(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に所定の加工を施す作業室と、
前記作業室において所定の加工を施した半導体基板にエピタキシャル結晶成長を行う結晶成長室と、
前記作業室と前記結晶成長室とを連結する中継室と、
前記作業室、前記結晶成長室、及び前記中継室に、高純度不活性ガスを供給する雰囲気ガス供給部と、
を有し、
前記雰囲気ガス供給部は、
前記作業室に対しては、一旦供給した前記高純度不活性ガスを循環して再供給する循環供給方式で前記高純度不活性ガスを供給し、
前記結晶成長室および前記中継室に対しては、ガス供給ラインから前記高純度不活性ガスを連続供給する連続供給方式で前記高純度不活性ガスを供給し、
前記作業室が、半導体材料からなる積層構造を劈開して共振器の劈開端面を形成する劈開装置を備えた劈開室であり、
前記結晶成長室が、前記劈開室において形成された共振器の劈開端面に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させて端面成長層を形成する結晶成長室であることを特徴とする半導体レーザ素子の製造装置。
【請求項２】
前記作業室には手を挿入するためのグローブが設けられ、
前記製造装置は、
前記作業室内の圧力変動を感知する圧力センサと、
前記圧力センサからの信号によって、前記作業室に供給される高純度不活性ガスの供給量を制御するガス流量制御部と
を更に有する請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造装置。
【請求項３】
前記雰囲気ガス供給部によって前記作業室、前記結晶成長室、及び前記中継室に供給される高純度不活性ガスの酸素と水分の濃度が、いずれも１ppmより低い値である、
請求項１または２に記載の半導体レーザ素子の製造装置。
【請求項４】
前記雰囲気ガス供給部により前記高純度不活性ガスを循環して前記作業室に再供給する経路に、前記高純度不活性ガスを純化する純化装置が設置されている、
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子の製造装置。
【請求項５】
半導体基板に所定の加工を施す作業室と、前記作業室において所定の加工を施した半導体基板にエピタキシャル結晶成長を行う結晶成長室と、前記作業室と前記結晶成長室とを連結する中継室とを備える製造装置により、半導体レーザ素子を製造する製造方法であって、
前記作業室に対しては、一旦供給した高純度不活性ガスを循環して再供給する循環供給方式で前記高純度不活性ガスを供給し、
前記結晶成長室および前記中継室に対しては、ガス供給ラインから前記高純度不活性ガスを連続供給する連続供給方式で前記高純度不活性ガスを供給し、
前記作業室が、半導体材料からなる積層構造を劈開して共振器の劈開端面を形成する劈開装置を備えた劈開室であり、
前記結晶成長室が、前記劈開室において形成された共振器の劈開端面に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させて端面成長層を形成する結晶成長室であ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】
前記作業室には手を挿入するためのグローブが設けられ、
圧力センサにより前記作業室内の圧力変動を感知し、
前記圧力センサからの信号によって、前記作業室に供給される高純度不活性ガスの供給量を制御する
請求項５に記載の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、半導体レーザ素子の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、通常、次のようにして製造されている。
先ず、例えばｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板の上に、エピタキシャル結晶成長法を用いて、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層、例えばノンドープＡｌＧａＡｓからなる下部光閉じ込め層、例えばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる多重量子井戸構造の活性層、例えばノンドープＡｌＧａＡｓからなる上部光閉じ込め層、例えばｐ−ＡｌＧａＡｓからなる上部光閉じ込め層、及び例えばｐ−ＧａＡｓからなるキャップ層をこの順序で積層して、スラブ状の積層構造を製造する。
【０００３】
次いで、この積層構造の上面を例えばリッジ形状に加工した後、その上に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着して、キャップ層とオーミック接合する上部電極（ｐ型電極）を形成し、また半導体基板の裏面には例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕを蒸着して、下部電極（ｎ型電極）を形成する。
そして、この積層構造に対して、所定の共振器長となるような劈開を行い、共振器の劈開端面を形成する。通常は、共振器の一方の端面に低反射膜を、他方の端面に高反射膜を窒化けい素のような誘電体材料を用いて形成し、目的とする半導体レーザ素子を製造する。
【０００４】
