(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型の半導体基板上に、少なくとも、不純物としてＳｅを含むｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、活性層と、p型のAlGaAsクラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを有する半導体レーザ素子であって、
上記電流阻止層はストライプ状の溝を有し、
上記ｐ型のAlGaAsクラッド層は、上記活性層に接して形成されたｐ型の１層のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の上側で上記溝を含む電流阻止層上に形成されたｐ型のAlGaAs第３クラッド層とからなり、
上記AlxGa1-xAs第２クラッド層のｘは０．５〜０．６であり、
上記AlxGa1-xAs第２クラッド層はｐ型不純物として、炭素を３×1017cm-3〜２×1018cm-3の濃度で含み、
上記ｐ型のAlGaAs第３クラッド層はｐ型不純物としてＭｇを含んでおり、
上記ｎ型の電流阻止層の溝に対向する領域のAlxGa1-xAs第２クラッド層の不純物濃度は、炭素とＭｇが共存することにより、残りの領域のAlxGa1-xAs第２クラッド層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
ｎ型の半導体基板上に、少なくとも、ｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、量子井戸活性層と、p型のAlGaAsクラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを有する半導体レーザ素子であって、
上記ｐ型のAlGaAsクラッド層は、上記活性層に接して形成されたｐ型の１層のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の上側でストライプ状に延び、上記電流阻止層によって両側から挟み込まれたリッジ形状のｐ型のAlxGa1-xAs第３クラッド層とからなり、
上記AlxGa1-xAs第２クラッド層およびAlxGa1-xAs第３クラッド層のｘは０．５〜０．６であり、
上記AlxGa1-xAs第２クラッド層はｐ型不純物として、炭素を２×1017cm-3〜２×1018cm-3の濃度で含む一方、上記AlxGa1-xAs第３クラッド層はｐ型不純物として炭素を２×1017cm-3以上の濃度で含んでいることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項２記載の半導体レーザ素子において、
上記活性層は、光出射端面部において、無秩序化されて発振領域よりも大きな禁制帯幅を有する窓領域を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
ｎ型の半導体基板上に、少なくとも、不純物としてＳｅを含むｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、活性層と、p型のAlGaAsクラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを有し、上記電流阻止層はストライプ状の溝を有し、上記ｐ型のAlGaAsクラッド層は、上記活性層に接して形成されたｐ型の１層のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の上側で上記溝を含む電流阻止層上に形成されたｐ型のAlGaAs第３クラッド層とからなり、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層のｘは０．５〜０．６であり、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層はｐ型不純物として、炭素を３×1017cm-3〜２×1018cm-3の濃度で含む半導体レーザ素子を製造する方法であって、
半導体基板上に、少なくとも、不純物としてＳｅを含むｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、活性層と、p型のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを順に積層する工程であって、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件を、ｐ型不純物としての炭素の濃度が３×1017cm-3〜２×1018cm-3となる条件とした第１の工程と、
上記電流阻止層にストライプ状の溝を形成する第２の工程と、
上記ストライプ状の溝を含む電流阻止層上に、少なくともｐ型のAlGaAs第３クラッド層を形成する第３の工程とを含み、
上記第１の工程において基板温度を７００℃〜７５０℃とする有機金属気相成長法が使用され、ｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（Ｖ/III比）を２０〜５０にすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第３の工程において、液相エピタキシャル成長法が使用され、上記AlGaAs第３クラッド層から、上記電流阻止層の溝を介して、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層へ上記AlGaAs第３クラッド層の不純物であるＭｇを拡散し、上記溝に対向する領域のAlxGa1-xAs第２クラッド層の不純物濃度を、炭素とＭｇを共存させることにより残りの領域のAlxGa1-xAs第２クラッド層の不純物濃度よりも高くすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
請求項２に記載の半導体レーザ素子を製造する方法であって、
