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JP2011114017A - Method of manufacturing nitride semiconductor device - Google Patents

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JP2011114017A
JP2011114017A JP2009266298A JP2009266298A JP2011114017A JP 2011114017 A JP2011114017 A JP 2011114017A JP 2009266298 A JP2009266298 A JP 2009266298A JP 2009266298 A JP2009266298 A JP 2009266298A JP 2011114017 A JP2011114017 A JP 2011114017A
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JP
Japan
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layer
nitride semiconductor
region
forming step
forming
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009266298A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuomi Shiozawa
勝臣 塩沢
Kyozo Kanemoto
恭三 金本
Tatsuya Shiromizu
達也 白水
Eiji Yagyu
栄治 柳生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2009266298A priority Critical patent/JP2011114017A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a nitride semiconductor device in which deterioration of an epitaxial growth film due to a heat treatment during window region formation is suppressed, and a window structure is formed while maintaining basic characteristics of a laser without deterioration in contact resistance between an electrode and a semiconductor layer. <P>SOLUTION: An optical non-absorption window region 14 is formed by diffusing an impurity from a solid-phase diffusion source 8 into a region including an active layer 4 by carrying out the heat treatment in an atmosphere containing oxygen after selectively forming the solid-phase diffusion source 8 in a predetermined region on a p-type GaN contact layer 7 to perform a diffusion treatment for the formation of the window region 14 at a lower diffusion treatment temperature than before, and consequently unnecessary thermal damage due to the window formation to a surface and the inside of crystal can be avoided, thereby forming the window region on a resonator end surface without deteriorating contact characteristics between the p-side electrode 12 and p-type GaN contact layer 7. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、窒化物半導体装置、特に窒化物半導体からなる半導体レーザの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device, particularly a semiconductor laser made of a nitride semiconductor.

大容量ディスクであるブルーレイ・ディスクの記録・読み出しに用いる半導体レーザとして、窒化物半導体レーザが用いられている。記録速度を向上させる上で、また記録密度を増やすための多層記録化を推し進めるためには更なる高出力化が必要となる。   A nitride semiconductor laser is used as a semiconductor laser for recording / reading a Blu-ray disc which is a large capacity disc. In order to improve the recording speed and to promote the multi-layer recording for increasing the recording density, it is necessary to further increase the output.

このような窒化物半導体レーザにおいて、400mWを越す高出力動作を実現する上で重要となる技術として、レーザ共振器端面での光吸収低減による端面破壊の抑制、および電極部の抵抗低減による動作電圧の低減が挙げられる。
レーザ共振器端面での光吸収による端面破壊を防ぐため、これまで赤色半導体レーザでは共振器端面のバンドギャップを広げることで光吸収を低減する窓構造が採用されている。窒化物半導体レーザの高出力化を図るためにも同様の窓構造の形成が有効である。
In such a nitride semiconductor laser, as an important technique for realizing a high output operation exceeding 400 mW, the operation voltage by suppressing the end face destruction by reducing the light absorption at the end face of the laser resonator and reducing the resistance of the electrode section Reduction.
In order to prevent end face destruction due to light absorption at the end face of the laser resonator, a red semiconductor laser has so far adopted a window structure that reduces light absorption by widening the band gap of the end face of the resonator. In order to increase the output of the nitride semiconductor laser, it is effective to form a similar window structure.

バンドギャップを広げる方法としては活性層の多重量子井戸(MQW)を無秩序化して、量子井戸準位よりも高いバンドギャップを得るのが一般的である。窒化物半導体レーザにおいても同様の方法が提案されている。
例えば、特許文献1には、窒化物半導体からなる活性層の端面近傍に不純物イオンを注入し、その後1000℃でアニール処理を行うことで、活性層の共振器端面近傍を無秩序化し、バンドギャップを広げた窓構造を形成する方法が開示されている。
また、特許文献2には、窒化物半導体層の表面に不純物を含む酸化物膜等を形成し、その後、窒素またはアンモニアを含む雰囲気下で、1000℃前後の温度でアニールすることにより、不純物原子を拡散させ、p型超格子クラッド層を無秩序化する方法が開示されている。
As a method for widening the band gap, it is common to disorder the multiple quantum well (MQW) of the active layer to obtain a band gap higher than the quantum well level. Similar methods have been proposed for nitride semiconductor lasers.
For example, in Patent Document 1, impurity ions are implanted near the end face of an active layer made of a nitride semiconductor, and then annealed at 1000 ° C., thereby disordering the vicinity of the resonator end face of the active layer and reducing the band gap. A method of forming an expanded window structure is disclosed.
Further, in Patent Document 2, an oxide film containing impurities is formed on the surface of the nitride semiconductor layer, and then annealed at a temperature of about 1000 ° C. in an atmosphere containing nitrogen or ammonia, thereby forming impurity atoms. Has been disclosed to disorder the p-type superlattice cladding layer.

特開2006−229210号公報(第10頁)JP 2006-229210 A (page 10) 特開2006−140387号公報(第8頁)JP 2006-140387 A (page 8)

高出力動作時の経時劣化抑制のためには半導体と電極との接触、すなわちコンタクト抵抗により生じる電圧降下を低く抑えて動作電圧を低減する必要がある。p側電極のコンタクト抵抗はp型半導体層最表面にあるコンタクト層のキャリア濃度と界面のトラップ濃度、及び電極材料の仕事関数に大きく左右される。
窒化物半導体のような不純物の拡散が容易でない結晶において窓構造を形成する場合には高温での熱処理が必要であり、上述した従来の窒化物半導体装置の製造方法においても1000℃近い温度で熱処理を行っているため、半導体表面からの窒素抜けや表面酸化が生じ、結晶表面に窒素欠陥起因のn型キャリアが発生したり、トラップ濃度が増加することによりp側電極のコンタクト抵抗が増加するという問題があった。
また、1000℃近い高温で熱処理を行うことにより、ドーパント不純物の不必要な拡散を招いてレーザ発振特性が劣化すると問題もあった。
In order to suppress deterioration over time during high output operation, it is necessary to reduce the operating voltage by suppressing the voltage drop caused by contact between the semiconductor and the electrode, that is, contact resistance. The contact resistance of the p-side electrode greatly depends on the carrier concentration of the contact layer on the outermost surface of the p-type semiconductor layer, the trap concentration of the interface, and the work function of the electrode material.
When a window structure is formed in a crystal such as a nitride semiconductor where diffusion of impurities is not easy, a heat treatment at a high temperature is required. Even in the above-described conventional method for manufacturing a nitride semiconductor device, a heat treatment is performed at a temperature close to 1000 ° C. As a result, nitrogen escape from the semiconductor surface and surface oxidation occur, n-type carriers due to nitrogen defects are generated on the crystal surface, and the contact resistance of the p-side electrode increases due to an increase in trap concentration. There was a problem.
In addition, there is a problem that the laser oscillation characteristics deteriorate due to unnecessary diffusion of dopant impurities by performing heat treatment at a high temperature close to 1000 ° C.

