JP4379937B2 - 半導体レーザの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザの製造方法に関し、特にＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成される半導体レーザの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ四元混晶半導体を用いた半導体レーザは、６００ｎｍ帯の可視光が得られ、現在、ＤＶＤなどの光ディスク装置における光ピックアップ装置やレーザポインタなどの光源として用いられている。
【０００３】
上記の半導体レーザにおいては、レーザ光の出力を高めて動作させた時に光学損傷（以下ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage ）ともいう）が発生してしまう。これは、半導体レーザの共振器の端面近傍領域における界面準位により、この端面近傍領域でのバンドギャップが小さくなっており、レーザ光の高出力時に端面近傍領域においてレーザ光が吸収されて局所的に温度が上昇することに起因することが知られている。
【０００４】
例えば多重量子井戸構造を有する共振器の光出力端面の近傍領域に、半導体レーザの発振波長よりもバンドギャップ（エネルギー幅）の大きい窓構造を設け、この光出力端における光学損傷を防止することによって、半導体レーザの高出力化を実現する方法が開発されている。
【０００５】
例えば、特開平７−５８４０２号公報には、半導体レーザの共振器の端面近傍領域にＺｎを拡散させて、量子井戸構造を無秩序化し、バンドギャップを広げる方法が開示されている。
【０００６】
また、例えば特開平１０−２００１９０号公報には、半導体レーザの共振器の端面近傍領域に不純物としてＮをイオン注入により導入して空孔を形成し、アニール処理により空孔を活性層中に拡散させて、井戸層と障壁層間の相互作用により量子井戸構造を混晶化し、バンドギャップを広げる方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の共振器の端面近傍領域にＺｎを拡散させる半導体レーザにおいては、Ｚｎが拡散しやすいことから、窓構造の活性層に導入したＺｎが他の層に拡散し、光が拡散したＺｎに吸収されてレーザの性能が低下するという問題があった。
【０００８】
また、Ｚｎによって共振器の端面近傍領域のリーク電流が増加し、そのリーク電流に起因したキャリアの非発光性再結合の際に放出されるエネルギーによって酸化反応が加速されるため、レーザ端面が変質して信頼性が低下するという問題もあった。
【０００９】
一方、上記の共振器の端面近傍領域にＮをイオン注入により導入して空孔を拡散させる半導体レーザにおいては、不純物原子（Ｎ）が活性層まで拡散しないので、上記のような問題は発生しないが、窒素のイオン半径が大きく、注入されにくいために注入エネルギーを１５０ｋｅＶ程度要しており、このイオン注入時に結晶がダメージを受け、レーザの信頼性を低下させる問題があった。
【００１０】
また、イオン注入後のアニール処理においては、８５０℃と高温の処理を必要としており、この温度が半導体層の結晶成長温度に近いことから、アニール処理に伴う結晶層の劣化が発生するという問題もあった。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性などのレーザの性能を低下させずに高出力化を可能にする半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体レーザは、基板上に順に成長された第１導電型の第１クラッド層と、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層と、第２導電型の第２クラッド層とを有し、前記活性層の対向する１対の端面が共振器を構成するファブリペロー型の半導体レーザであって、前記活性層の少なくとも一方の端面近傍領域において、不純物および当該不純物に起因する空孔が拡散されて、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されている。
【００１３】
上記の本発明の半導体レーザは、好適には、前記活性層の少なくとも一方の端面近傍領域において、前記不純物としてホウ素が導入されている。また、好適には、前記活性層の対向する１対の端面近傍領域において、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されている。さらに好適には、前記活性層の対向する１対の端面近傍領域において、前記不純物としてホウ素が導入されている。
【００１４】
上記の本発明の半導体レーザは、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層の少なくとも一方の端面近傍領域において、不純物および当該不純物に起因する空孔が拡散されて、活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されていることから、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げることが可能となっている。
【００１５】
例えばホウ素などの不純物を用いることにより、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散させることができ、不純物の効果と空孔の効果を併用することが可能となっている。すなわち、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。
【００１６】
このため、従来問題となっていたイオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えて、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げ、半導体レーザの高出力化を可能にする。
【００１７】