ところで、光通信システムの分野、光ディスクなどの光情報記録の分野、レーザプリンタやレーザ加工の分野、固体レーザ励起用の分野、又はＳＨＧのような波長変換の光源の分野などにおいては、従来から高出力の半導体レーザ素子が用いられている。そして、近年、この半導体レーザ素子に対する高出力化への要求が日増しに強まっている。
【０００５】
例えば光通信システムの分野においては、１９９０年代の初頭に実用化されたエルビウムドープドファイバ（Er Doped Fiber；ＥＤＦ）を用いてなる光増幅器（Er Doped Fiber Amplifier；ＥＤＦＡ）の場合、実用化の当初では、その励起光源用の半導体レーザ素子に対する要求出力は高々数十mW程度であった。しかしながら、最近の波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing；ＷＤＭ）技術などの飛躍的な進展に伴い、現在では優に１００mWを超える高出力が要求されている。しかも同時に、そのような高出力で１００万時間程度駆動するという駆動信頼性も要求されている。
【０００６】
ところで、半導体レーザ素子の高出力化を制限する因子のうち、最も重要な因子は、共振器の劈開端面における瞬時光学損傷（Catastrophic Optical Damage；ＣＯＤ）である。このＣＯＤは、共振器の劈開端面における光吸収→端面の温度上昇→端面における活性層を構成する半導体材料のバンドギャップの縮小→光吸収量の増大という一連の過程の反復に基づく正の帰還によって生ずる。
【０００７】
このようなＣＯＤの発生を抑制するための最も効果的な方策は、共振器の劈開端面に、活性層を構成する半導体材料よりもバンドギャップが大きい半導体材料をエピタキシャル結晶成長させることである。
例えば、特開平８−３２１６７号公報には、前記した積層構造に上部電極と下部電極を形成した後、全体を劈開し、その劈開面に上記した端面成長を行うような方法が開示されている。従って、この方法の場合には、端面成長させる半導体材料は電極の上にも成膜されているので、両者の間で異常な反応が起こらないような低温環境下で端面成長を進めることが必要となる。
【０００８】
ところで、積層構造の例えば活性層がＡｌを含む半導体材料で構成されている場合、Ａｌは酸化され易い材料であるため、大気中において積層構造を劈開すると、その劈開面が大気中の酸素や水分を吸着して活性なＡｌと反応することにより、劈開面には非常に強固なＡｌ酸化物の膜が形成される。
そして、この状態で上記した低温環境下において端面成長を行うと、半導体材料の低温のエピタキシャル結晶成長であるため異常成長が起こり、その結果、端面には欠陥を多く含んだエピタキシャル結晶成長層が形成され易く、この成長層で却って新たな光吸収が起こるという問題が生ずる。
【０００９】
なお、このような問題は、劈開面の酸化膜を除去することによって解消することができることがある。一般に、例えば半導体基板の酸化膜除去で行われているように、適度な温度下でキャリアガスなどを酸化膜に接触させてその還元作用により酸化膜の除去を行うことができる。そして、その温度以上の成長温度では半導体基板の表面は清浄であるため、そこにエピタキシャル結晶成長で形成した半導体層の品質は確保されることになる。
【００１０】
しかしながら、端面成長は低温でエピタキシャル結晶成長が行われるため、それより低い温度で上記した酸化膜の除去を行おうとしても酸化膜の除去を期待することはできないという問題がある。
このため、半導体材料からなる積層構造を劈開して共振器の劈開端面を形成する作業及びその共振器の劈開端面に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長する作業を行う際には、次の図６に示されるような半導体レーザ素子の製造装置を用いていた。
【００１１】
即ち、図６に示されるように、従来の半導体レーザ素子の製造装置においては、劈開装置（図示せず）を用いて半導体材料からなる積層構造を劈開し、共振器の劈開端面を形成する作業を行う作業室としての劈開室４１が設置されている。
また、この劈開室４１とは物理的に独立して、劈開室４１において形成された共振器の劈開端面に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させる作業を行う結晶成長装置４２が設置されている。
【００１２】
また、この劈開室４１には、劈開装置を手動で操作する作業やその他の作業の際に手を挿入するためのグローブ４３が設置されている。また、劈開室４１の一端には、前工程において形成した半導体材料からなる積層構造を劈開室４１内に搬入する搬入経路としての前室４４が付設されている。同様に、結晶成長装置４２の一端にも、劈開室４１における劈開作業が終了した半導体レーザ素子のバーを結晶成長装置４２内に搬入する搬入経路としての前室４５が付設されている。
【００１３】
また、これら劈開室４１、結晶成長装置４２、及び前室４４、４５には、例えばＮ2（窒素）ガスやＡｒ（アルゴン）ガスのような不活性ガスを供給する雰囲気ガス供給部が設置されている。
即ち、劈開室４１に付設されている前室４４には、その一方に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ライン４６がバルブ４７を介して接続され、その他方にバルブ４８及び真空ポンプ４９を介して排気ライン５０が接続されている。