本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、窒化物半導体装置の製造方法において、窓領域形成の際の熱処理によりエピタキシャル成長膜が劣化するのを抑制し、電極と半導体層との間のコンタクト抵抗を劣化させること無く、レーザの基本特性を維持した上で窓構造を形成する窒化物半導体装置の製造方法を提供するものである。   The present invention has been made in view of such problems, and in the method for manufacturing a nitride semiconductor device, the deterioration of the epitaxially grown film due to the heat treatment at the time of forming the window region is suppressed, and the gap between the electrode and the semiconductor layer is reduced. The present invention provides a method for manufacturing a nitride semiconductor device in which a window structure is formed while maintaining the basic characteristics of a laser without degrading the contact resistance.

この発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基板上に第1導電型の窒化物半導体層を積層する第1導電型半導体層形成工程と、前記第1導電型の窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる活性層およびガイド層を形成する工程と、前記ガイド層上に第2導電型の窒化物半導体層を積層する第2導電型半導体層形成工程と、前記第2導電型の窒化物半導体層上の所定領域に固相拡散源を選択的に形成する拡散源形成工程と、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記固相拡散源から、前記活性層を含む領域に不純物原子を拡散させて光学的非吸収窓領域を形成する窓領域形成工程と、前記光学的非吸収窓領域内にレーザ共振器の端面となるへき開面を形成するへき開工程とを備えるものである。   A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes: a first conductive type semiconductor layer forming step of stacking a first conductive type nitride semiconductor layer on a substrate; and the first conductive type nitride semiconductor layer on the first conductive type nitride semiconductor layer. A step of forming an active layer and a guide layer made of a nitride semiconductor; a step of forming a second conductivity type semiconductor layer in which a second conductivity type nitride semiconductor layer is stacked on the guide layer; and a step of nitriding the second conductivity type A diffusion source forming step of selectively forming a solid phase diffusion source in a predetermined region on the physical semiconductor layer, and a heat treatment in an atmosphere containing oxygen, whereby the solid phase diffusion source is changed to the region including the active layer. A window region forming step of diffusing impurity atoms to form an optical non-absorbing window region; and a cleaving step of forming a cleaved surface to be an end face of a laser resonator in the optical non-absorbing window region. .

この発明によれば、窓領域形成時の拡散処理温度を従来よりも低温で行うことができるため、結晶表面や結晶内が必要以上に窓形成による熱的ダメージを免れることができ、電極と半導体層と間のコンタクト特性を劣化させること無く窓領域を共振器端面に形成することが可能になる。したがって、基本レーザ特性を劣化させること無く長寿命の高出力レーザを得ることが可能となる。   According to the present invention, since the diffusion treatment temperature at the time of forming the window region can be performed at a lower temperature than before, the crystal surface and the inside of the crystal can be avoided from the thermal damage due to the window formation more than necessary. The window region can be formed on the resonator end face without deteriorating the contact characteristics between the layers. Therefore, it is possible to obtain a long-lived high-power laser without degrading basic laser characteristics.

本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing the structure of a nitride semiconductor device in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 酸素を含む雰囲気中で熱処理を行ったときの窒化物半導体中への不純物原子の拡散プロファイルをSIMS分析で測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the diffusion profile of the impurity atom in the nitride semiconductor when heat processing is performed in the atmosphere containing oxygen by SIMS analysis. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の電流−出力特性を比較例とともに示す図である。It is a figure which shows the electric current-output characteristic of the nitride semiconductor device in Embodiment 1 of this invention with a comparative example. 本発明の実施の形態1における窒化物半導体装置の製造工程の変形例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross sectional view showing a modification of the manufacturing process of the nitride semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the nitride semiconductor device in Embodiment 3 of this invention.

実施の形態1.
図1は実施の形態1における窒化物半導体装置の構成を示す断面図であり、図1(a)は共振器方向の断面図、図1(b)は図1(a)のA−A線における断面を示す図である。
まず、図1を参照して、本実施の形態における半導体レーザの構成について説明する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 (a) is a cross-sectional view in the resonator direction, and FIG. 1 (b) is an AA line in FIG. 1 (a). It is a figure which shows the cross section in.
First, the configuration of the semiconductor laser according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図1において、窒化物半導体装置である半導体レーザ100は、例えば波長405nmの青紫色レーザ光を発生する窒化ガリウム(GaN)系半導体レーザであり、図1(a)に示すように、n型窒化物半導体基板であるn型GaN基板1上に、n型AlGaNクラッド層2、n型GaNガイド層3、アンドープ層であるInGa1-xN/InGa1−yN(x>、y≧0)多重量子井戸(MQW)活性層4、アンドープ層であるAlGaNガイド層5、p型AlGaNクラッド層6、p型GaNコンタクト層7が順次積層されている。また、図1(b)に示すように、p型AlGaNクラッド層6の一部およびp型GaNコンタクト層7にはストライプ状のリッジ15が形成されている。このリッジ15は、半導体レーザ100の共振器端面となるへき開端面の幅方向のほぼ中央部分に配設され、共振器端面となる両へき開面の間に延在している。そして、リッジ部15の側壁には、絶縁膜11を介してp側電極12が積層されている。 In FIG. 1, a semiconductor laser 100 which is a nitride semiconductor device is a gallium nitride (GaN) based semiconductor laser that generates blue-violet laser light having a wavelength of 405 nm, for example. As shown in FIG. On an n-type GaN substrate 1 that is a physical semiconductor substrate, an n-type AlGaN cladding layer 2, an n-type GaN guide layer 3, and an undoped layer In x Ga 1-x N / In y Ga 1-y N (x>, y ≧ 0) A multiple quantum well (MQW) active layer 4, an undoped AlGaN guide layer 5, a p-type AlGaN cladding layer 6, and a p-type GaN contact layer 7 are sequentially stacked. As shown in FIG. 1B, a stripe-shaped ridge 15 is formed on a part of the p-type AlGaN cladding layer 6 and the p-type GaN contact layer 7. The ridge 15 is disposed at a substantially central portion in the width direction of the cleaved end surface serving as the resonator end surface of the semiconductor laser 100, and extends between both cleaved surfaces serving as the resonator end surface. A p-side electrode 12 is stacked on the side wall of the ridge portion 15 with the insulating film 11 interposed therebetween.

また、n型GaN基板1の裏面には、n側電極13が形成されている。そして、図1(a)に示すように、半導体レーザ100の両端面部分には、p型GaNコンタクト層7の表面からn型GaNガイド層3の一部の領域にわたって、不純物拡散領域9が形成されている。このように不純物拡散領域9を半導体レーザ100の両端面部分に形成することにより、活性層4が無秩序化され、バンドギャップが活性層4よりも広がった光学的非吸収窓領域14が形成される。   An n-side electrode 13 is formed on the back surface of the n-type GaN substrate 1. As shown in FIG. 1A, impurity diffusion regions 9 are formed on both end portions of the semiconductor laser 100 from the surface of the p-type GaN contact layer 7 to a partial region of the n-type GaN guide layer 3. Has been. By forming the impurity diffusion region 9 in both end portions of the semiconductor laser 100 in this manner, the active layer 4 is disordered, and an optical non-absorption window region 14 having a band gap wider than that of the active layer 4 is formed. .

なお、上記説明において「AlGaN」と記したのは、正確には、AlGa1−xN(0≦x<1)型の混晶を意味し、xは0以上1未満のある値をとるものである。xを指定しない限りは、それぞれのAlGaNは異なるxの値をとるものとする。 In the above description, the expression “AlGaN” means an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) type mixed crystal, and x is a value not less than 0 and less than 1. It is something to take. Unless x is specified, each AlGaN assumes a different value of x.

