(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相成長用ボート上に成長用原料と共にセットされ、半導体層が形成された基板に対して不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う予備室と、該液相成長用ボート上に成長用原料と共にセットされた基板上に液相成長により他の半導体層を形成する成長室とを少なくとも備えた液相成長装置。
【請求項２】
基板上に有機金属気相成長法により半導体層を形成し、該半導体層に選択エッチングによりチャンネル溝を形成する工程と、
不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う予備室と、液相成長により半導体層を形成する成長室とを備えた液相成長装置を用いて、相成長用ボート上に成長用原料と共にセットされ、該半導体層が形成された基板に対して予備室内で熱処理を行い、引き続いて成長室内で該基板上に他の半導体層を形成する工程とを含む半導体レーザ素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、基板上に液相成長により半導体層を形成する液相成長装置およびそれを用いた半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
亜鉛をＰ型不純物として有機金属気相成長法によりＰ型結晶層を作製すると、アクセプタ濃度が低濃度で飽和するので、不純物の活性化率が低下してしまう。特に、従来の半導体レーザ素子の場合、Ｐ型クラッド層のアクセプタ濃度が低いと、活性層とＰ型クラッド層との間のヘテロ障壁が低くなって活性層への電子の閉じ込めが弱くなり、発振開始電流の増大や温度特性の悪化など、デバイス特性の悪化を招く。したがって、この半導体レーザ素子の特性改善には、Ｐ型結晶層のアクセプタ濃度を向上させる必要がある。
【０００３】
この亜鉛の活性化率の低下には、有機金属気相成長法で結晶層を成長させる際にＰ型結晶層内に取り込まれる水素が関与しているものと考えられている。このため、従来、結晶層の成長後に熱処理工程を追加してＰ型結晶層内の水素を脱離させることにより活性化率の向上、即ちアクセプタ濃度の増加が図られていた。
【０００４】
図４（ａ）〜図４（ｆ）に従来の半導体レーザ素子における各製造工程の断面図を示している。
【０００５】
まず、図４（ａ）のヘテロエピタキシャル工程に示すように、Ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に有機金属気相成長法により半導体レーザ素子の主要部（Ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＡｌＧａＡｓ活性層１４、Ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５、Ｐ型ＧａＡｓ熱処理保護層１６、Ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング阻止層１７さらにＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８）を順次成長させる。次に、図４（ｂ）のレジスト塗布・フォトアライメント工程に示すように、公知の手法によりフォトレジスト２１をＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８上に塗布してマスクアライメントを行い、図４（ｃ）のチャンネル溝形成エッチング工程に示すように、化学エッチングにより選択的にエッチングを行ってＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８さらにＰ型ＡｌＧａＡｓエッチング阻止層１７を除去し、熱処理保護層１６の直上まで半導体レーザ素子の電流通路となるチャンネル溝２２を形成する。
【０００６】
その後、この状態の基板を熱処理炉内にセットして所定の熱処理を行い、Ｐ型不純物である亜鉛を活性化させる。ところが、この熱処理中、上述のようにして積層された半導体層の最表面が熱により損傷を受けて、図４（ｄ）の熱処理工程に示すような熱損傷層２３が形成される。このため、基板を熱処理炉から取り出した後、図４（ｅ）の熱損傷層除去エッチング工程に示すように、化学エッチングにより熱損傷層２３を除去する。その後、基板を気相成長装置または液相成長装置に導入し、図４（ｆ）の埋め込み成長工程に示すように、その基板上にＰ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１９を成長させてチャンネル溝２２を埋め込む。さらに、Ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１９上にＰ型ＧａＡｓキャップ層２０を成長させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の半導体レーザ素子のように、亜鉛をＰ型不純物として有機金属気相成長法によりＰ型結晶層を作製すると、不純物の活性化率が低下してしまうが、これを防ぐため、結晶層の成長後に熱処理工程を追加してＰ型結晶層内の水素を脱離させることにより活性化率の向上が図られている。この方法においては、有機金属気相成長法により半導体レーザ素子の主要部（Ｎ型クラッド層、活性層、Ｐ型クラッド層など）を成長後、一旦成長装置の外へ基板を取り出し、次の熱処理工程で熱処理炉内に基板をセットして不活性ガス雰囲気中で熱処理を行うことによりＰ型結晶層内の水素を離脱させている。このため、製造工程が増加し、基板の移し替えなどのハンドリング作業が増えて、製造工程が増えるとともに製造コストの上昇などにも繋がる。
【０００８】
また、熱処理工程において積層体の最表面が熱による損傷を受け、非常に結晶性が乱れた熱損傷層が形成されてしまうので、有機金属気相成長の際に基板最表面に熱処理保護層を設けて必要な結晶層を熱損傷から保護している。このため、熱処理後、チャンネル溝を埋め込む再成長工程の前にこの熱損傷層を除去する工程が必要となり、さらに製造工程の増加となる。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、製造工程を増加させることなく熱処理および熱損傷層の除去を行って、亜鉛の活性化率を向上させることができる液相成長装置およびそれを用いた半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の液相成長装置は、液相成長用ボート上に成長用原料と共にセットされ、半導体層が形成された基板に対して不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う予備室と、該液相成長用ボート上に成長用原料と共にセットされた基板上に液相成長により他の半導体層を形成する成長室とを少なくとも備えており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１１】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に有機金属気相成長法により半導体層を形成し、該半導体層に選択エッチングによりチャンネル溝を形成する工程と、