【００１４】
また、劈開室４１には、その一方に不活性ガス供給ライン４６がバルブ５１を介して接続され、その他方にバルブ５２を介して排気ライン５３が接続され、不活性ガス供給ライン４６からバルブ５１を介して不活性ガスを劈開室４１内に供給すると共に、劈開室４１内の雰囲気はバルブ５２を介して排気ライン５３に排気するようになっている。
【００１５】
また、結晶成長装置４２に付設されている前室４５には、前室４４の場合と同様に、その一方に不活性ガスを供給する不活性ガス供給ライン５４がバルブ５５を介して接続され、その他方にバルブ５６及び排気ブロワ５７を介して排気ライン５８が接続されている。
また、結晶成長装置４２には、その一方に、化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させるために必要な各種の原料ガスを供給する原料ガス供給ライン５９がバルブ６０、６１、…、６３を介して接続されている。そして、これらの原料ガス供給ライン５９の中には、エピタキシャル結晶成長前の結晶成長装置４２内の雰囲気を置換したりするための不活性ガスを供給する不活性ガス供給ラインが含まれている。また、その他方に、バルブ６４及び排気ブロワ６５を介して排気ライン６６が接続されている。
【００１６】
このように従来の半導体レーザ素子の製造装置においては、劈開作業を行う劈開室４１及びそこからの搬出入を行うための前室４４の各室内の雰囲気を不活性ガス供給ライン４６から供給される不活性ガスによって置換し、エピタキシャル結晶成長作業を行う直前の結晶成長装置４２及びそこからの搬出入を行うための前室４５の各室内の雰囲気を原料ガス供給ライン５９及び不活性ガス供給ライン５４から供給される不活性ガスによって置換することにより、共振器の劈開端面の酸化を抑制して、結晶成長装置４２においてエピタキシャル結晶成長法により形成される端面成長層が欠陥の少ない高品質の結晶膜になるようにしている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体レーザ素子の製造装置においては、劈開室４１における劈開作業を不活性ガスによって置換された雰囲気中において行い、結晶成長装置４２におけるエピタキシャル結晶成長作業直前の雰囲気も不活性ガスによって置換されているにも拘らず、これら劈開室４１と結晶成長装置４２とはそれぞれ物理的に独立して設置されていることから、劈開室４１から結晶成長装置４２への搬送の際に、たとえ極僅かな時間であっても、共振器の劈開端面が大気に曝露されてしまう事態が生じる。
【００１８】
このため、共振器の劈開端面が大気中の酸素や水分を吸着して反応し、酸化物の膜が形成されることになり、結晶成長装置４２におけるエピタキシャル結晶成長の際に異常成長が起こる。その結果、共振器の劈開端面には欠陥を多く含んだエピタキシャル結晶成長層が形成され易くなり、この端面成長層により却って新たな光吸収が起こるため、高出力特性の劣化、短寿命化という問題が生ずる。
【００１９】
そこで本発明は、半導体材料からなる積層構造の劈開面に化合物半導体を低温エピタキシャル結晶成長させてＣＯＤの発生が抑制されている半導体レーザ素子を製造する際の上記した問題を解決して、高出力で長寿命の半導体レーザ素子を実現することが可能な半導体レーザ素子の製造装置の提供を目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造装置は、半導体基板に所定の加工を施す作業室と、この作業室において所定の加工を施した半導体基板にエピタキシャル結晶成長を行う結晶成長室と、作業室と結晶成長室とを連結する中継室と、これら作業室、結晶成長室、及び中継室に、高純度不活性ガスを供給する雰囲気ガス供給部と、を有することを特徴とする。
【００２１】
そして、この半導体レーザ素子の製造装置において、作業室が、半導体材料からなる積層構造を劈開して共振器の劈開端面を形成する劈開装置を備えた劈開室であり、結晶成長室が、劈開室において形成された共振器の劈開端面に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させて端面成長層を形成する結晶成長室であることが好適である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造装置を示す概略図である。
図１に示されるように、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造装置においては、作業室として、劈開装置（図示せず）を用いて半導体材料からなる積層構造を劈開し、共振器の劈開端面を形成する作業を行う劈開室１１が設置され、またこの劈開室１１において形成された共振器の劈開端面に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させ、端面成長層を形成する作業を行う結晶成長室１２が設置されている。
【００２３】
また、この劈開室１１には、劈開装置を手動で操作する作業やその他例えばバーをトレイに並べる作業等の際に手を挿入するためのグローブ１３が設置されている。また、劈開室１１の一端には、前工程において上面及び下面にそれぞれ電極を形成した半導体材料からなる積層構造を劈開室１１内に搬入する搬入経路としての前室１４が付設されている。また、劈開室１１と結晶成長室１２との間には、両者を連結する搬送経路としての中継室１５が設置されている。