次に、図2〜図8を参照して、半導体レーザ100の製造方法について説明する。
なお、図2〜図8の各図において、(a)を付して示す図は、共振器方向に垂直な方向の断面図、(b)を付して示す図は、共振器方向の断面図をそれぞれ示すものである。
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser 100 will be described with reference to FIGS.
2 to 8, (a) is a cross-sectional view perpendicular to the resonator direction, and (b) is a cross-sectional view in the resonator direction. Each figure is shown.

(n型半導体層形成工程、アンドープ層形成工程)
まず、図2に示す工程で、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化した第1導電型であるn型GaN基板1のGa面上に、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)により、通常の原料ガスを用いてn型半導体層であるn型AlGaNクラッド層2およびn型GaNガイド層3を順次形成した後、アンドープ層であるInGa1−xN/InGa1−yN(x>、y≧0)MQW活性層4およびAlGaNガイド層5を順次エピタキシャル成長させる。なお、図2(c)に活性層4の周辺を拡大して示すように、活性層4は、InGaNバリア層4aとInGaNウェル層4bを交互に積層させて形成する。
(N-type semiconductor layer forming step, undoped layer forming step)
First, in the process shown in FIG. 2, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) is formed on the Ga surface of the first conductivity type n-type GaN substrate 1 whose surface has been previously cleaned by thermal cleaning or the like. The n-type AlGaN cladding layer 2 and the n-type GaN guide layer 3 that are n-type semiconductor layers are sequentially formed by using a normal source gas, and then the In x Ga 1-x N / In y that is an undoped layer. Ga 1-y N (x>, y ≧ 0) MQW active layer 4 and AlGaN guide layer 5 are epitaxially grown sequentially. 2C, the periphery of the active layer 4 is enlarged, and the active layer 4 is formed by alternately laminating InGaN barrier layers 4a and InGaN well layers 4b.

(p型半導体層形成工程)
次いで、アンドープのAlGaNガイド層5上に、p型半導体層であるp型AlGaNクラッド層6、p型GaNコンタクト層7を順次成長させる。p型半導体層の成長は、Mgをドーピングして行う。この際、窒素供給源としてアンモニアを用いる。
(P-type semiconductor layer forming step)
Next, a p-type AlGaN cladding layer 6 and a p-type GaN contact layer 7 which are p-type semiconductor layers are sequentially grown on the undoped AlGaN guide layer 5. The growth of the p-type semiconductor layer is performed by doping Mg. At this time, ammonia is used as a nitrogen supply source.

なお、MOCVDによる成長の際の成長温度は、例えば、活性層4の成長時は750℃、それ以外の層は1000℃である。また、各層の厚さは所望の特性を得るために必要な膜厚に設定すればよい。また、MOCVDの代わりに、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル成長法)など他の成膜方法を用いることもできる。   The growth temperature during the growth by MOCVD is, for example, 750 ° C. during the growth of the active layer 4 and 1000 ° C. for the other layers. Further, the thickness of each layer may be set to a film thickness necessary for obtaining desired characteristics. In addition, other film forming methods such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) can be used instead of MOCVD.

(拡散源形成工程)
次に、図3に示すように、固層拡散源8を、後に共振器端面となる部分の近傍領域(以後「不純物拡散領域」という)上に選択的に形成する。不純物拡散領域上に選択的に固層拡散源8を形成する方法として、予め写真製版を用いて不純物拡散領域以外の領域(以後「不純物非拡散領域」という)上にレジストマスク10を形成し、p型GaNコンタクト層7の表面上に固層拡散源8を蒸着法やスパッタ法などにより成膜した後、リフトオフ法により不純物非拡散領域に形成した固層拡散源8を除去することができる。
(Diffusion source formation process)
Next, as shown in FIG. 3, the solid layer diffusion source 8 is selectively formed on a region in the vicinity of a portion that will later become a resonator end face (hereinafter referred to as “impurity diffusion region”). As a method for selectively forming the solid layer diffusion source 8 on the impurity diffusion region, a resist mask 10 is formed in advance on a region other than the impurity diffusion region (hereinafter referred to as “impurity non-diffusion region”) using photolithography in advance. After the solid layer diffusion source 8 is formed on the surface of the p-type GaN contact layer 7 by vapor deposition or sputtering, the solid layer diffusion source 8 formed in the impurity non-diffusion region can be removed by lift-off.

固相拡散源8の膜厚は、50〜200nmあればよい。固相拡散源8としては、例えば、MgO、ZnO、SiOなどの酸化物を用いることができる。活性層4を無秩序化させるためには、拡散させる不純物の濃度として、5×1018cm−3以上の量の不純物が活性層4中を通過する必要がある。また、この固相拡散源8の上に外方拡散防止のために、SiOやSiNやSiON、AlN等の保護膜を形成しても良い。これにより、次工程において、より効果的に不純物を半導体層中へ導入することが可能となる。 The film thickness of the solid phase diffusion source 8 may be 50 to 200 nm. As the solid phase diffusion source 8, for example, an oxide such as MgO, ZnO, or SiO 2 can be used. In order to disorder the active layer 4, it is necessary that an impurity having an amount of 5 × 10 18 cm −3 or more pass through the active layer 4 as a concentration of the impurity to be diffused. Further, a protective film such as SiO 2 , SiN, SiON, or AlN may be formed on the solid phase diffusion source 8 to prevent outward diffusion. This makes it possible to more effectively introduce impurities into the semiconductor layer in the next step.

(窓領域形成工程)
次に、上記拡散源形成工程で固層拡散源8を不純物拡散領域上に選択的に形成した基板1を、酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより、不純物原子を固相拡散源8から選択的にp型半導体層およびアンドープ層に拡散させる。なお、このときの熱処理温度は800℃以上1000℃未満とすることが好ましく、800℃以上900℃以下とすることがより望ましい。熱処理温度が800℃未満での低温処理では、不純物元素の拡散が促進せず、また、1000℃以上の高温処理では、エピタキシャル成長時の処理温度以上となり、エピタキシャル成長膜の結晶性が劣化してしまうからである。このような温度範囲で処理することで、エピタキシャル成長膜に対して、結晶性劣化のような悪影響を与えずに拡散を行うことが可能となる。また、不純物拡散領域の結晶性も保たれる。
(Window region forming process)
Next, the substrate 1 on which the solid layer diffusion source 8 is selectively formed on the impurity diffusion region in the diffusion source forming step is heat-treated in an atmosphere containing oxygen, whereby impurity atoms are selected from the solid phase diffusion source 8. In particular, it is diffused into the p-type semiconductor layer and the undoped layer. In addition, it is preferable that the heat processing temperature at this time shall be 800 degreeC or more and less than 1000 degreeC, and it is more desirable to set it as 800 degreeC or more and 900 degrees C or less. The low temperature treatment at a heat treatment temperature of less than 800 ° C. does not promote the diffusion of the impurity element, and the high temperature treatment at 1000 ° C. or more results in a temperature higher than the treatment temperature at the time of epitaxial growth and the crystallinity of the epitaxial growth film deteriorates. It is. By performing the treatment in such a temperature range, the epitaxial growth film can be diffused without adversely affecting the crystallinity. Further, the crystallinity of the impurity diffusion region is maintained.