また、上記の目的を達成するため、本発明の半導体レーザの製造方法は、活性層の対向する１対の端面が共振器を構成するファブリペロー型の半導体レーザの製造方法であって、基板上に第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層の上層に少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層を形成する工程と、前記活性層の上層に第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、前記共振器を構成する端面となる所定の領域における前記活性層中に、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する工程とを有する。
【００１８】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法は、基板上に第１導電型の第１クラッド層を形成し、第１クラッド層の上層に少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層を形成し、活性層の上層に第２導電型の第２クラッド層を形成する。次に、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層中に、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する。
【００１９】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法は、好適には、前記共振器を構成する端面となる所定の領域における前記活性層中に、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散する工程が、前記共振器を構成する端面となる所定の領域において前記不純物を導入する工程と、前記所定の領域における前記活性層中に前記不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散するための熱処理工程とを含む。
【００２０】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法は、好適には、前記不純物として、ホウ素を用いる。また、好適には、前記熱処理工程を半導体層の結晶成長温度以下の温度で処理し、さらに好適には、７５０℃以下の温度で処理する。
【００２１】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法によれば、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層中に、例えばホウ素などの不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化するので、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、例えば７５０℃以下である半導体層の結晶成長温度以下の温度の低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。
【００２２】
従って、イオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えて、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げ、半導体レーザの高出力化を可能にする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本実施形態に係る半導体レーザの実施形態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
なお、本実施形態の半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料により構成されたものである。
【００２４】
図１に示すように、この半導体レーザは、例えば以下の構造を有する。
例えば、ＧａＡｓからなる基板１０上に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型第１クラッド層１１、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を交互に積層させた層からなる活性層１２、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第２クラッド層１３、ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１４、および、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１５が積層している。
【００２５】
また、上記のｐ型コンタクト層１５にはｐ型電極１７が接続して形成されており、基板１０にはｎ型電極１８が接続して形成されている。
上記の構造においては、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８にそれぞれ所定の電圧を印加してキャリアを注入することにより、活性層１２において放射性再結合が生じ、光を放射させる。活性層１２の対向する１対の端面１９が共振器を構成しており、誘導放出による光増幅が行われ、レーザ光が発振するファブリペロー型の半導体レーザを構成している。
【００２６】
上記の基板１０上に形成されたｐ型コンタクト層１５までの積層体の電流注入領域を除く領域において、ｐ型コンタクト層１５表面からｐ型第２クラッド層１３の途中の深さまでｎ型領域１６が形成されており、ロスガイド型の電流狭窄構造となるストライプを形成している。
【００２７】
上記の構造において、活性層１２の対向する１対の端面１９近傍領域１２ａにおいて、ホウ素などの不純物およびホウ素に起因する空孔が拡散されており、活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されている。これにより、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げることができ、半導体レーザの高出力化を可能にしている。
不純物として、上記のホウ素は、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散させることができる。即ち、不純物の効果と空孔の効果を併用することが可能となっている。