半導体基板上に、少なくとも、ｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、量子井戸活性層と、ｐ型不純物として炭素を含むｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、ｐ型不純物として炭素を含むｐ型のAlxGa1-xAs第３クラッド層とを順に積層する工程であって、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件を、ｐ型不純物としての炭素の濃度が２×1017cm-3〜２×1018cm-3となる条件とする一方、上記AlxGa1-xAs第３クラッド層の成長条件を、ｐ型不純物としての炭素の濃度が２×1017cm-3以上となる条件とした第１の工程と、
上記AlxGa1-xAs第３クラッド層をストライプ状に延びるリッジ形状に加工する第２の工程と、
上記リッジ形状のAlxGa1-xAs第３クラッド層を挟み込むように、ｎ型の電流阻止層を上記第２クラッド層上に形成する第３の工程とを備え、
上記第１の工程において基板温度を７００℃〜７５０℃とする有機金属気相成長法が使用され、ｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層とAlxGa1-xAs第３クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（V/III比）を１０〜５０にすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第１の工程と第２の工程との間に、半導体レーザ素子の光出射端面部における活性層を熱処理することにより無秩序化して、窓領域を形成する第４の工程をさらに備えたことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第４の工程は、
上記第１の工程により得られたウェハ上にＳｉＯ2膜またはＳｉＮ膜を部分的に形成する工程と、
ＳｉＯ2膜またはＳｉＮ膜の形成されたウェハに熱処理を行って、ＳｉＯ2膜またはＳｉＮ膜直下の活性層部分を無秩序化する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CD、MD、DVDプレーヤーあるいはコンピュータの情報記憶装置等の光情報システム用光源としての半導体レーザで代表されるIII−Ｖ族化合物半導体装置とその製造方法、特に低閾値電流動作を実現する為の構造と、半導体層に含まれる不純物の制御性を向上させ、素子特性、歩留、信頼性に優れた半導体素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化合物半導体装置としてCD、MD用のピックアップに用いられる半導体レーザ素子の需要は益々拡大しており、特性のばらつきが少なく信頼性に優れた半導体レーザ素子が要求されている。またコンピュータ情報記憶装置CD−ROM、CD−R、CD−RW、あるいはデジタルビデオディスク（DVD）の製品化など、半導体レーザ素子の需要は今後も益々拡大していくものと見込まれる。
【０００３】
このような半導体レーザ素子に代表されるIII−Ｖ族化合物半導体装置を作製する際、半導体基板上に複数の半導体層の積層構造を形成する。各半導体層には所定の不純物を添加することにより、その電気伝導型あるいは電気伝導率を制御し、結果として所定の半導体装置特性が得られるように設計される。半導体装置の各層毎に電気伝導型あるいは電気伝導率を設計値通り制御することが半導体レーザ素子特性の均一化、製造歩留の向上には非常に重要である。
【０００４】
このIII−Ｖ族化合物半導体薄膜を積層する方法としては、有機金属気相成長 (MOCVD: metal-organic chemical vapor deposition)法や分子線エピタキシー（MBE：molecular beam epitaxy）法などがある。これらを用いて成長を行う場合、例えばｎ型の電気伝導型層を得るための不純物の材料としては、ＩＶ族のSi、ＶＩ族のSe等を用い、ＩＶ族元素はIII族元素であるAl、Ga、あるいはInと置換することにより、ドナー不純物となる。ＶＩ族元素はＶ族元素であるAsやPと置換することによってドナー不純物となる。ｐ型の電気伝導層を得るための不純物の材料としてはZn、Be、Mg等のII族を用い、II族元素はIII族元素であるAlあるいはGaと置換することによってアクセプタ不純物となる。
【０００５】
この半導体レーザ素子の構造については、セルフアライン構造と呼ばれるものとリッジ型構造と呼ばれるものがよく知られている。図４にセルフアライン構造の半導体レーザ素子の一例を示す。このセルフアライン構造の半導体レーザ素子について製造工程を以下に説明する。
【０００６】
図4(A)の第１の工程に示すように、まず、MOCVD法によって、ｎ型GaAs基板10上にｎ型GaAsバッファー層12(層厚0.5μm)と、ｎ型AlxGa1-xAs第1クラッド層13(x＝0.5、層厚1.0μm)と、ノンドープAlxGa1-xAs活性層14(x＝0.14、層厚0.085μm)と、ｐ型AlxGa1-xAs第2クラッド層15(x＝0.5、層厚0.35μm)と、ｎ型GaAs電流阻止(ブロック）層16(層厚0.6μm)を順に成長する。この時のｎ型不純物はSeを使用し、ｐ型の不純物としてはZnを使用する。次に図4(B)に第２の工程を示すように、フォトリソグラフィー法などによってエッチングマスク４０を形成した後、ｎ型GaAs電流阻止層16を3.5〜4.0μmの幅でストライプ状、かつ、溝状に除去して、欠損部20を形成する。
【０００７】
この後、図4(C)に第３の工程に示すように、上記欠損部20を含むｎ型GaAs電流阻止層16の上に、MOCVD法やLPE法を用いて、ｐ型AlxGa1-xAs第3クラッド層17(x＝0.5、層厚1.0μm)と、ｐ型GaAsキャップ層（層厚3〜50μm）18を成長する。この場合のｐ型GaAsキャップ層18の層厚については、最終的な半導体レーザ素子の、チップ厚さに対する発光点位置をどの位置にするか、必要に応じて層厚を決定すれば良い。また、この場合のｐ型不純物にZnやMgを用いる。これらの製造方法によって、半導体レーザ素子を得ている。
【０００８】