不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う予備室と、液相成長により半導体層を形成する成長室とを備えた液相成長装置を用いて、相成長用ボート上に成長用原料と共にセットされ、該半導体層が形成された基板に対して予備室内で熱処理を行い、引き続いて成長室内で該基板上に他の半導体層を形成する工程とを含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００１２】
【作用】
本発明においては、液相成長により再成長を行っているので、結晶成長が熱平衡状態で行われ、亜鉛を活性化させるための熱処理により熱損傷を受けた最表面がメルトバック（溶融解離）される。したがって、熱処理工程から再成長工程の間に、熱損傷された最表面をエッチング除去する必要が無い。
【００１３】
また、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う予備室と、液相成長により半導体層を形成する成長室とを備えた本発明の液相成長装置を用いることにより、基板を成長装置外に取り出すことなく、熱処理工程と再成長工程とを同一の液相成長装置内で連続して行うことができて、作業性が向上し、工程数も低減される。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、従来例と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を用いた。また、本発明は本実施例に限定されるものではない。
【００１５】
図１は本発明の実施例で作製した半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。図１において、この半導体レーザ素子は、Ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、主要部として、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、Ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１３、ＡｌO.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１４、Ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１５、Ｐ型ＧａＡｓ熱処理保護層１６、Ｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓエッチング阻止層１７さらにＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８が順次設けられている。これらＰ型ＧａＡｓ熱処理保護層１６、Ｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓエッチング阻止層１７およびＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８には半導体レーザ素子の電流通路となるチャンネル溝２２が設けられており、これを埋め込むようにＰ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１９が設けられている。更にその上には、Ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０が設けられている。
【００１６】
本発明の特徴は製造方法にあり、この半導体レーザ素子は、以下のようにして作製することができる。
【００１７】
まず、図２（ａ）のヘテロエピタキシャル成長工程に示すように、Ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に有機金属気相成長法により、層厚０．５μｍのＮ型ＧａＡｓバッファ層１２、層厚１．０μｍのＮ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１３、層厚０．０８μｍのＡｌO.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１４、層厚０．３５μｍのＰ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１５、層厚０．０１μｍのＰ型ＧａＡｓ熱処理保護層１６、層厚０．０２μｍのＰ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓエッチング阻止層１７、さらに層厚０．６μｍのＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８を順次成長させて形成する。
【００１８】
次に、有機金属成長装置から基板を取り出して、図２（ｂ）のレジスト塗布・フォトアライメント工程に示すように、その積層体の表面にフォトレジスト２１を塗布して幅５μｍ程度にマスクアライメントを行う。
【００１９】
その後、第１のエッチャントを用いてＮ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８をエッチングする。この第１のエッチャントとしては、例えばＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2０＝１：３０：５０のように、ＧａＡｓに比べてＡｌＧａＡｓへのエッチング速度がきわめて小さいものを用いる。この第１のエッチャントを用いたエッチング条件は、例えば２０℃、３０秒である。これにより、Ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１８を分断するようにＰ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓエッチング阻止層１７の直上に達する溝が形成される。続いて、第２のエッチャントを用いて上記溝内に露出しているＰ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓエッチング阻止層１７部分をエッチングする。この第２のエッチャントとしては、例えば弗酸のように、ＡｌＧａＡｓに比べてＧａＡｓへのエッチング速度がきわめて小さいものを用いる。この第２のエッチャントを用いたエッチング条件は、例えば２５℃、５秒である。これにより、図２（ｃ）のチャンネル溝形成エッチング工程に示すように、熱処理保護層１６の直上までエッチングして、半導体レーザ素子の電流通路となるチャンネル溝２２を形成する。その後、アセトン→メタノール→水洗など、公知のレジスト除去方法を用いてフォトレジスト２１を除去する。
