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JP4853008B2 - 半導体光素子を作製する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、 半導体光素子を作製する方法に関する。
特許文献1には、半導体光素子を製造する方法が記載されている。この半導体光素子は、アルミニウム(Al)を構成元素とする層を有し〈111〉方向に平行に延びるメサ構造と、このメサ構造の側面を覆うマストランスポートにより形成されるクラッド層と、このクラッド層で覆われたメサ構造を埋め込む半導体層とを有する。この方法は、メサ構造を形成する第lの工程と、クラッド層の側面が(111)面となるまでマストランスポートを行う第2の工程と、クラッド層で覆われたメサ構造を埋め込む半導体層を形成する第3の工程とを有する。これにより、マストランスポートが起こり易くなり、活性層を含む活性領域のメサ構造体両側面にはマストランスポートにより安定な順メサの(111)面が現れる。これによって、活性層への損傷が低減されることになり、素子特性の均一性が増し、製作歩留まりが向上される。
特許文献2には、埋め込み型半導体光素子を製造する方法が記載されている。この方法は、第1クラッド層、活性層、第2クラッド層およびキャップ層を順次成長する工程と、ストライプ状マスクを形成する工程と、このマスクを用いて前記第1のクラッド層に到達するまでエッチングする工程と、埋め込み層を形成する工程とを含む、
特開平10−242563号公報 特開平03−112185号公報
特許文献1および2のいずれに記載された方法によって製造される半導体光素子も、埋め込み構造を有する。この埋め込み構造は、素子の性能向上のために採用されている。しかしながら、埋め込み構造は、埋め込み領域が成長される表面の清浄性、および/またはメサ構造を形成する際のメサ形状のばらつき、その他等に依存しており、様々な形状で完成される。つまり、埋め込み構造の形状のばらつきが大きい。このばらつきは、単一のウエハを観察すると、様々な形状の埋め込み構造が形成されていることが分かる。また、成長処理バッチ毎に観察すると、様々な形状の埋め込み構造が形成されていることが分かる。このように、埋め込み構造の形状は、直前の工程および該直前工程に先立つ工程の影響に依存しており、この結果、所望の埋め込み構造の形状が安定して形成されない。
また、引用文献1に記載された方法では、マストランスポートによりメサ構造体両側面に安定な順メサの(111)面を形成することはそれほど容易なことではなく、より簡素な方法が望まれている。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、埋め込み構造の形状のばらつきを低減可能な、半導体光素子を作製する方法を提供することを目的とする。
本発明に係る側面は、半導体光素子を作製する方法である。この方法は、(a)(100)面を主面とする第1のIII−V化合物半導体からなる領域上に、第2のIII−V化合物半導体から成る第1導電型クラッド膜、活性領域、第3のIII−V化合物半導体から成る第2導電型クラッド膜、第4のIII−V化合物半導体から成るキャップ膜をエピタキシャル成長する工程と、(b)前記キャップ膜上に[011]方向に沿って伸びるエッジを有するマスクを形成する工程と、(c)前記キャップ膜、前記第2導電型クラッド膜、前記活性領域および前記第1導電型クラッド膜を前記マスクを用いてエッチングして、キャップ層、第2導電型クラッド層、エッチングされた活性領域、および第1導電型クラッド層を含むメサ構造を形成する工程と、(d)前記第2導電型クラッド層の側面においてマストランスポートを引き起こして、前記第2導電型クラッド層の側面の少なくとも一部分に(110)面を形成する工程と、(e)該マストランスポートの後に、前記マスクを用いて埋め込み領域を形成する工程と、(f)前記マスクおよび前記キャップ層を除去した後に、第2導電型III−V化合物半導体膜を成長する工程とを備え、前記第3のIII−V化合物半導体はInPである。埋め込み領域を形成する前記工程は、前記第2導電型クラッド層の前記側面の少なくとも一部分に(110)面を形成する前記工程に引き続いて行われる。前記キャップ膜の前記第4のIII−V化合物半導体は、前記第1〜第3のIII−V化合物半導体に比べて、メサ構造を形成する前記工程において用いられるエッチャントでエッチングされやすく、前記メサ構造の幅は、前記第2導電型クラッド層から前記第1導電型クラッド層に向かうに伴って大きくなる。前記メサ構造を形成する前記工程では、前記エッチングされた活性領域の幅よりも前記第2導電型クラッド層の幅が小さい前記メサ構造を形成する。