熱処置時間に関しては、所望の拡散深さが得られるように設定すれば良く、必要な拡散深さとしてはp型コンタクト層7およびp型クラッド層6を通過し、活性層4に対する反応に必要な深さである。具体的には500nm程度の拡散深さがあれば良く、そのための処理時間としては10〜200分間程度行えば良い。このようにして活性層4に拡散した不純物により、活性層4が無秩序化された結果、バンドギャップが活性層4よりも拡がった光学的非吸収窓構造14が形成される。   The heat treatment time may be set so as to obtain a desired diffusion depth. The necessary diffusion depth passes through the p-type contact layer 7 and the p-type cladding layer 6 and is necessary for the reaction to the active layer 4. Depth. Specifically, a diffusion depth of about 500 nm is sufficient, and the processing time for that is about 10 to 200 minutes. As a result of the disordering of the active layer 4 by the impurities diffused in the active layer 4 in this manner, an optical non-absorbing window structure 14 having a band gap wider than that of the active layer 4 is formed.

酸素を含む雰囲気中で熱処理を行ったときのGaN中への不純物原子の拡散プロファイルをSIMS分析で測定した結果を図4に示す。なお、図4の縦軸および横軸はいずれも任意スケールである。
図4(a)は、Mg原子の熱処理条件依存性を示すものであり、熱処理温度が700℃ではMg原子の拡散が見られないことがわかる。しかし、熱処理温度を800℃にすることでMg原子がGaN中へ拡散していることがわかる。また、熱処理時間を長くすることで、不純物濃度は濃くなり、拡散深さが深くなることがわかる。
図4(b)および図4(c)は、Mg、Si,Zn、O原子を、酸素を含むガス中で850℃で熱処理を行ったときの拡散プロファイルを示す図である。いずれの原子もGaN中に拡散していることがわかる。
FIG. 4 shows the results of SIMS analysis of the diffusion profile of impurity atoms into GaN when heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen. Note that both the vertical axis and the horizontal axis in FIG. 4 are arbitrary scales.
FIG. 4A shows the heat treatment condition dependence of Mg atoms, and it can be seen that Mg atoms do not diffuse at a heat treatment temperature of 700.degree. However, it can be seen that Mg atoms are diffused into GaN by setting the heat treatment temperature to 800 ° C. It can also be seen that by increasing the heat treatment time, the impurity concentration increases and the diffusion depth increases.
FIGS. 4B and 4C are diagrams showing diffusion profiles when Mg, Si, Zn, and O atoms are heat-treated at 850 ° C. in a gas containing oxygen. It can be seen that all atoms are diffused in GaN.

従来の窒素雰囲気や水素含有雰囲気下での熱処理では、GaN表面からの窒素原子抜けが抑制されるので、表面保護の観点では有効ではあったが、表面からGa原子を抜き、このGa原子の抜けを基にして拡散を行う場合には、Ga原子の抜けが発生しにくく、不純物原子の拡散が促進されなかった。しかし、本実施の形態のように、酸素を含む雰囲気で熱処理を行うことにより、半導体レーザ100の表面でGaと酸素の反応が促進され、GaN表面からGa原子が抜けていくので、Ga原子が抜けた箇所から固層拡散源8中の不純物原子の拡散が効率的に促進される。その結果、800℃以上の熱処理温度であれば、従来の窒素雰囲気や水素含有雰囲気下での熱処理温度に比べて低温で熱処理を行っても、活性層4に不純物原子を拡散させることができ、光学的非吸収窓領域14を形成することができる。   The conventional heat treatment in a nitrogen atmosphere or a hydrogen-containing atmosphere is effective in terms of surface protection because nitrogen atom escape from the GaN surface is suppressed, but Ga atoms are removed from the surface. In the case of diffusion based on this, the escape of Ga atoms is difficult to occur, and the diffusion of impurity atoms was not promoted. However, as in the present embodiment, by performing heat treatment in an atmosphere containing oxygen, the reaction between Ga and oxygen is promoted on the surface of the semiconductor laser 100, and Ga atoms escape from the GaN surface. Diffusion of impurity atoms in the solid-layer diffusion source 8 is efficiently promoted from the missing part. As a result, if the heat treatment temperature is 800 ° C. or higher, the impurity atoms can be diffused into the active layer 4 even if the heat treatment is performed at a lower temperature than the heat treatment temperature in a conventional nitrogen atmosphere or hydrogen-containing atmosphere. An optical non-absorbing window region 14 can be formed.

なお、酸素を含む雰囲気ガスとしては、O、O、CO、CO、NO、NO、NOの少なくとも1種あるいはこれらの混合ガス、またはこれらガスと不活性ガスとの混合ガスを用いて処理することが可能である。また、酸素の含有量は、約20%以上あればよい。 The atmosphere gas containing oxygen includes at least one of O 2 , O 3 , CO, CO 2 , NO, N 2 O, and NO 2 , or a mixed gas thereof, or a mixed gas of these gases and an inert gas. It is possible to process using. The oxygen content may be about 20% or more.

(ウエハプロセス工程)
窓領域形成工程の完了後は、通常の半導体レーザ作製のためのウエハプロセスを行う。図5に示すように、所望のリッジを形成するために、ウエハ表面の所定位置にマスクを形成する。リッジ形成法としては、p型コンタクト層7上に、転写技術を用いてレジストパターン10を形成し、このレジストパターン10をマスク材としてp型コンタクト層7およびp型AlGaNクラッド層6の一部をエッチングする。リッジ形成のためのエッチングはドライエッチングが用いられる。ドライエッチングには、ICP(Inductively Coupled Plasma;高周波誘導結合プラズマ)、RIE(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング)、ECR(Electron Cyclotron Resonance;電子サイクロン共鳴)等によるエッチングを用いることが可能である。このときのエッチングガスとしては塩素(Cl)系のガスが用いられる。エッチング深さもデバイスの特性に応じて変化するが、およそ500nm程度必要となる。また、リッジエッチングには、レジストマスクではなく、絶縁膜等の材料を用いても同様のリッジ加工が可能である。
(Wafer process)
After completion of the window region forming step, a normal wafer process for manufacturing a semiconductor laser is performed. As shown in FIG. 5, a mask is formed at a predetermined position on the wafer surface in order to form a desired ridge. As a ridge formation method, a resist pattern 10 is formed on the p-type contact layer 7 by using a transfer technique, and a part of the p-type contact layer 7 and the p-type AlGaN cladding layer 6 is formed using the resist pattern 10 as a mask material. Etch. As the etching for forming the ridge, dry etching is used. For dry etching, etching by ICP (Inductively Coupled Plasma), RIE (Reactive Ion Etching), ECR (Electron Cyclotron Resonance), or the like can be used. As an etching gas at this time, a chlorine (Cl) -based gas is used. The etching depth also varies depending on the characteristics of the device, but about 500 nm is required. Further, for ridge etching, similar ridge processing is possible even when a material such as an insulating film is used instead of a resist mask.

