JP2007012851A

JP2007012851A - 半導体レーザ素子の製造方法

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Publication number: JP2007012851A
Application number: JP2005191314A
Authority: JP
Inventors: Osamu Omachi; 修大町
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】レーザ特性が良好な、高出力の半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料からなり、互いに平行な一対の共振器面と、この共振器面近傍部に形成された不純物拡散領域とを有する半導体レーザ素子の製造方法において、リッジ１０を形成した後に、共振器面Ａ，Ｂ近傍部において、リッジ１０の上面側から不純物を拡散させて、不純物拡散領域Ｚａ，Ｚｂを形成し、この不純物拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける活性層４を十分に無秩序化させる。その後、不純物拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける、ＧａＡｓからなる第２の電流狭窄層１５ｂを除去する。
【選択図】図９

Description

本発明は、光ディスクドライブなどに用いられる高出力の半導体レーザ素子の製造方法に関する。

半導体レーザ素子は、光通信をはじめ、映像、音楽、その他のデジタル情報の記録再生に利用されている。特に、光ディスクドライブの書き込み光源として、例えば３０ｍＷ以上の高出力の半導体レーザ素子が使用されている。
ところが、高出力の半導体レーザ素子は、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）と呼ばれる光学損傷を起こしやすく、この光学損傷により半導体レーザ素子の信頼性が低下するといった問題がある。
このＣＯＤは、活性層の共振器面近傍部が、素子内部の活性層で発生したレーザ光に対して吸収領域になっていることにより発生する。
素子製造工程においては、通常、所定の工程を経たウエハを劈開して、その劈開面が共振器面となる半導体レーザ素子を複数得る。その際、劈開を大気中で行うため、共振器面を含む面近傍部が大気中の酸素と反応して、自然酸化層になる。
この自然酸化層における活性層のバンドギャップは、素子内部における活性層のバンドギャップより狭いのでレーザ光の吸収領域となり、自然酸化層における活性層の温度が上昇する。この温度上昇により、自然酸化層における活性層のバンドギャップがさらに狭くなり、レーザ光の吸収がますます起こりやすくなる。その結果、自然酸化層における活性層は温度上昇を続け、ついには共振器面が溶融して、半導体レーザ素子は破壊される。

このＣＯＤを発生させない方法として、その半導体レーザ素子における活性層の共振器面近傍部を無秩序化することにより、その活性層の共振器面近傍部のバンドギャップを、素子内部の活性層よりも広くするという方法がある。この方法により、共振器面近傍部におけるレーザ光の吸収を少なくした窓構造を有する半導体レーザ素子の一例が、特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載されている発明の特徴は、第２のｐ型クラッド層のＺｎ濃度を５Ｅ１８ｃｍ^−３以上の高濃度にし、かつ、リッジを形成する前に、共振器面を含む面近傍部にＺｎを拡散させて、活性層における共振器面を含む面近傍部を無秩序化させることである。

まず、従来例として、特許文献１に記載されているような半導体レーザ素子１００の製造方法について、図１０〜１２を用いて説明する。図１０〜１２は、この半導体レーザ素子１００の製造方法を説明するための斜視図である。
なお、以下に説明するｎ型基板１０１は、複数の半導体レーザ素子１００がマトリクス状に形成されたものであり、このｎ型基板１０１を所定の間隔で劈開及び分断することによって、単体の半導体レーザ素子１００を得ることができるものであるが、図１０〜１２では、説明をわかりやすくするために、工程の始めから、単体の半導体レーザ素子１００の構造を示している。

まず、図１０に示すように、ＧａＡｓからなるｎ型基板１０１上に、ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層１０２，ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層１０３，活性層１０４，ＡｌＧａＡｓからなる第１のｐ型クラッド層１０５，ＧａＩｎＰからなるｐ型エッチングストップ層１０６，ＡｌＧａＡｓからなり５Ｅ１８ｃｍ^−３以上のＺｎ（亜鉛）濃度を有する第２のｐ型クラッド層１０７，及びＧａＩｎＰからなるｐ型キャップ層１０８を順次積層する。
次に、ｐ型キャップ層１０８の表面における共振器面Ａａ，Ｂａとなる側に、不純物としてＺｎを含むＧａＡｓからなる拡散源層１０９を、略平行なストライプ状に形成する。ここで、共振器面Ａａとは図１０における手前の全面を示し、共振器面Ｂａとは共振器面Ａａに対して反対側の全面を示し、共振器面Ａａと共振器面Ｂａとは互いに平行である。
次に、この拡散源層１０９から、ｎ型基板１０１に向かい、活性層１０４を通過して、ｎ型クラッド層１０３の途中までの領域に、拡散源層１０９中のＺｎをアニールにより選択的に拡散させる。
なお、図１０では、Ｚｎを拡散させた領域Ｚｅ，Ｚｆを、わかりやすくするために、網掛け範囲で表した。