【００２４】
また、これら前室１４、劈開室１１、中継室１５、及び結晶成長室１２には、酸素と水分の低濃度雰囲気ガス、例えば酸素と水分の濃度がいずれも１ppmより低い値である高純度に精製されたＮ2やＡｒのような高純度不活性ガスを供給する雰囲気ガス供給部がそれぞれに設置されている。
即ち、前室１４には、その一方に雰囲気ガス供給部としての不活性ガス供給ライン１６がバルブ１７ａを介して接続され、その他方にバルブ１７ｂ及び真空ポンプ１８を介して排気ライン１９が接続されている。このようにして、前室１４は、その内部の雰囲気を不活性ガス供給ライン１６から供給される高純度不活性ガスによって置換する機能を備えている。
【００２５】
また、劈開室１１の雰囲気ガス供給部２０は、図１に破線で示すように、高純度不活性ガスを供給する不活性ガス加圧ライン２１、高純度不活性ガスの劈開室１１内への流入量を制御する制御バルブ２２ａ、高純度不活性ガスに混入した不純物等を除去して純化する純化装置２３、高純度不活性ガスの流量を表示するガス流量計２４、バルブ１７ｃ、１７ｄ、高純度不活性ガスを循環させるための循環ブロワ２５、劈開室１１内からの排出量を制御する制御バルブ２２ｂ、及び減圧ライン２６から構成されている。
【００２６】
なお、ここで使用する純化装置２３には、フィルタを用いて不純物等を除去する方式や触媒を用いて不純物等を除去する方式など種々の装置が考えられるが、いずれの方式の装置を用いてもよい。
そして、この雰囲気ガス供給部２０により、不活性ガス加圧ライン２１から純化装置２３、ガス流量計２４、及びバルブ１７ｃを介して、高純度不活性ガスを劈開室１１内に供給すると共に、劈開室１１内の高純度不活性ガスをバルブ１７ｄ及び循環ブロワ２５を介して純化装置２３に戻し、そこで不純物等を除去する純化処理を行った後、再びガス流量計２４及びバルブ１７ｃを介して、純化処理された高純度不活性ガスを劈開室１１内に循環的に供給するようになっている。更に、劈開室１１内の雰囲気のうち、純化装置２３等を介して劈開室１１内に循環する以外のガスは、制御バルブ２２ｂを介して減圧ライン２６に排気されるようになっている。
【００２７】
また、中継室１５には、その一方に雰囲気ガス供給部としての不活性ガス供給ライン２７がバルブ１７ｅを介して接続され、その他方にバルブ１７ｆ及び排気ブロワ２８を介して排気ライン２９が接続され、その内部の雰囲気を不活性ガス供給ライン２７から供給される高純度不活性ガスによって置換するようになっている。
【００２８】
また、結晶成長室１２には、その一方に化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させるために必要な各種の原料ガスを供給する原料ガス供給ライン３０がバルブ１７ｇ、１７ｈ、…、１７ｊを介して接続されている。そして、これらの原料ガス供給ライン３０の中には、エピタキシャル結晶成長前の結晶成長室１２内の雰囲気を置換したり、エピタキシャル結晶成長後の結晶成長室１２内の原料ガスを置換したりする雰囲気ガス供給部としての不活性ガス供給ラインが含まれている。また、その他方にバルブ１７ｋ及び排気ブロワ３１を介して排気ライン３２が接続されている。
【００２９】
更に、劈開室１１には、室内の圧力変動を感知する接点付きの圧力センサ３３が付設されている。そして、この圧力センサ３３からの信号を受信した制御バルブ２２ａ、２２ｂが、劈開室１１内への高純度不活性ガスの流入量及び劈開室１１内から減圧ライン２６への排出量をそれぞれ制御するようになっている。
次に、図１の半導体レーザ素子の製造装置を用いて半導体レーザ素子を作製するプロセスを、図２〜図４を用いて説明する。
【００３０】
ここで、図２は図１の半導体レーザ素子の製造装置に搬入される劈開前の半導体材料からなる積層構造を示す斜視図であり、図３は図１の半導体レーザ素子の製造装置を用いて作製した半導体レーザ素子の劈開端面近傍に対して行った２次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectroscopy；ＳＩＭＳ）の測定結果を示すグラフであり、図４は本実施形態との比較のために作製した半導体レーザ素子の劈開端面近傍に対して行ったＳＩＭＳの測定結果を示すグラフである。
【００３１】
先ず、所定の結晶成長装置又は図１に示す結晶成長室１２を使用して、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属気相成長）法のようなエピタキシャル結晶成長法を適用し、図２に示されるように、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１の上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる厚み３μｍの下部クラッド層２、ノンドープのＡｌＧａＡｓからなる厚み３０nmの下部光閉じ込め層３、ノンドープＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓが順に積層された格子不整合系の多重量子井戸構造からなる厚み７nmの活性層４、ノンドープＡｌＧａＡｓからなる厚み３０nmの上部光閉じ込め層５、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる厚み２μｍの上部クラッド層６、及びｐ−ＧａＡｓからなるキャップ層７を順次積層して、レーザ発振機能を備えたスラブ状の積層構造を形成する。