【００２０】
さらに、この状態の基板を、図３に示すような液相成長装置にセットし、亜鉛の活性化のための熱処理および溝埋め込みのための再成長を行う。
【００２１】
まず、上記半導体層が積層形成された基板および成長用原料を準備室３４内で液相成長用ボート３５上にセットし、この成長用ボート３５を上記基板と共に予備室３３へ搬送する。次に、予備室３３を一旦真空状態にした後、予備室３３内に窒素を導入し、予備室３３内をヒータ３６で加熱することにより、上記基板の半導体層を窒素雰囲気中で熱処理する。このときの熱処理条件は、例えば６００℃、１５分である。この熱処理によりＰ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１５内の水素を離脱させるが、同時に上記基板の積層体の最表面が熱により損傷を受けて、図２（ｄ）の熱処理工程に示すような熱損傷層２３が形成される。
【００２２】
その後、予備室３３を一旦真空状態にした後、予備室３３内に水素を導入し、ゲートバルブ３２を開けて成長用ボート３５を、熱処理された基板と共に成長室３１に搬送する。さらに、成長室３１内で液相成長法により、層厚１．０μｍのＰ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１９を成長させる。このとき、図２（ｅ）の埋め込み液相成長工程に示すように、積層体最表面の熱損傷層２３および熱処理保護層１６が融液中にメルトバックされて消失する。この液相成長工程において、ＧａＡｓはＡｌＧａＡｓに比べて融点が低いので、ＧａＡｓからなる熱処理保護層１６および熱損傷層２３はメルトバックされ易く、その下のＡｌＧａＡｓからなるＰ型クラッド層１５およびＰ型エッチング阻止層１７はメルトバックされ難い。よって、成長温度、融液の組成などの成長条件をコントロールすることによりメルトバック量をコントロールして、熱損傷層２３および熱処理保護層１６のみをメルトバックすることができる。このときの成長条件は、例えば初期温度８００℃、過冷却温度３．５℃、冷却速度１℃／分、融液の組成Ｇａ（ガリウム）：２５ｇ、Ａｌ（アルミニウム）：３２．７５ｇ、ＧａＡｓ多結晶：１．１ｇ、Ｍｇ（マグネシウム）：２．１ｍｇである。
【００２３】
続いて、層厚５０μｍ程度のＰ型ＧａＡｓキャップ層２０を成長させて図１に示すような本発明の半導体レーザ素子とすることができる。
【００２４】
このように、有機金属気相成長法で作製したＰ型結晶層のアクセプタ濃度向上を目的とした熱処理を単独で行わず、液相成長装置の中で熱処理と埋め込み再成長とを連続して行うことにより、製造工程を増加させることなく熱処理および熱損傷層の除去を行って、亜鉛の活性化率を向上させることができて、半導体レーザ素子の製造方法の作業性を改善することができる。
【００２５】
なお、上記実施例では、ＡｌＧａＡｓを用いた場合について説明したが、本発明はこの材料系に限らず、他の材料系（例えばＩｎＧａＡｌＰ系、ＧａＮ系など）を用いてもよい。また、半導体層の組成比、チャンネル溝形成工程におけるエッチャントやエッチング条件、熱処理工程における不活性ガスや熱処理条件、液相成長工程における融液や成長条件などについても、上述した実施例のものに限らない。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、チャンネル溝埋め込みのための再成長を液相成長により行っており、この結晶成長が熱平衡状態で行われるので、亜鉛を活性化させるための熱処理により熱損傷を受けた最表面がメルトバックされる。したがって、熱処理工程から再成長工程の間に、熱損傷された最表面をエッチング除去する必要が無い。
【００２７】
また、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う予備室と、液相成長により半導体層を形成する成長室とを備えた本発明の液相成長装置を用いているので、基板を成長装置外に取り出すことなく、熱処理工程と再成長工程とを同一の液相成長装置内で連続して行うことができる。したがって、熱処理工程を単独で行う必要が無く、基板のハンドリング作業を低減できるので、作業性が向上し、工程数を低減することができる。
【００２８】
したがって、Ｐ型結晶層のアクセプタ濃度を向上させて素子特性が良好な半導体レーザ素子を得ることができ、しかも、製造工程を増加させず、製造コストの低減をも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例において作製した半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施例における半導体レーザ素子の作製プロセスを示す各工程の断面図である。
【図３】本発明の実施例で用いた液相成長装置を示す模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は従来の半導体レーザ素子の作製プロセスを示す各工程の断面図である。
【符号の説明】
１１    Ｎ型ＧａＡｓ基板
１２    Ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３    Ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
１４    ＡｌO.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層
１５    Ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
１６    Ｐ型ＧａＡｓ熱処理保護層
１７    Ｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓエッチング阻止層
１８    Ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層
１９    Ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層
２０    Ｐ型ＧａＡｓキャップ層
２１    フォトレジスト
２２    チャンネル溝
２３    熱損傷層
３１    成長室
３２    ゲートバルブ
３３    予備室
３４    準備室
３５    液相成長用ボート
３６    加熱用ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003664449.tif 000004
【図４】
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