JP5098878B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折格子を有する半導体発光素子の製造方法に関する。

従来より、回折格子を有する半導体発光素子が知られている。例えば、下記特許文献１には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層に回折格子を形成した分布帰還型半導体レーザが開示されている。このような半導体レーザを作製する際には、活性層に周期的な凹部をエッチング形成した後、その凹部を所定の埋込層によって埋め込む。

なお、上記ＩｎＧａＡｓＰ活性層は、温度特性の改善等を目的として、Ａｌを含む活性層（例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層）に代替される場合がある。
特開２００４−５５７９７号公報

しかしながら、Ａｌを含む活性層はその表面が非常に酸化しやすく、表面に形成された酸化物が再成長を阻害する原因となってしまう。その結果、活性層上に形成される埋込層等の再成長層に結晶欠陥が生じてしまい、素子の特性を劣化させてしまう虞があった。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、素子特性の向上が図られた半導体発光素子の製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、回折格子を有する半導体発光素子の製造方法であって、基板上に、Ａｌを含む活性層を有する積層体を形成するステップと、積層体上に、回折格子を形成するためのマスクを形成するステップと、マスクを用いて、活性層に達する深さまで積層体をエッチングして、回折格子を形成するステップと、回折格子が形成された積層体に対してＯ_２プラズマ酸化処理をおこない、マスクを除去すると共に、エッチングにより露出した活性層の側面に酸化膜を形成するステップと、活性層の側面の酸化膜をエッチング除去するステップと、酸化膜を除去した後、活性層側面を覆うオーバーグロース層を成長させるステップとを備える。

この半導体発光素子の製造方法においては、Ｏ_２プラズマ酸化処理によって、エッチングにより露出したＡｌを含む活性層の側面に酸化膜が形成される。この酸化膜は、側面が自然に酸化されて形成される膜（いわゆる、自然酸化膜）の厚さに比べて十分に厚いため、その後のエッチング除去のステップの際に、酸化膜を高い精度で除去することができる。その結果、活性層側面が清浄な状態となり、この状態で活性層側面をオーバーグロース層で覆うことで、オーバーグロース層における結晶欠陥の発生が抑制されるため、作製される半導体発光素子の素子特性が向上する。

また、積層体は活性層上に積層されたＩｎＰ層を有し、酸化膜をエッチング除去するステップの後、活性層側面の清浄化熱処理をおこなうステップをさらに備える態様であってもよい。この場合、Ｏ_２プラズマ酸化処理によって酸化膜を形成した際、活性層材料とＩｎＰ層材料との間のＯの浸透力の差により、活性層側面に形成される酸化膜の厚さがＩｎＰ層側面に形成される酸化膜の厚さより厚くなる。そのため、エッチング除去のステップで、両層の酸化物を除去すると、ＩｎＰ層が活性層からひさし状に張り出した形状（すなわち、オーバーハングした形状）となる。この後に、清浄化熱処理をおこなうと、活性層上のＩｎＰ層材料がマストランスポートして活性層の側面を覆って、活性層側面が清浄な状態に保持される。

さらに、回折格子を形成ステップの際、活性層を貫通する深さまで積層体をエッチングする態様であってもよい。この場合、エッチング加工による回折格子形成の際の深さ制御の影響が軽減されるため、より容易に回折格子を形成することができる。その上、活性層の側面よりもその上下の層の側面が凸となるため、活性層に対する酸化膜の被覆が容易にできる。

本発明によれば、素子特性の向上が図られた半導体発光素子の製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

図１及び図２は、半導体発光素子の一例を模式的に示す図である。これらの図に示される半導体発光素子１０は、波長１．３μｍ帯の利得結合型半導体ＤＦＢレーザである。

図１及び図２に示すように、半導体レーザ１０はＩｎＰ基板１２を備えており、このＩｎＰ基板１２上に半導体メサｍが形成されている。

半導体メサｍは、ＩｎＰ基板１２側から順に、バッファ層１４、活性層１６、クラッド層１８が積層されて構成されている。活性層１６は、半導体メサｍの延在方向に沿って周期的な凹部１５が形成されてなる回折格子１３を有している。この活性層１６の回折格子１３の凹部１５は、クラッド層１８によって完全に埋められており、回折格子１３の表面はクラッド層１８により全体的に覆われている。

