(57)【要約】【課題】  レーザダイオードの製造方法を提供する。【解決手段】  Ａｌ元素を含む下部半導体物質層、活性層及びＡｌ元素を含む上部半導体物質層を含むレーザダイオードの製造方法において、Ａｌ元素を含む下部半導体物質層の積層された基板がローディングされている真空チャンバの内部を熱的に洗浄する工程を含み、前記洗浄工程では、前記真空チャンバ内に流れ込まれるＡｓＨ３及びＨ２の混合ガス雰囲気で前記真空チャンバの内部を所定の温度で熱処理する。【選択図】            図２
2006019744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ元素を含む下部半導体物質層、活性層及びＡｌ元素を含む上部半導体物質層を含むレーザダイオードの製造方法において、
Ａｌ元素を含む下部半導体物質層の積層された基板がローディングされている真空チャンバの内部を熱的に洗浄する工程を含み、
前記洗浄工程では、前記真空チャンバ内に流れ込むＡｓＨ３及びＨ２の混合ガス雰囲気で、前記真空チャンバの内部を所定の温度で熱処理することを特徴とするレーザダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記熱処理は、７００℃ないし１２００℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記熱処理は、０.１分ないし１８０分間行われることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記真空チャンバ内に流れ込む前記ＡｓＨ３及び前記Ｈ２のガス流量は、それぞれ０.１ｓｃｃｍないし１００００ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記混合ガスは、ＳｉＨ４をさらに含み、前記真空チャンバ内に流れ込む前記ＳｉＨ４のガス流量は、０.１ｓｃｃｍないし１００００ｓｃｃｍであることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項６】
前記Ａｌ元素を含む下部半導体物質層上にＧａＡｓ層、ＧａＡｓＮ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＰ層及びＩｎＧａＡｓＰ層のうち、少なくとも何れか一層がさらに積層されることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項７】
前記洗浄工程後に、前記Ａｌ元素が含まれている下部半導体物質層上にＩｎＧａＡｓＮ層が積層されることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項８】
前記Ａｌ元素が含まれている下部半導体物質層と前記ＩｎＧａＡｓＮ層との間にＧａＡｓ層、ＧａＡｓＮ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＰ層及びＩｎＧａＡｓＰのうち、少なくとも何れか一層がさらに積層されることを特徴とする請求項７に記載のレーザダイオードの製造方法。
【請求項９】
前記Ａｌ元素を含む下部半導体物質層は、前記真空チャンバ内で積層されることを特徴とする請求項１に記載のレーザダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードの製造方法に係り、さらに詳細には、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性を向上させるレーザダイオードの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、光学素子は、レーザプリンタ、光学イメージ保存、地下光ケーブルシステム及び光通信を含む広範囲な技術領域で、高速データ通信を実現するために活発に研究されてきた。
【０００３】
高速かつ低コストの通信システムに対する要求に応えるため、光ファイバは、さらに長い波長の光伝送帯域を有するように開発されており、現在１.３μｍないし１.５μｍ以上の範囲を有する波長帯域で使えるように開発されている。
【０００４】
このような光ファイバを利用して、高速データ情報の伝送のための光信号への適切な変換を行うためには、光ファイバの光伝送帯域と符合する波長を有するレーザ発振信号を確保しなければならない。
【０００５】
その結果、ＧａＡｓ−系列の垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎ Ｇｌａｓｅｒ）ダイオードが開発された。ＧａＡｓ−系列の垂直共振器表面発光レーザダイオードは低コストであり、光ファイバ同士の結合が容易であるので、高水準のデータリンクが行なえるトランスミッタが不可欠である。  また、このようなＧａＡｓ−系列のＶＣＳＥＬに窒素を添加することによって、長波長のレーザ発振を具現できるという研究の結果が、Ｍ.Ｋｏｎｄｏｗらによって発表された（非特許文献１参照）。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓ物質に少量の窒素を添加することによって、長波長を実現したＫｏｎｄｏｗの研究論文の発表後、ＭＡＮ（Ｍｅｔｒｏ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）で使われる光通信部品の必要性によってＩｎＧａＡｓＮを利用した１.３μｍ波長帯のレーザダイオードの開発が活発になった。
