(57)【要約】【課題】量子井戸活性層の無秩序領域が明確にかつ精度よく形成され、高性能の化合物半導体素子を提供すること、並びにこのような化合物半導体素子を容易に、かつ高歩留まりで製造し得る方法を提供する。【解決手段】基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子において、前記活性層が、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層してなり、かつ結晶構造が秩序化されている領域と結晶構造が無秩序化された領域とが水平方向に交互に形成されているとともに、前記ウエル層において前記結晶構造が秩序化されている領域の混晶成分の組成と、前記結晶構造が無秩序化された領域の混晶成分の組成とが２０％以上異なることを特徴とする化合物半導体素子。【選択図】      図１
2004165361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子において、
前記活性層が、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層してなり、かつ結晶構造が秩序化されている領域と結晶構造が無秩序化された領域とが水平方向に交互に形成されているとともに、前記ウエル層において前記結晶構造が秩序化されている領域の混晶成分の組成と、前記結晶構造が無秩序化された領域の混晶成分の組成とが２０％以上異なることを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項２】
前記活性層を挟んで、それぞれ化合物半導体からなる上部クラッド層及び下部クラッド層が形成された半導体層を備えることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体素子。
【請求項３】
前記ウエル層がＧａＡｓからなり、前記バリア層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、かつ前記結晶構造が秩序化されている領域と前記結晶構造が無秩序化された領域とでＡｌ濃度が２０％以上異なることを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体素子。
【請求項４】
基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子の製造方法において、
基板上に、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層して量子井戸構造を有する活性層を形成した後、前記活性層に焦点を合わせて、該活性層を形成する材料のみに吸収される波長のレーザ光を照射し、レーザ照射部分の結晶構造を変化させることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
【請求項５】
基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子の製造方法において、
基板上に、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層して量子井戸構造を有する活性層を形成した後、短パルスレーザを照射して多光子吸収過程により前記活性層のレーザ照射部分の結晶構造を変化させることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体からなる量子井戸構造の活性層を有する化合物半導体素子に関する。また、本発明は新規なプロセスにより前記化合物半導体素子を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体素子の代表例である化合物半導体レーザは、光機器に広く用いられているが、中でも活性層を量子井戸構造としたものが注目されている。図４はそのような化合物半導体レーザの一例を模式的に示す断面図であるが、図示されるように化合物半導体レーザ１は、第１電極３と、第２電極２と、これら第１電極３及び第２電極２の間に設けられた複数の化合物半導体層とから構成されている。化合物半導体層は、例えば半導体基板４（例えばｎ＋−ＧａＡｓ）と、その上面に形成された下部クラッド層（例えばＡｌｘＧａ１−ｘＧａ）５と、下部スペーサ層（例えばＡｌｙ  Ｇａ１−ｙＡｓ）６を介してその上面に形成された量子井戸活性層７と、上部スペーサ層（例えばＡｌｕ  Ｇａ１−ｕＡｓ）８を介してその上面に形成された上部クラッド層（例えばＡｌｒＧａ１−ｒＧａ）９とから構成されている。また、上部スペーサ層８の上には、所定幅にわたり開口して電流狭窄部１０ａを有する電流狭窄層１０が形成されている。更に、第２電極２は上部クラッド層９の上に形成されたコンタクト層１１を介して形成され、第１電極３は半導体基板５からなる電極形成面に形成されている。