このため、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。従って、従来問題となっていたイオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えることが可能である。
【００２８】
上記の半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、図１のＸ−Ｘ’における断面図により説明する。
図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板１０上に、例えば有機金属化学的気相成長法（以降、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition 法）ともいう）によりＡｌＧａＩｎＰ層を成長させ、ｎ型第１クラッド層１１を形成する。その上層に、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を交互に積層させて、多重量子井戸構造の活性層１２を形成する。その上層に、ＡｌＧａＩｎＰ層を成長させ、ｐ型第２クラッド層１３を形成する。その上層に、ＧａＩｎＰ層を成長させ、ｐ型中間層１４を形成する。その上層に、ＧａＡｓを成長させ、ｐ型コンタクト層１５を形成する。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば４μｍの幅の電流注入領域をレジスト膜（不図示）で保護し、例えば硫酸系のウェットエッチングを施すことにより、電流注入領域を除く領域において、ｐ型コンタクト層１５表面からｐ型第２クラッド層１３の途中の深さまでエッチングしてメサ形状Ｍを形成する。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、上記のエッチングした部分にｎ型ＧａＡｓ層を成長させて、ｎ型領域１６を形成し、これによりロスガイド型の電流狭窄構造となるストライプを形成している。
ここで、上記の図３（ｃ）に示す構造の図１におけるＹ−Ｙ’での断面を示す図を図３（ｄ）に示し、以降の工程はこのＹ−Ｙ’における断面図により説明する。
【００３１】
次に、図４（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー工程によりレジスト膜Ｒをパターニング形成して、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域において、例えば注入エネルギー８０ｋｅＶ、ドーズ量２．８×１０14atoms/cm2 というイオン注入条件で、ホウ素などの不純物Ｄ２を導入する。図面上、ホウ素などの不純物イオンが導入された部分を×印で示している。
【００３２】
次に、図４（ｆ）に示すように、アニール処理における砒素抜けを防止するため、例えばプラズマＣＶＤ法により基板１０の両面上に酸化シリコンによる被覆膜２１ａ，２１ｂを形成する。
次に、例えば６８０℃の温度で１分間のアニール処理を施す。このアニール処理は、半導体層の劣化を防止するために、半導体層の結晶成長温度以下の温度である７５０℃以下の低いアニール温度で行う。このアニール処理により、共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層１２ａ中に、ホウ素およびホウ素に起因する空孔を拡散して、活性層１２を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する。
【００３３】
次に、図５（ｇ）に示すように、例えばフッ酸系エッチングなどのウェットエッチング、あるいは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチング処理により、酸化シリコンによる被覆層２１ａ，２１ｂを除去する。
【００３４】
次に、図５（ｈ）に示すように、真空蒸着法により、ｐ型コンタクト層１５に接続してｐ型電極１７を形成し、さらに基板１０に接続してｎ型電極１８を形成する。
次に、劈開法により、共振器長５００μｍとなるように、上記で量子井戸層および障壁層を混晶化した領域に活性層１２ａにおいて劈開し、共振器を構成する端面１９を形成する。以降の工程としては、共振器を構成する端面１９の前面に反射率３０％、後面に反射率７５％となる誘電体膜を形成する。
以上で、図１に示す半導体レーザを形成することができる。
【００３５】
上記の本実施形態の半導体レーザの製造方法によれば、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層中に、例えばホウ素などの不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化するので、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、例えば７５０℃以下の低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。
従って、イオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えて、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げ、半導体レーザの高出力化を可能にする。
【００３６】
実施例
（試料Ａ（本発明）の作成）
図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＩｎＰ層からなるｎ型第１クラッド層１１、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を交互に積層させた多重量子井戸構造の活性層１２、ＡｌＧａＩｎＰ層からなるｐ型第２クラッド層１３、ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１４、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１５を形成した。
【００３７】
次に、図２（ｂ）に示すように、４μｍの幅の電流注入領域となるメサ形状Ｍを形成し、次に、図３（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓ層からなるｎ型領域１６を形成し、ロスガイド型の電流狭窄構造を形成した。
