CN1169268C - 光学半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
在制造具有半导体衬底的光学半导体器件的方法中，通过使用包括源材料的选择性金属有机物汽相外延，将半导体层形成的光波导形成在所述半导体衬底上。在选择性金属有机物汽相外延中间歇地提供源材料。
Description
技术领域
本发明涉及具有半导体光波导的光学半导体器件的制造方法。
背景技术
现已公开了通过在工序中使用生长阻挡掩模的已知选择性金属有机物汽相外延(MOVPE)法在半导体衬底上制造半导体光波导的常规方法(“晶体生长”(Journal of Crystal Growth)170卷，1997年1月，634-638页，K.Kudo等人)。
通常，当使用选择性的MOVPE生长形成InP/InGaAsP基(based)光波导时，很难得到足够平整度的InGaAsP层。
下面介绍主要原因。
即，源材料种类(species)在半导体衬底表面上的迁移长度很短。因此，在源材料种类没有达到掩模开口部分的中心之前就发生了生长。
由此，靠近开口部分的生长阻挡掩模的部分(即，靠近形成的光波导的侧表面的部分)的膜厚度厚于中心部分。
此外，由于InGaAsP具有多种组分，适合平整度的生长条件各不相同，通常增大源材料种类迁移的生长条件裕度降低。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种制造具有能提高光波导平整度的光波导的光学半导体器件的方法。
根据本发明，通过使用包括源材料的选择性金属有机物汽相外延，将半导体层形成的光波导形成在半导体衬底上。此时，在选择性金属有机物汽相外延中间歇地提供源材料。
具体地，源材料以类脉冲形状提供。这里，类脉冲形状具有多个脉冲和脉冲暂停间隔。
此时，半导体层由III-V族化合物层形成。此外，源材料包括III族材料和V族材料。
在这种环境下，在选择性金属有机物汽相外延中连续地提供V族材料同时间歇地提供III族材料。
而且，通过使用每个脉冲在1和5个原子层之间的类脉冲形状提供III族材料。此外，脉冲暂停间隔为一秒或更多。
更具体地，在提供等待状态期间通过间歇地提供源材料气体，提供材料的半导体表面上的迁移增加或起动。由此，通过采用脉冲模式的选择性生长可以实现平整的波导结构。
采用这种脉冲模式的选择性生长，在MOVPE选择性生长中间歇地提供材料直接形成光波导。
而且，由于PL光谱线宽很窄，所以由脉冲模式选择性生长形成的MQW结构具有优良的结晶性。由此，使用由脉冲模式选择性生长形成的有源层的MQW结构作为半导体激光器，可以低阈值和高效率地工作。
此外，由脉冲模式选择性生长形成的MQW结构具有窄PL光谱线宽。因此，当带隙波长接近入射波长时，介入损失没有增加。由此，可以低驱动电压和小失调量(失调量＝调制器吸收层的入射波长带隙)实现大消光率。
因此，使用由脉冲模式选择性生长形成的MQW结构作为电吸收型半导体光学调制器可以实现低驱动电压、高消光率和低介入损失。
附图的简要说明
图1A为根据本发明第一个例子的光学半导体器件的剖面图；
图1B为解释根据本发明提供源材料的两种模式图；
图2为解释本发明工作的特性曲线图；
图3A到3E为根据本发明的第二个例子制造光学半导体激光器的一个方法；
图4为解释本发明工作的特性曲线图；
图5A到5C为根据本发明的第三个例子制造光学半导体激光器的一个方法；
图6为解释本发明的原理示出了MOVPE选择性生长掩模的示意图；
图7A和7B为解释本发明工作的图；
图8为解释本发明工作的特性曲线图；以及
图9为解释本发明工作的特性曲线图。
具体实施方式
首先参考图6介绍本发明的原理以较好地理解本发明。
首先在(100)InP衬底301上[011]方向内以1.5μm的间隔形成一对条形掩模302。使用MOVPE选择生长在1.5μm的间隔区域上生长InP303。此时，选择生长的层303为脊形，由上表面(100)平面和侧面的(111)平面的极平整晶面环绕。
因此，当该结构用做光波导时，可以实现低散射损失的理想光波导结构。