次に、図6に示すように、リッジ15の側壁15aに絶縁膜11を形成する。絶縁膜としては、例えば、SiO膜を用いる。この絶縁膜11の形成法としては、蒸着法、スパッタ法、CVD法等の成膜法を用いることができ、リッジ15の側壁15aおよび上面15bに絶縁膜11を成膜し、リフトオフ法やエッチバック法によりリッジ上面15bに成膜した絶縁膜11を除去し、選択的にリッジ15の上面15bを除く領域にのみ絶縁膜11を形成する。図6に、リッジ形成に用いたマスクでのセルフアラインによるリフトオフ法を示す。絶縁膜11の膜厚はデバイスの光学特性により決定されるもので、例えば200nm程度の膜厚が必要となる。半導体レーザ作製上はSiOが望ましいが、SiNやその他の絶縁膜で光学特性を満たせる材料であれば良い。 Next, as shown in FIG. 6, the insulating film 11 is formed on the side wall 15 a of the ridge 15. As the insulating film, for example, an SiO 2 film is used. As a method of forming the insulating film 11, a film forming method such as a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like can be used. The insulating film 11 formed on the ridge upper surface 15b is removed by the back method, and the insulating film 11 is selectively formed only in a region excluding the upper surface 15b of the ridge 15. FIG. 6 shows a lift-off method by self-alignment with a mask used for ridge formation. The film thickness of the insulating film 11 is determined by the optical characteristics of the device, and for example, a film thickness of about 200 nm is required. SiO 2 is desirable for semiconductor laser fabrication, but any material that can satisfy optical characteristics with SiN or other insulating films may be used.

次に、図7に示すように、p型コンタクト層7の表面にp側電極12を、基板1の裏面n側電極13をそれぞれ形成する。p側電極12の形成法としては、蒸着法、スパッタ法等により電極材料を成膜し、リフトオフ法により選択的にリッジ上面15bと側面15aに形成する。p側電極材料としては、p型コンタクト層7とオーミック特性が得られる材料であれば良い。例えば、Pd/Ta/Pdのような電極構造が考えられる。また、外部との接続のためのパッド電極としては、例えばTi/Ta/Ti/Auのような電極構造が考えられる。p型コンタクト層7表面上のp側電極12の配置としては、不純物拡散領域上を除く位置に配置するほうが良い。すなわち不純物拡散領域に対して2μm程度後退(共振器端面から内側に形成)させる。例えば、共振器長が600μm、不純物拡散領域が20μm、不純物拡散領域に対して2μm程度後退とすると、電極幅は600−((20+2)×2)=556μmとなる。この様に配置することで、p側電極12から注入されたキャリアが、不純物拡散領域の不純物による不必要な再結合で発生する発熱を低減できるため、より信頼性の向上を図ることができる。また、n側電極13は、例えばTi/Pt/Auをこの順序で成膜し、電極形成前にSi含有プラズマ処理を行うことで低抵抗のn側電極13を形成できる。   Next, as shown in FIG. 7, the p-side electrode 12 is formed on the surface of the p-type contact layer 7, and the back surface n-side electrode 13 of the substrate 1 is formed. As a method for forming the p-side electrode 12, an electrode material is formed by vapor deposition, sputtering, or the like, and selectively formed on the ridge upper surface 15b and the side surface 15a by lift-off. The p-side electrode material may be any material that can achieve ohmic characteristics with the p-type contact layer 7. For example, an electrode structure such as Pd / Ta / Pd is conceivable. In addition, as a pad electrode for connection with the outside, an electrode structure such as Ti / Ta / Ti / Au is conceivable. As the arrangement of the p-side electrode 12 on the surface of the p-type contact layer 7, it is better to arrange it at a position excluding the impurity diffusion region. That is, it is retracted about 2 μm from the impurity diffusion region (formed inward from the resonator end face). For example, if the resonator length is 600 μm, the impurity diffusion region is 20 μm, and the impurity diffusion region recedes by about 2 μm, the electrode width is 600 − ((20 + 2) × 2) = 556 μm. By arranging in this way, the heat injected by the carriers injected from the p-side electrode 12 due to unnecessary recombination due to the impurities in the impurity diffusion region can be reduced, so that the reliability can be further improved. The n-side electrode 13 can be formed, for example, by depositing Ti / Pt / Au in this order and performing Si-containing plasma treatment before forming the electrode to form the low-resistance n-side electrode 13.

(へき開工程)
ウエハプロセス工程が終わると、光学的非吸収窓領域14内にへき開面を形成し、共振器端面を形成する。図8に示すように、光学的非吸収窓領域14を含む不純物拡散領域9は共振器の両端面近傍に形成され、光学的非吸収窓領域14、すなわち不純物拡散領域9がほぼ2等分される位置でへき開して共振器端面とする。この光学的非吸収窓領域14の共振器方向の幅は、共振器端面から共振器中央へ向かって1〜20μm程度あればよい。ただし、へき開前はこの倍の幅が必要である。その後チップに分離し組み立てて半導体レーザ100が完成する。
(Cleaving process)
When the wafer process step is finished, a cleavage plane is formed in the optical non-absorption window region 14 to form a resonator end face. As shown in FIG. 8, the impurity diffusion region 9 including the optical non-absorption window region 14 is formed in the vicinity of both end faces of the resonator, and the optical non-absorption window region 14, that is, the impurity diffusion region 9 is substantially divided into two equal parts. Cleave at the position to make the resonator end face. The width of the optical non-absorption window region 14 in the resonator direction may be about 1 to 20 μm from the resonator end face toward the resonator center. However, this double width is required before cleavage. Thereafter, the semiconductor laser 100 is completed by being separated and assembled into chips.

このように、固相拡散源から半導体中へ不純物原子を拡散させるための熱処理時に、酸素を含む雰囲気ガスを用いることにより、拡散源と半導体表面との反応が促進されるので、従来の雰囲気ガスよりも低温で不純物を拡散することができる。その結果、熱処理によるp型半導体層表面の劣化を抑制することができるので、p側電極のコンタクト抵抗を低く抑えられ、動作電圧を増加させることなく光損失のない窓構造を実現することが可能となった。   As described above, since the reaction between the diffusion source and the semiconductor surface is promoted by using the atmospheric gas containing oxygen during the heat treatment for diffusing the impurity atoms from the solid phase diffusion source into the semiconductor, the conventional atmospheric gas is used. Impurities can be diffused at a lower temperature. As a result, deterioration of the surface of the p-type semiconductor layer due to heat treatment can be suppressed, so that the contact resistance of the p-side electrode can be kept low, and a window structure without light loss can be realized without increasing the operating voltage. It became.

これにより窒化物半導体からなる半導体レーザの高信頼化、高出力化が可能になる。このように形成した光学的非吸収窓領域を有する半導体レーザの電流−光出力特性の関係を、窓領域のない半導体レーザの電流−光出力特性と比較して図9に示す。光学的非吸収窓領域を形成したことにより、より高出力でも特性劣化が見られない高信頼性の半導体レーザを得ることが可能となることがわかる。なお、本実施の形態では、MgO、ZnO、SiO等の酸化物を固層拡散源8として用いたが、これらMg、Zn、Siを含む材料であれば、同様の効果を得ることが可能である。例えば、MgF、MgN、ZnN、ZnF等のフッ化物や窒化物を用いてもよい。また、不純物の拡散が促進されるような組み合わせで、これらの積層構造を用いても良い。 This makes it possible to increase the reliability and output of a semiconductor laser made of a nitride semiconductor. FIG. 9 shows the relationship between the current-light output characteristics of the semiconductor laser having the optical non-absorption window region formed as described above and the current-light output characteristics of the semiconductor laser having no window region. It can be seen that the formation of the optical non-absorption window region makes it possible to obtain a highly reliable semiconductor laser in which no deterioration in characteristics is observed even at higher output. In the present embodiment, an oxide such as MgO, ZnO, or SiO 2 is used as the solid layer diffusion source 8, but the same effect can be obtained as long as these materials include Mg, Zn, and Si. It is. For example, fluorides and nitrides such as MgF, MgN, ZnN, and ZnF may be used. Further, these stacked structures may be used in a combination that promotes diffusion of impurities.

