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JP4826019B2 - Manufacturing method of semiconductor laser device - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、p型とn型の化合物半導体よりなる半導体層を備えた半導体レーザ素子の製造方法に係り、特に、埋込み型構造を有する半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN,AlGaN,GaInNまたはAlGaInNなどのIII−V族系窒化物半導体は、すべて直接遷移型のバンド構造を有し、そのバンドギャップは室温で1.9eV〜6.2eVにわたる。そのため、紫外域から可視光全域に及ぶ広範な波長領域で発光が可能であり、近年、発光素子の材料として注目されている。なかでも、青色から紫外域の波長が短い領域で発光が可能なレーザは、高密度光ディスク用の光源として注目されており、開発が盛んに進められている。なお、光ディスクの書き込みにあたっては、レーザには、高出力であると同時に駆動電流が小さいこと、安定した横モード発振ができること、および寿命が長いこと等が要求され、これらを満足するには、その構造を埋込み型とすることが有効である。
【0003】
埋込み型とは、レーザを構成する半導体層の両側面もしくは半導体層の上部にまで埋込み層が設けられ、半導体層の一部が埋込み層に埋め込まれた構造を指し、埋込み層の材料によって電流狭窄や横モードの閉じ込めを行うことができる。例えば、埋込みヘテロ構造(BH;Buried Heterostructure)は良く知られた屈折率導波構造の埋込み型レーザであり、ダブルヘテロ構造の活性領域の両側面に低屈折率材料で埋込み層を形成し、平行方向の横モードの安定性を向上させるものである。このようなレーザの作製は、半導体層を積層させ、一旦、ダブルヘテロ構造を形成した後に、これをエッチングして、数μm幅のストライプ状の凸部形状に加工し、更にこの凸部を埋め込むようにその両側面に埋込み層を形成する方法が一般的である。従って、凸部は、活性領域の上部にあるp型層を含むようになっているが、その下層のn型層まで含んで構成されることもある。更に、埋込み層は、p型層と活性領域に対してはn型、n型層に対してはp型で構成する場合もある。
【0004】
また、リッジ埋込み型とは、活性領域上層のp型層の一部を凸部(リッジ)として、その両脇を埋め込むものである。ちなみに、リッジ構造は、電流が狭窄される利得導波型レーザでは典型的な構造であり、リッジ埋込み型とすれば、利得導波型と屈折率導波型の双方の特徴が実現可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
こうしたレーザの窒化物半導体層の形成は、通常、水素ガスをキャリアガスとしたMOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition)法などによる気相のエピタキシャル成長によって行われる。しかしながら、半導体層を水素雰囲気中で成長させると、水素がその層内に侵入することにより、クラックが生じたり、p型層にドープされたマグネシウム(Mg)等のp型不純物が不活性化されたりしていた。これらは、レーザの駆動電流および駆動電圧の上昇を招く原因となる。そこで、従来では、十分に活性化したp型層を得るために、各層の成長後に不活性ガス雰囲気中の熱処理による再活性化が行われていた。
【0006】
また、一般に、埋込み層はリッジの側面から横方向に成長させるが、水素雰囲気中ではその成長速度が遅く成長過程に要する時間が長くなり、その間に活性層が熱的に劣化する虞があった。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、駆動電流が小さく、寿命が長い半導体レーザ素子を簡便に得ることが可能な半導体レーザ素子の製造方法を提供することにある。
【0008】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、n型半導体層を形成する工程と、キャリアガスに水素(H 2 )を用いてp型半導体層を形成する工程と、n型半導体層およびp型半導体層からなる積層体の少なくとも一部に埋込み層を形成する工程と、を含み、埋込み層を、キャリアガスに不活性ガスまたは窒素(N2)を用いて成長させて形成するものである。
【0009】
この半導体レーザ素子の製造方法では、キャリアガスに不活性ガスまたは窒素を用いることで結晶の横方向成長が速くなり、短時間で埋込み層が形成される。また、埋込み層の成長中にp型層が活性化され、熱処理工程が不要となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0011】
図1は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法に基づいて製造される半導体レーザ1の概略構成を表している。すなわち、基板11の上にバッファ層12、n側コンタクト層13、n型クラッド層14、n型光ガイド層15、活性層16、p型光ガイド層17、p型クラッド層18およびp側コンタクト層19が順に積層されており、n側コンタクト層13の上層は、紙面に垂直な方向にストライプ状に伸びる凸部(メサ)となっている。また、p型クラッド層18の上部とp側コンタクト層19は、このメサ部分よりも更に狭い幅のストライプ状の突出部(リッジ)となっており、これらの両側面には、埋込み層20が設けられている。更に、この埋込み層20の上にも張り出すようにして、p側コンタクト層19の上にストライプ形状のp側電極22が設けられ、一方のn側コンタクト層13の一部には、上にストライプ形状のn側電極23が設けられている。なお、半導体レーザ1の表面は、各電極22,23および埋込み層20の上部以外は絶縁層21によって覆われている。