【００３８】
次に、図４（ｅ）に示すように、レジスト膜Ｒをマスクとして、注入エネルギー８０ｋｅＶ、ドーズ量２．８×１０14atoms/cm2 の条件で不純物（ホウ素）Ｄを導入し、図４（ｆ）に示すように、被覆膜２１ａ，２１ｂを形成して、次に、６８０℃の温度で１分間のアニール処理を施し、ホウ素およびホウ素に起因する空孔を拡散して、共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層１２ａ中の量子井戸層および障壁層を混晶化した。
【００３９】
次に、図５（ｇ）に示すように、被覆層２１ａ，２１ｂを除去した後、図５（ｈ）に示すように、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８をそれぞれ形成し、劈開法により、共振器長５００μｍとなるように、量子井戸層および障壁層を混晶化した領域に活性層１２ａにおいて劈開し、共振器を構成する端面１９を形成した。さらに、共振器を構成する端面１９の前面に反射率３０％、後面に反射率７５％となる誘電体膜を形成して、試料Ａを作成した。
【００４０】
上記のようにして、共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層１２ａ中の量子井戸層および障壁層を混晶化することにより、活性層のエネルギー幅を広げることができる。
図６は、活性層のＰＬ波長調整のためのアニール処理温度に対するＰＬ波長依存性を示す図である。このように、アニール温度を変えることにより、ＰＬ波長を変えることができ、結晶成長後の活性層エネルギー幅であるＰＬ波長６４５ｎｍに対して、アニール温度７１０℃ではＰＬ波長は６０５ｎｍとなり、４０ｎｍ短波長化した。
また、７５０℃以上の温度でアニール処理を施した場合には、ＰＬ光強度が低下し、活性層の劣化が観察された。
【００４１】
（試料Ｂ（従来例）の作成）
上記の試料Ａに対して、共振器を構成する端面となる所定の領域にホウ素をイオン注入せず、活性層中の量子井戸層および障壁層を混晶化させないことのみ異なる試料を作成し、試料Ｂとした。
【００４２】
（光学損傷を受ける光出力レベルの測定）
上記のようにして形成した試料Ａ，Ｂの半導体レーザに対して、１５０〜１７５ｍＡの動作電流にて、光学損傷を受ける光出力レベル（ＣＯＤレベル）を測定した。
図７に示すように、従来例に係る試料Ｂは、ＣＯＤレベルは約４０ｍＷであったのに対して、本発明に係る試料ＡのＣＯＤレベルは５５〜６０ｍＷであり、従来例に対して約５０％程度の高出力化が可能となっていることが確認された。
【００４３】
（動作時間試験）
また、上記の本発明に係る試料Ａは、光出力３０ｍＷ、環境温度６０℃において、５０００時間以上動作可能であり、高い信頼性が得られた。
【００４４】
本発明は上記の実施形態に限定されない。
例えば、活性層の上下に形成されるクラッド層のｎ型とｐ型の配置は、いずれの場合でも構わない。また、バッファ層などを適宜形成することが可能である。また、活性層の両側部にもクラッド層を形成するダブルヘテロ構造とすることも可能である。
半導体レーザを構成する材料としては、ＡｌＧａＩｎＰの他の材料を用いることも可能である。
その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザによれば、信頼性などのレーザの性能を低下させずに高出力化を可能とする。
【００４６】
また、本発明の半導体レーザの製造方法によれば、本発明の半導体レーザを容易に製造可能であり、信頼性などのレーザの性能を低下させずに高出力化を可能とする半導体レーザを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係る半導体レーザの斜視図であり、図１（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、図１（ｃ）は（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【図２】図２は本発明に係る半導体レーザの製造方法の製造工程を示す断面図であり、（ａ）はｐ型コンタクト層の形成工程まで、（ｂ）はメサ形状の加工工程までを示す。
【図３】図３は図２の続きの工程であるｎ型領域の形成工程までを示し、（ｃ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図に相当し、（ｄ）は図１（ａ）中のＹ−Ｙ’におめる断面図に相当する。
【図４】図４は図３の続きの工程を示し、（ｅ）は半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域に不純物を導入する工程まで、（ｆ）は半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域の活性層中に不純物およびこの不純物に起因する空孔を拡散させるアニール処理工程までを示す。
【図５】図５は図４の続きの工程を示し、（ｇ）は保護層の除去工程まで、（ｈ）は劈開工程までを示す。
【図６】図６は実施例に係る活性層のＰＬ波長調整のためのアニール処理温度に対するＰＬ波長依存性を示す図である。
【図７】図７は実施例に係る共振器を構成する端面となる所定の領域への不純物の導入の有無に対する光学損傷を受ける光出力レベルの差を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板、１１…第１クラッド層、１２，１２ａ…活性層、１３…第２クラッド層、１４…中間層、１５…コンタクト層、１７…ｐ型電極、１８…ｎ型電極、１９…共振器を構成する端面、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ…保護層、Ｄ１，Ｄ２…不純物、Ｒ…レジスト膜、Ｍ…メサ形状。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザの製造方法に関し、特にＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成される半導体レーザの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ四元混晶半導体を用いた半導体レーザは、６００ｎｍ帯の可視光が得られ、現在、ＤＶＤなどの光ディスク装置における光ピックアップ装置やレーザポインタなどの光源として用いられている。