【０００３】
図５に、図４に示した量子井戸活性層７の周辺部Ａの拡大図を示すが、量子井戸活性層７は、バリア層（例えばＧａＡｓ）２０と、ウエル層（例えばＡｌｚＧａ１−ｚＧａ）２１とを交互に、それぞれ複数層積層した量子井戸構造とされている。このような量子井戸活性層７は、バルクの活性層よりも光吸収損失が少なく、電流非注入領域において殆ど光吸収は起らず、良好な直線性の電流−光出力特性が得られるという利点を有している。更に、高出力を安定に得ることや、閾値を低下させること等を目的として、この量子井戸活性層７を、図示されるように、電流狭窄部１０ａのほぼ全幅にわたり、結晶構造が所定幅で無秩序化された領域（以下、「無秩序化領域」ともいう）７ａと、結晶構造が維持された、即ち秩序化されている領域（以下、「秩序化領域」ともいう）７ｂとを交互に水平方向（半導体基板４と平行な方向）に形成した構造も知られている。
【０００４】
上記の如く構成される、無秩序化領域７ａと秩序化領域７ｂとが形成された量子井戸活性層７を備える半導体レーザ１は、例えば以下の方法により作製される。
【０００５】
図６に示すように、先ず、ＭＯＣＶＤ法等により、図４に示す層構成において、第１の電極３を除く量子井戸活性層７までを形成する。次いで、フォトリソ工程により、量子井戸活性層７の所定幅にわたり、無秩序化領域７ａに対応させてレジスト３０による開口（例えばスリット）３１を形成する。そして、このレジスト３０を介して量子井戸活性層７に亜鉛やシリコン等のイオン４０を注入し、次いでこの注入イオンをアニールにより量子井戸活性層７の内部で拡散させる。このイオン拡散により、量子井戸活性層７の中でイオン４０が注入された部分の結晶構造が変化し、無秩序化領域７ａが形成される（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
その後、図示は層略するが、再びＭＯＣＶＤ法等により上部スペーサ８より上の各層を順次積層し、最後に第１電極３及び第２電極２を蒸着する。尚、電流狭窄層１０は、例えば、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）膜を成膜した後、素子の端面から水蒸気を導入し、ヒ化アルミニウム膜を酸化して酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に転化することにより得られ、この水蒸気酸化が起こらない部分（ヒ化アルミニウム残存部）が電流狭窄部１０ａとなる。
【０００７】
しかし、上記の方法では、無秩序化領域７ａが微小空間であるため注入イオンの拡散を制御するのが困難であり、無秩序化領域７ａごとにイオンの拡散状態が異なっていたり、図５に示す無秩序化領域７ａと秩序化領域７ｂとの境界７ｃも一定間隔で明確に形成されないことがある。また、素子の完成までに、イオン拡散工程を挟んで、その上下部分の各層を成膜しなければならず、製造工程も煩雑になる。更には、イオン拡散後にレジスト２０を除去しなければならず、上部スペーサ８より上層にコンタミが混入する可能性が高く、しかもレジスト２０を除去した後の量子井戸活性層７の上面が荒れることがあり、上部スペーサ８より上層の膜質に悪影響を及ぼすことも懸念される。
【０００８】
このように、無秩序化領域７ａが明確に精度よく形成されない結果、半導体発光素子１の発光特性が低下したり、更には素子ごとに特性のバラツキが発生して製品歩留まりにも悪影響が出る。
【特許文献１】
特開２００１−１５８５９号公報
【特許文献２】
特開２００２−３３５３７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、量子井戸活性層の無秩序化領域が明確にかつ精度よく形成され、高性能の化合物半導体素子を提供すること、並びにこのような化合物半導体素子を容易に、かつ高歩留まりで製造し得る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】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、量子井戸活性層でのみ吸収される特定波長のレーザ、もしくは短パルスレーザのように多光子吸収過程を起こし得るレーザを量子井戸活性層に照射することにより、量子井戸活性層のレーザ照射部分のみで結晶構造の変化が起こり、秩序化領域を明確にかつ精度よく画成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
即ち、本発明は、基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子において、前記活性層が、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層してなり、かつ結晶構造が秩序化されている領域と結晶構造が無秩序化された領域とが水平方向に交互に形成されているとともに、前記ウエル層において前記結晶構造が秩序化されている領域の混晶成分の組成と、前記結晶構造が無秩序化された領域の混晶成分の組成とが２０％以上異なることを特徴とする化合物半導体素子である。