【0012】
次に、このような半導体レーザ1の製造方法について説明する。
【0013】
まず、図2(A)に示したように、基板11の上に窒化物系III−V族化合物半導体からなるバッファ層12、n側コンタクト層13、n型クラッド層14、n側光ガイド層15、活性層16、p側光ガイド層17、p型クラッド層18およびp側コンタクト層19を順次成長させる。なお、ここでは、MOCVD法を用いて結晶成長を行うことにする。
【0014】
具体的には、例えば、厚さ400μmのサファイアからなる基板11をMOCVD装置内に設置し、基板11の上に、GaNよりなるバッファ層12を30nm、n型不純物としてケイ素(Si)を添加したn型GaNからなるn側コンタクト層13(厚さ5.0μm)、不純物としてケイ素を添加したn型AlGaNよりなるn型クラッド層14(厚さ1.0μm)、n型不純物としてケイ素を添加したn型GaNからなるn側光ガイド層15(厚さ0.1μm)を順に成長させる。続いて、例えばGa1−xInNおよびGa1−yInNよりなる多重量子井戸構造を有する活性層16(厚さ40nm)を成長させ、更にその上にp型不純物としてマグネシウム(Mg)を添加したp型GaNよりなるp側光ガイド層17(厚さ0.1μm)、p型不純物としてマグネシウムを添加したp型AlGaNよりなるp型クラッド層18(厚さ0.7μm)、不純物としてマグネシウムを添加したp型GaNよりなるp側コンタクト層19(厚さ0.1μm)を順次成長させる。
【0015】
その際に、例えば、窒素(N)の原料としてはアンモニア(NH)、アルミニウム(Al)の原料としてはトリメチルアルミニウム((CHAl)、ガリウム(Ga)の原料としてはトリメチルガリウム((CHGa)またはトリエチルガリウム((CGa)、インジウム(In)の原料にはトリメチルインジウム((CHIn)を、更に、ケイ素の原料としてモノシラン(SiH)を、マグネシウムの原料としてビス=メチルシクロペンタジエニルマグネシウム(MeCpMg)またはビス=シクロペンタジエニルマグネシウム(CpMg)をそれぞれ用いる。
【0016】
また、キャリアガスには水素(H)を用いる。従って、p型の半導体層17〜19においては、その成長中に層内に水素が取り込まれ、p型不純物が水素に電荷供与を受けて不活性化することとなる。
【0017】
次に、一旦基板11をMOCVD装置より取り出し、所定形状の二酸化ケイ素(SiO)膜(図示せず)を、例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成する。次いで、図2(B)に示したように、このSiO膜をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法によりn側コンタクト層13が露出するまでエッチングを行うことにより、n側コンタクト層13の上層部、すなわち、n型クラッド層14、n側光ガイド層15、活性層16、p側光ガイド層17、p型クラッド層18およびp側コンタクト層19をメサ形状にパターニングする。パターニングの後、SiO膜はエッチング除去される。
【0018】
次に、図3(A)に示したように、p側コンタクト層19の上に部分的に図示しないマスクを形成し、このマスクを利用して、例えばRIE法によりエッチングを施す。これにより、p型クラッド層18の上部およびp側コンタクト層19を細い帯状のリッジとする。
【0019】
次に、図3(B)に示したように、基板11を再度MOCVD装置内に設置し、p型クラッド層18とp側コンタクト層19からなるリッジの両側面に埋込み層20を形成する。ここでは、他の半導体層12〜19の場合と異なり、キャリアガスには窒素(N)ガスが用いられる。その他にキャリアガスとしてAr等の不活性ガスを用いるようにしてもよい。この埋込み層20の材料には、例えばAlGa1−xN(0≦x≦1)が用いられ、組成をp型クラッド層18よりもAl量を多くなるように選べば、p型クラッド層18に比べて屈折率が相対的に低下するので好ましい。また、Si等の不純物を添加して埋込み層20をn型とすれば、後述するように、より強く電流を狭窄することができるので好ましい。なお、このような埋込み層20は、例えば、横方向成長を伴う結晶成長によって形成される。
【0020】
この場合の横方向成長は、リッジ側面から、p型クラッド層18の層面に平行方向に進行するものである。同時に、この横方向成長が行われる領域においてもp型クラッド層18の層面に垂直方向の成長は促進されるが、ここで横方向成長が支配的となるように成長条件を設定し、この領域を実質的に横方向成長により形成する。その際、ここではキャリアガスに窒素ガスを用いるようにしたので、キャリアガスを水素とする場合に比べて横方向成長の速度が速くなる。そのために、リッジ側面から横方向成長する結晶とp型クラッド層18の露出面において垂直方向に成長する結晶との成長速度比が拡大し、図に示したように、埋込み層20はドーム型形状となる。埋込み層20は、完全に上面が平坦となるまで成長させる必要はなく、実質的にリッジの側面およびp型クラッド層18の残る底面とに接していればよいので、これらを覆った時点で成長を止めてドーム型とすることで、素子特性を低下させずに、簡便により速く形成することができる。