【００３２】
続いて、この積層構造の上面のキャップ層７にフォトリソグラフィとエッチングを行ってリッジ形状に加工する。また、この積層構造の上面全体にＳｉ3Ｎ4からなる保護膜８を成膜した後、リッジ頂部の部分をエッチング除去してキャップ層７を表出させ、更にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次蒸着して上部電極９を形成し、更に基板１の裏面を研磨した後、そこにＡｕＧｅＮｉ／Ａｕを順次蒸着して下部電極１０を形成する。
【００３３】
次いで、このようにして作製した図２に示される半導体材料からなる積層構造を、図１に示される半導体レーザ素子の製造装置の前室１４内に搬入する。
なお、このとき、前室１４、劈開室１１、中継室１５、及び結晶成長室１２には、不活性ガス供給ライン１６、雰囲気ガス供給部２０、不活性ガス供給ライン２７、及び原料ガス供給ライン３０等によって高純度不活性ガスを供給し、各室内を充填しておく。
【００３４】
また、ここで使用する高純度不活性ガスは、含有される酸素と水分がいずれも１ppmより低い濃度に設定されている。仮に高純度不活性ガスの酸素と水分の濃度が１ppmよりも高い場合に、例えば積層構造を構成する半導体材料がＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰのように酸素との結合が強いＡｌを含んでいると、その劈開面は急速に酸化されてしまうからである。本実施形態においては、このような高純度不活性ガスとして、例えば酸素濃度が２０ppb以下、水分濃度が２０ppb以下の高純度に精製されたＮ2ガスを使用する。
【００３５】
そして、この図２に示される積層構造を搬入した前室１４において、その室内を充填するＮ2ガスの純度が劈開室１１内を充填するＮ2ガスの純度と同一レベルになるまで置換処理を行い、その後、図２に示される半導体材料からなる積層構造を前室１４から劈開室１１内に搬入する。
また、この劈開室１１内には、高純度不活性ガスとしてのＮ2ガスが、雰囲気ガス供給部２０により、不活性ガス加圧ライン２１から純化装置２３及びガス流量計２４等を介して供給されると共に、循環ブロワ２５及びフィルタ方式や触媒方式などの純化装置２３等を介して循環的に供給され、常に室内の酸素濃度が２０ppb以下、水分濃度が２０ppb以下になるように管理されている。
【００３６】
そして、劈開室１１に設置されているグローブ１３に手を挿入し、室内の劈開装置を手動で操作して、図２に示される積層構造を設計目的の共振器長に劈開する作業を行う。こうして、半導体レーザ素子のバーを製造し、劈開面を表出させて、共振器の劈開端面を形成する。このとき、この積層構造の劈開作業は上記のように酸素濃度が２０ppb以下、水分濃度が２０ppb以下になるように管理されているＮ2ガス雰囲気中で行われるため、共振器の劈開端面の酸化は充分に抑制される。
【００３７】
なお、グローブ１３に手を挿入する際に、劈開室１１内の圧力が変動する。しかし、この劈開室１１内の圧力変動は接点付きの圧力センサ３３によって感知され、この圧力センサ３３からの信号を受信した制御バルブ２２ａ、２２ｂが劈開室１１内への高純度不活性ガスの流入量及び劈開室１１内からの排出量をそれぞれ制御するため、グローブ１３に手を挿入して劈開装置を手動操作している場合であっても、劈開室１１内は常に一定の圧力、例えば１００〜１５００Ｐａに保持される。但し、これ以上の高圧になると、シール部に悪影響を与える恐れが生じる。こうして、グローブ１３を用いる内部での作業やその際の手の出し入れを容易に行うことが可能になる。
【００３８】
次いで、劈開室１１における劈開作業が終了した半導体レーザ素子のバーを専用の治具にセットし、中継室１５を経由して、結晶成長室１２に搬送する。
そしてこの搬送時には、経由する中継室１５内も、劈開室１１内と同様に、酸素濃度２０ppb以下、水分濃度２０ppb以下の高純度精製Ｎ2ガスによって充填されているため、酸素や水分を多量に含む大気に曝露されることはない。従って、劈開室１１から結晶成長室１２へ中継室１５を経由する搬送時においても、共振器の劈開端面が酸化されることは充分に抑制される。
【００３９】
また、半導体レーザ素子のバーが搬入された結晶成長室１２内も、そのエピタキシャル結晶成長前の段階においては、原料ガス供給ライン３０の１つから供給される高純度不活性ガスによって置換されているため、結晶成長室１２においてエピタキシャル結晶成長が開始される前に共振器の劈開端面が酸化されることは充分に抑制される。
【００４０】
次いで、この結晶成長室１２において、例えばＭＯＣＶＤ法や分子線エピタキシャル成長法などを適用し、原料ガス供給ライン３０から所望の原料ガスを導入して、共振器の劈開端面に対する化合物半導体のエピタキシャル結晶成長を行い、端面成長層を形成する。本実施形態においては、例えば温度４００℃の条件においてＩｎＧａＰのエピタキシャル結晶成長を行い、端面成長層を形成する。
【００４１】
なお、この端面成長に用いる化合物半導体としては、ＩｎＧａＰ以外にも例えばＩｎＧａＡｓＰやＧａＡｓのような比較的低い成長温度でも良質な結晶膜の形成が可能なものであればよく、Ａｌを含まないものであることが好ましい。
