JPH118438A

JPH118438A - 半導体レーザ装置の製造方法

Info

Publication number: JPH118438A
Application number: JP15887597A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Ijichi; 哲朗伊地知
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1997-06-16
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】製造プロセスの初期段階でデバイス特性の分
布を簡単に、高精度に予測して不良品を排除し、製造歩
留りを高め得る半導体レーザ装置の製造方法を提供す
る。【解決手段】半導体基板上に一対のクラッド層に挟ま
れた活性層を順次エピタキシャル成長させた後、該エピ
タキシャル層にリッジを形成した段階で、活性層を光励
起して該活性層におけるフォトルミネッセンスを測定
し、この測定結果に基づいて良好な素子形成領域を選別
する。そして選別された素子形成領域に対して電極形成
を含むその後の製造処理を進めて半導体レーザ装置を製
造する。特にリッジ形成後の活性層におけるフォトルミ
ネッセンスの強度やスペクトルをエピタキシャル層の複
数点、或いはその全面を走査して測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信等における
光源として用いるに好適な半導体レーザ装置を歩留り良
く製造することのできる半導体レーザ装置の製造方法に
関する。

【０００２】

【関連する背景技術】小サイズで低消費電力の半導体レ
ーザ装置は、光情報記録再生装置の光源として、或いは
光通信における光源として用いられ、産業上、重要な役
割を担っている。この種の半導体レーザ装置は、例えば
ＩnＰやＧaＡs等のIII-Ｖ族化合物半導体の単結晶基板
上に、一対のクラッド層で挟まれる活性層をエピタキシ
ャル成長させ、このエピタキシャル層にリッジを形成す
る等の微細加工を施すことによって製造される。

【０００３】ちなみに上記半導体レーザ装置の製造は、
例えば図１に示すように厚み数百μｍのｎ-ＧaＡs基板
１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エ
ピタキシー法（ＭＢＥ）により、先ず２μｍ厚のｎ-Ａl
_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層２を成長させ、その上に活性層
３，次いで２μｍ厚のｐ-Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層
４，更にｐ-ＧaＡsコンタクト層５を順次エピタキシャ
ル成長させることから開始される。

【０００４】尚、上記ｎ-ＧaＡs基板１としては、例え
ば直径５０〜１００ｍｍのウェハが用いられる。また活
性層３は、例えば１００ｎｍ厚のＡl_0.1Ｇa_0.9Ａsから
なる一対の光閉じ込め層（ＳＨＣ層）３ａ,３ｂ間に７
ｎｍ厚のＩn_0.15Ｇa_0.85Ａs量子井戸層３ｃを挟み込ん
だ構造からなるが、量子井戸層を複数設けた構造であっ
ても良いし、他の機能を持つ層を併せて形成した構造で
あっても良い。また各層の組成や膜厚は上述した例に限
られず、発振波長や発振強度等の仕様に応じて定められ
る。

【０００５】さて従来一般的には、上述した層構造をな
すエピタキシャルウェハを形成した後、その一部を、図
２に示すように劈開して評価サンプル１０として切り出
し、この評価サンプル１０を用いて該エピタキシャルウ
ェハの特性を検査している。この検査は、表面状態
（モフォロジ）、各層の厚み、クラッド層２,４の
組成、活性層３の発光波長、更にはキャリヤ濃度や転
移密度等を調べることによってなされる。特に活性層３
の発光波長は、最終的に製造される半導体レーザ装置の
発振波長を左右するものであり、重要な検査項目であ
る。

【０００６】ちなみに活性層３の発光波長の検査は、例
えば図３に例示するように評価サンプル１０の活性層３
にＨeＮeレーザ光等の励起光１１を照射したとき、該活
性層３から放出されるフォトルミネッセンス（ＰＬ）光
１２を検出して、その発光スペクトルを計測する等して
行われる。この際、励起光１１にて活性層３を十分に励
起するべく、過酸化水素と硫酸との水溶液等からなるエ
ッチング液を用いて前記ｐ-ＧaＡsコンタクト層５とｐ-
Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層４の一部をエッチングし、
該ｐ-Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層４の厚みを１μｍ程度
まで薄くしてＰＬ光の発光強度を大きくした状態で上記
ＰＬ測定が行われる。