次に、図１１に示すように、拡散源層１０９を除去し、フォトリソ法を用いて、第２のｐ型クラッド層１０７及びｐ型キャップ層１０８の一部をエッチング除去して、共振器面Ａａ，Ｂａに対して直交方向に延在するリッジ１１０を、所定の間隔を有する平行なストライプ状に形成する。なお、図１１では、その内の１つのリッジ１１０を示している。

さらに、図１２に示すように、エッチングストップ層１０６及びリッジ１１０上に、ＡｌＧａＡｓからなるｎ型ブロック層１１１，ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１１２，及びｐ型電極１１３を順次積層形成し、ｎ型基板１０１における上述の積層方向とは逆方向側の面に、ｎ型電極１１４を形成する。

上述の工程を経たｎ型基板１０１を、上述のＺｎ拡散領域Ｚｅ，Ｚｆを延在する方向に二分する面に沿って劈開することによって、バー（図示せず）を得る。この劈開面は、後述する半導体レーザ素子１００の共振器面Ａａ，Ｂａとなる。
次に、このバーを、ストライプ状に形成したリッジ１１０間の中心線を通りｎ型基板１０１の表面に対して直交する面で分断することによって、従来例の半導体レーザ素子１００を得る。

この半導体レーザ素子１００に、ｐ型電極１１３側からｎ型電極１１４側に向かって順方向電流を注入する。この電流が発振しきい値以上になったとき、リッジ１１０の下部に対応した活性層１０４でレーザ発振が起こり、レーザ光が活性層１０４の共振器面Ａａ，Ｂａの一方の面Ａａから出射される。
特開２００４−２８８８９４号公報

しかしながら、上述した従来例の半導体レーザ素子１００の製造方法は、以下に示す問題がある。

従来例では、リッジ１１０を形成する前にＺｎ拡散を行い、活性層１０４の共振器面Ａａ，Ｂａ近傍部を無秩序化させる。この際、無秩序化を十分に行うためには、アニール温度を上げたり、アニール時間を長くする必要がある。しかしながら、このようなＺｎ拡散条件では、エッチングストップ層１０６の無秩序化も促進され、さらには、エッチングストップ層１０６は、隣接する第１のｐ型クラッド層１０５及び第２のｐ型クラッド層１０７と混晶化してしまうため、エッチングストップ層のエッチング耐性は悪化する。
エッチング耐性が悪化すると、リッジ１１０を形成するときのエッチングにおいて、エッチングストップ層１０６はエッチングを停止することができず、第１のｐ型クラッド層１０５の一部まで除去されてしまう。このように第１のｐ型クラッド層１０５の一部が除去された半導体レーザ素子１００は、この除去の程度によって、レーザ特性が悪化、例えば、発光効率が低下するといった問題が発生する。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、レーザ特性が良好な、高出力の半導体レーザ素子の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願各発明は手段として次の手順を有する。
１）ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料からなり、互いに平行な一対の共振器面（Ａ，Ｂ）と、この共振器面（Ａ，Ｂ）近傍部に形成された不純物拡散領域（Ｚａ、Ｚｂ）とを有する半導体レーザ素子（５０）の製造方法において、第１導電型半導体基板（１）上に、少なくとも、第１導電型クラッド層（３），活性層（４），第１の第２導電型クラッド層（５），第２導電型エッチングストップ層（６），第２の第２導電型クラッド層（７）及び第２導電型キャップ層（８）をこの順序で積層した積層基板を形成する積層工程と、前記第２導電型キャップ層（８）及び前記第２の第２導電型クラッド層（７）を選択的にエッチングすることにより、所定の間隔を有する略平行なストライプ状のリッジ（１０）を形成するリッジ形成工程と、前記第２導電型エッチングストップ層（６）の表面に、ＡｌＧａＡｓからなる第１の第１導電型電流狭窄層（１５ａ）を形成し、さらに、この第１の第１導電型電流狭窄層（１５ａ）及び前記リッジ（１０）の表面に、ＧａＡｓからなる第２の第１導電型電流狭窄層（１５ｂ）を積層する狭窄層形成工程と、前記リッジ（１０）に対応する前記第２の第１導電型電流狭窄層（１５ｂ）上に、不純物を有する拡散源層（１２）を、前記リッジ（１０）が延在する方向に対して所定の間隔を有する略平行なストライプ状に形成する拡散源層形成工程と、アニールにより、前記不純物を拡散させて、前記第２の第１導電型電流狭窄層（１５ｂ）から前記第１導電型クラッド層（３）の途中までの領域に、前記不純物拡散領域（Ｚａ、Ｚｂ）を形成する拡散工程と、少なくとも、前記不純物拡散領域（Ｚａ、Ｚｂ）における前記第２の第１導電型電流狭窄層（１５ｂ）を除去する除去工程とを、この順序で有することを特徴とする半導体レーザ素子（５０）の製造方法である。