このようにして、共振器の劈開端面に端面成長層が形成されるが、劈開作業を行った劈開室１１においても、搬送時に経由した中継室１５においても、その劈開端面の酸化は充分に抑制されているため、この結晶成長室１２における連続的なエピタキシャル結晶成長によりその劈開端面上に形成される端面成長層は、欠陥の少ない高品質の結晶膜になる。
【００４２】
次いで、結晶成長室１２におけるエピタキシャル結晶成長作業が終了した半導体レーザ素子のバーを再び中継室１５に搬入し、そこで室内を充填するＮ2ガスの純度が劈開室１１内を充填するＮ2ガスの純度と同一レベルになるまで置換処理を行った後、更に劈開室１１に搬入する。
このように中継室１５は、劈開室１１側と結晶成長室１２の双方からアクセス可能であるが、前室１４と同様の置換機能を備えているため、半導体レーザ素子のバーを結晶成長室１２から中継室１５を経由して劈開室１１に搬送する際に、結晶成長室１２において使用された例えばＨ2（水素）ガスなどの原料ガスが中継室１５を介して劈開室１１に流入することはない。
【００４３】
なお、共振器の劈開端面に例えばＩｎＧａＰからなる端面成長層が形成された後は酸化の影響を受けることがないため、中継室１５に外部への搬出が可能な扉付きの出口を別途に設けておけば、劈開室１１を経由することなく中継室１５から外部に直接取り出すことも可能になる。
本発明者らは、このようにして作製された半導体レーザ素子の劈開端面近傍に対してＳＩＭＳを行ったところ、図３のグラフに示すような結果が得られた。
【００４４】
なお、本実施形態との比較のために、図６に示される半導体レーザ素子の製造装置を用いて、劈開室４１における劈開作業を酸素濃度２ppm、水分濃度２ppmの作業雰囲気で行い、短時間ながら大気中を経由して劈開室４１から結晶成長装置４２に搬送した場合における半導体レーザ素子の劈開端面近傍に対するＳＩＭＳも同様に測定した。その結果を図４のグラフに示す。
【００４５】
図３と図４のグラフを対比して明らかなように、本実施形態の場合の半導体レーザ素子は、比較例に比べて、その共振器の劈開端面近傍における酸素量が著しく減少している。即ち、劈開室１１内及び中継室１５内の酸素濃度と水分濃度を低濃度に管理することによる効果は歴然としている。
また、温度２５℃の環境下において、本実施形態に係る半導体レーザ素子と比較例の半導体レーザ素子をいずれも光出力３００mWで発振させ、そのときのＭＴＴＦ（Mean Time to Failure）を測定した。その結果、本実施形態に係る半導体レーザ素子の場合のＭＴＴＦは５×１０7hrであり、比較例の半導体レーザ素子の場合のＭＴＴＦは１×１０7hrであった。
【００４６】
このことから明らかなように、本実施形態に係る半導体レーザ素子はＣＯＤの抑制効果が優れており、その使用寿命は長く、その駆動信頼性が高いことが確認された。
なお、上記第１の実施形態においては、作業室が劈開装置を備えた劈開室１１の場合について説明したが、本発明に係る作業室は劈開室１１に限定されるものではなく、結晶成長室１２におけるエピタキシャル結晶成長を行う前段の半導体基板に加工を施す作業を行うものに広く適用することが可能である。このことは、次に述べる第２の実施形態についても、同様である。
【００４７】
また、この作業室としての劈開室１１にはグローブ１３が設置され、室内の劈開装置を手動で操作するようになっているが、劈開室１１内に配置された劈開装置による劈開作業や搬送、バーセット作業等が自動化され、手動での操作を要しない場合には、劈開室１１にグローブ１３を設置してグローボックス化する必要はない。そして、このように劈開室１１にグローブ１３を設置しない場合には、グローブ１３に手を挿入する際の劈開室１１内の圧力変動もなくなるため、この圧力の変動を感知するための圧力センサ３３を付設する必要性も低下する。
【００４８】
また、上記第１の実施形態においては、劈開室１１内に高純度に精製されたＮ2ガスを供給する不活性ガス加圧ライン２１の他に、循環ブロワ２５や純化装置２３が付設され、高純度に精製されたＮ2ガスを循環的に供給するようになっている循環供給方式の場合について述べているが、劈開室１１内へのＮ2ガスの供給方法はこの循環供給方式に限定されるものではない。例えば不活性ガス供給ライン２７から直接に中継室１５にＮ2ガスを連続的に供給するような連続供給方式を採用してもよい。但し、循環供給方式を採用する場合の方が連続供給方式の場合よりも、高純度に精製されたＮ2ガスの使用量を減少させて、コスト低減に寄与することが可能になる。
【００４９】
また、連続供給方式を採用する場合、高純度に精製されたＮ2ガスを供給するそのガス源を使用する際には特に純化装置を設置する必要はないが、ガス源の純度が所望の値より低いときには、その供給ラインの途中に純化装置を設置することが望ましい。例えば所望の値より低いガス源を使用する場合には、図１において、劈開室１１の雰囲気ガス供給部２０に純化装置２３を設置するだけでなく、前室１４及び中継室１５の雰囲気ガス供給部としての不活性ガス供給ライン１６、２７の途中に純化装置を設置することが望ましい。
【００５０】
（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造装置を示す概略図である。なお、上記第１の実施形態の図１に示す半導体レーザ素子の製造装置の構成要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
