JP2916037B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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康夫 菅
篤勇 角田
健太郎 谷
完益 松井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置、特に高い結
晶品質を要求される半導体レーザ装置に代表される光半
導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】III−V族半導体より構成される半導体
レーザは、液相成長法、分子線エピタキシー法、有機金
属気相成長法などの結晶成長技術の発達により実用化さ
れ、光データ処理、光通信その他の分野で広く利用され
ているが、消費電力の低下、高出力化、短波長化、低雑
音化などの高性能化が望まれている。なかでも光ディス
クなどの記録密度の向上やHe−Neレーザの代替とし
て半導体レーザの短波長化が注目されているが、近年A
lGaInP系結晶を用いて実用化され、さらに高性能
化のために盛んに研究が行われている。
【0003】実用的な半導体レーザを作製するために
は、良質な活性層を形成する技術のみならず、活性層で
発生した光の導波路形成技術が不可欠となる。従来より
この導波路形成のためには、AlGaInP系の結晶と
AlGaAs系結晶を組み合わせた素子構造が用いられ
ている。以下に実用的な導波路構造を持つ可視光半導体
レーザの従来例を図3を用いて説明する。
【0004】n型GaAs基板1上にn型GaAsバッ
ファ層2、n型AlGaInPクラッド層31、GaI
nP活性層32、p型AlGaInPクラッド層33、
p型GaInPエッチングストップ層34、p型AlG
aInPクラッド層33、p型GaInPエッチングス
トップ層34、p型AlGaInP上部クラッド層3
5、p型GaInPコンタクト層36を分子線エピタキ
シー法によって順次成長する。その後P分子線をAs分
子線に切り替えるため成長を休止しその後、p型GaA
sコンタクト層37を分子線エピタキシー法にて成長す
る。分子線の切り替えは、具体的にはひとつの成長室の
なかでPおよびAs用のセルの温度とシャッタによって
行う場合と、P及びAs用の別々の成長室を設けP用成
長室からAs用成長室へ真空室を通して搬送して行う場
合がある。いずれの場合もp型GaAsコンタクト層の
成長温度は結晶品質を重視して590℃以上の高温で行
うのが望ましいと考えられていた。その後フォトマスク
を用いたエッチングによってストライプ状にp型AlG
aInP上部第2クラッド層35以上を除去した。この
とき通常の化学エッチングによってGaInPエッチン
グストップ層34でエッチング停止できる。さらにn型
GaAs電流狭さく層38の成長を分子線エピタキシー
法によって行った。その後再びフォトマスクを用いた化
学エッチングによりメサストライプ上部のn型GaAs
電流狭さく層を除去した。最後に両面に電極を形成し屈
折率導波型可視光半導体レーザが作製できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来例
では素子の直列抵抗が通常駆動時に3V以上と高くなる
という欠点があった。この原因を調べるためにオージェ
電子分光法で素子の深さ方向の組成分析を行ったとこ
ろ、p型GaInPコンタクト層とp型GaAsキャッ
プ層の間でPの組成の低下が観測された。
【0006】本発明は、Pを含む層をエピタキシャル成
長し、成長休止の後Asを含む層を分子線エピタキシャ
ル法によって成長する際にP層からのP抜けを防ぎ素子
抵抗の増大をおさえることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明(請求項1)にか
かる半導体装置の製造方法は、分子線エピタキシー法に
より、AlInP、AlGaInP、及びGaInPか
らなるAlGaInP系結晶を成長した後、このAlG
aInP系結晶上に引き続いてAlAs、AlGaA
s、及びGaAsからなるAlGaAs系結晶を成長さ
せる際、 前記AlGaAs系結晶の成長開始時の基板温
度を450℃以上550℃以下とする工程を含むことに
より、上記の目的を達成するものである。
【0008】
【作用】基板表面温度が550℃以下の場合は良好なV
族安定面の回折像が観察されるが、それ以上の温度に加
熱するとPぬけによる回折像の劣化が見られる。低温域
では400℃以下でも表面状態は良好であるが、450
℃未満の温度でp型GaAsキャップ層を成長開始した