【００１２】
また、本発明は、基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子の製造方法において、基板上に、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層して量子井戸構造を有する活性層を形成した後、前記活性層に焦点を合わせて、該活性層を形成する材料のみに吸収される波長のレーザ光を照射し、レーザ照射部分の結晶構造を変化させることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法である。
【００１３】
更に本発明は、基板上に、少なくとも化合物半導体からなる量子井戸構造を有する活性層を形成してなる半導体層を備える化合物半導体素子の製造方法において、基板上に、化合物半導体からなるウエル層と、前記ウエル層を形成する化合物半導体と他原子との混晶からなるバリア層とを交互に積層して量子井戸構造を有する活性層を形成した後、短パルスレーザを照射して多光子吸収過程により前記活性層のレーザ照射部分の結晶構造を変化させることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明では量子井戸構造を活性層として有する化合物半導体素子全般が対象となり、また素子自体の構造や構成には制限がなく、本実施形態では図４及び図５に示した出射波長８５０ｎｍの化合物半導体レーザを例示して説明する。
【００１５】
本発明の半導体化合物レーザを製造するには、先ず、図１に示すように、図４に示す化合物半導体層を連続して形成する。即ち、ＭＯＣＶＤ法等により、半導体基板４の上に、順次、下部クラッド層５と、下部スペーサ層６と、量子井戸活性層７と、上部スペーサ層８と、電流狭窄層１０と、上部クラッド層９とを連続して成膜する。但し、電流狭窄層１０については、水蒸気酸化する前の材料である、例えばＡｌＡｓを成膜する。上述したように、従来では量子井戸活性層７の上下層の成膜工程が分断されていたのに対し、本発明では全ての化合物半導体層を連続して成膜できるため、コンタミの影響も無く、効率良く成膜作業を行うことが可能になる。
【００１６】
尚、各層の組成や層厚は、発光特性等に応じて適宜設計されるが、例えば以下とすることができる。ｎ＋−ＧａＡｓ基板４の上に、５０ｎｍの（ＳｎドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ）ペアを３５ペア積層して下部クラッド層５を形成し、その上にＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓを６０ｎｍ成膜して下部スペーサ層６を設け、その上に１０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層２０と４０ｎｍのＧａＡｓウエル層２１とを交互に合計５０ｎｍの厚みで形成し、その上にＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓを６０ｎｍ成膜して上部スペーサ層８を設け、その上に電流狭窄層１０用のＡｌＡｓを１００ｎｍ成膜し、更にその上に（ＣドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ）を２３層積層して上部クラッド層９を形成する。
【００１７】
次いで、図２に示すように、上記の化合物半導体層をＸＹステージ１００に載置する。そして、レーザ源２００からレーザ光Ｌを出射し、光学系３００により化合物半導体層に入射させ、量子井戸活性層７にレーザ光Ｌの焦点を合わせる。尚、ＸＹステージ１００は３次元方向に移動可能であり、レーザ光Ｌを量子井戸活性層７に焦点させ、かつ量子井戸活性層７の内部でレーザＬを水平移動させる構成となっている。
【００１８】
レーザＬの波長は、特に上部クラッド層９及び上部スペーサ層８の形成材料を透過し、量子井戸活性層７の形成材料にのみ吸収されるように選択される。具体的には、量子井戸活性層７のウエル層２１だけがＧａＡｓで形成されており、上部クラッド層９及び上部スペーサ層８はＧａの一部がＡｌで置き換えられていることから、その吸収波長がＧａＡｓよりも長波長側にシフトしている。そこで、ＧａＡｓの吸収波長である８５０ｎｍ以下の波長のレーザ光Ｌを照射する。
【００１９】