【0021】
なお、一般に、横方向成長領域では、その下層や成長の種となる結晶から転位が伝播し難く、結晶性が良好となる。従って、この場合には、埋込み層20が低転位密度で結晶性に優れたものとなる。
【0022】
また、埋込み層20を成長させる間、基板11の表面には窒素(N)ガスが持続的に供給されている。そこで、この工程において、先に形成されたp型半導体層17〜19の内部に存在する水素が離脱する。なお、ここで形成される埋込み層20がn型であれば、水素はより離脱しやすい。これにより、p型半導体層17〜19は活性化され、埋込み層20は水素を含まないキャリアガス中で形成されてクラックが少ないものとなる。
【0023】
次に、図1に示したように、例えばSiOなどの絶縁層21を、蒸着およびパターニングによりメサ上部を除いた基板11の全面に形成する。次いで、n側コンタクト層13の上の絶縁層21に対し、所定位置にRIEを行いn側コンタクト層13を露出させる。更に、p側コンタクト層19の表面に所定のレジストパターン(図示せず)を例えばリソグラフィーにより形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えば真空蒸着法などを用い、Pd膜、pt膜、Au膜を順次形成してp側コンタクト層19上の所定位置にp側電極22を形成する。ここでは、p側電極22は、埋込み層20の一部まで覆うように表面積を大きく採って形成される。また、基板表面に対して所定形状のレジストパターン(図示せず)を形成し、p側電極22の場合と同様、真空蒸着法などによってTi膜、Al膜、pt膜、Au膜を順次形成する。これにより、n側コンタクト層13の露出部にn側電極23が形成される。
【0024】
そののち、図1の紙面に対して水平にレーザ構造を劈開し、共振器端面を形成する。このようにして、半導体レーザ1が完成する。なお、必要に応じて両端面に反射率を制御するためのコーティングを施すようにしてもよい。
【0025】
このようにして作製される半導体レーザ1は、p型クラッド層18およびp側コンタクト層19がリッジ形状である上に、その両脇に埋め込み層20が設けられたものとなる。よって、このリッジ部分においてp側電極22から活性層16に向かって流れる駆動電流が狭窄される。また、埋込み層20を、p型クラッド層18よりもAl量が多いAlGa1−xN(0≦x≦1)とする場合には、リッジ部分に比べてその屈折率が低下するために、屈折率導波型のレーザとすることができる。更に、このとき、Si等の不純物を添加して埋込み層20をn型とすれば、より強く電流狭窄を行うことができる。
【0026】
なお、ここでは、p側電極22をp側コンタクト層19の上だけでなく埋込み層20にまで張り出すようにして表面積が大きなものにしたので、半導体レーザ1の熱放散性が向上する。
【0027】
本実施の形態によれば、埋込み層20をキャリアガスに窒素を用いる気相成長によって形成するようにしたので、その形成過程において、先に形成されたp型層17〜19を再活性化することができる。よって、従来p型層の活性化に必要であった熱処理工程が不要となる。同時に、埋込み層20の横方向成長の速度が向上するため、その成長中に活性層16の結晶性が熱的に劣化する虞がなくなる。
【0028】
また、ここでは、各半導体層12〜19は、水素をキャリアガスに用いて成長させ、埋込み層20のみが窒素をキャリアガスとして成長するようにしたので、半導体層12〜19は、その形成時の水素の存在によりクラックが生じる虞が残るものの結晶性が良好なものとなる。ちなみに、これらを窒素雰囲気中で成長させると、良好な表面状態や結晶性が得られない。一方、埋込み層20は、横方向成長によって結晶性が改善されると共に、クラック等による損傷のない結晶層となる(実施例2を参照)。
【0029】
【実施例】
更に、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。
【0030】
(実施例1)
図4に示したように、サファイア基板111の上に、厚さ2μmのundope−GaN層112、厚さ0.7μmのMg添加GaN層113、および、厚さ0.1μmのSi添加AlN層114を順に形成した。このとき、undope−GaN層112とMg添加GaN層113は、成長温度1000℃、水素をキャリアガスとして成長させ、Si添加AlN層114については、成長温度770℃、窒素をキャリアガスとして成長させた。そののち、Si添加AlN層114をエッチングし、Mg添加GaN層113のホール定数の測定を行った。
【0031】
その結果、Mg添加GaN層113のキャリア濃度は、2.6×1017cm−3であった。これは、キャリアが充分に活性化していることを意味している。通常では、Si添加AlN層114も水素ガス雰囲気中で成長され、その場合のMg添加GaN層113のキャリア濃度はこのように高くはない。従って、Si添加AlN層114を窒素ガス雰囲気中で成長する際にMg添加GaN層113の層内から水素が離脱したために、そのキャリアが活性化したものと考えられる。
【0032】
(実施例2)
上記実施の形態と同様の構成の半導体レーザを、同様の方法で作製した。また、その比較例として、同様の構造のレーザを埋込み層20を水素雰囲気中で形成するものとして作製し、875℃,10分間の熱処理を行った。
