２０（第２の埋め込み層）を成長温度Ｔｇ＿ｐ２（第２の成長温度）で形成してメサの周囲を埋め込む。その他の工程は実施の形態１と同様である。
ここで、図１０は、実施の形態２における埋込成長時の成長温度と各層の成長の時間推移を模式的に示した図である。図示のように、ｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａの成長温度Ｔｇ＿ｐ１は、ｐ型ＩｎＰ第２埋込層１７ｂの成長温度Ｔｇ＿ｐ２よりも低い（Ｔｇ＿ｐ１＜Ｔｇ＿ｐ２）。また、ｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａ以外の層の成長温度は、ＭＯＶＰＥ法でのＩｎＰ成長に最適とされる６００〜６３０℃にすることが結晶品質上好ましい。
このようにメサと接するｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａの成長温度Ｔｇ＿ｐ１が低いため、メサの表面での成長種のマイグレーションが抑制され、メサの表面はｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａで覆われる。これにより、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８をメサに接することなく成長することができるため、無効電流経路の発生を防止することができる。
なお、本実施の形態１では、ｐ型ＩｎＰ埋込層をｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａとｐ型ＩｎＰ第２埋込層１７ｂに２分割したが、ｎ分割しても良い。この時、ｐ型ＩｎＰ埋込第１層の成長温度Ｔｇ＿ｐ１は、ｐ型ＩｎＰ埋込第ｍ層（１＜ｍ＜＝ｎ）の成長温度Ｔｇ＿ｐｍより低いものとする。
また、本実施の形態１では、ｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａとｐ型ＩｎＰ第２埋込層１７ｂの間に成長中断を実施し埋込成長の成長温度をＴｇ＿ｐ１からＴｇ＿ｐ２へ段階的に増加させたが、成長中断を実施せずにｐ型ＩｎＰ第１埋込層１７ａからｐ型ＩｎＰ第２埋込層１７ｂへ成長を実施しながら、成長温度をＴｇ＿ｐ１からＴｇ＿ｐ２へ連続的に増加させても良い。
また、半導体材料の成長に最適とされる成長温度は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓは６００〜６３０℃、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓは６００〜７５０℃、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰは６５０〜７５０℃、ＡｌＧａＮ、ＧａＮは１０００〜１１００℃、ＩｎＧａＮは７００〜８００℃である。これらの材料を埋込層として用いる場合は、第１の埋込層はこれらの最適とされる成長温度より低温であることが望ましい。
実施の形態３．
本実施の形態では、メサの表面を清浄化させる工程において、第１の表面清浄化温度Ｔｃｌ＿１において水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させた（第１清浄化工程）後に、第２表面清浄化温度Ｔｃｌ＿２において水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させる（第２清浄化工程）。その他の工程は実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、メサの表面を清浄化させる工程において、第１の表面清浄化温度Ｔｃｌ＿１において水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させた（第１清浄化工程）後に、第２表面清浄化温度Ｔｃｌ＿２において水素プラズマを用いてメサの表面を清浄化させる（第２清浄化工程）。その他の工程は実施の形態１と同様である。
図１１は、本発明の実施の形態３における埋込成長時の成長温度と各層の成長の時間推移を模式的に示した図である。図示のように、第１の表面清浄化温度Ｔｃｌ＿１はＴｃより低く、第２表面清浄化温度Ｔｃｌ＿２はＴｃより高い。ただし、Ｔｃはメサ側面の酸化層が強固なものに変化する臨界温度である。このようにＴｃより低い温度で清浄化を行うことでＯとの結合を切り、その後にＴｃより高い温度にして清浄化を行うことにより、表面に残留したＣｌ化合物やＯ化合物の蒸気圧が上がり、酸化層の除去効果が高くなる。
図１２は、ＡｌＩｎＡｓを各温度に昇温した場合のＯとＡｌの結合状態の変化を示すＸＰＳ分析結果である。４５０℃より低い温度ではＯは水酸基として、５６０℃より高い温度ではＯのみで、Ａｌと結合してより強固な結合になっている。このことから、上記Ｔｃは４５０℃程度であることが分かる。
なお、本実施の形態３では、Ｔｃ以下での表面清浄化の後にＴｃ以上での表面清浄化を一度行っているが、これは３通り以上の温度で行っても良い。また、温度変更時に水素プラズマの供給を中断しているが、ガス供給を中断せずに温度を変更しても良い。
また、活性層の材料が違えばＯとの結合が強固になる温度Ｔｃも違い、また表面に残留するＣｌやＯの化合物も違うため、素子を構成する半導体材料によって最適な清浄化温度を選択する必要がある。
１１ ｐ型ＩｎＰ基板（基板）
１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層（半導体積層構造）
１３ ＡｌＧａＩｎＡｓ下光閉込層（半導体積層構造）
１４ ＡｌＧａＩｎＡｓ―ＭＱＷ活性層（半導体積層構造）
１５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ上光閉込層（半導体積層構造）
１６ ｎ型ＩｎＰクラッド層（半導体積層構造）
１７ ｐ型ＩｎＰ埋込層（埋め込み層）
１７ａ ｐ型ＩｎＰ第１埋込層（第１の埋め込み層）
１７ｂ ｐ型ＩｎＰ第２埋込層（第２の埋め込み層）
１８ ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層（埋め込み層）（第２の埋め込み層）
１９ ｐ型ＩｎＰ埋込層（埋め込み層）（第２の埋め込み層）
２０ ｎ型ＩｎＰ埋込層（埋め込み層）（第２の埋め込み層）
１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層（半導体積層構造）
１３ ＡｌＧａＩｎＡｓ下光閉込層（半導体積層構造）
１４ ＡｌＧａＩｎＡｓ―ＭＱＷ活性層（半導体積層構造）
１５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ上光閉込層（半導体積層構造）
１６ ｎ型ＩｎＰクラッド層（半導体積層構造）
１７ ｐ型ＩｎＰ埋込層（埋め込み層）
１７ａ ｐ型ＩｎＰ第１埋込層（第１の埋め込み層）
１７ｂ ｐ型ＩｎＰ第２埋込層（第２の埋め込み層）
１８ ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層（埋め込み層）（第２の埋め込み層）
１９ ｐ型ＩｎＰ埋込層（埋め込み層）（第２の埋め込み層）
２０ ｎ型ＩｎＰ埋込層（埋め込み層）（第２の埋め込み層）
Claims (3)
- 基板上に、Ａｌを含む半導体材料からなる活性層を持つ半導体積層構造を形成する工程と、
前記半導体積層構造をエッチングしてメサを形成する工程と、
水素プラズマを用いて前記メサの表面を清浄化させる工程と、
前記メサの表面を清浄化させた後に前記メサの表面を覆うように埋め込み層を形成する工程とを備え、
前記メサの表面を清浄化させる工程は、
前記メサの側面の酸化層が強固なものに変化する臨界温度よりも低い温度において、前記水素プラズマを用いて前記メサの側面を清浄化させる第１清浄化工程と、
前記第１清浄化工程の後に、前記臨界温度よりも高い温度において、前記水素プラズマを用いて前記メサの側面を清浄化させる第２清浄化工程とを有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記埋め込み層をＭＯＶＰＥ法により形成す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。
- 前記埋め込み層を形成する工程は、
前記メサの表面を覆うように第１の埋め込み層を第１の成長温度で形成する工程と、
前記第１の埋め込み層の上に第２の埋め込み層を前記第１の成長温度よりも高い第２の成長温度で形成して前記メサの周囲を埋め込む工程とを有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素子の製造方法。
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