図５に示されるように、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造装置においては、上記第１の実施形態の場合と同様に、劈開装置（図示せず）を用いて半導体材料からなる積層構造を劈開し、共振器の劈開端面を形成する作業を行う劈開室１１が設置され、この劈開装置を手動で操作するためのグローブ１３が設置され、更にこの劈開室１１の一端に、前工程において形成した半導体材料からなる積層構造を劈開室１１内に搬入する前段としての前室１４が付設されている。
【００５１】
但し、上記第１の実施形態の場合と異なり、化合物半導体をエピタキシャル結晶成長させる作業を行う結晶成長室は１つではなく、複数の第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎが設置され、これら第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎと劈開室１１とをそれぞれに連結する中継室１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎが設置されている。
【００５２】
なお、これら前室１４、劈開室１１、中継室１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎ、及び第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎに酸素と水分の低濃度雰囲気ガスとして例えば高純度に精製されたＮ2ガスを供給する雰囲気ガス供給部や、第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎに各種の原料ガスを供給する原料ガス供給ラインや、劈開室１１内の圧力の変動を感知する圧力センサなどは、上記第１の実施形態の図１に示す場合と基本的に同様であるため、その図示及び説明は省略する。
【００５３】
また、図５の半導体レーザ素子の製造装置を用いて半導体レーザ素子を作製するプロセスも、基本的に上記第１の実施形態の場合と同様であるが、複数の第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎが設置されているため、１つの結晶成長室の場合には実現することが不可能な連続的な複数の処理を行うことが可能になる。
【００５４】
そして、その場合においても、劈開作業を行う劈開室１１、エピタキシャル結晶成長直前の第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎ、これら劈開室１１と第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎとの間の搬送時に経由する中継室１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎの各室内の雰囲気が酸素濃度２０ppb以下、水分濃度２０ppb以下になるように管理されていることから、酸化の影響を受けないプロセスを実現することが可能になる。このため、第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎにおいて形成される結晶成長層を欠陥の少ない高品質の結晶膜にすることができる。
【００５５】
なお、上記第２の実施形態においては、劈開室１１と第１〜第ｎの結晶成長室１２ａ、１２ｂ、…、１２ｎとをそれぞれに連結する中継室１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎが各別に設置されているが、これら中継室１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎを互いに連結する連結経路を設け、その連結経路内の雰囲気を中継室１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎ内の雰囲気と同一条件になるようにすれば、例えば第１の結晶成長室１２ａから第２の結晶成長室１２ｂに搬送する際に、劈開室１１を経由することなく中継室１５ａ、連結経路、及び中継室１５ｂを経由して、搬送することも可能になる。この場合、搬送距離が短縮されて、スループットが向上する。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、以下の効果を奏することができる。
即ち、請求項１に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、酸化による影響を受け易い半導体レーザ素子の製造プロセスにおいて、半導体基板の加工後、大気中の酸素や水分に曝露されることなく、その半導体基板の加工面上に連続的にエピタキシャル結晶成長膜を形成することが可能になるため、欠陥の少ない高品質の結晶膜を得ることができ、高品質、高信頼性の半導体レーザ素子の実現に寄与することができる。
【００５７】