【０００７】
しかし、最近、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性がＡｌ元素の影響によって低下するという研究結果が報告された（非特許文献２参照）。
【０００８】
図１は、従来のレーザダイオードの製造方法を説明する工程フローチャートである。
【０００９】
まず、真空チャンバＡ内に基板をローディングし（２）、基板上にＡｌ元素を含む半導体物質層、すなわち第１ ＡｌＧａＡｓクラッド層を形成する（４）。そして、基板を真空チャンバＢに移動させる。次いで、第１ ＡｌＧａＡｓクラッド層上に第１ ＧａＡｓ障壁層を形成し（５）、そして、第１ ＧａＡｓ障壁層上にＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層を形成する（６）。次いで、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層上に第２ ＧａＡｓ障壁層を形成し（７）、第２ ＧａＡｓ障壁層上に第２ ＡｌＧａＡｓクラッド層を形成する（８）。
【００１０】
ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性に対するＡｌ元素の影響は、Ａｌ元素を含む半導体物質層、すなわち、ＡｌＧａＡｓクラッド層や分散ブラグ反射（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）層の成膜工程と前記半導体物質層上にＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層を成膜する工程とが単一の真空チャンバ内で行われる場合に、特に問題になる。
【００１１】
これは、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層が成膜される時、真空チャンバの内部に残留するＡｌ元素とＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層のソース元素であるＮ元素とが結合して、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性を低下させるためである。
【００１２】
したがって、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性に対するＡｌ元素の影響を避けるために、別途の真空チャンバでＡｌＧａＡｓクラッド層またはＤＢＲ層及びＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層を形成する。
【００１３】
Ａｌ元素の影響を避けるためのさらに他の方法は、周期的に真空チャンバをクリーニングすることである。すなわち、ＡｌＧａＡｓクラッド層またはＤＢＲ層を成膜する過程で真空チャンバに累積されたＡｌ元素を除去するために、周期的に真空チャンバ全体を分解して真空チャンバの内部に残留するＡｌ元素を除去する。
【００１４】
しかし、このような工程方法は、追加装備によるコスト増加だけでなく、工程進行が非常に遅くなって非効率的であり、真空チャンバのクリーニングのための熟練された人力が要求される。
【００１５】
また、成膜工程を中断して再び実施するので、既成の半導体物質層上に欠陥発生及び不純物が流れ込んでレーザダイオードの再現性や信頼性を低下させるという問題をもたらした。
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ.，ｖｏｌ.３５（１９９６），ｐｐ.１２７３−１２７５，Ｐａｒｔ １，Ｎｏ.２Ｂ，“ＩｎＧａＡｓＮ：Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｒａｎｇｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ.，Ｖｏｌ.４３，Ｎｏ.４Ａ，２００４，ｐｐ.１２６０−１２６３，“Ａｌ Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ＩｎＧａＡｓＮ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ Ｇｒｏｗｎ ｂｙ Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ １.