(57)【要約】【課題】  本発明は、低温、短時間、膜厚に依存しないＺｎ固相拡散により端面窓構造を形成できる半導体発光素子の製造方法を提供するものである。【解決手段】  本発明の半導体発光素子の製造方法は、活性層６を挟んで少なくとも第１導電型クラッド層及び第２導電型クラッド層を有した積層体の上面の共振器端面付近に対応する部分に、蒸着法により選択的にＺｎＯ膜１３ｂを成膜する工程と、拡散温度６００℃以下４５０℃以上、拡散時間２０分以下３分以上の熱拡散処理をして前記ＺｎＯ膜１３ｂのＺｎを前記積層体内に固相拡散して窓構造１５を形成する工程を有することを特徴とする。【選択図】        図２  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を挟んで少なくとも第１導電型クラッド層及び第２導電型クラッド層を有した積層体の上面の共振器端面付近に対応する部分に、蒸着法により選択的にＺｎＯ膜を成膜する工程と、
拡散温度６００℃以下４５０℃以上、拡散時間２０分以下３分以上の熱拡散処理をして前記ＺｎＯ膜のＺｎを前記積層体内に固相拡散して窓構造を形成する工程を有する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記拡散温度を５００℃以上５５０℃以下、前記拡散時間を１０分以下５分以上として前記熱拡散処理を行う
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
活性層からの拡散深さが２００ｎｍ以上となるように前記Ｚｎ拡散を行う
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記Ｚｎ拡散温度をＡｌＧａＩｎＰの蒸発温度より低くする
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、端面窓構造をもつ半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子、例えばＤＶＤ−Ｗ用のレーザ素子としては、高出力の赤色半導体レーザが必要とされている。赤色半導体レーザには、ＡｌＧａＩｎＰ系が用いられているが、このレーザは材料特有の性質から、高出力の窓構造を持たない半導体発光素子では、図９Ａに示すように、電流４０ｍＡから増加するにしたがい出力パワーも比例して増加するが、電流１５０ｍＡのとき一瞬出力パワー約８０ｍＷに達した後、光出力端面においてＣＯＤ（瞬時光学損傷）により共振器端面が破壊され、出力パワーはゼロとなりレーザ発振を止めてしまう。このＣＯＤによる共振器端面の破壊は、半導体発光素子の端面での光吸収による発熱によって端面が破壊することによる。
そこで、ＣＯＤ対策として、端面付近にＺｎなどの不純物拡散を行うことにより、窓構造と言われる構造を作り出し、ＣＯＤ破壊を抑制する方法が取られている。この窓構造を作るには、共振器端面付近に、スパッタ法によりＺｎＯ膜を成膜した後、熱によってＺｎの固相拡散を行うことで活性層の端面付近にＺｎ拡散された窓が形成される。
【０００３】
また、図１０に示すように、スパッタ法により成膜したＺｎＯ膜では、窒素雰囲気中、拡散温度５５０℃、拡散時間３０分間アニールを行ったところ、例えば、スパッタ法で成膜したＺｎＯ膜の膜厚２００ｎｍのとき、拡散深さ２８０ｎｍ程度となる。さらにＺｎＯ膜の膜厚を厚くして膜厚６００ｎｍとしたとき、拡散深さ８０ｎｍ程度となってしまう。すなわちスパッタ法で成膜したＺｎＯ膜では拡散温度（アニール時間）が一定のときＺｎＯ膜厚を厚くすると拡散深さは浅くなる傾向にある。Ｚｎを固相拡散した場合の拡散深さは、スパッタ法で成膜したＺｎＯの膜厚に依存していた。
【０００４】
さらに、ＺｎＯのスパッタ膜によるＺｎ拡散では、通常、拡散温度を６００度より高く設定する必要があり、さらに、ｐ側領域にドープされているｐ型ドーパントであるＺｎも拡散し、活性層に入り込み、動作中に急速劣化を引き起こす可能性がある。
【０００５】
その他に、ＺｎＯ膜の応用例として、特許文献１にはＺｎＯにＡｌを入れることで透明電極として用いることができる、その成膜方法が開示されている。
特許文献２には、共振器端面である劈開面上にスパッタ法や蒸着法でＺｎＯ膜を堆積した後、熱アニールでＺｎＯ膜を拡散源としてＺｎを共振器内部方向に拡散させることが開示されているが、拡散時の温度条件や拡散深さ等の条件については特に開示されていない。