この方法によれば、埋め込み成長に先立ってマストランスポートを引き起こして、第2導電型クラッド層の側面の少なくとも一部分に(110)面を形成している。この(110)面は清浄でありまた熱的に安定であるので、埋め込み領域の全体にわたって、埋め込み領域は良好な均一性を有する。ここで、(110)面は、結晶学的に(110)面と等価な面を含むことができる。
本発明に係る方法では、前記マストランスポートはV族構成元素を含む雰囲気内で有機金属気相成長炉を用いて行われることが好ましい。
この方法によれば、第1〜第4のIII−V化合物半導体に含まれる少なくとも一のV族構成元素を含む雰囲気を有機金属気相成長炉に形成することによって、V族空孔の発生を抑制すると共に、マストランスポートを引き起こすことができる。
本発明に係る方法では、前記マストランスポートを引き起こすための処理温度T1は、摂氏570度以上であることが好ましい。
この方法によれば、摂氏570度以上の熱処理を用いると、第2導電型クラッド層の側面に(110)面を形成することが容易になる。
本発明に係る方法では、前記マストランスポートを引き起こすための処理温度T1は、前記埋め込み領域を形成するための成長温度T2以上である(T1≧T2)ことが好ましい。
この方法によれば、マストランスポートを引き起こすための熱処理が、埋め込み領域を形成するための成長温度より高い温度で行われる場合、第2導電型クラッド層の側面に(110)面を形成することが容易になる。
本発明に係る方法では、埋め込み領域を形成する前記工程は、前記第2導電型クラッド層の側面の少なくとも一部分に(110)面を形成する前記工程に引き続いて行われることが好ましい。
この方法によれば、マストランスポートを引き起こす工程に連続して埋め込み領域を形成する工程を行えば、半導体領域の表面が汚染されることなく、埋め込み領域は、ウエハ面上において良好な均一性を有する。これは、半導体光素子の電気的特性および信頼性の向上につながる。
本発明に係る方法では、前記キャップ膜の前記第4のIII−V化合物半導体は、前記第1〜第3のIII−V化合物半導体に比べて、メサ構造を形成する前記工程において用いられるエッチャントでエッチングされやすく、前記メサ構造の幅は、前記第2導電型クラッド層から前記第1導電型クラッド層に向かう方向に大きくなる。
この方法によれば、順メサ形状のメサストライプの形成が容易になる。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、埋め込み構造の形状のばらつきを低減可能な、半導体光素子を作製する方法が提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図1(A)は、半導体レーザ素子のためのエピタキシャル半導体膜を成長する工程を示す図面である。図1(B)は、メサ構造を形成するためのマスクを形成する工程を示す図面である。
まず、半導体光素子のためのエピタキシャル半導体膜を成長する。これらのエピタキシャル半導体膜は、第1のIII−V化合物半導体からなる領域の主面上に成長される。第1のIII−V化合物半導体からなる領域は、例えば、半導体基板11によって提供される。半導体基板11の主面11aは、好ましくは(100)面または結晶学的に(100)面に等価な結晶面を有する。引き続いて説明される実施の形態では、実質的に(100)面であるInPウエハ上にエピタキシャル半導体膜を成長するけれども、このような具体的な結晶面に限定されることなく、(100)面からプラス0.1度〜マイナス0.1度の範囲で傾斜した結晶面により実質的に構成される半導体表面上にエピタキシャル半導体膜を成長することもできる。
図1(A)に示されるように、この結晶成長工程では、第2のIII−V化合物半導体から成る第1導電型クラッド膜13、活性領域15、第3のIII−V化合物半導体から成る第2導電型クラッド膜17、第4のIII−V化合物半導体から成るキャップ膜19をエピタキシャル成長する。この結晶成長は、例えば有機金属気相成長炉といった結晶成長装置21が使用される
一実施例では、
第1のIII−V化合物半導体:n型InP、
厚さ350μm、キャリア濃度1×1018cm−3
第2のIII−V化合物半導体:n型InP、
厚さ0.55μm、キャリア濃度8×1017cm−3
活性領域15:InGaAsP系半導体
第3のIII−V化合物半導体:p型InP、
厚さ0.44μm、キャリア濃度8×1017cm−3
第4のIII−V化合物半導体:p型InGaAs、
厚さ0.20μm、キャリア濃度2×1017cm−3
である。活性領域15は、例えば、単一の半導体層からなる構造、単一の量子井戸構造、多重量子井戸構造といった構成を有することができる。後工程においてマストランスポートを容易に生じさせるために、第3のIII−V化合物半導体はInP領域を含むことが好ましい。