【0033】
実施例2のレーザの埋込み層20の顕微鏡写真(倍率;200倍)を図5に、比較例のレーザの埋込み層20の顕微鏡写真(倍率;500倍)を図6に示す。なお、図5,図6中の縦線はELOのパターンである。このように、水素雰囲気中で成長させた埋込み層20には斜めに走るクラックが生じているが、窒素雰囲気中で成長させた埋込み層20にはクラック等の損傷が全くみられない。従って、窒素雰囲気下で結晶成長を行えば、結晶層の損傷を防止できることがわかる。
【0034】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態や実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では基板11としてサファイア基板を用いているが、基板はどのようなものであってもよく、例えばSiC基板、Si基板、GaN基板、GaAs基板などに対しても本発明を適用することができる。
【0035】
また、上記実施の形態で述べた半導体レーザ1は、III−V族系窒化物半導体よりなる半導体レーザ素子の一例であって、本発明はこれ以外の埋込み型のレーザ構造に対しても広く適用することができる。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1ないし請求項4に記載の半導体レーザ素子の製造方法によれば、埋込み層を、キャリアガスとして不活性ガスまたは窒素(N)を用いて成長させて形成するようにしたので、横方向の成長速度の向上により短時間で埋込み層を形成し、横方向成長時の活性層劣化が防止される。これにより、長寿命の半導体レーザ素子を生産性よく製造することができる。また、埋込み層の成長中にp型層が活性化されるので、p型層の再活性化のために従来必要とされていた熱処理工程が不要となり、工程を簡略化することができる。同時に、埋込み層以外の半導体層の成長には不活性ガスまたは窒素ガスをキャリアガスに用いないので、半導体層の表面荒れや結晶性の劣化などが少ない埋め込み型の半導体レーザとすることができる。従って、駆動電流・電圧が低く、長寿命で横モード安定性の高い半導体レーザを簡易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ1の構成を表す断面図である。
【図2】半導体レーザ1の製造工程を説明するための断面図である。
【図3】図2の工程に続く工程毎の断面図である。
【図4】本発明の実施例1で作製された構造体の構成を表す図である。
【図5】実施例2における埋込み層20の顕微鏡写真である。
【図6】比較例における埋込み層20の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
1…半導体レーザ、11…基板、12…バッファ層、13…n側コンタクト層、14…n型クラッド層、15…n側光ガイド層、16…活性層、17…p側光ガイド層、18…p型クラッド層、19…p側コンタクト層、20…埋込み層、21…絶縁層、22…p側電極、23…n側電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor laser device having a semiconductor layer made of p-type and n-type compound semiconductors, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor laser device having a buried structure.
[0002]
[Prior art]
III-V group nitride semiconductors such as GaN, AlGaN, GaInN or AlGaInN all have a direct transition band structure, and the band gap ranges from 1.9 eV to 6.2 eV at room temperature. Therefore, light emission is possible in a wide wavelength range from the ultraviolet region to the entire visible light region, and in recent years, it has attracted attention as a material for a light emitting element. In particular, a laser capable of emitting light in a short wavelength range from blue to ultraviolet is attracting attention as a light source for a high-density optical disc, and development is actively promoted. When writing an optical disk, the laser is required to have a high output and a low driving current, a stable transverse mode oscillation, and a long life. It is effective to make the structure embedded.