【０００３】
上記の半導体レーザにおいては、レーザ光の出力を高めて動作させた時に光学損傷（以下ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage ）ともいう）が発生してしまう。これは、半導体レーザの共振器の端面近傍領域における界面準位により、この端面近傍領域でのバンドギャップが小さくなっており、レーザ光の高出力時に端面近傍領域においてレーザ光が吸収されて局所的に温度が上昇することに起因することが知られている。
【０００４】
例えば多重量子井戸構造を有する共振器の光出力端面の近傍領域に、半導体レーザの発振波長よりもバンドギャップ（エネルギー幅）の大きい窓構造を設け、この光出力端における光学損傷を防止することによって、半導体レーザの高出力化を実現する方法が開発されている。
【０００５】
例えば、特開平７−５８４０２号公報には、半導体レーザの共振器の端面近傍領域にＺｎを拡散させて、量子井戸構造を無秩序化し、バンドギャップを広げる方法が開示されている。
【０００６】
また、例えば特開平１０−２００１９０号公報には、半導体レーザの共振器の端面近傍領域に不純物としてＮをイオン注入により導入して空孔を形成し、アニール処理により空孔を活性層中に拡散させて、井戸層と障壁層間の相互作用により量子井戸構造を混晶化し、バンドギャップを広げる方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の共振器の端面近傍領域にＺｎを拡散させる半導体レーザにおいては、Ｚｎが拡散しやすいことから、窓構造の活性層に導入したＺｎが他の層に拡散し、光が拡散したＺｎに吸収されてレーザの性能が低下するという問題があった。
【０００８】
また、Ｚｎによって共振器の端面近傍領域のリーク電流が増加し、そのリーク電流に起因したキャリアの非発光性再結合の際に放出されるエネルギーによって酸化反応が加速されるため、レーザ端面が変質して信頼性が低下するという問題もあった。
【０００９】
一方、上記の共振器の端面近傍領域にＮをイオン注入により導入して空孔を拡散させる半導体レーザにおいては、不純物原子（Ｎ）が活性層まで拡散しないので、上記のような問題は発生しないが、窒素のイオン半径が大きく、注入されにくいために注入エネルギーを１５０ｋｅＶ程度要しており、このイオン注入時に結晶がダメージを受け、レーザの信頼性を低下させる問題があった。
【００１０】
また、イオン注入後のアニール処理においては、８５０℃と高温の処理を必要としており、この温度が半導体層の結晶成長温度に近いことから、アニール処理に伴う結晶層の劣化が発生するという問題もあった。
【００１１】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性などのレーザの性能を低下させずに高出力化を可能にする半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体レーザは、基板上に順に成長された第１導電型の第１クラッド層と、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層と、第２導電型の第２クラッド層とを有し、前記活性層の対向する１対の端面が共振器を構成するファブリペロー型の半導体レーザであって、前記活性層の少なくとも一方の端面近傍領域において、不純物および当該不純物に起因する空孔が拡散されて、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されている。
【００１３】
上記の本発明の半導体レーザは、好適には、前記活性層の少なくとも一方の端面近傍領域において、前記不純物としてホウ素が導入されている。また、好適には、前記活性層の対向する１対の端面近傍領域において、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されている。さらに好適には、前記活性層の対向する１対の端面近傍領域において、前記不純物としてホウ素が導入されている。
【００１４】
上記の本発明の半導体レーザは、少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層の少なくとも一方の端面近傍領域において、不純物および当該不純物に起因する空孔が拡散されて、活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されていることから、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げることが可能となっている。
【００１５】
例えばホウ素などの不純物を用いることにより、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散させることができ、不純物の効果と空孔の効果を併用することが可能となっている。すなわち、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。
【００１６】
このため、従来問題となっていたイオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えて、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げ、半導体レーザの高出力化を可能にする。
【００１７】
また、上記の目的を達成するため、本発明の半導体レーザの製造方法は、活性層の対向する１対の端面が共振器を構成するファブリペロー型の半導体レーザの製造方法であって、基板上に第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層の上層に少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層を形成する工程と、前記活性層の上層に第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、前記共振器を構成する端面となる所定の領域における前記活性層中に、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する工程とを有する。