場合GaAsの成長条件により表面状態が劣化し、鏡面
成長がえられない。以上の実験からAs系成長の再開温
度は450℃以上550℃以下としなければいけないこ
とがわかった。
【0009】
【実施例】図1を用いて、第1の実施例である利得導波
型可視光半導体レーザの作製法について説明する。n型
GaAs基板1上にn型GaAsバッファ層2、n型A
lInP第一クラッド層11、GaInP活性層12、
p型AlGaInP第二クラッド層13、層厚500オ
ングストロームのp型GaInPコンタクト層14を分
子線エピタキシー法によって成長しIII族分子線シャッ
タを閉じ成長を休止しPとAsの分子線切り替えのため
にPのセルシャッタを閉じセル温度を低下させ同時にA
sのセル温度を十分なAsフラックスがえられる温度ま
で上昇した。その後基板表面温度を500℃にしp型G
aAsキャップ層15を分子線エピタキシー法によって
成長した。その後誘電体絶縁膜(窒化シリコン膜)を蒸
着しフォトマスクを用いたエッチングによって10ミク
ロン幅のストライプ状に該絶縁膜をエッチング除去し
た。このような方法によって、670nmで室温連続発
振するレーザが作製できた。この素子では、光出力5m
W時の駆動電圧は2.5Vと良好な値であった。比較の
ためにp型GaAsキャップ層の成長開始時の基板表面
温度を550℃以上とした同様な構造を持った素子を作
製したが素子抵抗が高く光出力5mW時の駆動電圧は3
Vとなった。この原因を調べるためにp型GaAsキャ
ップ層成長直前のp型GaInPコンタクト層表面の状
態を高速反射電子線回折(RHEED)で調べたとこ
ろ、基板表面温度が550℃以下の場合は良好なV族安
定面の回折像が観察されるが、それ以上の温度に加熱す
るとPぬけによる回折像の劣化が見られる。低温域では
400℃以下でも表面状態は良好であるが、450℃未
満の温度でp型GaAsキャップ層を成長開始した場合
GaAsの成長条件により表面状態が劣化し、鏡面成長
がえられない。以上の実験からAs系成長の再開温度は
450℃以上550℃以下としなければいけないことが
わかった。
【0010】次に、図2を用いて本発明の第2の実施例
である屈折率導波型可視光半導体レーザの製造方法を説
明する。
【0011】n型GaAs基板1上にn型GaAsバッ
ファ層2、n型GaInPバッファ層3、n型AlGa
InP第一クラッド層21、GaInP活性層22、p
型AlGaInP第二クラッド層23(0.2ミクロ
ン)、層厚30オングストロームのp型GaInPエッ
チングストップ層24、p型AlGaInP上部第2ク
ラッド層25、層厚500オングストロームのp型Ga
InPコンタクト層26を分子線エエピタキシー法によ
って成長しIII族分子線シャッタを閉じ成長を休止し、
Asのセル温度を十分なAsフラックスがえられる温度
に設定してある別の成長室に真空室を介して搬送した。
その後基板表面温度を480℃に設定しp型GaAsコ
ンタクト層27を分子線エピタキシー法によって成長し
た。その後フォトマスクを用いたエッチングによってス
トライプ状にp型AlGaInP上部第2クラッド層2
5以上を除去した。このとき通常の化学エッチングによ
ってGaInPエッチングストップ層24でエッチング
を停止できる。さらにn型GaAs電流狭さく層28の
成長を分子線エピタキシー法によって行った。その後再
びフォトマスクを用いた化学エッチングによりメサスト
ライプ上部のn型GaAs電流狭さく層を除去し、さら
にその上部に分子線エピタキシー法によりp型GaAs
キャップ層29を成長して埋め込んだ。
【0012】このような方法によって、660nmで室
温連続発振するレーザが作製できた。この素子では、活
性層で発生した光がメサストライプ内外の実効屈折率差
により、ストライプ部分を屈折率導波されるため単一横
モードで発振した。この素子では、光出力5mW時にお
ける駆動電圧は2.4Vであった。この構造においても
p型GaAsコンタクト層27の成長開始温度は450
℃以上550℃以下に設定しない場合素子抵抗の急激な
上昇が見られた。なおGaInP層24の層厚を30オ
ングストロームと薄くしているのは、活性層で発生した
光がこの層で吸収されないように量子準位の上昇によっ
てバンドギャップを増大させるためである。なお、本実
施例では、p型GaAsキャップ層29を設けているが
表面の平坦性を良くするのが目的であり、通常のレーザ
特性を得るためには必ずしも必要でない。
【0013】上記2つの実施例ではレーザ発光領域に上
記のようなものを採用したが、上記以外のAlGaIn
P系結晶を用いた様々な構造の発光領域を有する素子に