また、第１の工程にMOCVD法を用いて積層する場合の、Ｖ族とIII族のモル比（Ｖ/III比）については、従来成長温度600〜800℃で、20〜150とする。20以下とした場合成長表面が荒れる現象がある。成長温度を450〜600℃とした場合においては、Ｖ/IIIモル比を0.3〜2.5と低下させても、結晶表面に荒れを生じず、成長薄膜へのCの取り込みが増加し、GaAs及びAlGaAsのCによるｐ型の正孔濃度は1×1018cm-3〜1×1020cm-3が得られることが報告されている（JP-B2-2885435）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図4(c)に示す半導体レーザ素子の構造において、ｎ型GaAs基板上に少なくともｎ型第1クラッド層13、活性層14、第２クラッド層15、およびn型の電流阻止層16を積層する第１の工程において、ｎ型の第１クラッド層13、およびn型の電流阻止層16への添加不純物としてSe、ｐ型第２クラッド層15への添加不純物としてZnを用いたものが実用されている。しかし第１の工程を終えた本構造において、不純物元素が製造上の工程において、拡散あるいは不純物原子同士の相互作用によって、層相互間を移動し、設定した不純物のプロファイルとは異なった不純物プロファイルが得られている。図３（A）は設計の不純物プロファイルであり、当然ｎ型第１クラッド層13とｎ型電流阻止層16にはｎ型の不純物であるSeがドーピング設計されており、ｐ型第２クラッド層15にはｐ型の不純物であるZnが、それぞれ急峻にドーピング設計されている。図3（B）が実際の不純物濃度プロファイルである。この図のようにｐ型第２クラッド層15内に添加したZn不純物は、第１の工程途中のｎ型電流阻止層16成長中に、ｐ型第２クラッド層15以外の他の層へ拡散することにより、ｐ型第２クラッド層15のドーピング制御は不安定となる。
【００１０】
更に第２の工程である、上記ｎ型電流阻止層16に、ストライプ溝状の欠損部20の形成を行った後の第３の工程で、上記電流阻止層16の欠損部と上記電流阻止層の非欠損部上に、ｐ型第３クラッド層17とｐ型GaAsキャップ層18を成長させる工程における熱履歴によって、ｐ型第２クラッド層15中の不純物であるZnは他の層への拡散を増し、場合によっては、ｎ型第１クラッド層13や、ｎ型電流阻止層16の不純物であるSeがｐ型第２クラッド層15へ拡散し、この結果、ｐ型第２クラッド層15のｐ型不純物であるZnの濃度を上回りｎ型に反転する。このｎ型への反転がｐ型第2クラッド層15の全面、もしくは上記ｎ型電流阻止層16の非欠損部に対向する部分のいずれででも発生することは、半導体レーザ素子のレーザ発振を得るための局所的な電流注入が不可能になるため、製造工程においては不良となっていた。
【００１１】
一方、リッジ型構造の半導体レーザ素子においても、量子井戸層からなる活性層の上に形成されるp型のクラッド層の添加不純物として、従来はZnが使用されている。したがって、不都合なことに、セルフアライン構造の半導体レーザ素子と同様に、製造工程中にZnが活性層内にまで拡散してしまう。これは量子井戸活性層全体の無秩序化を引き起こし、そのため、発振波長を変化させてしまうことになる。あるいは、量子井戸活性層の結晶性の低下を引き起こし、そのため、閾値電流，動作電流が増大してしまうことになる。この結果、レーザ素子特性の悪化、特性のバラツキ増大が起こっていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、ｐ型クラッド層、特に活性層に近接して形成されるｐ型クラッド層の不純物濃度を設計通りに、制御性良く、ドーピングできる製造方法とその半導体レーザ素子の構造を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明の一側面に係る半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ型の半導体基板上に、少なくとも、不純物としてＳｅを含むｎ型の第１クラッド層と、活性層と、p型のAlGaAsクラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを有し、上記ｐ型のAlGaAsクラッド層は、上記活性層に接して形成されたｐ型の１層のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の上側で上記溝を含む電流阻止層上に形成されたｐ型のAlGaAs第３クラッド層とからなり、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層のｘは０．５〜０．６であり、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層はｐ型不純物として、炭素を３×1017cm-3〜２×1018cm-3の濃度で含んでいる半導体レーザ素子を製造する方法である。
【００１４】
上記構造の半導体レーザ素子は所謂セルフアライン構造のものである。
【００１５】
この半導体レーザ素子を製造する方法は、
半導体基板上に、少なくとも、不純物としてＳｅを含むｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、活性層と、p型のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを順に積層する工程であって、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件を、ｐ型不純物としての炭素の濃度が３×1017cm-3〜２×1018cm-3となる条件とした第１の工程と、
上記電流阻止層にストライプ状の溝を形成する第２の工程と、
上記ストライプ状の溝を含む電流阻止層上に、少なくともｐ型のAlGaAs第３クラッド層を形成する第３の工程とを含み、
上記第１の工程において基板温度を７００℃〜７５０℃とする有機金属気相成長法が使用され、ｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（Ｖ/III比）を２０〜５０にすることを特徴としている。