本発明によれば、リッジ形成後に、共振器面を含む面近傍部における活性層に不純物を拡散させて、不純物拡散領域として無秩序化させた後、この不純物拡散領域における、少なくともＧａＡｓからなる第２の電流狭窄層を除去することにより、レーザ特性が良好な、高出力の半導体レーザ素子が得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜９を用いて説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第１工程を説明するための斜視図である。
図２は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第２工程を説明するための斜視図である。
図３は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第３工程を説明するための斜視図である。
図４は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第４工程を説明するための斜視図である。
図５は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第５工程を説明するための斜視図である。
図６は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第６工程を説明するための斜視図である。
図７は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第７工程を説明するための斜視図である。
図８は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第８工程を説明するための斜視図である。
図９は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第９工程を説明するための斜視図である。

以下に説明するｎ型基板１は、複数の半導体レーザ素子５０がマトリクス状に形成されたものであり、このｎ型基板１を所定の間隔で劈開及び分断することによって、単体の半導体レーザ素子５０を得ることができるものであるが、図１〜図９では、説明をわかりやすくするために、工程の始めから、単体の半導体レーザ素子５０の構造を示している。
以下に、本発明の半導体レーザ素子の製造方法の実施例について説明する。
従来例では、リッジ形成前にＺｎ拡散を行っているのに対し、本実施例では、リッジ形成後にＺｎ拡散を行う。

（第１工程）［図１参照］
ＧａＡｓからなるｎ型基板１上に、ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層３，活性層４，ＡｌＧａＡｓからなる第１のｐ型クラッド層５，エッチングストップ層６，ＡｌＧａＡｓからなる第２のｐ型クラッド層７，及びＧａＡｓからなるｐ型キャップ層８を、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）法により、順次積層する。
なお、エッチングストップ層６は、後述するリッジ１０を形成するためのエッチングによって、第１のｐ型クラッド層５がエッチングダメージを受けないように設けられている。

次に、ｐ型キャップ層８の表面に、例えば、ＳｉＯ_２（二酸化シリコン）からなり、共振器面Ａ，Ｂとなる面に対して直交する方向に延在するエッチングマスク層９を、略平行なストライプ状に形成する。
ここで、共振器面Ａとは図１における手前の全面を示し、共振器面Ｂとは共振器面Ａに対して反対側の全面を示し、共振器面Ａと共振器面Ｂとは互いに平行である。

（第２工程）［図２参照］
エッチングマスク層９により保護されていない範囲に対応する、第２のｐ型クラッド層７及びｐ型キャップ層８をエッチング除去することにより、第２のｐ型クラッド層７及びｐ型キャップ層８からなるリッジ１０を、所定の間隔を有する略平行なストライプ状に形成する。
この段階で、エッチングストップ層６は、従来例で示したような、エッチング耐性を悪化させるアニールが行われてないので、リッジ１０を形成する際、エッチングストップ層６は、十分なエッチング耐性を有している。従って、上述したエッチングは、このエッチングストップ層６で停止するので、第１のｐ型クラッド層５は、エッチングされない。

（第３工程）［図３参照］
エッチングストップ層６の表面に、ＡｌＧａＡｓからなる第１のｎ型電流狭窄層１５ａを、所定の厚さになるように、形成する。
さらに、この第１のｎ型電流狭窄層１５ａ及びリッジ１０の表面に、ＧａＡｓからなる第２のｎ型電流狭窄層１５ｂを形成する。