また、本実施の形態では、p型コンタクト層7の形成後に窓領域形成工程を実施したが、図10に示す用にp型AlGaNクラッド層6を形成後に窓領域形勢工程を実施しても良く、また、不純物拡散領域以外の不純物非拡散領域上にAlN等の保護膜を形成した後に窓領域形成工程を実施しても良い。
このように半導体レーザ100を製造することで、p型コンタクト層7表面の劣化が抑制でき、p側電極12のコンタクト抵抗を低く抑えたまま、光損失のない窓構造を実現することが可能となる。
In the present embodiment, the window region forming step is performed after the p-type contact layer 7 is formed. However, the window region forming step may be performed after the p-type AlGaN cladding layer 6 is formed as shown in FIG. Further, the window region forming step may be performed after a protective film such as AlN is formed on the impurity non-diffusion region other than the impurity diffusion region.
By manufacturing the semiconductor laser 100 in this way, it is possible to suppress the deterioration of the surface of the p-type contact layer 7 and to realize a window structure with no optical loss while keeping the contact resistance of the p-side electrode 12 low. Become.

実施の形態2.
図11は、実施の形態2における窒化物半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。
実施の形態2における窒化物半導体装置の製造方法は、実施の形態1で示したp型半導体層形成工程の後に、p型コンタクト層7の上にさらにAlN保護層16を形成する工程を含むものである。その他の工程は、実施の形態1と同様である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the nitride semiconductor device in the second embodiment.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the second embodiment includes a step of further forming an AlN protective layer 16 on the p-type contact layer 7 after the p-type semiconductor layer forming step shown in the first embodiment. . Other steps are the same as those in the first embodiment.

本実施の形態における、窓領域形成工程後の半導体レーザ100の断面図を図11に示す。ここではAlN保護層16は結晶成長装置で成膜し、成長に際しては窒素供給源としてアンモニアを供給し成長温度は600℃以下にする。このように成膜することでAlNを多結晶もしくはアモルファス状にすることができる。また別途結晶成長装置から取り出してスパッタ成膜など他の方法で成膜しても良い。膜厚は20nm〜100nmとする。不純物非拡散領域以外に形成されたAlN保護膜16は、エッチング等により除去する。そして、AlN保護膜16を除去した領域に固相拡散源8を実施の形態1で示した拡散源形成工程と同様の工程で形成する。このAlN保護膜16は窓領域形成工程の後、固相拡散源8とともに除去される。それ以外の工程は、実施の形態1で示した工程と同様である。また、AlN保護膜16を不純物非拡散領域上に形成した後、結晶成長装置等中で不純物を含む原料ガスを用いて気相拡散を行っても同様の効果を得ることが可能である。   FIG. 11 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser 100 after the window region forming step in the present embodiment. Here, the AlN protective layer 16 is formed by a crystal growth apparatus, and during growth, ammonia is supplied as a nitrogen supply source so that the growth temperature is 600 ° C. or lower. By forming a film in this way, AlN can be made polycrystalline or amorphous. Alternatively, the film may be taken out from the crystal growth apparatus and formed by another method such as sputtering. The film thickness is 20 nm to 100 nm. The AlN protective film 16 formed outside the impurity non-diffusion region is removed by etching or the like. Then, the solid phase diffusion source 8 is formed in the region from which the AlN protective film 16 has been removed by the same process as the diffusion source forming process described in the first embodiment. The AlN protective film 16 is removed together with the solid phase diffusion source 8 after the window region forming step. The other steps are the same as those shown in the first embodiment. Further, the same effect can be obtained by forming the AlN protective film 16 on the impurity non-diffusion region and then performing vapor phase diffusion using a source gas containing impurities in a crystal growth apparatus or the like.

本実施の形態によれば、酸素を含む雰囲気ガス中で800℃〜1000℃の低温で熱処理を行うことで、半導体表面と固相拡散源との反応が促進され、従来よりも低温で不純物を拡散することができる。その結果、熱処理によるp型半導体層表面の劣化を抑制することができるので、p側電極12のコンタクト抵抗を低く抑えられ、動作電圧を増加させることなく光損失のない窓構造を実現することが可能となる。   According to this embodiment, by performing heat treatment at a low temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. in an atmosphere gas containing oxygen, the reaction between the semiconductor surface and the solid phase diffusion source is promoted, and impurities are reduced at a lower temperature than before. Can diffuse. As a result, deterioration of the surface of the p-type semiconductor layer due to heat treatment can be suppressed, so that the contact resistance of the p-side electrode 12 can be suppressed low, and a window structure without light loss can be realized without increasing the operating voltage. It becomes possible.

さらに本実施の形態によれば、AlN保護層16をp型コンタクト層7上であって、固相拡散源8を形成しない領域に形成することにより、半導体層表面の劣化を防げる。したがって、高品質な活性層品質を保つことが可能となり、レーザ特性の劣化を招くこと無く高信頼化、高出力化が可能になる。   Furthermore, according to the present embodiment, the AlN protective layer 16 is formed on the p-type contact layer 7 in a region where the solid phase diffusion source 8 is not formed, so that the deterioration of the surface of the semiconductor layer can be prevented. Therefore, high quality active layer quality can be maintained, and high reliability and high output can be achieved without causing deterioration of laser characteristics.

実施の形態3.
図12〜図15は、実施の形態3における窒化物半導体装置の製造工程を示す断面図である。
実施の形態1では、p型半導体層形成工程の後に窓領域形成工程を実施したが、本実施の形態は、p型半導体層形成工程の前に窓領域形成工程を実施するものである。
Embodiment 3 FIG.
12 to 15 are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the nitride semiconductor device according to the third embodiment.
In the first embodiment, the window region forming step is performed after the p-type semiconductor layer forming step. However, in the present embodiment, the window region forming step is performed before the p-type semiconductor layer forming step.

(n型半導体層形成工程、アンドープ層形成工程)
まず、図12に示すように、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化した第1導電型であるn型GaN基板1のGa面上に、例えばMOCVDにより、通常の原料ガスを用いてn型AlGaNクラッド層2、n型GaNガイド層3、アンドープのInGa1−xN/InGa1−yN(x>、y≧0)MQW活性層4、およびアンドープのAlGaNガイド層5を順次エピタキシャル成長させる。アンドープAlGaNガイド層5の厚さは20nmとする。アンドープAlGaNガイド層5上に、実施の形態2と同様のAlN保護層を更に形成しても良い。
(N-type semiconductor layer forming step, undoped layer forming step)
First, as shown in FIG. 12, the n-type AlGaN is formed on the Ga surface of the first conductivity type n-type GaN substrate 1 whose surface has been previously cleaned by thermal cleaning or the like using, for example, MOCVD, using a normal source gas. The cladding layer 2, the n-type GaN guide layer 3, the undoped In x Ga 1-x N / In y Ga 1-y N (x>, y ≧ 0) MQW active layer 4, and the undoped AlGaN guide layer 5 are sequentially formed. Epitaxially grow. The thickness of the undoped AlGaN guide layer 5 is 20 nm. An AlN protective layer similar to that of the second embodiment may be further formed on the undoped AlGaN guide layer 5.