【００１６】
この製造方法を用いることによって、第１の工程の上記ｎ型電流阻止層の成長中や、第３の工程における、少なくとも第３クラッド層を形成する際に、第２クラッド層から他の層への不純物の拡散あるいはその逆が発生しにくい。したがって、上記ｐ型の第2クラッド層の導電型がｎ型へ反転することを防ぐことができる。したがって、この方法で製造された本発明の半導体レーザ素子は、ほぼ設計通りの不純物濃度プロファイルを有することが可能となる。
【００１７】
この方法では、上記第１の工程において基板温度を７００℃〜７５０℃とする有機金属気相成長(MOCVD)法が使用され、ｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（Ｖ/III比）を２０〜５０にしている。こうすることにより、成長結晶の表面荒れの発生が回避でき、同時に、炭素（C）濃度が３×1017cm-3〜２×1018cm-3となる。この製造方法を用いることによって、p型の第２クラッド層において、従来よりも優れた制御性と再現性でもって、導電型の反転が発生しない不純物濃度にすることができる。
【００１８】
上記第３の工程において、上記第３クラッド層から、上記電流阻止層の溝を介して、上記第２クラッド層へ不純物を拡散し、上記溝に対向する領域の第２クラッド層の不純物濃度を、残りの領域の第２クラッド層の不純物濃度よりも高くするようにしてもよい。第３クラッド層のｐ型不純物が炭素以外の不純物Ｍｇであれば、第２クラッド層の上記溝に対向する領域には炭素ともう１種の不純物Ｍｇが共存することになる。
【００１９】
こうして得られた半導体レーザ素子では、上記電流阻止層の欠損部つまりストライプ状の溝に対向する第2クラッド層の高濃度部の抵抗は、第2クラッド層の残りの領域である不純物低濃度部より低いので、上記第2クラッド層の高濃度部に達した電流が上記低濃度部に拡がることが抑えられる。したがって、本発明によれば、上記第2クラッド層内での電流拡がりによる無効電流の発生が抑えられ、低閾値電流と低電流駆動動作が実現できる。
【００２０】
上記第３の工程で液相エピタキシャル成長（LPE）法を用いることもできる。この場合、LPE法成長温度と時間を調整することで、第3クラッド層から、上記電流阻止層の欠損部に対向する第2クラッド層へ、最適量の不純物拡散を行うことができる。また、半導体レーザ素子の、最終的なチップ厚さに対する発光点位置を、例えばチップ厚さ100μmに対して中央の位置にする必要があれば、第3の工程における第3クラッド層上のキャップ層を50μｍ成長しなければならないが、LPE法であれば、容易に短時間と低コストで実現することができる。
【００２１】
LPE法を用いる第３の工程において、第３クラッド層に用いるｐ型の不純物をＭｇとすれば、第3クラッド層から、上記電流阻止層の欠損部に対向する第2クラッド層へ、容易に最適量の不純物拡散を行うことができる。
【００２２】
ところで、第３の工程をLPEで行いMgを拡散させた半導体レーザ素子と比較して、MOCVDで不純物拡散を行わない半導体レーザ素子では、閾値電流が42ｍAと、７ｍA大きくなり、光出力5mW時の駆動電圧も、前者が1.88Vであったのに対して、1.95Vと素子抵抗が高くなった。この事実から、溝に対向する領域の第２クラッド層の不純物濃度を、残りの領域の第２クラッド層の不純物濃度よりも高くする構造の優位性が明らかになった。
【００２３】
本発明によれば、拡散の極めて少ないCを第2クラッド層に用いるので、基板上にｎ型半導体層を成長する場合のｎ型の不純物をＳｅとしても、第1クラッド層と電流阻止層から不純物Seが第2クラッド層へ拡散することが効果的に防止できる。
【００２４】
本発明の別の側面に係る半導体レーザ素子は、ｎ型の半導体基板上に、少なくとも、ｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、量子井戸活性層と、p型のAlGaAsクラッド層と、ｎ型の電流阻止層とを有する半導体レーザ素子であって、上記ｐ型のAlGaAsクラッド層は、上記活性層に接して形成されたｐ型の１層のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の上側でストライプ状に延び、上記電流阻止層によって両側から挟み込まれたリッジ形状のｐ型のAlxGa1-xAs第３クラッド層とからなり、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層およびAlxGa1-xAs第３クラッド層のｘは０．５〜０．６であり、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層はｐ型不純物として、炭素を２×1017cm-3〜２×1018cm-3の濃度で含む一方、上記AlxGa1-xAs第３クラッド層はｐ型不純物として炭素を２×1017cm-3以上の濃度で含んでいることを特徴としている。この半導体レーザ素子は所謂リッジ型構造のものである。
【００２５】
このリッジ型構造の半導体レーザ素子を製造するには、
半導体基板上に、少なくとも、ｎ型のAlGaAs第１クラッド層と、量子井戸活性層と、ｐ型不純物として炭素を含むｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層と、ｐ型不純物として炭素を含むｐ型のAlxGa1-xAs第３クラッド層とを順に積層する工程であって、上記AlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件を、ｐ型不純物としての炭素の濃度が２×1017cm-3〜２×1018cm-3となる条件とする一方、上記AlxGa1-xAs第３クラッド層の成長条件を、ｐ型不純物としての炭素の濃度が２×1017cm-3以上となる条件とした第１の工程と、
上記AlxGa1-xAs第３クラッド層をストライプ状に延びるリッジ形状に加工する第２の工程と、
上記リッジ形状のAlxGa1-xAs第３クラッド層を挟み込むように、ｎ型の電流阻止層を上記第２クラッド層上に形成する第３の工程とを備え、