半導体メサｍの両側には、複数層構造の埋込層２０が形成されており、半導体メサｍの両側面を覆っている。そして、半導体メサｍ及び埋込層２０上には、ｎ型半導体層２２が一様に積層されており、さらにその上には、コンタクト層２４が一様に積層されている。コンタクト層２４上には、半導体メサｍの対応位置に開口部２６ａを有する絶縁層２６が形成されている。この絶縁層２６とその開口部２６ａ内において露出するコンタクト層２４とを覆うようにして、第１の電極３０Ａ（例えば、アノード）が設けられている。また、基板１２の裏面には、第２の電極３０Ｂ（例えば、カソード）が設けられている。

以下、半導体発光素子１０の製造方法の各工程について詳しく説明する。図３〜図９は、好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。この製造方法により、上述の半導体発光素子１０が好適に製造される。なお、本実施形態におけるエピタキシャル成長には有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を利用する。
（積層体形成工程）

まず、図３に示されるように、ｐ型（１００）ＩｎＰ基板１２上に、バッファ層１４、活性層１６及びＩｎＰ層１７が順次積層されてなる積層体１９を形成する。

バッファ層１４は、下層のｐ型ＩｎＰバッファ層（厚さ１．５μｍ）と、上層のｐ型ＡｌＩｎＡｓバッファ層（０．１μｍ）で構成されている。

活性層１６は、ノンドープの７周期のＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸構造を有する層と、その層を上下から挟むように位置する光閉じ込め層とで構成されている。この活性層１６の井戸層としては、厚さ５ｎｍで組成波長１．３７μｍの１．２％圧縮歪ＡｌＧａＩｎＡｓ層が採用され、障壁層としては、厚さ８ｎｍで組成波長１．００μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ層が採用される。活性層１６は、量子井戸構造以外では、量子細線構造又は量子箱構造を有することが好ましい。活性層１６が量子井戸構造を有する場合、井戸層及び障壁層の積層数を増加させることによって、活性層１６の厚さを大きくすることができる。また、活性層１６が量子細線構造又は量子箱構造を有する場合、低閾値電流、高効率、低波長チャープ動作等の優れた特性を有する半導体発光素子が得られる。

ＩｎＰ層１７は、ｎ型ＩｎＰで構成されており、その厚さは０．０１μｍである。
（マスク形成工程）

次に、図４に示すように、積層体１９上に、ＣＶＤでＳｉＯ_２からなる層を厚さ３０ｎｍで形成した後、その層を干渉露光法によるフォトリソグラフィーによってパターニング成形して、ＳｉＯ_２マスクＭを形成する。このマスクＭは、上述の活性層１６に所望の回折格子１３（例えば、２００ｎｍ周期）を形成するためのものであり、そのパターンは回折格子１３のパターンと同様のものが用いられる。
（回折格子形成工程）

そして、図５に示すように、上記マスクＭを用いて、メタン（ＣＨ_４）及び水素（Ｈ_２）を含む混合ガスにより、積層体１９をドライエッチングする。このエッチングにより、活性層１６には複数の周期性を有する凹部１５が形成され、これらの凹部１５が回折格子１３を構成する。このとき、エッチング深さの制御をおこない、エッチングにより形成される凹部１５が活性層１６に達し、且つ、活性層１６を貫通しないように調整される。なお、このエッチングには、例えばプラズマを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が利用される。
（酸化処理工程）

続いて、図６に示すように、エッチング処理された積層体１９の表面に対してＯ_２プラズマ酸化処理をおこない、その表面全域に亘って酸化膜３２を形成する。それにより、エッチングにより形成された凹部１５の内面、すなわち、活性層１６及びＩｎＰ層１７の側面も酸化膜３２で被覆される。

ここで、活性層１６に含まれるＡｌと、ＩｎＰ層１７の材料であるＩｎＰとでは、Ｏの浸透力が異なる。そして、そのＯの浸透力の差により、活性層１６の側面１６ａに形成される酸化膜３２の厚さが、ＩｎＰ層１７の側面１７ａに形成される酸化膜３２の厚さよりも厚くなる。
（エッチング処理工程）