(固相拡散源形成工程)
アンドープ層形成工程終了後、選択的に不純物拡散を実施することにより相互拡散を誘発するプロセスを行う。図13に示すように、共振器端面となる予定の部分、すなわち不純物拡散領域9上にのみ固相拡散源8を形成する。固相拡散源8として、本実施の形態では、例えばMgO膜を用いる。端面となる部分である不純物拡散領域9上に、選択的に固相拡散源8であるMgO膜を形成する方法として、予め写真製版を用いて共振器端面近傍以外の領域、すなわち不純物非拡散領域上にレジストマスク10を形成しリフトオフ法により共振器端面部以外の領域である不純物非拡散領域に形成した固相拡散源8であるMgO膜を除去する。
(Solid phase diffusion source formation process)
After the undoped layer forming step, a process for inducing interdiffusion is performed by selectively performing impurity diffusion. As shown in FIG. 13, the solid phase diffusion source 8 is formed only on the portion to be the resonator end face, that is, on the impurity diffusion region 9. In the present embodiment, for example, an MgO film is used as the solid phase diffusion source 8. As a method for selectively forming the MgO film as the solid phase diffusion source 8 on the impurity diffusion region 9 which is a portion serving as the end face, a region other than the vicinity of the resonator end face using photolithography, that is, an impurity non-diffusion region A resist mask 10 is formed thereon, and the MgO film which is the solid phase diffusion source 8 formed in the impurity non-diffusion region other than the cavity end face portion is removed by a lift-off method.

(窓領域形成工程)
固相拡散源形成工程の後、不純物原子拡散のための熱処理を行うことで、不純物拡散領域9が形成される。このとき、MgO膜から活性層4に拡散した不純物により、活性層4が無秩序化された結果、バンドギャップが活性層4よりも広がった光学的非吸収窓領域14が形成される。熱処理は、酸素を含む雰囲気中で行われ、拡散温度は800℃以上1000℃未満程度の温度で処理を行うことが好ましく、800℃以上900℃未満の温度で処理することがより望ましい。熱処理時間は、活性層4が無秩序化するのに必要な拡散深さが得られればよく、この場合は100nm程度の深さが得られれば十分であり、そのための処理時間としては2〜60分間程度行うことが好ましい。また、活性層4を無秩序化する効果を得るためには、固相拡散源8から拡散させる不純物の濃度として、5×1018cm−3以上の量の不純物が活性層4中を通過する必要がある。酸素を含む雰囲気ガスとしては、O、O、CO、CO、NO、NO、NOの少なくとも1種あるいはこれらの混合ガス、またはこれらガスと不活性ガスとの混合ガスを用いて処理することが可能である。
(Window region forming process)
After the solid phase diffusion source forming step, the impurity diffusion region 9 is formed by performing heat treatment for impurity atom diffusion. At this time, the active layer 4 is disordered by the impurities diffused from the MgO film to the active layer 4, so that an optical non-absorption window region 14 having a band gap wider than that of the active layer 4 is formed. The heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen, and the diffusion temperature is preferably 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C., more preferably 800 ° C. or higher and lower than 900 ° C. The heat treatment time is sufficient if the diffusion depth necessary for disordering the active layer 4 is obtained. In this case, it is sufficient that a depth of about 100 nm is obtained, and the treatment time therefor is 2 to 60 minutes. It is preferable to carry out to the extent. Further, in order to obtain the effect of disordering the active layer 4, it is necessary that an impurity having an amount of 5 × 10 18 cm −3 or more passes through the active layer 4 as the concentration of the impurity diffused from the solid phase diffusion source 8. There is. As the atmospheric gas containing oxygen, at least one of O 2 , O 3 , CO, CO 2 , NO, N 2 O, NO 2 or a mixed gas thereof, or a mixed gas of these gases and an inert gas is used. Can be processed.

(p型半導体層形成工程)
そして、窓領域形成工程後、フッ酸系エッチング液を用いて固相拡散源8を除去する。AlN保護膜を形成した場合は固相拡散源8と同時に除去する。次にp型半導体成長前の熱処理を行なう。これにより、成長前のアンドープ層表面を清浄な状態にして、結晶性の良いp型半導体層の成長を行う。
(P-type semiconductor layer forming step)
Then, after the window region forming step, the solid phase diffusion source 8 is removed using a hydrofluoric acid-based etching solution. When the AlN protective film is formed, it is removed simultaneously with the solid phase diffusion source 8. Next, heat treatment is performed before growing the p-type semiconductor. As a result, the surface of the undoped layer before growth is made clean, and a p-type semiconductor layer with good crystallinity is grown.

p型半導体層成長は再びMOCVDにより行い、Mgをドーピングして行う。この際、窒素供給源としてアンモニアを供給する。再成長の第1層目にp型半導体層の形成に先立ってアンドープAlGaNガイド層5の不足分を成長させ、その後、p型半導体層6、7を成長しても良い。p型GaNコンタクト層7の成長はMgをドーピングして行う。この際に窒素供給源としてアンモニアを供給する。成長温度は1000℃とする。図14にp型半導体層成長後の断面形状を示す。   The p-type semiconductor layer is grown again by MOCVD and doped with Mg. At this time, ammonia is supplied as a nitrogen supply source. Prior to the formation of the p-type semiconductor layer, the shortage of the undoped AlGaN guide layer 5 may be grown in the first regrowth layer, and then the p-type semiconductor layers 6 and 7 may be grown. The growth of the p-type GaN contact layer 7 is performed by doping Mg. At this time, ammonia is supplied as a nitrogen supply source. The growth temperature is 1000 ° C. FIG. 14 shows a cross-sectional shape after the growth of the p-type semiconductor layer.

以降の工程および全ての成長温度は実施の形態1と同様である。上記のような工程で製造した本実施の形態における半導体レーザの断面図を図15に示す。エピタキシャル成長途中で窓領域を形成しているため、不純物拡散領域9は、活性層4近傍のみとなっている。   The subsequent steps and all the growth temperatures are the same as those in the first embodiment. FIG. 15 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the present embodiment manufactured through the above steps. Since the window region is formed during the epitaxial growth, the impurity diffusion region 9 is only in the vicinity of the active layer 4.

本実施の形態によれば、p型半導体層形成工程の前に、窓領域形成工程を実施した結果、p型コンタクト層7表面に劣化のないp側電極12を形成できるため、p側電極12とp型コンタクト領域7との間のコンタクト抵抗が低く抑えられ、動作電圧を増加させること無く光損失の無い窓領域を形成することができる。また窓領域形成工程における高温熱処理によるp型ドーパントの活性層への拡散が回避できるため、レーザ特性の劣化を招くことが無い。   According to the present embodiment, as a result of performing the window region forming step before the p-type semiconductor layer forming step, the p-side electrode 12 having no deterioration can be formed on the surface of the p-type contact layer 7. The contact resistance between the p-type contact region 7 and the p-type contact region 7 can be kept low, and a window region without light loss can be formed without increasing the operating voltage. Further, since the diffusion of the p-type dopant into the active layer due to the high-temperature heat treatment in the window region forming step can be avoided, the laser characteristics are not deteriorated.