特許文献３には、端面窓型半導体レーザ素子の窓領域形成を５００℃、３時間の低温アニールでＺｎを拡散することが開示されているが、この低温５００℃では時間単位のアニールが必要である。
【特許文献１】特開２０００−３５３８２０号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７８２号公報
【特許文献３】特開２００１−２５１０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、スパッタ法で成膜したＺｎＯ膜を用いてＺｎを熱拡散して窓構造を形成する場合、６００℃を超える高温で拡散時間も長くなり、半導体発光素子にダメージを与える要因となっていた。さらに、スパッタ法によるＺｎＯ膜の膜厚では、後のＺｎ固相拡散において、拡散時間が膜厚に依存する傾向であった。また、上述の従来の蒸着法で成膜したＺｎＯ膜を用いてＺｎを熱拡散して窓構造を形成する場合には、同様に長い拡散時間を必要としていた。拡散時間が長くなるとｐ側領域から活性層へのｐ型ドーパントの拡散が起こり易くなり、レーザ素子として特性劣化を引き起こす。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑み、低温、短時間、膜厚に依存しないＺｎ固相拡散により端面窓構造を形成できる半導体発光素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、活性層を挟んで少なくとも第１導電型クラッド層及び第２導電型クラッド層を有した積層体の上面の共振器端面付近に対応する部分に、蒸着法により選択的にＺｎＯ膜を成膜する工程と、拡散温度６００℃以下４５０℃以上、拡散時間２０分以下３分以上の熱拡散処理をして前記ＺｎＯ膜のＺｎを前記積層体内に固相拡散して窓構造を形成する工程を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体発光素子の製造方法の好ましい形態としては、拡散温度を５００℃以上５５０℃以下、拡散時間を１０分以下５分以上として熱拡散処理を行う。活性層からの拡散深さが２００ｎｍ以上となるように前記Ｚｎ拡散を行うことが好ましい。前記Ｚｎ拡散温度をＡｌＧａＩｎＰの蒸発温度より低くすることが好ましい。
【００１０】
本発明の半導体発光素子の製造方法では、蒸着法によりＺｎＯ膜を成膜し、拡散温度６００℃以下、拡散時間１０分以内の、いわゆる低温かつ短時間でＺｎの固相拡散を行うため、ｐ側領域から活性層へのｐ型ドーパントであるＺｎの余計な拡散を抑えることができる。ＺｎＯ膜の膜厚に依存しないプロセスが可能となる。スパッタ法に比べ蒸着法では、ＺｎＯの成膜時の半導体層へのダメージを少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
ＺｎＯ膜を蒸着で成膜し、６００℃以下４５０℃以上、２０分以内３分以上の低温、短時間の熱拡散処理によりＺｎを拡散して、共振器端面に窓構造を形成するので、この熱処理時に例えばｐ側領域のｐ型ドーパントであるＺｎが活性層への拡散を抑制され、動作中に急速劣化を引き起こさず、信頼性の高い窓構造の半導体発光素子を製造することができる。また、ＺｎＯ膜の膜厚に依存せず拡散温度、拡散時間でＺｎ拡散深さを制御することができる。すなわち、ＺｎＯの膜厚に依存しないプロセスが可能になる。さらに、ＺｎＯ膜に蒸着膜を用いるので、スパッタ膜に比べて成膜時の半導体層へのダメージを少なくすることができる。
【００１２】
熱拡散処理として、好ましくは拡散温度５００℃以上５５０℃以下、拡散時間１０分以下５分以上とするときは、さらに熱処理時のｐ型ドーパントの活性層への拡散を抑制し、また、Ｚｎ拡散深さを適正にすることができ、より信頼性の高い窓構造の半導体発光素子を製造することができる。
活性層からの拡散深さが２００ｎｍ以上となるようにＺｎ拡散を行うので、端面破壊（ＣＯＤ）の効果を奏する。
Ｚｎの拡散温度をＡｌＧａＩｎＰの蒸発温度より低くすることにより、結晶性維持による信頼性向上の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１Ａ〜図３に本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法、すなわち窓構造を有する半導体レーザの製造方法を示す。なお、図１Ａ〜図３Ａは紙面を共振器端面に沿う断面、図３Ｂは紙面を共振器長方向に沿う断面である。