然而，当InGaAsP层用做选择生长层时，代替上表面上平整的(100)平面，在中心部分中形成凹形或槽形，如图7B所示。此时，InGaAsP层用做夹心层，同时InP层用做一般的InP/InGaAsP基光波导中的覆盖(clad)层。在图7B示出的结构中，不能实现优良的光波导。
接下来，介绍InP层和InGaAsP层之间选择生长的形状不同的原因。
即，对达到条形掩模302(SiO2掩模)或(111)平面的源材料来说不进行外延生长，对(100)上表面进行迁移，如图6所示。此时，达到(100)上平面的源材料由外延生长消耗。
在此环境中，In源材料均匀地分布在(100)平面上，这是由于在图6示出的(100)平面In源材料具有足够长的迁移长度。
另一方面，在(100)平面Ga源材料具有短迁移长度。因此，达到(100)上平面的Ga源材料不足以移动到(100)平面的中心部分。因此，Ga源材料聚集在光波导的侧面附近。即，在侧表面附近的分布增加。
由于以上提到的原因，当选择性地生长InP层时，形成平坦的(100)平面。与此相对比，当选择性地生长InGaAsP层时，没有形成平坦的(100)平面。
因此，当使用MOVPE选择生长形成InGaAsP层时，在本发明中进行脉冲模式选择生长。这里，在该脉冲模式选择生长中间歇地提供源材料。通过脉冲模式选择生长，在暂停提供源材料期间迁移可以增加或起动。因此，可以得到平坦的(100)上平面，如图7A所示。
这里，下面解释迁移增加的原因。
即，当间歇地提供源材料时，由提供材料暂停状态重新开始提供源材料的时刻，在生长衬底表面上不存在源材料。因此，生长的衬底表面和停滞层之间的材料浓度梯度比正常连续生长的大。
当浓度梯度大时，在不进行分解的条件下，达到衬底表面的材料比例变大。这是由于材料的扩散速率变大。
在不分解材料的条件下，材料立刻陷入生长层。由此，在分解工序期间对(100)平面上的材料进行迁移。
由此，与连续生长相比，脉冲模式生长中的材料种类的迁移长度变大。因此，可以在InGaAsP层内形成平坦的(100)上平面。
接下来，参考附图介绍本发明的实施例。首先，参考图2介绍脉冲模式选择生长。
在图2中，比较使用连续的选择生长形成的InGaAsP层的情况和使用脉冲模式选择生长形成的情况得出了生长的膜厚度和平整度之间的实验关系。
此时，横坐标轴表示选择生长的膜厚度，同时垂直坐标表示不平整度。这里，应该注意随着不平整度变大，平整度降低。
在这种实验中，砷化三氢(AsH3)和磷化氢(PH3)用做V族材料，在650℃的生长温度和200hPa的生长压力下，三甲基铟(TMIn)和三乙基镓(TEGa)用做III族材料。
在此条件中，连续地提供AsH3和PH3，同时间歇地提供TMIn和TEGa。此时，提供时间设为2秒钟(对应于1个原子层的生长时间)等待时间设为1秒钟。因此，很大程度上提高了平整度。
同时，每个脉冲III族材料提供量和平整度之间的关系表示在图8中。这里，横坐标轴代表生长原子层(ML：单层)数，同时纵坐标代表不平整度。
由此，可以证实在1到5个原子之间的III族材料提供量附近的平整度最出色，如图8所示。
此外，生长等待时间和平整度之间的关系表示在图9中。这里，使用III族材料提供量作为参数，横坐标轴代表生长等待时间，同时纵坐标代表不平整度。
由此，可以发现随着等待时间变长，平整度提高。此外，在一秒钟之前和之后效应饱和。
如前面提到的，在晶体生长中间歇地提供源材料，其中使用MOVPE选择生长法直接形成半导体光波导，如图1所示。
混合物，例如砷化三氢(AsH3)和磷化氢(PH3)或有机V族材料，例如(叔丁基砷化三氢)(TBAs)和(叔丁基磷化氢)(TBP)用做V族材料，在600℃和700℃之间的生长温度和30hPa和1000hPa之间的生长压力下，有机金属材料用做III族材料，作为使用MOVPE选择生长形成III-V化合物层的一个优选例子。
在脉冲生长法中，每个脉冲对应于一个原子层连续地提供V族材料，同时间歇地提供III族材料。此时，等待时间(III提供暂停时间)设为一秒钟或更多。
由此，在本发明中间歇地提供材料。因此，在生长衬底表面上源材料种类的迁移被起动。因此，可以实现平坦的光波导结构。(第一例)