さらに、本実施の形態によれば、不純物原子の拡散距離を短く出来るので熱処理時間を短縮することも可能となる。この結果、動作電圧上昇を招くことなく光損失のない窓構造を実現することが出来ると供に、窓領域形成工程における高温熱処理による活性層付近の結晶劣化が回避でき、レーザ特性の劣化を招くことがないため、高信頼化、高出力化が容易になる。   Furthermore, according to the present embodiment, the diffusion distance of impurity atoms can be shortened, so that the heat treatment time can be shortened. As a result, a window structure with no optical loss can be realized without causing an increase in operating voltage, and crystal deterioration near the active layer due to high-temperature heat treatment in the window region forming process can be avoided, resulting in deterioration of laser characteristics. Therefore, it is easy to achieve high reliability and high output.

なお、実施の形態1〜3においては、波長405nmの青紫色レーザ光を発するGaNを窒化物半導体の例として説明したが、本発明はこの材料に限定されるものではなく、青色(波長:436nm)を含む波長がおよそ400〜490nmのレーザ光を発するGaN等の窒化物半導体に適用できる。   In the first to third embodiments, GaN emitting blue-violet laser light having a wavelength of 405 nm has been described as an example of a nitride semiconductor. However, the present invention is not limited to this material, and blue (wavelength: 436 nm). ) And a nitride semiconductor such as GaN that emits laser light having a wavelength of about 400 to 490 nm.

1 n型GaN基板、 2 n型AlGaNクラッド層、 3 n型GaNガイド層、 4 InGaN/InGaN−MQW活性層、 4a InGaNバリア層、 4b InGaNウェル層、 5 AlGaNガイド層、 6 p型AlGaNクラッド層、 7 p型GaNコンタクト層、 8 固相拡散源、 9 不純物拡散領域、 10 レジスト、 11 絶縁膜、 12 p側電極、 13 n側電極、 14 光学的非吸収窓領域、 15 リッジ、 16 AlN保護膜、100 半導体レーザ。   1 n-type GaN substrate, 2 n-type AlGaN cladding layer, 3 n-type GaN guide layer, 4 InGaN / InGaN-MQW active layer, 4a InGaN barrier layer, 4b InGaN well layer, 5 AlGaN guide layer, 6 p-type AlGaN cladding layer 7 p-type GaN contact layer, 8 solid phase diffusion source, 9 impurity diffusion region, 10 resist, 11 insulating film, 12 p-side electrode, 13 n-side electrode, 14 optical non-absorbing window region, 15 ridge, 16 AlN protection Film, 100 semiconductor laser.

Claims (6)

基板上に第1導電型の窒化物半導体層を積層する第1導電型半導体層形成工程と、
前記第1導電型の窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる活性層およびガイド層を形成する工程と、
前記ガイド層上に第2導電型の窒化物半導体層を積層する第2導電型半導体層形成工程と、
前記第2導電型の窒化物半導体層上の所定領域に固相拡散源を選択的に形成する拡散源形成工程と、
酸素を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記固相拡散源から、前記活性層を含む領域に不純物原子を拡散させて光学的非吸収窓領域を形成する窓領域形成工程と、
前記光学的非吸収窓領域内にレーザ共振器の端面となるへき開面を形成するへき開工程と
を含む窒化物半導体装置の製造方法。
A first conductive type semiconductor layer forming step of stacking a first conductive type nitride semiconductor layer on a substrate;
Forming an active layer and a guide layer made of a nitride semiconductor on the nitride semiconductor layer of the first conductivity type;
A second conductive type semiconductor layer forming step of stacking a second conductive type nitride semiconductor layer on the guide layer;
A diffusion source forming step of selectively forming a solid phase diffusion source in a predetermined region on the second conductivity type nitride semiconductor layer;
A window region forming step of forming an optical non-absorption window region by diffusing impurity atoms from the solid phase diffusion source to a region including the active layer by performing a heat treatment in an atmosphere containing oxygen;
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: a cleaving step of forming a cleaved surface to be an end face of a laser resonator in the optical non-absorption window region.
前記第2導電型の窒化物半導体層上であって、前記固層拡散源を形成しない領域に保護膜を形成する保護膜形成工程をさらに含み、
前記保護膜形成工程後に、前記窓領域形成工程を実施することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
A protective film forming step of forming a protective film on a region of the second conductivity type nitride semiconductor layer where the solid layer diffusion source is not formed;
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the window region forming step is performed after the protective film forming step.
基板上に第1導電型の窒化物半導体層を積層する第1導電型半導体層形成工程と、
前記第1導電型の窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる活性層およびガイド層を形成する工程と、
前記ガイド層上の所定領域に固相拡散源を選択的に形成する拡散源形成工程と、
酸素を含む雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記固相拡散源から、前記活性層を含む領域に不純物原子を拡散させて光学的非吸収窓領域を形成する窓領域形成工程と、
前記ガイド層上に第2導電型の窒化物半導体層を積層する第2導電型半導体層形成工程と、
前記光学的非吸収窓領域内にレーザ共振器の端面となるへき開面を形成するへき開工程と
を含む窒化物半導体装置の製造方法。
A first conductive type semiconductor layer forming step of stacking a first conductive type nitride semiconductor layer on a substrate;
Forming an active layer and a guide layer made of a nitride semiconductor on the nitride semiconductor layer of the first conductivity type;
A diffusion source forming step of selectively forming a solid phase diffusion source in a predetermined region on the guide layer;
A window region forming step of forming an optical non-absorption window region by diffusing impurity atoms from the solid phase diffusion source to a region including the active layer by performing a heat treatment in an atmosphere containing oxygen;
A second conductive type semiconductor layer forming step of stacking a second conductive type nitride semiconductor layer on the guide layer;
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: a cleaving step of forming a cleaved surface to be an end face of a laser resonator in the optical non-absorption window region.
前記ガイド層上であって、前記固層拡散源を形成しない領域に保護膜を形成する保護膜形成工程をさらに含み、
前記保護膜形成工程後に、前記窓領域形成工程を実施することを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
A protective film forming step of forming a protective film on the guide layer and in a region where the solid layer diffusion source is not formed;
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the window region forming step is performed after the protective film forming step.
前記窓領域形成工程における熱処理は、800℃以上1000℃未満で行うことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the heat treatment in the window region forming step is performed at a temperature of 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. 6. 前記固層拡散源は、Mg、Zn、Si、Oよりなる群から選択される1または2以上の原子を不純物として含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。   The said solid layer diffusion source contains 1 or 2 or more atoms selected from the group which consists of Mg, Zn, Si, and O as an impurity, The any one of Claim 1 thru | or 5 characterized by the above-mentioned. Of manufacturing a nitride semiconductor device.
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JP2021513228A (en) * 2018-02-12 2021-05-20 クロミス,インコーポレイテッド Methods and systems for forming dope regions by diffusion in gallium nitride materials

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