本実施の形態は、１つの代表的な積層構造の半導体レーザについて説明するが積層膜構造はこれに限らない。
先ず、図１Ａに示すように、ｎ型基板２上に、ｎ型クラッド層３、ｎ型モードモディファイ層４（ＭＭ層：いわゆる光コントロール層）、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型光ガイド層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０を順に積層して積層体を形成する。
例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの製造に適用した場合、ｎ型基板２はｎ型ＧａＡｓ基板、ｎ型クラッド層３及び５はＳｅをｎ型ドーパントとしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、ｎ型モードモディファイ層４はｎ型ＧａＩｎＰ層、活性層６は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、例えばＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層を繰り返し積層したＭＱＷ、ｐ型クラッド層７及び９はＺｎをｐ型ドーパントとするｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、ｐ型光ガイド層８はｎ型ＧａＩｎＰ層、ｎ型コンタクト層１０はｎ型ＧａＡｓ層でそれぞれ形成することができる。
【００１５】
次に、図１Ｂに示すように、ｐ型コンタクト層１０上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトレジストグラフィ法により、そのフォトレジスト膜の端面の劈開面を含む共振器端面付近に対応する部分に開口１２を形成してレジストマスク１１を形成する。
【００１６】
次に、図１Ｃに示すように、レジストマスク１１上面とその開口１２内を含む全面にＺｎＯ膜１３ａを電子ビーム蒸着によって、２００ｎｍ以上の膜厚で形成する。
【００１７】
次に、図２Ｄに示すように、リフトオフ法によりレジストマスク１１と共にその上のＺｎＯ膜１３ａを除去し、開口１２に対応した部分に膜厚２００ｎｍ以上のＺｎＯ膜１３ｂを残す。
【００１８】
次に、図２Ｅに示すように、ＺｎＯ膜１３ｂを覆うようにＣＶＤ（化学気相成長）法によりキャップ層１４、例えばＳｉＯ２膜を形成する。
【００１９】
次に図２Ｆに示すように、拡散温度６００℃以下４５０℃以上で拡散時間２０分以下３分以上の低温短時間の熱処理を行い、ＺｎＯ膜１３ｂのＺｎを表面から活性層６を越えて固相拡散し、共振器端面付近、すなわち光出射端面付近に、活性層６で窓幅Ｗ１及び活性層６の下面からの深さＤ１まで拡散された窓構造１５を形成する。
【００２０】
次に、図３Ａ及びＢに示すように、キャップ層１４のＳｉＯ２膜、及び残余のＺｎＯ膜１３ｂを除去した後、例えば電流狭窄、ｐ側電極、ｎ側電極の形成等のレーザ作製プロセスを行い、目的のＺｎ窓構造１５を有した半導体発光素子１を得る。
【００２１】
次に、本発明の半導体発光素子の製造方法における熱拡散条件について説明する。窓構造を形成することにより、活性層でのバンドギャップが広がることにより、発振波長が短波長化する。このとき、図５に示すように、Ｚｎ拡散深さ、すなわち図３Ａの活性増６から下に延長する拡散深さＤ１と波長のシフト量との間に相関がある。拡散深さＤ1 が大きくなるにつれて波長シフト量が増え、ある拡散深さ以上で波長シフト量は略一定になる。製品化したとき、波長シフト量としては２０ｎｍ以上あれば十分である。
一方、本発明では、窓構造１５を形成する際に、生産ラインでの拡散深さの安全性を見越して、拡散深さＤ１が２００ｎｍ以上得られ、かつ拡散時間がｐ型ドーパントの活性層６への拡散を起こさない時間となるように、拡散温度と拡散時間を設定する。この条件を満たすために、本発明では、拡散温度を６００℃以下〜４５０℃まで、拡散時間を２０分以下〜３分まで、好ましくは拡散温度５００℃〜５５０℃、拡散時間１０分〜５分までとすることができる。