接下来，参考图1A介绍本发明的第一个例子。
如图1A所示，使用已知的热化学汽相淀积(CVD)法在(100)n型InP衬底1上淀积100nm厚的SiO2膜，如图1A所示。此后，在[011]方向内构图距离为1.5μm的一对条形掩模2。
使用构图的衬底，通过MOVPE法选择性生长InP/InGaAsP(带隙波长：1.29μm)的双异质结构。
这里，在200hPa的生长压力、0.60μm/h的生长速率和V/III之比例为200进行生长。此外，使用脉冲模式进行InGaAsP层的生长，如图1B所示。此时，以2秒钟的生长时间和1秒钟的V族等待时间的3秒钟为一个周期进行脉冲模式的生长。
(第二例)
接下来，参考图3介绍本发明的第二个例子。
在第二个例子中，使用选择性生长法形成应变(strained)的多量子阱(MQW)结构作为有源层。MQW结构适用于掩埋的异质(BH)型半导体激光器。
如图3A所示，使用热CVD法在(100)n型InP衬底101上淀积100nm厚的SiO2膜。此后，在[011]方向内构图距离为1.5μm每个宽度为5μm的一对条形掩模102。
接下来，在1.5μm的空间区域选择生长应变的MQW结构103，如图3A所示。此时，层结构由n型InP缓冲层(厚度：100nm，n＝1×1018cm-3)、包含具有0.7％压缩变形的InGaAsP阱层和具有带隙波长1.13μm成分的InGaAsP阻挡层构成的六个周期的应变的MQW结构、以及p型InP层(厚度：200nm，p＝7×1017cm-3)构成。
这里，在650℃的生长温度、200hPa的生长压力、0.60μm/h的生长速率和V/III之比例为200下进行生长。
在此环境中，以2秒钟的生长时间和1秒钟的V族等待时间的3秒钟为一个周期进行脉冲模式的生长。
此时，使用微面积光致发光(micro PL)测量评估应变的MQW结构。使用聚焦在1μm直径的Ar激光束(波长：514.5nm)作为激励光源，结果PL峰值波长为1.31μm。
在图4中表示PL光谱线宽与激励光强度相关性。这里，应该注意实线代表使用脉冲模式选择生长形成的应变的MQW结构的测量结果。
与之相对比，虚线代表使用连续模式选择生长形成的应变的MQW结构的测量结果。
在这两种情况中，随着激励光强度增加，PL线宽也增加。该现象由已知的带填充效应和热效应引起。
这里，由脉冲模式选择生长形成的DH结构的PL光谱线宽在两种激励光强度中的5mev和10mev之间的范围内较窄。这一事实反映出InGaAsP的平整度，并意味着使用脉冲模式生长可以得到优良的结晶性。
接下来，在应变的MQW结构的上表面上形成SiO2掩模104。此后，使用SiO2掩模104作为选择生长掩模通过选择生长嵌入电流阻挡层105、106和107，如图3C所示。
此时，虽然形成p型InP层107以防止在再生长界面上形成pn结，但在本发明中不总需要。
最后，除掉SiO2掩模104，生长p型InP覆盖层108和p+-InGaAsP帽盖层109，如图3D所示。
进行电极形成工艺后，完成如图3E所示的半导体激光器。
切割300μm长的该器件。此外，将反射膜涂敷其上。这里，反射膜分别在前端面为30％的反射指数在后端面为90％的反射指数。
在该条件下，评估由2英寸的晶片的整个表面得到的15,366个器件中的每一个的器件特性。由此，每个器件在室温具有3.75mA的激光器振荡阈值电流的平均值(标准偏差±0.12mA)和0.612W/A的斜率效率的平均值(标准偏差±0.022W/A)。
另一方面，器件在85℃的温度下具有10.2mA的激光器振荡阈值电流的平均值(标准偏差±0.75mA)和0.505W/A的斜率效率的平均值(标准偏差±0.041W/A)。
(第三例)
接下来，参考图5介绍本发明的第三个例子。
在第三个例子中，本发明适用于已知的电场吸收型光学调制器。
在[011]方向内以1.5μm的间隔在(100)n型InP衬底201上形成一对SiO2掩模202。这里，每个SiO2掩模202宽度为8μm。