[0003]
The buried type refers to a structure in which buried layers are provided up to both sides of the semiconductor layer constituting the laser or even above the semiconductor layer, and a part of the semiconductor layer is buried in the buried layer, and the current confinement depends on the material of the buried layer. And transverse mode confinement. For example, a buried heterostructure (BH) is a well-known buried laser having a refractive index waveguide structure, in which buried layers are formed of a low refractive index material on both sides of an active region of a double heterostructure, and are parallel to each other. This improves the stability of the transverse mode of direction. In manufacturing such a laser, a semiconductor layer is stacked, and once a double heterostructure is formed, this is etched and processed into a striped convex shape having a width of several μm, and this convex portion is embedded. Thus, a method of forming buried layers on both side surfaces is generally used. Accordingly, the convex portion includes the p-type layer above the active region, but may also be configured to include the n-type layer below the active region. Further, the buried layer may be configured to be n-type for the p-type layer and active region and p-type for the n-type layer.
[0004]
In the ridge embedded type, a part of the p-type layer in the upper layer of the active region is formed as a convex portion (ridge) and both sides thereof are embedded. Incidentally, the ridge structure is a typical structure for a gain-guided laser in which the current is confined. If the ridge-embedded structure is used, both the gain-guided and refractive-index-guided characteristics can be realized. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The formation of such a nitride semiconductor layer of a laser is usually performed by vapor phase epitaxial growth by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method using hydrogen gas as a carrier gas. However, when a semiconductor layer is grown in a hydrogen atmosphere, hydrogen penetrates into the layer, causing cracks and inactivating p-type impurities such as magnesium (Mg) doped in the p-type layer. I was doing. These cause increases in the laser drive current and drive voltage. Thus, conventionally, in order to obtain a fully activated p-type layer, reactivation by heat treatment in an inert gas atmosphere has been performed after the growth of each layer.
[0006]
In general, the buried layer is grown laterally from the side surface of the ridge. However, in the hydrogen atmosphere, the growth rate is slow, and the time required for the growth process becomes long. During this time, the active layer may be thermally deteriorated. .
[0007]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor laser device that can easily obtain a semiconductor laser device having a small driving current and a long lifetime.
[0008]
The method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention includes a step of forming an n-type semiconductor layer, a step of forming a p-type semiconductor layer using hydrogen (H 2 ) as a carrier gas, an n-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor. and forming a buried layer on at least a portion of the stack of layers, and the buried layer, it is shall be formed by growing using a carrier gas to the inert gas or nitrogen (N 2).
[0009]
In this semiconductor laser device manufacturing method, the use of an inert gas or nitrogen as the carrier gas increases the lateral growth of the crystal, and the buried layer is formed in a short time. Also, the p-type layer is activated during the growth of the buried layer, eliminating the need for a heat treatment step.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a semiconductor laser 1 manufactured based on a semiconductor laser device manufacturing method according to an embodiment of the present invention. That is, the buffer layer 12, the n-side contact layer 13, the n-type cladding layer 14, the n-type light guide layer 15, the active layer 16, the p-type light guide layer 17, the p-type cladding layer 18 and the p-side contact are formed on the substrate 11. The layers 19 are sequentially laminated, and the upper layer of the n-side contact layer 13 is a convex portion (mesa) extending in a stripe shape in a direction perpendicular to the paper surface. Further, the upper portion of the p-type cladding layer 18 and the p-side contact layer 19 are stripe-shaped protrusions (ridges) having a narrower width than the mesa portion, and buried layers 20 are formed on both side surfaces thereof. Is provided. Further, a striped p-side electrode 22 is provided on the p-side contact layer 19 so as to overhang the buried layer 20, and a part of one n-side contact layer 13 is A stripe-shaped n-side electrode 23 is provided. The surface of the semiconductor laser 1 is covered with an insulating layer 21 except for the upper portions of the electrodes 22 and 23 and the buried layer 20.
[0012]
Next, a method for manufacturing such a semiconductor laser 1 will be described.
[0013]
First, as shown in FIG. 2A, a buffer layer 12 made of a nitride III-V compound semiconductor, an n-side contact layer 13, an n-type cladding layer 14, and an n-side light guide layer are formed on a substrate 11. 15, the active layer 16, the p-side light guide layer 17, the p-type cladding layer 18 and the p-side contact layer 19 are grown sequentially. Here, crystal growth is performed using the MOCVD method.