図2(A)は、キャップ膜上にマスクを形成する工程と示す図面である。次いで、キャップ膜19上にマスクを形成する。この形成のために、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜といったシリコン系無機絶縁膜23をキャップ膜19上に形成する。シリコン系無機絶縁膜23上に感光性レジストを塗布して、パターンを有するフォトマスクを用いて露光する。露光されたレジストを現像して、レジストマスク25を作製する。図1(B)に示されるように、レジストマスク25を用いてシリコン系無機絶縁膜23のエッチング27を行う。図2(A)に示されるように、シリコン系無機絶縁物からなるマスク29が形成される。マスク29は、[011]方向または結晶学的に[011]軸に等価な方向に伸びるエッジ29aを有する。マスク29を用いて、キャップ膜19、第2導電型クラッド膜17、活性領域15および第1導電型クラッド膜13のウエットエッチングを行う。このエッチングの結果、[011]方向に伸びるストライプ状の光導波路メサ構造31が形成される。メサ構造31は、キャップ層39、第2導電型クラッド層37、エッチングされた活性領域35、および第1導電型クラッド層33を含む。ウエットエッチングのエッチャントとしては、例えばブロムメタノールを用いることができる。
キャップ膜19の第4のIII−V化合物半導体のエッチングレートは、光導波路メサ構造31を形成するためのエッチャントを用いるとき、第1〜第3のIII−V化合物半導体のエッチングレートに比べて大きいので、[011]方向に伸びるストライプ状のマスク29を用いても、メサ構造31の幅は第2導電型クラッド層37から第1導電型クラッド層33に向って大きくなる。いわゆる、順メサの形状が得られる。
図2(B)は、マストランスポートを引き起こす工程と示す図面である。このエッチングの後に、第2導電型クラッド層37の側面37aにおいてマストランスポートを引き起こす。マストランスポートは、例えば有機金属気相成長炉21といった熱処理装置を用いる。一実施例では、有機金属気相成長炉21内にリンおよび/またはリン化合物を含む雰囲気41を形成する。このリン雰囲気中において、光導波路メサ構造31を温度T1で熱処理する。InPのマストランスポートが生じて、第2導電型クラッド層37の側面の少なくとも一部分に(110)面の側面37bが生成される。また、第1〜第4のIII−V化合物半導体に含まれる少なくとも一のV族構成元素を含む雰囲気41を有機金属気相成長炉21内に形成することによって、V族空孔の発生を抑制できると共に、マストランスポートを引き起こすことができる。また、マストランスポートを引き起こすための処理温度T1は、摂氏570度以上であることが好ましい。摂氏570度以上の熱処理を用いると、第2導電型クラッド層37の側面に(110)面を形成することが容易になる。
熱処理条件の一例
熱処理温度T1:摂氏685度
熱処理時間:20分
リン雰囲気を形成するためのガス:PH、流量100sccm
である。熱処理温度の好適な範囲は、摂氏570度〜摂氏800度である。ガス流量の好適な範囲は、20sccm以上500sccmである。好適な熱処理時間の範囲は、5分以上60分以下である。
なお、少なくともリンを含む雰囲気を形成するためのガスとして、ターシャリ・ブチル・フォスフィン(TBP)等の有機リン化合物を用いることができる。必要な場合には、雰囲気41はヒ素を含むことができる。ヒ素を含む雰囲気を形成するためにヒ素化合物としては、アルシン(AsH)、ターシャリー・ブチル・アルシン(TBA)等を利用できる。
図3(A)は、埋め込み領域を形成する工程を示す図面である。該マストランスポートの後に、マスク29を用いて埋め込み領域を形成する。埋め込み領域43の成長は、例えば有機金属気相成長炉21といった成膜装置を用いる。一実施例では、埋め込み領域43は、第1のブロック層43aおよび第2のブロック層43bを含む。
一例を示せば、
第1のブロック層43a:p型InP
厚さ1.0μm、キャリア濃度1.3×1018cm−3
第2のブロック層43b:n型InP
厚さ1.0μm、キャリア濃度2.0×1018cm−3
である。なお、第1のブロック層43aはFeドープの高抵抗InPでもよい。埋め込み領域43は、シリコン系無機絶縁物からなるマスク29上には実質的に堆積されず、埋め込み領域43は、基板11および光導波路メサ構造31上に温度T2で堆積される。このため、光導波路メサ構造31の側面は埋め込み層に覆われ、光導波路メサ構造31は埋め込まれる。