その後、図７に示すように、上記酸化処理が施された積層体１９に対して、バッファードフッ酸水溶液によるエッチング処理をおこなう。それにより、マスク形成工程において形成されたマスクＭ及び酸化処理工程で形成された酸化膜３２が除去される。なお、上述したとおり、活性層１６側面の部分の酸化膜３２がＩｎＰ層１７側面の部分の酸化膜よりも厚いため、この酸化膜３２が除去されると、ＩｎＰ層１７が活性層１６からひさし状に張り出した形状、すなわち、オーバーハングした形状となる。
（清浄化熱処理工程）

さらに、図８に示すように、ＭＯＶＰＥ装置内で、ハロゲンガスのないＰＨ_３及びＨ_２の混合ガス雰囲気中において、６７０℃、１０分の高温条件下で、清浄化熱処理をおこなう。上記条件での清浄化熱処理によれば、活性層１６上のＩｎＰ層１７が下方にマストランスポートして、活性層側面１６ａを含む凹部１５内面を覆う。このマストランスポートの間に、活性層１６の側面１６ａに残留している酸化物が分解されて、側面１６ａがより清浄化される。
（オーバーグロース工程）

上記清浄化熱処理に連続して、図９に示すように、ＭＯＶＰＥ装置内で、活性層１６の凹部１５が完全に埋まる厚さまで、クラッド層１８を、オーバーグロース層として６５０℃の温度条件で再成長させる。このクラッド層１８は、ＩｎＰで構成されており、その厚さは０．１μｍである。
（仕上げ工程）

そして、以降は公知の手順により、積層体１９を半導体メサｍにエッチング成形する工程、半導体メサｍの両側に埋込層２０を形成する工程、半導体メサｍ及び埋込層２０の上に半導体層２２及びコンタクト層２４を順次積層する工程、コンタクト層２４上に、半導体メサｍの対応位置にストライプ状開口部を有する絶縁層２６を形成する工程、絶縁層２６及び絶縁層２６の開口部から露出するコンタクト層２４の上に第１の電極３０Ａを形成する工程、基板１２の裏面に第２の電極３０Ｂを形成する工程をおこない、図１に示した半導体レーザ１０の作製が完了する。

以上で詳細に説明したとおり、本発明の実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法においては、Ｏ_２プラズマ酸化処理によって、エッチングにより露出した活性層１６の側面１６ａに酸化膜３２が形成される。この酸化膜３２は、側面１６ａが自然に酸化されて形成される膜（いわゆる、自然酸化膜）の厚さ（例えば、１．５〜２．０ｎｍ程度）に比べて十分に厚く（例えば、厚さ１５〜２５ｎｍ程度）形成される。

そのため、後続のエッチング除去ステップの際に、酸化膜３２を高い精度で除去することができ、酸化膜３２の一部が活性層１６の側面１６ａに残ってしまう事態が有意に回避されている。もし酸化膜３２が側面１６ａに残ってしまった状態でこの側面１６ａに再成長させた場合には、図１０にその残留酸化膜に起因した結晶欠陥が生じてしまう。

そこで、発明者らは、この酸化膜３２を高い精度で除去できるように、酸化膜３２の厚さを増すため、エッチングに先立って側面１６ａにＯ_２プラズマ酸化処理を施す技術を新たに見いだした。

その結果、活性層１６の側面１６ａが清浄な状態となり、この状態で活性層側面１６ａをクラッド層（オーバーグロース層）１８で覆うことができる。そのため、クラッド層１８における結晶欠陥の発生が抑制されて、作製される半導体発光素子１０の素子特性が向上する。

さらに、上記実施形態においては、積層体１９は活性層１６上に積層されたＩｎＰ層１７を有し、酸化膜３２をエッチング除去するステップの後に活性層側面１６ａの清浄化熱処理をおこなっている。

このようにすることで、上述したＩｎＰのマストランスポートが生じ、クラッド層１８の再成長の前に、清浄な状態の活性層側面１６ａを被覆することができる。なお、酸化膜３２をエッチング除去した後は、ＩｎＰ層１７が活性層１６からひさし状に張り出した形状となる。そのため、清浄化処理の際に、その張り出した部分のＩｎＰは変形しやすく、その変形と同時にＩｎＰ層１７の一部が活性層１６の表面に拡散して被覆する。すなわち、ＩｎＰ層１７は、非常にマストランスポートしやすい状態となり、その結果、活性層１６の側面１６ａに効果的にＩｎＰが供給され、マストランスポートが促進される。