[0014]
Specifically, for example, a substrate 11 made of sapphire having a thickness of 400 μm is placed in an MOCVD apparatus, and a buffer layer 12 made of GaN is added to the substrate 11 with 30 nm, and silicon (Si) is added as an n-type impurity. n-type contact layer 13 (thickness 5.0 μm) made of n-type GaN, n-type cladding layer 14 (thickness 1.0 μm) made of n-type AlGaN doped with silicon as an impurity, and silicon added as n-type impurity An n-side light guide layer 15 (thickness: 0.1 μm) made of n-type GaN is grown in order. Subsequently, an active layer 16 (thickness 40 nm) having a multiple quantum well structure made of, for example, Ga 1-x In x N and Ga 1-y In y N is grown, and further magnesium (Mg) as a p-type impurity thereon. P-side light guide layer 17 (thickness 0.1 μm) made of p-type GaN with addition of p), p-type cladding layer 18 (thickness 0.7 μm) made of p-type AlGaN with addition of magnesium as p-type impurities, impurities Then, a p-side contact layer 19 (thickness: 0.1 μm) made of p-type GaN doped with magnesium is sequentially grown.
[0015]
At that time, for example, ammonia (NH 3 ) is used as a raw material for nitrogen (N), trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) is used as a raw material for aluminum (Al), and trimethylgallium (Ga) is used as a raw material for gallium (Ga). (CH 3 ) 3 Ga) or triethylgallium ((C 2 H 5 ) 3 Ga), trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) as a raw material for indium (In), and monosilane (SiH as a raw material for silicon) 4 ) and bis = methylcyclopentadienylmagnesium (MeCp 2 Mg) or bis = cyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), respectively, as raw materials for magnesium.
[0016]
Further, hydrogen (H 2 ) is used as the carrier gas. Accordingly, in the p-type semiconductor layers 17 to 19, hydrogen is taken into the layers during the growth, and the p-type impurities are inactivated by receiving charge donation to hydrogen.
[0017]
Next, the substrate 11 is once taken out from the MOCVD apparatus, and a silicon dioxide (SiO 2 ) film (not shown) having a predetermined shape is formed using, for example, a CVD method, a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like. Next, as shown in FIG. 2B, the n-side contact layer 13 is etched by using the SiO 2 film as a mask until the n-side contact layer 13 is exposed by, for example, RIE (Reactive Ion Etching). The upper layer, that is, the n-type cladding layer 14, the n-side light guide layer 15, the active layer 16, the p-side light guide layer 17, the p-type cladding layer 18 and the p-side contact layer 19 are patterned in a mesa shape. After patterning, the SiO 2 film is etched away.
[0018]
Next, as shown in FIG. 3A, a mask (not shown) is partially formed on the p-side contact layer 19, and etching is performed, for example, by the RIE method using this mask. As a result, the upper portion of the p-type cladding layer 18 and the p-side contact layer 19 are formed into a thin strip-shaped ridge.
[0019]
Next, as shown in FIG. 3B, the substrate 11 is placed in the MOCVD apparatus again, and the buried layers 20 are formed on both side surfaces of the ridge composed of the p-type cladding layer 18 and the p-side contact layer 19. Here, unlike the other semiconductor layers 12 to 19, nitrogen (N 2 ) gas is used as the carrier gas. In addition, an inert gas such as Ar may be used as the carrier gas. For example, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) is used as the material of the buried layer 20, and if the composition is selected so that the amount of Al is larger than that of the p-type cladding layer 18, the p-type cladding is used. The refractive index is relatively lower than that of the layer 18, which is preferable. Further, it is preferable to add an impurity such as Si to make the buried layer 20 an n-type because the current can be more strongly confined as will be described later. Such a buried layer 20 is formed by, for example, crystal growth accompanied by lateral growth.
[0020]
The lateral growth in this case proceeds in a direction parallel to the layer surface of the p-type cladding layer 18 from the ridge side surface. At the same time, growth in the direction perpendicular to the layer surface of the p-type cladding layer 18 is also promoted in the region where the lateral growth is performed. Here, the growth conditions are set so that the lateral growth becomes dominant. Are formed by substantially lateral growth. In this case, since nitrogen gas is used as the carrier gas here, the lateral growth rate is faster than when the carrier gas is hydrogen. Therefore, the growth rate ratio between the crystal growing laterally from the side surface of the ridge and the crystal growing vertically in the exposed surface of the p-type cladding layer 18 is expanded, and the buried layer 20 has a dome shape as shown in the figure. It becomes. The buried layer 20 does not need to be grown until the upper surface is completely flat, and may be substantially in contact with the side surface of the ridge and the remaining bottom surface of the p-type cladding layer 18. By forming a dome shape by stopping the process, it can be easily and quickly formed without deteriorating element characteristics.