好ましくは、埋め込み領域43を形成する工程は、マストランスポートを引き起こして第2導電型クラッド層37に(110)面の側面37bを形成する工程に引き続いて行われることが好ましい。マストランスポートを引き起こす工程に連続して埋め込み領域43を形成する工程を行えば、半導体領域11、33、35、37の表面が汚染されることなく、埋め込み領域43は、ウエハ面上において良好な均一性を有する。これは、半導体光素子の電気的特性および信頼性の向上につながる。結晶成長装置21として有機金属気相成長炉を用いれば、上記の2つの工程を連続して行うことができる。
マストランスポートを引き起こすための処理温度T1は、前記埋め込み領域を形成するための成長温度T2以上である(T1≧T2)ことが好ましい。マストランスポートを引き起こすための熱処理が、埋め込み領域を形成するための成長温度より高い温度で行われる場合、第2導電型クラッド層の側面に(110)面を形成することが容易になる。
この方法によれば、埋め込み成長に先立ってマストランスポートを引き起こして、第2導電型クラッド層37に(110)面の側面37bを形成している。この(110)面の側面は熱的に安定でありまた清浄であるので、埋め込み領域43は、ウエハ面上において良好な均一性を有する。
図3(B)は、マスクおよびキャップ層を除去する工程を示す図面である。埋め込み領域43を成長した後に、マスク29およびキャップ層39を除去する。マスク29の除去は、例えばフッ化水素酸水系溶液を用いる。また、キャップ層39の除去は、例えばリン酸水溶液を用いる。この結果、埋め込み領域43の表面43cおよび第2導電型クラッド層37の上面37cが露出される。
図4(A)は、第2導電型第2クラッド膜および第2導電型コンタクト膜を形成する工程を示す図面である。マスク29およびキャップ層39を除去した後に、第2導電型III−V化合物半導体からなるクラッド膜45を成長する。また、クラッド膜45を成長した後に、第2導電型コンタクト膜47を成長する。
一実施例では、
第2導電型クラッド膜45:p型InP、
厚さ1.65μm、キャリア濃度1.5×1019cm−3
第2導電型コンタクト膜47:p型InGaAs、
厚さ0.53μm、キャリア濃度1.0×1018cm−3
である。
図4(B)は、半導体光素子のための電極を形成する工程を示す図面である。第2導電型コンタクト膜47が成長された後に、第2導電型コンタクト膜47上にアレイ状に配列された第1のオーミック電極49aを形成する。また、第2導電型コンタクト膜47が成長された後に、基板11の裏面11b上に第2のオーミック電極49bを形成する。
一実施例では、
第1のオーミック電極49a:アノード電極
第2のオーミック電極49b:カソード電極
である。
図5は、エッチングにより光導波路メサ構造を作製した工程の中間生産物の電子顕微鏡写真を示す図面である。エッチングによりほぼ順メサ形状の半導体領域が形成される。この半導体領域は[011]方向に伸びている。
図6は、PH雰囲気中で熱処理された光導波路メサ構造を作製した工程の中間生産物の電子顕微鏡写真を示す図面である。図5に示された光導波路メサ構造の段面形状と比べて、図6に示された光導波路メサ構造の側面の一部分が基板の表面に垂直に伸びている。これは、熱処理によりマストランスポートが生じてInPの堆積が生じたことを示す。該当する側面はp型InPクラッド層によって提供される。
図7は、埋め込み成長により光導波路メサ構造を埋め込む工程の中間生産物の電子顕微鏡写真を示す図面である。埋め込み領域の全体にわたって、埋め込み領域は良好な均一性を有する。
以上説明したように、埋め込み成長に先立ってマストランスポートを引き起こして、第2導電型クラッド層の側面の少なくとも一部分に(110)面を形成している。この(110)面は清浄で熱的に安定であるので、埋め込み領域の全体にわたって、埋め込み領域は良好な均一性を示す。したがって、埋め込み構造の形状のばらつきを低減可能な、半導体光素子を作製する方法が提供される。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、半導体レーザ素子といった半導体光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、マストランスポートを引き起こすための熱処理装置として有機金属気相成長炉を用いることを例示的に説明しているけれども、V族構成元素を含む雰囲気下であればよい。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