３μｍ ＩｎＧａＡｓＮ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒｓ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前記従来の技術の問題点を改善するためのものであって、Ａｌ元素を含む半導体物質層の成膜工程とＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の成膜工程とが単一の真空チャンバ内で行われると同時に、前記ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性を向上させるレーザダイオードの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記課題を達成するために本発明は、下部半導体物質層、活性層及び上部半導体物質層を含むレーザダイオードの製造方法において、Ａｌ元素を含む半導体物質層の積層された基板がローディングされている真空チャンバの内部を熱的に洗浄する工程を含み、前記洗浄工程では、前記真空チャンバ内に流れ込むＡｓＨ３及びＨ２の混合ガス雰囲気で前記真空チャンバの内部を所定の温度で熱処理することを特徴とするレーザダイオードの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によるレーザダイオードの製造方法によれば、成膜工程中に真空チャンバの内部に残留するＡｌ元素を除去する熱的洗浄工程を含み、したがって、別途の真空チャンバを運用せずとも単一の真空チャンバ内でレーザダイオードの製造工程が行われる。
【００１９】
したがって、別途の真空チャンバの運用によるコストを低減させることができ、単一の真空チャンバ内で製造工程が行われるので、工程時間が短縮される。
【００２０】
また、成膜工程が中断されず、単一の真空チャンバ内で持続され続けるので、既成の半導体物質層上に欠陥の発生及び不純物の流入が発生しない。したがって、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性が向上し、これにより、レーザダイオードの再現性や信頼性が向上しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明によるレーザダイオードの製造方法を、添付された図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図２及び図３は、本発明の製造方法によるレーザダイオードの断面図である。
【００２３】
まず、図２に示したレーザダイオードは、ｎ型ＧａＡｓ基板２２上にＧａＡｓバッファ層２３、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２４、活性層２６、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２８及びｐ型ＧａＡｓキャップ層が順次に積層されている。
【００２４】
そして、ｎ型ＧａＡｓ基板２２の裏面には、ｎ型電極２０が形成されており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層上にｐ型電極３０が形成されている。
【００２５】
また、活性層２６は、中央にＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層２６ａ、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層２６ａとクラッド層２４，２８の間に形成されたＧａＡｓ障壁層２６ｂとを含む。
【００２６】
図３に示したレーザダイオードは、ｎ型ＧａＡｓ基板４２上にＧａＡｓバッファ層４３、下部ＤＢＲ層４４、活性層４６、上部ＤＢＲ層４８及びｐ型ＧａＡｓキャップ層４９が順次に積層されている。
【００２７】
そして、ｎ型ＧａＡｓ基板４２の裏面には、ｎ型電極４０が形成されており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層４９上にｐ型電極５０が形成されている。
【００２８】
また、活性層４６は、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層４６ａとＧａＡｓ障壁層４６ｂとを含む。ＧａＡｓ障壁層４６ｂは、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層４６ａとＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層４６ａとの間、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層４６ａと下部ＤＢＲ層４４との間、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層４６ａと上部ＤＢＲ層４８との間に積層されている。
【００２９】
下部ＤＢＲ層４４は、ＡｌＧａＡｓ層４４ａ及びＧａＡｓ層４４ｂが交互に積層されている構造を有する。また、上部ＤＢＲ層４８は、ＡｌＧａＡｓ層４８ａ及びＧａＡｓ層４８ｂが交互に積層されている構造を有する。
【００３０】
図４は、本発明の一実施形態によるレーザダイオードの製造方法を説明する工程フローチャートである。
【００３１】