また、請求項２に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、積層構造の劈開作業からその劈開端面上への結晶成長作業に至るプロセスを大気中の酸素や水分に曝露されることはなく実施して、劈開端面の酸化を防止することが可能になるため、結晶成長室における劈開端面上への連続的なエピタキシャル結晶成長により、欠陥の少ない高品質の結晶膜を得ることができ、ＣＯＤの発生が抑制された高出力で長寿命の半導体レーザ素子の実現に寄与することができる。
【００５８】
また、請求項３に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、作業室において加工され露出された加工面（劈開室において劈開された劈開端面）が急速に酸化されることを防止することができる。
また、請求項４に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、作業室における自動化されていない作業などを容易に行うことができる。
【００５９】
また、請求項５に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、連続供給方式の雰囲気ガス供給部によって高純度不活性ガスが連続供給されるため、エピタキシャル結晶成長膜を形成する前の半導体基板の加工面が大気中の酸素や水分に曝露されることを容易に防止することができる。
また、請求項６に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、循環供給方式の雰囲気ガス供給部によって高純度不活性ガスが循環的に供給されるため、エピタキシャル結晶成長膜を形成する前の半導体基板の加工面が大気中の酸素や水分に曝露されることを防止するための高純度不活性ガスの使用量を減少させることが可能になるため、コストの低減に寄与することができる。
【００６０】
また、請求項７に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、循環供給方式の雰囲気ガス供給部によって高純度不活性ガスが循環的に供給される高純度不活性ガスを純化装置によって純化して、高純度不活性ガスを常に高品質の状態に保持することができる。
また、請求項８に係る半導体レーザ素子の製造装置によれば、作業室内の圧力を常に一定に保持することが可能になるため、例えば作業室に設置されているグローブを出し入れする場合にその出し入れが容易になり、作業室における加工作業条件を安定的に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造装置を示す概略図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子の製造装置に搬入される劈開前の半導体材料からなる積層構造を示す斜視図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子の製造装置を用いて作製した半導体レーザ素子の端面成長と層劈開面近傍に対して行ったＳＩＭＳの測定結果を示すグラフである。
【図４】比較のために作製した半導体レーザ素子の端面成長と層劈開面近傍に対して行ったＳＩＭＳの測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造装置を示す概略図である。
【図６】従来の半導体レーザ素子の製造装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１    半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）
２    下部クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）
３    下部光閉じ込め層（ノンドープＡｌＧａＡｓ）
４    活性層（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造）
５    上部光閉じ込め層（ノンドープＡｌＧａＡｓ）
６    上部クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）
７    キャップ（ｐ−ＧａＡｓ）
８    保護膜（Ｓｉ3Ｎ4）
９    上部電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
１０    下部電極（ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ）
１１    劈開室
１２    結晶成長室
１２ａ    第１の結晶成長室
１２ｂ    第２の結晶成長室
１２ｎ    第ｎの結晶成長室
１３    グローブ
１４    前室
１５、１５ａ、１５ｂ、…、１５ｎ    中継室
１６、２７    不活性ガス供給ライン
１７ａ、１７ｂ、…、１７ｋ    バルブ
１８    真空ポンプ
１９、２９、３２    排気ライン
２０    雰囲気ガス供給部
２１    不活性ガス加圧ライン
２２ａ、２２ｂ    制御バルブ
２３    純化装置
２４    ガス流量計
２５    循環ブロワ
２６    減圧ライン
３０    原料ガス供給ライン
３３    圧力センサ
【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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