【００２２】
図４Ａは、Ｚｎ拡散における拡散深さＤ１とアニール時間（拡散時間）との関係を示す。同図は、膜厚４００ｎｍのＺｎＯ膜を被着し、ＳｉＯ２のキャップ層を付けて熱処理した。実線ａ１は本実施の形態に係る電子ビーム（ＥＢ）蒸着法を用いてＺｎＯ膜を成膜し、拡散温度５００℃で固相拡散した場合である。実線ａ２は同様に拡散温度６００℃で固相拡散した場合であり、実線ａ３は同様に拡散温度４５０℃で固相拡散した場合である。破線ｂは従来のスパッタ法を用いてＺｎＯ膜を成膜し、拡散温度５５０℃で固相拡散した場合である。
【００２３】
図４Ａによれば、本実施の形態の蒸着でＺｎＯ膜を成膜した場合、拡散温度５００℃、１０分程度でＺｎは拡散深さ３００ｎｍ程度（＝Ｄ1 ）まで拡散される。拡散温度６００℃、３分程度でＺｎは拡散深さ３００ｎｍまで拡散される。拡散温度４５０℃、２０分程度でＺｎは拡散深さ２７０ｎｍまで拡散される。因みに、従来のスパッタ法でＺｎＯ膜を成膜した場合、拡散深さ２００ｎｍ以上にするには３５分以上かかる。
従って、本実施の形態においては、この図４ＡのグラフからＺｎの拡散条件として、上述したように、拡散温度が６００℃以下で４５０℃以上、拡散時間が２０分以下で３分以上、好ましくは拡散温度５００℃以上５５０℃以下、拡散時間５分〜１０分に設定することができる。さらに、本実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系としたときに、拡散温度をＡｌＧａＩｎＰ結晶成長層の蒸発温度より低い温度に設定するものである。
【００２４】
一方、図４Ｂに示すように、電子ビーム蒸着で成膜したＺｎＯ膜の膜質は、スパッタ法による緻密なＺｎＯ膜（図示せず）に比べて粗い。この結晶性の粗さは、拡散温度の低温化の効果を奏する。
【００２５】
蒸着でＺｎＯ膜を成膜する場合、蒸着粒子が四方に飛散するため所要の膜厚が成膜できない。そこで、本実施の形態では、蒸着レートを１０Å／ｓｅｃ以上に上げて成膜する。このように、即ち蒸着源に強いエネルギーの電子を与えて蒸着レートを上げて蒸着することにより、所要の膜厚のＺｎＯ膜を形成することができる。また、このＺｎＯ蒸着膜は、拡散後に簡単に除去することができる。
【００２６】
本実施の半導体発光素子の製造方法によれば、共振器端面付近に窓構造１５を形成するに際して、蒸着法によりＺｎＯ膜１３ｂを成膜し、６００℃以下４５０℃以上で、２０分以下３分以上、好ましくは５００℃〜５５０℃で１０分以下５分以上の低温度、短時間でＺｎ拡散を行うことにより、ｐ側領域のｐ型ドーパントであるＺｎの活性層６への拡散を抑制することができる。ＡｌＧａＩｎＰの蒸発温度より低くすることで同様な低温、短時間のＺｎ拡散を行うことができる。蒸着法によりＺｎＯ膜を成膜するのでＺｎＯ膜厚に依存せずＺｎを所要の深さまで拡散することができる。この蒸着法では、スパッタ法に比べて成膜時のコンタクト層１０表面へのダメージを少なくすることができる。
【００２７】
拡散温度が６００℃を超えることは、結晶成長温度に近くなり、原子の分解・離脱の可能性が高くなり、結果として結晶性が悪くなる。また、ｐ型ドーパントのＺｎも動きやすくなり、活性層の中に入り、信頼性が乏しくなる。
拡散温度が４５０℃より低いと、Ｚｎ拡散がし難くなり、拡散時間をかなり長く取る必要があります。よって作業性が悪くなる。
アニール時間は、アニール温度と密接な関係がある。単独で範囲を決めることはなく、高温で長時間では拡散しすぎであり、欠陥の増殖が大きく、ｐ型ドーパントのＺｎが活性層に入りこむ可能性が高くなる。低温で短時間の場合には、十分な窓を作りこむことはできない。
拡散深さが、４００ｎｍを超えると、過剰な欠陥の増殖等が発生する可能性がある。
【００２８】
また、ＺｎＯ膜１３ｂをキャップ層１４で被覆してから拡散処理するので、ＺｎＯ膜１３ｂ中のＺｎが外部（すなわち気相中）へ拡散せず、確実に結晶中、すなわち活性層６側に拡散することができる。
【００２９】
図６は、各半導体層を積層した積層体２２の表面にＺｎＯ膜２１を成膜し、その上にキャップ層のないノンキャップ状態とＳｉＯ２のキャップ層２３を有する場合の拡散状態を比較して示す。拡散温度６００℃、拡散時間４時間で固相拡散した場合である。