【０００７】以上のような評価サンプル１０のＰＬ測定
等を行い、その発光波長等の特性が良好であることが確
認されたならば、図２に示すエピタキシャルウェハの残
された領域１３,１４の全体の諸特性が良好であると看
做している。つまりエピタキシャルウェハの一部（評価
サンプル１０）を以て、その全体の特性を評価してい
る。

【０００８】しかる後、この場合にはエピタキシャルウ
ェハの上記残された領域１３,１４に対して、先ず図４
(ａ)に示すように高さ約２μｍ、幅約４μｍのリッジ６
をピッチ周期２５０〜３５０μｍでストライプ状に形成
し、その上に図４(ｂ)に示すようにＳiＮxやＳiＯ₂等の
絶縁性酸化膜７を形成する。次いで図４(ｃ)に示すよう
にリッジ６上の絶縁性酸化膜７をリソグラフィ等によっ
て局部的に除去してコンタクト部を形成する。その後、
図４(ｄ)に示すようにｎ-ＧaＡs基板１の裏面側を１０
０μｍ程度まで研磨し、その上面にはＴi／Ｐt／Ａuか
らなるＰ電極８を蒸着形成し、また基板１の裏面側には
ＡuＧeＮiからなるＮ電極９を蒸着形成する。しかる
後、上記ウェハを劈開、スクライブ等して素子分離し、
図５に示す如き半導体レーザ装置（素子）を得る。この
ようにして素子分離された半導体レーザは、キャンパッ
ケージ化されたり、光ファイバを接続したモジュールに
組み込まれる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが上述した如く
製造される半導体レーザ装置においては、エピタキシャ
ル成長における各層の膜厚管理（制御）やリッジの微細
加工等、その製造工程が複雑であり、一般的に製造歩留
りが低いと言う問題がある。特に光通信用の半導体レー
ザ装置、例えば０.９８μｍ帯のリッジ導波路型半導体
レーザ装置は、エルビウムドープの光ファイバアンプに
おける励起光源として用いられるもので、長距離光通信
の要をなす重要なデバイスである。これ故、その特性に
対する仕様が非常に厳しく、高い信頼性と発振波長精度
が要求される。この為、その製造歩留りが１０％に満た
ないこともある。

【００１０】特に従来にあってはエピタキシャルウェハ
の一部から評価サンプル１０を切り出し、この評価サン
プル１０を試験してその全体の特性を評価しているの
で、信頼性に乏しく、製造歩留りの向上が望めなかっ
た。例えばエピタキシャル層の結晶性が悪く、エピタキ
シャルウェハの全体におけるＰＬ波長にバラツキがあっ
ても、上記評価サンプル１０からはこれを検出すること
ができないので、製造された半導体レーザ装置の発振波
長にバラツキが生じ、最終的なデバイス特性において歩
留りの低下や信頼性の低下の問題が生じた。

【００１１】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、製造プロセスの初期段階でデバ
イス特性の分布を簡単に、しかも高精度に予測すること
ができ、初期段階において不良品を排除することでその
製造歩留りを高めることのできる簡易で実用性の高い半
導体レーザ装置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】上述した目的を達成する
べく本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、半導
体基板上に一対のクラッド層に挟まれた活性層を順次エ
ピタキシャル成長させた後、該エピタキシャル層にリッ
ジを形成し、その後、電極を形成する等して半導体レー
ザ装置を製造するに際し、前記リッジの形成後に、前記
活性層を光励起して該活性層におけるフォトルミネッセ
ンスを測定し、この測定結果に基づいて良好な素子形成
領域を選別することを特徴としている。