【００１８】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法は、基板上に第１導電型の第１クラッド層を形成し、第１クラッド層の上層に少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層を形成し、活性層の上層に第２導電型の第２クラッド層を形成する。次に、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層中に、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する。
【００１９】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法は、好適には、前記共振器を構成する端面となる所定の領域における前記活性層中に、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散する工程が、前記共振器を構成する端面となる所定の領域において前記不純物を導入する工程と、前記所定の領域における前記活性層中に前記不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散するための熱処理工程とを含む。
【００２０】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法は、好適には、前記不純物として、ホウ素を用いる。また、好適には、前記熱処理工程を半導体層の結晶成長温度以下の温度で処理し、さらに好適には、７５０℃以下の温度で処理する。
【００２１】
上記の本発明の半導体レーザの製造方法によれば、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層中に、例えばホウ素などの不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化するので、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、例えば７５０℃以下である半導体層の結晶成長温度以下の温度の低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。
【００２２】
従って、イオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えて、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げ、半導体レーザの高出力化を可能にする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本実施形態に係る半導体レーザの実施形態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
なお、本実施形態の半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料により構成されたものである。
【００２４】
図１に示すように、この半導体レーザは、例えば以下の構造を有する。
例えば、ＧａＡｓからなる基板１０上に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型第１クラッド層１１、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を交互に積層させた層からなる活性層１２、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第２クラッド層１３、ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１４、および、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１５が積層している。
【００２５】
また、上記のｐ型コンタクト層１５にはｐ型電極１７が接続して形成されており、基板１０にはｎ型電極１８が接続して形成されている。
上記の構造においては、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８にそれぞれ所定の電圧を印加してキャリアを注入することにより、活性層１２において放射性再結合が生じ、光を放射させる。活性層１２の対向する１対の端面１９が共振器を構成しており、誘導放出による光増幅が行われ、レーザ光が発振するファブリペロー型の半導体レーザを構成している。
【００２６】
上記の基板１０上に形成されたｐ型コンタクト層１５までの積層体の電流注入領域を除く領域において、ｐ型コンタクト層１５表面からｐ型第２クラッド層１３の途中の深さまでｎ型領域１６が形成されており、ロスガイド型の電流狭窄構造となるストライプを形成している。
【００２７】
上記の構造において、活性層１２の対向する１対の端面１９近傍領域１２ａにおいて、ホウ素などの不純物およびホウ素に起因する空孔が拡散されており、活性層を構成する量子井戸層および障壁層が混晶化されている。これにより、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げることができ、半導体レーザの高出力化を可能にしている。
不純物として、上記のホウ素は、不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散させることができる。即ち、不純物の効果と空孔の効果を併用することが可能となっている。
このため、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。従って、従来問題となっていたイオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えることが可能である。
【００２８】
上記の半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、図１のＸ−Ｘ’における断面図により説明する。