まず、真空チャンバＡ内に基板をローディングして（６２）、基板上にＡｌ元素を含む半導体物質層、すなわち、第１ ＡｌＧａＡｓクラッド層を形成する（６４）。次いで、前記第１ ＡｌＧａＡｓクラッド層上に第１ ＧａＡｓ障壁層を形成する（６５）。
【００３２】
前記Ａｌ元素を含む半導体物質層、すなわち、ＡｌＧａＡｓクラッド層の形成時には、真空チャンバＡの内部にＡｌソース元素が供給され、前記半導体物質層の形成に寄与しないＡｌソース元素のうち一部が真空チャンバＡの外部に排出されず、真空チャンバＡの内部に残存する。このようなＡｌソース元素の残存部分は、真空チャンバＡの内面または既成の半導体物質層の表面上に残存できる。
【００３３】
従来の技術で説明したように、前記真空チャンバの内部に残存するＡｌ元素は、以後、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の成膜工程時にＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層のソース元素であるＮ元素と結合して、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性を低下させる。
【００３４】
前記のようなＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性の低下は、Ａｌ元素を含む半導体物質層、すなわち、ＡｌＧａＡｓクラッド層の成膜工程と前記半導体物質層上にＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層を成膜する工程とが単一の真空チャンバ内で行われる場合に、特に問題になる。
【００３５】
したがって、本発明によるレーザダイオードの製造方法では、前記ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層を形成する前に、Ａｌ元素を含む半導体物質層、すなわち、第１ ＡｌＧａＡｓクラッド層の積層された基板が内在されている真空チャンバＡの内部を熱的に洗浄する工程（６６）を含む。
【００３６】
前記洗浄工程では、前記真空チャンバＡ内に流れ込むＡｓＨ３及びＨ２の混合ガス雰囲気で、前記真空チャンバＡの内部を所定の温度で熱処理する。
【００３７】
前記熱処理は、７００℃ないし１２００℃温度範囲で０.１分ないし１８０分間行われる。望ましくは、前記熱処理は、８５０℃の温度で３０分間行われる。
【００３８】
また、前記真空チャンバＡ内に流れ込まれる前記ＡｓＨ３及びＨ２のガス流量は、それぞれ０.１ｓｃｃｍないし１００００ｓｃｃｍになるように調節される。望ましくは、前記洗浄工程中に基板上の半導体物質層の表面が損傷されないように、前記制限された範囲内で十分な量のＡｓＨ３が真空チャンバＡ内に流れ込ませる。ここで、望ましくは、前記混合ガスは、ＳｉＨ４をさらに含みうる。
【００３９】
熱処理する時、前記混合ガスがＳｉＨ４をさらに含んでいれば、真空チャンバＡの内部に残存するＡｌ元素をさらに効率的に除去できる。
【００４０】
前記真空チャンバＡ内に流れ込む前記ＳｉＨ４のガス流量は、０.１ｓｃｃｍないし１００００ｓｃｃｍになるように調節される。望ましくは、前記ＳｉＨ４のガス流量は、１ｓｃｃｍになるように調節される。
【００４１】
前記のような熱的洗浄工程（６６）を通じて、Ａｌ元素を含む半導体物質層の成膜工程後に、真空チャンバＡの内部に残存するＡｌ元素を除去できる。
【００４２】
また、前記Ａｌ元素を含む半導体物質層の形成と前記熱的洗浄工程とは、単一の真空チャンバＡ内で行われる。
【００４３】
したがって、従来のような追加装備によるコスト増加の問題や、成膜工程の中断による既成の半導体物質層上に不純物の流入などの問題を解決できる。
【００４４】
前述したような熱的洗浄工程（６６）を通じて、前記真空チャンバＡの内部に残留するＡｌ元素を除去した後に、前記第１ ＧａＡｓ障壁層上にＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層を形成する（６７）。
【００４５】
また、前記ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層上に第２ ＧａＡｓ障壁層を形成し（６８）、次いで、第２ ＧａＡｓ障壁層上に第２ ＡｌＧａＡｓクラッド層を形成する（６９）。
【００４６】
前記Ａｌ元素を含む半導体物質層は、ＡｌＧａＡｓクラッド層以外にも、ＤＢＲ層またはＡｌ元素を含む他の物質層になりうる。
【００４７】
このようなレーザダイオードの製造方法によれば、別途の真空チャンバを運用せずとも、単一の真空チャンバ内でレーザダイオードの製造工程が行われる。したがって、別途の真空チャンバの運用によるコストを低減させることができ、単一の真空チャンバ内で製造工程が行われるので、工程時間が短縮される。
【００４８】
また、成膜工程が中断されず、単一の真空チャンバ内で持続され続けるので、既成の半導体物質層上に欠陥の発生及び不純物の流入が発生しない。したがって、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性が向上し、これにより、レーザダイオードの再現性や信頼性が向上しうる。