上記第１の工程において基板温度を７００℃〜７５０℃とする有機金属気相成長法が使用され、ｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層とAlxGa1-xAs第３クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（V/III比）を１０〜５０にする方法を用いることができる。
【００２６】
この製造方法を用いることによって、p型の第２クラッド層中の不純物が量子井戸層からなる活性層に拡散することを防ぐことができる。
【００２７】
また、上記第１の工程において、基板温度を７００℃〜７５０℃とする有機金属気相成長法が使用され、ｐ型のAlxGa1-xAs第２クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（V/III比）を１０〜５０にしている。こうすることにより、成長結晶の表面荒れの発生が回避でき、同時に、第２クラッド層における炭素（C）濃度を２×1017cm-3〜２×1018cm-3にできる。この製造方法を用いることによって、p型の第２クラッド層において、従来よりも優れた制御性と再現性でもって、導電型の反転が発生しない不純物濃度にすることができる。
【００２８】
また、リッジ型構造の半導体レーザ素子を製造するための上記第１の工程において、第３クラッド層のp型不純物として炭素を使用し、第３クラッド層の成長条件を、炭素の濃度が２×1017cm-3以上となる条件としているので、p型の第３クラッド層中の不純物がp型の第２クラッド層そして活性層に拡散するのを防止できるため、活性層への不純物拡散をさらに効果的に防止できる。この場合において、AlxGa1-xAs第３クラッド層の成長条件として、ｘを０．５〜０．６とし、かつ、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（V/III比）を１０〜５０にしたことにより、成長結晶の表面荒れの発生が回避でき、同時に、第３クラッド層における炭素（C）濃度を２×1017cm-3以上とできる。この製造方法を用いることによって、p型の第３クラッド層において、従来よりも優れた制御性と再現性でもって、導電性の反転が発生しない不純物濃度にすることができる。
【００２９】
本発明のリッジ型構造の半導体レーザ素子を製造する方法は、上記第１の工程と第２の工程との間に、半導体レーザ素子の光出射端面部における活性層を熱処理することにより無秩序化して、窓領域を形成する第４の工程をさらに備えていてもよい。
【００３０】
上述したように、本発明によれば、ｐ型の第２クラッド層およびｐ型の第３クラッド層には、不純物として拡散の極めて少ない炭素が添加されている。このため、この第４の工程において、不純物としてＺｎが添加されている場合には容易に発生するｐ型の第２クラッド層およびｐ型の第３クラッド層からの量子井戸活性層への不純物の拡散を防ぐことが可能になる。つまり、窓領域以外の領域（発振領域）での活性層の無秩序化を防止できる。
【００３１】
この第４の工程を経て製造された半導体レーザ素子は、光出射端面部において、発振領域よりも大きな禁制帯幅を有する窓領域を有することになる。上述したように、活性層の発振領域での無秩序化は抑えられているので、この半導体レーザ素子での端面窓効果は大きく、出力を増大させることができる。
【００３２】
上記第４の工程は、たとえば、
上記第１の工程により得られたウェハ上にＳｉＯ2膜またはＳｉＮ膜を部分的に形成する工程と、
ＳｉＯ2膜またはＳｉＮ膜の形成されたウェハに熱処理を行って、ＳｉＯ2膜またはＳｉＮ膜直下の活性層部分を無秩序化する工程とを含むことができる。
【００３３】
上述したいずれの構造の半導体レーザ素子を製造する場合であっても、ｐ型の化合物半導体層は、AlGaAsによって形成することができる。
【００３４】
以上のことから、本発明は、半導体レーザ素子の製造歩留の向上を可能とし、特性においても従来品に劣ることのない十分な性能を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
具体的な半導体レーザの構造とその製造例として有機金属気相成長(MOCVD:metal-organic chemical vapor deposition)法を以下に説明する。
【００３６】
図5に有機金属気相成長装置の模式図を示す。
【００３７】
図5中の試料導入室50と成長室51は、ゲートバルブ56により区切られている。また、試料導入室50は、短時間に大気圧から高真空に到達できるようにターボ分子ポンプ等の真空ポンプ55が取り付けられている。この装置で半導体レーザを作製する場合には、図5の試料導入室50でモリブデン製もしくは、カーボン製のウェハホルダー52に半導体基板53をセットする。その後、試料導入室50を真空ポンプ55で高真空にし、ウェハホルダー52を成長室51内に導入する。その後、ヒーター54を使い基板温度を上げ、300℃付近でAsの蒸発防止にAsH3を流す。
【００３８】
（実施例１）
まず、セルフアライン構造の半導体レーザ素子の製造例を説明する。この例では、図5に示した半導体基板53としてｎ-GaAs基板60を用いる。基板温度が700〜750℃になれば、図6に示すように、ｎ-GaAs基板60にｎ-GaAsバッファ層(層厚0.5μm、キャリア濃度1×1018cm-3)62、ｎ-AlxGa1-xAs第１クラッド層(X＝0.5、層厚1.0μm、キャリア濃度8×1017cm-3)63、AlxGa1-xAsノンドープ活性層(x＝0.14、層厚0.085μm)64、ｐ-AlxGa1-xAs第２クラッド層(X＝0.5、層厚0.35μm)65、ｐ-GaAsエピサポート層(層厚0.003μm)66、ｐ-AlxGa1-xAsエッチングストップ層(X＝0.7、層厚0.02μm)67、ｎ-AlXGa1-XAs第１電流ブロック層(X=0.1、層厚0.1μm、キャリア濃度2×1018cm-3)68、ｎ-GaAs第２電流ブロック層(層厚0.4μm、キャリア濃度2×1018cm-3)69、ｎ-AlXGa1-XAs第３電流ブロック層(X=0.1、層厚0.1μm、キャリア濃度2×1018cm-3)70を順に成膜する。この場合のｐ-AlGaAs第２クラッド層65と、ｐ-GaAsエピサポート層66と、ｐ-AlGaAsエッチングストップ層67の成長条件は、他の層のIII族原料とＶ族原料とのモル比（Ｖ/III比）が60であるのに対して30とした。ｐ型不純物としては、III族のGaとAlの供給源であるTMG、TMAのアルキル化物のCを用い、ｐ-AlGaAsクラッド層65のキャリア濃度は、4×1017cm-3とした。ｎ-GaAsバッファ層、ｎ-AlGaAsクラッド層、ｎ-GaAs第２電流ブロック層およびｎ-AlGaAs第１，第３ブロック層のそれぞれの不純物はSeとし、供給源としてはH2Seガスを使用した。