（第４工程）［図４参照］
第２のｎ型電流狭窄層１５ｂの表面の共振器面Ａ，Ｂ側に、リッジ１０の延在方向に対して直交する方向に延在し、ＺｎＯ（酸化亜鉛）とＳｉＯ_２（二酸化シリコン）とからなる拡散源層１２を、略平行なストライプ状に形成する。
その後、この拡散源層１２及び第２のｎ型電流狭窄層１５ｂの表面に、ＳｉＯ_２層１３を形成する。このＳｉＯ_２層１３は、後述するＺｎ拡散の際、Ｚｎの蒸発を防止するために形成される。

（第５工程）［図５参照］
アニールにより、拡散源層１２から、ｎ型基板１側に向かい、エッチングストップ層６及び活性層４を通過して、ｎ型クラッド層３の途中までの領域に、拡散源層１２中の不純物となるＺｎ（亜鉛）を拡散させることにより、拡散領域Ｚａ，Ｚｂを形成する。
なお、図５では、拡散領域Ｚａ，Ｚｂをわかりやすくするために、網掛け範囲で表した。

このアニールにおいて、拡散領域Ｚａ，Ｚｂの活性層４が十分に無秩序化されるように、アニール条件を設定する。拡散領域Ｚａ，Ｚｂの活性層４が十分に無秩序化されるためには、アニール温度を高くしたり、アニール時間を長くして、活性層４に、Ｚｎをより拡散させればよい。本実施例では、アニール温度を６２５℃、アニール時間を５０分に設定した。

また、このアニール条件は、本実施例に限定されるものではない。発明者らが鋭意検討した結果、拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける活性層４のフォトルミネッセンス波長と、拡散領域Ｚａ，Ｚｂ以外の領域における活性層４のフォトルミネッセンス波長との差が、４０ｎｍ以上であれば、拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける活性層４は、十分に無秩序化されていることを見出している。
従って、上述したフォトルミネッセンス波長の差が４０ｎｍ以上になるように、アニール条件を設定すればよい。具体的には、アニール温度を高くしたり、アニール時間を長くすることにより、上述したフォトルミネッセンス波長の差を大きくすることができる。但し、アニール温度が８００℃を超えると、活性層４に隣接する第１のｐ型クラッド層５から活性層４へのＺｎ拡散が起こり、拡散領域Ｚａ，Ｚｂ以外の領域における活性層４も、無秩序化されてしまう。拡散領域Ｚａ，Ｚｂ以外の領域における活性層４まで無秩序化されてしまうと、作製した半導体レーザ素子は、レーザ発振しなくなってしまう。
従って、アニール温度は、８００℃以下に設定する必要がある。

ところで、このアニールによってエッチングストップ層６は無秩序化されるので、エッチングストップ層６のエッチング耐性は悪化するが、エッチング耐性が必要なリッジ１０形成工程はすでに完了しているため、製造上及び構造上の問題はない。

（第６工程）［図６参照］
ＳｉＯ_２層１３及び拡散源層１２を除去した後、リッジ１０の上面が露出するように、第２のｎ型電流狭窄層１５ｂの上部を除去する。
次に、リッジ１０及び第２のｎ型電流狭窄層１５ｂの表面上に、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１６を形成する。

（第７工程）［図７参照］
拡散領域Ｚａ，Ｚｂを完全覆う範囲に対応する、ｐ型コンタクト層１６の表面に、レジスト１８を、フォトリソ法により、平行なストライプ状に形成する。
次に、このレジスト１８及びｐ型コンタクト層１６の表面に、後述するＰ型電極２０となる金属層１９を形成する。
さらに、ｎ型基板１における上述の積層方向とは逆方向側の面に、ｎ型電極２１を形成する。

（第８工程）［図８参照］
溶剤を用いた超音波洗浄等のリフトオフ法によって、レジスト１８、及びレジスト１８上の金属層１９を除去する。除去されなかった金属層１９は、Ｐ型電極２０となる。

（第９工程）［図９参照］
Ｐ型電極２０をエッチングマスクとして、Ｐ型電極２０で覆われていない範囲に対応するｐ型コンタクト層１６、拡散領域Ｚａ，Ｚｂの第２のｎ型電流狭窄層１５ｂ、及び拡散領域Ｚａ，Ｚｂのｐ型キャップ層８を、例えば、アンモニア過酸化水素水系のエッチング液により、エッチング除去する。

次に、上述した工程を経たｎ型基板１を、拡散領域Ｚａ，Ｚｂを延在する方向に二分する面に沿って劈開し、その劈開面が共振器面Ａ，Ｂとなるバー（図示せず）を形成する。
このバーを、ストライプ状に形成したリッジ１０間の中心線を通り上述の工程を経たｎ型基板１の表面に対して直交する面で分断し、本実施例の半導体レーザ素子５０を得る。