随后，使用MOVPE选择生长在1.5μm的空间区域选择生长多层结构203，如图3A所示。此时，层结构由n型InP缓冲层(厚度：100nm，n＝1×1018cm-3)、包含具有0.45％压缩变形的InGaAsP阱层(6nm厚)和具有带隙波长1.20μm成分的InGaAsP阻挡层构成的八个周期的应变的MQW结构、以及p型InP层(厚度：100nm，p＝7×1017cm-3)构成。
此时，和以上的第一个例子一样，应变的MQW结构使用脉冲模式选择生长形成。
在该种情况中，使用微PL对结构进行晶体评估。由此，PL峰值波长为1.52μm。此外，PL光谱线宽为22mev具有很窄的值。在第三例中可以实现比第一例中的PL光谱线宽更窄的值。
下面介绍原因。
即，阱层的每一层中的载流子密度很低并且带填充效应很小，是由于MQW的周期很多(即，八层)。
接下来，去除部分SiO2掩模以将掩模开口宽度设为5μm，如图5B所示。此后，选择生长p型InP层覆盖层204(150nm，p＝1×1018cm-3)和p+InGaAsP帽盖层205(300nm，p＝6×1018cm-3)，如图5B所示。
之后，对该结构进行电极形成工艺并切成200μm长的器件。最后，将非反射膜涂在两个端面以得到图5C所示的电场吸收型半导体光学调制器。这里，应该注意非反射膜的反射指数为0.1％以下。
在该条件下，评估由2英寸的晶片的整个表面得到的27,684个器件中的每一个的器件特性。由此，每个器件具有对于1.552μm的波长的入射光束在1V的驱动电压下15.22dB的消光比例的平均值(标准偏差±0.95dB)和对于1.552μm的波长的入射光束在2V的驱动电压下22.13dB的消光比例的平均值(标准偏差±1.53dB)。
此外，对于介入损耗，器件为3.22dB的平均值(标准偏差±0.28dB)。
下面介绍原因。
即，由脉冲模式选择生长形成的应变的MQW结构具有优良的结晶性和极窄的PL光谱宽度。由此，即使当应变的MQW吸收层的带隙波长(1.52μm)接近入射波长(1.552μm)以得到低压下的大消光比例时，在零偏置下吸收损耗可以抑制得较低。
在以上的例子中，虽然使用SiO2膜作为生长阻挡掩模，但也可以使用其它种类的膜例如其它的硅氧化膜和氮化硅膜。
Claims (13)
1.一种制造光学半导体器件的方法，该器件具有半导体衬底，包括步骤：
通过使用包括源材料的选择性金属有机物汽相外延，将半导体层形成的光波导形成在所述半导体衬底上，
在选择性金属有机物汽相外延中间歇地提供源材料。
2.根据权利要求1的方法，其中：
源材料以类脉冲形状提供，类脉冲形状具有多个脉冲和脉冲暂停间隔。
3.根据权利要求2的方法，其中：
所述半导体层由III族和V族化合物层形成。
4.根据权利要求3的方法，其中：
源材料包括III族材料和V族材料，以及
在选择性金属有机物汽相外延中连续地提供V族材料同时间歇地提供III族材料。
5.根据权利要求3的方法，其中：
通过使用每个脉冲在1和5个原子层之间的类脉冲形状提供III族材料。
6.根据权利要求2的方法，其中：
脉冲暂停间隔为一秒或更多。
7.根据权利要求1的方法，其中：
所述半导体层具有InP层和InGaAsP层；
在所述间歇地提供源材料的步骤中，仅形成InGaAsP层。
8.根据权利要求7的方法，其中：
源材料以类脉冲形状提供，类脉冲形状具有多个脉冲和脉冲暂停间隔。
9.根据权利要求7的方法，其中：
源材料包括III族材料和V族材料，以及
在选择性金属有机物汽相外延中连续地提供V族材料同时间歇地提供III族材料。
10.根据权利要求8的方法，其中：
通过使用每个脉冲在1和5个原子层之间的类脉冲形状提供III族材料。
11.根据权利要求8的方法，其中：
脉冲暂停间隔为一秒或更多。
12.根据权利要求11的方法，其中：
III族材料包括具有一个预定迁移长度的Ga材料，
在脉冲暂停间隔期间，InGaAsP层上的迁移长度增加。
13.根据权利要求12的方法，其中：
增加迁移长度以得到InGaAsP层上的平坦表面。
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