【００３９】
ここで、前述のＶ/IIIモル比とC不純物濃度についてのデータを図２に示す。MOCVD法でAlxGa1-xAs (X=0.5)を750℃で成長した場合のTMG、TMAのアルキル化物のCによるｐ型バックグラウンド不純物濃度は、Ｖ/IIIモル比が低下すると増加する。しかし、Ｖ/IIIモル比を20以下まで低下させると、結晶成長表面に荒れが生じるという問題があり、従来は60〜120で行っていた。前述したように、従来ｐ型不純物として用いていたZnは、成長時やその後の再成長時の熱履歴を得た後、設定の層以外の層へ拡散する。という問題を持っていた。そこで、上記Ｖ/IIIモル比を結晶成長表面に荒れの生じない20以上とし、熱履歴を経たのちでも不純物拡散の極めて少ないCを利用した。もちろん、アルキル化物のCを用いず、供給源を別に設けても良い。
【００４０】
その後、図７のようにフォトリソグラフィーを行い、ストライプ状のエッチングマスク80を形成した後、ｎ-第１,第２,第３電流ブロック層68,69,70をアンモニア系のエッチング液でエッチングする。この際ｐ-AlGaAsエッチングストップ層67にエッチングレートをもたないか、もしくは非常にエッチングレートの小さくなるエッチング液とすることで、選択的にｎ-電流ブロック層68,69,70のみをエッチングし、ストライプ幅Ｗを4.0μmとなるまでエッチングを行った。更に、フッ酸を用いてストライプ内のｐ-AlGaAsエッチングストップ層67をエッチングし、有機溶剤でエッチングマスク80を除去した。
【００４１】
次に、LPEでp-AlxGa1-xAs第３クラッド層(X＝0.5、層厚1.0μm、キャリア濃度2×1018cm-3)71、p-GaAsキャップ層(層厚50.0μm、キャリア濃度6×1018cm-3)72を再成長した (図８)。このLPEでは、ストライプの底面部に露出したｐ-GaAsエピサポート層66が有る為、十分な再成長が可能である。また、LPE成長を行う前にGa溶液中に規定の量のAsとAlを溶かし、一旦飽和状態とする為、800℃で100分間のホールド時間を設けた。ｎ型ブロック層を全てGaAs層にすると、溝状にエッチングしたブロック層の先端部は、高温によるAs抜けにより、形状が変化し、ストライプ状の溝の底面両コーナーに溜まるなどして、場合によっては、設計のストライプ幅を変化させてしまう。そこで、上述したように、電流ブロック層の上下をｎ-AlXGa1-XAs電流ブロック層(X=0.1、層厚0.1μm)68,70とすることで、エッチング後の形状をそのまま保ったまま再成長することができた。このLPE成長のｐ−AlGaAsクラッド層71と、p-GaAsキャップ層72の不純物にはMgを使用した。この結果、p−AlGaAsクラッド層65のストライプ内は、当初Cによるキャリア濃度4×1017cm-3に対して、Mgの拡散により1×1018cm-3となり、半導体レーザ素子として、電流を効率良くストライプ内に注入することができ、低閾値と、低電流駆動を実現できる。
【００４２】
この第３の工程を同様に、MOCVD法により再成長することも当然可能である。不純物にZnを使用し、成長時間を短縮させる為、ｐ−GaAsキャップ層72の層厚は3μmとした。成長温度は700℃とし、不純物をZnとしたことから、p−AlGaAs第２クラッド層65のストライプ内への拡散は発生しない。この為、第１の工程でp−AlGaAsクラッド層65の成長条件を図２に示すデータからＶ/III比を20とし、キャリア濃度を7×1017cm-3として層厚を0.25μmにした。前述のLPE再成長品に比べ、局所的に不純物を高濃度に出来ない為、p−AlGaAsクラッド層65の不純物濃度を約2倍とした。発生する無効電流を抑える為に、層厚を薄くし、その対応とした。このように、再成長をMOCVDで行った場合においてもほぼ同等の性能の半導体レーザ素子が得られる。
【００４３】
第3の工程で再成長を終えたウエハの基板面を研磨やエッチングで除去し、ウエハの厚さを100μmにした後、ウエハのｎ側とｐ側の両面に電極を付け、ウエハ内に作成したストライプ溝との垂直方向に、バー状となるようへき開分割を行い、出射両面に絶縁膜をコーティングし、半導体レーザ素子を作成した。
【００４４】
図１は本実施例の半導体レーザ素子の不純物濃度プロファイルを示している。この図から、第２クラッド層の導電型が良好にp型に維持されて、ほぼ設計通り(図３参照）の不純物濃度プロファイルが得られたことがわかる。
【００４５】
この製造方法を用いて作成した本構造の半導体レーザ素子は、共振器長を250μmとして、発振閾値35ｍA、光出力5mW時の駆動電流が50ｍA、発振波長785nm、光学特性においても接合方向に対する垂直方向で38°、水平方向で10°と理想的な数値が得られた。雑音特性の目安となる可干渉性においても0.3という良好な値であった。これは、ｐ−AlGaAsクラッド層を更に薄くすることや、共振器長を短くすることで、より低閾値、低駆動電流の半導体レーザ素子を供給することができる。また、製造上で従来ほぼ20回の成長で1回程度の割合で発生していた、ｐ-AlGaAsクラッド層の導伝型ｎ型への反転という不良がなくなった。
【００４６】
次に、共振器長を２００μmとし、p-AlGaAsクラッド層６５、p-GaAsエピサポート層66、および、p-AlGaAsエッチングストップ層６７の成長条件を、V/III比１０、２０、３０、６０とした半導体レーザ装置の評価を行った。表１にそれぞれの光出力５ｍW時の駆動電流Iopを示す
【００４７】
【表１】