【００４９】
前記レーザダイオードの製造方法は、ＭＯＣＶＤ（（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって行われる。
【００５０】
前述した実施形態では、障壁層がＧａＡｓ層である場合に制限して説明されているが、本発明の他の実施形態によれば、前記障壁層は、ＧａＡｓ層、ＧａＡｓＮ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＰ層及びＩｎＧａＡｓＰ層のうち選択される少なくとも何れか一層で形成されることもある。
【００５１】
したがって、前記ＧａＡｓ層、ＧａＡｓＮ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＰ層及びＩｎＧａＡｓＰ層のうち選択される少なくとも何れか一層を形成した後、前記熱的洗浄工程が実施される。
【００５２】
また、前述した実施形態では、前記熱的洗浄工程（６６）がＡｌＧａＡｓクラッド層上にＧａＡｓ障壁層を形成（６５）した後に実施されているが、本発明の他の実施形態によれば、前記熱的洗浄工程（６６）は、ＡｌＧａＡｓクラッド層を形成した（６４）直後に実施されることもある。
【００５３】
したがって、前記熱的洗浄工程（６６）を実施した後に、第１ ＡｌＧａＡｓクラッド層上に第１ ＧａＡｓ障壁層を形成（６５）できる。前記障壁層は、ＧａＡｓ層、ＧａＡｓＮ層、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＰ層及びＩｎＧａＡｓＰ層のうち選択される少なくとも何れか一層で形成できるということは、前述した通りである。
【００５４】
また、前述した実施形態では、前記量子ウェル層は、単層である場合に制限して説明されているが、本発明の他の実施形態によれば、前記量子ウェル層は、多重量子ウェル層として形成される。
【００５５】
このような変更は、前述した実施形態から容易に理解及び導出される。
【００５６】
図５は、本発明の製造方法によって、図３に示したレーザダイオードの製造時に熱処理温度の変化によるＰＬ（ＰｈｏｔｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）強度及び半値幅の変化を示すグラフである。
【００５７】
グラフで、実線は、熱処理温度の変化によるＰＬ強度を表し、８５０℃でＰＬ強度が最も大きい値を有する。グラフで、点線は、半値幅の変化（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）を表し、８５０℃で最も低い値を有する。したがって、８５０℃で熱処理することが最も優秀なＰＬ特性を有するレーザダイオードが得られる。
【００５８】
前記実験結果とは逆に、熱的洗浄工程を含んでいないレーザダイオードの製造方法によって、単一の真空チャンバ内で成膜工程を進めて得たレーザダイオードは、ＰＬが測定されなかった。これは、真空チャンバ内に残存するＡｌ元素の影響によって、ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層の光学特性が低下した結果と見なすことができる。
【００５９】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。本発明の範囲は、説明された実施形態によって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、レーザダイオードに関連した技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来のレーザダイオードの製造方法を説明する工程フローチャートである。
【図２】本発明の製造方法によるレーザダイオードの断面図である。
【図３】本発明の製造方法によるレーザダイオードの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態によるレーザダイオードの製造方法を説明する工程フローチャートである。
【図５】本発明の製造方法によって、図３に示したレーザダイオードの製造時に熱処理温度の変化によるＰＬ強度及び半値幅の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
２０    ｎ−電極
２２    ｎ−ＧａＡｓ基板
２３    ＧａＡｓバッファ層
２４    ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
２６    活性層
２６ａ    ＩｎＧａＡｓＮ量子ウェル層
２６ｂ    ＧａＡｓ障壁層
２８    Ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
２９    Ｐ−ＧａＡｓキャップ層
３０    Ｐ−電極
【図１】
2006019744.tif 000003
【図２】
2006019744.tif 000004
【図３】
2006019744.tif 000005
【図４】
2006019744.tif 000006
【図５】
2006019744.tif 000007