【００１３】特にリッジ形成後の活性層におけるフォト
ルミネッセンスの強度、またはそのスペクトルを、前記
エピタキシャル層の複数点において、或いはその全面を
走査して測定し、その測定結果に基づいて仕様から外れ
た不良領域を予め予測し、これに基づいて製造歩留りを
予測することを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法について説
明する。図６はこの実施形態に係る半導体レーザ装置の
製造方法の処理（工程）手順を示している。半導体レー
ザ装置の製造工程自体は、基本的には前述した従来の手
順と同様であり、先ず所定の半導体基板上に一対のクラ
ッド層に挟まれた活性層を順次エピタキシャル成長させ
ることから開始される［ステップＳ１］。

【００１５】即ち、このエピタキシャル成長は前述した
ようにＭＯＣＶＤ法を用いて、例えばｎ-ＧaＡs基板
（３００μｍ厚）上にｎ-Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層
（２μｍ厚）、一対のＡl_0.1Ｇa_0.9Ａs光閉じ込め層
（１００ｎｍ厚）に挟まれたＩn_0.15Ｇa_0.85Ａs量子井
戸層（７ｎｍ厚）からなる活性層、ｐ-Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａs
クラッド層（２μｍ厚）、そしてｐ-ＧaＡsコンタクト
層を順次成長させることによって行われる。

【００１６】しかる後、上記各層からなるエピタキシャ
ルウェハに対して、リソグラフィやエッチング等により
所定のリッジを形成する［ステップＳ２］。このリッジ
の形成もまた前述したように、高さ約２μｍ、幅約４μ
ｍのリッジを２５０〜３５０μｍのピッチ周期でストラ
イプ状に形成することによってなされる。このとき、オ
フリッジ高さを１.５μｍ以下とすることで、リッジ脇
のクラッド層の厚みを１μｍ以下と十分に薄くする。次
いで上記リッジ領域を含んで、その上にＳiＮxやＳiＯ₂
等の絶縁性酸化膜（絶縁膜）を形成する［ステップＳ
３］。

【００１７】本発明が特徴とするところは、このように
してリッジを形成した状態（絶縁膜の形成を含む）にお
いて、上記リッジ形成後のエピタキシャルウェハをＰＬ
測定に供し、その活性層におけるフォトルミネッセンス
から発光波長特性等を調べる点にある［ステップＳ
４］。このとき、上記リッジの形成によって、その側部
のコンタクト層が除去され、またクラッド層が十分薄く
されているので、従来のようにわざわざエッチング処理
を施す必要がない。従ってリッジ形成後、その上に絶縁
性酸化膜を形成した状態のエピタキシャルウェハをその
ままＰＬ測定に供することができる。

【００１８】このＰＬ測定は、例えば図７に示すように
前記エピタキシャルウェハ２１をテーブル２２上に載置
し、該エピタキシャルウェハ２１の活性層に対して斜め
上方からレーザ装置２３から励起光を照射し、この励起
光の照射を受けて活性層に生起されるフォトルミネッセ
ンス光を、その上方に設けたＰＬ検出器２４により検出
することによってなされる。尚、励起光としては、活性
層の発光波長よりも短波長で、且つフォトルミネッセン
ス光のスペクトルに重ならないスペクトル特性を有し、
更に１Ｗ／ｃｍ²以上のフォトルミネッセンス光を励起
し得るものとしてＨeＮeレーザ、Ａrレーザ、Ｋrレーザ
等が用いられる。従ってレーザ装置２３としては上記高
出力なレーザ光を得る固体レーザ装置やガスレーザ装置
が用いられる。