[0021]
In general, in the lateral growth region, dislocations are not easily propagated from the lower layer or a crystal serving as a growth seed, and the crystallinity is improved. Therefore, in this case, the buried layer 20 has a low dislocation density and excellent crystallinity.
[0022]
During the growth of the buried layer 20, nitrogen (N 2 ) gas is continuously supplied to the surface of the substrate 11. Therefore, in this step, hydrogen existing inside the previously formed p-type semiconductor layers 17 to 19 is released. In addition, if the buried layer 20 formed here is n-type, hydrogen is more easily separated. As a result, the p-type semiconductor layers 17 to 19 are activated, and the buried layer 20 is formed in a carrier gas not containing hydrogen and has few cracks.
[0023]
Next, as shown in FIG. 1, for example, an insulating layer 21 such as SiO 2 is formed on the entire surface of the substrate 11 excluding the upper part of the mesa by vapor deposition and patterning. Next, RIE is performed at a predetermined position on the insulating layer 21 on the n-side contact layer 13 to expose the n-side contact layer 13. Further, a predetermined resist pattern (not shown) is formed on the surface of the p-side contact layer 19 by, for example, lithography. Using this resist pattern as a mask, a Pd film, a pt film, and an Au film are sequentially formed using, for example, a vacuum deposition method, and a p-side electrode 22 is formed at a predetermined position on the p-side contact layer 19. Here, the p-side electrode 22 is formed with a large surface area so as to cover a part of the buried layer 20. Further, a resist pattern (not shown) having a predetermined shape is formed on the substrate surface, and a Ti film, an Al film, a pt film, and an Au film are sequentially formed by a vacuum vapor deposition method or the like as in the case of the p-side electrode 22. . As a result, the n-side electrode 23 is formed on the exposed portion of the n-side contact layer 13.
[0024]
After that, the laser structure is cleaved horizontally with respect to the paper surface of FIG. 1 to form the resonator end face. In this way, the semiconductor laser 1 is completed. In addition, you may make it give the coating for controlling a reflectance to both end surfaces as needed.
[0025]
In the semiconductor laser 1 manufactured in this way, the p-type cladding layer 18 and the p-side contact layer 19 have a ridge shape, and embedded layers 20 are provided on both sides thereof. Therefore, the drive current flowing from the p-side electrode 22 toward the active layer 16 is confined in this ridge portion. Further, when the buried layer 20 is made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) having a larger amount of Al than the p-type cladding layer 18, its refractive index is lower than that of the ridge portion. In addition, a refractive index guided laser can be used. Furthermore, at this time, if the buried layer 20 is made n-type by adding an impurity such as Si, current confinement can be more strongly performed.
[0026]
Here, since the p-side electrode 22 has a large surface area so as to extend not only on the p-side contact layer 19 but also to the buried layer 20, the heat dissipation of the semiconductor laser 1 is improved.
[0027]
According to the present embodiment, since the buried layer 20 is formed by vapor phase growth using nitrogen as a carrier gas, the previously formed p-type layers 17 to 19 are reactivated in the formation process. be able to. Therefore, the heat treatment process conventionally required for activating the p-type layer becomes unnecessary. At the same time, since the speed of the lateral growth of the buried layer 20 is improved, there is no possibility that the crystallinity of the active layer 16 is thermally deteriorated during the growth.
[0028]
Here, since each of the semiconductor layers 12 to 19 is grown using hydrogen as a carrier gas and only the buried layer 20 is grown using nitrogen as a carrier gas, the semiconductor layers 12 to 19 are formed at the time of formation. Although there is a possibility that cracks may occur due to the presence of hydrogen, the crystallinity is good. Incidentally, when these are grown in a nitrogen atmosphere, a good surface state and crystallinity cannot be obtained. On the other hand, the buried layer 20 is improved in crystallinity by lateral growth and becomes a crystal layer that is not damaged by cracks or the like (see Example 2).
[0029]
【Example】
Furthermore, the present invention will be described with specific examples.
[0030]
Example 1
As shown in FIG. 4, on the sapphire substrate 111, an unope-GaN layer 112 having a thickness of 2 μm, a Mg-doped GaN layer 113 having a thickness of 0.7 μm, and a Si-added AlN layer 114 having a thickness of 0.1 μm. Were formed in order. At this time, the unope-GaN layer 112 and the Mg-added GaN layer 113 were grown at a growth temperature of 1000 ° C. using hydrogen as a carrier gas, and the Si-added AlN layer 114 was grown at a growth temperature of 770 ° C. and nitrogen as a carrier gas. . After that, the Si-added AlN layer 114 was etched, and the Hall constant of the Mg-added GaN layer 113 was measured.