図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板１０上に、例えば有機金属化学的気相成長法（以降、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition 法）ともいう）によりＡｌＧａＩｎＰ層を成長させ、ｎ型第１クラッド層１１を形成する。その上層に、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を交互に積層させて、多重量子井戸構造の活性層１２を形成する。その上層に、ＡｌＧａＩｎＰ層を成長させ、ｐ型第２クラッド層１３を形成する。その上層に、ＧａＩｎＰ層を成長させ、ｐ型中間層１４を形成する。その上層に、ＧａＡｓを成長させ、ｐ型コンタクト層１５を形成する。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えば４μｍの幅の電流注入領域をレジスト膜（不図示）で保護し、例えば硫酸系のウェットエッチングを施すことにより、電流注入領域を除く領域において、ｐ型コンタクト層１５表面からｐ型第２クラッド層１３の途中の深さまでエッチングしてメサ形状Ｍを形成する。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、上記のエッチングした部分にｎ型ＧａＡｓ層を成長させて、ｎ型領域１６を形成し、これによりロスガイド型の電流狭窄構造となるストライプを形成している。
ここで、上記の図３（ｃ）に示す構造の図１におけるＹ−Ｙ’での断面を示す図を図３（ｄ）に示し、以降の工程はこのＹ−Ｙ’における断面図により説明する。
【００３１】
次に、図４（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー工程によりレジスト膜Ｒをパターニング形成して、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域において、例えば注入エネルギー８０ｋｅＶ、ドーズ量２．８×１０14atoms/cm2 というイオン注入条件で、ホウ素などの不純物Ｄ２を導入する。図面上、ホウ素などの不純物イオンが導入された部分を×印で示している。
【００３２】
次に、図４（ｆ）に示すように、アニール処理における砒素抜けを防止するため、例えばプラズマＣＶＤ法により基板１０の両面上に酸化シリコンによる被覆膜２１ａ，２１ｂを形成する。
次に、例えば６８０℃の温度で１分間のアニール処理を施す。このアニール処理は、半導体層の劣化を防止するために、半導体層の結晶成長温度以下の温度である７５０℃以下の低いアニール温度で行う。このアニール処理により、共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層１２ａ中に、ホウ素およびホウ素に起因する空孔を拡散して、活性層１２を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する。
【００３３】
次に、図５（ｇ）に示すように、例えばフッ酸系エッチングなどのウェットエッチング、あるいは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチング処理により、酸化シリコンによる被覆層２１ａ，２１ｂを除去する。
【００３４】
次に、図５（ｈ）に示すように、真空蒸着法により、ｐ型コンタクト層１５に接続してｐ型電極１７を形成し、さらに基板１０に接続してｎ型電極１８を形成する。
次に、劈開法により、共振器長５００μｍとなるように、上記で量子井戸層および障壁層を混晶化した領域に活性層１２ａにおいて劈開し、共振器を構成する端面１９を形成する。以降の工程としては、共振器を構成する端面１９の前面に反射率３０％、後面に反射率７５％となる誘電体膜を形成する。
以上で、図１に示す半導体レーザを形成することができる。
【００３５】
上記の本実施形態の半導体レーザの製造方法によれば、半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層中に、例えばホウ素などの不純物および当該不純物に起因する空孔を拡散して、活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化するので、低い注入エネルギーでホウ素を半導体層へイオン注入可能で、例えば７５０℃以下の低いアニール温度で不純物の拡散と空孔の拡散を行うことができる。また、ホウ素は従来用いられてきたＺｎなどの不純物よりも拡散速度が小さく、活性層への不純物の拡散を適度に制御できる。
従って、イオン注入時と高いアニール温度による結晶層へのダメージの発生、あるいは、不純物による光吸収やリーク電流に増加という問題点を抑えて、半導体レーザの共振器の端面近傍領域のバンドギャップを広げ、半導体レーザの高出力化を可能にする。
【００３６】
実施例
（試料Ａ（本発明）の作成）
図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＩｎＰ層からなるｎ型第１クラッド層１１、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層を交互に積層させた多重量子井戸構造の活性層１２、ＡｌＧａＩｎＰ層からなるｐ型第２クラッド層１３、ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１４、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１５を形成した。
【００３７】
次に、図２（ｂ）に示すように、４μｍの幅の電流注入領域となるメサ形状Ｍを形成し、次に、図３（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓ層からなるｎ型領域１６を形成し、ロスガイド型の電流狭窄構造を形成した。
【００３８】
次に、図４（ｅ）に示すように、レジスト膜Ｒをマスクとして、注入エネルギー８０ｋｅＶ、ドーズ量２．８×１０14atoms/cm2 の条件で不純物（ホウ素）Ｄを導入し、図４（ｆ）に示すように、被覆膜２１ａ，２１ｂを形成して、次に、６８０℃の温度で１分間のアニール処理を施し、ホウ素およびホウ素に起因する空孔を拡散して、共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層１２ａ中の量子井戸層および障壁層を混晶化した。