【００１９】またＰＬ検出器２４は、図８に示すように
検出されるフォトルミネッセンスのスペクトル分布か
ら、その強度のみならず、スペクトル成分のピーク波
長、更には半値幅を測定するものとなっている。ちなみ
にフォトルミネッセンスのスペクトルにおけるピーク波
長は、最終的な半導体レーザ装置における発振波長にほ
ぼ対応するするものである。また半値幅はエピタキシャ
ル層の結晶性（結晶品質）を反映したものである。従っ
て半値幅が、例えば３０ｍeＶ以下、或いはそれ以上の
場合には、エピタキシャル層の結晶特性が悪い、または
信頼性が悪いと判断することが可能となる。またその強
度は、エピタキシャル層のドーピング濃度や結晶の品
質、オフリッジ高さ等を反映したものである。従って、
例えば平均的な強度を基準に予めその上下限を設定して
おき、その検出強度を評価することで、最終的なデバイ
ス（半導体レーザ装置）の特性や信頼性に対する影響度
を予測することが可能となる。

【００２０】しかしてこのようなレーザ装置２３とＰＬ
検出器２４とを用いたエピタキシャルウェハ２１のＰＬ
測定は、走査機構２５の制御の下で該エピタキシャルウ
ェハ２１の複数点に亘って、或いはその全面を６００μ
ｍステップでリッジ部分を避けながら走査して行われ
る。そしてこれらの計測点でのフォトルミネッセンスの
情報（強度，ピーク波長，半値幅）は、スペクトル計測
部２６に与えられ、各計測部位に対応付けて記録（マッ
ピング）されるようになっている。この際、上述したよ
うにリッジ部分を意図的に避けなくても、リッジ部分で
はフォトルミネッセンスが検出できないことから、リッ
ジ部分を避けることなくエピタキシャルウェハ２１の全
域を走査することも可能である。

【００２１】かくしてこのようにしてしてエピタキシャ
ルウェハ２１の活性層を複数点に亘ってＰＬ測定する
と、例えば図９に示すように複数のエピタキシャルウェ
ハ２１に対してピーク波長毎にマッピングされた測定デ
ータを得ることができる。例えば各測定点におけるピー
ク波長を１ｎｍ毎に色を変えた計測画像としてマッピン
グすることにより、エピタキシャルウェハ２１の全体に
おける活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長特性
の分布を求めることができる。

【００２２】従ってこのようなマッピングデータから、
例えば９７８〜９８１ｎｍのピーク波長を有する領域
（例えば図９における網点領域）を、製造目的とする
（仕様に適合した）発振波長の半導体レーザ装置を実現
可能な素子形成領域であると判定することができる。換
言すればそれ以外の領域（図９における斜線領域や交差
線領域）については、その後の製造工程を進めて半導体
レーザ装置を製作しても、その発振波長が短波長側、或
いは超波長側にずれを生じ、最終的には排除しなければ
ならないと予測することができる。

【００２３】そこで本発明においては、上述した如く測
定されるエピタキシャルウェハ２１のＰＬ測定結果（ピ
ーク波長の分布）から、仕様を満足し得る素子形成領域
を判定している［ステップＳ５］。そして上記素子形成
領域が所定の割合に満たないエピタキシャルウェハ２１
を、その後の製造工程から排除し、仕様を満足し得ると
予測される素子形成領域を持つエピタキシャルウェハ２
１だけをその後の製造工程に送り出すものとなってい
る。

【００２４】例えば図９に示す例では、左上２枚のウェ
ハについては、網点領域で示される素子形成領域が半分
以下と少なく、その殆どが仕様を満たすことがないと判
断されるので、その後の製造工程には送り出さない。つ
まり排除する。また左下のウェハについては、網点領域
で示される素子形成領域が少ないが、或る程度良好な素
子形成領域が認められるので、その後の製造工程に送り
出す。しかし後述するように素子分離後は上記マッピン
グ情報に基づいて、良好な素子形成領域から求められる
チップだけを抽出する。また右上２枚のウェハについて
は良好な素子形成領域が多くを占めるので、その後の製
造工程を進め、半導体レーザ装置を完成させる。しかし
この場合にも、前記マッピング情報に従って、素子分離
後の良好な素子形成領域から切り出されるチップだけを
抽出する。