も本製造方法を適用できることはいうまでもない。例え
ば、活性層に量子井戸構造やSCH構造、さらに超格子
構造などを採用しても同様な実用的な屈折率導波型半導
体レーザが作製できる。導波構造についても実施例にあ
げたもの以外でも電流通路にGaInPとGaAsを順
次分子線エピタキシー法によって積層する構造を含むも
のについて本発明が適応可能である。また、上記の実施
例では成長休止層をGaInP層としているが、AlI
nPもしくはAlGaInP層を用いた構造にも適用で
きる。さらに該成長休止層の上部に積層するAs系結晶
層もGaAsに限定されるものではなくAlAsやAl
GaAs層を用いた場合にも適用できる事はRHEED
を用いた基礎実験から明らかである。また、実施例では
半導体レーザを例にとって説明したが、本発明をその他
のデバイス、例えば発光ダイオード、光変調器、光スイ
ッチやそれらを含む集積回路などに適応することも可能
である。
【0014】
【発明の効果】本発明の適用により(AlyGa1-yx
In1-xP結晶上に成長休止の後AlzGa1-zAs結晶
を分子線エピタキシー法によって成長した際の界面状態
が改善され、半導体レーザ素子などの直列抵抗が大幅に
低下した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である利得導波型可視光
半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例である屈折率導波型可視
光半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図3】屈折率導波型可視光半導体レーザの製造工程の
従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板 2 n型GaAsバッファ層 3 n型GaInPバッファ層 5 n型電極 6 p型電極 11 n型AlInP第一クラッド層 12 GaInP活性層 13 p型AlInP第二クラッド層 14 p型GaInPコンタクト層 15 P型GaAsキャップ層 16 窒化シリコン膜 21 n型AlInP第一クラッド層 22 GaInP活性層 23 p型AlGaInP第二クラッド層 24 p型GaInPエッチングストップ層 25 p型AlGaInP上部第二クラッド層 26 p型GaInPコンタクト層 27 p型GaAsコンタクト層 28 n型GaAs電流狭さく層 29 p型GaAsキャップ層 31 n型AlInP第一クラッド層 32 GaInP活性層 33 p型AlGaInP第二クラッド層 34 p型GaInPエッチングストップ層 35 p型AlGaInP上部第二クラッド層 36 p型GaInPコンタクト層 37 p型GaAsコンタクト層 38 n型GaAs電流狭さく層 39 p型GaAsキャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角田 篤勇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 谷 健太郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 松井 完益 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−168091(JP,A) 特開 平2−109320(JP,A) 特開 平5−21896(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/203 H01S 3/18 C30B 23/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分子線エピタキシー法により、AlIn
    P、AlGaInP、及びGaInPからなるAlGa
    InP系結晶を成長した後、このAlGaInP系結晶
    上に引き続いてAlAs、AlGaAs、及びGaAs
    からなるAlGaAs系結晶を成長させる際、 前記AlGaAs系結晶 の成長開始時の基板温度を45
    0℃以上550℃以下とする工程を含む半導体装置の製
    造方法。
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CN111404025B (zh) * 2020-03-30 2021-04-06 中国科学院半导体研究所 一种AlGaAs/AlGaInP混合材料的外延生长方法

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