0003676965.tif 000002
【００４８】
表1から明らかなように、V/III比１０での半導体レーザ特性は、発振閾値45mA、光出力5mW時の駆動電流Iopが平均約60mAであり、V/III比20乃至60での値と比較して、発振閾値、駆動電流とも増加する傾向が見られた。図9にV/III比と光出力5mW時の駆動電流Iop(mA）との相関を示す。
【００４９】
さらに、V/III比が10の場合には、素子温度80℃、光出力7mWでのエージング試験では、48時間以内に駆動電流値Iopが1.2倍以上に増加する素子も発生し、信頼性の低下が見られた。
【００５０】
一方、V/III比60の場合には、図2より、不純物Cの濃度が3.0×1017cm-3以下となることがあり、また、図10から、キャリア濃度は2.0×1017cm-3以下となる場合がある。このため、p-AlGaAsクラッド層６５の導電型がｎ型へと反転する不良が、5回成長中１度発生し、レーザ発振しないものもあった。
【００５１】
以上の検討結果より、V/III比を20から50にすることで、不純物濃度を3×1017cm-3〜２×1018cm-3とでき、特性、信頼性に優れた良好な半導体レーザ素子を得ることができた。
【００５２】
(参考例）
次に、リッジ構造の半導体レーザ素子の製造例を図１３〜１６を用いて説明する。この例では、図５に示した半導体基板53としてｎ-GaAs基板160を用いる。基板温度が700〜750℃になれば、図13に示すように、ｎ-GaAs基板160にn-GaAsバッファ層(層厚0.5μm、キャリア濃度1×1018cm-3)162、ｎ-AlxGa1-xAs第1クラッド層(ｘ＝0.5、層厚2.7μm、キャリア濃度8×1017cm-3)163、AlxGa1-xAsノンドープ量子井戸活性層164、ｐ-AlxGa1-xAs第2クラッド層(ｘ＝0.5、層厚0.18μm)165、ｐ-GaAsエピサポート層(層厚0.003μm)166、ｐ-AlxGa1-xAs第3クラッド層(X＝0.5、層厚1.4μm)167、ｐ-GaAsキャップ層(層厚0.6μm）168を順に成膜する。この場合のｐ-AlGaAs第2クラッド層165の成長条件は、他の層のIII族原料とＶ族原料とのモル比（V/III比）が60であるのに対して20とした。また、ｐ型不純物としては、III族のGaとAlの供給源であるTMG、TMAのアルキル化物のCを用いた。このときのｐ-AlGaAs第２クラッド層165の不純物濃度（Ｃ濃度）は8×1017cm-3であった。一方、ｐ-AlGaAs第3クラッド層167のｐ型不純物にはＺｎを用いた。また、ｎ-GaAsバッファ層162およびｎ-AlGaAs第１クラッド層163それぞれの不純物はSiとし、供給源としてはSi2H6ガスを使用した。
【００５３】
ここで、前述のV/IIIモル比とC不純物濃度についてのデータを図１２に示す。MOCVD法でAlxGa1-xAs (X=0.5)を750℃で成長した場合のTMG、TMAのアルキル化物のCによるｐ型バックグラウンド不純物濃度は、V/IIIモル比が低下すると増加する。しかし、V/IIIモル比を10以下に低下させると、結晶成長表面に荒れが生じるという問題があり、従来は60〜120で行っていた。前述したように、従来ｐ型不純物として用いていたZnは、成長時やその後の再成長時の熱履歴を得た後、設定の層以外の層へ拡散する。という問題を持っていた。そこで、上記V/IIIモル比を結晶成長表面に荒れの生じない10以上とし、熱履歴を経たのちでも不純物拡散の極めて少ないCを利用した。もちろん、アルキル化物のCを用いず、供給源を別に設けても良い。
【００５４】
その後、SiO2膜をP-CVD（プラズマCVD）法によってキャップ層168全面に形成する。そして、フォトリソグラフィーとフッ酸を用いたエッチングにより、図14に示すように、光出射端面部となる部分に、ストライプ状（幅40μm、ピッチ800μm）のSiO2膜170を形成する。その後、急速熱処理(RTA：Rapid Thermal Anneal)法により、900℃で10分間の熱処理を行うことによって、SiO2ストライプ170の直下の量子井戸活性層164の無秩序化を行い、端面窓領域171を形成する。このとき、SiO2膜の代りにSiN膜を用いてもよい。
【００５５】
その後、SiO2膜170を除去し、フォトリソグラフィーによって、図15に示すように、端面窓領域171と直交するストライプ状のエッチングマスク180を形成する。そして、p-GaAsキャップ層168とp-AlGaAs第3クラッド層167を硫酸系のエッチング液でエッチングする。このとき、p-AlGaAs第3クラッド層167は、層厚0.2μmが残るところまでエッチングされる。次に、残った第3クラッド層167をフッ酸を用いてエッチングする。こうして、第3クラッド層167からなるストライプ状のリッジを形成する。
【００５６】
次に、図16に示すように、ＭＯＣＶＤ法でn-AlxGa1-xAs電流ブロック層(X=0.7、層厚1.0μm、キャリア濃度2×1018cm-3）190、n-GaAs電流ブロック層(層厚0.6μm、キャリア濃度2×1018cm-3）191、p-GaAs平坦化層(層厚0.4μm、キャリア濃度2×1018cm-3）192を再成長した。
【００５７】
その後、フォトリソグラフィーを行い、図16に示すように、リッジ上に成長した電流ブロック層(不要層）上のみをストライプ状に除去したエッチングマスク181を形成する。そしてこの不要層を硫酸系のエッチング液でエッチング除去し、その上に、ＭＯＣＶＤ法によってp-GaAsコンタクト層(図示せず）を成長した。コンタクト層の層厚は50μｍとした。
【００５８】
上記の工程でコンタクト層までの再成長を終えたウェハの基板面を研磨やエッチングで除去してウェハの厚さを100μｍにした後、ウェハのｎ側とｐ側の両面に電極をつける。さらに、ウェハ内のストライプ状に延びるリッジとの垂直方向に、バー状となるよう端面窓領域170の中央でへき開分割を行い、出射両面に絶縁膜をコーティングし、半導体レーザ素子を作成した。
【００５９】
この半導体レーザ素子の不純物濃度プロファイルは、図１１に示す通りであった。
【００６０】