【００２５】さて前述した如く選別されたエピタキシャ
ルウェハ２１に対するその後の製造処理は、先ずリッジ
上の絶縁性酸化膜を除去し、コンタクト部を露出させる
ことが開始される［ステップＳ６］。次いで前述したよ
うにｎ-ＧaＡs基板の裏面側を研磨した後、前記コンタ
クト部を含む上面にＴi／Ｐt／ＡuからなるＰ電極を蒸
着形成する。また前記基板の裏面にはＡuＧeＮiからな
るＮ電極を蒸着形成する［ステップＳ７］。その後、上
記ウェハを劈開、スクライブ等して素子分離する［ステ
ップＳ８］。この段階で、前述したマッピングデータで
示される不良領域に形成されたチップを排除する。

【００２６】その後、素子分離され、且つ選別されたチ
ップ（半導体レーザ装置）に対して電極配線を施してキ
ャンパッケージ化したり、光ファイバと共にモジュール
化する等して最終製品として組み込む［ステップＳ
９］。この状態で、更に最終的な素子特性の検査が行わ
れ、その品質・特性の確認が行われて、不良品の排除が
行われる。

【００２７】以上のようにして半導体レーザ装置を製造
する本製造方法によれば、エピタキシャルウェハに対し
てリッジを形成した段階で、つまり製造プロセスの初期
段階におけるＰＬ測定によってデバイス特性の分布、特
に活性層におけるＰＬピーク波長等を評価し、最終的に
製造される半導体レーザ装置の発振波長特性を高精度予
測するので、仕様を満たさないと判定される素子形成領
域を、その後の製造工程から排除することができる。し
かもＰＬ（フォトルミネッセンス）の強度や半値幅等か
ら、その信頼性等を予め評価した後、その後の製造プロ
セスを進めることができる。従って素子特性が良好で、
しかも動作信頼性の高い半導体レーザ装置を歩留り良く
製造することが可能となる。

【００２８】特にエピタキシャルウェハの全面における
ＰＬの分布特性を評価して、その後の製造プロセスに進
める素子形成領域を選別するので、最終的に製造される
半導体レーザ装置の特性が大幅に異なることがなく、そ
の製造歩留りを高めることが可能となる。換言すれば、
素子特性が不明なままの素子形成領域に対して、つまり
評価サンプルに代表されるだけのエピタキシャルウェハ
の素子特性を判断基準として製造工程を進めることがな
いので、エピタキシャル層の膜厚分布等に依存する不良
品の発生を大幅に削減することができる。従って、不本
意な特性の半導体レーザ装置を徒に製造しない分、その
製造原価を低減することができる等の効果が奏せられ
る。

【００２９】また前述した如くリッジ形成後のエピタキ
シャルウェハをＰＬ測定に供するので、該ウェハをわざ
わざエッチングする等の二次的な作業が不要である。即
ち、リッジの形成過程において、そのリッジ側部のコン
タクト層が除去され、またクラッド層も或る程度薄くさ
れるので、従来のようにＰＬ測定を行うべく、クラッド
層をエッチングによって薄くする等の前処理が全く不要
である。従ってこの点でもＰＬ測定作業の簡単化を図
り、製造プロセス全体の簡易化を図ることができる等の
効果が奏せられる。