図1(A)は、半導体レーザ素子のためのエピタキシャル半導体膜を成長する工程を示す図面である。図1(B)は、メサ構造を形成するためのマスクを形成する工程を示す図面である。 図2(A)は、キャップ膜上にマスクを形成する工程と示す図面である。図2(B)は、マストランスポートを引き起こす工程と示す図面である。 図3(A)は、埋め込み領域を形成する工程を示す図面である。図3(B)は、マスクおよびキャップ層を除去する工程を示す図面である。 図4(A)は、第2導電型第2クラッド膜および第2導電型コンタクト膜を形成する工程を示す図面である。図4(B)は、半導体光素子のための電極を形成する工程を示す図面である。 図5は、エッチングにより光導波路メサ構造を作製した工程の中間生産物の電子顕微鏡写真を示す図面である。 図6は、PH雰囲気中で熱処理された光導波路メサ構造を作製した工程の中間生産物の電子顕微鏡写真を示す図面である。 図7は、埋め込み成長により光導波路メサ構造を埋め込む工程の中間生産物の電子顕微鏡写真を示す図面である。
符号の説明
11…半導体基板、11a…半導体基板主面、13…第1導電型クラッド膜、15…活性領域、17…第2導電型クラッド膜、19…キャップ膜、21…結晶成長装置、23…シリコン系無機絶縁膜、25…レジストマスク、27…エッチング、29…マスク、31…光導波路メサ構造、33…第1導電型クラッド層、35…エッチングされた活性領域、37…第2導電型クラッド層、37a…第2導電型クラッド層側面、37b…第2導電型クラッド層の(110)面、37c…第2導電型クラッド層上面、39…キャップ層、41…リンおよび/またはリン化合物を含む雰囲気、T1…光導波路メサ構造の熱処理温度、T2…埋め込み領域成長温度、43…埋め込み領域、43a…第1のブロック層、43b…第2のブロック層、43c…埋め込み領域表面、45…第2導電型III−V化合物半導体クラッド膜、47…第2導電型コンタクト膜、49a…第1のオーミック電極、49b…第2のオーミック電極

Claims (5)

  1. 半導体光素子を作製する方法であって、
    (100)面を主面とする第1のIII−V化合物半導体からなる領域上に、第2のIII−V化合物半導体から成る第1導電型クラッド膜、活性領域、第3のIII−V化合物半導体から成る第2導電型クラッド膜、第4のIII−V化合物半導体から成るキャップ膜をエピタキシャル成長する工程と、
    前記キャップ膜上に[011]方向に沿って伸びるエッジを有するマスクを形成する工程と、
    前記キャップ膜、前記第2導電型クラッド膜、前記活性領域および前記第1導電型クラッド膜を前記マスクを用いてエッチングして、キャップ層、第2導電型クラッド層、エッチングされた活性領域、および第1導電型クラッド層を含むメサ構造を形成する工程と、
    前記第2導電型クラッド層の側面においてマストランスポートを引き起こして、前記第2導電型クラッド層の側面の少なくとも一部分に(110)面を形成する工程と、
    該マストランスポートの後に、前記マスクを用いて埋め込み領域を形成する工程と、
    前記マスクおよび前記キャップ層を除去した後に、第2導電型III−V化合物半導体膜を成長する工程と
    を備え、
    前記第3のIII−V化合物半導体はInPであり、
    埋め込み領域を形成する前記工程は、前記第2導電型クラッド層の前記側面の少なくとも一部分に(110)面を形成する前記工程に引き続いて行われ、
    前記キャップ膜の前記第4のIII−V化合物半導体は、前記第1〜第3のIII−V化合物半導体に比べて、メサ構造を形成する前記工程において用いられるエッチャントでエッチングされやすく、
    前記メサ構造の幅は、前記第2導電型クラッド層から前記第1導電型クラッド層に向かうに伴って大きくなり、
    前記メサ構造を形成する前記工程では、前記エッチングされた活性領域の幅よりも前記第2導電型クラッド層の幅が小さい前記メサ構造を形成する、ことを特徴とする方法。
  2. 前記マストランスポートはV族構成元素を含む雰囲気内で有機金属気相成長炉を用いて行われる、ことを特徴とする請求項1に記載された方法。
  3. 前記マストランスポートを引き起こすための処理温度T1は、摂氏800度以下であり、前記埋め込み領域を形成するための成長温度T2以上である(T1≧T2)、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された方法。
  4. 前記マストランスポートを引き起こすための処理温度T1は、摂氏800度以下であり、摂氏570度以上である(T1≧570℃)、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。
  5. 前記キャップ膜の前記第4のIII−V化合物半導体はInGaAsである、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された方法。
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