[0031]
As a result, the carrier concentration of the Mg-added GaN layer 113 was 2.6 × 10 17 cm −3 . This means that the carrier is fully activated. Normally, the Si-added AlN layer 114 is also grown in a hydrogen gas atmosphere, and the carrier concentration of the Mg-added GaN layer 113 in that case is not so high. Therefore, it is considered that when the Si-added AlN layer 114 is grown in a nitrogen gas atmosphere, hydrogen is released from the Mg-added GaN layer 113 and the carriers are activated.
[0032]
(Example 2)
A semiconductor laser having the same configuration as that of the above embodiment was manufactured by the same method. Further, as a comparative example, a laser having a similar structure was produced by forming the buried layer 20 in a hydrogen atmosphere, and heat treatment was performed at 875 ° C. for 10 minutes.
[0033]
A micrograph (magnification: 200 times) of the laser embedding layer 20 of Example 2 is shown in FIG. 5, and a micrograph (magnification: 500 times) of the laser embedding layer 20 of the comparative example is shown in FIG. Note that the vertical lines in FIGS. 5 and 6 are ELO patterns. As described above, the buried layer 20 grown in the hydrogen atmosphere has cracks running obliquely, but the buried layer 20 grown in the nitrogen atmosphere shows no damage such as cracks. Therefore, it can be seen that crystal growth can be prevented by performing crystal growth in a nitrogen atmosphere.
[0034]
While the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, although the sapphire substrate is used as the substrate 11 in the above embodiment, any substrate may be used. For example, the present invention is applied to a SiC substrate, a Si substrate, a GaN substrate, a GaAs substrate, and the like. Can be applied.
[0035]
The semiconductor laser 1 described in the above embodiment is an example of a semiconductor laser element made of a III-V group nitride semiconductor, and the present invention is widely applied to other buried laser structures. can do.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4, the buried layer is formed by using an inert gas or nitrogen (N 2 ) as a carrier gas. Therefore, the buried layer is formed in a short time by improving the lateral growth rate, and the active layer is prevented from deteriorating during the lateral growth. Thereby, a long-life semiconductor laser device can be manufactured with high productivity. In addition, since the p-type layer is activated during the growth of the buried layer, the heat treatment step conventionally required for reactivation of the p-type layer becomes unnecessary, and the process can be simplified. At the same time, since an inert gas or nitrogen gas is not used as a carrier gas for the growth of semiconductor layers other than the buried layer, a buried semiconductor laser with less surface roughness of the semiconductor layer and deterioration in crystallinity can be obtained. Therefore, it is possible to easily manufacture a semiconductor laser having a low driving current and voltage, a long life, and high lateral mode stability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor laser 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor laser 1;
3 is a cross-sectional view for each process following the process of FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a structure manufactured in Example 1 of the present invention.
5 is a photomicrograph of a buried layer 20 in Example 2. FIG.
FIG. 6 is a micrograph of a buried layer 20 in a comparative example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser, 11 ... Substrate, 12 ... Buffer layer, 13 ... N-side contact layer, 14 ... N-type cladding layer, 15 ... N-side light guide layer, 16 ... Active layer, 17 ... P-side light guide layer, 18 ... p-type cladding layer, 19 ... p-side contact layer, 20 ... buried layer, 21 ... insulating layer, 22 ... p-side electrode, 23 ... n-side electrode

Claims (3)

n型半導体層を形成する工程と、
キャリアガスに水素(H 2 )を用いてp型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層および前記p型半導体層からなる積層体の少なくとも一部に埋込み層を形成する工程と、を含み、
前記埋込み層を、キャリアガスに不活性ガスまたは窒素(N2)を用いて成長させて形成す
導体レーザ素子の製造方法。
forming an n-type semiconductor layer ;
Forming a p-type semiconductor layer using hydrogen (H 2 ) as a carrier gas ;
Forming a buried layer in at least a part of a laminate composed of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer,
Said buried layer, you formed grown with carrier gas an inert gas or nitrogen (N 2)
Method of manufacturing a semi-conductor laser element.
前記埋込み層をAlxGa1-xN(0≦x≦1)により形成す
求項1に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
You formed by said buried layer Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1)
The method of manufacturing a semiconductor laser device according to Motomeko 1.
前記埋込み層を、これに隣接する前記p型半導体層よりも多くのアルミニウム(Al)を含有させて形成す
請求項2に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
Said buried layer, you formed by containing an aluminum (Al) much than the p-type semiconductor layer adjacent thereto
A method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 2 .
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