【００３０】尚、本発明は上述下実施形態に限定される
ものではない。例えば埋め込み型リッジ導波路構造をな
す半導体レーザ装置に同様に適用することができ、要は
活性層が平坦に残されたまま製造・加工される素子構造
の半導体レーザ装置に適用可能である。またＰＬ光の強
度分布を求めて、その特性を評価することも勿論可能で
ある。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種
々変形して実施することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体基板上に一対のクラッド層に挟まれた活性層を順次
エピタキシャル成長させた後、該エピタキシャル層にリ
ッジを形成した段階で、前記活性層を光励起して該活性
層におけるフォトルミネッセンスを測定し、この測定結
果に基づいて良好な素子形成領域を選別し、この選別さ
れた素子形成領域に対して前記電極形成を含むその後の
製造処理を進めて半導体レーザ装置を製造するものとな
っている。特にリッジ形成後の活性層におけるフォトル
ミネッセンスの強度、またはそのスペクトルを、前記エ
ピタキシャル層の複数点において、或いはその全面を走
査して測定し、その測定結果に基づいて仕様から外れた
不良領域を予め排除するようにしている。

【００３２】従って本発明によれば、製造プロセスの初
期段階で、ＰＬ測定によって簡単にしかも高精度にデバ
イス特性の分布、特に活性層におけるＰＬピーク波長等
を評価することができるので、最終的に製造される半導
体レーザ装置の発振波長特性を高精度予測し、また不良
素子形成領域を排除するので、製造プロセスの無駄を省
いてその製造歩留りを高めることができる。従って素子
特性が良好で、しかも動作信頼性の高い半導体レーザ装
置を歩留り良く、しかも効率的に製造することが可能と
なる等の効果が奏せられ、特にＧaＡs基板を用いた半導
体レーザの製造に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レーザ装置をなすエピタキシャルウェハ
の層構造を示す図。

【図２】エピタキシャルウェハからの評価サンプルの切
り出しの概念を示す図。

【図３】活性層に対するフォトルミネッセンス測定の原
理を示す図。

【図４】エピタキシャルウェハに対するリッジ形成、電
極形成を含む半導体レーザ装置の製造工程を段階的に示
す図。

【図５】半導体レーザ装置（チップ）の素子形状を示す
図。

【図６】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置の
製造工程を示す流れ図。

【図７】ＰＬ測定装置の概略構成図。

【図８】ＰＬ光のスペクトル特性を示す図。

【図９】ＰＬ測定されたエピタキシャルウェハのピーク
波長分布をマッピングした測定画像の例を示す図。

【符号の説明】

１ｎ-ＧaＡs基板２ｎ-Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層３活性層３ａ,３ｂＡl_0.1Ｇa_0.9Ａs光閉じ込め層（ＳＨＣ層）３ｃＩn_0.15Ｇa_0.85Ａs量子井戸層４ｐ-Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａsクラッド層５ｐ-ＧaＡsコンタクト層６リッジ７絶縁性酸化膜（ＳiＮx，ＳiＯ2）８Ｐ電極（ＡuＧeＮi）９Ｎ電極（Ｔi／Ｐt／Ａu）１０評価サンプル１１励起光１２フォトルミネッセンス（ＰＬ）光２１エピタキシャルウェハ２２テーブル２３レーザ装置２４ＰＬ検出器２５走査機構２６スペクトル計測部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に一対のクラッド層に挟ま
れた活性層をエピタキシャル成長させた後、該エピタキ
シャル層にリッジを形成し、その後、電極を形成した
後、素子分離して半導体レーザ装置を製造するに際し、前記リッジの形成後、前記活性層を光励起して該活性層
におけるフォトルミネッセンスを測定し、この測定結果
に基づいて半導体基板または素子形成領域を選別し、選
別された半導体基板または素子形成領域に対して前記電
極形成を含むその後の製造処理を進めることを特徴とす
る半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２】前記フォトルミネッセンスの測定は、該
フォトルミネッセンスの強度、またはそのスペクトルを
測定するものである請求項１に記載の半導体レーザ装置
の製造方法。
【請求項３】前記フォトルミネッセンスの測定は、リ
ッジ形成後のエピタキシャル層の複数点、またはその全
面を走査して行われることを特徴とする請求項１に記載
の半導体レーザ装置の製造方法。