【００３９】
次に、図５（ｇ）に示すように、被覆層２１ａ，２１ｂを除去した後、図５（ｈ）に示すように、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８をそれぞれ形成し、劈開法により、共振器長５００μｍとなるように、量子井戸層および障壁層を混晶化した領域に活性層１２ａにおいて劈開し、共振器を構成する端面１９を形成した。さらに、共振器を構成する端面１９の前面に反射率３０％、後面に反射率７５％となる誘電体膜を形成して、試料Ａを作成した。
【００４０】
上記のようにして、共振器を構成する端面となる所定の領域における活性層１２ａ中の量子井戸層および障壁層を混晶化することにより、活性層のエネルギー幅を広げることができる。
図６は、活性層のＰＬ波長調整のためのアニール処理温度に対するＰＬ波長依存性を示す図である。このように、アニール温度を変えることにより、ＰＬ波長を変えることができ、結晶成長後の活性層エネルギー幅であるＰＬ波長６４５ｎｍに対して、アニール温度７１０℃ではＰＬ波長は６０５ｎｍとなり、４０ｎｍ短波長化した。
また、７５０℃以上の温度でアニール処理を施した場合には、ＰＬ光強度が低下し、活性層の劣化が観察された。
【００４１】
（試料Ｂ（従来例）の作成）
上記の試料Ａに対して、共振器を構成する端面となる所定の領域にホウ素をイオン注入せず、活性層中の量子井戸層および障壁層を混晶化させないことのみ異なる試料を作成し、試料Ｂとした。
【００４２】
（光学損傷を受ける光出力レベルの測定）
上記のようにして形成した試料Ａ，Ｂの半導体レーザに対して、１５０〜１７５ｍＡの動作電流にて、光学損傷を受ける光出力レベル（ＣＯＤレベル）を測定した。
図７に示すように、従来例に係る試料Ｂは、ＣＯＤレベルは約４０ｍＷであったのに対して、本発明に係る試料ＡのＣＯＤレベルは５５〜６０ｍＷであり、従来例に対して約５０％程度の高出力化が可能となっていることが確認された。
【００４３】
（動作時間試験）
また、上記の本発明に係る試料Ａは、光出力３０ｍＷ、環境温度６０℃において、５０００時間以上動作可能であり、高い信頼性が得られた。
【００４４】
本発明は上記の実施形態に限定されない。
例えば、活性層の上下に形成されるクラッド層のｎ型とｐ型の配置は、いずれの場合でも構わない。また、バッファ層などを適宜形成することが可能である。また、活性層の両側部にもクラッド層を形成するダブルヘテロ構造とすることも可能である。
半導体レーザを構成する材料としては、ＡｌＧａＩｎＰの他の材料を用いることも可能である。
その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体レーザによれば、信頼性などのレーザの性能を低下させずに高出力化を可能とする。
【００４６】
また、本発明の半導体レーザの製造方法によれば、本発明の半導体レーザを容易に製造可能であり、信頼性などのレーザの性能を低下させずに高出力化を可能とする半導体レーザを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係る半導体レーザの斜視図であり、図１（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図、図１（ｃ）は（ａ）中のＹ−Ｙ’における断面図である。
【図２】図２は本発明に係る半導体レーザの製造方法の製造工程を示す断面図であり、（ａ）はｐ型コンタクト層の形成工程まで、（ｂ）はメサ形状の加工工程までを示す。
【図３】図３は図２の続きの工程であるｎ型領域の形成工程までを示し、（ｃ）は図１（ａ）中のＸ−Ｘ’における断面図に相当し、（ｄ）は図１（ａ）中のＹ−Ｙ’におめる断面図に相当する。
【図４】図４は図３の続きの工程を示し、（ｅ）は半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域に不純物を導入する工程まで、（ｆ）は半導体レーザの共振器を構成する端面となる所定の領域の活性層中に不純物およびこの不純物に起因する空孔を拡散させるアニール処理工程までを示す。
【図５】図５は図４の続きの工程を示し、（ｇ）は保護層の除去工程まで、（ｈ）は劈開工程までを示す。
【図６】図６は実施例に係る活性層のＰＬ波長調整のためのアニール処理温度に対するＰＬ波長依存性を示す図である。
【図７】図７は実施例に係る共振器を構成する端面となる所定の領域への不純物の導入の有無に対する光学損傷を受ける光出力レベルの差を示す図である。
【符号の説明】
１０…基板、１１…第１クラッド層、１２，１２ａ…活性層、１３…第２クラッド層、１４…中間層、１５…コンタクト層、１７…ｐ型電極、１８…ｎ型電極、１９…共振器を構成する端面、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ…保護層、Ｄ１，Ｄ２…不純物、Ｒ…レジスト膜、Ｍ…メサ形状。
Claims (3)
- 活性層の対向する１対の端面が共振器を構成するファブリペロー型の半導体レーザを製造するために、
基板上に第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層の上層に少なくとも１層の量子井戸層と少なくとも２層の障壁層を有する活性層を形成する工程と、
前記活性層の上層に第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、
前記共振器を構成する端面となる所定の領域における前記第２クラッド層にホウ素を導入する工程と、
前記共振器を構成する端面となる所定の領域における前記活性層中に、前記ホウ素および当該ホウ素に起因する空孔を拡散して、前記活性層を構成する量子井戸層および障壁層を混晶化する熱処理工程と、
前記熱処理工程後に、前記基板、前記第１クラッド層、前記活性層及び前記第２クラッド層を、前記量子井戸層および障壁層を混晶化した領域において劈開し、前記共振器を構成する端面を形成する工程と
を有する半導体レーザの製造方法。 - 前記熱処理工程を前記第２クラッド層の結晶成長温度以下の温度で処理する
請求項１記載の半導体レーザの製造方法。 - 前記熱処理工程を７５０℃以下の温度で処理する
請求項２記載の半導体レーザの製造方法。
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