そして、量子井戸活性層７のレーザ光Ｌが照射された部分で、上下に位置するバリア層２０とウエル層２１との間で構成原子のミキシングが起こり、結晶構造が変化して無秩序化領域７ａが形成される。ここで、結晶構造の変化の大きさは、レーザ光Ｌの照射強度により制御される。即ち、レーザ光Ｌの照射強度が強くなるほど結晶構造の変化量が大きくなり、非照射部分との結晶学的特性の差が大きくなる。しかし、レーザ光Ｌの照射強度が大きくなりすぎると、隣接する秩序化領域７ｂの結晶構造の一部も変化し、無秩序化領域７ａと秩序領域７ｂとの境界７ｃが設計からずれてしまう。そのため、レーザ光Ｌの照射強度は、量子井戸活性層７がＡｌＧａＡｓバリア層２０とＧａＡｓウエル層２１とで形成される場合、１〜１００ＭＷ／ｃｍ３の範囲とすることが好ましい。
【００２０】
また、レーザ光Ｌとして短パルスレーザを照射することもできる。この短パルスレーザは、所謂「多光子吸収過程」により量子井戸活性層７の結晶構造を変化させる作用を有する。中でもフェムト秒パルスレーザは、照射部分において熱が発生する前に瞬時に結晶構造を変化させることができ、非照射部分が熱的ダメージを受けないため、無秩序化領域７ａと秩序化領域７ｂとをより高精度で画成できるることから好ましい。尚、照射条件は、波長８００ｎｍ、周期１ｋＨｚ、照射時間１５０ｆｓ（フェムト秒）、１〜１００ｎＪ／パスルの１回照射が適当である。
【００２１】
上記のレーザ照射により、図３に示すように、単一のウエル層２０において（但し、無秩序化領域７ａではウエル層２０とバリア層２１とが明確に峻別できず、図では点線で示してある）、無秩序化領域７ａに含まれるＡｌ濃度と、秩序化領域７ｂに含まれるＡｌ濃度との差が、２０％以上と大きく異なるようになる。従来の、例えばイオン拡散では、同様の差が最大でも１０％程度であり、本発明によれば無秩序化領域７ａと秩序化領域７ｂとの結晶構造の差がより顕著となる。
【００２２】
尚、レーザ光Ｌの照射様式は任意であり、例えば、化合物半導体層の上面をある一方向に連続して照射してよいし、間歇的に照射してもよい。前者の場合は、無秩序化領域７ａが帯状に形成され、後者の場合はドット状に形成される。従って、無秩序化領域７ａの多様な設計に対して、従来はそれに応じたマスクの作製が必要であったが、本発明によれば、レーザ光Ｌの照射様式、換言すれば、ＸＹステージ１００の移動と、レーザ光源２００の出射タイミングとを変えるだけで対応でき、製造コスト面でも有利となる。
【００２３】
また、レーザ光Ｌを照射することにより従来よりも微細な加工が可能になる。即ち、無秩序化領域７ａの幅（帯状の場合）あるいは長さ（ドット状の場合）はレーザ光Ｌの照射幅に対応するため、従来数百ｎｍ程度であったものが１００ｎｍ以下の幅または長さで無秩序化領域７ａを形成することができる。
【００２４】
上記の如くレーザ照射により無秩序化領域７ａと秩序化領域７ｂとを画成した後、従来と同様にして水蒸気酸化により電流狭窄層１０を形成し、更に第１電極３及び第２電極２を蒸着して、本発明の化合物半導体レーザが完成する。
【００２５】
尚、上記の化合物半導体レーザは種々の変更が可能であり、例えば、メサ構造とすることもでき、その場合は、メサの形成をドライエッチングで行い、さらにはポリイミド等によるメサ部の平坦化を付加する。
【００２６】
以上本発明に関して、化合物半導体レーザを基に説明したが、本発明は無秩序化領域と秩序化領域とを有する量子井戸構造を備える構成の半導体素子、例えばＨＥＭＴ、ＦＥＴ、ＳＯＡ（半導体アンプ）等に広く応用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、量子井戸活性層の無秩序化領域が明確にかつ精度よく形成され、高性能の化合物半導体素子が容易に、かつ高歩留まりで得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体素子（化合物半導体レーザ）の製造方法の一工程を示す断面図であり、化合物半導体層のみを示す図である。
【図２】本発明の化合物半導体素子（化合物半導体レーザ）の製造方法において、レーザ照射工程を説明するための模式図である。
【図３】レーザ照射により得られた、無秩序化領域及び秩序化領域のみを模式的に示す図である。
【図４】従来並びに本発明の化合物半導体レーザの構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図４の部分Ａの拡大図である。
【図６】従来の無秩序化領域及び秩序化領域の画成方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１  半導体レーザ
２  第２電極
３  第１電極
４  半導体基板
５  下部クラッド層
６  下部スペーサ層
７  量子井戸活性層
８  上部スペーサ層
９  上部クラッド層
１０  電流狭窄層
１１  コンタクト層
２０  バリア層
２１  ウエル層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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