本発明は、上記実施形態に限定されず、必要に応じて様々に変更することが可能である。例えば、活性層に形成する回折格子の深さをより深くして、図１１に示したような回折格子にしてもよい。

回折格子を形成ステップの際に、活性層を貫通する深さまで積層体をエッチングすることで、このように活性層を完全に貫いて、光閉じ込め層１４にまで達する回折格子が形成される。この場合、エッチング加工による回折格子形成の際の深さ制御の影響が軽減されるため、より容易に回折格子を形成することができる。その上、図１２に示すように、活性層の側面よりもその上下のＩｎＰ層の側面が凸となるため、活性層に対する酸化膜の被覆が容易にできる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限
定されない。例えば、半導体発光素子１０は、例えばＬＥＤ、ファブリペロー型量子細線レーザ、量子箱レーザ、又は、量子細線若しくは量子箱活性層を有する面発光レーザ等であってもよい。

なお、横方向の光閉じ込めは、埋込ヘテロ構造でもリッジ構造でもよい。

埋込ヘテロ構造では、光導波路の形成のため、再び活性層が露出する。さらに、埋込成長をおこなうためには、酸化された活性層の影響を除去するため、回折格子の場合と同じようにＰＨ_３及びＨ_２の混合ガス雰囲気で保持することが有効であるが、光導波路の幅は細くとも１μｍ程度であり、回折格子ほど微細ではなく、ハロゲンガスを用いた清浄方法を使ったとしても、大きな構造の変化はない。

活性層は、Ａｌを含むほか、Ｐを含まないため、高温時の熱変形がしにくい。回折格子の最上層は変形しやすいＩｎＰであるが、これが変形したとしても、再成長層は同じＩｎＰ層であるため、変形の影響は受けない。また、変形によって、活性層表面をＩｎＰがマストランスポートして被覆することで、再成長を阻害する酸化層が除去され、良好な再成長層が形成される。

半導体発光素子の一例を模式的に示す斜視断面図である。 図１ に示される領域Ａ の拡大図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 好適な実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の各工程を模式的に示す断面図である。 従来技術に係る半導体発光素子の製造方法の工程を模式的に示す断面図である。 異なる態様の半導体発光素子の製造方法の工程を模式的に示す断面図である。 異なる態様の半導体発光素子の製造方法の工程を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０…半導体レーザ、１２…基板、１３…回折格子、１５…凹部、１６…活性層、１８…クラッド層、１９…積層体、３０Ａ，３０Ｂ…電極、ｍ…半導体メサ、Ｍ…マスク。

Claims (3)

1. 回折格子を有する半導体発光素子の製造方法であって、
   基板上に、Ａｌを含む活性層及び前記活性層上に積層されたＩｎＰ層を有する積層体を形成するステップと、
   前記積層体上に、前記回折格子を形成するためのマスクを形成するステップと、
   前記マスクを用いて、前記活性層に達する深さまで前記積層体をエッチングして、前記活性層に周期的な凹部を形成することで前記回折格子を形成するステップと、
   前記回折格子が形成された前記積層体の前記活性層及び前記ＩｎＰ層に対してＯ_２プラズマ酸化処理をおこない、前記エッチングにより露出した前記活性層及び前記ＩｎＰ層の側面に、前記活性層と前記ＩｎＰ層とで厚さの異なる酸化膜を形成するステップと、
   前記活性層及び前記ＩｎＰ層の側面の前記酸化膜をエッチング除去するステップであって、該エッチング除去により、前記ＩｎＰ層が前記活性層からひさし状に張り出した形状とする、ステップと、
   前記酸化膜をエッチング除去するステップの後、前記活性層側面の清浄化熱処理をおこなうステップであって、前記ＩｎＰ層のマストランスポートにより、前記活性層側面を含む前記凹部内面を覆う、ステップと、
   前記酸化膜を除去した後、前記活性層の前記凹部を覆うオーバーグロース層を成長させるステップと
   を備える、半導体発光素子の製造方法。
2. 前記回折格子を形成ステップの際、前記活性層を貫通する深さまで前記積層体をエッチングする、請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記マスクはＳｉＯ _２ からなり、
   前記酸化膜をエッチング除去するステップでは、バッファードフッ酸水溶液を用いて、前記活性層の側面の前記酸化膜とともに前記マスクをエッチング除去する、請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。

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