この半導体レーザ素子５０に、ｐ型電極２０側からｎ型電極２１側に向かって順方向電流を注入する。この電流が発振しきい値以上になったとき、リッジ１０の下部に対応した活性層４でレーザ発振が起こり、レーザ光が活性層４の共振器面Ａ，Ｂの一方の面Ａから出射される。

ここで、第９工程において、上述した各層部をエッチング除去する理由について、以下に説明する。
一般的に、ＧａＡｓは、ＡｌＧａＡｓに比べて、Ｚｎが拡散しやすい。従って、第５工程におけるＺｎ拡散によって、ＧａＡｓからなる第２のｎ型電流狭窄層１５ｂは、ＡｌＧａＡｓからなる第１のｎ型電流狭窄層１５ａに比べて、高濃度にＺｎが拡散される。例えば、拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける第１のｎ型電流狭窄層１５ａのＺｎ濃度が１〜３Ｅ１８ｃｍ^−１であるのに対して、拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける第２のｎ型電流狭窄層１５ｂのＺｎ濃度は、１Ｅ１９ｃｍ^−１以上である。
このように、高濃度にＺｎが拡散された拡散領域Ｚａ，Ｚｂを有する第２のｎ型電流狭窄層１５ｂを備えた半導体レーザ素子に電流を流すと、この拡散領域Ｚａ，Ｚｂの第２のｎ型電流狭窄層１５ｂを通って、素子に無効電流が流れる。従って、このような半導体レーザ素子の発光効率は低下してしまう。
上述した理由により、第９工程では、拡散領域Ｚａ，Ｚｂにおける第２のｎ型電流狭窄層１５ｂをエッチング除去した。

また、第９工程で用いたアンモニア過酸化水素水系のエッチング液は、ＧａＡｓに対するエッチング速度が、ＡｌＧａＡｓに対するエッチング速度よりも速いため、ＧａＡｓからなる第２のｎ型電流狭窄層１５ｂを選択的にエッチングすることが可能であるが、このエッチングにより、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１６と、ＧａＡｓからなるｐ型キャップ層８も、エッチングされる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第１工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第２工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第３工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第４工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第５工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第６工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第７工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第８工程を説明するための斜視図である。本発明の半導体レーザ素子の製造方法における実施例の第９工程を説明するための斜視図である。従来例の半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図である。従来例の半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図である。従来例の半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図である。

符号の説明

１ｎ型基板、３ｎ型クラッド層、４活性層、５第１のｐ型クラッド層、６エッチングストップ層、７第２のｐ型クラッド層、８ｐ型キャップ層、９エッチングマスク層、１０リッジ、１２拡散源層、１３ＳｉＯ_２層、１５ａ，１５ｂ電流狭窄層、１６ｐ型コンタクト層、１８レジスト、１９金属層、２０ｐ型電極、２１ｎ型電極、５０半導体レーザ素子、Ａ，Ｂ共振器面、Ｚａ,Ｚｂ拡散領域

Claims

ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料からなり、互いに平行な一対の共振器面と、この共振器面近傍部に形成された不純物拡散領域とを有する半導体レーザ素子の製造方法において、
第１導電型半導体基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層，活性層，第１の第２導電型クラッド層，第２導電型エッチングストップ層，第２の第２導電型クラッド層及び第２導電型キャップ層をこの順序で積層した積層基板を形成する積層工程と、
前記第２導電型キャップ層及び前記第２の第２導電型クラッド層を選択的にエッチングすることにより、所定の間隔を有する略平行なストライプ状のリッジを形成するリッジ形成工程と、
前記第２導電型エッチングストップ層の表面に、ＡｌＧａＡｓからなる第１の第１導電型電流狭窄層を形成し、さらに、この第１の第１導電型電流狭窄層及び前記リッジの表面に、ＧａＡｓからなる第２の第１導電型電流狭窄層を積層する狭窄層形成工程と、
前記リッジに対応する前記第２の第１導電型電流狭窄層上に、不純物を有する拡散源層を、前記リッジが延在する方向に対して所定の間隔を有する略平行なストライプ状に形成する拡散源層形成工程と、
アニールにより、前記不純物を拡散させて、前記第２の第１導電型電流狭窄層から前記第１導電型クラッド層の途中までの領域に、前記不純物拡散領域を形成する拡散工程と、
少なくとも、前記不純物拡散領域における前記第２の第１導電型電流狭窄層を除去する除去工程とを、この順序で有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。