図６Ａに示すキャップ層がない場合には、ＺｎＯ膜２１からのＺｎ２４を固相拡散すると一部のＺｎ２４が気相中へ脱離してしまい、結晶中（積層体２２中）への拡散が効率的に行われない。図８Ｂに示すように、キャップ層２３で覆われたＺｎＯ膜２２からＺｎ２４を固相拡散すると、Ｚｎ２４を結晶中（積層体２２中）の活性層下にのみ拡散することができる。さらに活性層ＡｌＧａＩｎＰ層からリン（Ｐ）の抜けを無くすことができる。
【００３０】
さらに、図７に示すように本発明で製造した半導体発光素子では、電流の増加にともない出力パワーが増加してもＣＯＤ（瞬時光学損傷）することなく良好な半導体発光素子となる。
【００３１】
図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法で作製した半導体発光素子と従来の製法で作製した半導体発光素子の動作電流と時間を比較したものである。縦軸に動作電流、横軸に時間を示す。
図８Ａの従来の製法の半導体発光素子では、動作環境が温度２５℃、５０ｍＷパルス、動作電流１００ｍＡ、Ｎ＝３の特性しか得ることができなかった、しかし、図７Ｂに示す本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、温度６０℃でＮ＝２０、動作電流１５０〜２００ｍＡの範囲で９０ｍＷパルス特性である半導体発光素子を得ることができる。
【００３２】
上例では、基板２上にｎ型クラッド層３、ｎ型ＭＭ層４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型光ガイド層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０を積層して成る半導体発光素子に適用した場合であるが、その他の積層体、例えば、ガイド層等を有した積層体からなる窓構造を有する半導体発光素子の製造にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】Ａ〜Ｃ  本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一実施の形態に係る製造工程を示す断面図である（その１）。
【図２】Ｄ〜Ｆ  本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一実施の形態に係る製造工程を示す断面図である（その２）。
【図３】Ａ  本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一実施の形態に係る製造工程を示す断面図である（その３）。            Ｂ  図３Ａの側面図である。
【図４】Ａ  拡散深さと拡散時間の関係を示すグラフである。            Ｂ  蒸着法によるＺｎＯ膜の膜質を示す断面図である。
【図５】波長シフトと拡散深さの関係を示すグラフである。
【図６】Ａ  ＺｎＯ膜の上層にキャップ層を備えず固相拡散した場合の断面図である。          Ｂ  ＺｎＯ膜の上層にキャップ層を備えて固相拡散した場合の断面図である。
【図７】出力パワーと電流の関係を示すグラフである。
【図８】Ａ  従来の半導体発光素子の動作電流と時間を示すグラフである。            Ｂ  本発明に係る半導体発光素子の動作電流と時間を示すグラフである。
【図９】Ａ  従来の半導体発光素子の出力パワーと電流を示すグラフである。            Ｂ  スパッタ法によるＺｎＯ膜の膜質を示す断面図である。
【図１０】スパッタ法による拡散温度と拡散時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１・・半導体発光素子、２・・ｎ型基板２、３・・ｎ型クラッド層、４・・ｎ型モードモディファイ層（ＭＭ層）、５・・ｎ型クラッド層、６・・活性層、７・・ｐ型クラッド層、８・・ｐ型光ガイド層、９・・ｐ型クラッド層、１０・・ｐ型コンタクト層、１１・・レジストマスク、１２・・開口、１３ａ・・ＺｎＯ膜、１３ｂ・・ＺｎＯ膜、１４・・キャップ層、１５・・窓構造、２１・・ＺｎＯ膜、２２・・積層体、２３・・キャップ層、２４・・Ｚｎ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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