この製造方法を用いて作成した本構造の半導体レーザ素子では、共振器長を800μmとして、発振閾値27ｍA、光出力90mW時の駆動電流が95ｍA、発振波長785nmという良好なレーザ特性が再現性よく得られた。また、破局的光学損傷（COD：Catastrophic Optical Damage)による光出力限界レベルは250mWと、大きな値が得られた。
【００６１】
比較のために、p-AlGaAs第２クラッド層として、Cではなく従来のようにZnを不純物添加した層を用いる他は、上記と同構造の半導体レーザ装置を作成した。この半導体レーザ素子では、共振器長を800μmとして、発振閾値30〜35ｍA、光出力90mW時の駆動電流が105〜120ｍA、発振波長779〜785nmであり、特性の悪化、バラツキ増大の結果となった。加えて、光出力限界レベルも150mWと、小さな値であった。
【００６２】
(実施例２）
本実施例における半導体レーザ素子の製造工程は、p-AlGaAs第３クラッド層167の成長条件を変更した点のみが、参考例と異なる。つまり、参考例では、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（Ｖ/III比）を６０とし、ｐ型不純物としてZnを用いたが、実施例２では、Ｖ族原料とIII族原料とのモル比（Ｖ/III比）を１０とし、ｐ型不純物として、p-AlGaAs第２クラッド層165と同様に、III族のGaとAlの供給源であるTMG、TMAのアルキル化物のCを用いた。このときの第３クラッド層167の不純物濃度（Ｃ濃度）は、図１２からわかるように、2×1018cm-3であった。
【００６３】
本実施例で作成した半導体レーザ素子では、共振器長を800μmとして、発振閾値26ｍA、光出力90ｍＷ時の駆動電流が90ｍA、発振波長785nmという良好なレーザ特性が再現性よく得られた。また、破局的光学損傷による光出力限界レベルは270mWと、大きな値が得られた。以上、実施例３の半導体レーザ素子では、実施例２の半導体レーザ素子よりも良好な素子特性が得られた。これは、p-AlGaAs第３クラッド層167の成長条件の違いにより、この層からの不純物拡散が減少したためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体レーザ素子の構造断面図と不純物プロファイルである。
【図２】  本発明のCキャリア濃度Ｖ／III比依存性グラフである。
【図３】  (A〜B)従来例の半導体レーザ素子の構造断面図と不純物プロファイル設計と実際のプロファイルである。
【図４】  (A〜C)半導体レーザの製造工程図である。
【図５】  有機金属気相成長装置の模式図である。
【図６】  本発明の実施例１の半導体レーザ素子の構造と製造工程図である。
【図７】  本発明の実施例１の半導体レーザ素子の構造と製造工程図である。
【図８】  本発明の実施例１の半導体レーザ素子の構造と製造工程図である。
【図９】  Ｖ/III比と光出力５mW時の駆動電流との相関を示す。
【図１０】  不純物濃度とキャリア濃度との相関を示す。
【図１１】  本発明の半導体レーザ素子の構造断面図と不純物プロファイルである。
【図１２】  本発明のCキャリア濃度Ｖ／III比依存性グラフである。
【図１３】  本発明の実施例２および参考例の半導体レーザ素子の製造工程図である。
【図１４】  本発明の実施例２および参考例の半導体レーザ素子の製造工程図である。
【図１５】  本発明の実施例２および参考例の半導体レーザ素子の製造工程図である。
【図１６】  本発明の実施例２および参考例の半導体レーザ素子の製造工程図である。
【符号の説明】
10  n-GaAs基板
12  n-GaAsバッファ層
13  n-AlGaAsクラッド層
14  AlGaAs活性層
15  p-AlGaAsクラッド層
16  n-GaAs電流ブロック層
17  p-AlGaAsクラッド層
18  p-GaAsキャップ層
40  エッチングマスク
50  試料導入室
51  成長室
52  ウェハホルダー
53  半導体基板
54  ヒーター
55  真空ポンプ
56  ゲートバルブ
60  n-GaAs基板
62  n-GaAsバッファ層
63  n-AlGaAs第1クラッド層
64  AlGaAs活性層
65  p-AlGaAs第2クラッド層
66  p- GaAsエピサポート層
67  p-AlGaAsエッチングストップ層
68  n-AlGaAs第1ブロック層
69  n-GaAs第2ブロック層
70  n-AlGaAs第3ブロック層
71  p-ALGaAs第3クラッド層
72  p-GaAsキャップ層
160  n-GaAs基板
162  n-GaAsバッファ層
163  n-AlGaAs第1クラッド層
164  AlGaAs量子井戸活性層
165  p-AlGaAs第2クラッド層
166  p-GaAsエピサポート層
167   p-AlGaAs第3クラッド層
168  p-GaAsキャップ層
171  端面窓領域
180,181  エッチングマスク
190  n-AlGaAs電流ブロック層
191  n-GaAs電流ブロック層
192  p-GaAs平坦化層
【図１】
0003676965.tif 000003
【図２】
0003676965.tif 000004
【図３】
0003676965.tif 000005
【図４】
0003676965.tif 000006
【図５】
0003676965.tif 000007
【図６】
0003676965.tif 000008
【図７】
0003676965.tif 000009
【図８】
0003676965.tif 000010
【図９】
0003676965.tif 000011
【図１０】
0003676965.tif 000012
【図１１】
0003676965.tif 000013
【図１２】
0003676965.tif 000014
【図１３】
0003676965.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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